(57)【要約】【課題】出力を確保しつつ、複数の単セルの積層方向で小型化された燃料電池ユニットを提供することを課題とする。【解決手段】積層された複数の第１単セル、及び複数の前記第１単セルの積層方向周りの第１外周側面、を含む第１積層体と、前記第１単セルの積層方向に沿って積層された複数の第２単セル、及び複数の前記第２単セルの積層方向周りの第２外周側面、を含み、前記第１積層体に対して並設された第２積層体と、前記第１及び第２積層体に反応ガスを供給及び排出する外部ガスマニホールドと、前記第１及び第２積層体に冷媒を供給及び排出する外部冷媒マニホールドと、を備え、前記外部ガスマニホールド及び外部冷媒マニホールドは、前記第１外周側面の少なくとも一部と前記第２外周側面の少なくとも一部とに接続され、前記積層方向に交差する交差方向に沿って延びている、燃料電池スタック。【選択図】図１
2020077502.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層された複数の第１単セル、及び複数の前記第１単セルの積層方向周りの第１外周側面、を含む第１積層体と、
前記第１単セルの積層方向に沿って積層された複数の第２単セル、及び複数の前記第２単セルの積層方向周りの第２外周側面、を含み、前記第１積層体に対して並設された第２積層体と、
前記第１及び第２積層体に反応ガスを供給及び排出する外部ガスマニホールドと、
前記第１及び第２積層体に冷媒を供給及び排出する外部冷媒マニホールドと、を備え、
前記外部ガスマニホールド及び外部冷媒マニホールドは、前記第１外周側面の少なくとも一部と前記第２外周側面の少なくとも一部とに接続され、前記積層方向に交差する交差方向に沿って延びている、燃料電池スタック。
【請求項２】
前記外部ガスマニホールドは、前記積層方向と前記第１及び第２積層体が並設した方向とに交差する方向から前記第１及び第２積層体を挟持する第１及び第２外部ガスマニホールドを含む、請求項１の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記外部冷媒マニホールドは、前記第１及び第２積層体の一方に前記冷媒を供給する冷媒供給部と、前記第１及び第２積層体の他方から前記冷媒が排出される冷媒排出部と、を含み、
前記冷媒供給部及び冷媒排出部は、前記第１及び第２積層体が並設した方向から前記第１及び第２積層体を挟持する、請求項１又は２の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記第１及び第２外周側面は、それぞれ、互いに対向する第１及び第２対向領域を含み、
前記外部ガスマニホールド及び外部冷媒マニホールドは、前記第１及び第２対向領域以外の前記第１及び第２外周側面に接続され、
前記第１及び第２対向領域を絶縁して接続すると共に、前記第１及び第２積層体の一方から排出された前記冷媒を前記第１及び第２積層体の他方に案内する冷媒案内部材を備えた、請求項１乃至３の何れかの燃料電池スタック。
【請求項５】
前記第１及び第２積層体は、それぞれ、前記冷媒が流れる第１及び第２冷媒流路溝を含み、
前記第１及び第２冷媒流路溝は、前記第１及び第２積層体が並設した方向に沿って延びている、請求項１乃至４の何れかの燃料電池スタック。
【請求項６】
前記外部ガスマニホールドは、前記第１及び第２積層体の一方から排出された前記反応ガスを前記第１及び第２積層体の他方に案内する反応ガス案内部を含む、請求項１乃至５の何れかの燃料電池スタック。
【請求項７】
前記反応ガス案内部は、前記第１及び第２積層体の前記一方に設けられた複数の反応ガス流路の出口から排出された前記反応ガスを合流させて、前記第１及び第２積層体の前記他方に設けられた複数の反応ガス流路の入口に案内する、請求項６の燃料電池スタック。
【請求項８】
前記反応ガスは、アノードガス及びカソードガスを含み、
前記外部ガスマニホールドは、前記アノードガス及びカソードガスがそれぞれ流れるアノードガス通路部及びカソードガス通路部を含み、
前記アノードガス通路部及びカソードガス通路部は、単一の部材に互いに区画されて設けられている、請求項１乃至７の何れかの燃料電池スタック。
【請求項９】
前記アノードガス通路部は、前記第１及び第２積層体のうち前記アノードガスの上流側にある一方に供給し、
前記外部ガスマニホールドは、前記アノードガス通路部を流れる前記アノードガスと前記カソードガス通路部を流れる前記カソードガスとの熱交換を促進する伝熱部を含む、請求項８の燃料電池スタック。
【請求項１０】
前記カソードガス通路部は、前記第１及び第２積層体のうち前記カソードガスの上流側にある一方に前記カソードガスを供給し、
前記外部ガスマニホールドは、前記カソードガス通路部を流れる前記カソードガスと前記アノードガス通路部を流れる前記アノードガスとの熱交換を促進する伝熱部を含む、請求項８の燃料電池スタック。
【請求項１１】
前記第１及び第２積層体が並設した方向で互いに隣接した前記第１及び第２単セルは、共通の電解質膜を含む、請求項１乃至１０の何れかの燃料電池スタック。
【請求項１２】
前記第１単セルは、第１アノード触媒層及び第１カソード触媒層を含み、
前記第２単セルは、第２アノード触媒層及び第２カソード触媒層を含み、
前記第１アノード触媒層及び第２カソード触媒層は、前記電解質膜の一方の面に互いに離間して設けられ、
前記第２アノード触媒層及び第１カソード触媒層は、前記電解質膜の他方の面に互いに離間して設けられている、請求項１１の燃料電池スタック。
【請求項１３】
前記交差方向は、前記第１及び第２積層体が並設した方向である、請求項１乃至１２の何れかの燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の単セルが積層された積層体を備えた燃料電池スタックでは、アノードガス、カソードガス、冷媒をそれぞれ供給及び排出する複数の内部マニホールドが、積層体の積層方向に貫通するように設けられている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２４１３９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、燃料電池スタックの搭載スペースの都合等により、積層方向での小型化が望まれる場合がある。積層方向での小型化は単セルの枚数を削減することにより実現できるが、単セルの枚数が削減されるため燃料電池スタックの出力が低下する。また、内部マニホールドは積層方向に貫通して形成されているため、内部マニホールドに接続される配管などは、積層体に対して積層方向から接続されるため、積層方向での小型化が困難となる場合がある。
【０００５】
本発明は、出力を確保しつつ、複数の単セルの積層方向で小型化された燃料電池ユニッ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】
【０００６】
上記目的は、積層された複数の第１単セル、及び複数の前記第１単セルの積層方向周りの第１外周側面、を含む第１積層体と、前記第１単セルの積層方向に沿って積層された複数の第２単セル、及び複数の前記第２単セルの積層方向周りの第２外周側面、を含み、前記第１積層体に対して並設された第２積層体と、前記第１及び第２積層体に反応ガスを供給及び排出する外部ガスマニホールドと、前記第１及び第２積層体に冷媒を供給及び排出する外部冷媒マニホールドと、を備え、前記外部ガスマニホールド及び外部冷媒マニホールドは、前記第１外周側面の少なくとも一部と前記第２外周側面の少なくとも一部とに接続され、前記積層方向に交差する交差方向に沿って延びている、燃料電池スタックによって達成できる。
