JP7008588B2 - 燃料電池用セパレータ及び燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用セパレータ及び燃料電池スタックに関する。

一般的に、固体高分子形燃料電池は、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。反応ガス連通孔を囲むビードシールには、反応ガス連通孔と反応ガス流路とを連通させる流路が設けられている。

特表２００６－５０４８７２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、反応ガス連通孔と反応ガス流路との間で反応ガスを円滑に流通させることが可能な燃料電池用セパレータ及び燃料電池スタックを提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、反応面側である一方面側に突出して形成されたビード構造を有する金属セパレータを２枚接合して構成され、前記金属セパレータの前記一方面には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、前記反応ガス流路と連通する反応ガス連通孔がセパレータ厚さ方向に貫通形成され、前記ビード構造は、前記反応ガス連通孔の外周を周回する連通孔ビード部を有する燃料電池用セパレータであって、一方の前記金属セパレータの前記連通孔ビード部には、前記反応ガス流路と前記反応ガス連通孔とを連通する切欠部が設けられ、前記切欠部には一方の前記金属セパレータと一体に、前記反応ガス連通孔と前記反応ガス流路との間に延在する流路形成凸部が設けられ、前記流路形成凸部の両側に、前記反応ガス流路と前記反応ガス連通孔とを連通する連結流路が形成され、他方の前記金属セパレータの前記連通孔ビード部は、セパレータ厚さ方向から見て前記流路形成凸部と交差する方向に延在する部分を有する、燃料電池用セパレータである。

本発明の第２の態様は、本発明の第１の態様の燃料電池用セパレータと、電解質膜・電極構造体と、を備え、複数の前記燃料電池用セパレータと複数の前記電解質膜・電極構造体とが交互に積層されている、燃料電池スタックである。

本発明によれば、一方の金属セパレータの連通孔ビード部の一部を切り欠いた切欠部に、反応ガス連通孔と反応ガス流路との間に延在する流路形成凸部が設けられ、流路形成凸部の両側に連結流路が形成されている。このため、反応ガス連通孔と反応ガス流路との間で反応ガスを円滑に流通させることができる。

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要部断面図である。 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金属セパレータ側から見た接合セパレータの部分拡大平面図である。 図４におけるＶ－Ｖ線に沿った発電セルの断面図である。 図４におけるＶＩ－ＶＩ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。

以下、本発明に係る燃料電池用セパレータ及び燃料電池スタック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、外周に樹脂フィルム４６が設けられた樹脂フィルム付き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、一体に接合され、接合セパレータ３３を構成する。接合セパレータ３３は、燃料電池用セパレータの一態様である。

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方向側の一端縁部）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は、反応ガス連通孔及び反応ガス入口連通孔の一態様である。燃料ガス出口連通孔３８ｂは、反応ガス連通孔及び反応ガス出口連通孔の一態様である。

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方向側の他端縁部）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は、反応ガス連通孔及び反応ガス入口連通孔の一態様である。酸化剤ガス出口連通孔３４ｂは、反応ガス連通孔及び反応ガス出口連通孔の一態様である。

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。

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の外周端面に近接する、重なる又は当接する。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。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、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。エンボス部５０ａ、５０ｂは、樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かって突出する。

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。エンボス部６７ａ、６７ｂは、樹脂フィルム付きＭＥＡ２８と反対側に向かって突出する。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、プレス成形により第１シールライン５１（ビード構造）が樹脂フィルム付きＭＥＡ２８（図１）に向かって膨出成形される。図２に示すように、第１シールライン５１の凸部先端面には、樹脂材５６が印刷又は塗布等により固着される。樹脂材５６は、例えば、ポリエステル繊維が使用される。樹脂材５６は、樹脂フィルム４６側に設けられてもよい。樹脂材５６は、不可欠ではなく、なくてもよい。

図３に示すように、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」ともいう）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」ともいう）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」ともいう）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。ビードシール５１ａ、５２、５３は、樹脂フィルム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フィルム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。

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。

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側の辺部には、連通孔ビード部５３ａの一部を切り欠いて酸化剤ガス入口連通孔３４ａと酸化剤ガス流路４８とを連通する切欠部８０が設けられている。図４に示すように、切欠部８０には第１金属セパレータ３０と一体に、酸化剤ガス入口連通孔３４ａと酸化剤ガス流路４８との間に延在する複数の流路形成凸部８２が設けられている。具体的に、複数の流路形成凸部８２は、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。複数の流路形成凸部８２は互いに平行に延在している。流路形成凸部８２は、１本のみ設けられてもよい。

