(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側に電極が配設される電解質膜・電極構造体と、セパレータとを有する発電セルを備え、複数の前記発電セルが積層される積層体の積層方向両端には、外方に向かって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、
少なくとも前記積層体の前記積層方向一端部側の前記インシュレータと前記エンドプレートとの間には、締め付け荷重調整用のスペーサ部材が介装されるとともに、
前記積層体の前記スペーサ部材が設けられた側の端部と前記インシュレータとの間には、端部構成部材が介装され、且つ、前記端部構成部材は、波板状に形成された金属板よりなる金属製プレートと、多孔質カーボンよりなり前記金属製プレートよりも放熱性の低い第１の多孔質プレート及び第２の多孔質プレートと、を有し、
前記スペーサ部材の厚さが前記積層体の端部の前記発電セルの温度が許容範囲となる設定厚さの範囲未満であって、
前記端部構成部材は、前記ターミナルプレートと前記積層体との間に、前記積層体側から外方に向かって前記第２の多孔質プレート、前記第１の多孔質プレート、及び前記金属製プレートの順に配設される燃料電池スタック。
【請求項２】
電解質膜の両側に電極が配設される電解質膜・電極構造体と、セパレータとを有する発電セルを備え、複数の前記発電セルが積層される積層体の積層方向両端には、外方に向かって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、
少なくとも前記積層体の前記積層方向一端部側の前記インシュレータと前記エンドプレートとの間には、締め付け荷重調整用のスペーサ部材が介装されるとともに、
前記積層体の前記スペーサ部材が設けられた側の端部と前記インシュレータとの間には、端部構成部材が介装され、且つ、前記端部構成部材は、波板状に形成された金属板よりなる金属製プレートと、多孔質カーボンよりなり前記金属製プレートよりも放熱性の低い第１の多孔質プレート及び第２の多孔質プレートと、を有し、
前記スペーサ部材の厚さが前記積層体の端部の前記発電セルの温度が許容範囲となる設定厚さの範囲を超えており、
前記端部構成部材は、前記ターミナルプレートと前記インシュレータとの間に前記第１の多孔質プレートが配設され、前記ターミナルプレートと前記積層体との間に外方に向けて順に前記第２の多孔質プレート及び前記金属製プレートが配設される燃料電池スタック。
【請求項３】
電解質膜の両側に電極が配設される電解質膜・電極構造体と、セパレータとを有する発電セルを備え、複数の前記発電セルが積層される積層体の積層方向両端には、外方に向かって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の放熱調整方法であって、
少なくとも前記積層体の前記積層方向一端部側の前記インシュレータと前記エンドプレートとの間には、締め付け荷重調整用のスペーサ部材が介装されるとともに、
前記積層体の前記スペーサ部材が設けられた側の端部と前記インシュレータとの間には、端部構成部材が介装され、且つ、前記端部構成部材は、波板状に形成された金属板よりなる金属製プレートと、多孔質カーボンよりなり前記金属製プレートよりも放熱性の低い第１の多孔質プレート及び第２の多孔質プレートと、を有し、
前記スペーサ部材の厚さと前記積層体の端部の発電セルの温度との関係を測定し、前記端部の発電セルの温度が許容範囲となる前記スペーサ部材の厚さの範囲を設定厚さとして求め、
前記スペーサ部材の厚さが前記設定厚さの範囲未満である場合には、前記ターミナルプレートと前記積層体との間に、前記積層体側から外方に向かって前記第２の多孔質プレート、前記第１の多孔質プレート、及び前記金属製プレートの順に配設するように前記端部構成部材を形成し、
前記スペーサ部材の厚さが前記設定厚さの範囲内である場合には、前記ターミナルプレートと前記積層体との間に、前記積層体側から外方に向かって前記第２の多孔質プレート、前記金属製プレート、及び前記第１の多孔質プレートの順に配設するように前記端部構成部材を形成し、
前記スペーサ部材の厚さが前記設定厚さの範囲を超える場合には、前記ターミナルプレートと前記インシュレータとの間に前記第１の多孔質プレートを配設し、前記ターミナルプレートと前記積層体との間に外方に向けて順に前記第２の多孔質プレート及び前記金属製プレートを配設するように前記端部構成部材を形成する、
燃料電池スタックの放熱調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜の両側に電極が配設される電解質膜・電極構造体と、セパレータとを有する発電セルを備え、複数の前記発電セルが積層される積層体を設ける燃料電池スタック及びその放熱調整方法に関する。
【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の一方の面にアノード電極が、他方の面にカソード電極が、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（バイポーラ板）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。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】
