JP7022023B2 - 発電セル - Google Patents

Description

本発明は、樹脂フィルム付きＭＥＡ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。

近年、比較的高価な固体高分子電解質膜の使用量を削減するとともに、薄膜状で強度が低い固体高分子電解質膜を保護するために、外周に枠形状の樹脂フィルムを組み込んだ樹脂フィルム付きＭＥＡが採用されている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００８－１３０４３３号公報

樹脂フィルム付きＭＥＡを備えた発電セルにおいて、燃料ガスと酸化剤ガスの一方が他方よりも高い圧力である場合、その差圧が樹脂フィルムに加わり、樹脂フィルムが変形する。２枚の枠状シートを接合して構成した樹脂フィルムの場合、樹脂フィルムの上記変形に伴う応力により、樹脂フィルムの剥離や破断が惹起される懸念がある。

そこで、本発明は、樹脂フィルム付きＭＥＡを備えた発電セルにおいて、樹脂フィルムの両側のガス差圧による変形に伴う応力を抑制し、樹脂フィルムの剥離や破断を防止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、本発明の一態様は、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一対のセパレータとを備え、前記樹脂フィルム付きＭＥＡは、電解質膜の両側にそれぞれ第１電極及び第２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、前記樹脂フィルムは第１枠状シートと第２枠状シートとを重ねて構成されている、発電セルであって、前記第１枠状シートの内周端は、前記第１電極の外周端よりも外方で隙間を介して前記外周端に対向しており、前記第２枠状シートの内周部は、前記第１電極と前記第２電極との間に挟持され、前記一対のセパレータのうち前記第１枠状シートに対向するセパレータには、前記第１枠状シートの内周部及び前記第１電極の外周部を支持するように構成された凸状支持構造が設けられている、発電セルである。

本発明の発電セルによれば、樹脂フィルムの両側のガス差圧により樹脂フィルムが変形した場合でも、第１枠状シートの内周部と第１電極の外周部とが、凸状支持構造によって支持される。このため、樹脂フィルムに発生する応力が抑制され、樹脂フィルムの剥離や破断を防止することができる。

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。 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１金属セパレータに第２金属セパレータを重ねた状態の図である。 燃料電池システムの概略図である。 第２金属セパレータの要部拡大平面図である。

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、それぞれ金属プレートにより構成されている。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１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。

図２に示すように、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（第２電極）及びカソード電極４４（第１電極）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、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、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１枠状シート４６ａは、第２枠状シート４６ｂの外周部に接合される。

図２において、第１枠状シート４６ａと第２枠状シート４６ｂとは互いに同じ厚さを有する。なお、第１枠状シート４６ａは、第２枠状シート４６ｂより厚くてもよい。第２枠状シート４６ｂは、第１枠状シート４６ａより厚くてもよい。

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のうち第１枠状シート４６ａと第２枠状シート４６ｂとが重なる部分（樹脂フィルム４６の外周部）は、第１金属セパレータ３０に設けられた外周側ビード部５４と、第２金属セパレータ３２に設けられた後述する外周側ビード部６４とにより挟持されている。

樹脂フィルム４６の内周部４６ｎ（第２枠状シート４６ｂ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。

第１枠状シート４６ａの内周端４６ａｅは、カソード電極４４の外周端４４ｅよりも外方で全周に亘って隙間Ｇを介して外周端４４ｅに対向する。

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。

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。波状突起４８ａは、特定の形状に限定されない。波状突起４８ａに代えて、矢印Ｂ方向に延在する直線状突起が設けられてもよい。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。

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。

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。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置されている。

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。

端部波状突起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、端部波状突起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、端部波状突起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、端部波状突起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、他端が端部波状突起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、他端が端部波状突起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、第１枠状シート４６ａの内周部及びカソード電極４４の外周部を支持するように構成された凸状支持構造８９が設けられている。

