JP6122406B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

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を備え、複数の前記発電セルが積層される積層体の積層方向両側には、ターミナルプレート、絶縁部材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）によって挟持されることにより、発電セルを構成している。

通常、発電セルを所定の数だけ積層した積層体を備えるとともに、前記積層体の積層方向両側には、ターミナルプレート、絶縁プレート及びエンドプレートが配設されて、燃料電池スタックを構成している。この燃料電池スタックは、例えば、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ている。

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、この発電セルに隣接するターミナルプレート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。

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。この燃料電池は、図１１に示すように、複数のセルユニット１が積層された積層体２を備えている。積層体２の積層方向両端には、一対の集電板３ａ、３ｂが設けられ、前記集電板３ａ、３ｂの外側には、電気的絶縁のための一対の絶縁板４ａ、４ｂが設けられている。

絶縁板４ａ、４ｂの外側には、マニホールドプレート５ａ、５ｂが配置され、前記マニホールドプレート５ａ、５ｂにより燃料電池全体に締結力が付与されている。

各セルユニット１には、電極面方向に沿って、冷却水流路６が形成されるとともに、前記冷却水流路６の入口及び出口は、冷却水供給マニホールド７ａ及び導水マニホールド７ｂに連通している。

マニホールドプレート５ａには、冷却水入口８ａと冷却水出口８ｂとが形成されている。冷却水入口８ａは、積層方向に連通する冷却水供給マニホールド７ａに連通する一方、冷却水出口８ｂは、マニホールドプレート５ｂに上下に折り返して形成される冷却水流路９を介して導水マニホールド７ｂに連通している。

特開２００１−６８１４１号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、特に、マニホールドプレート５ｂには、上下に折り返すようにして冷却水流路９が形成されており、前記マニホールドプレート５ｂの厚さ（積層方向の寸法）が相当に大きくなってしまう。このため、燃料電池全体として積層方向に長尺化し易く、前記燃料電池のコンパクト化を図ることができず、しかも、構成が複雑化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、簡単且つコンパクトな構成で、端部発電セルを良好に保温することができ、所望の発電性能を維持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を備えている。複数の発電セルが積層される積層体の積層方向両側には、ターミナルプレート、絶縁部材及びエンドプレートが配設されている。

燃料電池スタックでは、セパレータには、電極面方向に沿って冷却媒体を流通させる冷却媒体流路が設けられ、前記セパレータ、絶縁部材及びエンドプレートには、前記冷却媒体流路に連通し積層方向に前記冷却媒体を流通させる冷却媒体連通孔が設けられている。前記冷却媒体連通孔は、前記燃料電池スタックの外部から供給される前記冷却媒体を前記冷却媒体流路に供給する冷却媒体入口連通孔と、前記冷却媒体流路から排出される前記冷却媒体を前記燃料電池スタックの外部に排出する冷却媒体出口連通孔とを有している。

また、この燃料電池スタックでは、絶縁部材とエンドプレートとの間には、蓋部材が配置され、前記絶縁部材の前記蓋部材に向かう面又は前記蓋部材の前記絶縁部材に向かう面に、複数の冷却媒体通路溝が形成されることにより、前記絶縁部材と前記蓋部材との間には、前記エンドプレートのプレート面方向に沿って前記冷却媒体を流通させる冷却媒体通路が形成される。前記冷却媒体通路と前記冷却媒体流路は、それぞれ前記冷却媒体入口連通孔及び前記冷却媒体出口連通孔に連通している。

さらに、この燃料電池スタックでは、蓋部材には、エンドプレートを貫通する端子用カラーが設けられるとともに、前記端子用カラーには、ターミナルプレートから積層方向に突出する端子部材を挿入するための端子用孔部が設けら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、蓋部材には、エンドプレートを貫通する冷却媒体用カラーが設けられるとともに、前記冷却媒体用カラーには、冷却媒体連通孔に連通する冷却媒体用孔部が設けられることが好ましい。

