(57)【要約】【課題】簡単且つコンパクトな構成で、端部発電セルの温度低下を確実に阻止するとともに、暖機を良好に遂行することを可能にする。【解決手段】燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１２が積層される積層体１４の両端部に、インシュレータ１８ａ、１８ｂを介してエンドプレート２０ａ、２０ｂが配設される。インシュレータ１８ｂには、ヒートパイプ構造体７０ａ、７０ｂが設けられる。ヒートパイプ構造体７０ａを構成する一対の受熱部７２ａは、一対の冷却媒体入口連通孔４０ａに挿入される。一対の受熱部７２ａは、発電セル１２の発電面に平行な面方向に沿って延在し、各受熱部７２ａで受熱した熱を放出する放熱部７４ａに一体に連結される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の両側に電極が配設される電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルが、複数積層される積層体を備え、前記積層体の積層方向に延在して燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体である流体を流通させる流体連通孔が形成されるとともに、前記積層体の積層方向両側には、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配設される燃料電池スタックであって、
少なくとも一方のエンドプレート側には、棒状を有するヒートパイプ構造体が前記燃料電池スタックの内部に設けられるとともに、
前記ヒートパイプ構造体は、それぞれ個別の前記流体連通孔に配置され、前記流体から受熱する一対の受熱部と、
前記発電セルの発電面に平行な面方向に沿って延在し、各受熱部で受熱した熱を放出する放熱部と、
を備え、
前記放熱部の両端に前記受熱部が一体に設けられ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、互いに隣接する前記セパレータ間には、セパレータ面に沿って冷却媒体を流通させる冷却媒体流路が形成され、前記冷却媒体流路の入口側には、前記冷却媒体流路を流路幅方向に挟んで前記流体連通孔である一対の冷却媒体入口連通孔が設けられ、且つ、前記冷却媒体流路の出口側には、前記冷却媒体流路を前記流路幅方向に挟んで前記流体連通孔である一対の冷却媒体出口連通孔が設けられることを特徴と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、前記ヒートパイプ構造体は、各受熱部が前記一対の冷却媒体入口連通孔に、前記一対の冷却媒体出口連通孔に、又は一つの冷却媒体入口連通孔と一つの冷却媒体出口連通孔とに、配置されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、複数本の前記ヒートパイプ構造体が取り付けら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、電解質の両側に電極が配設される電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルが、複数積層される積層体を備え、前記積層体の積層方向両側には、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配設され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固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒（電極触媒層）及び多孔質カーボン（ガス拡散層）を有するアノード電極とカソード電極とを配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータ（バイポーラ板）間に挟持されることにより発電セルが構成されている。燃料電池は、発電セルを所定の数だけ積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
ところで、燃料電池スタックでは、外部への放熱により他の発電セルに比べて温度低下が惹起され易い発電セルが存在している。例えば、積層方向端部に配置されている発電セル（以下、端部発電セルともいう）は、例えば、電力取り出し用ターミナルプレート（集電板）や、エンドプレート等からの放熱が多く、上記の温度低下が顕著になっている。
【０００４】
この温度低下によって、端部発電セルでは、燃料電池スタックの中央部分の発電セルに比べて結露が発生し易くなる。このため、生成水の排出性が低下して、発電性能が低下するという不具合が指摘されている。
【０００５】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池が知られている。この燃料電池では、図１６に示すように、セル１の積層体の各端部には、エンドプレート２ａ、２ｂが配置されている。燃料電池内には、冷却システム３が設けられている。冷却システム３は、各セル１内を積層方向に延在する循環ダクト４を備えるとともに、前記循環ダクト４には、流体ポンプ５を介して冷却材が循環供給されている。
【０００６】