【０００７】
上記のように第１及び第２積層体が並設されていることにより、第１及び第２単セルの合計枚数を確保して燃料電池スタックの出力を確保しつつ、積層方向での小型化が図られている。また、外部ガスマニホールド及び外部冷媒マニホールドのそれぞれは、第１及び第２外周側面の少なくとも一部に接続され、積層方向に交差する交差方向に沿って延びている。このため、外部ガスマニホールド及び外部冷媒マニホールドが積層方向に延びるように配置されることは回避され、燃料電池スタックは積層方向で小型化されている。
【０００８】
前記外部ガスマニホールドは、前記積層方向と前記第１及び第２積層体が並設した方向とに交差する方向から前記第１及び第２積層体を挟持する第１及び第２外部ガスマニホールドを含んでもよい。
【０００９】
前記外部冷媒マニホールドは、前記第１及び第２積層体の一方に前記冷媒を供給する冷媒供給部と、前記第１及び第２積層体の他方から前記冷媒が排出される冷媒排出部と、を含み、前記冷媒供給部及び冷媒排出部は、前記第１及び第２積層体が並設した方向から前記第１及び第２積層体を挟持してもよい。
【００１０】
前記第１及び第２外周側面は、それぞれ、互いに対向する第１及び第２対向領域を含み、前記外部ガスマニホールド及び外部冷媒マニホールドは、前記第１及び第２対向領域以外の前記第１及び第２外周側面に接続され、前記第１及び第２対向領域を絶縁して接続すると共に、前記第１及び第２積層体の一方から排出された前記冷媒を前記第１及び第２積層体の他方に案内する冷媒案内部材を備えてもよい。
【００１１】
前記第１及び第２積層体は、それぞれ、前記冷媒が流れる第１及び第２冷媒流路溝を含み、前記第１及び第２冷媒流路溝は、前記第１及び第２積層体が並設した方向に沿って延びていてもよい。
【００１２】
前記外部ガスマニホールドは、前記第１及び第２積層体の一方から排出された前記反応ガスを前記第１及び第２積層体の他方に案内する反応ガス案内部を含んでもよい。
【００１３】
前記反応ガス案内部は、前記第１及び第２積層体の前記一方に設けられた複数の反応ガス流路の出口から排出された前記反応ガスを合流させて、前記第１及び第２積層体の前記他方に設けられた複数の反応ガス流路の入口に案内してもよい。
【００１４】
前記反応ガスは、アノードガス及びカソードガスを含み、前記外部ガスマニホールドは、前記アノードガス及びカソードガスがそれぞれ流れるアノードガス通路部及びカソードガス通路部を含み、前記アノードガス通路部及びカソードガス通路部は、単一の部材に互いに区画されて設けられていてもよい。
【００１５】
前記アノードガス通路部は、前記第１及び第２積層体のうち前記アノードガスの上流側にある一方に供給し、前記外部ガスマニホールドは、前記アノードガス通路部を流れる前記アノードガスと前記カソードガス通路部を流れる前記カソードガスとの熱交換を促進する伝熱部を含んでもよい。
【００１６】
前記カソードガス通路部は、前記第１及び第２積層体のうち前記カソードガスの上流側にある一方に前記カソードガスを供給し、前記外部ガスマニホールドは、前記カソードガス通路部を流れる前記カソードガスと前記アノードガス通路部を流れる前記アノードガスとの熱交換を促進する伝熱部を含んでもよい。
【００１７】
前記第１及び第２積層体が並設した方向で互いに隣接した前記第１及び第２単セルは、共通の電解質膜を含んでもよい。
【００１８】
前記第１単セルは、第１アノード触媒層及び第１カソード触媒層を含み、前記第２単セルは、第２アノード触媒層及び第２カソード触媒層を含み、前記第１アノード触媒層及び第２カソード触媒層は、前記電解質膜の一方の面に互いに離間して設けられ、前記第２アノード触媒層及び第１カソード触媒層は、前記電解質膜の他方の面に互いに離間して設けられていてもよい。
【００１９】
前記交差方向は、前記第１及び第２積層体が並設した方向であってもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、出力を確保しつつ、複数の単セルの積層方向で小型化された燃料電池ユニットを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、燃料電池スタックの外観斜視図である。
【図２】図２は、燃料電池スタックが備える２つの積層体の外観斜視図である。
【図３】図３は、燃料電池スタックを−Ｚ方向から見た図である。
【図４】図４は、アノードガス及びカソードガスが流れるマニホールドのみを示した外観斜視図である。
【図５】図５は、並設された複数の積層体の断面図である。
【図６】図６Ａは、−Ｚ方向からアノードセパレータ及びカソードセパレータを見た場合での冷媒流路溝を示した図であり、図６Ｂは、−Ｚ方向からアノードセパレータ及びカソードセパレータを見た場合でのアノード流路溝及びカソード流路溝を示した図である。
【図７】図７Ａは、−Ｚ方向からカソードセパレータ及びアノードセパレータを見た場合でのカソード流路溝及びアノード流路溝を示した図であり、図７Ｂは、−Ｚ方向からカソードセパレータ及びアノードセパレータを見た場合での冷媒流路溝を示した図である。
【図８】図８は、積層体の側面の一部を示した図である。
【図９】図９Ａは、第１変形例でのアノードセパレータ及びカソードセパレータの説明図であり、図９Ｂは、第１変形例でのカソードセパレータ及びアノードセパレータの説明図である。
【図１０】図１０は、第２変形例の燃料電池スタックの外観斜視図である。
【図１１】図１１は、第２変形例の燃料電池スタックの複数の積層体の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１は、燃料電池スタック１の外観斜視図である。燃料電池スタック１は、車両に搭載される。車両は、燃料電池自動車、電気自動車、ハイブリッド自動車等であるが、これに限定されず、車両以外の各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボット等）や定置型電源にも適用できる。燃料電池スタック１は、マニホールド１０、２０、及び３０を含む。図２は、燃料電池スタック１が備える２つの積層体５０及び６０の外観斜視図である。マニホールド１０、２０、及び３０は、積層体５０及び６０の内部に形成された内部マニホールドとは異なり、積層体５０及び６０の周囲に配置されている外部マニホールドである。尚、図１及び図２には、互いに直交するＸ方向、Ｙ方向、及びＺ方向を示している。
【００２３】
［積層体５０及び６０の概略構成］
図２に示すように、積層体５０及び６０は、Ｙ方向に並設されている。即ち、Ｙ方向は、積層体５０及び６０が並設した方向を示す。積層体５０及び６０は、それぞれ略直方体状であり、形状及び大きさが略同じである。積層体５０は、Ｚ方向に積層された複数の単セル５２を含む。同様に積層体６０は、Ｚ方向に積層された複数の単セル６２を含む。即ち、Ｚ方向は、複数の単セル５２の積層方向であり、複数の単セル６２の積層方向でもある。単セル５２及び６２はそれぞれ、反応ガスとしてアノードガス（例えば水素）とカソードガス（例えば空気）との供給を受けて発電する。本実施例では、Ｚ方向が重力方向に沿うような姿勢で燃料電池スタック１が使用されるがこれに限定されない。
