(57)【要約】【課題】ガス供給側でのガスの圧力損失の抑制とフラッディングの抑制との両立を図る。【解決手段】燃料電池セル１００は、酸化ガス供給孔１０４ＩＮから酸化ガス排出孔１０４ＯＴに掛けての酸化ガスのカソード流路をエキスパンド流路として形成し、酸化ガスの流れ方向が元の方向に戻るまでのターン間隔Ｔを、上流側流路領域Ｒｕでのターン間隔Ｔｕが下流側流路領域Ｒｄでのターン間隔Ｔｄより広くなるように設定する（Ｔｕ：Ｔｄ＝１．１：１〜３：１）。これに加え、上流側流路領域Ｒｕを、アノード側セパレーター１２０におけるサーペンタイン流路状の燃料ガス流路２００の最下流側流路ＳｒｄにＭＥＧＡ１１０を挟んで重ねる。【選択図】図７
2016096015.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池セルであって、
電解質膜と該電解質膜の膜面に接合された電極とを有する膜電極接合体と、
燃料ガス供給孔と燃料ガス排出孔とを有するアノード側流路形成部であって、前記燃料ガス供給孔から前記燃料ガス排出孔に到る間に前記膜電極接合体の一方の電極に前記燃料ガスを供給するアノード流路を、ガスの流れ方向が複数回反転するサーペンタイン流路状の流路として形成するアノード側流路形成部と、
酸化ガス供給孔と酸化ガス排出孔とを有するカソード側流路形成部であって、前記酸化ガス供給孔から前記酸化ガス排出孔に到る間に前記膜電極接合体の他方の電極に前記酸化ガスを拡散供給するカソード流路を、網目状流路として形成するカソード側流路形成部とを備え、
前記カソード側流路形成部は、
前記網目状流路を形成する流路形成要素が対向する前記酸化ガス供給孔から前記酸化ガス排出孔に向かう第１の方向と交差する第２の方向に沿って複数連設された流路形成要素列を、前記酸化ガス供給孔から前記酸化ガス排出孔に到るまで前記第１の方向に沿って複数列連設させると共に、
該複数列の前記流路形成要素列を、前記網目状流路を流れる前記酸化ガスの流れ方向がｎ列（ｎは２以上の整数）ごとに前記第１の方向に対して線対称な一方の側に傾斜した方向と他方の側に傾斜した方向とにターンするように、連設し、
前記酸化ガスの流れ方向が元の方向に戻るまでのターン間隔を、前記酸化ガス供給孔の側の上流側流路領域と前記酸化ガス排出孔の側の下流側流路域とで、前記ｎ列の列数を異なるものとすることで広狭設定し、前記上流側流路領域での前記ターン間隔Ｔｕと前記下流側流路域での前記ターン間隔Ｔｄとの比Ｔｕ：Ｔｄを、１．１：１〜３：１とし、
前記上流側流路領域を、前記アノード側流路形成部が形成する前記サーペンタイン流路状の前記アノード流路の最下流側流路に前記膜電極接合体を挟んで重ねる、
燃料電池セル。
【請求項２】
前記第１の方向に沿った前記上流側流路領域の流路幅は、前記サーペンタイン流路状の前記アノード流路の前記最下流側の流路幅と同じとされている、請求項１に記載の燃料電池セル。
【請求項３】
前記第１の方向に沿った前記上流側流路領域の流路幅は、前記第１の方向に沿った前記エキスパンド流路の全流路幅の５０％以下とされている、請求項１または請求項２に記載の燃料電池セル。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池であって、
前記アノード側流路形成部は、冷却水供給孔と冷却水排出孔とを有すると共に、前記一方の電極の側で開口した凹状の溝経路で前記サーペンタイン流路状とされた前記アノード流路の裏面の側に、前記冷却水が前記冷却水供給孔から前記冷却水排出孔に向けて流れる複数筋の冷却水流路を備え、
前記複数筋の冷却水流路は、前記サーペンタイン流路状の前記アノード流路の前記最下流側流路の裏面の側を経て前記冷却水供給孔から前記冷却水排出孔に向かう前記冷却水流路を流れる冷却水流量が、前記最下流側流路より上流側の前記サーペンタイン流路状の前記アノード流路の裏面の側を経て前記冷却水供給孔から前記冷却水排出孔に向かう前記冷却水流路を流れる冷却水流量より多くなるように、形成されている、燃料電池セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セルに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池セルは、電解質膜の膜面に電極を接合した膜電極接合体（以下、ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）とアノード流路とカソード流路とを備え、各流路から供給された燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電する。近年では、金属製の薄板のプレス成形を経たエキスパンドメタルが多用されつつある。エキスパンドメタルは、ガス供給側から排出側に向かうガスの流れ方向に交差して、網目状のエキスパンド流路を並べた上で、ガス供給側から排出側に掛けて屈曲させつつ繋いでいる。こうした網目状の流路をガスが通過する際、流路の屈曲部位の通過時において圧力損失が生じ、こうした圧力損失は、燃料電池セルの発電性能の低下を招きやすいので、ガス供給側の圧力損失を抑制する手法が提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２６４７２号公報
【特許文献２】特開２０１０−１７０９８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の特許文献では、エキスパンドメタルで形成した網目状流路をガスが流れる際の向きを、ガス供給孔から化ガス排出孔に向かう方向に対して交互にターンさせるに当たり、そのターン間隔を広げてターン箇所の発現を抑えることで、圧力損失の抑制を図っている。ところが、このようにガス供給側の圧力損失を抑制しても、燃料電池セルとしての発電性能の維持もしくは向上の余地があることが、本願発明の発明者によって新たに見出された。こうした現象について精査したところ、ガスが流れる方向のターン箇所では、ここに到るガスの流れ方向が変わることから、局部的とはいえガスの向きがＭＥＡの電極面に向いたり、この電極面から離れる側に向いたりする。このため、ターン箇所では、ＭＥＡからの水分の蒸散やＭＥＡへの水分の浸透が起き、水分蒸散が過多であればＭＥＡの湿潤の悪化を招き、水分浸透が過多であればＭＥＡのフラッディングを招くことが危惧される。しかしながら、上記の特許文献では、こうした点について考慮されていない。また、エキスパンド流路がカソード側の流路であれば、ＭＥＡを挟んだアノード側には、水素ガスを供給するアノード流路が存在するが、こうしたアノード流路との関係についても、上記の特許文献では考慮されていない。こうしたことから、ガス供給側でのガスの圧力損失の抑制とフラッディングの抑制との両立を図ることが要請されるに到った。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記した課題の少なくとも一部を達成するために、本発明は、以下の形態として実施することができる。
【０００６】
