JP2015111545A

JP2015111545A - 燃料電池スタック

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Publication number: JP2015111545A
Application number: JP2014103520A
Authority: JP
Inventors: 浅野　裕次; Yuji Asano; 裕次浅野; 亨岩成; Toru Iwanari; 宮島　一嘉; Kazuyoshi Miyajima; 一嘉宮島; 岡野　竜; Tatsu Okano; 竜岡野
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2013-11-06
Filing date: 2014-05-19
Publication date: 2015-06-18
Anticipated expiration: 2034-05-19
Also published as: JP6231942B2

Abstract

【課題】簡単且つコンパクトな構成で、端部発電セルの温度低下を確実に阻止するとともに、暖機を良好に遂行することを可能にする。
【解決手段】燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１２が積層される積層体１４の両端部に、エンドプレート２０ａ、２０ｂが配設される。エンドプレート２０ｂには、ヒートパイプ構造体７０が設けられる。ヒートパイプ構造体７０は、冷却媒体出口連通孔４０ｂに配置され、冷却媒体から受熱する受熱部７２と、エンドプレート２０ｂ内に埋設され、前記受熱部７２で受熱した熱を放出する放熱部７４とを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、電解質の両側に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、複数積層される積層体を備え、前記積層体の積層方向両側には、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）及び多孔質カーボン（ガス拡散層）を有するアノード電極とカソード電極とを配設した電解質膜・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（バイポーラ板）間に挟持されることにより発電セルが構成されている。燃料電池は、発電セルを所定の数だけ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、電力取り出し用ターミナルプレート（集電板）や、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なる。このため、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が知られている。この燃料電池では、図２２に示すように、セル１の積層体の各端部には、エンドプレート２ａ、２ｂが配置されている。燃料電池内には、冷却システム３が設けられている。冷却システム３は、各セル１内を積層方向に延在する循環ダクト４を備えるとともに、前記循環ダクト４には、流体ポンプ５を介して冷却材が循環供給されている。

エンドプレート２ａ、２ｂの外方には、熱取り出し手段６が配設される。各熱取り出し手段６は、複数本のヒートパイプ７を備えるとともに、前記ヒートパイプ７は、エンドプレート２ａ、２ｂ内に挿入されている。ヒートパイプ７は、エンドプレート２ａ、２ｂの内部を循環ダクト４に沿って流通する冷却材の熱を受熱し、セル１の冷却を迅速に行うことができる、としている。

特表２０１２−５２６３６６号公報

しかしながら、上記の燃料電池では、エンドプレート２ａ、２ｂの外方に、それぞれ複数本のヒートパイプ７を備えた熱取り出し手段６が配設されている。このため、システム全体は、セル１の積層方向に沿って相当に長尺化されるという問題がある。

しかも、燃料電池の暖機時には、エンドプレート２ａ、２ｂからヒートパイプ７に受熱されてしまう。これにより、特に端部に配置されるセル１では、暖機時の保温が困難にな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、簡単且つコンパクトな構成で、端部発電セルの温度低下を確実に阻止するとともに、暖機を良好に遂行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電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルが、複数積層される積層体を備えている。燃料電池スタックは、積層体の積層方向に延在して燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体である流体を流通させる流体連通孔が形成されている。積層体の積層方向両側には、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ている。

そして、少なくとも一方のエンドプレート側には、前記一方のエンドプレートの外面より積層方向内側に位置してヒートパイプ構造体が設けられている。ヒートパイプ構造体は、流体連通孔に配置され、流体から受熱する受熱部と、発電セルの発電面に平行な面方向に沿って延在し、前記受熱部で受熱した熱を放出する放熱部とを備えている。

また、この燃料電池スタックでは、放熱部は、一方のエンドプレートの内部、一方のターミナルプレートの内部、一方のインシュレータの内部、前記一方のエンドプレートの表面、前記一方のターミナルプレートの表面又は前記一方のインシュレータの表面に沿って設けられる複数本のヒートパイプ又は平面型ヒートパイプ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、流体連通孔は、使用前の流体を流通させる流体入口連通孔と、使用後の前記流体を流通させる流体出口連通孔とを有し、受熱部は、前記流体出口連通孔に配置されることが好ましい。

