JP2018125288A - 燃料電池及び燃料電池用金属セパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】ビードシールにおける連結流路が設けられた部位とその他の部位との間の面圧のバラツキを小さくすることが可能な燃料電池及び燃料電池用金属セパレータを提供する。【解決手段】発電セル（燃料電池）１２は、電解質膜・電極構造体２８ａと、電解質膜・電極構造体２８ａの両側にそれぞれ配置された第１及び第２金属セパレータ３０、３２とを備える。第１金属セパレータ３０には、酸化剤ガス入口連通孔３４ａと、酸化剤ガス入口連通孔３４ａを周回する連通孔ビード部（ビードシール）５３ａと、ブリッジ部８０とが設けられる。ブリッジ部８０が設けられた部位における連通孔ビード部５３ａの根元部の幅Ｗ１ａは、他の部位における連通孔ビード部５３ａの根元部の幅Ｗ２ａよりも大きい。【選択図】図６

Description

本発明は、燃料電池及び燃料電池用金属セパレータに関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面にアノード電極が、他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備える。電解質膜・電極構造体は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されることにより、発電セル（単位燃料電池）を構成している。発電セルが所定の数だけ積層した積層体を備えた燃料電池スタックが、例えば、燃料電池車両（燃料電池電気自動車等）に組み込まれる。

燃料電池スタックでは、セパレータとして金属セパレータが使用される場合がある。その際、金属セパレータには、酸化剤ガス及び燃料ガスである反応ガスや冷却媒体の漏れを防止するために、シール部材が設けられる（例えば、特許文献１）。

シール部材は、フッ素系やシリコーン等の弾性ゴムシールが使用されており、コストが高騰するという問題がある。そこで、例えば、特許文献２に開示されているように、弾性ゴムシールに代えて、金属セパレータに凸形状のビードシールを形成する構成が採用されている。

米国特許第７００８５８４号明細書 米国特許第７７１８２９３号明細書

反応ガス及び冷却媒体をそれぞれ個別に供給及び排出するために、発電セルの積層体には、金属セパレータを積層方向に貫通した連通孔が設けられ、金属セパレータにおける各連通孔は、ビードシールによって個別に囲まれる。発電領域と連通孔との間で反応ガスを流通させるために、金属セパレータには、ビードシールの内外を連通する連結流路（ブリッジ部）が設けられる。そのため、ビードシールにおける連結流路が設けられた部位とその他の部位（連結流路が設けられない部位）との間で面圧（ビードシール先端での接触圧）のバラツキが大きくなる。

本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、ビードシールにおける連結流路が設けられた部位とその他の部位との間の面圧のバラツキを小さくすることが可能な燃料電池及び燃料電池用金属セパレータを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は、電解質膜の両側にそれぞれ電極が設けられてなる電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の両側にそれぞれ配置された金属セパレータとを備え、前記金属セパレータには、電解質膜・電極構造体及び前記金属セパレータの積層方向に燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体である流体を流通させる連通孔と、前記金属セパレータの面に沿って前記流体を流通させる流体流路と、前記連通孔と前記流体流路とを連通する連結流路と、前記連通孔を周回するとともに前記積層方向に突出したビードシールとが設けられ、前記ビードシールの内側及び外側を連通する前記連結流路が形成された燃料電池であって、前記連結流路が設けられた部位における前記ビードシールの根元部の幅は、他の部位における前記ビードシールの根元部の幅よりも大きいことを特徴とする。

上記の燃料電池において、前記ビードシールは、平面視で波形状に形成されることが好ましい。

上記の燃料電池において、前記ビードシールの突出方向の先端部の幅は、前記連結流路が設けられた部位と、前記他の部位とで同じであることが好ましい。

上記の燃料電池において、前記ビードシールは、平面視で波形状に形成され、前記ビードシールにおける前記波形状を構成する湾曲部の頂点に対応する部位で、前記ビードシールの凸形状の両側に、前記連結流路の少なくとも一部を構成する貫通孔が設けられることが好ましい。

上記の燃料電池において、前記連結流路は、前記ビードシールの凸形状の両側に設けられた貫通孔と、前記貫通孔に接続されたトンネルとを有することが好ましい。

また、本発明は、厚さ方向に貫通するとともに燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体である流体を流通させる連通孔と、セパレータ面に沿って前記流体を流通させる流体流路と、前記連通孔と前記流体流路とを連通する連結流路と、前記連通孔を周回するとともに前記厚さ方向に突出したビードシールとが設けられ、前記ビードシールの内側及び外側を連通するように前記連結流路が形成された燃料電池用金属セパレータであって、前記ビードシールの根元部の幅は、前記連結流路が設けられた部位が他の部位よりも大きいことを特徴とする。

