JP2019040751A - 発電セル - Google Patents

Abstract

【課題】反応ガス連通孔と反応ガス流路との間での圧損を低減することが可能であるとともに、樹脂フィルムに作用する応力を低減することが可能な発電セルを提供する。【解決手段】発電セル１２の第１金属セパレータ３０は、孔部８３の近傍で且つ連通孔ビード部５３ａと酸化剤ガス流路４８との間に互いに隣接配置された２つの第１エンボス９６ｅからなるエンボス対９６Ａを有する。２つの第１エンボス９６ｅ間には、孔部８３に対向する隙間が形成されている。第２金属セパレータ３２は、樹脂フィルム４６を介してエンボス対９６Ａに対向する１つの第２エンボス９６Ｂを有する。第２エンボス９６Ｂは、セパレータ厚さ方向から見て２つの第１エンボス９６ｅに跨っている。【選択図】図７

Description

本発明は、ビードシール及びエンボスが設けられた金属セパレータを備えた発電セルに関する。

一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード電極が、前記固体高分子電解質膜の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）が構成されている。発電セルは、所定の数だけ積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

発電セルでは、ＭＥＡと一方のセパレータとの間に、一方の反応ガス流路として燃料ガス流路が形成され、ＭＥＡと他方のセパレータとの間に、他方の反応ガス流路として酸化剤ガス流路が形成されている。また、発電セルでは、複数の反応ガス連通孔が積層方向に沿って形成されている。

近年、比較的高価な固体高分子電解質膜の使用量を削減するとともに、薄膜状で強度が低い固体高分子電解質膜を保護するために、外周に枠形状の樹脂フィルムを組み込んだ樹脂フィルム付きＭＥＡが採用されている（例えば、特許文献１を参照）。

発電セルでは、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のシール部が設けられている。発電セルでは、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。例えば、特許文献２では、製造コストを低減するため、金属セパレータにシール部としてプレス成形により凸形状のビードシールを形成することが開示されている。

一方、反応ガス連通孔から反応ガス流路（発電領域）へと円滑に反応ガスを流すために、反応ガス連通孔と反応ガス流路との間にエンボスが設けられる場合がある。エンボスが設けられた金属セパレータ間に樹脂フィルム付きＭＥＡが配置される発電セルの場合、樹脂フィルムは、一方の金属セパレータのエンボスと、当該エンボスに対向する他方の金属セパレータのエンボスとにより保持（支持）される。

特開２００８−１３０４３３号公報 米国特許第６６０５３８０号明細書

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、反応ガス連通孔と反応ガス流路との間での圧損を低減することが可能であるとともに、樹脂フィルムに作用する応力を低減することが可能な発電セル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・電極構造体と前記電解質膜・電極構造体の外周に設けられた樹脂フィルムとを有する樹脂フィルム付きＭＥＡと、前記樹脂フィルム付きＭＥＡの両側にそれぞれ配設された金属セパレータとを備え、前記樹脂フィルム付きＭＥＡと前記金属セパレータとが積層された発電セルであって、前記金属セパレータには、前記電解質膜・電極構造体の電極面に沿って反応ガスを流す反応ガス流路と、前記反応ガス流路と連通するとともにセパレータ厚さ方向に貫通した反応ガス連通孔と、前記反応ガス連通孔の外周を周回するとともに前記セパレータ厚さ方向に突出したシール用の連通孔ビード部と、が形成されており、一方の前記金属セパレータは、前記反応ガス連通孔と連通する前記連通孔ビード部の内部空間に繋がる孔部と、前記孔部の近傍で且つ前記連通孔ビード部と前記反応ガス流路との間に互いに隣接配置された２つの第１エンボスからなるエンボス対とを有し、前記２つの第１エンボス間には、前記孔部に対向する隙間が形成されており、他方の前記金属セパレータは、前記樹脂フィルムを介して前記エンボス対に対向する１つの第２エンボスを有し、前記第２エンボスは、セパレータ厚さ方向から見て前記２つの第１エンボスに跨っている。

前記第２エンボスの頂部の面積は、前記２つの第１エンボスの頂部の合計面積よりも大きいことが好ましい。

前記反応ガス連通孔と前記孔部との間には、前記反応ガス連通孔と前記反応ガス流路とを連通させる連結流路が設けられ、前記連結流路は、一方の前記金属セパレータと他方の前記金属セパレータとの間に形成されることが好ましい。