エンドプレート２ａ、２ｂの外方には、熱取り出し手段６が配設される。各熱取り出し手段６は、複数本のヒートパイプ７を備えるとともに、前記ヒートパイプ７は、エンドプレート２ａ、２ｂ内に挿入されている。ヒートパイプ７は、エンドプレート２ａ、２ｂの内部を循環ダクト４に沿って流通する冷却材の熱を受熱し、セル１の冷却を迅速に行うことができる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表２０１２−５２６３６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記の燃料電池では、エンドプレート２ａ、２ｂの外方に、それぞれセル１の積層方向に延在する複数本のヒートパイプ７を備えた熱取り出し手段６が配設されている。このため、システム全体は、セル１の積層方向に沿って相当に長尺化されるという問題がある。
【０００９】
しかも、燃料電池の暖機時には、エンドプレート２ａ、２ｂからヒートパイプ７に受熱されてしまう。これにより、特に端部に配置されるセル１では、暖機時の保温が困難になるという問題がある。
【００１０】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、端部発電セルの温度低下を確実に阻止するとともに、暖機を良好に遂行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】
【００１１】
本発明に係る燃料電池スタックは、電解質の両側に電極が配設される電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルが、複数積層される積層体を備えている。燃料電池スタックには、積層体の積層方向に延在して燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体である流体を流通させる流体連通孔が形成されている。積層体の積層方向両側には、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配設されている。
【００１２】
そして、少なくとも一方のエンドプレート側には、棒状を有するヒートパイプ構造体が燃料電池スタックの内部に設けられている。ヒートパイプ構造体は、それぞれ個別の流体連通孔に配置され、流体から受熱する一対の受熱部と、発電セルの発電面に平行な面方向に沿って延在し、各受熱部で受熱した熱を放出する放熱部とを備えている。放熱部の両端には、受熱部が一体に設けられている。
【００１３】
また、この燃料電池スタックでは、互いに隣接するセパレータ間には、セパレータ面に沿って冷却媒体を流通させる冷却媒体流路が形成されることが好ましい。その際、冷却媒体流路の入口側には、前記冷却媒体流路を流路幅方向に挟んで流体連通孔である一対の冷却媒体入口連通孔が設けられることが好ましい。一方、冷却媒体流路の出口側には、前記冷却媒体流路を流路幅方向に挟んで流体連通孔である一対の冷却媒体出口連通孔が設けられることが好ましい。
【００１４】
さらに、この燃料電池スタックでは、ヒートパイプ構造体は、各受熱部が一対の冷却媒体入口連通孔に、一対の冷却媒体出口連通孔に、又は一つの冷却媒体入口連通孔と一つの冷却媒体出口連通孔とに、配置されることが好ましい。
【００１５】
さらにまた、この燃料電池スタックでは、複数本のヒートパイプ構造体が取り付けられることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ヒートパイプ構造体では、冷却媒体又は反応ガスを流通させる流体連通孔から一対の受熱部に受熱されるとともに、前記一対の受熱部に連結されている放熱部から発電面に平行な面方向に沿って放熱されている。このため、ヒートパイプ構造体の両端部を熱入力部（受熱部）として用いることにより、受熱面積を確保することができ、熱供給流体経路の圧損が増加することを抑制することが可能になる。
【００１７】
従って、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池スタックの積層方向端部は、特に積層体の端部に配置される端部発電セルは、発電時の中央側の発電セルの温度と同等の温度に保温される。
【００１８】
さらに、放熱部近傍の温度が、流体連通孔の流体温度よりも低温であると、熱交換が行われる。すなわち、ヒートパイプ構造体は、熱ダイオードとしての機能を有する。従って、暖機時にも良好に保温することができる。これにより、端部発電セルの温度低下を確実に阻止するとともに、暖機を良好に遂行することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【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斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池スタックの一部分解概略斜視図である。
【図３】前記燃料電池スタックの、図２中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】前記燃料電池スタックを構成する発電セルの分解斜視説明図である。
【図５】前記燃料電池スタックを構成するヒートパイプ構造体の正面説明図である。
【図６】前記燃料電池スタック内の各部位における温度説明図である。
