(57)【要約】  燃料電池スタック（１０）は、複数の発電ユニット（１２）を水平方向に沿って積層して構成される。第１金属セパレータ（１４）の面（１４ｂ）には、第１燃料ガス流路（３６）の波状流路溝部（３６ａ）の裏面形状である波状流路溝部（４４ａ）が形成される。第３金属セパレータ（２０）の面（２０ｂ）には、第２酸化剤ガス流路（６６）の波状流路溝部（６６ａ）の裏面形状である波状流路溝部（４４ｂ）が形成される。波状流路溝部（４４ａ、４４ｂ）が互いに重なり合って冷却媒体流路（４４）が形成される。発電ユニット（１２）の上下両辺には、酸化剤ガス入口連通孔（３０ａ）及び燃料ガス入口連通孔（３２ａ）と、酸化剤ガス出口連通孔（３０ｂ）及び燃料ガス出口連通孔（３２ｂ）とが設けられる。発電ユニット（１２）の左右両側には、それぞれ一対の冷却媒体入口連通孔（３４ａ）及び冷却媒体出口連通孔（３４ｂ）が振り分けて形成される。
2010082589.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質（２２）の両側に一対の電極（２４、２６）が設けられる電解質・電極構造体（１６ａ）と平面が矩形状の金属セパレータ（１４）とが積層されるとともに、前記金属セパレータ（１４）の電極対向面には、前記電極（２４）に沿って燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを供給する波形状ガス流路（３６）が設けられる発電ユニット（１２）を備え、前記発電ユニット（１２）の間に前記波形状ガス流路（３６）の裏面形状である冷却媒体流路（４４）を形成して該発電ユニット（１２）が互いに積層される燃料電池スタックであって、
前記金属セパレータ（１４）の互いに対向する一方の２辺には、積層方向に貫通し、前記反応ガスを流すための反応ガス入口連通孔（３０ａ、３２ａ）及び反応ガス出口連通孔（３０ｂ、３２ｂ）が設けられ、
前記金属セパレータ（１４）の互いに対向する他方の２辺には、前記積層方向に貫通し、少なくとも前記反応ガス入口連通孔（３０ａ、３２ａ）又は前記反応ガス出口連通孔（３０ｂ、３２ｂ）に近接するとともに、それぞれ各辺に振り分けられて冷却媒体を流すための一対の冷却媒体入口連通孔（３４ａ）及び一対の冷却媒体出口連通孔（３４ｂ）が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記金属セパレータ（１４）は、縦長形状を有し、
前記金属セパレータ（１４）の長辺の一端側に、前記反応ガス入口連通孔である酸化剤ガス入口連通孔（３０ａ）及び燃料ガス入口連通孔（３２ａ）が設けられ、
前記金属セパレータ（１４）の長辺の他端側に、前記反応ガス出口連通孔である酸化剤ガス出口連通孔（３０ｂ）及び燃料ガス出口連通孔（３２ｂ）が設けられるとともに、
前記金属セパレータ（１４）の前記酸化剤ガス入口連通孔（３０ａ）及び前記燃料ガス入口連通孔（３２ａ）の前記波形状ガス流路（３６）側の近傍に、一対の前記冷却媒体入口連通孔（３４ａ）又は一対の前記冷却媒体出口連通孔（３４ｂ）が短辺方向に振り分けて設けられ、
前記金属セパレータ（１４）の前記酸化剤ガス出口連通孔（３０ｂ）及び前記燃料ガス出口連通孔（３２ｂ）の前記波形状ガス流路（３６）側の近傍に、一対の前記冷却媒体出口連通孔（３４ｂ）又は一対の前記冷却媒体入口連通孔（３４ａ）が短辺方向に振り分けて設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池スタックにおいて、前記金属セパレータ（１４）は、重力方向に長尺な縦長形状を有するとともに、
前記金属セパレータ（１４）及び前記電解質・電極構造体（１６ａ）は、水平方向に積層されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記金属セパレータ（１０４）は、縦長形状を有し、
前記金属セパレータ（１０４）の長辺の一端側に、前記反応ガス入口連通孔である酸化剤ガス入口連通孔（３０ａ）及び前記反応ガス出口連通孔である燃料ガス出口連通孔（３２ｂ）が設けられ、
前記金属セパレータ（１０４）の長辺の他端側に、前記反応ガス出口連通孔である酸化剤ガス出口連通孔（３０ｂ）及び前記反応ガス入口連通孔である燃料ガス入口連通孔（３２ａ）が設けられるとともに、
前記金属セパレータ（１０４）の前記酸化剤ガス入口連通孔（３０ａ）及び前記燃料ガス出口連通孔（３２ｂ）の前記波形状ガス流路（３６）側の近傍に、一対の前記冷却媒体入口連通孔（３４ａ）又は一対の前記冷却媒体出口連通孔（３４ｂ）が短辺方向に振り分けて設けられ、
前記金属セパレータ（１０４）の前記酸化剤ガス出口連通孔（３０ｂ）及び前記燃料ガス入口連通孔（３２ａ）の前記波形状ガス流路（３６）側の近傍に、一対の前記冷却媒体出口連通孔（３４ｂ）又は一対の前記冷却媒体入口連通孔（３４ａ）が短辺方向に振り分けて設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項５】
請求項１又は４記載の燃料電池スタックにおいて、前記金属セパレータ（１１４）は、水平方向に長尺な縦長形状を有するとともに、
前記金属セパレータ（１１４）及び前記電解質・電極構造体（１１６ａ）は、重力方向に積層されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項６】
請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記波形状ガス流路（３６）と前記反応ガス入口連通孔（３２ａ）との連結部位に入口バッファ部（３８）が設けられ、
前記波形状ガス流路（３６）と前記反応ガス出口連通孔（３２ｂ）との連結部位に出口バッファ部（４０）が設けられるとともに、
前記冷却媒体流路（４４）は、少なくとも前記出口バッファ部（４０）の裏面形状部分にわたって前記冷却媒体を流すことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項７】
請求項２記載の燃料電池スタックにおいて、一対の前記冷却媒体入口連通孔（３４ａ）及び一対の前記冷却媒体出口連通孔（３４ｂ）は、少なくとも前記酸化剤ガス入口連通孔（３０ａ）又は前記酸化剤ガス出口連通孔（３０ｂ）の開口外側端部と、少なくとも前記燃料ガス入口連通孔（３２ａ）又は前記燃料ガス出口連通孔（３２ｂ）の開口外側端部との短辺方向に沿った離間間隔内に配置されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項８】
電解質（２２）の両側に一対の電極（２４、２６）が設けられる電解質・電極構造体（１６ａ）と平面が矩形状のセパレータ（１４）とが積層されるとともに、前記セパレータ（１４）の電極対向面には、前記電極（２４）に沿って燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを供給するガス流路（３６）が設けられる発電ユニット（１２）を備え、前記発電ユニット（１２）の間に冷却媒体流路（４４）を形成して該発電ユニット（１２）が互いに積層される燃料電池スタックであって、
前記セパレータ（１４）の互いに対向する一方の２辺には、積層方向に貫通し、前記反応ガスを流すための反応ガス入口連通孔（３０ａ、３２ａ）及び反応ガス出口連通孔（３０ｂ、３２ｂ）が設けられ、
前記セパレータ（１４）の互いに対向する他方の２辺には、前記積層方向に貫通し、少なくとも前記反応ガス入口連通孔（３０ａ、３２ａ）又は前記反応ガス出口連通孔（３０ｂ、３２ｂ）に近接するとともに、それぞれ各辺に振り分けられて冷却媒体を流すための一対の冷却媒体入口連通孔（３４ａ）及び一対の冷却媒体出口連通孔（３４ｂ）が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項９】
