JP6892465B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に関する。

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、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、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。ビードシールは、反応ガス連通孔等を囲む連通孔ビード部と、連通孔ビード部とともに反応ガス流路を囲む外側ビード部とを有する。

米国特許第８３７１５８７号明細書

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、ビードシールに均一な押圧荷重を付与することが可能な燃料電池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・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体に積層された燃料電池用金属セパレータとを備えた燃料電池であって、前記電解質膜・電極構造体の外周部には樹脂枠部材が接合され、前記燃料電池用金属セパレータは、反応面側である一方面に燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを流すための反応ガス流路が形成され、前記反応ガス流路又は冷却媒体流路に連通する連通孔がセパレータ厚さ方向に貫通形成され、一方面側に突出して前記反応ガス又は冷却媒体である流体の漏れを防止するためのビードシールが形成され、前記ビードシールは、前記樹脂枠部材に当接して前記連通孔を囲む連通孔ビード部と、前記樹脂枠部材に当接して前記反応ガス流路を囲む外側ビード部とを有し、前記電解質膜・電極構造体及び前記樹脂枠部材に重ねられて積層方向の締付荷重が付与されるものであり、前記連通孔ビード部と前記外側ビード部とが並んで延在する２重シール部において、前記連通孔ビード部と前記外側ビード部の間に、前記一方面側から突出する凸部が一体に形成され、前記燃料電池用金属セパレータの前記一方面とは反対の面側では、前記凸部の裏側形状を構成する凹部が設けられており、前記締付荷重による前記ビードシールの圧縮後において、前記凸部の頂部と前記樹脂枠部材との間に隙間が設けられるように前記凸部の高さは前記ビードシールの高さよりも低い、燃料電池である。

本発明によれば、連通孔ビード部と外側ビード部との間に設けられた凸部により、ビードシールの根元が平面方向に変位しようとする動きを吸収するため、締付荷重付与時のビードシールの回転モーメントの発生が抑制される。これにより、ビードシールに均一な押圧荷重（シール圧）を付与することが可能となり、所望のシール性を得ることができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの斜視図である。 発電セルの分解斜視図である。 第１金属セパレータ側から見た接合セパレータの構成説明図である。 第２金属セパレータ側から見た接合セパレータの構成説明図である。 図３におけるＶ−Ｖ線に相当する箇所での燃料電池スタックの断面図である。 図６Ａは、他の態様に係る凸部の断面図である。図６Ｂは、さらに他の態様に係る凸部の断面図である。 比較例に係る金属セパレータを備えた燃料電池スタックの断面図である。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１２が水平方向（矢印Ａ方向）又は重力方向（矢印Ｃ方向）に積層された積層体１４を備える。燃料電池スタック１０は、例えば、図示しない燃料電池電気自動車等の燃料電池車両に搭載される。

積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）一端には、ターミナルプレート（電力取出プレート）１６ａ、インシュレータ１８ａ及びエンドプレート２０ａが外方に向かって、順次、配設される。積層体１４の積層方向他端には、ターミナルプレート１６ｂ、インシュレータ１８ｂ及びエンドプレート２０ｂが外方に向かって、順次、配設される。一方のインシュレータ１８ａは、積層体１４と一方のエンドプレート２０ａとの間に配置されている。他方のインシュレータ１８ｂは、積層体１４と他方のエンドプレート２０ｂとの間に配置されている。インシュレータ１８ａ、１８ｂは、絶縁性材料、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）やフェノール樹脂等で形成される。

エンドプレート２０ａ、２０ｂは、横長（縦長でもよい）の長方形状を有するとともに、各辺間には、連結バー２４が配置される。各連結バー２４は、両端がエンドプレート２０ａ、２０ｂの内面に固定されており、複数の積層された発電セル１２に積層方向（矢印Ａ方向）の締め付け荷重を付与する。なお、燃料電池スタック１０は、エンドプレート２０ａ、２０ｂを端板とする筐体を備え、当該筐体内に積層体１４を収容するように構成してもよい。

発電セル１２は、図２に示すように、樹脂枠付きＭＥＡ２８が、第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２により挟持される。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。

樹脂枠付きＭＥＡ２８は、電解質膜・電極構造体２８ａ（以下、「ＭＥＡ２８ａ」という）と、ＭＥＡ２８ａの外周部に接合されるとともに該外周部を周回する樹脂枠部材４６とを備える。ＭＥＡ２８ａは、電解質膜４０と、電解質膜４０の一方の面に設けられたアノード電極（第１電極）４２と、電解質膜４０の他方の面に設けられたカソード電極（第２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。

