JP2020198266A - 燃料電池及び燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】シール用ビード部の所望のシール性を確保することができる燃料電池及び燃料電池スタックを提供する。【解決手段】燃料電池スタック１０の燃料電池１２を形成する電解質膜・電極構造体４０ａの発電部５５の外周側には、電気絶縁性を有する樹脂枠部４６が設けられ、金属セパレータ４２には、樹脂枠部４６に向かって突出したシール用ビード部６４が形成される。積層方向から見て樹脂枠部４６のうちシール用ビード部６４と重なる部位には、金属シート８６が設けられている。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池及び燃料電池スタックに関する。

燃料電池スタックは、電解質膜の両側に電極が配設されてなる電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）と、ＭＥＡの両側に配設された一対の金属セパレータとを有する燃料電池（発電セル）が複数積層された積層体を備える。積層体には、積層方向の締付荷重が付与される。

一対の金属セパレータのそれぞれには、ＭＥＡが位置する側の表面から突出したシール用ビード部が形成されている（例えば、特許文献１参照）。シール用ビード部は、締付荷重によってＭＥＡの発電部の外周側に設けられた電気絶縁性を有する樹脂枠部に押し付けられることにより、反応ガス又は冷却媒体である流体の漏れを防止する。

特許第４９５９１９０号公報

上述したシール用ビード部のようなばね定数の比較的高いシール構造は、ゴムシールに比べてクリープ（圧縮永久歪）が少なく、シール面圧の経時的な低下が少ないため、耐久性に優れている。一方、ばね定数が高いため、締付荷重を付与する際に、一対の金属セパレータのシール用ビード部が積層方向と直交する平面方向に互いに位置ずれすると（シールセンター位置がずれると）、樹脂枠部が曲がることで締付荷重が平面方向に逃げてしまい、シール用ビード部が変形することがある。そうすると、シール用ビード部のシール面が平行方向に対して傾き、シール用ビード部のシール性が低下する可能性がある。

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、シール用ビード部の所望のシール性を確保することができる燃料電池及び燃料電池スタックを提供することを目的とする。

本発明の一態様は、電解質膜をカソード電極とアノード電極とで挟持してなる電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の両側に積層された金属セパレータと、を備え、前記電解質膜・電極構造体の発電部の外周側には、電気絶縁性を有する樹脂枠部が設けられ、前記金属セパレータには、前記樹脂枠部に向かって突出したシール用ビード部が形成され、前記シール用ビード部は、前記金属セパレータの積層方向に締付荷重が付与された状態で反応ガス又は冷却媒体である流体の漏れを防止する燃料電池であって、前記積層方向から見て前記樹脂枠部のうち前記シール用ビード部と重なる部位には、金属シートが設けられている、燃料電池である。

本発明の他の態様は、電解質膜・電極構造体の両側に金属セパレータが配設された燃料電池が複数積層された積層体を備えた燃料電池スタックであって、前記燃料電池は、上述した燃料電池である、燃料電池スタックである。

本発明によれば、金属シートによって樹脂枠部の曲げ剛性を向上させることができる。そのため、シール用ビード部が平面方向（積層方向と直交する方向）に互いに位置ずれした状態で積層方向の締付荷重を付与された場合であっても、締付荷重が平面方向に逃げることを抑制することができる。これにより、シール用ビード部の変形が抑えられるため、シール用ビード部のシール面が平面方向に対して傾くことを抑えることができる。従って、シール用ビード部の所望のシール性を確保することができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックの一部断面説明図である。 発電セルの分解斜視図である。 第１金属セパレータを樹脂枠付きＭＥＡ側から見た平面図である。 樹脂枠付きＭＥＡを第１金属セパレータ側から見た平面説明図である。 図４におけるＶ−Ｖ線に相当する箇所での燃料電池スタックの一部省略断面図である。 第１変形例に係る発電セルの断面説明図である。 第２変形例に係る発電セルの断面説明図である。 第３変形例に係る発電セルの断面説明図である。 第４変形例に係る発電セルの断面説明図である。

以下、本発明に係る燃料電池及び燃料電池スタック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、本発明の一実施形態に係る燃料電池スタック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。なお、複数の発電セル１２の積層方向は、重力方向であってもよい。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及びインシュレータ１８ａ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及びインシュレータ１８ｂが外方に向かって順次配設される。ターミナルプレート１６ａは、インシュレータ１８ａのうち積層体１４に対向する面に形成された凹部２０ａに配置されている。ターミナルプレート１６ｂは、インシュレータ１８ｂのうち積層体１４に対向する面に形成された凹部２０ｂに配置されている。

積層体１４は、スタックケース２２に収容されている。スタックケース２２は、四角筒状に形成されており、積層体１４を積層方向と直交する方向から覆う。スタックケース２２の一端には、エンドプレート２４が複数のボルト２６によって締結されている。エンドプレート２４は、積層体１４に積層方向の締付荷重を付与する。スタックケース２２の他端には、補機ケース２８が設けられている。補機ケース２８は、燃料電池用補機３０を保護するための保護ケースである。補機ケース２８内には、燃料電池用補機３０として、燃料ガス系デバイス及び酸化剤ガス系デバイスが収容されている。