また、この燃料電池スタックでは、冷却媒体通路は、冷却媒体流路の冷却媒体流れ方向と同じ冷却媒体流れ方向を有することが好ましい。さらに、冷却媒体通路溝は、サーペンタイン流路溝形状に形成され、前記冷却媒体通路には２つの冷却媒体入口連通孔と、２つの冷却媒体出口連通孔とが連通しているとよい。またさらに、前記燃料電池スタックの一端側の前記冷却媒体通路溝が繋がる前記冷却媒体入口連通孔及び前記冷却媒体出口連通孔は、前記燃料電池スタックの他端側の前記冷却媒体通路溝が繋がる前記冷却媒体入口連通孔及び前記冷却媒体出口連通孔と異なる構成であるとよい。

本発明によれば、絶縁部材とエンドプレートとの間には、冷却媒体通路が形成されている。このため、冷却媒体通路の構成が簡素化され、簡単な構成で、積層体の端部に配置されている端部発電セルの温度低下を確実に阻止し、良好な発電性能を維持することが可能になる。しかも、燃料電池スタックの端部には、専用の保温用プレート等が不要になり、前記燃料電池スタックの構成が簡素化されるとともに、容易にコンパクト化を図ることができる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの分解概略斜視図である。 前記燃料電池スタックの、図１中、ＩＩ−ＩＩ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一方の絶縁部材と蓋部材と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他方の絶縁部材と蓋部材との分解斜視説明図である。 前記他方の絶縁部材側の、図１中ＶＩ−ＶＩ線断面図である。 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絶縁部材と蓋部材との分解斜視説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックの分解概略斜視図である。 前記燃料電池スタックの、図８中、ＩＸ−ＩＸ線断面図である。 前記燃料電池スタックを構成する蓋部材の正面説明図である。 特許文献１に開示されている燃料電池の概略説明図である。

図１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、複数の発電セル１２が水平方向（矢印Ａ方向）、又は垂直方向（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、絶縁部材１８ａ、蓋部材７０（後述する）及びエンドプレート２０ａが外方に向かって、順次、配設される。積層体１４の積層方向他端には、ターミナルプレート１６ｂ、絶縁部材１８ｂ、蓋部材８０（後述する）及びエンドプレート２０ｂが外方に向かって、順次、配設される（図１及び図２参照）。

燃料電池スタック１０は、例えば、長方形に構成されるエンドプレート２０ａ、２０ｂを端板として含む箱状ケーシング（図示せず）により一体的に保持される。なお、燃料電池スタック１０は、例えば、矢印Ａ方向に延在する複数のタイロッド（図示せず）により一体的に締め付け保持されてもよい。

発電セル１２は、図２及び図３に示すように、第１金属セパレータ２２、第１電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）（ＭＥＡ）２４ａ、第２金属セパレータ２６、第２電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）２４ｂ及び第３金属セパレータ２８を設ける。第１金属セパレータ２２、第２金属セパレータ２６及び第３金属セパレータ２８は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板等の縦長形状の金属板により構成されるが、カーボンセパレータを用いてもよい。なお、発電セルは、ＭＥＡを第１セパレータと第２セパレータとの間に挟持して構成してもよい。

図２に示すように、第１電解質膜・電極構造体２４ａ及び第２電解質膜・電極構造体２４ｂ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３０を備える。固体高分子電解質膜３０は、アノード電極３２及びカソード電極３４により挟持される。アノード電極３２は、カソード電極３４よりも小さな平面寸法を有する段差ＭＥＡを構成しているが、これとは逆に、前記カソード電極３４よりも大きな平面寸法を有することもできる。

アノード電極３２及びカソード電極３４は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜３０の両面に形成される。

図３に示すように、発電セル１２の長辺方向（矢印Ｃ方向）の上端縁部には、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３６ａ及び燃料ガス入口連通孔３８ａが設けられる。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。燃料ガス入口連通孔３８ａは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給する。

発電セル１２の長辺方向（矢印Ｃ方向）の下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出する燃料ガス出口連通孔３８ｂ及び酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔３６ｂが設けられる。発電セル１２の短辺方向（矢印Ｂ方向）の両端縁部上方には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体を供給する一対の冷却媒体入口連通孔４０ａが設けられる。発電セル１２の短辺方向の両端縁部下方には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体を排出する一対の冷却媒体出口連通孔４０ｂが設けられる。なお、燃料ガス入口連通孔３８ａと燃料ガス出口連通孔３８ｂとを入れ替えて構成してもよい。

