JP6063290B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、電解質膜の両側にそれぞれ電極が設けられる電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される積層体を備え、前記積層体の積層方向の両端には、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一方側にアノード電極が、他方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、一対のセパレータによって挟持している。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するとともに、前記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、例えば、専用のシール部材等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共用することができず、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。

本発明は、電解質膜の両側にそれぞれ電極が設けられる電解質膜・電極構造体と、断面凹凸形状に形成されたセパレータとが積層される積層体を備え、前記積層体の積層方向の両端には、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る燃料電池スタックに関するものである。

この燃料電池スタックでは、セパレータは、燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを積層方向に流通させる反応ガス連通孔が形成されるとともに、前記セパレータと電解質膜・電極構造体との間には、前記反応ガスをセパレータ面内に流通させる反応ガス流路と、前記反応ガス流路と前記反応ガス連通孔とを連結するバッファ部と、が形成されている。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、前記インシュレータに形成された凹部に収容されている。そして、インシュレータは、積層体の端部を構成するセパレータに接触する外周部に、前記セパレータの凹凸形状に少なくとも一部が対向する凹凸形状部を設けている。

また、この燃料電池スタックの凹凸形状部は、少なくともバッファ部に一部領域が接触する凸形状部を有する。

さらに、本発明は、電解質膜の両側にそれぞれ電極が設けられる電解質膜・電極構造体と、断面凹凸形状に形成されたセパレータとが積層される積層体を備え、前記積層体の積層方向の両端には、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る燃料電池スタックであって、前記セパレータと前記電解質膜・電極構造体との間には、反応ガスをセパレータ面内で水平方向に流通させる反応ガス流路が形成され、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は、前記積層体の端部を構成する前記セパレータに接触する外周部に、該セパレータの前記凹凸形状に少なくとも一部が対向する凹凸形状部を設け、前記反応ガス流路の前記水平方向と直交する重力方向下端には、前記セパレータの前記反応ガス流路側の面及び該面とは反対の面に交互に形成される凹凸部が設けられるとともに、前記凹凸形状部は、少なくとも前記凹凸部に一部領域が接触する凸形状部を有する。

さらにまた、本発明は、電解質膜の両側にそれぞれ電極が設けられる電解質膜・電極構造体と、断面凹凸形状に形成されたセパレータとが積層される積層体を備え、前記積層体の積層方向の両端には、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は、前記積層体の端部を構成する前記セパレータに接触する外周部に、該セパレータの前記凹凸形状に少なくとも一部が対向する凹凸形状部を設け、前記セパレータには、少なくとも燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体である流体をシールするシール部材が設けられるとともに、前記凹凸形状部は、少なくとも前記シール部材に当接する凹形状部を有する。

本発明によれば、インシュレータは、積層体の端部を構成するセパレータに接触する外周部に、前記セパレータの凹凸形状に対応して凹凸形状部を設けている。従って、インシュレータにセパレータの裏受け部が形成されるため、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。これにより、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。

本発明の第１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３中、ＩＶ−ＩＶ線断面説明図である。 前記燃料電池スタックの、図３中、Ｖ−Ｖ線断面説明図である。 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。 前記第１金属セパレータの、図６中、ＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。 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正面説明図である。 前記インシュレータの、図１２中、ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線断面図である。 前記燃料電池スタックを構成する他方のインシュレータの正面説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る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。 前記発電ユニットの、図１５中、ＸＶＩ−ＸＶＩ線断面図である。

図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係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、図１に示すように、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、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５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。

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３に示すように、発電ユニット１２の長辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、具体的には、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入口連通孔２２ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔２４ｂが設けられる。

発電ユニット１２の長辺方向（矢印Ｂ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入口連通孔２４ａ、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２２ｂが設けられる。

発電ユニット１２の短辺方向（矢印Ｃ方向）の両端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ側の一方に、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一対の冷却媒体入口連通孔２５ａが設けられる。発電ユニット１２の短辺方向の両端縁部には、燃料ガス入口連通孔２４ａ側の他方に、冷却媒体を排出するための一対の冷却媒体出口連通孔２５ｂが設けられる。

図６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を有するとともに、前記第１酸化剤ガス流路２６の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口エンボス部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。

