JP2011014519A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つ経済的な構成で、発電面全面を確実に冷却するとともに、冷却媒体連通孔の開口断面積を良好に確保し、しかもセパレータの短辺方向の短尺化を図ることを可能にする。
【解決手段】燃料電池スタックを構成する燃料電池１２は、電解質膜・電極構造体２０が、第１及び第２セパレータ２２、２４に挟持される。第１及び第２セパレータ２２、２４は、長方形セパレータを構成しており、前記第１及び第２セパレータ２２、２４の両端縁部には、それぞれ一対の冷却媒体供給連通孔３０ａと冷却媒体排出連通孔３０ｂとが形成される。冷却媒体供給連通孔３０ａ及び冷却媒体排出連通孔３０ｂは、矢印Ｃ方向に長方形開口部で構成され、連通路３８ａは、前記冷却媒体供給連通孔３０ａの上方側に設けられる一方、連通路３８ｂは、前記冷却媒体排出連通孔３０ｂの下部側に設けられる。
【選択図】図２

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体と長方形セパレータとが積層されるとともに、前記長方形セパレータ間には、面方向に延在して冷却媒体流路が形成される燃料電池スタックに関する。

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両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持した単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

上記の燃料電池では、一方のセパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路が設けられるとともに、他方のセパレータの面内に、カソード側電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路が設けられている。また、セパレータ間には、冷却媒体を流すための冷却媒体流路が、前記セパレータの面方向に沿って設けられている。

さらに、この種の燃料電池では、単位セルの積層方向に貫通して燃料ガスを流すための燃料ガス供給連通孔及び燃料ガス排出連通孔と、酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス供給連通孔及び酸化剤ガス排出連通孔と、冷却媒体を流すための冷却媒体供給連通孔及び冷却媒体排出連通孔とを内部に備える、所謂、内部マニホールド型燃料電池を構成する場合が多い。

内部マニホールド型燃料電池に関連する技術として、例えば、特許文献１が知られている。この特許文献１では、図１５に示すように、ステンレス鋼製のセパレータ１を備えており、波板構造を採用することによって、例えば、冷却媒体用の通路部（溝部）２が形成されている。

通路部２の両端は、溝連絡部３を介して連結されることにより、冷却媒体が前記通路部２に行きわたるように通路を確保している。セパレータ１の両側縁部には、冷却媒体通路を構成する穴４が形成されており、通路部２に対して前記冷却媒体の供給又は排出を行う経路を構成している。

セパレータ１には、図示しないスペーサが積層されている。このスペーサの周辺部には、セパレータ１の溝連絡部３に冷却媒体を導くための穴が形成されている。

特開２０００−２６０４３９号公報

ところで、上記の特許文献１では、冷却媒体は、スペーサの周辺部に形成された穴から溝連絡部３に導入された後、前記溝連絡部３に連通する通路部２に沿って直線状に供給されている。このため、専用のスペーサが用いられており、部品点数が増加して燃料電池全体が積層方向に長尺化するとともに、コストが高騰するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、発電面全面を確実に冷却するとともに、冷却媒体連通孔の開口断面積を良好に確保し、しかもセパレータの短辺方向の短尺化を図ることが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。

本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体と長方形セパレータとが積層されるとともに、前記長方形セパレータ間には、面方向に延在して冷却媒体流路が形成される燃料電池スタックに関するものである。

燃料電池スタックにおいて、長方形セパレータの各長辺側には、互いに面方向に対向して一対の冷却媒体供給連通孔と一対の冷却媒体排出連通孔とが形成されるとともに、前記冷却媒体供給連通孔及び前記冷却媒体排出連通孔は、前記長方形セパレータの長辺方向に長尺な長方形開口部で構成され、前記長方形開口部は、前記長方形セパレータの短辺側に近接する部分に、冷却媒体流路に連通する連結路が設けられている。

また、長方形開口部は、前記長方形開口部の長手方向の中間位置から長方形セパレータの短辺側に近接する端部までの間にのみ連結路が設けられることが好ましい。

さらに、長方形セパレータは、縦長形状を有して水平方向に積層されるとともに、鉛直方向上方側に冷却媒体供給連通孔が設けられる一方、鉛直方向下方側に冷却媒体排出連通孔が設けられることが好ましい。

本発明によれば、冷却媒体供給連通孔及び前記冷却媒体排出連通孔は、長方形セパレータの短辺側に近接する部分に、冷却媒体流路に連通する連結路を設けている。このため、発電面全面にわたって冷却媒体を供給することができ、簡単且つ経済的な構成で、発電面全面を確実に冷却することが可能になる。

