JP2016201184A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つ経済的な構成で、冷却媒体の流量配分や圧損を良好に調整することを可能にする。
【解決手段】燃料電池スタック１０では、第２エンドプレート１８ｂに冷却媒体供給マニホールド８４ａが取り付けられる。冷却媒体供給マニホールド８４ａは、一方の冷却媒体入口７２ａに連通する第１連通部９８ａと、他方の冷却媒体入口７２ａに連通する第２連通部１００ａと、流量調整機構９２ａと、を備える。流量調整機構９２ａは、第１連通部９８ａを流通する冷却媒体流量と第２連通部１００ａを流通する冷却媒体流量との割合を任意に調整可能である。
【選択図】図５

Description

本発明は、電解質膜の両側に電極が設けられる電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される単位セルを有し、複数の前記単位セルが積層されて積層方向両端に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、単位セル（発電セル）が構成されている。通常、所定の数の単位セルが積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池車両（燃料電池電気自動車等）に組み込まれている。

燃料電池スタックでは、セパレータの面内に、アノード電極に燃料ガスを流すための燃料ガス流路と、カソード電極に酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路とが設けられている。また、互いに隣接する単位セルのセパレータ間には、冷却媒体を流すための冷却媒体流路が、前記セパレータの面方向に沿って設けられている。

さらに、それぞれ積層方向に貫通して、燃料ガスを流通させる燃料ガス連通孔と、酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス連通孔と、冷却媒体を流通させる冷却媒体連通孔とが設けられた内部マニホールド型燃料電池スタックが採用されている。燃料ガス連通孔は、燃料ガス供給連通孔及び燃料ガス排出連通孔を有し、酸化剤ガス連通孔は、酸化剤ガス供給連通孔及び酸化剤ガス排出連通孔を有し、冷却媒体連通孔は、冷却媒体供給連通孔及び冷却媒体排出連通孔を有している。

内部マニホールド型燃料電池スタックを構成する単位セルでは、長方形状を有し、互いに対向する長辺側の２辺に、それぞれ積層方向に連通して一対の冷却媒体供給連通孔と一対の冷却媒体排出連通孔とが設けられている場合がある。例えば、特許文献１に開示されている燃料電池スタックでは、一方のエンドプレートには、一対の冷却媒体供給連通孔又は一対の冷却媒体排出連通孔のいずれかに連通する一対のマニホールド部が設けられている。そして、一対のマニホールド部同士は、長辺側に沿う幅寸法が前記一対のマニホールド部の寸法よりも小さく設定される連結部により連結されている。

このため、マニホールド部の内部容積及び重量が良好に削減され、前記マニホールド部内に流入する冷却媒体の圧損の増加を有効に抑制することができる、としている。

特開２０１１−５４４２５号公報

ところで、マニホールド部は、樹脂材により成形された後、エンドプレートに締結されている。この状態で、車載前に発電の検証が行われる場合がある。その際、一対の冷却媒体供給連通孔の冷却媒体流量の分配又は一対の冷却媒体排出連通孔の冷却媒体流量の分配が異なってしまう場合がある。このため、冷媒面内で均一な冷却媒体の流れが得られず、前記冷却媒体の流配状態を調整したいという要請がある。

そこで、マニホールド部に追加工を施すことが考えられるが、樹脂製の前記マニホールド部の追加工に多くの工数を要する。従って、マニホールド部を成形するための型部材を変更して調整する必要があり、設備コストが相当に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、冷却媒体の流量配分や圧損を良好に調整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、電解質膜の両側に電極が設けられる電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される単位セルを有し、複数の前記単位セルが積層されて積層方向両端にエンドプレートが配設されている。互いに隣接するセパレータ間には、セパレータ面に沿って冷却媒体を流通させる冷却媒体流路が形成されている。冷却媒体流路の入口側には、前記冷却媒体流路を流路幅方向に挟んで冷却媒体を供給する一対の冷却媒体連通孔が設けられている。冷却媒体流路の出口側には、前記冷却媒体流路を流路幅方向に挟んで冷却媒体を排出する一対の冷却媒体連通孔が設けられている。

