JP2007299618A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】積層方向の薄肉化を図るとともに、流路高さを有効に確保することができ、圧力損失を抑制して効率的な発電を行うことを可能にする。
【解決手段】第１セルモジュール１２は、第１電解質膜・電極構造体１６ａを、第１金属セパレータ１８と第２金属セパレータ２０とにより挟持するとともに、第２電解質膜・電極構造体１６ｂを、前記第２金属セパレータ２０と第３金属セパレータ２２とにより挟持する。第１金属セパレータ１８と第２金属セパレータ２０との間には、第１酸化剤ガス流路４４ａに連通する酸化剤ガス分配部９０が形成されるとともに、前記第２金属セパレータ２０には、前記酸化剤ガス分配部９０を第２酸化剤ガス流路４４ｂに連通する孔部６２ａが設けられる。
【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第１電解質・電極構造体及び第２電解質・電極構造体を、セパレータを介装して積層するとともに、積層方向に貫通して一方の反応ガスを流す第１反応ガス連通孔及び前記一方の反応ガスとは異なる他方の反応ガスを流す第２反応ガス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配設した電解質膜・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、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（反応ガス）を流すための燃料ガス流路（反応ガス流路）と、カソード側電極に酸化剤ガス（反応ガス）を流すための酸化剤ガス流路（反応ガス流路）とが設けられている。さらに、セパレータ間には、必要に応じて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。

ところで、効率的な発電を行うために、発電面全面に燃料ガス及び酸化剤ガスを良好に供給する必要があり、セパレータには、前記発電面全面にわたって多数の流路溝を有する燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路が形成されている。一方、流体供給連通孔は、上記の流路溝に対して開口面積が相当に狭小であり、この流体供給連通孔から各流路溝に燃料ガス及び酸化剤ガスを均一に供給することは極めて困難である。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池用セパレータが知られている。図１７に示すように、セパレータ１は、図示しないアノード側電極に対向する面に凸部２〜６が形成されており、前記凸部２は、前記セパレータ１を縁取る額縁状に設けられている。この凸部２は、燃料ガス導入口７の形状部よりも外側に形成され、燃料ガスが前記凸部２で囲まれた範囲を流通可能に構成している。

セパレータ１の面は、蛇行する燃料ガス流路を構成する導入部８が設けられている。この導入部８には、正方形の凸部３が縦横に等間隔で配置されており、全体として格子状の流路溝９が形成されている。導入部８は、燃料ガス導入口７の流路幅方向の長さよりも拡幅する拡幅部８ａを有している。

導入部８には、３つの帯状の凸部４、５、６が形成されており、前記凸部４、５、６は、燃料ガス導入口７に並設する上流側で下流側に向かって平行に形成された後、凸部４、５は、上側にジグザグに屈曲する一方、凸部６は、下側にジグザグに屈曲している。これにより、ガス導入口７から導入部８に流入した燃料ガスが、凸部４〜６の案内作用下に導入部８全体にわたって均一に供給される、としている。

特開２００３−７７４９７号公報（図３）

ところが、上記の特許文献１では、セパレータ１の一方の面に導入部８が設けられるとともに、前記セパレータ１の他方の面にも、同様に導入部８が設けられている。従って、セパレータ１を薄肉化しようとすると、各導入部８が高さ方向の寸法を分け合うため、各流路溝９の溝高さを確保することができないおそれがある。これにより、圧力損失が増大するとともに、特に金属セパレータでは、流路構造が表裏一体（一方の面の凸部は他方の面の凹部）となるため、設計自由度が低下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、積層方向の薄肉化を図るとともに、流路高さを有効に確保することができ、圧力損失を抑制して効率的な発電を行う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第１電解質・電極構造体及び第２電解質・電極構造体を、セパレータを介装して積層するとともに、積層方向に貫通して一方の反応ガスを流す第１反応ガス連通孔及び前記一方の反応ガスとは異なる他方の反応ガスを流す第２反応ガス連通孔が形成される燃料電池スタックに関するものである。

燃料電池スタックは、一方の反応ガスを第１電解質・電極構造体の電極面方向に供給する第１反応ガス流路と、前記一方の反応ガスを第２電解質・電極構造体の電極面方向に供給する第２反応ガス流路とを有する。そして、第１電解質・電極構造体を挟んで隣接するセパレータ間には、第１反応ガス流路と第１反応ガス連通孔とを連通する反応ガス分配部が形成されるとともに、第２電解質・電極構造体側のセパレータには、第２反応ガス流路を前記反応ガス分配部に連通する開口部が設けられている。

