JP2014026821A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つ経済的な構成で、所望の端部セルを形成することを可能にする。
【解決手段】燃料電池スタック１０は、発電セルに対応して配設される第１端部セル１６ａを備える。第１端部セル１６ａは、ダミー電極構造体８２と、前記ダミー電極構造体８２を挟持する第１金属セパレータ３８及び第２金属セパレータ８４とを備える。発電セルを構成する第２金属セパレータが製造された後、前記第２金属セパレータに上側閉塞シール９２ａ及び下側閉塞シール９２ｂが接着されることにより、第１端部セル１６ａを構成する第２金属セパレータ８４が製造される。
【選択図】図６

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルが積層される積層体を備え、前記積層体の両端には、ターミナルプレート、絶縁プレート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。

一般的に、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、それぞれ触媒層（電極触媒層）とガス拡散層（多孔質カーボン）とからなるアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。この燃料電池は、所定の数だけ積層して燃料電池スタックを構成するとともに、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

ところで、燃料電池スタックでは、外部への放熱により他の発電セルに比べて温度低下が惹起され易い発電セルが存在している。例えば、積層方向端部に配置されている発電セル（以下、端部発電セルともいう）は、例えば、各発電セルによって発電された電荷を集める電力取り出し用ターミナルプレート（集電板）や、積層された発電セルを保持するために設けられたエンドプレート等からの放熱が多く、上記の温度低下が顕著になっている。

この温度低下によって、端部発電セルでは、燃料電池スタックの中央部分の発電セルに比べて結露が発生し易く、生成水の排出性が低下して発電性能が低下するという不具合が指摘されている。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池スタックが知られている。この特許文献１は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体がセパレータにより挟持された発電セルを複数積層した積層体を備え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は、積層体の積層方向の少なくとも一方の端部に配設されるダミーセルを備え、前記ダミーセルは、電解質・電極構造体に対応する導電性プレートと、前記導電性プレートを挟持するとともに、前記発電セルを構成する前記セパレータと同一のセパレータとを備えている。

そして、発電セル間には、冷却媒体流路が形成される一方、積層体の端部に配設される発電セルとダミーセルとの間には、前記冷却媒体流路に対応して断熱空間部が形成されている。このため、低温始動時の端部セルの昇温遅れ及び前記端部セルの電圧降下を有効に阻止することができる、としている。

特許第４５７２０６２号公報

上記の特許文献１では、ダミーセルを構成するセパレータは、冷却媒体流路と冷却媒体連通孔（冷却媒体をセパレータの積層方向に流通させる連通孔）との連通部位に薄板状の遮蔽部材を配設することにより、前記冷却媒体流路を閉塞された断熱空間部として構成している。

ところで、セパレータとして、金属プレートにシール部材を一体成形した金属セパレータが使用されている。その際、金属セパレータには、冷却媒体流路と冷却媒体連通孔との連通部位に、シール部材を凹凸状に形成した連結流路を設ける場合がある。具体的には、複数の凸状部を設けることにより、前記凸状部間に溝部（凹状部）が形成され、複数の前記溝部が連結流路を構成している。

しかしながら、このような連結流路を閉塞するためには、薄板状の遮蔽部材により対応することができない。従って、金属プレートにシール部材を一体成形する際、連通部位を前記シール部材の一部で閉塞する必要があり、専用の成形装置（金型）が用いられている。これにより、他種類の成形装置を用意しなければならず、セパレータの製造コストが高騰するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、所望の端部セルを形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、電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルが積層されるとともに、前記セパレータには、発電面に沿って反応ガスを流す反応ガス流路及び冷却媒体を流す冷却媒体流路と、前記反応ガス流路に連通し且つ積層方向に貫通する反応ガス連通孔、及び前記冷却媒体流路に連通し且つ前記積層方向に貫通する冷却媒体連通孔が形成される積層体を備え、前記積層体の両端には、ターミナルプレート、絶縁プレート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、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、発電セルに対応して配設される端部セルを備えている。端部セルは、発電セルを構成するセパレータと同一構成の端部セパレータを有し、前記セパレータ及び前記端部セパレータは、冷却媒体流路と冷却媒体連通孔とを連結する連結流路がシール部材により形成されている。

