JP6563966B2 - 発電セル - Google Patents

Description

本発明は、ビードシールを備えた発電セルに関する。

従来、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の一方面にアノード電極が配置され、電解質膜の他方面にカソード電極が配置されてなる電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）と、ＭＥＡの両側にそれぞれ配置されたセパレータ（バイポーラ板）とを備えた燃料電池（発電セル）は公知である。通常、所定の数の発電セルが積層されることにより燃料電池スタックが構成される。燃料電池スタックは、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池車両（燃料電池電気自動車等）に組み込まれている。

燃料電池では、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ている。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、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、金属セパレータにシーリングビード（ビードシール）を成形する構成が採用されている。ビードシールは、金属セパレータの平坦部（ベースプレート部）から膨出した形状を有する。ビードシールは、プレス成形されるため、製造コストが安価になるという利点がある。

米国特許第６６０５３８０号明細書

金属セパレータとＭＥＡは積層されて、積層方向に締付荷重が付与されることにより、燃料電池スタックとして組み付けられる。従来のビードシールでは、ビードシールの頂部の中央部（ビード幅方向中央部）は変形により面圧が相対的に低下し、頂部の肩部（ビード幅方向両端部）は逆に面圧が相対的に高くなる。そのため、シール幅方向で面圧が低い部位が発生し、ビードシールの平面形状（積層方向から見た形状）によっては、シール性の確保が困難になる場合があった。

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、ビードシールのシール幅方向の面圧分布を均一化し、シール性を向上することが可能な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、電解質膜の両側に電極がそれぞれ配設されてなる電解質膜・電極構造体と積層されて発電セルを構成し、燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体である流体の漏れを防止するためのビードシールが前記電解質膜・電極構造体との積層方向に突出して形成された燃料電池用金属セパレータであって、前記発電セルは、前記積層方向に圧縮荷重が付与されるものであり、前記ビードシールの頂部の断面形状は、前記圧縮荷重の付与に伴って平坦になる形状を有することを特徴とする。

前記ビードシールは、前記積層方向から見た平面視で、湾曲形状を有するとよい。

燃料電池用金属セパレータには、前記積層方向に貫通するとともに前記流体を供給又は排出するための連通孔が設けられ、前記ビードシールは、前記連通孔を囲む連通孔ビード部を有し、前記連通孔ビード部の角部と角部との間に、前記湾曲形状が設けられるとよい。

前記頂部には、シール幅方向に厚さが一定の樹脂製シール部材が設けられるとよい。

前記圧縮荷重を付与しない状態で、前記頂部の断面形状は、前記ビードシールの突出方向に膨出した湾曲形状を有するとよい。

前記頂部の前記湾曲形状の高さは、前記圧縮荷重が大きいほど高いとよい。

また、本発明は、電解質膜の両側に電極がそれぞれ配設されてなる電解質膜・電極構造体と、電解質膜・電極構造体の両側にそれぞれ配設された金属セパレータとを備え、前記金属セパレータには、燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体である流体の漏れを防止するためのビードシールが前記電解質膜・電極構造体と前記金属セパレータとの積層方向に突出して形成され、前記積層方向に圧縮荷重が付与された発電セルであって、前記ビードシールの頂部の断面形状は、前記圧縮荷重の付与に伴って平坦になる形状を有することを特徴とする。

本発明の発電セルによれば、ビードシールの頂部の断面形状は、圧縮荷重の付与に伴って平坦になる形状を有する。このため、圧縮時にはビードシールの頂部が平坦形状になり、シール面圧の局部的な低下や増加をなくすことができる。従って、シール幅方向の面圧分布を均一化し、シール性を向上させることが可能となる。

発電セルの分解斜視図である。 図１に示した発電セルの断面図である。 本発明の第１実施形態に係る金属セパレータのビードシールの断面形状及び面圧分布の説明図である。 第２金属セパレータの平面図である。 比較例に係るビードシールの平面説明図である。 図５におけるＶＩ−ＶＩ線に沿ったビードシールの断面形状及び面圧分布の説明図である。 本発明の第２実施形態に係る金属セパレータのビードシールの断面形状及び面圧分布の説明図である。 本発明の第２実施形態に係る金属セパレータのビードシール（圧縮時にズレ有）の断面形状及び面圧分布の説明図である。 比較例に係る金属セパレータのビードシールの断面形状及び面圧分布の説明図である。 比較例に係る金属セパレータのビードシール（圧縮時にズレ有）の断面形状及び面圧分布の説明図である。

