JP6570587B2 - 燃料電池用セパレータ及び発電セル - Google Patents

Description

本発明は、流体連通孔を囲むビードシールを備えた燃料電池用セパレータ及び発電セルに関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面にアノード電極が、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）を構成している。発電セルが所定の数だけ積層した積層体を備えた燃料電池スタックが、例えば、燃料電池車両（燃料電池電気自動車等）に組み込まれる。

燃料電池スタックでは、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。その際、金属セパレータには、酸化剤ガス及び燃料ガスである反応ガスや冷却媒体の漏れを防止するために、シール部材が設けられる。

シール部材は、フッ素系やシリコーン等の弾性ゴムシールが使用されており、コストが高騰するという問題がある。そこで、例えば、下記特許文献１に開示されているように、弾性ゴムシールに代えて、金属セパレータに凸形状のビードシールを形成する構成が採用されている。

米国特許第７７１８２９３号明細書

反応ガス及び冷却媒体をそれぞれ個別に供給及び排出するために、発電セルの積層体には、金属セパレータを積層方向に貫通した連通孔が設けられ、金属セパレータにおける各連通孔は、ビードシールによって個別に囲まれる。発電領域と連通孔との間で反応ガスを流通させるために、金属セパレータには、ビードシールの内外を連通する連結流路（ブリッジ部）が設けられる。ビードシールに付加される面圧（ビードシール先端での接触圧）は、ビードシールに繋がる連結流路の断面形状の影響を受ける。ビードシールに付加される面圧は、バラツキが抑制されていることが望ましい。

本発明は、簡単且つ経済的な構成で、連通孔を囲むビードシールに付加される面圧の均一化を図ることができる燃料電池用セパレータ及び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、酸化剤ガス、燃料ガス又は冷媒である流体を電極面に沿う方向に流通させる流体流路と、前記流体流路に連通するとともにセパレータ厚さ方向に貫通形成された流体連通孔と、前記流体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ビードシールとが形成され、電解質膜・電極構造体に積層されて積層方向に圧縮荷重が付与される燃料電池用セパレータであって、前記ビードシールの側壁から突出するとともに前記セパレータ厚さ方向に膨出形成された複数のトンネルを備え、前記複数のトンネルは、前記ビードシールに繋がる根元部の断面形状が互いに同じであり、前記複数のトンネルは、前記ビードシールの内周側壁から突出した複数の内側トンネルと、前記ビードシールの外周側壁から突出した複数の外側トンネルとを有し、前記複数の内側トンネルと前記複数の外側トンネルとは、前記ビードシールに対して互い違いに連結されている。

前記複数のトンネルは、各々の断面形状が台形状であり、互いに底辺長、上辺長及び高さが同じであることが好ましい。

前記複数のトンネルは、前記ビードシールの内周側壁から突出した内側トンネルと、前記ビードシールの外周側壁から突出した外側トンネルとを有し、前記内側トンネルと前記外側トンネルとで、前記ビードシールに繋がる根元部の断面形状が互いに同じであることが好ましい。

該燃料電池用セパレータに隣接する他の燃料電池用セパレータを有し、該燃料電池用セパレータの前記複数のトンネルと、前記他の燃料電池用セパレータに設けられた複数のトンネルとは、断面形状が同じであることが好ましい。

本発明の発電セルは、上記いずれかの燃料電池用セパレータと、前記燃料電池用セパレータに積層された電解質膜・電極構造体と、を備える。

本発明の燃料電池用セパレータ及び発電セルによれば、流体連通孔を囲むビードシールに繋がる複数のトンネルは、ビードシールに繋がる根元部の断面形状が互いに同じである。これにより、トンネルが繋がった箇所におけるビードシールの剛性のばらつきが抑制される。このため、簡単且つ経済的な構成で、流体連通孔を囲むビードシールに付加される面圧（シール面圧）の均一化を図ることができる。また、ビードシールによる所望のシール性を容易に確保することができる。

