(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
隣接する燃料電池単セルのカソード側セパレータとアノード側セパレータとが接する状態で複数の燃料電池単セルが積層された燃料電池スタックを構成するための燃料電池単セルであって、
膜電極ガス拡散層接合体と、
前記膜電極ガス拡散層接合体のカソード側の表面に複数本のカソードガス流路とそれらの間の非流路部とを形成するプレス成形板であるカソード側セパレータと、
前記膜電極ガス拡散層接合体のアノード側の表面に複数本のアノードガス流路とそれらの間の非流路部とを形成するプレス成形板であるアノード側セパレータと、
を備え、
前記複数本のカソードガス流路と前記複数本のアノードガス流路のうちの少なくとも１本のガス流路に、前記燃料電池単セルの積層方向における流路の高さを減少させるとともに流路断面積を減少させる絞り部が設けられており、
前記積層方向に沿って投影して観察したときに、前記複数本のカソードガス流路と前記複数本のアノードガス流路は、互いに異なる２次元形状を有し、前記カソードガス流路と前記アノードガス流路とが交差している交差位置が存在するとともに、前記絞り部が前記交差位置以外の位置に設けられている、
燃料電池単セル。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池単セルであって、
前記複数本のカソードガス流路と前記複数本のアノードガス流路のいずれか一方は、複数本のガス流路が互いに直線状に平行に延びるストレート流路部を有し、他方は、複数本のガス流路が互いに間隔を維持した状態で蛇行又は屈曲する曲がり流路部を有する、
燃料電池単セル。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池単セルであって、
前記ストレート流路部は、前記カソード側セパレータに設けられており、
前記曲がり流路部は、前記アノード側セパレータに設けられている、
燃料電池単セル。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の燃料電池単セルであって、
前記複数本のカソードガス流路と前記複数本のアノードガス流路のうちの少なくとも一方において、隣接して並走する２本のガス流路のそれぞれに前記絞り部が設けられており、前記２本のガス流路に設けられた前記絞り部は、前記並走の方向と垂直な方向において、互いに隣り合わない位置に配置されている、
燃料電池単セル。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の燃料電池単セルであって、
前記絞り部は、前記少なくとも１本のガス流路の出口以外の位置に設けられている、
燃料電池単セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池単セルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池は、複数の単セルが積層された燃料電池スタックを有している。各単セルは、発電領域を有する膜電極ガス拡散層接合体と、膜電極ガス拡散層接合体を挟む２枚のセパレータとを有する。膜電極ガス拡散層接合体は、１枚の電解質膜を２枚の電極触媒層によって挟まれ、それを２枚のガス拡散層によって挟まれて形成される。発電領域は、２つの電極触媒層が重なり合う領域と一致する領域である。セパレータの一方の面には、膜電極ガス拡散層接合体に反応ガスを供給するための複数本の反応ガス流路が形成されている。具体的には、２枚のセパレータのうち、アノード側セパレータの一方の面には、複数本の燃料ガス流路（アノードガス流路）が形成されており、カソード側セパレータの一方の面には、複数本の酸化剤ガス流路（カソードガス流路）が形成されている。燃料電池スタックは、隣接する単セルのアノード側セパレータとカソード側セパレータが接する状態で積層されるのが一般的である。
【０００３】
特許文献１には、アノードガスとカソードガスを効率的に膜電極ガス拡散層接合体に供給するために、アノードガス流路とカソードガス流路の両方に絞り部を設けた燃料電池が記載されている。その絞り部は、ガス流路の高さを小さくすることによって形成されている。２つの単セルの隣接するセパレータ同士は、ガス流路の凸部の外壁で互いに接触するが、ガス流路の高さが小さい絞り部ではセパレータ同士が接触しない構造となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１３／１０５９５６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、カソードガス流路とアノードガス流路は、それぞれの望ましい特性に応じて適切な２次元形状が異なる場合がある。例えば、カソードガス流路では、燃料電池反応によって生成される液水の排出を行うことが容易な流路形状が好ましい。一方、アノードガス流路では、アノードガス（例えば水素）の利用効率を高めるような流路形状が好ましい。