詳細は図示しないが、アノード電極４２は、電解質膜４０の一方の面に接合される第１電極触媒層と、当該第１電極触媒層に積層される第１ガス拡散層とを有する。カソード電極４４は、電解質膜４０の他方の面に接合される第２電極触媒層と、当該第２電極触媒層に積層される第２ガス拡散層とを有する。

発電セル１２の長辺方向である矢印Ｂ方向（図２中、水平方向）の一端縁部には、積層方向に延在して、酸化剤ガス供給連通孔３４ａ、複数の冷却媒体排出連通孔３６ｂ及び複数（例えば、本実施形態のように２個）の燃料ガス排出連通孔３８ｂ（反応ガス排出連通孔）が設けられる。酸化剤ガス供給連通孔３４ａ、複数の冷却媒体排出連通孔３６ｂ及び複数の燃料ガス排出連通孔３８ｂは、それぞれ、積層体１４、インシュレータ１８ａ及びエンドプレート２０ａを積層方向に貫通している（ターミナルプレート１６ａを貫通してもよい）。これらの連通孔は上下方向（長方形状の発電セル１２の短辺に沿った方向）に配列して設けられる。燃料ガス排出連通孔３８ｂは、一方の反応ガスである燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。酸化剤ガス供給連通孔３４ａは、他方の反応ガスである酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する。冷却媒体排出連通孔３６ｂは、冷却媒体を排出する。

酸化剤ガス供給連通孔３４ａは、上下方向に離間して配置された２つの冷却媒体排出連通孔３６ｂの間に配置されている。複数の燃料ガス排出連通孔３８ｂは、上側燃料ガス排出連通孔３８ｂ１と、下側燃料ガス排出連通孔３８ｂ２とを有する。上側燃料ガス排出連通孔３８ｂ１は、上側の冷却媒体排出連通孔３６ｂの上方に配置されている。下側燃料ガス排出連通孔３８ｂ２は、下側の冷却媒体排出連通孔３６ｂの下方に配置されている。

発電セル１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、積層方向に互いに連通して、燃料ガス供給連通孔３８ａ、複数の冷却媒体供給連通孔３６ａ及び複数（例えば、本実施形態のように２個）の酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ（反応ガス排出連通孔）が設けられる。燃料ガス供給連通孔３８ａ、複数の冷却媒体供給連通孔３６ａ及び複数の酸化剤ガス排出連通孔３４ｂは、それぞれ、積層体１４、インシュレータ１８ａ及びエンドプレート２０ａを積層方向に貫通している（ターミナルプレート１６ａを貫通してもよい）。これらの連通孔は上下方向（長方形状の発電セル１２の短辺に沿った方向）に配列して設けられる。

燃料ガス供給連通孔３８ａは、燃料ガスを供給する。冷却媒体供給連通孔３６ａは、冷却媒体を供給する。酸化剤ガス排出連通孔３４ｂは、酸化剤ガスを排出する。酸化剤ガス供給連通孔３４ａ、複数の酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ、燃料ガス供給連通孔３８ａ及び複数の燃料ガス排出連通孔３８ｂの配置は、本実施形態に限定されるものではない。要求される仕様に応じて、適宜設定すればよい。

燃料ガス供給連通孔３８ａは、上下方向に離間して配置された２つの冷却媒体供給連通孔３６ａの間に配置されている。複数の酸化剤ガス排出連通孔３４ｂは、上側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ１と、下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２とを有する。上側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ１は、上側の冷却媒体供給連通孔３６ａの上方に配置されている。下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２は、下側の冷却媒体供給連通孔３６ａの下方に配置されている。

図１に示すように、酸化剤ガス供給連通孔３４ａ、冷却媒体供給連通孔３６ａ及び燃料ガス供給連通孔３８ａは、それぞれ、エンドプレート２０ａに設けられた入口３５ａ、３７ａ、３９ａに連通する。また、酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ、冷却媒体排出連通孔３６ｂ及び燃料ガス排出連通孔３８ｂは、それぞれ、エンドプレート２０ａに設けられた出口３５ｂ、３７ｂ、３９ｂに連通する。

図２に示すように、樹脂枠部材４６の矢印Ｂ方向の一端縁部には、酸化剤ガス供給連通孔３４ａ、複数の冷却媒体排出連通孔３６ｂ及び複数の燃料ガス排出連通孔３８ｂが設けられる。樹脂枠部材４６の矢印Ｂ方向の他端縁部には、燃料ガス供給連通孔３８ａ、複数の冷却媒体供給連通孔３６ａ及び複数の酸化剤ガス排出連通孔３４ｂが設けられる。