一方のエンドプレートには、冷却媒体供給側又は冷却媒体排出側の一対の冷却媒体連通孔に連通する冷却媒体マニホールドが設けられている。冷却媒体マニホールドは、一対の冷却媒体連通孔の一方の冷却媒体連通孔に連通する第１連通部と、前記一対の冷却媒体連通孔の他方の冷却媒体連通孔に連通する第２連通部と、流量調整機構と、を備えている。

流量調整機構は、冷却媒体マニホールドの一方のエンドプレートに対する取り付け姿勢又は取り付け位置を調整することにより、第１連通部を流通する冷却媒体流量と第２連通部を流通する冷却媒体流量との割合を調整可能である。

また、この燃料電池スタックでは、冷却媒体マニホールドは、第１連通部と第２連通部との間に回転軸部を有することが好ましい。その際、冷却媒体マニホールドは、回転軸部を中心にして回転することにより、第１連通部を流通する冷却媒体流量と第２連通部を流通する冷却媒体流量との割合を調整することが好ましい。

本発明によれば、冷却媒体マニホールドの一方のエンドプレートに対する取り付け姿勢又は取り付け位置を調整するだけで、第１連通部を流通する冷却媒体流量と第２連通部を流通する冷却媒体流量との割合を任意に調整することができる。従って、第１連通部及び第２連通部の形状を変更させるために、冷却媒体マニホールドの成形型を変更して調整する必要がない。これにより、簡単且つ経済的な構成で、冷却媒体の流量配分や圧損を良好に調整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第２エンドプレート側からの斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの第１エンドプレート側からの一部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単位セルの要部分解斜視説明図である。 前記第２エンドプレートの正面説明図である。 前記燃料電池スタックの冷却媒体マニホールド側からの要部断面正面説明図である。 冷却媒体供給マニホールドが回転した状態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冷却媒体マニホールド側の一部断面正面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックの冷却媒体マニホールド側からの要部断面正面説明図である。

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、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、複数の単位セル１２が電極面を立位姿勢にして水平方向（矢印Ｂ方向）に積層された積層体１２ａｓを備える（図２参照）。

図２に示すように、単位セル１２の積層方向一端（積層体１２ａｓの一端）には、第１ターミナルプレート１４ａ、第１絶縁プレート１６ａ及び第１エンドプレート１８ａが、外方に向かって、順次、配設される。単位セル１２の積層方向他端（積層体１２ａｓの他端）には、第２ターミナルプレート１４ｂ、第２絶縁プレート１６ｂ及び第２エンドプレート１８ｂが、外方に向かって、順次、配設される。

横長形状（長方形状）の第１エンドプレート１８ａの略中央部（中央部から偏心していてもよい）からは、第１ターミナルプレート１４ａに接続された第１電力出力端子２０ａが外方に向かって延在する。横長形状（長方形状）の第２エンドプレート１８ｂの略中央部（中央部から偏心していてもよい）からは、第２ターミナルプレート１４ｂに接続された第２電力出力端子２０ｂが外方に向かって延在する。

第１エンドプレート１８ａと第２エンドプレート１８ｂとは、各長辺の略中央位置に対応して一定の長さを有する第１連結バー２２ａが配置される。第１連結バー２２ａの両端は、第１エンドプレート１８ａと第２エンドプレート１８ｂとにねじ２４により固定される。

第１エンドプレート１８ａと第２エンドプレート１８ｂとは、各短辺の略中央位置に対応して一定の長さを有する第２連結バー２２ｂが配置される。第２連結バー２２ｂの両端は、第１エンドプレート１８ａと第２エンドプレート１８ｂとにねじ２４により固定される。

図１及び図２に示すように、燃料電池スタック１０は、必要に応じてケーシング２６を備える。ケーシング２６は、矢印Ｂ方向両端の２辺（面）が第１エンドプレート１８ａ及び第２エンドプレート１８ｂにより構成される。ケーシング２６の矢印Ａ方向両端の２辺（面）は、横長プレート形状の前方サイドパネル２８ａ及び後方サイドパネル２８ｂにより構成される。

ケーシング２６の車高方向（矢印Ｃ方向）両端の２辺（面）は、上方サイドパネル３０ａ及び下方サイドパネル３０ｂにより構成される。上方サイドパネル３０ａ及び下方サイドパネル３０ｂは、横長プレート形状を有する。

