JP2014137937A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】積層方向の小型化を図るとともに、生成水の排水性を向上させることを可能にする。
【解決手段】燃料電池スタック１０を構成する発電ユニット１２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を設ける。第２金属セパレータ１８の面１８ａには、第１燃料ガス流路３４の入口側流路端部で積層方向に第１樹脂枠部材５８と重なる重なり部３４ｅｉが設けられる。重なり部３４ｅｉの流路深さｄ１は、流路中央部の波状流路溝部３４ａの流路深さｄ２よりも浅く構成される。
【選択図】図３

Description

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けるとともに、外周部に樹脂製枠部材が設けられる電解質膜・電極構造体と、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固体高分子電解質膜の一方の側にアノード電極が、前記固体高分子電解質膜の他方の側にカソード電極が配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した発電セル（単位セル）を備えている。燃料電池では、通常、数十〜数百の発電セルが積層されて、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

この種の電解質膜・電極構造体では、一方の電極を構成するガス拡散層が固体高分子電解質膜よりも小さな平面寸法に設定されるとともに、他方の電極を構成するガス拡散層が前記固体高分子電解質膜と同一の平面寸法に設定される、所謂、段差型ＭＥＡを構成する場合がある。

通常、燃料電池スタックでは、多数の電解質膜・電極構造体が積層されており、コストを抑制するために、前記電解質膜・電極構造体を安価に構成することが要請されている。従って、特に高価な固体高分子電解質膜の使用量を削減するとともに、構成の簡素化を図るため、種々の提案がなされている。

例えば、特許文献１に開示されている電解質膜−電極接合体では、図１３に示すように、電解質膜１と前記電解質膜１の一方の側に配置されたカソード触媒層２ａと、前記電解質膜１の他方の側に配置されたアノード触媒層２ｂと、前記電解質膜１の両側に配置されるガス拡散層３ａ、３ｂとを備えている。

アノード側のガス拡散層３ｂは、電解質膜１の面積と同等で、且つ、カソード側のガス拡散層３ａの面積よりも大きく構成されている。このように構成される電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ）のエッジ領域には、ガスケット構造体４が配置されている。ガス拡散層３ａ側の電解質膜１の外周部とガスケット構造体４の薄肉部位４ａとは、接着層５を介して接合されている。

特開２００７−６６７６６号公報

上記の特許文献１では、電解質膜−電極接合体全体の強度を確保するために、ガスケット構造体４の厚さを大きくする必要がある。従って、電解質膜−電極接合体の両側にセパレータを配置して燃料電池を構成する際、前記燃料電池が積層方向に大型化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、積層方向の小型化を図るとともに、生成水の排水性を向上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。

本発明に係る燃料電池スタックは、電解質膜の両側に一対の電極を設ける電解質膜・電極構造体の外周部に、前記電解質膜・電極構造体の厚さよりも厚さの大きな部分を有する樹脂製枠部材が設けられた枠付き電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層されている。

燃料電池スタックでは、一方の電極に対向するセパレータには、電極面に沿って一方の反応ガスを供給する第１反応ガス流路が設けられ、他方の電極に対向する前記セパレータには、電極面に沿って他方の反応ガスを供給する第２反応ガス流路が設けられている。

そして、第１反応ガス流路及び第２反応ガス流路は、流路端部で燃料電池の積層方向に樹脂製枠部材と重なる重なり部を有し、前記重なり部の流路深さは、流路中央部の流路深さよりも浅く構成されている。

また、この燃料電池スタックでは、一方の反応ガスを積層方向に流通させる第１反応ガス連通孔と、他方の反応ガスを前記積層方向に流通させる第２反応ガス連通孔とを備え、樹脂製枠部材には、前記第１反応ガス連通孔と第１反応ガス流路とを連通させる第１バッファ部と、前記第２反応ガス連通孔と第２反応ガス流路とを連通させる第２バッファ部とが形成されることが好ましい。

さらに、この燃料電池スタックでは、第１バッファ部と第２バッファ部とは、樹脂製枠部材の表裏に形成されることが好ましい。

本発明によれば、流路端部で樹脂製枠部材と重なる重なり部を有するとともに、前記重なり部の流路深さは、流路中央部の流路深さよりも浅く構成されている。このため、燃料電池の積層方向の寸法が有効に短尺化され、燃料電池スタックの小型化が容易に遂行される。

