JP2010009979A

JP2010009979A - 燃料電池スタック

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Publication number: JP2010009979A
Application number: JP2008169033A
Authority: JP
Inventors: Seiji Sugiura; 誠治杉浦; Masaaki Sakano; 雅章坂野; Masaru Oda; 優小田; Yasuhiro Watanabe; 康博渡邊
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2008-06-27
Filing date: 2008-06-27
Publication date: 2010-01-14
Anticipated expiration: 2028-06-27
Also published as: EP2296213B1; CA2728953A1; US8465880B2; WO2009157290A1; CN102077402B; US20110159395A1; CN102077402A; CA2728953C; EP2296213A1; EP2296213A4; JP5334469B2

Abstract

【課題】簡単且つ経済的な構成で、冷却媒体流路を形成する発電ユニット間の保持を確実に行うことができ、電解質・電極構造体や金属セパレータの変形を良好に阻止することを可能にする燃料電池スタックを提供する。
【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及び第２の発電ユニット１２Ｂでは、バッファ構成用の凸部４０ａ、３８ａと凸部４８ａ、５０ａとが、積層方向に同一位置に配置されるとともに、凸部４８ｂ、５０ｂと凸部６０ａ、６０ｂとが、積層方向に同一位置に配置される。第１の発電ユニット１２Ａと第２の発電ユニット１２Ｂとは、バッファ部が互いに積層方向に対して千鳥状に配置されることにより、冷却媒体流路４４では、凸部６０ａ、６２ａと凸部４０ｂ、３８ｂとが、積層方向に同一位置に配置される。
【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偶数個の電解質・電極構造体と、各電解質・電極接合体と交互に積層される金属セパレータとを有し、前記アノード側電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路及び前記カソード側電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路には、それぞれの少なくとも流路入口又は流路出口に凹凸形状のバッファ部が設けられた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る。

例えば、特許文献１に開示されているように、固体電解質の両側に電極を配した燃料電池セルが複数積層されてなる燃料電池スタックにおいて、前記燃料電池セルの間に介挿されて用いられ、一方の側面には隣接する一方の燃料電池セルに燃料ガスを供給するための燃料ガス流路溝を備えるとともに、他方の側面には隣接する他方の燃料電池セルに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路溝を備えた燃料電池用セパレータが知られている。

このセパレータは、加工性に優れた金属材料の表裏面に電気伝導性に優れた材料がコーティングされ、且つ、その表裏面にはそれぞれ多数の突起が適当な間隔を配して設けられ、前記突起は燃料電池スタックにおいて燃料電池セル面に接するように設けられてなり、燃料ガス流路溝及び酸化剤ガス流路溝が、それぞれ、前記セパレータと前記燃料電池セルとの間において前記突起間に連通形成されている。

特開平８−２２２２３７号公報

ところで、燃料電池スタックでは、所定数の単位セル間に冷却媒体流路が形成される、所謂、間引き冷却構造を採用する場合がある。この種の間引き冷却構造を有する燃料電池に、上記の従来技術を採用すると、図５に示すように、２枚のＭＥＡ１ａ、１ｂと３枚の金属セパレータ２ａ、２ｂ及び２ｃとを有するセルユニット３が、複数積層されることにより、前記燃料電池が構成される。

ＭＥＡ１ａ、１ｂは、固体電解質膜４ａの両側に、アノード側電極４ｂとカソード側電極４ｃとが配設されている。金属セパレータ２ａは、ＭＥＡ１ａのアノード側電極４ｂに燃料ガスを供給するための燃料ガス流路５を形成する複数の凸部５ａを有している。一方、金属セパレータ２ｂは、ＭＥＡ１ａのカソード側電極４ｃに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路６を形成するための複数の凸部６ａと、ＭＥＡ１ｂのアノード側電極４ｂに燃料ガスを供給する燃料ガス流路５を形成するための複数の凸部５ａとを交互に有している。

