JP2022128044A - 発電セル - Google Patents

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Abstract

【課題】バイパス止め凸状部と電極との間に隙間が形成された場合であっても反応ガスのバイパス流路への流入を抑えることができる発電セルを提供する。【解決手段】発電セル10において、第1セパレータ本体54には、第1バイパス止め凸状部70が一体的に突出成形され、第2セパレータ本体90には、第2バイパス止め凸状部108が一体的に突出成形されている。第1バイパス止め凸状部70の突出端面には、カソード電極28よりも外方に位置するように第1バイパスシール部材83が設けられ、第2バイパス止め凸状部108の突出端面には、アノード電極30よりも外方に位置するように第2バイパスシール部材122が設けられている。【選択図】図2

Description

本発明は、発電セルに関する。
発電セルは、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(MEA)と、MEAの外周部から外方に突出するように設けられた樹脂枠部と、MEAの両側に配設されたセパレータ部材とを備える。セパレータ部材を形成する金属板状のセパレータ本体には、一端から他端に向かって電極の発電領域に沿って反応ガス(酸化剤ガス又は燃料ガス)を流す反応ガス流路と、樹脂枠部材に接触した状態で反応ガス流路を囲んで反応ガスの漏れを防止する流路シール部と、が設けられている。
セパレータ本体には、反応ガス流路の流路幅方向端部と流路シール部との間(バイパス流路)に、反応ガスのバイパスを防止するめのバイパス凸状部が設けられている(例えば、特許文献1参照)。
特開2019-79736号公報
本発明は、この種の技術に関連してなされたものであり、反応ガスのバイパス流路への流入を効果的に抑えることができる発電セルを提供することを目的とする。
本発明の一態様は、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・電極構造体の外周部から外方に突出するように当該外周部に設けられた樹脂枠部と、前記電解質膜・電極構造体の両側に配置されたセパレータ部材と、を備えた発電セルであって、前記セパレータ部材は、金属板状のセパレータ本体を有し、前記セパレータ本体には、当該セパレータ本体の一端から他端に向かって前記電極の発電領域に沿って反応ガスを流す反応ガス流路と、前記樹脂枠部に接触した状態で前記反応ガス流路を囲んで前記反応ガスの漏れを防止する流路シール部と、が設けられ、前記流路シール部は、セパレータ厚さ方向の圧縮荷重によって弾性変形するように前記セパレータ本体に一体的に突出成形されたシールビード部を含み、前記セパレータ本体には、前記反応ガス流路の流路幅方向端部と前記流路シール部との間への前記反応ガスのバイパスを防止するためのバイパス止め凸状部が前記電解質膜・電極構造体側に向かって一体的に突出成形され、前記バイパス止め凸状部の突出端面には、前記電極よりも外方に位置するようにバイパスシール部材が設けられている、発電セルである。
本発明によれば、電極よりも外方に位置するようにバイパス止め凸状部の突出端面にバイパスシール部材を設けているため、反応ガスのバイパス流路(反応ガス流路の流路幅方向端部と流路シール部との間)への流入をバイパス止め凸状部とバイパスシール部材とによって効果的に抑えることができる。
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及び図4におけるII-II線に沿った発電セルの断面図である。 第1セパレータ部材側から見た接合セパレータの平面図である。 第1セパレータ部材の要部拡大平面図である。 第2セパレータ部材側から見た接合セパレータの平面図である。 第2セパレータ部材の要部拡大平面図である。 第1セパレータ部材に第2セパレータ部材を重ねた状態の図である。
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。
本発明の一実施形態に係る発電セル10は、図1に示すように、燃料電池スタック12の単位セルを形成する。燃料電池スタック12は、複数の発電セル10が矢印A方向に積層されて形成される。燃料電池スタック12には、複数の発電セル10の積層方向の圧縮荷重が付与される。燃料電池スタック12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。
発電セル10は、横長の長方形状を有する。発電セル10は、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体(以下、「樹脂枠付きMEA14」という)と、樹脂枠付きMEA14の両側に配設された第1セパレータ部材16及び第2セパレータ部材18とを有する。
第1セパレータ部材16及び第2セパレータ部材18は、金属薄板、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、或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形成される。第1セパレータ部材16と第2セパレータ部材18とは、図示しない複数の接合ラインにより互いに接合されて接合セパレータ20を形成する。
樹脂枠付きMEA14は、電解質膜・電極構造体(以下、「MEA22」という)と、MEA22の外周部から外方に突出した樹脂枠部24(樹脂フィルム)とを備える。
図2に示すように、MEA22は、電解質膜26と、電解質膜26の一方の面26aに設けられたカソード電極28と、電解質膜26の他方の面26bに設けられたアノード電極30とを有する。電解質膜26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26は、カソード電極28及びアノード電極30に挟持される。電解質膜26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28は、電解質膜26の一方の面26aに接合された第1電極触媒層32と、第1電極触媒層32に積層された第1ガス拡散層34とを有する。アノード電極30は、電解質膜26の他方の面26bに接合された第2電極触媒層36と、第2電極触媒層36に積層された第2ガス拡散層38とを有する。
