(57)【要約】【課題】２枚のＭＥＡと３枚のセパレータとを備えた発電ユニットを、経済的に製造するとともに、設備の複雑化を抑制することを可能にする。【解決手段】燃料電池スタック１０は、複数の発電ユニット１２を積層する。各発電ユニット１２を構成する第２セパレータ１８は、平板形状を有するとともに、前記第２セパレータ１８の一方の平坦面には、第１酸化剤ガス流路４８を形成する第１多孔質体３６ａが設けられる。第２セパレータ１８の他方の平坦面には、第２燃料ガス流路５２を形成する第２多孔質体３６ｂが設けられる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の両側に電極が配設される第１電解質・電極構造体及び第２電解質・電極構造体を有し、第１セパレータ、前記第１電解質・電極構造体、第２セパレータ、前記第２電解質・電極構造体及び第３セパレータの順に積層される複数の発電ユニットを設け、前記第１セパレータと前記第１電解質・電極構造体との間には、発電面に沿って燃料ガスを流す第１燃料ガス流路が形成され、前記第１電解質・電極構造体と前記第２セパレータとの間には、前記発電面に沿って酸化剤ガスを流す第１酸化剤ガス流路が形成され、前記第２セパレータと前記第２電解質・電極構造体との間には、前記発電面に沿って前記燃料ガスを流す第２燃料ガス流路が形成され、前記第２電解質・電極構造体と前記第３セパレータとの間には、前記発電面に沿って前記酸化剤ガスを流す第２酸化剤ガス流路が形成されるとともに、各発電ユニット間に、冷却媒体を流す冷却媒体流路が形成される燃料電池スタックであって、
前記第２セパレータは、平板形状を有するとともに、
該第２セパレータの一方の平坦面には、前記第１酸化剤ガス流路を形成する第１多孔質体が設けられ、且つ、前記第２セパレータの他方の平坦面には、前記第２燃料ガス流路を形成する第２多孔質体が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記第２セパレータは、平板状の金属プレートを備え、
前記金属プレートの外周縁部には、絶縁性樹脂枠部材が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１セパレータ、第１電解質・電極構造体、第２セパレータ、第２電解質・電極構造体及び第３セパレータの順に積層される複数の発電ユニットを設ける燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
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、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータによって挟持されることにより、発電セルを構成している。燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池電気車両に組み込まれている。
【０００３】
燃料電池では、一方のセパレータの面内に、アノード電極に対向して燃料ガスを流す燃料ガス流路が設けられているとともに、他方のセパレータの面内に、カソード電極に対向して酸化剤ガスを流す酸化剤ガス流路が設けられている。さらに、セパレータ間には、冷却媒体を流す冷却媒体流路が、前記セパレータの面方向に沿って設けられている。
【０００４】
ところで、燃料電池スタックでは、所定数の複数の発電セル（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は、例えば、特許文献１に開示されているように、第１セパレータ１、第１セル２、第２セパレータ３、第２セル４及び第３セパレータ５が積層されている（図４参照）。
【０００５】
第１セル２は、固体高分子電解質膜２ａの両面に燃料極２ｂ及び空気極２ｃが配設されている。第２セル４は、第１セル２と同様に構成されている。第１セパレータ１と第１セル２との間には、第１燃料ガス通路６ａが形成され、第２セパレータ３と前記第１セル２との間には、第１酸化剤ガス通路７ａが形成されている。第２セパレータ３と第２セル４との間には、第２燃料ガス通路６ｂが形成されるとともに、第３セパレータ５と前記第２セル４との間には、第２酸化剤ガス通路７ｂが形成されている。互いに隣接する第１セパレータ１と第３セパレータ５との間には、冷却水通路８が形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−２８９２２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の特許文献１では、燃料電池を構成する第１セパレータ１、第２セパレータ３及び第３セパレータ５が、それぞれ異なる形状を有している。このため、各セパレータに対応してそれぞれ形状の異なるプレス成形用金型が必要になっている。従って、設備が複雑化するとともに、燃料電池全体の製造コストが高騰するという問題がある。
【０００８】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、２枚のＭＥＡと３枚のセパレータとを備えた発電ユニットを、経済的に製造するとともに、設備が複雑化することを抑制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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る燃料電池スタックは、電解質の両側に電極が配設される第１電解質・電極構造体及び第２電解質・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・電極構造体、第２セパレータ、第２電解質・電極構造体及び第３セパレータの順に積層される複数の発電ユニットを設けている。
【００１０】
