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WO2011108022A1 - 燃料電池 - Google Patents

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Publication number
WO2011108022A1
WO2011108022A1 PCT/JP2010/001399 JP2010001399W WO2011108022A1 WO 2011108022 A1 WO2011108022 A1 WO 2011108022A1 JP 2010001399 W JP2010001399 W JP 2010001399W WO 2011108022 A1 WO2011108022 A1 WO 2011108022A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
flow path
gas flow
fuel cell
separator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2010/001399
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
林友和
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to CN201080065069.2A priority Critical patent/CN102782917B/zh
Priority to EP10846933.9A priority patent/EP2544283B1/en
Priority to US13/577,175 priority patent/US9660275B2/en
Priority to JP2012502882A priority patent/JP5429357B2/ja
Priority to PCT/JP2010/001399 priority patent/WO2011108022A1/ja
Publication of WO2011108022A1 publication Critical patent/WO2011108022A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0267—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors having heating or cooling means, e.g. heaters or coolant flow channels
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H01M8/0263—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant having meandering or serpentine paths
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a fuel cell including a gas flow path layer between a power generation layer and a separator.
  • a fuel cell for example, a polymer electrolyte fuel cell, causes an electrochemical reaction by supplying a reaction gas (a fuel gas and an oxidizing gas) to a pair of electrodes (anode and cathode) arranged with an electrolyte membrane interposed therebetween, respectively. This converts the chemical energy of a substance directly into electrical energy.
  • a reaction gas a fuel gas and an oxidizing gas
  • Such a problem is not limited to a polymer electrolyte fuel cell including a gas flow path layer formed using expanded metal, but a gas flow path having a reaction gas flow path between a power generation layer and a separator. This was a common problem for fuel cells in general with a layer.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to improve the performance of a fuel cell including a gas flow path layer between a power generator layer and a separator.
  • the present invention can be realized as the following forms or application examples.
  • Application Example 1 A fuel cell, A power generator layer including an electrolyte membrane, an anode disposed on one side of the electrolyte membrane, and a cathode disposed on the other side of the electrolyte membrane; A pair of separators arranged with the power generation layer interposed therebetween; A gas flow path layer disposed between the power generation layer and at least one of the pair of separators, The gas flow path layer includes a plurality of corrugated cross-sections in which first convex portions projecting toward the separator side and second convex portions projecting toward the power generator layer side are alternately arranged along a first direction.
  • the corrugated element forms a surface that is integral with at least a part of the bottom surface of the second convex portion of the corrugated element that is adjacent to the top surface of the first convex portion of the one corrugated element. And having a configuration aligned along a second direction substantially orthogonal to the stacking direction and the first direction so that a plurality of through holes are formed between the corrugated elements,
  • the plurality of corrugated elements constituting the gas flow path layer are such that the positions of the first convex portion and the second convex portion are shifted to the positive side in the first direction as compared with the adjacent corrugated elements.
  • the waveform arranged so that the position of the first convex portion and the second convex portion is shifted to the negative side in the first direction as compared with the waveform element arranged in the adjacent waveform element Elements, and
  • the volume of the first reactive gas flow path formed on the separator side of the gas flow path layer along the position of the second convex part is the gas flow path along the position of the first convex part.
  • a fuel cell having a volume smaller than that of a second reaction gas channel formed on the power generator layer side of the layer and communicating with the first reaction gas channel through the through hole.
  • the volume of the first reaction gas flow path formed on the separator side of the gas flow path layer along the position of the second convex portion is the gas flow path along the position of the first convex portion.
  • the generated water flowing into the second reaction gas channel of the gas channel layer from the power generation layer through the through hole is smaller than the volume of the second reaction gas channel formed on the power generation layer side of the layer. It is drawn into the first reaction gas channel and efficiently discharged through the first reaction gas channel. Therefore, in this fuel cell, drainage of generated water from the power generation layer can be promoted, and an increase in concentration overvoltage due to the generated water can be suppressed to improve output.
  • the separation of water and the reactive gas is promoted in the gas flow path layer, an increase in the pressure loss of the gas flow path layer due to the presence of generated water can be suppressed. It is possible to suppress variations in the reaction gas distribution and suppress cell voltage variations between cells.
  • the plurality of corrugated elements constituting the gas flow path layer are displaced from the adjacent corrugated elements in the positions of the first convex portion and the second convex portion on the positive side in the first direction.
  • the first and second reaction gas flow paths have a meandering shape to the left and right, since both the wavy elements arranged in this manner and the wavy elements arranged so as to be shifted to the negative side in the first direction are included. Therefore, the diffusibility of the reactive gas can be improved and the power generation efficiency can be improved. Therefore, in this fuel cell, the performance of the fuel cell including the gas flow path layer between the power generation layer and the separator can be improved.
  • the volume of the first reaction gas flow path formed on the separator side of the gas flow path layer along the position of the second convex part is set to the gas flow path along the position of the first convex part.
  • the volume of the second reaction gas channel formed on the power generation layer side of the layer can be made smaller.
  • Application Example 3 The fuel cell according to Application Example 1 or Application Example 2, In the plurality of corrugated elements, a fuel cell in which a flat portion parallel to the surface of the power generator layer is formed in a portion of the second convex portion that contacts the surface of the power generator layer.
  • the gas flow path layer to the power generation layer surface and the separator surface is secured.
  • the present invention can be realized in various modes, and can be realized in the form of, for example, a fuel cell, a fuel cell system including a fuel cell, and a moving body such as an automobile including the fuel cell system. .
  • FIG. 6 is an explanatory view schematically showing the state of generated water in the cathode side gas flow path layer 132. It is explanatory drawing which shows the manufacturing method of a gas flow path layer. It is explanatory drawing which shows the manufacturing method of a gas flow path layer. It is explanatory drawing which shows the manufacturing method of a gas flow path layer. It is explanatory drawing which shows the manufacturing method of a gas flow path layer.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram schematically showing the configuration of the fuel cell of the present embodiment.
  • the fuel cell 100 of the present embodiment is a solid polymer fuel cell that is relatively small and excellent in power generation efficiency.
  • the fuel cell 100 has a stack structure in which a plurality of power generator layers 120 and a plurality of separators 140 are alternately stacked.
  • the fuel cell 100 also includes an anode-side gas channel layer 134 and a cathode-side gas channel layer 132 (hereinafter also collectively referred to as “gas channel layer”) disposed between the power generation layer 120 and the separator 140. It has.
  • FIG. 1 shows only one cell composed of the power generator layer 120, the gas flow path layers 132 and 134, and the separator 140 for easy understanding of the configuration of the fuel cell 100. The illustration is omitted.
  • the power generation layer 120 includes an electrolyte membrane 112, an anode 116 disposed on one side of the electrolyte membrane 112, and a cathode 114 disposed on the other side of the electrolyte membrane 112.
  • a laminate composed of the electrolyte membrane 112, the anode 116, and the cathode 114 (hereinafter also collectively referred to as “catalyst layer”) is also referred to as MEA (Membrane Electrode Assembly (membrane / electrode assembly)).
