JP2018098041A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】組み立て作業の煩雑化が抑制された燃料電池スタックの提供。【解決手段】複数のセル６０が同じ向きに積層された燃料電池スタック１であって、各セルは、膜電極ガス拡散層接合体２０と、絶縁部材４０と、第１ガス流路３４ｃ及び第１冷媒流路を有した第１セパレータ３３ｃと、絶縁部材及び第１セパレータを貫通して第１ガス、第２ガス、及び冷媒がそれぞれ流通する第１、第２、及び第３マニホールドと、第２ガス流路及び第２冷媒流路を有し第１セパレータと共に膜電極ガス拡散層接合体及び絶縁部材を挟持する第２セパレータ３３ａと、を備え、各セルにおいて、絶縁部材は、第１マニホールドと第１ガス流路とを連通させる第１連通部４１ｇ、第２マニホールドと第２ガス流路とを連通させる第２連通部、第３マニホールドに連通した第３連通部、を有し、第１セパレータには、第３連通部と第１冷媒流路とを連通させる連通口が形成されている燃料電池組成物。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池スタックに関する。

複数のセルが積層された燃料電池スタックが知られている。特許文献１の燃料電池スタックは、構造が異なる２種のセルが交互に積層されている。

特開２００７−３２４１２２号公報

特許文献１の燃料電池スタックでは、一のセル内に供給される反応ガスは、マニホールドから、一のセルと一のセルの一方側に隣接したセルとの間の一部を経由する。また、一のセルの他方側に隣接したセル内に供給される反応ガスは、マニホールドから、上記の一のセルと他方側のセルとの間の一部を経由する。従って、一のセルは、一方側のセルからの反応ガスの供給を受ける構造と、他方側のセルへ反応ガスを供給する構造とを備えている。この点については、一方側及び他方側のセルも同様である。このため、各セルにおいて、供給を受けた反応ガスと供給するための反応ガスとの合流を防止するために、供給を受ける構造と供給する構造とは、異なる位置に設けられている。また、一のセルと一方側のセルとは、一のセルの供給を受ける構造と、一方側のセルの供給する構造とを位置的に対応させて、積層させる必要がある。同様に、他方側のセルと一のセルとは、他方側のセルの供給を受ける構造と、一のセルの供給する構造とを位置的に対応させて積層させる必要がある。一のセルと一方側のセルとの間、及び他方側のセルと一のセルとの間に供給される冷媒に関する構造についても同様である。このように、２種のセルが協働して、２種のセルの一方への反応ガスの供給やセル間の冷媒の供給が確保されている。

しかしながら、このように２種のセルを交互に積層させると、燃料電池スタックの組み立て作業が煩雑化する可能性がある。

そこで本発明は、組み立て作業の煩雑化が抑制された燃料電池スタックを提供することを目的とする。

上記目的は、複数のセルが同じ向きに積層された燃料電池スタックであって、各前記セルは、電解質膜の一方の面の周縁領域を露出するように前記電解質膜の両面側にそれぞれ触媒層及びガス拡散層が形成されている膜電極ガス拡散層接合体と、前記電解質膜の前記周縁領域に接合され絶縁性を有した絶縁部材と、前記膜電極ガス拡散層接合体側に第１ガスが流通する第１ガス流路、及び前記膜電極ガス拡散層接合体とは反対側に冷媒が流通する第１冷媒流路、を有した第１セパレータと、前記絶縁部材及び前記第１セパレータを貫通して前記第１ガス、第２ガス、及び前記冷媒がそれぞれ流通する第１、第２、及び第３マニホールドと、前記膜電極ガス拡散層接合体側に前記第２ガスが流通する第２ガス流路、及び前記膜電極ガス拡散層接合体とは反対側に前記冷媒が流通する第２冷媒流路、を有し、前記絶縁部材及び前記第１セパレータのそれぞれの外周形状よりも小さく、前記第１、前記第２、及び前記第３マニホールドから退避しており、前記第１セパレータと共に前記膜電極ガス拡散層接合体及び前記絶縁部材を挟持する第２セパレータと、を備え、複数の前記セルは、当該複数の前記セルのうち隣接し合う２つの前記セルの一方の前記第１冷媒流路と他方の前記第２冷媒流路とが対向するように積層され、各前記セルにおいて、前記絶縁部材は、前記第１マニホールドと前記第１ガス流路とを連通させる第１連通部、前記第２マニホールドと前記第２ガス流路とを連通させる第２連通部、前記第３マニホールドに連通した第３連通部、を有し、前記第１セパレータには、前記第３連通部と前記第１冷媒流路とを連通させる連通口が形成されている、燃料電池スタックによって達成できる。