【００２４】
積層体５０は、Ｚ方向周りの外周側面である側面５１１〜５１４を有している。側面５１１及び５１２は、Ｘ方向に離れてＹＺ平面に略平行である。側面５１３及び５１４は、Ｙ方向に離れてＸＺ平面に略平行である。同様に積層体６０は、Ｚ方向周りの外周側面である側面６１１〜６１４を有している。側面６１１及び６１２は、Ｘ方向に離れてＹＺ平面に略平行である。側面６１３及び６１４は、Ｙ方向に離れてＸＺ平面に略平行である。積層体５０及び６０は、後述する複数の冷媒案内部材８０を介して側面５１４及び６１３が互いに対向している。側面５１４及び６１３は、それぞれ互いに対向する第１及び第２対向領域の一例である。
【００２５】
このように、積層体５０及び６０は、複数の単セル５２の積層方向と複数の単セル６２の積層方向とがＺ方向に平行となるように、Ｙ方向に並設されている。このため、これらの単セル５２及び６２の合計枚数と同じ枚数の単セルを単一の積層体としてＺ方向に積層した場合よりも、積層体５０及び６０の全体のＺ方向で小型化されている。また、単セル５２及び６２の合計枚数は確保されているため、積層体５０及び６０の合計出力も確保されている。
【００２６】
［マニホールド１０、２０、及び３０の概略構成］
図３は、燃料電池スタック１を−Ｚ方向から見た図である。図３には、アノードガス、カソードガス、及び冷媒が流れる方向を、それぞれ点線の矢印Ａ、一点鎖線の矢印Ｃ、二点鎖線の矢印Ｗで示している。尚、本実施例では、冷媒は冷却水であるが、このような液体に限定されず気体であってもよい。図４は、アノードガス及びカソードガスが流れるマニホールド１０及び２０のみを示した外観斜視図である。
【００２７】
マニホールド１０は、Ｙ方向に沿って延びており、積層体５０の側面５１１と積層体６０の側面６１１とに、接続されている。マニホールド１０は、＋Ｙ方向に順に設けられた供給部１２、案内部１４、及び排出部１６を含む。供給部１２の先端には、導入ポート１２１が形成されている。導入ポート１２１には、燃料タンクからアノードガスを積層体５０及び６０に供給するための配管が接続される。排出部１６の先端には、排出ポート１６２が形成されている。排出ポート１６２には、積層体５０及び６０からアノードガスが排出される配管が接続される。
【００２８】
マニホールド２０は、Ｙ方向に沿って延びており、積層体５０の側面５１２と積層体６０の側面６１２とに接続されている。マニホールド２０は、＋Ｙ方向に順に設けられた供給部２２、案内部２４、及び排出部２６を含む。供給部２２の先端には導入ポート２２１が形成されている。導入ポート２２１には、エアコンプレッサにより圧送されたカソードガスを積層体５０及び６０に供給するための配管が接続される。排出部２６の先端には、排出ポート２６２が形成されている。排出ポート２６２には、積層体５０及び６０からカソードガスが排出される配管が接続される。
【００２９】
マニホールド３０は、Ｙ方向に沿って延びており、積層体５０の側面５１３に接続された供給部３２と積層体６０の側面６１４に接続された排出部３６とを含む。供給部３２の先端には、導入ポート３２１が形成されている。導入ポート３２１には、冷媒をマニホールド３０に供給する配管が接続される。排出部３６の先端には、排出ポート３６２が形成されている。排出ポート３６２には、積層体５０及び６０から排出された冷媒をラジエータに供給する配管が接続される。
【００３０】
本実施例では、図３及び図４に示すように、アノードガスは、供給部１２から積層体５０に供給され、積層体５０から排出されたアノードガスは、マニホールド２０の案内部２４を経由して積層体６０に供給される。積層体６０から排出されたアノードガスは、マニホールド１０の排出部１６に排出される。供給部１２及び排出部１６は、マニホールド１０に形成された、アノードガスが流れるアノードガス通路部の一例である。また、案内部２４は、マニホールド２０に形成された、アノードガスが流れるアノードガス通路部の一例である。また、案内部２４は、積層体５０から排出されたアノードガスを積層体６０に案内する反応ガス案内部の一例である。
【００３１】
一方、カソードガスは、供給部２２から積層体５０に供給され、積層体５０から排出されたカソードガスは、マニホールド１０の案内部１４を経由して積層体６０に供給される。積層体６０から排出されたカソードガスは、マニホールド２０の排出部２６に排出される。供給部２２及び排出部２６は、マニホールド２０に形成された、カソードガスが流れるカソードガス通路部の一例である。また、案内部１４は、マニホールド１０に形成された、カソードガスが流れるカソードガス通路部の一例である。また、案内部１４は、積層体５０から排出されたカソードガスを積層体６０に案内する反応ガス案内部の一例である。
【００３２】
冷媒は、供給部３２から積層体５０に供給され、積層体５０から排出された冷媒は積層体６０に供給される。積層体６０から排出された冷媒は、排出部３６に排出される。以上のようにして、積層体５０及び６０に反応ガスが供給されて発電反応が生じると共に、冷媒により積層体５０及び６０が高温化することが抑制されている。
【００３３】
マニホールド１０、２０、及び３０は、Ｚ方向に交差する方向、具体的には上述したようにＹ方向に沿って延びている。このため、このようなマニホールドがＺ方向に延びている場合と比較して、燃料電池スタック１はＺ方向で小型化されている。また、上述したように積層体５０及び６０はＹ方向で並設されることによりＺ方向で小型化されているため、マニホールド１０、２０、及び３０がＹ方向に沿って延びていることと相まって、燃料電池スタック１はＺ方向でより小型化されている。このため、例えば燃料電池スタック１を車両床下のように重力方向に狭い空間に設置する場合であっても、重力方向と燃料電池スタック１のＺ方向とを一致させることにより、このような空間に対しても容易に燃料電池スタック１を搭載することができる。また、車両床下にバッテリーパックが設置される電気自動車用の車体を流用して、燃料電池スタック１を搭載した燃料電池車を製造することも容易となる。
【００３４】
ここで、マニホールド１０、２０、及び３０は、詳しくは後述するがＺ方向から積層体５０及び６０を挟持するエンドプレート９７及び９８に、ネジ及びボルト等の締結部材により締結されている。マニホールド１０、２０、及び３０は、このＺ方向に離れたエンドプレート９７及び９８のそれぞれに平行な仮想平面に交差しないように配置されており、換言すれば、この仮想平面の間に配置されている。このような構成によっても、燃料電池スタック１はＺ方向で小型化されている。
【００３５】
上述したように、マニホールド１０、２０、及び３０は、積層体５０及び６０が並設したＹ方向に沿って延びている。詳細には、マニホールド１０及び２０の各長手方向はＹ方向であり、マニホールド３０の供給部３２及び排出部３６はＹ方向から積層体５０及び６０を挟持するように配置されている。従って、燃料電池スタック１はＸ方向でも小型化されている。これにより、例えば車両床下のような狭い空間に複数の燃料電池スタック１を設置する場合には、複数の燃料電池スタック１がＸ方向で隣接するように配置することにより、このような空間にもより多くの燃料電池スタック１を設置できる。
【００３６】
