JP6570960B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、電解質膜の両面に電極が設けられた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される発電セルを有し、複数の前記発電セルが積層された積層体の積層方向両端にエンドプレートが配設される燃料電池スタックに関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面にアノード電極が、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。電解質膜・電極構造体は、セパレータによって挟持されることにより、発電セル（単位セル）が構成されている。通常、所定の数の発電セルが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燃料電池車両（燃料電池電気自動車等）に組み込まれている。

燃料電池スタックでは、セパレータの面内に、アノード電極に燃料ガスを流すための燃料ガス流路と、カソード電極に酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路とが設けられている。また、互いに隣接する発電セルのセパレータ間には、冷却媒体を流すための冷却媒体流路が前記セパレータの面方向に沿って設けられている。

さらに、積層方向に貫通して燃料ガスを流通させる燃料ガス連通孔と、酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス連通孔と、冷却媒体を流通させる冷却媒体連通孔とが設けられた内部マニホールド型燃料電池スタックが採用されている。燃料ガス連通孔（流体連通孔）は、燃料ガス供給連通孔及び燃料ガス排出連通孔を有し、酸化剤ガス連通孔（流体連通孔）は、酸化剤ガス供給連通孔及び酸化剤ガス排出連通孔を有している。冷却媒体連通孔（流体連通孔）は、冷却媒体供給連通孔及び冷却媒体排出連通孔を有している。

上記の燃料電池スタックでは、少なくとも一方のエンドプレートに、各流体連通孔に連なって燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体である流体を供給又は排出する流体マニホールドが設けられている。例えば、特許文献１に開示されている燃料電池スタックでは、一方のエンドプレートに樹脂製マニホールドが設けられるとともに、前記樹脂製マニホールドの端部には、前記一方のエンドプレートに保持される補強部が設けられている。

特開２００９−２２４１９５号公報

本発明は、この種の技術に関連してなされたものであり、エンドプレートの変形による樹脂製流体マニホールドの損傷を可及的に抑制することができ、前記樹脂製流体マニホールドを良好且つ経済的に使用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、電解質膜の両側に電極が設けられた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される発電セルを有している。複数の発電セルが積層された積層体の積層方向両端には、エンドプレートが配設されている。一方のエンドプレートには、冷却媒体、燃料ガス又は酸化剤ガスである流体を流通させる樹脂製流体マニホールドが設けられている。

燃料電池スタックは、樹脂製流体マニホールドに形成される締結用孔部と、前記締結用孔部に配設されるカラー部材と、前記カラー部材に挿入されるとともに、一方のエンドプレートに螺合される締結ボルトと、を備えている。そして、樹脂製流体マニホールドが一方のエンドプレートに締結された状態で、マニホールド側対向面とエンドプレート側対向面との間には、前記カラー部材の軸方向の寸法を設定することにより隙間が設けられている。

マニホールド側対向面は、樹脂製流体マニホールドの一方のエンドプレートに対向する面であり、エンドプレート側対向面は、該一方のエンドプレートの該樹脂製流体マニホールドに対向する面である。

また、この燃料電池スタックでは、樹脂製流体マニホールドは、マニホールドベース部材とマニホールドカバー部材とを備えることが好ましい。マニホールドベース部材は、一方のエンドプレートに隣接し、マニホールドカバー部材は、前記マニホールドベース部材に重ねて固定され、該マニホールドベース部材との間に流体流通路が形成されている。前記燃料電池スタックは、前記カラー部材としての第１カラー部材と、前記締結ボルトとしての第１締結ボルトと、前記マニホールドカバー部材に形成される孔部と、前記マニホールドベース部材に埋設された雌ねじ部材と、前記孔部に配設される第２カラー部材と、前記第２カラー部材に挿入されるとともに、前記雌ねじ部材に螺合される第２締結ボルトと、を有する。

その際、マニホールドベース部材のマニホールドカバー部材に対向するベース側対向面と、該マニホールドカバー部材の該マニホールドベース部材に対向するカバー側対向面との間には、前記第１カラー部材の軸方向の寸法及び前記第２カラー部材の軸方向の寸法を設定することにより隙間が設けられることが好ましい。

