JP6496380B1 - 燃料電池用接合セパレータ及び燃料電池スタック - Google Patents

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Abstract

【課題】金属セパレータの外周部に隙間腐食が発生することを抑えることができ、耐久性を向上させることができる燃料電池用接合セパレータ及び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の接合セパレータ３３は、第１金属セパレータ３０と第２金属セパレータ３２とを接合ライン１００で接合することによって構成される。接合ライン１００は、連通孔接合ライン１０２と、第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２の外周部に設けられた第１外周接合ライン１０４と、第１外周接合ライン１０４の外側を周回するように第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２の外周部に設けられた第２外周接合ライン１０６とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、２枚の金属セパレータを接合ラインで接合することによって構成された燃料電池用接合セパレータ及び燃料電池スタックに関する。
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。
互いに隣接する２枚の金属セパレータは、外周を溶接（外周接合ライン）により一体的に接合され、接合セパレータを構成する（例えば、特許文献１参照）。
米国特許出願公開第２００６／００５４６６４号明細書
上述した従来の接合セパレータでは、２枚の金属セパレータのうち外周接合ラインよりも外側の部位同士の間に隙間が形成されている。そのため、前記隙間に塩化物イオン等の隙間腐食の原因となるイオン（以下、「腐食原因イオン」という）が流入すると、金属セパレータの外周部に隙間腐食（酸素濃淡電池腐食）が発生するおそれがある。
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、金属セパレータの外周部に隙間腐食が発生することを抑えることができ、耐久性を向上させることができる燃料電池用接合セパレータ及び燃料電池スタックを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る燃料電池用接合セパレータは、電極面に沿って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に連通する反応ガス連通孔とが形成された２枚の金属セパレータを、これら前記金属セパレータの間に冷媒を流すための冷媒流路が形成されるように互いに積層するとともに接合ラインで接合することによって構成された燃料電池用接合セパレータであって、前記接合ラインは、前記反応ガス連通孔を周回するように設けられた連通孔接合ラインと、前記反応ガス流路、前記冷媒流路及び前記反応ガス連通孔を全体的に囲むように前記金属セパレータの外周部に設けられた第１外周接合ラインと、前記第１外周接合ラインよりも外側を周回するように前記金属セパレータの前記外周部に設けられた第２外周接合ラインと、を有することを特徴とする。
上記の燃料電池用接合セパレータにおいて、２枚の前記金属セパレータは、前記第１外周接合ラインと前記第２外周接合ラインとの間で互いに当接していることが好ましい。
上記の燃料電池用接合セパレータにおいて、前記第１外周接合ラインと前記第２外周接合ラインとの間における２枚の前記金属セパレータの当接面は、平坦に形成されていることが好ましい。
上記の燃料電池用接合セパレータにおいて、前記第２外周接合ラインは、前記金属セパレータの外周形状に沿って設けられていることが好ましい。
上記の燃料電池用接合セパレータにおいて、前記接合ラインは、レーザ溶接ビードであることが好ましい。
上記の燃料電池用接合セパレータにおいて、２枚の前記金属セパレータは、前記第２外周接合ラインよりも外側で互いに当接していることが好ましい。
本発明に係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・電極構造体と前記電解質膜・電極構造体の両側に配設された金属セパレータとを有する発電セルが互いに積層された燃料電池スタックであって、互いに隣接する２枚の前記金属セパレータは、互いに接合されることにより、上述した燃料電池用接合セパレータを構成することを特徴とする。
本発明によれば、第１外周接合ラインよりも外側を周回するように金属セパレータの外周部に第２外周接合ラインを設けている。そのため、燃料電池用接合セパレータにおける第２外周接合ラインよりも内側に腐食原因イオンが流入することを抑制できる。これにより、燃料電池用接合セパレータにおける第１外周接合ラインと第２外周接合ラインとの間（金属セパレータの外周部）に隙間腐食が発生することを抑えることができるため、燃料電池用接合セパレータの耐久性を向上させることができる。また、第１外周接合ラインは、燃料電池用接合セパレータのビードシールが潰れる際の反力を受ける機能があるため、第１外周接合ラインの腐食許容量は第２外周接合ラインの腐食許容量よりも小さくなる。換言すれば、第１外周接合ラインは、第２外周接合ラインに比べて大きな荷重を受けるため、腐食し易い。しかしながら、燃料電池用接合セパレータにおける第１外周接合ラインと第２外周接合ラインとの間に隙間腐食が発生することが抑えられるため、腐食し易い第１外周接合ラインの腐食を好適に抑えることができる。よって、燃料電池用接合セパレータの耐久性を大幅に向上させることができる。
本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックを構成する発電セルの分解斜視図である。 図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿った発電セルの要部断面図である。 第１金属セパレータの酸化剤ガス流路側から見た平面図である。 第２金属セパレータの燃料ガス流路側から見た平面図である。