また、ガスマニホールド孔の配置によっても好ましい流路形状がそれぞれ異なる場合がある。このように、カソードガス流路及びアノードガス流路が、互いに異なる２次元形状を有する場合には、特許文献１のようにガス流路の２次元形状が同一の場合に比べて、隣接する２つの燃料電池単セルのカソード側セパレータとアノード側セパレータの接触部が少なくなる可能性がある。そのため、絞り部の位置によっては、隣接する２つの燃料電池単セルのカソード側セパレータとアノード側セパレータが互いに接触する接触部が少なくなり、圧縮力が他の部分に過度に集中してしまう可能性があるという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００７】
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池単セルが提供される。この隣接する燃料電池単セルのカソード側セパレータとアノード側セパレータとが接する状態で複数の燃料電池単セルが積層された燃料電池スタックを構成するための燃料電池単セルは、膜電極ガス拡散層接合体と、前記膜電極ガス拡散層接合体のカソード側の表面に複数本のカソードガス流路とそれらの間の非流路部とを形成するプレス成形板であるカソード側セパレータと、前記膜電極ガス拡散層接合体のアノード側の表面に複数本のアノードガス流路とそれらの間の非流路部とを形成するプレス成形板であるアノード側セパレータと、を備える。前記複数本のカソードガス流路と前記複数本のアノードガス流路のうちの少なくとも１本のガス流路に、前記燃料電池単セルの積層方向における流路の高さを減少させるとともに流路断面積を減少させる絞り部が設けられており、前記積層方向に沿って投影して観察したときに、前記複数本のカソードガス流路と前記複数本のアノードガス流路は、互いに異なる２次元形状を有し、前記カソードガス流路と前記アノードガス流路とが交差している交差位置が存在するとともに、前記絞り部が前記交差位置以外の位置に設けられている。
【０００８】
この形態の燃料電池単セルによれば、ガス流路の絞り部がアノードガス流路とカソードガス流路とが交差している交差位置以外の位置に設けられるので、交差位置に絞り部を設置することにより２つのセパレータ間の接触部が少なくなって圧縮力が他の部分に過度に集中してしまうことを防止できる。
【０００９】
（２）上記形態の燃料電池単セルにおいて、前記複数本のカソードガス流路と前記複数本のアノードガス流路のいずれか一方は、複数本のガス流路が互いに直線状に平行に延びるストレート流路部を有し、他方は、複数本のガス流路が互いに間隔を維持した状態で蛇行又は屈曲する曲がり流路部を有してもよい。この形態の燃料電池単セルによれば、ガス流路の絞り部がストレート流路部と曲がり流路部とが交差している交差位置以外の位置に設けられるので、交差位置に絞り部を設置することにより２つのセパレータ間の接触部が少なくなって圧縮力が他の部分に過度に集中してしまうことを防止できる。
【００１０】
（３）上記形態の燃料電池単セルにおいて、前記ストレート流路部は、前記カソード側セパレータに設けられており、前記曲がり流路部は、前記アノード側セパレータに設けられていてもよい。この形態の燃料電池単セルによれば、カソード側セパレータにストレート流路部が設けられているので、カソードガス流路から液水を排出する効率を高めることができる。加えて、アノード側セパレータに曲がり流路部が設けられているので、アノードガス流路の流路長を増大させて、アノードガスの利用効率を高めることができる。
【００１１】
（４）上記形態の燃料電池単セルにおいて、前記複数本のカソードガス流路と前記複数本のアノードガス流路のうちの少なくとも一方において、隣接して並走する２本のガス流路のそれぞれに前記絞り部が設けられており、前記２本のガス流路に設けられた前記絞り部は、前記並走の方向と垂直な方向において、互いに隣り合わない位置に配置されていてもよい。この形態の燃料電池単セルによれば、隣接する２本のガス流路を流れるガスが、個々の絞り部の前後において、非流路部に接するガス拡散層を通って拡散するので、ガスの利用効率を高めることができる。
【００１２】
（５）上記形態の燃料電池単セルにおいて、前記絞り部は、前記少なくとも１本のガス流路の出口以外の位置に設けられていてもよい。この形態の燃料電池単セルによれば、ガス流路の出口が液水によって塞がってガスがそのガス流路に流れ込み難くなる現象の発生を抑制できる。
【００１３】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池スタック、燃料電池システム、燃料電池車両等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す説明図。
【図２】第１実施形態におけるカソード側セパレータの概略平面図。
【図３】カソードガス流路の断面図。
【図４】アノード側セパレータの概略平面図。
