JP6145058B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、第１セパレータ、第１電解質膜・電極構造体、第２セパレータ、第２電解質膜・電極構造体及び第３セパレータの順に積層される発電ユニットを設け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（陽イオン交換膜）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）を備えている。電解質膜・電極構造体は、一対のセパレータによって挟持されている。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している。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。

本発明に係る燃料電池スタックは、電解質膜の両側に電極が配設される第１電解質膜・電極構造体及び第２電解質膜・電極構造体を有している。燃料電池スタックは、第１セパレータ、第１電解質膜・電極構造体、第２セパレータ、第２電解質膜・電極構造体及び第３セパレータの順に積層される発電ユニットを設けている。複数の発電ユニットが積層される積層体の積層方向の一端に位置する前記第１セパレータには、前記第３セパレータ及び前記第２電解質膜・電極構造体を介して第２セパレータが端部セパレータとして配置されている。前記積層体の積層方向の他端に位置する第３セパレータには、前記第１セパレータ及び前記第１電解質膜・電極構造体を介して前記第２セパレータが端部セパレータとして配置されている。端部セパレータには、それぞれ積層方向外方に向かって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ている。

燃料電池スタックは、燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体である流体を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、及び前記流体連通孔と前記流体流路とを連通する連結通路部を備えている。

そして、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、該インシュレータに形成された凹部に収容されている。インシュレータには、少なくとも１つの端部セパレータに接触する面に、連結通路部に向かって積層方向に突出する凸状部と、前記凸状部よりも積層方向内方に位置する凹状部とが設けられている。

また、この燃料電池スタックでは、連結通路部は、酸化剤ガス又は燃料ガスの一方の反応ガスを流通させる反応ガス連結通路部を有することが好ましい。反応ガス連結通路部は、流体連通孔である反応ガス連通孔から流体流路である反応ガス流路に向かって、複数の通路溝を有するブリッジ部、及び前記ブリッジ部よりも前記反応ガス流路側の面に突出するバッファ部を設けることが好ましい。各インシュレータは、ブリッジ部に対向して凸状部を備える一方、バッファ部に対向して凹状部を備えることが好ましい。

さらに、この燃料電池スタックでは、第１電解質膜・電極構造体及び第２電解質膜・電極構造体は、外周部に樹脂枠部材を設けるとともに、ブリッジ部及びバッファ部には、前記樹脂枠部材が積層方向に対向して配置されることが好ましい。

さらにまた、この燃料電池スタックでは、連結通路部は、燃料ガス又は酸化剤ガスの他方の反応ガスを流通させる他の反応ガス連結通路部を有することが好ましい。他の反応ガス連結通路部は、流体連通孔である他の反応ガス連通孔から流体流路である他の反応ガス流路に向かって、第１連通路、反応ガス孔部、及び第２連通路を設けることが好ましい。第１連通路は、一方のセパレータ面に形成される複数の通路溝を有し、反応ガス孔部は、前記第１連通路に連通して積層方向に貫通し、第２連通路は、他方のセパレータ面に形成され、前記反応ガス孔部に連通する複数の通路溝を有することが好ましい。一方のインシュレータは、第１連通路に対向する凸状部を備えることが好ましい。

本発明によれば、インシュレータには、少なくとも１つの端部セパレータに接触する面に、連結通路部に向かって積層方向に突出する凸状部と、前記凸状部よりも積層方向内方に位置する凹状部とが設けられている。このため、インシュレータ自体が連結通路部の形状に対応するため、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。従って、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。これにより、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。

図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０は、例えば、図示しない燃料電池電気自動車に搭載される車載用燃料電池スタックとして使用される。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、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る。燃料電池スタック１０は、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４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、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（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔（流体連通孔）２２ａ及び燃料ガス出口連通孔（流体連通孔）２４ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔２２ａは、矢印Ａ方向に互いに連通しており、酸化剤ガス（流体）、例えば、酸素含有ガスを供給する。燃料ガス出口連通孔２４ｂは、矢印Ａ方向に互いに連通しており、燃料ガス（流体）、例えば、水素含有ガスを排出する。