樹脂枠部材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の樹脂枠付きＭＥＡ２８に向かう表面３０ａ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、酸化剤ガス供給連通孔３４ａ及び酸化剤ガス排出連通孔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（又は波状流路溝）４８ｂを有する。

酸化剤ガス供給連通孔３４ａと酸化剤ガス流路４８との間には、プレス成形により、複数個のエンボス部を有する入口バッファ部５０ａが設けられる。酸化剤ガス排出連通孔３４ｂと酸化剤ガス流路４８との間には、プレス成形により、複数個のエンボス部を有する出口バッファ部５０ｂが設けられる。

第１金属セパレータ３０の表面３０ａには、プレス成形により、樹脂枠付きＭＥＡ２８に向かってビードシール５１が突出成形される。ビードシール５１は、樹脂枠部材４６に密着し、積層方向の締付力により弾性変形することで樹脂枠部材４６との間を気密及び液密にシールするシール構造である。ビードシール５１は、複数の連通孔ビード部５２と、外側ビード部５３とを有する。

複数の連通孔ビード部５２は、酸化剤ガス供給連通孔３４ａ、酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ、燃料ガス供給連通孔３８ａ、燃料ガス排出連通孔３８ｂ、冷却媒体供給連通孔３６ａ及び冷却媒体排出連通孔３６ｂの周囲をそれぞれ個別に周回する。酸化剤ガス供給連通孔３４ａを囲む連通孔ビード部５２には、酸化剤ガス供給連通孔３４ａと酸化剤ガス流路４８とを連通する複数のトンネル８０ｔを有するブリッジ部８０が設けられている。酸化剤ガス排出連通孔３４ｂを囲む連通孔ビード部５２には、酸化剤ガス排出連通孔３４ｂと酸化剤ガス流路４８とを連通する複数のトンネル８２ｔを有するブリッジ部８２が設けられている。

外側ビード部５３は、第１金属セパレータ３０の外周部に沿って設けられ、酸化剤ガス流路４８とともに酸化剤ガス供給連通孔３４ａ、２つの酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ、燃料ガス供給連通孔３８ａ及び２つの燃料ガス排出連通孔３８ｂを囲む。

第１金属セパレータ３０の長手方向一端側において、外側ビード部５３は、上側燃料ガス排出連通孔３８ｂ１と上側の冷却媒体排出連通孔３６ｂとの間、上側の冷却媒体排出連通孔３６ｂと酸化剤ガス供給連通孔３４ａとの間、酸化剤ガス供給連通孔３４ａと下側の冷却媒体排出連通孔３６ｂとの間、及び下側の冷却媒体排出連通孔３６ｂと下側燃料ガス排出連通孔３８ｂ２との間を延在するように、蛇行している。従って、第１金属セパレータ３０の長手方向一端側において、外側ビード部５３は、第１金属セパレータ３０の一方の短辺に向かって膨出するように、上側燃料ガス排出連通孔３８ｂ１、酸化剤ガス供給連通孔３４ａ及び下側燃料ガス排出連通孔３８ｂ２をそれぞれ部分的に囲む３つの膨出形状部５３ａ、５３ｂ、５３ｃを有する。

第１金属セパレータ３０の長手方向他端側において、外側ビード部５３は、上側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ１と上側の冷却媒体供給連通孔３６ａとの間、上側の冷却媒体供給連通孔３６ａと燃料ガス供給連通孔３８ａとの間、燃料ガス供給連通孔３８ａと下側の冷却媒体供給連通孔３６ａとの間、及び下側の冷却媒体供給連通孔３６ａと下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２との間を延在するように、蛇行している。従って、第１金属セパレータ３０の長手方向他端側において、外側ビード部５３は、第１金属セパレータ３０の他方の短辺に向かって膨出するように、上側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ１、燃料ガス供給連通孔３８ａ及び下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２をそれぞれ部分的に囲む３つの膨出形状部５３ｄ、５３ｅ、５３ｆを有する。

図４に示すように、第２金属セパレータ３２の樹脂枠付きＭＥＡ２８に向かう表面３２ａ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、燃料ガス供給連通孔３８ａ及び燃料ガス排出連通孔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（又は波状流路溝）５８ｂを有する。

