JP2006147468A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つ経済的な構成で、金属セパレータの電蝕による腐食を確実に阻止することを可能にする。
【解決手段】発電セル１２は、電解質膜・電極構造体２２と、前記電解質膜・電極構造体２２を挟持する第１及び第２金属セパレータ２４、２６とを備える。電解質膜・電極構造体２２を構成するカソード側電極３８の矢印Ｂ方向両端部には、それぞれ外方に突出してガス拡散層からなる導体部３９ａ〜３９ｃ及び３９ｄ〜３９ｆが一体成形される。導体部３９ａ〜３９ｆは、第２金属セパレータ２６に一体成形される平面シール部材６０に部分的に重なっており、各連通孔に最も近接する導電部を構成している。
【選択図】図３

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体とセパレータとを交互に積層するとともに、積層方向に貫通して少なくとも冷却媒体又は反応ガスのいずれかの流体を流す流体連通孔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（電解質）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対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層するとともに、積層方向両端には、ターミナルプレート、絶縁プレート及びエンドプレートが配置されることにより、燃料電池スタックを構成している。

この燃料電池において、アノード側電極には、燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）が供給される一方、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されている。アノード側電極に供給された燃料ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。

上記の燃料電池では、それぞれのセパレータの面内に、アノード側電極に燃料ガスを流すための燃料ガス流路と、カソード側電極に酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路とが設けられている。さらに、各セパレータ間又は所定数のセパレータ間には、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。

一般的に、燃料電池は、セパレータの内部に積層方向に貫通する流体供給連通孔及び流体排出連通孔が設けられる、所謂、内部マニホールド型燃料電池を構成している。そして、流体である燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体は、それぞれの流体供給連通孔から燃料ガス流路、酸化剤ガス流路及び冷却媒体流路に供給された後、それぞれの流体排出連通孔に排出されている。

この種の内部マニホールド型燃料電池において、例えば、冷却媒体の流入口の電圧と冷却媒体の流出口の電圧とに電位差が生じることを防止するために、特許文献１に開示されている燃料電池の冷却構造が知られている。この冷却構造は、図１２に示すように、直列に接続された４つの燃料電池スタックａ１〜ａ４を備えるとともに、各燃料電池スタックａ１〜ａ４に設けられた図示しない冷却媒体流路に冷却媒体を供給するために、供給部材ｂが設けられている。

供給部材ｂには、冷却媒体を流入する流入管ｃと、前記冷却媒体を流出する流出管ｄとが設けられている。流入管ｃ及び流出管ｄには、導電性材料で形成された網目部材ｅ、ｆが取り付けられるとともに、前記網目部材ｅ、ｆは、導電ラインｇにより電気的に接続されている。この導電ラインｇは、電位が０Ｖの基準電極ｈに導電ラインｇ１を介して接続されるとともに、導電ラインｇ２を介して接地されている。これにより、冷却構造に接続された他の機器が腐食したり、外部に電位漏れが生じたりすることを防止している。

特開２００１−１５５７６１号公報（図１）

ところで、１ａ〜１ｂでは、積層方向に電気を流すためにセパレータ自体が導電性を有する必要がある。このため、セパレータは、金属系材料や黒鉛系材料等の導電性材料で構成されており、例えば、金属系材料を使用した金属セパレータが採用されている。

その際、金属セパレータでは、流体供給連通孔や流体排出連通孔に存在する生成水や結露水によって腐食電流が流れ易い。従って、電蝕による腐食が発生することを阻止するために、流体供給連通孔及び流体排出連通孔の周囲に絶縁体が設けられている。例えば、図１３に示す燃料電池１は、電解質膜・電極構造体２を金属セパレータ３、４により挟持して構成されている。電解質膜・電極構造体２は、固体高分子電解質膜２ａとアノード側電極２ｂ及びカソード側電極２ｃとを備えている。

