(57)【要約】  膜電極接合体、および前記膜電極接合体を挟むセパレータからなる単セルを積層したセル積層体であって、前記積層された単セルに流体を供給または排出するためのマニホールドを有するセル積層体と、前記セル積層体に積層され、かつ前記セル積層体の積層方向に沿った貫通孔を有するエンドプレートと、前記エンドプレートの前記貫通孔に取り外し可能に挿入され、前記エンドプレートを貫通し、かつ前記マニホールドに接続された流体用管体と、を有する燃料電池スタックであって、前記流体用管体の外面のうち、前記貫通孔の内面に対向する面の一部は、前記貫通孔の内面と離間している、燃料電池スタック。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体、および前記膜電極接合体を挟むセパレータからなる単セルを積層したセル積層体であって、前記積層された単セルに流体を供給または排出するためのマニホールドを有するセル積層体と、
前記セル積層体に積層され、かつ前記セル積層体の積層方向に沿った貫通孔を有するエンドプレートと、
前記エンドプレートの前記貫通孔に取り外し可能に挿入され、前記エンドプレートを貫通し、かつ前記マニホールドに接続された流体用管体と、を有する燃料電池スタックであって、
前記流体用管体の外面のうち、前記貫通孔の内面に対向する面の一部は、前記貫通孔の内面と離間している、燃料電池スタック。
【請求項２】
前記流体用管体の外面のうち、前記貫通孔の内面に対向する面は、凹凸形状を有する、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記凸部はリブを含み、
前記リブは、前記流体用管体内を流れる流体の流れる方向に沿う、請求項２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記流体用管体は、冷却媒体を排出するための前記マニホールドに接続されている、請求項１に記載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、固体高分子形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、燃料電池セル（単セル）を積層した構造を有する。単セルは、高分子電解質膜、および高分子電解質膜を挟む一対の触媒電極を有する膜電極接合体（membrane electrode assembly；以下「ＭＥＡ」とも称する）と、膜電極接合体を挟む一対のセパレータと、からなる。【０００３】
高分子電解質膜は、スルホン酸基を有するフッ素樹脂系イオン交換膜や、炭化水素樹脂系イオン交換膜のような高分子イオン交換膜などを有する電解質から構成される。【０００４】
触媒電極は、高分子電解質膜側に位置し、触媒電極内における酸化還元反応を促進させる触媒層と、触媒層の外側に位置し、通気性および導電性を有するガス拡散層とから構成される。さらに、ガス拡散層は、触媒層側に位置し、触媒層との接触性を向上させるカーボンコート層と、外部から供給されるガスを拡散させて、触媒層に供給するためのガス拡散基材層とから構成される。燃料極の触媒層には、例えば白金や白金とルテニウムとの合金などが含まれ、空気極の触媒層には、例えば、白金や白金とコバルトとの合金などが含まれる。【０００５】
セパレータは、燃料極に供給される燃料ガスと空気極に供給される酸化ガスとが混ざらないようにするための導電性部材である。【０００６】
燃料電池スタックはこのような単セルを積層することで、電気的に直列に接続されうる。燃料電池スタックは、さらにセル積層体を挟むエンドプレートを有する（例えば特許文献１参照）。エンドプレートは、燃料電池スタックにガスや冷却媒体を供給したり、燃料電池スタックからガスや冷却媒体を排出するための流体用管体を有する。【０００７】
図１は特許文献１に開示された燃料電池スタック１０の断面図である。図１に示されるように特許文献１に開示された燃料電池スタック１０は、セル積層体１１とセル積層体１１を挟むエンドプレート１３、１５を有する。エンドプレート１３は、流体用管体１７、１９を有する。【０００８】
図１に示されるように特許文献１に開示された燃料電池スタック１０では、エンドプレート１３と流体用管体１７、１９とは、空隙無く接触している。また、流体用管体を熱伝導性の低い材料で作製し、流体用管体を流れる流体の熱がエンドプレートに伝導することを抑制する技術が知られている（例えば特許文献２参照）。【０００９】
このような構成を有する燃料電池スタックのそれぞれの単セルに、燃料ガス（水素を含む）、および酸化ガス（酸素を含む）を供給することで、電気エネルギを継続的に取り出すことができる。以下、単セルに燃料ガスおよび酸化ガスを供給することによって生じる化学反応について説明する。【００１０】
燃料極に供給された水素分子は、燃料極の触媒層によって、水素イオンと電子に分けられる。水素イオンは、加湿された高分子電解質膜を通して空気極側に移動する。一方、電子は、外部回路を通して、酸化ガスが供給される空気極に移動する。このとき、外部回路を通る電子は、電気エネルギとして利用されうる。空気極触媒層では、高分子電解質膜を通して移動してきた水素イオンと、外部回路を通して移動してきた電子と、空気極に供給された酸素とが反応し、水が生成される。また、上述した化学反応により熱が発生する。【００１１】
このように、燃料電池に燃料ガスおよび酸化ガスを供給することで、電気エネルギと熱エネルギとを同時に得ることができる。このため燃料電池スタックは、発電および給湯のための家庭用コージェネレーションシステムとして利用されている（例えば特許文献３参照）。家庭用コージェネレーションシステムでは、発電中に発生した熱を、流体用管体から排出される冷却媒体などを用いて逐次回収する。回収された熱は、さらに貯湯タンクなどに貯蔵され、必要に応じて熱エネルギとして利用される。【００１２】
また、エンドプレートに挟まれた燃料電池スタックと、燃料電池スタックに供給される燃料ガスを製造する燃料処理装置と、エンドプレートと燃料処理装置とを接続するインターコネクト部と、を有する燃料電池システムが知られている（例えば特許文献４参照）。特許文献４に開示された燃料電池システムでは、燃料処理装置と燃料電池スタックとの間の熱移動を最小化するために、インターコネクト部と、エンドプレートとの間に一部ギャップを設けている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００７−２９４３３０号公報
【特許文献２】特開平０９−６３６２３号公報
【特許文献３】特開２００８−２９３９９６号公報
【特許文献４】米国特許出願公開第２００６／０１３４４７０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、従来の燃料電池スタックでは、発電中に発生した熱は、冷却媒体などによって回収される以外に、エンドプレートに伝導することがあった。エンドプレートに伝導した熱は、エンドプレートから外部に放出されることから、熱エネルギとして回収できず、発電中に発生した熱を効率的に回収できなくなるという問題があった。【００１５】