  • the power generator layer 120 is also composed of an anode-side diffusion layer 124 disposed on the opposite side of the anode 116 from the side in contact with the electrolyte membrane 112, and a cathode disposed on the opposite side of the cathode 114 in contact with the electrolyte membrane 112. Side diffusion layer 122.
  • the electrolyte membrane 112 is an ion exchange membrane formed of a fluorine resin material or a hydrocarbon resin material, and has good proton conductivity in a wet state.
  • the catalyst layers 114 and 116 are layers that provide a catalyst that promotes the electrode reaction, and are formed of, for example, a material containing platinum-supported carbon and an electrolyte.
  • the anode-side diffusion layer 124 and the cathode-side diffusion layer 122 (hereinafter, collectively referred to as “diffusion layer”) are formed in a plane direction (the stacking direction of the fuel cells 100) This layer is diffused in a direction substantially orthogonal to FIG. 1), and is formed of, for example, carbon cloth or carbon paper. In this embodiment, the diffusion layer is subjected to water repellent treatment with, for example, PTFE resin.
  • the separator 140 is formed of a dense material that does not transmit gas and also has conductivity, such as dense carbon, metal, and conductive resin that are compression-molded.
  • the gas flow path layers 132 and 134 are layers that function as gas flow paths for allowing the reactant gas to flow while diffusing in the surface direction, and are formed using expanded metal (metal lath).
  • the surface of the gas flow path layers 132 and 134 is subjected to a hydrophilic treatment. The detailed configuration of the gas flow path layers 132 and 134 will be described later.
  • each of the fuel cells 100 includes a fuel gas supply manifold that penetrates the fuel cells 100 in the stacking direction, a fuel gas discharge manifold, an oxidizing gas supply manifold, and an oxidizing gas discharge manifold. ,have.
  • the fuel gas supplied to the fuel cell 100 is distributed to the anode side gas flow path layer 134 of each cell via the fuel gas supply manifold, and further supplied to the anode side of the power generation layer 120 to generate the power generation layer 120. It is used for electrochemical reaction.
  • the fuel gas not used for the reaction is discharged to the outside through the fuel gas discharge manifold.
  • the oxidizing gas supplied to the fuel cell 100 is distributed to the cathode gas flow path layer 132 of each cell via the oxidizing gas supply manifold, and further supplied to the cathode side of the power generator layer 120 to generate the power generator.
  • the oxidizing gas that has not been used for the reaction is discharged to the outside through the oxidizing gas discharge manifold.
  • hydrogen gas is used as the fuel gas
  • air is used as the oxidizing gas, for example.
  • the fuel cell 100 may further include a cooling medium supply manifold to which a cooling medium is supplied and a cooling medium discharge manifold from which the cooling medium is discharged.
  • a cooling medium for example, water, antifreeze water such as ethylene glycol, air, or the like is used.
  • FIG. 2 shows a part of a planar configuration of the cathode side gas flow path layer 132 on the power generator layer 120 side (that is, the cathode side diffusion layer 122 side).
  • FIG. 3 shows a part of the planar configuration on the opposite side of the cathode-side gas flow path layer 132, that is, the planar configuration on the separator 140 side.
  • FIG. 4 is a perspective view of the cathode-side gas flow path layer 132 as viewed from the separator 140 side.
  • FIG. 5 shows a cross-sectional configuration of the cathode-side gas flow path layer 132 taken along the line AA in FIG.
  • FIG. 6 shows a cross-sectional configuration of the cathode-side gas flow path layer 132 taken along the line BB in FIG.
  • the cathode-side gas flow path layer 132 has a configuration in which a plurality of waveform elements WSE are arranged along a second direction D2 substantially orthogonal to the stacking direction of the fuel cell 100.
  • each waveform element WSE has a peak portion MP projecting toward the separator 140 and a valley portion VP projecting toward the power generator layer 120 both in the stacking direction and the second direction D2.
  • the first direction D1 which is substantially orthogonal to each other.
  • the corrugated element WSE of the cathode-side gas flow path layer 132 has a top surface portion TS, a bottom surface portion BS, and a slope portion SP that connects the top surface portion TS and the bottom surface portion BS.
  • MP is composed of a top surface portion TS and a portion of the gradient portion SP on the top surface portion TS side
  • the trough portion VP is composed of a bottom surface portion BS and a portion of the gradient portion SP on the bottom surface portion BS side.
  • the width Wv along the first direction D ⁇ b> 1 of the bottom surface BS that forms the valley VP is the first width of the top surface TS that forms the peak MP. It is smaller than the width Wm along the direction D1. Therefore, the width along the first direction D1 of the valley portion VP is smaller than the width Wm along the first direction D1 of the peak portion MP.
  • the cathode-side gas flow path layer 132 has the corrugated shape of the wave element WSE reversed when viewed from the separator 140 side and when viewed from the power generator layer 120 side.
  • the names “mountain portion MP” and “valley portion VP” are used for convenience. The name does not represent the positional relationship between the mountain part MP and the valley part VP.
  • the peak portion MP corresponds to the first convex portion in the present invention
  • the valley portion VP corresponds to the second convex portion in the present invention.
  • the plurality of waveform elements WSE are such that a part of the top surface portion TS of the peak portion MP in one waveform element WSE is a part of the bottom surface portion BS of the valley portion VP in the adjacent waveform element WSE.
  • the cathode-side gas flow path layer 132 has a plurality of through holes TH arranged in a mesh pattern between the waveform elements WSE (see FIG. 4, 6).
  • each of the plurality of waveform elements WSE constituting the cathode-side gas flow path layer 132 has a corresponding peak compared to the waveform element WSE adjacent along the direction of the second direction D2.
  • the positions of the peak portions MP and the valley portions VP that include the waveform elements WSE arranged so that the positions of the portions MP and the valley portions VP are shifted to the positive side in the first direction D1 as compared with the adjacent waveform elements WSE Includes a waveform element WSE arranged so as to be shifted to the negative side of the first direction D1. That is, the direction of the position shift of the corresponding peak portions MP and valley portions VP between the waveform elements WSE is not only one direction but both directions. For example, in FIG. 2, from the bottom of the illustrated range to the vicinity of the center, the positions of the peaks MP and the valleys VP are gradually shifted to the positive side in the first direction D1, and from the vicinity of the center of the illustrated range to the top. Up to the contrary, the positions of the peak portions MP and the valley portions VP are gradually shifted to the negative side in the first direction D1.
  • the absolute value (see FIG. 4) of the shift amount Ls of the position of the corresponding peak portion MP and valley portion VP between one waveform element WSE and the adjacent waveform element WSE is expressed by the following formula ( The range is set to satisfy 1).
  • the absolute value of the shift amount Ls means any amount regardless of whether the shift direction is the positive side or the negative side of the first direction D1.
  • Lp is the pitch of the peak portions MP in the waveform element WSE (that is, the distance between adjacent peak portions MP and equal to the pitch of the valley portions VP). 0 ⁇ Ls ⁇ Lp / 2 (1)
  • a flat portion Fv having a shape parallel to the surface of the power generation layer 120 is formed in a portion of the valley VP that is in contact with the power generation layer 120.
