JP3968278B2

JP3968278B2 - Fuel cell stack and metal separator for fuel cell stack

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Publication number: JP3968278B2
Application number: JP2002247211A
Authority: JP
Inventors: 英明菊池; 直之円城寺
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-08-27
Filing date: 2002-08-27
Publication date: 2007-08-29
Anticipated expiration: 2022-08-27
Also published as: JP2004087311A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極接合体と、一方の電極に一方の反応ガスを供給する第１反応ガス流路および他方の電極に他方の反応ガスを供給する第２反応ガス流路を形成する金属製セパレータとを備える燃料電池スタックおよび燃料電池スタック用金属製セパレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜（電解質）を採用している。この燃料電池は、電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒と多孔質カーボンからなるアノード側電極およびカソード側電極を対設して構成される電解質膜・電極構造体（電解質・電極接合体）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持することにより構成されている。通常、この燃料電池を所定数だけ積層した燃料電池スタックが使用されている。
【０００３】
この種の燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路（反応ガス流路）と、カソード側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（反応ガス流路）とが設けられている。また、セパレータ間には、必要に応じて冷却媒体を流すための冷却媒体流路が前記セパレータの面方向に沿って設けられている。
【０００５】
この種のセパレータは、通常、カーボン系材料で構成されているが、前記カーボン系材料では、強度等の要因で薄肉化が図れないという不具合がある。そこで、最近、この種のカーボン製セパレータよりも耐応力破損性に優れる金属導板製のセパレータ（以下、金属製セパレータともいう）を用い、この金属製セパレータにプレス加工を施して所望の反応ガス流路を成形することにより、該金属製セパレータの厚さの減少を図って燃料電池を小型化かつ軽量化する工夫がなされている。
【０００６】
さらに、冷却媒体流路を複数組みの燃料電池毎に設けることにより（所謂、間引き冷却）、前記冷却媒体流路の数を減少させて燃料電池スタック全体の積層方向の短尺化を図る工夫がなされている。
【０００７】
例えば、図７に示すように、従来の燃料電池スタック１では、第１電解質膜・電極構造体（電解質・電極接合体）２ａ、第２電解質膜・電極構造体２ｂ、第３電解質膜・電極構造体２ｃおよび第４電解質膜・電極構造体２ｄが、矢印Ｘ方向に積層されている。第１乃至第４電解質膜・電極構造体２ａ〜２ｄは、それぞれ固体高分子電解質膜３と、前記固体高分子電解質膜３を挟持するカソード側電極４およびアノード側電極５とを備えている。
【０００８】
第１電解質膜・電極構造体２ａは、第１および第２金属製セパレータ６ａ、６ｂに挟持され、第２電解質膜・電極構造体２ｂは、第２および第３金属製セパレータ６ｂ、６ｃに挟持され、第３電解質膜・電極構造体２ｃは、第４および第５セパレータ６ｄ、６ｅに挟持され、さらに第４電解質膜・電極構造体２ｄは、第５および第６セパレータ６ｅ、６ｆに挟持されている。
【０００９】
第１金属製セパレータ６ａの第１電解質膜・電極構造体２ａ側の面には、酸化剤ガス流路７ａが形成されるとともに、この第１金属製セパレータ６ａの裏面には、冷却媒体流路８ａが形成されている。第２金属製セパレータ６ｂの第１電解質膜・電極構造体２ａ側の面には、燃料ガス流路９ａが設けられるとともに、この第２金属製セパレータ６ｂの第２電解質膜・電極構造体２ｂ側の面には、酸化剤ガス流路７ｂが設けられている。
【００１０】
第３金属製セパレータ６ｃの第２電解質膜・電極構造体２ｂ側の面には、燃料ガス流路９ｂが形成される一方、この第３金属製セパレータ６ｃと第４セパレータ６ｄとの間には、冷却媒体流路８ｂが形成されている。この第４セパレータ６ｄの第３電解質膜・電極構造体２ｃ側の面には、酸化剤ガス流路７ｃが設けられている。
【００１１】
第５セパレータ６ｅの第３電解質膜・電極構造体２ｃ側の面には、燃料ガス流路９ｃが形成されるとともに、この第５セパレータ６ｅの第４電解質膜・電極構造体２ｄ側の面には、酸化剤ガス流路７ｄが設けられている。第６セパレータ６ｆの第４電解質膜・電極構造体２ｄ側の面には、燃料ガス流路９ｄが形成される一方、この第６セパレータ６ｆの裏面には、第１金属製セパレータ６ａとの間に冷却媒体流路８ａが設けられている。
【００１２】
上記のように、第１乃至第６セパレータ６ａ〜６ｆが板状の金属製セパレータで構成されるとともに、第１および第２電解質膜・電極構造体２ａ、２ｂの間と、第３および第４電解質膜・電極構造体２ｃ、２ｄの間とには、冷却媒体流路が設けられていない。これにより、燃料電池スタック１全体の積層方向の寸法を可及的に短尺化することができ、しかも前記燃料電池スタック１の小型化および軽量化が図られる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の燃料電池スタック１では、第１乃至第６セパレータ６ａ〜６ｆの外周縁部に、図示していないが、積層方向に一体的に貫通して燃料ガスを供給および排出する燃料ガス連通孔と、酸化剤ガスを供給および排出する酸化剤ガス連通孔と、冷却媒体を供給および排出する冷却媒体連通孔とが設けられることにより、内部マニホールドを構成している場合が多い。
【００１４】
このため、燃料電池スタック１を組み立てる際には、少なくとも６種類の第１乃至第６セパレータ６ａ〜６ｆが必要となっており、前記第１乃至第６セパレータ６ａ〜６ｆを個別に製造しなければならない。従って、部品点数が増大して燃料電池スタック１全体の製造コストが相当に高騰するという問題が指摘されている。
【００１５】
しかも、燃料電池スタック１を組み立てる際、第１乃至第６セパレータ６ａ〜６ｆを所望の順序に積層しなければならない。これにより、第１乃至第６セパレータ６ａ〜６ｆの取り扱い作業性が煩雑化するとともに、燃料電池スタック１の組み立て作業が効率的に遂行されないおそれがある。
【００１６】
そこで、セパレータ種類を削減するために、例えば、図８に示すように、第１および第２電解質膜・電極構造体２ａ、２ｂと、第１乃至第３セパレータ６ａ、６ｂおよび６ｃとを備える複数組みのユニット１１を設け、各ユニット１１間にプレート１２が介装されて燃料電池スタック１ａを構成することが行われている。
【００１７】
しかしながら、各ユニット１１間に介装される新たなプレート１２が必要となり、前記ユニット１１の積層数が増加するのに伴って、前記プレート１２の数も増加してしまう。結果的に、燃料電池スタック１ａの製造コストが高騰するという問題がある。
