JP6714568B2 - ビードシール構造 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用金属セパレータに設けられたビードシール構造に関する。

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。ＭＥＡ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、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。アノード電極に沿って一方の反応ガスである燃料ガスを流す燃料ガス流路が形成されたアノード側金属セパレータがＭＥＡの一方面側に配置され、カソード電極に沿って他方の反応ガスである酸化剤ガスを流す酸化剤ガス流路が形成されたカソード側金属セパレータがＭＥＡの他方面側に配置される。

ところで、下記特許文献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（境界壁７）を形成することが開示されている。また、下記特許文献１では、金属セパレータに設けられた反応ガス流路の流路幅方向端部での反応ガスのバイパスを防止するために、ビードシールに交差するバイパス止め凸状部（制限部材１０）が設けられている。

特許第５２３９０９１号公報

本発明は、上記の従来技術に関連してなされたものであり、ビードシールに対して交差する交差要素部（バイパス止め凸状部等）が設けられたビードシール構造において、ビードシール頂部の面圧分布の均一化を図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、燃料電池用金属セパレータにセパレータ厚さ方向に突出して形成され、流体の漏れを防止するビードシールと、前記ビードシールに対して交差する交差要素部とを備えたビードシール構造において、前記交差要素部は、前記燃料電池用金属セパレータのベースプレート部からの立ち上がり起点である根元部と、前記ベースプレート部から立ち上がった側壁とを有し、前記根元部の前記ビードシールとの接続部位の曲率半径は、前記側壁の前記ビードシールとの接続部位の曲率半径よりも大きい。

前記交差要素部は、前記流体のバイパスを防止するバイパス止め凸状部、又は内側空間が前記ビードシールと連通したトンネルであることが好ましい。

前記交差要素部は、前記セパレータ厚さ方向から見た平面視で、前記ビードシールに対して９０°の角度で交差することが好ましい。

前記交差要素部の頂部高さは、前記ビードシールの頂部高さよりも低いことが好ましい。

前記ビードシールの断面形状は、台形状であることが好ましい。

前記交差要素部の断面形状は、台形状であることが好ましい。

本発明のビードシール構造によれば、交差要素部の根元部のビードシールとの接続部位の曲率半径は、交差要素部の側壁のビードシールとの接続部位の曲率半径よりも大きい。これにより、公差等の寸法ズレに対してビードシール頂部の面圧（シール面圧）の感度を低くすることができる。これにより、ビードシール頂部の面圧分布の均一化（面圧変動の抑制）が図られる。

本発明の実施形態に係るビードシール構造を備えた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。 本発明の実施形態に係るビードシール構造の斜視断面図である。 図５におけるＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。 第１金属セパレータに設けれた連通孔ビード部の拡大平面図である。 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。 交差要素部の根元部の接続部位の曲率半径を変更した場合のビードシールの圧縮荷重特性を示す図である。

以下、本発明に係るビードシール構造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（矢印Ａ１方向側）に配置された第１金属セパレータ３０と、樹脂フィルム付き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における一方の発電セルの第１金属セパレータ３０と、他方の発電セルの第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、樹脂フィルム付きＭＥＡ２８は、電解質膜・電極構造体２８ａ（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フィルム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。

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、樹脂フィルム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。樹脂フィルム４６の矢印Ｂ２方向側の縁部には、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、樹脂フィルム４６は、厚さの異なる２枚の枠状シート４６ａ、４６ｂを有する。具体的には、樹脂フィルム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１枠状シート４６ａ及び第２枠状シート４６ｂは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。

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

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流路形成突起４８ａ間に形成された複数の流路溝４８ｂを有する。従って、酸化剤ガス流路４８では、複数の流路形成突起４８ａと複数の流路溝４８ｂとが流路幅方向（矢印Ｃ方向）に交互に配置されている。本実施形態において、流路形成突起４８ａ及び流路溝４８ｂは、平面形状が波形状であるが、これに限らず、流路形成突起４８ａ及び流路溝４８ｂは、平面形状がストレート形状であってもよい。