第１金属セパレータ２２の第１電解質膜・電極構造体２４ａに向かう面２２ａには、燃料ガス入口連通孔３８ａと燃料ガス出口連通孔３８ｂとを連通する第１燃料ガス流路４２が形成される。

燃料ガス入口連通孔３８ａと第１燃料ガス流路４２とは、複数の入口連結流路４３ａを介して連通する一方、燃料ガス出口連通孔３８ｂと前記第１燃料ガス流路４２とは、複数の出口連結流路４３ｂを介して連通する。入口連結流路４３ａ及び出口連結流路４３ｂは、蓋体４５ａ及び蓋体４５ｂにより覆われている。第１金属セパレータ２２の面２２ｂには、一対の冷却媒体入口連通孔４０ａと一対の冷却媒体出口連通孔４０ｂとを連通する冷却媒体流路４４の一部が形成される。

第２金属セパレータ２６の第１電解質膜・電極構造体２４ａに向かう面２６ａ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とを連通する第１酸化剤ガス流路４６が形成される。

第２金属セパレータ２６の第２電解質膜・電極構造体２４ｂに向かう面２６ｂには、燃料ガス入口連通孔３８ａと燃料ガス出口連通孔３８ｂとを連通する第２燃料ガス流路４８が形成される。燃料ガス入口連通孔３８ａと第２燃料ガス流路４８とは、複数の入口連結流路４７ａを介して連通する一方、燃料ガス出口連通孔３８ｂと前記第２燃料ガス流路４８とは、複数の出口連結流路４７ｂを介して連通する。入口連結流路４７ａ及び出口連結流路４７ｂは、蓋体４９ａ及び蓋体４９ｂにより覆われている。

第３金属セパレータ２８の第２電解質膜・電極構造体２４ｂに向かう面２８ａ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とを連通する第２酸化剤ガス流路５０が形成される。第３金属セパレータ２８の面２８ｂには、冷却媒体流路４４の一部が形成される。

第１金属セパレータ２２の面２２ａ、２２ｂには、この第１金属セパレータ２２の外周端縁部を周回して第１シール部材５２が一体成形される。第２金属セパレータ２６の面２６ａ、２６ｂには、この第２金属セパレータ２６の外周端縁部を周回して第２シール部材５４が一体成形される。第３金属セパレータ２８の面２８ａ、２８ｂには、この第３金属セパレータ２８の外周端縁部を周回して第３シール部材５６が一体成形される。

第１シール部材５２、第２シール部材５４及び第３シール部材５６には、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１に示すように、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの面内中央から離間した位置（面内中央でもよい）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、５８ｂは、好ましくは、冷却媒体流路４４の冷却媒体入口連通孔４０ａよりも冷却媒体出口連通孔４０ｂに近い位置に設定される。

絶縁部材１８ａ、１８ｂは、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ている。絶縁部材１８ａのターミナルプレート１６ａに対向する面には、中央部に矩形状の凹部６０ａが設けられるとともに、この凹部６０ａに孔部６２ａが連通する。ターミナルプレート１６ａの端子部５８ａは、絶縁部材１８ａの孔部６２ａ、後述する蓋部材７０の孔部及びエンドプレート２０ａの孔部６４ａを介して外部に露出する。

絶縁部材１８ｂのターミナルプレート１６ｂに対向する面には、中央部に矩形状の凹部６０ｂが設けられるとともに、この凹部６０ｂに孔部６２ｂが連通する。ターミナルプレート１６ｂの端子部５８ｂは、孔部６２ｂから後述する蓋部材８０の孔部及びエンドプレート２０ｂの孔部６４ｂを介して外部に露呈する。

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及び燃料ガス出口連通孔３８ｂが形成される。エンドプレート２０ｂには、一対の冷却媒体入口連通孔４０ａ及び一対の冷却媒体出口連通孔４０ｂが形成される。

図４に示すように、絶縁部材１８ａ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が形成される。絶縁部材１８ａには、一つの冷却媒体入口連通孔４０ａと、これと対角位置に配置される一つの冷却媒体出口連通孔４０ｂとが形成される。

