JP7054664B2 - 燃料電池 - Google Patents

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Description

本発明は、電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の両側に配設された金属セパレータとを有する燃料電池に関する。
例えば、特許文献１には、電解質膜の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、金属セパレータによって挟持した燃料電池が開示されている。この燃料電池では、電解質膜・電極構造体の発電面に沿って反応ガスを流す反応ガス流路が金属セパレータにのみ形成されている。
特許第４９４８８２３号公報
ところで、上述した特許文献１のような反応ガス流路は、金属セパレータをプレス成形することにより形成される。燃料電池において、金属セパレータにのみ反応ガス流路を形成する場合、電解質膜・電極構造体と金属セパレータとの積層方向に沿った反応ガス流路の深さ寸法が比較的大きくなる。また、反応ガス流路の平面形状を波形状にした場合、Ｒの大きさや流路ピッチが小さくなる。そうすると、金型の形状が複雑化するため、金型のコストが高騰化するとともに金型の寿命が短くなる。よって、燃料電池の製造コストが増大するという問題がある。
また、燃料電池では、電解質膜・電極構造体に反応ガスを円滑に導くことにより発電効率を高めることが望まれる。
本発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、製造コストの低廉化を図ることができるとともに発電効率を高めることができる燃料電池を提供することを目的とする。
本発明の一態様は、電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の両側に配設された金属セパレータとを有する燃料電池であって、前記金属セパレータのそれぞれと前記電解質膜・電極構造体との間には、多孔質体が配設され、前記多孔質体には、前記電解質膜・電極構造体の電極面に沿って、当該電極面の一端から他端まで波状に延在して反応ガスが流通する第１反応ガス流路が形成され、前記金属セパレータには、前記電極面に沿って、当該電極面の前記一端から前記他端まで直線状に延在して反応ガスが流通する第２反応ガス流路が形成され、前記第１反応ガス流路は、前記電極面の前記一端から前記他端までの区間の全長に渡って、前記多孔質体の厚さ方向に前記多孔質体を貫通するとともに前記第２反応ガス流路に連通し、前記電極面の前記一端から前記他端までの区間の全長において、前記第１反応ガス流路を流通する前記反応ガスの流通方向は、前記第２反応ガス流路を流通する前記反応ガスの流通方向と略同じである、燃料電池である。
本発明の他の態様は、電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の両側に配設された金属セパレータとを有する燃料電池であって、前記金属セパレータのそれぞれと前記電解質膜・電極構造体との間には、多孔質体が配設され、前記多孔質体には、前記電解質膜・電極構造体の電極面に沿って、当該電極面の一端から他端まで直線状に延在して反応ガスが流通する第１反応ガス流路が形成され、前記金属セパレータには、前記電極面に沿って、当該電極面の前記一端から前記他端まで波状に延在して反応ガスが流通する第２反応ガス流路が形成され、前記第１反応ガス流路は、前記電極面の前記一端から前記他端までの区間の全長に渡って、前記多孔質体の厚さ方向に前記多孔質体を貫通するとともに前記第２反応ガス流路に連通し、前記電極面の前記一端から前記他端までの区間の全長において、前記第１反応ガス流路を流通する前記反応ガスの流通方向は、前記第２反応ガス流路を流通する前記反応ガスの流通方向と略同じである、燃料電池である。
本発明の別の態様は、電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の両側に配設された金属セパレータとを有する燃料電池であって、前記金属セパレータのそれぞれと前記電解質膜・電極構造体との間には、多孔質体が配設され、前記多孔質体には、前記電解質膜・電極構造体の電極面に沿って波状に延在して反応ガスが流通する第１反応ガス流路が形成され、前記金属セパレータには、前記電極面に沿って直線状に延在して反応ガスが流通する第２反応ガス流路が形成され、前記第１反応ガス流路は、前記多孔質体の厚さ方向に前記多孔質体を貫通するとともに前記第２反応ガス流路に連通し、前記第２反応ガス流路を形成する壁面には、親水処理部が設けられている、燃料電池である。
このような構成によれば、多孔質体に第１反応ガス流路を形成するとともに金属セパレータに第２反応ガス流路を形成しているため、第２反応ガス流路の深さ寸法を比較的小さくすることができる。これにより、第２反応ガス流路を成形するための金型の形状を簡素化することができるため、金型の製造コストを低減させることができるとともに金型の長寿命化を図ることができる。従って、燃料電池の製造コストの低廉化を図ることができる。また、多孔質体に第１反応ガス流路を形成しているため、金属セパレータにのみ反応ガス流路を形成する場合と比較して、反応ガスの圧損を小さくすることができるとともに電解質膜・電極構造体に対するガス拡散性を向上させることができる。従って、発電効率を高めることができる。
