JP2019096382A - 燃料電池用金属セパレータ及び燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】ビードシールの裏側流路を通って冷媒入口連通孔から冷媒出口連通孔へとバイパスする冷媒のバイパス量を低減することができる燃料電池用金属セパレータ及び燃料電池を提供する。【解決手段】第１金属セパレータ３０には、酸化剤ガス流路４８と内側ビード部５１ａ（ビードシール）とが一方面に形成され、冷媒を流すための冷媒流路６６が他方面に形成されるとともに、冷媒入口連通孔３６ａ及び冷媒出口連通孔３６ｂとがセパレータ厚さ方向に貫通形成される。内側ビード部５１ａの裏側を構成する凹部５１ｂにより冷媒が流通するビード内流路６５が形成される。ビード内流路６５の一部には、流路断面積が他の部位よりも小さい狭窄部位６５ａが設けられる。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池用金属セパレータ及び燃料電池に関する。

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、例えば、下記特許文献１のように、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。特許文献１では、２枚の金属セパレータ板が互いに接合されて１つの接合セパレータが構成されている。この場合、２枚の金属セパレータ板間には冷却媒体を流通させる冷媒流路がセパレータ面方向に沿って形成される。金属セパレータには、冷媒流路に連通する冷媒入口連通孔及び冷媒出口連通孔が貫通形成される。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。

特開２００４−１９３１１０号公報 米国特許第７７１８２９３号明細書

ところで、金属セパレータの一方面に反応ガス流路及びビードシールが設けられ、他方面に冷媒流路が設けられる場合、凸形状のビードシールの裏側（凹形状）が流路となり、当該流路に冷媒が流れる。このため、当該流路を介して冷媒入口連通孔から冷媒出口連通孔へ向かって冷媒がバイパスする。これにより、冷媒流路に流れる冷媒流量が減少し、冷却効率が低下する。

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、ビードシールの裏側流路を通って冷媒入口連通孔から冷媒出口連通孔へとバイパスする冷媒のバイパス量を低減することができる燃料電池用金属セパレータ及び燃料電池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、燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを流すための反応ガス流路と、前記反応ガス流路を囲んで反応ガスの漏れを防止するための凸形状のビードシールとが一方面に形成され、冷媒を流すための冷媒流路が他方面に形成され、前記冷媒流路に連通する冷媒入口連通孔と前記冷媒流路に連通する冷媒出口連通孔とがセパレータ厚さ方向に貫通形成され、前記ビードシールの凸形状の裏側を構成する凹部により前記冷媒が流通するビード内流路が形成された燃料電池用金属セパレータであって、前記ビード内流路は、前記冷媒入口連通孔と前記冷媒出口連通孔とを連通するとともに、前記ビード内流路の一部には、流路断面積が他の部位よりも小さい狭窄部位が設けられる。

前記狭窄部位は、前記ビード内流路の一部に充填材が充填されることにより構成されることが好ましい。

前記ビード内流路の断面積に対する前記充填材の断面積の割合は、７０％以下であることが好ましい。

前記ビードシールは、前記反応ガス流路の流路幅方向における前記燃料電池用金属セパレータの両端部で前記反応ガス流路の流路方向に沿って延在する一対の延在部を有し、前記狭窄部位は、前記一対の延在部の裏側にそれぞれ設けられることが好ましい。

前記ビード内流路は、前記セパレータ厚さ方向に貫通形成された空気抜き用連通孔に連通することが好ましい。

前記ビード内流路は、前記セパレータ厚さ方向に貫通形成された冷媒ドレン用連通孔に連通することが好ましい。

また、本発明は、電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の両側に配置された燃料電池用金属セパレータとを備え、前記燃料電池用金属セパレータには、燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを流すための反応ガス流路と、前記反応ガス流路を囲んで反応ガスの漏れを防止するための凸形状のビードシールとが一方面に形成され、冷媒を流すための冷媒流路が他方面に形成され、前記冷媒流路に連通する冷媒入口連通孔と前記冷媒流路に連通する冷媒出口連通孔とがセパレータ厚さ方向に貫通形成され、前記ビードシールの凸形状の裏側を構成する凹部により前記冷媒が流通するビード内流路が形成された、燃料電池であって、前記ビード内流路は、前記冷媒入口連通孔と前記冷媒出口連通孔とを連通するとともに、前記ビード内流路の一部には、流路断面積が他の部位よりも小さい狭窄部位が設けられる。