以下、本発明に係る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。なお、第２実施形態において、第１実施形態と同一又は同様な要素には同一の参照符号を付し、詳細な説明を省略する。

図１及び図２に示すように、発電セル（燃料電池）１０は、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体（以下、「樹脂枠付きＭＥＡ１２」という）と、樹脂枠付きＭＥＡ１２の両側にそれぞれ配置された金属セパレータ１４とを備える。発電セル１０は、例えば、横長（又は縦長）の長方形状の固体高分子型燃料電池である。

複数の発電セル１０は、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、燃料電池スタックが構成される。燃料電池スタックは、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１に示すように、発電セル１０の矢印Ｂ方向（水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ、冷却媒体入口連通孔２０ａ及び燃料ガス出口連通孔１６ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔１８ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する一方、冷却媒体入口連通孔２０ａは、冷却媒体を供給する。燃料ガス出口連通孔１６ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。酸化剤ガス入口連通孔１８ａ、冷却媒体入口連通孔２０ａ及び燃料ガス出口連通孔１６ｂは、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

発電セル１０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、燃料ガスを供給する燃料ガス入口連通孔１６ａ、冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔２０ｂ、及び酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔１８ｂが設けられる。燃料ガス入口連通孔１６ａ、冷却媒体出口連通孔２０ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔１８ｂは、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

発電セル１０では、樹脂枠付きＭＥＡ１２が金属セパレータ１４により挟持される。以下、樹脂枠付きＭＥＡ１２の一方面側に配設された金属セパレータ１４を「第１金属セパレータ１４ａ」ともいい、樹脂枠付きＭＥＡ１２の他方面側に配設された金属セパレータ１４を「第２金属セパレータ１４ｂ」ともいう。第１金属セパレータ１４ａ及び第２金属セパレータ１４ｂは、横長（又は縦長）の長方形状を有する。

樹脂枠付きＭＥＡ１２は、電解質膜・電極構造体１２ａ（以下、「ＭＥＡ１２ａ」という）と、ＭＥＡ１２ａ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２２とを備える。ＭＥＡ１２ａは、電解質膜２３と、電解質膜２３の一方の面に設けられたアノード電極２４と、電解質膜２３の他方の面に設けられたカソード電極２６とを有する。

電解質膜２３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２３は、アノード電極２４及びカソード電極２６に挟持される。電解質膜２３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。

図２に示すように、アノード電極２４は、電解質膜２３の一方の面２３ａに接合される第１電極触媒層２４ａと、第１電極触媒層２４ａに積層される第１ガス拡散層２４ｂとを有する。カソード電極２６は、電解質膜２３の他方の面２３ｂに接合される第２電極触媒層２６ａと、第２電極触媒層２６ａに積層される第２ガス拡散層２６ｂとを有する。

樹脂枠部材２２は、その内周部がＭＥＡ１２ａの外周部に接合された平面形状が長方形の枠状の樹脂フィルム（サブガスケット）である。樹脂枠部材２２は一定の厚みを有する。図１において、樹脂枠部材２２の矢印Ｂ方向の一端部には、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ、冷却媒体入口連通孔２０ａ及び燃料ガス出口連通孔１６ｂが設けられる。樹脂枠部材２２の矢印Ｂ方向の他端部には、燃料ガス入口連通孔１６ａ、冷却媒体出口連通孔２０ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔１８ｂが設けられる。樹脂枠部材２２に設けられる連通孔１６ａ、１６ｂ、１８ａ、１８ｂ、２０ａ、２０ｂは、それぞれ、第１金属セパレータ１４ａ及び第２金属セパレータ１４ｂに設けられる連通孔１６ａ、１６ｂ、１８ａ、１８ｂ、２０ａ、２０ｂと同一形状に設定される。

樹脂枠部材２２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。

なお、樹脂枠部材２２を用いることなく、電解質膜２３を外方に突出させてもよい。また、アノード電極２４及びカソード電極２６よりも外方に突出した電解質膜２３の両側に枠形状のフィルムを設けてもよい。

金属セパレータ１４は、セパレータ本体である金属プレート１５を有する。以下では、金属プレート１５自体の構成を説明する際にも、「金属セパレータ１４」との呼称を用いる場合がある。

