JP6649939B2

JP6649939B2 - 発電セル

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Publication number: JP6649939B2
Application number: JP2017250906A
Authority: JP
Inventors: 洋介西田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2017-12-27
Filing date: 2017-12-27
Publication date: 2020-02-19
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Description

本発明は、ビードシールと反応ガス流路とが設けられた金属セパレータを備えた発電セルに関する。

燃料電池は、固体高分子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）を備える。ＭＥＡは、金属セパレータ（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。

この種の発電セルでの金属セパレータには、ＭＥＡの発電面に沿って金属セパレータの一端から他端に向かって反応ガスを流す反応ガス流路が形成されている（例えば、特許文献１参照）。反応ガス流路は、金属セパレータの一端から他端に向かって延在する複数の線状突起と、複数の線状突起間に形成された複数の流路溝とを有する。

特許第５２３９０９１号公報

ところで、発電セルは、電極の外周部に挟持された状態で外方に突出するとともに外周部を周回する樹脂枠部材を備えたものがある。このような発電セルにおいて、電極における電解質膜とは反対側の面には、外周部に位置する外周面と樹脂枠部材の内端よりも内方且つ外周面よりも電解質膜からの高さが低い中央面とを互いに連結する段差部が設けられる。

この場合、複数の線状突起のうち反応ガス流路の流路幅方向の端部に位置する端部線状突起の突出端面（突起の先端の面）が、中央面に離間した状態で電極の外周面に接触すると、端部線状突起の突出端面と中央面との間に隙間（バイパス流路）が形成される。そうすると、複数の流路溝のうち反応ガス流路の流路幅方向の端部に位置する端部流路溝を流れる反応ガスがバイパス流路に導かれ、端部流路溝内を流れる反応ガスの流量が低下するおそれがある。

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、端部流路溝内を流れる反応ガスの流量の低下を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。

上記の目的を達成するため、本発明に係る発電セルは、電解質膜の両側に電極が設けられてなる電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の両側に配置された金属セパレータと、一方の前記電極の外周部と他方の前記電極の外周部に挟持された状態で両方の前記電極の外周部から外方に突出するとともに前記電極の外周部を周回する樹脂枠部材と、を備え、少なくとも一方の前記金属セパレータの一端から他端に向かって延在する複数の線状突起と、複数の前記線状突起間に形成された複数の線状流路溝とを有し、前記一端から前記他端に向かって発電面に沿って反応ガスを流す反応ガス流路が形成され、前記反応ガス流路を囲んで反応ガスの漏れを防止するシールが設けられた発電セルにおいて、一方の前記電極における前記電解質膜とは反対側の面には、一方の前記電極の外周部に位置する外周面と、前記樹脂枠部材の内端よりも内方に位置する中央面と、前記外周面と前記中央面とを互いに連結する段差部と、が設けられ、前記中央面は、前記外周面よりも前記電解質膜からの高さが低く、複数の前記線状突起のうち前記反応ガス流路の流路幅方向の端部に位置する端部線状突起の突出端面は、前記中央面に接触し、前記端部線状突起の前記突出端面は、前記中央面と前記段差部との境界上又は前記境界の内方に隣接して位置し、各前記線状流路溝は、波状に延在し、前記端部線状突起のうち前記線状流路溝側の側壁は、前記線状流路溝に沿って波状に延在し、前記端部線状突起のうち前記線状流路溝とは反対側の側壁は、前記境界に沿って直線状に延在していることを特徴とする。

上記の発電セルにおいて、前記端部線状突起の前記突出端面は、前記端部線状突起の全長に亘って前記中央面に接触していることが好ましい。

上記の発電セルにおいて、少なくとも一方の前記金属セパレータには、前記端部線状突起と前記シールとの間に、前記外周面に接触して反応ガスのバイパスを防止するバイパス止め凸状部が設けられていることが好ましい。

上記の発電セルにおいて、前記シールは、少なくとも一方の前記金属セパレータに膨出成形されたビードシールであることが好ましい。

本発明の発電セルによれば、端部線状突起の突出端面と電極の中央面との間にバイパス流路となる隙間が形成されないため、端部線状流路内の反応ガスの流量の低下を抑えることができる。

