JP2019021595A - 発電セル - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構造で反応ガス連通孔の底部に生成水が滞留することを抑制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の第１金属セパレータ３０には、電解質膜・電極構造体２８ａの電極面に沿って酸化剤ガス流路４８と、酸化剤ガス流路４８と連通するとともにセパレータ厚さ方向に貫通した酸化剤ガス入口連通孔３４ａと、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ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連通孔ビード部５３と、が形成されている。連通孔ビード部５３の下部には、連通孔ビード部５３の内部空間５３ｄと酸化剤ガス入口連通孔３４ａとを連通する排水用流路部７０が設けられている。
【選択図】図４

Description

本発明は、ビードシール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。

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）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。

燃料電池スタックでは、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、燃料電池スタックでは、複数の反応ガス連通孔が積層方向に沿って形成されている。複数の反応ガス連通孔は、燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給連通孔と、燃料ガスを排出する燃料ガス排出連通孔と、酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給連通孔と、酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出連通孔とを含む（例えば、下記特許文献１を参照）。

特開２００７−１４１５４３号公報

発電セルでは、発電反応に伴って生成水が生成され、また、反応ガス中の蒸気が凝縮して凝縮水が生成される。反応ガス連通孔の底部に生成水が滞留すると、錆や液絡が発生する原因となり得る。

本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、簡易な構造で反応ガス連通孔の底部に生成水が滞留することを抑制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、電解質膜・電極構造体と、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水平方向に積層された発電セルであって、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、前記反応ガス流路と連通するとともにセパレータ厚さ方向に貫通した反応ガス連通孔と、前記反応ガス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部と、が形成されており、前記連通孔ビード部の下部には、前記連通孔ビード部の内部空間と前記反応ガス連通孔とを連通する排水用流路部が設けられている。

前記金属セパレータには、前記連通孔ビード部の内周側と外周側とを連通するブリッジ部が形成されており、前記排水用流路部は、前記連通孔ビード部の前記内部空間を介して、前記ブリッジ部と連通していることが好ましい。

前記連通孔ビード部の前記下部は、前記電解質膜・電極構造体と前記金属セパレータとの積層方向と直交する水平方向の幅が下方に向かって小さくなる凹形状部を有し、前記排水用流路部は、前記凹形状部の最下部に設けられていることが好ましい。

前記排水用流路部は、前記連通孔ビード部の側壁に開口した孔部と、前記孔部に接続されるとともに前記反応ガス連通孔に向かって上方に突出した排水トンネルとを有することが好ましい。

前記排水トンネルは、鉛直方向に延在していることが好ましい。

前記反応ガス連通孔の下部は、前記電解質膜・電極構造体と前記金属セパレータとの積層方向と直交する水平方向の幅が下方に向かって小さくなる凹形状部を有し、前記排水トンネルの上端部は、前記反応ガス連通孔の前記凹形状部の最下部に位置することが好ましい。

本発明の発電セルによれば、簡易な構造で反応ガス連通孔の底部に生成水が滞留することを抑制することが可能となる。

燃料電池スタックの斜視説明図である。 燃料電池スタックを構成する本発明の実施形態に係る発電セルの分解斜視説明図である。 発電セルの概略断面図である。 第１金属セパレータの正面説明図である。 第１金属セパレータの酸化剤ガス入口連通孔周辺の部分拡大図である。 図５におけるＶＩ−ＶＩ線に沿った第１金属セパレータの断面図である。 図５におけるＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った断面図である。 第２金属セパレータの正面説明図である。 変形例に係る第１金属セパレータの正面説明図である。 図９におけるＸ−Ｘ線に沿った第１金属セパレータの断面図である。 変形例に係る第２金属セパレータの正面説明図である。

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に示すように、燃料電池スタック１０は、単位燃料電池を構成する発電セル１２が水平方向（矢印Ａ方向）に複数積層された積層体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）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。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。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。

エンドプレート２０ａ、２０ｂは、横長（縦長でもよい）の長方形状を有するとともに、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、複数の積層された発電セル１２に積層方向（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。

図２に示すように、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の他方面側に配置された第２金属セパレータ３２とを備える。

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方向側の一端縁部）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方向の他端縁部）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３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と、電解質膜・電極構造体２８ａ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。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、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。

