JP2019139917A - 固体高分子形の燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】セル積層体の端部における放熱特性を向上させ得る固体高分子形の燃料電池スタックを提供すること。【解決手段】固体高分子型の燃料電池スタック１００であって、セパレータ板を挟んで複数のセル２１１を積層したセル積層体２００と、セル積層方向において前記セル積層体２００の外側側面を挟む一対の集電体１０３と、前記セル積層方向において前記一対の集電体１０３を外側から挟む一対のエンドプレート１０１と、を備え、前記セル積層体２００は、前記セル積層方向と直交する方向における前記セル積層体２００の外側側面のうち一方の外側側面に形成された第１の開口２０１ａと、前記第１の開口２０１ａと反対側の外側側面に形成された第２の開口２０１ｂと、前記第１の開口２０１ａ及び前記第２の開口２０１ｂから前記セル積層体２００の内部に延在する間隙部２０１ｃと、を有する。【選択図】図３

Description

本開示は、固体高分子形の燃料電池スタックに関する。

従来、固体高分子形の燃料電池スタックが知られている。

この種の固体高分子形の燃料電池スタックは、燃料電池セル（以下、「セル」と略称する）を積層した構造を有する。セルは、高分子電解質膜、及び高分子電解質膜を挟む一対の電極を含んで構成される膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly；ＭＥＡとも称される）からなる。そして、燃料電池スタックは、当該セルをセパレータ板を介して、複数重ねて積層し又は接着して構成されている。

膜電極接合体を構成する高分子電解質膜は、例えば、スルホン酸基を持つフッ素樹脂系イオン交換膜や、炭化水素樹脂系イオン交換膜のような高分子イオン交換膜などを有する電解質から構成される。又、電極は、例えば、高分子電解質膜側に位置し、触媒電極内における酸化還元反応を促進させる触媒層と、触媒層の外側に位置し、通気性及び導電性を有するガス拡散層とから構成される。又、燃料極（アノード電極）の触媒層には、例えば白金や白金とルテニウムとの合金などが含まれ、空気極（カソード電極）の触媒層には、例えば、白金や白金とコバルトとの合金などが含まれる。

セル内のセパレータ板は、燃料極に供給される燃料ガスと空気極に供給される酸化剤ガスとが混ざらないようにするための導電性部材である。

尚、セルには、更に、燃料ガスと酸化剤ガスの気密を保つためのシール部材や、膜電極接合体の外周部を補強するフレーム部材が必要に応じて設けられる。

燃料電池スタックはこのようなセルを積層することで、電気的に直列に接続される。燃料電池スタックは、更にセル積層体を挟むエンドプレートを有する。又、セル積層体に均一な荷重を加えるために、セル積層体とエンドプレートとの間にスプリングモジュールを配置したり、セル積層体とエンドプレートとの間に弾性部材を配置したりする場合もある。

このような構成を有する燃料電池スタックのそれぞれのセルに、燃料ガス（例えば、水素を含む）、及び酸化剤ガス（例えば、酸素を含む）を供給することで、電気エネルギを継続的に取り出すことができる。

従来の燃料電池スタックとしては、エンドプレートの軽量化のために表面に凹凸形状を設ける構造（特許文献１）、エンドプレートからの放熱を抑制するために、セル積層体端部セルの冷媒流路をなくした構造（特許文献２）、及び、エンドプレートのセル積層体に対向する面に凹凸形状を設けた構造（特許文献３）等が知られている。

特開２００９−２７７３５８号公報 国際公開２０１０／１０６７５３号 国際公開２００２／０８２５７３号

ところで、固体高分子形の燃料電池スタックは、比較的低い温度で作動できる点が利点として知られているが、一方で、この種の燃料電池スタックにおいては、セル温度が閾値以上に上昇した場合には、発電特性が低下する（典型的は、出力電圧が低下する）。そのため、この種の燃料電池スタックにおいて、高い発電特性を実現するためには、セル積層体全体の温度管理が重要となる。

この点、従来技術に係る燃料電池スタックにおいては、セル積層体の端部には、セル積層体を冷却するための冷媒が供給されない構成となっており、当該セル積層体の端部（セルの積層方向と直交する方向におけるセルの端部を表す。以下同じ）のセル温度が閾値以上に上昇するおそれがある。

