JP2021002515A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】金属セパレータの腐食を防止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において、ＭＥＡ２８の発電面４１の外周側には、電気的絶縁性を有するとともに略一定の厚さＤ１に設定された枠状の樹脂フィルム４６が設けられ、樹脂フィルム４６の外周端部４６ｃは、第１金属セパレータ３０の第１外周端３０ｏ及び第２金属セパレータ３２の第２外周端３２ｏよりも全周に亘って外方に突出している。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池スタックに関する。

燃料電池スタックは、電解質膜の両側に電極が配設されてなる電解質膜・電極構造体と、電解質膜・電極構造体の両側に配設された一対の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る（例えば、特許文献１参照）。セル積層体には、積層方向に反応ガスを流通させるための連通孔が形成される。

特開２０１９−３８４０号公報

ところで、上述したような燃料電池スタックでは、発電セルの外周部に結露したり導電性物質が付着したりすると、電解質膜・電極構造体の両側の一対の金属セパレータ同士が電気的に接続する可能性がある。また、発電セルの電気化学反応により発生した生成水が連通孔内に流動することにより、電解質膜・電極構造体の両側の一対の金属セパレータ同士が電気的に接続する可能性がある。このような場合、金属セパレータが腐食するおそれがある。

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、金属セパレータの腐食を防止することができる燃料電池スタックを提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、電解質膜の両側に電極が配設されてなる電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の両側に配設された一対の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であって、前記電解質膜・電極構造体の発電面の外周側には、電気的絶縁性を有するとともに略一定の厚さに形成された枠状の外周フィルム部が設けられ、前記外周フィルム部の外周端部は、前記一対の金属セパレータの外周端よりも全周に亘って外方に突出している、燃料電池スタックである。

本発明の第２の態様は、電解質膜の両側に電極が配設されてなる電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の両側に配設された一対の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る燃料電池スタックであって、前記電解質膜・電極構造体の発電面の外周側には、電気的絶縁性を有するとともに略一定の厚さに形成された枠状の外周フィルム部が設けられ、前記一対の金属セパレータ及び前記外周フィルム部のそれぞれには、前記セル積層体の積層方向に反応ガスを流通させるための反応ガス連通孔が形成され、前記外周フィルム部のうち前記反応ガス連通孔を周回する孔形成縁部は、前記一対の金属セパレータのうち前記反応ガス連通孔を周回する孔形成縁部の内端よりも内側に突出している、燃料電池スタックである。

本発明の第１の態様によれば、外周フィルム部の外周端部が一対の金属セパレータの外周端よりも全周に亘って外方に突出している。このため、一対の金属セパレータの外周端に結露した（導電性物質が付着した）場合であっても、これら金属セパレータが水滴（結露水）又は導電性物質を介して互いに電気的に接続されることを外周フィルム部の外周端部により防止することができる。よって、金属セパレータの腐食を防止することができる。

本発明の第２の態様によれば、外周フィルム部のうち反応ガス連通孔を周回する孔形成縁部が、一対の金属セパレータのうち反応ガス連通孔を周回する孔形成縁部の内端よりも内側に突出している。このため、発電時に発生した生成水が反応ガス連通孔に流動した場合であっても、一対の金属セパレータが生成水を介して互いに電気的に接続されることを外周フィルム部の孔形成縁部により防止することができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックの概略構成説明図である。 図１の燃料電池スタックの一部省略縦断面図である。 図１の発電セルの分解斜視図である。 図３の第１金属セパレータを電解質膜側から見た平面図である。 図１の燃料電池スタックの横断面説明図である。 図５のＶＩ−ＶＩ線に沿った一部省略断面説明図である。 変形例に係る第１金属セパレータ及び第２金属セパレータを含むセル積層体の一部省略断面説明図である。

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。ただし、セル積層体１４は、複数の発電セル１２が重力方向（矢印Ｃ方向）に積層されて構成されてもよい。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１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。ターミナルプレート１６ａ、１６ｂには、積層方向外方に延出する端子部２２ａ、２２ｂ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）の締付荷重を付与する。

図１及び図５において、各連結バー２４の内面２４ａ（セル積層体１４に対向する面）には、電気的絶縁性を有する絶縁層２５（樹脂層）が形成されている。絶縁層２５は、例えば、後述する樹脂フィルム４６と同様の材料で構成することができる。

燃料電池スタック１０は、セル積層体１４を収容するケース１３を備える。ケース１３は、２枚のエンドプレート２０ａ、２０ｂと、セル積層体１４を積層方向と直交する方向から覆う４枚のサイドパネル１５とを有する。エンドプレート２０ａ、２０ｂは、ケース１３の端板を形成する。サイドパネル１５は、ボルト１７によりエンドプレート２０ａ、２０ｂの側面に固定されている。

