(57)【要約】【課題】ガス流路における反応ガスの流通効率および拡散効率の向上。【解決手段】第１エキスパンドメタル３０のメッシュ３００に対してメッシュの配列方向が９０度異なる第２エキスパンドメタル３１を第１エキスパンドメタル３０に積層してガス流路２８を形成する。反応ガスは、第１エキスパンドメタル３０の開口部３０３、第２エキスパンドメタル３１の開口部３１３を面方向に良好に流れながら、第１エキスパンドメタル３０のボンド部３０２や第２エキスパンドメタル３１のストランド部３１１に衝突し、法線方向に向かって流れ、ＭＥＧＡ２５に拡散される。隣接するエキスパンドメタルのメッシュが９０度異なるため、ガス流路２８において、メッシュ同士が一致するように重なることによる隔壁の形成を抑制できるため、ガス流通効率を向上でき、燃料電池の発電効率を向上できる。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
セパレータと、
電解質膜の両面に触媒電極層が形成されている膜電極接合体と、
前記膜電極接合体と前記セパレータとの間に配置され、ガス流路を形成する同一形状の第１のガス流路形成孔が第１の方向に、複数列にわたり規則的に配列されている第１の金属プレートと、
前記膜電極接合体と前記第１の金属プレートとの間に配置され、前記第１のガス流路形成孔と同一形状の第２のガス流路形成孔が前記第１の方向とは異なる第２の方向に、複数列にわたり規則的に配列されている第２の金属プレートとを備える、燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記第１のガス流路形成孔および第２のガス流路形成孔は、長径及び短径を有しており、
前記第１のガス流路形成孔の長径は、前記第１の方向に並行であり、
前記第２のガス流路形成孔の長径は、前記第２の方向に並行である、燃料電池。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池であって、
前記第１のガス流路形成孔および前記第２のガス流路形成孔の形状は、菱形である、燃料電池。
【請求項４】
前記第２の方向は、前記第１の方向に対して、９０度異なる、請求項２または請求項３記載の燃料電池。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４いずれか記載の燃料電池であって、更に、
前記第２の金属プレートと前記膜電極接合体との間に配置され、前記第２のガス流路形成孔と同一形状の第３のガス流路形成孔が前記第２の方向とは異なる第３の方向に、複数列にわたり規則的に配列されている第３の金属プレートを備える、燃料電池。
【請求項６】
請求項１ないし請求項４いずれか記載の燃料電池であって、更に、
前記第２の金属プレートと前記膜電極接合体との間に配置され、前記第２のガス流路形成孔が縮小された形状の第４のガス流路形成孔が前記第２の方向とは異なる第４の方向に規則的に配列されている第４の金属プレートを備える、燃料電池。
【請求項７】
請求項１ないし請求項４いずれか記載の燃料電池であって、更に、
前記膜電極接合体と前記第２の金属プレートとの間に配置され、導電性多孔質部材によって形成されるガス拡散層を備える、燃料電池。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７いずれか記載の燃料電池であって、更に、
前記セパレータは、導電性を有する３つの導電プレートを積層して形成される三層積層型のセパレータである、燃料電池。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８いずれか記載の燃料電池であって、
前記各金属プレートは、エキスパンドメタルである、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関するものであり、特に、燃料ガスの流路の構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素ガスと酸素との電気化学反応によって発電を行う燃料電池がエネルギ源として注目されている。燃料電池は、固体高分子の電解質膜に電極触媒層が形成されている膜電極接合体と、セパレータと、膜電極接合体とセパレータとの間に配置されるガス流路とが一体に構成されているスタックを複数積層した構造を有する。ガス流路は、燃料電池の発電に利用される反応ガス、例えば水素ガスや空気を膜電極接合体に送り込む。
【０００３】
ガス流路は、例えば、金属プレートに同一形状の貫通孔が規則的に形成されているエキスパンドメタルを複数積層して構成される。エキスパンドメタルの貫通孔を形成する各辺はストランド部と呼ばれ、ストランド部が交差する部分はボンド部と呼ばれる。ガス流路は、積層されたエキスパンドメタルの貫通孔から貫通孔へ面方向に反応ガスを流通する。ガス流路内を流通する反応ガスは、エキスパンドメタルのストランド部やボンド部に衝突して電極触媒層へ拡散される。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−５１１０６７号公報
【特許文献２】特開平８−１３８７０１号公報