例えば、特許文献１に記載の従来技術では、エンドプレートに凹凸の肉抜き加工を行うことで変形を抑制しながら軽量化を図っている。しかしながら、特許文献１に記載の従来技術では、セル積層体の端部からの放熱を考慮しておらず、例えば、セル積層体の端部への冷媒の流量が小さい場合や、セル積層体の端部への冷媒の冷媒流路を削減した場合などにおいて、セル積層体端部の温度が上昇する。

又、特許文献２に記載の従来技術では、セル積層体の端部を冷却するための冷媒流路を設けない構成となっている。そのため、特許文献２に記載の従来技術では、電流密度が比較的小さい運転条件（例えば、０．５Ａ／ｃｍ^２以下）では、発熱量が小さいため、セル積層体の端部からの放熱が抑制されていても良好な性能を示すが、高電流密度の運転条件では、セル積層体の端部において、放熱が追いつかずに、却って発電性能が低下する。

又、特許文献３に記載の従来技術では、集電体、エンドプレートと弾性部材が接触する面に凹凸形状を設けて接触面積を低減する構造となっている。しかしながら、特許文献３に記載の従来技術においても、セル積層体の端部からの放熱が抑制されているため、セル積層体の発熱量が小さく、端部からの特段の放熱が不要な電流密度が比較的小さい運転条件で良好な性能を示すが、比較的高い電流密度の運転条件では、放熱が追いつかずにセル積層体の端部の温度が上昇し、却って発電性能が低下する。

本開示は、上記問題点に鑑みてなされたもので、セル積層体の放熱特性を向上させ得る固体高分子形の燃料電池スタックを提供することを目的とする。

前述した課題を解決する主たる本開示は、
セパレータ板を挟んで複数のセルを積層したセル積層体と、
セル積層方向において前記セル積層体の外側側面を挟む一対の集電体と、
前記セル積層方向において前記一対の集電体を外側から挟む一対のエンドプレートと、
を備え、
前記セル積層体は、
前記セル積層方向と直交する方向における当該セル積層体の外側側面のうち一方の外側側面に形成された第１の開口と、前記第１の開口と反対側の外側側面に形成された第２の開口と、前記第１の開口及び前記第２の開口から前記セル積層体の内部に延在する間隙部と、を有する燃料電池スタックである。

本開示に係る燃料電池スタックによれば、セル積層体の放熱特性を向上させることができる。

第１の実施形態に係る燃料電池スタックの外観斜視図 第１の実施形態に係る燃料電池スタックの側面図 第１の実施形態に係る燃料電池スタックの構成部品の分解図 第１の実施形態に係る燃料電池スタックの燃料ガスの流路の一例を示す図 第１の実施形態に係る燃料電池スタックの空気の流路の一例を示す図 第１の実施形態の変形例に係る燃料電池スタックの構成を示す分解図 第２の実施形態に係る燃料電池スタックの側面図 第２の実施形態に係る燃料電池スタックのエンドプレートの外観斜視図 第２の実施形態に係る燃料電池スタックのエンドプレートの側面図 第３の実施形態に係る燃料電池スタックの空気の流路の一例を示す図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

各図には、各構成の位置関係を明確にするため、共通の直交座標系（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を示している。以下では、Ｘ軸のプラス方向はセル積層体２００のセルの積層方向（以下、「セル積層方向」と称する）を表し、Ｚ軸のプラス方向及びＹ軸のプラス方向は、セル積層方向に直交する二方向を表すものとして、説明する。

（第１の実施形態）
以下、図１〜図５を参照して、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１００の構成について説明する。

図１は、本実施形態に係る燃料電池スタック１００の外観斜視図である。図２は、本実施形態に係る燃料電池スタック１００の側面図である。図３は、本実施形態に係る燃料電池スタック１００の構成部品の分解図である。

本実施形態に係る燃料電池スタック１００は、セル積層体２００、一対の集電体１０３、弾性部材１０２、一対のエンドプレート１０１、及び、締結部材１０５、１０６を備えている。

本実施形態に係る燃料電池スタック１００は、セル積層体２００を中央位置に配設して、セル積層方向に沿って、一対の集電体１０３が当該セル積層体２００の両側面を外側から挟み込み、更に一対のエンドプレート１０１が当該一対の集電体１０３を外側から挟むように構成されている。そして、燃料電池スタック１００は、一対のエンドプレート１０１を締結部材１０５、１０６（例えば、ボルト１０５、ナット１０６）で固定することにより、一体的に締結された構造となっている。