  • a flat portion Fm having a shape parallel to the surface of the separator 140 is formed in a portion of the peak portion MP that contacts the separator 140.
  • the area of the contact portion (flat portion Fm) with the surface of the separator 140 in the peak portion MP is larger than the area of the contact portion (flat portion Fv) with the surface of the power generator layer 120 in the valley portion VP.
  • the power generation layer side reaction gas flow path CHm is formed between the power generation layer 120 along the position of the peak portion MP.
  • a separator-side reaction gas channel CHv is formed between the separator 140 and the position along the valley VP.
  • the power generator layer side reaction gas channel CHm and the separator side reaction gas channel CHv communicate with each other through a through hole TH (see FIG. 4).
  • the separator-side reaction gas channel CHv corresponds to the first reaction gas channel in the present invention
  • the power generator layer-side reaction gas channel CHm corresponds to the second reaction gas channel in the present invention.
  • the direction of displacement of the corresponding peak portions MP and valley portions VP between the waveform elements WSE is not only one direction but also both directions.
  • the side reaction gas channel CHm and the separator side reaction gas channel CHv are neither in a shape parallel to the second direction D2 nor in a shape unilaterally bent to the right or left with respect to the second direction D2.
  • the shape is bent left and right (meandering left and right) with respect to the direction D2 (see FIGS. 2 to 4).
  • the width along the first direction D1 of the valley portion VP is smaller than the width Wm along the first direction D1 of the peak portion MP.
  • the volume of the separator-side reaction gas channel CHv along the line is smaller than the volume of the power generator layer-side reaction gas channel CHm along the position of the peak portion MP.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram schematically showing the state of the generated water in the cathode-side gas flow path layer 132.
  • the generated water GW generated by the power generation (electrochemical reaction) of the fuel cell 100 is generated from the power generation layer 120 (the cathode side diffusion layer 122 thereof) to the power generation layer side reaction gas flow path CHm of the cathode side gas flow path layer 132. Flow into.
  • the separator-side reaction gas channel CHv has a smaller volume than the power generator layer-side reaction gas channel CHm.
  • the separator side reaction gas flow path CHv is provided on the power generator layer side.
  • the total surface energy is smaller than that of the reaction gas channel CHm. Therefore, the generated water GW that has flowed into the power generator layer side reaction gas channel CHm is drawn into the separator side reaction gas channel CHv through the through hole TH (see the arrow in FIG. 7). By such movement of the generated water GW, further inflow of the generated water GW from the power generator layer 120 to the power generator layer-side reaction gas channel CHm is promoted.
  • the produced water GW that has flowed into the separator-side reaction gas channel CHv flows through the separator-side reaction gas channel CHv, which is a continuous channel, and is efficiently discharged.
  • the separator-side reaction gas channel CHv which is a continuous channel, and is efficiently discharged.
  • the generated water GW that has flowed into the power generator layer-side reaction gas channel CHm of the cathode-side gas channel layer 132 is drawn into the separator-side reaction gas channel CHv. And is discharged through the separator-side reaction gas channel CHv. Therefore, separation of water and reaction gas (oxidizing gas) in the cathode side gas flow path layer 132 is promoted, and an increase in pressure loss in the cathode side gas flow path layer 132 due to the presence of the generated water GW is suppressed. Therefore, in the fuel cell 100 of this embodiment, the distribution variation of the reaction gas between the cells is suppressed, and the cell voltage variation between the cells is suppressed.
  • the power generator layer side reaction gas channel CHm and the separator side reaction gas channel CHv have a shape meandering left and right with respect to the second direction D2.
  • the diffusibility of the reaction gas (oxidizing gas) flowing through the gas flow path layer 132 is improved, and the power generation efficiency of the fuel cell 100 is improved.
  • a flat portion Fv having a shape parallel to the surface of the power generator layer 120 is formed at a portion of the valley side VP of the cathode side gas flow path layer 132 in contact with the power generator layer 120.
  • the flat portion Fm having a shape parallel to the surface of the separator 140 is formed in the portion of the mountain portion MP that is in contact with the separator 140, the cathode-side gas flow path layer 132 bites into the surfaces of the power generator layer 120 and the separator 140.
  • the area of the contact portion (flat portion Fm) with the surface of the separator 140 in the peak portion MP is the area of the contact portion (flat portion Fv) with the surface of the power generator layer 120 in the valley portion VP. Therefore, the increase in electrical resistance between the layers of the fuel cell 100 is suppressed, and the performance degradation of the fuel cell 100 is suppressed.
  • the configuration of the anode side gas flow path layer 134 is the same as the configuration of the cathode side gas flow path layer 132. Therefore, in the fuel cell 100 of the present embodiment, the diffusibility of the reaction gas (fuel gas) flowing through the anode-side gas flow path layer 134 is improved, the power generation efficiency of the fuel cell 100 is improved, and the durability of the fuel cell 100 is increased. Deterioration is suppressed.
  • Manufacturing method of gas flow path layer 8 to 10 are explanatory views showing a method for manufacturing the gas flow path layer.
  • the method for producing the gas flow path layers includes a main molding step and a flat portion forming step.
  • the main molding process is performed using a molding mechanism MA1 shown in FIG.
  • the molding mechanism MA1 has a pair of upper and lower rollers R, a die D, an upper blade UC, and a lower receiving blade LC. As shown in FIG.
  • the upper blade UC and the lower receiving blade LC have a blade having a width W1 corresponding to the width Wm of the peak portion MP of the gas flow path layer and a blade having a width W2 corresponding to the width Wv of the valley portion VP. And have.
  • the upper blade UC and the lower receiving blade LC are simultaneously swingable in the same direction in the vertical and horizontal directions.
  • the tip of the die D is moved by the roller R by the width of the thin plate TM of metal (for example, titanium or stainless steel) along the second direction D2 of one corrugated element WSE. It is sent to the positions of the upper blade UC and the lower receiving blade LC, and is stretched in the vertical direction while being sheared by the upper blade UC and the lower receiving blade LC. Thereby, one waveform element WSE in which the peak portions MP and the valley portions VP are alternately arranged is formed.
  • the roller R further feeds the thin plate TM by the width of one corrugated element WSE, and the upper blade UC and the lower receiving blade LC move to the left or right by the shift amount Ls (see FIG. 4). .
  • the thin plate TM is stretched in the vertical direction while being sheared, and the waveform element WSE adjacent to the previously formed waveform element WSE is formed.
  • the feeding of the thin plate TM, the movement of the upper blade UC and the lower receiving blade LC to the left and right, and the shearing and stretching by the upper blade UC and the lower receiving blade LC are repeatedly performed, whereby a plurality of waveform elements WSE are obtained.
  • the gas flow path layers arranged side by side are molded.
  • the molding mechanism MA2 includes two tables TA installed on the bed BE, a column CO installed between the tables TA, and a pair of upper and lower rollers R installed on the column CO.
