JP2014022295A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】セパレータの種類を良好に削減することができ、簡単且つ経済的な構成で、間引き冷却を可能にする。
【解決手段】燃料電池スタック１０を構成する発電ユニット１２は、第１金属セパレータ３４、第１電解質膜・電極構造体３６ａ、中間金属セパレータ３８、第２電解質膜・電極構造体３６ｂ及び第２金属セパレータ４０を設ける。一方の中間金属セパレータ３８には、ターミナルプレート１６ａ及び絶縁プレート１８ａが当接するとともに、他方の中間金属セパレータ３８には、ターミナルプレート１６ｂ及び絶縁プレート１８ｂが当接する。
【選択図】図１

Description

本発明は、カソード電極とアノード電極との間に電解質が配設される２以上の電解質・電極構造体と３以上のセパレータとを有する複数の発電ユニットが積層される燃料電池スタックに関する。

一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ触媒層（電極触媒層）とガス拡散層（多孔質カーボン）とからなるアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。この燃料電池は、所定の数だけ積層して燃料電池スタックを構成するとともに、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

特許文献１に開示されている燃料電池スタックでは、図８に示すように、第１発電ユニット１ａと第２発電ユニット１ｂとが交互に積層されるとともに、積層方向両端にエンドプレート２ａ、２ｂが配設されている。

第１発電ユニット１ａは、第１金属セパレータ３ａ、第１ＭＥＡ４ａ、第２金属セパレータ３ｂ、第２ＭＥＡ４ｂ及び第２金属セパレータ３ｃを備えている。第２発電ユニット１ｂは、第４金属セパレータ３ｄ、第３ＭＥＡ４ｃ、第５金属セパレータ３ｅ、第４ＭＥＡ４ｄ及び第６金属セパレータ３ｆを備えている。

第１金属セパレータ３ａと第１ＭＥＡ４ａとの間、第２金属セパレータ３ｂと第２ＭＥＡ４ｂとの間、第４金属セパレータ３ｄと第３ＭＥＡ４ｃとの間、及び第５金属セパレータ３ｅと第４ＭＥＡ４ｄとの間には、それぞれ酸化剤ガス流路５が形成されている。

第２金属セパレータ３ｂと第１ＭＥＡ４ａとの間、第２金属セパレータ３ｃと第２ＭＥＡ４ｂとの間、第５金属セパレータ３ｅと第３ＭＥＡ４ｃとの間、及び第６金属セパレータ３ｆと第４ＭＥＡ４ｄとの間には、それぞれ燃料ガス流路６が形成されている。

さらに、第１発電ユニット１ａを構成する第２金属セパレータ３ｃと、第２発電ユニット１ｂを構成する第４金属セパレータ３ｄとの間には、冷却水流路７が形成されている。すなわち、燃料電池スタックは、所定数の単位セル間に冷却水流路が形成される、所謂、間引き冷却構造を採用している。

特開２０００−２０８１５３号公報

上記の燃料電池スタックでは、上端のエンドプレート２ａには、第１発電ユニット１ａを構成する上端金属セパレータ３ａｅ（上端の第１金属セパレータ３ａ）が隣接する一方、下端のエンドプレート２ｂには、他の第１発電ユニット１ａを構成する下端金属セパレータ３ｃｅ（下端の第２金属セパレータ３ｃ）が隣接している。

しかしながら、上端金属セパレータ３ａｅには、エンドプレート２ａとの間に冷却水流路７ｅｕの一部が形成されるとともに、下端金属セパレータ３ｃｅには、エンドプレート２ｂとの間に冷却水流路７ｅｄの一部が形成されている。このため、冷却水流路７ｅｕ、７ｅｄに冷却水が流通することを規制する必要があり、上端金属セパレータ３ａｅ及び下端金属セパレータ３ｃｅは、第１金属セパレータ３ａ及び第２金属セパレータ３ｃとは異なる成形処理が施されている。

従って、上端金属セパレータ３ａｅ及び下端金属セパレータ３ｃｅを成形するために、それぞれ専用の金型を用意しなければならず、金型数が増加して経済的ではないという問題がある。