上記の燃料電池用金属セパレータにおいて、前記ビードシールは、平面視で波形状に形成されることが好ましい。

上記の燃料電池用金属セパレータにおいて、前記ビードシールの突出方向の先端部の幅は、前記連結流路が設けられた部位と、前記他の部位とで同じであることが好ましい。

上記の燃料電池用金属セパレータにおいて、前記ビードシールは、平面視で波形状に形成され、前記ビードシールにおける前記波形状を構成する湾曲部の頂点に対応する部位で、前記ビードシールの凸形状の両側に、前記連通孔と前記流体流路とを連通する貫通孔が設けられることが好ましい。

上記の燃料電池用金属セパレータにおいて、前記ビードシールの凸形状の両側に、前記連通孔と前記流体流路とを連通する貫通孔が設けられ、前記貫通孔にはトンネルが接続されることが好ましい。

また、本発明は、厚さ方向に貫通するとともに燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体である流体を流通させる連通孔と、セパレータ面に沿って前記流体を流通させる流体流路と、前記連通孔と前記流体流路とを連通する連結流路と、前記連通孔を周回するとともに前記厚さ方向に突出したビードシールとが設けられ、前記ビードシールの内側及び外側を連通するように前記連結流路が形成された燃料電池用金属セパレータであって、前記連結流路が設けられた部位における前記ビードシールの凸形状の両側の前記厚さ方向と垂直な面に対する角度は、他の部位における前記ビードシールの前記凸形状の両側の前記面に対する角度よりも小さいことを特徴とする。

上記の燃料電池用金属セパレータにおいて、前記連結流路が設けられた部位における前記ビードシールの前記凸形状の高さは、前記他の部位における前記ビードシールの前記凸形状の高さと同じであることが好ましい。

上記の燃料電池用金属セパレータにおいて、前記連結流路が設けられた部位において、前記ビードシールの前記凸形状の一方の側壁と他方の側壁は、前記厚さ方向と垂直な面に対する角度が同じであることが好ましい。

本発明の燃料電池及び燃料電池用金属セパレータによれば、前記ビードシールの根元部の幅は、前記連結流路が設けられた部位が他の部位よりも大きい。このため、ビードシールにおける連結流路が設けられた部位とその他の部位との間の面圧のバラツキを小さくすることができる。

燃料電池スタックの斜視説明図である。 燃料電池スタックの一部分解概略斜視図である。 燃料電池スタックの、図２中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 燃料電池スタックを構成する発電セルの分解斜視説明図である。 第１金属セパレータの正面説明図である。 第１金属セパレータにおける酸化剤ガス入口連通孔を囲むビードシールの要部説明図である。 図６におけるＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。 図８Ａは、図６におけるＶＩＩＩＡ−ＶＩＩＩＡ線断面図であり、図８Ｂは、図６におけるＶＩＩＩＢ−ＶＩＩＩＢ線断面図である。 第２金属セパレータの正面説明図である。 変形例に係るブリッジ部が設けられた第１金属セパレータの正面説明図である。 変形例に係るブリッジ部が設けられた第２金属セパレータの正面説明図である。 変形例に係るブリッジ部が設けられた部位の連通孔ビード部の断面図である。

図１及び図２に示すように、燃料電池スタック１０は、複数の発電セル（燃料電池）１２が水平方向（矢印Ａ方向）又は重力方向（矢印Ｃ方向）に積層された積層体１４を備える。燃料電池スタック１０は、例えば、図示しない燃料電池電気自動車等の燃料電池車両に搭載される。

積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）一端には、ターミナルプレート１６ａ、インシュレータ１８ａ及びエンドプレート２０ａが外方に向かって、順次、配設される（図２参照）。積層体１４の積層方向他端には、ターミナルプレート１６ｂ、インシュレータ１８ｂ及びエンドプレート２０ｂが外方に向かって、順次、配設される。

図１に示すように、エンドプレート２０ａ、２０ｂは、横長（縦長でもよい）の長方形状を有するとともに、各辺間には、連結バー２４が配置される。各連結バー２４は、両端をエンドプレート２０ａ、２０ｂの内面にボルト２６を介して固定され、複数の積層された発電セル１２に積層方向（矢印Ａ方向）の締め付け荷重を付与する。なお、燃料電池スタック１０では、エンドプレート２０ａ、２０ｂを端板とする筐体を備え、前記筐体内に積層体１４を収容するように構成してもよい。

発電セル１２は、図３及び図４に示すように、樹脂フィルム付きＭＥＡ２８が、第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２により挟持される。第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属薄板の断面を波形にプレス成形して構成される。第１金属セパレータ３０と第２金属セパレータ３２とは、外周を溶接、ろう付け、かしめ等により一体に接合され、接合セパレータ３３を構成する。

発電セル１２の長辺方向である矢印Ｂ方向（図４中、水平方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂは、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。酸化剤ガス入口連通孔３４ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する。冷却媒体入口連通孔３６ａは、冷却媒体を供給し、燃料ガス出口連通孔３８ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。