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、重なる又は当接する。図２に示すように、樹脂フィルム４６の矢印Ｂ１方向側の端縁部には、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Ｂ２方向の端縁部には、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（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、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２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。図４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、矢印Ｃ方向に並ぶ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。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５１が樹脂フィルム付きＭＥＡ２８（図２）に向かって膨出成形される。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５６が印刷又は塗布等により固着される。樹脂材５６は、例えば、ポリエステル繊維が使用される。樹脂材５６は、樹脂フィルム４６側に設けられてもよい。樹脂材５６は、不可欠ではなく、なくてもよい。

図４に示すように、第１シールライン５１は、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５１ａ（以下、「内側ビード部５１ａ」という）と、内側ビード部５１ａよりも外側に設けられるとともに第１金属セパレータ３０の外周に沿って延在するビードシール５２（以下、「外側ビード部５２」という）と、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）とを有する。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に向かって突出するとともに当該表面３０ａの外周縁部を周回する。

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。連通孔ビード部５３ａの下部５３ａ１（底辺部）には、連通孔ビード部５３ａの内部空間５３ｄ（図６）と酸化剤ガス入口連通孔３４ａとを連通する排水用流路部７０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。連通孔ビード部５３ｂの重力方向の下部５３ｂ１には、連通孔ビード部５３ｂの内部空間と酸化剤ガス出口連通孔３４ｂとを連通する排水用流路部７２が設けられる。

接合セパレータ３３を構成する第１金属セパレータ３０と第２金属セパレータ３２とは、レーザ溶接ライン３３ａ〜３３ｅにより互いに接合されている。レーザ溶接ライン３３ａは、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ及びブリッジ部８０を囲んで形成される。レーザ溶接ライン３３ｂは、燃料ガス出口連通孔３８ｂ及び後述するブリッジ部９２を囲んで形成される。レーザ溶接ライン３３ｃは、燃料ガス入口連通孔３８ａ及び後述するブリッジ部９０を囲んで形成される。レーザ溶接ライン３３ｄは、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ及びブリッジ部８２を囲んで形成される。レーザ溶接ライン３３ｅは、酸化剤ガス流路４８、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を囲んで、接合セパレータ３３の外周部を周回して形成される。

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。また、排水用流路部７０と排水用流路部７２とは、同様に構成されている。このため、以下では、代表的に連通孔ビード部５３ａ、ブリッジ部８０及び排水用流路部７０の構成について詳細に説明し、連通孔ビード部５３ｂ、ブリッジ部８２及び排水用流路部７２の構成については詳細な説明を省略する。

図５に示すように、ブリッジ部８０は、連通孔ビード部５３ａの内周側に互いに間隔を置いて設けられた複数の内側ブリッジ部８０Ａと、連通孔ビード部５３ａの外周側に互いに間隔を置いて設けられた複数の外側ブリッジ部８０Ｂとを有する。

内側ブリッジ部８０Ａは、連通孔ビード部５３ａの凸形状の一方側（連通孔ビード部５３ａの内周側の側壁５３ａｗ）に設けられた貫通孔８４ａと、貫通孔８４ａに接続された内側トンネル８６Ａとを有する。内側トンネル８６Ａは、プレス成形により、連通孔ビード部５３ａの側壁５３ａｗから酸化剤ガス入口連通孔３４ａに向かって突出するように形成される。内側トンネル８６Ａの、連通孔ビード部５３ａと接続する側とは反対側の端部は、酸化剤ガス入口連通孔３４ａにて開口する。

外側ブリッジ部８０Ｂは、連通孔ビード部５３ａの凸形状の他方側（連通孔ビード部５３ａの外周側の側壁５３ａｗ）に設けられた貫通孔８４ｂと、貫通孔８４ｂに接続された外側トンネル８６Ｂとを有する。外側トンネル８６Ｂは、プレス成形により、連通孔ビード部５３ａの側壁５３ａｗから酸化剤ガス流路４８に向かって突出するように形成される。

本実施形態では、複数の内側ブリッジ部８０Ａと複数の外側ブリッジ部８０Ｂとは、連通孔ビード部５３ａに沿って互い違い（ジグザグ状）に配置されている。なお、複数の内側ブリッジ部８０Ａと複数の外側ブリッジ部８０Ｂとは、連通孔ビード部５３ａを介して互いに対向配置されてもよい。