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池セルが提供される。この燃料電池セルは、電解質膜と該電解質膜の膜面に接合された電極とを有する膜電極接合体と、燃料ガス供給孔と燃料ガス排出孔とを有するアノード側流路形成部であって、前記燃料ガス供給孔から前記燃料ガス排出孔に到る間に前記膜電極接合体の一方の電極に前記燃料ガスを供給するアノード流路を、ガスの流れ方向が複数回反転するサーペンタイン流路状の流路として形成するアノード側流路形成部と、酸化ガス供給孔と酸化ガス排出孔とを有するカソード側流路形成部であって、前記酸化ガス供給孔から前記酸化ガス排出孔に到る間に前記膜電極接合体の他方の電極に前記酸化ガスを拡散供給するカソード流路を、網目状流路として形成するカソード側流路形成部とを備える。そして、前記カソード側流路形成部は、前記網目状流路を形成する流路形成要素が対向する前記酸化ガス供給孔から前記酸化ガス排出孔に向かう第１の方向と交差する第２の方向に沿って複数連設された流路形成要素列を、前記酸化ガス供給孔から前記酸化ガス排出孔に到るまで前記第１の方向に沿って複数列連設させると共に、該複数列の前記流路形成要素列を、前記網目状流路を流れる前記酸化ガスの流れ方向がｎ列（ｎは２以上の整数）ごとに前記第１の方向に対して線対称な一方の側に傾斜した方向と他方の側に傾斜した方向とにターンするように、連設し、前記酸化ガスの流れ方向が元の方向に戻るまでのターン間隔を、前記酸化ガス供給孔の側の上流側流路領域と前記酸化ガス排出孔の側の下流側流路域とで、前記ｎ列の列数を異なるものとすることで広狭設定し、前記上流側流路領域での前記ターン間隔Ｔｕと前記下流側流路域での前記ターン間隔Ｔｄとの比Ｔｕ：Ｔｄを、１．１：１〜３：１とし、前記上流側流路領域を、前記アノード側流路形成部が形成する前記サーペンタイン流路状の前記アノード流路の最下流側流路に前記膜電極接合体を挟んで重ねる。
【０００７】
上記形態の燃料電池セルは、酸化ガス供給用の網目状のカソード流路において、上流側流路領域と下流側流路領域とで、酸化ガスの流れ方向が元の方向に戻るまでのターン間隔を、上流側流路領域でのターン間隔Ｔｕが下流側流路域でのターン間隔Ｔｄより広くなるように広狭設定する。これにより、酸化ガスの供給側である上流側流路領域では、酸化ガスの流れ方向がターンするターン箇所を少なくして、ガスの圧力損失を抑制し得る。その上で、上記形態の燃料電池セルは、上流側流路領域でのターン間隔Ｔｕと下流側流路域でのターン間隔Ｔｄとの比Ｔｕ：Ｔｄが１．１：１〜３：１となるようにすることで、上流側流路領域のターン箇所を下流側流路領域に比して少なくし過ぎないようにして、或いは、下流側流路領域のターン箇所を上流側流路領域に比して多くし過ぎないようにして、上流側流路領域と下流側流路領域でのターン箇所の発現のバランスを採る。こうしたバランスを採ることで、ターン箇所が多く発現する下流側流路領域に起きがちな膜電極接合体への水分浸透の抑制を可能とする。この結果、上記形態の燃料電池セルによれば、酸化ガスの供給側である上流側流路領域での酸化ガスの圧力損失の抑制とフラッディングの抑制との両立を可能とする。これに加え、上記形態の燃料電池セルによれば、アノード側流路形成部が形成するサーペンタイン流路状のアノード流路の最下流側流路の相対湿度を、次のようにして高めることができる。サーペンタイン流路状のアノード流路の最下流側流路は、電解質膜を挟んでカソード流路の上流側流路領域と重なっているので、酸化ガスによる水分の持ち去りにより、或いは乾燥した酸化ガスの供給により、相対湿度が低下しがちとなる。しかしながら、上記形態の燃料電池セルでは、上流側流路領域のターン箇所を少なくすることで膜電極接合体からの水分蒸散を抑制するので、膜電極接合体が含む水分をアノード流路の最下流側流路に至らしめることが可能となる。よって、上記形態の燃料電池セルによれば、サーペンタイン流路状のアノード流路の最下流側流路の相対湿度を高めることができる。
【０００８】
（２）上記形態の燃料電池セルにおいて、前記第１の方向に沿った前記上流側流路領域の流路幅は、前記サーペンタイン流路状の前記アノード流路の前記最下流側の流路幅と同じとされているようにしてもよい。こうすれば、サーペンタイン流路状のアノード流路の最下流側流路の相対湿度をより確実に高めることができる。
【０００９】
（３）上記形態の燃料電池セルにおいて、前記第１の方向に沿った前記上流側流路領域の流路幅は、前記第１の方向に沿った前記エキスパンド流路の全流路幅の５０％以下とされているようにしてもよい。こうすれば、ターン箇所を少なくすることで膜電極接合体からの水分蒸散を抑制して水分を膜電極接合体からアノード流路の最下流側流路に至らしめ得る上流側流路領域を確保するので、サーペンタイン流路状のアノード流路の最下流側流路の相対湿度をより一層確実に高めることができる。
【００１０】
（４）上記形態の燃料電池セルにおいて、前記アノード側流路形成部は、冷却水供給孔と冷却水排出孔とを有すると共に、前記一方の電極の側で開口した凹状の溝経路で前記サーペンタイン流路状の前記アノード流路の裏面の側に、前記冷却水が前記冷却水供給孔から前記冷却水排出孔に流れる複数筋の冷却水流路を備え、前記冷却水流路は、前記サーペンタイン流路状の前記アノード流路の前記最下流側流路の裏面の側を経て前記冷却水供給孔から前記冷却水排出孔に向かう前記冷却水流路を流れる冷却水流量が、前記最下流側流路より上流側の前記サーペンタイン流路状とされた前記アノード流路の裏面の側を経て前記冷却水供給孔から前記冷却水排出孔に向かう前記冷却水流路を流れる冷却水流量より多くなるように、形成されているようにしてもよい。こうすれば、相対湿度が低下して乾燥しがちな最下流側流路を効率よく冷却することで水分の蒸発を抑制して、乾燥についてもこれを抑制できる。
【００１１】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックや燃料電池としての形態の他、燃料電池セルの製造方法としての形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施例の燃料電池１０の構成を示す概略斜視図である。
【図２】ターミナルプレート１６０Ｆと燃料電池セル１００とターミナルプレート１６０Ｅの配置の様子を概略的に示す説明図である。
【図３】燃料電池セル１００の構成を分解して示す概略斜視図である。
【図４】アノード側セパレーター１２０の構成を示す概略平面図である。
【図５】アノード側セパレーター１２０が表裏に形成する燃料ガス流路２００と冷却水流路２０４の様子を重ねて示す説明図である。
【図６】図３のＣ部拡大箇所における６−６線に沿った燃料電池１０の概略断面である。
【図７】カソード側セパレーター１３０を平面視してガス流路部材１５０における流路領域の区画の様子を概略的に示す説明図である。
【図８】上流側流路領域Ｒｕの一部を酸化ガス供給孔１０４ＩＮの側のガス上流側から俯瞰して流路構成を概略的に示す説明図である。
【図９】下流側流路領域Ｒｄの一部を酸化ガス供給孔１０４ＩＮの側のガス上流側から俯瞰して流路構成を概略的に示す説明図である。
【図１０】ターン間隔と燃料電池セルの出力との関係を示すグラフである。
【図１１】セパレーター中央領域１３７における上流側流路領域Ｒｕの占有の様子と上流側流路領域Ｒｕと燃料ガス流路２００との重なりの様子とを示す説明図である。