一方の前記金属セパレータの前記孔部と連通する前記連通孔ビード部に前記樹脂フィルムを介して対向する他方の前記金属セパレータの前記連通孔ビード部には、他方の前記金属セパレータに設けられた前記反応ガス流路と前記反応ガス連通孔とを連通させる孔部が設けられていないことが好ましい。

前記２つの第１エンボスを有する一方の前記金属セパレータは、前記エンボス対が設けられた側と同じ側の面に、電極面に沿って燃料ガスを流す燃料ガス流路を有するセパレータであり、前記第２エンボスを有する他方の前記金属セパレータは、前記第２エンボスが設けられた側と同じ側の面に、電極面に沿って酸化剤ガスを流す酸化剤ガス流路を有するセパレータであることが好ましい。

前記第２エンボスの平面形状は、長円状又は楕円状であることが好ましい。

本発明の発電セルによれば、一方の金属セパレータは、孔部の近傍で且つ連通孔ビード部と反応ガス流路との間に互いに隣接配置された２つの第１エンボスからなるエンボス対を有し、他方の金属セパレータは、樹脂フィルムを介してエンボス対に対向する１つの第２エンボスを有する。そして、第２エンボスは、セパレータ厚さ方向から見て２つの第１エンボスに跨っている。このため、一方の金属セパレータの反応ガス流路が設けられた側の面では、エンボス対を構成する２つの第１エンボス間を反応ガスが通過できるため、反応ガス連通孔と反応ガス流路との間での圧損を低減することが可能となる。また、第２エンボスは、２つの第１エンボスに跨って樹脂フィルムを保持（支持）することができるため、樹脂フィルムに作用する応力を低減することが可能となる。

本発明の実施形態に係る発電セルの分解斜視図である。 図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿った発電セルの要部断面図である。 第１金属セパレータの酸化剤ガス流路側から見た平面図である。 第２金属セパレータの燃料ガス流路側から見た平面図である。 第１金属セパレータ側から見た接合セパレータの部分拡大正面図である。 図５におけるＶＩ−ＶＩ線に沿った発電セルの断面図である。 第２金属セパレータ側から見た接合セパレータの部分拡大正面図である。 図６におけるＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿った発電セルの断面図である。 図１におけるＩＸ−ＩＸ線に沿った発電セルの断面図である。 図９におけるＸ−Ｘ線に沿った断面図である。

以下、本発明に係る発電セルについて好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。

図１に示す単位燃料電池を構成する発電セル１２は、外周に樹脂フィルム４６が設けられた樹脂フィルム付きＭＥＡ２８と、樹脂フィルム付きＭＥＡ２８の一方面側（矢印Ａ１方向側）に配置された第１金属セパレータ３０と、樹脂フィルム付きＭＥＡ２８の他方面側（矢印Ａ２方向側）に配置された第２金属セパレータ３２とを備える。複数の発電セル１２が、例えば、矢印Ａ方向（水平方向）又は矢印Ｃ方向（重力方向）に積層されるとともに、積層方向の締付荷重（圧縮荷重）が付与されて、燃料電池スタック１０が構成される。燃料電池スタック１０は、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池電気自動車（図示せず）に搭載される。

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。互いに隣接する発電セルにおける一方の発電セル１２の第１金属セパレータ３０と、他方の発電セル１２の第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の長辺方向である水平方向の一端縁部（矢印Ｂ１方向側の一端縁部）には、積層方向（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、鉛直方向（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、例えば、水を供給する。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の長辺方向他端縁部（矢印Ｂ２方向側の他端縁部）には、積層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が設けられる。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は、鉛直方向に配列して設けられる。燃料ガス入口連通孔３８ａは、燃料ガスを供給する。冷却媒体出口連通孔３６ｂは、冷却媒体を排出する。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く、要求される仕様に応じて、適宜設定すればよい。

図２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枠形状の樹脂フィルム４６とを備える。電解質膜・電極構造体２８ａは、電解質膜４０と、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。

カソード電極４４は、電解質膜４０の一方の面に接合される第１電極触媒層４４ａと、第１電極触媒層４４ａに積層される第１ガス拡散層４４ｂとを有する。アノード電極４２は、電解質膜４０の他方の面に接合される第２電極触媒層４２ａと、第２電極触媒層４２ａに積層される第２ガス拡散層４２ｂとを有する。

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１に示すように、樹脂フィルム４６の矢印Ｂ１方向側の端縁部には、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Ｂ２方向の端縁部には、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３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。

