JP6612816B2 - 燃料電池用セパレータ及び発電セル - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用セパレータ及び発電セルに関する。

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。

発電セルでは、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のシール部が設けられている。例えば、特許文献１では、金属セパレータの外周部に弾性材料からなるシール部が設けられている。

特許第３６５８３９１号公報

燃料電池スタックは、必要な電圧を出力するために複数の発電セルが積層される。この際、セパレータに設けられたシール部も積層されるが、セパレータは組付公差や部品公差分、積層方向と直交する面方向にずれて積層される。シール部の頂部が、シール突出方向に膨出する湾曲状になっている場合、上記ずれの影響によりシール面圧が大きく変動し、シール性が損なわれる可能性がある。

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、積層方向と直交する面方向の位置ずれによるシール面圧の変動を抑制することが可能であるとともに、シール幅を小さく設定することが可能な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、反応ガス又は冷却媒体を電極面に沿う方向に流通させるための流体流路が形成された金属セパレータと、前記金属セパレータに一体に設けられた弾性材料からなるシール部材とを備えた燃料電池用セパレータであって、前記シール部材は、前記金属セパレータの表面に設けられたベース部と、前記ベース部からセパレータ厚さ方向に突出したシール凸部とを有し、複数の燃料電池用セパレータが積層された状態で、前記シール凸部は積層方向に一直線上に並んで配置され、前記シール凸部の断面形状は、複数の燃料電池用セパレータが積層される前の状態で、平坦な頂部と、前記金属セパレータの厚さ方向に沿って互いに平行な両側部と、を有する矩形形状であり、前記シール凸部には、前記頂部の両側に隣接して、前記頂部と前記両側部とを繋ぐ湾曲形状の角部が設けられ、前記角部の曲率半径は、０．１ｍｍ以上である。

前記シール凸部の断面形状は、前記燃料電池用セパレータが複数積層されて積層方向に締付荷重が付与された状態で、シール幅方向両側部がシール幅方向外方に膨出する形状であることが好ましい。

前記シール凸部の前記ベース部からの突出高さＨと、前記シール凸部の幅Ｗとは、Ｈ≦Ｗの関係を有することが好ましい。

前記シール凸部の前記ベース部からの立ち上がり部は、湾曲形状であり、前記立ち上がり部の曲率半径は、０．１ｍｍ以上であることが好ましい。

また、本発明は、電解質膜・電極構造体と、反応ガス又は冷却媒体を電極面に沿って流通させるための流体流路が形成された金属セパレータと、前記金属セパレータに一体に設けられた弾性材料からなるシール部材とを有し、前記電解質膜・電極構造体の両側にそれぞれ積層された燃料電池用セパレータと、を備えた発電セルであって、前記シール部材は、内側シール凸部と、前記内側シール凸部よりも外側に設けられた外側シール凸部とを有し、複数の前記内側シール凸部は、積層方向に一直線上に並んで配置され、複数の前記外側シール凸部は、積層方向に一直線上に並んで配置され、前記内側シール凸部の断面形状及び前記外側シール凸部の断面形状は、複数の燃料電池用セパレータが積層される前の状態で、突出側の平坦な頂部と、前記金属セパレータの厚さ方向に沿って互いに平行な両側部と、を有する矩形形状であり、前記内側シール凸部及び前記外側シール凸部には、前記頂部の両側に隣接して、前記頂部と前記両側部とを繋ぐ湾曲形状の角部が設けられ、前記角部の曲率半径は、０．１ｍｍ以上である。

本発明の燃料電池用セパレータ及び発電セルによれば、シール部材のシール凸部の断面形状は、複数の燃料電池用セパレータが積層される前の状態で、頂部が平坦な矩形形状である。このため、積層方向と直交する面方向の位置ずれによるシール面圧の変動を抑制することが可能であるとともに、シール凸部の幅を小さく設定することが可能である。従って、燃料電池用セパレータを用いた発電セルの小型化が図られる。

本発明の実施形態に係る発電セルの要部分解斜視図である。 図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。 発電セルの要部拡大断面図である。 第１セパレータ部の正面図である。 第２セパレータ部の正面図である。 非変形状態のシール凸部の断面形状を示す図である。 本発明及び比較例について、荷重付与時のシール凸部の変形シミュレーション結果を示す図である。 本発明及び比較例について、荷重付与時のシール凸部の圧縮率の比較結果を示すグラフである。 本発明及び比較例について、荷重付与時のシール凸部の時間経過に伴うシール荷重変化の比較結果を示すグラフである。 シール凸部の角部の曲率半径と応力集中係数との関係を示すグラフである。