請求項８記載の燃料電池スタックにおいて、前記セパレータ（１４）は、縦長形状を有するとともに、
短辺側には、前記反応ガス入口連通孔（３０ａ、３２ａ）及び反応ガス出口連通孔（３０ｂ、３２ｂ）が設けられ、
長辺側には、互いに対向する辺に前記冷却媒体入口連通孔（３４ａ）と前記冷却媒体出口連通孔（３４ｂ）とが設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項１０】
請求項９記載の燃料電池スタックにおいて、前記冷却媒体入口連通孔（３４ａ）及び前記冷却媒体出口連通孔（３４ｂ）は、前記長辺方向に沿って延在する縦長形状を有することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項１１】
電解質（２２）の両側に一対の電極（２４、２６）が設けられる電解質・電極構造体（１５６ａ）と平面が矩形状の金属セパレータ（１５４）とが積層される複数の発電ユニット（１５２）を備え、前記発電ユニット（１５２）の互いに対向する一方の２辺には、積層方向に貫通し、反応ガス入口連通孔（３０ａ、３２ａ）及び反応ガス出口連通孔（３０ｂ、３２ｂ）が設けられるとともに、前記発電ユニット（１５２）の互いに対向する他方の２辺には、前記積層方向に貫通し、前記反応ガス入口連通孔（３０ａ、３２ａ）に近接する冷却媒体入口連通孔（３４ａ）、及び前記反応ガス出口連通孔（３０ｂ、３２ｂ）に近接する冷却媒体出口連通孔（３４ｂ）が設けられる燃料電池スタックであって、
一方の金属セパレータ（１６０）の電極対向面には、前記電極（１２６）に沿って一方の反応ガスである酸化剤ガスを供給する波形状酸化剤ガス流路溝（１７６ａ）が設けられるとともに、他方の金属セパレータ（１５４）の電極対向面には、前記電極（２４）に沿って他方の反応ガスである燃料ガスを供給する波形状燃料ガス流路溝（１６２ａ）が設けられ、
互いに隣接する前記発電ユニット（１５２）間には、前記波形状酸化剤ガス流路溝（１７６ａ）の裏面凸形状と前記波形状燃料ガス流路溝（１６２ａ）の裏面凸形状とにより冷却媒体流路（１６８）が形成され、
各裏面凸形状は、前記冷却媒体入口連通孔（３４ａ）側の上流領域及び前記冷却媒体出口連通孔（３４ｂ）側の下流領域で、互いに異なる位相に設定され、且つ冷却媒体の流れ方向が少なくとも前記酸化剤ガス又は前記燃料ガスの流れ方向と同一な中流領域で、互いに同一の位相に設定されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項１２】
請求項１１記載の燃料電池スタックにおいて、前記波形状酸化剤ガス流路溝（１７６ａ）又は前記波形状燃料ガス流路溝（１６２ａ）は、前記上流領域及び前記下流領域と前記中流領域との間で位相が反転する位相反転部位を有することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項１３】
請求項１１記載の燃料電池スタックにおいて、前記波形状酸化剤ガス流路溝（１７６ａ）又は前記波形状燃料ガス流路溝（１６２ａ）は、前記上流領域及び前記下流領域と前記中流領域との間で半位相ずらした直線部位（２０８ａ、２０８ｂ）を有することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項１４】
請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記金属セパレータ（１５４）は、縦長形状を有し、
前記金属セパレータ（１５４）の長辺の上端側に、前記反応ガス入口連通孔である前記酸化剤ガス入口連通孔（３０ａ）及び前記燃料ガス入口連通孔（３２ａ）が設けられ、
前記金属セパレータ（１５４）の長辺の下端側に、前記反応ガス出口連通孔である前記酸化剤ガス出口連通孔（３０ｂ）及び前記燃料ガス出口連通孔（３２ｂ）が設けられるとともに、
前記金属セパレータ（１５４）の短辺の両側に、前記酸化剤ガス入口連通孔（３０ａ）及び前記燃料ガス入口連通孔（３２ａ）に隣接して一対の前記冷却媒体入口連通孔（３４ａ）と、
前記酸化剤ガス出口連通孔（３０ｂ）及び前記燃料ガス出口連通孔（３２ｂ）に隣接して一対の前記冷却媒体出口連通孔（３４ｂ）と、
が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体とセパレータとが積層される発電ユニットを備え、複数の前記発電ユニットが互いに積層される燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持した発電ユニットを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電ユニットを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。【０００３】
上記の燃料電池では、一方のセパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路が設けられるとともに、他方のセパレータの面内に、カソード側電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路が設けられている。また、互いに隣接するセパレータ間には、冷却媒体を流すための冷却媒体流路が、前記セパレータの面方向に沿って設けられている。【０００４】
さらに、この種の燃料電池では、発電ユニットの積層方向に貫通して燃料ガスを流すための燃料ガス入口連通孔及び燃料ガス出口連通孔と、酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス入口連通孔及び酸化剤ガス出口連通孔と、冷却媒体を流すための冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔とを内部に備える、所謂、内部マニホールド型燃料電池を構成する場合が多い。【０００５】
内部マニホールド型燃料電池として、例えば、特表２００８−５３６２５８号公報に開示されている流れ場極板が知られている。図１９に示すように、陽極流れ場極板１ａの面内には、水素流れ場２ａが形成されている。この陽極流れ場極板１ａの長手方向（矢印Ｘ方向）一端部には、陽極空気入口マニホールド開口部３ａ、陽極冷却剤入口マニホールド開口部４ａ及び陽極水素入口マニホールド開口部５ａが形成されている。陽極流れ場極板１ａの長手方向他端部には、陽極空気出口マニホールド開口部３ｂ、陽極冷却剤出口マニホールド開口部４ｂ及び陽極水素出口マニホールド開口部５ｂが形成されている。【０００６】
また、特開平９−１６１８１９号公報に開示されている燃料電池は、図２０に示すように、酸化剤極に接して配置されるセパレータ１ｂを備えている。セパレータ１ｂの酸化剤極側の主面には、複数の酸化剤ガス流通溝２ｂが形成されており、前記酸化剤ガス流通溝２ｂの上流側には、酸化剤ガス入口６ａ、６ａが連通している。一方、酸化剤ガス通流溝２ｂの下流側には、酸化剤ガス出口６ｂ、６ｂが連通している。【０００７】
セパレータｂ１の上部には、一対の酸化剤ガス入口６ａ、６ａ間に、一つの冷却水入口７ａが形成されるとともに、一対の酸化剤ガス出口６ｂ、６ｂ間に、一つの冷却水出口７ｂが形成されている。セパレータ１ｂの上部両側には、一対の燃料ガス入口連通孔８ａ、８ａが設けられるとともに、前記セパレータ１ｂの下部両側には、一対の燃料ガス出口連通孔８ｂ、８ｂが設けられている。
【発明の概要】
【０００８】