さらに、この燃料電池スタックでは、少なくとも一方の隙間は、０．１ｍｍ〜０．４ｍｍの範囲内であることが好ましい。

本発明によれば、樹脂製流体マニホールドが一方のエンドプレートに締結された状態で、マニホールド側対向面とエンドプレート側対向面との間には、隙間が設けられている。このため、一方のエンドプレートに変形が発生した際、隙間が前記一方のエンドプレートと樹脂製流体マニホールドとの干渉を抑制する逃げとして機能する。

従って、例えば、樹脂製流体マニホールドに曲げ応力が加わって割れ等が発生することを抑制することが可能になる。これにより、一方のエンドプレートの変形による樹脂製流体マニホールドの損傷を可及的に抑制することができ、前記樹脂製流体マニホールドを良好且つ経済的に使用することが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの第２エンドプレート側からの斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの第１エンドプレート側からの一部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発電セルの要部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冷却媒体供給マニホールドの分解斜視説明図である。 前記冷却媒体供給マニホールドを構成するマニホールドカバー部材の正面説明図である。 前記冷却媒体供給マニホールド及び前記第２エンドプレートの、図４中、ＶＩ−ＶＩ線断面図である。 前記冷却媒体供給マニホールド及び前記第２エンドプレートが変形する際の説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する冷却媒体供給マニホールド及び第２エンドプレートの断面図である。

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。燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１２が電極面を立位姿勢にして水平方向（矢印Ｂ方向）に積層された積層体１２ａｓを備える（図２参照）。なお、燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１２を重力方向（矢印Ｃ方向）に積層してもよい。

図２に示すように、発電セル１２の積層方向一端（積層体１２ａｓの一端）には、第１ターミナルプレート１４ａ、第１絶縁プレート１６ａ及び第１エンドプレート１８ａが、外方に向かって、順次、配設される。発電セル１２の積層方向他端（積層体１２ａｓの他端）には、第２ターミナルプレート１４ｂ、第２絶縁プレート１６ｂ及び第２エンドプレート１８ｂが、外方に向かって、順次、配設される。

横長形状（長方形状）の第１エンドプレート１８ａの略中央部（中央部から偏心していてもよい）からは、第１ターミナルプレート１４ａに接続された第１電力出力端子２０ａが外方に向かって延在する。横長形状（長方形状）の第２エンドプレート１８ｂの略中央部（中央部から偏心していてもよい）からは、第２ターミナルプレート１４ｂに接続された第２電力出力端子２０ｂが外方に向かって延在する。

第１エンドプレート１８ａと第２エンドプレート１８ｂの各辺間には、連結バー２２の両端がねじ２４により固定され、複数の積層された発電セル１２に積層方向（矢印Ｂ方向）の締め付け荷重を付与する。

燃料電池スタック１０は、必要に応じてケーシング２６を備える。ケーシング２６は、矢印Ｂ方向両端の２辺（面）が第１エンドプレート１８ａ及び第２エンドプレート１８ｂにより構成される。ケーシング２６の矢印Ａ方向両端の２辺（面）は、横長プレート形状の第１サイドパネル２８ａ及び第２サイドパネル２８ｂにより構成される。ケーシング２６の高さ方向（矢印Ｃ方向）両端の２辺（面）は、上方サイドパネル３０ａ及び下方サイドパネル３０ｂにより構成される。上方サイドパネル３０ａ及び下方サイドパネル３０ｂは、横長プレート形状を有する。

図２に示すように、第１エンドプレート１８ａ及び第２エンドプレート１８ｂには、各辺にねじ穴３２が設けられる。第１サイドパネル２８ａ、第２サイドパネル２８ｂ、上方サイドパネル３０ａ及び下方サイドパネル３０ｂには、各ねじ穴３２に対向して孔部３４が形成される。各孔部３４に挿入されるねじ３６は、各ねじ穴３２に螺合することにより、ケーシング２６が一体に固定される。

