JP2021044116A - 燃料電池用セパレータ部材及び燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】金属セパレータのうち荷重受け部を支持する部位の剛性を向上させることができるとともに金属ビード部に作用する面圧のばらつきを低減することができる燃料電池用セパレータ部材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の燃料電池用セパレータ部材１１において、第１金属セパレータ３６の面３６ａには、第１金属ビード部６４と第１リブ１１６ａ、１１６ｂとが、第１金属セパレータ３６に一体的に突出成形され、第１リブ１１６ａ、１１６ｂは、第１リブ本体１１８と、２つの第１逃げ部１２０とを有する。２つの第１逃げ部１２０のそれぞれの突出高さは、第１リブ本体１１８の突出高さよりも低い。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池用セパレータ部材及び燃料電池スタックに関する。

燃料電池スタックは、通常、発電セルを複数積層して積層方向に所定の締付荷重を付与することにより形成される。発電セルは、ＭＥＡ（電解質膜・電極構造体）と、ＭＥＡを挟持する一組の金属セパレータとを有する。金属セパレータには、例えば、金属セパレータの外周部を周回してＭＥＡと金属セパレータとの間からの反応ガスの漏れを防止するための金属ビード部が一体的に突出成形される。

金属ビード部は、燃料電池スタックに積層方向の締付荷重が付与された状態で弾性変形（圧縮変形）するとともにＭＥＡの外周側に設けられた樹脂枠部に押し付けられる。これにより、金属ビード部には、所定の面圧が作用する。

特許文献１には、金属セパレータの外周部から外方に突出した荷重受け部を有する発電セルを備えた燃料電池スタックが開示されている。この燃料電池スタックでは、燃料電池スタックに外部から衝撃荷重が作用した際に、荷重受け部がスタックケースの内面から内方に突出した突出部に接触することにより、発電セルの積層方向に直交する方向の移動が抑制される。

米国特許出願公開第２０１６／００７２１４５号明細書

ところで、金属セパレータのうち荷重受け部を支持する部分の剛性を高めるため、金属セパレータには、荷重受け部と金属ビード部との間で金属ビード部に沿って線状に延在したリブを一体的に突出成形することがある。そうすると、リブの突出端面は、燃料電池スタックに積層方向の締付荷重を付与した際に、ＭＥＡを挟んで当該金属セパレータとは反対側に位置する金属セパレータ（反対側金属セパレータ）に接触する。

しかしながら、リブの延在方向の端部は、比較的剛性が高いため撓み難い。そのため、燃料電池スタックの締付荷重がリブの端部に作用してしまい、金属ビード部のうちリブの延在方向の端部に近い部分に作用する面圧が比較的小さくなる（面圧が抜ける）ことがある。従って、金属ビード部に作用する面圧がばらつくおそれがある。

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、金属セパレータのうち荷重受け部を支持する部位の剛性を向上させることができるとともに金属セパレータの金属ビード部に作用する面圧のばらつきを低減することができる燃料電池用セパレータ部材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、燃料電池スタックの発電セルを形成する金属セパレータと、前記金属セパレータの外周部から外方に突出するように前記金属セパレータに設けられた荷重受け部と、を備える燃料電池用セパレータ部材であって、前記金属セパレータの一方面には、前記金属セパレータの外周部を周回して前記発電セルの電解質膜・電極構造体と前記金属セパレータとの間からの反応ガスの漏れを防止するための金属ビード部と、前記荷重受け部と前記金属ビード部との間で前記金属ビード部に沿って線状に延在したリブとが、前記金属セパレータに一体的に突出成形され、前記リブは、前記リブの延在方向の中間部に位置するリブ本体と、前記リブの延在方向の両端部に位置する２つの逃げ部と、を有し、前記２つの逃げ部のそれぞれの突出高さは、前記リブ本体の突出高さよりも低い、燃料電池用セパレータ部材である。

本発明の他の態様は、上述した燃料電池用セパレータ部材を有する前記発電セルが複数積層された状態で前記発電セルの積層方向に締付荷重が付与された、燃料電池スタックである。

本発明によれば、荷重受け部と金属ビード部との間にリブを突出成形しているため、金属セパレータのうち荷重受け部を支持する部位の剛性を向上させることができる。

また、各逃げ部の突出高さがリブ本体の突出高さよりも低い。そのため、燃料電池用セパレータ部材を燃料電池スタックに組み込んで積層方向に締付荷重を付与した際に、リブの両端部に作用する締付荷重を低減することができる（或いは、リブの両端部に締付荷重が作用しないようにすることができる）。よって、金属ビード部のうちリブの延在方向の端部に近い部分に作用する面圧が低下することを抑えることができる。従って、金属セパレータの金属ビード部に作用する面圧のばらつきを低減することができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池用セパレータ部材を備えた燃料電池スタックの一部分解斜視図である。 図１の燃料電池スタックの模式的横断面図である。 図１の燃料電池スタックを構成する発電セルの要部分解斜視図である。 図２のＩＶ−ＩＶ線に沿った一部省略断面図である。 図５Ａは、第１リブ及び荷重受け部を示す一部省略斜視図であり、図５Ｂは第２リブを示す一部省略斜視図である。 図２のＶＩ―ＶＩ線に沿った断面図である。

