JP6231942B2

JP6231942B2 - Fuel cell stack

Info

Publication number: JP6231942B2
Application number: JP2014103520A
Authority: JP
Inventors: 浅野　裕次; 裕次浅野; 亨岩成; 宮島　一嘉; 一嘉宮島; 岡野　竜; 竜岡野
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2013-11-06
Filing date: 2014-05-19
Publication date: 2017-11-15
Anticipated expiration: 2034-05-19
Also published as: JP2015111545A

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が、複数積層される積層体を備え、前記積層体の積層方向両側には、ターミナルプレート、インシュレータ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。 The present invention comprises a laminate in which a plurality of power generation cells each having an electrolyte / electrode structure and a separator on which electrodes are arranged on both sides of the electrolyte are laminated, and a terminal plate on both sides in the lamination direction of the laminate. The present invention relates to a fuel cell stack in which an insulator and an end plate are disposed.

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）間に挟持されることにより発電セルが構成されている。燃料電池は、発電セルを所定の数だけ積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。 For example, a solid polymer fuel cell employs a solid polymer electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane. This fuel cell comprises an electrolyte membrane / electrode structure in which an anode electrode and a cathode electrode each having an electrode catalyst (electrode catalyst layer) and porous carbon (gas diffusion layer) are disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane ( MEA). The electrolyte membrane / electrode structure is sandwiched between separators (bipolar plates) to constitute a power generation cell. A fuel cell is used as, for example, an in-vehicle fuel cell stack by stacking a predetermined number of power generation cells.

ところで、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、例えば、電力取り出し用ターミナルプレート（集電板）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。 By the way, in the fuel cell stack, there is a power generation cell in which a temperature drop is likely to be caused by heat radiation to the outside as compared with other power generation cells. For example, a power generation cell (hereinafter also referred to as an end power generation cell) arranged at the end in the stacking direction has a large amount of heat released from, for example, a power extraction terminal plate (current collector plate) or an end plate. The temperature drop is remarkable.

この温度低下によって、端部発電セルでは、燃料電池スタックの中央部分の発電セルに比べて結露が発生し易くなる。このため、生成水の排出性が低下して、発電性能が低下するという不具合が指摘されている。 Due to this temperature decrease, condensation is more likely to occur in the end power generation cells than in the central power generation cell of the fuel cell stack. For this reason, the malfunction that the discharge | emission property of produced water falls and power generation performance falls is pointed out.

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。この燃料電池では、図２２に示すように、セル１の積層体の各端部には、エンドプレート２ａ、２ｂが配置されている。燃料電池内には、冷却システム３が設けられている。冷却システム３は、各セル１内を積層方向に延在する循環ダクト４を備えるとともに、前記循環ダクト４には、流体ポンプ５を介して冷却材が循環供給されている。 Thus, for example, a fuel cell disclosed in Patent Document 1 is known. In this fuel cell, as shown in FIG. 22, end plates 2 a and 2 b are arranged at each end of the stacked body of the cells 1. A cooling system 3 is provided in the fuel cell. The cooling system 3 includes a circulation duct 4 extending in the stacking direction in each cell 1, and a coolant is circulated and supplied to the circulation duct 4 via a fluid pump 5.

エンドプレート２ａ、２ｂの外方には、熱取り出し手段６が配設される。各熱取り出し手段６は、複数本のヒートパイプ７を備えるとともに、前記ヒートパイプ７は、エンドプレート２ａ、２ｂ内に挿入されている。ヒートパイプ７は、エンドプレート２ａ、２ｂの内部を循環ダクト４に沿って流通する冷却材の熱を受熱し、セル１の冷却を迅速に行うことができる、としている。 Heat extraction means 6 is disposed outside the end plates 2a and 2b. Each heat extraction means 6 includes a plurality of heat pipes 7, and the heat pipes 7 are inserted into the end plates 2a and 2b. The heat pipe 7 receives the heat of the coolant flowing through the end plates 2a and 2b along the circulation duct 4, and can cool the cell 1 quickly.

特表２０１２−５２６３６６号公報Special table 2012-526366 gazette

しかしながら、上記の燃料電池では、エンドプレート２ａ、２ｂの外方に、それぞれ複数本のヒートパイプ７を備えた熱取り出し手段６が配設されている。このため、システム全体は、セル１の積層方向に沿って相当に長尺化されるという問題がある。 However, in the fuel cell described above, the heat extraction means 6 including a plurality of heat pipes 7 is disposed outside the end plates 2a and 2b. For this reason, there is a problem that the entire system is considerably elongated along the stacking direction of the cells 1.

しかも、燃料電池の暖機時には、エンドプレート２ａ、２ｂからヒートパイプ７に受熱されてしまう。これにより、特に端部に配置されるセル１では、暖機時の保温が困難になるという問題がある。 Moreover, when the fuel cell is warmed up, the heat pipe 7 receives heat from the end plates 2a and 2b. Thereby, especially in the cell 1 arrange | positioned at an edge part, there exists a problem that the heat retention at the time of warming-up becomes difficult.

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、端部発電セルの温度低下を確実に阻止するとともに、暖機を良好に遂行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。 The present invention solves this type of problem, and it is a simple and compact configuration that can reliably prevent a temperature drop of an end power generation cell and can perform warm-up well. The purpose is to provide.

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が、複数積層される積層体を備えている。燃料電池スタックは、積層体の積層方向に延在して燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体である流体を流通させる流体連通孔が形成されている。積層体の積層方向両側には、ターミナルプレート、インシュレータ及びエンドプレートが配設されている。 The fuel cell stack according to the present invention includes a laminate in which a plurality of power generation cells each including an electrolyte / electrode structure in which electrodes are disposed on both sides of an electrolyte and a separator are laminated. The fuel cell stack is formed with fluid communication holes that extend in the stacking direction of the stacked body and allow a fluid that is a fuel gas, an oxidant gas, or a cooling medium to flow therethrough. A terminal plate, an insulator, and an end plate are disposed on both sides in the stacking direction of the stack.

そして、少なくとも一方のエンドプレート側には、前記一方のエンドプレートの外面より積層方向内側に位置してヒートパイプ構造体が設けられている。ヒートパイプ構造体は、流体連通孔に配置され、流体から受熱する受熱部と、積層体の積層方向の端部に配置される発電セルと前記一方のエンドプレートの外面との間に配置され、発電セルの発電面に平行な面方向に沿って延在し、前記受熱部で受熱した熱を放出する放熱部とを備えている。
At least one end plate is provided with a heat pipe structure located on the inner side in the stacking direction from the outer surface of the one end plate. The heat pipe structure is disposed in the fluid communication hole, and is disposed between the heat receiving portion that receives heat from the fluid, the power generation cell that is disposed at the end in the stacking direction of the stacked body, and the outer surface of the one end plate, And a heat dissipating part that extends along a surface direction parallel to the power generation surface of the power generation cell and that releases heat received by the heat receiving part.

また、この燃料電池スタックでは、放熱部は、一方のエンドプレートの内部、一方のターミナルプレートの内部、一方のインシュレータの内部、前記一方のエンドプレートの表面、前記一方のターミナルプレートの表面又は前記一方のインシュレータの表面に沿って設けられる複数本のヒートパイプ又は平面型ヒートパイプを備えることが好ましい。 Further, in this fuel cell stack, the heat radiating portion is provided inside the one end plate, inside the one terminal plate, inside the one insulator, the surface of the one end plate, the surface of the one terminal plate or the one. It is preferable to provide a plurality of heat pipes or planar heat pipes provided along the surface of the insulator.

さらに、この燃料電池スタックでは、流体連通孔は、使用前の流体を流通させる流体入口連通孔と、使用後の前記流体を流通させる流体出口連通孔とを有し、受熱部は、前記流体出口連通孔に配置されることが好ましい。 Further, in this fuel cell stack, the fluid communication hole has a fluid inlet communication hole for circulating the fluid before use, and a fluid outlet communication hole for circulating the fluid after use, and the heat receiving portion is the fluid outlet. It is preferable to arrange in the communication hole.

