JP7033981B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、電解質の両側にアノード電極及びカソード電極が配設される電解質・電極構造体と、前記電解質・電極構造体を挟むセパレータとを有する発電セルが複数積層されたセル積層体を含む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、発電セルが構成されている。この発電セルが所定数で積層されることでセル積層体が構成され、さらに、該セル積層体の両端に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セル積層体に近接する方からこの順序で配設されて燃料電池スタックが構成される。燃料電池スタックは、例えば、車両に搭載され、該車両の走行駆動源に電力を供給する。

この種の燃料電池スタックには、アノード電極と一方のセパレータとの間に燃料ガス流路（反応ガス流路）が形成され、カソード電極と他方のセパレータとの間に酸化剤ガス流路（反応ガス流路）が形成されている。また、セル積層体、絶縁プレート及びエンドプレートには、燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給連通孔と、燃料ガスを排出する燃料ガス排出連通孔と、酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給連通孔と、酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出連通孔とが、積層方向に沿って形成されている。

特許文献１には、上記の構成中の絶縁プレートに、燃料ガス入口連通孔（燃料ガス供給連通孔）と、燃料ガス出口連通孔（燃料ガス出口連通孔）とを連通するバイパス流路を形成することが開示されている。この構成によれば、燃料ガス供給連通孔にて生じた結露水がバイパス流路を介して燃料ガス出口連通孔に流れるので、セル積層体（発電セル）に結露水が浸入することが回避される。その結果、発電セルの所望の発電性能を確保することができる、としている。

特許第５０７９９９４号公報

本発明は上記した課題を解決するためになされたもので、反応ガス排出連通孔が複数個存在するときに反応ガス供給連通孔の近傍に結露水等の水が滞留し発電セルに浸入することを回避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。

前記の目的を達成するために、本発明の一実施形態は、電解質の両側にアノード電極及びカソード電極が配設される電解質・電極構造体と、前記電解質・電極構造体を挟むセパレータとを有する発電セルが複数積層されたセル積層体と、前記セル積層体の両端に配設されるターミナルプレート、絶縁プレート及びエンドプレートとを備える燃料電池スタックにおいて、
少なくとも、前記セル積層体、前記絶縁プレート及び前記エンドプレートに、積層方向に沿って延在して前記アノード電極又は前記カソード電極に供給する反応ガスを供給する反応ガス供給連通孔と、前記反応ガス供給連通孔に連通するとともに、前記アノード電極又は前記カソード電極から排出された使用済反応ガスの分流をそれぞれ排出する第１反応ガス排出連通孔及び第２反応ガス排出連通孔とが形成され、
前記反応ガス供給連通孔が前記セル積層体の水平方向の一端部に形成されるとともに、前記第１反応ガス排出連通孔及び前記第２反応ガス排出連通孔が前記セル積層体の水平方向の他端部に形成され、
且つ前記第１反応ガス排出連通孔が前記反応ガス供給連通孔よりも低位置、前記第２反応ガス排出連通孔が前記反応ガス供給連通孔よりも高位置であり、
さらに、前記セル積層体と前記エンドプレートとの間に、前記反応ガス供給連通孔と前記第１反応ガス排出連通孔とを連通するバイパス流路が形成されていることを特徴とする。

このように、本発明は、反応ガス供給連通孔と、該反応ガスを排出するとともに反応ガス供給連通孔よりも低位置にある第１反応ガス排出連通孔と、該反応ガスを排出するとともに反応ガス供給連通孔よりも高位置にある第２反応ガス排出連通孔とが形成され、且つ反応ガス供給連通孔から第１反応ガス排出連通孔にわたってバイパス流路が形成されて構成される。この構成では、反応ガス供給連通孔近傍の結露水等の水が、重力の作用によりバイパス流路を介して下方の第１反応ガス排出連通孔に送られる。

このため、反応ガス供給連通孔近傍の水がセル積層体内に浸入することが防止される。従って、反応ガス流路が閉塞して各発電セルで反応ガスが供給不足となること等が回避される。その結果として、セル電圧が不安定になったり、セル電圧が低下したりすることで発電性能が低下することが防止される。

しかも、この場合、セル積層体内に滞留した水によって電解質膜や電極触媒が劣化することや、セパレータが腐食すること等が防止される。このため、燃料電池スタックの寿命が長期化する。

