JP2019079736A - 発電セル - Google Patents
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Abstract
【課題】金属セパレータに設けられた反応ガス流路の流路幅方向端部での面圧の低下を抑制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において、酸化剤ガス流路48の流路幅方向端部と外周側ビード部54との間に、酸化剤ガスのバイパスを防止する第1バイパス止め凸状部84が設けられる。第1バイパス止め凸状部84は、端部波状突起48a1において外周側ビード部54に対して凹むように湾曲した凹状湾曲部87と、外周側ビード部54との間に設けられる。第1金属セパレータ30には、凹状湾曲部87と第1バイパス止め凸状部84との間に、カソード電極44を支持する第1支持用凸状部85が設けられる。【選択図】図4
Description
本発明は、ビードシールと波状の反応ガス流路と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。MEA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。アノード電極に沿って一方の反応ガスである燃料ガスを流す燃料ガス流路が形成されたアノード側金属セパレータがMEAの一方面側に配置され、カソード電極に沿って他方の反応ガスである酸化剤ガスを流す酸化剤ガス流路が形成されたカソード側金属セパレータがMEAの他方面側に配置される。
ところで、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(境界壁7)を形成することが開示されている。また、下記特許文献1では、金属セパレータに設けられた反応ガス流路の流路幅方向端部での反応ガスのバイパスを防止するために、ビードシールと反応ガス流路との間に、バイパス止め凸状部(制限部材10)が設けられている。
特許文献1では、バイパス止め凸状部によりMEAの幅方向端部を支持しているが、バイパス止め凸状部が設けられていない箇所ではMEAの幅方向端部を支持することができない。このため、MEAの幅方向端部においてバイパス止め凸状部により支持されていない箇所は、面圧が低下する。当該面圧の低下は、発電性能及び耐久性の低下を引き起こす。
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、金属セパレータに設けられた反応ガス流路の流路幅方向端部での面圧の低下を抑制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、電解質膜の両側に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の一端から他端に向かって延在する複数の波状突起と、前記複数の波状突起間に形成された複数の波状流路溝とを有し、前記一端から前記他端に向かって発電面に沿って反応ガスを流す反応ガス流路が形成され、前記反応ガス流路を囲んで反応ガスの漏れを防止するビードシールが設けられ、前記反応ガス流路の流路幅方向端部と前記ビードシールとの間に、反応ガスのバイパスを防止するバイパス止め凸状部が設けられた発電セルにおいて、前記バイパス止め凸状部は、前記波状突起のうち前記流路幅方向端部で前記ビードシールに対して凹むように湾曲した凹状湾曲部と、前記ビードシールとの間に設けられ、少なくとも一方の前記金属セパレータには、前記凹状湾曲部と前記バイパス止め凸状部との間に、前記電極を支持する支持用凸状部が設けられる。
一方の前記金属セパレータ及び他方の前記金属セパレータの各々に前記支持用凸状部が設けられることが好ましい。
一方の前記金属セパレータの前記支持用凸状部と、他方の前記金属セパレータの前記支持用凸状部とは、前記波状突起の延在方向に沿って交互に配置されることが好ましい。
一対の前記金属セパレータ間で、前記支持用凸状部は互いに形状が異なることが好ましい。
一方の前記金属セパレータの前記支持用凸状部は、前記電解質膜・電極構造体を介して、他方の前記金属セパレータの前記流路幅方向端部に配置された前記波状突起に対向することが好ましい。
前記電解質膜・電極構造体の外周部には、枠形状の樹脂フィルムが配置され、前記支持用凸状部は、前記電解質膜・電極構造体と前記樹脂フィルムとが厚さ方向に重なる位置で前記電極を支持することが好ましい。
前記バイパス止め凸状部は前記波状突起の延在方向に間隔を置いて複数個配置されることが好ましい。
前記支持用凸状部の近傍には冷媒面側に突出する凹部が設けられ、該凹部の裏側形状である突出部の先端は、該突出部に隣接する前記金属セパレータに当接することが好ましい。
