JP2007188664A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つ経済的な構成で、鉛直方向に積層して良好な発電性能を確保するとともに、スタック面圧バランスの均一化を図ることを可能にする。
【解決手段】燃料電池スタック１０の積層方向下方に配置される第１エンドプレート２０ａには、マニホールド部材６０ａ、６０ｂが取り付けられる。第１エンドプレート２０ａは、相対的に面積の小さな燃料ガス供給孔５８ａが、一方の側部５９ａから第１の距離だけ離間して設けられる一方、相対的に開口面積の大きな酸化剤ガス排出孔５４ｂが、他方の側部５９ｂから前記第１の距離よりも大きな第２の距離だけ離間して設けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体高分子電解質膜の両側に一対の電極が設けられた電解質膜・電極構造体と、セパレータとが鉛直方向に積層される積層体を備え、前記積層体には、反応ガス及び冷却媒体を積層方向に流通させる少なくとも２以上の開口面積の異なる流体連通孔が、前記積層方向に貫通して形成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固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒（電極触媒層）と多孔質カーボン（拡散層）からなる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・電極構造体を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持する発電セルを構成している。通常、燃料電池では、この発電セルを所定の数だけ積層した燃料電池スタックが使用されている。

上記の燃料電池では、積層されている各発電セルのアノード側電極及びカソード側電極に、それぞれ反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するとともに、必要に応じて前記発電セル間に冷却媒体を供給するため、内部マニホールド構造を採用する場合が多い。

この内部マニホールド構造では、発電セルの積層方向に貫通して設けられる反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔と、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔とを備えている。そして、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路（酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路）の入口側端部及び出口側端部には、反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔が、それぞれ連通している。一方、発電セル間に沿って冷却媒体を供給する冷却媒体流路の入口側端部及び出口側端部には、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔が、それぞれ連通している。

ところで、この種の燃料電池は、各発電セルを水平方向に積層する構成の他、鉛直方向に積層する構成が採用されている。発電セルを鉛直方向に積層する構成として、例えば、特許文献１に開示されているスタック構造が知られている。このスタック構造は、外部マニホールド構造を採用しており、図１０に示すように、３個の単電池１Ａ、１Ｂ及び１Ｃを鉛直方向に積層して直列接続されたスタックが、容器２内に収容されている。

各単電池１Ａ、１Ｂ及び１Ｃは、固体電解質膜３ａに燃料極膜３ｂと空気極板３ｃとを設けるとともに、前記空気極板３ｃ側には、セパレータ４を介して酸化剤ガス通路５が形成されている。単電池１Ａ、１Ｂ及び１Ｃの端部には、マニホールド部材６が接続されており、前記マニホールド部材６に一端が接続される酸化剤ガス供給管６ａは、酸化剤ガス室７に開放されている。

容器２には、酸化剤ガス室７に酸化剤ガスを供給するための供給口８ａ、燃焼排ガスを予熱室９に供給するための排ガス管８ｂ、及び前記予熱室９から排ガスを排出するための排出口８ｃが設けられている。

特開平１１−１８５７９３号公報（図４）

しかしながら、上記の特許文献１では、単電池１Ａ、１Ｂ及び１Ｃを鉛直方向に積層した状態で、容器２を他の部材（図示せず）上に載置しようとすると、例えば、供給口８ａや排ガス管８ｂが障害となり易く、この容器２を前記他の部材上に直接載置することができない。このため、専用のマウント部材を設ける必要があり、スタック構造全体が大型化且つ重量化するとともに、コストが高騰するという問題が指摘されている。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、鉛直方向に積層して良好な発電性能を確保するとともに、スタック面圧バランスの均一化を図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、固体高分子電解質膜の両側に一対の電極が設けられた電解質膜・電極構造体と、セパレータとが鉛直方向に積層される積層体を備え、前記積層体には、反応ガス及び冷却媒体を積層方向に流通させる少なくとも２以上の開口面積の異なる流体連通孔が、前記積層方向に貫通して形成される燃料電池スタックに関するものである。

