JP5226431B2

JP5226431B2 - 燃料電池スタック

Info

Publication number: JP5226431B2
Application number: JP2008217642A
Authority: JP
Inventors: 誠治杉浦; 成利杉田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2008-08-27
Filing date: 2008-08-27
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2028-08-27
Also published as: US9590254B2; JP2010055858A; US20100055540A1

Description

本発明は、カソード側電極とアノード側電極とが電解質の両側に設けられた偶数個の電解質・電極構造体と、各電解質・電極接合体と交互に積層される金属セパレータとを有し、前記カソード側電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路及び前記アノード側電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路には、それぞれの少なくとも流路入口又は流路出口に凹凸形状のバッファ部が設けられた複数の発電ユニットを備え、前記発電ユニット間に冷却媒体流路を形成して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、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部が設けられると、前記金属セパレータの他方の面には、前記凹部の裏面形状である凸部が形成される。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部が設けられると、前記金属セパレータの他方の面には、前記凹部の裏面形状である凸部が形成される。

例えば、特許文献１に開示されているように、固体電解質の両側に電極を配した燃料電池セルが複数積層されてなる燃料電池スタックにおいて、前記燃料電池セルの間に介挿されて用いられ、一方の側面には隣接する一方の燃料電池セルに燃料ガスを供給するための燃料ガス流路溝を備えるとともに、他方の側面には隣接する他方の燃料電池セルに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路溝を備えた燃料電池用セパレータが知られている。

このセパレータは、加工性に優れた金属材料の表裏面に電気伝導性に優れた材料がコーティングされ、且つ、その表裏面にはそれぞれ多数の突起が適当な間隔を配して設けられ、前記突起は燃料電池スタックにおいて燃料電池セル面に接するように設けられてなり、燃料ガス流路溝及び酸化剤ガス流路溝が、それぞれ、前記セパレータと前記燃料電池セルとの間において前記突起間に連通形成されている。

特開平８−２２２２３７号公報

ところで、燃料電池スタックでは、所定数の単位セル間に冷却媒体流路が形成される、所謂、間引き冷却構造を採用する場合がある。この種の間引き冷却構造を有する燃料電池に、上記の従来技術を採用すると、図６に示すように、２枚のＭＥＡ１ａ、１ｂと３枚の金属セパレータ２ａ、２ｂ及び２ｃとを有するセルユニット３が、複数積層されることにより前記燃料電池が構成されている。

ＭＥＡ１ａ、１ｂは、固体電解質膜４ａの両側に、アノード側電極４ｂとカソード側電極４ｃとが配設されている。金属セパレータ２ａは、ＭＥＡ１ａのアノード側電極４ｂに燃料ガスを供給するための燃料ガス流路５を形成する複数の凸部５ａを有している。一方、金属セパレータ２ｂは、ＭＥＡ１ａのカソード側電極４ｃに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路６を形成するための複数の凸部６ａと、ＭＥＡ１ｂのアノード側電極４ｂに燃料ガスを供給する燃料ガス流路５を形成するための複数の凸部５ａとを交互に有している。

金属セパレータ２ｃは、ＭＥＡ１ｂのカソード側電極４ｃに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路６を形成するための複数の凸部６ａを有するとともに、互いに隣接する金属セパレータ２ｃ、２ａ間には、冷却媒体を供給するための冷却媒体流路７が形成されている。

金属セパレータ２ａ、２ｂでは、各凸部５ａ、６ａ同士がＭＥＡ１ａを挟んで互いに積層方向に対して同一位置に設定されるとともに、前記金属セパレータ２ｂ、２ｃでは、それぞれの凸部５ａ、６ａ同士がＭＥＡ１ｂを挟んで積層方向に対して同一位置に設定されている。

しかしながら、各セルユニット３間に冷却媒体流路７が形成される際、この冷却媒体流路７では、金属セパレータ２ｃ、２ａ同士を積層方向に支持する構造を有していない。凸部と凹部とが、積層方向に対して互いに対向しているからである。このため、燃料電池スタックの積層時の荷重を各セルユニット３間で保持することができず、しかも、発電時の圧力変動に耐えることができないという問題がある。