しかも、冷却媒体供給連通孔及び冷却媒体排出連通孔は、連結路が設けられる範囲以上の領域にわたって形成されている。従って、冷却媒体供給連通孔及び冷却媒体排出連通孔の開口断面積を良好に確保することができ、冷却媒体の圧損が良好に削減可能になる。さらに、冷却媒体供給連通孔及び冷却媒体排出連通孔は、長辺方向に長尺な長方形開口部で構成されるため、セパレータの短辺方向の短尺化が容易に図られる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの概略斜視説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する第１エンドプレートの斜視説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する第２エンドプレートの斜視説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの一部省略斜視説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックの一部省略斜視説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックの概略斜視説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の分解斜視説明図である。 本発明の第５の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する発電ユニットの要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの、図９中、Ｘ−Ｘ線断面説明図である。 前記発電ユニットを構成する第３金属セパレータの正面説明図である。 前記燃料電池スタックの一部断面説明図である。 前記発電ユニット間に形成される冷却媒体流路の一部省略斜視説明図である。 本発明の第６の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する発電ユニットの要部分解斜視説明図である。 特許文献１のセパレータの説明図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０は、燃料電池１２を備え、複数の前記燃料電池１２を水平方向（矢印Ａ方向）に沿って互いに積層して構成される。

燃料電池１２の積層方向一端には、第１ターミナルプレート１４ａ、第１絶縁プレート１６ａ及び第１エンドプレート１８ａが積層される一方、積層方向他端には、第２ターミナルプレート１４ｂ、第２絶縁プレート１６ｂ及び第２エンドプレート１８ｂが積層される。

長方形状に構成される第１エンドプレート１８ａ及び第２エンドプレート１８ｂは、矢印Ａ方向に延在する複数のタイロッド１９により一体的に締め付け保持される。なお、燃料電池スタック１０は、第１エンドプレート１８ａ及び第２エンドプレート１８ｂを端板として含む箱状ケーシング（図示せず）により一体的に保持されてもよい。

図２に示すように、燃料電池１２は、電解質膜・電極構造体２０が、第１及び第２セパレータ２２、２４に挟持される。第１及び第２セパレータ２２、２４は、例えば、カーボンセパレータの他、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、あるいはめっき処理鋼板等の金属セパレータにより構成される。第１及び第２セパレータ２２、２４は、長方形セパレータを構成しており、長辺方向が、例えば、鉛直方向（矢印Ｃ方向）に延在する。

燃料電池１２の矢印Ｃ方向（図２中、重力方向）の上端縁部には、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、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔２６ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔２８ａが、矢印Ｂ方向（水平方向）に配列して設けられる。

燃料電池１２の矢印Ｃ方向の下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔２６ｂ、及び燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔２８ｂが、矢印Ｂ方向に配列して設けられる。

燃料電池１２の矢印Ｂ方向の両端縁部には、冷却媒体を供給するための一対の冷却媒体供給連通孔３０ａ、及び前記冷却媒体を排出するための一対の冷却媒体排出連通孔３０ｂが、例えば、それぞれ上下に設けられる。冷却媒体供給連通孔３０ａ及び冷却媒体排出連通孔３０ｂは、第１及び第２セパレータ２２、２４の長辺方向（矢印Ｃ方向）に長尺な長方形開口部で構成される。

第１セパレータ２２の電解質膜・電極構造体２０に向かう面２２ａには、酸化剤ガス供給連通孔２６ａと酸化剤ガス排出連通孔２６ｂとに連通する酸化剤ガス流路３２が設けられる。

第２セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２０に向かう面２４ａには、燃料ガス供給連通孔２８ａと燃料ガス排出連通孔２８ｂとに連通する燃料ガス流路３４が設けられる。

互いに隣接する燃料電池１２を構成する第１セパレータ２２の面２２ｂと、第２セパレータ２４の面２４ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔３０ａと冷却媒体排出連通孔３０ｂとを連通する冷却媒体流路３６が設けられる。

各冷却媒体供給連通孔３０ａと冷却媒体流路３６とは、連通路３８ａを介して連通するとともに、各冷却媒体排出連通孔３０ｂと前記冷却媒体流路３６とは、連通路３８ｂを介して連通する。

連通路３８ａは、冷却媒体供給連通孔３０ａの上方側（第１及び第２セパレータ２２、２４の短辺側）に近接して設けられる一方、連通路３８ｂは、冷却媒体排出連通孔３０ｂの下部側（第１及び第２セパレータ２２、２４の短辺側）に近接して設けられる。具体的には、連通路３８ａは、冷却媒体供給連通孔３０ａの長手方向の中間位置Ｍ１から上方側端部までの間にのみ設けられるとともに、連通路３８ｂは、冷却媒体排出連通孔３０ｂの長手方向の中間位置Ｍ２から下方側端部までの間にのみ設けられる。

