特開 2023-43007 燃料電池スタック

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023043007

(43)【公開日】2023-03-28

(54)【発明の名称】燃料電池スタック

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0258 20160101AFI20230320BHJP

   H01M 8/0267 20160101ALI20230320BHJP

   H01M 8/10 20160101ALI20230320BHJP

【ＦＩ】

H01M8/0258

H01M8/0267

H01M8/10 101

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021150467

(22)【出願日】2021-09-15

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(71)【出願人】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100091487

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 行孝

(74)【代理人】

【識別番号】100120031

【弁理士】

【氏名又は名称】宮嶋 学

(74)【代理人】

【識別番号】100107582

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 毅

(74)【代理人】

【識別番号】100150717

【弁理士】

【氏名又は名称】山下 和也

(72)【発明者】

【氏名】中森 洋二

(72)【発明者】

【氏名】菊池 勇

(72)【発明者】

【氏名】小林 昌平

【テーマコード（参考）】

5H126

【Ｆターム（参考）】

5H126AA08

5H126AA11

5H126BB06

5H126DD02

5H126DD05

5H126EE03

5H126EE04

5H126EE11

5H126EE24

5H126EE27

5H126EE31

5H126EE33

5H126EE35

(57)【要約】

【課題】冷却媒体が滞留することを抑制できる燃料電池スタックを提供する。
【解決手段】実施の形態によるカソード側冷却媒体流路は、分岐して第１方向に延びて終端するカソード側終端溝と、カソード側終端溝の周囲で折り返すカソード側折り返し溝と、を含んでいる。アノード側冷却媒体流路は、分岐して第１方向に延びて終端するアノード側終端溝と、アノード側終端溝の周囲で折り返すアノード側折り返し溝と、を含んでいる。カソード側終端溝は、アノード側折り返し溝に対向するとともに、アノード側終端溝は、カソード側折り返し溝に対向している。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

互いに積層された複数の燃料電池セルを備え、
前記燃料電池セルは、
カソード電極とアノード電極とを含む膜電極接合体と、
前記カソード電極に隣接したカソード側セパレータと、
前記アノード電極に隣接したアノード側セパレータと、を含み、
前記カソード側セパレータは、前記カソード電極に対向する酸化剤ガス流路と、前記アノード側セパレータに対向するカソード側冷却媒体流路と、を含み、
前記カソード側冷却媒体流路は、並列に配列された第１カソード側流路溝および第２カソード側流路溝と、前記カソード電極に重なる位置に設けられたカソード側折り返し流路部と、を含み、
前記カソード側折り返し流路部において、前記第１カソード側流路溝は、分岐して第１方向に延びて終端するカソード側終端溝を含み、前記第２カソード側流路溝は、前記カソード側終端溝の周囲で折り返すカソード側折り返し溝を含み、
前記アノード側セパレータは、前記アノード電極に対向する燃料ガス流路と、前記カソード側セパレータに対向するアノード側冷却媒体流路と、を含み、
前記アノード側冷却媒体流路は、並列に配列された第１アノード側流路溝および第２アノード側流路溝と、前記アノード電極に重なる位置に設けられたアノード側折り返し流路部と、を含み、
前記アノード側折り返し流路部において、前記第１アノード側流路溝は、分岐して前記第１方向に延びて終端するアノード側終端溝を含み、前記第２アノード側流路溝は、前記アノード側終端溝の周囲で折り返すアノード側折り返し溝を含み、
前記カソード側終端溝は、前記アノード側折り返し溝に対向するとともに、前記アノード側終端溝は、前記カソード側折り返し溝に対向している、燃料電池スタック。

【請求項2】

前記第１カソード側流路溝と前記第２カソード側流路溝は、互いに隣り合っており、
前記第１アノード側流路溝と前記第２アノード側流路溝は、互いに隣り合っている、請求項１に記載の燃料電池スタック。

【請求項3】

前記アノード側冷却媒体流路の平面形状は、前記カソード側冷却媒体流路の平面形状と同一である、請求項１または２に記載の燃料電池スタック。

【請求項4】

前記酸化剤ガス流路は、複数の酸化剤ガス流路溝を含み、
互いに隣り合う前記酸化剤ガス流路溝の間に、前記カソード電極に向かって突出して前記カソード電極に隣接するカソード側凸部が形成され、
前記第１カソード側流路溝および前記第２カソード側流路溝はそれぞれ、前記カソード側凸部の裏側で凹状に形成されている、請求項１～３のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。

【請求項5】

前記燃料ガス流路は、複数の燃料ガス流路溝を含み、
互いに隣り合う前記燃料ガス流路溝の間に、前記アノード電極に向かって突出して前記アノード電極に隣接するアノード側凸部が形成され、
前記第１アノード側流路溝および前記第２アノード側流路溝はそれぞれ、前記アノード側凸部の裏側で凹状に形成されている、請求項１～３のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施の形態は、燃料電池スタックに関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池スタックのカソード側セパレータに、カソード電極に供給する酸化剤ガス流路が形成され、アノード側セパレータに、アノード電極に供給する燃料ガス流路が形成されている。カソード側セパレータとアノード側セパレータとは隣接しており、カソード側セパレータとアノード側セパレータとの間に冷却水流路が形成されている。