図２に示すように、第１エンドプレート１８ａ及び第２エンドプレート１８ｂには、各辺にねじ穴３２が設けられる。前方サイドパネル２８ａ、後方サイドパネル２８ｂ、上方サイドパネル３０ａ及び下方サイドパネル３０ｂには、各ねじ穴３２に対向して孔部３４が形成される。各孔部３４に挿入されるねじ３６は、各ねじ穴３２に螺合することにより、ケーシング２６が一体に固定される。

図３に示すように、単位セル１２は、電解質膜・電極構造体４０と、前記電解質膜・電極構造体４０を挟持する第１セパレータ（カソード側セパレータ）４２及び第２セパレータ（アノード側セパレータ）４４とを備える。

第１セパレータ４２及び第２セパレータ４４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板により構成される。第１セパレータ４２及び第２セパレータ４４は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。なお、第１セパレータ４２及び第２セパレータ４４は、金属セパレータに代えて、例えば、カーボンセパレータを使用してもよい。

第１セパレータ４２及び第２セパレータ４４は、横長形状を有するとともに、長辺が水平方向（矢印Ａ方向）に延在し且つ短辺が重力方向（矢印Ｃ方向）に延在するように配置される。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配置してもよい。

単位セル１２の長辺方向（矢印Ａ方向）の一端縁部には、矢印Ｂ方向に互いに連通して、酸化剤ガス供給連通孔４６ａ及び燃料ガス排出連通孔４８ｂが設けられる。酸化剤ガス供給連通孔４６ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する一方、燃料ガス供給連通孔４８ａは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。

単位セル１２の長辺方向の他端縁部には、矢印Ｂ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供給連通孔４８ａと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔４６ｂとが設けられる。

単位セル１２の短辺方向（矢印Ｃ方向）の両端縁部一方側（水平方向一端側）には、すなわち、酸化剤ガス供給連通孔４６ａ及び燃料ガス排出連通孔４８ｂ側には、冷却媒体供給連通孔５０ａが上下に設けられる。冷却媒体供給連通孔５０ａは、冷却媒体を供給するために、矢印Ｂ方向にそれぞれ連通しており、対向する辺に上下に１個ずつ（２個ずつでもよい）設けられる。

単位セル１２の短辺方向の両端縁部他方側（水平方向他端側）には、すなわち、燃料ガス供給連通孔４８ａ及び酸化剤ガス排出連通孔４６ｂ側には、冷却媒体排出連通孔５０ｂが上下に設けられる。冷却媒体排出連通孔５０ｂは、冷却媒体を排出するために、矢印Ｂ方向にそれぞれ連通しており、対向する辺に上下に１個ずつ（２個ずつでもよい）設けられる。

電解質膜・電極構造体４０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。

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（図示せず）を有する。白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子は、ガス拡散層の表面に一様に塗布されることにより、電極触媒層（図示せず）が形成される。電極触媒層は、固体高分子電解質膜５２の両面に形成される。

第１セパレータ４２の電解質膜・電極構造体４０に向かう面４２ａには、酸化剤ガス供給連通孔４６ａと酸化剤ガス排出連通孔４６ｂとを連通する酸化剤ガス流路５８が形成される。酸化剤ガス流路５８は、矢印Ａ方向に延在する複数本の波状流路溝（又は直線状流路溝）により形成される。

第２セパレータ４４の電解質膜・電極構造体４０に向かう面４４ａには、燃料ガス供給連通孔４８ａと燃料ガス排出連通孔４８ｂとを連通する燃料ガス流路６０が形成される。燃料ガス流路６０は、矢印Ａ方向に延在する複数本の波状流路溝（又は直線状流路溝）により形成される。

互いに隣接する第２セパレータ４４の面４４ｂと第１セパレータ４２の面４２ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔５０ａ、５０ａと冷却媒体排出連通孔５０ｂ、５０ｂ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、水平方向に延在しており、電解質膜・電極構造体４０の電極範囲にわたって冷却媒体を流通させる。

