JP2020107551A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】セル積層体の積層方向端部において良好なシール性を確保することができる燃料電池スタックを提供する。【解決手段】燃料電池スタック１０は、発電セル１２が複数積層されたセル積層体１４を備える。セル積層体１４は、発電セル１２の積層方向の両端に位置する端部金属セパレータ３０ｅ、３２ｅを有する。各端部金属セパレータ３０ｅ、３２ｅには、ビードシール５２、６２が一体に形成されている。ビードシール５２、６２に対向する位置に、金属板８０、９０と弾性シール部材８２、９２とが重ねて配置されている。金属板８０、９０は、電気絶縁性を有する支持部材８４、９４により支持されるとともに、ビードシール５２、６２と弾性シール部材８２、９２との間に配置されている。【選択図】図３

Description

本発明は、電解質膜・電極構造体と金属セパレータとを有する発電セルが複数積層されたセル積層体を備えた燃料電池スタックに関する。

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）を備えている。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）に組み込まれている。

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ている（例えば、特許文献１参照）。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、金属セパレータにビードシールを形成する構成が採用されている。

特開２００２−３０５００６号公報 特開２０１５−１９１８０２号公報

本発明は、上述した従来技術に関連してなされたものであり、セル積層体の積層方向端部において良好なシール性を確保することができる燃料電池スタックを提供する。

本発明の一態様は、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金属セパレータとを有する発電セルが複数積層されたセル積層体を備え、前記セル積層体は、前記発電セルの積層方向の両端に位置する端部金属セパレータを有し、各前記端部金属セパレータには、流体の漏れを防止するために前記積層方向の外側に向かって突出したビードシールが一体に形成されている燃料電池スタックであって、前記ビードシールに対向する位置に、金属板と弾性シール部材とが重ねて配置され、前記金属板は、電気絶縁性を有する支持部材により支持されるとともに、前記ビードシールと前記弾性シール部材との間に配置されている、燃料電池スタックである。

本発明の燃料電池スタックによれば、弾性シール部材よりも剛性が高くかつ支持部材により支持された金属板が、ビードシールと弾性シール部材との間に配置されるため、ビードシールの傾きを防止することができる。また、ビードシールが金属板で支持されるため、ビードシールの積層方向位置の変動をなくし、金属セパレータに過大な圧縮荷重が加えられることを抑制することができる。さらに、金属板及び端部金属セパレータは、いずれも金属製であり線膨張係数が互いに近いため、温度変化に伴う熱膨張時又は熱収縮時に金属板とビードシールとの接触位置がずれることを防止することができる。従って、ビードシールにおいて良好なシール性を確保することができる。

本発明に係る一実施形態に係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。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。 燃料電池スタックの発電セルの分解斜視図である。 第１金属セパレータ（第１端部金属セパレータ）の正面説明図である。 第２金属セパレータ（第２端部金属セパレータ）の正面説明図である。 第１金属板の正面説明図である。 第１弾性シール部材の正面説明図である。 一方のインシュレータの正面説明図である。 他方のインシュレータの正面説明図である。

以下、本発明に係る燃料電池スタック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及び図２に示すように、本発明の一実施形態に係る燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１２が水平方向（矢印Ａ方向）に積層されたセル積層体１４を備える。なお、複数の発電セル１２は、重力方向（矢印Ｃ方向）に積層されていてもよい。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。

図２において、セル積層体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。セル積層体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、筐体内にセル積層体１４を収容するように構成してもよい。

図３及び図４に示すように、発電セル１２は、樹脂フィルム付きＭＥＡ（電解質膜・電極構造体）２８と、樹脂フィルム付きＭＥＡ２８を両側から挟持する第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２とを備える。

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の外周部に接合された樹脂フィルム４６とを備える。電解質膜・電極構造体２８ａは、電解質膜４０と、電解質膜４０の両側にそれぞれ配置されたカソード電極４２及びアノード電極４４とを有する。電解質膜４０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、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用してもよい。電解質膜４０は、カソード電極４２及びアノード電極４４よりも小さな平面寸法（外形寸法）を有する。