以下、本発明に係る燃料電池用セパレータ部材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が積層された積層体１４を備える。燃料電池スタック１０は、例えば、複数の発電セル１２の積層方向（矢印Ａ方向）が燃料電池自動車の水平方向（車幅方向又は車長方向）に沿うように燃料電池自動車に搭載される。ただし、燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１２の積層方向が燃料電池自動車の鉛直方向（車高方向）に沿うように燃料電池自動車に搭載されてもよい。

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。積層体１４の積層方向の他端には、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。

ターミナルプレート１６ａには、出力端子２２ａが電気的に接続されている。ターミナルプレート１６ｂには、出力端子２２ｂが電気的に接続されている。各インシュレータ１８ａ、１８ｂは、電気的絶縁性を有する絶縁プレートである。

各エンドプレート２０ａ、２０ｂは、横長の長方形状を有する。図１及び図２に示すように、エンドプレート２０ａ、２０ｂの各辺間には、連結部材２４ａ〜２４ｄ（連結バー）が配置される。各連結部材２４ａ〜２４ｄの両端は、ボルト２６によりエンドプレート２０ａ、２０ｂの内面に固定されている（図１参照）。これにより、連結部材２４ａ〜２４ｄは、燃料電池スタック１０（積層体１４）に積層方向（矢印Ａ方向）の締付荷重を付与する。

連結部材２４ａは、エンドプレート２０ａ、２０ｂの一方の長辺の中央から一端側にずれて位置している。連結部材２４ｂは、エンドプレート２０ａ、２０ｂの他方の長辺の中央から他端側にずれて位置している。連結部材２４ｃ、２４ｄは、エンドプレート２０ａ、２０ｂの各短辺の中央に位置している。

燃料電池スタック１０は、積層体１４を積層方向と直交する方向から覆うカバー部２８を備えている。カバー部２８は、エンドプレート２０ａ、２０ｂの短手方向（矢印Ｃ方向）の両端の２面を構成する横長プレート形状の一組のサイドパネル３０ａ、３０ｂと、エンドプレート２０ａ、２０ｂの長手方向（矢印Ｂ方向）の両端の２面を構成する横長プレート形状の一組のサイドパネル３０ｃ、３０ｄとを有する。各サイドパネル３０ａ〜３０ｄは、ボルト３２によりエンドプレート２０ａ、２０ｂの側面に固定されている。カバー部２８は、必要に応じて用いればよく、不要にすることもできる。カバー部２８は、サイドパネル３０ａ〜３０ｄを一体の鋳物又は一体の押出材で筒状に形成してもよい。

図３に示すように、発電セル１２は、樹脂枠付きＭＥＡ３４と、第１金属セパレータ３６を有する燃料電池用セパレータ部材１１と、樹脂枠付きＭＥＡ３４を挟んで第１金属セパレータ３６とは反対側に位置する第２金属セパレータ３８（反対側金属セパレータ）とを備えている。

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、酸化剤ガス入口連通孔４２ａ、冷却媒体入口連通孔４４ａ及び燃料ガス出口連通孔４６ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。各発電セル１２の酸化剤ガス入口連通孔４２ａは、複数の発電セル１２の積層方向（矢印Ａ方向）に互いに連通し、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の冷却媒体入口連通孔４４ａは、矢印Ａ方向に互いに連通し、冷却媒体、例えば、純水やエチレングリコール、オイル等を供給する。各発電セル１２の燃料ガス出口連通孔４６ｂは、矢印Ａ方向に互いに連通し、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、燃料ガス入口連通孔４６ａ、冷却媒体出口連通孔４４ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔４２ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。各発電セル１２の燃料ガス入口連通孔４６ａは、矢印Ａ方向に互いに連通し、燃料ガスを供給する。各発電セル１２の冷却媒体出口連通孔４４ｂは、矢印Ａ方向に互いに連通し、冷却媒体を排出する。各発電セル１２の酸化剤ガス出口連通孔４２ｂは、矢印Ａ方向に互いに連通し、酸化剤ガスを排出する。

なお、酸化剤ガス入口連通孔４２ａ及び酸化剤ガス出口連通孔４２ｂと燃料ガス入口連通孔４６ａ及び燃料ガス出口連通孔４６ｂと冷却媒体入口連通孔４４ａ及び冷却媒体出口連通孔４４ｂのそれぞれは、エンドプレート２０ａにも形成されている（図１参照）。

酸化剤ガス入口連通孔４２ａ及び酸化剤ガス出口連通孔４２ｂと燃料ガス入口連通孔４６ａ及び燃料ガス出口連通孔４６ｂと冷却媒体入口連通孔４４ａ及び冷却媒体出口連通孔４４ｂのそれぞれの大きさ、位置、形状及び数は、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、適宜設定すればよい。

図３及び図４において、樹脂枠付きＭＥＡ３４は、電解質膜・電極構造体（以下、「ＭＥＡ４８」という）と、ＭＥＡ４８の外周部に重なり部を設けて接合されるとともに該外周部を周回する樹脂枠部材５０（樹脂枠部、樹脂フィルム）とを備える。ＭＥＡ４８は、電解質膜５２と、電解質膜５２の一方の面５２ａに設けられたカソード電極５４と、電解質膜５２の他方の面５２ｂに設けられたアノード電極５６とを有する。

電解質膜５２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５２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。電解質膜５２は、カソード電極５４及びアノード電極５６に挟持される。

詳細は図示しないが、カソード電極５４は、電解質膜５２の一方の面５２ａに接合される第１電極触媒層と、当該第１電極触媒層に積層される第１ガス拡散層とを有する。第１電極触媒層は、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、第１ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される。アノード電極５６は、電解質膜５２の他方の面５２ｂに接合される第２電極触媒層と、当該第２電極触媒層に積層される第２ガス拡散層とを有する。第２電極触媒層は、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、第２ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される。第１ガス拡散層及び第２ガス拡散層のそれぞれは、カーボンペーパ、カーボンクロス等からなる。