【図５】カソードガス流路とアノードガス流路を積層方向に沿って投影して観察した様子を説明する概略図。
【図６】互いに隣接する単セルのカソード側セパレータ及びアノード側セパレータの断面図。
【図７】カソードガスがカソードガス流路を流れる様子を説明する概略図。
【図８】第２実施形態におけるカソード側セパレータの概略平面図。
【図９】第２実施形態におけるカソードガス流路の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
・第１実施形態：
図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１００を備えている。燃料電池スタック１００は、エンドプレート１１０と、絶縁板１２０と、集電板１３０と、複数の燃料電池単セル（以降「単セル」と略称する）１４０と、集電板１３０と、絶縁板１２０と、エンドプレート１１０と、が、この順に積層されている。なお、単セル１４０の積層方向Ｚは、鉛直方向Ｙに垂直な水平方向となっている。また、鉛直方向Ｙおよび積層方向Ｚに垂直な図中の表裏方向は水平方向Ｘである。
【００１６】
燃料電池スタック１００には、高圧水素を貯蔵した水素タンク１５０から、シャットバルブ１５１、レギュレータ１５２、配管１５３を介して、アノードガスとしての水素が供給される。燃料電池スタック１００において利用されなかったアノードガスは、排出配管１６３を介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。なお、燃料電池システム１０は、アノードオフガスを配管１５３側に再循環させる再循環機構を有してもよい。燃料電池スタック１００には、また、エアポンプ１６０および配管１６１を介して、カソードガスとしての空気が供給される。燃料電池スタック１００において利用されなかったカソードガスは、排出配管１５４を介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。なお、アノードガスおよびカソードガスは、反応ガスとも呼ばれる。
【００１７】
燃料電池スタック１００には、燃料電池スタック１００を冷却するため、ウォーターポンプ１７１および配管１７２を介して、ラジエータ１７０により冷却された冷却媒体が供給される。燃料電池スタック１００から排出された冷却媒体は、配管１７３を介してラジエータ１７０に循環する。冷却媒体としては、例えば、水や、エチレングリコール等の不凍液が用いられる。
【００１８】
単セル１４０は、膜電極接合体３０と、２枚のガス拡散層２０と、樹脂フレーム部材６０と、一対のセパレータ、すなわちアノード側セパレータ５０とカソード側セパレータ４０と、を備える。膜電極接合体３０は、電解質膜の両面に、それぞれアノード電極触媒層３１とカソード電極触媒層３２とが配置されて構成されている。膜電極接合体３０の両側にそれぞれ、ガス拡散層２０が積層されている。膜電極接合体３０と２枚のガス拡散層２０とが、膜電極ガス拡散層接合体（以下、「ＭＥＧＡ」と呼ぶ）２１を構成する。ＭＥＧＡ２１の外周を囲むように、樹脂フレーム部材６０が配置されている。ＭＥＧＡ２１と樹脂フレーム部材６０は、積層方向Ｚに沿って、アノード側セパレータ５０とカソード側セパレータ４０とによって挟持されている。
【００１９】
２枚のセパレータ４０，５０には凹凸面が形成され、ガス流路４２，５２は凹凸面の凸部４６，５６をガス拡散層２０に接触させることによって形成される。凹凸面の凹部はガスが流れ、ガス拡散層２０に接触する凸部４６，５６はガスがほとんど流れないので、このような凸部４６，５６を「非流路部」と呼ぶ。アノード側セパレータ５０は、ＭＥＧＡ２１のアノード側の表面に複数本の筋状のアノードガス流路５２を形成し、その反対側に複数本の筋状の冷却媒体流路５４を形成している。ＭＥＧＡ２１のアノード側の表面のうち、複数本のアノードガス流路５２の間の非流路部５６には、ガス拡散層２０が接触している。カソード側セパレータ４０は、ＭＥＧＡ２１のカソード側の表面に複数本の筋状のカソードガス流路４２を形成している。ＭＥＧＡ２１のカソード側の表面のうち、複数本のカソードガス流路４２の間の非流路部４６にもガス拡散層２０が接触している。
【００２０】
図２は、第１実施形態におけるＭＥＧＡ２１側から見たカソード側セパレータ４０の概略平面図である。なお、図２では凹凸を示すために陰影を付している。カソード側セパレータ４０及びアノード側セパレータ５０は、ガス遮断性および電子伝導性を有する部材によって構成されており、ステンレス鋼やチタンなどの金属板を採用することができる。カソード側セパレータ４０及びアノード側セパレータ５０は、金属板をプレス成形したプレス成形板である。
【００２１】