本発明の一実施形態に係る燃料電池を備えた燃料電池スタックの一部省略分解斜視図である。 図１のＩＩ－ＩＩ線に沿った断面図である。 図１の樹脂フィルム付きＭＥＡを第１多孔質体側から視た平面説明図である。 図２の第２酸化剤ガス流路の説明図である。 図１の第１金属セパレータ側から視た樹脂フィルム付きＭＥＡの平面説明図である。 図１の樹脂フィルム付きＭＥＡを第２多孔質体側から視た平面説明図である。 図２の第２燃料ガス流路の説明図である。 図１の第２金属セパレータ側から視た樹脂フィルム付きＭＥＡの平面説明図である。 変形例に係る燃料電池を備えた燃料電池スタックの一部省略縦断面図である。 図９の第１酸化剤ガス流路と第２酸化剤ガス流路との説明図である。 図９の第１燃料ガス流路と第２燃料ガス流路との説明図である。
以下、本発明に係る燃料電池について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。
図１に示す燃料電池１０Ａは、燃料電池スタック１２を形成する。燃料電池スタック１２は、例えば、複数の燃料電池１０Ａが矢印Ａ方向（水平方向）又は矢印Ｃ方向（重力方向）に積層されるとともに、積層方向に締付荷重（圧縮荷重）が付与されることにより構成される。このような燃料電池スタック１２は、例えば、燃料電池電気自動車（図示せず）に搭載される。
燃料電池１０Ａは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する発電セルである。燃料電池１０Ａは、樹脂フィルム付きＭＥＡ１４と、樹脂フィルム付きＭＥＡ１４の一方の面側に配設された第１金属セパレータ１６と、樹脂フィルム付きＭＥＡ１４の他方の面側に配設された第２金属セパレータ１８とを備える。
燃料電池１０Ａの長辺方向である水平方向の一端縁部（矢印Ｂ１方向の端縁部）には、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ、冷却媒体入口連通孔２２ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂが設けられている。酸化剤ガス入口連通孔２０ａ、冷却媒体入口連通孔２２ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂは、鉛直方向（矢印Ｃ方向）に配列して設けられている。
各燃料電池１０Ａに設けられた酸化剤ガス入口連通孔２０ａは、積層方向（矢印Ａ方向）に互いに連通し、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する。各燃料電池１０Ａに設けられた冷却媒体入口連通孔２２ａは、積層方向に互いに連通し、冷却媒体、例えば、水を供給する。各燃料電池１０Ａに設けられた燃料ガス出口連通孔２４ｂは、積層方向に互いに連通し、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。
燃料電池１０Ａの長辺方向である水平方向の他端縁部（矢印Ｂ２方向の端縁部）には、燃料ガス入口連通孔２４ａ、冷却媒体出口連通孔２２ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂが設けられている。燃料ガス入口連通孔２４ａ、冷却媒体出口連通孔２２ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂは、鉛直方向（矢印Ｃ方向）に配列して設けられている。
各燃料電池１０Ａに設けられた燃料ガス入口連通孔２４ａは、積層方向に互いに連通し、燃料ガスを供給する。各燃料電池１０Ａに設けられた冷却媒体出口連通孔２２ｂは、積層方向に互いに連通し、冷却媒体を排出する。各燃料電池１０Ａに設けられた酸化剤ガス出口連通孔２０ｂは、積層方向に互いに連通し、酸化剤ガスを排出する。
酸化剤ガス入口連通孔２０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂと燃料ガス入口連通孔２４ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂの配置は、本実施形態に限定されるものではなく、要求される仕様に応じて、適宜設定すればよい。
図１及び図２に示すように、樹脂フィルム付きＭＥＡ１４は、電解質膜・電極構造体２６（ＭＥＡ）と、電解質膜・電極構造体２６の外周部に設けられた枠形状の樹脂フィルム２８（図１）と、電解質膜・電極構造体２６の一方の面２７に設けられた第１多孔質体３０と、電解質膜・電極構造体２６の他方の面２９に設けられた第２多孔質体３２とを備える。
電解質膜・電極構造体２６は、電解質膜３４と、電解質膜３４を挟持するカソード電極３６及びアノード電極３８とを有する。電解質膜３４は、例えば、固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）である。固体高分子電解質膜は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である。電解質膜３４は、アノード電極３８及びカソード電極３６に挟持される。電解質膜３４は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用することができる。
図２に示すように、カソード電極３６は、電解質膜３４の一方の面３１に接合される第１電極触媒層４０と、第１電極触媒層４０に積層される第１ガス拡散層４２とを有する。第１ガス拡散層４２は、ガスを拡散させることが容易である導電性を有する素材からなる。そのような素材の一例としては、カーボンペーパ又はカーボンクロスが挙げられる。
アノード電極３８は、電解質膜３４の他方の面３３に接合される第２電極触媒層４４と、第２電極触媒層４４に積層される第２ガス拡散層４６とを有する。第２ガス拡散層４６は、ガスを拡散させることが容易である導電性を有する素材からなる。そのような素材の一例としては、カーボンペーパ又はカーボンクロスが挙げられる。