これにより、ＭＥＡ１ａ、１ｂや金属セパレータ２ａ〜２ｃの変形による破損が惹起されるとともに、セルユニット３間の電気伝導が良好にできないという問題がある。

本発明はこの種の間引き冷却構造の燃料電池において、簡単且つ経済的な構成で、冷却媒体流路を形成する発電ユニット間の構造的な保持を確実に行うことができ、電解質・電極構造体や金属セパレータの変形を良好に阻止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、カソード側電極とアノード側電極とが電解質の両側に設けられた偶数個の電解質・電極構造体と、各電解質・電極接合体と交互に積層される金属セパレータとを有し、前記カソード側電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路及び前記アノード側電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路には、それぞれの少なくとも流路入口又は流路出口に凹凸形状のバッファ部が設けられた複数の発電ユニットを備え、前記発電ユニット間に冷却媒体流路を形成して積層される燃料電池スタックに関するものである。

バッファ部は、酸化剤ガス流路側の第１の凸部と燃料ガス流路側の第２の凸部とが、電解質・電極構造体を挟んで積層方向に互いに対向して配置されるとともに、前記第１の凸部及び前記第２の凸部が対向する挟持位置は、隣接する各電解質・電極構造体毎に前記積層方向から見て異なる位置に設定されている。

そして、隣接して冷却媒体流路を形成する一対の金属セパレータのバッファ部には、前記冷却媒体流路側に突出して互いに当接する第３の凸部及び第４の凸部が設けられ、前記第３の凸部及び前記第４の凸部の当接位置は、第１の凸部及び第２の凸部の挟持位置とは積層方向から見て異なる位置に設定されている。

また、発電ユニットは、少なくとも第１及び第２の電解質・電極構造体を有し、第１の金属セパレータ、前記第１の電解質・電極構造体、第２の金属セパレータ、前記第２の電解質・電極構造体及び第３の金属セパレータの順に積層されるとともに、前記第１の金属セパレータの第１の凸部と前記第２の金属セパレータの第２の凸部とは、前記第１の電解質・電極構造体の第１の挟持位置に配置され、前記第２の金属セパレータの第１の凸部と前記第３の金属セパレータの第２の凸部とは、前記第２の電解質・電極構造体の第２の挟持位置に配置され、前記第３の金属セパレータの第３の凸部と、隣接する他の発電ユニットを構成する前記第１の金属セパレータの第４の凸部とは、前記冷却媒体流路側に突出して当接位置に配置され、前記第１の挟持位置、前記第２の挟持位置及び前記当接位置は、前記積層方向から見てそれぞれ異なる位置に設定されることが好ましい。

本発明によれば、発電ユニット内では、各電解質・電極構造体に接触するバッファ部の第１の凸部及び第２の凸部同士が、積層方向に互いに対向して配置されている。このため、電解質・電極構造体にせん断力が付与されることがなく、前記電解質・電極接合体の損傷を良好に阻止することができる。

しかも、冷却媒体流路を形成する一対の金属セパレータには、前記冷却媒体流路側に第１の凸部及び第２の凸部の挟持位置とは積層方向から見て異なる位置に突出して互いに当接する第３の凸部及び第４の凸部が設けられている。従って、冷却媒体流路では、第３の凸部及び第４の凸部同士が積層方向に当接するため、積層方向の荷重及び発電時の圧力変動を保持する構造を備えることが可能になる。

さらに、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。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）（ＭＥＡ）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、偶数のＭＥＡを備えていればよく、例えば、４枚のＭＥＡを含むことも可能である。その際、ＭＥＡとセパレータ（５枚）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Ｂ方向）一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、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３０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３２ａ、及び酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔３４ｂが設けられる。

発電ユニット１２の長辺方向の（矢印Ｂ方向）他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３２ｂ、及び燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３０ｂ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、酸化剤ガス入口連通孔３４ａと酸化剤ガス出口連通孔３４ｂとを連通する第１酸化剤ガス流路３６が形成される。第１酸化剤ガス流路３６は、矢印Ｂ方向に延在する複数の流路溝３６ａを有する。