本発明の一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金属セパレータ側から見た発電セルの平面図である。第１金属セパレータの要部拡大平面図である。第２金属セパレータ側から見た発電セルの平面図である。第２金属セパレータの要部拡大平面図である。図４におけるＶＩＩ−ＶＩＩ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１０は、樹脂枠部材付きＭＥＡ２８と、樹脂枠部材付きＭＥＡ２８の一方面側（矢印Ａ１方向側）に配置された第１金属セパレータ３０と、樹脂枠部材付きＭＥＡ２８の他方面側（矢印Ａ２方向側）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１０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１２が構成される。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。

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１０における一方の発電セル１０の第１金属セパレータ３０と、他方の発電セル１０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１０の長辺方向である水平方向の一端縁部（矢印Ｂ１方向側の縁部）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１０の長辺方向他端縁部（矢印Ｂ２方向の縁部）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２に示すように、樹脂枠部材付きＭＥＡ２８は、電解質膜・電極構造体（以下、「ＭＥＡ２８ａ」と表記する）と、ＭＥＡ２８ａの外周部に設けられた枠形状の樹脂枠部材４６とを備える。

ＭＥＡ２８ａ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の外周部４２ｏｕｔとカソード電極４４の外周部４４ｏｕｔとに挟持される。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。

第１電極触媒層４４ａ及び第２電極触媒層４２ａは、電解質膜４０の両面に形成される。第１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、イオン導電性高分子バインダとともに第１ガス拡散層４４ｂの表面に一様に塗布されて形成される。第２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、イオン導電性高分子バインダとともに第２ガス拡散層４２ｂの表面に一様に塗布されて形成される。第１ガス拡散層４４ｂ及び第２ガス拡散層４２ｂ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。

図１に示すように、樹脂枠部材４６の矢印Ｂ１方向側の縁部には、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。樹脂枠部材４６の矢印Ｂ２方向の縁部には、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２に示すように、樹脂枠部材４６は、内周部がＭＥＡ２８ａの外周部に接合された第１枠状シート４６ａと、第１枠状シート４６ａに接合された第２枠状シート４６ｂとを有する。第１枠状シート４６ａと第２枠状シート４６ｂとは、接着剤からなる接着層４６ｃにより、厚さ方向に互いに接合されている。第２枠状シート４６ｂは、第１枠状シート４６ａの外周部に接合される。第２枠状シート４６ｂの厚さは、第１枠状シート４６ａの厚さよりも厚い。第２枠状シート４６ｂの厚さは、第１枠状シート４６ａの厚さと同じでもよい。

第１枠状シート４６ａ及び第２枠状シート４６ｂは電気絶縁性を有する樹脂材料により構成される。第１枠状シート４６ａ及び第２枠状シート４６ｂ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。

樹脂枠部材４６の内周部４６ｉｎ（第１枠状シート４６ａの内周部）は、アノード電極４２の外周部４２ｏｕｔとカソード電極４４の外周部４４ｏｕｔとに挟持される。具体的に、樹脂枠部材４６の内周部４６ｉｎは、電解質膜４０の外周部４０ｏｕｔとアノード電極４２の外周部４２ｏｕｔとの間に挟持される。樹脂枠部材４６の内周部４６ｉｎと電解質膜４０の外周部４０ｏｕｔとは、接着層４６ｃを介して接合される。なお、樹脂枠部材４６の内周部４６ｉｎは、電解質膜４０の外周部４０ｏｕｔとカソード電極４４の外周部４４ｏｕｔとの間に挟持されてもよい。

アノード電極４２のうち電解質膜４０とは反対側の面４２ｓには、アノード電極４２の外周部４２ｏｕｔに位置する外周面４２ｓ１と、樹脂枠部材４６の内端４６ｅよりも内方に位置する中央面４２ｓ２と、外周面４２ｓ１及び中央面４２ｓ２を互いに連結する段差部４２ｓ３とが設けられている。

外周面４２ｓ１及び中央面４２ｓ２は、ＭＥＡ２８ａの発電面に平行な平坦面である。中央面４２ｓ２は、外周面４２ｓ１よりもカソード電極４４側に位置している。段差部４２ｓ３は、外周面４２ｓ１から中央面４２ｓ２に向かってＭＥＡ２８ａ側に傾斜した傾斜面である。なお、カソード電極４４のうち電解質膜４０とは反対側の面４４ｓは、ＭＥＡ２８ａの発電面に平行な平坦面である。カソード電極４４側でもアノード電極４２側の段差部４２ｓ３と同様な段差部が形成されてもよい。