また、燃料電池スタックは、他方の反応ガスを第１電解質・電極構造体の電極面方向に供給する第３反応ガス流路と、前記他方の反応ガスを第２電解質・電極構造体の電極面方向に供給する第４反応ガス流路とを有し、前記第２電解質・電極構造体を挟んで隣接するセパレータ間には、前記第４反応ガス流路と第２反応ガス連通孔とを連通する反応ガス分配部が形成されるとともに、前記第１電解質・電極構造体側のセパレータには、前記第３反応ガス流路を前記反応ガス分配部に連通する開口部が設けられることが好ましい。

さらに、本発明は、電解質の両側に一対の電極が配設される第１電解質・電極構造体を、第１セパレータと第２セパレータとにより挟持するとともに、第２電解質・電極構造体を前記第２セパレータと第３セパレータとにより挟持し、積層方向に貫通して一方の反応ガスを流す第１反応ガス連通孔及び前記一方の反応ガスとは異なる他方の反応ガスを流す第２反応ガス連通孔が形成される燃料電池スタックに関するものである。

第１セパレータと第１電解質・電極構造体の一方の電極との間、及び第２セパレータと第２電解質・電極構造体の一方の電極との間には、一方の反応ガスを電極面方向に供給する第１反応ガス流路及び第２反応ガス流路が設けられ、第２セパレータと前記第１電解質・電極構造体の他方の電極との間、及び第３セパレータと前記第２電解質・電極構造体の他方の電極との間には、他方の反応ガスを電極面方向に供給する第３反応ガス流路及び第４反応ガス流路が設けられている。

そして、第１セパレータと第２セパレータとの間には、第１反応ガス連通孔を第１反応ガス流路に連通する反応ガス分配部が形成されるとともに、前記第２セパレータには、前記反応ガス分配部を第２反応ガス流路に連通する開口部が設けられている。

さらにまた、第２セパレータと第３セパレータとの間には、第２反応ガス連通孔を第４反応ガス流路に連通する反応ガス分配部が形成されるとともに、前記第２セパレータには、前記反応ガス分配部を第３反応ガス流路に連通する開口部が設けられることが好ましい。

また、本発明は、電解質の両側に一対の電極が配設される第１電解質・電極構造体を、第１セパレータと第２セパレータとにより挟持する第１燃料電池と、第２電解質・電極構造体を第３セパレータと第４セパレータとにより挟持する第２燃料電池とを積層するとともに、積層方向に貫通して一方の反応ガスを流す第１反応ガス連通孔及び前記一方の反応ガスとは異なる他方の反応ガスを流す第２反応ガス連通孔が形成される燃料電池スタックに関するものである。

第１セパレータと第１電解質・電極構造体の一方の電極との間、及び第３セパレータと第２電解質・電極構造体の一方の電極との間には、一方の反応ガスを電極面方向に供給する第１反応ガス流路及び第２反応ガス流路が設けられ、前記第２セパレータと前記第１電解質・電極構造体の他方の電極との間、及び第４セパレータと前記第２電解質・電極構造体の他方の電極との間には、他方の反応ガスを電極面方向に供給する第３反応ガス流路及び第４反応ガス流路が設けられている。

そして、第１セパレータと第２セパレータとの間には、第１反応ガス連通孔を第１反応ガス流路に連通する反応ガス分配部が形成されるとともに、前記第２セパレータ及び第３セパレータには、前記反応ガス分配部を第２反応ガス流路に連通する開口部が設けられている。

さらに、第３セパレータと第４セパレータとの間には、第２反応ガス連通孔を第４反応ガス流路に連通する反応ガス分配部が形成されるとともに、第２セパレータ及び前記第３セパレータには、前記反応ガス分配部を第３反応ガス流路に連通する開口部が設けられることが好ましい。

本発明によれば、一方の反応ガスは、セパレータ間に形成された反応ガス分配部に導入された後、一部分が第１電解質・電極構造体の第１反応ガス流路に供給されるとともに、他の部分がセパレータに設けられた開口部を通って第２電解質・電極構造体の第２反応ガス流路に供給されている。

このため、第１反応ガス流路及び第２反応ガス流路に供給される反応ガスは、第１反応ガス連通孔から同一の反応ガス分配部に一旦導入されており、積層方向の寸法を抑えながら、前記反応ガス分配部の流路高さを有効に確保することができる。これにより、分配設計の自由度が高くなるとともに、反応ガス分配部での圧力損失を良好に抑制することが可能になる。

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の要部分解斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の一部断面説明図である。

燃料電池スタック１０は、第１セルモジュール１２と第２セルモジュール１４とが、矢印Ａ方向に交互に積層されて構成され（図２参照）、例えば、自動車等の車両に搭載されている。

