(57)【要約】【課題】燃料ガスをスタック中央から積層方向の前後に分配させた場合に、分配不良が生じ、窒素濃縮に起因する異常電位によって電極触媒が劣化する。【解決手段】燃料電池スタックは、単セルを複数積層した発電積層体４０、６０と；各単セルを発電積層体の積層方向に貫通して延び、各単セルに燃料ガスを供給するための燃料ガスマニホールドと；各単セルを積層方向に貫通して延び、各単セルに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガスマニホールドと；各単セルを積層方向に貫通して延び、各単セルに冷却媒体を供給するための冷却媒体マニホールドと；発電積層体の積層方向の内側の予め定められた位置に介装され、当該燃料電池スタックを収納するケースを内側から支える支柱プレート５０と；を備える。酸化剤ガスおよび冷却媒体は、支柱プレートを介して積層方向に分流され；燃料ガスは、発電積層体の端部からひと筋に供給される構成である。【選択図】図１
2014120321.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックであって、
燃料電池を構成する単セルを複数積層した発電積層体と、
前記各単セルを前記発電積層体の積層方向に貫通して延び、各単セルに燃料ガスを供給するための燃料ガスマニホールドと、
前記各単セルを前記積層方向に貫通して延び、各単セルに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガスマニホールドと、
前記各単セルを前記積層方向に貫通して延び、各単セルに冷却媒体を供給するための冷却媒体マニホールドと、
前記発電積層体の積層方向の内側の予め定められた位置に介装され、当該燃料電池スタックを収納するケースを内側から支える支柱プレートと、
前記燃料ガスマニホールドの一方端に接続され、燃料ガスを前記燃料ガスマニホールドに送る燃料ガス供給通路と、
酸化剤ガスを前記支柱プレートに送る酸化剤ガス供給通路と、
冷却媒体を前記支柱プレートに送る冷却媒体供給通路と、
を備え、
前記支柱プレートは、
前記燃料ガスマニホールドをひと筋に連通させるための燃料ガス内部通路と、
前記酸化剤ガス供給通路によって送られてきた酸化剤ガスを、前記酸化剤ガスマニホールドの中途から前記積層方向の一方側および他方側に向かって分配する酸化剤ガス内部通路と、
前記冷却媒体供給通路によって送られてきた冷却媒体を、前記酸化剤ガスマニホールドの中途から前記積層方向の一方側および他方側に向かって分配する冷却媒体内部通路と
を備える燃料電池スタック。
【請求項２】
前記支柱プレートが設けられる前記予め定められた位置は、前記発電積層体の積層方向の中央である、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池スタックであって、
前記支柱プレートは、平板形状であり、
前記支柱プレートの側面に、前記酸化剤ガス供給通路を接続するための酸化剤ガス流入口と、前記冷却媒体供給通路を接続するための冷却媒体流入口とが設けられた、燃料電池スタック。
【請求項４】
燃料電池スタックであって、
燃料電池を構成する単セルを複数積層した発電積層体と、
前記各単セルを前記発電積層体の積層方向に貫通して延び、各単セルに燃料ガスを供給するための燃料ガスマニホールドと、
前記各単セルを前記積層方向に貫通して延び、各単セルに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガスマニホールドと、
前記各単セルを前記積層方向に貫通して延び、各単セルに冷却媒体を供給するための冷却媒体マニホールドと、
前記発電積層体の積層方向の内側の予め定められた位置に介装され、当該燃料電池スタックを収納するケースを内側から支える支柱プレートと、
を備え、
前記酸化剤ガスおよび冷却媒体は、前記支柱プレートを介して前記積層方向に分流され、
