JP2019114509A - 発電セル - Google Patents

Abstract

【課題】電解質膜・電極構造体の外周に設けられた樹脂フィルムを安定して支持することが可能な発電セルを提供する。【解決手段】発電セル１２は、樹脂フィルム付きＭＥＡ２８と第１金属セパレータ３０とを備える。第１金属セパレータ３０には、電極面に沿って酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス流路４８と、酸化剤ガス流路４８を囲んで反応ガスの漏れを防止する外周側ビード部５４と、酸化剤ガスのバイパスを防止する複数の第１バイパス止め凸状部８４とが設けられる。互いに隣接する第１バイパス止め凸状部８４間に、樹脂フィルム４６を支持する中間凸状部８９が設けられる。【選択図】図３

Description

本発明は、ビードシール及びバイパス止め凸状部が設けられた金属セパレータ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。

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。アノード電極に沿って一方の反応ガスである燃料ガスを流す燃料ガス流路が形成されたアノード側金属セパレータがＭＥＡの一方面側に配置され、カソード電極に沿って他方の反応ガスである酸化剤ガスを流す酸化剤ガス流路が形成されたカソード側金属セパレータがＭＥＡの他方面側に配置される。

ところで、下記特許文献１では、製造コストを低減するため、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（境界壁７）を形成することが開示されている。また、下記特許文献１では、金属セパレータに設けられた反応ガス流路の流路幅方向端部での反応ガスのバイパスを防止するために、ビードシールと反応ガス流路との間に、複数個のバイパス止め凸状部（制限部材１０）が設けられている。

一方、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２を参照）。

特許第５２３９０９１号公報 特開２００８−１３０４３３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、複数個のバイパス止め凸状部が形成された金属セパレータを備えた発電セルにおいて、電解質膜・電極構造体の外周に設けられた樹脂フィルムを安定して支持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金属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、前記金属セパレータの一端から他端に向かって発電面に沿って反応ガスを流す反応ガス流路が形成され、前記反応ガス流路を囲んで反応ガスの漏れを防止するビードシールが設けられ、前記反応ガス流路は、前記金属セパレータの前記一端から前記他端に向かって延在する複数の流路形成突起と、前記複数の流路形成突起間に形成された複数の流路溝とを有し、前記ビードシールのうち前記金属セパレータの前記一端から前記他端に向かって延在する部分と、前記反応ガス流路の流路幅方向の端部に位置する前記流路形成突起との間には、前記流路形成突起の延在方向に間隔を置いて、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た発電セルにおいて、互いに隣接する前記バイパス止め凸状部間に、前記樹脂フィルムを支持する中間凸状部が設けられている。

一方の前記金属セパレータ及び他方の前記金属セパレータの各々に前記中間凸状部が設けられることが好ましい。

一方の前記金属セパレータに設けられた前記中間凸状部は、前記電解質膜・電極構造体を介して、他方の前記金属セパレータに設けられた中間凸状部に対向することが好ましい。

一対の前記金属セパレータ間で、前記中間凸状部は互いに形状が異なることが好ましい。

一方の前記金属セパレータに設けられた前記中間凸状部と、他方の前記金属セパレータに設けられた前記中間凸状部とは、互いに交差する方向に延在する形状を有することが好ましい。

一方の前記金属セパレータに設けられた前記中間凸状部は、前記流路幅方向に延在し、他方の前記金属セパレータに設けられた前記中間凸状部は、前記流路形成突起の延在方向に沿って延在することが好ましい。

前記ビードシールは、前記金属セパレータの厚さ方向から見た平面形状が波形状であり、前記ビードシールの、前記端部に位置する前記流路形成突起に対向する側壁は、当該流路形成突起に対して凹むように湾曲した凹状側壁と、当該流路形成突起に対して膨出するように湾曲した凸状側壁とを有し、前記バイパス止め凸状部は、前記凹状側壁に隣接した位置に設けられ、前記中間凸状部は、前記凸状側壁に隣接した位置に設けられていることが好ましい。