第１セルモジュール１２は、第１電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１６ａを、第１金属セパレータ１８と第２金属セパレータ２０とにより挟持するとともに、第２電解質膜・電極構造体１６ｂを前記第２金属セパレータ２０と第３金属セパレータ２２とにより挟持する。第２セルモジュール１４は、第３電解質膜・電極構造体１６ｃを、第４金属セパレータ２４と第５金属セパレータ２６とにより挟持するとともに、第４電解質膜・電極構造体１６ｄを前記第５金属セパレータ２６と第６金属セパレータ２８とにより挟持する。なお、第１金属セパレータ１８〜第６金属セパレータ２８に代えて、例えば、カーボンセパレータ（図示せず）を使用してもよい。

また、第２セルモジュール１４は、第１セルモジュール１２と略同様に構成されており、以下に前記第１セルモジュール１２について詳細に説明し、前記第２セルモジュール１４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。

図１及び図２に示すように、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂ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３０と、前記固体高分子電解質膜３０を挟持するカソード側電極３２及びアノード側電極３４とを備える。

カソード側電極３２及びアノード側電極３４は、図示しないが、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３０の両面に形成される。

図１に示すように、第１セルモジュール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（第１反応ガス連通孔）３８ａ、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４０ａ、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４２ｂが設けられる。

第１セルモジュール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（第２反応ガス連通孔）４２ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔４０ｂ、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３８ｂが設けられる。

第１金属セパレータ１８の第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１８ａには、図３に示すように、第１酸化剤ガス流路（第１反応ガス流路）４４ａが形成される。この第１酸化剤ガス流路４４ａは、第１金属セパレータ１８を波状に成形することにより設けられる複数の直線状凸部４６ａ間に、矢印Ｂ方向に延在して設けられる複数の直線状流路溝４６ｂを有する。

図４に示すように、第１金属セパレータ１８の面１８ａと反対の面１８ｂには、前記面１８ａに第１酸化剤ガス流路４４ａを形成することによって冷却媒体流路４８が設けられる。この冷却媒体流路４８は、直線状凸部５０ａ間に形成される直線状流路溝５０ｂを有する。第１金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、シール部材５２が一体成形される。

面１８ａには、図３に示すように、シール部材５２が設けられることにより、酸化剤ガス供給連通孔３８ａ及び酸化剤ガス排出連通孔３８ｂが第１酸化剤ガス流路４４ａに連通するとともに、前記第１酸化剤ガス流路４４ａの両端側に裏受けシール５２ａが設けられる。

酸化剤ガス供給連通孔３８ａと第１酸化剤ガス流路４４ａとの間には、この酸化剤ガス供給連通孔３８ａから各直線状流路溝４６ｂに酸化剤ガスを案内するための複数のガイド部５４ａが設けられる。酸化剤ガス排出連通孔３８ｂと第１酸化剤ガス流路４４ａとの間には、各直線状流路溝４６ｂから前記酸化剤ガス排出連通孔３８ｂに使用済みの酸化剤ガスを案内するための複数のガイド部５４ｂが設けられる。ガイド部５４ａ、５４ｂは、シール部材５２と同様の材料を用いて、前記シール部材５２と同時に成形可能である。

面１８ｂでは、図４に示すように、シール部材５２を設けることにより、冷却媒体供給連通孔４０ａ及び冷却媒体排出連通孔４０ｂが冷却媒体流路４８に連通するとともに、前記冷却媒体流路４８の両端側には、裏受けシール５２ｂが設けられる。冷却媒体供給連通孔４０ａ及び冷却媒体排出連通孔４０ｂと各直線状流路溝５０ｂとの間には、各冷却媒体を案内するために複数のガイド部５６ａ、５６ｂがシール部材５２と同様の材料で且つ同時に成形される。

図５に示すように、第２金属セパレータ２０の第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面２０ａには、第１燃料ガス流路（第３反応ガス流路）５８ａが形成される。この第１燃料ガス流路５８ａは、矢印Ｂ方向に延在する各直線状凸部６０ａ間に形成され、矢印Ｂ方向に延在する複数の直線状流路溝６０ｂを有する。第１燃料ガス流路５８ａの矢印Ｂ方向両側には、酸化剤ガスを通過させるための孔部（開口部）６２ａ、６２ｂと、燃料ガスを通過させるための孔部（開口部）６４ａ、６４ｂとが設けられる。孔部６２ａと６４ｂは、矢印Ｃ方向に沿って交互に設けられる一方、孔部６２ｂと６４ａは、矢印Ｃ方向に沿って交互に設けられる。