絶縁部材１８ａのエンドプレート２０ａ側に対向する面１８ａｆには、互いに対角位置に設けられた１つの冷却媒体入口連通孔４０ａと１つの冷却媒体出口連通孔４０ｂとに連通する複数本の冷却媒体通路溝６６ａが形成される。冷却媒体通路溝６６ａは、冷却媒体入口連通孔４０ａを入口側とし、冷却媒体出口連通孔４０ｂを出口側とし、各発電セル１２の冷却媒体流路４４の入口側及び出口側と同じ冷却媒体流れ方向に設定される。具体的には、冷却媒体通路溝６６ａは、冷却媒体入口連通孔４０ａから冷却媒体出口連通孔４０ｂに向かって概ね矢印Ｃ方向（長辺に沿った方向）に流通する、すなわち、水平方向に蛇行するサーペンタイン流路溝形状に設定される。

絶縁部材１８ａの面１８ａｆ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及び燃料ガス出口連通孔３８ｂを周回して、それぞれシール部材６８ａが設けられる。面１８ａｆには、冷却媒体入口連通孔４０ａ、冷却媒体出口連通孔４０ｂ及び冷却媒体通路溝６６ａを周回して、シール部材６８ｂが設けられる。面１８ａｆには、孔部６２ａを周回して、シール部材６８ｃが設けられる。

絶縁部材１８ａには、面１８ａｆに当接して、蓋部材７０が積層されることにより、冷却媒体通路溝６６ａが覆われて冷却媒体通路６６が構成される。蓋部材７０には、絶縁部材１８ａと同様に、絶縁性材料でプレート状に構成される。蓋部材７０は、絶縁部材１８ａの孔部６２ａと同軸上に配置され、エンドプレート２０ａの孔部６４ａに嵌合する円筒状の端子用カラー７２が膨出形成される。なお、端子用カラー７２は、蓋部材７０とは別部材で構成し、前記蓋部材７０に固着してもよい。蓋部材７０は、平板状絶縁部材により構成してもよい。

蓋部材７０には、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス入口連通孔３６ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３６ｂに挿入される略三角形状の酸化剤ガス用カラー７４ａ及び７４ｂが嵌合し、膨出形成される。蓋部材７０には、エンドプレート２０ａの燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂに挿入される略三角形状の燃料ガス用カラー７６ａ及び７６ｂが嵌合し、膨出形成される。なお、酸化剤ガス用カラー７４ａ及び７４ｂと燃料ガス用カラー７６ａ及び７６ｂとは、蓋部材７０とは別部材で構成されることが好ましい。

図５に示すように、絶縁部材１８ｂには、一対の冷却媒体入口連通孔４０ａ及び一対の冷却媒体出口連通孔４０ｂが形成される。絶縁部材１８ｂのエンドプレート２０ｂ側の面１８ｂｆには、１つの冷却媒体入口連通孔４０ａと、これと対角位置に配置される１つの冷却媒体出口連通孔４０ｂとに繋がって、複数本の冷却媒体通路溝７８ａが形成される。冷却媒体通路溝７８ａが繋がる冷却媒体入口連通孔４０ａと、冷却媒体通路溝６６ａが繋がる冷却媒体入口連通孔４０ａとは、異なる連通孔である。同様に、冷却媒体通路溝７８ａが繋がる冷却媒体出口連通孔４０ｂと、冷却媒体通路溝６６ａが繋がる冷却媒体出口連通孔４０ｂとは、異なる連通孔である。

冷却媒体通路溝７８ａは、冷却媒体入口連通孔４０ａを入口側とし、冷却媒体出口連通孔４０ｂを出口側とし、各発電セル１２の冷却媒体流路４４の入口側及び出口側と同じ冷却媒体流れ方向に設定される。具体的には、冷却媒体通路溝７８ａは、冷却媒体入口連通孔４０ａから冷却媒体出口連通孔４０ｂに向かって概ね矢印Ｃ方向（長辺に沿った方向）に流通する、すなわち、水平方向に蛇行するサーペンタイン流路溝形状に設定される。蓋部材８０が、面１８ｂｆに重ね合わされることにより、冷却媒体通路溝７８ａが覆われて冷却媒体通路７８が構成される。

蓋部材８０は、略平板状を有し、絶縁部材１８ｂと同様に、絶縁性材料で構成される。蓋部材８０には、エンドプレート２０ｂの孔部６４ｂに挿入される円形状の端子用カラー８２が膨出形成される。なお、端子用カラー８２は、蓋部材８０とは別部材で構成し、前記蓋部材８０に固着してもよい。