流路形成突起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、流路形成突起４８ａの横断面形状は台形状である。なお、流路形成突起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、流路形成突起４８ａの横断面形状は矩形状であってもよい。以下、複数の流路形成突起４８ａのうち、流路幅方向の両端に位置するものを「端部流路形成突起４８ａ１」という。端部流路形成突起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、面３０ｂ側に突出し矢印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、面３０ｂ側に突出し矢印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）。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、プレス成形により第１シールライン５２が樹脂フィルム付きＭＥＡ２８（図１）に向かって膨出成形される。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５３（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５４（以下、「外周側ビード部５４」という）とを有する。連通孔ビード部５３及び外周側ビード部５４は、第１金属セパレータ３０の厚さ方向から見た平面形状が波形状である。なお、連通孔ビード部５３及び外周側ビード部５４は、平面形状がストレート形状を有していてもよい。

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。

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（ビードシールと交差する交差要素部）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から樹脂フィルム付きＭＥＡ２８（図２参照）側に向かって突出成形される。

図４に示すように、酸化剤ガス流路４８の流路幅方向両端部（端部流路形成突起４８ａ１）と外周側ビード部５４との間に、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８４（ビードシールと交差する交差要素部）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、樹脂フィルム付きＭＥＡ２８（図２参照）側に向かって突出成形される。各第１バイパス止め凸状部８４は、一端が外周側ビード部５４に繋がり、他端が端部流路形成突起４８ａ１に繋がっている。第１バイパス止め凸状部８４は、外周側ビード部５４に対して交差する。本実施形態において、第１バイパス止め凸状部８４は、セパレータ厚さ方向から見た平面視で、外周側ビード部５４に対して略９０°の角度で交差する。

第１バイパス止め凸状部８４は、端部流路形成突起４８ａ１の延在方向（矢印Ｂ方向）に間隔を置いて複数個配列されている。互いに隣接する第１バイパス止め凸状部８４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、樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かって突出している。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８４の間に、複数個ずつ配置されている。

図５に示すように、外周側ビード部５４の断面形状は、凸形状の先端側に向かって先細り形状となる略台形状である。具体的には、外周側ビード部５４の両側の側壁５４ｓは、セパレータ厚さ方向（矢印Ａ方向）に対して傾斜している。外周側ビード部５４の突出端部である頂部５４ｔの形状は、締付荷重が付与されていない状態（組立前の状態）で外周側ビード部５４の突出方向に膨出する湾曲形状であるが、締付荷重が付与された燃料電池スタック１０の組立状態では、平坦状となる。なお、外周側ビード部５４の幅方向両側の側壁５４ｓは、セパレータ厚さ方向と平行であり、外周側ビード部５４の横断面形状は矩形状であってもよい。

第１バイパス止め凸状部８４は、ベースプレート部３０ｓからの立ち上がり起点である根元部８４ｒを有する。側壁８４ｓは、ベースプレート部３０ｓから立ち上がり、根元部８４ｒから頂部８４ｔまでを構成する。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の横断面形状は略台形状である。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。第１金属セパレータ３０のベースプレート部３０ｓからの第１バイパス止め凸状部８４の突出高さ（頂部８４ｔの高さ）は、ベースプレート部３０ｓからの外周側ビード部５４の突出高さ（頂部５４ｔの高さ）よりも低い。

第１バイパス止め凸状部８４の根元部８４ｒの外周側ビード部５４との接続部位１０２（外周側ビード部５４の根元部５４ｒとの接続部位）は、弧状に湾曲している。接続部位１０２は、第１バイパス止め凸状部８４と外周側ビード部５４の根元部８４ｒ、５４ｒ同士が繋がる部位である。第１バイパス止め凸状部８４の側壁８４ｓの外周側ビード部５４（外周側ビード部５４の側壁５４ｓ）との接続部位１０４は、弧状に湾曲している。接続部位１０４は、根元部８４ｒと頂部８４ｔとの間で、第１バイパス止め凸状部８４と外周側ビード部５４の側壁８４ｓ、５４ｓ同士が繋がる部位である。

図６に示すように、根元部５４ｒ、８４ｒ同士の接続部位１０２の曲率半径Ｒ１は、側壁５４ｓ、８４ｓ同士の接続部位１０４の曲率半径ｒ１よりも大きい（Ｒ１＞ｒ１）。根元部５４ｒ、８４ｒ同士の接続部位１０２は、単一の曲率半径を含む湾曲（円弧）に限らず、複数の曲率半径を含む湾曲形状であってもよい。接続部位１０４は、曲率半径ｒ１が略ゼロの部位を有していてもよい。