複数の流路形成凸部８２間に、酸化剤ガス入口連通孔３４ａと酸化剤ガス流路４８とを連通する連結流路８４が形成されている。流路形成凸部８２の両側に連結流路８４が設けられている。複数の流路形成凸部８２のうち両端に位置する流路形成凸部８２ｅと、連通孔ビード部５３ａの両端部との間にも、連結流路８４が形成されている。

複数の流路形成凸部８２の各々の幅Ｗ２（流路形成凸部８２の延在方向と直交する方向の寸法）は、連通孔ビード部５３ａの幅Ｗ１（連通孔ビード部５３ａの延在方向と直交する方向の寸法）と同じである。流路形成凸部８２の幅Ｗ２は、連通孔ビード部５３ａの幅Ｗ１より小さくても大きくてもよい。複数の流路形成凸部８２の延在長さは、連通孔ビード部５３ａの幅Ｗ１よりも大きい。複数の流路形成凸部８２は、切欠部８０から反応ガス流路側（酸化剤ガス流路４８側）及び反応ガス連通孔側（酸化剤ガス入口連通孔３４ａ側）に向かって延在している。

複数の流路形成凸部８２は、セパレータ厚さ方向から見て第２金属セパレータ３２の後述する連通孔ビード部６３ｃに対して交差（直交）する方向に延在している。

図５及び図６に示すように、複数の流路形成凸部８２の各々の頂部には樹脂材８８が設けられている。樹脂材８８は、厚さ及び材質が連通孔ビード部５３ａ（第１シールライン５１）の頂部に設けられた樹脂材５４と同じである。

図６に示すように、流路形成凸部８２の（ベースプレート部３０ｓからの）突出高さは、連通孔ビード部５３ａの（ベースプレート部３０ｓからの）突出高さと同じである。本実施形態では、流路形成凸部８２の側壁部８２ｓ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。従って、流路形成凸部８２は、セパレータ厚さ方向に沿った断面形状が台形状に形成されている。なお、流路形成凸部８２は、セパレータ厚さ方向に沿った断面形状が矩形状に形成されてもよい。

図３において、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側の辺部には、連通孔ビード部５３ｂの一部を切り欠いて酸化剤ガス出口連通孔３４ｂと酸化剤ガス流路４８とを連通する切欠部９０が設けられている。切欠部９０には第１金属セパレータ３０と一体に、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂと酸化剤ガス流路４８との間に延在する複数の流路形成凸部９２が設けられている。流路形成凸部９２は、１本のみ設けられてもよい。

複数の流路形成凸部９２間に、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂと酸化剤ガス流路４８とを連通する連結流路９４が形成されている。流路形成凸部９２の両側に連結流路９４が設けられている。酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ側に設けられた連通孔ビード部５３ｂ、複数の流路形成凸部９２及び連結流路９４は、それぞれ酸化剤ガス入口連通孔３４ａ側に設けられた連通孔ビード部５３ａ、複数の流路形成凸部８２及び連結流路８４と同様に構成されているため、詳細な説明は省略する。

第１金属セパレータ３０における燃料ガス入口連通孔３８ａを囲む連通孔ビード部５３ｃは、後述する第２金属セパレータ３２の連通孔ビード部６３ａに樹脂フィルム４６を介して対向する。第１金属セパレータ３０における燃料ガス出口連通孔３８ｂを囲む連通孔ビード部５３ｄは、後述する第２金属セパレータ３２の連通孔ビード部６３ｂに樹脂フィルム４６を介して対向する。

図３に示すように、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、レーザ溶接ライン３３ａ～３３ｅにより互いに接合されている。レーザ溶接ライン３３ａ～３３ｅは、第１金属セパレータ３０、第２金属セパレータ３２同士を接合する接合部の一態様である。レーザ溶接ライン３３ａは、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、連通孔ビード部５３ａ及び複数の流路形成凸部８２を囲んで形成される。レーザ溶接ライン３３ｂは、燃料ガス出口連通孔３８ｂ及び連通孔ビード部５３ｄを囲んで形成される。

レーザ溶接ライン３３ｃは、燃料ガス入口連通孔３８ａ及び連通孔ビード部５３ｃを囲んで形成される。レーザ溶接ライン３３ｄは、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ、連通孔ビード部５３ｂ及び複数の流路形成凸部９２を囲んで形成される。レーザ溶接ライン３３ｅは、酸化剤ガス流路４８、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を囲んで、接合セパレータ３３の外周部を周回して形成される。

なお、第１金属セパレータ３０と第２金属セパレータ３２とは、レーザ溶接に代えて、ロウ付けによって接合されてもよい。

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７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、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。エンボス部６０ａ、６０ｂは、樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かって突出する。

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、樹脂フィルム付きＭＥＡ２８と反対側に向かって突出する。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６１（ビード構造）が樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かって膨出成形される。

