JP6105417B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に関するものである。

車両等に搭載される燃料電池は、複数の単位セルが積層されて燃料電池スタックを構成し、この燃料電池スタックを単位セルの積層方向の両側からエンドプレートにより挟持して構成されている。単位セルとしては、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟んで膜電極構造体（ＭＥＡ）を構成し、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置して構成したものがある。
上述した燃料電池では、アノード電極に燃料ガスとして水素ガスを供給するとともに、カソード電極に酸化剤ガスとして空気を供給する。これにより、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが固体高分子電解質膜を透過してカソード電極まで移動し、カソード電極で空気中の酸素と電気化学反応を起こして発電が行われる。

ところで、上述した燃料電池では、発電の安定化を図るために燃料電池スタック（各単位セル）を所望の温度範囲（例えば、７０℃〜９５℃）内に保持することが好ましいとされている。
そこで、例えば下記特許文献１，２には、燃料電池スタックの周囲を断熱材で覆う構成が開示されている。
また、例えば下記特許文献３には、セパレータの外周部分に空気層を形成し、この空気層を断熱層として機能させる構成が開示されている。
さらに、例えば下記特許文献４には、エンドプレートのうち、酸化剤ガスの供給部分の周囲に熱媒体を流通させる構成が開示されている。

特開２００４−８７３４４号公報 特開２００８−１３０２６１号公報 特開２０１０−２７２２２４号公報 特開平１０−１２２６２号公報

しかしながら、上述した特許文献１，２の構成にあっては、別体の断熱材を設けることで、部品点数や製造コストの増加に繋がるという課題がある。
また、上述した特許文献３の構成にあっては、セパレータ自体に専用の設計が必要になり、これによっても製造コストが増加するという課題がある。
さらに、上述した特許文献４の構成にあっては、熱媒体を酸化剤ガスの供給部分まで流通させる必要があるため、ウォータポンプの容量を増加する必要があったり、熱媒体を介して電気的に短絡（液絡）したりするおそれがある。

そこで、本発明は、上述した事情に考慮してなされたもので、部品点数や製造コストの増加を抑制できるとともに、簡素な構成で燃料電池スタックを所望の温度範囲に保持できる燃料電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載した発明は、一対の電極（例えば、実施形態におけるアノード電極３２及びカソード電極３３）が電解質膜（例えば、実施形態における固体高分子電解質膜３１）の両側に設けられてなる膜電極構造体（例えば、実施形態における第１ＭＥＡ２４及び第２ＭＥＡ２５）と、前記膜電極構造体を挟持するセパレータ（例えば、実施形態における第１セパレータ２１、第２セパレータ２２、及び第３セパレータ２３）と、を有する燃料電池セル（例えば、実施形態における単位セル２）が厚さ方向に沿って積層された積層体（例えば、実施形態における燃料電池スタック３）を備えた燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池１）であって、前記積層体を前記燃料電池セルの積層方向に沿う両側から挟持する一対のエンドプレート（例えば、実施形態における第１エンドプレート４及び第２エンドプレート５）と、前記積層体の周囲のうち、前記エンドプレート間に位置する部分を取り囲むサイドパネル（例えば、実施形態におけるサイドパネル８，９）と、前記積層体の外周と前記エンドプレート及び前記サイドパネルとで画成された内側空間（例えば、実施形態における内側空間Ｓ）に、前記燃料電池セルの一方の前記電極に供給されて発電に利用される加熱空気を流通させる加熱空気流通機構（例えば、実施形態における加熱空気流通機構９１）と、を備えていることを特徴とする。

請求項２に記載した発明では、前記積層体と前記エンドプレートとの間に配置されるとともに、前記積層体に供給される加熱空気が流通する主流路（例えば、実施形態における酸化剤ガス接続流路７２）を有するインシュレータ（例えば、実施形態におけるインシュレータ１２）を備え、前記セパレータには、前記セパレータと別部材で構成されるとともに、前記膜電極構造体を挟んだ状態で前記セパレータ同士を連結する連結部材（例えば、実施形態における樹脂締結部６１ａ）が配設され、前記加熱空気流通機構は、前記インシュレータに形成されて前記主流路から分岐した分岐流路（例えば、実施形態における分岐流路９２）と、前記連結部材に形成されて前記分岐流路及び前記内側空間を連通させる連通流路（例えば、実施形態における連通流路９３）と、を備えていることを特徴とする

