JP6997630B2 - 発電セル - Google Patents

Description

本発明は、反応ガス流路を囲むビードシール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。

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、ビードシールと反応ガス流路との間に、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、反応ガスの流路幅方向の端部に対向するビードシールに沿って流路方向に反応ガスがバイパスすることを一層良好に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、樹脂フィルム付きＭＥＡと、前記樹脂フィルム付きＭＥＡの両側に配置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・電極構造体の外周部に全周に亘って設けられた枠形状の樹脂フィルムとを有し、前記金属セパレータの一端から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、前記樹脂フィルムに当接するとともに前記反応ガス流路を囲んで反応ガスの漏れを防止するビードシールが設けられ、前記反応ガスのバイパスを防止するために、前記ビードシールのうち前記金属セパレータの前記一端から前記他端に向かって延在する部分から前記反応ガス流路の流路幅方向の端部に向かって延出するとともに前記樹脂フィルムに向かって膨出成形されたバイパス止め凸状部が設けられた発電セルにおいて、前記電極の、前記反応ガス流路の流路方向の少なくとも一方の端部の角部は、前記バイパス止め凸状部の頂部に重なる。

前記反応ガス流路の流路方向に間隔を置いて前記バイパス止め凸状部が複数設けられ、前記電極の前記角部は、前記複数のバイパス止め凸状部のうち、前記流路方向の一方の端部に位置するバイパス止め凸状部の頂部と重なることが好ましい。

前記電極の、前記反応ガス流路の前記流路方向の両方向の端部の角部が、前記バイパス止め凸状部の頂部に重なることが好ましい。

前記バイパス止め凸状部は、前記反応ガス流路の前記流路幅方向の両側にそれぞれ設けられ、前記電極の前記角部は、前記流路幅方向の両側で、前記バイパス止め凸状部の頂部に重なることが好ましい。

前記金属セパレータは、前記バイパス止め凸状部の前記頂部に隣接して、前記電極の外端面と対向する壁部を有することが好ましい。

前記壁部は、前記金属セパレータの厚さ方向に対して傾斜していることが好ましい。

前記金属セパレータは、前記壁部に隣接し且つ前記樹脂フィルムを支持する支持部を有することが好ましい。

本発明の発電セルによれば、樹脂フィルム付きＭＥＡの電極の、反応ガス流路の流路方向の少なくとも一方の端部の角部は、バイパス止め凸状部の頂部に重なる。これにより、電極の角部からビードシールに沿うバイパス領域への反応ガスの流入が抑制される。このため、反応ガスの流路幅方向の端部に対向するビードシールに沿って流路方向に反応ガスがバイパスする（発電領域の外側を通過する）ことを良好に抑制することができる。従って、反応ガスの分配性及び発電効率の向上が図られる。

本発明の実施形態に係る発電セルの分解斜視図である。 図１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接合セパレータの平面図である。 第１金属セパレータの要部拡大平面図である。 図４におけるＶ－Ｖ線に沿った発電セルの断面図である。 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７におけるＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ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（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は互いに同じ厚さを有してもよい。

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（図１参照）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波状突起４８ａ間に形成された複数の波状流路溝４８ｂを有する。従って、酸化剤ガス流路４８では、複数の波状突起４８ａと複数の波状流路溝４８ｂとが流路幅方向（矢印Ｃ方向）に交互に配置されている。なお、酸化剤ガス流路４８では、上記の構成に代えて、複数の直線状突起の間に複数の直線状流路溝が形成されてもよい。

波状突起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、波状突起４８ａの横断面形状は台形状である。なお、波状突起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、波状突起４８ａの横断面形状は矩形状であってもよい。以下、複数の波状突起４８ａのうち、流路幅方向の両端に位置するものを「端部波状突起４８ａ１」という。端部波状突起４８ａ１は、第１ガス拡散層４４ｂの外端面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には、酸化剤ガス入口連通孔３４ａと酸化剤ガス流路４８とを連通させる第１入口連結流路部５０Ａが設けられている。本実施形態において第１入口連結流路部５０Ａは、複数の第１入口連結流路溝５０ａを有する。各第１入口連結流路溝５０ａは、複数の波状流路溝４８ｂに繋がっている。第１金属セパレータ３０の表面３０ａにおいて、酸化剤ガス流路４８の矢印Ｂ１方向側に隣接して、第１金属セパレータ３０のベースプレート部３０ｓから樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かって隆起した第１入口側隆起部５１ａが形成されている。第１入口側隆起部５１ａは、流路幅方向（矢印Ｃ方向）一端側のビードシール５４（後述）の内側近傍から流路幅方向（矢印Ｃ方向）他端側のビードシール５４の内側近傍まで延びている。複数の第１入口連結流路溝５０ａは、第１入口側隆起部５１ａに設けられている。

