(57)【要約】燃料電池の一種であって、複数の燃料電池単セルを備え、各燃料電池単セルにおいて、相対的な第１のセパレータ、第２のセパレータ、及び前記第１のセパレータと前記第２のセパレータ間に積層された膜電極接合体を備え、そのうち、前記膜電極接合体は、触媒付電解質膜と、前記触媒付電解質膜の第一側と第二側にそれぞれ設けられた第１のガス拡散層と第２のガス拡散層を含む。前記燃料電池単セルは、更に、第１のセパレータと第１のガス拡散層、および／または、第２のセパレータと第２のガス拡散層との間に位置するガスガイド流路、および、隣接する燃料電池単セルの第１のセパレータと前記セパレータとの間にある冷却媒体流路を備える。前記ガスガイド流路は、ガス拡散層の表面および／または向かい合うセパレータに付着され、前記冷却媒体流路は、第１のセパレータの外側表面および／または第２のセパレータの外側表面に付着される。【選択図】図３Ａ
2021530092.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の一種であって、複数の燃料電池単セルを備え、各燃料電池単セルにおいて、相対的な第１のセパレータと第２のセパレータ、および、前記第１のセパレータと前記第２のセパレータ間に積層された膜電極接合体を備え、
前記膜電極接合体は、触媒付電解質膜と、前記触媒付電解質膜の第一側と第二側にそれぞれ設けられた第１のガス拡散層と第２のガス拡散層を含み、
前記燃料電池単セルは、更に、前記第１のセパレータと前記第１のガス拡散層、および／または、前記第２のセパレータと前記第２のガス拡散層との間に位置するガスガイド流路を備え、
前記ガスガイド流路は、対応するセパレータに向かい合うガス拡散層の表面、および／または、対応するガス拡散層に向かい合うセパレータの表面に付着し、および
前記燃料電池は、隣接する燃料電池単セルの第１のセパレータと前記セパレータとの間に位置する冷却媒体流路を備え、
前記冷却媒体流路は、第１のセパレータに向かい合う第２のセパレータの表面、および／または、第２のセパレータに向かい合う第１のセパレータの表面に付着し、
前記ガスガイド流路と前記冷却媒体流路によって燃料電池の流体ガイド流路を形成させることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記第１セパレータおよび／または前記第２セパレータの外側表面に前記冷却媒体流路が付着し、前記第１セパレータおよび／または前記第２セパレータの内側表面に前記ガスガイド流路が付着していることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記第１のセパレータおよび／または前記第２セパレータの外側表面に前記冷却媒体流路が付着し、前記第１のセパレータおよび／または前記第２のセパレータの内側表面に前記ガスガイド流路が付着していないことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記第１のセパレータおよび／または前記第２のセパレータの外側表面に前記冷却媒体流路が付着し、前記第１のセパレータおよび／または前記第２のセパレータの内側表面に対応するガス拡散層の表面に前記ガスガイド流路が付着していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記流体ガイド流路は、塗布、印刷、ディスペンサー、噴射又は転写方法を用いて、対応するセパレータ表面および／またはガス拡散層表面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記流体ガイド流路を付着させるセパレータおよび／またはガス拡散層の表面は平滑であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記流体ガイド流路は、前記セパレータ及び前記ガス拡散層のそれぞれに形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記流体ガイド流路の材料は、前記セパレータおよび／または前記ガス拡散層とで異なることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記流体ガイド流路の材料は、高導電性材料であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記ガスガイド流路は、反応流体の流れと流体の浸透性を制御するリブ部およびチャンネル部を含むことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記ガスガイド流路のリブ部は、
隣接するチャンネル間での反応流体の浸透と前記リブ部を介して対応するガス拡散層への浸透を阻止する緻密構造、または
隣接するチャンネル間での浸透と前記リブ部を介して対応するガス拡散層への浸透を許可する多孔質構造を有することを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記ガスガイド流路は、さらに前記リブ部を乗せた底部を含み、
前記底部は、反応流体が基部を介して対応するガス拡散層への浸透を阻止する緻密構造、または、反応流体が基部を介して対応するガス拡散層への浸透を可能にする多孔質構造を有することを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池。
【請求項１３】
前記ガスガイド流路のリブ部は、対向するセパレータとガス拡散層のうちの一方の表面に形成され、一部のリブ部の上面は、対向する前記セパレータとガス拡散層のうち他方の表面と接触し、他の部分のリブ部の上面は、対向する前記セパレータとガス拡散層のもう一つの表面と間隔を持たせたことを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池。
【請求項１４】
前記ガスガイド流路のリブ部は、対向するセパレータとガス拡散層のうちの一方の表面に形成され、前記リブ部の上面は、対向する前記セパレータとガス拡散層のうち他方の表面と接触し、および、
前記冷却媒体流路のリブ部は、対向する第１のセパレータと第２のセパレータのいずれかの表面に形成され、前記リブ部の上面は、対向する前記セパレータのうち他方の表面と接触することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１５】
前記ガスガイド流路のリブ部は、対向するセパレータおよびガス拡散層の表面上に形成され、対向するセパレータおよびガス拡散層上に対応するリブ部の上面と突き合わされ、
前記冷却媒体流路のリブ部は、対向する第１のセパレータおよび第２のセパレータの表面上に形成され、対向する第１のセパレータと第２のセパレータに対応するリブ部の上面とが突き合わされていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１６】
前記ガスガイド流路のリブ部は、対向するセパレータ及びガス拡散層の表面上に形成され、かつ、セパレータ上のリブ部はガス拡散層の表面に接触し、ガス拡散層上のリブ部は、セパレータの表面に接触し、
前記冷却媒体流路のリブ部は、対向する第1のセパレータ及び第２のセパレータの表面上に形成され、かつ、第１のセパレータ上のリブ部は、第２セパレータの表面と接触し、第２セパレータのリブ部は、第１セパレータの表面と接触することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１７】
一対の突き合わされたリブ部は、突き合わされる界面のサイズが、リブ部とセパレータまたはガス拡散層との接触面のサイズより小さいことを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池。
【請求項１８】
一対の突き合わされたリブ部は、突き合わせる界面のサイズが、リブ部とセパレータまたはガス拡散層との接触面のサイズより大きいことを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池。
【請求項１９】
前記リブ部の材料は、前記ガス拡散層の界面に入ることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池。
【請求項２０】
前記ガスガイド流路のリブ部と基部は、全面的に付着する方式で形成されることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池。
【請求項２１】
前記流体ガイド流路のリブ部の上面と前記チャンネル部の底面の表面の一部または全体が親水性処理されることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池。
【請求項２２】
触媒付電解質膜と、触媒付電解質膜の第一側と第二側にそれぞれ設けられた第１のガス拡散層と第２のガス拡散層とを備えた膜電極接合体を用い、第１のセパレータと第２のセパレータを用いて、冷却媒体流路およびガスガイド流路を形成する燃料電池単セルの製造方法において、以下のステップを含み、
前記冷却媒体流路は、前記第１セパレータおよび／または前記第２セパレータの外側表面に冷却媒体流路リブを付着(adhere)し、前記冷却媒体流路リブが付着された第１セパレータおよび／または前記第２セパレータの外側表面に、隣接する燃料電池セルの第２セパレータおよび／または第１セパレータの表面を接触させることで形成され、
前記ガスガイド流路は、
前記第１のガス拡散層及び／又は前記第２のガス拡散層の外側表面にガスガイド流路リブを付着(adhere)し、および／または
前記第１のセパレータ及び／又は前記第２のセパレータ側の内側表面にガイドガス流路リブを付着(adhere)し、および／または
前記第１のセパレータを前記第１のガス拡散層の外側表面に圧着し、前記第２のセパレータを前記第２のガス拡散層の外側表面に圧着することで形成される、燃料電池単セルの製造方法。
【請求項２３】
塗布、印刷、ディスペンサー、噴射または転写の方式で、対応するセパレータ表面および／またはガス拡散層表面に、前記冷却媒体流路と前記ガスガイド流路が形成される、請求項２２に記載の燃料電池単セルの製造方法。
【請求項２４】
前記冷却媒体流路と前記ガスガイド流路を付着させるセパレータ表面および／またはガス拡散層の表面を平滑にする、請求項２２に記載の燃料電池単セルの製造方法。
【請求項２５】
前記冷却媒体流路と前記ガスガイド流路の材料は、前記セパレータおよび／または前記ガス拡散層とで異なる、請求項２２に記載の燃料電池単セルの製造方法。
【請求項２６】
前記冷却媒体流路と前記ガスガイド流路の材料を高導電性材料とする、請求項２２に記載の燃料電池単セルの製造方法。
【請求項２７】
前記冷却媒体流路と前記ガスガイド流路には、反応流体の流れと流体の浸透を制御するリブ部とチャンネル部が含まれる、請求項２２に記載の燃料電池単セルの製造方法。
【請求項２８】
前記ガスガイド流路には、前記リブ部を乗せた底部が含まれる、請求項２７に記載の燃料電池単セルの製造方法。
【請求項２９】
前記ガスガイド流路のリブ部とリブ部の前記底部が全面的に塗布される方式で形成される請求項２８に記載の燃料電池単セルの製造方法。
【請求項３０】
前記製造方法は、前記流体ガイド流路のリブ部の上面と前記チャンネル部の底面の表面の一部または全部が親水性処理されることを含む、請求項２８に記載の燃料電池単セルの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１８年７月４日に出願された「具備流体引導流路的燃料電池及其制造方法」と称する表題の、国際出願番号第ＰＣＴ／ＣＮ２０１８／０９４４４９に対しての優先権の利益を主張する。
【０００２】
本発明は、電解質膜と、アノード側触媒層と、カソード側触媒層と、アノード側ガス拡散層と、カソード側ガス拡散層とを、アノード側セパレータおよびカソード側セパレータが挟持する燃料電池セルを複数個積層状に重ねることで構成される燃料電池に関し、特に、各セパレータと各ガス拡散層の中間位置に設けられる溝状のガスガイド流路および２つの隣接するセパレータの中間位置に設けられる溝状の冷却媒体用の流路を有する燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
例えば、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面側にアノード電極が、他方の面側にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極接合体（ＣＣＭ、ＭＥＡ）を備えている。ＭＥＡは、セパレータによって挟持されることにより、発電セルを構成している。燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池電気車両に組み込まれている。燃料電池では、通常、数十〜数百の発電セルが積層されて、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。
【０００４】
従来より、燃料電池では、一方のセパレータの面内に、アノード電極に対向して燃料ガスの流路が設けられているとともに、他方のセパレータの面内に、カソード電極に対向して酸化ガスの流路が設けられている。そして、アノード側セパレータとカソード側セパレータとの間に冷却媒体が流通する流路が形成される。
【０００５】
特に、発電効率の高い燃料電池については、高効率化、高耐久化、小規模化、低コスト化を進めるための研究、開発が行われている。市場ニーズに基づいた高品質で低コストで安全に量産するための技術を確立することが課題となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１６−５８２８８号公報
【特許文献２】特開２００６−１２０６２１号公報
【特許文献３】特開２００６−３３９０８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１では、リブの高さが異なる溝状流路をプレス成形した金属板によってセパレータを形成している。リブ自体がセパレータ本体と同じ金属板で形成されると、加工に伴うセパレータのたわみ、微細加工に伴うセパレータの割れやひずみ硬化、セパレータの曲げ変形が生じてしまう問題がある。ガスガイド流路は金属板でプレス加工によって製造されると、金型に反りが起きてしまう。更に、金型については、設計変更が生じた場合、金型改造を行うのが技術的にも、コスト面でも難しくなる。
