JP2014160628A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】セパレータの共用化を図ることができ、燃料電池スタック全体を簡単且つ経済的に構成することを可能にする。
【解決手段】燃料電池スタック１０は、発電ユニット１２を備えるとともに、複数の前記発電ユニット１２が積層されて積層体１３が得られる。積層体１３の積層方向の一方には、ターミナルプレート１００ｂ、インシュレータ１０２ｂ及びエンドプレート１０４ｂが配設される。インシュレータ１０２ｂの面１０２ｂｓには、入口連結流路８６ａを構成する第１流路部９０ａに対応する入口流路部１２２ａが設けられる。
【選択図】図２

Description

本発明は、電解質膜の両側にそれぞれ電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される積層体を備え、前記積層体の積層方向の両端には、ターミナルプレート、インシュレータ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。

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一方の面側にアノード電極が、他方の面側にカソード電極が、それぞれ設けられた電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持している。燃料電池は、通常、複数積層されて燃料電池スタックを構成するとともに、前記燃料電池スタックは、例えば、燃料電池電気自動車に搭載されることにより、車載用燃料電池システムとして使用されている。

燃料電池スタックでは、複数の燃料電池が積層された積層体の積層方向両端に、それぞれターミナルプレート、インシュレータ及びエンドプレートが、順次、積層されている。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、積層体の積層方向の少なくとも一方の端部に、前記積層体とターミナルプレートとの間に位置し、燃料電池に対応してダミーセルが配設されている。ダミーセルは、電解質膜の代わりに金属板を用いており、発電による生成水が生成されないため、前記ダミーセル自体が断熱層として機能することができる。

特許第４７２７９７２号公報

ところで、上記の燃料電池スタックでは、ダミーセルは、一方の積層面が燃料電池に当接するものの、他方の積層面がターミナルプレート又はインシュレータに当接している。従って、ダミーセルの他方の積層面を構成するセパレータとしては、燃料電池を構成するセパレータとは異なる構成を用いた専用セパレータを使用しなければならない。これにより、ダミーセルのセパレータを、燃料電池のセパレータとは個別に製造しなければならず、経済的ではないという問題がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、セパレータの共用化を図ることができ、簡単且つ経済的に構成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、電解質膜の両側にそれぞれ電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される積層体を備え、前記積層体の積層方向の両端には、ターミナルプレート、インシュレータ及びエンドプレートが配設されるとともに、燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体である流体を前記積層方向に流通させる流体連通孔、前記流体をセパレータ面内に流通させる流体流路、少なくとも１つの前記セパレータに前記積層方向に貫通して形成される流体孔部、及び前記セパレータの一方の面側で前記流体連通孔と前記流体孔部とを連通し且つ前記セパレータの他方の面側で前記流体孔部と前記流体流路とを連通する連結通路部を備え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、ターミナルプレートは、インシュレータよりも小さな寸法を有し、前記インシュレータに形成された凹部に収容されるとともに、前記インシュレータには、少なくとも１つのセパレータに接触する外周部に、連結通路部を構成し、流体連通孔と流体孔部とを連通する流路部が設けられている。

本発明によれば、インシュレータは、少なくとも１つのセパレータに接触する外周部に、連結通路部の一部を構成する流路部を設けている。従って、インシュレータ自体に連結通路部の一部が形成されるため、前記インシュレータに接する前記セパレータは、専用の構成を採用する必要がない。これにより、燃料電池を構成するセパレータと同一のセパレータを用いることが可能になる。このため、セパレータの共用化を図ることができ、燃料電池スタック全体を簡単且つ経済的に構成することが可能になる。

本発明の第１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の、図１中、ＩＩＩ−ＩＩＩ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要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの、図４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。 前記発電ユニットを構成する第３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１電解質膜・電極構造体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電解質膜・電極構造体の一方の面の説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する一方のインシュレータの斜視説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの一部断面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックの一部断面説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する発電ユニットの要部分解斜視説明図である。

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、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１３を備える。