燃料電池１は、酸化剤ガス供給連通孔５の他、種々の連通孔（図示せず）を貫通形成して内部マニホールドを構成している。金属セパレータ３、４には、酸化剤ガス供給連通孔５の周辺を覆って絶縁材６、７が一体成形されている。絶縁材６には、電解質膜・電極構造体２を構成する固体高分子電解質膜２ａに接するシール部６ａが一体成形されており、酸化剤ガス供給連通孔５からアノード側電極２ｂに酸化剤ガスが洩れることを阻止している。

金属セパレータ３、４間には、酸化剤ガス供給連通孔５をカソード側電極２ｃの流路８に連通させるための通路９が形成されており、この通路９を介して酸化剤ガスが前記カソード側電極２ｃに供給されている。

この場合、酸化剤ガス供給連通孔５内には、生成水や結露水が滞留し易く、この水中には、電解質膜・電極構造体２や絶縁材６、７等から溶出したイオンが溶け込んで、導電率を上昇させている。このため、複数の燃料電池１が略水平方向に積層された燃料電池スタックの発電中には、金属セパレータ３、４間に電圧が印加されるため、酸化剤ガス供給連通孔５の底部に滞留した水を介して前記金属セパレータ４の金属露出部４ａ間で短絡し易い。

これにより、金属セパレータ４の腐食が進行し、金属イオンの溶出によって固体高分子電解質膜２ａのイオン交換量の減少による発電性能の低下が惹起されるとともに、この固体高分子電解質膜２ａ自体が劣化するという問題がある。一方、図示しないが、冷却媒体用の連通孔付近においても、上記と同様の問題が発生してしまう。

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、金属セパレータの電蝕による腐食を確実に阻止す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配設される電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体と金属セパレータとを略水平方向に沿って交互に積層するとともに、積層方向に貫通して少なくとも冷却媒体又は反応ガスのいずれかの流体を流す流体連通孔が形成される燃料電池スタックである。

金属セパレータには、流体連通孔の内壁を覆って絶縁部材が設けられるとともに、前記金属セパレータに導通する電解質・電極構造体の端部は、少なくとも前記金属セパレータの金属露出部分から前記流体連通孔側に突出して前記絶縁部材に部分的に重なり合う位置に設定されている。

また、金属セパレータには、電解質・電極構造体の発電面方向に沿って流体を供給する流体流路と、流体連通孔と前記流体流路とを連通する通路とが形成されるとともに、前記電解質・電極構造体の端部から前記通路に突出する電極延在部を設け、前記電極延在部が前記絶縁部材の端部に部分的に重なり合うことが好ましい。

さらに、金属セパレータには、電解質・電極構造体の発電面方向に沿って流体を供給する流体流路と、前記流体連通孔と前記流体流路とを連通する通路とが形成されるとともに、絶縁部材は、前記通路から前記流体流路側に突出する延在部を設け、前記延在部が前記電解質・電極構造体の端部から突出する電極延在部に重なり合うことが好ましい。

さらにまた、電解質・電極構造体は、一方のガス拡散層の表面積が他方のガス拡散層の表面積よりも大きく設定されており、前記電解質・電極構造体は、絶縁部材が設けられた一方の金属セパレータと、シール部材が設けられた他方の金属セパレータとの間に配設されるとともに、前記一方のガス拡散層が前記一方の金属セパレータの前記絶縁部材に部分的に重なり合い、且つ前記シール部材が前記他方のガス拡散層を周回して前記電解質・電極構造体に重なり合うことが好ましい。

また、電解質・電極構造体を構成する電解質層がシール部材の端部に突き当てられることにより、前記電解質層は、一方のガス拡散層、他方のガス拡散層及び前記シール部材で囲繞されることが好ましい。

さらに、電解質膜・電極構造体は、一方の金属セパレータとシール部材とで挟持されることが好ましい。電解質膜・電極構造体を安定して保持することができるからである。

本発明によれば、電解質・電極構造体の端部、すなわち、金属セパレータに導通された導電部が、前記金属セパレータの金属露出部分よりも流体連通孔に近接して配置されている。このため、流体連通孔に最も近接する導電部に優先的に電流が流れ、金属セパレータに腐食電流が流れることを阻止することができる。