【００１８】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、容易に小型化および軽量化を図るとともに、金属製セパレータ種類を削減して取り扱い作業性および経済性に優れる燃料電池スタックおよび燃料電池スタック用金属製セパレータを提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池スタックでは、電解質・電極接合体と、金属製セパレータとを備えるとともに、前記金属製セパレータは、一方の面に冷却媒体流路が形成され、他方の面に第１反応ガス流路が形成される第１金属製セパレータと、一方の面に第２反応ガス流路が形成され、他方の面に前記第１反応ガス流路が形成される第２金属製セパレータと、一方の面に前記第２反応ガス流路が形成され、他方の面に前記冷却媒体流路が形成される第３金属製セパレータとを備えている。
【００２０】
第１乃至第３金属製セパレータは、第１反応ガス流路に連通する第１反応ガス連通孔、第２反応ガス流路に連通する第２反応ガス連通孔および冷却媒体流路に連通する冷却媒体連通孔を、積層方向に貫通しかつ面内中心部に対して点対称形状に設けている。さらに、第１金属製セパレータ、第１電解質・電極接合体、第２金属製セパレータ、第２電解質・電極接合体および第３金属製セパレータの順に積層した第１の積層体と第２の積層体とを構成し、前記第１の積層体を前記第２の積層体に対して面内中心部回りに相対的に１８０゜反転させることにより、前記第１の積層体を構成する前記第３金属製セパレータの他方の面と、前記第２の積層体を構成する前記第１金属製セパレータの一方の面との間に、冷却媒体流路を一体的に構成した状態で、前記第１および第２の積層体を互いに積層させている。
【００２１】
ここで、「冷却媒体流路を一体的に構成した」とは、第１金属製セパレータの一方の面と第３金属製セパレータの他方の面とにおいて、それぞれの凸部同士および凹部同士が対向することにより、互いに対向する前記凹部を介して前記第１および第３金属製セパレータ間に冷却媒体流路を形成することをいう。
【００２３】
このように、一方の積層体を１８０゜反転させることにより、各積層体の間に冷却媒体流路が一体的に形成されるため、互いに１８０゜反転された積層体同士を直接積層させることにより、所望の積層数に設定された燃料電池スタックを容易かつ確実に構成することができる。
【００２４】
これにより、冷却媒体流路の間引き構造による小型化を図りながら、金属製セパレータ種類を３種類に削減することが可能になる。しかも、積層体間に新たなプレートを介装する必要がなく、部品点数が有効に削減されて燃料電池スタックを経済的に構成することができるとともに、組み立て作業性が大幅に向上する。
【００２５】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池スタック用金属製セパレータでは、一方の面に冷却媒体流路が形成され、他方の面に第１反応ガス流路が形成される第１金属製セパレータと、一方の面に第２反応ガス流路が形成され、他方の面に第１反応ガス流路が形成され、前記第１金属製セパレータとの間で第１電解質・電極接合体を挟持する第２金属製セパレータと、一方の面に第２反応ガス流路が形成され、他方の面に冷却媒体流路が形成され、前記第２金属製セパレータとの間で第２電解質・電極接合体を挟持する第３金属製セパレータとを備えている。
【００２６】
第１乃至第３金属製セパレータは、第１反応ガス流路に連通する第１反応ガス連通孔、第２反応ガス流路に連通する第２反応ガス連通孔および冷却媒体流路に連通する冷却媒体連通孔を、積層方向に貫通しかつ面内中心部に対して点対称形状に設けている。さらに、第１金属製セパレータ、第１電解質・電極接合体、第２金属製セパレータ、第２電解質・電極接合体および第３金属製セパレータの順に積層した第１の積層体と第２の積層体とを構成し、前記第１の積層体を前記第２の積層体に対して面内中心部回りに相対的に１８０゜反転させて重ね合わせた際、前記第１の積層体を構成する前記第３金属製セパレータの他方の面と、前記第２の積層体を構成する前記第１金属製セパレータの一方の面との間に、冷却媒体流路が一体的に構成されている。
【００２７】
このため、冷却媒体流路を間引く際に、従来、６種類の金属製セパレータが必要であったものが、金属製セパレータを反転させて使用することにより、３種類の金属製セパレータで対応することができる。これにより、金属製セパレータ種類が半減され、この金属製セパレータの製造コストが有効に削減されるとともに、前記金属製セパレータの取り扱い作業性が向上する。
【００２８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック２０の一部断面説明図である。
【００２９】
燃料電池スタック２０は、積層体２２ａ、２２ｂを所定の組み数だけ交互に積層して構成される。積層体２２ａ、２２ｂは、同一に構成されており、発電面内中心部の軸Ｏの回りに相対的に１８０゜だけ反転された状態で、互いに矢印Ａ方向に積層される。
【００３０】
図１および図２に示すように、積層体２２ａは、第１金属製セパレータ２４、第１電解質膜・電極構造体（電解質・電極接合体）２６ａ、第２金属製セパレータ２８、第２電解質膜・電極構造体２６ｂおよび第３金属製セパレータ３０の順に、矢印Ａ方向に積層して構成されている。
【００３１】
図２に示すように、積層体２２ａの長辺方向（矢印Ｂ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供給連通孔３２ａと、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排出連通孔３４ｂとが上下に設けられる。積層体２２ａの長辺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供給連通孔３４ａと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔３２ｂとが上下に設けられる。
【００３２】
積層体２２ａの下端縁部には、冷却媒体を供給するための２つの冷却媒体供給連通孔３６ａが設けられるとともに、前記積層体２２ａの上端縁部には、冷却媒体を排出するための２つの冷却媒体排出連通孔３６ｂが設けられる。
【００３３】
第１および第２電解質膜・電極構造体２６ａ、２６ｂ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てなる固体高分子電解質膜（電解質）４０と、該固体高分子電解質膜４０を挟持するアノード側電極４２およびカソード側電極４４とを備える。アノード側電極４２およびカソード側電極４４は、カーボンペーパー等からなるガス拡散層と、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なる電極触媒層とをそれぞれ有する。
【００３４】
図１乃至図３に示すように、第１金属製セパレータ２４は、複数のエンボス部４６を備えている。第１電解質膜・電極構造体２６ａに対向する面（他方の面）２４ａ側では、エンボス部４６がこの第１電解質膜・電極構造体２６ａを構成するカソード側電極４４に当接することによって、第１金属製セパレータ２４と前記カソード側電極４４との間に、酸化剤ガス流路（第１反応ガス流路）４８が設けられる。この酸化剤ガス流路４８は、酸化剤ガス供給連通孔３２ａと酸化剤ガス排出連通孔３２ｂとに連通する。
【００３５】
第１金属製セパレータ２４の裏面（一方の面）には、後述するように、第３金属製セパレータ３０との間に冷却媒体流路６０が形成される。
【００３６】
図１、図２および図４に示すように、第２金属製セパレータ２８は、複数のエンボス部５０を設けるとともに、第１電解質膜・電極構造体２６ａに対向する面（一方の面）２８ａ側には、前記エンボス部５０が第１電解質膜・電極構造体２６ａを構成するアノード側電極４２に当接して燃料ガス流路（第２反応ガス流路）５２が形成される。この燃料ガス流路５２は、燃料ガス供給連通孔３４ａと燃料ガス排出連通孔３４ｂとに連通している。