特に、図１に示される燃料電池スタックのように、エンドプレートと流体用管体とが密着している場合、流体用管体からエンドプレートへ熱エネルギが伝導しやすい。また、特許文献２に開示されたように、流体用管体が熱伝導性の低い材料からなる場合であっても、エンドプレートと流体用管体とが密着している以上、流体用管体からエンドプレートへ熱エネルギが伝導してしまう。【００１６】
本発明の目的は、流体用管体からエンドプレートに伝導し、外部へと放出される熱量を減少させて、発電中に発生した熱を効率的に回収することができる燃料電池スタックを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明者は、流体用管体とエンドプレートとを部分的に離間させて空隙を設けることで、熱の放出を抑えることができることを見出し、さらに検討を加え、発明を完成させた。すなわち本発明は、以下に示す燃料電池スタックに関する。
［１］膜電極接合体、および前記膜電極接合体を挟むセパレータからなる単セルを積層したセル積層体であって、前記積層された単セルに流体を供給または排出するためのマニホールドを有するセル積層体と、前記セル積層体に積層され、かつ前記セル積層体の積層方向に沿った貫通孔を有するエンドプレートと、前記エンドプレートの前記貫通孔に取り外し可能に挿入され、前記エンドプレートを貫通し、かつ前記マニホールドに接続された流体用管体と、を有する燃料電池スタックであって、前記流体用管体の外面のうち、前記貫通孔の内面に対向する面の一部は、前記貫通孔の内面と離間している、燃料電池スタック。
［２］前記流体用管体の外面のうち、前記貫通孔の内面に対向する面は、凹凸形状を有する、［１］に記載の燃料電池スタック。
［３］前記凸部はリブを含み、前記リブは、前記流体用管体内を流れる流体の流れる方向に沿う、［２］に記載の燃料電池スタック。
［４］前記流体用管体は、冷却媒体を排出するための前記マニホールドに接続されている、［１］〜［３］のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、流体用管体と、エンドプレートとの間に空隙が形成されることから、空隙内の空気が断熱材として機能する。このため、流体用管体内を流れる流体からエンドプレートへ伝導する熱量が小さく、エンドプレートを通して外部へ放出される熱量が少ない。このため本発明の燃料電池スタックによれば発電時に発生した熱を効率的に回収することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】従来の燃料電池スタックの断面図
【図２】実施の形態１の燃料電池スタックの斜視図
【図３】実施の形態１の燃料電池スタックの断面図
【図４】実施の形態１の燃料電池スタックの拡大断面図
【図５】実施の形態１の燃料電池スタックにおける、冷却媒体排出管の斜視図
【図６】実施の形態２の燃料電池スタックの断面図
【図７】実施の形態２の燃料電池スタックの拡大断面図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の燃料電池スタックは、１）セル積層体と、２）セル積層体に積層されたエンドプレートと、３）エンドプレートに着脱可能に装着された流体用管体とを有する。また、燃料電池スタックは、セル積層体とエンドプレートとの間に集電板を有していてもよい。以下、それぞれの構成要件について説明する。
【００２１】
１．セル積層体について
セル積層体とは、膜電極接合体（membrane electrode assembly；以下「ＭＥＡ」とも称する）、および膜電極接合体を挟む一対のセパレータからなる単セルの積層体である。また、セル積層体は、セルの積層方向に貫通するマニホールドを有する。マニホールドは、各単セルに燃料ガス、酸化ガス、または冷却媒体の供給または排出を行うための流路である。
【００２２】
ＭＥＡは、高分子電解質膜と、高分子電解質膜を挟む燃料極および空気極からなる一対の触媒電極とを有する。触媒電極は、それぞれ高分子電解質膜に接する触媒層と、触媒層に積層されるガス拡散層とを有することが好ましい。
【００２３】
高分子電解質膜は、湿潤状態において、プロトンを選択的に輸送する機能を有する高分子膜である。高分子電解質膜の材料は、水素イオンを選択的に移動させるものであれば特に限定されない。このような材料の例にはフッ素系の高分子電解質膜や炭化水素系の高分子電解質膜などが含まれる。フッ素系の高分子電解質膜の具体的な例には、デュポン社のＮａｆｉｏｎ（登録商標）や旭硝子株式会社のＦｌｅｍｉｏｎ（登録商標）、旭化成株式会社のＡｃｉｐｌｅｘ（登録商標）、ジャパンゴアテックス社のＧＯＲＥ−ＳＥＬＥＣＴ（登録商標）などが含まれる。
【００２４】
触媒層は、水素または酸素の酸化還元反応を促進する触媒を含む層である。触媒層は、導電性を有し、かつ水素および酸素の酸化還元反応を促進する触媒能を有するものであれば特に限定されない。空気極側の触媒層は、例えば触媒として白金や白金とコバルトとの合金、白金とコバルトとニッケルとの合金など含む。燃料極側の触媒層は、触媒として白金や白金とルテニウムとの合金などを含む。
【００２５】
触媒層は、例えば、これらの触媒を担持させたアセチレンブラックやケッチェンブラック、バルカンなどのカーボン微粒子に、プロトン導電性を有する電解質と撥水性を有するＰＴＦＥなどの樹脂を混合し、高分子電解質膜上に塗布することで形成される。
【００２６】
ガス拡散層は、導電性を有する多孔質層である。ガス拡散層の材料は、導電性を有し、かつ反応ガスが拡散できるものであれば特に限定されない。ガス拡散層は、セパレータ側から供給されるガスを触媒層に拡散させるガス拡散基材層と、ガス拡散基材層と触媒層との接触性を向上させるカーボンコート層とから構成されていてもよい。
【００２７】
セパレータは、燃料極と接する面に燃料ガス流路、空気極と接する面に酸化ガス流路を有する導電性の部材である。セパレータがガス流路を有する面は、凹部と凸部を有し、凹部がガス流路を形成する。
セパレータは、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口マニホールド孔および冷却媒体を排出するための冷却媒体出口マニホールド孔を有する。また、セパレータは、燃料ガスを給排気するためのマニホールド孔、および酸化ガスを給排気するためのマニホールド孔を有する。さらにセパレータは、冷却媒体や酸化ガス、燃料ガスなどが漏れないようにするゴム状のシール部を有していてもよい。
【００２８】
２．エンドプレートについて
エンドプレートは、燃料電池スタックの積層方向の端部を構成する部材である。燃料電池スタックは通常、一対のエンドプレートを有し、一対のエンドプレートはセル積層体を挟む。また、エンドプレートは、セル積層体に加える荷重を支持するために高い剛性を有することが好ましい。
【００２９】
本発明の燃料電池スタックでは、エンドプレートがセル積層体の積層方向に沿った貫通孔を有することを特徴とする（図３参照）。貫通孔は、後述する流体用管体が挿入される。エンドプレートは、このような、貫通孔を複数有していてもよい（図３参照）。
【００３０】