積層体に積層されて鉛直方向下方に配置されるエンドプレートには、流体連通孔に連通し、且つ燃料電池スタック全体を他の部材上に載置させるためのマウントを構成するマニホールド部材が設けられている。そして、エンドプレートには、相対的に開口面積の小さな流体連通孔が、一方の側部から第１の距離だけ離間して設けられるとともに、相対的に開口面積の大きな流体連通孔が、他方の側部から前記第１の距離よりも大きな第２の距離だけ離間して設けられている。

また、本発明に係る燃料電池スタックでは、積層体に積層されて鉛直方向下方に配置されるエンドプレートには、流体連通孔に連通し、且つ前記燃料電池スタック全体を他の部材上に載置させるためのマウントを構成するマニホールド部材が設けられている。そして、エンドプレートには、相対的に開口面積の小さな流体連通孔に連通し、相対的に開口面積の大きな流体連通孔に対応する凹部が設けられている。

さらに、本発明に係る燃料電池スタックでは、積層体に積層されて鉛直方向下方に配置されるエンドプレートには、流体連通孔に連通し、且つ前記燃料電池スタック全体を他の部材上に載置させるためのマウントを構成するマニホールド部材が設けられている。そして、エンドプレートには、相対的に開口面積の大きな流体連通孔を、相対的に開口面積の小さな流体連通孔に対応して仕切るためのリブ部が設けられている。

さらにまた、エンドプレートには、同一の開口面積を有する流体連通孔同士が、エンドプレート面内で対称位置に設けられることが好ましい。

本発明によれば、開口面積の大きな流体連通孔は、開口面積の小さな流体連通孔よりもエンドプレートの端部から大きく離間している。このため、開口面積の大きな流体連通孔が設けられたエンドプレートの端部領域では、剛性の低下が有効に阻止され、前記端部領域に局部的な変形が惹起することを防止することができる。従って、エンドプレートの変形を、前記エンドプレート全体にわたって均一に維持することが可能になり、スタック面圧のバランスの均一化が容易に図られる。

また、本発明では、開口面積の小さな流体連通孔に、開口面積の大きな流体連通孔に対応する凹部が設けられている。さらに、本発明では、開口面積の大きな流体連通孔を、開口面積の小さな流体連通孔に対応して仕切るためのリブ部が設けられている。

このため、エンドプレートのマニホールド部材が設けられる面では、面内における各流体連通孔の開口面積が同等になる。これにより、エンドプレートは、局所的な剛性の低下を惹起することがなく、前記エンドプレートの局部的な変形を良好に阻止してスタック面圧バランスの均一化を図ることができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０の概略斜視図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の側面説明図である。

燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１２が鉛直方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体１４を備え、前記積層体１４の積層方向両端部には、第１及び第２ターミナルプレート１６ａ、１６ｂと、第１及び第２絶縁プレート１８ａ、１８ｂと、第１及び第２エンドプレート２０ａ、２０ｂとが、順次、設けられる。なお、燃料電池スタック１０は、図示しないが、例えば、締め付けボルト等により締め付け保持される。

図３に示すように、発電セル１２は、鉛直方向（矢印Ａ方向）に積層される電解質膜・電極構造体２２と、第１及び第２金属セパレータ２４、２６とを備える。なお、第１及び第２金属セパレータ２４、２６に代替して、例えば、カーボンセパレータを使用してもよい。

電解質膜・電極構造体２２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２８と、該固体高分子電解質膜２８を挟持するアノード側電極３０及びカソード側電極３２とを備える。アノード側電極３０及びカソード側電極３２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を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。

発電セル１２の矢印Ｂ方向の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、空気（酸素含有ガス）を供給するための酸化剤ガス入口連通孔（流体連通孔）４０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔（流体連通孔）４２ａ、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（流体連通孔）４４ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

発電セル１２の矢印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（流体連通孔）４４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔（流体連通孔）４２ｂ、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（流体連通孔）４０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

