JP6472737B2 - 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。

一般的に、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。燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード電極が、前記固体高分子電解質膜の他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。アノード電極及びカソード電極は、それぞれ触媒層（電極触媒層）とガス拡散層（多孔質カーボン）とを有している。

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（単位燃料電池）を構成している。この発電セルは、所定の数だけ積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

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、この端部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６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。また、本発明は、流路プレートの面内での温度分布を抑制することにより、燃料電池スタックの端部に発生する温度分布を抑制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、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と、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とが設けられている。そして、冷却媒体連通孔は、互いに独立した第１冷却媒体入口連通孔及び第２冷却媒体入口連通孔と、互いに独立した第１冷却媒体出口連通孔及び第２冷却媒体出口連通孔と、を有している。

絶縁部材とエンドプレートとの間には、該エンドプレートのプレート面方向に沿って冷却媒体を流通させる冷却媒体通路が形成された流路プレートが配置されている。冷却媒体通路は、第１冷却媒体入口連通孔と第１冷却媒体出口連通孔とに連通する第１冷却媒体通路と、第２冷却媒体入口連通孔と第２冷却媒体出口連通孔とに連通する第２冷却媒体通路と、を有している。前記第１冷却媒体通路と前記第２冷却媒体通路に導入される前記冷却媒体は、前記冷却媒体流路を通って加温されたものである。

前記第１冷却媒体通路の前記冷却媒体の流量と、前記第２冷却媒体通路の前記冷却媒体の流量とを合計した流量が、前記冷却媒体通路全体の前記冷却媒体の流量である。ターミナルプレートには、電力取り出し端子が設けられ、前記電力取り出し端子は、前記第１冷却媒体通路と前記第２冷却媒体通路との間に配置されるとともに、前記エンドプレートのプレート面方向の中央よりも一端側に寄った位置に配置されており、これにより、前記冷却媒体通路は、前記エンドプレートのプレート面方向に関し、前記電力取り出し端子の位置を基準に、前記一端側の相対的に狭い領域と、前記一端側とは反対の他端側に相対的に広い領域とに設けられ、前記第１冷却媒体通路は、前記相対的に広い領域の全体に亘って設けられ、前記第２冷却媒体通路は、前記相対的に狭い領域の全体に亘って設けられている。第１冷却媒体通路を流通する冷却媒体の流量は、第２冷却媒体通路を流通する前記冷却媒体の流量よりも多く設定されている。前記第１冷却媒体通路の通路断面積は、前記第２冷却媒体通路の通路断面積よりも大きく設定されている。前記第１冷却媒体通路及び前記第２冷却媒体通路は、それぞれ蛇行する通路形状を有する。

さらに、この燃料電池スタックでは、エンドプレートは、長方形に構成されるとともに、電力取り出し端子は、前記エンドプレートの長手方向にオフセットして配置されることが好ましい。

また、この燃料電池スタックでは、第１冷却媒体通路及び第２冷却媒体通路は、それぞれの通路長さが異なることが好ましい。

また、この燃料電池スタックでは、第１冷却媒体通路及び第２冷却媒体通路は、それぞれ冷却媒体を下方から上方に向けて流通させる部位及び水平方向に向けて流通させる部位だけを有することが好ましい。

本発明によれば、第１冷却媒体通路が設けられる表面積は、第２冷却媒体通路が設けられる表面積よりも大きく設定されている。その際、第１冷却媒体通路を流通する冷却媒体の流量は、第２冷却媒体通路を流通する前記冷却媒体の流量よりも多く設定されている。このため、冷却媒体通路全体の流量を面内で均一にすることができ、燃料電池スタックの端部に発生する温度分布を抑制することが可能になる。

従って、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するとともに、前記端部発電セル全体の温度を一定に維持することができ、良好な発電性能を確保することが可能になる。

本発明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流路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他方の流路プレート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。燃料電池スタック１０は、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池電気自動車（図示せず）に搭載される。

図１及び図２に示すように、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、流路プレート２０ａ及びエンドプレート２２ａが外方に向かって、順次、配設される。図１に示すように、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、流路プレート２０ｂ及びエンドプレート２２ｂが外方に向かって、順次、配設される。

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２２ａ、２２ｂ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２３、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２３、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。