金属セパレータ２ｃは、ＭＥＡ１ｂのカソード側電極４ｃに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路６を形成するための複数の凸部６ａを有するとともに、互いに隣接する金属セパレータ２ｃ、２ａ間には、冷却媒体を供給するための冷却媒体流路７が形成されている。

金属セパレータ２ａ、２ｂでは、各凸部５ａ、６ａ同士がＭＥＡ１ａを挟んで互いに積層方向に対して同一位置に設定されるとともに、前記金属セパレータ２ｂ、２ｃでは、それぞれの凸部５ａ、６ａ同士がＭＥＡ１ｂを挟んで積層方向に対して同一位置に設定されている。

しかしながら、各セルユニット３間に冷却媒体流路７が形成される際、この冷却媒体流路７では、金属セパレータ２ｃ、２ａ同士を積層方向に支持する構造を有していない。凸部と凹部とが、積層方向に対して互いに対向しているからである。このため、燃料電池スタックの積層時の荷重を各セルユニット３間で保持することができず、しかも、発電時の圧力変動に耐えることができないという問題がある。

これにより、ＭＥＡ１ａ、１ｂや金属セパレータ２ａ〜２ｃの変形による破損が惹起されるとともに、セルユニット３間の電気伝導が良好にできないという問題がある。

本発明はこの種の間引き冷却構造の燃料電池において、簡単且つ経済的な構成で、冷却媒体流路を形成する発電ユニット間の構造的な保持を確実に行うことができ、電解質・電極構造体や金属セパレータの変形を良好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偶数個の電解質・電極構造体と、各電解質・電極接合体と交互に積層される金属セパレータとを有し、前記アノード側電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路及び前記カソード側電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路には、それぞれの少なくとも流路入口又は流路出口に凹凸形状のバッファ部が設けられた連通す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、バッファ部の燃料ガス流路側の凸部と酸化剤ガス流路側の凸部とが、各電解質・電極構造体を挟んで積層方向に互いに同一の位置に配置される一方、第２の発電ユニットは、バッファ部の燃料ガス流路側の凸部と酸化剤ガス流路側の凸部とが、各電解質・電極構造体を挟んで積層方向に互いに同一の位置に且つ前記第１の発電ユニットの前記バッファ部の前記凸部とは千鳥状に配置されている。

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。

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、各電解質・電極構造体に接触するバッファ部の凸部同士が、互いに同一の位相に配置されている。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、前記電解質・電極接合体の損傷を良好に阻止することができる。

しかも、第１の発電ユニットのバッファ部と第２の発電ユニットのバッファ部とは、冷却媒体流路側の互いに向き合う凸部同士が、積層方向に同一の位置に配置されている。

すなわち、第１及び第２の発電ユニットは、それぞれ偶数個の電解質・電極構造体と奇数枚の金属セパレータとを有しており、前記第１及び第２の発電ユニット内では、それぞれ積層方向両端に配置された各電解質膜・電極構造体を挟持するそれぞれの凸部同士は、積層方向に対して千鳥状になる。このため、第１の発電ユニットと第２の発電ユニットとでは、隣接する各金属セパレータの却媒体流路側に突出する凸部は、互いに同一の位相に配置される。

従って、冷却媒体流路でも、凸部同士が積層方向に対向することができ、前記積層方向の荷重及び発電時の圧力変動を保持する構造を備えることが可能になる。これにより、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に示すように、第１金属セパレータ１４Ａ、第１電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）（電解質・電極構造体）１６ａ、第２金属セパレータ１８Ａ、第２電解質膜・電極構造体１６ｂ及び第３金属セパレータ２０Ａを設ける。なお、第１の発電ユニット１２Ａは、４個以上の偶数個のＭＥＡを含むことも可能である。

第１金属セパレータ１４Ａ、第２金属セパレータ１８Ａ及び第３金属セパレータ２０Ａ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１４Ａ、第２金属セパレータ１８Ａ及び第３金属セパレータ２０Ａ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。

第１の発電ユニット１２Ａの長辺方向の（矢印Ｂ方向）一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、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３０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３２ａ、及び酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔３４ｂが設けられる。