しかも、重なり部の流路深さを絞ることにより、流路圧損が上昇する。従って、ガス分配性が向上するとともに、生成水の排水性が良好に向上する。さらに、樹脂製枠部材自体を厚く設定することができ、成形性及び強度を容易に確保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。 前記発電ユニットの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。 前記発電ユニットの、図１中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面説明図である。 前記発電ユニットの、図１中、ＩＶ−ＩＶ線断面説明図である。 前記発電ユニットの、図１中、Ｖ−Ｖ線断面説明図である。 前記発電ユニットを構成する第１金属セパレータの一方の面の説明図である。 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。 前記発電ユニットを構成する第１電解質膜・電極構造体の一方の面の説明図である。 前記第１電解質膜・電極構造体の他方の面の説明図である。 前記発電ユニットを構成する第２電解質膜・電極構造体の一方の面の説明図である。 前記第２電解質膜・電極構造体の他方の面の説明図である。 特許文献１に開示されている電解質膜−電極接合体の断面説明図である。

図１〜図５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、発電ユニット１２を備え、複数の前記発電ユニット１２が水平方向（矢印Ａ方向）又は鉛直方向（矢印Ｃ方向）に沿って互いに積層される。発電ユニット１２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横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。

図１に示すように、発電ユニット１２の長辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、具体的には、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の長辺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、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔２２ａ、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出口連通孔２４ｂが設けられる。

発電ユニット１２の長辺方向（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入口連通孔２４ａ、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２２ｂが設けられる。

発電ユニット１２の短辺方向（矢印Ｃ方向）の両端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ側に近接し、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２５ａが設けられる。発電ユニット１２の短辺方向（矢印Ｃ方向）の両端縁部には、燃料ガス入口連通孔２４ａ側に近接し、冷却媒体を排出するための一対の冷却媒体出口連通孔２５ｂが設けられる。

図６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、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとに連通する第１酸化剤ガス流路２６が形成される。

第１酸化剤ガス流路２６は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部（直線状流路溝部でもよい）２６ａを有するとともに、前記第１酸化剤ガス流路２６の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ平坦部２８ａ及び２８ｂが設けられる。

平坦部２８ａと酸化剤ガス入口連通孔２２ａとの間には、ブリッジ部を構成する複数本の入口連結溝３０ａが形成される。平坦部２８ｂと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとの間には、ブリッジ部を構成する複数本の出口連結溝３０ｂが形成される。

図１に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ｂには、一対の冷却媒体入口連通孔２５ａと一対の冷却媒体出口連通孔２５ｂとを連通する冷却媒体流路３２が形成される。冷却媒体流路３２は、第１酸化剤ガス流路２６の裏面形状と後述する第２燃料ガス流路４２の裏面形状とが重なり合って形成される。冷却媒体流路３２の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ平坦部３３ａ及び３３ｂが設けられる。平坦部２８ａ及び２８ｂは、平坦部３３ａ及び３３ｂの裏面形状である。

図７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、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとを連通する第１燃料ガス流路３４が形成される。第１燃料ガス流路３４は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部（直線状流路溝部でもよい）３４ａを有する。

燃料ガス入口連通孔２４ａの近傍には、複数の供給孔部３６ａが形成されるとともに、燃料ガス出口連通孔２４ｂの近傍には、複数の排出孔部３６ｂが形成される。第１燃料ガス流路３４の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ平坦部３７ａ及び３７ｂが設けられる。

図１及び図７に示すように、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、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとを連通する第２酸化剤ガス流路３８が形成される。第２酸化剤ガス流路３８は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部（直線状流路溝部でもよい）３８ａを有する。

第２酸化剤ガス流路３８の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ平坦部３９ａ及び３９ｂが設けられる。平坦部３９ａ及び３９ｂは、平坦部３７ｂ及び３７ａの裏面形状である。平坦部３９ａと酸化剤ガス入口連通孔２２ａとの間には、ブリッジ部を構成する複数本の入口連結溝（図示せず）が形成される。平坦部３９ｂと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとの間には、ブリッジ部を構成する複数本の出口連結溝（図示せず）が形成される。