以下、本発明に係る燃料電池用接合セパレータ及び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、燃料電池用接合セパレータ３３（以下、「接合セパレータ３３」という）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。反応ガス連通孔としての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、個数は、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１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方向に延在する反応ガス流路としての酸化剤ガス流路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、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。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、プレス成形により酸化剤ガスの外部への漏れを防止するための第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（第１金属セパレータ３０の厚さ方向に）突出成形される。図２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３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連通孔ビード部５３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を囲む外周側ビード部５４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。また、複数の連通孔ビード部５３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５３ｃ」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５３ｄ」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（酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、酸化剤ガス出口連通孔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。
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方向に延在する反応ガス流路としての燃料ガス流路５８が形成される。
図４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、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、プレス成形により燃料ガスの外部への漏れを防止するための第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（第２金属セパレータ３２の厚さ方向に）突出成形される。図２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連通孔ビード部６３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を囲む外周側ビード部６４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。また、複数の連通孔ビード部６３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６３ｃ」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６３ｄ」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（燃料ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス出口連通孔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。
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媒流路６６が形成される。冷媒流路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。
図３及び図４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、接合ライン１００によって互いに接合されている。接合ライン１００は、レーザ溶接によって形成されたレーザ溶接ビードである。ただし、接合ライン１００は、レーザ溶接ビードに限定されず、レーザ溶接以外の溶接（例えば、ＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接、シーム溶接等）によって形成された溶接ビードであってもよいし、摩擦撹拌接合やろう付け等によって形成された接合部であってもよい。
接合ライン１００は、連通孔接合ライン１０２、第１外周接合ライン１０４及び第２外周接合ライン１０６を有する。連通孔接合ライン１０２は、４つの連通孔接合ライン１０２ａ〜１０２ｄを有する。
連通孔接合ライン１０２ａは、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、連通孔ビード部５３ａ、連通孔ビード部６３ｃ及びブリッジ部８０を全体的（一体的）に囲むように設けられる。連通孔接合ライン１０２ｂは、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ、連通孔ビード部５３ｂ、連通孔ビード部６３ｄ及びブリッジ部８２を全体的（一体的）に囲むように設けられる。