【００３７】
第２金属製セパレータ２８の第２電解質膜・電極構造体２６ｂを構成するカソード側電極４４に対向する面（他方の面）２８ｂ側には、エンボス部５０が前記カソード側電極４４に当接して酸化剤ガス流路（第１反応ガス流路）５４が形成される。この酸化剤ガス流路５４は、酸化剤ガス供給連通孔３２ａと酸化剤ガス排出連通孔３２ｂとに連通している。
【００３８】
図１、図２および図５に示すように、第３金属製セパレータ３０は、複数のエンボス部５６を設けるとともに、第２電解質膜・電極構造体２６ｂに対向する面（一方の面）３０ａ側には、前記エンボス部５６が第２電解質膜・電極構造体２６ｂを構成するアノード側電極４２に当接して燃料ガス流路（第２反応ガス流路）５８が形成される。この燃料ガス流路５８は、燃料ガス供給連通孔３４ａと燃料ガス排出連通孔３４ｂとに連通している。
【００３９】
第３金属製セパレータ３０の他方の面３０ｂ側には、エンボス部５６が第１金属製セパレータ２４のエンボス部４６に当接して冷却媒体流路６０が一体的に形成される（図１参照）。この冷却媒体流路６０は、それぞれ２つの冷却媒体供給連通孔３６ａと冷却媒体排出連通孔３６ｂとに連通している。
【００４０】
第１乃至第３金属製セパレータ２４、２８および３０では、酸化剤ガス供給連通孔３２ａ、酸化剤ガス排出連通孔３２ｂ、燃料ガス供給連通孔３４ａ、燃料ガス排出連通孔３４ｂ、冷却媒体供給連通孔３６ａおよび冷却媒体排出連通孔３６ｂが、積層方向に貫通しかつ発電面内中心部に対して点対称形状に構成されている。この関係は、第１および第２電解質膜・電極構造体２６ａ、２６ｂにおいても同様である。
【００４１】
第１および第３金属製セパレータ２４、３０は、発電面内中心部に対して相対的に１８０゜反転させて重ね合わせた際、前記第１金属製セパレータ２４の一方の面（面２４ａとは反対の面）と前記第３金属製セパレータ３０の他方の面３０ｂとの間に、冷却媒体流路６０が一体的に構成される（図１参照）。
【００４２】
すなわち、図１に示すように、第１金属製セパレータ２４の一方の面と第３金属製セパレータ３０の他方の面３０ｂとにおいて、それぞれのエンボス部４６、５６の裏面側（凹部同士）が対向することにより、前記エンボス部４６、５６の裏面側に冷却媒体流路６０が一体的に形成される。
【００４３】
このように構成される燃料電池スタック２０の動作について、以下に説明する。
【００４４】
燃料電池スタック２０内には、水素含有ガス等の燃料ガスと、酸素含有ガスである空気等の酸化剤ガスと、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体とが供給される。このため、燃料電池スタック２０では、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数組みの積層体２２ａ、２２ｂに対し、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体が、順次、供給される。
【００４５】
図２に示すように、積層体２２ａにおいて説明すると、矢印Ａ方向に連通している酸化剤ガス供給連通孔３２ａに供給された酸化剤ガスは、第１金属製セパレータ２４に設けられている酸化剤ガス流路４８に導入され、第１電解質膜・電極構造体２６ａを構成するカソード側電極４４に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３４ａから第２金属製セパレータ２８の燃料ガス流路５２に導入され、第１電解質膜・電極構造体２６ａを構成するアノード側電極４２に沿って移動する。
【００４６】
従って、第１電解質膜・電極構造体２６ａでは、カソード側電極４４に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４２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、発電が行われる。
【００４７】
また、第２電解質膜・電極構造体２６ｂでは、第２金属製セパレータ２８の面２８ｂに形成されている酸化剤ガス流路５４に酸化剤ガスが供給される。この酸化剤ガスが、第２電解質膜・電極構造体２６ｂを構成するカソード側電極４４に供給される。第２電解質膜・電極構造体２６ｂを構成するアノード側電極４２には、第３金属製セパレータ３０の面３０ａに形成された燃料ガス流路５８を介して燃料ガスが供給される。このため、第２電解質膜・電極構造体２６ｂにおいても、カソード側電極４４に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４２に供給される燃料ガスとによって、発電が行われる。
【００４８】
次いで、アノード側電極４２に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔３４ｂに排出される。同様に、カソード側電極４４に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔３２ｂに排出される。
【００４９】
一方、冷却媒体供給連通孔３６ａに供給された冷却媒体は、第１および第３金属製セパレータ２４、３０間に形成されている冷却媒体流路６０に導入される。この冷却媒体は、鉛直上方向に移動して第１および第２電解質膜・電極構造体２６ａ、２６ｂを冷却した後、冷却媒体排出連通孔３６ｂに排出される。
【００５０】
この場合、第１金属製セパレータ２４、第１電解質膜・電極構造体２６ａ、第２金属製セパレータ２８、第２電解質膜・電極構造体２６ｂおよび第３金属製セパレータ３０を矢印Ａ方向に積層して積層体２２ａが構成されるとともに、この積層体２２ａでは、前記第１および第２電解質膜・電極構造体２６ａ、２６ｂ間に冷却媒体流路を設けない、所謂、間引き冷却構造を採用している。
【００５１】
このため、図６に示すように、積層体２２ａ同士を矢印Ａ方向に積層しようとすると、一方の積層体２２ａを構成する第３金属製セパレータ３０の凸部側（エンボス部５６の山側）と、他方の積層体２２ａを構成する第１金属製セパレータ２４の凹部側（エンボス部４６の溝側）とが、積層方向に配列されてしまう。これにより、第１金属製セパレータ２４と第３金属製セパレータ３０との間には、冷却媒体を流すための間隙を形成することができない。
【００５２】
そこで、本実施形態では、第１乃至第３金属製セパレータ２４、２８および３０と、第１および第２電解質膜・電極構造体２６ａ、２６ｂとにおいて、酸化剤ガス供給連通孔３２ａ、酸化剤ガス排出連通孔３２ｂ、燃料ガス供給連通孔３４ａ、燃料ガス排出連通孔３４ｂ、冷却媒体供給連通孔３６ａおよび冷却媒体排出連通孔３６ｂが、積層方向に貫通しかつ発電面内中心部に対して点対称形状に構成されている。
【００５３】
さらに、第１および第３金属製セパレータ２４、３０は、発電面内中心部に対して相対的に１８０゜反転させて重ね合わせた際、前記第１金属製セパレータ２４の一方の面（面２４ａとは反対の面）と前記第３金属製セパレータ３０の他方の面３０ｂとの間に、冷却媒体流路６０が一体的に構成されている（図１参照）。
【００５４】
従って、図６において、一方の積層体２２ａを、他方の積層体２２ａに対して発電面内中心部の軸Ｏの回りに相対的に１８０°反転させて積層体２２ｂとする。これにより、図１に示すように、積層体２２ａの第３金属製セパレータ３０の凸部側が、積層体２２ｂを構成する第１金属製セパレータ２４の凸部側と積層方向に一致し、前記積層体２２ａ、２２ｂ間に冷却媒体流路６０が一体的に構成される。このため、積層体２２ａ、２２ｂを直接積層させることにより、所望の積層数に設定された燃料電池スタック２０が容易かつ確実に構成される。