【０００８】
特許文献２によれば、ガス拡散層とガスガイド流路が気相成長により一体化形成されている。このように気相成長させたガス拡散層は、ガスガイド流路と一体化しているため、異なる仕様での流路設計を行う必要が生じた場合、設計変更を行うにいたってコスト的に不利になる。更に、このような気相成長は、プロセスに時間がかかるので、大量生産に向かない。
【０００９】
特許文献３では、セパレータではなく多孔質のガス拡散層にガスガイド流路が形成されていて、このようなガス拡散層は、型を用いてガス拡散層とガスガイド流路を一体化して形成されていることもあり、異なる仕様での流路設計を行う必要が生じた場合、型変更等を行うにいたってコスト的に不利になる。既製品の構成部材を流用することによるコスト削減を適用できない。
【００１０】
本発明の目的は、低コストと高効率で製造できる燃料電池を提供することである。そのような燃料電池は、隣り合うセパレータの間に緻密性高導電性炭素系塗布材料からなる冷却媒体流路を形成し、そしてセパレータとガス拡散層の間に高導電性炭素系被覆材料からなる緻密性および／または多孔性構造のガスガイド流路を形成したことで実現した。
【００１１】
また、本発明の目的は、流体ガイド流路の形成を容易にすることで、製造プロセスの複雑化を抑制できる、冷却媒体流路およびガスガイド流路からなる流体ガイド流路構造を備えた燃料電池セルを提供することで達成できる。
【００１２】
主として、本発明が掲げる目的は、流体ガイドの自由自在な流路設計を最適化させた、ＣＣＭシート（触媒層付電解質膜）と、一対のガス拡散層と、一対のセパレータとを備えた燃料電池セルからなる高出力密度と高エネルギー密度な燃料電池を具現化することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、上記目的を達成するため、次のように構成した燃料電池を提供する。
【００１４】
本発明の一態様によれば、燃料電池の一種であって、複数の燃料電池単セルを備え、各燃料電池単セルにおいて、相対的な第１のセパレータと第２のセパレータ、および、前記第１のセパレータと前記第２のセパレータ間に積層された膜電極接合体を備え、
前記膜電極接合体は、触媒付電解質膜と、前記触媒付電解質膜の第一側と第二側にそれぞれ設けられた第１のガス拡散層と第２のガス拡散層を含み、
前記燃料電池単セルは、更に、前記第１のセパレータと前記第１のガス拡散層、および／または、前記第２のセパレータと前記第２のガス拡散層との間に位置するガスガイド流路を備え、
前記ガスガイド流路は、対応するセパレータに向かい合うガス拡散層の表面、および／または、対応するガス拡散層に向かい合うセパレータの表面に付着し、および
前記燃料電池は、隣接する燃料電池単セルの第１のセパレータと前記セパレータとの間に位置する冷却媒体流路を備え、
前記冷却媒体流路は、第１のセパレータに向かい合う第２のセパレータの表面、および／または、第２のセパレータに向かい合う第１のセパレータの表面に付着し、
前記ガスガイド流路と前記冷却媒体流路によって燃料電池の流体ガイド流路を形成させることを特徴とする燃料電池。
【００１５】
本発明の一態様によれば、前記第１セパレータおよび／または前記第２セパレータの外側表面に前記冷却媒体流路が付着し、前記第１セパレータおよび／または前記第２セパレータの内側表面に前記ガスガイド流路が付着している。
【００１６】
本発明の一態様によれば、前記第１のセパレータおよび／または前記第２セパレータの外側表面に前記冷却媒体流路が付着し、前記第１のセパレータおよび／または前記第２のセパレータの内側表面に前記ガスガイド流路が付着していない。
【００１７】
本発明の一態様によれば、前記第１のセパレータおよび／または前記第２のセパレータの外側表面に前記冷却媒体流路が付着し、前記第１のセパレータおよび／または前記第２のセパレータの内側表面に対応するガス拡散層の表面に前記ガスガイド流路が付着している。
【００１８】
本発明の一態様によれば、前記流体ガイド流路は、塗布、印刷、ディスペンサー、噴射又は転写方法を用いて、対応するセパレータ表面および／またはガス拡散層表面に形成されている。
【００１９】
本発明の一態様によれば、前記流体ガイド流路を付着させるセパレータおよび／またはガス拡散層の表面は平滑である。
【００２０】
本発明の一態様によれば、前記流体ガイド流路は、前記セパレータ及び前記ガス拡散層のそれぞれに形成されている。
【００２１】
本発明の一態様によれば、前記流体ガイド流路の材料は、前記セパレータおよび／または前記ガス拡散層とで異なる。
【００２２】
本発明の一態様によれば、前記流体ガイド流路の材料は、高導電性材料である。
【００２３】
本発明の一態様によれば、前記ガスガイド流路は、反応流体の流れと流体の浸透性を制御するリブ部およびチャンネル部を含む。
【００２４】
本発明の一態様によれば、前記ガスガイド流路のリブ部は、
隣接するチャンネル間での反応流体の浸透と前記リブ部を介して対応するガス拡散層への浸透を阻止する緻密構造、または
隣接するチャンネル間での浸透と前記リブ部を介して対応するガス拡散層への浸透を許可する多孔質構造を有する。
【００２５】
本発明の一態様によれば、前記ガスガイド流路は、さらに前記リブ部を乗せた底部を含み、
前記底部は、反応流体が基部を介して対応するガス拡散層への浸透を阻止する緻密構造、または、反応流体が基部を介して対応するガス拡散層への浸透を可能にする多孔質構造を有する。
【００２６】
本発明の一態様によれば、前記ガスガイド流路のリブ部は、対向するセパレータとガス拡散層のうちの一方の表面に形成され、一部のリブ部の上面は、対向する前記セパレータとガス拡散層のうち他方の表面と接触し、他の部分のリブ部の上面は、対向する前記セパレータとガス拡散層のもう一つの表面と間隔を持たせる。
【００２７】
本発明の一態様によれば、前記ガスガイド流路のリブ部は、対向するセパレータとガス拡散層のうちの一方の表面に形成され、前記リブ部の上面は、対向する前記セパレータとガス拡散層のうち他方の表面と接触し、および、
前記冷却媒体流路のリブ部は、対向する第１のセパレータと第２のセパレータのいずれかの表面に形成され、前記リブ部の上面は、対向する前記セパレータのうち他方の表面と接触する。
【００２８】
本発明の一態様によれば、前記ガスガイド流路のリブ部は、対向するセパレータおよびガス拡散層の表面上に形成され、対向するセパレータおよびガス拡散層上に対応するリブ部の上面と突き合わされ、
前記冷却媒体流路のリブ部は、対向する第１のセパレータおよび第２のセパレータの表面上に形成され、対向する第１のセパレータと第２のセパレータに対応するリブ部の上面とが突き合わされている。
【００２９】
本発明の一態様によれば、前記ガスガイド流路のリブ部は、対向するセパレータ及びガス拡散層の表面上に形成され、かつ、セパレータ上のリブ部はガス拡散層の表面に接触し、ガス拡散層上のリブ部は、セパレータの表面に接触し、
前記冷却媒体流路のリブ部は、対向する第1のセパレータ及び第２のセパレータの表面上に形成され、かつ、第１のセパレータ上のリブ部は、第２セパレータの表面と接触し、第２セパレータのリブ部は、第１セパレータの表面と接触する。
【００３０】
本発明の一態様によれば、一対の突き合わされたリブ部は、突き合わされる界面のサイズが、リブ部とセパレータまたはガス拡散層との接触面のサイズより小さい。
【００３１】
本発明の一態様によれば、一対の突き合わされたリブ部は、突き合わせる界面のサイズが、リブ部とセパレータまたはガス拡散層との接触面のサイズより大きい。
【００３２】
本発明の一態様によれば、前記リブ部の材料は、前記ガス拡散層の界面に入る。
【００３３】
本発明の一態様によれば、前記ガスガイド流路のリブ部と基部は、全面的に付着する方式で形成される。
【００３４】
本発明の一態様によれば、前記流体ガイド流路のリブ部の上面と前記チャンネル部の底面の表面の一部または全体が親水性処理される。
【００３５】
本発明の一態様によれば、触媒付電解質膜と、触媒付電解質膜の第一側と第二側にそれぞれ設けられた第１のガス拡散層と第２のガス拡散層とを備えた膜電極接合体を用い、第１のセパレータと第２のセパレータを用いて、冷却媒体流路およびガスガイド流路を形成する燃料電池単セルの製造方法において、以下のステップを含み、
前記冷却媒体流路は、前記第１セパレータおよび／または前記第２セパレータの外側表面に冷却媒体流路リブを付着(adhere)し、前記冷却媒体流路リブが付着された第１セパレータおよび／または前記第２セパレータの外側表面に、隣接する燃料電池セルの第２セパレータおよび／または第１セパレータの表面を接触させることで形成され、
前記ガスガイド流路は、
前記第１のガス拡散層及び／又は前記第２のガス拡散層の外側表面にガスガイド流路リブを付着(adhere)し、および／または
前記第１のセパレータ及び／又は前記第２のセパレータ側の内側表面にガイドガス流路リブを付着(adhere)し、および／または
前記第１のセパレータを前記第１のガス拡散層の外側表面に圧着し、前記第２のセパレータを前記第２のガス拡散層の外側表面に圧着することで形成される、燃料電池単セルの製造方法。
【００３６】
本発明の一態様によれば、塗布、印刷、ディスペンサー、噴射または転写の方式で、対応するセパレータ表面および／またはガス拡散層表面に、前記冷却媒体流路と前記ガスガイド流路が形成される。
【００３７】
本発明の一態様によれば、前記冷却媒体流路と前記ガスガイド流路を付着させるセパレータ表面および／またはガス拡散層の表面を平滑にする。
【００３８】
本発明の一態様によれば、前記冷却媒体流路と前記ガスガイド流路の材料は、前記セパレータおよび／または前記ガス拡散層とで異なる。
【００３９】
本発明の一態様によれば、前記冷却媒体流路と前記ガスガイド流路の材料を高導電性材料とする。
【００４０】
本発明の一態様によれば、前記冷却媒体流路と前記ガスガイド流路には、反応流体の流れと流体の浸透を制御するリブ部とチャンネル部が含まれる。
【００４１】
本発明の一態様によれば、前記ガスガイド流路には、前記リブ部を乗せた底部が含まれる。
【００４２】
本発明の一態様によれば、前記ガスガイド流路のリブ部とリブ部の前記底部が全面的に塗布される方式で形成される。
【００４３】
本発明の一態様によれば、前記燃料電池単セルの方法は、前記流体ガイド流路のリブ部の上面と前記チャンネル部の底面の表面の一部または全部が親水性処理されることを含む。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
本発明の特徴および性能は、さらに、以下の実施の形態および図面によって説明される。
【図１】本発明の実施の一形態における燃料電池スタックの構成を示す外観図である。
【図２】本発明の実施の一形態における流体ガイド流路の立体構造の一例を部分的に示す斜視図である。
【図３Ａ】本発明の実施の一形態における燃料電池セルの一例を部分的に示した模式図であり、図３Ａは、実施の形態１の燃料電池単セルを示す。
【図３Ｂ】図３Ｂは、実施の形態２の燃料電池単セルを示す。
【図３Ｃ】図３Ｃは、実施の形態３の燃料電池単セルを示す。
【図３Ｄ】図３Ｄは、実施の形態４の燃料電池単セルを示す。
【図３Ｅ】図３Ｅは、実施の形態４の燃料電池単セルを示す。
【図３Ｆ】図３Ｆは、実施の形態５の燃料電池単セルを示す。
【図４Ａ】本発明の実施の一形態における基材４、５、６、７の表面に設けられた３通りの流体ガイド流路の形状の斜視図であり、図４Ａは、リブ１１の断面が矩形である流体ガイド流路の形状を示す。
【図４Ｂ】図４Ｂは、リブ１１の断面が台形である流体ガイド流路の形状を示す。
【図４Ｃ】図４Ｃは、リブ１１の断面が円弧を有する台形である流体ガイド流路の形状を示す。
【図５Ａ】本発明の実施の形態１について、ガス拡散層４，５に面するセパレータ６，７の表面に付着されたガスガイド流路リブ１１がガス拡散層４，５に対して接触するよう突き合わせて形成されるガスガイド流路の構造、および、アノード側セパレータ６および／またはカソード側セパレータ７の片側の表面のそれぞれに付着された冷却媒体流路リブ１１がアノード側セパレータ６およびカソード側セパレータ７に対して接触するよう貼り合せて形成される冷却媒体流路の構造であり、図５Ａは、リブ１１の断面が矩形である流体ガイド流路の断面図の一例である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、リブ１１の断面が台形および矩形である流体ガイド流路の断面図の一例である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、リブ１１の断面が円弧を有する台形および矩形である流体ガイド流路の断面図の一例である。
【図５Ｄ】図５Ｄは、本発明の冷却媒体流路とガスガイド流路からなる流体ガイド流路の断面図の一例である。
【図６Ａ】本発明の実施の形態２について、セパレータ６，７に面するガス拡散層４，５の表面に付着されたガスガイド流路リブ１１がセパレータ６，７に対して接触するよう突き合わせて形成されるガスガイド流路の構造であり、および、アノード側セパレータ６および／またはカソード側セパレータ７の片側の表面のそれぞれに付着された冷却媒体流路リブ１１がアノード側セパレータ６およびカソード側セパレータ７に対して接触するよう貼り合せて形成される冷却媒体流路の構造であり、図６Ａは、リブ１１の断面が矩形である流体ガイド流路の断面図を示す。
【図６Ｂ】図６Ｂは、リブ１１の断面が逆台形および矩形である流体ガイド流路の断面図を示す。
【図６Ｃ】図６Ｃは、リブ１１の断面が円弧を有する逆台形および矩形である流体ガイド流路の断面図を示す。
【図６Ｄ】図６Ｄは、リブ１１の断面が逆台形と矩形の流体ガイド流路の断面図を示す。
【図７Ａ】本発明の実施の形態３について、ガス拡散層４，５に面するセパレータ６，７の表面にガスガイド流路を付着し、別途セパレータ６，７に面するガス拡散層４，５の表面にガスガイド流路を付着し、互いを突き合わせて形成されるガスガイド流路の構造であり、および、アノード側セパレータ６および／またはカソード側セパレータ７の片側の表面のそれぞれに付着された冷却媒体流路リブ１１がアノード側セパレータ６およびカソード側セパレータ７に対して接触するよう貼り合せて形成される冷却媒体流路の構造であり、図７Ａは、リブ１１の断面が矩形である流体ガイド流路の断面図を示す。