  • the distance between the pair of upper and lower rollers R is set to a value corresponding to the thickness of the gas flow path layer after the flat portions Fm and Fv are formed.
  • the gas flow path layer molded in the main molding step is sent between a pair of upper and lower rollers R, the corners of the gas flow path layer are pressed by the roller R, and the flat portion Fm is formed on the gas flow path layer. , Fv are formed.
  • the fuel cell 100 has the cathode side gas flow path layer 132 and the anode side gas flow path layer 134.
  • the fuel cell 100 has only the cathode side gas flow path layer 132 and has the anode side gas flow layer 132.
  • the fuel cell 100 may include only the anode-side gas flow path layer 134 and may not include the cathode-side gas flow path layer 132.
  • the configuration of the gas flow path layers 132 and 134 in the above embodiment is merely an example, and various modifications can be made.
  • the peak portion MP only needs to have a shape whose cross section is convex toward the separator 140 side, and does not necessarily need to be configured by the top surface portion TS and the gradient portion SP.
  • the valley portion VP has a cross section of the power generator.
  • the shape may be a convex shape on the layer 120 side, and is not necessarily constituted by the bottom surface portion BS and the gradient portion SP. Further, it is not necessary for all the peaks MP to have the same shape, and it is not necessary that all the valleys VP have the same shape.
  • the absolute value of the shift amount Ls of the position of the corresponding peak portion MP and valley portion VP between one waveform element WSE and the adjacent waveform element WSE satisfies the above formula (1).
  • the absolute value of the deviation Ls does not necessarily have to be set in a range that satisfies the above equation (1).
  • the flat portions Fv and Fm are formed in the valley VP and the peak MP of each waveform element WSE, but the flat portions Fv and Fm are formed in the valley VP and the peak MP.
  • the flat portion forming process may not be performed in the manufacturing process of the gas flow path layers 132 and 134.
  • the flat portion Fv is formed in the valley portion VP, but Fm may not be formed in the peak portion MP.
  • the gas flow path layers 132 and 134 are formed with an expanded metal, the gas flow path layers 132 and 134 shape other conductive materials (for example, carbon) into the same shape. May be formed.
  • the fuel cell 100 has the anode side diffusion layer 124 and the cathode side diffusion layer 122, but the fuel cell 100 may not have the diffusion layers 122 and 124. That is, the power generation layer 120 may be configured only by the electrolyte membrane 112, the anode 116, and the cathode 114.
  • the diffusion layers 122 and 124 are treated with water repellent treatment, but the diffusion layers 122 and 124 need not necessarily be treated with water repellent treatment.
  • the gas flow path layers 132 and 134 are subjected to hydrophilic treatment, but the diffusion layers 122 and 124 are not necessarily subjected to hydrophilic treatment.
  • each layer of the fuel cell 100 is specified. However, the material is not limited to these materials, and various appropriate materials can be used.