金属セパレータ１４を構成する金属プレート１５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１４ａと第２金属セパレータ１４ｂ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３２を構成する。

第１金属セパレータ１４ａの樹脂枠付きＭＥＡ１２に向かう面１４ａｓには、燃料ガス入口連通孔１６ａと燃料ガス出口連通孔１６ｂとに連通する燃料ガス流路３８が設けられる。具体的に、燃料ガス流路３８は、第１金属セパレータ１４ａと樹脂枠付きＭＥＡ１２との間に形成される。燃料ガス流路３８は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の直線状流路溝（又は波状流路溝）を有する。

図４に示すように、第２金属セパレータ１４ｂの樹脂枠付きＭＥＡ１２に向かう面１４ｂｓには、酸化剤ガス入口連通孔１８ａと酸化剤ガス出口連通孔１８ｂとに連通する酸化剤ガス流路４０が設けられる。具体的に、酸化剤ガス流路４０は、第２金属セパレータ１４ｂと樹脂枠付きＭＥＡ１２との間に形成される。酸化剤ガス流路４０は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の直線状流路溝（又は波状流路溝）を有する。

図１において、互いに隣接する第１金属セパレータ１４ａと第２金属セパレータ１４ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔２０ａと冷却媒体出口連通孔２０ｂとに連通する冷却媒体流路４２が、矢印Ｂ方向に延在して形成される。

第１金属セパレータ１４ａのＭＥＡ１２ａに向かう面１４ａｓには、流体（燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体）の漏れを防止するための第１シールライン４４が第１金属セパレータ１４ａと一体にプレス成形により設けられる。第１シールライン４４は、第１金属セパレータ１４ａの外周部を周回する。第１シールライン４４は、樹脂枠部材２２に向かって膨出（突出）するとともに、樹脂枠部材２２に気密及び液密に当接する。

第１シールライン４４は、複数のビードシール４５（メタルビードシール）を有する。複数のビードシール４５は、外側ビードシール４５ａと、外側ビードシール４５ａよりも内側に設けられた内側ビードシール４５ｂとを有する。ビードシール４５は、発電セル１０の積層方向から見た平面視で、各連通孔１６ａ、１６ｂ、１８ａ、１８ｂ、２０ａ、２０ｂの周囲に波形状（複数の湾曲形状が連続した形状）の部分４５ｗを有する。内側ビードシール４５ｂは、燃料ガス流路３８、燃料ガス入口連通孔１６ａ及び燃料ガス出口連通孔１６ｂを周回し且つこれらを連通させる。内側ビードシール４５ｂは、連通孔１６ａ、１６ｂ、１８ａ、１８ｂ、２０ａ、２０ｂを個別に囲む複数の連通孔ビード部４５ｃを有する。各連通孔ビード部４５ｃの角部４５ｃｋと角部４５ｃｋとの間に、波形状の部分４５ｗが設けられる。

図４に示すように、第２金属セパレータ１４ｂのＭＥＡ１２ａに向かう面１４ｂｓには、流体の漏れを防止するため、この第２金属セパレータ１４ｂの外周部を周回する第２シールライン４６が第２金属セパレータ１４ｂと一体にプレス成形により設けられる。第２シールライン４６は、樹脂枠部材２２に向かって膨出するとともに、樹脂枠部材２２に気密及び液密に当接する。第１シールライン４４と第２シールライン４６は樹脂枠部材２２を介して対向する。樹脂枠部材２２は、第１シールライン４４と第２シールライン４６との間に挟持される。

第２シールライン４６は、複数のビードシール４７（メタルビードシール）を有する。複数のビードシール４７は、外側ビードシール４７ａと、外側ビードシール４７ａよりも内側に設けられた内側ビードシール４７ｂとを有する。ビードシール４７は、発電セル１０の積層方向から見た平面視で、各連通孔１６ａ、１６ｂ、１８ａ、１８ｂ、２０ａ、２０ｂの周囲に波形状（複数の湾曲形状が連続した形状）の部分４７ｗを有する。内側ビードシール４７ｂは、酸化剤ガス流路４０、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ及び酸化剤ガス出口連通孔１８ｂを周回し且つこれらを連通させる。内側ビードシール４７ｂは、連通孔１６ａ、１６ｂ、１８ａ、１８ｂ、２０ａ、２０ｂを個別に囲む複数の連通孔ビード部４７ｃを有する。各連通孔ビード部４７ｃの角部４７ｃｋと角部４７ｃｋとの間に、波形状の部分４７ｗが設けられる。