【図１２】ガス流路部材１５０のセパレーター中央領域１３７において上流側流路領域Ｒｕが占める占有比率と燃料電池セルの出力との関係を示すグラフである。
【図１３】テスト燃料電池セルＴＰ５における燃料ガス流路２００の各流路域での相対湿度の実測結果を示す説明図である。
【図１４】テスト燃料電池セルＴＰ５と本実施形態の燃料電池セル１００に相当するテスト燃料電池セルＴＰ６とについての性能対比を示す説明図である。
【図１５】図６と同様に燃料電池１０を断面視した場合の上流側流路領域Ｒｕの概略断面と下流側流路領域Ｒｄの概略断面とを対比して示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について、その実施例を図面に基づき説明する。図１は本実施例の燃料電池１０の構成を示す概略斜視図である。燃料電池１０は、燃料電池セル１００をＺ方向（以下、「積層方向」とも呼ぶ）に複数積層し、一対のエンドプレート１７０Ｆ，１７０Ｅで挟持したスタック構造を有している。燃料電池１０は、その一端側のエンドプレート１７０Ｆと燃料電池セル１００との間に、絶縁板１６５Ｆを介在させてターミナルプレート１６０Ｆを有する。以下、エンドプレート１７０Ｆが配設された燃料電池１０の一端側を、便宜上、前端側と称し、図における紙面奥側の他端側を後端側と称する。
【００１４】
燃料電池１０は、後端側のエンドプレート１７０Ｅと燃料電池セル１００との間にも、同様に、後端側の絶縁板１６５Ｅを介在させて後端側のターミナルプレート１６０Ｅを有する。燃料電池セル１００と、ターミナルプレート１６０Ｆ，１６０Ｅと、絶縁板１６５Ｆ，１６５Ｅおよびエンドプレート１７０Ｆ，１７０Ｅは、それぞれ、略矩形状の外形を有するプレート構造を有しており、長辺がＸ方向（水平方向）で短辺がＹ方向（垂直方向、鉛直方向）に沿うように配置されている。
【００１５】
前端側におけるエンドプレート１７０Ｆと絶縁板１６５Ｆとターミナルプレート１６０Ｆは、燃料ガス供給孔１０２ＩＮおよび燃料ガス排出孔１０２ＯＴと、酸化ガス供給孔１０４ＩＮおよび酸化ガス排出孔１０４ＯＴと、冷却水供給孔１０６ＩＮおよび冷却水排出孔１０６ＯＴとを有する。これらの給排孔は、各燃料電池セル１００の対応する位置に設けられているそれぞれの後述の給排孔と連通して、それぞれに対応するガス或いは冷却水の給排マニホールドを構成する。その一方、後端側におけるエンドプレート１７０Ｅと絶縁板１６５Ｅとターミナルプレート１６０Ｅには、これらの給排孔は設けられていない。これは、反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）および冷却水を前端側のエンドプレート１７０Ｆからそれぞれの燃料電池セル１００に対して供給マニホールドを介して供給しつつ、それぞれの燃料電池セル１００からの排出ガスおよび排出水を前端側のエンドプレート１７０Ｆから外部に対して排出マニホールドを介して排出するタイプの燃料電池であることによる。ただし、これに限定されるものではなく、例えば、前端側のエンドプレート１７０Ｆから反応ガスおよび冷却水を供給し、後端側のエンドプレート１７０Ｅから排出ガスおよび排出水が外部へ排出されるタイプ等の種々のタイプとすることができる。
【００１６】
酸化ガス供給孔１０４ＩＮは、前端側のエンドプレート１７０Ｆの下端の外縁部にＸ方向（長辺方向）に沿って配置されており、酸化ガス排出孔１０４ＯＴは、上端の外縁部にＸ方向に沿って配置されている。燃料ガス供給孔１０２ＩＮは、前端側のエンドプレート１７０Ｆの右端の外縁部のＹ方向（短辺方向）の上端部に配置されており、燃料ガス排出孔１０２ＯＴは、左端の外縁部のＹ方向の下端部に配置されている。冷却水供給孔１０６ＩＮは、燃料ガス供給孔１０２ＩＮの下側にＹ方向に沿って配置されており、冷却水排出孔１０６ＯＴは、燃料ガス排出孔１０２ＯＴの上側にＹ方向に沿って配置されている。なお、上記した各給排孔は、燃料電池セル１００においては、後述するように複数の給排孔に分けられている。
【００１７】
前端側のターミナルプレート１６０Ｆおよび後端側のターミナルプレート１６０Ｅは、各燃料電池セル１００の発電電力の集電板であり、集電端子１６１から集電した電力を外部へ出力する。この前端側と後端側のターミナルプレートとは、給排孔の有無において相違し、他の構成については、ほぼ同様である。
【００１８】
図２はターミナルプレート１６０Ｆと燃料電池セル１００とターミナルプレート１６０Ｅの配置の様子を概略的に示す説明図、図３は燃料電池セル１００の構成を分解して示す概略斜視図である。図２に示すように、燃料電池セル１００は、アノード側セパレーター１２０とカソード側セパレーター１３０と接着シール１４０とを備え、接着シール１４０は、図に示すセパレーター中央領域１０１に亘って膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly）１１０を保持し、ＭＥＧＡ１１０の外周縁をシールする。そして、燃料電池セル１００は、ＭＥＧＡ１１０を保持済みの接着シール１４０をアノード側セパレーター１２０とカソード側セパレーター１３０とで挟持することにより、セパレーター中央領域１０１において、ＭＥＧＡ１１０を挟持し、セパレーター中央領域１０１の周囲の外縁部１０３においては、両セパレーター間を接着シール１４０にてシールする。
【００１９】
ＭＥＧＡ１１０は、電解質膜の両面に一対の触媒電極層が形成された膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を含み、このＭＥＡをガス拡散透過を図るガス拡散層（Gas Diffusion Layer／ＧＤＬ）で挟持して構成される発電体である。なお、ＭＥＧＡをＭＥＡと呼ぶ場合もある。
【００２０】
アノード側セパレーター１２０およびカソード側セパレーター１３０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、例えば、カーボン粒子を圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン等のカーボン製部材や、プレス成型したステンレスやチタンなどの金属部材によって形成されている。本実施形態では、アノード側セパレーター１２０については、ステンレス鋼をプレス成型して作製した。
【００２１】
アノード側セパレーター１２０は、ＭＥＧＡ１１０の側の面に、複数筋の溝状の燃料ガス流路を備え、反対側の面に、複数筋の溝状の冷却水流路を備え、この両流路を、セパレーター表裏面で交互に並べている。これら流路については、後述する。このアノード側セパレーター１２０は、上述したマニホールドを構成する給排孔として、燃料ガス供給孔１０２ＩＮおよび燃料ガス排出孔１０２ＯＴと、複数の酸化ガス供給孔１０４ＩＮおよび酸化ガス排出孔１０４ＯＴと、複数の冷却水供給孔１０６ＩＮおよび冷却水排出孔１０６ＯＴとを備える。同様に、カソード側セパレーター１３０は、燃料ガス供給孔１０２ＩＮおよび燃料ガス排出孔１０２ＯＴと、複数の酸化ガス供給孔１０４ＩＮおよび酸化ガス排出孔１０４ＯＴと、複数の冷却水供給孔１０６ＩＮおよび冷却水排出孔１０６ＯＴとを備える。また、接着シール１４０にあっても、同様に、アノード側セパレーター１２０の給排孔に対応して、燃料ガス供給孔１０２ＩＮおよび燃料ガス排出孔１０２ＯＴと、複数の酸化ガス供給孔１０４ＩＮおよび酸化ガス排出孔１０４ＯＴと、複数の冷却水供給孔１０６ＩＮおよび冷却水排出孔１０６ＯＴとを備える。