【図７Ｂ】図７Ｂは、リブ１１の断面が台形および矩形である流体ガイド流路の断面図を示す。
【図７Ｃ】図７Ｃは、リブ１１の断面が円弧を有する台形および矩形である流体ガイド流路の断面図を示す。
【図８Ａ】本発明の実施の一形態において、セパレータ６，７とガス拡散層４，５の中間位置に形成されるガスガイド流路のリブ１１が挟持されている様子を示す拡大図であり、図８Ａは、実施の形態１の台形のガスガイド流路のリブ１１がガス拡散層４，５に接した時の応力分布を示す。
【図８Ｂ】図８Ｂは、実施の形態２の台形のガスガイド流路のリブ１１がセパレータ６，７に接した時のガス拡散層４，５側の応力分布を示す。
【図９Ａ】本発明のその他変形例１において、図９Ａは、実施の形態３のガスガイド流路リブ１１および冷却媒体流路リブ１１に対して無数の孔を設けた一例を示す。
【図９Ｂ】図９Ｂは、実施の形態１および２のガスガイド流路リブ１１および冷却媒体流路リブ１１に対して無数の孔を設けた一例を示す。
【図１０Ａ】図１０Ａは、本発明の実施の形態の一形態における流体ガイド流路の頭押し方式の順序を図解するためのイラスト図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、頭押し方式の順序を図解するためのイラスト図である。
【図１０Ｃ】図１０Ｃは、頭突き方式の順序を図解するためのイラスト図である。
【図１０Ｄ】図１０Ｄは、噛み合わせ方式の順序を図解するためのイラスト図である。
【図１１Ａ】本発明の実施の一形態における流体ガイド流路のリブ１１の配置によるチャンネル幅Cwの違いについて説明するための図であり、図１１Ａは、実施の形態１の流体ガイド流路のリブ１１を部分的に表した図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、実施の形態２の流体ガイド流路のリブ１１を部分的に表した図である。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、実施の形態３の流体ガイド流路のリブ１１を部分的に表した図である。
【図１２】本発明の実施の一形態に適用される、流体ガイド流路のリブ１１の断面形状の一例であり：Ａ欄は、左右対称の流体ガイド流路のリブ１１の断面形状；Ｂ欄は、左右非対称の流体ガイド流路のリブ１１の断面形状であって、内角αまたはβのいずれかが直角である形状；Ｃ欄は、左右非対称の流体ガイド流路のリブ１１の断面形状を表す
【図１３Ａ】本発明の実施の形態３に基づいて、図１２で示したガスガイド流路リブ１１の多様な断面形状を組み合わせて形成される流体ガイド流路の形態であり、図１３Ａは、左右非対称の流体ガイド流路のリブ１１を交互に付着した事例である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、左右非対称の流体ガイド流路のリブ１１を一律に付着した事例である。
【図１３Ｃ】図１３Ｃは、左右対称の流体ガイド流路のリブ１１と左右非対称の流体ガイド流路のリブ１１を交互に付着した事例である。
【図１３Ｄ】図１３Ｄは、サイズの異なる左右対称の流体ガイド流路のリブ１１を第１の基材（ガス拡散層４，５）と第２の基材（セパレータ６，７）のそれぞれに付着した事例である。
【図１３Ｅ】図１３Ｅは、左右対称の台形の流体ガイド流路のリブ１１を互いにオーバーラップするよう付着した事例である。
【図１３Ｆ】図１３Ｆは、左右対称の台形の流体ガイド流路のリブ１１が付着される第２の基材（セパレータ６，７）側の一面に予被覆層を設けた事例である。
【図１４】本発明の実施の形態３における噛み合わせ方式で形成された流体ガイド流路の構造の一例である。
【図１５Ａ】本発明の実施の形態３における流体ガイド流路の構造の一例であって、図１５Ａは、実施の形態１に基づく頭押し方式で形成されたボルケーノ状のリブ断面形状を有する流体ガイド流路の構造である。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、実施の形態３に基づく頭突き方式で形成されたタワー状のリブ断面形状を有する流体ガイド流路の構造である。
【図１６Ａ】図１６Ａは、本発明の実施の形態１に基づいて形成された流体ガイド流路の構造のバリエーションの一例を示す。
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、本発明の実施の形態１に基づいて形成された流体ガイド流路の構造のバリエーションの一例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
ここに、図面を参照して、本発明の燃料電池について、好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。なお、以下の説明では燃料電池が固体高分子形燃料電池である場合を例にとって説明する。ただし、本発明の実施の一形態に記載されている構成部材の材質、寸法、形状、角度、その相対配置等は、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【００４６】
以下、本発明の実施の一形態について適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図面において、図１は、燃料電池の外観を示している。図１に示す通り、燃料電池セル８をスタックした燃料電池スタック構造体９は、その両端を押さえ板として機能するエンドプレート１０１，１０２によって締め付けられている。燃料電池は、燃料電池セル８を複数積層し、それら積層体の両端に燃料電池セル８で発電した電流を取り出す集電板や、燃料電池セル８との絶縁を取るための絶縁板、及びエンドプレート１０１，１０２などが取り付けられ、タイロッドで締結されることにより構成される。
【００４７】
［燃料電池のメカニズム］
燃料電池のメカニズムは以下のとおりである。アノード（燃料極と呼ばれる）には燃料ガスが供給され、触媒の助けを借りて、供給された燃料ガスから電子が離れ外部回路に移動する。ここで水素は水素イオン（プロトンと呼ばれる）に変わる。一方、カソード（空気極と呼ばれる）には酸素が供給される。酸素は電解質膜から通過してくるプロトンと外部回路から流入してくる電子とに反応して水が生成される。燃料流体は典型的に水素などの気体である。
【００４８】
本発明の燃料電池は、一例として、下記の固体高分子型燃料電池であり、すなわち、電解質膜１として固体高分子電解質が用いられ、この電解質膜1にアノード側触媒層２（第１の触媒層という）とカソード側触媒層３（第２の触媒層という）を付加して、触媒コーティング膜（catalyst coated membrane、CCM）を構成する。アノード側触媒層２には、アノード側ガス拡散層４(第１のガス拡散層という)を挟んで、アノード側セパレータ６(第１のセパレータという)が付加されており、カソード側触媒層３には、カソード側ガス拡散層５(第２のガス拡散層という)を挟んで、カソード側セパレータ７(第２のセパレータという)を付加し、これにより燃料電池セル８を構成し、当該燃料電池セル８を複数積み重ねて固体高分子型燃料電池を得る。
【００４９】
本発明の実施の一形態に係わる燃料電池セル８の構成部材とそれらに関連する要素については、周知の基材を用いて形成することができる。また、慣用技術を用いて、燃料電池セル８の構成部材とそれらに関連する要素を作製することができる。本発明では、周知の基材と慣用技術については、特に限定しない。以降、各構成部材について、手短に説明する。
【００５０】
［電解質膜］
起電部である電解質膜１としては、一般的には、フッ素系高分子電解質膜と炭化水素系高分子電解質膜のどちらでも好ましく用いることができる。電解質膜１に求められる主な機能は、良好なプロトン伝導性、反応ガスの不透過性、電子絶縁性および物理的および化学的高耐久性が挙げられる。本発明に用いられる電解質膜としては、イオン（プロトン）透過性に優れ且つ電流を流さない材料からなるものであれば特に限定されるものではない。
【００５１】
［触媒層］
電解質膜1の両側に配置されるアノード側触媒層２とカソード側触媒層３では、アノードおよびカソードの燃料電池反応が起こる。アノード側触媒層２では、水素をプロトンおよび電子に解離する反応（水素酸化反応）が促進される。カソード側触媒層３では、プロトンと電子と酸素から水を作成する反応（酸素還元反応）が促進される。本発明に用いられる触媒電極についても特に限定されるものではなく、従来用いられてきた通常のものを用いることができる。
【００５２】
［ガス拡散層］
アノード側ガス拡散層４は、ＣＣＭシート（図示せず）とアノード側セパレータ６の間に位置し、カソード側ガス拡散層５は、ＣＣＭシートとカソード側セパレータ７の間に位置する。ＣＣＭシートとは、電解質膜１、アノード側触媒層２およびカソード側触媒層３を保持するＣＣＭ（catalyst coated membrane）ホルダーフィルムの総称である。ガス拡散層４，５は、化学反応に必要な燃料ガスと酸化ガスを電解質膜１の面方向に沿って効率よく導き機能させる層である。つまり、アノード側ガス拡散層４には燃料ガスが拡散し、カソード側ガス拡散層５には酸化ガスが拡散できるようガスガイド流路が設けられる。ガスの透過性を有し、発生した電気を集電できるものであれば特に限定されるものではなく、従来の燃料電池で用いられている既製品のガス拡散層を流用することができる。
【００５３】
［セパレータ］
セパレータとは、発電体である燃料電池セル８同士を区切る金属薄板であり、一対のセパレータ６，７間には、発電に必要な電解質膜１、アノード側触媒層２、カソード側触媒層３、アノード側ガス拡散層４、カソード側ガス拡散層５が納められている。なお、このセパレータは発電した電気の集電体としても機能する。
【００５４】
セパレータ６，７は、ガス遮断性、化学的安定性および電子伝導性を有する金属薄板によって構成されている。セパレータとしては、例えば、アルミ、銅、ステンレスなど様々な金属薄板、金属箔、金属薄膜などを用いることができる。このような金属薄板、金属箔、金属薄膜は耐腐食性と機械強度を持つ導電性材料からなることが好ましい。さらに、前記金属薄板、金属箔、金属薄膜は、表面塗布、コーティングおよび表面物理化学処理により耐腐食性、機械強度およびより導電性が高くなることがより好ましい。
【００５５】
［流体ガイド流路］
流体ガイド流路には、ガスガイド流路と冷却媒体流路の２タイプがある。更に、ガスガイド流路には、燃料ガス誘導流路（アノード）と酸化ガス誘導流路（カソード）の２種類がある。燃料電池に流体を供給する誘導流路は、溝状の凸部と凹部から構成される。凸部はリブと呼ばれて、膜電極接合体（MEA）とガス拡散層を介して接触され電気の通電部の役割を果たす。凹部はチャンネルと呼ばれて、外部から燃料電池の中に流体（冷却媒体、燃料ガス、酸化ガス）を供給する通路と水などの排出通路になっている。
【００５６】
流体ガイド流路は、アノード側セパレータの一方の主面に燃料ガスガイド流路を形成するとともに、他方反対側の主面に冷却媒体流路を形成することができる。あるいは、カソード側セパレータの一方の主面に酸化ガスガイド流路を形成するとともに、他方反対側の主面に冷却媒体流路を形成することができる。
【００５７】
以上、本発明における構成部材およびそれに関連する要素の形態は、上述した構成に限定されることはなく、適宜変更を加えることが可能である。
【００５８】
以降、本発明を実施するための形態について添付の図面を参照しながら説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には同一の符号を付しており、その重複説明は適宜に簡略化ないし省略する。これらの図面において、図面の見やすさおよび説明の便宜を図るため、正確な縮尺にはなっておらず、実際より大きく表示されていることに注意されたい。
【００５９】
本発明の実施の一形態では、説明を簡略化するため、水素ガスの流れるアノード側の燃料ガスガイド流路と、酸素の流れるカソード側の酸化ガスガイド流路とを特に区別せず説明している。本発明の流体ガイド流路には、ガスガイド流路と冷却媒体流路の２タイプがある。更に、ガスガイド流路には、燃料ガス誘導流路（アノード）と酸化ガス誘導流路（カソード）の２種類がある。ガスガイド流路構造は、アノード側の流路とカソード側の流路の両方に適用できる。本明細書で言及する「反応ガス」には、燃料ガスと酸化ガスと水蒸気が含まれる。「ガスガイド流路」は、アノード側のガスガイド流路とカソード側のガスガイド流路を網羅する。「冷却媒体流路」とは、冷却媒体を流すための流路であり、冷却媒体としては、例えば、水、エチレングリコール等の不凍水、空気などが用いられる。「基材」とは、流体ガイド流路のリブ１１が形成される基板のことである。なお、「第１の基材」はガス拡散層４，５を、「第２の基材」はセパレータ６，７を指している。
【００６０】
本発明において、２つの基材を突き合わせる方式には、「頭押し方式」と、「噛み合わせ方式」と、「頭突き方式」の３タイプがある。詳細については、関連する実施の形態にて後述するが、実施の形態１および２では「頭押し方式」が採用され、実施の形態３では「噛み合わせ方式」と「頭突き方式」が採用されている。実施の形態４，５およびその他変形例１は、全３タイプが適用される。これらの方式は、ガスガイド流路および冷却媒体流路の形成に適用される。
【００６１】
各図面中、セパレータ６，７および／またはガス拡散層４，５を基材とし、その基材表面に付着されるガスガイド流路リブ１１および冷却媒体流路リブ１１との界面を細かい横線で表している。ガスガイド流路リブ１１および冷却媒体流路リブ１１は、斜線シェーディングで表している。シール材２０は、単色グレイで表している。
【００６２】
実施の形態１
以下、図２〜図５Ｄ、図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃ、図１０Ｄ、図１２、図１３Ａ、図１３Ｂ、図１３Ｃ、図１３Ｅ、図１３Ｆ、図１６Ａ、図１６Ｂを用いて、本発明の実施の形態１における流体ガイド流路を備えた燃料電池について説明する。なお、本発明は、実施の形態１のみに限定されるものではない。
【００６３】