しかも、燃料電池スタックを組み立てる際には、多数の異なる金属セパレータを、所望の順序に積層しなければならない。これにより、金属セパレータの取り扱い作業性が相当に煩雑化するとともに、燃料電池スタックの組み立て作業が効率的に遂行されないおそれがある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、セパレータの種類を良好に削減することができ、簡単且つ経済的な構成で、間引き冷却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、カソード電極とアノード電極との間に電解質が配設される２以上の電解質・電極構造体と３以上のセパレータとを有する複数の発電ユニットが積層されるとともに、積層方向に沿って酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス連通孔、前記積層方向に沿って燃料ガスを流通させる燃料ガス連通孔及び前記積層方向に沿って冷却媒体を流通させる冷却媒体連通孔が形成される一方、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設される燃料電池スタックに関するものである。

この燃料電池スタックでは、発電ユニットは、一方の面側に発電面方向に沿って冷却媒体を流通させる冷却媒体流路の一部が形成され、他方の面側にカソード電極に沿って酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス流路が形成される第１セパレータと、一方の面側にアノード電極に沿って燃料ガスを流通させる燃料ガス流路が形成され、他方の面側に前記冷却媒体流路の一部が形成される第２セパレータと、一方の面側に前記燃料ガス流路が形成され、他方の面側に前記酸化剤ガス流路が形成されるとともに、両方の面側にそれぞれ電解質・電極構造体が配置される１以上の中間セパレータとを備えている。

そして、発電ユニット同士が積層された状態で、一方の発電ユニットの第１セパレータと他方の発電ユニットの第２セパレータとの間に、冷却媒体流路が形成され、前記発電ユニットの積層方向一端部は、中間セパレータの一方の面又は他方の面が、ターミナルプレート及び絶縁プレートに直接接触して構成されている。

また、この燃料電池スタックでは、発電ユニットの積層方向他端部は、中間セパレータの他方の面又は一方の面が、ターミナルプレート及び絶縁プレートに直接接触して構成されることが好ましい。

本発明によれば、発電ユニットの積層方向一端部は、中間セパレータの一方の面又は他方の面が、ターミナルプレート及び絶縁プレートに直接接触している。このため、発電ユニットの積層方向一端部には、専用の端部セルを配設する必要がなく、セパレータ用の成形装置を有効に削減することができる。これにより、セパレータの種類を良好に削減することができ、簡単且つ経済的な構成で、間引き冷却が可能な燃料電池スタックを提供することが可能になる。

本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの一部分解概略斜視図である。 前記燃料電池スタックの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。 前記燃料電池スタックを構成する発電ユニットの分解斜視説明図である。 前記発電ユニットを構成する第１金属セパレータの正面説明図である。 前記発電ユニットを構成する中間金属セパレータの正面説明図である。 前記発電ユニットを構成する第２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を構成する絶縁プレートの斜視説明図である。 特許文献１に開示されている燃料電池スタックの断面説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０は、複数の発電ユニット１２が立位姿勢で水平方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体１４を備える。

積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）一端には、ターミナルプレート１６ａ、絶縁プレート１８ａ及びエンドプレート２０ａが外方に向かって、順次、配設される。積層体１４の積層方向他端には、ターミナルプレート１６ｂ、絶縁プレート１８ｂ及びエンドプレート２０ｂが外方に向かって、順次、配設される。積層体１４の一端は、後述する中間金属セパレータ３８により構成されるとともに、前記積層体１４の他端は、前記中間金属セパレータ３８により構成される。

燃料電池スタック１０は、例えば、長方形に構成されるエンドプレート２０ａ、２０ｂ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、あるいは、矢印Ａ方向に延在する複数のタイロッド（図示せず）により一体的に締め付け保持される。

図１に示すように、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの略中央には、積層方向外方に延在する端子部２２ａ、２２ｂが設けられる。端子部２２ａ、２２ｂは、絶縁性筒体２４に挿入されてエンドプレート２０ａ、２０ｂの外部に突出する。絶縁プレート１８ａ、１８ｂは、絶縁性材料、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）やフェノール樹脂等で形成されている。

