JP2019061754A - 燃料電池用金属セパレータ及び発電セル - Google Patents

Abstract

【課題】ビードシールにおけるシール面圧のバラツキを抑制することが可能な燃料電池用金属セパレータ及び発電セルを提供する。【解決手段】第１金属セパレータ３０は、反応ガスの漏れを防止するための第１ビード構造５２がセパレータ厚さ方向に突出形成されている。第１ビード構造５２は、セパレータ外端縁３０ｅと、酸化剤ガス入口連通孔３４ａのセパレータ外端縁３０ｅ側の部位との間に、２列のビードシール（連通孔ビード部５３及び外周側ビード部５４）を有する。セパレータ厚さ方向から見て、２列のビードシールは、一方が波形状であり、他方が直線状である。【選択図】図４

Description

本発明は、ビードシールを備えた燃料電池用金属セパレータ及び発電セルに関する。

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、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。一方、下記特許文献１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。

米国特許第７７１８２９３号明細書

２列（２重）のビードシールが設けられた金属セパレータにおいて、特に反応ガス連通孔とセパレータ外周端との間の部位で２列のビードシールが平行に延在する場合、当該部位は、他の部位よりもビードシールが変形しやすく、シール面圧が相対的に低下しやすい。このため、ビードシールが設けられるシール面内において、シール面圧のバラツキが生じやすい。

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シール面圧のバラツキを抑制することが可能な燃料電池用金属セパレータ及び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、電極面に沿って反応ガスを流すための反応ガス流路が形成され、前記反応ガス流路と連通する反応ガス連通孔がセパレータ厚さ方向に貫通形成され、前記反応ガスの漏れを防止するためのビード構造が前記セパレータ厚さ方向に突出形成された燃料電池用金属セパレータであって、前記ビード構造は、前記燃料電池用金属セパレータの一辺を構成するセパレータ外端縁と、前記反応ガス連通孔の前記セパレータ外端縁側の部位との間に、２列のビードシールを有し、前記セパレータ厚さ方向から見て、前記２列のビードシールは、一方が波形状であり、他方が直線状である。

前記セパレータ厚さ方向から見て、波形状の前記ビードシールは、直線状の前記ビードシールに対向して少なくとも１つの凹部を有することが好ましい。

前記２列のビードシールのうち、前記反応ガス連通孔側の前記ビードシールが波形状であることが好ましい。

波形状の前記ビードシールは、前記反応ガス連通孔を囲み、直線状の前記ビードシールは、前記反応ガス流路を囲むとともに複数の前記反応ガス連通孔の間を延在することが好ましい。

前記反応ガス連通孔は、前記セパレータ外端縁側の辺が、前記反応ガス流路側の辺よりも短い形状を有することが好ましい。

また、本発明の発電セルは、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設された上記いずれかの燃料電池用金属セパレータとを備える。

本発明の燃料電池用金属セパレータ及び発電セルによれば、セパレータ外端縁と反応ガス連通孔のセパレータ外端縁側の部位との間に設けられた２列のビードシールは、セパレータ厚さ方向から見て、一方が波形状であり、他方が直線状である。このため、２列のビードシールが両方とも直線状である構成と比較して、ビード構造のセパレータ外端縁側での剛性が向上する。これにより、セパレータ外端縁側でのシール面圧の相対的な低下が抑制されるため、シール面圧のバラツキを抑制することができる。

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１金属セパレータの酸化剤ガス入口連通孔の周辺拡大図である。 図４におけるＶ−Ｖ線に沿った断面図である。 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。 直線状のビードシール及び波形状のビードシールについて、荷重と変位量との関係を示すグラフである。 変形例に係る第１金属セパレータの酸化剤ガス入口連通孔の周辺拡大図である。

以下、本発明に係る燃料電池用金属セパレータ及び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、樹脂フィルム付きＭＥＡ２８と、樹脂フィルム付きＭＥＡ２８の一方面側に配置された第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１２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。

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、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ビード構造５２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ビード構造５２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ビード構造５２は、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」という）と、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５４（以下、「外周側ビード部５４」という）とを有する。

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。また、複数の連通孔ビード部５３のうち、燃料ガス入口連通孔３８ａを囲むものを「連通孔ビード部５３ｃ」と表記し、燃料ガス出口連通孔３８ｂを囲むものを「連通孔ビード部５３ｄ」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。

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４に示すように、連通孔ビード部５３ａは、セパレータ厚さ方向から見て、波形状に形成される。具体的に、連通孔ビード部５３ａは、酸化剤ガス入口連通孔３４ａの周囲に沿う全周に亘って、セパレータ厚さ方向から見て波形状に形成される。