さらにまた、この燃料電池スタックでは、放熱部が配置される放熱部配置部位には、該放熱部の外周との間に伝熱用媒体が充填されることが好ましい。 Furthermore, in this fuel cell stack, it is preferable that a heat transfer medium is filled between the heat dissipating part and the outer periphery of the heat dissipating part.

本発明によれば、ヒートパイプ構造体では、冷却媒体又は反応ガスを流通させる流体連通孔から受熱部に受熱され、発電面に平行な面方向に沿って放熱部から放熱している。このため、燃料電池スタックの積層方向端部は、特に積層体の端部に配置される端部発電セルは、発電時の中央側の発電セルの温度と同等の温度に保温されている。 According to the present invention, in the heat pipe structure, heat is received by the heat receiving portion from the fluid communication hole through which the cooling medium or the reaction gas flows, and is radiated from the heat radiating portion along the plane direction parallel to the power generation surface. For this reason, in the stacking direction end of the fuel cell stack, in particular, the end power generation cells arranged at the end of the stacked body are kept at a temperature equivalent to the temperature of the power generation cell on the center side during power generation.

さらに、放熱部近傍の温度が、流体連通孔の流体温度よりも低温であると、熱交換が行われる。すなわち、ヒートパイプ構造体は、熱ダイオードとしての機能を有する。従って、暖機時にも良好に保温することができる。これにより、簡単且つコンパクトな構成で、端部発電セルの温度低下を確実に阻止するとともに、暖機を良好に遂行することが可能になる。 Furthermore, heat exchange is performed when the temperature in the vicinity of the heat radiating portion is lower than the fluid temperature of the fluid communication hole. That is, the heat pipe structure has a function as a thermal diode. Therefore, it is possible to maintain a good temperature even when warming up. Accordingly, it is possible to reliably prevent a temperature drop of the end power generation cell and perform warm-up with a simple and compact configuration.

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの斜視説明図である。1 is a perspective explanatory view of a fuel cell stack according to a first embodiment of the present invention. 前記燃料電池スタックの一部分解概略斜視図である。FIG. 2 is a partially exploded schematic perspective view of the fuel cell stack. 前記燃料電池スタックの、図２中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of the fuel cell stack taken along line III-III in FIG. 2. 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。It is a disassembled perspective explanatory drawing of the electric power generation cell which comprises the said fuel cell stack. 前記燃料電池スタックを構成するヒートパイプ構造体の正面説明図である。It is front explanatory drawing of the heat pipe structure which comprises the said fuel cell stack. 前記ヒートパイプ構造体の斜視説明図である。It is a perspective explanatory view of the heat pipe structure. 本実施例１と比較例１及び２の冷媒出口における端部温度変化の比較説明図である。It is comparison explanatory drawing of the edge part temperature change in the refrigerant | coolant exit of the present Example 1 and Comparative Examples 1 and 2. 本実施例２と比較例１及び２の酸化剤ガス出口における端部温度変化の比較説明図である。It is comparison explanatory drawing of the edge part temperature change in the oxidizing agent gas exit of the present Example 2 and Comparative Examples 1 and 2. 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ヒートパイプ構造体の正面説明図である。It is front explanatory drawing of the heat pipe structure which comprises the fuel cell stack which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 前記ヒートパイプ構造体の斜視説明図である。It is a perspective explanatory view of the heat pipe structure. 前記ヒートパイプ構造体を埋設したエンドプレートの断面説明図である。It is sectional explanatory drawing of the end plate which embed | buried the said heat pipe structure. 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒートパイプ構造体の正面説明図である。It is front explanatory drawing of the heat pipe structure which comprises the fuel cell stack which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 前記ヒートパイプ構造体の斜視説明図である。It is a perspective explanatory view of the heat pipe structure. 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒートパイプ構造体の斜視説明図である。It is a perspective explanatory view of the heat pipe structure which constitutes the fuel cell stack concerning a 4th embodiment of the present invention. 本発明の第５の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒートパイプ構造体の側面説明図である。It is side surface explanatory drawing of the heat pipe structure which comprises the fuel cell stack which concerns on the 5th Embodiment of this invention. 本発明の第６の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒートパイプ構造体の断面説明図である。It is a section explanatory view of a heat pipe structure which constitutes a fuel cell stack concerning a 6th embodiment of the present invention. 本発明の第７の実施形態に係る燃料電池スタックの一部分解概略斜視図である。FIG. 10 is a partially exploded schematic perspective view of a fuel cell stack according to a seventh embodiment of the present invention. 前記燃料電池スタックの、図１７中、ＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ線側面図である。It is the XVIII-XVIII line side view in FIG. 17 of the said fuel cell stack. ヒートパイプ構造体の有無によるターミナルプレートの温度説明図である。It is temperature explanatory drawing of the terminal plate by the presence or absence of a heat pipe structure. 前記燃料電池スタック内の各部位における温度説明図である。It is temperature explanatory drawing in each site | part in the said fuel cell stack. 本発明の第８の実施形態に係る燃料電池スタックの一部分解概略斜視図である。FIG. 10 is a partially exploded schematic perspective view of a fuel cell stack according to an eighth embodiment of the present invention. 特許文献１に開示されている燃料電池の説明図である。2 is an explanatory diagram of a fuel cell disclosed in Patent Document 1. FIG.

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車載用燃料電池スタックとして使用される。 As shown in FIGS. 1 and 2, the fuel cell stack 10 according to the first embodiment of the present invention is used as, for example, an in-vehicle fuel cell stack mounted on a fuel cell electric vehicle (not shown).

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）又は鉛直方向（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、インシュレータ（絶縁プレート）１８ａ及びエンドプレート２０ａが積層方向外方に向かって、順次、配設される（図２参照）。積層体１４の積層方向他端には、ターミナルプレート１６ｂ、インシュレータ（絶縁プレート）１８ｂ及びエンドプレート２０ｂが積層方向外方に向かって、順次、配設される。 The fuel cell stack 10 includes a stacked body 14 in which a plurality of power generation cells 12 are stacked in the horizontal direction (arrow A direction) or the vertical direction (arrow C direction). A terminal plate 16a, an insulator (insulating plate) 18a, and an end plate 20a are sequentially disposed at one end in the stacking direction (arrow A direction) of the stacked body 14 outward in the stacking direction (see FIG. 2). At the other end in the stacking direction of the stacked body 14, a terminal plate 16b, an insulator (insulating plate) 18b, and an end plate 20b are sequentially disposed outward in the stacking direction.

図１に示すように、エンドプレート２０ａ、２０ｂは、金属材又は樹脂材で構成され、横長（縦長でもよい）の長方形状を有するとともに、各辺間には、連結バー２４が配置される。各連結バー２４は、両端をエンドプレート２０ａ、２０ｂの面内にボルト２６を介して固定され、複数の積層された発電セル１２に積層方向（矢印Ａ方向）の締め付け荷重を付与する。なお、燃料電池スタック１０では、エンドプレート２０ａ、２０ｂを端板とする筐体を備え、前記筐体内に積層体１４を収容するように構成してもよい。 As shown in FIG. 1, the end plates 20 a and 20 b are made of a metal material or a resin material, have a horizontally long (or vertically long) rectangular shape, and a connecting bar 24 is disposed between each side. Each connecting bar 24 is fixed at both ends in the plane of the end plates 20a, 20b via bolts 26, and applies a tightening load in the stacking direction (arrow A direction) to the plurality of stacked power generation cells 12. Note that the fuel cell stack 10 may include a housing having end plates 20a and 20b as end plates, and the stacked body 14 may be accommodated in the housing.

