JP7135034B2 - 燃料電池用金属セパレータ及び発電セル - Google Patents

Description

本発明は、流体連通孔を囲むビードシールを備えた燃料電池用金属セパレータ及び発電セルに関する。

固体高分子燃料電池は、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形成され、他方の面にカソード電極が形成された、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）を構成している。また、発電セルが所定の数だけ積層された積層体により燃料電池スタックが構成される。この燃料電池スタックは、例えば、燃料電池車両（燃料電池電気自動車）等に組み込まれる。

燃料電池スタックにおいて、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（例えば、空気）、燃料ガス（例えば、水素ガス）、及び冷却媒体の漏洩を防止するために、シール部材が設けられている。金属セパレータのシール部材としては、金属セパレータを凸形状に形成して金属でシール構造を形成するビードシールが採用されているものもある（特許文献１～３）。

ビードシールの一部は、金属セパレータを積層方向に貫通した連通孔の周囲を囲むように形成されている。また、金属セパレータには、発電領域と連通孔との間で反応ガスを連通させるために、一部の連通孔を囲むビードシールの内側と外側とを連通する連結流路が一又は複数形成された領域であるブリッジ部が設けられている。ブリッジ部の各々の連結流路は、ビードシールの側壁からビードシールの内側及び外側に各々突出するとともに、セパレータ厚さ方向に膨出形成されたトンネルとして構成される。

ビードシールが形成された金属セパレータは、発電セルの一部として組み込まれ、さらに複数の発電セルが厚さ方向に積層されて積層方向に圧縮荷重が付与され燃料電池スタックが構成される。そのため、金属セパレータのビードシールに圧縮荷重が作用する。

特開２０１９－４６７５５号公報 米国特許出願公開第２０１８／０１３１０１６号明細書 米国特許第１０３５５２８９号明細書

金属セパレータにおいて、連通孔を囲むビードシールの内側には、金属セパレータの主面を構成するベースプレート部と同一の平面に沿って連通孔に向けて突出したフランジ部が形成されている。ところが、ビードシールが圧縮されることにともなって、フランジ部の延在方向に沿った応力が発生し、応力が集中しやすい角部（湾曲部）付近で、フランジ部が厚さ方向に撓んで変形するという問題が生じることが判明した。このようなフランジ部の撓みが生じると、連通孔を囲むビードシールに作用する圧縮荷重が不均一になり、シール性能が低下するおそれがある。

そこで、本発明は、燃料電池用金属セパレータが圧縮された際に、連通孔を囲むフランジ部の変形を抑制できる、燃料電池用金属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、酸化剤ガス又は燃料ガスを電極面に沿う方向に流通させる反応ガス流路と、前記反応ガス流路に連通するとともにセパレータ厚さ方向に貫通形成された流体連通孔と、前記流体連通孔の外周を周回するとともに、前記セパレータ厚さ方向に突出した金属製のビードシールと、前記ビードシールの根本部と前記流体連通孔との間に設けられたフランジ部と、前記ビードシールの側壁から突出するとともに前記セパレータ厚さ方向に突出して前記流体連通孔と前記反応ガス流路とを連通させる連結流路が形成され、前記ビードシールのうち、前記流体連通孔と前記反応ガス流路との間の部分に設けられたブリッジ部と、を備え、電解質膜・電極構造体に積層されて積層方向に圧縮荷重が付与される燃料電池用金属セパレータであって、前記フランジ部の内周縁部が複数の直線部と前記直線部同士を繋ぐ湾曲部と、を繋ぎ合わせて環状に形成され、前記ブリッジ部が設けられた部位を除く部分であって、前記フランジ部のうち、前記湾曲部に隣接する前記直線部に、前記ビードシールに繋がり前記セパレータ厚さ方向に膨出形成されたトンネルを備える、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、上記観点の燃料電池用金属セパレータと、前記燃料電池用金属セパレータに積層された電解質膜・電極構造体と、を備える、発電セルにある。

