JP5374096B2 - 燃料電池スタック及びその設置方法 - Google Patents

Description

本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとを有する単位セルを設け、複数の前記単位セルが積層されるとともに、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及びその設置方法に関する。

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（電解質）の両側に、それぞれ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（電解質・電極構造体）を、セパレータによって挟持した単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

燃料電池では、アノード側電極の電極面に沿って燃料ガス（例えば、水素ガス）が供給されるとともに、カソード側電極の電極面に沿って酸化剤ガス（例えば、空気）が供給されることにより、発電が行われている。

その際、電極面内に電流密度分布が発生しており、この電流密度分布は、燃料ガス濃度の高い部分、すなわち、燃料ガス入口部分で大きくなっている。このため、燃料電池は、燃料ガス入口部分での劣化速度が他の部分に比べて速くなり、前記燃料電池の寿命が短くなるおそれがある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池発電装置が知られている。この従来技術では、図１３に示すように、切換スイッチＳが、所定条件の信号に基づいて第１三方弁Ｖ１を切換え、供給回路ＬＡを第１回路Ｌ１に接続するとともに、第２三方弁Ｖ２を切換え、排出回路ＬＢを第２回路Ｌ２に接続している。従って、燃料ガスＧは、供給回路ＬＡ、第１回路Ｌ１、燃料電池ＦＣ、第２回路Ｌ２及び排出回路ＬＢに沿って流れるとともに、燃料電池ＦＣを矢印ａ方向に流れている。

一方、スイッチＳが、所定条件の信号に基づいて第１三方弁Ｖ１を切換え、供給回路ＬＡを第３回路Ｌ３に切換えるとともに、第２三方弁Ｖ２を切換え、排出回路ＬＢを第４回路Ｌ４に切換えている。このため、燃料ガスＧは、供給回路ＬＡ、第３回路Ｌ３、第２回路Ｌ２、燃料電池ＦＣ、第１回路Ｌ１、第４回路Ｌ４及び排出回路ＬＢに沿って流れるとともに、燃料電池ＦＣを矢印ｂ方向に流れている。

これにより、燃料電池ＦＣにおける燃料ガスＧの流れは、所定時間毎に矢印ａ方向及び矢印ｂ方向に交互に反転されるため、電池面が平均して使用され、前記燃料電池ＦＣの寿命が長期化される、としている。

特開平５−３４３０８２号公報

上記の従来技術では、燃料電池ＦＣにおける燃料ガスＧの流れを反転させるために、燃料ガス回路及び反転燃料ガス回路である第１回路Ｌ１、第２回路Ｌ２、第３回路Ｌ３、第４回路Ｌ４、第１三方弁Ｖ１、第２三方弁Ｖ２及び切換スイッチＳを設けている。このため、構成が複雑化するとともに、コストが高騰して経済的ではないという問題がある。

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、単位セルの耐久性を良好に向上させることが可能な燃料電池スタック及びその設置方法を提供することを目的とする。

本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとを有する単位セルを設け、複数の前記単位セルが横方向に積層されるとともに、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ものである。

少なくとも一方のエンドプレートには、反応ガスを供給する反応ガス供給配管接続部と前記反応ガスを排出する反応ガス排出配管接続部とが、前記エンドプレートのプレート面中央部位を中心に点対称に配置されるとともに、少なくとも一方の前記エンドプレートの上部及び下部には、燃料電池スタックを設置するために、同一のマウント部材に選択的に固定される取り付け部位が、前記プレート面中央部位を中心に点対称に設けられ、一方の前記取り付け部位が前記マウント部材に固定されることにより、前記燃料電池スタックが一方の取り付け姿勢で設置され、前記反応ガス供給配管接続部と反応ガス供給配管とが接続され且つ前記反応ガス排出配管接続部と反応ガス排出配管とが接続され、他方の前記取り付け部位が前記マウント部材に固定されることにより、前記燃料電池スタックが前記一方の取り付け姿勢と点対称の他方の取り付け姿勢で設置され、前記反応ガス供給配管接続部と前記反応ガス排出配管とが接続され且つ前記反応ガス排出配管接続部と前記反応ガス供給配管とが接続されている。

さらに、エンドプレートには、点対称の一方の姿勢を示す第１マーク部と、点対称の他方の姿勢を示す第２マーク部とが設けられることが好ましい。

さらにまた、本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとを有する単位セルを設け、複数の前記単位セルが積層されるとともに、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の設置方法に関するものである。

少なくとも一方のエンドプレートには、反応ガスを供給する反応ガス供給配管接続部と前記反応ガスを排出する反応ガス排出配管接続部とが、前記エンドプレートのプレート面中央部位を中心に点対称に配置されている。