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に示す本発明の実施形態に係る発電セル１２は、第１樹脂枠付きＭＥＡ１６ａ、第２樹脂枠付きＭＥＡ１６ｂ、第１セパレータ部１４Ａ（燃料電池用セパレータ）、第２セパレータ部１４Ｂ（燃料電池用セパレータ）及び第３セパレータ部１４Ｃ（燃料電池用セパレータ）を備え、樹脂枠付きＭＥＡとセパレータ部とが交互に厚さ方向に積層されている。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。

図２に示すように、第１樹脂枠付きＭＥＡ１６ａ及び第２樹脂枠付きＭＥＡ１６ｂは、それぞれ電解質膜・電極構造体５１を備える。電解質膜・電極構造体５１は、電解質膜５２と、電解質膜を挟持するアノード電極５４及びカソード電極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、アノード電極５４及びカソード電極５６に挟持される。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。

第１樹脂枠付きＭＥＡ１６ａ及び第２樹脂枠付きＭＥＡ１６ｂは、カソード電極５６が、電解質膜５２及びアノード電極５４よりも小さな平面寸法を有する段差ＭＥＡである。なお、アノード電極５４、カソード電極５６及び電解質膜５２は、同一の平面寸法に設定してもよい。また、アノード電極５４は、カソード電極５６及び電解質膜５２の平面寸法よりも小さな平面寸法を有していてもよい。

アノード電極５４及びカソード電極５６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子がガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、電解質膜の両面に形成される。

第１樹脂枠付きＭＥＡ１６ａは、一方の電解質膜５２の外周を周回するとともに、アノード電極５４及びカソード電極５６に接合される第１樹脂枠部材５８を備える。第２樹脂枠付きＭＥＡ１６ｂは、他方の電解質膜５２の外周を周回するとともに、アノード電極５４及びカソード電極５６に接合される第２樹脂枠部材６０を備える。

第１樹脂枠部材５８及び第２樹脂枠部材６０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）、シリコーンゴム、フッ素ゴム又はＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）等で構成される。

図１に示すように、第１樹脂枠部材５８のカソード電極５６側の面（矢印Ａ１方向側の面）には、第１酸化剤ガス流路２６の流入側に隣接して入口バッファ部６２ａが設けられるとともに、第１酸化剤ガス流路２６の流出側に隣接して出口バッファ部６２ｂが設けられる。第１樹脂枠部材５８のアノード電極５４側の面（矢印Ａ２方向側の面）には、第１燃料ガス流路３４の流入側に隣接して入口バッファ部６４ａが設けられるとともに、第１燃料ガス流路３４の流出側に隣接して出口バッファ部６４ｂが設けられる。

第２樹脂枠部材６０のカソード電極５６側の面（矢印Ａ１方向側の面）には、第２酸化剤ガス流路３８の流入側に隣接して入口バッファ部６６ａが設けられるとともに、第２酸化剤ガス流路３８の流出側に隣接して出口バッファ部６６ｂが設けられる。第２樹脂枠部材６０のアノード電極５４側の面（矢印Ａ２方向側の面）には、第２燃料ガス流路４２の流入側に隣接して入口バッファ部６８ａが設けられるとともに、第２燃料ガス流路４２の流出側に隣接して出口バッファ部６８ｂが設けられる。

発電セル１２の長辺方向の一端縁部（矢印Ｂ１方向側の端縁部）には、矢印Ａ方向（積層方向）に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂが設けられる。具体的には、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂは、第１金属セパレータ１５ａ、第２金属セパレータ１５ｂ及び第３金属セパレータ１５ｃの長辺方向の一端縁部に設けられる。酸化剤ガス入口連通孔２２ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する一方、燃料ガス出口連通孔２４ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。

発電セル１２の長辺方向の他端縁部（矢印Ｂ２方向側の端縁部）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔２４ａ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔２２ｂが設けられる。

発電セル１２の短辺方向（矢印Ｃ方向）の両端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ側に、矢印Ａ方向に互いに連通して冷却媒体を供給するための一対の冷却媒体入口連通孔２５ａが設けられる。発電セル１２の短辺方向の両端縁部には、燃料ガス入口連通孔２４ａ側に、冷却媒体を排出するための一対の冷却媒体出口連通孔２５ｂが設けられる。

第１セパレータ部１４Ａは、第１金属セパレータ１５ａと、第１金属セパレータ１５ａの外周部を周回する弾性材料からなる第１シール部材１７ａとを有する。第２セパレータ部１４Ｂは、第２金属セパレータ１５ｂと、第２金属セパレータ１５ｂの外周部を周回する弾性材料からなる第２シール部材１７ｂとを有する。第３セパレータ部１４Ｃは、第３金属セパレータ１５ｃと、第３金属セパレータ１５ｃの外周部を周回する弾性材料からなる第３シール部材１７ｃとを有する。

