(57)【要約】【課題】マニホールドの設置の自由度、及びマニホールドの接続箇所付近の強度を高めることができる燃料電池スタック及びエンドプレートを提供する。【解決手段】燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１２と、エンドプレート１４と、を備え、複数の発電セル１２には、積層方向に沿って燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体を独立的に流動させる複数の連通孔４６が設けられる。エンドプレート１４は、当該エンドプレート１４を厚さ方向に貫通して連通孔４６に連通し、且つマニホールド７２が接続される孔部６２と、当該エンドプレート１４内に形成され、連通孔４６に連通する流通路６４と、を備える。流通路６４は、孔部６２が開口している面とは異なる面に開口する第１及び第２側方開口部８２、８４を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス及び酸化剤ガスの供給に伴い発電を行うと共に、冷却媒体の供給に伴い温度が調整される複数の発電セルと、
前記複数の発電セルが積層される積層方向の端部に配置されるエンドプレートと、を備える燃料電池スタックであって、
前記複数の発電セルは、前記積層方向に沿って前記燃料ガス、前記酸化剤ガス及び前記冷却媒体をそれぞれ独立的に流動させる第１〜第３連通孔を備え、
前記エンドプレートは、
当該エンドプレートを厚さ方向に貫通して前記第１及び第２連通孔に連通し、且つマニホールドが接続される孔部と、
当該エンドプレート内に形成され、前記第３連通孔に連通する流通路と、を備え、
前記流通路は、前記孔部が開口している面とは異なる面に開口する流通口部を有する
燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、
前記流通路及び前記第３連通孔には、前記冷却媒体が流動する
燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池スタックにおいて、
前記流通路は、前記エンドプレートの面方向に広がり、前記流通口部の開口面積よりも大きな流路断面積の拡大空間を有する
燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池スタックにおいて、
前記流通路は、前記発電セルに向けて前記冷却媒体を供給する冷却媒体導入路と、前記発電セルから前記冷却媒体を排出する冷却媒体導出路と、を含み、
前記拡大空間は、前記冷却媒体導出路に設けられている
燃料電池スタック。
【請求項５】
請求項２〜４のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記流通路を備えた前記エンドプレートの隣接位置には、前記燃料ガスを前記発電セルに供給すると共に、発電に使用された前記燃料ガスを前記発電セルから排出する燃料ガス系装置のデバイスが配置される
燃料電池スタック。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記エンドプレートの前記発電セルの対向面には、前記積層方向に対して略直交する方向に沿って、前記孔部の内側開口部と、前記流通路の内側開口部とが交互に配置される
燃料電池スタック。
【請求項７】
請求項６記載の燃料電池スタックにおいて、
前記孔部には、前記マニホールドをシールするジョイント部材が設けられる一方で、
前記流通路の内側開口部付近には、前記ジョイント部材が設けられない
燃料電池スタック。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記エンドプレートは、前記発電セルの対向面と反対側の面に、前記流通路を内部に有する突出部を備える
燃料電池スタック。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記発電セルの積層方向の端部には、前記燃料ガス、前記酸化剤ガス又は前記冷却媒体を前記発電セルに流動させるためのデバイスを収容する補機ケースが設けられ、
前記発電セルに積層される前記補機ケースの取付壁部が前記エンドプレートを構成する
燃料電池スタック。
【請求項１０】
複数の発電セルが積層される積層方向の端部に配置される燃料電池スタックのエンドプレートであって、
前記複数の発電セルは、前記積層方向に沿って燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体を独立的に流動させる第１〜第３連通孔を備え、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの供給に伴い発電を行うと共に、前記冷却媒体の供給に伴い温度が調整されるものであり、
前記エンドプレートは、
当該エンドプレートを厚さ方向に貫通して前記第１及び第２連通孔に連通し、且つマニホールドが接続される孔部と、
当該エンドプレート内に形成され、前記第３連通孔に連通する流通路と、を備え、
前記流通路は、前記孔部が開口している面とは異なる面に開口する流通口部を有する