【0003】

酸化剤ガス流路は、複数の流路溝によって構成されている。これらの流路溝は、カソード電極に隣接する面に凹状に形成されている。互いに隣り合う流路溝の間に、カソード電極に向かって突出してカソード電極に隣接するカソード側凸部が形成されている。カソード側凸部の裏側に、冷却水流路を構成する流路溝が凹状に形成されている。同様に、燃料ガス流路は、複数の流路溝によって構成されている。これらの流路溝は、アノード電極に隣接する面に凹状に形成されている。互いに隣り合う流路溝の間に、アノード電極に向かって突出してアノード電極に隣接するアノード側凸部が形成されている。アノード側凸部の裏側に、冷却水流路を構成する流路溝が凹状に形成されている。カソード側セパレータに形成された冷却水の流路溝と、アノード側セパレータに形成された冷却水の流路溝とは対向している。

【0004】

酸化剤ガス流路および燃料ガス流路に、流路長を増大させて流路の圧力損失を増やすためにサーペンタイン流路構造を採用する場合がある。このことにより、ガスの流れの均一化を図ることができる。サーペンタイン流路構造は、流路溝が折り返す折り返し流路部を含む構造である。

【0005】

酸化剤ガス流路を構成する全ての流路溝は、折り返し流路部において折り返すように形成され、酸化剤ガスは各溝を並行に流れる。しかしながら、カソード側セパレータに形成された冷却水流路は、酸化剤ガス流路と反転した形状を有している。このため、冷却水流路は、途中で分岐して終端する終端溝を含む。終端溝において、冷却水が滞留し、冷却水に含まれるイオンなどの不純物の量が増大する問題が考えられる。この場合、カソード側セパレータに局所的に電位差が生じ、局部電池の現象が発生し得る。カソード側セパレータが金属で形成されている場合には、局所的な腐食が生じ得る。

【0006】

カソード側セパレータと同様に、アノード側セパレータにおいても、冷却水流路が終端溝を含み、同様の問題が考えられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特許第５０７７６２０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、冷却媒体が滞留することを抑制できる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】

実施の形態による燃料電池スタックは、互いに積層された複数の燃料電池セルを備えている。燃料電池セルは、カソード電極とアノード電極とを含む膜電極接合体と、カソード電極に隣接したカソード側セパレータと、アノード電極に隣接したアノード側セパレータと、を含んでいる。カソード側セパレータは、カソード電極に対向する酸化剤ガス流路と、アノード側セパレータに対向するカソード側冷却媒体流路と、を含んでいる。カソード側冷却媒体流路は、並列に配列された第１カソード側流路溝および第２カソード側流路溝と、カソード電極に重なる位置に設けられたカソード側折り返し流路部と、を含んでいる。カソード側折り返し流路部において、第１カソード側流路溝は、分岐して第１方向に延びて終端するカソード側終端溝を含み、第２カソード側流路溝は、カソード側終端溝の周囲で折り返すカソード側折り返し溝を含んでいる。アノード側セパレータは、アノード電極に対向する燃料ガス流路と、カソード側セパレータに対向するアノード側冷却媒体流路と、を含んでいる。アノード側冷却媒体流路は、並列に配列された第１アノード側流路溝および第２アノード側流路溝と、アノード電極に重なる位置に設けられたアノード側折り返し流路部と、を含んでいる。アノード側折り返し流路部において、第１アノード側流路溝は、分岐して第１方向に延びて終端するアノード側終端溝を含み、第２アノード側流路溝は、アノード側終端溝の周囲で折り返すアノード側折り返し溝を含んでいる。カソード側終端溝は、アノード側折り返し溝に対向するとともに、アノード側終端溝は、カソード側折り返し溝に対向している。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、冷却媒体が滞留することを抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、本実施の形態における燃料電池スタックを示す部分断面図である。

【図2】図２は、図１の電極構造体を示す平面図である。

【図3】図３は、図１のカソード側セパレータのカソード側冷却水流路を示す平面図である。

【図4】図４は、図１のアノード側セパレータのアノード側冷却水流路を示す平面図である。

【図5】図５は、カソード側冷却水流路とアノード側冷却水流路との重なりを示す平面図である。

【図6】図６は、図５のＡ－Ａ線断面を含む、カソード側セパレータおよびアノード側セパレータの斜視図である。

【図7】図７は、本実施の形態における冷却水流路の数値流体解析結果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態における燃料電池スタックについて説明する。なお、図面においては、理解のし易さの便宜上、適宜縮尺及び縦横の寸法比等を、実物のそれらから変更し誇張してある。

【0013】

まず、図１を参照して、本実施の形態による燃料電池スタックについて説明する。本実施の形態においては、固体高分子形燃料電池を一例とする燃料電池１を構成する燃料電池スタック２を例にとって説明する。燃料電池１は、酸化剤ガスと燃料ガスとを用いて発電を行うように構成されている。

【0014】

図１に示すように、燃料電池１は、燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２に取り付けられた、図示しない酸化剤ガスマニホールド、燃料ガスマニホールド、および冷却水マニホールドを備えている。酸化剤ガスマニホールドは、後述する酸化剤ガス流路３０に対する酸化剤ガスの給排を行う。燃料ガスマニホールドは、後述する燃料ガス流路６０に対する燃料ガスの給排を行う。冷却水マニホールドは、後述するカソード側冷却水流路４０およびアノード側冷却水流路７０に対する冷却水の給排を行う。

【0015】

燃料電池スタック２は、互いに積層された複数の燃料電池セル３を備えている。燃料電池セル３は、電極構造体１０と、カソード側セパレータ２０と、アノード側セパレータ５０と、を含んでいる。