第１金属セパレータ１５ａ、第２金属セパレータ１５ｂ及び第３金属セパレータ１５ｃは、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板等により構成される。第１金属セパレータ１５ａ、第２金属セパレータ１５ｂ及び第３金属セパレータ１５ｃは、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。

図４に示すように、第１金属セパレータ１５ａの第１樹脂枠付きＭＥＡ１６ａに向かう面１５ａ１（矢印Ａ２方向側の面）には、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとに連通する第１酸化剤ガス流路２６が形成される。第１酸化剤ガス流路２６は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部（直線状流路溝部でもよい）２６ａを有する。第１酸化剤ガス流路２６の入口側と酸化剤ガス入口連通孔２２ａとの間には、複数本の入口連結溝３０ａが形成される。第１酸化剤ガス流路２６の出口側と酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとの間には、複数本の出口連結溝３０ｂが形成される。

図１に示すように、第１金属セパレータ１５ａの面１５ａ２（矢印Ａ１方向側の面）には、一対の冷却媒体入口連通孔２５ａと一対の冷却媒体出口連通孔２５ｂとに連通する冷却媒体流路３２の一部が形成される。

第２金属セパレータ１５ｂの第１樹脂枠付きＭＥＡ１６ａに向かう面１５ｂ１（矢印Ａ１方向側の面）には、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとに連通する第１燃料ガス流路３４が形成される。第１燃料ガス流路３４は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部（直線状流路溝部でもよい）３４ａを有する。

燃料ガス入口連通孔２４ａの近傍には、燃料ガス入口連通孔２４ａと第１燃料ガス流路３４とを連通する複数の供給流路溝部３６ａが形成される。複数の供給流路溝部３６ａは、蓋体３７ａにより覆われる。燃料ガス出口連通孔２４ｂの近傍には、燃料ガス出口連通孔２４ｂと第１燃料ガス流路３４とを連通する複数の排出流路溝部３６ｂが形成される。複数の排出流路溝部３６ｂは、蓋体３７ｂにより覆われる。

図５に示すように、第２金属セパレータ１５ｂの第２樹脂枠付きＭＥＡ１６ｂに向かう面１５ｂ２（図１で矢印Ａ２方向側の面）には、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとに連通する第２酸化剤ガス流路３８が形成される。第２酸化剤ガス流路３８は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部（直線状流路溝部でもよい）３８ａを有する。

第２酸化剤ガス流路３８の入口側と酸化剤ガス入口連通孔２２ａとの間には、複数本の入口連結溝４０ａが形成される。第２酸化剤ガス流路３８の出口側と酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとの間には、複数本の出口連結溝４０ｂが形成される。

図１に示すように、第３金属セパレータ１５ｃの第２樹脂枠付きＭＥＡ１６ｂに向かう面１５ｃ１（矢印Ａ１方向側の面）には、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとに連通する第２燃料ガス流路４２が形成される。第２燃料ガス流路４２は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部（直線状流路溝部でもよい）４２ａを有する。

燃料ガス入口連通孔２４ａの近傍には、燃料ガス入口連通孔２４ａと第２燃料ガス流路４２とを連通する複数の供給流路溝部４４ａが形成される。複数の供給流路溝部４４ａは、蓋体４５ａにより覆われる。燃料ガス出口連通孔２４ｂの近傍には、燃料ガス出口連通孔２４ｂと第２燃料ガス流路４２とを連通する複数の排出流路溝部４４ｂが形成される。複数の排出流路溝部４４ｂは、蓋体４５ｂにより覆われる。

複数の発電セル１２が積層された状態で、互いに隣接する一方の発電セル１２の第３金属セパレータ１５ｃの面１５ｃ２（矢印Ａ２方向側の面）と、他方の発電セル１２の第１金属セパレータ１５ａの面１５ａ２（矢印Ａ１方向側の面）との間に、冷却媒体を流通させる冷却媒体流路３２が形成される。

図３に示すように、第１シール部材１７ａは、第１金属セパレータ１５ａの外周部の両面に設けられたベース部４３ａ、４３ｂと、ベース部４３ａ、４３ｂからセパレータ厚さ方向（矢印Ａ方向）にそれぞれ突出した第１シール凸部４６ａ、４６ｂとを有する。第１シール部材１７ａに設けられた一方のベース部４３ａ及び他方のベース部４３ｂは、それぞれ均一な厚さを有し、第１金属セパレータ１５ａの面方向に沿って延在する。