連結流路は、内側シールラインと外側シールラインとの間で内側流路部と外側流路部とに２分割されている。そして、端部セパレータにのみ、内側流路部と外側流路部との間に位置して冷却媒体流路と冷却媒体連通孔とを閉塞する別体の凸状閉塞シールが設けられている。

また、この燃料電池スタックでは、端部セルは、電解質に対応する導電性プレートを有するダミー電解質・電極構造体を備えることが好ましい。

さらに、この燃料電池スタックでは、電解質・電極構造体は、一方の電極が他方の電極及び電解質よりも平面寸法が小さく設定されるとともに、内側シールラインは、前記電解質と一方のセパレータとの間に配置され、且つ、外側シールラインは、一対のセパレータ間に配置されることが好ましい。

本発明によれば、端部セルは、発電セルを構成するセパレータと同一構成の端部セパレータを使用し、前記端部セパレータは、２分割された連結流路を構成する内側流路部と外側流路部との間に位置して別体の凸状閉塞シールを設けるだけでよい。

このため、セパレータの共用化を図ることができ、成形装置を削減することが可能になる。しかも、冷却媒体流路を確実に閉塞することができる。これにより、燃料電池スタック全体を経済的且つ良好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セルの分解斜視説明図である。 前記発電セルを構成する第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。 前記燃料電池スタックを構成する第１端部セルの要部分解斜視説明図である。 前記端部セルを構成する第２金属セパレータの冷却媒体流路側の正面説明図である。 前記第２金属セパレータの、図７中、ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面説明図である。 前記第２金属セパレータの、図７中、ＩＸ−ＩＸ線断面説明図である。 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端部セルの要部分解斜視説明図である。 前記端部セルを構成する第２金属セパレータの冷却媒体流路側の正面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する発電セルの要部分解斜視説明図である。 前記発電セルの一部断面説明図である。

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、複数の発電セル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１４を備える。積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）一端には、第１端部セル（ダミーセル）１６ａが配設されるとともに、前記積層体１４の積層方向他端には、第２端部セル（ダミーセル）１６ｂが配設される。

第１端部セル１６ａには、ターミナルプレート２０ａ、絶縁プレート２２ａ及びエンドプレート２４ａが外方に向かって、順次、配設される。第２端部セル１６ｂには、後述する第２金属セパレータ８４、ターミナルプレート２０ｂ、絶縁プレート２２ｂ及びエンドプレート２４ｂ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２４ａ、２４ｂ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。

ターミナルプレート２０ａ、２０ｂの略中央には、積層方向外方に延在する端子部２６ａ、２６ｂが設けられる。端子部２６ａ、２６ｂは、絶縁性筒体２８に挿入されてエンドプレート２４ａ、２４ｂの外部に突出する。絶縁プレート２２ａ、２２ｂ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。

絶縁プレート２２ａ、２２ｂは、中央部に矩形状の凹部３０ａ、３０ｂが設けられるとともに、この凹部３０ａ、３０ｂの略中央に孔部３２ａ、３２ｂが形成される。凹部３０ａ、３０ｂには、ターミナルプレート２０ａ、２０ｂが収容され、前記ターミナルプレート２０ａ、２０ｂの端子部２６ａ、２６ｂが絶縁性筒体２８を介装して孔部３２ａ、３２ｂに挿入される。

エンドプレート２４ａ、２４ｂの略中央部には、孔部３２ａ、３２ｂと同軸的に孔部３４ａ、３４ｂが形成される。エンドプレート２４ａ、２４ｂには、後述する酸化剤ガス供給連通孔４２ａ、燃料ガス供給連通孔４４ａ、２つの冷却媒体供給連通孔４６ａ、燃料ガス排出連通孔４４ｂ、２つの冷却媒体排出連通孔４６ｂ及び酸化剤ガス排出連通孔４２ｂの内壁を囲繞して絶縁グロメット３５が装着される。