カソード電極４２は、電解質膜４０の一方の面４０ａに接合される第１電極触媒層４２ａと、第１電極触媒層４２ａに積層される第１ガス拡散層４２ｂとを有する。第１電極触媒層４２ａは、第１ガス拡散層４２ｂよりも小さな外形寸法を有するとともに、電解質膜４０と同一未満の外形寸法に設定される。なお、第１電極触媒層４２ａは、電解質膜４０と同一の外形寸法を有していてもよいし、第１ガス拡散層４２ｂと同一の外形寸法を有してもよい。

アノード電極４４は、電解質膜４０の他方の面４０ｂに接合される第２電極触媒層４４ａと、第２電極触媒層４４ａに積層される第２ガス拡散層４４ｂとを有する。第２電極触媒層４４ａは、第２ガス拡散層４４ｂよりも小さな外形寸法を有するとともに、電解質膜４０と同一未満の外形寸法に設定される。なお、第２電極触媒層４４ａは、電解質膜４０と同一の外形寸法を有していてもよいし、第２ガス拡散層４４ｂと同一の外形寸法を有してもよい。

第１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、第１ガス拡散層４２ｂの表面に一様に塗布されて形成される。第２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、第２ガス拡散層４４ｂの表面に一様に塗布されて形成される。第１ガス拡散層４２ｂ及び第２ガス拡散層４４ｂは、カーボンペーパ、カーボンクロス等からなる。

第１ガス拡散層４２ｂの外周先端縁部と第２ガス拡散層４４ｂの外周先端縁部との間には、枠形状（四角環状）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に向かう表面３０ａ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方向に沿って直線状に延在する複数本の凸部４８ａの間に設けられた直線状の流路溝４８ｂを有する。なお、凸部４８ａ及び流路溝４８ｂは、積層方向からの平面視で波状に延在していてもよい。

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。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ビードシール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３に示すように、第１ビードシール５２は、先端に向かって先細りの断面形状を有する。第１ビードシール５２の先端は、平坦形状である。ただし、第１ビードシール５２の先端は、凸状のＲ形状であってもよい。

図５に示すように、第１ビードシール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。連通孔ビード部５３及び外周側ビード部５４は、第１金属セパレータ３０の厚さ方向から見た平面形状が波形状である。なお、連通孔ビード部５３及び外周側ビード部５４は、平面形状がストレート形状であってもよい。

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。

第１金属セパレータ３０には、連通孔３４ａ、３４ｂの外周をそれぞれ周回する連通孔ビード部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５３ｒがそれぞれ設けられる。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５３ｒ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５３ｒが設けられる。

ブリッジ部５３ｒ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５３ｔを有する。トンネル５３ｔ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。トンネル５３ｔの酸化剤ガス流路４８側の先端部には、ガス流通用の孔が設けられている。

図３に示すように、第１ビードシール５２の凸部先端面には、樹脂部材５６が印刷又は塗布等により固着される。樹脂部材５６は、プラスチック、例えば、ポリエステルが使用される。樹脂部材５６はゴム材により構成されてもよい。なお、樹脂部材５６は、外周側ビード部５４及び連通孔ビード部５３の平面形状を打ち抜いたシートを貼ることにより構成してもよい。また、樹脂部材５６は、必要に応じて設ければよく、不要にすることもできる。

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に向かう表面３２ａ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方向に沿って直線状に延在する複数本の凸部５８ａの間に設けられた直線状の流路溝５８ｂを有する。なお、凸部５８ａ及び流路溝５８ｂは、積層方向からの平面視で波状に延在していてもよい。

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。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ビードシール６２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３に示すように、第２ビードシール６２は、先端に向かって先細りの断面形状を有する。第２ビードシール６２の先端は、平坦形状である。ただし、第２ビードシール６２の先端は、凸状のＲ形状であってもよい。

