JP7130610B2 - 燃料電池用金属セパレータ、接合セパレータ及び発電セル - Google Patents

Description

本発明は、ビードシールを備えた燃料電池用金属セパレータ、接合セパレータ及び発電セルに関する。

従来、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面にアノード電極が配置され、電解質膜の他方の面にカソード電極が配置されてなる電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）と、ＭＥＡの両側にそれぞれ配置されたセパレータ（バイポーラ板ともいう）とを備えた燃料電池（発電セル）が知られている。通常、所定の数の発電セルが積層されることにより、燃料電池スタックが構成される。燃料電池スタックは、例えば、車載用燃料電池スタックとして、燃料電池車両（燃料電池電気自動車等）に組み込まれている。

燃料電池では、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。その際、金属セパレータには、酸化剤ガス、燃料ガス、及び冷却媒体の漏れを防止するために、シール部材が設けられている。シール部材は、フッ素系樹脂やシリコーン等の弾性ゴムシールが使用されており、コストが高騰するという問題がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されているように、弾性ゴムシールに代えて金属セパレータにシーリングビード（以下、ビードシールとも呼ぶ。）を形成する構成が採用されている。ビードシールは、金属セパレータの平坦部（ベースプレート部）から厚み方向に膨出した形状を有する。ビードシールは、プレス成形されるため、製造コストが安価になるという利点がある。

米国特許出願公開第２００６／００５４６６４号明細書

ビードシールは、突出した部分が他の部材（樹脂枠部材等）と当接することで、線状のシール部分を形成してシール機能を発揮する。ところが、従来のビードシールでは、ビードシールが他の部材と当接する部分が座屈して凹状に凹んでしまい、シール機能が低下する場合があることが判明した。

そこで、本発明は、ビードシールのシール面の変形を防ぐことにより、シール機能が低下しにくいビードシールを備えた燃料電池用金属セパレータ、接合セパレータ及び発電セルを提供することを目的とする。

本発明の一観点は、電解質膜の両側に電極がそれぞれ配置されてなる電解質膜・電極構造体と積層されて発電セルを構成し、ビードシールが前記電解質膜・電極構造体に向かって突出した燃料電池用金属セパレータであって、前記ビードシールの両側方の平坦部を構成し積層方向に垂直なベースプレート部を有し、前記ビードシールは、前記積層方向に圧縮されていない初期状態において、前記積層方向に前記電解質膜・電極構造体に向かって突出した弧状の湾曲形状を有し、幅方向の中央部に最も高くなるように突出した頂部を有する湾曲部と、前記湾曲部の両側端部と前記ベースプレート部との間に設けられ、前記ベースプレート部と平行に延び、前記湾曲部の前記両側端部を前記ベースプレート部よりも前記積層方向に突出した位置に支持する一対の弾性支持部を備え、前記弾性支持部は、前記湾曲部よりも、積層方向の荷重に対して柔らかいばね特性を有する、燃料電池用金属セパレータにある。

本発明の別の一観点は、上記一観点の燃料電池用金属セパレータが、複数積層された接合セパレータであって、隣接する前記燃料電池用金属セパレータは、各々のビードシールの頂部が互いに逆向きに突出して接合された接合セパレータにある。

本発明の別の一観点は、電解質膜の両側に電極がそれぞれ配設されてなる電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の両側にそれぞれ配設された金属セパレータとを備え、前記金属セパレータには、ビードシールが前記電解質膜・電極構造体に向かって突出して形成される発電セルであって、前記ビードシールの両側方の平坦部を構成し積層方向に垂直なベースプレート部を有し、前記ビードシールは、前記積層方向に圧縮されていない初期状態において、前記積層方向に前記電解質膜・電極構造体に向かって突出した弧状の湾曲形状を有し、幅方向の中央部に最も高くなるように突出した頂部を有する湾曲部と、前記湾曲部の両側端部と前記ベースプレート部との間に設けられ、前記ベースプレート部と平行に延び、前記湾曲部の前記両側端部を前記ベースプレート部よりも前記積層方向に突出した位置に支持する一対の弾性支持部を備え、前記弾性支持部は、前記湾曲部よりも、積層方向の荷重に対して柔らかいばね特性を有する、発電セルにある。