さらにまた、この燃料電池スタックでは、放熱部が配置される放熱部配置部位には、該放熱部の外周との間に伝熱用媒体が充填されることが好ましい。

本発明によれば、ヒートパイプ構造体では、冷却媒体又は反応ガスを流通させる流体連通孔から受熱部に受熱され、発電面に平行な面方向に沿って放熱部から放熱している。このため、燃料電池スタックの積層方向端部は、特に積層体の端部に配置される端部発電セルは、発電時の中央側の発電セルの温度と同等の温度に保温されている。

さらに、放熱部近傍の温度が、流体連通孔の流体温度よりも低温であると、熱交換が行われる。すなわち、ヒートパイプ構造体は、熱ダイオードとしての機能を有する。従って、暖機時にも良好に保温することができる。これにより、簡単且つコンパクトな構成で、端部発電セルの温度低下を確実に阻止するとともに、暖機を良好に遂行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斜視説明図である。前記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２中、ＩＩＩ−ＩＩＩ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。前記燃料電池スタックを構成するヒートパイプ構造体の正面説明図である。前記ヒートパイプ構造体の斜視説明図である。本実施例１と比較例１及び２の冷媒出口における端部温度変化の比較説明図である。本実施例２と比較例１及び２の酸化剤ガス出口における端部温度変化の比較説明図である。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ヒートパイプ構造体の正面説明図である。前記ヒートパイプ構造体の斜視説明図である。前記ヒートパイプ構造体を埋設したエンドプレートの断面説明図である。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ヒートパイプ構造体の正面説明図である。前記ヒートパイプ構造体の斜視説明図である。本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒートパイプ構造体の斜視説明図である。本発明の第５の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒートパイプ構造体の側面説明図である。本発明の第６の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒートパイプ構造体の断面説明図である。本発明の第７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１７中、ＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ線側面図である。ヒートパイプ構造体の有無によるターミナルプレートの温度説明図である。前記燃料電池スタック内の各部位における温度説明図である。本発明の第８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。特許文献１に開示されている燃料電池の説明図である。

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、例えば、図示しない燃料電池電気自動車に搭載される車載用燃料電池スタックとして使用される。

燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１２が水平方向（矢印Ａ方向）又は鉛直方向（矢印Ｃ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、ターミナルプレート１６ａ、インシュレータ（絶縁プレート）１８ａ及びエンドプレート２０ａが積層方向外方に向かって、順次、配設される（図２参照）。積層体１４の積層方向他端には、ターミナルプレート１６ｂ、インシュレータ（絶縁プレート）１８ｂ及びエンドプレート２０ｂが積層方向外方に向かって、順次、配設される。

図１に示すように、エンドプレート２０ａ、２０ｂは、金属材又は樹脂材で構成され、横長（縦長でもよい）の長方形状を有するとともに、各辺間には、連結バー２４が配置される。各連結バー２４は、両端をエンドプレート２０ａ、２０ｂの面内にボルト２６を介して固定され、複数の積層された発電セル１２に積層方向（矢印Ａ方向）の締め付け荷重を付与する。なお、燃料電池スタック１０では、エンドプレート２０ａ、２０ｂを端板とする筐体を備え、前記筐体内に積層体１４を収容するように構成してもよい。

発電セル１２は、図３及び図４に示すように、電解質膜・電極構造体３０が、第１セパレータ（カソードセパレータ）３２及び第２セパレータ（アノードセパレータ）３４に挟持される。第１セパレータ３２及び第２セパレータ３４は、例えば、カーボンセパレータにより構成される。なお、第１セパレータ３２及び第２セパレータ３４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、あるいは金属薄板を波形にプレス成形した金属セパレータを採用してもよい。