図６に示すように、第２金属セパレータ２０の面２０ｂには、第２酸化剤ガス流路（第２反応ガス流路）４４ｂが形成される。この第２酸化剤ガス流路４４ｂは、複数の直線状凸部６６ａ間に設けられ、矢印Ｂ方向に延在する複数の直線状流路溝６６ｂを有する。第２金属セパレータ２０の面２０ａ、２０ｂには、シール部材６８が一体成形される。

面２０ａでは、図５に示すように、シール部材６８は、孔部６２ａ、６４ｂを仕切る蛇行シール７０ａと、孔部６２ｂ、６４ａを仕切る蛇行シール７０ｂとを有する。蛇行シール７０ａ、７０ｂ間には、第１燃料ガス流路５８ａと孔部６４ａ、６４ｂとが覆われるとともに、前記蛇行シール７０ａ、７０ｂの外方では、酸化剤ガス供給連通孔３８ａと孔部６２ａ及び酸化剤ガス排出連通孔３８ｂと孔部６２ｂとが連通する。酸化剤ガス供給連通孔３８ａ及び酸化剤ガス排出連通孔３８ｂと孔部６２ａ、６２ｂとの間には、複数のガイド部７２ａ、７２ｂとが設けられる。

図６に示すように、面２０ｂには、孔部６２ａ、６４ｂを仕切る蛇行シール７０ｃと、孔部６２ｂ、６４ａを仕切る蛇行シール７０ｄとが設けられる。燃料ガス供給連通孔４２ａと孔部６４ａとの間に複数のガイド部７４が設けられる一方、燃料ガス排出連通孔４２ｂと孔部６４ｂとの間に複数のガイド部７４ｂが設けられる。

図７に示すように、第３金属セパレータ２２の第２電解質膜・電極構造体１６ｂ側の面２２ａには、第２燃料ガス流路（第４反応ガス流路）５８ｂが形成される。この第２燃料ガス流路５８ｂは、複数の直線状凸部７６ａ間に形成され、矢印Ｂ方向に延在する複数の直線状流路溝７６ｂを有する。

図８に示すように、第３金属セパレータ２２の面２２ｂには、第１金属セパレータ１８の面１８ｂに重なり合うことにより冷却媒体流路４８が一体に形成される。この冷却媒体流路４８は、複数の直線状凸部７８ａ間に形成され、矢印Ｂ方向に延在する複数の直線状流路溝７８ｂを有する。第３金属セパレータ２２の面２２ａ、２２ｂには、シール部材７９が一体成形される。

図７に示すように、面２２ａには、第２燃料ガス流路５８ｂの両端側に裏受けシール８０ａが設けられる一方、図８に示すように、面２２ｂには、冷却媒体流路４８の両端側に裏受けシール８０ｂが設けられる。面２２ａは、燃料ガス供給連通孔４２ａ及び燃料ガス排出連通孔４２ｂと直線状流路溝７６ｂとの間に、燃料ガスを案内するための複数のガイド部８２ａ、８２ｂを設ける。面２２ｂは、同様に冷却媒体供給連通孔４０ａ及び冷却媒体排出連通孔４０ｂと冷却媒体流路４８との間に、冷却媒体を案内するための複数のガイド部８４ａ、８４ｂを設ける。

図２に示すように、第１金属セパレータ１８と第２金属セパレータ２０との間には、酸化剤ガス供給連通孔３８ａを第１酸化剤ガス流路４４ａに連通する酸化剤ガス分配部９０が設けられる。この酸化剤ガス分配部９０は、第２金属セパレータ２０に形成された各孔部６２ａを介して第２酸化剤ガス流路４４ｂに連通する（図９参照）。

図１に示すように、第２金属セパレータ２０と第３金属セパレータ２２との間には、燃料ガス供給連通孔４２ａを第２燃料ガス流路５８ｂに連通する燃料ガス分配部９２が形成される。この燃料ガス分配部９２は、第２金属セパレータ２０に形成された孔部６４ａを介して第１燃料ガス流路５８ａに連通する（図９参照）。

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。

図１に示すように、燃料電池スタック１０を構成する第１セルモジュール１２において、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔３８ａに供給される一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔４２ａに供給される。また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔４０ａに供給される。

図２に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔３８ａから第１金属セパレータ１８と第２金属セパレータ２０との間に形成されている酸化剤ガス分配部９０に導入される。この酸化剤ガス分配部９０は、複数のガイド部５４ａ、７２ａを介して第１酸化剤ガス流路４４ａに連通しており、酸化剤ガスの一部分が前記ガイド部５４ａ、７２ａから前記第１酸化剤ガス流路４４ａを構成する各直線状流路溝４６ｂに供給される（図３参照）。このため、直線状流路溝４６ｂに沿って移動する酸化剤ガスは、第１電解質膜・電極構造体１６ａのカソード側電極３２に沿って移動する。