【特許文献３】特開平１１−１６２４８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、同一形状を有する貫通孔が形成されているエキスパンドメタルを複数積層する場合、各エキスパンドメタルの貫通孔同士が一致するように重なってしまうと、重なった貫通孔のストランド部、ボンド部で隔壁が作られ、反応ガスの面方向の流れが阻害されるおそれがある。各エキスパンドメタルの貫通孔同士が重ならないように、エキスパンドメタルの貫通孔を縦方向、横方向にずらして積層したとしても、エキスパンドメタルの各貫通孔の形状には製造誤差によるばらつきがあるため、積層されたエキスパンドメタルの貫通孔が一致するように重なってしまい、隔壁が形成され反応ガスの流通が阻害されるおそれがある。
【０００６】
上述した課題は、エキスパンドメタルを積層して構成されるガス流路においてのみ発生する問題ではなく、同一形状の貫通孔が規則的に配列された部材を積層して構成されるガス流路に共通する課題である。
【０００７】
本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、貫通孔が規則的に配列された部材を積層して構成されるガス流路における反応ガスの流通効率および拡散効率の向上を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題の少なくとも一部を解決するために、本発明では、ガス流路を形成する貫通孔を備える複数の金属プレートを積層してなるガス流路を有する燃料電池を提供する。本発明の燃料電池は、セパレータと、電解質膜の両面に触媒電極層が形成されている膜電極接合体と、膜電極接合体と前記セパレータとの間に配置され、ガス流路を形成する同一形状の第１のガス流路形成孔が第１の方向に、複数列にわたり規則的に配列されている第１の金属プレートと、膜電極接合体と第１の金属プレートとの間に配置され、第１のガス流路形成孔同一形状の第２のガス流路形成孔が前記第１の方向とは異なる第２の方向に、複数列にわたり規則的に配列されている第２の金属プレートとを備えることを要旨とする。
【０００９】
本発明の燃料電池によれば、隣接する第１の金属プレートおよび第２の金属プレートのガス流路形成孔の向きが異なるため、各金属プレートのガス流路形成孔同士が一致するように重なることを抑制できる。従って、金属プレートの面方向への反応ガスの流通効率を向上できるとともに、膜電極接合体への反応ガスの拡散効率を向上できる。
【００１０】
本発明の燃料電池において、第１のガス流路形成孔および第２のガス流路形成孔は、長径及び短径を有しており、第１のガス流路形成孔の長径は第１の方向に並行であり、第２のガス流路形成孔の長径は第２の方向に並行であるいてもよい。本発明の燃料電池によれば、第１のガス流路形成孔および第２のガス流路形成孔が長径および短径を有し、各ガス流路形成孔の長径の向きが異なるため隣接する金属プレートのガス流路形成孔同士が重なる確率を低減できる。
【００１１】
本発明の燃料電池において、第１のガス流路形成孔および第２のガス流路形成孔の形状は菱形であってもよい。本発明の燃料電池によれば、ガス流路形成孔を簡易に形成できる。
【００１２】
本発明の燃料電池において、第２の方向は、第１の方向に対して９０度異なっていてもよい。本発明の燃料電池によれば、隣接する金属プレートのガス流路形成孔の向きが９０度異なるため、隣接する金属プレートの貫通孔同士が重なることによる隔壁の形成を、高い確率で抑制できる。
【００１３】
本発明の燃料電池において、更に、第２の金属プレートと膜電極接合体との間に配置され、第２のガス流路形成孔と同一形状の第３のガス流路形成孔が第２の方向とは異なる第３の方向に、複数列にわたり規則的に配列されている第３の金属プレートを備えていてもよい。
【００１４】
本発明の燃料電池よれば、膜電極接合体とセパレータとの間に配置する金属プレートを増加することにより、反応ガスの拡散効率を向上できる。
【００１５】
本発明の燃料電池において、更に、第２の金属プレートと膜電極接合体との間に配置され、第２のガス流路形成孔が縮小された形状の第４のガス流路形成孔が第２の方向とは異なる第４の方向に規則的に配列されている第４の金属プレートを備えていてもよい。
【００１６】
本発明の燃料電池によれば、膜電極接合体に隣接して配置される第４ガス流路形成孔が小さいため、膜電極接合体へのガスの拡散効率を向上できる。
【００１７】
本発明の燃料電池であって、更に、膜電極接合体と第２の金属プレートとの間に配置され、導電性多孔質部材によって形成されるガス拡散層を備えていてもよい。
【００１８】
本発明の燃料電池によれば、膜電極接合体と第２の金属プレートとの間にガス拡散層を配置するため、膜電極接合体へのガス拡散効率を向上できる。
【００１９】
本発明の燃料電池において、セパレータは、導電性を有する３つの導電プレートを積層して形成される三層積層型のセパレータでもよい。本発明の燃料電池によれば、金属プレートによりガス流路が形成されるため、セパレータにガス流路を形成することなく、ガスの流通効率を向上できる。
【００２０】
本発明の燃料電池において、各金属プレートは、エキスパンドメタルでもよい。エキスパンドメタルは、軽量で強度があり、安価に製造できるため、本発明の燃料電池によれば、低コストで丈夫なガス流路を提供できる。
【００２１】
本発明において、上述した種々の態様は、適宜、組み合わせたり、一部を省略したりして適用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき、適宜図面を参照しながら説明する。
【００２３】
Ａ．実施例：
Ａ１．燃料電池概略構成：