発電セル１２は、図３に示すように、電解質膜・電極構造体３６と、この電解質膜・電極構造体３６を挟持する第１金属セパレータ３８及び第２金属セパレータ４０とを備える。

第１金属セパレータ３８及び第２金属セパレータ４０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薄板により構成される。金属薄板は、波形状にプレス加工することにより、鉛直断面凹凸形状に成形される。

第１金属セパレータ３８及び第２金属セパレータ４０は、横長形状を有するとともに、短辺が重力方向（矢印Ｃ方向）に延在し且つ長辺が水平方向（矢印Ｂ方向）に延在する（水平方向の積層）ように構成される。なお、短辺が水平方向に延在し且つ長辺が重力方向に延在するように構成してもよく、また、セパレータ面が水平方向に向かう（鉛直方向の積層）ように構成してもよい。

発電セル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、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔４２ａと、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供給連通孔４４ａとが設けられる。

発電セル１２の長辺方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔４４ｂと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔４２ｂとが設けられる。

発電セル１２の短辺方向（矢印Ｃ方向）の両端縁部一方には、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２つの冷却媒体供給連通孔４６ａが設けられる。発電セル１２の短辺方向の両端縁部他方には、冷却媒体を排出するための２つの冷却媒体排出連通孔４６ｂが設けられる。

電解質膜・電極構造体３６は、例えば、フッ素系又は炭化水素系の固体高分子電解質膜４８と、前記固体高分子電解質膜４８を挟持するカソード電極５０及びアノード電極５２とを備える。

カソード電極５０及びアノード電極５２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４８の両面に形成される。

第１金属セパレータ３８の電解質膜・電極構造体３６に向かう面３８ａには、酸化剤ガス供給連通孔４２ａと酸化剤ガス排出連通孔４２ｂとを連通する酸化剤ガス流路５４が形成される。酸化剤ガス流路５４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バッファ部５６ａ及び出口バッファ部５６ｂが設けられる。

図４に示すように、第２金属セパレータ４０の電解質膜・電極構造体３６に向かう面４０ａには、燃料ガス供給連通孔４４ａと燃料ガス排出連通孔４４ｂとを連通する燃料ガス流路５８が形成される。燃料ガス流路５８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バッファ部６０ａ及び出口バッファ部６０ｂが設けられる。

図５に示すように、第２金属セパレータ４０の面４０ｂと第１金属セパレータ３８の面３８ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔４６ａ、４６ａと冷却媒体排出連通孔４６ｂ、４６ｂとに連通する冷却媒体流路６２が形成される。冷却媒体流路６２は、電解質膜・電極構造体３６の電極範囲に亘って冷却媒体を流通させるとともに、前記冷却媒体流路６２の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ入口バッファ部６４ａ及び出口バッファ部６４ｂが設けられる。

図３に示すように、第１金属セパレータ３８の面３８ａ、３８ｂには、この第１金属セパレータ３８の外周端縁部を周回して第１シール部材６６が一体成形される。第２金属セパレータ４０の面４０ａ、４０ｂには、この第２金属セパレータ４０の外周端縁部を周回して第２シール部材６８が一体成形される。

第１シール部材６６及び第２シール部材６８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。

第１シール部材６６は、第１金属セパレータ３８の面３８ａ、３８ｂにセパレータ面方向に沿って均一な厚さを有して平坦状に設けられる平坦状シール部６６ａと、前記平坦状シール部６６ａからセパレータ面方向に交差する方向（積層方向）に突出する凸状シール部６６ｂとを有する。

第１金属セパレータ３８の面３８ａには、第１シール部材６６を切り欠いて酸化剤ガス供給連通孔４２ａと酸化剤ガス流路５４とを連通する複数の連結通路７０ａが形成される。面３８ａには、第１シール部材６６を切り欠いて酸化剤ガス排出連通孔４２ｂと酸化剤ガス流路５４とを連通する複数の連結通路７０ｂが形成される。