本発明の燃料電池用金属セパレータ及び燃料電池によれば、ビード内流路の一部に狭窄部位が設けられるため、冷媒入口連通孔から冷媒出口連通孔へとバイパスする冷媒のバイパス量を低減することができる。これにより、冷媒流路へ流す冷媒流量を増加させ、発熱部を効果的に冷却することができる。また、冷却効率が向上するため、冷却システムの小型化が図られる。

燃料電池スタックの斜視説明図である。 燃料電池スタックを構成する発電セルの分解斜視説明図である。 図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った発電セルの断面図である。 接合セパレータを第１金属セパレータ板側から見た正面説明図である。 接合セパレータを第２金属セパレータ板側から見た正面説明図である。 接合セパレータの空気抜き用連通孔及びその周辺の構成説明図である。 図６におけるＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った断面図である。 接合セパレータの冷媒ドレン用連通孔及びその周辺の構成説明図である。

以下、本発明に係る燃料電池用金属セパレータ及び燃料電池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に示すように、燃料電池スタック１０は、単位燃料電池を構成する発電セル１２が水平方向（矢印Ａ方向）に複数積層された積層体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。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。エンドプレート２０ａ、２０ｂの各辺間には、連結バー２４が配置される。電気導電性を有する材料から構成された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。

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、筐体内に積層体１４を収容するように構成してもよい。

図２に示すように、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、冷媒入口連通孔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、冷媒入口連通孔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。冷媒入口連通孔３６ａは、冷媒、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、冷媒出口連通孔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、冷媒出口連通孔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。冷媒出口連通孔３６ｂは、冷媒を排出する。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２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、冷媒入口連通孔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、冷媒出口連通孔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。

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、表面３０ａ側に突出して矢印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、表面３０ａ側に突出して矢印Ｃ方向に並ぶ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、面３０ｂ側に突出して矢印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、面３０ｂ側に突出して矢印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、第１シールライン５１（シール用ビード）を含む第１ビード部７２Ａが樹脂フィルム付きＭＥＡ２８（図２）に向かってプレス成形により膨出成形される。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」という）とを有する。

内側ビード部５１ａは、酸化剤ガス流路４８の流路幅方向（矢印Ｃ方向）における第１金属セパレータ３０の両端部で酸化剤ガス流路４８の流路方向（矢印Ｂ方向）に沿って延在する一対の延在部５１ａ１、５１ａ２を有する。具体的に、一方の延在部５１ａ１は、第１金属セパレータ３０の鉛直方向上端部において、略長方形状の第１金属セパレータ３０の長辺方向に沿って延在する。他方の延在部５１ａ２は、第１金属セパレータ３０の鉛直方向下端部において、略長方形状の第１金属セパレータ３０の長辺方向に沿って延在する。

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。

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、冷媒入口連通孔３６ａ及び冷媒出口連通孔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。

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。

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から酸化剤ガス入口連通孔３４ａに向かって突出するとともに酸化剤ガス入口連通孔３４ａにて開口する内側トンネル８６Ａを有する。外側ブリッジ部８０Ｂは、連通孔ビード部５３ａから酸化剤ガス流路４８に向かって突出するとともに先端部に孔部８３が形成された外側トンネル８６Ｂを有する。内側トンネル８６Ａ及び外側トンネル８６Ｂ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ている。内側トンネル８６Ａ及び外側トンネル８６Ｂの内部空間（裏側の凹形状）は、連通孔ビード部５３ａの内部空間（裏側の凹形状）と連通し、酸化剤ガスが流通可能となっている。

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５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、表面３２ａ側に突出して矢印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、表面３２ａ側に突出して矢印Ｃ方向に並ぶ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、面３２ｂ側に突出して矢印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、面３２ｂ側に突出して矢印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、第２シールライン６１（シール用ビード）を含む第２ビード部７２Ｂが樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かってプレス成形により膨出成形される。