図３に示すように、発電セル１２は、電解質膜・電極構造体４０と、前記電解質膜・電極構造体４０を挟持するカソードセパレータ４２及びアノードセパレータ４４とを備える。

カソードセパレータ４２及びアノードセパレータ４４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、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板により構成される。カソードセパレータ４２及びアノードセパレータ４４は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。なお、カソードセパレータ４２及びアノードセパレータ４４は、金属セパレータに代えて、例えば、カーボンセパレータを使用してもよい。

発電セル１２の長辺方向（矢印Ａ方向）の一端縁部には、矢印Ｂ方向に互いに連通して、酸化剤ガス供給連通孔４６ａ及び燃料ガス排出連通孔４８ｂが設けられる。酸化剤ガス供給連通孔４６ａは、酸化剤ガス（流体）、例えば、酸素含有ガスを供給する一方、燃料ガス排出連通孔４８ｂは、燃料ガス（流体）、例えば、水素含有ガスを排出する。

発電セル１２の長辺方向の他端縁部には、矢印Ｂ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔４８ａと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔４６ｂとが設けられる。

発電セル１２の長辺方向（矢印Ａ方向）の両端縁部一方側（水平方向一端側）には、すなわち、酸化剤ガス供給連通孔４６ａ及び燃料ガス排出連通孔４８ｂ側には、冷却媒体供給連通孔５０ａが上下に設けられる。冷却媒体供給連通孔５０ａは、冷却媒体（流体）を供給するために、矢印Ｂ方向にそれぞれ連通しており、対向する辺に上下に１個ずつ（２個ずつでもよい）設けられる。

発電セル１２の長辺方向の両端縁部他方側（水平方向他端側）には、すなわち、燃料ガス供給連通孔４８ａ及び酸化剤ガス排出連通孔４６ｂ側には、冷却媒体排出連通孔５０ｂが上下に設けられる。冷却媒体排出連通孔５０ｂは、冷却媒体を排出するために、矢印Ｂ方向にそれぞれ連通しており、対向する辺に上下に１個ずつ（２個ずつでもよい）設けられる。

電解質膜・電極構造体４０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。

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（図示せず）を有する。白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子は、ガス拡散層の表面に一様に塗布されることにより、電極触媒層（図示せず）が形成される。電極触媒層は、固体高分子電解質膜５２の両面に形成される。

カソードセパレータ４２の電解質膜・電極構造体４０に向かう面４２ａには、酸化剤ガス供給連通孔４６ａと酸化剤ガス排出連通孔４６ｂとを連通する酸化剤ガス流路５８が形成される。酸化剤ガス流路５８は、矢印Ａ方向に延在する複数本の波状流路溝（又は直線状流路溝）により形成される。

アノードセパレータ４４の電解質膜・電極構造体４０に向かう面４４ａには、燃料ガス供給連通孔４８ａと燃料ガス排出連通孔４８ｂとを連通する燃料ガス流路６０が形成される。燃料ガス流路６０は、矢印Ａ方向に延在する複数本の波状流路溝（又は直線状流路溝）により形成される。

互いに隣接するアノードセパレータ４４の面４４ｂとカソードセパレータ４２の面４２ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔５０ａ、５０ａと冷却媒体排出連通孔５０ｂ、５０ｂとに連通する冷却媒体流路６２が形成される。冷却媒体流路６２は、水平方向に延在しており、電解質膜・電極構造体４０の電極範囲にわたって冷却媒体を流通させる。

カソードセパレータ４２の面４２ａ、４２ｂには、このカソードセパレータ４２の外周端縁部を周回して第１シール部材６４が一体成形される。アノードセパレータ４４の面４４ａ、４４ｂには、このアノードセパレータ４４の外周端縁部を周回して第２シール部材６６が一体成形される。

第１シール部材６４及び第２シール部材６６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用いられる。

図２に示すように、第１エンドプレート１８ａには、酸化剤ガス供給マニホールド６８ａ、酸化剤ガス排出マニホールド６８ｂ、燃料ガス供給マニホールド７０ａ及び燃料ガス排出マニホールド７０ｂが取り付けられる。酸化剤ガス供給マニホールド６８ａ、酸化剤ガス排出マニホールド６８ｂ、燃料ガス供給マニホールド７０ａ及び燃料ガス排出マニホールド７０ｂは、電気絶縁性を有する樹脂からなる。

