JP7033107B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、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組の金属セパレータとを有する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。

一組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の発電面の外周側に設けられた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。

米国特許出願公開第２０１８／０１４５３５３号明細書

ところで、締付荷重を付与する際に、締付荷重により一組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した場合、金属セパレータにモーメントが作用する。そうすると、金属セパレータ（シール用ビード部のシール面）が平面方向に対して傾き、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、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・電極構造体と前記電解質膜・電極構造体の両側に配設された一組の金属セパレータとを有する発電セルが複数積層された積層体を備え、前記積層体には、前記発電セルの積層方向の締付荷重が付与され、前記一組の金属セパレータのそれぞれには、前記電解質膜・電極構造体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、前記シール用ビード部は、前記締付荷重によって前記電解質膜・電極構造体の発電面の外周側に設けられた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燃料電池スタックであって、前記一組の金属セパレータのうちの一方には、前記シール用ビード部の外方側に、前記表面から突出した第１波状凸部が一体に設けられ、前記一組の金属セパレータのうちの他方には、前記シール用ビード部の外方側に、前記表面から突出した第２波状凸部が一体に設けられ、前記第１波状凸部と前記第２波状凸部とは、前記積層方向から見て波形状の位相が互いにずれた状態で重なる、燃料電池スタックである。

本発明によれば、第１波状凸部と第２波状凸部とは、間に樹脂枠部を介装して積層方向から見て波形状の位相が互いにずれた状態で重なっている。そのため、一組の金属セパレータのシール用ビード部が平面方向に互いに位置ずれした場合に、金属セパレータに作用するモーメントを第１波状凸部及び第２波状凸部で受けることができる。これにより、金属セパレータ（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。また、一組の金属セパレータのシール用ビード部が平面方向に互いに位置ずれした場合に、積層方向から見たときの第１波状凸部と第２波状凸部との重なり面積が減少することを抑えることができる。よって、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斜視図である。 発電セルの分解斜視図である。 第１金属セパレータをＭＥＡ側から見た接合セパレータの構成説明図である。 第２金属セパレータをＭＥＡ側から見た接合セパレータの構成説明図である。 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。 図６Ａは、第１波状凸部及び第２波状凸部の構成説明図であり、図６Ｂは、第２金属セパレータが第１金属セパレータに対して平面方向に位置ずれした状態の第１波状凸部及び第２波状凸部の構成説明図である。

以下、本発明に係る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、本発明の実施形態に係る固体高分子型の燃料電池スタック１０は、複数の発電セル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。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。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。

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、両端がエンドプレート２０ａ、２０ｂの内面に固定されており、複数の積層された発電セル１２に積層方向（矢印Ａ方向）の締付荷重を付与する。なお、燃料電池スタック１０は、エンドプレート２０ａ、２０ｂを端板とする筐体を備え、当該筐体内に積層体１４を収容するように構成してもよい。

発電セル１２は、図２に示すように、樹脂枠付き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。

樹脂枠付きＭＥＡ２８は、電解質膜・電極構造体２８ａ（以下、「ＭＥＡ２８ａ」という）と、ＭＥＡ２８ａ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４６（樹脂枠部、樹脂フィルム）とを備える。ＭＥＡ２８ａは、電解質膜４０と、電解質膜４０の一方の面に設けられたカソード電極４２と、電解質膜４０の他方の面に設けられたアノード電極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、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、カソード電極４２及びアノード電極４４に挟持される。

詳細は図示しないが、カソード電極４２は、電解質膜４０の一方の面に接合される第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。アノード電極４４は、電解質膜４０の他方の面に接合される第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。樹脂枠部材４６は、ＭＥＡ２８の発電面２９の外周側に設けられている。

発電セル１２の長辺方向である矢印Ｂ方向（図２中、水平方向）の一端縁部（矢印Ｂ１方向の端縁部）には、第１燃料ガス排出連通孔３８ｂ１、第１冷却媒体排出連通孔３６ｂ１、酸化剤ガス供給連通孔３４ａ、第２冷却媒体排出連通孔３６ｂ２及び第２燃料ガス排出連通孔３８ｂ２が、下方に向かって（長方形状の発電セル１２の一方の長辺から他方の長辺に向かって）に順次配列して設けられる。

以下の説明では、第１冷却媒体排出連通孔３６ｂ１と第２冷却媒体排出連通孔３６ｂ２とを特に区別しない場合、単に「冷却媒体排出連通孔３６ｂ」ということがある。また、第１燃料ガス排出連通孔３８ｂ１と第２燃料ガス排出連通孔３８ｂ２とを特に区別しない場合、単に「燃料ガス排出連通孔３８ｂ」ということがある。