このように、一のセルの絶縁部材に形成された第１及び第２連通路をそれぞれ介して、その絶縁部材の第１及び第２マニホールドとその絶縁部材を含むセルの第１及び第２ガス流路とが連通される。また、一のセルの絶縁部材の第３連通部と第１セパレータの連通口とを介して、その絶縁部材の第３マニホールドとその絶縁部材を含むセルの第１冷媒流路とを連通できる。ここで、一のセルの第１冷媒流路は、一のセルに隣接したセルの第２冷媒流路に対向するため、第３マニホールドと、隣接するセルの間とを連通させることができる。このように、絶縁部材によりその絶縁部材を含むセルの第１ガス流路、第２ガス流路、及び第１冷媒流路と、第１、第２、及び第３マニホールドとをそれぞれ連通させることができる。このため、同一の種類のセルを積層させた場合であっても、各セルの第１ガス流路、第２ガス流路、及び第１冷媒流路と、第１、第２、及び第３マニホールドとを連通でき、組み立て作業の煩雑化が抑制される。

各前記セルにおいて、前記絶縁部材は、一方の面の内周側が前記電解質膜の前記周縁領域に接合され前記一方の面の反対側の他方の面が前記第１セパレータに当接した枠状の基材、前記基材の前記一方の面に設けられたシール部、を有し、前記第１、前記第２、及び前記第３連通部は、前記基材に形成されており、前記シール部は、前記第１、前記第２、及び前記第３マニホールドをそれぞれ包囲し前記第２セパレータの外側に位置する第１、第２、及び第３シール部、前記膜電極ガス拡散層接合体を包囲し前記基材と前記第２セパレータとの間をシールする第４シール部、を有し、複数の前記セルは、一の前記セルの前記第１、前記第２、及び前記第３シール部が、前記一の前記セルの前記第２セパレータに対向する他の前記セルの前記第１セパレータに当接するように、積層されている、構成であってもよい。

各前記セルにおいて、前記一の前記セルの前記第１、前記第２、及び前記第３シール部の少なくとも一つは、前記基材の前記一方の面から突出した形状であり、弾性を有し、前記他の前記セルの前記第１セパレータにより圧縮されている、構成であってもよい。

各前記セルにおいて、前記一の前記セルの前記第４シール部は、前記基材の前記一方の面から突出した形状であり、弾性を有し、当該一の前記セルの前記第２セパレータにより圧縮されている、構成であってもよい。

各前記セルにおいて、前記第１連通部は、前記第１マニホールドから前記第１及び前記第４シール部を横切るように前記基材に形成され、前記第１連通部の一端は、前記基材の内周縁で開口している、構成であってもよい。

各前記セルにおいて、前記第２連通部は、前記第２マニホールドから前記第２及び前記第４シール部を横切るように前記基材に形成され、前記第２連通部の一端は、前記第４シール部よりも内側に位置する前記基材の前記一方の面に開口している、構成であってもよい。

各前記セルにおいて、前記第３連通部は、前記第３マニホールドから前記第３シール部を横切るように前記基材に形成されている、構成であってもよい。

組み立て作業の煩雑化が抑制された燃料電池スタックを提供できる。

図１は、燃料電池スタックのセルを示した図である。 図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。 図３は、図１のＢ−Ｂ断面図である。 図４は、図１のＣ−Ｃ断面図である 図５は、絶縁部材を示した図である。 図６は、第１セパレータを示した図である。

図１は、燃料電池スタックのセルを示した図である。図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。図３は、図１のＢ−Ｂ断面図である。図４は、図１のＣ−Ｃ断面図である。図２〜図４に示すように、燃料電池スタック１は、セル６０、６０ａ…が同じ向きに複数積層されたスタック構造を有している。図１は、図２〜図４のセル６０の下方側から見た図に相当する。このセル６０、６０ａ…は、反応ガスとして燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば酸素）の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。酸化剤ガスは第１ガスの一例であり、燃料ガスは第２ガスの一例である。セル６０、６０ａ…のそれぞれは、膜電極ガス拡散層接合体２０（以下、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）と称する）と、ＭＥＧＡ２０を支持する絶縁部材４０と、ＭＥＧＡ２０を挟持するカソード側セパレータ３３ｃ（以下、第１セパレータと称する）とアノード側セパレータ３３ａ（以下、第２セパレータと称する）とを含む。ＭＥＧＡ２０は、アノード側ガス拡散層２２ａ及びカソード側ガス拡散層２２ｃ（以下、拡散層と称する）を有している。絶縁部材４０は、略枠状であって内周側がＭＥＧＡ２０の周縁領域に接合されているが、詳しくは後述する。絶縁部材４０は、絶縁部材の一例である。