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の長辺方向の他端縁部には、燃料ガスを供給する燃料ガス入口連通孔（流体連通孔）２４ａ、及び酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔（流体連通孔）２２ｂが設けられる。燃料ガス入口連通孔２４ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２２ｂは、それぞれ矢印Ａ方向に互いに連通している。

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の短辺方向（矢印Ｃ方向）の両端縁部には、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（流体連通孔）２５ａが設けられる。冷却媒体入口連通孔２５ａは、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ側に、矢印Ａ方向に互いに連通して設けられる。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の短辺方向の両端縁部には、冷却媒体を排出するための一対の冷却媒体出口連通孔（流体連通孔）２５ｂが設けられる。冷却媒体出口連通孔２５ｂは、燃料ガス入口連通孔２４ａ側に、矢印Ａ方向に連通して設けられる。

図５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。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５４の裏面形状とが重なり合って形成される。

図６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。第１燃料ガス流路３４と燃料ガス入口連通孔２４ａとの間には、燃料ガス入口連結通路部（連結通路部）３５ａが設けられる。第１燃料ガス流路３４と燃料ガス出口連通孔２４ｂとの間には、燃料ガス出口連結通路部（連結通路部）３５ｂが設けられる。

図７に示すように、燃料ガス入口連結通路部３５ａは、第２金属セパレータ１８の面１８ｂに形成され、複数の通路溝３６ａを有する第１連通路と、前記複数の通路溝３６ａに連通し積層方向に貫通する複数の燃料ガス供給孔部３８ａとを備える。各通路溝３６ａは、矢印Ｃ方向に配列された凸部３９ａ間に形成されるとともに、各凸部３９ａは、矢印Ｂ方向に２分割される。燃料ガス入口連結通路部３５ａは、図６に示すように、面１８ａに形成され、複数の燃料ガス供給孔部３８ａに連通する複数の通路溝４０ａを有する第２連通路を備える。

図７に示すように、燃料ガス出口連結通路部３５ｂは、第２金属セパレータ１８の面１８ｂに形成され、複数の通路溝３６ｂを有する第１連通路と、前記複数の通路溝３６ｂに連通し積層方向に貫通する複数の燃料ガス排出孔部３８ｂとを備える。各通路溝３６ｂは、矢印Ｃ方向に配列された凸部３９ｂ間に形成されるとともに、各凸部３９ｂは、矢印Ｂ方向に２分割される。燃料ガス出口連結通路部３５ｂは、図６に示すように、面１８ａに形成され、複数の燃料ガス排出孔部３８ｂに連通する複数の通路溝４０ｂを有する第２連通路を備える。

図７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）４２が形成される。第２酸化剤ガス流路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。第２酸化剤ガス流路４２と酸化剤ガス入口連通孔２２ａとの間には、酸化剤ガス入口連結通路部（連結通路部）４４ａが設けられる。第２酸化剤ガス流路４２と酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとの間には、酸化剤ガス出口連結通路部（連結通路部）４４ｂが設けられる。

酸化剤ガス入口連結通路部４４ａは、酸化剤ガス入口連通孔２２ａから第２酸化剤ガス流路４２に向かって、複数の通路溝４６ａを有するブリッジ部４８ａ及び第１バッファ部５０ａを設ける。第１バッファ部５０ａの端部には、第２バッファ部５２ａが設けられる。図３に示すように、第１バッファ部５０ａは、第２バッファ部５２ａよりも深溝（面１８ａ側の凹状となる溝深さが深い）に形成される。第２バッファ部５２ａは、第１バッファ部５０ａと異なる溝深さに形成されるが、前記第２バッファ部５２ａは、前記第１バッファ部５０ａと同一の溝深さを有して一体に設けてもよい。

図７に示すように、酸化剤ガス出口連結通路部４４ｂは、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂから第２酸化剤ガス流路４２に向かって、複数の通路溝４６ｂを有するブリッジ部４８ｂ及び第１バッファ部５０ｂを設ける。第１バッファ部５０ｂの端部には、第２バッファ部５２ｂが設けられる。第１バッファ部５０ｂは、第２バッファ部５２ｂよりも深溝に形成される。第２バッファ部５２ｂは、第１バッファ部５０ｂと異なる溝深さに形成されるが、前記第２バッファ部５２ｂは、前記第１バッファ部５０ｂと同一の溝深さを有して一体に設けてもよい。