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、矢印Ｃ方向に並ぶ複数個のエンボス部５０ａからなるエンボス列を複数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５０ｂからなるエンボス列を複数有する出口バッファ部５０Ｂが設けられる。エンボス部５０ａ、５０ｂは、樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かって突出する。

なお、第１金属セパレータ３０の、酸化剤ガス流路４８とは反対側の面３０ｂには、入口バッファ部５０Ａの上記エンボス列間に、矢印Ｃ方向に並ぶ複数個のエンボス部６７ａからなるエンボス列が設けられるとともに、出口バッファ部５０Ｂの上記エンボス列間に、矢印Ｃ方向に並ぶ複数個のエンボス部６７ｂからなるエンボス列が設けられる。エンボス部６７ａ、６７ｂは、樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かって突出する。エンボス部６７ａ、６７ｂは、冷媒面側のバッファ部を構成する。

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５１が樹脂フィルム付きＭＥＡ２８（図１）に向かって膨出成形される。図２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５６が印刷又は塗布等により固着される。樹脂材５６は、例えば、ポリエステル繊維が使用される。樹脂材５６は、樹脂フィルム４６側に設けられてもよい。樹脂材５６は、不可欠ではなく、なくてもよい。

図３に示すように、第１シールライン５１は、酸化剤ガス流路４８、入口バッファ部５０Ａ及び出口バッファ部５０Ｂを囲むビードシール５１ａ（以下、「内側ビード部５１ａ」ともいう）と、内側ビード部５１ａよりも外側に設けられるとともに第１金属セパレータ３０の外周に沿って延在するビードシール５２（以下、「外側ビード部５２」ともいう）と、複数の連通孔（酸化剤ガス入口連通孔３４ａ等）を個別に囲む複数のビードシール５３（以下、「連通孔ビード部５３」ともいう）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から樹脂フィルム付き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。ビードシール５１ａ、５２、５３は、樹脂フィルム４６に密着し、積層方向の締付力により弾性変形することで樹脂フィルム４６との間を気密及び液密にシールするシール構造である。

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から樹脂フィルム付き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。

以下、複数の連通孔ビード部５３のうち、酸化剤ガス入口連通孔３４ａを囲むものを「連通孔ビード部５３ａ」と表記し、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂを囲むものを「連通孔ビード部５３ｂ」と表記する。第１金属セパレータ３０には、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８０、８２が設けられる。

酸化剤ガス入口連通孔３４ａを囲む連通孔ビード部５３ａの、酸化剤ガス流路４８側の辺部に、ブリッジ部８０が設けられる。酸化剤ガス出口連通孔３４ｂを囲む連通孔ビード部５３ｂの、酸化剤ガス流路４８側の辺部に、ブリッジ部８２が設けられる。

接合セパレータ３３を構成する第１金属セパレータ３０と第２金属セパレータ３２とは、レーザ溶接ライン３３ａ〜３３ｅにより互いに接合されている。レーザ溶接ライン３３ａは、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ及びブリッジ部８０を囲んで形成される。レーザ溶接ライン３３ｂは、燃料ガス出口連通孔３８ｂ及び後述するブリッジ部９２を囲んで形成される。レーザ溶接ライン３３ｃは、燃料ガス入口連通孔３８ａ及び後述するブリッジ部９０を囲んで形成される。レーザ溶接ライン３３ｄは、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ及びブリッジ部８２を囲んで形成される。レーザ溶接ライン３３ｅは、酸化剤ガス流路４８、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を囲んで、接合セパレータ３３の外周部を周回して形成される。

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５に示すように、ブリッジ部８０は、連通孔ビード部５３ａの内周側に互いに間隔を置いて設けられた複数の内側ブリッジ部８０Ａと、連通孔ビード部５３ａの外周側に互いに間隔を置いて設けられた複数の外側ブリッジ部８０Ｂとを有する。

内側ブリッジ部８０Ａは、連通孔ビード部５３ａの凸形状の一方側（連通孔ビード部５３ａの内周側の側壁５３ａｗ）に設けられた貫通孔８４ａと、貫通孔８４ａに接続された内側トンネル８６Ａとを有する。内側トンネル８６Ａは、プレス成形により、連通孔ビード部５３ａの側壁５３ａｗから酸化剤ガス入口連通孔３４ａに向かって突出するように形成される。内側トンネル８６Ａの、連通孔ビード部５３ａと接続する側とは反対側の端部は、酸化剤ガス入口連通孔３４ａにて開口する。

