(57)【要約】【課題】燃料電池セルの厚さを低減しつつ反応ガスの均一分配性を向上させる。【解決手段】燃料電池セルの第１および第２のセパレータは、膜電極接合体に対向する位置より外側に反応ガス流路を構成する開口を有し、第１のセパレータは、第１のセパレータ側用の反応ガス流路と第１のセパレータ側の多孔体流路層の端面に連通する第１の内部流路空間とを連通する第１の連通孔と、第２のセパレータ側用の反応ガス流路と第２のセパレータ側の多孔体流路層における反応ガス流れ方向上流側および下流側の少なくとも一方の外縁に沿って伸びる溝型内部流路空間に連通する第２の内部流路空間とを連通する第２の連通孔と、を有し、第１および第２のセパレータの少なくとも一方は、第１および第２のセパレータ間をシールするシール部と溝型内部流路空間との境界の位置に溝型内部流路空間に沿って伸びるリブを有する。【選択図】図４
2012003858.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
積層された複数の燃料電池セルと、
前記燃料電池セルの積層方向に略平行であり、各前記燃料電池セルにおいて使用される反応ガスを流通させる複数の反応ガス流路と、を備え、
各前記燃料電池セルは、
電解質膜と前記電解質膜の両面に配置された電極層とを含む膜電極接合体と、
多孔体により形成され、前記膜電極接合体を挟むように配置された一対の多孔体流路層と、
金属板を加工することにより形成され、前記一対の多孔体流路層を挟むように配置された第１および第２のセパレータと、を含み、
前記第１および第２のセパレータは、前記膜電極接合体および前記多孔体流路層に対向する位置より面方向外側の位置に、前記反応ガス流路を構成する開口を有し、
前記第１のセパレータは、前記第１のセパレータ側の前記電極層において使用される反応ガス用の前記反応ガス流路と前記第１のセパレータ側の前記多孔体流路層の端面に連通する第１の内部流路空間とを連通する第１の連通孔と、前記第２のセパレータ側の前記電極層において使用される反応ガス用の前記反応ガス流路と前記第２のセパレータ側の前記多孔体流路層における反応ガス流れ方向上流側および下流側の少なくとも一方の外縁に沿って伸びる溝型内部流路空間に連通する第２の内部流路空間とを連通する第２の連通孔と、を有し、
前記第１および第２のセパレータの少なくとも一方は、前記第１および第２のセパレータ間をシールするシール部と前記溝型内部流路空間との境界の位置に、前記溝型内部流路空間に沿って伸びるリブを有する、燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池であって、
前記第１のセパレータは、前記第１のセパレータ側の前記電極層において使用される反応ガス用の前記反応ガス流路を構成する前記開口が形成される位置の少なくとも一部の前記金属板が前記開口の前記膜電極接合体側の辺を折り曲げ線として前記膜電極接合体側に折り返されて形成された第１の折り返し部分と、前記第２のセパレータ側の前記電極層において使用される反応ガス用の前記反応ガス流路を構成する前記開口が形成される位置の少なくとも一部の前記金属板が前記開口の前記膜電極接合体側の辺を折り曲げ線として前記膜電極接合体側に折り返されて形成された第２の折り返し部分と、を有し、
前記第１の内部流路空間は、前記第１の折り返し部分と前記第１のセパレータとの間に形成され、
前記第２の内部流路空間は、前記第２の折り返し部分と前記第１のセパレータとの間に形成され、
前記第１の連通孔は、前記第１の折り返し部分に形成され、
前記第２の連通孔は、前記第２の折り返し部分に形成される、燃料電池。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池であって、
各前記燃料電池セルは、さらに、
前記第１のセパレータ側および前記第２のセパレータ側のそれぞれにおいて、前記電極層と前記多孔体流路層との間に配置された拡散層を含み、
前記第２のセパレータ側の前記多孔体流路層の長さは、少なくとも前記多孔体流路層における反応ガス流れ方向上流側および下流側の前記外縁の位置において、前記第２のセパレータ側の前記拡散層の長さより短く、
前記溝型内部流路空間は、前記第２のセパレータと前記第２のセパレータ側の前記拡散層との間に形成された空間である、燃料電池。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池であって、
前記第２のセパレータは、前記溝型内部流路空間に対向する部分に、前記膜電極接合体の方向に凸な複数の凸部を有する、燃料電池。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池であって、
前記複数の凸部の少なくとも一つは、前記第２のセパレータ側の前記多孔体流路層の外縁近辺に配置されている、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る。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般に、電解質膜の一方の面にアノードが設けられ他方の面にカソードが設けられた構成の膜電極接合体を含む発電モジュールとセパレータとが交互に積層されたスタック構造の形態で利用される。燃料電池は、膜電極接合体に供給された反応ガス（燃料ガスおよび酸化剤ガス）を利用して電気化学反応を引き起こすことにより、物質の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。
【０００３】
発電モジュールが膜電極接合体と多孔体により形成されたガス拡散プレートとを含むように構成された燃料電池において、ガス拡散プレートにおける反応ガスの流れ方向上流側および下流側の外縁に沿って伸びる空隙部を設けて、反応ガスの均一分配性を向上させる技術が知られている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１８６７８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来の燃料電池では、反応ガスは、マニホールドからセパレータ内部に設けられた流路空間に流入し、セパレータのガス拡散プレートに対向する面に設けられた供給口を通ってガス拡散プレートの上流側空隙部に供給され、上流側空隙部から下流側空隙部に向けてガス拡散プレート内を流動し、セパレータのガス拡散プレートに対向する面に設けられた排出口を通ってセパレータ内部に設けられた流路空間に排出され、当該流路空間を通ってマニホールドへと排出される。そのため、従来の燃料電池は、燃料電池セルの厚さが比較的厚くなってしまうという課題があった。
【０００６】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池において、燃料電池セルの厚さを低減しつつ反応ガスの均一分配性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題の少なくとも一部を解決するために、本発明は、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］燃料電池であって、
積層された複数の燃料電池セルと、
前記燃料電池セルの積層方向に略平行であり、各前記燃料電池セルにおいて使用される反応ガスを流通させる複数の反応ガス流路と、を備え、
各前記燃料電池セルは、
電解質膜と前記電解質膜の両面に配置された電極層とを含む膜電極接合体と、
多孔体により形成され、前記膜電極接合体を挟むように配置された一対の多孔体流路層と、
金属板を加工することにより形成され、前記一対の多孔体流路層を挟むように配置された第１および第２のセパレータと、を含み、
前記第１および第２のセパレータは、前記膜電極接合体および前記多孔体流路層に対向する位置より面方向外側の位置に、前記反応ガス流路を構成する開口を有し、
