JP6581156B2 - 発電セル - Google Patents

Description

本発明は、ビードシール及びエンボスが形成された金属セパレータを備えた発電セルに関する。

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、ＭＥＡと一方のセパレータとの間に、一方の反応ガス流路として燃料ガス流路が形成され、ＭＥＡと他方のセパレータとの間に、他方の反応ガス流路として酸化剤ガス流路が形成されている。また、発電セルでは、複数の反応ガス連通孔が積層方向に沿って形成されている。

発電セルでは、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のシール部が設けられている。発電セルでは、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。例えば、特許文献１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。一方、反応ガス連通孔から反応ガス流路（発電領域）へとバランスよく反応ガスを流すために、反応ガス連通孔と反応ガス流路との間にエンボスが設けられる場合がある。

米国特許第６６０５３８０号明細書

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、金属セパレータに形成されたビードシールによる所望のシール性を容易に確保することができるとともに、燃料電池スタックの締付荷重の増大を抑制することが可能な発電セル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、電解質膜・電極構造体と前記電解質膜・電極構造体の外周に設けられた樹脂フィルムとを有する樹脂フィルム付きＭＥＡと、前記樹脂フィルム付きＭＥＡの両側にそれぞれ配設された金属セパレータとを備え、前記樹脂フィルム付きＭＥＡと前記金属セパレータとが積層された発電セルであって、前記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、前記反応ガス流路と連通するとともにセパレータ厚さ方向に貫通した反応ガス連通孔と、前記反応ガス連通孔の外周を周回するとともに前記セパレータ厚さ方向に突出したシール用の連通孔ビード部と、前記反応ガス流路と前記連通孔ビード部との間に配置されるとともに前記セパレータ厚さ方向に突出した整流用のエンボスと、が形成されており、一対の前記金属セパレータの前記連通孔ビード部により前記樹脂フィルムが挟持されており、前記連通孔ビード部は、前記金属セパレータに一体的に前記樹脂フィルムに向かって膨出成形され、前記樹脂フィルム付きＭＥＡと前記金属セパレータとの積層方向に沿った締付荷重の付与により弾性変形する金属ビード部であり、前記エンボスの突出高さは、前記締付荷重が付与されていない状態で前記連通孔ビード部の突出高さよりも低く、前記エンボスは、前記締付荷重が付与されて前記金属ビード部が弾性変形した状態で前記樹脂フィルムに接触する。

前記金属セパレータには、前記反応ガス流路の流入側に配置された前記エンボスを有する入口バッファ部と、前記反応ガス流路の流出側に配置された前記エンボスを有する出口バッファ部とが形成され、前記入口バッファ部の前記エンボスの突出高さは、前記締付荷重が付与されていない状態で、前記反応ガス流路へと前記反応ガスを供給する前記反応ガス連通孔を囲む前記連通孔ビード部の突出高さよりも低く、前記出口バッファ部の前記エンボスの突出高さは、前記締付荷重が付与されていない状態で、前記反応ガス流路から前記反応ガスを受け入れる前記反応ガス連通孔を囲む前記連通孔ビード部の突出高さよりも低いことが好ましい。

複数個の前記エンボスのすべての突出高さが、前記締付荷重が付与されていない状態で前記連通孔ビード部の突出高さよりも低いことが好ましい。

一対の前記金属セパレータのうち、一方の前記金属セパレータには、一方の前記反応ガス流路としての酸化剤ガス流路と、一方の前記反応ガス連通孔としての酸化剤ガス連通孔と、前記酸化剤ガス連通孔を囲む一方の前記連通孔ビード部と、一方の前記連通孔ビード部と前記酸化剤ガス流路との間に配置された一方の前記エンボスとが形成され、他方の前記金属セパレータには、他方の前記反応ガス流路としての燃料ガス流路と、他方の前記反応ガス連通孔としての燃料ガス連通孔と、前記燃料ガス連通孔を囲む他方の前記連通孔ビード部と、他方の前記連通孔ビード部と前記燃料ガス流路との間に配置された他方の前記エンボスとが形成され、一方の前記エンボスの突出高さは、前記締付荷重が付与されていない状態で一方の前記連通孔ビード部の突出高さよりも低く、他方の前記エンボスの突出高さは、前記締付荷重が付与されていない状態で他方の前記連通孔ビード部の突出高さよりも低いことが好ましい。

