KR101831032B1 - 연료 전지 셀 - Google Patents

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히데키 구보
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세이지 미즈노
노리시게 곤노
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Abstract

연료 전지 셀에 있어서, 캐소드 유로(152)는, 산화 가스 공급 구멍(104IN)으로부터 산화 가스 배출 구멍(104OT)까지 연장된다. 산화 가스의 흐름 방향이 원래의 방향으로 복귀될 때까지의 턴 간격은, 상류측 유로 영역(Ru)과 하류측 유로 영역(Rd)에서 상이하다. 상류측 유로 영역(Ru)에서의 상기 턴 간격(Tu)과 상기 하류측 유로 영역(Rd)에서의 상기 턴 간격(Td)과의 비를, 1.1:1 내지 3:1로 하고, 상기 상류측 유로 영역(Ru)을 상기 애노드 유로(200)의 최하류측 유로부(Srd)에 막전극 접합체(110D)를 끼워서 겹친다.

Description

연료 전지 셀{FUEL CELL}
본 발명은 연료 전지 셀에 관한 것이다.
연료 전지 셀은, 전해질막의 막면에 전극을 접합한 막전극 접합체(이하, MEA:Membrane Electrode Assembly)와 애노드 유로와 캐소드 유로를 구비하고, 각 유로로부터 공급된 연료 가스와 산화 가스의 공급을 받아서 발전한다. 최근에는, 금속제의 박판의 프레스 성형을 거친 익스팬드 메탈이 다용되고 있다. 익스팬드 메탈에서는, 가스 공급측에서 배출측을 향하는 가스의 흐름 방향과 교차되도록, 그물눈 형상의 익스팬드 유로가 배치되어 있고, 익스팬드 유로가, 굴곡되면서 가스 공급측에서 배출측까지를 연결하고 있다. 이러한 그물눈 형상의 유로를 가스가 통과할 때, 유로의 굴곡 부위의 통과 시에 있어서 압력 손실이 발생하고, 이러한 압력 손실은, 연료 전지 셀의 발전 성능의 저하를 초래하기 쉬우므로, 가스 공급측의 압력 손실을 억제하는 방법이 제안되어 있다.
일본 특허 공개 제2009-26472에서는, 익스팬드 메탈을 구비하는 연료 전지에 있어서, 상기 익스팬드 메탈을 가스 하류측에서 가스 상류측보다도 가스에 대한 압력 손실을 증대시키도록 형성하고, 익스팬드 메탈 전체의 가스에 대한 압력 손실을 과도하게 높게 하지 않고, 발전체에의 가스 공급량의 불균일을 작게 하고 있다. 또한 일본 특허 공개 제2010-170984에서는, 연료 전지의 익스팬드 메탈에 의해 가스 유로가 형성된 연료 전지에 있어서, 상기 가스 유로를 가스가 미세한 턴을 반복하지 않고 흐르도록 형성하여, 가스의 압력 손실을 감소시키고 있다. 가스가 흐르는 방향의 턴 개소에서는, 여기에 이르는 가스의 흐름 방향이 변하는 것 때문에, 국부적이라고는 해도 가스의 방향이 MEA의 전극면을 향하거나, 이 전극면으로부터 이격되는 측을 향하거나 한다. 이로 인해, 턴 개소에서는, MEA로부터의 수분의 증산이나 MEA에의 수분의 침투가 일어나고, 수분 증산이 과다하면 MEA의 습윤의 악화를 초래하고, 수분 침투가 과다하면 MEA의 플러딩을 초래하는 것이 위구된다. 그러나, 상기 특허문헌에서는, 이러한 점에 대해서 고려되어 있지 않다. 또한, 익스팬드 유로가 캐소드측의 유로이면, MEA를 사이에 끼운 애노드측에는, 수소 가스를 공급하는 애노드 유로가 존재하지만, 이러한 애노드 유로와의 관계에 대해서도, 상기 특허문헌에서는 고려되어 있지 않다. 이러한 것으로부터, 가스 공급측에서의 가스의 압력 손실 억제와 플러딩의 억제의 양립을 도모하는 것이 요망된다.
본 발명은 산화 가스의 공급측에 있어서의 압력 손실의 억제와 플러딩의 억제의 양립을 가능하게 하는 연료 전지 셀을 제공한다.
(1) 본 발명의 일 형태에 의하면, 연료 전지 셀이 제공된다. 이 연료 전지 셀은, 전해질막과 상기 전해질막의 막면에 접합된 전극을 갖는 막전극 접합체와, 연료 가스 공급 구멍과 연료 가스 배출 구멍을 갖는 애노드측 유로 형성부이며, 상기 연료 가스 공급 구멍으로부터 상기 연료 가스 배출 구멍에 이르는 사이에 상기 막전극 접합체의 한쪽 전극에 상기 연료 가스를 공급하는 애노드 유로를, 가스의 흐름 방향이 복수회 반전되는 서펜타인 유로 형상의 유로로서 형성하는 애노드측 유로 형성부와, 산화 가스 공급 구멍과 산화 가스 배출 구멍을 갖는 캐소드측 유로 형성부이며, 상기 산화 가스 공급 구멍으로부터 상기 산화 가스 배출 구멍에 이르는 사이에 상기 막전극 접합체의 다른쪽 전극에 상기 산화 가스를 확산 공급하는 캐소드 유로를, 그물눈 형상 유로로서 형성하는 캐소드측 유로 형성부를 구비한다. 그리고, 상기 캐소드측 유로 형성부는, 상기 그물눈 형상 유로를 형성하는 유로 형성 요소가 대향하는 상기 산화 가스 공급 구멍으로부터 상기 산화 가스 배출 구멍을 향하는 제1 방향과 교차하는 제2 방향을 따라서 복수 연속 설치된 유로 형성 요소 열을, 상기 산화 가스 공급 구멍으로부터 상기 산화 가스 배출 구멍에 이르기까지 상기 제1 방향을 따라서 복수 열 연속 설치시킴과 함께, 상기 복수 열의 상기 유로 형성 요소 열을, 상기 그물눈 형상 유로를 흐르는 상기 산화 가스의 흐름 방향이 n열(n은 2 이상의 정수)마다 상기 제1 방향에 대하여 선 대칭인 한쪽 측으로 경사진 방향과 다른쪽 측으로 경사진 방향으로 턴하도록, 연속 설치하고, 상기 산화 가스의 흐름 방향이 원래의 방향으로 복귀될 때까지의 턴 간격을, 상기 산화 가스 공급 구멍 측의 상류측 유로 영역과 상기 산화 가스 배출 구멍 측의 하류측 유로 영역에서, 상기 n열의 열수를 상이한 것으로 함으로써 광협 설정하고, 상기 상류측 유로 영역에서의 상기 턴 간격 Tu와 상기 하류측 유로 영역에서의 상기 턴 간격 Td와의 비 Tu:Td를, 1.1:1 내지 3:1로 하고, 상기 상류측 유로 영역을, 상기 애노드측 유로 형성부가 형성하는 상기 서펜타인 유로 형상의 상기 애노드 유로의 최하류측 유로에 상기 막전극 접합체를 끼워서 겹친다.
상기 구성의 연료 전지 셀은, 산화 가스 공급용 그물눈 형상의 캐소드 유로에 있어서, 상류측 유로 영역과 하류측 유로 영역에서, 산화 가스의 흐름 방향이 원래의 방향으로 복귀될 때까지의 턴 간격을, 상류측 유로 영역에서의 턴 간격 Tu가 하류측 유로 영역에서의 턴 간격 Td보다 넓어지도록 설정한다. 이에 의해, 산화 가스의 공급측인 상류측 유로 영역에서는, 산화 가스의 흐름 방향이 변화되는 턴 개소를 적게 하여, 가스의 압력 손실을 억제할 수 있다. 그리고 나서, 상기 형태의 연료 전지 셀은, 상류측 유로 영역에서의 턴 간격 Tu와 하류측 유로 영역에서의 턴 간격 Td와의 비 Tu:Td가 1.1:1 내지 3:1이 되게 함으로써, 상류측 유로 영역의 턴 개소를 하류측 유로 영역에 비해서 너무 적게 하지 않도록 하여, 또는, 하류측 유로 영역의 턴 개소를 상류측 유로 영역에 비해서 너무 많게 하지 않도록 하여, 상류측 유로 영역과 하류측 유로 영역에서의 턴 개소가 밸런스 좋게 배치되도록 한다. 이에 의해, 턴 개소가 많이 배치되는 하류측 유로 영역에 일어나는 경향이 있는 막전극 접합체에의 수분 침투의 억제를 가능하게 한다. 이 결과, 상기 형태의 연료 전지 셀에 의하면, 산화 가스의 공급측인 상류측 유로 영역에서의 산화 가스의 압력 손실 억제와 플러딩의 억제의 양립을 가능하게 한다. 이에 추가하여, 상기 구성의 연료 전지 셀에 의하면, 애노드측 유로 형성부가 형성하는 서펜타인 유로로서의 애노드 유로의 최하류측 유로부의 상대 습도를, 다음과 같이 해서 높일 수 있다. 서펜타인 유로로서의 애노드 유로의 최하류측 유로부는, 전해질막을 사이에 끼워서 캐소드 유로의 상류측 유로 영역과 겹쳐 있으므로, 산화 가스에 의한 수분의 빼앗김에 의해, 또는 건조된 산화 가스의 공급에 의해, 상대 습도가 저하되는 경향이 있게 된다. 그러나, 상기 구성의 연료 전지 셀에서는, 상류측 유로 영역의 턴 개소를 적게 함으로써 막전극 접합체로부터의 수분 증산을 억제하므로, 막전극 접합체가 포함하는 수분을 애노드 유로의 최하류측 유로부로 보내는 것이 가능하게 된다. 따라서, 상기 구성의 연료 전지 셀에 의하면, 서펜타인 유로로서의 애노드 유로의 최하류측 유로부의 상대 습도를 높일 수 있다.