エンドプレート。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の発電セルを積層し積層方向の両端部にエンドプレートを備える燃料電池スタック、及び燃料電池スタックに適用されるエンドプレートに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタックは、複数積層された発電セルを有し、各発電セルが燃料ガス及び酸化剤ガスの供給に基づき発電を行う。また、燃料電池スタックには、発電時の温度を調節するための冷却媒体も供給される。このため、特許文献１に開示されているように、燃料電池スタックの一端部のエンドプレートには、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体を発電セルに供給し、また燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体を発電セルから排出するマニホールドがそれぞれ接続される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−１３４３３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、燃料電池スタックの実際のシステム構成において、エンドプレートの外側近傍位置には、マニホールドの他に、燃料電池システム（燃料ガス系装置や酸化剤ガス系装置）のデバイスが複数配置される。さらに特許文献１に開示されているように、エンドプレートのマニホールドを接続する複数の孔部は、相互に近接していると共に、各マニホールドのジョイント部材を取り付けるために燃料電池スタック内の連通孔に比べて大きく形成されている。
【０００５】
従って、エンドプレートは、マニホールドの接続箇所付近において、エンドプレート自体の強度が低下し易い。また、エンドプレートの外側近傍位置は、デバイスと多数のマニホールドとが互いに近接状態で配置されることになり、レイアウトの自由度が大幅に低下するという課題がある。
【０００６】
本発明は、上記の実情に鑑みてなされたものであり、簡単な構成によってレイアウトの自由度、及びマニホールドの接続箇所付近の強度を高めることができる燃料電池スタック及びエンドプレートを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記の目的を達成するために、本発明の一態様は、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給に伴い発電を行うと共に、冷却媒体の供給に伴い温度が調整される複数の発電セルと、前記複数の発電セルが積層される積層方向の端部に配置されるエンドプレートと、を備える燃料電池スタックであって、前記複数の発電セルは、前記積層方向に沿って前記燃料ガス、前記酸化剤ガス及び前記冷却媒体をそれぞれ独立的に流動させる第１〜第３連通孔を備え、前記エンドプレートは、当該エンドプレートを厚さ方向に貫通して前記第１及び第２連通孔に連通し、且つマニホールドが接続される孔部と、当該エンドプレート内に形成され、前記第３連通孔に連通する流通路と、を備え、前記流通路は、前記孔部が開口している面とは異なる面に開口する流通口部を有する。
【０００８】
また前記の目的を達成するために、本発明の一態様は、複数の発電セルが積層される積層方向の端部に配置される燃料電池スタックのエンドプレートであって、前記複数の発電セルは、前記積層方向に沿って燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体を独立的に流動させる第１〜第３連通孔を備え、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの供給に伴い発電を行うと共に、前記冷却媒体の供給に伴い温度が調整されるものであり、前記エンドプレートは、当該エンドプレートを厚さ方向に貫通して前記第１及び第２連通孔に連通し、且つマニホールドが接続される孔部と、当該エンドプレート内に形成され、前記第３連通孔に連通する流通路と、を備え、前記流通路は、前記孔部が開口している面とは異なる面に開口する流通口部を有する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、燃料電池スタック及びエンドプレートは、簡単な構成によってレイアウトの自由度、及びマニホールドの接続箇所付近の強度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池スタック及びエンドプレートを示す斜視図である。
【図２】燃料電池スタックの発電セルの構成を示す分解斜視図である。
【図３】図３Ａは、流通路の冷却媒体の流動を示す断面図である。図３Ｂは、変形例に係る流通路の冷却媒体の流動を示す断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る燃料電池スタック及びエンドプレートを示す分解斜視図である。
【図５】補機ケースの第１ケース部材を示す側面図である。
【図６】図６Ａは、燃料電池スタックの構成を概略的に示す正面断面図である。図６Ｂは、突出部の隣接位置に設けられた燃料ガス系装置を示す概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００１２】
〔第１実施形態〕
本発明の第１実施形態に係る燃料電池スタック１０は、図１に示すように、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給に伴い発電を行うと共に、冷却媒体の供給に伴い温度が調整される複数の発電セル１２を備える。また、燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１２が積層される積層方向の両端部にエンドプレート１４を配置している。この燃料電池スタック１０は、例えば、図示しない筐体に収容され、燃料電池自動車のモータルームに搭載される。
【００１３】
複数の発電セル１２は、燃料電池スタック１０を燃料電池自動車に搭載した状態で、電極面を立位姿勢にして車長方向（矢印Ａ方向）に直交する車幅方向（矢印Ｂ方向）に沿って積層された積層体１６に構成される。なお、複数の発電セル１２は重力方向（矢印Ｃ方向）に積層されてもよく、車長方向に積層されてもよい。
【００１４】