なお、第１金属セパレータ２３、第２金属セパレータ２６及び第３金属セパレータ２８に代えて、カーボンセパレータを用いてもよい。また、発電セル１２は、単一のＭＥＡを有し、前記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。また、アノード電極３２とカソード電極３４とは、同一の平面寸法に設定されてもよい。

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Ｂ方向）（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Ｃ方向）（鉛直方向）の両端縁部一方（酸化剤ガス入口連通孔３６ａ側）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するそれぞれ一対の冷却媒体入口連通孔４０ａ１、４０ａ２が設けられる。冷却媒体入口連通孔４０ａ１、４０ａ２は、水平方向に長尺な長方形開口部の長手方向の中間部位にリブ部４１ａを設けることにより、互いに独立して分割形成される。

発電セル１２の短辺方向の他方（酸化剤ガス出口連通孔３６ｂ側）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体を排出するそれぞれ一対の冷却媒体出口連通孔４０ｂ１、４０ｂ２が設けられる。冷却媒体出口連通孔４０ｂ１、４０ｂ２は、水平方向に長尺な長方形開口部の長手方向の中間部位にリブ部４１ｂを設けることにより、互いに独立して分割形成される。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２３の第１電解質膜・電極構造体２４ａに向かう面２３ａ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。第１燃料ガス流路４２は、複数本の波状又は直線状の流路溝を有する。

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により覆われる。第１金属セパレータ２３の面２３ｂには、それぞれ一対の冷却媒体入口連通孔４０ａ１、４０ａ２とそれぞれ一対の冷却媒体出口連通孔４０ｂ１、４０ｂ２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１酸化剤ガス流路４６は、複数本の波状又は直線状の流路溝を有する。

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。第２燃料ガス流路４８は、複数本の波状又は直線状の流路溝を有する。

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２酸化剤ガス流路５０は、複数本の波状又は直線状の流路溝を有する。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２３の面２３ａ、２３ｂには、この第１金属セパレータ２３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には、積層方向外方に延在する電力取り出し端子５８ａ、５８ｂが設けられる。電力取り出し端子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４０ａ１、４０ａ２よりも冷却媒体出口連通孔４０ｂ１、４０ｂ２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の電力取り出し端子５８ａは、絶縁部材１８ａの孔部６２ａ、流路プレート２０ａの孔部６４ａ及びエンドプレート２２ａの孔部６６ａ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の電力取り出し端子５８ｂは、孔部６２ｂから流路プレート２０ｂの孔部６４ｂ及びエンドプレート２２ｂの孔部６６ｂを介して外部に露呈する。

絶縁部材１８ａ、１８ｂ、流路プレート２０ａ、２０ｂ及びエンドプレート２２ａには、それぞれ一対の冷却媒体入口連通孔４０ａ１、４０ａ２及びそれぞれ一対の冷却媒体出口連通孔４０ｂ１、４０ｂ２が形成される。絶縁部材１８ｂ、流路プレート２０ｂ及びエンドプレート２２ｂ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。

図１及び図４に示すように、流路プレート２０ａの絶縁部材１８ａに対向する面２０ａｓには、エンドプレート２２ａのプレート面方向に沿って冷却媒体を流通させる冷却媒体通路が形成される。

冷却媒体通路は、下方に配置される冷却媒体入口連通孔４０ａ１（第１冷却媒体入口連通孔）と、上方に配置される冷却媒体出口連通孔４０ｂ１（第１冷却媒体出口連通孔）とに連通する第１冷却媒体通路６８を有する。冷却媒体通路は、下方に配置される冷却媒体入口連通孔４０ａ２（第２冷却媒体入口連通孔）と、上方に配置される冷却媒体出口連通孔４０ｂ２（第２冷却媒体出口連通孔）とに連通する第２冷却媒体通路７０を有する。第１冷却媒体通路６８と第２冷却媒体通路７０に導入される冷却媒体は、冷却媒体流路４４を通って加温されたものである。

第１冷却媒体通路６８は、複数本、例えば、７本の第１冷却媒体通路溝６８ａを有する。第１冷却媒体通路溝６８ａは、冷却媒体入口連通孔４０ａ１を入口側とし、冷却媒体出口連通孔４０ｂ１を出口側とするサーペンタイン流路溝（蛇行する通路形状）を構成する。第１冷却媒体通路溝６８ａは、冷却媒体を下方から上方に向けて流通させる部位６８ａ（ｖ）及び水平方向に向けて流通させる部位６８ａ（ｈ）だけを有し、前記部位６８ａ（ｖ）と前記部位６８ａ（ｈ）とが交互に設けられる。