(2) 상기 형태의 연료 전지 셀에 있어서, 상기 제1 방향을 따른 상기 상류측 유로 영역의 유로 폭은, 상기 서펜타인 유로로서의 상기 애노드 유로의 상기 최하류측 유로부의 유로 폭과 동일하게 되어 있도록 해도 된다.
이렇게 하면, 서펜타인 유로로서의 애노드 유로의 최하류측 유로부의 상대 습도를 보다 확실하게 높일 수 있다.
(3) 상기 형태의 연료 전지 셀에 있어서, 상기 제1 방향을 따른 상기 상류측 유로 영역의 유로 폭은, 상기 제1 방향을 따른 상기 캐소드 유로의 전체 유로 폭의 50% 이하로 되어 있도록 해도 된다.
이렇게 하면, 턴 개소를 적게 함으로써 막전극 접합체로부터의 수분 증산을 억제하여, 수분을 막전극 접합체로부터 애노드 유로의 최하류측 유로부로 보낼 수 있는 상류측 유로 영역을 확보하므로, 서펜타인 유로로서의 애노드 유로의 최하류측 유로부의 상대 습도를 한층 더 확실하게 높일 수 있다.
(4) 상기 형태의 연료 전지 셀에 있어서, 상기 애노드측 유로 형성부는, 냉각수 공급 구멍과 냉각수 배출 구멍을 가짐과 함께, 상기 한쪽 전극 측에서 개구된 오목 형상의 홈 경로에서 상기 서펜타인 유로 형상의 상기 애노드 유로의 이면측에, 상기 냉각수가 상기 냉각수 공급 구멍으로부터 상기 냉각수 배출 구멍에 흐르는 복수 줄무늬의 냉각수 유로를 구비하고, 상기 냉각수 유로는, 상기 서펜타인 유로 형상의 상기 애노드 유로의 상기 최하류측 유로의 이면측을 거쳐서 상기 냉각수 공급 구멍으로부터 상기 냉각수 배출 구멍을 향하는 상기 냉각수 유로를 흐르는 냉각수 유량이, 상기 최하류측 유로보다 상류측의 상기 서펜타인 유로 형상으로 된 상기 애노드 유로의 이면측을 거쳐서 상기 냉각수 공급 구멍으로부터 상기 냉각수 배출 구멍을 향하는 상기 냉각수 유로를 흐르는 냉각수 유량보다 많아지도록, 형성되어 있도록 해도 된다.
이렇게 하면, 상대 습도가 저하되어 건조하는 경향이 있는 최하류측 유로부를 효율적으로 냉각함으로써 수분의 증발을 억제하여, 건조를 억제할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예의 특징, 장점과 기술적 및 산업적인 의의는 동일한 부호가 동일한 요소를 나타내는 첨부 도면을 참조로 후술될 것이다.
도 1은 본 실시예의 연료 전지(10)의 구성을 도시하는 개략적인 사시도.
도 2는 터미널 플레이트(160F)와 연료 전지 셀(100)과 터미널 플레이트(160E)의 배치의 상태를 개략적으로 도시하는 설명도.
도 3은 연료 전지 셀(100)의 구성을 분해해서 도시하는 개략적인 사시도.
도 4는 애노드측 세퍼레이터(120)의 구성을 도시하는 개략적인 평면도.
도 5는 애노드측 세퍼레이터(120)가 표리에 형성하는 연료 가스 유로(200)와 냉각수 유로(204)의 상태를 겹쳐서 도시하는 설명도.
도 6은 도 4의 C부 확대 개소에 있어서의 VI-VI선을 따른 연료 전지(10)의 개략적인 단면.
도 7은 캐소드측 세퍼레이터(130)을 평면에서 보아 가스 유로 부재(150)에 있어서의 유로 영역의 구획 상태를 개략적으로 도시하는 설명도.
도 8은 상류측 유로 영역 Ru의 일부를 산화 가스 공급 구멍(104IN) 측의 가스 상류측으로부터 부감하여, 유로 구성을 개략적으로 도시하는 설명도.
도 9는 하류측 유로 영역 Rd의 일부를 산화 가스 공급 구멍(104IN) 측의 가스 상류측으로부터 부감하여, 유로 구성을 개략적으로 도시하는 설명도.
도 10은 턴 간격과 연료 전지 셀의 출력과의 관계를 나타내는 그래프.
도 11은 세퍼레이터 중앙 영역(137)에 있어서의 상류측 유로 영역 Ru의 점유 상태와 상류측 유로 영역 Ru와 연료 가스 유로(200)의 겹침 상태를 도시하는 설명도.
도 12는 가스 유로 부재(150)의 세퍼레이터 중앙 영역(137)에 있어서 상류측 유로 영역 Ru가 차지하는 점유 비율과 연료 전지 셀의 출력과의 관계를 나타내는 그래프.
도 13은 테스트 연료 전지 셀 TP5에 있어서의 연료 가스 유로(200)의 각 유로 영역에서의 상대 습도의 실측 결과를 도시하는 설명도.
도 14a, 도 14b는 테스트 연료 전지 셀 TP5와 본 실시 형태의 연료 전지 셀(100)에 상당하는 테스트 연료 전지 셀 TP6에 관한 성능 대비를 도시하는 설명도.
도 15는 도 6과 마찬가지로 연료 전지(10)를 단면에서 본 경우의 상류측 유로 영역 Ru의 개략 단면과 하류측 유로 영역 Rd의 개략 단면을 대비해서 도시하는 설명도.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대해서, 그 실시예를 도면에 기초하여 설명한다. 도 1은 본 실시예의 연료 전지(10)의 구성을 도시하는 개략적인 사시도이다. 연료 전지(10)는, 연료 전지 셀(100)을 Z 방향(이하, 「적층 방향」이라고도 칭함)으로 복수 적층하고, 한 쌍의 엔드 플레이트(170F, 170E)로 협지한 스택 구조를 갖고 있다. 연료 전지(10)는, 그 일단부측의 엔드 플레이트(170F)와 연료 전지 셀(100) 사이에, 절연판(165F)을 개재시켜서 터미널 플레이트(160F)를 갖는다. 이하, 엔드 플레이트(170F)가 배치된 연료 전지(10)의 일단부측을, 편의상, 전단부측이라고 칭하고, 도면에 있어서의 지면 안쪽의 타단부측을 후단부측이라고 칭한다.
연료 전지(10)는, 후단부측의 엔드 플레이트(170E)와 연료 전지 셀(100) 사이에도, 마찬가지로, 후단부측의 절연판(165E)을 개재시켜서 후단부측의 터미널 플레이트(160E)를 갖는다. 연료 전지 셀(100)과, 터미널 플레이트(160F, 160E)와, 절연판(165F, 165E) 및 엔드 플레이트(170F, 170E)는, 각각 대략 직사각 형상의 외형을 갖는 플레이트 구조를 갖고 있으며, 긴 변이 X 방향(수평 방향)이고 짧은 변이 Y 방향(수직 방향, 연직 방향)을 따르도록 배치되어 있다.
전단부측에 있어서의 엔드 플레이트(170F)와 절연판(165F)과 터미널 플레이트(160F)는, 각각, 연료 가스 공급 구멍 및 연료 가스 배출 구멍과, 산화 가스 공급 구멍 및 산화 가스 배출 구멍과, 냉각수 공급 구멍 및 냉각수 배출 구멍을 갖는다. 이들 급배 구멍은, 각 연료 전지 셀(100)의 대응하는 위치에 설치되어 있는 각각의 후술하는 급배 구멍과 연통되어, 각각에 대응하는 가스 또는 냉각수의 급배 매니폴드를 구성한다. 그 한편, 후단부측에 있어서의 엔드 플레이트(170E)와 절연판(165E)과 터미널 플레이트(160E)에는, 이들 급배 구멍은 설치되어 있지 않다. 이것은, 반응 가스(연료 가스, 산화 가스) 및 냉각수를 전단부측의 엔드 플레이트(170F)로부터 각각의 연료 전지 셀(100)에 대하여 공급 매니폴드를 통하여 공급하면서, 각각의 연료 전지 셀(100)로부터의 배출 가스 및 배출수를 전단부측의 엔드 플레이트(170F)로부터 외부에 대하여 배출 매니폴드를 통하여 배출하는 타입의 연료 전지인 것에 의한다. 단, 이것에 한정되는 것이 아니라, 예를 들어 전단부측의 엔드 플레이트(170F)로부터 반응 가스 및 냉각수를 공급하고, 후단부측의 엔드 플레이트(170E)로부터 배출 가스 및 배출수가 외부로 배출되는 타입 등의 다양한 타입의 연료 전지로 할 수 있다.
전단부측의 엔드 플레이트(170F)에 있어서, 산화 가스 공급 구멍(174IN)은, 전단부측의 엔드 플레이트(170F)의 하단부의 외측 테두리부에 X 방향(긴 변 방향)을 따라 배치되어 있고, 산화 가스 배출 구멍(174OT)은, 상단부의 외측 테두리부에 X 방향을 따라서 배치되어 있다. 연료 가스 공급 구멍(172IN)은, 전단부측의 엔드 플레이트(170F)의 우측 단부의 외측 테두리부의 Y 방향(짧은 변 방향)의 상단부에 배치되어 있고, 연료 가스 배출 구멍(172OT)은, 좌측 단부의 외측 테두리부의 Y 방향의 하단부에 배치되어 있다. 냉각수 공급 구멍(176IN)은, 연료 가스 공급 구멍(172IN)의 하측에 Y 방향을 따라서 배치되어 있고, 냉각수 배출 구멍(176OT)은, 연료 가스 배출 구멍(172OT)의 상측에 Y 방향을 따라서 배치되어 있다. 또한, 상기 한 각 급배 구멍은, 연료 전지 셀(100)에 있어서는, 후술하는 바와 같이 복수의 급배 구멍으로 나뉘어 있다.
