JP5203060B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられる複数の電解質・電極構造体と、複数の金属セパレータとを有し、前記電解質・電極構造体と前記金属セパレータとが交互に積層されるとともに、各金属セパレータの少なくとも一方の電極対向面には、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流路が設けられる発電ユニットを設け、複数の前記発電ユニットが冷却媒体流路を形成して互いに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、それぞれアノード側電極及びカソード側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単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを積層することにより、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、アノード側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。

その際、セパレータとして薄板を波形状にプレス加工した金属セパレータが使用される場合、アノード側の金属セパレータの一方の面に燃料ガス流路用の凹凸部を設けると、前記金属セパレータの他方の面には、前記凹凸部の裏面形状である凹凸部が形成されている。さらに、カソード側の金属セパレータの一方の面に酸化剤ガス流路用の凹凸部を設けると、前記金属セパレータの他方の面には、前記凹凸部の裏面形状である凹凸部が形成されている。

このため、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を波状に蛇行する凹凸部により形成することによって、単位セル間には、各凹凸部の裏面形状が重なり合って燃料ガス及び酸化剤ガスとは異なる方向に流動する冷却媒体流路が形成されている。

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、アノード側電極とカソード側電極との間に電解質が介装された接合体と、前記接合体を挟持する第１セパレータ及び第２セパレータとを有する単位セルが複数個積層されてなる積層体を具備し、前記第１セパレータは、前記アノード側電極に供給される燃料ガスを流通させるための中空部を有するとともに、第１凹部を介して設けられた長尺な第１中空状凸部を複数個有し、前記第２セパレータは、前記カソード側電極に供給される酸素含有ガスを流通させるための中空部を有するとともに、第２凹部を介して設けられ且つ前記第１中空状凸部と同一方向に延在する長尺な第２中空状凸部を複数個有し、前記第１中空状凸部又は前記第２中空状凸部の少なくともいずれか一方は、前記積層体中における前記接合体同士の間で該第１中空状凸部と該第２中空状凸部との頂面同士が対向して互いに隣接した際に、該頂面同士の一部を離間させるために燃料ガス又は酸素含有ガスの流通方向途中で屈曲した屈曲部を有し、前記第１中空状凸部と前記第２中空状凸部との頂面同士が一部離間することによって前記第１凹部と前記第２凹部とが連通し、連通した前記第１凹部及び前記第２凹部に冷却用媒体が流通されることを特徴としている。

特開２００３−３３８３００号公報

ところで、燃料電池スタックでは、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前記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。

この種の燃料電池スタックに、上記の従来技術を適用すると、図６に示す燃料電池スタック１が構成される。こ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及び第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及びアノード側電極５とを備えている。

第１電解質膜・電極構造体２ａは、第１及び第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及び第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及び第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及び第６セパレータ６ｅ、６ｆに挟持されている。

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。

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。

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。

この場合、上記の燃料電池スタック１では、第１金属製セパレータ６ａ〜第６金属製セパレータ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、酸化剤ガスを供給及び排出する酸化剤ガス連通孔と、冷却媒体を供給及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。

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金属製セパレータ６ａ〜第６金属製セパレータ６ｆが必要となっており、前記第１金属製セパレータ６ａ〜第６金属製セパレータ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。

しかも、燃料電池スタック１を組み立てる際、第１金属製セパレータ６ａ〜第６金属製セパレータ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金属製セパレータ６ａ〜第６金属製セパレータ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。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、間引き冷却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、電解質の両側に一対の電極が設けられる複数の電解質・電極構造体と、複数の金属セパレータとを有し、前記電解質・電極構造体と前記金属セパレータとが交互に積層されるとともに、各金属セパレータの少なくとも一方の電極対向面には、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流路が設けられる発電ユニットを設け、複数の前記発電ユニットが冷却媒体流路を形成して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。