  • the fuel cell 100 is a solid polymer fuel cell, but the present invention is also applicable to other types of fuel cells (for example, direct methanol fuel cells and phosphoric acid fuel cells). Is possible.
  • DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Fuel cell 112 ... Electrolyte membrane 114 ... Cathode 116 ... Anode 120 ... Electric power generation body layer 122 ... Cathode side diffusion layer 124 ... Anode side diffusion layer 132 ... Cathode side gas passage layer 134 ... Anode side gas passage layer 140 ... Separator

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Abstract

　燃料電池は、電解質膜とアノードおよびカソードとを含む発電体層と、セパレータと、発電体層とセパレータとの間に配置されたガス流路層と、を備える。ガス流路層は、セパレータ側に凸な第１の凸部と発電体層側に凸な第２の凸部とが交互に並んだ波形断面の複数の波形要素が、一の波形要素の第１の凸部の頂面が隣接する波形要素の第２の凸部の底面と一体的な面を形成するように、かつ、波形要素間に複数の貫通孔が形成されるように、並んだ構成を有する。複数の波形要素は、隣接する波形要素と比べて第１の凸部および第２の凸部の位置が第１の方向の正側にずれるように配置された波形要素と、第１の方向の負側にずれるように配置された波形要素と、を含む。第２の凸部の位置に沿ってガス流路層のセパレータ側に形成される第１の反応ガス流路の体積は、第１の凸部の位置に沿ってガス流路層の発電体層側に形成される第２の反応ガス流路の体積より小さい。

Description

燃料電池
　本発明は、燃料電池に関し、特に、発電体層とセパレータとの間にガス流路層を備える燃料電池に関する。
　燃料電池、例えば、固体高分子型燃料電池は、電解質膜を挟んで配置される一対の電極（アノードおよびカソード）にそれぞれ反応ガス（燃料ガスおよび酸化ガス）を供給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。
　従来、燃料電池において、電解質膜と一対の電極とを含む発電体層とセパレータとの間にエキスパンドメタル（メタルラス）を用いて形成されたガス流路層を設けることにより、反応ガスの拡散性を向上させ、燃料電池の発電効率を向上させる技術が知られている。
　しかしながら、上記従来の技術では、発電に伴って生成される生成水による燃料電池の性能への影響について十分に考慮されておらず、燃料電池の性能に向上の余地があった。
　なお、このような課題は、エキスパンドメタルを用いて形成されたガス流路層を備える固体高分子型燃料電池に限らず、発電体層とセパレータとの間に反応ガス流路を有するガス流路層を備える燃料電池一般に共通の課題であった。
　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、発電体層とセパレータとの間にガス流路層を備える燃料電池の性能を向上させることを目的とする。
　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。
［適用例１］燃料電池であって、
　電解質膜と前記電解質膜の一方の側に配置されたアノードと前記電解質膜の他方の側に配置されたカソードとを含む発電体層と、
　前記発電体層を間に挟んで配置された一対のセパレータと、
　前記発電体層と前記一対のセパレータの少なくとも一方との間に配置されたガス流路層と、を備え、
　前記ガス流路層は、前記セパレータ側に凸な第１の凸部と前記発電体層側に凸な第２の凸部とが第１の方向に沿って交互に並んだ波形断面の複数の波形要素が、一の前記波形要素における前記第１の凸部の頂面の少なくとも一部が隣接する前記波形要素における前記第２の凸部の底面の少なくとも一部と一体的な面を形成するように、かつ、前記波形要素間に複数の貫通孔が形成されるように、前記積層方向と前記第１の方向とに略直交する第２の方向に沿って並んだ構成を有し、
　前記ガス流路層を構成する複数の前記波形要素は、隣接する前記波形要素と比べて前記第１の凸部および前記第２の凸部の位置が前記第１の方向の正側にずれるように配置された前記波形要素と、隣接する前記波形要素と比べて前記第１の凸部および前記第２の凸部の位置が前記第１の方向の負側にずれるように配置された前記波形要素と、を含み、
　前記第２の凸部の位置に沿って前記ガス流路層の前記セパレータ側に形成される第１の反応ガス流路の体積は、前記第１の凸部の位置に沿って前記ガス流路層の前記発電体層側に形成され前記貫通孔により前記第１の反応ガス流路と連通する第２の反応ガス流路の体積より小さい、燃料電池。
　この燃料電池では、第２の凸部の位置に沿ってガス流路層のセパレータ側に形成される第１の反応ガス流路の体積が、第１の凸部の位置に沿ってガス流路層の発電体層側に形成される第２の反応ガス流路の体積より小さいため、発電体層からガス流路層の第２の反応ガス流路に流入した生成水は貫通孔を介して第１の反応ガス流路内に引き込まれ、第１の反応ガス流路を通って効率的に排出される。そのため、この燃料電池では、発電体層からの生成水の排水を促進することができ、生成水による濃度過電圧の増加を抑制して出力を向上させることができる。また、この燃料電池では、ガス流路層において水と反応ガスとの分離が促進されることから、生成水の存在によるガス流路層の圧力損失の増加を抑制することができるため、セル間の反応ガスの分配ばらつきを抑制してセル間のセル電圧ばらつきを抑制することができる。また、この燃料電池では、ガス流路層を構成する複数の波形要素が、隣接する波形要素と比べて第１の凸部および第２の凸部の位置が第１の方向の正側にずれるように配置された波形要素と第１の方向の負側にずれるように配置された波形要素との両方を含むことから、第１および第２の反応ガス流路が左右に蛇行した形状となるため、反応ガスの拡散性を向上させて発電効率を向上させることができる。従って、この燃料電池では、発電体層とセパレータとの間にガス流路層を備える燃料電池の性能を向上させることができる。
［適用例２］適用例１に記載の燃料電池であって、
　前記複数の波形要素において、前記第２の凸部の前記第１の方向に沿った幅は、前記第１の凸部の前記第１の方向に沿った幅より小さい、燃料電池。
　この燃料電池では、第２の凸部の位置に沿ってガス流路層のセパレータ側に形成される第１の反応ガス流路の体積を、第１の凸部の位置に沿ってガス流路層の発電体層側に形成される第２の反応ガス流路の体積より小さくすることができる。
［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、
　前記複数の波形要素において、前記第２の凸部の前記発電体層の表面に接する部分に前記発電体層の表面に平行な平坦部が形成されている、燃料電池。
　この燃料電池では、発電体層からの生成水の排水の促進およびガス流路層における水と反応ガスとの分離の促進を確保しつつ、発電体層表面やセパレータ表面へのガス流路層の食い込みを抑制することができ、燃料電池の出力性能や耐久性の低下を抑制することができると共に、ガス流路層の食い込みによってガス流路層における反応ガス流路の体積が低下することによる燃料電池の性能低下を抑制することができる。
［適用例４］適用例３に記載の燃料電池であって、