酸化剤ガス供給連通孔３４ａ、冷却媒体排出連通孔３６ｂ及び燃料ガス排出連通孔３８ｂは、それぞれ、積層体１４（第１金属セパレータ３０、第２金属セパレータ３２及び樹脂枠部材４６）、インシュレータ１８ａ及びエンドプレート２０ａを積層方向に貫通している（ターミナルプレート１６ａを貫通してもよい）。

燃料ガス排出連通孔３８ｂは、一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。酸化剤ガス供給連通孔３４ａは、他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。冷却媒体排出連通孔３６ｂは、冷却媒体を排出する。

発電セル１２の矢印Ｂ方向の他端縁部（矢印Ｂ２方向の端縁部）には、第１酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ１、第１冷却媒体供給連通孔３６ａ１、燃料ガス供給連通孔３８ａ、第２冷却媒体供給連通孔３６ａ２及び第２酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２が、下方に向かって（長方形状の発電セル１２の一方の長辺から他方の長辺に向かって）順次配列して設けられる。

以下の説明では、第１冷却媒体供給連通孔３６ａ１と第２冷却媒体供給連通孔３６ａ２とを特に区別しない場合、単に「冷却媒体供給連通孔３６ａ」ということがある。また、第１酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ１と第２酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２とを特に区別しない場合、単に「酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ」ということがある。

燃料ガス供給連通孔３８ａ、冷却媒体供給連通孔３６ａ及び酸化剤ガス排出連通孔３４ｂは、それぞれ、積層体１４（第１金属セパレータ３０、第２金属セパレータ３２及び樹脂枠部材４６）、インシュレータ１８ａ及びエンドプレート２０ａを積層方向に貫通している（ターミナルプレート１６ａを貫通してもよい）。燃料ガス供給連通孔３８ａは、燃料ガスを供給する。酸化剤ガス排出連通孔３４ｂは、酸化剤ガスを排出する。冷却媒体供給連通孔３６ａは、冷却媒体を供給する。

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の数、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では、樹脂枠部材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、発電セル１２では、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３に示すように、第１金属セパレータ３０の樹脂枠付きＭＥＡ２８に向かう表面３０ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する酸化剤ガス流路４８（反応ガス流路）が設けられる。酸化剤ガス流路４８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（又は波状流路溝）４８ｂを有する。

酸化剤ガス供給連通孔３４ａと酸化剤ガス流路４８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入口バッファ部５０ａ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４８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５０ｂが設けられる。

第１金属セパレータ３０の表面３０ａ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５１が設けられている。図５において、シール用ビード部５１は、プレス成形により、樹脂枠部材４６に向かって突出成形されたビード本体５１ａと、ビード本体５１ａの突出端面に印刷又は塗布により固着された樹脂部材５１ｂとを含む。樹脂部材５１ｂは、ＭＥＡ２８ａ側に設けてもよい。

ビード本体５１ａの横断面は、台形状に形成される。ただし、ビード本体５１ａ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５１ｂは、省略されてもよい。シール用ビード部５１は、樹脂枠部材４６に密着し、積層方向の締付力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３において、シール用ビード部５１は、複数の連通孔ビード部５２（５２ａ～５２ｊ）と、外側ビード部５３とを有する。

連通孔ビード部５２ａ～５２ｅは、第１金属セパレータ３０の一端縁部（矢印Ｂ１方向の端縁部）に設けられている。具体的に、連通孔ビード部５２ａは、第１燃料ガス排出連通孔３８ｂ１を周回する。連通孔ビード部５２ｂは、第１冷却媒体排出連通孔３６ｂ１を周回する。連通孔ビード部５２ｃは、酸化剤ガス供給連通孔３４ａを周回する。連通孔ビード部５２ｄは、第２冷却媒体排出連通孔３６ｂ２を周回する。連通孔ビード部５２ｅは、第２燃料ガス排出連通孔３８ｂ２を周回する。

連通孔ビード部５２ｆ～５２ｊは、第１金属セパレータ３０の他端縁部（矢印Ｂ２方向の端縁部）に設けられている。具体的に、連通孔ビード部５２ｆは、第１酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ１を周回する。連通孔ビード部５２ｇは、第１冷却媒体供給連通孔３６ａ１を周回する。連通孔ビード部５２ｈは、燃料ガス供給連通孔３８ａを周回する。連通孔ビード部５２ｉは、第２冷却媒体供給連通孔３６ａ２を周回する。連通孔ビード部５２ｊは、第２酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２を周回する。