図６に示すように、第２ビードシール６２は、複数の連通孔（燃料ガス入口連通孔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。連通孔ビード部６３及び外周側ビード部６４は、第２金属セパレータ３２の厚さ方向から見た平面形状が波形状である。なお、連通孔ビード部６３及び外周側ビード部６４は、平面形状がストレート形状（ストレート形状を組み合わせた形状）であってもよい。

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ＭＥＡ２８側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、連通孔３８ａ、３８ｂの外周をそれぞれ周回する連通孔ビード部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６３ｒがそれぞれ設けられる。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６３ｒ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６３ｒが設けられる。

ブリッジ部６３ｒ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６３ｔを有する。トンネル６３ｔ、６３ｔ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側に向かって突出成形される。トンネル６３ｔの燃料ガス流路５８側の先端部には、ガス流通用の孔が設けられている。

図３に示すように、第２ビードシール６２の凸部先端面には、樹脂部材５６が印刷又は塗布等により固着される。樹脂部材５６は、プラスチック、例えば、ポリエステルが使用される。樹脂部材５６はゴム材により構成されてもよい。なお、樹脂部材５６は、外周側ビード部６４及び連通孔ビード部６３の平面形状を打ち抜いたシートを貼ることにより構成してもよい。また、樹脂部材５６は、必要に応じて設ければよく、不要にすることもできる。

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、表面に酸化剤ガス流路４８が形成された第１金属セパレータ３０の裏面形状と、表面に燃料ガス流路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、セル積層体１４は、積層方向（矢印Ａ方向）の両端に位置する第１端部金属セパレータ３０ｅ及び第２端部金属セパレータ３２ｅを有する。第２端部金属セパレータ３２ｅは、セル積層体１４の積層方向の一端（インシュレータ１８ａ及びエンドプレート２０ａが位置する側の端）に位置し、第１端部金属セパレータ３０ｅは、セル積層体１４の積層方向の他端（インシュレータ１８ｂ及びエンドプレート２０ｂが位置する側の端）に位置する。

図３及び図５において、第１端部金属セパレータ３０ｅは、樹脂フィルム付きＭＥＡ２８の樹脂フィルム４６における積層方向の一端側（インシュレータ１８ａ及びエンドプレート２０ａが位置する側）を指向する面４６ａに接触する第１金属セパレータ３０と同一構成である。そのため、第１端部金属セパレータ３０ｅの詳細な説明については省略する。

図３及び図６において、第２端部金属セパレータ３２ｅは、樹脂フィルム付きＭＥＡ２８の樹脂フィルム４６における積層方向の他端側（インシュレータ１８ｂ及びエンドプレート２０ｂが位置する側）を指向する面４６ｂに接触する第２金属セパレータ３２と同一構成である。そのため、第２端部金属セパレータ３２ｅの詳細な説明については省略する。

図２において、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。

端子部６８ａは、絶縁性筒体７０ａに挿入されてインシュレータ１８ａの孔部７２ａ及びエンドプレート２０ａの孔部７４ａを貫通してエンドプレート２０ａの外部に突出する。端子部６８ｂは、絶縁性筒体７０ｂに挿入されてインシュレータ１８ｂの孔部７２ｂ及びエンドプレート２０ｂの孔部７４ｂを貫通してエンドプレート２０ｂの外部に突出する。

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（プラスチック材）で形成される。インシュレータ１８ａ、１８ｂの中央部には、セル積層体１４に向かって開口される凹部７６ａ、７６ｂが形成され、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３に示すように、セル積層体１４の積層方向一端部（エンドプレート２０ｂ側の端部）では、第１ビードシール５２に対向する位置に、第１金属板８０と第１弾性シール部材８２とが重ねて配置されている。第１金属板８０と第１弾性シール部材８２とにより、第１シール部材８３が構成される。第１弾性シール部材８２の断面形状は円形に限定されず、例えば、四角形等の多角形であってもよく、その他の形状であってもよい。