絶縁プレート１８ａ、１８ｂは、中央部に矩形状の凹部２６ａ、２６ｂが設けられるとともに、この凹部２６ａ、２６ｂの略中央に孔部２８ａ、２８ｂが形成される。凹部２６ａ、２６ｂには、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂが収容され、前記ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの端子部２２ａ、２２ｂが絶縁性筒体２４を介装して孔部２８ａ、２８ｂに挿入される。

エンドプレート２０ａ、２０ｂの略中央部には、孔部２８ａ、２８ｂと同軸的に孔部３０ａ、３０ｂが形成される。エンドプレート２０ａ、２０ｂには、後述する酸化剤ガス入口連通孔５０ａ、燃料ガス入口連通孔５２ａ、冷却媒体入口連通孔５４ａ、燃料ガス出口連通孔５２ｂ、冷却媒体出口連通孔５４ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔５０ｂの内壁を囲繞して絶縁グロメット３２が装着される。

図２及び図３に示すように、発電ユニット１２は、第１金属セパレータ３４、第１電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）（ＭＥＡ）３６ａ、中間金属セパレータ３８、第２電解質膜・電極構造体３６ｂ及び第２金属セパレータ４０を設ける。発電ユニット１２は、上記のように、３枚のセパレータと２枚のＭＥＡとにより構成されているが、これに限定されるものではなく、例えば、５枚のセパレータと３枚のＭＥＡにより構成してもよい。

第１金属セパレータ３４、中間金属セパレータ３８及び第２金属セパレータ４０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３４、中間金属セパレータ３８及び第２金属セパレータ４０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。なお、第１金属セパレータ３４、中間金属セパレータ３８及び第２金属セパレータ４０は、例えば、カーボンセパレータにより構成してもよい。

第１電解質膜・電極構造体３６ａ及び第２電解質膜・電極構造体３６ｂ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を挟持するアノード電極４４及びカソード電極４６とを備える。アノード電極４４は、カソード電極４６よりも小さな平面寸法（表面積）を有する段差ＭＥＡを構成している。

アノード電極４４及びカソード電極４６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４２の両面に形成される。

図３に示すように、発電ユニット１２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５０ａ、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５２ａが設けられる。

発電ユニット１２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５２ｂ、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５０ｂが設けられる。

発電ユニット１２の短辺方向（矢印Ｂ方向）の両端縁部上方には、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一対の冷却媒体入口連通孔５４ａが設けられるとともに、前記発電ユニット１２の短辺方向の両端縁部下方には、前記冷却媒体を排出するための一対の冷却媒体出口連通孔５４ｂが設けられる。

各冷却媒体入口連通孔５４ａ、５４ａは、酸化剤ガス入口連通孔５０ａ及び燃料ガス入口連通孔５２ａ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。各冷却媒体出口連通孔５４ｂ、５４ｂは、酸化剤ガス出口連通孔５０ｂ及び燃料ガス出口連通孔５２ｂ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。

第１金属セパレータ３４の第１電解質膜・電極構造体３６ａに向かう面３４ａには、燃料ガス入口連通孔５２ａと燃料ガス出口連通孔５２ｂとを連通する第１燃料ガス流路５６が形成される。第１燃料ガス流路５６は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝部５６ａを有するとともに、前記第１燃料ガス流路５６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５８及び出口バッファ部６０が設けられる。

図４に示すように、第１金属セパレータ３４の面３４ｂには、冷却媒体入口連通孔５４ａと冷却媒体出口連通孔５４ｂとを連通する冷却媒体流路６４の一部が形成される。面３４ｂには、第１燃料ガス流路５６を構成する複数の波状流路溝部５６ａの裏面形状である複数の波状流路溝部６４ａが形成される。冷却媒体流路６４の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ入口バッファ部５８及び出口バッファ部６０の裏面形状である入口バッファ部６１及び出口バッファ部６２が設けられる。

