JP2009301996A - 燃料電池スタック - Google Patents
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Abstract
【課題】簡単且つ経済的な構成で、電解質・電極構造体が金属セパレータからせん断力を受けることを確実に阻止することを可能にする。
【解決手段】燃料電池スタック１０は、第１の発電ユニット１２ａと第２の発電ユニット１２ｂとを水平方向に沿って交互に積層して構成される。第１の発電ユニット１２ａは、第１燃料ガス流路３６、第１酸化剤ガス流路５０、第２燃料ガス流路５８及び第２酸化剤ガス流路６６を備え、これらは、積層方向に沿って互いに同一の位相に設定される。第２の発電ユニット１２ｂは、積層方向に沿って互いに同一の位相に設定される第１燃料ガス流路３６、第１酸化剤ガス流路５０、第２燃料ガス流路５８及び第２酸化剤ガス流路６６を備えるとともに、これらは、第１の発電ユニット１２ａと異なる位相に設定される。
【選択図】図１
【解決手段】燃料電池スタック１０は、第１の発電ユニット１２ａと第２の発電ユニット１２ｂとを水平方向に沿って交互に積層して構成される。第１の発電ユニット１２ａは、第１燃料ガス流路３６、第１酸化剤ガス流路５０、第２燃料ガス流路５８及び第２酸化剤ガス流路６６を備え、これらは、積層方向に沿って互いに同一の位相に設定される。第２の発電ユニット１２ｂは、積層方向に沿って互いに同一の位相に設定される第１燃料ガス流路３６、第１酸化剤ガス流路５０、第２燃料ガス流路５８及び第２酸化剤ガス流路６６を備えるとともに、これらは、第１の発電ユニット１２ａと異なる位相に設定される。
【選択図】図１
Description
本発明は、アノード側電極とカソード側電極とが電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体を、金属セパレータにより挟持するとともに、前記アノード側電極に燃料ガスを供給する波形状の燃料ガス流路と、前記カソード側電極に酸化剤ガスを供給する波形状の酸化剤ガス流路とが設けられる発電ユニットを備え、第１の発電ユニットと第２の発電ユニットとが冷却媒体流路を形成して交互に積層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、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。
その際、セパレータとして薄板波形状の金属セパレータが使用される場合、アノード側の金属セパレータの一方の面に燃料ガス流路用の凹部を設けると、前記金属セパレータの他方の面には、前記凹部の裏面形状である凸部が形成されている。さらに、カソード側の金属セパレータの一方の面に酸化剤ガス流路用の凹部を設けると、前記金属セパレータの他方の面には、前記凹部の裏面形状である凸部が形成されている。
このため、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を波状に蛇行する凹部により形成することによって、単位セル間には、各凹部の裏面形状が重なり合って燃料ガス及び酸化剤ガスとは異なる方向に流動する冷却媒体流路が形成されている。
例えば、特許文献１に開示されている燃料電池スタックでは、図１１に示すように、複数の単位セル１を積層して構成されており、各単位セル１は、膜電極構造体２の両側に、金属セパレータ３、４が配置されている。
膜電極構造体２は、固体高分子電解質膜２ａの両側に、アノード側電極２ｂとカソード側電極２ｃとが設けられている。アノード側電極２ｂに対向するセパレータ３には、鉛直方向に向かって蛇行する複数本の燃料ガス流路溝（凹部）５が形成される一方、カソード側電極２ｃに対向する金属セパレータ４の面には、鉛直方向に沿って蛇行する複数本の酸化剤ガス流路溝（凹部）６が形成されている。
金属セパレータ３の燃料ガス流路溝５の裏面側には、この燃料ガス流路溝５の裏面形状に対応する溝部７が形成され、金属セパレータ４の酸化剤ガス流路溝６の裏面側には、この酸化剤ガス流路溝６の裏面形状に対応する溝部８が形成されている。従って、各単位セル１が積層されることにより、前記単位セル１間には、溝部７、８が重なり合って水平方向に延在する冷却媒体流路が形成されている。
上記の燃料電池スタックでは、各単位セル１間に水平方向に延在する冷却媒体流路を形成するために、互いに重なり合う溝部７、８同士を異なる位相に形成する必要がある。このため、金属セパレータ３、４により膜電極構造体２を挟持した状態で、燃料ガス流路溝５と酸化剤ガス流路溝６とは、それぞれ異なる位相を有して蛇行している。
このため、膜電極構造体２は、燃料ガス流路溝５を形成する蛇行凸部と酸化剤ガス流路溝６を形成する蛇行凸部とで挟持される際、これらの蛇行凸部同士が積層方向に対してずれており（位相が異なるから）、前記膜電極構造体２がせん断力を受けるおそれがある。
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、電解質・電極構造体が金属セパレータからせん断力を受けること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、アノード側電極とカソード側電極とが電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体を、金属セパレータにより挟持するとともに、前記アノード側電極に燃料ガスを供給する波形状の燃料ガス流路と、前記カソード側電極に酸化剤ガスを供給する波形状の酸化剤ガス流路とが設けられる発電ユニットを備え、第１の発電ユニットと第２の発電ユニットとの間に冷却媒体流路を形成して交互に積層される燃料電池スタックに関するものである。