図２に示すように、凸状支持構造８９は、第１枠状シート４６ａの内周部及びカソード電極４４の外周部に対向している。凸状支持構造８９は、樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かって突出している。樹脂フィルム４６に反応ガス間の差圧Ｐが作用した際に、凸状支持構造８９は、第１枠状シート４６ａの内周部及びカソード電極４４の外周部に接触すればよい。樹脂フィルム４６に反応ガス間の差圧Ｐが作用していないとき（燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されていないとき）、凸状支持構造８９は、第１枠状シート４６ａの内周部及びカソード電極４４の外周部の少なくとも一方に対して非接触であってもよい。凸状支持構造８９は、第１金属セパレータ３０を構成する金属プレートに一体成形されている。

図４に示すように、凸状支持構造８９は、互いに隣接する２つの第１バイパス止め凸状部８４ａ、８４ｂの間に設けられている。凸状支持構造８９は、第１金属セパレータ３０の外周に向かって延びる形状を有する。凸状支持構造８９と、互いに隣接する２つのバイパス止め凸状部８４ａ、８４ｂとは、第１金属セパレータ３０（ベースプレート部）からの突出高さが同じである。凸状支持構造８９は、互いに隣接する２つのバイパス止め凸状部８４ａ、８４ｂの間に配置された複数の中間凸状部８９ａを有する。

図４では、例えば２つの中間凸状部８９ａが、互いに隣接する第１バイパス止め凸状部８４ａ、８４ｂの間で、端部波状突起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８９ａは、端部波状突起４８ａ１の延在方向に交差して延びる形状を有する。中間凸状部８９ａは、積層方向から見て、第１枠状シート４６ａの内周端４６ａｅ及びカソード電極４４の外周端４４ｅに重なる位置に配置されている。中間凸状部８９ａの形状及び個数は、本実施形態に限定されるものではなく、第１枠状シート４６ａとカソード電極４４を支持できるものであればよい。

第１金属セパレータ３０には、端部波状突起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、樹脂フィルム付き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、端部波状突起４８ａ１の凹状湾曲部８７に一体的に連なっている。

図３に示すように、第１支持用凸状部８５は、枠形状の樹脂フィルム４６の内周部４６ｎに対応する位置（積層方向から見て、樹脂フィルム４６の内周部４６ｎ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の近傍には、カソード電極４４に対して凹む（裏側形状が冷媒面側に突出する）凹部８５ａが設けられる。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、端部波状突起４８ａ１の延在方向に沿って複数個設けられている。凹部８５ａの裏側形状である突出部の先端は、該突出部に隣接する第２金属セパレータ３２に当接する。

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５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。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、アノード電極４２の外周端４２ｅ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、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５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。

図８に示すように、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は端部波状突起５８ａ１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。

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、端部波状突起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、他端が端部波状突起５８ａ１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、他端が端部波状突起５８ａ１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９８ａを有する凸状支持構造９８が設けられている。中間凸状部９８ａは、樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かって突出している。図２において、中間凸状部９８ａは、アノード電極４２の第２ガス拡散層４２ｂに接する。ただし、中間凸状部９８ａは、第２ガス拡散層４２ｂに押圧力を付与しないことが好ましい。中間凸状部９８ａと第２ガス拡散層４２ｂとの間には若干の隙間が形成されてもよい。

図８に示すように、中間凸状部９８ａ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９８ａ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９８ａ（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９８ａは、互いに隣接する第２バイパス止め凸状部９４ａ、９４ｂの間で、端部波状突起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９８ａの形状及び個数は、本実施形態に限定されるものではなく、アノード電極４２を支持できるものであればよい。

第２金属セパレータ３２には、端部波状突起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、樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かって突出成形される。

第２支持用凸状部１００は、枠形状の樹脂フィルム４６の内端４６ｅに対応する位置（積層方向から見て、樹脂フィルム４６の内端４６ｅに重なる位置）に設けられている。第２支持用凸状部１００は、ＭＥＡ２８ａの外周部と樹脂フィルム４６の内周部４６ｎ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。