また、第１金属セパレータ３０の表面３０ａには、酸化剤ガス流路４８と酸化剤ガス出口連通孔３４ｂとを連通させる第１出口連結流路部５０Ｂが設けられている。本実施形態において第１出口連結流路部５０Ｂは、複数の第１出口連結流路溝５０ｂを有する。各第１出口連結流路溝５０ｂは、複数の波状流路溝４８ｂに繋がっている。第１金属セパレータ３０の表面３０ａにおいて、酸化剤ガス流路４８の矢印Ｂ２方向側に隣接して、第１金属セパレータ３０のベースプレート部３０ｓから樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かって隆起した第１出口側隆起部５１ｂが形成されている。第１出口側隆起部５１ｂは、流路幅方向（矢印Ｃ方向）一端側のビードシール５４（後述）の内側近傍から流路幅方向（矢印Ｃ方向）他端側のビードシール５４の内側近傍まで延びている。複数の第１出口連結流路溝５０ｂは、第１出口側隆起部５１ｂに設けられている。

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、第１入口連結流路部５０Ａ及び第１出口連結流路部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。

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（端部波状突起４８ａ１）と外周側ビード部５４との間に、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、他端が端部波状突起４８ａ１に繋がっている。第１バイパス止め凸状部８４の高さは、外周側ビード部５４の高さよりも低い。

第１バイパス止め凸状部８４は、端部波状突起４８ａ１の延在方向（矢印Ｂ方向）に間隔を置いて複数個配列されている。矢印Ｂ方向に配列された複数の第１バイパス止め凸状部８４により、第１バイパス止め凸状部列８４Ｒが構成されている。以下、第１バイパス止め凸状部列８４Ｒの両端部に位置する第１バイパス止め凸状部８４を、「第１バイパス止め凸状部８４ｅ」と表記する。

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。

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。第１バイパス止め凸状部８４と中間凸状部８９の高さは同じである。

図４及び図５に示すように、カソード電極４４（具体的には、第１ガス拡散層４４ｂ）の、酸化剤ガス流路４８の流路方向（矢印Ｂ方向）の端部の角部４４ｋは、第１バイパス止め凸状部列８４Ｒのうち端部に配置された第１バイパス止め凸状部８４ｅの頂部８４ｔに重なる。従って、第１バイパス止め凸状部８４ｅの頂部８４ｔは、カソード電極４４の当該角部４４ｋに当接している。なお、図５では、第２金属セパレータ３２の図示を省略している。

第１金属セパレータ３０は、第１バイパス止め凸状部８４ｅの頂部８４ｔに隣接して、カソード電極４４の外端面４４ｅ（第１ガス拡散層４４ｂの外端面４４ｂｅ）と対向する壁部３０ｃを有する。壁部３０ｃは、第１バイパス止め凸状部８４ｅの頂部８４ｔから樹脂フィルム４６に向かって延出している。壁部３０ｃとカソード電極４４の外端面４４ｅとの間には微小な隙間が形成されている。なお、壁部３０ｃはカソード電極４４の外端面４４ｅに当接していてもよい。

壁部３０ｃは、第１金属セパレータ３０の厚さ方向（矢印Ａ方向）に対して傾斜している。なお、壁部３０ｃは、第１金属セパレータ３０の厚さ方向と平行に形成されてもよい。第１金属セパレータ３０は、壁部３０ｃに隣接し且つ樹脂フィルム４６を支持する支持部３０ｄを有する。上述した第１入口側隆起部５１ａが、当該支持部３０ｄを構成している。壁部３０ｃは、第１バイパス止め凸状部８４ｅの頂部８４ｔと当該支持部３０ｄとの間の段差を形成している。