一方の第１シール凸部４６ａは、他方の第１シール凸部４６ｂよりも外方（第１金属セパレータ１５ａの外端側）に配置されている。以下、一方の第１シール凸部４６ａを「第１外側シール凸部４６ａ」と呼び、他方の第１シール凸部４６ｂを「第１内側シール凸部４６ｂ」と呼ぶ。第１外側シール凸部４６ａと第１内側シール凸部４６ｂとは、互いに反対方向に突出している。第１外側シール凸部４６ａの幅と第１内側シール凸部４６ｂの幅は、等しく設定するのが好ましい（図３では、第１外側シール凸部４６ａの幅が、第１内側シール凸部４６ｂの幅よりも大きい）。

第２シール部材１７ｂは、第２金属セパレータ１５ｂの外周部の両面に設けられたベース部４７ａ、４７ｂと、ベース部４７ａ、４７ｂからセパレータ厚さ方向（矢印Ａ方向）にそれぞれ突出した第２シール凸部４８ａ、４８ｂとを有する。第２シール部材１７ｂに設けられた一方のベース部４７ａと、他方のベース部４７ｂは、それぞれ均一な厚さを有し、第２金属セパレータ１５ｂの面方向に沿って延在する。

第２シール部材１７ｂに設けられた一方の第２シール凸部４８ａは、他方の第２シール凸部４８ｂよりも外方（第２金属セパレータ１５ｂの外端側）に配置されている。以下、一方の第２シール凸部４８ａを「第２外側シール凸部４８ａ」と呼び、他方の第２シール凸部４８ｂを「第２内側シール凸部４８ｂ」と呼ぶ。第２外側シール凸部４８ａと第２内側シール凸部４８ｂとは、互いに反対方向に突出している。第２外側シール凸部４８ａの幅と第２内側シール凸部４８ｂの幅は、等しく設定するのが好ましい（図３では、第２外側シール凸部４８ａの幅が、第２内側シール凸部４８ｂの幅よりも大きい）。

第３シール部材１７ｃは、第３金属セパレータ１５ｃの外周部の両面に設けられたベース部４９ａ、４９ｂと、ベース部４９ａ、４９ｂからセパレータ厚さ方向（矢印Ａ方向）にそれぞれ突出した第３シール凸部５０ａ、５０ｂとを有する。第３シール部材１７ｃに設けられた一方のベース部４９ａと、他方のベース部４９ｂは、それぞれ均一な厚さを有し、第３金属セパレータ１５ｃの面方向に沿って延在する。

第３シール部材１７ｃに設けられた一方の第３シール凸部５０ａは、他方の第３シール凸部５０ｂよりも外方（第３金属セパレータ１５ｃの外端側）に配置されている。以下、一方のシール凸部５０ａを「第３外側シール凸部５０ａ」と呼び、他方の第３シール凸部５０ｂを「第３内側シール凸部５０ｂ」と呼ぶ。第３外側シール凸部５０ａと第３内側シール凸部５０ｂとは、互いに反対方向に突出している。第３外側シール凸部５０ａの幅と第３内側シール凸部５０ｂの幅は、等しく設定するのが好ましい（図３では、第３外側シール凸部５０ａの幅が、第３内側シール凸部５０ｂの幅よりも大きい）。

図４に示すように、第１外側シール凸部４６ａは、燃料ガス入口連通孔２４ａ、燃料ガス出口連通孔２４ｂ、冷却媒体入口連通孔２５ａ及び冷却媒体出口連通孔２５ｂ（以下、流体連通孔ともいう）を囲繞する。第１外側シール凸部４６ａは、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２２ｂ（以下、流体連通孔ともいう）と第１酸化剤ガス流路２６とを周回し、これらを互いに連通させる。第１外側シール凸部４６ａは、第２シール部材１７ｂの一方のベース部４７ａに当接（密着）する（図３）。

図１に示すように、第１内側シール凸部４６ｂは、冷却媒体入口連通孔２５ａ、冷却媒体出口連通孔２５ｂ及び冷却媒体流路３２を周回する。複数の発電セル１２が積層された状態で、隣接する一方の発電セル１２の第１内側シール凸部４６ｂは、隣接する他方の発電セル１２の第３セパレータ部１４Ｃの第３シール部材１７ｃ（ベース部４９ｂ）に当接（密着）する。