第１金属板８０は、電気絶縁性を有する支持部材８４により支持されるとともに、第１ビードシール５２と第１弾性シール部材８２との間に配置されている。第１金属板８０は、支持部材８４に当接するとともに、支持部材８４に対し、積層方向（矢印Ａ方向）に対して垂直な方向に摺動可能である。第１ビードシール５２の凸部と第１弾性シール部材８２は、セル積層体１４の積層方向から見て互いに重なる位置に設けられている。

第１金属板８０は、第１端部金属セパレータ３０ｅと同系統の金属材料からなる。第１端部金属セパレータ３０ｅ及び第１金属板８０は、例えば、いずれもステンレス系材料からなる。第１金属板８０は、第１端部金属セパレータ３０ｅと同じ材料からなることが好ましいが、第１端部金属セパレータ３０ｅと線膨張係数が略同一であれば、第１端部金属セパレータ３０ｅと異なる組成の金属材料により構成されてもよい。

支持部材８４には、第１弾性シール部材８２を収容する溝８４ａが設けられている。溝８４ａは、第１ビードシール５２に対向する位置に設けられている。第１金属板８０は、溝８４ａを跨いで配置されている。第１弾性シール部材８２は、第１金属板８０と溝８４ａの底部との間に弾性圧縮状態で挟持されている。従って、第１弾性シール部材８２は、第１金属板８０と溝８４ａの底部とに密着して気密シールを形成している。

支持部材８４は、溝８４ａが形成された凹部８４ｂを有する。第１金属板８０は、凹部８４ｂに収容されている。第１金属板８０の外周端８０ｅと、当該外周端８０ｅに対向する凹部８４ｂの側壁面８４ｂｓとの間には、第１金属板８０の熱膨張を許容するための隙間Ｇが設けられている。凹部８４ｂは、ターミナルプレート１６ｂを収容する凹部７６ｂを全周にわたって囲んでいる。

第１ビードシール５２の凸部と第１金属板８０との間には、樹脂部材５６が介装されている。樹脂部材５６が第１金属板８０に当接している。

支持部材８４は、インシュレータ１８ｂの一部を構成する。すなわち、支持部材８４は、インシュレータ１８ｂと一体に成形されている。なお、支持部材８４は、インシュレータ１８ｂとは別体に構成された部材（例えば、インシュレータ１８ｂの外周を囲む枠状の部材）であってもよい。

セル積層体１４の積層方向の他端部（エンドプレート２０ａ側の端部）では、第２ビードシール６２に対向する位置に、第２金属板９０と第２弾性シール部材９２とが重ねて配置されている。第２金属板９０と第２弾性シール部材９２とにより、第２シール部材９３が構成される。

第２金属板９０は、電気絶縁性を有する支持部材９４により支持されるとともに、第２ビードシール６２と第２弾性シール部材９２との間に配置されている。第２金属板９０は、支持部材９４に当接するとともに、支持部材９４に対し、積層方向（矢印Ａ方向）に対して垂直な方向に摺動可能である。第２ビードシール６２の凸部と第２弾性シール部材９２は、セル積層体１４の積層方向から見て互いに重なる位置に設けられている。

第２金属板９０は、第２端部金属セパレータ３２ｅと同系統の金属材料からなる。第２端部金属セパレータ３２ｅ及び第２金属板９０は、例えば、いずれもステンレス系材料からなる。第２金属板９０は、第２端部金属セパレータ３２ｅと同じ材料からなることが好ましいが、第２端部金属セパレータ３２ｅと線膨張係数が略同一であれば、第２端部金属セパレータ３２ｅと異なる組成の金属材料により構成されてもよい。

支持部材９４には、第２弾性シール部材９２を収容する溝９４ａが設けられている。溝９４ａは、第２ビードシール６２に対向する位置に設けられている。第２金属板９０は、溝９４ａを跨いで配置されている。第２弾性シール部材９２は、第２金属板９０と溝９４ａの底部との間に弾性圧縮状態で挟持されている。従って、第２弾性シール部材９２は、第２金属板９０と溝９４ａの底部とに密着して気密シールを形成している。