発電セル１２の矢印Ｂ方向（図４中、水平方向）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、酸化剤ガス入口連通孔（流体連通孔）３６ａ及び燃料ガス出口連通孔（流体連通孔）３８ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。酸化剤ガス入口連通孔３６ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する一方、燃料ガス出口連通孔３８ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。

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）３８ａ、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）３６ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

発電セル１２の矢印Ｃ方向の上端縁部には、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）４０ａが設けられる。発電セル１２の矢印Ｃ方向の下端縁部には、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）４０ｂが設けられる。

第１セパレータ３２の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３２ａには、酸化剤ガス入口連通孔３６ａと酸化剤ガス出口連通孔３６ｂとに連通する酸化剤ガス流路４２が設けられる。酸化剤ガス流路４２は、水平方向（矢印Ｂ方向）に延在する複数本の流路溝４２ａを有する。

第２セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３４ａには、燃料ガス入口連通孔３８ａと燃料ガス出口連通孔３８ｂとに連通する燃料ガス流路４４が設けられる。燃料ガス流路４４は、水平方向（矢印Ｂ方向）に延在する複数本の流路溝４４ａを有する。

互いに隣接する発電セル１２を構成する第１セパレータ３２の面３２ｂと、第２セパレータ３４の面３４ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔４０ａと冷却媒体出口連通孔４０ｂとを連通する冷却媒体流路４６が設けられる。冷却媒体流路４６は、鉛直方向（矢印Ｃ方向）に延在する複数本の流路溝４６ａを有する。

第１セパレータ３２と第２セパレータ３４とには、第１シール部材４８と第２シール部材５０とが、一体的又は個別に設けられる。第１シール部材４８及び第２シール部材５０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使用される。

電解質膜・電極構造体３０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５２と、前記固体高分子電解質膜５２を挟持するカソード電極５４及びアノード電極５６とを備える。

固体高分子電解質膜５２は、カソード電極５４及びアノード電極５６よりも大きな平面寸法を有している。なお、カソード電極５４とアノード電極５６とは、同一の表面寸法に設定されているが、互いに異なる平面寸法に設定される、所謂、段差ＭＥＡを構成してもよい。

カソード電極５４及びアノード電極５６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、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とを有する。電極触媒層は、例えば、固体高分子電解質膜５２の両面に形成されている。

図２に示すように、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの略中央には、積層方向外方に延在する端子部５８ａ、５８ｂが設けられる。端子部５８ａは、絶縁性筒体６０に挿入されて、インシュレータ１８ａの孔部６２ａ及びエンドプレート２０ａの孔部６４ａを貫通して前記エンドプレート２０ａの外部に突出する。端子部５８ｂは、絶縁性筒体６０に挿入されて、インシュレータ１８ｂの孔部６２ｂ及びエンドプレート２０ｂの孔部６４ｂを貫通して前記エンドプレート２０ｂの外部に突出する。

インシュレータ１８ａ、１８ｂは、電気絶縁性材料、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る。インシュレータ１８ａ、１８ｂは、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂと同一の平面寸法に設定される。

エンドプレート２０ａの中央部には、ターミナルプレート１６ａ及びインシュレータ１８ａを収容する矩形状の凹部６６ａが形成され、前記凹部６６ａの中央に孔部６４ａが連通する。エンドプレート２０ｂの中央部には、ターミナルプレート１６ｂ及びインシュレータ１８ｂを収容する矩形状の凹部６６ｂが形成され、前記凹部６６ｂの中央に孔部６４ｂが連通する。エンドプレート２０ｂの内部には、すなわち、一方のエンドプレートである前記エンドプレート２０ｂの外面より積層方向内側に位置して、ヒートパイプ構造体７０が設けられる。なお、エンドプレート２０ａ側にも、ヒートパイプ構造体７０を設けてもよい。