電解質膜５２の平面寸法は、カソード電極５４及びアノード電極５６のそれぞれの平面寸法よりも小さい。カソード電極５４の外周縁部とアノード電極５６の外周縁部とは、樹脂枠部材５０の内周縁部を挟持している。樹脂枠部材５０は、反応ガス（酸化剤ガス及び燃料ガス）が不透過に構成されている。樹脂枠部材５０は、ＭＥＡ４８の外周側に設けられている。

樹脂枠付きＭＥＡ３４は、樹脂枠部材５０を用いることなく、電解質膜５２を外方に突出させるように形成してもよい。また、樹脂枠付きＭＥＡ３４は、外方に突出した電解質膜５２の両側に枠形状のフィルムを設けるように形成してもよい。

図３において、第１金属セパレータ３６及び第２金属セパレータ３８は、長方形状（四角形状）に形成されている。第１金属セパレータ３６及び第２金属セパレータ３８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、或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。第１金属セパレータ３６と第２金属セパレータ３８とは、互いに重ねた状態で外周を溶接、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３９を構成する。

図３及び図４に示すように、第１金属セパレータ３６のＭＥＡ４８に向かう面３６ａには、酸化剤ガス入口連通孔４２ａと酸化剤ガス出口連通孔４２ｂとに連通する酸化剤ガス流路５８が設けられる。酸化剤ガス流路５８は、矢印Ｂ方向に直線状に延在する複数の酸化剤ガス流路溝６０を有する。各酸化剤ガス流路溝６０は、矢印Ｂ方向に波状に延在してもよい。

第１金属セパレータ３６には、第１金属セパレータ３６の外周部を周回してＭＥＡ４８と第１金属セパレータ３６との間からの酸化剤ガス（反応ガス）の外部への漏れを防止する第１シール部６２が設けられている。第１シール部６２は、第１金属セパレータ３６に一体成形された第１金属ビード部６４を有する。第１金属ビード部６４は、第１金属セパレータ３６からＭＥＡ４８を挟んで反対側に位置する第２金属セパレータ３８側に突出している。

図４において、第１金属ビード部６４の横断面形状は、先端側に向かって先細り形状となる台形形状である。すなわち、第１金属ビード部６４は、セパレータ厚さ方向（積層方向、矢印Ａ方向）に対して傾斜した両側の第１シール側壁部６６と、これら第１シール側壁部６６の先端部同士を繋ぐ第１シール連結壁部６８とを含む。各第１シール側壁部６６は、樹脂枠部材５０に向かって互いに近接する方向に傾斜している。第１シール部６２の突出端面６２ａ（第１金属ビード部６４の突出端面）は、平坦面であり、樹脂枠部材５０の一方の面５０ａに面接触する。

なお、第１シール側壁部６６は、セパレータ厚さ方向に平行に延在してもよい。すなわち、第１金属ビード部６４の横断面形状は、矩形状に形成されてもよい。また、第１シール部６２の突出端面６２ａ（第１金属ビード部６４の突出端面）は、樹脂枠部材５０側に突出した湾曲面（Ｒ面）であってもよい。

第１シール部６２は、第１金属ビード部６４の突出端面に印刷又は塗布等により固着された弾性を有する樹脂材を有してもよい。当該樹脂材は、例えば、ポリエステル繊維で構成される。

図３及び図５Ａにおいて、第１シール部６２は、セパレータ厚さ方向から見て波状に延在している。第１シール部６２の波の周期及び振幅は、良好なシール特性が得られるように適宜設定すればよい。すなわち、第１シール部６２は、第１凹状湾曲部７０と第１凸状湾曲部７２とが交互に配置された構成を有する。第１凹状湾曲部７０は、第１金属セパレータ３６の外縁部に対して凹むように湾曲している。第１凸状湾曲部７２は、第１金属セパレータ３６の外縁部に向かって突出するように湾曲している。ただし、第１シール部６２は、直線状に延在してもよい。

図３及び図４に示すように、第２金属セパレータ３８のＭＥＡ４８に向かう面３８ａには、燃料ガス入口連通孔４６ａと燃料ガス出口連通孔４６ｂとに連通する燃料ガス流路７４が設けられる。燃料ガス流路７４は、矢印Ｂ方向に延在する複数の燃料ガス流路溝７６を有する。各燃料ガス流路溝７６は、矢印Ｂ方向に波状に延在してもよい。

第２金属セパレータ３８には、第２金属セパレータ３８の外周部を周回してＭＥＡ４８と第２金属セパレータ３８との間からの燃料ガス（反応ガス）の外部への漏れを防止する第２シール部８０が設けられている。第２シール部８０は、第２金属セパレータ３８に一体成形された第２金属ビード部８２を有する。第２金属ビード部８２は、第２金属セパレータ３８からＭＥＡ３４を挟んで反対側に位置する第１金属セパレータ３６側に突出している。

図４において、第２金属ビード部８２の横断面形状は、先端側に向かって先細り形状となる台形形状である。すなわち、第２金属ビード部８２は、セパレータ厚さ方向に対して傾斜した両側の第２シール側壁部８４と、これら第２シール側壁部８４の端部同士を繋ぐ第２シール連結壁部８６とを含む。各第２シール側壁部８４は、樹脂枠部材５０に向かって互いに近接する方向に傾斜している。第２シール部８０の突出端面８０ａ（第２金属ビード部８２の突出端面）は、平坦面であり、樹脂枠部材５０の他方の面５０ｂに面接触する。