第１の発電ユニットは、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路とが互いに同一の位相に設定される一方、第２の発電ユニットは、前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路とが互いに同一の位相で且つ前記第１の発電ユニットとは異なる位相に設定されている。
また、第１及び第２の発電ユニットは、少なくとも第１及び第２の電解質・電極構造体を有し、第１の金属セパレータ、前記第１の電解質・電極構造体、第２の金属セパレータ、前記第２の電解質・電極構造体及び第３の金属セパレータの順に積層されることが好ましい。
さらに、第１及び第２の発電ユニットは、電解質・電極構造体と金属セパレータとを交互に積層するとともに、積層方向両端には、前記金属セパレータが配設されることが好ましい。
本発明によれば、第１の発電ユニット内及び第２の発電ユニット内では、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路とが互いに同一の位相に設定されている。このため、電解質・電極構造体にせん断力が付与されることがなく、電解質・電極構造体の損傷を良好に阻止することができる。しかも、第１の発電ユニットと第２の発電ユニットとを交互に積層するだけでよく、燃料電池スタックを簡単且つ経済的に構成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る。
燃料電池スタック１０は、第１の発電ユニット１２ａと第２の発電ユニット１２ｂとを水平方向（矢印Ａ方向）に沿って交互に積層して構成される。第１の発電ユニット１２ａは、図２及び図３に示すように、第１金属セパレータ１４、第１電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１６ａ、第２金属セパレータ１８、第２電解質膜・電極構造体１６ｂ及び第３金属セパレータ２０を設ける。なお、第１の発電ユニット１２ａは、３つ以上のＭＥＡを含むことも可能である。
第１金属セパレータ１４、第２金属セパレータ１８及び第３金属セパレータ２０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板により構成される。第１金属セパレータ１４、第２金属セパレータ１８及び第３金属セパレータ２０は、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状を有する。
第１電解質膜・電極構造体１６ａは、第２電解質膜・電極構造体１６ｂ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２２と、前記固体高分子電解質膜２２を挟持するアノード側電極２４及びカソード側電極２６とを備える。アノード側電極２４は、カソード側電極２６よりも小さな表面積を有する段差型ＭＥＡを構成している。
アノード側電極２４及びカソード側電極２６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）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（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２２の両面に形成される。
図２に示すように、第１の発電ユニット１２ａの長辺方向の（矢印Ｃ方向）上端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、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入口連通孔３２ａが設けられる。
第１の発電ユニット１２ａの長辺方向の（矢印Ｃ方向）下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３２ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが設けられる。
第１の発電ユニット１２ａの短辺方向（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、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３４ａが設けられるとともに、前記第１の発電ユニット１２ａの短辺方向の他端縁部には、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３４ｂが設けられる。
第１金属セパレータ１４の第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１４ａには、燃料ガス入口連通孔３２ａと燃料ガス出口連通孔３２ｂとを連通する第１燃料ガス流路３６が形成される。第１燃料ガス流路３６は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝（凹部）３６ａを有するとともに、前記第１燃料ガス流路３６の入口及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部３８及び出口バッファ部４０が設けられる。