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５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６１ａ（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６２（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６３（以下、「連通孔ビード部６３」という）とを有する。

内側ビード部６１ａは、燃料ガス流路５８の流路幅方向（矢印Ｃ方向）における第２金属セパレータ３２の両端部で燃料ガス流路５８の流路方向（矢印Ｂ方向）に沿って延在する一対の延在部６１ａ１、６１ａ２を有する。具体的に、一方の延在部６１ａ１は、第２金属セパレータ３２の鉛直方向上端部において、略長方形状の第２金属セパレータ３２の長辺方向に沿って延在する。他方の延在部６１ａ２は、第２金属セパレータ３２の鉛直方向下端部において、略長方形状の第２金属セパレータ３２の長辺方向に沿って延在する。

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、冷媒入口連通孔３６ａ及び冷媒出口連通孔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４）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４）と同様に構成及び配置されている。

図２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、冷媒入口連通孔３６ａと冷媒出口連通孔３６ｂとに流体的に連通する冷媒流路６６が形成される。冷媒流路６６は、一方面側に酸化剤ガス流路４８が形成された第１金属セパレータ３０の他方面である裏面形状と、一方面側に燃料ガス流路５８が形成された第２金属セパレータ３２の他方面である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、第１金属セパレータ３０に設けられた凸形状の内側ビード部５１ａの裏側を構成する凹部５１ｂと、第２金属セパレータ３２に設けられた凸形状の内側ビード部６１ａの裏側を構成する凹部６１ｂとにより、冷媒が流通するビード内流路６５が形成される。ビード内流路６５には冷媒入口連通孔３６ａから冷媒出口連通孔３６ｂ（図２等参照）に向かって冷媒が流れる。ビード内流路６５の一部には、流路断面積が他の部位よりも小さい狭窄部位６５ａが設けられる。狭窄部位６５ａは、ビード内流路６５の一部に充填材６４が充填されることにより構成される。充填材６４は、ビード内流路６５に沿って延在する。

本実施形態では、第１金属セパレータ３０の内側ビード部５１ａの裏側を構成する凹部５１ｂに充填材６４が充填されている。充填材６４は、凹部５１ｂに対向する凹部６１ｂには接触していない。ビード内流路６５の断面積に対する充填材６４の断面積の割合は、７０％以下であることが好ましい。当該割合は、接合セパレータ３３に締付荷重が付与されない状態での割合である。ビード内流路６５の断面積に対する充填材６４の断面積の割合は、４０％以上であることが好ましい。充填材６４は、第１金属セパレータ３０と第２金属セパレータ３２との境界面を越えて、一部が第２金属セパレータ３２の凹部６１ｂ内にも入り込んでいる。

なお、上記の構成に代えて、第２金属セパレータ３２の内側ビード部６１ａの裏側を構成する凹部６１ｂに充填材６４が充填されてもよい。この場合、充填材６４は、第１金属セパレータ３０と第２金属セパレータ３２との境界面を越えて、一部が第１金属セパレータ３０の凹部５１ｂ内にも入り込んでいることが好ましい。充填材６４は、狭窄部位６５ａが形成されるように凹部５１ｂと凹部６１ｂの両方に充填されてもよい。

図４に示すように、狭窄部位６５ａを形成する充填材６４は、内側ビード部５１ａを構成する一対の延在部５１ａ１、５１ａ２の裏側（図５に示す一対の延在部６１ａ１、６１ａ２の裏側）にそれぞれ設けられる。狭窄部位６５ａは、延在部５１ａ１、５１ａ２の延在方向の少なくとも一部に設けられている。本実施形態では、充填材６４は、延在部５１ａ１、５１ａ２の延在方向の略中央部（接合セパレータ３３の長手方向中央部）に設けられている。なお、充填材６４は、延在部５１ａ１、５１ａ２の延在方向にある程度の長さに亘って設けられていてもよい。充填材６４は、延在部５１ａ１、５１ａ２の延在方向の略中央部以外の箇所（延在部５１ａ１、５１ａ２の長手方向の端部等）に設けられてもよい。充填材６４は、延在部５１ａ１、５１ａ２のいずれか一方のみに設けられてもよい。