そして、この設置方法は、燃料電池スタックを点対称の一方の取り付け姿勢で設置し、反応ガス供給配管接続部と反応ガス供給配管とを接続し且つ反応ガス排出配管接続部と反応ガス排出配管とを接続する工程と、前記燃料電池スタックの劣化状態を検出する工程と、検出された前記劣化状態に応じて、前記燃料電池スタックを、積層方向を回転軸として１８０゜回転させることにより、点対称の他方の取り付け姿勢で設置し、前記反応ガス供給配管接続部と前記反応ガス排出配管とを接続し且つ前記反応ガス排出配管接続部と前記反応ガス供給配管とを接続する工程とを有している。

また、エンドプレートは、点対称の一方の姿勢を示す第１マーク部と、点対称の他方の姿勢を示す第２マーク部とを有することが好ましい。

本発明によれば、燃料電池スタックは、例えば、点対称の一方の姿勢で設置される際、反応ガス供給配管接続部が外部の反応ガス供給配管に接続されるとともに、反応ガス排出配管接続部が外部の反応ガス排出配管に接続される。

次いで、燃料電池スタックは、積層方向を回転軸として１８０゜回転することにより、点対称の他方の姿勢で設置される。このため、燃料電池スタックは、反応ガス供給配管接続部が反応ガス排出配管に接続されるとともに、反応ガス排出配管接続部が反応ガス供給配管に接続される。従って、燃料電池スタック内では、反応ガスの流れ方向が反転される。

これにより、燃料電池スタックを１８０゜回転させるだけで、前記燃料電池スタック内の反応ガスの流れ方向を反転させることができ、専用の反転燃料ガス回路等が不要になる。このため、簡単且つ経済的な構成で、単位セルの耐久性を良好に向上させることが可能になり、燃料電池スタック全体の寿命が有効に長期化される。

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の概略斜視説明図である。

燃料電池スタック１０は、複数の単位セル１２が横方向である水平方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体１４を設ける。積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）の一端には、ターミナルプレート１６ａ、絶縁プレート１８ａ及びエンドプレート２０ａが外方に向かって配設される。積層体１４の積層方向の他端には、ターミナルプレート１６ｂ、絶縁プレート１８ｂ及びエンドプレート２０ｂが外方に向かって配設される。エンドプレート２０ａ、２０ｂは、複数（例えば、４本）のタイロッド２１を介して締め付け保持される。

図２に示すように、各単位セル１２は、電解質膜・電極構造体２２と、前記電解質膜・電極構造体２２を挟持するカソード側セパレータ２４及びアノード側セパレータ２６とを備える。カソード側セパレータ２４及びアノード側セパレータ２６は、例えば、カーボンセパレータ又は金属セパレータで構成される。

単位セル１２の矢印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２８ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３０ａ、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排出連通孔３２ｂが設けられる。燃料ガス排出連通孔３２ｂの下方には、冷媒エア抜き孔３４ａが設けられる。

単位セル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供給連通孔３２ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３０ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔２８ｂが設けられる。燃料ガス供給連通孔３２ａの上方には、冷媒エア抜き孔３４ｂが設けられる。

単位セル１２では、酸化剤ガス供給連通孔２８ａと酸化剤ガス排出連通孔２８ｂとが、積層方向を回転軸として点対称に配置される。燃料ガス供給連通孔３２ａと燃料ガス排出連通孔３２ｂとは、同様に点対称に配置されるとともに、冷却媒体供給連通孔３０ａと冷却媒体排出連通孔３０ｂとは、点対称に配置される。冷媒エア抜き孔３４ａと冷媒エア抜き孔３４ｂとは、点対称に配置される。なお、これらの関係は、必要に応じて設定すればよく、少なくともエンドプレート２０ａが、後述する点対称関係を有していればよい。

図２及び図３に示すように、カソード側セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２２側の面２４ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する酸化剤ガス流路３６が設けられる。酸化剤ガス流路３６は、複数の溝部を備えており、前記酸化剤ガス流路３６と酸化剤ガス供給連通孔２８ａ及び酸化剤ガス排出連通孔２８ｂとは、連結流路３８ａ、３８ｂを介して連通する。連結流路３８ａ、３８ｂには、蓋部材（ブリッジ）３９ａ、３９ｂが配設される。

図２に示すように、カソード側セパレータ２４の面２４ａとは反対の面２４ｂには、冷却媒体流路４０が形成される。冷却媒体流路４０と冷却媒体供給連通孔３０ａ及び冷却媒体排出連通孔３０ｂとは、連結流路４２ａ、４２ｂを介して連通する。

アノード側セパレータ２６の電解質膜・電極構造体２２側の面２６ａには、燃料ガス供給連通孔３２ａと燃料ガス排出連通孔３２ｂとに連通し、矢印Ｂ方向に延在する燃料ガス流路４４が形成される。燃料ガス流路４４は、複数の溝部を備えるとともに、前記燃料ガス流路４４と燃料ガス供給連通孔３２ａ及び燃料ガス排出連通孔３２ｂとは、後述するように、連通路部５０ａ、５０ｂを介して連通する。