サイドパネル１５の内面１５ａ（セル積層体１４に対向する面）には、電気的絶縁性を有する絶縁層１９（樹脂層）が形成されている。絶縁層１９は、例えば、後述する樹脂フィルム４６と同様の材料で構成することができる。なお、ケース１３は、２枚のエンドプレート２０ａ、２０ｂと、四角筒状に押出成形されたサイドカバー部とを備えてもよい。この場合、サイドカバー部の内周面には、絶縁層１９が形成される。

図２及び図３に示すように、発電セル１２は、電解質膜・電極構造体（以下、「ＭＥＡ２８」ということがある。）が、第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２により挟持されて形成される。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。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。

図３において、発電セル１２の長辺方向である矢印Ｂ方向（水平方向）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が矢印Ｃ方向に配列して設けられる。各発電セル１２に設けられた酸化剤ガス入口連通孔３４ａは、積層方向（矢印Ａ方向）に互いに連通し、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する。各発電セル１２に設けられた冷却媒体入口連通孔３６ａは、積層方向に互いに連通し、冷却媒体、例えば、純水、エチレングリコール、オイル等を供給する。各発電セル１２に設けられた燃料ガス出口連通孔３８ｂは、積層方向に互いに連通し、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、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。各発電セル１２に設けられた燃料ガス入口連通孔３８ａは、積層方向に互いに連通し、燃料ガスを供給する。各発電セル１２に設けられた冷却媒体出口連通孔３６ｂは、積層方向に互いに連通し、冷却媒体を排出する。各発電セル１２に設けられた酸化剤ガス出口連通孔３４ｂは、積層方向に互いに連通し、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、形状及び大きさは、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及び図３に示すように、ＭＥＡ２８は、電解質膜４０と、電解質膜４０を挟持するカソード電極４２及びアノード電極４４と、電解質膜４０の外周に沿って設けられた樹脂フィルム４６（外周フィルム部）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。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。電解質膜４０は、カソード電極４２の外周及びアノード電極４４の外周と重なり部を有する。

図２において、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とを含む。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（又は同一未満）の外形寸法に設定される。なお、第１電極触媒層４２ａは、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とを含む。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（又は同一未満）の外形寸法に設定される。なお、第２電極触媒層４４ａは、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の外周縁部と第２ガス拡散層４４ｂの外周縁部との間には、枠形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３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。この場合、電解質膜４０のうち第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２よりも外方に突出した部分が外周フィルム部を形成する。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及び図４に示すように、第１金属セパレータ３０のＭＥＡ２８に向かう面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。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（又は波状流路溝）を有する。

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。

図４において、第１金属セパレータ３０の面３０ａには、第１シール用ビード部５２が設けられている。第１シール用ビード部５２は、第１金属セパレータ３０の面３０ａの外周縁部を周回する外側ビード部５２ａを有する。外側ビード部５２ａは、ＭＥＡ２８と第１金属セパレータ３０との間から外部への流体（酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体）の漏れを防止する。

第１シール用ビード部５２は、酸化剤ガス流路４８、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂを周回し且つこれらを連通させる内側ビード部５２ｂを有する。内側ビード部５２ｂは、酸化剤ガス流路４８から外部への酸化剤ガスの漏れを防止する。

第１シール用ビード部５２は、燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂをそれぞれ周回する連通孔ビード部５２ｃと、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び冷却媒体出口連通孔３６ｂをそれぞれ周回する連通孔ビード部５２ｄとをさらに有する。連通孔ビード部５２ｃは、燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂから外部への燃料ガスの漏れを防止する。連通孔ビード部５２ｄは、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び冷却媒体出口連通孔３６ｂから外部への冷却媒体の漏れを防止する。なお、外側ビード部５２ａ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２に示すように、第１シール用ビード部５２は、プレス成形によって第１金属セパレータ３０の面３０ａに膨出成形されている。すなわち、第１シール用ビード部５２は、第１金属セパレータ３０の面３０ａから積層方向（ＭＥＡ２８の樹脂フィルム４６）に向かって突出している。

第１シール用ビード部５２の突出端面には、弾性を有する樹脂部材５３（ゴムシール）が設けられている。樹脂部材５３は、樹脂フィルム４６の一方の面４６ａに当接している。なお、第１金属セパレータ３０には、第１シール用ビード部５２に代えて弾性を有するゴムシールを一体又は別体に設けてもよい。この場合、第１金属セパレータ３０の第１外周端部３０ｃは、ゴムシールによって被覆されず露出する。