尚、弾性部材１０２は、エンドプレート１０１と集電体１０３の間に介在して、一対のエンドプレート１０１による圧縮応力が、セル積層体２００の面内に均一に印加されるようにするための部材である。

本実施形態に係る燃料電池スタック１００では、セル積層体２００のプラスＸ方向側に配設されたエンドプレート１０１、弾性部材１０２及び集電体１０３と、セル積層体２００のマイナスＸ方向側に配設されたエンドプレート１０１、弾性部材１０２及び集電体１０３とは、セル積層方向に沿って左右対称の構造となっている（以下、エンドプレート１０１、弾性部材１０２及び集電体１０３について説明する際には、片側の構成についてのみ説明する）。

尚、本実施形態に係る燃料電池スタック１００は、±Ｙ方向に沿って空気の強制対流が行われるように、空気供給手段３００と隣接して配設されている。図３では、一例として、セル積層体２００のマイナスＹ方向側に、空気供給手段３００として送風ファンが配設された態様を示している。

＜セル積層体２００＞
セル積層体２００は、セル積層方向に沿って、セパレータ板２１２を挟んで、セル２１１を複数重ねて積層し又は接着して構成されている。

セル２１１は、上記した膜電極接合体２１１であって、平面状の高分子電解質膜、並びに、当該高分子電解質膜を挟む燃料極及び空気極によって構成されている。

セパレータ板２１２は、各セル２１１の燃料極に供給する燃料ガス（例えば、水素含有ガス）と、空気極に供給する酸化剤ガス（ここでは、空気）とが混ざらないようにするための板状部材である。セパレータ板２１２には、燃料ガスの流路、及び酸化剤ガスたる空気の流路が各別に形成されている。

セル積層体２００のセル積層方向の両端及びセル積層方向の適宜な位置には、セル積層体２００の外周が、直接、エンドプレート１０１に接触することを阻止するために、シール部材２１３が介装されている。

図４Ａ及び図４Ｂは、本実施形態に係る燃料電池スタック１００の燃料ガスの流路及び空気の流路の一例を示す図である。

図４Ａは、本実施形態に係るセル積層体２００のセル積層方向に沿った切断面（ＸＺ断面）に相当する。図４Ａは、燃料ガスの流路（点線領域Ａ１）（以下、「燃料ガス流路Ａ１」と略称する）を示している。

図４Ｂは、本実施形態に係るセル積層体２００のセル積層方向に直交する二方向における切断面（ＹＺ断面）に相当する。図４Ｂは、空気の流路（点線領域Ａ２）（以下、「空気流路Ａ２」と略称する）を示している。尚、図４Ｂの一点鎖線は、ＸＺ平面におけるセル２１１の端部の位置を示している。

セル積層体２００は、セル積層方向に沿って、各セパレータ板２１２を連通するように、燃料ガス流路Ａ１を有している（図４Ａを参照）。又、セル積層体２００は、セル２１１の積層方向と直交する方向（ここでは、±Ｙ方向）に沿って、空気流路Ａ２を有している（図４Ｂを参照）。尚、本実施形態に係るセル積層体２００は、空気流路Ａ２に通流する空気をセル２１１の冷媒として、及び、セル２１１の酸化剤として利用する。

燃料ガス流路Ａ１は、例えば、セル積層方向の端部位置のセパレータ板２１２に設けられた燃料ガス供給口２０２ａ及び燃料ガス排出口２０２ｂ、並びに、燃料ガス供給口２０２ａと燃料ガス排出口２０２ｂとの間を連通する燃料ガス用連通孔２０２ｃ、によって形成されている。

燃料ガス流路Ａ１において、燃料ガスは、燃料ガス供給口２０２ａから供給され、燃料ガス用連通孔２０２ｃを経由して、当該燃料ガス排出口２０２ｂから排出される。尚、燃料ガス供給口２０２ａには、外部から燃料ガス供給口２０２ａに対して燃料ガスを供給するための配管部材１０７ａが接続されている。又、燃料ガス排出口２０２ｂには、燃料ガス排出口２０２ｂから外部に燃料ガスを排出するための配管部材１０７ｂが接続されている。

燃料ガス流路Ａ１には、各セル２１１に対して燃料ガスを供給するための流路、及び、当該燃料ガスを各セル２１１から排出するための流路（図示せず）も接続されている。かかる構成により、各セル２１１の燃料極に対して燃料ガスの供給が行われる。