外側ブリッジ部８０Ｂは、連通孔ビード部５３ａの凸形状の他方側（連通孔ビード部５３ａの外周側の側壁５３ａｗ）に設けられた貫通孔８４ｂと、貫通孔８４ｂに接続された外側トンネル８６Ｂとを有する。外側トンネル８６Ｂは、プレス成形により、連通孔ビード部５３ａの側壁５３ａｗから酸化剤ガス流路４８に向かって突出するように形成される。

本実施形態では、複数の内側ブリッジ部８０Ａと複数の外側ブリッジ部８０Ｂとは、連通孔ビード部５３ａに沿って互い違い（ジグザグ状）に配置されている。なお、複数の内側ブリッジ部８０Ａと複数の外側ブリッジ部８０Ｂとは、連通孔ビード部５３ａを介して互いに対向配置されてもよい。

図６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５３ｆが設けられる。凹部５３ｆは、連通孔ビード部５３ａの内部空間５３ｇを構成する。貫通孔８４ａ、８４ｂは、連通孔ビード部５３ａの内部空間５３ｇと外部とを連通する。第１金属セパレータ３０の凹部５３ｆ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６３ｆ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５３ｇ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６３ｇと連通する。

内側トンネル８６Ａ及び外側トンネル８６Ｂは、第１金属セパレータ３０の表面３０ａから樹脂フィルム付きＭＥＡ２８側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５３ａの内部空間５３ｇと連通するトンネル流路８６ａ、８６ｂを内部に有する。内側トンネル８６Ａは、酸化剤ガス入口連通孔３４ａと内部空間５３ｇとを連通する。外側トンネル８６Ｂは、内部空間５３ｇと酸化剤ガス流路４８（図３）とを連通する。外側トンネル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、外側トンネル８６Ｂの内外を貫通する孔部８３が設けられる。

図１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。

図４に示すように、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、矢印Ｃ方向に並ぶ複数個のエンボス部６０ａからなるエンボス列を複数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６０ｂからなるエンボス列を複数有する出口バッファ部６０Ｂが設けられる。エンボス部６０ａ、６０ｂは、樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かって突出する。

なお、第２金属セパレータ３２の、燃料ガス流路５８とは反対側の面３２ｂには、入口バッファ部６０Ａの上記エンボス列間に、矢印Ｃ方向に並ぶ複数個のエンボス部６９ａからなるエンボス列が設けられるとともに、出口バッファ部６０Ｂの上記エンボス列間に、矢印Ｃ方向に並ぶ複数個のエンボス部６９ｂからなるエンボス列が設けられる。エンボス部６９ａ、６９ｂは、樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かって突出する。エンボス部６９ａ、６９ｂは、冷媒面側のバッファ部を構成する。

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６１が樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かって膨出成形される。

図２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５６が印刷又は塗布等により固着される。樹脂材５６は、例えば、ポリエステル繊維が使用される。樹脂材５６は、樹脂フィルム４６側に設けられてもよい。樹脂材５６は、不可欠ではなく、なくてもよい。

図４に示すように、第２シールライン６１は、燃料ガス流路５８、入口バッファ部６０Ａ及び出口バッファ部６０Ｂを囲むビードシール（以下、「内側ビード部６１ａ」という）と、内側ビード部６１ａよりも外側に設けられるとともに第２金属セパレータ３２の外周に沿って延在するビードシール（以下、「外側ビード部６２」という）と、複数の連通孔（連通孔３８ａ等）を個別に囲む複数のビードシール（以下、「連通孔ビード部６３」という）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。

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。

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９０、９２が設けられる。

燃料ガス入口連通孔３８ａを囲む連通孔ビード部６３ａの、燃料ガス流路５８側の辺部に、ブリッジ部９０が設けられる。燃料ガス出口連通孔３８ｂを囲む連通孔ビード部６３ｂの、燃料ガス流路５８側の辺部に、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（図３）と同様に構成されている。連通孔ビード部６３ａ、６３ｂは、上述した連通孔ビード部５３ａ、５３ｂ（図３）と同様に構成及び配置されている。

図１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３に示すように、第１金属セパレータ３０は、ブリッジ部８０に設けられた孔部８３の近傍で且つ連通孔ビード部５３ａと酸化剤ガス流路４８との間に互いに隣接配置された２つの第１エンボス９６ｅからなるエンボス対９６Ａを有する。図５に示すように、２つの第１エンボス９６ｅ間には、孔部８３に対向する隙間Ｇが形成されている。すなわち、２つの第１エンボス９６ｅ間に対応して孔部８３が位置する。本実施形態では、複数のエンボス対９６Ａが設けられている。すなわち、ブリッジ部８０に設けられた複数の孔部８３の各々の近傍に、エンボス対９６Ａがそれぞれ設けられている。