なお、第２シール側壁部８４は、セパレータ厚さ方向に平行に延在してもよい。すなわち、第２金属ビード部８２の横断面形状は、矩形状に形成されてもよい。また、第２シール部８０の突出端面８０ａ（第２金属ビード部８２の突出端面）は、樹脂枠部材５０側に突出した湾曲面（Ｒ面）であってもよい。

第１シール部６２及び第２シール部８０は、セパレータ厚さ方向（積層方向）から見て互いに重なるように配置されている。そのため、燃料電池スタック１０に締付荷重が付与された状態で、第１金属ビード部６４及び第２金属ビード部８２のそれぞれが弾性変形（圧縮変形）する。また、この状態で、第１シール部６２の突出端面６２ａが樹脂枠部材５０の一方の面５０ａに接触するとともに第２シール部８０の突出端面８０ａが樹脂枠部材５０の他方の面５０ｂに接触する。

第２シール部８０は、第２金属ビード部８２の突出端面に印刷又は塗布等により固着された弾性を有する樹脂材を有してもよい。当該樹脂材は、例えば、ポリエステル繊維で構成される。

図３及び図５Ｂに示すように、第２シール部８０は、セパレータ厚さ方向から見て波状に延在している。第２シール部８０の波の周期及び振幅は、良好なシール特性が得られるように適宜設定すればよい。すなわち、第２シール部８０は、第２凹状湾曲部８８と第２凸状湾曲部９０とが交互に配置された構成を有する。第２凹状湾曲部８８は、第２金属セパレータ３８の外縁部に対して凹むように湾曲している。第２凸状湾曲部９０は、第２金属セパレータ３８の外縁部に向かって突出するように湾曲している。ただし、第２シール部８０は、直線状に延在してもよい。

図３及び図４において、第１金属セパレータ３６の面３６ｂと第２金属セパレータ３８の面３８ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔４４ａと冷却媒体出口連通孔４４ｂとに連通する冷却媒体流路９１が設けられる。冷却媒体流路９１は、矢印Ｂ方向に直線状に延在する複数の冷却媒体流路溝９３を有する。冷却媒体流路９１は、酸化剤ガス流路５８の裏面形状と燃料ガス流路７４の裏面形状とによって形成される。

図２〜図５Ａに示すように、燃料電池用セパレータ部材１１は、第１金属セパレータ３６に形成された支持部９２ａに設けられた荷重受け部９４ａと、第１金属セパレータ３６に形成された支持部９２ｂに設けられた荷重受け部９４ｂとを備える。

図２及び図３において、支持部９２ａは、第１金属セパレータ３６の一方の長辺から外方（矢印Ｃ方向）に向かって突出している。支持部９２ａは、連結部材２４ａに対向するように第１金属セパレータ３６の一方の長辺の中央から一端側にずれて位置している。支持部９２ａは、プレス成形により第１金属セパレータ３６に一体的に設けられている。ただし、支持部９２ａは、第１金属セパレータ３６に対して接合されてもよい。支持部９２ａは、荷重受け部９４ａを支持する。支持部９２ａは、第１金属セパレータ３６の一方の長辺から外方に突出していなくてもよい。

図４及び図５Ａに示すように、荷重受け部９４ａは、発電セル１２の積層方向に直交した方向（矢印Ｂ方向）の外部荷重（衝撃荷重）を受けるための板状部材である。図４及び図５Ａにおいて、荷重受け部９４ａは、支持部９２ａから矢印Ｃ方向に向かって外方に突出した凸部９６と、凸部９６に一体的に設けられて支持部９２ａに接合された取付部９８とを備える。

荷重受け部９４ａの凸部９６は、連結部材２４ａに形成された凹部１００ａ内に挿入されている（図２参照）。なお、連結部材２４ａは、カバー部２８に対して一体的に形成されてもよい。連結部材２４ｂについても同様である。図４において、凸部９６の中央部には、燃料電池スタック１０の製造時に各発電セル１２を位置決めするためのロッド１０６が挿通される位置決め孔１０８が形成されている。なお、ロッド１０６は、各発電セル１２の位置決めが完了した後で位置決め孔１０８から抜き取られてもよいし、位置決め孔１０８に残されてもよい。

図４及び図５Ａに示すように、凸部９６は、その外形形状を構成するベース部１１０と、ベース部１１０の外表面を被覆する絶縁部１１２とを有する。ベース部１１０と取付部９８とは、１枚の金属板をプレス成形することによって一体的に成形されている。ベース部１１０及び取付部９８を構成する材料としては、第１金属セパレータ３６及び第２金属セパレータ３８を構成する材料と同様のものが挙げられる。絶縁部１１２は、ベース部１１０と連結部材２４ａとの間の電気的な接続を遮断する。

図５Ａにおいて、取付部９８は、略長方形状に形成されており、矢印Ｂ方向に延びている。取付部９８は、支持部９２ａの矢印Ｂ方向の中央部に位置している。取付部９８は、支持部９２ａの面（第１金属セパレータ３６の面３６ａ）に重ねられた状態で溶接又はろう付け等によって支持部９２ａに対して接合されている。取付部９８と支持部９２ａとを互いに接合する接合部１１４（溶接ビード）は、取付部９８の長手方向（矢印Ｂ方向）に沿って延在している。