図６に示すように、積層方向から見て、酸化剤ガス流路４８の波状突起４８ａと燃料ガス流路５８の波状突起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、波状突起４８ａ、５８ａの延在方向に沿って交互に配置される。

図２において、外周側ビード部５４よりも内方（ＭＥＡ２８ａ側）で、第１金属セパレータ３０と樹脂フィルム４６との間に形成された流路４８ｃは、酸化剤ガス流路４８と連通する。

外周側シール部６４よりも内方（ＭＥＡ２８ａ側）で、第２金属セパレータ３２と樹脂フィルム４６との間に形成された流路５８ｃは、燃料ガス流路５８と連通する。

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。

図７において、燃料電池システム１１は、上述した燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１１０と、燃料電池スタック１０に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１１２と、燃料電池スタック１０に冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置１１４とを備える。

酸化剤ガス供給装置１１０は、燃料電池スタック１０に設けられた酸化剤ガス供給マニホールド１１６ａを介して酸化剤ガス入口連通孔３４ａ（図１参照）に連通する酸化剤ガス供給配管１１７ａと、燃料電池スタック１０に設けられた酸化剤ガス排出マニホールド１１６ｂを介して酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ（図１参照）に連通する酸化剤ガス排出配管１１７ｂとを有する。酸化剤ガス供給配管１１７ａには、エアポンプ１２４が配設される。酸化剤ガス排出配管１１７ｂには、圧力調整弁１２０が配設される。

酸化剤ガス供給配管１１７ａ及び酸化剤ガス排出配管１１７ｂには、加湿器１２２が配設される。加湿器１２２としては、供給する空気を加湿できればよく、構造は特に限定されない。酸化剤ガス供給配管１１７ａにおいて、エアポンプ１２４は加湿器１２２よりも上流側に配設される。酸化剤ガス排出配管１１７ｂにおいて、加湿器１２２よりも下流側には、圧力調整弁１２０が配設される。燃料電池システム１１の制御部１３６は、例えば、エアポンプ１２４の動作速度と圧力調整弁１２０の弁開度の少なくとも一方を制御することにより、酸化剤ガス流路４８を流通する酸化剤ガスの圧力と流量を制御する。

燃料ガス供給装置１１２は、燃料電池スタック１０に設けられた燃料ガス供給マニホールド１１８ａを介して燃料ガス入口連通孔３８ａ（図１参照）に連通する燃料ガス供給配管１１９ａと、燃料電池スタック１０に設けられた燃料ガス排出マニホールド１１８ｂを介して燃料ガス出口連通孔３８ｂ（図１参照）に連通する燃料ガス排出配管１１９ｂとを有する。

燃料ガス供給配管１１９ａの上流には、高圧水素を貯留する水素タンク１２６が配置される。燃料ガス供給配管１１９ａにおいて、燃料ガス供給マニホールド１１８ａと水素タンク１２６との間には、封止弁１２８、圧力調整弁１３０及びエゼクタ１３２が配設される。エゼクタ１３２と燃料ガス排出配管１１９ｂには、水素循環路１３４が接続される。水素循環路１３４には、水素循環用の水素ポンプ１３５が配設される。制御部１３６は、水素ポンプ１３５の駆動速度を制御することにより、燃料ガス流路５８を流通する燃料ガスの流量を制御する。

冷却媒体供給装置１１４は、燃料電池スタック１０に冷却媒体を循環供給する冷却媒体循環路１４０を備える。冷却媒体循環路１４０は、燃料電池スタック１０に設けられた冷却媒体供給マニホールド１４２ａを介して冷却媒体入口連通孔３６ａ（図１参照）に連通するとともに、冷却媒体排出マニホールド１４２ｂを介して冷却媒体出口連通孔３６ｂ（図１参照）に連通する。冷却媒体循環路１４０には、ラジエータ１４４及び冷却ポンプ１４６が配置される。