上記観点の燃料電池用金属セパレータ及び発電セルによれば、燃料電池用金属セパレータが圧縮された際に、連通孔を囲むフランジ部の変形を抑制できる。

燃料電池スタックの斜視説明図である。 燃料電池スタックの分解斜視図である。 図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面図である。 燃料電池スタックを構成する発電セルの分解斜視説明図である。 接合セパレータを第１金属セパレータ側から見た正面図である。 図６Ａは、第１金属セパレータにおける酸化剤ガス入口連通孔を囲む連通孔ビード部の平面図であり、図６Ｂは図６ＡのＶＩＢ－ＶＩＢ線に沿った断面図である。 図７Ａは、図６ＡのＶＩＩＡ－ＶＩＩＡ線に沿った断面図であり、図７Ｂは図７Ａのトンネルの酸化剤ガス入口連通孔側の内周縁部から見た端面図である。 接合セパレータの第２金属セパレータ側から見た正面図である。 比較例に係るフランジ部の撓みを示す説明図である。 図１０Ａは、実施形態に係るフランジ部のトンネルに作用する応力を示す説明図であり、図１０Ｂはトンネルによる応力緩和作用を示す断面説明図である。 変形例に係るフランジ部の応力緩和構造の要部説明図である。

以下、燃料電池用金属セパレータ及び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て詳細に説明する。

図１及び図２に示すように、燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１２（燃料電池）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）の一端には、ターミナルプレート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（図２参照）。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。

図１に示すように、エンドプレート２０ａ、２０ｂは、横長（縦長でもよい）の長方形状に形成されるとともに、各辺の間には、連結バー２４が配置されている。各連結バー２４は、両端をエンドプレート２０ａ、２０ｂの内面にボルト２６を介して固定され、複数の積層された発電セル１２の積層方向（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では、エンドプレート２０ａ、２０ｂを端板とする筐体を備え、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３及び図４に示すように、外周に樹脂フィルム付き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よりなり、その断面を波形にプレス成形して構成される。第１金属セパレータ３０と第２金属セパレータ３２とは、外周部を溶接、ろう付け、かしめ等の方法により接合されて一体化されて、接合セパレータ３３を構成する。

図４に示すように、発電セル１２の長辺方向である矢印Ｂ方向（図４中、水平方向）の一端縁部には、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、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（冷媒）を供給し、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の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ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、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。燃料ガス入口連通孔３８ａは、燃料ガスを供給し、冷却媒体出口連通孔３６ｂは冷却媒体を排出し、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、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び冷却媒体出口連通孔３６ｂと、燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂと、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される。

図３に示すように、外周に枠形状の樹脂フィルム４６を有する樹脂フィルム付きＭＥＡ２８は、電解質膜・電極構造体２８ａ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、フッ素系電解質の他、ＨＣ系（炭化水素系）電解質膜を使用することができる。電解質膜４０は、アノード電極４２及びカソード電極４４より小さな平面寸法を有する。

アノード電極４２の外周縁部とカソード電極４４の外周縁部との間には、枠形状を有する樹脂フィルム４６が挟持される。樹脂フィルム４６の内周端面は、電解質膜４０の外周端面に近接し、又は重なり、又は当接する。図４に示すように、樹脂フィルム４６の矢印Ｂ方向の一端縁部には、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Ｂ方向の他端縁部には、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（液晶ポリマー）、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４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に向かう表面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が設けられている。図５に示すように、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の間に直線状流路溝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には、プレス成形により第１シールライン５１（メタルビードシール）が樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かって膨出形成される。第１シールライン５１は、外側ビード部５２と、複数の連通孔ビード部５３（ビードシール）とを有する。図３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５６ａが印刷又は塗布等により固着される。樹脂材５６ａは、例えば、ポリエステル繊維が使用される。樹脂材５６ａは、不可欠なものではなく、なくてもよい。

図５に示すように、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（図４）に向かって突出するとともに、酸化剤ガス流路４８、入口バッファー部５０Ａ及び出口バッファー部５０Ｂを囲む。

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から一体的に樹脂フィルム付き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、冷却媒体入口連通孔３６ａ、冷却媒体出口連通孔３６ｂ、燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂの周囲をそれぞれ個別に周回する。

連通孔ビード部５３は、平面視で複数の直線状の部分を滑らかな屈曲部でつなぎ合わせた多角形状に形成される。連通孔ビード部５３の平面形状は、例えば四角形状、五角形状、又は六角形状等とすることができる。連通孔ビード部５３における直線状の部分とは、大域的に見て直線に見える部分を意味し、必ずしも直線パターンに限定されるものではない。例えば、平面視で波形に蛇行しつつも大域的に見て直線状に所定方向に延びるパターンも直線状の部分に含まれる。