図１において、樹脂フィルム２８は、額縁形状を有している。樹脂フィルム２８の内周端面は、電解質膜３４の外周端面に近接し、重なり又は当接する。樹脂フィルム２８の矢印Ｂ１方向側の端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ、冷却媒体入口連通孔２２ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂが設けられる。樹脂フィルム２８の矢印Ｂ２方向側の端縁部には、燃料ガス入口連通孔２４ａ、冷却媒体出口連通孔２２ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂが設けられる。
樹脂フィルム２８は、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＰＡ（ポリフタルアミド）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）、ＬＣＰ（リキッドクリスタルポリマー）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、又はｍ－ＰＰＥ（変性ポリフェニレンエーテル樹脂）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）又は変性ポリオレフィンで構成される。
図２及び図３において、第１多孔質体３０は、第１金属セパレータ１６と電解質膜・電極構造体２６との間に配設された導電性を有する矩形状の平板状部材である。第１多孔質体３０は、電解質膜・電極構造体２６の一方の面（第１ガス拡散層４２）に接合されている。第１多孔質体３０は、第１ガス拡散層４２と同様の素材で構成されている。すなわち、第１多孔質体３０は、例えば、カーボンペーパにより構成されている。ただし、第１多孔質体３０は、金属メッシュでもよい。
図３に示すように、第１多孔質体３０は、積層方向からの平面視で電解質膜・電極構造体２６と略同じ大きさに形成されている。ただし、第１多孔質体３０の大きさ及び形状等は、任意に設定することができる。
第１多孔質体３０には、第１ガス拡散層４２に酸化剤ガスを供給するための第１酸化剤ガス流路４８が形成されている。第１酸化剤ガス流路４８は、電極面を形成するカソード電極３６（図２）に沿って矢印Ｂ方向に波状に延在して反応ガスとしての酸化剤ガスが流通する複数本の第１流路溝５０（第１反応ガス流路）を有する。第１流路溝５０（第１酸化剤ガス流路４８）は、第１多孔質体３０の矢印Ｂ方向の全長に亘って波状に延在している。複数の第１流路溝５０は、矢印Ｃ方向（第１流路溝５０の幅方向）に等間隔に配置されている。
第１流路溝５０の幅寸法Ｗ１（図５）及び深さ寸法Ｄ１（図２）は、第１流路溝５０の全長に亘って略一定に形成されている。ただし、第１流路溝５０の幅寸法Ｗ１（図５）及び深さ寸法Ｄ１（図２）は、第１流路溝５０の延在方向で変化していてもよい。
図２において、第１流路溝５０は、第１多孔質体３０の厚さ方向（積層方向）に第１多孔質体３０を貫通している。第１流路溝５０の横断面形状は、四角形状に形成されている。ただし、第１流路溝５０の横断面形状は、四角形状に限定されない。
第１流路溝５０を形成する壁面には、撥水処理部５２が設けられている。撥水処理部５２は、例えば、フッ素樹脂を含むアルコール溶液を、第１流路溝５０を形成する壁面に塗布することにより形成することができる。ただし、撥水処理部５２は、任意の方法により第１流路溝５０を形成する壁面に形成してよい。撥水処理部５２は、例えば、撥水性を有する素材を含んで第１多孔質体３０を構成することによって第１流路溝５０を形成する壁面に形成してもよい。
図４に示すように、第１金属セパレータ１６の樹脂フィルム付きＭＥＡ１４に向かう面（以下、「表面１７ａ」という）には、例えば、矢印Ｂ方向に延在する第２酸化剤ガス流路５４が形成されている。第２酸化剤ガス流路５４は、矢印Ｂ方向に直線状に延在した複数本の凸部５６間に設けられた第２流路溝５８（第２反応ガス流路）を有する。換言すれば、第２酸化剤ガス流路５４は、金属製の平板をプレス成形することにより成形される。すなわち、第２流路溝５８は、矢印Ｂ方向に直線状に延在している。
図２に示すように、凸部５６の突出端面５７は、第１多孔質体３０に接触している。第２流路溝５８の幅寸法Ｗ２（図５）及び深さ寸法Ｄ２は、第２流路溝５８の全長に亘って略一定に形成されている。ただし、第２流路溝５８の幅寸法Ｗ２（図５）及び深さ寸法Ｄ２は、第２流路溝５８の延在方向で変化していてもよい。第２流路溝５８は、複数本（例えば、本実施形態では２本）の第１流路溝５０に連通している。
換言すれば、図５において、第２流路溝５８は、積層方向からの平面視で、複数本（本実施形態では２本）の第１流路溝５０に重なるように設けられている。第２流路溝５８の幅寸法Ｗ２は、第１流路溝５０の幅寸法Ｗ１よりも大きい。具体的には、第２流路溝５８の幅寸法Ｗ２は、第１流路溝５０の幅寸法Ｗ１の２倍以上である。図２において、第２流路溝５８の深さ寸法Ｄ２は、第１流路溝５０の深さ寸法Ｄ１よりも小さい。具体的には、第２流路溝５８の深さ寸法Ｄ２は、第１流路溝５０の深さ寸法Ｄ１の１／２以下である。第１流路溝５０と第２流路溝５８とは、平面視で互いに重なるように、幅寸法Ｗ１、Ｗ２、ピッチ、振幅を適宜設定すればよい。
第１酸化剤ガス流路４８と第２酸化剤ガス流路５４とは、互いに連通して酸化剤ガスをカソード電極３６に供給するための酸化剤ガス流路６０を形成する。酸化剤ガス流路６０は、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに流体的に連通する（図３及び図４参照）。