複数のエンボス対９６Ａは、入口バッファ部５０Ａのうち、ブリッジ部８０側の部分を構成する。本実施形態において、各第１エンボス９６ｅの平面形状（セパレータ厚さ方向から見た形状）は、円形である。

図６に示すように、第１エンボス９６ｅの頂部Ｅｔ１（突出端部）は、樹脂フィルム４６の一方面に当接する。本実施形態では、第１エンボス９６ｅの側周壁部Ｅｓ１は、セパレータ厚さ方向（矢印Ａ方向）に対して傾斜している。従って、第１エンボス９６ｅは、セパレータ厚さ方向に沿った断面形状が台形状に形成されている。なお、第１エンボス９６ｅの側周壁部Ｅｓ１は、セパレータ厚さ方向と平行であってもよい。すなわち、第１エンボス９６ｅは、セパレータ厚さ方向に沿った断面形状が矩形形状に形成されてもよい。

図６及び図８に示すように、第２金属セパレータ３２は、樹脂フィルム４６を介してエンボス対９６Ａに対向する第２エンボス９６Ｂを有する。第２エンボス９６Ｂの頂部Ｅｔ２（突出端部）は、樹脂フィルム４６の他方面に当接する。本実施形態では、第２エンボス９６Ｂの側周壁部Ｅｓ２は、セパレータ厚さ方向（矢印Ａ方向）に対して傾斜している。従って、第２エンボス９６Ｂは、セパレータ厚さ方向に沿った断面形状が台形状に形成されている。なお、第２エンボス９６Ｂの側周壁部Ｅｓ２は、セパレータ厚さ方向と平行であってもよい。すなわち、第２エンボス９６Ｂは、セパレータ厚さ方向に沿った断面形状が矩形形状に形成されてもよい。

図７に示すように、第２エンボス９６Ｂは、連通孔ビード部６３ｃから出口バッファ部６０Ｂ側に延出したトンネル１００の近傍に配置されている。連通孔ビード部６３ｃは、連通孔ビード部５３ａ（孔部８３が設けられ、酸化剤ガス入口連通孔３４ａを囲む連通孔ビード部５３）に樹脂フィルム４６を介して対向する連通孔ビード部である。連通孔ビード部６３ｃには、酸化剤ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス流路５８（図１）とを連通させる孔部は設けられていない。

第２エンボス９６Ｂは、第１金属セパレータ３０に設けられた複数のエンボス対９６Ａ（図５）に対応して、第２金属セパレータ３２に複数設けられている。第２エンボス９６Ｂは、セパレータ厚さ方向から見て２つの第１エンボス９６ｅ（図５）を包含する形状を有する。２つの第１エンボス９６ｅの間が１つの第２エンボス９６Ｂで支持されていればよい。従って、第２エンボス９６Ｂは、セパレータ厚さ方向から見て、２つの第１エンボス９６ｅの各々の少なくとも一部を包含し且つ２つの第１エンボス９６ｅに跨る形状を有していればよい。本実施形態では、第２エンボス９６Ｂの平面形状は、長円形状（平行な２辺を有し、長手方向の両端が円弧状である形状）である。第２エンボス９６Ｂは、楕円状であってもよい。楕円状は、幾何学的に完全な楕円でなくてもよい。第２エンボス９６Ｂの頂部Ｅｔ２の面積は、２つの第１エンボス９６ｅの頂部Ｅｔ１の合計面積よりも大きい。

図３に示すように、第１金属セパレータ３０は、出口側のブリッジ部８２に設けられた孔部８３の近傍で且つ連通孔ビード部５３ｂと酸化剤ガス流路４８との間に互いに隣接配置された２つの第１エンボス９７ｅからなるエンボス対９７Ａを複数有する。エンボス対９７Ａは、入口側のブリッジ部８０の近傍に設けられた上記エンボス対９６Ａと同様に構成されている。