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一部分解概略斜視図である。 燃料電池スタックの、図２中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 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正面説明図である。 第１金属セパレータにおける酸化剤ガス入口連通孔を囲むビードシールの要部説明図である。 図６におけるＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。 図８Ａは、図７におけるＶＩＩＩＡ−ＶＩＩＩＡ線断面図である。図８Ｂは、図７におけるＶＩＩＩＢ−ＶＩＩＩＢ線断面図である。 接合セパレータを第２金属セパレータ側から見た正面説明図である。

以下、本発明に係る燃料電池用セパレータ及び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及び図２に示すように、燃料電池スタック１０は、複数の発電セル（燃料電池）１２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、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（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。

発電セル１２は、図３及び図４に示すように、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。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。

発電セル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、冷却媒体を排出するとともに、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い。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、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と、電解質膜・電極構造体２８ａの外周部に設けられた樹脂フィルム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。電解質膜４０は、アノード電極４２及びカソード電極４４よりも小さな平面寸法（外形寸法）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、重なる又は当接する。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（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、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（メタルビードシール）５１が樹脂フィルム付きＭＥＡ２８に向かって膨出成形される。第１シールライン５１は、内側ビード部５１ａと、外側ビード部５２と、複数の連通孔ビード部（ビードシール）５３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、樹脂フィルム４６側に設けられてもよい。樹脂材５６ａは、不可欠ではなく、なくてもよい。

図５に示すように、内側ビード部５１ａ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、入口バッファ部５０Ａ及び出口バッファ部５０Ｂを囲む。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（図４）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（図４）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。

連通孔ビード部５３は、平面視で波形状に形成される。なお、連通孔ビード部５３の各辺は、平面視で直線状に形成されてもよい。

図６及び図７に示すように、連通孔ビード部５３ａは、第１金属セパレータ３０のベースプレート部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。連通孔ビード部５３ａの内周側壁５３ｓ１及び外周側壁５３ｓ２は、セパレータ厚さ方向に対して傾斜している。従って、連通孔ビード部５３ａ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。内周側壁５３ｓ１と外周側壁５３ｓ２とは傾斜角度が同じであるのが好ましい。なお、連通孔ビード部５３ａの内周側壁５３ｓ１及び外周側壁５３ｓ２は、セパレータ厚さ方向と平行であってもよい。すなわち、連通孔ビード部５３ａ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てもよい。

図５に示すように、第１金属セパレータ３０には、酸化剤ガス入口連通孔３４ａと酸化剤ガス出口連通孔３４ｂをそれぞれ囲む連通孔ビード部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（連結流路）８０、８２が設けられる。

酸化剤ガス入口連通孔３４ａを囲む形状（環状）の連通孔ビード部５３ａのうち、酸化剤ガス流路４８と酸化剤ガス入口連通孔３４ａとの間の部位に、ブリッジ部８０が設けられる。一方、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂを囲む形状（環状）の連通孔ビード部５３ｂのうち、酸化剤ガス流路４８と酸化剤ガス出口連通孔３４ｂとの間の部位に、ブリッジ部８２が設けられる。

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。このため、以下では、代表的に連通孔ビード部５３ａ及びブリッジ部８０の構成について詳細に説明し、連通孔ビード部５３ｂ及びブリッジ部８２の構成については詳細な説明を省略する。

図６及び図７に示すように、ブリッジ部８０は、連通孔ビード部５３ａ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複数のトンネル８６を備える。具体的に、複数のトンネル８６は、連通孔ビード部５３ａの内周側壁５３ｓ１から酸化剤ガス入口連通孔３４ａに向かって突出した複数の内側トンネル８６Ａと、連通孔ビード部５３ａの外周側壁５３ｓ２から酸化剤ガス流路４８（図５）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、連通孔ビード部５３ａから互いにセパレータ面方向（積層方向と垂直な方向）に反対方向に突出する。複数の内側トンネル８６Ａは、連通孔ビード部５３ａの延在方向に沿って互いに間隔を置いて配置されている。各内側トンネル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。