反応ガス供給連通孔に反応ガスを供給する反応ガス供給配管部材の供給流路が、エンドプレートに近接するにつれてテーパー状に拡開するテーパー形状貫通孔が形成されたジョイントを介して反応ガス供給連通孔に連通していることが好ましい。反応ガス供給配管部材の供給経路内で結露水等の水分が存在しているとき、該水分は、テーパー形状貫通孔を介してエンドプレートの反応ガス供給連通孔側に流動する。この方向に向かってテーパー形状貫通孔の内径が大きくなる（勾配がある）ので、該方向に水分が流動することが容易であるからである。すなわち、供給経路内の水分を除去することが容易となる。

さらに、ジョイントを絶縁プレートの反応ガス供給連通孔の途中まで差し込むとともに、テーパー形状貫通孔の出口端と、絶縁プレートの前記反応ガス供給連通孔との間に段差を形成するとよい。この段差によって水分に重力が作用するので、水分がジョイントから滑落することが容易となるからである。

また、絶縁プレートとターミナルプレートとの間に、反応ガス供給連通孔、第１反応ガス排出連通孔及び第２反応ガス排出連通孔が形成された第２の絶縁プレートを配設し、第２の絶縁プレートの反応ガス供給連通孔の周囲に、絶縁プレートの反応ガス供給連通孔に指向する環状凸部を突出形成することが好ましい。特に、環状凸部の外径を、絶縁プレートの反応ガス供給連通孔の内径に比して小さくするとよい。

この場合、ジョイントから排出された水分が第２の絶縁プレートの反応ガス供給連通孔に浸入するには、重力に抗って上昇する必要がある。このため、水分がセル積層体内に浸入することが一層困難となる。

なお、この構成において、バイパス流路は、絶縁プレートと第２の絶縁プレートとの間に形成すればよい。さらに、バイパス流路の起点を環状凸部の下方とすることで、水分が第１反応ガス排出連通孔に向かって流動することが一層容易となる。水分に重力が作用するからである。このため、水分がセル積層体内に浸入することがなお一層困難となる。

バイパス流路は、例えば、カソード電極に酸化剤ガスを供給する反応ガス供給連通孔（酸化剤ガス供給連通孔）と、前記カソード電極から排出された使用済酸化剤ガスを排出する２個の反応ガス排出連通孔（酸化剤ガス排出連通孔）の中の第１反応ガス排出連通孔との間に形成すればよい。この場合、特にカソード電極の入口側の結露水等がセル積層体内に浸入することが防止される。

本発明によれば、反応ガス供給連通孔から、反応ガスを排出する２個の反応ガス排出連通孔の中、反応ガス供給連通孔よりも低位置にある第１反応ガス排出連通孔にわたってバイパス流路を設けるようにしている。反応ガス供給連通孔近傍の結露水等の水分が存在するとき、該水分は、重力の作用下に、バイパス流路を介して下方の第１反応ガス排出連通孔に送られる。

このため、反応ガス供給連通孔近傍の水がセル積層体内に浸入することが防止される。従って、反応ガス流路が閉塞して各発電セルで反応ガスの供給不足となること等が回避される。これにより、セル電圧が不安定になったり、セル電圧が低下したりすることで発電性能が低下することを有効に防止することができる。

その上、セル積層体内に滞留した水によって電解質膜や電極触媒が劣化することや、セパレータが腐食すること等が防止される。このため、燃料電池スタックの寿命が長期化する。

本発明の実施の形態に係る燃料電池スタックの全体概略斜視図である。 発電セルの分解斜視図である。 酸化剤ガス流路側から見た第１金属セパレータの構成説明図である。 酸化剤ガス供給連通孔近傍の積層方向（矢印Ａ方向）に沿った概略断面図である。 図１の燃料電池スタックを構成する内方絶縁プレートの、外方絶縁プレートに臨む側の端面を示した概略正面図である。

以下、本発明に係る燃料電池スタックについて好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。

図１は、本実施の形態に係る燃料電池スタック１０の全体概略斜視図である。この燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１２が水平方向（矢印Ａ方向）に積層されたセル積層体１４を備える。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等の燃料電池車両に搭載される。なお、矢印Ｂ方向は、矢印Ａ方向に直交する水平方向であり、矢印Ｃ方向は鉛直方向（重力方向）である。

セル積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）一端には、電力を取り出すためのターミナルプレート１６ａ、内方絶縁プレート（第２の絶縁プレート）１７、外方絶縁プレート１８（絶縁プレート）、及びエンドプレート２０ａが内方から外方に向かってこの順序で配設される。セル積層体１４の積層方向他端には、ターミナルプレート１６ｂ、絶縁プレート１９及びエンドプレート２０ｂが内方から外方に向かってこの順序で配設される。