図７に示すように、第１金属セパレータ３０には、凸形状の連通孔ビード部５３ａの裏側形状である凹部５３ｃが設けられる。凹部５３ｃは、連通孔ビード部５３ａの内部空間５３ｄを構成する。貫通孔８４ａ、８４ｂは、連通孔ビード部５３ａの内部空間５３ｄと外部とを連通する。第１金属セパレータ３０の凹部５３ｃは、第２金属セパレータ３２の連通孔ビード部６３の裏側形状である凹部６３ｃと対向する。従って、第１金属セパレータ３０の連通孔ビード部５３ａの内部空間５３ｄは、第２金属セパレータ３２の連通孔ビード部６３の内部空間６３ｄと連通する。

内側トンネル８６Ａ及び外側トンネル８６Ｂ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凸形状を有するとともに、貫通孔８４ａ、８４ｂを介して連通孔ビード部５３ａの内部空間５３ｄと連通するトンネル流路８６ａ、８６ｂを内部に有する。内側トンネル８６Ａは、酸化剤ガス入口連通孔３４ａと内部空間５３ｄとを連通する。外側トンネル８６Ｂは、内部空間５３ｄと酸化剤ガス流路４８（図４）とを連通する。外側トンネル８６Ｂには、連通孔ビード部５３ａとの接続箇所とは反対側の端部に、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。

図５に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３４ａの底部３４ａ１は、積層方向と直交する水平方向（矢印Ｂ方向）の幅が下方に向かって小さくなる凹形状部３４ａ２を有する。本実施形態において、凹形状部３４ａ２は、Ｖ字状に形成されている。凹形状部３４ａ２は円弧状に形成されてもよい。なお、酸化剤ガス入口連通孔３４ａの底部３４ａ１と同様に、他の連通孔３４ｂ、３６ａ、３６ｂ、３８ａ、３８ｂの底部も水平方向（矢印Ｂ方向）の幅が下方に向かって小さくなる凹形状部を有する。

連通孔ビード部５３ａの重力方向の下部５３ａ１（底辺部）は、積層方向と直交する水平方向の幅が下方に向かって小さくなる凹形状部５３ａ２を有する。本実施形態において、凹形状部５３ａ２は、Ｖ字状に形成されている。凹形状部５３ａ２は円弧状に形成されてもよい。

排水用流路部７０は、連通孔ビード部５３ａの凹形状部５３ａ２に設けられている。本実施形態において、排水用流路部７０は、連通孔ビード部５３ａの内周側の側壁５３ａｗに設けられた孔部９４と、孔部９４に接続された排水トンネル９６とを有する。排水トンネル９６は、プレス成形により、連通孔ビード部５３ａの突出方向と同じ方向（積層方向）に突出するように形成される。

図５及び図６に示すように、排水トンネル９６は、連通孔ビード部５３ａの下部５３ａ１から上方に突出し、酸化剤ガス入口連通孔３４ａと連通孔ビード部５３ａの内部空間５３ｄとを連通している。具体的に、排水トンネル９６の上端部は、酸化剤ガス入口連通孔３４ａにて開口している。排水トンネル９６の上端部は、酸化剤ガス入口連通孔３４ａの底部３４ａ１の最下部３４ａ３に位置している。排水トンネル９６の下端部は、連通孔ビード部５３ａの最下部５３ａ３に接続されている。従って、排水トンネル９６は、鉛直方向に沿って延在している。なお、排水トンネル９６は、鉛直方向に対して斜めに延在してもよい。

図５に示すように、排水用流路部７０は、連通孔ビード部５３ａの内部空間５３ｄを介して、ブリッジ部８０と連通している。従って、排水用流路部７０の孔部９４は、連通孔ビード部５３ａの内部空間５３ｄ及び外側ブリッジ部８０Ｂを介して、酸化剤ガス流路４８と連通している。複数の外側ブリッジ部８０Ｂのうち、最も下方に配置された外側ブリッジ部８０Ｂ１が、排水用流路部７０に最も近い位置に配置されている。最も下方に配置された外側ブリッジ部８０Ｂ１は、酸化剤ガス入口連通孔３４ａの最下部よりも下方に配置されるとともに、連通孔ビード部５３ａの最下部５３ａ３よりも上方に配置されている。