【００２２】
接着シール１４０は、シール性と絶縁性、並びに弾性を有するゴム、例えばエチレン・プロピレン・ジエンゴム（ＥＰＤＭ）や、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）等から形成され、その中央に、ＭＥＧＡ１１０の矩形形状に適合した発電領域窓１４１を有する。この発電領域窓１４１の周縁は、段差形状とされており、その段差部に、ＭＥＧＡ１１０が組み込み装着される。こうして発電領域窓１４１に装着されたＭＥＧＡ１１０は、接着シール１４０の段差部において接着シール１４０と重なり、発電領域窓１４１にて露出した領域を、後述のアノード側セパレーター１２０から燃料ガスの供給を受ける発電領域１１２とする。接着シール１４０は、ＭＥＧＡ１１０が組み込まれた発電領域窓１４１の周囲領域に既述した給排孔を備え、ＭＥＧＡ１１０を発電領域窓１４１に組み込んだ状態で、アノード側セパレーター１２０とカソード側セパレーター１３０とを、それぞれの給排孔回りを含めてシールする。つまり、接着シール１４０は、段差部でＭＥＧＡ１１０をその発電領域１１２の外側領域に亘ってシールするほか、ＭＥＧＡ１１０の矩形形状外周領域においても、アノード側セパレーター１２０とカソード側セパレーター１３０との間に介在してシールする。図２においては、接着シール１４０は、単独で矩形形状を有するよう示されているが、両セパレーターの間に上記した各ゴム素材を配置した上での熱溶融と冷却養生を経て、図２に示すように賦形される。なお、アノード側およびセパレーター側の両セパレーターは、燃料電池セル１００が積層された際の燃料ガス、酸化ガス、冷却水ごとの給排孔のシール性をセパレーター同士の接合面で確保すべく、後述の図３に示すように燃料ガス用シール材３００と、酸化ガス用シール材３０１と、冷却水用シール材３０２とを備える。
【００２３】
カソード側セパレーター１３０は、ガス流路部材１５０を備え、このガス流路部材１５０を、接着シール１４０を介在させた上で、ＭＥＧＡ１１０に接合させる。ガス流路部材１５０は、酸化ガス供給孔１０４ＩＮから酸化ガス排出孔１０４ＯＴに掛けての酸化ガスの流路、即ちカソード流路を形成する。そして、このガス流路部材１５０は、その部材上下端を、酸化ガス供給孔１０４ＩＮの上端と酸化ガス排出孔１０４ＯＴの下端に重なるように延ばしている。このため、ガス流路部材１５０は、カソード側セパレーター１３０の酸化ガス供給孔１０４ＩＮから供給される酸化ガスを部材下端から導き入れ、その導き入れた酸化ガスを、ＭＥＧＡ１１０のカソード面（ＸＹ平面）に拡散供給する。ガス流路部材１５０は、余剰の酸化ガスを部材上端からカソード側セパレーター１３０の酸化ガス排出孔１０４ＯＴに排出する。このようなガス流路部材１５０は、導電性を有する金属鋼板、例えばステンレス鋼板のプレス成形を経たエキスパンドメタルとして構成される。また、このガス流路部材１５０は、図２における上下端に、ガス非透過の薄葉状のシーリングシート１５１を備え、当該シートを、ＭＥＧＡ１１０の上下端領域に接合させている。
【００２４】
図４はアノード側セパレーター１２０の構成を示す概略平面図、図５はアノード側セパレーター１２０が表裏に形成する燃料ガス流路２００と冷却水流路２０４の様子を重ねて示す説明図である。図４および図５は、アノード側セパレーター１２０に隣接する他の燃料電池セル１００に対向する面（以下、「冷却面」とも呼ぶ）側から見た状態を示している。この冷却面の裏面に当たる面、即ちＭＥＧＡ１１０に対向する面を「ガス面」とも呼ぶ。アノード側セパレーター１２０は、ステンレス鋼等をプレス成型して形成され、図２に示すように、ガス流路部材１５０を有するカソード側セパレーター１３０と、接着シール１４０を介在させて、ＭＥＧＡ１１０を挟持する。このアノード側セパレーター１２０は、ＭＥＧＡ１１０の既述した発電領域１１２と対向するセパレーター中央領域１２１に、後述の複数筋の第１溝２０２と第２溝２０４とを交互に並べて備え、セパレーター中央領域１２１から外側に延びて当該中央領域を取り囲む外縁部１２３に、既述した反応ガスおよび冷却水の給排孔として、燃料ガス供給孔１０２ＩＮおよび燃料ガス排出孔１０２ＯＴと、複数の酸化ガス供給孔１０４ＩＮおよび酸化ガス排出孔１０４ＯＴと、複数の冷却水供給孔１０６ＩＮおよび冷却水排出孔１０６ＯＴとを備える。これら給排孔のうち、燃料ガス供給孔１０２ＩＮと燃料ガス排出孔１０２ＯＴとは、燃料ガス用シール材３００により個別にシールされ、複数の酸化ガス供給孔１０４ＩＮと複数の酸化ガス排出孔１０４ＯＴとは、酸化ガス用シール材３０１により、孔の並びごとにシールされる。また、冷却水用シール材３０２は、複数の冷却水供給孔１０６ＩＮと冷却水排出孔１０６ＯＴ、および冷却面側のセパレーター中央領域１２１を含む冷却水流通域を取り囲み、この冷却水流通域をシールする。こうした給排孔シールは、カソード側セパレーター１３０においてもなされている。
【００２５】
第１溝２０２は、アノード側セパレーター１２０の既述したガス面側であって図４においては紙面奥側の面の側、即ちＭＥＧＡ１１０の側で開口した凹溝であり、このガス面において延びる。第２溝２０４は、アノード側セパレーター１２０の既述した冷却面側であって図４においては紙面手前側の面の側で開口した凹溝であり、この冷却面において延びる。そして、この第１溝２０２と第２溝２０４は、両溝形状に適合した凹凸形状の金型をセパレーター中央領域１２１に対するプレス押圧するプレス成型による複数筋の凹凸条として形成され、セパレーター中央領域１２１においてアノード側セパレーター１２０の表裏面で交互に並ぶ。つまり、アノード側セパレーター１２０は、図６における縦断面視において、この第１溝２０２と第２溝２０４とが交互に繰り返し並んだ断面凸凹形状（断面波形形状）とされている。
【００２６】
ガス面側で凹な第１溝２０２は、接着シール１４０の発電領域窓１４１に露出したＭＥＧＡ１１０に燃料ガスを供給する燃料ガス流路溝（以下、「燃料ガス流路溝２０２」とも呼ぶ）を形成し、冷却面側で凹な第２溝２０４は、燃料ガス流路溝２０２を仕切るリブを構成するとともに、後述のカソード側セパレーター１３０にアノード側セパレーター１２０が接触することで、冷却水が通過する冷却水流路溝（以下、「冷却水流路２０４」とも呼ぶ）を構成する。そして、複数の燃料ガス流路溝２０２で燃料ガス流路２００が構成され、この燃料ガス流路２００と冷却水流路２０４は、アノード側セパレーター１２０の表裏面に形成されることになる。また、燃料ガス流路２００は、燃料ガス供給孔１０２ＩＮから燃料ガス排出孔１０２ＯＴに到るまで折り返して延び、この燃料ガス流路２００は、ガスの流れ方向が複数回反転するサーペンタイン流路状の流路として、図４および図５における紙面裏側の既述したガス面側に形成されている。本実施形態の燃料電池セル１００は、サーペンタイン流路状の燃料ガス流路２００において、図４に示すセパレーター中央領域１２１の上下端側に位置する燃料ガス流路溝２０２を、外縁部１２３の側でセパレーター中央領域１２１の左右方向、即ち図４におけるｘ方向に延ばしている。こうすることで、セパレーター中央領域１２１がＭＥＧＡ１１０の発電領域１１２に対向した場合に、この発電領域１１２の周縁にも、外縁部１２３の側でセパレーター中央領域１２１の左右方向に延びた燃料ガス流路溝２０２から燃料ガスを供給できる。なお、図４のＣ部拡大に示すように、セパレーター中央領域１２１の上下端側に位置して、外縁部１２３の側でセパレーター中央領域１２１の左右方向に延びる第１溝２０２を、セパレーター中央領域１２１の内側に位置する第１溝２０２と区別すべく、端部第１溝２０２ｔと称することとする。
