JP7174798B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、ビードシールを含む燃料電池に関する。

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。

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（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。

燃料電池では、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、一方のセパレータと他方のセパレータとの間に冷却媒体を流す冷却媒体流路が形成される。

燃料電池スタックには、複数の反応ガス連通孔及び冷却媒体連通孔（両者をまとめて連通孔とも呼ぶ。）が積層方向に沿って貫通形成されている。そのため、セパレータには連通孔と反応ガス流路とを封止するべく、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シール用の連通孔ビードシールが設けられる（例えば、特許文献１）。また、一部の連通孔ビードシールには、連通孔と反応ガス流路とを連通させるためのトンネル（連結流路）等の構造物が連通孔ビードシールの幅方向に突出して設けられる場合もある（例えば、特許文献１）。

特表２０１８－５３３１７０号公報

連通孔ビードシールは、角部と直線部とを組み合わせて多角形状に形成される。この場合、連通孔ビードシールの角部を構成するカーブや、トンネルが存在する部分は、比較的剛性が高くなり面圧が上昇する傾向にある。その一方で、カーブとトンネルに挟まれた直線部や直線に近い緩やかなカーブ等では相対的に剛性が低く（柔らかく）なり、連通孔ビードシールがＭＥＡに当接する部分の面圧が低下してしまう。

そこで、一実施形態は、ビードシールにおけるトンネル等が設けられた部位とその他の部位との間の面圧のバラツキを防止して、ビードシールの面圧低下を抑制できる燃料電池を提供することを目的とする。

以下の開示の一観点は、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、前記電解質膜・電極構造体と前記金属セパレータとが積層された燃料電池であって、前記金属セパレータには、前記電解質膜・電極構造体の電極面に沿って反応ガスを流す反応ガス流路と、セパレータ厚さ方向に貫通した連通孔と、前記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シール用の連通孔ビードシールと、が形成されており、前記連通孔ビードシールには、前記連通孔ビードシールから前記連通孔に向けて突出して前記連通孔ビードシールの内部空間と前記連通孔とを連通するトンネルが設けられ、前記トンネルの側方に、前記トンネルよりも高さが低く、前記連通孔ビードシールから前記連通孔に向けて延在する延出部が設けられている、燃料電池にある。

上記観点の燃料電池によれば、ビードシールにおけるトンネル等が設けられた部位とその他の部位との間の面圧のバラツキを小さくできる。

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平面図である。 図６Ａは、第１実施形態に係る第１金属セパレータにおける酸化剤ガス出口連通孔を囲む連通孔ビードシールの平面図であり、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６ＡのＶＩＩＢ－ＶＩＩＢ線に沿った断面図である。 図６Ａのトンネル及び延出部を連通孔側から見て示す端面図である。 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。 図１０Ａは、第２実施形態に係るトンネル及び延出部を示す部分拡大平面図であり、図１０Ｂは図１０Ａのトンネル及び延出部を連通孔側から見たときの端面図である。 実施形態及び比較例に係る連通孔ビードシールに沿った面圧分布の計算結果を示すグラフである。

以下、燃料電池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。

（第１実施形態）
図１及び図２に示すように、燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池１２（発電セル）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、燃料電池電気自動車や、施設の自家発電設備等として用いられる。

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、複数の積層された燃料電池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。

燃料電池１２は、図３及び図４に示すように、外周に枠状の樹脂フィルム４６を備えた樹脂フィルム付きＭＥＡ２８が、第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２により挟持されて構成される。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、燃料電池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。

燃料電池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、の配置数及びレイアウトは、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、外側ビードシール５２と、複数の連通孔ビードシール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、外側ビードシール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シール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。

連通孔ビードシール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。連通孔ビードシール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。連通孔ビードシール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、必ずしも厳密な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に示すように、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂの連通孔ビードシール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。連通孔ビードシール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、図６Ｂに示すように、連通孔ビードシール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、連通孔ビードシール５３の内周側壁５３ｓ１及び外周側壁５３ｓ２は、セパレータ厚さ方向（図６Ｂの上下方向）に平行であってもよい。この場合には、連通孔ビードシール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、連通孔ビードシール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、連通孔ビードシール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に向けてそれぞれ延びている。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。

ここで、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂとその連通孔ビードシール５３ｂに着目する。図６Ａに示すように、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂを囲む連通孔ビードシール５３ｂは、外側ビードシール５２によって囲まれている。そして、連通孔ビードシール５３ｂには、内側（酸化剤ガス出口連通孔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８３が形成された領域としてのブリッジ部８２と、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂの底部の滞留水を取り除くための排水流路７３を構成するトンネル７４と、トンネル７４に隣接する延出部７５と、が設けられる。