空気流路Ａ２は、例えば、セル積層体２００のセル積層方向と直交する方向の外側側面のうち一方側の外側側面と他方側の外側側面の２面（ここでは、プラスＹ方向側の側面とマイナスＹ方向側の側面）に形成された開口２０１ａ及び開口２０１ｂ、並びに、第１又は第２の開口２０１ａ、２０１ｂからセル積層体２００内に延在する間隙部２０１ｃによって形成されている。

間隙部２０１ｃは、より好適には、図４Ｂのように、開口２０１ａと開口２０１ｂとの間を連通する連通孔（以下、「空気用連通孔２０１ｃ」とも称する）である。間隙部２０１ｃは、例えば、開口２０１ａと開口２０１ｂとの間に直線状に設けられる。尚、間隙部２０１ｃは、少なくともセル２１１近傍の領域まで延在する構成であればよい。

開口２０１ａ（以下、「空気供給用開口２０１ａ」又は「第１の開口２０１ａ」とも称する）、及び開口２０１ｂ（以下、「空気排出用開口２０１ｂ」又は「第２の開口２０１ｂ」とも称する）は、燃料電池スタック１００の外部空間に開放された状態で配設され、外部空間との間で空気の授受を行う。

ここでは、空気供給用開口２０１ａは、セル積層体２００のマイナスＹ方向側の外側側面に、複数配設されている。同様に、空気排出用開口２０１ｂは、セル積層体２００のプラスＹ方向側の外側側面に、複数配設されている。

空気供給用開口２０１ａ、空気排出用開口２０１ｂ及び空気用連通孔２０１ｃは、例えば、セパレータ板２１２に溝状に形成される。

空気流路Ａ２において、空気は、セル積層体２００のマイナスＹ方向側に配設された送風ファン等の空気供給手段３００の動作によって、マイナスＹ方向側の側面の空気供給用開口２０１ａから導入され、空気流路Ａ２を経由して、プラスＹ方向側の側面の空気排出用開口２０１ｂから排出される。

空気流路Ａ２は、セパレータ板２１２のＺ方向に沿う複数の位置に、並列に形成されている。これによって、空気が、セル２１１の各位置に行き渡るようにして、セル２１１を効果的に冷却すると共に、セル２１１の温度が均一になるようにしている。

又、空気流路Ａ２は、典型的には、各セパレータ板２１２に設けられている（図４Ｂには、説明の便宜として、一のセパレータ板２１２のみを示している）。そして、空気流路Ａ２には、各セル２１１の空気極に対して空気を供給するための流路（図示せず）、及び、当該空気を各セル２１１の空気極から排出するための流路（図示せず）が、分岐するように接続されている。換言すると、間隙部２０１ｃは、各セル２１１の空気極まで延在する。かかる構成により、各セル２１１の空気極に対して空気の供給が行われる。

尚、空気流路Ａ２と燃料ガス流路Ａ１とは、セル積層体２００中において、連通しないように配設されている。

このように、各セル２１１には、空気流路Ａ２を経由して空気が供給され、燃料ガス流路Ａ１を経由して燃料ガスが供給され、これらにより、電極触媒層内で、発電（即ち、電気化学反応）が行われる。

但し、セル積層体２００の構造等は、本発明においては種々に変形し得る。

例えば、空気供給用開口２０１ａ、空気排出用開口２０１ｂ、及び空気用連通孔２０１ｃは、上記ではセパレータ板２１２に形成される態様としたが、これに代えて、又はこれと共に、膜電極接合体２１１又はシール部材２１３に設けられてもよい。

又、例えば、空気流路Ａ２は、上記では、セル積層体２００内に冷媒として導入する空気流路と、セル積層体２００内に酸化剤として導入する空気流路と、が共用される態様を示したが、冷媒用の空気流路と酸化剤用の空気流路とが別個に設けられてもよい。

又、上記では、例えば、空気供給用開口２０１ａ及び空気排出用開口２０１ｂの形成位置を、セル積層方向と直交する方向の外側側面のうち対向する２面としているが、空気供給用開口２０１ａ及び空気排出用開口２０１ｂの形成位置は、２面以上の面であってもよい。又、セルの形状が矩形でない場合には、空気供給用開口２０１ａ及び空気排出用開口２０１ｂの形成位置は、曲面状であってもよい。