発電セル１２の積層方向（矢印Ｂ方向）の一端（矢印Ｂｒ側）には、ターミナルプレート１８、インシュレータ２０ａ、及び一方のエンドプレート１４である第１エンドプレート１４ａが外方に向かって順に配置される。積層体１６の積層方向の他端（矢印Ｂｌ側）には、ターミナルプレート（不図示）、インシュレータ２０ｂ及び第２エンドプレート１４ｂが外方に向かって順に配置される。
【００１５】
積層方向両端のターミナルプレート１８は、発電セル１２から電力を取り出す金属製の板部材であり、図示しない電力取出端子を積層体１６の所定位置から突出させている。インシュレータ２０ａ、２０ｂは、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）やフェノール樹脂等の絶縁性材料により形成される。第１及び第２エンドプレート１４ａ、１４ｂは、横長（縦長でもよい）の平板状に形成されている。第１及び第２エンドプレート１４ａ、１４ｂの各辺の間にはバー２２が連結される。各バー２２は、その両端がエンドプレート１４の内面に固定され、発電セル１２の積層体１６の積層方向に締め付け荷重を付与する。
【００１６】
図２に示すように、発電セル１２は、樹脂枠付きＭＥＡ２４が、２つのセパレータ（以下、それぞれ「第１セパレータ２６」、「第２セパレータ２８」ともいう）により挟持される。第１及び第２セパレータ２６、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、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薄板の断面を波形にプレス成形して構成される。第１セパレータ２６と第２セパレータ２８は、その外周同士が溶接、ろう付け、かしめ等により接合され、一体的な接合セパレータに構成される。
【００１７】
樹脂枠付きＭＥＡ２４は、電解質膜・電極構造体３０（以下、「ＭＥＡ３０」という）と、ＭＥＡ３０の外周部に接合され当該外周部を周回する樹脂枠部材３２とを備える。ＭＥＡ３０は、電解質膜３４と、電解質膜３４の一方の面に設けられたアノード電極３６と、電解質膜３４の他方の面に設けられたカソード電極３８とを有する。なお、ＭＥＡ３０は、樹脂枠部材３２を用いることなく、電解質膜３４を外方に突出させてもよい。また、外方に突出した電解質膜３４の両側に枠形状の樹脂製フィルムを設けてもよい。
【００１８】
電解質膜３４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固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）が適用される。なお、電解質膜３４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。
【００１９】
第１セパレータ２６は、酸化剤ガス（例えば、酸素を含むエア）を流動させる酸化剤ガス流路４０を、樹脂枠付きＭＥＡ２４のカソード電極３８に対向する面２６ａに備える（図２中では、便宜的に、ＭＥＡ３０のカソード電極３８上に酸化剤ガスの流動方向を示す）。酸化剤ガス流路４０は、第１セパレータ２６の矢印Ａ方向（水平方向）に延在する複数本の凸部間に形成された直線状流路溝（又は波状流路溝）によって構成される。
【００２０】
第２セパレータ２８は、燃料ガス（例えば、水素含有ガス）を流動させる燃料ガス流路４２を、樹脂枠付きＭＥＡ２４のアノード電極３６に対向する面２８ａに備える。燃料ガス流路４２は、第２セパレータ２８の矢印Ａ方向に延在する複数本の凸部間に形成された直線状流路溝（又は波状流路溝）によって構成される。
【００２１】
互いに接合される第１セパレータ２６の面２６ｂと第２セパレータ２８の面２８ｂとの間には、冷却媒体（例えば、水）を流動させる冷却媒体流路４４が設けられる。冷却媒体流路４４は、酸化剤ガス流路４０が形成された第１セパレータ２６の裏面形状と、燃料ガス流路４２が形成された第２セパレータ２８の裏面形状とが重なり合って形成される。
【００２２】
また、発電セル１２の長辺方向である矢印Ａ方向の両側部（矢印Ａｒ側、矢印Ａｆ側）には、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体を、発電セル１２の積層方向に沿って独立的に流動させる複数の連通孔４６が設けられている。
【００２３】
矢印Ａｒ（燃料電池スタック１０の後方）側に設けられる複数の連通孔４６は、第１連通孔である酸化剤ガス入口連通孔４８ａと、第２連通孔である２つの燃料ガス出口連通孔５０ｂと、第３連通孔である２つの冷却媒体出口連通孔５２ｂと、を含む。相互の連通孔４６は上下方向に沿って概ね並んでいる。酸化剤ガス入口連通孔４８ａ、２つの冷却媒体出口連通孔５２ｂ及び２つの燃料ガス出口連通孔５０ｂは、発電セル１２を積層方向に貫通している。
【００２４】
酸化剤ガス入口連通孔４８ａは、矢印Ｃ方向に５つ並ぶ連通孔４６の真中に形成されている。２つの冷却媒体出口連通孔５２ｂは、酸化剤ガス入口連通孔４８ａの上下に隣接して、この酸化剤ガス入口連通孔４８ａを間に挟む位置に形成されている。２つの燃料ガス出口連通孔５０ｂは、上側の冷却媒体出口連通孔５２ｂよりも上側位置と、下側の冷却媒体出口連通孔５２ｂよりも下側位置とに配置され、酸化剤ガス入口連通孔４８ａ及び２つの冷却媒体出口連通孔５２ｂを間に挟んでいる。
【００２５】
矢印Ａｆ（燃料電池スタック１０の前方）側に設けられる複数の連通孔４６は、第１連通孔である２つの酸化剤ガス出口連通孔４８ｂ、第２連通孔である燃料ガス入口連通孔５０ａ、第３連通孔である２つの冷却媒体入口連通孔５２ａを含む。相互の連通孔４６は矢印Ｃ方向に概ね並んでいる。２つの酸化剤ガス出口連通孔４８ｂ、燃料ガス入口連通孔５０ａ、２つの冷却媒体入口連通孔５２ａは、それぞれ発電セル１２を積層方向に貫通している。
【００２６】