図１及び図３に示すように、配管がそれぞれ接続される供給部１２、２２、及び３２と排出部１６、２６、及び３６は、積層体５０及び６０からＺ方向ではなくＹ方向に沿って延びている。更に、導入ポート１２１、２２１、及び３２１と、排出ポート１６２、２６２、及び３６２との各軸方向は、Ｙ方向と略平行である。このため、これらのポートに配管を接続した場合であっても、その配管が積層体５０及び６０に対してＺ方向で重なるように配置されることが抑制される。これにより、燃料電池スタック１を車両床下のような狭い空間に配置することが容易となる。
【００３７】
また、マニホールド１０及び２０は、積層体５０及び６０をＸ方向から挟持しているため、単セル５２及び６２のＸ方向での位置ずれが抑制されている。マニホールド１０及び２０は、それぞれ、Ｚ方向とＹ方向とに交差する方向であるＸ方向から積層体５０及び６０を挟持する第１及び第２外部ガスマニホールドの一例である。また、マニホールド３０の供給部３２及び排出部３６は、積層体５０及び６０をＹ方向から挟持していため、単セル５２及び６２のＹ方向での位置ずれが抑制されている。以上のように、反応ガスや冷媒を積層体５０及び６０に供給及び排出するために設けられたマニホールド１０、２０、及び３０により、単セル５２及び６２のＸ方向及びＹ方向の位置ずれを抑制でき、このような位置ずれを抑制するために特別な部品を用意する必要はないため、部品点数が削減されている。
【００３８】
［マニホールド１０の詳細な構成］
供給部１２の基端には、図４に示すように、積層体５０の側面５１１の一部に接続される略矩形状の供給口１２２が形成されている。供給部１２は、導入ポート１２１から積層体５０に接近するにつれて流路断面積が徐々に拡大する筒状部と、この筒状部に連通した開口と積層体５０の側面５１１とに接続される供給口１２２とを有し扇柱状の内部空間を画定する扇柱部とから構成される。扇柱部での流路断面積は、筒状部での流路断面積よりも拡大している。
【００３９】
案内部１４は、積層体５０から排出されたカソードガスを積層体６０に案内する、略半円中状の内部空間を画定する。案内部１４の一端には、積層体５０の側面５１１に接続される略矩形状の案内入口１４１が形成され、案内部１４の他端には積層体６０の側面６１１に接続される略矩形状の案内出口１４２が形成されている。
【００４０】
排出部１６の形状は、供給部１２と類似しており、ＸＺ平面で供給部１２の形状と略対称である。排出部１６の基端には、積層体６０の側面６１１の一部に接続される略矩形状の排出口１６１が形成されている。尚、供給口１２２、案内入口１４１、案内出口１４２、及び排出口１６１の各縁には、反応ガスの漏れを防止する絶縁性及び弾性を有したシール部材が設けられている。
【００４１】
［マニホールド２０の詳細な構成］
マニホールド２０の形状は、マニホールド１０と類似しておりＹＺ平面でマニホールド１０の形状と略対称である。供給部２２は、カソードガスを積層体５０に供給する。供給部２２の形状は、排出部１６と略同じである。供給部２２の基端は、積層体５０の側面５１２に接続される供給口２２２が形成されている。
【００４２】
案内部２４は、積層体５０から排出されたアノードガスを積層体６０に案内する、略半円中状の内部空間を画定する。案内部２４の一端には、積層体５０の側面５１２に接続される略矩形状の案内入口２４１が形成され、案内部２４の他端には積層体６０の側面６１２に接続される略矩形状の案内出口２４２が形成されている。
【００４３】
排出部２６は、積層体６０からカソードガスが排出される。排出部２６の形状は、供給部２２と類似しており、ＸＺ平面で供給部１２の形状と略対称であり、供給部１２と略同じである。排出部２６の基端には、積層体６０の側面６１２の一部に接続される略矩形状の排出口２６１が形成されている。尚、供給口２２２、案内入口２４１、案内出口２４２、及び排出口２６１の各縁にも、上述したシール部材が設けられている。
【００４４】
［マニホールド３０の詳細な構成］
供給部３２は、積層体５０に冷媒を供給する。供給部３２は、積層体５０に接近するほど断面積が増大した略テーパー筒状である。供給部３２の基端は、積層体５０の側面５１３に接続される供給口が形成されている。排出部３６は、積層体６０から冷媒が排出される。排出部３６の形状は、供給部３２と類似しておりＸＺ平面で供給部３２の形状と略対称である。排出部３６の基端は、積層体６０の側面６１４に接続される排出口が形成されている。尚、積層体５０に接続される供給部３２の供給口、及び積層体６０に接続される排出部３６の排出口の各縁にも、上述したシール部材が設けられている。
【００４５】
積層体５０から排出されたアノードガス及びカソードガスの全てが、それぞれ案内部２４及び１４を介して積層体６０に供給される。ここで、例えばカソードガスやアノードガスを積層体５０及び６０に分配して同時に供給する場合には、分配率の偏りを抑制するための対策が必要となる場合がある。本実施例では、このような対策は不要であり、燃料電池スタック１の構造が簡易化されている。
【００４６】
図１及び図４に示すように、供給部２２と案内部２４との間には、Ｚ方向に並んだ３つの伝熱フィン２３が設けられている。同様に、案内部２４と排出部２６との間にも伝熱フィン２５が設けられている。図３及び図４に示すように、供給部１２と案内部１４との間にも伝熱フィン１３が設けられている。同様に、案内部１４と排出部１６との間にも伝熱フィン１５が設けられている。このような伝熱フィン２３、２５、１３、及び１５により、積層体５０及び６０からの放熱が促進される。
【００４７】
ここで、上述したようにマニホールド１０の供給部１２には積層体５０に供給されるアノードガスが流れるが、マニホールド１０の案内部１４には積層体５０から排出されたカソードガスが流れる。ここで、供給部１２と案内部１４とは、同じマニホールド１０に設けられており、更に上述した伝熱フィン１３により熱的に接続されている。このため、供給部１２を流れるアノードガスと案内部１４を流れるカソードガスとの間で熱交換が促進される。
【００４８】
ここで、供給部１２を流れるアノードガスは、一般的に、燃料タンク内で高圧で貯留されていることに起因して積層体５０に供給される際には断熱膨張により低温となり、冷間始動時では更に低温となる。このため、アノードガスが発電に適した温度よりも低い温度で積層体５０に供給される場合がある。また、積層体５０から排出されて案内部１４を流れるカソードガスは、積層体５０の発電反応に伴う熱を受けて高温となって体積が膨張している。このため、カソードガスの積層体６０への供給量が低下する可能性がある。本実施例では、このように低温のアノードガスと高温のカソードガスとの熱交換が促進される。このため、積層体５０に供給されるアノードガスの温度を上昇させて積層体５０の発電効率を向上し、更に積層体６０に供給されるカソードガスの温度を低下させて積層体６０の発電効率をも向上する。
【００４９】
また、マニホールド１０においては、アノードガスが流れる供給部１２及び排出部１６と、アノードガスとは異なるカソードガスが流れる案内部１４とが、互いに区画されて設けられている。このため、これらを個別に積層体５０及び６０に接続する場合と比較して、積層体５０及び６０に接続する作業性が向上している。マニホールド２０についても同様に、アノードガスが流れる案内部２４と、カソードガスが流れる供給部２２及び排出部２６とが互いに区画されて設けられている。