図２に示すように、支持部９２ｂは、第１金属セパレータ３６の他方の長辺から外方（矢印Ｃ方向）に向かって突出している。支持部９２ｂは、連結部材２４ｂに対向するように第１金属セパレータ３６の他方の長辺の中央から他端側にずれて位置している。支持部９２ｂは、プレス成形により第１金属セパレータ３６に一体的に設けられている。ただし、支持部９２ｂは、第１金属セパレータ３６に対して接合されてもよい。支持部９２ｂは、荷重受け部９４ｂを支持する。支持部９２ｂは、第１金属セパレータ３６の他方の長辺から外方に突出していなくてもよい。

図２、図３及び図５Ａにおいて、荷重受け部９４ｂは、発電セル１２の積層方向に直交した方向（矢印Ｂ方向）の外部荷重（衝撃荷重）を受けるための板状部材である。荷重受け部９４ｂは、上述した荷重受け部９４ａと同様に構成されている。換言すれば、荷重受け部９４ｂは、荷重受け部９４ａを上下反転した形状を有する。そのため、荷重受け部９４ｂの詳細な構成の説明については省略する。なお、荷重受け部９４ｂの凸部９６は、連結部材２４ｂに形成された凹部１００ｂ内に挿入されている（図２参照）。

図２〜図５Ａに示すように、第１金属セパレータ３６の面３６ａ（一方面）には、第１リブ１１６ａ、１１６ｂが一体的に突出成形されている。第１リブ１１６ａ、１１６ｂは、ＭＥＡ４８を挟んで第１金属セパレータ３６とは反対側に位置する第２金属セパレータ３８に向かって突出している。すなわち、第１リブ１１６ａ、１１６ｂは、第１金属ビード部６４の突出方向に沿って突出している。なお、以下の説明において、第１金属セパレータ３６に対してＭＥＡ４８を挟んで反対側に位置する第２金属セパレータ３８を「反対側第２金属セパレータ３８」と呼ぶことがある。

図５Ａにおいて、第１リブ１１６ａは、第１金属セパレータ３６のうち第１シール部６２と荷重受け部９４ａとの間に位置している。換言すれば、第１リブ１１６ａは、支持部９２ａに設けられている。第１リブ１１６ａは、第１シール部６２の延在方向（矢印Ｂ方向）に沿って直線状に延在している。ただし、第１リブ１１６ａは、波状に延在してもよい。第１リブ１１６ａは、荷重受け部９４ａの取付部９８に沿って取付部９８と略同じ長さだけ矢印Ｂ方向に延在している。

図４及び図５Ａに示すように、第１リブ１１６ａは、延在方向の中間に位置する第１リブ本体１１８と、第１リブ１１６ａの両端部に位置する２つの第１逃げ部１２０とを有する。第１リブ本体１１８の横断面形状は、第１リブ１１６ａの突出方向に向かって先細り形状となる台形形状である。

すなわち、第１リブ本体１１８は、セパレータ厚さ方向に対して傾斜した両側の第１中間側壁部１２２と、これら第１中間側壁部１２２の突出端部同士を繋ぐ第１中間頂部１２４とを含む。各第１中間側壁部１２２は、反対側第２金属セパレータ３８に向かって互いに近接する方向に傾斜している。第１リブ本体１１８の頂面（第１中間頂面１１８ａ）は、平坦面である。

図５Ａ及び図６に示すように、２つの第１逃げ部１２０は、第１リブ本体１１８の両端部に連結している。各第１逃げ部１２０は、両側の第１中間側壁部１２２の矢印Ｂ方向の端部同士を繋ぐ第１端部側壁部１２６と、第１中間頂部１２４及び第１端部側壁部１２６を互いに連結する第１側方頂部１２８とを含む。第１中間頂部１２４と第１側方頂部１２８とは、互いに滑らかに繋がっている。

第１端部側壁部１２６は、第１リブ１１６ａの延在方向の外側に向かって円弧状に突出するように形成されている。各第１逃げ部１２０の頂面（第１逃げ面１２０ａ）は、第１リブ１１６ａの延在方向の最端に向かって第１リブ１１６ａの根元側に傾斜している。具体的に、各第１逃げ面１２０ａは、第１中間頂面１１８ａから第１リブ１１６ａの延在方向の最端に向かって第１リブ１１６ａの根元側にテーパ状に傾斜した平坦面である。

第１中間側壁部１２２は、セパレータ厚さ方向と平行であってもよい。換言すれば、第１リブ本体１１８の横断面形状は、矩形状に形成されてもよい。第１中間頂面１１８ａは、反対側第２金属セパレータ３８に向かって突出した湾曲面（Ｒ面）であってもよい。

図６において、第１リブ１１６ａの延在方向（矢印Ｂ方向）に沿った第１逃げ面１２０ａの長さＬ１は、矢印Ｂ方向に沿った第１中間頂面１１８ａの長さＬ２よりも短い。第１リブ１１６ａの頂面の矢印Ｂ方向に沿った長さＬ３に対する第１逃げ面１２０ａの長さＬ１の割合は、例えば、０．０５＜（Ｌ１／Ｌ３）＜０．３に設定するのが好ましい。ただし、（Ｌ１／Ｌ３）の値は、適宜変更可能である。

各第１逃げ部１２０の突出高さは、第１リブ本体１１８の突出高さよりも低い。また、各第１逃げ部１２０の突出高さは、第１シール部６２（第１金属ビード部６４）の突出高さよりも低い。