図２に示すように、ビードシール４５、４７は、金属セパレータ１４（金属プレート１５）のベースプレート部１５ａから、発電セル１０の積層方向（ＭＥＡ１２ａと金属セパレータ１４との積層方向）に突出して形成される。具体的に、ビードシール４５、４７は、ベースプレート部１５ａから積層方向に離間した頂部５０と、頂部５０の両端部とベースプレート部１５ａとを繋ぐ側部５２、５３とを有する。側部５２、５３は、頂部５０側に向かって互いに近づくように、積層方向に対して傾斜する。このため、ビードシール４５、４７の断面形状は、先端側（樹脂枠部材２２側）に向かって先細り形状である。樹脂枠部材２２を介して対向するビードシール４５、４７の形状（板厚、頂部５０の幅、側部５２、５３の傾斜角度、頂部５０の当初湾曲形状（図３上段））は、同じであることが好ましいが、同じでなくてもよい。

頂部５０の断面形状は、圧縮荷重の付与に伴って平坦になる形状を有する。圧縮荷重は、発電セル１２を積層して燃料電池スタックを締め付けした際、ビードシール４５、４７に付与される荷重である。図３（上段）に示すように、圧縮荷重を付与しない初期状態（燃料電池スタックとして組み付けられる前の状態）で、頂部５０の断面形状は、ビードシール４５の突出方向に膨出した湾曲形状（弧状）を有する。

頂部５０の湾曲形状の高さｈは、圧縮荷重付与時に平坦になるように設定される。従って、頂部５０の湾曲形状の高さｈ（リフト量）は、発電セル１０に付与される圧縮荷重が大きいほど高い。

頂部５０の湾曲形状の曲率半径Ｒが小さ過ぎる場合（例えば、１ｍｍ以下である場合）、高さｈが大きくなり、圧縮荷重付与時に平坦になりにくい。一方、曲率半径Ｒが大き過ぎる場合（例えば、１０ｍｍ以上である場合）、圧縮荷重付与時に頂部５０の幅方向中央部に面圧のピークができず、シール性が悪くなる。従って、頂部５０の湾曲形状の曲率半径Ｒは、１ｍｍ＜Ｒ＜１０ｍｍに設定されるとよい。

高さｈは、側部５２（側部５３）と頂部５０との境界部（湾曲が開始する箇所）から頂部５０のうち最も高い位置までの、ビードシール４５、４７の突出方向に沿った距離である。金属セパレータ１４の板厚Ｔは、０．０５〜０．１５ｍｍに設定されるとよい。高さｈは、例えば、金属セパレータ１４の板厚Ｔの１００〜３００％に設定されるとよい。なお、板厚Ｔの公差範囲（例えば、１５μｍ以内）に入る程度の微小な凹凸形状は平坦とみなす。

図３（中段）に示すように、圧縮荷重を付与した状態（燃料電池スタックとして組み付けられた状態）で、頂部５０の断面形状は、積層方向に垂直な平坦形状である。すなわち、頂部５０の断面形状は、初期状態（図３の上段）ではビードシール４５、４７の突出方向に湾曲しているが、圧縮荷重の付与時（図３の中段）には、圧縮荷重によって弾性変形して平坦形状となる。換言すれば、頂部５０の断面形状が平坦形状となるような圧縮荷重が付与される。図３中段において、頂部５０の幅方向両端部には小さな湾曲５０ａ（Ｒ部）が設けられる。

頂部５０の平坦部分の幅Ｗが小さ過ぎる場合（例えば、０．５ｍｍ未満である場合）、発電セル１０同士のズレ発生時に適切な面圧が確保しにくい。一方、頂部５０の平坦部分の幅Ｗが大き過ぎる場合（例えば、１．５ｍｍ超である場合）、必要面圧を発生させるための圧縮荷重が過大となり、圧縮荷重付与時にビードシール４５、４７が潰れる恐れがある。従って、頂部５０の平坦部分の幅Ｗは、例えば、０．５〜１．５ｍｍであることが好ましい。