第1電極触媒層32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34の表面に一様に塗布されて形成される。第2電極触媒層36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38の表面に一様に塗布されて形成される。第1ガス拡散層34及び第2ガス拡散層38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。
樹脂枠部24は、MEA22の外周部に接合されるとともに該外周部を周回するように延在している(図1参照)。樹脂枠部24は、内周部25がMEA22の外周部に接合された第1枠状シート40と、第1枠状シート40に接合された第2枠状シート42とを有する。第1枠状シート40と第2枠状シート42とは、接着剤からなる接着層44により、厚さ方向に接合されている。第2枠状シート42は、第1枠状シート40の外周部に接合されている。第1枠状シート40の厚さは、第2枠状シート42の厚さよりも薄い。なお、樹脂枠部24は、第2枠状シート42を第1枠状シート40に接合することなく、第1枠状シート40のみで構成してもよい。
第1枠状シート40及び第2枠状シート42は樹脂材料により構成される。第1枠状シート40及び第2枠状シート42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。
樹脂枠部24の内周部25(第1枠状シート40の内周部)は、カソード電極28の外周部29とアノード電極30の外周部31との間に配置される。具体的に、樹脂枠部24の内周部25は、電解質膜26の外周部27とアノード電極30の外周部31との間に挟持される。樹脂枠部24の内周部25と電解質膜26の外周部27とは、接着層44を介して接合される。なお、樹脂枠部24の内周部25は、電解質膜26の外周部27とカソード電極28の外周部29との間に挟持されてもよい。
カソード電極28の外周部29の外面29aは、MEA22の発電領域46の一方の面46a(カソード電極28側の外面)と同一平面上(共通の平面上)に位置する。アノード電極30の外周部31の外面31aは、発電領域46の他方の面46b(アノード電極30側の外面)よりもカソード電極28とは反対側(矢印A2方向)に位置している。アノード電極30の外周部31の外面31aは、第1枠状シート40の外面40a(第2枠状シート42とは反対側の面)よりもカソード電極28と反対側(矢印A2方向)に位置している。
なお、樹脂枠部24は、電解質膜26をカソード電極28及びアノード電極30よりも外方に突出させることにより形成してもよい。また、樹脂枠部24は、電解質膜26をカソード電極28及びアノード電極30よりも外方に突出させるとともに電解質膜26の突出部分の両側に枠形状のフィルムを設けることにより形成してもよい。
図1に示すように、各発電セル10の長辺方向の一端縁部(矢印B1方向の端縁部)には、酸化剤ガス供給連通孔48a、冷却媒体供給連通孔50a、燃料ガス排出連通孔52bが設けられている。酸化剤ガス供給連通孔48a、冷却媒体供給連通孔50a、燃料ガス排出連通孔52bは、発電セル10の短辺方向(矢印C方向)に配列して設けられている。
酸化剤ガス供給連通孔48aには、一方の反応ガスである酸化剤ガス(例えば、酸素含有ガス)が矢印A2方向に向かって流通する。冷却媒体供給連通孔50aには、冷却媒体(例えば、純水、エチレングリコール、オイル等)が矢印A2方向に向かって流通する。燃料ガス排出連通孔52bには、他方の反応ガスである燃料ガス(例えば、水素含有ガス)が矢印A1方向に向かって流通する。
各発電セル10の長辺方向の他端縁部(矢印B2方向の端縁部)には、燃料ガス供給連通孔52a、冷却媒体排出連通孔50b、酸化剤ガス排出連通孔48bが設けられている。燃料ガス供給連通孔52a、冷却媒体排出連通孔50b、酸化剤ガス排出連通孔48bは、矢印C方向に配列して設けられている。
燃料ガス供給連通孔52aには、燃料ガスが矢印A2方向に向かって流通する。冷却媒体排出連通孔50bには、冷却媒体が矢印A1方向に向かって流通する。酸化剤ガス排出連通孔48bには、酸化剤ガスが矢印A1方向に向かって流通する。
上述した連通孔(酸化剤ガス供給連通孔48a等)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、第1セパレータ部材16は、金属板状の第1セパレータ本体54を備える。第1セパレータ本体54は、長方形状に形成されている。第1セパレータ本体54の樹脂枠付きMEA14に向かう面(以下、「表面54a」という。)には、発電セル10の長辺方向(矢印B方向)に延在する酸化剤ガス流路56(反応ガス流路)が設けられる。酸化剤ガス流路56は、酸化剤ガス供給連通孔48aと酸化剤ガス排出連通孔48bとに流体的に連通する。酸化剤ガス流路56は、カソード電極28に酸化剤ガスを供給する。
酸化剤ガス流路56は、矢印B方向に延在する複数の第1流路突起58間に形成された複数の第1流路溝60を有する。つまり、酸化剤ガス流路56では、第1流路突起58と第1流路溝60とが流路幅方向(矢印C方向)に交互に配置されている。複数の第1流路突起58と複数の第1流路溝60は、プレス成形により、第1セパレータ本体54に一体的に設けられている。第1流路突起58及び第1流路溝60は、矢印B方向に波状に延在している。ただし、第1流路突起58及び第1流路溝60は、矢印B方向に直線状に延在してもよい。
図2において、第1流路突起58の横断面形状は、第1流路突起58の突出方向に向かって先細り形状となる台形状である。なお、第1流路突起58の横断面形状は、矩形状であってもよい。以下、複数の第1流路突起58のうち、流路幅方向の両端に位置するものを「第1端部流路突起58a」という。第1端部流路突起58aは、カソード電極28の外周端面28eよりも内側に位置している。