【図７】冷却媒体流量と圧損との関係説明図である。
【図８】本発明の第２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９】前記燃料電池スタックを構成するヒートパイプ構造体の正面説明図である。
【図１０】本発明の第３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１１】前記燃料電池スタックを構成する発電セルの分解斜視説明図である。
【図１２】前記燃料電池スタックを構成するヒートパイプ構造体の正面説明図である。
【図１３】本発明の第４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１４】前記燃料電池スタックを構成するヒートパイプ構造体の正面説明図である。
【図１５】本発明の第５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１６】特許文献１に開示されている燃料電池の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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、例えば、図示しない燃料電池電気自動車に搭載される車載用燃料電池スタックとして使用される。
【００２１】
燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１２が水平方向（矢印Ａ方向）又は鉛直方向（矢印Ｃ方向）に積層された積層体１４を備える。積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）一端には、ターミナルプレート１６ａ、インシュレータ（絶縁プレート）１８ａ及びエンドプレート２０ａが積層方向外方に向かって、順次、配設される（図２参照）。積層体１４の積層方向他端には、ターミナルプレート１６ｂ、インシュレータ（絶縁プレート）１８ｂ及びエンドプレート２０ｂが積層方向外方に向かって、順次、配設される。
【００２２】
図１に示すように、エンドプレート２０ａ、２０ｂは、金属材又は樹脂材で構成され、横長（縦長でもよい）の長方形状を有するとともに、各辺間には、連結バー２４が配置される。各連結バー２４は、両端をエンドプレート２０ａ、２０ｂの面内にボルト２６を介して固定され、複数の積層された発電セル１２に積層方向（矢印Ａ方向）の締め付け荷重を付与する。なお、燃料電池スタック１０では、エンドプレート２０ａ、２０ｂを端板とする筐体を備え、前記筐体内に積層体１４を収容するように構成してもよい。
【００２３】
発電セル１２は、図３及び図４に示すように、電解質膜・電極構造体３０が、第１セパレータ（カソードセパレータ）３２及び第２セパレータ（アノードセパレータ）３４に挟持される。第１セパレータ３２及び第２セパレータ３４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、あるいは金属薄板を波形にプレス成形した金属セパレータにより構成される。なお、第１セパレータ３２及び第２セパレータ３４は、例えば、カーボンセパレータを採用してもよい。
【００２４】
発電セル１２の矢印Ｂ方向（図４中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔（流体連通孔）３６ａ及び燃料ガス出口連通孔（流体連通孔）３８ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔３６ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂは、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。酸化剤ガス入口連通孔３６ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する一方、燃料ガス出口連通孔３８ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。
【００２５】
発電セル１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガス入口連通孔（流体連通孔）３８ａ及び酸化剤ガス出口連通孔（流体連通孔）３６ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。燃料ガス入口連通孔３８ａは、燃料ガスを供給する一方、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂは、酸化剤ガスを排出する。
【００２６】
発電セル１２の矢印Ｃ方向の両端縁部一方側には、すなわち、酸化剤ガス入口連通孔３６ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂ側には、それぞれ冷却媒体入口連通孔（流体連通孔）４０ａが設けられる。発電セル１２の矢印Ｃ方向の両端縁部他方側には、すなわち、燃料ガス入口連通孔３８ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３６ｂ側には、それぞれ冷却媒体出口連通孔（流体連通孔）４０ｂが設けられる。