第２シール部材６８は、第２金属セパレータ４０の面４０ａ、４０ｂにセパレータ面方向に沿って均一な厚さを有して平坦状に設けられる平坦状シール部６８ａと、前記平坦状シール部６８ａからセパレータ面方向に交差する方向（積層方向）に突出する凸状シール部６８ｂとを有する。

図４に示すように、第２金属セパレータ４０の面４０ａには、第２シール部材６８を切り欠いて燃料ガス供給連通孔４４ａと燃料ガス流路５８とを連通する複数の連結通路７２ａが形成される。面４０ａには、第２シール部材６８を切り欠いて燃料ガス排出連通孔４４ｂと燃料ガス流路５８とを連通する複数の連結通路７２ｂが形成される。

図３及び図５に示すように、第２金属セパレータ４０の面４０ｂには、第２シール部材６８を構成する内側凸状シール部６８ｂｉ及び外側凸状シール部６８ｂｏが設けられる。内側凸状シール部６８ｂｉは、冷却媒体流路６２を周回する一方、外側凸状シール部６８ｂｏは、第２金属セパレータ４０の外周縁部を周回する。

図５に示すように、面４０ｂには、第２シール部材６８を介して、一対の冷却媒体供給連通孔４６ａ、４６ａと冷却媒体流路６２とを連通する入口連結流路７４と、一対の冷却媒体排出連通孔４６ｂ、４６ｂと前記冷却媒体流路６２とを連通する出口連結流路７６とが設けられる。

入口連結流路７４は、内側凸状シール部６８ｂｉに一体成形される複数本の内側ガイド部（凸部）７５ａ間に設けられる内側流路部７４ａと、外側凸状シール部６８ｂｏに一体成形され、各内側流路部７４ａからそれぞれ所定の間隔だけ離間する複数本の外側ガイド部（凸部）７５ｂ間に設けられる外側流路部７４ｂとを有する。内側流路部７４ａ及び外側流路部７４ｂは、矢印Ｃ方向に所定の長さを有して延在する。

入口連結流路７４では、切り欠き部位を設けて内側流路部７４ａと外側流路部７４ｂとに２分割することにより、シール性を向上させることができる。内側流路部７４ａから外側流路部７４ｂに亘ってシール部が一体で構成されると、変形し難くなり、シール性が低下するおそれがあるからである。以下に説明する出口連結流路７６でも、同様である。

内側凸状シール部６８ｂｉにより内側シールライン７８ａが形成されるとともに、外側凸状シール部６８ｂｏにより外側シールライン７８ｂが形成される。内側流路部７４ａは、内側シールライン７８ａに沿って設けられる一方、外側流路部７４ｂは、外側シールライン７８ｂに沿って設けられる。

出口連結流路７６は、内側凸状シール部６８ｂｉに一体成形される複数本の内側ガイド部（凸部）７７ａ間に設けられる内側流路部７６ａと、外側凸状シール部６８ｂｏに一体成形され、各内側流路部７６ａからそれぞれ所定の間隔だけ離間する複数本の外側ガイド部（凸部）７７ｂ間に設けられる外側流路部７６ｂとを有する。内側流路部７６ａは、内側シールライン８０ａに沿って形成されるとともに、外側流路部７６ｂは、外側シールライン８０ｂに沿って形成される。内側流路部７６ａ及び外側流路部７６ｂは、矢印Ｃ方向に所定の長さを有して延在する。

図６に示すように、第１端部セル１６ａは、ダミー電極構造体８２と、前記ダミー電極構造体８２を挟持する第１金属セパレータ３８及び第２金属セパレータ（端部セパレータ）８４とを備える。