請求項１に記載した発明によれば、積層体の外周とエンドプレート及びサイドパネルとで画成された内側空間に、燃料電池セルで発電に利用される加熱空気（例えば、コンプレッサで圧送される空気や、燃料電池セルで発電に供された空気等）を流通させることで、内側空間内を加熱することができるので、燃料電池セルで発生した熱がサイドパネルを介して外部に放熱されるのを抑制できる。その結果、燃料電池セルを所望の温度範囲に保持でき、安定した発電性能を維持することができる。
しかも、本実施形態では、燃料電池セルで発電に利用される加熱空気を内側空間内に供給するので、例えば単に空気層を断熱層として機能させる構成に比べて高い断熱効果を発揮させることができる。
また、内側空間自体を燃料電池セルの保温用の流路として機能させることで、部品点数の増加や、製造コストの増加を抑制できるとともに、構成の簡素化を図ることができる。また、保温用の流路を形成するための専用の部材を伴うことがないので、これによっても製造コストの増加を抑制できる。
さらに、冷媒等を用いて加熱する構成と異なり、液絡のおそれもない。

請求項２に記載した発明によれば、セパレータとは別部材で形成された連結部材や、インシュレータに各種流路（分岐流路や連通流路）を形成することで、セパレータ自体の設計変更を伴うことがない。また、樹脂材料からなるインシュレータや連結部材に各種流路を形成するため、加工性を向上させることができる。

本実施形態の燃料電池の全体構成を示す斜視図である。 単位セルの分解斜視図である。 第２セパレータの平面図である。 図１のＸ−Ｘ線に沿う断面図である。 図３のＹ−Ｙ線に相当する断面図である。 樹脂締結部の平面図である。 加熱空気流通機構の他の構成を示す図であって、インシュレータ及び第１セパレータの分解斜視図である。

次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
［燃料電池］
図１は本実施形態の燃料電池１の全体構成を示す斜視図である。
図１に示すように、本実施形態の燃料電池１は、図示しない車両の車室前部のモータルームやフロア下に搭載されて、駆動用モータに電力を供給するのに用いられる。なお、本実施形態の燃料電池１は、図中の矢印Ａ方向が車体の幅方向、矢印Ｂ方向が車体の前後方向、矢印Ｃ方向が車体上下方向となるようにして車両に搭載される。

燃料電池１は、複数の単位セル（燃料電池セル）２が厚さ方向（Ａ方向）に積層された燃料電池スタック（積層体）３と、この燃料電池スタック３をＡ方向の両側から挟持する第１エンドプレート４及び第２エンドプレート５と、各エンドプレート４，５間の各辺同士をそれぞれ架け渡す一対の第１梁部材６及び一対の第２梁部材７と、燃料電池スタック３の周囲（Ｂ方向及びＣ方向の両側）を取り囲む一対の第１サイドパネル８及び一対の第２サイドパネル９と、を主に備えている。また、各エンドプレート４，５と燃料電池スタック３との間には、それぞれインシュレータ１２を間に挟んでターミナルプレート１１が配置されている（図４参照）。

＜単位セル＞
図２は単位セル２の分解斜視図である。
図２に示すように、単位セル２は、例えば３枚のセパレータ２１〜２３を備え、各セパレータ２１〜２３間に膜電極構造体（第１ＭＥＡ２４及び第２ＭＥＡ２５）が挟持されて構成されている。
各ＭＥＡ２４，２５は、固体高分子電解質膜３１と、固体高分子電解質膜３１をＡ方向の両側から挟持するアノード電極（電極）３２及びカソード電極（電極）３３と、を備えている。
固体高分子電解質膜３１は、例えばペルフルオロスルホン酸ポリマーに水を含浸させた素材により形成されている。
アノード電極３２及びカソード電極３３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をガス拡散層の表面に一様に塗布して形成された電極触媒層と、を有している。

＜セパレータ＞
図３は第２セパレータ２２の平面図である。
図２、図３に示すように、各セパレータ２１〜２３は、第１ＭＥＡ２４のアノード電極３２側に配置された第１セパレータ２１と、各ＭＥＡ２４，２５間に配置された第２セパレータ２２と、第２ＭＥＡ２５のカソード電極３３側に配置された第３セパレータ２３と、を有している。各セパレータ２１〜２３は、Ｂ方向を長手方向とする長方形状の金属板、またはカーボン板により構成されている。