図３に示すように、第２金属セパレータ３２のＭＥＡ２８に向かう面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。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（又は波状流路溝）を有する。

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の面３２ａには、第２シール用ビード部６２が設けられている。第２シール用ビード部６２は、第２金属セパレータ３２の面３２ａの外周縁部を周回する外側ビード部６２ａを有する。外側ビード部６２ａは、ＭＥＡ２８と第２金属セパレータ３２との間から外部への流体（酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体）の漏れを防止する。

第２シール用ビード部６２は、燃料ガス流路５８、燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂを周回し且つこれらを連通させる内側ビード部６２ｂを有する。内側ビード部６２ｂは、燃料ガス流路５８から外部への燃料ガスの漏れを防止する。

第２シール用ビード部６２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をそれぞれ周回する連通孔ビード部６２ｃと、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び冷却媒体出口連通孔３６ｂをそれぞれ周回する連通孔ビード部６２ｄとをさらに有する。連通孔ビード部６２ｃ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から外部への酸化剤ガスの漏れを防止する。連通孔ビード部６２ｄは、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び冷却媒体出口連通孔３６ｂから外部への冷却媒体の漏れを防止する。なお、外側ビード部６２ａ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２に示すように、第２シール用ビード部６２は、プレス成形によって第２金属セパレータ３２の面３２ａに膨出成形されている。すなわち、第２シール用ビード部６２は、第２金属セパレータ３２の面３２ａから積層方向（ＭＥＡ２８の樹脂フィルム４６）に向かって突出している。

第２シール用ビード部６２の突出端面には、弾性を有する樹脂部材６３（ゴムシール）が設けられている。樹脂部材６３は、樹脂フィルム４６の他方の面４６ｂに当接している。なお、第２金属セパレータ３２には、第２シール用ビード部６２に代えて弾性を有するゴムシールを一体又は別体に設けてもよい。この場合、第２金属セパレータ３２の第２外周端部３２ｃは、ゴムシールによって被覆されず露出する。

図３において、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６４が形成される。冷却媒体流路６４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。

次に、このような燃料電池スタック１０において、樹脂フィルム４６、第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２の構成についてさらに説明する。

図２、図５及び図６に示すように、樹脂フィルム４６は、全体に亘って略一定の厚さＤ１に形成された枠状の外周フィルム部であって、ＭＥＡ２８の発電面４１の外周側に設けられている。樹脂フィルム４６の外周端部４６ｃは、第１金属セパレータ３０の第１外周端３０ｏ（外周端面）と第２金属セパレータ３２の第２外周端３２ｏ（外周端面）よりも全周に亘って外方に突出している。すなわち、樹脂フィルム４６のうち第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２よりも外方に突出した部分（外周端部４６ｃ）は、四角環状に延在している。換言すれば、樹脂フィルム４６の外形は、第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２のそれぞれの外形よりも一回り大きく形成されている。

図６において、第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２に対する樹脂フィルム４６の第１突出長Ｌ１は、樹脂フィルム４６の全周に亘って略一定に設定されている。第１突出長Ｌ１は、全ての発電セル１２において同じに設定されている。

第１突出長Ｌ１は、例えば、０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下に設定されるのが好ましく、０．８ｍｍ以上１．５ｍｍ以下に設定されるのがより好ましい。第１突出長Ｌ１が０．２ｍｍ以上であると、第１金属セパレータ３０の第１外周端部３０ｃ及び第２金属セパレータ３２の第２外周端部３２ｃに結露した場合であっても、水滴Ｗ１（結露水）を介して第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２が互いに電気的に接続することを効果的に抑えることができる。第１突出長Ｌ１が１．５ｍｍ以下であると、燃料電池スタック１０の大型化を抑えることができる。ただし、樹脂フィルム４６の第１突出長Ｌ１は、適宜設定可能である。

図２、図５及び図６において、樹脂フィルム４６の外周端４６ｏ（外周端面）は、連結バー２４の内面２４ａに形成された絶縁層２５とサイドパネル１５の内面１５ａに形成された絶縁層１９とに対して離間している。なお、図２及び図６では、便宜上、樹脂フィルム４６の外周端４６ｏと絶縁層１９との間隔を図５と比較して短く描いている。樹脂フィルム４６の外周端４６ｏと絶縁層１９、２５との間隔は、適宜設定可能である。