【0016】

電極構造体１０は、膜電極接合体１１（ＭＥＡ）と、電極枠１５（図２参照）と、を含んでいてもよい。

【0017】

膜電極接合体１１は、カソード電極１２と、アノード電極１３と、電解質膜１４と、を含んでいる。カソード電極１２は、酸化剤極とも称される。アノード電極１３は、燃料極とも称される。電解質膜１４は、カソード電極１２とアノード電極１３との間に介在されている。膜電極接合体１１は、薄板状に形成されていてもよい。

【0018】

カソード電極１２に、後述する酸化剤ガス流路３０から酸化剤ガスが供給される。酸化剤ガスは、酸素を含有しているガスであり、例えば、空気であってもよい。アノード電極１３に、後述する燃料ガス流路６０から燃料ガスが供給される。燃料ガスは、例えば、水素を含有するガスであってもよい。酸化剤ガスと燃料ガスが供給されることにより、膜電極接合体１１において、以下に示す電気化学反応が生じる。この結果、電気エネルギーを取り出すことができる。
燃料極反応：Ｈ_２ → ２Ｈ^＋ ＋ ２ｅ^－
酸化剤極反応：２Ｈ^＋ ＋２ｅ^－ ＋ （１／２）Ｏ_２ → Ｈ_２Ｏ

【0019】

電極枠１５は、図２に示すように、燃料電池セル３の積層方向（図１に示すＺ軸方向）で見たときに、膜電極接合体１１の周囲に設けられていてもよい。膜電極接合体１１は、電極枠１５に固定されている。電極枠１５は薄板状に形成されていてもよい。電極枠１５は、酸化剤ガスおよび燃料ガスに対する不透過性を有していてもよい。

【0020】

図２に示すように、電極枠１５に、酸化剤ガス供給口１５ａ、燃料ガス供給口１５ｂ、冷却水供給口１５ｃ、酸化剤ガス排出口１５ｄ、燃料ガス排出口１５ｅおよび冷却水排出口１５ｆが設けられている。これらの供給口１５ａ～１５ｃおよび排出口１５ｄ～１５ｆは、電極枠１５を貫通している。各供給口１５ａ～１５ｃは、膜電極接合体１１の一側に位置し、各排出口１５ｄ～１５ｆは、膜電極接合体１１の他側に位置している。図２に示すようにＸ軸およびＹ軸を定義した場合、各供給口１５ａ～１５ｃは、膜電極接合体１１のＸ軸負側に位置し、各排出口１５ｄ～１５ｆは、膜電極接合体１１のＸ軸正側に位置している。言い換えると、Ｘ軸方向において、各供給口１５ａ～１５ｃと各排出口１５ｄ～１５ｆとの間に、膜電極接合体１１が位置している。各供給口１５ａ～１５ｃおよび各排出口１５ｄ～１５ｆは、同一平面形状を有していてもよい。

【0021】

次に、カソード側セパレータ２０について、図１および図３を用いて説明する。図３は、図１に示す積層状態で上方から見た場合のカソード側冷却水流路４０を示している。後述のカソード側冷却水流路面２２を見た場合には、カソード側冷却水流路４０を含むカソード側セパレータ２０は、上下反転した形状または左右反転した形状となる。図３においては、便宜上、流路溝を１本の太線で示している。

【0022】

図１に示すように、カソード側セパレータ２０は、カソード電極１２に対向する酸化剤ガス流路３０と、アノード側セパレータ５０に対向するカソード側冷却水流路４０と、を含んでいる。冷却水は、冷却媒体の一例である。カソード側セパレータ２０は、酸化剤ガスおよび冷却水に対する不透過性を有していてもよい。

【0023】

酸化剤ガス流路３０は、カソード電極１２に隣接する酸化剤ガス流路面２１に設けられている。酸化剤ガス流路３０を流れる酸化剤ガスは、カソード電極１２に供給される。酸化剤ガス流路３０は、所定のピッチで並列に配列された複数の酸化剤ガス流路溝３１を含んでいる。酸化剤ガス流路溝３１は、等間隔に配列されていてもよい。酸化剤ガス流路溝３１は、酸化剤ガス流路面２１に凹状に形成されている。酸化剤ガス流路３０は、サーペンタイン流路構造を有しており、各酸化剤ガス流路溝３１が折り返すように形成されている。酸化剤ガス流路溝３１は、カソード電極１２に対向する部分において、折り返すように形成されている。

【0024】

カソード側冷却水流路４０は、アノード側セパレータ５０に隣接するカソード側冷却水流路面２２に設けられている。カソード側冷却水流路面２２は、酸化剤ガス流路面２１とは反対側に位置している。

【0025】

図３に示すように、カソード側セパレータ２０に、酸化剤ガス供給口２５ａ、燃料ガス供給口２５ｂ、冷却水供給口２５ｃ、酸化剤ガス排出口２５ｄ、燃料ガス排出口２５ｅおよび冷却水排出口２５ｆが設けられている。これらの供給口２５ａ～２５ｃおよび排出口２５ｄ～２５ｆは、カソード側セパレータ２０を貫通している。各供給口２５ａ～２５ｃは、カソード側冷却水流路４０の一側に位置し、各排出口２５ｄ～２５ｆは、カソード側冷却水流路４０の他側に位置している。より具体的には、図３に示すように、各供給口２５ａ～２５ｃは、カソード側冷却水流路４０のＸ軸負側に位置し、各排出口２５ｄ～２５ｆは、カソード側冷却水流路４０のＸ軸正側に位置している。言い換えると、Ｘ軸方向（後述する第１方向に直交する第２方向）において、各供給口２５ａ～２５ｃと各排出口２５ｄ～２５ｆとの間に、カソード側冷却水流路４０が位置している。各供給口２５ａ～２５ｃおよび各排出口２５ｄ～２５ｆは、同一平面形状を有していてもよい。