しかしながら、特表２００８−５３６２５８号公報の陽極流れ場極板１ａでは、長尺方向両端部に、矢印Ｙ方向に沿ってそれぞれ３つの入口及び３つの出口が形成されている。このため、陽極流れ場極板１ａの矢印Ｙ方向（幅方向）の寸法が相当に長尺化され、幅寸法の短尺化が容易に図られないという問題がある。
【０００９】
また、特開平９−１６１８１９号公報では、セパレータ１ｂの上部に、冷却水入口７ａを挟んで一対の酸化剤ガス入口６ａ、６ａ及び一対の燃料ガス入口連通孔８ａ、８ａが設けられている。一方、セパレータｂ１の下部に、冷却水出口７ｂを挟んで、それぞれ一対の酸化剤ガス出口６ｂ、６ｂと燃料ガス出口連通孔８ｂ、８ｂとが設けられている。
【００１０】
従って、セパレータ１ｂは、幅方向（矢印Ｈ方向）の寸法が相当に長尺化し、前記セパレータ１ｂを組み込む単セル全体が大型化するという問題がある。
【００１１】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、幅寸法を可及的に短尺化するとともに、所望の冷却性能を確保することが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【００１２】
本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体と平面が矩形状の金属セパレータとが積層されるとともに、前記金属セパレータの電極対向面には、前記電極に沿って燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを供給する波形状ガス流路が設けられる発電ユニットを備え、前記発電ユニットの間に前記波形状ガス流路の裏面形状である冷却媒体流路を形成して該発電ユニットが互いに積層される燃料電池スタックに関するものである。
【００１３】
金属セパレータの互いに対向する一方の２辺には、積層方向に貫通し、反応ガスを流すための反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔が設けられ、前記金属セパレータの互いに対向する他方の２辺には、前記積層方向に貫通し、少なくとも前記反応ガス入口連通孔又は前記反応ガス出口連通孔に近接するとともに、それぞれ各辺に振り分けられて冷却媒体を流すための一対の冷却媒体入口連通孔及び一対の冷却媒体出口連通孔が設けられている。
【００１４】
また、本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体と平面が矩形状のセパレータとが積層されるとともに、前記セパレータの電極対向面には、前記電極に沿って燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを供給するガス流路が設けられる発電ユニットを備え、前記発電ユニットの間に冷却媒体流路を形成して該発電ユニットが互いに積層される燃料電池スタックに関するものである。
【００１５】
セパレータの互いに対向する一方の２辺には、積層方向に貫通し、反応ガスを流すための反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔が設けられ、前記セパレータの互いに対向する他方の２辺には、前記積層方向に貫通し、少なくとも前記反応ガス入口連通孔又は前記反応ガス出口連通孔に近接するとともに、それぞれ各辺に振り分けられて冷却媒体を流すための一対の冷却媒体入口連通孔及び一対の冷却媒体出口連通孔が設けられている。
【００１６】
さらに、本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体と矩形状の金属セパレータとが積層される複数の発電ユニットを備え、前記発電ユニットの互いに対向する一方の２辺には、積層方向に貫通し、反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔が設けられるとともに、前記発電ユニットの互いに対向する他方の２辺には、前記積層方向に貫通し、前記反応ガス入口連通孔に近接する冷却媒体入口連通孔、及び前記反応ガス出口連通孔に近接する冷却媒体出口連通孔が設けられる燃料電池スタックに関するものである。
【００１７】
この燃料電池スタックは、一方の金属セパレータの電極対向面には、電極に沿って一方の反応ガスである酸化剤ガスを供給する波形状酸化剤ガス流路溝が設けられるとともに、他方の金属セパレータの電極対向面には、前記電極に沿って他方の反応ガスである燃料ガスを供給する波形状燃料ガス流路溝が設けられている。
【００１８】
そして、互いに隣接する発電ユニット間には、波形状酸化剤ガス流路溝の裏面凸形状と波形状燃料ガス流路溝の裏面凸形状とにより冷却媒体流路が形成されている。その際、各裏面凸形状は、冷却媒体入口連通孔側の上流領域及び冷却媒体出口連通孔側の下流領域で、互いに異なる位相に設定され、且つ冷却媒体の流れ方向が少なくとも酸化剤ガス又は燃料ガスの流れ方向と同一な中流領域で、互いに同一の位相に設定されている。
【００１９】
本発明によれば、金属セパレータやカーボンセパレータ等のセパレータの１辺に沿って反応ガス入口連通孔及び冷却媒体入口連通孔が配列して設けられることがない。このため、セパレータは、幅方向の寸法及び長さ方向の寸法が長尺化することを阻止することができ、特に幅寸法を可及的に短尺化することが可能になり、燃料電池スタックの設置性が良好に向上する。
【００２０】
しかも、一対の冷却媒体入口連通孔及び一対の冷却媒体出口連通孔が、それぞれ振り分けて設けられるため、冷却媒体流路全域に対して冷却媒体を均一且つ確実に供給することができる。従って、発電領域全体にわたって湿度環境を均一化することが可能になり、効率的な発電が良好に遂行される。
【００２１】
また、本発明によれば、冷却媒体流路を形成する各裏面凸形状は、冷却媒体入口連通孔側の上流領域及び冷却媒体出口連通孔側の下流領域で、互いに異なる位相に設定されている。さらに、各裏面凸形状は、中流領域で、互いに同一の位相に設定されている。このため、冷却媒体流路の中流領域では、冷却媒体の流れ方向が、少なくとも酸化剤ガス又は燃料ガスのガス流れ方向と同一に設定される一方、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔の近傍では、前記冷却媒体の流れ方向が、前記ガス流れ方向と交差する方向に変更される。
【００２２】
従って、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔は、酸化剤ガス入口連通孔及び燃料ガス入口連通孔と酸化剤ガス出口連通孔及び燃料ガス出口連通孔とが設けられる発電ユニットの一方の２辺とは異なる２辺に設定することができる。
【００２３】
これにより、発電ユニットの幅方向に各連通孔を配設する必要がなく、簡単な構成で、幅寸法を可及的に短尺化することが可能な内部マニホールド型の燃料電池スタックを提供することができる。
【００２４】
しかも、各裏面凸形状は、中流領域で互いに同一の位相に設定されている。このため、冷却媒体は、少なくとも酸化剤ガス又は燃料ガスの流れ方向と同一方向に円滑且つ確実に流通することが可能になり、発電ユニットの冷却効率が良好に向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する発電ユニットの要部分解斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池スタックの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。
【図３】前記発電ユニットを構成する第３金属セパレータの正面説明図である。