図５に示すように、中間金属セパレータ３８の第１電解質膜・電極構造体３６ａに向かう面３８ａには、酸化剤ガス入口連通孔５０ａと酸化剤ガス出口連通孔５０ｂとを連通する第１酸化剤ガス流路６６が形成される。第１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部６６ａを有する。第１酸化剤ガス流路６６の入口近傍及び出口近傍には、入口バッファ部６８及び出口バッファ部７０が設けられる。

図３に示すように、中間金属セパレータ３８の第２電解質膜・電極構造体３６ｂに向かう面３８ｂには、燃料ガス入口連通孔５２ａと燃料ガス出口連通孔５２ｂとを連通する第２燃料ガス流路７２が形成される。第２燃料ガス流路７２は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝部７２ａを有するとともに、前記第２燃料ガス流路７２の入口近傍及び出口近傍には、入口バッファ部７４及び出口バッファ部７６が設けられる。第２燃料ガス流路７２は、第１酸化剤ガス流路６６の裏面形状である一方、入口バッファ部７４及び出口バッファ部７６は、入口バッファ部６８及び出口バッファ部７０の裏面形状である。

図６に示すように、第２金属セパレータ４０の第２電解質膜・電極構造体３６ｂに向かう面４０ａには、酸化剤ガス入口連通孔５０ａと酸化剤ガス出口連通孔５０ｂとを連通する第２酸化剤ガス流路７８が形成される。第２酸化剤ガス流路７８は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝部７８ａを有する。第２酸化剤ガス流路７８の入口近傍及び出口近傍には、入口バッファ部８０及び出口バッファ部８２が設けられる。

第２金属セパレータ４０の面４０ｂには、図３に示すように、冷却媒体流路６４の一部が形成される。面４０ｂには、第２酸化剤ガス流路７８を構成する複数の波状流路溝部７８ａの裏面形状である複数の波状流路溝部６４ｂが形成される。冷却媒体流路６４の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ入口バッファ部８０及び出口バッファ部８２の裏面形状である入口バッファ部８４及び出口バッファ部８６が設けられる。波状流路溝部６４ａと波状流路溝部６４ｂとは、互いに位相をずらして重なり合うことにより、冷却媒体流路６４が構成される。

第１金属セパレータ３４の面３４ａ、３４ｂには、この第１金属セパレータ３４の外周端縁部を周回して第１シール部材９０が一体成形される。中間金属セパレータ３８の面３８ａ、３８ｂには、この中間金属セパレータ３８の外周端縁部を周回して第２シール部材９２が一体成形されるとともに、第２金属セパレータ４０の面４０ａ、４０ｂには、この第２金属セパレータ４０の外周端縁部を周回して第３シール部材９４が一体成形される。

第１シール部材９０、第２シール部材９２及び第３シール部材９４としては、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等の弾性を有するシール部材が用いられる。

第１金属セパレータ３４は、燃料ガス入口連通孔５２ａと第１燃料ガス流路５６とを連通する複数の外側供給孔部９６ａ及び内側供給孔部９６ｂと、燃料ガス出口連通孔５２ｂと前記第１燃料ガス流路５６とを連通する複数の外側排出孔部９８ａ及び内側排出孔部９８ｂとを有する。

中間金属セパレータ３８は、燃料ガス入口連通孔５２ａと第２燃料ガス流路７２とを連通する複数の供給孔部１００ａと、燃料ガス出口連通孔５２ｂと前記第２燃料ガス流路７２とを連通する複数の排出孔部１００ｂとを有する。

図３及び図４に示すように、第１シール部材９０は、第１金属セパレータ３４の面３４ａ、３４ｂに、セパレータ面方向に沿って均等な厚さを有して延在する平坦シール部９０ａを有する。図３に示すように、面３４ａでは、第１燃料ガス流路５６と内側供給孔部９６ｂ及び内側排出孔部９８ｂとを囲繞して凸状シール部９０ｂが平坦シール部９０ａに一体に設けられる。

