WO2009157290A1 - 燃料電池スタック - Google Patents

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WO2009157290A1
WO2009157290A1 PCT/JP2009/060336 JP2009060336W WO2009157290A1 WO 2009157290 A1 WO2009157290 A1 WO 2009157290A1 JP 2009060336 W JP2009060336 W JP 2009060336W WO 2009157290 A1 WO2009157290 A1 WO 2009157290A1
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power generation
flow path
generation unit
electrode
electrolyte
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杉浦誠治
坂野雅章
小田優
渡邊康博
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本田技研工業株式会社
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Definitions

  • the present invention comprises an even number of electrolyte / electrode structures in which an anode side electrode and a cathode side electrode are provided on both sides of an electrolyte, and a metal separator that is alternately laminated with each electrolyte / electrode assembly,
  • the fuel gas flow path for supplying fuel gas to the anode side electrode and the oxidant gas flow path for supplying oxidant gas to the cathode side electrode have a concavo-convex buffer portion at least at the flow path inlet or the flow path outlet.
  • the present invention relates to a fuel cell stack that includes a power generation unit provided and in which a first power generation unit and a second power generation unit are alternately stacked to form a cooling medium flow path.
  • an electrolyte membrane / electrode structure in which an anode side electrode and a cathode side electrode are disposed on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane is provided by a pair of separators.
  • the unit cell is sandwiched.
  • This type of fuel cell is normally used as a fuel cell stack by stacking a predetermined number of unit cells.
  • a fuel gas flow channel for flowing fuel gas is provided in the plane of one separator so as to face the anode side electrode, and the cathode side electrode is opposed in the plane of the other separator.
  • An oxidant gas flow path for flowing an oxidant gas is provided.
  • a coolant flow path for allowing a coolant to flow as needed is provided along the surface direction of the separator.
  • the other surface of the metal separator has a back surface shape of the recess. A certain convex part is formed. Furthermore, when the concave portion for the oxidant gas flow path is provided on one surface of the metal separator on the cathode side, a convex portion that is the back surface shape of the concave portion is formed on the other surface of the metal separator.
  • This separator has a metal material with excellent workability coated on the front and back surfaces thereof with a material having excellent electrical conductivity, and a large number of protrusions are provided on the front and back surfaces with appropriate intervals. Is provided so as to be in contact with the surface of the fuel cell in the fuel cell stack, and the fuel gas channel groove and the oxidant gas channel groove are communicated between the protrusions between the separator and the fuel cell, respectively. Is formed.
  • the fuel cell stack may adopt a so-called thinning cooling structure in which a cooling medium flow path is formed between a predetermined number of unit cells.
  • a cell unit 3 having two MEAs 1a and 1b and three metal separators 2a, 2b and 2c.
  • the fuel cell is configured by stacking a plurality of layers.
  • the MEAs 1a and 1b are provided with an anode side electrode 4b and a cathode side electrode 4c on both sides of the solid electrolyte membrane 4a.
  • the metal separator 2a has a plurality of convex portions 5a that form a fuel gas flow path 5 for supplying fuel gas to the anode side electrode 4b of the MEA 1a.
  • the metal separator 2b supplies the fuel gas to the plurality of convex portions 6a for forming the oxidant gas flow path 6 for supplying the oxidant gas to the cathode side electrode 4c of the MEA 1a and the anode side electrode 4b of the MEA 1b.
  • a plurality of convex portions 5a for forming the fuel gas flow path 5 are alternately provided.
  • the metal separator 2c has a plurality of convex portions 6a for forming an oxidant gas flow path 6 for supplying an oxidant gas to the cathode side electrode 4c of the MEA 1b, and between the metal separators 2c and 2a adjacent to each other, A cooling medium flow path 7 for supplying the cooling medium is formed.
  • the protrusions 5a and 6a are set at the same position with respect to the stacking direction with the MEA 1a interposed therebetween.
  • the protrusions 5a and 6a are It is set at the same position with respect to the stacking direction across the MEA 1b.