図２及び図６に示すように、樹脂フィルム４６は、第１金属セパレータ３０の第１外周端部３０ｃと第２金属セパレータ３２の第２外周端部３２ｃとによって全周に亘って挟持されている。第１外周端部３０ｃは、樹脂フィルム４６の一方の面４６ａに当接し、第２外周端部３２ｃは、樹脂フィルム４６の他方の面４６ｂに当接している。樹脂フィルム４６は、第１金属セパレータ３０の外側ビード部５２ａと第２金属セパレータ３２の外側ビード部６２ａとによって挟持されている。この場合、第１外周端部３０ｃ及び第２外周端部３２ｃは、締付荷重を積極的に受けない。なお、締付荷重を第１外周端部３０ｃ及び第２外周端部３２ｃで受けないように、第１外周端部３０ｃと樹脂フィルム４６の一方の面４６ａとの間には、微少な隙間が形成されてもよく、第２外周端部３２ｃと樹脂フィルム４６の他方の面４６ｂとの間には、微少な隙間が形成されてもよい。

第１外周端部３０ｃは、外側ビード部５２ａの根元部から矢印Ｃ方向に沿って外方に延出した第１部位５５ａと、第１部位５５ａの延出端から樹脂フィルム４６に向かって突出した第２部位５５ｂと、第２部位５５ｂの突出端から矢印Ｃ方向に沿って外方に向かって延出した第３部位５５ｃとを含む。第３部位５５ｃは、樹脂フィルム４６の一方の面４６ａに接触又は近接する。

第２外周端部３２ｃは、外側ビード部６２ａの根元部から矢印Ｃ方向に沿って外方に延出した第１部位５７ａと、第１部位５７ａの延出端から樹脂フィルム４６に向かって突出した第２部位５７ｂと、第２部位５７ｂの突出端から矢印Ｃ方向に沿って外方に向かって延出した第３部位５７ｃとを含む。第３部位５７ｃは、樹脂フィルム４６の他方の面４６ｂに接触又は近接する。第１外周端部３０ｃの第１部位５５ａと第２外周端部３２ｃの第１部位５７ａとは、接合ビード３３ａ（溶接ビード）によって互いに接合されている。

樹脂フィルム４６の外周端部４６ｃには、連結バー２４（図５参照）が配設されるように切欠部が形成されてもよい。この場合、絶縁層２５は、連結バー２４の内面２４ａだけでなく両側面に対しても設けられ、樹脂フィルム４６の外周端部４６ｃは、連結バー２４に対して離間する。

図５及び図６に示すように、樹脂フィルム４６のうち酸化剤ガス出口連通孔３４ｂを周回する孔形成縁部４６ｄは、全周に亘って第１金属セパレータ３０のうち酸化剤ガス出口連通孔３４ｂを周回する第１孔形成縁部３０ｄの第１内端３０ｉよりも内側に突出している。すなわち、セル積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）から見て、樹脂フィルム４６に形成された酸化剤ガス出口連通孔３４ｂは、第１金属セパレータ３０に形成された酸化剤ガス出口連通孔３４ｂよりも一回り小さい（図５参照）。第１金属セパレータ３０の第１内端３０ｉに対する樹脂フィルム４６の孔形成縁部４６ｄの第２突出長Ｌ２は、上述した第１突出長Ｌ１と同じ長さに設定される。ただし、第２突出長Ｌ２は、第１突出長Ｌ１よりも短くても長くてもよい。

樹脂フィルム４６のうち酸化剤ガス出口連通孔３４ｂを周回する孔形成縁部４６ｄは、全周に亘って第２金属セパレータ３２のうち酸化剤ガス出口連通孔３４ｂを周回する第２孔形成縁部３２ｄの第２内端３２ｉよりも内側に突出している。すなわち、セル積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）から見て、樹脂フィルム４６に形成された酸化剤ガス出口連通孔３４ｂは、第２金属セパレータ３２に形成された酸化剤ガス出口連通孔３４ｂよりも一回り小さい。なお、第２金属セパレータ３２に形成された酸化剤ガス出口連通孔３４ｂの大きさ及び形状は、第１金属セパレータ３０に形成された酸化剤ガス出口連通孔３４ｂの大きさ及び形状と同じである。