又、例えば、空気供給用開口２０１ａ、空気排出用開口２０１ｂの形状は、それぞれ同一の形状であってもよいが、セル２１１毎に異なっていてもよい。例えば、送風ファン等（図示しない）の空気供給手段３００による供給空気流量の分布に応じて、端部セルの開口を大きくするなどしてもよい。

又、例えば、燃料ガスの供給排出構造として、上記では、燃料ガス供給口２０２ａ及び燃料ガス排出口２０２ｂをセル積層体２００内に設ける態様を示したが、燃料ガスの供給排出構造としては、いわゆる外部マニホールド等で構成されてもよい。又、上記では、燃料ガス供給口２０２ａ及び燃料ガス排出口２０２ｂとして、集電体１０３を介して配管部材１０７ａ、１０７ｂに接続する構成を示したが、燃料ガス供給口２０２ａ及び燃料ガス排出口２０２ｂとしては、集電体１０３を介さずに、接着剤やガスケットなどで配管部材１０７ａ、１０７ｂに直接接続する構成とされてもよい。

＜エンドプレート１０１＞
一対のエンドプレート１０１は、セル積層方向において、セル積層体２００及び一対の集電板１０３を挟み、燃料電池スタック１００のセル積層方向の両端部を構成する。

エンドプレート１０１は、典型的には、板形状を呈している。そして、エンドプレート１０１は、自身の板面を集電板１０３の板面に対向させるように配設されている。

又、エンドプレート１０１は、空気供給用開口２０１ａから空気排出用開口２０１ｂに向かう方向に沿って、当該エンドプレート１００の一方の側面（プラスＹ方向側）から他方の側面（マイナスＹ方向側）まで貫通する中空部１０１ａを有している。換言すると、中空部１０１ａは、セル積層体２００の空気流路Ａ２と平行に空気の流路を構成している。これにより、空気供給手段３００からの空気が、中空部１０１ａにも通流し、放熱流路を構成することができる。これによって、セル積層体２００の端部をより効果的に冷却することができる。

＜弾性部材１０２＞
弾性部材１０２は、エンドプレート１０１と集電板１０３との間に介在し、セル積層方向に沿って、セル積層体２００に均一な荷重を印加するための部材である。弾性部材１０２としては、例えば、ゴム部材（例えば、エラストマー）が用いられる。

本実施形態に係る燃料電池スタック１００は、エンドプレート１０１と集電板１０３との間に、互いに分離された複数の弾性部材１０２を有している。各弾性部材１０２は、例えば、±Ｘ方向を軸方向とする筒形状を呈している。各弾性部材１０２は、例えば、当該筒形状の一端がエンドプレート１０１に当接し、当該筒形状の他端が集電板１０３に当接し、これにより、エンドプレート１０１と集電板１０３との間に押圧されて保持されている。

弾性部材１０２は、エンドプレート１０１と集電板１０３とが対向する領域において、±Ｙ方向に沿って貫通口１０４が形成されるように、配設されている。例えば、複数の弾性部材１０２の配設位置は、エンドプレート１０１と集電板１０３とが対向する領域において、±Ｙ方向に沿った所定ラインの領域（即ち、貫通口１０４を形成する領域）が非配設領域となるように設定され、これにより貫通口１０４が形成される。典型的には、複数の弾性部材１０２は、±Ｙ方向及び±Ｚ方向の二次元面内において、格子状に整列して配設されている。

これにより、空気供給手段３００からの空気が、貫通口１０４にも通流し、放熱流路を構成することができる。これによって、セル積層体２００の端部をより効果的に冷却することができる。

図５は、本実施形態に係る燃料電池スタック１００の変形例の構成を示す分解図である。

変形例に係る燃料電池スタック１００は、エンドプレート１０１に開口２０１ａから開口２０１ｂへの延在方向と同一方向に延在するリブ１０８を設けて、当該リブ１０８と弾性部材１０２の壁部との間に放熱流路を構成する。

但し、弾性部材１０２の形状、素材及び個数等は、本発明においては特に限定されない。

例えば、弾性部材１０２は、エンドプレート１０１と集電板１０３とが対向する領域において、一の部材で一体的に成形されたものであってもよい。

又、例えば、貫通口１０４は、エンドプレート１０１と集電板１０３とが対向する領域のうち、プラスＸ方向側又はマイナスＸ方向側のいずれか一方のみに設けられてもよい。その場合、貫通口１０４は、エンドプレート１０１と集電板１０３とが対向する領域のうち、セルに流入する反応ガス流量が少なく必要な放熱量が小さい側に形成されることが望ましい。