燃料ガス供給連通孔３８ａと燃料ガス流路５８との間には、プレス成形により、複数個のエンボス部を有する入口バッファ部６０ａが設けられる。燃料ガス排出連通孔３８ｂと燃料ガス流路５８との間には、プレス成形により、複数個のエンボス部を有する出口バッファ部６０ｂが設けられる。

第２金属セパレータ３２の表面３２ａには、プレス成形により、樹脂枠付きＭＥＡ２８に向かってビードシール６１が突出成形される。ビードシール６１は、樹脂枠部材４６に密着し、積層方向の締付力により弾性変形することで樹脂枠部材４６との間を気密及び液密にシールするシール構造である。ビードシール６１は、複数の連通孔ビード部６２と、外側ビード部６３とを有する。

複数の連通孔ビード部６２は、酸化剤ガス供給連通孔３４ａ、酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ、燃料ガス供給連通孔３８ａ、燃料ガス排出連通孔３８ｂ、冷却媒体供給連通孔３６ａ及び冷却媒体排出連通孔３６ｂの周囲をそれぞれ個別に周回する。燃料ガス供給連通孔３８ａを囲む連通孔ビード部６２には、燃料ガス供給連通孔３８ａと燃料ガス流路５８とを連通する複数のトンネル９０ｔを有するブリッジ部９０が設けられている。燃料ガス排出連通孔３８ｂを囲む連通孔ビード部６２には、燃料ガス排出連通孔３８ｂと燃料ガス流路５８とを連通する複数のトンネル９２ｔを有するブリッジ部９２が設けられている。

外側ビード部６３は、第２金属セパレータ３２の外周部に沿って設けられ、燃料ガス流路５８とともに酸化剤ガス供給連通孔３４ａ、酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ、燃料ガス供給連通孔３８ａ及び燃料ガス排出連通孔３８ｂを囲む。

第２金属セパレータ３２の長手方向一端側において、外側ビード部６３は、上側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ１と上側の冷却媒体供給連通孔３６ａとの間、上側の冷却媒体供給連通孔３６ａと燃料ガス供給連通孔３８ａとの間、燃料ガス供給連通孔３８ａと下側の冷却媒体供給連通孔３６ａとの間、及び下側の冷却媒体供給連通孔３６ａと下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２との間を延在するように、蛇行している。従って、第２金属セパレータ３２の長手方向一端側において、外側ビード部６３は、第２金属セパレータ３２の一方の短辺に向かって膨出するように、上側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ１、燃料ガス供給連通孔３８ａ及び下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２をそれぞれ部分的に囲む３つの膨出形状部６３ａ、６３ｂ、６３ｃを有する。

第２金属セパレータ３２の長手方向他端側において、外側ビード部６３は、上側燃料ガス排出連通孔３８ｂ１と上側の冷却媒体排出連通孔３６ｂとの間、上側の冷却媒体排出連通孔３６ｂと酸化剤ガス供給連通孔３４ａとの間、酸化剤ガス供給連通孔３４ａと下側の冷却媒体排出連通孔３６ｂとの間、及び下側の冷却媒体排出連通孔３６ｂと下側燃料ガス排出連通孔３８ｂ２との間を延在するように、蛇行している。従って、第２金属セパレータ３２の長手方向他端側において、外側ビード部６３は、第２金属セパレータ３２の他方の短辺に向かって膨出するように、上側燃料ガス排出連通孔３８ｂ１、酸化剤ガス供給連通孔３４ａ及び下側燃料ガス排出連通孔３８ｂ２をそれぞれ部分的に囲む３つの膨出形状部６３ｄ、６３ｅ、６３ｆを有する。

図２において、第１金属セパレータ３０と第２金属セパレータ３２とは、外周を溶接、ろう付け等により一体に接合され、接合セパレータ３３を構成する。互いに接合される第１金属セパレータ３０の裏面３０ｂと第２金属セパレータ３２の裏面３２ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔３６ａと冷却媒体排出連通孔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。

図３において、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３３ａ、３３ｂ（図示の便宜上、仮想線で示す）により互いに接合されている。接合ライン３３ａ、３３ｂは、例えばレーザ溶接ラインである。接合ライン３３ａ、３３ｂは、ロウ付けによる接合部であってもよい。接合ライン３３ａは、複数の連通孔ビード部５２（及び連通孔ビード部６２）を個別に囲む。接合ライン３３ｂは、外側ビード部５３（及び外側ビード部６３）を囲み、接合セパレータ３３の外周部に設けられる。