酸化剤ガス供給マニホールド６８ａと酸化剤ガス排出マニホールド６８ｂとは、酸化剤ガス供給連通孔４６ａと酸化剤ガス排出連通孔４６ｂとに連通する。燃料ガス供給マニホールド７０ａと燃料ガス排出マニホールド７０ｂとは、燃料ガス供給連通孔４８ａと燃料ガス排出連通孔４８ｂとに連通する。

図１に示すように、第２エンドプレート（一方のエンドプレート）１８ｂには、上下にそれぞれ１個の冷却媒体供給連通孔５０ａに連通する樹脂製の冷却媒体供給マニホールド（樹脂製流体マニホールド）７２ａが取り付けられる。第２エンドプレート１８ｂには、上下にそれぞれ１個の冷却媒体排出連通孔５０ｂに連通する樹脂製の冷却媒体排出マニホールド（樹脂製流体マニホールド）７２ｂが取り付けられる。冷却媒体供給マニホールド７２ａ及び冷却媒体排出マニホールド７２ｂは、電気絶縁性を有することが好ましい。

図１及び図４に示すように、冷却媒体供給マニホールド７２ａは、第２エンドプレート１８ｂに隣接するマニホールドベース部材７４ａを備える。マニホールドベース部材７４ａは、マニホールドカバー部材７６ａに固定されるとともに、前記マニホールドカバー部材７６ａは、第２エンドプレート１８ｂに取り付けられる。第２エンドプレート１８ｂには、各冷却媒体供給連通孔５０ａに近接してそれぞれ４個のねじ穴７７ａが形成される一方、各冷却媒体排出連通孔５０ｂに近接してそれぞれ４個のねじ穴７７ｂが形成される（図１参照）。

マニホールドベース部材７４ａは、略平板形状を有し、前記マニホールドベース部材７４ａの上部及び下部には、それぞれ冷却媒体供給連通孔５０ａに一体に連通する冷却媒体入口７８ａが設けられる。マニホールドベース部材７４ａのマニホールドカバー部材７６ａに向かう面には、上下の冷却媒体入口７８ａを囲繞する周回溝部８０ａが形成される。

周回溝部８０ａには、シール部材８２ａが配置される。マニホールドベース部材７４ａと第２エンドプレート１８ｂとの間には、前記第２エンドプレート１８ｂに形成された周回溝部８１ａを介してシール部材８２ａが配置される。シール部材８２ａは、厚さ方向（マニホールドベース部材７４ａとマニホールドカバー部材７６ａとの積層方向）に比較的大きな寸法に設定される。

マニホールドベース部材７４ａの上部には、両角部にそれぞれ上下に２個ずつ孔部８４ａが形成される。マニホールドベース部材７４ａの下部には、両角部にそれぞれ上下に２個ずつ孔部８４ａが形成される。各孔部８４ａは、後述する円筒状カラー部材１０６ａの外径寸法よりも大きな開口直径に設定されるとともに、第２エンドプレート１８ｂの各ねじ穴７７ａと同軸上に配置される。

マニホールドベース部材７４ａは、円筒状カラー部材１０６ａによりフローティング支持される。マニホールドベース部材７４ａの高さ方向（矢印Ｃ方向）略中央部には、矢印Ａ方向両側に位置して、それぞれ上下２個の金属製の雌ねじ部材８６ａが埋設される。

図４及び図５に示すように、マニホールドカバー部材７６ａは、マニホールドベース部材７４ａの上下の冷却媒体入口７８ａに一体に連通する冷却媒体流通路８７ａを形成する筐体状の本体部８８ａを有する。本体部８８ａの高さ方向略中央部には、冷却媒体供給口である入口管路部９０ａが、水平方向に向かって（又は水平方向から傾斜して）設けられる。本体部８８ａの外周縁部には、フランジ部９２ａが設けられる。