又、例えば、弾性部材１０２は、バネ部材で構成されてもよい。

又、例えば、弾性部材１０２は、セル積層体２００のプラスＸ方向側のエンドプレート１０１と集電板１０３との間、又は、セル積層体２００のマイナスＸ方向側のエンドプレート１０１と集電板１０３との間の少なくともいずれか一方のみに設けられてもよい。

又、例えば、弾性部材１０２は、他の絶縁部材を介在させて、エンドプレート１０１又は集電体１０３と当接する構成としてもよい。

＜集電板１０３＞
一対の集電板１０３は、セル積層方向に沿って、セル積層体２００の外側側面を両側から挟み込んで、当該セル積層体２００から生じた直流電流を取り出す。集電板１０３としては、例えば、板形状を呈する導電部材が用いられる。

＜締結部材１０５、１０６＞
締結部材１０５、１０６は、セル積層方向に沿って、エンドプレート１０１にてセル積層体２００及び集電体１０３を外側から挟み込んだ状態で、当該エンドプレート１０１を締結固定する。

本実施形態に係る締結部材１０５、１０６は、ボルト状の締結部材１０５とナット状の締結部材１０６とにより、エンドプレート１０１の４隅に対応する４箇所で、一方のエンドプレート１０１と他方の一方のエンドプレート１０１とを締結する。

但し、締結部材１０５、１０６の構成は、本発明においては特に限定されない。締結部材１０５、１０６としては、例えば、クリップ形状やバンド形状の部材等が用いられてもよい。

締結部材１０５、１０６は、セル積層体２００の第１及び第２の開口２０１ａ、２０１ｂ、弾性部材１０２の貫通口１０４、及びエンドプレート１０１の中空部１０１ａを塞がない位置に配置されることが望ましい。

［効果］
以上のように、本実施形態に係る燃料電池スタック１００によれば、セル積層体２００が、セル積層方向と直交する方向における外側側面のうち対向する一方側と他方側（例えば、プラスＹ方向側の側面とマイナスＹ方向側の側面）に設けられた開口２０１ａ、２０１ｂ、及び当該開口２０１ａ、２０１ｂからセル２１１の領域に延在する間隙部２０１ｃを有しており、当該開口２０１ａ、２０１ｂと当該間隙部２０１ｃを介して、外部空間の空気をセル２１１の冷媒として導入する。

従って、本実施形態に係る燃料電池スタック１００は、セル積層体２００の各セル２１１の端部に対して、外部空間からの空気を直接的に導入することができる。これによって、セル積層体２００の端部等からの放熱も促進することができるため、発電量が大きくなった条件下（例えば、高電流密度の際）においても、セル積層体２００の端部における過熱に起因した発電性能の低下を抑制することができる。

又、本実施形態に係る燃料電池スタック１００によれば、セル積層体２００内において、空気供給用開口２０１ａ（第１の開口２０１ａ）と空気排出用開口２０１ｂ（第２の開口２０１ｂ）との間を連通する空気用連通孔２０１ｃを有している。これによって、各セル２１１の全体に対して、外部空間からの空気を直接的に導入することができる。又、これによって、セル積層体２００の各セル２１１の空気極に対する空気の供給をより円滑に行うことが可能である。

又、本実施形態に係る燃料電池スタック１００によれば、エンドプレート１０１と集電板１０３との間の領域のうち、弾性部材１０２が非配置の領域には、空気供給用開口２０１ａ（第１の開口２０１ａ）から空気排出用開口２０１ｂ（第２の開口２０１ｂ）に向かう方向（±Ｙ方向）に沿って延在する貫通口１０４が形成されている。これによって、セル積層体２００の端部における放熱特性をより向上させることができる。

又、本実施形態に係る燃料電池スタック１００によれば、エンドプレート１０１が、当該エンドプレート１０１の部材を貫通して、空気供給用開口２０１ａ（第１の開口２０１ａ）から空気排出用開口２０１ｂ（第２の開口２０１ｂ）に向かう方向（±Ｙ方向）に沿って延在する中空部１０１ｃを有している。これによって、セル積層体２００の端部における放熱特性をより向上させることができる。又、これによって、軽量化にも資する。

尚、本実施形態に係る燃料電池スタック１００は、軽量化しつつ、発電性能の低下を抑制することができるため、小型で且つ軽量な燃料電池、特にドローンなどの移動体向け燃料電池に好適である。