【0026】

酸化剤ガス供給口２５ａは、電極枠１５の酸化剤ガス供給口１５ａに重なり、連通している。燃料ガス供給口２５ｂは、電極枠１５の燃料ガス供給口１５ｂに重なり、連通している。冷却水供給口２５ｃは、電極枠１５の冷却水供給口１５ｃに重なり、連通している。酸化剤ガス排出口２５ｄは、電極枠１５の酸化剤ガス排出口１５ｄに重なり、連通している。燃料ガス排出口２５ｅは、電極枠１５の燃料ガス排出口１５ｅに重なり、連通している。冷却水排出口２５ｆは、電極枠１５の冷却水排出口１５ｆに重なり、連通している。

【0027】

カソード側冷却水流路４０は、カソード電極１２に重なるカソード側電極流路部４１と、供給側流路部４２と、排出側流路部４３と、を含んでいる。供給側流路部４２は、冷却水供給口２５ｃとカソード側電極流路部４１との間に位置しており、冷却水供給口２５ｃから、供給側流路部４２を通ってカソード側電極流路部４１に冷却水が供給される。排出側流路部４３は、カソード側電極流路部４１と冷却水排出口２５ｆとの間に位置しており、カソード側電極流路部４１から、排出側流路部４３を通って冷却水排出口２５ｆに冷却水が排出される。

【0028】

カソード側電極流路部４１は、カソード側折り返し流路部４４を含んでいる。カソード側折り返し流路部４４は、カソード電極１２に重なる位置に位置している。カソード側折り返し流路部４４において、カソード側冷却水流路４０を構成するカソード側流路溝が折り返すように形成されている。酸化剤ガス流路３０がサーペンタイン流路構造を有していることにより、カソード側折り返し流路部４４が形成されている。

【0029】

カソード側冷却水流路４０は、第１カソード側流路溝４５と、第２カソード側流路溝４６と、を含んでいる。第１カソード側流路溝４５および第２カソード側流路溝４６は、所定の配列ピッチＴで並列に配列されている。カソード側冷却水流路４０は、第１カソード側流路溝４５および第２カソード側流路溝４６以外のカソード側流路溝を含んでいてもよい。第１カソード側流路溝４５および第２カソード側流路溝４６を含む全てのカソード側流路溝は、所定の配列ピッチＴで並列に配列されていてもよい。この配列ピッチＴは、上述した酸化剤ガス流路溝３１のピッチと同一であってもよい。第１カソード側流路溝４５および第２カソード側流路溝４６を含むカソード側流路溝の本数は、２本以上であれば任意である。カソード側冷却水流路４０を構成するカソード側流路溝は、カソード側冷却水流路面２２に凹状に形成されている。

【0030】

カソード側折り返し流路部４４において、第１カソード側流路溝４５は、分岐して第１方向に延びて終端するカソード側終端溝４５ａを含んでいる。図３に示すように、カソード側終端溝４５ａは、Ｙ軸方向に延びている。

【0031】

第１カソード側流路溝４５は、Ｘ軸方向に延びるカソード側基端溝４５ｂを含んでいる。カソード側終端溝４５ａは、カソード側基端溝４５ｂから分岐して接続されている。第１カソード側流路溝４５は、カソード側折り返し流路部４４において、Ｔ字状に形成されている。カソード側基端溝４５ｂは、供給側流路部４２を介して冷却水供給口２５ｃに連通しているとともに、排出側流路部４３を介して冷却水排出口２５ｆに連通している。

【0032】

カソード側折り返し流路部４４において、第２カソード側流路溝４６は、カソード側終端溝４５ａの周囲で折り返すカソード側折り返し溝４６ａを含んでいる。カソード側折り返し溝４６ａは、図３に示すように、カソード側終端溝４５ａに沿ってＹ軸方向に折り返すように、矩形Ｕ字状に形成されている。カソード側折り返し溝４６ａのうち、Ｙ軸方向に延びている部分は、カソード側終端溝４５ａと平行になっている。

【0033】

本実施の形態においては、第１カソード側流路溝４５と第２カソード側流路溝４６は、互いに隣り合っている。カソード側折り返し溝４６ａの外側周囲には、他のカソード側流路溝を構成する折り返し溝が形成されていてもよい。

【0034】

カソード側冷却水流路４０は、複数のカソード側折り返し流路部４４を含んでいてもよい。図３においては、３つのカソード側折り返し流路部４４が形成されている例が示されているが、カソード側折り返し流路部４４の個数は任意である。図３に示す例において、カソード側冷却水流路４０は、２つの第１カソード側流路溝４５と、２つの第２カソード側流路溝４６と、を含んでいる。

【0035】

図３に示すように、Ｘ軸方向両側（左右両側）に位置するカソード側折り返し流路部４４において、カソード側終端溝４５ａを構成する第１カソード側流路溝４５は、最もＹ軸正側に位置している。Ｘ軸方向中央に位置するカソード側折り返し流路部４４において、カソード側終端溝４５ａを構成する第１カソード側流路溝４５は、最もＹ軸負側に位置している。このカソード側終端溝４５ａの周囲に、第２カソード側流路溝４６のカソード側折り返し溝４６ａが形成されている。２つの第２カソード側流路溝４６の間に、配列ピッチＴで並列した他のカソード側流路溝が配列されていてもよい。あるいは、２つの第２カソード側流路溝４６は、共通の１つのカソード側流路溝で構成されていてもよい。この場合、カソード側冷却水流路４０は、３つのカソード側流路溝で構成されていてもよい。