図６において、樹脂フィルム４６は、第１金属セパレータ３０の第１孔形成縁部３０ｄと第２金属セパレータ３２の第２孔形成縁部３２ｄとによって挟持されている。第１孔形成縁部３０ｄは、樹脂フィルム４６の一方の面４６ａに当接し、第２孔形成縁部３２ｄは、樹脂フィルム４６の他方の面４６ｂに当接している。樹脂フィルム４６は、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂの外周側において、第１金属セパレータ３０の内側ビード部５２ｂと第２金属セパレータ３２の連通孔ビード部６２ｃとによって挟持されている。この場合、第１孔形成縁部３０ｄ及び第２孔形成縁部３２ｄは、締付荷重を積極的に受けない。なお、締付荷重を第１孔形成縁部３０ｄ及び第２孔形成縁部３２ｄで受けないように、第１孔形成縁部３０ｄと樹脂フィルム４６の一方の面４６ａとの間には、微少な隙間が形成されてもよく、第２孔形成縁部３２ｄと樹脂フィルム４６の他方の面４６ｂとの間には、微少な隙間が形成されてもよい。

図５に示すように、樹脂フィルム４６、第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２において、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂは、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂと同様に形成される。つまり、樹脂フィルム４６に形成された酸化剤ガス入口連通孔３４ａは、第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２に形成された酸化剤ガス入口連通孔３４ａよりも一回り小さい。

樹脂フィルム４６に形成された燃料ガス入口連通孔３８ａは、第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２に形成された燃料ガス入口連通孔３８ａよりも一回り小さい。樹脂フィルム４６に形成された燃料ガス出口連通孔３８ｂは、第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２に形成された燃料ガス出口連通孔３８ｂよりも一回り小さい。なお、燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂの外周側において、樹脂フィルム４６は、第１金属セパレータ３０の連通孔ビード部５２ｃと第２金属セパレータ３２の内側ビード部６２ｂとによって挟持される。

樹脂フィルム４６、第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２において、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び冷却媒体出口連通孔３６ｂのそれぞれは、大きさ及び形状が互いに同じに形成されている。つまり、樹脂フィルム４６に形成された冷却媒体入口連通孔３６ａは、第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２に形成された冷却媒体入口連通孔３６ａと同じ大きさ及び形状である。樹脂フィルム４６に形成された冷却媒体出口連通孔３６ｂは、第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２に形成された冷却媒体出口連通孔３６ｂと同じ大きさ及び形状である。

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、以下に説明する。

まず、図１に示すように、酸化剤ガスは、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。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。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３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、ＭＥＡ２８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、ＭＥＡ２８のアノード電極４４に供給される。

したがって、各ＭＥＡ２８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。この際、発電に伴って生成水Ｗ２が発生する。この生成水Ｗ２は、酸化剤ガス流路４８を介して酸化剤ガス出口連通孔３４ｂに流動する（図６参照）。また、生成水Ｗ２は、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂに流動することもある。

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６４に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、ＭＥＡ２８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。なお、以下では、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及び燃料ガス出口連通孔３８ｂを区別しない場合には、単に「反応ガス連通孔３９」と呼ぶことがある。

燃料電池スタック１０において、ＭＥＡ２８の発電面４１の外周側には、電気的絶縁性を有するとともに略一定の厚さＤ１に形成された枠状の樹脂フィルム４６が設けられている。樹脂フィルム４６の外周端部４６ｃは、第１金属セパレータ３０の第１外周端３０ｏと第２金属セパレータ３２の第２外周端３２ｏよりも全周に亘って外方に突出している。

このような構成によれば、第１金属セパレータ３０の第１外周端３０ｏと第２金属セパレータ３２の第２外周端３２ｏとに結露した（導電性物質が付着した）場合であっても、第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２が水滴Ｗ１（結露水）又は導電性物質を介して互いに電気的に接続されることを樹脂フィルム４６の外周端部４６ｃにより防止することができる。よって、第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２の腐食を防止することができる。

樹脂フィルム４６は、第１金属セパレータ３０の第１外周端部３０ｃと第２金属セパレータ３２の第２外周端部３２ｃとによって挟持されている。

このような構成によれば、第１外周端部３０ｃと第２外周端部３２ｃとによって、樹脂フィルム４６の外周端部４６ｃを第１金属セパレータ３０の第１外周端３０ｏ及び第２金属セパレータ３２の第２外周端３２ｏよりも全周に亘って外方に突出した状態に保持することができる。

第１金属セパレータ３０には、第１金属セパレータ３０の第１外周端部３０ｃに沿って周回してＭＥＡ２８との間から外部への流体（酸化剤ガス、燃料ガス、冷却媒体）の漏れを防止する外側ビード部５２ａが設けられている。第２金属セパレータ３２には、第２金属セパレータ３２の第２外周端部３２ｃに沿って周回してＭＥＡ２８との間から外部への流体（酸化剤ガス、燃料ガス、冷却媒体）の漏れを防止する外側ビード部６２ａが設けられている。樹脂フィルム４６は、第１金属セパレータ３０の外側ビード部５２ａと第２金属セパレータ３２の外側ビード部６２ａとによって挟持されている。