本発明の実施の形態１で言及する流体ガイド流路を備えた燃料電池においては、図５に示す通り、ガス拡散層４，５の表面にはガスガイド流路が付着(adhere)されておらず、セパレータ６，７の表面にガスガイド流路を付着して実施されている。更に、セパレータ６，７に対して冷却媒体流路を付着している。実施の形態１における流体ガイド流路の構造およびメカニズムについて説明する。
【００６４】
図２には、流体ガイド流路を構成する寸法表記が示されている。「ｈ」をリブ高さ、「Rw１」を基材側のリブ幅、「Rw2」をリブ上辺幅、「Cw」をチャンネル幅、「α」「β」をリブ界面（界面とは、リブと基材の境界面）とリブ側面がなす内角、「S」を流路ピッチとして符号を割り当てた。図２に示す通り、反応ガスの主な流れは、凹部の中心軸（図２中、一点鎖線で表記した）に沿って伸びるチャンネルを通過する。反応ガスの流れについては、この他にも、後述する「クロスフロー」がある。
【００６５】
本発明における流体ガイド流路の製造方法は、特に限定しないが、例えば、所望の厚みの基材（セパレータおよび／またはガス拡散層）を準備する。これらの基材表面は滑らかな形状を有しており、平坦な金属薄板またはその他の変形の少ない電導性薄板が選択されることになる。そのような薄板には、図５Ｄに示す通り、非常に薄いカーボン膜が被膜または蒸着されている。
【００６６】
緻密性および／または多孔質の高導電性炭素系塗布材料で付着されたガスガイド流路および冷却媒体流路を所定の面圧にて圧着するという２次元的手法が好ましい。これには、デザインした流路を一斉に印刷する印刷（printing）、噴射（injecting）、コーティング（coating）、ディスペンサー（dispensing）及び転写（transferring）などが含まれる。ここで、印刷の方式はスクリーン印刷(screen printing)である。流体ガイド流路のチャンネル底面とリブ側面の全体に親水性処理を施す工程を実行する。流体ガイド流路に用いられる親水性剤としては、親水性、電極反応時の耐食性などに優れることから、フッ素系の高分子材料を用いることが好ましいが、限定ではない。また、図５Ｄでは、ガスガイド流路リブ１１を台形で、冷却媒体流路リブ１１を矩形で表しているが、リブ形状はこれらに限定される趣旨ではない。
【００６７】
本実施の形態１で言及する流体ガイド流路形成の順序を図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃ、図１０Ｄに描写する。図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃ、図１０Ｄは実施の形態１に係る流体ガイド流路形成の基本的な順序を図解するためのイラスト図を示している。図３Ａが示すのは、図１０）の説明図に従って、ガス拡散層４，５に面するセパレータ６，７の表面に付着されたガスガイド流路リブ１１の上面がガス拡散層４，５の表面に対して接触するよう突き合わせる（挟持させる）ことで形成される本実施の形態１の流体ガイド流路の模式図である。また、図１０Ｄは、互いに対向するセパレータ６，７の表面に冷却媒体流路がそれぞれ付着し、リブの相互に交差して挟み込むことによって形成される本実施の形態３の冷却媒体流路形成の模式図である。
【００６８】
従って、実施の形態１に係るガスガイド流路は、セパレータ６，７の表面に付着しており、ガス拡散層４，５の表面には付着していない。冷却媒体流路は、セパレータ６，７の表面に付着しており、隣接するセパレータ６，７と相互に接触するように接して形成されている。図１０Ａの流体ガイド流路形成方式は、いわゆるリブの頭が対面する基材（本例ではガス拡散層４，５）に押し付けることからも、「頭押し方式」と呼称する。図１０Ｄの流体ガイド流路形成方式は、互いのリブの頭を交互に交差させることから、これを「噛み合わせ方式」と呼ぶ。
【００６９】
本実施の形態１では、冷却媒体流路については、そのリブ１１がアノード側セパレータ６および／またはカソード側セパレータ７の片面に付着された後、それら基材を接触させるよう貼り合せる（挟持させる）ことで形成されている。図３Ａに示す冷却媒体流路は、噛み合わせ方式を採用しているが、いずれの方式（頭突き方式、頭押し方式、噛み合わせ方式）を採用しても構わない。
【００７０】
なお、図３Ａで例示する本実施の形態１に記載の流体ガイド流路については、例えば、図４に示した３通りの流体ガイド流路の形状のバリエーションを応用できる。図４Ａは、リブ１１の断面が矩形になる流体ガイド流路の構造である。図４Ｂは、リブ１１の断面が台形になる流体ガイド流路の構造である。図４Ｃは、リブ１１の断面が円弧を有する台形になる流体ガイド流路の構造である。当然のことながら、本明細書に記載した３種類の流体ガイド流路のリブの形状は典型例であり、本発明は実施の形態１に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。
【００７１】
図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃ、図５Ｄは、図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃにおける流体ガイド流路のリブ１１の典型例を応用した実施の形態１に関する流体ガイド流路の構造の断面図である。図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃ、図５Ｄそれぞれの断面図は、リブおよびチャンネルが延びる方向を垂直に横切る断面であり、本明細書で述べる「リブ断面形状」または「リブ形状」は、この断面から見えるリブのことである。更に、本明細書においては、リブ断面形状の向きは、基材に接する辺を下辺（付着側）にしている。図５Ａでは、リブ１１の断面が矩形である。図５Ｂでは、リブ１１の断面が矩形および台形である。図５Ｃでは、リブ１１の断面が矩形および円弧を有する台形である。繰り返しになるが、本実施の形態１の流体ガイド流路のリブ１１の断面形状は、図５（Ａ）、図５Ｂ、図５Ｃで示した形状に限定されないことは、いうまでもない。
【００７２】
更に、従来では、母材として基板と同質材料でチャンネルが掘られるように流体ガイド流路が形成されていたため、チャンネルの形状を念頭に置きつつ設計が行われていたが、本発明では、実態としては、母材（セパレータ、ガス拡散層）の表面に対して流体ガイド流路が乗せられるようにして形成されているため、リブの断面形状に基づいて流体ガイド流路の設計を検討している。よって、本明細書では、チャンネルの形状を加味しつつ、リブ断面形状を追究しながら、流体ガイド流路構造の説明を進めて行く。
【００７３】
図５Ａの例が示すのは、基材（この例では、セパレータ）側のリブ幅Rw１およびリブ上辺幅Rw2が同じ寸法値（Rw１＝Rw２）で形成された断面形状が矩形であるリブ１１を有する流体ガイド流路構造である。この例によれば、リブ界面とリブ側面がなす内角αおよびβが共に９０度であるので、リブ断面形状は左右対称になる。ただし、図５Ａの右上図に注目すれば理解できる通り、リブ幅Rw１、Rw2の寸法値を大きくしすぎると、反応ガスのクロスフロー（チャンネルからガス拡散層内に透過する流れ、ガス拡散層からチャンネルに流入するガスの流れのこと）が困難になってしまう。図５Ａには、ガス拡散層４，５およびチャンネル部におけるクロスフローの流線を矢印で表している。
【００７４】
図５Ｂの例が示すのは、基材（この例では、セパレータ）側のリブ幅Rw１を大きくし、リブ上辺幅Rw２の寸法値を小さくした（Rw１＞Rw２）ことで形成された断面形状が台形であるリブ１１を有するガスガイド流路構造である。図５Ｃの例が示すのは、基材（この例では、セパレータ）側のリブ幅Rw１を大きくし、リブ上辺幅Rw２の寸法値を小さくした（Rw１＞Rw２）ことで形成された断面形状が台形であるリブ１１を有するガスガイド流路構造である。これら図５Ｂ、図５Ｃの例によれば、リブ界面とリブ側面がなす内角αおよびβが共に９０度以下であるので、リブ断面形状は左右対称になる。図５Ｂ、図５Ｃの例については、ガス拡散層４，５に接触するリブ上辺幅Rw2の寸法値が小さいため、ガス拡散層４，５に拡散する反応ガスのクロスフローが容易になる形状であるとも言える。つまり、反応ガスが拡散しやすいリブ断面形状であるため、ガス拡散性が良好なガスガイド流路構造が実現できる。なお、図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃにおいて、冷却媒体流路のリブ１１については、断面形状が矩形であるリブ１１を採用した。
【００７５】
本発明における実施の一形態の主な特徴として、基材側のリブ幅Rw1およびリブ上辺幅Rw2、チャンネル幅Cw、リブ高さｈ、内角αおよびβ、流路ピッチS等の寸法値を適切に組み合わせることにより、流体ガイド流路リブ１１を任意に形成することができることがあげられる。すなわち、本発明における流体ガイド流路リブ１１の形状は、本明細書に記載した構造のみに特定されるわけではなく、リブ材料特有の特性を考慮した流体ガイド流路リブ１１の断面形状の様々な組み合わせ、そして本発明の目的にそぐう最も適した構造を適用してよい。
【００７６】
ここで、本発明におけるリブの断面形状には、図１２のＡ欄、Ｂ欄、Ｃ欄に示す通り、それぞれの逆タイプのリブ形状（inverted rib shapes）が存在することを述べておく。具体的には、左右対称の矩形、左右非対称の矩形とその逆タイプ、左右対称の台形とその逆タイプ、左右非対称の台形とそれらの逆タイプ、左右対称の円形とその逆タイプ、左右非対称の非円形（斜円）とその逆タイプ、左右対称の円弧を有する矩形とその逆タイプ、左右非対称の円弧を有する矩形とその逆タイプ、左右対称の円弧を有する台形とその逆タイプ、左右非対称の円弧を有する台形とその逆タイプ、がある。
【００７７】
これが示唆する点について、図１２を用いて詳述する。基材側のリブ幅Rw1およびリブ上辺幅Rw2については、それらの相対的な大きさ（大小関係）が個々のリブ断面形状に影響する。つまり、リブの幅（Rw1、Rw2）を任意に変更することでリブ断面形状を変えることができる。同様に、内角αおよびβについても、それらの相対的な大きさ（大小関係）が個々のリブ断面形状に影響する。つまり、内角をα＝βにすると、左右対称であるリブ断面形状になり（Ａ欄を参照）、α＞β、α＜βに設定すると、左右非対称であるリブ断面形状になる（Ｂ欄、Ｃ欄を参照）という意味である。
【００７８】
その一方で、チャンネル幅Cw、リブ高さｈ、流路ピッチSの寸法値については、これらはリブ断面形状の対称性に影響を及ぼすことのない要素なので、独立的に設定することが可能である。よって、特にこれらは一貫性のある定数値でなくてもよく、其々に不規則な値を設定してもよい。例えば、チャンネル幅Cw、流路ピッチS等を、ばらつきのある値にすることで、等間隔でない流路が形成できる（例えば、２つのチャンネル幅Cwを用意し、それぞれを交互に設定してみるなど）。上述したリブ断面形状に加え、可能な範囲内で想定できる多数のリブ断面形状との組み合わせを鑑みることで、本実施の形態１に関わる流体ガイド流路において、多種多様な流体ガイド流路構造を見出すことができるだろう。
【００７９】
本実施の形態１に記載の流体ガイド流路リブ１１によると、図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃ、図５Ｄを用いて図１２のＡ欄に示す左右対称のリブ断面形状を説明しているものの、これに限定する必要はなく、図１２のＢ欄、Ｃ欄に示す左右非対称のリブ断面形状を適用しても構わない。また、図１２に示す通り、左右対称・左右非対称リブ断面形状の逆タイプを適用することもできる。また、これらのリブ断面形状の角に円弧をもたせた角丸形状を適用することもできるし、それらのコンビネーションでも構わない。
【００８０】
図８Ａに示すのは、図５Ｂの一部を拡大した図である。セパレータ６，７に付着された流体ガイド流路リブ１１にガス拡散層４，５を突き合わせると（頭押し方式）、図８Ａを更に拡大表示した右上図が示すリブ部の角部が表す通り、リブ上面の角部に対して応力が集中する。応力集中を緩和させるには、図８Ａの右下図が示す通り、リブ角部がガス拡散層４，５に接する角度の曲率半径を大きくすることで、応力を分散させることができるので、流路形成時に、リブ自体に円弧状が現れるよう付着すれば実現できる。なお、図８Ａの拡大断面図に引いた各矢印が表すのは、反応ガスのクロスフローの方向である。
【００８１】
図８Ａの拡大図が示す通り、ガス拡散層４，５に接触するリブ上辺幅Rw2の方がセパレータ側のリブ幅Rw1より小さいので、ガス拡散層４，５に拡散する反応ガスのクロスフローが容易になり、反応ガスの流れが良好になる。
【００８２】
本実施の形態１に記載のガスガイド流路構造を適用すれば、特に図５Ｂの例において、ガス拡散性については、ガスガイド流路がRw1＞Rw2の関係でセパレータ６，７に付着されるため、ガス拡散層４，５に拡散する反応ガスのクロスフローが容易になる形状であるとも言える。つまり、反応ガスが拡散しやすいリブ断面形状であるため、ガス拡散性が良好な流体ガイド流路の構造が実現できる。図５Ｃの例については、ガスガイド流路がRw1＞Rw2の関係でセパレータ６，７に付着されるため、ガス拡散層４，５に対して良い浸透性がある。また、リブの二側面に円弧状があるので、リブ幅を変えて反応ガス圧力と流量を調節することができる。このため、リブ幅Rw1、Rw2のサイズ値と内角α、βを調整するだけでなく、リブの２つの側面に円弧形状を増設したことにより、リブの腰部の幅を変えて、ガス浸透性を改善し、反応ガス圧力と流量を調整することもできる。
【００８３】
本実施の形態１において、セパレータ６，７に付着される流体ガイド流路を構成するリブ１１は、同一の緻密性高導電性炭素系塗布材料を用いて付着してもよいし、異なる材料を用いても構わない。
【００８４】
本実施の形態１において、流体ガイド流路が付着されたセパレータ６，７と、流体ガイド流路なしのガス拡散層４，５とは、互いに独立していて、一体化させていない。
【００８５】
本実施の形態１において、流体ガイド流路のパターンは、特に限定されるものではなく、従来のセパレータに形成されていた流体ガイド流路のパターンと同様に形成することができる。例えば、ストレート型、サーペンタイン型、櫛型等を挙げることができる。
【００８６】