支持部材９４は溝９４ａが形成された凹部９４ｂを有する。第２金属板９０は、凹部９４ｂに収容されている。第２金属板９０の外周端９０ｅと、当該外周端９０ｅに対向する凹部９４ｂの側壁面９４ｂｓとの間には、第２金属板９０の熱膨張を許容するための隙間Ｇが設けられている。凹部９４ｂは、ターミナルプレート１６ａを収容する凹部７６ａを全周にわたって囲んでいる。

第２ビードシール６２の凸部と第２金属板９０との間には、樹脂部材５６が介装されている。樹脂部材５６が第２金属板９０に当接している。

支持部材９４は、インシュレータ１８ａの一部を構成する。すなわち、支持部材９４は、インシュレータ１８ａに一体に成形されている。なお、支持部材９４は、インシュレータ１８ａとは別体に構成された部材（例えば、インシュレータ１８ａを囲む枠状の部材）であってもよい。

第１弾性シール部材８２及び第２弾性シール部材９２は、例えば、弾性を有する高分子材料（ゴム材）からなる。このような高分子材料としては、例えば、シリコンゴム、アクリルゴム、ニトリルゴム等が挙げられる。

図７に示すように、第１金属板８０は、長方形状の外形形状を有するとともに、全体として第１金属セパレータ３０の外周形状に沿った枠形状を有する。第１金属板８０は、外周側ビード部５４と複数の連通孔ビード部５３とに対向する連続した一枚のプレートである。

第１金属板８０の長手方向両端部には、複数の連通孔３４ａ、３４ｂ、３６ａ、３６ｂ、３８ａ、３８ｂにそれぞれ対向する複数の端部開口１００が設けられている。第１金属板８０の長手方向中央部（長手方向一方側の複数の端部開口１００と長手方向他方側の複数の端部開口１００との間）には、電解質膜・電極構造体２８ａ（図３及び図４参照）の発電領域に対向する中央開口１０２が設けられている。積層方向から見て、第１金属板８０は、外周側ビード部５４の全体と複数の連通孔ビード部５３の全体に重なるように構成されている。

図３において、第２金属板９０は、第１金属板８０と同様に構成されているため、詳細な説明は省略する。

図８に示すように、第１弾性シール部材８２は、第１金属板８０の複数の端部開口１００をそれぞれ囲む複数の連通孔シール部８２ａと、第１金属板８０の互いに対向する長辺に沿って延在する一対の外側シール部８２ｂとを有する。複数の連通孔シール部８２ａは、第１金属セパレータ３０に設けられた複数の連通孔ビード部５３にそれぞれ対向する位置に配置される。一対の外側シール部８２ｂは、第１金属セパレータ３０に設けられた外周側ビード部５４のうち第１金属セパレータ３０の長辺に沿って延在する部分に対向する位置に配置される。

第１金属板８０の長手方向一方側において、互いに隣接する連通孔シール部８２ａは連結部８２ｃにより連結されている。第１金属板８０の長手方向他方側において、互いに隣接する連通孔シール部８２ａは連結部８２ｃにより連結されている。一対の外側シール部８２ｂは、一方側の複数の連通孔シール部８２ａと他方側の複数の連通孔シール部８２ａとにそれぞれ連結している。従って、第１弾性シール部材８２は、複数の連通孔シール部８２ａと一対の外側シール部８２ｂとを一体に有する部材である。

図１０に示すように、第１弾性シール部材８２を収容するためにインシュレータ１８ｂ（支持部材８４）に設けられた溝８４ａは、第１弾性シール部材８２（図８）の形状に沿って形成されている。

図３において、第２弾性シール部材９２は、第１弾性シール部材８２と同様に構成されているため、詳細な説明は省略する。

図９に示すように、第２弾性シール部材９２を収容するためにインシュレータ１８ａ（支持部材９４）に設けられた溝９４ａは、第２弾性シール部材９２の形状に沿って形成されている。