前記燃料ガスは、前記発電積層体の端部からひと筋に供給される構成である、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、燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタックは、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて起電力を発生する単セルを複数積層した構成を有する。また、各単セルには、冷却媒体が供給される。燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却媒体は、各単セルを燃料電池スタックの積層方向に貫通して延びる個別のマニホールドによって各単セルに分配される。従来、各マニホールドを含めた流路の構造としては、種々のものが提案されている。特許文献１には、全ての流体をセルスタックの中央付近まで通流させる通流路と、前記通流路に連接され、その通流路から導入した流体をセルスタックの積層方向の前方および後方に分配して各セルに供給する分配通路と、を有する構成が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−７１９５７号公報
【特許文献２】特開２００２−２６０６９５号公報
【特許文献３】特開２００４−３０３４７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載された技術では、燃料ガスをスタック中央から積層方向の前後に分配させた場合に、分配不良が生じ、窒素濃縮に起因する異常電位によって電極触媒が劣化する課題があった。分配不良が生じるのは、燃料ガスの密度が低いこと、燃料ガス中に生成水が含まれてくることによって、出口から燃料ガスが逆流するためである。
【０００５】
また、酸化剤ガスおよび冷却媒体は圧損が大きいので流量を十分に確保しようとすると、マニホールドの断面積が増加する課題があった。また、セルスタックまでの燃料ガス供給通路の短縮化という課題があった。そのほか、燃料電池としての発電効率の向上や、小型化、低コスト化、省資源化等が望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００７】
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池スタックが提供される。この燃料電池スタックは、燃料電池を構成する単セルを複数積層した発電積層体と；前記各単セルを前記発電積層体の積層方向に貫通して延び、各単セルに燃料ガスを供給するための燃料ガスマニホールドと；前記各単セルを前記積層方向に貫通して延び、各単セルに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガスマニホールドと；前記各単セルを前記積層方向に貫通して延び、各単セルに冷却媒体を供給するための冷却媒体マニホールドと；前記発電積層体の積層方向の内側の予め定められた位置に介装され、当該燃料電池スタックを収納するケースを内側から支える支柱プレートと；前記燃料ガスマニホールドの一方端に接続され、燃料ガスを前記燃料ガスマニホールドに送る燃料ガス供給通路と；酸化剤ガスを前記支柱プレートに送る酸化剤ガス供給通路と；冷却媒体を前記支柱プレートに送る冷却媒体供給通路と；を備える。前記支柱プレートは、前記燃料ガスマニホールドをひと筋に連通させるための燃料ガス内部通路と；前記酸化剤ガス供給通路によって送られてきた酸化剤ガスを、前記酸化剤ガスマニホールドの中途から前記積層方向の一方側および他方側に向かって分配する酸化剤ガス内部通路と；前記冷却媒体供給通路によって送られてきた冷却媒体を、前記酸化剤ガスマニホールドの中途から前記積層方向の一方側および他方側に向かって分配する冷却媒体内部通路と；を備える。
【０００８】
この形態の燃料電池スタックによれば、（ｉ）支柱プレートによってケースを内側から支えることで、ケースの側面（詳しくは、燃料電池スタックの積層方向に対して垂直な面を除く面）によって受ける衝撃に対する発電積層体の積層方向端部でのせん断応力を低減させることができる。（ii）酸化剤ガスおよび冷却媒体は、密度が高いために圧損が大きいことから、従来、マニホールドの断面積を大きくする必要があるが、この形態の燃料電池スタックによれば、支柱プレートに備えられる酸化剤ガス内部通路および冷却媒体内部通路によって、酸化剤ガスおよび冷却媒体は、マニホールドの中途、すなわち、発電積層体の積層方向の中途から積層方向の一方側および他方側に向かって分配されることから、マニホールドの断面積を縮小化することができる。（iii）支柱プレートに備えられる燃料ガス内部通路によって、燃料ガスマニホールドは発電積層体内でひと筋に連通されることから、燃料ガスの分配不良による電極劣化を防止することができる。