本発明の燃料電池１０００の概略構成を、図１および図２を用いて以下に説明する。図１は、第１実施例における燃料電池１０００の概略構成を示す説明図である。図２は、第２実施例における燃料電池セル１０を図１のＡ−Ａ断面で切断した断面図である。本実施例の燃料電池１０００は、水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸化ガスとの供給を受け、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する固体高分子型の燃料電池である。
【００２４】
図１に示すように、燃料電池１０００は、燃料電池セル１０が複数積層され、その両端からエンドプレート８５，８６により狭持されている。エンドプレート８５には、アノードガスを供給する貫通孔８５ａ、カソードガスを供給する貫通孔８５ｂ、アノードオフガスを排出する貫通孔８５ｃ、カソードオフガスを排出する貫通孔８５ｄ、冷却水を供給する貫通孔８５ｅ、冷却水を排出する貫通孔８５ｆが形成されている。アノードガスは、図示しない燃料ガスタンクから貫通孔８５ａを介して燃料電池１０００内部に供給される。カソードガスは、図示しないコンプレッサで圧縮され貫通孔８５ｂを介して燃料電池１０００内部に供給される。冷却水は、図示しないラジエータで冷却され貫通孔８５ｅを介して燃料電池１０００に供給される。
【００２５】
図２に示すように、燃料電池セル１０は、ＭＥＡ２４（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）、ガス拡散層２３ａ、２３ｂ、ガス流路２８、２９、シールガスケット２６、およびセパレータ４０を備える。ガス拡散層２３ａ、２３ｂはＭＥＡ２４の両面に配置されている。ＭＥＡ２４、ガス拡散層２３ａおよびガス拡散層２３ｂから構成される部材をＭＥＧＡ２５と呼ぶ。ガス流路２８、２９は、ＭＥＧＡ２５とセパレータとの間に配置されている。ＭＥＧＡ２５およびガス流路２８、２９は、外周をシールガスケット２６で囲われるように、シールガスケット２６と一体に形成されている。セパレータは、一体に形成されているＭＥＧＡ２５、ガス流路２８、２９およびシールガスケット２６の両側に配置されている。
【００２６】
ＭＥＡ２４は、電解質膜２１の表面上に、カソード電極触媒層２２ａ，アノード電極触媒層２２ｂを備える。電解質膜２１は、プロトン伝導性を備え、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す固体高分子材料の薄膜であり、セパレータ４０の外形よりも小さくガス流路の外形よりも大きい長方形に形成されている。電解質膜２１は、例えば、ナフィオンである。電解質膜２１の表面上に形成されたカソード電極触媒層２２ａ，アノード電極触媒層２２ｂは、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金が担持されている。
【００２７】
ガス拡散層２３ａ，２３ｂは、気孔率が約２０％程度のカーボン製の多孔体であり、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパによって形成されている。ガス拡散層２３ａ，２３ｂは、接合によりＭＥＡ２４と一体化されてＭＥＧＡ２５となる。なお、ガス拡散層２３ａはＭＥＡ２４のカソード側に、ガス拡散層２３ｂはアノード側に、それぞれ配置される。ガス拡散層２３ａは、カソードガスをその厚み方向に拡散して、カソード電極触媒層２２ａの全面に供給する。ガス拡散層２３ｂは、アノードガスをその厚み方向に拡散して、アノード電極触媒層２２ｂの全面に供給する。ガス拡散層２３ａ，２３ｂは、厚み方向へのガスの拡散を主目的とするため、比較的小さい気孔率を有する。
【００２８】
ガス流路２８、２９は、それぞれ２枚のエキスパンドメタルが積層されている。エキスパンドメタルは、同一形状の貫通孔が規則的に配列されている金属プレートである。各エキスパンドメタルは、導電性のある金属、例えば、ステンレス鋼やチタン，チタン合金により形成されている。各エキスパンドメタルは、ＭＥＧＡ２５より若干小さい略長方形外形に形成されている。エキスパンドメタルの構造については後述する。積層された２枚のエキスパンドメタルは拡散接合、抵抗溶接等により接合される。接合されることにより、積層されたエキスパンドメタルの積層界面を少なくすることができ、電気化学反応により生成された生成水が積層界面に入りこむことを抑制できる。従って、エキスパンドメタルの腐食を抑制できる。
【００２９】
ガス流路２８は、ＭＥＧＡ２５のカソード側（ＭＥＡ２４のカソード側）とセパレータ４０との間に配置され、セパレータ４０を介して供給された酸化ガスを図１に示すように上方から下方へ導き、ＭＥＧＡ２５のカソード側に酸化ガスを供給する。
【００３０】
ガス流路２９は、ＭＥＧＡ２５のアノード側（ＭＥＡ２４のアノード側）とセパレータ４０との間に配置され、セパレータ４０を介して供給された燃料ガスを図１に示すように上方から下方へ導き、ＭＥＧＡ２５のアノード側に供給する。
【００３１】
ガス流路２８，２９を流れる反応ガスは、流れの過程でＭＥＧＡ２５に供給され、ＭＥＧＡ２５のガス拡散層２３ａ，２３ｂにより、カソード電極触媒層２２ａ，アノード電極触媒層２２ｂに拡散され、電気化学反応に供される。なお、この電気化学反応は発熱反応であり、燃料電池１０００を所定温度範囲で運転するため、燃料電池１０００内には冷却水が供給されている。
【００３２】