複数の外側トンネル８６Ｂは、連通孔ビード部５３ａの延在方向に沿って互いに間隔を置いて配置されている。外側トンネル８６Ｂの、連通孔ビード部５３ａとの接続箇所とは反対側の端部には、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。

本実施形態では、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、複数の内側トンネル８６Ａと複数の外側トンネル８６Ｂ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５３ｅが設けられる。凹部５３ｅは、連通孔ビード部５３ａの内部空間５３ｆを構成する。第１金属セパレータ３０の凹部５３ｅ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６３ｅ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５３ｆ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６３ｆと連通する。

なお、図７では、燃料電池スタック１０として組み立てられた状態（積層体１４に積層方向の締め付け荷重が付与され、該締め付け荷重による面圧が連通孔ビード部５３ａ、６３ｃに作用している状態）の第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２の断面を示している。連通孔ビード部５３、６３の頂部５３ｔ、６３ｔの形状は、組立前の状態（上記締め付け荷重が付与されていない状態）で連通孔ビード部５３、６３の突出方向に膨出する湾曲形状であってもよいが、燃料電池スタック１０の組立状態では、図７のように平坦状となる。

連通孔ビード部５３ａの内部空間５３ｆと、内側トンネル８６Ａの内部空間８６ａとは、連通孔ビード部５３ａの内周側壁５３ｓ１に形成された貫通孔８４ａを介して連通する。従って、内側トンネル８６Ａは、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５３ｆとを連通する。

連通孔ビード部５３ａの内部空間５３ｆと、外側トンネル８６Ｂの内部空間８６ｂとは、連通孔ビード部５３ａの外周側壁５３ｓ２に形成された貫通孔８４ｂを介して連通する。従って、外側トンネル８６Ｂは、連通孔ビード部５３ａの内部空間５３ｆと酸化剤ガス流路４８（図５参照）とを連通する。

図６において、複数のトンネル８６は、少なくとも連通孔ビード部５３ａに繋がる根元部の断面形状（トンネル８６の延在方向と垂直な方向における断面形状）が互いに同じである。具体的に、複数の内側トンネル８６Ａの根元部の断面形状は、互いに同じである。また、複数の外側トンネル８６Ｂの根元部の断面形状は、互いに同じである。さらに、複数の内側トンネル８６Ａと複数の外側トンネル８６Ｂとは、根元部の断面形状が互いに同じである。ここで、複数のトンネル８６について、断面形状が「同じ」とは、厳密な同一性を要求するものではなく、連通孔ビード部５３ａの面圧が均一である程度に略同じであればよく、さらに、公差の範囲内での断面形状の誤差は、「同じ」であるとして許容される（後述する他のトンネル８７、８８、８９、９１、９３、９４、９５についても同様である）。

図８Ａ及び図８Ｂに示すように、各トンネル８６の断面形状は、凸形状の先端側に向かって先細り形状となる台形状である。具体的には、トンネル８６の両側の側壁８６ｓは、セパレータ厚さ方向（矢印Ａ方向）に対して傾斜している。断面台形状の複数のトンネル８６は、根元部の断面形状において、互いに底辺長、上辺長及び高さがそれぞれ同じである。また、断面台形状の複数の内側トンネル８６Ａの根元部での底辺長Ｗ１ａ、上辺長Ｗ１ｂ及び高さｈ１（図８Ａ）は、断面台形状の複数の外側トンネル８６Ｂの根元部での底辺長Ｗ２ａ、上辺長Ｗ２ｂ及び高さｈ２（図８Ｂ）と同じである。