図３において、詳細は図示しないが、四角形状のカソード電極４４の他の３つの角部４４ｋ（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にそれぞれ近い角部４４ｋ）についても、酸化剤ガス入口連通孔３４ａに近い角部４４ｋと同様に、第１バイパス止め凸状部列８４Ｒの端部に配置された第１バイパス止め凸状部８４ｅの頂部８４ｔに重なる。また、第１金属セパレータ３０は、上記他の３つの角部４４ｋに相当する箇所においても、第１バイパス止め凸状部８４ｅの頂部８４ｔに隣接して、カソード電極４４の外端面４４ｅと対向する壁部３０ｃを有する。

図６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波状突起５８ａ間に形成された複数の波状流路溝５８ｂを有する。従って、燃料ガス流路５８では、複数の波状突起５８ａと複数の波状流路溝５８ｂとが流路幅方向（矢印Ｃ方向）に交互に配置されている。なお、燃料ガス流路５８では、上記の構成に代えて、複数の直線状突起の間に複数の直線状流路溝が形成されてもよい。以下、複数の波状突起５８ａのうち、流路幅方向の両端に位置するものを「端部波状突起５８ａ１」という。端部波状突起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には、燃料ガス入口連通孔３８ａと燃料ガス流路５８とを連通させる第２入口連結流路部６０Ａが設けられている。本実施形態において第２入口連結流路部６０Ａは、複数の第２入口連結流路溝６０ａを有する。各第２入口連結流路溝６０ａは、複数の波状流路溝５８ｂに繋がっている。第２金属セパレータ３２の表面３２ａにおいて、燃料ガス流路５８の矢印Ｂ２方向側に隣接して、第２金属セパレータ３２のベースプレート部３２ｓから樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かって隆起した第２入口側隆起部６１ａが形成されている。第２入口側隆起部６１ａは、流路幅方向（矢印Ｃ方向）一端側のビードシール６４（後述）の内側近傍から流路幅方向（矢印Ｃ方向）他端側のビードシール６４の内側近傍まで延びている。複数の第２入口連結流路溝６０ａは、第２入口側隆起部６１ａに設けられている。

また、第２金属セパレータ３２の表面３２ａには、燃料ガス流路５８と燃料ガス出口連通孔３８ｂとを連通させる第２出口連結流路部６０Ｂが設けられている。本実施形態において第２出口連結流路部６０Ｂは、複数の第２出口連結流路溝６０ｂを有する。各第２出口連結流路溝６０ｂは、複数の波状流路溝５８ｂに繋がっている。第２金属セパレータ３２の表面３２ａにおいて、燃料ガス流路５８の矢印Ｂ１方向側に隣接して、第２金属セパレータ３２のベースプレート部３２ｓから樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かって隆起した第２出口側隆起部６１ｂが形成されている。第２出口側隆起部６１ｂは、流路幅方向（矢印Ｃ方向）一端側のビードシール６４（後述）の内側近傍から流路幅方向（矢印Ｃ方向）他端側のビードシール６４の内側近傍まで延びている。複数の第２出口連結流路溝６０ｂは、第２出口側隆起部６１ｂに設けられている。

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６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、第２入口連結流路部６０Ａ及び第２出口連結流路部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（端部波状突起５８ａ１）と外周側ビード部６４との間に、燃料ガス入口連通孔３８ａから燃料ガス出口連通孔３８ｂへの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の高さは、外周側ビード部６４の高さよりも低い。

第２バイパス止め凸状部９４は波状流路溝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。矢印Ｂ方向に配列された複数の第２バイパス止め凸状部９４により、第２バイパス止め凸状部列９４Ｒが構成されている。以下、第２バイパス止め凸状部列９４Ｒの両端部に位置する第２バイパス止め凸状部９４を、「第２バイパス止め凸状部９４ｅ」と表記する。

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、他端が端部波状突起５８ａ１に繋がったもの（以下、「第２バイパス止め凸状部９４ａ」と表記する）と、他端が端部波状突起５８ａ１に繋がっていない（端部波状突起５８ａ１から離間している）もの（以下、「第２バイパス止め凸状部９４ｂ」と表記する）とを含む。