本発明の発電セルによれば、バイパス止め凸状部だけでなく、支持用凸状部によっても、電解質膜・電極構造体の幅方向端部を支持することができる。従って、電解質膜・電極構造体の幅方向端部における面圧(締付荷重)の低下を防止することができる。これにより、発電セルの面圧低下に起因する発電性能及び耐久性の低下を抑制することができる。
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、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(以下、「MEA28a」と表記する)と、MEA28a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。
MEA28a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。
第1電極触媒層44a及び第2電極触媒層42aは、電解質膜40の両面に形成される。第1電極触媒層44aは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、イオン導電性高分子バインダとともに第1ガス拡散層44bの表面に一様に塗布されて形成される。第2電極触媒層42aは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、イオン導電性高分子バインダとともに第2ガス拡散層42bの表面に一様に塗布されて形成される。第1ガス拡散層44b及び第2ガス拡散層42bは、カーボンペーパ又はカーボンクロス等から形成される。
図1に示すように、樹脂フィルム46の矢印B1方向側の縁部には、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に示すように、樹脂フィルム46は、厚さの異なる2枚の枠状シート46a、46bを有する。具体的には、樹脂フィルム46は、内周部がMEA28aの外周部に接合された第1枠状シート46aと、第1枠状シート46aに接合された第2枠状シート46bとを有する。第1枠状シート46aと第2枠状シート46bとは、接着剤からなる接着層46cにより、厚さ方向に互いに接合されている。第2枠状シート46bは、第1枠状シート46aの外周部に接合される。
第1枠状シート46a及び第2枠状シート46bは樹脂材料により構成される。第1枠状シート46a及び第2枠状シート46bの構成材料としては、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、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等が挙げられる。
樹脂フィルム46の内周部46n(第1枠状シート46aの内周部)は、アノード電極42の外周部とカソード電極44の外周部との間に配置される。具体的に、樹脂フィルム46の内周部46nは、電解質膜40の外周部とアノード電極42の外周部との間に挟持される。樹脂フィルム46の内周部46nと電解質膜40の外周部とは、接着層46cを介して接合される。なお、樹脂フィルム46の内周部46nは、電解質膜40とカソード電極44との間に挟持されてもよい。
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波状突起48a間に形成された複数の波状流路溝48bを有する。従って、酸化剤ガス流路48では、複数の波状突起48aと複数の波状流路溝48bとが流路幅方向(矢印C方向)に交互に配置されている。
波状突起48aの幅方向(矢印C方向)両側の側壁は、セパレータ厚さ方向に対して傾斜しており、波状突起48aの横断面形状は台形状である。なお、波状突起48aの幅方向両側の側壁は、セパレータ厚さ方向と平行であり、波状突起48aの横断面形状は矩形状であってもよい。波状突起48aは、該波状突起48aが延在する方向(矢印B方向)に直線状ではない凹凸を有する形状であればよく、特定の形状に限定されない。以下、複数の波状突起48aのうち、流路幅方向の両端に位置するものを「端部波状突起48a1」という。端部波状突起48a1は、第1ガス拡散層44bの外端44beよりも内側に配置されている。
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(図1参照)。冷媒面側に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。詳細は図示しないが、第1シールライン52の凸部先端面には、樹脂材が印刷又は塗布等により固着されてもよい。なお、当該樹脂材はなくてもよい。
第1シールライン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。
