(57)【要約】      （修正有）【課題】ガス拡散層のセパレータ側への垂れ込みを抑制することができる高分子電解質形燃料電池を提供すること。【解決手段】サーペンタイン状に形成され、反応ガスが通流する反応ガス通流領域が設けられているセパレータを備え、セパレータには、少なくとも１の折り返し部２９に、窪み部４９と該窪み部４９の底面から立設された複数の突起部５９が設けられ、突起部５９は、セパレータの厚み方向から見て、少なくとも３つ以上の突起部５９のそれぞれに接触するように真円５０を描いた場合に、真円５０の直径が、突起部５９の短径よりも小さくなるように配置され、窪み部４９は、該窪み部４９に設けられている突起部５９の電極との接触面の総面積と該窪み部４９の面積との比が０．３０７以上、かつ、０．５７２以下となるように形成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層と該電解質層を挟む一対の電極を有する電解質層−電極接合体と、
板状で、前記電解質層−電極接合体の前記一対の電極のそれぞれと接触するように配設され、前記電極と接触する一方の主面に溝状の複数の直線部と１以上の折り返し部とを有し、サーペンタイン状に形成され、反応ガスが通流する反応ガス通流領域が設けられている、一対の導電性のセパレータと、を備え、
前記セパレータには、１以上の前記折り返し部のうち、少なくとも１の折り返し部には、窪み部と該窪み部の底面から立設された複数の突起部が設けられ、
前記突起部は、前記セパレータの厚み方向から見て、少なくとも３つ以上の前記突起部のそれぞれに接触するように真円を描いた場合に、前記真円の直径が、前記突起部の前記電極と接触する面（以下、接触面）の短径よりも小さくなるように配置され、
前記窪み部は、該窪み部に設けられている前記突起部の前記接触面の総面積と該窪み部の面積との比が０．３０７以上、かつ、０．５７２以下となるように形成されている、高分子電解質形燃料電池。
【請求項２】
前記突起部の前記接触面の短径が、前記直線部の溝幅より大きい、請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項３】
前記突起部の前記接触面の短径ａと前記真円の直径ｂが、下記式の関係を満たす、請求項１又は２に記載の高分子電解質形燃料電池。
０．３３３≦ｂ／ａ≦０．９２０
【請求項４】
前記真円の直径が、０．５０ｍ以上、かつ、１．３８ｍｍ以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項５】
隣接する前記直線部の間に形成され、前記電極と接触する部分をリブ部と定義した場合に、
前記窪み部は、前記折り返し部の前記直線部と前記リブ部以外の部分である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項６】
前記電極は、触媒層とガス拡散層を備え、
前記ガス拡散層は、高分子樹脂と導電性粒子を備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載の高分子電解質形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子電解質形燃料電池、特に、高分子電解質形燃料電池のセパレータの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質形燃料電池（以下、ＰＥＦＣという）は、水素が含有された燃料ガスと空気等の酸素が含有された酸化剤ガスとを電気化学反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させるものである。ＰＥＦＣの単電池（セル）は、高分子電解質膜及び一対のガス拡散電極（アノード及びカソード）から構成されるＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、ガスケットと、導電性の板状のセパレータと、を有している。
【０００３】
また、セパレータの主面には、燃料ガス又は酸化剤ガス（これらを反応ガスという）を供給し、排出するためのマニホールドを形成するマニホールド孔（反応ガス供給用マニホールド孔と反応ガス排出用マニホールド孔）が設けられており、ガス拡散電極と当接する主面には、反応ガスが通流する溝状でサーペンタイン状に形成された反応ガス流路がこれらのマニホールド孔と連通するように設けられている。