第２バイパス止め凸状部列９４Ｒの両端部に位置する第２バイパス止め凸状部９４ｅは、他端が端部波状突起５８ａ１に繋がった第２バイパス止め凸状部９４ａである。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（９４ａ及び９４ｂ）は、すべて、端部波状突起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９４ａ、９４ｂの間に、複数個ずつ配置されている。第２バイパス止め凸状部９４ａ、９４ｂと中間凸状部９８の高さは同じである。

図７及び図８に示すように、アノード電極４２（具体的には、第２ガス拡散層４２ｂ）の、燃料ガス流路５８の流路方向（矢印Ｂ方向）の端部の角部４２ｋは、第２バイパス止め凸状部列９４Ｒのうち端部に配置された第２バイパス止め凸状部９４ｅの頂部９４ｔに重なる。従って、第２バイパス止め凸状部９４の頂部９４ｔは、アノード電極４２の当該角部４２ｋに当接している。なお、図８では、第１金属セパレータ３０の図示を省略している。

第２金属セパレータ３２は、第２バイパス止め凸状部９４の頂部９４ｔに隣接して、アノード電極４２の外端面４２ｅ（第２ガス拡散層４２ｂの外端面４２ｂｅ）と対向する壁部３２ｃを有する。壁部３２ｃは、第２バイパス止め凸状部９４の頂部９４ｔから樹脂フィルム４６に向かって屈曲している。壁部３２ｃとアノード電極４２の外端面４２ｅとの間には微小な隙間が形成されている。なお、壁部３２ｃはアノード電極４２の外端面４２ｅに当接していてもよい。

壁部３２ｃは、第２金属セパレータ３２の厚さ方向（矢印Ａ方向）に対して傾斜している。なお、壁部３２ｃは、第２金属セパレータ３２の厚さ方向と平行に形成されてもよい。第２金属セパレータ３２は、壁部３２ｃに隣接し且つ樹脂フィルム４６を支持する支持部３２ｄを有する。上述した第２入口側隆起部６１ａが、当該支持部３２ｄを構成している。壁部３２ｃは、第２バイパス止め凸状部９４の頂部９４ｔと当該支持部３２ｄとの間の段差を形成している。第１金属セパレータ３０の壁部３０ｃ（図５）と、第２金属セパレータ３２の壁部３２ｃ（図８）は、いずれか一方のみが設けられていてもよい。

図６において、詳細は図示しないが、四角形状のアノード電極４２の他の３つの角部４２ｋ（燃料ガス出口連通孔３８ｂ、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ及びにそれぞれ近い角部４２ｋ）についても、燃料ガス入口連通孔３８ａに近い角部４２ｋと同様に、第２バイパス止め凸状部列９４Ｒの端部に配置された第２バイパス止め凸状部９４ｅの頂部９４ｔに重なる。また、第２金属セパレータ３２は、上記他の３つの角部４２ｋに相当する箇所においても、第２バイパス止め凸状部９４の頂部９４ｔに隣接して、アノード電極４２の外端面４２ｅと対向する壁部３２ｃを有する。

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６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に形成された第１バイパス止め凸状部８４とカソード電極４４との配置構造に関連して、本実施形態の効果を説明するが、第２金属セパレータ３２に形成された第２バイパス止め凸状部９４とアノード電極４２との配置構造によっても、同様の効果が得られる。

発電セル１２によれば、樹脂フィルム付きＭＥＡ２８のカソード電極４４の、酸化剤ガス流路４８の流路方向の少なくとも一方の端部の角部４４ｋは、第１バイパス止め凸状部８４ｅの頂部８４ｔに重なる。これにより、カソード電極４４の角部４４ｋから外周側ビード部５４に沿うバイパス領域への反応ガス（酸化剤ガス）の流入が抑制される。このため、酸化剤ガス流路４８の流路幅方向の端部に対向する外周側ビード部５４に沿って流路方向に反応ガスがバイパスする（発電領域の外側を通過する）ことを良好に抑制することができる。従って、反応ガスの分配性及び発電効率の向上が図られる。