図3において、第1セパレータ本体54の表面54aには、反応ガス(酸化剤ガス若しくは燃料ガス)又は冷却媒体である流体の漏出を防止するための第1シール部61が設けられている。第1シール部61は、第2枠状シート42の外面42a(第2枠状シート42における第1枠状シート40とは反対側の外面)に押し付けられている(図2参照)。第1シール部61は、セパレータ厚さ方向(矢印A方向)から見て、波状に延在している。ただし、第1シール部61は、セパレータ厚さ方向から見て、直線状に延在してもよい。
第1シール部61は、複数の連通孔(酸化剤ガス供給連通孔48a等)を個別に囲む複数の第1連通孔シール部62と、第1セパレータ本体54の外周部に設けられた第1流路シール部64とを有する。
図2に示すように、第1シール部61は、樹脂枠付きMEA14に向かって突出するように第1セパレータ本体54に一体的に突出成形された第1シールビード部66と、第1シールビード部66の突出端面に設けられた第1樹脂シール部材68とを有する。第1シールビード部66は、矢印A方向の圧縮荷重によって弾性変形する。
第1シールビード部66の横断面形状は、第1シールビード部66の突出方向に向かって先細り形状となる台形状である。なお、第1シールビード部66の横断面形状は、矩形状であってもよい。第1樹脂シール部材68は、第1シールビード部66の突出端面に樹脂材料を印刷又は塗布等で固着することにより形成されたゴムシールである。第1樹脂シール部材68を構成する樹脂材料としては、例えば、ポリエステル繊維、シリコーンゴム、EPDM(エチレン・プロピレン・ジエンゴム)、FKM(フッ素ゴム)等が挙げられる。第1樹脂シール部材68は、第2枠状シート42の外面42aに固着されてもよい。
図2及び図4において、第1セパレータ本体54には、酸化剤ガス流路56の流路幅方向端部(第1端部流路突起58a)と第1流路シール部64との間に、酸化剤ガス供給連通孔48aから酸化剤ガス排出連通孔48b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70が設けられている。つまり、第1バイパス止め凸状部70は、第1端部流路突起58aと第1流路シール部64との間の第1バイパス流路72への酸化剤ガスのバイパスを防止するものである。
本実施形態では、酸化剤ガス流路56の流路幅方向は、第1セパレータ本体54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70は、プレス成形により、第1セパレータ本体54に一体的に設けられている。第1バイパス止め凸状部70は、第1セパレータ本体54から樹脂枠付きMEA14に向かって突出している。第1バイパス止め凸状部70は、第1端部流路突起58aの延在方向(矢印B方向)に間隔を置いて複数配置されている。
第1バイパス止め凸状部70の横断面形状は、第1バイパス止め凸状部70の突出方向に先細りとなる台形形状である(図4参照)。ただし、第1バイパス止め凸状部70の横断面形状は、矩形状であってもよい。
第1端部流路突起58aは、第1流路シール部64に対して凹むように湾曲した第1凹状湾曲部74と、第1流路シール部64に対して突出するように湾曲した第1凸状湾曲部76とを有する。複数の第1バイパス止め凸状部70は、第1端部流路突起58aの第1凹状湾曲部74と第1流路シール部64との間に設けられた第1バイパス止め凸状部70aと、第1端部流路突起58aの第1凸状湾曲部76と第1流路シール部64との間に設けられた第1バイパス止め凸状部70bとを含む。第1バイパス止め凸状部70aと第1バイパス止め凸状部70bとは、第1端部流路突起58a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70aは、一端が第1シールビード部66の内側側部66aに繋がり、他端が第1端部流路突起58aの第1凹状湾曲部74に繋がっている。他方の第1バイパス止め凸状部70bは、一端が第1シールビード部66の内側側部66aに繋がり、他端が第1端部流路突起58aの第1凸状湾曲部76に繋がっている。
第1バイパス止め凸状部70の高さH1(第1セパレータ本体54に対する突出長)は、第1流路シール部64の高さH2よりも低い(図2参照)。第1バイパス止め凸状部70の突出端面は、カソード電極28の外周部29の外面29aに対向する第1内側端面78と、第2枠状シート42の外面42aに対して離間した状態でカソード電極28よりも外方に位置する第1外側端面80とを含む。
第1外側端面80のうち第1シールビード部66の内側側部66aに隣接する部分には、樹脂枠部24に対して凹む(裏面形状が冷媒面側に突出する)第1凹部82が形成されている。これにより、第1バイパス止め凸状部70に第1凹部82を設けない場合と比較して、第1流路シール部64の内側側部66aの剛性を低下させることができる。従って、圧縮荷重によって第1シールビード部66を効果的に弾性変形させることができるため、第1流路シール部64のシール面(第1樹脂シール部材68)に適度なシール面圧を付与することができる。
各第1バイパス止め凸状部70の第1外側端面80には、第1バイパスシール部材83が設けられている。第1バイパスシール部材83は、第1外側端面80に樹脂材料を印刷又は塗布等で固着することにより形成されたゴムシールである。第1バイパスシール部材83を構成する樹脂材料としては、上述した第1樹脂シール部材68及び第2樹脂シール部材106の構成材料と同様のものが挙げられる。つまり、第1バイパスシール部材83は、ゴム材料によって構成されている。また、第1バイパスシール部材83の構成材料は、第1樹脂シール部材68の構成材料と同じである。この場合、例えば、第1シールビード部66の突出端面に樹脂材料を塗布する際に第1外側端面80にも当該樹脂材料を塗布することができるため、第1バイパスシール部材83を効率的に形成することができる。