図３に示すように、連通孔ビード部５２と外側ビード部５３とが並んで延在する２重シール部において、連通孔ビード部５２の外周と外側ビード部５３の内周との間に、第１金属セパレータ３０の表面３０ａ側から突出する凸部９４がプレス成形により一体に形成されている。第１金属セパレータ３０の裏面３０ｂ側では、凸部９４の裏側形状を構成する凹部９５が設けられている（図５参照）。凸部９４は、ガス連通孔（酸化剤ガス供給連通孔３４ａ、酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ、燃料ガス供給連通孔３８ａ、燃料ガス排出連通孔３８ｂ）を囲む接合ライン３３ａと、外側ビード部５３の内周との間にそれぞれ設けられている。

２つの酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ及び２つの燃料ガス排出連通孔３８ｂは、長方形状の第１金属セパレータ３０の４つの隅部に配置されている。第１金属セパレータ３０の４つの角部３０ｋ（第１金属セパレータ３０の周縁部上に位置する角部）に対向する位置に凸部９４が設けられている。

第１金属セパレータ３０の長手方向一端側に設けられた５つの連通孔において両端に位置する連通孔（燃料ガス排出連通孔３８ｂ）と第１金属セパレータ３０の周縁部（長辺及び短辺）との間に凸部９４ａ、９４ｃが設けられている。第１金属セパレータ３０の長手方向一端側に設けられた５つの連通孔において中央に位置する連通孔（酸化剤ガス供給連通孔３４ａ）と第１金属セパレータ３０の周縁部（短辺）との間に、凸部９４ｂが設けられている。

凸部９４ａ、９４ｃは、燃料ガス排出連通孔３８ｂを囲む連通孔ビード部５２の一部に沿って延在している。凸部９４ｂは、酸化剤ガス供給連通孔３４ａを囲む連通孔ビード部５２の一部に沿って延在している。燃料ガス排出連通孔３８ｂを囲む連通孔ビード部５２に沿って延在する凸部９４ａ、９４ｃの延在長さは、酸化剤ガス供給連通孔３４ａを囲む連通孔ビード部５２に沿って延在する凸部９４ｂの延在長さよりも長い。

第１金属セパレータ３０の長手方向他端側に設けられた５つの連通孔において両端に位置する連通孔（酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ）と第１金属セパレータ３０の周縁部（長辺及び短辺）との間に、凸部９４ｄ、９４ｆが設けられている。第１金属セパレータ３０の長手方向他端側に設けられた５つの連通孔において中央に位置する連通孔（燃料ガス供給連通孔３８ａ）と第１金属セパレータ３０の周縁部（短辺）との間に、凸部９４ｅが設けられている。

凸部９４ｄ、９４ｆは、酸化剤ガス排出連通孔３４ｂを囲む連通孔ビード部５２の一部に沿って延在している。凸部９４ｅは、燃料ガス供給連通孔３８ａを囲む連通孔ビード部５２の一部に沿って延在している。酸化剤ガス排出連通孔３４ｂを囲む連通孔ビード部５２に沿って延在する凸部９４ｄ、９４ｆの延在長さは、燃料ガス供給連通孔３８ａを囲む連通孔ビード部５２に沿って延在する凸部９４ｅの延在長さよりも長い。

図４に示すように、連通孔ビード部６２と外側ビード部６３とが並んで延在する２重シール部において、連通孔ビード部６２の外周と外側ビード部６３の内周との間に、第２金属セパレータ３２の表面側から突出する凸部９６がプレス成形により一体に形成されている。第２金属セパレータ３２の裏面３２ｂ側では、凸部９６の裏側形状を構成する凹部９７が設けられている（図５参照）。凸部９６は、ガス連通孔（酸化剤ガス供給連通孔３４ａ、酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ、燃料ガス供給連通孔３８ａ、燃料ガス排出連通孔３８ｂ）を囲む接合ライン３３ａと、外側ビード部６３の内周との間に設けられている。

２つの酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ及び２つの燃料ガス排出連通孔３８ｂは、長方形状の第２金属セパレータ３２の４つの隅部に配置されている。第２金属セパレータ３２の４つの角部３２ｋ（第２金属セパレータ３２の周縁部上に位置する角部）に対向する位置に凸部９６が設けられている。

第２金属セパレータ３２の長手方向一端側に設けられた５つの連通孔において両端に位置する連通孔（酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ）と第２金属セパレータ３２の周縁部（長辺及び短辺）との間に、凸部９６ａ、９６ｃが設けられている。第２金属セパレータ３２の長手方向一端側に設けられた５つの連通孔において中央に位置する連通孔（燃料ガス供給連通孔３８ａ）と第２金属セパレータ３２の周縁部（短辺）との間に、凸部９６ｂが設けられている。