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シール５３ｂに設けられている。ブリッジ部８２は、連通孔ビードシール５３ｂの中でも、発電部に対向し、かつ最も接近した辺に設けられており、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。

図６Ａに示すように、ブリッジ部８２には、複数の連結流路８３が設けられている。連結流路８３は、連通孔ビードシール５３ｂ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８３のトンネル８６は、連通孔ビードシール５３ｂの内周側壁５３ｓ１から酸化剤ガス出口連通孔３４ｂに向かって突出した複数の内側トンネル８６Ａと、連通孔ビードシール５３ｂの外周側壁５３ｓ２から酸化剤ガス流路４８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、連通孔ビードシール５３ｂから互いに反対の方向に突出する。内側トンネル８６Ａと複数の外側トンネル８６Ｂとは、連通孔ビードシール５３ｂ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、連通孔ビードシール５３ｂ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、連通孔ビードシール５３ｂと接続する側と反対側の端部は、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂにて開口する。外側トンネル８６Ｂは、連通孔ビードシール５３ｂ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、連通孔ビードシール５３ｂ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。

連通孔ビードシール５３ｂ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、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂは、ブリッジ部８２を構成する内側トンネル８６Ａ、連通孔ビードシール５３ｂ及び外側トンネル８６Ｂを介して、酸化剤ガス流路４８（図５参照）と連通する。

トンネル７４及び延出部７５は、ブリッジ部８２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、連通孔ビードシール５３ｂ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８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７４ｓ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、連通孔ビードシール５３ｂ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８２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。

延出部７５は、図６Ａに示すように、トンネル７４に隣接する部分の連通孔ビードシール５３ｂの直線部１０２に設けられている。すなわち、連通孔ビードシール５３ｂは２つの角部１０４ａ、１０４ｂの間に直線部１０２を有しており、トンネル７４と角部１０４ａとの間の直線部１０２及びトンネル７４と角部１０４ｂとの間の直線部１０２とにそれぞれ、延出部７５が設けられている。

延出部７５は、連通孔ビードシール５３ｂ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。延出部７５はフランジ部７０よりも短く形成されており、延出部７５の内周端部７５ａはフランジ部７０の内周縁部７１の外側に設けられている。延出部７５の内周端部７５ａは傾斜した壁状に形成されており、延出部７５は酸化剤ガス出口連通孔３４ｂには連通しておらず、内周端部７５ａによって閉塞されている。

図７Ｂ及び図８に示すように、延出部７５の高さｍは、トンネル７４の高さｌよりもさらに低い。延出部７５の高さｍは、トンネル７４の高さｌの半分程度とすることができる。

以上の説明では、トンネル７４の両側に延出部７５を一対設けた例について説明したが、本実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、トンネル７４が角部１０４ａ又は１０４ｂの近傍に設けられる場合には、延出部７５はトンネル７４の片側にのみ設けてもよい。また、トンネル７４は、排水目的以外に補強目的等の他の目的で設けられる場合もある。トンネル７４及び延出部７５は、連通孔ビードシール５３ｂのブリッジ部８２が設けられていない辺に形成されてもよい。

また、トンネル７４及び延出部７５は、連通孔ビードシール５３ｂの厳密な直線パターンのみに形成されるものではない。すなわち、連通孔ビードシール５３ｂにおいて、大きな角度で屈曲する角部１０４の間に設けられ、小さく蛇行しつつ大域的に見て直線状に延びている部分（広い意味での直線パターン）に、トンネル７４及び延出部７５が設けられてもよい。

図５に示すように、燃料ガス出口連通孔３８ｂを囲む連通孔ビードシール５３にも、トンネル７４と同様のトンネル９６Ａが形成されている。トンネル９６Ａの側方には、延出部７５と同様の延出部９７Ａが設けられている。

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９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、外側ビードシール６２と、複数の連通孔ビードシール６３（ビードシール）とを有する。外側ビードシール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。

図９に示すように、複数の連通孔ビードシール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シール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。連通孔ビードシール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シール５３ａ、５３ｂ（図５）と同様に構成されている。

図９に示すように、連通孔３４ａ、３４ｂ、３８ａ、３８ｂを囲む連通孔ビードシール６３からは、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が突出している。これらのトンネル７４Ａ、９１、９３、９４、９５、９６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（図５参照）に対向して、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に向かって膨出する。これらのトンネル７４Ａ、９１、９３、９４、９５、９６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。