図４に示すように、第２金属セパレータ３２は、樹脂フィルム４６を介して第１金属セパレータ３０の複数のエンボス対９７Ａ（図３）にそれぞれ対向する複数の第２エンボス９７Ｂを有する。第２エンボス９７Ｂは、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂを囲む連通孔ビード部６３ｄから燃料ガス流路５８側に延出したトンネル１０１の近傍に配置されており、酸化剤ガス入口連通孔３４ａの近傍に設けられた上記第２エンボス９６Ｂと同様に構成されている。第２エンボス９７Ｂは、セパレータ厚さ方向から見て第１金属セパレータ３０の２つの第１エンボス９７ｅを包含する形状を有する。２つの第１エンボス９７ｅの間が１つの第２エンボス９７Ｂで支持されていればよい。従って、第２エンボス９７Ｂは、セパレータ厚さ方向から見て、２つの第１エンボス９７ｅの各々の少なくとも一部を包含し且つ２つの第１エンボス９７ｅに跨る形状を有していればよい。第２エンボス９７Ｂの頂部の面積は、２つの第１エンボス９７ｅの頂部の合計面積よりも大きい。

第２金属セパレータ３２は、ブリッジ部９０に設けられた孔部８３の近傍で且つ連通孔ビード部６３ａと燃料ガス流路５８との間に、互いに隣接配置された２つの第１エンボス９８ｅからなるエンボス対９８Ａを複数有する。エンボス対９８Ａは、第１金属セパレータ３０の入口側のブリッジ部８０の近傍に設けられた上記エンボス対９６Ａと同様に構成されている。複数のエンボス対９８Ａは、入口バッファ部６０Ａのうち、ブリッジ部９０側の部分を構成する。

図３に示すように、第１金属セパレータ３０は、樹脂フィルム４６を介して第２金属セパレータ３２の複数のエンボス対９８Ａにそれぞれ対向する複数の第２エンボス９８Ｂを有する。第２エンボス９８Ｂは、燃料ガス入口連通孔３８ａを囲む連通孔ビード部５３ｃから酸化剤ガス流路４８側に延出したトンネル１０２の近傍に配置されており、第２金属セパレータ３２に設けられた上記第２エンボス９６Ｂ（図４、図７）と同様に構成されている。第２エンボス９８Ｂは、セパレータ厚さ方向から見て第２金属セパレータ３２の２つの第１エンボス９８ｅを包含する形状を有する。２つの第１エンボス９８ｅの間が１つの第２エンボス９８Ｂで支持されていればよい。従って、第２エンボス９８Ｂは、セパレータ厚さ方向から見て、２つの第１エンボス９８ｅの各々の少なくとも一部を包含し且つ２つの第１エンボス９８ｅに跨る形状を有していればよい。第２エンボス９８Ｂの頂部の面積は、２つの第１エンボス９８ｅの頂部の合計面積よりも大きい。

図４に示すように、第２金属セパレータ３２は、出口側のブリッジ部９２に設けられた孔部８３の近傍で且つ連通孔ビード部６３ｂと燃料ガス流路５８との間に、互いに隣接配置された２つの第１エンボス９９ｅからなるエンボス対９９Ａを複数有する。エンボス対９９Ａは、第１金属セパレータ３０の出口側のブリッジ部８２の近傍に設けられた上記エンボス対９７Ａと同様に構成されている。複数のエンボス対９９Ａは、出口バッファ部６０Ｂのうち、ブリッジ部９２側の部分を構成する。

図３に示すように、第１金属セパレータ３０は、樹脂フィルム４６（図１等）を介して第２金属セパレータ３２の複数のエンボス対９９Ａ（図４）にそれぞれ対向する複数の第２エンボス９９Ｂを複数有する。第２エンボス９９Ｂは、燃料ガス出口連通孔３８ｂを囲む連通孔ビード部５３ｄから酸化剤ガス流路４８側に延出したトンネル１０３の近傍に配置されており、第２金属セパレータ３２に設けられた上記第２エンボス９７Ｂ（図４）と同様に構成されている。第２エンボス９９Ｂは、セパレータ厚さ方向から見て第２金属セパレータ３２の２つの第１エンボス９９ｅを包含する形状を有する。２つの第１エンボス９９ｅの間が１つの第２エンボス９９Ｂで支持されていればよい。従って、第２エンボス９９Ｂは、セパレータ厚さ方向から見て、２つの第１エンボス９９ｅの各々の少なくとも一部を包含し且つ２つの第１エンボス９９ｅに跨る形状を有していればよい。第２エンボス９９Ｂの頂部の面積は、２つの第１エンボス９９ｅの頂部の合計面積よりも大きい。

このように構成される発電セル１２は、以下のように動作する。

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、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、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、冷却媒体入口連通孔３６ａに供給される。