【００５０】
［積層体５０及び６０の詳細な構成］
図５は、並設された複数の積層体５０及び６０の断面図である。単セル５２は、電解質膜５３、アノード触媒層５４ａ、アノード拡散層５５ａ、アノードセパレータ５６ａ、カソード触媒層５４ｃ、カソード拡散層５５ｃ、及びカソードセパレータ５６ｃを含む。アノード触媒層５４ａ及びカソード触媒層５４ｃは、それぞれ電解質膜５３の一方の面及び他方の面に形成されている。電解質膜５３については、詳しくは後述する。アノード拡散層５５ａ及びカソード拡散層５５ｃは、それぞれアノード触媒層５４ａ及びカソード触媒層５４ｃに接合されている。アノードセパレータ５６ａ及びカソードセパレータ５６ｃは、それぞれアノード拡散層５５ａ及びカソード拡散層５５ｃに接合されている。
【００５１】
複数の単セル５２の＋Ｚ方向側の端部には、電導性を有したターミナルプレート９１が配置されている。また、複数の単セル６２の＋Ｚ方向側の端部には、電導性を有したターミナルプレート９３が配置されている。単セル５２の−Ｚ方向側の端部、及び単セル６２の−Ｚ方向側の端部には、電導性を有した中継プレート９２が配置されている。ターミナルプレート９１及び９３は互いに略同じ大きさである。中継プレート９２は、ターミナルプレート９１及び９３のそれぞれよりも大きい。ターミナルプレート９１及び９３とエンドプレート９７との間には両者を絶縁するためのインシュレータ９５が配置され、中継プレート９２とエンドプレート９８との間にも同様にインシュレータ９６が配置されている。
【００５２】
ターミナルプレート９１にアノードセパレータ５６ａが導通接続された単セル５２は、この単セル５２に隣接する不図示の単セル５２のカソードセパレータ５６ｃに導通接続される。中継プレート９２にカソードセパレータ５６ｃが導通接続された単セル５２は、この単セル５２に隣接する不図示のカソードセパレータ５６ｃが導通接続される。これにより、複数の単セル５２はターミナルプレート９１及び中継プレート９２間で電気的に直列接続されている。
【００５３】
同様に、積層体６０は、電解質膜５３、アノード触媒層６４ａ、アノード拡散層６５ａ、アノードセパレータ６６ａ、カソード触媒層６４ｃ、カソード拡散層６５ｃ、及びカソードセパレータ６６ｃを含む。ターミナルプレート９３にカソードセパレータ６６ｃが導通接続された単セル６２は、この単セル６２に隣接する不図示の単セル６２のカソードセパレータ６６ｃに導通接続される。中継プレート９２にアノードセパレータ６６ａが導通接続された単セル６２は、この単セル６２に隣接する不図示のアノードセパレータ６６ａが導通接続される。これにより、複数の単セル６２は中継プレート９２及びターミナルプレート９３間で電気的に直列接続されている。従って、複数の単セル５２と複数の単セル６２とは、中継プレート９２を介してターミナルプレート９１及び９３の間で電気的に直列接続されている。
【００５４】
単セル５２と単セル６２とで電解質膜５３が共用されている。具体的には、電解質膜５３の＋Ｚ方向側の面には、アノード触媒層５４ａ及びカソード触媒層６４ｃが互いにＹ方向に離間して形成され、電解質膜５３の−Ｚ方向側の面には、カソード触媒層５４ｃ及びアノード触媒層６４ａが互いにＹ方向に離間して形成されている。従って、電解質膜５３の形状は、単セル５２及び６２の各Ｙ方向の長さと冷媒案内部材８０のＹ方向の長さとの合計と略同じである長手方向の長さと、単セル５２及び６２の各Ｘ方向の長さと略同じ短手方向の長さとを有した、略長方形状である。
【００５５】
このように電解質膜５３が単セル５２と単セル６２とで共用されているため、単セル５２及び６２を一体化して製造することが容易である。ここで、一般的に、各面に単一の触媒層が形成された電解質膜は、以下のようにして製造される。長尺の電解質膜シートの両面に、電解質膜シートの長手方向に沿って所定間隔を空けて触媒層を転写等により断続的に形成する。その後に、触媒層毎に電解質膜シートを裁断することにより、各面に単一の触媒層が形成された電解質膜が製造される。本実施例では、連続的に触媒層が形成された電解質膜シートを、一方の面で隣接した２つの触媒層毎に裁断することにより、上述した電解質膜５３を製造することができる。このように、電解質膜シートの裁断位置を変更するのみで、このような電解質膜５３を容易に製造でき、製造コストの増大も抑制される。
【００５６】
また、一般的に、発電反応により生じる生成水の量は、アノード側よりもカソード側で多い。このため、電解質膜はアノード側で部分的に乾燥する場合がある。本実施例の電解質膜５３では、同一面にカソード触媒層６４ｃとアノード触媒層５４ａとが隣接しているため、カソード触媒層６４ｃ側で生じた生成水の一部を電解質膜５３内で−Ｙ方向に移動してアノード触媒層５４ａ側にまで浸透させることができる。同様に、カソード触媒層５４ｃ側で生じた生成水の一部が電解質膜５３内で＋Ｙ方向に移動してアノード触媒層６４ａ側にまで浸透させることができる。これにより、アノード触媒層５４ａ及びアノード触媒層６４ａ側での電解質膜５３の乾燥を抑制でき、単セル５２及び６２の発電効率が向上している。
【００５７】
Ｙ方向で隣接したアノードセパレータ５６ａ及びカソードセパレータ６６ｃは、冷媒案内部材８０により接続されている。Ｙ方向で隣接したカソードセパレータ５６ｃ及びアノードセパレータ６６ａについても同様である。ここで、冷媒案内部材８０は絶縁性及び弾性を有したゴム製である。このため、冷媒案内部材８０は、Ｙ方向に隣接した単セル５２及び６２の接触を防止し、短絡を防止している。また、冷媒案内部材８０は弾性変形可能であるため、冷媒案内部材８０が接続するセパレータ同士の位置ずれや各部材の寸法のばらつきを吸収できる。また、このような短絡を防止しつつ積層体５０及び６０を近接配置することができ、燃料電池スタック１のＹ方向での大型化が抑制されている。
【００５８】
このように、Ｙ方向に隣接した単セル５２及び６２は、電解質膜５３と冷媒案内部材８０とにより一体化されている。このため、このような単セル５２及び６２は、Ｚ方向で積層された他の単セル５２及び６２との接触面積が確保され、これにより摩擦抵抗が増大しＸＹ平面の方向での位置ずれが抑制される。
【００５９】
［アノードセパレータ５６ａ及びカソードセパレータ６６ｃの詳細な構成］
図６Ａは、−Ｚ方向からアノードセパレータ５６ａ及びカソードセパレータ６６ｃを見た場合での冷媒流路溝５８ａ及び６８ｃを示した図である。アノードセパレータ５６ａは、縁５６ａ１〜５６ａ４を含む。縁５６ａ１〜５６ａ４は、それぞれ図２に示した側面５１１〜５１４に対応している。同様に、カソードセパレータ６６ｃは、それぞれ側面６１１〜６１４に対応した縁６６ｃ１〜６６ｃ４を含む。
【００６０】
アノードセパレータ５６ａ及びカソードセパレータ６６ｃのそれぞれの＋Ｚ方向側の面に、複数の冷媒流路溝５８ａ及び６８ｃが形成されている。冷媒流路溝５８ａ及び６８ｃは、Ｙ方向に略直線状に延びている。冷媒流路溝５８ａの入口５８ａｉ及び出口５８ａｏは、それぞれ縁５６ａ３及び５６ａ４に開口するように形成されている。同様に、冷媒流路溝６８ｃの入口６８ｃｉ及び出口６８ｃｏは、それぞれ縁６６ｃ３及び６６ｃ４に開口するように形成されている。冷媒流路溝５８ａ及び６８ｃは大きさ及び形状が同じである。従って、冷媒流路溝５８ａ及び６８ｃは略直線状に延びているため、冷媒流路溝５８ａ及び６８ｃを流れる冷媒の圧損が抑制されている。このため、冷媒の流速が確保されており、単セル５２及び６２を効率的に冷却することができる。