ブリッジ部80、82は、連通孔ビード部53a、53bの内側及び外側にそれぞれ複数本のトンネル80t、82tを有する。トンネル80t、82t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側に向かって突出成形される。
酸化剤ガス流路48の流路幅方向両端部(端部波状突起48a1)と外周側ビード部54との間に、酸化剤ガス入口連通孔34aから酸化剤ガス出口連通孔34bへの酸化剤ガスのバイパスを防止する第1バイパス止め凸状部84が設けられている。本実施形態では、酸化剤ガス流路48の流路幅方向は、長方形状の第1金属セパレータ30の短辺に沿った方向(矢印C方向)である。第1バイパス止め凸状部84は、樹脂フィルム付きMEA28(図2参照)側に向かって突出成形される。第1バイパス止め凸状部84は端部波状突起48a1の延在方向(矢印B方向)に間隔を置いて複数個配置されている。
図4において、第1バイパス止め凸状部84の幅方向(矢印B方向)両側の側壁84sは、セパレータ厚さ方向に対して傾斜しており、第1バイパス止め凸状部84の横断面形状は台形状である。なお、第1バイパス止め凸状部84の幅方向両側の側壁84sは、セパレータ厚さ方向と平行であり、第1バイパス止め凸状部84の横断面形状は矩形状であってもよい。
端部波状突起48a1は、外周側ビード部54に対して凹むように湾曲した凹状湾曲部87と、外周側ビード部54に対して突出するように湾曲した凸状湾曲部88とを有する。複数個の第1バイパス止め凸状部84は、端部波状突起48a1の凹状湾曲部87と外周側ビード部54との間に設けられた第1バイパス止め凸状部84aと、端部波状突起48a1の凸状湾曲部88と外周側ビード部54との間に設けられた第1バイパス止め凸状部84bとを含む。第1バイパス止め凸状部84aと第1バイパス止め凸状部84bとは、端部波状突起48a1の延在方向に沿って互いに間隔を置いて交互に配置されている。
一方の第1バイパス止め凸状部84aは、一端が外周側ビード部54に繋がり、他端が端部波状突起48a1の凹状湾曲部87に繋がっている。他方の第1バイパス止め凸状部84bは、一端が外周側ビード部54に繋がり、他端が端部波状突起48a1の凸状湾曲部88に繋がっている。互いに隣接する第1バイパス止め凸状部84a、84bの間には、MEA28aの外周部を支持する中間凸状部89が設けられている。
中間凸状部89は、樹脂フィルム付きMEA28に向かって突出している。中間凸状部89は、互いに隣接する第1バイパス止め凸状部84a、84bの間に、複数個ずつ配置されている。図4では、例えば2つの中間凸状部89が、互いに隣接する第1バイパス止め凸状部84a、84bの間で、端部波状突起48a1の延在方向に沿って間隔を置いて配置されている。中間凸状部89は、端部波状突起48a1の延在方向に交差して延びる形状を有する。中間凸状部89は、積層方向から見て、第1ガス拡散層44bの外端44beに重なる位置に配置されている。
第1金属セパレータ30には、端部波状突起48a1の凹状湾曲部87と第1バイパス止め凸状部84aとの間に、カソード電極44(第1ガス拡散層44b)を支持する第1支持用凸状部85が設けられる。第1支持用凸状部85は、プレス成形により、樹脂フィルム付きMEA28に向かって突出成形される。本実施形態では、第1支持用凸状部85は、第1バイパス止め凸状部84aに一体的に連なるとともに、端部波状突起48a1の凹状湾曲部87に一体的に連なっている。
図2に示すように、第1支持用凸状部85は、MEA28aと樹脂フィルム46とが厚さ方向に重なる位置でカソード電極44(第1ガス拡散層44b)を支持する。図3に示すように、第1支持用凸状部85は、枠形状の樹脂フィルム46の内周部46nに対応する位置(積層方向から見て、樹脂フィルム46の内周部46nに重なる位置)に設けられている。
図4に示すように、第1支持用凸状部85の近傍には、カソード電極44に対して凹む(裏側形状が冷媒面側に突出する)凹部85aが設けられる。凹部85aは、第1バイパス止め凸状部84aの延長線上に配置されている。凹部85aは、複数個の第1支持用凸状部85に対応して設けられている。すなわち、凹部85aは、端部波状突起48a1の延在方向に沿って複数個設けられている。図2に示すように、凹部85aの裏側形状である突出部の先端は、該突出部に隣接する第2金属セパレータ32に当接する。
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5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の波状突起58a間に形成された複数の波状流路溝58bを有する。従って、燃料ガス流路58では、複数の波状突起58aと複数の波状流路溝58bとが流路幅方向(矢印C方向)に交互に配置されている。以下、複数の波状突起58aのうち、流路幅方向の両端に位置するものを「端部波状突起58a1」という。端部波状突起58a1は、第2ガス拡散層42bの外端42beよりも内側に配置されている。