酸化剤ガス供給連通孔３４ａを囲む連通孔ビード部５２ｃには、酸化剤ガス供給連通孔３４ａと酸化剤ガス流路４８とを連通する複数のトンネル５４ｔを有するブリッジ部５４が設けられている。酸化剤ガス排出連通孔３４ｂを囲む連通孔ビード部５２ｆ、５２ｊには、酸化剤ガス排出連通孔３４ｂと酸化剤ガス流路４８とを連通する複数のトンネル５６ｔを有するブリッジ部５６が設けられている。

外側ビード部５３は、第１金属セパレータ３０の外周部に沿って設けられ、酸化剤ガス流路４８とともに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を囲む。

第１金属セパレータ３０の長手方向一端側において、外側ビード部５３は、互いに隣り合う連通孔ビード部５２ａ～５２ｅの間を延在するように蛇行している。従って、第１金属セパレータ３０の長手方向一端側において、外側ビード部５３は、第１金属セパレータ３０の一方の短辺３１ａに向かって膨出するように、第１燃料ガス排出連通孔３８ｂ１、酸化剤ガス供給連通孔３４ａ及び第２燃料ガス排出連通孔３８ｂ２をそれぞれ部分的に囲む３つの膨出形状部５３ａ、５３ｂ、５３ｃを有する。

第１金属セパレータ３０の長手方向他端側において、外側ビード部５３は、互いに隣り合う連通孔ビード部５２ｆ～５２ｊの間を延在するように蛇行している。従って、第１金属セパレータ３０の長手方向他端側において、外側ビード部５３は、第１金属セパレータ３０の他方の短辺３１ｂに向かって膨出するように、第１酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ１、燃料ガス供給連通孔３８ａ及び第２酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２をそれぞれ部分的に囲む３つの膨出形状部５３ｄ、５３ｅ、５３ｆを有する。

図４に示すように、第２金属セパレータ３２の樹脂枠付きＭＥＡ２８に向かう表面３２ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する燃料ガス流路５８（反応ガス流路）が形成される。燃料ガス流路５８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（又は波状流路溝）５８ｂを有する。

燃料ガス供給連通孔３８ａと燃料ガス流路５８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入口バッファ部６０ａが設けられる。燃料ガス排出連通孔３８ｂと燃料ガス流路５８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６０ｂが設けられる。

第２金属セパレータ３２の表面３２ａ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６１が設けられている。図５において、シール用ビード部６１は、プレス成形により、樹脂枠部材４６に向かって突出成形されたビード本体６１ａと、ビード本体６１ａの突出端面に印刷又は塗布により固着された樹脂部材６１ｂとを含む。樹脂部材６１ｂは、ＭＥＡ２８ａ側に設けてもよい。

ビード本体６１ａの横断面は、台形状に形成される。ただし、ビード本体６１ａ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６１ｂは、省略されてもよい。シール用ビード部６１は、樹脂枠部材４６に密着し、積層方向の締付力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４において、シール用ビード部６１は、複数の連通孔ビード部６２（６２ａ～６２ｊ）と、外側ビード部６３とを有する。

連通孔ビード部６２ａ～６２ｅは、第２金属セパレータ３２の一端縁部（矢印Ｂ１方向の端縁部）に設けられている。具体的に、連通孔ビード部６２ａは、第１燃料ガス排出連通孔３８ｂ１を周回する。連通孔ビード部６２ｂは、第１冷却媒体排出連通孔３６ｂ１を周回する。連通孔ビード部６２ｃは、酸化剤ガス供給連通孔３４ａを周回する。連通孔ビード部６２ｄは、第２冷却媒体排出連通孔３６ｂ２を周回する。連通孔ビード部６２ｅは、第２燃料ガス排出連通孔３８ｂ２を周回する。

連通孔ビード部６２ｆ～６２ｊは、第２金属セパレータ３２の他端縁部（矢印Ｂ２方向の端縁部）に設けられている。具体的に、連通孔ビード部６２ｆは、第１酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ１を周回する。連通孔ビード部６２ｇは、第１冷却媒体供給連通孔３６ａ１を周回する。連通孔ビード部６２ｈは、燃料ガス供給連通孔３８ａを周回する。連通孔ビード部６２ｉは、第２冷却媒体供給連通孔３６ａ２を周回する。連通孔ビード部６２ｊは、第２酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２を周回する。