図５及び図６に示すように、ヒートパイプ構造体７０は、発電セル１２の冷却媒体出口連通孔（流体連通孔）４０ｂに配置され、冷却媒体（流体）から受熱する１本以上の受熱部７２を備える。受熱部７２は、矢印Ａ方向（積層方向）に所定の長さを有するとともに、冷却媒体出口連通孔４０ｂの形状に対応して扁平柱形状を有しているが、例えば、円柱形状であってもよい。

なお、受熱部７２の配置部位は、冷却媒体出口連通孔４０ｂに限定されるものではない。受熱部７２は、冷却媒体入口連通孔４０ａ、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂ、燃料ガス出口連通孔３８ｂ、酸化剤ガス入口連通孔３６ａ又は燃料ガス入口連通孔３８ａに配置してもよい。以下に説明する第２以降の実施形態でも、同様である。

受熱部７２のエンドプレート２０ｂ内に埋設される端部には、前記受熱部７２で受熱した熱を放出する複数本の扁平柱形状（又は円柱形状）の放熱部７４が連結される。各放熱部７４は、複数本の扁平柱形状又は円柱形状を有し、発電セル１２の発電面に平行な面方向に沿って、すなわち、エンドプレート面に沿って互いに拡開するように延在してエンドプレート２０ｂ内に埋設される。なお、放熱部７４の形状は、エンドプレート２０ｂの中に全面に亘って設けられればよく、本形状に限定されない。

ヒートパイプ構造体７０は、密閉容器を構成しており、図示しないが、高温部である受熱部７２の内壁で作動液が熱を吸収して蒸発すると、作動液蒸気が空洞を通って低温部である各放熱部７４に移動する。放熱部７４で冷却された作動液蒸気は、凝集して液体に戻り、内壁のウィック（毛細管構造の芯）に吸収される。さらに、作動液は、ウィックを伝わって受熱部７２に戻される。受熱部７２は、放熱部７４よりも重力方向下方に配置されることが好ましい。凝縮した液体が、重力の作用で受熱部７２に戻るからである。

図１に示すように、エンドプレート２０ａには、酸化剤ガス入口連通孔３６ａ、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂ、燃料ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス出口連通孔３８ｂ、冷却媒体入口連通孔４０ａ及び冷却媒体出口連通孔４０ｂが形成される。なお、エンドプレート２０ａとエンドプレート２０ｂとには、所定の連通孔を振り分けて形成してもよい。例えば、一方のエンドプレート（エンドプレート２０ａ又は２０ｂ）に、酸化剤ガス入口連通孔３６ａ、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂ、燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂを設けることができる。その際、他方のエンドプレート（エンドプレート２０ｂ又は２０ａ）に、冷却媒体入口連通孔４０ａ及び冷却媒体出口連通孔４０ｂを設けることができる。

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、酸素含有ガス等の酸化剤ガスは、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス入口連通孔３６ａに供給される。水素含有ガス等の燃料ガスは、エンドプレート２０ａの燃料ガス入口連通孔３８ａに供給される。純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体は、エンドプレート２０ａの冷却媒体入口連通孔４０ａに供給される。

図４に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３６ａから第１セパレータ３２の酸化剤ガス流路４２に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４２に沿って水平方向（矢印Ｂ方向）に流動しながら、電解質膜・電極構造体３０を構成するカソード電極５４に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３８ａから第２セパレータ３４の燃料ガス流路４４に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路４４に沿って水平方向（矢印Ｂ方向）に流動しながら、電解質膜・電極構造体３０を構成するアノード電極５６に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体３０では、カソード電極５４に供給される酸化剤ガスと、アノード電極５６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、カソード電極５４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３６ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。一方、アノード電極５６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３８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体入口連通孔４０ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ３２及び第２セパレータ３４間の冷却媒体流路４６に導入された後、矢印Ｃ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体３０を冷却した後、冷却媒体出口連通孔４０ｂから排出される。