図１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、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂに連通する第２燃料ガス流路４２が形成される。第２燃料ガス流路４２は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部（直線状流路溝部でもよい）４２ａを有する。

燃料ガス入口連通孔２４ａの近傍には、複数の供給孔部４４ａが形成されるとともに、燃料ガス出口連通孔２４ｂの近傍には、複数の排出孔部４４ｂが形成される。図３に示すように、供給孔部４４ａは、第２金属セパレータ１８の供給孔部３６ａよりも内側（燃料ガス流路側）に配置される。図４に示すように、排出孔部４４ｂは、前記第２金属セパレータ１８の排出孔部３６ｂよりも内側（燃料ガス流路側）に配置される。第２燃料ガス流路４２の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ平坦部４５ａ及び４５ｂが設けられる。

図８に示すように、第３金属セパレータ２０の面２０ｂには、第２燃料ガス流路４２の裏面形状である冷却媒体流路３２の一部が形成される。第３金属セパレータ２０の面２０ｂには、前記第３金属セパレータ２０に隣接する第１金属セパレータ１４の面１４ｂが積層されることにより、冷却媒体流路３２が一体に設けられる。

冷却媒体流路３２の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ平坦部４７ａ及び４７ｂが設けられる。平坦部４７ｂ及び４７ａは、平坦部４５ａ及び４５ｂの裏面形状である。

図１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４６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４８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５０が一体成形される。

第１シール部材４６、第２シール部材４８及び第３シール部材５０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材が用いられる。

図６に示すように、第１シール部材４６は、第１金属セパレータ１４の面１４ａにおいて、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと、第１酸化剤ガス流路２６との外周を連通する第１凸状シール部４６ａを有する。第１シール部材４６は、図１に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ｂにおいて、冷却媒体入口連通孔２５ａ及び冷却媒体出口連通孔２５ｂと冷却媒体流路３２との外周を連通する第２凸状シール部４６ｂを有する。

第１シール部材４６には、冷却媒体入口連通孔２５ａと平坦部３３ａとを連結する冷却媒体供給連結通路４９ａｕ、４９ａｄが形成される。第１シール部材４６には、冷却媒体出口連通孔２５ｂと平坦部３３ｂとを連結する冷却媒体排出連結通路４９ｂｕ、４９ｂｄが形成される。

図７に示すように、第２シール部材４８は、第２金属セパレータ１８の面１８ａにおいて、供給孔部３６ａ及び排出孔部３６ｂと、第１燃料ガス流路３４とを囲繞してこれらを連通させる第１凸状シール部４８ａを有する。

図１に示すように、第２シール部材４８は、面１８ｂにおいて、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと、第２酸化剤ガス流路３８との外周を連通する第２凸状シール部４８ｂを有する。

第３シール部材５０は、第３金属セパレータ２０の面２０ａにおいて、供給孔部４４ａ及び排出孔部４４ｂと、第２燃料ガス流路４２とを囲繞してこれらを連通する第１凸状シール部５０ａを有する。

図８に示すように、第３シール部材５０は、第３金属セパレータ２０の面２０ｂにおいて、冷却媒体入口連通孔２５ａ及び冷却媒体出口連通孔２５ｂと冷却媒体流路３２との外周を連通する第２凸状シール部５０ｂを有する。

図２に示すように、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５２と、前記固体高分子電解質膜５２を挟持するカソード電極５４及びアノード電極５６とを備える。カソード電極５４は、アノード電極５６及び固体高分子電解質膜５２の平面寸法よりも小さな平面寸法を有する、所謂、段差型ＭＥＡを構成している。なお、カソード電極５４、アノード電極５６及び固体高分子電解質膜５２は、同一の表面積に設定してもよく、また、前記アノード電極５６は、前記カソード電極５４及び前記固体高分子電解質膜５２の表面積よりも小さな表面積を有してもよい。

カソード電極５４及びアノード電極５６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５２の両面に形成される。

図１〜図５に示すように、第１電解質膜・電極構造体１６ａは、カソード電極５４の終端部外方に位置して固体高分子電解質膜５２の外周縁部に第１樹脂枠部材（樹脂製枠部材）５８が、例えば、射出成形等により一体成形される。なお、予め製造された樹脂製枠部材を接合してもよい。図２に示すように、第１樹脂枠部材５８は、第１電解質膜・電極構造体１６ａとの接合部位に厚さＬ１の部分を有し、この厚さＬ１は、前記第１電解質膜・電極構造体１６ａの厚さＬ２よりも大きな寸法に設定される。