フランジ部９２ａの上部には、両角部にそれぞれ上下に２個ずつ孔部９４ａが形成される。フランジ部９２ａの下部には、両角部にそれぞれ上下に２個ずつ孔部９４ａが形成される。フランジ部９２ａの高さ方向（矢印Ｃ方向）略中央部には、矢印Ａ方向両側に位置して、それぞれ上下に２個ずつ孔部９６ａが形成される。

フランジ部９２ａの孔部９４ａは、マニホールドベース部材７４ａの孔部８４ａと同軸上に配置される一方、前記フランジ部９２ａの孔部９６ａは、前記マニホールドベース部材７４ａの金属製の雌ねじ部材８６ａと同軸上に形成される。

図５に示すように、孔部９４ａの内周面９８ａには、複数個、例えば、４個の突起部１００ａが等角度間隔ずつ離間し径方向内方に突出して設けられる。突起部１００ａは、後述する円筒状カラー部材１０６ａの外周面１０６ａｓを支持するとともに、前記外周面１０６ａｓを内周面９８ａに対して傾斜させることができる。なお、突起部１００ａは、円筒状カラー部材１０６ａの外周面１０６ａｓを支持することができればよく、好ましくは、３個以上であればよい。

また、突起部１００ａは、内周面９８ａの軸方向に所定の長さを有していればよく、軸方向全長に亘って設けなくてもよい。さらにまた、孔部９４ａに突起部１００ａを設けることなく、円筒状カラー部材１０６ａを前記孔部９４ａの内周面９８ａに嵌合してもよい。

孔部９６ａの内周面１０２ａには、複数個、例えば、４個の突起部１０４ａが等角度間隔ずつ離間し径方向内方に突出して設けられる。なお、突起部１０４ａは、後述する円筒状カラー部材１１０ａの外周面１１０ａｓを支持することができればよく、好ましくは、３個以上であればよい。また、突起部１０４ａは、内周面１０２ａの軸方向に所定の長さを有していればよく、軸方向全長に亘って設けなくてもよい。さらにまた、孔部９６ａに突起部１０４ａを設けることなく、円筒状カラー部材１１０ａを前記孔部９６ａの内周面１０２ａに嵌合してもよい。

図４に示すように、各孔部９４ａには、例えば、金属製の円筒状カラー部材１０６ａが配設される。図６に示すように、円筒状カラー部材１０６ａは、孔部９４ａから孔部８４ａに挿入されて先端が第２エンドプレート１８ｂのプレート面に当接する。

円筒状カラー部材１０６ａは、外周面１０６ａｓが４個の突起部１００ａにより支持されるとともに、フランジ部１０６ａｆがフランジ部９２ａに当接する。円筒状カラー部材１０６ａ内に締結ボルト（六角ボルト）１０８ａが挿入され、前記締結ボルト１０８ａがねじ穴７７ａに螺合することにより、冷却媒体供給マニホールド７２ａが第２エンドプレート１８ｂに固定される。

図４に示すように、各孔部９６ａには、例えば、金属製の円筒状カラー部材１１０ａが配設される。図６に示すように、円筒状カラー部材１１０ａは、孔部９６ａに挿入されて先端がマニホールドベース部材７４ａの雌ねじ部材８６ａの端面に当接する。

円筒状カラー部材１１０ａは、外周面１１０ａｓが４個の突起部１０４ａにより支持されるとともに、フランジ部１１０ａｆがフランジ部９２ａに当接する。円筒状カラー部材１１０ａ内に締結ボルト（六角ボルト）１１２ａが挿入され、前記締結ボルト１１２ａが雌ねじ部材８６ａに螺合することにより、マニホールドカバー部材７６ａがマニホールドベース部材７４ａに固定される。

図４及び図６に示すように、マニホールドベース部材７４ａは、第２エンドプレート１８ｂに対向するマニホールド側対向面１１４を有する。第２エンドプレート１８ｂは、マニホールドベース部材７４ａに対向するエンドプレート側対向面１１６を有する。図６に示すように、冷却媒体供給マニホールド７２ａが第２エンドプレート１８ｂに締結された状態で、マニホールド側対向面１１４とエンドプレート側対向面１１６との間には、隙間Ｓ１が設けられる。