前記中間凸状部は、隙間を介して前記凸状側壁に隣接していることが好ましい。

互いに隣接する前記バイパス止め凸状部の間に、複数個の前記中間凸状部が並列して設けられていることが好ましい。

本発明の発電セルによれば、互いに隣接するバイパス止め凸状部間に、樹脂フィルムを支持する中間凸状部が設けられている。このため、複数のバイパス止め凸状部だけでなく、バイパス止め凸状部間においても樹脂フィルムを支持することができる。従って、樹脂フィルムを安定して支持することが可能となる。

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発電セルの平面図である。 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発電セルの平面図である。 第２金属セパレータの要部拡大平面図である。 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。

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、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（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。

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。

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、厚さの異なる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、内周部がＭＥＡ２８ａの外周部に接合された第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とを有する。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２枠状シート４６ｂは、第１枠状シート４６ａの外周部に接合される。

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の内周部４６ｎ（第１枠状シート４６ａ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。

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流路形成突起４８ａ間に形成された複数の流路溝４８ｂを有する。従って、酸化剤ガス流路４８では、複数の流路形成突起４８ａと複数の流路溝４８ｂとが流路幅方向（矢印Ｃ方向）に交互に配置されている。本実施形態において、流路形成突起４８ａ及び流路溝４８ｂは、平面形状が波形状であるが、これに限らず、流路形成突起４８ａ及び流路溝４８ｂは、平面形状がストレート形状（ストレート形状を組み合わせた形状）であってもよい。

流路形成突起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、流路形成突起４８ａの横断面形状は台形状である。なお、流路形成突起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、流路形成突起４８ａの横断面形状は矩形状にであってもよい。以下、複数の流路形成突起４８ａのうち、流路幅方向の両端に位置するものを「端部流路形成突起４８ａ１」という。端部流路形成突起４８ａ１は、第１ガス拡散層４４ｂの外端４４ｂｅ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。連通孔ビード部５３及び外周側ビード部５４は、第１金属セパレータ３０の厚さ方向から見た平面形状が波形状である。なお、連通孔ビード部５３及び外周側ビード部５４は、平面形状がストレート形状であってもよい。

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（端部流路形成突起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は端部流路形成突起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。

端部流路形成突起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、端部流路形成突起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、端部流路形成突起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、端部流路形成突起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。第１バイパス止め凸状部８４ａ、８４ｂの各頂部は、締付荷重が付与されない状態（積層前の状態）では、外周側ビード部５４の頂部よりも低い。従って、第１バイパス止め凸状部８４ａ、８４ｂは、積極的には締付荷重を受けない。第１バイパス止め凸状部８４ａ、８４ｂ及び外周側ビード部５４の各頂部は、締付荷重が付与された状態（積層状態）では、同じ高さである。

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、他端が端部流路形成突起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、他端が端部流路形成突起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、ＭＥＡ２８ａの外周部（樹脂フィルム４６）を支持する中間凸状部８９が設けられている。

外周側ビード部５４の、端部流路形成突起４８ａ１に対向する側壁５４ｓは、当該端部流路形成突起４８ａ１に対して凹むように湾曲した凹状側壁５４ｓ１と、当該端部流路形成突起４８ａ１に対して膨出するように湾曲した凸状側壁５４ｓ２とを有する。第１バイパス止め凸状部８４は、凹状側壁５４ｓ１に隣接した位置に設けられている。具体的に、第１バイパス止め凸状部８４は、凹状側壁５４ｓ１に繋がっている。中間凸状部８９は、凸状側壁５４ｓ２に隣接した位置に設けられている。具体的に、中間凸状部８９は、隙間を介して外周側ビード部５４の凸状側壁５４ｓ２に隣接している。