前記第１のセパレータは、前記第１のセパレータ側の前記電極層において使用される反応ガス用の前記反応ガス流路と前記第１のセパレータ側の前記多孔体流路層の端面に連通する第１の内部流路空間とを連通する第１の連通孔と、前記第２のセパレータ側の前記電極層において使用される反応ガス用の前記反応ガス流路と前記第２のセパレータ側の前記多孔体流路層における反応ガス流れ方向上流側および下流側の少なくとも一方の外縁に沿って伸びる溝型内部流路空間に連通する第２の内部流路空間とを連通する第２の連通孔と、を有し、
前記第１および第２のセパレータの少なくとも一方は、前記第１および第２のセパレータ間をシールするシール部と前記溝型内部流路空間との境界の位置に、前記溝型内部流路空間に沿って伸びるリブを有する、燃料電池。
【０００９】
この燃料電池では、第１のセパレータ側については、第１のセパレータに形成された第１の連通孔を介して、反応ガス流路と多孔体流路層の端面に連通する第１の内部流路空間とが連通し、第２のセパレータ側については、第１のセパレータに形成された第２の連通孔を介して、反応ガス流路と多孔体流路層の端面に連通する溝型内部流路空間に連通する第２の内部流路空間とが連通するため、従来の燃料電池と比較して燃料電池セルの厚さを低減することができる。また、この燃料電池では、第１および第２のセパレータ間をシールするシール部と溝型内部流路空間との境界の位置に溝型内部流路空間に沿って伸びるリブが形成されているため、シール材の溝型内部流路空間内への流入が阻止され、溝型内部流路空間がコモンレールとして機能して反応ガスの均一分配性が向上する。従って、この燃料電池では、燃料電池セルの厚さを低減しつつ反応ガスの均一分配性を向上させることができる。
【００１０】
［適用例２］適用例１に記載の燃料電池であって、
前記第１のセパレータは、前記第１のセパレータ側の前記電極層において使用される反応ガス用の前記反応ガス流路を構成する前記開口が形成される位置の少なくとも一部の前記金属板が前記開口の前記膜電極接合体側の辺を折り曲げ線として前記膜電極接合体側に折り返されて形成された第１の折り返し部分と、前記第２のセパレータ側の前記電極層において使用される反応ガス用の前記反応ガス流路を構成する前記開口が形成される位置の少なくとも一部の前記金属板が前記開口の前記膜電極接合体側の辺を折り曲げ線として前記膜電極接合体側に折り返されて形成された第２の折り返し部分と、を有し、
前記第１の内部流路空間は、前記第１の折り返し部分と前記第１のセパレータとの間に形成され、
前記第２の内部流路空間は、前記第２の折り返し部分と前記第１のセパレータとの間に形成され、
前記第１の連通孔は、前記第１の折り返し部分に形成され、
前記第２の連通孔は、前記第２の折り返し部分に形成される、燃料電池。
【００１１】
この燃料電池では、燃料電池セルの厚さを低減しつつ反応ガスの均一分配性を向上させることができる上に、部品点数の低減、加工工程の簡易化、コストの低減を図りつつ反応ガス導出入部におけるガス流路の確保とガスシール性の確保との両立を達成することができる。
【００１２】
［適用例３］適用例１または適用例２に記載の燃料電池であって、
各前記燃料電池セルは、さらに、
前記第１のセパレータ側および前記第２のセパレータ側のそれぞれにおいて、前記電極層と前記多孔体流路層との間に配置された拡散層を含み、
前記第２のセパレータ側の前記多孔体流路層の長さは、少なくとも前記多孔体流路層における反応ガス流れ方向上流側および下流側の前記外縁の位置において、前記第２のセパレータ側の前記拡散層の長さより短く、
前記溝型内部流路空間は、前記第２のセパレータと前記第２のセパレータ側の前記拡散層との間に形成された空間である、燃料電池。
【００１３】
この燃料電池では、第２のセパレータと第２のセパレータ側の拡散層との間に形成された空間を溝型内部流路空間として利用することができるため、燃料電池セルのサイズの増大を抑制しつつ、反応ガスの均一分配性を向上させることができる。
【００１４】
［適用例４］適用例３に記載の燃料電池であって、
前記第２のセパレータは、前記溝型内部流路空間に対向する部分に、前記膜電極接合体の方向に凸な複数の凸部を有する、燃料電池。
【００１５】
この燃料電池では、複数の凸部により第２のセパレータ側の拡散層を支持することができ、第２のセパレータと第２のセパレータ側の拡散層との間に溝型内部流路空間を確実に確保することができる。
【００１６】
［適用例５］適用例４に記載の燃料電池であって、
前記複数の凸部の少なくとも一つは、前記第２のセパレータ側の前記多孔体流路層の外縁近辺に配置されている、燃料電池。
【００１７】
この燃料電池では、第２のセパレータ側の多孔体流路層の外縁近辺に配置された凸部が多孔体流路層を配置する際の位置決め基準として機能するため、燃料電池セルの製造工程の容易化、精度の向上を図ることができる。
【００１８】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、燃料電池用セパレータ、燃料電池システム、これらの装置またはシステムの製造方法、等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施例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。
【図２】燃料電池１００の単セル１４０の平面構成を示す説明図である。
【図３】単セル１４０の平面構成をより詳細に示す説明図である。
【図４】単セル１４０の断面構成を示す説明図である。
【図５】単セル１４０の断面構成を示す説明図である。
【図６】カソード側セパレータ３２０の開口３２３付近の構成を示す斜視図である。
【図７】第１実施例における単セル１４０の製造工程を示すフローチャートである。
【図８】カソード側セパレータ３２０の成形工程を示すフローチャートである。
【図９】カソード側セパレータ３２０の成形工程における各段階でのカソード側セパレータ３２０の状態を示す説明図である。
【図１０】カソード側セパレータ３２０の成形工程におけるプレス成形の様子を示す説明図である。
【図１１】第２実施例における単セル１４０ａの断面構成を示す説明図である。
【図１２】第２実施例のアノード側セパレータ３１０ａにおけるアノード側多孔体流路層短縮部分に対向する領域の形状を概略的に示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．変形例：
【００２１】
Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の第１実施例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１００を備えている。燃料電池１００は、エンドプレート１１０と、絶縁板１２０と、集電板１３０と、複数の単セル（燃料電池セル）１４０と、集電板１３０と、絶縁板１２０と、エンドプレート１１０と、が、この順に積層されたスタック構造を有している。
【００２２】
燃料電池１００には、高圧水素を貯蔵した水素タンク５０から、シャットバルブ５１、レギュレータ５２、配管５３を介して、燃料ガスとしての水素が供給される。燃料電池１００において利用されなかった燃料ガス（アノードオフガス）は、排出配管６３を介して燃料電池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５３側に再循環させる再循環機構を有するとしてもよい。燃料電池１００には、また、エアポンプ６０および配管６１を介して、酸化剤ガスとしての空気が供給される。燃料電池１００において利用されなかった酸化剤ガス（カソードオフガス）は、排出配管５４を介して燃料電池１００の外部に排出される。なお、燃料ガスおよび酸化剤ガスは、反応ガスとも呼ばれる。
【００２３】
さらに、燃料電池１００には、燃料電池１００を冷却するため、ウォーターポンプ７１および配管７２を介して、ラジエータ７０により冷却された冷却媒体が供給される。燃料電池１００から排出された冷却媒体は、配管７３を介してラジエータ７０に循環する。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。