エンドプレートの材料は、熱伝導性が低い樹脂であることが好ましい。エンドプレートが熱伝導性の低い材料からなると、後述する流体用管体からエンドプレートに伝導する熱量を減少させ、外部へ放出される熱量を減少させることができるからである。このような材料の例には、ポリフェニレンサルファイドなどの熱可塑性樹脂やフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂などが含まれる。
【００３１】
このように構成された燃料電池スタックでは、セル積層体に荷重を加えることが好ましい。セル積層体に荷重を加える手段は特に限定されないが、例えば、セル積層体、集電板およびエンドプレートからなる積層物（以下単に「積層物」とも称する）に荷重を加え、荷重がかかった状態の積層物を剛性を有する環状バンドで巻き込み、保持することで、セル積層体に荷重を加えてもよい。また、積層物に荷重を加え、荷重がかかった状態の積層物をスタッドとナットとで固定することで、セル積層体に荷重を加えてもよい。セル積層体に荷重を加えることで、セル内およびセル間の接触抵抗を低減し、燃料電池スタックの出力を向上させることができる。
【００３２】
３．流体用管体について
流体用管体とは、セル積層体のマニホールドに接続され、マニホールドに流体を供給または排出するための管体である。上述のように流体用管体は、エンドプレートの貫通孔に取り外し可能に挿入され、エンドプレートを貫通する（図４Ｂ参照）。このように、流体用管体がエンドプレートを貫通するので、流体用管体内の流体がエンドプレートに直接接触することはない。ここで、「流体」とは、燃料ガス、酸化ガスまたは冷却媒体を意味する。
【００３３】
すなわち流体用管体は、燃料ガス供給マニホールドへ燃料ガスを供給する燃料ガス供給管；燃料ガス排出マニホールドから燃料ガスを排出する燃料ガス排出管；酸化ガス供給マニホールドへ酸化ガスを供給する酸化ガス供給管；酸化ガス排出マニホールドから酸化ガスを排出する酸化ガス排出管；冷却媒体供給マニホールドへ冷却媒体を供給する冷却媒体供給管；または冷却媒体排出マニホールドから冷却媒体を排出する冷却媒体排出管でありうる。
【００３４】
本発明は、流体用管体の外面のうち、前記貫通孔の内面に対向する面（以下単に「貫通孔対向面」とも称する）の一部が、前記貫通孔の内面と離間していることを特徴とする。このため、本発明では、流体用管体の貫通孔対向面とエンドプレートの貫通孔内面との間に、空隙が形成される。
【００３５】
流体用管体の貫通孔対向面の一部を、エンドプレートの貫通孔内面と離間させるには、流体用管体の貫通孔対向面、またはエンドプレートの貫通孔内面に、凹凸形状を設ければよい。
【００３６】
流体用管体の貫通孔対向面に凹凸形状を設ける場合、流体用管体の貫通孔対向面の凸部の頂面は、貫通孔の内面と接触する。一方、流体用管体の貫通孔対向面の凹部は、貫通孔の内面と離間し、流体用管体の貫通孔対向面と、貫通孔内面との間の空隙を構成する（実施の形態１参照）。
【００３７】
また、流体用管体の貫通孔対向面に凹凸形状を設ける場合、流体用管体の貫通孔対向面が有する凸部の数は、１つであってもよいが、複数であることが好ましい。流体用管体の貫通孔対向面が、貫通孔の内面と接触する複数の凸部を有することで、エンドプレートの貫通孔に挿入された流体用管体がぐらつくことを防止できる。
【００３８】
流体用管体の貫通孔対向面が有する凸部は、流体用管体の貫通孔対向面に形成されたリブを含む。流体用管体の貫通孔対向面に形成されたリブは、流体用管体内を流れる流体の流れる方向に沿うことが好ましい（図５参照）。リブが、流体の流れる方向に沿うことで、流体用管体の強度を確保できるからである。
【００３９】
一方、エンドプレートの貫通孔内面に凹凸形状を設ける場合、貫通孔内面の凹部および凸部の形状は、流体用管体の貫通孔対向面の一部が、貫通孔内面と離間し、流体用管体の貫通孔対向面と貫通孔内面との間に空隙を形成できるのであれば特に限定されない（実施の形態２参照）。
【００４０】
また、エンドプレートの貫通孔内面に凹凸形状を設ける場合、貫通孔内面が有する凸部の数は、１つであってもよいが、複数であることが好ましい。貫通孔内面が、流体用管体の貫通孔対向面と接触する複数の凸部を有することで、エンドプレートの貫通孔に挿入された流体用管体がぐらつくことを防止できる。
【００４１】
流体用管体の材料は、熱伝導性が低い樹脂であることが好ましい。流体用管体が熱伝導性の低い材料からなると、流体用管体からエンドプレートに伝導する熱量を減少させ、外部へ放出される熱量を減少させることができるからである。このような材料の例には、ポリフェニレンサルファイドなどの熱可塑性樹脂やフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂などが含まれる。
【００４２】
このように、本発明では、流体用管体がエンドプレートを貫通することから、流体用管体を流れる流体が、直接エンドプレートに触れることはない。このため、流れる流体の熱がエンドプレートに伝導しにくい。
【００４３】
さらに、本発明では、流体用管体の貫通孔対向面とエンドプレートの貫通孔内面とが部分的に離間し、流体用管体の貫通孔対向面とエンドプレートの貫通孔内面との間に、空隙が設けられていることから、空隙内の空気が断熱材として機能する。このため、流体用管体が、流体を排出する管体（燃料ガス排出管、酸化ガス排出管または冷却媒体排出管）である場合、流体用管体内を流れる流体に蓄積された熱エネルギが、エンドプレートへ伝導しにくく、エンドプレートを通して外部に放出される熱エネルギが少ない。このため流体に蓄積された熱エネルギを効率的に回収することができる。特に、冷却媒体排出管内の冷却媒体は最も多くの熱エネルギを蓄積していることから、流体用管体は、冷却媒体排出マニホールドに接続された冷却媒体排出管であることが好ましい。
【００４４】
一方、流体用管体が、流体を供給する管体（燃料ガス供給管、酸化ガス供給管または冷却媒体供給管）である場合、流体用管体の貫通孔対向面とエンドプレートの貫通孔内面との間に空隙が設けられていると、エンドプレートから流体用管体に伝導する熱エネルギの量が少ない。このため、熱による影響をうけることなく、流体を流体用管体を通してマニホールドに供給することができる。
【００４５】
以下、本発明の燃料電池スタックの実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００４６】
［実施の形態１］
図２は、実施の形態１の燃料電池スタック１００の斜視図である。図２に示されるように燃料電池スタック１００は、セル積層体１０１、集電板１０３、エンドプレート１０５、環状バンド１０９を有する。環状バンド１０９は、セル積層体１０１、集電板１０３およびエンドプレート１０５からなる積層物を巻き込むことで保持する。燃料電池スタック１００は、さらに、酸化ガス供給管１１１、冷却媒体供給管１１３、燃料ガス供給管１１５、燃料ガス排出管１１７、冷却媒体排出管１１９および酸化ガス排出管１２１を有する。
【００４７】
図３は、図２に示す燃料電池スタック１００の一点鎖線Ａによる断面図である。図３に示されるように、セル積層体１０１は、一対の集電板１０３によって挟まれ、セル積層体１０１および集電板１０３は一対のエンドプレート１０５によって挟まれる。
【００４８】