第１セパレータ４２の面４２ａ、４２ｂには、この第１セパレータ４２の外周端縁部を周回して第１シール部材６４が一体成形される。第２セパレータ４４の面４４ａ、４４ｂには、この第２セパレータ４４の外周端縁部を周回して第２シール部材６６が一体成形される。

第１シール部材６４及び第２シール部材６６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。

図２に示すように、第１エンドプレート１８ａには、酸化剤ガス供給マニホールド６８ａ、酸化剤ガス排出マニホールド６８ｂ、燃料ガス供給マニホールド７０ａ及び燃料ガス排出マニホールド７０ｂが取り付けられる。酸化剤ガス供給マニホールド６８ａ、酸化剤ガス排出マニホールド６８ｂ、燃料ガス供給マニホールド７０ａ及び燃料ガス排出マニホールド７０ｂは、電気絶縁性を有する樹脂からなる。

酸化剤ガス供給マニホールド６８ａと酸化剤ガス排出マニホールド６８ｂとは、酸化剤ガス供給連通孔４６ａと酸化剤ガス排出連通孔４６ｂとに連通する。燃料ガス供給マニホールド７０ａと燃料ガス排出マニホールド７０ｂとは、燃料ガス供給連通孔４８ａと燃料ガス排出連通孔４８ｂとに連通する。

図１及び図４に示すように、第２エンドプレート（一方のエンドプレート）１８ｂには、上下にそれぞれ１個の冷却媒体供給連通孔５０ａに連通する冷却媒体入口７２ａが形成される。一対の冷却媒体入口７２ａ間に円柱状凹部（又は孔部）７４ａが形成される。一対の冷却媒体入口７２ａは、円弧状を有し、図４に示すように、円柱状凹部７４ａの中心Ｏａを軸とする仮想円弧線７６ａを幅方向中心線として、前記一対の冷却媒体入口７２ａが形成される。各冷却媒体入口７２ａは、中心Ｏａを通る中央線Ｓａに対して左右対称の形状を有する。

第２エンドプレート１８ｂには、上下にそれぞれ１個の冷却媒体排出連通孔５０ｂに連通する冷却媒体出口７２ｂが形成される。一対の冷却媒体出口７２ｂ間に円柱状凹部７４ｂが形成される。一対の冷却媒体出口７２ｂは、円弧状を有し、円柱状凹部７４ｂの中心Ｏｂを軸とする仮想円弧線７６ｂを幅方向中心線として、前記一対の冷却媒体出口７２ｂが形成される。各冷却媒体出口７２ｂは、中心Ｏｂを通る中央線Ｓｂに対して左右対称の形状を有する。

第２エンドプレート１８ｂには、各冷却媒体入口７２ａ及び各冷却媒体出口７２ｂに近接して、それぞれ複数個のねじ孔７８ａ及び７８ｂが形成される。第２エンドプレート１８ｂには、各冷却媒体入口７２ａの長尺方向一方の端部側（外方側又は内方側）に支持板部８０ａが設けられるとともに、各支持板部８０ａには、調整ねじ８２ａが螺合する。第２エンドプレート１８ｂには、各冷却媒体出口７２ｂの長尺方向一方の端部側（外方側又は内方側）に支持板部８０ｂが設けられるとともに、各支持板部８０ｂには、調整ねじ８２ｂが螺合する。

図１に示すように、第２エンドプレート１８ｂには、各冷却媒体入口７２ａに一体に連通する樹脂製の冷却媒体供給マニホールド（冷却媒体マニホールド）８４ａが取り付けられる。第２エンドプレート１８ｂには、各冷却媒体出口７２ｂに一体に連通する樹脂製の冷却媒体排出マニホールド（冷却媒体マニホールド）８４ｂが取り付けられる。冷却媒体供給マニホールド８４ａ及び冷却媒体排出マニホールド８４ｂは、電気絶縁性を有することが好ましい。

図１及び図５に示すように、冷却媒体供給マニホールド８４ａは、板状部８６ａを有するとともに、前記板状部８６ａの外周縁部には、フランジ部８６ａｆが設けられ、前記フランジ部８６ａｆに複数の円弧状孔部８８ａが形成される。円弧状孔部８８ａは、冷却媒体供給マニホールド８４ａが中心Ｏａを軸として矢印Ｄ方向に回転される領域内で、ねじ孔７８ａと連通するように、寸法及び位置が設定される。