図６Ａ及び図７Ａに示すように、連通孔ビード部５３は、第１金属セパレータ３０の主面を構成するベースプレート部３０ｐから立ち上がる内周側壁５３ｓ１及び外周側壁５３ｓ２と、内周側壁５３ｓ１と外周側壁５３ｓ２とを繋ぐ頂部５３ｔとを有する。連通孔ビード部５３の内周側壁５３ｓ１及び外周側壁５３ｓ２は、セパレータ厚さ方向（ベースプレート部３０ｐの法線方向）に対して傾斜している。従って、連通孔ビード部５３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、連通孔ビード部５３の内周側壁５３ｓ１及び外周側壁５３ｓ２は、セパレータ厚さ方向に平行であってもよい。この場合には、連通孔ビード部５３は、セパレータ厚さ方向に沿った断面形状が矩形形状に形成される。

図５に示すように、連通孔ビード部５３の内側（連通孔側）には、ベースプレート部３０ｐと同一平面に沿って形成されたフランジ部７０が形成されている。フランジ部７０は、連通孔ビード部５３の根元部から酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ、冷却媒体入口連通孔３６ａ、冷却媒体出口連通孔３６ｂ、燃料ガス入口連通孔３８ａ又は燃料ガス出口連通孔３８ｂに向けて延びている。フランジ部７０の内周縁部７１は、連通孔３４ａ、３４ｂ、３６ａ、３６ｂ、３８ａ、３８ｂの縁を構成する。

図６Ａに示すように、フランジ部７０の内周縁部７１は、複数の直線部７１ａと、異なる向きの直線部７１ａを接続する湾曲部７１ｂとを備えている。図示の例では、内周縁部７１は、４つの直線部７１ａと４つの湾曲部７１ｂとを備え、平面視で縦長の長方形状に形成されている。内周縁部７１の形状は、長方形に限定されるものではなく、５角形や６角形等の多角形状であってもよい。

ここで、酸化剤ガス流路４８とそれに連通する連通孔ビード部５３ａ、５３ｂに着目する。図５に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３４ａと、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂをそれぞれ囲む連通孔ビード部５３ａ、５３ｂは、外側ビード部５２によって囲まれている。そして、これらの連通孔ビード部５３ａ、５３ｂには、内側（連通孔３４ａ、３４ｂ）及び外側（酸化剤ガス流路４８側）を連通する一又は複数の連結流路が形成された領域としてのブリッジ部８０、８２と、応力緩和構造としてのトンネル７４が設けられる。

ブリッジ部８０は、酸化剤ガス入口連通孔３４ａを囲む環状の連通孔ビード部５３ａに設けられている。ブリッジ部８０は、連通孔ビード部５３ａのうち、酸化剤ガス流路４８と酸化剤ガス入口連通孔３４ａとの間の部位に設けられる。

ブリッジ部８２は、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂを囲む環状の連通孔ビード部５３ｂに設けられている。ブリッジ部８２は、連通孔ビード部５３ｂのうち、酸化剤ガス流路４８と酸化剤ガス出口連通孔３４ｂとの間の部位に設けられる。

連通孔ビード部５３ａと連通孔ビード部５３ｂとは、同様に構成されている。また、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ側のブリッジ部８０と、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ側のブリッジ部８２とは同様に構成されている。

図６Ｂに示すように、ブリッジ部８０には、複数の連結流路が設けられている。連結流路は、連通孔ビード部５３ａの側壁から突出するとともに、セパレータ厚さ方向にプレス成形により膨出形成されたトンネル８６を備える。連結流路のトンネル８６は、連通孔ビード部５３ａの内周側壁５３ｓ１から酸化剤ガス入口連通孔３４ａに向かって突出した複数の内側トンネル８６Ａと、連通孔ビード部５３ａの外周側壁５３ｓ２から酸化剤ガス流路４８（図５）に向かって突出した複数の外側トンネル８６Ｂとを有する。