【００６１】
アノードセパレータ５６ａの縁５６ａ４と、カソードセパレータ６６ｃの縁６６ｃ３とが、冷媒案内部材８０により接続されている。冷媒案内部材８０は、Ｘ方向を長手方向とし、Ｚ方向の厚みがアノードセパレータ５６ａ等と同程度又は若干厚く形成されている。冷媒案内部材８０は、冷媒がアノードセパレータ５６ａとカソードセパレータ６６ｃとの間から電解質膜５３側に漏れることを防止して、冷媒を冷媒流路溝５８ａから冷媒流路溝６８ｃへと案内する。尚、冷媒案内部材８０には、冷媒流路溝５８ａ及び６８ｃに連続した溝が形成されているが、この限りではない。このように、冷媒案内部材８０は、冷媒を単セル５２から単セル６２へ案内すると共に、単セル５２及び６２の短絡を防止しているため、機能が集約化されており、部品点数が削減されている。
【００６２】
図６Ｂは、−Ｚ方向からアノードセパレータ５６ａ及びカソードセパレータ６６ｃを見た場合でのアノード流路溝５７ａ及びカソード流路溝６７ｃを示した図である。尚、アノード流路溝５７ａ及びカソード流路溝６７ｃは、それぞれアノードセパレータ５６ａ及びカソードセパレータ６６ｃの−Ｚ側の面に形成されている。このため、図６Ｂでは、図示したアノードセパレータ５６ａ及びカソードセパレータ６６ｃの背面側にアノード流路溝５７ａ及びカソード流路溝６７ｃが形成されているため、アノード流路溝５７ａ及びカソード流路溝６７ｃを点線で示している。また、図６Ｂでは、本来正面側に冷媒流路溝５８ａ及び６８ｃが見えるが、アノード流路溝５７ａ及びカソード流路溝６７ｃの理解を容易にするために、図示を省略してある。
【００６３】
アノード流路溝５７ａの入口５７ａｉは、縁５６ａ１の縁５６ａ４よりも縁５６ａ３に近い位置に開口するように形成されている。アノード流路溝５７ａの出口５７ａｏは、縁５６ａ２の縁５６ａ３よりも縁５６ａ４に近い位置に開口するように設けられている。複数の入口５７ａｉは、図４に示した供給口１２２に包囲され、複数の出口５７ａｏは案内入口２４１に包囲される位置に形成されている。アノード流路溝５７ａは、入口５７ａｉから−Ｘ方向に延び、縁５６ａ２付近で旋回して＋Ｘ方向に延び、縁５６ａ１付近で旋回して縁５６ａ２にまで−Ｘ方向に延びた、所謂サーペンタイン形状である。
【００６４】
カソード流路溝６７ｃも、アノード流路溝５７ａと同様のサーペンタイン形状である。カソード流路溝６７ｃの入口６７ｃｉ及び出口６７ｃｏは、それぞれ縁６６ｃ１及び６６ｃ２に形成されている。複数の入口６７ｃｉ及び複数の出口６７ｃｏは、それぞれ図４に示した案内出口１４２及び排出口１６１に包囲される。以上のように、アノードセパレータ５６ａ及びカソードセパレータ６６ｃは、形状及び大きさが同じである。このように部品が共通化されており、製造コストの増大が抑制されている。
【００６５】
［カソードセパレータ５６ｃ及びアノードセパレータ６６ａの詳細な構成］
図７Ａは、−Ｚ方向からカソードセパレータ５６ｃ及びアノードセパレータ６６ａを見た場合でのカソード流路溝５７ｃ及びアノード流路溝６７ａを示した図である。カソードセパレータ５６ｃは、それぞれ図２に示した側面５１１〜５１４に対応した縁５６ｃ１〜５６ｃ４を含む。同様に、アノードセパレータ６６ａは、それぞれ図２に示した側面６１１〜６１４に対応した縁６６ａ１〜６６ａ４を含む。
【００６６】
カソードセパレータ５６ｃ及びアノードセパレータ６６ａのそれぞれの＋Ｚ方向側の面に、複数のカソード流路溝５７ｃ及びアノード流路溝６７ａが形成されている。カソード流路溝５７ｃ及びアノード流路溝６７ａもサーペンタイン形状である。カソード流路溝５７ｃの入口５７ｃｉ及び出口５７ｃｏは、それぞれ縁５６ｃ２及び５６ｃ１に開口するように形成されている。アノード流路溝６７ａの入口６７ａｉ及び出口６７ａｏは、それぞれ縁６６ａ２及び６６ａ１に開口するように形成される。複数の入口５７ｃｉ及び複数の出口５７ｃｏは、それぞれ図４に示した供給口２２２及び案内入口１４１に包囲される。複数の入口６７ａｉ及び出口６７ａｏは、それぞれ図４に示した案内出口２４２及び排出口１６１に包囲される。
【００６７】
図７Ｂは、−Ｚ方向からカソードセパレータ５６ｃ及びアノードセパレータ６６ａを見た場合での冷媒流路溝５８ｃ及び６８ａを示した図である。図７Ｂでは、本来正面側にカソード流路溝５７ｃ及びアノード流路溝６７ａが見えるが、冷媒流路溝５８ｃ及び６８ａの理解を容易にするために、カソード流路溝５７ｃ及びアノード流路溝６７ａの図示を省略してある。
【００６８】
冷媒流路溝５８ｃの入口５８ｃｉ及び出口５８ｃｏは、それぞれ縁５６ｃ３及び５６ｃ４に形成されている。冷媒流路溝６８ａの入口６８ａｉ及び出口６８ａｏは、それぞれ縁６６ａ３及び６６ａ４に形成されている。縁５６ｃ４と縁６６ａ３とが冷媒案内部材８０により接続され、冷媒が電解質膜５３側に漏れることを抑制しつつ、冷媒を冷媒流路溝５８ｃから冷媒流路溝６８ａへと案内している。ここで、冷媒流路溝５８ｃ及び６８ａも直線状に延びているため、冷媒の圧損の増大が抑制されている。また、カソードセパレータ５６ｃ及びアノードセパレータ６６ａは、形状及び大きさが同じであり、製造コストの増大が抑制されている。
【００６９】
図６Ａ及び図７Ｂに示したように、冷媒流路溝５８ａ、５８ｃ、６８ａ、及び６８ｃは、同一形状であり、図６Ｂに示したアノード流路溝５７ａ及びカソード流路溝６７ｃを反転させると、図７Ａに示したカソード流路溝５７ｃ及びアノード流路溝６７ａと同じ形状となる。即ち、アノードセパレータ５６ａ、カソードセパレータ５６ｃ、アノードセパレータ６６ａ、及びカソードセパレータ６６ｃは、形状及び大きさが同じである。従って、より部品が共通化されており、製造コストの増大が抑制されている。
【００７０】
また、図１、図２、図６Ａ、及び図７Ｂに示したように、冷媒は、＋Ｙ方向から積層体５０に供給され、積層体５０及び６０内でも＋Ｙ方向に流れて、燃料電池スタック１を通過する。このため、燃料電池スタック１を通過することによる冷媒の圧損の増大が抑制され、冷媒を燃料電池スタック１に供給するためのポンプは低出力のものであっても対応できる。また、マニホールド３０の供給部３２から全ての冷媒流路溝５８ａ及び５８ｃの入口５８ａｉ及び５８ｃｉに略同時に冷媒が供給されるため、単セル５２毎の温度分布のばらつきが抑制される。このため、積層体５０の発電効率が向上している。
【００７１】
尚、図６Ａ及び図７Ｂに示したように、冷媒流路溝５８ａ、５８ｃ、６８ａ、及び６８ｃは、全て略直線状に延びているがこれに限定されない。例えば、冷媒流路溝５８ａの入口５８ａｉ及び出口５８ａｏがそれぞれ縁５６ａ３及び５６ａ４に形成され、冷媒流路溝５８ａが＋Ｙ方向に沿って延びているのであれば、少なくとも一部が波状であってもよいし、湾曲していてもよいし、＋Ｙ方向に対して部分的に傾斜していてもよい。その他の冷媒流路溝５８ｃ、６８ａ、及び６８ｃについても同様である。
【００７２】
［供給部２２の機能］