【０００９】
（２）前記形態の燃料電池スタックにおいて、前記支柱プレートが設けられる前記予め定められた位置は、前記発電積層体の積層方向の中央である構成としてもよい。
この構成によれば、１本の支柱プレートによって、積層方向端部でのせん断応力を半減することができる。
【００１０】
（３）前記形態の燃料電池スタックにおいて、前記支柱プレートは、平板形状であり；前記支柱プレートの側面に、前記酸化剤ガス供給通路を接続するための酸化剤ガス流入口と、前記冷却媒体供給通路を接続するための冷却媒体流入口とが設けられた構成としてもよい。
この構成によれば、酸化剤ガス供給通路および冷却媒体供給通路の支柱プレートへの接続が容易となる。
【００１１】
（４）本発明の他の形態によれば、次の燃料電池スタックが提供される。この燃料電池スタックは、燃料電池を構成する単セルを複数積層した発電積層体と；前記各単セルを前記発電積層体の積層方向に貫通して延び、各単セルに燃料ガスを供給するための燃料ガスマニホールドと；前記各単セルを前記積層方向に貫通して延び、各単セルに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガスマニホールドと；前記各単セルを前記積層方向に貫通して延び、各単セルに冷却媒体を供給するための冷却媒体マニホールドと；前記発電積層体の積層方向の内側の予め定められた位置に介装され、当該燃料電池スタックを収納するケースを内側から支える支柱プレートと；を備える。前記酸化剤ガスおよび冷却媒体は、前記支柱プレートを介して前記積層方向に分流され；前記燃料ガスは、前記発電積層体の端部からひと筋に供給される構成である。
【００１２】
この形態の燃料電池スタックによれば、先に説明した（１）の形態の燃料電池スタックと同様に、積層方向端部でのせん断応力の低減、燃料ガスマニホールドの断面積の縮小化、および、燃料ガスの分配不良による電極劣化の防止を図ることができる。
【００１３】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能である。例えば、前記形態の燃料電池スタックを備える燃料電池システム、この燃料電池システムを搭載する車両等で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施形態としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池スタックの単セルの平面構成の概略を示す説明図である。
【図３】構造体おける流体の流れを示す説明図である。
【図４】支柱プレートの上側付近および下側付近の縦断面を示す説明図である。
【図５】本実施形態の燃料電池スタックの耐衝撃性を従来形態と比較する説明図である。
【図６】本発明の第２実施形態としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
次に、本発明の実施形態を説明する。
Ａ．第１実施形態：
Ａ１．全体の構成：
図１は、本発明の第１実施形態としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。図示するように、燃料電池システム１は、燃料電池スタック１００と、燃料電池スタック１００を収納する収納容器としてのケース２００と、燃料電池スタック１００に接続される流体供給排出系３００とを備えている。
【００１６】
燃料電池スタック１００は、エンドプレート１０と、絶縁板２０と、集電板３０と、発電積層体４０と、支柱プレート５０と、発電積層体６０と、集電板７０と、絶縁板８０と、エンドプレート９０とが、この順に積層されたスタック構造を有している。すなわち、発電積層体４０と、支柱プレート５０と、発電積層体６０とからなる構造体Ｍを、一対の集電板３０、７０と一対の絶縁板２０、８０とを介して、一対のエンドプレート１０、９０によって挟持する構造となっている。
【００１７】
発電積層体４０、６０は、燃料電池を構成する単セルＣＬを複数積層したものである。発電積層体４０と発電積層体６０とは、同数（この数をＮとする）の単セルＣＬを備える。Ｎは例えば２００である。このため、発電積層体４０と、支柱プレート５０と、発電積層体６０とからなる構造体Ｍは、単セルＣＬを２×Ｎ個、積層した積層体において、その積層方向の中央の位置に支柱プレート５０が介装されたものである。なお、以後の説明では、単セルＣＬの積層方向（図１の左右方向）をＸ方向、図１の上下方向をＹ方向、図１の表裏方向をＺ方向と呼ぶ。また、Ｘ方向において、図１の左側を「前側」、図１の右側を「後側」と呼ぶ。Ｙ方向において、図１の上側を「上側」、図１の下側を「下側」と呼ぶ。