図2において、第1バイパスシール部材83は、第1外側端面80の全体に設けられている。つまり、第1バイパスシール部材83は、第1凹部82の底面にも設けられている。第1バイパスシール部材83のうち樹脂枠部24側の外面83aは、第2枠状シート42の外面42aに対して近接し僅かな隙間が形成されている。これにより、圧縮荷重が第1バイパスシール部材83に作用することが抑えられるため、第1流路シール部64のシール面に適度なシール面圧を付与することができる。
ただし、第1バイパスシール部材83の外面83aは、第2枠状シート42の外面42aに対して接触してもよい。この場合であっても、第1バイパスシール部材83がゴム材料によって構成されている(第1シールビード部66に比べて弾性変形し易い)ため、第1流路シール部64のシール面圧が大きく低下することを抑えることができる。
第1バイパスシール部材83のうちMEA22側の外面83bは、カソード電極28の外周端面28eに対して接触又は近接している。第1バイパスシール部材83のうちMEA22とは反対側の外面83cは、第1シールビード部66の内側側部66aに対して離間している。これにより、発電セル10に圧縮荷重を付与した際に、第1シールビード部66の内側側部66aの弾性変形が第1バイパスシール部材83によって阻害されることがない。
第1バイパスシール部材83は、全ての第1バイパス止め凸状部70に設けられなくてもよい。第1バイパスシール部材83は、複数の第1バイパス止め凸状部70のうち酸化剤ガス流路56の入口側に最も近い第1バイパス止め凸状部70に少なくとも設けられていればよい。
図4において、互いに隣接する第1バイパス止め凸状部70の間には、MEA22の外周部を支持する第1中間凸状部84が設けられている。第1中間凸状部84は、樹脂枠付きMEA14に向かって突出している。第1中間凸状部84は、互いに隣接する第1バイパス止め凸状部70の間に、複数個ずつ配置されている。第1中間凸状部84は、第1端部流路突起58aの延在方向に交差して延びる形状を有する。第1中間凸状部84は、積層方向から見て、カソード電極28の外周端面28eに重なる位置に配置されている。
図1、図2及び図5に示すように、第2セパレータ部材18は、金属板状の第2セパレータ本体90を備える。第2セパレータ本体90は、長方形状に形成されている。第2セパレータ本体90の樹脂枠付きMEA14に向かう面(以下、「表面90a」という。)には、発電セル10の長辺方向(矢印B方向)に延在する燃料ガス流路92(反応ガス流路)が設けられる。燃料ガス流路92は、燃料ガス供給連通孔52aと燃料ガス排出連通孔52bとに流体的に連通する。燃料ガス流路92は、アノード電極30に燃料ガスを供給する。
燃料ガス流路92は、矢印B方向に延在する複数の第2流路突起94間に形成された複数の第2流路溝96を有する。つまり、燃料ガス流路92では、第2流路突起94と第2流路溝96とが流路幅方向(矢印C方向)に交互に配置されている。複数の第2流路突起94と複数の第2流路溝96は、第2セパレータ本体90に一体的にプレス成形されている。第2流路突起94及び第2流路溝96は、矢印B方向に波状に延在している。ただし、第2流路突起94及び第2流路溝96は、矢印B方向に直線状に延在してもよい。
図2において、第2流路突起94の横断面形状は、第2流路突起94の突出方向に向かって先細り形状となる台形状である。なお、第2流路突起94の横断面形状は、矩形状であってもよい。以下、複数の第2流路突起94のうち、流路幅方向の両端に位置するものを「第2端部流路突起94a」という。第2端部流路突起94aは、アノード電極30の外周端面30eよりも内側に位置している。
図5において、第2セパレータ本体90の表面90aには、反応ガス(酸化剤ガス若しくは燃料ガス)又は冷却媒体である流体の漏出を防止するための第2シール部98が設けられている。第2シール部98は、第1枠状シート40の外面40a(第1枠状シート40における第2枠状シート42とは反対側の外面)に押し付けられている(図2参照)。第2シール部98は、セパレータ厚さ方向(矢印A方向)から見て、波状に延在している。ただし、第2シール部98は、セパレータ厚さ方向から見て、直線状に延在してもよい。
第2シール部98は、複数の連通孔(酸化剤ガス供給連通孔48a等)を個別に囲む複数の第2連通孔シール部100と、第2セパレータ本体90の外周部に設けられた第2流路シール部102とを有する。第2シール部98は、セパレータ厚さ方向から見て、第1シール部61に重なるように配置されている(図2参照)。
図2に示すように、第2シール部98は、樹脂枠付きMEA14に向かって突出するように第2セパレータ本体90に一体的に突出成形された第2シールビード部104と、第2シールビード部104に設けられた第2樹脂シール部材106とを有する。第2シールビード部104は、矢印A方向の圧縮荷重によって弾性変形する。
第2シールビード部104の横断面形状は、第2シールビード部104の突出方向に向かって先細り形状となる台形状である。なお、第2シールビード部104の横断面形状は、矩形状であってもよい。第2樹脂シール部材106は、第2シールビード部104の突出端面に樹脂材料を印刷又は塗布等で固着することにより形成されたゴムシールである。第2樹脂シール部材106を構成する樹脂材料としては、上述した第1樹脂シール部材68の構成材料と同様のものが挙げられる。第2樹脂シール部材106は、第1枠状シート40の外面40aに固着されてもよい。
図2及び図6において、第2セパレータ本体90には、燃料ガス流路92の流路幅方向端部(第2端部流路突起94a)と第2流路シール部102との間に、燃料ガス供給連通孔52aから燃料ガス排出連通孔52b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108が設けられている。つまり、第2バイパス止め凸状部108は、第2端部流路突起94aと第2流路シール部102との間の第2バイパス流路110への燃料ガスのバイパスを防止するものである。