燃料ガス入口連通孔４４ａ及び燃料ガス出口連通孔４４ｂは、少なくとも酸化剤ガス入口連通孔４０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔４０ｂよりも開口面積が小さく設定される。燃料ガスの供給量が酸化剤ガス、例えば、空気の供給量よりも少ないからである。

第１の実施形態では、さらに燃料ガス入口連通孔４４ａ及び燃料ガス出口連通孔４４ｂは、冷却媒体入口連通孔４２ａ及び冷却媒体出口連通孔４２ｂよりも開口面積が小さく設定される。なお、冷却媒体の供給量によっては、冷却媒体入口連通孔４２ａ及び冷却媒体出口連通孔４２ｂは、燃料ガス入口連通孔４４ａ及び燃料ガス出口連通孔４４ｂと同等の開口面積に設定される場合がある。

第１金属セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２２に向かう面２４ａには、酸化剤ガス流路４６が設けられる。酸化剤ガス流路４６は、複数の酸化剤ガス流路溝４６ａを有するとともに、前記酸化剤ガス流路溝４６ａは、矢印Ｂ方向に延在している。なお、酸化剤ガス流路溝４６ａは、例えば、矢印Ｂ方向に一往復半だけ折り返すサーペタイン流路溝を構成してもよい。

第２金属セパレータ２６の電解質膜・電極構造体２２に向かう面２６ａには、燃料ガス流路４８が設けられる。燃料ガス流路４８は、酸化剤ガス流路４６と同様に、矢印Ｂ方向に延在する複数の燃料ガス流路溝４８ａを有する。

第１金属セパレータ２４と第２金属セパレータ２６とは、互いに対向する面２４ｂ、２６ｂ間に冷却媒体流路５０を一体的に形成する。冷却媒体流路５０は、酸化剤ガス流路４６の裏面側、及び燃料ガス流路４８の裏面側に一体的に形成され、矢印Ｂ方向に延在する複数の冷却媒体流路溝５０ａを有する。この冷却媒体流路５０は、冷却媒体入口連通孔４２ａと冷却媒体出口連通孔４２ｂとに連通する。

第１金属セパレータ２４の面２４ａ、２４ｂには、この第１金属セパレータ２４の外周縁部を周回して第１シール部材５２ａが射出成形等により一体的に設けられる。第２金属セパレータ２６の面２６ａ、２６ｂには、この第２金属セパレータ２６の外周縁部を周回して第２シール部材５２ｂが射出成形等により一体的に設けられる。

図１及び図４に示すように、第１エンドプレート２０ａは、矢印Ｂ方向に長尺な長方形状に構成される。第１エンドプレート２０ａの矢印Ｂ方向の一端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔４０ａに連通する酸化剤ガス供給孔（流体連通孔）５４ａと、冷却媒体入口連通孔４２ａに連通する冷却媒体供給孔（流体連通孔）５６ａと、燃料ガス出口連通孔４４ｂに連通する燃料ガス排出孔（流体連通孔）５８ｂとが形成される。

第１エンドプレート２０ａの矢印Ｂ方向の他端縁部には、燃料ガス入口連通孔４４ａに連通する燃料ガス供給孔（流体連通孔）５８ａと、冷却媒体出口連通孔４２ｂに連通する冷却媒体排出孔（流体連通孔）５６ｂと、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂに連通する酸化剤ガス排出孔（流体連通孔）５４ｂとが設けられる。

図４に示すように、相対的に開口面積の小さな燃料ガス供給孔５８ａは、第１エンドプレート２０ａの一方の側部５９ａから第１の距離Ｈ１だけ離間して設けられる一方、相対的に開口面積の大きな酸化剤ガス排出孔５４ｂは、前記第１エンドプレート２０ａの他方の側部５９ｂから前記第１の距離Ｈ１よりも大きな第２の距離Ｈ２（Ｈ２＞Ｈ１）だけ離間して設けられる。