なお、最も下方に配置された外側ブリッジ部８０Ｂ１は、連通孔ビード部５３ａの最下部５３ａ３と同じ高さ、又は当該最下部５３ａ３よりも下方に配置されていてもよい。外側ブリッジ部８０Ｂ１は、酸化剤ガス流路４８に向かって、水平方向に対して下方に傾斜していてもよい。

図２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６１が樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かって膨出成形される。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５６が印刷又は塗布等により固着される。樹脂材５６は、例えば、ポリエステル繊維が使用される。樹脂材５６は、樹脂フィルム４６側に設けられてもよい。樹脂材５６は、不可欠ではなく、なくてもよい。

図８に示すように、第２シールライン６１は、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（以下、「内側ビード部６１ａ」という）と、内側ビード部６１ａよりも外側に設けられるとともに第２金属セパレータ３２の外周に沿って延在するビードシール（以下、「外側ビード部６２」という）と、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（以下、「連通孔ビード部６３」という）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から突出するとともに当該表面３２ａの外周縁部を周回する。

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。

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。連通孔ビード部６３ａの重力方向の下部６３ａ１（底辺部）には、連通孔ビード部６３ａの内部空間６３ｄと燃料ガス入口連通孔３８ａとを連通する排水用流路部９８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。連通孔ビード部６３ｂの重力方向の下部６３ｂ１（底辺部）には、連通孔ビード部６３ｂの内部空間と燃料ガス出口連通孔３８ｂとを連通する排水用流路部１００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に設けられた上述したブリッジ部８０、８２（図４）と同様に構成されている。連通孔ビード部６３ａ、６３ｂは、上述した連通孔ビード部５３ａ、５３ｂ（図４）と同様に構成及び配置されている。排水用流路部９８、１００は、上述した排水用流路部７０、７２（図４）と同様に構成及び配置されている。

図２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。第１金属セパレータ３０と第２金属セパレータ３２は外周及び連通孔の周囲を溶接することにより接合される。溶接に代えて、ロウ付けによって接合されてもよい。

このように構成される燃料電池スタック１０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、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２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４参照）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７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、内側トンネル８６Ａ内（トンネル流路８６ａ）、連通孔ビード部５３ａ内（内部空間５３ｄ）及び外側トンネル８６Ｂ内（トンネル流路８６ｂ）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２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）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、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（図８）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。

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、反応ガス連通孔（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及び燃料ガス出口連通孔３８ｂ）を周回する連通孔ビード部５３ａ、５３ｂ、６３ａ、６３ｂの下部（底辺部）に、当該連通孔ビード部５３ａ、５３ｂ、６３ａ、６３ｂの内部空間に連通する排水用流路部７０、７２、９８、１００が設けられている。このため、連通孔ビード部５３ａ、５３ｂ、６３ａ、６３ｂの下部へと流動した生成水Ｗは、排水用流路部７０、７２、９８、１００を介して、連通孔ビード部５３ａ、５３ｂ、６３ａ、６３ｂの内部空間へと導入され、反応ガス連通孔から排水される。

例えば、代表的に図５に示す排水用流路部７０を例に説明すると、生成水Ｗは、酸化剤ガス入口連通孔３４ａから排水用流路部７０を介して連通孔ビード部５３ａの内部空間５３ｄへと流入し、当該内部空間５３ｄ内を流動する。そして、生成水Ｗは、最も下方の外側ブリッジ部８０Ｂ１を介して、酸化剤ガス流路４８側へと排出される。従って、反応ガス連通孔の底部に生成水Ｗが滞留することを抑制することが可能となる。また、反応ガスの流配の妨げになることが防止される。

本発明と異なり、排水用流路部７０、７２、９８、１００が設けられていない場合、例えば、図５において仮想線で示すように、反応ガス連通孔内で生成水Ｗの滞留が起きやすい。生成水Ｗが滞留した場合、錆や液絡が発生する原因となり得る。また、反応ガス連通孔内に多くの生成水Ｗが溜まると、反応ガスの流配の妨げになる可能性がある。本発明によれば、このような問題を解決することができる。