【００２７】
燃料ガス流路２００は、サーペンタイン流路状の溝経路を採ることから、図４に示すセパレーター中央領域１２１の左右の水平端側領域（以下、流路水平端領域と称する）では、溝経路向きをＸ方向からＹ方向に変える、或いはこの逆にＸ方向からＹ方向に変える。そして、燃料ガス流路２００を構成する燃料ガス流路溝２０２は、上記の流路水平端領域を含め、Ｘ方向に延びる直線流路域において、冷却面側で冷却水流路２０４を仕切るリブとして機能する。燃料ガス流路溝２０２は、Ｘ方向に延びる直線流路域において冷却水流路２０４を仕切るリブとして機能するとはいえ、冷却水排出孔１０６ＯＴの側へ向かう第２溝２０４での冷却水の流れを阻害しない。ところが、溝経路向きが変換する流路水平端領域では、燃料ガス流路溝２０２が壁となって、冷却水供給孔１０６ＩＮから冷却水排出孔１０６ＯＴへ向かう冷却水の流れが阻害され得る。そこで、この流路水平端領域の燃料ガス流路溝２０２を、その溝経路に沿って溝深さが浅い部位を点在して有するようにすることで、隣り合う第２溝２０４の間の冷却水流通を許容する。これにより、冷却水の流れは、セパレーター中央領域１２１の左右の水平端側領域において阻害されることはなくなる。よって、サーペンタイン流路状の燃料ガス流路２００の裏面の側に、冷却水がそれぞれの冷却水供給孔１０６ＩＮから冷却水排出孔１０６ＯＴに向けて流れる複数筋の冷却水流路２０４が形成され、冷却水は、各筋の冷却水流路２０４に沿って冷却水供給孔１０６ＩＮから冷却水排出孔１０６ＯＴへ向けて流れる。
【００２８】
この他、アノード側セパレーター１２０は、燃料ガス排出孔１０２ＯＴの側のセパレーターコーナー部において、外縁部１２３に、カッティング部１２０ｃとコネクター装着部１２５を有する。カッティング部１２０ｃは、セルモニターコネクターの装着部位となり、それぞれの燃料電池セル１００の電位計測に用いられる。
【００２９】
カソード側セパレーター１３０は、図３に示すように、ほぼ平板状とされ、ＭＥＧＡ１１０の既述した発電領域１１２と対向するセパレーター中央領域１３７の上下端、即ちガス流路部材１５０の上下端近傍に、脚１３１を、図３における紙面奥側に突出させている。この脚１３１は、燃料電池セル１００が積層された際に、隣り合う燃料電池セル１００のアノード側セパレーター１２０における後述の外縁部１２３に接触する。この様子については、後述する。また、カソード側セパレーター１３０は、案内凸部１２７から外側に延びて当該中央領域を取り囲む外縁部１３８に、既述した反応ガスおよび冷却水の給排孔として、燃料ガス供給孔１０２ＩＮおよび燃料ガス排出孔１０２ＯＴと、複数の酸化ガス供給孔１０４ＩＮおよび酸化ガス排出孔１０４ＯＴと、複数の冷却水供給孔１０６ＩＮおよび冷却水排出孔１０６ＯＴとを備える。
【００３０】
次に、燃料電池１０における燃料電池セル１００の積層の様子を説明する。図６は図３のＣ部拡大箇所における６−６線に沿った燃料電池１０の概略断面である。図示するように、燃料電池１０は、複数の燃料電池セル１００を積層して構成され、燃料電池セル１００は、ＭＥＧＡ１１０をアノード側セパレーター１２０とカソード側セパレーター１３０とで挟持する。なお、この図６では、ＭＥＧＡ１１０は、電解質膜の両膜面に触媒電極層を接合したＭＥＡ１１０Ｄをアノード側ガス拡散層１１０Ａとカソード側ガス拡散層１１０Ｃで挟持した形態で示されている。そして、それぞれの燃料電池セル１００は、アノード側セパレーター１２０がセパレーター中央領域１２１の外側に延ばして備える外縁部１２３（図３〜図４参照）を、ＭＥＧＡ１１０の発電領域１１２（図３〜図４参照）の周縁において、ＭＥＧＡ１１０に接合させる。また、それぞれの燃料電池セル１００は、第１溝２０２と第２溝２０４が形成済みのセパレーター中央領域１２１をＭＥＧＡ１１０の発電領域１１２に対向させて接触させる。これにより、端部第１溝２０２ｔと他の部位の第１溝２０２は、その凹溝開口端がＭＥＧＡ１１０で閉塞され、既述したように延びる燃料ガス流路溝２０２として機能する。カソード側セパレーター１３０にあっては、ガス流路部材１５０を介在させた状態で、セパレーター中央領域１３７（図３参照）をＭＥＧＡ１１０の発電領域１１２に対向させる。
【００３１】
この他、それぞれの燃料電池セル１００は、アノード側セパレーター１２０の外縁部１２３と、カソード側セパレーター１３０の外縁部１３８とを、ＭＥＧＡ１１０の外周縁側でのシール機能を果たす接着シール１４０を介在させて対向させている。アノード側セパレーター１２０の外縁部１２３は、図６に示すように、酸化ガス排出孔１０４ＯＴの側でセル外方に向けて突出した凸部１２３ｔを備え、接着シール１４０は、カソード側セパレーター１３０の外縁部１３８と、外縁部１２３および凸部１２３ｔとの間を隙なく埋めてシールする。
【００３２】
隣り合って積層された燃料電池セル１００は、一方の燃料電池セル１００のアノード側セパレーター１２０が有する第１溝２０２の底部壁２０２ｓを、他方の燃料電池セル１００のカソード側セパレーター１３０に接触させる。これにより、第２溝２０４は、その凹溝開口端が閉塞され、既述したように延びる冷却水流路２０４として機能する。また、隣り合って積層された燃料電池セル１００は、一方の燃料電池セル１００のカソード側セパレーター１３０が有する脚１３１を、他方の燃料電池セル１００のアノード側セパレーター１２０の外縁部１２３に接触させる。これにより、脚１３１は、アノード側セパレーター１２０の外縁部１２３において、それぞれの燃料電池セル１００の支えとして機能する。隣り合って積層された燃料電池セル１００は、一方の燃料電池セル１００のアノード側セパレーター１２０が外縁部１２３に有する凸部１２３ｔを、他方の燃料電池セル１００のカソード側セパレーター１３０の外縁部１３８に接触させる。これにより、酸化ガス排出孔１０４ＯＴよりセル外側では、凸部１２３ｔの間の凹所が酸化ガス用シール材３０１の配設箇所となる。
【００３３】
この他、隣り合って積層された燃料電池セル１００は、燃料ガス供給孔１０２ＩＮと冷却水流路２０４が開口した側の冷却面側におけるセパレーター中央領域１２１と燃料ガス排出孔１０２ＯＴとを含む冷却水流通域を取り囲む冷却水用シール材３０２（図４参照）と、酸化ガス排出孔１０４ＯＴを取り囲む酸化ガス用シール材３０１とを、セパレーター上端側において、一方の燃料電池セル１００のアノード側セパレーター１２０と他方の燃料電池セル１００のカソード側セパレーター１３０との間に挟持する。なお、セパレーター下端側では、冷却水用シール材３０２と、酸化ガス供給孔１０４ＩＮを取り囲む酸化ガス用シール材３０１とが、セパレーター左右両端では、冷却水用シール材３０２と、燃料ガス供給孔１０２ＩＮを取り囲む燃料ガス用シール材３００および燃料ガス排出孔１０２ＯＴを取り囲む燃料ガス用シール材３００とが、一方の燃料電池セル１００のアノード側セパレーター１２０と他方の燃料電池セル１００のカソード側セパレーター１３０とで挟持される。