（第２の実施形態）
次に、図６〜図８を参照して、第２の実施形態に係る燃料電池スタック１００について説明する。本実施形態に係る燃料電池スタック１００は、エンドプレート１０１の形状の点で、第１の実施形態と相違する。尚、第１の実施形態と共通する構成については、説明を省略する（以下、他の実施形態についても同様）。

図６は、本実施形態に係る燃料電池スタック１００の側面図である。図７は、本実施形態に係る燃料電池スタック１００のエンドプレート１０１の外観斜視図である。図８は、本実施形態に係る燃料電池スタック１００のエンドプレート１０１の側面図である。

本実施形態に係るエンドプレート１０１は、集電板１０３と対向する側の面（即ち、プラスＸ方向側に配されたエンドプレート１０１のマイナスＸ方向側の面、及びマイナスＸ方向側に配されたエンドプレート１０１のプラスＸ方向側の面）に、弾性部材１０２を保持する係止部１０１ｂを有している。

係止部１０１ｂは、集電板１０３と対向する側の面に形成され、弾性部材１０２と嵌め合う凹形状又は凸形状を呈している。本実施形態に係る係止部１０１ｂは、集電板１０３と対向する側の面において、複数の弾性部材１０２それぞれの配設位置と対応する位置に設けられ、複数の弾性部材１０２それぞれと嵌合するように形成されている。そして、係止部１０１ｂの凹形状又は凸形状には、複数の弾性部材１０２それぞれが嵌め合わされる。これによって、複数の弾性部材１０２それぞれを保持すると共に位置決めしている。

尚、係止部１０１ｂは、凸形状であっても凹形状であってもよく、図７に示すように凹と凸の組合せであってもよいが、弾性部材１０２がバネ形状である場合は凸形状であることが好ましい。これによって、放熱流路を大きく確保しながら、弾性部材１０２と接する箇所のエンドプレート１０１の厚みを確保することができ、締結荷重に対する変形を抑制することができる。

又、エンドプレート１０１の中空部１０１ａ内には、複数の支柱部１０１ｃが設けられている。支柱部１０１ｃは、中空部１０１ａ内において、セル積層方向における一方側の内面と他方側の内面とを接続するように延在する。かかる構成によって、エンドプレート１０１が中空部１０１ａを有する形状であっても、弾性部材１０２を圧縮し締結する際のエンドプレート１０１に生じる圧縮応力を支柱部１０１ｃで受け、エンドプレート１０１の変形を抑えることができる。

又、支柱部１０１ｃは、弾性部材１０２と同様に整列して配置されているため、中空部１０１ａ内の空気の流通は支柱部１０１ｃによって妨げられず、十分な放熱が得られる。

（第３の実施形態）
次に、図９を参照して、第３の実施形態に係る燃料電池スタック１００について説明する。本実施形態に係る燃料電池スタック１００は、セル積層体２００における空気流路Ａ２の構成の点で、第１の実施形態と相違する。

図９は、本実施形態に係る燃料電池スタック１００の空気流路Ａ２の一例を示す図である。図９は、第１の実施形態の図４Ｂに相当する。

本実施形態に係る間隙部２０１ｃは、開口２０１ａと開口２０１ｂとの間を連通せず、開口２０１ａ及び開口２０１ｂそれぞれからセル積層体２００の内部に延在し、セル２１１の端部領域に沿って（ここでは、±Ｚ方向に沿って）配設されている。

尚、本実施形態に係る間隙部２０１ｃは、セル積層体２００の同じ側の外側側面に形成された複数の開口２０１ａの間（又は複数の開口２０１ｂの間）を連通するように形成されている。これによって、間隙部２０１ｃに導入した空気を循環させている。

従って、本実施形態に係る空気流路Ａ２においては、外部空間の空気は、セル積層体２００の外側側面の一方側に形成された開口２０１ａから間隙部２０１ｃに導入されると共に、同じ外側側面に形成された開口２０１ａから排出される。同様に、外部空間の空気は、セル積層体２００の外側側面の他方側に形成された開口２０１ｂから間隙部２０１ｃに導入されると共に、同じ外側側面に形成された開口２０１ｂから排出される。

つまり、本実施形態に係る空気流路Ａ２は、開口２０１ａから流入した外部空間の空気を、セル２１１のプラスＹ方向側の端部を冷却する冷媒として、セル積層体２００の内部に通流させる。又、空気流路Ａ２は、開口２０１ｂから流入した外部空間の空気を、セル２１１のマイナスＹ方向側の端部を冷却する冷媒として、セル積層体２００の内部に通流させる。