また、連通孔ビードシール６３ｂ、６３ｄのフランジ部７０Ａには、排水流路７３を構成するトンネル７４Ａ、９６が設けられている。図７Ａに示すように、第２金属セパレータ３２のトンネル７４Ａは、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、トンネル９６はトンネル９６Ａと対向する部分に形成されている。トンネル７４Ａ、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、９６Ａと同様に構成されている。トンネル７４Ａ、９６の側方には、延出部７５Ａ、９７が設けられている。延出部７５Ａ、９７は、第１金属セパレータ３０の延出部７５、９７Ａと対向する部分に形成され、同様に構成される。

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が設けられてもよい。

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が形成される。凹部７６ａ、７６ｂの底面には、端部を通す孔部が設けられてもよい。

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。

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１２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、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、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９参照）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。

（第２実施形態）
以下、図１０Ａ及び図１０Ｂを参照しつつ第２実施形態に係るトンネル７４、７４Ａ及び延出部１０１、１０１Ａについて説明する。なお、本実施形態は、延出部１０１、１０１Ａの構成が異なるだけであり、それ以外の構成は、図１～図９を参照しつつ説明した燃料電池１２の各部構成と同様である。図１０Ａ及び図１０Ｂにおいて、図１～図９を参照しつつ説明したのと同様の構成については、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。

図１０Ａに示すように、本実施形態のトンネル７４の側方に延出部１０１が設けられる。延出部１０１は、トンネル７４に隣接する部分の連通孔ビードシール５３ｂの直線部１０２に設けられている。延出部１０１は、連通孔ビードシール５３ｂ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。延出部１０１はフランジ部７０と同じ長さに形成されており、延出部１０１の内周端部１０１ａはフランジ部７０の内周縁部７１において開口している。図１０Ｂに示すように、延出部１０１の高さは、トンネル７４よりも低い。延出部１０１の高さは、例えば、トンネル７４の半分程度とすることができる。

図１０Ｂに示すように、第１金属セパレータ３０のトンネル７４に対応する部分の第２金属セパレータ３２には、トンネル７４Ａが形成されている。第２金属セパレータ３２において、トンネル７４Ａの側方に延出部１０１Ａが設けられている。延出部１０１Ａの断面形状は、延出部１０１を上下反転させた対称形状となっている。従って延出部１０１Ａは、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂに開口している。

（解析例）
以下、第１実施形態、第２実施形態及び比較例に係る連通孔ビードシールのトンネル７４の近傍の面圧の分布を計算により求めた結果について説明する。

図１１は、第１金属セパレータ３０の連通孔ビードシール５３を樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に当接させた際に発生する面圧の分布を計算によって求めた結果を示している。

比較例１は、トンネル７４の側方に延出部７５、１０１を設けない場合の連通孔ビードシール５３の面圧の分布の計算結果を示している。図示のように、トンネル７４の両側部で面圧が大きく減少している。

これに対し、解析例１は、図６Ａに示す構造の延出部７５（第１実施形態）をトンネル７４の側方に配置した場合の面圧分布を示す。図１１に示すように、解析例１によれば、高さの低い延出部７５をトンネル７４の近傍に設けたことにより、トンネル７４の両側部での剛性を高めることができ、面圧の低下を抑制できることが確認できた。

解析例２は、図１０Ａに示す構造の延出部１０１（第２実施形態）をトンネル７４の側方に配置した場合の面圧の分布を示している。解析例２の結果によれば、延出部１０１によってもトンネル７４の両側部での面圧低下を抑制できることが確認できた。

以下、本発明の第１実施形態及び第２実施形態に係る燃料電池１２（発電セル）の効果について説明する。

本実施形態の燃料電池１２は、電解質膜・電極構造体（例えば、ＭＥＡ２８）と、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（例えば、第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２）とを備え、電解質膜・電極構造体と金属セパレータとが積層されており、金属セパレータには、電解質膜・電極構造体の電極面に沿って反応ガスを流す反応ガス流路（例えば、酸化剤ガス流路４８及び燃料ガス流路５８）と、セパレータ厚さ方向に貫通した連通孔（例えば、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）と、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シール用の連通孔ビードシール５３と、が形成されており、連通孔ビードシール５３には、連通孔ビードシール５３から連通孔に向けて突出して連通孔ビードシール５３の内部空間５３ｆと連通孔とを連通するトンネル７４が設けられ、トンネル７４、７４Ａの側方に、トンネル７４、７４Ａよりも高さが低く、連通孔ビードシール５３から連通孔に向けて延在する延出部７５、９７、１０１が設けられている。