カソード側セパレータ４０の水平方向Ｘの一端縁部には、アノードガス入口マニホールド孔６２と、冷却媒体出口マニホールド孔８４と、カソードガス入口マニホールド孔７２と、が鉛直方向Ｙに沿って上から順に配置されている。これに対して、他端縁部には、カソードガス出口マニホールド孔７４と、冷却媒体入口マニホールド孔８２と、アノードガス出口マニホールド孔６４と、が鉛直方向Ｙに沿って上から順に並んで配置されている。アノードガス入口マニホールド孔６２およびアノードガス出口マニホールド孔６４と、カソードガス入口マニホールド孔７２およびカソードガス出口マニホールド孔７４と、冷却媒体入口マニホールド孔８２および冷却媒体出口マニホールド孔８４とは、カソード側セパレータ４０の中央部分を挟んで互いに対向するように配置されている。２枚のセパレータ４０，５０がＭＥＧＡ２１を挟んで積層された状態では、カソードガス入口マニホールド孔７２と、カソードガス流路４２と、カソードガス出口マニホールド孔７４とが互いに連通して、カソードガス流路面２００を構成する。
【００２２】
図２において、アノードガス用のマニホールド孔６２，６４、冷却媒体用のマニホールド孔８２，８４およびカソードガス流路面２００のそれぞれを囲むようにシール部材８０がカソード側セパレータ４０に配置されている。図示の便宜上、シール部材８０はハッチングされている。シール部材８０は、ＭＥＧＡ２１と樹脂フレーム部材６０との組み合わせ体の表面に当接し、カソード側セパレータ４０と前記組み合わせ体との間を密封する機能を有する。具体的には、シール部材８０において、マニホールド孔６２，６４それぞれを囲む部分がアノードガスの漏洩を抑制するためのものであり、マニホールド孔８２，８４それぞれを囲む部分が冷却媒体の漏洩を抑制するためのものであり、カソードガス流路面２００を囲む部分がカソードガスの漏洩を抑制するためのものである。シール部材８０は、射出成形やプレス成形等により形成されるもので、シール部材８０の材料としては、ゴムや熱可塑性エラストマー等を用いることができる。また、シール部材８０は、接着剤によってセパレータに貼り合わされることによって固定される。
【００２３】
図２において、破線で示す発電領域Ｇ１は、ＭＥＧＡ２１（図１）を積層方向Ｚに投影して観察したとき、アノード電極触媒層３１とカソード電極触媒層３２が互いに重なり合う領域（両者の論理積の領域）である。典型的な例では、カソード電極触媒層３２の方がアノード電極触媒層３１よりも小さいので、発電領域Ｇ１は、カソード電極触媒層３２の領域と一致する。発電領域Ｇ１のカソード側では、式（１）の反応が発生する。
（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ  ・・・（１）
カソード側セパレータ４０のカソードガス入口マニホールド孔７２から供給されたカソードガスは、図２で矢印が示すようにカソードガス流路４２に分配され、ガス拡散層２０（図１）を通過してカソード電極触媒層３２に到達して上記の反応に利用される。その後、反応に利用されなかったカソードガスはカソードガス出口マニホールド孔７４によって集められ、燃料電池スタック１００（図１）の外部に排出される。
【００２４】
発電領域Ｇ１内には、カソードガス流路４２のうちで、それらの流路がカソード側セパレータ４０の長手方向に沿って互いに直線状に平行に延びるストレート流路部ＳＴが位置している。ストレート流路部ＳＴでは、後述する絞り部４３以外の部分は、各カソードガス流路４２の幅と流路断面積が一定である。隣接するカソードガス流路４２の間の部分４６は、Ｚ方向に突出した部分であり、図１に示した非流路部４６に相当する。なお、ストレート流路部ＳＴをカソード側セパレータ４０に設けると、燃料電池反応で生成した液水を排出する効率を高めることができる。ストレート流路部ＳＴは、発電領域Ｇ１の長手方向（Ｘ方向）の両端の間を一直線に貫くように形成されていることが好ましい。こうすれば、液水の排出をより容易に行うことが可能である。
【００２５】
複数のカソードガス流路４２は、２つのカソードガス用のマニホールド孔７２，７４の間の経路全体にわたって、複数のカソードガス流路４２の全体が合体することが無く、少なくとも幾つかの流路に分離された状態で形成されている。但し、図２の例のように、一部のカソードガス流路４２（特にストレート流路部ＳＴの一部のカソードガス流路）は、他のカソードガス流路４２と合流してガスマニホールド孔７２（又は７４）に連通していてもよい。このように、複数のカソードガス流路４２が幾つかの流路に分離された状態で２つのガスマニホールド孔７２，７４の間の経路全体にわたって形成されていれば、液水が大きく成長する現象を抑制することができるので、液水をより効率良く排出することが可能となる。なお、個々のカソードガス流路４２が全く合流することなく、すべてのカソードガス流路４２のそれぞれが２つのガスマニホールド孔７２，７４の間の経路全体にわたって、他のカソードガス流路４２と分離されていてもよい。こうすれば、更に液水を容易に排出できる。
【００２６】