図５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。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の後述する連通孔ビード部６３の裏側形状である凹部６３ｆ（内部空間６３ｇ）と対向する。

本実施形態では、連通孔ビード部５３の側壁５３ｗは、セパレータ厚さ方向（積層方向である矢印Ａ方向）に対して傾斜している。従って、連通孔ビード部５３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。連通孔ビード部５３は、積層方向に締付荷重が付与されると弾性変形する。なお、連通孔ビード部５３の側壁５３ｗは、セパレータ厚さ方向と平行であってもよい。すなわち、連通孔ビード部５３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４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トンネル８６Ａ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トンネル８６Ｂとを有する。複数の内側トンネル８６Ａ及び複数の外側トンネル８６Ｂは、プレス成形により、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（図１参照）側に向かって突出成形される。

複数の内側トンネル８６Ａの裏側凹形状である内部空間は、連通孔ビード部５３ａの裏側凹形状である内部空間５３ｇ（図５）と連通している。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。複数の外側トンネル８６Ｂの内部空間（裏側凹形状）は、連通孔ビード部５３ａの内部空間５３ｇと連通している。外側トンネル８６Ｂの、連通孔ビード部５３ａと接続する側とは反対側の端部には、孔部８３が設けられている。

本実施形態では、複数の内側トンネル８６Ａと複数の外側トンネル８６Ｂ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、複数の内側トンネル８６Ａと複数の外側トンネル８６Ｂ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３に示すように、外周側ビード部５４は、第１金属セパレータ３０の互いに対向する長辺に沿って延在する。また、外周側ビード部５４は、第１金属セパレータ３０の長手方向一方側（矢印Ｂ１方向側）の端部で、第１金属セパレータ３０の短辺に沿ってに並ぶ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の間を延在して湾曲する。

外周側ビード部５４は、第１金属セパレータ３０の長手方向他方側（矢印Ｂ２方向側）の端部で、第１金属セパレータ３０の短辺に沿って並ぶ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の間を延在して湾曲する。連通孔ビード部５３ａ〜５３ｄは、外周側ビード部５４により囲まれた領域に配置されている。外周側ビード部５４は、セパレータ厚さ方向から見て、後述する直線状の部分を除き、波形状に形成されている。

図４に示すように、セパレータ外端縁３０ｅ（図４では、長方形状の第１金属セパレータ３０の短辺）と、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ（のセパレータ外端縁３０ｅ側の部位）との間には、連通孔ビード部５３ａと外周側ビード部５４とにより、２列のビードシール（２重ビード部）が形成されている。セパレータ厚さ方向から見て、２列のビードシールは、一方が波形状であり、他方が直線状である。本実施形態では、セパレータ外端縁３０ｅと酸化剤ガス入口連通孔３４ａとの間で、連通孔ビード部５３ａが波形状に形成され、外周側ビード部５４が直線状に形成されている。すなわち、外周側ビード部５４は、セパレータ外端縁３０ｅと酸化剤ガス入口連通孔３４ａとの間に、直線状部位５４ｓを有する。直線状部位５４ｓは、第１金属セパレータ３０の短辺であるセパレータ外端縁３０ｅと平行に延在する。

セパレータ外端縁３０ｅと酸化剤ガス入口連通孔３４ａとの間で、波形状の連通孔ビード部５３ａは、セパレータ厚さ方向から見て、外周側ビード部５４の直線状部位５４ｓに対向して少なくとも１つ（本実施形態では、複数）の凹部５５を有する。少なくとも１つの凹部５５に代えて、直線状部位５４ｓに対向する少なくとも１つの凸部が設けられてもよい。

上記構成とは逆に、セパレータ外端縁３０ｅと酸化剤ガス入口連通孔３４ａとの間で、連通孔ビード部５３ａが直線状に形成され、外周側ビード部５４が波形状に形成されてもよい。

図５に示すように、外周側ビード部５４は、連通孔ビード部５３ａと同様に、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、外周側ビード部５４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。連通孔ビード部５３と外周側ビード部５４の断面形状は同じであることが好ましい。

図３に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３４ａの周辺構造と同様に、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ、燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂの周辺構造についても、セパレータ外端縁３０ｅと各連通孔との間には、連通孔ビード部５３と外周側ビード部５４とにより、一方が波形状で他方が直線状の２列のビードシールが形成されている。

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６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。

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、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ビード構造６２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ビード構造６２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６に示すように、第２ビード構造６２は、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６３（以下、「連通孔ビード部６３」という）と、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６４（以下、「外周側ビード部６４」という）とを有する。

