(57)【要約】【課題】簡単且つ経済的な構成で、端部セルの温度低下を確実に阻止することができ、良好な発電性能を維持することを可能にする。【解決手段】燃料電池スタック１０を構成する積層体１４の端部には、第２ターミナルプレート１６ｂ、第２インシュレータ１８ｂ及び第２エンドプレート２０ｂが配設される。第２インシュレータ１８ｂの凹部６８には、保温部材７０及び第２ターミナルプレート１６ｂが収容される。保温部材７０は、第１カーボンプレート７２ａと第２カーボンプレート７２ｂとの間に金属プレート７４を挟んで構成され、前記金属プレート７４には、冷却媒体を流通させるサーペンタイン流路７８ａ、７８ｂが形成される。【選択図】図１
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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であって、
少なくとも一方の前記インシュレータは、前記積層体側の端部が開口される凹部を設け、前記凹部には、前記ターミナルプレート及び金属製波板が収容されるとともに、
前記金属製波板の窪み部位には、冷却媒体を流通させる冷却媒体通路が形成さ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、前記金属製波板は、両面に波形状面を有し、
一方の波形状面に前記冷却媒体通路である第１冷却媒体通路が成形されるとともに、
他方の波形状面に前記冷却媒体通路である第２冷却媒体通路が形成さ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１又は２記載の燃料電池スタックにおいて、前記凹部には、前記金属製波板とカーボンプレートとが積層されるとともに、
前記金属製波板と前記カーボンプレートとの間には、前記冷却媒体通路が形成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、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電解質膜の一方の面側にアノード電極が、他方の面側にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータによって挟持されることにより、発電セルを構成している。燃料電池は、通常、所定の数の発電セルが積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池車両（燃料電池電気自動車等）に組み込まれている。
【０００３】
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、端部セルともいう）は、この端部セルに隣接するターミナルプレート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】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている固体高分子電解質型燃料電池が知られている。この燃料電池は、固体高分子電解質膜よりなる電解質層の両主面にそれぞれ電極層を密着して膜電極接合体を形成し、その両外面にガス通流溝及び冷却水通流溝を備えたセパレータを配して単電池を構成している。
【０００５】
複数の単電池の積層方向両端には、発生した直流電気を取り出すための集電板と、電気的な絶縁を保持するための電気絶縁板とが、順次配されている。そして、電気絶縁板は、両端末に位置する単電池の温度を制御する冷却水を通流する冷却水流路を備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−３０８２２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記の特許文献１では、電気絶縁板自体に複数の隔壁及複数の通流溝からなる冷却水流路が形成されている。このため、電気絶縁板の構成が複雑化し、製造コストが高騰するという問題がある。
【０００８】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、端部セルの温度低下を確実に阻止することができ、良好な発電性能を維持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】
【０００９】
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積層される積層体を備えている。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。
【００１０】
少なくとも一方のインシュレータは、積層体側の端部が開口される凹部を設けている。そして、凹部には、ターミナルプレート及び金属製波板が収容されるとともに、前記金属製波板の窪み部位には、冷却媒体を流通させる冷却媒体通路が形成されている。
【００１１】
また、この燃料電池スタックでは、金属製波板は、両面に波形状面を有し、一方の波形状面に冷却媒体通路である第１冷却媒体通路が成形されるとともに、他方の波形状面に前記冷却媒体通路である第２冷却媒体通路が形成されることが好ましい。
【００１２】
さらに、この燃料電池スタックでは、凹部には、金属製波板とカーボンプレートとが積層されるとともに、前記金属製波板と前記カーボンプレートとの間には、冷却媒体通路が形成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、インシュレータの凹部にターミナルプレート及び金属製波板が収容されるとともに、前記金属製波板の窪み部位に冷却媒体が流通されている。このため、ターミナルプレートの外周部からの放熱を良好に抑制するとともに、インシュレータの凹部を保温空間として機能させることができる。従って、簡単且つ経済的な構成で、積層体の端部に配置される端部セルの温度低下を確実に阻止し、良好な発電性能を維持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セルの分解斜視説明図である。