図２に示すように、発電セル１２の長辺方向である矢印Ｂ方向の一端縁部には、酸化剤ガス供給連通孔３４ａ、冷却媒体供給連通孔３６ａ及び燃料ガス排出連通孔３８ｂが矢印Ｃ方向に配列して設けられる。各発電セル１２に設けられた酸化剤ガス供給連通孔３４ａは、積層方向（矢印Ａ方向）に互いに連通し、一方の反応ガスである酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する。各発電セル１２に設けられた冷却媒体供給連通孔３６ａは、積層方向に互いに連通し、冷却媒体、例えば、純粋、エチレングリコール、オイル等を供給する。各発電セル１２に設けられた燃料ガス排出連通孔３８ｂは、積層方向に互いに連通し、他方の反応ガスである燃料ガス、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、燃料ガス供給連通孔３８ａ、冷却媒体排出連通孔３６ｂ及び酸化剤ガス排出連通孔３４ｂが矢印Ｃ方向に配列して設けられる。各発電セル１２に設けられた燃料ガス供給連通孔３８ａは、積層方向に互いに連通し、燃料ガスを供給する。各発電セル１２に設けられた冷却媒体排出連通孔３６ｂは、積層方向に互いに連通し、冷却媒体を排出する。各発電セル１２に設けられた酸化剤ガス排出連通孔３４ｂは、積層方向に互いに連通し、酸化剤ガスを排出する。

酸化剤ガス供給連通孔３４ａ及び酸化剤ガス排出連通孔３４ｂと燃料ガス供給連通孔３８ａ及び燃料ガス排出連通孔３８ｂの配置、形状及び大きさは、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。

発電セル１２は、樹脂枠付きＭＥＡ４０が、第１金属セパレータ４２及び第２金属セパレータ４４により挟持される。第１金属セパレータ４２及び第２金属セパレータ４４のそれぞれは、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。

樹脂枠付きＭＥＡ４０は、電解質膜・電極構造体（以下、「ＭＥＡ４０ａ」という）と、ＭＥＡ４０ａの外周部に接合されるとともに該外周部を周回する樹脂枠部材４６（樹脂枠部、樹脂フィルム）とを備える。

図５において、ＭＥＡ４０ａは、電解質膜５０と、電解質膜５０の一方の面５０ａに設けられたカソード電極５２と、電解質膜５０の他方の面５０ｂに設けられたアノード電極５４とを有する。

電解質膜５０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５０は、カソード電極５２及びアノード電極５４に挟持される。電解質膜５０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５２は、電解質膜５０の一方の面５０ａに接合される第１電極触媒層５２ａと、第１電極触媒層５２ａに積層される第１ガス拡散層５２ｂとを有する。アノード電極５４は、電解質膜５０の他方の面５０ｂに接合される第２電極触媒層５４ａと、第２電極触媒層５４ａに積層される第２ガス拡散層５４ｂとを有する。

第１電極触媒層５２ａ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５２ｂの表面に一様に塗布されて形成される。第２電極触媒層５４ａ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５４ｂの表面に一様に塗布されて形成される。第１ガス拡散層５２ｂ及び第２ガス拡散層５４ｂ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２及び図４に示すように、樹脂枠部材４６の矢印Ｂ方向の一端縁部には、酸化剤ガス供給連通孔３４ａ、冷却媒体供給連通孔３６ａ及び燃料ガス排出連通孔３８ｂが設けられる。樹脂枠部材４６の矢印Ｂ方向の他端縁部には、燃料ガス供給連通孔３８ａ、冷却媒体排出連通孔３６ｂ及び酸化剤ガス排出連通孔３４ｂが設けられる。

図４及び図５において、樹脂枠部材４６は、発電部５５の外周側に枠状に設けられている。樹脂枠部材４６は、四角環状に形成されている。樹脂枠部材４６は、フィルム本体５６と、補強フィルム５８とを有する。

フィルム本体５６は、発電部５５の外周部に設けられている。具体的に、フィルム本体５６の内周部５６ｉは、カソード電極５２の外周部５２ｏとアノード電極５４の外周部５４ｏとの間に挟持される。換言すれば、フィルム本体５６の内周部５６ｉは、電解質膜５０の外周部５０ｏとアノード電極５４の外周部５４ｏとの間に配設される。ただし、フィルム本体５６の内周部５６ｉは、電解質膜５０とカソード電極５２の外周部５２ｏとの間に配設されてもよい。

電解質膜５０は、フィルム本体５６のうちカソード電極５２（電解質膜５０）が位置する側の面５６ａに接着剤からなる接着層６０により接合されている。接着層６０は、フィルム本体５６の面５６ａの全体に亘って設けられる。接着層６０を構成する接着剤は、液体や固体、熱可塑性や熱硬化性等に制限されない。

補強フィルム５８は、フィルム本体５６の面５６ａの外周部５６ｏに接着層６０により接合されている。つまり、補強フィルム５８は、フィルム本体５６のうちアノード電極５４が位置する側の面５６ｂに設けられていない。補強フィルム５８の内周端５８ｉｅは、カソード電極５２の外周端５２ｏｅよりも外方で全周に亘って隙間を介して外周端５２ｏｅに対向する。