シールガスケット２６は、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴムなど、弾性を有するゴム製の絶縁性樹脂材料からなり、ＭＥＧＡ２５およびガス流路２８，２９の外周に射出成形することでＭＥＧＡ２５およびガス流路２８，２９と一体的に形成されている。シールガスケット２６の材料としては、例えば、フッ素ゴムが用いられている。
【００３３】
シールガスケット２６は、セパレータ４０と同様の大きさの略長方形に形成されている。図１に示すように、シールガスケット２６の４辺に沿って、孔２０ａ〜孔２０ｆが形成されている。シールガスケット２６に設けられたマニホールド用の孔２０ａ〜２０ｆと、セパレータ４０に設けられたマニホールド用の孔とを区別するため、本実施例では、シールガスケット２６の孔２０ａ〜２０ｆを連通孔２０ａ〜２０ｆと呼ぶ。シールガスケット２６の各連通孔２０ａ〜２０ｆは、燃料電池１０００内部の流体（燃料ガス，酸化ガス，冷却水）のマニホールドの一部を構成している。連通孔２０ａはアノードガスマニホールドの一部を構成しており、連通孔２０ｂはカソードガスマニホールドの一部を構成している。また、連通孔２０ｃはアノードオフガスマニホールドの一部を構成し、連通孔２０ｄはカソードオフガスマニホールドの一部を構成し、連通孔２０ｅは冷却水供給用マニホールドの一部を構成し、連通孔２０ｆは、冷却水排出用マニホールドの一部を構成する。
【００３４】
シールガスケット２６には、厚み方向に、各連通孔を囲む凸状の部位２６ａが形成されている。この凸状の部位２６ａは、セパレータ４０間に挟まれ、積層方向の締結力を受けて、積層方向に潰れて変形する。その結果、凸状の部位２６ａは、図２に示すように、マニホールド内からの流体（燃料ガス，酸化ガス，冷却水）の漏れを抑制するシールラインＳＬを形成する。
【００３５】
次に電気化学反応により生ずる電気を集電するセパレータ４０について説明する。セパレータ４０は、三つの金属の薄板を積層して形成される三層積層型のセパレータである。具体的には、酸化ガスの流路であるガス流路２８と接触するカソードプレート４１と、燃料ガスの流路であるガス流路２９と接触するアノードプレート４３と、両プレートの中間に挟まれ、主に冷却水の流路となる中間プレート４２とから構成されている。
【００３６】
三つのプレートは、その厚み方向に、流路用の凹凸形状のない平坦な表面を有し（つまり、ガス流路２８，２９との接触面が平坦であり）、ステンレス鋼やチタン，チタン合金など、導電性の金属材料から構成されている。
【００３７】
三つのプレートには、上述の各種マニホールドを構成する貫通孔が設けられている。具体的には、図１に示すように、略長方形形状のセパレータ４０の長辺に酸化ガス供給用の貫通孔４１ａ、酸化ガス排出用の貫通孔４１ｂが設けられている。また、セパレータ４０の短辺に、燃料ガス供給用の貫通孔４１ｃ、燃料ガス排出用の貫通孔４１ｄが設けられている。セパレータ４０の短辺には、また、冷却水供給用の貫通孔４１ｅおよび冷却水排出用の貫通孔４１ｆが、それぞれ設けられている。
【００３８】
カソードプレート４１には、こうしたマニホールド用の貫通孔に加え、ガス流路２８への酸化ガスの出入口となる孔部４５，４６が複数形成されている。同様に、アノードプレート４３には、マニホールド用の貫通孔に加え、ガス流路２９への燃料ガスの出入口となる孔部（図示なし）が複数形成されている。
【００３９】
中間プレート４２に設けられた複数のマニホールド用の貫通孔のうち、酸化ガスの流れるマニホールド用の貫通孔４２ａは、カソードプレート４１の孔部４５と連通するように形成されている。また、燃料ガスの流れるマニホールド用の貫通孔４２ｂは、アノードプレート４３の孔部（図示なし）と連通するように形成されている。
【００４０】
なお、中間プレート４２には、略長方形外形の長辺方向に沿って複数の切欠が形成され、その切欠の両端はそれぞれ、冷却水の流れるマニホールド用の貫通孔と連通している。
【００４１】
こうした平坦なプレートを積層して構成されたセパレータ４０を、エキスパンドメタルを積層して形成したガス流路２８、２９と併せて用いることで、セパレータ４０にエッチング等の複雑な製造方法による流路用の溝を形成する必要がない。
【００４２】
なお、本実施例では、以降、燃料ガス、酸化ガスをまとめて反応ガスと呼ぶ。
【００４３】
Ａ２．エキスパンドメタルについて：
ガス流路２８、２９を構成するエキスパンドメタルについて、図３〜図６を用いて説明する。第１エキスパンドメタル３０および３４は同一構造であるため、第１エキスパンドメタル３０を例に説明する。第２エキスパンドメタル３１および３３は同一構造であるため、第２エキスパンドメタル３１を例に説明する。また、ガス流路２８の構成、ガス流路２８における反応ガスの流れについて図７および図８を用いて説明する。図３は、本実施例における第１エキスパンドメタル３０を例示する斜視図である。図４は、本実施例における第２エキスパンドメタル３１を例示する斜視図である。図５は、本実施例におけるメッシュの長径の向きについて説明する模式図である。図６は、第１エキスパンドメタル３０のメッシュについて説明する説明図であり、図３の破線円Ｚの部分を拡大した部分拡大図である。図７は、本実施例におけるガス流路２８について説明する模式図である。図８は、本実施例におけるガスの流れを例示する模式図であり、図２の円Ｙ部分の拡大図である。
【００４４】