図３に示されるように、エンドプレート１０５は、セル積層体１０１の積層方向に沿った貫通孔１０６を有する。また、冷却媒体供給管１１３はセル積層体１０１の冷却媒体供給マニホールド１０２ａに接続し、冷却媒体排出管１１９は、セル積層体１０１の冷却媒体排出マニホールド１０２ｂに接続している。冷却媒体供給管１１３および冷却媒体排出管１１９は、それぞれ貫通孔１０６に取り外し可能に挿入され、エンドプレート１０５を貫通している。
【００４９】
図４Ａは、図３の四角Ｘの拡大図である。図４Ａに示されるように、冷却媒体排出管１１９の外面のうち、貫通孔１０６の内面と対向する面は凸部１３１および凹部１３３を有する。凸部１３１の頂面は、貫通孔１０６の内面と接する。一方、凹部１３３は貫通孔１０６の内面と離間する。このため、エンドプレート１０５と冷却媒体排出管１１９との間には空隙１３５が形成される。
【００５０】
このように冷却媒体排出管１１９の貫通孔対向面と、エンドプレート１０５の貫通孔１０６の内面との間に、空隙１３５が設けられていることから、空隙１３５内の空気が断熱材として機能し、冷却媒体排出管１１９を流れる熱エネルギを蓄積した冷却媒体からエンドプレート１０５へ伝導する熱量が低減される。
【００５１】
図４Ｂは、冷却媒体排出管１１９がエンドプレート１０５に装着される様子を示す。図４に示されるように、冷却媒体排出管１１９は、エンドプレート１０５の貫通孔１０６に取り外し可能に挿入されることで、エンドプレート１０５に装着される。
【００５２】
図５は、冷却媒体排出管１１９の斜視図である。図５に示されるように冷却媒体排出管１１９の外面が有する凸部１３１は、リブである。また、リブ１３１は、冷却媒体排出管１１９内を流れる冷媒の流れる方向に沿う。リブ１３１が、冷媒の流れ方向に沿うことで、より少ない材料で冷却媒体排出管１１９の強度を確保することができる。冷却媒体排出管１１９の径Φは、５〜１５ｍｍであり、約８ｍｍである。
【００５３】
このように本実施の形態によれば、エンドプレートへ伝導する冷却媒体に蓄積された熱エネルギの量が少なく、エンドプレートを通して外部へ放出される熱量が低減される。このため発電時に発生した熱を効率的に回収することができる。
【００５４】
また、本実施の形態では、主に冷却媒体排出管について説明したが、燃料ガス供給管、燃料ガス排出管、酸化ガス供給管、酸化ガス排出管および冷却媒体供給管も同様の構成を有していてもよい。
【００５５】
［実施の形態２］
実施の形態１では、流体用管体の貫通孔対向面が凹凸形状を有する態様について説明した。実施の形態２では、エンドプレートの貫通孔内面が凹凸形状を有する例について説明する。
【００５６】
図６は、実施の形態２の燃料電池スタック２００の断面図である。燃料電池スタック２００は、冷却媒体供給管、冷却媒体排出管およびエンドプレートの貫通孔の形状が異なる以外は、実施の形態１の燃料電池スタック１００と同じである。実施の形態１と同一の構成部材については、同一の符号を付し、説明を省略する。
【００５７】
図６に示されるように燃料電池スタック２００のエンドプレート２０５は、セル積層体１０１の積層方向に沿った貫通孔２０６を有する。また、冷却媒体供給管２１３および冷却媒体排出管２１９は、それぞれ貫通孔２０６に挿入され、エンドプレート２０５を貫通する。
【００５８】
図７Ａは、図６の四角Ｘの拡大図である。図７Ａに示されるように、貫通孔２０６の内面は、凸部２３１および凹部２３３を有する。凸部２３１の頂面は、冷却媒体排出管２１９と接する。一方、凹部２３３は、冷却媒体排出管２１９と接しない。このため、エンドプレート２０５と冷却媒体排出管２１９との間には空隙２３５が形成される。
【００５９】
図７Ｂは、冷却媒体排出管２１９がエンドプレート２０５に装着される様子を示す。図７Ｂに示されるように、冷却媒体排出管２１９は、エンドプレート２０５の貫通孔２０６に取り外し可能に挿入されることで、エンドプレート２０５に装着される。
【００６０】
本実施の形態では、主に冷却媒体排出管について説明したが、燃料ガス供給管、燃料ガス排出管、酸化ガス供給管、酸化ガス排出管および冷却媒体供給管も同様の構成を有していてもよい。
【００６１】
本出願は、２００９年３月２７日出願の特願２００９−０８０３６２に基づく優先権を主張する。当該出願明細書に記載された内容は、すべて本願明細書に援用される。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明の燃料電池スタックでは、外部へ放出される熱量が少ないことから、家庭用コージェネレーションシステムに利用される燃料電池スタックとして有用である。
【符号の説明】
【００６３】
１００、２００  燃料電池スタック
１０１  セル積層体
１０２  集電板とエンドプレートとが対向する領域
１０３  集電板
１０５、２０５  エンドプレート
１０６、２０６  エンドプレートの貫通孔
１０９  環状バンド
１１１  酸化ガス供給管
１１３、２１３  冷却媒体供給管
１１５  燃料ガス供給管
１１７  燃料ガス排出管
１１９、２１９  冷却媒体排出管
１２１  酸化ガス排出管
１３１  流体用管体の貫通孔対向面が有する凸部
１３３  流体用管体の貫通孔対向面が有する凹部
１３５、２３５  空隙
２３１  貫通孔内面が有する凸部
２３３  貫通孔内面が有する凹部
【図１】
2010109917.tif 000003
【図２】
2010109917.tif 000004
【図３】
2010109917.tif 000005
【図４】
2010109917.tif 000006
【図５】
2010109917.tif 000007
【図６】
2010109917.tif 000008
【図７】
2010109917.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成22年6月28日(2010.6.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子形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、燃料電池セル（単セル）を積層した構造を有する。単セルは、高分子電解質膜、および高分子電解質膜を挟む一対の触媒電極を有する膜電極接合体（membrane electrode assembly；以下「ＭＥＡ」とも称する）と、膜電極接合体を挟む一対のセパレータと、からなる。
【０００３】
高分子電解質膜は、スルホン酸基を有するフッ素樹脂系イオン交換膜や、炭化水素樹脂系イオン交換膜のような高分子イオン交換膜などを有する電解質から構成される。
【０００４】
触媒電極は、高分子電解質膜側に位置し、触媒電極内における酸化還元反応を促進させる触媒層と、触媒層の外側に位置し、通気性および導電性を有するガス拡散層とから構成される。さらに、ガス拡散層は、触媒層側に位置し、触媒層との接触性を向上させるカーボンコート層と、外部から供給されるガスを拡散させて、触媒層に供給するためのガス拡散基材層とから構成される。燃料極の触媒層には、例えば白金や白金とルテニウムとの合金などが含まれ、空気極の触媒層には、例えば、白金や白金とコバルトとの合金などが含まれる。