ターミナルプレート１６ａ、１６ｂは集電体であり、ターミナルプレート１６ａには、各発電セル１２のアノード電極４２（又はカソード電極４４）が電気的に接続される。一方、ターミナルプレート１６ｂには、各発電セル１２のカソード電極４４（又はアノード電極４２）が電気的に接続される。なお、アノード電極４２及びカソード電極４４は図２に示している。

ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの各々の略中央には、積層方向外方に向かって端子部２２ａ、２２ｂが突出形成される。端子部２２ａ、２２ｂは略円柱形状をなし、その側壁の大部分は図示しない絶縁性筒体で覆われている。絶縁性筒体は、端子部２２ａ、２２ｂと、内方絶縁プレート１７、外方絶縁プレート１８、絶縁プレート１９、エンドプレート２０ａ、２０ｂに形成された通過孔２４の内壁との間に介在し、特に、端子部２２ａ、２２ｂとエンドプレート２０ａ、２０ｂの間を電気的に絶縁する。端子部２２ａ、２２ｂの、前記絶縁性筒体で覆われていない先端は、エンドプレート２０ａ、２０ｂの積層方向外方に露呈する。

内方絶縁プレート（第２の絶縁プレート）１７、絶縁プレート１９は絶縁体からなり、積層方向内方側の端面中央には、積層方向外方に向かって陥没した凹部２６がそれぞれ形成されている。ターミナルプレート１６ａ、１６ｂは、各凹部２６に収容されている。

外方絶縁プレート（絶縁プレート）１８も、絶縁体からなる。以上の内方絶縁プレート１７、外方絶縁プレート１８及び絶縁プレート１９は、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）樹脂やフェノール樹脂等の電気的絶縁性樹脂で形成される。

エンドプレート２０ａ、２０ｂは、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２７が配置される。各連結バー２７は、両端がエンドプレート２０ａ、２０ｂの内面に固定されており、セル積層体１４に積層方向（矢印Ａ方向）の締付荷重を付与する。なお、この構成に代替し、エンドプレート２０ａ、２０ｂを端板とする筐体内にセル積層体１４を収容するようにしてもよい。

発電セル１２は、図２に示すように、樹脂枠付きＭＥＡ２８が、第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２で挟持されることによって構成される。第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２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、又はその金属表面に防食用の表面処理を施した金属薄板の断面を波形にプレス成形して構成される。第１金属セパレータ３０と第２金属セパレータ３２とは、外周を溶接、ろう付け、かしめ等により一体に接合され、接合セパレータ３３を構成する。

樹脂枠付きＭＥＡ２８は、電解質・電極構造体としての電解質膜・電極構造体２８ａ（以下、「ＭＥＡ２８ａ」という）と、ＭＥＡ２８ａの外周部に接合されるとともに該外周部を周回する樹脂枠部材４６とを備える。ＭＥＡ２８ａは、電解質膜４０と、電解質膜４０の一方の面に設けられたアノード電極４２と、電解質膜４０の他方の面に設けられたカソード電極４４とを有する。

電解質膜４０は、例えば、固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）からなる。固体高分子電解質膜は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である。電解質膜４０は、アノード電極４２及びカソード電極４４に挟持される。なお、電解質膜４０は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用することができる。

詳細は図示しないが、アノード電極４２は、電解質膜４０の一方の面に接合される第１電極触媒層と、当該第１電極触媒層に積層される第１ガス拡散層とを有する。カソード電極４４は、電解質膜４０の他方の面に接合される第２電極触媒層と、当該第２電極触媒層に積層される第２ガス拡散層とを有する。

図３に示すように、第１金属セパレータ３０の樹脂枠付きＭＥＡ２８に臨む面３０ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する酸化剤ガス流路４８が設けられる。酸化剤ガス流路４８は、酸化剤ガス供給連通孔３４ａ、上側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ１及び下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２に連通する。酸化剤ガス流路４８は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の凸部４８ａ間に直線状流路溝（又は波状流路溝）４８ｂを有する。

酸化剤ガス供給連通孔３４ａと酸化剤ガス流路４８との間には、プレス成形により、ＭＥＡ２８側に突出する複数個のエンボス部を有する入口バッファ部５０ａが設けられる。上側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ１、下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２と酸化剤ガス流路４８との間には、プレス成形により、ＭＥＡ２８側に突出する複数個のエンボス部を有する出口バッファ部５０ｂが設けられる。

