JP2014026822A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つコンパクトな構成で、冷却媒体の圧損を良好に低減させ、前記冷却媒体を冷却媒体流路に沿って円滑に流通させることを可能にする。
【解決手段】燃料電池スタック１０を構成する第３金属セパレータ２０の面２０ｂには、それぞれ各辺に振り分けられて一対の冷却媒体入口連通孔３４ａ及び一対の冷却媒体出口連通孔３４ｂが設けられ、これらが冷却媒体流路４０に連通する。冷却媒体流路４０は、冷却媒体入口連通孔３４ａに近接する入口連結流路部位５４ａにおいて、最外方に位置するジグザグ形状の流路溝部４０ｂの波高が、他の部位における前記ジグザグ形状の流路溝部４０ｂの波高よりも大きな寸法に設定される。
【選択図】図５

Description

本発明は、電解質膜の両側にそれぞれ電極が設けられる電解質膜・電極構造体と、平面が矩形状の金属セパレータとが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、一対の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、例えば、車載用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。さらに、各発電セルを構成し、互いに隣接するセパレータ間には、又は、所定数の前記発電セルを構成し、互いに隣接するセパレータ間には、電極範囲内に冷却媒体を流すための冷却媒体流路が形成されている。

この種の燃料電池では、発電セルの積層方向に貫通して燃料ガスを流すための燃料ガス入口連通孔及び燃料ガス出口連通孔と、酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス入口連通孔及び酸化剤ガス出口連通孔と、冷却媒体を流すための冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔とを内部に備える、所謂、内部マニホールド型燃料電池を構成する場合が多い。

例えば、特許文献１に開示されている燃料電池スタックは、電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体と、平面が矩形状の金属セパレータとが積層されるとともに、前記金属セパレータの電極対向面には、前記電極に沿って燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを供給する波形状反応ガス流路が設けられる発電ユニットを備え、前記発電ユニットの間に前記波形状反応ガス流路の裏面形状である冷却媒体流路を形成して該発電ユニットが互いに積層される燃料電池スタックに関するものである。

そして、金属セパレータの互いに対向する一方の２辺には、積層方向に貫通し、反応ガスを流すための反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔が設けられ、前記金属セパレータの互いに対向する他方の２辺には、前記積層方向に貫通し、少なくとも前記反応ガス入口連通孔又は前記反応ガス出口連通孔に近接するとともに、それぞれ各辺に振り分けられて冷却媒体を流すための一対の冷却媒体入口連通孔及び一対の冷却媒体出口連通孔が設けられている。

国際公開第２０１０／０８２５８９号パンフレット

ところで、上記の燃料電池では、冷却媒体流路が波形状反応ガス流路の裏面形状であり、前記冷却媒体流路は、互いに位相の異なる波形状反応ガス流路が重なり合って形成されている。このため、冷却媒体入口連通孔と冷却媒体流路との連結流路部位や、冷却媒体出口連通孔と前記冷却媒体流路との連結流路部位では、冷却媒体の圧損が相当に大きくなり易い。

従って、冷却媒体を循環供給するための水ポンプの容量が増加し、前記水ポンプが大型化するという問題がある。これにより、特に、車載用燃料電池システムとして狭小な車両スペースに有効にレイアウトすることが困難になるおそれがある。また、水ポンプに供給される電力量が増加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、簡単且つコンパクトな構成で、冷却媒体の圧損を良好に低減させ、前記冷却媒体を冷却媒体流路に沿って円滑に流通させ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、電解質膜の両側にそれぞれ電極が設けられる電解質膜・電極構造体と、平面が矩形状の金属セパレータとが積層されるとともに、前記金属セパレータの電極対向面には、前記電極に沿って燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを供給するジグザグ形状反応ガス流路が設けられる一方、互いに隣接する前記金属セパレータ間には、前記ジグザグ形状反応ガス流路の裏面形状同士が重なり合って冷却媒体流路が設けら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、金属セパレータの互いに対向する一方の２辺には、積層方向に貫通し、反応ガスを流すための反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔が設けられている。一方、金属セパレータの互いに対向する他方の２辺には、積層方向に貫通し、少なくとも反応ガス入口連通孔又は反応ガス出口連通孔に近接するとともに、それぞれ各辺に振り分けられて冷却媒体を流すための一対の冷却媒体入口連通孔及び一対の冷却媒体出口連通孔が設けられている。