カソードガス流路４２には、積層方向Ｚにおける流路の高さを減少させるとともに流路断面積を減少させる絞り部４３が設けられている。ここで、カソードガス流路４２のＹ方向の幅及びＺ方向の高さはそれぞれ０．２〜１ｍｍの範囲内とし、絞り部４３の流路断面積は、絞り部４３でない部分の流路断面積の１０％〜８０％の範囲内とすることが好ましい。また、絞り部４３の流路断面積の円等価半径は、１００〜６００μｍの範囲内とすることが好ましい。こうすれば、絞り部４３において、液水の表面張力によって液水が流れ難くなる作用を抑制できるため、容易に液水を排出することが可能である。
【００２７】
図２では、絞り部４３は複数本のカソードガス流路４２それぞれに複数個設けられているが、絞り部４３を複数本のカソードガス流路４２それぞれに１個のみ設けてもよいし、１本のカソードガス流路４２のみに１個設けてもよい。また、絞り部４３は、カソードガス流路４２の出口以外の位置に設けられることが好ましい。こうすれば、カソードガス流路４２の出口が液水によって塞がってカソードガスがそのカソードガス流路４２に流れ込み難くなる現象の発生を抑制できる。
【００２８】
図３は、カソードガス流路４２の断面図である。図３（ａ）は、図２に示す絞り部４３の３ａ−３ａ断面図であり、図３（ｂ）は、図２に示す絞り部４３でない部分のカソードガス流路４２の３ｂ−３ｂ断面図である。絞り部４３における流路断面積Ｓ４３は、絞り部４３でない部分のカソードガス流路４２における流路断面積Ｓ４２よりも小さい。図３（ａ）の例では、絞り部４３の積層方向Ｚにおける流路の高さＨｓは、絞り部４３でない部分のカソードガス流路４２の積層方向Ｚにおける流路の高さＨｂよりも小さく形成されている。絞り部４３の積層方向Ｚにおける外壁の高さＤｓは、絞り部４３でない部分のカソードガス流路４２の積層方向Ｚにおける外壁の高さＤｂよりも小さく形成されている。また、絞り部４３の鉛直方向Ｙにおける幅Ｌｓは、絞り部４３でない部分のカソードガス流路４２の鉛直方向Ｙにおける幅Ｌｂよりも小さく形成されている。但し、カソードガス流路４２の幅Ｌｂを小さく絞ると非流路部４６の幅Ｌ４６が大きくなるので、カソードガスの非流路部４６に接するガス拡散層２０にカソードガスが拡散し難くなる。従って、このようなカソードガスの拡散を妨げることがないようにするために、絞り部４３の幅Ｌｓを過度に小さくしないことが好ましく、例えば絞り部４３でない部分のカソードガス流路４２の幅Ｌｂの３０％〜９０％の範囲内とする。
【００２９】
図３（ｃ）は、図２に示す絞り部４３の３ｃ−３ｃ断面図である。絞り部４３の水平方向Ｘにおける両側の斜面αそれぞれが積層方向Ｚとなす角度θは、１０°〜８０°の範囲内とすることが好ましい。こうすれば、発電領域Ｇ１（図２）で生成した生成水が斜面αに付着することなく、反応されなかったカソードガスと一緒にカソードガス流路４２外に排出され易い。
【００３０】
図４は、ＭＥＧＡ２１とは反対側から見たアノード側セパレータ５０の概略平面図である。複数の単セル１４０（図１）が積層された状態では、図４の表面では、冷却媒体入口マニホールド孔８２と、冷却媒体流路５４と、冷却媒体出口マニホールド孔８４とが互いに連通して、冷却媒体流路面２１０を構成する。図４の裏面では、アノードガス入口マニホールド孔６２と、アノードガス流路５２と、アノードガス出口マニホールド孔６４とが互いに連通して、アノードガス流路面２２０を構成する。アノードガス流路５２は、図４においてＺ方向に突出した部分の裏側に形成されている。実線の矢印は、冷却媒体の流れを示しており、破線の矢印は、アノードガスの流れを示している。シール部材８１は、複数の単セル１４０（図１）が積層された際に、隣接する他の単セル１４０のカソード側セパレータ４０の表面に当接し、２つの単セル１４０の間を密封する機能を有する。シール部材８１は、各反応ガスマニホールド孔６２，６４，７２，７４及び冷却媒体流路面２１０それぞれを囲むように配置されている。
【００３１】
図４において、破線で示す発電領域Ｇ１は、ＭＥＧＡ２１（図１）のアノード電極触媒層３１とカソード電極触媒層３２が重なり合う領域であり、図２に示した発電領域Ｇ１と同じものである。発電領域Ｇ１のアノード側では、式（２）の反応が発生する。
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−  ・・・（２）
アノード側セパレータ５０のアノードガス入口マニホールド孔６２から供給されたアノードガスは、図４で破線の矢印が示すようにアノードガス流路５２に分配され、ガス拡散層２０（図１）を通過してアノード電極触媒層３１に到達して上記の反応に利用される。その後、反応に利用されなかったアノードガスはアノードガス出口マニホールド孔６４によって集められ、燃料電池スタック１００（図１）の外部に排出される。また、アノード側セパレータ５０の冷却媒体入口マニホールド孔８２から供給された冷却媒体は、図４で実線の矢印が示すように冷却媒体流路５４を流れて、冷却媒体出口マニホールド孔８４によって集められ、燃料電池スタック１００（図１）の外部に排出される。
【００３２】