【００５５】
これにより、冷却媒体流路６０の間引き構造による小型化を図りながら、例えば、従来、６種類必要であった金属製セパレータ種類を３種類、すなわち、第１乃至第３金属製セパレータ２４、２８および３０に削減することが可能になる。従って、例えば、積層体２２ａ、２２ｂの間に新たなプレートを介装する必要がなく、部品点数が有効に削減されて燃料電池スタック２０を経済的に構成することができるとともに、組み立て作業性が大幅に向上するという効果が得られる。
【００５６】
しかも、金属製セパレータ種類が半減されることにより、第１乃至第３金属製セパレータ２４、２８および３０の製造コストが有効に削減されるとともに、前記第１乃至第３金属製セパレータ２４、２８および３０の取り扱い作業性が大幅に向上するという利点がある。
【００５７】
なお、本実施形態では、酸化剤ガス流路４８、５４、燃料ガス流路５２、５８および冷却媒体流路６０をエンボス形状部を用いて構成しているが、これに限定されるものではなく、例えば、エンボス形状部とリブ部（溝状）とで構成してもよい。
【００５８】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックでは、第１金属製セパレータ、第１電解質・電極接合体、第２金属製セパレータ、第２電解質膜・電極構造体および第３金属製セパレータの順に積層した積層体を構成し、一方の積層体を１８０゜反転させて各積層体同士を直接積層させることにより、所望の燃料電池スタックを構成することができる。
【００５９】
これにより、冷却媒体流路の間引き構造による小型化を図りながら、金属製セパレータ種類を３種類に削減することが可能になる。従って、積層体間に新たなプレートを介装する必要がなく、部品点数が有効に削減されて燃料電池スタックを経済的に構成することができるとともに、組み立て作業性が大幅に向上する。
【００６０】
また、本発明に係る燃料電池スタック用金属製セパレータでは、冷却媒体流路を間引く際に、従来、６種類の金属製セパレータが必要であったものが、金属製セパレータを反転させて使用することにより、３種類の金属製セパレータで対応することができる。このため、金属製セパレータ種類が半減され、この金属製セパレータの製造コストが有効に削減されるとともに、前記金属製セパレータの取り扱い作業性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明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。
【図２】前記燃料電池スタックを構成する積層体の分解斜視説明図である。
【図３】前記積層体を構成する第１金属製セパレータの正面説明図である。
【図４】前記積層体を構成する第２金属製セパレータの正面説明図である。
【図５】前記積層体を構成する第３金属製セパレータの正面説明図である。
【図６】前記積層体同士を単に積層方向に配置した状態の一部断面説明図である。
【図７】従来技術に係る燃料電池スタックの一部断面説明図である。
【図８】従来技術に係る別の燃料電池スタックの一部断面説明図である。
【符号の説明】
２０…燃料電池スタック２２ａ、２２ｂ…積層体
２４、２８、３０…金属製セパレータ
２６ａ、２６ｂ…電解質膜・電極構造体
３２ａ…酸化剤ガス供給連通孔３２ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
３４ａ…燃料ガス供給連通孔３４ｂ…燃料ガス排出連通孔
３６ａ…冷却媒体供給連通孔３６ｂ…冷却媒体排出連通孔
４０…固体高分子電解質膜４２…アノード側電極
４４…カソード側電極４６、５０、５６…エンボス部
４８、５４…酸化剤ガス流路５２、５８…燃料ガス流路
６０…冷却媒体流路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention provides an electrolyte / electrode assembly in which electrodes are provided on both sides of an electrolyte, a first reaction gas channel for supplying one reaction gas to one electrode, and a first reaction gas for supplying the other reaction gas to the other electrode. The present invention relates to a fuel cell stack including a metal separator that forms two reaction gas flow paths and a metal separator for a fuel cell stack.
[0002]
[Prior art]
For example, a polymer electrolyte fuel cell employs an electrolyte membrane (electrolyte) made of a polymer ion exchange membrane (cation exchange membrane). In this fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure (electrolyte / electrode assembly) constituted by an anode side electrode and a cathode side electrode each made of an electrode catalyst and porous carbon is provided on both sides of the electrolyte membrane, It is configured by being sandwiched between separators (bipolar plates). Usually, a fuel cell stack in which a predetermined number of the fuel cells are stacked is used.
[0003]
In this type of fuel cell, a fuel gas supplied to the anode side electrode, for example, a gas mainly containing hydrogen (hereinafter also referred to as a hydrogen-containing gas) is ionized with hydrogen on the electrode catalyst, and passes through an electrolyte membrane. Move to the cathode side electrode side. Electrons generated in the meantime are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy. The cathode side electrode is supplied with an oxidant gas, for example, a gas mainly containing oxygen or air (hereinafter also referred to as an oxygen-containing gas). And oxygen react to produce water.