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シールライン62が樹脂フィルム付きMEA28に向かって膨出成形される。詳細は図示しないが、第2シールライン62の凸部先端面には、樹脂材が印刷又は塗布等により固着されている。なお、当該樹脂材はなくてもよい。
図5に示すように、第2シールライン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。以下、複数の連通孔ビード部63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63a」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63b」と表記する。
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。
ブリッジ部90、92は、連通孔ビード部63a、63bの内側及び外側にそれぞれ複数本のトンネル90t、92tを有する。トンネル90t、92tは、プレス成形により、第2金属セパレータ32の表面32aから樹脂フィルム付きMEA28(図2参照)側に向かって突出成形される。
燃料ガス流路58の流路幅方向両端部(端部波状突起58a1)と外周側ビード部64との間に、燃料ガス入口連通孔38aから燃料ガス出口連通孔38bへの燃料ガスのバイパスを防止する第2バイパス止め凸状部94が設けられている。本実施形態では、燃料ガス流路58の流路幅方向は、長方形状の第2金属セパレータ32の短辺に沿った方向(矢印C方向)である。第2バイパス止め凸状部94は、樹脂フィルム付きMEA28(図2参照)側に向かって突出成形される。第2バイパス止め凸状部94は端部波状突起58a1の延在方向(矢印B方向)に間隔を置いて複数個配置されている。
図6に示すように、端部波状突起58a1は、外周側ビード部64に対して凹むように湾曲した凹状湾曲部95と、外周側ビード部64に対して突出するように湾曲した凸状湾曲部96とを有する。複数個の第2バイパス止め凸状部94は、端部波状突起58a1の凹状湾曲部95と外周側ビード部64との間に設けられた第2バイパス止め凸状部94aと、端部波状突起58a1の凸状湾曲部96と外周側ビード部64との間に設けられた第2バイパス止め凸状部94bとを含む。一方の第2バイパス止め凸状部94aと他方の第2バイパス止め凸状部94bとは、端部波状突起58a1の延在方向に沿って互いに間隔を置いて交互に配置されている。
一方の第2バイパス止め凸状部94aは、一端が外周側ビード部64に繋がり、他端が端部波状突起58a1の凹状湾曲部95から離間している。他方の第2バイパス止め凸状部94bは、一端が外周側ビード部64に繋がり、他端が端部波状突起58a1の凸状湾曲部96に繋がっている。互いに隣接する第2バイパス止め凸状部94a、94bの間には、MEA28aの外周部を支持する中間凸状部98が設けられている。中間凸状部98は、樹脂フィルム付きMEA28に向かって突出している。
中間凸状部98は、互いに隣接する第2バイパス止め凸状部94a、94bの間に、複数個ずつ配置されている。互いに隣接する第2バイパス止め凸状部94a、94bの間に設けられた複数の中間凸状部98の配列方向は、互いに隣接する第1バイパス止め凸状部84a、84bの間に設けられた複数の中間凸状部98(図4)の配列方向とは異なっている。具体的に、本実施形態では、複数の中間凸状部98は、互いに隣接する第2バイパス止め凸状部94a、94bの間で、端部波状突起58a1と外周側ビード部64との離間方向(矢印C方向)に沿って間隔を置いて配置されている。中間凸状部98は、積層方向から見て、第2ガス拡散層42bの外周領域及び外端42beに重なる位置に配置されている。
第2金属セパレータ32には、端部波状突起58a1の凹状湾曲部95と第2バイパス止め凸状部94aとの間に、アノード電極42(第2ガス拡散層42b)を支持する第2支持用凸状部100が設けられる。第2支持用凸状部100は、プレス成形により、樹脂フィルム付きMEA28に向かって突出成形される。第2支持用凸状部100は、第2金属セパレータ32の厚さ方向から見て、凹状湾曲部95の湾曲形状に沿ってブーメラン状に湾曲した平面形状を有する。すなわち、第2支持用凸状部100は、端部波状突起58a1側に凸状となるように湾曲した平面形状を有する。端部波状突起58a1の延在方向(矢印B方向)に沿った第2支持用凸状部100の長さは、第2バイパス止め凸状部94aの幅よりも大きい。すなわち、第2支持用凸状部100は、第2バイパス止め凸状部94aに対し、端部波状突起58a1の延在方向(矢印B方向)に突出している。第2バイパス止め凸状部94は、第2支持用凸状部100の長さ方向中央部に対向している。