そして、冷却媒体流路は、少なくとも冷却媒体入口連通孔又は冷却媒体出口連通孔に近接する連結流路部位におけるジグザグ形状反応ガス流路の裏面側のジグザグ周期（ジグザグ形状の周期）又はジグザグ振幅（ジグザグ形状の振幅）が、他の部位における前記ジグザグ形状反応ガス流路の裏面側のジグザグ周期又はジグザグ振幅よりも大きな寸法に設定されている。

本発明によれば、特に冷却媒体流路と冷却媒体入口連通孔との連結流路部位では、ジグザグ形状反応ガス流路の裏面側のジグザグ周期又はジグザグ振幅が、他の部位における前記ジグザグ形状反応ガス流路の裏面側のジグザグ周期又はジグザグ振幅よりも大きな寸法に設定されている。このため、連結流路部位における開口面積が大きくなり、冷却媒体の圧損が有効に低減される。従って、冷却媒体流路に冷却媒体を供給するための冷媒ポンプの容量を有効に小さく設定することができる。しかも、冷媒ポンプに供給される電力量が削減され、省電力化が図られる。

これにより、簡単且つコンパクトな構成で、冷却媒体の圧損を良好に低減させることが可能になり、冷却媒体流路に沿って冷却媒体を円滑に流通させることができる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する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１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。 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。 前記発電ユニット間に形成される冷却媒体流路の斜視説明図である。 前記冷却媒体流路の平面説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する発電ユニットの要部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。 前記発電ユニット間に形成される冷却媒体流路の平面説明図である。 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ユニットの要部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。 前記発電ユニット間に形成される冷却媒体流路の平面説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０は、矢印Ａ方向（水平方向）に複数の発電ユニット１２が積層されて、例えば、車載用燃料電池スタックを構成する。

発電ユニット１２は、図１及び図２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。

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１４、第２金属セパレータ１８及び第３金属セパレータ２０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。

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（図２参照）。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電極２４及びカソード電極２６とを備える。アノード電極２４は、カソード電極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。

アノード電極２４及びカソード電極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１に示すように、発電ユニット１２の長辺方向（矢印Ｃ方向）の上端縁部には、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。

発電ユニット１２の長辺方向（矢印Ｃ方向）の下端縁部には、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。

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３４ａ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３４ｂが設けられる。

各冷却媒体入口連通孔３４ａ、３４ａは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び燃料ガス入口連通孔３２ａ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３４ｂ、３４ｂは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂ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。

図３に示すように、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（ジグザグ形状反応ガス流路）３６が形成される。

第１燃料ガス流路３６は、ジグザグ形状に形成されて矢印Ｃ方向に延在する複数本の流路溝部３６ａを有する。流路溝部３６ａは、面１４ａ側に突出するジグザグ形状の凸部３６ｂ間に設けられる。第１燃料ガス流路３６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３８ａ及び出口バッファ部３８ｂが設けられる。

なお、ジグザグ形状とは、各先端が鋭角に形成された形状の他、各先端にＲを設けた形状も含む。以下に説明するジグザグ形状も、同様である。また、以下、ジグザグ形状の周期を、単にジグザグ周期といい、ジグザグ形状の振幅を、単にジグザグ振幅という。

第１金属セパレータ１４の面１４ｂには、図１及び図３に示すように、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４０の一部が形成される。面１４ｂには、第１燃料ガス流路３６を構成する複数本の流路溝部３６ａの裏面形状（凸部３６ｂの裏面形状）である複数本の流路溝部４０ａが形成される。

冷却媒体流路４０は、図３に示すように、冷却媒体入口連通孔３４ａに近接する入口連結流路部位４２ａにおいて、少なくとも最外方に位置するジグザグ形状の流路溝部４０ａ（第１燃料ガス流路３６の裏面形状）の波高（ジグザグ振幅×２）ｈ１が、他の部位における前記ジグザグ形状の流路溝部４０ａの波高ｈ２よりも大きな寸法に設定される（ｈ２＜ｈ１）。なお、最外方の流路溝部４０ａに隣接する内側の１以上の流路溝部４０ａも、最外方と同様に構成することができる。以下、同様である。