酸化剤ガスは、図３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６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、内側トンネル８６Ａ内（トンネル流路８６ａ）、連通孔ビード部５３ａ内（内部空間５３ｇ）及び外側トンネル８６Ｂ内（トンネル流路８６ｂ）を経由して、孔部８３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１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、図４及び図９に示すように、燃料ガス入口連通孔３８ａからブリッジ部９０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１電極触媒層４４ａ及び第２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（図４）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、本実施形態に係る発電セル１２は、以下の効果を奏する。

発電セル１２では、第１金属セパレータ３０は、孔部８３の近傍で且つ連通孔ビード部５３ａ、５３ｂと酸化剤ガス流路４８との間に互いに隣接配置された２つの第１エンボス９６ｅ、９７ｅからなるエンボス対９６Ａ、９７Ａを有し（図３）、第２金属セパレータ３２は、樹脂フィルム４６を介してエンボス対９６Ａ、９７Ａにそれぞれ対向する第２エンボス９６Ｂ、９７Ｂを有する（図４）。そして、第２エンボス９６Ｂ、９７Ｂは、それぞれ、セパレータ厚さ方向から見て２つの第１エンボス９６ｅ、９７ｅに跨っている。

このため、第１金属セパレータ３０の酸化剤ガス流路４８が設けられた側の面では、エンボス対９６Ａを構成する２つの第１エンボス９６ｅ間及びエンボス対９７Ａを構成する２つの第１エンボス９７ｅ間を酸化剤ガスが通過できるため、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂと酸化剤ガス流路４８との間での圧損を低減することが可能となる。また、第２エンボス９６Ｂ、９７Ｂは、２つの第１エンボス９６ｅ、９７ｅに跨って樹脂フィルム４６を保持（支持）することができるため、樹脂フィルム４６に作用する応力を低減することが可能となる。

また、第２金属セパレータ３２は、孔部８３の近傍で且つ連通孔ビード部６３ａ、６３ｂと燃料ガス流路５８との間に互いに隣接配置された２つの第１エンボス９８ｅ、９９ｅからなるエンボス対９８Ａ、９９Ａを有し（図４）、第１金属セパレータ３０は、樹脂フィルム４６を介してエンボス対９８Ａ、９９Ａにそれぞれ対向する第２エンボス９８Ｂ、９９Ｂを有する（図３）。そして、第２エンボス９８Ｂ、９９Ｂは、それぞれ、セパレータ厚さ方向から見て２つの第１エンボス９８ｅ、９９ｅに跨っている。

このため、第２金属セパレータ３２の燃料ガス流路５８が設けられた側の面では、エンボス対９８Ａを構成する２つの第１エンボス９８ｅ間及びエンボス対９９Ａを構成する２つの第１エンボス９９ｅ間を燃料ガスが通過できるため、燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂと燃料ガス流路５８との間での圧損を低減することが可能となる。また、第２エンボス９８Ｂ、９９Ｂは、２つの第１エンボス９８ｅ、９９ｅに跨って樹脂フィルム４６を保持（支持）することができるため、樹脂フィルム４６に作用する応力を低減することが可能となる。燃料ガス流路５８に供給される燃料ガスの圧力が、酸化剤ガス流路４８に供給される酸化剤ガスの圧力よりも高い燃料電池システムに発電セル１２が適用される場合、樹脂フィルム４６は燃料ガスと酸化剤ガスとの圧力差によって第２金属セパレータ３２側、つまり第２エンボス９８Ｂ、９９Ｂ側に押し付けられる。この際、樹脂フィルム４６は、２つの第１エンボス９８ｅ、９９ｅを包含する形状の第２エンボス９８Ｂ、９９Ｂによって支持される。このため、上記圧力差によって樹脂フィルム４６に作用する応力を好適に低減することができる。

反応ガス連通孔（連通孔３４ａ、３４ｂ、３８ａ、３８ｂ）と孔部８３との間には、反応ガス連通孔と反応ガス流路（酸化剤ガス流路４８、燃料ガス流路５８）とを連通させる連結流路（ブリッジ部８０、８２、９０、９２）が設けられる。そして、連結流路は、第１金属セパレータ３０と第２金属セパレータ３２との間に形成される（図６及び図９）。この構成により、連結流路を簡易な構造で発電セル１２に設けることができる。

第１金属セパレータ３０の孔部８３と連通する連通孔ビード部５３ａ、５３ｂに樹脂フィルム４６を介して対向する第２金属セパレータ３２の連通孔ビード部６３ｃ、６３ｄには、燃料ガス流路５８と酸化剤ガス入口連通孔３４ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂとを連通させる孔部が設けられていない。この構成により、第２金属セパレータ３２に設けられた第２エンボス９６Ｂ、９７Ｂの近傍には、反応ガスが通過する孔部が設けられていないため、エンボス対９６Ａ、９７Ａのような隙間Ｇがなくても、第２金属セパレータ３２に設けられた燃料ガス流路５８を流れる燃料ガスの圧損を増大させることがない。