各セパレータ２１〜２３の角部には、入口側ガス連通孔（酸化剤ガス入口連通孔３４ｉび燃料ガス入口連通孔３５ｉ）と、出口側ガス連通孔（酸化剤ガス出口連通孔３４ｏ、及び燃料ガス出口連通孔３５ｏ）と、がそれぞれ各セパレータ２１〜２３をＡ方向に貫通している。図２に示す例では、各セパレータ２１〜２３の角部のうち、右上角部には空気等の酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔３４ｉが形成され、左上角部には水素等の燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔３５ｉが形成されている。また、各セパレータ２１〜２３の角部のうち、左下角部には使用済みの酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔３４ｏが形成され、右下角部には使用済みの燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３５ｏが形成されている。

セパレータ２１〜２３の上縁部のうち、Ｂ方向の中央部には、下方に向けて窪む凹部３６が形成されている。また、各セパレータ２１〜２３の上縁部のうち、凹部３６を挟んでＢ方向の両側に位置する部分には、各セパレータ２１〜２３をＡ方向に貫通する冷媒入口連通孔３７ｉと冷媒出口連通孔３７ｏが形成されている。
一方、セパレータ２１〜２３の下縁部のうち、Ｂ方向の中央部には、上方に向けて窪む凹部４１が形成されている。また、各セパレータ２１〜２３の下縁部のうち、凹部４１を挟んでＢ方向の両側に位置する部分には、上縁部と同様に冷媒入口連通孔４２ｉと冷媒出口連通孔４２ｏが形成されている。なお、各冷媒入口連通孔３７ｉ，４２ｉ同士及び各冷媒出口連通孔３７ｏ，４２ｏ同士は、それぞれＣ方向で対向する位置に配置されている。

各セパレータ２１〜２３の中央部は、プレス成形等によって凹凸形状とされている。そして、セパレータ２１〜２３のうち、ＭＥＡ２４，２５と対向する面側は、各ＭＥＡ２４，２５との間にそれぞれ平面形状が波状のガス流路４５，４６（図２中では矢印で示す。）を形成している。
具体的に、第１セパレータ２１及び第２セパレータ２２のうち、それぞれアノード電極３２側に位置する面には、各ＭＥＡ２４，２５のアノード電極３２との間に燃料ガス流路４５が形成されている。燃料ガス流路４５は、入口側連結流路５１及び出口側連結流路５２を介して燃料ガス入口連通孔３５ｉ及び燃料ガス出口連通孔３５ｏにそれぞれ連通している。燃料ガス流路４５は、燃料ガス入口連通孔３５ｉを流れる燃料ガスを、各ＭＥＡ２４，２５のアノード電極３２に沿って流通させ、アノード電極３２で消費された使用済みの燃料ガスを燃料ガス出口連通孔３５ｏに排出する。

また、第２セパレータ２２及び第３セパレータ２３のうち、それぞれカソード電極３３側に位置する面には、各ＭＥＡ２４，２５のカソード電極３３との間に酸化剤ガス流路４６が形成されている。酸化剤ガス流路４６は、入口側連結流路５３及び出口側連結流路５４を介して酸化剤ガス入口連通孔３４ｉ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｏにそれぞれ連通している。酸化剤ガス流路４６は、酸化剤ガス入口連通孔３４ｉを流れる酸化剤ガスを、各ＭＥＡ２４，２５のカソード電極３３に沿って流通させ、カソード電極３３で消費された使用済みの酸化剤ガスを酸化剤ガス出口連通孔３４ｏに排出する。

図４は図１のＸ−Ｘ線に沿う断面図である。
そして、図４に示すように、燃料電池スタック３は、一の単位セル２の第１セパレータ２１と、一の単位セル２に隣接する他の単位セル２の第３セパレータ２３と、が重ね合わされた状態で、Ａ方向に積層されて構成される。そして、一の単位セル２の第１セパレータ２１と、他の単位セル２の第３セパレータ２３と、の間には、重ねられた両セパレータ２１，２３の凹凸形状の部分において冷媒流路５５（図２において矢印で示す）を構成している。
冷媒流路５５は、冷媒入口連通孔３７ｉ，４２ｉを流れる純水やエチレングリコール等の冷却媒体を、セパレータ２１，２３に沿って流通させ、セパレータ２１，２３と熱交換を行った後、冷媒出口連通孔３７ｏ，４２ｏから排出する。

このように、本実施形態では、単位セル２のうち、Ａ方向の両側に位置する第１セパレータ２１及び第３セパレータ２３には、ＭＥＡ２４，２５側に位置する面に反応ガスのガス流路４５，４６が形成され、ＭＥＡ２４，２５とは反対側に位置する面に冷媒流路５５が形成されている。一方、単位セル２のうち、各ＭＥＡ２４，２５間に位置する第２セパレータ２２には、その両面に反応ガスのガス流路４５，４６が形成されている。