図１６Ａ、図１６Ｂには、本実施の形態１に基づいて形成された流体ガイド流路構造のバリエーションの一例を示す。図１６Ａが示す例は、第２の基材であるセパレータに付着されたリブの断面が左右対称の矩形および半円を含む２通りの形状を交互に形成させた断面図である。図１６Ｂが示す例は、第２の基材であるセパレータに付着されたリブの断面が左右対称の台形および半円を含む２通りの形状を交互に形成させた断面図である。そこでは、セパレータ６，７の流路が設けられる全表面には、隙間無しベタ付着による被膜層が設けられている。ベタ付着材料については、リブ特性要求により一種類に限定しない。
図１６Ａ、図１６Ｂの例では、セパレータ６，７上にある一方のリブ１１（矩形又は台形）の上面は、ガス拡散層４，５又はセパレータ６，７と接触し、他方のリブ部１１（半円形）の上面は、ガス拡散層４，５又はセパレータ６，７と間隔を有する。リブ１１をガス拡散層４，５に設置する構成は類似していることが理解できる。
【００８７】
上述の通り、本発明の実施の形態１に係わる流体ガイド流路構造はあくまで一例であり、本明細書に記載された内容に限定されるわけではないことは言うまでもない。
【００８８】
実施の形態２
次に、図２〜図４Ｃ、図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃ、図６Ｄ、図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃ、図１０Ｄを用いて、本発明の実施の形態２における流体ガイド流路を備えた燃料電池について説明する。なお、本発明は、実施の形態２のみに限定されるものではない。
【００８９】
上述の実施の形態１では、第２の基材であるセパレータ６，７の表面のみに流体ガイド流路を形成する例について述べた。なお、本発明の実施の形態２で言及するガスガイド流路を備えた燃料電池においては、図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃ、図６Ｄに示す通り、セパレータ６，７の表面には流体ガイド流路が付着されておらず、ガス拡散層４，５の表面に流体ガイド流路が付着されて実施されているのが主な相違点であり、他の構造、方式やメカニズムについては、図５に示す実施の形態１とほぼ同じである。なお、本発明の実施の形態１で述べた図５の内容と重複する部分には、同一の符号を付して、その説明は一部省略する。
【００９０】
本発明における流体ガイド流路を構成する寸法表記および流体ガイド流路の製造方法については、実施の形態１にて説明済なので、ここでは省略する。
【００９１】
本実施の形態２で言及する流体ガイド流路形成の順序を図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃ、図１０Ｄに描写する。先ず、ガスガイド流路の例を用いて説明する。図１０Ｂおよび図１０Ｄには、実施の形態２の流体ガイド流路形成の基本的な順序を図解するためのイラスト図を示している。図３Ｂが示すのは、図１０Ｂの説明図に従って、セパレータ６，７に面するガス拡散層４，５の表面に付着されたガスガイド流路リブ１１の上面がセパレータ６，７の表面に対して接触するよう突き合わせる（挟持させる）ことで形成される本実施の形態２の流体ガイド流路の模式図である。また、図１０Ｄは、互いに対向するセパレータ６，７の表面に冷却媒体流路がそれぞれ付着し、そのリブ部を相互に交差して挟み込むことによって形成される本実施の形態３の冷却媒体流路形成の模式図である。
【００９２】
従って、実施の形態２に係るガスガイド流路は、セパレータ６，７の表面に付着せず、ガス拡散層４，５の表面に付着している。冷却媒体流路は、セパレータ６，７の表面に付着しており、隣接するセパレータ６，７に対して押し付けられて（挟持させる）形成されている。図１０Ｂの流体ガイド流路形成方式は、所謂リブの頭が対面する基材（この例では、セパレータ６，７）に対して押し付けられていることからも、「頭押し方式」と呼称する。図１０Ｄの流体ガイド流路形成方式は、互いにリブの頭を交差させることから、これを「噛み合わせ方式」と呼ぶ。
【００９３】
実施の形態２では、冷却媒体流路については、そのリブ１１がアノード側セパレータ６および／またはカソード側セパレータ７の片面に付着された後、基材を接触させるよう貼り合せる（挟持させる）ことで形成されている。図３Ａに示す冷却媒体流路は、噛み合わせ方式を採用しているが、いずれの方式（頭突き方式、頭押し方式、噛み合わせ方式）を採用しても構わない。
【００９４】
なお、図３Ｂで例示する本実施の形態２に記載の流体ガイド流路については、例えば、図４に示した３通りの流体ガイド流路形状のバリエーションを応用できる。当然のことながら、本明細書に記載した３種類の流体ガイド流路リブの形状は典型例であり、本発明は実施の形態２に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。
【００９５】
図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃ、図６Ｄは、図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃにおける流体ガイド流路リブ１１の典型例を応用した実施の形態２に関する流体ガイド流路構造の断面図である。図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃ、図６Ｄそれぞれの断面図は、リブおよびチャンネルが延びる方向を垂直に横切る断面であり、本明細書で述べる「リブ断面形状」または「リブ形状」は、この断面から見えるリブのことである。更に、本明細書においては、リブ断面形状の向きは、基材に接する辺を下辺（図面中、点線で表す）にしている。図６Ａでは、リブ１１の断面が矩形である。図６Ｂでは、リブ１１の断面が矩形および台形である。図６Ｃでは、リブ１１の断面が矩形および円弧を有する台形である。繰り返しになるが、本実施の形態２の流体ガイド流路リブ１１の断面形状は、図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃで示した形状に限定されない。
【００９６】
図６Ａの例が示すのは、基材（この例では、ガス拡散層）側のリブ幅Rw１およびリブ上辺幅Rw２が同じ寸法（Rw１＝Rw２）で形成される断面形状が矩形であるリブ１１を有する流体ガイド流路構造である。この例によれば、リブ界面とリブの側面がなす内角αおよびβが共に９０度であるので、リブ断面形状は左右対称になる。ただし、図６Ａの右上にあるイラスト図に注目すればわかるとおり、リブ幅Rw１、Rw2を大きくしすぎると、ガス透過性に関わりのある反応ガスのクロスフローが困難になる。つまり、反応ガスの流速・流量が不足しやすくなる。図６Ａには、ガス拡散層４，５およびチャンネル部におけるクロスフローに流線を矢印で示している。
【００９７】
図６Ｂの例に示す冷却媒体流路のリブ１１は矩形であり、ガスガイド流路のリブ１１は台形である。ガスガイド流路は、基材(ガス拡散層)側のリブ幅Rw1を大きくし、リブ上の幅Rw2 (Rw1>Rw2)を小さくして形成される、断面形状が台形になるリブ部１１のガスガイド流路構造を有する。
【００９８】
図６Ｃの例に示す冷却媒体流路のリブ１１は矩形であり、ガスガイド流路のリブ１１は円弧台形である。ガスガイド流路も、基材（ガス拡散層）側のリブ幅Rw1を大きくし、リブ上の幅Rw2（Rw1＞Rw2）を小さくし、リブ部の２つの側面に円弧を持たせて形成される、断面形状が円弧台形になるリブ１１の流体ガイド流路構造を有する。
【００９９】
図６Ｄの例に示すのが、冷却媒体流路のリブ１１は矩形であり、ガスガイド流路のリブ１１は逆台形である。ガスガイド流路は、基材（ガス拡散層）側のリブ幅Rw1を小さくし、リブ上の幅Rw2（Rw1＜Rw2）を大きくして形成される、断面形状が逆台形になるリブ１１のガスガイド流路構造を有する。
【０１００】
図６Ｂ、図６Ｃ、図６Ｄの例が示す通り、ガスガイド流路のリブ断面形状は、左右対称になる。図６Ｂ、図６Ｃでは、ガスガイド流路リブ部界面とリブ側の内角α及びβは９０度以下であり、図６Ｄでは、ガスガイド流路リブ界面とリブ側面の内角αとβは９０度以上である。図６Ｂ、図６Ｃのガスガイド流路の構造では、基材側のリブ幅Rw1を過度に増大させると、ガス拡散層４，５と流体ガイド流路との接触面が減少し、反応ガスの横流の促進を阻害する重要な原因となるので、ガス浸透性の観点からは不適切である。図６Ｂ、図６Ｃのガスガイド流路は、内角αとβを直角（内角αとβを大きくする）に近づけ、基板側のリブ幅Rw2を縮小することにより、ガス拡散層４，５と流体ガイド流路との接触面を拡大し、ガス透過性を向上させることができる。図６Ｄに示すように、リブの界面とリブの側面との内角αとβを９０度以上増加させても良いし、ガスガイド流路のリブ断面は逆台形であり、リブの幅Rw1を小さくしてガスの浸透性を向上させることもできる。また、図６Ｃの例に示すリブの２つの側面に円形状があり、リブの幅を変えることで反応ガス圧力と流量を調整することができる。このため、リブ幅Rw1、Rw2のサイズ値と内角α、βを調整するだけではなく、リブの２つの側面に円弧形状を増設したことにより、リブの腰部の幅を変えて、ガス浸透性を改善し、反応ガス圧力と流量を調整することもできる。
【０１０１】
本発明における実施の一形態の主な特徴である流体ガイド流路リブの形状は、本明細書に記載した構造のみに限定するわけではなく、材料特有の特性を鑑みた流体ガイド流路リブ断面形状の組み合わせに加え、本発明の目的にそぐう最も適した構造を適用することが好ましい。この詳細については、既述の実施の形態１の説明を参照できる。上述したリブ断面形状に加え、可能な範囲内で想定できる多数のリブ断面形状との組み合わせにより、実施の形態２に関わるガスガイド流路においても、多岐にわたる流体ガイド流路構造を作製することができる。
【０１０２】
本実施の形態２に記載の流体ガイド流路リブ１１によれば、図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃ、図６Ｄを用いて図１２のＡ欄に示す左右対称リブの断面形状を説明しているものの、これに限定する必要はなく、図１２のＢ欄、Ｃ欄に示す左右非対称のリブ断面形状を適用しても構わない。また、図１２に示す通り、左右対称・左右非対称リブ断面形状の逆タイプを適用することもできる。また、これらのリブ断面形状の角に円弧を有する角丸形状にすることもできるし、それらのコンビネーションでも構わない。
【０１０３】
図８Ｂが示すのは、図６Ｂの一部を拡大した図である。ガス拡散層４，５に付着されたガスガイド流路リブ１１の上面にセパレータ６，７を突き合わせると（頭押し方式）、図８Ｂを更に拡大表示した右上図で示すリブ１１の角部が描写している通り、リブ材がガス拡散層４，５に入り込み、扇状の界面が形成されるので、界面応力が分散され、更に、所謂アンカー効果が得られ、ガスガイド流路リブ１１とガス拡散層４，５との界面の密着性が良くなる。
【０１０４】
本実施の形態２に記載の流体ガイド流路構造を適用すると、特に図６Ｄの例では、ガス透過性については、Rw1＜Rw2の関係でガス拡散層４，５にガスガイド流路が付随しているので、ガス拡散層４，５に拡散する反応ガスの横流が形成しやすい形状と考えられる。すなわち、反応ガスが拡散しやすいリブ断面形状であるため、ガス透過性の良い流体ガイド流路構造を実現できる。
【０１０５】
図６Ｂ、図６Ｃの例については、流体ガイド流路はRw1＜Rw2の関係でガス拡散層４，５に塗布、印刷されているので、図６Ｄの流体ガイド流路構造（形状及びサイズ）と比較して、チャンネルを流れるガスの拡散層との接触面積は小さいが、リブ幅Rw1、Rw2のサイズ値と内角α、βを適切に調整することにより、ガス浸透性が改善される。
【０１０６】
本実施の形態２において、セパレータに付着させる冷却媒体流路を構成するリブ１１と、ガス拡散層４，５に付着させるガスガイド流路を構成するリブ１１は、同一の緻密性高導電性炭素系塗布材料を用いて付着してもよいし、異なる材料を用いても構わない。
【０１０７】
本実施の形態２において、流体ガイド流路と、その冷却媒体流路が付着されるセパレータ６，７と、そのガスガイド流路が付着されるガス拡散層４，５とは、それら3つの間が互いに独立しており、一体化していない。
【０１０８】
本実施の形態２において、流体ガイド流路のパターンは、特に限定されるものではなく、従来のセパレータに形成されていた流体ガイド流路のパターンと同様に形成することができる。例えば、ストレート型、サーペンタイン型、櫛型等を挙げることができる。
【０１０９】
上述の通り、本発明の実施の形態２に係わる流体ガイド流路構造はあくまで一例であり、本明細書に記載された内容に限定されるわけではないことは言うまでもない。
【０１１０】
実施の形態３
次に、図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ、図３Ｄ、図３Ｅ、図３Ｆ、図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃ、図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃ、図１０〜１５Ｂを用いて、本発明の実施の形態３の流体ガイド流路を備えた燃料電池について説明する。なお、本発明は、実施の形態３のみに限定されるものではない。
【０１１１】
上述の実施の形態１，２では、第１の基材（ガス拡散層４，５）または第２の基材（セパレータ６，７）のいずれか片方に対して流体ガイド流路を形成し、他方には流体ガイド流路を形成させない例について述べた。なお、本発明の実施の形態３においては、図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃに示す通り、ガス拡散層４，５に面するセパレータ６，７の表面にガスガイド流路を付着し、次に別途セパレータ６，７に面するガス拡散層４，５の表面にガスガイド流路を付着した後、リブが形成された双方の基材を互いに突き合わせることで実施している点が主に異なり、他の構造、方式やメカニズムについては、図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃ、図５Ｄ、図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃ、図６Ｄ等に示す実施の形態１，２とほぼ同じである。なお、本発明の実施の形態１，２の図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃ、図５Ｄ、図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃ、図６Ｄの内容と重複する部分には、同一の符号を付して、その説明は一部省略する。