また、第１金属セパレータ１５ａの面１５ａ２（矢印Ａ１方向側の面）には、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂ、燃料ガス入口連通孔２４ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂを囲繞する連通孔シール凸部４６ｃが設けられる。連通孔シール凸部４６ｃは、冷却面において、第１シール部材１７ａのベース部４３ａから厚さ方向に一体に膨出形成される。

図５に示すように、第２シール部材１７ｂに設けられた第２外側シール凸部４８ａは、燃料ガス入口連通孔２４ａ、燃料ガス出口連通孔２４ｂ、冷却媒体入口連通孔２５ａ及び冷却媒体出口連通孔２５ｂを囲繞する。第２外側シール凸部４８ａは、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと第２酸化剤ガス流路３８とを周回し、これらを互いに連通させる。第２外側シール凸部４８ａは、第３シール部材１７ｃの一方のベース部４９ａに当接（密着）する（図３）。

図１に示すように、第２シール部材１７ｂに設けられた第２内側シール凸部４８ｂは、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂ、燃料ガス入口連通孔２４ａ、燃料ガス出口連通孔２４ｂ、冷却媒体入口連通孔２５ａ、冷却媒体出口連通孔２５ｂ及び第１燃料ガス流路３４を周回する。第２内側シール凸部４８ｂは、第１樹脂枠部材５８の外周部に当接（密着）する（図３）。

詳細は図示しないが、第３シール部材１７ｃに設けられた第３外側シール凸部５０ａは、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂ、燃料ガス入口連通孔２４ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂを囲繞する。第３外側シール凸部５０ａは、冷却媒体入口連通孔２５ａ及び冷却媒体出口連通孔２５ｂと冷却媒体流路３２とを周回し、これらを互いに連通させる。複数の発電セル１２が積層された状態で、隣接する一方の発電セル１２の第３外側シール凸部５０ａは、隣接する他方の発電セル１２の第１シール部材１７ａの一方のベース部４３ａに当接（密着）する。

図１に示すように、第３シール部材１７ｃに設けられた第３内側シール凸部５０ｂは、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂ、燃料ガス入口連通孔２４ａ、燃料ガス出口連通孔２４ｂ、冷却媒体入口連通孔２５ａ、冷却媒体出口連通孔２５ｂ及び第２燃料ガス流路４２を周回する。第３内側シール凸部５０ｂは、第２樹脂枠部材６０の外周部に当接（密着）する。

第１シール部材１７ａ、第２シール部材１７ｂ及び第３シール部材１７ｃとしては、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール材が用いられる。第１シール部材１７ａ、第２シール部材１７ｂ及び第３シール部材１７ｃの硬度は、例えば、ＪＩＳＫ６３０１で、２０〜７０である。

図３に示すように、セパレータ部１４Ａ〜１４Ｃが積層された状態で、外側シール凸部４６ａ、４８ａ、５０ａは、積層方向に一直線上に並んで配置される（当該シール凸部の幅寸法が同じでシール凸部同士が幅寸法の範囲内で積層方向に互いに重なる）とともに、内側シール凸部４６ｂ、４８ｂ、５０ｂは、積層方向に一直線上に並んで配置される（当該シール凸部の幅寸法が同じでシール凸部同士が幅寸法の範囲内で積層方向に互いに重なる）。

以下、外側シール凸部４６ａ、４８ａ、５０ａ及び内側シール凸部４６ｂ、４８ｂ、５０ｂに関し、便宜的にこれらを「シール凸部５３」と総称する場合がある。同様に、ベース部４３ａ、４３ｂ、４７ａ、４７ｂ、４９ａ、４９ｂに関し、便宜的にこれらを「ベース部５５」と総称する場合がある。金属セパレータ１５ａ、１５ｂ、１５ｃに関し、便宜的にこれらを「金属セパレータ１５」と総称する場合がある。

シール凸部５３の断面形状は、複数のセパレータ部１４Ａ〜１４Ｃが積層されて積層方向に締付荷重（圧縮荷重）が付与された状態で、シール幅方向の両側部５３ｂ、５３ｃがシール幅方向外方に膨出する形状である。すなわち、締付荷重によって積層方向に圧縮された状態でのシール凸部５３の断面形状は、突出方向中間部の幅が、頂部５３ａ及び根元部の幅よりも大きい。

図６に示すように、シール凸部５３の断面形状は、複数のセパレータ部１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃが積層される前（積層方向の圧縮荷重が付与される前）の状態（以下、「非変形状態」という。）で、積層方向に垂直な方向に平坦な頂部５３ａを有する矩形形状である。頂部５３ａは、セパレータ厚さ方向（矢印Ａ方向）に対して垂直な方向（セパレータ面方向）に沿って平坦である。シール凸部５３の非変形状態で、シール凸部５３のシール幅方向の両側部５３ｂ、５３ｃは、セパレータ厚さ方向に沿って互いに平行（セパレータ面方向に対して垂直）であり、成形時の抜き勾配がない形状である。