発電セル１２は、図３及び図４に示すように、電解質膜・電極構造体３０が、第１セパレータ（カソードセパレータ）３２及び第２セパレータ（アノードセパレータ）３４に挟持される。第１セパレータ３２及び第２セパレータ３４は、例えば、カーボンセパレータにより構成される。なお、第１セパレータ３２及び第２セパレータ３４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、あるいは金属薄板を波形にプレス成形した金属セパレータを採用してもよい。 As shown in FIGS. 3 and 4, in the power generation cell 12, the electrolyte membrane / electrode structure 30 is sandwiched between a first separator (cathode separator) 32 and a second separator (anode separator) 34. The first separator 32 and the second separator 34 are constituted by, for example, a carbon separator. The first separator 32 and the second separator 34 may employ, for example, a steel plate, a stainless steel plate, an aluminum plate, a plated steel plate, or a metal separator obtained by press forming a metal thin plate into a corrugated shape.

発電セル１２の矢印Ｂ方向（図４中、水平方向）の一端縁部には、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（流体連通孔）３６ａ及び燃料ガス出口連通孔（流体連通孔）３８ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。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一方、燃料ガス出口連通孔３８ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。 One end edge of the power generation cell 12 in the direction of arrow B (horizontal direction in FIG. 4) communicates with each other in the direction of arrow A, which is the stacking direction, and the oxidant gas inlet communication hole (fluid communication hole) 36a and the fuel gas Outlet communication holes (fluid communication holes) 38b are arranged in the direction of arrow C (vertical direction). The oxidant gas inlet communication hole 36a supplies an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas, while the fuel gas outlet communication hole 38b discharges a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas.

発電セル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入口連通孔（流体連通孔）３８ａ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔（流体連通孔）３６ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。 The other end edge of the power generation cell 12 in the direction of arrow B communicates with each other in the direction of arrow A, and discharges a fuel gas inlet communication hole (fluid communication hole) 38a for supplying fuel gas, and oxidant gas. For this purpose, an oxidant gas outlet communication hole (fluid communication hole) 36b is arranged in the direction of arrow C.

発電セル１２の矢印Ｃ方向の上端縁部には、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔（流体連通孔）４０ａが設けられる。発電セル１２の矢印Ｃ方向の下端縁部には、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔（流体連通孔）４０ｂが設けられる。 A cooling medium inlet communication hole (fluid communication hole) 40 a for supplying a cooling medium is provided at the upper end edge of the power generation cell 12 in the arrow C direction. A cooling medium outlet communication hole (fluid communication hole) 40 b for discharging the cooling medium is provided at the lower edge of the power generation cell 12 in the direction of arrow C.

第１セパレータ３２の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３２ａ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とに連通する酸化剤ガス流路４２が設けられる。酸化剤ガス流路４２は、水平方向（矢印Ｂ方向）に延在する複数本の流路溝４２ａを有する。 An oxidant gas flow path 42 communicating with the oxidant gas inlet communication hole 36a and the oxidant gas outlet communication hole 36b is provided on the surface 32a of the first separator 32 facing the electrolyte membrane / electrode structure 30. The oxidant gas flow channel 42 has a plurality of flow channel grooves 42a extending in the horizontal direction (arrow B direction).

第２セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３４ａには、燃料ガス入口連通孔３８ａと燃料ガス出口連通孔３８ｂとに連通する燃料ガス流路４４が設けられる。燃料ガス流路４４は、水平方向（矢印Ｂ方向）に延在する複数本の流路溝４４ａを有する。 A fuel gas passage 44 communicating with the fuel gas inlet communication hole 38a and the fuel gas outlet communication hole 38b is provided on the surface 34a of the second separator 34 facing the electrolyte membrane / electrode structure 30. The fuel gas flow path 44 has a plurality of flow path grooves 44a extending in the horizontal direction (arrow B direction).

互いに隣接する発電セル１２を構成する第１セパレータ３２の面３２ｂと、第２セパレータ３４の面３４ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔４０ａと冷却媒体出口連通孔４０ｂとを連通する冷却媒体流路４６が設けられる。冷却媒体流路４６は、鉛直方向（矢印Ｃ方向）に延在する複数本の流路溝４６ａを有する。 A cooling medium that connects the cooling medium inlet communication hole 40a and the cooling medium outlet communication hole 40b between the surface 32b of the first separator 32 and the surface 34b of the second separator 34 that constitute the power generation cells 12 adjacent to each other. A flow path 46 is provided. The cooling medium flow path 46 has a plurality of flow path grooves 46a extending in the vertical direction (the direction of arrow C).

第１セパレータ３２と第２セパレータ３４とには、第１シール部材４８と第２シール部材５０とが、一体的又は個別に設けられる。第１シール部材４８及び第２シール部材５０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使用される。 The first separator 32 and the second separator 34 are provided with a first seal member 48 and a second seal member 50 integrally or individually. As the first seal member 48 and the second seal member 50, for example, EPDM, NBR, fluororubber, silicone rubber, fluorosilicone rubber, butyl rubber, natural rubber, styrene rubber, chloroprene, acrylic rubber or the like sealant or cushion A seal member having elasticity such as a material or a packing material is used.

電解質膜・電極構造体３０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。 The electrolyte membrane / electrode structure 30 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 52 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and a cathode electrode 54 and an anode electrode 56 that sandwich the solid polymer electrolyte membrane 52. Prepare.

固体高分子電解質膜５２は、カソード電極５４及びアノード電極５６よりも大きな平面寸法を有している。なお、カソード電極５４とアノード電極５６とは、同一の表面寸法に設定されているが、互いに異なる平面寸法に設定される、所謂、段差ＭＥＡを構成してもよい。 The solid polymer electrolyte membrane 52 has a larger planar dimension than the cathode electrode 54 and the anode electrode 56. In addition, although the cathode electrode 54 and the anode electrode 56 are set to the same surface dimension, you may comprise what is called level | step difference MEA set to a mutually different planar dimension.

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て形成される電極触媒層とを有する。電極触媒層は、例えば、固体高分子電解質膜５２の両面に形成されている。 The cathode electrode 54 and the anode electrode 56 are an electrode catalyst formed by uniformly applying a gas diffusion layer made of carbon paper or the like and porous carbon particles carrying a platinum alloy on the surface thereof to the surface of the gas diffusion layer. And having a layer. The electrode catalyst layer is formed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 52, for example.

図２に示すように、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの略中央には、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は、絶縁性筒体６０に挿入されて、インシュレータ１８ａの孔部６２ａ及びエンドプレート２０ａの孔部６４ａを貫通して前記エンドプレート２０ａの外部に突出する。端子部５８ｂは、絶縁性筒体６０に挿入されて、インシュレータ１８ｂの孔部６２ｂ及びエンドプレート２０ｂの孔部６４ｂを貫通して前記エンドプレート２０ｂの外部に突出する。 As shown in FIG. 2, terminal portions 58a and 58b extending outward in the stacking direction are provided at substantially the center of the terminal plates 16a and 16b. The terminal portion 58a is inserted into the insulating cylinder 60, passes through the hole portion 62a of the insulator 18a and the hole portion 64a of the end plate 20a, and protrudes outside the end plate 20a. The terminal portion 58b is inserted into the insulating cylinder 60, passes through the hole portion 62b of the insulator 18b and the hole portion 64b of the end plate 20b, and protrudes to the outside of the end plate 20b.

インシュレータ１８ａ、１８ｂは、電気絶縁性材料、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る。インシュレータ１８ａ、１８ｂは、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂと同一の平面寸法に設定される。 The insulators 18a and 18b are formed of an electrically insulating material such as polycarbonate (PC) or phenol resin. The insulators 18a and 18b are set to the same planar dimensions as the terminal plates 16a and 16b.