上記観点の燃料電池用金属セパレータ、接合セパレータ及び発電セルによれば、ビードシールのシール面の変形を防ぐことにより、シール機能の低下を防ぐことができる。

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の発電セルの断面図である。 図２の第２金属セパレータの平面図である。 図１のビードシールのシールラインに垂直な面に沿った断面形状を示す断面図である。 図５Ａは、比較例に係るビードシールの断面図であり、図５Ｂは比較例に係るビードシールの変形を示す説明図である。 図４のビードシールの積層状態を示す断面図である。

以下、本発明の好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１及び図２に示すように、本実施形態に係る発電セル１０（燃料電池）は、樹脂枠付き電解質・電極構造体１２（以下、「樹脂枠付きＭＥＡ１２」という）と、樹脂枠付きＭＥＡ１２の両側にそれぞれ配置された金属セパレータ１４とを備える。発電セル１０は、例えば、横長（又は縦長）の長方形状の固体高分子型燃料電池である。

複数の発電セル１０は、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、燃料電池スタックが構成される。燃料電池スタックは、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等に搭載される。

図１に示すように、発電セル１０の矢印Ｂ方向（水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に連通して、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ、冷却媒体入口連通孔２０ａ及び燃料ガス出口連通孔１６ｂが設けられている。酸化剤ガス入口連通孔１８ａは、酸化剤ガスとして酸素含有ガス（例えば、空気）を供給する。冷却媒体入口連通孔２０ａは、冷却媒体（例えば、水）を供給する。燃料ガス出口連通孔１６ｂは、燃料ガスとして水素含有ガスを排出する。酸化剤ガス入口連通孔１８ａ、冷却媒体入口連通孔２０ａ及び燃料ガス出口連通孔１６ｂは、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に離間して配列されている。

発電セル１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に連通して延びる、燃料ガス入口連通孔１６ａ、冷却媒体出口連通孔２０ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔１８ｂが設けられている。燃料ガス入口連通孔１６ａは、燃料ガスを供給する。冷却媒体出口連通孔２０ｂは、冷却媒体を排出する。酸化剤ガス出口連通孔１８ｂは、酸化剤ガスを排出する。燃料ガス入口連通孔１６ａ、冷却媒体出口連通孔２０ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔１８ｂは、矢印Ｃ方向に離間して配列されている。

発電セル１０では、樹脂枠付きＭＥＡ１２が金属セパレータ１４により挟持される。以下、樹脂枠付きＭＥＡ１２の一方の面に配設された金属セパレータ１４を「第１金属セパレータ１４ａ」といい、樹脂枠付きＭＥＡ１２の他方の面に配設された金属セパレータ１４を「第２金属セパレータ１４ｂ」ともいう。第１金属セパレータ１４ａ及び第２金属セパレータ１４ｂは、横長（又は縦長）の長方形状に形成されている。

樹脂枠付きＭＥＡ１２は、電解質膜・電極構造体１２ａ（以下、「ＭＥＡ１２ａ」という）と、ＭＥＡ１２ａの外周部に接合されるとともに、ＭＥＡ１２ａの外周部を周回するように樹脂枠部材２２とを備える。ＭＥＡ１２ａは、電解質膜２３と、電解質膜２３の一方の面に設けられたアノード電極２４と、電解質膜２３の他方の面に設けられたカソード電極２６とを有する。

電解質膜２３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２３は、アノード電極２４及びカソード電極２６に挟持される。電解質膜２３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。

図２に示すように、アノード電極２４は、電解質膜２３の一方の面２３ａに接合される第１電極触媒層２４ａと、第１電極触媒層２４ａに積層される第１ガス拡散層２４ｂとを有する。カソード電極２６は、電解質膜２３の他方の面２３ｂに接合される第２電極触媒層２６ａと、第２電極触媒層２６ａに積層される第２ガス拡散層２６ｂとを有する。

図１に示すように、樹脂枠部材２２は、その内周部がＭＥＡ１２ａの外周部に接合された平面形状が長方形の枠上の樹脂フィルム（サブガスケット）である。樹脂フィルムは、２枚の樹脂フィルムを重ねて構成してもよい。樹脂枠部材２２は、一定の厚みを有する。樹脂枠部材２２の矢印Ｂ方向の一端部には、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ、冷却媒体入口連通孔２０ａ及び燃料ガス出口連通孔１６ｂが設けられる。樹脂枠部材２２の矢印Ｂ方向の他端部には、燃料ガス入口連通孔１６ａ、冷却媒体出口連通孔２０ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔１８ｂが設けられる。樹脂枠部材２２に設けられる連通孔１６ａ、１６ｂ、１８ａ、１８ｂ、２０ａ、２０ｂは、それぞれ、第１金属セパレータ１４ａ及び第２金属セパレータ１４ｂに設けられる連通孔１６ａ、１６ｂ、１８ａ、１８ｂ、２０ａ、２０ｂと同一形状に設定される。