図８は、積層体５０の側面５１２の一部を示した図である。図８では、理解を容易にするために、各単セル５２の電解質膜５３、アノード触媒層５４ａ、カソード触媒層５４ｃ、アノード拡散層５５ａ、及びカソード拡散層５５ｃを、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）５２Ｍとして示している。図８には、供給部２２の供給口２２２と案内部２４の案内入口２４１とを点線で示している。上述したように、全ての単セル５２のカソード流路溝５７ｃの入口５７ｃｉは、供給口２２２に包囲されている。換言すれば、全ての入口５７ｃｉの断面積の合計よりも供給口２２２の断面積の方が大きい。このため、各カソード流路溝５７ｃに供給されるカソードガスの圧力を略均等にすることができ、カソード流路溝５７ｃ毎のカソードガスの流量を均等にすることができる。これにより、単セル５２内での発電分布の偏りを抑制でき、積層体５０の発電効率が向上する。
【００７３】
［案内部２４の機能］
また、全ての単セル５２のアノード流路溝５７ａの出口５７ａｏは案内入口２４１に包囲され、全ての出口５７ａｏの断面積の合計よりも、案内部２４の案内入口２４１の断面積の方が大きい。同様に、図８には示していないが、単セル６２の入口６７ａｉの断面積の合計よりも案内出口２４２の断面積の方が大きい。従って、案内部２４は、全ての単セル５２の出口５７ａｏから排出されたアノードガスを合流させて単セル６２の入口６７ａｉに供給する。このため、積層体５０から排出されたアノードガスの圧力をアノード流路溝６７ａ毎で均等にすることができ、アノード流路溝６７ａ毎のアノードガスの流量を均等にすることができ、積層体６０の発電効率が向上する。
【００７４】
ここで、複数の単セル５２のアノード流路溝５７ａの出口５７ａｏから排出されたアノードガスは、案内部２４内で減圧する。全てのアノード流路溝５７ａの容積の合計よりも、案内部２４の容積の方が大きいからである。このため、例えば出口５７ａｏから案内部２４内に排出された液水は、案内部２４内で圧力が低下することにより、案内部２４内で水蒸気となることが促進される。このようにして水蒸気を含むアノードガスを積層体６０に供給することができ、単セル６２の湿潤状態を確保することができる。これにより、積層体６０の発電効率が向上する。
【００７５】
［供給部１２及び案内部１４の機能］
同様に、全ての単セル５２のアノード流路溝５７ａの入口５７ａｉの断面積の合計よりも、供給部１２の供給口１２２の断面積の方が大きい。このため、アノード流路溝５７ａ毎のアノードガスの流量を均等にすることができ、積層体５０の発電効率が向上する。また、全ての単セル５２のカソード流路溝５７ｃの出口５７ｃｏの断面積の合計よりも、案内入口１４１の断面積の方が大きく、全ての単セル６２のカソード流路溝６７ｃの入口６７ｃｉの断面積の合計よりも案内出口１４２の断面積の方が大きい。このため、案内部１４は、全ての単セル５２のカソード流路溝５７ｃの出口５７ｃｏから排出されたカソードガスを合流させて、全ての単セル６２の入口６７ｃｉに供給する。このため、積層体５０から排出されたカソードガスの圧力を均等にして積層体６０に供給することができ、積層体６０の発電効率が向上する。
【００７６】
カソード流路溝５７ｃの出口５７ｃｏから排出されたカソードガスは、案内部１４内で減圧する。このため、カソード流路溝５７ｃの出口５７ｃｏから排出された液水が、案内部１４内で水蒸気となることが促進され、積層体６０の発電効率が向上する。尚、案内部１４及び２４内には、液水が貯まる可能性があるため、例えば案内部１４及び２４から液水を排出するための排出弁等を設けてもよい。
【００７７】
上記実施例では、単セル５２の積層方向と単セル６２の積層方向とが同じＺ方向であるが、完全に一致している必要はなく、例えば製造上で生じる寸法誤差等を考慮して、単セル５２の積層方向に沿って単セル６２も積層されていればよい。上記実施例では、単セル５２及び６２は形状及び大きさが同じであるが、これに限定されない。上記実施例では電解質膜５３が単セル５２及び６２で共用されているが、これに限定されず、個別に分離された電解質膜を用いてもよい。また、単セル５２の枚数と単セル６２の枚数とは同じであるが、これに限定されない。例えば、単セル５２の枚数が単セル６２の枚数よりも多く、積層体５０の方が積層体６０よりも積層方向で高い場合、このような高さの相違を吸収するように、例えば積層体６０に接続されるターミナルプレート９３を積層体５０に接続されるターミナルプレート９１よりも厚くしてもよい。上記実施例では、マニホールド１０、２０、及び３０がＹ方向に沿って延びており、これにより燃料電池スタック１がＸ方向で小型化されているが、これに限定されない。例えば、マニホールド１０及び２０の供給部１２及び２２や排出部１６及び２６の少なくとも一つがＸ方向に沿うように延びていてもよい。この場合であっても、燃料電池スタック１はＺ方向に小型化できるからである。アノードガス、カソードガス、及び冷媒の少なくとも一つの流れる方向を、逆にしてもよい。
【００７８】
［第１変形例］
次に、複数の変形例について説明する。尚、同一の構成については、同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。図９Ａは、第１変形例でのアノードセパレータ５６ａＡ及びカソードセパレータ６６ｃＡの説明図である。図９Ｂは、第１変形例でのカソードセパレータ５６ｃＡ及びアノードセパレータ６６ａＡの説明図である。図９Ａ及び図９Ｂは、それぞれ、図６Ｂ及び図７Ａに対応している。アノード流路溝５７ａＡの入口５７ａｉ及び出口５７ａｏは双方とも縁５６ａ１に形成され、カソード流路溝６７ｃＡの入口６７ｃｉ及び出口６７ｃｏは双方とも縁６６ｃ２に形成されている。カソード流路溝５７ｃＡの入口５７ｃｉ及び出口５７ｃｏは双方とも縁５６ｃ２に形成され、アノード流路溝６７ａＡの入口６７ａｉ及び出口６７ａｏの双方とも縁６６ａ１に形成されている。
【００７９】
従って、第１変形例では上述した実施例とは異なり、アノードガスは供給部１２からアノード流路溝５７ａＡを経由して案内部１４に流れ、案内部１４からアノード流路溝６７ａＡを経由して排出部１６に流れる。カソードガスは供給部２２からカソード流路溝５７ｃＡを経由して案内部２４に流れ、案内部２４からカソード流路溝６７ｃＡを経由して排出部２６に流れる。このような構成によっても、複数のアノード流路溝５７ａＡから排出されたアノードガスを案内部１４で合流させて、複数のアノード流路溝６７ａＡに均等に供給できる。また、案内部１４内でアノード流路溝５７ａＡから排出されたアノードガスを減圧することにより、アノード流路溝５７ａＡから案内部１４に排出された液水の気化を促進でき、湿潤状態のよいアノードガスをアノード流路溝６７ａＡに供給できる。同様に、複数のカソード流路溝５７ｃＡから排出されたカソードガスを案内部２４で合流させて複数のカソード流路溝６７ｃＡに均等に供給できる。更に、案内部２４内でカソード流路溝５７ｃＡから排出されたカソードガスを減圧することにより、カソード流路溝５７ｃＡから案内部２４に排出された液水の気化を促進でき、湿潤状態のよいカソードガスをカソード流路溝６７ｃＡに供給できる。
【００８０】
このように、反応ガスの流路溝の形状が異なるセパレータを採用することにより、アノードガス及びカソードガスが流れる経路を容易に変更できる。また、アノードガスが、上述した供給部１２、積層体５０、案内部１４、積層体６０、排出部２６の順に流れ、カソードガスが供給部２２、積層体５０、案内部２４、積層体６０、排出部１６の順に流れるように、反応ガスの流路溝が形成されたセパレータを採用してもよい。また、アノードガスが、供給部１２、積層体５０、案内部２４、積層体６０、排出部２６の順に流れ、カソードガスが、供給部２２、積層体５０、案内部１４、積層体６０、排出部１６の順に流れるようにしてもよい。更に、上述した例において、アノードガス、カソードガス、及び冷媒の少なくとも一つの流れる方向を逆にしてもよい。