複数の内側トンネル８６Ａと、複数の外側トンネル８６Ｂとは、連通孔ビード部５３ａから互いにセパレータ面方向（積層方向と垂直な方向）に反対の方向に突出する。図６Ａに示すように、内側トンネル８６Ａと複数の外側トンネル８６Ｂとは、連通孔ビード部５３ａを介して互いに対向配置されている。なお、内側トンネル８６Ａと外側トンネル８６Ｂとが、連通孔ビード部５３ａの延在方向に沿って互い違いにジグザグ状に配置されていてもよい。

図６Ｂに示すように、複数の内側トンネル８６Ａの、連通孔ビード部５３ａと接続する側と反対側の端部は、酸化剤ガス入口連通孔３４ａにて開口する。外側トンネル８６Ｂは、連通孔ビード部５３ａの延在方向に沿って間隔を開けて配置される。外側トンネル８６Ｂの、連通孔ビード部５３ａと接続する側と反対側の端部には、外側トンネル８６Ｂの内外を貫通する開口部８６ｃが設けられる。

連通孔ビード部５３ａの内部空間５３ｆは、内側トンネル８６Ａの内部空間８６ａと連通するとともに、外側トンネル８６Ｂの内部空間８６ｂと連通する。従って、酸化剤ガス入口連通孔３４ａは、ブリッジ部８０を構成する内側トンネル８６Ａ、連通孔ビード部５３ａ及び外側トンネル８６Ｂを介して、酸化剤ガス流路４８（図５）と連通する。

第１金属セパレータ３０は、連通孔ビード部５３ａと外側ビード部５２とが並列する二重ビード部を有する。二重シール部に隣接するフランジ部７０には、応力緩和構造としてのトンネル７４が設けられる。

図７Ａに示すように、トンネル７４は、ブリッジ部８０の内側トンネル８６Ａ（図６Ａ）と同様に、プレス成形によりセパレータ厚さ方向に凸状に一体的に膨出形成されている。トンネル７４は、連通孔ビード部５３ａの内周側壁５３ｓ１から、フランジ部７０の内周縁部７１に向けて延びて形成されている。トンネル７４の内周縁部はフランジ部７０の内周縁部７１で開口している。

図７Ｂに示すようにトンネル７４の横断面は、先端に向けて先細りの台形状に形成されており、トンネル７４の側壁は、セパレータ厚さ方向に対して傾斜している。トンネル７４のフランジ部７０からのセパレータ厚さ方向への突出距離（高さｌ）は、連通孔ビード部５３ａの高さＬよりも低い。また、トンネル７４の底辺長（幅）、上辺長（幅）、及び高さは、ブリッジ部８０の内側トンネル８６Ａ（図６Ａ）の底辺長（幅）、上辺長（幅）及び高さと同様の値とすることができる。

また、第２金属セパレータ３２側には、トンネル７４に対向する部分に、トンネル７４と反対方向に突出したトンネル７４Ａが形成されている。トンネル７４Ａの断面形状は、トンネル７４を上下反転させた対称形状となっている。

図６Ａに示すように、トンネル７４は、フランジ部７０のなかで内周縁部７１の湾曲部７１ｂに隣接する直線部７１ａに設けられている。すなわち、トンネル７４は、内周縁部７１の直線部７１ａの中央よりも湾曲部７１ｂ寄りの部分に配置されている。トンネル７４は、内周縁部７１の湾曲部７１ｂの中でも、ブリッジ部８０に隣接した直線部７１ａに接しておらず、且つ、二重シールに隣接する部分のなかで曲がりが大きい湾曲部７１ｂに隣接して設けられる。このような湾曲部７１ｂは、応力が大きくなりやすく、厚さ方向の湾曲が生じやすいためである。

なお、トンネル７４をフランジ部７０の湾曲部７１ｂに設けると、フランジ部７０の曲げ剛性が低下してしまい、締め付け荷重を与えた際に湾曲部７１ｂ付近が大きく湾曲するおそれがあるため、トンネル７４は湾曲部７１ｂを避けて直線部７１ａに設けることが好ましい。また、トンネル７４は、湾曲部７１ｂから離れた部分に形成すると、締め付け荷重を付与した際の湾曲部７１ｂへの応力集中の抑制効果が低下するため、トンネル７４は湾曲部７１ｂに近接した部位に設けることが好ましい。