なお、複数のトンネル８６の断面形状は、台形状に限らず、例えば、矩形状、円弧状等であってもよい。複数のトンネル８６の根元部以外（根元部よりも先端側の部位）の断面形状は、互いに同じでもよく、異なっていてもよい。

図５に示すように、ブリッジ部８２は、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂを囲む連通孔ビード部５３ｂから突出した複数のトンネル８７を有する。当該複数のトンネル８７は、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ側の上述した複数のトンネル８６と同様に構成されている。

図９に示すように、第２金属セパレータ３２には、第１金属セパレータ３０に設けられた複数のトンネル８６に対向して、酸化剤ガス入口連通孔３４ａを囲む連通孔ビード部６３ｃからセパレータ面方向に突出した複数のトンネル９４が設けられる（図７も参照）。図８Ａ及び図８Ｂに示すように、複数のトンネル９４は、第１金属セパレータ３０に設けられた複数のトンネル８６の反対方向に、樹脂フィルム付きＭＥＡ２８（図４）に向かってプレス成形により膨出成形されるとともに、複数のトンネル８６と同様に、断面形状が台形状に形成されている。

図７〜図９に示すように、第２金属セパレータ３２に設けられた複数のトンネル９４は、第１金属セパレータ３０に設けられた内側トンネル８６Ａ及び複数の外側トンネル８６Ｂ（図５）にそれぞれ対向する複数の内側トンネル９４Ａ及び複数の外側トンネル９４Ｂを有する。複数のトンネル９４は、少なくとも連通孔ビード部６３ｃに繋がる根元部の断面形状が互いに同じである。

また、図９に示すように、第２金属セパレータ３２には、第１金属セパレータ３０の酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ側に設けられた複数のトンネル８７（図５）に対向して、連通孔ビード部６３ｄからセパレータ面方向に突出した複数のトンネル９５が設けられる。酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ側に設けられた複数のトンネル９５は、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ側に設けられた複数のトンネル９４と同様に構成されている。従って、複数のトンネル９５は、複数の内側トンネル９５Ａと、複数の外側トンネル９５Ｂとを有する。

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。第２シールライン６１は、内側ビード部６１ａと、外側ビード部６２と、複数の連通孔ビード部（ビードシール）６３とを有する。内側ビード部６１ａ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、入口バッファ部６０Ａ及び出口バッファ部６０Ｂを囲む。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。

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５６ｂが印刷又は塗布等により固着される。樹脂材５６ｂは、例えば、ポリエステル繊維が使用される。樹脂材５６ｂは、樹脂フィルム４６側に設けられてもよい。樹脂材５６ｂは、不可欠ではなく、なくてもよい。

図９に示すように、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。連通孔ビード部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部５３ａ、５３ｂ（図５）と同様に構成されている。

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をそれぞれ個別に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（連結流路）９０、９２が設けられる。

燃料ガス入口連通孔３８ａを囲む形状（環状）の連通孔ビード部６３ａのうち、燃料ガス流路５８と燃料ガス入口連通孔３８ａとの間の部位に、ブリッジ部９０が設けられる。燃料ガス出口連通孔３８ｂを囲む形状（環状）の連通孔ビード部６３ｂのうち、燃料ガス流路５８と燃料ガス出口連通孔３８ｂとの間の部位に、ブリッジ部９２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５）と同様に構成されている。すなわち、ブリッジ部９０は、連通孔ビード部６３ａの側壁から突出した複数のトンネル９１を備え、複数のトンネル９１は、少なくとも連通孔ビード部６３ａに繋がる根元部の断面形状が互いに同じである。複数のトンネル９１は、連通孔ビード部６３ａの内周側壁から燃料ガス入口連通孔３８ａに向かって突出した複数の内側トンネル９１Ａと、連通孔ビード部６３ａの外周側壁から燃料ガス流路５８に向かって突出した複数の外側トンネル９１Ｂとを有する。