【０００４】
このようなサーペンタイン状の反応ガス流路において、流路の折り返し部に発電ガスを混合する窪み部を設け、該窪み部の底面から立設された島状の複数の突起が配置されている、燃料電池用セパレータ及び燃料電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
特許文献１に開示されている燃料電池用セパレータ及び燃料電池では、流路溝の延長上に突起を配置することにより、発電ガスの混合を適正に図ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２０７７４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１に開示されている燃料電池用セパレータ及び料電池であっても、ガス拡散層を従来の燃料電池におけるガス拡散層で使用されている樹脂を含浸した炭素繊維の基材を用いずに、高分子樹脂と導電性粒子とを含むシートで形成した場合に、ガス拡散層が複数の突起の間に垂れ込み、反応ガスの圧損が変化するおそれがあった。また、ガス拡散層が突起間に垂れ込むことにより、ガス拡散層と触媒層と野間で剥離等が起きることにより、電池性能又は耐久性に影響を及ぼすおそれがあった。
【０００８】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、ガス拡散層を高分子樹脂と導電性粒子とを含むシートで形成した場合であっても、従来の燃料電池に比して、ガス拡散層のセパレータ側への垂れ込みを抑制することができる、高分子電解質形燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明に係る高分子電解質形燃料電池は、電解質層と該電解質層を挟む一対の電極を有する電解質層−電極接合体と、板状で、前記電解質層−電極接合体の前記一対の電極のそれぞれと接触するように配設され、前記電極と接触する一方の主面に溝状の複数の直線部と１以上の折り返し部とを有し、サーペンタイン状に形成され、反応ガスが通流する反応ガス通流領域が設けられている、一対の導電性のセパレータと、を備え、前記セパレータには、１以上の前記折り返し部のうち、少なくとも１の折り返し部には、窪み部と該窪み部の底面から立設された複数の突起部が設けられ、前記突起部は、前記セパレータの厚み方向から見て、少なくとも３つ以上の前記突起部のそれぞれに接触するように真円を描いた場合に、前記真円の直径が、前記突起部の前記電極と接触する面（以下、接触面）の短径よりも小さくなるように配置され、前記窪み部は、該窪み部に設けられている前記突起部の前記接触面の総面積と該窪み部の面積との比が０．３０７以上、かつ、０．５７２以下となるように形成されている。
【００１０】
これにより、ガス拡散層を高分子樹脂と導電性粒子とを含むシートで形成した場合であっても、従来の燃料電池に比して、ガス拡散層のセパレータ側への垂れ込みを抑制することができる。
【００１１】
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施形態の詳細な説明から明らかにされる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の高分子電解質形燃料電池によれば、ガス拡散層を高分子樹脂と導電性粒子とを含むシートで形成した場合であっても、従来の燃料電池に比して、ガス拡散層のセパレータ側への垂れ込みを抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。
【図２】図２は、図１に示す高分子電解質形燃料電池におけるカソードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。
【図３】図３は、図２に示すカソードセパレータの折り返し部の要部を拡大した模式図である。
【図４】図４は、図２に示すカソードセパレータの突起部周辺を拡大した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、全ての図面において、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している。さらに、本発明は、以下の実施の形態に限定されない。
【００１５】
（実施の形態１）