図７に示すように、ブリッジ部８０を構成する複数のトンネル８０ｔは、連通孔ビード部５３ａの内側の側壁５３ｓから酸化剤ガス入口連通孔３４ａに向かって突出した複数の内側トンネル８０ｔ１と、連通孔ビード部５３ａの外側の側壁５３ｓから酸化剤ガス流路４８（図３）に向かって突出した複数の外側トンネル８０ｔ２とを有する。各トンネル８０ｔの裏側凹形状である内部空間は、連通孔ビード部５３ａの裏側形状である内部空間と連通している。各トンネル８０ｔは、連通孔ビード部５３ａに対して交差する。本実施形態において、各トンネル８０ｔは、連通孔ビード部５３ａと略９０°の角度で交差する。

複数の内側トンネル８０ｔ１は、連通孔ビード部５３ａの延在方向に沿って互いに間隔を置いて配置されている。各内側トンネル８０ｔ１の、連通孔ビード部５３ａと接続する側とは反対側の端部は、酸化剤ガス入口連通孔３４ａにて開口する。

複数の外側トンネル８０ｔ２は、連通孔ビード部５３ａの延在方向に沿って互いに間隔を置いて配置されている。外側トンネル８０ｔ２の、連通孔ビード部５３ａとの接続箇所とは反対側の端部には、外側トンネル８０ｔ２の内外を貫通する開口部８３が設けられる。

複数の内側トンネル８０ｔ１と複数の外側トンネル８０ｔ２とは、連通孔ビード部５３ａに沿って互い違い（ジグザグ状）に配置されている。なお、複数の内側トンネル８０ｔ１と複数の外側トンネル８０ｔ２とは、連通孔ビード部５３ａを介して互いに対向配置されてもよい。

連通孔ビード部５３ａの断面形状は、凸形状の先端側に向かって先細り形状となる略台形状である。具体的には、連通孔ビード部５３ａの両側の側壁５３ｓは、セパレータ厚さ方向に対して傾斜している。連通孔ビード部５３ａの突出端部である頂部５３ｔの形状は、締付荷重が付与されていない状態（組立前の状態）で連通孔ビード部５３ａの突出方向に膨出する湾曲形状であるが、締付荷重が付与された燃料電池スタック１０の組立状態では、平坦状となる。なお、連通孔ビード部５３ａの側壁５３ｓは、セパレータ厚さ方向と平行であり、連通孔ビード部５３ａの横断面形状は矩形状であってもよい。

トンネル８０ｔは、ベースプレート部３０ｓからの立ち上がり起点である根元部８０ｔｒを有する。トンネル８０ｔの側壁８０ｔｓは、ベースプレート部３０ｓから立ち上がり、根元部８０ｔｒから頂部８０ｔｔまでを構成する。各トンネル８０ｔの断面形状は、凸形状の先端側に向かって先細り形状となる略台形状である。具体的には、トンネル８０ｔの両側の側壁８０ｔｓは、セパレータ厚さ方向に対して傾斜している。トンネル８０ｔの側壁８０ｔｓは、セパレータ厚さ方向と平行であり、トンネル８０ｔの横断面形状は矩形状であってもよい。第１金属セパレータ３０のベースプレート部３０ｓからのトンネル８０ｔの突出高さ（頂部８０ｔｔの高さ）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（頂部５３ｔの高さ）よりも低い。

トンネル８０ｔの根元部８０ｔｒの連通孔ビード部５３ａとの接続部位１０６（連通孔ビード部５３ａの根元部５３ｒとの接続部位）は、弧状に湾曲している。トンネル８０ｔの側壁８０ｔｓの連通孔ビード部５３ａ（連通孔ビード部５３ａの側壁５３ｓ）との接続部位１０８は、弧状に湾曲している。

連通孔ビード部５３ａとトンネル８０ｔとの根元部５３ｒ、８０ｔｒ同士の接続部位１０６の曲率半径Ｒ２は、側壁５３ｓ、８０ｔｓ同士の接続部位１０８の曲率半径ｒ２よりも大きい（Ｒ２＞ｒ２）。連通孔ビード部５３ａとトンネル８０ｔとの根元部５３ｒ、８０ｔｒ同士の接続部位１０６は、単一の曲率半径を含む湾曲（円弧）に限らず、複数の曲率半径を含む湾曲形状であってもよい。接続部位１０８は、曲率半径ｒ２が略ゼロの部位を有していてもよい。内側トンネル８０ｔ１と連通孔ビード部５３ａとの接続部位は、外側トンネル８０ｔ２と連通孔ビード部５３ａとの接続部位と同様に構成されている。