【図４】前記燃料電池スタックの一部断面説明図である。
【図５】前記発電ユニット間に形成される冷却媒体流路の斜視説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する発電ユニットの要部分解斜視説明図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する発電ユニットの要部分解斜視説明図である。
【図８】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する発電ユニットの要部分解斜視説明図である。
【図９】本発明の第５の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する発電ユニットの要部分解斜視説明図である。
【図１０】前記発電ユニットを構成する第１金属セパレータの正面説明図である。
【図１１】前記発電ユニット間に形成される冷却媒体流路の説明図である。
【図１２】前記発電ユニットを構成する第１燃料ガス流路及び第１酸化剤ガス流路の透過説明図である。
【図１３】前記冷却媒体流路を構成する接触部の説明図である。
【図１４】本発明の第６の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する発電ユニットの要部分解斜視説明図である。
【図１５】本発明の第７の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する発電ユニットの要部分解斜視説明図である。
【図１６】前記発電ユニットを構成する第１金属セパレータの正面説明図である。
【図１７】前記発電ユニット間に形成される冷却媒体流路の説明図である。
【図１８】前記冷却媒体流路を構成する接触部の説明図である。
【図１９】特表２００８−５３６２５８号公報の陽極流れ場極板の説明図である。
【図２０】特開平９−１６１８１９号公報の燃料電池を構成するセパレータの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０は、発電ユニット１２を備え、複数の前記発電ユニット１２を水平方向（矢印Ａ方向）に沿って互いに積層される。発電ユニット１２は、図１及び図２に示すように、第１金属セパレータ１４、第１電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１６ａ、第２金属セパレータ１８、第２電解質膜・電極構造体１６ｂ及び第３金属セパレータ２０を設ける。
【００２７】
第１金属セパレータ１４、第２金属セパレータ１８及び第３金属セパレータ２０は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した縦長形状の金属板により構成される。第１金属セパレータ１４、第２金属セパレータ１８及び第３金属セパレータ２０は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。
【００２８】
図２に示すように、第１電解質膜・電極構造体１６ａは、第２電解質膜・電極構造体１６ｂよりも小さな表面積に設定される。第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂは、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２２と、前記固体高分子電解質膜２２を挟持するアノード側電極２４及びカソード側電極２６とを備える。アノード側電極２４は、カソード側電極２６よりも小さな表面積を有する段差型ＭＥＡを構成している。
【００２９】
アノード側電極２４及びカソード側電極２６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２２の両面に形成される。
【００３０】
図１に示すように、発電ユニット１２の長辺方向の（矢印Ｃ方向）上端縁部（短辺側）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔３２ａが設けられる。
【００３１】
発電ユニット１２の長辺方向の（矢印Ｃ方向）下端縁部（短辺側）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３２ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが設けられる。
【００３２】
発電ユニット１２の短辺方向（矢印Ｂ方向）の両端縁部（長辺側）上方には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するための一対の冷却媒体入口連通孔３４ａが設けられるとともに、前記発電ユニット１２の短辺方向の両端縁部下方には、前記冷却媒体を排出するための一対の冷却媒体出口連通孔３４ｂが設けられる。冷却媒体入口連通孔３４ａ及び冷却媒体出口連通孔３４ｂは、長辺方向に沿って延在する縦長形状を有する。
【００３３】
各冷却媒体入口連通孔３４ａ、３４ａは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び燃料ガス入口連通孔３２ａに近接し、且つそれぞれ矢印Ｂ方向両側の各辺に振り分けられる。各冷却媒体出口連通孔３４ｂ、３４ｂは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂにそれぞれ近接し、且つそれぞれ矢印Ｂ方向両側の各辺に振り分けられる。
【００３４】
図３に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａの開口外側端部と、燃料ガス入口連通孔３２ａの開口外側端部との水平方向に沿った離間間隔Ｈが、設定されるとともに、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂの開口外側端部と、燃料ガス出口連通孔３２ｂの開口外側端部との水平方向に沿った離間間隔Ｈが、設定される。一対の冷却媒体入口連通孔３４ａ及び一対の冷却媒体出口連通孔３４ｂは、上記の離間間隔Ｈ内にそれぞれ振り分けて配置されることが好ましいが、実際上、この離間間隔Ｈと略同程度であればよい。
【００３５】
図１に示すように、第１金属セパレータ１４の第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１４ａには、燃料ガス入口連通孔３２ａと燃料ガス出口連通孔３２ｂとを連通する第１燃料ガス流路３６が形成される。第１燃料ガス流路３６は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝部３６ａを有するとともに、前記第１燃料ガス流路３６の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部３８及び出口バッファ部４０が設けられる。
【００３６】
第１金属セパレータ１４の面１４ｂには、冷却媒体入口連通孔３４ａと冷却媒体出口連通孔３４ｂとを連通する冷却媒体流路４４の一部が形成される。面１４ｂには、第１燃料ガス流路３６を構成する複数の波状流路溝部３６ａの裏面形状である複数の波状流路溝部４４ａが形成される。
【００３７】
第２金属セパレータ１８の第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１８ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとを連通する第１酸化剤ガス流路５０が形成される。第１酸化剤ガス流路５０は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝部５０ａを有する。第１酸化剤ガス流路５０の入口近傍及び出口近傍には、入口バッファ部５２及び出口バッファ部５４が設けられる。