発電ユニットを構成し金属セパレータの積層方向一方の端部に配置される１つの金属セパレータの波形状流路は、前記発電ユニットを構成する他の全ての金属セパレータの波形状流路とは異なる位相に設定されるとともに、前記発電ユニットを構成する他の全ての前記金属セパレータの前記波形状流路は、積層方向に沿って互いに同一の位相に設定されている。

本発明によれば、発電ユニットの一方の端部に配置される１つの金属セパレータのみが、他の金属セパレータとは異なる位相の波形状流路を設けている。このため、同一の発電ユニットを複数積層するだけで、各発電ユニット間に冷却媒体流路が形成され、前記冷却媒体流路の間引き構造を有する燃料電池スタックが容易に構成される。従って、共通部品の増加により部品点数が有効に削減され、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。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０の要部分解斜視説明図である。

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を水平方向（矢印Ａ方向）に沿って互いに積層して構成される。発電ユニット１２は、図１〜図３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。なお、発電ユニット１２は、３つ以上のＭＥＡ及び４枚以上のセパレータを含むことも可能である。その際、ＭＥＡとセパレータとは、交互に積層される。

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、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、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状を有する。

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。第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、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側電極２４及びカソード側電極２６とを備える。アノード側電極２４は、カソード側電極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。

アノード側電極２４及びカソード側電極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２に示すように、発電ユニット１２の長辺方向の（矢印Ｃ方向）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の長辺方向の（矢印Ｃ方向）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）の一端縁部には、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の短辺方向の他端縁部には、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３４ｂが設けられる。

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３６が形成される。第１燃料ガス流路３６は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝部（凹部）３６ａを有するとともに、前記第１燃料ガス流路３６の入口及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部３８及び出口バッファ部４０が設けられる。

第１金属セパレータ１４の面１４ｂ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４４の一部が形成される。面１４ｂには、第１燃料ガス流路３６を構成する複数の波状流路溝部３６ａの裏面形状である複数の波状流路溝部（凹部）４４ａが形成される。

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５０が形成される。第１酸化剤ガス流路５０は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝部（凹部）５０ａを有する。第１酸化剤ガス流路５０の入口及び出口近傍には、入口バッファ部５２及び出口バッファ部５４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５８が形成される。第２燃料ガス流路５８は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝部（凹部）５８ａを有するとともに、前記第２燃料ガス流路５８の入口及び出口近傍には、入口バッファ部６０及び出口バッファ部６２が設けられる。第２燃料ガス流路５８は、第１酸化剤ガス流路５０の裏面形状である一方、入口バッファ部６０及び出口バッファ部６２は、入口バッファ部５２及び出口バッファ部５４の裏面形状である。

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６６が形成される。第２酸化剤ガス流路６６は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝部（凹部）６６ａを有する。第２酸化剤ガス流路６６の入口及び出口近傍には、入口バッファ部６８及び出口バッファ部７０が設けられる。

第３金属セパレータ２０の面２０ｂには、冷却媒体流路４４の一部が形成される。面２０ｂには、第２酸化剤ガス流路６６を構成する複数の波状流路溝部６６ａの裏面形状である複数の波状流路溝部（凹部）４４ｂが形成される。

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５０及び前記第２金属セパレータ１８の第２燃料ガス流路５８は、波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とともに、波のピッチ、振幅も同一に設定される。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６６は、第１燃料ガス流路３６、第１酸化剤ガス流路５０及び第２燃料ガス流路５８とは、波形状が積層方向に沿って互いに異なる位相に設定されるとともに、波のピッチ、振幅が同一に設定される。

図２及び図３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７４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７６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７８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８０ａ及び内側供給孔部８０ｂ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８２ａ及び内側排出孔部８２ｂ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５８とを連通する複数の供給孔部８４と、燃料ガス出口連通孔３２ｂと前記第２燃料ガス流路５８とを連通する複数の排出孔部８６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４４が形成される。

冷却媒体流路４４では、複数の波状流路溝部４４ａと４４ｄとが異なる位相に設定されている。波状流路溝部４４ａと４４ｄと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）に連通する複数の流路溝部４４ｅが形成される（図４及び図５参照）。