エンドプレート２０ａの中央部には、ターミナルプレート１６ａ及びインシュレータ１８ａを収容する矩形状の凹部６６ａが形成され、前記凹部６６ａの中央に孔部６４ａが連通する。エンドプレート２０ｂの中央部には、ターミナルプレート１６ｂ及びインシュレータ１８ｂを収容する矩形状の凹部６６ｂが形成され、前記凹部６６ｂの中央に孔部６４ｂが連通する。エンドプレート２０ｂの内部には、すなわち、一方のエンドプレートである前記エンドプレート２０ｂの外面より積層方向内側に位置して、ヒートパイプ構造体７０が設けられる。なお、エンドプレート２０ａ側にも、ヒートパイプ構造体７０を設けてもよい。 A rectangular recess 66a for accommodating the terminal plate 16a and the insulator 18a is formed at the center of the end plate 20a, and a hole 64a communicates with the center of the recess 66a. A rectangular recess 66b for accommodating the terminal plate 16b and the insulator 18b is formed at the center of the end plate 20b, and a hole 64b communicates with the center of the recess 66b. A heat pipe structure 70 is provided inside the end plate 20b, that is, on the inner side in the stacking direction from the outer surface of the end plate 20b which is one end plate. The heat pipe structure 70 may also be provided on the end plate 20a side.

図５及び図６に示すように、ヒートパイプ構造体７０は、発電セル１２の冷却媒体出口連通孔（流体連通孔）４０ｂに配置され、冷却媒体（流体）から受熱する１本以上の受熱部７２を備える。受熱部７２は、矢印Ａ方向（積層方向）に所定の長さを有するとともに、冷却媒体出口連通孔４０ｂの形状に対応して扁平柱形状を有しているが、例えば、円柱形状であってもよい。 As shown in FIGS. 5 and 6, the heat pipe structure 70 is disposed in the cooling medium outlet communication hole (fluid communication hole) 40 b of the power generation cell 12 and receives one or more heat receiving portions that receive heat from the cooling medium (fluid). 72. The heat receiving portion 72 has a predetermined length in the direction of arrow A (stacking direction) and a flat columnar shape corresponding to the shape of the cooling medium outlet communication hole 40b. Also good.

なお、受熱部７２の配置部位は、冷却媒体出口連通孔４０ｂに限定されるものではない。受熱部７２は、冷却媒体入口連通孔４０ａ、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂ、燃料ガス出口連通孔３８ｂ、酸化剤ガス入口連通孔３６ａ又は燃料ガス入口連通孔３８ａに配置してもよい。以下に説明する第２以降の実施形態でも、同様である。 In addition, the arrangement | positioning site | part of the heat receiving part 72 is not limited to the cooling medium exit communication hole 40b. The heat receiving portion 72 may be disposed in the cooling medium inlet communication hole 40a, the oxidant gas outlet communication hole 36b, the fuel gas outlet communication hole 38b, the oxidant gas inlet communication hole 36a, or the fuel gas inlet communication hole 38a. The same applies to the second and subsequent embodiments described below.

受熱部７２のエンドプレート２０ｂ内に埋設される端部には、前記受熱部７２で受熱した熱を放出する複数本の扁平柱形状（又は円柱形状）の放熱部７４が連結される。各放熱部７４は、複数本の扁平柱形状又は円柱形状を有し、発電セル１２の発電面に平行な面方向に沿って、すなわち、エンドプレート面に沿って互いに拡開するように延在してエンドプレート２０ｂ内に埋設される。なお、放熱部７４の形状は、エンドプレート２０ｂの中に全面に亘って設けられればよく、本形状に限定されない。 A plurality of flat columnar (or columnar) heat radiating portions 74 that release heat received by the heat receiving portion 72 are connected to an end portion embedded in the end plate 20 b of the heat receiving portion 72. Each heat radiating portion 74 has a plurality of flat columnar shapes or cylindrical shapes, and extends so as to expand along the surface direction parallel to the power generation surface of the power generation cell 12, that is, along the end plate surface. Then, it is embedded in the end plate 20b. In addition, the shape of the heat radiation part 74 should just be provided over the whole surface in the end plate 20b, and is not limited to this shape.

ヒートパイプ構造体７０は、密閉容器を構成しており、図示しないが、高温部である受熱部７２の内壁で作動液が熱を吸収して蒸発すると、作動液蒸気が空洞を通って低温部である各放熱部７４に移動する。放熱部７４で冷却された作動液蒸気は、凝集して液体に戻り、内壁のウィック（毛細管構造の芯）に吸収される。さらに、作動液は、ウィックを伝わって受熱部７２に戻される。受熱部７２は、放熱部７４よりも重力方向下方に配置されることが好ましい。凝縮した液体が、重力の作用で受熱部７２に戻るからである。 The heat pipe structure 70 constitutes a sealed container. Although not shown, when the working fluid absorbs heat and evaporates on the inner wall of the heat receiving portion 72 which is a high temperature portion, the working fluid vapor passes through the cavity and passes through the low temperature portion. It moves to each heat radiation part 74 which is. The working fluid vapor cooled by the heat radiating section 74 aggregates and returns to the liquid, and is absorbed by the wick (capillary structure core) on the inner wall. Further, the hydraulic fluid is returned to the heat receiving portion 72 through the wick. The heat receiving part 72 is preferably arranged below the heat radiating part 74 in the direction of gravity. This is because the condensed liquid returns to the heat receiving portion 72 by the action of gravity.

図１に示すように、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、燃料ガス出口連通孔３８ｂ、冷却媒体入口連通孔４０ａ及び冷却媒体出口連通孔４０ｂが形成される。なお、エンドプレート２０ａとエンドプレート２０ｂとには、所定の連通孔を振り分けて形成してもよい。例えば、一方のエンドプレート（エンドプレート２０ａ又は２０ｂ）に、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を設けることができる。その際、他方のエンドプレート（エンドプレート２０ｂ又は２０ａ）に、冷却媒体入口連通孔４０ａ及び冷却媒体出口連通孔４０ｂを設けることができる。 As shown in FIG. 1, the end plate 20a includes an oxidant gas inlet communication hole 36a, an oxidant gas outlet communication hole 36b, a fuel gas inlet communication hole 38a, a fuel gas outlet communication hole 38b, a cooling medium inlet communication hole 40a, and A cooling medium outlet communication hole 40b is formed. In addition, you may form and distribute a predetermined communicating hole in the end plate 20a and the end plate 20b. For example, one end plate (end plate 20a or 20b) may be provided with an oxidant gas inlet communication hole 36a, an oxidant gas outlet communication hole 36b, a fuel gas inlet communication hole 38a, and a fuel gas outlet communication hole 38b. In that case, the other end plate (end plate 20b or 20a) can be provided with the cooling medium inlet communication hole 40a and the cooling medium outlet communication hole 40b.

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。 The operation of the fuel cell stack 10 configured as described above will be described below.

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。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２０ａの冷却媒体入口連通孔４０ａに供給される。 First, as shown in FIG. 1, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas inlet communication hole 36a of the end plate 20a. Fuel gas such as hydrogen-containing gas is supplied to the fuel gas inlet communication hole 38a of the end plate 20a. A cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil is supplied to the cooling medium inlet communication hole 40a of the end plate 20a.

図４に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３６ａから第１セパレータ３２の酸化剤ガス流路４２に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４２に沿って水平方向（矢印Ｂ方向）に流動しながら、電解質膜・電極構造体３０を構成するカソード電極５４に供給される。 As shown in FIG. 4, the oxidant gas is introduced into the oxidant gas flow path 42 of the first separator 32 from the oxidant gas inlet communication hole 36a. The oxidant gas is supplied to the cathode electrode 54 constituting the electrolyte membrane / electrode structure 30 while flowing in the horizontal direction (arrow B direction) along the oxidant gas flow path 42.