전단부측의 터미널 플레이트(160F) 및 후단부측의 터미널 플레이트(160E)는, 각 연료 전지 셀(100)의 발전 전력의 집전판이며, 집전 단자(161)로부터 집전한 전력을 외부로 출력한다. 이 전단부측의 터미널 플레이트(160F)와 후단부측의 터미널 플레이트(160E)는, 급배 구멍의 유무에 있어서 상이하며, 다른 구성에 대해서는, 대략 마찬가지이다.
도 2는 터미널 플레이트(160F)와 연료 전지 셀(100)과 터미널 플레이트(160E)의 배치의 상태를 개략적으로 도시하는 설명도, 도 3은 연료 전지 셀(100)의 구성을 분해해서 도시하는 개략적인 사시도이다. 도 2에 도시하는 바와 같이, 연료 전지 셀(100)은, 애노드측 세퍼레이터(120)와 캐소드측 세퍼레이터(130)와 접착 시일(140)을 구비하고, 접착 시일(140)은, 도면에 도시하는 세퍼레이터 중앙 영역(101)에 걸쳐서 막전극 가스 확산층 접합체(MEGA:Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly)(110)를 보유 지지하고, MEGA(110)의 외주연을 시일한다. 그리고, 연료 전지 셀(100)은, MEGA(110)를 보유 지지 완료한 접착 시일(140)을 애노드측 세퍼레이터(120)와 캐소드측 세퍼레이터(130)로 협지함으로써, 세퍼레이터 중앙 영역(101)에 있어서, MEGA(110)를 협지하고, 세퍼레이터 중앙 영역(101)의 주위 외측 테두리부(103)에 있어서는, 양쪽 세퍼레이터간을 접착 시일(140)로 시일한다.
MEGA(110)는, 전해질막의 양면에 한 쌍의 촉매 전극층이 형성된 막전극 접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly)를 포함하고, 이 MEA를, 가스를 확산 투과시키는 가스 확산층(Gas Diffusion Layer/GDL)으로 협지해서 구성되는 발전체이다. 또한, MEGA를 MEA라고 칭하는 경우도 있다.
애노드측 세퍼레이터(120) 및 캐소드측 세퍼레이터(130)는, 가스 차단성 및 전자 전도성을 갖는 부재에 의해 구성되어 있고, 예를 들어 카본 입자를 압축해서 가스 불투과로 한 치밀질 카본 등의 카본제 부재나, 프레스 성형한 스테인리스나 티타늄 등의 금속 부재에 의해 형성되어 있다. 본 실시 형태에서는, 애노드측 세퍼레이터(120)에 대해서는, 스테인리스강을 프레스 성형해서 제작하였다.
애노드측 세퍼레이터(120)는, MEGA(110) 측의 면에, 복수 줄무늬의 홈 형상 연료 가스 유로를 구비하고, 반대측의 면에, 복수 줄무늬의 홈 형상의 냉각수 유로를 구비하고, 이 양쪽 유로를, 세퍼레이터 표리면에서 교대로 나열하고 있다(MEGA(110)의 측 면의 연료 가스 유로와 반대측 면의 냉각수 유로가 교대로 나열되어 있음). 이들 유로에 대해서는, 후술한다. 이 애노드측 세퍼레이터(120)는, 상술한 매니폴드를 구성하는 급배 구멍으로서, 연료 가스 공급 구멍(102IN) 및 연료 가스 배출 구멍(102OT)과, 복수의 산화 가스 공급 구멍(104IN) 및 산화 가스 배출 구멍(104OT)과, 복수의 냉각수 공급 구멍(106IN) 및 냉각수 배출 구멍(106OT)을 구비한다. 마찬가지로, 캐소드측 세퍼레이터(130)는, 연료 가스 공급 구멍(102IN) 및 연료 가스 배출 구멍(102OT)과, 복수의 산화 가스 공급 구멍(104IN) 및 산화 가스 배출 구멍(104OT)과, 복수의 냉각수 공급 구멍(106IN) 및 냉각수 배출 구멍(106OT)을 구비한다. 또한, 접착 시일(140)에 있어서도, 마찬가지로, 애노드측 세퍼레이터(120)의 급배 구멍에 대응하여, 연료 가스 공급 구멍(102IN) 및 연료 가스 배출 구멍(102OT)과, 복수의 산화 가스 공급 구멍(104IN) 및 산화 가스 배출 구멍(104OT)과, 복수의 냉각수 공급 구멍(106IN) 및 냉각수 배출 구멍(106OT)을 구비한다.
접착 시일(140)은, 시일성과 절연성, 및 탄성을 갖는 고무, 예를 들어 에틸렌·프로필렌·디엔 고무(EPDM)나, 니트릴 고무(NBR), 불소 고무(FKM) 등으로 형성되고, 그 중앙에, MEGA(110)의 직사각형 형상에 적합한 발전 영역 창(141)을 갖는다. 이 발전 영역 창(141)의 주연에는 단차부가 설치되어 있고, 그 단차부에, MEGA(110)가 조립 장착된다. 이렇게 해서 발전 영역 창(141)에 장착된 MEGA(110)는, 접착 시일(140)의 단차부에 있어서 접착 시일(140)과 겹치고, 발전 영역 창(141)에서 노출된 영역을, 후술하는 애노드측 세퍼레이터(120)로부터 연료 가스의 공급을 받는 발전 영역(112)으로 한다. 접착 시일(140)은, 발전 영역 창(141)의 주위 영역에 기술한 급배 구멍을 구비하고, MEGA(110)를 발전 영역 창(141)에 조립한 상태에서, 애노드측 세퍼레이터(120)와 캐소드측 세퍼레이터(130)를, 각각의 급배 구멍 주위를 포함해서 시일한다. 즉, 접착 시일(140)은, 단차부에서 MEGA(110)를 그 발전 영역(112)의 외측 영역에 걸쳐서 시일함과 함께, MEGA(110)의 직사각형 형상 외주 영역에 있어서도, 애노드측 세퍼레이터(120)와 캐소드측 세퍼레이터(130) 사이에 개재해서 시일한다. 도 2에 있어서는, 접착 시일(140)은, 단독으로 직사각형 형상을 갖도록 도시되어 있지만, 양쪽 세퍼레이터 사이에 상기한 각 고무 소재를 배치한 후에 있어서의 열용융과 냉각 양생을 거쳐서, 도 2에 도시하는 바와 같은 형태로 형성된다. 또한, 애노드측 및 세퍼레이터측의 양쪽 세퍼레이터(120, 130)는, 연료 전지 셀(100)이 적층되었을 때의 연료 가스, 산화 가스, 냉각수마다의 급배 구멍의 시일성을 세퍼레이터끼리의 접합면에서 확보하기 위해서, 도 2에 도시하는 바와 같이 연료 가스용 시일재(300)와, 산화 가스용 시일재(301)와, 냉각수용 시일재(302)를 구비한다.
캐소드측 세퍼레이터(130)는, 가스 유로 부재(150)를 구비하고, 이 가스 유로 부재(150)를, 접착 시일(140)를 개재시킨 후에, MEGA(110)에 접합시킨다. 가스 유로 부재(150)는, 산화 가스 공급 구멍(104IN)으로부터 산화 가스 배출 구멍(104OT)에 걸친 산화 가스의 유로, 즉 캐소드 유로(152)를 형성한다. 그리고, 이 가스 유로 부재(150)의 상하단부를, 산화 가스 공급 구멍(104IN)의 상단부와 산화 가스 배출 구멍(104OT)의 하단부에 겹치도록 연장시키고 있다. 이로 인해, 가스 유로 부재(150)는, 캐소드측 세퍼레이터(130)의 산화 가스 공급 구멍(104IN)으로부터 공급되는 산화 가스를 하단부로부터 도입하고, 그 도입한 산화 가스를, MEGA(110)의 캐소드면(XY 평면)에 확산 공급한다. 가스 유로 부재(150)는, 잉여의 산화 가스를 상단부로부터 캐소드측 세퍼레이터(130)의 산화 가스 배출 구멍(104OT)에 배출한다. 이러한 가스 유로 부재(150)는, 도전성을 갖는 금속 강판, 예를 들어 스테인리스 강판의 프레스 성형을 거친 익스팬드 메탈로서 구성된다. 또한, 이 가스 유로 부재(150)는, 도 2에 있어서의 상하단부에, 가스 비투과의 얇은 실링 시트(151)를 구비하고, 상기 실링 시트(151)를, MEGA(110)의 상하단부 영역에 접합시키고 있다.
도 4는 애노드측 세퍼레이터(120)의 구성을 도시하는 개략적인 평면도, 도 5는 애노드측 세퍼레이터(120)가 표리면에 형성하는 연료 가스 유로(200)와 냉각수 유로(204)의 상태를 겹쳐서 도시하는 설명도이다. 도 4 및 도 5는, 애노드측 세퍼레이터(120)에 인접하는 다른 연료 전지 셀(100)에 대향하는 면(이하, 「냉각면」이라고도 칭함) 측에서 본 상태를 나타내고 있다. 이 냉각면의 이면에 닿는 면, 즉 MEGA(110)에 대향하는 면을 「가스면」이라고도 칭한다. 애노드측 세퍼레이터(120)는, 스테인리스강 등을 프레스 성형해서 형성되고, 도 2에 도시하는 바와 같이, 가스 유로 부재(150)를 갖는 캐소드측 세퍼레이터(130)와, 접착 시일(140)을 개재시켜서, MEGA(110)를 협지한다. 이 애노드측 세퍼레이터(120)는, MEGA(110)의 기술한 발전 영역(112)과 대향하는 세퍼레이터 중앙 영역(121)에, 후술하는 복수 줄무늬의 제1 홈(202)과 제2 홈(204)을 교대로 나열하여 구비하고, 세퍼레이터 중앙 영역(121)으로부터 외측으로 연장되어 상기 중앙 영역을 둘러싸는 외측 테두리부(123)에, 기술한 반응 가스 및 냉각수의 급배 구멍으로서, 연료 가스 공급 구멍(102IN) 및 연료 가스 배출 구멍(102OT)과, 복수의 산화 가스 공급 구멍(104IN) 및 산화 가스 배출 구멍(104OT)과, 복수의 냉각수 공급 구멍(106IN) 및 냉각수 배출 구멍(106OT)을 구비한다. 이들 급배 구멍 중, 연료 가스 공급 구멍(102IN)과 연료 가스 배출 구멍(102OT)은, 연료 가스용 시일재(300)에 의해 개별로 시일되고, 복수의 산화 가스 공급 구멍(104IN)과 복수의 산화 가스 배출 구멍(104OT)은, 산화 가스용 시일재(301)에 의해, 구멍의 배열마다 시일된다. 또한, 냉각수용 시일재(302)는, 복수의 냉각수 공급 구멍(106IN)과 냉각수 배출 구멍(106OT) 및 냉각면측의 세퍼레이터 중앙 영역(121)을 포함하는 냉각수 유통 영역을 둘러싸고, 이 냉각수 유통 영역을 시일한다. 이러한 급배 구멍 시일은, 캐소드측 세퍼레이터(130)에 있어서도 이루어져 있다.