冷却媒体流路４０は、冷却媒体出口連通孔３４ｂに近接する出口連結流路部位４２ｂにおいて、少なくとも最外方（矢印Ｂ方向両端）に位置するジグザグ形状の流路溝部４０ａ（第１燃料ガス流路３６の裏面形状）の波高（ジグザグ振幅×２）ｈ３が、他の部位における前記ジグザグ形状の流路溝部４０ａの波高ｈ２よりも大きな寸法に設定される（ｈ２＜ｈ３）。

最外方の流路溝部４０ａは、上下にジグザグ振幅の大きな部位を有するとともに、中央側には、他の流路溝部４０ａと同一のジグザグ振幅の部位が連続して設けられる。他の流路溝部４０ａも、同様に構成してもよい。

図１に示すように、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４４が形成される。第１酸化剤ガス流路４４は、ジグザグ形状を有して矢印Ｃ方向に延在する複数本の流路溝部４４ａを有する。第１酸化剤ガス流路４４の入口近傍及び出口近傍には、入口バッファ部４６ａ及び出口バッファ部４６ｂ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４８が形成される。第２燃料ガス流路４８は、ジグザグ形状を有して矢印Ｃ方向に延在する複数本の流路溝部４８ａを有するとともに、前記第２燃料ガス流路４８の入口近傍及び出口近傍には、入口バッファ部５０ａ及び出口バッファ部５０ｂが設けられる。第２燃料ガス流路４８は、第１酸化剤ガス流路４４の裏面形状である一方、入口バッファ部５０ａ及び出口バッファ部５０ｂは、入口バッファ部４６ａ及び出口バッファ部４６ｂの裏面形状である。

図４に示すように、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（ジグザグ形状反応ガス流路）５２が形成される。第２酸化剤ガス流路５２は、ジグザグ形状に形成されて矢印Ｃ方向に延在する複数本の流路溝部５２ａを有する。流路溝部５２ａは、面２０ａ側に突出するジグザグ形状の凸部５２ｂ間に設けられる。第２酸化剤ガス流路５２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５３ａ及び出口バッファ部５３ｂが設けられる。

図５に示すように、第３金属セパレータ２０の面２０ｂには、冷却媒体流路４０の一部が形成される。面２０ｂには、第２酸化剤ガス流路５２を構成する複数本の流路溝部５２ａの裏面形状（凸部５２ｂの裏面形状）である複数本の流路溝部４０ｂが形成される。

図４及び図５に示すように、冷却媒体流路４０は、冷却媒体入口連通孔３４ａに近接する入口連結流路部位５４ａにおいて、少なくとも最外方（矢印Ｂ方向両端）に位置するジグザグ形状の流路溝部４０ｂ（第２酸化剤ガス流路５２の裏面形状）の波高（ジグザグ振幅×２）ｈ４が、他の部位における前記ジグザグ形状の流路溝部４０ｂの波高ｈ５よりも大きな寸法に設定される（ｈ５＜ｈ４）。

冷却媒体流路４０は、冷却媒体出口連通孔３４ｂに近接する出口連結流路部位５４ｂにおいて、少なくとも最外方に位置するジグザグ形状の流路溝部４０ｂ（第２酸化剤ガス流路５２の裏面形状）の波高（ジグザグ振幅×２）ｈ６が、他の部位における前記ジグザグ形状の流路溝部４０ｂの波高ｈ５よりも大きな寸法に設定される（ｈ５＜ｈ６）。

最外方の流路溝部４０ｂは、上下にジグザグ振幅の大きな部位を有するとともに、中央側には、他の流路溝部４０ｂと同一のジグザグ振幅の部位が連続して設けられる。他の流路溝部４０ｂも、同様に構成してもよい。なお、流路溝部４０ａと流路溝部４０ｂとは、それぞれの振幅が同一でもよく、又は、異なっていてもよい。

図１に示すように、発電ユニット１２では、第１金属セパレータ１４の第１燃料ガス流路３６、第２金属セパレータ１８の第１酸化剤ガス流路４４及び前記第２金属セパレータ１８の第２燃料ガス流路４８は、ジグザグ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。発電ユニット１２の積層方向（矢印Ａ方向）一方の端部に配置される第３金属セパレータ２０の第２酸化剤ガス流路５２は、第１燃料ガス流路３６、第１酸化剤ガス流路４４及び第２燃料ガス流路４８とは、ジグザグ形状が積層方向に沿って互いに異なる位相（反対の位相）に設定される。

