JP5429357B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

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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