第１酸化剤ガス流路３６の入口及び出口近傍（少なくとも一方でもよい）には、入口バッファ部３８及び出口バッファ部４０が設けられる。入口バッファ部３８と出口バッファ部４０とは、中間高さから表裏に凸形状を有する。図２、図３及び図４に示すように、入口バッファ部３８は、面１４ａ側（第１電解質膜・電極構造体１６ａ側）に突出する複数の凸部（第１の凸部）（エンボス）３８ａと、面１４ｂ側（後述する冷却媒体流路４４側）に突出する複数の凸部（第４の凸部）（エンボス）３８ｂとを有する。凸部３８ａ、３８ｂは、それぞれ３つ（２つ以上であればよい）ずつ互いに近接し且つ斜め方向に沿って配列される。

出口バッファ部４０は、面１４ａ側に突出する複数の凸部（第１の凸部）（エンボス）４０ａと、面１４ｂ側に突出する複数の凸部（第４の凸部）（エンボス）４０ｂとを有する。凸部４０ａ、４０ｂは、それぞれ３つずつ互いに近接し且つ斜め方向に沿って配列される。凸部３８ａ、３８ｂ、４０ａ及び４０ｂは、円形、長円形又は矩形等、種々の形状に設定可能である。なお、以下のエンボスについても同様である。

第１金属セパレータ１４の面１４ｂには、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂ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酸化剤ガス流路３６を構成する複数の流路溝３６ａの裏面形状である複数の流路溝（凹部）４４ａが形成される。流路溝４４ａの入口及び出口近傍には、複数の凸部４０ｂ、３８ｂを有するバッファ部裏面形状が設けられる。

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、燃料ガス入口連通孔３０ａと燃料ガス出口連通孔３０ｂとを連通する第１燃料ガス流路４６が形成される。第１燃料ガス流路４６は、矢印Ｂ方向に延在する複数の流路溝（凹部）４６ａを有するとともに、前記第１燃料ガス流路４６の入口及び出口近傍には、それぞれ入口バッファ部４８及び出口バッファ部５０が設けられる。

図２、図３及び図５に示すように、入口バッファ部４８と出口バッファ部５０とは、中間高さから表裏に凸形状を有しており、面１８ａ側（第１電解質膜・電極構造体１６ａ側）に突出する複数の凸部（第２の凸部）（エンボス）４８ａ、５０ａと、面１８ｂ側（第２電解質膜・電極構造体１６ｂ側）に突出する複数の凸部（第１の凸部）（エンボス）４８ｂ、５０ｂとを有する。

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、酸化剤ガス入口連通孔３４ａと酸化剤ガス出口連通孔３４ｂとを連通する第２酸化剤ガス流路５２が形成される。第２酸化剤ガス流路５２は、矢印Ｂ方向に延在する複数の流路溝（凹部）５２ａを有するとともに、前記第２酸化剤ガス流路５２の入口及び出口近傍には、入口バッファ部５４及び出口バッファ部５６が設けられる。第２酸化剤ガス流路５２は、第１燃料ガス流路４６の裏面形状である一方、入口バッファ部５４及び出口バッファ部５６は、出口バッファ部５０及び入口バッファ部４８の裏面形状である。

図３及び図４に示すように、第１金属セパレータ１４と第２金属セパレータ１８とは、凸部３８ａ、４０ａと凸部５０ａ、４８ａとが、第１電解質膜・電極構造体１６ａを挟んで積層方向（矢印Ａ方向）に互いに対向して第１の挟持位置に配置される。第１金属セパレータ１４の凸部３８ｂ、４０ｂは、第２金属セパレータ１８の凸部５０ａ、５０ｂ間の平坦部及び凸部４８ａ、４８ｂ間に平坦部に対応して配置される。第２金属セパレータ１８の凸部５０ｂ、４８ｂは、第１金属セパレータ１４の凸部３８ａ、３８ｂ間の平坦部及び凸部４０ａ、４０ｂ間の平坦部に対応して配置される。

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、燃料ガス入口連通孔３０ａと燃料ガス出口連通孔３０ｂ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Ｂ方向に延在する複数の流路溝（凹部）５８ａを有する。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。

図２、図３及び図５に示すように、入口バッファ部６０と出口バッファ部６２とは、中間高さから表裏に凸形状を有しており、面２０ａ側（第２電解質膜・電極構造体１６ｂ側）に突出する複数の凸部（第２の凸部）（エンボス）６０ａ、６２ａと、面２０ｂ側（冷却媒体流路４４側）に突出する複数の凸部（第３の凸部）（エンボス）６０ｂ、６２ｂとを有する。