凸部９６ａ、９６ｃは、酸化剤ガス排出連通孔３４ｂを囲む連通孔ビード部６２の一部に沿って延在している。凸部９６ｂは、燃料ガス供給連通孔３８ａを囲む連通孔ビード部６２の一部に沿って延在している。酸化剤ガス排出連通孔３４ｂを囲む連通孔ビード部６２に沿って延在する凸部９６ａ、９６ｃの延在長さは、燃料ガス供給連通孔３８ａを囲む連通孔ビード部６２に沿って延在する凸部９６ｂの延在長さよりも長い。

第２金属セパレータ３２の長手方向他端側に設けられた５つの連通孔において両端に位置する連通孔（燃料ガス排出連通孔３８ｂ）と第２金属セパレータ３２の周縁部（長辺及び短辺）との間に、凸部９６ｄ、９６ｆが設けられている。第２金属セパレータ３２の長手方向他端側に設けられた５つの連通孔において中央に位置する連通孔（酸化剤ガス供給連通孔３４ａ）と第２金属セパレータ３２の周縁部（短辺）との間に、凸部９６ｅが設けられている。

凸部９６ｄ、９６ｆは、燃料ガス排出連通孔３８ｂを囲む連通孔ビード部６２の一部に沿って延在している。凸部９６ｅは、酸化剤ガス供給連通孔３４ａを囲む連通孔ビード部６２の一部に沿って延在している。燃料ガス排出連通孔３８ｂを囲む連通孔ビード部６２に沿って延在する凸部９６ｄ、９６ｆの延在長さは、酸化剤ガス供給連通孔３４ａを囲む連通孔ビード部６２に沿って延在する凸部９６ｅの延在長さよりも長い。

図５に示すように、第１金属セパレータ３０に設けられた凸部９４の高さ（基準面となるベースプレート部３０ｓからの凸部９４の突出高さ）は、積層方向（矢印Ａ方向）の締付荷重による、ビードシール５１の圧縮時の高さ（ベースプレート部３０ｓからのビードシール５１の突出高さ）よりも低い。従って、凸部９４の頂部と樹脂枠部材４６との間には隙間Ｇが設けられている。第２金属セパレータ３２に設けられた凸部９６の高さ（基準面となるベースプレート部３２ｓからの突出高さ）は、積層方向の締付荷重による、ビードシール６１の圧縮時の高さ（ベースプレート部３２ｓからのビードシール６１の突出高さ）よりも低い。従って、凸部９６の頂部と樹脂枠部材４６との間には隙間Ｇが設けられている。積層方向から見て凸部９４と凸部９６とは重なっている。従って、凸部９４の裏面形状である凹部９５と凸部９６の裏面形状である凹部９７とは積層方向に互いに対向している。

連通孔ビード部５２と外側ビード部５３の各凸部先端面には、樹脂部材５６が印刷又は塗布等により固着されている。連通孔ビード部６２と外側ビード部６３の各凸部先端面には、樹脂部材５６が印刷又は塗布等により固着されている。なお、当該樹脂部材５６はなくてもよい。

台形状の断面形状を有する凸部９４、９６に代えて、図６Ａに示すような三角形状の断面形状を有する凸部９４Ｔ、９６Ｔが設けられてよい。あるいは、図６Ｂに示すような円弧状の断面形状を有する凸部９４Ａ、９６Ａが設けられてもよい。

このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。

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、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス供給連通孔３４ａ（入口３５ａ）に供給される。水素含有ガス等の燃料ガスは、エンドプレート２０ａの燃料ガス供給連通孔３８ａ（入口３９ａ）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、エンドプレート２０ａの冷却媒体供給連通孔３６ａ（入口３７ａ）に供給される。

酸化剤ガスは、図３に示すように、酸化剤ガス供給連通孔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。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、図２に示すＭＥＡ２８ａのカソード電極４４に供給される。

一方、燃料ガスは、図４に示すように、燃料ガス供給連通孔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、図２に示す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２電極触媒層及び第１電極触媒層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、酸化剤ガス排出連通孔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、燃料ガス排出連通孔３８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体供給連通孔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、冷却媒体排出連通孔３６ｂから排出される。