このように構成される発電セル１２（燃料電池スタック１０）を含む燃料電池システム１１の動作について、以下に説明する。

図７に示すように、酸化剤ガス供給装置１１０では、エアポンプ１２４の駆動作用下に、酸化剤ガス供給配管１１７ａに空気が送られる。この空気は、加湿器１２２を通って加湿された後、酸化剤ガス供給マニホールド１１６ａを介して酸化剤ガス入口連通孔３４ａ（図１参照）に供給される。加湿器１２２は、酸化剤ガス排出マニホールド１１６ｂから排出された水分と熱を、供給される空気に添加する。一方、燃料ガス供給装置１１２では、封止弁１２８の開放作用下に、水素タンク１２６から燃料ガス供給配管１１９ａに燃料ガスが供給される。その際、燃料ガスは、圧力調整弁１３０により圧力が調整されて、エゼクタ１３２へと送られる。この燃料ガスは、燃料ガス供給マニホールド１１８ａを介して燃料ガス入口連通孔３８ａ（図１参照）に供給される。また、冷却媒体供給装置１１４では、冷却ポンプ１４６の作用下に、冷却媒体循環路１４０から冷却媒体入口連通孔３６ａ（図１参照）に冷却媒体が供給される。

従って、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３４ａには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔３８ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔３６ａには、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

このため、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、矢印Ｂ方向に移動してＭＥＡ２８ａのカソード電極４４に供給される。一方、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に供給される。

従って、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４２ａ及び第１電極触媒層４４ａ内で電気化学反応により消費されて、発電が行われる。

この場合、燃料ガス流路５８に供給される反応ガス（燃料ガス）の圧力は、酸化剤ガス流路４８に供給される反応ガス（酸化剤ガス）の圧力よりも高く設定される。従って、図２において、流路４８ｃと流路５８ｃとの間に配置された樹脂フィルム４６には、第２枠状シート４６ｂ側から第１枠状シート４６側（すなわち、第２金属セパレータ３２側から第１金属セパレータ３０側）に向かって、差圧Ｐが作用する。差圧Ｐは、例えば、５～３００ｋＰａであり、好ましくは１０～２００ｋｐａである。

次いで、図１において、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との間の冷却媒体流路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。

発電セル１２では、一対のセパレータのうち第１枠状シート４６ａに対向するセパレータ（第１金属セパレータ３０）には、第１枠状シート４６ａの内周部及び第１電極（カソード電極４４）の外周部を支持するように構成された凸状支持構造８９が設けられている。この構成により、樹脂フィルム４６の両側のガス差圧（差圧Ｐ）により樹脂フィルム４６が変形（第１金属セパレータ３０側に凸となるように湾曲変形）した場合でも、第１枠状シート４６ａの内周部と第１電極（カソード電極４４）の外周部とが、凸状支持構造８９によって支持される。このため、樹脂フィルム４６に発生する応力が抑制され、樹脂フィルム４６（第１枠状シート４６ａ及び第２枠状シート４６ｂ）の剥離や破断を防止することができる。

セパレータ（第１金属セパレータ３０）は、金属プレートにより構成されており、凸状支持構造は８９、金属プレートに一体成形されている。これにより、簡易な構成で、差圧Ｐによる変形に伴う樹脂フィルム４６の剥離や破断を防止することができる。

なお、本発明は、酸化剤ガス流路４８に供給される酸化剤ガスの圧力が燃料ガス流路５８に供給される燃料ガスの圧力より高い場合にも適用可能である。この場合、第１枠状シート４６ａが第２金属セパレータ３２に対向するように配置され、第２金属セパレータ３２に設けられた中間凸状部９８ａが、第１枠状シート４６ａの内周部及びアノード電極４２の外周部を支持するように構成された凸状支持構造として機能する。そして、図８に示すように、アノード電極４２の外周端４２ｅは、積層方向から見て、中間凸状部９８ａに重なる位置に配置される。燃料電池スタック１０の運転時において、樹脂フィルム４６には第２金属セパレータ３２側に向かって差圧が作用し、樹脂フィルム４６は第２金属セパレータ３２側に湾曲変形する。その際、第２金属セパレータ３２の上記凸状支持構造８９（中間凸状部９８ａ）は、第１枠状シート４６ａの内周部及びアノード電極４２の外周部に当接して支持するため、樹脂フィルム４６に発生する応力が抑制され、樹脂フィルム４６の剥離や破断が防止される。