前記エンボスの頂部は、前記樹脂フィルムと直接対向していることが好ましい。

前記金属セパレータには、前記反応ガス流路を囲むとともに前記セパレータ厚さ方向に突出したビードシールが形成され、前記ビードシールの突出高さは、前記連通孔ビード部の突出高さと同じであることが好ましい。

前記エンボスの平面形状は、円形又は長円形であることが好ましい。

本発明の発電セルによれば、金属セパレータに形成されたビードシールによる所望のシール性を容易に確保することができるとともに、燃料電池スタックの締付荷重の増大を抑制することが可能となる。

本発明の実施形態に係る発電セルの分解斜視図である。 第１金属セパレータの正面説明図である。 図１に示す発電セルのＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。 第２金属セパレータの正面説明図である。 図１に示す発電セルのＶ−Ｖ線に沿った断面図である。

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。

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、燃料電池スタックが構成される。燃料電池スタックは、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、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の長辺方向である水平方向の一端縁部（矢印Ｂ１方向側の端縁部）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の長辺方向である水平方向の他端縁部（矢印Ｂ２方向側の端縁部）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。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１及び図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。

図３に示すように、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の外周端面に近接し、重なり又は当接する。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方向側の端縁部には、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。

図２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、複数個のエンボス５０ａを有する入口バッファ部５０Ａが設けられる。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５０ｂを有する出口バッファ部５０Ｂが設けられる。エンボス５０ａ、５０ｂは、平面視（積層方向視）で、円形に形成されている。エンボス５０ａ、５０ｂは、平面視（積層方向視）で、長円形あるいはライン状に形成されてもよい。

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シールライン５１が樹脂フィルム付きＭＥＡ２８（図１）に向かって膨出成形される。第１シールライン５１の凸部先端面には、樹脂材が印刷又は塗布等により固着されてもよい。樹脂材は、例えば、ポリエステル繊維が使用される。樹脂材は、樹脂フィルム４６側に設けられてもよい。

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。外側ビード部５２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。連通孔ビード部５３ａと酸化剤ガス流路４８との間に、上述した入口バッファ部５０Ａ（複数個のエンボス５０ａ）が配置されている。連通孔ビード部５３ｂと酸化剤ガス流路４８との間に、上述した出口バッファ部５０Ｂ（複数個のエンボス５０ｂ）が配置されている。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５３ａ１に、ブリッジ部８０が設けられる。ブリッジ部８０は、互いに間隔を置いて配置された複数のトンネル８０ａを有する。複数のトンネル８０ａの高さは、連通孔ビード部５３ａの高さよりも低い。複数のトンネル８０ａは、連通孔ビード部５３ａと交差するように、プレス成形により樹脂フィルム付きＭＥＡ２８（図１）に向かって膨出成形される。各トンネル８０ａの一端部は、酸化剤ガス入口連通孔３４ａに開口している。各トンネル８０ａの他端部には、開口部８０ｂが設けられている。これにより、酸化剤ガス入口連通孔３４ａと、酸化剤ガス流路４８とは、ブリッジ部８０を介して連通している。

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５３ｂ１に、ブリッジ部８２が設けられる。ブリッジ部８２は、互いに間隔を置いて配置された複数のトンネル８２ａを有する。複数のトンネル８２ａの高さは、連通孔ビード部５３ｂの高さよりも低い。複数のトンネル８２ａは、連通孔ビード部５３ｂと交差するように、プレス成形により樹脂フィルム付きＭＥＡ２８（図１）に向かって膨出成形される。各トンネル８２ａの一端部は、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂに開口している。各トンネル８２ａの他端部には、開口部８２ｂが設けられている。これにより、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂと、酸化剤ガス流路４８とは、ブリッジ部８２を介して連通している。

図３に示すように、第１金属セパレータ３０の連通孔ビード部５３と、第２金属セパレータ３２の後述する連通孔ビード部６３とは、樹脂フィルム４６を介して互いに対向している。第１金属セパレータ３０の連通孔ビード部５３と、第２金属セパレータ３２の連通孔ビード部６３とにより、樹脂フィルム４６が挟持されている。