第２流路溝５８を形成する壁面には、導電性を有する親水処理部６２が設けられている。親水処理部６２は、例えば、ＴｉＯ2（酸化チタン）を熱酸化により成膜して形成される。ただし、親水処理部６２は、任意の方法により第２流路溝５８を形成する壁面に形成してよい。親水処理部６２は、第１多孔質体３０との接触面に設けなくてもよい。
図４に示すように、第１金属セパレータ１６の表面１７ａにおいて、酸化剤ガス入口連通孔２０ａと第２酸化剤ガス流路５４との間には、複数個のエンボス６４ａを有する入口バッファ部６６ａが設けられる。第１金属セパレータ１６の表面１７ａにおいて、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂと第２酸化剤ガス流路５４との間には、複数個のエンボス６４ｂを有する出口バッファ部６６ｂが設けられる。
第１金属セパレータ１６の表面１７ａには、プレス成形により第１シールライン６８が樹脂フィルム付きＭＥＡ１４（図１）に向かって膨出成形される。第１シールライン６８の凸部先端面には、樹脂材が印刷又は塗布等により固着されてもよい。樹脂材は、例えば、ポリエステル繊維が使用される。樹脂材は、樹脂フィルム２８側に設けられてもよい。
第１シールライン６８は、第２酸化剤ガス流路５４、入口バッファ部６６ａ及び出口バッファ部６６ｂを囲むビードシール（以下、「内側ビード部６９ａ」という）と、内側ビード部６９ａよりも外側に設けられるとともに第１金属セパレータ１６の外周に沿って延在するビードシール（以下、「外側ビード部６９ｂ」という）と、複数の連通孔（酸化剤ガス入口連通孔２０ａ等）を個別に囲む複数のビードシール（以下、「連通孔ビード部６９ｃ」という）とを有する。
酸化剤ガス入口連通孔２０ａを囲む連通孔ビード部６９ｃには、ブリッジ部７０ａが設けられる。ブリッジ部７０ａは、互いに間隔を置いて配置された複数のトンネル７２ａを有する。各トンネル７２ａは、酸化剤ガス入口連通孔２０ａと酸化剤ガス流路６０とを互いに連通させる。
酸化剤ガス出口連通孔２０ｂを囲む連通孔ビード部６９ｃには、ブリッジ部７０ｂが設けられる。ブリッジ部７０ｂは、互いに間隔を置いて配置された複数のトンネル７２ｂを有する。各トンネル７２ｂは、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂと酸化剤ガス流路６０とを互いに連通させる。
図２及び図６において、第２多孔質体３２は、第２金属セパレータ１８と電解質膜・電極構造体２６との間に配設された導電性を有する矩形状の平板状部材である。第２多孔質体３２は、電解質膜・電極構造体２６の他方の面（第２ガス拡散層４６）に接合されている。第２多孔質体３２は、第２ガス拡散層４６（第１多孔質体３０）と同様の素材で構成されている。すなわち、第２多孔質体３２は、例えば、カーボンペーパ又はカーボンクロスにより構成されている。
図６に示すように、第２多孔質体３２は、積層方向からの平面視で電解質膜・電極構造体２６と略同じ大きさに形成されている。ただし、第２多孔質体３２の大きさ及び形状等は、任意に設定することができる。
第２多孔質体３２には、第２ガス拡散層４６に酸化剤ガスを供給するための第１燃料ガス流路７４が形成されている。第１燃料ガス流路７４は、電極面を形成するアノード電極３８（図２）に沿って矢印Ｂ方向に波状に延在して反応ガスとしての燃料ガスが流通する複数本の第１流路溝７６（第１反応ガス流路）を有する。第１流路溝７６（第１燃料ガス流路７４）は、第２多孔質体３２の矢印Ｂ方向の全長に亘って波状に延在している。複数の第１流路溝７６は、矢印Ｃ方向（第１流路溝７６の幅方向）に等間隔に配置されている。
第１流路溝７６の幅寸法Ｗ３（図８）及び深さ寸法Ｄ３（図２）は、第１流路溝７６の全長に亘って略一定に形成されている。ただし、第１流路溝７６の幅寸法Ｗ３（図８）及び深さ寸法Ｄ３（図２）は、第１流路溝７６の延在方向で変化していてもよい。
図２において、第１流路溝７６は、第２多孔質体３２の厚さ方向（積層方向）に第２多孔質体３２を貫通している。第１流路溝７６の横断面形状は、四角形状に形成されている。ただし、第１流路溝７６の横断面形状は、四角形状に限定されない。
第１流路溝７６を形成する壁面には、撥水処理部７８が設けられている。撥水処理部７８は、例えば、フッ素樹脂を含むアルコール溶液を、第１流路溝７６を形成する壁面に塗布することにより形成することができる。ただし、撥水処理部７８は、任意の方法により第１流路溝５０を形成する壁面に形成してよい。撥水処理部７８は、例えば、撥水性を有する素材を含んで第２多孔質体３２を構成することによって第１流路溝７６を形成する壁面に形成してもよい。
図７に示すように、第２金属セパレータ１８の樹脂フィルム付きＭＥＡ１４に向かう面（以下、「表面１９ａ」という）には、例えば、矢印Ｂ方向に延在する第２燃料ガス流路８０が形成されている。第２燃料ガス流路８０は、矢印Ｂ方向に直線状に延在した複数本の凸部８２間に設けられた第２流路溝８４（第２反応ガス流路）を有する。換言すれば、第２燃料ガス流路８０は、金属製の平板をプレス成形することにより成形される。第２流路溝５８は、矢印Ｂ方向に直線状に延在している。
図２に示すように、凸部８２の突出端面８５は、第２多孔質体３２に接触している。第２流路溝８４の幅寸法Ｗ４（図８）及び深さ寸法Ｄ４は、第２流路溝８４の全長に亘って略一定に形成されている。ただし、第２流路溝８４の幅寸法Ｗ４（図８）及び深さ寸法Ｄ４は、第２流路溝８４の延在方向で変化していてもよい。第２流路溝８４は、複数本（例えば、本実施形態では２本）の第１流路溝７６に連通している。