【図４】前記燃料電池スタックを構成する保温部材の斜視説明図である。
【図５】前記保温部材を構成する金属プレートの正面説明図である。
【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、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１２が水平方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体１４を備える。
【００１６】
図１に示すように、積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）一端には、第１ターミナルプレート１６ａ、第１インシュレータ１８ａ及び第１エンドプレート２０ａが外方に向かって、順次、配設される。積層体１４の積層方向他端には、第２ターミナルプレート１６ｂ、第２インシュレータ１８ｂ及び第２エンドプレート２０ｂ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第１エンドプレート２０ａ及び第２エンドプレート２０ｂ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てもよい。燃料電池スタック１０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てもよい。
【００１８】
発電セル１２は、図２及び図３に示すように、電解質膜・電極構造体２２と、前記電解質膜・電極構造体２２を挟持する第１金属セパレータ２４及び第２金属セパレータ２６とを備える。第１金属セパレータ２４及び第２金属セパレータ２６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金属薄板を波形にプレス成形して構成される。なお、第１金属セパレータ２４及び第２金属セパレータ２６に代えて、例えば、カーボンセパレータを用いてもよい。
【００１９】
電解質膜・電極構造体２２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２８と、前記固体高分子電解質膜２８を挟持するアノード電極３０及びカソード電極３２とを備える。固体高分子電解質膜２８は、アノード電極３０及びカソード電極３２よりも大きな表面積を有している。なお、電解質膜・電極構造体２２は、アノード電極３０とカソード電極３２とが互いに異なる表面積に設定される段差ＭＥＡを構成してもよい。
【００２０】
アノード電極３０及びカソード電極３２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を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布し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２８の両面に形成されている。
【００２１】
発電セル１２の長辺方向である矢印Ｂ方向（図３中、水平方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向（積層方向）に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂは、矢印Ｃ方向に配列して設けられ、前記酸化剤ガス入口連通孔３４ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する。冷却媒体入口連通孔３６ａは、冷却媒体を供給し、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。
【００２２】
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３８ａ、冷却媒体出口連通孔３６ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ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、燃料ガスを供給し、冷却媒体出口連通孔３６ｂは、冷却媒体を排出するとともに、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂは、酸化剤ガスを排出する。
【００２３】
第１金属セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２２に向かう面２４ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する燃料ガス流路４０が形成される。燃料ガス流路４０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。
【００２４】
第２金属セパレータ２６の電解質膜・電極構造体２２に向かう面２６ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在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、酸化剤ガス入口連通孔３４ａと酸化剤ガス出口連通孔３４ｂとに連通する。
【００２５】
互いに隣接する第１金属セパレータ２４の面２４ｂと第２金属セパレータ２６の面２６ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３６ａと冷却媒体出口連通孔３６ｂとに連通する冷却媒体流路４４が形成される。冷却媒体流路４４は、燃料ガス流路４０が形成された第１金属セパレータ２４の裏面形状と、酸化剤ガス流路４２が形成された第２金属セパレータ２６の裏面形状とが重なり合って形成される。