図３に示すように、第１金属セパレータ３０の樹脂枠部材付き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が形成される。

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波状の線状突起４８ａ間に形成された複数の波状の線状流路溝４８ｂを有する。従って、酸化剤ガス流路４８では、複数の線状突起４８ａと複数の線状流路溝４８ｂとが流路幅方向（矢印Ｃ方向）に交互に配置されている。各線状突起４８ａと各線状流路溝４８ｂとは、波状に延在しているが、直線状に延在していてもよい。

線状突起４８ａの幅方向（矢印Ｃ方向）両側の側壁は、セパレータ厚さ方向に対して傾斜しており、線状突起４８ａの横断面形状は台形状である。なお、線状突起４８ａの幅方向両側の側壁は、セパレータ厚さ方向と平行であり、線状突起４８ａの横断面形状は矩形状であってもよい。

以下、複数の線状突起４８ａのうち、流路幅方向の両端に位置するものを「端部線状突起４８ａ１」という。端部線状突起４８ａ１は、第１ガス拡散層４４ｂの外端４４ｂｅよりも内側に配置されている。

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（図１参照）。冷媒面側に突出するエンボス部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、プレス成形によりビードシールとしての第１シールライン５２が樹脂枠部材付きＭＥＡ２８（図１）に向かって膨出成形される。第１シールライン５２は、ビードシールでなくてもよく、第１金属セパレータ３０に一体又は別体に設けられた弾性を有するゴムシールであってもよい。詳細は図示しないが、第１シールライン５２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。なお、当該樹脂材はなくてもよい。

第１シールライン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（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（以下、「外周側ビード部５４」という）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ＭＥＡ２８ａ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。

ブリッジ部８０、８２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８０ｔ、８２ｔを有する。トンネル８０ｔ、８２ｔは、プレス成形により、第１金属セパレータ３０の表面３０ａから樹脂枠部材付きＭＥＡ２８側に向かって突出成形される。

酸化剤ガス流路４８の流路幅方向両端部（端部線状突起４８ａ１）と外周側ビード部５４との間に、酸化剤ガスの酸化剤ガス入口連通孔３４ａから酸化剤ガス出口連通孔３４ｂへのバイパスを防止する第１バイパス止め凸状部８４が設けられている。本実施形態では、酸化剤ガス流路４８の流路幅方向は、長方形状の第１金属セパレータ３０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８４は、樹脂枠部材付きＭＥＡ２８（図２参照）側に向かって突出成形される。第１バイパス止め凸状部８４は端部線状突起４８ａ１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１バイパス止め凸状部８４の高さは、組付け前の状態で外周側ビード部５４よりも低い。

図４において、第１バイパス止め凸状部８４の幅方向（矢印Ｂ方向）両側の側壁８４ｓは、セパレータ厚さ方向に対して傾斜しており、第１バイパス止め凸状部８４の横断面形状は台形状である。なお、第１バイパス止め凸状部８４の幅方向両側の側壁８４ｓは、セパレータ厚さ方向と平行であり、第１バイパス止め凸状部８４の横断面形状は矩形状であってもよい。

端部線状突起４８ａ１は、外周側ビード部５４に対して凹むように湾曲した凹状湾曲部８７と、外周側ビード部５４に対して突出するように湾曲した凸状湾曲部８８とを有する。複数個の第１バイパス止め凸状部８４は、端部線状突起４８ａ１の凹状湾曲部８７と外周側ビード部５４との間に設けられた第１バイパス止め凸状部８４ａと、端部線状突起４８ａ１の凸状湾曲部８８と外周側ビード部５４との間に設けられた第１バイパス止め凸状部８４ｂとを含む。第１バイパス止め凸状部８４ａと第１バイパス止め凸状部８４ｂとは、端部線状突起４８ａ１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８４ａは、一端が外周側ビード部５４に繋がり、他端が端部線状突起４８ａ１の凹状湾曲部８７に繋がっている。他方の第１バイパス止め凸状部８４ｂは、一端が外周側ビード部５４に繋がり、他端が端部線状突起４８ａ１の凸状湾曲部８８に繋がっている。互いに隣接する第１バイパス止め凸状部８４ａ、８４ｂの間には、ＭＥＡ２８ａの外周部を支持する中間凸状部８９が設けられている。