第１セパレータ２２の面２２ａ、２２ｂには、第１シール部材４０ａが、一体的に又は個別に設けられるとともに、第２セパレータ２４の面２４ａ、２４ｂには、第２シール部材４０ｂが、一体的に又は個別に設けられる。

電解質膜・電極構造体２０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜４２と、前記固体高分子電解質膜４２を挟持するカソード側電極４４及びアノード側電極４６とを備える。

カソード側電極４４及びアノード側電極４６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記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とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜４２の両面に形成されている。

図３に示すように、第１エンドプレート１８ａの第１絶縁プレート１６ａ側の面５０ａには、冷却媒体供給連通孔３０ａと冷却媒体排出連通孔３０ｂとを上下方向に連通（接続）する溝部５２ａが左右両側に形成される。

第１エンドプレート１８ａには、各溝部５２ａ内に位置し、冷却媒体供給連通孔３０ａに連通する冷却媒体入口５４ａと、冷却媒体排出連通孔３０ｂに連通する冷却媒体出口５４ｂとが貫通形成される。

図４に示すように、第２エンドプレート１８ｂの第２絶縁プレート１６ｂ側の面５０ｂには、冷却媒体供給連通孔３０ａと冷却媒体排出連通孔３０ｂとを上下に連通する溝部５２ｂが左右両側に形成される。

第２エンドプレート１８ｂの上部には、酸化剤ガス供給連通孔２６ａに連通する酸化剤ガス入口５６ａと、燃料ガス供給連通孔２８ａに連通する燃料ガス入口５８ａとが貫通形成される。第２エンドプレート１８ｂの下部側には、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂに連通する酸化剤ガス出口５６ｂと、燃料ガス排出連通孔２８ｂに連通する燃料ガス出口５８ｂとが形成される。

図１に示すように、第１エンドプレート１８ａの外面側には、上部側に供給マニホールド６０が取り付けられるとともに、下部側に排出マニホールド６２が取り付けられる。

供給マニホールド６０は、第１エンドプレート１８ａの一対の冷却媒体入口５４ａ、５４ａに連通するとともに、前記供給マニホールド６０の上端部側には、空気抜き用ジョイント部６４が設けられる。排出マニホールド６２は、第１エンドプレート１８ａの一対の冷却媒体出口５４ｂ、５４ｂに連通する。

第２エンドプレート１８ｂには、図示しないが、酸化剤ガス入口５６ａ、燃料ガス入口５８ａ、酸化剤ガス出口５６ｂ及び燃料ガス出口５８ｂにそれぞれマニホールドが設けられる。

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。

先ず、第２エンドプレート１８ｂの酸化剤ガス入口５６ａから酸化剤ガス供給連通孔２６ａ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５８ａから燃料ガス供給連通孔２８ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。

さらに、図１に示すように、供給マニホールド６０から第１エンドプレート１８ａの冷却媒体入口５４ａ、５４ａを介して冷却媒体供給連通孔３０ａ、３０ａ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、図２に示すように、酸化剤ガス供給連通孔２６ａから第１セパレータ２２の酸化剤ガス流路３２に導入される。この酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路３２に沿って矢印Ｃ方向（重力方向）に移動し、電解質膜・電極構造体２０のカソード側電極４４に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔２８ａから第２セパレータ２４の燃料ガス流路３４に導入される。この燃料ガスは、燃料ガス流路３４に沿って重力方向（矢印Ｃ方向）に移動し、電解質膜・電極構造体２０のアノード側電極４６に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体２０では、カソード側電極４４に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４６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、電解質膜・電極構造体２０のカソード側電極４４に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。電解質膜・電極構造体２０のアノード側電極４６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２８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

一方、２つの冷却媒体供給連通孔３０ａ、３０ａに供給された冷却媒体は、連通路３８ａ、３８ａを介して、第１セパレータ２２と第２セパレータ２４との間に形成された冷却媒体流路３６に導入される。この冷却媒体は、矢印Ｃ方向に移動して電解質膜・電極構造体２０を冷却した後、連通路３８ｂ、３８ｂを介して、２つの冷却媒体排出連通孔３０ｂ、３０ｂに排出され、さらに排出マニホールド６２を介して外部に排出される。