【００３８】
第２金属セパレータ１８の第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面１８ｂには、燃料ガス入口連通孔３２ａと燃料ガス出口連通孔３２ｂとを連通する第２燃料ガス流路５８が形成される。第２燃料ガス流路５８は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝部５８ａを有するとともに、前記第２燃料ガス流路５８の入口近傍及び出口近傍には、入口バッファ部６０及び出口バッファ部６２が設けられる。第２燃料ガス流路５８は、第１酸化剤ガス流路５０の裏面形状である一方、入口バッファ部６０及び出口バッファ部６２は、入口バッファ部５２及び出口バッファ部５４の裏面形状である。
【００３９】
第３金属セパレータ２０の第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面２０ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとを連通する第２酸化剤ガス流路６６が形成される。第２酸化剤ガス流路６６は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝部６６ａを有する。第２酸化剤ガス流路６６の入口近傍及び出口近傍には、入口バッファ部６８及び出口バッファ部７０が設けられる。
【００４０】
第３金属セパレータ２０の面２０ｂには、冷却媒体流路４４の一部が形成される。面２０ｂには、第２酸化剤ガス流路６６を構成する複数の波状流路溝部６６ａの裏面形状である複数の波状流路溝部４４ｂが形成される。
【００４１】
発電ユニット１２では、第１金属セパレータ１４の第１燃料ガス流路３６、第２金属セパレータ１８の第１酸化剤ガス流路５０及び前記第２金属セパレータ１８の第２燃料ガス流路５８は、波形状が積層方向に沿って互いに同一の位相に設定されるとともに、波のピッチ、振幅も同一に設定される。発電ユニット１２の積層方向（矢印Ａ方向）一方の端部に配置される第３金属セパレータ２０の第２酸化剤ガス流路６６は、第１燃料ガス流路３６、第１酸化剤ガス流路５０及び第２燃料ガス流路５８とは、波形状が積層方向に沿って互いに異なる位相に設定されるとともに、波のピッチ、振幅が同一に設定される。
【００４２】
図１及び図２に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１金属セパレータ１４の外周端縁部を周回して第１シール部材７４が一体成形される。第２金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、この第２金属セパレータ１８の外周端縁部を周回して第２シール部材７６が一体成形されるとともに、第３金属セパレータ２０の面２０ａ、２０ｂには、この第３金属セパレータ２０の外周端縁部を周回して第３シール部材７８が一体成形される。
【００４３】
第１金属セパレータ１４は、燃料ガス入口連通孔３２ａと第１燃料ガス流路３６とを連通する複数の外側供給孔部８０ａ及び内側供給孔部８０ｂと、燃料ガス出口連通孔３２ｂと前記第１燃料ガス流路３６とを連通する複数の外側排出孔部８２ａ及び内側排出孔部８２ｂとを有する。
【００４４】
第２金属セパレータ１８は、燃料ガス入口連通孔３２ａと第２燃料ガス流路５８とを連通する複数の供給孔部８４と、燃料ガス出口連通孔３２ｂと前記第２燃料ガス流路５８とを連通する複数の排出孔部８６とを有する。
【００４５】
発電ユニット１２同士が互いに積層されることにより、一方の発電ユニット１２を構成する第１金属セパレータ１４と、他方の発電ユニット１２を構成する第３金属セパレータ２０との間には、矢印Ｂ方向に延在する冷却媒体流路４４が形成される。
【００４６】
冷却媒体流路４４では、複数の波状流路溝部４４ａと４４ｂとが異なる位相に設定されている。波状流路溝部４４ａと４４ｂとが互いに重なり合うことによって、これらの間には、水平方向（矢印Ｂ方向）に連通する複数の流路溝部４４ｃが形成される（図４及び図５参照）。冷却媒体流路４４は、入口バッファ部３８及び出口バッファ部４０と、入口バッファ部６８及び出口バッファ部７０とのバッファ裏面形状部分にわたって、冷却媒体を流すように構成される。
【００４７】
この燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。
【００４８】
先ず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔３２ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔３４ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
【００４９】
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａから第２金属セパレータ１８の第１酸化剤ガス流路５０及び第３金属セパレータ２０の第２酸化剤ガス流路６６に導入される。この酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス流路５０に沿って矢印Ｃ方向（重力方向）に移動し、第１電解質膜・電極構造体１６ａのカソード側電極２６に供給されるとともに、第２酸化剤ガス流路６６に沿って矢印Ｃ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのカソード側電極２６に供給される。
【００５０】
一方、燃料ガスは、図２に示すように、燃料ガス入口連通孔３２ａから外側供給孔部８０ａを通って第１金属セパレータ１４の面１４ｂ側に移動する。さらに、燃料ガスは、内側供給孔部８０ｂから面１４ａ側に導入された後、第１燃料ガス流路３６に沿って重力方向（矢印Ｃ方向）に移動し、第１電解質膜・電極構造体１６ａのアノード側電極２４に供給される（図１参照）。
【００５１】
また、燃料ガスは、図２に示すように、供給孔部８４を通って第２金属セパレータ１８の面１８ｂ側に移動する。このため、図１に示すように、燃料ガスは、面１８ｂ側で第２燃料ガス流路５８に沿って矢印Ｃ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのアノード側電極２４に供給される。
【００５２】
従って、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂでは、カソード側電極２６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２４に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。
【００５３】
次いで、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂの各カソード側電極２６に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００５４】
第１電解質膜・電極構造体１６ａのアノード側電極２４に供給されて消費された燃料ガスは、内側排出孔部８２ｂを通って第１金属セパレータ１４の面１４ｂ側に導出される。面１４ｂ側に導出された燃料ガスは、外側排出孔部８２ａを通って、再度、面１４ａ側に移動し、燃料ガス出口連通孔３２ｂに排出される。