【００２６】
図２及び図３に示すように、第１金属セパレータ２４の面２４ａ、２４ｂには、この第１金属セパレータ２４の外周端部を周回して、第１シール部材４８が一体化される。第２金属セパレータ２６の面２６ａ、２６ｂには、この第２金属セパレータ２６の外周端部を周回して、第２シール部材５０が一体化される。
【００２７】
第１シール部材４８及び第２シール部材５０には、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用いられる。
【００２８】
図１に示すように、第１ターミナルプレート１６ａ及び第２ターミナルプレート１６ｂの略中央には、積層方向外方に延在する端子部５８ａ、５８ｂが設けられる。端子部５８ａ、５８ｂは、絶縁性筒体６０に挿入されて、第１インシュレータ１８ａ及び第２インシュレータ１８ｂの孔部６２ａ、６２ｂを貫通する。端子部５８ａ、５８ｂは、第１エンドプレート２０ａ及び第２エンドプレート２０ｂの孔部６４ａ、６４ｂを貫通して前記第１エンドプレート２０ａ及び前記第２エンドプレート２０ｂの外部に突出する。
【００２９】
第１インシュレータ１８ａ及び第１エンドプレート２０ａの矢印Ｂ方向一端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂが形成される。第１インシュレータ１８ａ及び第１エンドプレート２０ａの矢印Ｂ方向他端縁部には、燃料ガス入口連通孔３８ａ、冷却媒体出口連通孔３６ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂが形成される。
【００３０】
第１インシュレータ１８ａ及び第２インシュレータ１８ｂ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。第１インシュレータ１８ａは、中央部に矩形状の溝部６６ａが設けられるとともに、この溝部６６ａの略中央に孔部６２ａが連通する。溝部６６ａには、第１ターミナルプレート１６ａが収容され、前記第１ターミナルプレート１６ａの端子部５８ａが絶縁性筒体６０を介装して孔部６２ａに挿入される。
【００３１】
第２インシュレータ１８ｂは、第１インシュレータ１８ａよりも肉厚に構成されるとともに、積層体１４側の端部が開口される凹部６８を有する。凹部６８を構成する底面６８ａの略中央には、孔部６２ｂが形成される。凹部６８には、保温部材７０及び第２ターミナルプレート１６ｂが収容され、前記第２ターミナルプレート１６ｂの端子部５８ｂが絶縁性筒体６０を介装して孔部６２ｂに挿入される。
【００３２】
第２ターミナルプレート１６ｂは、凹部６８の底面６８ａに当接して配置されるが、これに限定されるものではない。例えば、底面６８ａに保温部材７０を当接させ、この保温部材７０の底面６８ａと反対の面に前記第２ターミナルプレート１６ｂを当接させてもよい。その際、保温部材７０の中央には、端子部５８ｂが絶縁性筒体６０を介装して挿入される孔部が形成される。
【００３３】
保温部材７０は、例えば、第１カーボンプレート７２ａと第２カーボンプレート７２ｂとの間に波板形状を有する金属プレート（金属製波板）７４を挟んで構成される。
【００３４】
金属プレート７４、第２カーボンプレート７２ｂ、第２ターミナルプレート１６ｂ、第２インシュレータ１８ｂ及び第２エンドプレート２０ｂには、温調媒体供給連通孔７６ａ及び温調媒体排出連通孔７６ｂが形成される。温調媒体供給連通孔７６ａ及び温調媒体排出連通孔７６ｂには、温調用の媒体、例えば、冷却媒体が流通される。冷却媒体は、燃料電池スタック１０の冷却媒体流路４４を流通して各発電セル１２を冷却した後、冷却媒体出口連通孔３６ｂに排出された冷却媒体（昇温された冷却媒体）を使用することが好ましい。
【００３５】
図４に示すように、金属プレート７４の第１カーボンプレート７２ａに向かう面７４ａには、温調媒体供給連通孔７６ａと温調媒体排出連通孔７６ｂとに連通するサーペンタイン流路（窪み部位）７８ａが形成される。サーペンタイン流路７８ａは、金属プレート７４の長手方向（矢印Ｂ方向）に延在するとともに、水平方向端部に折り返し部を有する。
【００３６】
図５に示すように、金属プレート７４の第２カーボンプレート７２ｂに向かう面７４ｂには、温調媒体供給連通孔７６ａと温調媒体排出連通孔７６ｂとに連通するサーペンタイン流路７８ｂが形成される。サーペンタイン流路７８ｂは、サーペンタイン流路７８ａと同様に構成される。
【００３７】
なお、サーペンタイン流路７８ａのみ、又は、サーペンタイン流路７８ｂのみを設けることもできる。また、温調媒体用流路は、サーペンタイン形状に限定されるものではなく、直線形状や波形状等、種々の形状が採用可能である。サーペンタイン形状は、流路長が長く設定されるため、温調効果を得ることができる。
【００３８】
図４に示すように、金属プレート７４の面７４ａには、温調媒体供給連通孔７６ａ、温調媒体排出連通孔７６ｂ及びサーペンタイン流路７８ａを周回してシール部材８０ａが設けられる。図５に示すように、金属プレート７４の面７４ｂには、温調媒体供給連通孔７６ａ、温調媒体排出連通孔７６ｂ及びサーペンタイン流路７８ｂを周回してシール部材８０ｂが設けられる。
【００３９】
第２カーボンプレート７２ｂ、第２ターミナルプレート１６ｂ、第２インシュレータ１８ｂ及び第２エンドプレート２０ｂには、温調媒体供給連通孔７６ａと温調媒体排出連通孔７６ｂとを周回してＯリング８２ａ、８２ｂが配置される。
【００４０】
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。
【００４１】