【００２４】
図２は、燃料電池１００の単セル１４０の平面構成を示す説明図である。図示するように、単セル１４０の平面形状は略長方形である。単セル１４０は、後述するように、電解質膜のそれぞれの面にアノード（アノード電極層）、カソード（カソード電極層）が配置された膜電極接合体（ＭＥＡ）を含む発電モジュール２００を、一対のセパレータによって挟持した構成となっている。
【００２５】
燃料電池１００の内部には、図２に示すように、燃料電池１００に供給された燃料ガスとしての水素を各単セル１４０に分配する燃料ガス供給マニホールド１６２と、燃料電池１００に供給された酸化剤ガスとしての空気を各単セル１４０に分配する酸化剤ガス供給マニホールド１５２と、各単セル１４０において利用されなかった燃料ガスを集めて燃料電池１００の外部に排出する燃料ガス排出マニホールド１６４と、各単セル１４０において利用されなかった酸化剤ガスを集めて燃料電池１００の外部に排出する酸化剤ガス排出マニホールド１５４と、が形成されている。上記各マニホールドは、燃料電池１００の単セル１４０の積層方向に略平行な方向（すなわち膜電極接合体の面方向に略垂直な方向）に伸びる形状の反応ガス流路である。燃料電池１００の内部には、さらに、冷却媒体を単セル１４０に分配する冷却媒体供給マニホールド１７２と、各単セル１４０から排出される冷却媒体を集めて燃料電池１００の外部に排出する冷却媒体排出マニホールド１７４と、が形成されている。
【００２６】
図２に示すように、単セル１４０の平面における各マニホールドの位置は、単セル１４０の周縁部となっている。具体的には、燃料ガス供給マニホールド１６２の位置は単セル１４０の平面における発電モジュール２００の一方の短辺（図２における右側の短辺）の一方の端部（同、上側の端部）に隣接した位置であり、燃料ガス排出マニホールド１６４の位置は発電モジュール２００の他方の短辺（同、左側の短辺）の他方の端部（同、下側の端部）に隣接した位置である。また、酸化剤ガス供給マニホールド１５２の位置は発電モジュール２００の一方の長辺（同、上側の長辺）の全体に隣接した位置であり、酸化剤ガス排出マニホールド１５４の位置は発電モジュール２００の他方の長辺（同、下側の長辺）の全体に隣接した位置である。また、冷却媒体供給マニホールド１７２の位置は発電モジュール２００の一方の短辺（同、左側の短辺）に隣接した位置であり、冷却媒体排出マニホールド１７４の位置は発電モジュール２００の他方の短辺（同、右側の短辺）に隣接した位置である。
【００２７】
なお、以下の説明では、燃料電池１００において単セル１４０を積層する方向を「積層方向」と呼ぶものとし、発電モジュール２００を構成する各層の主表面に平行な方向（すなわち積層方向と略垂直な方向）を「面方向」と呼ぶものとする。また、面方向の内、発電モジュール２００の短辺に平行な方向をＹ方向と呼び、発電モジュール２００の長辺に平行な方向（Ｙ方向に略垂直な方向）をＸ方向と呼ぶものとする。
【００２８】
図３は、単セル１４０の平面構成をより詳細に示す説明図である。図３（ａ）には、単セル１４０における燃料ガス供給マニホールド１６２付近の部分（図２のＸ１部）の平面構成を拡大して示しており、図３（ｂ）には、単セル１４０における酸化剤ガス供給マニホールド１５２付近の部分（図２のＸ２部）の平面構成を拡大して示している。また、図４および図５は、単セル１４０の断面構成を示す説明図である。図４（ａ）には図３（ｂ）のＣ１−Ｃ１断面を示しており、図４（ｂ）には図３（ｂ）のＤ１−Ｄ１断面を示しており、図５（ａ）には図３（ａ）のＡ１−Ａ１断面を示しており、図５（ｂ）には図３（ａ）のＢ１−Ｂ１断面を示している。
【００２９】
図４および図５に示すように、単セル１４０は、発電モジュール２００と、発電モジュール２００を挟持する一対のセパレータ（カソード側セパレータ３２０およびアノード側セパレータ３１０）と、を有している。発電モジュール２００は、カソード側多孔体流路層２３０と、カソード側拡散層２１７と、膜電極接合体２１０と、アノード側拡散層２１６と、アノード側多孔体流路層２２０と、が、この順に積層された構成を有している。膜電極接合体２１０は、電解質膜２１２と、電解質膜２１２の一方の側に配置（塗布）されたカソード（カソード電極層）２１５と、電解質膜２１２の他方の側に配置（塗布）されたアノード（アノード電極層）２１４と、から構成されている。図２および図３には、単セル１４０の平面における発電モジュール２００の概略位置をハッチングにより示している。
【００３０】
電解質膜２１２は、フッ素系樹脂材料あるいは炭化水素系樹脂材料で形成された固体高分子膜であり、湿潤状態において良好なプロトン導電性を有する。カソード２１５およびアノード２１４は、例えば、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金を含んでいる。カソード側拡散層２１７およびアノード側拡散層２１６は、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロス、あるいはカーボンペーパまたはカーボンフェルトによって形成されている。カソード側多孔体流路層２３０およびアノード側多孔体流路層２２０は、金属多孔体（例えばエキスパンドメタル）などのガス拡散性および導電性を有する多孔質の材料で形成されている。カソード側多孔体流路層２３０およびアノード側多孔体流路層２２０は、カソード側拡散層２１７およびアノード側拡散層２１６より空孔率が高いため、内部におけるガスの流動抵抗が低く、反応ガスが流動する流路として機能する。
【００３１】
図４に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド１５２に対向する位置において、電解質膜２１２とアノード側の各層（アノード２１４、アノード側拡散層２１６、アノード側多孔体流路層２２０）の面方向（Ｙ方向）に沿った長さは、発電モジュール２００を構成する他の層（カソード２１５、カソード側拡散層２１７、カソード側多孔体流路層２３０）の長さより長い。すなわち、燃料電池１００の積層方向から発電モジュール２００を見ると、電解質膜２１２およびアノード側の各層は他の層より突出している。電解質膜２１２の突出部分のカソード側表面には、耐久性やハンドリング性の向上のために、ＰＥＮ等による保護層が設けられているとしてもよい。
【００３２】
カソード側セパレータ３２０およびアノード側セパレータ３１０は、金属板を加工して形成される。カソード側セパレータ３２０には、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド１５２を構成する開口３２３が形成されていると共に、図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、燃料ガス供給マニホールド１６２を構成する開口３２１が形成されている。
【００３３】
図６は、カソード側セパレータ３２０の開口３２３付近の構成を示す斜視図である。図４および図６に示すように、カソード側セパレータ３２０の酸化剤ガス供給マニホールド１５２を構成するための開口３２３に隣接した位置には、折り返し部分３２５が形成されている。折り返し部分３２５は、後に詳述するように、カソード側セパレータ３２０の材料としての金属板における開口３２３が形成される位置の部分の少なくとも一部が、開口３２３の膜電極接合体２１０側の辺を折り曲げ線として、単セル１４０の積層方向に沿った内側方向（アノード側セパレータ３１０に向かう方向）で、かつ、Ｙ方向に沿った内側方向（膜電極接合体２１０に向かう方向）に折り返されることにより、形成される。
【００３４】