中間凸状部８９は、樹脂枠部材付きＭＥＡ２８に向かって突出している。中間凸状部８９の高さは、第１バイパス止め凸状部８４ａの高さと同じである。中間凸状部８９は、線状突起４８ａと交差する方向に延びる形状を有する。中間凸状部８９は、互いに隣接する第１バイパス止め凸状部８４ａ、８４ｂの間に、複数個ずつ配置されている。図４では、中間凸状部８９は、互いに隣接する第１バイパス止め凸状部８４ａ、８４ｂの間で、端部線状突起４８ａ１の延在方向に沿って間隔を置いて配置されている。中間凸状部８９は、積層方向から見て、第１ガス拡散層４４ｂの外端４４ｂｅを含む外周部４４ｏｕｔに重なる位置に配置されている。

第１金属セパレータ３０には、端部線状突起４８ａ１の凹状湾曲部８７と第１バイパス止め凸状部８４ａとの間に、カソード電極４４（第１ガス拡散層４４ｂ）を支持する第１支持用凸状部８５が設けられる。第１支持用凸状部８５は、プレス成形により、樹脂枠部材付きＭＥＡ２８に向かって突出成形される。本実施形態では、第１支持用凸状部８５は、第１バイパス止め凸状部８４ａに一体的に連なるとともに、端部線状突起４８ａ１の凹状湾曲部８７に一体的に連なっている。

図２に示すように、第１支持用凸状部８５は、ＭＥＡ２８ａと樹脂枠部材４６とが厚さ方向に重なる位置でカソード電極４４（第１ガス拡散層４４ｂ）を支持する。図３に示すように、第１支持用凸状部８５は、枠形状の樹脂枠部材４６の内周部４６ｉｎに対応する位置（積層方向から見て、樹脂枠部材４６の内周部４６ｉｎに重なる位置）に設けられている。

図４に示すように、第１支持用凸状部８５は、カソード電極４４に対して凹む凹部８５ａを有する。凹部８５ａは、第１バイパス止め凸状部８４ａの延長線上に配置されている。凹部８５ａは、複数個の第１支持用凸状部８５に対応して設けられている。すなわち、凹部８５ａは、端部線状突起４８ａ１の延在方向に沿って複数個設けられている。

図５に示すように、第２金属セパレータ３２の樹脂枠部材付き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。

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の波状の線状突起５８ａ間に形成された複数の波状の線状流路溝５８ｂを有する。従って、燃料ガス流路５８では、複数の線状突起５８ａと複数の線状流路溝５８ｂとが流路幅方向（矢印Ｃ方向）に交互に配置されている。各線状突起５８ａと各線状流路溝５８ｂとは、波状に延在しているが、直線状に延在していてもよい。

線状突起５８ａの幅方向（矢印Ｃ方向）両側の側壁は、セパレータ厚さ方向に対して傾斜しており、線状突起５８ａの横断面形状は台形状である。なお、線状突起５８ａの幅方向両側の側壁は、セパレータ厚さ方向と平行であり、線状突起５８ａの横断面形状は矩形状であってもよい。

以下、複数の線状突起５８ａのうち、流路幅方向の両端に位置するものを「端部線状突起５８ａ１」という。また、複数の線状流路溝５８ｂのうち、流路幅方向の両端に位置するものを「端部線状流路溝５８ｂ１」という。端部線状突起５８ａ１は、アノード電極４２の中央面４２ｓ２と段差部４２ｓ３の境界４３よりも内側に配置されている（図６参照）。

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、プレス成形によりビードシールとしての第２シールライン６２が樹脂枠部材付きＭＥＡ２８に向かって膨出成形される。第２シールライン６２は、ビードシールでなくてもよく、第２金属セパレータ３２に一体又は別体に設けられた弾性を有するゴムシールであってもよい。詳細は図示しないが、第２シールライン６２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いる。なお、当該樹脂材はなくてもよい。

図５に示すように、第２シールライン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（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（以下、「外周側ビード部６４」という）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。

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。

ブリッジ部９０、９２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９０ｔ、９２ｔを有する。トンネル９０ｔ、９２ｔは、プレス成形により、第２金属セパレータ３２の表面３２ａから樹脂枠部材付きＭＥＡ２８（図２参照）側に向かって突出成形される。