この場合、燃料電池スタック１０では、組み付け時やメンテナンス時に冷却媒体を充填する作業が行われている。具体的には、排出マニホールド６２から冷却媒体が重力注水される。冷却媒体は、冷却媒体排出連通孔３０ｂ、３０ｂに充填された後、各冷却媒体流路３６に沿って水位が上昇して冷却媒体供給連通孔３０ａ、３０ａに充填されるとともに、供給マニホールド６０に充填される。

その際、第１の実施形態では、第１エンドプレート１８ａの面５０ａ及び第２エンドプレート１８ｂの面５０ｂに、それぞれ冷却媒体供給連通孔３０ａ、３０ａと冷却媒体排出連通孔３０ｂ、３０ｂとを連通する溝部５２ａ、５２ｂが形成されている（図３及び図４参照）。

このため、図２に示すように、特に、冷却媒体排出連通孔３０ｂの上部、すなわち、連通路３８ｂの上方に滞留し易い空気は、前記冷却媒体排出連通孔３０ｂの上部側に沿って矢印Ａ方向に移動して溝部５２ａ又は溝部５２ｂに導入された後、上方に移動する。冷却媒体の充填時には、燃料電池スタック１０を前後方向に揺動させる作業が行われるからである。

従って、溝部５２ｂの上方側に移動した空気は、冷却媒体供給連通孔３０ａに沿って第１エンドプレート１８ａ側に移動する一方、溝部５２ａの上方側に移動した空気は、この第１エンドプレート１８ａの上部側に設けられた冷却媒体入口５４ａから供給マニホールド６０内に導入される。供給マニホールド６０の上方には、ジョイント部６４が設けられており、空気は、このジョイント部６４から外部に排出される。

これにより、燃料電池スタック１０の下方側に位置する冷却媒体排出連通孔３０ｂに進入した空気は、溝部５２ａ、５２ｂを通って上方側の冷却媒体供給連通孔３０ａに移動することが可能になる。

このため、冷却媒体排出連通孔３０ｂに進入した空気を容易且つ確実に外部に排出させることができ、燃料電池１２の内部に前記空気が滞留することを可及的に阻止することが可能になる。なお、第１の実施形態では、第１エンドプレート１８ａ及び第２エンドプレート１８ｂに、それぞれ溝部５２ａ、５２ｂを設けているが、これに限定されるものではなく、例えば、前記第１エンドプレート１８ａにのみ前記溝部５２ａを設けてもよい。

この場合、第１の実施形態では、冷却媒体供給連通孔３０ａ及び冷却媒体排出連通孔３０ｂは、第１及び第２セパレータ２２、２４の長辺方向に長尺な長方形開口部で構成されている。そして、連通路３８ａは、冷却媒体供給連通孔３０ａの長手方向の中間位置Ｍ１から上方側端部までの間にのみ設けられるとともに、連通路３８ｂは、冷却媒体排出連通孔３０ｂの長手方向の中間位置Ｍ２から下方側端部までの間にのみ設けられている。

このように、連通路３８ａ及び連通路３８ｂは、冷却媒体供給連通孔３０ａの上部側及び冷却媒体排出連通孔３０ｂの下部側に設定されることにより、冷却媒体流路３６の上下両端まで冷却媒体を良好に行きわたらせることができる。このため、簡単且つ経済的な構成で、発電面全面を確実に冷却することが可能になる。

さらに、冷却媒体供給連通孔３０ａ及び冷却媒体排出連通孔３０ｂは、矢印Ｃ方向に長尺に設定することにより、開口断面積を良好に確保することができる。従って、冷却媒体の圧力損失を削減させて、図示しない水ポンプの出力を低減させることが可能になるという効果が得られる。

しかも、冷却媒体供給連通孔３０ａ及び冷却媒体排出連通孔３０ｂは、矢印Ｃ方向に長尺な長方形開口部で構成されるため、第１及び第２セパレータ２２、２４の短辺方向の短尺化が容易に図られる。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック７０の一部省略斜視説明図である。

なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態以降においても同様に、その詳細な説明は省略する。

燃料電池スタック７０は、第１絶縁プレート７２ａ及び第２絶縁プレート７２ｂを備える。第１絶縁プレート７２ａには、燃料電池１２側の面７６ａに冷却媒体供給連通孔３０ａと、冷却媒体排出連通孔３０ｂとを上下方向に連通する一対の溝部７８ａ、７８ａが形成される。

第２絶縁プレート７２ｂの燃料電池１２側の面７６ｂには、同様に、冷却媒体供給連通孔３０ａと冷却媒体排出連通孔３０ｂとを上下方向に連通する一対の溝部７８ｂ、７８ｂが形成される。