本実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池は、電解質層と該電解質層を挟む一対の電極を有する電解質層−電極接合体と、板状で、電解質層−電極接合体の一対の電極のそれぞれと接触するように配設され、電極と接触する一方の主面に溝状の複数の直線部と１以上の折り返し部とを有し、サーペンタイン状に形成され、反応ガスが通流する反応ガス通流領域が設けられている、一対の導電性のセパレータと、を備え、セパレータには、１以上の折り返し部のうち、少なくとも１の折り返し部には、窪み部と該窪み部の底面から立設された複数の突起部が設けられ、突起部は、セパレータの厚み方向から見て、少なくとも３つ以上の突起部のそれぞれに接触するように真円を描いた場合に、真円の直径が、突起部の電極と接触する面（以下、接触面）の短径よりも小さくなるように配置され、窪み部は、該窪み部に設けられている突起部の接触面の総面積と該窪み部の面積との比が０．３０７以上、かつ、０．３４０以下となるように形成されている態様を例示するものである。
【００１６】
以下、本実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池の一例について、図面を参照しながら説明する。
【００１７】
［高分子電解質形燃料電池の構成］
次に、本実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池の構成について、図１を参照しながら説明する。
【００１８】
図１は、本実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。
【００１９】
図１に示すように、本実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池１００は、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜−電極接合体）５と、ガスケット７と、アノードセパレータ６Ａと、カソードセパレータ６Ｂと、を備えている。
【００２０】
ＭＥＡ５は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１と、アノード電極４Ａと、カソード電極４Ｂと、を有している。高分子電解質膜１は、略４角形（ここでは、矩形）の形状を有しており、高分子電解質膜１の両面には、その周縁部より内方に位置するようにアノード電極４Ａとカソード電極４Ｂがそれぞれ設けられている。なお、高分子電解質膜１の周縁部には、燃料ガス供給マニホールド孔３１、冷却媒体供給マニホールド孔３５等の各マニホールド孔が厚み方向に貫通するように設けられている。
【００２１】
アノード電極４Ａは、高分子電解質膜１の一方の主面上に設けられ、白金系金属触媒（電極触媒）を担持したカーボン粉末（導電性炭素粒子）からなる触媒担持カーボンと触媒担持カーボンに付着した高分子電解質を含むアノード触媒層２Ａと、ガス通気性と導電性を兼ね備えたアノードガス拡散層３Ａと、を有している。アノード触媒層２Ａは、一方の主面が高分子電解質膜１と接触するように配置されている。アノード触媒層２Ａの他方の主面には、アノードガス拡散層３Ａが配置されている。
【００２２】
同様に、カソード電極４Ｂは、高分子電解質膜１の他方の主面上に設けられ、白金系金属触媒（電極触媒）を担持したカーボン粉末（導電性炭素粒子）からなる触媒担持カーボンと触媒担持カーボンに付着した高分子電解質を含むカソード触媒層２Ｂと、カソード触媒層２Ｂの上に設けられ、ガス通気性と導電性を兼ね備えたカソードガス拡散層３Ｂと、を有している。カソード触媒層２Ｂは、一方の主面が高分子電解質膜１と接触するように配置されていて、カソード触媒層２Ｂの他方の主面には、カソードガス拡散層３Ｂが配置されている。
【００２３】
なお、本実施の形態１においては、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、アノード触媒層２Ａは、その外端がアノードガス拡散層３Ａの外端よりも外方に位置するように（はみ出すように）形成されており、また、カソード触媒層２Ｂは、その外端がカソードガス拡散層３Ｂの外端よりも外方に位置するように形成されているが、これに限定されない。アノード触媒層２Ａは、その外端がアノードガス拡散層３Ａよりも内方に位置するように形成されてもよく、カソード触媒層２Ｂは、その外端がカソードガス拡散層３Ｂよりも内方に位置するように形成されてもよい。