このような構成によれば、第１金属セパレータ３０の外側ビード部５２ａと第２金属セパレータ３２の外側ビード部６２ａとによって、樹脂フィルム４６の外周端部４６ｃを第１金属セパレータ３０の第１外周端３０ｏ及び第２金属セパレータ３２の第２外周端３２ｏよりも全周に亘って外方に突出した状態に一層確実に保持することができる。

燃料電池スタック１０は、セル積層体１４を収容するケース１３を備え、ケース１３の内面のうち樹脂フィルム４６の外周端４６ｏをセル積層体１４の積層方向と直交する方向から覆う部位（サイドパネル１５の内面１５ａ）には、電気的絶縁性を有する絶縁層１９が設けられている。

このような構成によれば、第１金属セパレータ３０又は第２金属セパレータ３２が樹脂フィルム４６の外周端部４６ｃに付着した水滴Ｗ１又は導電性物質を介してケース１３に電気的に接続されることを防止することができる。

樹脂フィルム４６の外周端４６ｏは、ケース１３の内面（サイドパネル１５の内面１５ａ）に形成された絶縁層１９から離間している。

このような構成によれば、第１金属セパレータ３０又は第２金属セパレータ３２が樹脂フィルム４６の外周端部４６ｃに付着した水滴Ｗ１を介してケース１３に電気的に接続されることを一層防止することができる。

第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２に対する樹脂フィルム４６の外周端部４６ｃの外方への第１突出長Ｌ１は、全ての発電セル１２において同じに設定されている。

このような構成によれば、燃料電池スタック１０の構成を簡素化することができる。

燃料電池スタック１０において、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４６には、セル積層体１４の積層方向に反応ガス（酸化剤ガス及び燃料ガス）を流通させるための反応ガス連通孔３９が形成されている。樹脂フィルム４６のうち反応ガス連通孔３９を周回する孔形成縁部４６ｄは、第１金属セパレータ３０のうち反応ガス連通孔３９を周回する第１孔形成縁部３０ｄの第１内端３０ｉよりも内側に突出している。樹脂フィルム４６のうち反応ガス連通孔３９を周回する孔形成縁部４６ｄは、第２金属セパレータ３２のうち反応ガス連通孔３９を周回する第２孔形成縁部３２ｄの第２内端３２ｉよりも内側に突出している。

このような構成によれば、発電時に発生した生成水Ｗ２が反応ガス連通孔３９に流動した場合であっても、第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２が生成水Ｗ２を介して互いに電気的に接続されることを樹脂フィルム４６の孔形成縁部４６ｄにより防止することができる。よって、第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２の腐食を防止することができる。

樹脂フィルム４６は、第１金属セパレータ３０の第１孔形成縁部３０ｄと第２金属セパレータ３２の第２孔形成縁部３２ｄとによって挟持されている。

このような構成によれば、第１孔形成縁部３０ｄと第２孔形成縁部３２ｄとによって、樹脂フィルム４６の孔形成縁部４６ｄを第１孔形成縁部３０ｄの第１内端３０ｉと第２孔形成縁部３２ｄの第２内端３２ｉよりも内側に突出した状態に保持することができる。

第１金属セパレータ３０には、内側ビード部５２ｂ及び連通孔ビード部５２ｃが設けられている。第２金属セパレータ３２には、内側ビード部６２ｂ及び連通孔ビード部６２ｃが設けられている。樹脂フィルム４６は、第１金属セパレータ３０の内側ビード部５２ｂと第２金属セパレータ３２の連通孔ビード部６２ｃとによって挟持されている。また、樹脂フィルム４６は、第１金属セパレータ３０の連通孔ビード部５２ｃと第２金属セパレータ３２の内側ビード部６２ｂとによって挟持されている。

このような構成によれば、内側ビード部５２ｂ、６２ｂ及び連通孔ビード部５２ｃ、６２ｃによって、樹脂フィルム４６の孔形成縁部４６ｄを第１孔形成縁部３０ｄの第１内端３０ｉと第２孔形成縁部３２ｄの第２内端３２ｉよりも内側に突出した状態に一層確実に保持することができる。

次に、変形例に係る第１金属セパレータ３０Ａ及び第２金属セパレータ３２Ａについて図７を参照しながら説明する。図７に示すように、第１金属セパレータ３０Ａの第１外周端部３０ｃａは、外側ビード部５２ａの根元部から第１金属セパレータ３０Ａの第１外周端３０ｏまで矢印Ｂ方向に沿って外方に延出している。すなわち、第１外周端部３０ｃａは、樹脂フィルム４６の一方の面４６ａに対して離間している。