燃料ガス供給連通孔３８ａを囲む連通孔ビード部６２ｈには、燃料ガス供給連通孔３８ａと燃料ガス流路５８とを連通する複数のトンネル６４ｔを有するブリッジ部６４が設けられている。燃料ガス排出連通孔３８ｂを囲む連通孔ビード部６２ａ、６２ｅには、燃料ガス排出連通孔３８ｂと燃料ガス流路５８とを連通する複数のトンネル６６ｔを有するブリッジ部６６が設けられている。

外側ビード部６３は、第２金属セパレータ３２の外周部に沿って設けられ、燃料ガス流路５８とともに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を囲む。

第２金属セパレータ３２の長手方向一端側において、外側ビード部６３は、互いに隣り合う連通孔ビード部６２ａ～６２ｅの間を延在するように蛇行している。従って、第２金属セパレータ３２の長手方向一端側において、外側ビード部６３は、第２金属セパレータ３２の一方の短辺３５ａに向かって膨出するように、第１燃料ガス排出連通孔３８ｂ１、酸化剤ガス供給連通孔３４ａ及び第２燃料ガス排出連通孔３８ｂ２をそれぞれ部分的に囲む３つの膨出形状部６３ａ、６３ｂ、６３ｃを有する。

第２金属セパレータ３２の長手方向他端側において、外側ビード部６３は、互いに隣り合う連通孔ビード部６２ｆ～６２ｊの間を延在するように蛇行している。従って、第２金属セパレータ３２の長手方向他端側において、外側ビード部６３は、第２金属セパレータ３２の他方の短辺３５ｂに向かって膨出するように、第１酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ１、燃料ガス供給連通孔３８ａ及び第２酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２をそれぞれ部分的に囲む３つの膨出形状部６３ｄ、６３ｅ、６３ｆを有する。

図２において、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、ろう付け等により一体に接合され、接合セパレータ３３を構成する。互いに接合される第１金属セパレータ３０の裏面３０ｂと第２金属セパレータ３２の裏面３２ｂ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６８が形成される。冷却媒体流路６８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。

図５において、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、複数の接合ライン３３ａにより互いに接合されている。接合ライン３３ａは、例えばレーザ溶接ラインである。接合ライン３３ａは、ＭＩＧ、ＴＩＧ、シーム溶接、ロウ付け、カシメ等による接合部であってもよい。

図３に示すように、第１金属セパレータ３０には、シール用ビード部５１の外方側に、表面３０ａから突出した複数の第１波状凸部７０（７０ａ～７０ｊ）が一体に設けられている。

図５において、第１波状凸部７０の横断面は、台形状に形成される。ただし、第１波状凸部７０の横断面形状は、適宜変更可能であり、長方形状、正方形状、円弧状等であってもよい。第１波状凸部７０の突出端は、積層体１４に締付荷重が付与された締付状態で、第１波状凸部７０に実質的に締付荷重が作用しないように樹脂枠部材４６の一方の面４６ａに接触している。すなわち、積層体１４に締付荷重が付与されていない状態で、第１波状凸部７０の高さは、シール用ビード部５１の高さに樹脂部材５１ｂの高さを加えた高さよりも低い。そのため、積層体１４の締付状態で、締付荷重はシール用ビード部５１に作用する。

図３において、第１波状凸部７０は、複数の連通孔３４ａ、３４ｂ、３６ａ、３６ｂ、３８ａ、３８ｂ毎に互いに独立して設けられている。具体的に、第１波状凸部７０ａは、第１燃料ガス排出連通孔３８ｂ１に対応して設けられている。第１波状凸部７０ａは、第１金属セパレータ３０の一方の短辺３１ａと膨出形状部５３ａとの間に位置している。第１波状凸部７０ａは、膨出形状部５３ａの膨出端部（短辺３１ａ側の端部）の形状に沿って延在している。

第１波状凸部７０ｂは、第１冷却媒体排出連通孔３６ｂ１に対応して設けられている。第１波状凸部７０ｂは、第１金属セパレータ３０の一方の短辺３１ａと連通孔ビード部５２ｂとの間に位置している。第１波状凸部７０ｂは、連通孔ビード部５２ｂのうち短辺３１ａ側の端部の形状に沿って延在している。

第１波状凸部７０ｃは、酸化剤ガス供給連通孔３４ａに対応して設けられている。第１波状凸部７０ｃは、第１金属セパレータ３０の一方の短辺３１ａと膨出形状部５３ｂとの間に位置している。第１波状凸部７０ｃは、膨出形状部５３ｂの膨出端部（短辺３１ａ側の端部）の形状に沿って延在している。