図３に示すように、第１エキスパンドメタル３０は、複数の菱形の貫通孔３００が、複数列にわたり規則的に配列されている金属プレートである。本実施例では、以降、貫通孔３００をメッシュ３００と呼ぶ。メッシュ３００は、長径・短径を有し、長径の向きが第１の方向に平行となるように形成されている。本実施例における第１の方向は、第１エキスパンドメタル３０の短辺と平行である。横寸ＬＷ１は、メッシュ３００の横方向の寸法を表し、縦寸ＳＷ１はメッシュ３００の縦方向の寸法を表す。図３に示すように、横寸ＬＷ１＝ｘ、縦寸ＳＷ１＝ｙ（ｘ＞ｙ）であり、メッシュ３００の形状は、長径がｘ、短径がｙである横長の菱形である。なお、メッシュ３００の長径と短径は垂直に交差している。第１エキスパンドメタル３０は、スキンパスロールによって圧延されたフラットタイプのエキスパンドメタルである。
【００４５】
続いて、第２エキスパンドメタル３１について説明する。第２エキスパンドメタル３１は、図４に示すように、同一形状の菱形の貫通孔３１０が、複数列にわたり規則的に配列されている金属プレートである。貫通孔３１０は、長径・短径を有し、長径の向きが第２の方向に平行となるように形成されている。本実施例における第２の方向は、第２エキスパンドメタル３１の長辺と平行な方向を指す。第２エキスパンドメタル３１は、第１エキスパンドメタル３０と同様にスキンパスロールによって圧延されたフラットタイプのエキスパンドメタルである。本実施例では、貫通孔３１０をメッシュ３１０と呼び、第２の方向を第２エキスパンドメタル３１のメッシュの配列方向と呼ぶ。メッシュ３１０は、横寸ＬＷ２＝ｙ、縦寸ＳＷ２＝ｘであり、メッシュ３１０の形状は、長径がｘ、短径がｙである縦長の菱形である。なお、メッシュ３１０の長径と短径とは垂直に交差している。
【００４６】
図５に示すように、第２エキスパンドメタル３１のメッシュ３１０の配列方向は、第１エキスパンドメタル３０メッシュ３００の配列方向に対して垂直、すなわち、９０度異なっている。
【００４７】
Ａ３．メッシュ構成：
本実施例のメッシュの構成について、第１エキスパンドメタル３０のメッシュ３００を例に、図６を用いて説明する。図６に示すように、第１エキスパンドメタル３０のメッシュ３００は、ストランド部３０１、ボンド部３０２、および、開口部３０３を備える。ストランド部３０１は、メッシュ３００の４辺に当たる部分を指し、ボンド部３０２は、ストランド部３０１が交差する部分を指す。開口部３０３はストランド部３０１およびボンド部３０２により形成される貫通部である。メッシュ３００は、既述のように、横寸ＬＷ１＝ｘ、縦寸ＳＷ１＝ｙ（ｘ＞ｙ）である。
【００４８】
すなわち、メッシュ３００とメッシュ３１０とは、同一形状であって、配列方向が９０度異なる貫通孔である。メッシュ３００とメッシュ３１０とは、配列方向が９０度異なるため、第１エキスパンドメタル３０と第２エキスパンドメタル３１を積層した際に、メッシュ３００のストランド部３０１とメッシュ３１０のストランド部３１１、および、メッシュ３００のボンド部３０２とメッシュ３１０のボンド部が、一致するように重なることを抑制できる。
【００４９】
なお、第１エキスパンドメタル３０および第２エキスパンドメタル３１の端は、切断された状態のままであり、外枠などは備えられていない。また、第１エキスパンドメタル３０および第２エキスパンドメタル３１の長径は０．１ｍｍ〜０．５ｍｍである。
【００５０】
Ａ４．ガス流路構成および発電性能について：
第１エキスパンドメタル３０と第２エキスパンドメタル３１とを積層してなるガス流路２８の構成について図７を用いて説明する。図７の模式図４００には、ガス流路２８の平面図と、この平面図のＢ−Ｂ断面で切断したガス流路２８の断面図とが対応付けられて表されている。メッシュ３００、メッシュ３１０のストランド部およびボンド部を模式図４００に斜線ハッチングで示す。また、模式図４００の平面図に、併せて、メッシュ３００とメッシュ３１０の配列方向を示す。
【００５１】
模式図４００の平面図に示すように、第１エキスパンドメタル３０と第２エキスパンドメタル３１が積層されたガス流路２８において、第２エキスパンドメタル３１のメッシュ３１０は、第１エキスパンドメタル３０のメッシュ３００に対して、配列方向が９０度異なる。
【００５２】
メッシュ３００の配列方向とメッシュ３１０の配列方向が９０度異なるため、模式図４００の断面図に示すように、第１エキスパンドメタル３０のストランド部３０１およびボンド部３０２と、第２エキスパンドメタル３１のストランド部３１１およびボンド部３１２との重なりを抑制できる。よって、ガス流路２８には、第１エキスパンドメタル３０の開口部３０３と第２エキスパンドメタル３１の開口部３１３が連通された反応ガスの通り道が形成される。
【００５３】
ガス流路２８における反応ガスの流れを図８に太線矢印でしめす。本実施例では、反応ガスは面方向（紙面の右から左）に流れ、法線方向（紙面の下から上）に拡散する。セパレータ４０から供給された反応ガスは、図８に示すように、第１エキスパンドメタル３０の開口部３０３、第２エキスパンドメタル３１の開口部３１３を面方向に流れながら、第１エキスパンドメタル３０のボンド部３０２や第２エキスパンドメタル３１のストランド部３１１に衝突し、法線方向に向かって流れ、ＭＥＧＡ２５に拡散される。ガス流路２８は、第１エキスパンドメタル３０のメッシュ３００と第２エキスパンドメタル３１のメッシュ３１０が一致して重なることによる隔壁の形成を抑制でき、反応ガスを面方向へ良好に流通できる。
【００５４】