図４及び図５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、燃料ガス流路５８、冷媒流路６６、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、冷媒入口連通孔３６ａ、冷媒出口連通孔３６ｂ、後述する空気抜き用連通孔９４及び冷媒ドレン用連通孔９８を囲むとともに、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は、レーザ溶接等の溶接に代えて、ロウ付けによって接合されてもよい。

図２に示すように、第１金属セパレータ３０、第２金属セパレータ３２及び樹脂フィルム付きＭＥＡ２８（樹脂フィルム４６）には、空気抜き用連通孔９４及び冷媒ドレン用連通孔９８がセパレータ厚さ方向（積層方向）に貫通形成されている。空気抜き用連通孔９４は、冷媒中の空気を抜くための孔であり、発電セル１２の水平方向一方端側（矢印Ｂ１方向側）の上方角部に設けられている。冷媒ドレン用連通孔９８は、発電セル１２の水平方向一方端側（矢印Ｂ１方向側）の下方角部に設けられている。なお、空気抜き用連通孔９４及び冷媒ドレン用連通孔９８は、一方が発電セル１２の水平方向一方端側に設けられ、他方が発電セル１２の水平方向他方端側に設けられてもよい。

図４及び図５に示すように、空気抜き用連通孔９４は、内側ビード部５１ａ、６１ａの最上部よりも上方に設けられている。空気抜き用連通孔９４は、上下方向に並ぶ複数の連通孔３４ａ、３６ａ、３８ｂのうち最も上方に配置された連通孔３４ａより上方に設けられている。本実施形態において、空気抜き用連通孔９４は、円形である。空気抜き用連通孔９４は、楕円形あるいは多角形に形成されてもよい。

図４に示すように、第１金属セパレータ３０の表面３０ａには、空気抜き用連通孔９４を囲む連通孔ビードシール９６ａが、樹脂フィルム４６（図２）に向かってプレス成形により膨出成形されている。図５に示すように、第２金属セパレータ３２の表面３２ａには、空気抜き用連通孔９４を囲む連通孔ビードシール９６ｂが、樹脂フィルム４６（図２）に向かってプレス成形により膨出成形されている。連通孔ビードシール９６ａ、９６ｂの平面形状は、円形である。

図６及び図７に示すように、空気抜き用連通孔９４は、第１連結流路１００を介して冷媒流路６６に連通している。第１連結流路１００は、第１ビード部７２Ａ及び第２ビード部７２Ｂの突出形状の裏側を構成する凹部により形成される空間であり、空気抜き用連通孔９４と内側ビード部５１ａ、６１ａの内部空間（裏側の凹部）とを連通させる。従って、空気抜き用連通孔９４は、第１連結流路１００を介してビード内流路６５に連通する。

具体的に、第１ビード部７２Ａ及び第２ビード部７２Ｂは、第１連結流路１００を内部に有する上側連結用ビード１０２ａ、１０２ｂを有する。上側連結用ビード１０２ａ、１０２ｂの一端は内側ビード部５１ａ、６１ａの最上部に接続され、上側連結用ビード１０２ａ、１０２ｂの他端は連通孔ビードシール９６ａ、９６ｂの外周側壁９６ｓ１に接続されている。

図７に示すように、第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２には、連通孔ビードシール９６ａ、９６ｂの内周側壁９６ｓ２から空気抜き用連通孔９４に向かって突出したトンネル１０４ａ、１０４ｂがそれぞれ設けられている。冷媒流路６６と空気抜き用連通孔９４とは、内側ビード部５１ａ、６１ａの内部空間、上側連結用ビード１０２ａ、１０２ｂの内部空間（第１連結流路１００）、連通孔ビードシール９６ａ、９６ｂの内部空間及びトンネル１０４ａ、１０４ｂの内部空間を介して、連通している。なお、上側連結用ビード１０２ａ、１０２ｂは、いずれか一方のみが設けられてもよい。トンネル１０４ａ、１０４ｂは、いずれか一方のみが設けられてもよい。