図４及び図６に示すように、マニホールドベース部材７４ａは、マニホールドカバー部材７６ａに対向するベース側対向面１１８を有する。マニホールドカバー部材７６ａは、マニホールドベース部材７４ａに対向するカバー側対向面１２０を有する。図６に示すように、冷却媒体供給マニホールド７２ａが第２エンドプレート１８ｂに締結された状態で、ベース側対向面１１８とカバー側対向面１２０との間には、隙間Ｓ２が設けられる。

隙間Ｓ１は、円筒状カラー部材１０６ａの軸方向の寸法を設定することにより調整される。隙間Ｓ２は、円筒状カラー部材１０６ａの軸方向の寸法及び円筒状カラー部材１１０ａの軸方向の寸法を設定することにより調整される。隙間Ｓ１及び隙間Ｓ２は、例えば、０．１ｍｍ〜０．４ｍｍの範囲内であり、Ｓ１＞Ｓ２の関係が好ましい。

図１に示すように、冷却媒体排出マニホールド７２ｂは、第２エンドプレート１８ｂに固定される。なお、冷却媒体排出マニホールド７２ｂでは、冷却媒体供給マニホールド７２ａと同一の構成要素には、同一の参照数字にａに代えてｂを付し、その詳細な説明は省略する。

冷却媒体排出マニホールド７２ｂの上部及び下部には、それぞれ冷却媒体排出連通孔５０ｂに一体に連通する冷却媒体出口（流体連通孔）７８ｂが設けられる。冷却媒体排出マニホールド７２ｂでは、マニホールドカバー部材７６ｂを構成する本体部８８ｂの高さ方向略中央部に、冷却媒体排出口である出口管路部９０ｂが、水平方向に向かって設けられる。本体部８８ｂには、マニホールドベース部材７４ｂの上下の冷却媒体出口７８ｂに一体に連通する冷却媒体流通路８７ｂが形成される。

このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。

先ず、図２に示すように、第１エンドプレート１８ａの酸化剤ガス供給マニホールド６８ａから酸化剤ガス供給連通孔４６ａには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。第１エンドプレート１８ａの燃料ガス供給マニホールド７０ａから燃料ガス供給連通孔４８ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。

さらに、図１に示すように、第２エンドプレート１８ｂでは、冷却媒体供給マニホールド７２ａの入口管路部９０ａから本体部８８ａ内の冷却媒体流通路８７ａには、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。冷却媒体は、冷却媒体流通路８７ａの上下に連通する各冷却媒体供給連通孔５０ａに分配される。

このため、図３に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔４６ａからカソードセパレータ４２の酸化剤ガス流路５８に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路５８に沿って矢印Ａ方向に移動し、電解質膜・電極構造体４０のカソード電極５４に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔４８ａからアノードセパレータ４４の燃料ガス流路６０に供給される。燃料ガスは、燃料ガス流路６０に沿って矢印Ａ方向に移動し、電解質膜・電極構造体４０のアノード電極５６に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体４０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て発電が行われる。

次いで、電解質膜・電極構造体４０のカソード電極５４に供給されて一部が消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔４６ｂに沿って矢印Ｂ方向に排出される。一方、電解質膜・電極構造体４０のアノード電極５６に供給されて一部が消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔４８ｂに沿って矢印Ｂ方向に排出される。

また、上下の冷却媒体供給連通孔５０ａに供給された冷却媒体は、互いに隣接するカソードセパレータ４２及びアノードセパレータ４４間の冷却媒体流路６２に導入される。冷却媒体は、上下の冷却媒体供給連通孔５０ａから一旦、互いに近接する方向に、すなわち、矢印Ｃ方向内方に沿って流動した後、矢印Ａ方向に移動して電解質膜・電極構造体４０を冷却する。冷却媒体は、矢印Ｃ方向外方に互いに離間する方向に移動した後、上下の冷却媒体排出連通孔５０ｂに沿って矢印Ｂ方向に排出される。