図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、折り返し部分３２５は、面方向に略垂直な（積層方向に略平行な）垂直部分と面方向に略平行な平行部分とにより構成されている。折り返し部分３２５の平行部分の積層方向に沿った位置は、電解質膜２１２の位置よりわずかにカソード側よりの位置である。折り返し部分３２５の平行部分と、積層方向に沿って折り返し部分３２５の平行部分に対向するカソード側セパレータ３２０の部分と、の間には、内部流路空間３６０が形成されている（図４（ｂ）参照）。また、折り返し部分３２５の垂直部分には、酸化剤ガス供給マニホールド１５２と内部流路空間３６０とを連通するための複数の連通孔３２６が形成されている。複数の連通孔３２６は、Ｘ方向に沿って互いに所定の間隔を空けて並んで配置されている（図６参照）。内部流路空間３６０は、本発明における第１の内部流路空間に相当する。また、酸化剤ガス側折り返し部分３２５は、本発明における第１の折り返し部分に相当し、酸化剤ガス側折り返し部分３２５に形成された連通孔３２６は、本発明における第１の連通孔に相当する。
【００３５】
積層方向に沿って折り返し部分３２５の平行部分に対向するカソード側セパレータ３２０の位置には、アノード側セパレータ３１０に向かう方向に凸な形状（すなわち内部流路空間３６０に突出する形状）の凸部３２４が複数形成されている。複数の凸部３２４は、Ｘ方向に沿った位置が連通孔３２６と重ならないように、Ｘ方向に沿って互いに所定間隔を空けて並んで配置されている（図３（ｂ）および図６参照）。各凸部３２４は、Ｙ方向に伸びる略長方形形状の平面を有している。各凸部３２４の面方向に略平行な部分の積層方向に沿った位置は、折り返し部分３２５の平行部分に隣接するような位置である（図４（ａ）参照）。
【００３６】
同様に、図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、カソード側セパレータ３２０における燃料ガス供給マニホールド１６２を構成するための開口３２１に隣接した位置には、折り返し部分３２２が形成されている。折り返し部分３２２は、カソード側セパレータ３２０の材料としての金属板における開口３２１が形成される位置の部分の少なくとも一部が、開口３２１の膜電極接合体２１０側の辺を折り曲げ線として、単セル１４０の積層方向に沿った内側方向で、かつ、Ｘ方向に沿った内側方向に折り返されることにより、形成される。折り返し部分３２２は、面方向に略垂直な垂直部分と面方向に略平行な平行部分とにより構成されている。折り返し部分３２２の平行部分の積層方向に沿った位置は、折り返し部分３２５と同様に、電解質膜２１２の位置よりわずかにカソード側よりの位置である。折り返し部分３２２の平行部分と、積層方向に沿って折り返し部分３２２の平行部分に対向するカソード側セパレータ３２０の部分と、の間には、内部流路空間３５０が形成されている（図５（ｂ）参照）。折り返し部分３２２の垂直部分には、燃料ガス供給マニホールド１６２と内部流路空間３５０とを連通するための複数の連通孔３２６が形成されている。複数の連通孔３２６は、Ｙ方向に沿って互いに所定の間隔を空けて並んで配置されている。内部流路空間３５０は、本発明における第２の内部流路空間に相当する。また、燃料ガス側折り返し部分３２２は、本発明における第２の折り返し部分に相当し、燃料ガス側折り返し部分３２２に形成された連通孔３２６は、本発明における第２の連通孔に相当する。
【００３７】
積層方向に沿って折り返し部分３２２の平行部分に対向するカソード側セパレータ３２０の位置には、アノード側セパレータ３１０に向かう方向に凸な形状（すなわち内部流路空間３５０に突出する形状）の凸部３２４が複数形成されている（図３（ａ）参照）。複数の凸部３２４は、Ｙ方向に沿った位置が連通孔３２６と重ならないように、Ｙ方向に沿って互いに所定間隔を空けて並んで配置されている。各凸部３２４は、Ｘ方向に伸びる略長方形形状の平面を有している。各凸部３２４の面方向に略平行な部分の積層方向に沿った位置は、折り返し部分３２２の平行部分に隣接するような位置である（図５（ａ）参照）。
【００３８】
なお、以下の説明では、カソード側セパレータ３２０における燃料ガス供給マニホールド１６２を構成するための開口３２１に隣接する折り返し部分３２２を、燃料ガス側折り返し部分３２２とも呼び、カソード側セパレータ３２０における酸化剤ガス供給マニホールド１５２を構成するための開口３２３に隣接する折り返し部分３２５を、酸化剤ガス側折り返し部分３２５とも呼ぶ。
【００３９】
図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、燃料ガス側折り返し部分３２２の平行部分の面方向（Ｘ方向）に沿った長さは、積層方向に沿って電解質膜２１２とは重ならないような長さとなっている。これに対して、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、酸化剤ガス側折り返し部分３２５の平行部分の面方向（Ｙ方向）に沿った長さは、積層方向に沿って電解質膜２１２と重なるような長さとなっている。図３（ａ）および図３（ｂ）には、単セル１４０の平面における燃料ガス側折り返し部分３２２の平行部分および酸化剤ガス側折り返し部分３２５の平行部分の位置を、ハッチングにより示している。
【００４０】
カソード側セパレータ３２０には、その他に、酸化剤ガス供給マニホールド１５２の近辺に、アノード側セパレータ３１０に向かう方向に凸な凸部３３６が形成されている（図４（ａ）参照）。凸部３３６は、酸化剤ガス側折り返し部分３２５が形成されている部分の内の凸部３２４に対向する位置に形成されている。凸部３３６のアノード側セパレータ３１０側の表面は、酸化剤ガス側折り返し部分３２５のカソード側セパレータ３２０側の表面に接触している。また、カソード側セパレータ３２０には、燃料ガス供給マニホールド１６２の近辺に、アノード側セパレータ３１０に向かう方向に凸な凸部３２７が形成されている（図５（ａ）および図５（ｂ）参照）。
【００４１】
また、図３ないし図５に示すように、カソード側セパレータ３２０には、開口３２１の燃料ガス側折り返し部分３２２が形成されている側以外の三方を囲む位置、および、開口３２３の酸化剤ガス側折り返し部分３２５が形成されている側以外の三方を囲む位置に、アノード側セパレータ３１０に向かう方向に凸な凸部３２９が形成されている。凸部３２９の面方向に略平行な部分の積層方向に沿った位置は、折り返し部分３２２および３２５の平行部分とほぼ同じ位置である。
【００４２】
また、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、カソード側セパレータ３２０のカソード側多孔体流路層２３０に対向する領域には、複数のディンプル３１９が形成されている。ディンプル３１９の積層方向に沿った最外側の位置は、カソード側セパレータ３２０の他の部分（凸部３２４や凸部３３６を除く部分）の位置と同一である。カソード側セパレータ３２０のカソード側多孔体流路層２３０に対向する領域の内、ディンプル３１９が形成されている部分以外の部分は、カソード側多孔体流路層２３０の表面に接している。
【００４３】
図４および図５に示すように、アノード側セパレータ３１０には、カソード側セパレータ３２０と同様に、燃料ガス供給マニホールド１６２を構成する開口３１１が形成されていると共に、酸化剤ガス供給マニホールド１５２を構成する開口３１３が形成されている。また、図５に示すように、アノード側セパレータ３１０において、カソード側セパレータ３２０の燃料ガス側折り返し部分３２２の平行部分に対向する位置および凸部３２９に対向する位置には、カソード側セパレータ３２０に向かう方向に凸な凸部３１２が形成されている。凸部３１２の面方向に略平行な部分の積層方向に沿った位置は、燃料ガス側折り返し部分３２２および凸部３２９の面方向に略平行な部分との間にシールのためのわずかな空間が確保されるような位置である。また、図４に示すように、アノード側セパレータ３１０において、カソード側セパレータ３２０の酸化剤ガス側折り返し部分３２５の平行部分の酸化剤ガス供給マニホールド１５２に近い部分に対向する位置および凸部３２９に対向する位置には、カソード側セパレータ３２０に向かう方向に凸な凸部３１５が形成されている。凸部３１５の面方向に略平行な部分の積層方向に沿った位置は、酸化剤ガス側折り返し部分３２５および凸部３２９の面方向に略平行な部分との間にシールのためのわずかな空間が確保されるような位置である。なお、図４に示すように、アノード側セパレータ３１０の酸化剤ガス側折り返し部分３２５に対向する位置に形成された凸部３１５の面方向最内側部分の位置は、電解質膜２１２およびアノード側の各層（アノード２１４、アノード側拡散層２１６、アノード側多孔体流路層２２０）の外縁（端面）から所定の長さＬ１だけ外側の位置となっている。