第１波状凸部７０ｄは、第２冷却媒体排出連通孔３６ｂ２に対応して設けられている。第１波状凸部７０ｄは、第１金属セパレータ３０の一方の短辺３１ａと連通孔ビード部５２ｄとの間に位置している。第１波状凸部７０ｄは、連通孔ビード部５２ｄのうち短辺３１ａ側の端部の形状に沿って延在している。

第１波状凸部７０ｅは、第２燃料ガス排出連通孔３８ｂ２に対応して設けられている。第１波状凸部７０ｅは、第１金属セパレータ３０の一方の短辺３１ａと膨出形状部５３ｃとの間に位置している。第１波状凸部７０ｅは、膨出形状部５３ｃの膨出端部（短辺３１ａ側の端部）の形状に沿って延在している。第１波状凸部７０ａ～７０ｅは、シール用ビード部５１のうち最外に位置する部分（短辺３１ａ側の端部）よりも外方側（矢印Ｂ１方向）に設けられている。

第１波状凸部７０ｆは、第１酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ１に対応して設けられている。第１波状凸部７０ｆは、第１金属セパレータ３０の他方の短辺３１ｂと膨出形状部５３ｄとの間に位置している。第１波状凸部７０ｆは、膨出形状部５３ｄの膨出端部（短辺３１ｂ側の端部）の形状に沿って延在している。

第１波状凸部７０ｇは、第１冷却媒体供給連通孔３６ａ１に対応して設けられている。第１波状凸部７０ｇは、第１金属セパレータ３０の他方の短辺３１ｂと連通孔ビード部５２ｇとの間に位置している。第１波状凸部７０ｇは、連通孔ビード部５２ｇのうち短辺３１ｂ側の端部の形状に沿って延在している。

第１波状凸部７０ｈは、燃料ガス供給連通孔３８ａに対応して設けられている。第１波状凸部７０ｈは、第１金属セパレータ３０の他方の短辺３１ｂと膨出形状部５３ｅとの間に位置している。第１波状凸部７０ｈは、膨出形状部５３ｅの膨出端部（短辺３１ｂ側の端部）の形状に沿って延在している。

第１波状凸部７０ｉは、第２冷却媒体供給連通孔３６ａ２に対応して設けられている。第１波状凸部７０ｉは、第１金属セパレータ３０の他方の短辺３１ｂと連通孔ビード部５２ｉとの間に位置している。第１波状凸部７０ｉは、連通孔ビード部５２ｉのうち短辺３１ｂ側の端部の形状に沿って延在している。

第１波状凸部７０ｊは、第２酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２に対応して設けられている。第１波状凸部７０ｊは、第１金属セパレータ３０の他方の短辺３１ｂと膨出形状部５３ｆとの間に位置している。第１波状凸部７０ｊは、膨出形状部５３ｆの膨出端部（短辺３１ｂ側の端部）の形状に沿って延在している。第１波状凸部７０ｆ～７０ｊは、シール用ビード部５１のうち最外に位置する部分（短辺３１ｂ側の端部）りも外方側（矢印Ｂ２方向）に設けられている。

図４に示すように、第２金属セパレータ３２には、シール用ビード部６１の外方側に、表面３２ａから突出した複数の第２波状凸部８０（８０ａ～８０ｊ）が一体に設けられている。

図５において、第２波状凸部８０の横断面は、台形状に形成される。ただし、第２波状凸部８０の横断面形状は、適宜変更可能であり、長方形状、正方形状、円弧状等であってもよい。第２波状凸部８０の突出端は、積層体１４に締付荷重が付与された締付状態で、第２波状凸部８０に実質的に締付荷重が作用しないように樹脂枠部材４６の他方の面４６ｂに接触している。すなわち、積層体１４に締付荷重が付与されていない状態で、第２波状凸部８０の高さは、シール用ビード部６１の高さに樹脂部材６１ｂの高さを加えた高さよりも低い。そのため、積層体１４の締付状態で、締付荷重はシール用ビード部６１に作用する。

図４において、第２波状凸部８０は、複数の連通孔３４ａ、３４ｂ、３６ａ、３６ｂ、３８ａ、３８ｂ毎に互いに独立して設けられている。具体的に、第２波状凸部８０ａは、第１燃料ガス排出連通孔３８ｂ１に対応して設けられている。第２波状凸部８０ａは、第２金属セパレータ３２の一方の短辺３５ａと膨出形状部６３ａとの間に位置している。第２波状凸部８０ａは、膨出形状部６３ａの膨出端部（短辺３５ａ側の端部）の形状に沿って延在している。