図５は図３のＹ−Ｙ線に相当する断面図である。
図３、図５に示すように、各セパレータ２１〜２３の外周縁には、複数の樹脂締結部６１ａ〜６１ｃがそれぞれ設けられている。樹脂締結部６１ａ〜６１ｃは、予め樹脂材料で成形した成形品をかしめや接着等によって各セパレータ２１〜２３の切欠き部分６２（図５参照）に固定してもよく、切欠き部分６２に樹脂材料を一体で射出成形してもよい。図３の例において、各樹脂締結部６１ａ〜ｃは、各セパレータ２１〜２３（図３では第２セパレータ２２のみ示す）の外周縁のうち、各ガス連通孔３４ｉ，３４ｏ，３５ｉ，３５ｏと各冷媒連通孔３７ｉ，３７ｏ，４２ｉ，４２ｏとの間であって、各セパレータ２１〜２３間においてＡ方向で重なる位置に配置されている。

各樹脂締結部６１ａ〜６１ｃのうち、第１セパレータ２１の樹脂締結部６１ａには、Ａ方向に沿う第３セパレータ２３側に向けて突出する連結ピン６３が一体的に形成されている。連結ピン６３は、第２セパレータ２２及び第３セパレータ２３の樹脂締結部６１ｂ，６１ｃに形成された貫通孔６４内に挿通されている。そして、連結ピン６３の先端部には、第３セパレータ２３のＭＥＡ２５側とは反対側の面において溶着処理等により拡径されたフランジ部６５が形成されている。そして、各セパレータ２１〜２３は、ＭＥＡ２４，２５を間に挟んだ状態で連結ピン６３により連結され、これにより単位セル２が構成されている。

なお、連結ピン６３は、第１セパレータ２１と別体で形成してもよく、また連結ピン６３とセパレータ２２，２３との固定方法についても上述の方法に限定されるものではない。また、一の単位セル２の連結ピン６３と、一の単位セル２に隣接する他の単位セル２の連結ピン６３と、をＡ方向で互いに重ならない位置に千鳥配置する構成にしても構わない。さらに、各セパレータ２１〜２３間には、各ＭＥＡ２４，２５を収容して各セパレータ２１〜２３間をシールする図示しないガスケット等が配置されている。ガスケットには、セパレータ２１〜２３の各ガス連通孔３４ｉ，３４ｏ，３５ｉ，３５ｏ、及び各冷媒連通孔３７ｉ，３７ｏ，４２ｉ，４２ｏに対応する連通孔が形成され、各セパレータ２１〜２３同士はガスケットを挟んで密接している。

＜エンドプレート＞
図１、図４に示すように、エンドプレート４，５は、平面視形状が単位セル２よりも大きい長方形状とされ、燃料電池スタック３との間にインシュレータ１２及びターミナルプレート１１を挟み込んだ状態で配置されている。図１に示すように、第１エンドプレート４の中央部には、近接するターミナルプレート１１に接続された出力端子７１を第１エンドプレート４の外側に向けて突出させる受入孔７９が形成されている。
なお、図４に示すように、インシュレータ１２は、平面視形状がターミナルプレート１１よりも大きく形成され、単位セル２側に位置する面の中央部にターミナルプレート１１が配置されている。そして、エンドプレート４，５は、インシュレータ１２の外周部分を介して上述した単位セル２に接触している。そして、各インシュレータ１２のうち、少なくとも第１エンドプレート４側のインシュレータ１２には、上述した各ガス入口連通孔３４ｉ，３５ｉ、各ガス出口連通孔３４ｏ，３５ｏ、及び各冷媒連通孔３７ｉ，３７ｏ，４２ｉ，４２ｏにそれぞれ連通する図示しない接続流路（図４では酸化剤ガス入口連通孔３４ｉに連通する酸化剤ガス入口接続流路７２のみ示す）が形成されている。

