WO2013042283A1 - 高分子電解質形燃料電池及びそれを備える燃料電池システム - Google Patents

高分子電解質形燃料電池及びそれを備える燃料電池システム Download PDF

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竹口　伸介
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パナソニック株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell and a fuel cell system including the polymer electrolyte fuel cell, and more particularly to a separator structure of a polymer electrolyte fuel cell.
  • a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as PEFC) generates electric power and heat simultaneously by causing an electrochemical reaction between a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen such as air.
  • PEFC unit cell (cell) is composed of a polymer electrolyte membrane and a pair of gas diffusion electrodes (anode and cathode), a MEA (Membrane-Electrode-Assembly), a gasket, a conductive plate-like separator, have.
  • a manifold hole for forming a manifold for supplying and discharging fuel gas or oxidant gas (these are called reaction gas) is provided on the main surface of the separator.
  • a reaction gas flow path formed in a serpentine shape in a groove shape through which the reaction gas flows is provided on the main surface in contact with the gas diffusion electrode so as to communicate with these manifold holes.
  • a recessed portion for mixing the power generation gas is provided at the folded portion of the flow path, and a plurality of island-shaped protrusions erected from the bottom surface of the recessed portion are disposed.
  • a fuel cell separator and a fuel cell are known (see, for example, Patent Document 1).
  • the power generation gas can be properly mixed by arranging the protrusions on the extension of the flow channel.
  • the reaction gas when the reaction gas is low-humidified, the reaction is performed at the portion (rib) that contacts the gas diffusion layer of the separator where water generated by power generation tends to stay.
  • the area of contact with the gas diffusion layer is smaller in the protrusion of the recess than in other regions (for example, ribs). For this reason, power generation concentrates in the projections of the depressions as compared with other regions.
  • the power generation concentration increases and the amount of heat generation increases especially in the portion where the recess provided in one separator overlaps the recess provided in the other separator. As a result, the polymer electrolyte membrane may be deteriorated.
  • the present invention has been made in view of such problems, and reduces the electrical contact resistance between the separator and the electrode and suppresses the deterioration of the polymer electrolyte membrane, as compared with the conventional fuel cell. It is an object of the present invention to provide a polymer electrolyte fuel cell that can be used and a fuel cell system including the same.
  • a polymer electrolyte fuel cell comprises an electrolyte layer and an electrode-electrode assembly having a pair of electrodes sandwiching the electrolyte layer, and a plate-like electrolyte layer-electrode.
  • One of the pair of electrodes of the joined body is disposed so as to be in contact with one electrode, and a plurality of groove-shaped first straight portions and one or more first folded portions are provided on one main surface in contact with the electrodes.
  • a conductive first separator formed in a bent shape and provided with a first reactive gas flow region through which the first reactive gas flows, and a plate-like shape of the electrolyte layer-electrode assembly.
  • One of the pair of electrodes is disposed so as to be in contact with the other electrode, and has a plurality of groove-shaped second linear portions and one or more second folded portions on one main surface that contacts the electrode, and is bent And a second reaction gas flow region through which the second reaction gas flows is provided.
  • a first separator, and at least one of the first folded portions includes at least a first recessed portion and a bottom surface of the first recessed portion.
  • a plurality of first protrusions standing from the first separator are provided, and the second separator includes at least one second folded portion including at least one second folded portion and the second recess.
  • a plurality of second protrusions provided upright from the bottom surface of the two depressions, and the first depressions provided in the first separator as viewed from the thickness direction of the first separator, and the second
  • the overlapping area which is the sum of the areas where the second depressions provided in the separator overlap with each other, is the area of all the first depressions provided in the first separator and the second separator.
  • Of all the second recesses provided. Is the area of the sum of the product, less than 5% of the total area.
  • the electrical contact resistance between the separator and the electrode in the folded portion provided with the recess and the protrusion can be reduced.
  • the fuel cell system includes the polymer electrolyte fuel cell, and a first reaction gas supplier configured to supply the first reaction gas to the first reaction gas flow region.
  • a second reaction gas supply unit configured to supply the second reaction gas to the second reaction gas flow region; and a structure configured to supply the cooling medium to the cooling medium flow region.
  • a controller that controls the first reaction gas supply device, the second reaction gas supply device, and the cooling medium supply device so as to be lower than the temperature of the cooling medium supplied to the flow region. .
  • the gap between the separator and the electrode in the folded portion provided with the recess and the protrusion is provided. Electrical contact resistance can be reduced.
  • the electrical contact resistance between the separator and the electrode in the folded portion provided with the recess and the protrusion is lower than that of the conventional fuel cell. It becomes possible to reduce.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing a schematic configuration of a fuel cell stack including the polymer electrolyte fuel cell according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a schematic configuration of the fuel cell in the fuel cell stack shown in FIG.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the inner surfaces of the anode separator and the cathode separator in the polymer electrolyte fuel cell shown in FIG.
  • FIG. 4 is a perspective view of the polymer electrolyte fuel cell shown in FIG. 2 as viewed from the thickness direction of the anode separator.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing a schematic configuration of a fuel cell stack including the polymer electrolyte fuel cell according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a schematic configuration of the fuel cell in the fuel cell stack shown in FIG.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the inner surfaces of the anode
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the inner surfaces of the anode separator and the cathode separator in the polymer electrolyte fuel cell of Modification 1 of Embodiment 1.
  • FIG. 6 is a block diagram schematically showing a schematic configuration of the fuel cell system according to the second embodiment.
  • the polymer electrolyte fuel cell according to Embodiment 1 includes an electrolyte layer and an electrode layer-electrode assembly having a pair of electrodes sandwiching the electrolyte layer, and a pair of electrodes of the electrolyte layer-electrode assembly in a plate shape Are arranged so as to be in contact with one of the electrodes, and have a plurality of groove-shaped first straight portions and one or more first folded portions on one main surface in contact with the electrodes, and are formed in a bent shape.
  • a conductive first separator provided with a first reaction gas flow region through which the first reaction gas flows, and a plate-like contact with the other electrode of the pair of electrodes of the electrolyte layer-electrode assembly And has a plurality of groove-like second straight portions and one or more second folded portions on one main surface that is in contact with the electrode, is formed in a bent shape, and allows the second reaction gas to pass therethrough.
  • a conductive second separator provided with a second reaction gas flow region for flowing, and a first separator
  • the at least one first folded portion among the one or more first folded portions is provided with a first recess and a plurality of first protrusions erected from the bottom surface of the first recess, Of the one or more second folded portions, the second separator has at least one second folded portion having a second recessed portion and a plurality of second protrusions erected from the bottom surface of the second recessed portion.
  • the first recess portion provided in the first separator and the second recess portion provided in the second separator are the sum of the areas where they overlap each other.
  • the overlapping area is 5% of the total area, which is the total area of the areas of all the first depressions provided in the first separator and the areas of all the second depressions provided in the second separator.
  • the overlapping area is set to 5% or less of the total area from the viewpoint of facilitating the design change of the first reactive gas flow region or the second reactive gas flow region.
  • the overlapping area is preferably as low as possible in the total area from the viewpoint of further reducing the electrical contact resistance between the separator and the electrode in the folded portion.
  • the overlapping area is 4% or less, 3% Hereinafter, it can be appropriately set to 2% or less and 1% or less.
  • the first recess may be provided in the upstream portion of the first reaction gas flow region.
  • the second recess may be provided in the upstream portion of the second reaction gas flow region.
  • the first reaction gas flow region and the second reaction gas flow region are the parallel flow and as viewed from the thickness direction of the first separator.
  • the first reactive gas flowing through the first linear portion that first overlaps with the electrode and when traveling from the upstream to the downstream of the second reactive gas flow region The second reaction gas that flows through the second linear portion that first overlaps the electrode is configured to face each other, and the first recess portion is configured to allow the first reaction gas flow when viewed in the thickness direction of the first separator.
  • the second reaction gas flow region is provided in the first folded portion that first overlaps one of the electrodes when the flow region is traced from the upstream to the downstream, as viewed in the thickness direction of the second separator.
  • the second fold that first overlaps the other electrode when traversing from upstream to downstream It may be provided to be part.
  • the number of the second depressions may be larger than that of the first depressions.
  • the cooling medium passage through which the cooling medium flows is provided on the other main surface that does not contact the electrode of at least one of the first separator and the second separator.
  • a flow region may be provided.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing a schematic configuration of a fuel cell stack including a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter simply referred to as a fuel cell) according to the first embodiment.
  • a fuel cell a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter simply referred to as a fuel cell) according to the first embodiment.
  • the vertical direction of the fuel cell stack is shown as the vertical direction in the figure.
  • the fuel cell stack 61 has a cell stack 62.
  • the cell stack 62 is formed by stacking a plurality of fuel cells 100 in the thickness direction.
  • End plates 63 and 64 are disposed at both ends of the cell stack 62, respectively.
  • a current collector plate and an insulating plate are disposed between the end plate 63 and the cell stack 62 and between the end plate 64 and the cell stack 62 (not shown).
  • the fuel gas penetrates in the stacking direction of the fuel cell 100 of the cell stack 62 in the upper part of one side portion (the left side in the drawing: hereinafter referred to as the first side portion) of the cell stack 62.
  • a supply manifold 131 is provided, and an oxidant gas discharge manifold 134 is provided below the supply manifold 131.
  • a cooling medium is inserted inside the upper part of the cell stack 62 where the fuel gas supply manifold 131 is disposed, so as to penetrate the cell stack 62 in the stacking direction of the fuel cells 100.
  • a supply manifold 135 is provided.
  • the upper part of the other side part (the right side part of the drawing: hereinafter referred to as the second side part) in the cell stack 62 is oxidized so as to penetrate in the stacking direction of the fuel cell 100 of the cell stack 62.
  • An agent gas supply manifold 133 is provided, and a fuel gas discharge manifold 132 is provided below the agent gas supply manifold 133 so as to penetrate the cell stack 62 in the stacking direction of the fuel cells 100.
  • a cooling medium is inserted inside the lower portion of the cell stack 62 where the fuel gas discharge manifold 132 is disposed so as to penetrate the cell stack 62 in the stacking direction of the fuel cells 100.
  • a discharge manifold 136 is provided.
  • the fuel cell 100 employs a so-called internal manifold type fuel cell stack, but is not limited thereto, and an external manifold type fuel cell stack may be employed.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a schematic configuration of the fuel cell in the fuel cell stack shown in FIG.
  • the fuel cell 100 according to Embodiment 1 includes an MEA (Membrane-Electrode-Assembly) 5, a gasket 7, an anode separator (first separator) 6A, A cathode separator (second separator) 6B.
  • MEA Membrane-Electrode-Assembly
  • first separator anode separator
  • second separator cathode separator
  • the MEA 5 includes a polymer electrolyte membrane 1 that selectively transports hydrogen ions, an anode electrode 4A, and a cathode electrode 4B.