【００１８】
ケース２００は、略直方体の箱形状であり、前側面部２１０と、後側面部２２０と、上面部２３０と、下面部２４０と、右側面部（図示せず）と、左側面部（図示せず）とを備えている。前側面部２１０の内側に、燃料電池スタック１００の前側のエンドプレート１０がボルト（図示せず）等により固定されている。後側面部２２０の内側には、荷重調整ねじ２５０、２６０がねじ止めされており、荷重調整ねじ２５０、２６０の先端が、燃料電池スタック１００の後側のエンドプレート９０にそれぞれ当接している。
【００１９】
支柱プレート５０は、平板形状であり、前側面部５０ａと、後側面部５０ｂと、上側面部５０ｃと、下側面部５０ｄと、右側面部（図示せず）と、左側面部（図示せず）とを備えている。支柱プレート５０は、前側面部５０ａおよび後側面部５０ｂが隣り合う各単セルＣＬに接するように介装されることで、Ｙ方向に立設している。支柱プレート５０の上側面部５０ｃと下側面部５０ｄが、ケース２００の上面部２３０と下面部２４０に当接している。これによって、支柱プレート５０は、ケース２００の上面部２３０と下面部２４０を内側から支える。また、支柱プレート５０の右側面部と左側面部が、ケース２００の右側面部と左側面部に当接している。これによって、支柱プレート５０は、ケース２００の右側面部と左側面部を内側から支える。
【００２０】
流体供給排出系３００の構成を次に説明する。燃料電池スタック１００には、高圧水素を貯蔵した水素タンク（図示せず）から、気液分離器３１０およびポンプ３２０が配設された燃料ガス供給配管３３０を介して、燃料ガスとしての水素が供給される。気液分離器３１０およびポンプ３２０は、ケース２００の前側面部２１０を介して、燃料電池スタック１００の前側のエンドプレート１０に固定されている。この固定は、ボルト（図示せず）等による。燃料電池スタック１００において利用されなかった燃料ガス（アノードオフガス）は、燃料ガス排出配管３４０を介して燃料ガス供給配管３３０に戻され、再循環させる。
【００２１】
燃料電池スタック１００には、また、エアーコンプレッサ３５０および酸化剤ガス供給配管３６０を介して、酸化剤ガスとしての空気が供給される。燃料電池スタック１００において利用されなかった酸化剤ガス（カソードオフガス）は、酸化剤ガス排出配管３７０を介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。なお、酸化剤ガス排出配管３７０に調圧弁３８０が配設されている。
【００２２】
さらに、燃料電池スタック１００には、ウォーターポンプ４１０および冷却媒体供給配管４２０を介して、ラジエータ４３０により冷却された冷却媒体が供給される。燃料電池スタック１００から排出された冷却媒体は、冷却媒体排出配管４４０を介してラジエータ４３０に循環する。冷却媒体は、ここでは水である。なお、冷却媒体は、水に替えて、エチレングリコール等の不凍液、空気などとしてもよい。
【００２３】
Ａ２．単セルの構成：
図２は、燃料電池スタック１００の単セルＣＬの平面構成の概略を示す説明図である。単セルＣＬは、電解質膜の両面に、それぞれ、アノードおよびカソードが配置された膜電極接合体（ＭＥＡとも呼ばれる）を含む発電モジュールを、一対のセパレータによって挟持した構成となっている。図中のハッチの領域がＭＥＡの占める領域である。単セルＣＬは、ＭＥＡの領域の周囲に、燃料電池スタック１００に供給された酸化剤ガスを各単セルＣＬに分配する酸化剤ガス供給マニホールド５１０と、各単セルＣＬにおいて利用されなかった酸化剤ガスを集めて燃料電池スタック１００の外部に排出する酸化剤ガス排出マニホールド５２０と、燃料電池スタック１００に供給された燃料ガスを各単セルＣＬに分配する燃料ガス供給マニホールド５３０と、各単セルＣＬにおいて利用されなかった燃料ガスを集めて燃料電池スタック１００の外部に排出する燃料ガス排出マニホールド５４０と、燃料電池スタック１００に供給された冷却媒体を各単セルＣＬに分配する冷却媒体供給マニホールド５５０と、各単セルＣＬから排出される冷却媒体を集めて燃料電池スタック１００の外部に排出する冷却媒体排出マニホールド５６０とが形成されている。上記各マニホールド５１０〜５６０は、単セルＣＬの積層方向、すなわちＸ方向に延びる形状の流路となる。