樹脂枠部材４６は、フィルム本体５６と補強フィルム５８とが接着層６０を介して接合された構成に限らず、全体が一体成形された部材であってもよい。また、樹脂枠部材４６は、相対的に薄肉の内周部と相対的に厚肉の外周部とを有する段付き形状に限らず、内周部から外周部に亘って段差の無い（略平坦状の）形状であってもよい。フィルム本体５６と補強フィルム５８とは互いに同じ厚さを有する。なお、フィルム本体５６は、補強フィルム５８より厚くても薄くてもよい。

フィルム本体５６及び補強フィルム５８は電気絶縁性を有する樹脂材料により構成される。フィルム本体５６及び補強フィルム５８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。

樹脂枠部材４６を用いることなく、電解質膜５０を外方に突出させてその突出部分をフィルム本体５６としてもよい。

図３に示すように、第１金属セパレータ４２の樹脂枠付きＭＥＡ４０に向かう表面４２ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する酸化剤ガス流路５９（反応ガス流路）が設けられる。酸化剤ガス流路５９は、酸化剤ガス供給連通孔３４ａ及び酸化剤ガス排出連通孔３４ｂに流体的に連通する。酸化剤ガス流路５９は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の凸部５９ａ間に直線状流路溝（又は波状流路溝）５９ｂを有する。

酸化剤ガス供給連通孔３４ａと酸化剤ガス流路５９との間には、プレス成形により、第１金属セパレータ４２と一体で複数個のエンボス部を有する入口バッファ部６２ａが設けられる。酸化剤ガス排出連通孔３４ｂと酸化剤ガス流路５９との間には、プレス成形により、複数個のエンボス部を有する出口バッファ部６２ｂが設けられる。

第１金属セパレータ４２の表面４２ａには、流体（燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体）の漏れを防止するシール用ビード部６４が設けられている。図５において、シール用ビード部６４は、プレス成形により、第１金属セパレータ４２と一体で樹脂枠部材４６に向かって突出成形されたビード本体６４ａと、ビード本体６４ａの突出端面に印刷又は塗布により固着された樹脂部材６４ｂとを含む。

ビード本体６４ａは、積層方向に締付荷重が付与された状態で台形状の横断面形状を有する。ただし、ビード本体６４ａの横断面形状は、適宜変更可能であり、円弧状等であってもよい。樹脂部材６４ｂは、省略されてもよい。シール用ビード部６４の突出端面（シール面６４ｃ）は、樹脂枠部材４６に設けられた後述する金属シート８６に当接する。シール用ビード部６４の突出端面（当接面）は、平坦形状である。シール用ビード部６４は、金属シート８６に密着し、積層方向の締付荷重により弾性変形することで金属シート８６との間を気密及び液密にシールするシール構造である。

図３において、シール用ビード部６４は、内側ビード部６６、複数の連通孔ビード部６８及び外側ビード部７０を有する。内側ビード部６６は、酸化剤ガス流路５９とともに酸化剤ガス供給連通孔３４ａ及び酸化剤ガス排出連通孔３４ｂを囲む。複数の連通孔ビード部６８は、燃料ガス供給連通孔３８ａ、燃料ガス排出連通孔３８ｂ、冷却媒体供給連通孔３６ａ及び冷却媒体排出連通孔３６ｂを個別に囲む。外側ビード部７０は、第１金属セパレータ４２の外周縁部を周回する。なお、外側ビード部７０は、必要に応じて設ければよく、不要にすることもできる。

図２に示すように、第２金属セパレータ４４の樹脂枠付きＭＥＡ４０に向かう表面４４ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する燃料ガス流路７２（反応ガス流路）が設けられる。燃料ガス流路７２は、燃料ガス供給連通孔３８ａ及び燃料ガス排出連通孔３８ｂに流体的に連通する。燃料ガス流路７２は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の凸部７２ａ間に直線状流路溝（又は波状流路溝）７２ｂを有する。

燃料ガス供給連通孔３８ａと燃料ガス流路７２との間には、プレス成形により、第２金属セパレータ４４と一体で複数個のエンボス部を有する入口バッファ部７４ａが設けられる。燃料ガス排出連通孔３８ｂと燃料ガス流路７２との間には、プレス成形により、複数個のエンボス部を有する出口バッファ部７４ｂが設けられる。

第２金属セパレータ４４の表面４４ａには、流体（燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体）の漏れを防止するシール用ビード部７６が設けられている。図５において、シール用ビード部７６は、プレス成形により、第２金属セパレータ４４と一体で樹脂枠部材４６に向かって突出成形されたビード本体７６ａと、ビード本体７６ａの突出端面に印刷又は塗布により固着された樹脂部材７６ｂとを含む。シール用ビード部６４の平坦な頂部とシール用ビード部７６の平坦な頂部とは、樹脂枠部材４６及び後述する金属シート８６を介装して（挟んで）互いに対向する位置にある。シール用ビード部６４の頂部の幅寸法Ｗ１とシール用ビード部７６の幅寸法Ｗ２とは互いに略同じである。