図１及び図２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５６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５８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６０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６２ａ及び内側供給孔部６２ｂ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６４ａ及び内側排出孔部６４ｂ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４８とを連通する複数の供給孔部６６と、燃料ガス出口連通孔３２ｂと前記第２燃料ガス流路４８とを連通する複数の排出孔部６８とを有する。

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１４と、他方の発電ユニット１２を構成する第３金属セパレータ２０との間には、矢印Ｂ方向に延在する冷却媒体流路４０が形成される。

冷却媒体流路４０では、複数本の流路溝部４０ａ、４０ｂのジグザグ形状が異なる位相に設定されている。流路溝部４０ａ、４０ｂ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）に連通する複数の入口流路部４０ｃ及び複数の出口流路部４０ｄが形成される（図５及び図６参照）。図７に示すように、入口流路部４０ｃでは、流路溝部４０ａの角部と流路溝部４０ｂの角部とが互いに積層方向に重なり合っている。流路溝部４０ａと流路溝部４０ｂは、周期（波長）が同一である。

入口流路部４０ｃは、互いに重なり合う入口連結流路部位４２ａ、５４ａ間に形成されるとともに、出口流路部４０ｄは、互いに重なり合う出口連結流路部位４２ｂ、５４ｂ間に形成される。

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、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４４及び第３金属セパレータ２０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４４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Ｃ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのカソード電極２６に供給される。

一方、燃料ガスは、図１及び図２に示すように、燃料ガス入口連通孔３２ａから外側供給孔部６２ａ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６２ｂから面１４ａ側に導入された後、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のアノード電極２４に供給される（図１参照）。

また、燃料ガスは、図１及び図２に示すように、供給孔部６６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１に示すように、燃料ガスは、面１８ｂ側で第２燃料ガス流路４８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のアノード電極２４に供給される。

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、カソード電極２６に供給される酸化剤ガスと、アノード電極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電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１６ｂの各カソード電極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のアノード電極２４に供給されて消費された燃料ガスは、内側排出孔部６４ｂ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６４ａ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のアノード電極２４に供給されて消費された燃料ガスは、排出孔部６８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、左右一対の冷却媒体入口連通孔３４ａに供給された冷却媒体は、図６に示すように、一方の発電ユニット１２を構成する第１金属セパレータ１４と、他方の発電ユニット１２を構成する第３金属セパレータ２０との間に形成された冷却媒体流路４０に導入される。

一対の冷却媒体入口連通孔３４ａ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３０ａ及び燃料ガス入口連通孔３２ａに近接する位置に振り分けて設けられている。

このため、図５に示すように、各冷却媒体入口連通孔３４ａ、３４ａから冷却媒体流路４０に供給される冷却媒体は、矢印Ｂ方向に且つ互いに近接する方向に供給される。そして、互いに近接する冷却媒体は、冷却媒体流路４０の矢印Ｂ方向中央部側で衝突し、重力方向（矢印Ｃ方向下方）に移動した後、発電ユニット１２の下部側両側部に振り分けて設けられている各冷却媒体出口連通孔３４ｂ、３４ｂに排出される。

この場合、第１の実施形態では、特に、図６及び図７に示すように、冷却媒体流路４０と冷却媒体入口連通孔３４ａとに近接する入口連結流路部位４２ａ、５４ａでは、ジグザグ形状の流路溝部４０ａ、４０ｂのジグザグ振幅が、他の部位における前記流路溝部４０ａ、４０ｂのジグザグ振幅よりも大きな寸法に設定されている。

このため、入口連結流路部位４２ａ、５４ａにおける開口面積が他の部位における開口面積よりも大きくなる。従って、入口連結流路部位４２ａ、５４ａでは、冷却媒体の圧損が有効に低減され、例えば、冷却媒体を循環供給するための冷媒ポンプ（図示せず）の容量を有効に小さく設定することができる。しかも、冷媒ポンプに供給される電力量が削減されるため、省電力化が容易に図られる。

これにより、簡単且つコンパクトな構成で、冷却媒体の圧損を良好に低減させることが可能になり、冷却媒体流路４０に沿って冷却媒体を円滑に流通させることができるという効果が得られる。