第１金属セパレータ３０の面３０ａには、プレス成形により、複数のメタルビードシールが樹脂枠付きＭＥＡ２８に向かって膨出成形される。当該メタルビードシールに代えて、弾性材料からなる凸状弾性シールが設けられてもよい。複数のメタルビードシールは、外側ビード部５２ａと、内側ビード部５２ｂと、複数の連通孔ビード部５２ｃとを有する。外側ビード部５２ａは、面３０ａの外周縁部を周回する。内側ビード部５２ｂは、酸化剤ガス流路４８、酸化剤ガス供給連通孔３４ａ、上側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ１及び下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２の外周を周回し且つこれらを連通させる。

複数の連通孔ビード部５２ｃは、燃料ガス供給連通孔３８ａ、上側燃料ガス排出連通孔３８ｂ１、下側燃料ガス排出連通孔３８ｂ２、上側冷却媒体供給連通孔３６ａ１、下側冷却媒体供給連通孔３６ａ２、上側冷却媒体排出連通孔３６ｂ１、下側冷却媒体排出連通孔３６ｂ２をそれぞれ周回する。なお、外側ビード部５２ａは、必要に応じて設ければよく、不要にすることもできる。

図２に示すように、第２金属セパレータ３２の樹脂枠付きＭＥＡ２８に向かう面３２ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する燃料ガス流路５８が形成される。燃料ガス流路５８は、燃料ガス供給連通孔３８ａ、上側燃料ガス排出連通孔３８ｂ１及び下側燃料ガス排出連通孔３８ｂ２に連通する。燃料ガス流路５８は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の凸部５８ａ間に直線状流路溝（又は波状流路溝）５８ｂを有する。

燃料ガス供給連通孔３８ａと燃料ガス流路５８との間には、プレス成形により、ＭＥＡ２８側に突出する複数個のエンボス部を有する入口バッファ部６０ａが設けられる。上側燃料ガス排出連通孔３８ｂ１、下側燃料ガス排出連通孔３８ｂ２と燃料ガス流路５８との間には、プレス成形により、ＭＥＡ２８側に突出する複数個のエンボス部を有する出口バッファ部６０ｂが設けられる。

第２金属セパレータ３２の面３２ａには、プレス成形により、複数のメタルビードシールが、樹脂枠付きＭＥＡ２８に向かって膨出成形される。当該メタルビードシールに代えて、弾性材料からなる凸状弾性シールが設けられてもよい。複数のメタルビードシールは、外側ビード部６２ａと、内側ビード部６２ｂと、複数の連通孔ビード部６２ｃとを有する。外側ビード部６２ａは、面３２ａの外周縁部を周回する。内側ビード部６２ｂは、外側ビード部６２ａよりも内側で、燃料ガス流路５８、燃料ガス供給連通孔３８ａ、上側燃料ガス排出連通孔３８ｂ１及び下側燃料ガス排出連通孔３８ｂ２の外周を周回し且つこれらを連通させる。

複数の連通孔ビード部６２ｃは、酸化剤ガス供給連通孔３４ａ、上側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ１、下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２、上側冷却媒体供給連通孔３６ａ１、下側冷却媒体供給連通孔３６ａ２、上側冷却媒体排出連通孔３６ｂ１、下側冷却媒体排出連通孔３６ｂ２をそれぞれ周回する。なお、外側ビード部６２ａは、必要に応じて設ければよく、不要にすることもできる。

溶接又はロウ付けにより互いに接合される第１金属セパレータ３０の面３０ｂと第２金属セパレータ３２の面３２ａとの間には、上側冷却媒体供給連通孔３６ａ１、下側冷却媒体供給連通孔３６ａ２、上側冷却媒体排出連通孔３６ｂ１及び下側冷却媒体排出連通孔３６ｂ２に連通する冷却媒体流路６６が形成される。冷却媒体流路６６は、酸化剤ガス流路４８が形成された第１金属セパレータ３０の裏面形状と、燃料ガス流路５８が形成された第２金属セパレータ３２の裏面形状とが重なり合って形成される。

エンドプレート２０ａ、外方絶縁プレート１８、内方絶縁プレート１７に対しても、セル積層体１４と同様に、積層方向である矢印Ａ方向に直交する矢印Ｂ方向（水平方向）の一端縁部に、矢印Ａ方向に沿って延在する上側燃料ガス排出連通孔３８ｂ１（第２反応ガス排出連通孔）、上側冷却媒体排出連通孔３６ｂ１、酸化剤ガス供給連通孔３４ａ（反応ガス供給連通孔）、下側冷却媒体排出連通孔３６ｂ２、下側燃料ガス排出連通孔３８ｂ２（第１反応ガス排出連通孔）が設けられる。これらの連通孔は、重力方向である矢印Ｃ方向に一列に配列して設けられるが、いわゆるジグザグ状に配置してもよい。