発電セル１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガス入口連通孔３８ａ、冷却媒体出口連通孔３６ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。燃料ガス入口連通孔３８ａは、燃料ガスを供給し、冷却媒体出口連通孔３６ｂは、冷却媒体を排出するとともに、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂは、酸化剤ガスを排出する。酸化剤ガス入口連通孔３４ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂと燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂの配置は、本実施形態に限定されるものではない。要求される仕様に応じて、適宜設定すればよい。

図３に示すように、樹脂フィルム付きＭＥＡ２８は、電解質膜・電極構造体２８ａと、電解質膜・電極構造体２８ａの外周部に設けられた樹脂フィルム４６とを備える。電解質膜・電極構造体２８ａは、電解質膜４０と、前記電解質膜４０を挟持するアノード電極４２及びカソード電極４４とを有する。

電解質膜４０は、例えば、固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）である。固体高分子電解質膜は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である。電解質膜４０は、アノード電極４２及びカソード電極４４に挟持される。電解質膜４０は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用することができる。電解質膜４０は、アノード電極４２及びカソード電極４４よりも小さな平面寸法（外形寸法）を有する。

アノード電極４２の外周縁部とカソード電極４４の外周縁部との間には、枠形状を有する樹脂フィルム４６が挟持される。樹脂フィルム４６の内周端面は、電解質膜４０の外周端面に近接、重なる又は当接する。図４に示すように、樹脂フィルム４６の矢印Ｂ方向の一端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂが設けられる。樹脂フィルム４６の矢印Ｂ方向の他端縁部には、燃料ガス入口連通孔３８ａ、冷却媒体出口連通孔３６ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂが設けられる。

樹脂フィルム４６は、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＰＡ（ポリフタルアミド）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）、ＬＣＰ（リキッドクリスタルポリマー）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、又はｍ−ＰＰＥ（変性ポリフェニレンエーテル樹脂）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）又は変性ポリオレフィンで構成される。なお、樹脂フィルム４６を用いることなく、電解質膜４０を外方に突出させてもよい。また、外方に突出した電解質膜４０の両側に枠形状のフィルムを設けてもよい。

図４に示すように、第１金属セパレータ３０の樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かう面３０ａ（以下、「表面３０ａ」という）には、例えば、矢印Ｂ方向に延在する酸化剤ガス流路４８が設けられる。図５に示すように、酸化剤ガス流路４８は、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂに流体的に連通する。酸化剤ガス流路４８は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の凸部４８ａ間に直線状流路溝４８ｂを有する。複数の直線状流路溝４８ｂに代えて、複数の波状流路溝が設けられてもよい。

第１金属セパレータ３０の表面３０ａにおいて、酸化剤ガス入口連通孔３４ａと酸化剤ガス流路４８との間には、複数個のエンボス部を有する入口バッファ部５０ａが設けられる。また、第１金属セパレータ３０の表面３０ａにおいて、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂと酸化剤ガス流路４８との間には、複数個のエンボス部を有する出口バッファ部５０ｂが設けられる。

第１金属セパレータ３０の表面３０ａには、プレス成形により第１シールライン（メタルビードシール）５１が樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かって膨出成形される。第１シールライン５１は、外側ビード部５２と、複数の連通孔ビード部（ビードシール）５３とを有する。外側ビード部５２は、第１金属セパレータ３０の表面３０ａからＭＥＡ２８に向かって突出するとともに当該表面３０ａの外周縁部を周回する。

図３に示すように、第１シールライン５１の凸部先端面には、樹脂材５６ａが印刷又は塗布等により固着される。樹脂材５６ａは、例えば、ポリエステル繊維が使用される。樹脂材５６ａは、樹脂フィルム４６側に設けられてもよい。樹脂材５６ａは、不可欠ではなく、なくてもよい。

図５に示すように、複数の連通孔ビード部５３は、第１金属セパレータ３０の表面３０ａからＭＥＡ２８に向かって突出するとともに、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ、燃料ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス出口連通孔３８ｂ、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び冷却媒体出口連通孔３６ｂの周囲をそれぞれ個別に周回する。

連通孔ビード部５３は、波形状を有する。具体的に、連通孔ビード部５３のうち各連通孔３４ａ、３４ｂ、３６ａ、３６ｂ、３８ａ、３８ｂの長辺に沿った部位（長辺に対向する部位）は、平面視で波形状に形成される。なお、連通孔ビード部５３のうち各連通孔３４ａ、３４ｂ、３６ａ、３６ｂ、３８ａ、３８ｂの長辺に沿った部位は、平面視で直線状に形成されてもよい。

図５に示すように、第１金属セパレータ３０には、酸化剤ガス入口連通孔３４ａと酸化剤ガス出口連通孔３４ｂをそれぞれ囲む連通孔ビード部５３ａ、５３ｂの内側（連通孔３４ａ、３４ｂ側）及び外側（酸化剤ガス流路４８側）を連通するブリッジ部（連結流路）８０、８２が設けられる。