燃料ガス流路５８の流路幅方向両端部（端部線状突起５８ａ１）と外周側ビード部６４との間に、燃料ガスの燃料ガス入口連通孔３８ａから燃料ガス出口連通孔３８ｂへのバイパスを防止する第２バイパス止め凸状部９４が設けられている。本実施形態では、燃料ガス流路５８の流路幅方向は、長方形状の第２金属セパレータ３２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９４は、樹脂枠部材付きＭＥＡ２８（図２参照）側に向かって突出成形される。第２バイパス止め凸状部９４は線状流路溝５８ｂ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。

図６に示すように、端部線状突起５８ａ１は、アノード電極４２の段差部４２ｓ３よりも内方に位置している。具体的には、図２及び図７に示すように、端部線状突起５８ａ１の突出端面５９は、その全長に亘ってアノード電極４２の外周面４２ｓ１に接触することなく中央面４２ｓ２に接触している。端部線状突起５８ａ１の突出端面５９は、アノード電極４２の中央面４２ｓ２と段差部４２ｓ３との境界４３の近傍に位置している。

端部線状突起５８ａ１のうち線状流路溝５８ｂ側の第１側壁６１ａは、線状流路溝５８ｂに沿って波状に延在している。端部線状突起５８ａ１のうち線状流路溝５８ｂとは反対側の第２側壁６１ｂは、アノード電極４２の中央面４２ｓ２と段差部４２ｓ３との境界４３に沿って直線状に延在している。すなわち、端部線状突起５８ａ１の突出端面５９の幅寸法（矢印Ｃ方向に沿った寸法）は、その延在方向（矢印Ｂ方向）に向かって変化している。

端部線状突起５８ａ１は、第１側壁６１ａが外周側ビード部６４に対して凹むように湾曲した凹状湾曲部９５と、第１側壁６１ａが外周側ビード部６４に対して突出するように湾曲した凸状湾曲部９６とを有する。凸状湾曲部９６と第２側壁６１ｂとの間の幅寸法Ｗ１は、凹状湾曲部９５と第２側壁６１ｂとの間の幅寸法Ｗ２よりも小さい。詳細には、凸状湾曲部９６の幅寸法Ｗ１は、端部線状突起５８ａ１の最小幅寸法であり、凹状湾曲部９５の幅寸法Ｗ２は、端部線状突起５８ａ１の最大幅寸法である。

第２バイパス止め凸状部９４の高さは、組付け前の状態で外周側ビード部６４よりも低い。複数個の第２バイパス止め凸状部９４は、端部線状突起５８ａ１の凹状湾曲部９５と外周側ビード部６４との間に設けられた第２バイパス止め凸状部９４ａと、端部線状突起５８ａ１の凸状湾曲部９６と外周側ビード部６４との間に設けられた第２バイパス止め凸状部９４ｂとを含む。一方の第２バイパス止め凸状部９４ａと他方の第２バイパス止め凸状部９４ｂとは、端部線状突起５８ａ１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９４ａは、一端が外周側ビード部６４に繋がり、他端が端部線状突起５８ａ１の凹状湾曲部９５から離間している。他方の第２バイパス止め凸状部９４ｂは、一端が外周側ビード部６４に繋がり、他端が端部線状突起５８ａ１の凸状湾曲部９６に繋がっている。互いに隣接する第２バイパス止め凸状部９４ａ、９４ｂの間には、ＭＥＡ２８ａの外周部を支持する中間凸状部９８が設けられている。中間凸状部９８は、樹脂枠部材付きＭＥＡ２８に向かって突出している。中間凸状部９８の高さは、第２バイパス止め凸状部９４の
高さと同じである。

中間凸状部９８は、互いに隣接する第２バイパス止め凸状部９４ａ、９４ｂの間に、複数個ずつ配置されている。互いに隣接する第２バイパス止め凸状部９４ａ、９４ｂの間に設けられた複数の中間凸状部９８の配列方向は、互いに隣接する第１バイパス止め凸状部８４ａ、８４ｂの間に設けられた複数の中間凸状部８９（図４）の配列方向とは異なっている。具体的に、本実施形態では、複数の中間凸状部９８は、互いに隣接する第２バイパス止め凸状部９４ａ、９４ｂの間で、端部線状突起５８ａ１と外周側ビード部６４との離間方向（矢印Ｃ方向）に沿って間隔を置いて配置されている。中間凸状部９８は、積層方向から見て、第２ガス拡散層４２ｂの外端４２ｂｅを含む外周部４２ｏｕｔに重なる位置に配置されている。