第２波状凸部８０ｂは、第１冷却媒体排出連通孔３６ｂ１に対応して設けられている。第２波状凸部８０ｂは、第２金属セパレータ３２の一方の短辺３５ａと連通孔ビード部６２ｂとの間に位置している。第２波状凸部８０ｂは、連通孔ビード部６２ｂのうち短辺３５ａ側の端部の形状に沿って延在している。

第２波状凸部８０ｃは、酸化剤ガス供給連通孔３４ａに対応して設けられている。第２波状凸部８０ｃは、第２金属セパレータ３２の一方の短辺３５ａと膨出形状部６３ｂとの間に位置している。第２波状凸部８０ｃは、膨出形状部６３ｂの膨出端部（短辺３５ａ側の端部）の形状に沿って延在している。

第２波状凸部８０ｄは、第２冷却媒体排出連通孔３６ｂ２に対応して設けられている。第２波状凸部８０ｄは、第２金属セパレータ３２の一方の短辺３５ａと連通孔ビード部６２ｄとの間に位置している。第２波状凸部８０ｄは、連通孔ビード部６２ｄのうち短辺３５ａ側の端部の形状に沿って延在している。

第２波状凸部８０ｅは、第２燃料ガス排出連通孔３８ｂ２に対応して設けられている。第２波状凸部８０ｅは、第２金属セパレータ３２の一方の短辺３５ａと膨出形状部６３ｃとの間に位置している。第２波状凸部８０ｅは、膨出形状部６３ｃの膨出端部（短辺３５ａ側の端部）の形状に沿って延在している。第２波状凸部８０ａ～８０ｅは、シール用ビード部６１のうち最外に位置する部分（短辺３５ａ側の端部）りも外方側（矢印Ｂ１方向）に設けられている。

第２波状凸部８０ｆは、第１酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ１に対応して設けられている。第２波状凸部８０ｆは、第２金属セパレータ３２の他方の短辺３５ｂと膨出形状部６３ｄとの間に位置している。第２波状凸部８０ｆは、膨出形状部６３ｄの膨出端部（短辺３５ｂ側の端部）の形状に沿って延在している。

第２波状凸部８０ｇは、第１冷却媒体供給連通孔３６ａ１に対応して設けられている。第２波状凸部８０ｇは、第２金属セパレータ３２の他方の短辺３５ｂと連通孔ビード部６２ｇとの間に位置している。第２波状凸部８０ｇは、連通孔ビード部６２ｇのうち短辺３５ｂ側の端部の形状に沿って延在している。

第２波状凸部８０ｈは、燃料ガス供給連通孔３８ａに対応して設けられている。第２波状凸部８０ｈは、第２金属セパレータ３２の他方の短辺３５ｂと膨出形状部６３ｅとの間に位置している。第２波状凸部８０ｈは、膨出形状部６３ｅの膨出端部（短辺３５ｂ側の端部）の形状に沿って延在している。

第２波状凸部８０ｉは、第２冷却媒体供給連通孔３６ａ２に対応して設けられている。第２波状凸部８０ｉは、第２金属セパレータ３２の他方の短辺３５ｂと下側の連通孔ビード部６２ｉとの間に位置している。第２波状凸部８０ｉは、連通孔ビード部６２ｉのうち短辺３５ｂ側の端部の形状に沿って延在している。

第２波状凸部８０ｊは、第２酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２に対応して設けられている。第２波状凸部８０ｊは、第２金属セパレータ３２の他方の短辺３５ｂと膨出形状部６３ｆとの間に位置している。第２波状凸部８０ｊは、膨出形状部６３ｆの膨出端部（短辺３５ｂ側の端部）の形状に沿って延在している。第２波状凸部８０ｆ～８０ｊは、シール用ビード部６１のうち最外に位置する部分（短辺３５ｂ側の端部）りも外方側（矢印Ｂ２方向）に設けられている。

図６Ａに示すように、第１波状凸部７０及び第２波状凸部８０は、例えば、正弦波として形成されている。ただし、第１波状凸部７０及び第２波状凸部８０は、矩形波等の非正弦波であってもよい。第１波状凸部７０及び第２波状凸部８０は、繰り返す周期的な形状であればよい。