同様に、相対的に開口面積の小さな燃料ガス排出孔５８ｂが、第１エンドプレート２０ａの側部５９ｂから離間する第１の距離Ｈ１は、相対的に開口面積の大きな酸化剤ガス供給孔５４ａが、前記第１エンドプレート２０ａの側部５９ａから離間する第２の距離Ｈ２よりも小さく設定される。

具体的には、燃料ガス供給孔５８ａは、燃料ガス入口連通孔４４ａと略同一位置に設定される一方、冷却媒体排出孔５６ｂ及び酸化剤ガス排出孔５４ｂは、冷却媒体出口連通孔４２ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔４０ｂに対して矢印Ｃ１方向に所定の距離だけオフセットして設けられる。

同様に、燃料ガス排出孔５８ｂは、燃料ガス出口連通孔４４ｂと略同一位置に設定される一方、酸化剤ガス供給孔５４ａ及び冷却媒体供給孔５６ａは、酸化剤ガス入口連通孔４０ａ及び冷却媒体入口連通孔４２ａに対して矢印Ｃ２方向に所定の距離だけオフセットして設けられる。

第１エンドプレート２０ａの矢印Ｂ方向両端縁部には、すなわち、発電セル１２の発電領域の外方の領域に対し、他の部材、例えば、配置板６１上に直接載置されるマニホールド部材６０ａ、６０ｂが取り付けられる（図２参照）。マニホールド部材６０ａ、６０ｂは、樹脂材で構成されており、矢印Ｃ方向に長尺な略矩形状を有するとともに、端面に幅広部６２ａ、６２ｂが設けられてマウントを構成している。

図１及び図２に示すように、マニホールド部材６０ａには、矢印Ｃ方向に配列されて段付き孔部６４ａ、６６ｂ及び６８ｂが形成される。段付き孔部６４ａ、６６ｂ及び６８ｂは、燃料電池スタック１０の燃料ガス供給孔５８ａ（燃料ガス入口連通孔４４ａ）、冷却媒体排出孔５６ｂ（冷却媒体出口連通孔４２ｂ）及び酸化剤ガス排出孔５４ｂ（酸化剤ガス出口連通孔４０ｂ）に対応する。孔部６４ａ、６６ｂ及び６８ｂは、例えば、円形状に構成される。

マニホールド部材６０ａには、段付き孔部６４ａ、６６ｂ及び６８ｂに連通する管部材である燃料ガス供給管７６ａ、冷却媒体排出管７８ｂ及び酸化剤ガス排出管８０ｂが、Ｏリング（シール部材）８２を介して取り付けられる（図２参照）。

マニホールド部材６０ｂは、上記のマニホールド部材６０ａと同様に、燃料電池スタック１０の酸化剤ガス供給孔５４ａ（酸化剤ガス入口連通孔４０ａ）、冷却媒体供給孔５６ａ（冷却媒体入口連通孔４２ａ）及び燃料ガス排出孔５８ｂ（燃料ガス出口連通孔４４ｂ）に一部を重合して配置される円形状の段付き孔部６８ａ、６６ａ及び６４ｂを設ける。

マニホールド部材６０ｂには、段付き孔部６８ａ、６６ａ及び６４ｂに連通する管部材である酸化剤ガス供給管８０ａ、冷却媒体供給管７８ａ及び燃料ガス排出管７６ｂが、Ｏリング８２を介して取り付けられる。図２に示すように、配置板６１には、各管部材を挿入するための孔部８４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。

図２に示すように、燃料電池スタック１０では、第１エンドプレート２０ａが鉛直下端位置に配置され、この第１エンドプレート２０ａ上に積層体１４が積層されている。そして、第１エンドプレート２０ａに取り付けられるマニホールド部材６０ａ、６０ｂは、配置板６１上に直接載置される。一方、管部材である燃料ガス供給管７６ａ、冷却媒体排出管７８ｂ、酸化剤ガス排出管８０ｂ、酸化剤ガス供給管８０ａ、冷却媒体供給管７８ａ及び燃料ガス排出管７６ｂは、前記配置板６１の各孔部８４に挿入されるとともに、前記マニホールド部材６０ａ、６０ｂに対してＯリング８２を介し気密乃至液密に取り付けられる。