一方、出口連結流路部位４２ｂ、５４ｂでは、ジグザグ形状の流路溝部４０ａ、４０ｂのジグザグ振幅が、他の部位における前記流路溝部４０ａ、４０ｂのジグザグ振幅よりも大きな寸法に設定されている。このため、出口連結流路部位４２ｂ、５４ｂにおける開口面積が大きくなり、上記の入口連結流路部位４２ａ、５４ａと同様の効果が得られる。

なお、第１の実施形態では、第１金属セパレータ１４、第１電解質膜・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を備える発電ユニット１２を用いて説明したが、これに限定されるものではない。例えば、１枚の電解質・電極構造体を一対の金属セパレータで挟持する発電ユニットを用いるとともに、隣り合う前記発電ユニット間に冷却媒体流路が形成されてもよい。

また、第１の実施形態では、発電ユニット１２の上端縁部に、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び燃料ガス入口連通孔３２ａが設けられるとともに、前記発電ユニット１２の下端縁部に、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂが設けられているが、これとは逆に、前記上端縁部に前記酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ及び前記燃料ガス出口連通孔３２ｂを設け、前記下端縁部に前記酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び前記燃料ガス入口連通孔３２ａを設けてもよい。

さらに、発電ユニット１２の短辺方向の両端縁部上方に一対の冷却媒体入口連通孔３４ａ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一対の冷却媒体出口連通孔３４ｂが設けられているが、これとは逆に、前記両端縁部上方に一対の前記冷却媒体出口連通孔３４ｂを設け、前記両端縁部下方に一対の前記冷却媒体入口連通孔３４ａを設けてもよい。

以下に説明する第２以降の実施形態においても、同様である。

図８は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック８０を構成する発電ユニット８２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。

発電ユニット８２は、第１金属セパレータ８４と第２金属セパレータ８６との間に電解質膜・電極構造体１６を挟持して構成される。図９に示すように、第１金属セパレータ８４の電解質膜・電極構造体１６に向かう面８４ａには、燃料ガス入口連通孔３２ａと燃料ガス出口連通孔３２ｂとを連通する燃料ガス流路（ジグザグ形状反応ガス流路）８８が形成される。燃料ガス流路８８は、ジグザグ形状に形成されて矢印Ｃ方向に延在する複数本の流路溝部８８ａを有する。流路溝部８８ａは、面８４ａ側に突出する凸部８８ｂ間に設けられる。

第１金属セパレータ８４の面８４ｂ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９０一部が形成される。面８４ｂには、燃料ガス流路８８を構成する複数本の流路溝部８８ａの裏面形状（凸部８８ｂの裏面形状）である複数本の流路溝部９０ａが形成される。

冷却媒体流路９０は、燃料ガス入口連通孔３２ａ側の冷却媒体入口連通孔３４ａに近接する入口連結流路部位４２ａにおいて、一方の最外方（燃料ガス入口連通孔３２ａ側）に位置するジグザグ形状の流路溝部９０ａの波高（ジグザグ振幅×２）ｈ１が、他の部位における前記ジグザグ形状の流路溝部９０ａの波高ｈ２よりも大きな寸法に設定される（ｈ２＜ｈ１）。

冷却媒体流路９０は、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ側の冷却媒体出口連通孔３４ｂに近接する出口連結流路部位４２ｂにおいて、一方の最外方に位置するジグザグ形状の流路溝部９０ａの波高（ジグザグ振幅×２）ｈ３が、他の部位における前記ジグザグ形状の流路溝部９０ａの波高ｈ２よりも大きな寸法に設定される（ｈ２＜ｈ３）。

図１０に示すように、第２金属セパレータ８６の電解質膜・電極構造体１６に向かう面８６ａ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とを連通する酸化剤ガス流路（ジグザグ形状反応ガス流路）９２が形成される。酸化剤ガス流路９２は、ジグザグ形状を有して矢印Ｃ方向に延在する複数本の流路溝部９２ａを有する。流路溝部９２ａは、面８６ａ側に突出する凸部９２ｂ間に設けられる。

第２金属セパレータ８６の面８６ｂには、図１１に示すように、冷却媒体流路９０の一部が形成される。面８６ｂには、酸化剤ガス流路９２を構成する複数本の流路溝部９２ａの裏面形状である複数本の流路溝部９０ｂが形成される。