【０００５】
セパレータは、燃料極に供給される燃料ガスと空気極に供給される酸化ガスとが混ざらないようにするための導電性部材である。
【０００６】
燃料電池スタックはこのような単セルを積層することで、電気的に直列に接続されうる。燃料電池スタックは、さらにセル積層体を挟むエンドプレートを有する（例えば特許文献１参照）。エンドプレートは、燃料電池スタックにガスや冷却媒体を供給したり、燃料電池スタックからガスや冷却媒体を排出するための流体用管体を有する。
【０００７】
図１は特許文献１に開示された燃料電池スタック１０の断面図である。図１に示されるように特許文献１に開示された燃料電池スタック１０は、セル積層体１１とセル積層体１１を挟むエンドプレート１３、１５を有する。エンドプレート１３は、流体用管体１７、１９を有する。
【０００８】
図１に示されるように特許文献１に開示された燃料電池スタック１０では、エンドプレート１３と流体用管体１７、１９とは、空隙無く接触している。また、流体用管体を熱伝導性の低い材料で作製し、流体用管体を流れる流体の熱がエンドプレートに伝導することを抑制する技術が知られている（例えば特許文献２参照）。
【０００９】
このような構成を有する燃料電池スタックのそれぞれの単セルに、燃料ガス（水素を含む）、および酸化ガス（酸素を含む）を供給することで、電気エネルギを継続的に取り出すことができる。以下、単セルに燃料ガスおよび酸化ガスを供給することによって生じる化学反応について説明する。
【００１０】
燃料極に供給された水素分子は、燃料極の触媒層によって、水素イオンと電子に分けられる。水素イオンは、加湿された高分子電解質膜を通して空気極側に移動する。一方、電子は、外部回路を通して、酸化ガスが供給される空気極に移動する。このとき、外部回路を通る電子は、電気エネルギとして利用されうる。空気極触媒層では、高分子電解質膜を
通して移動してきた水素イオンと、外部回路を通して移動してきた電子と、空気極に供給された酸素とが反応し、水が生成される。また、上述した化学反応により熱が発生する。
【００１１】
このように、燃料電池に燃料ガスおよび酸化ガスを供給することで、電気エネルギと熱エネルギとを同時に得ることができる。このため燃料電池スタックは、発電および給湯のための家庭用コージェネレーションシステムとして利用されている（例えば特許文献３参照）。家庭用コージェネレーションシステムでは、発電中に発生した熱を、流体用管体から排出される冷却媒体などを用いて逐次回収する。回収された熱は、さらに貯湯タンクなどに貯蔵され、必要に応じて熱エネルギとして利用される。
【００１２】
また、エンドプレートに挟まれた燃料電池スタックと、燃料電池スタックに供給される燃料ガスを製造する燃料処理装置と、エンドプレートと燃料処理装置とを接続するインターコネクト部と、を有する燃料電池システムが知られている（例えば特許文献４参照）。特許文献４に開示された燃料電池システムでは、燃料処理装置と燃料電池スタックとの間の熱移動を最小化するために、インターコネクト部と、エンドプレートとの間に一部ギャップを設けている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００７−２９４３３０号公報
【特許文献２】特開平０９−６３６２３号公報
【特許文献３】特開２００８−２９３９９６号公報
【特許文献４】米国特許出願公開第２００６／０１３４４７０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、従来の燃料電池スタックでは、発電中に発生した熱は、冷却媒体などによって回収される以外に、エンドプレートに伝導することがあった。エンドプレートに伝導した熱は、エンドプレートから外部に放出されることから、熱エネルギとして回収できず、発電中に発生した熱を効率的に回収できなくなるという問題があった。
【００１５】
特に、図１に示される燃料電池スタックのように、エンドプレートと流体用管体とが密着している場合、流体用管体からエンドプレートへ熱エネルギが伝導しやすい。また、特許文献２に開示されたように、流体用管体が熱伝導性の低い材料からなる場合であっても、エンドプレートと流体用管体とが密着している以上、流体用管体からエンドプレートへ熱エネルギが伝導してしまう。
【００１６】
本発明の目的は、流体用管体からエンドプレートに伝導し、外部へと放出される熱量を減少させて、発電中に発生した熱を効率的に回収することができる燃料電池スタックを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明者は、流体用管体とエンドプレートとを部分的に離間させて空隙を設けることで、熱の放出を抑えることができることを見出し、さらに検討を加え、発明を完成させた。すなわち本発明は、以下に示す燃料電池スタックに関する。
［１］膜電極接合体、および前記膜電極接合体を挟むセパレータからなる単セルを積層したセル積層体であって、前記積層された単セルに流体を供給または排出するためのマニホールドを有するセル積層体と、前記セル積層体に積層され、かつ前記セル積層体の積層方向に沿った貫通孔を有するエンドプレートと、前記エンドプレートの前記貫通孔に取り外し可能に挿入され、前記エンドプレートを貫通し、かつ前記マニホールドに接続された
流体用管体と、を有する燃料電池スタックであって、前記流体用管体の外面のうち、前記貫通孔の内面に対向する面の一部は、前記貫通孔の内面と離間している、燃料電池スタック。
［２］前記流体用管体の外面のうち、前記貫通孔の内面に対向する面は、凹凸形状を有する、［１］に記載の燃料電池スタック。
［３］前記凸部はリブを含み、前記リブは、前記流体用管体内を流れる流体の流れる方向に沿う、［２］に記載の燃料電池スタック。
［４］前記流体用管体は、冷却媒体を排出するための前記マニホールドに接続されている、［１］〜［３］のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、流体用管体と、エンドプレートとの間に空隙が形成されることから、空隙内の空気が断熱材として機能する。このため、流体用管体内を流れる流体からエンドプレートへ伝導する熱量が小さく、エンドプレートを通して外部へ放出される熱量が少ない。このため本発明の燃料電池スタックによれば発電時に発生した熱を効率的に回収することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】従来の燃料電池スタックの断面図
【図２】実施の形態１の燃料電池スタックの斜視図
【図３】実施の形態１の燃料電池スタックの断面図
【図４】実施の形態１の燃料電池スタックの拡大断面図
【図５】実施の形態１の燃料電池スタックにおける、冷却媒体排出管の斜視図
【図６】実施の形態２の燃料電池スタックの断面図
【図７】実施の形態２の燃料電池スタックの拡大断面図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の燃料電池スタックは、１）セル積層体と、２）セル積層体に積層されたエンドプレートと、３）エンドプレートに着脱可能に装着された流体用管体とを有する。また、燃料電池スタックは、セル積層体とエンドプレートとの間に集電板を有していてもよい。以下、それぞれの構成要件について説明する。