図１に示すように、第１セパレータ３３ｃ及び絶縁部材４０の２つの短辺の一方側には、マニホールドＭ１〜Ｍ３が形成され、他方側にはマニホールドＭ４〜Ｍ６が形成されている。これらマニホールドＭ１〜Ｍ６は、複数のセル６０、６０ａ…のそれぞれに形成された貫通孔が重なって画定されており、セル６０、６０ａ…の積層方向に貫通している。尚、第２セパレータ３３ａには、このような孔は設けられておらず、第２セパレータ３３ａの外周形状は、第１セパレータ３３ｃ及び絶縁部材４０のそれぞれのよりも小さく、マニホールドＭ１〜Ｍ６から退避した形状となっている。マニホールドＭ１は、詳細には、複数のセル６０、６０ａ…に酸化剤ガスを供給するためのカソード入口マニホールドである。マニホールドＭ２は、複数のセル６０、６０ａ…から燃料ガスが排出されるアノード出口マニホールドである。マニホールドＭ３は、複数のセル６０、６０ａ…の間に冷媒を供給するための冷媒入口マニホールドである。マニホールドＭ４は、複数のセル６０、６０ａ…から酸化剤ガスが排出されるカソード出口マニホールドである。マニホールドＭ５は、複数のセル６０、６０ａ…に燃料ガスを供給するためのアノード入口マニホールドである。マニホールドＭ６は、複数のセル６０、６０ａ…の間から冷媒が排出される冷媒出口マニホールドである。尚、図１の例では、マニホールドＭ１〜Ｍ３は、セル６０の一方の短辺側にあって、マニホールドＭ３はマニホールドＭ１及びＭ２間にあり、マニホールドＭ４〜Ｍ６は、セル６０の他方の短辺側にあって、マニホールドＭ６はマニホールドＭ４及びＭ５間にあるが、これらマニホールドの位置はこれに限定されない。マニホールドＭ１及びＭ４のそれぞれは、絶縁部材４０及び第１セパレータ３３ｃを貫通して酸化剤ガスが流通する第１マニホールドの一例である。マニホールドＭ２及びＭ５のそれぞれは、絶縁部材４０及び第１セパレータ３３ｃを貫通して燃料ガスが流通する第２マニホールドの一例である。マニホールドＭ３及びＭ６は、絶縁部材４０及び第１セパレータ３３ｃを貫通して冷媒が流通する第３マニホールドの一例である。

図２に示すように、ＭＥＧＡ２０は、上述した拡散層２２ａ及び２２ｃと、略矩形状の電解質膜１１と、電解質膜１１の一方の面（図２において、上側の面）及び他方の面（図２において、下側の面）にそれぞれ形成されたアノード側触媒層１２ａ及びカソード側触媒層１２ｃ（以下、触媒層と称する）とを含む。電解質膜１１は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜であり、例えばフッ素系のイオン交換膜である。電解質膜１１は、周縁領域１１ｅと、周縁領域１１ｅに囲まれた中央領域１１ｃとを有している。

触媒層１２ｃは、電解質膜１１の一方の面の中央領域１１ｃに形成され、周縁領域１１ｅには形成されていない。触媒層１２ａは、電解質膜１１の端部との位置が略揃うように形成されている。即ち、触媒層１２ａは、電解質膜１１の周縁領域１１ｅ及び中央領域１１ｃを含む、電解質膜１１の他方の面の略全面にわたって形成されている。触媒層１２ａ及び１２ｃは、例えば白金（Ｐｔ）などを担持したカーボン担体とプロトン伝導性を有するアイオノマとを、電解質膜１１に塗布することにより形成される。

拡散層２２ａ及び２２ｃはそれぞれ、触媒層１２ａ及び１２ｃに接合されている。拡散層２２ａ及び２２ｃは、ガス透過性及び導電性を有する材料、例えば炭素繊維や黒鉛繊維などの多孔質の繊維基材で形成されている。また、拡散層２２ａ及び２２ｃの少なくとも一方は、上記の構成に限定されず、例えば切り曲げ加工により形成されたエキスパンドメタル、ラス加工により形成されたラスカットメタル、発泡焼結体等の金属多孔質体であってもよい。また、拡散層２２ａ及び２２ｃの少なくとも一方は、互いに接合された多孔質の繊維基材と金属多孔質体とを備えた構成であってもよい。拡散層２２ｃは、その端部が触媒層１２ｃの端部よりもやや内側に位置するか又は略揃う位置に設けられている。従って、拡散層２２ｃは、触媒層１２ｃを介して電解質膜１１の中央領域１１ｃに重なるが周縁領域１１ｅには重ならないように設けられている。これにより、拡散層２２ｃは、電解質膜１１の周縁領域１１ｅを露出するように設けられている。