第２電解質膜・電極構造体１６ｂは、カソード電極５４の終端部外方に位置して固体高分子電解質膜５２の外周縁部に第２樹脂枠部材（樹脂製枠部材）６０が、例えば、射出成形等により一体成形される。なお、予め製造された樹脂製枠部材を接合してもよい。第２樹脂枠部材６０は、第２電解質膜・電極構造体１６ｂとの接合部位に厚さＬ３の部分を有し、この厚さＬ３は、前記第２電解質膜・電極構造体１６ｂの厚さＬ４よりも大きな寸法に設定される。

第１樹脂枠部材５８及び第２樹脂枠部材６０を構成する樹脂材としては、例えば、汎用プラスチックの他、エンジニアリングプラスチックやスーパーエンジニアリングプラスチック等が採用される。

第１樹脂枠部材５８のカソード電極５４側の面には、図９に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと第１酸化剤ガス流路２６の入口側との間に位置して入口バッファ部（第１バッファ部）６２ａが設けられる。酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと第１酸化剤ガス流路２６の出口側との間に位置して、出口バッファ部（第１バッファ部）６２ｂが設けられる。

入口バッファ部６２ａは、第１樹脂枠部材５８に一体成形される複数本のライン状凸部６４ａを有し、前記凸部６４ａ間には、入口ガイド流路６６ａが形成される。出口バッファ部６２ｂは、第１樹脂枠部材５８に一体成形される複数本のライン状凸部６４ｂを有し、前記凸部６４ｂ間には、出口ガイド流路６６ｂが形成される。入口バッファ部６２ａ及び出口バッファ部６２ｂには、それぞれエンボス部６３ａ、６３ｂが形成される。入口バッファ部６２ａ及び出口バッファ部６２ｂは、ライン状凸部又はエンボスのみで構成してもよい。

図１０に示すように、第１樹脂枠部材５８のアノード電極５６側の面には、燃料ガス入口連通孔２４ａと第１燃料ガス流路３４との間に位置して入口バッファ部（第２バッファ部）６８ａが設けられる。燃料ガス出口連通孔２４ｂと第１燃料ガス流路３４との間に位置して、出口バッファ部（第２バッファ部）６８ｂが設けられる。

入口バッファ部６８ａは、複数本のライン状凸部７０ａを有するとともに、前記凸部７０ａ間には、入口ガイド流路７２ａが形成される。出口バッファ部６８ｂは、複数本のライン状凸部７０ｂを有するとともに、前記凸部７０ｂ間には、出口ガイド流路７２ｂが形成される。入口バッファ部６８ａ及び出口バッファ部６８ｂには、それぞれエンボス部６９ａ、６９ｂが形成される。

第２樹脂枠部材６０のカソード電極５４側の面には、図１１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと第２酸化剤ガス流路３８との間に位置して入口バッファ部（第１バッファ部）７４ａが設けられる。酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと第２酸化剤ガス流路３８との間に位置して、出口バッファ部（第１バッファ部）７４ｂが形成される。

入口バッファ部７４ａは、複数本のライン状凸部７６ａを有し、前記凸部７６ａ間には、入口ガイド流路７８ａが形成される。出口バッファ部７４ｂは、複数本のライン状凸部７６ｂを有し、前記凸部７６ｂ間には、出口ガイド流路７８ｂが形成される。入口バッファ部７４ａ及び出口バッファ部７４ｂには、それぞれエンボス部７５ａ、７５ｂが形成される。

第２樹脂枠部材６０のアノード電極５６側の面には、図１２に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａと第２燃料ガス流路４２との間に位置して入口バッファ部（第２バッファ部）８０ａが設けられる。燃料ガス出口連通孔２４ｂと第２燃料ガス流路４２との間に位置して、出口バッファ部（第２バッファ部）８０ｂが設けられる。

入口バッファ部８０ａは、複数本のライン状凸部８２ａを有し、前記凸部８２ａ間には、入口ガイド流路８４ａが形成される。出口バッファ部８０ｂは、複数本のライン状凸部８２ｂを有し、前記凸部８２ｂ間には、出口ガイド流路８４ｂが設けられる。入口バッファ部８０ａ及び出口バッファ部８０ｂには、それぞれエンボス部８１ａ、８１ｂ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、冷却媒体流路３２が形成される。