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燃料ガス流路５８を構成する複数の流路溝５８ａの裏面形状である複数の流路溝（凹部）４４ｂが形成される。

図３及び図５に示すように、第２金属セパレータ１８と第３金属セパレータ２０とでは、凸部４８ｂ、５０ｂと凸部６０ａ、６２ａとが、第２電解質膜・電極構造体１６ｂを挟んで積層方向（矢印Ａ方向）に互いに対向して第２の挟持位置に配置される。第２金属セパレータ１８の凸部４８ａ、５０ａは、第３金属セパレータ２０の凸部６０ａ、６０ｂ間の平坦部及び凸部６２ａ、６２ｂ間に平坦部に対応して配置される。第３金属セパレータ２０の凸部６０ｂ、６２ｂは、第２金属セパレータ１８の凸部４８ａ、４８ｂ間の平坦部及び凸部５０ａ、５０ｂ間に平坦部に対応して配置される。

図３に示すように、第１金属セパレータ１４の凸部４０ａ、３８ａと第２金属セパレータ１８の凸部４８ａ、５０ａとは、第１電解質膜・電極構造体１６ａを挟んで積層方向に互いに対向して第１の挟持位置（同一位相）に配置される。第２金属セパレータ１８の凸部４８ｂ、５０ｂと第３金属セパレータ２０の凸部６０ａ、６２ａとは、第２電解質膜・電極構造体１６ｂを挟んで積層方向に互いに対向して第２の挟持位置（同一位相）に配置されるとともに、前記第１の挟持位置と前記第２の挟持位置とは、前記積層方向から見て異なる位置に配置される。

冷却媒体流路４４を形成する第１及び第３金属セパレータ１４、２０では、前記第１金属セパレータ１４の凸部４０ｂ、３８ｂと前記第３金属セパレータ２０の凸部６０ｂ、６２ｂとは、前記冷却媒体流路４４側に突出して互いに当接している。凸部４０ｂ、３８ｂと凸部６０ｂ、６２ｂとの当接位置は、凸部４０ａ、３８ａと凸部４８ａ、５０ａとの第１挟持位置及び凸部４８ｂ、５０ｂと凸部６０ａ、６２ａとの第２の挟持位置とは、積層方向から見て異なる位置に配置される。

発電ユニット１２では、第１金属セパレータ１４と第２金属セパレータ１８とで、第１電解質膜・電極構造体１６ａを挟持する際、互いに対向する第１酸化剤ガス流路３６と第１燃料ガス流路４６とは、それぞれの流路溝３６ａ、４６ａ間の凸部が積層方向から見て同一位置に配置される。同様に、第２金属セパレータ１８と第３金属セパレータ２０とで、第２電解質膜・電極構造体１６ｂを挟持する際、第２酸化剤ガス流路５２と第２燃料ガス流路５８とは、それぞれの流路溝５２ａ、５８ａ間の凸部同士が積層方向から見て同一位置に配置される。

図２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６４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６６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６８が一体成形される。

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３４ａ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３０ａ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３２ａ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、発電ユニット１２では、図２に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３４ａから第１金属セパレータ１４の第１酸化剤ガス流路３６及び第２金属セパレータ１８の第２酸化剤ガス流路５２に導入される。この酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス流路３６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のカソード側電極２６に供給されるとともに、第２酸化剤ガス流路５２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のカソード側電極２６に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３０ａから第２金属セパレータ１８の第１燃料ガス流路４６に沿って水平方向（矢印Ｂ方向）に移動し、第１電解質膜・電極構造体１６ａのアノード側電極２４に供給される。また、燃料ガスは、第３金属セパレータ２０の第２燃料ガス流路５８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３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂの各アノード側電極２４に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３０ｂに排出される。

一方、冷却媒体入口連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、図２及び図３に示すように、各発電ユニット１２を構成する第３金属セパレータ２０と第１金属セパレータ１４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３２ｂに排出される。