トンネル７４は、湾曲部７１ｂを挟む２つの直線部７１ａの両方に設けてもよい。また、トンネル７４は、湾曲部７１ｂに隣接する片方の直線部７１ａにのみ設けてもよい。トンネル７４は、全ての湾曲部７１ｂに設ける必要はなく、湾曲部７１ｂの中でも、応力が集中しやすい傾向のある第１金属セパレータ３０の外周寄りの一部の湾曲部７１ｂの近傍にのみ設けると好適である。

連通孔ビード部５３ａ、５３ｂのようにブリッジ部８０、８２が設けられている場合には、トンネル７４は、ブリッジ部８０が形成されている直線部７１ａ以外の直線部７１ａに形成される。

連通孔ビード部５３ｂにもブリッジ部８０と同様のブリッジ部８２及びトンネル８７が形成され、その内側のフランジ部７０にも、同様のトンネル７４が形成される。また、第１金属セパレータ３０の燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂを囲むフランジ部７０には、後述する第２金属セパレータ３２側のトンネル９６に対向する部分にトンネル９６Ａが設けられている。

なお、冷却媒体入口連通孔３６ａや冷却媒体出口連通孔３６ｂを囲むフランジ部７０のように、外側ビード部５２と連通孔ビード部５３とによって二重シールされない部分のフランジ部７０も、トンネル７４を設けてもよい。すなわち、図５の燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂのような一重シールされた部分のフランジ部７０に、トンネル７４が設けられてもよい。

図８に示すように、第２金属セパレータ３２には、第１金属セパレータ３０に設けられた複数のトンネル７４、８６、８７、８８、８９、９６Ａに対向して、連通孔３４ａ、３４ｂ、３８ａ、３８ｂを囲む連通孔ビード部６３からセパレータ面方向に突出した複数のトンネル７４Ａ、９１、９３、９４、９５、９６が形成されている。これらは、第１金属セパレータ３０と反対方向に隣接する樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かってプレス成形により一体的に膨出形成される。また、これらのトンネル７４Ａ、９１、９３、９４、９５、９６は、図７Ａ、図７Ｂに示すように、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。

図７Ｂに示すように、第２金属セパレータ３２のトンネル７４Ａは、上記したように、第１金属セパレータ３０のトンネル７４に対向する部分に形成されたトンネルである。また、トンネル９４は、第１金属セパレータ３０のブリッジ部８０のトンネル８６に対向して設けられたトンネルである。トンネル９５は、第１金属セパレータ３０のブリッジ部８２のトンネル８７に対向して設けられたトンネルである。これらのトンネル９４、９５には貫通孔が形成されておらず、第２金属セパレータ３２の表面３２ａ側には連通しない。

図４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に向かう表面３２ａ（以下、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。図８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ー部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有する出口バッファー部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とは反対側の裏面３２ｂには、入口バッファー部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、出口バッファー部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ー部を構成する。

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が樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かって膨出形成される。第２シールライン６１は、外側ビード部６２と、複数の連通孔ビード部６３（ビードシール）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から樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かって突出するとともに、燃料ガス流路５８、入口バッファー部６０Ａ及び出口バッファー部６０Ｂ、並びに、燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂを囲む連通孔ビード部６３を囲む。

図３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５６ｂが印刷又は塗布等により固着される。樹脂材５６ｂは、例えば、ポリエステル繊維が使用される。樹脂材５６ｂは、樹脂フィルム４６側に設けられてもよい。樹脂材５６ｂは、不可欠ではなく、なくてもよい。

図８に示すように、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のベースプレート部３２ｐから一体的に突出するとともに、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。それぞれの連通孔ビード部６３の内側には、表面３２ａ方向に沿って延びる平坦なフランジ部７０Ａが形成されている。連通孔ビード部６３ａ、６３ｂは、第１金属セパレータ３０に設けられた連通孔ビード部５３ａ、５３ｂ（図５）と同様に構成されている。

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をそれぞれ個別に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）を連通する連結流路が一又は複数設けられた領域であるブリッジ部９０、９２と、トンネル９６と、が設けられる。

燃料ガス入口連通孔３８ａを囲む形状（環状）の連通孔ビード部６３ａのうち、燃料ガス流路５８と燃料ガス入口連通孔３８ａとの間の部位に、ブリッジ部９０が設けられる。燃料ガス出口連通孔３８ｂを囲む形状（環状）の連通孔ビード部６３ｂのうち、燃料ガス流路５８と燃料ガス出口連通孔３８ｂとの間の部位に、ブリッジ部９２が設けられる。