樹脂枠部材２２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。

なお、樹脂枠部材２２を用いることなく、電解質膜２３を外方に突出させてもよい。また、アノード電極２４及びカソード電極２６よりも外方に突出した電解質膜２３の両側に、枠形状のフィルムを設けてもよい。

金属セパレータ１４は、セパレータ本体である金属プレート１５を有する。以下では金属プレート１５自体の構成を説明する際にも、「金属セパレータ１４」との呼称を用いる場合がある。

金属セパレータ１４を構成する金属プレート１５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型にプレス成形して構成される。第１金属セパレータ１４ａと第２金属セパレータ１４ｂとは、外周を溶接、ろう付け、又はかしめ等により一体に接合され、接合セパレータ３２を構成する。金属セパレータ１４の板厚は、例えば０．０５～０．１５ｍｍとすることができる。

第１金属セパレータ１４ａの樹脂枠付きＭＥＡ１２に向かう面１４ａｓには、燃料ガス入口連通孔１６ａと燃料ガス出口連通孔１６ｂとに連通する燃料ガス流路３８が設けられる。具体的には、燃料ガス流路３８は、第１金属セパレータ１４ａと樹脂枠付きＭＥＡ１２との間に形成される。燃料ガス流路３８は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の直線状流路溝（又は波状流路溝）を有する。

図３に示すように、第２金属セパレータ１４ｂの樹脂枠付きＭＥＡ１２に向かう面１４ｂｓには、酸化剤ガス入口連通孔１８ａと酸化剤ガス出口連通孔１８ｂとに連通する酸化剤ガス流路４０が設けられる。具体的に、酸化剤ガス流路４０は、第２金属セパレータ１４ｂと樹脂枠付きＭＥＡ１２との間に形成される。酸化剤ガス流路４０は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の直線状流路溝（又は波状流路溝）を有する。

図１において、互いに隣接する第１金属セパレータ１４ａと第２金属セパレータ１４ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔２０ａと冷却媒体出口連通孔２０ｂとに連通する冷却媒体流路４２が、矢印Ｂ方向に延在して形成されている。

第１金属セパレータ１４ａのＭＥＡ１２ａに向かう面１４ａｓには、流体（燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体）の漏れを防止するための第１シールライン４４が第１金属セパレータ１４ａと一体にプレス成形により設けられる。第１シールライン４４は、第１金属セパレータ１４ａの外周部を周回する。第１シールライン４４は、樹脂枠部材２２に向かって膨出（突出）するとともに、樹脂枠部材２２に気密及び液密に当接する。

第１シールライン４４は、複数のビードシール４５（メタルビードシール）を有する。複数のビードシール４５は、外側ビードシール４５ａと外側ビードシール４５ａよりも内側に設けられた内側ビードシール４５ｂとを有する。内側ビードシール４５ｂは、燃料ガス流路３８、燃料ガス入口連通孔１６ａ及び燃料ガス出口連通孔１６ｂを周回し且つこれらを連通させる。内側ビードシール４５ｂは、連通孔１６ａ、１６ｂ、１８ａ、１８ｂ、２０ａ、２０ｂを個別に囲む複数の連通孔ビード部４５ｃを有する。

図３に示すように、第２金属セパレータ１４ｂのＭＥＡ１２ａに向かう面１４ｂｓには、流体の漏れを防止するため、この第２金属セパレータ１４ｂの外周部を周回する第２シールライン４６が第２金属セパレータ１４ｂと一体にプレス成形により設けられる。第２シールライン４６は、樹脂枠部材２２に向かって膨出するとともに、樹脂枠部材２２に気密及び液密に当接する。第１シールライン４４と第２シールライン４６は樹脂枠部材２２を介して対向する。樹脂枠部材２２は、第１シールライン４４と第２シールライン４６との間に挟持される。

第２シールライン４６は、複数のビードシール４７（メタルビードシール）を有する。複数のビードシール４７は、外側ビードシール４７ａと、外側ビードシール４７ａよりも内側に設けられた内側ビードシール４７ｂとを有する。内側ビードシール４７ｂは、酸化剤ガス流路４０、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ及び酸化剤ガス出口連通孔１８ｂを周回し、且つこれらを連通させる。内側ビードシール４７ｂは、連通孔１６ａ、１６ｂ、１８ａ、１８ｂ、２０ａ、２０ｂを個別に囲む複数の連通孔ビード部４７ｃを有する。