一方、酸化剤ガス分配部９０は、第２金属セパレータ２０に形成されている複数の孔部６２ａを介して第２酸化剤ガス流路４４ｂに連通している。従って、酸化剤ガス分配部９０に導入された酸化剤ガスの他の部分は、孔部６２ａを通って第２金属セパレータ２０の第２酸化剤ガス流路４４ｂに供給され、各直線状流路溝６６ｂに沿って第２電解質膜・電極構造体１６ｂのカソード側電極３２に供給される（図６参照）。

また、図１に示すように、燃料ガス供給連通孔４２ａに供給される燃料ガスは、第２金属セパレータ２０と第３金属セパレータ２２との間に形成された燃料ガス分配部９２に導入される。この燃料ガス分配部９２は、第２燃料ガス流路５８ｂに連通するとともに、第２金属セパレータ２０に形成された複数の孔部６４ａを介して第１燃料ガス流路５８ａに連通する（図９参照）。

このため、燃料ガス分配部９２に分配された燃料ガスの一部は、図７に示すように、第２燃料ガス流路５８ｂに送られて第２電解質膜・電極構造体１６ｂのアノード側電極３４に沿って供給される。燃料ガスの残りの部分は、各孔部６４ａを通って第１燃料ガス流路５８ａに送られ、第１電解質膜・電極構造体１６ａのアノード側電極３４に沿って供給される（図５参照）。

従って、第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１６ｂでは、それぞれカソード側電極３２に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３４に供給される燃料ガスとが、電気化学反応により消費され、発電が行われる。

次いで、第１酸化剤ガス流路４４ａに供給された酸化剤ガスは、図３に示すように、ガイド部５４ｂ、７２ｂの案内作用下に酸化剤ガス排出連通孔３８ｂに排出される。第２酸化剤ガス流路４４ｂに供給された酸化剤ガスは、第２金属セパレータ２０の各孔部６２ｂを通って第１金属セパレータ１８の面１８ａ側に移動し、第１酸化剤ガス流路４４ａから排出される酸化剤ガスに合流して、酸化剤ガス排出連通孔３８ｂに導出される。

第３金属セパレータ２２の第２燃料ガス流路５８ｂに供給された燃料ガスは、ガイド部８２ｂ、７４ｂ間を通って燃料ガス排出連通孔４２ｂに排出される（図７参照）。一方、第２金属セパレータ２０の第１燃料ガス流路５８ａに供給された燃料ガスは、各孔部６４ｂを通って第２燃料ガス流路５８ｂ側に移動し、該第２燃料ガス流路５８ｂから排出される使用済みの燃料ガスに合流して、前記燃料ガス排出連通孔４２ｂに導出される（図９参照）。

また、純水やエチレングリコール等の冷却媒体は、図２に示すように、第１セルモジュール１２と第２セルモジュール１４との間、すなわち、第３金属セパレータ２２と第４金属セパレータ２４との間に形成された冷却媒体流路４８に導入される。この冷却媒体は、図１中、矢印Ｂ方向に沿って流動し、第１電解質膜・電極構造体１６ａ〜第４電解質膜・電極構造体１６ｄを冷却した後、冷却媒体排出連通孔４０ｂに排出される。

この場合、第１の実施形態では、図２に示すように、第１金属セパレータ１８と第２金属セパレータ２０との間に、酸化剤ガス供給連通孔３８ａに連通する酸化剤ガス分配部９０が形成されている。この酸化剤ガス分配部９０は、ガイド部５４ａ、７２ａ間を通って直接第１酸化剤ガス流路４４ａに連通するとともに、前記第２金属セパレータ２０に形成された各孔部６２ａを介して第２酸化剤ガス流路４４ｂに連通している。

このため、酸化剤ガス供給連通孔３８ａに供給された酸化剤ガスは、一旦、酸化剤ガス分配部９０に導入された後、一部分が第１電解質膜・電極構造体１６ａのカソード側電極３２に供給されるとともに、他の部分が孔部６２ａを通って第２電解質膜・電極構造体１６ｂのカソード側電極３２に供給されている。

従って、第１酸化剤ガス流路４４ａ及び第２酸化剤ガス流路４４ｂに供給される酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔３８ａから同一の酸化剤ガス分配部９０に一旦導入されており、第１セルモジュール１２及び第２セルモジュール１４の積層方向の寸法を抑えながら、酸化剤ガス分配部９０の流路高さ（矢印Ａ方向）を有効に確保することができる。これにより、酸化剤ガス分配部９０の設計自由度が高くなるとともに、この酸化剤ガス分配部９０での圧力損失を良好に抑制することが可能になるという効果が得られる。