第１の発電ユニット１２Ａの長辺方向の（矢印Ｂ方向）他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３２ｂ、及び燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３０ｂが設けられる。

第１金属セパレータ１４Ａの第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１４ａには、酸化剤ガス入口連通孔３４ａと酸化剤ガス出口連通孔３４ｂとを連通する第１酸化剤ガス流路３６が形成される。第１酸化剤ガス流路３６は、矢印Ｂ方向に延在する複数の流路溝３６ａを有する。

第１酸化剤ガス流路３６の入口及び出口近傍（少なくとも一方でもよい）には、入口バッファ部３８及び出口バッファ部４０が設けられる。入口バッファ部３８と出口バッファ部４０とは、中間高さから表裏に凸形状を有しており、面１４ａ側（第１電解質膜・電極構造体１６ａ側）に突出する複数の凸部（エンボス）３８ａ、４０ａと、面１４ｂ側に突出する複数の凸部（エンボス）３８ｂ、４０ｂとを有する。凸部３８ａ、３８ｂ、４０ａ及び４０ｂは、円形、長円形又は矩形等、種々の形状に設定可能である。なお、以下のエンボスについても同様である。

第１金属セパレータ１４Ａの面１４ｂには、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂ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酸化剤ガス流路３６を構成する複数の流路溝３６ａの裏面形状である複数の流路溝（凹部）４４ａが形成される。流路溝４４ａの入口及び出口近傍には、複数の凸部４０ｂ、３８ｂを有するバッファ部裏面形状が設けられる。

第２金属セパレータ１８Ａの第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１８ａには、燃料ガス入口連通孔３０ａと燃料ガス出口連通孔３０ｂとを連通する第１燃料ガス流路４６が形成される。第１燃料ガス流路４６は、矢印Ｂ方向に延在する複数の流路溝（凹部）４６ａを有するとともに、前記第１燃料ガス流路４６の入口及び出口近傍には、それぞれ入口バッファ部４８及び出口バッファ部５０が設けられる。

入口バッファ部４８と出口バッファ部５０とは、中間高さから表裏に凸形状を有しており、面１８ａ側（第１電解質膜・電極構造体１６ａ側）に突出する複数の凸部（エンボス）４８ａ、５０ａと、面１８ｂ側（第２電解質膜・電極構造体１６ｂ側）に突出する複数の凸部（エンボス）４８ｂ、５０ｂとを有する。

第２金属セパレータ１８Ａの第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面１８ｂには、酸化剤ガス入口連通孔３４ａと酸化剤ガス出口連通孔３４ｂとを連通する第２酸化剤ガス流路５２が形成される。第２酸化剤ガス流路５２は、矢印Ｂ方向に延在する複数の流路溝（凹部）５２ａを有するとともに、前記第２酸化剤ガス流路５２の入口及び出口近傍には、入口バッファ部５４及び出口バッファ部５６が設けられる。第２酸化剤ガス流路５２は、第１燃料ガス流路４６の裏面形状である一方、入口バッファ部５４及び出口バッファ部５６は、入口バッファ部５４及び出口バッファ部５６の裏面形状である。

第３金属セパレータ２０Ａの第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面２０ａには、燃料ガス入口連通孔３０ａと燃料ガス出口連通孔３０ｂ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Ｂ方向に延在する複数の流路溝（凹部）５８ａを有する。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。

入口バッファ部６０と出口バッファ部６２とは、中間高さから表裏に凸形状を有しており、面２０ａ側（第２電解質膜・電極構造体１６ｂ側）に突出する複数の凸部（エンボス）６０ａ、６２ａと、面２０ｂ側（第２発電セル１２Ｂ側）に突出する複数の凸部（エンボス）６０ｂ、６２ｂとを有する。

第３金属セパレータ２０Ａ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燃料ガス流路５８を構成する複数の流路溝５８ａの裏面形状である複数の流路溝（凹部）４４ｂが形成される。