第１金属セパレータ３０には、連通孔ビード部５３ａ、５３ｂの内周側と外周側とを連通するブリッジ部８０、８２が形成されており、排水用流路部７０、７２は、連通孔ビード部５３ａ、５３ｂの内部空間を介して、ブリッジ部８０、８２と連通している。第２金属セパレータ３２には、連通孔ビード部６３ａ、６３ｂの内周側と外周側とを連通するブリッジ部９０、９２が形成されており、排水用流路部９８、１００は、連通孔ビード部６３ａ、６３ｂの内部空間を介して、ブリッジ部９０、９２と連通している。この構成により、反応ガス連通孔から連通孔ビード部５３ａ、５３ｂ、６３ａ、６３ｂの内部空間へと導入された生成水Ｗは、ブリッジ部８０、８２、９０、９２を介して反応ガス流路へと排水される。このため、生成水Ｗを一層良好に反応ガス連通孔から排出することができる。

連通孔ビード部５３ａ、５３ｂ、６３ａ、６３ｂの下部５３ａ１、５３ｂ１、６３ａ１、６３ｂ１は、積層方向と直交する水平方向の幅が下方に向かって小さくなる凹形状部（凹形状部５３ａ２等）を有する。排水用流路部７０、７２、９８、１００は、当該凹形状部の最下部に設けられている。この構成により、排水用流路部７０、７２、９８、１００に向けて生成水Ｗが効果的に誘導されるため、生成水Ｗの排出性を一層向上させることができる。

上記では、排水トンネル９６を有する排水用流路部７０、７２、９８、１００が設けられる構成について説明したが、本発明はこれに限らず、図９及び図１０のように、第１金属セパレータ３０に排水トンネルのない排水用流路部１０２、１０４が設けられるとともに、図１１のように、第２金属セパレータ３２に排水トンネルのない排水用流路部１０６、１０８が設けられてもよい。

図９及び図１０において、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ側の排水用流路部１０２は、連通孔ビード部５３ａの下部５３ａ１に設けられた孔部９４により構成されており、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ側の排水用流路部１０４は、連通孔ビード部５３ｂの下部５３ｂ１に設けられた孔部９４により構成されている。

図１１において、燃料ガス入口連通孔３８ａ側の排水用流路部１０６は、連通孔ビード部６３ａの下部６３ａ１に設けられた孔部９４により構成されており、燃料ガス出口連通孔３８ｂ側の排水用流路部１０８は、連通孔ビード部６３ｂの下部６３ｂ１に設けられた孔部９４により構成されている。

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 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
３４ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ３４ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
３８ａ…燃料ガス入口連通孔 ３８ｂ…燃料ガス出口連通孔
５３、６３…連通孔ビード部 ７０、７２、９８、１００、１０２、１０４、１０６、１０８…排水用流路部

Claims (6)

1. 電解質膜・電極構造体と、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水平方向に積層された発電セルであって、
   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、前記反応ガス流路と連通するとともにセパレータ厚さ方向に貫通した反応ガス連通孔と、前記反応ガス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部と、が形成されており、
   前記連通孔ビード部の下部には、前記連通孔ビード部の内部空間と前記反応ガス連通孔とを連通する排水用流路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、
   前記金属セパレータには、前記連通孔ビード部の内周側と外周側とを連通するブリッジ部が形成されており、
   前記排水用流路部は、前記連通孔ビード部の前記内部空間を介して、前記ブリッジ部と連通している、
   ことを特徴とする発電セル。
3. 請求項１又は２記載の発電セルにおいて、
   前記連通孔ビード部の前記下部は、前記電解質膜・電極構造体と前記金属セパレータとの積層方向と直交する水平方向の幅が下方に向かって小さくなる凹形状部を有し、
   前記排水用流路部は、前記凹形状部の最下部に設けられている、
   ことを特徴とする発電セル。
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、
   前記排水用流路部は、前記連通孔ビード部の側壁に開口した孔部と、前記孔部に接続されるとともに前記反応ガス連通孔に向かって上方に突出した排水トンネルとを有する、
   ことを特徴とする発電セル。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の発電セルにおいて、
   前記排水トンネルは、鉛直方向に延在している、
   ことを特徴とする発電セル。
6. 請求項４又は５記載の発電セルにおいて、
   前記反応ガス連通孔の下部は、前記電解質膜・電極構造体と前記金属セパレータとの積層方向と直交する水平方向の幅が下方に向かって小さくなる凹形状部を有し、
   前記排水トンネルの上端部は、前記反応ガス連通孔の前記凹形状部の最下部に位置する、
   ことを特徴とする発電セル。

Images