  • the cooling medium flow path 7 does not have a structure for supporting the metal separators 2c and 2a in the stacking direction. This is because the convex portion and the concave portion face each other in the stacking direction. For this reason, the load at the time of lamination
  • the present invention is a fuel cell having a thinned cooling structure of this type, which can reliably hold the structure between the power generation units forming the cooling medium flow path with a simple and economical configuration.
  • Another object of the present invention is to provide a fuel cell stack capable of satisfactorily preventing deformation of a metal separator.
  • the present invention comprises an even number of electrolyte / electrode structures in which an anode side electrode and a cathode side electrode are provided on both sides of an electrolyte, and a metal separator that is alternately laminated with each electrolyte / electrode assembly,
  • the fuel gas flow path for supplying fuel gas to the anode side electrode and the oxidant gas flow path for supplying oxidant gas to the cathode side electrode have a concavo-convex buffer portion at least at the flow path inlet or the flow path outlet.
  • the present invention relates to a fuel cell stack that includes a connected power generation unit and is alternately stacked by forming a cooling medium flow path between a first power generation unit and a second power generation unit.
  • the convex portion on the fuel gas flow path side and the convex portion on the oxidant gas flow path side of the buffer portion are arranged at the same position in the stacking direction with each electrolyte / electrode structure interposed therebetween.
  • the convex part on the fuel gas flow path side of the buffer part and the convex part on the oxidant gas flow path side are located at the same position in the stacking direction with the electrolyte / electrode structure interposed therebetween.
  • the convex portions of the buffer portion of one power generation unit are arranged in a staggered manner.
  • the first and second power generation units include at least a first and a second electrolyte / electrode structure, a first metal separator, the first electrolyte / electrode structure, a second metal separator, The second electrolyte / electrode structure and the third metal separator are preferably laminated in this order.
  • the convex portions of the buffer portions that are in contact with the electrolyte / electrode structures are arranged in the same phase. For this reason, no shearing force is applied to the electrolyte / electrode structure, and damage to the electrolyte / electrode assembly can be satisfactorily prevented.
  • the convex portions facing each other on the cooling medium flow path side are arranged at the same position in the stacking direction.
  • each of the first and second power generation units has an even number of electrolyte / electrode structures and an odd number of metal separators, and each of the first and second power generation units has both ends in the stacking direction.
  • the convex portions sandwiching the electrolyte membrane / electrode structures arranged in the shape are staggered with respect to the stacking direction. For this reason, in the 1st electric power generation unit and the 2nd electric power generation unit, the convex part which protrudes in the rejection medium flow path side of each adjacent metal separator is arrange
  • the convex portions can face each other in the stacking direction, and it is possible to provide a structure that holds the load in the stacking direction and the pressure fluctuation during power generation. Accordingly, it is only necessary to alternately stack the first power generation unit and the second power generation unit, and the fuel cell stack can be configured easily and economically.
  • FIG. 3 is a sectional view of the fuel cell stack taken along line III-III in FIG. It is a disassembled perspective explanatory view of the 3rd metal separator which constitutes the 1st power generation unit, and the 1st metal separator which constitutes the 2nd power generation unit. It is explanatory drawing of the conventional fuel cell stack.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of a main part of a fuel cell stack 10 according to an embodiment of the present invention.
  • the fuel cell stack 10 is configured by alternately stacking first power generation units 12A and second power generation units 12B along the horizontal direction (arrow A direction).
  • the first power generation unit 12A includes a first metal separator 14A, a first electrolyte membrane / electrode structure (MEA) (electrolyte / electrode structure) 16a, a second metal separator 18A, and a second electrolyte.
  • MEA electrolyte membrane / electrode structure
  • the membrane / electrode structure 16b and the third metal separator 20A are provided.
  • the first power generation unit 12A may include an even number of MEAs that are four or more.
  • the first metal separator 14A, the second metal separator 18A, and the third metal separator 20A are made of, for example, a steel plate, a stainless steel plate, an aluminum plate, a plated steel plate, or a metal plate that has been subjected to a surface treatment for anticorrosion on the metal surface. Is done.
  • the first metal separator 14A, the second metal separator 18A, and the third metal separator 20A have a concavo-convex shape by pressing a metal thin plate into a wave shape.