ダミー電極構造体８２は、固体高分子電解質膜４８に対応する金属プレート８６と、前記金属プレート８６を挟持するカソード側カーボンペーパ８８及びアノード側カーボンペーパ９０とを備える。カソード側カーボンペーパ８８は、カソード電極５０を構成するガス拡散層に対応する一方、アノード側カーボンペーパ９０は、アノード電極５２を構成するガス拡散層に対応する。

第２金属セパレータ８４は、第２金属セパレータ４０と同様に構成されており、それぞれ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８４は、ダミー電極構造体８２側の面８４ａが、第２金属セパレータ４０の面４０ａと同一に構成される。第２金属セパレータ８４の面８４ｂには、図７に示すように、上部側の入口連結流路７４及び出口連結流路７６に沿って別体の凸状上側閉塞シール９２ａが設けられる。上側閉塞シール９２ａは、入口バッファ部６４ａの上部近傍から出口バッファ部６４ｂの上部近傍まで、矢印Ｂ方向に延在する長尺なライン状を有する。

図７〜図９に示すように、第２金属セパレータ８４では、通常の発電セル１２用のセパレータを用いて、内側シールライン８０ａと外側流路部７６ｂとの間に、上側閉塞シール９２ａが設けられている。上側閉塞シール９２ａは、第２シール部材６８を構成する内側凸状シール部６８ｂｉ及び外側凸状シール部６８ｂｏと同一高さに設定されるとともに（図８参照）、前記第２シール部材６８を構成する内側ガイド部７７ａ及び外側ガイド部７７ｂと同一高さに設定される（図９参照）。

上側閉塞シール９２ａは、内側流路部７４ａと外側流路部７４ｂとの間に位置し、冷却媒体流路６２と上部側の冷却媒体供給連通孔４６ａとを閉塞する一方、内側流路部７６ａと外側流路部７６ｂとの間に位置し、前記冷却媒体流路６２と上部側の冷却媒体排出連通孔４６ｂとを閉塞する。上側閉塞シール９２ａは、一端側が内側流路部７４ａと外側流路部７４ｂとの間に配置されるとともに、他端側が内側流路部７６ａと外側流路部７６ｂとの間に配置される（図７及び図９参照）。上側閉塞シール９２ａは、上部側の冷却媒体供給連通孔４６ａと上部側の冷却媒体排出連通孔４６ｂとの間で、内側凸状シール部６８ｂｉと外側凸状シール部６８ｂｏとの間に配置される（図７及び図８参照）。

第２金属セパレータ８４の面８４ｂには、下部側の入口連結流路７４及び出口連結流路７６に沿って別体の凸状下側閉塞シール９２ｂが設けられる。下側閉塞シール９２ｂは、入口バッファ部６４ａの下部近傍から出口バッファ部６４ｂの下部近傍まで、矢印Ｂ方向に延在する長尺なライン状を有する。

下側閉塞シール９２ｂは、内側ガイド部（凸部）７５ａ間に設けられる内側流路部７４ａと外側ガイド部（凸部）７５ｂ間に設けられる外側流路部７４ｂとの間に位置し、冷却媒体流路６２と下部側の冷却媒体供給連通孔４６ａとを閉塞する一方、内側ガイド部（凸部）７７ａ間に設けられる内側流路部７６ａと外側ガイド部（凸部）７７ｂ間に設けられる外側流路部７６ｂとの間に位置し、前記冷却媒体流路６２と下部側の冷却媒体排出連通孔４６ｂとを閉塞する。下側閉塞シール９２ｂは、一端側が内側流路部７４ａと外側流路部７４ｂとの間に配置されるとともに、他端側が内側流路部７６ａと外側流路部７６ｂとの間に配置される。下側閉塞シール９２ｂは、下部側の冷却媒体供給連通孔４６ａと下部側の冷却媒体排出連通孔４６ｂとの間で、内側凸状シール部６８ｂｉと外側凸状シール部６８ｂｏとの間に配置される。