拡散層２２ａも同様に、その端部が、触媒層１２ａの端部に略揃う位置に設けられるが、上述したように触媒層１２ａは電解質膜１１の一方の面に略全面にわたって形成されている。このため、拡散層２２ａは、触媒層１２ａを介して中央領域１１ｃのみならず周縁領域１１ｅにも重なるように設けられている。このように周縁領域１１ｅにも重なるように拡散層２２ａが設けられているため、電解質膜１１及び触媒層１２ａ及び１２ｃは、安定して支持されている。

図２に示すように、ＭＥＧＡ２０側の第１セパレータ３３ｃの面には、マニホールドＭ１及びＭ４を連通して酸化剤ガスが流れるカソード流路３４ｃが形成されている。また、図４に示すように、ＭＥＧＡ２０とは反対側の第１セパレータ３３ｃの面に、マニホールドＭ３及びＭ６を連通して冷媒が流通する冷媒流路３５ｃが形成されている。カソード流路３４ｃ及び冷媒流路３５ｃは、第１セパレータ３３ｃに凹凸状に表裏一体に形成されている。カソード流路３４ｃは、ＭＥＧＡ２０側に酸化剤ガスが流通する第１ガス流路の一例であり、冷媒流路３５ｃは、ＭＥＧＡ２０とは反対側に冷媒が流通する第１冷媒流路の一例である。同様に、ＭＥＧＡ２０側の第２セパレータ３３ａの面には、マニホールドＭ２及びＭ５を連通して燃料ガスが流れるアノード流路３４ａが形成されている。ＭＥＧＡ２０とは反対側の第２セパレータ３３ａの面には、マニホールドＭ３及びＭ６を連通して冷媒が流通する冷媒流路３５ａが形成されている。アノード流路３４ａ及び冷媒流路３５ａも、第２セパレータ３３ａに凹凸状に表裏一体に形成されている。アノード流路３４ａは、ＭＥＧＡ２０側に燃料ガスが流通する第２ガス流路の一例であり、冷媒流路３５ａは、ＭＥＧＡ２０とは反対側に冷媒が流通する第２冷媒流路の一例である。

絶縁部材４０の外周形状はＭＥＧＡ２０全体よりも大きいが、内周形状は電解質膜１１、触媒層１２ａ、及び拡散層２２ａのそれぞれよりも小さく、触媒層１２ｃ及び拡散層２２ｃのそれぞれよりも大きい。従って絶縁部材４０の内周縁４１ｅ全体の大きさは、電解質膜１１、触媒層１２ａ、及び拡散層２２ａのそれぞれよりも小さい。また、絶縁部材４０は、薄板状であって枠状の基材４１と、基材４１に形成されたシール部４１ｐ〜４８ｐとを含む。基材４１は、絶縁性を有した樹脂製又はゴム製である。基材４１は、一方の面４１ａの内周側が電解質膜１１の周縁領域１１ｅに接合され、面４１ａの反対側の他方の面４１ｃが第１セパレータ３３ｃに当接して図示しない接着剤により接合されることにより、シール性を確保している。なお、絶縁部材４０と第１セパレータ３３ｃとの間は必ずしも接合されていなくてもよく、図示しないガスケットによりシール性を確保してもよい。基材４１の面４１ａ及び４１ｃは、それぞれ一方の面及び他方の面の一例である。基材４１には、マニホールドＭ１〜Ｍ６にそれぞれ連通し互いに分離した連通溝４１ｇ〜４６ｇ、連通溝４２ｇ及び４５ｇにそれぞれ連通した連通孔４２ｈ及び４５ｈが形成されている。詳しくは後述する。