第１金属セパレータ１４の面１４ｂには、冷却媒体入口連通孔３４ａと冷却媒体出口連通孔３４ｂとを連通する冷却媒体流路４４の一部が形成される。面１４ｂには、第１燃料ガス流路３６を構成する複数の波状流路溝３６ａの裏面形状である複数の波状流路溝（凹部）４４ａが形成される。
第２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、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとを連通する第１酸化剤ガス流路５０が形成される。第１酸化剤ガス流路５０は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝（凹部）５０ａを有する。第１酸化剤ガス流路５０の入口及び出口近傍には、入口バッファ部５２及び出口バッファ部５４が設けられる。
第２金属セパレータ１８の第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面１８ｂには、燃料ガス入口連通孔３２ａと燃料ガス出口連通孔３２ｂとを連通する第２燃料ガス流路５８が形成される。第２燃料ガス流路５８は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝（凹部）５８ａを有するとともに、前記第２燃料ガス流路５８の入口及び出口近傍には、入口バッファ部６０及び出口バッファ部６２が設けられる。第２燃料ガス流路５８は、第１酸化剤ガス流路５０の裏面形状である一方、入口バッファ部６０及び出口バッファ部６２は、入口バッファ部５２及び出口バッファ部５４の裏面形状である。
第３金属セパレータ２０の第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面２０ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとを連通する第２酸化剤ガス流路６６が形成される。第２酸化剤ガス流路６６は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝（凹部）６６ａを有する。第２酸化剤ガス流路６６の入口及び出口近傍には、入口バッファ部６８及び出口バッファ部７０が設けられる。
第３金属セパレータ２０の面２０ｂには、冷却媒体流路４４の一部が形成される。面２０ｂには、第２酸化剤ガス流路６６を構成する複数の波状流路溝６６ａの裏面形状である複数の波状流路溝（凹部）４４ｂが形成される。
第１の発電ユニット１２ａでは、第１燃料ガス流路３６、第１酸化剤ガス流路５０、第２燃料ガス流路５８及び第２酸化剤ガス流路６６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。
図４に示すように、第１金属セパレータ１４と第２金属セパレータ１８とで第１電解質膜・電極構造体１６ａが挟持される際、第１燃料ガス流路３６の複数の波状流路溝３６ａを形成する凸部３６ｃと、第１酸化剤ガス流路５０の複数の波状流路溝５０ａを形成する凸部５０ｃとは、積層方向に沿って同一位置に設けられる。
第２金属セパレータ１８と第３金属セパレータ２０とで第２電解質膜・電極構造体１６ｂが挟持される際、第２燃料ガス流路５８の複数の波状流路溝５８ａを形成する凸部５８ｃと、第２酸化剤ガス流路６６の複数の波状流路溝６６ａを形成する凸部６６ｃとは、積層方向に沿って同一位置に配置される。
図２及び図３に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１金属セパレータ１４の外周端縁部を周回して第１シール部材７４が一体成形される。第２金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、この第２金属セパレータ１８の外周端縁部を周回して第２シール部材７６が一体成形されるとともに、第３金属セパレータ２０の面２０ａ、２０ｂには、この第３金属セパレータ２０の外周端縁部を周回して第３シール部材７８が一体成形される。
第１金属セパレータ１４は、燃料ガス入口連通孔３２ａと第１燃料ガス流路３６とを連通する複数の外側供給孔部８０ａ及び内側供給孔部８０ｂと、燃料ガス出口連通孔３２ｂと前記第１燃料ガス流路３６とを連通する複数の外側排出孔部８２ａ及び内側排出孔部８２ｂとを有する。
第２金属セパレータ１８は、燃料ガス入口連通孔３２ａと第２燃料ガス流路５８とを連通する複数の供給孔部８４と、燃料ガス出口連通孔３２ｂと前記第２燃料ガス流路５８とを連通する複数の排出孔部８６とを有する。
図１に示すように、第２の発電ユニット１２ｂは、第１金属セパレータ９０、第１電解質膜・電極構造体１６ａ、第２金属セパレータ９２、第２電解質膜・電極構造体１６ｂ及び第３金属セパレータ９４を設ける。なお、第１の発電ユニット１２ａ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。