【００２４】
図３は、構造体Ｍにおける流体の流れを示す説明図である。発電積層体４０と発電積層体６０との間には、支柱プレート５０が介装されていることから、上記各マニホールド５１０〜５６０は、Ｘ方向に延びる途中で支柱プレート５０が介在することになる。このため、図示するように、支柱プレート５０の前側面部５０ａ（図１）および後側面部５０ｂには、単セルＣＬの平面に設けられた各マニホールド５１０〜５６０と同一の開口形状を有する孔部１１０〜１６０がそれぞれ設けられている。各孔部１１０〜１６０は、支柱プレート５０の厚さ方向、すなわちＸ方向に延びる形状の流路となる。各孔部１１０〜１６０によって、発電積層体４０に備えられる各マニホールド５１０〜５６０と、発電積層体６０に備えられる各マニホールド５１０〜５６０とがそれぞれ、連通される。
【００２５】
なお、前側面部５０ａおよび後側面部５０ｂにおける、各孔部１１０〜１６０が設けられた外周部には、電気絶縁性のある樹脂剤、もしくは絶縁シートが貼着されている。外周部を除いた中央部（図中のハッチの領域）は、銅、アルミニウムなどの導電性のある部材によって形成されており、前側面部５０ａから後側面部５０ｂまで電流を流すことが可能となっている。
【００２６】
Ａ３．流路の構成：
図１に戻って、上述した燃料電池スタック１００内の各マニホールド５１０〜５６０に対して、流体供給排出系３００に備えられる各配管３３０、３４０、３６０、３７０、４２０、４４０がどのように接続されているかを、次に説明する。
【００２７】
燃料ガス供給配管３３０は、燃料電池スタック１００内の燃料ガス供給マニホールド５３０（図３）の一方側の端部に接続される。詳しくは、エンドプレート１０、絶縁板２０、および集電板３０には貫通部が形成されており、燃料ガス供給配管３３０は、この貫通孔を介して、前側の発電積層体４０に備えられる燃料ガス供給マニホールド５３０の前側の端部に接続される。このために、燃料ガス供給配管３３０によって送られてきた燃料ガスは、前側の発電積層体４０、支柱プレート５０、後側の発電積層体６０の順に送られる（図３参照）。この燃料ガスの流れは、前側の発電積層体４０に備えられる燃料ガス供給マニホールド５３０、支柱プレート５０の孔部１３０、後側の発電積層体６０に備えられる燃料ガス供給マニホールド５３０の順に連なる、直線状のひと筋となる。
【００２８】
燃料ガス排出配管３４０も、燃料電池スタック１００内の燃料ガス排出マニホールド５４０の一方側の端部に接続される。詳しくは、エンドプレート１０、絶縁板２０、および集電板３０には貫通孔が形成されており、燃料ガス排出配管３４０は、この貫通孔を介して、前側の発電積層体４０に備えられる燃料ガス排出マニホールド５４０の前側の端部に接続される。このために、各単セルＣＬにおいて利用されなかった燃料ガスは、燃料ガス排出マニホールド５４０によって集められ、後側の発電積層体６０、支柱プレート５０、前側の発電積層体４０の順に送られ（図３参照）、燃料ガス排出配管３４０から外部に排出される。この燃料ガスの流れは、後側の発電積層体６０に備えられる燃料ガス排出マニホールド５４０、支柱プレート５０の孔部１４０、前側の発電積層体４０に備えられる燃料ガス排出マニホールド５４０の順に連なる、直線状のひと筋となる（図３参照）。
【００２９】
酸化剤ガスおよび冷却媒体の流れは、上記燃料ガスの流れとは相違する。図１に示すように、酸化剤ガス供給配管３６０は、ケース２００の上面部２３０を貫通して支柱プレート５０の酸化剤ガス流入口５１に接続されている。酸化剤ガス排出配管３７０は、ケース２００の下面部２４０を貫通して支柱プレート５０の酸化剤ガス流出口５２に接続されている。
【００３０】