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）５４が形成される。第２燃料ガス流路５４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）５４ａを有する。

第２燃料ガス流路５４と燃料ガス入口連通孔２４ａとの間には、燃料ガス入口連結通路部（連結通路部）５６ａが設けられる。第２燃料ガス流路５４と燃料ガス出口連通孔２４ｂとの間には、燃料ガス出口連結通路部（連結通路部）５６ｂが設けられる。燃料ガス入口連結通路部５６ａ及び燃料ガス出口連結通路部５６ｂは、燃料ガス入口連結通路部３５ａ及び燃料ガス出口連結通路部３５ｂと同様に構成されており、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。

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５８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６０が一体成形される。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６２が一体成形される。

第１シール部材５８、第２シール部材６０及び第３シール部材６２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６４を備える。固体高分子電解質膜６４は、カソード電極６６及びアノード電極６８により挟持される。カソード電極６６は、アノード電極６８及び固体高分子電解質膜６４の表面寸法よりも小さな平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６６、アノード電極６８及び固体高分子電解質膜６４は、同一の平面寸法に設定してもよい。また、アノード電極６８は、カソード電極６６及び固体高分子電解質膜６４の表面寸法よりも小さな平面寸法を有してもよい。

カソード電極６６及びアノード電極６８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６４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６６の終端部外方に位置して固体高分子電解質膜６４の外周縁部に第１樹脂枠部材７０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６６の終端部外方に位置して固体高分子電解質膜６４の外周縁部に第２樹脂枠部材７２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７０及び第２樹脂枠部材７２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７０のカソード電極６６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７４ａが設けられる。面には、さらに酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと第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７４ｂが設けられる。入口バッファ部７４ａ及び出口バッファ部７４ｂ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が、前記エンボスのみにより構成してもよい。以下に説明する他のバッファ部も、同様である。

図８に示すように、第１樹脂枠部材７０のアノード電極６８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７６ａが設けられる。燃料ガス出口連通孔２４ｂと第１燃料ガス流路３４との間に位置して、出口バッファ部７６ｂが設けられる。

図４に示すように、第２樹脂枠部材７２のカソード電極６６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４２との間に位置して入口バッファ部７８ａが設けられる。酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと第２酸化剤ガス流路４２との間に位置して出口バッファ部７８ｂが形成される。

第２樹脂枠部材７２のアノード電極６８側の面には、図９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５４との間に位置して入口バッファ部８０ａが設けられる。燃料ガス出口連通孔２４ｂと第２燃料ガス流路５４との間に位置して出口バッファ部８０ｂが設けられる。

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、インシュレータ１０２ａ、１０２ｂよりも小さな外形寸法を有するターミナルプレート１００ａ、１００ｂが収容される。ターミナルプレート１００ａ、１００ｂの端子部１０６ａ、１０６ｂは、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３及び図１０に示すように、インシュレータ１０２ａの第２金属セパレータ１８に接触する面１０２ａｓには、酸化剤ガス入口連結通路部４４ａの裏面形状に対応する凹凸形状が設けられる。具体的には、面１０２ａｓには、酸化剤ガス入口連通孔２２ａに隣接して複数の通路溝４６ａの裏面に積層方向に対向する第１凹状部１１４ａが形成される。

面１０２ａｓには、第１凹状部１１４ａに隣接して、ブリッジ部４８ａの裏面に積層方向に対向する凸状部１１６ａが形成される。凸状部１１６ａは、面１０２ａｓから厚さ方向に膨出形成される。面１０２ａｓには、凸状部１１６ａに隣接して、第１バッファ部５０ａ及び第２バッファ部５２ａの裏面に積層方向に対向する第２凹状部１１８ａが形成される。第２凹状部１１８ａは、凹部１１０ａに繋がる。