燃料ガス入口連通孔５０ａは、矢印Ｃ方向に５つ並ぶ連通孔４６の中間位置に形成されている。２つの冷却媒体入口連通孔５２ａは、燃料ガス入口連通孔５０ａの上下に隣接して、この燃料ガス入口連通孔５０ａを間に挟む位置に形成されている。２つの酸化剤ガス出口連通孔４８ｂは、上側の冷却媒体入口連通孔５２ａよりも上側位置と、下側の冷却媒体入口連通孔５２ａよりも下側位置とに配置され、燃料ガス入口連通孔５０ａ及び２つの冷却媒体入口連通孔５２ａを間に挟んでいる。
【００２７】
また本実施形態において、酸化剤ガス入口連通孔４８ａ及び燃料ガス入口連通孔５０ａは、六角形状に形成されている。さらに燃料ガス入口連通孔５０ａの流路断面積は、酸化剤ガス入口連通孔４８ａの流路断面積よりも小さい。一方、酸化剤ガス出口連通孔４８ｂ、燃料ガス出口連通孔５０ｂ、冷却媒体入口連通孔５２ａ及び冷却媒体出口連通孔５２ｂは、略三角形状に形成されている。
【００２８】
酸化剤ガス流路４０は、酸化剤ガス入口連通孔４８ａ及び２つの酸化剤ガス出口連通孔４８ｂに流体的に連通する。酸化剤ガス流路４０は、酸化剤ガス入口連通孔４８ａから酸化剤ガスが供給されることで、この酸化剤ガスを矢印Ａ方向に沿って流動させ、２つの酸化剤ガス出口連通孔４８ｂに酸化剤ガスを排出する。２つの酸化剤ガス出口連通孔４８ｂは、三角形状の一辺（底辺）が酸化剤ガス流路４０に向いている。
【００２９】
燃料ガス流路４２は、燃料ガス入口連通孔５０ａ及び２つの燃料ガス出口連通孔５０ｂに流体的に連通する。燃料ガス流路４２は、燃料ガス入口連通孔５０ａから燃料ガスが供給されることで、この燃料ガスを矢印Ａ方向（酸化剤ガスと反対方向）に沿って流動させ、２つの燃料ガス出口連通孔５０ｂに燃料ガスを排出する。２つの燃料ガス出口連通孔５０ｂは、三角形状の一辺（底辺）が燃料ガス流路４２に向いている。
【００３０】
冷却媒体流路４４は、２つの冷却媒体入口連通孔５２ａ及び２つの冷却媒体出口連通孔５２ｂに流体的に連通する。冷却媒体流路４４は、２つの冷却媒体入口連通孔５２ａから冷却媒体が供給されることで、この冷却媒体を矢印Ａ方向（燃料ガスと同方向）に沿って流動させ、２つの冷却媒体出口連通孔５２ｂに冷却媒体を排出する。２つの冷却媒体入口連通孔５２ａ及び２つの冷却媒体出口連通孔５２ｂは、三角形状の一頂部が共に冷却媒体流路４４に向いている。
【００３１】
なお、酸化剤ガス入口連通孔４８ａ、酸化剤ガス出口連通孔４８ｂ、燃料ガス入口連通孔５０ａ、燃料ガス出口連通孔５０ｂ、冷却媒体入口連通孔５２ａ及び冷却媒体出口連通孔５２ｂの配置位置、数、形状は、上記に限定されない。各連通孔４６は、要求される仕様に応じて適宜設計されればよい。
【００３２】
第１及び第２セパレータ２６、２８の表面には、例えば、プレス成形により複数のメタルビードシール（シール部５４）が樹脂枠付きＭＥＡ２４に向かって一体成形される。シール部５４は、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適用されてもよい。
【００３３】
また、発電セル１２には、燃料電池スタック１０の運転時（発電時）にカソード側で生じた生成水を排出する第１ドレン５６が設けられている。第１ドレン５６は、第１及び第２セパレータ２６、２８、樹脂枠部材３２が重なる位置に貫通形成されている。第１ドレン５６は、積層体１６の端部（例えば、インシュレータ２０ｂ）に設けられた図示しない第１連結流路を介して、酸化剤ガス出口連通孔４８ｂに連通している。
【００３４】
さらに、発電セル１２には、燃料電池スタック１０の運転時（発電時）にアノード側で生じた生成水を排出するための第２ドレン５８が設けられている。第２ドレン５８は、第１及び第２セパレータ２６、２８、樹脂枠部材３２が重なる位置に貫通形成されている。第２ドレン５８は、積層体１６の端部（例えば、インシュレータ２０ｂ）に設けられた図示しない第２連結流路を介して、燃料ガス出口連通孔５０ｂに連通している。
【００３５】
図１及び図２に示すように、第２エンドプレート１４ｂにおいて発電セル１２に対向する面には、インシュレータ２０ｂを含む積層体１６の複数の連通孔４６（酸化剤ガス入口連通孔４８ａ、酸化剤ガス出口連通孔４８ｂ、燃料ガス入口連通孔５０ａ、燃料ガス出口連通孔５０ｂ、冷却媒体入口連通孔５２ａ及び冷却媒体出口連通孔５２ｂ）の各々に連通する複数の内側開口部６０ａ〜６０ｊが設けられる。また、第２エンドプレート１４ｂは、複数の内側開口部６０ａ、６０ｃ、６０ｅ、６０ｆ、６０ｈ、６０ｊに連通する複数（６つ）の孔部６２と、複数の内側開口部６０ｂ、６０ｄ、６０ｇ、６０ｉに連通する複数（２つ）の流通路６４とを有する。
【００３６】
６つの孔部６２は、第２エンドプレート１４ｂの厚さ方向に貫通形成されており、第２エンドプレート１４ｂの外側に形成された外側開口部６６に連通している。各孔部６２は、上述した連通孔４６のうち酸化剤ガス入口連通孔４８ａ、２つの酸化剤ガス出口連通孔４８ｂ、燃料ガス入口連通孔５０ａ及び２つの燃料ガス出口連通孔５０ｂの対向位置に貫通形成されている。以下、酸化剤ガス入口連通孔４８ａに連通するものを酸化剤ガス導入用孔部６８ａ、酸化剤ガス出口連通孔４８ｂに連通するものを酸化剤ガス導出用孔部６８ｂという。燃料ガス入口連通孔５０ａに連通するものを燃料ガス導入用孔部７０ａ、燃料ガス出口連通孔５０ｂに連通するものを燃料ガス導出用孔部７０ｂという。
【００３７】
各孔部６２は、第２エンドプレート１４ｂを外側から見た正面視で、対向する連通孔４６よりも大きな面積を有する円形状に形成され、各連通孔４６を内側に配置している。各孔部６２には、反応ガスを流動させるマニホールド７２（配管）がそれぞれ接続される。つまり、酸化剤ガス導入用孔部６８ａには、酸化剤ガス供給マニホールド７４ａが接続される。２つの酸化剤ガス導出用孔部６８ｂには、酸化剤ガス排出マニホールド７４ｂがそれぞれ接続され、この酸化剤ガス排出マニホールド７４ｂは途中位置で合流して１本の管となっている。同様に、燃料ガス導入用孔部７０ａには、燃料ガス供給マニホールド７６ａが接続される。２つの燃料ガス導出用孔部７０ｂには、燃料ガス排出マニホールド７６ｂがそれぞれ接続され、この燃料ガス排出マニホールド７６ｂは途中位置で合流し１本の管となっている。