　前記複数の波形要素において、前記第１の凸部の前記セパレータの表面との接触面積は、前記第２の凸部の前記発電体層の表面との接触面積より大きい、燃料電池。
　この燃料電池では、発電体層からの生成水の排水の促進およびガス流路層における水と反応ガスとの分離の促進を確保しつつ、層間の電気抵抗の増大を抑制することができ、燃料電池の性能低下を抑制することができる。
　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、燃料電池を備える燃料電池システム、燃料電池システムを備える自動車等の移動体等の形態で実現することができる。
本実施例の燃料電池の構成を概略的に示す説明図である。 ガス流路層の構成を示す説明図である。 ガス流路層の構成を示す説明図である。 ガス流路層の構成を示す説明図である。 ガス流路層の構成を示す説明図である。 ガス流路層の構成を示す説明図である。 カソード側ガス流路層１３２における生成水の様子を模式的に示す説明図である。 ガス流路層の製造方法を示す説明図である。 ガス流路層の製造方法を示す説明図である。 ガス流路層の製造方法を示す説明図である。
　次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。
Ａ．実施例：
Ａ－１．燃料電池の構成：
　図１は、本実施例の燃料電池の構成を概略的に示す説明図である。本実施例の燃料電池１００は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池である。燃料電池１００は、複数の発電体層１２０と複数のセパレータ１４０とが交互に積層されたスタック構造を有している。燃料電池１００は、また、発電体層１２０とセパレータ１４０との間に配置されたアノード側ガス流路層１３４およびカソード側ガス流路層１３２（以下、まとめて「ガス流路層」とも呼ぶ）を備えている。なお、図１には、燃料電池１００の構成をわかりやすく示すために、発電体層１２０とガス流路層１３２，１３４とセパレータ１４０とで構成される１つのセルのみを示し、他のセルの図示を省略している。
　発電体層１２０は、電解質膜１１２と、電解質膜１１２の一方の側に配置されたアノード１１６と、電解質膜１１２の他方の側に配置されたカソード１１４と、を有している。電解質膜１１２とアノード１１６およびカソード１１４（以下、まとめて「触媒層」とも呼ぶ）とで構成される積層体は、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　Ａｓｓｅｍｂｌｙ（膜・電極接合体））とも呼ばれる。発電体層１２０は、また、アノード１１６の電解質膜１１２と接する側とは反対側に配置されたアノード側拡散層１２４と、カソード１１４の電解質膜１１２と接する側とは反対側に配置されたカソード側拡散層１２２と、を有している。
　電解質膜１１２は、フッ素系樹脂材料あるいは炭化水素系樹脂材料により形成されたイオン交換膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。触媒層１１４，１１６は、電極反応を促進する触媒を提供する層であり、例えば白金を担持したカーボンと電解質とを含む材料により形成されている。アノード側拡散層１２４およびカソード側拡散層１２２（以下、まとめて「拡散層」とも呼ぶ）は、電極反応に用いられる反応ガス（酸化ガスおよび燃料ガス）を面方向（燃料電池１００の積層方向（図１参照）に略直交する方向）に拡散させる層であり、例えばカーボンクロスやカーボンペーパーにより形成されている。本実施例では、拡散層には、例えばＰＴＦＥ樹脂によって撥水処理が施されている。
　セパレータ１４０は、ガスを透過しない緻密質であると共に導電性を有する材料、例えば圧縮成型された緻密質カーボン、金属、導電性樹脂により形成されている。ガス流路層１３２，１３４は、反応ガスを面方向に拡散させつつ流動させるガス流路として機能する層であり、エキスパンドメタル（メタルラス）を用いて形成されている。本実施例では、ガス流路層１３２，１３４の表面には、親水処理が施されている。ガス流路層１３２，１３４の詳細構成は、後述する。
　図１では図示を省略しているが、燃料電池１００は、いずれも燃料電池１００を積層方向に貫通する燃料ガス供給マニホールドと、燃料ガス排出マニホールドと、酸化ガス供給マニホールドと、酸化ガス排出マニホールドと、を有している。燃料電池１００に対して供給された燃料ガスは、燃料ガス供給マニホールドを介して各セルのアノード側ガス流路層１３４に分配され、さらに発電体層１２０のアノード側に供給されて発電体層１２０おける電気化学反応に利用される。反応に利用されなかった燃料ガスは、燃料ガス排出マニホールドを介して外部に排出される。また、燃料電池１００に対して供給された酸化ガスは、酸化ガス供給マニホールドを介して各セルのカソード側ガス流路層１３２に分配され、さらに発電体層１２０のカソード側に供給されて発電体層１２０おける電気化学反応に利用される。反応に利用されなかった酸化ガスは、酸化ガス排出マニホールドを介して外部に排出される。燃料ガスとしては、例えば水素ガスが用いられ、酸化ガスとしては、例えば空気が用いられる。
　燃料電池１００は、さらに、冷却媒体が供給される冷却媒体供給マニホールドと、冷却媒体が排出される冷却媒体排出マニホールドと、を有していてもよい。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。
　図２～６は、ガス流路層の構成を示す説明図である。図２には、カソード側ガス流路層１３２の発電体層１２０側（すなわちカソード側拡散層１２２側）の平面構成の一部を示している。図３には、カソード側ガス流路層１３２の反対側の平面構成、すなわちセパレータ１４０側の平面構成の一部を示している。図４は、カソード側ガス流路層１３２をセパレータ１４０側から見た斜視図である。図５には、カソード側ガス流路層１３２の図３におけるＡ－Ａ断面の断面構成を示している。図６には、カソード側ガス流路層１３２の図３におけるＢ－Ｂ断面の断面構成を示している。
　図２～４に示すように、カソード側ガス流路層１３２は、燃料電池１００の積層方向に略直交する第２の方向Ｄ２に沿って複数の波形要素ＷＳＥが並んだ構成を有している。各波形要素ＷＳＥは、図４および図５に示すように、セパレータ１４０側に凸な山部ＭＰと発電体層１２０側に凸な谷部ＶＰとが積層方向と第２の方向Ｄ２との双方に略直交する第１の方向Ｄ１に沿って交互に並んだ波形断面を有している。図５に示すように、カソード側ガス流路層１３２の波形要素ＷＳＥは、頂面部ＴＳと底面部ＢＳと頂面部ＴＳおよび底面部ＢＳを連結する勾配部ＳＰとを有しており、山部ＭＰは頂面部ＴＳと勾配部ＳＰの頂面部ＴＳ側の部分とから構成され、谷部ＶＰは底面部ＢＳと勾配部ＳＰの底面部ＢＳ側の部分とから構成される。図２，３，５に示すように、各波形要素ＷＳＥにおいて、谷部ＶＰを構成する底面部ＢＳの第１の方向Ｄ１に沿った幅Ｗｖは、山部ＭＰを構成する頂面部ＴＳの第１の方向Ｄ１に沿った幅Ｗｍより小さい。そのため、谷部ＶＰの第１の方向Ｄ１に沿った幅は、山部ＭＰの第１の方向Ｄ１に沿った幅Ｗｍより小さい。
　なお、カソード側ガス流路層１３２は、セパレータ１４０側から見るときと発電体層１２０側から見るときとでは、波形要素ＷＳＥにおける凹凸形状が逆になる。本明細書では、単に波形要素ＷＳＥのセパレータ１４０側に凸な部分と発電体層１２０側に凸な部分とを区別するために、便宜上、「山部ＭＰ」および「谷部ＶＰ」との名称を用いているのであり、その名称は山部ＭＰおよび谷部ＶＰの位置関係を表すものではない。山部ＭＰは本発明における第１の凸部に相当し、谷部ＶＰは本発明における第２の凸部に相当する。