第２金属セパレータ３２に設けられたこれらのブリッジ部９０、９２は、第１金属セパレータ３０に設けられた上記したブリッジ部８０、８２（図５）と同様に構成されている。ブリッジ部９０、９２は、それぞれ、複数のトンネル９１、９３を有している。

また、第２金属セパレータ３２のフランジ部７０Ａには、応力緩和構造としてのトンネル９６が設けられている。トンネル９６は、第１金属セパレータ３０のフランジ部７０に設けられたトンネル７４と同様に構成されている。

図５に示すように、第１金属セパレータ３０には、第２金属セパレータ３２に設けられた複数のトンネル９１、９３（ブリッジ部９０、９２）（図８）に対向して、セパレータ面方向の反対側に突出した複数のトンネル８８、８９が設けられる。複数のトンネル８８、８９は、上記した複数のトンネル９４、９５（図８）と同様に構成されている。

また、第１金属セパレータ３０には、第２金属セパレータ３２のフランジ部７０Ａに設けられた複数のトンネル９６に対向して、セパレータ面方向の反対側に突出した複数のトンネル９６Ａが設けられる。複数のトンネル９６Ａは、上記した複数のトンネル９６と同様に構成されている。

図３及び図４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、冷却媒体入口連通孔３６ａと冷却媒体出口連通孔３６ｂとに連通する冷却媒体流路６６が形成されている。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。第１金属セパレータ３０と第２金属セパレータ３２は外周及び連通孔３４ａ、３４ｂ、３６ａ、３６ｂ、３８ａ、３８ｂの周囲を溶接することにより接合される。第１金属セパレータ３０と第２金属セパレータ３２は、溶接に代えてロウ付けによって接合されてもよい。

図２に示すように、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂは、導電性を有する材料から構成され、例えば、銅、アルミニウム又はステンレススチール等の金属で構成される。ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの略中央には、積層方向外方に延在する端子部６８ａ、６８ｂが設けられる。

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。インシュレータ１８ａ、１８ｂの中央部には、積層体１４に向かって開口される凹部７６ａ、７６ｂが形成され、凹部７６ａ、７６ｂの底面には、孔部７２ａ、７２ｂが設けられる。

インシュレータ１８ａ及びエンドプレート２０ａの矢印Ｂ方向の一端縁部には、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。インシュレータ１８ａ及びエンドプレート２０ａの矢印Ｂ方向他端縁部には、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。

図２及び図３に示すように、インシュレータ１８ａの凹部７６ａには、ターミナルプレート１６ａが収容される一方、インシュレータ１８ｂの凹部７６ｂには、ターミナルプレート１６ｂが収容される。

図１に示すように、エンドプレート２０ａ、２０ｂの各辺間には、連結バー２４が配置される。各連結バー２４は、両端をエンドプレート２０ａ、２０ｂの内面にボルト２６を介して固定され、積層体１４に積層方向の締め付け荷重が付与され、燃料電池スタック１０が組み付けられる。

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、エンドプレート２０ａの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、エンドプレート２０ａの冷却媒体入口連通孔３６ａに供給される。

酸化剤ガスは、図４に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３４ａからブリッジ部８０（図５参照）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。この際、酸化剤ガスは、図７Ａのように、酸化剤ガス入口連通孔３４ａから第１金属セパレータ３０の裏面３０ｂ側（第１金属セパレータ３０と第２金属セパレータ３２との間）へと一旦流入し、ブリッジ部８０を経由して、開口部８６ｃから第１金属セパレータ３０の表面３０ａ側に流出する。そして、図４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、燃料ガス入口連通孔３８ａからブリッジ部９０（図８参照）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２電極触媒層４４ａ及び第１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からブリッジ部８２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からブリッジ部９２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。