ブリッジ部９２は、連通孔ビード部６３ｂの側壁から突出した複数のトンネル９３を備え、複数のトンネル９３は、少なくとも連通孔ビード部６３ｂに繋がる根元部の断面形状が互いに同じである。複数のトンネル９３は、連通孔ビード部６３ｂの内周側壁から燃料ガス出口連通孔３８ｂに向かって突出した複数の内側トンネル９３Ａと、連通孔ビード部６３ｂの外周側壁から燃料ガス流路５８に向かって突出した複数の外側トンネル９３Ｂとを有する。

図５に示すように、第１金属セパレータ３０には、第２金属セパレータ３２に設けられた複数のトンネル９１（ブリッジ部９０）（図９）に対向して、燃料ガス入口連通孔３８ａを囲む連通孔ビード部５３ｃからセパレータ面方向に突出した複数のトンネル８８が設けられる。複数のトンネル８８は、上述した複数のトンネル９４（図７〜図９）と同様に構成されており、少なくとも連通孔ビード部５３ｃに繋がる根元部の断面形状が互いに同じである。

また、第１金属セパレータ３０には、第２金属セパレータ３２に設けられた複数のトンネル９３（ブリッジ部９２）に対向して、燃料ガス出口連通孔３８ｂを囲む連通孔ビード部５３ｄからセパレータ面方向に突出した複数のトンネル８９が設けられる。複数のトンネル８９は、上述した複数のトンネル９４（図７〜図９）と同様に構成されており、少なくとも連通孔ビード部５３ｄに繋がる根元部の断面形状が互いに同じである。

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。

図２に示すように、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂは、電気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６８ａ、６８ｂが設けられる。

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、凹部７６ａ、７６ｂの底面には、孔部７２ａ、７２ｂ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スタック１０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、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、複数のトンネル８６内及び連通孔ビード部５３ａの内部空間５３ｆ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４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。

この場合、本実施形態に係る第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２を備えた発電セル１２（燃料電池スタック１０）は、以下の効果を奏する。

第１金属セパレータ３０では、酸化剤ガス入口連通孔３４ａを囲む連通孔ビード部５３ａに繋がる複数のトンネル８６は、連通孔ビード部５３ａに繋がる根元部の断面形状が互いに同じである。酸化剤ガス出口連通孔３４ｂを囲む連通孔ビード部５３ｂに繋がる複数のトンネル８７は、連通孔ビード部５３ｂに繋がる根元部の断面形状が互いに同じである。燃料ガス入口連通孔３８ａを囲む連通孔ビード部５３ｃに繋がる複数のトンネル８８は、連通孔ビード部５３ｃに繋がる根元部の断面形状が互いに同じである。燃料ガス出口連通孔３８ｂを囲む連通孔ビード部５３ｄに繋がる複数のトンネル８９は、連通孔ビード部５３ｄに繋がる根元部の断面形状が互いに同じである。

これにより、トンネル８６、８７、８８、８９が繋がった箇所における連通孔ビード部５３ａ〜５３ｄの剛性のばらつきが抑制される。このため、簡単且つ経済的な構成で、連通孔ビード部５３ａ〜５３ｄに付加される面圧（シール面圧）の均一化を図ることができるとともに、連通孔ビード部５３ａ〜５３ｄによる所望のシール性を容易に確保することができる。従って、面圧の局所的な上昇が抑制され、過荷重によるシール部材の損傷や、樹脂フィルム付きＭＥＡ２８の損傷を抑制することができる。

連通孔ビード部６３ａ〜６３ｄ及び複数のトンネル９１、９３、９４、９５を備えた第２金属セパレータ３２についても、上記と同様の効果が得られる。以下では、代表的に、第１金属セパレータ３０に設けられた複数のトンネル８６の効果について説明するが、他の複数のトンネル８７、８８、８９、９１、９３、９４、９５についても同様の効果が得られる。