第２金属セパレータ３２Ａの第２外周端部３２ｃａは、外側ビード部６２ａの根元部から第２金属セパレータ３２Ａの第２外周端３２ｏまで矢印Ｂ方向に沿って外方に延出している。第２外周端部３２ｃａは、樹脂フィルム４６の他方の面４６ｂに対して離間している。第１金属セパレータ３０Ａ及び第２金属セパレータ３２Ａは、第１外周端部３０ｃａ及び第２外周端部３２ｃａが接合ビード３３ａ（溶接ビード）によって互いに接合されて接合セパレータ３３Ａを構成している。

第１金属セパレータ３０Ａの第１孔形成縁部３０ｄａは、内側ビード部５２ｂの根元部から矢印Ｂ方向に沿って延出している。すなわち、第１孔形成縁部３０ｄａは、樹脂フィルム４６の一方の面４６ａに対して離間している。第２金属セパレータ３２Ａの第２孔形成縁部３２ｄａは、連通孔ビード部６２ｃの根元部から矢印Ｂ方向に沿って延出している。すなわち、第２孔形成縁部３２ｄａは、樹脂フィルム４６の他方の面４６ｂに対して離間している。

本変形例によれば、締付荷重が第１外周端部３０ｃａ、第２外周端部３２ｃａ、第１孔形成縁部３０ｄａ及び第２孔形成縁部３２ｄａに作用することを抑えることができる。これにより、第１シール用ビード部５２及び第２シール用ビード部６２に積層方向の締付荷重を効果的に作用させることができるため、第１シール用ビード部５２及び第２シール用ビード部６２の所望のシール性を確保することができる。

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。

以上の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（４０）の両側に電極（４２、４４）が配設されてなる電解質膜・電極構造体（２８）と、前記電解質膜・電極構造体の両側に配設された一対の金属セパレータ（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）を備えた燃料電池スタック（１０）であって、前記電解質膜・電極構造体の発電面（４１）の外周側には、電気的絶縁性を有するとともに略一定の厚さ（Ｄ１）に形成された枠状の外周フィルム部（４６）が設けられ、前記外周フィルム部の外周端部（４６ｃ）は、前記一対の金属セパレータの外周端（３０ｏ、３２ｏ）よりも全周に亘って外方に突出している、燃料電池スタックを開示している。

上記の燃料電池スタックにおいて、前記外周フィルム部は、前記一対の金属セパレータの外周端部（３０ｃ、３２ｃ）によって挟持されてもよい。

上記の燃料電池スタックにおいて、前記一対の金属セパレータのそれぞれには、前記一対の金属セパレータのそれぞれの外周端部に沿って周回して前記一対の金属セパレータのそれぞれと前記電解質膜・電極構造体との間から外部への流体の漏れを防止する外側ビード部（５２ａ、６２ａ）が設けられ、前記外周フィルム部は、前記一対の金属セパレータの前記外側ビード部によって挟持されてもよい。

上記の燃料電池スタックにおいて、前記セル積層体を収容するケース（１３）を備え、前記ケースの内面のうち前記外周フィルム部の外周端（４６ｏ）を前記セル積層体の積層方向と直交する方向から覆う部位（１５ａ）には、電気的絶縁性を有する絶縁層（１９）が設けられてもよい。

上記の燃料電池スタックにおいて、前記外周フィルム部の外周端は、前記絶縁層から離間してもよい。

上記の燃料電池スタックにおいて、前記一対の金属セパレータに対する前記外周フィルム部の外周端部の外方への突出長（Ｌ１）は、全ての前記発電セルにおいて同じに設定されてもよい。

上記実施形態は、電解質膜の両側に電極が配設されてなる電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の両側に配設された一対の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る燃料電池スタックであって、前記電解質膜・電極構造体の発電面の外周側には、電気的絶縁性を有するとともに略一定の厚さに形成された枠状の外周フィルム部が設けられ、前記一対の金属セパレータ及び前記外周フィルム部のそれぞれには、前記セル積層体の積層方向に反応ガスを流通させるための反応ガス連通孔（３９）が形成され、前記外周フィルム部のうち前記反応ガス連通孔を周回する孔形成縁部（４６ｄ）は、前記一対の金属セパレータのうち前記反応ガス連通孔を周回する孔形成縁部（３０ｄ、３２ｄ）の内端（３０ｉ、３２ｉ）よりも内側に突出している、燃料電池スタックを開示している。