これにより、簡単且つ経済的な構成で、金属セパレータに電蝕による腐食が発生することを確実に抑制することが可能になる。しかも、金属イオンの溶出による電解質の発電性能の低下を有効に阻止するとともに、前記電解質自体の劣化を防止することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０の斜視説明図である。

燃料電池スタック１０は、複数の発電セル（燃料電池）１２が矢印Ａ方向に積層された積層体１４を備え、前記積層体１４の積層方向両端には、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂ及び絶縁プレート１８ａ、１８ｂを介装してエンドプレート２０ａ、２０ｂが配置される。エンドプレート２０ａ、２０ｂは、例えば、図示しない締め付けボルトにより積層方向に締め付けられる。この燃料電池スタック１０は、例えば、各発電セル１２を水平方向にあるいは水平方向から所定角度傾斜した状態で積層し、自動車等の車両に搭載されている。

図２及び図３に示すように、各発電セル１２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）２２と、前記電解質膜・電極構造体２２を挟持する薄板波形状の第１及び第２金属セパレータ２４、２６とを備える。

図３に示すように、発電セル１２の矢印Ｂ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、例えば、酸素含有ガス（空気等）を供給するための酸化剤ガス供給連通孔２８ａ、冷却媒体、例えば、純水やエチレングリコール等を供給するための冷却媒体供給連通孔３０ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔３２ｂが設けられる。

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、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔３２ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３０ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔２８ｂが設けられる。

電解質膜・電極構造体２２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３４と、前記固体高分子電解質膜３４を挟持するアノード側電極３６及びカソード側電極３８とを備える。

アノード側電極３６及びカソード側電極３８は、図２に示すように、カーボンペーパ等からなるガス拡散層３６ａ、３８ａ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３６ａ、３８ａの表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層３６ｂ、３８ｂとを有する。電極触媒層３６ｂ、３８ｂは、固体高分子電解質膜３４の両面に形成される。

図３に示すように、アノード側電極３６の表面積は、カソード側電極３８の表面積よりも小さく設定される。カソード側電極３８の矢印Ｂ方向の一端部には、酸化剤ガス供給連通孔２８ａ、冷却媒体供給連通孔３０ａ及び燃料ガス排出連通孔３２ｂ側に突出する導体部（電極延在部）３９ａ、３９ｂ及び３９ｃが一体成形される。カソード側電極３８の矢印Ｂ方向の他端部には、燃料ガス供給連通孔３２ａ、冷却媒体排出連通孔３０ｂ及び酸化剤ガス排出連通孔２８ｂ側に向かって突出する導体部３９ｄ、３９ｅ及び３９ｆが一体成形される。導体部３９ａ〜３９ｆは、実質的にガス拡散層３８ａにより構成されている。

第１金属セパレータ２４は、燃料ガス供給連通孔３２ａの近傍に複数の供給孔部４０ａを設ける一方、燃料ガス排出連通孔３２ｂの近傍に複数の排出孔部４０ｂを設ける。第１金属セパレータ２４は、電解質膜・電極構造体２２に向かう面２４ａに燃料ガス流路（流体流路）４２を設ける（図３〜図５参照）。第１金属セパレータ２４の面２４ｂには、図３に示すように、冷却媒体供給連通孔３０ａと冷却媒体排出連通孔３０ｂとを通路４４ａ、４４ｂを介して連通する冷却媒体流路４４が設けられる。

第２金属セパレータ２６は、電解質膜・電極構造体２２に向かう面２６ａに酸化剤ガス流路（反応ガス流路）４６を設ける。この酸化剤ガス流路４６は、酸化剤ガス供給連通孔２８ａと酸化剤ガス排出連通孔２８ｂとにそれぞれ通路４６ａ、４６ｂを介して連通する。第２金属セパレータ２６の面２６ｂと第１金属セパレータ２４の面２４ｂとの間に、冷却媒体流路４４が一体的に形成される。

第１金属セパレータ２４の面２４ａ、２４ｂには、図３〜図５に示すように、この第１金属セパレータ２４の外周端縁部を周回して第１弾性シール（絶縁部材）５０が一体化される。第１弾性シール５０には、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が用いられる。