板状部８６ａの第２エンドプレート１８ｂに当接する面には、円柱状凹部７４ａに挿入（又は嵌合）する円柱状の回転軸部９０ａが形成される。冷却媒体供給マニホールド８４ａは、回転軸部９０ａを中心にして所定の角度範囲で回転することにより、後述するように、流量調整機構９２ａを構成する。

板状部８６ａの他の面には、マニホールド本体部９３ａが膨出形成される。マニホールド本体部９３ａの内部には、一方（上方）の冷却媒体入口７２ａに連通する第１冷却媒体供給口９４ａと、他方（下方）の冷却媒体入口７２ａに連通する第２冷却媒体供給口９６ａとが形成される。第１冷却媒体供給口９４ａ及び第２冷却媒体供給口９６ａは、冷却媒体供給マニホールド８４ａの回転軸部９０ａの中心を通る垂直線、すなわち、中心Ｏａを通る中央線Ｓａに対して、一方（第２エンドプレート１８ｂの長辺方向側）にずれた位置に設けられる。

図５に示すように、第１冷却媒体供給口９４ａと冷却媒体入口７２ａとが重なって、一方の冷却媒体供給連通孔５０ａに連通する第１連通部９８ａが形成される。第２冷却媒体供給口９６ａと冷却媒体入口７２ａとが重なって、他方の冷却媒体供給連通孔５０ａに連通する第２連通部１００ａが形成される。

図１及び図５に示すように、第１冷却媒体供給口９４ａは、冷却媒体入口７２ａと同一形状を有する。冷却媒体供給マニホールド８４ａが中央位置（垂直姿勢）に配置された際、冷却媒体入口７２ａの内側の略半分を閉塞する。第２冷却媒体供給口９６ａは、冷却媒体入口７２ａと同一形状を有し、冷却媒体供給マニホールド８４ａが中央位置（垂直姿勢）に配置された際、前記冷却媒体入口７２ａの内側の略半分を閉塞する。

図６に示すように、冷却媒体供給マニホールド８４ａが矢印Ｄ１方向（時計右回り方向）に回転すると、第１冷却媒体供給口９４ａは、上方の冷却媒体入口７２ａの略全域と連通し、開口面積が増加して通過流量が最大の第１連通部９８ａが構成される。一方、第２冷却媒体供給口９６ａは、下方の冷却媒体入口７２ａから離間する方向に移動し、開口面積が減少して通過流量が最小の第２連通部１００ａが構成される。

冷却媒体供給マニホールド８４ａが矢印Ｄ２方向（時計左回り方向）に回転すると、第１冷却媒体供給口９４ａは、冷却媒体入口７２ａから離間する方向に移動し、開口面積が減少して通過流量が最小の第１連通部９８ａが構成される。一方、第２冷却媒体供給口９６ａは、冷却媒体入口７２ａの略全域と連通し、開口面積が増加して通過流量が最大の第２連通部１００ａが構成される。

冷却媒体供給マニホールド８４ａの略中央部（冷却媒体流路６２の流路幅方向略中央部）には、冷却媒体供給口である入口管路部１０２ａが設けられる。入口管路部１０２ａは、冷却媒体流路６２の冷却媒体流れ方向とは反対方向に沿って延在する。冷却媒体供給マニホールド８４ａでは、板状部８６ａの各円弧状孔部８８ａにねじ１０４ａが挿入され、前記ねじ１０４ａは、第２エンドプレート１８ｂのねじ孔７８ａに螺合される。冷却媒体供給マニホールド８４ａは、第２エンドプレート１８ｂに固定される。

図１及び図５に示すように、冷却媒体排出マニホールド８４ｂは、第２エンドプレート１８ｂに固定される。なお、冷却媒体供給マニホールド８４ａと同一の構成要素には、同一の参照数字にａに代えてｂを付し、その詳細な説明は省略する。

冷却媒体排出マニホールド８４ｂには、矢印Ｃ方向の略中央部（冷却媒体流路６２の流路幅方向中央部）に、冷却媒体排出口である出口管路部１０２ｂが、水平方向に向かって設けられる。