そこで、図１に示すように、燃料電池スタック１０を構成する第１エンドプレート２０ａにおいて、酸化剤ガス供給管８０ａから酸化剤ガス供給孔５４ａを介して酸化剤ガス入口連通孔４０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給管７６ａから燃料ガス供給孔５８ａを介して燃料ガス入口連通孔４４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給管７８ａから冷却媒体供給孔５６ａを介して冷却媒体入口連通孔４２ａに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。

図３に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔４０ａから第１金属セパレータ２４の酸化剤ガス流路４６に導入される。酸化剤ガス流路４６では、酸化剤ガスが複数の酸化剤ガス流路溝４６ａに分散される。このため、酸化剤ガスは、各酸化剤ガス流路溝４６ａを介して電解質膜・電極構造体２２のカソード側電極３２に沿って移動する。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔４４ａから第２金属セパレータ２６の燃料ガス流路４８に導入される。この燃料ガス流路４８では、燃料ガスが複数の燃料ガス流路溝４８ａに分散される。さらに、燃料ガスは、各燃料ガス流路溝４８ａを介して電解質膜・電極構造体２２のアノード側電極３０に沿って移動する。

従って、電解質膜・電極構造体２２では、カソード側電極３２に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３０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、発電が行われる。

次いで、カソード側電極３２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４０ｂに排出される（図３参照）。同様に、アノード側電極３０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４４ｂに排出される。

一方、冷却媒体入口連通孔４２ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２金属セパレータ２４、２６間に形成された冷却媒体流路５０に導入される。この冷却媒体流路５０では、冷却媒体が矢印Ｂ方向に移動する。従って、冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２２の発電領域全面にわたって冷却した後、冷却媒体出口連通孔４２ｂに排出される。

この場合、第１の実施形態では、図１及び図２に示すように、燃料電池スタック１０は、鉛直方向に積層された積層体１４を備えるとともに、第１エンドプレート２０ａを最下端とし、この第１エンドプレート２０ａに取り付けられるマニホールド部材６０ａ、６０ｂがマウントとして配置板６１上に直接載置されている。

このため、第１エンドプレート２０ａには、燃料電池スタック１０の全重量が作用するとともに、この第１エンドプレート２０ａには、マニホールド部材６０ａ、６０ｂからの反力が作用している。

その際、図１及び図４に示すように、第１エンドプレート２０ａには、相対的に開口面積の小さな燃料ガス供給孔５８ａ及び燃料ガス排出孔５８ｂと、相対的に開口面積の大きな酸化剤ガス供給孔５４ａ、冷却媒体供給孔５６ａ、冷却媒体排出孔５６ｂ及び酸化剤ガス排出孔５４ｂとが設けられている。

そこで、燃料ガス供給孔５８ａ及び燃料ガス排出孔５８ｂは、第１エンドプレート２０ａの側部５９ａ、５９ｂから第１の距離Ｈ１だけ離間する一方、酸化剤ガス供給孔５４ａ及び酸化剤ガス排出孔５４ｂは、前記側部５９ａ、５９ｂから前記第１の距離Ｈ１よりも大きな第２の距離Ｈ２（Ｈ２＞Ｈ１）だけ離間して設けられている。

従って、開口面積の大きな酸化剤ガス供給孔５４ａ及び酸化剤ガス排出孔５４ｂが設けられた端部領域８２ａ、８２ｂでは、剛性の低下が有効に阻止され、前記端部領域８２ａ、８２ｂに局部的な変形が惹起することを阻止することができる。これにより、第１エンドプレート２０ａの変形を前記第１エンドプレート２０ａ全体にわたって均一に維持することが可能になり、燃料電池スタック１０への荷重の偏りを防止して、スタック面圧のバランスの均一化が容易に図られるという効果が得られる。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック１００の側面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０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。また、以下に説明する第３及び第４の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