この場合、第１の実施形態では、図３及び図６に示すように、ヒートパイプ構造体７０を構成する受熱部７２は、冷却媒体出口連通孔４０ｂの奥側（エンドプレート２０ｂ側）に挿入されている。このため、受熱部７２は、冷却媒体出口連通孔４０ｂを流通する使用後の冷却媒体、すなわち、各発電セル１２を冷却して昇温された冷却媒体から受熱することができる。

そして、受熱部７２で受熱した熱は、エンドプレート２０ｂ内に埋設された複数本の放熱部７４から前記エンドプレート２０ｂの面内に放熱されている（図５参照）。従って、燃料電池スタック１０の積層方向端部であるエンドプレート２０ｂが加温され、特に積層体１４の端部に配置される端部発電セル１２ｅ（図３参照）は、発電時の中央側の発電セル１２の温度と同等の温度で保温される。

さらに、ヒートパイプ構造体７０では、放熱部７４の近傍の温度、すなわち、エンドプレート２０ｂの温度が、冷却媒体出口連通孔４０ｂの冷却媒体温度よりも低温であると、熱交換が行われる。すなわち、ヒートパイプ構造体７０は、熱ダイオードとしての機能を有する。従って、暖機時にも良好に保温することができる。

ここで、ヒートパイプ構造体７０を採用する本実施例１と、燃料電池スタック端部に放熱対策を施さない比較例１と、前記燃料電池スタック端部に冷却媒体を循環させる比較例２とを用いて、端部温度変化を比較する実験を行った。その結果、図７に示すように、本実施例１では、暖機開始から冷却媒体出口連通孔４０ｂを流通する冷却媒体の温度が上昇するのに伴って、端部温度が上昇している。これにより、本実施例１では、比較例１及び比較例２に比べて、比較的短時間で端部温度が所望の温度まで昇温することが可能になるという結果が得られた。

一方、ヒートパイプ構造体７０を、冷却媒体出口連通孔４０ｂに代えて酸化剤ガス出口連通孔３６ｂに挿入した本実施例２を用いて、同様の実験を行った。その結果、図８に示すように、本実施例２では、比較例１及び比較例２に比べて、比較的短時間で端部温度が所望の温度まで昇温することができた。

これにより、第１の実施形態では、簡単且つコンパクトな構成で、特に積層方向端部に配置されている端部発電セル１２ｅの温度低下を確実に阻止するとともに、暖機を良好に遂行することが可能になるという効果が得られる。

図９〜図１１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を構成するヒートパイプ構造体８０は、例えば、エンドプレート２０ｂの内部に埋設される。

なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０を構成するヒートパイプ構造体７０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以降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。

ヒートパイプ構造体８０は、エンドプレート２０ｂに形成されて発電セル１２の冷却媒体出口連通孔４０ｂに連通する冷却媒体出口凹部４０ｂｅに配置され、冷却媒体（流体）から受熱する、例えば、３本の受熱部８２を備える。受熱部８２は、エンドプレート２０ｂ内に埋設され、下方に延在して冷却媒体出口連通孔４０ｂの上部側に臨む。受熱部８２の上端側には、複数本の放熱部７４が連結される。受熱部８２は、放熱部７４と同一の厚さを有する。

このように構成される第２の実施形態では、受熱部８２は、冷却媒体出口連通孔４０ｂを流通する使用後の冷却媒体から受熱することができる。これにより、簡単且つコンパクトな構成で、発電セル１２の温度低下を確実に阻止するとともに、暖機を良好に遂行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。

図１２及び図１３に示すように、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ヒートパイプ構造体９０は、例えば、エンドプレート２０ｂの内部に埋設される。

ヒートパイプ構造体９０は、発電セル１２の冷却媒体出口連通孔４０ｂに配置され、冷却媒体（流体）から受熱する、例えば、２本の受熱部９２を備える。受熱部９２は、矢印Ａ方向（積層方向）に所定の長さを有するとともに、冷却媒体出口連通孔４０ｂの形状に対応して扁平柱形状を有しているが、例えば、円柱形状であってもよい。