第１の発電ユニット１２Ａでは、第１金属セパレータ１４Ａと第２金属セパレータ１８Ａとで、第１電解質膜・電極構造体１６ａを挟持する際、互いに対向する第１酸化剤ガス流路３６と第１燃料ガス流路４６とは、それぞれの流路溝３６ａ、４６ａ間の凸部が積層方向に同一位置に配置される。同様に、第２金属セパレータ１８Ａと第３金属セパレータ２０Ａとで、第２電解質膜・電極構造体１６ｂを挟持する際、第２酸化剤ガス流路５２と第２燃料ガス流路５８とは、それぞれの流路溝５２ａ、５８ａ間の凸部同士が積層方向に同一位置に配置される。

各エンボスでは、図３に示すように、第１金属セパレータ１４Ａと第２金属セパレータ１８Ａとにおいて、互いに第１電解質膜・電極構造体１６ａ側に突出する凸部４０ａと４８ａ及び３８ａと５０ａとは、積層方向に互いに同一の位置に配置される。

第２金属セパレータ１８Ａと第３金属セパレータ２０Ａとにおいて、第２電解質膜・電極構造体１６ｂ側に突出する凸部４８ｂと６０ａ及び５０ｂと６２ａとは、積層方向に互いに同一の位置に配置される。

図２に示すように、第１金属セパレータ１４Ａの面１４ａ、１４ｂには、この第１金属セパレータ１４Ａの外周端縁部を周回して第１シール部材６４が一体成形される。第２金属セパレータ１８Ａの面１８ａ、１８ｂには、この第２金属セパレータ１８Ａの外周端縁部を周回して第２シール部材６６が一体成形されるとともに、第３金属セパレータ２０Ａの面２０ａ、２０ｂには、この第３金属セパレータ２０Ａの外周端縁部を周回して第３シール部材６８が一体成形される。

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１４Ｂ、第１電解質膜・電極構造体１６ａ、第２金属セパレータ１８Ｂ、第２電解質膜・電極構造体１６ｂ及び第３金属セパレータ２０Ｂ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。

第２の発電ユニット１２Ｂでは、入口バッファ部３８、４８、５４及び６０と、出口バッファ部４０、５０、５６及び６２のエンボス形状が、第１の発電ユニット１２Ａとは異なる位相、すなわち、千鳥状に構成される（図３参照）。

図３及び図４に示すように、第１の発電ユニット１２Ａを構成する第３金属セパレータ２０Ａと、第２の発電ユニット１２Ｂを構成する第１金属セパレータ１４Ｂとの間には、冷却媒体流路４４が形成される。冷却媒体流路４４の両端部側には、第３金属セパレータ２０Ａ及び第１金属セパレータ１４Ｂから互いに対向して突出する凸部６０ｂと４０ｂ及び凸部６２ｂと３８ｂとが、積層方向に互いに同一の位置に配置される。なお、流路溝４４ｂ、４４ａは、互いに凸部同士が積層方向に同一位置に配置されることが好ましい。

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３４ａ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３０ａ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３２ａ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３４ａから第１金属セパレータ１４Ａの第１酸化剤ガス流路３６及び第２金属セパレータ１８Ａの第２酸化剤ガス流路５２に導入される。この酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス流路３６に沿って矢印Ｂ方向（水平方向）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５２に沿って矢印Ｂ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、燃料ガス入口連通孔３０ａから第２金属セパレータ１８Ａの第１燃料ガス流路４６に沿って水平方向（矢印Ｂ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。また、燃料ガスは、第３金属セパレータ２０Ａの第２燃料ガス流路５８に沿って矢印Ｂ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３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂの各アノード側電極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３０ｂに排出される。

一方、冷却媒体入口連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、図３及び図４に示すように、第１の発電ユニット１２Ａを構成する第３金属セパレータ２０Ａと、第２の発電ユニット１２Ｂを構成する第１金属セパレータ１４Ａ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３２ｂ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、本実施形態では、図３に示すように、第１の発電ユニット１２Ａでは、第１電解質膜・電極構造体１６ａ側に突出する第１金属セパレータ１４Ａの凸部４０ａ、３８ａと、前記第１電解質膜・電極構造体１６ａに突出する第２金属セパレータ１８Ａの凸部４８ａ、５０ａとは、互いに積層方向に同一位置に配置されている。