【００４４】
なお、アノード側セパレータ３１０には、カソード側セパレータ３２０のように、折り返し部分３２２および３２５は形成されていない。第１実施例におけるカソード側セパレータ３２０は、本発明における第１のセパレータに相当し、第１実施例におけるアノード側セパレータ３１０は、本発明における第２のセパレータに相当する。
【００４５】
図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、カソード側セパレータ３２０の燃料ガス側折り返し部分３２２の平行部分とアノード側セパレータ３１０の凸部３１２との間、および、カソード側セパレータ３２０の凸部３２９とアノード側セパレータ３１０の凸部３１２との間は、シール材４２０によりシールされている。また、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、カソード側セパレータ３２０の酸化剤ガス側折り返し部分３２５の平行部分とアノード側セパレータ３１０の凸部３１５との間、酸化剤ガス側折り返し部分３２５の平行部分と電解質膜２１２との間、および、カソード側セパレータ３２０の凸部３２９とアノード側セパレータ３１０の凸部３１５との間は、シール材４２０によりシールされている。各シール材は、シール箇所におけるシール機能と短絡防止機能とを発揮する。シール材としては、例えば、接着剤や熱可塑性樹脂が用いられる。各シール材４２０の積層方向に沿った位置は、略同一となっている。
【００４６】
図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、酸化剤ガス側折り返し部分３２５には、アノード側セパレータ３１０に向かう方向へ突出したリブ３７２が形成されている。リブ３７２は、電解質膜２１２およびアノード側の各層（アノード２１４、アノード側拡散層２１６、アノード側多孔体流路層２２０）の外縁（端面）に隣接する位置と、酸化剤ガス側折り返し部分３２５に対向する凸部３１５の面方向最内側部分に隣接する位置と、の２箇所に位置するように設けられており、各リブ３７２は発電モジュール２００の平面の長辺に平行な方向（Ｘ方向）に沿って伸びている。電解質膜２１２およびアノード側の各層の外縁に隣接する位置のリブ３７２の形状は、例えば、電解質膜２１２等の外縁に近接し積層方向に略平行な垂直板状部分と垂直板状部分の先端から当該外縁から離れる斜め方向に伸びる斜め板状部分とから構成される形状である。また、凸部３１５に隣接する位置のリブ３７２の形状は、例えば、凸部３１５に近接し積層方向に略平行な垂直板状部分と垂直板状部分の先端から凸部３１５から離れる斜め方向に伸びる斜め板状部分とから構成される形状である。これらのリブ３７２の存在により、例えば単セル１４０の製造の際に、酸化剤ガス側折り返し部分３２５の平行部分と凸部３１５との間に配置されたシール材４２０が面方向内側に向かって移動することが阻止されると共に、酸化剤ガス側折り返し部分３２５の平行部分と電解質膜２１２との間に配置されたシール材４２０が面方向外側に向かって移動することが阻止される。従って、電解質膜２１２およびアノード側の各層の外縁と酸化剤ガス側折り返し部分３２５に対向する凸部３１５の面方向最内側部分との間には、幅略Ｌ１で、発電モジュール２００の平面の長辺と平行な方向に伸びる溝型内部流路空間ＣＲが確保される。溝型内部流路空間ＣＲは、酸化剤ガス側折り返し部分３２５とアノード側セパレータ３１０とに挟まれた空間である（図５（ｂ）参照）。図２および図３には、単セル１４０の平面における溝型内部流路空間ＣＲの概略位置を破線で示している。
【００４７】
図３ないし図５には、単セル１４０における燃料ガス供給マニホールド１６２および酸化剤ガス供給マニホールド１５２付近の構成を示したが、燃料ガス排出マニホールド１６４および酸化剤ガス排出マニホールド１５４付近の構成も同様である。すなわち、単セル１４０における燃料ガス排出マニホールド１６４付近には、図５に示した燃料ガス供給マニホールド１６２付近と同様に、カソード側セパレータ３２０に燃料ガス排出マニホールド１６４を構成する開口３２１が形成されており、当該開口３２１の隣には金属板の一部が膜電極接合体２１０の方向に折り返された折り返し部分３２２が形成されている。折り返し部分３２２には、折り返し部分３２２とカソード側セパレータ３２０との間に形成された内部流路空間３５０と燃料ガス排出マニホールド１６４とを連通する連通孔３２６が形成されている。また、単セル１４０における酸化剤ガス排出マニホールド１５４付近には、図４に示した酸化剤ガス供給マニホールド１５２付近と同様に、カソード側セパレータ３２０に酸化剤ガス排出マニホールド１５４を構成する開口３２３が形成されており、当該開口３２３の隣には金属板の一部が膜電極接合体２１０の方向に折り返された折り返し部分３２５が形成されている。折り返し部分３２５には、折り返し部分３２５とカソード側セパレータ３２０との間に形成された内部流路空間３６０と酸化剤ガス排出マニホールド１５４とを連通する連通孔３２６が形成されている。また、酸化剤ガス排出マニホールド１５４に隣接して形成された折り返し部分３２５にも、酸化剤ガス側折り返し部分３２５の平行部分と凸部３１５との間に配置されたシール材４２０が面方向内側に向かって移動することを阻止すると共に、酸化剤ガス側折り返し部分３２５の平行部分と電解質膜２１２との間に配置されたシール材４２０が面方向外側に向かって移動することを阻止するためのリブ３７２が形成されている。従って、酸化剤ガス排出マニホールド１５４に隣接して形成された折り返し部分３２５付近にも、電解質膜２１２およびアノード側の各層の外縁と酸化剤ガス側折り返し部分３２５に対向する凸部３１５の面方向最内側部分との間に、幅略Ｌ１で、発電モジュール２００の平面の長辺と平行な方向に伸びる溝型内部流路空間ＣＲが確保される（図２参照）。
【００４８】
図４および図５に示すように、単セル１４０には、複数の単セル１４０を積層した際に、図２および図３に示す発電モジュール２００および各マニホールド用の開口を面方向に囲むシールラインＳＬを形成するために、ガスケット５００が配置されている。ガスケット５００は、射出成形により形成される。ガスケット５００は、凸部５０２を有している。ある単セル１４０に配置されたガスケット５００の凸部５０２は、複数の単セル１４０を積層した際に、隣接する他の単セル１４０のアノード側セパレータ３１０の凸部３１２および凸部３１５の表面に密着してシールラインＳＬを形成する。単セル１４０の平面におけるガスケット５００および凸部５０２の配置は、図２および図３に示すシールラインＳＬが形成されるような配置となっており、図４および図５に示す断面においては、凸部３２４および凸部３２９と重なる配置となっている。
【００４９】
また、複数の単セル１４０を積層した際に、ディンプル３１９の積層方向最外側の表面は、積層方向に沿って隣接する他の単セル１４０のアノード側セパレータ３１０の表面に接触する。これにより、２つの単セル１４０間（すなわち、カソード側セパレータ３２０と当該カソード側セパレータ３２０に膜電極接合体２１０を挟まずに隣接するアノード側セパレータ３１０との間）には、面方向に沿って連続した空間が形成される。この空間は、図２に示した冷却媒体供給マニホールド１７２および冷却媒体排出マニホールド１７４に連通しており、冷却媒体の流路として利用される。