【0036】

本実施の形態におけるカソード側セパレータ２０は、金属板のプレス加工、またはカーボン材料の射出成型などによって作製されていてもよい。このことにより、カソード側セパレータ２０は、図１に示すような概略的には波状の断面を有している。

【0037】

より具体的には、上述したように、酸化剤ガス流路溝３１は、酸化剤ガス流路面２１に凹状に形成されている。互いに隣り合う酸化剤ガス流路溝３１の間に、カソード電極１２に向かって突出してカソード電極１２に隣接するカソード側凸部３２が形成されている。第１カソード側流路溝４５および第２カソード側流路溝４６を含むカソード側流路溝はそれぞれ、カソード側凸部３２の裏側で凹状に形成されている。

【0038】

次に、アノード側セパレータ５０について、図１および図４を用いて説明する。図４は、アノード側冷却水流路面５２を見た場合のアノード側冷却水流路７０を示している。図４においては、便宜上、流路溝を１本の太線で示している。

【0039】

図１に示すように、アノード側セパレータ５０は、アノード電極１３に対向する燃料ガス流路６０と、カソード側セパレータ２０に対向するアノード側冷却水流路７０と、を含んでいる。アノード側セパレータ５０は、燃料ガス及び冷却水に対する不透過性を有していてもよい。

【0040】

燃料ガス流路６０は、アノード電極１３に隣接する燃料ガス流路面５１に設けられている。燃料ガス流路６０を流れる燃料ガスは、アノード電極１３に供給される。燃料ガス流路６０は、所定のピッチで並列に配列された複数の燃料ガス流路溝６１を含んでいる。このピッチは、上述した酸化剤ガス流路溝３１のピッチと同一であってもよい。燃料ガス流路溝６１は、等間隔に配列されていてもよい。燃料ガス流路溝６１は、燃料ガス流路面５１に凹状に形成されている。燃料ガス流路６０は、サーペンタイン流路構造を有しており、各燃料ガス流路溝６１が折り返すように形成されている。燃料ガス流路溝６１は、アノード電極１３に対向する部分において、折り返すように形成されている。

【0041】

アノード側冷却水流路７０は、カソード側セパレータ２０に隣接するアノード側冷却水流路面５２に設けられている。アノード側冷却水流路面５２は、燃料ガス流路面５１とは反対側に位置している。

【0042】

図４に示すように、アノード側セパレータ５０に、酸化剤ガス供給口５５ａ、燃料ガス供給口５５ｂ、冷却水供給口５５ｃ、酸化剤ガス排出口５５ｄ、燃料ガス排出口５５ｅおよび冷却水排出口５５ｆが設けられている。これらの供給口５５ａ～５５ｃおよび排出口５５ｄ～５５ｆは、アノード側セパレータ５０を貫通している。各供給口５５ａ～５５ｃは、アノード側冷却水流路７０の一側に位置し、各排出口５５ｄ～５５ｆは、アノード側冷却水流路７０の他側に位置している。より具体的には、図４に示すように、各供給口５５ａ～５５ｃは、アノード側冷却水流路７０のＸ軸負側に位置し、各排出口５５ｄ～５５ｆは、アノード側冷却水流路７０のＸ軸正側に位置している。言い換えると、Ｘ軸方向（第２方向）において、各供給口５５ａ～５５ｃと各排出口５５ｄ～５５ｆとの間に、アノード側冷却水流路７０が位置している。各供給口５５ａ～５５ｃおよび各排出口５５ｄ～５５ｆは、同一平面形状を有していてもよい。

【0043】

酸化剤ガス供給口５５ａは、電極枠１５の酸化剤ガス供給口１５ａに重なり、連通している。燃料ガス供給口５５ｂは、電極枠１５の燃料ガス供給口１５ｂに重なり、連通している。冷却水供給口５５ｃは、電極枠１５の冷却水供給口１５ｃに重なり、連通している。酸化剤ガス排出口５５ｄは、電極枠１５の酸化剤ガス排出口１５ｄに重なり、連通している。燃料ガス排出口５５ｅは、電極枠１５の燃料ガス排出口１５ｅに重なり、連通している。冷却水排出口５５ｆは、電極枠１５の冷却水排出口１５ｆに重なり、連通している。

【0044】

アノード側冷却水流路７０は、アノード電極１３に重なるアノード側電極流路部７１と、供給側流路部７２と、排出側流路部７３と、を含んでいる。供給側流路部７２は、冷却水供給口５５ｃとアノード側電極流路部７１との間に位置しており、冷却水供給口５５ｃから、供給側流路部７２を通ってアノード側電極流路部７１に冷却水が供給される。排出側流路部７３は、アノード側電極流路部７１と冷却水排出口５５ｆとの間に位置しており、アノード側電極流路部７１から、排出側流路部７３を通って冷却水排出口５５ｆに冷却水が排出される。

【0045】

アノード側電極流路部７１は、アノード側折り返し流路部７４を含んでいる。アノード側折り返し流路部７４は、アノード電極１３に重なる位置に位置している。アノード側折り返し流路部７４において、アノード側冷却水流路７０を構成するアノード側流路溝が折り返すように形成されている。燃料ガス流路６０がサーペンタイン流路構造を有していることにより、アノード側折り返し流路部７４が形成されている。