本発明のガス流路２８に対して、同一形状・配列方向同一のメッシュを備えるエキスパンドメタルを縦横方向にずらして形成されるガス流路について以下に説明する。メッシュが一致するように重なるガス流路について、図９を用いて説明する。図９は、メッシュの形状・配列方向が同一のエキスパンドメタルを２枚積層して形成されるガス流路２７０を例示する模式図である。模式図４１０に、ガス流路２７０の平面図と、ガス流路２７０をＤ−Ｄ断面で切断した断面図を示す。ガス流路２７０を構成する第１エキスパンドメタル３０および第３エキスパンドメタル３５のストランド部およびボンド部を斜線ハッチングにて示す。また、模式図４１０のＤ−Ｄ断面図において、反応ガスの流れを太線矢印により示す。
【００５５】
ガス流路２７０は、第１エキスパンドメタル３０と第３エキスパンドメタル３５とが積層されている。第１エキスパンドメタル３０のメッシュ３００と第３エキスパンドメタル３５のメッシュ３５０とは、メッシュ３００の配列方向に長径の１／４程度ずれている。
【００５６】
エキスパンドメタルには、製造過程でメッシュの形状・寸法に多少の誤差がある。誤差が微少であっても、メッシュそのものの寸法が０．１ｍｍ〜０．５ｍｍと小さいため、図９に示すように、第１エキスパンドメタル３０のメッシュの一つであるメッシュ３００ａと、第３エキスパンドメタル３５のメッシュの一つであるメッシュ３５０ａとが一致するように重なってしまうことがある。メッシュ３００ａとメッシュ３５０ａとが一致するように重なると、図９のＤ−Ｄ断面図に示すように、メッシュ３００ａのボンド部３０２と、メッシュ３５０ａのボンド部３５２とが重なり、隔壁６００が形成される。
【００５７】
隔壁６００が形成されると、図９に太線矢印によって示すように、隔壁６００によって反応ガスの流通が阻害され、反応ガスの面方向への流通効率および反応ガスのＭＥＧＡへの拡散効率が低下する。
【００５８】
ガス流路２８を利用した燃料電池１０００と、ガス流路２７０を利用した燃料電池（以降、本実施例ではかかる燃料電池を燃料電池１０００ａと呼ぶ）との、発電性能について、図１０を用いて説明する。図１０は、本実施例における燃料電池１０００および燃料電池１０００ａの出力電圧と出力電流との関係を示す関係図である。関係図５００において、縦軸は出力電圧を表し、横軸は出力電流を表す。また、関係図５００において、実線で示すグラフ５１０は、本実施例におけるガス流路２８を利用した燃料電池１０００の出力電圧Ｖと出力電流Ｉの関係を示している。グラフ５２０は、上述したガス流路２７０を利用した燃料電池１０００ａの出力電圧と出力電流の関係を示す。
【００５９】
関係図５００に示すように、出力電流Ｉが高なるにつれ、燃料電池１０００ａの出力電圧は燃料電池１０００の出力電圧に比べて早く低下する。例えば、出力電流Ｉ１のとき、燃料電池１０００の出力電圧ＶはＶ１、燃料電池１０００ａの出力電圧ＶはＶ２であり、燃料電池１０００は燃料電池１０００ａに比べて高い出力電圧が得られる。この理由を以下に説明する。
【００６０】
エキスパンドメタルのメッシュの寸法にはばらつきがあるため、メッシュの形状・配列方向が同一のエキスパンドメタルを縦横方向にずらして積層したガス流路では、積層されたエキスパンドメタルのメッシュが一致するように重なり、各エキスパンドメタルのストランド部やボンド部によって隔壁が形成される可能性が高い。隔壁が形成されることにより、反応ガスの流通が阻害され、反応ガスの流通効率の低下、反応ガスの拡散効率の低下を招く。
【００６１】
これに対して、本発明のガス流路２８では、積層されているエキスパンドメタルのメッシュの配列方向が異なるため、ストランド部やボンド部の重なりを抑制でき、隔壁の形成を抑制できる。従って、ガス流路２８は、ガス流路２７０に比べて反応ガスを良好に流通できるとともに効率的にＭＥＧＡへ拡散できるため、濃度過電圧を減少できる。その結果、燃料電池１０００における発電効率を、燃料電池１０００ａに対して約１０％程度向上できる。
【００６２】
以上説明した第１実施例の燃料電池によれば、メッシュの配列方向の異なるエキスパンドメタルを積層することによりガス流路を形成しているため、隣接するエキスパンドメタルのストランド部やボンド部が重なることを抑制できる。従って、ストランド部やボンド部の重なりによる隔壁の形成を抑制でき、反応ガスの流通効率および拡散効率を向上できる。従って、燃料電池の発電効率を向上できる。
【００６３】
また、本発明の燃料電池によれば、エキスパンドメタルのメッシュは長径・短径を有し、隣接するエキスパンドメタルのメッシュの配列方向が９０度異なっているため、メッシュ同士が一致するように重なることによる隔壁の形成を、簡易に高い精度で抑制できる。
【００６４】
また、本発明の燃料電池によれば、エキスパンドメタルを利用してガス流路を構成するため、簡易にかつ安価に製造でき、品質を制御できるため好適である。
【００６５】
また、本発明の燃料電池によれば、ガス流路とＭＥＡとの間にガス拡散層を備えるため、ガス流路における反応ガスの流通効率を向上するとともに、ＭＥＡへの反応ガスの拡散効率を向上できる。
【００６６】
Ｂ．第２実施例：
上述した第１実施例では、エキスパンドメタルを２枚積層してガス流路を構成している。第２実施例では、エキスパンドメタルを３枚積層してガス流路を構成する。
【００６７】
Ｂ１．ガス流路構成：