  • the first and second electrolyte membrane / electrode structures 16a and 16b include, for example, a solid polymer electrolyte membrane 22 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and an anode side sandwiching the solid polymer electrolyte membrane 22
  • the electrode 24 and the cathode side electrode 26 are provided.
  • the anode side electrode 24 and the cathode side electrode 26 are uniformly coated on the surface of the gas diffusion layer with a gas diffusion layer (not shown) made of carbon paper or the like and porous carbon particles carrying a platinum alloy on the surface. And an electrode catalyst layer (not shown) formed.
  • the electrode catalyst layers are formed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 22.
  • An oxidant gas inlet communication hole 34a for supplying an oxidant gas in communication with each other in the direction of the arrow A at the other end edge in the long side direction (arrow B direction) of the first power generation unit 12A, a cooling medium A cooling medium outlet communication hole 32b for discharging the fuel gas and a fuel gas outlet communication hole 30b for discharging the fuel gas are provided.
  • the first oxidizing gas channel 36 has a plurality of channel grooves 36a extending in the direction of arrow B.
  • an inlet buffer section 38 and an outlet buffer section 40 are provided in the vicinity of the inlet and outlet of the first oxidant gas flow path 36 (or at least one of them).
  • the inlet buffer portion 38 and the outlet buffer portion 40 have a convex shape from the intermediate height to the front and back surfaces, and a plurality of convex portions (embossed portions) projecting to the surface 14a side (first electrolyte membrane / electrode structure 16a side). ) 38a, 40a and a plurality of convex portions (embosses) 38b, 40b projecting toward the surface 14b.
  • the convex portions 38a, 38b, 40a, and 40b can be set in various shapes such as a circle, an oval, or a rectangle. The same applies to the following embossing.
  • a part of the cooling medium flow path 44 that connects the cooling medium inlet communication hole 32a and the cooling medium outlet communication hole 32b is formed.
  • a plurality of flow channel grooves (concave portions) 44 a that are the back surface shape of the plurality of flow channel grooves 36 a constituting the first oxidant gas flow channel 36 are formed on the surface 14 b.
  • a buffer portion back surface shape having a plurality of convex portions 40b and 38b is provided in the vicinity of the inlet and outlet of the flow channel 44a.
  • a first fuel gas channel 46 that communicates the fuel gas inlet communication hole 30a and the fuel gas outlet communication hole 30b is formed on the surface 18a of the second metal separator 18A facing the first electrolyte membrane / electrode structure 16a.
  • the first fuel gas channel 46 has a plurality of channel grooves (recesses) 46a extending in the direction of arrow B, and an inlet buffer 48 is provided near the inlet and outlet of the first fuel gas channel 46, respectively. And an outlet buffer 50 is provided.
  • the inlet buffer portion 48 and the outlet buffer portion 50 have convex shapes from the middle height to the front and back, and a plurality of convex portions (embossed portions) projecting to the surface 18a side (first electrolyte membrane / electrode structure 16a side). ) 48a, 50a, and a plurality of convex portions (embosses) 48b, 50b projecting to the surface 18b side (second electrolyte membrane / electrode structure 16b side).
  • the second oxidant gas flow path 52 connects the oxidant gas inlet communication hole 34a and the oxidant gas outlet communication hole 34b. It is formed.
  • the second oxidant gas flow channel 52 has a plurality of flow channel grooves (recesses) 52a extending in the direction of arrow B, and an inlet buffer portion is provided near the inlet and outlet of the second oxidant gas flow channel 52. 54 and an outlet buffer 56 are provided.
  • the second oxidant gas channel 52 has a back surface shape of the first fuel gas channel 46, while the inlet buffer unit 54 and the outlet buffer unit 56 have the back surface shape of the inlet buffer unit 54 and the outlet buffer unit 56.
  • a second fuel gas flow path 58 that connects the fuel gas inlet communication hole 30a and the fuel gas outlet communication hole 30b is formed on the surface 20a of the third metal separator 20A facing the second electrolyte membrane / electrode structure 16b.
  • the second fuel gas channel 58 has a plurality of channel grooves (recesses) 58a extending in the direction of arrow B. In the vicinity of the inlet and outlet of the second fuel gas channel 58, an inlet buffer 60 and an outlet buffer 62 are provided.