【００２７】
第１セパレータ３２の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３２ａには、酸化剤ガス入口連通孔３６ａと酸化剤ガス出口連通孔３６ｂとに連通する酸化剤ガス流路４２が設けられる。酸化剤ガス流路４２は、水平方向（矢印Ｂ方向）に延在する複数本の流路溝（波状流路溝又は直線状流路溝）４２ａを有する。
【００２８】
第２セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３４ａには、燃料ガス入口連通孔３８ａと燃料ガス出口連通孔３８ｂとに連通する燃料ガス流路４４が設けられる。燃料ガス流路４４は、水平方向（矢印Ｂ方向）に延在する複数本の流路溝（波状流路溝又は直線状流路溝）４４ａを有する。
【００２９】
互いに隣接する発電セル１２を構成する第１セパレータ３２の面３２ｂと、第２セパレータ３４の面３４ｂとの間には、一対の冷却媒体入口連通孔４０ａと一対の冷却媒体出口連通孔４０ｂとを連通する冷却媒体流路４６が設けられる。冷却媒体流路４６は、水平方向（矢印Ｂ方向）に延在する複数本の流路溝（波状流路溝又は直線状流路溝）４６ａを有する。
【００３０】
第１セパレータ３２と第２セパレータ３４とには、第１シール部材４８と第２シール部材５０とが、一体的又は個別に設けられる。第１シール部材４８及び第２シール部材５０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部材が使用される。
【００３１】
電解質膜・電極構造体３０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５２と、前記固体高分子電解質膜５２を挟持するカソード電極５４及びアノード電極５６とを備える。
【００３２】
固体高分子電解質膜５２は、カソード電極５４及びアノード電極５６よりも大きな平面寸法を有している。なお、カソード電極５４とアノード電極５６とは、同一の表面寸法に設定されているが、互いに異なる平面寸法に設定される、所謂、段差ＭＥＡを構成してもよい。
【００３３】
カソード電極５４及びアノード電極５６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、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とを有する。電極触媒層は、例えば、固体高分子電解質膜５２の両面に形成されている。
【００３４】
図２に示すように、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの一辺には、面方向外方に突出するターミナル端子板（ターミナル端子）５８ａ、５８ｂが設けられる。ターミナル端子板５８ａ、５８ｂには、ハーネス６０ａ、６０ｂが接続される。
【００３５】
インシュレータ１８ａ、１８ｂは、電気絶縁性材料、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る。インシュレータ１８ａ、１８ｂには、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂを収容するための凹部６２ａ、６２ｂが形成される。インシュレータ１８ａ、１８ｂには、凹部６２ａ、６２ｂに一端が連通してターミナル端子板５８ａ、５８ｂを挿通させる溝部６４ａ、６４ｂが形成される。インシュレータ１８ａ、１８ｂは、積層体１４と略同一の平面寸法に設定される。
【００３６】
図２に示すように、少なくとも一方のエンドプレート側、例えば、エンドプレート２０ｂ側には、燃料電池スタック１０の内部、例えば、インシュレータ１８ｂに配置されてそれぞれ複数本の棒状ヒートパイプ構造体７０ａ、７０ｂが設けられる。なお、エンドプレート２０ａ側にも、ヒートパイプ構造体７０ａ、７０ｂを設けてもよい。
【００３７】
図２及び図５に示すように、インシュレータ１８ｂにおいて、例えば、３本のヒートパイプ構造体７０ａは、それぞれ上下一対の冷却媒体入口連通孔（流体連通孔）４０ａに配置される。インシュレータ１８ｂにおいて、例えば、３本のヒートパイプ構造体７０ｂは、それぞれ上下一対の冷却媒体出口連通孔（流体連通孔）４０ｂに配置される。
【００３８】
ヒートパイプ構造体７０ａの両端には、各冷却媒体入口連通孔４０ａに直接配置され、冷却媒体（流体）から受熱する一対の受熱部７２ａが設けられる。一対の受熱部７２ａは、発電セル１２の発電面に平行な面方向に沿って延在し、各受熱部７２ａで受熱した熱を放出する単一の放熱部７４ａに一体に連結される。放熱部７４ａは、インシュレータ１８ｂの凹部６２ｂの底面に沿って、又は、前記底面に一部が埋設されて配置される。３本の放熱部７４ａは、発電領域内の中央部から冷却媒体入口連通孔４０ａ側に略等間隔に配置される。
【００３９】
図２、図３及び図５に示すように、ヒートパイプ構造体７０ｂの両端には、各冷却媒体出口連通孔４０ｂに直接配置され、冷却媒体（流体）から受熱する一対の受熱部７２ｂが設けられる。一対の受熱部７２ｂは、発電セル１２の発電面に平行な面方向に沿って延在し、各受熱部７２ｂで受熱した熱を放出する単一の放熱部７４ｂに一体に連結される。放熱部７４ｂは、インシュレータ１８ｂの凹部６２ｂの底面に沿って、又は、前記底面に一部が埋設されて配置される。３本の放熱部７４ｂは、発電領域内の中央部から冷却媒体出口連通孔４０ｂ側に略等間隔に配置される。