【００３８】
各孔部６２内には、各マニホールド７２を第２エンドプレート１４ｂに固定するジョイント部材７８が収容される。例えば、ジョイント部材７８は、孔部６２の内面とマニホールド７２の外面との間を軸シールする筒状の部材に形成されている。また図示は省略するが、ジョイント部材７８の筒内は、孔部６２の外側開口部６６寄りの内面が、マニホールド７２を接続可能な円形状に形成される一方で、孔部６２の内側開口部６０ａ〜６０ｊ寄りの内面が、対向する連通孔４６の形状（六角形や三角形）に一致している。
【００３９】
ジョイント部材７８は、例えば、適度な弾性力を有する弾性部材により構成され、孔部６２の内面に密着される。マニホールド７２は、このジョイント部材７８の軸方向途中位置まで挿入されて軸シールされることで、第２エンドプレート１４ｂ（すなわち燃料電池スタック１０）に対し気密に固定される。
【００４０】
一方、第２エンドプレート１４ｂの２つの流通路６４は、相互に独立して（隔てられて）形成され、第２エンドプレート１４ｂの内部において面方向（矢印Ａ方向及び矢印Ｃ方向）に冷却媒体を流動させる機能を有する。第２エンドプレート１４ｂは、平板内の大部分が２つの流通路６４によって占められている。図１及び図３Ａに示すように、２つの流通路６４は、第２エンドプレート１４ｂの正面視で、内側開口部６０ｇ、６０ｉを介して２つの冷却媒体入口連通孔５２ａに連通する冷却媒体導入路８０ａと、内側開口部６０ｂ、６０ｄを介して２つの冷却媒体出口連通孔５２ｂに連通する冷却媒体導出路８０ｂと、を含む。
【００４１】
冷却媒体導入路８０ａは、第２エンドプレート１４ｂの矢印Ａｆ側の側面に設けられた第１側方開口部８２（流通口部）に連通している。この冷却媒体導入路８０ａは、第１側方開口部８２から水平方向に短く延在した後上下に分岐して、冷却媒体入口連通孔５２ａに対向する２つの内側開口部６０ｇ、６０ｉに向かう二又状の流路に形成されている。
【００４２】
冷却媒体導出路８０ｂは、冷却媒体導入路８０ａの第１側方開口部８２が設けられた側面と同じ面に設けられた第２側方開口部８４（流通口部）に連通している。第２側方開口部８４は、第１側方開口部８２よりも上側に配置されている。この冷却媒体導出路８０ｂは、第２側方開口部８４から水平方向に延在して第２エンドプレート１４ｂの矢印Ａｆ側の孔部６２を越えた後、下側且つ水平方向に大きく広がる拡大空間８６を有している。拡大空間８６の流路断面積は、第２側方開口部８４の流路断面積よりも大きい。より具体的には、拡大空間８６は、第２エンドプレート１４ｂの矢印Ａｆ側で上下に並ぶ孔部６２の上側から最も下側の孔部６２よりも下方向に延在し、この上下範囲で水平方向に延在している。そして、第２側方開口部８４と反対側の拡大空間８６の矢印Ａｒ側が２つの内側開口部６０ｂ、６０ｄに連通している。
【００４３】
拡大空間８６において酸化剤ガス導入用孔部６８ａ、酸化剤ガス導出用孔部６８ｂ、燃料ガス導入用孔部７０ａ及び燃料ガス導出用孔部７０ｂに隣接する箇所は、各孔部６２の強度を低下させない範囲で可及的に近接している。なお、拡大空間８６内には、空間を構成する第２エンドプレート１４ｂの内側壁部と外側壁部との間を支える支柱や壁等が設けられていてもよい。第１及び第２エンドプレート１４ａ、１４ｂを構成する材料は、特に限定されるものではなく、金属材料又は樹脂材料のいずれを適用してよい。
【００４４】
本実施形態に係る燃料電池スタック１０及びエンドプレート１４は基本的には以上のように構成され、以下その作用効果について説明する。
【００４５】
燃料電池スタック１０は、図１に示すように、製造時に、複数の発電セル１２を積層して積層体１６を形成し、その両端にエンドプレート１４をそれぞれ配置し、エンドプレート１４により積層体１６の積層方向に締付荷重を付与する。
【００４６】
そして、第２エンドプレート１４ｂの複数の孔部６２には、ジョイント部材７８が挿入固定されると共に、ジョイント部材７８にマニホールド７２が固定される。各孔部６２は、発電セル１２の連通孔４６を内側に収容可能且つマニホールド７２の外径よりも大きな直径に形成されている。
【００４７】
第２エンドプレート１４ｂの矢印Ａｒ側は、冷却媒体導出路８０ｂの内側開口部６０ｂ、６０ｄが酸化剤ガス導入用孔部６８ａと、２つの燃料ガス導出用孔部７０ｂの間に配置されている。同様に、第２エンドプレート１４ｂの矢印Ａｆ側は、冷却媒体導入路８０ａの内側開口部６０ｇ、６０ｉが燃料ガス導入用孔部７０ａと、２つの酸化剤ガス導出用孔部６８ｂの間に配置されている。そして、各内側開口部６０ｂ、６０ｄ、６０ｇ、６０ｉには、マニホールド７２を接続するジョイント部材７８が設置されずに、冷却媒体入口連通孔５２ａ及び冷却媒体出口連通孔５２ｂに連通している。このため、各孔部６２と各流通路６４の間には、第２エンドプレート１４ｂ自体を構成する肉が存在する。
【００４８】
すなわち、第２エンドプレート１４ｂは、正面視で、矢印Ａ方向両側に並ぶ複数の孔部６２と流通路６４の間に中実の肉が介在している。これにより、複数のマニホールド７２（酸化剤ガス供給マニホールド７４ａ、酸化剤ガス排出マニホールド７４ｂ、燃料ガス供給マニホールド７６ａ、燃料ガス排出マニホールド７６ｂ）の接続箇所付近の第２エンドプレート１４ｂの強度が充分に高められる。
【００４９】