シール凸部５３の非変形状態で、シール凸部５３のベース部５５からの突出高さＨと、シール凸部５３の幅Ｗとは、Ｈ≦Ｗの関係を有することが好ましい。本実施形態では、シール凸部５３の幅Ｗは、シール凸部５３の突出高さＨよりも大きく、従って、シール凸部５３は、金属セパレータ１５に平行な長軸を有する長方形状に形成されている。シール凸部５３の突出高さＨと幅Ｗとは、Ｈ＜Ｗの関係を有してもよい。なおシール凸部５３の幅Ｗは、シール凸部５３の互いに平行な両側部５３ｂ、５３ｃ（立ち上がり部５３ｆ、５３ｇを含まない）間の距離である。

シール凸部５３には、頂部５３ａに隣接する湾曲形状の角部５３ｄ、５３ｅが設けられる。頂部５３ａのシール幅方向一方側に角部５３ｄが設けられ、頂部５３ａのシール幅方向他方側に角部５３ｅが設けられる。角部５３ｄは、頂部５３ａと一方の側部５３ｂとを繋ぐ湾曲面である。角部５３ｅは、頂部５３ａと他方の側部５３ｃとを繋ぐ湾曲面である。本実施形態において、角部５３ｄ、５３ｅの曲率半径は、０．１ｍｍ以上、０．３ｍｍ以下である。角部５３ｄと角部５３ｅとは、同一の曲率半径を有するのがよい。

シール凸部５３のベース部５５からの立ち上がり部５３ｆ、５３ｇは、湾曲形状である。本実施形態において、立ち上がり部５３ｆ、５３ｇの曲率半径は、０．１ｍｍ以上、０．３ｍｍ以下である。立ち上がり部５３ｆと立ち上がり部５３ｇとは、同一の曲率半径を有するのがよい。外側シール凸部４６ａ、４８ａ、５０ａは、非変形状態の幅が同じであり、積層方向に垂直な面内での位置が同じである。内側シール凸部４６ｂ、４８ｂ、５０ｂは、非変形状態の幅が同じであり、積層方向に垂直な面内での位置が同じである。

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、酸化剤ガス入口連通孔２２ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔２４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、一対の冷却媒体入口連通孔２５ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

このため、酸化剤ガスは、一部が酸化剤ガス入口連通孔２２ａから入口バッファ部６２ａを通って第１金属セパレータ１５ａの第１酸化剤ガス流路２６に供給される。酸化剤ガスは、他の一部が酸化剤ガス入口連通孔２２ａから入口バッファ部６６ａを通って第２金属セパレータ１５ｂの第２酸化剤ガス流路３８に導入される。

酸化剤ガスは、図１、図４及び図５に示すように、第１酸化剤ガス流路２６に沿って矢印Ｂ方向（水平方向）に移動し、第１樹脂枠付きＭＥＡ１６ａのカソード電極５６に供給される。また、酸化剤ガスは、第２酸化剤ガス流路３８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、第２樹脂枠付きＭＥＡ１６ｂのカソード電極５６に供給される。

一方、燃料ガスは、図１に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａから供給流路溝部３６ａ、４４ａに導入される。供給流路溝部３６ａでは、燃料ガスが、入口バッファ部６４ａを通って第２金属セパレータ１５ｂの第１燃料ガス流路３４に供給される。供給流路溝部４４ａでは、燃料ガスが、入口バッファ部６８ａを通って第３金属セパレータ１５ｃの第２燃料ガス流路４２に供給される。

燃料ガスは、第１燃料ガス流路３４に沿って矢印Ｂ方向に移動し、第１樹脂枠付きＭＥＡ１６ａのアノード電極５４に供給される。また、燃料ガスは、第２燃料ガス流路４２に沿って矢印Ｂ方向に移動し、第２樹脂枠付きＭＥＡ１６ｂのアノード電極５４に供給される。

従って、第１樹脂枠付きＭＥＡ１６ａ及び第２樹脂枠付きＭＥＡ１６ｂでは、各カソード電極５６に供給される酸化剤ガスと、各アノード電極５４に供給される燃料ガスとが、電極触媒層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、第１樹脂枠付きＭＥＡ１６ａ及び第２樹脂枠付きＭＥＡ１６ｂの各カソード電極５６に供給されて消費された酸化剤ガスは、出口バッファ部６２ｂ、６６ｂを通って酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに排出される。第１樹脂枠付きＭＥＡ１６ａ及び第２樹脂枠付きＭＥＡ１６ｂのアノード電極５４に供給されて消費された燃料ガスは、出口バッファ部６４ｂ、６８ｂを通って燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出される。