第２冷却媒体通路７０は、複数本、例えば、４本の第２冷却媒体通路溝７０ａを有する。第２冷却媒体通路溝７０ａは、冷却媒体入口連通孔４０ａ２を入口側とし、冷却媒体出口連通孔４０ｂ２を出口側とするサーペンタイン流路溝（蛇行する通路形状）を構成する。第２冷却媒体通路溝７０ａは、冷却媒体を下方から上方に向けて流通させる部位７０ａ（ｖ）及び水平方向に向けて流通させる部位７０ａ（ｈ）だけを有し、前記部位７０ａ（ｖ）と前記部位７０ａ（ｈ）とが交互に設けられる。

流路プレート２０ａの面２０ａｓにおいて、第１冷却媒体通路６８が設けられる表面積は、第２冷却媒体通路７０が設けられる表面積よりも大きく設定される。すなわち、面２０ａｓ内では、第１冷却媒体通路６８は、第２冷却媒体通路７０よりも広範囲に亘って設けられる。第１冷却媒体通路６８を流通する冷却媒体の流量は、第２冷却媒体通路７０を流通する冷却媒体の流量よりも多く設定される。

第１冷却媒体通路溝６８ａの幅寸法ｔ１は、第２冷却媒体通路溝７０ａの幅寸法ｔ２よりも大きな寸法に設定される（ｔ１＞ｔ２）。第１冷却媒体通路溝６８ａ同士の間隔（リブ間隔）Ｓ１は、第２冷却媒体通路溝７０ａ同士の間隔（リブ間隔）Ｓ２よりも小さな寸法に設定される（Ｓ１＜Ｓ２）。第１冷却媒体通路６８の深さを、第２冷却媒体通路７０の深さよりも大きくしてもよい。

第１冷却媒体通路溝６８ａと第２冷却媒体通路溝７０ａとは、それぞれの通路断面積が異なる。具体的には、第１冷却媒体通路溝６８ａの通路断面積は、第２冷却媒体通路溝７０ａの通路断面積よりも大きく設定される。

図５に示すように、流路プレート２０ｂの絶縁部材１８ｂに対向する面２０ｂｓには、エンドプレート２２ｂのプレート面方向に沿って冷却媒体を流通させる冷却媒体通路が形成される。

冷却媒体通路は、下方に配置される冷却媒体入口連通孔４０ａ１（第１冷却媒体入口連通孔）と、上方に配置される冷却媒体出口連通孔４０ｂ１（第１冷却媒体出口連通孔）とに連通する第１冷却媒体通路７２を有する。冷却媒体通路は、下方に配置される冷却媒体入口連通孔４０ａ２（第２冷却媒体入口連通孔）と、上方に配置される冷却媒体出口連通孔４０ｂ２（第２冷却媒体出口連通孔）とに連通する第２冷却媒体通路７４を有する。

第１冷却媒体通路７２は、複数本、例えば、７本の第１冷却媒体通路溝７２ａを有する。第１冷却媒体通路溝７２ａは、冷却媒体入口連通孔４０ａ１を入口側とし、冷却媒体出口連通孔４０ｂ１を出口側とするサーペンタイン流路溝（蛇行する通路形状）を構成する。第１冷却媒体通路溝７２ａは、冷却媒体を下方から上方に向けて流通させる部位７２ａ（ｖ）及び水平方向に向けて流通させる部位７２ａ（ｈ）だけを有し、前記部位７２ａ（ｖ）と前記部位７２ａ（ｈ）とが交互に設けられる。

第２冷却媒体通路７４は、複数本、例えば、４本の第２冷却媒体通路溝７４ａを有する。第２冷却媒体通路溝７４ａは、冷却媒体入口連通孔４０ａ２を入口側とし、冷却媒体出口連通孔４０ｂ２を出口側とするサーペンタイン流路溝（蛇行する通路形状）を構成する。第２冷却媒体通路溝７４ａは、冷却媒体を下方から上方に向けて流通させる部位７４ａ（ｖ）及び水平方向に向けて流通させる部位７４ａ（ｈ）だけを有し、前記部位７４ａ（ｖ）と前記部位７４ａ（ｈ）とが交互に設けられる。