[0004]
In the above fuel cell, a fuel gas channel (reactive gas channel) for flowing a fuel gas opposite to the anode side electrode and an oxidant gas for flowing the cathode gas facing the cathode side electrode in the plane of the separator. The oxidant gas flow path (reaction gas flow path) is provided. Further, between the separators, a coolant flow path for allowing a coolant to flow as needed is provided along the surface direction of the separator.
[0005]
This type of separator is usually made of a carbon-based material. However, the carbon-based material has a problem that it cannot be thinned due to factors such as strength. Therefore, recently, a metal conductive plate separator (hereinafter also referred to as a metal separator), which is superior in stress damage resistance to this type of carbon separator, is subjected to a pressing process on the metal separator to obtain a desired reaction gas. By shaping the flow path, a device for reducing the thickness and weight of the fuel cell by reducing the thickness of the metal separator has been devised.
[0006]
Furthermore, by providing a plurality of cooling medium flow paths for each set of fuel cells (so-called thinning cooling), the number of the cooling medium flow paths is reduced to shorten the stacking direction of the entire fuel cell stack. ing.
[0007]
For example, as shown in FIG. 7, in the conventional fuel cell stack 1, the first electrolyte membrane / electrode structure (electrolyte / electrode assembly) 2a, the second electrolyte membrane / electrode structure 2b, the third electrolyte membrane / electrode The structure 2c and the fourth electrolyte membrane / electrode structure 2d are stacked in the arrow X direction. Each of the first to fourth electrolyte membrane / electrode structures 2 a to 2 d includes a solid polymer electrolyte membrane 3, and a cathode side electrode 4 and an anode side electrode 5 that sandwich the solid polymer electrolyte membrane 3.
[0008]
The first electrolyte membrane / electrode structure 2a is sandwiched between the first and second metal separators 6a, 6b, and the second electrolyte membrane / electrode structure 2b is sandwiched between the second and third metal separators 6b, 6c. The third electrolyte membrane / electrode structure 2c is sandwiched between the fourth and fifth separators 6d, 6e, and the fourth electrolyte membrane / electrode structure 2d is sandwiched between the fifth and sixth separators 6e, 6f. ing.
[0009]
An oxidant gas flow path 7a is formed on the surface of the first metal separator 6a on the first electrolyte membrane / electrode structure 2a side, and a cooling medium flow path is formed on the back surface of the first metal separator 6a. 8a is formed. A fuel gas flow path 9a is provided on the surface of the second metal separator 6b on the first electrolyte membrane / electrode structure 2a side, and the second electrolyte membrane / electrode structure 2b side of the second metal separator 6b. Is provided with an oxidant gas flow path 7b.
[0010]
A fuel gas flow path 9b is formed on the surface of the third metal separator 6c on the second electrolyte membrane / electrode structure 2b side, and between the third metal separator 6c and the fourth separator 6d. A cooling medium flow path 8b is formed. An oxidant gas flow path 7c is provided on the surface of the fourth separator 6d on the third electrolyte membrane / electrode structure 2c side.
[0011]
A fuel gas flow path 9c is formed on the surface of the fifth separator 6e on the third electrolyte membrane / electrode structure 2c side, and on the surface of the fifth separator 6e on the fourth electrolyte membrane / electrode structure 2d side. Is provided with an oxidant gas flow path 7d. A fuel gas flow path 9d is formed on the surface of the sixth separator 6f on the fourth electrolyte membrane / electrode structure 2d side, while the back surface of the sixth separator 6f is between the first metal separator 6a. Is provided with a cooling medium flow path 8a.
[0012]
As described above, the first to sixth separators 6a to 6f are constituted by plate-like metal separators, and are provided between the first and second electrolyte membrane / electrode structures 2a and 2b, and the third and fourth. A cooling medium flow path is not provided between the electrolyte membrane / electrode structures 2c and 2d. Thereby, the dimension in the stacking direction of the entire fuel cell stack 1 can be shortened as much as possible, and the fuel cell stack 1 can be reduced in size and weight.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the fuel cell stack 1 described above, the fuel gas communication that supplies and discharges the fuel gas through the outer peripheral edge portions of the first to sixth separators 6a to 6f, although not shown, integrally penetrates in the stacking direction. In many cases, an internal manifold is configured by providing the holes, the oxidant gas communication holes for supplying and discharging the oxidant gas, and the cooling medium communication holes for supplying and discharging the cooling medium.
[0014]
For this reason, when assembling the fuel cell stack 1, at least six types of first to sixth separators 6a to 6f are required, and the first to sixth separators 6a to 6f must be manufactured individually. Don't be. Therefore, it has been pointed out that the number of parts increases and the manufacturing cost of the entire fuel cell stack 1 increases considerably.
[0015]
Moreover, when assembling the fuel cell stack 1, the first to sixth separators 6a to 6f must be stacked in a desired order. This complicates the handling workability of the first to sixth separators 6a to 6f, and the assembly work of the fuel cell stack 1 may not be performed efficiently.
[0016]
Therefore, in order to reduce the types of separators, for example, as shown in FIG. 8, a plurality of first and second electrolyte membrane / electrode structures 2a and 2b and first to third separators 6a, 6b and 6c are provided. A set of units 11 is provided, and a plate 12 is interposed between the units 11 to constitute the fuel cell stack 1a.
[0017]
However, a new plate 12 interposed between the units 11 is required, and the number of the plates 12 increases as the number of the units 11 stacked increases. As a result, there is a problem that the manufacturing cost of the fuel cell stack 1a increases.
[0018]
The present invention solves this type of problem, and it is easy to reduce the size and weight of the fuel cell stack, and to reduce the number of metal separators and to improve the handling workability and economy, and the fuel cell stack metal An object is to provide a separator made of metal.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
The fuel cell stack according to claim 1 of the present invention includes an electrolyte / electrode assembly and a metal separator, and the metal separator has a cooling medium flow path formed on one surface and the other surface. A first metal separator in which a first reaction gas channel is formed, and a second metal in which a second reaction gas channel is formed on one surface and the first reaction gas channel is formed on the other surface A separator, and a third metal separator in which the second reaction gas flow path is formed on one surface and the cooling medium flow path is formed on the other surface.
[0020]
The first to third metal separators are cooled in communication with the first reaction gas communication hole communicating with the first reaction gas flow channel, the second reaction gas communication hole communicating with the second reaction gas flow channel, and the cooling medium flow channel. The medium communication hole is provided so as to be point-symmetric with respect to the in-plane center portion and penetrating in the stacking direction. Furthermore, the first metals separator made, first electrolyte electrode assembly, the second metal separator, a first laminate and a second laminate formed by laminating in this order of the second electrolyte electrode assembly and the third metal separator configure and body, by Rukoto are relatively 180 ° reversal in an in-plane central portion around said first laminate to said second laminate, wherein the forming the first laminate 3 and the other surface of the metal separator, between the one surface of the first metal separator of the second stack, the coolant flow in a state of integrally formed, the first And the 2nd laminated body is laminated | stacked mutually .