図４に示すように、アノード側セパレータ２６の面２６ａとは反対の面２６ｂには、冷却媒体供給連通孔３０ａと冷却媒体排出連通孔３０ｂとに連通する冷却媒体流路４０が形成される。冷却媒体流路４０と冷却媒体供給連通孔３０ａ及び冷却媒体排出連通孔３０ｂとは、連結流路４６ａ、４６ｂを介して連通する。

連通路部５０ａは、図２及び図４に示すように、複数の孔部５２ａと、前記孔部５２ａの一端に連通するとともに、燃料ガス供給連通孔３２ａに連通する複数の第１通路部５４ａと、前記孔部５２ａの他端に連通するとともに、燃料ガス流路４４に連通する複数の第２通路部５６ａとを有する。

連通路部５０ｂは、上記の連通路部５０ａと同様に、図２及び図４に示すように、複数の孔部５２ｂと、前記孔部５２ｂの一端に連通するとともに、燃料ガス排出連通孔３２ｂに連通する複数の第１通路部５４ｂと、前記孔部５２ｂの他端に連通するとともに、燃料ガス流路４４に連通する複数の第２通路部５６ｂとを有する。

カソード側セパレータ２４は、金属薄板上に第１シール部材５８が一体に射出成形されるとともに、アノード側セパレータ２６は、金属薄板上に第２シール部材６０が一体に射出成形される。アノード側セパレータ２６の長手方向（矢印Ｂ方向）両端部には、単位セル１２のセル電圧を検出するためのセル電圧端子６２ａ、６２ｂが点対称に設けられる。なお、アノード側セパレータ２６に代えて、カソード側セパレータ２４にセル電圧端子６２ａ、６２ｂを設けてもよい。

図２に示すように、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６４と、前記固体高分子電解質膜６４を挟持するカソード側電極６６及びアノード側電極６８とを備える。

カソード側電極６６及びアノード側電極６８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ることにより形成される電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜６４の両面に形成されている。

図１に示すように、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂは、略中央部に棒状端子７０ａ、７０ｂを設ける。棒状端子７０ａ、７０ｂは、絶縁プレート１８ａ、１８ｂ及びエンドプレート２０ａ、２０ｂを貫通して外部に露出する。

エンドプレート２０ａの矢印Ｂ方向の一端縁部には、酸化剤ガス供給連通孔２８ａに連通する酸化剤ガス供給配管接続部（反応ガス供給配管接続部）７２ａ、冷却媒体供給連通孔３０ａに連通する冷却媒体供給配管接続部７４ａ、燃料ガス排出連通孔３２ｂに連通する燃料ガス排出配管接続部（反応ガス排出配管接続部）７６ｂ、及び冷媒エア抜き孔３４ａに連通する第１冷媒エア配管接続部７８ａが設けられる。

エンドプレート２０ａの矢印Ｂ方向の他端縁部には、冷媒エア抜き孔３４ｂに連通する第２冷媒エア配管接続部７８ｂ、燃料ガス供給連通孔３２ａに連通する燃料ガス供給配管接続部（反応ガス供給配管接続部）７６ａ、冷却媒体排出連通孔３０ｂに連通する冷却媒体排出配管接続部７４ｂ、及び酸化剤ガス排出連通孔２８ｂに連通する酸化剤ガス排出配管接続部（反応ガス排出配管接続部）７２ｂが設けられる。

図１及び図５に示すように、酸化剤ガス供給配管接続部７２ａと酸化剤ガス排出配管接続部７２ｂとは、エンドプレート２０ａのプレート面中央部位を中心に点対称に配置されるとともに、燃料ガス供給配管接続部７６ａと燃料ガス排出配管接続部７６ｂとは、前記プレート面中央部位を中心に点対称に配置される。冷却媒体供給配管接続部７４ａと冷却媒体排出配管接続部７４ｂとは、エンドプレート２０ａのプレート面中央部位を中心に点対称に配置されるとともに、第１冷媒エア配管接続部７８ａと第２冷媒エア配管接続部７８ｂとは、前記プレート面中央部位を中心に点対称に配置される。

図６に示すように、酸化剤ガス供給配管接続部７２ａは、ブラケットを構成しており、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス供給連通孔２８ａに連通する孔部８０に挿入される筒状部８２を有する。筒状部８２は、シール部材８４ａを介して孔部８０に気密に挿入されるとともに、前記筒状部８２の端部には、フランジ部８６が形成される。フランジ部８６には、シール部材８４ｂを内装して筒状連結部８８が一体に設けられ、前記フランジ部８６は、ボルト９０によりエンドプレート２０ａに固定される。