ビード本体７６ａは、積層方向に締付荷重が付与された状態で台形状の横断面形状を有する。ただし、ビード本体７６ａの横断面形状は、適宜変更可能であり、円弧状等であってもよい。樹脂部材７６ｂは、省略されてもよい。シール用ビード部７６の突出端面（シール面７６ｃ）は、樹脂枠部材４６（フィルム本体５６の他方の面５６ｂ）に当接する。シール用ビード部７６の突出端面（当接面）は、平坦形状である。シール用ビード部７６は、樹脂枠部材４６に密着し、積層方向の締付荷重により弾性変形することで樹脂枠部材４６との間を気密及び液密にシールするシール構造である。

図２において、シール用ビード部７６は、内側ビード部７８、複数の連通孔ビード部８０及び外側ビード部８２を有する。内側ビード部７８は、燃料ガス流路７２とともに燃料ガス供給連通孔３８ａ及び燃料ガス排出連通孔３８ｂを囲む。複数の連通孔ビード部８０は、酸化剤ガス供給連通孔３４ａ、酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ、冷却媒体供給連通孔３６ａ及び冷却媒体排出連通孔３６ｂを個別に囲む。外側ビード部８２は、第２金属セパレータ４４の外周縁部を周回する。なお、外側ビード部８２は、必要に応じて設ければよく、不要にすることもできる。

図２において、第１金属セパレータ４２と第２金属セパレータ４４とは、外周を溶接、ろう付け等により一体に接合され、接合セパレータ４３を構成する。第１金属セパレータ４２の裏面４２ｂと第２金属セパレータ４４の裏面４４ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔３６ａと冷却媒体排出連通孔３６ｂとに流体的に連通する冷却媒体流路８４が形成される。冷却媒体流路８４は、酸化剤ガス流路５９が形成された第１金属セパレータ４２の裏面形状と、燃料ガス流路７２が形成された第２金属セパレータ４４の裏面形状とが重なり合って形成される。

図２、図４及び図５に示すように、積層方向（矢印Ａ方向）から見て樹脂枠部材４６のうちシール用ビード部７６と重なる部位には、金属シート８６が設けられている。換言すれば、図５において、金属シート８６は、補強フィルム５８のうちフィルム本体５６とは反対側の面５８ａに接着剤からなる接着層８８により接合されている。接着層８８は、補強フィルム５８の面５８ａの全体に亘って設けられる。接着層８８は、上述した接着層６０と同様に構成される。金属シート８６は、樹脂枠部材４６のうちカソード電極５２が位置する側の面（補強フィルム５８の面５８ａ）にのみ設けられ、樹脂枠部材４６のうちアノード電極５４が位置する側の面（フィルム本体５６の面５６ｂ）に設けられていない。

金属シート８６及び樹脂枠部材４６は、シール用ビード部６４とシール用ビード部７６によって挟持される。つまり、シール用ビード部６４（内側ビード部６６、複数の連通孔ビード部６８及び外側ビード部７０）のシール面６４ｃは、金属シート８６に当接する。シール用ビード部７６（内側ビード部７８、複数の連通孔ビード部８０及び外側ビード部８２）のシール面７６ｃは、フィルム本体５６に当接する。

金属シート８６の構成材料としては、チタン、チタン合金、ステンレス鋼等の鉄合金、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金等が挙げられる。金属シート８６の表面には、耐食性及び電気絶縁性の少なくともいずれかの表面処理を施してもよい。金属シート８６の弾性率は、樹脂枠部材４６の弾性率よりも高い。

金属シート８６の積層方向に沿った厚さｄ１は、樹脂枠部材４６のうち金属シート８６が設けられた部分（外周部）の積層方向に沿った厚さｄ２よりも薄い。ここで、樹脂枠部材４６の厚さｄ２は、フィルム本体５６、接着層６０、補強フィルム５８及び接着層８８のそれぞれの積層方向に沿った厚さの合計である。金属シート８６の積層方向に沿った厚さｄ１は、フィルム本体５６及び補強フィルム５８のそれぞれの積層方向に沿った厚さよりも厚い。ただし、金属シート８６の積層方向に沿った厚さｄ１は、フィルム本体５６及び補強フィルム５８のそれぞれの積層方向に沿った厚さよりも薄くてもよい。

図４において、金属シート８６は、四角枠形状に形成されている。金属シート８６の外周端８６ｏｅは、全周に亘って樹脂枠部材４６の外周端４６ｏｅよりも内側に位置している。換言すれば、樹脂枠部材４６の外周部４６ｏは、全周に亘って金属シート８６よりも外方に突出している。金属シート８６の外形は、樹脂枠部材４６の外形よりも一回り小さく形成されている。これにより、金属シート８６の外周端部に結露したり導電性部材が付着したりした場合であっても、金属シート８６を介して第１金属セパレータ４２と第２金属セパレータ４４とが互いに電気的に接続すること（短絡すること）を効果的に抑えることができる。なお、樹脂枠部材４６の外周部４６ｏの金属シート８６に対する突出長は、適宜設定可能である。