反応ガス流路の流路幅方向端部における反応ガスのバイパス（矢印Ｂ方向のバイパス）を防止するために、プレス成形により樹脂フィルム４６に向かって突出成形されるとともに、内側ビード部５１ａ、６１ａからそれぞれ酸化剤ガス流路４８及び燃料ガス流路５８に向かって突出するバイパス止め凸状部が設けられてもよい。バイパス止め凸状部は反応ガス流路の流路長さ方向（矢印Ｂ方向）に間隔を置いて複数設けられてもよい。この場合、バイパス止め凸状部の裏側形状である凹部が、冷媒流路６６と空気抜き用連通孔９４とを連通させる流路の一部を構成する。

連通孔ビードシール９６ａ、９６ｂの内周側壁９６ｓ２及び外周側壁９６ｓ１には、貫通孔１０６がそれぞれ設けられている。トンネル１０４ａ、１０４ｂの、連通孔ビードシール９６ａ、９６ｂと接続する側とは反対側の端部は、空気抜き用連通孔９４にて開口する。なお、内周側壁９６ｓ２に貫通孔１０６が設けられていれば、トンネル１０４ａ、１０４ｂは設けられなくてもよい。

上側連結用ビード１０２ａ、１０２ｂの内部空間である第１連結流路１００は、連通孔ビードシール９６ａ、９６ｂの外周側壁９６ｓ１に設けられた貫通孔１０６を介して、連通孔ビードシール９６ａ、９６ｂの内部空間と連通している。

上側連結用ビード１０２ａ、１０２ｂ及びトンネル１０４ａ、１０４ｂの突出高さは、それぞれ、連通孔ビードシール９６ａ、９６ｂの突出高さよりも低い（後述する下側連結用ビード１１０ａ、１１０ｂ及びトンネル１１２ａ、１１２ｂについても同様である）。上側連結用ビード１０２ａ、１０２ｂは、トンネル１０４ａ、１０４ｂに対し、連通孔ビードシール９６ａ、９６ｂを介して向かい合う位置に設けられるのが好ましいが、トンネル１０４ａ、１０４ｂと連通していればトンネル１０４ａ、１０４ｂと向かい合っていなくてもよい。

図７に示すように、第１金属セパレータ３０に設けられた上側連結用ビード１０２ａの裏側形状と、第２金属セパレータ３２に設けられた上側連結用ビード１０２ｂの裏側形状とにより、第１連結流路１００が形成されている。

図４及び図５に示すように、冷媒ドレン用連通孔９８は、内側ビード部５１ａ、６１ａの最下部よりも下方に設けられている。冷媒ドレン用連通孔９８は、上下方向に並ぶ複数の連通孔３４ａ、３６ａ、３８ｂのうち最も下方に配置された連通孔３８ｂより下方に設けられている。冷媒ドレン用連通孔９８は、円形である。冷媒ドレン用連通孔９８は、楕円形（幾何学的に厳密な楕円形に限らずそれに近い形状も含む）、長円形あるいは多角形に形成されてもよい。

図４に示すように、第１金属セパレータ３０の表面３０ａには、冷媒ドレン用連通孔９８を囲む連通孔ビードシール９９ａが、樹脂フィルム４６（図２）に向かってプレス成形により膨出成形されている。図５に示すように、第２金属セパレータ３２の表面３２ａには、冷媒ドレン用連通孔９８を囲む連通孔ビードシール９９ｂが、樹脂フィルム４６（図２）に向かってプレス成形により膨出成形されている。連通孔ビードシール９９ａ、９９ｂの平面形状は、円形である。連通孔ビードシール９９ａ、９９ｂは、上述した連通孔ビードシール９６ａ、９６ｂと同様に構成されている。

図８に示すように、冷媒ドレン用連通孔９８は、第２連結流路１０８を介して冷媒流路６６に連通している。第２連結流路１０８は、第１ビード部７２Ａ及び第２ビード部７２Ｂの突出形状の裏側を構成する凹部により形成される空間であり、冷媒ドレン用連通孔９８と内側ビード部５１ａ、６１ａの内部空間（裏側の凹部５１ｂ、６１ｂ）とを連通させる。従って、冷媒ドレン用連通孔９８は、第２連結流路１０８を介してビード内流路６５に連通する。