【００５５】
また、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのアノード側電極２４に供給されて消費された燃料ガスは、排出孔部８６を通って面１８ａ側に移動する。この燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３２ｂに排出される。
【００５６】
一方、左右一対の冷却媒体入口連通孔３４ａに供給された冷却媒体は、図３に示すように、一方の発電ユニット１２を構成する第１金属セパレータ１４と、他方の発電ユニット１２を構成する第３金属セパレータ２０との間に形成された冷却媒体流路４４に導入される。
【００５７】
一対の冷却媒体入口連通孔３４ａは、発電ユニット１２の上部側左右両端に酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び燃料ガス入口連通孔３２ａに近接する位置に振り分けて設けられている。
【００５８】
このため、各冷却媒体入口連通孔３４ａ、３４ａから冷却媒体流路４４に、それぞれ略同じ量が供給される冷却媒体は、矢印Ｂ方向に且つ互いに近接する方向に供給される。そして、互いに近接する冷却媒体は、冷却媒体流路４４の矢印Ｂ方向中央部側で衝突し、重力方向（矢印Ｃ方向下方）に移動した後、発電ユニット１２の下部側両側部に振り分けて設けられている各冷却媒体出口連通孔３４ｂ、３４ｂから、それぞれ略同じ量が排出される。
【００５９】
このように、第１の実施形態では、発電ユニット１２の上部側に、左右一対の冷却媒体入口連通孔３４ａが設けられるとともに、前記発電ユニット１２の下部側部に、左右一対の冷却媒体出口連通孔３４ｂが設けられている。従って、冷却媒体は、冷却媒体流路４４の全領域にわたって略鉛直下方向に向かう流れに沿って移動することができる。これにより、冷却媒体流路４４内に温度勾配を利用して温度分布を形成することが可能になり、均一な冷却効率を維持することができる。
【００６０】
しかも、第１の実施形態では、発電ユニット１２の上下両辺に、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び燃料ガス入口連通孔３２ａと、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂとが設けられている。一方、発電ユニット１２の左右両辺に、それぞれ一対の冷却媒体入口連通孔３４ａ及び冷却媒体出口連通孔３４ｂが振り分けて形成されている。
【００６１】
このため、発電ユニット１２では、幅方向（矢印Ｂ方向）の寸法が有効に短尺化される。特に、冷却媒体入口連通孔３４ａ、３４ａ及び冷却媒体出口連通孔３４ｂ、３４ｂは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ（酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ）と燃料ガス入口連通孔３２ａ（燃料ガス出口連通孔３２ｂ）との水平方向（矢印Ｂ方向）に沿った離間間隔Ｈの範囲内、又は前記離間間隔Ｈと略同じ程度に設けられている。これにより、発電ユニット１２は、幅寸法を可及的に短尺化することが可能になる。
【００６２】
また、第１の実施形態では、冷却媒体流路４４を流れる冷却媒体は、裏面形状である第２酸化剤ガス流路６６を流れる酸化剤ガスの流れに対して平行（重力方向）に設定されている。従って、第２酸化剤ガス流路６６の上流部では、冷却媒体流量の増加に伴い温度が低下するために高加湿領域が拡大され、抵抗過電圧が低減する。
【００６３】
一方、第２酸化剤ガス流路６６（及び第１酸化剤ガス流路５０）の下流部側では、加温された冷却媒体が供給されて温度が上昇するために生成水の水蒸気化が促進され、フラッディングの抑制による濃度過電圧の低減が図られる。このため、発電ユニット１２内での出力及び耐久性が向上するとともに、第２酸化剤ガス流路６６（及び第１酸化剤ガス流路５０）の上流側から下流側における湿度環境の均一化が図られ、固体高分子電解質膜２２の含水による膨張が均一化されて、スタック撓みの抑制が遂行される。
【００６４】
さらにまた、第１の実施形態では、冷却媒体流路４４では、入口バッファ部３８及び出口バッファ部４０と、入口バッファ部６８及び出口バッファ部７０との裏面形状部分にわたって、冷却媒体を流している。これにより、バッファ部裏面形状部分を介して冷却媒体が重力方向に流通するため、冷却媒体流路４４内における前記冷却媒体の流配が均一化されるとともに、発電領域を良好に冷却することが可能になる。
【００６５】
しかも、出口バッファ部４０、７０の裏面形状部分にも冷却媒体が導入されるため、第２酸化剤ガス流路６６（及び第１酸化剤ガス流路５０）の下流側で発電しない領域の温度を高温化することができる。従って、未発電領域と発電領域との温度差が低減されて、結露水の発生を良好に抑制することが可能になる。
【００６６】
なお、第１の実施形態では、第１金属セパレータ１４、第１電解質膜・電極構造体１６ａ、第２金属セパレータ１８、第２電解質膜・電極接合体１６ｂ及び第３金属セパレータ２０を備える発電ユニット１２を用いて説明したが、これに限定されるものではない。例えば、１枚の電解質・電極接合体を一対の金属セパレータで挟持する発電ユニットを用いるとともに、隣り合う前記発電ユニット間に冷却媒体流路が形成されてもよい。
【００６７】
また、第１の実施形態では、発電ユニット１２の上端縁部に、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び燃料ガス入口連通孔３２ａが設けられるとともに、前記発電ユニット１２の下端縁部に、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂが設けられている。これとは逆に、上端縁部に酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂを設け、下端縁部に酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び燃料ガス入口連通孔３２ａを設けてもよい。
【００６８】
さらに、発電ユニット１２の短辺方向の両端縁部上方に一対の冷却媒体入口連通孔３４ａが設けられるとともに、前記発電ユニット１２の短辺方向の両端縁部下方に一対の冷却媒体出口連通孔３４ｂが設けられている。これとは逆に、両端縁部上方に一対の冷却媒体出口連通孔３４ｂを設け、両端縁部下方に一対の冷却媒体入口連通孔３４ａを設けてもよい。
【００６９】
以下に説明する第２〜第４の実施形態においても、同様である。
【００７０】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック１００を構成する発電ユニット１０２の要部分解斜視説明図である。
【００７１】
なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態以降においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００７２】
発電ユニット１０２は、第１金属セパレータ１０４、第１電解質膜・電極構造体１０６ａ、第２金属セパレータ１０８、第２電解質膜・電極構造体１０６ｂ及び第３金属セパレータ１０９を設ける。
【００７３】
発電ユニット１０２の長辺方向の上端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂが設けられる。発電ユニット１０２の長辺方向の下端縁部には、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ及び燃料ガス入口連通孔３２ａが設けられる。