シール部４１ｐ〜４８ｐは、基材４１の面４１ａに突出して形成されている。シール部４１ｐ〜４８ｐは、それぞれ絶縁性及び弾性を有したゴム製であり、例えば熱可塑性エラストマーである。シール部４１ｐ〜４６ｐは、それぞれマニホールドＭ１〜Ｍ６を包囲した枠状であり、第２セパレータ３３ａの外側に位置している。シール部４７ｐは、絶縁部材４０の内周縁４１ｅに沿ってＭＥＧＡ２０を包囲した枠状であり、第２セパレータ３３ａと重なっている。シール部４１ｐ〜４６ｐのそれぞれの基材４１の面４１ａからの高さは、シール部４７ｐよりも高い。シール部４８ｐは、絶縁部材４０の外周縁に沿った枠状であり、第２セパレータ３３ａの外側に位置している。シール部４１ｐ及び４４ｐは、それぞれマニホールドＭ１及びＭ４を包囲し第２セパレータ３３ａの外側に位置する第１シール部の一例である。シール部４２ｐ及び４５ｐは、それぞれマニホールドＭ２及びＭ５を包囲し第２セパレータ３３ａの外側に位置する第２シール部の一例である。シール部４３ｐ及び４６ｐは、それぞれマニホールドＭ３及びＭ６を包囲し第２セパレータ３３ａの外側に位置する第３シール部の一例である。

シール部４１ｐ〜４６ｐは、セル６０の第２セパレータ３３ａに隣接するセル６０ａの第１セパレータ３３ｃに当接して圧縮されており、シール部４１ｐ〜４６ｐの弾性復元力によりセル６０の基材４１とセル６０ａの第１セパレータ３３ｃとの間のシール性が確保されている。セル６０のシール部４７ｐは、セル６０の第２セパレータ３３ａに当接して圧縮されており、シール部４７ｐの弾性復元力により、セル６０の基材４１と第２セパレータ３３ａとの間のシール性が確保されている。尚、図示はしていないが、セル６０のシール部４８ｐは、セル６０ａの第１セパレータ３３ｃに当接して圧縮されており、シール部４８ｐの弾性復元力によりセル６０の基材４１とセル６０ａの第１セパレータ３３ｃとの間のシール性が確保されている。また、シール部４１ｐ〜４８ｐは、接着剤等により第１セパレータ３３ｃや第２セパレータ３３ａには接合されていない。このため、シール性を確保しつつ、燃料電池スタック１の組み立て作業性の向上が図られている。

尚、基材４１と、シール部４１ｐ〜４８ｐの少なくとも一つとが、同一の材料により一体に形成又は別体に形成して接合されていてもよいし、異なる材料により一体に形成又は別体に形成して接合がされていてもよい。また、シール部４１ｐ〜４６ｐ、及び４８ｐの少なくとも一つの先端が、セル６０ａの第１セパレータ３３ｃに接着剤等により接合されていてもよいし、シール部４７ｐの先端が第２セパレータ３３ａに接着剤等により接合されていてもよい。この場合、シール部は必ずしも弾性を有している必要はなく、弾性を有しない樹脂製であってもよい。尚、図示はしていないが、積層された複数のセルの全体は、一対のターミナルプレートにより挟持されている。更に、一対のターミナルプレートを含む複数のセルの全体は、一対の絶縁プレートに挟持されている。更に絶縁プレートを含む複数のセルの全体は、一対のエンドプレートに挟持されている。

次に、連通溝４１ｇ〜４６ｇについて説明する。図５は、絶縁部材４０を示した図である。まず、連通溝４１ｇについて説明する。図１、図２、及び図５に示すように、複数の連通溝４１ｇは、面４１ｃ側に凹状に形成され、マニホールドＭ１から、シール部４１ｐ及び４７ｐを横切るように基材４１の平面方向に、内周縁４１ｅにまで延びている。従って、連通溝４１ｇの端部４１ｇｅは基材４１の内周縁４１ｅに位置している。このため酸化剤ガスは、マニホールドＭ１から連通溝４１ｇを介してカソード流路３４ｃへと供給される。連通溝４１ｇは、基材４１の面４１ａには開口していないため、カソード流路３４ｃとアノード流路３４ａとが仕切られており、酸化剤ガスがアノード流路３４ａに流入することが防止されている。

同様の構造により、カソード流路３４ｃからの酸化剤ガスは、複数の連通溝４４ｇを介してマニホールドＭ４に排出される。連通溝４１ｇは、マニホールドＭ１とカソード流路３４ｃとを連通される第１連通部の一例である。また、連通溝４４ｇもマニホールドＭ４とカソード流路３４ｃとを連通させる第１連通部の一例である。尚、連通溝４４ｇの端部４４ｇｅも基材４１の内周縁４１ｅに位置している。