第１波状凸部７０と第２波状凸部８０とは、積層方向から見て、波形状の位相が互いにずれた状態で重なる。詳細には、第１波状凸部７０と第２波状凸部８０とは、波形状の位相が互いに半周期ずれている。発電セル１２は、積層方向から見て、第１波状凸部７０と第２波状凸部８０とが互いに交差する複数の交差部８２を有する。交差部８２において、第１波状凸部７０と第２波状凸部８０とは、樹脂枠部材４６を挟んで対向している。

第１波状凸部７０の波形状の振幅及び波長は、第２波状凸部８０の波形状の振幅及び波長と同様に設定されている。ただし、第１波状凸部７０の波形状の振幅及び波長は、第２波状凸部８０の波形状の振幅及び波長と異なるように設定されてもよい。

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、酸化剤ガスは、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス供給連通孔３４ａに供給される。燃料ガスは、エンドプレート２０ａの燃料ガス供給連通孔３８ａに供給される。冷却媒体は、エンドプレート２０ａの冷却媒体供給連通孔３６ａに供給される。

酸化剤ガスは、図３に示すように、酸化剤ガス供給連通孔３４ａから第１金属セパレータ３０の酸化剤ガス流路４８に導入される。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、図２に示すＭＥＡ２８ａのカソード電極４２に供給される。

一方、燃料ガスは、図４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、図２に示すＭＥＡ２８ａのアノード電極４４に供給される。

従って、各ＭＥＡ２８ａでは、カソード電極４２に供給される酸化剤ガスと、アノード電極４４に供給される燃料ガスとが、第２電極触媒層及び第１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、カソード電極４２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４４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６８に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、ＭＥＡ２８ａ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。

本実施形態において、第１金属セパレータ３０には、シール用ビード部５１の外方側に、表面３０ａから突出した第１波状凸部７０が一体に設けられ、第２金属セパレータ３２には、シール用ビード部６１の外方側に、表面３２ａから突出した第２波状凸部８０が一体に設けられている。第１波状凸部７０と第２波状凸部８０とは、積層方向から見て波形状の位相が互いにずれた状態で重なっている。

図５に示すように、シール用ビード部５１とシール用ビード部６１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すると、第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２にはモーメントが作用する。しかしながら、本実施形態では、第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２に作用するモーメントを第１波状凸部７０及び第２波状凸部８０で受けることができる。これにより、第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２（シール用ビード部５１、６１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。

また、図６Ｂに示すように、第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２が平面方向（矢印Ｂ方向）に互いに位置ずれした場合に、積層方向から見たときの第１波状凸部７０と第２波状凸部８０との重なり面積（交差部８２の面積）が減少することを抑えることができる。よって、シール用ビード部５１、６１の所望のシール性を確保することができる。

第１波状凸部７０及び第２波状凸部８０のそれぞれの突出端は、積層体１４に締付荷重が付与された締付状態で樹脂枠部材４６に接触している。

このような構成によれば、第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２の平面方向に対して傾くことを効果的に抑えることができる。

第１波状凸部７０と第２波状凸部８０とは、波形状の位相が互いに半周期ずれている。

このような構成によれば、第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２が平面方向（矢印Ｂ方向）に互いに位置ずれした場合に、積層方向から見たときの第１波状凸部７０と第２波状凸部８０との重なり面積（交差部８２の面積）が減少することを効果的に抑えることができる。

第１波状凸部７０は、シール用ビード部５１のうち最外に位置する部分よりも外方側に設けられている。第２波状凸部８０は、シール用ビード部６１のうち最外に位置する部分よりも外方側に設けられている。

このような構成によれば、第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２の平面方向に対する傾きを効果的に抑えることができる。

第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２には、反応ガス又は冷却媒体である流体を流すための複数の連通孔３４ａ、３４ｂ、３６ａ、３６ｂ、３８ａ、３８ｂが積層方向に貫通形成されている。シール用ビード部５１、６１は、複数の連通孔３４ａ、３４ｂ、３６ａ、３６ｂ、３８ａ、３８ｂを個別に囲む複数の連通孔ビード部５２、６２を含む。第１波状凸部７０及び第２波状凸部８０は、複数の連通孔３４ａ、３４ｂ、３６ａ、３６ｂ、３８ａ、３８ｂ毎に互いに独立して設けられている。

このような構成によれば、複数の連通孔ビード部５２、６２の所望のシール性を確保することができる。

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。

第１波状凸部７０ａ～７０ｅの少なくとも一部は、互いに繋がってもよい。第１波状凸部７０ｆ～７０ｊの少なくとも一部は、互いに繋がってもよい。第２波状凸部８０ａ～８０ｅの少なくとも一部は、互いに繋がってもよい。第２波状凸部８０ｆ～８０ｊの少なくとも一部は、互いに繋がってもよい。