冷却媒体供給配管接続部７４ａ、燃料ガス排出配管接続部７６ｂ、第１冷媒エア配管接続部７８ａ、第２冷媒エア配管接続部７８ｂ、燃料ガス供給配管接続部７６ａ、冷却媒体排出配管接続部７４ｂ及び酸化剤ガス排出配管接続部７２ｂは、上記の酸化剤ガス供給配管接続部７２ａと同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。

図５に示すように、エンドプレート２０ａの下部には、燃料電池スタック１０を点対称の一方の姿勢で設置するための第１取り付けねじ孔部（取り付け部位）９２ａが２つ設けられる一方、前記エンドプレート２０ａの上部には、前記燃料電池スタック１０を積層方向を回転軸として１８０゜回転させて点対称の他方の姿勢で設置するための第２取り付けねじ孔部（取り付け部位）９２ｂが２つ設けられる。第１取り付けねじ孔部９２ａと第２取り付けねじ孔部９２ｂとは、エンドプレート２０ａのプレート面中央部位を中心に点対称に配置される。

エンドプレート２０ａのプレート面には、点対称の一方の姿勢を示す第１マーク部９４ａと、点対称の他方の姿勢を示す第２マーク部９４ｂとが設けられる。第１マーク部９４ａは、図１に示す姿勢で正しい向きに配置される「ＮＯＲＭＡＬ」の標記を有する。第２マーク部９４ｂは、「ＲＥＶＥＲＳＥ」の標記を有し、第１マーク部９４ａとは逆向きに配置された際に、正しい向きになる。

図１に示すように、例えば、自動車車両内の取り付け面９６には、マウント部材９８が配設される。このマウント部材９８は、ボルト１００が第１取り付けねじ孔部９２ａに螺合することにより、燃料電池スタック１０を一方の姿勢で設置する。

なお、エンドプレート２０ｂには、必要に応じて、第１取り付けねじ孔部９２ａ及び第２取り付けねじ孔部９２ｂを設けてもよく、また、第１マーク部９４ａ及び第２マーク部９４ｂを設けてもよい。

燃料電池スタック１０では、一方の姿勢において、各単位セル１２のセル電圧端子６２ａにセル電圧コネクタ１０２が接続される。酸化剤ガス供給配管接続部７２ａ、冷却媒体供給配管接続部７４ａ及び燃料ガス排出配管接続部７６ｂには、それぞれ酸化剤ガス供給配管１０４ａ、冷却媒体供給配管１０６ａ及び燃料ガス排出配管１０８ｂが接続される。第１冷媒エア配管接続部７８ａは、蓋１１０により閉塞される一方、第２冷媒エア配管接続部７８ｂには、エア抜き配管１１２が接続される。

燃料ガス供給配管接続部７６ａ、冷却媒体排出配管接続部７４ｂ及び酸化剤ガス排出配管接続部７２ｂには、それぞれ燃料ガス供給配管１０８ａ、冷却媒体排出配管１０６ｂ及び酸化剤ガス排出配管１０４ｂが接続される。

棒状端子７０ａ、７０ｂには、電流ケーブル１１４ａ、１１４ｂが電気的に接続され、図示しない負荷（例えば、走行用モータや補機等）に所定の電流を供給する。

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、燃料ガス供給配管１０８ａから燃料ガス供給連通孔３２ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給配管１０４ａから酸化剤ガス供給連通孔２８ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給配管１０６ａから冷却媒体供給連通孔３０ａに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、燃料ガスは、図２に示すように、アノード側セパレータ２６に設けられている連通路部５０ａを介して燃料ガス流路４４に導入される。燃料ガス流路４４に導入された燃料ガスは、矢印Ｂ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体２２を構成するアノード側電極６８に供給される。

一方、酸化剤ガスは、図３に示すように、酸化剤ガス供給連通孔２８ａからカソード側セパレータ２４に設けられた各連結流路３８ａを通って酸化剤ガス流路３６に導入される。これにより、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路３６を矢印Ｂ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体２２を構成するカソード側電極６６に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体２２では、カソード側電極６６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極６８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、アノード側電極６８に供給されて消費された使用済みの燃料ガスは、連通路部５０ｂを介して燃料ガス排出連通孔３２ｂに導出された後、この燃料ガス排出連通孔３２ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。この使用済みの燃料ガスは、図１に示すように、燃料ガス排出配管１０８ｂを介して燃料電池スタック１０の外部に排出される。

一方、カソード側電極６６に供給されて消費された酸化剤ガスは、各連結流路３８ｂを通って酸化剤ガス排出連通孔２８ｂに排出される。この酸化剤ガスは、図１に示すように、酸化剤ガス排出配管１０４ｂを介して燃料電池スタック１０の外部に排出される。