この場合、本実施形態は、以下の効果を奏する。

図５に示すように、第１金属セパレータ３０には、連通孔ビード部５２と外側ビード部５３とが並んで延在する２重シール部において、連通孔ビード部５２と外側ビード部５３の間に、表面３０ａ側から突出する凸部９４が一体に形成されている。このように連通孔ビード部５２と外側ビード部５３との間に設けられた凸部９４により、ビードシール５１（連通孔ビード部５２及び外側ビード部５３）の根元が平面方向に変位しようとする動きを吸収するため、締付荷重付与時のビードシール５１の回転モーメントの発生が抑制される。これにより、ビードシール５１に均一な押圧荷重（シール圧）を付与することが可能となり、所望のシール性を得ることができる。第２金属セパレータ３２に設けられた凸部９６によっても、上記と同様の効果を得ることができる。

図７に示す比較例に係る金属セパレータ１００のように、連通孔ビード部１０２と外側ビード部１０４との間に凸部が設けられていない場合、積層方向の締付荷重が付与された際、ビードシール（連通孔ビード部１０２及び外側ビード部１０４）の根元の平面方向への変位により、平面方向への逃げ場がなくなる。それにより、ビードシールに回転モーメントが発生し、ビードシールの根元が積層方向に変位し、ビードシールが傾くため、ビードシールに均一な押圧荷重（シール圧）を付与することが困難となる。

これに対し、図５に示すように、本実施形態では、２重シール部を構成する連通孔ビード部５２と外側ビード部５３との間に凸部９４が設けられ、２重シール部を構成する連通孔ビード部６２と外側ビード部６３との間に凸部９６が設けられているため、ビードシール５１、６１に積層方向の締付荷重が付与された際、凸部９４、９６は、ビードシール５１、６１から伝達される荷重により積層方向に広がる（樹脂枠部材４６側に近づくように変形する）。その際、ビードシール５１、６１の根元が平面方向（凸部９４、９６側）に変位するため、ビードシール５１、６１の回転モーメントの発生が抑制される。従って、ビードシール５１、６１に均一な押圧荷重（シール圧）を付与することが可能である。

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。

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、反応面側である一方面に燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを流すための反応ガス流路（４８、５８）が形成され、前記反応ガス流路（４８、５８）又は冷却媒体流路（６６）に連通する連通孔がセパレータ厚さ方向に貫通形成され、一方面側に突出して前記反応ガス又は冷却媒体である流体の漏れを防止するためのビードシール（５１、６１）が形成され、前記ビードシール（５１、６１）は、前記連通孔を囲む連通孔ビード部（５２、６２）と、前記反応ガス流路（４８、５８）を囲む外側ビード部（５３、６３）とを有し、電解質膜・電極構造体（２８ａ）に重ねられて積層方向の締付荷重が付与される燃料電池用金属セパレータ（３０、３２）であって前記連通孔ビード部（５２、６２）と前記外側ビード部（５３、６３）とが並んで延在する２重シール部において、前記連通孔ビード部（５２、６２）と前記外側ビード部（５３、６３）の間に、前記一方面側から突出する凸部（９４、９６）が一体に形成され、前記凸部（９４、９６）の高さは、前記締付荷重による前記ビードシール（５１、６１）の圧縮時の高さよりも低い、燃料電池用金属セパレータ（３０、３２）を開示している。

前記連通孔は、長方形状の前記燃料電池用金属セパレータ（３０、３２）の隅部に配置され、前記燃料電池用金属セパレータ（３０、３２）の角部（３０ｋ、３２ｋ）に対向する位置に前記凸部（９４、９６）が設けられてもよい。

前記凸部（９４、９６）は、前記反応ガスを流す前記連通孔を囲む前記連通孔ビード部（５２、６２）の一部に沿って延在してもよい。

前記連通孔は、前記燃料電池用金属セパレータ（３０、３２）の一端側に前記反応ガス流路（４８、５８）の幅方向に並んで５つ配置され、５つの前記連通孔において両端に位置する連通孔と前記燃料電池用金属セパレータ（３０、３２）の周縁部との間、及び、５つの前記連通孔において中央に位置する連通孔と前記燃料電池用金属セパレータ（３０、３２）の周縁部との間に、前記凸部（９４、９６）が設けられてもよい。

前記連通孔は、前記燃料電池用金属セパレータ（３０、３２）の一端側に前記反応ガス流路（４８、５８）の幅方向に並んで５つ配置され、前記凸部（９４、９６）は複数設けられ、５つの前記連通孔において両端に位置する連通孔と前記燃料電池用金属セパレータ（３０、３２）の周縁部との間に設けられる前記凸部（９４、９６）の延在長さは、５つの前記連通孔において中央に位置する連通孔と前記燃料電池用金属セパレータ（３０、３２）の周縁部との間に設けられる前記凸部（９４、９６）の延在長さよりも長くてもよい。