上側閉塞シール９２ａ及び下側閉塞シール９２ｂは、第２シール部材６８とは別体に形成される。実質的には、発電セル１２を構成する第２金属セパレータ４０が製造された後、前記第２金属セパレータ４０に上側閉塞シール９２ａ及び下側閉塞シール９２ｂが接着されることにより、第１端部セル１６ａを構成する端部セパレータである第２金属セパレータ８４が製造される。上側閉塞シール９２ａ及び下側閉塞シール９２ｂは、例えば、シリコーンやＥＰＤＭ等で構成される。

図２に示すように、第２端部セル１６ｂは、ダミー電極構造体８２と、前記ダミー電極構造体８２を挟持する第１金属セパレータ３８及び第２金属セパレータ４０とを備える。第２金属セパレータ４０に隣接して端部セパレータである第２金属セパレータ８４が配設され、前記第２金属セパレータ８４は、ターミナルプレート２０ｂ及び絶縁プレート２２ｂに当接する。

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。

先ず、図１に示すように、酸化剤ガス供給連通孔４２ａ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、燃料ガス供給連通孔４４ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、一対の冷却媒体供給連通孔４６ａ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、図３に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔４２ａから第１金属セパレータ３８の酸化剤ガス流路５４に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路５４に沿って矢印Ｂ方向（水平方向）に移動し、発電面である電解質膜・電極構造体３６のカソード電極５０に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔４４ａから第２金属セパレータ４０の燃料ガス流路５８に供給される。燃料ガスは、図４に示すように、燃料ガス流路５８に沿って水平方向（矢印Ｂ方向）に移動し、発電面である電解質膜・電極構造体３６のアノード電極５２に供給される（図３参照）。

従って、電解質膜・電極構造体３６では、カソード電極５０に供給される酸化剤ガスと、アノード電極５２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、電解質膜・電極構造体３６のカソード電極５０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔４２ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。一方、電解質膜・電極構造体３６のアノード電極５２に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔４４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、一対の冷却媒体供給連通孔４６ａに供給された冷却媒体は、図３に示すように、第１金属セパレータ３８及び第２金属セパレータ４０間の冷却媒体流路６２に導入される。冷却媒体は、一旦矢印Ｃ方向（重力方向）内方に沿って流動した後、矢印Ｂ方向（水平方向）に移動して電解質膜・電極構造体３６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、一対の冷却媒体排出連通孔４６ｂに排出される。

この場合、第１の実施形態では、積層体１４の積層方向両端部に、第１端部セル１６ａ及び第２端部セル１６ｂが配設されている。このため、第１端部セル１６ａ及び第２端部セル１６ｂでは、冷却媒体流路６２が閉塞された断熱空間を構成している。従って、特に、低温始動時に積層体１４の端部に配置されている発電セル１２の昇温遅れや、前記発電セル１２の電圧低下を有効に阻止することができる。

しかも、第１端部セル１６ａは、図６及び図７に示すように、発電セル１２を構成する第２金属セパレータ４０と同一構成の端部セパレータである第２金属セパレータ８４を使用している。具体的には、発電セル１２を構成する第２金属セパレータ４０が製造された後、前記第２金属セパレータ４０に別部材である上側閉塞シール９２ａ及び下側閉塞シール９２ｂが接着等により固定されることにより、第１端部セル１６ａを構成する第２金属セパレータ８４が製造されている。

その際、上側閉塞シール９２ａは、内側流路部７４ａと外側流路部７４ｂとの間に配置されるだけで、冷却媒体流路６２と上部側の冷却媒体供給連通孔４６ａとを閉塞することができる。さらに、上側閉塞シール９２ａは、内側流路部７６ａと外側流路部７６ｂとの間に配置されるだけで、冷却媒体流路６２と上部側の冷却媒体排出連通孔４６ｂとを閉塞することが可能になる。従って、上側閉塞シール９２ａは、第２金属セパレータ８４の所望の部位に、簡単な作業で良好に設けることができ、作業性が有効に向上するという利点がある。