また、冷却媒体は、図２に示すように、冷却媒体供給連通孔３０ａから連結流路４２ａ、４６ａを通って冷却媒体流路４０に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２２を冷却した後、連結流路４２ｂ、４６ｂを通って冷却媒体排出連通孔３０ｂに排出される。さらに、冷却媒体は、図１に示すように、冷却媒体排出配管１０６ｂを介して燃料電池スタック１０の外部に排出される。

冷却媒体流路４０の上部側には、冷媒エア抜き孔３４ｂが連通している。このため、冷却媒体流路４０を流動する冷却媒体に含まれるエアは、冷媒エア抜き孔３４ｂからエア抜き配管１１２を介して燃料電池スタック１０の外部に排出される（図１参照）。

この場合、第１の実施形態では、燃料電池スタック１０の劣化状態が検出される。この劣化状態は、例えば、セル電圧コネクタ１０２に接続される検出器（図示せず）により検出される各単位セル１２のセル電圧の低下に基づいて判断することができる。

また、以下に説明する劣化係数の計算式から判断することも可能である。具体的には、「ＮＯＲＭＡＬ」方向で運転した際の劣化係数をＤｎ、「ＲＥＶＥＲＳＥ」方向で運転した際の劣化係数をＤｒとすると、Ｄｎ＝Ａ×Ｎｎ＋Ｂ×Ｔｎ及びＤｒ＝Ａ×Ｎｒ＋Ｂ×Ｔｒの計算式が得られる。

ここで、Ａは、起動ダメージ係数、Ｂは、発電及びＯＣＶ（開回路電圧）のダメージ係数、Ｎｎは、「ＮＯＲＭＡＬ」方向の搭載状態での起動回数、Ｎｒは、「ＲＥＶＥＲＳＥ」方向の搭載状態での起動回数、Ｔｎは、「ＮＯＲＭＡＬ」方向の搭載状態での０．８ｖ以上の運転時間、Ｔｒは、「ＲＥＶＥＲＳＥ」方向の搭載状態での０．８ｖ以上の運転時間である。

そして、例えば、定期点検時にＤｎ＞Ｄｒであれば、「ＲＥＶＥＲＳＥ」方向に搭載する一方、Ｄｎ＜Ｄｒであれば、「ＮＯＲＭＡＬ」方向に搭載する。なお、燃料電池スタック１０が、最初に「ＮＯＲＭＡＬ」方向に搭載された際には、予め設定された運転時間等に基づいて、前記燃料電池スタック１０を「ＲＥＶＥＲＳＥ」方向に姿勢変更をして搭載する。

姿勢変更をする際には、酸化剤ガス供給配管接続部７２ａ、冷却媒体供給配管接続部７４ａ及び燃料ガス排出配管接続部７６ｂから、それぞれ酸化剤ガス供給配管１０４ａ、冷却媒体供給配管１０６ａ及び燃料ガス排出配管１０８ｂが取り外される。一方、燃料ガス供給配管接続部７６ａ、冷却媒体排出配管接続部７４ｂ及び酸化剤ガス排出配管接続部７２ｂから、それぞれ燃料ガス供給配管１０８ａ、冷却媒体排出配管１０６ｂ及び酸化剤ガス排出配管１０４ｂが取り外される。また、第１冷媒エア配管接続部７８ａから蓋１１０が取り外されるとともに、第２冷媒エア配管接続部７８ｂからエア抜き配管１１２が取り外される。

さらに、各単位セル１２のセル電圧端子６２ａからセル電圧コネクタ１０２が取り外されるとともに、ボルト１００が第１取り付けねじ孔部９２ａから離脱されて燃料電池スタック１０がマウント部材９８から取り外される。

次いで、燃料電池スタック１０は、積層方向（矢印Ａ方向）を回転軸として１８０゜反転され、点対称の他方の姿勢に変換される。このため、図７に示すように、第２マーク部９４ｂが上方に配置され、「ＲＥＶＥＲＳＥ」の標記が正しい向きに配置される。

そこで、ボルト１００が第２取り付けねじ孔部９２ｂに螺合することにより、燃料電池スタック１０は、マウント部材９８に他方の姿勢で設置される。この燃料電池スタック１０では、各単位セル１２のセル電圧端子６２ｂにセル電圧コネクタ１０２が接続される。

酸化剤ガス排出配管接続部７２ｂ、冷却媒体排出配管接続部７４ｂ及び燃料ガス供給配管接続部７６ａには、それぞれ酸化剤ガス供給配管１０４ａ、冷却媒体供給配管１０６ａ及び燃料ガス排出配管１０８ｂが接続される。第２冷媒エア配管接続部７８ｂは、蓋１１０により閉塞される一方、第１冷媒エア配管接続部７８ａには、エア抜き配管１１２が接続される。

燃料ガス排出配管接続部７６ｂ、冷却媒体供給配管接続部７４ａ及び酸化剤ガス供給配管接続部７２ａには、それぞれ燃料ガス供給配管１０８ａ、冷却媒体排出配管１０６ｂ及び酸化剤ガス排出配管１０４ｂが接続される。