第１酸化剤ガス流路２６の重力方向下端には、前記第１酸化剤ガス流路２６から生成水を重力方向下方に排出するための第１カソード排水通路３２が設けられる。第１カソード排水通路３２は、第１金属セパレータ１４の面１４ａ及び該面１４ａとは反対の面１４ｂに交互に形成される凹凸部３４ａ、３４ｂにより構成される。凹凸部３４ａ、３４ｂは、第１金属セパレータ１４にプレス成形される。なお、凹凸部３４ａ、３４ｂは、重力方向上方に設けてもよい。特に、冷媒面では、上方と下方の両方に設けることにより、ショートカットを防止することができる。以下、同じである。

凹凸部３４ａは、面１４ａ側に膨出する突起形状（裏面からは窪み形状）を有する一方、凹凸部３４ｂは、面１４ｂ側に膨出する突起形状（裏面からは窪み形状）を有する（図７参照）。凹凸部３４ａ、３４ｂは、長さ（矢印Ｃ方向の寸法）が波状流路溝部２６ａの形状に合わせて周期的に変化する。

図２に示すように、凹凸部３４ａは、後述する第１樹脂枠部材８０に当接して第１カソード排水通路３２を部分的に閉塞する。図６に示すように、第１カソード排水通路３２の下方には、矢印Ｂ方向に延在する排水用流路３６が設けられる。排水用流路３６は、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに連通する。

図３に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ｂには、冷却媒体入口連通孔２５ａと冷却媒体出口連通孔２５ｂとを連通する冷却媒体流路３８が形成される。冷却媒体流路３８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５８の裏面形状とが重なり合って形成される。

図８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４０が形成される。第１燃料ガス流路４０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）４０ａを有する。燃料ガス入口連通孔２４ａの近傍には、複数の供給孔部４２ａが形成されるとともに、燃料ガス出口連通孔２４ｂの近傍には、複数の排出孔部４２ｂが形成される。

第１燃料ガス流路４０の重力方向下端には、前記第１燃料ガス流路４０から生成水（逆拡散水）を重力方向下方に排出するための第１アノード排水通路４４が設けられる。第１アノード排水通路４４は、第２金属セパレータ１８の面１８ａ及び該面１８ａとは反対の面１８ｂに交互に形成される凹凸部４６ａ、４６ｂにより構成される。

凹凸部４６ａは、図２に示すように、後述する第１電解質膜・電極構造体１６ａのアノード電極７８に当接して第１アノード排水通路４４を部分的に閉塞する。図８に示すように、第１アノード排水通路４４の下方には、矢印Ｂ方向に延在する排水用流路４８が設けられる。排水用流路４８は、排出孔部４２ｂに連通する。

図９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５０が形成される。第２酸化剤ガス流路５０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）５０ａを有する。酸化剤ガス入口連通孔２２ａの近傍には、複数本の入口連結溝５２ａが形成される一方、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂの近傍には、複数本の出口連結溝５２ｂが形成される。

第２酸化剤ガス流路５０の重力方向下端には、前記第２酸化剤ガス流路５０から生成水を重力方向下方に排出するための第２カソード排水通路５４が設けられる。第２カソード排水通路５４は、第１アノード排水通路４４の裏面形状である凹凸部４６ａ、４６ｂにより構成される。図２に示すように、凹凸部４６ｂは、後述する第２樹脂枠部材８２に当接して第２カソード排水通路５４を部分的に閉塞する。図９に示すように、第２カソード排水通路５４の下方には、矢印Ｂ方向に延在する排水用流路５６が設けられる。排水用流路５６は、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに連通する。

図３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波状流路溝部（又は直線状流路溝部）５８ａを有する。

燃料ガス入口連通孔２４ａの近傍には、複数の供給孔部６０ａが形成されるとともに、燃料ガス出口連通孔２４ｂの近傍には、複数の排出孔部６０ｂが形成される。図３及び図４に示すように、供給孔部６０ａは、第２金属セパレータ１８の供給孔部４２ａよりも内側（燃料ガス流路側）に配置される一方、排出孔部６０ｂは、前記第２金属セパレータ１８の排出孔部４２ｂよりも内側（燃料ガス流路側）に配置される。

図３に示すように、第２燃料ガス流路５８の重力方向下端には、前記第２燃料ガス流路５８から生成水（逆拡散水）を重力方向下方に排出するための第２アノード排水通路６２が設けられる。第２アノード排水通路６２は、第３金属セパレータ２０の面２０ａ及び該面２０ａとは反対の面２０ｂに交互に形成される凹凸部６４ａ、６４ｂにより構成される。