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３８ａから第２セパレータ３４の燃料ガス流路４４に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路４４に沿って水平方向（矢印Ｂ方向）に流動しながら、電解質膜・電極構造体３０を構成するアノード電極５６に供給される。 On the other hand, the fuel gas is introduced into the fuel gas flow path 44 of the second separator 34 from the fuel gas inlet communication hole 38a. The fuel gas is supplied to the anode electrode 56 constituting the electrolyte membrane / electrode structure 30 while flowing in the horizontal direction (arrow B direction) along the fuel gas flow path 44.

従って、電解質膜・電極構造体３０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、発電が行われる。 Therefore, in the electrolyte membrane / electrode structure 30, the oxidant gas supplied to the cathode electrode 54 and the fuel gas supplied to the anode electrode 56 are consumed by an electrochemical reaction in the electrode catalyst layer to generate power. Is called.

次いで、カソード電極５４に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。一方、アノード電極５６に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。 Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the cathode electrode 54 is discharged in the direction of arrow A along the oxidant gas outlet communication hole 36b. On the other hand, the fuel gas consumed by being supplied to the anode electrode 56 is discharged in the direction of arrow A along the fuel gas outlet communication hole 38b.

また、冷却媒体入口連通孔４０ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ３２及び第２セパレータ３４間の冷却媒体流路４６に導入された後、矢印Ｃ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体３０を冷却した後、冷却媒体出口連通孔４０ｂから排出される。 The cooling medium supplied to the cooling medium inlet communication hole 40a is introduced into the cooling medium flow path 46 between the first separator 32 and the second separator 34, and then flows in the direction of arrow C. The cooling medium is discharged from the cooling medium outlet communication hole 40b after the electrolyte membrane / electrode structure 30 is cooled.

この場合、第１の実施形態では、図３及び図６に示すように、ヒートパイプ構造体７０を構成する受熱部７２は、冷却媒体出口連通孔４０ｂの奥側（エンドプレート２０ｂ側）に挿入されている。このため、受熱部７２は、冷却媒体出口連通孔４０ｂを流通する使用後の冷却媒体、すなわち、各発電セル１２を冷却して昇温された冷却媒体から受熱することができる。 In this case, in the first embodiment, as shown in FIGS. 3 and 6, the heat receiving portion 72 configuring the heat pipe structure 70 is inserted into the back side (end plate 20 b side) of the cooling medium outlet communication hole 40 b. Has been. For this reason, the heat receiving part 72 can receive heat from the used cooling medium that circulates through the cooling medium outlet communication hole 40b, that is, the cooling medium that has been heated by cooling each power generation cell 12.

そして、受熱部７２で受熱した熱は、エンドプレート２０ｂ内に埋設された複数本の放熱部７４から前記エンドプレート２０ｂの面内に放熱されている（図５参照）。従って、燃料電池スタック１０の積層方向端部であるエンドプレート２０ｂが加温され、特に積層体１４の端部に配置される端部発電セル１２ｅ（図３参照）は、発電時の中央側の発電セル１２の温度と同等の温度で保温される。 The heat received by the heat receiving portion 72 is radiated in the plane of the end plate 20b from a plurality of heat radiating portions 74 embedded in the end plate 20b (see FIG. 5). Therefore, the end plate 20b, which is the end in the stacking direction of the fuel cell stack 10, is heated. In particular, the end power generation cell 12e (see FIG. 3) disposed at the end of the stack 14 has a central side during power generation. The temperature is maintained at a temperature equivalent to the temperature of the power generation cell 12.

さらに、ヒートパイプ構造体７０では、放熱部７４の近傍の温度、すなわち、エンドプレート２０ｂの温度が、冷却媒体出口連通孔４０ｂの冷却媒体温度よりも低温であると、熱交換が行われる。すなわち、ヒートパイプ構造体７０は、熱ダイオードとしての機能を有する。従って、暖機時にも良好に保温することができる。 Further, in the heat pipe structure 70, heat exchange is performed when the temperature in the vicinity of the heat radiating portion 74, that is, the temperature of the end plate 20b is lower than the cooling medium temperature of the cooling medium outlet communication hole 40b. That is, the heat pipe structure 70 has a function as a thermal diode. Therefore, it is possible to maintain a good temperature even when warming up.

ここで、ヒートパイプ構造体７０を採用する本実施例１と、燃料電池スタック端部に放熱対策を施さない比較例１と、前記燃料電池スタック端部に冷却媒体を循環させる比較例２とを用いて、端部温度変化を比較する実験を行った。その結果、図７に示すように、本実施例１では、暖機開始から冷却媒体出口連通孔４０ｂを流通する冷却媒体の温度が上昇するのに伴って、端部温度が上昇している。これにより、本実施例１では、比較例１及び比較例２に比べて、比較的短時間で端部温度が所望の温度まで昇温することが可能になるという結果が得られた。 Here, Example 1 employing the heat pipe structure 70, Comparative Example 1 in which no heat dissipation measures are taken at the end of the fuel cell stack, and Comparative Example 2 in which a coolant is circulated at the end of the fuel cell stack. Using this, an experiment was conducted to compare end temperature changes. As a result, as shown in FIG. 7, in the first embodiment, as the temperature of the cooling medium flowing through the cooling medium outlet communication hole 40b increases from the start of warm-up, the end temperature increases. Thereby, in Example 1, as compared with Comparative Example 1 and Comparative Example 2, it was possible to obtain a result that the end temperature could be raised to a desired temperature in a relatively short time.

一方、ヒートパイプ構造体７０を、冷却媒体出口連通孔４０ｂに代えて酸化剤ガス出口連通孔３６ｂに挿入した本実施例２を用いて、同様の実験を行った。その結果、図８に示すように、本実施例２では、比較例１及び比較例２に比べて、比較的短時間で端部温度が所望の温度まで昇温することができた。 On the other hand, a similar experiment was performed using the present Example 2 in which the heat pipe structure 70 was inserted into the oxidant gas outlet communication hole 36b instead of the cooling medium outlet communication hole 40b. As a result, as shown in FIG. 8, in Example 2, the end temperature could be raised to a desired temperature in a relatively short time compared to Comparative Example 1 and Comparative Example 2.

これにより、第１の実施形態では、簡単且つコンパクトな構成で、特に積層方向端部に配置されている端部発電セル１２ｅの温度低下を確実に阻止するとともに、暖機を良好に遂行することが可能になるという効果が得られる。 Thereby, in 1st Embodiment, it is a simple and compact structure, and while specifically preventing the temperature fall of the edge part electric power generation cell 12e arrange | positioned in the lamination | stacking direction edge part, performing warming up satisfactorily. Can be obtained.

図９〜図１１に示すように、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ヒートパイプ構造体８０は、例えば、エンドプレート２０ｂの内部に埋設される。 As shown in FIGS. 9-11, the heat pipe structure 80 which comprises the fuel cell stack which concerns on the 2nd Embodiment of this invention is embed | buried under the inside of the end plate 20b, for example.

なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０を構成するヒートパイプ構造体７０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以降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。 Note that the same components as those of the heat pipe structure 70 constituting the fuel cell stack 10 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. Similarly, in the third and subsequent embodiments described below, detailed description thereof is omitted.

ヒートパイプ構造体８０は、エンドプレート２０ｂに形成されて発電セル１２の冷却媒体出口連通孔４０ｂに連通する冷却媒体出口凹部４０ｂｅに配置され、冷却媒体（流体）から受熱する、例えば、３本の受熱部８２を備える。受熱部８２は、エンドプレート２０ｂ内に埋設され、下方に延在して冷却媒体出口連通孔４０ｂの上部側に臨む。受熱部８２の上端側には、複数本の放熱部７４が連結される。受熱部８２は、放熱部７４と同一の厚さを有する。 The heat pipe structure 80 is disposed in the cooling medium outlet recess 40be formed in the end plate 20b and communicating with the cooling medium outlet communication hole 40b of the power generation cell 12, and receives heat from the cooling medium (fluid), for example, three A heat receiving portion 82 is provided. The heat receiving portion 82 is embedded in the end plate 20b, extends downward, and faces the upper side of the cooling medium outlet communication hole 40b. A plurality of heat radiation portions 74 are connected to the upper end side of the heat receiving portion 82. The heat receiving portion 82 has the same thickness as the heat radiating portion 74.