図１に示すように、第１エンドプレート４には、上述したガス入口連通孔３４ｉ，３５ｉに連通するガス入口孔（酸化剤ガス入口孔７３ｉ、及び燃料ガス入口孔７４ｉ）と、ガス出口連通孔３４ｏ，３５ｏに連通するガス出口孔（酸化剤ガス出口孔７３ｏ、及び燃料ガス出口孔７４ｏ）と、冷媒入口連通孔３７ｉ，４２ｉに連通する冷媒入口孔７５ｉ，７６ｉと、冷媒出口連通孔３７ｏ，４２ｏに連通する冷媒出口孔７５ｏ，７６ｏと、が形成されている。そして、これら各孔７３ｉ〜７６ｏには、それぞれマニホールドが接続される。
なお、図４では、酸化剤ガス入口孔７３ｉに接続される酸化剤ガス入口マニホールド７７のみを図示しているが、その他の孔７３ｉ〜７６ｏにも図示しないマニホールドが接続される。具体的に、マニホールドは、上述した酸化剤ガス入口マニホールド７７と、酸化剤ガス出口孔７３ｏに接続される酸化剤ガス出口マニホールドと、燃料ガス入口孔７４ｉに接続される燃料ガス入口マニホールドと、燃料ガス出口孔７４ｏに接続される燃料ガス出口マニホールドと、冷媒入口孔７５ｉ，７６ｉに接続される冷媒入口マニホールドと、冷媒出口孔７５ｏ，７６ｏに接続される冷媒出口マニホールドと、を有している。なお、各マニホールドのうち、ガス入口マニホールド及びガス出口マニホールドを第１エンドプレート４側に設け、冷媒入口マニホールド及び冷媒出口マニホールドを第２エンドプレート５側に設けても構わない。

図１に示すように、第１梁部材６及び第２梁部材７は、Ａ方向に沿って延在する板状に構成され、その両端面が各エンドプレート４，５の内側端面（相互に対向する端面）に突き合わされた状態で、それぞれ一対のボルト８０によってエンドプレート４，５に締結されている。具体的に、第１梁部材６は、燃料電池スタック３のうち、Ｃ方向の両側において、各セパレータ２１〜２３の凹部３６，４１内に収容された状態で、各エンドプレート４，５の長辺部分同士を連結している。
また、第２梁部材７は、Ｂ方向の両側において、各エンドプレート４，５の短辺部分同士を連結している。

＜サイドパネル＞
図１、図４に示すように、サイドパネル８，９は、燃料電池スタック３の周囲を取り囲んで、燃料電池スタック３を保護するためのものであって、燃料電池スタック３に対してＣ方向両側に配置された一対の第１サイドパネル８と、Ｂ方向両側に配置された一対の第２サイドパネル９と、を有している。図示の例において、各サイドパネル８，９は、燃料電池スタック３よりもＡ方向に沿う長さが長くなっており、Ａ方向に沿う両端部がエンドプレート４，５よりも外側に位置している。

図４に示すように、各サイドパネル８，９は、燃料電池スタック３側に位置する内板８１と、外部に露出する外板８２と、内板８１及び外板８２間に配置された間材８３と、を備えた三層構造とされている。なお、各サイドパネル８，９は、ともに同様の構成からなるため、図４においては、燃料電池スタック３に対して上方に配置された第１サイドパネル８ａのみを示し、その他のサイドパネル８ｂ，９ａ，９ｂの説明は省略する。

内板８１及び外板８２は、同形同大とされ、両者間に隙間をあけた状態で対向配置されている。
間材８３は、例えば内板８１及び外板８２の外周部分に沿って形成された額縁部８３ａと、内板８１及び外板８２との間で間隔をあけて配置された複数のリブ部８３ｂと、を有している。

また、各サイドパネル８，９は、ボルト等の締結手段８５によってエンドプレート４，５に締結されている。したがって、本実施形態の燃料電池１は、上述したエンドプレート４，５及び各サイドパネル８，９の内側に燃料電池スタック３が収納された状態になっている。このように構成することで、ケーシングにより燃料電池スタック３及びエンドプレート４，５をまとめて収納する構成に比べて、コンパクト化を図ることができる。

＜加熱空気流通機構＞
ここで、図４に示すように、本実施形態の燃料電池１は、燃料電池スタック３の外周とエンドプレート４，５及びサイドパネル８，９とで画成された内側空間Ｓに、単位セル２で発電に利用される酸化剤ガス（加熱空気）を流通させる加熱空気流通機構９１を備えている。
加熱空気流通機構９１は、上述した酸化剤ガス入口接続流路（主流路）７２から分岐する分岐流路９２と、各単位セル２のうち、第１エンドプレート４側の端部に位置する単位セル２（以下、単に端部セル２ａという）に形成され、分岐流路９２及び内側空間Ｓを連通させる連通流路９３と、分岐流路９２内に流入する酸化剤ガスの流量を調整するバルブ（不図示）と、を備えている。