連通孔接合ライン１０２ｃは、燃料ガス入口連通孔３８ａ、連通孔ビード部５３ｃ、連通孔ビード部６３ａ及びブリッジ部９０を全体的に囲むように設けられる。連通孔接合ライン１０２ｄは、燃料ガス出口連通孔３８ｂ、連通孔ビード部５３ｄ、連通孔ビード部６３ｂ及びブリッジ部９２を全体的に囲むように設けられる。
図２〜図４に示すように、第１外周接合ライン１０４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、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び冷却媒体出口連通孔３６ｂを全体的（一体的）に囲むように、接合セパレータ３３の外周部に設けられる。換言すれば、第１外周接合ライン１０４は、連通孔ビード部５３、６３及び外周側ビード部５４、６４を全体的（一体的）に囲む。なお、第１外周接合ライン１０４は、外周側ビード部５４、６４に近接して設けるのが好ましい。この場合、第１外周接合ライン１０４は、外周側ビード部５４、６４が潰れる際の反力を効果的に受けることができる。
第２外周接合ライン１０６は、第１外周接合ライン１０４の外側を周回するように第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２の外周部に設けられている。第２外周接合ライン１０６は、接合セパレータ３３の外端縁部３３ｅ（第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２の外周形状）に沿って設けられている。
すなわち、接合セパレータ３３の外周部には、第１外周接合ライン１０４と第２外周接合ライン１０６とが２重に設けられている。第１外周接合ライン１０４と第２外周接合ライン１０６とは、接合セパレータ３３の外端縁部３３ｅに沿って並設されている。
図２に示すように、第１金属セパレータ３０のうち第１外周接合ライン１０４と第２外周接合ライン１０６との間に位置する第１外周部位３０ｅ１と、第２金属セパレータ３２のうち第１外周接合ライン１０４と第２外周接合ライン１０６との間に位置する第２外周部位３２ｅ１とは、互いに当接している。換言すれば、第１外周部位３０ｅ１と第２外周部位３２ｅ１とは、全周（略全面）に亘って互いに当接している。つまり、第１外周部位３０ｅ１と第２外周部位３２ｅ１との間には、隙間が実質的に形成されていない。
第１外周接合ライン１０４と第２外周接合ライン１０６との間における第１金属セパレータ３０と第２金属セパレータ３２との当接面は、平坦に形成されている。換言すれば、第１外周部位３０ｅ１のうち第２外周部位３２ｅ１に対向する面は、平坦に形成されている。第２外周部位３２ｅ１のうち第１外周部位３０ｅ１に対向する面は、平坦に形成されている。
第１金属セパレータ３０のうち第２外周接合ライン１０６よりも外側に位置する第１最外部位３０ｅ２と、第２金属セパレータ３２のうち第２外周接合ライン１０６よりも外側に位置する第２最外部位３２ｅ２とは、互いに当接している。換言すれば、第１最外部位３０ｅ２と第２最外部位３２ｅ２とは、全周（略全面）に亘って互いに当接している。つまり、第１最外部位３０ｅ２と第２最外部位３２ｅ２との間には、隙間が実質的に形成されていない。
第２外周接合ライン１０６よりも外側における第１金属セパレータ３０と第２金属セパレータ３２との当接面は、平坦に形成されている。換言すれば、第１最外部位３０ｅ２のうち第２最外部位３２ｅ２に対向する面は、平坦に形成されている。第２最外部位３２ｅ２のうち第１最外部位３０ｅ２に対向する面は、平坦に形成されている。
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からブリッジ部８０（図３）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、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媒流路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、本実施形態に係る発電セル１２は、以下の効果を奏する。
接合セパレータ３３は、第１金属セパレータ３０と第２金属セパレータ３２との間に冷媒流路６６が形成されるように第１金属セパレータ３０と第２金属セパレータ３２とを互いに積層するとともに接合ライン１００で接合することによって構成されている。
接合ライン１００は、連通孔接合ライン１０２、第１外周接合ライン１０４及び第２外周接合ライン１０６を有する。連通孔接合ライン１０２は、反応ガス連通孔（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）を周回するように設けられている。
第１外周接合ライン１０４は、冷媒流路６６及び上記の反応ガス連通孔を全体的に囲むように接合セパレータ３３（第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２）の外周部に設けられている。第２外周接合ライン１０６は、第１外周接合ライン１０４よりも外側を周回するように接合セパレータ３３（第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２）の外周部に設けられている。
これにより、接合セパレータ３３における第２外周接合ライン１０６よりも内側（第１外周部位３０ｅ１と第２外周部位３２ｅ１との間）に腐食原因イオンが流入することを抑制できる。よって、接合セパレータ３３にける第１外周接合ライン１０４と第２外周接合ライン１０６との間（第１外周部位３０ｅ１及び第２外周部位３２ｅ１の少なくともいずれか）に隙間腐食が発生することを抑えることができるため、接合セパレータ３３の耐久性を向上させることができる。