【００２４】
また、アノードガス拡散層３Ａ及びカソードガス拡散層３Ｂは、従来の燃料電池におけるガス拡散層で使用されている樹脂を含浸した炭素繊維の基材を用いずに、高分子樹脂と導電性粒子とを含むシートで構成されている。高分子樹脂としては、例えば、フッ素樹脂が挙げられ、導電性粒子としては、例えば、カーボンからなる粒子が挙げられる。
【００２５】
フッ素樹脂としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体）、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオライド）、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）等が挙げられ、耐熱性、撥水性、耐薬品性の観点からＰＴＦＥが好ましい。ＰＴＦＥの原料としては、ディスパージョン及び粉末状の形状があげられるが、ディスパージョンが、作業性の点から好ましい。
【００２６】
また、カーボン材料としては、グラファイト、カーボンブラック、活性炭等が挙げられ、これらの材料を単独で使用してもよく、また、複数の材料を組み合わせて使用してもよい。また、上記カーボン材料の原料形態としては、粉末状、繊維状、粒状等のいずれの形状でもよい。
【００２７】
そして、アノードガス拡散層３Ａ及びカソードガス拡散層３Ｂには、バインダーとしての機能を奏させる観点から、高分子樹脂が、５重量％以上含まれていることが好ましく、アノードガス拡散層３Ａ及びカソードガス拡散層３Ｂを均一な厚さにするための圧延プロセス時の条件を簡易にする観点から、５０重量％以下で含まれていることが好ましい。また、上記と同様の観点から、１０〜３０重量％の量で含まれていることがより好ましい。
【００２８】
なお、アノードガス拡散層３Ａ及びカソードガス拡散層３Ｂには、高分子樹脂及び導電性粒子以外に、分散溶媒、界面活性剤等が含まれていてもよい。分散溶媒としては、水、メタノールやエタノール等のアルコール類、エチレングリコール等のグリコール類が挙げられる。また、界面活性剤としては、ポリオキシエチレンアルキルエーテル等のノニオン系、アルキルアミンオキシド等の両性イオン系が挙げられる。
【００２９】
また、分散溶媒量、界面活性剤量は、アノードガス拡散層３Ａ及びカソードガス拡散層３Ｂを構成する導電性粒子の材料、高分子樹脂の種類、高分子樹脂と導電性粒子の配合比等により適宜選択可能である。一般的には、分散溶媒量、界面活性剤量が多いほど、高分子樹脂と導電性粒子が均一分散しやすいが、流動性が高くなり、シート化が難しくなる傾向がある。さらに、界面活性剤は、導電性粒子の材料、分散溶媒の種類により適宜選択でき、また、界面活性剤を使用しなくてもよい。
【００３０】
ここで、アノードガス拡散層３Ａ及びカソードガス拡散層３Ｂの製造方法について、説明する。
【００３１】
アノードガス拡散層３Ａ及びカソードガス拡散層３Ｂは、高分子樹脂と導電性粒子とを含む混合物を混練して、押出し、圧延してから、焼成することにより製造する。具体的には、導電性粒子であるカーボンと分散溶媒、界面活性剤を攪拌・混錬機に投入後、混錬して粉砕・造粒して、カーボンを分散溶媒中に分散させる。ついで、高分子樹脂であるフッ素樹脂をさらに攪拌・混錬機に投下して、攪拌及び混錬して、カーボンとフッ素樹脂を分散する。得られた混錬物を圧延してシートを形成し、焼成して分散溶媒、界面活性剤を除去することでカソードガス拡散層３Ｂを形成するシートが製造される。
【００３２】
なお、本実施の形態１においては、アノードガス拡散層３Ａ及びカソードガス拡散層３Ｂの両方のガス拡散層を、高分子樹脂と導電性粒子とを含むシートで構成したが、これに限定されない。アノードガス拡散層３Ａ及びカソードガス拡散層３Ｂのいずれか一方を、高分子樹脂と導電性粒子とを含むシートで構成し、他方のガス拡散層を従来の燃料電池におけるガス拡散層で使用されている樹脂を含浸した炭素繊維の基材で構成してもよい。
【００３３】
また、図１に示すように、ＭＥＡ５のアノード電極４Ａ及びカソード電極４Ｂ（正確には、アノードガス拡散層３Ａ及びカソードガス拡散層３Ｂ）の周囲には、高分子電解質膜１を挟んで一対のフッ素ゴム製でドーナツ状のガスケット７が配設されている。これにより、燃料ガスや酸化剤ガスが電池外にリークされることが防止され、また、高分子電解質形燃料電池１００内でこれらのガスが互いに混合されることが防止される。なお、ガスケット７の周縁部には、厚み方向の貫通孔からなる燃料ガス供給マニホールド孔３１、冷却媒体供給マニホールド孔３５等の各マニホールド孔が設けられている。