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。

先ず、図２に示すように、第１エンドプレート１８ａの酸化剤ガス供給マニホールド６８ａから酸化剤ガス供給連通孔４６ａには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。第１エンドプレート１８ａの燃料ガス供給マニホールド７０ａから燃料ガス供給連通孔４８ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。

さらに、図１に示すように、第２エンドプレート１８ｂでは、冷却媒体供給マニホールド８４ａの入口管路部１０２ａからマニホールド本体部９３ａの内部には、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。冷却媒体は、図５に示すように、上方の第１連通部９８ａ及び下方の第２連通部１００ａに連通する各冷却媒体供給連通孔５０ａに分配される。

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４６ａから第１セパレータ４２の酸化剤ガス流路５８に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路５８に沿って矢印Ａ方向に移動し、電解質膜・電極構造体４０のカソード電極５４に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔４８ａから第２セパレータ４４の燃料ガス流路６０に供給される。燃料ガスは、燃料ガス流路６０に沿って矢印Ａ方向に移動し、電解質膜・電極構造体４０のアノード電極５６に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体４０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て発電が行われる。

次いで、電解質膜・電極構造体４０のカソード電極５４に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔４６ｂに沿って矢印Ｂ方向に排出される。一方、電解質膜・電極構造体４０のアノード電極５６に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔４８ｂに沿って矢印Ｂ方向に排出される。

また、上下の冷却媒体供給連通孔５０ａに供給された冷却媒体は、互いに隣接する第１セパレータ４２及び第２セパレータ４４間の冷却媒体流路６２に導入される。冷却媒体は、上下の冷却媒体供給連通孔５０ａから一旦、互いに近接する方向に、すなわち、矢印Ｃ方向内方に沿って流動した後、矢印Ａ方向に移動して電解質膜・電極構造体４０を冷却する。冷却媒体は、矢印Ｃ方向外方に互いに離間する方向に移動した後、上下の冷却媒体排出連通孔５０ｂに沿って矢印Ｂ方向に排出される。

図５に示すように、冷却媒体は、各冷却媒体排出連通孔５０ｂから上方の第１連通部９８ｂ及び下方の第２連通部１００ｂを通ってマニホールド本体部９３ｂの内部に排出される。冷却媒体は、出口管路部１０２ｂから外部に排出される。

この場合、第１の実施形態では、図５に示すように、第１冷却媒体供給口９４ａと冷却媒体入口７２ａとが積層方向に重なって、上方の冷却媒体供給連通孔５０ａに連通する第１連通部９８ａが形成されている。一方、第２冷却媒体供給口９６ａと冷却媒体入口７２ａとが積層方向に重なって、下方の冷却媒体供給連通孔５０ａに連通する第２連通部１００ａが形成されている。

そして、冷却媒体供給マニホールド８４ａは、第２エンドプレート１８ｂに対し、回転軸部９０ａを中心にして矢印Ｄ１方向及び矢印Ｄ２方向に所定の角度範囲で回転することができる。その際、各調整ねじ８２ａを各支持板部８０ａに対して螺合することにより、マニホールド本体部９３ａの上下側部が押圧され、前記マニホールド本体部９３ａの角度調整が容易に遂行される。また、各調整ねじ８２ａは、マニホールド本体部９３ａを所望の角度姿勢に保持する機能を有している。

具体的には、図６に示すように、冷却媒体供給マニホールド８４ａは、矢印Ｄ１方向に回転する。このため、第１連通部９８ａの開口面積が増大して冷却媒体の供給流量が増加されるとともに、第２連通部１００ａの開口面積が減少して前記冷却媒体の供給流量が減少される。一方、冷却媒体供給マニホールド８４ａは、矢印Ｄ２方向に回転すると、第１連通部９８ａの開口面積が減少して冷却媒体の供給流量が減少されるとともに、第２連通部１００ａの開口面積が増大して前記冷却媒体の供給流量が増加される。

このため、第１連通部９８ａを流通する冷却媒体流量と第２連通部１００ａを流通する冷却媒体流量との割合を任意に調整することが可能になる。従って、第１連通部９８ａ及び第２連通部１００ａの形状を変更させるために、冷却媒体供給マニホールド８４ａの成形型を変更して調整する必要がない。これにより、簡単且つ経済的な構成で、冷却媒体の流量配分や圧損を良好に調整することが可能になるという効果が得られる。