図４に示すように、面３４ｂでは、冷却媒体流路６４と冷却媒体入口連通孔５４ａ及び冷却媒体出口連通孔５４ｂとを囲繞して、凸状シール部９０ｃが平坦シール部９０ａに一体に設けられる。面３４ｂでは、酸化剤ガス入口連通孔５０ａ、燃料ガス入口連通孔５２ａ、酸化剤ガス出口連通孔５０ｂ及び燃料ガス出口連通孔５２ｂを囲繞して、凸状シール部９０ｄが平坦シール部９０ａに一体に設けられる。

面３４ｂには、第１シール部材９０を切り欠いて、一対の冷却媒体入口連通孔５４ａ、５４ａと冷却媒体流路６４とを連通する複数の入口連結通路１０２ａ、１０２ａが形成される。面３４ｂには、第１シール部材９０を切り欠いて、一対の冷却媒体出口連通孔５４ｂ、５４ｂと冷却媒体流路６４とを連通する複数の出口連結通路１０２ｂ、１０２ｂが形成される。

図３及び図５に示すように、第２シール部材９２は、中間金属セパレータ３８の面３８ａ、３８ｂに、セパレータ面方向に沿って均等な厚さを有して延在する平坦シール部９２ａを有する。

図５に示すように、面３８ａでは、第１酸化剤ガス流路６６と酸化剤ガス入口連通孔５０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔５０ｂとを囲繞して、凸状シール部９２ｂが平坦シール部９２ａに一体に設けられる。面３８ａでは、燃料ガス入口連通孔５２ａ、冷却媒体入口連通孔５４ａ、燃料ガス出口連通孔５２ｂ及び冷却媒体出口連通孔５４ｂを囲繞して、凸状シール部９２ｃが平坦シール部９２ａに一体に設けられる。

図３に示すように、面３８ｂでは、第２燃料ガス流路７２と供給孔部１００ａ及び排出孔部１００ｂとを囲繞して凸状シール部９２ｄが平坦シール部９２ａに一体に設けられる。

図３及び図６に示すように、第３シール部材９４は、第２金属セパレータ４０の面４０ａ、４０ｂに、セパレータ面方向に沿って均等な厚さを有して延在する平坦シール部９４ａを有する。

図６に示すように、面４０ａでは、第２酸化剤ガス流路７８と酸化剤ガス入口連通孔５０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔５０ｂとを囲繞して、凸状シール部９４ｂが平坦シール部９４ａに一体に設けられる。面４０ａでは、燃料ガス入口連通孔５２ａ、冷却媒体入口連通孔５４ａ、燃料ガス出口連通孔５２ｂ及び冷却媒体出口連通孔５４ｂを囲繞して、凸状シール部９４ｃが平坦シール部９４ａに一体に設けられる。

図３に示すように、面４０ｂには、第３シール部材９４を切り欠いて、一対の冷却媒体入口連通孔５４ａ、５４ａと冷却媒体流路６４とを連通する複数の入口連結通路１０４ａ、１０４ａが形成される。面４０ｂには、第３シール部材９４を切り欠いて、一対の冷却媒体出口連通孔５４ｂ、５４ｂと冷却媒体流路６４とを連通する複数の出口連結通路１０４ｂ、１０４ｂが形成される。

発電ユニット１２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１２を構成する第１金属セパレータ３４と、他方の発電ユニット１２を構成する第２金属セパレータ４０との間には、冷却媒体流路６４が形成される。

図１に示すように、絶縁プレート１８ａ及びターミナルプレート１６ａは、積層体１４の一端に配置される中間金属セパレータ３８の面３８ｂ（第２燃料ガス流路７２側の面）に対向する一方、絶縁プレート１８ｂ及びターミナルプレート１６ｂは、前記積層体１４の他端に配置される中間金属セパレータ３８の面３８ａ（第１酸化剤ガス流路６６側の面）に対向する。