　図２～４に示すように、複数の波形要素ＷＳＥは、一の波形要素ＷＳＥにおける山部ＭＰの頂面部ＴＳの一部が、隣接する波形要素ＷＳＥにおける谷部ＶＰの底面部ＢＳの一部と一体的な面ＦＳを形成するような関係で、第２の方向Ｄ２に沿って並んで配置されている。従って、図６に示すように、カソード側ガス流路層１３２の第２の方向Ｄ２に沿った断面は略階段形状となる。カソード側ガス流路層１３２をこのような構成とすることにより、カソード側ガス流路層１３２は、波形要素ＷＳＥ間に、網目状に配置された複数の貫通孔ＴＨを有することとなる（図４，６参照）。
　図２～４に示すように、第１の方向Ｄ１に沿った一方の側を「正側」（「＋側」）と呼び第１の方向Ｄ１に沿った他方の側を「負側」（「－側」）と呼ぶものとすると、カソード側ガス流路層１３２を構成する複数の各波形要素ＷＳＥは、第２の方向Ｄ２の方向に沿って隣接する波形要素ＷＳＥと比べて対応する山部ＭＰおよび谷部ＶＰの位置が第１の方向Ｄ１の正側にずれるように配置された波形要素ＷＳＥを含むと共に、隣接する波形要素ＷＳＥと比べて対応する山部ＭＰおよび谷部ＶＰの位置が第１の方向Ｄ１の負側にずれるように配置された波形要素ＷＳＥを含んでいる。すなわち、波形要素ＷＳＥ間における対応する山部ＭＰおよび谷部ＶＰの位置のずれの方向が片方向のみではなく、両方向となっている。例えば、図２では、図示範囲の最下部から中央付近までは、山部ＭＰおよび谷部ＶＰの位置が第１の方向Ｄ１の正側に少しずつずれており、図示範囲の中央付近から最上部までは、反対に、山部ＭＰおよび谷部ＶＰの位置が第１の方向Ｄ１の負側に少しずつずれている。
　本実施例では、一の波形要素ＷＳＥとそれに隣接する波形要素ＷＳＥとの間の対応する山部ＭＰおよび谷部ＶＰの位置のずれ量Ｌｓの絶対値（図４参照）は、以下の式（１）を満たす範囲に設定されている。なお、ずれ量Ｌｓの絶対値とは、ずれの方向が第１の方向Ｄ１の正側か負側かを問わないずれの量を意味している。また、式（１）において、Ｌｐは、波形要素ＷＳＥにおける山部ＭＰのピッチ（すなわち隣接する山部ＭＰ間の距離であり、谷部ＶＰのピッチに等しい）である。
　　０≦Ｌｓ≦Ｌｐ／２・・・（１）
　図２，６に示すように、各波形要素ＷＳＥにおいて、谷部ＶＰにおける発電体層１２０に接する部分には、発電体層１２０の表面に平行な形状の平坦部Ｆｖが形成されている。同様に、図３，４，６に示すように、各波形要素ＷＳＥにおいて、山部ＭＰにおけるセパレータ１４０に接する部分には、セパレータ１４０の表面に平行な形状の平坦部Ｆｍが形成されている。山部ＭＰにおけるセパレータ１４０表面との接触部分（平坦部Ｆｍ）の面積は、谷部ＶＰにおける発電体層１２０表面との接触部分（平坦部Ｆｖ）の面積より大きい。
　このような構成を有するカソード側ガス流路層１３２では、図２～４に示すように、山部ＭＰの位置に沿って発電体層１２０との間に発電体層側反応ガス流路ＣＨｍが形成されると共に、谷部ＶＰの位置に沿ってセパレータ１４０との間にセパレータ側反応ガス流路ＣＨｖが形成される。発電体層側反応ガス流路ＣＨｍとセパレータ側反応ガス流路ＣＨｖとは、貫通孔ＴＨにより連通している（図４参照）。なお、セパレータ側反応ガス流路ＣＨｖは本発明における第１の反応ガス流路に相当し、発電体層側反応ガス流路ＣＨｍは本発明における第２の反応ガス流路に相当する。
　上述したように、本実施例の燃料電池１００では、波形要素ＷＳＥ間における対応する山部ＭＰおよび谷部ＶＰの位置のずれの方向が片方向のみではなく両方向となっているため、発電体層側反応ガス流路ＣＨｍおよびセパレータ側反応ガス流路ＣＨｖは、第２の方向Ｄ２に平行な形状でも第２の方向Ｄ２に対して右または左に一方的に曲がった形状でもなく、第２の方向Ｄ２に対して左右に曲がった（左右に蛇行した）形状となる（図２～４参照）。
　また、上述したように、各波形要素ＷＳＥにおいて、谷部ＶＰの第１の方向Ｄ１に沿った幅は山部ＭＰの第１の方向Ｄ１に沿った幅Ｗｍより小さいため、谷部ＶＰの位置に沿ったセパレータ側反応ガス流路ＣＨｖの体積は、山部ＭＰの位置に沿った発電体層側反応ガス流路ＣＨｍの体積より小さい。
　図７は、カソード側ガス流路層１３２における生成水の様子を模式的に示す説明図である。燃料電池１００の発電（電気化学反応）に伴い生成された生成水ＧＷは、発電体層１２０（のカソード側拡散層１２２）からカソード側ガス流路層１３２の発電体層側反応ガス流路ＣＨｍに流入する。ここで、セパレータ側反応ガス流路ＣＨｖは、発電体層側反応ガス流路ＣＨｍより体積が小さい。また、カソード側ガス流路層１３２には親水処理が施されている一方、カソード側拡散層１２２には撥水処理を施されているため、セパレータ側反応ガス流路ＣＨｖは、発電体層側反応ガス流路ＣＨｍより表面エネルギーの総和が小さい。そのため、発電体層側反応ガス流路ＣＨｍに流入した生成水ＧＷは、貫通孔ＴＨを介してセパレータ側反応ガス流路ＣＨｖ内に引き込まれる（図７の矢印参照）。このような生成水ＧＷの移動により、発電体層１２０から発電体層側反応ガス流路ＣＨｍへのさらなる生成水ＧＷの流入が促進される。セパレータ側反応ガス流路ＣＨｖ内に流入した生成水ＧＷは、連続した流路であるセパレータ側反応ガス流路ＣＨｖ内を流動して効率的に排出される。このように、本実施例の燃料電池１００では、発電体層１２０（のカソード側拡散層１２２）からの生成水ＧＷの排水が促進されるため、生成水ＧＷによる濃度過電圧の増加が抑制され、出力が向上する。
　さらに、本実施例の燃料電池１００では、上述したように、カソード側ガス流路層１３２の発電体層側反応ガス流路ＣＨｍに流入した生成水ＧＷは、セパレータ側反応ガス流路ＣＨｖに引き込まれ、セパレータ側反応ガス流路ＣＨｖ内を通って排出される。そのため、カソード側ガス流路層１３２における水と反応ガス（酸化ガス）との分離が促進され、生成水ＧＷの存在によるカソード側ガス流路層１３２の圧力損失の増加が抑制される。従って、本実施例の燃料電池１００では、セル間の反応ガスの分配ばらつきが抑制され、セル間のセル電圧ばらつきが抑制される。
　また、本実施例の燃料電池１００では、発電体層側反応ガス流路ＣＨｍおよびセパレータ側反応ガス流路ＣＨｖが第２の方向Ｄ２に対して左右に蛇行した形状となっているため、カソード側ガス流路層１３２を流動する反応ガス（酸化ガス）の拡散性が向上し、燃料電池１００の発電効率が向上する。
　さらに、本実施例の燃料電池１００では、カソード側ガス流路層１３２の谷部ＶＰにおける発電体層１２０に接する部分に発電体層１２０の表面に平行な形状の平坦部Ｆｖが形成されており、山部ＭＰにおけるセパレータ１４０に接する部分にセパレータ１４０の表面に平行な形状の平坦部Ｆｍが形成されているため、カソード側ガス流路層１３２が発電体層１２０やセパレータ１４０の表面に食い込むことが抑制され、燃料電池１００の出力性能や耐久性の低下が抑制されると共に、食い込みによってカソード側ガス流路層１３２における反応ガス流路ＣＨｍ，ＣＭｖの体積が低下することによる燃料電池１００の性能低下が抑制される。
　また、本実施例の燃料電池１００では、山部ＭＰにおけるセパレータ１４０表面との接触部分（平坦部Ｆｍ）の面積が谷部ＶＰにおける発電体層１２０表面との接触部分（平坦部Ｆｖ）の面積より大きいため、燃料電池１００の層間の電気抵抗の増大が抑制され、燃料電池１００の性能低下が抑制される。
　なお、燃料電池１００において、アノード側ガス流路層１３４の構成もカソード側ガス流路層１３２の構成と同様である。そのため、本実施例の燃料電池１００では、アノード側ガス流路層１３４を流動する反応ガス（燃料ガス）の拡散性が向上されて燃料電池１００の発電効率が向上すると共に、燃料電池１００の耐久性低下が抑制される。
Ａ－２．ガス流路層の製造方法：
　図８～１０は、ガス流路層の製造方法を示す説明図である。ガス流路層（カソード側ガス流路層１３２およびアノード側ガス流路層１３４）の製造方法は、主成型工程と平坦部形成工程とを含む。主成型工程は、図８に示す成型機構ＭＡ１を用いて行われる。成型機構ＭＡ１は、上下一対のローラーＲとダイＤと上刃ＵＣと下受刃ＬＣとを有している。上刃ＵＣおよび下受刃ＬＣは、図９に示すように、ガス流路層の山部ＭＰの幅Ｗｍに対応する幅Ｗ１の刃と、谷部ＶＰの幅Ｗｖに対応する幅Ｗ２の刃と、を有している。上刃ＵＣおよび下受刃ＬＣは、同時に、上下左右の同一方向に揺動可能となっている。