図２に示すように、凹凸部６４ａは、後述する第２電解質膜・電極構造体１６ｂのアノード電極７８に当接して第２アノード排水通路６２を部分的に閉塞する。図３に示すように、第２アノード排水通路６２の下方には、矢印Ｂ方向に延在する排水用流路６６が設けられる。排水用流路６６は、排出孔部６０ｂに連通する。

第３金属セパレータ２０の面２０ｂには、第２燃料ガス流路５８の裏面形状である冷却媒体流路３８の一部が形成される。第３金属セパレータ２０の面２０ｂには、前記第３金属セパレータ２０に隣接する第１金属セパレータ１４の面１４ｂが積層されることにより、冷却媒体流路３８が一体に設けられる。冷却媒体流路３８の重力方向下端には、第２アノード排水通路６２の裏面形状である凹凸部６４ａ、６４ｂが設けられる。

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６８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７０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７２が一体成形される。

第１シール部材６８、第２シール部材７０及び第３シール部材７２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６に示すように、第１シール部材６８は、第１金属セパレータ１４の面１４ａにおいて、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと、第１酸化剤ガス流路２６との外周を連通する第１凸状シール部６８ａを有する。第１シール部材６８は、図３に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ｂにおいて、冷却媒体入口連通孔２５ａ及び冷却媒体出口連通孔２５ｂと冷却媒体流路３８との外周を連通する第２凸状シール部６８ｂを有する。

図８に示すように、第２シール部材７０は、第２金属セパレータ１８の面１８ａにおいて、供給孔部４２ａ及び排出孔部４２ｂと、第１燃料ガス流路４０とを囲繞してこれらを連通させる第１凸状シール部７０ａを有する。

図９に示すように、第２シール部材７０は、面１８ｂにおいて、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと、第２酸化剤ガス流路５０との外周を連通する第２凸状シール部７０ｂを有する。

図３に示すように、第３シール部材７２は、第３金属セパレータ２０の面２０ａにおいて、供給孔部６０ａ及び排出孔部６０ｂと、第２燃料ガス流路５８とを囲繞してこれらを連通する第１凸状シール部７２ａを有する。

第３シール部材７２は、第３金属セパレータ２０の面２０ｂにおいて、冷却媒体入口連通孔２５ａ及び冷却媒体出口連通孔２５ｂと冷却媒体流路３８との外周を連通する第２凸状シール部７２ｂを有する。

図２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７４と、前記固体高分子電解質膜７４を挟持するカソード電極７６及びアノード電極７８とを備える。カソード電極７６は、アノード電極７８及び固体高分子電解質膜７４の平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７６、アノード電極７８及び固体高分子電解質膜７４は、同一の平面寸法に設定してもよく、前記アノード電極７８は、前記カソード電極７６及び固体高分子電解質膜７４の平面寸法よりも小さな平面寸法を有していてもよい。

カソード電極７６及びアノード電極７８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７４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７６の終端部外方に位置して固体高分子電解質膜７４の外周縁部に第１樹脂枠部材８０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７６の終端部外方に位置して固体高分子電解質膜７４の外周縁部に第２樹脂枠部材８２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８０及び第２樹脂枠部材８２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３に示すように、第１樹脂枠部材８０のカソード電極７６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８４ａが設けられる。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８４ｂが設けられる。入口バッファ部８４ａ及び出口バッファ部８４ｂ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。以下に説明する他のバッファ部も、同様である。

図１０に示すように、第１樹脂枠部材８０のアノード電極７８側の面には、燃料ガス入口連通孔２４ａと第１燃料ガス流路４０との間に位置して入口バッファ部８６ａが設けられるとともに、燃料ガス出口連通孔２４ｂと前記第１燃料ガス流路４０との間に位置して、出口バッファ部８６ｂが設けられる。

図３に示すように、第２電解質膜・電極構造体１６ｂに設けられる第２樹脂枠部材８２は、カソード電極７６側の面に、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと第２酸化剤ガス流路５０との間に位置して入口バッファ部８８ａを設ける。酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと第２酸化剤ガス流路５０との間には、出口バッファ部８８ｂが形成される。