上側燃料ガス排出連通孔３８ｂ１及び下側燃料ガス排出連通孔３８ｂ２は、一方の反応ガスである燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。酸化剤ガス供給連通孔３４ａは、他方の反応ガスである酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する。上側冷却媒体排出連通孔３６ｂ１、下側冷却媒体排出連通孔３６ｂ２は、例えば、水や油、エチレングリコール等の適宜の冷却媒体を排出する。

酸化剤ガス供給連通孔３４ａは、上側冷却媒体排出連通孔３６ｂ１と下側冷却媒体排出連通孔３６ｂ２の間に配置されている。また、上側燃料ガス排出連通孔３８ｂ１は上側冷却媒体排出連通孔３６ｂ１の上方に配置され、下側燃料ガス排出連通孔３８ｂ２は下側冷却媒体排出連通孔３６ｂ２の下方に配置されている。

燃料電池スタック１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に沿って延在する上側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ１（第２反応ガス排出連通孔）、上側冷却媒体供給連通孔３６ａ１、燃料ガス供給連通孔３８ａ（反応ガス供給連通孔）、下側冷却媒体供給連通孔３６ａ２、下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２（第１反応ガス排出連通孔）が設けられる。これらの連通孔は、重力方向である矢印Ｃ方向に配列して設けられるが、いわゆるジグザグ状に配置してもよい。

燃料ガス供給連通孔３８ａは、上側燃料ガス排出連通孔３８ｂ１及び下側燃料ガス排出連通孔３８ｂ２から排出される前記燃料ガスを供給する。上側冷却媒体供給連通孔３６ａ１、下側冷却媒体供給連通孔３６ａ２は、上側冷却媒体排出連通孔３６ｂ１、下側冷却媒体排出連通孔３６ｂ２から排出される前記冷却媒体を供給する。上側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ１、下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２は、酸化剤ガス供給連通孔３４ａから供給された酸化剤ガスを排出する。

燃料ガス供給連通孔３８ａは、上下方向に離間して配置された上側冷却媒体供給連通孔３６ａ１、下側冷却媒体供給連通孔３６ａ２の間に配置されている。そして、上側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ１は上側冷却媒体供給連通孔３６ａ１の上方に配置され、下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２は下側冷却媒体供給連通孔３６ａ２の下方に配置されている。

すなわち、本実施の形態では、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給連通孔３４ａと、酸化剤ガスを排出する上側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ１、下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２は、端子部２２ａを挟んで互いに反対側の端部に形成される。また、下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２は酸化剤ガス供給連通孔３４ａよりも低位置であり、一方、上側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ１は酸化剤ガス供給連通孔３４ａよりも高位置である。燃料ガス供給連通孔３８ａ、下側燃料ガス排出連通孔３８ｂ２、上側燃料ガス排出連通孔３８ｂ１についても同様に、端子部２２ａを挟んで互いに反対側の端部に形成され、且つ下側燃料ガス排出連通孔３８ｂ２は燃料ガス供給連通孔３８ａよりも低位置、上側燃料ガス排出連通孔３８ｂ１は燃料ガス供給連通孔３８ａよりも高位置である。

上側燃料ガス排出連通孔３８ｂ１と下側燃料ガス排出連通孔３８ｂ２は、例えば、絶縁プレート１９内に設けられた図示しない第１連通路を介して互いに連通する。同様に、上側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ１と下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２も、例えば、絶縁プレート１９内に設けられた図示しない第２連通路を介して互いに連通させることができる。第１連通路及び第２連通路を、ターミナルプレート１６ｂ又はエンドプレート２０ｂに設けるようにしてもよい。

エンドプレート２０ａには、その一部が図４に示されるマニホールド８０（反応ガス供給配管部材）が付設される。図４には、酸化剤ガス供給管部８２が示されており、その内部は、酸化剤ガス供給流路８４である。

酸化剤ガス供給管部８２の出口端部は、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス供給連通孔３４ａに重ねられる。このため、酸化剤ガス供給流路８４が酸化剤ガス供給連通孔３４ａに連通する。酸化剤ガス供給連通孔３４ａは、円筒形状であってもよい。