本実施形態では、第２金属セパレータ１８の面１８ａにおいて、図３及び図７に示すように、第１燃料ガス流路３４の入口側流路端部では、発電ユニット１２の積層方向（矢印Ａ方向）に前記第２金属セパレータ１８と第１樹脂枠部材５８とが、特に本実施形態では、アノード電極５６の大サイズ（固体高分子電解質膜５２と同一の外形寸法）のカーボンペーパとが、重なる重なり部３４ｅｉが設けられる。図３に示すように、重なり部３４ｅｉは、波状流路溝部３４ａの入口側端部を面１８ａ側に突出させることにより浅溝に構成される。重なり部３４ｅｉの流路深さｄ１は、流路中央部の波状流路溝部３４ａの流路深さｄ２よりも浅く構成される。流路深さｄ２は、入口及び出口の除く全長に亘って一定の深さを有する。

図４及び図７に示すように、第１燃料ガス流路３４の出口側流路端部では、発電ユニット１２の積層方向（矢印Ａ方向）に第２金属セパレータ１８と第１樹脂枠部材５８とが、特に本実施形態では、アノード電極５６の大サイズ（固体高分子電解質膜５２と同一の外形寸法）のカーボンペーパとが、重なる重なり部３４ｅｏが設けられる。図４に示すように、重なり部３４ｅｏは、波状流路溝部３４ａの出口側端部を面１８ａ側に突出させることにより浅溝に構成される。重なり部３４ｅｏの流路深さｄ３は、流路中央部の波状流路溝部３４ａの流路深さｄ２よりも浅く構成される。

図１及び図３に示すように、第３金属セパレータ２０の面２０ａにおいて、第２燃料ガス流路４２の入口側流路端部では、発電ユニット１２の積層方向（矢印Ａ方向）に前記第３金属セパレータ２０と第２樹脂枠部材６０とが、特に本実施形態では、アノード電極５６の大サイズ（固体高分子電解質膜５２と同一の外形寸法）のカーボンペーパとが、重なる重なり部４２ｅｉが設けられる。図３に示すように、重なり部４２ｅｉは、波状流路溝部４２ａの入口側端部を面２０ａ側に突出させることにより浅溝に構成される。重なり部４２ｅｉの流路深さｄ４は、流路中央部の波状流路溝部４２ａの流路深さｄ５よりも浅く構成される。

図４に示すように、第２燃料ガス流路４２の出口側流路端部では、発電ユニット１２の積層方向（矢印Ａ方向）に第３金属セパレータ２０と第２樹脂枠部材６０とが、特に本実施形態では、アノード電極５６の大サイズ（固体高分子電解質膜５２と同一の外形寸法）のカーボンペーパとが、重なる重なり部４２ｅｏが設けられる。重なり部４２ｅｏは、波状流路溝部４２ａの出口側端部を面２０ａ側に突出させることにより浅溝に構成される。重なり部４２ｅｏの流路深さｄ６は、流路中央部の波状流路溝部４２ａの流路深さｄ５よりも浅く構成される。

図５及び図６に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ａにおいて、第１酸化剤ガス流路２６の入口側流路端部では、発電ユニット１２の積層方向（矢印Ａ方向）に前記第１金属セパレータ１４と第１樹脂枠部材５８とが重なる重なり部２６ｅｉが設けられる。図５に示すように、重なり部２６ｅｉは、波状流路溝部２６ａの入口側端部を面１４ａ側に突出させることにより浅溝に構成される。重なり部２６ｅｉの流路深さｄ７は、流路中央部の波状流路溝部２６ａの流路深さｄ８よりも浅く設定される。

図６に示すように、第１酸化剤ガス流路２６の出口側流路端部では、発電ユニット１２の積層方向（矢印Ａ方向）に第１金属セパレータ１４と第１樹脂枠部材５８とが重なる重なり部２６ｅｏが設けられる。重なり部２６ｅｏは、波状流路溝部２６ａの出口側端部を面１４ａ側に突出させることにより浅溝に構成される。重なり部２６ｅｏの流路深さｄ９は、流路中央部の波状流路溝部２６ａの流路深さｄ８よりも浅く設定される。