図４は、支柱プレート５０の上側付近および下側付近の縦断面を示す説明図である。酸化剤ガス流入口５１は、支柱プレート５０の上側面部５０ｃに形成されている。酸化剤ガス流入口５１と、支柱プレート５０の厚さ方向に延びる酸化剤ガス供給用の孔部１１０との間は、連通路５３によって連通されている。このために、酸化剤ガスは、破線に示すように、酸化剤ガス流入口５１から連通路５３を進んで、孔部１１０によってＸ方向における前側と後側に分配される。この結果、酸化剤ガス（空気）は、図１および図３に示すように、前側の発電積層体４０に備えられる酸化剤ガス供給マニホールド５１０と、後側の発電積層体６０に備えられる酸化剤ガス供給マニホールド５１０とに分配される。各発電積層体４０、６０の酸化剤ガス供給マニホールド５１０の断面積は、酸化剤ガス流入口５１の断面積の１／２となっている。なお、酸化剤ガス流入口５１、連通路５３、および孔部１１０が、［発明の概要］の欄に記載の「酸化剤ガス内部通路」に対応する。
【００３１】
図４に戻って、酸化剤ガス流出口５２は、支柱プレート５０の下側面部５０ｄに形成されている。酸化剤ガス流出口５２と、支柱プレート５０の厚さ方向に延びる酸化剤ガス排出用の孔部１２０との間は、連通路５４によって連通されている。このために、破線に示すように、孔部１１０におけるＸ方向の前側と後側の双方から送られてきた酸化剤ガスは、連通路５４で集合し、連通路５４を進んで、酸化剤ガス流出口５２から排出される。したがって、各単セルＣＬにおいて利用されなかった酸化剤ガスは、図１および図３に示すように、発電積層体４０の酸化剤ガス排出マニホールド５２０と発電積層体６０の酸化剤ガス排出マニホールド５２０によって集められて、支柱プレート５０を介して、酸化剤ガス排出配管３７０から外部に排出される。各発電積層体４０、６０の酸化剤ガス排出マニホールド５２０の断面積は、酸化剤ガス流出口５２の断面積の１／２となっている。
【００３２】
一方、冷却媒体供給配管４２０は、ケース２００の左側面部（図示せず）を貫通して支柱プレート５０の冷却媒体流入口に接続されている。図３に示すように、冷却媒体流入口５５は、支柱プレート５０の左側面部５０ｅに形成されている。冷却媒体流入口５５から流入した冷却媒体は、酸化剤ガス側と同様に連通路（図示せず）を介して、冷却媒体用の孔部１５０によってＸ方向における前側と後側に分配される。この結果、冷却媒体も、前側の発電積層体４０に備えられる冷却媒体供給マニホールド５５０と、後側の発電積層体６０に備えられる冷却媒体供給マニホールド５５０とに分配される。各発電積層体４０、６０の冷却媒体供給マニホールド５５０の断面積は、冷却媒体流入口５５の断面積の１／２となっている。なお、冷却媒体流入口５５、連通路、および孔部１５０が、［発明の概要］の欄に記載の「冷却媒体内部通路」に対応する。
【００３３】
また、冷却媒体排出配管４４０（図１）は、ケース２００の右側面部（図示せず）を貫通して支柱プレート５０の冷却媒体流出口（図示せず）に接続されている。冷却媒体流出口は、支柱プレート５０の右側面部（図示せず）に形成されている。図３に示すように、孔部１６０におけるＸ方向の前側と後側の双方から送られてきた冷却媒体は、酸化剤ガス側と同様に連通路で集合し、連通路を進んで、冷却媒体流出口から排出される。この結果、各単セルＣＬにおいて利用されなかった冷却媒体は、前側の発電積層体４０に備えられる冷却媒体排出マニホールド５６０と、後側の発電積層体６０に備えられる冷却媒体排出マニホールド５６０によって集められて、支柱プレート５０を介して、冷却媒体排出配管４４０から外部に排出される。各発電積層体４０、６０の冷却媒体排出マニホールド５６０の断面積は、冷却媒体流出口の断面積の１／２となっている。
【００３４】
Ａ４．作用・効果：
図５は、本実施形態の燃料電池スタック１００の耐衝撃性を従来形態と比較する説明図である。図５（ａ）が従来形態の燃料電池スタック９００についてのもので、図５（ｂ）が本実施形態の燃料電池スタック１００についてのものである。図５（ａ）に示すように、従来形態の燃料電池スタック９００は、発電積層体の積層方向の中央に支柱プレートを有していない。この燃料電池スタック９００では、ケース９１０の上面部に入力Ｇの衝撃を受けたとき、入力Ｇに抗する最大せん断応力（反力Ｑ）を、セルスタック（発電積層体）の両端部で、１／２ずつ支える必要があった。これに対して、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、発電積層体の積層方向の中央、すなわち、前側の発電積層体４０と後側の発電積層体６０の間に支柱プレート５０が設けられていることから、支柱プレート５０を加えた４箇所で支えることができるために、各発電積層体４０、６０の両端部にかかる力はＱ／４で済む。したがって、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、衝撃に対する発電積層体の積層方向端部でのせん断応力を半減することができるという効果を奏する。なお、このせん断応力を半減できる効果は、本実施形態では、ケース２００における、発電積層体の積層方向に対して垂直な面である前側面部２１０と後ろ側面部２２０とを除く４面、すなわち、上面部２３０、下面部２４０、右側面部、および左側面部の内の一または複数によって受ける衝撃に対して有効である。