図５に示すように、第１金属セパレータ９０の面１４ａには、複数の波状流路溝３６ｂを有する第１燃料ガス流路３６が形成される一方、面１４ｂには、波状流路溝４４ｃが形成される。
第２金属セパレータ９２の面１８ａには、複数の波状流路溝５０ｂを有する第１酸化剤ガス流路５０が形成される一方、面１８ｂには、複数の波状流路溝５８ｂを有する第２燃料ガス流路５８が形成される。
第３金属セパレータ９４の面２０ａには、複数の波状流路溝６６ｂを有する第２酸化剤ガス流路６６が形成される一方、面２０ｂには、複数の波状流路溝４４ｄが形成される。
第２の発電ユニット１２ｂでは、第１燃料ガス流路３６、第１酸化剤ガス流路５０、第２燃料ガス流路５８及び第２酸化剤ガス流路６６は、積層方向に沿って互いに同一の位相に設定される。第１の発電ユニット１２ａと第２の発電ユニット１２ｂとは、それぞれの第１燃料ガス流路３６、第１酸化剤ガス流路５０、第２燃料ガス流路５８及び第２酸化剤ガス流路６６が互いに異なる位相（反対の位相）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１参照）。
第１の発電ユニット１２ａと第２の発電ユニット１２ｂとが、互いに積層されることにより、前記第１の発電ユニット１２ａを構成する第１金属セパレータ１４と、前記第２の発電ユニット１２ｂを構成する第３金属セパレータ９４との間には、矢印Ｂ方向に延在する冷却媒体流路４４が形成される。
冷却媒体流路４４では、複数の波状流路溝４４ａと４４ｄとが異なる位相に設定されている。波状流路溝４４ａと４４ｄ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）に連通する複数の溝部４４ｅが形成される（図４及び図６参照）。
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。
先ず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔３２ａに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３４ａ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、第１の発電ユニット１２ａでは、図２に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａから第２金属セパレータ１８の第１酸化剤ガス流路５０及び第３金属セパレータ２０の第２酸化剤ガス流路６６に導入される。この酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス流路５０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１６ａのカソード側電極２６に供給されるとともに、第２酸化剤ガス流路６６に沿って矢印Ｃ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのカソード側電極２６に供給される。
一方、燃料ガスは、図３に示すように、燃料ガス入口連通孔３２ａから外側供給孔部８０ａを通って第１金属セパレータ１４の面１４ｂ側に移動する。さらに、燃料ガスは、内側供給孔部８０ｂから面１４ａ側に導入された後、入口バッファ部３８に送られ、第１燃料ガス流路３６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１６ａのアノード側電極２４に供給される（図２参照）。
また、燃料ガスは、図３に示すように、供給孔部８４を通って第２金属セパレータ１８の面１８ｂ側に移動する。このため、図２に示すように、燃料ガスは、面１８ｂ側で入口バッファ部６０に供給された後、第２燃料ガス流路５８に沿って矢印Ｃ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのアノード側電極２４に供給される。
従って、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂでは、カソード側電極２６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２４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１６ａ、１６ｂの各カソード側電極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３０ｂ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１６ａのアノード側電極２４に供給されて消費された燃料ガスは、出口バッファ部４０から内側排出孔部８２ｂを通って第１金属セパレータ１４の面１４ｂ側に導出される。面１４ｂ側に導出された燃料ガスは、外側排出孔部８２ａを通って、再度、面１４ａ側に移動し、燃料ガス出口連通孔３２ｂに排出される。
また、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのアノード側電極２４に供給されて消費された燃料ガスは、出口バッファ部６２から排出孔部８６を通って面１８ａ側に移動する。この燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３２ｂに排出される。