このように構成される第２の実施形態では、受熱部８２は、冷却媒体出口連通孔４０ｂを流通する使用後の冷却媒体から受熱することができる。これにより、簡単且つコンパクトな構成で、発電セル１２の温度低下を確実に阻止するとともに、暖機を良好に遂行することが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。 In 2nd Embodiment comprised in this way, the heat receiving part 82 can receive heat from the used cooling medium which distribute | circulates the cooling medium exit communicating hole 40b. As a result, the same effects as those of the first embodiment described above can be obtained with a simple and compact configuration, such as reliably preventing a temperature drop of the power generation cell 12 and performing a good warm-up. It is done.

図１２及び図１３に示すように、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒートパイプ構造体９０は、例えば、エンドプレート２０ｂの内部に埋設される。 As shown in FIGS. 12 and 13, the heat pipe structure 90 constituting the fuel cell stack according to the third embodiment of the present invention is embedded in, for example, the end plate 20b.

ヒートパイプ構造体９０は、発電セル１２の冷却媒体出口連通孔４０ｂに配置され、冷却媒体（流体）から受熱する、例えば、２本の受熱部９２を備える。受熱部９２は、矢印Ａ方向（積層方向）に所定の長さを有するとともに、冷却媒体出口連通孔４０ｂの形状に対応して扁平柱形状を有しているが、例えば、円柱形状であってもよい。 The heat pipe structure 90 is disposed in the cooling medium outlet communication hole 40b of the power generation cell 12, and includes, for example, two heat receiving portions 92 that receive heat from the cooling medium (fluid). The heat receiving part 92 has a predetermined length in the arrow A direction (stacking direction) and a flat columnar shape corresponding to the shape of the cooling medium outlet communication hole 40b. Also good.

各受熱部９２のエンドプレート２０ｂ内に埋設される端部には、放熱部９４が連結される。放熱部９４は、それぞれ平面型ヒートパイプであり、内部には、図示しないがウィック構造が設けられる。放熱部９４の内部には、仕切りを設けてもよい。各放熱部９４は、矩形状を有し、エンドプレート２０ｂの孔部６４ｂに干渉しない位置に並列される。なお、エンドプレート２０ｂに孔部６４ｂが設けられない場合には、単一の放熱部９４を使用してもよい。 A heat radiating portion 94 is connected to the end portion embedded in the end plate 20 b of each heat receiving portion 92. Each of the heat dissipating portions 94 is a planar heat pipe, and a wick structure is provided therein, although not shown. A partition may be provided inside the heat dissipation portion 94. Each heat radiating portion 94 has a rectangular shape and is arranged in parallel at a position where it does not interfere with the hole 64b of the end plate 20b. In addition, when the hole part 64b is not provided in the end plate 20b, you may use the single thermal radiation part 94. FIG.

このように構成される第３の実施形態では、第１及び第２の実施形態の複数本の筒扁平柱形状（又は円柱形状）のヒートパイプに代えて、平面型ヒートパイプを採用している。このため、簡単且つコンパクトな構成で、発電セル１２の温度低下を確実に阻止するとともに、暖機を良好に遂行することが可能になる等、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。 In the third embodiment configured as described above, a planar heat pipe is employed instead of the plurality of cylindrical flat columnar (or cylindrical) heat pipes of the first and second embodiments. . For this reason, with a simple and compact configuration, it is possible to reliably prevent a decrease in temperature of the power generation cell 12 and to perform warm-up satisfactorily, and the same as in the first and second embodiments described above. An effect is obtained.

図１４に示すように、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒートパイプ構造体１００は、例えば、エンドプレート２０ｂの内部に埋設される。 As shown in FIG. 14, the heat pipe structure 100 constituting the fuel cell stack according to the fourth embodiment of the present invention is embedded in, for example, an end plate 20b.

ヒートパイプ構造体１００は、エンドプレート２０ｂに形成されて発電セル１２の冷却媒体出口連通孔４０ｂに連通する冷却媒体出口凹部４０ｂｅに配置され、冷却媒体（流体）から受熱する、例えば、２本の受熱部１０２を備える。各受熱部１０２には、エンドプレート２０ｂ内に埋設された平面型ヒートパイプである放熱部９４が連結される。受熱部１０２は、放熱部９４と同一の厚さを有する。 The heat pipe structure 100 is disposed in the cooling medium outlet recess 40be formed in the end plate 20b and communicating with the cooling medium outlet communication hole 40b of the power generation cell 12, and receives heat from the cooling medium (fluid), for example, two A heat receiving unit 102 is provided. Each heat receiving portion 102 is connected to a heat radiating portion 94 which is a planar heat pipe embedded in the end plate 20b. The heat receiving portion 102 has the same thickness as the heat radiating portion 94.

このように構成される第４の実施形態では、簡単且つコンパクトな構成で、発電セル１２の温度低下を確実に阻止するとともに、暖機を良好に遂行することが可能になる等、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。 In the fourth embodiment configured as described above, the above-described first configuration can be achieved, for example, with a simple and compact configuration that reliably prevents a temperature drop of the power generation cell 12 and can perform warm-up well. The same effect as the first to third embodiments can be obtained.

図１５に示すように、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するヒートパイプ構造体１０４は、例えば、エンドプレート２０ｂの内部に埋設される。 As shown in FIG. 15, the heat pipe structure 104 constituting the fuel cell stack according to the fifth embodiment of the present invention is embedded in, for example, an end plate 20b.

ヒートパイプ構造体１０４は、冷却媒体出口凹部４０ｂｅに配置される受熱部１０６ａと、エンドプレート２０ｂに埋設される放熱部１０６ｂとを一体に備える。放熱部１０６ｂが配置される放熱部配置部位であるエンドプレート２０ｂ内には、前記放熱部１０６ｂの外周との間に室１０８が形成され、前記室１０８には、伝熱用媒体、第５の実施形態では、冷却媒体が充填される。なお、伝熱用媒体としては、冷却媒体の他、所望の伝熱機能を有するものであれば種々用いることができ、流体の他、固体（樹脂やゴム、金属、ガラス等）であってもよい。 The heat pipe structure 104 is integrally provided with a heat receiving portion 106a disposed in the cooling medium outlet recess 40be and a heat radiating portion 106b embedded in the end plate 20b. A chamber 108 is formed between the outer periphery of the heat radiating portion 106b in the end plate 20b, which is a heat radiating portion arrangement portion where the heat radiating portion 106b is arranged, and the chamber 108 includes a heat transfer medium, a fifth medium. In an embodiment, the cooling medium is filled. The heat transfer medium can be variously used as long as it has a desired heat transfer function in addition to the cooling medium, and it can be a solid (resin, rubber, metal, glass, etc.) in addition to a fluid. Good.

このように構成される第５の実施形態では、放熱部１０６ｂの外周とエンドプレート２０ｂとの間に空間部が存在することがなく、伝熱用媒体により充填されている。このため、放熱部１０６ｂからエンドプレート２０ｂに良好に伝熱させることができ、前記エンドプレート２０ｂを一層効率的に加温することが可能になる。なお、上記の第１〜第４の実施形態及び以下に説明する第６以降の実施形態においても、第５の実施形態と同様に構成してもよい。 In the fifth embodiment configured as described above, there is no space between the outer periphery of the heat radiating portion 106b and the end plate 20b, and the space is filled with the heat transfer medium. For this reason, heat can be favorably transferred from the heat radiating portion 106b to the end plate 20b, and the end plate 20b can be heated more efficiently. The first to fourth embodiments described above and the sixth and subsequent embodiments described below may also be configured in the same manner as the fifth embodiment.