図２において、ビードシール４５、４７の頂部５０には、両端部の厚さが中央よりも薄い樹脂製シール部材５６（マイクロシール）が印刷又は塗布等により固着される。従って、ビードシール４５の頂部５０は、樹脂製シール部材５６を介して樹脂枠部材２２に当接する。樹脂製シール部材５６は、例えば、ポリエステル繊維が使用される。なお、樹脂製シール部材５６を省略し、頂部５０を樹脂枠部材２２に直接当接させてもよい。樹脂製シール部材５６は、ＭＥＡ１２ａ側に設けられてもよい。

このように構成される発電セル１０の動作について、以下に説明する。

図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔１８ａには、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１６ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔２０ａには、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、酸化剤ガス入口連通孔１８ａから第２金属セパレータ１４ｂの酸化剤ガス流路４０に導入され、矢印Ｂ方向に移動してＭＥＡ１２ａのカソード電極２６に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔１６ａから第１金属セパレータ１４ａの燃料ガス流路３８に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路３８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、ＭＥＡ１２ａのアノード電極２４に供給される。

従って、ＭＥＡ１２ａでは、カソード電極２６に供給される酸化剤ガスと、アノード電極２４に供給される燃料ガスとが、第２電極触媒層２６ａ及び第１電極触媒層２４ａ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、図１において、カソード電極２６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１８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード電極２４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１６ｂ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２０ａに供給された冷却媒体は、第１金属セパレータ１４ａと第２金属セパレータ１４ｂとの間の冷却媒体流路４２に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、ＭＥＡ１２ａを冷却した後、冷却媒体出口連通孔２０ｂから排出される。

この場合、第１実施形態に係る金属セパレータ１４を備えた発電セル１０は、以下の作用効果を奏する。

図５において、比較例に係る金属セパレータ１４ｒのビードシール４５ｒは、平面視で湾曲形状（波形状）を有する。図６に示すように、金属セパレータ１４ｒのビードシール４５ｒの断面形状は、初期状態（図６上段）で平坦形状である。このため、圧縮荷重付与時（図６中段）には、頂部５０ｒの中央部（ビード幅方向中央部）が変形により凹む。この結果、図６下段に示すように、頂部５０ｒの中央部での面圧が低下し、逆に頂部５０ｒの肩部（ビード幅方向両端部）での面圧が高くなる。

そのため、シール幅方向で面圧が低い部位が発生し、ビードシール４５ｒの平面形状（積層方向から見た形状）によっては、シール性の確保が困難になる場合がある。例えば、図５のように、湾曲形状（波形状）を有するビードシール４５ｒでは、湾曲形状の内側６０ａの面圧が相対的に高くなり、湾曲形状の外側６０ｂの面圧が相対的に低くなる。このため、所望のシール性が確保できず、流体リークが発生するおそれがある。

これに対し、図３に示したように、第１実施形態に係る金属セパレータ１４では、ビードシール４５、４７の頂部５０の断面形状は、圧縮荷重の付与に伴って平坦になる形状を有する。このため、圧縮時にはビードシール４５、４７の頂部５０が湾曲形状から平坦形状へと変形する。これにより、シール面圧の局部的な低下や増加をなくすことができる。この結果、図３下段に示すように、頂部５０でのシール幅方向の面圧分布が均一化し、シール性を向上させることが可能となる。

ビードシール４５、４７は、積層方向から見た平面視で、湾曲形状を有する。上述したように、平面視での形状が湾曲したビードシール４５、４７の場合、湾曲形状に起因したシール性の低下が惹起されやすい。このため、ビードシール４５、４７では、湾曲形状の部分４５ｗ、４７ｗ（図１、図４参照）において、圧縮荷重付与時に頂部５０が平坦形状であることにより、湾曲形状に起因したシール性の低下が有効に防止される。

圧縮荷重を付与しない状態で、頂部５０の断面形状は、ビードシール４５、４７の突出方向に膨出した湾曲形状を有する。これにより、簡易且つ経済的な構成で、圧縮荷重付与時にビードシール４５、４７の頂部５０を平坦形状に変形させることができる。

頂部５０の湾曲形状の高さｈは、圧縮荷重が大きいほど高い。このため、確実に、圧縮荷重付与時にビードシール４５、４７の頂部５０を平坦形状に変形させることができる。

図７に示す第２実施形態に係る金属セパレータ６２（第１金属セパレータ６２ａ及び第２金属セパレータ６２ｂ）を備えた発電セル１０Ａでは、ビードシール４５、４７の頂部５０には、シール幅方向に厚さが一定のフィルム状の樹脂製シール部材６４が設けられる。圧縮荷重を付与する前の初期状態（図７上段）では、ビードシール４５、４７の頂部５０の湾曲形状に沿って樹脂製シール部材６４も湾曲している。