換言すれば、図８において、第２流路溝８４は、積層方向からの平面視で、複数本（本実施形態では２本）の第１流路溝７６に重なるように設けられている。第２流路溝８４の幅寸法Ｗ４は、第１流路溝７６の幅寸法Ｗ３よりも大きい。具体的には、第２流路溝８４の幅寸法Ｗ４は、第１流路溝７６の幅寸法Ｗ３の２倍以上である。図２において、第２流路溝８４の深さ寸法Ｄ４は、第１流路溝７６の深さ寸法Ｄ３よりも小さい。具体的には、第２流路溝８４の深さ寸法Ｄ４は、第１流路溝７６の深さ寸法Ｄ３の１／２以下である。第１流路溝７６と第２流路溝８４とは、平面視で互いに重なるように、幅寸法Ｗ３、Ｗ４、ピッチ、振幅を適宜設定すればよい。
第１燃料ガス流路７４と第２燃料ガス流路８０とは、互いに連通して燃料ガスをアノード電極３８に供給するための燃料ガス流路８６を形成する。燃料ガス流路８６は、燃料ガス入口連通孔２４ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂに流体的に連通する（図６及び図７参照）。
第２流路溝８４を形成する壁面には、導電性を有する親水処理部８８が設けられている。親水処理部８８は、例えば、ＴｉＯ2（酸化チタン）を熱酸化により成膜して形成される。ただし、親水処理部８８は、任意の方法により第２流路溝８４を形成する壁面に形成してよい。
図７に示すように、第２金属セパレータ１８の表面１９ａにおいて、燃料ガス入口連通孔２４ａと第２燃料ガス流路８０との間には、複数個のエンボス９０ａを有する入口バッファ部９２ａが設けられる。第２金属セパレータ１８の表面１９ａにおいて、燃料ガス出口連通孔２４ｂと第２燃料ガス流路８０との間には、複数個のエンボス９０ｂを有する出口バッファ部９２ｂが設けられる。
第２金属セパレータ１８の表面１９ａには、プレス成形により第２シールライン９４が樹脂フィルム付きＭＥＡ１４（図１）に向かって膨出成形される。第２シールライン９４の凸部先端面には、樹脂材が印刷又は塗布等により固着されてもよい。樹脂材は、例えば、ポリエステル繊維が使用される。樹脂材は、樹脂フィルム２８側に設けられてもよい。
第２シールライン９４は、第２燃料ガス流路８０、入口バッファ部９２ａ及び出口バッファ部９２ｂを囲むビードシール（以下、「内側ビード部９５ａ」という）と、内側ビード部９５ａよりも外側に設けられるとともに第２金属セパレータ１８の外周に沿って延在するビードシール（以下、「外側ビード部９５ｂ」という）と、複数の連通孔（酸化剤ガス入口連通孔２０ａ等）を個別に囲む複数のビードシール（以下、「連通孔ビード部９５ｃ」という）とを有する。
燃料ガス入口連通孔２４ａを囲む連通孔ビード部９５ｃには、ブリッジ部９６ａが設けられる。ブリッジ部９６ａは、互いに間隔を置いて配置された複数のトンネル９８ａを有する。各トンネル９８ａは、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス流路８６とを互いに連通させる。
燃料ガス出口連通孔２４ｂを囲む連通孔ビード部９５ｃには、ブリッジ部９６ｂが設けられる。ブリッジ部９６ｂは、互いに間隔を置いて配置された複数のトンネル９８ｂを有する。各トンネル９８ｂは、燃料ガス出口連通孔２４ｂと燃料ガス流路８６とを互いに連通させる。
図１及び図２に示すように、互いに接合される第１金属セパレータ１６の面１７ｂと第２金属セパレータ１８の面１９ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔２２ａと冷却媒体出口連通孔２２ｂとに流体的に連通する冷却媒体流路１００が形成される。冷却媒体流路１００は、第２酸化剤ガス流路５４が形成された第１金属セパレータ１６の裏面形状と、第２燃料ガス流路８０が形成された第２金属セパレータ１８の裏面形状とが重なり合って形成される。第１金属セパレータ１６と第２金属セパレータ１８は外周及び連通孔の周囲を溶接することにより接合される。溶接に代えて、ロウ付けによって接合されてもよい。第１金属セパレータ１６及び第２金属セパレータ１８の少なくともいずれかには、導電性を有する耐食性皮膜が設けられていてもよい。このような耐食性皮膜は、例えば、金又はＴｉＯ2（酸化チタン）等で形成することができる。
このように構成される燃料電池１０Ａは、以下のように動作する。
まず、図１に示すように、酸素含有ガス等の酸化剤ガス、例えば、空気は、酸化剤ガス入口連通孔２０ａに供給される。水素含有ガス等の燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２４ａに供給される。純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体は、冷却媒体入口連通孔２２ａに供給される。
酸化剤ガスは、図３及び図４に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２０ａから酸化剤ガス流路６０（第１酸化剤ガス流路４８及び第２酸化剤ガス流路５４）に導入される。そして、図１に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路６０に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体２６のカソード電極３６に供給される。この際、酸化剤ガスは、主に第１酸化剤ガス流路４８を流れる。
一方、図６及び図７に示すように、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２４ａから燃料ガス流路８６（第１燃料ガス流路７４及び第２燃料ガス流路８０）に導入される。そして、燃料ガスは、燃料ガス流路８６に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体２６のアノード電極３８に供給される。この際、燃料ガスは、主に第１燃料ガス流路７４を流れる。