燃料電池スタック１００は、鉛直方向（積層方向）下方に配置される第１エンドプレート２０ａの矢印Ｂ方向両端縁部には、マニホールド部材１０２ａ、１０２ｂが取り付けられる。マニホールド部材１０２ａの段付き孔部６４ａ、６６ｂ及び６８ｂには、燃料ガス供給管７６ａ、冷却媒体排出管７８ｂ及び酸化剤ガス排出管８０ｂの小径端部１０４が、Ｏリング１０６を介して液密乃至気密に取り付けられる。

マニホールド部材１０２ｂの段付き孔部６８ａ、６６ａ及び６４ｂには、それぞれ酸化剤ガス供給管８０ａ、冷却媒体供給管７８ａ及び燃料ガス排出管７６ｂの各小径端部１０８が、Ｏリング１１０を介して液密乃至気密に装着される。

配置板６１には、各管部材を挿入するための孔部８４が形成されており、前記孔部８４に挿入される各管部材である燃料ガス供給管７６ａ、冷却媒体排出管７８ｂ、酸化剤ガス排出管８０ｂ、酸化剤ガス供給管８０ａ、冷却媒体供給管７８ａ及び燃料ガス排出管７６ｂは、溶接あるいは接着剤等の固定部１１２によって前記配置板６１に固定される。すなわち、各管部材は、燃料電池スタック１００を配置板６１上に載置させるためのマウントを構成している。

図６は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック１２０の概略斜視図である。

燃料電池スタック１２０は、第１及び第２エンドプレート１２２ａ、１２２ｂを備えるとともに、積層方向下方に配置される前記第１エンドプレート１２２ａには、マニホールド部材６０ａ、６０ｂ（又は１０２ａ、１０２ｂ）が取り付けられる。

図６及び図７に示すように、第１エンドプレート１２２ａの矢印Ｂ方向の一端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔４０ａに連通する酸化剤ガス供給孔（流体連通孔）１２４ａと、冷却媒体入口連通孔４２ａに連通する冷却媒体供給孔（流体連通孔）１２６ａと、燃料ガス出口連通孔４４ｂに連通する燃料ガス排出孔（流体連通孔）１２８ｂとが設けられる。第１エンドプレート１２２ａの矢印Ｂ方向の他端縁部には、燃料ガス入口連通孔４４ａに連通する燃料ガス供給孔（流体連通孔）１２８ａと、冷却媒体出口連通孔４２ｂに連通する冷却媒体排出孔（流体連通孔）１２６ｂと、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂに連通する酸化剤ガス排出孔（流体連通孔）１２４ｂとが設けられる。

第１エンドプレート１２２ａのマニホールド部材６０ａ、６０ｂが取り付けられる面１３０には、相対的に開口面積の小さな燃料ガス供給孔１２８ａに連通し、相対的に開口面積の大きな酸化剤ガス排出孔１２４ｂに対応する凹部１３２ａが所定の深さに形成される。凹部１３２ａ全体の開口領域は、実質的に酸化剤ガス排出孔１２４ｂの開口領域と略同一の寸法に設定される。

面１３０には、同様に、相対的に開口面積の小さな燃料ガス排出孔１２８ｂに連通し、相対的に開口面積の大きな酸化剤ガス供給孔１２４ａに対応する凹部１３２ｂが設けられる。この凹部１３２ｂの開口領域は、酸化剤ガス供給孔１２４ａの開口領域に対応している。

このように構成される第３の実施形態では、第１エンドプレート１２２ａの面１３０において、燃料ガス供給孔１２８ａの開口面積が、実質的に酸化剤ガス排出孔１２４ｂの開口面積と同等になる一方、燃料ガス排出孔１２８ｂの開口面積が、酸化剤ガス供給孔１２４ａの開口面積と同等となる。

これにより、第１エンドプレート１２２ａは、局所的な剛性の低下を惹起することがなく、前記第１エンドプレート１２２ａの局部的な変形によるスタック面圧のバランスの偏りを阻止することができる等、第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