図５及び図７に示すように、第２金属セパレータ１８の面１８ｂにおいて、第２酸化剤ガス流路３８の入口側流路端部では、発電ユニット１２の積層方向（矢印Ａ方向）に前記第２金属セパレータ１８と第２樹脂枠部材６０とが重なる重なり部３８ｅｉが設けられる。図５に示すように、重なり部３８ｅｉの流路深さｄ１０は、流路中央部の波状流路溝部３８ａの流路深さｄ１１よりも浅く設定される。

図７に示すように、第２酸化剤ガス流路３８の出口側流路端部では、発電ユニット１２の積層方向（矢印Ａ方向）に第２金属セパレータ１８と第２樹脂枠部材６０とが重なる重なり部３８ｅｏが設けられる。重なり部３８ｅｏの流路深ｄ１２さは、流路中央部の波状流路溝部３８ａの流路深さｄ１１よりも浅く設定される。

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２２ａ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２４ａ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２５ａ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、図５に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２２ａから入口バッファ部６２ａを通って第１金属セパレータ１４の第１酸化剤ガス流路２６に供給される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２２ａから第２金属セパレータ１８の第２酸化剤ガス流路３８に導入される。

酸化剤ガスは、図１及び図６に示すように、第１酸化剤ガス流路２６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のカソード電極５４に供給されるとともに、第２酸化剤ガス流路３８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のカソード電極５４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２４ａから第２金属セパレータ１８の供給孔部３６ａを通って入口バッファ部６８ａに供給される。燃料ガスは、入口バッファ部６８ａを通って第２金属セパレータ１８の第１燃料ガス流路３４に供給される。

燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２４ａから第３金属セパレータ２０の供給孔部４４ａを通って入口バッファ部８０ａに供給される。燃料ガスは、入口バッファ部８０ａを通って第３金属セパレータ２０の第２燃料ガス流路４２に供給される。

燃料ガスは、図１及び図７に示すように、第１燃料ガス流路３４に沿って矢印Ｂ方向に移動し、第１電解質膜・電極構造体１６ａのアノード電極５６に供給されるとともに、第２燃料ガス流路４２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のアノード電極５６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、各カソード電極５４に供給される酸化剤ガスと、各アノード電極５６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５４に供給されて消費された酸化剤ガスは、出口バッファ部６２ｂ、７４ｂから酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに排出される。

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のアノード電極５６に供給されて消費された燃料ガスは、図４に示すように、出口バッファ部６８ｂ、８０ｂに導入される。燃料ガスは、排出孔部３６ｂ、４４ｂを通って燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出される。

一方、左右一対の冷却媒体入口連通孔２５ａに供給された冷却媒体は、図１に示すように、冷却媒体流路３２に導入される。冷却媒体は、各冷却媒体入口連通孔２５ａから冷却媒体流路３２に供給され、一旦矢印Ｃ方向内方に沿って流動した後、矢印Ｂ方向に移動して第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を冷却する。この冷却媒体は、矢印Ｃ方向外方に移動した後、一対の冷却媒体出口連通孔２５ｂに排出される。

この場合、図３に示すように、第２金属セパレータ１８には、第１燃料ガス流路３４の入口側流路端部において、第１樹脂枠部材５８と重なる重なり部３４ｅｉが設けられている。そして、重なり部３４ｅｉの流路深さｄ１は、流路中央部の波状流路溝部３４ａの流路深さｄ２よりも浅く構成されている。さらに、第３金属セパレータ２０には、第２燃料ガス流路４２の入口側流路端部において、第２樹脂枠部材６０と重なる重なり部４２ｅｉが設けられている。そして、重なり部４２ｅｉの流路深さｄ４は、流路中央部の波状流路溝部４２ａの流路深さｄ５よりも浅く構成されている。

一方、図４に示すように、第２金属セパレータ１８には、第１燃料ガス流路３４の出口側流路端部において、第１樹脂枠部材５８と重なる重なり部３４ｅｏが設けられている。そして、重なり部３４ｅｏの流路深さｄ３は、流路中央部の波状流路溝部３４ａの流路深さｄ２よりも浅く構成されている。さらに、第３金属セパレータ２０には、第２燃料ガス流路４２の出口側流路端部において、第２樹脂枠部材６０と重なる重なり部４２ｅｏが設けられている。そして、重なり部４２ｅｏの流路深さｄ６は、流路中央部の波状流路溝部４２ａの流路深さｄ５よりも浅く構成されている。