蓋部材８０には、エンドプレート２０ｂの一対の冷却媒体入口連通孔４０ａに挿入される略長円形状の一対の冷却媒体用カラー８４ａと、一対の冷却媒体出口連通孔４０ｂに挿入される略長円形状の一対の冷却媒体用カラー８４ｂとが嵌合し、膨出形成される。なお、一対の冷却媒体用カラー８４ａ及び一対の冷却媒体用カラー８４ｂは、蓋部材８０とは別部材で構成されることが好ましい。

各冷却媒体用カラー８４ａには、積層体１４の冷却媒体入口連通孔４０ａに連通する冷却媒体供給用孔部８６ａが設けられる。各冷却媒体用カラー８４ｂには、積層体１４の冷却媒体出口連通孔４０ｂに連通する冷却媒体排出用孔部８６ｂが設けられる。

絶縁部材１８ｂの面１８ｂｆには、冷却媒体入口連通孔４０ａ、冷却媒体出口連通孔４０ｂ及び冷却媒体通路７８を囲繞してシール部材８８ａが設けられる。面１８ｂｆには、孔部６２ｂを周回してシール部材８８ｂが設けられる。

図１及び図２に示すように、絶縁部材１８ｂの凹部６０ｂには、導電性断熱部材９０及びターミナルプレート１６ｂが収容される。断熱部材９０は、例えば、それぞれ材質の異なる少なくとも第１断熱部材９２と第２断熱部材９４とを備え、前記第１断熱部材９２と前記第２断熱部材９４とが交互に積層される。第１断熱部材９２は、例えば、金属プレートで構成される一方、第２断熱部材９４は、例えば、カーボンプレートで構成される。

なお、断熱部材９０は、例えば、波板状の２種類の金属プレートを交互に、例えば、２組（あるいは、３組）積層して構成してもよい。また、断熱部材９０は、空孔を保持し且つ電気導電性を有する部材であればよく、電気導電性を有する発泡金属、ハニカム形状金属（ハニカム部材）、又は多孔質カーボン（例えば、カーボンペーパ）のいずれかにより構成してもよい。断熱部材９０は、１枚でもよく、又は、複数枚を重ねてもよい。

図２に示すように、エンドプレート２０ｂの冷却媒体入口連通孔４０ａには、蓋部材８０の冷却媒体用カラー８４ａが挿入され、前記冷却媒体用カラー８４ａの孔部８６ａには、カラー部材９６がシール部材９７を介装して装着される。カラー部材９６には、冷却媒体マニホールド９８が連結されている。なお、冷却媒体出口連通孔４０ｂに挿入される冷却媒体用カラー８４ｂには、同様に、カラー部材９６がシール部材９７を介装して固着される。冷却媒体用カラー８４ａ、８４ｂは、必要に応じて設ければよい。

図６に示すように、エンドプレート２０ｂの孔部６４ｂには、蓋部材８０の端子用カラー８２が挿入され、前記端子用カラー８２には、筒部材９９がシール部材９７を介装して嵌合する。筒部材９９は、端子部５８ｂの外周を周回するとともに、先端部は、前記端子部５８ｂの先端よりも外方に突出する。なお、端子部５８ｂを絶縁部材１８ｂの外周を切り欠いてターミナルプレート１６ｂの外周端部に接続する場合、孔部６２ｂは設けなくてもよい。

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。一方、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２０ｂの一対の冷却媒体入口連通孔４０ａに供給される。

酸化剤ガスは、図３に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３６ａから第２金属セパレータ２６の第１酸化剤ガス流路４６及び第３金属セパレータ２８の第２酸化剤ガス流路５０に導入される。酸化剤ガスは、矢印Ｃ方向に移動して第１電解質膜・電極構造体２４ａ及び第２電解質膜・電極構造体２４ｂの各カソード電極３４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１金属セパレータ２２の第１燃料ガス流路４２及び第２金属セパレータ２６の第２燃料ガス流路４８に導入される。燃料ガスは、第１燃料ガス流路４２及び第２燃料ガス流路４８に沿って矢印Ｃ方向に移動し、第１電解質膜・電極構造体２４ａ及び第２電解質膜・電極構造体２４ｂの各アノード電極３２に供給される。