図２に示すように、第２シールライン６１の凸部先端面には、樹脂材５６が印刷又は塗布等により固着される。樹脂材５６は、例えば、ポリエステル繊維が使用される。樹脂材５６は、樹脂フィルム４６側に設けられてもよい。樹脂材５６は、不可欠ではなく、なくてもよい。

図７に示すように、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（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。

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側の辺部には、連通孔ビード部６３ａの一部を切り欠いて燃料ガス入口連通孔３８ａと燃料ガス流路５８とを連通する切欠部１００が設けられている。切欠部１００には第２金属セパレータ３２と一体に、燃料ガス入口連通孔３８ａと燃料ガス流路５８との間に延在する複数の流路形成凸部１０２が設けられている。複数の流路形成凸部１０２間に、燃料ガス入口連通孔３８ａと燃料ガス流路５８とを連通する連結流路１０４が形成されている。流路形成凸部１０２は１本のみ設けられ、流路形成凸部１０２の両側に連結流路１０４が設けられてもよい。

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側の辺部には、連通孔ビード部６３ｂの一部を切り欠いて燃料ガス出口連通孔３８ｂと燃料ガス流路５８とを連通する切欠部１１０が設けられている。切欠部１１０には第２金属セパレータ３２と一体に、燃料ガス出口連通孔３８ｂと燃料ガス流路５８との間に延在する複数の流路形成凸部１１２が設けられている。複数の流路形成凸部１１２間に、燃料ガス出口連通孔３８ｂと燃料ガス流路５８とを連通する連結流路１１４が形成されている。流路形成凸部１１２は１本のみ設けられ、流路形成凸部１１２の両側に連結流路１１４が設けられてもよい。

第２金属セパレータ３２の燃料ガス入口連通孔３８ａ側に設けられた連通孔ビード部６３ａ、複数の流路形成凸部１０２及び連結流路１０４は、それぞれ、第１金属セパレータ３０の酸化剤ガス入口連通孔３４ａ側に設けられた連通孔ビード部５３ａ、複数の流路形成凸部８２及び連結流路８４（図４）と同様に構成されているため、それらの詳細な説明は省略する。また、第２金属セパレータ３２の燃料ガス出口連通孔３８ｂ側に設けられた連通孔ビード部６３ｂ、複数の流路形成凸部１１２及び連結流路１１４は、それぞれ、第１金属セパレータ３０の酸化剤ガス入口連通孔３４ａ側に設けられた連通孔ビード部５３ａ、複数の流路形成凸部８２及び連結流路８４（図４）と同様に構成されているため、詳細な説明は省略する。

第２金属セパレータ３２における酸化剤ガス入口連通孔３４ａを囲む連通孔ビード部６３ｃは、第１金属セパレータ３０の連通孔ビード部５３ａ（図３）に樹脂フィルム４６を介して対向する。図４に示すように、第２金属セパレータ３２の連通孔ビード部６３ｃは、セパレータ厚さ方向から見て、第１金属セパレータ３０に設けられた複数の流路形成凸部８２と交差する方向に延在する部分を有する。図７において、第２金属セパレータ３２における酸化剤ガス出口連通孔３４ｂを囲む連通孔ビード部６３ｄは、第１金属セパレータ３０の連通孔ビード部５３ｂ（図３）に樹脂フィルム４６を介して対向する。

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。

酸化剤ガスは、図３及び図５に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３４ａから複数の流路形成凸部８２間に形成された連結流路８４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、燃料ガスは、図７に示すように、燃料ガス入口連通孔３８ａから複数の流路形成凸部１０２間に形成された連結流路１０４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。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から複数の流路形成凸部９２間に形成された連結流路９４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から複数の流路形成凸部１１２間に形成された連結流路１１４（図７）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、本実施形態は、以下の効果を奏する。

接合セパレータ３３及び燃料電池スタック１０によれば、一方の金属セパレータの連通孔ビード部の一部を切り欠いた切欠部に、反応ガス連通孔と反応ガス流路との間に延在する流路形成凸部が設けられ、流路形成凸部の両側に連結流路が形成されている。このため、反応ガス連通孔と反応ガス流路との間で反応ガスを円滑に流通させることができる。すなわち、反応ガス連通孔と反応ガス流路とを連通する流路として、連通孔ビード部に、連通孔ビード部と交差するトンネル構造を設け、一方の金属セパレータの裏側と表側との間で反応ガスを流通させる構成と比較して、本実施形態の構成によれば、反応ガスが金属セパレータの表側のみを通るため、流路の屈曲部（段差部）がない（あるいは小さい）。このため、反応ガスは連結流路を円滑に流れることができる。

