(57)【要約】【課題】ダミーセルを不要にし、コンパクト且つ経済的な構成で、最適な冷却条件を確保することを可能にする。【解決手段】燃料電池スタック１０は、発電ユニット１２を備える。発電ユニット１２の積層方向一端には、第３金属セパレータ２０、第２電解質膜・電極構造体１６ｂ及び第２金属セパレータ１８が、外方に向かって積層された第１端部発電ユニット１２ａが配置される。発電ユニット１２の積層方向他端には、第１金属セパレータ１４、第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２金属セパレータ１８が、外方に向かって積層された第２端部発電ユニット１２ｂが配置される。【選択図】図２
2014157762.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の両側に一対の電極が配設される第１電解質・電極構造体及び第２電解質・電極構造体を有し、第１セパレータ、前記第１電解質・電極構造体、第２セパレータ、前記第２電解質・電極構造体及び第３セパレータの順に積層される複数の発電ユニットを設け、前記第１セパレータと前記第１電解質・電極構造体との間、前記第１電解質・電極構造体と前記第２セパレータとの間、前記第２セパレータと前記第２電解質・電極構造体との間、及び前記第２電解質・電極構造体と前記第３セパレータとの間には、発電面に沿って所定の反応ガスを流す反応ガス流路が形成されるとともに、各発電ユニット間に、冷却媒体を流す冷却媒体流路が形成される燃料電池スタックであって、
前記発電ユニットの積層方向一端を構成する端部セパレータは、前記第２セパレータであるとともに、
前記発電ユニットの積層方向他端を構成する端部セパレータは、前記第２セパレータであることを特徴と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、各端部セパレータには、積層方向外方に向かって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配設されることを特徴とする燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１セパレータ、第１電解質・電極構造体、第２セパレータ、第２電解質・電極構造体及び第３セパレータの順に積層される複数の発電ユニットを設ける燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
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側にアノード電極が、他方側にカソード電極が、それぞれ設けられた電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持している。燃料電池は、通常、複数積層されて燃料電池スタックを構成するとともに、前記燃料電池スタックは、例えば、燃料電池電気自動車に搭載されることにより、車載用燃料電池システムとして使用されている。
【０００３】
燃料電池スタックでは、複数の燃料電池が積層された積層体の積層方向両端に、それぞれターミナルプレート、インシュレータ及びエンドプレートが、順次、積層されている。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、積層体の積層方向の少なくとも一方の端部に、前記積層体とターミナルプレートとの間に位置し、燃料電池と同様の構造を有する、所謂、ダミーセルが配設されている。ダミーセルは、電解質膜の代わりに金属板を用いており、発電による生成水が生成されないため、前記ダミーセル自体が断熱層として機能することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４７２７９７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、第１セパレータ、第１電解質・電極構造体、第２セパレータ、第２電解質・電極構造体及び第３セパレータの順に積層される複数の発電ユニットを備え、各発電ユニット間のみに、冷却媒体を流す冷却媒体流路が形成される間引き冷却型燃料電池スタックが知られている。
【０００６】
この間引き冷却型燃料電池スタックでは、積層方向両端に配置される第１電解質・電極構造体及び第２電解質・電極構造体の冷却条件が、中央側に配置される第１電解質・電極構造体及び第２電解質・電極構造体の冷却条件と異なってしまう。従って、間引き冷却型燃料電池スタックの積層方向両端にも、断熱層として機能する上記のダミーセルを配置させる構成が採用されている。
【０００７】