【００７４】
発電ユニット１０２では、第１及び第２酸化剤ガス流路５０、６６は、酸化剤ガスを重力方向に沿って流す一方、第１及び第２燃料ガス流路３６、５８は、燃料ガスを反重力方向、すなわち、酸化剤ガスの流れとは反対方向に流すように構成される。この第２の実施形態では、酸化剤ガスと燃料ガスとが対向流に設定される他、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００７５】
図７は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック１１０を構成する発電ユニット１１２の要部分解斜視説明図である。
【００７６】
発電ユニット１１２では、第１金属セパレータ１１４、第１電解質膜・電極構造体１１６ａ、第２金属セパレータ１１８、第２電解質膜・電極構造体１１６ｂ及び第３金属セパレータ１２０が、重力方向に沿って積層される。
【００７７】
この第３の実施形態では、発電ユニット１１２の幅寸法（矢印Ａ方向）が可及的に短尺化され、重力方向に複数の発電ユニット１１２が積層された状態で、燃料電池スタック１１０の幅寸法が短尺化される他、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。なお、酸化剤ガスと燃料ガスとは、上記の第２の実施形態と同様に、対向流に設定されてもよい。
【００７８】
図８は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタック１３０を構成する発電ユニット１３２の要部分解斜視説明図である。
【００７９】
発電ユニット１３２は、第１カーボンセパレータ１３４、第１電解質膜・電極構造体１３６ａ、第２カーボンセパレータ１３８、第２電解質膜・電極構造体１３６ｂ及び第３カーボンセパレータ１４０を設ける。
【００８０】
発電ユニット１３２の積層方向は、例えば、水平方向（矢印Ａ方向）に設定されているが、第３の実施形態と同様に、鉛直方向（矢印Ｃ方向）に設定してもよい。なお、反応ガス流路形状は、波状流路溝部に代えて直線状流路溝部を備えている。
【００８１】
この第４の実施形態では、金属セパレータに代えて、第１カーボンセパレータ１３４、第２カーボンセパレータ１３８及び第３カーボンセパレータ１４０を用いることができる他、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。
【００８２】
図９は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池スタック１５０を構成する発電ユニット１５２の要部分解斜視説明図である。
【００８３】
発電ユニット１５２は、第１金属セパレータ１５４、第１電解質膜・電極構造体１５６ａ、第２金属セパレータ１５８、第２電解質膜・電極構造体１５６ｂ及び第３金属セパレータ１６０を設ける。
【００８４】
第１金属セパレータ１５４の第１電解質膜・電極構造体１５６ａに向かう面１５４ａには、燃料ガス入口連通孔３２ａと燃料ガス出口連通孔３２ｂとを連通する第１燃料ガス流路１６２が形成される。第１燃料ガス流路１６２は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝部１６２ａを有する。
【００８５】
図１０に示すように、波状流路溝部１６２ａは、上流側（上部側）及び下流側（下部側）に、同一の位相を有する第１位相領域１６４ａ、１６４ａを有するとともに、中流部分には、位相反転部１６６ａ、１６６ｂを介して位相が反転される第２位相領域１６４ｂが設けられる。位相反転部１６６ａ、１６６ｂは、図１０中、破線に示す中央部分の位相を途中で反転させることにより、半ピッチずれた波状流路を形成する。
【００８６】
第１金属セパレータ１５４の面１５４ｂには、一対の冷却媒体入口連通孔３４ａと一対の冷却媒体出口連通孔３４ｂとを連通する冷却媒体流路１６８の一部が形成される。面１５４ｂには、第１燃料ガス流路１６２を構成する複数の波状流路溝部１６２ａの裏面形状である複数の波状流路溝部１６８ａが形成される。
【００８７】
波状流路溝部１６８ａは、図１１に概略的に示されるように、波状流路溝部１６２ａの裏面凸形状の間に形成されており、上流側（上部側）及び下流側（下部側）に、第１位相領域１７０ａ、１７０ａを有するとともに、中流部分には、位相が反転する第２位相領域１７０ｂが設けられる。
【００８８】
図９に示すように、第２金属セパレータ１５８の第１電解質膜・電極構造体１５６ａに向かう面１５８ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとを連通する第１酸化剤ガス流路１７２が形成される。第１酸化剤ガス流路１７２は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝部１７２ａを有する。
【００８９】
図１２に示すように、波状流路溝部１７２ａは、第１燃料ガス流路１６２を構成する波状流路溝部１６２ａに対向している。第１位相領域１６４ａ、１６４ａでは、波状流路溝部１７２ａと波状流路溝部１６２ａとが、異なる位相に設定される一方、第２位相領域１６４ｂでは、前記波状流路溝部１７２ａと前記波状流路溝部１６２ａとが、同一の位相に設定される。
【００９０】
第２金属セパレータ１５８の第２電解質膜・電極構造体１５６ｂに向かう面１５８ｂには、燃料ガス入口連通孔３２ａと燃料ガス出口連通孔３２ｂとを連通する第２燃料ガス流路１７４が形成される。図９に示すように、第２燃料ガス流路１７４は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝部１７４ａを有する。
【００９１】
第３金属セパレータ１６０の第２電解質膜・電極構造体１５６ｂに向かう面１６０ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとを連通する第２酸化剤ガス流路１７６が形成される。第２酸化剤ガス流路１７６は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝部１７６ａを有する。波状流路溝部１７６ａは、波状流路溝部１７４ａと対向しており、前記波状流路溝部１７６ａと前記波状流路溝部１７４ａとは、同一の位相に設定される。
【００９２】
第３金属セパレータ１６０の面１６０ｂには、冷却媒体流路１６８の一部が形成される。面１６０ｂには、第２酸化剤ガス流路１７６を構成する複数の波状流路溝部１７６ａの裏面形状である複数の波状流路溝部１６８ｂが形成される。
【００９３】
図１１に示すように、第１金属セパレータ１５４の波状流路溝部１６８ａと、第３金属セパレータ１６０の波状流路溝部１６８ｂとが重なり合って、冷却媒体流路１６８が形成される。
【００９４】
波状流路溝部１６８ａの第１位相領域１７０ａ、１７０ａでは、前記波状流路溝部１６８ａと波状流路溝部１６８ｂとが、異なる位相を有する一方、前記波状流路溝部１６８ａの第２位相領域１７０ｂでは、前記波状流路溝部１６８ａと前記波状流路溝部１６８ｂとが、同一の位相で且つ互いに矢印Ｃ方向に延在する波状流路を形成する。
【００９５】
上下に設定された第１位相領域１７０ａ、１７０ａでは、波状流路溝部１６８ａと波状流路溝部１６８ｂとの位相が異なることにより、矢印Ｂ方向に延在する流路が形成される。
【００９６】
図１３に示すように、第１金属セパレータ１５４の面１５４ｂと第３金属セパレータ１６０の面１６０ｂとが重なり合うことにより、冷却媒体流路１６８を形成する各裏面凸形状同士が接触して上部接触部１７８ａ、下部接触部１７８ｂ及び中間接触部１７８ｃが設けられる。