また、第２エンドプレート１４ｂは、冷却媒体導入路８０ａの第１側方開口部８２と、冷却媒体導出路８０ｂの第２側方開口部８４が、外側開口部６６とは異なる面（矢印Ａｆ側の側面）に設けられている。つまり、マニホールド７２が接続される面とは異なる面の第１及び第２側方開口部８２、８４に、冷却媒体供給マニホールド及び冷却媒体排出マニホールド（共に不図示）が接続される。このため、燃料電池スタック１０は、第２エンドプレート１４ｂの積層方向外側に、図示しない燃料ガス系装置のデバイス（配管、インジェクタ等）、図示しない酸化剤ガス系装置のデバイス（配管、加湿器等）を容易に配置することができる。
【００５０】
また例えば、冷却媒体を供給する冷却装置（不図示）は、燃料電池スタック１０の矢印Ａｆ側（第１及び第２側方開口部８２、８４の形成面と同一面）に配置されるとよい。これにより、燃料電池スタック１０は、各デバイスのレイアウトの自由度を一層向上させることができる。
【００５１】
燃料電池スタック１０は、使用（発電）において、各マニホールド７２を介して酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体が内部に供給される。発電セル１２は、酸化剤ガスと燃料ガスの電気化学反応に基づき発電を行い、冷却媒体により温度調整がなされる。
【００５２】
ここで、図３Ａに示すように、冷却媒体は、冷却装置（冷却媒体供給マニホールド）から第２エンドプレート１４ｂの側面の第１側方開口部８２に供給され、短い冷却媒体導入路８０ａを流動すると直ぐに積層体１６の冷却媒体入口連通孔５２ａに流入する。従って、冷却媒体は、積層体１６の各発電セル１２をスムーズに冷却することができる。また発電セル１２を冷却して冷却媒体出口連通孔５２ｂに流動した冷却媒体は、第２エンドプレート１４ｂに戻り、内側開口部６０ｂ、６０ｄから冷却媒体導出路８０ｂに流入する。
【００５３】
冷却媒体導出路８０ｂは、内側開口部６０ｂ、６０ｄから直ぐに拡大空間８６に連なっており、拡大空間８６は、第２エンドプレート１４ｂの面方向の大部分に広がっている。このため昇温した冷却媒体は、第２エンドプレート１４ｂの面方向に広がって流動し、第２エンドプレート１４ｂの内側壁部や外側壁部と熱交換することで、全体を温度調整する。すなわち、第２エンドプレート１４ｂは、燃料電池スタック１０において、温度変化が生じ易い発電セル１２の矢印Ｂｌ側の温度を調整し、発電をより安定的に実施させることができる。そして、冷却媒体導出路８０ｂ（拡大空間８６）を流動した冷却媒体は、第２側方開口部８４を介して冷却媒体排出マニホールドに流出し、冷却装置に環流される。
【００５４】
なお、第２エンドプレート１４ｂにおいて冷却媒体を流動させる流通路６４（冷却媒体導入路８０ａ、冷却媒体導出路８０ｂ）は、上述した実施形態の形状に限定されず、種々の形状を採用し得る。例えば図３Ｂに示す変形例に係るエンドプレート１４（第２エンドプレート１４ｂ）は、流通路６４Ａの形状が第１実施形態に係る流通路６４の形状と異なっている。具体的には、冷却媒体導入路８０ａは、第１側方開口部８２を第２エンドプレート１４ｂの側方の下部側に備え、また第２エンドプレート１４ｂの矢印Ａｆ側の孔部６２の下側を回り込むように冷却媒体を導く迂回空間８８に形成される。迂回空間８８と冷却媒体導出路８０ｂの拡大空間８６は隔壁８７により隔てられ、隔壁８７は斜めに延在している。このように形成された流通路６４Ａでも、第２エンドプレート１４ｂの面方向に冷却媒体を流動させることが可能であり、第２エンドプレート１４ｂの温度を適宜調整することができる。
【００５５】
〔第２実施形態〕
第２実施形態に係る燃料電池スタック１０Ａは、図４に示すように、複数の発電セル１２の積層体１６をスタックケース９０に収容した構成となっている点で、第１実施形態に係る燃料電池スタック１０と異なる。なお、以降の説明において、上述の実施形態と同じ構成又は同じ機能を有する要素には、同じ符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００５６】
スタックケース９０は、矢印Ｂ方向の両側面及び後面に内部空間９０ａに連通する窓９２を有する。そして、スタックケース９０の矢印Ｂ方向の一側面には、スタックケース９０の窓９２を閉塞する側壁９４が、シール部材９３を挟んで取り付けられる。この側壁９４は、発電セル１２の積層方向に締付荷重を付与する一方のエンドプレート１４（第１エンドプレート１４ａ）を構成する。なお、スタックケース９０の後面も、スタックケース９０の窓９２を閉塞する後壁９６が、シール部材９３を挟んで取り付けられる。
【００５７】
また、スタックケース９０の一側面と反対側の他側面には、補機ケース９８がスタックケース９０の窓９２を閉塞するように取り付けられる。補機ケース９８は、燃料電池システムのデバイス（図６Ａも参照）を保護するための保護部材であり、スタックケース９０にねじ止めされる凹形状の第１ケース部材１００と、第１ケース部材１００に接合される凹形状の第２ケース部材１０２とを有する。第１及び第２ケース部材１００、１０２の内部に、補機１０４を収納する収納空間９８ａが形成される。
【００５８】
補機ケース９８内に収容される燃料電池システムの補機１０４としては、図６Ａに示すように、エア系（酸化剤ガス系装置１０４ａ）及び水素系（燃料ガス系装置１０４ｂ）のデバイスがあげられる。酸化剤ガス系装置１０４ａの補機１０４には、例えば、配管、加湿器、気液分離器、バルブ等が含まれる（エアポンプ等は補機ケース９８の外部に配置される）。燃料ガス系装置１０４ｂの補機１０４には、配管、インジェクタ、水素ポンプ、バルブ等が含まれる。
【００５９】
図４及び図５に示すように、第１ケース部材１００は、スタックケース９０に接合される取付壁部１０６と、取付壁部１０６の周囲からスタックケース９０の外側方向に突出する周壁１０８と、を有する。取付壁部１０６は、燃料電池スタック１０Ａの製造時に、シール部材９３を挟んでスタックケース９０の矢印Ｂｌ側の窓９２を閉塞して固定される。そして、第１ケース部材１００の取付壁部１０６は、第１実施形態に係る第２エンドプレート１４ｂと同様に、発電セル１２の積層方向に締付荷重を付与するエンドプレート１４として機能するように構成される。