【００５０】
図４（ａ）および図４（ｂ）において矢印で示すように、酸化剤ガス供給マニホールド１５２に供給された酸化剤ガスとしての空気は、燃料ガス側折り返し部分３２２に形成された連通孔３２６を介して内部流路空間３６０に導かれる。内部流路空間３６０は、発電モジュール２００のカソード側の各層（カソード２１５、カソード側拡散層２１７、カソード側多孔体流路層２３０）の端面に連通している。そのため、内部流路空間３６０に導かれた酸化剤ガスは、発電モジュール２００のカソード側端面に達し、最も内部流路抵抗の小さいカソード側多孔体流路層２３０内に進入する。その後、酸化剤ガスは、カソード側多孔体流路層２３０内を排出側に向かって流動しつつカソード側拡散層２１７およびカソード２１５に供給される。発電モジュール２００において利用されなかった酸化剤ガスは、カソード側多孔体流路層２３０から酸化剤ガス排出マニホールド１５４側に形成された内部流路空間３６０に排出され、酸化剤ガス排出マニホールド１５４側に形成された連通孔３２６を介して酸化剤ガス排出マニホールド１５４に排出される。
【００５１】
また、図５（ａ）および図５（ｂ）において矢印で示すように、燃料ガス供給マニホールド１６２に供給された燃料ガスとしての水素は、酸化剤ガス側折り返し部分３２５に形成された連通孔３２６を介して内部流路空間３５０に導かれる。ここで、内部流路空間３５０は、溝型内部流路空間ＣＲに連通している（図３（ａ）および図５（ｂ）参照）。また、溝型内部流路空間ＣＲは、発電モジュール２００のアノード側多孔体流路層２２０の端面に面している（図４参照）。そのため、内部流路空間３５０に導かれた燃料ガスは、溝型内部流路空間ＣＲ内に進入して溝型内部流路空間ＣＲ内を発電モジュール２００の平面の長辺と平行な方向（Ｘ方向）に沿って拡散しつつアノード側多孔体流路層２２０内に進入する。その後、燃料ガスは、アノード側多孔体流路層２２０内を排出側に向かって流動しつつアノード側拡散層２１６およびアノード２１４に供給される。発電モジュール２００において利用されなかった燃料ガスは、下流側の溝型内部流路空間ＣＲ内に排出され、溝型内部流路空間ＣＲを通って燃料ガス排出マニホールド１６４側に形成された内部流路空間３５０に導かれ、さらに燃料ガス排出マニホールド１６４に形成された連通孔３２６を介して燃料ガス排出マニホールド１６４に排出される。
【００５２】
図２には、単セル１４０の平面における上述した燃料ガスの流通経路を矢印で示している。図２からもわかるように、本実施例では、溝型内部流路空間ＣＲは、アノード側多孔体流路層２２０における燃料ガス流れ方向の上流側および下流側の外縁に沿って伸びるように形成されている。そのため、溝型内部流路空間ＣＲは、燃料ガスの均一分配性を向上させる、いわゆるコモンレールとして機能する。
【００５３】
図７は、第１実施例における単セル１４０の製造工程を示すフローチャートである。単セル１４０の製造工程のステップＳ１１０では、カソード側セパレータ３２０の成形が実行される。図８は、カソード側セパレータ３２０の成形工程を示すフローチャートである。また、図９は、カソード側セパレータ３２０の成形工程における各段階でのカソード側セパレータ３２０の状態を示す説明図である。図９には、成形工程の各段階におけるカソード側セパレータ３２０の酸化剤ガス供給マニホールド１５２を構成する開口３２３付近の部分の状態を示している。
【００５４】
カソード側セパレータ３２０の成形工程のステップＳ２１０では、カソード側セパレータ３２０の材料としての金属板にプレス成形加工が施される。このプレス成形加工では、凸部３２４が形成される。図１０（ａ）には、カソード側セパレータ３２０の材料としての金属板がプレス機Ｐでプレスされ、凸部３２４が形成された様子を示している。なお、金属板における凸部３２４が形成されない部分は、内部流路空間３６０（または内部流路空間３５０）となる。凸部３２４は、図９（ａ）に示すように、金属板における開口３２３（または開口３２１）が形成される位置より面方向内側（膜電極接合体２１０側）の位置に形成される。プレス成形加工では、また、図９（ａ）に示すように、開口３２３が形成される位置（すなわち、酸化剤ガス側折り返し部分３２５となる位置）に、リブ３７２が形成される。図１０（ｂ）には、カソード側セパレータ３２０の材料としての金属板が別のプレス機Ｐでプレスされ、リブ３７２が形成された様子を示している。なお、このプレス成型加工では、凸部３２４およびリブ３７２の他に、凸部３２７や凸部３２９、凸部３３６、ディンプル３１９等も形成される。
【００５５】
カソード側セパレータ３２０の成形工程のステップＳ２２０では、カソード側セパレータ３２０の材料としての金属板に孔空け加工が施され、連通孔３２６が形成される。連通孔３２６は、図９（ｂ）に示すように、開口３２３（または開口３２１）の折り曲げ線付近に並ぶように、かつ、凸部３２４と対向しないような位置に、形成される。
【００５６】
カソード側セパレータ３２０の成形工程のステップＳ２３０では、カソード側セパレータ３２０の材料としての金属板に折り曲げ加工が施され、酸化剤ガス側折り返し部分３２５および燃料ガス側折り返し部分３２２が形成される。折り曲げ加工では、図９（ｃ）に示すように、金属板に開口３２３（または開口３２１）が形成されると共に、開口３２３が形成される位置の部分の一部が面方向内側に向かって折り曲げられる。これにより、カソード側セパレータ３２０には、酸化剤ガス供給マニホールド１５２および酸化剤ガス排出マニホールド１５４を構成する開口３２３と燃料ガス供給マニホールド１６２および燃料ガス排出マニホールド１６４を構成する開口３２１とが形成されると共に、酸化剤ガス側折り返し部分３２５および燃料ガス側折り返し部分３２２が形成される。
【００５７】
単セル１４０の製造工程（図７）のステップＳ１２０では、アノード側セパレータ３１０の成形が実行される。アノード側セパレータ３１０の成形では、材料としての金属板にプレス成型加工が施され、開口３１１および開口３１３や、凸部３１２および凸部３１５が形成される。ステップＳ１３０では、カソード側セパレータ３２０にシール材４２０が配置される。シール材４２０は、上述した位置に配置される。ステップＳ１４０では、カソード側セパレータ３２０に発電モジュール２００を構成する各層が積層され、さらに、アノード側セパレータ３１０が積層される。ステップＳ１６０では、積層状態で熱圧着による接合が行われ、単セル１４０の製造が完了する。
【００５８】
以上説明したように、第１実施例の燃料電池１００では、カソード側セパレータ３２０に、各マニホールド（燃料ガス供給マニホールド１６２、燃料ガス排出マニホールド１６４、酸化剤ガス供給マニホールド１５２、酸化剤ガス排出マニホールド１５４）を構成する開口３２１および開口３２３が形成されており、アノード側セパレータ３１０にも、各マニホールドを構成する開口３１１および開口３１３が形成されている。また、単セル１４０内には、カソード側多孔体流路層２３０の端面に連通する内部流路空間３６０と、溝型内部流路空間ＣＲに連通する内部流路空間３５０と、が形成されており、カソード側セパレータ３２０には、酸化剤ガス供給マニホールド１５２および酸化剤ガス排出マニホールド１５４と内部流路空間３６０とを連通する連通孔３２６と、燃料ガス供給マニホールド１６２および燃料ガス排出マニホールド１６４と内部流路空間３５０とを連通する連通孔３２６と、が形成されている。そのため、第１実施例の燃料電池１００では、アノード側およびカソード側共に、カソード側セパレータ３２０の側に形成された流路空間を介して、反応ガスマニホールドと発電モジュール２００端面との間で反応ガスのやり取りが行われる。従って、第１実施例の燃料電池１００では、セパレータにおける多孔体流路層に対向する面に設けられた供給口および排出口を介してセパレータ内部に設けられた反応ガス流路空間と多孔体流路層との間での反応ガスのやり取りを行う従来の燃料電池と比較して、単セル１４０の厚さを低減することができる。