このようにして、冷媒たる空気が、セル積層体２００の端部に対して導入され、セル積層体２００の端部の過熱を抑制する。

以上のように、本実施形態に係る燃料電池スタック１００においても、セル積層体２００の各セル２１１の端部に対して、外部空間からの空気を直接的に導入することができる。これによって、セル積層体２００の端部等からの放熱も促進することができるため、セル積層体２００の端部における過熱に起因した発電性能の低下を抑制することができる。

尚、本実施形態に係る燃料電池スタック１００において、各セル２１１の空気極への空気の導入は、間隙部２０１ｃを介して行ってもよいし、間隙部２０１ｃとは別に設けた空気流路を介して行ってもよい。

（その他の実施形態）
上記実施形態では、燃料電池スタック１００の構成の一例を種々に示した。但し、各実施形態で示した態様を種々に組み合わせたものを用いてもよいのは勿論である。

又、上記実施形態では、燃料電池スタック１００の構成の一例として、空気供給手段３００を有する態様を示したが、セル積層体２００内への空気の導入が自然対流でも十分である場合には、空気供給手段３００を設けない構成としてもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

本開示に係る燃料電池スタックによれば、セル積層体の放熱特性を向上させることができ、薄型の燃料電池モジュールを実現できる。このことから、ポータブル電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネレーションシステム等に使用する燃料電池として有用である。

１００ 燃料電池スタック
１０１ エンドプレート
１０１ａ 中空部
１０１ｂ 係止部
１０１ｃ 支柱部
１０２ 弾性部材
１０３ 集電体
１０４ 貫通口
１０５、１０６ 締結部材
１０７ａ、１０７ｂ 配管部材
１０８ リブ
２００ セル積層体
２０１ａ 空気供給用開口
２０１ｂ 空気排出用開口
２０１ｃ 間隙部
２０２ａ 燃料ガス供給口
２０２ｂ 燃料ガス排出口
２０２ｃ 燃料ガス用連通孔
２１１ セル
２１２ セパレータ板
２１３ シール部材
３００ 空気供給手段

Claims (10)

1. セパレータ板を挟んで複数のセルを積層したセル積層体と、
   セル積層方向において前記セル積層体の外側側面を挟む一対の集電体と、
   前記セル積層方向において前記一対の集電体を外側から挟む一対のエンドプレートと、
   を備え、
   前記セル積層体は、
   前記セル積層方向と直交する方向における当該セル積層体の外側側面のうち一方の外側側面に形成された第１の開口と、前記第１の開口と反対側の外側側面に形成された第２の開口と、前記第１の開口及び前記第２の開口から前記セル積層体の内部に延在する間隙部と、を有する
   燃料電池スタック。
2. 前記間隙部は、前記セル積層体の内部において、前記第１の開口と前記第２の開口との間を連通する連通孔である
   請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 前記間隙部は、前記セル積層体の内部において、前記第１の開口及び前記第２の開口から延在し、前記セルの領域に沿って配設されている
   請求項１又は２に記載の燃料電池スタック。
4. 前記間隙部は、前記セルの空気極まで延在する
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
5. 前記第１の開口から前記第２の開口に向かう方向に空気の強制対流を誘起する空気供給手段と隣接して配設された
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
6. 前記エンドプレートと前記集電体との間に配設された弾性部材を更に備える
   請求項１乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
7. 前記エンドプレートと前記集電板との間の領域のうち、前記弾性部材が非配置の領域には、前記第１の開口から前記第２の開口に向かう方向に沿って延在する貫通口が形成された
   請求項６に記載の燃料電池スタック。
8. 前記エンドプレートは、前記集電板と対向する側面において、前記弾性部材と嵌め合う凹形状又は凸形状の係止部を有する
   請求項６又は７に記載の燃料電池スタック。
9. 前記エンドプレートは、前記第１の開口から前記第２の開口に向かう方向に沿って、当該エンドプレートの一方の側面から他方の側面まで延在する中空部を有する
   請求項１乃至８のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
10. 前記エンドプレートは、前記中空部内において、前記セル積層方向における一方側の内面と、当該一方側の内面と対向する他方側の内面とを接続する複数の支柱部を有する
    請求項９に記載の燃料電池スタック。

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