この場合、本実施形態では、図３に示すように、第１金属セパレータ１４と第２金属セパレータ１８とにおいて、凸部３８ａ、４０ａと凸部５０ａ、４８ａとが、第１電解質膜・電極構造体１６ａを挟んで積層方向（矢印Ａ方向）に互いに第１の挟持位置に配置されている。さらに、第２金属セパレータ１８と第３金属セパレータ２０とにおいて、凸部４８ｂ、５０ｂと凸部６０ａ、６２ａとが、第２電解質膜・電極構造体１６ｂを挟んで積層方向（矢印Ａ方向）に互いに第２の挟持位置に配置されている。

このため、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂにせん断力が付与されることがなく、前記第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂの損傷を良好に阻止することができるという効果がある。

しかも、互いに隣接して冷却媒体流路４４を形成する第１及び第３金属セパレータ１４、２０では、前記第１金属セパレータ１４の凸部４０ｂ、３８ｂと前記第３金属セパレータ２０の凸部６０ｂ、６２ｂとが、前記冷却媒体流路４４側に第１の挟持位置及び第２の挟持位置とは異なる位置に突出して互いに当接している。従って、冷却媒体流路４４では、凸部４０ｂ、３８ｂと凸部６０ｂ、６２ｂ同士が積層方向に当接するため、前記積層方向の荷重及び発電時の圧力変動を保持する構造を備えることが可能になる。

さらに、同一の発電ユニット１２を複数積層するだけで、各発電ユニット１２間に冷却媒体流路４４が形成され、前記冷却媒体流路４４の間引き構造を有する燃料電池スタック１０が容易に構成される。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。

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。前記発電ユニットを構成する第１及び第２金属セパレータのバッファ部説明図である。前記発電ユニットを構成する第２及び第３金属セパレータのバッファ部説明図である。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３６、５２…酸化剤ガス流路
３８、４８、５４、６０…入口バッファ部
３８ａ、３８ｂ、４０ａ、４０ｂ、４８ａ、４８ｂ、５０ａ、５０ｂ、６０ａ、６０ｂ、６２ａ、６２ｂ…凸部
４０、５０、５６、６２…出口バッファ部
４４…冷却媒体流路４６、５８…燃料ガス流路

Claims

カソード側電極とアノード側電極とが電解質の両側に設けられた偶数個の電解質・電極構造体と、各電解質・電極接合体と交互に積層される金属セパレータとを有し、前記カソード側電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路及び前記アノード側電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路には、それぞれの少なくとも流路入口又は流路出口に凹凸形状のバッファ部が設けられた複数の発電ユニットを備え、前記発電ユニット間に冷却媒体流路を形成して積層される燃料電池スタックであって、
前記バッファ部は、前記酸化剤ガス流路側の第１の凸部と前記燃料ガス流路側の第２の凸部とが、前記電解質・電極構造体を挟んで積層方向に互いに対向して配置されるとともに、
前記第１の凸部及び前記第２の凸部が対向する挟持位置は、隣接する各電解質・電極構造体毎に前記積層方向から見て異なる位置に設定される一方、
隣接して前記冷却媒体流路を形成する一対の前記金属セパレータの前記バッファ部には、前記冷却媒体流路側に突出して互いに当接する第３の凸部及び第４の凸部が設けられ、
前記第３の凸部及び前記第４の凸部の当接位置は、前記第１の凸部及び前記第２の凸部の前記挟持位置とは前記積層方向から見て異なる位置に設定されることを特徴とする燃料電池スタック。
請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記発電ユニットは、少なくとも第１及び第２の電解質・電極構造体を有し、第１の金属セパレータ、前記第１の電解質・電極構造体、第２の金属セパレータ、前記第２の電解質・電極構造体及び第３の金属セパレータの順に積層されるとともに、
前記第１の金属セパレータの前記第１の凸部と前記第２の金属セパレータの前記第２の凸部とは、前記第１の電解質・電極構造体の第１の挟持位置に配置され、
前記第２の金属セパレータの前記第１の凸部と前記第３の金属セパレータの前記第２の凸部とは、前記第２の電解質・電極構造体の第２の挟持位置に配置され、
前記第３の金属セパレータの前記第３の凸部と、隣接する他の前記発電ユニットを構成する前記第１の金属セパレータの前記第４の凸部とは、前記冷却媒体流路側に突出して当接位置に配置され、
前記第１の挟持位置、前記第２の挟持位置及び前記当接位置は、前記積層方向から見てそれぞれ異なる位置に設定されることを特徴とする燃料電池スタック。