各受熱部９２のエンドプレート２０ｂ内に埋設される端部には、放熱部９４が連結される。放熱部９４は、それぞれ平面型ヒートパイプであり、内部には、図示しないがウィック構造が設けられる。放熱部９４の内部には、仕切りを設けてもよい。各放熱部９４は、矩形状を有し、エンドプレート２０ｂの孔部６４ｂに干渉しない位置に並列される。なお、エンドプレート２０ｂに孔部６４ｂが設けられない場合には、単一の放熱部９４を使用してもよい。

このように構成される第３の実施形態では、第１及び第２の実施形態の複数本の筒扁平柱形状（又は円柱形状）のヒートパイプに代えて、平面型ヒートパイプを採用している。このため、簡単且つコンパクトな構成で、発電セル１２の温度低下を確実に阻止するとともに、暖機を良好に遂行することが可能になる等、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。

図１４に示すように、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒートパイプ構造体１００は、例えば、エンドプレート２０ｂの内部に埋設される。

ヒートパイプ構造体１００は、エンドプレート２０ｂに形成されて発電セル１２の冷却媒体出口連通孔４０ｂに連通する冷却媒体出口凹部４０ｂｅに配置され、冷却媒体（流体）から受熱する、例えば、２本の受熱部１０２を備える。各受熱部１０２には、エンドプレート２０ｂ内に埋設された平面型ヒートパイプである放熱部９４が連結される。受熱部１０２は、放熱部９４と同一の厚さを有する。

このように構成される第４の実施形態では、簡単且つコンパクトな構成で、発電セル１２の温度低下を確実に阻止するとともに、暖機を良好に遂行することが可能になる等、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。

図１５に示すように、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒートパイプ構造体１０４は、例えば、エンドプレート２０ｂの内部に埋設される。

ヒートパイプ構造体１０４は、冷却媒体出口凹部４０ｂｅに配置される受熱部１０６ａと、エンドプレート２０ｂに埋設される放熱部１０６ｂとを一体に備える。放熱部１０６ｂが配置される放熱部配置部位であるエンドプレート２０ｂ内には、前記放熱部１０６ｂの外周との間に室１０８が形成され、前記室１０８には、伝熱用媒体、第５の実施形態では、冷却媒体が充填される。なお、伝熱用媒体としては、冷却媒体の他、所望の伝熱機能を有するものであれば種々用いることができ、流体の他、固体（樹脂やゴム、金属、ガラス等）であってもよい。

このように構成される第５の実施形態では、放熱部１０６ｂの外周とエンドプレート２０ｂとの間に空間部が存在することがなく、伝熱用媒体により充填されている。このため、放熱部１０６ｂからエンドプレート２０ｂに良好に伝熱させることができ、前記エンドプレート２０ｂを一層効率的に加温することが可能になる。なお、上記の第１〜第４の実施形態及び以下に説明する第６以降の実施形態においても、第５の実施形態と同様に構成してもよい。

上記の第１〜第５の実施形態では、エンドプレート２０ｂ内に埋設されたヒートパイプ構造体について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、図１６に示すように、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池スタック１１０は、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂがインシュレータ１８ａ、１８ｂに形成された凹部１１２ａ、１１２ｂに収容される。インシュレータ１８ａ、１８ｂは、積層体１４と略同一の外形寸法を有する。

インシュレータ１８ｂとエンドプレート２０ｂとの間には、ヒートパイプ構造体１１４が介装される。ヒートパイプ構造体１１４は、プレート部材１１６を備え、前記プレート部材１１６内に受熱部１１８及び放熱部１２０が埋設される。受熱部１１８は、矢印Ａ方向（積層方向）に所定の長さを有するとともに、冷却媒体出口連通孔４０ｂの形状に対応して扁平柱形状を有しているが、例えば、円柱形状であってもよい。