第１セパレータと第１電解質・電極構造体との間には、発電面に沿って燃料ガスを流す第１燃料ガス流路が形成されている。第１電解質・電極構造体と第２セパレータとの間には、発電面に沿って酸化剤ガスを流す第１酸化剤ガス流路が形成されている。第２セパレータと第２電解質・電極構造体との間には、発電面に沿って燃料ガスを流す第２燃料ガス流路が形成されている。第２電解質・電極構造体と第３セパレータとの間には、発電面に沿って酸化剤ガスを流す第２酸化剤ガス流路が形成されている。各発電ユニット間には、冷却媒体を流す冷却媒体流路が形成されている。
【００１１】
そして、第２セパレータは、平板形状を有するとともに、前記第２セパレータの一方の平坦面には、第１酸化剤ガス流路を形成する第１多孔質体が設けられている。第２セパレータの他方の平坦面には、第２燃料ガス流路を形成する第２多孔質体が設けられている。
【００１２】
また、この燃料電池スタックでは、第２セパレータは、平板状の金属プレートを備え、前記金属プレートの外周縁部には、絶縁性樹脂枠部材が設けられることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、第２セパレータは、平板形状を有するとともに、一方の平坦面には、第１酸化剤ガス流路を形成する第１多孔質体が設けられ、且つ、他方の平坦面には、第２燃料ガス流路を形成する第２多孔質体が設けられている。このため、第２セパレータは、プレス成形用金型等が不要になる。従って、２枚のＭＥＡと３枚のセパレータとを備えた発電ユニットを、経済的に製造することができるとともに、設備が複雑化することを良好に抑制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池スタックの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】前記燃料電池スタックを構成する第２セパレータの正面説明図である。
【図４】特許文献１に開示された燃料電池の断面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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。燃料電池スタック１０は、複数の発電ユニット１２が電極面を立位姿勢にして水平方向（矢印Ａ方向）に積層される。なお、複数の発電ユニット１２を重力方向（矢印Ｃ方向）に積層して燃料電池スタック１０を構成してもよい。
【００１６】
発電ユニット１２は、第１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セパレータ１８、第２電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）（ＭＥＡ）１６ｂ及び第３セパレータ２０を有する。
【００１７】
第１電解質膜・電極構造体１６ａ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電極２４ａ及びカソード電極２６ａとを備える。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２２と、前記固体高分子電解質膜２２を挟持するアノード電極２４ｂ及びカソード電極２６ｂとを備える。
【００１８】
第１電解質膜・電極構造体１６ａでは、アノード電極２４ａは、固体高分子電解質膜２２及びカソード電極２６ａよりも小さな平面寸法を有する段差ＭＥＡを構成しているが、これに限定されるものではない。例えば、アノード電極２４ａは、カソード電極２６ａよりも大きな平面寸法を有してもよく、又は、前記カソード電極２６ａと同一の平面寸法を有してもよい。
【００１９】
第２電解質膜・電極構造体１６ｂでは、カソード電極２６ｂは、固体高分子電解質膜２２及びアノード電極２４ｂよりも小さな平面寸法を有する段差ＭＥＡを構成しているが、これに限定されるものではない。例えば、カソード電極２６ｂは、アノード電極２４ｂよりも大きな平面寸法を有してもよく、又は、前記アノード電極２４ｂと同一の平面寸法を有してもよい。
【００２０】
アノード電極２４ａ、２４ｂ及びカソード電極２６ａ、２６ｂは、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子がガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される。電極触媒層は、例えば、固体高分子電解質膜２２の両面に形成される。
【００２１】
図１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、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂが、冷却媒体入口連通孔３４ａを上下に挟んで設けられる。酸化剤ガス入口連通孔３０ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給し、燃料ガス出口連通孔３２ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出し、冷却媒体入口連通孔３４ａは、冷却媒体を供給する。
【００２２】
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、燃料ガス入口連通孔３２ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが、冷却媒体出口連通孔３４ｂを上下に挟んで設けられる。燃料ガス入口連通孔３２ａは、燃料ガスを供給し、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂは、酸化剤ガスを排出し、冷却媒体出口連通孔３４ｂは、冷却媒体を排出する。
【００２３】