本実施形態に係る第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２を備えた発電セル１２（燃料電池スタック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（第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２）は、酸化剤ガス又は燃料ガスを電極面に沿う方向に流通させる反応ガス流路（酸化剤ガス流路４８、燃料ガス流路５８）と、反応ガス流路に連通するとともにセパレータ厚さ方向に貫通形成された流体連通孔（連通孔３４ａ、３４ｂ、３８ａ、３８ｂ）と、流体連通孔の外周を周回するとともに、セパレータ厚さ方向に突出した金属製のビードシール（連通孔ビード部５３、６３）と、ビードシールの根本部と流体連通孔との間に設けられたフランジ部７０、７０Ａと、ビードシールの側壁から突出するとともにセパレータ厚さ方向に突出して流体連通孔と反応ガス流路とを連通させる連結流路が形成されたブリッジ部８０、８２、９０、９２と、を備え、電解質膜・電極構造体２８ａに積層されて積層方向に圧縮荷重が付与される燃料電池用金属セパレータに関する。

上記のような燃料電池用金属セパレータを発電セル１２に組み込んで積層方向に締め付け荷重を付与すると、フランジ部７０、７０Ａに面内方向の延びるように応力が作用し、面内方向の圧縮応力が湾曲部７１ｂに集中する。そのため、図９に示すように、フランジ部７０、７０Ａにトンネル７４、７４Ａ、９６、９６Ａを設けない比較例の燃料電池用金属セパレータでは、フランジ部７０、７０Ａの湾曲部７１ｂ付近が撓んでしまう。

これに対し、本実施形態の燃料電池用金属セパレータにおいては、フランジ部７０、７０Ａにおいて、複数の直線部７１ａと直線部７１ａ同士を繋ぐ湾曲部７１ｂと、を繋ぎ合わせて環状に形成された内周縁部７１うち、ブリッジ部８０、８２、９０、９２を除く部分であって、湾曲部７１ｂに隣接する直線部７１ａに、ビードシールに繋がりセパレータ厚さ方向に膨出形成されたトンネル７４、７４Ａ、９６、９６Ａを設けている。

上記の燃料電池用金属セパレータによれば、図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、フランジ部７０、７０Ａの面内方向の圧縮応力は、トンネル７４、７４Ａ、９６、９６Ａの側壁部が弾性変形することで吸収する。これにより、湾曲部７１ｂの撓みを防ぐことができ、流体連通孔を囲むビードシールに均一な面圧を付与することができ、良好なシール性を維持できる。

上記の燃料電池用金属セパレータにおいて、トンネル７４、７４Ａ、９６、９６Ａは、流体連通孔を囲むフランジ部７０、７０Ａのうち、燃料電池用金属セパレータの外周寄りの湾曲部７１ｂに隣接する部分に形成されていてもよい。この構成によれば、応力が集中しやすい湾曲部７１ｂの近傍に応力緩和構造としてのトンネル７４、７４Ａ、９６、９６Ａが形成されるため、湾曲部７１ｂの撓みをより効果手に防ぐことができる。また、トンネル７４、７４Ａ、９６、９６Ａが湾曲部７１ｂを避けた位置に設けられることにより、フランジ部７０、７０Ａの剛性低下を防ぐことができ、湾曲部７１ｂの変形を防ぐことができる。

上記の燃料電池用金属セパレータにおいて、さらに、反応ガス流路及びビードシール（連通孔ビード部５３、６３）を囲む第２ビードシール（外側ビード部５２）を備え、トンネル７４、７４Ａ、９６、９６Ａは、ビードシールと第２ビードシールとで２重に囲まれたフランジ部７０、７０Ａに設けられていてもよい。

上記の燃料電池用金属セパレータにおいて、ブリッジ部８０、８２、９０、９２はビードシールの側壁から突出した複数の連結流路（トンネル８６、８６Ａ）を有し、連結流路と、トンネル７４、７４Ａ、９６、９６Ａとがセパレータ厚さ方向に同じ高さに形成されていてもよい。

上記の燃料電池用金属セパレータにおいて、トンネル７４、７４Ａ、９６、９６Ａは断面が台形状に形成されていてもよい。この構成により、トンネル７４、７４Ａ、９６、９６Ａの弾性変形が容易になり、フランジ部７０、７０Ａの面方向の応力を確実に吸収できる。

本実施形態の発電セル１２は、上記の燃料電池用金属セパレータと、燃料電池用金属セパレータに積層された電解質膜・電極構造体２８ａと、を備える。この構成によれば、フランジ部７０、７０Ａの変形を防ぐことができるため、より信頼性の高い発電セル１２を実現できる。