具体的には、第１金属セパレータ３０の連通孔ビード部５３ａ、５３ｂの一部を切り欠いた切欠部８０、９０に、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂと酸化剤ガス流路４８との間に延在する流路形成凸部８２、９２が設けられ、流路形成凸部８２、９２の両側に連結流路８４、９４が形成されている。このため、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂと酸化剤ガス流路４８との間で酸化剤ガスを円滑に流通させることができる。

また、第２金属セパレータ３２の連通孔ビード部６３ａ、６３ｂの一部を切り欠いた切欠部１００、１１０に、燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂと燃料ガス流路５８との間に延在する流路形成凸部１０２、１１２が設けられ、流路形成凸部１０２、１１２の両側に連結流路１０４、１１４が形成されている。このため、燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂと燃料ガス流路５８との間で燃料ガスを円滑に流通させることができる。

流路形成凸部８２、９２、１０２、１１２の突出高さは、連通孔ビード部５３ａ、５３ｂ、６３ａ、６３ｂの突出高さと同じである。この構成により、切欠部８０、９０、１００、１１０においても、燃料電池スタック１０における燃料電池用セパレータ（接合セパレータ３３）間に挟持される部材（樹脂フィルム４６）を好適に支持することができる。

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。

１０…燃料電池スタック 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
３３…接合セパレータ（燃料電池用セパレータ）
４８…酸化剤ガス流路 ５１…第１シールライン（ビード構造）
５３、５３ａ～５３ｄ、６３、６３ａ～６３ｄ…連通孔ビード部
５８…燃料ガス流路 ６１…第２シールライン（ビード構造）
８０、９０、１００、１１０…切欠部 ８２、９２、１０２、１１２…流路形成凸部
８４、９４、１０４、１１４…連結流路

Claims (10)

1. 反応面側である一方面側に突出して形成されたビード構造を有する金属セパレータを２枚接合して構成され、前記金属セパレータの前記一方面には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、前記反応ガス流路と連通する反応ガス連通孔がセパレータ厚さ方向に貫通形成され、前記ビード構造は、前記反応ガス連通孔の外周を周回する連通孔ビード部を有する燃料電池用セパレータであって、
   一方の前記金属セパレータの前記連通孔ビード部には、前記反応ガス流路と前記反応ガス連通孔とを連通する切欠部が設けられ、前記切欠部には一方の前記金属セパレータと一体に、前記反応ガス連通孔と前記反応ガス流路との間に延在する流路形成凸部が設けられ、前記流路形成凸部の両側に、前記反応ガス流路と前記反応ガス連通孔とを連通する連結流路が形成され、
   他方の前記金属セパレータの前記連通孔ビード部は、セパレータ厚さ方向から見て前記流路形成凸部と交差する方向に延在する部分を有し、
   前記連通孔ビード部及び前記流路形成凸部を囲んで、２枚の前記金属セパレータ同士を接合する接合部が設けられている、燃料電池用セパレータ。
2. 請求項１記載の燃料電池用セパレータにおいて、
   前記流路形成凸部の突出高さは、前記連通孔ビード部の突出高さと同じである、燃料電池用セパレータ。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池用セパレータにおいて、
   前記流路形成凸部の幅は、前記連通孔ビード部の幅と同じである、燃料電池用セパレータ。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータにおいて、
   前記流路形成凸部の頂部には樹脂材が設けられている、燃料電池用セパレータ。
5. 請求項１～４のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータにおいて、
   ２枚の前記金属セパレータ間には、冷却媒体を流すための冷却媒体流路が形成されている、燃料電池用セパレータ。
6. 請求項１～５のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータにおいて、
   前記流路形成凸部の延在長さは、前記連通孔ビード部の幅よりも大きい、燃料電池用セパレータ。
7. 請求項１～６のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータにおいて、
   前記流路形成凸部は、前記切欠部から前記反応ガス流路側及び前記反応ガス連通孔側に向かって突出している、燃料電池用セパレータ。
8. 請求項１～７のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータにおいて、
   前記流路形成凸部は、セパレータ厚さ方向から見て他方の前記金属セパレータの前記連通孔ビード部に対して直交する方向に延在している、燃料電池用セパレータ。
9. 請求項１～８のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータにおいて、
   前記連結流路は、前記反応ガスを供給する反応ガス入口連通孔と前記反応ガス流路との間、及び前記反応ガスを排出する反応ガス出口連通孔と前記反応ガス流路との間にそれぞれ設けられている、燃料電池用セパレータ。
10. 請求項１～９のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータと、
    電解質膜・電極構造体と、を備え、
    複数の前記燃料電池用セパレータと複数の前記電解質膜・電極構造体とが交互に積層されている、燃料電池スタック。
    

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