【０１１２】
本発明における流体ガイド流路を構成する寸法表記および流体ガイド流路の製造方法については、実施の形態１，２で説明した通りであるため、省略する。
【０１１３】
図１０Ａ〜図１０Ｄには、本実施の形態３で言及した流体ガイド流路形成の手順が示されている。図１０Ｃ、図１０Ｄには、実施の形態３の流体ガイド流路形成の基本手順を示す図解図である。図３Ｃが示すのは、図１０Ｃの説明図に従って、ガス拡散層４，５に面するセパレータ６，７の表面にガスガイド流路を付着し、次に別途セパレータ６，７に面するガス拡散層４，５の表面にガスガイド流路を付着した後、それらを互いに突き合わせる（挟持させる）ことで形成される本実施の形態３のガスガイド流路の模式図であり、図１０Ｄは、互いに対向するセパレータ６，７の表面に冷却媒体流路がそれぞれ付着し、リブ部の相互に交差させて挟み込むことによって形成される本実施の形態３の冷却媒体流路形成の模式図である。
【０１１４】
従って、実施の形態３に係るガスガイド流路は、ガス拡散層４，５の表面に付着し、セパレータ６，７の表面にも付着しており、冷却媒体流路は、セパレータ６，７の表面に付着しており、隣接するセパレータ６，７と相互に接触するように接して形成されている。図１０Ｃの流体ガイド流路形成方式は、互いのリブの頭を相互に頭突きさせることから、これを「頭突き方式」とも呼ぶ。図１０Ｄの流体ガイド流路形成方式は、互いにリブの頭を交差させることから、これを「噛み合わせ方式」とも呼ぶ。
【０１１５】
本実施の形態３では、冷却媒体流路のリブ部１１をアノード側セパレータ６および／またはカソード側セパレータ７の反対側に付着させ、隣のセパレータの縁を接着し、そのリブ部１１と隣のカソード側セパレータ７またはアノード側セパレータ６の表面を接触させて冷却媒体流路を形成する。図３Ａに示す冷却媒体流路は噛み合わせ方式を用いたが、いずれの方式（頭突き方式、頭押し方式、噛み合わせ方式）を採用しても構わない。
【０１１６】
本実施の形態３では、ガスガイド流路は、セパレータ６，７とガス拡散層４，５の表面に付着する流体ガイド流路のリブを互いに突き合わせた頭突き方式で形成されているが、図１４に示すような噛み合わせ方式を採用しても良い。
図１４に示すのは、図１０Ｄの説明図によると、ガス拡散層４，５に対向するセパレータ６，７の表面にガスガイド流路を付着し、セパレータ６，７の表面にもガスガイド流路を付着し、互いにかみ合うことによって形成される本実施の形態３の流体ガイド流路の模式図である。これは、互いのリブの頭同士を噛み合わせていることからも、「噛み合わせ方式」と呼称する。すなわち、実施の形態３では、ガスガイド流路がセパレータ６，７の表面およびガス拡散層４，５の表面の双方に付着される。本実施の形態３では、いずれの方式（頭突き方式、頭押し方式、噛み合わせ方式）を採用しても構わない。
【０１１７】
なお、図３Ｃで例示する本実施の形態３に記載のガスガイド流路については、例えば、図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃに示した３通りの流体ガイド流路形状のバリエーションを応用できる。当然のことながら、本明細書に記載した３種類の流体ガイド流路リブの形状は典型例であり、本発明は実施の形態３に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。
【０１１８】
図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃは、図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃにおける流体ガイド流路リブ１１の典型例を応用した実施の形態３に関する流体ガイド流路構造の断面図である。図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃそれぞれの断面図は、リブおよびチャンネルが延びる方向を垂直に横切る断面であり、本明細書で述べる「リブ断面形状」または「リブ形状」は、この断面から見えるリブのことである。更に、本明細書においては、リブ断面形状の向きは、基材に接する辺を下辺（図面中、点線で表す）にしている。図７Ａでは、リブ１１の断面が矩形である。図７Ｂでは、リブ１１の断面が矩形および台形である。図７Ｃでは、リブ１１の断面が矩形および円弧を有する台形である。本実施の形態３におけるガスガイド流路リブの断面形状は、図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃで示した形状に限定されないことは、言うまでもない。
【０１１９】
本実施の形態３に記載の流体ガイド流路リブ１１によれば、図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃを用いて図１２のＡ欄に示す左右対称のリブ断面形状を説明しているものの、これに限定する必要はなく、図１２のＢ、Ｃ欄に示す左右非対称のリブ断面形状を適用しても構わない。また、図１２に示す通り、左右対称・左右非対称リブ断面形状の逆タイプを適用することもできる。また、これらのリブ断面形状の角に円弧を持たせた角丸形状にすることもできるし、それらのコンビネーションでも構わない。
【０１２０】
図７Ａの例が示すのは、基材（この例では、セパレータおよびガス拡散層）側のリブ幅Rw１とリブ上辺幅Rw2が同じ寸法（Rw１＝Rw２）で形成された断面形状が矩形であるリブ１１を有する流体ガイド流路構造である。この例によれば、リブ界面とリブ側面がなす内角αおよびβが共に９０度であるので、リブ断面形状は左右対称になる。ただし、図７Ａに注目してみれば分かる通り、リブ幅Rw１、Rw2を大きくしすぎると、反応ガスの流量に影響が及んでしまい、クロスフローが困難になってしまう。図７Ａには、ガス拡散層４，５およびチャンネル部におけるクロスフローの流線を矢印で表している。
【０１２１】
図7Ｂ、図７Ｃの例に示すのは、基板（本例ではセパレータ及びガス拡散層）側のリブ幅Rw 1を大きくし、リブ部の上幅Rw2（Rw1＞Rw2）を小さくすることで形成される、断面形状が台形になるリブ１１のガスガイド流路構造である。図7Ｂ、図７Ｃに示すリブ断面の形状は、左右対称であり、リブの界面とリブの側面からなる内角α及びβは９０度以下である。なお、図7Ａ、図７Ｂ、図７Ｃにおいて、冷却媒体流路のリブ１１は、断面形状が矩形のリブ１１を採用している。
【０１２２】
図7Ｂ、図７Ｃの例に示すガスガイド流路は、セパレータ６，７に付着したガスガイド流路を構成するリブ１１と、ガス拡散層４，５に付着した流体ガイド流路を構成するリブ１１それぞれの上面が（リブの頭同士が当たるように）突き合わして形成されている。それぞれのリブ１１の上面は、突き合わせやすいよう平坦にしている。図7Ｂ、図７Ｃに示す通り、この突き合わせたリブ部分（中間部）は、台形リブの上辺幅Rw2が小さいため、リブ１１が狭まり、チャンネル部は広まるので、チャンネル部のガスの流れを向上させる効果がある。図７Ｃに示す通り、この突き合わせたリブ部分（中間部）は、逆台形リブの上辺幅Rw2が大きくなっており、リブ断面形状については、若干リブ表面に傾斜面ができるため、このガスガイド流路構造をカソード側に適応すれば、低温時に水滴がリブ表面を滴り落ちてセパレータ７側のチャンネル底面に溜まるようになるので、ガス拡散層５に生産水が溜まるのを防ぐ効果もある。
【０１２３】
上述したとおり、本発明における実施の一形態の主な特徴である自由自在に付着できる流体ガイド流路リブの形状については、本明細書に記載した構造のみに限定するわけではなく、材料特有の特性や流体ガイド流路リブ断面形状の組み合わせ、そして本発明の目的にそぐう最も適した構造を適用することが好ましい。詳細については、既述の実施の形態１，２と同じなので、省略するが、上述したリブ断面形状に加え、可能な範囲内で想定できる多数のリブ断面形状との組み合わせを実現させることで、あらゆるコンビネーションで流体ガイド流路構造を形成することができるだろう。
【０１２４】
上記、第１、第２の基材に付着される流体ガイド流路リブの断面形状の全てが完全に左右対称である場合について述べてきた。第１、第２の基材に付着される流体ガイド流路リブの断面形状が非対称でも、逆タイプの形状でも、それらのコンビネーションでも、本発明は実施可能である。
【０１２５】
既に説明した通り、本実施の形態３では、第１の基材および第２の基材の双方に流体ガイド流路を形成しているため、２タイプのリブ形状の配置が存在する。それらは、頭突き方式によるガスガイド流路構造と、噛み合わせ方式による流体ガイド流路の構造である。
【０１２６】
幾つか代表的な例を図１３Ａ〜図１３Ｆに挙げている。図１３Ａ、図１３Ｂ、図１３Ｃが示すのは、実施の形態３の頭突き方式を用いた流体ガイド流路の構造に基づき、図１２のＡ欄の左右対称の流体ガイド流路リブ断面形状（およびその逆タイプの形状）と図１２のＢ欄、Ｃ欄の左右非対称の流体ガイド流路リブ断面形状（およびその逆タイプの形状）とを適切に組み合わせた流体ガイド流路構造の断面図である。図１３Ｄが示すのは、実施の形態３の噛み合わせ方式を用いた構造に基づき、形状とサイズが異なる台形および逆台形のリブを適切に組み合わせた流体ガイド流路構造の断面図の一例である。同様にこの噛み合わせ方式を用いて、図１２のＡ欄の左右対称の流体ガイド流路のリブ断面形状（およびその逆タイプの形状）と図１２のＢ欄、Ｃ欄の左右非対称の流体ガイド流路のリブ断面形状（およびその逆タイプの形状）とを適切に組み合わせた流体ガイド流路構造を形成できる。図１３Ｅ、図１３Ｆが示すのは、実施の形態１と実施の形態２の流体ガイド流路構造に基づいた流体ガイド流路リブ１１を変化させたものである。
【０１２７】
図１３Ｄに示すのは、ガス拡散層４，５に左右対称の台形のリブ断面形状１１が付着され、セパレータ６，７にも左右対称の台形のリブ断面形状１１が付着されていて、それぞれのリブ断面形状の上面（リブの頭）同士が当たらないように（つまり、噛み合うようにする）して挟持したケースである。この噛み合わせ方式を採用した例では、ガス拡散層４，５のリブ断面形状１１のサイズを、セパレータ６，７のリブ断面形状１１のサイズより小さくしている。その理由は、図１３Ｄを見れば分かる通り、ガス拡散層４，５に付着されるリブの界面幅Ｒｗ１およびセパレータ６，７に付着されるリブの上辺幅Ｒｗ２をチャンネルの幅と同等サイズにすることで、チャンネル内に流れる反応ガスとガス拡散層４，５との間の接触面が均等に分布し、接触面積も大きく確保されたことで、反応ガスが流れやすくなることだけではなく、ガス拡散層４，５への反応ガスの透過性も向上するだろう。
【０１２８】
また、基本的に、噛み合うようにするには、実施の形態１でセパレータに形成されるリブを1つ置きに抜き、実施の形態２でガス拡散層４，５に形成されるリブを異なる位相で１つ置きに抜くことで、リブが飛び飛びに形成される。そして、双方のリブを対面基材に押しつけることで、噛み合わせの形態が実現できる。製造の観点からは、流体ガイド流路の付着を開始する起点を、ガスガイド流路リブが首尾よく噛み合うよう第１の基材と第２の基材とでずらして実行すればよいだろう。
【０１２９】
なお、図１３Ｄのバリエーションとしては、双方の基材に付着される台形のリブ断面形状１１を、図１２に示す左右非対称の台形のリブ断面形状１１または／および矩形のリブ断面形状１１、あるいはそれら断面形状の逆タイプや角丸形状との混合にしてもかまわない。更に、双方の基材の付着されるリブ断面形状およびチャンネル幅は、不揃いでもよく、一様でなくてもよい。
【０１３０】
次のようなバリエーションも考えられる。図１３Ｅでは、セパレータ６，７に左右対称の台形のリブ断面形状１１が、互いに重ね合わさる（オーバーラップさせる）ように付着する。オーバーラップ部分周囲の上側のガス拡散層４，５と接触しないスペースが反応ガスの流れるチャンネル部として機能する。オーバーラップ部分周囲の下側のセパレータ６，７に接する空間を底部１３とする。
【０１３１】
図１３Ｆによれば、特に、第２の基材であるセパレータ６，７の上に付着される流体ガイド流路リブ１１と同質の緻密性高導電性炭素系塗布材料を使用して、まず隙間無しベタ塗りしてチャンネルの底部１３を形成し、続いてその底部の真上に断面形状が左右対称の台形の流体ガイド流路リブ１１を据え付けている。つまり、図１３Ｆの例では、セパレータ６，７に対してベタ塗りを行うことで、チャンネルの底部を設けている。因みに、上述した実施の形態２では、ガス拡散層４，５にベタ塗りを行ってチャンネルに底部を設ける場合は、反応ガスがガス拡散層４，５へ拡散する経路を確保するために、ガス透過性を有するベタ塗り層を設けることが必要になる。セパレータ６，７については、ベタ塗りによる底部形成は、実施の形態１，３，４，５に適用できる。
【０１３２】
このようにして、様々な流体ガイド流路のリブ断面形状とそれらを組み合わせることによりもたらされる特性を利用することにより、反応ガス流れ及びガス透過性について最も優れた特性を持つ最適な流体ガイド流路を構成することが可能になる。
【０１３３】
更に、燃料電池の仕様に応じてガスガイド流路リブの高さｈを調整可能である。例えば、流体ガイド流路リブの高さｈについては、定数値ではなく、不規則性のある値を設定して、各々のリブの高さに落差を設けてもよい（図３Ｆを参照）。リブの高さｈの調整については、双方の基材である第１の基材および第２の基材に対して適用することができる。
【０１３４】
技術的な観点から、流体ガイド流路リブを付着するにいたっては、同じリブ形状をいずれかの基材に対して一様に形成した方が製造プロセスは容易になるという傾向だろう。つまり、基材ごとに同一形状でガスガイド流路を一様に付着させるのが、技術的には便利である。しかし、リブ形状を組み合わせることでもたらせる種類豊富な流体ガイド流路形状を実現させるには、様々な形状のリブを混成させることで、製品仕様のニーズに応じた流体ガイド流路構造の選択肢が広がることにもなろう。そこで噛み合わせ方式を活用すれば、第１の基材と第２の基材には、その基材内では同一形状のガスガイド流路リブを付着しつつも、第１の基材と第２の基材とで異なるリブ形状で流体ガイド流路を形成し、噛み合わせる結果として、図１４が示す通り、異なるリブ形状を交互に配置させた流体ガイド流路の構造が完成する。つまり、実施の形態３の噛み合わせ方式により、異なるリブ形状を用いたガスガイド流路構造を混成させるのが容易になる。