【００２１】
１．セル積層体について
セル積層体とは、膜電極接合体（membrane electrode assembly；以下「ＭＥＡ」とも称する）、および膜電極接合体を挟む一対のセパレータからなる単セルの積層体である。また、セル積層体は、セルの積層方向に貫通するマニホールドを有する。マニホールドは、各単セルに燃料ガス、酸化ガス、または冷却媒体の供給または排出を行うための流路である。
【００２２】
ＭＥＡは、高分子電解質膜と、高分子電解質膜を挟む燃料極および空気極からなる一対の触媒電極とを有する。触媒電極は、それぞれ高分子電解質膜に接する触媒層と、触媒層に積層されるガス拡散層とを有することが好ましい。
【００２３】
高分子電解質膜は、湿潤状態において、プロトンを選択的に輸送する機能を有する高分子膜である。高分子電解質膜の材料は、水素イオンを選択的に移動させるものであれば特に限定されない。このような材料の例にはフッ素系の高分子電解質膜や炭化水素系の高分子電解質膜などが含まれる。フッ素系の高分子電解質膜の具体的な例には、デュポン社のＮａｆｉｏｎ（登録商標）や旭硝子株式会社のＦｌｅｍｉｏｎ（登録商標）、旭化成株式会社のＡｃｉｐｌｅｘ（登録商標）、ジャパンゴアテックス社のＧＯＲＥ−ＳＥＬＥＣＴ（登録商標）などが含まれる。
【００２４】
触媒層は、水素または酸素の酸化還元反応を促進する触媒を含む層である。触媒層は、導電性を有し、かつ水素および酸素の酸化還元反応を促進する触媒能を有するものであれば特に限定されない。空気極側の触媒層は、例えば触媒として白金や白金とコバルトとの合金、白金とコバルトとニッケルとの合金など含む。燃料極側の触媒層は、触媒として白金や白金とルテニウムとの合金などを含む。
【００２５】
触媒層は、例えば、これらの触媒を担持させたアセチレンブラックやケッチェンブラック、バルカンなどのカーボン微粒子に、プロトン導電性を有する電解質と撥水性を有するＰＴＦＥなどの樹脂を混合し、高分子電解質膜上に塗布することで形成される。
【００２６】
ガス拡散層は、導電性を有する多孔質層である。ガス拡散層の材料は、導電性を有し、かつ反応ガスが拡散できるものであれば特に限定されない。ガス拡散層は、セパレータ側から供給されるガスを触媒層に拡散させるガス拡散基材層と、ガス拡散基材層と触媒層との接触性を向上させるカーボンコート層とから構成されていてもよい。
【００２７】
セパレータは、燃料極と接する面に燃料ガス流路、空気極と接する面に酸化ガス流路を有する導電性の部材である。セパレータがガス流路を有する面は、凹部と凸部を有し、凹部がガス流路を形成する。
セパレータは、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口マニホールド孔および冷却媒体を排出するための冷却媒体出口マニホールド孔を有する。また、セパレータは、燃料ガスを給排気するためのマニホールド孔、および酸化ガスを給排気するためのマニホールド孔を有する。さらにセパレータは、冷却媒体や酸化ガス、燃料ガスなどが漏れないようにするゴム状のシール部を有していてもよい。
【００２８】
２．エンドプレートについて
エンドプレートは、燃料電池スタックの積層方向の端部を構成する部材である。燃料電池スタックは通常、一対のエンドプレートを有し、一対のエンドプレートはセル積層体を挟む。また、エンドプレートは、セル積層体に加える荷重を支持するために高い剛性を有することが好ましい。
【００２９】
本発明の燃料電池スタックでは、エンドプレートがセル積層体の積層方向に沿った貫通孔を有することを特徴とする（図３参照）。貫通孔は、後述する流体用管体が挿入される。エンドプレートは、このような、貫通孔を複数有していてもよい（図３参照）。
【００３０】
エンドプレートの材料は、熱伝導性が低い樹脂であることが好ましい。エンドプレートが熱伝導性の低い材料からなると、後述する流体用管体からエンドプレートに伝導する熱量を減少させ、外部へ放出される熱量を減少させることができるからである。このような材料の例には、ポリフェニレンサルファイドなどの熱可塑性樹脂やフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂などが含まれる。
【００３１】
このように構成された燃料電池スタックでは、セル積層体に荷重を加えることが好ましい。セル積層体に荷重を加える手段は特に限定されないが、例えば、セル積層体、集電板およびエンドプレートからなる積層物（以下単に「積層物」とも称する）に荷重を加え、荷重がかかった状態の積層物を剛性を有する環状バンドで巻き込み、保持することで、セル積層体に荷重を加えてもよい。また、積層物に荷重を加え、荷重がかかった状態の積層物をスタッドとナットとで固定することで、セル積層体に荷重を加えてもよい。セル積層体に荷重を加えることで、セル内およびセル間の接触抵抗を低減し、燃料電池スタックの出力を向上させることができる。
【００３２】
３．流体用管体について
流体用管体とは、セル積層体のマニホールドに接続され、マニホールドに流体を供給または排出するための管体である。上述のように流体用管体は、エンドプレートの貫通孔に取り外し可能に挿入され、エンドプレートを貫通する（図４Ｂ参照）。このように、流体用管体がエンドプレートを貫通するので、流体用管体内の流体がエンドプレートに直接接触することはない。ここで、「流体」とは、燃料ガス、酸化ガスまたは冷却媒体を意味する。
【００３３】
すなわち流体用管体は、燃料ガス供給マニホールドへ燃料ガスを供給する燃料ガス供給管；燃料ガス排出マニホールドから燃料ガスを排出する燃料ガス排出管；酸化ガス供給マニホールドへ酸化ガスを供給する酸化ガス供給管；酸化ガス排出マニホールドから酸化ガスを排出する酸化ガス排出管；冷却媒体供給マニホールドへ冷却媒体を供給する冷却媒体供給管；または冷却媒体排出マニホールドから冷却媒体を排出する冷却媒体排出管でありうる。
【００３４】
本発明は、流体用管体の外面のうち、前記貫通孔の内面に対向する面（以下単に「貫通孔対向面」とも称する）の一部が、前記貫通孔の内面と離間していることを特徴とする。このため、本発明では、流体用管体の貫通孔対向面とエンドプレートの貫通孔内面との間に、空隙が形成される。
【００３５】
流体用管体の貫通孔対向面の一部を、エンドプレートの貫通孔内面と離間させるには、流体用管体の貫通孔対向面、またはエンドプレートの貫通孔内面に、凹凸形状を設ければよい。
【００３６】
流体用管体の貫通孔対向面に凹凸形状を設ける場合、流体用管体の貫通孔対向面の凸部の頂面は、貫通孔の内面と接触する。一方、流体用管体の貫通孔対向面の凹部は、貫通孔の内面と離間し、流体用管体の貫通孔対向面と、貫通孔内面との間の空隙を構成する（実施の形態１参照）。
【００３７】
また、流体用管体の貫通孔対向面に凹凸形状を設ける場合、流体用管体の貫通孔対向面が有する凸部の数は、１つであってもよいが、複数であることが好ましい。流体用管体の貫通孔対向面が、貫通孔の内面と接触する複数の凸部を有することで、エンドプレートの貫通孔に挿入された流体用管体がぐらつくことを防止できる。
【００３８】