図１に示すように、冷却媒体は、上下それぞれ１個の冷却媒体排出連通孔５０ｂから冷却媒体排出マニホールド７２ｂの本体部８８ｂ内の冷却媒体流通路８７ｂに排出される。冷却媒体は、本体部８８ｂの中央側に流通した後、出口管路部９０ｂから外部に排出される。

この場合、第１の実施形態では、図６に示すように、冷却媒体供給マニホールド７２ａが第２エンドプレート１８ｂに締結された状態で、マニホールド側対向面１１４とエンドプレート側対向面１１６との間には、隙間Ｓ１が設けられている。

このため、図７に示すように、第２エンドプレート１８ｂに変形、例えば、曲げ変形が発生した際、隙間Ｓ１が前記第２エンドプレート１８ｂと冷却媒体供給マニホールド７２ａとの干渉を抑制する逃げとして機能している。具体的には、隙間Ｓ１が存在することにより、第２エンドプレート１８ｂの曲げ変形量に比べて、マニホールドベース部材７４ａの曲げ変形量が小さく抑えられている。しかも、円筒状カラー部材１０６ａが孔部８４ａに、０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ程度の間隔Ｓ３を有して挿入されており、マニホールドベース部材７４ａの変形を一層抑制することができる。

従って、例えば、冷却媒体供給マニホールド７２ａに割れが発生することを抑制することが可能になる。これにより、第２エンドプレート１８ｂの変形による冷却媒体供給マニホールド７２ａの損傷を可及的に抑制することができ、前記冷却媒体供給マニホールド７２ａを良好且つ経済的に使用することが可能になるという効果が得られる。

さらに、図６に示すように、冷却媒体供給マニホールド７２ａが第２エンドプレート１８ｂに締結された状態で、ベース側対向面１１８とカバー側対向面１２０との間には、隙間Ｓ２が設けられている。

このため、図７に示すように、第２エンドプレート１８ｂに変形、例えば、曲げ変形が発生した際、隙間Ｓ２がマニホールドベース部材７４ａとマニホールドカバー部材７６ａとの干渉を抑制する逃げとして機能している。具体的には、隙間Ｓ２が存在することにより、マニホールドベース部材７４ａの曲げ変形量に比べて、マニホールドカバー部材７６ａの曲げ変形量が小さく抑えられている。

従って、特にマニホールドカバー部材７６ａに割れが発生することを抑制することが可能になる。これにより、第２エンドプレート１８ｂの変形による冷却媒体供給マニホールド７２ａの損傷を可及的に抑制することができ、前記冷却媒体供給マニホールド７２ａを良好且つ経済的に使用することが可能になるという効果が得られる。なお、冷却媒体排出マニホールド７２ｂでは、上記の冷却媒体供給マニホールド７２ａと同様の効果が得られる。

図８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１３０は、冷却媒体供給マニホールド１３２ａを有し、前記冷却媒体供給マニホールド１３２ａが第２エンドプレート１８ｂに取り付けられる。

冷却媒体供給マニホールド１３２ａは、第１の実施形態のマニホールドベース部材７４ａ及びマニホールドカバー部材７６ａを一体成形することにより、単一部品として構成される。なお、第１の実施形態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、図示しないが、冷却媒体供給マニホールド１３２ａと同様に構成される冷却媒体排出マニホールドは、第２エンドプレート１８ｂに取り付けられる。

このように構成される第２の実施形態では、冷却媒体供給マニホールド１３２ａが第２エンドプレート１８ｂに締結された状態で、マニホールド側対向面１１４とエンドプレート側対向面１１６との間には、隙間Ｓ１が設けられている。このため、第２エンドプレート１８ｂに変形が発生した際、隙間Ｓ１が前記第２エンドプレート１８ｂと冷却媒体供給マニホールド１３２ａとの干渉を抑制する逃げとして機能している。

従って、第２エンドプレート１８ｂの変形による冷却媒体供給マニホールド１３２ａの損傷を可及的に抑制することができる。これにより、冷却媒体供給マニホールド１３２ａを良好且つ経済的に使用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。