このため、第１電解質膜・電極構造体１６ａよりも肉厚な第１樹脂枠部材５８及び第２電解質膜・電極構造体１６ｂよりも肉厚な第２樹脂枠部材６０が用いられていても、発電ユニット１２の積層方向の寸法が有効に短尺化され、燃料電池スタック１０の小型化が容易に遂行される。

しかも、重なり部３４ｅｉ、３４ｅｏ及び重なり部４２ｅｉ、４２ｅｏの流路深さを絞ることにより、第１燃料ガス流路３４及び第２燃料ガス流路４２の各流路圧損が上昇する。従って、燃料ガスの分配性が向上するとともに、第１燃料ガス流路３４及び第２燃料ガス流路４２からの生成水の排水性が良好に向上する。さらに、第１樹脂枠部材５８及び第２樹脂枠部材６０自体を厚く設定することができ、成形性及び強度を容易に確保することが可能になる。

また、第１酸化剤ガス流路２６及び第２酸化剤ガス流路３８においても同様に、重なり部２６ｅｉ、２６ｅｏ及び重なり部３８ｅｉ、３８ｅｏを設けている。これにより、燃料電池スタック１０の小型化が図られるとともに、酸化剤ガスの分配性が向上するとともに、第１酸化剤ガス流路２６及び第２酸化剤ガス流路３８からの生成水の排水性が良好に向上する等の効果が得られる。

１０…燃料電池スタック １２…発電ユニット
１４、１８、２０…金属セパレータ １６ａ、１６ｂ…電解質膜・電極構造体
２２ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ２２ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
２４ａ…燃料ガス入口連通孔 ２４ｂ…燃料ガス出口連通孔
２５ａ…冷却媒体入口連通孔 ２５ｂ…冷却媒体出口連通孔
２６、３８…酸化剤ガス流路
２６ｅｉ、２６ｅｏ、３４ｅｉ、３４ｅｏ、３８ｅｉ、３８ｅｏ、４２ｅｉ、４２ｅｏ…重なり部
３４、４２…燃料ガス流路 ３６ａ、４４ａ…供給孔部
３６ｂ、４４ｂ…排出孔部 ４６、４８、５０…シール部材
５２…固体高分子電解質膜 ５４…カソード電極
５６…アノード電極 ５８、６０…樹脂枠部材
６２ａ、６８ａ、７４ａ、８０ａ…入口バッファ部
６２ｂ、６８ｂ、７４ｂ、８０ｂ…出口バッファ部

Claims (3)

1. 電解質膜の両側に一対の電極を設ける電解質膜・電極構造体の外周部に、前記電解質膜・電極構造体の厚さよりも厚さの大きな部分を有する樹脂製枠部材が設けられた枠付き電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層されるとともに、
   一方の電極に対向する前記セパレータには、電極面に沿って一方の反応ガスを供給する第１反応ガス流路が設けられ、他方の電極に対向する前記セパレータには、電極面に沿って他方の反応ガスを供給する第２反応ガス流路が設けられる燃料電池スタックであって、
   前記第１反応ガス流路及び前記第２反応ガス流路は、流路端部で前記燃料電池の積層方向に前記樹脂製枠部材と重なる重なり部を有し、
   前記重なり部の流路深さは、流路中央部の流路深さよりも浅く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、前記一方の反応ガスを前記積層方向に流通させる第１反応ガス連通孔と、
   前記他方の反応ガスを前記積層方向に流通させる第２反応ガス連通孔と、
   を備え、
   前記樹脂製枠部材には、前記第１反応ガス連通孔と前記第１反応ガス流路とを連通させる第１バッファ部と、
   前記第２反応ガス連通孔と前記第２反応ガス流路とを連通させる第２バッファ部と、
   が形成されることを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項２記載の燃料電池スタックにおいて、前記第１バッファ部と前記第２バッファ部とは、前記樹脂製枠部材の表裏に形成されることを特徴とする燃料電池スタック。

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