本発明は、この種の間引き冷却型燃料電池スタックに関するものであり、ダミーセルを不要にし、コンパクト且つ経済的な構成で、最適な冷却条件を確保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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、電解質の両側に一対の電極が配設される第１電解質・電極構造体及び第２電解質・電極構造体を有し、第１セパレータ、前記第１電解質・電極構造体、第２セパレータ、前記第２電解質・電極構造体及び第３セパレータの順に積層される複数の発電ユニットを設け、前記第１セパレータと前記第１電解質・電極構造体との間、前記第１電解質・電極構造体と前記第２セパレータとの間、前記第２セパレータと前記第２電解質・電極構造体との間、及び前記第２電解質・電極構造体と前記第３セパレータとの間には、発電面に沿って所定の反応ガスを流す反応ガス流路が形成されるとともに、各発電ユニット間に、冷却媒体を流す冷却媒体流路が形成される燃料電池スタックに関するものである。
【０００９】
そして、発電ユニットの積層方向一端を構成する端部セパレータは、第２セパレータであるとともに、前記発電ユニットの積層方向他端を構成する端部セパレータは、前記第２セパレータである。
【００１０】
また、この燃料電池スタックでは、各端部セパレータには、積層方向外方に向かって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配設されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、発電ユニットの積層方向一端には、外方に向かって第３セパレータ、第２電解質・電極構造体及び第２セパレータが積層された第１端部発電ユニットが配置されている。発電ユニットの積層方向他端には、外方に向かって第１セパレータ、第１電解質・電極構造体及び第２セパレータが積層された第２端部発電ユニットが配置されている。
【００１２】
このため、第１端部発電ユニットと隣接する発電ユニットとの間に冷却媒体流路が形成されるとともに、前記冷却媒体流路に供給される冷却媒体は、両側に設けられた前記第１端部発電ユニットの第２電解質・電極構造体と前記発電ユニットの第１電解質・電極構造体を冷却している。一方、第２端部発電ユニットと隣接する発電ユニットとの間に冷却媒体流路が形成されるとともに、前記冷却媒体流路に供給される冷却媒体は、両側に設けられた前記第２端部発電ユニットの第１電解質・電極構造体と前記発電ユニットの第２電解質・電極構造体を冷却している。
【００１３】
従って、各冷却媒体流路を流通する冷却媒体は、前記冷却媒体流路を挟んで第１電解質・電極構造体と第２電解質・電極構造体とを冷却することができる。これにより、燃料電池スタックを構成する各発電ユニット、第１端部発電ユニット及び第２端部発電ユニットには、均等な冷却が行われる。このため、ダミーセルを不要にするとともに、コンパクト且つ経済的な構成で、最適な冷却条件を確保することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの一部分解概略斜視図である。
【図２】前記燃料電池スタックの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】前記燃料電池スタックを構成する発電ユニットの要部分解斜視説明図である。
【図４】前記燃料電池スタックの、図３中、ＩＶ−ＩＶ線断面説明図である。
【図５】前記燃料電池スタックの、図３中、Ｖ−Ｖ線断面説明図である。
【図６】前記発電ユニットを構成する第１金属セパレータの正面説明図である。
【図７】前記発電ユニットを構成する第２金属セパレータの一方の面の説明図である。
【図８】前記発電ユニットを構成する第１電解質膜・電極構造体の一方の面の説明図である。
【図９】前記発電ユニットを構成する第２電解質膜・電極構造体の一方の面の説明図である。
【図１０】前記燃料電池スタックの冷却状態を説明する概略断面図である。
【図１１】比較例である燃料電池スタックの冷却状態を説明する概略断面図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの概略断面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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、複数の発電ユニット１２が立位姿勢で水平方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体１３を備える。
【００１６】
積層体１３の積層方向（矢印Ａ方向）一端には、ターミナルプレート１００ａ、インシュレータ（絶縁プレート）１０２ａ及びエンドプレート１０４ａが外方に向かって、順次、配設される。積層体１３の積層方向他端には、ターミナルプレート１００ｂ、インシュレータ（絶縁プレート）１０２ｂ及びエンドプレート１０４ｂが外方に向かって、順次、配設される。
【００１７】
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１０４ａ、１０４ｂ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、あるいは、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る。
【００１８】