溝部７８ａ、７８ｂは、第１の実施形態の第１エンドプレート１８ａに設けられた溝部５２ａ及び第２エンドプレート１８ｂに設けられた溝部５２ｂに代えて設けられる。従って、第２の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。なお、第２の実施形態では、第１絶縁プレート７２ａにのみ溝部７８ａを設けてもよい。

図６は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック９０の一部省略斜視説明図である。

燃料電池スタック９０は、少なくとも１枚のセパレータ９２を備える。このセパレータ９２は、実質的に、第１セパレータ２２又は第２セパレータ２４と同様に構成され、例えば、前記第２セパレータ２４に設けられる第２シール部材４０ｂを切り欠いて冷却媒体供給連通孔３０ａと冷却媒体排出連通孔３０ｂとを上下方向に連通する溝部９４を形成する。これにより、第３の実施形態では、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

図７は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタック１００の概略斜視説明図である。

燃料電池スタック１００は、複数の燃料電池１０２を積層して構成するとともに、燃料電池１０２は、図８に示すように、上部側に空気抜き孔１０４が積層方向に貫通形成される。空気抜き孔１０４は、第２セパレータ２４の面２４ｂに形成された一対の空気通路１０６を介して冷却媒体供給連通孔３０ａ、３０ａに連通する。

この第４の実施形態では、例えば、第１の実施形態の溝部５２ａ、５２ｂを設けた第１エンドプレート１８ａ及び第２エンドプレート１８ｂ、第２の実施形態の溝部７８ａ、７８ｂを設けた第１絶縁プレート７２ａ及び第２絶縁プレート７２ｂ又は第３の実施形態の溝部９４を設けたセパレータ９２のいずれかを用いることができる。

従って、第４の実施形態では、冷却媒体排出連通孔３０ｂの上部側に進入した空気は、冷却媒体供給連通孔３０ａ側に移動した後、空気通路１０６から空気抜き孔１０４に排出される。さらに、第１エンドプレート１８ａに設けられたジョイント部１０８から外部に排出される。

図９は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池スタック１２０を構成する発電ユニット１２２の要部分解斜視説明図である。

燃料電池スタック１２０は、発電ユニット１２２を備え、複数の前記発電ユニット１２２を水平方向（矢印Ａ方向）に沿って互いに積層して構成される。発電ユニット１２２は、図９及び図１０に示すように、第１金属セパレータ１２４、第１電解質膜・電極構造体２０ａ、第２金属セパレータ１２８、第２電解質膜・電極構造体２０ｂ及び第３金属セパレータ１３０を設ける。

第１金属セパレータ１２４、第２金属セパレータ１２８及び第３金属セパレータ１３０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縦長形状の金属板により構成される。第１金属セパレータ１２４、第２金属セパレータ１２８及び第３金属セパレータ１３０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。

第１電解質膜・電極構造体２０ａは、第２電解質膜・電極構造体２０ｂよりも小さな表面積に設定される。第１及び第２電解質膜・電極構造体２０ａ、２０ｂは、固体高分子電解質膜４２ａ、４２ｂと、前記固体高分子電解質膜４２ａ、４２ｂを挟持するアノード側電極４６ａ、４６ｂ及びカソード側電極４４ａ、４４ｂとを備える。アノード側電極４６ａ、４６ｂは、カソード側電極４４ａ、４４ｂよりも小さな表面積を有する段差型ＭＥＡを構成している。

各冷却媒体供給連通孔３０ａ、３０ａは、酸化剤ガス供給連通孔２６ａ及び燃料ガス供給連通孔２８ａに近接し、且つそれぞれ矢印Ｂ方向両側の各辺に振り分けられる。各冷却媒体排出連通孔３０ｂ、３０ｂは、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂ及び燃料ガス排出連通孔２８ｂにそれぞれ近接し、且つそれぞれ矢印Ｂ方向両側の各辺に振り分けられる。

図１１に示すように、酸化剤ガス供給連通孔２６ａの開口外側端部と、燃料ガス供給連通孔２８ａの開口外側端部との水平方向に沿った離間間隔Ｈが、設定されるとともに、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂの開口外側端部と、燃料ガス排出連通孔２８ｂの開口外側端部との水平方向に沿った離間間隔Ｈが、設定される。一対の冷却媒体供給連通孔３０ａ及び一対の冷却媒体排出連通孔３０ｂは、上記の離間間隔Ｈ内にそれぞれ振り分けて配置される。

連通路３８ａは、冷却媒体供給連通孔３０ａの長手方向の中間位置Ｍ１から上方側端部の間にのみ形成されるとともに、連通路３８ｂは、冷却媒体排出連通孔３０ｂの長手方向の中間位置Ｍ２から下側端部の間にのみ形成される。