一方、左右一対の冷却媒体入口連通孔２５ａに供給された冷却媒体は冷却媒体流路３２に導入される。冷却媒体は、各冷却媒体入口連通孔２５ａから冷却媒体流路３２に供給され、一旦矢印Ｃ方向内方に沿って流動した後、矢印Ｂ方向に移動して第１樹脂枠付きＭＥＡ１６ａ及び第２樹脂枠付きＭＥＡ１６ｂを冷却する。この冷却媒体は、矢印Ｃ方向外方に移動した後、一対の冷却媒体出口連通孔２５ｂに排出される。

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。

図６に示すように、シール凸部５３の断面形状は、セパレータ部１４Ａ〜１４Ｃ（図１）が積層される前の状態で、平坦な頂部５３ａを有する矩形形状である。このため、積層方向と直交する面方向の位置ずれによるシール面圧の変動を抑制することが可能であるとともに、シール幅を小さく設定することが可能である。従って、発電セル１２の小型化が図られる。

図７に、非圧縮状態で断面形状が矩形形状のシール凸部５３（本発明）と、非圧縮状態で断面形状が非矩形形状（頂部５３ｒｔが湾曲し且つ頂部５３ｒｔから立ち上がり部５３ｒｓに向かってなだらかに傾斜する形状）のシール凸部５３ｒｅｆ（比較例）とについて、圧縮状態での形状及び応力分布をシミュレーションした結果を示す。比較例のシール凸部５３ｒｅｆについて、非圧縮状態での形状は、仮想線で示している。非圧縮状態でのシール凸部５３の幅は、非圧縮状態でのシール凸部５３ｒｅｆの幅よりも小さい。形状以外の条件は、シール凸部５３とシール凸部５３ｒｅｆとで同じである。

図７に示すように、シール凸部５３及びシール凸部５３ｒｅｆに、同一の圧縮荷重を付与した場合、シール凸部５３ｒｅｆでは、応力が過大になる領域Ｓを有することが認められた。一方、シール凸部５３ではそのような応力過大領域は認められなかった。従って、本発明によれば、圧縮応力の均一化が図られ、シール凸部５３の破損を抑制することができる。

また、図７に示すように、同じ材料で形成されたシール凸部５３及びシール凸部５３ｒｅｆに、同一の圧縮荷重を付与した場合、シール凸部５３の方が、シール凸部５３ｒｅｆよりも変形量が少なかった。すなわち、シール凸部５３の圧縮率の方が、シール凸部５３ｒｅｆの圧縮率よりも小さかった。このことは、シール凸部５３は、シール凸部５３ｒｅｆと比較して、幅を小さくしても変形しにくいことを示している。従って、図８に示すように、シール凸部５３は、シール凸部５３ｒｅｆと比較して、より小さい圧縮率で所望のシール荷重（シール面圧）を得ることができる。

上述したようにシール凸部５３は、シール凸部５３ｒｅｆと比較して圧縮率が小さい。このため、図９に示すように、シール凸部５３は、シール凸部５３ｒｅｆと比較して、時間経過に伴うシール荷重の変化（減少）が小さい。従って、本発明によれば、長期にわたってシール荷重を均一に維持することが可能である。

図３に示すように、シール凸部５３の断面形状は、セパレータ部１４Ａ〜１４Ｃが複数積層されて積層方向に締付荷重が付与された状態で、シール幅方向の両側部５３ｂ、５３ｃがシール幅方向外方に膨出する形状である。この構成により、荷重付与状態でシール凸部５３に作用する圧縮応力の均一化が図られ、シール凸部５３の破損が抑制される。

図６に示すように、シール凸部５３のベース部５５からの突出高さＨと、シール凸部５３の幅Ｗとは、Ｈ≦Ｗの関係を有する。この構成により、荷重付与時のシール凸部５３の倒れを抑制することができる。

シール凸部５３には、頂部５３ａに隣接する湾曲形状の角部５３ｄ、５３ｅが設けられ、角部５３ｄ、５３ｅの曲率半径は、０．１ｍｍ以上である。図１０に示すように、角部５３ｄ、５３ｅの曲率半径が０．１ｍｍ未満では、応力集中係数が、０．１ｍｍ以上の場合と比較して格段に大きい。そこで、本実施形態では、角部５３ｄ、５３ｅの曲率半径を０．１ｍｍ以上に設定することで、荷重付与時にシール凸部５３の角部５３ｄ、５３ｅでの応力集中が回避されるため、角部５３ｄ、５３ｅを起点とするシール凸部５３の破損を抑制することができる。