第１金属セパレータ３０に設けられた複数のトンネル８６は、各々の断面形状が台形状であり、互いに底辺長、上辺長及び高さが同じである。この構成により、断面形状が同一の複数のトンネル８６を容易に実現することができる。

複数のトンネル８６は、連通孔ビード部５３ａの内周側壁５３ｓ１から突出した複数の内側トンネル８６Ａと、連通孔ビード部５３ａの外周側壁５３ｓ２から突出した複数の外側トンネル８６Ｂとを有し、複数の内側トンネル８６Ａと複数の外側トンネル８６Ｂとは、連通孔ビード部５３ａに対して互い違いに連結されている。この構成により、酸化剤ガス入口連通孔３４ａから導入した酸化剤ガスを酸化剤ガス流路４８に向けて良好に分配することができるとともに、内側と外側とでトンネル８６の位置がずれているため、連通孔ビード部５３ａに付加される面圧の一層の均一化が図られる。

また、内側トンネル８６Ａと外側トンネル８６Ｂとで、連通孔ビード部５３ａに繋がる根元部の断面形状が互いに同じであるため、連通孔ビード部５３ａに付加される面圧の一層の均一化が図られる。

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。

１０…燃料電池スタック １２…発電セル
３０…第１金属セパレータ ３２…第２金属セパレータ
３４ａ、３４ｂ、３６ａ、３６ｂ、３８ａ、３８ｂ…連通孔
５３、６３…連通孔ビード部
８６、８７、８８、８９、９１、９３、９４、９５…トンネル

Claims (5)

1. 酸化剤ガス、燃料ガス又は冷媒である流体を電極面に沿う方向に流通させる流体流路と、前記流体流路に連通するとともにセパレータ厚さ方向に貫通形成された流体連通孔と、前記流体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ビードシールとが形成され、電解質膜・電極構造体に積層されて積層方向に圧縮荷重が付与される燃料電池用セパレータであって、
   前記ビードシールの側壁から突出するとともに前記セパレータ厚さ方向に膨出形成された複数のトンネルを備え、
   前記複数のトンネルは、前記ビードシールに繋がる根元部の断面形状が互いに同じであり、
   前記複数のトンネルは、前記ビードシールの内周側壁から突出した複数の内側トンネルと、前記ビードシールの外周側壁から突出した複数の外側トンネルとを有し、
   前記複数の内側トンネルと前記複数の外側トンネルとは、前記ビードシールに対して互い違いに連結されている、
   ことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
2. 酸化剤ガス、燃料ガス又は冷媒である流体を電極面に沿う方向に流通させる流体流路と、前記流体流路に連通するとともにセパレータ厚さ方向に貫通形成された流体連通孔と、前記流体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ビードシールとが形成され、電解質膜・電極構造体に積層されて積層方向に圧縮荷重が付与される燃料電池用セパレータであって、
   前記ビードシールの側壁から突出するとともに前記セパレータ厚さ方向に膨出形成された複数のトンネルを備え、
   前記複数のトンネルは、前記ビードシールに繋がる根元部の断面形状が互いに同じであり、
   前記複数のトンネルは、前記ビードシールの内周側壁から突出した内側トンネルと、前記ビードシールの外周側壁から突出した外側トンネルとを有し、
   前記内側トンネルと前記外側トンネルとで、前記ビードシールに繋がる根元部の断面形状が互いに同じである、
   ことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池用セパレータにおいて、
   前記複数のトンネルは、各々の断面形状が台形状であり、互いに底辺長、上辺長及び高さが同じである、
   ことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータにおいて、
   該燃料電池用セパレータに隣接する他の燃料電池用セパレータを有し、
   該燃料電池用セパレータの前記複数のトンネルと、前記他の燃料電池用セパレータに設けられた複数のトンネルとは、断面形状が同じである、
   ことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
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と、
   前記燃料電池用セパレータに積層された電解質膜・電極構造体と、を備える、
   ことを特徴とする発電セル。

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