各第１逃げ面１２０ａの第１中間頂面１１８ａに対する傾斜角度θ１は、５°以上９０°未満に設定するのが好ましく、２０°以上４５°以下に設定するのがより好ましい。図５Ａにおいて、各第１逃げ部１２０は、第１シール部６２に対して離間している。各第１逃げ部１２０の先端（矢印Ｂ方向の端）は、第１シール部６２（第１金属ビード部６４）の第１凹状湾曲部７０に対向している。

図２、図３及び図５Ａに示すように、第１リブ１１６ｂは、第１シール部６２と荷重受け部９４ｂとの間に位置している。換言すれば、第１リブ１１６ｂは、支持部９２ｂに設けられている。第１リブ１１６ｂは、上述した第１リブ１１６ａと同様に構成されている。そのため、第１リブ１１６ｂの構成の説明については省略する。

図３、図４及び図５Ｂに示すように、第２金属セパレータ３８の面３８ｂには、第２リブ１３０ａ、１３０ｂが一体的に突出成形されている。第２リブ１３０ａ、１３０ｂは、ＭＥＡ４８を挟んで第２金属セパレータ３８とは反対側に位置する第１金属セパレータ３６（第１リブ１１６ａ、１１６ｂ）に向かって突出している。すなわち、第２リブ１３０ａ、１３０ｂは、第２金属ビード部８２の突出方向に沿って突出している。

第２リブ１３０ａは、第２シール部８０よりも外周側に位置するとともに第１リブ１１６ａに対向している。第２リブ１３０ａは、第２シール部８０の延在方向（矢印Ｂ方向）に沿って直線状に延在している。ただし、第２リブ１３０ａは、波状に延在してもよい。第２リブ１３０ａは、第１リブ１１６ａと略同じ長さだけ矢印Ｂ方向に延在している。

図４及び図５Ｂに示すように、第２リブ１３０ａは、延在方向の中間に位置する第２リブ本体１３２と、第２リブ１３０ａの両端部に位置する２つの第２逃げ部１３４とを有する。第２リブ本体１３２の横断面形状は、第２リブ１３０ａの突出方向に向かって先細り形状となる台形形状である。

すなわち、第２リブ本体１３２は、セパレータ厚さ方向に対して傾斜した両側の第２中間側壁部１３６と、これら第２中間側壁部１３６の突出端部同士を繋ぐ第２中間頂部１３８とを含む。各第２中間側壁部１３６は、第１リブ１１６ａ（第１リブ本体１１８）に向かって互いに近接する方向に傾斜している。第２リブ本体１３２の頂面（第２中間頂面１３２ａ）は、平坦面である。第２中間頂面１３２ａは、燃料電池スタック１０に締付荷重が付与された状態で第１リブ１１６ａの第１中間頂面１１８ａに当接する。

図５Ｂ及び図６に示すように、２つの第２逃げ部１３４は、第２リブ本体１３２の両端部に連結している。各第２逃げ部１３４は、両側の第２中間側壁部１３６の矢印Ｂ方向の端部同士を繋ぐ第２端部側壁部１４０と、第２中間頂部１３８及び第２端部側壁部１４０を互いに連結する第２側方頂部１４２とを含む。第２中間頂部１３８と第２側方頂部１４２とは、互いに滑らかに繋がっている。

第２端部側壁部１４０は、第２リブ１３０ａの延在方向の外側に向かって円弧状に突出するように形成されている。図６において、各第２逃げ部１３４の頂面（第２逃げ面１３４ａ）は、第２リブ１３０ａの延在方向の最端に向かって第２リブ１３０ａの根元側に傾斜している。具体的に、各第２逃げ面１３４ａは、第２中間頂面１３２ａから第２リブ１３０ａの延在方向の最端に向かって第２リブ１３０ａの根元側にテーパ状に傾斜した平坦面である。

第２中間側壁部１３６は、セパレータ厚さ方向と平行であってもよい。換言すれば、第２リブ本体１３２の横断面形状は、矩形状に形成されてもよい。第２中間頂面１３２ａは、第１リブ１１６ａに向かって突出した湾曲面（Ｒ面）であってもよい。

第２リブ１３０ａの延在方向（矢印Ｂ方向）に沿った第２逃げ面１３４ａの長さＬ４は、矢印Ｂ方向に沿った第２中間頂面１３２ａの長さＬ５よりも短い。第２リブ１３０ａの頂面の矢印Ｂ方向に沿った長さＬ６に対する第２逃げ面１３４ａの長さＬ４の割合は、例えば、０．０５＜（Ｌ４／Ｌ６）＜０．３に設定するのが好ましい。ただし、（Ｌ４／Ｌ６）の値は、適宜変更可能である。

各第２逃げ部１３４の突出高さは、第２リブ本体１３２の突出高さよりも低い。また、各第２逃げ部１３４の突出高さは、第２シール部８０（第２金属ビード部８２）の突出高さよりも低い。

各第２逃げ面１３４ａの第２中間頂面１３２ａに対する傾斜角度θ２は、５°以上９０°未満に設定するのが好ましく、２０°以上４５°以下に設定するのがより好ましい。図５Ｂにおいて、各第２逃げ部１３４は、第２シール部８０に対して離間している。各第２逃げ部１３４の先端（矢印Ｂ方向の端）は、第２シール部８０（第２金属ビード部８２）の第２凹状湾曲部８８に対向している。燃料電池スタック１０に締付荷重が付与された状態で、第２逃げ面１３４ａは、第１リブ１１６ａの第１逃げ面１２０ａに対して接触しない。