中間凸状部８９は、樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かって突出している。中間凸状部８９は、流路方向（矢印Ｂ方向）に交差して延びる形状を有する。特に本実施形態では、中間凸状部８９は、流路幅方向（矢印Ｃ方向）に延在する形状を有する。本実施形態では、中間凸状部８９は、互いに隣接する第１バイパス止め凸状部８４ａ、８４ｂの間に、複数個ずつ配置されている。なお、互いに隣接する第１バイパス止め凸状部８４ａ、８４ｂ間の中間凸状部８９の個数は特に限定されない。図４では、互いに隣接する第１バイパス止め凸状部８４ａ、８４ｂの間で、端部流路形成突起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８９は、積層方向から見て、第１ガス拡散層４４ｂの外端４４ｂｅに重なる位置に配置されている。第１バイパス止め凸状部８４ａ、８４ｂ及び中間凸状部８９の各頂部は、同じ高さである。

第１金属セパレータ３０には、端部流路形成突起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、カソード電極４４に対して凹む凹部８５ａを有する。図２に示すように、第１支持用凸状部８５は、ＭＥＡ２８ａの外周と樹脂フィルム４６の内周とが厚さ方向に重なる位置でカソード電極４４（第１ガス拡散層４４ｂ）を支持する。

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流路形成突起５８ａ間に形成された複数の流路溝５８ｂを有する。従って、燃料ガス流路５８では、複数の流路形成突起５８ａと複数の流路溝５８ｂとが流路幅方向（矢印Ｃ方向）に交互に配置されている。本実施形態において、流路形成突起５８ａ及び流路溝５８ｂは、平面形状が波形状であるが、これに限らず、流路形成突起５８ａ及び流路溝５８ｂは、平面形状がストレート形状であってもよい。流路形成突起５８ａ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、流路形成突起５８ａの横断面形状は台形状である。なお、流路形成突起５８ａ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、流路形成突起５８ａの横断面形状は矩形状にであってもよい。以下、複数の流路形成突起５８ａのうち、流路幅方向の両端に位置するものを「端部流路形成突起５８ａ１」という。端部流路形成突起５８ａ１は、第２ガス拡散層４２ｂの外端４２ｂｅ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。冷媒面側に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６２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（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。連通孔ビード部６３及び外周側ビード部６４は、第２金属セパレータ３２の厚さ方向から見た平面形状が波形状である。なお、連通孔ビード部６３及び外周側ビード部６４は、平面形状がストレート形状（ストレート形状を組み合わせた形状）であってもよい。

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ＭＥＡ２８側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側に向かって突出成形される。

燃料ガス流路５８の流路幅方向両端部（端部流路形成突起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は流路溝５８ｂ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。

第２バイパス止め凸状部９４の幅方向（矢印Ｂ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、第２バイパス止め凸状部９４の横断面形状は台形状である。なお、第２バイパス止め凸状部９４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、第２バイパス止め凸状部９４の横断面形状は矩形状であってもよい。

図６に示すように、端部流路形成突起５８ａ１は、外周側ビード部６４に対して凹むように湾曲した凹状湾曲部９５と、外周側ビード部６４に対して突出するように湾曲した凸状湾曲部９６とを有する。複数個の第２バイパス止め凸状部９４は、端部流路形成突起５８ａ１の凹状湾曲部９５と外周側ビード部６４との間に設けられた第２バイパス止め凸状部９４ａと、端部流路形成突起５８ａ１の凸状湾曲部９６と外周側ビード部６４との間に設けられた第２バイパス止め凸状部９４ｂとを含む。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、端部流路形成突起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。第２バイパス止め凸状部９４の各頂部は、締付荷重が付与されない状態（積層前の状態）では、外周側ビード部６４の頂部よりも低い。従って、第２バイパス止め凸状部９４は、積極的には締付荷重を受けない。第２バイパス止め凸状部９４及び外周側ビード部６４の各頂部は、締付荷重が付与された状態（積層状態）では、同じ高さである。