第2支持用凸状部100は、第1支持用凸状部85(図4)と異なる形状を有する。本実施形態では、第2支持用凸状部100は、端部波状突起58a1の凹状湾曲部95及び第2バイパス止め凸状部94aから離間して配置されている。これにより、第2金属セパレータ32の剛性を向上させることができる。なお、第2支持用凸状部100は、端部波状突起58a1の凹状湾曲部95及び第2バイパス止め凸状部94aの少なくとも一方に一体的に連なって形成されてもよい。
第2支持用凸状部100は、枠形状の樹脂フィルム46の内端46eに対応する位置(積層方向から見て、樹脂フィルム46の内端46eに重なる位置)に設けられている。図8に示すように、第2支持用凸状部100は、MEA28aの外周部と樹脂フィルム46の内周部46nとが厚さ方向に重なる位置でアノード電極42(第2ガス拡散層42b)を支持する。
図7に示すように、積層方向から見て、酸化剤ガス流路48の波状突起48aと燃料ガス流路58の波状突起58aとは、同一波長且つ互いに逆位相の波形状に形成されている。第1金属セパレータ30の第1支持用凸状部85と、第2金属セパレータ32の第2支持用凸状部100とは、波状突起48a、58aの延在方向に沿って交互に配置される。
図2に示すように、第1支持用凸状部85は、MEA28aを介して、第2金属セパレータ32の端部波状突起58a1と対向する。従って、図7に示すように、第1支持用凸状部85は、積層方向から見て、第2金属セパレータ32の端部波状突起58a1と重なる。
図8に示すように、第2支持用凸状部100は、MEA28aを介して、第1金属セパレータ30の端部波状突起48a1と対向する。従って、図7に示すように、第2支持用凸状部100は、積層方向から見て、第1金属セパレータ30の端部波状突起48a1と重なる。
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。
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、図3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、MEA28aのカソード電極44に供給される。
一方、図1に示すように、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔38aから第2金属セパレータ32の燃料ガス流路58に導入される。図5に示すように、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、MEA28aのアノード電極42に供給される。
従って、各MEA28a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、図1に示すように、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、MEA28a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バイパス止め凸状部84は、端部波状突起48a1において外周側ビード部54に対して凹むように湾曲した凹状湾曲部87と、外周側ビード部54との間に設けられている。第1金属セパレータ30には、凹状湾曲部87と第1バイパス止め凸状部84との間にカソード電極44を支持する第1支持用凸状部85が設けられている(図4)。また、第2バイパス止め凸状部94は、端部波状突起58a1において外周側ビード部64に対して凹むように湾曲した凹状湾曲部95と、外周側ビード部64との間に設けられている。第2金属セパレータ32には、アノード電極42を支持する第2支持用凸状部100が設けられている(図6)。
このため、第1バイパス止め凸状部84及び第2バイパス止め凸状部94だけでなく、第1支持用凸状部85及び第2支持用凸状部100によっても、MEA28aの幅方向端部(矢印C方向の端部)を支持することができる。従って、MEA28aの幅方向端部における面圧(締付荷重)の低下を防止することができる。これにより、発電セル12の面圧低下に起因する発電性能及び耐久性の低下を抑制することができる。
発電セル12では、第1金属セパレータ30及び第2金属セパレータ32の各々に支持用凸状部(第1支持用凸状部85及び第2支持用凸状部100)が設けられている。このため、第1金属セパレータ30及び第2金属セパレータ32の両方の側で、発電セル12の幅方向端部での面圧低下を良好に防止することができる。