図２〜図５に示すように、発電ユニット１２は、第１金属セパレータ１４、第１電解質膜・電極構造体１６ａ、第２金属セパレータ１８、第２電解質膜・電極構造体１６ｂ及び第３金属セパレータ２０を設ける。第１金属セパレータ１４、第１電解質膜・電極構造体１６ａ、第２金属セパレータ１８、第２電解質膜・電極構造体１６ｂ及び第３金属セパレータ２０は、水平方向に沿って積層されるとともに、電極面が重力方向に沿った鉛直姿勢で且つ水平方向に長尺な横長形状を有する。
【００１９】
第１金属セパレータ１４、第２金属セパレータ１８及び第３金属セパレータ２０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横長形状の金属板により構成される。第１金属セパレータ１４、第２金属セパレータ１８及び第３金属セパレータ２０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、金属セパレータに代えて、カーボンセパレータを使用してもよい。
【００２０】
図３に示すように、発電ユニット１２の長辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、具体的には、第１金属セパレータ１４、第２金属セパレータ１８及び第３金属セパレータ２０の長辺方向の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔２２ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔２４ｂが設けられる。
【００２１】
発電ユニット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、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔２４ａ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔２２ｂが設けられる。
【００２２】
発電ユニット１２の短辺方向（矢印Ｃ方向）の両端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ側の一方に、矢印Ａ方向に互いに連通して冷却媒体を供給するための一対の冷却媒体入口連通孔２５ａが設けられる。発電ユニット１２の短辺方向の両端縁部には、燃料ガス入口連通孔２４ａ側の他方に、冷却媒体を排出するための一対の冷却媒体出口連通孔２５ｂが設けられる。
【００２３】
図６に示すように、第１金属セパレータ１４の第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１４ａには、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとに連通する第１酸化剤ガス流路２６が形成される。
【００２４】
第１酸化剤ガス流路２６は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部（又は直線状流路溝部）２６ａを有するとともに、前記第１酸化剤ガス流路２６の入口近傍及び出口近傍には、第１電解質膜・電極構造体１６ａ側に突出するそれぞれ複数の柱状のエンボスを有する入口エンボス部２８ａ及び出口エンボス部２８ｂが設けられる。
【００２５】
入口エンボス部２８ａと酸化剤ガス入口連通孔２２ａとの間には、ブリッジ部を構成する複数本の入口連結溝３０ａが形成される。出口エンボス部２８ｂと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとの間には、ブリッジ部を構成する複数本の出口連結溝３０ｂが形成される。
【００２６】
図３に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ｂには、冷却媒体入口連通孔２５ａと冷却媒体出口連通孔２５ｂとを連通する冷却媒体流路３８が形成される。冷却媒体流路３８は、第１酸化剤ガス流路２６の裏面形状と後述する第２燃料ガス流路５８の裏面形状とが重なり合って形成される。
【００２７】
第２金属セパレータ１８の第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１８ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとを連通する第１燃料ガス流路４０が形成される。第１燃料ガス流路４０は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部（又は直線状流路溝部）４０ａを有する。燃料ガス入口連通孔２４ａの近傍には、複数の供給孔部４２ａが形成されるとともに、燃料ガス出口連通孔２４ｂの近傍には、複数の排出孔部４２ｂが形成される。
【００２８】
図７に示すように、第２金属セパレータ１８の第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面１８ｂには、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂ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、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部（又は直線状流路溝部）５０ａを有する。酸化剤ガス入口連通孔２２ａの近傍には、複数本の入口連結溝５２ａが形成される一方、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂの近傍には、複数本の出口連結溝５２ｂが形成される。