図６は、樹脂締結部６１ａの平面図である。
図４、図６に示すように、まず連通流路９３は、端部セル２ａの樹脂締結部６１ａのうち、酸化剤ガス入口連通孔３４ｉに近接する樹脂締結部（連結部材）６１ａにおいて、連結ピン６３をＡ方向に貫通する貫通孔９３ａと、貫通孔９３ａにおける第１ＭＥＡ２４側の開口縁から樹脂締結部６１ａの外周縁に向けて延びるスリット９３ｂと、を有している。スリット９３ｂは、基端部が貫通孔９３ａ内に開口し、他端部が樹脂締結部６１ａの外周縁で開口している。そして、端部セル２ａの樹脂締結部６１ｂと、スリット９３ｂと、の間に酸化剤ガスが流通する。なお、樹脂締結部６１ａのうち、連結ピン６３を避けた位置に貫通孔９３ａを形成しても構わない。

分岐流路９２は、基端部がインシュレータ１２内において上述した酸化剤ガス入口接続流路７２内に開口している。また、分岐流路９２の先端部は、インシュレータ１２の燃料電池スタック３側に位置する面（以下、表面という）で開口しており、上述した連通流路９３の貫通孔９３ａに連通している。

バルブは、分岐流路９２の基端部（酸化剤ガス入口接続流路７２との接続部分）に配設されている。バルブは、燃料電池１の作動状態（例えば、始動時、定常時、低負荷時）等、燃料電池スタック３の温度に応じて開度を調整することで、分岐流路９２内に流入する酸化剤ガスの流量を調整する。なお、各サイドパネル８，９には、加熱空気流通機構９１により内側空間Ｓ内に供給される酸化剤ガスを外部に排出するための図示しないドレイン孔が形成されていることが好ましい。

＜作用＞
次に、上述した燃料電池１の作用について説明する。
図２、図４に示すように、本実施形態の燃料電池１には、図示しないコンプレッサから圧送されて高温（例えば、燃料電池１の作動温度と同程度）となった酸化剤ガスが、酸化剤ガス入口マニホールド７７を通して供給される。また、図示しない水素タンクから送出される燃料ガスが燃料ガス入口マニホールドを通して燃料電池１に供給される。さらに、図示しないウォータポンプを作動させることで、冷媒が燃料電池スタック３内や駆動用モータ、ラジエータ等との間を循環する。

酸化剤ガス入口マニホールド７７を通して燃料電池スタック３内に供給される酸化剤ガスは、各単位セル２の酸化剤ガス入口連通孔３４ｉを、単位セル２の積層方向（Ａ方向）に沿う第２エンドプレート５側に向けて流通する。酸化剤ガス入口連通孔３４ｉを流通する酸化剤ガスは、第２セパレータ２２及び第３セパレータ２３の入口側連結流路５３を通って酸化剤ガス流路４６に導入されることで、各ＭＥＡ２４，２５のカソード電極３３に供給される。
一方、燃料ガス入口マニホールドを通して燃料電池スタック３内に供給される燃料ガスは、各単位セル２の燃料ガス入口連通孔３５ｉを、単位セル２の積層方向（Ａ方向）に沿う第２エンドプレート５側に向けて流通する。燃料ガス入口連通孔３５ｉを流通する燃料ガスは、第１セパレータ２１及び第２セパレータ２２の入口側連結流路５１を通って燃料ガス流路４５に導入されることで、各ＭＥＡ２４，２５のアノード電極３２に供給される。
その結果、アノード電極３２で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜３１を透過してカソード電極３３まで移動し、カソード電極３３で酸化剤ガスと電気化学反応を起こして発電する。

その後、カソード電極３３で発電に供された使用済みの酸化剤ガスは、出口側連結流路５４を通って酸化剤ガス出口連通孔３４ｏ内に流入し、酸化剤ガス出口連通孔３４ｏ内をＡ方向に沿う第１エンドプレート４側に向けて流通する。その後、使用済みの酸化剤ガスは、第１エンドプレート４の酸化剤ガス出口孔７３ｏを通って酸化剤ガス出口マニホールドに排出される。なお、酸化剤ガス出口マニホールドへ排出された酸化剤ガスは、図示しない排出路を通って車外に排出される。
一方、アノード電極３２で発電に供された使用済みの燃料ガスは、出口側連結流路５２を通って燃料ガス出口連通孔３５ｏに流入し、燃料ガス出口連通孔３５ｏ内をＡ方向に沿う第１エンドプレート４側に向けて流通する。その後、使用済みの燃料ガスは、第１エンドプレート４の燃料ガス出口孔７４ｏを通って燃料ガス出口マニホールドに排出される。なお、燃料ガス出口マニホールドへ排出された燃料ガスは、図示しない希釈器で使用済みの酸化剤ガスと混合して希釈された後、車外へ排出される。