積層体１３の積層方向（矢印Ａ方向）一端には、図１に示すように、ターミナルプレート１００ａ、インシュレータ（絶縁プレート）１０２ａ及びエンドプレート１０４ａが外方に向かって、順次、配設される。積層体１３の積層方向他端には、ターミナルプレート１００ｂ、インシュレータ（絶縁プレート）１０２ｂ及びエンドプレート１０４ｂが外方に向かって、順次、配設される。

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１０４ａ、１０４ｂ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２〜図５に示すように、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は、水平方向に沿って積層されるとともに、電極面が重力方向に沿った鉛直姿勢で且つ水平方向に長尺な横長形状を有する（図４参照）。

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。なお、金属セパレータに代えて、カーボンセパレータを使用してもよい。

図４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（流体）、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（流体）、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側の一方に、矢印Ａ方向に互いに連通して冷却媒体（流体）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の短辺方向の両端縁部には、燃料ガス入口連通孔２４ａ側の他方に、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（流体流路）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（又は直線状流路溝部）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、それぞれ複数の入口エンボス部２８ａ及び出口エンボス部２８ｂが設けられる。

入口エンボス部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。出口エンボス部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４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（流体流路）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。

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（流体流路）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（又は直線状流路溝部）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（流体孔部）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（流体孔部）３６ｂが形成される。

図８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（流体流路）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（又は直線状流路溝部）３８ａを有する。酸化剤ガス入口連通孔２２ａの近傍には、複数本の入口連結溝４０ａが形成される一方、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂの近傍には、複数本の出口連結溝４０ｂが形成される。

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、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（流体流路）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（又は直線状流路溝部）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（流体孔部）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２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）に配置される一方、図３に示すように、排出孔部（流体孔部）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。

図９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。

図４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４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。

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８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。

図４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９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及び図３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の表面寸法よりも小さな表面寸法を有する段差型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、同一の表面寸法に設定してもよく、前記アノード電極５６は、前記カソード電極５４及び固体高分子電解質膜５２の表面寸法よりも小さな表面寸法を有していてもよい。

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。

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５８が、例えば、射出成形等により一体成形される。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６０が、例えば、射出成形等により一体成形される。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。

図４に示すように、第１樹脂枠部材５８のカソード電極５４側の面には、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６２ａが設けられるとともに、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと前記第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６２ｂが設けられる。入口バッファ部６２ａ及び出口バッファ部６２ｂは、それぞれ複数のエンボスと複数の直線流路とを有する。以下に説明する他のバッファ部も、同様である。

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６８ａが設けられるとともに、燃料ガス出口連通孔２４ｂと前記第１燃料ガス流路３４との間に位置して、出口バッファ部６８ｂが設けられる。

図４に示すように、第２樹脂枠部材６０のカソード電極５４側の面には、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７４ａが設けられるとともに、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと前記第２酸化剤ガス流路３８との間に位置して出口バッファ部７４ｂ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１１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８０ａが設けられるとともに、燃料ガス出口連通孔２４ｂと前記第２燃料ガス流路４２との間に位置して出口バッファ部８０ｂが設けられる。

図２に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａと第１燃料ガス流路３４とは、入口連結流路（連結通路部）８６ａ及び入口バッファ部６８ａを介して連結されるとともに、前記燃料ガス入口連通孔２４ａと第２燃料ガス流路４２とは、入口連結流路（連結通路部）８８ａ及び入口バッファ部８０ａを介して連結される。

入口連結流路８６ａは、燃料ガス入口連通孔２４ａと入口バッファ部６８ａとの間に設けられている。この入口連結流路８６ａは、互いに隣接する第２金属セパレータ１８と第３金属セパレータ２０との間に形成され、一端が燃料ガス入口連通孔２４ａに連通し他端が供給孔部３６ａに連通する第１流路部９０ａと、前記第２金属セパレータ１８に形成される前記供給孔部３６ａと、前記第２金属セパレータ１８と第１樹脂枠部材５８の突出部５８ｃとの間に形成され、一端が前記供給孔部３６ａに連通し、且つ他端が入口バッファ部６８ａに連通する第２流路部９２ａとを備える。