図１０に示すように、面１０２ａｓには、酸化剤ガス出口連結通路部４４ｂの裏面形状に対応する凹凸形状が設けられる。具体的には、面１０２ａｓには、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに隣接して複数の通路溝４６ｂの裏面に積層方向に対向する第１凹状部１１４ｂが形成される。

面１０２ａｓには、第１凹状部１１４ｂに隣接して、ブリッジ部４８ｂの裏面に積層方向に対向する凸状部１１６ｂが形成される。凸状部１１６ｂは、面１０２ａｓから厚さ方向に膨出形成される。面１０２ａｓには、凸状部１１６ｂに隣接して、第１バッファ部５０ｂ及び第２バッファ部５２ｂの裏面に積層方向に対向する第２凹状部１１８ｂが形成される。第２凹状部１１８ｂは、凹部１１０ａに繋がる。

図１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１２０ａ及び１２０ｂ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１２２ａ及び１２２ｂが形成される。面１０２ｂｓには、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１２４ａ及び１２４ｂが形成される。なお、凹部１２０ａ、１２０ｂ、１２２ａ、１２２ｂ、１２４ａ及び１２４ｂは、設けなくてもよく、平らに構成してもよい。

図１及び図３に示すように、面１０２ｂｓには、酸化剤ガス入口連結通路部４４ａに対向する凹凸形状が設けられる。具体的には、面１０２ｂｓには、凹部１２０ａ（酸化剤ガス入口連通孔２２ａ）に隣接して複数の通路溝４６ａに積層方向に対向する第１凹状部１２６ａが形成される。

面１０２ｂｓには、第１凹状部１２６ａに隣接して、ブリッジ部４８ａに積層方向に対向する凸状部１２８ａが形成される。凸状部１２８ａは、面１０２ｂｓから厚さ方向に膨出形成される。面１０２ｂｓには、凸状部１２８ａに隣接して、第１バッファ部５０ａ及び第２バッファ部５２ａに積層方向に対向する第２凹状部１３０ａが形成される。第２凹状部１３０ａは、凹部１１０ｂに繋がる。

面１０２ｂｓには、酸化剤ガス出口連結通路部４４ｂに対向する凹凸形状が設けられる。具体的には、面１０２ｂｓには、図１に示すように、凹部１２０ｂ（酸化剤ガス出口連通孔２２ｂ）に隣接して複数の通路溝４６ｂに積層方向に対向する第１凹状部１２６ｂが形成される。

面１０２ｂｓには、第１凹状部１２６ｂに隣接して、ブリッジ部４８ｂに積層方向に対向する凸状部１２８ｂが形成される。凸状部１２８ｂは、面１０２ｂｓから厚さ方向に膨出形成される。面１０２ｂｓには、凸状部１２８ｂに隣接して、第１バッファ部５０ｂ及び第２バッファ部５２ｂに積層方向に対向する第２凹状部１３０ｂが形成される。第２凹状部１３０ｂは、凹部１１０ｂに繋がる。

図１及び図２に示すように、面１０２ｂｓには、燃料ガス入口連結通路部３５ａに対向する凹凸形状が設けられる。具体的には、面１０２ｂｓには、凹部１２２ａ（燃料ガス入口連通孔２４ａ）に隣接して複数の通路溝３６ａに積層方向に対向する凸状部１３２ａが形成される。面１０２ｂｓには、凸状部１３２ａに隣接して、複数の通路溝４０ａの裏面に積層方向に対向する凹状部１３４ａが形成される。

図１に示すように、面１０２ｂｓには、燃料ガス出口連結通路部３５ｂに対向する凹凸形状が設けられる。具体的には、面１０２ｂｓには、凹部１２２ｂ（燃料ガス出口連通孔２４ｂ）に隣接して複数の通路溝３６ｂに積層方向に対向する凸状部１３２ｂが形成される。面１０２ｂｓには、凸状部１３２ｂに隣接して、複数の通路溝４０ｂの裏面に積層方向に対向する凹状部１３４ｂが形成される。

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、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４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７４ａ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７８ａを通って第２金属セパレータ１８の第２酸化剤ガス流路４２に導入される。