제1 홈(202)은, 애노드측 세퍼레이터(120)의 기술한 가스면측이며 도 4에 있어서는 지면 안쪽면 측, 즉 MEGA(110) 측에서 개구된 오목홈이며, 이 가스면에 있어서 연장된다. 제2 홈(204)은, 애노드측 세퍼레이터(120)의 기술한 냉각면측이며 도 4에 있어서는 지면 전방측면 측에서 개구된 오목홈이며, 이 냉각면에 있어서 연장된다. 그리고, 이 제1 홈(202)과 제2 홈(204)은, 양쪽 홈 형상에 적합한 요철 형상의 금형을 세퍼레이터 중앙 영역(121)에 대해 프레스 가압하는 프레스 성형에 의해, 복수 줄무늬의 요철조로서 형성된다. 제1 홈(202)과 제2 홈(204)은, 세퍼레이터 중앙 영역(121)에 있어서 애노드측 세퍼레이터(120)의 표리면에서 교대로 나열된다. 즉, 애노드측 세퍼레이터(120)는, 도 6에 있어서의 종단면시에 있어서, 이 제1 홈(202)과 제2 홈(204)이 교대로 반복해서 나열된 단면 요철 형상(단면 파형 형상)으로 되어 있다.
가스면측에서 오목한 제1 홈(202)은, 접착 시일(140)의 발전 영역 창(141)에 노출된 MEGA(110)에 연료 가스를 공급하는 연료 가스 유로 홈(이하, 「연료 가스 유로 홈(202)」이라고도 칭함)을 형성하고, 냉각면측에서 오목한 제2 홈(204)은, 연료 가스 유로 홈(202)을 구획하는 리브를 구성함과 함께, 후술하는 캐소드측 세퍼레이터(130)에 애노드측 세퍼레이터(120)가 접촉됨으로써, 냉각수가 통과하는 냉각수 유로 홈(이하, 「냉각수 유로(204)」라고도 칭함)을 구성한다. 그리고, 복수의 연료 가스 유로 홈(202)에서 연료 가스 유로(200)가 구성되고, 이 연료 가스 유로(200)와 냉각수 유로(204)는, 애노드측 세퍼레이터(120)의 표리면에 형성되게 된다. 또한, 연료 가스 유로(200)는, 연료 가스 공급 구멍(102IN)으로부터 연료 가스 배출 구멍(102OT)에 이르기까지 절첩되면서 연장되어 있다. 이 연료 가스 유로(200)는, 가스의 흐름 방향이 복수회 반전되는 서펜타인 유로로서, 도 4 및 도 5에 있어서의 지면 이면측의 기술한 가스면측에 형성되어 있다. 본 실시 형태의 연료 전지 셀(100)은, 서펜타인 유로로서의 연료 가스 유로(200)에 있어서, 도 4에 도시하는 세퍼레이터 중앙 영역(121)의 상하단부측에 위치하는 연료 가스 유로 홈(202)을, 외측 테두리부(123) 측에서 세퍼레이터 중앙 영역(121)의 좌우 방향, 즉 도 4에 있어서의 x 방향으로 연장되어 있다. 이렇게 함으로써, 세퍼레이터 중앙 영역(121)이 MEGA(110)의 발전 영역(112)에 대향한 경우에, 이 발전 영역(112)의 주연에도, 외측 테두리부(123) 측에서 세퍼레이터 중앙 영역(121)의 좌우 방향으로 연장된 연료 가스 유로 홈(202)으로부터 연료 가스를 공급할 수 있다. 또한, 도 4의 C부 확대에 도시하는 바와 같이, 세퍼레이터 중앙 영역(121)의 상하단부측에 위치하여, 외측 테두리부(123) 측에서 세퍼레이터 중앙 영역(121)의 좌우 방향으로 연장되는 제1 홈(202)을, 세퍼레이터 중앙 영역(121)의 내측에 위치하는 제1 홈(202)과 구별하기 위해, 단부 제1 홈(202t)이라고 칭하는 것으로 한다.
연료 가스 유로(200)는, 서펜타인 유로로서 형성되어 있기 때문에, 도 4에 도시하는 세퍼레이터 중앙 영역(121)의 좌우의 수평단측 영역(이하, 유로 수평단 영역이라고 칭함)에서는, 유로의 방향을 X 방향에서 Y 방향으로 바꾸거나, 또는 이 반대로 Y 방향에서 X 방향으로 바꾼다. 그리고, 연료 가스 유로(200)를 구성하는 연료 가스 유로 홈(202)은, 상기 유로 수평단 영역을 포함하고, X 방향으로 연장되는 직선 유로 영역에 있어서, 냉각면측에서 냉각수 유로(204)를 구획하는 리브로서 기능한다. 연료 가스 유로 홈(202)은, 냉각수 배출 구멍(106OT)을 향하는 제2 홈(204)에서의 냉각수의 흐름을 저해하지 않는다. 그런데, 유로의 방향이 변환되는 유로 수평단 영역에서는, 연료 가스 유로 홈(202)이 벽이 되어, 냉각수 공급 구멍(106IN)으로부터 냉각수 배출 구멍(106OT)을 향하는 냉각수의 흐름이 저해될 수 있다. 그래서, 이 유로 수평단 영역의 연료 가스 유로 홈(202)에, 그 유로를 따라 홈 깊이가 얕은 부위를 점재시킴으로써, 인접하는 제2 홈(204) 사이의 냉각수 유통을 허용한다. 이에 의해, 냉각수의 흐름은, 세퍼레이터 중앙 영역(121)의 좌우의 수평단측 영역에 있어서 저해받는 일은 없어진다. 따라서, 서펜타인 유로로서의 연료 가스 유로(200)의 이면측(반대측의 면)에, 복수 줄무늬의 냉각수 유로(제2 홈)(204)가 형성되고, 냉각수는, 각 줄무늬의 냉각수 유로(204)를 따라 냉각수 공급 구멍(106IN)으로부터 냉각수 배출 구멍(106OT)을 향해서 흐른다.
이 이외에, 애노드측 세퍼레이터(120)는, 연료 가스 배출 구멍(102OT) 측의 세퍼레이터 코너부에 있어서, 외측 테두리부(123)에, 커팅부(120c)와 커넥터 장착부(125)를 갖는다. 커팅부(120c)는, 셀 모니터 커넥터의 장착 부위가 되고, 각각의 연료 전지 셀(100)의 전위 계측에 사용된다.
캐소드측 세퍼레이터(130)는, 도 3에 도시하는 바와 같이, 대략 평판 형상이 되고, MEGA(110)의 기술한 발전 영역(112)과 대향하는 세퍼레이터 중앙 영역(137)의 상하단부, 즉 가스 유로 부재(150)의 상하단부 근방에, 다리(131)를, 도 3에 있어서의 지면 안측으로 돌출시키고 있다. 이 다리(131)는, 연료 전지 셀(100)이 적층되었을 때, 인접하는 연료 전지 셀(100)의 애노드측 세퍼레이터(120)에 있어서의 후술하는 외측 테두리부(123)에 접촉된다. 이 모습에 대해서는 후술한다. 또한, 캐소드측 세퍼레이터(130)는, 세퍼레이터 중앙 영역(137)으로부터 외측으로 연장되어 상기 세퍼레이터 중앙 영역(137)을 둘러싸는 외측 테두리부(138)에, 기술한 반응 가스 및 냉각수의 급배 구멍으로서, 연료 가스 공급 구멍(102IN) 및 연료 가스 배출 구멍(102OT)과, 복수의 산화 가스 공급 구멍(104IN) 및 산화 가스 배출 구멍(104OT)과, 복수의 냉각수 공급 구멍(106IN) 및 냉각수 배출 구멍(106OT)을 구비한다.