１０、１３０…燃料電池スタック １２…発電セル
１２ａｓ…積層体 １８ａ、１８ｂ…エンドプレート
２６…ケーシング ４０…電解質膜・電極構造体
４２…カソードセパレータ ４４…アノードセパレータ
４６ａ…酸化剤ガス供給連通孔 ４６ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
４８ａ…燃料ガス供給連通孔 ４８ｂ…燃料ガス排出連通孔
５０ａ…冷却媒体供給連通孔 ５０ｂ…冷却媒体排出連通孔
５２…固体高分子電解質膜 ５４…カソード電極
５６…アノード電極 ５８…酸化剤ガス流路
６０…燃料ガス流路 ６２…冷却媒体流路
６８ａ…酸化剤ガス供給マニホールド ６８ｂ…酸化剤ガス排出マニホールド
７０ａ…燃料ガス供給マニホールド ７０ｂ…燃料ガス排出マニホールド
７２ａ、１３２ａ…冷却媒体供給マニホールド
７２ｂ…冷却媒体排出マニホールド
７４ａ、７４ｂ…マニホールドベース部材
７６ａ、７６ｂ…マニホールドカバー部材
７７ａ、７７ｂ…ねじ穴 ７８ａ…冷却媒体入口
８２ａ…シール部材 ８４ａ、９４ａ、９６ａ…孔部
８６ａ…雌ねじ部材 ８７ａ、８７ｂ…冷却媒体流通路
８８ａ、８８ｂ…本体部 ９２ａ…フランジ部
９８ａ、１０２ａ…内周面 １００ａ、１０４ａ…突起部
１０６ａ、１１０ａ…円筒状カラー部材
１０６ａｓ、１１０ａｓ…外周面 １０８ａ、１１２ａ…締結ボルト
１１４…マニホールド側対向面 １１６…エンドプレート側対向面
１１８…ベース側対向面 １２０…カバー側対向面

Claims (3)

1. 電解質膜の両面に電極が設けられた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される発電セルを有し、複数の前記発電セルが積層された積層体の積層方向両端にエンドプレートが配設されるとともに、一方のエンドプレートには、冷却媒体、燃料ガス又は酸化剤ガスである流体を流通させる樹脂製流体マニホールドが設けられる燃料電池スタックであって、
   前記樹脂製流体マニホールドに形成される締結用孔部と、
   前記締結用孔部に配設されるカラー部材と、
   前記カラー部材に挿入されるとともに、前記一方のエンドプレートに螺合される締結ボルトと、
   を備え、
   前記樹脂製流体マニホールドが前記一方のエンドプレートに締結された状態で、該樹脂製流体マニホールドの前記一方のエンドプレートに対向するマニホールド側対向面と、該一方のエンドプレートの該樹脂製流体マニホールドに対向するエンドプレート側対向面との間には、前記カラー部材の軸方向の寸法を設定することにより隙間が設けられ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であって、前記樹脂製流体マニホールドは、前記一方のエンドプレートに隣接するマニホールドベース部材と、
   前記マニホールドベース部材に重ねて固定され、該マニホールドベース部材との間に流体流通路が形成されるマニホールドカバー部材と、
   を備え、
   前記燃料電池スタックは、
   前記カラー部材としての第１カラー部材と、
   前記締結ボルトとしての第１締結ボルトと、
   前記マニホールドカバー部材に形成される孔部と、
   前記マニホールドベース部材に埋設された雌ねじ部材と、
   前記孔部に配設される第２カラー部材と、
   前記第２カラー部材に挿入されるとともに、前記雌ねじ部材に螺合される第２締結ボルトと、を有し、
   前記マニホールドベース部材の前記マニホールドカバー部材に対向するベース側対向面と、該マニホールドカバー部材の該マニホールドベース部材に対向するカバー側対向面との間には、前記第１カラー部材の軸方向の寸法及び前記第２カラー部材の軸方向の寸法を設定することにより隙間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であって、少なくとも一方の前記隙間は、０．１ｍｍ〜０．４ｍｍの範囲内であることを特徴とする燃料電池スタック。

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