【００３４】
このように燃料電池セル１００を積層した燃料電池１０は、図示しない複数本の締結ボルトにて、セル積層方向に締結される。こうした締結されたスタック構造の燃料電池１０は、隣り合う燃料電池セル１００の一方の燃料電池セル１００のアノード側セパレーター１２０が他方の燃料電池セル１００のカソード側セパレーター１３０と接触するよう締結されることになる。
【００３５】
次に、カソード側セパレーター１３０におけるガス流路部材１５０の構成について説明する。図７はカソード側セパレーター１３０を平面視してガス流路部材１５０における流路領域の区画の様子を概略的に示す説明図、図８は上流側流路領域Ｒｕの一部を酸化ガス供給孔１０４ＩＮの側のガス上流側から俯瞰して流路構成を概略的に示す説明図、図９は下流側流路領域Ｒｄの一部を酸化ガス供給孔１０４ＩＮの側のガス上流側から俯瞰して流路構成を概略的に示す説明図である。
【００３６】
図７に示すように、ガス流路部材１５０は、カソード側セパレーター１３０のセパレーター中央領域１３７を酸化ガス供給孔１０４ＩＮの側の上流側流路領域Ｒｕと、酸化ガス排出孔１０４ＯＴの側の下流側流路領域Ｒｄとに区画し、それぞれの流路領域において、酸化ガスをＭＥＧＡ１１０のカソード側ガス拡散層１１０Ｃ（図６参照）に網目状流路にて拡散供給する。ガス流路部材１５０は、網目状流路たるエキスパンド流路をプレス成形を経たエキスパントメタルにて形成する。そして、ガス流路部材１５０は、図８および図９に示すように、網目状流路を形成する流路要素Ｅｍを酸化ガス供給孔１０４ＩＮから酸化ガス排出孔１０４ＯＴに向かう第１の方向（Ｙ方向）と交差する第２の方向（Ｘ方向）に沿って複数連設された流路形成要素列４０で構成される。図８および図９では、流路形成要素列４０に添え字１〜１９（ｎ）を付して示し、添え字Ｔは、後述する流路のターン列であることを示している。それぞれの流路形成要素列４０は、凹部と凸部とがＸ方向に繋がった流路要素Ｅｍを繰り返し連設してＸ方向に沿った網目状のエキスパンド流路を、セパレーター中央領域１３７とその上下のシーリングシート１５１の下方域に亘って形成する。そして、ガス流路部材１５０は、流路形成要素列４０を、Ｘ方向と直交するＹ方向、即ち図において上下方向で示されるガス（空気）の流れ方向たるＹ方向に沿って酸化ガス供給孔１０４ＩＮから酸化ガス排出孔１０４ＯＴに到るまで複数列連設する。なお、流路要素Ｅｍで形成された網目状の流路は、ＸＹ平面に対して凹部および凸部の形成壁が一定の勾配をもって連設された形状として構成される。
【００３７】
流路形成要素列４０は、流路要素Ｅｍを繰り返し連設して並べるに当たり、流路要素Ｅｍを繰り返しピッチτで＋Ｘ方向、或いは−Ｘ方向に連続させる。そして、上流側流路領域Ｒｕと下流側流路領域Ｒｄとでは、Ｙ方向に沿った流路形成要素列４０の連設列数、即ち、流路形成要素列４０の添え字で表される連設列数が、次のように相違する。上流側流路領域Ｒｕは、１〜１９までの添え字で表される複数列（１９列）の流路形成要素列４０をＹ方向連設単位として、酸化ガスの流れ方向がＹ方向に対して対称な図における左方に傾斜した方向と右方に傾斜した方向とにターンするように、流路形成要素列４０をＹ方向に繰り返し連設して、網目状流路たるエキスパンド流路を形成する。一方、下流側流路領域Ｒｄは、１〜９までの添え字で表される複数列（９列）の流路形成要素列４０をＹ方向連設単位として、酸化ガスの流れ方向がＹ方向に対して対称な図における左方に傾斜した方向と右方に傾斜した方向とにターンするように、流路形成要素列４０をＹ方向に繰り返し連設して、網目状流路たるエキスパンド流路を形成する。つまり、本実施形態の燃料電池１０は、カソード側セパレーター１３０のガス流路部材１５０において、酸化ガスの流れ方向がＹ方向に対して対称な左方と右方にターンして元の方向に戻るまでのターン間隔を、上流側流路領域Ｒｕと下流側流路領域Ｒｄとで、Ｙ方向連設単位を規定する列数を異なるものとすることで広狭設定する。
【００３８】
本実施形態の燃料電池セル１００は、既存のエキスパンドプレス刃の刃厚がおおよそ０．６ｍｍであることから、上流側流路領域Ｒｕでのターン間隔Ｔｕを１１ｍｍとし、下流側流路領域Ｒｄでのターン間隔Ｔｄを５．５ｍｍとした。よって、ターン間隔Ｔｕとターン間隔Ｔｄとの比Ｔｕ：Ｔｄは、２．１：１である。この比Ｔｕ：Ｔｄは、上記のＹ方向連設単位と規定する列数ｎを、上流側流路領域Ｒｕと下流側流路領域Ｒｄとで異なるようにすることで、種々の比とできるが、１．１：１〜３：１のものであることが求められる。この点については、後述する。なお、上流側流路領域Ｒｕおよび下流側流路領域Ｒｄは、図６に示すようにシーリングシート１５１にて覆われた領域においても、流路形成要素列４０をＹ方向に連設している。また、ガス流路部材１５０において流路形成要素列４０を連設形成するプレス成形手法は、既存のエキスパンドメタル製造手法と変わるものではなく、図示しない切り刃を、＋Ｘ方向に繰り返しピッチτずつ送った後に、−Ｘ方向に繰り返しピッチτずつ戻しながらプレスすればよい。
【００３９】
次に、上流側流路領域Ｒｕと下流側流路領域Ｒｄの比について説明する。図１０はターン間隔と燃料電池セルの出力との関係を示すグラフである。図１０のグラフは、次のように求めた。
【００４０】
出力測定に用いたテスト燃料電池セルは、図２に示す本実施形態の燃料電池１０と形状および発電領域１１２等の各種スペックが同じであり、ガス流路部材１５０において、その全領域に亘り総て同一のターン間隔Ｔで流路形成要素列４０をＹ軸方向に連設し、ターン間隔Ｔが異なる。テスト燃料電池セルＴＰ１は、ターン間隔Ｔが５．５ｍｍであり、流路形成要素列４０をこのターン間隔ＴでＹ方向に連設して備える。テスト燃料電池セルＴＰ１のターン間隔Ｔは、本実施形態の燃料電池セル１００における下流側流路領域Ｒｄのターン間隔Ｔｄと同一である。テスト燃料電池セルＴＰ２は、ターン間隔Ｔが７．７ｍｍであり、流路形成要素列４０をこのターン間隔ＴでＹ方向に連設して備える。テスト燃料電池セルＴＰ２のターン間隔Ｔは、本実施形態の燃料電池セル１００における下流側流路領域Ｒｄのターン間隔Ｔｄと上流側流路領域Ｒｕのターン間隔Ｔｕのほぼ中間値である。テスト燃料電池セルＴＰ３は、ターン間隔Ｔが１１ｍｍであり、流路形成要素列４０をこのターン間隔Ｔで方向に連設して備える。テスト燃料電池セルＴＰ３のターン間隔Ｔは、本実施形態の燃料電池セル１００における上流側流路領域Ｒｕのターン間隔Ｔｕと同一である。テスト燃料電池セルＴＰ３は、ターン間隔Ｔがターン間隔Ｔｄの３倍の１６．５ｍｍであり、流路形成要素列４０をこのターン間隔ＴでＹ方向に連設して備える。そして、上記したテスト燃料電池セルＴＰ１〜ＴＰ４を、同一のガス供給で発電運転し、燃料電池温度が通常想定される温度（６０℃）にある時の発電出力を求め、図１０のグラフを得た。このグラフから、ターン間隔Ｔを１６．５ｍｍより短くすること、およびターン間隔Ｔを５．５ｍｍ以上とすることで、好適な発電性能を得ることができることが分かる。こうしたことから、本実施形態の燃料電池セル１００では、上流側流路領域Ｒｕのターン間隔Ｔｕと下流側流路領域Ｒｄのターン間隔Ｔｄとの比を１．１：１〜３：１とすることを採用した。