図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック１１０の冷却媒体マニホールド側の一部正面説明図である。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１１０では、第２エンドプレート１８ｂに、各冷却媒体入口７２ａに連通する樹脂製の冷却媒体供給マニホールド（冷却媒体マニホールド）１１２が取り付けられる。冷却媒体供給マニホールド１１２は、マニホールド本体部９３ａの下方の冷却媒体入口７２ａ寄りに、冷却媒体供給口である入口管路部１１４を設ける。入口管路部１１４は、冷却媒体流路６２の冷却媒体流れ方向（矢印Ａ方向）に対して、角度α゜だけ下方に傾斜する。

なお、冷却媒体供給マニホールド１１２において、入口管路部１１４が上方の冷却媒体入口７２ａ寄りに設けられる場合、前記入口管路部１１４の角度は、上記とは逆になる（図７中、二点鎖線参照）。

このように構成される第２の実施形態では、入口管路部１１４からマニホールド本体部９３ａ内に斜め上方（角度α゜）に向かって供給された冷却媒体は、鉛直方向上方と鉛直方向下方とに振り分けられる。このため、冷却媒体は、上方の冷却媒体入口７２ａと、下方の冷却媒体入口７２ａとに確実に供給され、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図８は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック１２０の冷却媒体マニホールド側の正面説明図である。

燃料電池スタック１２０は、第２エンドプレート１２２を備える。第２エンドプレート１２２には、樹脂製の冷却媒体供給マニホールド（冷却媒体マニホールド）１２４ａ及び樹脂製の冷却媒体排出マニホールド（冷却媒体マニホールド）１２４ｂが取り付けられる。第２エンドプレート（一方のエンドプレート）１２２には、各冷却媒体供給連通孔５０ａに連通する一対の冷却媒体入口１２６、１２８が形成される。

冷却媒体入口１２６は、略円弧状を有し、一端から他端に向かって開口面積が連続して変化する。具体的には、冷却媒体入口１２６は、第２エンドプレート１２２の外方側から内方側に向かって円周方向に対する開口寸法（中央線Ｓａに沿う方向の開口寸法）ｈが連続的に減少する。冷却媒体入口１２８は、略円弧状を有し、一端から他端に向かって開口面積が連続して変化する。具体的には、冷却媒体入口１２８は、第２エンドプレート１２２の外方側から内方側に向かって開口面積が連続的に減少する。

冷却媒体供給マニホールド１２４ａは、マニホールド本体部９３ａの内部に、冷却媒体入口１２６に連通する第１冷却媒体供給口１３０と、冷却媒体入口１２８に連通する第２冷却媒体供給口１３２とが形成される。第１冷却媒体供給口１３０及び第２冷却媒体供給口１３２は、開口形状が円形状（略円形状でもよい）を有するとともに、開口径は、同一（又は異なる）寸法に設定される。

第１冷却媒体供給口１３０と冷却媒体入口１２６とが重なって、冷却媒体供給連通孔５０ａに連通する第１連通部１３４が形成される。第２冷却媒体供給口１３２と冷却媒体入口１２８とが重なって、冷却媒体供給連通孔５０ａに連通する第２連通部１３６が形成される。

冷却媒体供給マニホールド１２４ａは、矢印Ｄ１方向に回転すると、第１冷却媒体供給口１３０が冷却媒体入口１２６の幅狭な開口部分と連通し、開口面積が減少して通過流量が最小の第１連通部１３４が構成される。一方、第２冷却媒体供給口１３２は、冷却媒体入口１２８の幅広な開口部分と連通し、開口面積が増加して通過流量が最大の第２連通部１３６が構成される。

冷却媒体供給マニホールド１２４ａは、矢印Ｄ２方向に回転すると、第１冷却媒体供給口１３０が冷却媒体入口１２６の幅広な開口部分と連通し、最大流量の第１連通部１３４が構成される。一方、第２冷却媒体供給口１３２は、冷却媒体入口１２８の幅狭な開口部分と連通し、最小流量の第２連通部１３６が構成される。なお、冷却媒体排出マニホールド１２４ｂは、上記の冷却媒体供給マニホールド１２４ａと同様に構成される。