上記の「ＲＥＶＥＲＳＥ」の姿勢で設置された燃料電池スタック１０では、各単位セル１２が積層方向を回転軸として１８０゜回転されている。このため、電解質膜・電極構造体２２において、カソード側電極６６の電極面に沿って流動する酸化剤ガスの流れ及びアノード側電極６８の電極面に沿って流動する燃料ガスの流れは、逆方向となる。酸化剤ガス供給連通孔２８ａと酸化剤ガス排出連通孔２８ｂとが、入れ替わる一方、燃料ガス供給連通孔３２ａと燃料ガス排出連通孔３２ｂとが、入れ替わっているからである。

第１の実施形態では、図１及び図７に示すように、酸化剤ガス供給配管接続部７２ａと酸化剤ガス排出配管接続部７２ｂとは、エンドプレート２０ａのプレート面中央部位を中心に点対称に配置されるとともに、燃料ガス供給配管接続部７６ａと燃料ガス排出配管接続部７６ｂとは、前記プレート面中央部位を中心に点対称に配置されている。

さらに、冷却媒体供給配管接続部７４ａと冷却媒体排出配管接続部７４ｂとは、エンドプレート２０ａのプレート面中央部位を中心に点対称に配置されるとともに、第１冷媒エア配管接続部７８ａと第２冷媒エア配管接続部７８ｂとは、前記プレート面中央部位を中心に点対称に配置されている。さらにまた、第１取り付けねじ孔部９２ａと第２取り付けねじ孔部９２ｂとは、エンドプレート２０ａのプレート面中央部位を中心に点対称に配置されている。

従って、燃料電池スタック１０は、積層方向を回転軸として１８０゜回転するだけで、点対称の一方の姿勢と他方の姿勢とに設置することができ、前記燃料電池スタック１０内の酸化剤ガス及び燃料ガスの流れ方向を反転させることが可能になる。

これにより、例えば、専用の反転燃料ガス回路等が不要になるとともに、単位セル１２の部分的な劣化の進行を抑制することができる。このため、簡単且つ経済的な構成で、単位セル１２の耐久性を良好に向上させることが可能になり、燃料電池スタック１０全体の寿命が有効に長期化されるという効果が得られる。

図８は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック１２０の概略平面説明図である。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。なお、以下に説明する第３及び際４の実施においても同様に、その詳細な説明は省略する。

燃料電池スタック１２０は、複数の単位セル１２２を備えるとともに、各単位セル１２２は、電解質膜・電極構造体２２と、前記電解質膜・電極構造体２２を挟持するカソード側セパレータ１２４及びアノード側セパレータ１２６とを備える。

カソード側セパレータ１２４の矢印Ｂ方向一端部には、セル電圧端子６２ａが設けられる一方、アノード側セパレータ１２６の矢印Ｂ方向他端部には、セル電圧端子６２ｂが設けられる。セル電圧端子６２ａ、６２ｂは、点対称の位置に設定される。

このように構成される第２の実施形態では、燃料電池スタック１２０が、積層方向を回転軸として１８０゜回転される際に、セル電圧端子６２ａとセル電圧端子６２ｂとは、セル電圧コネクタ１０２の取り付け位置に交互に配置される。従って、燃料電池スタック１２０の反転設置作業が簡素化される等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図９は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック１３０の概略平面説明図である。

燃料電池スタック１３０は、単位セル１３２ａ、１３２ｂを交互に積層する。各単位セル１３２ａは、電解質膜・電極構造体２２と、前記電解質膜・電極構造体２２を挟持するカソード側セパレータ１３４ａ及びアノード側セパレータ１３６ａとを備えるとともに、各単位セル１３２ｂは、電解質膜・電極構造体２２と、前記電解質膜・電極構造体２２を挟持するカソード側セパレータ１３４ｂ及びアノード側セパレータ１３６ｂとを備える。

単位セル１３２ａを構成するカソード側セパレータ１３４ａの矢印Ｂ方向一端部には、セル電圧端子６２ａが設けられる一方、単位セル１３２ｂを構成するカソード側セパレータ１３４ｂの矢印Ｂ方向他端部には、セル電圧端子６２ｂが設けられる。セル電圧端子６２ａ、６２ｂは、点対称の位置に設定される。