上記の第１〜第５の実施形態では、エンドプレート２０ｂ内に埋設されたヒートパイプ構造体について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、図１６に示すように、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池スタック１１０は、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂがインシュレータ１８ａ、１８ｂに形成された凹部１１２ａ、１１２ｂに収容される。インシュレータ１８ａ、１８ｂは、積層体１４と略同一の外形寸法を有する。 In said 1st-5th embodiment, although the heat pipe structure embedded in the end plate 20b was demonstrated, it is not limited to this. For example, as shown in FIG. 16, in the fuel cell stack 110 according to the sixth embodiment of the present invention, the terminal plates 16a and 16b are accommodated in the recesses 112a and 112b formed in the insulators 18a and 18b. The insulators 18 a and 18 b have substantially the same outer dimensions as the stacked body 14.

インシュレータ１８ｂとエンドプレート２０ｂとの間には、ヒートパイプ構造体１１４が介装される。ヒートパイプ構造体１１４は、プレート部材１１６を備え、前記プレート部材１１６内に受熱部１１８及び放熱部１２０が埋設される。受熱部１１８は、矢印Ａ方向（積層方向）に所定の長さを有するとともに、冷却媒体出口連通孔４０ｂの形状に対応して扁平柱形状を有しているが、例えば、円柱形状であってもよい。 A heat pipe structure 114 is interposed between the insulator 18b and the end plate 20b. The heat pipe structure 114 includes a plate member 116, and a heat receiving portion 118 and a heat radiating portion 120 are embedded in the plate member 116. The heat receiving portion 118 has a predetermined length in the direction of arrow A (stacking direction) and has a flat columnar shape corresponding to the shape of the cooling medium outlet communication hole 40b. Also good.

また、プレート部材１１６には、冷却媒体出口連通孔４０ｂに連通する冷却媒体出口凹部４０ｂｅを形成するとともに、矢印Ｃ方向に延在して前記冷却媒体出口凹部４０ｂｅに臨む受熱部１１８ａを、受熱部１１８に代えて用いてもよい。 The plate member 116 is formed with a cooling medium outlet recess 40be that communicates with the cooling medium outlet communication hole 40b, and a heat receiving portion 118a that extends in the arrow C direction and faces the cooling medium outlet recess 40be is provided with a heat receiving portion. 118 may be used instead.

受熱部１１８には、放熱部１２０が接続されるとともに、前記放熱部１２０は、例えば、複数本の筒状ヒートパイプ（例えば、放熱部７４と同一構成）を採用してもよく、また、平面型ヒートパイプ（放熱部９４と同一構成）を採用してもよい。 The heat receiving portion 118 is connected to the heat radiating portion 120, and the heat radiating portion 120 may adopt, for example, a plurality of cylindrical heat pipes (for example, the same configuration as the heat radiating portion 74). A mold heat pipe (same configuration as the heat radiating portion 94) may be employed.

このように構成される第６の実施形態では、簡単且つコンパクトな構成で、発電セル１２の温度低下を確実に阻止するとともに、暖機を良好に遂行することが可能になる等、上記の第１〜第５の実施形態と同様の効果が得られる。 In the sixth embodiment configured as described above, the above-described first and the like can be achieved with a simple and compact configuration, which reliably prevents a temperature drop of the power generation cell 12 and can perform warm-up well. The same effects as those of the first to fifth embodiments can be obtained.

なお、第６の実施形態では、ヒートパイプ構造体１１４は、個別のプレート部材１１６を備えているが、これに限定されるものではない。例えば、エンドプレート２０ｂの積層体１４側の面に凹部を形成し、前記凹部に放熱部１２０を直接配置してもよい。また、ヒートパイプは、インシュレータ、ターミナルプレート又はエンドプレートの内部に埋設してもよい。ヒートパイプを埋設する際には、外側に樹脂部材を一体成形してもよい。 In addition, in 6th Embodiment, although the heat pipe structure 114 is provided with the separate plate member 116, it is not limited to this. For example, a recess may be formed on the surface of the end plate 20b on the laminated body 14 side, and the heat radiating unit 120 may be directly disposed in the recess. Moreover, you may embed a heat pipe inside an insulator, a terminal plate, or an end plate. When embedding the heat pipe, a resin member may be integrally formed on the outside.

図１７に示すように、本発明の第７の実施形態に係る燃料電池スタック１３０は、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂがインシュレータ１８ａ、１８ｂに形成された凹部１３２ａ、１３２ｂに収容される。インシュレータ１８ａ、１８ｂは、積層体１４と略同一の外形寸法を有する。 As shown in FIG. 17, in the fuel cell stack 130 according to the seventh embodiment of the present invention, the terminal plates 16a and 16b are accommodated in the recesses 132a and 132b formed in the insulators 18a and 18b. The insulators 18 a and 18 b have substantially the same outer dimensions as the stacked body 14.

図１７及び図１８に示すように、ターミナルプレート１６ｂの内部には、ヒートパイプ構造体１３４が設けられる。ヒートパイプ構造体１３４は、一対の受熱部１３６を備え、前記一対の受熱部１３６が冷却媒体出口連通孔４０ｂに配設される。各受熱部１３６には、放熱部１３８が一体に設けられるとともに、各放熱部１３８は、ターミナルプレート１６ｂの内部に埋設される。各放熱部１３８の外周とターミナルプレート１６ｂの隙間には、伝熱用媒体を充填してもよい（第５の実施形態参照）。ヒートパイプ構造体１３４の形状や本数は、第７の実施形態に限定されるものではなく、例えば、湾曲形状や屈曲形状を有していてもよい。 As shown in FIGS. 17 and 18, a heat pipe structure 134 is provided inside the terminal plate 16b. The heat pipe structure 134 includes a pair of heat receiving portions 136, and the pair of heat receiving portions 136 are disposed in the cooling medium outlet communication hole 40b. Each heat receiving portion 136 is integrally provided with a heat radiating portion 138, and each heat radiating portion 138 is embedded in the terminal plate 16b. A gap between the outer periphery of each heat radiation portion 138 and the terminal plate 16b may be filled with a heat transfer medium (see the fifth embodiment). The shape and number of the heat pipe structures 134 are not limited to those in the seventh embodiment, and may have, for example, a curved shape or a bent shape.

なお、ターミナルプレート１６ｂに凹部を形成し、前記凹部に放熱部１３８を配置してもよい。また、放熱部１３８は、インシュレータ１８ｂの凹部１３２ｂを形成する平坦面に一部を埋設し、前記ターミナルプレート１６ｂの表面に直接接触させてもよい。 A recess may be formed in the terminal plate 16b, and the heat radiating portion 138 may be disposed in the recess. Further, the heat radiating portion 138 may be partially embedded in a flat surface that forms the recess 132b of the insulator 18b, and may directly contact the surface of the terminal plate 16b.

このように構成される燃料電池スタック１３０では、冷却媒体出口連通孔４０ｂを流通する冷却媒体により受熱部１３６で受熱した熱は、放熱部１３８からターミナルプレート１６ｂの内部に直接放熱されている。従って、ターミナルプレート１６ｂを迅速に加温させることができ、積層体１４の端部からの放熱を良好に抑制することが可能になる。 In the fuel cell stack 130 configured as described above, the heat received by the heat receiving portion 136 by the cooling medium flowing through the cooling medium outlet communication hole 40b is directly radiated from the heat radiating portion 138 to the inside of the terminal plate 16b. Therefore, the terminal plate 16b can be quickly heated, and the heat radiation from the end of the laminated body 14 can be satisfactorily suppressed.