さらに、第２電解質膜・電極構造体１６ｂ側に突出する第２金属セパレータ１８Ａの凸部４８ｂ、５０ｂと、第３金属セパレータ２０Ｂの凸部６０ａ、６２ａとは、積層方向に互いに同一位置に配置されている。このため、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く、前記第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、それぞれの凸部３８ａ、３８ｂ、４０ａ、４０ｂ、４８ａ、４８ｂ、５０ａ、５０ｂ、６０ａ、６０ｂ、６２ａ及び６２ｂは、互いに千鳥状に（位相をずらして）配置されている。

第１の発電ユニット１２Ａと第２の発電ユニット１２Ｂとは、それぞれ偶数個、例えば、２個のＭＥＡ、すなわち、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂと、奇数枚、例えば、３枚のセパレータ、すなわち、第１金属セパレータ１４Ａ、１４Ｂ、第２金属セパレータ１８Ａ、１８Ｂ及び第３金属セパレータ２０Ａ、２８Ｂとを備えている。このため、凸部４０ａ、３８ａと凸部４８ｂ、５０ｂとは、千鳥状に配置されるとともに、凸部４８ａ、５０ａと凸部６０ａ、６２ａとは、千鳥状に配置されている。

従って、第１の発電ユニット１２Ａと第２の発電ユニット１２Ｂとの間に形成される冷却媒体流路４４では、その両端側にバッファ裏面形状となる凸部６０ｂと凸部４０ｂとは、積層方向に同一位置に配置されるとともに、凸部６２ｂと凸部３８ｂとは、同様に、積層方向に同一位置に配置されている。

これにより、冷却媒体流路４４で、凸部６０ｂ、４０ｂ同士及び凸部６２ｂ、３８ｂ同士が積層方向に当接することができ（図３参照）、前記積層方向の荷重及び発電時の圧力変動を確実に保持する構造を設けることが可能になる。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との間での電気伝導性の低下やＭＥＡ変形及びセパレータ変形による破損等を惹起することがない。従って、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効果が得られる。

本発明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を構成する第１の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２中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面説明図である。前記第１の発電ユニットを構成する第３金属セパレータと第２の発電ユニットを構成する第１金属セパレータとの分解斜視説明図である。従来の燃料電池スタックの説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池スタック１２Ａ、１２Ｂ…発電ユニット
１４Ａ、１４Ｂ、１８Ａ、１８Ｂ、２０Ａ、２０Ｂ…金属セパレータ
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３６、５２…酸化剤ガス流路
３８、４８、５４、６０…入口バッファ部
３８ａ、３８ｂ、４０ａ、４０ｂ、４８ａ、４８ｂ、５０ａ、５０ｂ、６０ａ、６０ｂ、６２ａ、６２ｂ…凸部
４０、５０、５６、６２…出口バッファ部
４４…冷却媒体流路４６、５８…燃料ガス流路

Claims

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偶数個の電解質・電極構造体と、各電解質・電極接合体と交互に積層される金属セパレータとを有し、前記アノード側電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路及び前記カソード側電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路には、それぞれの少なくとも流路入口又は流路出口に凹凸形状のバッファ部が設けられた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、前記バッファ部の前記燃料ガス流路側の凸部と前記酸化剤ガス流路側の凸部とが、各電解質・電極構造体を挟んで積層方向に互いに同一の位置に配置される一方、
前記第２の発電ユニットは、前記バッファ部の前記燃料ガス流路側の凸部と前記酸化剤ガス流路側の凸部とが、各電解質・電極構造体を挟んで積層方向に互いに同一の位置に且つ前記第１の発電ユニットの前記バッファ部の前記凸部とは千鳥状に配置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。