第２樹脂枠部材８２のアノード電極７８側の面には、図１１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５８との間に位置して入口バッファ部９０ａ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５８との間に位置して、出口バッファ部９０ｂ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３８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、ターミナルプレート１００ａ、１００ｂが収容され、前記ターミナルプレート１００ａ、１００ｂの端子部１０６ａ、１０６ｂが絶縁性筒体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１２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に接触する面側の外周部には、前記第２金属セパレータ１８の面１８ａ側の凹凸形状に対応して凹凸形状部１２０が設けられる。凹凸形状部１２０は、第２金属セパレータ１８の面１８ａに設けられる第１凸状シール部７０ａに当接する上面が平らな凹形状部１２０ａを有する（図２、図１２及び図１３参照）。

凹形状部１２０ａは、第１凸状シール部７０ａに当接する部分を含んで、インシュレータ１０２ａの外周縁部に亘って設けられる。凹形状部１２０ａは、第１凸状シール部７０ａに密着して所望のシール線圧及び積層荷重を受けて保持（裏受け）する。

凹凸形状部１２０は、第２金属セパレータ１８と第１電解質膜・電極構造体１６ａとの間に形成される入口バッファ部８６ａ及び出口バッファ部８６ｂに対応する上面が平らな凸形状部１２０ｂ１、１２０ｂ２を有する。凸形状部１２０ｂ１は、入口バッファ部８６ａの形状に対応する一方、凸形状部１２０ｂ２は、出口バッファ部８６ｂの形状に対応して同様の形状である（以下、同じである）。凸形状部１２０ｂ１、１２０ｂ２は、入口バッファ部８６ａ及び出口バッファ部８６ｂに圧力をかけずに移動を規制して少なくとも一部領域が接触する。なお、入口バッファ部８６ａ及び出口バッファ部８６ｂのエンボスと直線流路は、第２金属セパレータ１８側に設けてもよい。以下、同様である。

凹凸形状部１２０は、第１アノード排水通路４４を構成する凹凸部４６ａ、４６ｂに対応する凸形状部１２０ｃを有する（図２及び図１２参照）。凸形状部１２０ｃは、凹凸部４６ａ、４６ｂに圧力をかけずに移動を規制して少なくとも一部領域が接触する。なお、凸形状部１２０ｃは、短辺側に同様に設けてもよい（図示せず）。

図１４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に接触する面側の外周部には、前記第２金属セパレータ１８の面１８ｂ側の凹凸形状に対応して凹凸形状部１２２が設けられる。凹凸形状部１２２は、第２金属セパレータ１８の面１８ｂに設けられる第２凸状シール部７０ｂに当接する上面が平らな凹形状部１２２ａを有する。

凹形状部１２２ａは、第２凸状シール部７０ｂに当接する部分を含んで、インシュレータ１０２ｂの外周縁部に亘って設けられる。凹形状部１２２ａは、第２凸状シール部７０ｂに密着して所望のシール線圧及び積層荷重を受ける。

凹凸形状部１２２は、第２金属セパレータ１８と第２電解質膜・電極構造体１６ｂとの間に形成される入口バッファ部８８ａ及び出口バッファ部８８ｂに対応する上面が平らな凸形状部１２２ｂ１、１２２ｂ２を有する。凸形状部１２２ｂ１は、入口バッファ部８８ａの形状に対応する一方、凸形状部１２２ｂ２は、出口バッファ部８８ｂの形状に対応する。凸形状部１２２ｂ１、１２２ｂ２は、入口バッファ部８８ａ及び出口バッファ部８８ｂに圧力をかけずに移動を規制して少なくとも一部領域が接触する。

凹凸形状部１２２は、第２カソード排水通路５４を構成する凹凸部４６ａ、４６ｂに対向する凸形状部１２２ｃを有する（図２及び図１４参照）。凸形状部１２２ｃは、凹凸部４６ａ、４６ｂに圧力をかけずに移動を規制して少なくとも一部領域が接触する。なお、凸形状部１２２ｃは、短辺側に同様に設けてもよい（図示せず）。

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、酸化剤ガスは、図３及び図５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８４ａ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。酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２２ａから入口バッファ部８８ａを通って第２金属セパレータ１８の第２酸化剤ガス流路５０に導入される。

酸化剤ガスは、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７６に供給されるとともに、第２酸化剤ガス流路５０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７６に供給される。