上記の燃料電池１２によれば、トンネル７４、７４Ａの側方に延出部７５、９７、１０１を設けることにより、トンネル７４、７４Ａの近傍の連通孔ビードシール５３の直線部１０２の剛性を向上させることができる。その結果、図１１に示すように、連通孔ビードシール５３、６３の面圧のバラツキが抑制される。

上記の燃料電池１２において、延出部７５、７５Ａはトンネル７４、７４Ａの両側方にそれぞれ設けられてもよい。この構成によれば、トンネル７４、７４Ａの両側方における連通孔ビードシール５３、６３の剛性を向上させることができ、トンネル７４の両側方の面圧の低下を抑制できる。

上記の燃料電池１２において、延出部７５は、連通孔に連通しなくてもよい。この構成によれば、流路を追加させることがないため、連通孔を流れる流体への影響を与えずに、連通孔ビードシール５３の面圧のバラツキを抑制できる。

上記の燃料電池１２において、トンネル７４、７４Ａ及び延出部７５、９７、１０１は、連通孔ビードシール５３、６３の直線部１０２に設けられてもよい。この構成によれば、剛性が不足しやすい傾向にある連通孔ビードシール５３、６３の直線部１０２の剛性を高めることができ、連通孔ビードシール５３、６３の面圧のバラツキを抑制できる。

上記の燃料電池１２において、連通孔ビードシール５３、６３は複数の角部１０４と、角部１０４を繋ぐ連結部（例えば、直線部１０２）とを有しており、トンネル７４、７４Ａ及び延出部７５、９７、１０１は、角部１０４の間の連結部に形成されてもよい。ここでの連結部は厳密な直線に限定されるものではなく、大きく屈曲する角部１０４の間に設けられた部分であり、小さな蛇行や緩やかな湾曲を含む場合であっても大域的に見て直線状に見える部分も含まれる。この構成によれば、剛性が低下しやすい部分を高さが低い延出部７５、９７、１０１で補強できるため、連通孔ビードシール５３、６３の面圧のバラツキを抑制できる。

上記の燃料電池１２において、連通孔ビードシール５３の発電部に対向する辺には、連通孔ビードシール５３を貫通して連通孔と反応ガス流路とを連通させるブリッジ部８２が設けられており、トンネル７４及び延出部７５は、連通孔ビードシール５３のブリッジ部８２が設けられていない辺に形成されてもよい。

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…燃料電池 ３４ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
５３、６３…連通孔ビードシール ７４、７４Ａ、９６、９６Ａ…トンネル
７５、７５Ａ、９７、９７Ａ、１０１、１０１Ａ…延出部
１０２…直線部 １０４、１０４ａ、１０４ｂ…角部

Claims (6)

1. 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、前記電解質膜・電極構造体と前記金属セパレータとが積層された燃料電池であって、
   前記金属セパレータには、前記電解質膜・電極構造体の電極面に沿って反応ガスを流す反応ガス流路と、セパレータ厚さ方向に貫通した連通孔と、前記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シール用の連通孔ビードシールと、が形成されており、
   前記連通孔ビードシールには、前記連通孔ビードシールから前記連通孔に向けて突出して前記連通孔ビードシールの内部空間と前記連通孔とを連通するトンネルが設けられ、
   前記トンネルの側方に、前記トンネルよりも高さが低く、前記連通孔ビードシールから前記連通孔に向けて延在する延出部が設けられている、燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池であって、前記延出部は前記トンネルの両側方にそれぞれ設けられている、燃料電池。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池であって、前記延出部は、前記連通孔に連通しない、燃料電池。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の燃料電池であって、前記トンネル及び前記延出部は、前記連通孔ビードシールの直線部に設けられている、燃料電池。
5. 請求項１～４のいずれか１項に記載の燃料電池であって、前記連通孔ビードシールは複数の角部と前記角部を繋ぐ連結部と有しており、前記トンネル及び前記延出部は、前記角部の間の前記連結部に形成されている、燃料電池。
6. 請求項１～５のいずれか１項に記載の燃料電池であって、前記連通孔ビードシールの発電部に対向する辺には、前記連通孔ビードシールを貫通して前記連通孔と前記反応ガス流路とを連通させるブリッジ部が設けられており、前記トンネル及び前記延出部は、前記連通孔ビードシールの前記ブリッジ部が設けられていない辺に形成されている、燃料電池。

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