이어서, 연료 전지(10)에 있어서의 연료 전지 셀(100)의 적층 상태를 설명한다. 도 6은 도 4의 C부 확대 개소에 있어서의 VI-VI선을 따른 연료 전지(10)의 개략적인 단면이다. 도시하는 바와 같이, 연료 전지(10)는, 복수의 연료 전지 셀(100)을 적층해서 구성되고, 연료 전지 셀(100)은, MEGA(110)를 애노드측 세퍼레이터(120)와 캐소드측 세퍼레이터(130)로 협지한다. 또한, 이 도 6에서는, MEGA(110)는, 전해질막의 양쪽 막면에 촉매 전극층을 접합한 MEA(110D)를 애노드측 가스 확산층(110A)과 캐소드측 가스 확산층(110C)으로 협지한 형태로 도시되어 있다. 그리고, 각각의 연료 전지 셀(100)은, 애노드측 세퍼레이터(120)에 있어서 세퍼레이터 중앙 영역(121)의 외측으로 연장되는 외측 테두리부(123)(도 3 내지 도 4 참조)를 MEGA(110)의 발전 영역(112)(도 3 내지 도 4 참조)의 주연에 있어서, MEGA(110)에 접합시킨다. 또한, 각각의 연료 전지 셀(100)은, 제1 홈(202)과 제2 홈(204)이 형성된 세퍼레이터 중앙 영역(121)을 MEGA(110)의 발전 영역(112)에 대향시켜서 접촉시킨다. 이에 의해, 단부의 제1 홈(202t)와 다른 부위의 제1 홈(202)은, 그 개구단부가 MEGA(110)로 폐색되어, 연료 가스 유로 홈(202)으로서 기능한다. 캐소드측 세퍼레이터(130)에 있어서는, 가스 유로 부재(150)를 개재시킨 상태에서, 세퍼레이터 중앙 영역(137)(도 3 참조)을 MEGA(110)의 발전 영역(112)에 대향시킨다.
이 이외에, 각각의 연료 전지 셀(100)은, 애노드측 세퍼레이터(120)의 외측 테두리부(123)와, 캐소드측 세퍼레이터(130)의 외측 테두리부(138)를, MEGA(110)의 외주연측에서의 시일로서 기능하는 접착 시일(140)을 개재시켜서 대향시키고 있다. 애노드측 세퍼레이터(120)의 외측 테두리부(123)는, 도 6에 도시하는 바와 같이, 산화 가스 배출 구멍(104OT) 측에서 셀 외측을 향해서 돌출된 볼록부(123t)를 구비하고, 접착 시일(140)은, 캐소드측 세퍼레이터(130)의 외측 테두리부(138)와, 외측 테두리부(123) 및 볼록부(123t) 사이를 틈 없이 매립해서 시일한다.
인접해서 적층된 연료 전지 셀(100)은, 한쪽의 연료 전지 셀(100)의 애노드측 세퍼레이터(120)가 갖는 제1 홈(202)의 저부벽(202s)를, 다른쪽의 연료 전지 셀(100)의 캐소드측 세퍼레이터(130)에 접촉시킨다. 이에 의해, 제2 홈(204)은, 그 개구단부가 폐색되어, 냉각수 유로(204)로서 기능한다. 또한, 인접해서 적층된 연료 전지 셀(100)은, 한쪽의 연료 전지 셀(100)의 캐소드측 세퍼레이터(130)가 갖는 다리(131)를, 다른쪽의 연료 전지 셀(100)의 애노드측 세퍼레이터(120)의 외측 테두리부(123)에 접촉시킨다. 이에 의해, 다리(131)는, 애노드측 세퍼레이터(120)의 외측 테두리부(123)에 있어서, 각각의 연료 전지 셀(100)의 지주로서 기능한다. 인접해서 적층된 연료 전지 셀(100)은, 한쪽의 연료 전지 셀(100)의 애노드측 세퍼레이터(120)가 외측 테두리부(123)에 갖는 볼록부(123t)를, 다른쪽의 연료 전지 셀(100)의 캐소드측 세퍼레이터(130)의 외측 테두리부(138)에 접촉시킨다. 이에 의해, 산화 가스 배출 구멍(104OT)보다 셀 외측에서는, 볼록부(123t) 사이의 오목부가 형성되고, 상기 오목부에 산화 가스용 시일재(301)가 배치된다.
인접해서 적층된 연료 전지 셀(100)은, 냉각수용 시일재(302)(도 4 참조)와, 산화 가스 배출 구멍(104OT)을 둘러싸는 산화 가스용 시일재(301)를, 세퍼레이터 상단부측에 있어서, 한쪽의 연료 전지 셀(100)의 애노드측 세퍼레이터(120)와 다른쪽의 연료 전지 셀(100)의 캐소드측 세퍼레이터(130) 사이에 협지한다. 냉각수용 시일재(302)는, 연료 가스 공급 구멍(102IN)과, 냉각수 유로(204)가 개구된 측으로서의 냉각면측에 있어서의 세퍼레이터 중앙 영역(121)과, 연료 가스 배출 구멍(102OT)을 포함하는 냉각수 유통 영역을 둘러싸고 있다. 또한, 세퍼레이터 하단부측에서는, 냉각수용 시일재(302)와, 산화 가스 공급 구멍(104IN)을 둘러싸는 산화 가스용 시일재(301)가, 한쪽의 연료 전지 셀(100)의 애노드측 세퍼레이터(120)와 다른쪽의 연료 전지 셀(100)의 캐소드측 세퍼레이터(130)로 협지된다. 또한, 세퍼레이터 좌우 양단에서는, 냉각수용 시일재(302)와, 연료 가스 공급 구멍(102IN)을 둘러싸는 연료 가스용 시일재(300) 및 연료 가스 배출 구멍(102OT)을 둘러싸는 연료 가스용 시일재(300)가, 한쪽의 연료 전지 셀(100)의 애노드측 세퍼레이터(120)와 다른쪽의 연료 전지 셀(100)의 캐소드측 세퍼레이터(130)로 협지된다.
이렇게 연료 전지 셀(100)을 적층한 연료 전지(10)는, 도시하지 않은 복수의 체결 볼트로, 셀 적층 방향에 체결된다. 이러한 체결된 스택 구조의 연료 전지(10)는, 인접하는 연료 전지 셀(100)의 한쪽의 연료 전지 셀(100)의 애노드측 세퍼레이터(120)가 다른쪽의 연료 전지 셀(100)의 캐소드측 세퍼레이터(130)와 접촉된다.
이어서, 캐소드측 세퍼레이터(130)에 있어서의 가스 유로 부재(150)의 구성에 대해서 설명한다. 도 7은 캐소드측 세퍼레이터(130)를 평면에서 보아 가스 유로 부재(150)에 있어서의 유로 영역의 구획 상태를 개략적으로 도시하는 설명도, 도 8은 상류측 유로 영역 Ru의 일부를 산화 가스 공급 구멍(104IN) 측의 가스 상류측에서 부감해서 유로 구성을 개략적으로 도시하는 설명도, 도 9는 하류측 유로 영역 Rd의 일부를 산화 가스 공급 구멍(104IN) 측의 가스 상류측에서 부감해서 유로 구성을 개략적으로 도시하는 설명도이다.
도 7에 도시하는 바와 같이, 가스 유로 부재(150)는, 캐소드측 세퍼레이터(130)의 세퍼레이터 중앙 영역(137)을 산화 가스 공급 구멍(104IN) 측의 상류측 유로 영역 Ru와, 산화 가스 배출 구멍(104OT) 측의 하류측 유로 영역 Rd로 구획하고, 각각의 유로 영역에 있어서, 산화 가스를 MEGA(110)의 캐소드측 가스 확산층(110C)(도 6 참조)에 그물눈 형상 유로로 확산 공급한다. 가스 유로 부재(150)는, 그물눈 형상 유로로서의 익스팬드 유로를, 프레스 성형에 의해 형성된 익스팬드 메탈로 형성한다. 그리고, 가스 유로 부재(150)는, 도 8 및 도 9에 도시하는 바와 같이, 복수의 유로 형성 요소 열(40)로 구성된다. 각 유로 형성 요소 열(40)에서는, 그물눈 형상 유로를 형성하는 유로 형성 요소 Em을, 산화 가스 공급 구멍(104IN)으로부터 산화 가스 배출 구멍(104OT)을 향하는 제1 방향(Y 방향)과 교차하는 제2 방향(X 방향)을 따라 연속 설치되어 있다. 보다 상세하게는, X 방향으로 연결된 오목부와 볼록부로 유로 형성 요소 Em이 구성되어 있고, 유로 형성 요소 Em이 X 방향을 따라서 반복해서 연속 설치되어 유로 형성 요소 열(40)이 구성되어 있다. 도 8 및 도 9에서는, 유로 형성 요소 열(40)에 첨자 1 내지 19(n)를 부여해서 나타내고, 첨자 T는, 후술하는 유로의 턴 열인 것을 나타내고 있다. 유로 형성 요소 열(40)은, 그물눈 형상의 익스팬드 유로를, 세퍼레이터 중앙 영역(137)과 그 상하의 실링 시트(151)의 하방 영역에 걸쳐서 형성한다. 그리고, 가스 유로 부재(150)에서는, 복수의 유로 형성 요소 열(40)을, X 방향과 직교하는 Y 방향, 즉 도면에 있어서 상하 방향에서 나타나는 가스(공기)의 흐름 방향으로서의 Y 방향을 따라서, 산화 가스 공급 구멍(104IN)으로부터 산화 가스 배출 구멍(104OT)에 이르기까지 연속 설치한다. 또한, 유로 형성 요소 Em으로 형성된 그물눈 형상의 유로는, XY 평면에 대하여 오목부 및 볼록부의 형성 벽이 일정한 구배를 갖고 연속 설치되어 있다.