第１金属セパレータ３０のベースプレート部３０ｓ（基準位置）からのエンボス５０ａの突出高さＨ２は、ベースプレート部３０ｓからの連通孔ビード部５３ａの突出高さＨ１よりも低い。エンボス５０ａと連通孔ビード部５３ａとの高低差（Ｈ１−Ｈ２）は、例えば、２０〜１５０μｍであり、好ましくは、３０〜１００μｍである。エンボス５０ａの頂部５０ｔは、樹脂フィルム４６と直接対向している。

同様に、図２において、ベースプレート部３０ｓからのエンボス５０ｂの突出高さは、ベースプレート部３０ｓからの連通孔ビード部５３ｂの突出高さよりも低い。エンボス５０ｂと連通孔ビード部５３ｂとの高低差は、エンボス５０ａと連通孔ビード部５３ａとの高低差（Ｈ１−Ｈ２）と同じである。エンボス５０ｂの頂部は、樹脂フィルム４６（図２）と直接対向している。

連通孔ビード部５３ａの突出高さＨ１及び連通孔ビード部５３ｂの突出高さは、酸化剤ガス流路４８を囲むビードシールである内側ビード部５１ａのベースプレート部３０ｓからの突出高さと同じである。

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、複数個のエンボス６０ａを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６０ｂを有する出口バッファ部６０Ｂが設けられる。エンボス６０ａ、６０ｂは、平面視（積層方向視）で、円形に形成されている。エンボス６０ａ、６０ｂは、平面視（積層方向視）で、長円形あるいはライン状に形成されてもよい。

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シールライン６１が樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かって膨出成形される。第２シールライン６１の凸部先端面には、樹脂材が印刷又は塗布等により固着されてもよい。当該樹脂材は、例えば、ポリエステル繊維が使用される。当該樹脂材は、樹脂フィルム４６側に設けられてもよい。

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（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（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（以下、「連通孔ビード部６３」という）とを有する。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。連通孔ビード部６３ａと燃料ガス流路５８との間に、上述した入口バッファ部６０Ａ（複数個のエンボス６０ａ）が配置されている。連通孔ビード部６３ｂと燃料ガス流路５８との間に、上述した出口バッファ部６０Ｂ（複数個のエンボス６０ｂ）が配置されている。第２金属セパレータ３２には、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６３ａ１に、ブリッジ部９０が設けられる。ブリッジ部９０は、互いに間隔を置いて配置された複数のトンネル９０ａを有する。複数のトンネル９０ａの高さは、連通孔ビード部６３ａの高さよりも低い。複数のトンネル９０ａは、連通孔ビード部６３ａと交差するように、プレス成形により樹脂フィルム付きＭＥＡ２８（図１）に向かって膨出成形される。各トンネル９０ａの一端部は、燃料ガス入口連通孔３８ａに開口している。各トンネル９０ａの他端部には、開口部９０ｂが設けられている。これにより、燃料ガス入口連通孔３８ａと、燃料ガス流路５８とは、ブリッジ部９０を介して連通している。

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６３ｂ１に、ブリッジ部９２が間隔を置いて設けられる。ブリッジ部９２は、互いに間隔を置いて配置された複数のトンネル９２ａを有する。複数のトンネル９２ａの高さは、連通孔ビード部６３ｂの高さよりも低い。複数のトンネル９２ａは、連通孔ビード部６３ｂと交差するように、プレス成形により樹脂フィルム付きＭＥＡ２８（図１）に向かって膨出成形される。各トンネル９２ａの一端部は、燃料ガス出口連通孔３８ｂに開口している。各トンネル９２ａの他端部には、開口部９２ｂが設けられている。これにより、燃料ガス出口連通孔３８ｂと、燃料ガス流路５８とは、ブリッジ部９２を介して連通している。

図５に示すように、第２金属セパレータ３２のベースプレート部３２ｓ（基準位置）からのエンボス６０ａの突出高さＨ４は、ベースプレート部３２ｓからの連通孔ビード部６３ａの突出高さＨ３よりも低い。エンボス６０ａと連通孔ビード部６３ａとの高低差（Ｈ３−Ｈ４）は、例えば、２０〜１５０μｍであり、好ましくは、３０〜１００μｍである。エンボス６０ａの頂部６０ｔは、樹脂フィルム４６と直接対向している。

同様に、図４において、ベースプレート部３２ｓからのエンボス６０ｂの突出高さは、ベースプレート部３２ｓからの連通孔ビード部６３ｂの突出高さよりも低い。エンボス６０ｂと連通孔ビード部６３ｂとの高低差は、エンボス６０ａと連通孔ビード部６３ａとの高低差（Ｈ３−Ｈ４）と同じである。エンボス６０ｂの頂部は、樹脂フィルム４６と直接対向している。