図１９には、ヒートパイプ構造体１３４の有無によるターミナルプレート１６ｂの温度（代表温度）の比較結果が示されている。ヒートパイプ構造体１３４が用いられた場合、ターミナルプレート１６ｂの温度は、冷却媒体入口温度と冷却媒体出口温度との間、すなわち、適正ＭＥＡ温度範囲内に昇温されている。一方、ヒートパイプ構造体１３４が用いられない場合には、ターミナルプレート１６ｂの温度は、冷却媒体入口温度未満、すなわち、適正ＭＥＡ温度範囲未満となっている。 FIG. 19 shows a comparison result of the temperature (representative temperature) of the terminal plate 16b with and without the heat pipe structure 134. When the heat pipe structure 134 is used, the temperature of the terminal plate 16b is raised between the cooling medium inlet temperature and the cooling medium outlet temperature, that is, within an appropriate MEA temperature range. On the other hand, when the heat pipe structure 134 is not used, the temperature of the terminal plate 16b is lower than the cooling medium inlet temperature, that is, lower than the proper MEA temperature range.

さらに、図２０に示すように、ヒートパイプ構造体１３４の有無による燃料電池スタック１３０の各部位の温度（代表温度）が検出された。その結果、ヒートパイプ構造体１３４が用いられた場合には、燃料電池スタック１３０の内部からエンドプレート２０ｂの外面に至る間、適正ＭＥＡ温度範囲内に維持されている。一方、ヒートパイプ構造体１３４が用いられない場合には、燃料電池スタック１３０の内部温度に比べて、端部発電セル１２ｅから外方の温度が適正ＭＥＡ温度範囲未満になっている。 Furthermore, as shown in FIG. 20, the temperature (representative temperature) of each part of the fuel cell stack 130 based on the presence or absence of the heat pipe structure 134 was detected. As a result, when the heat pipe structure 134 is used, the temperature is maintained within an appropriate MEA temperature range from the inside of the fuel cell stack 130 to the outer surface of the end plate 20b. On the other hand, when the heat pipe structure 134 is not used, the temperature outward from the end power generation cells 12e is lower than the appropriate MEA temperature range as compared to the internal temperature of the fuel cell stack 130.

これにより、第７の実施形態では、簡単且つコンパクトな構成で、特に積層方向端部に配置されている端部発電セル１２ｅの温度低下を確実に阻止することができる等、上記の第１〜第６の実施形態と同様の効果が得られる。 Thereby, in the seventh embodiment, the first to first described above can be prevented with a simple and compact configuration, in particular, the temperature decrease of the end power generation cell 12e arranged at the end in the stacking direction can be surely prevented. The same effect as in the sixth embodiment can be obtained.

図２１に示すように、本発明の第８の実施形態に係る燃料電池スタック１４０は、第７の実施形態に係る燃料電池スタック１３０と同様に、インシュレータ１８ａ、１８ｂの凹部１３２ａ、１３２ｂにターミナルプレート１６ａ、１６ｂが収容される。ターミナルプレート１６ａ、１６ｂは、端子部５８ａ、５８ｂに代えて端子板１４２ａ、１４２ｂを設ける。端子板１４２ａ、１４２ｂは、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの一辺から面方向外方に突出し、インシュレータ１８ａ、１８ｂの切り欠き部１４４ａ、１４４ｂから外方に突出する。 As shown in FIG. 21, the fuel cell stack 140 according to the eighth embodiment of the present invention is similar to the fuel cell stack 130 according to the seventh embodiment in the terminal plates in the recesses 132a and 132b of the insulators 18a and 18b. 16a and 16b are accommodated. The terminal plates 16a and 16b are provided with terminal plates 142a and 142b in place of the terminal portions 58a and 58b. The terminal plates 142a and 142b protrude outward in the surface direction from one side of the terminal plates 16a and 16b, and protrude outward from the notches 144a and 144b of the insulators 18a and 18b.

ターミナルプレート１６ｂの内部には、ヒートパイプ構造体１３４が設けられる。ヒートパイプ構造体１３４は、第７の実施形態と同様であり、その詳細な説明は省略する。 A heat pipe structure 134 is provided inside the terminal plate 16b. The heat pipe structure 134 is the same as in the seventh embodiment, and a detailed description thereof is omitted.

このように構成される第８の実施形態では、ターミナルプレート１６ｂの内部にヒートパイプ構造体１３４が埋設されており、上記の第７の実施形態と同様の効果が得られる。 In the eighth embodiment configured as described above, the heat pipe structure 134 is embedded in the terminal plate 16b, and the same effect as in the seventh embodiment can be obtained.

１０、１１０、１３０、１４０…燃料電池スタック
１２…発電セル１４…積層体
１６ａ、１６ｂ…ターミナルプレート１８ａ、１８ｂ…インシュレータ
２０ａ、２０ｂ…エンドプレート３０…電解質膜・電極構造体
３２、３４…セパレータ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…冷却媒体入口連通孔
４０ｂ…冷却媒体出口連通孔４２…酸化剤ガス流路
４４…燃料ガス流路４６…冷却媒体流路
４８、５０…シール部材５２…固体高分子電解質膜
５４…カソード電極５６…アノード電極
６６ａ、６６ｂ…凹部
７０、８０、９０、１００、１０４、１１４、１３４…ヒートパイプ構造体
７２、８２、９２、１０２、１０６ａ、１１８、１３６…受熱部
７４、９４、１０６ｂ、１２０、１３８…放熱部
１１６…プレート部材１４２ａ、１４２ｂ…端子板 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 110, 130, 140 ... Fuel cell stack 12 ... Power generation cell 14 ... Laminated body 16a, 16b ... Terminal plate 18a, 18b ... Insulator 20a, 20b ... End plate 30 ... Electrolyte membrane and electrode structure 32, 34 ... Separator 36a ... oxidant gas inlet communication hole 36b ... oxidant gas outlet communication hole 38a ... fuel gas inlet communication hole 38b ... fuel gas outlet communication hole 40a ... cooling medium inlet communication hole 40b ... cooling medium outlet communication hole 42 ... oxidant gas flow path 44 ... Fuel gas channel 46 ... Cooling medium channel 48, 50 ... Seal member 52 ... Solid polymer electrolyte membrane 54 ... Cathode electrode 56 ... Anode electrode 66a, 66b ... Recess 70, 80, 90, 100, 104, 114, 134... Heat pipe structures 72, 82, 92, 102, 106a, 118, 136. 4, 94, 106b, 120, 138 ... heat radiation part 116 ... plate member 142a, 142b ... terminal board

Claims

A power generation cell having an electrolyte / electrode structure in which electrodes are disposed on both sides of an electrolyte and a separator is provided with a stack in which a plurality of stacks are stacked, and extends in the stacking direction of the stacks to form a fuel gas and an oxidant gas Alternatively, a fuel cell stack in which a fluid communication hole for flowing a fluid as a cooling medium is formed and a terminal plate, an insulator, and an end plate are disposed on both sides in the stacking direction of the stack,
At least one end plate side is provided with a heat pipe structure located on the inner side in the stacking direction from the outer surface of the one end plate,
The heat pipe structure is disposed in the fluid communication hole and receives a heat from the fluid; and
Arranged between the power generation cell arranged at the end of the laminate in the stacking direction and the outer surface of the one end plate, extending along a plane direction parallel to the power generation surface of the power generation cell, A heat dissipating part that releases heat received by the heat receiving part; and
A fuel cell stack comprising:

2. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the heat radiating portion includes an interior of the one end plate, an interior of the one terminal plate, an interior of the one insulator, a surface of the one end plate, and a surface of the one terminal plate. A fuel cell stack comprising a plurality of heat pipes or planar heat pipes provided along a surface or a surface of the one insulator.

3. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the fluid communication hole includes a fluid inlet communication hole through which the fluid before use flows.
A fluid outlet communication hole for circulating the fluid after use;
Have
The fuel cell stack, wherein the heat receiving portion is disposed in the fluid outlet communication hole.

The fuel cell stack according to any one of claims 1 to 3, wherein a heat transfer medium is filled between an outer periphery of the heat dissipating part in a heat dissipating part disposition part where the heat dissipating part is disposed. A fuel cell stack characterized by