유로 형성 요소 열(40)에서는, 유로 형성 요소 Em을 반복해서 피치τ로 +X 방향, 또는 -X 방향으로 연속해서 나열되어 있다. 그리고, 상류측 유로 영역 Ru와 하류측 유로 영역 Rd는, Y 방향을 따른 유로 형성 요소 열(40)의 열수, 즉, 유로 형성 요소 열(40)의 첨자로 표시되는 열수가, 다음과 같이 상이하다. 상류측 유로 영역 Ru에서는, 1 내지 19까지의 첨자로 표시되는 19열의 유로 형성 요소 열(40)을 Y 방향 연속 설치 단위로 해서, 유로 형성 요소 열(40)을 Y 방향으로 반복해서 연속 설치되어 있다. 한편, 하류측 유로 영역 Rd에서는, 1 내지 9까지의 첨자로 표시되는 9열의 유로 형성 요소 열(40)을 Y 방향 연속 설치 단위로 해서, 유로 형성 요소 열(40)을 Y 방향으로 반복해서 연속 설치되어 있다. 상류측 유로 영역 Ru 및 하류측 유로 영역 Rd 중 어느 쪽에 있어서도, 유로 형성 요소 열(40)은, 산화 가스의 흐름 방향이 좌측 방향으로 경사진 제1 경사 방향과 우측 방향으로 경사진 제2 경사 방향으로 턴하도록 배치된다. 여기서, 제1 경사 방향과 제2 경사 방향은 Y 방향에 대하여 대칭인 방향이다. 즉, 본 실시 형태의 연료 전지(10)는, 캐소드측 세퍼레이터(130)의 가스 유로 부재(150)에 있어서, 산화 가스의 흐름 방향이, 좌측 방향(제1 경사 방향)으로의 턴과 우측 방향(제1 경사 방향과 Y 방향에 대하여 대칭인 제2 경사 방향)으로의 턴을 거쳐서 원래의 흐름 방향(제1 경사 방향 또는 제2 경사 방향)으로 복귀될 때까지의 턴 간격을, 상류측 유로 영역 Ru와 하류측 유로 영역 Rd에서, Y 방향 연속 설치 단위를 규정하는 열수를 상이한 것으로 함으로써 변경한다.
본 실시 형태의 연료 전지 셀(100)은, 기존의 익스팬드 프레스 날의 날 두께가 대략 0.6㎜이기 때문에, 상류측 유로 영역 Ru에서의 턴 간격 Tu를 11㎜로 하고, 하류측 유로 영역 Rd에서의 턴 간격 Td를 5.5㎜로 하였다. 따라서, 턴 간격 Tu와 턴 간격 Td와의 비 Tu:Td는, 2.1:1이다. 이 비 Tu:Td는, 상기 Y 방향 연속 설치 단위를 규정하는 열수 n을, 상류측 유로 영역 Ru와 하류측 유로 영역 Rd에서 상이하도록 함으로써 적절히 설정할 수 있지만, 1.1:1 내지 3:1인 것일 것이 요구된다. 이 점에 대해서는, 후술한다. 또한, 상류측 유로 영역 Ru 및 하류측 유로 영역 Rd에서는, 도 6에 도시하는 바와 같이 실링 시트(151)로 덮인 영역에 있어서도, 유로 형성 요소 열(40)을 Y 방향으로 연속 설치하고 있다. 또한, 가스 유로 부재(150)에 있어서 유로 형성 요소 열(40)을 연속 설치 형성하는 프레스 성형 방법은, 기존의 익스팬드 메탈 제조 방법과 달라지는 것이 아니고, 도시하지 않은 절단 날을 +X 방향으로 반복해서 피치τ 씩 보낸 후에, -X 방향으로 반복해서 피치τ 씩 복귀시키면서 프레스하면 된다.
이어서, 상류측 유로 영역 Ru와 하류측 유로 영역 Rd의 비에 대해서 설명한다. 도 10은 턴 간격 T와 연료 전지 셀의 출력과의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 10의 그래프는, 다음과 같이 구하였다.
출력 측정에 사용한 테스트 연료 전지 셀은, 도 2에 도시하는 본 실시 형태의 연료 전지 셀(100)과 형상 및 발전 영역(112) 등의 각종 스펙이 동일하고, 가스 유로 부재(150)에 있어서, 그 전체 영역에 걸쳐 전부 동일한 턴 간격 T로 유로 형성 요소 열(40)을 Y축 방향으로 연속 설치한 것이다. 테스트 연료 전지 셀 TP1, TP2, TP3, TP4는, 턴 간격 T가 상이하다. 테스트 연료 전지 셀 TP1은, 턴 간격 T가 5.5㎜이다. 테스트 연료 전지 셀 TP1의 턴 간격 T는, 본 실시 형태의 연료 전지 셀(100)에 있어서의 하류측 유로 영역 Rd의 턴 간격 Td와 동일하다. 테스트 연료 전지 셀 TP2는, 턴 간격 T가 7.7㎜이다. 테스트 연료 전지 셀 TP2의 턴 간격 T는, 본 실시 형태의 연료 전지 셀(100)에 있어서의 하류측 유로 영역 Rd의 턴 간격 Td와 상류측 유로 영역 Ru의 턴 간격 Tu의 대략 중간 값이다. 테스트 연료 전지 셀 TP3은, 턴 간격 T가 11㎜이다. 테스트 연료 전지 셀 TP3의 턴 간격 T는, 본 실시 형태의 연료 전지 셀(100)에 있어서의 상류측 유로 영역 Ru의 턴 간격 Tu와 동일하다. 테스트 연료 전지 셀 TP4는, 턴 간격 T가 턴 간격 Td의 3배인 16.5㎜이다. 그리고, 상기한 테스트 연료 전지 셀 TP1 내지 TP4를, 동일한 가스 공급으로 운전하고, 연료 전지 온도가 통상 상정되는 온도(60℃)에 있을 때의 발전 출력을 구하여, 도 10의 그래프를 얻었다. 이 그래프로부터, 턴 간격 T를 16.5㎜보다 짧게 하는 것 및 턴 간격 T를 5.5㎜ 이상으로 함으로써 적합한 발전 성능을 얻을 수 있는 것을 알 수 있다. 이러한 점에서, 본 실시 형태의 연료 전지 셀(100)에서는, 상류측 유로 영역 Ru의 턴 간격 Tu와 하류측 유로 영역 Rd의 턴 간격 Td와의 비를 1.1:1 내지 3:1로 하는 것을 채용하였다.
이어서, 상류측 유로 영역 Ru가 세퍼레이터 중앙 영역(137)에 있어서 차지하는 유로 폭 Rw에 대해서 설명한다. 도 11은 세퍼레이터 중앙 영역(137)에 있어서의 상류측 유로 영역 Ru의 점유 상태와, 상류측 유로 영역 Ru와 연료 가스 유로(200)의 겹침 상태를 도시하는 설명도이다. 도 11에 도시하는 바와 같이, 상류측 유로 영역 Ru는, 발전 영역(112)(도 3 참조)에 대향한 세퍼레이터 중앙 영역(137)에 있어서, 산화 가스 공급 구멍(104IN) 측으로부터 산화 가스 배출 구멍(104OT) 측으로 Y 방향으로 연장된다. 또한, 이 상류측 유로 영역 Ru는, MEGA(110)를 사이에 끼워서 애노드측 세퍼레이터(120)(도 3 참조)의 서펜타인 유로로서의 연료 가스 유로(200)에 있어서의 최하류측 유로부 Srd에 겹친다. 또한, 도 11에서는, 애노드측 세퍼레이터(120)가 도시하는 캐소드측 세퍼레이터(130) 상에 위치하는 것을 상정하여, 투시 형상으로 연료 가스 유로(200)를 나타내고 있다.
도 12는 가스 유로 부재(150)의 세퍼레이터 중앙 영역(137)에 있어서 상류측 유로 영역 Ru가 차지하는 점유 비율과 연료 전지 셀의 출력과의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 12의 그래프는, 다음과 같이 구하였다.
먼저, 도 11에 도시하는 바와 같이, 산화 가스 공급 구멍(104IN) 측의 세퍼레이터 중앙 영역(137)의 하단부로부터 상류측 유로 영역 Ru의 상단부까지의 폭으로서의, 상류측 유로 영역 Ru가 Y 방향에 차지하는 유로 폭 Rw가 상이한 테스트 연료 전지 셀 TP5 내지 TP8을 준비한다. 이들 테스트 연료 전지 셀 TP5 내지 TP8에 있어서도, 전술한 바와 같이, 도 2에 도시하는 본 실시 형태의 연료 전지 셀(100)과 동일 스펙이다. 단, 테스트 연료 전지 셀 TP5는, 도 8에 도시하는 턴 간격 Tu의 상류측 유로 영역 Ru를 구비하지 않고, 세퍼레이터 중앙 영역(137)의 전체 영역을, 도 9의 턴 간격 Td의 하류측 유로 영역 Rd에서 차지한다. 테스트 연료 전지 셀 TP6은, 턴 간격 Tu의 상류측 유로 영역 Ru를 세퍼레이터 중앙 영역(137)에 있어서 33% 점유하고, 테스트 연료 전지 셀 TP7은 50％를, 테스트 연료 전지 셀 TP8은 66％를 점유한다. 그리고, 상기한 테스트 연료 전지 셀 TP5 내지 TP8을, 동일한 가스 공급으로 발전 운전하고, 연료 전지 온도가 통상 상정되는 온도(60℃)에 있을 때의 발전 출력을 구하여, 도 12의 그래프를 얻었다. 이 그래프로부터, 캐소드측 세퍼레이터(130)에 있어서의 가스 유로 부재(150)의 세퍼레이터 중앙 영역(137)의 Y 방향의 폭, 즉 캐소드측 세퍼레이터(130)의 익스팬드 유로의 전체 유로 폭에 대하여, 상류측 유로 영역 Ru의 유로 폭 Rw를 50% 이하로 함으로써, 적합한 발전 성능을 얻을 수 있는 것을 알 수 있다. 이러한 점에서, 본 실시 형태의 연료 전지 셀(100)에서는, 캐소드측 세퍼레이터(130)의 익스팬드 유로의 전체 유로 폭에 대하여, 상류측 유로 영역 Ru의 유로 폭 Rw를 50% 이하로 하는 것을 채용하였다. 도 12에서 말하면, 테스트 연료 전지 셀 TP6과 테스트 연료 전지 셀 TP7이 본 실시 형태의 연료 전지 셀(100)이 된다.