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、他端が端部流路形成突起５８ａ１の凹状湾曲部９５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、他端が端部流路形成突起５８ａ１の凸状湾曲部９６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（樹脂フィルム４６）を支持する中間凸状部９８が設けられている。中間凸状部９８は、樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かって突出している。

外周側ビード部６４の、端部流路形成突起５８ａ１に対向する側壁６４ｓは、当該端部流路形成突起５８ａ１に対して凹むように湾曲した凹状側壁６４ｓ１と、当該端部流路形成突起５８ａ１に対して膨出するように湾曲した凸状側壁６４ｓ２とを有する。第２バイパス止め凸状部９４は、凹状側壁６４ｓ１に隣接した位置に設けられている。具体的に、第２バイパス止め凸状部９４は、凹状側壁６４ｓ１に繋がっている。中間凸状部９８は、凸状側壁６４ｓ２に隣接した位置に設けられている。具体的に、中間凸状部９８は、隙間を介して凸状側壁６４ｓ２に隣接している。

中間凸状部９８は、積層方向から見て、第２ガス拡散層４２ｂの外端４２ｂｅに重なる位置に配置されている。中間凸状部９８は、流路方向（矢印Ｂ方向）に延在する形状を有する。中間凸状部９８の形状は、積層方向から見て、第１金属セパレータ３０に設けられた中間凸状部８９（図４）の形状と異なっている。第２金属セパレータ３２に設けられた中間凸状部９８は、ＭＥＡ２８ａを介して、第１金属セパレータ３０に設けられた中間凸状部８９に対向する（図２参照）。

中間凸状部９８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。なお、互いに隣接する第２バイパス止め凸状部９４ａ、９４ｂの中間凸状部９８の個数は特に限定されない。具体的に、本実施形態では、複数の中間凸状部９８は、互いに隣接する第２バイパス止め凸状部９４ａ、９４ｂの間で、端部流路形成突起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。第２バイパス止め凸状部９４及び中間凸状部９８の各頂部は、同じ高さである。

図７に示すように、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９８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９８の配列方向とは異なっている。第２金属セパレータ３２の中間凸状部９８は、第１金属セパレータ３０の中間凸状部８９の延在方向に対して交差する方向に延在する形状を有する。

図６に示すように、第２金属セパレータ３２には、端部流路形成突起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、中間凸状部９８と同じ高さである。

図７に示すように、積層方向から見て、酸化剤ガス流路４８の流路形成突起４８ａと燃料ガス流路５８の流路形成突起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、流路形成突起４８ａ、５８ａの延在方向に沿って交互に配置される。

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、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に導入される。そして、図３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、ＭＥＡ２８ａのカソード電極４４に供給される。

一方、図１に示すように、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。図５に示すように、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、各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、図１に示すように、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、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、互いに隣接する第１バイパス止め凸状部８４間に、樹脂フィルム４６を支持する中間凸状部８９が設けられている（図４）。このため、複数の第１バイパス止め凸状部８４だけでなく、第１バイパス止め凸状部８４間においても樹脂フィルム４６を支持することができる。また、互いに隣接する第２バイパス止め凸状部９４間に、樹脂フィルム４６を支持する中間凸状部９８が設けられている（図６）。このため、複数の第２バイパス止め凸状部９４だけでなく、第２バイパス止め凸状部９４間においても樹脂フィルム４６を支持することができる。従って、樹脂フィルム４６を安定して支持することが可能となる。

発電セル１２では、第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２の各々に中間凸状部８９、９８が設けられる。この構成により、中間凸状部８９、９８により樹脂フィルム４６を両側から支持することで、樹脂フィルム４６を良好に保持することができる。

図２に示すように、第１金属セパレータ３０に設けられた中間凸状部８９は、ＭＥＡ２８ａを介して、第２金属セパレータ３２に設けられた中間凸状部９８に対向する。この構成により、樹脂フィルム４６が中間凸状部８９、９８間に挟持されるため、樹脂フィルム４６を安定して保持することが可能となる。