金属シート８６には、カソード電極５２（発電部５５）が配置される中央孔９０が形成されている。積層方向から見て、中央孔９０は、四角形状に形成され、カソード電極５２よりも一回り大きい。すなわち、図５に示すように、中央孔９０を形成する内面９０ａは、カソード電極５２の外周端５２ｏｅよりも外方で全周に亘って隙間を介して外周端５２ｏｅに対向する。中央孔９０を形成する内面９０ａは、全周に亘って補強フィルム５８の内周端５８ｉｅよりも外方に位置している。ただし、中央孔９０を形成する内面９０ａは、全周に亘って補強フィルム５８の内周端５８ｉｅよりも内方に位置してもよい。また、中央孔９０を形成する内面９０ａは、全周に亘って補強フィルム５８の内周端５８ｉｅに対して段差なく連なってもよい。

図４に示すように、金属シート８６の矢印Ｂ方向の一端縁部には、酸化剤ガス供給連通孔３４ａ、冷却媒体供給連通孔３６ａ及び燃料ガス排出連通孔３８ｂが設けられる。金属シート８６の酸化剤ガス供給連通孔３４ａは、樹脂枠部材４６の酸化剤ガス供給連通孔３４ａよりも一回り大きい。樹脂枠部材４６のうち酸化剤ガス供給連通孔３４ａを形成する内面３４ａ１は、全周に亘って金属シート８６のうち酸化剤ガス供給連通孔３４ａを形成する内面３４ａ２よりも内側に突出している。

金属シート８６の冷却媒体供給連通孔３６ａは、樹脂枠部材４６の冷却媒体供給連通孔３６ａよりも一回り大きい。樹脂枠部材４６のうち冷却媒体供給連通孔３６ａを形成する内面３６ａ１は、全周に亘って金属シート８６のうち冷却媒体供給連通孔３６ａを形成する内面３６ａ２よりも内側に突出している。金属シート８６の燃料ガス排出連通孔３８ｂは、樹脂枠部材４６の燃料ガス排出連通孔３８ｂよりも一回り大きい。樹脂枠部材４６のうち燃料ガス排出連通孔３８ｂを形成する内面３８ｂ１は、全周に亘って金属シート８６のうち燃料ガス排出連通孔３８ｂを形成する内面３８ｂ２よりも内側に突出している。

金属シート８６の矢印Ｂ方向の他端縁部には、燃料ガス供給連通孔３８ａ、冷却媒体排出連通孔３６ｂ及び酸化剤ガス排出連通孔３４ｂが設けられる。金属シート８６の燃料ガス供給連通孔３８ａは、樹脂枠部材４６の燃料ガス供給連通孔３８ａよりも一回り大きい。樹脂枠部材４６のうち燃料ガス供給連通孔３８ａを形成する内面３８ａ１は、全周に亘って金属シート８６のうち燃料ガス供給連通孔３８ａを形成する内面３８ａ２よりも内側に突出している。

金属シート８６の冷却媒体排出連通孔３６ｂは、樹脂枠部材４６の冷却媒体排出連通孔３６ｂよりも一回り大きい。樹脂枠部材４６のうち冷却媒体排出連通孔３６ｂを形成する内面３６ｂ１は、全周に亘って金属シート８６のうち冷却媒体排出連通孔３６ｂを形成する内面３６ｂ２よりも内側に突出している。金属シート８６の酸化剤ガス排出連通孔３４ｂは、樹脂枠部材４６の酸化剤ガス排出連通孔３４ｂよりも一回り大きい。樹脂枠部材４６のうち酸化剤ガス排出連通孔３４ｂを形成する内面３４ｂ１は、全周に亘って金属シート８６のうち酸化剤ガス排出連通孔３４ｂを形成する内面３４ｂ２よりも内側に突出している。

これにより、発電セル１２の電気化学反応により発生した生成水が反応ガス連通孔（酸化剤ガス供給連通孔３４ａ、酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ、燃料ガス供給連通孔３８ａ及び燃料ガス排出連通孔３８ｂ）に流動した場合であっても、第１金属セパレータ４２と第２金属セパレータ４４とが互いに電気的に接続することを防止することができる。よって、第１金属セパレータ４２及び第２金属セパレータ４４が腐食することを防止できる。

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。

酸化剤ガスは、図２に示すように、酸化剤ガス供給連通孔３４ａから第１金属セパレータ４２の酸化剤ガス流路５９に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路５９に沿って矢印Ｂ方向に移動し、ＭＥＡ４０ａのカソード電極５２に供給される。

一方、燃料ガスは、図２に示すように、燃料ガス供給連通孔３８ａから第２金属セパレータ４４の燃料ガス流路７２に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路７２に沿って矢印Ｂ方向に移動し、ＭＥＡ４０ａのアノード電極５４に供給される。

従って、各ＭＥＡ４０ａでは、カソード電極５２に供給される酸化剤ガスと、アノード電極５４に供給される燃料ガスとが、第２電極触媒層５４ａ及び第１電極触媒層５２ａ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５２に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔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５４に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔３８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体供給連通孔３６ａに供給された冷却媒体は、第１金属セパレータ４２と第２金属セパレータ４４との間に形成された冷却媒体流路８４に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、ＭＥＡ４０ａを冷却した後、冷却媒体排出連通孔３６ｂから排出される。