ここで、酸化剤ガス供給管部８２の出口端部には、略中空円錐台形状をなし且つ両端が開口した中間ジョイント８６が嵌合されている。中間ジョイント８６は、マニホールド８０から外方絶縁プレート１８に近接するにつれてテーパー状に拡開する。このため、その内部に形成されたテーパー形状貫通孔８８の内径は、マニホールド８０から外方絶縁プレート１８に近接するにつれて漸次的に大きくなる。

外方絶縁プレート１８の酸化剤ガス供給連通孔３４ａ内には、円弧状に突出したストッパ部９０が形成されている。中間ジョイント８６の拡開した一端側の先端面がストッパ部９０に当接することで、中間ジョイント８６が外方絶縁プレート１８の酸化剤ガス供給連通孔３４ａの途中まで差し込まれて停止した状態となる。中間ジョイント８６と、酸化剤ガス供給連通孔３４ａの内壁との間には、中間ジョイント８６の肉厚分の段差ＳＴが形成される。

内方絶縁プレート１７の酸化剤ガス供給連通孔３４ａの入口近傍には、外方絶縁プレート１８に指向する環状凸部９２が突出形成されている。環状凸部９２の縦方向（Ｃ方向）寸法及び横方向（Ａ方向）寸法は、外方絶縁プレート１８の酸化剤ガス供給連通孔３４ａの縦方向寸法及び横方向寸法よりも小さく、その先端は、外方絶縁プレート１８の酸化剤ガス供給連通孔３４ａ内に進入している。なお、外方絶縁プレート１８に設けられた酸化剤ガス供給連通孔３４ａが円形であるときには、環状凸部９２の外径を酸化剤ガス供給連通孔３４ａの内径に比して小さくすればよい。

図５に示すように、内方絶縁プレート１７の、外方絶縁プレート１８を臨む側の端面には、酸化剤ガス供給連通孔３４ａの下方から、下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２の側方に向かうように延在する溝状のバイパス流路９４が形成される。すなわち、バイパス流路９４は、環状凸部９２の下方を起点とし、内方絶縁プレート１７と外方絶縁プレート１８との間に形成されたクリアランスとして延在する。バイパス流路９４の外側には、図示しないシール部材が設けられる。

酸化剤ガス供給連通孔３４ａが下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２よりも高位置であるため、バイパス流路９４は、矢印Ｂ方向に対し、酸化剤ガス供給連通孔３４ａ側から下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２側に向かうに従って下降するように傾斜する。

本実施の形態では、ターミナルプレート１６ａは、図１に示すように矢印Ｂ方向の外縁が上記１０個の連通孔の内方に位置する。なお、ターミナルプレート１６ａの矢印Ｂ方向寸法を大きくし、ターミナルプレート１６ａにも上記１０個の連通孔を設けるようにしてもよい。

本実施の形態に係る燃料電池スタック１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、その作用効果について説明する。

燃料電池スタック１０を運転するに際しては、図１に示すように、酸素含有ガス等の酸化剤ガス、例えば、圧縮空気が、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス供給連通孔３４ａに供給される。その一方で、水素含有ガス等の燃料ガス、例えば、水素が、エンドプレート２０ａの燃料ガス供給連通孔３８ａに供給される。さらに、純水やエチレングリコール、油等の冷却媒体が、エンドプレート２０ａの上側冷却媒体供給連通孔３６ａ１、下側冷却媒体供給連通孔３６ａ２に供給される。

燃料ガスは、図２に示すように、燃料ガス供給連通孔３８ａから第２金属セパレータ３２の燃料ガス流路５８に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路５８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、ＭＥＡ２８ａのアノード電極４２に供給される。

一方、酸化剤ガスは、図３に示すように、酸化剤ガス供給連通孔３４ａから第１金属セパレータ３０の酸化剤ガス流路４８に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、ＭＥＡ２８ａのカソード電極４４に供給される。

従って、各ＭＥＡ２８ａでは、アノード電極４２に供給される燃料ガスと、カソード電極４４に供給される酸化剤ガスとが、第１電極触媒層及び第２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。また、上側冷却媒体供給連通孔３６ａ１、下側冷却媒体供給連通孔３６ａ２に供給された冷却媒体は、第１金属セパレータ３０と第２金属セパレータ３２との間に形成された冷却媒体流路６６に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、ＭＥＡ２８ａを冷却した後、上側冷却媒体排出連通孔３６ｂ１、下側冷却媒体排出連通孔３６ｂ２から排出される。