上記の燃料電池スタックにおいて、前記外周フィルム部は、前記一対の金属セパレータのうち前記反応ガス連通孔を周回する前記孔形成縁部によって挟持されてもよい。

上記の燃料電池スタックにおいて、前記一対の金属セパレータのそれぞれには、前記反応ガス連通孔に沿って延在して前記反応ガス連通孔から外部への反応ガスの漏れを防止するビード部（５２ｂ、５２ｃ、６２ｂ、６２ｃ）が設けられ、前記外周フィルム部は、前記一対の金属セパレータの前記ビード部によって挟持されてもよい。

１０…燃料電池スタック １２…発電セル
１３…ケース １４…セル積層体
１９、２５…絶縁層 ２８…ＭＥＡ（電解質膜・電極構造体）
３０…第１金属セパレータ ３０ｃ…第１外周端部
３０ｄ…第１孔形成縁部 ３０ｉ…第１内端
３０ｏ…第１外周端 ３２…第２金属セパレータ
３２ｃ…第２外周端部 ３２ｄ…第２孔形成縁部
３２ｉ…第２内端 ３２ｏ…第２外周端
３９…反応ガス連通孔 ４０…電解質膜
４１…発電面 ４２…カソード電極
４４…アノード電極 ４６…樹脂フィルム（外周フィルム部）
４６ｃ…外周端部 ４６ｄ…孔形成縁部
５２ａ、６２ａ…外側ビード部 ５２ｂ、６２ｂ…内側ビード部
５２ｃ、５２ｄ、６２ｃ、６２ｄ…連通孔ビード部

Claims (9)

1. 電解質膜の両側に電極が配設されてなる電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の両側に配設された一対の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であって、
   前記電解質膜・電極構造体の発電面の外周側には、電気的絶縁性を有するとともに略一定の厚さに形成された枠状の外周フィルム部が設けられ、
   前記外周フィルム部の外周端部は、前記一対の金属セパレータの外周端よりも全周に亘って外方に突出している、燃料電池スタック。
2. 請求項１記載の燃料電池スタックであって、
   前記外周フィルム部は、前記一対の金属セパレータの外周端部（３０ｃ、３２ｃ）によって挟持されている、燃料電池スタック。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池スタックであって、
   前記一対の金属セパレータのそれぞれには、前記一対の金属セパレータのそれぞれの外周端部に沿って周回して前記一対の金属セパレータのそれぞれと前記電解質膜・電極構造体との間から外部への流体の漏れを防止する外側ビード部が設けられ、
   前記外周フィルム部は、前記一対の金属セパレータの前記外側ビード部によって挟持されている、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であって、
   前記セル積層体を収容するケースを備え、
   前記ケースの内面のうち前記外周フィルム部の外周端を前記セル積層体の積層方向と直交する方向から覆う部位には、電気的絶縁性を有する絶縁層が設けられている、燃料電池スタック。
5. 請求項４記載の燃料電池スタックであって、
   前記外周フィルム部の外周端は、前記絶縁層から離間している、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であって、
   前記一対の金属セパレータに対する前記外周フィルム部の外周端部の外方への突出長は、全ての前記発電セルにおいて同じに設定されている、燃料電池スタック。
7. 電解質膜の両側に電極が配設されてなる電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の両側に配設された一対の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る燃料電池スタックであって、
   前記電解質膜・電極構造体の発電面の外周側には、電気的絶縁性を有するとともに略一定の厚さに形成された枠状の外周フィルム部が設けられ、
   前記一対の金属セパレータ及び前記外周フィルム部のそれぞれには、前記セル積層体の積層方向に反応ガスを流通させるための反応ガス連通孔が形成され、
   前記外周フィルム部のうち前記反応ガス連通孔を周回する孔形成縁部は、前記一対の金属セパレータのうち前記反応ガス連通孔を周回する孔形成縁部の内端よりも内側に突出している、燃料電池スタック。
8. 請求項７記載の燃料電池スタックであって、
   前記外周フィルム部は、前記一対の金属セパレータのうち前記反応ガス連通孔を周回する前記孔形成縁部によって挟持されている、燃料電池スタック。
9. 請求項７又は８に記載の燃料電池スタックであって、
   前記一対の金属セパレータのそれぞれには、前記反応ガス連通孔に沿って延在して前記反応ガス連通孔から外部への反応ガスの漏れを防止するビード部が設けられ、
   前記外周フィルム部は、前記一対の金属セパレータの前記ビード部によって挟持されている、燃料電池スタック。

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