  • the polymer electrolyte membrane 1 has a substantially quadrangular (here, rectangular) shape, and an anode electrode 4A and a cathode are positioned on both sides of the polymer electrolyte membrane 1 so as to be located inward from the peripheral edge thereof. Electrodes 4B are provided respectively.
  • manifold holes such as a fuel gas supply manifold hole 31 and a cooling medium supply manifold hole 35 are provided in the peripheral edge portion of the polymer electrolyte membrane 1 so as to penetrate in the thickness direction.
  • the anode electrode 4A is provided on one main surface of the polymer electrolyte membrane 1, and is attached to a catalyst-supporting carbon made of carbon powder (conductive carbon particles) supporting a platinum-based metal catalyst (electrode catalyst) and to the catalyst-supporting carbon.
  • the anode catalyst layer 2A containing the polymer electrolyte and the anode gas diffusion layer 3A having both gas permeability and conductivity are provided.
  • the anode catalyst layer 2 ⁇ / b> A is disposed so that one main surface is in contact with the polymer electrolyte membrane 1.
  • An anode gas diffusion layer 3A is disposed on the other main surface of the anode catalyst layer 2A.
  • the cathode electrode 4B is provided on the other main surface of the polymer electrolyte membrane 1, and comprises a catalyst-carrying carbon and a catalyst-carrying carbon made of carbon powder (conductive carbon particles) carrying a platinum-based metal catalyst (electrode catalyst).
  • a cathode catalyst layer 2B containing a polymer electrolyte attached to carbon and a cathode gas diffusion layer 3B provided on the cathode catalyst layer 2B and having both gas permeability and conductivity are provided.
  • the cathode catalyst layer 2B is disposed such that one main surface is in contact with the polymer electrolyte membrane 1, and the cathode gas diffusion layer 3B is disposed on the other main surface of the cathode catalyst layer 2B.
  • the anode catalyst layer 2A when viewed from the thickness direction of the anode separator 6A, has an outer end located outside the outer end of the anode gas diffusion layer 3A (so that it protrudes).
  • the cathode catalyst layer 2B is formed so that the outer end thereof is located outward from the outer end of the cathode gas diffusion layer 3B.
  • the layer 2A may be formed such that the outer end thereof is positioned inward of the anode gas diffusion layer 3A, and the cathode catalyst layer 2B is positioned inward of the cathode gas diffusion layer 3B. It may be formed as follows.
  • a gasket 7 is provided around the anode electrode 4A and the cathode electrode 4B (more precisely, the anode gas diffusion layer 3A and the cathode gas diffusion layer 3B) of the MEA 5.
  • a pair of fluororubber made of doughnut-shaped with the polymer electrolyte membrane 1 interposed therebetween.
  • manifold holes such as a fuel gas supply manifold hole 31 and a cooling medium supply manifold hole 35 including through holes in the thickness direction are provided.
  • a conductive anode separator 6A and a cathode separator 6B are disposed so as to sandwich the MEA 5 and the gasket 7.
  • MEA 5 is mechanically fixed, and when a plurality of fuel cells 100 are stacked in the thickness direction, MEA 5 is electrically connected.
  • the anode separator 6A and the cathode separator 6B can be made of a metal having excellent thermal conductivity and conductivity, graphite, or a mixture of graphite and a resin, such as carbon powder and a binder (solvent). A mixture prepared by injection molding or a plate of titanium or stainless steel plated with gold can be used.
  • a fuel gas flow region 8 through which fuel gas (first reaction gas) flows is provided on one main surface (hereinafter referred to as an inner surface) of the anode separator 6A that is in contact with the anode electrode 4A.
  • the other main surface (hereinafter referred to as an outer surface) is provided with a groove-like cooling medium flow region 10 through which the cooling medium flows.
  • an oxidant gas flow region 9 for flowing an oxidant gas (second reaction gas) is provided on one main surface (hereinafter referred to as an inner surface) that contacts the cathode electrode 4B of the cathode separator 6B.
  • the other main surface (hereinafter referred to as the outer surface) is provided with a groove-like cooling medium flow region 10 through which the cooling medium flows.
  • manifold holes such as a fuel gas supply manifold hole 31 and a cooling medium supply manifold hole 35 are provided in the peripheral portions of the main surfaces of the anode separator 6A and the cathode separator 6B.
  • shape of the cooling medium flow region 10 is arbitrary, and for example, it may be formed in a so-called straight shape, may be formed in a serpentine shape, or may be formed in a spiral shape.
  • the cooling medium flow region 10 may be provided on the outer surface of at least one of the anode separator 6A and the cathode separator 6B in one fuel cell 100.
  • the fuel gas and the oxidant gas are respectively supplied to the anode electrode 4A and the cathode electrode 4B, and these gases react to generate electricity and heat to generate water. Further, the generated heat is recovered by flowing a cooling medium such as cooling water through the cooling medium flow area 10.
  • the fuel cell 100 configured as described above may be used as a single cell (cell), or a plurality of fuel cells 100 may be stacked and used as the fuel cell stack 61.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the inner surfaces of the anode separator and the cathode separator in the polymer electrolyte fuel cell shown in FIG. 4 is a perspective view of the polymer electrolyte fuel cell shown in FIG. 2 viewed from the thickness direction of the anode separator.
  • the vertical direction in the separator is represented as the vertical direction in the figure, and the groove through which the reaction gas flows is indicated by a single thick line.
  • the anode separator 6A has a plate shape and is substantially rectangular.
  • a plurality of through holes are formed in the peripheral portion of the main surface of the anode separator 6 ⁇ / b> A, and these through holes constitute manifold holes such as the fuel gas supply manifold hole 31.
  • a fuel gas supply manifold hole 31 is provided in an upper portion of one side portion (hereinafter referred to as a first side portion) of the anode separator 6A, and an oxidant gas discharge manifold is provided in the lower portion thereof.
  • a hole 34 is provided.
  • a cooling medium supply manifold hole 35 is provided inside the upper portion of the fuel gas supply manifold hole 31.
  • an oxidant gas supply manifold hole 33 is provided in the upper part of the other side part (hereinafter referred to as the second side part) of the anode separator 6A, and a fuel gas discharge manifold hole 32 is provided in the lower part thereof. Is provided.
  • a cooling medium discharge manifold hole 36 is provided inside the lower portion of the fuel gas discharge manifold hole 32.
  • the cathode separator 6B has a plate shape and is substantially rectangular.
  • a plurality of through holes are formed in the peripheral portion of the main surface of the cathode separator 6B, and these through holes constitute manifold holes such as the fuel gas supply manifold hole 31 and the like.
  • manifold holes such as the fuel gas supply manifold hole 31 and the like.
  • a bent fuel gas flow region 8 is provided on the inner surface of the anode separator 6A so as to connect the fuel gas supply manifold hole 31 and the fuel gas discharge manifold hole 32.
  • the fuel gas flow region 8 is formed in a serpentine shape as a whole when viewed from the thickness direction of the anode separator 6A.
  • the fuel gas flow region 8 has a plurality of groove-shaped first straight portions 18 and one or more (here, four) first folded portions 28.
  • the first straight portion 18 is formed by a flow channel and is configured so that fuel gas flows (divides).
  • the first folded portion 28 is configured to reverse (turn back) the fuel gas flowing through the first straight portion 18.
  • at least one of the one or more first folded portions 28 (two in the first embodiment) includes a first recessed portion 48A and a first recessed portion 48B (hereinafter referred to as a first recessed portion 48B). (Sometimes referred to as a recess 48).
  • a first recess 48 is provided in each of the first folded portions 28 that first overlap the anode electrode 4A.
  • the first recess 48A is provided in the first first folded portion 28 when the fuel gas flow region 8 is traced from the upstream side to the downstream side as viewed from the thickness direction of the anode separator 6A.
  • the first recess 48B is provided in the fourth first turn-back portion 28 when the fuel gas flow region 8 is traced from the upstream side to the downstream side as viewed from the thickness direction of the anode separator 6A.
  • the position where the first dent portion 48 is provided is the sum of the areas where the first dent portion 48 and a second dent portion 49 described later overlap, as viewed from the thickness direction of the anode separator 6A. 5% or less of the total area, which is the total area of the areas of all the first depressions 48 provided in the anode separator 6A and the areas of all the second depressions 49 provided in the cathode separator 6B. If it is, it can be provided at an arbitrary position, and the number provided can also be set arbitrarily.
  • the first recess 48 may be provided only in the upstream portion of the fuel gas flow region 8.
  • the upstream portion of the fuel gas flow region 8 has one end as the upstream end of the fuel gas flow region 8 and the other end as a portion satisfying the formula: L1 ⁇ ⁇ (1/2) ⁇ L2 ⁇ .
  • L1 indicates the flow path length of the upstream portion of the fuel gas flow area 8
  • L2 indicates the total flow path length of the fuel gas flow area 8.
  • the other end of the upstream portion is more preferably a portion satisfying the formula: L1 ⁇ ⁇ (1/3) ⁇ L2 ⁇ .
  • the first recess 48 is formed so as to communicate with the flow channel that forms the first straight portion 18.
  • the first recess 48 is provided with a plurality of first protrusions 58.
  • the first protrusion 58 is provided so as to extend from the bottom surface of the first recess 48 in the thickness direction of the anode separator 6A, and is formed in a columnar shape (precisely, a true columnar shape).
  • the part between the flow-path groove which comprises the some 1st linear part 18 and a flow-path groove forms the 1st rib part 11 contact
  • the portion between the channel grooves constituting the plurality of first straight portions 18 is defined as the first rib portion 11 that contacts the anode electrode 4A.
  • the first protrusion 58 is formed in a substantially cylindrical shape, but is not limited thereto, and may be formed in a triangular prism shape or a quadrangular prism shape.
  • the first protrusion 58 has a true circular cross section perpendicular to the thickness direction of the anode separator 6A.
  • the first protrusion 58 is not limited to this and may have an elliptical shape.
  • an oxidant gas flow region 9 formed in a bent shape so as to connect the oxidant gas supply manifold hole 33 and the oxidant gas discharge manifold hole 34 is formed on one main surface of the cathode separator 6B. Is provided.
  • the oxidant gas flow region 9 is formed in a serpentine shape as a whole when viewed from the thickness direction of the cathode separator 6B.
  • the oxidant gas flow region 9 has a plurality of groove-like second linear portions 19 and one or more (here, two) second folded portions 29.
  • the second straight portion 19 is formed by a flow channel and is configured so that an oxidizing gas flows (divides).
  • the second folding part 29 is configured to reverse (turn back) the oxidant gas flowing through the second linear part 19. Further, at least one (one in the first embodiment) second folded portion 29 of the one or more second folded portions 29 is provided with a second recessed portion 49.
  • the second folded portion 29 that overlaps the cathode electrode 4B first that is, 1
  • a second recess 49 is provided in the second folded portion 29.
  • the position where the second depression 49 is provided is the sum of the areas where the first depression 48 and the second depression 49 overlap as viewed from the thickness direction of the anode separator 6A. 5% or less of the total area, which is the total area of the areas of all the first depressions 48 provided in the separator 6A and the areas of all the second depressions 49 provided in the cathode separator 6B.