このように構成される第３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。なお、第３の実施形態は、上記の第２の実施形態と同様に構成してもよい。

また、第１〜第３の実施形態では、冷却媒体供給マニホールド８４ａ、１１２及び１２４ａは、回転自在に構成されているが、これに限定されるものではない。例えば、冷却媒体供給マニホールド８４ａは、第２エンドプレート１８ｂに対して左右に移動可能に構成してもよい。実質的には、冷却媒体供給マニホールド８４ａと第２エンドプレート１８ｂとの取り付け位置を調整することにより、第１連通部を流通する冷却媒体流量と第２連通部を流通する冷却媒体流量との割合を任意に調整すればよい。

１０、１１０、１２０…燃料電池スタック
１２…単位セル １２ａｓ…積層体
１８ａ、１８ｂ、１２２…エンドプレート
４０…電解質膜・電極構造体 ４２、４４…セパレータ
４６ａ…酸化剤ガス供給連通孔 ４６ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
４８ａ…燃料ガス供給連通孔 ４８ｂ…燃料ガス排出連通孔
５０ａ…冷却媒体供給連通孔 ５０ｂ…冷却媒体排出連通孔
５２…固体高分子電解質膜 ５４…カソード電極
５６…アノード電極 ５８…酸化剤ガス流路
６０…燃料ガス流路 ６２…冷却媒体流路
６８ａ…酸化剤ガス供給マニホールド ６８ｂ…酸化剤ガス排出マニホールド
７０ａ…燃料ガス供給マニホールド ７０ｂ…燃料ガス排出マニホールド
７２ａ、１２６、１２８…冷却媒体入口
７２ｂ…冷却媒体出口 ７４ａ、７４ｂ…円柱状凹部
７８ａ、７８ｂ…ねじ孔 ８０ａ、８０ｂ…支持板部
８２ａ、８２ｂ…調整ねじ
８４ａ、１１２、１２４ａ…冷却媒体供給マニホールド
８４ｂ、１２４ｂ…冷却媒体排出マニホールド
８６ａ…板状部 ８８ａ…円弧状孔部
９０ａ…回転軸部 ９２ａ…流量調整機構
９３ａ…マニホールド本体部
９４ａ、９６ａ、１３０、１３２…冷却媒体供給口
９８ａ、９８ｂ、１００ａ、１００ｂ、１３４、１３６…連通部

Claims (2)

1. 電解質膜の両側に電極が設けられる電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される単位セルを有し、複数の前記単位セルが積層されて積層方向両端にエンドプレートが配設されるとともに、互いに隣接する前記セパレータ間には、セパレータ面に沿って冷却媒体を流通させる冷却媒体流路が形成され、前記冷却媒体流路の入口側には、前記冷却媒体流路を流路幅方向に挟んで前記冷却媒体を供給する一対の冷却媒体連通孔が設けられ、且つ、前記冷却媒体流路の出口側には、前記冷却媒体流路を前記流路幅方向に挟んで前記冷却媒体を排出する一対の冷却媒体連通孔が設けられる燃料電池スタックであって、
   一方のエンドプレートには、冷却媒体供給側又は冷却媒体排出側の前記一対の冷却媒体連通孔に連通する冷却媒体マニホールドが設けられ、
   前記冷却媒体マニホールドは、前記一対の冷却媒体連通孔の一方の冷却媒体連通孔に連通する第１連通部と、
   前記一対の冷却媒体連通孔の他方の冷却媒体連通孔に連通する第２連通部と、
   前記冷却媒体マニホールドの前記一方のエンドプレートに対する取り付け姿勢又は取り付け位置を調整することにより、前記第１連通部を流通する冷却媒体流量と前記第２連通部を流通する冷却媒体流量との割合を調整可能な流量調整機構と、
   を備え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、前記冷却媒体マニホールドは、前記第１連通部と前記第２連通部との間に回転軸部を有し、
   前記冷却媒体マニホールドは、前記回転軸部を中心にして回転することにより、該第１連通部を流通する冷却媒体流量と該第２連通部を流通する冷却媒体流量との割合を調整することを特徴とする燃料電池スタック。

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