第２金属セパレータ３２には、端部線状突起５８ａ１の凹状湾曲部９５と第２バイパス止め凸状部９４ａとの間に、アノード電極４２（第２ガス拡散層４２ｂ）を支持する第２支持用凸状部１００が設けられる。第２支持用凸状部１００は、プレス成形により、樹脂枠部材付きＭＥＡ２８に向かって突出成形される。第２支持用凸状部１００の高さは、中間凸状部９８の高さと同じである。

第２支持用凸状部１００は、第１支持用凸状部８５（図４）と異なる形状を有する。本実施形態では、第２支持用凸状部１００は、端部線状突起５８ａ１の凹状湾曲部９５及び第２バイパス止め凸状部９４ａから離間して配置されている。なお、第２支持用凸状部１００は、端部線状突起５８ａ１の凹状湾曲部９５及び第２バイパス止め凸状部９４ａの少なくとも一方に一体的に連なって形成されてもよい。

第２支持用凸状部１００は、枠形状の樹脂枠部材４６の内周部４６ｉｎに対応する位置（積層方向から見て、樹脂枠部材４６の内周部４６ｉｎに重なる位置）に設けられている。図７に示すように、第２支持用凸状部１００は、ＭＥＡ２８ａの外周部と樹脂枠部材４６の内周部４６ｉｎとが厚さ方向に重なる位置でアノード電極４２（第２ガス拡散層４２ｂ）を支持する。

積層方向から見て、酸化剤ガス流路４８の線状突起４８ａと燃料ガス流路５８の線状突起５８ａ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１金属セパレータ３０の第１支持用凸状部８５と、第２金属セパレータ３２の第２支持用凸状部１００とは、線状突起５８ａの延在方向に沿って交互に配置される。

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。

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３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、ＭＥＡ２８ａのカソード電極４４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。図５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、ＭＥＡ２８ａのアノード電極４２に供給される。

従って、各ＭＥＡ２８ａ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、図１に示すように、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、ＭＥＡ２８ａ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１０は、以下の効果を奏する。

図２及び図７に示すように、発電セル１０では、アノード電極４２における電解質膜４０とは反対側の面４２ｓには、アノード電極４２の外周部４２ｏｕｔに位置する外周面４２ｓ１と、樹脂枠部材４６の内端４６ｅよりも内方に位置する中央面４２ｓ２と、外周面４２ｓ１及び中央面４２ｓ２を互いに連結する段差部４２ｓ３とが設けられている。中央面４２ｓ２は、外周面４２ｓ１よりも電解質膜４０からの高さが低い。端部線状突起５８ａ１の突出端面５９は、中央面４２ｓ２に接触している。

このため、端部線状突起５８ａ１の突出端面５９とアノード電極４２の中央面４２ｓ２との間にバイパス流路となる隙間が形成されない。よって、端部線状流路溝５８ｂ１内を流通する燃料ガス（反応ガス）のバイパスを防止することができる。これにより、端部線状流路溝５８ｂ１内の燃料ガスの流量の低下を抑えることができる。

端部線状突起５８ａ１の突出端面５９は、端部線状突起５８ａ１の全長に亘って中央面４２ｓ２に接触している。そのため、端部線状流路溝５８ｂ１内の燃料ガスのバイパスを確実に防止することができる。

端部線状突起５８ａ１の突出端面５９は、中央面４２ｓ２と段差部４２ｓ３との境界４３の近傍に位置している。これにより、端部線状突起５８ａ１の突出端面５９と中央面４２ｓ２との接触面積を比較的広くすることができるため、端部線状流路溝５８ｂ１内の燃料ガスのバイパスを確実に防止することができる。

図５及び図６において、各線状流路溝５８ｂは、波状に延在している。端部線状突起５８ａ１のうち線状流路溝５８ｂ側の第１側壁６１ａは、線状流路溝５８ｂに沿って波状に延在している。端部線状突起５８ａ１のうち線状流路溝５８ｂとは反対側の第２側壁６１ｂは、境界４３に沿って直線状に延在している。そのため、簡易な構成により燃料ガスの流路長を長くすることができるとともに端部線状流路溝５８ｂ１内の燃料ガスのバイパスを確実に防止することができる。