また、第２金属セパレータ３２の孔部８３と連通する連通孔ビード部６３ａ、６３ｂに樹脂フィルム４６を介して対向する第１金属セパレータ３０の連通孔ビード部５３ｃ、５３ｄには、酸化剤ガス流路４８と燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂとを連通させる孔部が設けられていない。この構成により、第１金属セパレータ３０に設けられた第２エンボス９８Ｂ、９９Ｂの近傍には、反応ガスが通過する孔部が設けられていないため、エンボス対９８Ａ、９９Ａのような隙間Ｇがなくても、第１金属セパレータ３０に設けられた酸化剤ガス流路４８を流れる酸化剤ガスの圧損を増大させることがない。

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 ２８…樹脂フィルム付きＭＥＡ
３０…第１金属セパレータ ３２…第２金属セパレータ
４６…樹脂フィルム ４８…酸化剤ガス流路
５８…燃料ガス流路
９６Ａ、９７Ａ、９８Ａ、９９Ａ…エンボス対
９６Ｂ、９７Ｂ、９８Ｂ、９９Ｂ…第２エンボス
９６ｅ、９７ｅ、９８ｅ、９９ｅ…第１エンボス

Claims (6)

1. 電解質膜・電極構造体と前記電解質膜・電極構造体の外周に設けられた樹脂フィルムとを有する樹脂フィルム付きＭＥＡと、前記樹脂フィルム付きＭＥＡの両側にそれぞれ配設された金属セパレータとを備え、前記樹脂フィルム付きＭＥＡと前記金属セパレータとが積層された発電セルであって、
   前記金属セパレータには、前記電解質膜・電極構造体の電極面に沿って反応ガスを流す反応ガス流路と、前記反応ガス流路と連通するとともにセパレータ厚さ方向に貫通した反応ガス連通孔と、前記反応ガス連通孔の外周を周回するとともに前記セパレータ厚さ方向に突出したシール用の連通孔ビード部と、が形成されており、
   一方の前記金属セパレータは、前記反応ガス連通孔と連通する前記連通孔ビード部の内部空間に繋がる孔部と、前記孔部の近傍で且つ前記連通孔ビード部と前記反応ガス流路との間に互いに隣接配置された２つの第１エンボスからなるエンボス対とを有し、
   前記２つの第１エンボス間には、前記孔部に対向する隙間が形成されており、
   他方の前記金属セパレータは、前記樹脂フィルムを介して前記エンボス対に対向する１つの第２エンボスを有し、
   前記第２エンボスは、セパレータ厚さ方向から見て前記２つの第１エンボスに跨っている、
   ことを特徴とする発電セル。
2. 請求項１記載の発電セルにおいて、
   前記第２エンボスの頂部の面積は、前記２つの第１エンボスの頂部の合計面積よりも大きい、
   ことを特徴とする発電セル。
3. 請求項１又は２記載の発電セルにおいて、
   前記反応ガス連通孔と前記孔部との間には、前記反応ガス連通孔と前記反応ガス流路とを連通させる連結流路が設けられ、
   前記連結流路は、一方の前記金属セパレータと他方の前記金属セパレータとの間に形成される、
   ことを特徴とする発電セル。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の発電セルにおいて、
   一方の前記金属セパレータの前記孔部と連通する前記連通孔ビード部に前記樹脂フィルムを介して対向する他方の前記金属セパレータの前記連通孔ビード部には、他方の前記金属セパレータに設けられた前記反応ガス流路と前記反応ガス連通孔とを連通させる孔部が設けられていない、
   ことを特徴とする発電セル。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の発電セルにおいて、
   前記２つの第１エンボスを有する一方の前記金属セパレータは、前記エンボス対が設けられた側と同じ側の面に、電極面に沿って燃料ガスを流す燃料ガス流路を有するセパレータであり、
   前記第２エンボスを有する他方の前記金属セパレータは、前記第２エンボスが設けられた側と同じ側の面に、電極面に沿って酸化剤ガスを流す酸化剤ガス流路を有するセパレータである、
   ことを特徴とする発電セル。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の発電セルにおいて、
   前記第２エンボスの平面形状は、長円状又は楕円状である、
   ことを特徴とする発電セル。

Images