このように、セル６０内に供給される酸化剤ガスは、マニホールドＭ１から、セル６０とセル６０に隣接する他のセルとの間の一部を経由することなく、セル６０の基材４１の連通溝４１ｇを介してセル６０内に直接供給される。また、セル６０から排出される酸化剤ガスも、セル６０とセル６０に隣接する他のセルとの間の一部を経由することなく、セル６０の基材４１の連通溝４４ｇを介してマニホールドＭ４へ排出される。このため、セル６０単独で、マニホールドＭ１からセル６０内への酸化剤ガスの供給、及びセル６０内からマニホールドＭ４への酸化剤ガスの排出が確保されている。従って、このような同一の構造を有した複数のセル６０、６０ａ…を積層しても、各セルへの酸化剤ガスの供給、及び各セルからの酸化剤ガスの排出が確保されている。

次に、連通溝４２ｇについて説明する。図１、図３、及び図５に示すように、複数の連通溝４２ｇは、面４１ｃ側に凹状に形成され、マニホールドＭ２から、シール部４２ｐ及び４７ｐを横切るように内周縁４１ｅ側へと基材４１の平面方向に延びており、内周縁４１ｅの手前で終端している。複数の連通溝４２ｇの終端では、連通孔４２ｈが連続している。連通孔４２ｈは、基材４１の厚み方向に貫通している。ここで連通孔４２ｈは、シール部４７ｐよりも内側であって、電解質膜１１、触媒層１２ａ、及び拡散層２２ａの外側に位置している。このため燃料ガスは、アノード流路３４ａから、連通孔４２ｈ、連通溝４２ｇを介してマニホールドＭ２に排出される。連通溝４２ｇ及び連通孔４２ｈは、内周縁４１ｅには開口していないため、アノード流路３４ａとカソード流路３４ｃとが仕切られており、燃料ガスがカソード流路３４ｃに流入することが防止されている。

同様の構造により、燃料ガスは、マニホールドＭ５から、複数の連通溝４５ｇ、連通孔４５ｈを介して、アノード流路３４ａに供給される。連通溝４２ｇ及び連通孔４２ｈは、マニホールドＭ２とアノード流路３４ａとを連通させる第２連通部の一例である。連通溝４５ｇ及び連通孔４５ｈも、マニホールドＭ５とアノード流路３４ａとを連通させる第２連通部の一例である。

このように、セル６０内に供給される燃料ガスは、マニホールドＭ５から、セル６０とセル６０に隣接する他のセルとの間の一部を経由することなく、セル６０の基材４１の連通溝４５ｇ及び連通孔４５ｈを介してセル６０内に直接供給される。また、セル６０から排出される燃料ガスは、セル６０とセル６０に隣接する他のセルとの間の一部を経由することなく、セル６０の基材４１の連通溝４２ｇ及び連通孔４２ｈを介してマニホールドＭ２へ排出される。このため、セル６０単独で、マニホールドＭ５からセル６０内への燃料ガスの供給、及びセル６０内からマニホールドＭ２への燃料ガスの排出が確保されている。従って、このような同一の構造を有した複数のセル６０、６０ａ…を積層しても、各セルへの燃料ガスの供給、及び各セルからの燃料ガスの排出が確保されている。

次に、連通溝４３ｇについて説明する。図６は、第１セパレータ３３ｃを示した図である。図１、図４、及び図５に示すように、複数の連通溝４３ｇは、面４１ｃ側に凹状に形成され、マニホールドＭ３からシール部４３ｐ及び４７ｐを横切るように延び内周縁４１ｅ側へと基材４１の平面方向に延びており、内周縁４１ｅの手前で終端している。また、図６に示すように、第１セパレータ３３ｃには、複数の連通溝４３ｇの終端に対向した連通口３６ｃが形成されている。連通口３６ｃは、第２セパレータ３３ａの凹凸部に当接する第１セパレータ３３ｃの凹凸部の面から離れた位置に形成されている。具体的には、連通口３６ｃは、第１セパレータ３３ｃに対向する第２セパレータ３３ａの冷媒流路３５ａよりも上流側に形成されている。このため、マニホールドＭ３からの冷媒は、連通溝４３ｇ及び連通口３６ｃを介して冷媒流路３５ｃへと供給される。ここでセル６０の冷媒流路３５ｃは、図４において不図示の上方側のセルの第２セパレータの冷媒流路に対向し、セル６０ａの冷媒流路３５ｃは、セル６０の第２セパレータ３３ａの冷媒流路３５ａに対向する。従って冷媒は、互いに対向する冷媒流路３５ｃ及び３５ａに供給される。連通溝４３ｇは、内周縁４１ｅ及び面４１ａの何れにも開口していないため、冷媒流路３５ｃ及び３５ａと、カソード流路３４ｃ及びアノード流路３４ａとのそれぞれとが仕切られており、冷媒がカソード流路３４ｃ及びアノード流路３４ａに流入することが防止されている。