この場合、本実施形態は、以下の効果を奏する。

積層方向から見て樹脂枠部材４６のうちシール用ビード部６４、７６と重なる部位には、金属シート８６が設けられている。

このような構成によれば、金属シート８６によって樹脂枠部材４６の曲げ剛性を向上させることができる。そのため、図５に示すように、シール用ビード部６４とシール用ビード部７６とが平面方向（積層方向と直交する方向）に互いに位置ずれした状態で積層方向の締付荷重を付与された場合であっても、樹脂枠部材４６の曲がりが抑えられるため、締付荷重が平面方向に逃げることを抑制することができる。これにより、シール用ビード部６４、７６の変形が抑えられるため、シール用ビード部６４、７６のシール面６４ｃ、７６ｃが平面方向に対して傾くことを抑えることができる。従って、シール用ビード部６４、７６の所望のシール性を確保することができる。

樹脂枠部材４６は、発電部５５の外周部に設けられたフィルム本体５６と、フィルム本体５６の外周部５６ｏに接合された補強フィルム５８とを有する。

このような構成によれば、発電部５５の外周部が積層方向に厚くなることを抑えつつ樹脂枠部材４６の外周部の剛性を向上させることができる。

金属シート８６の弾性率は、樹脂枠部材４６の弾性率よりも高い。

このような構成によれば、金属シート８６によって樹脂枠部材４６の剛性を効果的に高めることができる。

金属シート８６の積層方向に沿った厚さｄ１は、樹脂枠部材４６のうち金属シート８６が設けられた部分の積層方向に沿った厚さｄ２よりも薄い。

このような構成によれば、発電セル１２の外周部の厚さを比較的薄くすることができる。

第１金属セパレータ４２には、流体（酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体）を流すための複数の連通孔（酸化剤ガス供給連通孔３４ａ、酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ、冷却媒体供給連通孔３６ａ、冷却媒体排出連通孔３６ｂ、燃料ガス供給連通孔３８ａ、燃料ガス排出連通孔３８ｂ）が積層方向に貫通形成されている。金属シート８６は、発電部５５及びこれら連通孔を囲むように延在している。

このような構成によれば、金属シート８６が流体（酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体）の流れを阻害することはない。

（第１変形例）
次に、第１変形例に係る発電セル１２ａについて説明する。本変形例に係る発電セル１２ａにおいて、上述した発電セル１２と同一の構成については同一の参照符号を付し、その説明については省略する。後述する第２〜第４変形例に係る発電セル１２ｂ〜１２ｄについても同様である。

図６に示すように、本変形例に係る発電セル１２ａでは、金属シート８６が、フィルム本体５６のうちアノード電極５４が位置する側の面５６ｂに接着剤としての接着層１００により接合されている。接着層１００は、上述した接着層６０と同様のものが用いられる。すなわち、金属シート８６は、樹脂枠部材４６のうちアノード電極５４が位置する側の面（フィルム本体５６の面５６ｂ）にのみ設けられ、樹脂枠部材４６のうちカソード電極５２が位置する側の面（補強フィルム５８の面５８ａ）に設けられていない。

この場合、シール用ビード部６４のシール面６４ｃは、補強フィルム５８に当接する。シール用ビード部７６のシール面７６ｃは、金属シート８６に当接する。金属シート８６のうち中央孔９０を形成する内面９０ａは、アノード電極５４の外周端５４ｏｅよりも外方で全周に亘って隙間を介して外周端５４ｏｅに対向する。

このような構成によれば、上述した発電セル１２と同様の効果を奏する。

（第２変形例）
図７に示すように、本変形例に係る発電セル１２ｂでは、金属シート８６が、樹脂枠部材１０２に内包されている。具体的に、金属シート８６は、フィルム本体５６の面５６ａに接着層６０により接合されている。補強フィルム１０４は、カソード電極５２（第１金属セパレータ４２）が位置する側から金属シート８６の全体を覆うように接着剤からなる接着層１０６により金属シート８６に接合されている。

補強フィルム１０４は、電気絶縁性を有する。補強フィルム１０４の内周部１０４ｉは、金属シート８６の中央孔９０を形成する内面９０ａを全周に亘って覆うように接着層６０によりフィルム本体５６の面５６ａに接合されている。なお、詳細な図示は省略するが、補強フィルム１０４の外周部は、金属シート８６の外周端８６ｏｅを全周に亘って覆うように接着層６０によりフィルム本体５６の面５６ａに接合されている。

この場合、シール用ビード部６４のシール面６４ｃは、補強フィルム１０４の面１０４ａに当接する。シール用ビード部７６のシール面７６ｃは、フィルム本体５６の面５６ｂに当接する。