酸化剤ガスは、図４及び図５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６６に供給される。酸化剤ガスは、図４及び図７に示すように、さらに第２酸化剤ガス流路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のカソード電極６６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から第２金属セパレータ１８の燃料ガス供給孔部３８ａを通って第１燃料ガス流路３４に供給される。燃料ガスは、さらに燃料ガス入口連通孔２４ａから第３金属セパレータ２０の燃料ガス供給孔部３８ａを通って第２燃料ガス流路５４に供給される。

燃料ガスは、図４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６８に供給される。燃料ガスは、さらに第２燃料ガス流路５４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６８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６６に供給される酸化剤ガスと、各アノード電極６８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６６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６８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、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、本実施形態では、図３及び図１０に示すように、インシュレータ１０２ａの第２金属セパレータ１８に接触する面１０２ａｓには、酸化剤ガス入口連結通路部４４ａの裏面形状に対応する凹凸形状が設けられている。具体的には、面１０２ａｓには、複数の通路溝４６ａの裏面に第１凹状部１１４ａ、ブリッジ部４８ａの裏面に凸状部１１６ａ、第１バッファ部５０ａ及び第２バッファ部５２ａの裏面に第２凹状部１１８ａが形成されている。

さらに、インシュレータ１０２ａの面１０２ａｓには、図１０に示すように、酸化剤ガス出口連結通路部４４ｂの裏面形状に対応する凹凸形状が設けられている。具体的には、面１０２ａｓには、複数の通路溝４６ｂの裏面に第１凹状部１１４ｂ、ブリッジ部４８ｂの裏面に凸状部１１６ｂ、第１バッファ部５０ｂ及び第２バッファ部５２ｂの裏面に第２凹状部１１８ｂが形成されている。

このため、インシュレータ１０２ａ自体が酸化剤ガス入口連結通路部４４ａ及び酸化剤ガス出口連結通路部４４ｂの形状（裏面形状）に対応している。従って、インシュレータ１０２ａに接する端部セパレータである第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。

一方、図１及び図３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には、酸化剤ガス入口連結通路部４４ａ及び酸化剤ガス出口連結通路部４４ｂに対向する凹凸形状が設けられている。具体的には、面１０２ｂｓには、複数の通路溝４６ａに対向する第１凹状部１２６ａ、ブリッジ部４８ａに対向する凸状部１２８ａ、第１バッファ部５０ａ及び第２バッファ部５２ａに対向する第２凹状部１３０ａが形成されている。

図１に示すように、面１０２ｂｓには、さらに複数の通路溝４６ｂに対向する第１凹状部１２６ｂ、ブリッジ部４８ｂに対向する凸状部１２８ｂ、第１バッファ部５０ｂ及び第２バッファ部５２ｂに対向する第２凹状部１３０ｂが形成されている。

しかも、面１０２ｂｓには、燃料ガス入口連結通路部３５ａ及び燃料ガス出口連結通路部３５ｂに対向する凹凸形状が設けられている。具体的には、図１及び図２に示すように、面１０２ｂｓには、複数の通路溝３６ａに対向する凸状部１３２ａと、複数の通路溝４０ａの裏面に対向する凹状部１３４ａとが形成されている。面１０２ｂｓには、さらに複数の通路溝３６ｂに対向する凸状部１３２ｂと、複数の通路溝４０ｂの裏面に対向する凹状部１３４ｂとが形成されている（図１参照）。

従って、インシュレータ１０２ｂ自体が酸化剤ガス入口連結通路部４４ａ、酸化剤ガス出口連結通路部４４ｂ、燃料ガス入口連結通路部３５ａ及び燃料ガス出口連結通路部３５ｂの形状に対応している。これにより、インシュレータ１０２ｂに接する端部セパレータである第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。このため、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。従って、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。