先ず、図１に示すように、酸素含有ガス等の酸化剤ガスは、第１エンドプレート２０ａの酸化剤ガス入口連通孔３４ａに供給される。水素含有ガス等の燃料ガスは、第１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。一方、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体は、第１エンドプレート２０ａの冷却媒体入口連通孔３６ａに供給される。
【００４２】
酸化剤ガスは、図３に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３４ａから第２金属セパレータ２６の酸化剤ガス流路４２に導入され、矢印Ｂ方向に移動して電解質膜・電極構造体２２のカソード電極３２に供給される。
【００４３】
一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３８ａから第１金属セパレータ２４の燃料ガス流路４０に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路４０に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体２２のアノード電極３０に供給される。
【００４４】
従って、各電解質膜・電極構造体２２では、カソード電極３２に供給される酸化剤ガスと、アノード電極３０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。
【００４５】
次いで、カソード電極３２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３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード電極３０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。
【００４６】
また、冷却媒体入口連通孔３６ａに供給された冷却媒体は、第１金属セパレータ２４と第２金属セパレータ２６との間の冷却媒体流路４４に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２２を冷却した後、冷却媒体出口連通孔３６ｂから排出される。
【００４７】
この場合、本実施形態では、図１及び図２に示すように、第２インシュレータ１８ｂの凹部６８に第２ターミナルプレート１６ｂと保温部材７０とが収容されている。保温部材７０は、第１カーボンプレート７２ａと第２カーボンプレート７２ｂとの間に波板形状を有する金属プレート７４を挟んで構成されている。
【００４８】
そして、第１カーボンプレート７２ａと金属プレート７４との間には、サーペンタイン流路７８ａが形成される一方、第２カーボンプレート７２ｂと前記金属プレート７４との間には、サーペンタイン流路７８ｂが形成されている。これにより、第２エンドプレート２０ｂの温調媒体供給連通孔７６ａに供給される冷却媒体（燃料電池スタック１０から排出され昇温された冷却媒体）は、各サーペンタイン流路７８ａ、７８ｂに沿って流通した後、温調媒体排出連通孔７６ｂを通って第２エンドプレート２０ｂから排出されている。
【００４９】
このため、第２インシュレータ１８ｂの凹部６８は、保温空間として機能することができ、第２ターミナルプレート１６ｂの外周部からの放熱を良好に抑制することが可能になる。従って、簡単且つ経済的な構成で、積層体１４の端部に配置される発電セル１２（端部セル）の温度低下を確実に阻止し、良好な発電性能を維持することが可能になるという効果が得られる。
【００５０】
なお、本実施形態では、保温部材７０は、第１カーボンプレート７２ａと第２カーボンプレート７２ｂとの間に波板形状を有する金属プレート７４を挟んで構成されているが、これに限定されるものではない。
【００５１】
例えば、第１カーボンプレート７２ａ及び第２カーボンプレート７２ｂに代えて、導電性プレートを用いてもよく、又は、波板形状の金属プレートを用いてもよい。また、金属プレート７４に代えて、溝が形成されたカーボンプレートを採用してもよい。さらに、単一の金属プレートを２枚のカーボンセパレータで挟持した積層プレートを複数組み積層して構成してもよい。さらにまた、燃料電池スタック１０の内部で、冷却媒体出口連通孔３６ｂと温調媒体供給連通孔７６ａとを繋いでもよい。また、本発明の構造は、燃料電池スタック１０の両端に適用してもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１０…燃料電池スタック              １２…発電セル
１４…積層体                        １６ａ、１６ｂ…ターミナルプレート
１８ａ、１８ｂ…インシュレータ      ２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
２２…電解質膜・電極構造体          ２４、２６…金属セパレータ
２８…固体高分子電解質膜            ３０…アノード電極
３２…カソード電極                  ４０…燃料ガス流路
４２…酸化剤ガス流路                ４４…冷却媒体流路
４８、５０、８０ａ、８０ｂ…シール部材
６８…凹部                          ７０…保温部材
７２ａ、７２ｂ…カーボンプレート    ７４…金属プレート
７６ａ…温調媒体供給連通孔          ７６ｂ…温調媒体排出連通孔
７８ａ、７８ｂ…サーペンタイン流路  ８２ａ、８２ｂ…Ｏリング
【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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