【００４０】
ターミナルプレート１６ｂは、各放熱部７４ａ、７４ｂに接触する面を平坦面に構成してもよく、又は、前記放熱部７４ａ、７４ｂの外周面形状に沿って湾曲する円弧状面に構成してもよい。あるいは、放熱部７４ａ、７４ｂは、ターミナルプレート１６ｂに接する面を平坦に形成してもよく、前記ターミナルプレート１６ｂの内部に、前記放熱部７４ａ、７４ｂ全体又は一部を埋設してもよい。
【００４１】
なお、受熱部７２ａ、７２ｂの配置部位は、冷却媒体入口連通孔４０ａ及び冷却媒体出口連通孔４０ｂに限定されるものではない。受熱部７２ａは、酸化剤ガス入口連通孔３６ａ又は燃料ガス入口連通孔３８ａに配置してもよい。受熱部７２ｂは、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂ又は燃料ガス出口連通孔３８ｂに配置してもよい。また、放熱部７４ａ、７４ｂは、ターミナルプレート１６ａ側にも設けてもよく、あるいは、インシュレータ１８ｂのエンドプレート２０ｂに向かう面や前記エンドプレート２０ｂの表面や内部に設けてもよい。以下に説明する第２以降の実施形態でも、同様である。
【００４２】
ヒートパイプ構造体７０ａ、７０ｂは、密閉容器を構成しており、図示しないが、高温部である受熱部７２ａ、７２ｂの内壁で作動液が熱を吸収して蒸発すると、作動液蒸気が空洞を通って低温部である各放熱部７４ａ、７４ｂに移動する。放熱部７４ａ、７４ｂで冷却された作動液蒸気は、凝集して液体に戻り、内壁のウィック（毛細管構造の芯）に吸収される。さらに、作動液は、ウィックを伝わって受熱部７２ａ、７２ｂに戻される。受熱部７２ａ、７２ｂは、放熱部７４ａ、７４ｂよりも重力方向下方に配置されることが好ましい。凝縮した液体が、重力の作用で受熱部７２ａ、７２ｂに戻るからである。但し、ヒートパイプ構造体７０ａ、７０ｂは、内部にウィックが設けられているため、配置の方向は特に限定されない。
【００４３】
図１に示すように、エンドプレート２０ａには、酸化剤ガス入口連通孔３６ａ、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂ、燃料ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス出口連通孔３８ｂ、冷却媒体入口連通孔４０ａ及び冷却媒体出口連通孔４０ｂが形成される。なお、エンドプレート２０ａとエンドプレート２０ｂとには、所定の連通孔を振り分けて形成してもよい。例えば、一方のエンドプレート（エンドプレート２０ａ又は２０ｂ）に、酸化剤ガス入口連通孔３６ａ、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂ、燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂを設けることができる。その際、他方のエンドプレート（エンドプレート２０ｂ又は２０ａ）に、冷却媒体入口連通孔４０ａ及び冷却媒体出口連通孔４０ｂを設けることができる。
【００４４】
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。
【００４５】
先ず、図１に示すように、酸素含有ガス等の酸化剤ガスは、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス入口連通孔３６ａに供給される。水素含有ガス等の燃料ガスは、エンドプレート２０ａの燃料ガス入口連通孔３８ａに供給される。純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体は、エンドプレート２０ａの上下一対の冷却媒体入口連通孔４０ａに供給される。
【００４６】
図４に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３６ａから第１セパレータ３２の酸化剤ガス流路４２に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４２に沿って水平方向（矢印Ｂ方向）に流動しながら、電解質膜・電極構造体３０を構成するカソード電極５４に供給される。
【００４７】
一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３８ａから第２セパレータ３４の燃料ガス流路４４に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路４４に沿って水平方向（矢印Ｂ方向）に流動しながら、電解質膜・電極構造体３０を構成するアノード電極５６に供給される。
【００４８】
従って、電解質膜・電極構造体３０では、カソード電極５４に供給される酸化剤ガスと、アノード電極５６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、発電が行われる。
【００４９】
次いで、カソード電極５４に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。一方、アノード電極５６に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００５０】