このような構成によれば、上述した発電セル１２と同様の効果を奏する。

また、金属シート８６は、樹脂枠部材１０２に内包されている。

このような構成によれば、第１金属セパレータ４２と第２金属セパレータ４４とが金属シート８６を介して電気的に接続することを一層効果的に抑えることができる。

金属シート８６は、フィルム本体５６と補強フィルム１０４との間に配設されている。

このような構成によれば、簡易な構成で金属シート８６を樹脂枠部材１０２に内包させることができる。

（第３変形例）
図８に示すように、本変形例に係る発電セル１２ｃでは、樹脂枠部材４６が、フィルム本体５６のみからなる。つまり、樹脂枠部材４６は、上述した補強フィルム５８を有しない。そして、金属シート８６は、フィルム本体５６の面５６ａに接着層６０により接合されている。すなわち、金属シート８６は、樹脂枠部材４６のうちカソード電極５２が位置する側の面（フィルム本体５６の面５６ａ）にのみ設けられ、樹脂枠部材４６のうちアノード電極５４が位置する側の面（フィルム本体５６の面５６ｂ）に設けられていない。

この場合、シール用ビード部６４のシール面６４ｃは、金属シート８６に当接する。シール用ビード部７６のシール面７６ｃは、フィルム本体５６の面５６ｂに当接する。樹脂部材６４ｂは、電気絶縁性を有する。

このような構成によれば、上述した発電セル１２と同様の効果を奏する。また、樹脂枠部材４６の構成を簡素化することができる。

（第４変形例）
図９に示すように、本変形例に係る発電セル１２ｄでは、樹脂枠部材４６が、フィルム本体５６のみからなる。つまり、樹脂枠部材４６は、上述した補強フィルム５８を有しない。そして、金属シート８６は、フィルム本体５６の面５６ｂに接着剤である接着層１００により接合されている。接着層１００は、上述した接着層６０と同様のものが用いられる。金属シート８６は、樹脂枠部材４６のうちアノード電極５４が位置する側の面（フィルム本体５６の面５６ｂ）にのみ設けられ、樹脂枠部材４６のうちカソード電極５２が位置する側の面（フィルム本体５６の面５６ａ）に設けられていない。なお、フィルム本体５６の面５６ａの外周部には、接着層６０が設けられていない。

この場合、シール用ビード部６４のシール面６４ｃは、フィルム本体５６の面５６ａに当接する。シール用ビード部７６のシール面７６ｃは、金属シート８６に当接する。樹脂部材７６ｂは、電気絶縁性を有する。

このような構成によれば、上述した発電セル１２と同様の効果を奏する。また、樹脂枠部材４６の構成を簡素化することができる。

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。

以上の実施形態をまとめると、以下のようになる。

上記実施形態は、電解質膜（５０）をカソード電極（５２）とアノード電極（５４）とで挟持してなる電解質膜・電極構造体（４０ａ）と、前記電解質膜・電極構造体の両側に積層された金属セパレータ（４２、４４）と、を備え、前記電解質膜・電極構造体の発電部（５５）の外周側には、電気絶縁性を有する樹脂枠部（４６）が設けられ、前記金属セパレータには、前記樹脂枠部に向かって突出したシール用ビード部（６４、７６）が形成され、前記シール用ビード部は、前記金属セパレータの積層方向に締付荷重が付与された状態で反応ガス又は冷却媒体である流体の漏れを防止する燃料電池（１２）であって、前記積層方向から見て前記樹脂枠部のうち前記シール用ビード部と重なる部位には、金属シート（８６）が設けられている、燃料電池を開示している。

上記の燃料電池において、前記樹脂枠部の内周部は、前記カソード電極の外周部と前記アノード電極の外周部とで挟持され、前記金属シートは、前記樹脂枠部のうち前記カソード電極が位置する側の面にのみ設けられてもよい。

上記の燃料電池において、前記樹脂枠部の内周部は、前記カソード電極の外周部と前記アノード電極の外周部とで挟持され、前記金属シートは、前記樹脂枠部のうち前記アノード電極が位置する側の面にのみ設けられてもよい。

上記の燃料電池において、前記樹脂枠部は、前記発電部の外周部に設けられたフィルム本体（５６）と、前記フィルム本体の外周部に接合された補強フィルム（５８）と、を有してもよい。

上記の燃料電池において、前記フィルム本体の内周部は、前記カソード電極の外周部と前記アノード電極の外周部とで挟持され、前記補強フィルムは、前記フィルム本体のうち前記カソード電極が位置する側の面の外周部に接合され、前記金属シートは、前記補強フィルムのうち前記フィルム本体とは反対側の面に接合されてもよい。

上記の燃料電池において、前記フィルム本体の内周部は、前記カソード電極の外周部と前記アノード電極の外周部とで挟持され、前記補強フィルムは、前記フィルム本体のうち前記カソード電極が位置する側の面の外周部に接合され、前記金属シートは、前記フィルム本体のうち前記アノード電極が位置する側の面に接合されてもよい。

上記の燃料電池において、前記金属シートは、前記樹脂枠部に内包されてもよい。

上記の燃料電池において、前記樹脂枠部材は、前記発電部の外周部に設けられたフィルム本体と、前記フィルム本体に積層された補強フィルムと、を有し、前記金属シートは、前記フィルム本体と前記補強フィルムとの間に配設されてもよい。