【００９７】
上部接触部１７８ａ及び下部接触部１７８ｂは、各裏面凸形状の位相が異なることにより、点接触となる。一方、中間接触部１７８ｃは、各裏面凸形状が同一の位相であるために、矢印Ｃ方向に波状に延在するとともに、各中間接触部１７８ｃ間には、矢印Ｃ方向に波状に延在する複数本の流路が形成される。
【００９８】
この第５の実施形態では、図１１に示すように、冷却媒体流路１６８を構成する波状流路溝部１６８ａは、冷却媒体入口連通孔３４ａ側の第１位相領域（上流領域）１７０ａ及び冷却媒体出口連通孔３４ｂ側の第１位相領域（下流領域）１７０ａで、波状流路溝部１６８ｂと異なる位相に設定されている。
【００９９】
さらに、波状流路溝部１６８ａの第２位相領域（中流領域）１７０ｂでは、前記波状流路溝部１６８ａと波状流路溝部１６８ｂとは、同一の位相に設定されている。これにより、冷却媒体流路１６８の中流領域では、冷却媒体の流れ方向が、酸化剤ガス及び燃料ガス（少なくともいずれか一方）の流れ方向と同一に設定される一方、上流領域及び下流領域では、前記流れ方向（矢印Ｃ方向）と交差する方向（矢印Ｂ方向）に流れ方向を変更させることが可能になる。図１３に示すように、上流領域及び下流領域では、それぞれ上部接触部１７８ａ及び下部接触部１７８ｂが点接触により構成されるからである。
【０１００】
従って、冷却媒体入口連通孔３４ａ及び冷却媒体出口連通孔３４ｂは、発電ユニット１５２の左右両辺に形成することができる。このため、発電ユニット１５２では、幅方向（矢印Ｂ方向）の寸法が有効に短尺化される。
【０１０１】
特に、冷却媒体入口連通孔３４ａ、３４ａ及び冷却媒体出口連通孔３４ｂ、３４ｂは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ（酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ）と燃料ガス入口連通孔３２ａ（燃料ガス出口連通孔３２ｂ）との水平方向（矢印Ｂ方向）に沿った離間間隔Ｈの範囲内に設けられている。これにより、発電ユニット１２は、幅寸法を可及的に短尺化することが可能になる。
【０１０２】
しかも、冷却媒体流路１６８は、中流領域で、各波状流路溝部１６８ａ、１６８ｂが互いに同一の位相に設定されている。従って、冷却媒体は、酸化剤ガス及び燃料ガスの流れ方向と同一の方向に、円滑且つ確実に流通することができる。このため、発電ユニット１５２の冷却効率が良好に向上する。
【０１０３】
なお、発電ユニット１５２では、例えば、１枚の電解質・電極接合体を一対の金属セパレータで挟持する発電ユニットを用いるとともに、隣り合う前記発電ユニット間に冷却媒体流路が形成されてもよい。
【０１０４】
図１４は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池スタック１９０を構成する発電ユニット１９２の要部分解斜視説明図である。
【０１０５】
発電ユニット１９２は、電解質膜・電極構造体１９４を第１金属セパレータ１９６及び第２金属セパレータ１９８により挟持して構成される。電解質膜・電極構造体１９４は、固体高分子電解質膜２２の両面にアノード側電極２４とカソード側電極２６とが設けられ、前記アノード側電極２４及び前記カソード側電極２６は、同一の表面積に設定される。
【０１０６】
第１金属セパレータ１９６の電解質膜・電極構造体１９４に向かう面１９６ａには、第１燃料ガス流路１６２が形成される。第１金属セパレータ１９６の面１９６ｂには、第１燃料ガス流路１６２の裏面形状である冷却媒体流路１６８の波状流路溝部１６８ａが形成される。
【０１０７】
第２金属セパレータ１９８の電解質膜・電極構造体１９４に向かう面１９８ａには、第２酸化剤ガス流路１７６が形成される。この第２金属セパレータ１９８の面１９８ｂには、第２酸化剤ガス流路１７６の裏面形状である冷却媒体流路１６８の波状流路溝部１６８ｂが形成される。
【０１０８】
互いに隣接する発電ユニット１９２間には、一方の発電ユニット１９２を構成する第１金属セパレータ１９６の面１９６ｂと、他方の発電ユニット１９２を構成する第２金属セパレータ１９８の面１９８ｂとの間に、冷却媒体流路１６８が形成される。
【０１０９】
この第６の実施形態では、冷却媒体流路１６８が、第１燃料ガス流路１６２の裏面形状と第２酸化剤ガス流路１７６の裏面形状とにより形成されており、上記の第５の実施形態と同様の効果が得られる。
【０１１０】
なお、第５及び第６の実施形態では、燃料ガスと酸化剤ガスとが平行流（同一方向の流れ）を構成しているが、これに限定されるものではない。例えば、燃料ガスと酸化剤ガスとは、対向流（逆方向の流れ）に設定してもよい。
【０１１１】
図１５は、本発明の第７の実施形態に係る燃料電池スタック２００を構成する発電ユニット２０２の要部分解斜視説明図である。
【０１１２】
発電ユニット２０２は、第１金属セパレータ２０４、第１電解質膜・電極構造体１５６ａ、第２金属セパレータ１５８、第２電解質膜・電極構造体１５６ｂ及び第３金属セパレータ１６０を設ける。
【０１１３】
図１５及び図１６に示すように、第１金属セパレータ２０４の第１電解質膜・電極構造体１５６ａに向かう面２０４ａには、燃料ガス入口連通孔３２ａと燃料ガス出口連通孔３２ｂとを連通する第１燃料ガス流路１６２が形成される。
【０１１４】
第１燃料ガス流路１６２を構成する波状流路溝部１６２ａは、上流側（上部側）及び下流側（下部側）に、同一の位相を有する第１位相領域２０６ａを有するとともに、中流部分には、直線部位２０８ａ、２０８ｂを介して半位相ずらした第２位相領域２０６ｂが設けられる。直線部位２０８ａ、２０８ｂは、図１６中、二点鎖線に示す下部側部分の位相が途中で、半ピッチずれた波状流路を形成する。
【０１１５】
図１７に示すように、第１金属セパレータ２０４の波状流路溝部１６８ａと、第３金属セパレータ１６０の波状流路溝部１６８ｂとが重なり合って、冷却媒体流路１６８が形成される。
【０１１６】
波状流路溝部１６８ａの第１位相領域２０６ａ、２０６ａでは、前記波状流路溝部１６８ａと波状流路溝部１６８ｂとが、異なる位相を有する一方、前記波状流路溝部１６８ａの第２位相領域２０６ｂでは、前記波状流路溝部１６８ａと前記波状流路溝部１６８ｂとが、同一の位相で且つ互いに矢印Ｃ方向に延在する波状流路を形成する。
【０１１７】
図１８に示すように、第１金属セパレータ２０４の面２０４ｂと第３金属セパレータ１６０の面１６０ｂとが重なり合うことにより、冷却媒体流路１６８を形成する各裏面凸形状同士が接触して上部接触部２１０ａ、下部接触部２１０ｂ及び中間接触部２１０ｃが設けられる。
【０１１８】
上部接触部２１０ａ及び下部接触部２１０ｂは、各裏面凸形状の位相が異なることにより、点接触となる。一方、中間接触部２１０ｃは、各裏面凸形状が同一の位相であるために、矢印Ｃ方向に波状に延在するとともに、各中間接触部２１０ｃ間には、矢印Ｃ方向に波状に延在する複数本の流路が形成される。
【０１１９】
これにより、第７の実施形態では、冷却媒体入口連通孔３４ａ及び冷却媒体出口連通孔３４ｂは、発電ユニット２０２の左右両辺に形成することができるとともに、冷却媒体は、酸化剤ガス及び燃料ガスの流れ方向と同一の方向に、円滑且つ確実に流通することが可能になる等、上記の第５及び第６の実施形態でと同様の効果が得られる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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