同様に、下側閉塞シール９２ｂは、内側流路部７４ａと外側流路部７４ｂとの間に配置されるだけで、冷却媒体流路６２と下部側の冷却媒体供給連通孔４６ａとを閉塞することができる。さらに、下側閉塞シール９２ｂは、内側流路部７６ａと外側流路部７６ｂとの間に配置されるだけで、冷却媒体流路６２と下部側の冷却媒体排出連通孔４６ｂとを閉塞することが可能になる。従って、下側閉塞シール９２ｂは、第２金属セパレータ８４の所望の部位に、簡単な作業で良好に設けることができ、作業性が有効に向上するという利点がある。

これにより、第１端部セル１６ａは、発電セル１２とセパレータの共用化を図ることができ、前記セパレータの成形装置を削減することが可能になる。しかも、冷却媒体流路６２を確実に閉塞することができる。このため、燃料電池スタック１０全体を経済的且つ良好に構成することが可能になる。

図１０は、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端部セル１００の要部分解斜視説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０を構成する第１端部セル１６ａ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。

端部セル１００は、ダミー電極構造体８２と、前記ダミー電極構造体８２を挟持する第１金属セパレータ３８及び第２金属セパレータ（端部セパレータ）１０２とを備える。

第２金属セパレータ１０２は、上記の第２金属セパレータ８４と略同一に構成される。第２金属セパレータ１０２では、２分割された上側閉塞シール９２ａ１及び９２ａ２と、２分割された下側閉塞シール９２ｂ１及び９２ｂ２とが設けられる。

図１１に示すように、上側閉塞シール９２ａ１は、外側ガイド部７５ｂに密着して液密性を確保した状態で、入口バッファ部６４ａの上部近傍から冷却媒体流路６２の流れ方向中央近傍まで、矢印Ｂ方向に延在する長尺なライン状を有する。上側閉塞シール９２ａ２は、外側ガイド部７７ｂに密着して液密性を確保した状態で、出口バッファ部６４ｂの上部近傍から冷却媒体流路６２の流れ方向中央近傍まで、矢印Ｂ方向に延在する長尺なライン状を有する。上側閉塞シール９２ａ１と上側閉塞シール９２ａ２とは、内側凸状シール部６８ｂｉと外側凸状シール部６８ｂｏとの間で互いに所定の間隔だけ離間して配置される。

下側閉塞シール９２ｂ１は、外側ガイド部７５ｂに密着して液密性を確保した状態で、入口バッファ部６４ａの下部近傍から冷却媒体流路６２の流れ方向中央近傍まで、矢印Ｂ方向に延在する長尺なライン状を有する。下側閉塞シール９２ｂ２は、外側ガイド部７７ｂに密着して液密性を確保した状態で、出口バッファ部６４ｂの下部近傍から冷却媒体流路６２の流れ方向中央近傍まで、矢印Ｂ方向に延在する長尺なライン状を有する。下側閉塞シール９２ｂ１と下側閉塞シール９２ｂ２とは、内側凸状シール部６８ｂｉと外側凸状シール部６８ｂｏとの間で互いに所定の間隔だけ離間して配置される。

このように構成される第２の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。さらに、２分割された上側閉塞シール９２ａ１及び９２ａ２と、２分割された下側閉塞シール９２ｂ１及び９２ｂ２とを設けており、これらの接着時の作業性が一層向上するという利点がある。

図１２は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する発電セル１２０の要部分解斜視説明図である。

発電セル１２０は、電解質膜・電極構造体１２２と、この電解質膜・電極構造体１２２を挟持する第１金属セパレータ３８及び第２金属セパレータ１２４とを備える。電解質膜・電極構造体１２２は、固体高分子電解質膜４８と、前記固体高分子電解質膜４８を挟持するアノード電極（一方の電極）５２及びカソード電極（他方の電極）５０とを備える。アノード電極５２は、カソード電極５０及び固体高分子電解質膜４８よりも小さな平面寸法（表面積）を有し、所謂、段差ＭＥＡを構成する。