図８は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタック１４０の概略斜視図である。

燃料電池スタック１４０は、第１及び第２エンドプレート１４２ａ、１４２ｂを備えるとともに、積層方向下方に配置される前記第１エンドプレート１４２ａには、マニホールド部材６０ａ、６０ｂ（又は１０２ａ、１０２ｂ）が取り付けられる。

図８及び図９に示すように、第１エンドプレート１４２ａの矢印Ｂ方向の一端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔４０ａに連通する酸化剤ガス供給孔（流体連通孔）１４４ａと、冷却媒体入口連通孔４２ａに連通する冷却媒体供給孔（冷却媒体連通孔）１４６ａと、燃料ガス出口連通孔４４ｂに連通する燃料ガス排出孔（流体連通孔）１４８ｂとが設けられる。

第１エンドプレート１４２ａの矢印Ｂ方向の他端縁部には、燃料ガス入口連通孔４４ａに連通する燃料ガス供給孔（流体供給孔）１４８ａと、冷却媒体出口連通孔４２ｂに連通する冷却媒体排出孔（冷却媒体連通孔）１４６ｂと、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂに連通する酸化剤ガス排出孔（流体連通孔）１４４ｂとが設けられる。

第１エンドプレート１４２ａには、相対的に開口面積の大きな酸化剤ガス供給孔１４４ａ及び冷却媒体供給孔１４６ａを、相対的に開口面積の小さな燃料ガス排出孔１４８ｂに対応して仕切るためのリブ部１５０ａ、１５０ｂが設けられる。酸化剤ガス供給孔１４４ａ及び冷却媒体供給孔１４６ａは、実質的に、リブ部１５０ａ、１５０ｂによりそれぞれ燃料ガス排出孔１４８ｂと同等の開口面積を有する２つの流路部に分割される。

第１エンドプレート１４２ａには、同様に、相対的に開口面積の大きな冷却媒体排出孔１４６ｂ及び酸化剤ガス排出孔１４４ｂを、相対的に開口面積の小さな燃料ガス供給孔１４８ａに対応して仕切るためのリブ部１５０ｃ、１５０ｄが設けられる。冷却媒体排出孔１４６ｂ及び酸化剤ガス排出孔１４４ｂは、リブ部１５０ｃ、１５０ｄによって燃料ガス供給孔１４８ａと同等の開口面積を有する２つの流路に分割される。

このように構成される第４の実施形態では、酸化剤ガス供給孔１４４ａ及び冷却媒体供給孔１４６ａは、それぞれリブ部１５０ａ、１５０ｂを介して二分割されるため、実質的に燃料ガス排出孔１４８ｂと同等の開口面積に設定される。同様に、冷却媒体排出孔１４６ｂ及び酸化剤ガス排出孔１４４ｂは、リブ部１５０ｃ、１５０ｄを介して二分割されることにより、実質的に燃料ガス供給孔１４８ａと同等の開口面積に設定される。

従って、第１エンドプレート１４２ａには、局所的な剛性の低下を惹起することがなく、前記第１エンドプレート１４２ａの局部的な変形を良好に阻止して、均一なスタック面圧を得ることができる等、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、第４の実施形態では、例えば、酸化剤ガス供給孔１４４ａに１つのリブ部１５０ａを設けているが、この酸化剤ガス供給孔１４４ａの開口面積と、燃料ガス排出孔１４８ｂの開口面積とに応じて、リブ本数を変更することが可能である。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの概略斜視図である。 前記燃料電池スタックの側面説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する発電セルの分解斜視図である。 前記燃料電池スタックを構成する第１エンドプレート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の側面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックの概略斜視図である。 前記燃料電池スタックを構成する第１エンドプレートの正面説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックの概略斜視図である。 前記燃料電池スタックを構成する第１エンドプレートの正面説明図である。 特許文献１のスタック構造の説明図である。