なお、第１金属セパレータ３０における他方のブリッジ部８２を構成する複数のトンネル８２ｔも、上述した一方のブリッジ部８０を構成する複数のトンネル８０ｔと同様に構成されている。

図８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（図１）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流路形成突起５８ａ間に形成された複数の流路溝５８ｂを有する。従って、燃料ガス流路５８では、複数の流路形成突起５８ａと複数の流路溝５８ｂとが流路幅方向（矢印Ｃ方向）に交互に配置されている。本実施形態において、流路形成突起５８ａ及び流路溝５８ｂは、平面形状が波形状であるが、これに限らず、流路形成突起５８ａ及び流路溝５８ｂは、平面形状がストレート形状であってもよい。以下、複数の流路形成突起５８ａのうち、流路幅方向の両端に位置するものを「端部流路形成突起５８ａ１」という。端部流路形成突起５８ａ１は、第２ガス拡散層４２ｂの外端面４２ｂｅよりも内側に配置されている。

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、面３２ｂ側に突出した矢印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、面３２ｂ側に突出した矢印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、プレス成形により第２シールライン６２が樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かって膨出成形される。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８に示すように、第２シールライン６２は、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６３（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６４（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（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から樹脂フィルム付き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（端部流路形成突起５８ａ１）と外周側ビード部６４との間に、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。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、樹脂フィルム付き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。

各第２バイパス止め凸状部９４は、外周側ビード部６４から延出し、燃料ガス流路５８の流路幅方向に延在している。各第２バイパス止め凸状部９４の一端は、外周側ビード部６４に繋がっている。複数の第２バイパス止め凸状部９４は、他端が端部流路形成突起５８ａ１に繋がったものと、他端が端部流路形成突起５８ａ１に繋がっていない（端部流路形成突起５８ａ１から離間している）ものとを有し、これらが交互に配置されている。

なお、第１バイパス止め凸状部８４（図３）と同様に、複数の第２バイパス止め凸状部９４は、すべて、端部流路形成突起５８ａ１に繋がっていてもよい。

互いに隣接する第２バイパス止め凸状部９４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、樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かって突出している。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９４の間に、複数個ずつ配置されている。

外周側ビード部６４の断面形状は、第１金属セパレータ３０の外周側ビード部５４と同様に、凸形状の先端側に向かって先細り形状となる略台形状である。外周側ビード部６４の横断面形状は矩形状であってもよい。

第２バイパス止め凸状部９４は、ベースプレート部３２ｓからの立ち上がり起点である根元部９４ｒを有する。第２バイパス止め凸状部９４の側壁９４ｓは、ベースプレート部３２ｓから立ち上がり、根元部９４ｒから頂部９４ｔまでを構成する。第２バイパス止め凸状部９４の横断面形状は、第１バイパス止め凸状部８４と同様に、略台形状である。第２バイパス止め凸状部９４の横断面形状は矩形状であってもよい。第２金属セパレータ３２のベースプレート部３２ｓからの第２バイパス止め凸状部９４の突出高さ（頂部９４ｔの高さ）は、ベースプレート部３２ｓからの外周側ビード部６４の突出高さ（頂部６４ｔの高さ）よりも低い。

第２バイパス止め凸状部９４の根元部９４ｒの外周側ビード部６４との接続部位１１０（外周側ビード部６４の根元部６４ｒとの接続部位）は、弧状に湾曲している。接続部位１１０は、外周側ビード部６４と第２バイパス止め凸状部９４との根元部６４ｒ、９４ｒ同士が繋がる部位である。第２バイパス止め凸状部９４の側壁９４ｓの外周側ビード部６４（側壁６４ｓ）との接続部位１１２は、弧状に湾曲している。接続部位１１２は、根元部９４ｒと頂部９４ｔとの間で、外周側ビード部６４と第２バイパス止め凸状部９４の側壁６４ｓ、９４ｓ同士が繋がる部位である。

根元部６４ｒ、９４ｒ同士の接続部位１１０の曲率半径Ｒ３は、側壁６４ｓ、９４ｓ同士の接続部位１１２の曲率半径ｒ３よりも大きい（Ｒ３＞ｒ３）。根元部６４ｒ、９４ｒ同士の接続部位１１０は、単一の曲率半径を含む湾曲（円弧）に限らず、複数の曲率半径を含む湾曲形状であってもよい。接続部位１１２は、曲率半径ｒ３が略ゼロの部分を有していてもよい。