  • it can be provided at an arbitrary position, and the number provided can be arbitrarily set.
  • the second depression 49 may be provided only in the upstream portion of the oxidant gas flow region 9.
  • the upstream portion of the oxidant gas flow region 9 has one end as the upstream end of the oxidant gas flow region 9 and the other end as a portion satisfying the formula: L3 ⁇ ⁇ (1/2) ⁇ L4 ⁇ The part between them.
  • L3 indicates the flow path length of the upstream portion of the oxidant gas flow area 9
  • L4 indicates the total flow path length of the oxidant gas flow area 9.
  • the other end of the upstream portion is more preferably a portion satisfying the formula: L3 ⁇ ⁇ (1/3) ⁇ L4 ⁇ .
  • the second recess 49 is formed so as to communicate with the flow channel that forms the second straight part 19.
  • a plurality of second protrusions 59 are provided in the second depression 49.
  • the second protrusion 59 is provided so as to extend from the bottom surface of the second depression 49 in the thickness direction of the cathode separator 6B, and is formed in a columnar shape (precisely, a true columnar shape).
  • the part between the flow-path groove which comprises the some 2nd linear part 19 and a flow-path groove forms the 2nd rib part 12 contact
  • the portion between the channel grooves constituting the plurality of second linear portions 19 is defined as the second rib portion 12 that contacts the cathode electrode 4B.
  • the second protrusion 59 is formed in a substantially cylindrical shape, but is not limited thereto, and may be formed in a triangular prism shape or a quadrangular prism shape.
  • the second protrusion 59 has a true circular cross section perpendicular to the thickness direction of the cathode separator 6B.
  • the second protrusion 59 is not limited to this, and may have an elliptical shape.
  • the fuel gas flow region 8 and the oxidant gas flow region 9 are so-called parallel flows.
  • the parallel flow means that the fuel gas flow region 8 and the oxidant gas flow region 9 have a portion in which the fuel gas and the oxidant gas flow so as to face each other.
  • it means that the directions of the overall flow of the fuel gas and the oxidant gas from the upstream to the downstream in a macroscopic manner (as a whole) coincide with each other.
  • the fuel gas flow region 8 and the oxidant gas flow region 9 follow from the upstream to the downstream of the fuel gas flow region 8 when viewed from the thickness direction of the anode separator 6A.
  • the oxidant gas flowing through 19 is configured to face each other.
  • the first dent 48 and the second dent 49 are disposed so as to have a portion S1 that overlaps each other when viewed from the thickness direction of the anode separator 6A. More specifically, the first dent portion 48 and the second dent portion 49 are configured such that the area (overlapping area) of the portion S1 is equal to all the first dent portions 48 (the first dent portion 48A and the first dent portion 48A provided in the anode separator 6A). 1 depression 48B) and the area of all the second depressions 49 provided in the cathode separator 6B are arranged so as to be 5% or less of the total area S. ing.
  • the first recess 48 is provided in the upstream portion.
  • the dew point of the fuel cell 100 in the low humidification conditions (the fuel gas flowing through the fuel gas flow region 8 and the oxidant gas flowing through the oxidant gas flow region 9 are
  • a cooling medium in this case, under a temperature lower than the temperature of the cooling medium
  • the water generated by the reaction of the reaction gas blocks one of the flow paths.
  • the reaction gas can be supplied also to the downstream side of the blocked flow path by mixing and distributing the fuel gas in the first recess 48. For this reason, it is possible to avoid a state where power generation is not possible due to insufficient supply of fuel gas.
  • the fuel cell 100 since the second recess 49 is provided in the upstream portion, the fuel cell 100 is generated by the reaction of the reaction gas when the fuel cell 100 is operated under low humidification conditions. Even when a certain channel among the plurality of channels is clogged by the generated water, the oxidant gas is mixed and distributed in the second depression 49 so that the clogged channel is blocked. The reaction gas can also be supplied to the downstream side. For this reason, it is possible to avoid a state where power generation cannot be performed due to insufficient supply of the oxidant gas.
  • the fuel gas flow region 8 has a flow path downstream of the first recess 48 (the first linear portion 18 downstream of the first recess 48). ) Has a smaller number of flow paths (first straight portions 18) than the flow paths upstream of the first hollow portions 48 (first straight portions 18 upstream of the first hollow portions 48). It is formed to become. For this reason, as mentioned above, when obstruction
  • the fuel gas flow region 8 and the oxidant gas flow region 9 are configured to be in parallel flow, the above-described effects are remarkable.
  • the first separator is the anode separator 6A
  • the second separator is the cathode separator 6B
  • the first reaction gas flow region is the fuel gas flow region 8
  • the second reaction gas is used.
  • the flow path is the oxidant gas flow region 9, it is not limited to this.
  • the first separator is a cathode separator 6B
  • the second separator is an anode separator 6A
  • the first reaction gas flow region is an oxidant gas flow region 9
  • the second reaction gas flow region is a fuel gas flow region. It may be 8.
  • the number of first depressions 48 and the number of second depressions 49 are different from each other.
  • the present invention is not limited to this, and the first depression 48 and the second depression 48 are not limited thereto.
  • the same number of portions 49 may be provided.
  • the number of the oxidant gas flow regions 9 in the flow path on the upstream side of the second dent portion 49 (the second straight portion 19 on the upstream side of the second dent portion 49).
  • the number of flow paths downstream of the second depression 49 (the second straight line portion 19 downstream of the second depression 49) is the same, but is not limited thereto.
  • the flow path on the downstream side of the second dent part 49 (the second linear part 19 on the downstream side of the second dent part 49) is more than the second dent part 49.
  • the number of flow paths (second straight portions 19) may be smaller than that of the upstream flow paths (second straight portions 19 upstream of the second depressions 49).
  • the polymer electrolyte fuel cell of Modification 1 in Embodiment 1 is provided in all the first recesses provided in the first separator and the second separator as viewed from the thickness direction of the first separator. All the 2nd hollow parts which are currently illustrated illustrate the aspect arrange
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the inner surfaces of the anode separator and the cathode separator in the polymer electrolyte fuel cell of Modification 1 of Embodiment 1. As shown in FIG.
  • the basic configuration of the fuel cell 100 according to the first modification is the same as that of the fuel cell 100 according to the first embodiment, but the configuration of the oxidant gas flow region 9 is different.
  • the oxidant gas flow region 9 is different in that it has a plurality of groove-like second linear portions 19 and four second folded portions 29.
  • the two second folded portions 29 are different in that a second recessed portion 49A and a second recessed portion 49B are provided.
  • the second recessed portion 49A is provided in the second folded portion 29 that first overlaps the cathode electrode 4B when the oxidant gas flow region 9 is traced from the upstream side to the downstream side as viewed from the thickness direction of the cathode separator 6B. It has been.
  • the second depression 49B is provided in the second folded portion 29 that first overlaps the cathode electrode 4B when the oxidant gas flow region 9 is traced from the downstream side to the upstream side.
  • the second recessed portion 49A is provided in the first second folded portion 29 when the oxidant gas flow region 9 is traced from the upstream side to the downstream side as viewed from the thickness direction of the cathode separator 6B.
  • the second recessed portion 49B is provided in the fourth second folded portion 29 when the oxidant gas flow region 9 is traced from the upstream side to the downstream side.
  • all the 1st hollow parts 48A and the 1st hollow part 48B (and 1st projection part 58) which are provided in the anode separator 6A, and all the cathode parts 6B are provided.
  • the second dent 49A and the second dent 49B (and the second protrusion 59) are arranged so as not to overlap each other when viewed from the thickness direction of the anode separator 6A.
  • the area where the cathode separator 6B and the cathode electrode 4B and the anode separator 6A and the anode electrode 4A are not in contact with each other is further reduced as compared with the conventional fuel cell. Accordingly, it is possible to further reduce electric contact resistance and reduce power generation concentration.
  • the oxidant gas flow region 9 is a flow path downstream of the second recess 49 (the second linear portion 19 downstream of the second recess 49).
  • the number of flow paths (second straight portions 19) is smaller than the flow paths upstream of the second hollow portions 49 (second straight portions 19 upstream of the second hollow portions 49). It is formed as follows. For this reason, as mentioned above, when obstruction
  • the fuel cell system according to the second embodiment includes the polymer electrolyte fuel cell according to the first embodiment and a first reaction configured to supply the first reaction gas to the first reaction gas flow region.
  • the aspect provided with the controller which controls a 1st reaction gas supply device, a 2nd reaction gas supply device, and a cooling medium supply device so that it may become lower than the temperature of the cooling medium to be performed is illustrated.
  • FIG. 6 is a block diagram schematically showing a schematic configuration of the fuel cell system according to the second embodiment.
  • the fuel cell system 200 includes a fuel cell stack 61 including the fuel cell 100 according to the first embodiment, a fuel gas supplier 201, and an oxidant gas supplier 202. And a coolant supply unit 203 and a controller 210.
  • the controller 210 supplies the fuel gas flowing through the fuel gas flow region 8 and the oxidant gas flowing through the oxidant gas flow region 9.
  • the fuel gas supply device 201, the oxidant gas supply device 202, and the cooling medium supply device 203 are configured to be controlled such that the dew point is lower than the temperature of the cooling medium flowing through the cooling medium flow region 10. ing.
  • the fuel gas supply unit 201 may have any configuration as long as the fuel gas (hydrogen gas) can be supplied to the fuel cell stack 61 (fuel cell 100) while adjusting the flow rate and the humidification amount.
  • the fuel gas supply device 201 for example, a device configured to supply hydrogen gas such as a hydrogen cylinder or a hydrogen storage alloy, a humidifier that humidifies water stored in a tank or the like as water vapor, or total heat exchange Or a hydrogen generator that generates a hydrogen gas by reforming a raw material such as methane and water.
  • the fuel gas supply device 201 may be configured with a single hydrogen generator, or may be configured with a hydrogen generator and a humidifier or a total heat exchanger. Also good.
  • the total heat exchanger may be in any form as long as the fuel gas supplied to the fuel gas flow region 8 can be humidified, for example, a separator through which the primary fluid flows, a water vapor permeable membrane, Alternatively, a static total heat exchanger in which a plurality of cells each having a separator through which a secondary fluid flows may be stacked.
  • the humidification amount of the fuel gas supplied to the fuel gas flow region 8 may be reduced by reducing the area of the water vapor permeable membrane or reducing the number of stacked cells. As a result, the dew point of the fuel gas flowing through the fuel gas flow region 8 can be made lower than the temperature of the cooling medium flowing through the cooling medium flow region 10.
  • a fuel cell stack 61 (an inlet of the fuel gas supply manifold 131) is connected to the fuel gas supply unit 201 via a fuel gas supply channel 71.
  • the fuel gas is supplied from the fuel gas supply device 201 to the fuel gas flow region 8 via the fuel gas supply passage 71 and the fuel gas supply manifold 131.
  • the oxidant gas supply unit 202 may be in any form as long as the oxidant gas (air) can be supplied to the fuel cell stack 61 (fuel cell 100) while adjusting the flow rate and the humidification amount.