【０１３５】
また、実施の形態３の頭突き方式については、リブの頭に相当する上面が平坦であり、同じ面積の範囲内である限り、図１５に示した通り、第１の基材と第２の基材とでそれぞれ異なるリブ形状で流体ガイド流路を形成し、異なる形状のリブを互いの上面にて突き合せた結果、図１５Ｂに示すような、タワー型のリブ断面形状を実現させることもできる（第１の基材に矩形のリブを形成、第２の基材に略台形リブを形成している）。これに似たリブ断面形状ではあるが、図１５Ａに示すのは、タワー型とは異なる方式で作製された、実施の形態１の頭押し方式で形成されるボルケーノ型のリブ断面形状である。
【０１３６】
さて、本実施の形態３に記載の流体ガイド流路形状では、セパレータ６，７とそのガスガイド流路、およびガス拡散層４，５とそのガスガイド流路、の密着性については、ガス拡散層４，５の表面に付着されたガスガイド流路リブ材が一部、ガス拡散層４，５に入り込み、扇状の界面が形成されることで、ガス拡散層４，５との界面応力が分散され、更に、所謂アンカー効果が得られている（図８Bを参照）。よって、流体ガイド流路リブ１１とガス拡散層４，５との密着性は、良好である。
【０１３７】
図１１Ａ、図１１Ｂ、図１１Ｃを用いて、実施の形態１〜３におけるチャンネル幅Cwの違いについて説明する。図１１Ａ、図１１Ｂは、上述の実施の形態１，２のセパレータ６，７あるいはガス拡散層４，５のいずれか片方に付着した場合のガスガイド流路形状断面を示す。図１１Ｃは、本実施の形態３のガスガイド流路形状のセパレータ６，７およびガス拡散層４，５双方にガスガイド流路を付着した場合のガスガイド流路形状断面を示す。
【０１３８】
本実施の形態３の両リブ１１の、セパレータ６，７との界面面積およびガス拡散層４，５との界面面積を、上述の実施の形態２のセパレータ６，７及びその流体ガイド流路リブ１１との頭押し面積と、上述の実施の形態１のガス拡散層４，５及びその流体ガイド流路リブ１１との頭押し面積のそれぞれと同等にすれば、セパレータ６，７と、リブ１１と、ガス拡散層４，５との３者間の最大押し圧力が変化せず、本実施の形態３のガスガイド流路のチャンネル断面積は大きくなり、ガス拡散層４，５とチャンネルに流れる反応ガスとの接触面積も大きくなる。そのため、本実施の形態３の流体ガイド流路形状（両方の基材にリブ形成）の方が、上述した実施の形態１，２の流体ガイド流路形状（片方の基材にリブ形成）よりも流体抵抗が低く、反応ガスが流れやすくなり、ガス拡散層４，５への反応ガスの透過性もよくなるだろう。反応ガスが流れやすく、ガス透過性もよくなることから、リブの高さｈを低く形成でき、その結果、燃料電池セルの厚みを薄くできるため、燃料電池の出力体積密度を高めることにつながる。
【０１３９】
具体的には、上述の実施の形態１に記載のリブ１１及び基材（ガス拡散層）の頭押し面積（図１１Ａ中、太線で表した箇所に相当する）と、上述の実施の形態２に記載のリブ１１及び基材（セパレータ）の頭押し面積（図１１Ｂ中、太線で表した箇所に相当する）と、本実施の形態３に記載のリブ１１の底面及び基材との界面面積（図１１Ｃ中、点線で表した箇所に相当する）とが全てイコールであれば、本実施の形態３の流体ガイド流路は、上述の実施の形態１，２と比べ、同等の圧縮圧力でリブ１１の強度が保てられながら、チャンネル幅Cwが中央部でより広がる構造になっているのが特徴的である。
【０１４０】
本実施の形態３において、セパレータ６，７に付着されるガスガイド流路を構成するリブ１１と、ガス拡散層４，５に付着される流体ガイド流路を構成するリブ１１とを、同じ緻密性高導電性炭素系塗布材料を用いて付着してもよいし、異なる材料を用いても構わない。
【０１４１】
本実施の形態３において、流体ガイド流路が付着されたセパレータ６，７と、流体ガイド流路が付着されたガス拡散層４，５とは、個別に形成して突き合わせていて、一体化させていない。
【０１４２】
本実施の形態３において、セパレータ６，７とガス拡散層４，５の双方に付着されたリブの上面は平坦であるため、突き合わせるだけでよい。もし接着剤などで接合すると、その接着剤がリブ内を透過してくる反応ガスのバリヤ層となってしまい、反応ガスの透過性を妨げてしてしまうだろう。
【０１４３】
本実施の形態３において、流体ガイド流路の全体のパターンについて、流路面積は大きいほうが、それだけ反応ガスが触媒に一度に多く接触するため、高出力が得られるものと想定される。特に、カソード側は、生成水も通る事から、ある程度のチャンネル幅Ｃｗを確保しておくことは必要である。しかし、チャンネル幅Ｃｗが大きいと、供給ガスがセルから放出する速度が増してしまう。供給されたガスがすぐに排出してしまわないよう、ある程度チャンネル幅Ｃｗを狭めるか、あるいは、流体ガイド流路に折り返しを設けてじっくり流すことが肝要になってくる。流体ガイド流路のパターンは、特に限定されるものではなく、従来のセパレータに形成されていた流体ガイド流路のパターンと同様に形成することができる。例えば、ストレート型、サーペンタイン型、櫛型等を挙げることができる。
【０１４４】
上記したとおり、本発明の実施の形態３に係わる流体ガイド流路構造はあくまで一例であり、本明細書に記載された内容に限定されるわけではないことは言うまでもない。
【０１４５】
実施の形態４
次に、図２〜図４、図１２を用いて、本発明の実施の形態４における流体ガイド流路を備えた燃料電池について説明する。なお、本発明は、実施の形態４のみに限定されるものではない。
【０１４６】
上述した実施の形態１〜３では、アノード側のガスガイド流路構造と、カソード側のガスガイド流路構造を同じにして構成された燃料電池セルに備えられる流体ガイド流路構造について述べた。なお、本発明の実施の形態４におけるガスガイド流路を備えた燃料電池においては、図３Ｄ、図３Ｅに示す通り、アノード側のガスガイド流路構造と、カソード側のガスガイド流路構造とを異ならせて実施しているのが主な相違点であり、他の構造、方式やメカニズムについては、実施の形態１〜３とほぼ同一であるのでその詳細説明は省略する。
【０１４７】
本発明における流体ガイド流路を構成する寸法表記および流体ガイド流路の製造方法については、実施の形態１〜３で説明した通りであるため、省略する。
【０１４８】
本実施の形態４の流体ガイド流路構造は、図３Ｄ、図３Ｅに示す通り、本実施の形態１〜３で述べたガスガイド流路の形状に基づいていて、アノード側とカソード側とで異なっている。本発明の実施の形態４において、アノード側のガスガイド流路と、カソード側のガスガイド流路は必ずしも同じ構造で形成しなくてもよい。
【０１４９】
図３Ｄの例では、アノード側のガスガイド流路については、ガス拡散層４に面するセパレータ６の表面にガスガイド流路が付着されていて、ガス拡散層４にはガスガイド流路が付着されていない。そして、カソード側のガスガイド流路については、セパレータ７に面するガス拡散層５の表面にガスガイド流路が付着されていて、セパレータ７にはガスガイド流路が付着されていない。言い換えれば、アノード側とカソード側で、同種の基材にガスガイド流路を付着しなくても本発明は実施可能である。図３Ｄのように、アノード側のガスガイド流路をセパレータ６のみに付着し、カソード側のガスガイド流路をガス拡散層５のみに付着するようにしても構わない。或いは、その逆の組み合わせも可能である。
【０１５０】
図３Ｅの例では、アノード側のガスガイド流路については、ガス拡散層４に面するセパレータ６の表面にガスガイド流路が付着されていて、セパレータ６に面するガス拡散層４にはガスガイド流路が付着されていない。そして、カソード側のガスガイド流路については、セパレータ７に面するガス拡散層５の表面にガスガイド流路が付着されていて、ガス拡散層５に面するセパレータ７にもガスガイド流路が付着されている。言い換えれば、アノード側では、上述した実施の形態１のように一方の基材の片面のみガスガイド流路を付着させ、カソード側では、上述した実施の形態３のように双方を基材としてガスガイド流路を付着している。その逆の組み合わせも可能であろう。すなわち、実施の形態１と実施の形態３の組み合わせで実施する例である。
【０１５１】
つまり、上述した事例の通り、アノード側のガスガイド流路の構造とカソード側のガスガイド流路の構造とは、必ずしも同じでなくてもよい。
【０１５２】
本発明の流体ガイド流路のリブ本数や実施の形態１〜３で述べられたリブ断面形状の組み合わせなどは、最も望ましい形態を製品仕様、製品の構成部分やその機能等に応じて定めることができ、リブ断面形状の他にも、複数の種類のリブ材料の組み合わせや付加的要素などを応用した数々のバリエーションも可能であり、それらの効果においては本発明の趣旨と同じであることが望ましい。本発明の目的に見合った製品を作製する上で、仕様に最も適合するバリエーションを検討することは、それぞれの要素を様々な形で組み合わせた事例に見出せる固有の特徴、効果などを調査するのに役立てることができる。
【０１５３】
なお、本実施の形態４に関する流体ガイド流路については、例えば、図４に示した３通りの流体ガイド流路形状のバリエーションを応用できる。当然のことながら、本明細書に記載した３種類の流体ガイド流路リブの形状は典型例であり、本発明は実施の形態４に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。なお、本実施の形態４の流体ガイド流路リブ１１の一例として、図１２のＡ欄に示す左右対称のリブ断面形状を適用してもよいし、図１２のＢ欄、Ｃ欄に示す左右非対称のリブ断面形状を適用しても構わない。また、図１２に示す通り、左右対称・左右非対称リブ断面形状の逆タイプを適用することもできる。また、これらのリブ断面形状の角に円弧を有する角丸形状を適用することもできるし、それらのコンビネーションでも構わない。
【０１５４】
本実施の形態４においては、セパレータ６，７に付着される流体ガイド流路を構成するリブ１１と、ガス拡散層４，５に付着される流体ガイド流路を構成するリブ１１とを、同じ緻密性高導電性炭素系塗布材料を用いて付着してもよいし、異なる材料を用いても構わない。
【０１５５】
本実施の形態４においては、流体ガイド流路が付着されたセパレータ６，７と、流体ガイド流路が付着されたガス拡散層４，５とは、個別に形成してから突き合わせていて、一体化させていない。
【０１５６】
本実施の形態４において、流体ガイド流路のパターンは、特に限定されるものではなく、従来のセパレータに形成されていた流体ガイド流路のパターンと同様に形成することができる。例えば、ストレート型、サーペンタイン型、櫛型等を挙げることができる。
上述の通り、本発明の実施の形態４に係わるガスガイド流路構造はあくまで一例であり、本明細書に記載された内容に限定されるわけではないことは言うまでもない。
【０１５７】
実施の形態５
次に、図２〜図４Ｃ、図１２を用いて、本発明の実施の形態５における流体ガイド流路備えた燃料電池について説明する。なお、本発明は、実施の形態５のみに限定されるものではない。
【０１５８】
上述した実施の形態１〜４では、流体ガイド流路リブの高さを全て同じにしている例について述べた。なお、本発明の実施の形態５における流体ガイド流路を備えた燃料電池においては、図３Ｆに示す通り、流体ガイド流路リブの高さｈを対面リブの高さｈに合わせて落差を設けているのが主な相違点であり、他の構造、方式やメカニズムについては、実施の形態１〜４とほぼ同じであるのでその詳細説明は省略する。
【０１５９】
本発明における流体ガイド流路の寸法表記および流体ガイド流路の製造方法については、実施の形態１〜４で説明した通りであるため、省略する。
【０１６０】
本実施の形態５では、図３Ｆに示す通り、アノード側およびカソード側において、実施の形態３と同様、セパレータの表面およびガス拡散層の表面の双方にガスガイド流路リブを形成している。そして実施の形態５の特徴としては、それらの流路リブの高さｈを、対面リブの高さｈに応じて、自由に調整している（例えば、全高を１とした時、セパレータ６，７に付着されるリブ高さｈを0.7、ガス拡散層４，５に塗布印刷される対向リブの高さｈを0.3に調整する等）ことである。このようにして形成された流路リブの高さｈの落差は、規則的な落差（隣接するリブに対して交互につける）でもよいし、不規則的な落差（複数のリブ数毎につける）でも構わない。上述した例は、ほんの一例に過ぎず、それらの逆の組み合わせも然りである。
【０１６１】
本実施の形態５に記載の流体ガイド流路については、例えば、図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃに示した３通りの流体ガイド流路形状のバリエーションを応用できる。当然のことながら、本明細書に記載した３種類の流体ガイド流路リブの形状は典型例であり、本発明は実施の形態５に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。なお、本実施の形態５の流体ガイド流路のリブ１１の一例としては、図１２のＡ欄に示す左右対称のリブ断面形状を適用してもよいし、図１２のＢ欄、Ｃ欄に示す左右非対称のリブ断面形状を適用しても構わない。また、図１２に示す通り、左右対称・左右非対称リブ断面形状の逆タイプを適用することもできる。また、これらのリブ断面形状の角に円弧を持たせた角丸形状を適用することもできるし、それらのコンビネーションでも構わない。
【０１６２】
本実施の形態５において、セパレータ６，７に付着される流体ガイド流路を構成するリブ１１と、ガス拡散層４，５に付着される流体ガイド流路を構成するリブ１１とを、同じ緻密性高導電性炭素系塗布材料を用いて付着してもよいし、異なる材料を用いても構わない。
【０１６３】
本実施の形態５において、流体ガイド流路が付着されたセパレータ６，７と、流体ガイド流路が付着されたガス拡散層４，５とは、個別に形成して突き合わせているだけであって、一体化させていない。
【０１６４】
本実施の形態５において、流体ガイド流路のパターンは、特に限定されるものではなく、従来のセパレータに形成されていた流体ガイド流路のパターンと同様に形成することができる。例えば、ストレート型、サーペンタイン型、櫛型等を挙げることができる。