同様の構造により、冷媒流路３５ｃ及び３５ａからの冷媒は、第１セパレータ３３ｃに形成された連通口３７ｃ、及び基材４１に形成された複数の連通溝４６ｇを介してマニホールドＭ６に排出される。尚、連通口３７ｃは、第１セパレータ３３ｃに対向する第２セパレータ３３ａの冷媒流路３５ａよりも下流側に形成されている。連通溝４３ｇは、マニホールドＭ３に連通した第３連通部の一例であり、連通口３６ｃは、連通溝４３ｇと冷媒流路３５ｃとを連通させる連通口の一例である。同様に連通溝４６ｇは、マニホールドＭ６に連通した第３連通部の一例であり、連通口３７ｃは、連通溝４６ｇと冷媒流路３５ｃとを連通させる連通口の一例である。

このように、セル６０及び６０ａ間に供給される冷媒は、マニホールドＭ３から、セル６０ａとセル６０ａに隣接する他のセルとの間の一部を経由することなく、セル６０ａ内の基材４１の連通溝４３ｇを経由してセル６０及び６０ａの間に供給される。また、セル６０及び６０ａ間から排出される冷媒も、セル６０ａとセル６０ａに隣接する他のセルとの間の一部を経由することなく、セル６０ａ内の基材４１の連通溝４６ｇを経由してマニホールドＭ６へと排出される。このため、セル６０ａ単独で、マニホールドＭ３からセル６０及び６０ａ間への冷媒の供給、及びセル６０及び６０ａからマニホールドＭ６への冷媒の排出が確保されている。従って、同一構造を有した複数のセル６０、６０ａ…を積層しても、隣接し合うセル間への冷媒の供給及び排出が確保されている。

以上のように、各セル６０の単独の構造により、各セル６０への酸化剤ガス、燃料ガス、及び冷媒の供給及び排出が確保されているため、本実施例の燃料電池スタック１では、同一の種類のセル６０、６０ａ…が積層されて形成されている。このため、燃料電池スタック１の組み立て作業においては、同一構造のセル６０、６０ａ…を同じ向きに積層すればよいので、組み立て作業の煩雑化が抑制されている。

尚、図４に示したように、第１セパレータ３３ｃの連通口３６ｃを介してセル６０及び６０ａ間に供給された冷媒は、シール部４３ｐ及び４７ｐの間を介して、シール部４１ｐ〜４７ｐの外側であってシール部４８ｐの内側にも流れる。このように、シール部４１ｐ〜４８ｐのうち最も電解質膜１１に近く電解質膜１１の熱も受けやすいシール部４７ｐの外周側に冷媒が流通するため、各セルを効率的に冷却できる。

上記実施例において、連通溝４１ｇ〜４６ｇは基材４１の面４１ｃに凹状に形成されているが、このような形状に限定されない。例えば、連通溝４１ｇ〜４６ｇの少なくとも一つの代わりに、基材４１の面４１ａ及び４１ｃの間に形成され、基材４１の平面方向に延びた孔を採用してもよい。上記実施例において、連通孔４２ｈ及び４５ｈは、基材４１の面４１ｃから面４１ａに貫通しているが、連通孔４２ｈ及び４５ｈの少なくとも一つの代わりに、面４１ａに開口して面４１ｃには開口していない有底の孔を採用してもよい。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。

１ 燃料電池スタック
１１ 電解質膜
１１ｅ 周縁領域
１１ｃ 中央領域
１２ａ アノード側触媒層（触媒層）
１２ｃ カソード側触媒層（触媒層）
２２ａ アノード側ガス拡散層（ガス拡散層）
２２ｃ カソード側ガス拡散層（ガス拡散層）
３３ｃ 第１セパレータ
３４ｃ カソード流路（第１ガス流路）
３５ｃ 冷媒流路（第１冷媒流路）
３６ｃ、３７ｃ 連通口
３３ａ 第２セパレータ
３４ａ アノード流路（第２ガス流路）
３５ａ 冷媒流路（第２冷媒流路）
４０ 絶縁部材
４１ 基材
４１ｐ、４４ｐ シール部（第１シール部）
４２ｐ、４５ｐ シール部（第２シール部）
４３ｐ、４６ｐ シール部（第３シール部）
４７ｐ シール部（第４シール部）
４１ｇ、４４ｇ 連通溝（第１連通部）
４２ｇ、４５ｇ 連通溝（第２連通部）
４３ｇ、４６ｇ 連通溝（第３連通部）
４２ｈ、４５ｈ 連通孔（第２連通部）
６０、６０ａ セル