  • the inlet buffer unit 60 and the outlet buffer unit 62 have a convex shape from the middle height to the front and back, and a plurality of convex portions (embossed portions) projecting to the surface 20a side (second electrolyte membrane / electrode structure 16b side). ) 60a, 62a, and a plurality of convex portions (embosses) 60b, 62b projecting to the surface 20b side (second power generation cell 12B side).
  • a part of the cooling medium flow path 44 is formed on the surface 20b of the third metal separator 20A.
  • a plurality of flow channel grooves (concave portions) 44b that are the back surface shapes of the plurality of flow channel grooves 58a that constitute the second fuel gas flow channel 58 are formed on the surface 20b.
  • the first power generation unit 12A when the first electrolyte membrane / electrode structure 16a is sandwiched between the first metal separator 14A and the second metal separator 18A, the first oxidizing gas channel 36 and the first In the fuel gas channel 46, the convex portions between the respective channel grooves 36a, 46a are arranged at the same position in the stacking direction.
  • the second oxidant gas flow path 52 and the second fuel gas flow path 58 are: The convex portions between the respective channel grooves 52a and 58a are arranged at the same position in the stacking direction.
  • the protrusions 40a and 48a and 38a and 50a that protrude toward the first electrolyte membrane / electrode structure 16a are Are arranged at the same position in the stacking direction.
  • the convex portions 48b and 60a and 50b and 62a protruding toward the second electrolyte membrane / electrode structure 16b are disposed at the same position in the stacking direction. .
  • a first seal member 64 is integrally formed on the surfaces 14a and 14b of the first metal separator 14A around the outer peripheral edge of the first metal separator 14A.
  • a second seal member 66 is integrally formed around the outer peripheral edge of the second metal separator 18A, and the surfaces 20a and 20b of the third metal separator 20A.
  • the third seal member 68 is integrally formed around the outer peripheral edge of the third metal separator 20A.
  • the second power generation unit 12B includes a first metal separator 14B, a first electrolyte membrane / electrode structure 16a, a second metal separator 18B, a second electrolyte membrane / electrode structure 16b, and a third metal.
  • a separator 20B is provided.
  • the same components as those of the first power generation unit 12A are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
  • the embossed shapes of the inlet buffer portions 38, 48, 54 and 60 and the outlet buffer portions 40, 50, 56 and 62 are different in phase from the first power generation unit 12A, that is, staggered. (See FIG. 3).
  • a cooling medium flow path is provided between the third metal separator 20A constituting the first power generation unit 12A and the first metal separator 14B constituting the second power generation unit 12B. 44 is formed. On both ends of the cooling medium flow path 44, convex portions 60b and 40b and convex portions 62b and 38b projecting from the third metal separator 20A and the first metal separator 14B to face each other are the same in the stacking direction. Placed in position. In addition, it is preferable that convex part mutually arrange
  • an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas inlet communication hole 34a, and a fuel gas such as a hydrogen-containing gas is supplied to the fuel gas inlet communication hole 30a. Further, a cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil is supplied to the cooling medium inlet communication hole 32a.
  • the oxidant gas is supplied from the oxidant gas inlet communication hole 34a to the first oxidant gas flow path 36 of the first metal separator 14A and the second metal separator.
  • 18 A of the second oxidant gas passage 52 is introduced.
  • the oxidant gas moves in the direction of arrow B (horizontal direction) along the first oxidant gas flow path 36 and is supplied to the cathode side electrode 26 of the first electrolyte membrane / electrode structure 16a. It moves in the direction of arrow B along the oxidant gas flow path 52 and is supplied to the cathode electrode 26 of the second electrolyte membrane / electrode structure 16b.
  • the fuel gas moves in the horizontal direction (in the direction of arrow B) along the first fuel gas flow path 46 of the second metal separator 18A from the fuel gas inlet communication hole 30a, and the first electrolyte membrane / electrode structure 16a. It is supplied to the anode side electrode 24. Further, the fuel gas moves in the direction of arrow B along the second fuel gas flow path 58 of the third metal separator 20A, and is supplied to the anode side electrode 24 of the second electrolyte membrane / electrode structure 16b.