図９に示すように、第１金属セパレータ１２４の第１電解質膜・電極構造体２０ａに向かう面１２４ａには、燃料ガス供給連通孔２８ａと燃料ガス排出連通孔２８ｂとを連通する第１燃料ガス流路１３６が形成される。第１燃料ガス流路１３６は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝部１３６ａを有するとともに、前記第１燃料ガス流路１３６の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部１３８及び出口バッファ部１４０が設けられる。

第１金属セパレータ１２４の面１２４ｂには、冷却媒体供給連通孔３０ａと冷却媒体排出連通孔３０ｂとを連通する冷却媒体流路１４４の一部が形成される。面１２４ｂには、第１燃料ガス流路１３６を構成する複数の波状流路溝部１３６ａの裏面形状である複数の波状流路溝部１４４ａが形成される。

第２金属セパレータ１２８の第１電解質膜・電極構造体２０ａに向かう面１２８ａには、酸化剤ガス供給連通孔２６ａと酸化剤ガス排出連通孔２６ｂとを連通する第１酸化剤ガス流路１５０が形成される。第１酸化剤ガス流路１５０は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝部１５０ａを有する。第１酸化剤ガス流路１５０の入口近傍及び出口近傍には、入口バッファ部１５２及び出口バッファ部１５４が設けられる。

第２金属セパレータ１２８の第２電解質膜・電極構造体２０ｂに向かう面１２８ｂには、燃料ガス供給連通孔２８ａと燃料ガス排出連通孔２８ｂとを連通する第２燃料ガス流路１５８が形成される。第２燃料ガス流路１５８は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝部１５８ａを有するとともに、前記第２燃料ガス流路１５８の入口近傍及び出口近傍には、入口バッファ部１６０及び出口バッファ部１６２が設けられる。第２燃料ガス流路１５８は、第１酸化剤ガス流路１５０の裏面形状である一方、入口バッファ部１６０及び出口バッファ部１６２は、入口バッファ部１５２及び出口バッファ部１５４の裏面形状である。

第３金属セパレータ１３０の第２電解質膜・電極構造体２０ｂに向かう面１３０ａには、酸化剤ガス供給連通孔２６ａと酸化剤ガス排出連通孔２６ｂとを連通する第２酸化剤ガス流路１６６が形成される。第２酸化剤ガス流路１６６は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝部１６６ａを有する。第２酸化剤ガス流路１６６の入口近傍及び出口近傍には、入口バッファ部１６８及び出口バッファ部１７０が設けられる。

第３金属セパレータ１３０の面１３０ｂには、冷却媒体流路１４４の一部が形成される。面１３０ｂには、第２酸化剤ガス流路１６６を構成する複数の波状流路溝部１６６ａの裏面形状である複数の波状流路溝部１４４ｂが形成される。

発電ユニット１２２では、第１金属セパレータ１２４の第１燃料ガス流路１３６、第２金属セパレータ１２８の第１酸化剤ガス流路１５０及び前記第２金属セパレータ１２８の第２燃料ガス流路１５８は、波形状が積層方向に沿って互いに同一の位相に設定されるとともに、波のピッチ、振幅も同一に設定される。発電ユニット１２２の積層方向（矢印Ａ方向）一方の端部に配置される第３金属セパレータ１３０の第２酸化剤ガス流路１６６は、第１燃料ガス流路１３６、第１酸化剤ガス流路１５０及び第２燃料ガス流路１５８とは、波形状が積層方向に沿って互いに異なる位相に設定されるとともに、波のピッチ、振幅が同一に設定される。

図９及び図１０に示すように、第１金属セパレータ１２４の面１２４ａ、１２４ｂには、この第１金属セパレータ１２４の外周端縁部を周回して第１シール部材１７４が一体成形される。第２金属セパレータ１２８の面１２８ａ、１２８ｂには、この第２金属セパレータ１２８の外周端縁部を周回して第２シール部材１７６が一体成形されるとともに、第３金属セパレータ１３０の面１３０ａ、１３０ｂには、この第３金属セパレータ１３０の外周端縁部を周回して第３シール部材１７８が一体成形される。

第１金属セパレータ１２４は、燃料ガス供給連通孔２８ａと第１燃料ガス流路１３６とを連通する複数の外側供給孔部１８０ａ及び内側供給孔部１８０ｂと、燃料ガス排出連通孔２８ｂと前記第１燃料ガス流路１３６とを連通する複数の外側排出孔部１８２ａ及び内側排出孔部１８２ｂとを有する。