圧縮荷重の付与状態（図７中段）では、頂部５０が平坦に変形することに伴って樹脂製シール部材６４も平坦状に変形する。樹脂枠部材２２を介して対向するビードシール４５、４７同士が、積層方向に垂直な方向にズレを生じていない場合、図７下段に示すように、頂部５０での面圧はシール幅方向の全域に亘って略均一となる。

ここで、図９に示す比較例に係る発電セル１０ｒでは、圧縮荷重を付与する前の初期状態（図９上段）でビードシール４５ｒ、４７ｒの頂部５０ｒは平坦状であり、当該頂部５０ｒに、幅方向中央部が両端部よりも厚く形成された凸状の樹脂製シール部材６４ｒが設けられる。圧縮荷重を付与すると（図９中段）、ビードシール４５ｒ、４７ｒの頂部５０ｒは変形する。圧縮時に面方向（積層方向と垂直な方向）へのズレが無い場合、頂部５０ｒの面圧分布（図９下段）は、幅方向中央部が両端部よりも低くなる。

一方、圧縮時に面方向にズレが生じた場合、図１０のように、樹脂枠部材２２を介して対向する樹脂製シール部材６４ｒの厚みが薄い部分同士で樹脂枠部材２２を挟み込むことになる。このため、頂部５０ｒでの面圧が低下するとともにシール幅が減少する。この結果、シール性が低下する。所望のシール性を確保するためには、高い圧縮荷重を付与することが必要となる。頂部５０ｒの幅を予め広く設定すればシール性の低下を抑制できるかもしれないが、金属セパレータ１４ｒの小型化には不利である。

これに対し、図７に示すように、第２実施形態に係る金属セパレータ６２では、圧縮荷重を付与した状態でビードシール４５の頂部５０が平坦状であるとともに、樹脂製シール部材６４の厚さがビードシール４５のシール幅方向に一定である。このため、図８のように、圧縮時に面方向（積層方向に垂直な方向）にズレが生じた場合でも、面圧の低下が起きない。従って、必要以上に高い圧縮荷重を付与しなくても、所望のシール性を確保することが可能となる。圧縮荷重を低減することで、金属セパレータ６２の板厚を低減することが可能となり、発電セル１０Ａの薄型化及び燃料電池スタックの小型化に寄与できる。また、シール幅を必要以上に大きく設定しなくて済むため、金属セパレータ６２の小型化に有利である。

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…発電セル（燃料電池） １２ａ…ＭＥＡ
１４、６２…金属セパレータ ２３…電解質膜
２４…アノード電極 ２６…カソード電極
４５、４７…ビードシール ５０…頂部
５６、６４…樹脂製シール部材

Claims (1)

1. 電解質膜の両側に電極がそれぞれ配設されてなる電解質膜・電極構造体と、電解質膜・電極構造体の両側にそれぞれ配設された金属セパレータとを備え、前記金属セパレータには、燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体である流体の漏れを防止するためのビードシールが前記電解質膜・電極構造体と前記金属セパレータとの積層方向に突出して形成され、前記積層方向に圧縮荷重が付与された発電セルであって、
   前記ビードシールは、前記積層方向から見た平面視で、湾曲形状を有し、
   前記電解質膜・電極構造体の外周部には樹脂枠部材が設けられ、
   一方の前記金属セパレータの前記ビードシールの頂部と、他方の前記金属セパレータの前記ビードシールの頂部とが、前記樹脂枠部材を介して対向し、
   一方の前記金属セパレータと前記樹脂枠部材との間、及び他方の前記金属セパレータと前記樹脂枠部材との間に、樹脂製シール部材がそれぞれ配置され、
   前記圧縮荷重を付与しない状態で、前記電解質膜・電極構造体と積層される側に突出した前記ビードシールの頂部の断面形状は、前記ビードシールの突出方向に膨出した湾曲形状を有し、
   前記ビードシールの前記頂部の断面形状は、前記圧縮荷重の付与に伴って、前記頂部が前記樹脂製シール部材を介して前記樹脂枠部材に当接した状態で前記湾曲形状から弾性変形して平坦になる形状を有する、
   ことを特徴とする発電セル。

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