一方、冷却媒体入口連通孔３４ａに供給された冷却媒体は、図４及び図５に示すように、第１の発電ユニット１２ａを構成する第１金属セパレータ１４と、第２の発電ユニット１２ｂを構成する第３金属セパレータ９４との間に形成された冷却媒体流路４４に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂを冷却した後、冷却媒体出口連通孔３４ｂに排出される。
また、第２の発電ユニット１２ｂでは、上記の第１の発電ユニット１２ａと同様に、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂにより発電が行われる。
この場合、第１の実施形態では、第１の発電ユニット１２ａでは、図２に示すように、第１燃料ガス流路３６、第１酸化剤ガス流路５０、第２燃料ガス流路５８及び第２酸化剤ガス流路６６が、積層方向に沿って互いに同一の位相に設定されている。このため、図４に示すように、第１電解質膜・電極構造体１６ａは、第１燃料ガス流路３６を形成する凸部３６ｃと、第１酸化剤ガス流路５０を形成する凸部５０ｃとにより、積層方向に沿って同一位置を挟持されている。
同様に、第２電解質膜・電極構造体１６ｂは、第２燃料ガス流路５８を形成する凸部５８ｃと、第２酸化剤ガス流路６６を形成する凸部６６ｃとにより、積層方向に沿って同一位置を挟持されている。これにより、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂが、積層方向に締め付け保持される際に、前記第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂにせん断力が付与されることがない。従って、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂの損傷を良好に阻止することができるという効果がある。
しかも、第１の発電ユニット１２ａと第２の発電ユニット１２ｂとでは、それぞれの第１燃料ガス流路３６、第１酸化剤ガス流路５０、第２燃料ガス流路５８及び第２酸化剤ガス流路６６が互いに異なる位相に設定されている。このため、第１の発電ユニット１２ａと第２の発電ユニット１２ｂとを交互に積層するだけで、前記第１及び第２の発電ユニット１２ａ、１２ｂ間には、矢印Ｂ方向に延在する複数の溝部４４ｅを有する冷却媒体流路４４が形成される。
これにより、第１の発電ユニット１２ａと第２の発電ユニット１２ｂとを交互に積層するだけでよく、燃料電池スタック１０を簡単且つ経済的に構成することが可能になるという利点がある。
図７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の発電ユニット１０２ａと第２の発電ユニット１０２ｂとを、水平方向に沿って交互に積層して構成される。第１の発電ユニット１０２ａは、図８及び図９に示すように、第１金属セパレータ１０４、電解質膜・電極構造体１６及び第２金属セパレータ１０６を設ける。
第１金属セパレータ１０４の電解質膜・電極構造体１６に向かう面１０４ａには、燃料ガス流路１０８が形成される。この燃料ガス流路１０８は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝１０８ａを有する。第１金属セパレータ１０４の面１０４ｂには、冷却媒体流路４４を構成する複数の波状流路溝４４ａが形成される。
第２金属セパレータ１０６の電解質膜・電極構造体１６に向かう面１０６ａには、酸化剤ガス流路１１０が形成される。この酸化剤ガス流路１１０は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝１１０ａを有する。第２金属セパレータ１０６の面１０６ｂには、冷却媒体流路４４の一部を構成する複数の波状流路溝４４ｂが形成される。燃料ガス流路１０８と酸化剤ガス流路１１０とは、積層方向に沿って互いに同一の位相に設定される。
第１金属セパレータ１０４は、燃料ガス入口連通孔３２ａと燃料ガス流路１０８とを連通する供給孔部１１２ａと、燃料ガス出口連通孔３２ｂと前記燃料ガス流路１０８とを連通する排出孔部１１２ｂとを有する。
第２の発電ユニット１０２ｂは、図７及び図１０に示すように、第１金属セパレータ１１４、電解質膜・電極構造体１６及び第２金属セパレータ１１６を設ける。第１金属セパレータ１１４は、電解質膜・電極構造体１６に向かう面１１４ａに、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝１０８ｂを有する燃料ガス流路１０８が形成される。
第１金属セパレータ１１４の面１１４ｂには、冷却媒体流路４４を構成する複数の波状流路溝４４ｃが形成される。第２金属セパレータ１１６の電解質膜・電極構造体１６に向かう面１１６ａには、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝１１０ｂを有する酸化剤ガス流路１１０が形成される。第２金属セパレータ１１６の面１１６ｂには、冷却媒体流路４４を構成する複数の波状流路溝４４ｄが形成される。
第２の発電ユニット１０２ｂでは、燃料ガス流路１０８と酸化剤ガス流路１１０とは、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、第１の発電ユニット１０２ａの前記燃料ガス流路１０８及び前記酸化剤ガス流路１１０とは、異なる位相に設定される。