第１セパレータ１４、第２セパレータ１８及び第３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縦長形状の金属板により構成される。第１セパレータ１４、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０は、金属セパレータに代えて、例えば、カーボンセパレータにより構成してもよい。
【００２４】
図２に示すように、第１セパレータ１４及び第３セパレータ２０は、平面が矩形状の金属製薄板１４Ｐ及び２０Ｐを有する。図２に示すように、金属製薄板１４Ｐ及び２０Ｐは、波形状にプレス加工されることにより、断面凹凸形状に成形される。
【００２５】
第２セパレータ１８は、平板状の金属プレート１８Ｐを備えるとともに、全体として両表面が平坦な平板形状を有する。金属プレート１８Ｐの一方の平坦面（第１電解質膜・電極構造体１６ａに対向する平坦面）には、第１多孔質体３６ａが設けられる。金属プレート１８Ｐの他方の平坦面（第２電解質膜・電極構造体１６ｂに対向する平坦面）には、第２多孔質体３６ｂが設けられる。第１多孔質体３６ａ及び第２多孔質体３６ｂは、例えば、チタン（Ｔｉ）製多孔質焼結金属や多孔質の導電性セラミックス又は多孔質の炭素系材料により構成される。
【００２６】
金属プレート１８Ｐの一方の平坦面には、第１多孔質体３６ａの外周部を周回（囲繞）して絶縁性樹脂枠部材３８ａが設けられる。金属プレート１８Ｐの他方の平坦面には、第２多孔質体３６ｂの外周部を周回（囲繞）して絶縁性樹脂枠部材３８ｂが設けられる。絶縁性樹脂枠部材３８ａ、３８ｂは、金属プレート１８Ｐの両面にそれぞれ接着され、前記絶縁性樹脂枠部材３８ａ、３８ｂと前記金属プレート１８Ｐとの間は、気密性が確保される。
【００２７】
図１に示すように、第１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４０が形成される。第１燃料ガス流路４０は、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数の直線状溝部を有する。なお、第１燃料ガス流路４０は、湾曲部や屈曲部を有していてもよく、また、波状流路やサーペンタイン流路でもよい。
【００２８】
第１燃料ガス流路４０の入口側と燃料ガス入口連通孔３２ａとは、面１４ａに形成された複数の供給連結路４２ａを介して連通する。第１燃料ガス流路４０の出口側と燃料ガス出口連通孔３２ｂとは、面１４ａに形成された複数の排出連結路４２ｂを介して連通する。供給連結路４２ａと排出連結路４２ｂとには、蓋体４４ａと蓋体４４ｂとが配置される。
【００２９】
第１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４６の一部が形成される。冷却媒体流路４６の一部の形状は、第１燃料ガス流路４０の裏面形状である。
【００３０】
図３に示すように、第２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４８が形成される。第１酸化剤ガス流路４８は、第１多孔質体３６ａの内部空洞により形成される。
【００３１】
第１酸化剤ガス流路４８の入口近傍及び出口近傍には、凸部により複数の供給連結路５０ａ及び複数の排出連結路５０ｂが形成される。供給連結路５０ａは、第１酸化剤ガス流路４８の入口側と酸化剤ガス入口連通孔３０ａとを連通する。排出連結路５０ｂは、第１酸化剤ガス流路４８の出口側と酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとを連通する。
【００３２】
図１に示すように、第２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５２が形成される。第２燃料ガス流路５２は、第２多孔質体３６ｂの内部空洞により形成される。
【００３３】
第２燃料ガス流路５２の入口近傍及び出口近傍には、凸部により複数の供給連結路５３ａ及び複数の排出連結路５３ｂが形成される。供給連結路５３ａは、第２燃料ガス流路５２の入口側と燃料ガス入口連通孔３２ａとを連通する。排出連結路５３ｂは、第２燃料ガス流路５２の出口側と燃料ガス出口連通孔３２ｂとを連通する。
【００３４】
第３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５４が形成される。第２酸化剤ガス流路５４は、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数の直線状溝部を有する。なお、第２酸化剤ガス流路５４は、湾曲部や屈曲部を有していてもよく、また、波状流路やサーペンタイン流路でもよい。
【００３５】
第２酸化剤ガス流路５４の入口側と酸化剤ガス入口連通孔３０ａとは、面２０ａに形成された複数の供給連結路（図示せず）を介して連通する。第２酸化剤ガス流路５４の出口側と酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとは、面２０ａに形成された複数の排出連通路（図示せず）を介して連通する。供給連結路及び排出連結路には、図示しない蓋体が配置される。
【００３６】
第３セパレータ２０の面２０ｂ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４６の一部が形成される。冷却媒体流路４６の一部の形状は、第２酸化剤ガス流路５４の裏面形状である。
【００３７】
図１及び図２に示すように、第１セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１セパレータ１４の外周端縁部を周回して第１シール部材５６が一体成形される。第２セパレータ１８では、絶縁性樹脂枠部材３８ａ、３８ｂに第２シール部材５８ａ、５８ｂが一体成形又は個別に配置される。第３セパレータ２０の面２０ａ、２０ｂには、この第３セパレータ２０の外周端縁部を周回して第３シール部材６０が一体成形される。
【００３８】