一方、燃料ガスは、図３及び図４に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａから供給孔部４２ａを通って入口バッファ部８６ａに供給される。燃料ガスは、入口バッファ部８６ａを通って第２金属セパレータ１８の第１燃料ガス流路４０に供給される。燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２４ａから供給孔部６０ａを通って入口バッファ部９０ａに供給される。燃料ガスは、入口バッファ部９０ａを通って第３金属セパレータ２０の第２燃料ガス流路５８に供給される。

燃料ガスは、第１燃料ガス流路４０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７８に供給されるとともに、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のアノード電極７８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７６に供給される酸化剤ガスと、各アノード電極７８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７６に供給されて消費された酸化剤ガスは、出口バッファ部８４ｂ、８８ｂから酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに排出される（図３参照）。

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７８に供給されて消費された燃料ガスは、出口バッファ部８６ｂ、９０ｂから排出孔部４２ｂ、６０ｂを通って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、図３に示すように、各冷却媒体入口連通孔２５ａから冷却媒体流路３８に供給される。冷却媒体は、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。

図２及び図６に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ａには、第１酸化剤ガス流路２６の重力方向下端に、前記第１酸化剤ガス流路２６から生成水を重力方向下方に排出するための第１カソード排水通路３２が設けられている。このため、第１酸化剤ガス流路２６の下端側に移動した生成水は、第１カソード排水通路３２を通って排水用流路３６に流動した後、前記排水用流路３６に沿って矢印Ｂ方向に移動して酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに排出される。なお、第２カソード排水通路５４でも、同様である。

一方、図２及び図８に示すように、第２金属セパレータ１８の面１８ａには、第１燃料ガス流路４０の重力方向下端に、前記第１燃料ガス流路４０から生成水を重力方向下方に排出するための第１アノード排水通路４４が設けられている。従って、第１燃料ガス流路４０の下端側に移動した生成水は、第１アノード排水通路４４を通って排水用流路４８に流動した後、前記排水用流路４８に沿って矢印Ｂ方向に移動して燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出される。なお、第２アノード排水通路６２でも、同様である。

この場合、第１の実施形態では、図１２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に接触する面側の外周部には、前記第２金属セパレータ１８の面１８ａ側の凹凸形状に対応して凹凸形状部１２０が設けられている。具体的には、凹凸形状部１２０は、第１凸状シール部７０ａに当接する凹形状部１２０ａ、入口バッファ部８６ａ及び出口バッファ部８６ｂに対応する凸形状部１２０ｂ１、１２０ｂ２、及び、第１アノード排水通路４４を構成する凹凸部４６ａ、４６ｂに対応する凸形状部１２０ｃを有している。

従って、インシュレータ１０２ａ自体に第２金属セパレータ１８の裏受け部（シール荷重を受ける部位）が形成されるため、前記インシュレータ１０２ａに接する前記第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。すなわち、発電ユニット１２を構成する第２金属セパレータ１８と同一の第２金属セパレータ１８をインシュレータ１０２ａに隣接して用いることが可能になる。一方、インシュレータ１０２ｂは、上記のインシュレータ１０２ａと同様に構成されている。

これにより、燃料電池スタック１０では、各インシュレータ１０２ａ、１０２ｂに隣接するセパレータとして、第２金属セパレータ１８の共用化を図ることができる。このため、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、凹凸部（３４ａ、３４ｂ等）やバッファ部（入口バッファ部８４ａ等）は、接することにより、荷重を受けることなく移動を規制する機能を有する。

図１５及び図１６に示すように、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック１３０は、複数の発電ユニット１３２を積層して構成される。発電ユニット１２が間引き冷却構造であるのに対し、発電ユニット１３２は、各セル冷却構造を採用する。

発電ユニット１３２は、第１金属セパレータ１４と第２金属セパレータ１３４との間に、電解質膜・電極構造体１６を挟持して構成される。なお、第１の実施形態に係る発電ユニット１２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金属セパレータ１３４は、電解質膜・電極構造体１６側の面１３４ａに、燃料ガス流路４０が設けられるとともに、前記燃料ガス流路４０の重力方向下端には、前記燃料ガス流路４０から生成水（逆拡散水）を重力方向下方に排出するための第１アノード排水通路４４が設けられる。第２金属セパレータ１３４の他方の面１３４ｂに、冷却媒体流路３８の一部が構成される。