連通孔ビード部６３ａの突出高さＨ３及び連通孔ビード部６３ｂの突出高さは、燃料ガス流路５８を囲むビードシールである内側ビード部６１ａのベースプレート部３２ｓからの突出高さと同じである。

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却媒体流路６６が形成される。冷却媒体流路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。第１金属セパレータ３０と第２金属セパレータ３２は外周及び連通孔の周囲を溶接することにより接合される。溶接に代えて、ロウ付けによって接合されてもよい。

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、図３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及び入口バッファ部５０Ａ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、図４及び図５に示すように、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３８ａからブリッジ部９０及び入口バッファ部６０Ａ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。そして、図１に示すように、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（図４）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、本実施形態に係る発電セル１２は、以下の効果を奏する。

上述したように、発電セル１２では、エンボス５０ａ、５０ｂ、６０ａ、６０ｂの突出高さが、連通孔ビード部５３ａ、５３ｂ、６３ａ、６３ｂの突出高さよりも低い。このため、積層方向に締付荷重が付与された状態で、エンボス５０ａ、５０ｂ、６０ａ、６０ｂは樹脂フィルム４６に接触するものの、エンボス５０ａ、５０ｂ、６０ａ、６０ｂには、燃料電池スタックの締付荷重が作用しない（あるいはほとんど作用しない）。従って、連通孔ビード部５３ａ、５３ｂ、６３ａ、６３ｂが弾性変形することによる所望のシール性を容易に確保することができる。また、燃料電池スタックの締付荷重の増大を抑制することが可能となる。

締付荷重が付与されない状態で、入口バッファ部５０Ａ、６０Ａのエンボス５０ａ、６０ａの突出高さは、連通孔ビード部５３ａ、６３ａの突出高さよりも低い。また、締付荷重が付与されない状態で、出口バッファ部５０Ｂ、６０Ｂのエンボス５０ｂ、６０ｂの突出高さは、連通孔ビード部５３ｂ、６３ｂの突出高さよりも低い。この構成により、入口バッファ部５０Ａ、６０Ａ側の連通孔ビード部５３ａ、６３ａと、出口バッファ部５０Ｂ、６０Ｂ側の連通孔ビード部５３ｂ、６３ｂとの両方において、所望のシール性が容易に確保されるため、シール性の一層の向上が図られる。また、締付荷重の増大を一層良好に抑制することができる。

入口バッファ部５０Ａを構成するすべてのエンボス５０ａ、出口バッファ部５０Ｂを構成するすべてのエンボス５０ｂ、入口バッファ部６０Ａを構成するすべてのエンボス６０ａ、及び出口バッファ部６０Ｂを構成するすべてのエンボス６０ｂは、それぞれ、連通孔ビード部５３ａ、５３ｂ、６３ａ、６３ｂよりも突出高さが低い。この構成により、連通孔ビード部５３ａ、５３ｂ、６３ａ、６３ｂによる所望のシール性の容易な確保と、燃料電池スタックの締付荷重の増大の抑制とを、一層効果的に達成することができる。

酸化剤ガス流路４８を有する第１金属セパレータ３０に設けられたエンボス５０ａ、５０ｂの突出高さは、連通孔ビード部５３ａ、５３ｂの突出高さよりも低い。また、燃料ガス流路５８を有する第２金属セパレータ３２に設けられたエンボス６０ａ、６０ｂの突出高さは、連通孔ビード部６３ａ、６３ｂの突出高さよりも低い。この構成により、カソード側とアノード側の両方で、所望のシール性が容易に確保されるため、シール性の一層の向上が図られる。また、締付荷重の増大を一層良好に抑制することができる。

エンボス５０ａ、５０ｂ、６０ａ、６０ｂの頂部は、樹脂フィルム４６と直接対向している。この構成により、エンボス５０ａ、５０ｂ、６０ａ、６０ｂと樹脂フィルム４６との間には隙間調整用のシム等を設ける必要がないため、発電セル１２の構成の簡素化が図られる。

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。

１２…発電セル ２８…樹脂フィルム付きＭＥＡ
３０…第１金属セパレータ ３２…第２金属セパレータ
４６…樹脂フィルム ５０ａ、５０ｂ、６０ａ、６０ｂ…エンボス
５３、５３ａ、６３、６３ａ…連通孔ビード部