図５に示すように、第１弾性シール５０は、面２４ａに一体化される外側シール部材５２と内側シール部材５４とを備える。外側シール部材５２は、酸化剤ガス供給連通孔２８ａ及び酸化剤ガス排出連通孔２８ｂを第２金属セパレータ２６の酸化剤ガス流路４６に連通させる。

内側シール部材５４は、図４に示すように、電解質膜・電極構造体２２を構成するアノード側電極３６の外方に位置して固体高分子電解質膜３４に直接接触し、燃料ガス流路４２を酸化剤ガス供給連通孔２８ａ、酸化剤ガス排出連通孔２８ｂ、冷却媒体供給連通孔３０ａ及び冷却媒体排出連通孔３０ｂから遮蔽する。第１弾性シール５０は、図３に示すように、面２４ｂに一体化される平面シール部材５６を備える。

第２金属セパレータ２６の面２６ａ、２６ｂには、この第２金属セパレータ２６の外周端縁部を周回して第２弾性シール５８が一体化される。この第２弾性シール５８は、上記の第１弾性シール５０と同様に構成されており、面２６ａに一体化される平面シール部材６０を備える。

この平面シール部材６０は、酸化剤ガス流路４６を周回しており、図４に示すように、第１金属セパレータ２４と第２金属セパレータ２６とが電解質膜・電極構造体２２を介装して積層される際、前記電解質膜・電極構造体２２の導体部３９ａ〜３９ｇが前記平面シール部材６０に部分的に重なり合う（図４参照）。第２弾性シール５８は、面２６ｂに一体化されて冷却媒体供給連通孔３０ａ及び冷却媒体排出連通孔３０ｂを冷却媒体流路４４に連通するためのシール部材６２を有する。

図１に示すように、エンドプレート２０ａの矢印Ｂ方向の一端側には、酸化剤ガス供給連通孔２８ａ、冷却媒体供給連通孔３０ａ及び燃料ガス排出連通孔３２ｂに連通するマニホールド配管６６ａ、６８ａ及び７０ｂが一体的又は個別に配設される。エンドプレート２０ａの矢印Ｂ方向の他端側には、燃料ガス供給連通孔３２ａ、冷却媒体排出連通孔３０ｂ及び酸化剤ガス排出連通孔２８ｂに連通するマニホールド配管７０ａ、６８ｂ及び６６ｂが一体的又は個別に配設される。

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、図１に示すように、酸化剤ガスは、マニホールド配管６６ａから燃料電池スタック１０の酸化剤ガス供給連通孔２８ａに供給される。一方、燃料ガスは、マニホールド配管７０ａから燃料電池スタック１０の燃料ガス供給連通孔３２ａに供給される。また、冷却媒体は、マニホールド配管６８ａから燃料電池スタック１０の冷却媒体供給連通孔３０ａに供給される。

燃料電池スタック１０内では、図３に示すように、酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給連通孔２８ａから第２金属セパレータ２６の酸化剤ガス流路４６に導入され、電解質膜・電極構造体２２のカソード側電極３８に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３２ａから第１金属セパレータ２４の燃料ガス流路４２に導入され、電解質膜・電極構造体２２のアノード側電極３６に沿って移動する。

従って、各電解質膜・電極構造体２２では、カソード側電極３８に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３６に供給される燃料ガスとが、電極触媒層３８ｂ、３６ｂ内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。

次いで、カソード側電極３８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２８ｂに沿って流動した後、エンドプレート２０ａに連結されたマニホールド配管６６ｂに排出される。同様に、アノード側電極３６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３２ｂに排出されて流動し、エンドプレート２０ａに連結されたマニホールド配管７０ｂに排出される。

また、純水やエチレングリコール等の冷却媒体は、第１及び第２金属セパレータ２４、２６間の冷却媒体流路４４に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２２を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３０ｂを移動し、エンドプレート２０ａに連結されたマニホールド配管６８ｂに排出されて循環使用される。