入口連結流路８８ａは、同様に、第３金属セパレータ２０とこれに隣接する第１金属セパレータ１４との間に形成され、一端が燃料ガス入口連通孔２４ａに連通し他端が供給孔部４４ａに連通する第１流路部９４ａと、前記第３金属セパレータ２０に形成される前記供給孔部４４ａと、前記第３金属セパレータ２０と第２樹脂枠部材６０の突出部６０ｃとの間に形成され、一端が前記供給孔部４４ａに連通し、且つ他端が入口バッファ部８０ａに連通する第２流路部９６ａとを備える。

図３に示すように、燃料ガス出口連通孔２４ｂと出口バッファ部６８ｂとは、出口連結流路（連結通路部）８６ｂを介して連結されるとともに、前記燃料ガス出口連通孔２４ｂと出口バッファ部８０ｂとは、出口連結流路（連結通路部）８８ｂを介して連結される。出口連結流路８６ｂは、第２金属セパレータ１８と第３金属セパレータ２０との間に形成される第１流路部９０ｂと、前記第２金属セパレータ１８に形成された排出孔部３６ｂと、前記第２金属セパレータ１８と第１樹脂枠部材５８の突出部５８ｄとの間に形成される第２流路部９２ｂとを備える。

出口連結流路８８ｂは、第３金属セパレータ２０とこれに隣接する第１金属セパレータ１４との間に形成される第１流路部９４ｂと、前記第３金属セパレータ２０に形成される排出孔部４４ｂと、前記第３金属セパレータ２０と第２樹脂枠部材６０の突出部６０ｄとの間に形成される第２流路部９６ｂとを備える。

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。

図１に示すように、積層体１３の積層方向両端には、第２金属セパレータ１８が配置される。積層方向両端の各第２金属セパレータ１８に隣接するターミナルプレート１００ａ、１００ｂの略中央には、積層方向外方に延在する端子部１０６ａ、１０６ｂが設けられる。端子部１０６ａ、１０６ｂは、絶縁性筒体１０８に挿入されてエンドプレート１０４ａ、１０４ｂの外部に突出する。インシュレータ１０２ａ、１０２ｂ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。

インシュレータ１０２ａ、１０２ｂは、中央部に矩形状の凹部１１０ａ、１１０ｂが設けられるとともに、この凹部１１０ａ、１１０ｂの略中央に孔部１１２ａ、１１２ｂが形成される。凹部１１０ａ、１１０ｂには、ターミナルプレート１００ａ、１００ｂが収容され、前記ターミナルプレート１００ａ、１００ｂの端子部１０６ａ、１０６ｂが絶縁性筒体１０８を介装して孔部１１２ａ、１１２ｂに挿入される。

エンドプレート１０４ａ、１０４ｂの略中央部には、孔部１１２ａ、１１２ｂと同軸的に孔部１１４ａ、１１４ｂが形成される。エンドプレート１０４ａには、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ、燃料ガス入口連通孔２４ａ、２つの冷却媒体入口連通孔２５ａ、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂ、燃料ガス出口連通孔２４ｂ及び２つの冷却媒体出口連通孔２５ｂが形成される。

図１２に示すように、インシュレータ１０２ｂの第２金属セパレータ１８に接触する面１０２ｂｓ側の外周部には、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに対応して凹部１１６ａ及び１１６ｂが形成される。面１０２ｂｓには、燃料ガス入口連通孔２４ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂに対応して凹部１１８ａ及び１１８ｂが形成されるとともに、冷却媒体入口連通孔２５ａ及び冷却媒体出口連通孔２５ｂに対応して凹部１２０ａ及び１２０ｂが形成される。なお、凹部１１６ａ、１１６ｂ、１１８ａ、１１８ｂ、１２０ａ及び１２０ｂは、設けなくてもよく、平らに構成してもよい。

面１０２ｂｓには、燃料ガス入口連通孔２４ａに対応する凹部１１８ａに一端が連通し、凹部１１６ａ側に向かって所定の長さだけ延在する入口流路部１２２ａが形成される。入口流路部１２２ａは、複数本の流路溝を有しており、図２に示すように、入口連結流路８６ａを構成する第１流路部９０ａに対応する。