  • the oxidant gas supply unit 202 may be configured by a fan such as a fan or a blower and a humidifier, or may be configured by a fan or a total heat exchanger.
  • the total heat exchanger may have any form as long as the oxidant gas supplied to the oxidant gas flow region 9 can be humidified, for example, a separator through which the primary fluid flows, water vapor transmission
  • a static total heat exchanger in which a plurality of cells having a membrane and a separator through which a secondary fluid flows is stacked may be used.
  • the humidification amount of the oxidant gas supplied to the oxidant gas flow region 9 may be reduced by reducing the area of the water vapor permeable membrane or reducing the number of stacked cells. Thereby, the dew point of the oxidant gas flowing through the oxidant gas flow region 9 can be made lower than the temperature of the cooling medium flowing through the cooling medium flow region 10.
  • a fuel cell stack 61 (an inlet of the oxidant gas supply manifold 133) is connected to the oxidant gas supply unit 202 via an oxidant gas supply channel 72.
  • the oxidant gas is supplied from the oxidant gas supply device 202 to the oxidant gas flow region 9 through the oxidant gas supply passage 72 and the fuel gas discharge manifold 132.
  • the cooling medium supply unit 203 may be in any form as long as the cooling medium can be supplied to the cooling medium flow area 10 with its flow rate and temperature adjusted.
  • the cooling medium supply unit 203 may include, for example, a flow rate regulator that adjusts the flow rate of water and a temperature regulator.
  • the flow rate regulator may be constituted by a single pump or a combination of a pump and a flow rate regulating valve.
  • a temperature regulator you may be comprised with the electric heater, for example.
  • the fuel cell stack 61 (cooling medium supply manifold 135) is connected to the cooling medium supply unit 203 via the cooling medium supply channel 73.
  • the cooling medium is supplied from the cooling medium supply unit 203 to the cooling medium flow region 10 via the cooling medium supply channel 73 and the cooling medium supply manifold 135.
  • the controller 210 may be in any form as long as it is a device that controls each device constituting the fuel cell system 200.
  • the controller 210 includes an arithmetic processing unit exemplified by a microprocessor, a CPU, and the like, and a storage unit configured by a memory or the like that stores a program for executing each control operation. Then, in the controller 210, the arithmetic processing unit reads out a predetermined control program stored in the storage unit and executes it, thereby processing the information and the fuel cell system 200 including these controls. Various controls are performed.
  • controller 210 is not only configured as a single controller, but also configured as a controller group in which a plurality of controllers cooperate to execute control of the fuel cell system 200. I do not care.
  • the controller 210 may be configured by a micro control, and may be configured by an MPU, a PLC (Programmable Logic Controller), a logic circuit, or the like.
  • the controller 210 controls (reduces) the operation amount of the flow rate regulator of the cooling medium supply unit 203 to reduce the flow rate of the cooling medium flowing through the cooling medium flow region 10, thereby reducing the fuel.
  • the dew point of the fuel gas flowing through the gas flow region 8 and the oxidant gas flowing through the oxidant gas flow region 9 are made lower than the temperature of the cooling medium flowing through the cooling medium flow region 10. May be.
  • the controller 210 controls (increases) the operation amount of the temperature regulator to increase the temperature of the cooling medium flowing through the cooling medium flow area 10, thereby reducing the fuel gas flow area 8.
  • the dew point of the flowing fuel gas and the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas flowing region 9 may be lower than the temperature of the cooling medium flowing through the cooling medium flowing region 10.
  • the fuel cell system 200 according to the second embodiment configured as described above includes the fuel cell 100 according to the first embodiment, the same operational effects as the fuel cell 100 according to the first embodiment are exhibited.
  • the fuel cell system 200 according to Embodiment 2 is configured to operate the fuel cell 100 under a low humidification condition, so that its operational effects become significant.
  • the form including the fuel cell 100 according to the first embodiment is adopted.
  • a form including the fuel cell 100 according to the first modification of the first embodiment may be adopted.
  • the polymer electrolyte fuel cell of the present invention and the fuel cell system including the same are electrically contacted between the separator and the electrode in the folded portion provided with the recess and the protrusion as compared with the conventional fuel cell. Since resistance can be reduced, it is useful in the technical field of fuel cells.

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Abstract

　本発明に係る高分子電解質形燃料電池は、電解質層－電極接合体（５）と、第１反応ガス通流領域が設けられている第１セパレータ（６Ａ）と、第２反応ガス通流領域が設けられている第２セパレータ（６Ｂ）と、を備え、第１セパレータ（６Ａ）には、１以上の第１折り返し部（２８）のうち、少なくとも１の第１折り返し部（２８）に、第１窪み部（４８）と第１突起部（５８）が設けられ、第２セパレータ（６Ｂ）には、１以上の第２折り返し部（２９）のうち、少なくとも１の第２折り返し部（２９）に、第２窪み部（４９）と第２突起部（５９）が設けられ、第１セパレータ（６Ａ）の厚み方向から見て、第１窪み部（４８）と、第２窪み部（４９）と、が互いに重なる面積の合計である重なり面積が、全ての第１窪み部（４８）の面積と全ての第２窪み部（４９）の面積との合計の面積である総面積の５％以下である。

Description

高分子電解質形燃料電池及びそれを備える燃料電池システム
　本発明は、高分子電解質形燃料電池及びそれを備える燃料電池システム、特に高分子電解質形燃料電池のセパレータの構造に関する。