シール凸部５３のベース部５５からの立ち上がり部５３ｆ、５３ｇは、湾曲形状であり、立ち上がり部５３ｆ、５３ｇの曲率半径は、０．１ｍｍ以上である。この構成により、荷重付与時に立ち上がり部５３ｆ、５３ｇでの応力集中が回避されるため、立ち上がり部５３ｆ、５３ｇを起点とするシール凸部５３の破損を抑制することができる。

なお、本実施形態では、発電セル１２は、３枚のセパレータと２枚の樹脂枠付きＭＥＡとを有し、各発電セル１２間に冷却媒体流路３２が形成されている（所謂、間引き冷却）。本発明は、これに限定されるものではなく、例えば、２枚のセパレータ間に１枚の樹脂枠付きＭＥＡが挟持される発電ユニット（所謂、各セル冷却）にも、適用することができる。

また、本実施形態では、第１樹脂枠付きＭＥＡ１６ａ及び第２樹脂枠付きＭＥＡ１６ｂを用いているが、これに限定されるものではない。第１樹脂枠部材５８及び第２樹脂枠部材６０を不要にした電解質膜・電極構造体５１からなる、所謂、段差ＭＥＡを採用してもよい。

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 １５…金属セパレータ
１４Ａ…第１セパレータ部 １４Ｂ…第２セパレータ部
１４Ｃ…第３セパレータ部 １７ａ…第１シール部材
１７ｂ…第２シール部材 １７ｃ…第３シール部材
５３…シール凸部

Claims (5)

1. 反応ガス又は冷却媒体を電極面に沿う方向に流通させるための流体流路が形成された金属セパレータと、前記金属セパレータに一体に設けられた弾性材料からなるシール部材とを備えた燃料電池用セパレータであって、
   前記シール部材は、前記金属セパレータの表面に設けられたベース部と、前記ベース部からセパレータ厚さ方向に突出したシール凸部とを有し、
   複数の燃料電池用セパレータが積層された状態で、前記シール凸部は積層方向に一直線上に並んで配置され、
   前記シール凸部の断面形状は、複数の燃料電池用セパレータが積層される前の状態で、平坦な頂部と、前記金属セパレータの厚さ方向に沿って互いに平行な両側部と、を有する矩形形状であり、
   前記シール凸部には、前記頂部の両側に隣接して、前記頂部と前記両側部とを繋ぐ湾曲形状の角部が設けられ、
   前記角部の曲率半径は、０．１ｍｍ以上である、
   ことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
2. 請求項１記載の燃料電池用セパレータにおいて、
   前記シール凸部の断面形状は、前記燃料電池用セパレータが複数積層されて積層方向に締付荷重が付与された状態で、シール幅方向両側部がシール幅方向外方に膨出する形状である、
   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、
   前記シール凸部の前記ベース部からの突出高さＨと、前記シール凸部の幅Ｗとは、Ｈ≦Ｗの関係を有する、
   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、
   前記シール凸部の前記ベース部からの立ち上がり部は、湾曲形状であり、
   前記立ち上がり部の曲率半径は、０．１ｍｍ以上である、
   ことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
5. 電解質膜・電極構造体と、
   反応ガス又は冷却媒体を電極面に沿って流通させるための流体流路が形成された金属セパレータと、前記金属セパレータに一体に設けられた弾性材料からなるシール部材とを有し、前記電解質膜・電極構造体の両側にそれぞれ積層された燃料電池用セパレータと、を備えた発電セルであって、
   前記シール部材は、内側シール凸部と、前記内側シール凸部よりも外側に設けられた外側シール凸部とを有し、
   複数の前記内側シール凸部は、積層方向に一直線上に並んで配置され、
   複数の前記外側シール凸部は、積層方向に一直線上に並んで配置され、
   前記内側シール凸部の断面形状及び前記外側シール凸部の断面形状は、複数の燃料電池用セパレータが積層される前の状態で、突出側の平坦な頂部と、前記金属セパレータの厚さ方向に沿って互いに平行な両側部と、を有する矩形形状であり、
   前記内側シール凸部及び前記外側シール凸部には、前記頂部の両側に隣接して、前記頂部と前記両側部とを繋ぐ湾曲形状の角部が設けられ、
   前記角部の曲率半径は、０．１ｍｍ以上である、
   ことを特徴とする発電セル。

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