また、第１外周接合ライン１０４は、接合セパレータ３３のビードシール（外周側ビード部５４、６４）が潰れる際の反力を受ける機能があるため、第１外周接合ライン１０４の腐食許容量は第２外周接合ライン１０６の腐食許容量よりも小さくなる。換言すれば、第１外周接合ライン１０４は、第２外周接合ライン１０６に比べて大きな荷重を受けるため、腐食し易い。しかしながら、接合セパレータ３３における第１外周接合ライン１０４と第２外周接合ライン１０６との間に隙間腐食が発生することが抑えられるため、腐食し易い第１外周接合ライン１０４の腐食を好適に抑えることができる。よって、接合セパレータ３３の耐久性を大幅に向上させることができる。
第１金属セパレータ３０と第２金属セパレータ３２とは、第１外周接合ライン１０４と第２外周接合ライン１０６との間で互いに当接している。換言すれば、第１外周部位３０ｅ１と第２外周部位３２ｅ１とは互いに当接している。そのため、第１外周部位３０ｅ１と第２外周部位３２ｅ１との間に腐食原因イオンが流入することを効果的に抑えることができる。
第１外周接合ライン１０４と第２外周接合ライン１０６との間における第１金属セパレータ３０と第２金属セパレータ３２との当接面は、平坦に形成されている。これにより、簡易な構成で第１外周部位３０ｅ１と第２外周部位３２ｅ１とを効率的に当接させることができる。
第２外周接合ライン１０６は、第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２の外周形状に沿って設けられている。これにより、第１金属セパレータ３０と第２金属セパレータ３２との間に腐食原因イオンが流入することを一層効果的に抑えることができる。
接合ライン１００は、レーザ溶接ビードであるため、第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２を効率的且つ確実に接合することができる。
第１金属セパレータ３０と第２金属セパレータ３２とは、第２外周接合ライン１０６よりも外周側で互いに当接している。換言すれば、第１最外部位３０ｅ２と第２最外部位３２ｅ２とは互いに当接している。これにより、接合セパレータ３３における第２外周接合ライン１０６よりも外側（第１最外部位３０ｅ２と第２最外部位３２ｅ２との間）に腐食原因イオンが流入することを抑制できる。
よって、接合セパレータ３３における第２外周接合ライン１０６よりも外側（第１最外部位３０ｅ２及び第２最外部位３２ｅ２の少なくともいずれか）に隙間腐食が発生することを抑えることができるため、接合セパレータ３３の耐久性を一層向上させることができる。
接合セパレータ３３では、第２外周接合ライン１０６を周回するように第２外周接合ライン１０６よりも外側に１本又は複数本の接合ラインを設けてもよい。第１外周接合ライン１０４と第２外周接合ライン１０６との間隔は、全周に亘って一定でなくてもよく、周方向に向かって増減していてもよい。
本発明に係る燃料電池用接合セパレータ及び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。
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
３３…接合セパレータ（燃料電池用接合セパレータ）
４８…酸化剤ガス流路 ５８…燃料ガス流路
６６…冷媒流路 １００…接合ライン
１０２ａ〜１０２ｄ…連通孔接合ライン
１０４…第１外周接合ライン １０６…第２外周接合ライン

Claims (7)

  1. 電極面に沿って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に連通する反応ガス連通孔とが形成された２枚の金属セパレータを、これら前記金属セパレータの間に冷媒を流すための冷媒流路が形成されるように互いに積層するとともに接合ラインで接合することによって構成された燃料電池用接合セパレータであって、
    前記接合ラインは、
    前記反応ガス連通孔を周回するように設けられた連通孔接合ラインと、
    前記反応ガス流路、前記冷媒流路及び前記反応ガス連通孔を全体的に囲むように前記金属セパレータの外周部に設けられた第１外周接合ラインと、
    前記第１外周接合ラインよりも外側を周回するように前記金属セパレータの前記外周部に設けられた第２外周接合ラインと、を有する、
    ことを特徴とする燃料電池用接合セパレータ。
  2. 請求項１記載の燃料電池用接合セパレータにおいて、
    ２枚の前記金属セパレータは、前記第１外周接合ラインと前記第２外周接合ラインとの間で互いに当接している、
    ことを特徴とする燃料電池用接合セパレータ。
  3. 請求項２記載の燃料電池用接合セパレータにおいて、
    前記第１外周接合ラインと前記第２外周接合ラインとの間における２枚の前記金属セパレータの当接面は、平坦に形成されている、
    ことを特徴とする燃料電池用接合セパレータ。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池用接合セパレータにおいて、
    前記第２外周接合ラインは、前記金属セパレータの外周形状に沿って設けられている、
    ことを特徴とする燃料電池用接合セパレータ。
  5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池用接合セパレータにおいて、
    前記接合ラインは、レーザ溶接ビードである、
    ことを特徴とする燃料電池用接合セパレータ。
  6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池用接合セパレータにおいて、
    ２枚の前記金属セパレータは、前記第２外周接合ラインよりも外側で互いに当接している、
    ことを特徴とする燃料電池用接合セパレータ。
  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金属セパレータとを有する発電セルが互いに積層された燃料電池スタックであって、
    互いに隣接する２枚の前記金属セパレータは、互いに接合されることにより、請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池用接合セパレータを構成する、
    ことを特徴とする燃料電池スタック。
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