【００４１】
次に、上流側流路領域Ｒｕがセパレーター中央領域１３７において占める流路幅Ｒｗについて説明する。図１１はセパレーター中央領域１３７における上流側流路領域Ｒｕの占有の様子と上流側流路領域Ｒｕと燃料ガス流路２００との重なりの様子とを示す説明図である。図１１に示すように、上流側流路領域Ｒｕは、発電領域１１２（図３参照）に対向したセパレーター中央領域１３７において、酸化ガス供給孔１０４ＩＮの側から酸化ガス排出孔１０４ＯＴの側にＹ方向に延びる。また、この上流側流路領域Ｒｕは、ＭＥＧＡ１１０を挟んでアノード側セパレーター１２０（図３参照）のサーペンタイン流路状の燃料ガス流路２００における最下流側流路Ｓｒｄに重なる。なお、図１１では、アノード側セパレーター１２０が図示するカソード側セパレーター１３０の上に位置することを想定して、透視状に燃料ガス流路２００を示している。
【００４２】
図１２はガス流路部材１５０のセパレーター中央領域１３７において上流側流路領域Ｒｕが占める占有比率と燃料電池セルの出力との関係を示すグラフである。図１２のグラフは、次のように求めた。
【００４３】
まず、図１１に示すように、酸化ガス供給孔１０４ＩＮの側のセパレーター中央領域１３７の下端から上流側流路領域ＲｕがＹ方向に占める流路幅ＲＷが異なるテスト燃料電池セルＴＰ５〜ＴＰ８を準備する。これらテスト燃料電池セルＴＰ５〜ＴＰ８にあっても、既述したように、図２に示す本実施形態の燃料電池１０と同スペックであるものの、テスト燃料電池セルＴＰ５は、図８に示すターン間隔Ｔｕの上流側流路領域Ｒｕを備えず、セパレーター中央領域１３７の全領域を、図９のターン間隔Ｔｄの下流側流路領域Ｒｄで占める。テスト燃料電池セルＴＰ６は、ターン間隔Ｔｕの上流側流路領域Ｒｕをセパレーター中央領域１３７において３３％占有し、テスト燃料電池セルＴＰ７は５０％を、テスト燃料電池セルＴＰ８は６６％を占有する。そして、上記したテスト燃料電池セルＴＰ５〜ＴＰ８を、同一のガス供給で発電運転し、燃料電池温度が通常想定される温度（６０℃）にある時の発電出力を求め、図１２のグラフを得た。このグラフから、カソード側セパレーター１３０におけるガス流路部材１５０のセパレーター中央領域１３７のＹ方向の幅、即ちカソード側セパレーター１３０のエキスパンド流路の全流路幅に対して、上流側流路領域Ｒｕの流路幅ＲＷを５０％以下とすることで、好適な発電性能を得ることができることが分かる。こうしたことから、本実施形態の燃料電池セル１００では、カソード側セパレーター１３０のエキスパンド流路の全流路幅に対して、上流側流路領域Ｒｕの流路幅ＲＷを５０％以下とすることを採用した。図１２で云えば、テスト燃料電池セルＴＰ６とテスト燃料電池セルＴＰ７が本実施形態の燃料電池セル１００となる。
【００４４】
ところで、図１１に示すように、サーペンタイン流路上の燃料ガス流路２００は、燃料ガス供給孔１０２ＩＮから燃料ガス排出孔１０２ＯＴまでの反転折り返しにより、セパレーター中央領域１３７のＹ方向においては上流側流路と中流側流路と最下流側流路Ｓｒｄで、それぞれ３等分の流路幅となる。そうすると、ターン間隔Ｔｕの上流側流路領域Ｒｕでセパレーター中央領域１３７を３３％占有するテスト燃料電池セルＴＰ６は、サーペンタイン流路状の燃料ガス流路２００の最下流側流路Ｓｒｄの流路幅と同じとなって、この最下流側流路ＳｒｄとＭＥＧＡ１１０を挟んで重なり、図１２に示すように、高い発電能力を備えると言える。
【００４５】
次に、燃料ガス流路２００に沿った流路の相対湿度について説明する。燃料ガス流路２００の相対湿度が低いと、ＭＥＧＡ１１０（図６参照）の側からの生成水の移動が起き得、電解質膜の湿潤を損ないかねない。こうしたことから、燃料ガス流路２００の流路各域について高相対湿度とすることが望ましい。図１３はテスト燃料電池セルＴＰ５における燃料ガス流路２００の各流路域での相対湿度の実測結果を示す説明図、図１４はテスト燃料電池セルＴＰ５と本実施形態の燃料電池セル１００に相当するテスト燃料電池セルＴＰ６とについての性能対比を示す説明図である。テスト燃料電池セルＴＰ５は、比較例セルであって、既述したようにターン間隔Ｔｕ（図８参照）の上流側流路領域Ｒｕを全く備えないので、上流側流路領域Ｒｕを備えることでの相対湿度対処は起き得ない。これに対し、テスト燃料電池セルＴＰ６は、ターン間隔Ｔｕ（図８参照）の上流側流路領域Ｒｕを、ＭＥＧＡ１１０を挟んで燃料ガス流路２００の最下流側流路Ｓｒｄに重ねた上で、セパレーター中央領域１３７の流路幅の３３％を上流側流路領域Ｒｕで占有する。こうしたことから、本実施形態の燃料電池セル１００に相当するテスト燃料電池セルＴＰ６では、上流側流路領域Ｒｕを備えることでの相対湿度対処が得られる。図１４（Ａ）は、この状況を示しており、本実施形態の燃料電池セル１００に相当するテスト燃料電池セルＴＰ６では、図１３に示す燃料ガス流路２００の最下流側流路Ｓｒｄの末端における相対湿度が１６％から４３％に改善された。また、酸化ガス供給孔１０４ＩＮからの酸化ガス供給圧を高めれば、相対湿度の改善がより進むことも判明した。
【００４６】
このことに加え、図１４（Ｂ）に示すように、本実施形態の燃料電池セル１００に相当するテスト燃料電池セルＴＰ６では、上記した相対湿度の改善を一因として、比較例セルたるテスト燃料電池セルＴＰ５より、スタック抵抗の低下が起き、発電性能の向上が得られた。
【００４７】
次に、上流側流路領域Ｒｕと下流側流路領域Ｒｄにおける冷却水流路構成について説明する。図１５は図６と同様に燃料電池１０を断面視した場合の上流側流路領域Ｒｕの概略断面と下流側流路領域Ｒｄの概略断面とを対比して示す説明図である。
【００４８】
図示するように、燃料電池セル１００は、上流側流路領域Ｒｕと下流側流路領域Ｒｄとにおいて、アノード側ガス拡散層１１０Ａの側で開口した燃料ガス流路溝２０２については、個々の流路形状を同じとする。その一方、カソード側セパレーター１３０で塞がれる冷却水流路２０４については、上流側流路領域Ｒｕに含まれる冷却水流路２０４を、下流側流路領域Ｒｄに含まれる冷却水流路２０４より流路幅の広い流路としている。そして、燃料電池セル１００は、流路幅の広い冷却水流路２０４を備えた上流側流路領域Ｒｕを、既述したように燃料ガス流路２００の最下流側流路Ｓｒｄに重ねている。このため、燃料電池セル１００は、図５に示すように、サーペンタイン流路状の燃料ガス流路２００の最下流側流路Ｓｒｄの裏面の側を経て冷却水供給孔１０６ＩＮから冷却水排出孔１０６ＯＴに向かう冷却水流路２０４を流れる冷却水流量を、最下流側流路Ｓｒｄより上流側のサーペンタイン流路状の燃料ガス流路２００の裏面の側を経て冷却水供給孔１０６ＩＮから冷却水排出孔１０６ＯＴに向かう冷却水流路２０４を流れる冷却水流量より多くして、最下流側流路Ｓｒｄの冷却を進める。
【００４９】