[0021]
Here, "a cooling medium flow path are integrally constructed", in the one surface and the other surface of the third metal separator of the first metal separator, each of the convex portions and the concave portions each other facing by means that you form a coolant flow field between said first and third metal separator through the recess facing each other.
[0023]
In this way, since one of the laminated bodies is inverted by 180 °, a cooling medium flow path is integrally formed between the laminated bodies. Therefore, the laminated bodies that are inverted by 180 ° are directly laminated. Thus, a fuel cell stack set to a desired number of stacks can be easily and reliably configured.
[0024]
As a result, it is possible to reduce the number of metallic separators to three while reducing the size by the thinning structure of the cooling medium flow path. Moreover, it is not necessary to interpose a new plate between the stacked bodies, the number of parts can be effectively reduced, and the fuel cell stack can be configured economically, and the assembly workability is greatly improved.
[0025]
In the metal separator for a fuel cell stack according to claim 2 of the present invention, a first metal separator in which a cooling medium flow path is formed on one surface and a first reaction gas flow path is formed on the other surface. And a second reaction gas channel is formed on one surface, a first reaction gas channel is formed on the other surface, and the first electrolyte / electrode assembly is sandwiched between the first metal separator. A second metal separator, a second reaction gas channel formed on one surface, a cooling medium channel formed on the other surface, and a second electrolyte / electrode assembly between the second metal separator and the second metal separator; And a third metal separator.
[0026]
The first to third metal separators are cooled in communication with the first reaction gas communication hole communicating with the first reaction gas flow channel, the second reaction gas communication hole communicating with the second reaction gas flow channel, and the cooling medium flow channel. The medium communication hole is provided so as to be point-symmetric with respect to the in-plane center portion and penetrating in the stacking direction. Furthermore, the first metals separator made, first electrolyte electrode assembly, the second metal separator, a first laminate and a second laminate formed by laminating in this order of the second electrolyte electrode assembly and the third metal separator And the first laminated body is overlaid by inverting the first laminated body by 180 ° relative to the second laminated body around the in- plane center. between the and the other surface of the third metal separator, one surface of the first metal separator of the second stack, the cooling medium flow path is integrally formed.
[0027]
For this reason, when thinning out the cooling medium flow path, it has been necessary to use six types of metal separators by reversing the metal separators, which had been necessary in the past. Can do. As a result, the number of metal separator types is halved, the manufacturing cost of the metal separator is effectively reduced, and the handling workability of the metal separator is improved.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a partial cross-sectional explanatory view of a fuel cell stack 20 according to an embodiment of the present invention.
[0029]
The fuel cell stack 20 is configured by alternately stacking a predetermined number of stacks 22a and 22b. The stacked bodies 22a and 22b are configured in the same manner, and are stacked in the direction of arrow A with each other in a state where the stacked bodies 22a and 22b are inverted by about 180 ° around the axis O in the center of the power generation surface.
[0030]
As shown in FIGS. 1 and 2, the laminate 22a includes a first metal separator 24, a first electrolyte membrane / electrode structure (electrolyte / electrode assembly) 26a, a second metal separator 28, and a second electrolyte membrane. The electrode structure 26b and the third metal separator 30 are stacked in the direction of the arrow A in this order.
[0031]
As shown in FIG. 2, an oxidation for supplying an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas, communicates with each other in the arrow A direction at one end edge in the long side direction (arrow B direction) of the laminate 22a. An agent gas supply communication hole 32a and a fuel gas discharge communication hole 34b for discharging a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas, are provided above and below. The other end edge of the laminated body 22a in the long side direction communicates with each other in the direction of arrow A, and a fuel gas supply communication hole 34a for supplying fuel gas, and an oxidant gas for discharging oxidant gas. A discharge communication hole 32b is provided at the top and bottom.
[0032]
Two cooling medium supply communication holes 36a for supplying a cooling medium are provided at the lower end edge of the stacked body 22a, and two upper holes for discharging the cooling medium are provided at the upper end edge of the stacked body 22a. A cooling medium discharge communication hole 36b is provided.
[0033]
The first and second electrolyte membrane / electrode structures 26a and 26b include, for example, a solid polymer electrolyte membrane (electrolyte) 40 obtained by impregnating a perfluorosulfonic acid thin film with water, and the solid polymer electrolyte membrane 40. An anode side electrode 42 and a cathode side electrode 44 are provided. The anode side electrode 42 and the cathode side electrode 44 are an electrode catalyst in which a gas diffusion layer made of carbon paper or the like and a porous carbon particle having a platinum alloy supported on the surface are uniformly applied to the surface of the gas diffusion layer. Each with a layer.
[0034]
As shown in FIGS. 1 to 3, the first metal separator 24 includes a plurality of embossed portions 46. On the surface (the other surface) 24a side facing the first electrolyte membrane / electrode structure 26a, the embossed portion 46 comes into contact with the cathode side electrode 44 constituting the first electrolyte membrane / electrode structure 26a, thereby An oxidant gas flow path (first reaction gas flow path) 48 is provided between the single metal separator 24 and the cathode side electrode 44. The oxidant gas flow channel 48 communicates with the oxidant gas supply communication hole 32a and the oxidant gas discharge communication hole 32b.
[0035]
As will be described later, a cooling medium flow path 60 is formed between the first metal separator 24 and the third metal separator 30 on the back surface (one surface).
[0036]
As shown in FIGS. 1, 2, and 4, the second metal separator 28 has a plurality of embossed portions 50 and a surface (one surface) 28 a facing the first electrolyte membrane / electrode structure 26 a side. The embossed portion 50 is in contact with the anode side electrode 42 constituting the first electrolyte membrane / electrode structure 26a to form a fuel gas flow path (second reaction gas flow path) 52. The fuel gas channel 52 communicates with the fuel gas supply communication hole 34a and the fuel gas discharge communication hole 34b.
[0037]
The embossed portion 50 is in contact with the cathode side electrode 44 on the surface (the other surface) 28b side of the second metal separator 28 facing the cathode side electrode 44 constituting the second electrolyte membrane / electrode structure 26b. An oxidant gas flow path (first reaction gas flow path) 54 is formed. The oxidant gas flow channel 54 communicates with the oxidant gas supply communication hole 32a and the oxidant gas discharge communication hole 32b.