  • the oxidant gas supplied to the cathode side electrode 26 and the fuel gas supplied to the anode side electrode 24 are electrically generated in the electrode catalyst layer. It is consumed by chemical reaction to generate electricity.
  • the oxidant gas consumed by being supplied to the cathode-side electrodes 26 of the first and second electrolyte membrane / electrode structures 16a and 16b is discharged in the direction of arrow A along the oxidant gas outlet communication hole 34b.
  • the fuel gas supplied to and consumed by the anode-side electrodes 24 of the first and second electrolyte membrane / electrode structures 16a and 16b is discharged to the fuel gas outlet communication hole 30b.
  • the cooling medium supplied to the cooling medium inlet communication hole 32a constitutes the third metal separator 20A constituting the first power generation unit 12A and the second power generation unit 12B.
  • the cooling medium flow path 44 formed between the first metal separator 14 ⁇ / b> A and the first metal separator 14 ⁇ / b> A After being introduced into the cooling medium flow path 44 formed between the first metal separator 14 ⁇ / b> A and the first metal separator 14 ⁇ / b> A, it flows in the direction of arrow B.
  • the cooling medium cools the first and second electrolyte membrane / electrode structures 16a and 16b, and then is discharged into the cooling medium outlet communication hole 32b.
  • the second power generation unit 12B power generation is performed by the first and second electrolyte membrane / electrode structures 16a and 16b in the same manner as the first power generation unit 12A.
  • the convex portions 48a and 50a of the second metal separator 18A protruding from the first electrolyte membrane / electrode structure 16a are arranged at the same position in the stacking direction.
  • the protrusions 48b and 50b of the second metal separator 18A protruding to the second electrolyte membrane / electrode structure 16b side and the protrusions 60a and 62a of the third metal separator 20B are arranged at the same position in the stacking direction. Has been. Therefore, no shearing force is applied to the first and second electrolyte membrane / electrode structures 16a and 16b, and damage to the first and second electrolyte membrane / electrode structures 16a and 16b is satisfactorily prevented. There is an effect that can be.
  • the respective convex portions 38a, 38b, 40a, 40b, 48a, 48b, 50a, 50b, 60a, 60b, 62a and 62b are staggered from each other. Are arranged in a phase (with a phase shift).
  • Each of the first power generation unit 12A and the second power generation unit 12B has an even number, for example, two MEAs, that is, the first and second electrolyte membrane / electrode structures 16a and 16b, and an odd number, for example, Three separators, that is, first metal separators 14A and 14B, second metal separators 18A and 18B, and third metal separators 20A and 28B are provided.
  • the convex portions 40a and 38a and the convex portions 48b and 50b are arranged in a staggered manner
  • the convex portions 48a and 50a and the convex portions 60a and 62a are arranged in a staggered manner.
  • the convex portions 60b and the convex portions 40b that are in the shape of the back of the buffer on both end sides thereof are in the stacking direction.
  • the convex portions 62b and the convex portions 38b are similarly disposed at the same position in the stacking direction.
  • the convex portions 60b and 40b and the convex portions 62b and 38b can contact each other in the stacking direction (see FIG. 3), and the load in the stacking direction and the pressure fluctuation during power generation can be reduced. It is possible to provide a structure for securely holding. For this reason, the electrical conductivity between the first power generation unit 12A and the second power generation unit 12B does not decrease, damage due to MEA deformation and separator deformation, and the like are not caused. Therefore, it is only necessary to alternately stack the first power generation unit 12A and the second power generation unit 12B, and the effect that the fuel cell stack 10 can be configured easily and economically is obtained.