　高分子電解質形燃料電池（以下、ＰＥＦＣという）は、水素が含有された燃料ガスと空気等の酸素が含有された酸化剤ガスとを電気化学反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させるものである。ＰＥＦＣの単電池（セル）は、高分子電解質膜及び一対のガス拡散電極（アノード及びカソード）から構成されるＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ－Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ－Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、ガスケットと、導電性の板状のセパレータと、を有している。
　また、セパレータの主面には、燃料ガス又は酸化剤ガス（これらを反応ガスという）を供給し、排出するためのマニホールドを形成するマニホールド孔（反応ガス供給用マニホールド孔と反応ガス排出用マニホールド孔）が設けられており、ガス拡散電極と当接する主面には、反応ガスが通流する溝状でサーペンタイン状に形成された反応ガス流路がこれらのマニホールド孔と連通するように設けられている。
　このようなサーペンタイン状の反応ガス流路において、流路の折り返し部に発電ガスを混合する窪み部を設け、該窪み部の底面から立設された島状の複数の突起が配置されている、燃料電池用セパレータおよび燃料電池セルが知られている（例えば、特許文献１参照）。
　特許文献１に開示されている燃料電池用セパレータおよび燃料電池セルでは、流路溝の延長上に突起を配置することにより、発電ガスの混合を適正に図ることができる。
特開２００７－４８４８６号公報
　しかしながら、上記特許文献１に開示されている燃料電池用セパレータおよび燃料電池セルであっても、低加湿で供給された反応ガスで発電を行った際の電池性能を改善するという観点からは、未だ改善の余地があることを本発明者等は見出した。
　すなわち、反応ガスが低加湿である場合には、発電による生成水が滞留しやすいセパレータのガス拡散層と接触する部分（リブ）で反応が行われることから、上記特許文献１に開示されている燃料電池セルでは、窪み部の突起では、他の領域（例えば、リブ）と比較して、ガス拡散層との接触する面積が小さくなる。このため、窪み部の突起では、他の領域と比較して、発電が集中することになる。そして、燃料電池セルの積層方向から見て、一方のセパレータに設けられた窪み部と、他方のセパレータに設けられた窪み部とが重なる部分では、特に、発電集中が大きくなり、発熱量が増加して、高分子電解質膜が劣化するおそれがあった。
　本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、従来の燃料電池に比して、セパレータと電極との間の電気的な接触抵抗を低減し、高分子電解質膜の劣化を抑制することができる高分子電解質形燃料電池及びそれを備える燃料電池システムを提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために、本発明に係る高分子電解質形燃料電池は、電解質層と該電解質層を挟む一対の電極を有する電解質層－電極接合体と、板状で、前記電解質層－電極接合体の前記一対の電極のうち一方の電極と接触するように配設され、前記電極と接触する一方の主面に溝状の複数の第１直線部と１以上の第１折り返し部とを有し、屈曲状に形成され、第１反応ガスが通流する第１反応ガス通流領域が設けられている導電性の第１セパレータと、板状で、前記電解質層－電極接合体の前記一対の電極のうち他方の電極と接触するように配設され、前記電極と接触する一方の主面に溝状の複数の第２直線部と１以上の第２折り返し部とを有し、屈曲状に形成され、第２反応ガスが通流する第２反応ガス通流領域が設けられている導電性の第２セパレータと、を備え、前記第１セパレータには、１以上の前記第１折り返し部のうち、少なくとも１の第１折り返し部には、第１窪み部と該第１窪み部の底面から立設された複数の第１突起部が設けられ、前記第２セパレータには、１以上の前記第２折り返し部のうち、少なくとも１の第２折り返し部には、第２窪み部と該第２窪み部の底面から立設された複数の第２突起部が設けられ、前記第１セパレータの厚み方向から見て、前記第１セパレータに設けられている前記第１窪み部と、前記第２セパレータに設けられている前記第２窪み部と、が互いに重なる面積の合計である、重なり面積が、前記第１セパレータに設けられている全ての前記第１窪み部の面積と前記第２セパレータに設けられている全ての前記第２窪み部の面積との合計の面積である、総面積の５％以下である。
　これにより、従来の燃料電池に比して、窪み部及び突起部が設けられた折り返し部におけるセパレータと電極との間の電気的な接触抵抗を低減することができる。
　また、本発明に係る燃料電池システムは、前記高分子電解質形燃料電池と、前記第１反応ガスを前記第１反応ガス通流領域に供給するように構成されている第１反応ガス供給器と、前記第２反応ガスを前記第２反応ガス通流領域に供給するように構成されている第２反応ガス供給器と、前記冷却媒体を前記冷却媒体通流領域に供給するように構成されている冷却媒体供給器と、前記第１反応ガス通流領域に供給される前記第１反応ガスの露点及び前記第２反応ガス通流領域に供給される前記第２反応ガスの露点を前記冷却媒体通流領域に供給される前記冷却媒体の温度よりも低くなるように、前記第１反応ガス供給器、前記第２反応ガス供給器、及び前記冷却媒体供給器を制御する制御器と、を備える。
　これにより、特に、燃料電池に低加湿の反応ガスを供給するような場合に、従来の燃料電池システムに比して、窪み部及び突起部が設けられた折り返し部におけるセパレータと電極との間の電気的な接触抵抗を低減することができる。
　本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施形態の詳細な説明から明らかにされる。
　本発明の燃料電池及びそれを備える燃料電池システムによれば、従来の燃料電池に比して、窪み部及び突起部が設けられた折り返し部におけるセパレータと電極との間の電気的な接触抵抗を低減することが可能となる。
図１は、本実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池を備える、燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す斜視図である。 図２は、図１に示す燃料電池スタックにおける燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。 図３は、図２に示す高分子電解質形燃料電池におけるアノードセパレータ及びカソードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。 図４は、図２に示す高分子電解質形燃料電池をアノードセパレータの厚み方向から見た透視図である。 図５は、本実施の形態１における変形例１の高分子電解質形燃料電池におけるアノードセパレータ及びカソードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。 図６は、本実施の形態２に係る燃料電池システムの概略構成を模式的に示すブロック図である。
　以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、全ての図面において、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している。さらに、本発明は、以下の実施の形態に限定されない。
　（実施の形態１）
　本実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池は、電解質層と該電解質層を挟む一対の電極を有する電解質層－電極接合体と、板状で、電解質層－電極接合体の一対の電極のうち一方の電極と接触するように配設され、電極と接触する一方の主面に溝状の複数の第１直線部と１以上の第１折り返し部とを有し、屈曲状に形成され、第１反応ガスが通流する第１反応ガス通流領域が設けられている導電性の第１セパレータと、板状で、電解質層－電極接合体の一対の電極のうち他方の電極と接触するように配設され、電極と接触する一方の主面に溝状の複数の第２直線部と１以上の第２折り返し部とを有し、屈曲状に形成され、第２反応ガスが通流する第２反応ガス通流領域が設けられている導電性の第２セパレータと、を備え、第１セパレータには、１以上の第１折り返し部のうち、少なくとも１の第１折り返し部には、第１窪み部と該第１窪み部の底面から立設された複数の第１突起部が設けられ、第２セパレータには、１以上の第２折り返し部のうち、少なくとも１の第２折り返し部には、第２窪み部と該第２窪み部の底面から立設された複数の第２突起部が設けられ、第１セパレータの厚み方向から見て、第１セパレータに設けられている第１窪み部と、第２セパレータに設けられている第２窪み部と、が互いに重なる面積の合計である、重なり面積が、第１セパレータに設けられている全ての第１窪み部の面積と第２セパレータに設けられている全ての第２窪み部の面積との合計の面積である、総面積の５％以下である態様を例示するものである。
　なお、重なり面積は、第１反応ガス通流領域又は第２反応ガス通流領域の設計変更を容易にする観点から、総面積の５％以下と設定している。また、重なり面積は、折り返し部におけるセパレータと電極との間の電気的な接触抵抗をより低減する観点から、総面積に占める割合が低いほど好ましく、例えば、その割合を、４％以下、３％以下、２％以下、１％以下、と適宜設定することができる。
　また、本実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池では、第１窪み部は、第１反応ガス通流領域の上流部分に設けられていてもよい。
　また、本実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池では、第２窪み部は、第２反応ガス通流領域の上流部分に設けられていてもよい。
　また、本実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池では、第１反応ガス通流領域と第２反応ガス通流領域は、並行流、かつ、第１セパレータの厚み方向から見て、第１反応ガス通流領域の上流から下流に辿った場合に電極と最初に重なる第１直線部を通流する第１反応ガスと、第２反応ガス通流領域の上流から下流に辿った場合に電極と最初に重なる第２直線部を通流する第２反応ガスと、が、互いに対向するように構成され、第１窪み部は、第１セパレータの厚み方向から見て、第１反応ガス通流領域の上流から下流に辿った場合に、一方の電極と最初に重なる第１折り返し部に設けられ、第２窪み部は、第２セパレータの厚み方向から見て、第２反応ガス通流領域の上流から下流に辿った場合に、他方の電極と最初に重なる第２折り返し部に設けられていてもよい。
　また、本実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池では、第２窪み部の方が、第１窪み部よりも設けられている数が多くてもよい。
　さらに、本実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池では、第１セパレータ及び第２セパレータの少なくとも一方のセパレータの電極と接触しない他方の主面には、冷却媒体が通流する冷却媒体通流領域が設けられていてもよい。
　以下、本発明の実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池の一例について、図面を参照しながら説明する。
［燃料電池スタックの構成］
　図１は、本実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池（以下、単に燃料電池という）を備える、燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す斜視図である。なお、図１において、燃料電池スタックの上下方向を図における上下方向として表している。
　図１に示すように、本実施の形態１に係る燃料電池スタック６１は、セル積層体６２を有している。セル積層体６２は、複数の燃料電池１００が、その厚み方向に積層されることにより、形成されている。セル積層体６２の両端には、それぞれ、端板６３、６４が配置されている。また、端板６３とセル積層体６２の間、及び端板６４とセル積層体６２の間には、集電板及び絶縁板がそれぞれ配設されている（図示せず）。そして、セル積層体６２等は、図示されない締結具により、締結されている。
　セル積層体６２における一方の側部（図面左側の側部：以下、第１の側部という）の上部には、該セル積層体６２の燃料電池１００の積層方向に貫通するように、燃料ガス供給マニホールド１３１が設けられており、その下部には、酸化剤ガス排出マニホールド１３４が設けられている。また、セル積層体６２の第１の側部の燃料ガス供給マニホールド１３１が配設されている上部の内側には、該セル積層体６２の燃料電池１００の積層方向に貫通するように、冷却媒体供給マニホールド１３５が設けられている。
　さらに、セル積層体６２における他方の側部（図面右側の側部：以下、第２の側部）の上部には、該セル積層体６２の燃料電池１００の積層方向に貫通するように、酸化剤ガス供給マニホールド１３３が設けられており、その下部には、該セル積層体６２の燃料電池１００の積層方向に貫通するように、燃料ガス排出マニホールド１３２が設けられている。また、セル積層体６２の第２の側部の燃料ガス排出マニホールド１３２が配設されている下部の内側には、該セル積層体６２の燃料電池１００の積層方向に貫通するように、冷却媒体排出マニホールド１３６が設けられている。