第２金属セパレータ３２には、端部線状突起５８ａ１と外周側ビード部６４との間に、外周面４２ｓ１に接触して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９４が設けられている。これにより、端部線状流路溝５８ｂ１内の燃料ガスのバイパスをより確実に防止することができる。

本発明は、上述した構成に限定されない。線状突起５８ａ及び線状流路溝５８ｂは、第２金属セパレータ３２の一端から他端に向かって直線状に延在していてもよい。端部線状突起５８ａ１は、アノード電極４２の中央面４２ｓ２と段差部４２ｓ３との境界４３上に位置していてもよい。

本実施形態では、アノード電極４２の面４２ｓに段差部４２ｓ３が設けられる例を示したが、カソード電極４４の面４４ｓに段差部が設けられていてもよい。この場合、当該段差部は、カソード電極４４の外周部４４ｏｕｔに位置する外周面と、樹脂枠部材４６の内端４６ｅよりも内方に位置する中央面とを互いに連結する。そして、当該中央面は、当該外周面よりもアノード電極４２側に位置する。そして、端部線状突起４８ａ１の突出端面がアノード電極４２の面４２ｓの中央面に接触することとなる。また、カソード電極４４に前記段差部が設けられる場合、アノード電極４２の段差部４２ｓ３は、省略されていてもよいし、残されていてもよい。

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。

１０…発電セル２８…樹脂枠部材付きＭＥＡ
３０…第１金属セパレータ３２…第２金属セパレータ
２８ａ…ＭＥＡ（電解質膜・電極構造体）
４２…アノード電極４４…カソード電極
４８ａ１、５８ａ１…端部線状突起４８ｂ、５８ｂ…線状流路溝
５４、６４…外周側ビード部（ビードシール）
８４…第１バイパス止め凸状部９４…第２バイパス止め凸状部

Claims

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・電極構造体の両側に配置された金属セパレータと、一方の前記電極の外周部と他方の前記電極の外周部に挟持された状態で両方の前記電極の外周部から外方に突出するとともに前記電極の外周部を周回する樹脂枠部材と、を備え、
少なくとも一方の前記金属セパレータの一端から他端に向かって延在する複数の線状突起と、複数の前記線状突起間に形成された複数の線状流路溝とを有し、前記一端から前記他端に向かって発電面に沿って反応ガスを流す反応ガス流路が形成され、
前記反応ガス流路を囲んで反応ガスの漏れを防止するシールが設けられた発電セルにおいて、
一方の前記電極における前記電解質膜とは反対側の面には、
一方の前記電極の外周部に位置する外周面と、
前記樹脂枠部材の内端よりも内方に位置する中央面と、
前記外周面と前記中央面とを互いに連結する段差部と、が設けられ、
前記中央面は、前記外周面よりも前記電解質膜からの高さが低く、
複数の前記線状突起のうち前記反応ガス流路の流路幅方向の端部に位置する端部線状突起の突出端面は、前記中央面に接触し、
前記端部線状突起の前記突出端面は、前記中央面と前記段差部との境界上又は前記境界の内方に隣接して位置し、
各前記線状流路溝は、波状に延在し、
前記端部線状突起のうち前記線状流路溝側の側壁は、前記線状流路溝に沿って波状に延在し、
前記端部線状突起のうち前記線状流路溝とは反対側の側壁は、前記境界に沿って直線状に延在している、
ことを特徴とする発電セル。
請求項１記載の発電セルにおいて、
前記端部線状突起の前記突出端面は、前記端部線状突起の全長に亘って前記中央面に接触している、
ことを特徴とする発電セル。
請求項１又は２に記載の発電セルにおいて、
少なくとも一方の前記金属セパレータには、前記端部線状突起と前記シールとの間に、前記外周面に接触して反応ガスのバイパスを防止するバイパス止め凸状部が設けられている、
ことを特徴とする発電セル。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の発電セルにおいて、
前記シールは、少なくとも一方の前記金属セパレータに膨出成形されたビードシールである、
ことを特徴とする発電セル。