【００２９】
図３に示すように、第３金属セパレータ２０の第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面２０ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂに連通する第２燃料ガス流路５８が形成される。第２燃料ガス流路５８は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部（又は直線状流路溝部）５８ａを有する。
【００３０】
燃料ガス入口連通孔２４ａの近傍には、複数の供給孔部６０ａが形成されるとともに、燃料ガス出口連通孔２４ｂの近傍には、複数の排出孔部６０ｂが形成される。図３及び図４に示すように、供給孔部６０ａは、第２金属セパレータ１８の供給孔部４２ａよりも内側（燃料ガス流路側）に配置される一方、排出孔部６０ｂは、前記第２金属セパレータ１８の排出孔部４２ｂよりも内側（燃料ガス流路側）に配置される。
【００３１】
第３金属セパレータ２０の面２０ｂには、第２燃料ガス流路５８の裏面形状である冷却媒体流路３８の一部が形成される。第３金属セパレータ２０の面２０ｂには、前記第３金属セパレータ２０に隣接する第１金属セパレータ１４の面１４ｂが積層されることにより、冷却媒体流路３８が一体に設けられる。
【００３２】
第１金属セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１金属セパレータ１４の外周端縁部を周回して第１シール部材６８が一体成形される。第２金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、この第２金属セパレータ１８の外周端縁部を周回して第２シール部材７０が一体成形されるとともに、第３金属セパレータ２０の面２０ａ、２０ｂには、この第３金属セパレータ２０の外周端縁部を周回して第３シール部材７２が一体成形される。
【００３３】
第１シール部材６８、第２シール部材７０及び第３シール部材７２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材が用いられる。
【００３４】
図６に示すように、第１シール部材６８は、第１金属セパレータ１４の面１４ａにおいて、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと、第１酸化剤ガス流路２６との外周を連通する第１凸状シール部６８ａを有する。第１シール部材６８は、図３に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ｂにおいて、冷却媒体入口連通孔２５ａ及び冷却媒体出口連通孔２５ｂと冷却媒体流路３８との外周を連通する第２凸状シール部６８ｂを有する。
【００３５】
図３に示すように、第２シール部材７０は、第２金属セパレータ１８の面１８ａにおいて、供給孔部４２ａ及び排出孔部４２ｂと、第１燃料ガス流路４０とを囲繞してこれらを連通させる第１凸状シール部７０ａを有する。
【００３６】
図７に示すように、第２シール部材７０は、面１８ｂにおいて、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと、第２酸化剤ガス流路５０との外周を連通する第２凸状シール部７０ｂを有する。
【００３７】
図３に示すように、第３シール部材７２は、第３金属セパレータ２０の面２０ａにおいて、供給孔部６０ａ及び排出孔部６０ｂと、第２燃料ガス流路５８とを囲繞してこれらを連通する第１凸状シール部７２ａを有する。
【００３８】
第３シール部材７２は、第３金属セパレータ２０の面２０ｂにおいて、冷却媒体入口連通孔２５ａ及び冷却媒体出口連通孔２５ｂと冷却媒体流路３８との外周を連通する第２凸状シール部７２ｂを有する。
【００３９】
図２に示すように、第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１６ｂ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７４と、前記固体高分子電解質膜７４を挟持するカソード電極７６及びアノード電極７８とを備える。カソード電極７６は、アノード電極７８及び固体高分子電解質膜７４の平面寸法よりも小さな平面寸法を有する段差型ＭＥＡを構成している。なお、カソード電極７６、アノード電極７８及び固体高分子電解質膜７４は、同一の平面寸法に設定してもよく、前記アノード電極７８は、前記カソード電極７６及び固体高分子電解質膜７４の平面寸法よりも小さな平面寸法を有していてもよい。
【００４０】