本実施形態では、燃料ガス流路92の流路幅方向は、第2セパレータ本体90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108は、第2セパレータ本体90に一体的にプレス成形されている。第2バイパス止め凸状部108は、第1セパレータ本体54から樹脂枠付きMEA14に向かって突出している。第2バイパス止め凸状部108は、第2端部流路突起94a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。
第2バイパス止め凸状部108の横断面形状は、第2バイパス止め凸状部108の突出方向に先細りとなる台形形状である(図6参照)。ただし、第2バイパス止め凸状部108の横断面形状は、矩形状であってもよい。
第2端部流路突起94aは、第2流路シール部102に対して凹むように湾曲した第2凹状湾曲部112と、第2流路シール部102に対して突出するように湾曲した第2凸状湾曲部114とを有する。複数の第2バイパス止め凸状部108は、第2端部流路突起94aの第2凹状湾曲部112と第2流路シール部102との間に設けられた第2バイパス止め凸状部108aと、第2端部流路突起94aの第2凸状湾曲部114と第2流路シール部102との間に設けられた第2バイパス止め凸状部108bとを含む。第2バイパス止め凸状部108aと第2バイパス止め凸状部108bとは、第2端部流路突起94a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108aは、一端が第2シールビード部104の内側側部104aに繋がり、他端が第2端部流路突起94aの第2凹状湾曲部112から離間している。他方の第2バイパス止め凸状部108bは、一端が第2シールビード部104の内側側部104aに繋がり、他端が第2端部流路突起94aの第2凸状湾曲部114に繋がっている。
第2バイパス止め凸状部108の高さH3(第2セパレータ本体90に対する突出長)は、第2流路シール部102の高さH4よりも低い(図2参照)。第2バイパス止め凸状部108の突出端面には、アノード電極30の外周部31の外面31aに対向する第2内側端面116と、第1枠状シート40の外面40aに対して離間した状態でアノード電極30よりも外方に位置する第2外側端面118とを含む。
第2外側端面118のうち第2シールビード部104の内側側部104aに隣接する部分には、樹脂枠部24に対して凹む(裏面形状が冷媒面側に突出する)第2凹部120が形成されている。これにより、第2バイパス止め凸状部108に第2凹部120を設けない場合と比較して、第2流路シール部102の側壁の剛性を低下させることができる。従って、圧縮荷重によって第2シールビード部104の内側側部104aを効果的に弾性変形させることができるため、第2流路シール部102のシール面(第2樹脂シール部材106)に適度なシール面圧を付与することができる。
各第2バイパス止め凸状部108の第2外側端面118には、第2バイパスシール部材122が設けられている。第2バイパスシール部材122は、第2外側端面118に樹脂材料を印刷又は塗布等で固着することにより形成されたゴムシールである。第2バイパスシール部材122を構成する樹脂材料としては、上述した第1樹脂シール部材68及び第2樹脂シール部材106の構成材料と同様のものが挙げられる。つまり、第2バイパスシール部材122は、ゴム材料によって構成されている。また、第2バイパスシール部材122の構成材料は、第2樹脂シール部材106の構成材料と同じである。この場合、例えば、第2シールビード部104の突出端面に樹脂材料を塗布する際に第2外側端面118にも当該樹脂材料を塗布することができるため、第2バイパスシール部材122を効率的に形成することができる。
図2において、第2バイパスシール部材122は、第2外側端面118の全体に設けられている。つまり、第2バイパスシール部材122は、第2凹部120の底面にも設けられている。第2バイパスシール部材122のうち樹脂枠部24側の外面122aは、第1枠状シート40の外面40aに対して近接し僅かな隙間が形成されている。これにより、圧縮荷重が第2バイパスシール部材122に作用することが抑えられるため、第2流路シール部102のシール面に適度なシール面圧を付与することができる。
ただし、第2バイパスシール部材122の外面122aは、第1枠状シート40の外面40aに対して接触してもよい。この場合であっても、第2バイパスシール部材122がゴム材料によって構成されている(第2シールビード部104に比べて弾性変形し易い)ため、第2流路シール部102のシール面圧が大きく低下することを抑えることができる。
第2バイパスシール部材122のうちMEA22側の外面122bは、アノード電極30の外周端面30eに対して接触又は近接している。第2バイパスシール部材122のうちMEA22とは反対側の外面122cは、第2シールビード部104の内側側部104aに対して離間している。これにより、発電セル10に圧縮荷重を付与した際に、第2シールビード部104の内側側部104aの弾性変形が第2バイパスシール部材122によって阻害されることがない。
第2バイパスシール部材122は、全ての第2バイパス止め凸状部108に設けられなくてもよい。第2バイパスシール部材122は、複数の第2バイパス止め凸状部108のうち燃料ガス流路92の入口側に最も近い第2バイパス止め凸状部108に少なくとも設けられていればよい。
図6において、互いに隣接する第2バイパス止め凸状部108の間には、MEA22の外周部を支持する第2中間凸状部124が設けられている。第2中間凸状部124は、樹脂枠付きMEA14に向かって突出している。第2中間凸状部124は、互いに隣接する第2バイパス止め凸状部108の間に、複数個ずつ配置されている。第2中間凸状部124は、積層方向から見て、アノード電極30の外周部31及び外周端面30eに重なる位置に配置されている。
図7に示すように、積層方向から見て、酸化剤ガス流路56の第1流路突起58と燃料ガス流路92の第2流路突起94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2バイパス止め凸状部108は、積層方向から見て、第1バイパス止め凸状部70と重なる。