従って、第１電解質膜・電極構造体２４ａ及び第２電解質膜・電極構造体２４ｂでは、各カソード電極３４に供給される酸化剤ガスと、各アノード電極３２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、カソード電極３４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。同様に、アノード電極３２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、図３に示すように、各冷却媒体入口連通孔４０ａに供給された冷却媒体は、互いに隣接する第１金属セパレータ２２と第３金属セパレータ２８との間の冷却媒体流路４４に導入された後、先ず、互いに近接するように、矢印Ｂ方向に流通する。冷却媒体は、矢印Ｃ方向（セパレータ長辺方向）に流通して第１電解質膜・電極構造体２４ａ及び第２電解質膜・電極構造体２４ｂを冷却した後、互いに離間するように、矢印Ｂ方向に流通して各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、例えば、図２及び図５に示すように、絶縁部材１８ｂとエンドプレート２０ｂとの間には、冷却媒体通路７８が形成されている。具体的には、絶縁部材１８ｂの面１８ｂｆに形成された複数本の冷却媒体通路溝７８ａと、前記面１８ｂｆに重なり合う薄肉状の蓋部材８０との間に、冷却媒体通路７８が構成されている。

このため、冷却媒体通路７８の構成が有効に簡素化される。従って、図２に示すように、簡単な構成で、冷却媒体通路７８に一定の温度に維持された冷却媒体を流通させることにより、積層体１４の端部に配置されている端部発電セル１２_endの温度低下を確実に阻止し、良好な発電性能を維持することが可能になる。しかも、燃料電池スタック１０の端部には、専用の保温用プレート等が不要になる。これにより、燃料電池スタック１０の構成が簡素化されるとともに、容易にコンパクト化を図ることができるという効果がある。

さらに、絶縁部材１８ｂとエンドプレート２０ｂとの間には、絶縁部材である蓋部材８０が介装されている。このため、冷却媒体通路７８を流通する冷却媒体が、エンドプレート２０ｂに接触することを阻止し、金属製エンドプレートである前記エンドプレート２０ｂの腐食を防止し、液絡を抑制することができる。

さらにまた、第１の実施形態では、図６に示すように、蓋部材８０には、ターミナルプレート１６ｂの端子部５８ｂが挿入されるとともに、エンドプレート２０ｂの孔部６４ｂを貫通する端子用カラー８２が設けられている。これにより、蓋部材８０は、端子部５８ｂを防水及び絶縁しながら外部へ導くことができる。

また、第１の実施形態では、図２に示すように、蓋部材８０には、エンドプレート２０ｂの冷却媒体入口連通孔４０ａに挿入される冷却媒体用カラー８４ａが設けられている。このため、冷却媒体マニホールド９８のカラー部材９６と冷却媒体用カラー８４ａとによりシールを行うことができ、防水機能が良好に向上する。

なお、絶縁部材１８ａには、蓋部材７０が設けられている（図４参照）。従って、絶縁部材１８ａ側においても、上記の絶縁部材１８ｂ側と同様の効果が得られる。

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を構成する絶縁部材１００と蓋部材８０との分解斜視説明図である。なお、絶縁部材１００は、第１の実施形態の絶縁部材１８ｂに代えて用いられるものであり、他の絶縁部材１８ａには、後述する絶縁部材１００と同様の構成が採用される。

絶縁部材１００では、蓋部材８０に対向する面１００ｆに、冷却媒体通路１０２を構成する冷却媒体通路溝１０２ａが形成される。冷却媒体通路溝１０２ａは、一対の冷却媒体入口連通孔４０ａから互いに近接する方向（矢印Ｂ方向）に延在する部位と、矢印Ｃ方向に延在する部位と、互いに冷却媒体出口連通孔４０ｂに向かって離間する方向（矢印Ｂ方向）に延在する部位とを有し、図示の矢印のように、冷却媒体が流通する。

冷却媒体通路溝１０２ａの上部及び下部において、水平方向の溝と垂直方向の溝とが混在する部位には、例えば、エンボス１０４ａ、１０４ｂを設けてもよい。絶縁部材１００に蓋部材８０が重なり合うことにより、これらの間に冷却媒体通路１０２が形成される。