カソード電極７６及びアノード電極７８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が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布され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７４の両面に形成される。
【００４１】
第１電解質膜・電極構造体１６ａは、カソード電極７６の終端部外方に位置して固体高分子電解質膜７４の外周縁部に第１樹脂枠部材８０が、例えば、射出成形等により一体成形される。第２電解質膜・電極構造体１６ｂは、カソード電極７６の終端部外方に位置して固体高分子電解質膜７４の外周縁部に第２樹脂枠部材８２が、例えば、射出成形等により一体成形される。第１樹脂枠部材８０及び第２樹脂枠部材８２を構成する樹脂材としては、例えば、汎用プラスチックの他、エンジニアリングプラスチックやスーパーエンジニアリングプラスチック等が採用される。
【００４２】
図３に示すように、第１樹脂枠部材８０のカソード電極７６側の面には、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと第１酸化剤ガス流路２６の入口側との間に位置して入口バッファ部８４ａが設けられる。酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと第１酸化剤ガス流路２６の出口側との間に位置して、出口バッファ部８４ｂが設けられる。入口バッファ部８４ａ及び出口バッファ部８４ｂは、それぞれ複数のエンボスと複数の直線流路とを有する。以下に説明する他のバッファ部も、同様である。
【００４３】
図８に示すように、第１樹脂枠部材８０のアノード電極７８側の面には、燃料ガス入口連通孔２４ａと第１燃料ガス流路４０との間に位置して入口バッファ部８６ａが設けられるとともに、燃料ガス出口連通孔２４ｂと前記第１燃料ガス流路４０との間に位置して、出口バッファ部８６ｂが設けられる。
【００４４】
図３に示すように、第２電解質膜・電極構造体１６ｂに設けられる第２樹脂枠部材８２は、カソード電極７６側の面に、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと第２酸化剤ガス流路５０との間に位置して入口バッファ部８８ａを設ける。酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと第２酸化剤ガス流路５０との間には、出口バッファ部８８ｂが形成される。
【００４５】
第２樹脂枠部材８２のアノード電極７８側の面には、図９に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａと第２燃料ガス流路５８との間に位置して入口バッファ部９０ａが設けられる。燃料ガス出口連通孔２４ｂと第２燃料ガス流路５８との間に位置して、出口バッファ部９０ｂが設けられる。
【００４６】
発電ユニット１２同士が互いに積層されることにより、一方の発電ユニット１２を構成する第１金属セパレータ１４と、他方の発電ユニット１２を構成する第３金属セパレータ２０との間に、冷却媒体流路３８が形成される。
【００４７】
図１及び図２に示すように、積層体１３の積層方向両端には、それぞれ端部セパレータとして第２金属セパレータ１８が配置される。図２に示すように、発電ユニット１２の積層方向一端には、第３金属セパレータ２０、第２電解質膜・電極構造体１６ｂ及び第２金属セパレータ１８が、外方に向かって積層された第１端部発電ユニット１２ａが配置される。発電ユニット１２の積層方向他端には、第１金属セパレータ１４、第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２金属セパレータ１８が、外方に向かって積層された第２端部発電ユニット１２ｂが配置される。
【００４８】
第１端部発電ユニット１２ａを構成する第２金属セパレータ１８には、積層方向外方に向かって断熱層９８ａ、ターミナルプレート１００ａ、インシュレータ（絶縁プレート）１０２ａ及びエンドプレート１０４ａが配設される。第２端部発電ユニット１２ｂを構成する第２金属セパレータ１８には、積層方向外方に向かって断熱層９８ｂ、ターミナルプレート１００ｂ、インシュレータ（絶縁プレート）１０２ｂ及びエンドプレート１０４ｂが配設される。断熱層９８ａ、９８ｂは、多孔質導電性材料で構成される。断熱層９８ａ、９８ｂは、例えば、多孔質金属又は金属薄板を波状に成形して積層し、あるいは、ハニカム金属を用いることにより、断熱効果を有する。なお、断熱層９８ａのみ、又は、断熱層９８ｂのみを設けてもよい。
【００４９】
図１に示すように、ターミナルプレート１００ａ、１００ｂの略中央には、積層方向外方に延在する端子部１０６ａ、１０６ｂが設けられる。端子部１０６ａ、１０６ｂは、絶縁性筒体１０８に挿入されてエンドプレート１０４ａ、１０４ｂの外部に突出する。インシュレータ１０２ａ、１０２ｂ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。なお、インシュレータ１０２ａ、１０２ｂの内部には、空間を形成して断熱効果を持たせることができる。
【００５０】