【００３５】
また、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、圧損の高い酸化剤ガスおよび冷却媒体が、支柱プレート５０によって発電積層体の中央から前側と後側に分配されることから、酸化剤ガス供給マニホールド５１０の断面積を酸化剤ガス流入口５１の断面積に対して、酸化剤ガス排出マニホールド５２０の断面積を酸化剤ガス流出口５２の断面積に対して、冷却媒体供給マニホールド５５０の断面積を冷却媒体流入口５５の断面積に対して、冷却媒体排出マニホールド５６０の断面積を冷却媒体流出口の断面積に対して、それぞれ１／２とすることができる。したがって、燃料電池スタック１００を小型化することができるという効果を奏する。
【００３６】
さらに、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、前述したように、燃料ガスの流れは、直線状のひと筋となることから、窒素濃縮に起因する異常電位によって電極触媒が劣化することを防止することができる。すなわち、酸化剤ガスや冷却媒体のように、水素ガスを発電積層体の中央から前側と後側に分配した場合、分配不良が生じ、窒素濃縮に起因する異常電位によって電極触媒が劣化する課題があったが、この課題を解消することができる。また、分配不良を防止することができることから、排水不良も防止することができる。
【００３７】
また、燃料ガスの流れを直線状のひと筋とするために、燃料ガス供給配管３３０は、燃料電池スタック１００内の燃料ガス供給マニホールド５３０の一方側の端部に接続されることになる。このために、気液分離器３１０およびポンプ３２０を前側のエンドプレート１０に固定することが可能となる。ポンプ３２０をエンドプレート１０に固定することで、ｉ）ポンプ３２０と燃料電池スタック１００との間で熱交換を行うことで、氷点下での燃料電池スタック１００の昇温が可能となり、ii）ポンプ３２０の振動が燃料電池スタック１００に伝わることで、排水性を高めることができる。また、燃料ガス供給配管３３０が燃料ガス供給マニホールド５３０の一方側の端部に接続されることで、配管の長さが短くなっていることから、氷点下で配管が凍結し難くすることができる。
【００３８】
Ｂ．第２実施形態：
図６は、本発明の第２実施形態としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。第１実施形態における燃料電池スタック１００は、発電積層体の積層方向の中央に１本の支柱プレート５０を設けた構成であったが、これに替えて、この第２実施形態の燃料電池システムの備える燃料電池スタック７００は、３本の支柱プレート７５０、７５２、７５４を設けた構成とした。各支柱プレート７５０、７５２、７５４の配設位置は、エンドプレート１０とエンドプレート９０の間に配置される発電積層体を積層方向に４等分する３つの位置である。
【００３９】
積層方向の中央に位置する支柱プレート７５２は、内部に通路を備えない、単なる平板であり、ケース２００の上面部２３０と下面部２４０を内側から支えている。積層方向の中央よりも前側に位置する支柱プレート７５０、および、中央よりも後側に位置する支柱プレート７５４は、第１実施形態の支柱プレート５０と同一の構成を有する。すなわち、支柱プレート７５２および支柱プレート７５４は、ケース２００の上面部２３０と下面部２４０を内側から支える機能と、酸化剤ガスと冷却媒体の各内部通路を分岐する機能とを有する。
【００４０】
酸化剤ガス供給配管８１０、酸化剤ガス排出配管８２０、冷却媒体供給配管８３０、および冷却媒体排出配管８４０は、各支柱プレート７５０、７５４に対して、それぞれ分岐して接続される。第２実施形態におけるその他の構成は、第１実施形態における燃料電池スタック１００の構成と同一であるので、同一の構成要素については、図２において、図１と同一の符合を付し、その説明を省略する。