流体用管体の貫通孔対向面が有する凸部は、流体用管体の貫通孔対向面に形成されたリブを含む。流体用管体の貫通孔対向面に形成されたリブは、流体用管体内を流れる流体の流れる方向に沿うことが好ましい（図５参照）。リブが、流体の流れる方向に沿うことで、流体用管体の強度を確保できるからである。
【００３９】
一方、エンドプレートの貫通孔内面に凹凸形状を設ける場合、貫通孔内面の凹部および凸部の形状は、流体用管体の貫通孔対向面の一部が、貫通孔内面と離間し、流体用管体の貫通孔対向面と貫通孔内面との間に空隙を形成できるのであれば特に限定されない（実施の形態２参照）。
【００４０】
また、エンドプレートの貫通孔内面に凹凸形状を設ける場合、貫通孔内面が有する凸部の数は、１つであってもよいが、複数であることが好ましい。貫通孔内面が、流体用管体の貫通孔対向面と接触する複数の凸部を有することで、エンドプレートの貫通孔に挿入された流体用管体がぐらつくことを防止できる。
【００４１】
流体用管体の材料は、熱伝導性が低い樹脂であることが好ましい。流体用管体が熱伝導
性の低い材料からなると、流体用管体からエンドプレートに伝導する熱量を減少させ、外部へ放出される熱量を減少させることができるからである。このような材料の例には、ポリフェニレンサルファイドなどの熱可塑性樹脂やフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂などが含まれる。
【００４２】
このように、本発明では、流体用管体がエンドプレートを貫通することから、流体用管体を流れる流体が、直接エンドプレートに触れることはない。このため、流れる流体の熱がエンドプレートに伝導しにくい。
【００４３】
さらに、本発明では、流体用管体の貫通孔対向面とエンドプレートの貫通孔内面とが部分的に離間し、流体用管体の貫通孔対向面とエンドプレートの貫通孔内面との間に、空隙が設けられていることから、空隙内の空気が断熱材として機能する。このため、流体用管体が、流体を排出する管体（燃料ガス排出管、酸化ガス排出管または冷却媒体排出管）である場合、流体用管体内を流れる流体に蓄積された熱エネルギが、エンドプレートへ伝導しにくく、エンドプレートを通して外部に放出される熱エネルギが少ない。このため流体に蓄積された熱エネルギを効率的に回収することができる。特に、冷却媒体排出管内の冷却媒体は最も多くの熱エネルギを蓄積していることから、流体用管体は、冷却媒体排出マニホールドに接続された冷却媒体排出管であることが好ましい。
【００４４】
一方、流体用管体が、流体を供給する管体（燃料ガス供給管、酸化ガス供給管または冷却媒体供給管）である場合、流体用管体の貫通孔対向面とエンドプレートの貫通孔内面との間に空隙が設けられていると、エンドプレートから流体用管体に伝導する熱エネルギの量が少ない。このため、熱による影響をうけることなく、流体を流体用管体を通してマニホールドに供給することができる。
【００４５】
以下、本発明の燃料電池スタックの実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００４６】
［実施の形態１］
図２は、実施の形態１の燃料電池スタック１００の斜視図である。図２に示されるように燃料電池スタック１００は、セル積層体１０１、集電板１０３、エンドプレート１０５、環状バンド１０９を有する。環状バンド１０９は、セル積層体１０１、集電板１０３およびエンドプレート１０５からなる積層物を巻き込むことで保持する。燃料電池スタック１００は、さらに、酸化ガス供給管１１１、冷却媒体供給管１１３、燃料ガス供給管１１５、燃料ガス排出管１１７、冷却媒体排出管１１９および酸化ガス排出管１２１を有する。
【００４７】
図３は、図２に示す燃料電池スタック１００の一点鎖線Ａによる断面図である。図３に示されるように、セル積層体１０１は、一対の集電板１０３によって挟まれ、セル積層体１０１および集電板１０３は一対のエンドプレート１０５によって挟まれる。
【００４８】
図３に示されるように、エンドプレート１０５は、セル積層体１０１の積層方向に沿った貫通孔１０６を有する。また、冷却媒体供給管１１３はセル積層体１０１の冷却媒体供給マニホールド１０２ａに接続し、冷却媒体排出管１１９は、セル積層体１０１の冷却媒体排出マニホールド１０２ｂに接続している。冷却媒体供給管１１３および冷却媒体排出管１１９は、それぞれ貫通孔１０６に取り外し可能に挿入され、エンドプレート１０５を貫通している。
【００４９】
図４Ａは、図３の四角Ｘの拡大図である。図４Ａに示されるように、冷却媒体排出管１１９の外面のうち、貫通孔１０６の内面と対向する面は凸部１３１および凹部１３３を有する。凸部１３１の頂面は、貫通孔１０６の内面と接する。一方、凹部１３３は貫通孔１
０６の内面と離間する。このため、エンドプレート１０５と冷却媒体排出管１１９との間には空隙１３５が形成される。
【００５０】
このように冷却媒体排出管１１９の貫通孔対向面と、エンドプレート１０５の貫通孔１０６の内面との間に、空隙１３５が設けられていることから、空隙１３５内の空気が断熱材として機能し、冷却媒体排出管１１９を流れる熱エネルギを蓄積した冷却媒体からエンドプレート１０５へ伝導する熱量が低減される。
【００５１】
図４Ｂは、冷却媒体排出管１１９がエンドプレート１０５に装着される様子を示す。図４に示されるように、冷却媒体排出管１１９は、エンドプレート１０５の貫通孔１０６に取り外し可能に挿入されることで、エンドプレート１０５に装着される。
【００５２】
図５は、冷却媒体排出管１１９の斜視図である。図５に示されるように冷却媒体排出管１１９の外面が有する凸部１３１は、リブである。また、リブ１３１は、冷却媒体排出管１１９内を流れる冷媒の流れる方向に沿う。リブ１３１が、冷媒の流れ方向に沿うことで、より少ない材料で冷却媒体排出管１１９の強度を確保することができる。冷却媒体排出管１１９の径Φは、５〜１５ｍｍであり、約８ｍｍである。
【００５３】
このように本実施の形態によれば、エンドプレートへ伝導する冷却媒体に蓄積された熱エネルギの量が少なく、エンドプレートを通して外部へ放出される熱量が低減される。このため発電時に発生した熱を効率的に回収することができる。
【００５４】
また、本実施の形態では、主に冷却媒体排出管について説明したが、燃料ガス供給管、燃料ガス排出管、酸化ガス供給管、酸化ガス排出管および冷却媒体供給管も同様の構成を有していてもよい。
【００５５】
［実施の形態２］
実施の形態１では、流体用管体の貫通孔対向面が凹凸形状を有する態様について説明した。実施の形態２では、エンドプレートの貫通孔内面が凹凸形状を有する例について説明する。
【００５６】
図６は、実施の形態２の燃料電池スタック２００の断面図である。燃料電池スタック２００は、冷却媒体供給管、冷却媒体排出管およびエンドプレートの貫通孔の形状が異なる以外は、実施の形態１の燃料電池スタック１００と同じである。実施の形態１と同一の構成部材については、同一の符号を付し、説明を省略する。
【００５７】
図６に示されるように燃料電池スタック２００のエンドプレート２０５は、セル積層体１０１の積層方向に沿った貫通孔２０６を有する。また、冷却媒体供給管２１３および冷却媒体排出管２１９は、それぞれ貫通孔２０６に挿入され、エンドプレート２０５を貫通する。