具体的に、第１ビード部７２Ａ及び第２ビード部７２Ｂは、第２連結流路１０８を内部に有する下側連結用ビード１１０ａ、１１０ｂを有する。下側連結用ビード１１０ａ、１１０ｂは、いずれか一方のみが設けられてもよい。

第１金属セパレータ３０に設けられた下側連結用ビード１１０ａの裏側形状と、第２金属セパレータ３２に設けられた下側連結用ビード１１０ｂの裏側形状とにより、第２連結流路１０８が形成されている。

下側連結用ビード１１０ａ、１１０ｂの一端は内側ビード部５１ａ、６１ａの最下部に接続され、下側連結用ビード１１０ａ、１１０ｂの他端は連通孔ビードシール９９ａ、９９ｂの外周側壁９９ｓ１に接続されている。内側ビード部５１ａ、６１ａの最下部は、上下方向に並ぶ複数の連通孔３４ａ、３６ａ、３８ｂのうち最下方に位置する連通孔３８ｂの真下位置に設けられている。

第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２には、連通孔ビードシール９９ａ、９９ｂの内周側壁９９ｓ２から冷媒ドレン用連通孔９８に向かって突出したトンネル１１２ａ、１１２ｂがそれぞれ設けられている。冷媒流路６６と冷媒ドレン用連通孔９８とは、内側ビード部５１ａ、６１ａの内部空間、下側連結用ビード１１０ａ、１１０ｂの内部空間（第２連結流路１０８）、連通孔ビードシール９９ａ、９９ｂの内部空間及びトンネル１１２ａ、１１２ｂの内部空間を介して、連通している。なお、連通孔ビードシール９９ａ、９９ｂの内周側壁９９ｓ２に貫通孔が設けられていれば、トンネル１１２ａ、１１２ｂは設けられなくてもよい。

このように構成される燃料電池スタック１０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、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、オイル等の冷媒は、エンドプレート２０ａの冷媒入口連通孔３６ａに供給される。

酸化剤ガスは、図２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４）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、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、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（図４）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、冷媒入口連通孔３６ａに供給された冷媒は、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媒流路６６に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷媒は、電解質膜・電極構造体２８ａを冷却した後、冷媒出口連通孔３６ｂから排出される。

この場合、本実施形態は、以下の効果を奏する。

上記のように構成された第１及び第２金属セパレータ３０、３２によれば、ビードシール５１ａ、６１ａの裏側形状により形成されたビード内流路６５の一部に狭窄部位６５ａが設けられるため、冷媒入口連通孔３６ａから冷媒出口連通孔３６ｂへとバイパスする冷媒（冷媒流路６６を迂回する冷媒）のバイパス量を低減することができる。これにより、冷媒流路６６を流れる冷媒流量を増加させ、発熱部を効果的に冷却することができる。また、冷却効率が向上するため、冷却システムの小型化が図られる。

狭窄部位６５ａは、ビード内流路６５の一部に充填材６４が充填されることにより構成される。この構成により、ビード内流路６５に狭窄部位６５ａを容易に設けることができる。

内側ビード部５１ａ（内側ビード部６１ａ）は、反応ガス流路の流路幅方向における第１金属セパレータ３０（第２金属セパレータ３２）の両端部で反応ガス流路の流路方向に沿って延在する一対の延在部５１ａ１、５１ａ２（一対の延在部６１ａ１、６１ａ２）を有する。そして、狭窄部位６５ａを形成する充填材６４は、一対の延在部の裏側にそれぞれ設けられる。この構成により、冷媒入口連通孔３６ａから冷媒出口連通孔３６ｂへとバイパスする冷媒のバイパス量を一層効果的に低減することができる。

ビード内流路６５は、セパレータ厚さ方向に貫通形成された空気抜き用連通孔９４に連通する。この構成により、ビード内流路６５を、空気抜き用の流路として活用することができる。

ビード内流路６５は、セパレータ厚さ方向に貫通形成された冷媒ドレン用連通孔９８に連通する。この構成により、ビード内流路６５を、冷媒ドレン用の流路として活用することができる。