図７に示すように、絶縁プレート１８ａは、凹部２６ａが設けられる面（内面）に、酸化剤ガス入口連通孔５０ａ、燃料ガス入口連通孔５２ａ、一対の冷却媒体入口連通孔５４ａ、酸化剤ガス出口連通孔５０ｂ、燃料ガス出口連通孔５２ｂ及び一対の冷却媒体出口連通孔５４ｂをそれぞれ周回して周溝１０６が形成される。各周溝１０６には、シール部材１０８が配設される。

図２に示すように、絶縁プレート１８ａは、各シール部材１０８を介装して積層体１４の一端に配置される中間金属セパレータ３８の面３８ｂ及びターミナルプレート１６ａに直接当接する。絶縁プレート１８ｂは、積層体１４の他端に配置される中間金属セパレータ３８の面３８ａ及びターミナルプレート１６ｂに直接当接する。

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、酸化剤ガス入口連通孔５０ａ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５２ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、一対の冷却媒体入口連通孔５４ａ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、図３に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔５０ａから中間金属セパレータ３８の第１酸化剤ガス流路６６及び第２金属セパレータ４０の第２酸化剤ガス流路７８に導入される。この酸化剤ガスは、図５に示すように、第１酸化剤ガス流路６６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３６ａのカソード電極４６に供給されるとともに、図６に示すように、第２酸化剤ガス流路７８に沿って矢印Ｃ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体３６ｂのカソード電極４６に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔５２ａから外側供給孔部９６ａを通って第１金属セパレータ３４の面３４ｂ側に移動する。さらに、燃料ガスは、内側供給孔部９６ｂから面３４ａ側に導入された後、第１燃料ガス流路５６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３６ａのアノード電極４４に供給される（図３参照）。

また、燃料ガスは、供給孔部１００ａを通って中間金属セパレータ３８の面３８ｂ側に移動する。このため、燃料ガスは、面３８ｂ側で第２燃料ガス流路７２に沿って矢印Ｃ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体３６ｂのアノード電極４４に供給される。

従って、第１電解質膜・電極構造体３６ａ及び第２電解質膜・電極構造体３６ｂでは、カソード電極４６に供給される酸化剤ガスと、アノード電極４４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電解質膜・電極構造体３６ａ及び第２電解質膜・電極構造体３６ｂの各カソード電極４６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５０ｂ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３６ａのアノード電極４４に供給されて消費された燃料ガスは、内側排出孔部９８ｂを通って第１金属セパレータ３４の面３４ｂ側に導出される。面３４ｂ側に導出された燃料ガスは、外側排出孔部９８ａを通って、再度、面３４ａ側に移動し、燃料ガス出口連通孔５２ｂに排出される。

また、第２電解質膜・電極構造体３６ｂのアノード電極４４に供給されて消費された燃料ガスは、排出孔部１００ｂを通って面３８ａ側に移動する。この燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔５２ｂに排出される。

一方、左右一対の冷却媒体入口連通孔５４ａに供給された冷却媒体は、一方の発電ユニット１２を構成する第１金属セパレータ３４と、他方の発電ユニット１２を構成する第２金属セパレータ４０との間に形成された冷却媒体流路６４に導入される。

一対の冷却媒体入口連通孔５４ａは、発電ユニット１２の上部側左右両端に酸化剤ガス入口連通孔５０ａ及び燃料ガス入口連通孔５２ａに近接する位置に振り分けて設けられている。

このため、各冷却媒体入口連通孔５４ａ、５４ａから冷却媒体流路６４に供給される冷却媒体は、一旦矢印Ｂ方向（水平方向）内方に沿って流動した後、矢印Ｃ方向（重力方向）に移動して第１電解質膜・電極構造体３６ａ及び第２電解質膜・電極構造体３６ｂを冷却する。この冷却媒体は、矢印Ｂ方向外方に移動した後、一対の冷却媒体出口連通孔５４ｂ、５４ｂに排出される。

この場合、本実施形態では、図１及び図２に示すように、絶縁プレート１８ａ及びターミナルプレート１６ａは、積層体１４の一端に配置される中間金属セパレータ３８の面３８ｂに対向する一方、絶縁プレート１８ｂ及びターミナルプレート１６ｂは、前記積層体１４の他端に配置される中間金属セパレータ３８の面３８ａに対向している。