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Abstract

　偶数個の電解質・電極構造体(MEA)と、交互に積層される金属セパレータとを有するセルユニット(12A、12B)間に、冷却媒体流路(44)が形成されるような燃料電池スタックにおいて、冷却媒体流路を形成するセパレータ同士が積層方向に支持する構造を有していないために、積層時の加重を各セルユニット間で保持できないという問題があった。本発明は、第１(12A)及び第２(12B)の各発電ユニット内では、セパレータのバッファ部に形成された凸部同士がMEA を挟んで積層方向に同一位置に配置されるとともに、第１の発電ユニットと第２の発電ユニット間では、バッファ部の凸部が千鳥状に配置されることによって、冷却媒体流路における、第１の発電ユニットの凸部と第２の発電ユニットの凸部を積層方向に同一位置に配置されるようにし、上記問題の解決を図ったものである。

Description

燃料電池スタック
　本発明は、アノード側電極とカソ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、前記アノード側電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路及び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発電ユニットを備え、第１の発電ユニットと第２の発電ユニットとが冷却媒体流路を形成して交互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を設けると、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を設けると、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、特開平８－２２２２３７号公報（日本国）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。
　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５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、アノード側電極とカソ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、前記アノード側電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路及び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連通する発電ユニットを備え、第１の発電ユニットと第２の発電ユニットとの間に冷却媒体流路を形成して交互に積層される燃料電池スタックに関するものである。
　第１の発電ユニットは、バッファ部の燃料ガス流路側の凸部と酸化剤ガス流路側の凸部とが、各電解質・電極構造体を挟んで積層方向に互いに同一の位置に配置される一方、第２の発電ユニットは、バッファ部の燃料ガス流路側の凸部と酸化剤ガス流路側の凸部とが、各電解質・電極構造体を挟んで積層方向に互いに同一の位置に且つ前記第１の発電ユニットの前記バッファ部の前記凸部とは千鳥状に配置されている。
　また、第１及び第２の発電ユニットは、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ことが好ましい。
　本発明によれば、第１の発電ユニット内及び第２の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凸部同士が、互いに同一の位相に配置されている。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、第１の発電ユニットのバッファ部と第２の発電ユニットのバッファ部とは、冷却媒体流路側の互いに向き合う凸部同士が、積層方向に同一の位置に配置されている。
　すなわち、第１及び第２の発電ユニットは、それぞれ偶数個の電解質・電極構造体と奇数枚の金属セパレータとを有しており、前記第１及び第２の発電ユニット内では、それぞれ積層方向両端に配置された各電解質膜・電極構造体を挟持するそれぞれの凸部同士は、積層方向に対して千鳥状になる。このため、第１の発電ユニットと第２の発電ユニットとでは、隣接する各金属セパレータの却媒体流路側に突出する凸部は、互いに同一の位相に配置される。
　従って、冷却媒体流路でも、凸部同士が積層方向に対向することができ、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。これにより、第１の発電ユニットと第２の発電ユニットとを交互に積層するだけでよく、燃料電池スタック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第１の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。 前記第１の発電ユニットを構成する第３金属セパレータと第２の発電ユニットを構成する第１金属セパレータとの分解斜視説明図である。 従来の燃料電池スタックの説明図である。
　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、第１の発電ユニット１２Ａと第２の発電ユニット１２Ｂとを水平方向（矢印Ａ方向）に沿って交互に積層して構成される。第１の発電ユニット１２Ａは、図２に示すように、第１金属セパレータ１４Ａ、第１電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）（電解質・電極構造体）１６ａ、第２金属セパレータ１８Ａ、第２電解質膜・電極構造体１６ｂ及び第３金属セパレータ２０Ａを設ける。なお、第１の発電ユニット１２Ａは、４個以上の偶数個のＭＥＡを含むことも可能である。