【0046】

アノード側冷却水流路７０は、第１アノード側流路溝７５と、第２アノード側流路溝７６と、を含んでいる。第１アノード側流路溝７５および第２アノード側流路溝７６は、所定の配列ピッチＴで並列に配列されている。アノード側冷却水流路７０は、第１アノード側流路溝７５および第２アノード側流路溝７６以外のアノード側流路溝を含んでいてもよい。第１アノード側流路溝７５および第２アノード側流路溝７６を含む全てのアノード側流路溝は、所定の配列ピッチＴで並列に配列されていてもよい。この配列ピッチＴは、上述した燃料ガス流路溝６１のピッチと同一であってもよい。第１アノード側流路溝７５および第２アノード側流路溝７６を含むアノード側流路溝の本数は、２本以上であれば任意である。アノード側冷却水流路７０を構成するアノード側流路溝は、アノード側冷却水流路面５２に凹状に形成されている。

【0047】

アノード側折り返し流路部７４において、第１アノード側流路溝７５は、分岐して第１方向に延びて終端するアノード側終端溝７５ａを含んでいる。図４に示すように、アノード側終端溝７５ａは、Ｙ軸方向に延びている。

【0048】

第１アノード側流路溝７５は、Ｘ軸方向に延びるアノード側基端溝７５ｂを含んでいる。アノード側終端溝７５ａは、アノード側基端溝７５ｂから分岐して接続されている。第１アノード側流路溝７５は、アノード側折り返し流路部７４において、Ｔ字状に形成されている。アノード側基端溝７５ｂは、供給側流路部７２を介して冷却水供給口５５ｃに連通しているとともに、排出側流路部７３を介して冷却水排出口５５ｆに連通している。

【0049】

アノード側折り返し流路部７４において、第２アノード側流路溝７６は、アノード側終端溝７５ａの周囲で折り返すアノード側折り返し溝７６ａを含んでいる。アノード側折り返し溝７６ａは、図４に示すように、アノード側終端溝７５ａに沿ってＹ軸方向に折り返すように、矩形Ｕ字状に形成されている。アノード側折り返し溝７６ａのうち、Ｙ軸方向に延びている部分は、アノード側終端溝７５ａと平行になっている。

【0050】

本実施の形態においては、第１アノード側流路溝７５と第２アノード側流路溝７６は、互いに隣り合っている。アノード側折り返し溝７６ａの外側周囲には、他のアノード側流路溝を構成する折り返し溝が形成されていてもよい。

【0051】

アノード側冷却水流路７０は、複数のアノード側折り返し流路部７４を含んでいてもよい。図４においては、３つのアノード側折り返し流路部７４が形成されている例が示されているが、アノード側折り返し流路部７４の個数は任意である。図４に示す例において、アノード側冷却水流路７０は、２つの第１アノード側流路溝７５と、２つの第２アノード側流路溝７６と、を含んでいる。

【0052】

図４に示すように、Ｘ軸方向両側（左右両側）に位置するアノード側折り返し流路部７４において、アノード側終端溝７５ａを構成する第１アノード側流路溝７５は、最もＹ軸正側に位置している。Ｘ軸方向中央に位置するアノード側折り返し流路部７４において、アノード側終端溝７５ａを構成する第１アノード側流路溝７５は、最もＹ軸負側に位置している。このアノード側終端溝７５ａの周囲に、第２アノード側流路溝７６のアノード側折り返し溝７６ａが形成されている。２つの第２アノード側流路溝７６の間に、配列ピッチＴで並列した他のアノード側流路溝が配列されていてもよい。あるいは、２つの第２アノード側流路溝７６は、共通の１つのアノード側流路溝で構成されていてもよい。この場合、アノード側冷却水流路７０は、３つのアノード側流路溝で構成されていてもよい。

【0053】

本実施の形態におけるアノード側セパレータ５０は、金属板のプレス加工、またはカーボン材料の射出成型などによって作製されていてもよい。このことにより、アノード側セパレータ５０は、図１に示すような概略的には波状の断面を有している。

【0054】

より具体的には、上述したように、燃料ガス流路溝６１は、燃料ガス流路面５１に凹状に形成されている。互いに隣り合う燃料ガス流路溝６１の間に、アノード電極１３に向かって突出してアノード電極１３に隣接するアノード側凸部６２が形成されている。第１アノード側流路溝７５および第２アノード側流路溝７６を含むアノード側流路溝はそれぞれ、アノード側凸部６２の裏側で凹状に形成されている。

【0055】

燃料電池セル３の積層方向（図１に示すＺ軸方向）で見たときに、第２方向（Ｘ軸方向）において、各アノード側折り返し流路部７４は、対応するカソード側折り返し流路部４４に対して配列ピッチＴだけずれている。図３および図４に示す例においては、各アノード側折り返し流路部７４は、対応するカソード側折り返し流路部４４に対して、Ｘ軸負側に配列ピッチＴだけずれている。図３に示すように、最も左側に位置するカソード側終端溝４５ａと冷却水供給口２５ｃとの距離をＣ１とし、最も右側に位置するカソード側終端溝４５ａと冷却水排出口２５ｆとの距離をＣ２としたとき、Ｃ１＞Ｃ２となっている。Ｃ１とＣ２の差は、上述した配列ピッチＴの半分の値になっている。同様に、図４に示すように、最も左側に位置するアノード側終端溝７５ａと冷却水供給口５５ｃとの距離をＡ１とし、最も右側に位置するアノード側終端溝７５ａと冷却水排出口５５ｆとの距離をＡ２としたとき、Ａ２＞Ａ１となっている。Ａ２とＡ１の差は、上述した配列ピッチＴの半分の値になっている。