また、プレート部材１１６には、冷却媒体出口連通孔４０ｂに連通する冷却媒体出口凹部４０ｂｅを形成するとともに、矢印Ｃ方向に延在して前記冷却媒体出口凹部４０ｂｅに臨む受熱部１１８ａを、受熱部１１８に代えて用いてもよい。

受熱部１１８には、放熱部１２０が接続されるとともに、前記放熱部１２０は、例えば、複数本の筒状ヒートパイプ（例えば、放熱部７４と同一構成）を採用してもよく、また、平面型ヒートパイプ（放熱部９４と同一構成）を採用してもよい。

このように構成される第６の実施形態では、簡単且つコンパクトな構成で、発電セル１２の温度低下を確実に阻止するとともに、暖機を良好に遂行することが可能になる等、上記の第１〜第５の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、第６の実施形態では、ヒートパイプ構造体１１４は、個別のプレート部材１１６を備えているが、これに限定されるものではない。例えば、エンドプレート２０ｂの積層体１４側の面に凹部を形成し、前記凹部に放熱部１２０を直接配置してもよい。また、ヒートパイプは、インシュレータ、ターミナルプレート又はエンドプレートの内部に埋設してもよい。ヒートパイプを埋設する際には、外側に樹脂部材を一体成形してもよい。

図１７に示すように、本発明の第７の実施形態に係る燃料電池スタック１３０は、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂがインシュレータ１８ａ、１８ｂに形成された凹部１３２ａ、１３２ｂに収容される。インシュレータ１８ａ、１８ｂは、積層体１４と略同一の外形寸法を有する。

図１７及び図１８に示すように、ターミナルプレート１６ｂの内部には、ヒートパイプ構造体１３４が設けられる。ヒートパイプ構造体１３４は、一対の受熱部１３６を備え、前記一対の受熱部１３６が冷却媒体出口連通孔４０ｂに配設される。各受熱部１３６には、放熱部１３８が一体に設けられるとともに、各放熱部１３８は、ターミナルプレート１６ｂの内部に埋設される。各放熱部１３８の外周とターミナルプレート１６ｂの隙間には、伝熱用媒体を充填してもよい（第５の実施形態参照）。ヒートパイプ構造体１３４の形状や本数は、第７の実施形態に限定されるものではなく、例えば、湾曲形状や屈曲形状を有していてもよい。

なお、ターミナルプレート１６ｂに凹部を形成し、前記凹部に放熱部１３８を配置してもよい。また、放熱部１３８は、インシュレータ１８ｂの凹部１３２ｂを形成する平坦面に一部を埋設し、前記ターミナルプレート１６ｂの表面に直接接触させてもよい。

このように構成される燃料電池スタック１３０では、冷却媒体出口連通孔４０ｂを流通する冷却媒体により受熱部１３６で受熱した熱は、放熱部１３８からターミナルプレート１６ｂの内部に直接放熱されている。従って、ターミナルプレート１６ｂを迅速に加温させることができ、積層体１４の端部からの放熱を良好に抑制することが可能になる。

図１９には、ヒートパイプ構造体１３４の有無によるターミナルプレート１６ｂの温度（代表温度）の比較結果が示されている。ヒートパイプ構造体１３４が用いられた場合、ターミナルプレート１６ｂの温度は、冷却媒体入口温度と冷却媒体出口温度との間、すなわち、適正ＭＥＡ温度範囲内に昇温されている。一方、ヒートパイプ構造体１３４が用いられない場合には、ターミナルプレート１６ｂの温度は、冷却媒体入口温度未満、すなわち、適正ＭＥＡ温度範囲未満となっている。

さらに、図２０に示すように、ヒートパイプ構造体１３４の有無による燃料電池スタック１３０の各部位の温度（代表温度）が検出された。その結果、ヒートパイプ構造体１３４が用いられた場合には、燃料電池スタック１３０の内部からエンドプレート２０ｂの外面に至る間、適正ＭＥＡ温度範囲内に維持されている。一方、ヒートパイプ構造体１３４が用いられない場合には、燃料電池スタック１３０の内部温度に比べて、端部発電セル１２ｅから外方の温度が適正ＭＥＡ温度範囲未満になっている。