【００３４】
また、ＭＥＡ５とガスケット７を挟むように、導電性のアノードセパレータ６Ａとカソードセパレータ６Ｂが配設されている。これにより、ＭＥＡ５が機械的に固定され、複数の高分子電解質形燃料電池１００をその厚み方向に積層したときには、ＭＥＡ５が電気的に接続される。なお、アノードセパレータ６Ａ及びカソードセパレータ６Ｂは、熱伝導性及び導電性に優れた金属、黒鉛、または、黒鉛と樹脂を混合したものを使用することができ、例えば、カーボン粉末とバインダー（溶剤）との混合物を射出成形により作製したものやチタンやステンレス鋼製の板の表面に金メッキを施したものを使用することができる。
【００３５】
アノードセパレータ６Ａのアノード電極４Ａと接触する一方の主面（以下、内面）には、燃料ガスが通流するための燃料ガス通流領域８が設けられており、また、他方の主面（以下、外面）には、冷却媒体が通流するための溝状の冷却媒体通流領域１０が設けられている。同様に、カソードセパレータ６Ｂのカソード電極４Ｂと接触する一方の主面（以下、内面）には、酸化剤ガスが通流するための酸化剤ガス通流領域９が設けられており、また、他方の主面（以下、外面）には、冷却媒体が通流するための溝状の冷却媒体通流領域１０が設けられている。
【００３６】
なお、アノードセパレータ６Ａ及びカソードセパレータ６Ｂのそれぞれの主面の周縁部には、燃料ガス供給マニホールド孔３１、冷却媒体供給マニホールド孔３５等の各マニホールド孔が設けられている。また、冷却媒体通流領域１０の形状は任意であり、例えば、いわゆるストレート状に形成されていてもよく、サーペンタイン状に形成されていてもよく、また、渦巻状に形成されていてもよい。さらに、冷却媒体通流領域１０は、１つの高分子電解質形燃料電池１００において、アノードセパレータ６Ａ及びカソードセパレータ６Ｂの少なくとも一方のセパレータの外面に設けられていればよい。
【００３７】
また、アノードセパレータ６Ａを多孔状の導電材にて形成し、冷却媒体通流領域１０を通流する冷却媒体の圧力が、燃料ガス通流領域８を通流する燃料ガスの圧力よりも高くなるようにして、冷却媒体の一部をアノードセパレータ６Ａの内面側に透過させて、高分子電解質膜１を湿らせる、所謂、内部加湿型のセパレータを採用してもよい。
【００３８】
同様に、カソードセパレータ６Ｂを多孔状の導電材にて形成し、冷却媒体通流領域１０を通流する冷却媒体の圧力が、酸化剤ガス通流領域９を通流する酸化剤ガスの圧力よりも高くなるようにして、冷却媒体の一部をカソードセパレータ６Ｂの内面側に透過させて、高分子電解質膜１を湿らせる、所謂、内部加湿型のセパレータを採用してもよい。
【００３９】
これにより、アノード電極４Ａ及びカソード電極４Ｂには、それぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され、これらのガスが反応して電気と熱が発生し、水が生成される。また、冷却水等の冷却媒体を冷却媒体通流領域１０に通流させることにより、発生した熱の回収が行われる。
【００４０】
なお、このように構成された高分子電解質形燃料電池１００を単電池として使用してもよく、高分子電解質形燃料電池１００を複数積層して燃料電池スタックとして使用してもよい。
【００４１】
［セパレータの構成］
次に、カソードセパレータ６Ｂの構成について、図２乃至図４を参照しながら、さらに詳細に説明する。なお、アノードセパレータ６Ａは、カソードセパレータ６Ｂと同様に構成されているので、その詳細な説明は省略する。
【００４２】
図２は、図１に示す高分子電解質形燃料電池におけるカソードセパレータの内面の概略構成を示す模式図である。また、図３は、図２に示すカソードセパレータの折り返し部の要部を拡大した模式図である。さらに、図４は、図２に示すカソードセパレータの突起部周辺を拡大した模式図である。
【００４３】
なお、図２において、セパレータにおける上下方向を図における上下方向として表し、折り返し部を二点鎖線で示しているが、理解を容易にするために、線をずらして描いている。また、図３においては、窪み部を一点鎖線で示しているが、理解を容易にするために、線をずらして描いている。
【００４４】