【0056】

アノード側冷却水流路７０の平面形状は、カソード側冷却水流路４０の平面形状と同一になっている。アノード側冷却水流路７０の各流路溝の断面形状と、カソード側冷却水流路４０の各流路溝の断面形状も同一になっている。図３に示すカソード側冷却水流路４０を、Ｘ軸方向に反転させることにより、図４に示すアノード側冷却水流路７０が得られる。すなわち、本実施の形態においては、カソード側セパレータ２０の形状と、アノード側セパレータ５０の形状は同一となっている。

【0057】

次に、冷却水流路の構成について、図５を用いてより詳細に説明する。冷却水流路は、カソード側冷却水流路４０とアノード側冷却水流路７０とにより構成される。図５では、カソード側冷却水流路４０が実線で示され、アノード側冷却水流路７０が破線で示されている。カソード側冷却水流路４０とアノード側冷却水流路７０は、多くの部分で重なり合っていてもよいが、図５では、便宜上、Ｘ軸方向およびＹ軸方向にずらして示している。また、図面を明瞭にするために、カソード側冷却水流路面２２に、ハッチングを施している。

【0058】

上述したように、アノード側折り返し流路部７４は、カソード側折り返し流路部４４に対して配列ピッチＴだけずれている。このため、図５および図６に示すように、第１カソード側流路溝４５のカソード側終端溝４５ａは、対向位置Ｐ１において、第２アノード側流路溝７６のアノード側折り返し溝７６ａに対向している。このことにより、カソード側終端溝４５ａとアノード側折り返し溝７６ａとが連通し、カソード側終端溝４５ａとアノード側折り返し溝７６ａとの間で冷却水が通流可能になっている。このため、カソード側終端溝４５ａ内の冷却水が滞留することを抑制できる。本実施の形態においては、カソード側終端溝４５ａとアノード側終端溝７５ａとは対向していない。

【0059】

カソード側冷却水流路４０の各カソード側流路溝は、アノード側冷却水流路７０の各アノード側流路溝と対向し、連通している。例えば、第２カソード側流路溝４６のカソード側折り返し溝４６ａは、対向位置Ｐ２において、第２アノード側流路溝７６のアノード側折り返し溝７６ａと対向している。このことにより、カソード側折り返し溝４６ａとアノード側折り返し溝７６ａとが連通し、カソード側折り返し溝４６ａとアノード側折り返し溝７６ａとの間で冷却水が通流可能になっている。

【0060】

カソード側流路溝は、アノード側流路溝の間に位置するアノード側冷却水流路面５２に対向するカソード側対向部４７を含んでいる。カソード側対向部４７の流路断面積は、カソード側流路溝とアノード側流路溝とが対向している部分の流路断面積の約半分になっている。しかしながら、カソード側流路溝は連続して形成されているため、冷却水は各流路溝をスムースに流れることができる。

【0061】

また、図５に示すように、第１アノード側流路溝７５のアノード側終端溝７５ａは、対向位置Ｐ３において、第２カソード側流路溝４６のカソード側折り返し溝４６ａに対向している。このことにより、アノード側終端溝７５ａとカソード側折り返し溝４６ａとが連通し、アノード側終端溝７５ａとカソード側折り返し溝４６ａとの間で冷却水が通流可能になっている。このため、アノード側終端溝７５ａ内の冷却水が滞留することを抑制できる。

【0062】

アノード側冷却水流路７０の各流路溝は、カソード側冷却水流路４０の各流路溝と対向し、連通している。例えば、第２アノード側流路溝７６のアノード側折り返し溝７６ａは、対向位置Ｐ２において、第２カソード側流路溝４６のカソード側折り返し溝４６ａと対向している。このことにより、アノード側折り返し溝７６ａとカソード側折り返し溝４６ａとが連通し、アノード側折り返し溝７６ａとカソード側折り返し溝４６ａとの間で冷却水が通流可能になっている。

【0063】

図５および図６に示すように、アノード側流路溝は、カソード側流路溝の間に位置するカソード側冷却水流路面２２に対向するアノード側対向部７７を含んでいる。アノード側対向部７７の流路断面積は、アノード側流路溝とカソード側流路溝とが対向している部分の流路断面積の約半分になっている。しかしながら、アノード側流路溝は連続して形成されているため、冷却水は各流路溝をスムースに流れることができる。

【0064】

図７に、上述のようにして構成された冷却水流路における冷却水の流れの数値流体解析結果を示す。図７には、代表的に、アノード側冷却水流路の数値流体解析結果を示している。

【0065】

図７に示すように、アノード側終端溝７５ａ内の冷却水が流速を持っていることが示されている。このことにより、アノード側終端溝７５ａにおいても冷却水が流れて、冷却水が滞留していないことが確認できる。カソード側終端溝４５ａ内の冷却水も同様に流速を持つことができると言える。図７において、冷却水流速が小さいとは、ゼロではないある値を持った流速を意味しており、比較的流速が小さいことを意味している。

【0066】

また、アノード側冷却水流路７０は全体的に、冷却水が流れていることが示されている。このことにより、アノード電極１３を効果的に冷却することができることが確認できる。カソード側冷却水流路４０においても、同様に冷却水が全体的に流れることができると言える。

【0067】

このように本実施の形態によれば、カソード側冷却水流路４０のカソード側終端溝４５ａが、アノード側冷却水流路７０のアノード側折り返し溝７６ａに対向している。このことにより、カソード側終端溝４５ａを、アノード側折り返し溝７６ａに連通することができ、カソード側終端溝４５ａとアノード側折り返し溝７６ａとの間で冷却水を通流することができる。このため、カソード側終端溝４５ａ内の冷却水が滞留することを抑制できる。この場合、カソード側セパレータ２０に局所的に電位差が生じて局部電池の現象が発生することを抑制できる。この結果、局所的な腐食が生じることを抑制でき、品質を向上させることができる。