連通孔ビード部５３ａのうち、酸化剤ガス流路４８側で酸化剤ガス入口連通孔３４ａの長辺に沿った部位（以下、「ガス流路側ビード５３ａ１」という）に、複数のブリッジ部８０が間隔を置いて設けられる。連通孔ビード部５３ｂのうち、酸化剤ガス流路４８側で酸化剤ガス出口連通孔３４ｂの長辺に沿った部位（以下、「ガス流路側ビード５３ｂ１」という）に、複数のブリッジ部８２が間隔を置いて設けられる。

連通孔ビード部５３ａと連通孔ビード部５３ｂとは、同様に構成されている。また、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ側のブリッジ部８０と、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ側のブリッジ部８２とは、同様に構成されている。このため、以下では、代表的に連通孔ビード部５３ａ及びブリッジ部８０の構成について詳細に説明し、連通孔ビード部５３ｂ及びブリッジ部８２の構成については詳細な説明を省略する。

図６に示すように、ブリッジ部８０は、連通孔ビード部５３ａの波形状を構成する複数の弧状湾曲部の各頂点部（各弧状湾曲部の延在方向中央部）に設けられる。図６及び図７に示すように、ブリッジ部８０は、連通孔ビード部５３ａの凸形状の両側（側壁５３ａｗ）に設けられた貫通孔８４ａ、８４ｂと、貫通孔８４ａ、８４ｂに接続されたトンネル８６とを有する。

図７に示すように、第１金属セパレータ３０には、凸形状の連通孔ビード部５３ａの裏側形状である凹部５３ｃが設けられる。凹部５３ｃは、連通孔ビード部５３ａの内部空間５３ｄを構成する。貫通孔８４ａ、８４ｂは、連通孔ビード部５３ａの内部空間５３ｄと外部とを連通する。第１金属セパレータ３０の凹部５３ｃは、第２金属セパレータ３２の連通孔ビード部６３の裏側形状である凹部６３ｃと対向する。従って、第１金属セパレータ３０の連通孔ビード部５３ａの内部空間５３ｄは、第２金属セパレータ３２の連通孔ビード部６３の内部空間６３ｄと連通する。

なお、図７では、燃料電池スタック１０として組み立てられた状態（積層体１４に積層方向の締め付け荷重が付与され、該締付荷重による面圧が連通孔ビード部５３ａ、６３に作用している状態）の第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２の断面を示している。連通孔ビード部５３ａ、６３の突出先端部５３ｔ、６３ｔの形状は、組立前の状態（上記締め付け荷重が付与されていない状態）で連通孔ビード部５３ａ、６３の突出方向に膨出する湾曲形状であってもよいが、燃料電池スタック１０の組立状態では、図７のように平坦状となる。図８Ａ、図８Ｂ及び図１２においても同様である。

トンネル８６は、第１金属セパレータ３０の表面３０ａからＭＥＡ２８に向かって突出する凸形状を有するとともに、貫通孔８４ａ、８４ｂを介して連通孔ビード部６３ａの内部空間５３ｄと連通するトンネル流路８６ａ、８６ｂを内部に有する。トンネル８６は、酸化剤ガス入口連通孔３４ａと内部空間５３ｄとを連通する第１トンネル部８６Ａと、内部空間５３ｄと酸化剤ガス流路４８（図５参照）とを連通する第２トンネル部８６Ｂとを有する。第１トンネル部８６Ａと第２トンネル部８６Ｂとは連通孔ビード部５３ａから互いに第１金属セパレータ３０の平面に沿って反対方向に突出する。第２トンネル部８６Ｂには、連通孔ビード部５３ａとの接続箇所とは反対側の端部に、第２トンネル部８６Ｂの内外を貫通する開口部８６ｃが設けられる。

図６に示すように、連通孔ビード部５３ａのブリッジ部８０が設けられた部位における根元部の幅Ｗ１ａ（図８Ａも参照）は、連通孔ビード部５３ａの他の部位（ブリッジ部８０が設けられていない部位）の根元部の幅Ｗ２ａ（図８Ｂも参照）よりも大きい。ここで、連通孔ビード部５３ａのブリッジ部８０が設けられた部位とは、連通孔ビード部５３ａのうちブリッジ部８０との接続箇所及びその近傍箇所を含む。

第１実施形態では、連通孔ビード部５３ａのうち互いに隣接するブリッジ部８０の間を構成する部位の根元部の幅は、ブリッジ部８０間の全長に亘って、上記他の部位の幅Ｗ２ａよりも大きい上記幅Ｗ１ａに設定されている。また、連通孔ビード部５３ａのうち、複数のブリッジ部８０の両端に位置するブリッジ部８０の上記他の部位側に隣接する部位の根元部の幅も、上記他の部位の幅Ｗ２ａよりも大きい上記幅Ｗ１ａに設定されている。

図６に示すように、ブリッジ部８０が設けられた部位における連通孔ビード部５３ａの頂部である突出先端部５３ｔの幅Ｗ１ｂ（図８Ａも参照）は、上記他の部位における連通孔ビード部５３ａの突出先端部５３ｔの幅Ｗ２ｂ（図８Ｂも参照）と同じである。