この場合、第１の実施形態では、図３に示すように、電解質膜・電極構造体２２を構成するカソード側電極３８は、酸化剤ガス供給連通孔２８ａ、冷却媒体供給連通孔３０ａ、燃料ガス排出連通孔３２ｂ、燃料ガス供給連通孔３２ａ、冷却媒体排出連通孔３０ｂ及び酸化剤ガス排出連通孔２８ｂに向かって突出する導体部３９ａ〜３９ｆがガス拡散層３８ａに一体成形されている。

このため、図４に示すように、酸化剤ガス供給連通孔２８ａでは、導体部３９ａが第２金属セパレータ２６の金属露出部分２６ｃから前記酸化剤ガス供給連通孔２８ａ側に突出して平面シール部材６０に部分的に重なっている。従って、燃料電池スタック１０の運転中に、酸化剤ガス供給連通孔２８ａに最も近接する導電部である導体部３９ａに優先的に電流が流れ、第２金属セパレータ２６に腐食電流が流れることを有効に阻止することができる。これにより、簡単且つ経済的な構成で、第２金属セパレータ２６に電蝕による腐食が発生することを確実に抑制することが可能になるという効果が得られる。

しかも、第２金属セパレータ２６では、酸化剤ガス供給連通孔２８ａの周辺に金属イオンが溶出することを阻止することができる。このため、固体高分子電解質膜３４のイオン交換量の減少による発電性能の低下を抑制するとともに、前記固体高分子電解質膜３４自体の劣化を防止することが可能になる。

一方、冷却媒体供給連通孔３０ａ、燃料ガス排出連通孔３２ｂ、燃料ガス供給連通孔３２ａ、冷却媒体排出連通孔３０ｂ及び酸化剤ガス排出連通孔２８ｂにおいても、上記の酸化剤ガス供給連通孔２８ａと同様の効果が得られる。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する発電セル８０の分解斜視説明図である。なお、第１の実施形態に係る発電セル１２と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細の説明は省略する。また、以下に説明する第３及び第４の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

発電セル８０は、電解質膜・電極構造体８２と、前記電解質膜・電極構造体８２を挟持する第１及び第２金属セパレータ２４、２６とを備える。電解質膜・電極構造体８２は、固体高分子電解質膜３４を挟持するアノード側電極３６及びカソード側電極８４を備える。このカソード側電極８４の矢印Ｂ方向両端部には、固体高分子電解質膜３４の両端部から所定の長さだけ突出して導体部８６ａ、８６ｂが一体成形される。

導体部８６ａは、第２金属セパレータ２６に設けられる平面シール部材６０に部分的に重なり合って、酸化剤ガス供給連通孔２８ａ、冷却媒体供給連通孔３０ａ及び燃料ガス排出連通孔３２ｂに最も近接する導電部を構成する。導体部８６ｂは、同様に、第２金属セパレータ２６の平面シール部材６０に部分的に重なり合って、燃料ガス供給連通孔３２ａ、冷却媒体排出連通孔３０ｂ及び酸化剤ガス排出連通孔２８ｂに最も近接する導電部を構成する。

このように構成される第２の実施形態では、酸化剤ガス供給連通孔２８ａを含む各連通孔に近接する導体部８６ａ、８６ｂに優先的に電流が流れるため、第２金属セパレータ２６に腐食電流が流れることを確実に阻止することができる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図７は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する発電セル１００の分解斜視説明図であり、図８は、前記発電セル１００の、図７中、ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面図である。

発電セル１００は、第１及び第２金属セパレータ２４、２６に挟持される電解質膜・電極構造体１０２を備える。この電解質膜・電極構造体１０２は、固体高分子電解質膜１０４と、前記固体高分子電解質膜１０４を挟持するアノード側電極３６及びカソード側電極１０６とを備える。

固体高分子電解質膜１０４は、アノード側電極３６と同一寸法乃至僅かに大きな寸法に設定される一方、カソード側電極１０６は、第２金属セパレータ２６の平面シール部材６０に部分的に重なり合う寸法に設定される。このカソード側電極１０６上には、固体高分子電解質膜１０４の外周部を周回してシールライン１０８が設けられ、このシールライン１０８に内側シール部材５４が配置される。