第２実施例におけるガス流路について、図１１を用いて説明する。図１１は、第２実施例におけるガス流路の構成と反応ガスの流通について説明する断面模式図である。本実施例のガス流路２６０は、第１実施例のガス流路２８とＭＥＧＡ２５との間に第４エキスパンドメタル３２が配置されている。第４エキスパンドメタル３２は、第１エキスパンドメタル３０と同一のエキスパンドメタルである。すなわち、第４エキスパンドメタル３２のメッシュは、第２エキスパンドメタル３１のメッシュ３１０と配列方向が９０度異なる。３枚のエキスパンドメタルにより構成されるガス流路２６０では、隣接するエキスパンドメタルのメッシュの配列方向が異なるため、隣接するエキスパンドメタルのメッシュが一致するように重なることによる隔壁の形成を抑制できる。
【００６８】
反応ガスの流れを、図１２に実線矢印で波状に示す。セパレータ４０を介して供給される反応ガスは、図１２に示すように、積層された各エキスパンドメタルの開口部を通って面方向に向かって流れながら、各エキスパンドメタルのストランド部やボンド部に衝突し、法線方向に向かって流れ、ＭＥＧＡ２５に拡散される。
【００６９】
エキスパンドメタルの積層枚数を増加することにより、ガス拡散効率が向上するため、本実施例のガス流路２６０は、２枚のエキスパンドメタルを積層した第１実施例のガス流路２８より更にガス拡散効率を向上できる。一方、積層枚数の増加に伴い燃料電池１０００が大型化するため、燃料電池１０００の大型化を抑制しつつガス拡散効率を向上するには、ガス流路を構成するエキスパンドメタルの枚数は３枚が好ましい。
【００７０】
Ｃ．第３実施例
第３実施例では、エキスパンドメタルのメッシュの形状が、他のエキスパンドメタルのメッシュに対して小さいエキスパンドメタルをＭＥＧＡに隣接する位置に配置してガス流路を形成する。
【００７１】
Ｃ１．ガス流路構成：
第３実施例におけるガス流路２６１について、図１３を用いて説明する。図１３は、本実施例におけるガス流路の構成および反応ガスの流れを説明する模式断面図である。本実施例のガス流路２６１は、第１実施例のガス流路２８とＭＥＧＡ２５との間に第５エキスパンドメタル３２ａが配置されている。第５エキスパンドメタル３２ａのメッシュは、第１エキスパンドメタル３０のメッシュと配列方向が同じであり、第１エキスパンドメタル３０のメッシュを縮小した形状である。
【００７２】
反応ガスの流れを、図１３に実線矢印で波状に示す。セパレータ４０を介して供給される反応ガスは、図１３に示すように面方向に流れながら、各エキスパンドメタルのストランド部やボンド部に衝突し、法線方向に向かって流れ、ＭＥＧＡ２５に拡散される。第５エキスパンドメタル３２ａのメッシュは第１エキスパンドメタル３０、第２エキスパンドメタル３１に比べて小さく形成されているため、ＭＥＧＡ２５へのガスの拡散が促進される。
【００７３】
本実施例のガス流路２６１によれば、ＭＥＧＡ２５に隣接して配置される第５エキスパンドメタル３２ａのメッシュのサイズが積層される他のエキスパンドメタルのメッシュに比べて小さく、隣接するエキスパンドメタルのメッシュの配列方向が９０度異なるため、ガスの流通効率を向上するとともに、ＭＥＧＡへのガスの拡散効率を向上できる。
【００７４】
Ｄ．変形例：
（１）上述の第１〜第３実施例では、隣接するエキスパンドメタルのメッシュの配列方向を９０度異なるようにガス流路を形成しているが、例えば、図１２に示すように、隣接するエキスパンドメタルのメッシュの配列方向を４５度異なるようにガス流路を形成してもよい。
【００７５】
図１２は、変形例におけるガス流路２８０について説明する模式図である。図１２の模式図４５０には、ガス流路２８０の平面図と、この平面図のＥ−Ｅ断面で切断したガス流路２８０の断面図とが対応付けられて表されている。模式図４５０は、第１エキスパンドメタル３０と第６エキスパンドメタル３６とが積層され形成されている。第１エキスパンドメタル３０のメッシュ３００、第６エキスパンドメタル３６のメッシュ３６０のストランド部およびボンド部を模式図４５０に斜線ハッチングで示す。
【００７６】
模式図４５０の平面図に、併せて、メッシュ３００とメッシュ３６０の配列方向を示す。第１エキスパンドメタル３０と第６エキスパンドメタル３６が積層されたガス流路２８０において、第６エキスパンドメタル３６のメッシュ３６０は、第１エキスパンドメタル３０のメッシュ３００に対して、配列方向が４５度異なる。
【００７７】
メッシュ３００の配列方向とメッシュ３６０の配列方向が４５度異なるため、模式図４５０の断面図に示すように、第１エキスパンドメタル３０のボンド部３０２と、第６エキスパンドメタル３６のストランド部３６１との重なりが少ない。この結果、ガス流路２８０には、開口部３０３と開口部３６３が良好に連通されガスの通り道が形成される。
【００７８】
ガス流路２８０における反応ガスの流れを図１２に太曲線矢印でしめす。セパレータ４０から供給された反応ガスは、図１２に示すように、第１エキスパンドメタル３０の開口部３０３、第６エキスパンドメタル３６の開口部３６３を面方向に流れながら、第１エキスパンドメタル３０のボンド部３０２や第６エキスパンドメタル３６のストランド部３６１に衝突し、法線方向に向かって流れ、ＭＥＧＡ２５に拡散される。
【００７９】
本変形例のガス流路２８０は、第１エキスパンドメタル３０のメッシュ３００と第６エキスパンドメタル３６のメッシュ３６０との重なりによる隔壁６００の形成を抑制でき、第１実施例のガス流路２８と同様に反応ガスの面方向への流通効率を向上できるとともに、法線方向への反応ガスの拡散効率を向上できる。
【００８０】