インシュレータ１０２ａ、１０２ｂは、中央部に矩形状の凹部１１０ａ、１１０ｂが設けられるとともに、この凹部１１０ａ、１１０ｂの略中央に孔部１１２ａ、１１２ｂが形成される。凹部１１０ａ、１１０ｂには、ターミナルプレート１００ａ、１００ｂが収容され、前記ターミナルプレート１００ａ、１００ｂの端子部１０６ａ、１０６ｂが絶縁性筒体１０８を介装して孔部１１２ａ、１１２ｂに挿入される。
【００５１】
エンドプレート１０４ａ、１０４ｂの略中央部には、孔部１１２ａ、１１２ｂと同軸的に孔部１１４ａ、１１４ｂが形成される。エンドプレート１０４ａ、１０４ｂには、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ、燃料ガス入口連通孔２４ａ、２つの冷却媒体入口連通孔２５ａ、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂ、燃料ガス出口連通孔２４ｂ及び２つの冷却媒体出口連通孔２５ｂが形成される。ターミナルプレート１００ａ、１００ｂの外周は、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ、燃料ガス入口連通孔２４ａ、冷却媒体入口連通孔２５ａ、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂ、燃料ガス出口連通孔２４ｂ及び冷却媒体出口連通孔２５ｂの内側に配置される。
【００５２】
インシュレータ１０２ａの第２金属セパレータ１８に接触する面側の外周部には、前記第２金属セパレータ１８の面１８ａ側の凹凸形状に対応して、例えば、凸形状部１２０ａが設けられる。インシュレータ１０２ｂの第２金属セパレータ１８に接触する面側の外周部には、前記第２金属セパレータ１８の面１８ｂ側の凹凸形状に対応して、例えば、凸形状部１２０ｂが設けられる。
【００５３】
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。
【００５４】
先ず、図１に示すように、エンドプレート１０４ａを介して、酸化剤ガス入口連通孔２２ａには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔２４ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、一対の冷却媒体入口連通孔２５ａ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。
【００５５】
このため、酸化剤ガスは、図３及び図５に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２２ａから入口バッファ部８４ａを通って第１金属セパレータ１４の第１酸化剤ガス流路２６に供給される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２２ａから入口バッファ部８８ａを通って第２金属セパレータ１８の第２酸化剤ガス流路５０に導入される。
【００５６】
酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス流路２６に沿って矢印Ｂ方向（水平方向）に移動し、第１電解質膜・電極構造体１６ａのカソード電極７６に供給されるとともに、第２酸化剤ガス流路５０に沿って矢印Ｂ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのカソード電極７６に供給される。
【００５７】
一方、燃料ガスは、図３及び図４に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａから供給孔部４２ａを通って入口バッファ部８６ａに供給される。燃料ガスは、入口バッファ部８６ａから第２金属セパレータ１８の第１燃料ガス流路４０に供給される。燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２４ａから供給孔部６０ａを通って入口バッファ部９０ａに供給される。燃料ガスは、入口バッファ部９０ａから第３金属セパレータ２０の第２燃料ガス流路５８に供給される。
【００５８】
燃料ガスは、第１燃料ガス流路４０に沿って矢印Ｂ方向に移動し、第１電解質膜・電極構造体１６ａのアノード電極７８に供給されるとともに、第２燃料ガス流路５８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのアノード電極７８に供給される。
【００５９】
従って、第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１６ｂでは、各カソード電極７６に供給される酸化剤ガスと、各アノード電極７８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。
【００６０】
次いで、第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１６ｂの各カソード電極７６に供給されて消費された酸化剤ガスは、出口バッファ部８４ｂ、８８ｂから酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに排出される（図３参照）。