Claims (7)

1. 複数のセルが同じ向きに積層された燃料電池スタックであって、
   各前記セルは、
   電解質膜の一方の面の周縁領域を露出するように前記電解質膜の両面側にそれぞれ触媒層及びガス拡散層が形成されている膜電極ガス拡散層接合体と、
   前記電解質膜の前記周縁領域に接合され絶縁性を有した絶縁部材と、
   前記膜電極ガス拡散層接合体側に第１ガスが流通する第１ガス流路、及び前記膜電極ガス拡散層接合体とは反対側に冷媒が流通する第１冷媒流路、を有した第１セパレータと、
   前記絶縁部材及び前記第１セパレータを貫通して前記第１ガス、第２ガス、及び前記冷媒がそれぞれ流通する第１、第２、及び第３マニホールドと、
   前記膜電極ガス拡散層接合体側に前記第２ガスが流通する第２ガス流路、及び前記膜電極ガス拡散層接合体とは反対側に前記冷媒が流通する第２冷媒流路、を有し、前記絶縁部材及び前記第１セパレータのそれぞれの外周形状よりも小さく、前記第１、前記第２、及び前記第３マニホールドから退避しており、前記第１セパレータと共に前記膜電極ガス拡散層接合体及び前記絶縁部材を挟持する第２セパレータと、を備え、
   複数の前記セルは、当該複数の前記セルのうち隣接し合う２つの前記セルの一方の前記第１冷媒流路と他方の前記第２冷媒流路とが対向するように積層され、
   各前記セルにおいて、
   前記絶縁部材は、前記第１マニホールドと前記第１ガス流路とを連通させる第１連通部、前記第２マニホールドと前記第２ガス流路とを連通させる第２連通部、前記第３マニホールドに連通した第３連通部、を有し、
   前記第１セパレータには、前記第３連通部と前記第１冷媒流路とを連通させる連通口が形成されている、燃料電池スタック。
2. 各前記セルにおいて、
   前記絶縁部材は、一方の面の内周側が前記電解質膜の前記周縁領域に接合され前記一方の面の反対側の他方の面が前記第１セパレータに当接した枠状の基材、前記基材の前記一方の面に設けられたシール部、を有し、
   前記第１、前記第２、及び前記第３連通部は、前記基材に形成されており、
   前記シール部は、前記第１、前記第２、及び前記第３マニホールドをそれぞれ包囲し前記第２セパレータの外側に位置する第１、第２、及び第３シール部、前記膜電極ガス拡散層接合体を包囲し前記基材と前記第２セパレータとの間をシールする第４シール部、を有し、
   複数の前記セルは、一の前記セルの前記第１、前記第２、及び前記第３シール部が、前記一の前記セルの前記第２セパレータに対向する他の前記セルの前記第１セパレータに当接するように、積層されている、請求項１の燃料電池スタック。
3. 各前記セルにおいて、前記一の前記セルの前記第１、前記第２、及び前記第３シール部の少なくとも一つは、前記基材の前記一方の面から突出した形状であり、弾性を有し、前記他の前記セルの前記第１セパレータにより圧縮されている、請求項２の燃料電池スタック。
4. 各前記セルにおいて、前記一の前記セルの前記第４シール部は、前記基材の前記一方の面から突出した形状であり、弾性を有し、当該一の前記セルの前記第２セパレータにより圧縮されている、請求項２又は３の燃料電池スタック。
5. 各前記セルにおいて、前記第１連通部は、前記第１マニホールドから前記第１及び前記第４シール部を横切るように前記基材に形成され、前記第１連通部の一端は、前記基材の内周縁で開口している、請求項２乃至４の何れかの燃料電池スタック。
6. 各前記セルにおいて、前記第２連通部は、前記第２マニホールドから前記第２及び前記第４シール部を横切るように前記基材に形成され、前記第２連通部の一端は、前記第４シール部よりも内側に位置する前記基材の前記一方の面に開口している、請求項２乃至５の何れかの燃料電池スタック。
7. 各前記セルにおいて、前記第３連通部は、前記第３マニホールドから前記第３シール部を横切るように前記基材に形成されている、請求項２乃至６の何れかの燃料電池スタック。

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