このような燃料電池スタック１０では、第１ビードシール５２及び第２ビードシール６２が弾性変形するように、各連結バー２４をエンドプレート２０ａ、２０ｂの内面にボルト２６を介して固定することによってセル積層体１４に積層方向の締め付け荷重が付与されている。そのため、第１ビードシール５２及び第２ビードシール６２は、樹脂フィルム４６を積層方向から挟持するように弾性変形している。すなわち、樹脂フィルム４６には、第１ビードシール５２の弾性力と第２ビードシール６２の弾性力とが作用しているため、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体の漏れが防止される。

次に、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。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４２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４４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４２に供給される酸化剤ガスと、アノード電極４４に供給される燃料ガスとが、第１電極触媒層４２ａ及び第２電極触媒層４４ａ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４２に供給されて消費された酸化剤ガスは、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４４に供給されて消費された燃料ガスは、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、本実施形態に係る燃料電池スタック１０は、以下の効果を奏する。

図３に示すように、燃料電池スタック１０では、第１弾性シール部材８２よりも剛性が高くかつ支持部材８４により支持された第１金属板８０が、第１ビードシール５２と第１弾性シール部材８２との間に配置される。このため、全体が弾性材により構成されるシール部材を用いた場合と異なり、積層方向に圧縮荷重を受けた際、第１ビードシール５２の傾きを防止することができる。第１弾性シール部材８２が弾性変形することにより、支持部材８４（インシュレータ１８ｂ）と第１金属板８０の間がシールされる。また、第１ビードシール５２が第１金属板８０で支持されるため、第１ビードシール５２の積層方向位置の変動をなくし、金属セパレータ３０、３２に過大な圧縮荷重が加えられることを抑制することができる。さらに、第１金属板８０及び第１端部金属セパレータ３０ｅは、いずれも金属製であり線膨張係数が互いに近いため、温度変化に伴う熱膨張時又は熱収縮時に第１金属板８０と第１ビードシール５２との接触位置がずれることを防止することができる。従って、第１ビードシール５２において良好なシール性を確保することができる。

燃料電池スタック１０では、第２弾性シール部材９２よりも剛性が高くかつ支持部材９４により支持された第２金属板９０が、第２ビードシール６２と第２弾性シール部材９２との間に配置されるため、第２ビードシール６２の傾きを防止することができる。第２弾性シール部材９２が弾性変形することにより、支持部材９４（インシュレータ１８ａ）と第２金属板９０の間がシールされる。また、第２ビードシール６２が第２金属板９０で支持されるため、第２ビードシール６２の積層方向位置の変動をなくし、金属セパレータ３０、３２に過大な圧縮荷重が加えられることを抑制することができる。さらに、第２金属板９０及び第２端部金属セパレータ３２ｅは、いずれも金属製であり線膨張係数が互いに近いため、温度変化に伴う熱膨張時又は熱収縮時に第２金属板９０と第２ビードシール６２との接触位置がずれることを防止することができる。従って、第２ビードシール６２において良好なシール性を確保することができる。

支持部材８４には、第１弾性シール部材８２を収容する溝８４ａが設けられ、第１金属板８０は、溝８４ａを跨いで配置されているため、第１金属板８０を安定して支持することができる。同様に、支持部材９４には、第２弾性シール部材９２を収容する溝９４ａが設けられ、第２金属板９０は、溝９４ａを跨いで配置されているため、第２金属板９０を安定して支持することができる。

第１金属板８０は、第１端部金属セパレータ３０ｅと同系統の金属材料からなるため、第１端部金属セパレータ３０ｅと第１金属板８０との線膨張差を小さくし、線膨張差の影響によるシール性低下を抑制することができる。同様に、第２金属板９０は、第２端部金属セパレータ３２ｅと同系統の金属材料からなるため、第２端部金属セパレータ３２ｅと第２金属板９０との線膨張差を小さくし、線膨張差の影響によるシール性低下を抑制することができる。