図４に示すように、第１金属セパレータ１４ａは、平坦なベースプレート部１５ａと、ベースプレート部１５ａから樹脂枠部材２２（電解質膜・電極構造体１２ａ）に向かって突出したビードシール４５とを有している。ベースプレート部１５ａは、ビードシール４５の両側方の平坦部を構成する。ビードシール４５は、電解質膜・電極構造体１２ａと積層されていない状態、すなわち、積層方向に圧縮荷重が付与されていない状態において、ベースプレート部１５ａから樹脂枠部材２２に向かって突出した頂部５０を含む湾曲部５１と、湾曲部５１の両側端部とベースプレート部１５ａとをつなぐ側部５２、５３とを有する。湾曲部５１は、ビードシール４５の幅方向の中央部に設けられており、頂部５０の突出方向に凸に突出するように弧状に湾曲して形成されている。

湾曲部５１の幅方向の中央部には、積層方向の樹脂枠部材２２に向かって最も突出した頂部５０が形成されている。また、湾曲部５１の両側端部は傾斜角が変化する屈曲部５２ｃ、５３ｃを介して一方の側部５２及び他方の側部５３と一体的に繋がっている。

側部５２は、湾曲部５１の一方の側部に形成されており、側端部５２ａと、板ばね部５２ｂと、屈曲部５２ｃとを備える。すなわち、側部５２は、湾曲部５１とベースプレート部１５ａとの間の領域に形成されている。

側端部５２ａは、ベースプレート部１５ａから湾曲部５１に向かうにしたがって、樹脂枠部材２２に向かって突出するように傾斜して形成されている。側端部５２ａの一端はベースプレート部１５ａに繋がっており、他端は板ばね部５２ｂに繋がっている。板ばね部５２ｂは、ベースプレート部１５ａよりも樹脂枠部材２２に向かって突出した位置でベースプレート部１５ａと平行な向きに延びて形成され、湾曲部５１の一方の側端部をベースプレート部１５ａよりも突出した位置で支持する。板ばね部５２ｂは、後述するように圧縮方向の荷重に対して適切なばね弾性を発生させるべく、幅方向に側端部５２ａよりも長く延びて形成されている。板ばね部５２ｂの幅方向の他端には屈曲部５２ｃが形成されており、湾曲部５１に繋がっている。

また、側部５３は湾曲部５１の他方の側部に形成されており、側端部５３ａと、板ばね部５３ｂと、屈曲部５３ｃとを備える。すなわち、側部５３は、湾曲部５１とベースプレート部１５ａとの間の領域に形成されている。

側端部５３ａは、ベースプレート部１５ａから湾曲部５１に向かうにしたがって、樹脂枠部材２２に向かって突出するように傾斜して形成されている。側端部５３ａの他端はベースプレート部１５ａに繋がっており、一端は板ばね部５３ｂに繋がっている。板ばね部５３ｂは、ベースプレート部１５ａよりも樹脂枠部材２２に向かって突出した位置でベースプレート部１５ａと平行な向きに延びて形成され、湾曲部５１の他方の側端部をベースプレート部１５ａよりも突出した位置で支持する。板ばね部５３ｂは、後述するように圧縮方向の荷重に対して適切なばね弾性を発生させるべく、幅方向に側端部５３ａよりも長く延びて形成されている。板ばね部５３ｂの幅方向の一端には屈曲部５３ｃが形成されており、湾曲部５１に繋がっている。側部５２、５３は、幅方向に同じ長さに形成することが好ましい。

第２金属セパレータ１４ｂは、平坦なベースプレート部１５ｂと、ベースプレート部１５ｂから樹脂枠部材２２（電解質膜・電極構造体１２ａ）に向かって突出したビードシール４７とを有している。ベースプレート部１５ｂは、ビードシール４７の両側方の平坦部を構成する。ビードシール４７の突出方向はビードシール４５の突出方向と逆向きとなっている。

ビードシール４７は、電解質膜・電極構造体１２ａと積層されていない状態、すなわち、積層方向に圧縮荷重が付与されていない状態において、ベースプレート部１５ｂから樹脂枠部材２２に向かって積層方向に離間した頂部６０を含む湾曲部６１と、湾曲部６１の両側端部とベースプレート部１５ｂとをつなぐ側部６２、６３とを有する。湾曲部６１は、ビードシール４７の幅方向の中央部に設けられており、頂部６０の突出方向に凸に突出するように弧状に湾曲して形成されている。頂部６０と頂部５０とは、積層方向から見て略同じ位置に形成されている。