これにより、第７の実施形態では、簡単且つコンパクトな構成で、特に積層方向端部に配置されている端部発電セル１２ｅの温度低下を確実に阻止することができる等、上記の第１〜第６の実施形態と同様の効果が得られる。

図２１に示すように、本発明の第８の実施形態に係る燃料電池スタック１４０は、第７の実施形態に係る燃料電池スタック１３０と同様に、インシュレータ１８ａ、１８ｂの凹部１３２ａ、１３２ｂにターミナルプレート１６ａ、１６ｂが収容される。ターミナルプレート１６ａ、１６ｂは、端子部５８ａ、５８ｂに代えて端子板１４２ａ、１４２ｂを設ける。端子板１４２ａ、１４２ｂは、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの一辺から面方向外方に突出し、インシュレータ１８ａ、１８ｂの切り欠き部１４４ａ、１４４ｂから外方に突出する。

ターミナルプレート１６ｂの内部には、ヒートパイプ構造体１３４が設けられる。ヒートパイプ構造体１３４は、第７の実施形態と同様であり、その詳細な説明は省略する。

このように構成される第８の実施形態では、ターミナルプレート１６ｂの内部にヒートパイプ構造体１３４が埋設されており、上記の第７の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、１１０、１３０、１４０…燃料電池スタック
１２…発電セル１４…積層体
１６ａ、１６ｂ…ターミナルプレート１８ａ、１８ｂ…インシュレータ
２０ａ、２０ｂ…エンドプレート３０…電解質膜・電極構造体
３２、３４…セパレータ３６ａ…酸化剤ガス入口連通孔
３６ｂ…酸化剤ガス出口連通孔３８ａ…燃料ガス入口連通孔
３８ｂ…燃料ガス出口連通孔４０ａ…冷却媒体入口連通孔
４０ｂ…冷却媒体出口連通孔４２…酸化剤ガス流路
４４…燃料ガス流路４６…冷却媒体流路
４８、５０…シール部材５２…固体高分子電解質膜
５４…カソード電極５６…アノード電極
６６ａ、６６ｂ…凹部
７０、８０、９０、１００、１０４、１１４、１３４…ヒートパイプ構造体
７２、８２、９２、１０２、１０６ａ、１１８、１３６…受熱部
７４、９４、１０６ｂ、１２０、１３８…放熱部
１１６…プレート部材１４２ａ、１４２ｂ…端子板

Claims

電解質の両側に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、複数積層される積層体を備え、前記積層体の積層方向に延在して燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体である流体を流通させる流体連通孔が形成されるとともに、前記積層体の積層方向両側には、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、
少なくとも一方のエンドプレート側には、前記一方のエンドプレートの外面より積層方向内側に位置してヒートパイプ構造体が設けられるとともに、
前記ヒートパイプ構造体は、前記流体連通孔に配置され、前記流体から受熱する受熱部と、
前記発電セルの発電面に平行な面方向に沿って延在し、前記受熱部で受熱した熱を放出する放熱部と、
を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記放熱部は、前記一方のエンドプレートの内部、一方のターミナルプレートの内部、一方のインシュレータの内部、前記一方のエンドプレートの表面、前記一方のターミナルプレートの表面又は前記一方のインシュレータの表面に沿って設けられる複数本のヒートパイプ又は平面型ヒートパイプを備えることを特徴とする燃料電池スタック。
請求項１又は２記載の燃料電池スタックにおいて、前記流体連通孔は、使用前の前記流体を流通させる流体入口連通孔と、
使用後の前記流体を流通させる流体出口連通孔と、
を有し、
前記受熱部は、前記流体出口連通孔に配置されることを特徴とする燃料電池スタック。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記放熱部が配置される放熱部配置部位には、該放熱部の外周との間に伝熱用媒体が充填されることを特徴とする燃料電池スタック。