冷却媒体通路１０２は、各発電セル１２の冷却媒体流路４４と略同様の流れ方向に構成されている。従って、燃料電池スタック内の各冷却媒体流路４４と同等の流れが、冷却媒体通路１０２でも惹起される。これにより、冷却媒体全体の流れが円滑且つ良好に遂行されるという利点がある。

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１１０の分解概略斜視図である。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。

燃料電池スタック１１０は、複数の発電セル１１２が水平方向（矢印Ａ方向）、又は垂直方向（矢印Ｃ方向）に積層された積層体１１４を備える。積層体１１４の積層方向（矢印Ａ方向）一端には、ターミナルプレート１６ａ、絶縁部材１１８ａ、蓋部材１２２（後述する）及びエンドプレート２０ａが外方に向かって、順次、配設される。積層体１１４の積層方向他端には、ターミナルプレート１６ｂ、絶縁部材１１８ｂ、蓋部材１２４（後述する）及びエンドプレート２０ｂが外方に向かって、順次、配設される（図８及び図９参照）。

各発電セル１１２は、矢印Ｃ方向上部側の両端縁部に、上下方向に長尺な長方形の長手方向の中間部位にリブ部１２０ａを設けることにより、冷却媒体入口連通孔４０ａ１、４０ａ２が分割形成される。各発電セル１１２は、矢印Ｃ方向下部側の両端縁部に、上下方向に長尺な長方形の長手方向の中間部位にリブ部１２０ｂを設けることにより、冷却媒体出口連通孔４０ｂ１、４０ｂ２が分割形成される。

絶縁部材１１８ａは、凹部６０ａが設けられる面とは反対の面（エンドプレート２０ａに対向する面）が平坦面を構成し、冷却媒体通路溝が設けられていない。絶縁部材１１８ａとエンドプレート２０ａとの間には、蓋部材１２２が配置される一方、絶縁部材１１８ｂとエンドプレート２０ｂとの間には、蓋部材１２４が配置される。

図８及び図１０に示すように、蓋部材１２２は、端子部５８ａを挿入する孔部１２６ａを有する。蓋部材１２２の絶縁部材１１８ａに対向する面１２２ｓには、互いに対角位置に設けられた一方の冷却媒体入口連通孔４０ａ１と一方の冷却媒体出口連通孔４０ｂ１とに連通する複数本の冷却媒体通路溝１２８ａが形成される。面１２２ｓには、同様に、互いに対角位置に設けられた一方の冷却媒体入口連通孔４０ａ２と一方の冷却媒体出口連通孔４０ｂ２とに連通する複数本の冷却媒体通路溝１２８ｂが形成される。

冷却媒体通路溝１２８ａ、１２８ｂは、それぞれエンドプレート２０ａのプレート面方向に沿って矢印Ｂ方向に折り返すように蛇行するサーペンタイン流路溝を構成する。蓋部材１２２と絶縁部材１１８ａとが当接することにより、間に冷却媒体通路１２８が構成される。蓋部材１２２と絶縁部材１１８ａとの間には、シール部材１３０ａ、１３０ｂが介装される。

蓋部材１２４は、図８に示すように、端子部５８ｂを挿入する孔部１２６ｂを有する。蓋部材１２４の絶縁部材１１８ｂに対向する面１２４ｓには、互いに対角位置に設けられた一方の冷却媒体入口連通孔４０ａ１と一方の冷却媒体出口連通孔４０ｂ１とに連通する複数本の冷却媒体通路溝１３２ａが形成される。面１２４ｓには、同様に、互いに対角位置に設けられた一方の冷却媒体入口連通孔４０ａ２と一方の冷却媒体出口連通孔４０ｂ２とに連通する複数本の冷却媒体通路溝１３２ｂが形成される。

冷却媒体通路溝１３２ａ、１３２ｂは、それぞれエンドプレート２０ｂのプレート面方向に沿って矢印Ｂ方向に折り返すように蛇行するサーペンタイン流路溝を構成する。蓋部材１２４と絶縁部材１１８ｂが当接することにより、冷却媒体通路１３２が構成される。蓋部材１２４と絶縁部材１１８ｂとの間には、シール部材１３０ａ、１３０ｂが介装される。図９に示すように、蓋部材１２４とエンドプレート２０ｂとの間には、冷却媒体用シール部材１３４が介装されるとともに、前記エンドプレート２０ｂには、冷却媒体マニホールド９８がシール部材１３６を介装して固着される。