図４では、アノードガス流路５２は、複数本のアノードガス流路５２が互いに間隔を維持した状態で蛇行する曲がり流路部ＷＡを有する。なお、曲がり流路部ＷＡとしては、アノードガス流路５２が蛇行する形状の代わりに、アノードガス流路５２が屈曲する形状（直線状流路部と屈曲部とが交互に形成された形状）を採用してもよい。曲がり流路部ＷＡをアノード側セパレータ５０に設けると、アノードガス流路５２の流路長を増大させるので、アノードガスの利用効率を高めることができる。
【００３３】
なお、曲がり流路部ＷＡの形状としては、図４の例に示すように、個々のアノードガス流路５２に関して発電領域Ｇ１の長手方向（Ｘ方向）に平行な直線状の中心軸ＣＸを想定したとき、その中心軸ＣＸに沿って進む曲線的な波状（例えば正弦波状や交互の半円弧状）の流路形状とすることが好ましい。このような曲線的な波状の流路形状とすれば、発電領域Ｇ１内に多数本のアノードガス流路５２を形成するとともに、それぞれの流路長を延長することが可能である。また、アノードガス流路５２の曲がり流路部ＷＡは、その個々のアノードガス流路５２が発電領域Ｇ１の長手方向（Ｘ方向）の両端の間に渡って互いに合流することなく個々に分離された状態を維持するように形成されていることが好ましい。また、曲線的な波状の流路形状を有する個々のアノードガス流路５２の直線状の中心軸ＣＸが、発電領域Ｇ１内において屈曲することなく発電領域Ｇ１の長手方向（Ｘ方向）に平行な状態を維持することが好ましい。これらの構成によれば、アノードガスの利用効率をより高めることが可能である。
【００３４】
図５は、カソードガス流路４２とアノードガス流路５２を積層方向Ｚに沿って投影して観察した様子を説明する概略図である。なお、図示の便宜上、Ｚ方向に突出している部分はハッチングされている。カソードガス流路４２は、Ｚ方向に突出した部分の間に形成されているのでハッチングされていない。アノードガス流路５２は、Ｚ方向に突出した部分の裏側に形成されているのでハッチングされている。図５の位置Ｐでは、カソードガス流路４２とアノードガス流路５２とが交差しておらず、位置Ｃでは、カソードガス流路４２とアノードガス流路５２とが交差している。絞り部４３は、カソードガス流路４２とアノードガス流路５２とが交差している交差位置Ｃ以外の位置Ｐに設けられている。この理由は後述する。
【００３５】
図６は、複数の単セル１４０（図１）が積層された状態において互いに隣接する単セル１４０のカソード側セパレータ４０及びアノード側セパレータ５０の断面図である。図６（ａ）は、図５に示す６ａ−６ａ断面の説明図であり、図６（ｂ）は、図５に示す６ｂ−６ｂ断面の説明図である。図６（ａ）において、位置Ｐでは、カソードガス流路４２とアノードガス流路５２とが交差しておらず、カソードガス流路４２に絞り部４３が設けられている。一方、図６（ｂ）に示すように、カソードガス流路４２とアノードガス流路５２とが交差している交差位置Ｃでは、カソードガス流路４２に絞り部４３は設けられておらず、カソード側セパレータ４０とアノード側セパレータ５０とが接触して互いに支持する支持部Ｓｐを構成する。仮に図６（ｃ）に示すように、交差位置Ｃに絞り部４３を設けると、図６（ｂ）で支持部Ｓｐであった位置に隙間Ｗができてしまうので、セパレータ４０，５０の間の支持部Ｓｐ（接触部）が少なくなってしまい、圧縮力が少数の支持部Ｓｐに過度に集中してしまう可能性がある。一方、図６（ａ）に示すように、カソードガス流路４２とアノードガス流路５２とが交差していない位置Ｐでは、絞り部４３を設けるか否かに係わらずセパレータ同士が接触しないので、このような問題は生じない。これらの点を考慮すると、絞り部４３は、カソードガス流路４２とアノードガス流路５２の交差位置以外の位置に設けられることが好ましい。
【００３６】
なお、図６（ａ）では、積層方向Ｚにおいて、カソードガス流路４２は、冷却媒体流路５４と重なる位置にあり、アノードガス流路５２からはずれた状態で配置されている。絞り部４３の外壁の高さＤｓは絞り部４３でない部分のカソードガス流路４２の外壁の高さＤｂよりも小さいので、冷却媒体の圧力損失を小さくすることができる。
【００３７】
図７は、同じ流量（相対流量３）のカソードガスが隣接する２本のカソードガス流路４２ｔ，４２ｐを流れる様子を説明する概略図である。図７では、カソードガス流路４２のストレート流路部ＳＴ（図２）の一部を示している。図示の便宜上、互いに隣接する２本のカソードガス流路４２の間の非流路部４６をハッチングしている。２本のカソードガス流路４２ｔ，４２ｐそれぞれには、２つの絞り部４３ｍ，４３ｎ（４３ｘ，４３ｙ）が設けられている。この４つの絞り部４３ｍ，４３ｎ，４３ｘ，４３ｙは、２本のカソードガス流路４２ｔ，４２ｐが並走する方向（直線方向）と垂直の方向において、互いに隣り合わない位置に配置されることが好ましい。この理由は後述する。
【００３８】