図８に示すように、発電セル１００では、固体高分子電解質膜１０４の外周部は、内側シール部材５４に突き当てられており、前記固体高分子電解質膜１０４は、アノード側電極３６、カソード側電極１０６及び前記内側シール部材５４により囲繞されている。

このように構成される第３の実施形態では、電解質膜・電極構造体１０２を構成するカソード側電極１０６の外周端部が、各連通孔に最も近接する導電部を構成している。このため、カソード側電極１０６の外周端部に優先的に電流が流れ、第２金属セパレータ２６に腐食電流が流れることを阻止することができる等、第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

さらに、図８に示すように、固体高分子電解質膜１０４は、アノード側電極３６、カソード側電極１０６及び内側シール部材５４により囲繞されている。これにより、固体高分子電解質膜１０４に金属イオン等が接触することがなく、この固体高分子電解質膜１０４の電蝕による劣化を一層確実に阻止することが可能になる。

図９は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する発電セル１２０の分解斜視説明図であり、図１０は、前記発電セル１２０の、図９中、Ｘ−Ｘ線断面図である。

発電セル１２０は、第１及び第２金属セパレータ２４、２６に挟持される電解質膜・電極構造体１２２を備える。この電解質膜・電極構造体１２２は、アノード側電極３６と、このアノード側電極３６よりも表面積の大きな固体高分子電解質膜１２４と、前記固体高分子電解質膜１２４と同一寸法のカソード側電極１２６とを備える。

第２金属セパレータ２６には、酸化剤ガス流路４６側に比較的長尺に延在する平面シール部材１２８が一体成形される。この平面シール部材１２８は、例えば、第１の実施形態における平面シール部材６０よりも酸化剤ガス流路４６側に突出して延在部を構成する。図１０に示すように、平面シール部材１２８と電解質膜・電極構造体１２２を構成するカソード側電極１２６とは、部分的に重なり合っている。

このように構成される第４の実施形態では、酸化剤ガス供給連通孔２８ａを含む各連通孔の近傍で、電解質膜・電極構造体２２を構成するカソード側電極１２６の端部が、第２金属セパレータ２６に一体成形されている平面シール部材１２８に部分的に重なり合っている。従って、カソード側電極１２６の端部は、連通孔に最も近接する導電部を構成している。

このため、カソード側電極１２６の端部に優先的に電流が流れ、第２金属セパレータ２６に腐食電流が流れることを阻止することができる等、第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。しかも、第２金属セパレータ２６に設けられる平面シール部材１２８の寸法を設定するだけでよく、発電セル１２０を経済的且つ容易に製造することが可能になるという効果が得られる。

なお、本発明は、上記の第１〜第４の実施形態に限定されるものではない。例えば、第１の実施形態では、電解質膜・電極構造体２２を第２金属セパレータ２６と第１弾性シール５０とで挟持しているが、これに限定されるものではなく、図１１に示す第５の実施形態を採用することができる。

この第５の実施形態では、電解質膜・電極構造体２２を第１及び第２金属セパレータ２４、１３０間に配設する発電セル１３２を備える。第２金属セパレータ１３０には、第２弾性シール５８を構成する平面シール部材１３４が前記第２金属セパレータ１３０の屈曲部位にわたって設けられている。平面シール部材１３４は、電解質膜・電極構造体２２に接触することがなく、且つ導体部３９ａよりも第２金属セパレータ１３０の金属露出部１３０ａ側に延在している。電解質膜・電極構造体２２は、例えば、第１弾性シール５０に固着されていてもよい。