第２金属セパレータ１２４には、燃料ガス供給連通孔４４ａを燃料ガス流路５８に連通する供給孔部１２６と、前記燃料ガス流路５８を燃料ガス排出連通孔４４ｂに連通する排出孔部１２８とが形成される。

図１３に示すように、発電セル１２０では、内側シールライン７８ａ、８０ａは、電解質膜・電極構造体１２２を構成する固体高分子電解質膜４８と第２金属セパレータ１２４との間に対応して配置され、且つ、外側シールライン７８ｂ、８０ｂは、前記電解質膜・電極構造体１２２の外方に位置し前記第２金属セパレータ１２４と第１金属セパレータ３８との間に対応して配置される。

図示しないが、第３の実施形態では、端部セルは、発電セル１２０を構成する電解質膜・電極構造体１２２に対応するダミー電極構造体と、前記ダミー電極構造体を挟持する第１金属セパレータ３８及び第２金属セパレータ（端部セパレータ、第２金属セパレータ１２４に上側閉塞シール及び下側閉塞シールを個別に設けた構成）とを備える。

従って、第３の実施形態では、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

１０…燃料電池スタック １２、１２０…発電セル
１４…積層体 １６ａ、１６ｂ、１００…端部セル
３６、１２２…電解質膜・電極構造体
３８、４０、８４、１０２、１２４…金属セパレータ
４２ａ…酸化剤ガス供給連通孔 ４２ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
４４ａ…燃料ガス供給連通孔 ４４ｂ…燃料ガス排出連通孔
４６ａ…冷却媒体供給連通孔 ４６ｂ…冷却媒体排出連通孔
４８…固体高分子電解質膜 ５０…カソード電極
５２…アノード電極 ５４…酸化剤ガス流路
５８…燃料ガス流路 ６２…冷却媒体流路
６６、６８…シール部材 ６８ｂｉ…内側凸状シール部
６８ｂｏ…外側凸状シール部 ７４…入口連結流路
７４ａ、７６ａ…内側流路部 ７４ｂ、７６ｂ…外側流路部
７６…出口連結流路 ７８ａ、８０ａ…内側シールライン
７８ｂ、８０ｂ…外側シールライン ８２…ダミー電極構造体
８６…金属プレート
９２ａ、９２ａ１、９２ａ２…上側閉塞シール
９２ｂ、９２ｂ１、９２ｂ２…下側閉塞シール

Claims (3)

1. 電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルが積層されるとともに、前記セパレータには、発電面に沿って反応ガスを流す反応ガス流路及び冷却媒体を流す冷却媒体流路と、前記反応ガス流路に連通し且つ積層方向に貫通する反応ガス連通孔、及び前記冷却媒体流路に連通し且つ前記積層方向に貫通する冷却媒体連通孔が形成される積層体を備え、前記積層体の両端には、ターミナルプレート、絶縁プレート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、前記積層体と前記ターミナルプレートとの間に位置し、前記発電セルに対応して配設される端部セルを備え、
   前記端部セルは、前記発電セルを構成する前記セパレータと同一構成の端部セパレータを有し、
   前記セパレータ及び前記端部セパレータは、前記冷却媒体流路と前記冷却媒体連通孔とを連結する連結流路がシール部材により形成されるとともに、前記連結流路は、内側シールラインと外側シールラインとの間で内側流路部と外側流路部とに２分割され、
   前記端部セパレータにのみ、前記内側流路部と前記外側流路部との間に位置して前記冷却媒体流路と前記冷却媒体連通孔とを閉塞する別体の凸状閉塞シールが設けら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、前記端部セルは、前記電解質に対応する導電性プレートを有するダミー電解質・電極構造体を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池スタックにおいて、前記電解質・電極構造体は、一方の電極が他方の電極及び前記電解質よりも平面寸法が小さく設定されるとともに、
   前記内側シールラインは、前記電解質と一方の前記セパレータとの間に配置され、且つ、前記外側シールラインは、一対の前記セパレータ間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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