第1金属セパレータ30の第1支持用凸状部85と、第2金属セパレータ32の第2支持用凸状部100とは、波状突起48a、58aの延在方向に沿って交互に配置される(図7)。この構成により、波状突起48a、58aの延在方向に沿ってMEA28aを好適に支持することができる。
第1支持用凸状部85と第2支持用凸状部100は、互いに形状が異なる。この構成により、第1金属セパレータ30側と、第2金属セパレータ32側とで、それぞれカソード電極44及びアノード電極42を支持するのに適した形状の第1支持用凸状部85と第2支持用凸状部100とを設けることができる。
第1金属セパレータ30の第1支持用凸状部85は、MEA28aを介して、第2金属セパレータ32の端部波状突起58a1に対向する(図2)。第2金属セパレータ32の第2支持用凸状部100は、MEA28aを介して、第1金属セパレータ30の端部波状突起48a1に対向する(図8)。この構成により、第1支持用凸状部85と第2金属セパレータ32の端部波状突起58a1との間にMEA28aが支持され、第2支持用凸状部100と第1金属セパレータ30の端部波状突起48a1との間にMEA28aが支持される。このため、MEA28aの幅方向端部における面圧の低下を一層効果的に防止することができる。
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 28…樹脂フィルム付きMEA
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 42…アノード電極
44…カソード電極 54、64…外周側ビード部(ビードシール)
84…第1バイパス止め凸状部 85…第1支持用凸状部
94…第2バイパス止め凸状部 100…第2支持用凸状部
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 42…アノード電極
44…カソード電極 54、64…外周側ビード部(ビードシール)
84…第1バイパス止め凸状部 85…第1支持用凸状部
94…第2バイパス止め凸状部 100…第2支持用凸状部
Claims (8)
- 電解質膜の両側に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の一端から他端に向かって延在する複数の波状突起と、前記複数の波状突起間に形成された複数の波状流路溝とを有し、前記一端から前記他端に向かって発電面に沿って反応ガスを流す反応ガス流路が形成され、
前記反応ガス流路を囲んで反応ガスの漏れを防止するビードシールが設けられ、
前記反応ガス流路の流路幅方向端部と前記ビードシールとの間に、反応ガスのバイパスを防止するバイパス止め凸状部が設けられた発電セルにおいて、
前記バイパス止め凸状部は、前記波状突起のうち前記流路幅方向端部で前記ビードシールに対して凹むように湾曲した凹状湾曲部と、前記ビードシールとの間に設けられ、
少なくとも一方の前記金属セパレータには、前記凹状湾曲部と前記バイパス止め凸状部との間に、前記電極を支持する支持用凸状部が設けられる、
ことを特徴とする発電セル。 - 請求項1記載の発電セルにおいて、
一方の前記金属セパレータ及び他方の前記金属セパレータの各々に前記支持用凸状部が設けられる、
ことを特徴とする発電セル。 - 請求項2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支持用凸状部と、他方の前記金属セパレータの前記支持用凸状部とは、前記波状突起の延在方向に沿って交互に配置される、
ことを特徴とする発電セル。 - 請求項2又は3記載の発電セルにおいて、
一対の前記金属セパレータ間で、前記支持用凸状部は互いに形状が異なる、
ことを特徴とする発電セル。 - 請求項2〜4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支持用凸状部は、前記電解質膜・電極構造体を介して、他方の前記金属セパレータの前記流路幅方向端部に配置された前記波状突起に対向する、
ことを特徴とする発電セル。 - 請求項1〜5のいずれか1項に記載の発電セルにおいて、
前記電解質膜・電極構造体の外周部には、枠形状の樹脂フィルムが配置され、
前記支持用凸状部は、前記電解質膜・電極構造体と前記樹脂フィルムとが厚さ方向に重なる位置で前記電極を支持する、
ことを特徴とする発電セル。 - 請求項1〜6のいずれか1項に記載の発電セルにおいて、
前記バイパス止め凸状部は前記波状突起の延在方向に間隔を置いて複数個配置される、
ことを特徴とする発電セル。 - 請求項1〜7のいずれか1項に記載の発電セルにおいて、
前記支持用凸状部の近傍には冷媒面側に突出する凹部が設けられ、該凹部の裏側形状である突出部の先端は、該突出部に隣接する前記金属セパレータに当接する、
ことを特徴とする発電セル。
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