【００６１】
第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１６ｂのアノード電極７８に供給されて消費された燃料ガスは、出口バッファ部８６ｂ、９０ｂから排出孔部４２ｂ、６０ｂを通って燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出される。
【００６２】
一方、左右一対の冷却媒体入口連通孔２５ａに供給された冷却媒体は、図３に示すように、各冷却媒体入口連通孔２５ａから冷却媒体流路３８に供給される。冷却媒体は、一旦矢印Ｃ方向内方に沿って流動した後、矢印Ｂ方向に移動して第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１６ｂを冷却する。この冷却媒体は、矢印Ｃ方向外方に移動した後、一対の冷却媒体出口連通孔２５ｂに排出される。
【００６３】
この場合、第１の実施形態では、図２に示すように、発電ユニット１２の積層方向一端には、第３金属セパレータ２０、第２電解質膜・電極構造体１６ｂ及び第２金属セパレータ１８が、外方に向かって積層された第１端部発電ユニット１２ａが配置されている。発電ユニット１２の積層方向他端には、第１金属セパレータ１４、第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２金属セパレータ１８が、外方に向かって積層された第２端部発電ユニット１２ｂが配置されている。
【００６４】
このため、図１０に示すように、第１端部発電ユニット１２ａと隣接する発電ユニット１２との間に、冷却媒体流路３８が形成されている。この冷却媒体流路３８に供給される冷却媒体は、第１端部発電ユニット１２ａの第２電解質膜・電極構造体１６ｂと発電ユニット１２の第１電解質膜・電極構造体１６ａとを冷却している。
【００６５】
一方、第２端部発電ユニット１２ｂと隣接する発電ユニット１２との間には、冷却媒体流路３８が形成されている。この冷却媒体流路３８に供給される冷却媒体は、第２端部発電ユニット１２ｂの第１電解質膜・電極構造体１６ａと発電ユニット１２の第２電解質膜・電極構造体１６ｂとを冷却している。
【００６６】
従って、発電ユニット１２、第１端部発電ユニット１２ａ及び第２端部発電ユニット１２ｂでは、各冷却媒体流路３８を流通する冷却媒体は、前記冷却媒体流路３８を挟んで両側に設けられた第１電解質膜・電極構造体１６ａと第２電解質膜・電極構造体１６ｂとを冷却することができる。
【００６７】
また、図１１には、積層体１３の積層方向両端に発電ユニット１２と同一の第１端部発電ユニット１２ａ１及び第２端部発電ユニット１２ｂ１が配置された燃料電池スタック１０ｒｅの概略断面図が示されている。
【００６８】
この燃料電池スタック１０ｒｅでは、第１端部発電ユニット１２ａ１の第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２端部発電ユニット１２ｂ１の第２電解質膜・電極構造体１６ｂが、他の第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び他の第２電解質膜・電極構造体１６ｂに比べて冷却媒体流路３８から離間している。これにより、第１端部発電ユニット１２ａ１及び第２端部発電ユニット１２ｂ１では、発電ユニット１２と冷却条件が異なってしまい、前記発電ユニット１２と均等な冷却を行うことができない。
【００６９】
これに対して、第１の実施形態では、図１０に示すように、燃料電池スタック１０を構成する各発電ユニット１２、第１端部発電ユニット１２ａ及び第２端部発電ユニット１２ｂには、均等な冷却が行われる。このため、ダミーセルを不要にするとともに、コンパクト且つ経済的な構成で、最適な冷却条件を確保することが可能になるという効果が得られる。
【００７０】
図１２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、複数の発電ユニット１３２を積層して構成される。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０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。
【００７１】
発電ユニット１３２は、第１金属セパレータ１３４、第１電解質膜・電極構造体１３６ａ、第２金属セパレータ１３８、第２電解質膜・電極構造体１３６ｂ及び第３金属セパレータ１４０を設ける。
【００７２】
第１電解質膜・電極構造体１３６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１３６ｂを構成する固体高分子電解質膜７４は、カソード電極７６及びアノード電極７８よりも大きな平面寸法に設定される。固体高分子電解質膜７４の外周端縁部には、樹脂製の額縁部（額縁状樹脂枠）１４２が、例えば、射出成形により一体成形される。樹脂材としては、汎用プラスチックの他、エンジニアリングプラスチックやスーパーエンジニアリングプラスチック等が採用される。