図２に示すように、カソードセパレータ６Ｂは、板状で、かつ、略矩形に構成されている。カソードセパレータ６Ｂの主面の周縁部には、複数の貫通孔が形成されていて、これらの貫通孔は、燃料ガス供給マニホールド孔３１等の各マニホールド孔を構成する。
【００４５】
具体的には、カソードセパレータ６Ｂの一方の側部（以下、第１の側部という）の上部には、燃料ガス供給マニホールド孔３１が設けられていて、その下部には、酸化剤ガス排出マニホールド孔３４が設けられている。一方、カソードセパレータ６Ｂの他方の側部（以下、第２の側部という）の上部には、酸化剤ガス供給マニホールド孔３３が設けられていて、その下部には、燃料ガス排出マニホールド孔３２が設けられている。
【００４６】
また、燃料ガス供給マニホールド孔３１と酸化剤ガス供給マニホールド孔３３との間には、冷却媒体供給マニホールド孔３５が設けられていて、燃料ガス排出マニホールド孔３２と酸化剤ガス排出マニホールド孔３４との間には、冷却媒体排出マニホールド孔３６が設けられている。
【００４７】
カソードセパレータ６Ｂの内面には、酸化剤ガス供給マニホールド孔３３と酸化剤ガス排出マニホールド孔３４とを接続するように、屈曲状に形成された酸化剤ガス通流領域９が設けられている。酸化剤ガス通流領域９は、カソードセパレータ６Ｂの厚み方向から見て、全体として、サーペンタイン状に形成されている。また、酸化剤ガス通流領域９は、溝状の複数の直線部１９と１以上（ここでは、６つ）の折り返し部２９を有している。
【００４８】
直線部１９は、流路溝で形成されていて、酸化剤ガスが通流（分流）するように構成されている。なお、複数の直線部１９を構成する流路溝と流路溝との間の部分が、カソード電極４Ｂと当接するリブ部１２を形成する（区画する）。換言すると、隣接するリブ部１２とリブ部１２との間の部分が直線部１９を構成する流路溝と定義される。ここで、「隣接する」とは、特定の一対のリブ部１２の間に、他のリブ部１２が配置されてない状態をいう。
【００４９】
折り返し部２９は、直線部１９を通流する酸化剤ガスを反転するように（折り返すように）構成されている。折り返し部２９は、カソードセパレータ６Ｂの厚み方向から見て、略矩形状に形成されていて、略Ｕ字状の外周壁が設けられている。なお、本実施の形態１においては、外周壁の上下方向に延びる壁を外端２９Ａという。
【００５０】
また、１以上の折り返し部２９の少なくとも１つ（本実施の形態１においては、１つ）の折り返し部２９には、窪み部４９が設けられている。窪み部４９には、複数の突起部５９が設けられている。
【００５１】
以下、図２乃至図４を参照しながら、折り返し部２９、窪み部４９、及び突起部５９の構成について、より詳細に説明する。
【００５２】
図２及び図３に示すように、窪み部４９は、直線部１９を形成する流路溝と連通するように形成されている。より詳細には、窪み部４９は、折り返し部２９の複数の直線部１９と、該直線部１９を形成する複数のリブ部１２以外の部分から構成される。
【００５３】
また、突起部５９は、窪み部４９の底面からカソードセパレータ６Ｂの厚み方向に延びるように設けられていて、円柱状（正確には、真円柱状）に形成されている。なお、本実施の形態１においては、折り返し部２９の外端２９Ａを構成する壁の一部が、内方に突出するように凸部５９Ａが形成され、該凸部５９Ａが、突起部５９Ａを構成する。換言すると、突起部５９Ａは、折り返し部２９の外端２９Ａと接触するように設けられている。なお、以下では、突起部５９と突起部５９Ａとを区別せずに、突起部５９と記載する。
【００５４】
そして、窪み部４９は、窪み部４９に設けられている突起部５９のカソードセパレータ６Ｂと接触する面（以下、接触面という）の総面積と、該窪み部４９の面積と、の比（以下、突起部５９の総面積と窪み部４９の面積との比という）が、０．３０７以上、かつ、０．５７２以下となるように形成されている。すなわち、窪み部４９は、カソードガス拡散層３Ｂのカソードセパレータ６Ｂ側への垂れ込みを抑制する観点から、突起部５９の総面積と窪み部４９の面積との比が、０．３０７以上となるように形成されている。また、窪み部４９は、酸化剤ガス通流領域９内を通流する酸化剤ガスの圧損を抑制する観点から、突起部５９の総面積と窪み部４９の面積との比が、０．５７２以下となるように形成されている。さらに、窪み部４９は、酸化剤ガス通流領域９内を通流する酸化剤ガスの圧損を抑制する観点から、突起部５９の総面積と窪み部４９の面積との比が、０．４１３以下となるように形成されていてもよい。