一方、第２金属セパレータ２０と第３金属セパレータ２２との間には、燃料ガス供給連通孔４２ａに連通する燃料ガス分配部９２が形成されている。この燃料ガス分配部９２は、第２燃料ガス流路５８ｂに連通するとともに、第２金属セパレータ２０に形成された各孔部６４ａを介して第１燃料ガス流路５８ａに連通している。従って、燃料ガス供給連通孔４２ａに供給された燃料ガスは、一旦、燃料ガス分配部９２に導入された後、第１電解質膜・電極構造体１６ａのアノード側電極３４と、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのアノード側電極３４とに分配して供給されるため、上記の酸化剤ガス分配部９０と同様の効果が得られる。

さらにまた、例えば、酸化剤ガス供給連通孔３８ａ及び酸化剤ガス排出連通孔３８ｂと第１酸化剤ガス流路４４ａとの間には、酸化剤ガスを案内するためのガイド部５４ａ、７２ａ及び５４ｂ、７２ｂが一体成形されている。このため、エンボス構造を採用するものに比べて、酸化剤ガスの圧力損失が有効に削減されるとともに、表裏の流路構造が自由に設定でき、汎用性に優れるという利点がある。

図１０は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック１００の要部分解斜視説明図であり、図１１は、前記燃料電池スタック１００の一部断面説明図である。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。

燃料電池スタック１００は、第１燃料電池１０２と第２燃料電池１０４とを、矢印Ａ方向に交互に積層して構成される。第１燃料電池１０２は、第１電解質膜・電極構造体１６ａを、第１金属セパレータ１０６と第２金属セパレータ１０８とにより挟持する。第２燃料電池１０４は、第２電解質膜・電極構造体１６ｂを、第３金属セパレータ１１０と第４金属セパレータ１１２とにより挟持する。

第１金属セパレータ１０６は、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０を構成する第１金属セパレータ１８と同様であるとともに、第４金属セパレータ１１２は、前記燃料電池スタック１０を構成する第６金属セパレータ２８（実質的に第３金属セパレータ２２）と同様であり、その詳細な説明は省略する。

図１２に示すように、第２金属セパレータ１０８の第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１０８ａには、第１燃料ガス流路５８ａが形成されるとともに、この第２金属セパレータ１０８の面１０８ｂには、図１３に示すように、第１冷却媒体流路４８ａが形成される。この第１冷却媒体流路４８ａは、冷却媒体供給連通孔４０ａ及び冷却媒体排出連通孔４０ｂにガイド部８４ａ、８４ｂを介して連通する。

第１冷却媒体流路４８ａの矢印Ｂ方向一端側には、孔部６２ａ、６４ｂが交互に矢印Ｃ方向に向かって形成されるとともに、前記第１冷却媒体流路４８ａの矢印Ｂ方向他端側には、孔部６２ｂ、６４ａが矢印Ｃ方向に交互に配列して設けられる。各孔部６２ａ、６２ｂ、６４ａ及び６４ｂは、円形シール１１４により囲鐃されている。

図１４に示すように、第３金属セパレータ１１０の第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面１１０ａには、第２酸化剤ガス流路４４ｂが形成される。面１１０ａには、燃料ガス供給連通孔４２ａと各孔部６４ａとが、ガイド部７４ａを介して連通する一方、燃料ガス排出連通孔４２ｂと各孔部６４ｂとは、ガイド部７４ｂを介して連通する。

図１５に示すように、第３金属セパレータ１１０の面１１０ｂには、第２金属セパレータ１０８の面１０８ｂと重なり合うことにより、第１冷却媒体流路４８ａが一体に形成される。面１１０ｂでは、各孔部６２ａ、６２ｂ、６４ａ及び６４ｂを周回して、円形シール１１６が設けられる。

図１０及び図１１に示すように、互いに重なり合う第４金属セパレータ１１２と第１金属セパレータ１０６との間には、第２冷却媒体流路４８ｂが形成される。第１金属セパレータ１０６と第２金属セパレータ１０８との間には、酸化剤ガス供給連通孔３８ａを第１酸化剤ガス流路４４ａに連通する酸化剤ガス分配部９０が設けられるとともに、この酸化剤ガス分配部９０は、第２金属セパレータ１０８及び第３金属セパレータ１１０に形成された各孔部６２ａを介して第２酸化剤ガス流路４４ｂに連通する。

第３金属セパレータ１１０と第４金属セパレータ１１２との間には、燃料ガス供給連通孔４２ａを第２燃料ガス流路５８ｂに連通する燃料ガス分配部９２が設けられるとともに、この燃料ガス分配部９２は、第２金属セパレータ１０８及び第３金属セパレータ１１０に形成された各孔部６４ａを介して第１燃料ガス流路５８ａに連通する（図１６参照）。