これにより、第５の実施形態では、発電セル１３０の運転中に、酸化剤ガス供給連通孔２８ａに最も近接する導体部３９ａに優先的に電気が流れるため、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。なお、第５の実施形態は、第２〜第４の実施形態においても同様に採用することができる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの斜視説明図である。 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。 前記発電セルの、図３中、ＩＶ−ＩＶ線断面図である。 前記発電セルを構成する第１金属セパレータの正面図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する発電セルの分解斜視説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する発電セルの分解斜視説明図である。 前記発電セルの、図７中、ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する発電セルの分解斜視説明図である。 前記発電セルの、図９中、Ｘ−Ｘ線断面図である。 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セルの断面図である。 特許文献１の燃料電池の冷却構造の説明図である。 金属セパレータが組み込まれる発電セルの断面説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池スタック １２、８０、１００、１２０、１３２…発電セル
１４…積層体
２２、８２、１０２、１２２…電解質膜・電極構造体
２４、２６、１３０…金属セパレータ ２８ａ…酸化剤ガス供給連通孔
２８ｂ…酸化剤ガス排出連通孔 ３０ａ…冷却媒体供給連通孔
３０ｂ…冷却媒体排出連通孔 ３２ａ…燃料ガス供給連通孔
３２ｂ…燃料ガス排出連通孔 ３４、１０４、１２４…固体高分子電解質膜
３６…アノード側電極 ３６ａ、３８ａ…ガス拡散層
３６ｂ、３８ｂ…電極触媒層 ３８、８４、１０６、１２６…カソード側電極
３９ａ〜３９ｆ、８６ａ、８６ｂ…導体部
４０ａ…供給孔部 ４０ｂ…排出孔部
４２…燃料ガス流路 ４４…冷却媒体流路
４６…酸化剤ガス流路 ５０、５８…弾性シール
５６、６０、１２８、１３４…平面シール部材
６２…シール部材

Claims (6)

1. 電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体と金属セパレータとを略水平方向に沿って交互に積層するとともに、積層方向に貫通して少なくとも冷却媒体又は反応ガスのいずれかの流体を流す流体連通孔が形成される燃料電池スタックであって、
   前記金属セパレータには、前記流体連通孔の内壁を覆って絶縁部材が設けられるとともに、
   前記金属セパレータに導通する前記電解質・電極構造体の端部は、少なくとも前記金属セパレータの金属露出部分から前記流体連通孔側に突出して前記絶縁部材に部分的に重なり合う位置に設定さ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、前記金属セパレータには、前記電解質・電極構造体の発電面方向に沿って流体を供給する流体流路と、
   前記流体連通孔と前記流体流路とを連通する通路と、
   が形成されるとともに、
   前記電解質・電極構造体の端部から前記通路に突出する電極延在部を設け、前記電極延在部が前記絶縁部材の端部に部分的に重なり合うことを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記金属セパレータには、前記電解質・電極構造体の発電面方向に沿って流体を供給する流体流路と、
   前記流体連通孔と前記流体流路とを連通する通路と、
   が形成されるとともに、
   前記絶縁部材は、前記通路から前記流体流路側に突出する延在部を設け、前記延在部が前記電解質・電極構造体の端部に部分的に重なり合うことを特徴とする燃料電池スタック。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記電解質・電極構造体は、一方のガス拡散層の表面積が他方のガス拡散層の表面積よりも大きく設定されており、
   前記電解質・電極構造体は、前記絶縁部材が設けられた一方の金属セパレータと、シール部材が設けられた他方の金属セパレータとの間に配設されるとともに、
   前記一方のガス拡散層が前記一方の金属セパレータの前記絶縁部材に部分的に重なり合い、且つ前記シール部材が前記他方のガス拡散層を周回して前記電解質・電極構造体に重なり合うことを特徴とする燃料電池スタック。
5. 請求項４記載の燃料電池スタックにおいて、前記電解質・電極構造体を構成する電解質層が前記シール部材の端部に突き当てられることにより、前記電解質層は、前記一方のガス拡散層、前記他方のガス拡散層及び前記シール部材で囲繞されることを特徴とする燃料電池スタック。
6. 請求項４記載の燃料電池スタックにおいて、前記電解質膜・電極構造体は、前記一方の金属セパレータと前記シール部材とで挟持されることを特徴とする燃料電池スタック。

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