端子部２２ａ、２２ｂには、モータ等の外部負荷が電気的に接続される。燃料電池スタック１０の発電によって得られる電力は、外部負荷によって消費される。

アノード電極４２に供給されて消費された燃料ガス（使用済反応ガス）は、上側燃料ガス排出連通孔３８ｂ１、下側燃料ガス排出連通孔３８ｂ２に分配され、矢印Ａ方向に流通して排出される。また、カソード電極４４に供給されて消費された酸化剤ガス（使用済反応ガス）は、上側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ１、下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２に分配され、矢印Ａ方向に流通して排出される。

ここで、酸化剤ガスには、燃料電池スタック１０に供給される前に、電解質膜４０を湿潤状態に保つべく、水分が添加されることで加湿されている。例えば、燃料電池スタック１０の運転が停止されて低温となったとき、この水分が、マニホールド８０の酸化剤ガス供給管部８２（図４参照）内で結露し、その結果として結露水Ｗが生じることが想定される。

本実施の形態では、酸化剤ガス供給管部８２の酸化剤ガス供給流路８４に対し、中間ジョイント８６のテーパー形状貫通孔８８が連通する。テーパー形状貫通孔８８は、外方絶縁プレート１８の酸化剤ガス供給連通孔３４ａに近接するにつれ、換言すれば、酸化剤ガスの流通方向下流側となるにつれ、内径が大きくなる。このため、結露水Ｗが生じた場合には、結露水Ｗは、テーパー形状貫通孔８８の内壁を伝って外方絶縁プレート１８に容易に流動する。

しかも、中間ジョイント８６と、外方絶縁プレート１８の酸化剤ガス供給連通孔３４ａの内壁との間には、中間ジョイント８６の肉厚分の段差ＳＴが形成されている。テーパー形状貫通孔８８の出口端部（下流側開口）まで到達した結露水Ｗには、重力が作用する。すなわち、重力により、結露水Ｗが外方絶縁プレート１８の酸化剤ガス供給連通孔３４ａの内壁に容易に滴下する。

そして、内方絶縁プレート１７の酸化剤ガス供給連通孔３４ａ近傍に設けられた環状凸部９２の縦方向寸法及び横方向寸法は、外方絶縁プレート１８の酸化剤ガス供給連通孔３４ａの縦方向寸法及び横方向寸法よりも小径である。従って、外方絶縁プレート１８の酸化剤ガス供給連通孔３４ａの内壁に滴下した結露水Ｗが内方絶縁プレート１７の酸化剤ガス供給連通孔３４ａに浸入するためには、重力に抗って環状凸部９２を上昇する必要がある。このため、外方絶縁プレート１８の酸化剤ガス供給連通孔３４ａの内壁に滴下した結露水Ｗが、酸化剤ガス供給連通孔３４ａの下流側に進行することは困難である。

その一方で、環状凸部９２の下方には、上記したようにバイパス流路９４の起点が位置する。結露水Ｗは、重力が作用しているために下方に容易に流動し、バイパス流路９４内に浸入する。結露水Ｗは、バイパス流路９４を介して下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２に送られ（図５参照）、その後、エンドプレート２０ａから外部に排出される。

以上のように、本実施の形態によれば、中間ジョイント８６のテーパー形状貫通孔８８内の結露水Ｗを、バイパス流路９４を介して外部に排出することが容易である。これにより、セル積層体１４の酸化剤ガス供給連通孔３４ａから発電セル１２内に結露水Ｗが浸入することを防止することができる。このため、セル積層体１４内の酸化剤ガス流路４８（反応ガス流路）が閉塞して各発電セル１２で酸化剤ガス（反応ガス）の供給不足となること等が回避される。

従って、セル電圧が不安定になったり、セル電圧が低下したりすることで発電性能が低下することを有効に防止することができる。加えて、セル積層体１４内に滞留した水によって電解質膜や電極触媒が劣化したり、セパレータが腐食したりすること等も防止される。このため、燃料電池スタック１０の寿命が長期化するという利点もある。

本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

例えば、バイパス流路９４を、燃料ガス供給連通孔３８ａから下側燃料ガス排出連通孔３８ｂ２にわたって設けるようにしてもよい。

また、溝状のバイパス流路９４を、外方絶縁プレート１８の、内方絶縁プレート１７を臨む端面に形成するようにしてもよい。

さらに、酸化剤ガス供給連通孔３４ａから下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２にわたるバイパス流路９４と、燃料ガス供給連通孔３８ａから下側燃料ガス排出連通孔３８ｂ２にわたるバイパス流路９４との双方を設けるようにしてもよい。この場合、一方のバイパス流路９４を内方絶縁プレート１７に形成するとともに、他方のバイパス流路９４を外方絶縁プレート１８に形成する。両バイパス流路９４に交点が形成される場合、該交点で両反応ガスが混合されることを回避するべく、交点部分に蓋部を設けるようにすればよい。