冷却媒体流路９０は、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ側の冷却媒体入口連通孔３４ａに近接する入口連結流路部位５４ａにおいて、他方の最外方（酸化剤ガス入口連通孔３０ａ側）に位置するジグザグ形状の流路溝部９０ｂの波高（ジグザグ振幅×２）ｈ４が、他の部位における前記ジグザグ形状の流路溝部９０ｂの波高ｈ５よりも大きな寸法に設定される（ｈ５＜ｈ４）。

冷却媒体流路９０は、燃料ガス出口連通孔３２ｂ側の冷却媒体出口連通孔３４ｂに近接する出口連結流路部位４２ｂにおいて、他方の最外方に位置するジグザグ形状の流路溝部９０ｂの波高（ジグザグ振幅×２）ｈ６が、他の部位における前記ジグザグ形状の流路溝部９０ｂの波高ｈ５よりも大きな寸法に設定される（ｈ５＜ｈ６）。

図１２に示すように、冷却媒体流路９０では、複数の流路溝部９０ａ、９０ｂが異なる位相に設定されている。冷却媒体流路９０の幅方向（矢印Ｂ方向）両端に位置する流路溝部９０ａ、９０ｂは、他の流路溝部９０ａ、９０ｂよりも大きなジグザグ振幅を有し、これらが互いに重なり合うことによって水平方向（矢印Ｂ方向）に連通する複数本の入口流路部９０ｃ及び複数本の出口流路部９０ｄ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、冷却媒体流路９０と冷却媒体入口連通孔３４ａとに近接する入口連結流路部位４２ａ、５４ａでは、ジグザグ形状の流路溝部９０ａ、９０ｂのジグザグ振幅が、他の部位における前記流路溝部９０ａ、９０ｂのジグザグ振幅よりも大きな寸法に設定されている。

このため、入口連結流路部位４２ａ、５４ａにおける開口面積が大きくなり、冷却媒体の圧損が有効に低減される等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図１３は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック１００を構成する発電ユニット１０２の要部分解斜視説明図である。なお、第２の実施形態に係る燃料電池スタック８０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。

発電ユニット１０２は、第１金属セパレータ１０４と第２金属セパレータ１０６との間に電解質膜・電極構造体１６を挟持して構成される。図１４に示すように、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、燃料ガス入口連通孔３２ａと燃料ガス出口連通孔３２ｂとを連通する燃料ガス流路（ジグザグ形状反応ガス流路）１０８が形成される。燃料ガス流路１０８は、ジグザグ形状に形成されて矢印Ｃ方向に延在する複数本の流路溝部１０８ａを有する。流路溝部１０８ａは、面１０４ａ側に突出する凸部１０８ｂ間に設けられる。

第１金属セパレータ１０４の面１０４ｂ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１１０の一部が形成される。面１０４ｂには、燃料ガス流路１０８を構成する複数本の流路溝部１０８ａの裏面形状である複数本の流路溝部１１０ａが形成される。

冷却媒体流路１１０は、冷却媒体入口連通孔３４ａに近接する入口連結流路部位４２ａにおいて、少なくとも最外方両端に位置するジグザグ形状の流路溝部１１０ａの波長λ１（ジグザグ周期）が、他の部位における前記ジグザグ形状の流路溝部１１０ａの波長λ２よりも大きな寸法に設定される（λ２＜λ１）。なお、内側の部位においても同様に、波長を大きく設定してもよい。

冷却媒体流路１１０は、冷却媒体出口連通孔３４ｂに近接する出口連結流路部位４２ｂにおいて、少なくとも最外方両端に位置するジグザグ形状の流路溝部１１０ａの波長λ３が、他の部位における前記ジグザグ形状の流路溝部１１０ａの波長λ２よりも大きな寸法に設定される（λ２＜λ３）。波長λ１、λ３は、それぞれ波長λ２の整数倍が好ましいが、整数倍には限定されない。

図１５に示すように、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、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとを連通する酸化剤ガス流路（ジグザグ形状反応ガス流路）１１２が形成される。酸化剤ガス流路１１２は、ジグザグ形状を有して矢印Ｃ方向に延在する複数本の流路溝部１１２ａを有する。流路溝部１１２ａは、面１０６ａ側に突出する凸部１１２ｂ間に設けられる。