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〜６３ｄは、第１金属セパレータ３０の上述した連通孔ビード部５３ａ〜５３ｄ（図３）と同様に構成されている。外周側ビード部６４は、第１金属セパレータ３０の上述した外周側ビード部５４（図３）と同様に構成されている。従って、第２金属セパレータ３２のセパレータ外端縁３２ｅと、各連通孔のセパレータ外端縁３２ｅ側の部位との間に形成された２列のビードシール（連通孔ビード部６３及び外周側ビード部６４）は、セパレータ厚さ方向から見て、一方が波形状であり、他方が直線状である。

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。

図３に示すように、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。第１金属セパレータ３０と第２金属セパレータ３２とは、溶接に代えて、ロウ付けによって接合されてもよい。

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、酸化剤ガス入口連通孔３４ａからブリッジ部８０（図３）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。そして、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。

以下では、代表的に、第１金属セパレータ３０に形成された酸化剤ガス入口連通孔３４ａを囲む連通孔ビード部５３ａ及び外周側ビード部５４により構成される２列のビードシールについて、本実施形態の効果を説明するが、第１金属セパレータ３０の他の各連通孔ビード部５３及び外周側ビード部５４により構成される２列のビードシール、並びに第２金属セパレータ３２の各連通孔ビード部６３及び外周側ビード部６４により構成される２列のビードシールについても、同様の効果が得られる。

セパレータ外端縁３０ｅと反応ガス連通孔（酸化剤ガス入口連通孔３４ａ等）との間に設けられたビードシールは、剛性が低下しやすい。第１金属セパレータ３０では、セパレータ外端縁３０ｅと反応ガス連通孔（酸化剤ガス入口連通孔３４ａ等）のセパレータ外端縁３０ｅ側の部位との間に設けられた２列のビードシール（連通孔ビード部５３ａ及び外周側ビード部５４）は、セパレータ厚さ方向から見て、一方が波形状であり、他方が直線状である。このため、２列のビードシールが両方とも直線状である構成と比較して、第１ビード構造５２のセパレータ外端縁３０ｅ側での剛性が向上する。

すなわち、波形状のビードシールは、直線状のビードシールと比較して、セパレータ厚さ方向（積層方向）の荷重に対する剛性が高い。このため、図７に示すように、波形状のビードシールは、荷重に対する変位量（変形量）が、直線状のビードシールと比較して、少ない。従って、図４に示す第１金属セパレータ３０では、セパレータ外端縁３０ｅと反応ガス連通孔（酸化剤ガス入口連通孔３４ａ等）との間に設けられた２列のビードシールは、波形状のビードシール（連通孔ビード部５３ａ）を含むため、積層方向の荷重による変形量が抑制される。これにより、セパレータ外端縁３０ｅ側でのシール面圧の相対的な低下が抑制されるため、シール面圧のバラツキを抑制することができる。

セパレータ外端縁３０ｅと反応ガス連通孔（酸化剤ガス入口連通孔３４ａ等）との間で、セパレータ厚さ方向から見て、波形状のビードシール（連通孔ビード部５３ａ）は、直線状のビードシール（外周側ビード部５４）に対向して少なくとも１つの凹部５５を有する。この構成により、２列のビードシール間に所定以上の間隔を確保しつつ、一方のビードシールを容易に波形状とすることができる。

セパレータ外端縁３０ｅと反応ガス連通孔（酸化剤ガス入口連通孔３４ａ等）との間で、２列のビードシールのうち、反応ガス連通孔側のビードシール（連通孔ビード部５３ａ）が波形状である。この構成により、セパレータ外端縁３０ｅの近傍はビードシールを波形状とするにはスペースの制約が大きいが、反応ガス連通孔側のビードシールであれば、スペースの制約が比較的少なく、容易に波形状のビードシールを配置することができる。

図８に示す変形例に係る第１金属セパレータ３０Ｍでは、反応ガス連通孔（例えば、酸化剤ガス入口連通孔３４ａｍ）は、六角形状に形成されている。図８において、酸化剤ガス入口連通孔３４ａｍは、セパレータ外端縁３０ｅ（四角形状の第１金属セパレータ３０Ｍの短辺）側の辺３４ｓ１が、酸化剤ガス流路４８（図３参照）側の辺３４ｓ２よりも短い六角形状である。辺３４ｓ１は、第１金属セパレータ３０Ｍの短辺であるセパレータ外端縁３０ｅと平行である。