また、対向する長辺の上下に設けられた一対の冷却媒体入口連通孔４０ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ３２及び第２セパレータ３４間の冷却媒体流路４６に導入される。冷却媒体は、一旦矢印Ｃ方向（セパレータ短辺方向）内方に沿って流動した後、矢印Ｂ方向（セパレータ長辺方向）に移動して電解質膜・電極構造体３０を冷却する。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４０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００５１】
この場合、第１の実施形態では、図２及び図５に示すように、各ヒートパイプ構造体７０ａを構成する一対の受熱部７２ａは、上下一対の冷却媒体入口連通孔４０ａに挿入されている。このため、各受熱部７２ａは、各冷却媒体入口連通孔４０ａを流通する冷却媒体から受熱することができる。
【００５２】
一方、図２、図３及び図５に示すように、各ヒートパイプ構造体７０ｂを構成する一対の受熱部７２ｂは、上下一対の冷却媒体出口連通孔４０ｂに挿入されている。従って、各受熱部７２ｂは、各冷却媒体出口連通孔４０ｂを流通する使用後の冷却媒体、すなわち、各発電セル１２を冷却して昇温された冷却媒体から受熱することが可能になる。
【００５３】
そして、受熱部７２ａ、７２ｂで受熱した熱は、燃料電池スタック１０の内部に発電面に沿って延在する各放熱部７４ａ、７４ｂからターミナルプレート１６ｂ全体に放熱されている。これにより、燃料電池スタック１０の積層方向端部であるターミナルプレート１６ａが迅速に加温され、積層体１４の端部に配置される端部発電セル１２ｅからの放熱を良好に抑制することが可能になる（図３参照）。
【００５４】
図６には、ヒートパイプ構造体７０ａ、７０ｂの有無による燃料電池スタック１０の各部位の温度（代表温度）が検出された。その結果、ヒートパイプ構造体７０ａ、７０ｂが用いられた場合には、燃料電池スタック１０の内部からエンドプレート２０ｂの外面に至る間、適正ＭＥＡ温度範囲内に維持されている。一方、ヒートパイプ構造体７０ａ、７０ｂが用いられない場合には、燃料電池スタック１０の内部温度に比べて、端部発電セル１２ｅから外方の温度が適正ＭＥＡ温度範囲未満になっている。
【００５５】
さらに、ヒートパイプ構造体が無い構成、片側にのみ受熱部が設けられた比較例、及び第１の実施形態の構成を用いて、冷却媒体流量と冷却媒体連通孔の流路圧損との関係を検出した結果が、図７に示されている。このため、ヒートパイプ構造体が必要受熱面積を確保する際、両端に受熱部７２ａ（７２ｂ）が設けられたヒートパイプ構造体７０ａ（７０ｂ）を用いることにより、片側受熱部構造（比較例）に比べて、冷却媒体連通孔の流路圧損が良好に低下するという効果が得られる。
【００５６】
従って、第１の実施形態では、簡単且つコンパクトな構成で、特に積層方向端部に配置されている端部発電セル１２ｅの温度低下を確実に阻止するとともに、暖機を良好に遂行することが可能になるという効果が得られる。
【００５７】
図８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８０は、例えば、ターミナルプレート１６ｂの内部又は前記ターミナルプレート１６ｂの表面とインシュレータ１８ｂとの間に配設される棒状ヒートパイプ構造体８２ａ、８２ｂを備える。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。
【００５８】
図８及び図９に示すように、インシュレータ１８ｂにおいて、例えば、２本のヒートパイプ構造体８２ａは、上方の冷却媒体入口連通孔４０ａと上方の冷却媒体出口連通孔４０ｂとに配置される。インシュレータ１８ｂにおいて、例えば、２本のヒートパイプ構造体８２ｂは、下方の冷却媒体入口連通孔４０ａと下方の冷却媒体出口連通孔４０ｂとに配置される。
【００５９】
ヒートパイプ構造体８２ａの両端には、上方の冷却媒体入口連通孔４０ａと上方の冷却媒体出口連通孔４０ｂとに直接配置され、冷却媒体（流体）から受熱する一対の受熱部８４ａが設けられる。一対の受熱部８４ａは、発電セル１２の発電面に平行な面方向に沿って延在し、各受熱部８４ａで受熱した熱を放出する単一の放熱部８６ａに一体に連結される。放熱部８６ａは、インシュレータ１８ｂの凹部６２ｂの底面に沿って、又は、前記底面に一部が埋設されて配置される。２本の放熱部８６ａは、発電領域内の中央部から上方側に所定の間隔で配置される。
【００６０】
ヒートパイプ構造体８２ｂの両端には、下方の冷却媒体入口連通孔４０ａと下方の冷却媒体出口連通孔４０ｂとに直接配置され、冷却媒体（流体）から受熱する一対の受熱部８４ｂが設けられる。一対の受熱部８４ｂは、発電セル１２の発電面に平行な面方向に沿って延在し、各受熱部８４ｂで受熱した熱を放出する単一の放熱部８６ｂに一体に連結される。放熱部８６ｂは、インシュレータ１８ｂの凹部６２ｂの底面に沿って、又は、前記底面に一部が埋設されて配置される。２本の放熱部８６ｂは、発電領域内の中央部から下方側に所定の間隔で配置される。
【００６１】