그런데, 도 11에 도시하는 바와 같이, 서펜타인 유로로서의 연료 가스 유로(200)는, 연료 가스 공급 구멍(102IN)으로부터 연료 가스 배출 구멍(102OT)까지의 유로의 반전(절첩)에 의해, 세퍼레이터 중앙 영역(137)의 Y 방향에 있어서는 상류측 유로부와 중류측 유로부와 최하류측 유로부 Srd에서, 각각 3등분의 유로 폭이 된다. 테스트 연료 전지 셀 TP6에서는, 턴 간격 Tu의 상류측 유로 영역 Ru에서 세퍼레이터 중앙 영역(137)을 33% 점유한다. 그로 인해, 테스트 연료 전지 셀 TP6에 있어서의 상류측 유로 영역 Ru의 유로 폭 Rw는, 서펜타인 유로로서의 연료 가스 유로(200)의 최하류측 유로부 Srd의 유로 폭과 동일해져, 이 최하류측 유로부 Srd와 MEGA(110)를 끼워서 겹쳐서, 도 12에 도시하는 바와 같이, 높은 발전 능력을 갖춘다고 할 수 있다.
이어서, 연료 가스 유로(200)에 따른 유로의 상대 습도에 대해서 설명한다. 연료 가스 유로(200)의 상대 습도가 낮으면, MEGA(110)(도 6 참조) 측으로부터의 생성수의 이동이 일어날 수 있어, 전해질막의 습윤을 손상시킬지도 모른다. 이러한 점에서, 연료 가스 유로(200)의 유로 각 영역에 대해서 고상대 습도로 하는 것이 바람직하다. 도 13은 테스트 연료 전지 셀 TP5에 있어서의 연료 가스 유로(200)의 각 유로 영역에서의 상대 습도의 실측 결과를 도시하는 설명도, 도 14a, 도 14b는 테스트 연료 전지 셀 TP5와 본 실시 형태의 연료 전지 셀(100)에 상당하는 테스트 연료 전지 셀 TP6에 관한 성능 대비를 도시하는 설명도이다. 테스트 연료 전지 셀 TP5는, 비교예 셀이며, 전술한 바와 같이 턴 간격 Tu(도 8 참조)의 상류측 유로 영역 Ru를 완전히 구비하지 않으므로, 상류측 유로 영역 Ru를 구비하는 것에 의한 상대 습도 개선은 일어날 수 없다. 이에 비해, 테스트 연료 전지 셀 TP6은, 턴 간격 Tu(도 8 참조)의 상류측 유로 영역 Ru가, MEGA(110)를 사이에 끼워서 연료 가스 유로(200)의 최하류측 유로부 Srd에 겹치도록, 세퍼레이터 중앙 영역(137)의 유로 폭의 33％를 상류측 유로 영역 Ru에서 점유한다. 이러한 점에서, 본 실시 형태의 연료 전지 셀(100)에 상당하는 테스트 연료 전지 셀 TP6에서는, 상류측 유로 영역 Ru를 구비하는 것에 의한 상대 습도 개선 효과가 얻어진다. 도 14a는, 양쪽 연료 전지 셀 TP5, TP6에 있어서의 상대 습도를 나타내고 있고, 본 실시 형태의 연료 전지 셀(100)에 상당하는 테스트 연료 전지 셀 TP6에서는, 비교예 셀에 대하여, 도 13에 도시하는 연료 가스 유로(200)의 최하류측 유로부 Srd의 말단에 있어서의 상대 습도가 16%에서 43%로 개선되었다. 또한, 산화 가스 공급 구멍(104IN)으로부터의 산화 가스 공급압을 높이면, 상대 습도의 개선이 보다 진행되는 것도 판명되었다.
이것에 추가하여, 도 14b에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태의 연료 전지 셀(100)에 상당하는 테스트 연료 전지 셀 TP6에서는, 상기한 상대 습도의 개선을 하나의 요인으로 해서, 비교예 셀인 테스트 연료 전지 셀 TP5보다, 스택 저항의 저하가 일어나서, 발전 성능의 향상이 얻어졌다.
이어서, 상류측 유로 영역 Ru와 하류측 유로 영역 Rd에 있어서의 냉각수 유로 구성에 대해서 설명한다. 도 15는 도 6과 마찬가지로 연료 전지(10)를 단면에서 본 경우의 상류측 유로 영역 Ru의 개략 단면과 하류측 유로 영역 Rd의 개략 단면을 대비해서 도시하는 설명도이다.
도시하는 바와 같이, 연료 전지 셀(100)은, 상류측 유로 영역 Ru와 하류측 유로 영역 Rd와에 있어서, 애노드측 가스 확산층(110A) 측에서 개구된 연료 가스 유로 홈(202)에 대해서는, 개개의 유로 형상을 동일하게 한다. 그 한편, 캐소드측 세퍼레이터(130)로 폐색되는 냉각수 유로(204)에 대해서는, 상류측 유로 영역 Ru에 포함되는 냉각수 유로(204)를, 하류측 유로 영역 Rd에 포함되는 냉각수 유로(204)보다 유로 폭이 넓은 유로로 하고 있다. 그리고, 연료 전지 셀(100)은, 유로 폭이 넓은 냉각수 유로(204)를 구비한 상류측 유로 영역 Ru를, 전술한 바와 같이 연료 가스 유로(200)의 최하류측 유로부 Srd에 겹치고 있다. 이로 인해, 연료 전지 셀(100)은, 도 15에 도시하는 바와 같이, 서펜타인 유로로서의 연료 가스 유로(200)의 최하류측 유로부 Srd의 이면측을 거쳐서 냉각수 공급 구멍(106IN)으로부터 냉각수 배출 구멍(106OT)을 향하는 냉각수 유로(204)를 흐르는 냉각수의 유량을, 서펜타인 유로로서의 연료 가스 유로(200)의 최하류측 유로부 Srd보다 상류측 부분의 이면측을 거쳐서 냉각수 공급 구멍(106IN)으로부터 냉각수 배출 구멍(106OT)을 향하는 냉각수 유로(204)를 흐르는 냉각수의 유량보다 많게 하여, 최하류측 유로부 Srd의 냉각 효과를 높인다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태의 연료 전지 셀(100)은, 캐소드측 세퍼레이터(130)의 가스 유로 부재(150)에 있어서, 산화 가스 공급 구멍(104IN)으로부터 산화 가스 배출 구멍(104OT)으로 연장되는 산화 가스의 캐소드 유로(152)를 익스팬드 유로로서 형성하고(도 8, 도 9), 산화 가스 공급 구멍(104IN) 측의 상류측 유로 영역 Ru와 산화 가스 배출 구멍(104OT) 측의 하류측 유로 영역 Rd에서, 산화 가스의 흐름 방향이 원래의 방향으로 복귀될 때까지의 턴 간격 T를, 상류측 유로 영역 Ru에서의 턴 간격 Tu가 하류측 유로 영역 Rd에서의 턴 간격 Td보다 넓어지도록 설정한다. 이에 의해, 산화 가스의 공급측인 상류측 유로 영역 Ru에서는, 산화 가스의 흐름 방향이 변화되는 턴 개소를 적게 하여, 가스의 압력 손실을 억제할 수 있다. 그리고 나서, 본 실시 형태의 연료 전지 셀(100)은, 상류측 유로 영역 Ru에서의 턴 간격 Tu와 하류측 유로 영역 Rd에서의 턴 간격 Td와의 비 Tu:Td를, 도 10에서 얻은 성능 비교에 기초하여, 1.1:1 내지 3:1이 되게 함으로써, 상류측 유로 영역 Ru의 턴 개소를 하류측 유로 영역 Rd에 비해서 너무 적게 하지 않도록 하여, 또는, 하류측 유로 영역 Rd의 턴 개소를 상류측 유로 영역 Ru에 비해서 너무 많게 하지 않도록 하여, 상류측 유로 영역 Ru와 하류측 유로 영역 Rd에서의 턴 개소가 밸런스 좋게 배치되도록 한다. 이에 의해, 턴 개소가 많이 배치되는 하류측 유로 영역 Rd에 일어나는 경향이 있는 MEGA(110)에의 수분 침투를 억제할 수 있다. 이 결과, 본 실시 형태의 연료 전지 셀(100)에 의하면, 산화 가스의 공급측인 상류측 유로 영역 Ru에서의 산화 가스의 압력 손실 억제와 플러딩의 억제를 양립시킬 수 있다.
이것에 추가하여, 본 실시 형태의 연료 전지 셀(100)에 의하면, 애노드측 세퍼레이터(120)가 형성하는 서펜타인 유로로서의 연료 가스 유로(200)의 최하류측 유로부 Srd의 상대 습도를, 다음과 같이 해서 높인다. 서펜타인 유로로서의 연료 가스 유로(200)의 최하류측 유로부 Srd를, MEGA(110)를 사이에 끼워서 가스 유로 부재(150)의 상류측 유로 영역 Ru와 겹치므로, 산화 가스에 의한 수분의 빼앗김에 의해, 또는 건조한 산화 가스의 공급에 의해, 최하류측 유로부 Srd에서는 상대 습도가 저하되는 경향이 있게 된다(도 13 참조). 그러나, 본 실시 형태의 연료 전지 셀(100)은, 상류측 유로 영역 Ru의 턴 개소를 적게 함으로써(도 8 참조), MEGA(110)로부터의 수분 증산을 억제하므로, MEGA(110)가 포함하는 수분을 연료 가스 유로(200)의 최하류측 유로부 Srd에 보낼 수 있다. 이러한 점에서, 본 실시 형태의 연료 전지 셀(100)에 의하면, 도 14a에 도시하는 바와 같이, 서펜타인 유로로서의 연료 가스 유로(200)의 최하류측 유로부 Srd의 상대 습도를 높일 수 있다.
본 실시 형태의 연료 전지 셀(100)은, 산화 가스 공급 구멍(104IN)으로부터 산화 가스 배출 구멍(104OT)을 향하는 Y 방향을 따른 상류측 유로 영역 Ru의 유로 폭 Rw를, 서펜타인 유로로서의 연료 가스 유로(200)의 최하류측 유로부 Srd의 유로 폭과 동일하게 하였다(도 11, 도 12: 테스트 연료 전지 셀 TP6 참조). 따라서, 본 실시 형태의 연료 전지 셀(100)에 의하면, 수분 증산의 억제가 가능한 상류측 유로 영역 Ru를 동일한 유로 폭으로 최하류측 유로부 Srd에 겹침으로써, 이 최하류측 유로부 Srd의 상대 습도를 보다 확실하게 높일 수 있다.