第１ビードシール５２の凸部には樹脂部材５６が設けられ、樹脂部材５６が第１金属板８０に当接しており、第１金属板８０は、第１端部金属セパレータ３０ｅと同系統の金属材料からなる。このため、第１ビードシール５２の凸部からの樹脂部材５６の剥がれを防止することができる。第２ビードシール６２の凸部には樹脂部材５６が設けられ、樹脂部材５６が第２金属板９０に当接しており、第２金属板９０は、第２端部金属セパレータ３２ｅと同系統の金属材料からなる。このため、第２ビードシール６２の凸部からの樹脂部材５６の剥がれを防止することができる。

上述した実施形態では、第１金属セパレータ３０には、樹脂フィルム４６に接触するようにセル積層体１４の積層方向に向かって突出した第１ビードシール５２が形成されている。また、第２金属セパレータ３２には、樹脂フィルム４６に接触するようにセル積層体１４の積層方向に向かって突出した第２ビードシール６２が形成されている。しかしながら、本発明では、電解質膜・電極構造体２８ａの外周部に樹脂フィルム４６が設けられていなくてもよく、第１ビードシール５２及び第２ビードシール６２は、電解質膜・電極構造体２８ａの外周部に接触してもよい。

本実施形態では、第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２の間に樹脂フィルム付きＭＥＡ２８を挟持した発電セル１２を構成し、各発電セル１２間に冷却媒体流路６６を形成する、所謂、各セル冷却構造を採用している。これに対して、例えば、３枚以上の金属セパレータと２枚以上の電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備え、金属セパレータと電解質膜・電極構造体とを交互に積層したセルユニットを構成してもよい。その際、各セルユニット間には、冷却媒体流路が形成される、所謂、間引き冷却構造が構成される。

間引き冷却構造では、単一の金属セパレータの一方の面に燃料ガス流路が形成されかつ他方の面に酸化剤ガス流路が形成される。従って、一枚の金属セパレータが電解質膜・電極構造体間に配置される。

第１弾性シール部材８２及び第２弾性シール部材９２は、第１ビードシール５２及び第２ビードシール６２と同じように、積層方向からの平面視で波状に延在していてもよい。

本発明に係る燃料電池スタックは、上述の実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

上記実施形態をまとめると以下のようになる。

上記実施形態は、電解質膜・電極構造体（２８ａ）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金属セパレータ（３０、３２）とを有する発電セル（１２）が複数積層されたセル積層体（１４）を備え、前記セル積層体は、前記発電セルの積層方向の両端に位置する端部金属セパレータ（３０ｅ、３２ｅ）を有し、各前記端部金属セパレータには、流体の漏れを防止するために前記積層方向の外側に向かって突出したビードシール（５２、６２）が一体に形成されている燃料電池スタック（１０）であって、前記ビードシールに対向する位置に、金属板（８０、９０）と弾性シール部材（８２、９２）とが重ねて配置され、前記金属板は、電気絶縁性を有する支持部材（８４、９４）により支持されるとともに、前記ビードシールと前記弾性シール部材との間に配置されている、燃料電池スタックを開示している。

前記支持部材には、前記弾性シール部材を収容する溝（８４ａ、９４ａ）が設けられ、前記金属板は、前記溝を跨いで配置されていてもよい。

前記支持部材は前記溝が形成された凹部（８４ｂ、９４ｂ）を有し、前記金属板は、前記凹部に収容されていてもよい。

前記支持部材は、前記セル積層体の前記積層方向の両側に配置されたインシュレータ（１８ａ、１８ｂ）の一部であってもよい。

前記ビードシールの凸部と前記弾性シール部材は、前記積層方向から見て互いに重なる位置に設けられていてもよい。

前記ビードシールの凸部と前記金属板との間には、樹脂部材（５６）が介装されていてもよい。

前記金属板は、前記端部金属セパレータと同系統の金属材料からなるものであってもよい。

前記ビードシールの凸部には樹脂部材が設けられ、前記樹脂部材が前記金属板に当接しており、前記金属板は、前記端部金属セパレータと同系統の金属材料からなるものであってもよい。