　主成型工程では、図８に示すように、ローラーＲによって、金属（例えばチタンやステンレス）の薄板ＴＭが１つの波形要素ＷＳＥの第２の方向Ｄ２に沿った幅の分だけ、ダイＤの先の上刃ＵＣおよび下受刃ＬＣの位置に送られ、上刃ＵＣおよび下受刃ＬＣによってせん断されつつ上下方向に引き延ばされる。これにより、山部ＭＰと谷部ＶＰとが交互に並んで配置された１つの波形要素ＷＳＥが形成される。次に、ローラーＲによって、さらに１つの波形要素ＷＳＥの幅の分だけ薄板ＴＭが送られると共に、上刃ＵＣおよび下受刃ＬＣがずれ量Ｌｓ（図４参照）分だけ左または右に移動する。この状態で、同様に、薄板ＴＭがせん断されつつ上下方向に引き延ばされ、先に形成された波形要素ＷＳＥに隣接する波形要素ＷＳＥが形成される。このように、薄板ＴＭの送りと上刃ＵＣおよび下受刃ＬＣの左右への移動および上刃ＵＣおよび下受刃ＬＣによるせん断および引き延ばしとが繰り返し実行されることにより、複数の波形要素ＷＳＥが並んで配置されたガス流路層が成型される。
　次に、図１０に示す成型機構ＭＡ２を用いた平坦部形成工程が行われる。成型機構ＭＡ２は、ベッドＢＥに設置された２つのテーブルＴＡと、テーブルＴＡ間に設置されたコラムＣＯと、コラムＣＯに設置された上下一対のローラーＲと、を有している。上下一対のローラーＲ間の間隔は、平坦部Ｆｍ，Ｆｖが形成された後のガス流路層の厚さに相当する値に設定されている。平坦部形成工程では、主成型工程で成型されたガス流路層が上下一対のローラーＲ間に送られ、ローラーＲによってガス流路層の角部がプレスされ、ガス流路層に平坦部Ｆｍ，Ｆｖが形成される。以上の工程により、上述した構成のガス流路層が製造される。
Ｂ．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。
Ｂ１．変形例１：
　上記実施例では、燃料電池１００はカソード側ガス流路層１３２とアノード側ガス流路層１３４とを有するとしているが、燃料電池１００がカソード側ガス流路層１３２のみを有しアノード側ガス流路層１３４を有しないとしてもよいし、反対に、燃料電池１００がアノード側ガス流路層１３４のみを有しカソード側ガス流路層１３２を有しないとしてもよい。
　また、上記実施例におけるガス流路層１３２，１３４の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、山部ＭＰは、断面がセパレータ１４０側に凸な形状であればよく、必ずしも頂面部ＴＳと勾配部ＳＰとにより構成される必要はなく、同様に、谷部ＶＰは、断面が発電体層１２０側に凸な形状であればよく、必ずしも底面部ＢＳと勾配部ＳＰとにより構成される必要はない。また、山部ＭＰはすべて同一形状である必要はなく、谷部ＶＰもすべて同一形状である必要はない。
　また、上記実施例では、一の波形要素ＷＳＥとそれに隣接する波形要素ＷＳＥとの間の対応する山部ＭＰおよび谷部ＶＰの位置のずれ量Ｌｓの絶対値が上記式（１）を満たす範囲に設定されているとしているが、ずれ量Ｌｓの絶対値は必ずしも上記式（１）を満たす範囲に設定される必要はない。
　また、上記実施例では、各波形要素ＷＳＥの谷部ＶＰおよび山部ＭＰには平坦部Ｆｖ，Ｆｍが形成されるとしているが、谷部ＶＰおよび山部ＭＰには平坦部Ｆｖ，Ｆｍが形成されない、すなわち、ガス流路層１３２，１３４の製造工程において平坦部形成工程が行われないとしてもよい。あるいは、谷部ＶＰには平坦部Ｆｖが形成されるが、山部ＭＰにはＦｍが形成されないとしてもよい。
　また、上記実施例では、ガス流路層１３２，１３４がエキスパンドメタルにより形成されるとしているが、ガス流路層１３２，１３４は他の導電性材料（例えばカーボン）を同様の形状に成型することにより形成されるとしてもよい。
Ｂ２．変形例２：
　上記実施例では、燃料電池１００はアノード側拡散層１２４およびカソード側拡散層１２２を有するとしているが、燃料電池１００は拡散層１２２，１２４を有しないとしてもよい。すなわち、発電体層１２０が、電解質膜１１２とアノード１１６とカソード１１４とのみにより構成されるとしてもよい。また、上記実施例では、拡散層１２２，１２４には撥水処理が施されているとしているが、拡散層１２２，１２４には必ずしも撥水処理が施されている必要はない。また、上記実施例では、ガス流路層１３２，１３４には親水処理が施されているとしているが、拡散層１２２，１２４には必ずしも親水処理が施されている必要はない。
Ｂ３．変形例３：
　上記実施例では、燃料電池１００の各層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。また、上記実施例では、燃料電池１００は固体高分子型燃料電池であるとしているが、本発明は他の種類の燃料電池（例えば、ダイレクトメタノール形燃料電池やリン酸形燃料電池）にも適用可能である。
　　１００…燃料電池
　　１１２…電解質膜
　　１１４…カソード
　　１１６…アノード
　　１２０…発電体層
　　１２２…カソード側拡散層
　　１２４…アノード側拡散層
　　１３２…カソード側ガス流路層
　　１３４…アノード側ガス流路層
　　１４０…セパレータ

Claims (4)

  1. 　燃料電池であって、
    　電解質膜と前記電解質膜の一方の側に配置されたアノードと前記電解質膜の他方の側に配置されたカソードとを含む発電体層と、
    　前記発電体層を間に挟んで配置された一対のセパレータと、
    　前記発電体層と前記一対のセパレータの少なくとも一方との間に配置されたガス流路層と、を備え、
    　前記ガス流路層は、前記セパレータ側に凸な第１の凸部と前記発電体層側に凸な第２の凸部とが第１の方向に沿って交互に並んだ波形断面の複数の波形要素が、一の前記波形要素における前記第１の凸部の頂面の少なくとも一部が隣接する前記波形要素における前記第２の凸部の底面の少なくとも一部と一体的な面を形成するように、かつ、前記波形要素間に複数の貫通孔が形成されるように、前記積層方向と前記第１の方向とに略直交する第２の方向に沿って並んだ構成を有し、
    　前記ガス流路層を構成する複数の前記波形要素は、隣接する前記波形要素と比べて前記第１の凸部および前記第２の凸部の位置が前記第１の方向の正側にずれるように配置された前記波形要素と、隣接する前記波形要素と比べて前記第１の凸部および前記第２の凸部の位置が前記第１の方向の負側にずれるように配置された前記波形要素と、を含み、
    　前記第２の凸部の位置に沿って前記ガス流路層の前記セパレータ側に形成される第１の反応ガス流路の体積は、前記第１の凸部の位置に沿って前記ガス流路層の前記発電体層側に形成され前記貫通孔により前記第１の反応ガス流路と連通する第２の反応ガス流路の体積より小さい、燃料電池。
  2. 　請求項１に記載の燃料電池であって、
    　前記複数の波形要素において、前記第２の凸部の前記第１の方向に沿った幅は、前記第１の凸部の前記第１の方向に沿った幅より小さい、燃料電池。
  3. 　請求項１または請求項２に記載の燃料電池であって、
    　前記複数の波形要素において、前記第２の凸部の前記発電体層の表面に接する部分に前記発電体層の表面に平行な平坦部が形成されている、燃料電池。
  4. 　請求項３に記載の燃料電池であって、
    　前記複数の波形要素において、前記第１の凸部の前記セパレータの表面との接触面積は、前記第２の凸部の前記発電体層の表面との接触面積より大きい、燃料電池。
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