　第１金属セパレータ１４Ａ、第２金属セパレータ１８Ａ及び第３金属セパレータ２０Ａ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１４Ａ、第２金属セパレータ１８Ａ及び第３金属セパレータ２０Ａ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。
　第１の発電ユニット１２Ａ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。
　第１の発電ユニット１２Ａ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１４Ａ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しており、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（エンボス）３８ａ、４０ａと、面１４ｂ側に突出する複数の凸部（エンボス）３８ｂ、４０ｂとを有する。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１４Ａ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１８Ａ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。
　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（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（エンボス）４８ｂ、５０ｂとを有する。
　第２金属セパレータ１８Ａ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、入口バッファ部５４及び出口バッファ部５６の裏面形状である。
　第３金属セパレータ２０Ａ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。
　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（エンボス）６０ａ、６２ａと、面２０ｂ側（第２発電セル１２Ｂ側）に突出する複数の凸部（エンボス）６０ｂ、６２ｂとを有する。
　第３金属セパレータ２０Ａ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。
　第１の発電ユニット１２Ａでは、第１金属セパレータ１４Ａと第２金属セパレータ１８Ａ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に同一位置に配置される。同様に、第２金属セパレータ１８Ａと第３金属セパレータ２０Ａ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に同一位置に配置される。
　各エンボスでは、図３に示すように、第１金属セパレータ１４Ａと第２金属セパレータ１８Ａとにおいて、互いに第１電解質膜・電極構造体１６ａ側に突出する凸部４０ａと４８ａ及び３８ａと５０ａとは、積層方向に互いに同一の位置に配置される。
　第２金属セパレータ１８Ａと第３金属セパレータ２０Ａとにおいて、第２電解質膜・電極構造体１６ｂ側に突出する凸部４８ｂと６０ａ及び５０ｂと６２ａとは、積層方向に互いに同一の位置に配置される。
　図２に示すように、第１金属セパレータ１４Ａの面１４ａ、１４ｂには、この第１金属セパレータ１４Ａ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１８Ａの面１８ａ、１８ｂには、この第２金属セパレータ１８Ａ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２０Ａの面２０ａ、２０ｂには、この第３金属セパレータ２０Ａ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。
　図１に示すように、第２の発電ユニット１２Ｂは、第１金属セパレータ１４Ｂ、第１電解質膜・電極構造体１６ａ、第２金属セパレータ１８Ｂ、第２電解質膜・電極構造体１６ｂ及び第３金属セパレータ２０Ｂを設ける。なお、第１の発電ユニット１２Ａと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２の発電ユニット１２Ｂでは、入口バッファ部３８、４８、５４及び６０と、出口バッファ部４０、５０、５６及び６２のエンボス形状が、第１の発電ユニット１２Ａとは異なる位相、すなわち、千鳥状に構成される（図３参照）。
　図３及び図４に示すように、第１の発電ユニット１２Ａを構成する第３金属セパレータ２０Ａと、第２の発電ユニット１２Ｂを構成する第１金属セパレータ１４Ｂとの間には、冷却媒体流路４４が形成される。冷却媒体流路４４の両端部側には、第３金属セパレータ２０Ａ及び第１金属セパレータ１４Ｂから互いに対向して突出する凸部６０ｂと４０ｂ及び凸部６２ｂと３８ｂとが、積層方向に互いに同一の位置に配置される。なお、流路溝４４ｂ、４４ａは、互いに凸部同士が積層方向に同一位置に配置されることが好ましい。
　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、第１の発電ユニット１２Ａ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１４Ａの第１酸化剤ガス流路３６及び第２金属セパレータ１８Ａ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１８Ａ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２０Ａ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３及び図４に示すように、第１の発電ユニット１２Ａを構成する第３金属セパレータ２０Ａと、第２の発電ユニット１２Ｂを構成する第１金属セパレータ１４Ａ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。