上記の燃料電池において、前記金属セパレータには、前記流体を流すための複数の連通孔（３４ａ、３４ｂ、３６ａ、３６ｂ、３８ａ、３８ｂ）が前記積層方向に貫通形成され、前記金属シートは、前記発電部及び前記複数の連通孔を囲むように延在してもよい。

上記の燃料電池において、前記金属シートの弾性率は、前記樹脂枠部の弾性率よりも高くてもよい。

上記の燃料電池において、前記金属シートの前記積層方向に沿った厚さ（ｄ１）は、前記樹脂枠部のうち前記金属シートが設けられた部分の前記積層方向に沿った厚さ（ｄ２）よりも薄くてもよい。

上記実施形態は、電解質膜・電極構造体の両側に金属セパレータが配設された燃料電池が複数積層された積層体を備えた燃料電池スタック（１０）であって、前記燃料電池は、上述した燃料電池である、燃料電池スタックを開示している。

１０…燃料電池スタック １２…発電セル（燃料電池）
３４ａ…酸化剤ガス供給連通孔 ３４ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
３６ａ…冷却媒体供給連通孔 ３６ｂ…冷却媒体排出連通孔
３８ａ…燃料ガス供給連通孔 ３８ｂ…燃料ガス排出連通孔
４０ａ…ＭＥＡ（電解質膜・電極構造体）
４２…第１金属セパレータ ４４…第２金属セパレータ
４６…樹脂枠部材（樹脂枠部） ５０…電解質膜
５２…カソード電極 ５４…アノード電極
５５…発電部 ５６…フィルム本体
５８…補強フィルム ６４、７６…シール用ビード部
８６…金属シート

Claims (12)

1. 電解質膜をカソード電極とアノード電極とで挟持してなる電解質膜・電極構造体と、
   前記電解質膜・電極構造体の両側に積層された金属セパレータと、を備え、
   前記電解質膜・電極構造体の発電部の外周側には、電気絶縁性を有する樹脂枠部が設けられ、
   前記金属セパレータには、前記樹脂枠部に向かって突出したシール用ビード部が形成され、
   前記シール用ビード部は、前記金属セパレータの積層方向に締付荷重が付与された状態で反応ガス又は冷却媒体である流体の漏れを防止する燃料電池であって、
   前記積層方向から見て前記樹脂枠部のうち前記シール用ビード部と重なる部位には、金属シートが設けられている、燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池であって、
   前記樹脂枠部の内周部は、前記カソード電極の外周部と前記アノード電極の外周部とで挟持され、
   前記金属シートは、前記樹脂枠部のうち前記カソード電極が位置する側の面にのみ設けられている、燃料電池。
3. 請求項１記載の燃料電池であって、
   前記樹脂枠部の内周部は、前記カソード電極の外周部と前記アノード電極の外周部とで挟持され、
   前記金属シートは、前記樹脂枠部のうち前記アノード電極が位置する側の面にのみ設けられている、燃料電池。
4. 請求項２又は３に記載の燃料電池であって、
   前記樹脂枠部は、
   前記発電部の外周部に設けられたフィルム本体と、
   前記フィルム本体の外周部に接合された補強フィルムと、を有する、燃料電池。
5. 請求項４記載の燃料電池であって、
   前記フィルム本体の内周部は、前記カソード電極の外周部と前記アノード電極の外周部とで挟持され、
   前記補強フィルムは、前記フィルム本体のうち前記カソード電極が位置する側の面の外周部に接合され、
   前記金属シートは、前記補強フィルムのうち前記フィルム本体とは反対側の面に接合されている、燃料電池。
6. 請求項４記載の燃料電池であって、
   前記フィルム本体の内周部は、前記カソード電極の外周部と前記アノード電極の外周部とで挟持され、
   前記補強フィルムは、前記フィルム本体のうち前記カソード電極が位置する側の面の外周部に接合され、
   前記金属シートは、前記フィルム本体のうち前記アノード電極が位置する側の面に接合されている、燃料電池。
7. 請求項１記載の燃料電池であって、
   前記金属シートは、前記樹脂枠部に内包されている、燃料電池。
8. 請求項１記載の燃料電池であって、
   前記樹脂枠部は、
   前記発電部の外周部に設けられたフィルム本体と、
   前記フィルム本体に積層された補強フィルムと、を有し、
   前記金属シートは、前記フィルム本体と前記補強フィルムとの間に配設されている、燃料電池。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池であって、
   前記金属セパレータには、前記流体を流すための複数の連通孔が前記積層方向に貫通形成され、
   前記金属シートは、前記発電部及び前記複数の連通孔を囲むように延在している、燃料電池。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池であって、
    前記金属シートの弾性率は、前記樹脂枠部の弾性率よりも高い、燃料電池。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池であって、
    前記金属シートの前記積層方向に沿った厚さは、前記樹脂枠部のうち前記金属シートが設けられた部分の前記積層方向に沿った厚さよりも薄い、燃料電池。
12. 電解質膜・電極構造体の両側に金属セパレータが配設された燃料電池が複数積層された積層体を備えた燃料電池スタックであって、
    前記燃料電池は、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の燃料電池である、燃料電池スタック。

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