以上説明したように、本実施形態の燃料電池セル１００は、カソード側セパレーター１３０のガス流路部材１５０において、酸化ガス供給孔１０４ＩＮから酸化ガス排出孔１０４ＯＴに掛けての酸化ガスのカソード流路をエキスパンド流路として形成し（図８、図９）、酸化ガス供給孔１０４ＩＮの側の上流側流路領域Ｒｕと酸化ガス排出孔１０４ＯＴの側の下流側流路領域Ｒｄとで、酸化ガスの流れ方向が元の方向に戻るまでのターン間隔Ｔを、上流側流路領域Ｒｕでのターン間隔Ｔｕが下流側流路領域Ｒｄでのターン間隔Ｔｄより広くなるように設定する。これにより、酸化ガスの供給側である上流側流路領域Ｒｕでは、酸化ガスの流れ方向がターンするターン箇所を少なくして、ガスの圧力損失を抑制できる。その上で、本実施形態の燃料電池セル１００は、上流側流路領域Ｒｕでのターン間隔Ｔｕと下流側流路領域Ｒｄでのターン間隔Ｔｄとの比Ｔｕ：Ｔｄを、図１０で得た性能比較から、１．１：１〜３：１となるようにすることで、上流側流路領域Ｒｕのターン箇所を下流側流路領域Ｒｄに比して少なくし過ぎないようにして、或いは、下流側流路領域Ｒｄのターン箇所を上流側流路領域Ｒｕに比して多くし過ぎないようにして、上流側流路領域Ｒｕと下流側流路領域Ｒｄでのターン箇所の発現のバランスを採る。こうしたバランスを採ることで、ターン箇所が多く発現する下流側流路領域Ｒｄに起きがちなＭＥＧＡ１１０への水分浸透の抑制を図る。この結果、本実施形態の燃料電池セル１００によれば、酸化ガスの供給側である上流側流路領域Ｒｕでの酸化ガスの圧力損失の抑制とフラッディングの抑制とを両立できる。
【００５０】
これに加え、本実施形態の燃料電池セル１００によれば、アノード側セパレーター１２０が形成するサーペンタイン流路状の燃料ガス流路２００の最下流側流路Ｓｒｄの相対湿度を、次のようにして高める。サーペンタイン流路状の燃料ガス流路２００の最下流側流路Ｓｒｄを、ＭＥＧＡ１１０を挟んでガス流路部材１５０の上流側流路領域Ｒｕと重ねるので、酸化ガスによる水分の持ち去りにより、或いは乾燥した酸化ガスの供給により、最下流側流路Ｓｒｄでは相対湿度が低下しがちとなる（図１３参照）。しかしながら、本実施形態の燃料電池セル１００は、上流側流路領域Ｒｕのターン箇所を少なくすることで（図８参照）、ＭＥＧＡ１１０からの水分蒸散を抑制するので、ＭＥＧＡ１１０が含む水分を燃料ガス流路２００の最下流側流路Ｓｒｄに至らしめる。こうしたことから、本実施形態の燃料電池セル１００によれば、図１４（Ａ）に示すように、サーペンタイン流路状の燃料ガス流路２００の最下流側流路Ｓｒｄの相対湿度を高めることができる。
【００５１】
本実施形態の燃料電池セル１００は、酸化ガス供給孔１０４ＩＮから酸化ガス排出孔１０４ＯＴに向かうＹ方向に沿った上流側流路領域Ｒｕの流路幅ＲＷを、サーペンタイン流路状の燃料ガス流路２００の最下流側流路Ｓｒｄの流路幅と同じとした（図１１、図１２：テスト燃料電池セルＴＰ６参照）。よって、本実施形態の燃料電池セル１００によれば、水分蒸散の抑制が可能な上流側流路領域Ｒｕを同じ流路幅で最下流側流路Ｓｒｄに重ねることで、この最下流側流路Ｓｒｄの相対湿度をより確実に高めることができる。
【００５２】
本実施形態の燃料電池セル１００は、酸化ガス供給孔１０４ＩＮから酸化ガス排出孔１０４ＯＴに向かうＹ方向に沿った上流側流路領域Ｒｕの流路幅ＲＷを、Ｙ方向に沿ったガス流路部材１５０の全流路幅の５０％以下とした（図１１、図１２：テスト燃料電池セルＴＰ６〜ＴＰ７参照）。こうすれば、本実施形態の燃料電池セル１００によれば、ターン箇所を少なくすることでＭＥＧＡ１１０からの水分蒸散を抑制して水分をＭＥＧＡ１１０から燃料ガス流路２００の最下流側流路Ｓｒｄに至らしめ得る上流側流路領域Ｒｕを確保するので、サーペンタイン流路状の燃料ガス流路２００の最下流側流路Ｓｒｄの相対湿度をより一層確実に高めることができる。
【００５３】
本実施形態の燃料電池セル１００は、サーペンタイン流路状の燃料ガス流路２００の最下流側流路Ｓｒｄにおける冷却水流路２０４の流路幅を、最下流側流路Ｓｒｄより上流の燃料ガス流路２００における冷却水流路２０４の流路幅より広くすることで（図１５参照）、冷却水による最下流側流路Ｓｒｄの冷却を進める。よって、本実施形態の燃料電池セル１００によれば、相対湿度が低下して乾燥しがちな燃料ガス流路２００の最下流側流路Ｓｒｄを効率よく冷却することで水分の蒸発を抑制して、乾燥についてもこれを抑制できる。
【００５４】
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、或いは、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。
【００５５】
本実施形態の燃料電池セル１００では、上流側流路領域Ｒｕにおけるターン間隔Ｔｕを規定する流路形成要素列４０の列数を１９列とし、下流側流路領域Ｒｄにおけるターン間隔Ｔｄを規定する流路形成要素列４０の列宇数を９列としたが、これ以外の列数にて流路形成要素列４０をＹ方向に連設してもよい。また、この列数を偶数列とすることもできる。
【００５６】
本実施形態の燃料電池セル１００では、酸化ガス供給孔１０４ＩＮから酸化ガス排出孔１０４ＯＴに向かうＹ方向に沿った上流側流路領域Ｒｕを、燃料ガス流路２００の最下流側流路ＳｒｄにＭＥＧＡ１１０を挟んで重ねた上で、上流側流路領域Ｒｕの流路幅ＲＷを、Ｙ方向に沿ったガス流路部材１５０の全流路幅の５０％以下とした。この他、図８に示すように、ターン間隔Ｔの広い上流側流路領域Ｒｕを、Ｙ方向に沿ったガス流路部材１５０の全流路幅の５０％以下の流路幅ＲＷとする構成であっても、ターン間隔Ｔが広いことで得られる効果を奏することができる。
【符号の説明】
【００５７】
１０…燃料電池
４０…流路形成要素列
１００…燃料電池セル
１０１…セパレーター中央領域
１０２ＩＮ…燃料ガス供給孔
１０２ＯＴ…燃料ガス排出孔
１０３…外縁部
１０４ＩＮ…酸化ガス供給孔
１０４ＯＴ…酸化ガス排出孔
１０６ＩＮ…冷却水供給孔
１０６ＯＴ…冷却水排出孔
１１０…ＭＥＧＡ
１１０Ａ…アノード側ガス拡散層
１１０Ｃ…カソード側ガス拡散層
１１０Ｄ…ＭＥＡ
１１２…発電領域
１２０…アノード側セパレーター
１２０ｃ…カッティング部
１２１…セパレーター中央領域
１２３…外縁部
１２３ｔ…凸部
１２５…コネクター装着部
１２７…案内凸部
１３０…カソード側セパレーター
１３１…脚
１３７…セパレーター中央領域
１３８…外縁部
１４０…接着シール
１４１…発電領域窓
１５０…ガス流路部材
１５１…シーリングシート
１６０Ｅ…ターミナルプレート
１６０Ｆ…ターミナルプレート
１６１…集電端子
１６５Ｅ…絶縁板
１６５Ｆ…絶縁板
１７０Ｅ…エンドプレート
１７０Ｆ…エンドプレート
２００…燃料ガス流路
Ｓｒｄ…最下流側流路
２０２…第１溝（燃料ガス流路溝）
２０２ｓ…底部壁
２０２ｔ…端部第１溝
２０４…第２溝（冷却水流路）
３００…燃料ガス用シール材
３０１…酸化ガス用シール材
３０２…冷却水用シール材
ＲＷ…流路幅
Ｒｄ…下流側流路領域
Ｅｍ…流路要素
Ｒｕ…上流側流路領域
Ｔ…ターン間隔
Ｔｄ…ターン間隔
Ｔｕ…ターン間隔
ＴＰ１〜ＴＰ８…テスト燃料電池セル
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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