流路プレート２０ｂの面２０ｂｓにおいて、第１冷却媒体通路７２が設けられる表面積は、第２冷却媒体通路７４が設けられる表面積よりも大きく設定される。すなわち、面２０ｂｓ内では、第１冷却媒体通路７２は、第２冷却媒体通路７４よりも広範囲に亘って設けられる。第１冷却媒体通路７２を流通する冷却媒体の流量は、第２冷却媒体通路７４を流通する冷却媒体の流量よりも多く設定される。

第１冷却媒体通路溝７２ａの幅寸法ｔ３は、第２冷却媒体通路溝７４ａの幅寸法ｔ４よりも大きな寸法に設定される（ｔ３＞ｔ４）。第１冷却媒体通路溝７２ａ同士の間隔（リブ間隔）ｓ３は、第２冷却媒体通路溝７４ａ同士の間隔（リブ間隔）ｓ４よりも小さな寸法に設定される（ｓ３＜ｓ４）。第１冷却媒体通路７２の深さを、第２冷却媒体通路７４の深さよりも大きくしてもよい。

第１冷却媒体通路溝７２ａと第２冷却媒体通路溝７４ａとは、それぞれの通路断面積が異なる。具体的には、第１冷却媒体通路溝７２ａの通路断面積は、第２冷却媒体通路溝７４ａの通路断面積よりも大きく設定される。

図１及び図２に示すように、絶縁部材１８ａの凹部６０ａには、断熱部材８０及びターミナルプレート１６ａが収容される。断熱部材８０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８２と第２断熱部材８４とを備え、前記第１断熱部材８２と前記第２断熱部材８４とが交互に積層される。第１断熱部材８２は、例えば、金属プレートで構成される一方、第２断熱部材８４は、例えば、多孔性カーボンプレートで構成される。図示しないが、絶縁部材１８ｂの凹部６０ｂにも、同様に断熱部材８０及びターミナルプレート１６ｂが収容される。

なお、断熱部材８０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８０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８０は、１枚でもよく、又は、複数枚を重ねてもよい。

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２２ｂ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２２ｂ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２２ａのそれぞれ一対の冷却媒体入口連通孔４０ａ１、４０ａ２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Ｂ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２３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Ｂ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、各カソード電極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、各アノード電極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４０ａ１、４０ａ２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２３と第３金属セパレータ２８との間の冷却媒体流路４４に導入される。冷却媒体は、互いに近接するように、矢印Ｃ方向に流通する。冷却媒体は、さらに矢印Ｂ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を冷却する。次いで、冷却媒体は、互いに離間するように、矢印Ｃ方向に流通して各冷却媒体出口連通孔４０ｂ１、４０ｂ２から排出される。

この場合、本実施形態では、例えば、図１及び図４に示すように、流路プレート２０ａには、冷却媒体通路が形成されている。具体的には、下方の冷却媒体入口連通孔４０ａ１と上方の冷却媒体出口連通孔４０ｂ１とに連通する第１冷却媒体通路６８、及び、下方の冷却媒体入口連通孔４０ａ２と上方の冷却媒体出口連通孔４０ｂ２とに連通する第２冷却媒体通路７０を有している。

図４に示すように、流路プレート２０ａの面２０ａｓにおいて、第１冷却媒体通路６８が設けられる表面積は、第２冷却媒体通路７０が設けられる表面積よりも大きく設定されている。すなわち、面２０ａｓ内では、第１冷却媒体通路６８は、第２冷却媒体通路７０よりも広範囲に亘って設けられている。

その際、第１冷却媒体通路６８は、例えば、７本の第１冷却媒体通路溝６８ａを有する一方、第２冷却媒体通路７０は、例えば、４本の第２冷却媒体通路溝７０ａを有している。さらに、第１冷却媒体通路溝６８ａの幅寸法ｔ１は、第２冷却媒体通路溝７０ａの幅寸法ｔ２よりも大きな寸法に設定されている。このため、第１冷却媒体通路６８を流通する冷却媒体の流量は、第２冷却媒体通路７０を流通する前記冷却媒体の流量よりも多く設定されている。

従って、冷却媒体通路全体の流量を、流路プレート２０ａの面２０ａｓ内で均一にすることができ、燃料電池スタック１０の端部に発生する温度分布を抑制することが可能になる。