第２金属セパレータ１２８は、燃料ガス供給連通孔２８ａと第２燃料ガス流路１５８とを連通する複数の供給孔部１８４と、燃料ガス排出連通孔２８ｂと前記第２燃料ガス流路１５８とを連通する複数の排出孔部１８６とを有する。

発電ユニット１２２同士が互いに積層されることにより、一方の発電ユニット１２２を構成する第１金属セパレータ１２４と、他方の発電ユニット１２２を構成する第３金属セパレータ１３０との間には、矢印Ｂ方向に延在する冷却媒体流路１４４が形成される。

冷却媒体流路１４４では、複数の波状流路溝部１４４ａと１４４ｂとが異なる位相に設定されている。波状流路溝部１４４ａと１４４ｂとが互いに重なり合うことによって、これらの間には、水平方向（矢印Ｂ方向）に連通する複数の流路溝部１４４ｃが形成される（図１２及び図１３参照）。冷却媒体流路１４４は、入口バッファ部１３８及び出口バッファ部１４０と、入口バッファ部１６８及び出口バッファ部１７０とのバッファ裏面形状部分にわたって、冷却媒体を流すように構成される。

このように構成される燃料電池スタック１２０の動作について、以下に説明する。

先ず、図９に示すように、酸化剤ガス供給連通孔２６ａに酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔２８ａに燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔３０ａに冷却媒体が供給される。

このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔２６ａから第２金属セパレータ１２８の第１酸化剤ガス流路１５０及び第３金属セパレータ１３０の第２酸化剤ガス流路１６６に導入される。この酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス流路１５０に沿って矢印Ｃ方向（重力方向）に移動し、第１電解質膜・電極構造体２０ａのカソード側電極４４ａに供給されるとともに、第２酸化剤ガス流路１６６に沿って矢印Ｃ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体２０ｂのカソード側電極４４ｂに供給される。

一方、燃料ガスは、図１０に示すように、燃料ガス供給連通孔２８ａから外側供給孔部１８０ａを通って第１金属セパレータ１２４の面１２４ｂ側に移動する。さらに、燃料ガスは、内側供給孔部１８０ｂから面１２４ａ側に導入された後、第１燃料ガス流路１３６に沿って重力方向（矢印Ｃ方向）に移動し、第１電解質膜・電極構造体２０ａのアノード側電極４６ａに供給される（図９参照）。

また、燃料ガスは、図１０に示すように、供給孔部１８４を通って第２金属セパレータ１２８の面１２８ｂ側に移動する。このため、図９に示すように、燃料ガスは、面１２８ｂ側で第２燃料ガス流路１５８に沿って矢印Ｃ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体２０ｂのアノード側電極４６ｂに供給される。

従って、第１及び第２電解質膜・電極構造体２０ａ、２０ｂでは、カソード側電極４４ａ、４４ｂに供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４６ａ、４６ｂ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及び第２電解質膜・電極構造体２０ａ、２０ｂの各カソード側電極４４ａ、４４ｂ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２６ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

第１電解質膜・電極構造体２０ａのアノード側電極４６ａに供給されて消費された燃料ガスは、内側排出孔部１８２ｂを通って第１金属セパレータ１２４の面１２４ｂ側に導出される。面１２４ｂ側に導出された燃料ガスは、外側排出孔部１８２ａを通って、再度、面１２４ａ側に移動し、燃料ガス排出連通孔２８ｂに排出される。

また、第２電解質膜・電極構造体２０ｂのアノード側電極４６ｂに供給されて消費された燃料ガスは、排出孔部１８６を通って面１２８ａ側に移動する。この燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔２８ｂに排出される。

一方、左右一対の冷却媒体供給連通孔３０ａに供給された冷却媒体は、図１１に示すように、一方の発電ユニット１２２を構成する第１金属セパレータ１２４と、他方の発電ユニット１２２を構成する第３金属セパレータ１３０との間に形成された冷却媒体流路１４４に導入される。

一対の冷却媒体供給連通孔３０ａは、発電ユニット１２２の上部側左右両端に酸化剤ガス供給連通孔２６ａ及び燃料ガス供給連通孔２８ａに近接する位置に振り分けて設けられている。

このため、各冷却媒体供給連通孔３０ａから連通路３８ａを介して冷却媒体流路１４４に供給される冷却媒体は、矢印Ｂ方向に且つ互いに近接する方向に供給される。そして、互いに近接する冷却媒体は、冷却媒体流路１４４の矢印Ｂ方向中央部側で衝突し、重力方向（矢印Ｃ方向下方）に移動した後、発電ユニット１２２の下部側両側部に振り分けて設けられている各冷却媒体排出連通孔３０ｂに排出される。