【００４１】
以上のように構成された第２実施形態の燃料電池スタック７００によれば、第１実施形態と同一の作用、効果を奏する。特に、この燃料電池スタック７００によれば、支柱プレートが３本配置されていることから、衝撃に対する発電積層体の積層方向端部でのせん断応力を、第１実施形態の場合のＱ／４よりも小さいＱ／８とすることができる。
【００４２】
Ｃ．変形例：
・変形例１：
前記各実施形態では、支柱プレート５０においてケース２００の上面部２３０と下面部２４０に当接する上側面部５０ｃと下側面部５０ｄに、酸化剤ガス供給配管３６０と酸化剤ガス排出配管３７０を接続し、支柱プレート５０の左側面部５０ｅと右側面部に冷却媒体供給配管４２０と冷却媒体排出配管４４０を接続する構成としたが、これに換えて、支柱プレート５０の上側面部５０ｃと下側面部５０ｄに冷却媒体供給配管４２０と冷却媒体排出配管４４０を接続し、支柱プレート５０の左側面部５０ｅと右側面部に酸化剤ガス供給配管３６０と酸化剤ガス排出配管３７０を接続する構成としてもよい。さらに、これらの接続位置は、これらの位置に限る必要はなく、支柱プレートに酸化剤ガスおよび冷却媒体を送ることができれば、いずれの位置とすることもできる。
【００４３】
・変形例２：
前記第２実施形態では、中央の支柱プレート７５２は内部に通路を備えない平板としたが、これに換えて、中央の支柱プレートも第１実施形態の支柱プレート５０と同様に、ケース２００の上面部２３０と下面部２４０を内側から支える機能と、酸化剤ガスと冷却媒体の各内部通路を分岐する機能とを有する構成としてもよい。また、支柱プレートの数も、第１実施形態における１つ、第２実施形態における３つに限る必要はなく、その他の数とすることもできる。
【００４４】
・変形例３：
前記各実施形態では、支柱プレート５０は、ケース２００の上面部２３０、下面部２４０、右側面部、および左側面部に当接する構成としたが、これに換えて、ケース２００の上面部２３０と下面部２４０だけに当接する構成としてもよいし、ケース２００の右側面部と左側面部だけに当接する構成としてもよい。
【００４５】
・変形例４：
前記各実施形態および各変形例では、燃料電池に固体高分子型燃料電池を用いたが、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物形燃料電池等、種々の燃料電池に本発明を適用してもよい。
【００４６】
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、前述した実施形態および各変形例における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１…燃料電池システム
１０…エンドプレート
２０…絶縁板
３０…集電板
４０…発電積層体
５０…支柱プレート
５０ａ…前側面部
５０ｂ…後側面部
５０ｃ…上側面部
５０ｄ…下側面部
５０ｅ…左側面部
５１…酸化剤ガス流入口
５２…酸化剤ガス流出口
５３…連通路
５４…連通路
５５…冷却媒体流入口
６０…発電積層体
７０…集電板
８０…絶縁板
９０…エンドプレート
１００…燃料電池スタック
１１０〜１６０…孔部
２００…ケース
２１０…前側面部
２２０…後側面部
２３０…上面部
２４０…下面部
３００…流体供給排出系
３１０…気液分離器
３２０…ポンプ
３３０…燃料ガス供給配管
３４０…燃料ガス排出配管
３５０…エアーコンプレッサ
３６０…酸化剤ガス供給配管
３７０…酸化剤ガス排出配管
３８０…調圧弁
４１０…ウォーターポンプ
４２０…冷却媒体供給配管
４３０…ラジエータ
４４０…冷却媒体排出配管
５１０…酸化剤ガス供給マニホールド
５２０…酸化剤ガス排出マニホールド
５３０…燃料ガス供給マニホールド
５４０…燃料ガス排出マニホールド
５５０…冷却媒体供給マニホールド
５６０…冷却媒体排出マニホールド
７００…燃料電池スタック
７５０…支柱プレート
７５２…支柱プレート
７５４…支柱プレート
８１０…酸化剤ガス供給配管
８２０…酸化剤ガス排出配管
８３０…冷却媒体供給配管
８４０…冷却媒体排出配管
Ｍ…構造体
ＣＬ…単セル
【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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