なお、カソード側セパレータ１３４ａ、１３４ｂに代えて、アノード側セパレータ１３６ａ、１３６ｂにセル電圧端子６２ａ、６２ｂを設けてもよい。

このように構成される第３の実施形態では、上記の第２の実施形態と同様の効果が得られる。

図１０は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタック１４０の概略斜視説明図である。

燃料電池スタック１４０は、複数の単位セル１４２が縦方向である鉛直方向（矢印Ｃ方向）に積層された積層体１４４を設ける。積層体１４４の積層方向（矢印Ｃ方向）の上方側には、ターミナルプレート１４６ａ、絶縁プレート１４８ａ及びエンドプレート１５０ａが外方に向かって配設される。積層体１４４の積層方向の下方側には、ターミナルプレート１４６ｂ、絶縁プレート１４８ｂ及びエンドプレート１５０ｂが外方に向かって配設される。単位セル１４２は、冷媒エア抜き孔３４ａ、３４ｂが設けられない以外、第１の実施形態に係る単位セル１２と同様に構成される。

図１１に示すように、少なくとも一方のターミナルプレート１４６ａには、外部に突出する板状の第１電流取り出し端子１５２ａ及び第２電流取り出し端子１５４ａが、エンドプレート１５０ａのプレート面中央部位を中心に点対称の位置に設けられる。ターミナルプレート１４６ｂには、外部に突出する板状の第１電流取り出し端子１５２ｂ及び第２電流取り出し端子１５４ｂが、エンドプレート１５０ａのプレート面中央部位を中心に点対称の位置に設けられる。

エンドプレート１５０ｂの四隅には、図１２に示すように、４つのマウント部材１５６に固定される取り付け部１５８が点対称位置に設けられる。取り付け部１５８は、例えば、マウント部材１５６にねじ止めされるねじ孔等により構成される。

このように構成される第４の実施形態では、燃料電池スタック１４０は、図１０に示すように、一方の姿勢である「ＮＯＲＭＡＬ」の姿勢に配置される。すなわち、酸化剤ガス供給配管接続部７２ａ、冷却媒体供給配管接続部７４ａ及び燃料ガス排出配管接続部７６ｂには、それぞれ酸化剤ガス供給配管１０４ａ、冷却媒体供給配管１０６ａ及び燃料ガス排出配管１０８ｂが接続される。

燃料ガス供給配管接続部７６ａ、冷却媒体排出配管接続部７４ｂ及び酸化剤ガス排出配管接続部７２ｂには、それぞれ燃料ガス供給配管１０８ａ、冷却媒体排出配管１０６ｂ及び酸化剤ガス排出配管１０４ｂが接続される。第１電流取り出し端子１５２ａ、１５２ｂには、電流ケーブル１１４ａ、１１４ｂが電気的に接続される。

一方、燃料電池スタック１４０は、積層方向を回転軸として１８０゜回転されることにより、図１２に示すように、点対称の他方の姿勢である「ＲＥＶＥＲＳＥ」の姿勢に配置される。その際、酸化剤ガス排出配管接続部７２ｂ、冷却媒体排出配管接続部７４ｂ及び燃料ガス供給配管接続部７６ａには、それぞれ酸化剤ガス供給配管１０４ａ、冷却媒体供給配管１０６ａ及び燃料ガス排出配管１０８ｂが接続される。

燃料ガス排出配管接続部７６ｂ、冷却媒体供給配管接続部７４ａ及び酸化剤ガス供給配管接続部７２ａには、それぞれ燃料ガス供給配管１０８ａ、冷却媒体排出配管１０６ｂ及び酸化剤ガス排出配管１０４ｂが接続される。そして、第２電流取り出し端子１５４ａ、１５４ｂには、電流ケーブル１１４ａ、１１４ｂが電気的に接続される。

これにより、第４の実施形態では、簡単且つ経済的な構成で、燃料電池スタック１４０の耐久性を良好に向上させることが可能になる等、第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。

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分解斜視説明図である。 前記単位セルを構成するカソード側セパレータの正面図である。 前記単位セルを構成するアノード側セパレータの正面図である。 前記燃料電池スタックを構成する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を構成する酸化剤ガス供給配管接続部の、図１中、ＶＩ−ＶＩ線断面説明図である。 前記燃料電池スタックが点対称の他方の姿勢に設置された際の斜視説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの概略平面説明図である。 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平面説明図である。 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説明図である。 前記燃料電池スタックを構成するターミナルプレートの斜視説明図である。 前記燃料電池スタックが点対称の他方の姿勢に設置された際の概略斜視説明図である。 特許文献１に開示されている燃料電池発電装置の説明図である。