電解質膜・電極構造体１６は、第１の実施形態の第１電解質膜・電極構造体１６ａ又は第２電解質膜・電極構造体１６ｂと同様に構成されている。

図１６に示すように、インシュレータ１０２ａの第１金属セパレータ１４に接触する面側の外周部には、前記第１金属セパレータ１４の面１４ａ側の凹凸形状に対応して凹凸形状部１２０が設けられる。なお、図示しないが、インシュレータ１０２ｂの第２金属セパレータ１３４に接触する面側の外周部には、前記第２金属セパレータ１３４の面１３４ｂ側の凹凸形状に対応して凹凸形状部が設けられる。

このように構成される第２の実施形態では、インシュレータ１０２ａ、１０２ｂ自体に第１金属セパレータ１４及び第２金属セパレータ１３４の裏受け部が形成されるため、専用の構成を採用する必要がない。これにより、燃料電池スタック１３０では、前記燃料電池スタック１３０全体を簡単且つ経済的に構成することが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、１３０…燃料電池スタック １２、１３２…発電ユニット
１３…積層体
１４、１８、２０、１３４…金属セパレータ
１６、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、５０…酸化剤ガス流路 ３２、５４…カソード排水通路
３４ａ、３４ｂ、４６ａ、４６ｂ、６４ａ、６４ｂ…凹凸部
３６、４８、５６、６６…排水用流路
３８…冷却媒体流路 ４０、５８…燃料ガス流路
４４、６２…アノード排水通路 ６８、７０、７２…シール部材
７４…固体高分子電解質膜 ７６…カソード電極
７８…アノード電極 ８０、８２…樹脂枠部材
８４ａ、８６ａ、８８ａ、９０ａ…入口バッファ部
８４ｂ、８６ｂ、８８ｂ、９０ｂ…出口バッファ部
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 １２０、１２２…凹凸形状部
１２０ａ、１２２ａ…凹形状部
１２０ｂ１、１２０ｂ２、１２０ｃ、１２２ｂ１、１２２ｂ２、１２２ｃ…凸形状部

Claims (3)

1. 電解質膜の両側にそれぞれ電極が設けられる電解質膜・電極構造体と、断面凹凸形状に形成されたセパレータとが積層される積層体を備え、前記積層体の積層方向の両端には、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る燃料電池スタックであって、
   前記セパレータには、燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを前記積層方向に流通させる反応ガス連通孔が形成されるとともに、
   前記セパレータと前記電解質膜・電極構造体との間には、前記反応ガスをセパレータ面内に流通させる反応ガス流路と、
   前記反応ガス流路と前記反応ガス連通孔とを連結するバッファ部と、
   が形成され、
   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は、前記積層体の端部を構成する前記セパレータに接触する外周部に、該セパレータの前記凹凸形状に少なくとも一部が対向する凹凸形状部を設け、
   前記凹凸形状部は、少なくとも前記バッファ部に一部領域が接触する凸形状部を有することを特徴とする燃料電池スタック。
2. 電解質膜の両側にそれぞれ電極が設けられる電解質膜・電極構造体と、断面凹凸形状に形成されたセパレータとが積層される積層体を備え、前記積層体の積層方向の両端には、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る燃料電池スタックであって、
   前記セパレータと前記電解質膜・電極構造体との間には、反応ガスをセパレータ面内で水平方向に流通させる反応ガス流路が形成され、
   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は、前記積層体の端部を構成する前記セパレータに接触する外周部に、該セパレータの前記凹凸形状に少なくとも一部が対向する凹凸形状部を設け、
   前記反応ガス流路の前記水平方向と直交する重力方向下端には、前記セパレータの前記反応ガス流路側の面及び該面とは反対の面に交互に形成される凹凸部が設けられるとともに、
   前記凹凸形状部は、少なくとも前記凹凸部に一部領域が接触する凸形状部を有することを特徴とする燃料電池スタック。
3. 電解質膜の両側にそれぞれ電極が設けられる電解質膜・電極構造体と、断面凹凸形状に形成されたセパレータとが積層される積層体を備え、前記積層体の積層方向の両端には、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は、前記積層体の端部を構成する前記セパレータに接触する外周部に、該セパレータの前記凹凸形状に少なくとも一部が対向する凹凸形状部を設け、
   前記セパレータには、少なくとも燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体である流体をシールするシール部材が設けられるとともに、
   前記凹凸形状部は、少なくとも前記シール部材に当接する凹形状部を有することを特徴とする燃料電池スタック。

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