Claims (7)

1. 電解質膜・電極構造体と前記電解質膜・電極構造体の外周に設けられた樹脂フィルムとを有する樹脂フィルム付きＭＥＡと、前記樹脂フィルム付きＭＥＡの両側にそれぞれ配設された金属セパレータとを備え、前記樹脂フィルム付きＭＥＡと前記金属セパレータとが積層された発電セルであって、
   前記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、前記反応ガス流路と連通するとともにセパレータ厚さ方向に貫通した反応ガス連通孔と、前記反応ガス連通孔の外周を周回するとともに前記セパレータ厚さ方向に突出したシール用の連通孔ビード部と、前記反応ガス流路と前記連通孔ビード部との間に配置されるとともに前記セパレータ厚さ方向に突出した整流用のエンボスと、が形成されており、
   一対の前記金属セパレータの前記連通孔ビード部により前記樹脂フィルムが挟持されており、
   前記連通孔ビード部は、前記金属セパレータに一体的に前記樹脂フィルムに向かって膨出成形され、前記樹脂フィルム付きＭＥＡと前記金属セパレータとの積層方向に沿った締付荷重の付与により弾性変形する金属ビード部であり、
   前記エンボスの突出高さは、前記締付荷重が付与されていない状態で前記連通孔ビード部の突出高さよりも低く、
   前記エンボスは、前記締付荷重が付与されて前記金属ビード部が弾性変形した状態で前記樹脂フィルムに接触する、
   ことを特徴とする発電セル。
2. 請求項１記載の発電セルにおいて、
   前記金属セパレータには、前記反応ガス流路の流入側に配置された前記エンボスを有する入口バッファ部と、前記反応ガス流路の流出側に配置された前記エンボスを有する出口バッファ部とが形成され、
   前記入口バッファ部の前記エンボスの突出高さは、前記締付荷重が付与されていない状態で、前記反応ガス流路へと前記反応ガスを供給する前記反応ガス連通孔を囲む前記連通孔ビード部の突出高さよりも低く、
   前記出口バッファ部の前記エンボスの突出高さは、前記締付荷重が付与されていない状態で、前記反応ガス流路から前記反応ガスを受け入れる前記反応ガス連通孔を囲む前記連通孔ビード部の突出高さよりも低い、
   ことを特徴とする発電セル。
3. 請求項１又は２記載の発電セルにおいて、
   複数個の前記エンボスのすべての突出高さが、前記締付荷重が付与されていない状態で前記連通孔ビード部の突出高さよりも低い、
   ことを特徴とする発電セル。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の発電セルにおいて、
   一対の前記金属セパレータのうち、一方の前記金属セパレータには、一方の前記反応ガス流路としての酸化剤ガス流路と、一方の前記反応ガス連通孔としての酸化剤ガス連通孔と、前記酸化剤ガス連通孔を囲む一方の前記連通孔ビード部と、一方の前記連通孔ビード部と前記酸化剤ガス流路との間に配置された一方の前記エンボスとが形成され、
   他方の前記金属セパレータには、他方の前記反応ガス流路としての燃料ガス流路と、他方の前記反応ガス連通孔としての燃料ガス連通孔と、前記燃料ガス連通孔を囲む他方の前記連通孔ビード部と、他方の前記連通孔ビード部と前記燃料ガス流路との間に配置された他方の前記エンボスとが形成され、
   一方の前記エンボスの突出高さは、前記締付荷重が付与されていない状態で一方の前記連通孔ビード部の突出高さよりも低く、
   他方の前記エンボスの突出高さは、前記締付荷重が付与されていない状態で他方の前記連通孔ビード部の突出高さよりも低い、
   ことを特徴とする発電セル。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の発電セルにおいて、
   前記エンボスの頂部は、前記樹脂フィルムと直接対向している、
   ことを特徴とする発電セル。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の発電セルにおいて、
   前記金属セパレータには、前記反応ガス流路を囲むとともに前記セパレータ厚さ方向に突出したビードシールが形成され、
   前記ビードシールの突出高さは、前記連通孔ビード部の突出高さと同じである、
   ことを特徴とする発電セル。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の発電セルにおいて、
   前記エンボスの平面形状は、円形又は長円形である、
   ことを特徴とする発電セル。

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