【００５５】
また、図４に示すように、突起部５９は、カソードセパレータ６Ｂの厚み方向から見て、少なくとも３つ以上（ここでは、３つ）の突起部５９のそれぞれに接触するように真円５０を描いた場合に、真円５０の直径ｂが、突起部５９の接触面の短径ａよりも小さくなるように配置されている。なお、真円５０の直径ｂは、酸化剤ガス通流領域９内を通流する酸化剤ガスの圧損を抑制する観点から、０．５ｍｍ以上であることが好ましく、１．０ｍｍ以上であることがより好ましい。また、真円５０の直径ｂは、カソードガス拡散層３Ｂのカソードセパレータ６Ｂ側への垂れ込みを抑制する観点から、１．３８ｍｍ以下であることが好ましい。
【００５６】
さらに、図４に示すように、突起部５９は、突起部５９の接触面の短径ａが、直線部１９の溝幅ｃより大きくなるように形成されている。これにより、窪み部４９に流れ込んだ酸化剤ガスの混合を促進することができる。
【００５７】
このように構成された、本実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池１００では、ガス拡散層を高分子樹脂と導電性粒子とを含むシートで形成した場合であっても、従来の燃料電池に比して、ガス拡散層のセパレータ側への垂れ込みを抑制することができる。
【００５８】
なお、本実施の形態１においては、窪み部４９を１の折り返し部２９に設ける形態を採用したが、これに限定されず、窪み部４９を複数の折り返し部２９に設ける形態（すなわち、窪み部４９が複数設けられている形態）を採用してもよい。また、本実施の形態１においては、窪み部４９を上流側の折り返し部２９に設ける形態を採用したが、窪み部４９が設けられる位置については、任意であることはいうまでもない。
【００５９】
また、本実施の形態１においては、突起部５９を略円柱形に形成したが、これに限定されず、三角柱形又は四角柱形に形成されていてもよい。また、本実施の形態１においては、突起部５９における、カソードセパレータ６Ｂの厚み方向に垂直な断面を真円形としたが、これに限定されず、楕円形であってもよい。
【００６０】
さらに、本実施の形態１においては、高分子電解質形燃料電池１００は、いわゆる内部マニホールド形の燃料電池スタックを採用したが、これに限定されず、外部マニホールド形の燃料電池スタックを採用してもよい。
【００６１】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。したがって、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の形態を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の要旨を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明の高分子電解質形燃料電池は、従来の燃料電池に比して、ガス拡散層のセパレータ側への垂れ込みを抑制することができ、電池性能又は耐久性を向上させることができるため、燃料電池の技術分野で有用である。
【符号の説明】
【００６３】
１  高分子電解質膜（電解質層）
２Ａ  アノード触媒層
２Ｂ  カソード触媒層
３Ａ  アノードガス拡散層
３Ｂ  カソードガス拡散層
４Ａ  アノード電極（電極）
４Ｂ  カソード電極（電極）
５  ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電解質層−電極接合体）
６Ａ  アノードセパレータ
６Ｂ  カソードセパレータ
７  ガスケット
８  燃料ガス通流領域
９  酸化剤ガス通流領域
１０  冷却媒体通流領域
１２  リブ部
１９  直線部
１９ａ  上流側直線部
１９ｂ  下流側直線部
２９  折り返し部
２９Ａ  外端
３１  燃料ガス供給マニホールド孔
３２  燃料ガス排出マニホールド孔
３３  酸化剤ガス供給マニホールド孔
３４  酸化剤ガス排出マニホールド孔
３５  冷却媒体供給マニホールド孔
３６  冷却媒体排出マニホールド孔
４９  窪み部
５０  真円
５９  突起部
５９Ａ  突起部
１００  高分子電解質形燃料電池
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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