図1に示すように、互いに接合される第1セパレータ本体54の面54bと第2セパレータ本体90の面90bとの間には、冷却媒体供給連通孔50aと冷却媒体排出連通孔50bとに流体的に連通する冷却媒体流路126が形成される。冷却媒体流路126は、酸化剤ガス流路56が形成された第1セパレータ本体54の裏面形状と、燃料ガス流路92が形成された第2セパレータ本体90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10は、以下のように動作する。
まず、図1に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔48aに供給される。燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔52aに供給される。冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔50aに供給される。
酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔48aから第1セパレータ部材16の酸化剤ガス流路56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56に沿って矢印B方向に移動し、MEA22のカソード電極28に供給される。
一方、図1に示すように、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔52aから第2セパレータ部材18の燃料ガス流路92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92に沿って矢印B方向に移動し、MEA22のアノード電極30に供給される。
従って、各MEA22では、カソード電極28に供給される酸化剤ガスと、アノード電極30に供給される燃料ガスとが、第1電極触媒層32及び第2電極触媒層36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28に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路56から酸化剤ガス排出連通孔48bへと流動し、酸化剤ガス排出連通孔48bに沿って矢印A方向に排出される。同様に、アノード電極30に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス流路92から燃料ガス排出連通孔52bへと流動し、燃料ガス排出連通孔52bに沿って矢印A方向に排出される。
また、冷却媒体供給連通孔50aに供給された冷却媒体は、第1セパレータ本体54と第2セパレータ本体90との間に形成された冷却媒体流路126に導入された後、矢印B方向に流通する。この冷却媒体は、MEA22を冷却した後、冷却媒体排出連通孔50bから排出される。
本実施形態は、以下の効果を奏する。
第1バイパス止め凸状部70の突出端面には、カソード電極28よりも外方に位置するように第1バイパスシール部材83が設けられている。第2バイパス止め凸状部108の突出端面には、アノード電極30よりも外方に位置するように第2バイパスシール部材122が設けられている。
このような構成によれば、酸化剤ガスの第1バイパス流路72への流入を第1バイパス止め凸状部70と第1バイパスシール部材83とによって効果的に抑えることができる。これにより、酸化剤ガス流路56を流れる酸化剤ガスの流量が低下することを抑えることができる。そのため、発電時にカソード電極28で生成された液水が酸化剤ガス流路56に滞留した場合であっても、酸化剤ガス流路56内の液水を酸化剤ガスによって円滑に排水することができる。
また、燃料ガスの第2バイパス流路110への流入を第2バイパス止め凸状部108と第2バイパスシール部材122とによって効果的に抑えることができる。これにより、燃料ガス流路92を流れる燃料ガスの流量が低下することを抑えることができる。そのため、発電時にカソード電極28で生成された液水がアノード電極30側に逆拡散して燃料ガス流路92に滞留した場合であっても、燃料ガス流路92内の液水を燃料ガスによって円滑に排水することができる。従って、発電の安定化を図ることができる。
第1バイパス止め凸状部70の突出端面は、カソード電極28の外周部29に対向する第1内側端面78と、樹脂枠部24に対して離間した状態でカソード電極28よりも外方に位置する第1外側端面80とを含む。第1バイパスシール部材83は、第1外側端面80に設けられている。
このような構成によれば、樹脂枠部24及び第1バイパス止め凸状部70の寸法ばらつきによってカソード電極28の外周部29の外面29aと第1バイパス止め凸状部70の第1内側端面78との間に隙間が形成された場合であっても、当該隙間を介した酸化剤ガスの第1バイパス流路72への流入を第1バイパスシール部材83によって抑えることができる。
第2バイパス止め凸状部108の突出端面は、アノード電極30の外周部31に対向する第2内側端面116と、樹脂枠部24に対して離間した状態でアノード電極30よりも外方に位置する第2外側端面118とを含む。第2バイパスシール部材122は、第2外側端面118に設けられている。
このような構成によれば、樹脂枠部24及び第2バイパス止め凸状部108の寸法ばらつきによってアノード電極30の外周部31の外面31aと第2バイパス止め凸状部108の第2内側端面116との間に隙間が形成された場合であっても、当該隙間を介した燃料ガスの第2バイパス流路110への流入を第2バイパスシール部材122によって抑えることができる。
第1バイパスシール部材83は、カソード電極28に接触又は近接している。第2バイパスシール部材122は、アノード電極30に接触又は近接している。
このような構成によれば、酸化剤ガスの第1バイパス流路72への流入を第1バイパスシール部材83によってより効果的に抑えることができる。また、燃料ガスの第2バイパス流路110への流入を第2バイパスシール部材122によってより効果的に抑えることができる。