【００８１】
［第２変形例］
図１０は、第２変形例の燃料電池スタック１Ａの外観斜視図である。燃料電池スタック１Ａでは、上述した燃料電池スタック１よりもＹ方向に長く形成されている。また、マニホールド１０Ａは、案内部１４と排出部１６との間に案内部１４Ａが形成されている。マニホールド２０Ａは、案内部２４と排出部２６との間に案内部２４Ａが形成されている。案内部１４Ａ及び２４Ａは、それぞれ案内部１４及び２４と形状及び大きさが同じである。燃料電池スタック１Ａでは、後述するが、Ｙ方向に積層体５０、６０、及び７０が並設されている。マニホールド３０の排出部３６は、積層体７０に接続され、積層体６０は、積層体５０及び７０を介して供給部３２及び排出部３６によりＹ方向に挟持される。
【００８２】
アノードガスは、供給部１２、積層体５０、案内部２４、積層体６０、案内部１４Ａ、後述する積層体７０、及び排出部２６の順に流れる。カソードガスは、供給部２２、積層体５０、案内部１４、積層体６０、案内部２４Ａ、積層体７０、及び排出部１６の順に流れる。冷媒は、供給部３２、積層体５０、６０、及び７０、排出部３６の順に流れる。案内部２４及び２４Ａの間にも伝熱フィン２３Ａが設けられており、図１０には示されていないが案内部１４及び１４Ａの間にも同様の伝熱フィンが設けられている。
【００８３】
このように、第２変形例の燃料電池スタック１Ａにおいても、マニホールド１０Ａ及び２０ＡはＹ方向に沿って延びているため、上述した本実施例の燃料電池スタック１と同様に、Ｚ方向及びＸ方向に小型化されている。
【００８４】
図１１は、第２変形例の燃料電池スタック１Ａの積層体５０、６０、及び７０の断面図である。第２変形例では、積層体５０及び６０に加えて、積層体６０に対して＋Ｙ方向に併設された積層体７０が設けられている。積層体７０は、積層された複数の単セル７２から構成される。単セル７２は、電解質膜５３Ａ、アノード触媒層７４ａ、アノード拡散層７５ａ、アノードセパレータ７６ａ、カソード触媒層７４ｃ、カソード拡散層７５ｃ、及びカソードセパレータ７６ｃを含む。第２変形例では、単セル５２、６２、及び７２において電解質膜５３Ａが共用されている。電解質膜５３Ａの形状は、単セル５２、６２、及び７２の各Ｙ方向の長さと２つの冷媒案内部材８０の各Ｙ方向の長さの合計と略同じである長手方向の長さを有し、単セル５２、６２、及び７２の各Ｘ方向の長さと略同じ短手方向の長さとを有した、略長方形状である。積層体５０、６０、及び７０をＺ方向から挟持するエンドプレート９７１及び９８１や、インシュレータ９５１及び９６１のそれぞれも同様である。尚、インシュレータ９５１は、ターミナルプレート９１及び中継プレート９３１とエンドプレート９７１の間に配置されている。インシュレータ９６１は、中継プレート９２及びターミナルプレート９２１とエンドプレート９８１との間に配置されている。
【００８５】
単セル７２のアノード触媒層７４ａ、アノード拡散層７５ａ、アノードセパレータ７６ａ、カソード触媒層７４ｃ、カソード拡散層７５ｃ、及びカソードセパレータ７６ｃは、それぞれ単セル６２のカソード触媒層６４ｃ、カソード拡散層６５ｃ、カソードセパレータ６６ｃ、アノード触媒層６４ａ、アノード拡散層６５ａ、及びアノードセパレータ６６ａとＹ方向で隣接している。また、Ｙ方向で隣接したアノードセパレータ７６ａ及びカソードセパレータ６６ｃは、冷媒案内部材８０により接続され、同様にＹ方向で隣接したカソードセパレータ７６ｃ及びアノードセパレータ６６ａも冷媒案内部材８０により接続されている。
【００８６】
また、積層体６０の＋Ｚ方向側の端部に配置された単セル６２のカソードセパレータ６６ｃと、積層体７０の＋Ｚ方向側の端部に配置された単セル７２のアノードセパレータ７６ａとは、中継プレート９３１に導通接続されている。中継プレート９３１は、ターミナルプレート９１からは離間している。また、積層体７０の−Ｚ方向側の端部に配置された単セル７２のカソードセパレータ７６ｃは、ターミナルプレート９２１に導通接続されている。ターミナルプレート９２１は、中継プレート９２からは離間している。
【００８７】
複数の単セル５２は、ターミナルプレート９１と中継プレート９２との間で直列接続され、複数の単セル６２は中継プレート９２と中継プレート９３１との間で直列接続され、複数の単セル７２は、中継プレート９３１とターミナルプレート９２１との間で直列接続される。このため、単セル５２、６２、及び７２の合計数が確保されており、積層体５０、６０、及び７０の合計の出力電圧が確保されている。このように、燃料電池スタック１Ａにおいても、Ｚ方向で小型化しつつ出力を確保することができる。また、単セル７２の電解質膜５３Ａも、単セル５２及び６２とで共用されており、製造コストの増大も抑制される。
【００８８】
上記第２変形例においても、カソードガス、アノードガス、及び冷媒の少なくとも一つが上述した場合とは逆方向に流れてもよい。上記第２変形例では、単セル５２、６２、及び７２は形状及び大きさが同じであるが、これに限定されない。上記第２変形例では、電解質膜５３Ａが単セル５２、６２、及び７２で共用されているが、これに限定されず、個別に分離された電解質膜を用いてもよい。例えば、隣接する単セル５２及び６２で電解質膜が共用されており、単セル７２の電解質膜は単セル５２及び６２とは共用されていなくてもよいし、隣接する単セル６２及び７２で電解質膜が共用され、単セル５２の電解質膜は単セル６２及び７２とは共用されていなくてもよい。また、単セル５２、６２、及び７２の枚数は同じであるが、これに限定されない。例えば、単セル５２の枚数と単セル６２とが同じであり、単セル７２の枚数が単セル５２及び６２の各枚数よりも多く、積層体７０の方が積層体５０及び６０よりも積層方向で高い場合、このような高さの相違を吸収するように、例えば積層体５０及び６０に接続される中継プレート９２を積層体７０に接続されるターミナルプレート９２１よりも厚くしてもよい。
【００８９】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００９０】
１  燃料電池スタック
１０、２０  マニホールド（外部ガスマニホールド）
１２、２２  供給部
１４、２４  案内部
１６、２６  排出部
１３、１５、２３、２５  伝熱フィン（伝熱部）
３０  マニホールド（外部冷媒マニホールド）
５０、６０  積層体
５２、６２  単セル
５３  電解質膜
５６ａ、６６ａ  アノードセパレータ
５６ｃ、６６ｃ  カソードセパレータ
５７ａ、６７ａ  アノード流路溝
５７ｃ、６７ｃ  カソード流路溝
５８ａ、５８ｃ、６８ａ、６８ｃ  冷媒流路溝
８０  冷媒案内部材
９１、９３  ターミナルプレート
９２  中継プレート
９７、９８  エンドプレート
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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