図８において、第２金属セパレータ３２の一方のブリッジ部９０を構成する複数のトンネル９０ｔ及び他方のブリッジ部９２を構成する複数のトンネル９２ｔは、第１金属セパレータ３０のブリッジ部８０を構成する複数のトンネル８０ｔと同様に構成されている。従って、複数のトンネル９０ｔの連通孔ビード部６３ａとの接続部位、及び複数のトンネル９２ｔの連通孔ビード部６３ｂとの接続部位は、第１金属セパレータ３０における複数のトンネル８０ｔの連通孔ビード部５３ａとの接続部位と同様に構成されている。

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。

図３に示すように、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、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（図２参照）に供給される。

一方、図８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。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（図２参照）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、本実施形態に係るビードシール構造を備えた発電セル１２は、以下の効果を奏する。

以下では、代表的に、第１金属セパレータ３０に設けられた外周側ビード部５４及び第１バイパス止め凸状部８４からなるビードシール構造に関連して、本実施形態の効果を説明するが、連通孔ビード部５３とトンネル８０ｔ（又はトンネル８２ｔ）とからなるビードシール構造や、第２金属セパレータ３２に設けられた同様のビードシール構造によっても、同様の効果が得られる。

第１金属セパレータ３０に設けられたビードシール構造では、交差要素部である第１バイパス止め凸状部８４の根元部８４ｒの外周側ビード部５４との接続部位１０２の曲率半径Ｒ１は、第１バイパス止め凸状部８４の側壁８４ｓの外周側ビード部５４との接続部位１０４の曲率半径ｒ１よりも大きい。これにより、公差等の寸法ズレに対して外周側ビード部５４の頂部５４ｔの面圧（シール面圧）の感度を低くすることができる。これにより、外周側ビード部５４の頂部５４ｔの面圧分布の均一化（面圧変動の抑制）が図られる。

ビードシールと交差要素部の根元部同士の接続部位の曲率半径を大きめに設定すると、図１０に示すように、圧縮荷重特性をなだらかにすることができる。このため、公差等の寸法ズレに対し、シール面圧（線圧）の感度を低くすることができる。圧縮荷重特性をなだらかにすることで、寸法変化に対するシール面圧のバラツキを低減し、シール成立範囲の拡大が図られる。

一方、ビードシールと交差要素部の根元部同士の接続部位の曲率半径を小さめに設定すると、ビードシールの弾性域の上限（弾性限界）を引き上げることができる。このため、寸法変化がない状態で大きな衝撃が発生したとき等の荷重に耐えやすくなる。

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 ３０…第１金属セパレータ
３２…第２金属セパレータ ５３、６３…連通孔ビード部（ビードシール）
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（交差要素部）
９４…第２バイパス止め凸状部（交差要素部）
８０ｔ、８２ｔ、９０ｔ、９２ｔ…トンネル（交差要素部）

Claims (4)

1. 燃料電池用金属セパレータにセパレータ厚さ方向に突出して形成され、突出方向に締付荷重が付与されることにより流体の漏れを防止するビードシールと、前記ビードシールに対して交差する交差要素部とを備えたビードシール構造において、
   前記交差要素部は、前記燃料電池用金属セパレータのベースプレート部からの立ち上がり起点である根元部と、前記ベースプレート部から立ち上がった側壁とを有し、
   前記ビードシールの断面形状は、台形状であり、
   前記交差要素部の断面形状は、台形状又は矩形状であり、
   前記交差要素部の前記根元部の前記ビードシールの根本部との接続部位の曲率半径は、前記交差要素部の前記側壁の前記ビードシールの側壁との接続部位の曲率半径よりも大きく設定されている、
   ことを特徴とするビードシール構造。
2. 請求項１記載のビードシール構造において、
   前記交差要素部は、前記流体のバイパスを防止するバイパス止め凸状部、又は内側空間が前記ビードシールと連通したトンネルである、
   ことを特徴とするビードシール構造。
3. 請求項１又は２記載のビードシール構造において、
   前記交差要素部は、前記セパレータ厚さ方向から見た平面視で、前記ビードシールに対して９０°の角度で交差する、
   ことを特徴とするビードシール構造。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のビードシール構造において、
   前記交差要素部の頂部高さは、前記ビードシールの頂部高さよりも低い、
   ことを特徴とするビードシール構造。

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