本実施形態では、酸化剤ガス流路４８の流路方向に間隔を置いて第１バイパス止め凸状部８４が複数設けられている。そして、カソード電極４４の角部４４ｋは、複数の第１バイパス止め凸状部８４（第１バイパス止め凸状部列８４Ｒ）のうち、流路方向の端部に位置する第１バイパス止め凸状部８４ｅの頂部８４ｔと重なる。この構成により、バイパス領域への反応ガスの流入を一層良好に抑制することができる。

本実施形態では、カソード電極４４の、酸化剤ガス流路４８の流路方向の両方向の端部の角部４４ｋが、第１バイパス止め凸状部８４ｅの頂部８４ｔに重なる。この構成により、バイパス領域への反応ガスの流入を一層良好に抑制することができる。

本実施形態では、第１バイパス止め凸状部８４は、酸化剤ガス流路４８の流路幅方向の両側にそれぞれ設けられている。そして、カソード電極４４の角部４４ｋは、酸化剤ガス流路４８の流路幅方向の両側で、第１バイパス止め凸状部８４ｅの頂部８４ｔに重なる。この構成により、酸化剤ガス流路４８の流路幅方向の両側でバイパス領域への反応ガスの流入が抑制されるため、反応ガスの分配性及び発電効率の一層の向上が図られる。

第１金属セパレータ３０は、第１バイパス止め凸状部８４の頂部８４ｔに隣接して、カソード電極４４の外端面４４ｅと対向する壁部３０ｃを有する。この構成により、カソード電極４４の角部４４ｋの周辺の隙間を小さくすることで、バイパス領域への反応ガスの流入を一層良好に抑制することができる。

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
２８ａ…電解質膜・電極構造体 ３０…第１金属セパレータ
３０ｃ、３２ｃ…壁部 ３０ｄ、３２ｄ…支持部
３２…第２金属セパレータ ４２…アノード電極
４４…カソード電極 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 (7)

1. 樹脂フィルム付きＭＥＡと、前記樹脂フィルム付きＭＥＡの両側に配置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・電極構造体の外周部に全周に亘って設けられた枠形状の樹脂フィルムとを有し、前記金属セパレータの一端から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、前記樹脂フィルムに当接するとともに前記反応ガス流路を囲んで反応ガスの漏れを防止するビードシールが設けられ、前記反応ガスのバイパスを防止するために、前記ビードシールのうち前記金属セパレータの前記一端から前記他端に向かって延在する部分から前記反応ガス流路の流路幅方向の端部に向かって延出するとともに前記樹脂フィルムに向かって膨出成形されたバイパス止め凸状部が設けられた発電セルにおいて、
   前記電極の、前記反応ガス流路の流路方向の少なくとも一方の端部の角部は、前記バイパス止め凸状部の頂部に重なり、
   前記反応ガス流路の流路方向に間隔を置いて前記バイパス止め凸状部が複数設けられ、
   隣り合う複数の前記バイパス止め凸状部の間には中間凸状部が設けられ、
   前記中間凸状部は、前記電解質膜・電極構造体に向かって突出して前記電解質膜・電極構造体の外周部を支持する、
   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、
   前記電極の前記角部は、前記複数のバイパス止め凸状部のうち、前記流路方向の一方の端部に位置するバイパス止め凸状部の頂部と重なる、
   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、
   前記電極の、前記反応ガス流路の前記流路方向の両方向の端部の角部が、前記バイパス止め凸状部の頂部に重なる、
   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、
   前記バイパス止め凸状部は、前記反応ガス流路の前記流路幅方向の両側にそれぞれ設けられ、
   前記電極の前記角部は、前記流路幅方向の両側で、前記バイパス止め凸状部の頂部に重なる、
   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、
   前記金属セパレータは、前記バイパス止め凸状部の前記頂部に隣接して、前記電極の外端面と対向する壁部を有する、
   ことを特徴とする発電セル。
6. 請求項５記載の発電セルにおいて、
   前記壁部は、前記金属セパレータの厚さ方向に対して傾斜している、
   ことを特徴とする発電セル。
7. 請求項５又は６記載の発電セルにおいて、
   前記金属セパレータは、前記壁部に隣接し且つ前記樹脂フィルムを支持する支持部を有する、
   ことを特徴とする発電セル。
   

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