[0038]
As shown in FIGS. 1, 2, and 5, the third metal separator 30 is provided with a plurality of embossed portions 56, and the surface (one surface) 30 a side facing the second electrolyte membrane / electrode structure 26 b The embossed portion 56 abuts on the anode side electrode 42 constituting the second electrolyte membrane / electrode structure 26b to form a fuel gas flow path (second reaction gas flow path) 58. The fuel gas passage 58 communicates with the fuel gas supply communication hole 34a and the fuel gas discharge communication hole 34b.
[0039]
On the other surface 30b side of the third metal separator 30, the embossed portion 56 abuts on the embossed portion 46 of the first metal separator 24 to integrally form the cooling medium flow path 60 (see FIG. 1). . Each of the cooling medium flow paths 60 communicates with two cooling medium supply communication holes 36a and a cooling medium discharge communication hole 36b.
[0040]
In the first to third metal separators 24, 28 and 30, the oxidant gas supply communication hole 32a, the oxidant gas discharge communication hole 32b, the fuel gas supply communication hole 34a, the fuel gas discharge communication hole 34b, and the cooling medium supply communication hole. 36a and the cooling medium discharge | emission communication hole 36b are penetrated in the lamination direction, and are comprised by point symmetry shape with respect to the center part in an electric power generation surface. This relationship is the same in the first and second electrolyte membrane / electrode structures 26a and 26b.
[0041]
When the first and third metal separators 24 and 30 are reversed by 180 ° relative to the central portion in the power generation surface and overlapped, one surface of the first metal separator 24 (what is the surface 24a)? Between the opposite surface) and the other surface 30b of the third metal separator 30, a cooling medium flow path 60 is integrally formed (see FIG. 1).
[0042]
That is, as shown in FIG. 1, the back surfaces (recesses) of the embossed portions 46, 56 face each other on one surface of the first metal separator 24 and the other surface 30 b of the third metal separator 30. As a result, a cooling medium flow path 60 is integrally formed on the back side of the embossed portions 46 and 56.
[0043]
The operation of the fuel cell stack 20 configured as described above will be described below.
[0044]
A fuel gas such as a hydrogen-containing gas, an oxidant gas such as air that is an oxygen-containing gas, and a cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil are supplied into the fuel cell stack 20. Therefore, in the fuel cell stack 20, the fuel gas, the oxidant gas, and the cooling medium are sequentially supplied to the plurality of sets of stacked bodies 22a and 22b that are overlapped in the direction of arrow A.
[0045]
As shown in FIG. 2, the laminated body 22 a will be described. The oxidant gas supplied to the oxidant gas supply communication hole 32 a communicating in the direction of arrow A is oxidized in the first metal separator 24. It is introduced into the agent gas flow path 48 and moves along the cathode side electrode 44 constituting the first electrolyte membrane / electrode structure 26a. On the other hand, the fuel gas is introduced into the fuel gas flow path 52 of the second metal separator 28 from the fuel gas supply communication hole 34a and moves along the anode side electrode 42 constituting the first electrolyte membrane / electrode structure 26a. .
[0046]
Therefore, in the first electrolyte membrane / electrode structure 26a, the oxidant gas supplied to the cathode side electrode 44 and the fuel gas supplied to the anode side electrode 42 are consumed by an electrochemical reaction in the electrode catalyst layer. Power generation is performed.
[0047]
In the second electrolyte membrane / electrode structure 26b, the oxidant gas is supplied to the oxidant gas passage 54 formed on the surface 28b of the second metal separator 28. This oxidant gas is supplied to the cathode side electrode 44 constituting the second electrolyte membrane / electrode structure 26b. Fuel gas is supplied to the anode-side electrode 42 constituting the second electrolyte membrane / electrode structure 26b through a fuel gas flow path 58 formed on the surface 30a of the third metal separator 30. For this reason, also in the second electrolyte membrane / electrode structure 26 b, power generation is performed by the oxidant gas supplied to the cathode side electrode 44 and the fuel gas supplied to the anode side electrode 42.
[0048]
Next, the consumed fuel gas supplied to the anode side electrode 42 is discharged to the fuel gas discharge communication hole 34b. Similarly, the oxidant gas consumed by being supplied to the cathode side electrode 44 is discharged to the oxidant gas discharge communication hole 32b.
[0049]
On the other hand, the cooling medium supplied to the cooling medium supply communication hole 36 a is introduced into the cooling medium flow path 60 formed between the first and third metal separators 24 and 30. The cooling medium moves vertically upward to cool the first and second electrolyte membrane / electrode structures 26a and 26b, and then is discharged to the cooling medium discharge communication hole 36b.
[0050]
In this case, the first metal separator 24, the first electrolyte membrane / electrode structure 26a, the second metal separator 28, the second electrolyte membrane / electrode structure 26b, and the third metal separator 30 are stacked in the direction of arrow A. The laminated body 22a has a so-called thinning cooling structure in which no cooling medium flow path is provided between the first and second electrolyte membrane / electrode structures 26a and 26b. Yes.
[0051]
For this reason, as shown in FIG. 6, when it is going to laminate | stack laminated body 22a in the arrow A direction, the convex part side (crest side of the embossing part 56) of the 3rd metal separator 30 which comprises one laminated body 22a, and And the recessed part side (groove side of the embossed part 46) of the 1st metal separator 24 which comprises the other laminated body 22a will be arranged in the lamination direction. As a result, a gap for flowing the cooling medium cannot be formed between the first metal separator 24 and the third metal separator 30.
[0052]
Therefore, in the present embodiment, in the first to third metal separators 24, 28 and 30, and the first and second electrolyte membrane / electrode structures 26a and 26b, the oxidant gas supply communication hole 32a and the oxidant gas are provided. The discharge communication hole 32b, the fuel gas supply communication hole 34a, the fuel gas discharge communication hole 34b, the cooling medium supply communication hole 36a, and the cooling medium discharge communication hole 36b penetrate in the stacking direction and are point-symmetric with respect to the central portion in the power generation plane. It is configured in shape.
[0053]
Further, when the first and third metal separators 24 and 30 are reversed by 180 ° relative to the central portion in the power generation surface and overlapped, one surface (surface 24a) of the first metal separator 24 is overlapped. The cooling medium flow path 60 is integrally formed between the opposite surface of the third metal separator 30 and the other surface 30b of the third metal separator 30 (see FIG. 1).
[0054]
Accordingly, in FIG. 6, one laminated body 22 a is inverted 180 ° around the axis O in the central portion of the power generation surface with respect to the other laminated body 22 a to form a laminated body 22 b. Thereby, as shown in FIG. 1, the convex portion side of the third metal separator 30 of the multilayer body 22a coincides with the convex portion side of the first metal separator 24 constituting the multilayer body 22b in the stacking direction, and A cooling medium flow path 60 is integrally formed between the bodies 22a and 22b. Therefore, by directly stacking the stacked bodies 22a and 22b, the fuel cell stack 20 set to a desired number of stacks can be easily and reliably configured.