ターミナルプレート１６ｂは、各放熱部８６ａ、８６ｂに接触する面を平坦面に構成してもよく、又は、前記放熱部８６ａ、８６ｂの外周面形状に沿って湾曲する円弧状面に構成してもよい。あるいは、ターミナルプレート１６ｂの内部に、放熱部８６ａ、８６ｂ全体又は一部を埋設してもよい。
【００６２】
このように構成される第２の実施形態では、各ヒートパイプ構造体８２ａを構成する一対の受熱部８４ａは、上方の冷却媒体入口連通孔４０ａと上方の冷却媒体出口連通孔４０ｂとに配置されている。このため、一対の受熱部８４ａは、冷却媒体入口連通孔４０ａを流通する冷却媒体及び冷却媒体出口連通孔４０ｂを流通する冷却媒体から受熱し、放熱部８６ａからターミナルプレート１６ｂに放熱することができる。
【００６３】
一方、各ヒートパイプ構造体８２ｂを構成する一対の受熱部８４ｂは、下方の冷却媒体入口連通孔４０ａと下方の冷却媒体出口連通孔４０ｂとに配置されている。従って、一対の受熱部８４ｂは、冷却媒体入口連通孔４０ａを流通する冷却媒体及び冷却媒体出口連通孔４０ｂを流通する冷却媒体から受熱し、放熱部８６ｂからターミナルプレート１６ｂに放熱することが可能になる。これにより、ターミナルプレート１６ｂ全体を迅速且つ確実に加温することができ、端部発電セル１２ｅの温度低下を確実に阻止するとともに、暖機を良好に遂行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。
【００６４】
図１０に示すように、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック９０は、複数の発電セル９２が水平方向（矢印Ａ方向）又は鉛直方向（矢印Ｃ方向）に積層された積層体９４を備える。積層体９４の積層方向（矢印Ａ方向）一端には、ターミナルプレート１６ａ、インシュレータ（絶縁プレート）９６ａ及びエンドプレート９８ａが積層方向外方に向かって、順次、配設される。積層体９４の積層方向他端には、ターミナルプレート１６ｂ、インシュレータ（絶縁プレート）９６ｂ及びエンドプレート９８ｂが積層方向外方に向かって、順次、配設される。
【００６５】
発電セル９２は、図１１に示すように、電解質膜・電極構造体１００と、前記電解質膜・電極構造体１００を挟持する第１セパレータ１０２及び第２セパレータ１０４とを備える。第１セパレータ１０２及び第２セパレータ１０４は、金属セパレータ又はカーボンセパレータにより構成される。
【００６６】
発電セル９２の長辺方向である矢印Ｂ方向の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔３６ａ、冷却媒体入口連通孔４０ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂが設けられる。発電セル９２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガス入口連通孔３８ａ、冷却媒体出口連通孔４０ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３６ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００６７】
図１０に示すように、少なくとも一方のエンドプレート側、例えば、エンドプレート９８ｂ側には、燃料電池スタック９０の内部に配置されてそれぞれ複数本の棒状ヒートパイプ構造体１０６が設けられる。図１０及び図１２に示すように、インシュレータ９６ｂにおいて、例えば、４本のヒートパイプ構造体１０６は、それぞれ水平方向に延在するとともに、冷却媒体入口連通孔４０ａ及び冷却媒体出口連通孔４０ｂの間に配置される。
【００６８】
各ヒートパイプ構造体１０６の両端には、冷却媒体入口連通孔４０ａと冷却媒体出口連通孔４０ｂとに直接配置され、冷却媒体（流体）から受熱する一対の受熱部１０８ａ、１０８ｂが設けられる。受熱部１０８ａ、１０８ｂは、発電セル９２の発電面に平行な面方向に沿って延在し、各受熱部１０８ａ、１０８ｂで受熱した熱を放出する単一の放熱部１１０に一体に連結される。放熱部１１０は、インシュレータ９６ｂの凹部６２ｂの底面に沿って、又は、前記底面に一部が埋設されて配置される。４本の放熱部１１０は、発電領域内の高さ方向に略等間隔に配置されて水平方向に延在する。
【００６９】
このように構成される第３の実施形態では、各ヒートパイプ構造体１０６を構成する一対の受熱部１０８ａ、１０８ｂは、冷却媒体入口連通孔４０ａと冷却媒体出口連通孔４０ｂとに直接配置されている。このため、一対の受熱部１０８ａ、１０８ｂは、冷却媒体入口連通孔４０ａを流通する冷却媒体及び冷却媒体出口連通孔４０ｂを流通する冷却媒体から受熱し、放熱部１１０からターミナルプレート１６ｂに放熱することができる。
【００７０】
従って、ターミナルプレート１６ｂ全体を迅速且つ確実に加温することができ、端部発電セルの温度低下を確実に阻止するとともに、暖機を良好に遂行することが可能になる等、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００７１】
図１３に示すように、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタック１２０は、ヒートパイプ構造体１２２を備える。なお、上記の第３の実施形態に係る燃料電池スタック９０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。