符号の説明

１０、１００、１２０、１４０…燃料電池スタック
１２…発電セル １４…積層体
２０ａ、２０ｂ、１２２ａ、１２２ｂ、１４２ａ、１４２ｂ…エンドプレート
２２…電解質膜・電極構造体
２４、２６…金属セパレータ ２８…固体高分子電解質膜
３０…アノード側電極 ３２…カソード側電極
４０ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ４０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
４２ａ…冷却媒体入口連通孔 ４２ｂ…冷却媒体出口連通孔
４４ａ…燃料ガス入口連通孔 ４４ｂ…燃料ガス出口連通孔
４６…酸化剤ガス流路 ４８…燃料ガス流路
５０…冷却媒体流路
５４ａ、１２４ａ、１４４ａ…酸化剤ガス供給孔
５４ｂ、１２４ｂ、１４４ｂ…酸化剤ガス排出孔
５６ａ、１２６ａ、１４６ａ…冷却媒体供給孔
５６ｂ、１２６ｂ、１４６ｂ…冷却媒体排出孔
５８ａ、１２８ａ、１４８ａ…燃料ガス供給孔
５８ｂ、１２８ｂ、１４８ｂ…燃料ガス排出孔
５９ａ、５９ｂ…側部
６０ａ、６０ｂ、１０２ａ、１０２ｂ…マニホールド部材
６１…配置板 １３２ａ、１３２ｂ…凹部
１５０ａ〜１５０ｄ…リブ部

Claims (4)

1. 固体高分子電解質膜の両側に一対の電極が設けられた電解質膜・電極構造体と、セパレータとが鉛直方向に積層される積層体を備え、前記積層体には、反応ガス及び冷却媒体を積層方向に流通させる少なくとも２以上の開口面積の異なる流体連通孔が、前記積層方向に貫通して形成される燃料電池スタックであって、
   前記積層体に積層されて鉛直方向下方に配置されるエンドプレートには、前記流体連通孔に連通し、且つ前記燃料電池スタック全体を他の部材上に載置させるためのマウントを構成するマニホールド部材が設けられており、
   前記エンドプレートには、相対的に開口面積の小さな流体連通孔が、一方の側部から第１の距離だけ離間して設けられるとともに、
   相対的に開口面積の大きな流体連通孔が、他方の側部から前記第１の距離よりも大きな第２の距離だけ離間して設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 固体高分子電解質膜の両側に一対の電極が設けられた電解質膜・電極構造体と、セパレータとが鉛直方向に積層される積層体を備え、前記積層体には、反応ガス及び冷却媒体を積層方向に流通させる少なくとも２以上の開口面積の異なる流体連通孔が、前記積層方向に貫通して形成される燃料電池スタックであって、
   前記積層体に積層されて鉛直方向下方に配置されるエンドプレートには、前記流体連通孔に連通し、且つ前記燃料電池スタック全体を他の部材上に載置させるためのマウントを構成するマニホールド部材が設けられており、
   前記エンドプレートには、相対的に開口面積の小さな流体連通孔に連通し、相対的に開口面積の大きな流体連通孔に対応する凹部が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
3. 固体高分子電解質膜の両側に一対の電極が設けられた電解質膜・電極構造体と、セパレータとが鉛直方向に積層される積層体を備え、前記積層体には、反応ガス及び冷却媒体を積層方向に流通させる少なくとも２以上の開口面積の異なる流体連通孔が、前記積層方向に貫通して形成される燃料電池スタックであって、
   前記積層体に積層されて鉛直方向下方に配置されるエンドプレートには、前記流体連通孔に連通し、且つ前記燃料電池スタック全体を他の部材上に載置させるためのマウントを構成するマニホールド部材が設けられており、
   前記エンドプレートには、相対的に開口面積の大きな流体連通孔を、相対的に開口面積の小さな流体連通孔に対応して仕切るためのリブ部が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記エンドプレートには、同一の開口面積を有する前記流体連通孔同士が、エンドプレート面内で対称位置に設けられることを特徴とする燃料電池スタック。

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