第２金属セパレータ１０６の面１０６ｂには、図１６に示すように、冷却媒体流路１１０の一部が形成される。面１０６ｂには、酸化剤ガス流路１１２を構成する複数本の流路溝部１１２ａの裏面形状である複数本の流路溝部１１０ｂが形成される。

冷却媒体流路１１０は、冷却媒体入口連通孔３４ａに近接する入口連結流路部位５４ａにおいて、少なくとも最外方両端に位置するジグザグ形状の流路溝部１１１０ｂの波長λ４が、他の部位における前記ジグザグ形状の流路溝部１１０ｂの波長λ５よりも大きな寸法に設定される（λ５＜λ４）。

冷却媒体流路１１０は、冷却媒体出口連通孔３４ｂに近接する出口連結流路部位４２ｂにおいて、少なくとも最外方両端に位置するジグザグ形状の流路溝部１１０ｂの波長λ６が、他の部位における前記ジグザグ形状の流路溝部１１０ｂの波長λ５よりも大きな寸法に設定される（λ５＜λ６）。

図１７に示すように、冷却媒体流路１１０では、複数の流路溝部１１０ａ、１１０ｂが異なる位相に設定されている。冷却媒体流路１１０の幅方向（矢印Ｂ方向）両端側にそれぞれ位置する流路溝部１１０ａ、１１０ｂは、他の流路溝部１１０ａ、１１０ｂよりも長いジグザグ周期（大きな波長）を有し、これらが互いに重なり合うことによって水平方向（矢印Ｂ方向）に連通する複数本の入口流路部１１０ｃ及び複数本の出口流路部１１０ｄが形成される。

このように構成される第３の実施形態では、冷却媒体流路１１０と冷却媒体入口連通孔３４ａとに近接する入口連結流路部位４２ａ、５４ａでは、ジグザグ形状の流路溝部１１０ａ、１１０ｂのジグザグ周期（波長）が、他の部位における前記流路溝部１１０ａ、１１０ｂのジグザグ周期（波長）よりも長く（大きく）設定されている。

このため、入口連結流路部位４２ａ、５４ａにおける開口面積が大きくなり、冷却媒体の圧損が有効に低減される等、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。なお、周期と振幅の両方が、他の部位よりも大きくてもよい。

１０、８０、１００…燃料電池スタック
１２、８２、１０２…発電ユニット
１４、１８、２０、８４、８６、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…アノード電極
２６…カソード電極 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、４８、８８、１０８…燃料ガス流路
３６ａ、４０ａ、４０ｂ、５２ａ、８８ａ、９０ａ、９０ｂ、９２ａ、１０８ａ、１１０ａ、１１０ｂ、１１２ａ…流路溝部
４０、９０、１１０…冷却媒体流路 ４２ａ、５４ａ…入口連結流路部位
４２ｂ、５４ｂ…出口連結流路部位
４４、５２、９２、１１２…酸化剤ガス流路
５６、５８、６０…シール部位 ４０ｃ…入口流路部
４０ｄ…出口流路部

Claims (1)

1. 電解質膜の両側にそれぞれ電極が設けられる電解質膜・電極構造体と、平面が矩形状の金属セパレータとが積層されるとともに、前記金属セパレータの電極対向面には、前記電極に沿って燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを供給するジグザグ形状反応ガス流路が設けられる一方、互いに隣接する前記金属セパレータ間には、前記ジグザグ形状反応ガス流路の裏面形状同士が重なり合って冷却媒体流路が設けられる燃料電池スタックであって、
   前記金属セパレータの互いに対向する一方の２辺には、積層方向に貫通し、前記反応ガスを流すための反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔が設けられ、且つ、前記金属セパレータの互いに対向する他方の２辺には、前記積層方向に貫通し、少なくとも前記反応ガス入口連通孔又は前記反応ガス出口連通孔に近接するとともに、それぞれ各辺に振り分けられて冷却媒体を流すための一対の冷却媒体入口連通孔及び一対の冷却媒体出口連通孔が設けられ、
   前記冷却媒体流路は、少なくとも前記冷却媒体入口連通孔又は前記冷却媒体出口連通孔に近接する連結流路部位における前記ジグザグ形状反応ガス流路の裏面側のジグザグ周期又はジグザグ振幅が、他の部位における前記ジグザグ形状反応ガス流路の裏面側のジグザグ周期又はジグザグ振幅よりも大きな寸法に設定されることを特徴とする燃料電池スタック。

Images