【００７３】
額縁部１４２の外周縁部には、図示しないが、燃料ガス入口連通孔、燃料ガス出口連通孔、酸化剤ガス入口連通孔、酸化剤ガス出口連通孔、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔を含む連通孔群が形成される。第１金属セパレータ１３４、第２金属セパレータ１３８及び第３金属セパレータ１４０には、連通孔群が形成されておらず、該連通孔群の内方に配置される小サイズに設定される。
【００７４】
第１電解質膜・電極構造体１３６ａを構成する額縁部１４２には、第１シール部材１４４が一体成形される。第１シール部材１４４は、第１金属セパレータ１３４側の面に、前記第１金属セパレータ１３４の外周縁部を周回して摺接する第１シール部１４４ａを有する。
【００７５】
第１シール部材１４４の第２金属セパレータ１３８側の面には、前記第２金属セパレータ１３８の外周縁部を周回して摺接する第２シール部１４４ｂと、前記第２金属セパレータ１３８の外周部外方に位置し、隣接する第２電解質膜・電極構造体１３６ｂの額縁部１４２に摺接する第３シール部１４４ｃとが設けられる。
【００７６】
第２電解質膜・電極構造体１３６ｂの額縁部１４２には、第２シール部材１４６が一体成形される。この第２シール部材１４６は、第３金属セパレータ１４０側の面に、前記第３金属セパレータ１４０の外周縁部を周回して周接する第１シール部１４６ａと、前記第３金属セパレータ１４０の外周部外方に位置し、隣接する第１電解質膜・電極構造体１３６ａの額縁部１４２の第１シール部材１４４に周接する第２シール部１４６ｂとを有する。
【００７７】
発電ユニット１３２の積層方向一端には、第３金属セパレータ１４０、第２電解質膜・電極構造体１３６ｂ及び第２金属セパレータ１３８が、外方に向かって積層された第１端部発電ユニット１３２ａが配置される。発電ユニット１３２の積層方向他端には、第１金属セパレータ１３４、第１電解質膜・電極構造体１３６ａ及び第２金属セパレータ１３８が、外方に向かって積層された第２端部発電ユニット１３２ｂが配置される。
【００７８】
第１端部発電ユニット１３２ａを構成する第２金属セパレータ１３８には、積層方向外方に向かって断熱層９８ａ、ターミナルプレート１００ａ、インシュレータ１０２ａ及びエンドプレート１０４ａが配設される。第２端部発電ユニット１３２ｂを構成する第２金属セパレータ１３８には、積層方向外方に向かって断熱層９８ｂ、ターミナルプレート１００ｂ、インシュレータ１０２ｂ及びエンドプレート１０４ｂが配設される。
【００７９】
このように構成される第２の実施形態では、発電ユニット１３２、第１端部発電ユニット１３２ａ及び第２端部発電ユニット１３２ｂでは、各冷却媒体流路３８を流通する冷却媒体は、前記冷却媒体流路３８を挟んで第１電解質膜・電極構造体１３６ａと第２電解質膜・電極構造体１３６ｂとを冷却することができる。
【００８０】
従って、燃料電池スタック１３０を構成する各発電ユニット１３２、第１端部発電ユニット１３２ａ及び第２端部発電ユニット１３２ｂには、均等な冷却が行われる。これにより、ダミーセルを不要にするとともに、コンパクト且つ経済的な構成で、最適な冷却条件を確保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。
【符号の説明】
【００８１】
１０、１３０…燃料電池スタック    １２、１３２…発電ユニット
１３…積層体
１４、１８、２０、１３４、１３８、１４０…金属セパレータ
１６ａ、１６ｂ、１３６ａ、１３６ｂ…電解質膜・電極構造体
２２ａ…酸化剤ガス入口連通孔      ２２ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
２４ａ…燃料ガス入口連通孔        ２４ｂ…燃料ガス出口連通孔
２５ａ…冷却媒体入口連通孔        ２５ｂ…冷却媒体出口連通孔
２６、５０…酸化剤ガス流路        ３８…冷却媒体流路
４０、５８…燃料ガス流路
６８、７０、７２、１４４、１４６…シール部材
７４…固体高分子電解質膜          ７６…カソード電極
７８…アノード電極                ８０、８２…樹脂枠部材
９８ａ、９８ｂ…断熱層
１００ａ、１００ｂ…ターミナルプレート
１０２ａ、１０２ｂ…インシュレータ
１０４ａ、１０４ｂ…エンドプレート
１４２…額縁部
【図１】
2014157762.tif 000003
【図２】
2014157762.tif 000004
【図３】
2014157762.tif 000005
【図４】
2014157762.tif 000006
【図５】
2014157762.tif 000007
【図６】
2014157762.tif 000008
【図７】
2014157762.tif 000009
【図８】
2014157762.tif 000010
【図９】
2014157762.tif 000011
【図１０】
2014157762.tif 000012
【図１１】
2014157762.tif 000013
【図１２】
2014157762.tif 000014