　そして、それぞれのマニホールドには、適宜な配管が設けられている。これにより、適宜な配管を介して、燃料電池スタック６１に燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却媒体が供給され、排出される（実施の形態２参照）。なお、本実施の形態１においては、燃料電池１００は、いわゆる内部マニホールド形の燃料電池スタックを採用したが、これに限定されず、外部マニホールド形の燃料電池スタックを採用してもよい。
　［高分子電解質形燃料電池の構成］
　次に、本実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池の構成について、図２を参照しながら説明する。
　図２は、図１に示す燃料電池スタックにおける燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。
　図２に示すように、本実施の形態１に係る燃料電池１００は、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ－Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ－Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜－電極接合体）５と、ガスケット７と、アノードセパレータ（第１セパレータ）６Ａと、カソードセパレータ（第２セパレータ）６Ｂと、を備えている。
　ＭＥＡ５は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１と、アノード電極４Ａと、カソード電極４Ｂと、を有している。高分子電解質膜１は、略４角形（ここでは、矩形）の形状を有しており、高分子電解質膜１の両面には、その周縁部より内方に位置するようにアノード電極４Ａとカソード電極４Ｂがそれぞれ設けられている。なお、高分子電解質膜１の周縁部には、燃料ガス供給マニホールド孔３１、冷却媒体供給マニホールド孔３５等の各マニホールド孔が厚み方向に貫通するように設けられている。
　アノード電極４Ａは、高分子電解質膜１の一方の主面上に設けられ、白金系金属触媒（電極触媒）を担持したカーボン粉末（導電性炭素粒子）からなる触媒担持カーボンと触媒担持カーボンに付着した高分子電解質を含むアノード触媒層２Ａと、ガス通気性と導電性を兼ね備えたアノードガス拡散層３Ａと、を有している。アノード触媒層２Ａは、一方の主面が高分子電解質膜１と接触するように配置されている。アノード触媒層２Ａの他方の主面には、アノードガス拡散層３Ａが配置されている。
　同様に、カソード電極４Ｂは、高分子電解質膜１の他方の主面上に設けられ、白金系金属触媒（電極触媒）を担持したカーボン粉末（導電性炭素粒子）からなる触媒担持カーボンと触媒担持カーボンに付着した高分子電解質を含むカソード触媒層２Ｂと、カソード触媒層２Ｂの上に設けられ、ガス通気性と導電性を兼ね備えたカソードガス拡散層３Ｂと、を有している。カソード触媒層２Ｂは、一方の主面が高分子電解質膜１と接触するように配置されていて、カソード触媒層２Ｂの他方の主面には、カソードガス拡散層３Ｂが配置されている。
　なお、本実施の形態１においては、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、アノード触媒層２Ａは、その外端がアノードガス拡散層３Ａの外端よりも外方に位置するように（はみ出すように）形成されており、また、カソード触媒層２Ｂは、その外端がカソードガス拡散層３Ｂの外端よりも外方に位置するように形成されているが、これに限定されず、アノード触媒層２Ａは、その外端がアノードガス拡散層３Ａよりも内方に位置するように形成されてもよく、カソード触媒層２Ｂは、その外端がカソードガス拡散層３Ｂよりも内方に位置するように形成されてもよい。
　また、ＭＥＡ５のアノード電極４Ａ及びカソード電極４Ｂ（正確には、アノードガス拡散層３Ａ及びカソードガス拡散層３Ｂ）の周囲には、高分子電解質膜１を挟んで一対のフッ素ゴム製でドーナツ状のガスケット７が配設されている。これにより、燃料ガスや酸化剤ガスが電池外にリークされることが防止され、また、燃料電池１００内でこれらのガスが互いに混合されることが防止される。なお、ガスケット７の周縁部には、厚み方向の貫通孔からなる燃料ガス供給マニホールド孔３１、冷却媒体供給マニホールド孔３５等の各マニホールド孔が設けられている。
　また、ＭＥＡ５とガスケット７を挟むように、導電性のアノードセパレータ６Ａとカソードセパレータ６Ｂが配設されている。これにより、ＭＥＡ５が機械的に固定され、複数の燃料電池１００をその厚み方向に積層したときには、ＭＥＡ５が電気的に接続される。なお、アノードセパレータ６Ａ及びカソードセパレータ６Ｂは、熱伝導性及び導電性に優れた金属、黒鉛、または、黒鉛と樹脂を混合したものを使用することができ、例えば、カーボン粉末とバインダー（溶剤）との混合物を射出成形により作製したものやチタンやステンレス鋼製の板の表面に金メッキを施したものを使用することができる。
　アノードセパレータ６Ａのアノード電極４Ａと接触する一方の主面（以下、内面）には、燃料ガス（第１反応ガス）が通流するための燃料ガス通流領域８が設けられており、また、他方の主面（以下、外面）には、冷却媒体が通流するための溝状の冷却媒体通流領域１０が設けられている。同様に、カソードセパレータ６Ｂのカソード電極４Ｂと接触する一方の主面（以下、内面）には、酸化剤ガス（第２反応ガス）が通流するための酸化剤ガス通流領域９が設けられており、また、他方の主面（以下、外面）には、冷却媒体が通流するための溝状の冷却媒体通流領域１０が設けられている。
　なお、アノードセパレータ６Ａ及びカソードセパレータ６Ｂのそれぞれの主面の周縁部には、燃料ガス供給マニホールド孔３１、冷却媒体供給マニホールド孔３５等の各マニホールド孔が設けられている。また、冷却媒体通流領域１０の形状は任意であり、例えば、いわゆるストレート状に形成されていてもよく、サーペンタイン状に形成されていてもよく、また、渦巻状に形成されていてもよい。さらに、冷却媒体通流領域１０は、１つの燃料電池１００において、アノードセパレータ６Ａ及びカソードセパレータ６Ｂの少なくとも一方のセパレータの外面に設けられていればよい。
　これにより、アノード電極４Ａ及びカソード電極４Ｂには、それぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され、これらのガスが反応して電気と熱が発生し、水が生成される。また、冷却水等の冷却媒体を冷却媒体通流領域１０に通流させることにより、発生した熱の回収が行われる。
　なお、このように構成された燃料電池１００を単電池（セル）として使用してもよく、燃料電池１００を複数積層して燃料電池スタック６１として使用してもよい。
　［セパレータの構成］
　次に、アノードセパレータ６Ａ及びカソードセパレータ６Ｂの構成について、図２乃至図４を参照しながら、さらに詳細に説明する。
　図３は、図２に示す高分子電解質形燃料電池におけるアノードセパレータ及びカソードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。また、図４は、図２に示す高分子電解質形燃料電池をアノードセパレータの厚み方向から見た透視図である。なお、図３において、セパレータにおける上下方向を図における上下方向として表し、反応ガスが通流する溝は１本の太線で示している。また、図４においては、反応ガス及び冷却媒体が通流する溝は省略し、第１窪み部及び第１突起部を実線で示し、第２窪み部及び第２突起部を破線で示し、第１窪み部と第２窪み部が重なる部分にハッチングで示している。
　図３に示すように、アノードセパレータ６Ａは、板状で、かつ、略矩形に構成されている。アノードセパレータ６Ａの主面の周縁部には、複数の貫通孔が形成されていて、これらの貫通孔は、燃料ガス供給マニホールド孔３１等の各マニホールド孔を構成する。
　具体的には、アノードセパレータ６Ａの一方の側部（以下、第１の側部という）の上部には、燃料ガス供給マニホールド孔３１が設けられていて、その下部には、酸化剤ガス排出マニホールド孔３４が設けられている。また、燃料ガス供給マニホールド孔３１の上部の内側には、冷却媒体供給マニホールド孔３５が設けられている。
　一方、アノードセパレータ６Ａの他方の側部（以下、第２の側部という）の上部には、酸化剤ガス供給マニホールド孔３３が設けられていて、その下部には、燃料ガス排出マニホールド孔３２が設けられている。また、燃料ガス排出マニホールド孔３２の下部の内側には、冷却媒体排出マニホールド孔３６が設けられている。
　同様に、カソードセパレータ６Ｂは、板状で、かつ、略矩形に構成されている。カソードセパレータ６Ｂの主面の周縁部には、複数の貫通孔が形成されていて、これらの貫通孔は、燃料ガス供給マニホールド孔３１等の各マニホールド孔を構成する。なお、各マニホールド孔の位置関係は、カソードセパレータ６Ｂと同様に配置されているので、その説明は省略する。
　また、アノードセパレータ６Ａの内面には、燃料ガス供給マニホールド孔３１と燃料ガス排出マニホールド孔３２とを接続するように、屈曲状に形成された燃料ガス通流領域８が設けられている。燃料ガス通流領域８は、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、全体として、サーペンタイン状に形成されている。また、燃料ガス通流領域８は、溝状の複数の第１直線部１８と１以上（ここでは、４つ）の第１折り返し部２８を有している。
　第１直線部１８は、流路溝で形成されていて、燃料ガスが通流（分流）するように構成されている。第１折り返し部２８は、第１直線部１８を通流する燃料ガスを反転するように（折り返すように）構成されている。また、１以上の第１折り返し部２８の少なくとも１（本実施の形態１においては、２つ）の第１折り返し部２８には、第１窪み部４８Ａ及び第１窪み部４８Ｂ（以下、第１窪み部４８と称することもある）が設けられている。
　具体的には、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、燃料ガス通流領域８を上流側から下流側に辿った場合に、最初にアノード電極４Ａと重なる第１折り返し部２８と、燃料ガス通流領域８を下流側から上流側に辿った場合に、最初にアノード電極４Ａと重なる第１折り返し部２８と、のそれぞれに、第１窪み部４８が設けられている。
　すなわち、第１窪み部４８Ａは、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、燃料ガス通流領域８を上流側から下流側に辿った場合に、１つめの第１折り返し部２８に設けられていて、第１窪み部４８Ｂは、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、燃料ガス通流領域８を上流側から下流側に辿った場合に、４つめの第１折り返し部２８に設けられている。
　なお、第１窪み部４８が設けられる位置は、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、第１窪み部４８と、後述する第２窪み部４９と、が重なる面積の合計である、重なり面積が、アノードセパレータ６Ａに設けられている全ての第１窪み部４８の面積とカソードセパレータ６Ｂに設けられている全ての第２窪み部４９の面積との合計の面積である、総面積の５％以下であれば、任意の位置に設けることができ、その設ける数も任意に設定することができる。
　例えば、第１窪み部４８は、燃料ガス通流領域８の上流部分にのみ設けられていてもよい。ここで、燃料ガス通流領域８の上流部分は、一端を燃料ガス通流領域８の上流端とし、他端を式：Ｌ１≦｛（１／２）×Ｌ２｝を満たす部分とし、これらの間の部分をいう。なお、上記式中、Ｌ１は、燃料ガス通流領域８の上流部分の流路長を示し、Ｌ２は、燃料ガス通流領域８の全流路長を示す。また、上流部分の他端は、式：Ｌ１≦｛（１／３）×Ｌ２｝を満たす部分であることがより好ましい。
　第１窪み部４８は、第１直線部１８を形成する流路溝と連通するように形成されている。第１窪み部４８には、複数の第１突起部５８が設けられている。第１突起部５８は、第１窪み部４８の底面からアノードセパレータ６Ａの厚み方向に延びるように設けられていて、円柱状（正確には、真円柱状）に形成されている。
　なお、複数の第１直線部１８を構成する流路溝と流路溝との間の部分が、アノード電極４Ａと当接する第１リブ部１１を形成する（区画する）。換言すると、複数の第１直線部１８を構成する流路溝と流路溝との間の部分が、アノード電極４Ａと当接する第１リブ部１１と定義される。
　また、第１突起部５８は、本実施の形態１においては、略円柱形により形成されているが、これに限定されず、三角柱形又は四角柱形に形成されていてもよい。また、ここでは、第１突起部５８は、アノードセパレータ６Ａの厚み方向に垂直な断面を、真円形としたが、これに限定されず、楕円形であってもよい。