본 실시 형태의 연료 전지 셀(100)은, 산화 가스 공급 구멍(104IN)으로부터 산화 가스 배출 구멍(104OT)을 향하는 Y 방향을 따른 상류측 유로 영역 Ru의 유로 폭 Rw를, Y 방향을 따른 가스 유로 부재(150)의 전체 유로 폭의 50% 이하로 하였다(도 11, 도 12: 테스트 연료 전지 셀 TP6 내지 TP7 참조). 이렇게 하면, 본 실시 형태의 연료 전지 셀(100)에 의하면, 턴 개소를 적게 함으로써 MEGA(110)로부터의 수분 증산을 억제하여, 수분을 MEGA(110)로부터 연료 가스 유로(200)의 최하류측 유로부 Srd에 보낼 수 있는 상류측 유로 영역 Ru를 확보하므로, 서펜타인 유로 형상의 연료 가스 유로(200)의 최하류측 유로부 Srd의 상대 습도를 한층 더 확실하게 높일 수 있다.
본 실시 형태의 연료 전지 셀(100)은, 서펜타인 유로로서의 연료 가스 유로(200)의 최하류측 유로부 Srd에 있어서의 냉각수 유로(204)의 유로 폭을, 최하류측 유로부 Srd보다 상류의 연료 가스 유로(200)에 있어서의 냉각수 유로(204)의 유로 폭보다 넓게 함으로써(도 15 참조), 냉각수에 의한 최하류측 유로부 Srd의 냉각 효과를 높인다. 따라서, 본 실시 형태의 연료 전지 셀(100)에 의하면, 상대 습도가 저하되어 건조되는 경향이 있는 연료 가스 유로(200)의 최하류측 유로부 Srd를 효율적으로 냉각함으로써 수분의 증발을 억제하여, 건조를 억제할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시 형태에 한정되는 것이 아니고, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 구성으로 실현할 수 있다. 예를 들어, 실시 형태의 기술적 특징은, 상술한 과제의 일부 또는 전부를 해결하기 위해서, 또는, 상술한 효과의 일부 또는 전부를 달성하기 위해서, 적절히 치환이나, 조합을 행하는 것이 가능하다. 또한, 그 기술적 특징이 본 명세서 중에 필수적인 것으로서 설명되어 있지 않으면, 적절히 삭제하는 것이 가능하다.
본 실시 형태의 연료 전지 셀(100)에서는, 상류측 유로 영역 Ru에 있어서의 턴 간격 Tu를 규정하는 유로 형성 요소 열(40)의 열수를 19열로 하고, 하류측 유로 영역 Rd에 있어서의 턴 간격 Td를 규정하는 유로 형성 요소 열(40)의 열수를 9열로 했지만, 이 이외의 열수로 유로 형성 요소 열(40)을 Y 방향으로 연속 설치해도 된다. 또한, 이 열수를 짝수열로 할 수도 있다.
본 실시 형태의 연료 전지 셀(100)에서는, 산화 가스 공급 구멍(104IN)으로부터 산화 가스 배출 구멍(104OT)을 향하는 Y 방향을 따른 상류측 유로 영역 Ru를, 연료 가스 유로(200)의 최하류측 유로부 Srd에 MEGA(110)를 끼워서 겹침과 함께, 상류측 유로 영역 Ru의 유로 폭 Rw를, Y 방향을 따른 가스 유로 부재(150)의 전체 유로 폭의 50% 이하로 하였다. 이밖에, 도 8에 도시하는 바와 같이, 턴 간격 T가 넓은 상류측 유로 영역 Ru를, Y 방향을 따른 가스 유로 부재(150)의 전체 유로 폭의 50% 이하의 유 로폭 Rw로 하는 구성이어도, 턴 간격 T가 넓음으로써 얻어지는 효과를 발휘할 수 있다.
또한, 본 발명은 여러 가지 형태로 실현하는 것이 가능하며, 예를 들어 연료 전지 셀을 복수 적층한 연료 전지 스택이나 연료 전지로서의 형태 외에, 연료 전지 셀의 제조 방법으로서의 형태로 실현할 수 있다.

Claims (4)

  1. 전해질막과 상기 전해질막의 막면에 접합된 전극을 갖는 막전극 접합체(110D);
    연료 가스 공급 구멍(102IN)과 연료 가스 배출 구멍(102OT)을 갖는 애노드측 유로 형성부(120)이며, 상기 연료 가스 공급 구멍(102IN)으로부터 상기 연료 가스 배출 구멍(102OT)에 이르는 사이에 상기 막전극 접합체(110D)의 한쪽 전극에 연료 가스를 공급하는 애노드 유로(200)를 상기 연료 가스의 흐름 방향이 복수회 반전되는 서펜타인 유로로서 형성하는 애노드측 유로 형성부(120); 및
    산화 가스 공급 구멍(104IN)과 산화 가스 배출 구멍(104OT)을 갖는 캐소드측 유로 형성부(130)이며, 상기 산화 가스 공급 구멍(104IN)으로부터 상기 산화 가스 배출 구멍(104OT)에 이르는 사이에 상기 막전극 접합체(110D)의 다른쪽 전극에 산화 가스를 확산 공급하는 캐소드 유로(152)를, 그물눈 형상 유로로서 형성하는 캐소드측 유로 형성부(130)를 포함하고,
    상기 캐소드측 유로 형성부(130)는, 상기 산화 가스 공급 구멍(104IN)으로부터 상기 산화 가스 배출 구멍(104OT)에 이르기까지, 상기 산화 가스 공급 구멍(104IN)으로부터 상기 산화 가스 배출 구멍(104OT)을 향하는 제1 방향을 따라서 연속 설치된 복수의 유로 형성 요소 열(40)을 갖고,
    상기 유로 형성 요소 열(40)은, 복수의 유로 형성 요소(Em)가 상기 제1 방향과 교차되는 제2 방향을 따라서 연속 설치되어 형성되어 있고,
    상기 복수의 상기 유로 형성 요소 열(40)은, 상기 그물눈 형상 유로로서의 상기 캐소드 유로(152)를 흐르는 상기 산화 가스의 흐름 방향이, 2 이상의 정수인 소정수(n)의 열마다, 제1 경사 방향과 제2 경사 방향으로 턴하도록 연속 설치되고,
    상기 제1 경사 방향은, 상기 제1 방향에 대하여 한쪽 측으로 경사진 방향이며, 상기 제2 경사 방향은, 상기 제1 방향에 대하여 다른쪽 측으로 경사진 방향이며, 상기 제1 경사 방향과 상기 제2 경사 방향은, 상기 제1 방향에 대하여 선 대칭인 방향이며,
    상기 산화 가스의 흐름 방향이 원래의 방향으로 복귀될 때까지의 턴 간격을, 상기 산화 가스 공급 구멍(104IN) 측의 상류측 유로 영역(Ru)과 상기 산화 가스 배출 구멍(104OT) 측의 하류측 유로 영역(Rd)에서, 상기 소정수(n)의 열에서의 소정수(n)를 상이한 것으로 함으로써 변경하고,
    상기 상류측 유로 영역(Ru)에서의 상기 턴 간격(Tu)과 상기 하류측 유로 영역(Rd)에서의 상기 턴 간격(Td)과의 비를, 1.1:1 내지 3:1로 하고,
    상기 상류측 유로 영역(Ru)을, 상기 애노드측 유로 형성부(120)가 형성하는 상기 서펜타인 유로로서의 상기 애노드 유로(200)의 최하류측 유로부(Srd)에 상기 막전극 접합체(110D)를 끼워서 겹치는 것을 특징으로 하는 연료 전지 셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 방향을 따른 상기 상류측 유로 영역(Ru)의 유로 폭(Rw)은, 상기 서펜타인 유로로서의 상기 애노드 유로(200)의 상기 최하류측 유로부(Srd)의 유로 폭과 동일하게 되어 있는 연료 전지 셀.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 방향을 따른 상기 상류측 유로 영역(Ru)의 유로 폭(Rw)은, 상기 제1 방향을 따른 상기 캐소드 유로(152)의 전체 유로 폭의 50% 이하로 되어 있는 연료 전지 셀.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 애노드 유로(200)는, 상기 애노드측 유로 형성부(120)의 한쪽 면에, 상기 한쪽 전극 측에서 개구된 오목홈(202)으로 상기 서펜타인 유로로서 형성되고,
    상기 애노드측 유로 형성부(120)는, 냉각수 공급 구멍(106IN)과 냉각수 배출 구멍(106OT)을 가짐과 함께, 상기 애노드 유로(200)의 반대측의 면에, 냉각수가 상기 냉각수 공급 구멍(106IN)으로부터 상기 냉각수 배출 구멍(106OT)을 향해서 흐르는 복수의 냉각수 유로(204)를 구비하고,
    상기 복수의 냉각수 유로는, 상기 서펜타인 유로로서의 상기 애노드 유로(200)의 상기 최하류측 유로부(Srd)의 이면측을 거쳐서 상기 냉각수 공급 구멍(106IN)으로부터 상기 냉각수 배출 구멍(106OT)을 향하는 상기 냉각수 유로를 흐르는 냉각수의 유량이, 상기 서펜타인 유로로서의 상기 애노드 유로(200)의 상기 최하류측 유로부(Srd)보다 상류측 부분의 이면측을 거쳐서 상기 냉각수 공급 구멍(106IN)으로부터 상기 냉각수 배출 구멍(106OT)을 향하는 상기 냉각수 유로를 흐르는 냉각수의 유량보다 많아지도록, 형성되어 있는 연료 전지 셀.
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