このように、第５の実施形態では、発電ユニット１２２の上部側に、左右一対の冷却媒体供給連通孔３０ａが設けられるとともに、前記発電ユニット１２２の下部側部に、左右一対の冷却媒体排出連通孔３０ｂが設けられている。従って、冷却媒体は、冷却媒体流路１４４の全領域にわたって略鉛直下方向に向かう流れに沿って移動することができる。これにより、冷却媒体流路１４４内に温度勾配を利用して温度分布を抑制することが可能になり、均一な冷却効率を維持し得る等、上記の第１〜第４の実施形態と同様の効果が得られる。

また、第５の実施形態では、発電ユニット１２２の上端縁部に、酸化剤ガス供給連通孔２６ａ及び燃料ガス供給連通孔２８ａが設けられるとともに、前記発電ユニット１２２の下端縁部に、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂ及び燃料ガス排出連通孔２８ｂが設けられているが、これとは逆に、前記上端縁部に前記酸化剤ガス排出連通孔２６ｂ及び前記燃料ガス排出連通孔２８ｂを設け、前記下端縁部に前記酸化剤ガス供給連通孔２６ａ及び前記燃料ガス供給連通孔２８ａを設けてもよい。

さらに、発電ユニット１２２の短辺方向の両端縁部上方に一対の冷却媒体供給連通孔３０ａが設けられるとともに、前記発電ユニット１２２の短辺方向の両端縁部下方に一対の冷却媒体排出連通孔３０ｂが設けられているが、これとは逆に、前記両端縁部上方に一対の前記冷却媒体排出連通孔３０ｂを設け、前記両端縁部下方に一対の前記冷却媒体供給連通孔３０ａを設けてもよい。

図１４は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池スタック２００を構成する発電ユニット２０２の要部分解斜視説明図である。なお、第５の実施形態に係る燃料電池スタック１２０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

発電ユニット２０２では、第１金属セパレータ２０４、第１電解質膜・電極構造体２０ａ、第２金属セパレータ２０６、第２電解質膜・電極構造体２０ｂ及び第３金属セパレータ２０８が、重力方向に沿って積層される。

この第６の実施形態では、上記の第１〜第５の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、７０、９０、１００、１２０、２００…燃料電池スタック
１２、１０２…燃料電池 １８ａ、１８ｂ…エンドプレート
２０、２０ａ、２０ｂ…電解質膜・電極構造体
２２、２４、９２…セパレータ ２６ａ…酸化剤ガス供給連通孔
２６ｂ…酸化剤ガス排出連通孔 ２８ａ…燃料ガス供給連通孔
２８ｂ…燃料ガス排出連通孔 ３０ａ…冷却媒体供給連通孔
３０ｂ…冷却媒体排出連通孔 ３２、１５０、１６６…酸化剤ガス流路
３４、１３６、１５８…燃料ガス流路 ３６、１４４…冷却媒体流路
３８ａ、３８ｂ…連通路 ４２、４２ａ、４２ｂ…固体高分子電解質膜
４４、４４ａ、４４ｂ…カソード側電極 ４６、４６ａ、４６ｂ…アノード側電極
５２ａ、５２ｂ、７８ａ、７８ｂ、９４…溝部
６０…供給マニホールド ６２…排出マニホールド
６４、１０８…ジョイント部 ７２ａ、７２ｂ…絶縁プレート
１０４…空気抜き孔 １０６…空気通路
１２２、２０２…発電ユニット
１２４、１２８、１３０、２０４、２０６、２０８…金属セパレータ

Claims (3)

1. 電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体と長方形セパレータとが積層されるとともに、前記長方形セパレータ間には、面方向に延在して冷却媒体流路が形成される燃料電池スタックであって、
   前記長方形セパレータの各長辺側には、互いに前記面方向に対向して一対の冷却媒体供給連通孔と一対の冷却媒体排出連通孔とが形成されるとともに、
   前記冷却媒体供給連通孔及び前記冷却媒体排出連通孔は、前記長方形セパレータの長辺方向に長尺な長方形開口部で構成され、前記長方形開口部は、前記長方形セパレータの短辺側に近接する部分に、前記冷却媒体流路に連通する連結路が設けられることを特徴とす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において、前記長方形開口部は、該長方形開口部の長手方向の中間位置から前記長方形セパレータの短辺側に近接する端部までの間にのみ前記連結路が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池スタックにおいて、前記長方形セパレータは、縦長形状を有して水平方向に積層されるとともに、
   鉛直方向上方側に前記冷却媒体供給連通孔が設けられる一方、鉛直方向下方側に前記冷却媒体排出連通孔が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。

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