１０…燃料電池スタック １２…発電セル
１４…セル積層体 １６ａ、１６ｂ…ターミナルプレート
１７…内方絶縁プレート １８…外方絶縁プレート
２０ａ、２０ｂ…エンドプレート ２８…樹脂枠付きＭＥＡ
２８ａ…ＭＥＡ ３０…第１金属セパレータ
３２…第２金属セパレータ ３４ａ…酸化剤ガス供給連通孔
３４ｂ１…上側酸化剤ガス排出連通孔 ３４ｂ２…下側酸化剤ガス排出連通孔
３８ａ…燃料ガス供給連通孔 ３８ｂ１…上側燃料ガス排出連通孔
３８ｂ２…下側燃料ガス排出連通孔 ４０…電解質膜
４８…酸化剤ガス流路 ５８…燃料ガス流路
８０…マニホールド ８２…酸化剤ガス供給管部
８４…酸化剤ガス供給流路 ８６…中間ジョイント
８８…テーパー形状貫通孔 ９０…ストッパ部
９２…環状凸部 ９４…バイパス流路
ＳＴ…段差 Ｗ…結露水

Claims (6)

1. 電解質の両側にアノード電極及びカソード電極が配設される電解質・電極構造体と、前記電解質・電極構造体を挟むセパレータとを有する発電セルが複数積層されたセル積層体と、前記セル積層体の両端に配設されるターミナルプレート、絶縁プレート及びエンドプレートとを備える燃料電池スタックにおいて、
   少なくとも、前記セル積層体、前記絶縁プレート及び前記エンドプレートに、積層方向に沿って延在して前記アノード電極又は前記カソード電極に供給する反応ガスを供給する反応ガス供給連通孔と、前記反応ガス供給連通孔に連通するとともに、前記アノード電極又は前記カソード電極から排出された使用済反応ガスの分流をそれぞれ排出する第１反応ガス排出連通孔及び第２反応ガス排出連通孔とが形成され、
   前記反応ガス供給連通孔が前記セル積層体の水平方向の一端部に形成されるとともに、前記第１反応ガス排出連通孔及び前記第２反応ガス排出連通孔が前記セル積層体の水平方向の他端部に形成され、
   且つ前記第１反応ガス排出連通孔が前記反応ガス供給連通孔よりも低位置、前記第２反応ガス排出連通孔が前記反応ガス供給連通孔よりも高位置であり、
   さらに、前記セル積層体と前記エンドプレートとの間に、前記反応ガス供給連通孔と前記第１反応ガス排出連通孔とを連通するバイパス流路が形成され、
   前記反応ガス供給連通孔に前記反応ガスを供給する反応ガス供給配管部材の供給流路が、前記エンドプレートに近接するにつれてテーパー状に拡開するテーパー形状貫通孔が形成されたジョイントを介して前記反応ガス供給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、前記ジョイントが前記絶縁プレートの前記反応ガス供給連通孔の途中まで差し込まれ、且つ前記テーパー形状貫通孔の出口端と、前記絶縁プレートの前記反応ガス供給連通孔との間に段差が形成されてい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、前記絶縁プレートと前記ターミナルプレートとの間に、前記反応ガス供給連通孔、前記第１反応ガス排出連通孔及び前記第２反応ガス排出連通孔が形成された第２の絶縁プレートを有し、
   前記第２の絶縁プレートの前記反応ガス供給連通孔の周囲に、前記絶縁プレートの前記反応ガス供給連通孔に指向する環状凸部が突出形成され、
   前記環状凸部の外径が、前記絶縁プレートの前記反応ガス供給連通孔の内径に比して小さいことを特徴とする燃料電池スタック。
4. 請求項３記載の燃料電池スタックにおいて、前記バイパス流路は、前記絶縁プレートと前記第２の絶縁プレートとの間に形成されていることを特徴とする燃料電池スタック。
5. 請求項４記載の燃料電池スタックにおいて、前記バイパス流路は、前記環状凸部の下方を起点とすることを特徴とする燃料電池スタック。
6. 請求項１～５のいずかの１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記バイパス流路が、前記カソード電極に酸化剤ガスを供給する反応ガス供給連通孔と、前記カソード電極から排出された使用済酸化剤ガスを排出する２個の反応ガス排出連通孔の中の第１反応ガス排出連通孔との間に形成されていることを特徴とする燃料電池スタック。

Images