第１シール部材５６、第２シール部材５８ａ、５８ｂ及び第３シール部材６０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部材が用いられる。
【００３９】
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。
【００４０】
図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ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３２ａには、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。
【００４１】
酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａから第２セパレータ１８の第１酸化剤ガス流路４８及び第３セパレータ２０の第２酸化剤ガス流路５４に導入される。酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス流路４８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２６ａに供給される。さらに、残余の酸化剤ガスは、第２酸化剤ガス流路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のカソード電極２６ｂに供給される。
【００４２】
一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３２ａから第１セパレータ１４の第１燃料ガス流路４０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のアノード電極２４ａに供給される。また、残余の燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３２ａから第２セパレータ１８の第２燃料ガス流路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のアノード電極２４ｂに供給される。
【００４３】
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、カソード電極２６ａ、２６ｂに供給される酸化剤ガスと、アノード電極２４ａ、２４ｂ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。
【００４４】
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２６ａ、２６ｂ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方向に流通する。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の各アノード電極２４ａ、２４ｂ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３２ｂに沿って矢印Ａ方向に流通する。
【００４５】
一方、冷却媒体入口連通孔３４ａに供給された冷却媒体は、一方の発電ユニット１２を構成する第１セパレータ１４と、他方の発電ユニット１２を構成する第３セパレータ２０との間に形成された冷却媒体流路４６に導入される。冷却媒体は、矢印Ｂ方向（水平方向）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を冷却した後、冷却媒体出口連通孔３４ｂに沿って矢印Ａ方向に流通する。
【００４６】
この場合、本実施形態では、図２に示すように、第２セパレータ１８は、平板状の金属プレート１８Ｐを備えている。金属プレート１８Ｐの一方の平坦面には、第１多孔質体３６ａが設けられるとともに、前記金属プレート１８Ｐの他方の平坦面には、第２多孔質体３６ｂが設けられている。そして、第１多孔質体３６ａにより第１酸化剤ガス流路４８が構成される一方、第２多孔質体３６ｂにより第２燃料ガス流路５２が構成されている。
【００４７】
このため、第２セパレータ１８は、プレス成形用（及びＬＩＭＳ用）金型等が不要になる。従って、第１セパレータ１４、第１電解質膜・電極構造体１６ａ、第２セパレータ１８、第２電解質膜・電極構造体１６ｂ及び第３セパレータ２０を備えた発電ユニット１２を、経済的に製造することができるとともに、設備の簡素化が容易に遂行可能になる。
【００４８】
さらに、本実施形態では、第１電解質膜・電極構造体１６ａと第２電解質膜・電極構造体１６ｂとは、同一形状を有している。これにより、例えば、第１電解質膜・電極構造体１６ａを２枚用意し、一方を前記第１電解質膜・電極構造体１６ａとして使用し、且つ、他方を反転させて第２電解質膜・電極構造体１６ｂとして使用することができる。このため、経済的であるという効果が得られる。
【符号の説明】
【００４９】
１０…燃料電池スタック              １２…発電ユニット
１４、１８、２０…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            ２４ａ、２４ｂ…アノード電極
２６ａ、２６ｂ…カソード電極        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          ３６ａ、３６ｂ…多孔質体
３８ａ、３８ｂ…絶縁性樹脂枠部材    ４０、５２…燃料ガス流路
４６…冷却媒体流路                  ４８、５４…酸化剤ガス流路
【図１】
2015185500.tif 000003
【図２】
2015185500.tif 000004
【図３】
2015185500.tif 000005
【図４】
2015185500.tif 000006