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
３２…第２金属セパレータ ４２…アノード電極
４４…カソード電極 ８９…凸状支持構造
８９ａ…中間凸状部

Claims (9)

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一対のセパレータとを備え、前記樹脂フィルム付きＭＥＡは、電解質膜の両側にそれぞれ第１電極及び第２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、前記樹脂フィルムは第１枠状シートと第２枠状シートとを重ねて構成されている、発電セルであって、
   前記第１枠状シートの内周端は、前記第１電極の外周端よりも外方で隙間を介して前記外周端に対向しており、
   前記第２枠状シートの内周部は、前記第１電極と前記第２電極との間に挟持され、
   前記一対のセパレータのうち前記第１枠状シートに対向するセパレータには、前記発電セルに燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されていない状態で、前記第１枠状シートの内周部及び前記第１電極の外周部の少なくとも一方に対して非接触である凸状支持構造が設けられており、
   前記樹脂フィルムと、前記樹脂フィルムの一方面及び前記第２電極に対向する一方の前記セパレータとの間に供給される反応ガスの圧力が、前記樹脂フィルムと、前記樹脂フィルムの他方面及び前記第１電極に対向する他方の前記セパレータとの間に供給される反応ガスの圧力よりも高い状態において、前記凸状支持構造は、前記第１枠状シートの内周部及び前記第１電極の外周部を支持するように構成されている、発電セル。
2. 請求項１記載の発電セルにおいて、
   前記セパレータは、金属プレートにより構成されており、
   前記凸状支持構造は、前記金属プレートに一体成形されている、発電セル。
3. 請求項１又は２記載の発電セルにおいて、
   前記一対のセパレータの各々には、反応ガスの漏れを防止する凸状のビードシールが設けられ、
   前記樹脂フィルムは、前記一対のセパレータの前記ビードシールにより挟持されている、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、
   前記セパレータには、反応ガスのバイパスを防止する複数のバイパス止め凸状部が設けられ、
   前記凸状支持構造は、前記複数のバイパス止め凸状部のうち互いに隣接する２つのバイパス止め凸状部の間に設けられている、発電セル。
5. 請求項４記載の発電セルにおいて、
   前記凸状支持構造と、前記互いに隣接する２つのバイパス止め凸状部とは、前記セパレータからの突出高さが同じである、発電セル。
6. 請求項４又は５記載の発電セルにおいて、
   前記凸状支持構造は、前記互いに隣接する２つのバイパス止め凸状部の間に配置された複数の中間凸状部を有する、発電セル。
7. 請求項１～６のいずれか１項に記載の発電セルにおいて、
   前記凸状支持構造は、前記セパレータの外周に向かって延びる形状を有する、発電セル。
8. 請求項１記載の発電セルにおいて、
   前記セパレータには、反応ガスの漏れを防止する凸状のビードシールと、前記反応ガスのバイパスを防止する複数のバイパス止め凸状部とが設けられ、
   前記ビードシールと前記複数のバイパス止め凸状部とは互いに連結している、発電セル。
9. 請求項１～８のいずれか１項に記載の発電セルにおいて、
   前記樹脂フィルムと、前記樹脂フィルムの一方面及び前記第２電極に対向する一方の前記セパレータとの間に供給される前記反応ガスは、燃料ガスであり、
   前記樹脂フィルムと、前記樹脂フィルムの他方面及び前記第１電極に対向する他方の前記セパレータとの間に供給される前記反応ガスは、酸化剤ガスである、発電セル。

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