第１の発電ユニット１０２ａと第２の発電ユニット１０２ｂとが、交互に積層されることにより、これらの間には、矢印Ｂ方向に延在する複数の溝部４４ｅを有する冷却媒体流路４４が形成される。
このように構成される第２の実施形態では、第１の発電ユニット１０２ａ内において、燃料ガス流路１０８と酸化剤ガス流路１１０とは、波形状が互いに積層方向に沿って同一の位相に設定されている（図９参照）。しかも、波のピッチ、振幅が同一に設定されている。このため、電解質膜・電極構造体１６は、波状流路溝１０８ａを形成する凸部１０８ｃと、波状流路溝１１０ａを形成する凸部１１０ｃとにより、積層方向に同一位置で挟持されている。従って、電解質膜・電極構造体１６にせん断力が付与されることがなく、前記電解質膜・電極構造体１６の損傷を良好に阻止することができる。
同様に、第２の発電ユニット１０２ｂ内において、燃料ガス流路１０８と酸化剤ガス流路１１０とが互いに積層方向に沿って同一の位置に設定されている。これにより、電解質膜・電極構造体１６は、波状流路溝１０８ｂを形成する凸部１０８ｄと、波状流路溝１１０ａを形成する凸部１１０ｄとにより、積層方向沿って同一位置を挟持されるため、前記電解質膜・電極構造体１６にせん断力による損傷が発生することを阻止することが可能になる。
しかも、第１の発電ユニット１０２ａと第２の発電ユニット１０２ｂとを交互に積層するだけでよく、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
１０、１００…燃料電池スタック
１２ａ、１２ｂ、１０２ａ、１０２ｂ…発電ユニット
１４、１８、２０、９０、９２、９４、１０４、１０６…金属セパレータ
１６、１６ａ、１６ｂ…電解質膜・電極構造体
２２…固体高分子電解質膜 ２４…アノード側電極
２６…カソード側電極 ３０ａ…酸化剤ガス入口連通孔
３０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ３２ａ…燃料ガス入口連通孔
３２ｂ…燃料ガス出口連通孔 ３４ａ…冷却媒体入口連通孔
３４ｂ…冷却媒体出口連通孔 ３６、５８、１０８…燃料ガス流路
３６ａ、３６ｂ、４４ａ〜４４ｄ、５０ａ、５０ｂ、５８ａ、５８ｂ、６６ａ、６６ｂ、１０８ａ、１０８ｂ、１１０ａ、１１０ｂ…波状流路溝
３６ｃ、５０ｃ、５８ｃ、６６ｃ、１０８ｃ、１０８ｄ、１１０ｃ、１１０ｄ…凸部
４４…冷却媒体流路 ４４ｅ…溝部
５０、６６、１１０…酸化剤ガス流路
１２ａ、１２ｂ、１０２ａ、１０２ｂ…発電ユニット
１４、１８、２０、９０、９２、９４、１０４、１０６…金属セパレータ
１６、１６ａ、１６ｂ…電解質膜・電極構造体
２２…固体高分子電解質膜 ２４…アノード側電極
２６…カソード側電極 ３０ａ…酸化剤ガス入口連通孔
３０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ３２ａ…燃料ガス入口連通孔
３２ｂ…燃料ガス出口連通孔 ３４ａ…冷却媒体入口連通孔
３４ｂ…冷却媒体出口連通孔 ３６、５８、１０８…燃料ガス流路
３６ａ、３６ｂ、４４ａ〜４４ｄ、５０ａ、５０ｂ、５８ａ、５８ｂ、６６ａ、６６ｂ、１０８ａ、１０８ｂ、１１０ａ、１１０ｂ…波状流路溝
３６ｃ、５０ｃ、５８ｃ、６６ｃ、１０８ｃ、１０８ｄ、１１０ｃ、１１０ｄ…凸部
４４…冷却媒体流路 ４４ｅ…溝部
５０、６６、１１０…酸化剤ガス流路
Claims (3)
- アノード側電極とカソード側電極とが電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体を、金属セパレータにより挟持するとともに、前記アノード側電極に燃料ガスを供給する波形状の燃料ガス流路と、前記カソード側電極に酸化剤ガスを供給する波形状の酸化剤ガス流路とが設けられる発電ユニットを備え、第１の発電ユニットと第２の発電ユニットとの間に冷却媒体流路を形成して交互に積層される燃料電池スタックであって、
前記第１の発電ユニットは、前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路とが互いに同一の位相に設定される一方、
前記第２の発電ユニットは、前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路とが互いに同一の位相で且つ前記第１の発電ユニットとは異なる位相に設定されることを特徴とする燃料電池スタック。 - 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記第１及び第２の発電ユニットは、少なくとも第１及び第２の電解質・電極構造体を有し、第１の金属セパレータ、前記第１の電解質・電極構造体、第２の金属セパレータ、前記第２の電解質・電極構造体及び第３の金属セパレータの順に積層されることを特徴とする燃料電池スタック。
- 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記第１及び第２の発電ユニットは、前記電解質・電極構造体と前記金属セパレータとを交互に積層するとともに、積層方向両端には、前記金属セパレータが配設されることを特徴とする燃料電池スタック。
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