【００６０】
取付壁部１０６は、発電セル１２の複数の連通孔４６（酸化剤ガス入口連通孔４８ａ、酸化剤ガス出口連通孔４８ｂ、燃料ガス入口連通孔５０ａ、燃料ガス出口連通孔５０ｂ、冷却媒体入口連通孔５２ａ、冷却媒体出口連通孔５２ｂ）にそれぞれ連通する複数の内側開口部６０ａ〜６０ｊを有する。内側開口部６０ｃには酸化剤ガス導入用孔部６８ａが連通し、内側開口部６０ｆ、６０ｊには２つの酸化剤ガス導出用孔部６８ｂが連通し、内側開口部６０ｈには燃料ガス導入用孔部７０ａが連通し、内側開口部６０ａ、６０ｅには２つの燃料ガス導出用孔部７０ｂが連通する。また内側開口部６０ｇ、６０ｉには冷却媒体導入路８０ａが連通し、内側開口部６０ｂ、６０ｄには冷却媒体導出路８０ｂが連通する。
【００６１】
そして、取付壁部１０６は、空間側（発電セル１２の対向面と反対側）に、複数の突出部１１０（第１突出部１１０ａ、第２突出部１１０ｂ）を備える。第１及び第２突出部１１０ａ、１１０ｂは、取付壁部１０６に一体成形されることで、取付壁部１０６と共に第２エンドプレート１４ｂとして機能する。また、第１及び第２突出部１１０ａ、１１０ｂは、周壁１０８の内側で相互に独立して形成されている。第１及び第２突出部１１０ａ、１１０ｂは、周壁１０８よりも低く突出するように鋳込まれて形成される。そして第１突出部１１０ａの内部には冷却媒体導入路８０ａが形成され、第２突出部１１０ｂの内部には冷却媒体導出路８０ｂが形成される。
【００６２】
すなわち、第１突出部１１０ａは、取付壁部１０６との間で冷却媒体導入路８０ａを形成するエンドプレート１４の流路壁を構成する。このため、第１突出部１１０ａは、第１ケース部材１００の矢印Ａｆ側の側面（周壁１０８）の上下方向中間位置に連設され、矢印Ａ方向に短く延在して、正面視で、内側開口部６０ｇ、６０ｉに重なっている。第１突出部１１０ａにおいて周壁１０８から若干突出する部分に、冷却媒体導入路８０ａの第１側方開口部８２が形成されている。
【００６３】
同様に、第２突出部１１０ｂは、取付壁部１０６との間で冷却媒体導出路８０ｂを形成するエンドプレート１４の流路壁を構成する。第２突出部１１０ｂは、第１ケース部材１００の側面の上側に連設され、矢印Ｂ方向に孔部６２を越えて延在し、孔部６２を越えた位置から取付壁部１０６の面方向に大きく広がっている。第２突出部１１０ｂにおいて周壁１０８から若干突出する部分に、冷却媒体導出路８０ｂの第２側方開口部８４が形成されている。
【００６４】
また図６Ｂに示すように、補機ケース９８には、マニホールド７２（補機１０４）が収容され、マニホールド７２は突出部１１０に部分的に囲われた各孔部６２に接続される。補機ケース９８内において、第１及び第２突出部１１０ａ、１１０ｂの隣接位置には、第１層部として燃料ガス系装置１０４ｂの補機１０４が設けられる。そして、第１層部の外側方向の隣接位置に、第２層部として酸化剤ガス系装置１０４ａの補機１０４が設けられる。
【００６５】
このため、エンドプレート１４の突出部１１０は、流通路６４（主に冷却媒体導出路８０ｂ）を流動する冷却媒体によって、図６Ｂに示すように燃料ガス系装置１０４ｂの補機１０４を温めることが可能である。すなわち、突出部１１０は、燃料電池スタック１０Ａの発電によって燃料ガスの配管、気液分離器、バルブ、貯水部等に生じる水を温める温水ライザとして働く。
【００６６】
例えば、燃料電池スタック１０Ａは、周囲の気温が低温になった際に（氷点下以下になった際に）、昇温した冷却媒体の熱が第２突出部１１０ｂを介して燃料ガス系装置１０４ｂのデバイスに伝達される。これによりデバイス内の水の凍結を防ぐことができ、燃料電池スタック１０Ａの運転を良好に行うことができる。なお、この燃料電池システムの補機１０４の配置は、第１実施形態の燃料電池スタック１０にも適用可能なことは勿論である。
【００６７】
以上のように、本発明に係る燃料電池スタック１０、１０Ａ及びエンドプレート１４（第２エンドプレート１４ｂ、取付壁部１０６）は、以下の効果を奏する。
【００６８】
燃料電池スタック１０、１０Ａ及びエンドプレート１４は、孔部６２及び流通路６４を備え、また孔部６２が開口している面とは異なる面に開口する流通路６４の流通口部（第１及び第２側方開口部８２、８４）を有することで、マニホールド７２の設置の自由度を高めることができる。すなわち、エンドプレート１４の孔部６２が開口している面は、孔部６２に接続されるマニホールド７２の数が減少するので、マニホールド７２の配置が簡素化される。よって、製造時にマニホールド７２の複雑な組立を抑制して、製造効率を向上させ、また製造コストの低廉化が図られる。特に、エンドプレート１４のマニホールド７２が接続される接続箇所付近は、隣接する孔部６２の間にエンドプレート１４自体の肉が存在することになる。従って、孔部６２付近の強度が大幅に高まり、孔部６２を介して燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体を各連通孔４６に良好に供給及び排出させることができる。マニホールド７２の接続箇所付近の強度が高まることで、エンドプレート１４自体の厚さを薄く設計することも可能となり、燃料電池スタック１０、１０Ａ周辺のスペースを確保することもできる。
【００６９】
また、流通路６４及び第３連通孔（冷却媒体入口連通孔５２ａ、冷却媒体出口連通孔５２ｂ）は、冷却媒体が流動する構成であるとよい。これにより、発電セル１２に冷却媒体を良好に供給及び排出することができる。冷却媒体は、発電セル１２の冷却に伴って、エンドプレート１４自体の温度も調整することが可能となる。
【００７０】