ブリッジ部８０が設けられた部位における連通孔ビード部５３ａの凸形状の高さｈ１（図８Ａ参照）は、上記他の部位における連通孔ビード部５３ａの凸形状の高さｈ２（図８Ｂ参照）と同じである。

連通孔ビード部５３ａは、突出先端部５３ｔ側に向かって先細り状の形状を有し、その両側の側壁５３ａｗは、第１金属セパレータ３０の厚さ方向と垂直な面に対して傾斜する。

ブリッジ部８０が設けられた部位における連通孔ビード部５３ａの凸形状の両側（側壁５３ａｗ）の角度α（厚さ方向と垂直な面に対する角度）（図８Ａ参照）は、上記他の部位における連通孔ビード部５３ａの凸形状の角度β（図８Ｂ参照）よりも小さい。図８Ａに示すように、ブリッジ部８０が設けられた部位において、連通孔ビード部５３ａの凸形状の一方の側壁５３ａｗの角度α１と、他方の側壁５３ａｗの角度α２は、同じである。

図４に示すように、第２金属セパレータ３２の樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かう面３２ａ（以下、「表面３２ａ」という）には、例えば、矢印Ｂ方向に延在する燃料ガス流路５８が形成される。燃料ガス流路５８は、燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂに流体的に連通する。燃料ガス流路５８は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の凸部５８ａ間に直線状流路溝５８ｂを有する。複数の直線状流路溝５８ｂに代えて、複数の波状流路溝が設けられてもよい。

第２金属セパレータ３２の表面３２ａにおいて、燃料ガス入口連通孔３８ａと燃料ガス流路５８との間には、複数個のエンボス部を有する入口バッファ部６０ａが設けられる。また、第２金属セパレータ３２の表面３２ａにおいて、燃料ガス出口連通孔３８ｂと燃料ガス流路５８との間には、複数個のエンボス部を有する出口バッファ部６０ｂが設けられる。

第２金属セパレータ３２の表面３２ａには、プレス成形により第２シールライン（メタルビードシール）６１が樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かって膨出成形される。第２シールライン６１は、外側ビード部６２と、複数の連通孔ビード部（ビードシール）６３とを有する。外側ビード部６２は、第２金属セパレータ３２の表面３２ａから突出するとともに当該表面３２ａの外周縁部を周回する。

図３に示すように、第２シールライン６１の凸部先端面には、樹脂材５６ｂが印刷又は塗布等により固着される。樹脂材５６ｂは、例えば、ポリエステル繊維が使用される。樹脂材５６ｂは、樹脂フィルム４６側に設けられてもよい。樹脂材５６ｂは、不可欠ではなく、なくてもよい。

図９に示すように、複数の連通孔ビード部６３は、第２金属セパレータ３２の表面３２ａから突出するとともに、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ、燃料ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス出口連通孔３８ｂ、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び冷却媒体出口連通孔３６ｂの周囲をそれぞれ個別に周回する。

連通孔ビード部６３は、波形状を有する。具体的に、連通孔ビード部６３のうち各連通孔３４ａ、３４ｂ、３６ａ、３６ｂ、３８ａ、３８ｂの長辺に沿った部位（長辺に対向する部位）は、平面視で波形状に形成される。なお、連通孔ビード部６３のうち各連通孔３４ａ、３４ｂ、３６ａ、３６ｂ、３８ａ、３８ｂの長辺に沿った部位は、平面視で直線状に形成されてもよい。

第２金属セパレータ３２には、燃料ガス入口連通孔３８ａと燃料ガス出口連通孔３８ｂをそれぞれ囲む連通孔ビード部６３ａ、６３ｂの内側（連通孔３８ａ、３８ｂ側）及び外側（燃料ガス流路５８側）を連通するブリッジ部（連結流路）９０、９２が設けられる。

連通孔ビード部６３ａのうち、燃料ガス流路５８側で燃料ガス入口連通孔３８ａの長辺に沿った部位（以下「ガス流路側ビード６３ａ１」という）に、複数のブリッジ部９０が間隔を置いて設けられる。連通孔ビード部６３ｂのうち、燃料ガス流路５８側で燃料ガス出口連通孔３８ｂの長辺に沿った部位（以下「ガス流路側ビード６３ｂ１」という）に、複数のブリッジ部９２が間隔を置いて設けられる。

第２金属セパレータ３２に設けられたこれらのブリッジ部９０、９２は、第１金属セパレータ３０に設けられた上述したブリッジ部８０、８２と同様に構成されている（図６〜図８Ｂ参照）。また、連通孔ビード部６３ａ、６３ｂは、上述した連通孔ビード部５３ａ、５３ｂと同様に構成されている。従って、連通孔ビード部６３ａの形状（幅、高さ、角度）について、ブリッジ部９０が設けられた部位とその他の部位との相互大小関係は、第１金属セパレータ３０の連通孔ビード部５３ａと同様である。連通孔ビード部６３ｂの形状（幅、高さ、角度）について、ブリッジ部９２が設けられた部位とその他の部位との相互大小関係は、第１金属セパレータ３０の連通孔ビード部５３ｂと同様である。