図７において、第１のカソードガス流路４２ｔの絞り部４３ｍ，４３ｎは、流路断面積を減少させるので、各絞り部４３ｍ，４３ｎの上流側におけるカソードガスの圧力が増大する。一方、第２のカソードガス流路４２ｐにおいて、各絞り部４３ｍ，４３ｎと隣り合う位置Ｍ，Ｎには絞り部が設けられていないため、位置Ｍ，Ｎの上流側におけるカソードガスの圧力は、各絞り部４３ｍ，４３ｎの上流側におけるカソードガスの圧力よりも小さく、差圧が生じる。同様に、第１のカソードガス流路４２ｔにおいて、第２のカソードガス流路４２ｐの各絞り部４３ｘ，４３ｙと隣り合う位置Ａ，Ｂの上流側においても差圧が生じる。すなわち、各絞り部４３ｍ，４３ｎ，４３ｘ，４３ｙの上流側のカソードガス流路は、隣接するカソードガス流路と圧力の差が生じる。この結果、カソードガスはより高圧側のカソードガス流路から非流路部４６に接するガス拡散層２０（図３）を通って、より低圧側のカソードガス流路に移動し得る。
【００３９】
図７に示すように、総相対流量が６のカソードガスが２本のカソードガス流路４２ｔ，４２ｐに流れる際、差圧のある流路において相対流量が１のカソードガスが移動すると仮定する。なお、カソードガスがカソードガス流路に流れ込むにつれて発電領域において反応して流量が減少するが、説明の便宜上、図７では反応による流量の減少を考慮していない。カソードガス流路４２ｔ，４２ｐの入口にそれぞれ相対流量が３のカソードガスが流れ込むと、絞り部４３ｍの上流側で差圧が生じることによって、第１のカソードガス流路４２ｔに流れ込む相対流量が３のカソードガスのうち、相対流量が１のカソードガスが第２のカソードガス流路４２ｐに移動する。こうすると、カソードガス流路４２ｐの位置Ｍを流れるカソードガスの相対流量が４になる。この相対流量が４のカソードガスが絞り部４３ｘの上流側に到達すると、差圧によってそのうち相対流量が１のカソードガスが再び第１のカソードガス流路４２ｔに移動する。このように、隣り合わない絞り部４３ｍ，４３ｘそれぞれの上流側において、カソードガス流路間のカソードガスの移動が発生する。同様に、隣り合わない絞り部４３ｎ，４３ｙそれぞれの上流側においても、カソードガス流路間のカソードガスの移動が発生する。このように、絞り部４３ｍ，４３ｎ，４３ｘ，４３ｙを２本のカソードガス流路４２ｔ，４２ｐが並走する方向と垂直の方向において互いに隣り合わない位置に配置することによって、２本のカソードガス流路４２ｔ，４２ｐの間にカソードガスの移動が発生する。こうすれば、カソードガスが移動する度に、非流路部４６に接するガス拡散層２０（図３）にカソードガスがより多く拡散するので、カソードガスの利用効率を高めることができる。また、非流路部４６の下方においてもカソードガスが十分に拡散するので、カソードガス流路４２ｔ，４２ｐと非流路部４６における発電の不均一を低減できる。
【００４０】
なお、非流路部４６に接するガス拡散層２０により多くのカソードガスを拡散させる効果は、複数本のカソードガス流路４２のうちの１本のカソードガス流路に１つの絞り部４３を設けた場合にも得ることができる。但し、図７の例のように、隣接するカソードガス流路４２ｔ，４２ｐのそれぞれに１つ以上の絞り部４３を設けることが好ましい。また、各カソードガス流路４２ｔ，４２ｐに同じ数の絞り部４３を設けることが更に好ましい。特に好ましい形態は、個々のカソードガス流路４２ｔ，４２ｐに複数の絞り部４３が同一のピッチＰｔでそれぞれ設けられており、隣接するカソードガス流路４２ｔ，４２ｐにおける絞り部４３が互いにピッチＰｔの１／２ずつずれた位置に配置されている形態である。これらの好ましい形態では、上述した理由により、カソードガスの利用効率を更に高めることが可能である。
【００４１】
なお、図７では、カソードガス流路４２のストレート流路部ＳＴにおける絞り部４３の位置関係を説明したが、複数のカソードガス流路４２は蛇行又は屈曲しながら並走する曲がり流路の形状を有するものとしてもよい。この場合においても、隣接するカソードガス流路４２それぞれに設けられる絞り部４３は、並走の方向と垂直な方向において互いに隣り合わない位置に設けられる。この場合の並走の方向は、流路の中心を通る中心線の切線の方向である。
【００４２】
以上説明したように第１実施形態では、カソードガス流路４２の絞り部４３がカソードガス流路４２とアノードガス流路５２とが交差している交差位置Ｃ以外の位置に設けられているので、交差位置Ｃに絞り部４３を設置することにより２つのセパレータ４０，５０の間の支持部Ｓｐ（接触部）が少なくなって圧縮力が他の部分に過度に集中してしまうことを防止できる。
【００４３】
・第２実施形態：
図８は、第２実施形態におけるＭＥＧＡ２１側から見たカソード側セパレータ４０ａの概略平面図である。図２に示す第１実施形態との違いは、絞り部４３ａの形状のみであり、他の構成は第１実施形態と同様である。
【００４４】