（変形例）
上記の第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２（燃料電池用金属セパレータ）において、図１１に示すように、連通孔ビード部５３、６３（ビードシール）を挟んでトンネル７４、７４Ａ、９６、９６Ａの反対側（外側）から突出したトンネル９８をさらに有してもよい。この構成によれば、トンネル７４、７４Ａ、９６、９６Ａの付近のビードシールの剛性が均一化できるため、ビードシールのシール性を維持できる。

上記のように、連通孔ビード部５３、６３（ビードシール）の外側にトンネル９８を設ける場合において、連通孔ビード部５３、６３の内側のトンネル７４、７４Ａ、９６、９６Ａと、連通孔ビード部５３、６３の外側のトンネル９８と、が連通孔ビード部５３、６３の延在方向にオフセットして配置されていてもよい。この構成により、ビードシールの剛性のばらつきが抑制され、連通孔ビード部５３、６３に作用する締め付け荷重のばらつきが抑制されるため、連通孔ビード部５３、６３の良好なシール性を維持できる。

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、本発明は上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。

１２…発電セル
３４ａ、３４ｂ、３６ａ、３６ｂ、３８ａ、３８ｂ…連通孔
５３、６３…連通孔ビード部
７０、７０Ａ…フランジ部
７１…内周縁部
７１ａ…直線部
７１ｂ…湾曲部
７４、７４Ａ、９６、９６Ａ…トンネル
８０、８２、９０、９２…ブリッジ部

Claims (8)

1. 酸化剤ガス又は燃料ガスを電極面に沿う方向に流通させる反応ガス流路と、
   前記反応ガス流路に連通するとともにセパレータ厚さ方向に貫通形成された流体連通孔と、
   前記流体連通孔の外周を周回するとともに、前記セパレータ厚さ方向に突出した金属製のビードシールと、
   前記ビードシールの根本部と前記流体連通孔との間に設けられたフランジ部と、
   前記ビードシールの側壁から突出するとともに前記セパレータ厚さ方向に突出して前記流体連通孔と前記反応ガス流路とを連通させる連結流路が形成され、前記ビードシールのうち、前記流体連通孔と前記反応ガス流路との間の部分に設けられたブリッジ部と、
   を備え、電解質膜・電極構造体に積層されて積層方向に圧縮荷重が付与される燃料電池用金属セパレータであって、
   前記フランジ部の内周縁部が複数の直線部と前記直線部同士を繋ぐ湾曲部と、を繋ぎ合わせて環状に形成され、
   前記ブリッジ部が設けられた部位を除く部分であって、前記フランジ部のうち、前記湾曲部に隣接する前記直線部に、前記ビードシールに繋がり前記セパレータ厚さ方向に膨出形成されたトンネルを備える、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、前記トンネルは、前記流体連通孔を囲む前記フランジ部のうち、前記燃料電池用金属セパレータの外周寄りの前記湾曲部に隣接する部分に形成されている、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であって、前記トンネルに加えて前記ビードシールを挟んで前記トンネルの反対側から突出したトンネルをさらに有する、燃料電池用金属セパレータ。
4. 請求項３記載の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内側の前記トンネルと前記ビードシールの外側の前記トンネルとが、前記ビードシールの延在方向にオフセットして配置されている、燃料電池用金属セパレータ。
5. 請求項１～４の何れか１項に記載の燃料電池用金属セパレータであって、さらに、前記反応ガス流路及び前記ビードシールを囲む第２ビードシールを備え、前記トンネルは、前記ビードシールと前記第２ビードシールとで２重に囲まれた前記フランジ部に設けられている、燃料電池用金属セパレータ。
6. 請求項１～５の何れか１項に記載の燃料電池用金属セパレータであって、前記ブリッジ部は前記ビードシールの側壁から突出した複数の連結流路を有し、前記連結流路と、前記トンネルとが前記セパレータ厚さ方向に同じ高さに形成されている、燃料電池用金属セパレータ。
7. 請求項１～６の何れか１項に記載の燃料電池用金属セパレータであって、前記トンネルは断面が台形状に形成されている、燃料電池用金属セパレータ。
8. 請求項１～７の何れか１項に記載の燃料電池用金属セパレータと、
   前記燃料電池用金属セパレータに積層された電解質膜・電極構造体と、を備える、発電セル。

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