前記金属板及び前記端部金属セパレータは、いずれもステンレス系材料からなるものであってもよい。

前記端部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（４８、５８）と、前記積層方向に貫通して前記流体を流す複数の連通孔（３４ａ、３４ｂ、３６ａ、３６ｂ、３８ａ、３８ｂ）とが設けられ、前記ビードシールは、前記反応ガス流路を囲む外周側ビード部（５４、６４）と、前記複数の連通孔をそれぞれ囲む複数の連通孔ビード部（５３、６３）とを有し、前記金属板は、前記外周側ビード部と前記複数の連通孔ビード部とに対向する連続した一枚のプレートであってもよい。

前記金属板は、長方形状の外形形状を有し、前記金属板の長手方向両端部には、前記複数の連通孔にそれぞれ対向する複数の端部開口（１００）が設けられ、前記金属板の長手方向中央部には、前記電解質膜・電極構造体の発電領域に対向する中央開口（１０２）が設けられていてもよい。

１０…燃料電池スタック １２…発電セル
１４…セル積層体 ３０ｅ…第１端部金属セパレータ
３２ｅ…第２端部金属セパレータ ５２…第１ビードシール
６２…第２ビードシール ８０…第１金属板
８２…第１弾性シール部材 ８４、９４…支持部材
９０…第２金属板 ９２…第２弾性シール部材

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ビードシール５２が樹脂フィルム付きＭＥＡ２８（図３）に向かって膨出成形される。

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ビードシール６２が樹脂フィルム付きＭＥＡ２８（図３）に向かって膨出成形される。

Claims (11)

1. 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金属セパレータとを有する発電セルが複数積層されたセル積層体を備え、前記セル積層体は、前記発電セルの積層方向の両端に位置する端部金属セパレータを有し、各前記端部金属セパレータには、流体の漏れを防止するために前記積層方向の外側に向かって突出したビードシールが一体に形成されている燃料電池スタックであって、
   前記ビードシールに対向する位置に、金属板と弾性シール部材とが重ねて配置され、
   前記金属板は、電気絶縁性を有する支持部材により支持されるとともに、前記ビードシールと前記弾性シール部材との間に配置されている、燃料電池スタック。
2. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記支持部材には、前記弾性シール部材を収容する溝が設けられ、
   前記金属板は、前記溝を跨いで配置されている、燃料電池スタック。
3. 請求項２記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記支持部材は前記溝が形成された凹部を有し、
   前記金属板は、前記凹部に収容されている、燃料電池スタック。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記支持部材は、前記セル積層体の前記積層方向の両側に配置されたインシュレータの一部である、燃料電池スタック。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記ビードシールの凸部と前記弾性シール部材は、前記積層方向から見て互いに重なる位置に設けられている、燃料電池スタック。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記ビードシールの凸部と前記金属板との間には、樹脂部材が介装されている、燃料電池スタック。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記金属板は、前記端部金属セパレータと同系統の金属材料からなる、燃料電池スタック。
8. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記ビードシールの凸部には樹脂部材が設けられ、前記樹脂部材が前記金属板に当接しており、
   前記金属板は、前記端部金属セパレータと同系統の金属材料からなる、燃料電池スタック。
9. 請求項８記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記金属板及び前記端部金属セパレータは、いずれもステンレス系材料からなる、燃料電池スタック。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、
    前記端部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、前記積層方向に貫通して前記流体を流す複数の連通孔とが設けられ、
    前記ビードシールは、前記反応ガス流路を囲む外周側ビード部と、前記複数の連通孔をそれぞれ囲む複数の連通孔ビード部とを有し、
    前記金属板は、前記外周側ビード部と前記複数の連通孔ビード部とに対向する連続した一枚のプレートである、燃料電池スタック。
11. 請求項１０記載の燃料電池スタックにおいて、
    前記金属板は、長方形状の外形形状を有し、
    前記金属板の長手方向両端部には、前記複数の連通孔にそれぞれ対向する複数の端部開口が設けられ、
    前記金属板の長手方向中央部には、前記電解質膜・電極構造体の発電領域に対向する中央開口が設けられている、燃料電池スタック。

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