また、ウォータポンプから送出された冷媒は、冷媒入口マニホールドを通って冷媒入口連通孔３７ｉ，４２ｉ内に流入し、冷媒入口連通孔３７ｉ，４２ｉ内をＡ方向に沿う第２エンドプレート５側に向けて流通する。冷媒入口連通孔３７ｉ，４２ｉを流通する冷媒は、各単位セル２間に位置する冷媒流路５５に供給されることで、各単位セル２との間で熱交換が行われる。その後、冷媒は冷媒出口連通孔３７ｏ，４２ｏ内に流入し、冷媒出口連通孔３７ｏ，４２ｏ内をＡ方向に沿う第１エンドプレート４側に向けて流通し、冷媒出口孔７５ｏ，７６ｏを通って冷媒出口マニホールドに排出される。冷媒出口マニホールドに排出された冷媒は、図示しない冷媒循環流路内を通ってラジエータや駆動用モータ等を流通した後、再び燃料電池スタック３内に供給されるようになっている。

ところで、燃料電池１では、上述したように発電の安定化を図るために燃料電池スタック３を所望の温度範囲内に保持することが好ましい。しかしながら、本実施形態の燃料電池１では、燃料電池スタック３で発生した熱が、エンドプレート４，５やサイドパネル８，９を介して外部に放熱されるおそれがある。

これに対して、本実施形態では、酸化剤ガス入口マニホールド７７から燃料電池スタック３内に供給される酸化剤ガスのうち、一部の酸化剤ガスは酸化剤ガス接続流路７２において分岐流路９２に流入する。分岐流路９２内に流入した酸化剤ガスは、分岐流路９２を通って端部セル２ａの連通流路９３内に流入する。その後、酸化剤ガスは連通流路９３内を流通して内側空間Ｓ内に供給される。これにより、内側空間Ｓ内が、コンプレッサで圧送される高温の酸化剤ガスにより満たされる。なお、内側空間Ｓ内に供給された酸化剤ガスは、サイドパネル８，９に形成された図示しないドレイン孔を通して外部に排出（モータルーム内等）される。

このように、本実施形態では、エンドプレート４，５及びサイドパネル８，９とで画成された内側空間Ｓに、燃料電池スタック３に供給される酸化剤ガスを流通させることで、内側空間Ｓ内を加熱することができるので、燃料電池スタック３で発生した熱がサイドパネル８，９を介して外部に放熱されるのを抑制できる。その結果、燃料電池スタック３を所望の温度範囲に保持でき、安定した発電性能を維持することができる。
しかも、本実施形態では、コンプレッサで圧送される高温の酸化剤ガスを内側空間Ｓ内に供給するので、例えば単に空気層を断熱層として機能させる構成に比べて高い断熱効果を発揮させることができる。

また、内側空間Ｓ自体を燃料電池スタック３の保温用の流路として機能させることで、部品点数の増加や、製造コストの増加を抑制できるとともに、構成の簡素化を図ることができる。また、保温用の流路を形成するための専用の部材を伴うことがないので、これによっても製造コストの増加を抑制できる。
さらに、インシュレータ１２や、第１セパレータ２１とは別部材で形成された樹脂締結部６１ａに各種流路９２，９３を形成することで、第１セパレータ２１自体の設計変更を伴うことがない。また、樹脂材料からなるインシュレータ１２や樹脂締結部６１ａに各種流路を形成するため、加工性を向上させることができる。
さらに、冷媒等を用いて加熱する構成と異なり、液絡のおそれもない。

また、例えば燃料電池スタック３とエンドプレート４，５との間に、燃料電池スタック３からの放電を防止するためのダミーセル等を設けることもない。そのため、燃料電池１のコンパクト化を図るとともに、ダミーセル形成のための金型やダミーセルの形成工程が増えることもないので、製造コストの増加を抑制できる。

なお、本発明の技術範囲は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、上述した実施形態で挙げた構成等はほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
例えば、上述した実施形態では、上述した実施形態では、酸化剤ガス入口接続流路７２に分岐流路９２を接続した構成について説明したが、これに限られない。コンプレッサから圧送されてくる空気を直接内側空間Ｓ内に供給したり、酸化剤ガス入口マニホールド７７から内側空間Ｓ内に供給したりしても構わない。