【００５８】
図７Ａは、図６の四角Ｘの拡大図である。図７Ａに示されるように、貫通孔２０６の内面は、凸部２３１および凹部２３３を有する。凸部２３１の頂面は、冷却媒体排出管２１９と接する。一方、凹部２３３は、冷却媒体排出管２１９と接しない。このため、エンドプレート２０５と冷却媒体排出管２１９との間には空隙２３５が形成される。
【００５９】
図７Ｂは、冷却媒体排出管２１９がエンドプレート２０５に装着される様子を示す。図７Ｂに示されるように、冷却媒体排出管２１９は、エンドプレート２０５の貫通孔２０６に取り外し可能に挿入されることで、エンドプレート２０５に装着される。
【００６０】
本実施の形態では、主に冷却媒体排出管について説明したが、燃料ガス供給管、燃料ガス排出管、酸化ガス供給管、酸化ガス排出管および冷却媒体供給管も同様の構成を有していてもよい。
【００６１】
本出願は、２００９年３月２７日出願の特願２００９−０８０３６２に基づく優先権を主張する。当該出願明細書に記載された内容は、すべて本願明細書に援用される。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明の燃料電池スタックでは、外部へ放出される熱量が少ないことから、家庭用コージェネレーションシステムに利用される燃料電池スタックとして有用である。
【符号の説明】
【００６３】
１００、２００  燃料電池スタック
１０１  セル積層体
１０２  集電板とエンドプレートとが対向する領域
１０３  集電板
１０５、２０５  エンドプレート
１０６、２０６  エンドプレートの貫通孔
１０９  環状バンド
１１１  酸化ガス供給管
１１３、２１３  冷却媒体供給管
１１５  燃料ガス供給管
１１７  燃料ガス排出管
１１９、２１９  冷却媒体排出管
１２１  酸化ガス排出管
１３１  流体用管体の貫通孔対向面が有する凸部
１３３  流体用管体の貫通孔対向面が有する凹部
１３５、２３５  空隙
２３１  貫通孔内面が有する凸部
２３３  貫通孔内面が有する凹部
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体、および前記膜電極接合体を挟むセパレータからなる単セルを積層したセル積層体であって、前記積層された単セルに流体を供給または排出するためのマニホールドを有するセル積層体と、
前記セル積層体に積層され、かつ前記セル積層体の積層方向に沿った貫通孔を有するエンドプレートと、
前記エンドプレートの前記貫通孔に取り外し可能に挿入され、前記エンドプレートを貫通し、かつ前記マニホールドに接続された流体用管体と、を有する燃料電池スタックであって、
前記流体用管体の外面のうち、前記貫通孔の内面に対向する面の一部は、前記貫通孔の内面と離間している、燃料電池スタック。
【請求項２】
前記流体用管体の外面のうち、前記貫通孔の内面に対向する面は、凹凸形状を有する、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記凸部はリブを含み、
前記リブは、前記流体用管体内を流れる流体の流れる方向に沿う、請求項２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記流体用管体は、冷却媒体を排出するための前記マニホールドに接続されている、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2010109917.tif 000010
【図２】
2010109917.tif 000011
【図３】
2010109917.tif 000012
【図４】
2010109917.tif 000013
【図５】
2010109917.tif 000014
【図６】
2010109917.tif 000015
【図７】
2010109917.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成22年12月7日(2010.12.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
本発明者は、流体用管体とエンドプレートとを部分的に離間させて空隙を設けることで、熱の放出を抑えることができることを見出し、さらに検討を加え、発明を完成させた。すなわち本発明は、以下に示す燃料電池スタックに関する。
［１］膜電極接合体、および前記膜電極接合体を挟むセパレータからなる単セルを積層したセル積層体であって、前記積層された単セルに流体を供給または排出するためのマニホールドを有するセル積層体と、前記セル積層体に積層され、かつ前記セル積層体の積層方向に沿った貫通孔を有するエンドプレートと、前記エンドプレートの前記貫通孔に取り外し可能に挿入され、前記エンドプレートを貫通し、かつ前記マニホールドに接続された流体用管体と、を有する燃料電池スタックであって、前記流体用管体の外面のうち、前記貫通孔の内面に対向する面の一部は、前記貫通孔の内面と離間し、前記流体用管体の外面のうち、前記貫通孔の内面に対向する面は凹凸形状を有し、前記流体用管体の外面の凸部の頂面は、前記貫通孔の内面に接触するか、または前記貫通孔の内面は凹凸形状を有し、前記貫通孔の内面の凸部の頂面は、前記流体用管体の外面に接触する、燃料電池スタック。
［２］前記凸部はリブを含み、前記リブは、前記流体用管体内を流れる流体の流れる方向に沿う、［１］に記載の燃料電池スタック。
［３］前記流体用管体は、冷却媒体を排出するための前記マニホールドに接続されている、［１］または［２］に記載の燃料電池スタック。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体、および前記膜電極接合体を挟むセパレータからなる単セルを積層したセル積層体であって、前記積層された単セルに流体を供給または排出するためのマニホールドを有するセル積層体と、
前記セル積層体に積層され、かつ前記セル積層体の積層方向に沿った貫通孔を有するエンドプレートと、
前記エンドプレートの前記貫通孔に取り外し可能に挿入され、前記エンドプレートを貫通し、かつ前記マニホールドに接続された流体用管体と、を有する燃料電池スタックであって、
前記流体用管体の外面のうち、前記貫通孔の内面に対向する面の一部は、前記貫通孔の内面と離間し、
前記流体用管体の外面のうち、前記貫通孔の内面に対向する面は凹凸形状を有し、前記流体用管体の外面の凸部の頂面は、前記貫通孔の内面に接触するか、または
前記貫通孔の内面は凹凸形状を有し、前記貫通孔の内面の凸部の頂面は、前記流体用管体の外面に接触する、燃料電池スタック。
【請求項２】
前記凸部はリブを含み、
前記リブは、前記流体用管体内を流れる流体の流れる方向に沿う、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記流体用管体は、冷却媒体を排出するための前記マニホールドに接続されている、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【国際調査報告】
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