符号の説明

１０、１２０、１３０、１４０…燃料電池スタック
１２、１２２、１３２ａ、１３２ｂ、１４２…単位セル
１４、１４４…積層体
１６ａ、１６ｂ、１４６ａ、１４６ｂ…ターミナルプレート
１８ａ、１８ｂ、１４８ａ、１４８ｂ…絶縁プレート
２０ａ、２０ｂ、１５０ａ、１５０ｂ…エンドプレート
２２…電解質膜・電極構造体
２４、１２４、１３４ａ、１３４ｂ…カソード側セパレータ
２６、１２６、１３６ａ、１３６ｂ…アノード側セパレータ
２８ａ…酸化剤ガス供給連通孔 ２８ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
３０ａ…冷却媒体供給連通孔 ３０ｂ…冷却媒体排出連通孔
３２ａ…燃料ガス供給連通孔 ３２ｂ…燃料ガス排出連通孔
３４ａ、３４ｂ…冷却エア抜き孔 ３６…酸化剤ガス流路
４０…冷却媒体流路 ４４…燃料ガス流路
６４…固体高分子電解質膜 ６６…カソード側電極
６８…アノード側電極 ７２ａ…酸化剤ガス供給配管接続部
７２ｂ…酸化剤ガス排出配管接続部 ７４ａ…冷却媒体供給配管接続部
７４ｂ…冷却媒体排出配管接続部 ７６ａ…燃料ガス供給配管接続部
７６ｂ…燃料ガス排出配管接続部 ７８ａ、７８ｂ…冷媒エア配管接続部
９２ａ、９２ｂ…取り付けねじ孔部 ９４ａ、９４ｂ…マーク部
９８…マウント部材 １０４ａ…酸化剤ガス供給配管
１０４ｂ…酸化剤ガス排出配管 １０６ａ…冷却媒体供給配管
１０６ｂ…冷却媒体排出配管 １０８ａ…燃料ガス供給配管
１０８ｂ…燃料ガス排出配管 １１０…蓋
１１２…エア抜き配管 １１４ａ、１１４ｂ…電流ケーブル

Claims (6)

1. 一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとを有する単位セルを設け、複数の前記単位セルが横方向に積層されるとともに、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であって、
   少なくとも一方の前記エンドプレートには、反応ガスを供給する反応ガス供給配管接続部と前記反応ガスを排出する反応ガス排出配管接続部とが、前記エンドプレートのプレート面中央部位を中心に点対称に配置されるとともに、
   少なくとも一方の前記エンドプレートの上部及び下部には、前記燃料電池スタックを設置するために、同一のマウント部材に選択的に固定される取り付け部位が、前記プレート面中央部位を中心に点対称に設けられ、
   一方の前記取り付け部位が前記マウント部材に固定されることにより、前記燃料電池スタックが一方の取り付け姿勢で設置され、前記反応ガス供給配管接続部と反応ガス供給配管とが接続され且つ前記反応ガス排出配管接続部と反応ガス排出配管とが接続され、
   他方の前記取り付け部位が前記マウント部材に固定されることにより、前記燃料電池スタックが前記一方の取り付け姿勢と点対称の他方の取り付け姿勢で設置され、前記反応ガス供給配管接続部と前記反応ガス排出配管とが接続され且つ前記反応ガス排出配管接続部と前記反応ガス供給配管とが接続さ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、複数の前記単位セルの前記積層方向両端と前記エンドプレートとの間に、ターミナルプレートが介装されるとともに、
   各ターミナルプレートのプレート面中央部位から積層方向外方に電流取り出し端子が露出す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、少なくとも一方の前記エンドプレートには、冷却媒体からエアを排出する第１冷媒エア配管接続部と第２冷媒エア配管接続部とが設けられ、前記第１冷媒エア配管接続部と前記第２冷媒エア配管接続部とが、前記エンドプレートのプレート面中央部位を中心に点対称に配置されることを特徴とする燃料電池スタック。
4. 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、少なくとも一方の前記エンドプレートには、前記一方の取り付け姿勢を示す第１マーク部と、
   前記他方の取り付け姿勢を示す第２マーク部と、
   が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
5. 一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとを有する単位セルを設け、複数の前記単位セルが積層されるとともに、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の設置方法であって、
   少なくとも一方の前記エンドプレートには、反応ガスを供給する反応ガス供給配管接続部と前記反応ガスを排出する反応ガス排出配管接続部とが、前記エンドプレートのプレート面中央部位を中心に点対称に配置されており、
   前記燃料電池スタックを点対称の一方の取り付け姿勢で設置し、前記反応ガス供給配管接続部と反応ガス供給配管とを接続し且つ前記反応ガス排出配管接続部と反応ガス排出配管とを接続する工程と、
   前記燃料電池スタックの劣化状態を検出する工程と、
   検出された前記劣化状態に応じて、前記燃料電池スタックを、積層方向を回転軸として１８０゜回転させることにより、点対称の他方の取り付け姿勢で設置し、前記反応ガス供給配管接続部と前記反応ガス排出配管とを接続し且つ前記反応ガス排出配管接続部と前記反応ガス供給配管とを接続する工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池スタックの設置方法。
6. 請求項５記載の設置方法において、少なくとも一方の前記エンドプレートは、前記一方の取り付け姿勢を示す第１マーク部と、
   前記他方の取り付け姿勢を示す第２マーク部と、
   を有することを特徴とする燃料電池スタックの設置方法。

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