　同様に、カソードセパレータ６Ｂの一方の主面には、酸化剤ガス供給マニホールド孔３３と酸化剤ガス排出マニホールド孔３４とを接続するように、屈曲状に形成された酸化剤ガス通流領域９が設けられている。酸化剤ガス通流領域９は、カソードセパレータ６Ｂの厚み方向から見て、全体として、サーペンタイン状に形成されている。また、酸化剤ガス通流領域９は、溝状の複数の第２直線部１９と１以上（ここでは、２つ）の第２折り返し部２９を有している。
　第２直線部１９は、流路溝で形成されていて、酸化剤ガスが通流（分流）するように構成されている。第２折り返し部２９は、第２直線部１９を通流する酸化剤ガスを反転するように（折り返すように）構成されている。また、１以上の第２折り返し部２９の少なくとも１（本実施の形態１においては、１つ）の第２折り返し部２９には、第２窪み部４９が設けられている。
　具体的には、カソードセパレータ６Ｂの厚み方向から見て、酸化剤ガス通流領域９を上流側から下流側に辿った場合に、最初にカソード電極４Ｂと重なる第２折り返し部２９（すなわち、１つめの第２折り返し部２９）に、第２窪み部４９が設けられている。なお、第２窪み部４９が設けられる位置は、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、第１窪み部４８と、第２窪み部４９と、が重なる面積の合計である、重なり面積が、アノードセパレータ６Ａに設けられている全ての第１窪み部４８の面積とカソードセパレータ６Ｂに設けられている全ての第２窪み部４９の面積との合計の面積である、総面積の５％以下であれば、任意の位置に設けることができ、その設ける数も任意に設定することができる。
　例えば、第２窪み部４９は、酸化剤ガス通流領域９の上流部分にのみ設けられていてもよい。ここで、酸化剤ガス通流領域９の上流部分は、一端を酸化剤ガス通流領域９の上流端とし、他端を式：Ｌ３≦｛（１／２）×Ｌ４｝を満たす部分とし、これらの間の部分をいう。なお、上記式中、Ｌ３は、酸化剤ガス通流領域９の上流部分の流路長を示し、Ｌ４は、酸化剤ガス通流領域９の全流路長を示す。また、上流部分の他端は、式：Ｌ３≦｛（１／３）×Ｌ４｝を満たす部分であることがより好ましい。
　第２窪み部４９は、第２直線部１９を形成する流路溝と連通するように形成されている。第２窪み部４９には、複数の第２突起部５９が設けられている。第２突起部５９は、第２窪み部４９の底面からカソードセパレータ６Ｂの厚み方向に延びるように設けられていて、円柱状（正確には、真円柱状）に形成されている。
　なお、複数の第２直線部１９を構成する流路溝と流路溝との間の部分が、カソード電極４Ｂと当接する第２リブ部１２を形成する（区画する）。換言すると、複数の第２直線部１９を構成する流路溝と流路溝との間の部分が、カソード電極４Ｂと当接する第２リブ部１２と定義される。
　また、第２突起部５９は、本実施の形態１においては、略円柱形により形成されているが、これに限定されず、三角柱形又は四角柱形に形成されていてもよい。また、ここでは、第２突起部５９は、カソードセパレータ６Ｂの厚み方向に垂直な断面を、真円形としたが、これに限定されず、楕円形であってもよい。
　さらに、燃料ガス通流領域８と酸化剤ガス通流領域９は、いわゆる並行流となるように構成されている。ここで、並行流とは、燃料ガス通流領域８と酸化剤ガス通流領域９は、一部に燃料ガスと酸化剤ガスが互いに対向するように流れる部分を有するが、燃料電池１００の厚み方向から見て、巨視的に（全体として）燃料ガスと酸化剤ガスの上流から下流への全体的な流れの方向が互いに一致するように構成されていることをいう。
　なお、本実施の形態１においては、燃料ガス通流領域８及び酸化剤ガス通流領域９は、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、燃料ガス通流領域８の上流から下流に辿った場合に、アノード電極４Ａと最初に重なる第１直線部１８を通流する燃料ガスと、酸化剤ガス通流領域９の上流から下流に辿った場合に、カソード電極４Ｂと最初に重なる第２直線部１９を通流する酸化剤ガスと、が、互いに対向するように構成されている。
　そして、図３及び図４に示すように、第１窪み部４８と第２窪み部４９は、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、互いに重なる部分Ｓ１を有するように配設されている。より詳しくは、第１窪み部４８と第２窪み部４９は、部分Ｓ１の面積（重なり面積）が、アノードセパレータ６Ａに設けられている全ての第１窪み部４８（第１窪み部４８Ａと第１窪み部４８Ｂ）の面積と、カソードセパレータ６Ｂに設けられている全ての第２窪み部４９の面積と、の合計の面積である、総面積Ｓの５％以下となるように、配設されている。
　このように構成された本実施の形態１に係る燃料電池１００では、アノードセパレータ６Ａに設けられた第１窪み部４８と、カソードセパレータ６Ｂに設けられた第２窪み部４９と、が重なる部分Ｓ１が総面積Ｓの５％以下となるように構成されている。このため、従来の燃料電池に比して、カソードセパレータ６Ｂとカソード電極４Ｂ及びアノードセパレータ６Ａとアノード電極４Ａがまったく接していない面積の減少を抑制することができ、これにより、電気的な接触抵抗の低減と発電集中の緩和を図ることができる。
　また、本実施の形態１に係る燃料電池１００では、第１窪み部４８が上流部分に設けられている。このため、特に、燃料電池１００を低加湿の条件（燃料ガス通流領域８を通流する燃料ガス及び酸化剤ガス通流領域９を通流する酸化剤ガスの露点が、冷却媒体流路１０を通流する冷却媒体（ここでは、水）の温度よりも低い条件）で運転するような場合に、反応ガスの反応によって生成された水により、複数の流路のうち、ある流路で閉塞が生じた場合であっても、第１窪み部４８で燃料ガスを混合、分配することで、閉塞が生じた流路の下流側にも反応ガスを供給することができる。このため、燃料ガスの供給不足で発電ができない状態を回避することができる。
　同様に、本実施の形態１に係る燃料電池１００では、第２窪み部４９が上流部分に設けられているため、燃料電池１００を低加湿の条件で運転する場合に、反応ガスの反応によって生成された水により、複数の流路のうち、ある流路で閉塞が生じた場合であっても、第２窪み部４９で酸化剤ガスを混合、分配することで、閉塞が生じた流路の下流側にも反応ガスを供給することができる。このため、酸化剤ガスの供給不足で発電ができない状態を回避することができる。
　また、本実施の形態１に係る燃料電池１００では、燃料ガス通流領域８は、第１窪み部４８よりも下流側の流路（第１窪み部４８よりも下流側の第１直線部１８）の方が、第１窪み部４８よりも上流側の流路（第１窪み部４８よりも上流側の第１直線部１８）よりも、流路（第１直線部１８）の本数が少なくなるように形成されている。このため、上記のように、複数の流路のうち、ある流路で閉塞が生じた場合に、第１窪み部４８での燃料ガスの混合、分配をより促進することができる。このため、燃料ガスの供給不足による電池性能の低下をより抑制することができる。
　さらに、本実施の形態１においては、燃料ガス通流領域８と酸化剤ガス通流領域９が並行流となるように構成されているので、上記作用効果が顕著となる。
　なお、本実施の形態１においては、第１セパレータをアノードセパレータ６Ａとし、第２セパレータをカソードセパレータ６Ｂとし、また、第１反応ガス通流領域を燃料ガス通流領域８とし、第２反応ガス流路を酸化剤ガス通流領域９としたが、これに限定されない。第１セパレータをカソードセパレータ６Ｂとし、第２セパレータをアノードセパレータ６Ａとし、また、第１反応ガス通流領域を酸化剤ガス通流領域９とし、第２反応ガス通流領域を燃料ガス通流領域８としてもよい。
　また、本実施の形態１においては、第１窪み部４８の設ける個数と第２窪み部４９の設ける個数が異なるように構成したが、これに限定されず、第１窪み部４８と第２窪み部４９を同じ数だけ設けるように構成してもよい。
　さらに、本実施の形態１においては、酸化剤ガス通流領域９を、第２窪み部４９よりも上流側の流路（第２窪み部４９よりも上流側の第２直線部１９）の本数と、第２窪み部４９よりも下流側の流路（第２窪み部４９よりも下流側の第２直線部１９）の本数と、が同じになるように構成したが、これに限定されない。例えば、酸化剤ガス通流領域９は、第２窪み部４９よりも下流側の流路（第２窪み部４９よりも下流側の第２直線部１９）の方が、第２窪み部４９よりも上流側の流路（第２窪み部４９よりも上流側の第２直線部１９）よりも、流路（第２直線部１９）の本数が少なくなるように形成してもよい。
　［変形例１］
　次に本実施の形態１における変形例について、説明する。
　本実施の形態１における変形例１の高分子電解質形燃料電池は、第１セパレータの厚み方向から見て、第１セパレータに設けられている全ての第１窪み部と、第２セパレータに設けられている全ての第２窪み部と、が互いに重ならないように配置されている態様を例示するものである。
　［高分子電解質形燃料電池の構成］
　図５は、本実施の形態１における変形例１の高分子電解質形燃料電池におけるアノードセパレータ及びカソードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。
　図５に示すように、本変形例１の燃料電池１００は、実施の形態１に係る燃料電池１００と基本的構成は同じであるが、酸化剤ガス通流領域９の構成が異なる。具体的には、酸化剤ガス通流領域９は、溝状の複数の第２直線部１９と４つの第２折り返し部２９を有している点が異なる。また、２つの第２折り返し部２９には、第２窪み部４９Ａ及び第２窪み部４９Ｂが設けられている点が異なる。
　第２窪み部４９Ａは、カソードセパレータ６Ｂの厚み方向から見て、酸化剤ガス通流領域９を上流側から下流側に辿った場合に、最初にカソード電極４Ｂと重なる第２折り返し部２９に設けられている。第２窪み部４９Ｂは、酸化剤ガス通流領域９を下流側から上流側に辿った場合に、最初にカソード電極４Ｂと重なる第２折り返し部２９に設けられている。
　すなわち、第２窪み部４９Ａは、カソードセパレータ６Ｂの厚み方向から見て、酸化剤ガス通流領域９を上流側から下流側に辿った場合に、１つめの第２折り返し部２９に設けられていて、第２窪み部４９Ｂは、酸化剤ガス通流領域９を上流側から下流側に辿った場合に、４つめの第２折り返し部２９に設けられている。
　そして、図５に示すように、アノードセパレータ６Ａに設けられている全ての第１窪み部４８Ａと第１窪み部４８Ｂ（及び第１突起部５８）と、カソードセパレータ６Ｂに設けられている全ての第２窪み部４９Ａと第２窪み部４９Ｂ（及び第２突起部５９）と、は、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、互いに重ならないように配置されている。
　このように構成された本変形例１の燃料電池１００では、従来の燃料電池に比して、カソードセパレータ６Ｂとカソード電極４Ｂ及びアノードセパレータ６Ａとアノード電極４Ａがまったく接していない面積の減少をより抑制することができ、これにより、電気的な接触抵抗の低減と発電集中の緩和をより図ることができる。
　また、本変形例１の燃料電池１００では、酸化剤ガス通流領域９は、第２窪み部４９よりも下流側の流路（第２窪み部４９よりも下流側の第２直線部１９）の方が、第２窪み部４９よりも上流側の流路（第２窪み部４９よりも上流側の第２直線部１９）よりも、流路（第２直線部１９）の本数が少なくなるように形成されている。このため、上記のように、複数の流路のうち、ある流路で閉塞が生じた場合に、第２窪み部４９での酸化剤ガスの混合、分配をより促進することができる。このため、酸化剤ガスの供給不足による電池性能の低下をより抑制することができる。
　（実施の形態２）
　本実施の形態２に係る燃料電池システムは、実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池と、第１反応ガスを第１反応ガス通流領域に供給するように構成されている第１反応ガス供給器と、第２反応ガスを第２反応ガス通流領域に供給するように構成されている第２反応ガス供給器と、冷却媒体を冷却媒体通流領域に供給するように構成されている冷却媒体供給器と、第１反応ガス通流領域に供給される第１反応ガスの露点及び第２反応ガス通流領域に供給される第２反応ガスの露点を冷却媒体通流領域に供給される冷却媒体の温度よりも低くなるように、第１反応ガス供給器、第２反応ガス供給器、及び冷却媒体供給器を制御する制御器と、を備える態様を例示するものである。
　以下、本実施の形態２に係る燃料電池システムの一例について、図面を参照しながら説明する。
　［燃料電池システムの構成］
　図６は、本実施の形態２に係る燃料電池システムの概略構成を模式的に示すブロック図である。
　図６に示すように、本実施の形態２に係る燃料電池システム２００は、実施の形態１に係る燃料電池１００を有する燃料電池スタック６１と、燃料ガス供給器２０１と、酸化剤ガス供給器２０２と、冷却媒体供給器２０３と、制御器２１０と、を備え、制御器２１０が、燃料ガス通流領域８を通流する燃料ガス及び酸化剤ガス通流領域９を通流する酸化剤ガスの露点が、冷却媒体通流領域１０を通流する冷却媒体の温度よりも低くなるように、燃料ガス供給器２０１、酸化剤ガス供給器２０２、及び冷却媒体供給器２０３を制御するように構成されている。