従って、各電解質膜・電極構造体２６では、カソード電極３６に供給される酸化剤ガスと、アノード電極３８に供給される燃料ガスとが、第１電極触媒層４０及び第２電極触媒層４４内で電気化学反応により消費されて、発電が行われる。この際、発電によって生成水が発生する。
次いで、図３及び図４に示すように、カソード電極３６に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路６０から酸化剤ガス出口連通孔２０ｂへと流動し、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。このとき、電解質膜・電極構造体２６で発生した生成水は、第１酸化剤ガス流路４８から第２酸化剤ガス流路５４に導かれ、第２酸化剤ガス流路５４を矢印Ｂ方向に移動し、酸化剤ガスとともに酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに沿って矢印Ａに排出される。
同様に、図６及び図７に示すように、アノード電極３８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス流路８６から燃料ガス出口連通孔２４ｂへと流動し、燃料ガス出口連通孔２４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。このとき、電解質膜・電極構造体２６で発生した生成水は、電解質膜３４を透過して、カソード電極３６からアノード電極３８に移動し、第１燃料ガス流路７４から第２燃料ガス流路８０に導かれ、第２燃料ガス流路８０を矢印Ｂ方向に移動し、燃料ガスとともに燃料ガス出口連通孔２４ｂに沿って矢印Ａに排出される。
また、冷却媒体入口連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、第１金属セパレータ１６と第２金属セパレータ１８との間に形成された冷却媒体流路１００に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２６を冷却した後、冷却媒体出口連通孔２２ｂから排出される。
この場合、本実施形態に係る燃料電池１０Ａは、以下の効果を奏する。
上述したように、多孔質体（第１多孔質体３０及び第２多孔質体３２）に第１反応ガス流路（第１流路溝５０、７６）を形成するとともに金属セパレータ（第１金属セパレータ１６及び第２金属セパレータ１８）に第２反応ガス流路（第２流路溝５８、８４）を形成している。これにより、第２反応ガス流路（第２流路溝５８、８４）の深さ寸法を比較的小さくすることができる。よって、第２反応ガス流路（第２流路溝５８、８４）を成形するための金型の形状を簡素化することができるため、金型の製造コストを低減させることができるとともに金型の長寿命化を図ることができる。従って、燃料電池１０Ａの製造コストの低廉化を図ることができる。
また、多孔質体（第１多孔質体３０及び第２多孔質体３２）に第１反応ガス流路（第１流路溝５０、７６）を形成しているため、金属セパレータ（第１金属セパレータ１６及び第２金属セパレータ１８）にのみ反応ガス流路を形成する場合と比較して、反応ガス（酸化剤ガス及び燃料ガス）の圧損を小さくすることができるとともに電解質膜・電極構造体２６に対するガス拡散性を向上させることができる。従って、発電効率を高めることができる。
第１反応ガス流路（第１流路溝５０、７６）は、波状に延在し、第２反応ガス流路（第２流路溝５８、８４）は直線状に延在している。これにより、第２反応ガス流路（第２流路溝５８、８４）を成形する金型の形状を一層簡素化することができるため、金型の製造コストを一層低減させることができるとともに金型の更なる長寿命化を図ることができる。従って、燃料電池１０Ａの製造コストのさらなる低廉化を図ることができる。
第１反応ガス流路（第１流路溝５０、７６）を形成する壁面には、撥水処理部５２が設けられている。
このような構成によれば、発電によって発生した生成水が第１反応ガス流路（第１流路溝５０、７６）に滞留することを抑えることができる。換言すれば、生成水を第１反応ガス流路（第１流路溝５０、７６）から第２反応ガス流路（第２流路溝５８、８４）に円滑に導くことができる。これにより、第１反応ガス流路（第１流路溝５０、７６）に反応ガス（酸化剤ガス及び燃料ガス）を円滑に流通させることができる。
第２反応ガス流路（第２流路溝５８、８４）を形成する壁面には、親水処理部６２が設けられている。
このような構成によれば、第２反応ガス流路（第２流路溝５８、８４）に生成水を円滑に流通させることができる。
第２反応ガス流路の深さ寸法（第２流路溝５８の深さ寸法Ｄ２及び第２流路溝８４の深さ寸法Ｄ４）は、第１反応ガス流路の深さ寸法（第１流路溝５０の深さ寸法Ｄ１及び第１流路溝７６の深さ寸法Ｄ３）よりも小さい。
このような構成によれば、第２反応ガス流路（第２流路溝５８、８４）を成形するための金型の形状を一層簡素化することができるため、燃料電池１０Ａの製造コストのさらなる低廉化を図ることができる。
第２反応ガス流路の幅寸法（第２流路溝５８の幅寸法Ｗ２及び第２流路溝８４の幅寸法Ｗ４）は、第１反応ガス流路の幅寸法（第１流路溝５０の幅寸法Ｗ１及び第１流路溝７６の幅寸法Ｗ３）よりも大きい。このような構成によれば、第２反応ガス流路（第２流路溝５８、８４）に生成水を円滑に流通させることができる。
本発明は、第１多孔質体３０又は第２多孔質体３２を省略してもよい。この場合であっても、製造コストの低廉化を図ることができるとともに発電効率を高めることができるという本願発明の上述した効果を奏する。なお、第１多孔質体３０を省略する場合には、第１金属セパレータ１６の第２流路溝５８の溝深さ寸法Ｄ２を第２金属セパレータ１８の第２流路溝８４の溝深さ寸法Ｄ４よりも大きくしてもよい。第２多孔質体３２を省略する場合には、第２金属セパレータ１８の第２流路溝８４の溝深さ寸法Ｄ４を第１金属セパレータ１６の第２流路溝５８の溝深さ寸法Ｄ２よりも大きくしてもよい。