第1バイパスシール部材83は、カソード電極28の外周部29と第1シールビード部66の内側側部66aとの間に位置している。第2バイパスシール部材122は、アノード電極30の外周部31と第2シールビード部104の内側側部104aとの間に位置している。
このような構成によれば、酸化剤ガスの第1バイパス流路72への流入を第1バイパスシール部材83によって一層効果的に抑えることができる。また、燃料ガスの第2バイパス流路110への流入を第2バイパスシール部材122によって一層効果的に抑えることができる。
第1バイパスシール部材83及び第2バイパスシール部材122は、ゴム材料によって構成されている。
このような構成によれば、酸化剤ガスの第1バイパス流路72への流入を第1バイパスシール部材83によってさらに効果的に抑えることができる。また、燃料ガスの第2バイパス流路110への流入を第2バイパスシール部材122によってさらに効果的に抑えることができる。
第1バイパスシール部材83は、第2枠状シート42の外面42aに近接している。第2バイパスシール部材122は、第1枠状シート40の外面40aに近接している。
このような構成によれば、酸化剤ガスの第1バイパス流路72への流入を第1バイパスシール部材83によってより一層効果的に抑えることができる。また、燃料ガスの第2バイパス流路110への流入を第2バイパスシール部材122によってより一層効果的に抑えることができる。
第1流路シール部64は、第1シールビード部66の突出端面に設けられた第1樹脂シール部材68を含み、第1バイパスシール部材83の構成材料は、第1樹脂シール部材68の構成材料と同じである。第2流路シール部102は、第2シールビード部104の突出端面に設けられた第2樹脂シール部材106を含み、第2バイパスシール部材122の構成材料は、第2樹脂シール部材106の構成材料と同じである。
このような構成によれば、第1樹脂シール部材68の構成材料である樹脂材料を第1シールビード部66の突出端面に設ける際に当該樹脂材料を第1外側端面80にも設けることができるため、第1バイパスシール部材83を効率的に形成することができる。また、第2樹脂シール部材106の構成材料である樹脂材料を第2シールビード部104の突出端面に設ける際に当該樹脂材料を第2外側端面118にも設けることができるため、第2バイパスシール部材122を効率的に形成することができる。
第1バイパス止め凸状部70は、酸化剤ガス流路56の酸化剤ガスの流通方向に複数設けられ、第1バイパスシール部材83は、複数の第1バイパス止め凸状部70のうち、少なくとも酸化剤ガス流路56の入口に最も近い第1バイパス止め凸状部70に設けられている。第2バイパス止め凸状部108は、燃料ガス流路92の燃料ガスの流通方向に複数設けられ、第2バイパスシール部材122は、複数の第2バイパス止め凸状部108のうち、少なくとも燃料ガス流路92の入口に最も近い第2バイパス止め凸状部108に設けられている。
このような構成によれば、酸化剤ガス流路56の上流側から酸化剤ガスが第1バイパス流路72に流入することを効果的に抑えることができる。また、燃料ガス流路92の上流側から燃料ガスが第2バイパス流路110に流入することを効果的に抑えることができる。
第1バイパス止め凸状部70は、第1端部流路突起58aと第1シールビード部66の内側側部66aとを繋ぐように延在し、第1外側端面80のうち第1シールビード部66に隣接する部分には、第1凹部82が形成されている。第2バイパス止め凸状部108は、第2端部流路突起94aと第2シールビード部104の内側側部104aとを繋ぐように延在し、第2外側端面118のうち第2シールビード部104に隣接する部分には、第2凹部120が形成されている。
このような構成によれば、第1凹部82を設けない場合と比較して第1シールビード部66の内側側部66aの剛性を低下させることができるため、圧縮荷重によって第1シールビード部66を弾性変形させ易くすることができる。また、第2凹部120を設けない場合と比較して第2シールビード部104の内側側部104aの剛性を低下させることができるため、圧縮荷重によって第2シールビード部104を弾性変形させ易くすることができる。
本実施形態は、上述した構成に限定されない。発電セル10において、第1バイパスシール部材83又は第2バイパスシール部材122は省略されてもよい。換言すれば、発電セル10は、第1バイパスシール部材83及び第2バイパスシール部材122のいずれか一方のみを有してもよい。
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。
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(26)の両側に電極(28、30)が設けられてなる電解質膜・電極構造体(22)と、前記電解質膜・電極構造体の外周部から外方に突出するように当該外周部に設けられた樹脂枠部(24)と、前記電解質膜・電極構造体の両側に配置されたセパレータ部材(16、18)と、を備えた発電セル(10)であって、前記セパレータ部材は、金属板状のセパレータ本体(54、90)を有し、前記セパレータ本体には、当該セパレータ本体の一端から他端に向かって前記電極の発電領域(46)に沿って反応ガスを流す反応ガス流路(56、92)と、前記樹脂枠部に接触した状態で前記反応ガス流路を囲んで前記反応ガスの漏れを防止する流路シール部(64、102)と、が設けられ、前記流路シール部は、セパレータ厚さ方向の圧縮荷重によって弾性変形するように前記セパレータ本体に一体的に突出成形されたシールビード部(66、104)を含み、前記セパレータ本体には、前記反応ガス流路の流路幅方向端部(58a、94a)と前記流路シール部との間への前記反応ガスのバイパスを防止するためのバイパス止め凸状部(70、108)が前記電解質膜・電極構造体側に向かって一体的に突出成形され、前記バイパス止め凸状部の突出端面には、前記電極よりも外方に位置するようにバイパスシール部材(83、122)が設けられている、発電セルを開示している。