湾曲部６１の幅方向の中央部には、積層方向の樹脂枠部材２２に向かって最も突出した頂部６０が形成されている。また、湾曲部６１の両側端部には、傾斜角が変化する屈曲部６２ｃ、６３ｃを介して、一方の側部６２及び他方の側部６３が一体的に繋がっている。

側部６２は、湾曲部６１の一方の側部に形成されており、側端部６２ａと、板ばね部６２ｂと、屈曲部６２ｃとを備える。すなわち、側部６２は、湾曲部６１とベースプレート部１５ｂとの間の領域に形成されている。

側端部６２ａは、ベースプレート部１５ｂから湾曲部６１に向かうにしたがって、樹脂枠部材２２に向かって突出するように傾斜して形成されている。側端部６２ａの一端はベースプレート部１５ｂに繋がっており、他端は板ばね部６２ｂに繋がっている。板ばね部６２ｂは、ベースプレート部１５ｂよりも樹脂枠部材２２に向かって突出した位置でベースプレート部１５ｂと平行な向きに延びて形成され、湾曲部６１の一方の側端部をベースプレート部１５ｂよりも突出した位置で支持する。板ばね部６２ｂは、後述するように圧縮方向の荷重に対して適切なばね弾性を発生させるべく、幅方向に側端部６２ａよりも長く延びて形成されている。板ばね部６２ｂの幅方向の他端には屈曲部６２ｃが形成されており、湾曲部６１に繋がっている。

また、側部６３は湾曲部６１の他方の側部に形成されており、側端部６３ａと、板ばね部６３ｂと、屈曲部６３ｃとを備える。すなわち、側部６３は、湾曲部６１とベースプレート部１５ｂとの間の領域に形成されている。

側端部６３ａは、ベースプレート部１５ｂから湾曲部６１に向かうにしたがって、樹脂枠部材２２に向かって突出するように傾斜して形成されている。側端部６３ａの他端はベースプレート部１５ｂに繋がっており、一端は板ばね部６３ｂに繋がっている。板ばね部６３ｂは、ベースプレート部１５ｂよりも樹脂枠部材２２に向かって突出した位置でベースプレート部１５ｂと平行な向きに延びて形成され、湾曲部６１の他方の側端部をベースプレート部１５ｂよりも突出した位置で支持する。板ばね部６３ｂは、後述するように圧縮方向の荷重に対して適切なばね弾性を発生させるべく、幅方向に側端部６３ａよりも長く延びて形成されている。板ばね部６３ｂの幅方向の一端には屈曲部６３ｃが形成されており、湾曲部６１に繋がっている。側部６２、６３は、幅方向に同じ長さに形成することが好ましい。

第１金属セパレータ１４ａのビードシール４５と、第２金属セパレータ１４ｂのビードシール４７とは、図示のように積層方向に対称に形成されることが好ましいが、一部において非対称な部分があってもよい。

図４において、符号Ｐを付して示す部分は、湾曲部５１、６１の端部付近の延長線とベースプレート部１５ａ及びベースプレート部１５ｂの当接面１５ｃの延長線との交点である。符号Ｐを付した部分は、積層方向に圧縮荷重を付加した際に湾曲部５１、６１の変位の起点となる部分である。すなわち、積層方向に圧縮荷重を付加した際に、板ばね部５２ｂ、５３ｂ、６２ｂ、６３ｂに曲げ応力が作用して、符号Ｐの部分に接近するように板ばね部５２ｂ、５３ｂ、６２ｂ、６３ｂが変形する。ここで、幅Ｄ１は、側部５２、６２に隣接するベースプレート部１５ａ、１５ｂの端部から、側部５２、６２側の変位の起点Ｐまでの幅方向の長さであり、一方の弾性支持部の片持ち梁の長さに相当する。また、幅Ｄ２は、側部５３、６３に隣接するベースプレート部１５ａ、１５ｂの端部から、側部５３、６３側の変位の起点Ｐまでの幅方向の長さであり、他方の弾性支持部の片持ち梁の長さに相当する。