流通路６４は、エンドプレート１４の面方向に広がり、第２側方開口部８４の開口面積よりも大きな流路断面積の拡大空間８６を有することが好ましい。冷却媒体は、この拡大空間８６を流動することにより、エンドプレート１４の広い範囲に対して熱を交換することができる。
【００７１】
流通路６４は、発電セル１２に向けて冷却媒体を供給する冷却媒体導入路８０ａと、発電セル１２から冷却媒体を排出する冷却媒体導出路８０ｂと、を含み、拡大空間８６は、冷却媒体導出路８０ｂに設けられているとよい。これにより、発電セル１２により昇温した冷却媒体が、エンドプレート１４の拡大空間８６を流動することになり、温度が下がりやすい発電セル１２の積層方向端部を良好に温めることができる。
【００７２】
流通路６４を備えたエンドプレート１４の隣接位置には、燃料ガスを発電セル１２に供給すると共に、発電に使用された燃料ガスを発電セル１２から排出する燃料ガス系装置１０４ｂのデバイスが配置されることが好ましい。これにより、エンドプレート１４内を流動する冷却媒体によって燃料ガス系装置１０４ｂのデバイスも温度調整することができる。例えば、燃料ガス系装置１０４ｂの配管内に存在する水を温めることで、凍結を抑制することが可能となる。
【００７３】
エンドプレート１４の発電セル１２の対向面には、積層方向に対して略直交する方向に沿って、孔部６２の内側開口部６０ａ、６０ｃ、６０ｅ、６０ｆ、６０ｈ、６０ｊと、流通路６４の内側開口部６０ｂ、６０ｄ、６０ｇ、６０ｉとが交互に配置されていることが好ましい。これにより、エンドプレート１４の孔部６２の周囲に充分なスペースが作られ、孔部６２に接続されるマニホールド７２のレイアウト性をより一層高めることができる。
【００７４】
孔部６２には、マニホールド７２をシールするジョイント部材７８が設けられる一方で、流通路６４の内側開口部６０ｂ、６０ｄ、６０ｇ、６０ｉ付近には、ジョイント部材７８が設けられないことが好ましい。これにより孔部６２では、マニホールド７２を気密且つ強固に接続しつつ、流通路６４ではジョイント部材７８がないので部品点数を少なくすることができる。
【００７５】
エンドプレート１４は、発電セル１２の対向面と反対側の面に、流通路６４を内部に有する突出部１１０を備えていてもよい。このようにエンドプレート１４に突出部１１０を設けても、流通路６４を簡単に形成することができ、またエンドプレート１４の強度を高めることが可能となる。
【００７６】
発電セル１２の積層方向の端部には、燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体を発電セル１２に流動させるためのデバイスを収容する補機ケース９８が設けられ、発電セル１２に積層される補機ケース９８の取付壁部１０６がエンドプレート１４を構成していてもよい。このように補機ケース９８の取付壁部１０６がエンドプレート１４を構成しても、複数の発電セル１２に締付荷重を付与しつつ、また流通路６４を通して流体を良好に流動させることができる。
【００７７】
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されず、発明の要旨に沿って種々の改変が可能である。例えば、エンドプレート１４（第２エンドプレート１４ｂ）の孔部６２、流通路６４を流動させる流体（燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体）の種類は特に限定されず、流通路６４に燃料ガスや酸化剤ガスを流動させ、冷却媒体を孔部６２に流動させる構成でもよい。
【００７８】
第１及び第２側方開口部８２、８４の形成位置も自由に設計可能であり、燃料電池スタック１０の後面（矢印Ａｒ側）や上面でもよい。また、流通路６４は、拡大空間８６を備えず、流路断面積が略一定の通路に構成されていてもよい。孔部６２には、ジョイント部材７８が設けられず、適宜の接合方法によりエンドプレート１４に接続されてもよい。
【符号の説明】
【００７９】
１０、１０Ａ…燃料電池スタック          １２…発電セル
１４…エンドプレート                    １４ａ…第１エンドプレート
１４ｂ…第２エンドプレート              １６…積層体
４６…連通孔                            ４８ａ…酸化剤ガス入口連通孔
４８ｂ…酸化剤ガス出口連通孔            ５０ａ…燃料ガス入口連通孔
５０ｂ…燃料ガス出口連通孔              ５２ａ…冷却媒体入口連通孔
５２ｂ…冷却媒体出口連通孔              ６０ａ〜６０ｊ…内側開口部
６２…孔部                              ６４…流通路
６６…外側開口部                        ６８ａ…酸化剤ガス導入用孔部
６８ｂ…酸化剤ガス導出用孔部            ７０ａ…燃料ガス導入用孔部
７０ｂ…燃料ガス導出用孔部              ７２…マニホールド
７８…ジョイント部材                    ８０ａ…冷却媒体導入路
８０ｂ…冷却媒体導出路                  ８２…第１側方開口部
８４…第２側方開口部                    ８６…拡大空間
９０…スタックケース                    ９８…補機ケース
１０４…補機                            １０４ａ…酸化剤ガス系装置
１０４ｂ…燃料ガス系装置                １０６…取付壁部
１１０…突出部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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