【００５９】
さらに、第１実施例の燃料電池１００では、カソード側セパレータ３２０の酸化剤ガス側折り返し部分３２５が、カソード側セパレータ３２０とアノード側セパレータ３１０との間をシールするシール材４２０と溝型内部流路空間ＣＲとの境界の位置に形成され溝型内部流路空間ＣＲに沿って伸びるリブ３７２を有している。そのため、カソード側セパレータ３２０とアノード側セパレータ３１０との間（酸化剤ガス側折り返し部分３２５と凸部３１５との間）に配置されたシール材４２０が面方向内側に向かって移動することが阻止され、アノード側多孔体流路層２２０における燃料ガス流れ方向の上流側および下流側の外縁に溝型内部流路空間ＣＲが確保される。そのため、第１実施例の燃料電池１００では、単セル１４０の内部に燃料ガスの均一分配性を向上させる、いわゆるコモンレールを形成することができる上、例えば単セル１４０の外部に同様の溝型内部流路空間を設ける場合と比較して単セル１４０の厚さを増大させることもない。従って、第１実施例の燃料電池１００では、単セル１４０の厚さを低減しつつ反応ガスの均一分配性を向上させることができる。
【００６０】
なお、第１実施例の燃料電池１００では、酸化剤ガス側折り返し部分３２５に、酸化剤ガス側折り返し部分３２５と電解質膜２１２との間をシールするシール材４２０と溝型内部流路空間ＣＲとの境界の位置にも溝型内部流路空間ＣＲに沿って伸びるリブ３７２が形成されているため、酸化剤ガス側折り返し部分３２５の平行部分と電解質膜２１２との間に配置されたシール材４２０が面方向外側に向かって移動することが阻止され、より確実に溝型内部流路空間ＣＲが確保される。また、第１実施例の燃料電池１００では、リブ３７２によってシール材４２０の移動が阻止されるため、シール材４２０の使用量を低減することができる。
【００６１】
また、第１実施例の燃料電池１００では、単セル１４０の内部にいわゆるコモンレールを形成するために単セル１４０の表面に段差が設けられることもないため、単セル１４０製造の際の熱圧着工程用の治具としてワーク側表面に必要最小限の凹凸のみを有する平坦性の高い形状の治具を使用することができ、結果として、製造される単セル１４０の精度を向上させることができる。
【００６２】
また、第１実施例の燃料電池１００では、カソード側セパレータ３２０に、カソード側セパレータ３２０の材料としての金属板における開口３２１が形成される位置の部分の少なくとも一部が開口３２１の膜電極接合体２１０側の辺を折り曲げ線として膜電極接合体２１０側に折り返されて形成された折り返し部分３２２と、金属板における開口３２３が形成される位置の部分の少なくとも一部が開口３２３の膜電極接合体２１０側の辺を折り曲げ線として膜電極接合体２１０側に折り返されて形成された折り返し部分３２５と、を有する。そして、内部流路空間３６０は、酸化剤ガス側折り返し部分３２５の平行部分とカソード側セパレータ３２０との間に形成され、酸化剤ガス供給マニホールド１５２および酸化剤ガス排出マニホールド１５４と内部流路空間３６０とを連通する連通孔３２６は、酸化剤ガス側折り返し部分３２５に形成される。また、内部流路空間３５０は、燃料ガス側折り返し部分３２２の平行部分とカソード側セパレータ３２０との間に形成され、燃料ガス供給マニホールド１６２および燃料ガス排出マニホールド１６４と内部流路空間３５０とを連通する連通孔３２６は、燃料ガス側折り返し部分３２２に形成される。そのため、第１実施例の燃料電池１００では、カソード側セパレータ３２０およびアノード側セパレータ３１０の両方に折り返し部分を形成する場合と比較して加工工程の煩雑化を抑制できると共に、反応ガス導出入部におけるガス流路の確保とガスシール性の確保との両立を達成することができる。また、第１実施例の燃料電池１００では、ガス流路を施した樹脂フレームや樹脂フィルム等の別部品を用いて反応ガス導出入部におけるガス流路の確保とガスシール性の確保との両立を実現する場合と比較して、部品点数の低減、加工工程の簡易化、コストの低減を図ることができる。
【００６３】
また、第１実施例の燃料電池１００では、反応ガス導出入部において反応ガスが発電モジュール２００の端面を介して導出入されるため、反応ガスを発電モジュール２００の積層面（面方向に平行な面）を介して導出入させることによりガス流路の確保とガスシール性の確保との両立を実現する場合と比較して、電極利用率を向上させることができると共に、ガス溜まりによる排水性能の低下を抑制することができる。さらに、第１実施例の燃料電池１００では、ガスケット５００のバックアップ機能を電極ではなく金属製のセパレータにもたせることができるため、ガスケット５００のバックアップ機能を電極にもたせる場合と比較して、電極の耐久性を向上させることができる。
【００６４】
Ｂ．第２実施例：
図１１は、第２実施例における単セル１４０ａの断面構成を示す説明図である。図１１（ａ）には図３（ｂ）のＣ１−Ｃ１断面を示しており、図１１（ｂ）には図３（ｂ）のＤ１−Ｄ１断面を示している。第２実施例の単セル１４０ａの構成は、溝型内部流路空間ＣＲ周辺の構成の点で、図４に示した第１実施例の単セル１４０の構成とは異なっており、その他の点は第１実施例の単セル１４０の構成と同様である。
【００６５】
図１１に示すように、第２実施例の単セル１４０ａでは、アノード側多孔体流路層２２０ａの長さが、他のアノード側の各層（アノード２１４、アノード側拡散層２１６）の長さよりも略長さＬ２だけ短くなっている。より詳細には、アノード側多孔体流路層２２０ａの長さは、カソード側の各層の長さと略同一となっている。以下、このアノード側多孔体流路層２２０ａがアノード側拡散層２１６より短くなっている部分を、アノード側多孔体流路層短縮部分と呼ぶ。
【００６６】
図１２は、第２実施例のアノード側セパレータ３１０ａにおけるアノード側多孔体流路層短縮部分に対向する領域の形状を概略的に示す説明図である。図１１および図１２に示すように、アノード側セパレータ３１０ａのアノード側多孔体流路層短縮部分と対向する領域には、リブ３８６と複数の凸部３８２，３８４とが形成されている。リブ３８６は、発電モジュール２００の平面の長辺に平行な方向（Ｘ方向）に沿って伸びる連続した凸形状（カソード側セパレータ３２０側に凸な凸形状）に形成されている。リブ３８６の位置は、アノード側拡散層２１６の外縁の位置と略同一である。凸部３８２，３８４は、アノード側セパレータ３１０ａにおけるアノード側多孔体流路層短縮部分に離散的に配置され、カソード側セパレータ３２０側に凸な形状に形成されている。複数の凸部３８２は、アノード側多孔体流路層２２０ａの外縁近辺に並んで配置されている。また、複数の凸部３８４は、リブ３８６のラインと複数の凸部３８２が配置されたラインとの略中間のラインに沿って並んで配置されている。リブ３８６および凸部３８２，３８４の積層方向に沿った最内側の表面は、アノード側拡散層２１６の表面に接触している。
【００６７】
第２実施例の単セル１４０ａでは、カソード側セパレータ３２０の酸化剤ガス側折り返し部分３２５の平行部分とアノード側セパレータ３１０ａの凸部３１５との間、および、酸化剤ガス側折り返し部分３２５の平行部分と電解質膜２１２との間が、シール材４２０によりシールされている。
【００６８】
第２実施例の単セル１４０ａでは、リブ３８６の存在により、酸化剤ガス側折り返し部分３２５の平行部分と凸部３１５および電解質膜２１２との間に配置されたシール材４２０が面方向内側に向かって移動することが阻止される。そのため、従って、酸化剤ガス供給マニホールド１５２に隣接して形成された折り返し部分３２５付近には、アノード側多孔体流路層２２０ａの外縁とリブ３８６との間に、幅略Ｌ２で、発電モジュール２００の平面の長辺と平行な方向に伸びる溝型内部流路空間ＣＲが確保される。なお、図１１には示していないが、酸化剤ガス排出マニホールド１５４に隣接して形成された折り返し部分３２５付近にも、同様に、溝型内部流路空間ＣＲが確保される。