第２リブ１３０ｂは、第２シール部８０よりも外周側に位置するとともに第１リブ１１６ｂに対向している。第２リブ１３０ｂは、上述した第２リブ１３０ａと同様に構成されている。そのため、第２リブ１３０ｂの構成の説明については省略する。

次に、このように構成される燃料電池スタック１０の作用について説明する。

まず、図１に示すように、酸化剤ガスは、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス入口連通孔４２ａに供給される。燃料ガスは、エンドプレート２０ａの燃料ガス入口連通孔４６ａに供給される。冷却媒体は、エンドプレート２０ａの冷却媒体入口連通孔４４ａに供給される。

酸化剤ガスは、図３に示すように、酸化剤ガス入口連通孔４２ａから第１金属セパレータ３６の酸化剤ガス流路５８に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路５８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、ＭＥＡ４８のカソード電極５４に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔４６ａから第２金属セパレータ３８の燃料ガス流路７４に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路７４に沿って矢印Ｂ方向に移動し、ＭＥＡ４８のアノード電極５６に供給される。

従って、各ＭＥＡ４８では、カソード電極５４に供給される酸化剤ガスと、アノード電極５６に供給される燃料ガスとが、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５４に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔４２ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード電極５６に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔４６ｂ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４４ａに供給された冷却媒体は、第１金属セパレータ３６と第２金属セパレータ３８との間に形成された冷却媒体流路９１に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、ＭＥＡ４８を冷却した後、冷却媒体出口連通孔４４ｂから排出される。

本実施形態では、外部から燃料電池スタック１０に矢印Ｂ方向の衝撃荷重が加わると、荷重受け部９４ａが連結部材２４ａの凹部１００ａを構成する壁面に接触するとともに荷重受け部９４ｂが連結部材２４ｂの凹部１００ｂを構成する壁面に接触する。これにより、発電セル１２が矢印Ｂ方向に位置ずれすることが抑えられる。

本実施形態に係る燃料電池用セパレータ部材１１及び燃料電池スタック１０は、以下の効果を奏する。

燃料電池用セパレータ部材１１において、第１金属セパレータ３６の面３６ａには、第１金属ビード部６４と、荷重受け部９４ａ、９４ｂと第１金属ビード部６４との間で第１金属ビード部６４に沿って線状に延在した第１リブ１１６ａ、１１６ｂとが、第１金属セパレータ３６に一体的に突出成形されている。

第１リブ１１６ａ、１１６ｂは、第１リブ１１６ａ、１１６ｂの延在方向の中間部に位置する第１リブ本体１１８と、第１リブ１１６ａ、１１６ｂの延在方向の両端部に位置する２つの第１逃げ部１２０と、を有する。２つの第１逃げ部１２０のそれぞれの突出高さは、第１リブ本体１１８の突出高さよりも低い。

このような構成によれば、荷重受け部９４ａ、９４ｂと第１金属ビード部６４との間に第１リブ１１６ａ、１１６ｂを突出成形しているため、第１金属セパレータ３６のうち荷重受け部９４ａ、９４ｂを支持する部位の剛性を向上させることができる。

また、各第１逃げ部１２０の突出高さが第１リブ本体１１８の突出高さよりも低い。そのため、燃料電池用セパレータ部材１１を燃料電池スタック１０に組み込んで積層方向に締付荷重を付与した際に、第１リブ１１６ａ、１１６ｂの両端部に作用する締付荷重を低減することができる（或いは、第１リブ１１６ａ、１１６ｂの両端部に締付荷重が作用しないようにすることができる）。よって、第１金属ビード部６４のうち第１リブ１１６ａ、１１６ｂの延在方向の端部に近い部分に作用する面圧が低下することを抑えることができる。従って、第１金属セパレータ３６の第１金属ビード部６４に作用する面圧のばらつきを低減することができる。

各第１逃げ部１２０の第１逃げ面１２０ａは、第１リブ１１６ａ、１１６ｂの延在方向の最端に向かって第１リブ１１６ａ、１１６ｂの根元側に傾斜している。

このような構成によれば、第１逃げ部１２０の突出高さを第１リブ本体１１８の突出高さよりも低くすることができる。

第１金属ビード部６４は、セパレータ厚さ方向から見て波状に延在し、各第１逃げ部１２０は、第１金属ビード部６４のうち第１金属セパレータ３６の外縁部に対して凹むように湾曲した第１凹状湾曲部７０に対向している。

このような構成によれば、第１金属ビード部６４と第１逃げ部１２０との距離を比較的長くすることができる。これにより、第１金属ビード部６４のうち第１リブ１１６ａ、１１６ｂの延在方向の端部に近い部分に作用する面圧が低下することを一層抑えることができる。

第１リブ１１６ａ、１１６ｂは、全長に亘って直線状に延在している。

このような構成によれば、燃料電池用セパレータ部材１１の構成を簡素化することができる。

各第１逃げ部１２０の突出高さは、第１金属ビード部６４の突出高さよりも低い。

このような構成によれば、第１金属ビード部６４のうち第１リブ１１６ａ、１１６ｂの延在方向の端部に近い部分に作用する面圧が低下することを効果的に抑えることができる。

第１リブ１１６ａ、１１６ｂの延在方向に沿った各第１逃げ面１２０ａの長さＬ１は、第１リブ１１６ａ、１１６ｂの延在方向に沿った第１中間頂面１１８ａの長さＬ２よりも短い。