図７に示すように、第１金属セパレータ３０に設けられた中間凸状部８９と、第２金属セパレータ３２に設けられた中間凸状部９８とは、互いに交差する方向に延在する形状を有する。この構成により、一対の金属セパレータ３０、３２の面方向の相互位置がずれた場合でも、接触面積を確保して、樹脂フィルム４６を安定して保持することが可能となる。

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
３０…第１金属セパレータ ３２…第２金属セパレータ
２８ａ…電解質膜・電極構造体 ４２…アノード電極
４４…カソード電極 ５４、６４…外周側ビード部（ビードシール）
８４…第１バイパス止め凸状部 ８９、９８…中間凸状部
９４…第２バイパス止め凸状部

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金属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、前記金属セパレータの一端から他端に向かって発電面に沿って反応ガスを流す反応ガス流路が形成され、前記反応ガス流路を囲んで反応ガスの漏れを防止するビードシールが設けられ、前記反応ガス流路は、前記金属セパレータの前記一端から前記他端に向かって延在する複数の流路形成突起と、前記複数の流路形成突起間に形成された複数の流路溝とを有し、前記ビードシールのうち前記金属セパレータの前記一端から前記他端に向かって延在する部分と、前記反応ガス流路の流路幅方向の端部に位置する前記流路形成突起との間には、前記流路形成突起の延在方向に間隔を置いて、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た発電セルにおいて、
   互いに隣接する前記バイパス止め凸状部間に、前記樹脂フィルムを支持する中間凸状部が設けられている、
   ことを特徴とする発電セル。
2. 請求項１記載の発電セルにおいて、
   一方の前記金属セパレータ及び他方の前記金属セパレータの各々に前記中間凸状部が設けられる、
   ことを特徴とする発電セル。
3. 請求項２記載の発電セルにおいて、
   一方の前記金属セパレータに設けられた前記中間凸状部は、前記電解質膜・電極構造体を介して、他方の前記金属セパレータに設けられた中間凸状部に対向する、
   ことを特徴とする発電セル。
4. 請求項２又は３記載の発電セルにおいて、
   一対の前記金属セパレータ間で、前記中間凸状部は互いに形状が異なる、
   ことを特徴とする発電セル。
5. 請求項２〜４のいずれか１項に記載の発電セルにおいて、
   一方の前記金属セパレータに設けられた前記中間凸状部と、他方の前記金属セパレータに設けられた前記中間凸状部とは、互いに交差する方向に延在する形状を有する、
   ことを特徴とする発電セル。
6. 請求項２〜５のいずれか１項に記載の発電セルにおいて、
   一方の前記金属セパレータに設けられた前記中間凸状部は、前記流路幅方向に延在し、
   他方の前記金属セパレータに設けられた前記中間凸状部は、前記流路形成突起の延在方向に沿って延在する、
   ことを特徴とする発電セル。
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、
   前記ビードシールは、前記金属セパレータの厚さ方向から見た平面形状が波形状であり、
   前記ビードシールの、前記端部に位置する前記流路形成突起に対向する側壁は、当該流路形成突起に対して凹むように湾曲した凹状側壁と、当該流路形成突起に対して膨出するように湾曲した凸状側壁とを有し、
   前記バイパス止め凸状部は、前記凹状側壁に隣接した位置に設けられ、
   前記中間凸状部は、前記凸状側壁に隣接した位置に設けられている、
   ことを特徴とする発電セル。
8. 請求項７記載の発電セルにおいて、
   前記中間凸状部は、隙間を介して前記凸状側壁に隣接している、
   ことを特徴とする発電セル。
9. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の発電セルにおいて、
   互いに隣接する前記バイパス止め凸状部の間に、複数個の前記中間凸状部が並列して設けられている、
   ことを特徴とする発電セル。

Images