　燃料ガス供給器２０１は、燃料電池スタック６１（燃料電池１００）に燃料ガス（水素ガス）をその流量及び加湿量を調整ししながら供給することができれば、どのような構成であってもよい。燃料ガス供給器２０１としては、例えば、水素ボンベ又は水素吸蔵合金等の水素ガスを供給するように構成された機器と、タンク等に貯えられた水を水蒸気にして加湿する加湿器又は全熱交換器と、で構成されていてもよく、メタン等の原料と水とを改質反応させて、水素ガスを生成する水素生成器で構成されていてもよい。なお、燃料ガス供給器２０１を水素生成器で構成する場合には、燃料ガス供給器２０１を水素生成器単体で構成してもよく、水素生成器と加湿器又は全熱交換器で構成してもよい。
　全熱交換器としては、燃料ガス通流領域８に供給される燃料ガスを加湿することができれば、どのような態様であってもよく、例えば、一次流体が通流するセパレータ、水蒸気透過膜、及び二次流体が通流するセパレータを有するセルが複数積層された静止型全熱交換器を用いてもよい。この場合、水蒸気透過膜の面積を小さくしたり、セルの積層数を少なくしたりして、燃料ガス通流領域８に供給される燃料ガスの加湿量を小さくするようにしてもよい。これにより、燃料ガス通流領域８を通流する燃料ガスの露点を、冷却媒体通流領域１０を通流する冷却媒体の温度よりも低くすることができる。
　燃料ガス供給器２０１には、燃料ガス供給流路７１を介して、燃料電池スタック６１（燃料ガス供給マニホールド１３１の入口）が接続されている。これにより、燃料ガス供給器２０１から、燃料ガス供給流路７１及び燃料ガス供給マニホールド１３１を介して、燃料ガス通流領域８に燃料ガスが供給される。
　酸化剤ガス供給器２０２は、燃料電池スタック６１（燃料電池１００）に酸化剤ガス（空気）をその流量及び加湿量を調整しながら供給することができれば、どのような態様であってもよい。酸化剤ガス供給器２０２としては、例えば、ファンやブロワ等のファン類と加湿器で構成されていてもよく、ファン類と全熱交換器で構成されていてもよい。
　全熱交換器としては、酸化剤ガス通流領域９に供給される酸化剤ガスを加湿することができれば、どのような態様であってもよく、例えば、一次流体が通流するセパレータ、水蒸気透過膜、及び二次流体が通流するセパレータを有するセルが複数積層された静止型全熱交換器を用いてもよい。この場合、水蒸気透過膜の面積を小さくしたり、セルの積層数を少なくしたりして、酸化剤ガス通流領域９に供給される酸化剤ガスの加湿量を小さくするようにしてもよい。これにより、酸化剤ガス通流領域９を通流する酸化剤ガスの露点を、冷却媒体通流領域１０を通流する冷却媒体の温度よりも低くすることができる。
　酸化剤ガス供給器２０２には、酸化剤ガス供給流路７２を介して、燃料電池スタック６１（酸化剤ガス供給マニホールド１３３の入口）が接続されている。これにより、酸化剤ガス供給器２０２から、酸化剤ガス供給流路７２及び燃料ガス排出マニホールド１３２を介して、酸化剤ガス通流領域９に酸化剤ガスが供給される。
　冷却媒体供給器２０３は、冷却媒体を冷却媒体通流領域１０にその流量と温度を調整して供給することができれば、どのような態様であってもよい。冷却媒体供給器２０３は、例えば、水の流量を調整する流量調整器と、温度調整器と、を有していてもよい。流量調整器としては、ポンプ単体で構成されていてもよく、また、ポンプと流量調整弁との組合せで構成されていてもよい。また、温度調整器としては、例えば、電気ヒータで構成されていてもよい。
　冷却媒体供給器２０３には、冷却媒体供給流路７３を介して、燃料電池スタック６１（冷却媒体供給マニホールド１３５）が接続されている。これにより、冷却媒体供給器２０３から、冷却媒体供給流路７３及び冷却媒体供給マニホールド１３５を介して、冷却媒体通流領域１０に冷却媒体が供給される。
　制御器２１０は、燃料電池システム２００を構成する各機器を制御する機器であれば、どのような形態であってもよい。制御器２１０は、マイクロプロセッサ、ＣＰＵ等に例示される演算処理部と、各制御動作を実行するためのプログラムを格納した、メモリ等から構成される記憶部を備えている。そして、制御器２１０は、演算処理部が、記憶部に格納された所定の制御プログラムを読み出し、これを実行することにより、これらの情報を処理し、かつ、これらの制御を含む燃料電池システム２００に関する各種の制御を行う。
　なお、制御器２１０は、単独の制御器で構成される形態だけでなく、複数の制御器が協働して燃料電池システム２００の制御を実行する制御器群で構成される形態であっても構わない。また、制御器２１０は、マイクロコントロールで構成されていてもよく、ＭＰＵ、ＰＬＣ(Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｌｏｇｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ)、論理回路等によって構成されていてもよい。
　なお、制御器２１０は、冷却媒体供給器２０３の流量調整器の操作量を制御して（小さくして）、冷却媒体通流領域１０を通流する冷却媒体の流速を小さくすることで、燃料ガス通流領域８を通流する燃料ガス及び酸化剤ガス通流領域９を通流する酸化剤ガスの露点を、冷却媒体通流領域１０を通流する冷却媒体の温度よりも低くなるようにしてもよい。また、制御器２１０は、温度調整器の操作量を制御して（大きくして）、冷却媒体通流領域１０を通流する冷却媒体の温度を高くすることで、燃料ガス通流領域８を通流する燃料ガス及び酸化剤ガス通流領域９を通流する酸化剤ガスの露点を、冷却媒体通流領域１０を通流する冷却媒体の温度よりも低くなるようにしてもよい。
　このように構成された本実施の形態２に係る燃料電池システム２００は、実施の形態１に係る燃料電池１００を備えているため、実施の形態１に係る燃料電池１００と同様の作用効果を奏する。特に、本実施の形態２に係る燃料電池システム２００では、燃料電池１００を低加湿の条件で運転するように構成されているため、その作用効果が顕著となる。
　なお、本実施の形態２においては、実施の形態１に係る燃料電池１００を備える形態を採用したが、実施の形態１における変形例１燃料電池１００を備える形態を採用してもよい。
　上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。したがって、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の形態を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の要旨を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。
　本発明の高分子電解質形燃料電池及びそれを備える燃料電池システムは、従来の燃料電池に比して、窪み部及び突起部が設けられた折り返し部におけるセパレータと電極との間の電気的な接触抵抗を低減することができるため、燃料電池の技術分野で有用である。
　１　高分子電解質膜（電解質層）
　２Ａ　アノード触媒層
　２Ｂ　カソード触媒層
　３Ａ　アノードガス拡散層
　３Ｂ　カソードガス拡散層
　４Ａ　アノード電極（電極）
　４Ｂ　カソード電極（電極）
　５　ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ－Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ－Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電解質層－電極接合体）
　６Ａ　アノードセパレータ（第１セパレータ）
　６Ｂ　カソードセパレータ（第２セパレータ）
　７　ガスケット
　８　燃料ガス通流領域
　９　酸化剤ガス通流領域
　１０　冷却媒体通流領域
　１１　第１リブ部
　１２　第２リブ部
　１８　第１直線部
　１９　第２直線部
　２８　第１折り返し部
　２９　第２折り返し部
　３１　燃料ガス供給マニホールド孔
　３２　燃料ガス排出マニホールド孔
　３３　酸化剤ガス供給マニホールド孔
　３４　酸化剤ガス排出マニホールド孔
　３５　冷却媒体供給マニホールド孔
　３６　冷却媒体排出マニホールド孔
　４８　第１窪み部
　４９　第２窪み部
　５８　第１突起部
　５９　第２突起部
　６１　燃料電池スタック
　６２　セル積層体
　６３　端板
　６４　端板
　７１　燃料ガス供給流路
　７２　酸化剤ガス供給流路
　７３　冷却媒体供給流路
　１００　燃料電池
　１３１　燃料ガス供給マニホールド
　１３２　燃料ガス排出マニホールド
　１３３　酸化剤ガス供給マニホールド
　１３４　酸化剤ガス排出マニホールド
　１３５　冷却媒体供給マニホールド
　１３６　冷却媒体排出マニホールド
　２００　燃料電池システム
　２０１　燃料ガス供給器
　２０２　酸化剤ガス供給器
　２０３　冷却媒体供給器
　２１０　制御器

Claims (8)

  1. 　電解質層と該電解質層を挟む一対の電極を有する電解質層－電極接合体と、
    　板状で、前記電解質層－電極接合体の前記一対の電極のうち一方の電極と接触するように配設され、前記電極と接触する一方の主面に溝状の複数の第１直線部と１以上の第１折り返し部とを有し、屈曲状に形成され、第１反応ガスが通流する第１反応ガス通流領域が設けられている導電性の第１セパレータと、
    　板状で、前記電解質層－電極接合体の前記一対の電極のうち他方の電極と接触するように配設され、前記電極と接触する一方の主面に溝状の複数の第２直線部と１以上の第２折り返し部とを有し、屈曲状に形成され、第２反応ガスが通流する第２反応ガス通流領域が設けられている導電性の第２セパレータと、を備え、
    　前記第１セパレータには、１以上の前記第１折り返し部のうち、少なくとも１の第１折り返し部には、第１窪み部と該第１窪み部の底面から立設された複数の第１突起部が設けられ、
    　前記第２セパレータには、１以上の前記第２折り返し部のうち、少なくとも１の第２折り返し部には、第２窪み部と該第２窪み部の底面から立設された複数の第２突起部が設けられ、
    　前記第１セパレータの厚み方向から見て、前記第１セパレータに設けられている前記第１窪み部と、前記第２セパレータに設けられている前記第２窪み部と、が互いに重なる面積の合計である重なり面積が、前記第１セパレータに設けられている全ての前記第１窪み部の面積と前記第２セパレータに設けられている全ての前記第２窪み部の面積との合計の面積である総面積の５％以下である、高分子電解質形燃料電池。
  2. 　前記第１セパレータの厚み方向から見て、前記第１セパレータに設けられている全ての前記第１窪み部と、前記第２セパレータに設けられている全ての前記第２窪み部と、が互いに重ならないように配置されている、請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。
  3. 　前記第１窪み部は、前記第１反応ガス通流領域の上流部分に設けられている、請求項１又は２に記載の高分子電解質形燃料電池。
  4. 　前記第２窪み部は、前記第２反応ガス通流領域の上流部分に設けられている、請求項１～３のいずれか１項に記載の高分子電解質形燃料電池。
  5. 　前記第１反応ガス通流領域と前記第２反応ガス通流領域は、並行流となるように、かつ、前記第１セパレータの厚み方向から見て、前記第１反応ガス通流領域の上流から下流に辿った場合に前記電極と最初に重なる前記第１直線部を通流する前記第１反応ガスと、前記第２反応ガス通流領域の上流から下流に辿った場合に前記電極と最初に重なる前記第２直線部を通流する前記第２反応ガスと、が、互いに対向するように構成され、
    　前記第１窪み部は、前記第１セパレータの厚み方向から見て、前記第１反応ガス通流領域の上流から下流に辿った場合に、前記一方の電極と最初に重なる前記第１折り返し部に設けられ、
    　前記第２窪み部は、前記第２セパレータの厚み方向から見て、前記第２反応ガス通流領域の上流から下流に辿った場合に、前記他方の電極と最初に重なる前記第２折り返し部に設けられている、請求項１～４のいずれか１項に記載の高分子電解質形燃料電池。
  6. 　前記第２窪み部の方が、前記第１窪み部よりも設けられている数が多い、請求項１～５のいずれか１項に記載の高分子電解質形燃料電池。
  7. 　前記第１セパレータ及び前記第２セパレータの少なくとも一方のセパレータの前記電極と接触しない他方の主面には、冷却媒体が通流する冷却媒体通流領域が設けられている、請求項１～６のいずれか１項に記載の高分子電解質形燃料電池。
  8. 　請求項７に記載の高分子電解質形燃料電池と、
    　前記第１反応ガスを前記第１反応ガス通流領域に供給するように構成されている第１反応ガス供給器と、
    　前記第２反応ガスを前記第２反応ガス通流領域に供給するように構成されている第２反応ガス供給器と、
    　前記冷却媒体を前記冷却媒体通流領域に供給するように構成されている冷却媒体供給器と、
    　前記第１反応ガス通流領域に供給される前記第１反応ガスの露点及び前記第２反応ガス通流領域に供給される前記第２反応ガスの露点を前記冷却媒体通流領域に供給される前記冷却媒体の温度よりも低くなるように、前記第１反応ガス供給器、前記第２反応ガス供給器、及び前記冷却媒体供給器を制御する制御器と、を備える、燃料電池システム。
     
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