このような構成によれば、支持部９２ａ、９２ｂの剛性を効果的に高めつつ第１金属ビード部６４に作用する面圧のばらつきを低減することができる。

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、燃料電池スタック（１０）の発電セル（１２）を形成する金属セパレータ（３６）と、前記金属セパレータの外周部から外方に突出するように前記金属セパレータに設けられた荷重受け部（９４ａ、９４ｂ）と、を備える燃料電池用セパレータ部材（１１）であって、前記金属セパレータの一方面（３６ａ）には、前記金属セパレータの外周部を周回して前記発電セルの電解質膜・電極構造体（４８）と前記金属セパレータとの間からの反応ガスの漏れを防止するための金属ビード部（６４）と、前記荷重受け部と前記金属ビード部との間で前記金属ビード部に沿って線状に延在したリブ（１１６ａ、１１６ｂ）とが、前記金属セパレータに一体的に突出成形され、前記リブは、前記リブの延在方向の中間部に位置するリブ本体（１１８）と、前記リブの延在方向の両端部に位置する２つの逃げ部（１２０）と、を有し、前記２つの逃げ部のそれぞれの突出高さは、前記リブ本体の突出高さよりも低い、燃料電池用セパレータ部材を開示している。

上記の燃料電池用セパレータ部材において、前記２つの逃げ部のそれぞれの突出端面（１２０ａ）は、前記リブの延在方向の最端に向かって前記リブの根元側に傾斜してもよい。

上記の燃料電池用セパレータ部材において、前記金属ビード部は、セパレータ厚さ方向から見て波状に延在し、前記２つの逃げ部のそれぞれは、前記金属ビード部のうち前記金属セパレータの外縁部に対して凹むように湾曲した凹状湾曲部（７０）に対向してもよい。

上記の燃料電池用セパレータ部材において、前記リブは、全長に亘って直線状に延在してもよい。

上記の燃料電池用セパレータ部材において、前記２つの逃げ部のそれぞれの突出高さは、前記金属ビード部の突出高さよりも低くてもよい。

上記の燃料電池用セパレータ部材において、前記リブの延在方向に沿った前記２つの逃げ部のそれぞれの突出端面の長さは、前記リブの延在方向に沿った前記リブ本体の突出端面（１１８ａ）の長さよりも短くてもよい。

上記実施形態は、上述した燃料電池用セパレータ部材を有する前記発電セルが複数積層された状態で前記発電セルの積層方向に締付荷重が付与された、燃料電池スタックを開示している。

１０…燃料電池スタック １１…燃料電池用セパレータ部材
１２…発電セル
３６…第１金属セパレータ（金属セパレータ）
３８…第２金属セパレータ（反対側金属セパレータ）
４８…ＭＥＡ（電解質膜・電極構造体）
５０…樹脂枠部材（樹脂枠部） ６２…第１シール部
６４…第１金属ビード部（金属ビード部）
７０…第１凹状湾曲部（凹状湾曲部） ９４ａ、９４ｂ…荷重受け部
１１６ａ、１１６ｂ…第１リブ １２０…第１逃げ部（逃げ部）
１２０ａ…第１逃げ面（突出端面）

Claims (7)

1. 燃料電池スタックの発電セルを形成する金属セパレータと、前記金属セパレータの外周部から外方に突出するように前記金属セパレータに設けられた荷重受け部と、を備える燃料電池用セパレータ部材であって、
   前記金属セパレータの一方面には、前記金属セパレータの外周部を周回して前記発電セルの電解質膜・電極構造体と前記金属セパレータとの間からの反応ガスの漏れを防止するための金属ビード部と、前記荷重受け部と前記金属ビード部との間で前記金属ビード部に沿って線状に延在したリブとが、前記金属セパレータに一体的に突出成形され、
   前記リブは、
   前記リブの延在方向の中間部に位置するリブ本体と、
   前記リブの延在方向の両端部に位置する２つの逃げ部と、を有し、
   前記２つの逃げ部のそれぞれの突出高さは、前記リブ本体の突出高さよりも低い、燃料電池用セパレータ部材。
2. 請求項１記載の燃料電池用セパレータ部材であって、
   前記２つの逃げ部のそれぞれの突出端面は、前記リブの延在方向の最端に向かって前記リブの根元側に傾斜している、燃料電池用セパレータ部材。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池用セパレータ部材であって、
   前記金属ビード部は、セパレータ厚さ方向から見て波状に延在し、
   前記２つの逃げ部のそれぞれは、前記金属ビード部のうち前記金属セパレータの外縁部に対して凹むように湾曲した凹状湾曲部に対向している、燃料電池用セパレータ部材。
4. 請求項３記載の燃料電池用セパレータ部材であって、
   前記リブは、全長に亘って直線状に延在している、燃料電池用セパレータ部材。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータ部材であって、
   前記２つの逃げ部のそれぞれの突出高さは、前記金属ビード部の突出高さよりも低い、燃料電池用セパレータ部材。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータ部材であって、
   前記リブの延在方向に沿った前記２つの逃げ部のそれぞれの突出端面の長さは、前記リブの延在方向に沿った前記リブ本体の突出端面の長さよりも短い、燃料電池用セパレータ部材。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータ部材を有する前記発電セルが複数積層された状態で前記発電セルの積層方向に締付荷重が付与された、燃料電池スタック。

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