このように構成される第２の実施形態では、図１０及び図１１に示すように酸化剤ガス供給連通孔３８ａに供給された酸化剤ガスは、第１燃料電池１０２を構成する第１金属セパレータ１０６と第２金属セパレータ１０８との間に形成される酸化剤ガス分配部９０に導入される。酸化剤ガスは、この酸化剤ガス分配部９０に連通する第１酸化剤ガス流路４４ａに供給されて第１電解質膜・電極構造体１６ａのカソード側電極３２に沿って供給される。

一方、酸化剤ガス分配部９０と第２酸化剤ガス流路４４ｂとは、第２金属セパレータ１０８及び第３金属セパレータ１１０に形成された各孔部６２ａを介して連通している。従って、酸化剤ガス分配部９０に導入された酸化剤ガスの一部分は、孔部６２ａを通って第２酸化剤ガス流路４４ｂに供給され、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのカソード側電極３２に沿って供給される。その際、第２金属セパレータ１０８及び第３金属セパレータ１１０は、第１冷却媒体流路４８ａ側に設けられた円形シール１１４、１１６が互いに密着して酸化剤ガスの漏れを阻止している。

また、燃料ガス供給連通孔４２ａに供給された燃料ガスは、第２燃料電池１０４を構成する第３金属セパレータ１１０と第４金属セパレータ１１２との間に形成された燃料ガス分配部９２に導入される。燃料ガス分配部９２に導入された燃料ガスの一部分は、第２燃料ガス流路５８ｂに供給されて第２電解質膜・電極構造体１６ｂのアノード側電極３４に沿って供給される。燃料ガス分配部９２に導入された残余の燃料ガスは、第２金属セパレータ１０８及び第３金属セパレータ１１０に形成された各孔部６４ａを通って第１燃料電池１０２の第１燃料ガス流路５８ａに導入され、第１電解質膜・電極構造体１６ａのアノード側電極３４に沿って供給される。

このように、第２の実施形態では、酸化剤ガス供給連通孔３８ａに供給された酸化剤ガスは、一旦、酸化剤ガス分配部９０に分配された後、第１酸化剤ガス流路４４ａと第２酸化剤ガス流路４４ｂとに分配されている。一方、燃料ガス供給連通孔４２ａに供給された燃料ガスは、同様に燃料ガス分配部９２に一旦導入された後、第１燃料ガス流路５８ａと第２燃料ガス流路５８ｂとに分配されている。従って、この第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。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの要部分解斜視説明図である。 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第１金属セパレータの一方の面の説明図である。 前記第１金属セパレータの他方の面の説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する第２金属セパレータの一方の面の説明図である。 前記第２金属セパレータの他方の面の説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する第３金属セパレータの一方の面の説明図である。 前記第３金属セパレータの他方の面の説明図である。 第１セルモジュール内での反応ガス流れ説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックに係る要部分解斜視図である。 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第２金属セパレータの一方の面の説明図である。 前記第２金属セパレータの他方の面の説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する第３金属セパレータの一方の面の説明図である。 前記第３金属セパレータの他方の面の説明図である。 第１燃料電池内での反応ガス流れ説明図である。 特許文献１の燃料電池用セパレータの一部説明図である。

符号の説明

１０、１００…燃料電池スタック １２、１４…セルモジュール
１６ａ〜１６ｄ…電解質膜・電極構造体
１８、２０、２２、２４、２６、２８、１０６、１０８、１１０、１１２…金属セパレータ
３０…固体高分子電解質膜 ３２…カソード側電極
３４…アノード側電極 ３８ａ…酸化剤ガス供給連通孔
３８ｂ…酸化剤ガス排出連通孔 ４０ａ…冷却媒体供給連通孔
４０ｂ…冷却媒体排出連通孔 ４２ａ…燃料ガス供給連通孔
４２ｂ…燃料ガス排出連通孔 ４４ａ、４４ｂ…酸化剤ガス流路
４８…冷却媒体流路 ５２…シール部材
５８ａ、５８ｂ…燃料ガス流路 ６２ａ、６２ｂ、６４ａ、６４ｂ…孔部
９０…酸化剤ガス分配部 ９２…燃料ガス分配部
１０２、１０４…燃料電池

Claims (6)