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２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５０及び第３金属セパレータ２０の第２酸化剤ガス流路６６に導入される。この酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス流路５０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のカソード側電極２６に供給されるとともに、第２酸化剤ガス流路６６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のカソード側電極２６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３２ａから外側供給孔部８０ａ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８０ｂから面１４ａ側に導入された後、入口バッファ部３８に送られ、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のアノード側電極２４に供給される（図２参照）。

また、燃料ガスは、図３に示すように、供給孔部８４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２に示すように、燃料ガスは、面１８ｂ側で入口バッファ部６０に供給された後、第２燃料ガス流路５８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のアノード側電極２４に供給される。

従って、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂでは、カソード側電極２６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極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及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂの各カソード側電極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のアノード側電極２４に供給されて消費された燃料ガスは、出口バッファ部４０から内側排出孔部８２ｂ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８２ａ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のアノード側電極２４に供給されて消費された燃料ガスは、出口バッファ部６２から排出孔部８６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、冷却媒体入口連通孔３４ａに供給された冷却媒体は、図４及び図５に示すように、第１の発電ユニット１２ａを構成する第１金属セパレータ１４と、第２の発電ユニット１２ｂを構成する第３金属セパレータ９４との間に形成された冷却媒体流路４４に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂを冷却した後、冷却媒体出口連通孔３４ｂに排出される。

この場合、本実施形態では、図２に示すように、各発電ユニット１２を構成する第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５０及び前記第２金属セパレータ１８の第２燃料ガス流路５８は、積層方向に沿って互いに同一の位相に設定されている。一方、各発電ユニット１２を構成する第３金属セパレータ２０の第２酸化剤ガス流路６６は、第１燃料ガス流路３６、第１酸化剤ガス流路５０及び第２燃料ガス流路５８とは異なる位相に設定されている。

このため、同一の発電ユニット１２を複数積層するだけで、前記発電ユニット１２間には、矢印Ｂ方向に延在する複数の流路溝部４４ｅを有する冷却媒体流路４４が形成されるとともに、前記冷却媒体流路４４の間引き構造を容易に得ることができる（図４及び図５参照）。これにより、共通部品の増加により部品点数が有効に削減され、燃料電池スタック１０を簡単且つ経済的に構成することが可能になるとともに、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。

なお、第２金属セパレータ１８は、第３金属セパレータ２０と同一の位相に設定されていてもよい。その際、第１金属セパレータ１４のみが、異なる位相に設定される。

本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの要部分解斜視説明図である。 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。 前記燃料電池スタックの、図２中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面説明図である。 前記燃料電池スタックの一部断面説明図である。 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。 従来の燃料電池スタックの説明図である。

符号の説明

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
２２…固体高分子電解質膜 ２４…アノード側電極
２６…カソード側電極 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、５８…燃料ガス流路
３６ａ、４４ａ、４４ｂ、５０ａ、５８ａ、６６ａ…波状流路溝部
４４…冷却媒体流路 ４４ｅ…流路溝部
５０、６６…酸化剤ガス流路

Claims (1)

1. 電解質の両側に一対の電極が設けられる複数の電解質・電極構造体と、複数の金属セパレータとを有し、前記電解質・電極構造体と前記金属セパレータとが交互に積層されるとともに、各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流路が設けられる発電ユニットを備え、複数の前記発電ユニットの間に冷却媒体流路を形成して互いに積層される燃料電池スタックであって、
   前記発電ユニットを構成し前記金属セパレータの積層方向一方の端部に配置される１つの前記金属セパレータの前記波形状流路は、前記発電ユニットを構成する他の全ての前記金属セパレータの前記波形状流路とは異なる位相に設定されるとともに、前記発電ユニットを構成する他の全ての前記金属セパレータの前記波形状流路は、積層方向に沿って互いに同一の位相に設定されることを特徴とする燃料電池スタック。

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