図３及び図４に示すように、互いに接合される第１金属セパレータ３０の表面３０ｂと第２金属セパレータ３２の面３２ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３６ａと冷却媒体出口連通孔３６ｂとに流体的に連通する冷却媒体流路６６が形成される。冷却媒体流路６６は、酸化剤ガス流路４８が形成された第１金属セパレータ３０の裏面形状と、燃料ガス流路５８が形成された第２金属セパレータ３２の裏面形状とが重なり合って形成される。第１金属セパレータ３０と第２金属セパレータ３２は外周及び連通孔の周囲を溶接することにより接合される。溶接に代えて、ロウ付けによって接合されてもよい。

図２に示すように、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂは、電気導電性を有する材料から構成され、例えば、銅、アルミニウム又はステンレススチール等の金属で構成される。ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの略中央には、積層方向外方に延在する端子部６８ａ、６８ｂが設けられる。

インシュレータ１８ａ、１８ｂは、絶縁性材料、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）やフェノール樹脂等で形成される。インシュレータ１８ａ、１８ｂの中央部には、積層体１４に向かって開口される凹部７６ａ、７６ｂが形成され、前記凹部７６ａ、７６ｂの底面には、孔部７２ａ、７２ｂが設けられる。

インシュレータ１８ａ及びエンドプレート２０ａの矢印Ｂ方向の一端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂが設けられる。インシュレータ１８ａ及びエンドプレート２０ａの矢印Ｂ方向の他端縁部には、燃料ガス入口連通孔３８ａ、冷却媒体出口連通孔３６ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂが設けられる。

図２及び図３に示すように、インシュレータ１８ａの凹部７６ａには、ターミナルプレート１６ａが収容される一方、インシュレータ１８ｂの凹部７６ｂには、ターミナルプレート１６ｂが収容される。

図１に示すように、エンドプレート２０ａ、２０ｂに各辺間には、連結バー２４が配置される。各連結バー２４は、両端をエンドプレート２０ａ、２０ｂの内面にボルト２６を介して固定され、積層体１４に積層方向の締め付け荷重が付与され、燃料電池スタック１０が組み付けられる。

このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。

まず、図１に示すように、酸素含有ガス等の酸化剤ガス、例えば、空気は、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス入口連通孔３４ａに供給される。水素含有ガス等の燃料ガスは、エンドプレート２０ａの燃料ガス入口連通孔３８ａに供給される。純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体は、エンドプレート２０ａの冷却媒体入口連通孔３６ａに供給される。

酸化剤ガスは、図４に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３４ａからブリッジ部８０（図５参照）を介して第１金属セパレータ３０の酸化剤ガス流路４８に導入される。この際、酸化剤ガスは、図７のように、酸化剤ガス入口連通孔３４ａから第１金属セパレータ３０の裏面３０ｂ側（第１金属セパレータ３０と第２金属セパレータ３２との間）へと一旦流入し、トンネル８６内（トンネル流路８６ａ、８６ｂ）及び連通孔ビード部５３ａ内（内部空間５３ｄ）を経由して、開口部８６ｃから第１金属セパレータ３０の表面３０ａ側に流出する。そして、図４に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体２８ａのカソード電極４４に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３８ａからブリッジ部９０（図９参照）を介して第２金属セパレータ３２の燃料ガス流路５８に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路５８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体２８ａのアノード電極４２に供給される。

従って、各電解質膜・電極構造体２８ａでは、カソード電極４４に供給される酸化剤ガスと、アノード電極４２に供給される燃料ガスとが、第２電極触媒層４４ａ及び第１電極触媒層４２ａ内で電気化学反応により消費されて、発電が行われる。

次いで、カソード電極４４に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４８からブリッジ部８２を介して酸化剤ガス出口連通孔３４ｂへと流動し、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード電極４２に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス流路５８からブリッジ部９２を介して燃料ガス出口連通孔３８ｂへと流動し、燃料ガス出口連通孔３８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体入口連通孔３６ａに供給された冷却媒体は、第１金属セパレータ３０と第２金属セパレータ３２との間に形成された冷却媒体流路６６に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２８ａを冷却した後、冷却媒体出口連通孔３６ｂから排出される。

この場合、第１実施形態に係る発電セル１２によれば、図６、図８Ａ及び図８Ｂに示したように、ブリッジ部８０（８２、９０、９２）が設けられた部位における連通孔ビード部５３ａ（５３ｂ、６３ａ、６３ｂ）の根元部の幅Ｗ１ａは、他の部位における連通孔ビード部５３ａ（５３ｂ、６３ａ、６３ｂ）の根元部の幅Ｗ２ａよりも大きい。また、ブリッジ部８０（８２、９０、９２）が設けられた部位における連通孔ビード部５３ａ（５３ｂ、６３ａ、６３ｂ）の凸形状の両側の角度α（図８Ａ）は、他の部位における連通孔ビード部５３ａ（５３ｂ、６３ａ、６３ｂ）の凸形状の両側の角度β（図８Ｂ）よりも小さい。