[0055]
Accordingly, for example, three types of metal separators that have conventionally been required, ie, the first to third metal separators 24, 28 and It becomes possible to reduce to 30. Therefore, for example, it is not necessary to interpose a new plate between the stacked bodies 22a and 22b, the number of parts can be effectively reduced, and the fuel cell stack 20 can be configured economically, and the assembly workability can be improved. The effect that it improves significantly is acquired.
[0056]
Moreover, by reducing the number of metal separator types by half, the manufacturing costs of the first to third metal separators 24, 28 and 30 are effectively reduced, and the first to third metal separators 24, 28 and There is an advantage that the handling workability of 30 is greatly improved.
[0057]
In this embodiment, the oxidant gas passages 48 and 54, the fuel gas passages 52 and 58, and the cooling medium passage 60 are configured using embossed portions, but the present invention is not limited to this. For example, you may comprise by an embossed shape part and a rib part (groove shape).
[0058]
【The invention's effect】
In the fuel cell stack according to the present invention, a laminated body in which a first metal separator, a first electrolyte / electrode assembly, a second metal separator, a second electrolyte membrane / electrode structure, and a third metal separator are laminated in this order. A desired fuel cell stack can be configured by configuring and reversing one of the stacked bodies by 180 ° and directly stacking the stacked bodies.
[0059]
As a result, it is possible to reduce the number of metallic separators to three while reducing the size by the thinning structure of the cooling medium flow path. Therefore, it is not necessary to interpose a new plate between the stacked bodies, the number of parts can be effectively reduced, and the fuel cell stack can be configured economically, and the assembling workability is greatly improved.
[0060]
In the metal separator for a fuel cell stack according to the present invention, when the cooling medium flow path is thinned out, the metal separator that has conventionally been required to use six kinds of metal separators is used by inverting the metal separator. Therefore, it is possible to cope with three kinds of metal separators. For this reason, the types of metallic separators are halved, the manufacturing cost of the metallic separators is effectively reduced, and the handling workability of the metallic separators is improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partial cross-sectional explanatory view of a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an exploded perspective view of a laminate constituting the fuel cell stack.
FIG. 3 is a front explanatory view of a first metal separator constituting the laminate.
FIG. 4 is a front explanatory view of a second metal separator constituting the laminate.
FIG. 5 is a front explanatory view of a third metal separator constituting the laminated body.
FIG. 6 is a partial cross-sectional explanatory view showing a state in which the stacked bodies are simply arranged in the stacking direction.
FIG. 7 is a partial cross-sectional explanatory view of a fuel cell stack according to the prior art.
FIG. 8 is a partial cross-sectional explanatory view of another fuel cell stack according to the prior art.
[Explanation of symbols]
20 ... Fuel cell stack 22a, 22b ... Laminates 24, 28, 30 ... Metal separators 26a, 26b ... Electrolyte membrane / electrode structure 32a ... Oxidant gas supply communication hole 32b ... Oxidant gas discharge communication hole 34a ... Fuel gas Supply communication hole 34b ... Fuel gas discharge communication hole 36a ... Cooling medium supply communication hole 36b ... Cooling medium discharge communication hole 40 ... Solid polymer electrolyte membrane 42 ... Anode side electrode 44 ... Cathode side electrode 46, 50, 56 ... Embossed portion 48 54 ... Oxidant gas channel 52, 58 ... Fuel gas channel 60 ... Cooling medium channel

Claims

An electrolyte / electrode assembly in which electrodes are provided on both sides of the electrolyte, a first reaction gas flow path for supplying one reaction gas to one electrode, and a second reaction gas flow for supplying the other reaction gas to the other electrode A fuel cell stack comprising a metal separator forming a path,
The metallic separator has a first metallic separator in which a cooling medium flow path is formed on one surface and the first reactive gas flow path is formed on the other surface;
A second metal separator in which the second reaction gas flow path is formed on one surface and the first reaction gas flow path is formed on the other surface;
A third metal separator in which the second reaction gas flow path is formed on one surface and the cooling medium flow path is formed on the other surface;
With
The first to third metal separators include a first reaction gas communication hole communicating with the first reaction gas flow channel, a second reaction gas communication hole communicating with the second reaction gas flow channel, and the cooling medium flow channel. And a cooling medium communication hole that communicates with the through hole in a laminating direction and point-symmetrically with respect to the in-plane center ,
Before Symbol first metal separator, a first electrolyte electrode assembly, the second metal separator, a first laminate and a second laminated in this order of the second electrolyte electrode assembly and the third metal separator constitutes a laminate, the Rukoto are relatively 180 ° inversion in said plane center direction with respect to the first and the second laminate laminate, constituting the first laminate and the other surface of the third metal separator, between the one surface of the first metal separator of the second stack, the cooling medium flow path in a state of integrally formed, A fuel cell stack, wherein the first and second stacked bodies are stacked on each other.

A metal separator for a fuel cell stack, which forms a first reaction gas channel for supplying one reaction gas to one electrode and a second reaction gas channel for supplying the other reaction gas to the other electrode, ,
A first metal separator in which a cooling medium flow path is formed on one surface and the first reaction gas flow path is formed on the other surface;
The second reaction gas channel is formed on one surface, the first reaction gas channel is formed on the other surface, and the first electrolyte / electrode assembly is sandwiched between the first metal separator. A second metal separator;
The second reaction gas channel is formed on one surface, the cooling medium channel is formed on the other surface, and a third electrolyte / electrode assembly is sandwiched between the second metal separator and the third metal separator. A metal separator;
With
The first to third metal separators include a first reaction gas communication hole communicating with the first reaction gas flow channel, a second reaction gas communication hole communicating with the second reaction gas flow channel, and the cooling medium flow channel. And a cooling medium communication hole that communicates with the through hole in a laminating direction and point-symmetrically with respect to the in-plane center,
The first metals separator made, the first electrolyte electrode assembly, the second metal separator, a first and a laminate formed by laminating in this order of the second electrolyte electrode assembly and the third metal separator first When the first stacked body is overlapped with the second stacked body by being inverted by 180 ° around the center of the in-plane relative to the second stacked body, the first stacked body is stacked. and the other surface of the third metal separator of the body, the between the one surface of the first metal separator of the second stack, the cooling medium flow path is integrally formed A metal separator for a fuel cell stack.