従って、簡単な構成で、積層体１４の端部に配置されている端部発電セル１２end（図２参照）の温度低下を確実に阻止するとともに、前記端部発電セル１２end全体の温度を一定に維持することができる。一方、流路プレート２０ｂ側でも、上記の流路プレート２０ａと同様の機能が得られる。これにより、積層体１４全体として、すなわち、燃料電池スタック１０全体として、良好な発電性能を確保することが可能になるという効果が得られる。

また、流路プレート２０ａでは、図４に示すように、第１冷却媒体通路溝６８ａは、冷却媒体を下方から上方に向けて流通させる部位６８ａ（ｖ）及び水平方向に向けて流通させる部位６８ａ（ｈ）だけを有している。このため、第１冷却媒体通路溝６８ａには、冷却媒体が上方から下方に流通した後に下方から上方に流通する部分が存在することがない。従って、第１冷却媒体通路溝６８ａの途上で、水溜まり又は水泡が発生することを可及的に抑制することができ、冷却効率を良好に維持することが可能になる。

さらに、第２冷却媒体通路溝７０ａでも、上記の第１冷却媒体通路溝６８ａと同様に構成されており、同様の効果が得られる。また、流路プレート２０ｂでは、上記の流路プレート２０ａと同様に構成されており、同様の効果が得られる。

１０…燃料電池スタック １２…発電セル
１２end…端部発電セル １４…積層体
１６ａ、１６ｂ…ターミナルプレート １８ａ、１８ｂ…絶縁部材
２０ａ、２０ｂ…流路プレート ２２ａ、２２ｂ…エンドプレート
２３、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 ４０ａ１、４０ａ２…冷却媒体入口連通孔
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
６８、７０、７２、７４…冷却媒体通路 ６８ａ、７０ａ、７２ａ、７４ａ…冷却媒体通路溝
８０…断熱部材

Claims (4)

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るとともに、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と、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と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、互いに独立した第１冷却媒体入口連通孔及び第２冷却媒体入口連通孔と、
   互いに独立した第１冷却媒体出口連通孔及び第２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、該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た流路プレートが配置されるとともに、
   前記冷却媒体通路は、前記第１冷却媒体入口連通孔と前記第１冷却媒体出口連通孔とに連通する第１冷却媒体通路と、
   前記第２冷却媒体入口連通孔と前記第２冷却媒体出口連通孔とに連通する第２冷却媒体通路と、
   を有し、
   前記第１冷却媒体通路と前記第２冷却媒体通路に導入される前記冷却媒体は、前記冷却媒体流路を通って加温されたものであり、
   前記第１冷却媒体通路の前記冷却媒体の流量と、前記第２冷却媒体通路の前記冷却媒体の流量とを合計した流量が、前記冷却媒体通路全体の前記冷却媒体の流量であり、
   前記ターミナルプレートには、電力取り出し端子が設けられ、
   前記電力取り出し端子は、前記第１冷却媒体通路と前記第２冷却媒体通路との間に配置されるとともに、前記エンドプレートのプレート面方向の中央よりも一端側に寄った位置に配置されており、これにより、前記冷却媒体通路は、前記エンドプレートのプレート面方向に関し、前記電力取り出し端子の位置を基準に、前記一端側の相対的に狭い領域と、前記一端側とは反対の他端側の相対的に広い領域とに設けられ、
   前記第１冷却媒体通路は、前記相対的に広い領域の全体に亘って設けられ、
   前記第２冷却媒体通路は、前記相対的に狭い領域の全体に亘って設けられ、
   前記第１冷却媒体通路を流通する前記冷却媒体の流量は、前記第２冷却媒体通路を流通する前記冷却媒体の流量よりも多く、且つ前記第１冷却媒体通路の通路断面積は、前記第２冷却媒体通路の通路断面積よりも大きく設定され、
   前記第１冷却媒体通路及び前記第２冷却媒体通路は、それぞれ蛇行する通路形状を有す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、前記エンドプレートは、長方形に構成されるとともに、
   前記電力取り出し端子は、前記エンドプレートの長手方向にオフセットして配置さ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、前記第１冷却媒体通路及び前記第２冷却媒体通路は、それぞれの通路長さが異な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、前記第１冷却媒体通路及び前記第２冷却媒体通路は、それぞれ前記冷却媒体を下方から上方に向けて流通させる部位及び水平方向に向けて流通させる部位だけを有することを特徴とする燃料電池スタック。

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