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。

１０、１１０…燃料電池スタック １２、１１２…発電セル
１２_end…端部発電セル １４、１１４…積層体
１６ａ、１６ｂ…ターミナルプレート
１８ａ、１８ｂ、１００、１１８ａ、１１８ｂ…絶縁部材
２０ａ、２０ｂ…エンドプレート ２２、２６、２８…金属セパレータ
２４ａ、２４ｂ…電解質膜・電極構造体 ３０…固体高分子電解質膜
３２…アノード電極 ３４…カソード電極
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、４０ａ１、４０ａ２…冷却媒体入口連通孔
４０ｂ、４０ｂ１、４０ｂ２…冷却媒体出口連通孔
４２、４８…燃料ガス流路 ４４…冷却媒体流路
４６、５０…酸化剤ガス流路 ５２、５４、５６…シール部材
６６、７８、１０２、１２８、１３２…冷却媒体通路
６６ａ、７８ａ、１０２ａ、１２８ａ、１２８ｂ、１３２ａ、１３２ｂ…冷却媒体通路溝
７０、８０、１２２、１２４…蓋部材 ７２、８２…端子用カラー
７４ａ、７４ｂ…酸化剤ガス用カラー ７６ａ、７６ｂ…燃料ガス用カラー
８４ａ、８４ｂ…冷却媒体用カラー ８６ａ、８６ｂ…孔部
９０…断熱部材 ９６…カラー部材
９８…冷却媒体マニホールド ９９…筒部材

Claims (6)

1. 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を備え、複数の前記発電セルが積層される積層体の積層方向両側には、ターミナルプレート、絶縁部材及びエンドプレートが配設され、
   前記セパレータには、電極面方向に沿って冷却媒体を流通させる冷却媒体流路が設けられ、
   前記セパレータ、前記絶縁部材及び前記エンドプレートには、前記冷却媒体流路に連通し積層方向に前記冷却媒体を流通させる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、
   前記冷却媒体連通孔は、前記燃料電池スタックの外部から供給される前記冷却媒体を前記冷却媒体流路に供給する冷却媒体入口連通孔と、前記冷却媒体流路から排出される前記冷却媒体を前記燃料電池スタックの外部に排出する冷却媒体出口連通孔とを有し、
   前記絶縁部材と前記エンドプレートとの間には、蓋部材が配置され、
   前記絶縁部材の前記蓋部材に向かう面又は前記蓋部材の前記絶縁部材に向かう面に、複数の冷却媒体通路溝が形成されることにより、前記絶縁部材と前記蓋部材との間には、前記エンドプレートのプレート面方向に沿って前記冷却媒体を流通させる冷却媒体通路が形成され、
   前記冷却媒体通路と前記冷却媒体流路は、それぞれ前記冷却媒体入口連通孔及び前記冷却媒体出口連通孔に連通してい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、前記蓋部材には、前記エンドプレートを貫通する端子用カラーが設けられるとともに、
   前記端子用カラーには、前記ターミナルプレートから前記積層方向に突出する端子部材を挿入するための端子用孔部が設けられ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、前記蓋部材には、前記エンドプレートを貫通する冷却媒体用カラーが設けられるとともに、
   前記冷却媒体用カラーには、前記冷却媒体連通孔に連通する冷却媒体用孔部が設けら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、前記冷却媒体通路は、前記冷却媒体流路の冷却媒体流れ方向と同一の冷却媒体流れ方向を有することを特徴とする燃料電池スタック。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記冷却媒体通路溝は、サーペンタイン流路溝形状に形成され、前記絶縁部材には２つの前記冷却媒体入口連通孔と、２つの前記冷却媒体出口連通孔とが設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
6. 請求項５記載の燃料電池スタックにおいて、前記燃料電池スタックの一端側の前記冷却媒体通路溝が繋がる前記冷却媒体入口連通孔及び前記冷却媒体出口連通孔は、前記燃料電池スタックの他端側の前記冷却媒体通路溝が繋がる前記冷却媒体入口連通孔及び前記冷却媒体出口連通孔と異なることを特徴とする燃料電池スタック。

Images