また、上述した実施形態では、酸化剤ガス入口接続流路７２から一方向のみに酸化剤ガスを分岐させる構成について説明したが、複数の方向に酸化剤ガスを分岐させても構わない。例えば図７に示す加熱空気流通機構１０１は、端部セル２ａの樹脂締結部６１ａのうち、酸化剤ガス入口連通孔３４ｉに近接する樹脂締結部６１ａに形成された第１連通流路１０２ａと、酸化剤ガス出口連通孔３４ｏに近接する樹脂締結部６１ａに形成された第２連通流路１０２ｂと、を有している。各連通流路１０２ａ，１０２ｂは、上述した実施形態と同様に貫通孔９３ａ及びスリット９３ｂを有し、内側空間Ｓ内に開口している。
また、分岐流路１０３は、酸化剤ガス入口接続流路７２及び第１連通流路１０２ａ間を接続する第１分岐流路１０３ａと、酸化剤ガス入口接続流路７２及び第２連通流路１０２ｂ間を接続する第２分岐流路１０３ｂと、を有している。なお、図７中の符号１０５は、第２分岐流路１０３ｂの加工時に形成される孔を塞ぐ封止材である。

この構成によれば、酸化剤ガス入口接続流路７２を流通する酸化剤ガスの一部が、各分岐流路１０３ａ，１０３ｂを介して各連通流路１０２ａ，１０２ｂからそれぞれ内側空間Ｓ内に供給されることになる。そのため、内側空間Ｓ全体に均一に酸化剤ガスを供給することができ、燃料電池スタック３で発生した熱がサイドパネル８，９に放熱されるのを確実に抑制できる。

また、上述した実施形態では、インシュレータ１２及び樹脂締結部６１ａを通して酸化剤ガスを内側空間Ｓに供給する構成について説明したが、これに限らず、インシュレータ１２から内側空間Ｓに直接酸化剤ガスを供給しても構わない。すなわち、エンドプレート４，５及びサイドパネル８，９とで画成された内側空間Ｓに、燃料電池スタック３で発電に利用される酸化剤ガスを流通させる構成であれば、適宜設計変更が可能である。

さらに、上述した実施形態では、単位セル２が３枚のセパレータ２１〜２３の各間にＭＥＡ２４，２５を配置してなる構成について説明したが、これに限らず２枚のセパレータ間にＭＥＡを配置した構成であっても、４枚以上のセパレータの各間にＭＥＡを配置した構成であっても構わない。
また、各セパレータ２１〜２３に形成される各種流路のレイアウト等は、適宜設計変更が可能である。
また、上述した実施形態では、各サイドパネル８，９のＡ方向に沿う長さが、燃料電池スタック３よりも長くなっている構成について説明したが、これに限らず、少なくともエンドプレート４，５間に位置する部分を覆っていれば構わない。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上述した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上述した変形例を適宜組み合わせてもよい。

１…燃料電池
２…単位セル（燃料電池セル）
３…燃料電池スタック（積層体）
４…第１エンドプレート（エンドプレート）
５…第２エンドプレート（エンドプレート）
８，９…サイドパネル（サイドパネル）
１２…インシュレータ
２１…第１セパレータ（セパレータ）
２２…第２セパレータ（セパレータ）
２３…第３セパレータ（セパレータ）
２４…第１ＭＥＡ（膜電極構造体）
２５…第２ＭＥＡ（膜電極構造体）
３１…固体高分子電解質膜（電解質膜）
６１ａ…樹脂締結部（連結部材）
７２…酸化剤ガス入口接続流路（主流路）
９１…加熱空気流通機構
９２…分岐流路
９３…連通流路

Claims (2)

1. 一対の電極が電解質膜の両側に設けられてなる膜電極構造体と、前記膜電極構造体を挟持するセパレータと、を有する燃料電池セルが厚さ方向に沿って積層された積層体を備えた燃料電池であって、
   前記積層体を前記燃料電池セルの積層方向に沿う両側から挟持する一対のエンドプレートと、
   前記積層体の周囲のうち、前記エンドプレート間に位置する部分を取り囲むサイドパネルと、
   前記積層体の外周と前記エンドプレート及び前記サイドパネルとで画成された内側空間に、前記燃料電池セルの一方の前記電極に供給されて発電に利用される加熱空気を流通させる加熱空気流通機構と、を備えていることを特徴とする燃料電池。
2. 前記積層体と前記エンドプレートとの間に配置されるとともに、前記積層体に供給される加熱空気が流通する主流路を有するインシュレータを備え、
   前記セパレータには、前記セパレータと別部材で構成されるとともに、前記膜電極構造体を挟んだ状態で前記セパレータ同士を連結する連結部材が配設され、
   前記加熱空気流通機構は、
   前記インシュレータに形成されて前記主流路から分岐した分岐流路と、
   前記連結部材に形成されて前記分岐流路及び前記内側空間を連通させる連通流路と、を備えていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。

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