【０１６５】
本実施の形態５においては、実施の形態３の頭突き方式に基づき、実施の形態４で述べた通り、アノード側のガスガイド流路の構造と、カソード側のガスガイド流路の構造とを異ならせるようにしつつ、それらのリブに落差を設けることで流体ガイド流路の構造を実施することもできる。
【０１６６】
上述の通り、本発明の実施の形態５に係わる流体ガイド流路構造はあくまで一例であり、本明細書に記載された内容に限定されるわけではないことは言うまでもない。
【０１６７】
上記各実施の形態１〜５に記載の例は、それぞれ独立した構造について説明している。各実施の形態１〜５を適宜組み合わせて実施することも可能である。
【０１６８】
その他変形例１
次に、図９Ａ、図９Ｂを用いて、本発明のその他変形例１を適用させる燃料電池について説明する。
【０１６９】
上述の実施の形態１〜５では、様々な形態で各基材の表面に形成される流体ガイド流路リブは全て無孔構造として説明した。
【０１７０】
その他変形例１においては、図９Ａ、図９Ｂに示す通り、実施の形態１〜５のガスガイド流路リブ１１および冷却媒体流路リブ１１に対して無数の孔が設けられて実施されている点が主に異なり、他の構造、方式やメカニズムについては、実施の形態１〜５と基本的に同じである。
【０１７１】
ガス拡散層４，５とこれらの表面に付着されるリブ１１との界面面積が大きくなると、チャンネル幅Cwが小さくなり、反応ガスがガス拡散層４，５へ拡散することが制限される。そこで、上述した実施の形態１〜５に関わる様々な形状のガスガイド流路リブ１１に、無数の孔を設けたことで、反応ガスの透過性が改善され、チャンネル間の圧力差を調整でき、供給排出ガスの流れの均衡を保ち、生成水を排出することもできる。
【０１７２】
図９Ａには、セパレータ表面に付着されるガスガイド流路を構成するリブ１１と、ガス拡散層表面に付着されるガスガイド流路を構成するリブ１１と、セパレータ表面に付着される冷却媒体流路を構成するリブ１１とを、同種の材料または異種の材料を用いて形成し、そして、それぞれのリブに無数の孔（図９中、白い丸で表現する）を設けることを例示した。図９Ｂ、図９Ｃには、ガス拡散層４，５の表面に付着されるガスガイド流路リブ１１、および／または、セパレータ６，７の表面に付着される流体ガイド流路を構成する流体ガイド流路リブ１１に、それぞれ無数の孔を設けることを示している。図２、図９Ａ、図９Ｂのリブを横切る矢印が示す様に、反応ガスがリブの側面（チャンネル両側面）を透過し、ガス拡散層側に設けられたリブを介し、ガス拡散層の本体へ拡散する。よって、反応ガスがガス拡散層の本体へと間接的に透過できる。また、反応ガスがリブの側面（チャンネル両側面）を透過することで、チャンネル間の圧力差を調整し、反応ガスの供給排出流れの均衡を保ちつつ、生成水を排出させることができる。
【０１７３】
流体ガイド流路が付着されたセパレータ６，７と、流体ガイド流路が付着されたガス拡散層４，５は、別々に形成して突き合わせているだけであって、一体化させていない。
【０１７４】
図９Ａに示す通り、その他変形例１において、セパレータ６，７とガス拡散層４，５に付着されたリブの上面は平坦であり、両方の上面を突き合わせるだけでよい。もし接着剤などで接合すると、その接着剤がリブ内を透過してくる反応ガスのバリヤ層となってしまい、反応ガスの透過性を妨げてしてしまうだろう。
【０１７５】
また、セパレータ６，７に付着される流体ガイド流路を構成するリブ１１と、ガス拡散層４，５に付着される流体ガイド流路を構成するリブ１１とを、同じ緻密性高導電性炭素系塗布材料を用いて付着してもよいし、異なる材料を用いても構わない。
【０１７６】
更に、流体ガイド流路のパターンは、特に限定されるものではなく、従来のセパレータに形成されていた流体ガイド流路のパターンと同様に形成することができる。例えば、ストレート型、サーペンタイン型、櫛型等を挙げることができる。
【０１７７】
なお、無数のリブ孔は、図９Ａ、図９Ｂに示す通り、セパレータ側の流体ガイド流路リブ１１のみに設けてもよいし、ガス拡散層側の流体ガイド流路リブ１１のみに設けてもよいし、双方に設けてもよい。あるいは、局所的または選択的に設けてもよいが、全体的に設けるのが好ましいだろう。様々な形で実現できるバリエーションが想定できる。
【０１７８】
上述の通り、本発明のその他変形例１に係わる流体ガイド流路構造はあくまで一例であり、本明細書に記載された内容に限定されるわけではないことは言うまでもない。
【０１７９】
更に、上記各実施の形態１〜５に記載の例は、それぞれ独立した構造について説明しているが、例えば、実施の形態１〜５とその他変形例１をそれぞれ組み合わせて適用させてもよい。
【０１８０】
［発明の効果］
なお、本発明の実施の形態１〜５およびその他変形例１は、上述の通り、ガスガイド流路および冷却媒体流路を網羅する流体ガイド流路リブ１１の形状を、２次元的手法を用いることにより、第１の基材（ガス拡散層４，５）および第２の基材（セパレータ６，７）の表面に自由自在に作成し、種々のリブ形状１１を任意の組み合わせで実施できるため、以下で説明する効果を得ることができる。
【０１８１】
従来から、金属加工体のセパレータに流路を形成するには、金型が必要であった。金型は一度できあがると設計変更することが簡単ではなく、コストと手間がかかってしまう。本発明の流体ガイド流路は、パターン印刷、塗布、スクリーン印刷の手法で作製されるため、金型が不要であり、特性にあわせた流路設計の変更が容易である。また、出来合いのガス拡散層用材料を採用することができるので、燃料電池設計仕様毎に一体化にかかるガス拡散層４，５の材料設計の変更と再開発などの費用を抑えることができる。さらに、塗布または印刷用材料については、緻密性高導電性炭素系の大量廉価材料を採用し、既存の保湿力の良好な多孔質のガス拡散層とセパレータにガスガイド流路を付着することで量産適用性に対応できる。
【０１８２】
一方、セパレータ６，７の表面および／またはガス拡散層４，５の表面に流体ガイド流路が付着されているため、このガス拡散層４，５と共に用いられるセパレータ６，７にはプレス加工で流体ガイド流路を形成する必要がなく、表面が平滑で薄厚のセパレータを用いることができる。超薄厚のセパレータの採用とリブ材の付着高さの制御により、燃料電池セルの厚みを抑えられることにより、付着という２次元加工手法を用いることで、小型化された高い体積出力燃料電池を大量に製造することができる。さらに、平坦なセパレータ表面と多孔質のガス拡散層表面に流路となるリブ１１を付着することで、セパレータ６，７、リブ１１、ガス拡散層４，５にかかる内部応力が少なく、リブ界面の密着性が高く、燃料電池信頼性と寿命向上の効果を兼ね備えることができる。リブ１１に、無数の孔を設けることで、反応ガスの透過性が改善され、流路間の圧力差を調整でき、反応ガスの流れの均衡を保ち、高い電流密度燃料電池を得ることができる。
【０１８３】
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１８４】
本発明の実施の一形態は、車両搭載用の燃料電池として利用することができる。
【０１８５】
本発明は、上述の実施の形態１〜５およびその他変形例１に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、本発明の明細書の実施の形態１〜５、その他変形例１に記載した技術的特徴は、上述の課題および効果の一部又は全部を解決するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。
【符号の説明】
【０１８６】
１      電解質膜
２      アノード側触媒層
３      カソード側触媒層
４      アノード側ガス拡散層（第１の基材）
５      カソード側ガス拡散層（第１の基材）
６      アノード側セパレータ（第２の基材）
７      カソード側セパレータ（第２の基材）
８      単セル
９      スタック構造体
１１    流体ガイド流路のリブ
１２    流体ガイド流路のチャンネル
１３    流体ガイド流路の底部
１０１，１０２  エンドプレート
Rw１    基材側のリブ幅
Rw２    リブ上辺幅
ｈ      リブ高さ
Cw      チャンネル幅
α、β  リブ界面とリブ側面がなす内角
S       流路ピッチ
【図１】
2021530092.tif 000003
【図２】
2021530092.tif 000004
【図３Ａ】
2021530092.tif 000005
【図３Ｂ】
2021530092.tif 000006
【図３Ｃ】
2021530092.tif 000007
【図３Ｄ】
2021530092.tif 000008
【図３Ｅ】
2021530092.tif 000009
【図３Ｆ】
2021530092.tif 000010
【図４Ａ】
2021530092.tif 000011
【図４Ｂ】
2021530092.tif 000012
【図４Ｃ】
2021530092.tif 000013
【図５Ａ】
2021530092.tif 000014
【図５Ｂ】
2021530092.tif 000015
【図５Ｃ】
2021530092.tif 000016
【図５Ｄ】
2021530092.tif 000017
【図６Ａ】
2021530092.tif 000018
【図６Ｂ】
2021530092.tif 000019
【図６Ｃ】
2021530092.tif 000020
【図６Ｄ】
2021530092.tif 000021
【図７Ａ】
2021530092.tif 000022
【図７Ｂ】
2021530092.tif 000023
【図７Ｃ】
2021530092.tif 000024
【図８Ａ】
2021530092.tif 000025
【図８Ｂ】
2021530092.tif 000026
【図９Ａ】
2021530092.tif 000027
【図９Ｂ】
2021530092.tif 000028
【図１０Ａ】
2021530092.tif 000029
【図１０Ｂ】
2021530092.tif 000030
【図１０Ｃ】
2021530092.tif 000031
【図１０Ｄ】
2021530092.tif 000032
【図１１Ａ】
2021530092.tif 000033
【図１１Ｂ】
2021530092.tif 000034
【図１１Ｃ】
2021530092.tif 000035
【図１２】
2021530092.tif 000036
【図１３Ａ】
2021530092.tif 000037
【図１３Ｂ】
2021530092.tif 000038
【図１３Ｃ】
2021530092.tif 000039
【図１３Ｄ】
2021530092.tif 000040
【図１３Ｅ】
2021530092.tif 000041
【図１３Ｆ】
2021530092.tif 000042
【図１４】
2021530092.tif 000043
【図１５Ａ】
2021530092.tif 000044
【図１５Ｂ】
2021530092.tif 000045
【図１６Ａ】
2021530092.tif 000046
【図１６Ｂ】
2021530092.tif 000047
【手続補正書】
【提出日】令和3年9月17日(2021.9.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１７２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１７２】
図９Ａには、セパレータ表面に付着されるガスガイド流路を構成するリブ１１と、ガス拡散層表面に付着されるガスガイド流路を構成するリブ１１と、セパレータ表面に付着される冷却媒体流路を構成するリブ１１とを、同種の材料または異種の材料を用いて形成し、そして、それぞれのリブに無数の孔（図９中、白い丸で表現する）を設けることを例示した。図９Ｂには、ガス拡散層４，５の表面に付着されるガスガイド流路リブ１１、および／または、セパレータ６，７の表面に付着される流体ガイド流路を構成する流体ガイド流路リブ１１に、それぞれ無数の孔を設けることを示している。図２、図９Ａ、図９Ｂのリブを横切る矢印が示す様に、反応ガスがリブの側面（チャンネル両側面）を透過し、ガス拡散層側に設けられたリブを介し、ガス拡散層の本体へ拡散する。よって、反応ガスがガス拡散層の本体へと間接的に透過できる。また、反応ガスがリブの側面（チャンネル両側面）を透過することで、チャンネル間の圧力差を調整し、反応ガスの供給排出流れの均衡を保ちつつ、生成水を排出させることができる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１８６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１８６】
１      電解質膜
２      アノード側触媒層
３      カソード側触媒層
４      アノード側ガス拡散層（第１の基材）
５      カソード側ガス拡散層（第１の基材）
６      アノード側セパレータ（第２の基材）
７      カソード側セパレータ（第２の基材）
８      単セル
９      スタック構造体
１１    流体ガイド流路のリブ
１０１，１０２  エンドプレート
Rw１    基材側のリブ幅
Rw２    リブ上辺幅
ｈ      リブ高さ
Cw      チャンネル幅
α、β  リブ界面とリブ側面がなす内角
S       流路ピッチ
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１１Ｂ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１１Ｂ】
2021530092.tif 000048
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１１Ｃ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１１Ｃ】
2021530092.tif 000049
【国際調査報告】
2021530092.tif 000050
2021530092.tif 000051
2021530092.tif 000052
2021530092.tif 000053