そして、側部５２、５３、６２、６３は、板ばね部５２ｂ、５３ｂ、６２ｂ、６３ｂの弾性復元力により、湾曲部５１、６１を樹脂枠部材２２に付勢する反力を生み出す。すなわち、側部５２、５３、６２、６３は、本実施形態のビードシール４５、４７の弾性支持部となっている。図示のように接合セパレータ３２として積層方向に対向するビードシール４５、４７においては、一方の板ばね部５２ｂ、６２ｂは互いに積層方向に離間し、他方の板ばね部５３ｂ、６３ｂも互いに積層方向に離間している。図６に示すように積層状態において締め付け荷重が付与されても、板ばね部５２ｂと板ばね部６２ｂとが離間し、板ばね部５３ｂと板ばね部６３ｂとが離間する程度のばね特性を有して構成されている。

ビードシール４５、４７において、積層方向に圧縮荷重Ｆに対する湾曲部５１、６１の変形量をばね定数Ｋ２と表す。また、積層方向の圧縮荷重に対する側部５２、５３、６２、６３（板ばね部５２ｂ、５３ｂ、６２ｂ、６３ｂ）の符号Ｐ付近での変形量を定数Ｋ１と表す。本実施形態のビードシール４５、４７では、上記のばね定数がＫ１＜Ｋ２を満たすように構成されている。すなわち、シール面を構成する湾曲部５１、６１よりも側部５２、５３、６２、６３（弾性支持部）の方が柔らかいばね特性を有している。

ビードシール４５、４７の全体のばね定数Ｋは、主に側部５２、５３、６２、６３のばね定数Ｋ２によって規定されるため、側部５２、５３、６２、６３（板ばね部５２ｂ、５３ｂ、６２ｂ、６３ｂ）の長さによって、全体のばね定数Ｋを調整することができる。全体のばね定数Ｋは、長さ（Ｄ１＋Ｄ２）を湾曲部５１の長さ（Ｅ）で除算した値（Ｄ１＋Ｄ２）／Ｅに反比例する。したがって、側部５２、５３、６２、６３の長さを短くすると、ビードシール４５、４７のばね定数Ｋが増加して硬いばね特性となり、側部５２、５３、６２、６３の長さを長くすると、ビードシール４５、４７のばね定数Ｋが減少して柔らかいばね特性となる。本実施形態では、側部５２、５３、６２、６３（板ばね部５２ｂ、５３ｂ、６２ｂ、６３ｂ）の長さは、頂部５０、６０の座屈が発生せず、且つ、十分なシール性が確保可能な範囲で適宜設定される。

なお、ビードシール４５、４７の頂部５０、６０付近の表面に薄膜状の樹脂製シール部材４９が設けられていてもよい。樹脂製シール部材４９には、例えばポリエステル繊維を用いることができ、印刷法又は塗布法で形成できる。樹脂製シール部材４９を設ける場合には、ビードシール４５、４７が樹脂製シール部材４９を介して樹脂枠部材２２に当接する。樹脂製シール部材４９は、ＭＥＡ１２（樹脂枠部材２２）側に設けられていてもよい。

以上のように構成される発電セル１０の動作及び作用について、以下に説明する。

図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ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１６ａ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２０ａには、純水やエチレングリコール、又は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１８ａから第２金属セパレータ１４ｂの酸化剤ガス流路４０に導入され、矢印Ｂ方向に移動してＭＥＡ１２ａのカソード電極２６に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔１６ａから第１金属セパレータ１４ａの燃料ガス流路３８に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路３８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、ＭＥＡ１２ａのアノード電極２４に供給される。

したがって、ＭＥＡ１２ａでは、カソード電極２６に供給される酸化剤ガスと、アノード電極２４に供給される燃料ガスとが、第２電極触媒層２６ａ及び第１電極触媒層２４ａ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において、カソード電極２６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１８ｂに沿って、矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード電極２４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１６ｂ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２０ａに供給された冷却媒体は、第１金属セパレータ１４ａと第２金属セパレータ１４ｂとの間の冷却媒体流路４２に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、ＭＥＡ１２ａを冷却した後、冷却媒体出口連通孔２０ｂから排出される。