（変形例）
次に、変形例に係る燃料電池１０Ｂについて図９～図１１を参照しながら説明する。本変形例において、上述した実施形態と同一の構成には同一の参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図９～図１１に示すように、燃料電池１０Ｂは、樹脂フィルム付きＭＥＡ１４ａ、第１金属セパレータ１６ａ及び第２金属セパレータ１８ａを備える。
図９及び図１０に示すように、樹脂フィルム付きＭＥＡ１４ａの第１多孔質体３０ａには、第１ガス拡散層４２に酸化剤ガスを供給するための第１酸化剤ガス流路４８ａが形成されている。第１酸化剤ガス流路４８ａは、カソード電極３６（電極面）に沿って矢印Ｂ方向に直線状に延在して反応ガスとしての酸化剤ガスが流通する複数本の第１流路溝５０ａ（第１反応ガス流路）を有する。第１流路溝５０ａ（第１酸化剤ガス流路４８ａ）は、第１多孔質体３０ａの矢印Ｂ方向の全長に亘って直線状に延在している。複数の第１流路溝５０ａは、矢印Ｃ方向（第１流路溝５０ａの幅方向）に等間隔に配置されている。
第１流路溝５０ａの幅寸法Ｗ５（図１０）及び深さ寸法Ｄ５（図９）は、その全長に亘って略一定に形成されている。ただし、第１流路溝５０ａの幅寸法Ｗ５（図１０）及び深さ寸法Ｄ５（図９）は、第１流路溝５０ａの延在方向で変化していてもよい。
図９において、第１流路溝５０ａは、第１多孔質体３０ａの厚さ方向（積層方向）に第１多孔質体３０ａを貫通している。第１流路溝５０ａの横断面形状は、四角形状に形成されている。ただし、第１流路溝５０ａの横断面形状は、四角形状に限定されない。第１流路溝５０ａを形成する壁面には、撥水処理部５２が設けられている。
図１０に示すように、第１金属セパレータ１６ａの表面１７ａ（図９）には、矢印Ｂ方向に延在する第２酸化剤ガス流路５４ａが形成されている。第２酸化剤ガス流路５４ａは、矢印Ｂ方向に波状に延在した複数本の凸部５６ａ間に設けられた複数本の第２流路溝５８ａ（第２反応ガス流路）を有する。換言すれば、第２酸化剤ガス流路５４ａは、金属製の平板をプレス成形することにより成形される。すなわち、第２流路溝５８ａは、矢印Ｂ方向に波状に延在している。
図９に示すように、凸部５６ａの突出端面５７は、第１多孔質体３０ａに接触している。第２流路溝５８ａの幅寸法Ｗ６（図１０）及び深さ寸法Ｄ６は、第２流路溝５８ａの全長に亘って略一定に形成されている。ただし、第２流路溝５８ａの幅寸法Ｗ６（図１０）及び深さ寸法Ｄ６は、第２流路溝５８ａの延在方向で変化していてもよい。第２流路溝５８ａは、複数本（例えば、本実施形態では２本）の第１流路溝５０ａに連通している。
換言すれば、図１０において、第２流路溝５８ａは、積層方向からの平面視で、複数本（本実施形態では２本）の第１流路溝５０ａに重なるように設けられている。第２流路溝５８ａの幅寸法Ｗ６は、第１流路溝５０ａの幅寸法Ｗ５よりも大きい。具体的には、第２流路溝５８ａの幅寸法Ｗ６は、第１流路溝５０ａの幅寸法Ｗ５の２倍以上である。図９において、第２流路溝５８ａの深さ寸法Ｄ６は、第１流路溝５０ａの深さ寸法Ｄ５よりも小さい。具体的には、第２流路溝５８ａの深さ寸法Ｄ６は、第１流路溝５０ａの深さ寸法Ｄ５の１／２以下である。第１流路溝５０ａと第２流路溝５８ａとは、平面視で互いに重なるように、幅寸法Ｗ５、Ｗ６、ピッチ、振幅を適宜設定すればよい。
第１酸化剤ガス流路４８ａと第２酸化剤ガス流路５４ａとは、互いに連通して酸化剤ガスをカソード電極３６に供給するための酸化剤ガス流路６０ａを形成する。第２流路溝５８ａを形成する壁面には、親水処理部６２が設けられている
図９及び図１１に示すように、樹脂フィルム付きＭＥＡ１４ａの第２多孔質体３２ａには、第２ガス拡散層４６に燃料ガスを供給するための第１燃料ガス流路７４ａが形成されている。第１燃料ガス流路７４ａは、電極面を形成するアノード電極３８に沿って矢印Ｂ方向に直線状に延在して反応ガスとしての燃料ガスが流通する複数本の第１流路溝７６ａ（第１反応ガス流路）を有する。第１流路溝７６ａ（第１燃料ガス流路７４ａ）は、第２多孔質体３２ａの矢印Ｂ方向の全長に亘って直線状に延在している。複数の第１流路溝７６ａは、矢印Ｃ方向（第１流路溝７６ａの幅方向）に等間隔に配置されている。
第１流路溝７６ａの幅寸法Ｗ７（図１１）及び深さ寸法Ｄ７（図９）は、その全長に亘って略一定に形成されている。ただし、第１流路溝７６ａの幅寸法Ｗ７（図１１）及び深さ寸法Ｄ７（図９）は、第１流路溝７６ａの延在方向で変化していてもよい。
図９において、第１流路溝７６ａは、第２多孔質体３２ａの厚さ方向（積層方向）に第２多孔質体３２ａを貫通している。第１流路溝７６ａの横断面形状は、四角形状に形成されている。ただし、第１流路溝７６ａの横断面形状は、四角形状に限定されない。第１流路溝７６ａを形成する壁面には、撥水処理部７８が設けられている。
図１１に示すように、第２金属セパレータ１８ａの表面１９ａ（図９）には、矢印Ｂ方向に延在する第２燃料ガス流路８０ａが形成されている。第２燃料ガス流路８０ａは、矢印Ｂ方向に波状に延在した複数本の凸部８２ａ間に設けられた第２流路溝８４ａ（第２反応ガス流路）を有する。換言すれば、第２燃料ガス流路８０ａは、金属製の平板をプレス成形することにより成形される。すなわち、第２流路溝８４ａは、矢印Ｂ方向に波状に延在している。
図９に示すように、凸部８２ａの突出端面８５は、第２多孔質体３２ａに接触している。第２流路溝８４ａの幅寸法Ｗ８（図１１）及び深さ寸法Ｄ８は、第２流路溝８４ａの全長に亘って略一定に形成されている。ただし、第２流路溝８４ａの幅寸法Ｗ８（図１１）及び深さ寸法Ｄ８は、第２流路溝８４ａの延在方向で変化していてもよい。第２流路溝８４ａは、複数本（例えば、本実施形態では２本）の第１流路溝７６ａに連通している。