このため、連通孔ビード部５３ａ（５３ｂ、６３ａ、６３ｂ）におけるブリッジ部８０（８２、９０、９２）が設けられた部位とその他の部位との間の面圧のバラツキを小さくすることができる。すなわち、ブリッジ部８０（８２、９０、９２）が設けられた部位における連通孔ビード部５３ａ（５３ｂ、６３ａ、６３ｂ）の根元部の幅Ｗ１ａを他の部位の幅Ｗ２ａよりも大きく設定することは、ブリッジ部８０（８２、９０、９２）の影響による連通孔ビード部５３ａ（５３ｂ、６３ａ、６３ｂ）の面圧上昇を抑制する方向に作用する。また、ブリッジ部８０（８２、９０、９２）が設けられた部位における連通孔ビード部５３ａ（５３ｂ、６３ａ、６３ｂ）の両側の角度αを他の部位の角度βよりも小さく設定することは、ブリッジ部８０（８２、９０、９２）の影響による連通孔ビード部５３ａ（５３ｂ、６３ａ、６３ｂ）の面圧上昇を抑制する方向に作用する。従って、過荷重によるシール部の損傷や、樹脂フィルム付きＭＥＡ２８の損傷を抑制することができる。

上記では、トンネル８６を有するブリッジ部８０（８２、９０、９２）が設けられる構成について説明したが、本発明はこれに限らず、図１０のように、第１金属セパレータ３０にトンネルのないブリッジ部１００、１０２が設けられるとともに、図１１のように、第２金属セパレータ３２にトンネルのないブリッジ部１０４、１０６が設けられてもよい。

図１０において、ブリッジ部１００は、連通孔ビード部５３ａのガス流路側ビード５３ａ１に沿って、間隔を置いて複数設けられる。各ブリッジ部１００は、連通孔ビード部５３ａの内部空間５３ｄ（図１２参照）と外部とを連通する貫通孔１００ａ、１００ｂを有する。ブリッジ部１０２は、連通孔ビード部５３ｂのガス流路側ビード５３ｂ１に沿って、間隔を置いて複数設けられる。各ブリッジ部１０２は、連通孔ビード部５３ｂの内部空間５３ｄと外部とを連通する貫通孔１０２ａ、１０２ｂを有する。

図１１において、ブリッジ部１０４は、連通孔ビード部６３ａのガス流路側ビード６３ａ１に沿って、間隔を置いて複数設けられる。各ブリッジ部１０４は、連通孔ビード部６３ａの内部空間６３ｄと外部とを連通する貫通孔１０４ａ、１０４ｂを有する。ブリッジ部１０６は、連通孔ビード部６３ｂのガス流路側ビード６３ｂ１に沿って、間隔を置いて複数設けられる。各ブリッジ部１０６は、連通孔ビード部６３ｂの内部空間６３ｄと外部とを連通する貫通孔１０６ａ、１０６ｂを有する。

図１２に示すように、貫通孔１００ａ、１００ｂは、第１金属セパレータ３０の酸化剤ガス入口連通孔３４ａを囲む連通孔ビード部５３ａの両側の側壁５３ａｗを貫通する。従って、貫通孔１００ａ、１００ｂは、第１金属セパレータ３０の表面３０ａと裏面３０ｂとを連通する。他のブリッジ部１０２、１０４、１０６の貫通孔１０２ａ、１０２ｂ、１０４ａ、１０４ｂ、１０６ａ、１０６ｂも、貫通孔１１０ａ、１１０ｂと同様に構成される。

ブリッジ部１００、１０２、１０４、１０６の他の構成（配置位置等）は、上述したブリッジ部８０、８２、９０、９２と同様に構成される。従って、ブリッジ部１００、１０２、１０４、１０６が設けられた部位における連通孔ビード部５３ａ、５３ｂ、６３ａ、６３ｂの根元部の幅Ｗ１ａは、他の部位における連通孔ビード部５３ａ、５３ｂ、６３ａ、６３ｂの根元部の幅Ｗ２ａ（図８Ｂ参照）よりも大きい。また、ブリッジ部１００、１０２、１０４、１０６が設けられた部位における連通孔ビード部５３ａ、５３ｂ、６３ａ、６３ｂの凸形状の両側の角度α（α１、α２）は、他の部位における連通孔ビード部５３ａ、５３ｂ、６３ａ、６３ｂの凸形状の両側の角度β（図８Ｂ参照）よりも小さい。従って、連通孔ビード部５３ａ、５３ｂ、６３ａ、６３ｂにおけるブリッジ部１００、１０２、１０４、１０６が設けられた部位とその他の部位との間の面圧のバラツキを小さくすることができる。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改変が可能である。