　また、第２の発電ユニット１２Ｂでは、上記の第１の発電ユニット１２Ａと同様に、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂにより発電が行われる。
　この場合、本実施形態では、図３に示すように、第１の発電ユニット１２Ａでは、第１電解質膜・電極構造体１６ａ側に突出する第１金属セパレータ１４Ａの凸部４０ａ、３８ａと、前記第１電解質膜・電極構造体１６ａに突出する第２金属セパレータ１８Ａの凸部４８ａ、５０ａとは、互いに積層方向に同一位置に配置されている。
　さらに、第２電解質膜・電極構造体１６ｂ側に突出する第２金属セパレータ１８Ａの凸部４８ｂ、５０ｂと、第３金属セパレータ２０Ｂの凸部６０ａ、６２ａとは、積層方向に互いに同一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、第１の発電ユニット１２Ａと、第２の発電ユニット１２Ｂとでは、それぞれの凸部３８ａ、３８ｂ、４０ａ、４０ｂ、４８ａ、４８ｂ、５０ａ、５０ｂ、６０ａ、６０ｂ、６２ａ及び６２ｂは、互いに千鳥状に（位相をずらして）配置されている。
　第１の発電ユニット１２Ａと第２の発電ユニット１２Ｂとは、それぞれ偶数個、例えば、２個のＭＥＡ、すなわち、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂと、奇数枚、例えば、３枚のセパレータ、すなわち、第１金属セパレータ１４Ａ、１４Ｂ、第２金属セパレータ１８Ａ、１８Ｂ及び第３金属セパレータ２０Ａ、２８Ｂとを備えている。このため、凸部４０ａ、３８ａと凸部４８ｂ、５０ｂとは、千鳥状に配置されるとともに、凸部４８ａ、５０ａと凸部６０ａ、６２ａとは、千鳥状に配置されている。
　従って、第１の発電ユニット１２Ａと第２の発電ユニット１２Ｂとの間に形成される冷却媒体流路４４では、その両端側にバッファ裏面形状となる凸部６０ｂと凸部４０ｂとは、積層方向に同一位置に配置されるとともに、凸部６２ｂと凸部３８ｂとは、同様に、積層方向に同一位置に配置されている。
　これにより、冷却媒体流路４４で、凸部６０ｂ、４０ｂ同士及び凸部６２ｂ、３８ｂ同士が積層方向に当接することができ（図３参照）、前記積層方向の荷重及び発電時の圧力変動を確実に保持する構造を設けることが可能になる。このため、第１の発電ユニット１２Ａと第２の発電ユニット１２Ｂとの間での電気伝導性の低下やＭＥＡ変形及びセパレータ変形による破損等を惹起することがない。従って、第１の発電ユニット１２Ａと第２の発電ユニット１２Ｂとを交互に積層するだけでよく、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いう効果が得られる。

Claims (3)

  1. 　アノード側電極（２４）とカソード側電極（２６）とが電解質（２２）の両側に設けられた偶数個の電解質・電極構造体（１６ａ、１６ｂ）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（１４Ａ、１８Ａ、２０Ａ）とを有し、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（４６、５８）及び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（３６、５２）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（３８、４０、４８、５０、６０、６２）が設けられた発電ユニット（１２Ａ、１２Ｂ）を備え、第１の発電ユニット（１２Ａ）と第２の発電ユニット（１２Ｂ）との間に冷却媒体流路（４４）を形成して交互に積層される燃料電池スタックであって、
    　前記第１の発電ユニットは、前記バッファ部の前記燃料ガス流路側の凸部（４８ａ、５０ａ、６０ａ、６２ａ）と前記酸化剤ガス流路側の凸部（４０ａ、３８ａ、４８ｂ、５０ｂ）とが、各電解質・電極構造体を挟んで積層方向に互いに同一の位置に配置される一方、
    　前記第２の発電ユニットは、前記バッファ部の前記燃料ガス流路側の凸部（４８ａ、５０ａ、６０ａ、６２ａ）と前記酸化剤ガス流路側の凸部（４０ａ、３８ａ、４８ｂ、５０ｂ）とが、各電解質・電極構造体を挟んで積層方向に互いに同一の位置に且つ前記第１の発電ユニットの前記バッファ部の前記凸部とは千鳥状に配置さ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、前記第１及び第２の発電ユニットは、少なくとも第１及び第２の電解質・電極構造体（１６ａ、１６ｂ）を有し、第１の金属セパレータ（１４Ａ）、前記第１の電解質・電極構造体（１６ａ）、第２の金属セパレータ（１８Ａ）、前記第２の電解質・電極構造体（１６ｂ）及び第３の金属セパレータ（２０Ａ）の順に積層されることを特徴とする燃料電池スタック。
  3. 　請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、
    　前記第１の発電ユニットの前記バッファ部（６０、６２）と前記第２の発電ユニットの前記バッファ部（４０、３８）とは、前記冷却媒体流路側の互いに向き合う凸部（６０ｂ、６２ｂ、４０ｂ、３８ｂ）同士が、積層方向に同一の位置に配置されることを特徴とする燃料電池スタック。
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