また、上記実施形態は、電解質膜・電極構造体（２８ａ）と、前記電解質膜・電極構造体（２８ａ）に積層された燃料電池用金属セパレータ（３０、３２）とを備えた燃料電池（１２）であって、前記燃料電池用金属セパレータ（３０、３２）は、反応面側である一方面に燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを流すための反応ガス流路（４８、５８）が形成され、前記反応ガス流路（４８、５８）又は冷却媒体流路（６６）に連通する連通孔がセパレータ厚さ方向に貫通形成され、一方面側に突出して前記反応ガス又は冷却媒体である流体の漏れを防止するためのビードシール（５１、６１）が形成され、前記ビードシール（５１、６１）は、前記連通孔を囲む連通孔ビード部（５２、６２）と、前記反応ガス流路（４８、５８）を囲む外側ビード部（５３、６３）とを有し、電解質膜・電極構造体（２８ａ）に重ねられて積層方向の締付荷重が付与されるものであり、前記連通孔ビード部（５２、６２）と前記外側ビード部（５３、６３）とが並んで延在する２重シール部において、前記連通孔ビード部（５２、６２）と前記外側ビード部（５３、６３）の間に、前記一方面側から突出する凸部（９４、９６）が一体に形成され、前記凸部（９４、９６）の高さは、前記締付荷重による前記ビードシール（５１、６１）の圧縮時の高さよりも低い、燃料電池（１２）を開示している。

１０…燃料電池スタック １２…発電セル
４８…酸化剤ガス流路 ５１、６１…ビードシール
５２、６２…連通孔ビード部 ５３、６３…外側ビード部
５８…燃料ガス流路 ９４、９６…凸部

Claims (5)

1. 電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体に積層された燃料電池用金属セパレータとを備えた燃料電池であって、
   前記電解質膜・電極構造体の外周部には樹脂枠部材が接合され、
   前記燃料電池用金属セパレータは、反応面側である一方面に燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを流すための反応ガス流路が形成され、前記反応ガス流路又は冷却媒体流路に連通する連通孔がセパレータ厚さ方向に貫通形成され、一方面側に突出して前記反応ガス又は冷却媒体である流体の漏れを防止するためのビードシールが形成され、前記ビードシールは、前記樹脂枠部材に当接して前記連通孔を囲む連通孔ビード部と、前記樹脂枠部材に当接して前記反応ガス流路を囲む外側ビード部とを有し、前記電解質膜・電極構造体及び前記樹脂枠部材に重ねられて積層方向の締付荷重が付与されるものであり、
   前記連通孔ビード部と前記外側ビード部とが並んで延在する２重シール部において、前記連通孔ビード部と前記外側ビード部の間に、前記一方面側から突出する凸部が一体に形成され、
   前記燃料電池用金属セパレータの前記一方面とは反対の面側では、前記凸部の裏側形状を構成する凹部が設けられており、
   前記締付荷重による前記ビードシールの圧縮後において、前記凸部の頂部と前記樹脂枠部材との間に隙間が設けられるように前記凸部の高さは前記ビードシールの高さよりも低い、燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池において、
   前記連通孔は、長方形状の前記燃料電池用金属セパレータの隅部に配置され、
   前記燃料電池用金属セパレータの角部に対向する位置に前記凸部が設けられる、燃料電池。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池において、
   前記凸部は、前記反応ガスを流す前記連通孔を囲む前記連通孔ビード部の一部に沿って延在する、燃料電池。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池において、
   前記連通孔は、前記燃料電池用金属セパレータの一端側に前記反応ガス流路の幅方向に並んで５つ配置され、
   ５つの前記連通孔において両端に位置する連通孔と前記燃料電池用金属セパレータの周縁部との間、及び、５つの前記連通孔において中央に位置する連通孔と前記燃料電池用金属セパレータの周縁部との間に、前記凸部が設けられる、燃料電池。
5. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池において、
   前記連通孔は、前記燃料電池用金属セパレータの一端側に前記反応ガス流路の幅方向に並んで５つ配置され、
   前記凸部は複数設けられ、
   ５つの前記連通孔において両端に位置する連通孔と前記燃料電池用金属セパレータの周縁部との間に設けられる前記凸部の延在長さは、５つの前記連通孔において中央に位置する連通孔と前記燃料電池用金属セパレータの周縁部との間に設けられる前記凸部の延在長さよりも長い、燃料電池。

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