上記の発電セルにおいて、前記バイパス止め凸状部の突出端面は、前記電極の外周部に対向する内側端面(78、116)と、前記樹脂枠部に対して離間した状態で前記電極よりも外方に位置する外側端面(80、118)と、を含み、前記バイパスシール部材は、前記外側端面に設けられてもよい。
上記の発電セルにおいて、前記バイパスシール部材は、前記電極に接触又は近接してもよい。
上記の発電セルにおいて、前記バイパスシール部材は、前記電極の前記外周部と前記シールビード部の内側側部(66a、104a)との間に位置してもよい。
上記の発電セルにおいて、前記バイパスシール部材は、ゴム材料によって構成されてもよい。
上記の発電セルにおいて、前記バイパスシール部材は、前記樹脂枠部の外面(40a、42a)に近接してもよい。
上記の発電セルにおいて、前記流路シール部は、前記シールビード部の突出端面に設けられた樹脂シール部材(68、106)を含み、前記バイパスシール部材の構成材料は、前記樹脂シール部材の構成材料と同じであってもよい。
上記の発電セルにおいて、前記バイパス止め凸状部は、前記反応ガス流路の前記反応ガスの流通方向に複数設けられ、前記バイパスシール部材は、複数の前記バイパス止め凸状部のうち、少なくとも前記反応ガス流路の入口に最も近いバイパス止め凸状部に設けられてもよい。
上記の発電セルにおいて、前記バイパス止め凸状部は、前記流路幅方向端部と前記シールビード部の内側側部とを繋ぐように延在し、前記外側端面のうち前記シールビード部の前記内側側部に隣接する部分には、凹部(82、120)が形成されてもよい。
10…発電セル 16…第1セパレータ部材
18…第2セパレータ部材 22…MEA(電解質膜・電極構造体)
24…樹脂枠部 26…電解質膜
28…カソード電極 30…アノード電極
46…発電領域 54…第1セパレータ本体
56…酸化剤ガス流路
58a…第1端部流路突起(流路幅方向端部)
64…第1流路シール部 66…第1シールビード部
68…第1樹脂シール部材 70…第1バイパス止め凸状部
72…第1バイパス流路 78…第1内側端面
80…第1外側端面 82…第1凹部
83…第1バイパスシール部材 90…第2セパレータ本体
92…燃料ガス流路
94a…第2端部流路突起(流路幅方向端部)
102…第2流路シール部 104…第2シールビード部
106…第2樹脂シール部材 108…第2バイパス止め凸状部
110…第2バイパス流路 116…第2内側端面
118…第2外側端面 120…第2凹部
122…第2バイパスシール部材
上記の発電セルにおいて、前記バイパス止め凸状部は、前記流路幅方向端部と前記シールビード部の内側側部とを繋ぐように延在し、前記突出端面のうち前記シールビード部の前記内側側部に隣接する部分には、凹部(82、120)が形成されてもよい。

Claims (9)

  1. 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・電極構造体の外周部から外方に突出するように当該外周部に設けられた樹脂枠部と、前記電解質膜・電極構造体の両側に配置されたセパレータ部材と、を備えた発電セルであって、
    前記セパレータ部材は、金属板状のセパレータ本体を有し、
    前記セパレータ本体には、
    当該セパレータ本体の一端から他端に向かって前記電極の発電領域に沿って反応ガスを流す反応ガス流路と、
    前記樹脂枠部に接触した状態で前記反応ガス流路を囲んで前記反応ガスの漏れを防止する流路シール部と、が設けられ、
    前記流路シール部は、セパレータ厚さ方向の圧縮荷重によって弾性変形するように前記セパレータ本体に一体的に突出成形されたシールビード部を含み、
    前記セパレータ本体には、前記反応ガス流路の流路幅方向端部と前記流路シール部との間への前記反応ガスのバイパスを防止するためのバイパス止め凸状部が前記電解質膜・電極構造体側に向かって一体的に突出成形され、
    前記バイパス止め凸状部の突出端面には、前記電極よりも外方に位置するようにバイパスシール部材が設けられている、発電セル。
  2. 請求項1記載の発電セルであって、
    前記バイパス止め凸状部の突出端面は、
    前記電極の外周部に対向する内側端面と、
    前記樹脂枠部に対して離間した状態で前記電極よりも外方に位置する外側端面と、を含み、
    前記バイパスシール部材は、前記外側端面に設けられている、発電セル。
  3. 請求項1又は2に記載の発電セルであって、
    前記バイパスシール部材は、前記電極に接触又は近接している、発電セル。
  4. 請求項1~3のいずれか1項に記載の発電セルであって、
    前記バイパスシール部材は、前記電極の前記外周部と前記シールビード部の内側側部との間に位置している、発電セル。
  5. 請求項1~4のいずれか1項に記載の発電セルであって、
    前記バイパスシール部材は、ゴム材料によって構成されている、発電セル。
  6. 請求項1~5のいずれか1項に記載の発電セルであって、
    前記バイパスシール部材は、前記樹脂枠部の外面に近接している、発電セル。
  7. 請求項1~6のいずれか1項に記載の発電セルであって、
    前記流路シール部は、前記シールビード部の突出端面に設けられた樹脂シール部材を含み、
    前記バイパスシール部材の構成材料は、前記樹脂シール部材の構成材料と同じである、発電セル。
  8. 請求項1~7のいずれか1項に記載の発電セルであって、
    前記バイパス止め凸状部は、前記反応ガス流路の前記反応ガスの流通方向に複数設けられ、
    前記バイパスシール部材は、複数の前記バイパス止め凸状部のうち、少なくとも前記反応ガス流路の入口に最も近いバイパス止め凸状部に設けられている、発電セル。
  9. 請求項1~8のいずれか1項に記載の発電セルであって、
    前記バイパス止め凸状部は、前記流路幅方向端部と前記シールビード部の内側側部とを繋ぐように延在し、
    前記外側端面のうち前記シールビード部の前記内側側部に隣接する部分には、凹部が形成されている、発電セル。
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