本変形例ではメッシュ３６０の配列方向をメッシュ３００に対して４５度異なることとしたが、これに限らず、積層するエキスパンドメタルのメッシュの配列方向が少しでも異なっていれば、ガス拡散効率を向上できる。
【００８１】
（２）上述した第１実施例では、エキスパンドメタルはフラットタイプを利用しているが、例えば、圧延される前のスタンダードタイプのエキスパンドメタルを利用してもよい。
【００８２】
（３）また、上述の実施例では、エキスパンドメタルのメッシュの形状を菱形としているが、例えば、亀甲型としてもよい。
【００８３】
（４）上述した第１実施例では、エキスパンドメタルを利用してガス流路を形成しているが、例えば、金属プレートに複数の貫通孔が形成されているパンチングメタル等を利用してもよい。この場合、貫通孔の形状は、楕円や長方形など長径・短径があるものが好ましい。
【００８４】
（５）上述の第１実施例では、エキスパンドメタルの外形形状を長方形としたが、例えば、エキスパンドメタルの外形形状を正方形や円形等の長径・短径のないものとしてもよい。この場合には、同一形状・向き同一のエキスパンドメタルを複数準備し、エキスパンドメタル自体の向きを９０度ずつ変えて積層することにより、隣接するエキスパンドメタルのメッシュの配列方向が異なるガス流路を簡易に形成できる。
【００８５】
（６）上述の第１〜第３実施例では、複数のエキスパンドメタルを積層することによりガス流路を構成しているが、例えば、エキスパンドメタルに代えて、同一形状の貫通孔を有する金属プレートを積層してガス流路を形成してもよい。
【００８６】
（７）上述の第２実施例では、エキスパンドメタルを３枚積層する際、第１エキスパンドメタル３０と第４エキスパンドメタル３２を同一のエキスパンドメタルとしているが、同一のエキスパンドメタルでなくてもよい。第４エキスパンドメタル３２のメッシュの配列方向と第２エキスパンドメタル３１のメッシュの配列方向が異なっていればよい。例えば、第４エキスパンドメタル３２のメッシュの配列方向が、第２エキスパンドメタル３１のメッシュの配列方向と４５度異なっていてもよい。
【００８７】
以上、本発明の種々の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成をとることができることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】第１実施例における燃料電池の概略構成を示す説明図である。
【図２】第１実施例における燃料電池セルの断面図。
【図３】第１実施例におけるエキスパンドメタルを例示する斜視図。
【図４】第１実施例におけるエキスパンドメタルを例示する斜視図。
【図５】第１実施例におけるメッシュの配列方向について説明する模式図。
【図６】第１実施例におけるエキスパンドメタルのメッシュについて説明する説明図。
【図７】第１実施例におけるガス流路について説明する模式図。
【図８】第１実施例における反応ガスの流通について説明するする模式図。
【図９】第１実施例におけるガス流路の比較例のガス流路について説明するする模式図。
【図１０】第１実施例における燃料電池の出力電流と出力電圧との関係を示す関係図。
【図１１】第２実施例におけるガス流路の構成および反応ガスの流通について説明する断面模式図。
【図１２】第３実施例におけるガス流路の構成および反応ガスの流通について説明する断面模式図。
【図１３】変形例におけるガス流路の構成および反応ガスの流通について説明する断面模式図。
【符号の説明】
【００８９】
１０…燃料電池セル
２０ａ〜２０ｆ…連通孔
２１…電解質膜
２２ａ…カソード電極触媒層
２２ｂ…アノード電極触媒層
２３ａ，２３ｂ…ガス拡散層
２６…シールガスケット
２８，２９…ガス流路
３０…第１エキスパンドメタル
３１…第２エキスパンドメタル
３２…第４エキスパンドメタル
３２ａ…第５エキスパンドメタル
３５…第３エキスパンドメタル
３６…第６エキスパンドメタル
４０…セパレータ
４１…カソードプレート
４１ａ〜４１ｆ…貫通孔
４２…中間プレート
４２ａ、４２ｂ…貫通孔
４３…アノードプレート
４５…孔部
８５…エンドプレート
８５ａ、８５ｆ…貫通孔
２６０…ガス流路
２６１…ガス流路
２７０…ガス流路
２８０…ガス流路
３００…貫通孔
３００…メッシュ
３００ａ…メッシュ
３０１…ストランド部
３０２…ボンド部
３０３…開口部
３１０…貫通孔
３１０…メッシュ
３１１…ストランド部
３１２…ボンド部
３１３…開口部
３５０…メッシュ
３５０ａ…メッシュ
３５２…ボンド部
３６０…メッシュ
３６１…ストランド部
３６３…開口部
５１０…グラフ
５２０…グラフ
６００…隔壁
１０００…燃料電池
１０００ａ…燃料電池
【図１】
2007250297.tif 000003
【図２】
2007250297.tif 000004
【図３】
2007250297.tif 000005
【図４】
2007250297.tif 000006
【図５】
2007250297.tif 000007
【図６】
2007250297.tif 000008
【図７】
2007250297.tif 000009
【図８】
2007250297.tif 000010
【図９】
2007250297.tif 000011
【図１０】
2007250297.tif 000012
【図１１】
2007250297.tif 000013
【図１２】
2007250297.tif 000014
【図１３】
2007250297.tif 000015