なお、本発明では、酸化剤ガス側の構成及び燃料ガス側の構成は、上記の実施形態とは逆に設定してもよい。

１０…燃料電池スタック １２…発電ユニット
１３…積層体 １４、１８、２０…金属セパレータ
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、４２…酸化剤ガス流路 ３２…冷却媒体流路
３４、５４…燃料ガス流路 ３５ａ、５６ａ…燃料ガス入口連結通路部
３５ｂ、５６ｂ…燃料ガス出口連結通路部
３６ａ、３６ｂ、４０ａ、４０ｂ、４６ａ、４６ｂ…通路溝
３８ａ…燃料ガス供給孔部 ３８ｂ…燃料ガス排出孔部
４４ａ…酸化剤ガス入口連結通路部 ４４ｂ…酸化剤ガス出口連結通路部
４８ａ、４８ｂ…ブリッジ部
５０ａ、５０ｂ、５２ａ、５２ｂ…バッファ部
５８、６０、６２…シール部材 ６４…固体高分子電解質膜
６６…カソード電極 ６８…アノード電極
７０、７２…樹脂枠部材 １００ａ、１００ｂ…ターミナルプレート
１０２ａ、１０２ｂ…インシュレータ
１０４ａ、１０４ｂ…エンドプレート
１１０ａ、１１０ｂ…凹部
１１４ａ、１１４ｂ、１１８ａ、１１８ｂ、１２６ａ、１２６ｂ、１３０ａ、１３０ｂ、１３４ａ、１３４ｂ…凹状部
１１６ａ、１１６ｂ、１２８ａ、１２８ｂ、１３２ａ、１３２ｂ…凸状部

Claims (4)

1. 電解質膜の両側に電極が配設される第１電解質膜・電極構造体及び第２電解質膜・電極構造体を有し、第１セパレータ、前記第１電解質膜・電極構造体、第２セパレータ、前記第２電解質膜・電極構造体及び第３セパレータの順に積層される発電ユニットを設け、複数の前記発電ユニットが積層される積層体の積層方向の一端に位置する前記第１セパレータには、前記第３セパレータ及び前記第２電解質膜・電極構造体を介して前記第２セパレータが端部セパレータとして配置され、且つ前記積層体の積層方向の他端に位置する第３セパレータには、前記第１セパレータ及び前記第１電解質膜・電極構造体を介して前記第２セパレータが端部セパレータとして配置されるとともに、前記端部セパレータには、それぞれ積層方向外方に向かって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、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、及び前記流体連通孔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つの前記端部セパレータに接触する面に、前記連結通路部に向かって前記積層方向に突出する凸状部と、前記凸状部よりも積層方向内方に位置する凹状部とが設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記連結通路部は、前記酸化剤ガス又は前記燃料ガスの一方の反応ガスを流通させる反応ガス連結通路部を有し、
   前記反応ガス連結通路部は、前記流体連通孔である反応ガス連通孔から前記流体流路である反応ガス流路に向かって、複数の通路溝を有するブリッジ部、及び前記ブリッジ部よりも前記反応ガス流路側の面に突出するバッファ部を設け、
   各インシュレータは、前記ブリッジ部に対向して前記凸状部を備える一方、前記バッファ部に対向して前記凹状部を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項２記載の燃料電池スタックにおいて、前記第１電解質膜・電極構造体及び前記第２電解質膜・電極構造体は、外周部に樹脂枠部材を設けるとともに、
   前記ブリッジ部及び前記バッファ部には、前記樹脂枠部材が前記積層方向に対向して配置されることを特徴とする燃料電池スタック。
4. 請求項２又は３記載の燃料電池スタックにおいて、前記連結通路部は、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスの他方の反応ガスを流通させる他の反応ガス連結通路部を有し、
   前記他の反応ガス連結通路部は、前記流体連通孔である他の反応ガス連通孔から前記流体流路である他の反応ガス流路に向かって、一方のセパレータ面に形成され、複数の通路溝を有する第１連通路、前記第１連通路に連通し前記積層方向に貫通する反応ガス孔部、及び他方のセパレータ面に形成され、前記反応ガス孔部に連通する複数の通路溝を有する第２連通路を設け、
   一方の前記インシュレータは、前記第１連通路に対向する前記凸状部を備えることを特徴とする燃料電池スタック。

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