【００７２】
図１３及び図１４に示すように、例えば、エンドプレート９８ｂ側には、燃料電池スタック１２０の内部に配置されてそれぞれ複数本の棒状ヒートパイプ構造体１２２が設けられる。インシュレータ９６ｂにおいて、例えば、３本のヒートパイプ構造体１２２は、それぞれ水平方向に延在するとともに、燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂの間に配置される。
【００７３】
各ヒートパイプ構造体１２２の両端には、燃料ガス入口連通孔３８ａと燃料ガス出口連通孔３８ｂとに直接配置され、燃料ガス（流体）から受熱する一対の受熱部１２４ａ、１２４ｂが設けられる。受熱部１２４ａ、１２４ｂは、発電セル９２の発電面に平行な面方向に沿って延在し、各受熱部１２４ａ、１２４ｂで受熱した熱を放出する単一の放熱部１２６に一体に連結される。放熱部１２６は、インシュレータ９６ｂの凹部６２ｂの底面に沿って、又は、前記底面に一部が埋設されて配置される。３本の放熱部１２６は、発電領域内の高さ方向に略等間隔に配置されて水平方向に延在する。なお、ヒートパイプ構造体１２２は、酸化剤ガス入口連通孔３６ａと酸化剤ガス出口連通孔３６ｂ間に設けてもよい。
【００７４】
このように構成される第４の実施形態では、各ヒートパイプ構造体１２２を構成する一対の受熱部１２４ａ、１２４ｂは、燃料ガス入口連通孔３８ａと燃料ガス出口連通孔３８ｂとに直接配置されている。このため、一対の受熱部１２４ａ、１２４ｂは、燃料ガス入口連通孔３８ａを流通する燃料ガス及び燃料ガス出口連通孔３８ｂを流通する燃料ガスから受熱し、放熱部１２６からターミナルプレート１６ｂに放熱することができる。
【００７５】
従って、ターミナルプレート１６ｂ全体を迅速且つ確実に加温することができ、端部発電セルの温度低下を確実に阻止するとともに、暖機を良好に遂行することが可能になる等、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。
【００７６】
図１５は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池スタック１３０の一部分解概略斜視図である。なお、上記の第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。
【００７７】
ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの略中央には、積層方向外方に延在する端子部１３２ａ、１３２ｂが設けられる。端子部１３２ａは、絶縁性筒体１３４に挿入されて、インシュレータ１８ａの孔部１３６ａ及びエンドプレート２０ａの孔部１３８ａを貫通して前記エンドプレート２０ａの外部に突出する。端子部１３２ｂは、絶縁性筒体１３４に挿入されて、インシュレータ１８ｂの孔部１３６ｂ及びエンドプレート２０ｂの孔部１３８ｂを貫通して前記エンドプレート２０ｂの外部に突出する。
【００７８】
インシュレータ１８ｂには、ヒートパイプ構造体７０ａ、７０ｂが設けられる。なお、ヒートパイプ構造体７０ａ、７０ｂに代えて、ヒートパイプ構造体８２ａ、８２ｂを使用してもよく、また、ヒートパイプ構造体１０６を採用してもよい。さらに、ヒートパイプ構造体７０ａ、７０ｂに代えて、ヒートパイプ構造体１２２を用いることができる。
【００７９】
このように構成される第５の実施形態では、上記の第１〜第４の実施形態と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００８０】
１０、８０、９０、１２０、１３０…燃料電池スタック
１２、９２…発電セル                １４、９４…積層体
１６ａ、１６ｂ…ターミナルプレート
１８ａ、１８ｂ、９６ａ、９６ｂ…インシュレータ
２０ａ、２０ｂ、９８ａ、９８ｂ…エンドプレート
３０、１００…電解質膜・電極構造体
３２、３４、１０２、１０４…セパレータ
３６ａ…酸化剤ガス入口連通孔        ３６ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
３８ａ…燃料ガス入口連通孔          ３８ｂ…燃料ガス出口連通孔
４０ａ…冷却媒体入口連通孔          ４０ｂ…冷却媒体出口連通孔
４２…酸化剤ガス流路                ４４…燃料ガス流路
４６…冷却媒体流路                  ４８、５０…シール部材
５２…固体高分子電解質膜            ５４…カソード電極
５６…アノード電極
７０ａ、７０ｂ、８２ａ、８２ｂ、１０６、１２２…ヒートパイプ構造体
７２ａ、７２ｂ、８４ａ、８４ｂ、１０８ａ、１０８ｂ、１２４ａ、１２４ｂ…受熱部
７４ａ、７４ｂ、８６ａ、８６ｂ、１１０、１２６…放熱部
【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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【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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