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・電極構造体（２８ａ）と前記電解質膜・電極構造体の両側に配設された一組の金属セパレータ（３０、３２）とを有する発電セル（１２）が複数積層された積層体（１４）を備え、前記積層体には、前記発電セルの積層方向の締付荷重が付与され、前記一組の金属セパレータのそれぞれには、前記電解質膜・電極構造体が位置する側の表面（３０ａ、３２ａ）から突出したシール用ビード部（５１、６１）が形成され、前記シール用ビード部は、前記締付荷重によって前記電解質膜・電極構造体の発電面（２９）の外周側に設けられた樹脂枠部（４６）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燃料電池スタック（１０）であって、前記一組の金属セパレータのうちの一方には、前記シール用ビード部の外方側に、前記表面から突出した第１波状凸部（７０）が一体に設けられ、前記一組の金属セパレータのうちの他方には、前記シール用ビード部の外方側に、前記表面から突出した第２波状凸部（８０）が一体に設けられ、前記第１波状凸部と前記第２波状凸部とは、前記積層方向から見て波形状の位相が互いにずれた状態で重なる、燃料電池スタックを開示している。

上記の燃料電池スタックにおいて、前記第１波状凸部及び前記第２波状凸部のそれぞれの突出端は、前記積層体に前記締付荷重が付与された締付状態で前記樹脂枠部に接触してもよい。

上記の燃料電池スタックにおいて、前記第１波状凸部と前記第２波状凸部とは、前記波形状の位相が互いに半周期ずれてもよい。

上記の燃料電池スタックにおいて、前記第１波状凸部及び前記第２波状凸部のそれぞれは、前記シール用ビード部のうち最外に位置する部分よりも外方側に設けられてもよい。

上記の燃料電池スタックにおいて、前記一組の金属セパレータのそれぞれには、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、前記シール用ビード部は、前記複数の連通孔を個別に囲む複数の連通孔ビード部（５２、６２）を含み、前記第１波状凸部及び前記第２波状凸部は、前記複数の連通孔毎に互いに独立して設けられてもよい。

１０…燃料電池スタック １２…発電セル
１４…積層体
２８ａ…ＭＥＡ（電解質膜・電極構造体）
２９…発電面 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 ４６…樹脂枠部材（樹脂枠部）
５１、６１…シール用ビード部 ５２、６２…連通孔ビード部
７０…第１波状凸部 ８０…第２波状凸部

Claims (5)

1. 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配設された一組の金属セパレータとを有する発電セルが複数積層された積層体を備え、
   前記積層体には、前記発電セルの積層方向の締付荷重が付与され、
   前記一組の金属セパレータのそれぞれには、前記電解質膜・電極構造体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、
   前記シール用ビード部は、前記締付荷重によって前記電解質膜・電極構造体の発電面の外周側に設けられた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燃料電池スタックであって、
   前記一組の金属セパレータのうちの一方には、前記シール用ビード部の外方側に、前記表面から突出した第１波状凸部が一体に設けられ、
   前記一組の金属セパレータのうちの他方には、前記シール用ビード部の外方側に、前記表面から突出した第２波状凸部が一体に設けられ、
   前記第１波状凸部と前記第２波状凸部とは、前記積層方向から見て波形状の位相が互いにずれた状態で重なる、燃料電池スタック。
2. 請求項１記載の燃料電池スタックであって、
   前記第１波状凸部及び前記第２波状凸部のそれぞれの突出端は、前記積層体に前記締付荷重が付与された締付状態で前記樹脂枠部に接触している、燃料電池スタック。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池スタックであって、
   前記第１波状凸部と前記第２波状凸部とは、前記波形状の位相が互いに半周期ずれている、燃料電池スタック。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックであって、
   前記第１波状凸部及び前記第２波状凸部のそれぞれは、前記シール用ビード部のうち最外に位置する部分よりも外方側に設けられている、燃料電池スタック。
5. 請求項１～４のいずれか１項に記載の燃料電池スタックであって、
   前記一組の金属セパレータのそれぞれには、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、
   前記シール用ビード部は、前記複数の連通孔を個別に囲む複数の連通孔ビード部を含み、
   前記第１波状凸部及び前記第２波状凸部は、前記複数の連通孔毎に互いに独立して設けられている、燃料電池スタック。

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