この場合、本実施形態に係る金属セパレータ１４を備えた発電セル１０は、以下の作用を奏する。

図５Ａにおいて、比較例に係る金属セパレータ１４Ａのビードシール４５Ａの断面形状は、圧縮荷重を付与しない初期状態において、頂部５０が最も高くなるように突出した弧状の湾曲形状に形成されている。図５Ｂに示すように、ビードシール４５Ａに圧縮荷重を付与すると、ビードシール４５Ａの幅方向の中央部の頂部５０が押圧されて矢印Ｓ１、Ｓ２に示すように、幅方向に広がるように歪みつつ、積層方向（矢印ｄ方向）に変形してゆく。その際に、ビードシール４５Ａの幅方向の剛性が高いため、実線Ｐ２に示すように、頂部５０が凹状に凹むことで、幅方向の歪を緩和するように変形してしまう。このようにして、ビードシール４５Ａの断面がＭ字状に変形すると、中央の頂部５０付近（ビード幅方向中央部）での面圧が低下してしまう。その結果、所望のシール性が確保できず、流体リークが発生するおそれがある。

これに対し、図６に示すように、本実施形態に係る金属セパレータ１４では、ビードシール４５、４７において、湾曲部５１、６１よりも柔らかいばね特性を有する側部５２、５３、６２、６３（弾性支持部）を湾曲部５１、６１と異なる部分に備える。そのため、ビードシール４５、４７に圧縮荷重を付与すると、湾曲部５１、６１よりも先に、側部５２、５３、６２、６３が変形して反力を発生する。これにより、湾曲部５１の頂部５０、６０に過度な荷重及び歪が集中して頂部５０付近のシール面の座屈を防ぐことができる。その結果、ビードシール４５、４７の頂部５０、６０が十分な面圧で樹脂枠部材２２を押圧して、所望のシール性を確保することができる。また、ビードシール４５、４７に締め付け荷重が作用しても、積層方向に対向する一方の側部５２と側部６２が互いに傾斜して当接せず、所定の間隙Ｆ２だけ離間する。また、積層方向に対向する他方の側部５３と側部６３も当接せずに、所定の間隙Ｆ２だけ離間する。これにより、積層方向の荷重が変動した場合であっても、側部５２、５３、６２、６３の変形で、荷重の変動を吸収することができ、締め付け荷重の変動による頂部５０、６０の座屈を効果的に防止できる。

本実施形態の燃料電池用金属セパレータ１４及び発電セル１０は、以下の効果を奏する。

本実施形態の燃料電池用金属セパレータ１４は、電解質膜２３の両側に電極２４、２６がそれぞれ配置されてなる電解質膜・電極構造体１２ａと積層されて発電セル１０を構成し、ビードシール４５が電解質膜・電極構造体１２ａに向かって突出した燃料電池用金属セパレータ１４であって、ビードシール４５の両側方の平坦部を構成し積層方向に垂直なベースプレート部１５ａを有し、ビードシール４５は、積層方向に圧縮されていない初期状態において、積層方向に突出した湾曲部５１と、湾曲部５１の両側端部とベースプレート部１５ａとの間に設けられ、ベースプレート部１５ａと平行に延び、湾曲部５１の両側端部をベースプレート部１５ａよりも積層方向に突出した位置に支持する一対の弾性支持部（側部５２、５３）を備え、弾性支持部は、ビードシール４５が電解質膜・電極構造体１２ａと積層されて積層方向に圧縮された状態においてもベースプレート部１５ａの位置から積層方向に突出している。

上記のように構成することにより、頂部５０を含む湾曲部５１が座屈する前に、ベースプレート部１５ａに平行な弾性支持部（側部５２、５３）が変形することにより、頂部５０付近のシール面を樹脂枠部材２２に付勢する反力を発生させる。また、積層方向の変位を弾性支持部（側部５２、５３）が変形して吸収することができるため、頂部５０付近に過大な荷重が集中してシール面が座屈するのを防ぐことができ、良好なシール性を確保できる。

上記の燃料電池用金属セパレータ１４において、弾性支持部（側部５２、５３、６２、６３）は、湾曲部５１、６１よりも、積層方向の荷重に対して柔らかいばね特性を有する。これにより、湾曲部５１、６１のシール面が座屈するのを防ぐことができる。

本実施形態の接合セパレータ３２は、上記の燃料電池用金属セパレータ１４が複数接合された接合セパレータ３２であって、隣接する燃料電池用金属セパレータ１４は、各々のビードシール４５、４７の頂部５０、６０が互いに逆向きに突出して接合されている。このような接合セパレータ３２によれば、ビードシール４５、４７のシール性の低下を防ぐことができる。