接合セパレータ３３に締付荷重が付与されない状態でのビード内流路６５の断面積に対する充填材６４の断面積の割合は、締付荷重が付与された状態で狭窄部位６５ａがビード内流路６５を閉塞しないように設定される。接合セパレータ３３に締付荷重が付与されない状態でのビード内流路６５の断面積に対する充填材６４の断面積の割合が７０％以下である場合、締付荷重が付与されても狭窄部位６５ａがビード内流路６５を閉塞することがないため、空気及び冷媒はビード内流路６５の狭窄部位６５ａを支障なく通過することができる。このため、ビード内流路６５は、空気抜き用の流路としての機能、及び、冷媒ドレン用の流路としての機能を良好に発揮することができる。

上記割合が４０％以上であると、冷媒入口連通孔３６ａから冷媒出口連通孔３６ｂへとバイパスする冷媒のバイパス量を効果的に低減することができる。従って、上記割合は、４０％〜７０％であることが好ましい。

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。

１０…燃料電池スタック １２…発電セル
３０…第１金属セパレータ ３２…第２金属セパレータ
５１ａ、６１ａ…内側ビード部 ６４…充填材
６５…ビード内流路 ６５ａ…狭窄部位
６６…冷媒流路 ９４…空気抜き用連通孔
９８…冷媒ドレン用連通孔

Claims (7)

1. 燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを流すための反応ガス流路と、前記反応ガス流路を囲んで反応ガスの漏れを防止するための凸形状のビードシールとが一方面に形成され、冷媒を流すための冷媒流路が他方面に形成され、前記冷媒流路に連通する冷媒入口連通孔と前記冷媒流路に連通する冷媒出口連通孔とがセパレータ厚さ方向に貫通形成され、前記ビードシールの凸形状の裏側を構成する凹部により前記冷媒が流通するビード内流路が形成された燃料電池用金属セパレータであって、
   前記ビード内流路は、前記冷媒入口連通孔と前記冷媒出口連通孔とを連通するとともに、
   前記ビード内流路の一部には、流路断面積が他の部位よりも小さい狭窄部位が設けられる、
   ことを特徴とする燃料電池用金属セパレータ。
2. 請求項１記載の燃料電池用金属セパレータにおいて、
   前記狭窄部位は、前記ビード内流路の一部に充填材が充填されることにより構成される、
   ことを特徴とする燃料電池用金属セパレータ。
3. 請求項２記載の燃料電池用金属セパレータにおいて、
   前記ビード内流路の断面積に対する前記充填材の断面積の割合は、７０％以下である、
   ことを特徴とする燃料電池用金属セパレータ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に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、前記反応ガス流路の流路幅方向における前記燃料電池用金属セパレータの両端部で前記反応ガス流路の流路方向に沿って延在する一対の延在部を有し、
   前記狭窄部位は、前記一対の延在部の裏側にそれぞれ設けられる、
   ことを特徴とする燃料電池用金属セパレータ。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池用金属セパレータにおいて、
   前記ビード内流路は、前記セパレータ厚さ方向に貫通形成された空気抜き用連通孔に連通する、
   ことを特徴とする燃料電池用金属セパレータ。
6. 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において、
   前記ビード内流路は、前記セパレータ厚さ方向に貫通形成された冷媒ドレン用連通孔に連通する、
   ことを特徴とする燃料電池用金属セパレータ。
7. 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燃料電池用金属セパレータとを備え、前記燃料電池用金属セパレータには、燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを流すための反応ガス流路と、前記反応ガス流路を囲んで反応ガスの漏れを防止するための凸形状のビードシールとが一方面に形成され、冷媒を流すための冷媒流路が他方面に形成され、前記冷媒流路に連通する冷媒入口連通孔と前記冷媒流路に連通する冷媒出口連通孔とがセパレータ厚さ方向に貫通形成され、前記ビードシールの凸形状の裏側を構成する凹部により前記冷媒が流通するビード内流路が形成された、燃料電池であって、
   前記ビード内流路は、前記冷媒入口連通孔と前記冷媒出口連通孔とを連通するとともに、
   前記ビード内流路の一部には、流路断面積が他の部位よりも小さい狭窄部位が設けられる、
   ことを特徴とする燃料電池。

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