1. 電解質の両側に一対の電極が配設される第１電解質・電極構造体及び第２電解質・電極構造体を、セパレータを介装して積層するとともに、積層方向に貫通して一方の反応ガスを流す第１反応ガス連通孔及び前記一方の反応ガスとは異なる他方の反応ガスを流す第２反応ガス連通孔が形成される燃料電池スタックであって、
   前記一方の反応ガスを前記第１電解質・電極構造体の電極面方向に供給する第１反応ガス流路と、
   前記一方の反応ガスを前記第２電解質・電極構造体の電極面方向に供給する第２反応ガス流路と、
   を有し、
   前記第１電解質・電極構造体を挟んで隣接する前記セパレータ間には、前記第１反応ガス流路と前記第１反応ガス連通孔とを連通する反応ガス分配部が形成されるとともに、
   前記第２電解質・電極構造体側の前記セパレータには、前記第２反応ガス流路を前記反応ガス分配部に連通する開口部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、前記他方の反応ガスを前記第１電解質・電極構造体の電極面方向に供給する第３反応ガス流路と、
   前記他方の反応ガスを前記第２電解質・電極構造体の電極面方向に供給する第４反応ガス流路と、
   を有し、
   前記第２電解質・電極構造体を挟んで隣接する前記セパレータ間には、前記第４反応ガス流路と前記第２反応ガス連通孔とを連通する反応ガス分配部が形成されるとともに、
   前記第１電解質・電極構造体側の前記セパレータには、前記第３反応ガス流路を前記反応ガス分配部に連通する開口部が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
3. 電解質の両側に一対の電極が配設される第１電解質・電極構造体を、第１セパレータと第２セパレータとにより挟持するとともに、第２電解質・電極構造体を前記第２セパレータと第３セパレータとにより挟持し、積層方向に貫通して一方の反応ガスを流す第１反応ガス連通孔及び前記一方の反応ガスとは異なる他方の反応ガスを流す第２反応ガス連通孔が形成される燃料電池スタックであって、
   前記第１セパレータと前記第１電解質・電極構造体の一方の電極との間、及び前記第２セパレータと前記第２電解質・電極構造体の一方の電極との間には、前記一方の反応ガスを電極面方向に供給する第１反応ガス流路及び第２反応ガス流路が設けられ、
   前記第２セパレータと前記第１電解質・電極構造体の他方の電極との間、及び前記第３セパレータと前記第２電解質・電極構造体の他方の電極との間には、前記他方の反応ガスを電極面方向に供給する第３反応ガス流路及び第４反応ガス流路が設けられ、
   前記第１セパレータと前記第２セパレータとの間には、前記第１反応ガス連通孔を前記第１反応ガス流路に連通する反応ガス分配部が形成されるとともに、
   前記第２セパレータには、前記反応ガス分配部を前記第２反応ガス流路に連通する開口部が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
4. 請求項３記載の燃料電池スタックにおいて、前記第２セパレータと前記第３セパレータとの間には、前記第２反応ガス連通孔を前記第４反応ガス流路に連通する反応ガス分配部が形成されるとともに、
   前記第２セパレータには、前記反応ガス分配部を前記第３反応ガス流路に連通する開口部が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
5. 電解質の両側に一対の電極が配設される第１電解質・電極構造体を、第１セパレータと第２セパレータとにより挟持する第１燃料電池と、第２電解質・電極構造体を第３セパレータと第４セパレータとにより挟持する第２燃料電池とを積層するとともに、積層方向に貫通して一方の反応ガスを流す第１反応ガス連通孔及び前記一方の反応ガスとは異なる他方の反応ガスを流す第２反応ガス連通孔が形成される燃料電池スタックであって、
   前記第１セパレータと前記第１電解質・電極構造体の一方の電極との間、及び前記第３セパレータと前記第２電解質・電極構造体の一方の電極との間には、前記一方の反応ガスを電極面方向に供給する第１反応ガス流路及び第２反応ガス流路が設けられ、
   前記第２セパレータと前記第１電解質・電極構造体の他方の電極との間、及び前記第４セパレータと前記第２電解質・電極構造体の他方の電極との間には、前記他方の反応ガスを電極面方向に供給する第３反応ガス流路及び第４反応ガス流路が設けられ、
   前記第１セパレータと前記第２セパレータとの間には、前記第１反応ガス連通孔を前記第１反応ガス流路に連通する反応ガス分配部が形成されるとともに、
   前記第２セパレータ及び前記第３セパレータには、前記反応ガス分配部を前記第２反応ガス流路に連通する開口部が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
6. 請求項５記載の燃料電池スタックにおいて、前記第３セパレータと前記第４セパレータとの間には、前記第２反応ガス連通孔を前記第４反応ガス流路に連通する反応ガス分配部が形成されるとともに、
   前記第２セパレータ及び前記第３セパレータには、前記反応ガス分配部を前記第３反応ガス流路に連通する開口部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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