上記の接合セパレータ３２において、積層方向に対向する弾性支持部間に隙間が形成されていてもよい。

本実施形態の発電セル１０は、電解質膜２３の両側に電極２４、２６がそれぞれ配設されてなる電解質膜・電極構造体１２ａと、電解質膜・電極構造体１２ａの両側にそれぞれ配設された燃料電池用金属セパレータ１４とを備え、燃料電池用金属セパレータ１４には、ビードシール４５、４７が電解質膜・電極構造体１２ａに向かって突出して形成され、ビードシール４５、４７の両側方の平坦部を構成し積層方向に垂直なベースプレート部１５ａ、１５ｂを有し、ビードシール４５、４７は、積層方向に圧縮されていない初期状態において、積層方向に突出した湾曲部５１、６１と、湾曲部５１、６１の両側端部とベースプレート部１５ａ、１５ｂとの間に設けられ、ベースプレート部１５ａ、１５ｂと平行に延び、湾曲部５１、６１の両側端部をベースプレート部１５ａ、１５ｂよりも積層方向に突出した位置に支持する一対の弾性支持部（側部５２、５３、６２、６３）を備え、弾性支持部（側部５２、５３、６２、６３）は、ビードシール４５、４７が電解質膜・電極構造体１２ａと積層されて積層方向に圧縮された状態においてもベースプレート部１５ａ、１５ｂの位置から積層方向に突出している。このように構成することにより、ビードシール４５、４７のシール性の低下を防ぐことができる。

上記において、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改変が可能なことは言うまでもない。

１０…発電セル １２ａ…ＭＥＡ
１４…金属セパレータ ２３…電解質膜
２４…アノード電極 ２６…カソード電極
４５、４７…ビードシール ５０、６０…頂部
５１、６１…湾曲部 ５２、５３、６２、６３…側部

Claims (5)

1. 電解質膜の両側に電極がそれぞれ配置されてなる電解質膜・電極構造体と積層されて発電セルを構成し、ビードシールが前記電解質膜・電極構造体に向かって突出した燃料電池用金属セパレータであって、
   前記ビードシールの両側方の平坦部を構成し積層方向に垂直なベースプレート部を有し、
   前記ビードシールは、前記積層方向に圧縮されていない初期状態において、前記積層方向に前記電解質膜・電極構造体に向かって突出した弧状の湾曲形状を有し、幅方向の中央部に最も高くなるように突出した頂部を有する湾曲部と、前記湾曲部の両側端部と前記ベースプレート部との間に設けられ、前記ベースプレート部と平行に延び、前記湾曲部の前記両側端部を前記ベースプレート部よりも前記積層方向に突出した位置に支持する一対の弾性支持部を備え、
   前記弾性支持部は、前記湾曲部よりも、積層方向の荷重に対して柔らかいばね特性を有する、
   燃料電池用金属セパレータ。
2. 請求項１記載の燃料電池用金属セパレータであって、
   前記弾性支持部は、前記ビードシールが前記電解質膜・電極構造体と積層されて前記積層方向に圧縮された状態においても前記ベースプレート部の位置から前記積層方向に突出し、
   前記頂部のシール面を前記電解質膜・電極構造体に押圧し、前記弾性支持部が積層方向に変形した状態で前記頂部と前記電解質膜・電極構造体とをシールする、
   燃料電池用金属セパレータ。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池用金属セパレータが、複数積層された接合セパレータであって、隣接する前記燃料電池用金属セパレータは、各々のビードシールの頂部が互いに逆向きに突出して接合された接合セパレータ。
4. 請求項３記載の接合セパレータであって、積層方向に対向する前記弾性支持部間に隙間が形成されている、接合セパレータ。
5. 電解質膜の両側に電極がそれぞれ配設されてなる電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の両側にそれぞれ配設された金属セパレータとを備え、前記金属セパレータには、ビードシールが前記電解質膜・電極構造体に向かって突出して形成される発電セルであって、
   前記ビードシールの両側方の平坦部を構成し積層方向に垂直なベースプレート部を有し、
   前記ビードシールは、前記積層方向に圧縮されていない初期状態において、前記積層方向に前記電解質膜・電極構造体に向かって突出した弧状の湾曲形状を有し、幅方向の中央部に最も高くなるように突出した頂部を有する湾曲部と、前記湾曲部の両側端部と前記ベースプレート部との間に設けられ、前記ベースプレート部と平行に延び、前記湾曲部の前記両側端部を前記ベースプレート部よりも前記積層方向に突出した位置に支持する一対の弾性支持部を備え、
   前記弾性支持部は、前記湾曲部よりも、積層方向の荷重に対して柔らかいばね特性を有する、発電セル。

Images