【0068】

また、本実施の形態によれば、アノード側冷却水流路７０のアノード側終端溝７５ａが、カソード側冷却水流路４０のカソード側折り返し溝４６ａに対向している。このことにより、アノード側終端溝７５ａを、カソード側折り返し溝４６ａに連通することができ、アノード側終端溝７５ａとカソード側折り返し溝４６ａとの間で冷却水を通流することができる。このため、アノード側終端溝７５ａ内の冷却水が滞留することを抑制できる。この場合、アノード側セパレータ５０に局所的に電位差が生じて局部電池の現象が発生することを抑制できる。この結果、局所的な腐食が生じることを抑制でき、燃料電池スタック２の品質を向上させることができる。

【0069】

また、本実施の形態によれば、カソード側終端溝４５ａを含む第１カソード側流路溝４５と、カソード側折り返し溝４６ａを含む第２カソード側流路溝４６とが、互いに隣り合っている。アノード側終端溝７５ａを含む第１アノード側流路溝７５と、アノード側折り返し溝７６ａを含む第２アノード側流路溝７６とが、互いに隣り合っている。この場合、アノード側折り返し流路部７４は、カソード側折り返し流路部４４に対して配列ピッチＴだけずれる。このことにより、カソード側折り返し流路部４４とアノード側折り返し流路部７４とのずれ量を小さくすることができる。このため、酸化剤ガス流路３０がカソード電極１２に対してずれることを抑制でき、カソード電極１２への酸化剤ガスの供給を均一化することができる。同様に、燃料ガス流路６０がアノード電極１３に対してずれることを抑制でき、アノード電極１３への燃料ガスの供給を均一化することができる。この結果、燃料電池スタック２の品質を向上させることができる。

【0070】

また、本実施の形態によれば、カソード側冷却水流路４０の平面形状は、アノード側冷却水流路７０の平面形状と同一になっている。このことにより、カソード側セパレータ２０の形状と、アノード側セパレータ５０の形状を同一とすることができ、セパレータを共通化することができる。このため、部品種類数を削減することができる。また、セパレータをプレス加工で作製する場合には、共通の金型で、カソード側セパレータ２０とアノード側セパレータ５０を作製することができ、作製コストを低減することができる。

【0071】

また、本実施の形態によれば、互いに隣り合う酸化剤ガス流路溝３１の間に、カソード電極１２に向かって突出してカソード電極１２に隣接するカソード側凸部３２が形成され、第１カソード側流路溝４５および第２カソード側流路溝４６はそれぞれ、カソード側凸部３２の裏側で凹状に形成されている。このことにより、カソード側セパレータ２０を、プレス加工で作製することができ、カソード側セパレータ２０の作製コストを低減することができる。

【0072】

また、本実施の形態によれば、互いに隣り合う燃料ガス流路溝６１の間に、アノード電極１３に向かって突出してアノード電極１３に隣接するアノード側凸部６２が形成され、第１アノード側流路溝７５および第２アノード側流路溝７６はそれぞれ、アノード側凸部６２の裏側で凹状に形成されている。このことにより、アノード側セパレータ５０を、プレス加工で作製することができ、アノード側セパレータ５０の作製コストを低減することができる。

【0073】

なお、上述した本実施の形態においては、第１カソード側流路溝４５と第２カソード側流路溝４６とが互いに隣り合っているとともに、第１アノード側流路溝７５と第２アノード側流路溝７６とが互いに隣り合っている例について説明した。この場合、アノード側折り返し流路部７４が、カソード側折り返し流路部４４に対して配列ピッチＴだけずれている。しかしながら、このことに限られることはない。例えば、アノード側折り返し流路部７４とカソード側折り返し流路部４４とのずれ量は、配列ピッチＴの２倍以上の整数倍であってもよい。この場合、第１カソード側流路溝４５と第２カソード側流路溝４６との間に、１本以上の他のカソード流路溝が介在されるとともに、第１アノード側流路溝７５と第２アノード側流路溝７６との間に、１本以上の他のアノード側流路溝が介在されていてもよい。

【0074】

以上述べた実施の形態によれば、冷却媒体が滞留することを抑制できる。

【0075】

本発明の実施形態といくつかの変形例を説明したが、これらの実施形態および変形例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態および変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、当然のことながら、本発明の要旨の範囲内で、これらの実施の形態および変形例を、部分的に適宜組み合わせることも可能である。

【符号の説明】

【0076】

１：燃料電池、２：燃料電池スタック、３：燃料電池セル、１１：膜電極接合体、１２：カソード電極、１３：アノード電極、２０：カソード側セパレータ、３０：酸化剤ガス流路、３１：酸化剤ガス流路溝、３２：カソード側凸部、４０：カソード側冷却水流路、４４：カソード側折り返し流路部、４５：第１カソード側流路溝、４５ａ：カソード側終端溝、４６：第２カソード側流路溝、４６ａ：カソード側折り返し溝、５０：アノード側セパレータ、６０：燃料ガス流路、６１：燃料ガス流路溝、６２：アノード側凸部、７０：アノード側冷却水流路、７４：アノード側折り返し流路部、７５：第１アノード側流路溝、７５ａ：アノード側終端溝、７６：第２アノード側流路溝、７６ａ：アノード側折り返し溝

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】