セパレータ外端縁３０ｅと酸化剤ガス入口連通孔３４ａｍとの間に設けられた２列のビードシール（連通孔ビード部５３ｍ及び外周側ビード部５４ｍ）は、一方が波形状であり他方が直線状部位を有する。具体的に、セパレータ外端縁３０ｅと酸化剤ガス入口連通孔３４ａｍとの間で、連通孔ビード部５３ｍが波形状に形成され、外周側ビード部５４ｍのセパレータ外端縁３０ｅとの対向部位が直線状に形成されている。すなわち、外周側ビード部５４ｍは、セパレータ外端縁３０ｅと酸化剤ガス入口連通孔３４ａｍとの間に、直線状部位５４ｍｓを有する。直線状部位５４ｍｓは、第１金属セパレータ３０Ｍの短辺であるセパレータ外端縁３０ｅと平行に延在する。

セパレータ外端縁３０ｅと酸化剤ガス入口連通孔３４ａｍとの間で、波形状の連通孔ビード部５３ｍは、セパレータ厚さ方向から見て、外周側ビード部５４ｍの直線状部位５４ｍｓに対向して少なくとも１つの凹部５５を有する。図８において、直線状部位５４ｍｓに対向する凹部５５は１つのみ設けられているが、直線状部位５４ｓに対向して複数個の凹部５５が設けられてもよい。少なくとも１つの凹部５５に代えて、少なくとも１つの凸部が設けられてもよい。

上記構成とは逆に、セパレータ外端縁３０ｅと酸化剤ガス入口連通孔３４ａｍとの間で、連通孔ビード部５３ｍが直線状に形成され、外周側ビード部５４ｍが波形状に形成されてもよい。

なお、第１金属セパレータ３０Ｍには、酸化剤ガス出口連通孔、燃料ガス入口連通孔、燃料ガス出口連通孔が設けられている。これらの連通孔についても、酸化剤ガス入口連通孔３４ａｍと同様の六角形状に形成されてもよい。この場合、各連通孔の周辺に形成された連通孔ビード部５３ｍ及び外周側ビード部５４ｍは、酸化剤ガス入口連通孔３４ａｍ周辺の連通孔ビード部５３ｍ及び外周側ビード部５４と同様に形成されるのがよい。第１金属セパレータ３０Ｍと同様の構成が第２金属セパレータに適用されてもよい。

反応ガス連通孔とセパレータ外端縁との間のビード構造は、２列のビードシールに限定されず、少なくとも２列のビードシールを有していればよい。

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 ３０ｅ、３２ｅ…セパレータ外端縁
３２…第２金属セパレータ ５２…第１ビード構造
６２…第２ビード構造 ５３、５３ｍ、６３…連通孔ビード部
５４、５４ｍ、６４…外周側ビード部 ５５…凹部

Claims (6)

1. 電極面に沿って反応ガスを流すための反応ガス流路が形成され、前記反応ガス流路と連通する反応ガス連通孔がセパレータ厚さ方向に貫通形成され、前記反応ガスの漏れを防止するためのビード構造が前記セパレータ厚さ方向に突出形成された燃料電池用金属セパレータであって、
   前記ビード構造は、前記燃料電池用金属セパレータの一辺を構成するセパレータ外端縁と、前記反応ガス連通孔の前記セパレータ外端縁側の部位との間に、２列のビードシールを有し、
   前記セパレータ厚さ方向から見て、前記２列のビードシールは、一方が波形状であり、他方が直線状である、
   ことを特徴とする燃料電池用金属セパレータ。
2. 請求項１記載の燃料電池用金属セパレータにおいて、
   前記セパレータ厚さ方向から見て、波形状の前記ビードシールは、直線状の前記ビードシールに対向して少なくとも１つの凹部を有する、
   ことを特徴とする燃料電池用金属セパレータ。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池用金属セパレータにおいて、
   前記２列のビードシールのうち、前記反応ガス連通孔側の前記ビードシールが波形状である、
   ことを特徴とする燃料電池用金属セパレータ。
4. 請求項１記載の燃料電池用金属セパレータにおいて、
   波形状の前記ビードシールは、前記反応ガス連通孔を囲み、
   直線状の前記ビードシールは、前記反応ガス流路を囲むとともに複数の前記反応ガス連通孔の間を延在する、
   ことを特徴とする燃料電池用金属セパレータ。
5. 請求項１記載の燃料電池用金属セパレータにおいて、
   前記反応ガス連通孔は、前記セパレータ外端縁側の辺が、前記反応ガス流路側の辺よりも短い形状を有する、
   ことを特徴とする燃料電池用金属セパレータ。
6. 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設された請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池用金属セパレータと、を備える、
   ことを特徴とする発電セル。

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