図９は、第２実施形態におけるカソードガス流路４２の断面図である。図９（ａ）は、図８に示す絞り部４３ａの９ａ−９ａ断面図であり、図９（ｂ）は、図８に示す絞り部４３ａでない部分のカソードガス流路４２の９ｂ−９ｂ断面図である。絞り部４３ａの流路断面積Ｓ４３ａは、絞り部４３ａでない部分のカソードガス流路４２の流路断面積Ｓ４２よりも小さい。絞り部４３ａの積層方向Ｚにおける流路の高さＨｓは、絞り部４３ａでない部分のカソードガス流路４２の積層方向Ｚにおける流路の高さＨｂよりも小さい。絞り部４３ａの積層方向Ｚにおける外壁の高さＤｓは、絞り部４３ａでない部分のカソードガス流路４２の積層方向Ｚにおける外壁の高さＤｂよりも小さい。また、絞り部４３ａの鉛直方向Ｙにおける幅Ｌｓａは、絞り部４３ａでない部分のカソードガス流路４２の鉛直方向Ｙにおける幅Ｌｂと同じである。この第２実施形態の形状では、絞り部４３ａの両側にある非流路部４６ａの幅Ｌ４６ａが、図３（ａ）に示す第１実施形態の非流路部４６の幅Ｌ４６と比べて小さいので、非流路部４６ａと接するガス拡散層２０へのカソードガスの拡散距離が第１実施形態と比べて短くなり、カソードガスがより拡散し易い。この点を考慮すると、絞り部４３の形状としては、流路の幅を変えずに高さ（流路の深さ）を小さくした形状を採用することが好ましい。
【００４５】
・変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００４６】
・変形例１：
以上の実施形態では、絞り部４３はカソードガス流路４２のみに設けられているが、その代わりに、アノードガス流路５２に絞り部４３を設けてもよい。あるいは、カソードガス流路４２とアノードガス流路５２の両方に絞り部４３を設けてもよい。但し、これらの場合にも、すべての絞り部４３が、積層方向Ｚに投影して見たときに、カソードガス流路４２とアノードガス流路５２の交差位置以外の位置に設けられていることが好ましい。また、以上の実施形態では、絞り部４３はストレート流路部ＳＴの入口と出口以外の位置に配置されているが、絞り部４３を他の位置に設けても良い。例えば、絞り部４３をストレート流路部ＳＴの隣り合う２本のガス流路の入口と出口に交互に設けるようにしてもよい。
【００４７】
・変形例２：
以上の実施形態では、複数本のアノードガス流路５２は互いに間隔を維持した状態で蛇行又は屈曲する曲がり流路部ＷＡを有し、複数本のカソードガス流路４２はセパレータの長手方向に沿って平行に直線状に延びるストレート流路部ＳＴを有するものと説明したが、本発明は、一般に、複数本のカソードガス流路と複数本のアノードガス流路が互いに異なる２次元形状を有するものに適用可能である。例えば、複数本のアノードガス流路がストレート流路部を有し、複数本のカソードガス流路が曲がり流路部を有してもよい。また、別の例では、複数本のカソードガス流路と複数本のアノードガス流路がそれぞれストレート流路部を有し、それぞれのストレート流路部の進行方向が互いに交わる形状に形成されるものとしてもよい。更に別の例では、複数本のカソードガス流路と複数本のアノードガス流路がそれぞれ曲がり流路部を有し、単セルの積層方向に投影してみたときに、カソードガス流路とアノードガス流路が交差する交差位置が存在するような２次元形状をそれぞれ有するものとしてもよい。
【００４８】
本発明は、上述の実施形態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、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００４９】
１０…燃料電池システム
２０…ガス拡散層
２１…膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）
３０…膜電極接合体
３１…アノード電極触媒層
３２…カソード電極触媒層
４０，４０ａ…カソード側セパレータ
４２，４２ｐ，４２ｔ…カソードガス流路
４３，４３ａ…絞り部
４３ｍ，４３ｎ，４３ｘ，４３ｙ…絞り部
４６，４６ａ，５６…非流路部
５０…アノード側セパレータ
５２…アノードガス流路
５４…冷却媒体流路
６０…樹脂フレーム部材
６２…アノードガス入口マニホールド孔
６４…アノードガス出口マニホールド孔
７２…カソードガス入口マニホールド孔
７４…カソードガス出口マニホールド孔
８０…シール部材
８１…シール部材
８２…冷却媒体入口マニホールド孔
８４…冷却媒体出口マニホールド孔
１００…燃料電池スタック
１１０…エンドプレート
１２０…絶縁板
１３０…集電板
１４０…燃料電池単セル（単セル）
１５０…水素タンク
１５１…シャットバルブ
１５２…レギュレータ
１５３…配管
１５４…排出配管
１６０…エアポンプ
１６１…配管
１６３…排出配管
１７０…ラジエータ
１７１…ウォーターポンプ
１７２…配管
１７３…配管
２００…カソードガス流路面
２１０…冷却媒体流路面
２２０…アノードガス流路面
Ｇ１…発電領域
Ｓ４２…流路断面積
Ｓ４３，Ｓ４３ａ…流路断面積
ＳＴ…ストレート流路部
Ｓｐ…支持部
ＷＡ…曲がり流路部
α…斜面
【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】
0006354797.tif 000007
【図７】
0006354797.tif 000008
【図８】
0006354797.tif 000009
【図９】
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