図１２に示すように、面１０２ｂｓには、燃料ガス出口連通孔２４ｂに対応する凹部１１８ｂに一端が連通し、凹部１１６ｂ側に向かって所定の長さだけ延在する出口流路部１２２ｂが形成される。出口流路部１２２ｂは、複数本の流路溝を有しており、図３に示すように、出口連結流路８６ｂを構成する第１流路部９０ｂに対応する。

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、エンドプレート１０４ａを介して、酸化剤ガス入口連通孔２２ａには、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には、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２５ａには、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、酸化剤ガスの一部は、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。また、他の酸化剤ガスは、入口バッファ部７４ａを通って第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４、図６及び図８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２に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａから入口連結流路８６ａ、８８ａに導入される。入口連結流路８６ａでは、燃料ガスが、第１流路部９０ａから供給孔部３６ａを通って第２流路部９２ａに送られた後、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。

入口連結流路８８ａでは、燃料ガスが、第１流路部９４ａから供給孔部４４ａを通って第２流路部９６ａに送られた後、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４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３に示すように、出口バッファ部６８ｂ、８０ｂから出口連結流路８６ｂ、８８ｂに導入される。出口連結流路８６ｂでは、燃料ガスが、第２流路部９２ｂから排出孔部３６ｂを通って第１流路部９０ｂに送られた後、燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出される。

出口連結流路８８ｂでは、燃料ガスが、第２流路部９６ｂから排出孔部４４ｂを通って第１流路部９４ｂに送られた後、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４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、第１の実施形態では、図２及び図１２に示すように、インシュレータ１０２ｂは、第２金属セパレータ１８に接触する面１０２ｂｓ側の外周部に、入口連結流路８６ａの一部（第１流路部９０ａに相当する）を構成する入口流路部１２２ａが設けられている。一方、図３及び図１２に示すように、面１０２ｂｓ側の外周部には、出口連結流路８６ｂの一部（第１流路部９０ｂに相当する）を構成する出口流路部１２２ｂが設けられている。

従って、インシュレータ１０２ｂ自体に、入口連結流路８６ａの一部及び出口連結流路８６ｂの一部が形成されるため、前記インシュレータ１０２ｂに接する第２金属セパレータ１８は、専用の構成を採用する必要がない。これにより、発電ユニット１２を構成する第２金属セパレータ１８と同一のセパレータを用いることが可能になる。このため、セパレータの共用化を図ることができ、燃料電池スタック１０全体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。

図１３は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック１３０の一部断面説明図である。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。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

燃料電池スタック１３０を構成する積層体１３は、積層方向一端に第１金属セパレータ１４を配置するとともに、積層方向他端に第３金属セパレータ２０を配置する。積層体１３の一端側には、ターミナルプレート１００ａ、インシュレータ１０２ａ及びエンドプレート１０４ａが外方に向かって配設される。積層体１３の他端側には、ターミナルプレート１００ｂ、インシュレータ（絶縁プレート）１３２及びエンドプレート１０４ｂが外方に向かって配設される。

インシュレータ１３２は、第３金属セパレータ２０の面２０ｂに当接して配置される。インシュレータ１３２の第３金属セパレータ２０に接触する面１３２ｓには、入口連結流路８８ａを構成する第１流路部９４ａに対応する入口流路部１３４が形成される。入口流路部１３４は、燃料ガス入口連通孔２４ａから供給孔部４４ａに向かって延在する複数本の流路溝を有する。なお、面１３２ｓには、出口連結流路８８ｂを構成する第１流路部９４ｂに対応する出口流路部（図示せず）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、インシュレータ１３２は、第３金属セパレータ２０に接触する面１３２ｓ側の外周部に、入口連結流路８８ａの一部（第１流路部９４ａに相当する）を構成する入口流路部１３４が設けられている。

従って、インシュレータ１３２に接する第３金属セパレータ２０は、専用の構成を採用する必要がなく、セパレータの共用化を図ることができる。これにより、燃料電池スタック１３０全体を簡単且つ経済的に構成することが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図１４に示すように、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック１４０は、複数の発電ユニット１４２を積層した積層体１４４を備える。積層体１４４の積層方向一端には、ターミナルプレート１００ａ、インシュレータ１０２ａ及びエンドプレート１０４ａが外方に向かって配設される。積層体１４４の積層方向他端には、ターミナルプレート１００ｂ、インシュレータ（絶縁プレート）１４６及びエンドプレート１０４ｂが外方に向かって配設される。