中間金属セパレータ３８の面３８ａには、第１酸化剤ガス流路６６が設けられており、この面３８ａに絶縁プレート１８ｂ及びターミナルプレート１６ｂが直接当接している。第１酸化剤ガス流路６６には、酸化剤ガス、例えば、空気が流通するだけであり、特別なシール構造が不要である。従って、積層体１４の他端として、発電ユニット１２に使用されている中間金属セパレータ３８を直接用いることができる。

一方、中間金属セパレータ３８の面３８ｂには、図３に示すように、第２燃料ガス流路７２が設けられるとともに、前記面３８ｂには、第２シール部材９２の平坦シール部９２ａが成形されている。このため、絶縁プレート１８ａには、図７に示すように、各連通孔に対応してシール部材１０８が設けられている。

その際、中間金属セパレータ３８に、上記のシール部材１０８を設ける場合に比べて、製造コストが良好に低減される。これにより、積層体１４の一端として、発電ユニット１２に使用されている中間金属セパレータ３８を直接用いることが可能になる。

従って、発電ユニット１２の積層方向両端には、専用の端部セルを配設する必要がなく、セパレータ成形用の成形装置を有効に削減することができる。これにより、セパレータの種類を良好に削減することができ、簡単且つ経済的な構成で、間引き冷却が可能な燃料電池スタック１０を提供することができるという効果が得られる。

１０…燃料電池スタック １２…発電ユニット
１４…積層体 １６ａ、１６ｂ…ターミナルプレート
１８ａ、１８ｂ…絶縁プレート ２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
３４、４０…金属セパレータ ３６ａ、３６ｂ…電解質膜・電極構造体
３８…中間金属セパレータ ４２…固体高分子電解質膜
４４…アノード電極 ４６…カソード電極
５０ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ５０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
５２ａ…燃料ガス入口連通孔 ５２ｂ…燃料ガス出口連通孔
５４ａ…冷却媒体入口連通孔 ５４ｂ…冷却媒体出口連通孔
５６、７２…燃料ガス流路 ６４…冷却媒体流路
６６、７８…酸化剤ガス流路 ９０、９２、９４、１０８…シール部材

Claims (2)

1. カソード電極とアノード電極との間に電解質が配設される２以上の電解質・電極構造体と３以上のセパレータとを有する複数の発電ユニットが積層されるとともに、積層方向に沿って酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス連通孔、前記積層方向に沿って燃料ガスを流通させる燃料ガス連通孔及び前記積層方向に沿って冷却媒体を流通させる冷却媒体連通孔が形成される一方、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設される燃料電池スタックであって、
   前記発電ユニットは、一方の面側に発電面方向に沿って前記冷却媒体を流通させる冷却媒体流路の一部が形成され、他方の面側に前記カソード電極に沿って前記酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス流路が形成される第１セパレータと、
   一方の面側に前記アノード電極に沿って前記燃料ガスを流通させる燃料ガス流路が形成され、他方の面側に前記冷却媒体流路の一部が形成される第２セパレータと、
   一方の面側に前記燃料ガス流路が形成され、他方の面側に前記酸化剤ガス流路が形成されるとともに、両方の面側にそれぞれ前記電解質・電極構造体が配置される１以上の中間セパレータと、
   を備え、
   前記発電ユニット同士が積層された状態で、一方の前記発電ユニットの前記第１セパレータと他方の前記発電ユニットの前記第２セパレータとの間に、前記冷却媒体流路が形成され、
   前記発電ユニットの積層方向一端部は、前記中間セパレータの前記一方の面又は前記他方の面が、前記ターミナルプレート及び前記絶縁プレートに直接接触して構成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、前記発電ユニットの積層方向他端部は、前記中間セパレータの前記他方の面又は前記一方の面が、前記ターミナルプレート及び前記絶縁プレートに直接接触して構成されることを特徴とする燃料電池スタック。

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