【００６９】
溝型内部流路空間ＣＲは、カソード側セパレータ３２０の折り返し部分３２２の平行部分と、積層方向に沿って折り返し部分３２２の平行部分に対向するカソード側セパレータ３２０の部分と、の間に形成された内部流路空間３５０に連通している（図５参照）。従って、第２実施例の燃料電池１００では、第１実施例と同様に、燃料ガス供給マニホールド１６２に供給された燃料ガスとしての水素は、酸化剤ガス側折り返し部分３２５に形成された連通孔３２６を介して内部流路空間３５０に導かれ、溝型内部流路空間ＣＲ内に進入して溝型内部流路空間ＣＲ内を発電モジュール２００の平面の長辺と平行な方向（Ｘ方向）に沿って拡散しつつアノード側多孔体流路層２２０ａ内に進入する。なお、燃料ガスは、凸部３８２と凸部３８２との間の隙間を介して溝型内部流路空間ＣＲからアノード側多孔体流路層２２０ａへと移動する（図１２参照）。その後、燃料ガスは、アノード側多孔体流路層２２０ａ内を排出側に向かって流動しつつアノード側拡散層２１６およびアノード２１４に供給される。発電モジュール２００において利用されなかった燃料ガスは、下流側の溝型内部流路空間ＣＲ内に排出され、溝型内部流路空間ＣＲを通って燃料ガス排出マニホールド１６４側に形成された内部流路空間３５０に導かれ、さらに燃料ガス排出マニホールド１６４に形成された連通孔３２６を介して燃料ガス排出マニホールド１６４に排出される。
【００７０】
以上説明したように、第２実施例の燃料電池１００では、アノード側多孔体流路層２２０ａの長さがアノード側拡散層２１６の長さよりも略長さＬ２だけ短くなっており、アノード側多孔体流路層短縮部分に溝型内部流路空間ＣＲが形成されている。また、アノード側セパレータ３１０ａにリブ３８６が形成されているため、カソード側セパレータ３２０とアノード側セパレータ３１０ａとの間に配置されたシール材４２０が面方向内側に向かって移動することが阻止される。そのため、アノード側多孔体流路層２２０ａにおける燃料ガス流れ方向の上流側および下流側の外縁に溝型内部流路空間ＣＲが確保される。そのため、第２実施例の燃料電池１００では、単セル１４０ａの内部に燃料ガスの均一分配性を向上させる、いわゆるコモンレールを形成することができる上、例えば単セル１４０ａの外部に同様の溝型内部流路空間を設ける場合と比較して単セル１４０ａの厚さを増大させることもない。従って、第２実施例の燃料電池１００では、単セル１４０ａの厚さを低減しつつ反応ガスの均一分配性を向上させることができる。
【００７１】
また、第２実施例の燃料電池１００では、アノード側多孔体流路層２２０ａの長さがアノード側拡散層２１６の長さよりも短くなった部分を溝型内部流路空間ＣＲとして利用することができるため、単セル１４０ａのサイズの増大を抑制しつつ反応ガスの均一分配性を向上させることができる。
【００７２】
また、第２実施例の燃料電池１００では、アノード側セパレータ３１０ａに凸部３８２，３８４が形成されているため、アノード側拡散層２１６が凸部３８２，３８４にも支持され、アノード側セパレータ３１０ａとアノード側拡散層２１６との間に溝型内部流路空間ＣＲが確実に確保される。また、複数の凸部３８２は、アノード側多孔体流路層２２０ａの外縁近辺に並んで配置されているため、アノード側セパレータ３１０ａにアノード側多孔体流路層２２０ａを配置する際の位置決め基準として使用することができ、単セル１４０ａの製造工程の容易化、精度の向上を図ることができる。
【００７３】
Ｃ．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。
【００７４】
上記各実施例における燃料電池システム１０の構成はあくまで一例であり、燃料電池システム１０の構成は種々変更可能である。例えば、上記各実施例では、溝型内部流路空間ＣＲがアノード側多孔体流路層２２０における反応ガス流れ方向の上流側および下流側の外縁に沿って形成されているが、溝型内部流路空間ＣＲがアノード側多孔体流路層２２０における反応ガス流れ方向の上流側および下流側の一方のみの外縁に沿って形成されているとしてもよい。
【００７５】
また、上記各実施例では、燃料電池１００を構成する各部の材料を特定しているが、これらの材料に限定されるものではなく、適正な種々の材料を用いることができる。例えば、カソード側多孔体流路層２３０およびアノード側多孔体流路層２２０は、金属多孔体を用いて形成されるとしているが、カーボン多孔体といった他の材料を用いて形成されるとしてもよい。
【００７６】
また、上記各実施例では、発電モジュール２００がアノード側拡散層２１６およびカソード側拡散層２１７を含んでいるとしているが、発電モジュール２００がアノード側拡散層２１６およびカソード側拡散層２１７の一方または両方を含まないものとしてもよい。
【００７７】
また、上記各実施例では、カソード側セパレータ３２０の一部を折り返して燃料ガス側折り返し部分３２２および酸化剤ガス側折り返し部分３２５を形成することにより反応ガス導出入部におけるガス流路の確保とガスシール性の確保との両立を達成しているが、燃料ガス側折り返し部分３２２および酸化剤ガス側折り返し部分３２５を形成せず、内部に反応ガス流路空間を施した樹脂フレームや樹脂フィルム等の別部品をセパレータの一部として用いて反応ガス導出入部におけるガス流路の確保とガスシール性の確保との両立を実現するものとしてもよい。この場合にも、樹脂フレームや樹脂フィルム等の別部品に各マニホールドと内部流路空間を連通する連通孔を設けると共に、セパレータ間のシール部と溝型内部流路空間ＣＲとの境界にリブを設ければよい。
【００７８】
また、上記各実施例の単セル１４０において、カソード側とアノード側とを逆にしてもよい。すなわち、上記各実施例の単セル１４０の構成では、アノード側多孔体流路層２２０の端面に連通する溝型内部流路空間ＣＲが設けられているが、反対に、カソード側多孔体流路層２３０の端面に連通する溝型内部流路空間ＣＲが設けられるとしてもよい。
【００７９】
また、上記各実施例では、マニホールド（酸化剤ガス供給マニホールド１５２、燃料ガス供給マニホールド１６２、酸化剤ガス排出マニホールド１５４、燃料ガス排出マニホールド１６４）を構成する開口のすべてに隣接して折り返し部分が形成されているとしているが、一部の開口のみに隣接して折り返し部分が形成されているとしてもよい。
【符号の説明】
【００８０】
１０…燃料電池システム
５０…水素タンク
５１…シャットバルブ
５２…レギュレータ
５３…配管
５４…排出配管
６０…エアポンプ
６１…配管
６３…排出配管
７０…ラジエータ
７１…ウォーターポンプ
７２…配管
７３…配管
１００…燃料電池
１１０…エンドプレート
１２０…絶縁板
１３０…集電板
１４０…単セル
１５２…酸化剤ガス供給マニホールド
１５４…酸化剤ガス排出マニホールド
１６２…燃料ガス供給マニホールド
１６４…燃料ガス排出マニホールド
１７２…冷却媒体供給マニホールド
１７４…冷却媒体排出マニホールド
２００…発電モジュール
２１０…膜電極接合体
２１２…電解質膜
２１４…アノード
２１５…カソード
２１６…アノード側拡散層
２１７…カソード側拡散層
２２０…アノード側多孔体流路層
２３０…カソード側多孔体流路層
３１０…アノード側セパレータ
３１１…開口
３１２…凸部
３１３…開口
３１５…凸部
３１９…ディンプル
３２０…カソード側セパレータ
３２１…開口
３２２…燃料ガス側折り返し部分
３２３…開口
３２４…凸部
３２５…酸化剤ガス側折り返し部分
３２６…連通孔
３２７…凸部
３２９…凸部
３３６…凸部
３５０…内部流路空間
３６０…内部流路空間
３７２…リブ
３８２…凸部
３８４…凸部
３８６…リブ
４２０…シール材
５００…ガスケット
５０２…凸部
【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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