図１４及び図１５に示すように、発電ユニット１４２は、第１金属セパレータ１４と第２金属セパレータ１４８との間に、電解質膜・電極構造体１６を挟持して構成される。

第２金属セパレータ１４８は、電解質膜・電極構造体１６側の面１４８ａに、燃料ガス流路３４が設けられるとともに、他方の面１４８ｂに、冷却媒体流路３２の一部が構成される。電解質膜・電極構造体１６は、第１の実施形態の第１電解質膜・電極構造体１６ａ又は第２電解質膜・電極構造体１６ｂと同様に構成されている。

図１４に示すように、インシュレータ１４６は、第２金属セパレータ１４８に接触する面１４６ｓに、入口連結流路８６ａを構成する第１流路部９０ａに対応する入口流路部１５０が形成される。入口流路部１５０は、燃料ガス入口連通孔２４ａから供給孔部３６ａに向かって延在する複数本の流路溝を有する。なお、面１４６ｓには、出口連結流路８６ｂを構成する第１流路部９０ｂに対応する出口流路部（図示せず）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、インシュレータ１４６は、第２金属セパレータ１４８に接触する面１４６ｓ側の外周部に、入口連結流路８６ａの一部（第１流路部９０ａに相当する）を構成する入口流路部１５０が設けられている。

従って、インシュレータ１４６に接する第２金属セパレータ１４８は、専用の構成を採用する必要がなく、セパレータの共用化を図ることができる。これにより、燃料電池スタック１４０全体を簡単且つ経済的に構成することが可能になる等、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、本発明の構成は、燃料ガス側に限定されるものではなく、酸化剤ガス側又は冷却媒体側にも適用することができる。さらに、本発明のインシュレータは、燃料ガス供給マニホールド側に適用してもよい。また、樹脂枠部材は、ＭＥＡの外周側に延在して各連通孔が設けられてもよい。

１０、１３０、１４０…燃料電池スタック
１２、１４２…発電ユニット １３、１４４…積層体
１４、１８、２０、１４８…金属セパレータ
１４ａ、１４ｂ、１８ａ、１８ｂ、２０ａ、２０ｂ、１０２ｂｓ、１３２ｓ、１４６ｓ、１４８ａ、１４８ｂ…面
１６、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 ３０ａ、４０ａ…入口連結溝
３０ｂ、４０ｂ…出口連結溝 ３２…冷却媒体流路
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
８６ａ、８８ａ…入口連結流路 ８６ｂ、８８ｂ…出口連結流路
９０ａ、９０ｂ、９２ａ、９２ｂ、９４ａ、９４ｂ、９６ａ、９６ｂ…流路部
１００ａ、１００ｂ…ターミナルプレート
１０２ａ、１０２ｂ、１３２、１４６…インシュレータ
１０４ａ、１０４ｂ…エンドプレート
１１０ａ、１１０ｂ、１１８ａ、１１８ｂ、１１６ａ、１１６ｂ、１２０ａ、１２０ｂ…凹部
１２２ａ、１３４、１５０…入口流路部
１２２ｂ…出口流路部

Claims (1)

1. 電解質膜の両側にそれぞれ電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される積層体を備え、前記積層体の積層方向の両端には、ターミナルプレート、インシュレータ及びエンドプレートが配設されるとともに、燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体である流体を前記積層方向に流通させる流体連通孔、前記流体をセパレータ面内に流通させる流体流路、少なくとも１つの前記セパレータに前記積層方向に貫通して形成される流体孔部、及び前記セパレータの一方の面側で前記流体連通孔と前記流体孔部とを連通し且つ前記セパレータの他方の面側で前記流体孔部と前記流体流路とを連通する連結通路部を備える燃料電池スタックであって、
   前記ターミナルプレートは、前記インシュレータよりも小さな寸法を有し、該インシュレータに形成された凹部に収容されるとともに、
   前記インシュレータには、少なくとも１つの前記セパレータに接触する外周部に、前記連結通路部を構成し、前記流体連通孔と前記流体孔部とを連通する流路部が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。

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