１２…発電セル ２８ａ…電解質膜・電極構造体
３０…第１金属セパレータ ３２…第２金属セパレータ
５３ａ、６３ａ…連通孔ビード部 ８０、８２、９０、９２…ブリッジ部

Claims (13)

1. 電解質膜の両側にそれぞれ電極が設けられてなる電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の両側にそれぞれ配置された金属セパレータとを備え、前記金属セパレータには、電解質膜・電極構造体及び前記金属セパレータの積層方向に燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体である流体を流通させる連通孔と、前記金属セパレータの面に沿って前記流体を流通させる流体流路と、前記連通孔と前記流体流路とを連通する連結流路と、前記連通孔を周回するとともに前記積層方向に突出したビードシールとが設けられ、前記ビードシールの内側及び外側を連通する前記連結流路が形成された燃料電池であって、
   前記連結流路が設けられた部位における前記ビードシールの根元部の幅は、他の部位における前記ビードシールの根元部の幅よりも大きい、
   ことを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池において、
   前記ビードシールは、平面視で波形状に形成される、
   ことを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１記載の燃料電池において、
   前記ビードシールの突出方向の先端部の幅は、前記連結流路が設けられた部位と、前記他の部位とで同じである、
   ことを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１記載の燃料電池において、
   前記ビードシールは、平面視で波形状に形成され、
   前記ビードシールにおける前記波形状を構成する湾曲部の頂点に対応する部位で、前記ビードシールの凸形状の両側に、前記連結流路の少なくとも一部を構成する貫通孔が設けられる、
   ことを特徴とする燃料電池。
5. 請求項１記載の燃料電池において、
   前記連結流路は、前記ビードシールの凸形状の両側に設けられた貫通孔と、前記貫通孔に接続されたトンネルとを有する、
   ことを特徴とする燃料電池。
6. 厚さ方向に貫通するとともに燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体である流体を流通させる連通孔と、セパレータ面に沿って前記流体を流通させる流体流路と、前記連通孔と前記流体流路とを連通する連結流路と、前記連通孔を周回するとともに前記厚さ方向に突出したビードシールとが設けられ、前記ビードシールの内側及び外側を連通するように前記連結流路が形成された燃料電池用金属セパレータであって、
   前記ビードシールの根元部の幅は、前記連結流路が設けられた部位が他の部位よりも大きい、
   ことを特徴とする燃料電池用金属セパレータ。
7. 請求項６記載の燃料電池用金属セパレータにおいて、
   前記ビードシールは、平面視で波形状に形成される、
   ことを特徴とする燃料電池用金属セパレータ。
8. 請求項６記載の燃料電池用金属セパレータにおいて、
   前記ビードシールの突出方向の先端部の幅は、前記連結流路が設けられた部位と、前記他の部位とで同じである、
   ことを特徴とする燃料電池用金属セパレータ。
9. 請求項６記載の燃料電池用金属セパレータにおいて、
   前記ビードシールは、平面視で波形状に形成され、
   前記ビードシールにおける前記波形状を構成する湾曲部の頂点に対応する部位で、前記ビードシールの凸形状の両側に、前記連通孔と前記流体流路とを連通する貫通孔が設けられる、
   ことを特徴とする燃料電池用金属セパレータ。
10. 請求項６記載の燃料電池用金属セパレータにおいて、
    前記ビードシールの凸形状の両側に、前記連通孔と前記流体流路とを連通する貫通孔が設けられ、
    前記貫通孔にはトンネルが接続される、
    ことを特徴とする燃料電池用金属セパレータ。
11. 厚さ方向に貫通するとともに燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体である流体を流通させる連通孔と、セパレータ面に沿って前記流体を流通させる流体流路と、前記連通孔と前記流体流路とを連通する連結流路と、前記連通孔を周回するとともに前記厚さ方向に突出したビードシールとが設けられ、前記ビードシールの内側及び外側を連通するように前記連結流路が形成された燃料電池用金属セパレータであって、
    前記連結流路が設けられた部位における前記ビードシールの凸形状の両側の前記厚さ方向と垂直な面に対する角度は、他の部位における前記ビードシールの前記凸形状の両側の前記面に対する角度よりも小さい、
    ことを特徴とする燃料電池用金属セパレータ。
12. 請求項１１記載の燃料電池用金属セパレータにおいて、
    前記連結流路が設けられた部位における前記ビードシールの前記凸形状の高さは、前記他の部位における前記ビードシールの前記凸形状の高さと同じである、
    ことを特徴とする燃料電池用金属セパレータ。
13. 請求項１１記載の燃料電池用金属セパレータにおいて、
    前記連結流路が設けられた部位において、前記ビードシールの前記凸形状の一方の側壁と他方の側壁は、前記厚さ方向と垂直な面に対する角度が同じである、
    ことを特徴とする燃料電池用金属セパレータ。

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