換言すれば、図１１において、第２流路溝８４ａは、積層方向からの平面視で、複数本（本実施形態では２本）の第１流路溝７６ａに重なるように設けられている。第２流路溝８４ａの幅寸法Ｗ８は、第１流路溝７６ａの幅寸法Ｗ７よりも大きい。具体的には、第２流路溝８４ａの幅寸法Ｗ８は、第１流路溝７６ａの幅寸法Ｗ７の２倍以上である。図９において、第２流路溝８４ａの深さ寸法Ｄ８は、第１流路溝７６ａの深さ寸法Ｄ７よりも小さい。具体的には、第２流路溝８４ａの深さ寸法Ｄ８は、第１流路溝７６ａの深さ寸法Ｄ７の１／２以下である。第１流路溝７６ａと第２流路溝８４ａとは、平面視で互いに重なるように、幅寸法Ｗ７、Ｗ８、ピッチ、振幅を適宜設定すればよい。
第１燃料ガス流路７４ａと第２燃料ガス流路８０ａとは、互いに連通して燃料ガスをアノード電極３８に供給するための燃料ガス流路８６ａを形成する。第２流路溝８４ａを形成する壁面には、親水処理部８８が設けられている。
本変形例に係る燃料電池１０Ｂによれば、上述した燃料電池１０Ａと同様の効果を奏する。
本発明に係る燃料電池は、上述の実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
１０Ａ、１０Ｂ…燃料電池
１６、１６ａ…第１金属セパレータ（金属セパレータ）
１８、１８ａ…第２金属セパレータ（金属セパレータ）
２６…電解質膜・電極構造体
３０、３０ａ…第１多孔質体（多孔質体）
３２、３２ａ…第２多孔質体（多孔質体）
３６…カソード電極（電極面） ３８…アノード電極（電極面）
４８、４８ａ…第１酸化剤ガス流路（第１反応ガス流路）
５２、７８…撥水処理部
５４、５４ａ…第２酸化剤ガス流路（第２反応ガス流路）
６２、８８…親水処理部
７４、７４ａ…第１燃料ガス流路（第１反応ガス流路）
８０、８０ａ…第２燃料ガス流路（第２反応ガス流路）

Claims (6)

  1. 電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の両側に配設された金属セパレータとを有する燃料電池であって、
    前記金属セパレータのそれぞれと前記電解質膜・電極構造体との間には、多孔質体が配設され、
    前記多孔質体には、前記電解質膜・電極構造体の電極面に沿って、当該電極面の一端から他端まで波状に延在して反応ガスが流通する第１反応ガス流路が形成され、
    前記金属セパレータには、前記電極面に沿って、当該電極面の前記一端から前記他端まで直線状に延在して反応ガスが流通する第２反応ガス流路が形成され、
    前記第１反応ガス流路は、前記電極面の前記一端から前記他端までの区間の全長に渡って、前記多孔質体の厚さ方向に前記多孔質体を貫通するとともに前記第２反応ガス流路に連通し、
    前記電極面の前記一端から前記他端までの区間の全長において、前記第１反応ガス流路を流通する前記反応ガスの流通方向は、前記第２反応ガス流路を流通する前記反応ガスの流通方向と略同じである、燃料電池。
  2. 電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の両側に配設された金属セパレータとを有する燃料電池であって、
    前記金属セパレータのそれぞれと前記電解質膜・電極構造体との間には、多孔質体が配設され、
    前記多孔質体には、前記電解質膜・電極構造体の電極面に沿って、当該電極面の一端から他端まで直線状に延在して反応ガスが流通する第１反応ガス流路が形成され、
    前記金属セパレータには、前記電極面に沿って、当該電極面の前記一端から前記他端まで波状に延在して反応ガスが流通する第２反応ガス流路が形成され、
    前記第１反応ガス流路は、前記電極面の前記一端から前記他端までの区間の全長に渡って、前記多孔質体の厚さ方向に前記多孔質体を貫通するとともに前記第２反応ガス流路に連通し、
    前記電極面の前記一端から前記他端までの区間の全長において、前記第１反応ガス流路を流通する前記反応ガスの流通方向は、前記第２反応ガス流路を流通する前記反応ガスの流通方向と略同じである、燃料電池。
  3. 請求項１又は２に記載の燃料電池であって、
    前記第１反応ガス流路を形成する壁面には、撥水処理部が設けられている、燃料電池。
  4. 電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の両側に配設された金属セパレータとを有する燃料電池であって、
    前記金属セパレータのそれぞれと前記電解質膜・電極構造体との間には、多孔質体が配設され、
    前記多孔質体には、前記電解質膜・電極構造体の電極面に沿って波状に延在して反応ガスが流通する第１反応ガス流路が形成され、
    前記金属セパレータには、前記電極面に沿って直線状に延在して反応ガスが流通する第２反応ガス流路が形成され、
    前記第１反応ガス流路は、前記多孔質体の厚さ方向に前記多孔質体を貫通するとともに前記第２反応ガス流路に連通し、
    前記第２反応ガス流路を形成する壁面には、親水処理部が設けられている、燃料電池。
  5. 請求項１～４のいずれか１項に記載の燃料電池であって、
    前記第２反応ガス流路の深さ寸法は、前記第１反応ガス流路の深さ寸法よりも小さい、燃料電池。
  6. 請求項１～５のいずれか１項に記載の燃料電池であって、
    前記第２反応ガス流路の幅寸法は、前記第１反応ガス流路の幅寸法よりも大きい、燃料電池。
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