特に、低温環境下では、放熱量が大きくなり、低温側の発電性能が劣化するおそれがある。また、端部発電セルの面内が放熱により結露すると、凝縮水の発生による発電性能の低下が惹起され、膜劣化等のスタック耐久性の低下が懸念される。
【０００５】
一方、燃料電池スタックが高負荷状態で運転を継続すると、端部発電セルと接触している端部構成部材が過昇温し易くなり、端部セパレータやＭＥＡ等が熱により損傷するおそれがある。
【０００６】
そこで、簡単な構成で、端部発電セルの温度低下を確実に阻止することを目的として、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池スタックが提案されている。この燃料電池スタックでは、絶縁部材に凹部が形成されるとともに、前記凹部には、端部構成部材及びターミナルプレートが収容され、且つ、前記端部構成部材が前記ターミナルプレートと積層体との間に積層されることを特徴としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第５６０８７１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、この種の技術に関連してなされたものであり、端部発電セルからの放熱を可及的に抑制するとともに、前記端部発電セルの過昇温を阻止することができ、所望の発電性能を確実に維持することが可能な燃料電池スタック及びその放熱調整方法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、電解質膜の両側に電極が配設される電解質膜・電極構造体と、セパレータとを有する発電セルを備えている。複数の発電セルが積層される積層体の積層方向両端には、外方に向かって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】
少なくとも積層体の積層方向一端部側のインシュレータとエンドプレートとの間には、締め付け荷重調整用のスペーサ部材が介装されている。積層体のスペーサ部材が設けられた側の端部とインシュレータとの間には、端部構成部材が介装され、且つ、前記端部構成部材は、波板状に形成された金属板よりなる金属製プレートと、多孔質カーボンよりなり金属製プレートよりも放熱性の低い第１の多孔質プレート及び第２の多孔質プレートとを有している。そして、スペーサ部材の厚さが積層体の端部の発電セルの温度が許容範囲となる設定厚さの範囲未満の場合には、端部構成部材は、ターミナルプレートと積層体との間に、積層体側から外方に向かって第２の多孔質プレート、第１の多孔質プレート、及び前記金属製プレートの順に配設されている。
【００１１】
また、上記の端部構成部材は、スペーサ部材の厚さが積層体の端部の発電セルの温度が許容範囲となる設定厚さの範囲を超える場合には、ターミナルプレートとインシュレータとの間に第１の多孔質プレートが介装され、ターミナルプレートと積層体との間に外方に向けて順に第２の多孔質プレート及び金属製プレートが配設されていてもよい。
【００１２】
また、本発明に係る燃料電池スタックの放熱調整方法は、電解質膜の両側に電極が配設される電解質膜・電極構造体と、セパレータとを有する発電セルを備え、複数の発電セルが積層される積層体の積層方向両端には、外方に向かって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の放熱調整方法であって、少なくとも積層体の積層方向一端部側のインシュレータとエンドプレートとの間には、締め付け荷重調整用のスペーサ部材が介装されるとともに、積層体のスペーサ部材が設けられた側の端部とインシュレータとの間には、端部構成部材が介装され、且つ、端部構成部材は、波板状に形成された金属板よりなる金属製プレートと、多孔質カーボンよりなり金属製プレートよりも放熱性の低い第１の多孔質プレート及び第２の多孔質プレートと、を有し、スペーサ部材の厚さと積層体の端部の発電セルの温度との関係を測定し、端部の発電セルの温度が許容範囲となるスペーサ部材の厚さの範囲を設定厚さとして求め、スペーサ部材の厚さが設定厚さの範囲未満である場合には、ターミナルプレートと積層体との間に、積層体側から外方に向かって第２の多孔質プレート、第１の多孔質プレート、及び金属製プレートの順に配設するように前記端部構成部材を形成し、スペーサ部材の厚さが設定厚さの範囲内である場合には、ターミナルプレートと積層体との間に、積層体側から外方に向かって第２の多孔質プレート、金属製プレート、及び第１の多孔質プレートの順に配設するように前記端部構成部材を形成し、スペーサ部材の厚さが設定厚さの範囲を超える場合には、ターミナルプレートとインシュレータとの間に第１の多孔質プレートを配設し、ターミナルプレートと積層体との間に外方に向けて順に第２の多孔質プレート及び金属製プレートを配設するように前記端部構成部材を形成する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、スペーサ部材の厚さに応じて、端部構成部材の構成を変更している。このため、端部構成部材を調整することにより、端部発電セルから外部への過度の放熱を抑制する一方、前記端部発電セルの過昇温を抑制することができる。これにより、簡単且つ経済的な構成で、所望の発電性能を確実に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の、図２中、Ｖ−Ｖ線断面図である。
【図６】スペーサ部材の厚さと端部発電セルの温度との関係説明図である。
【図７】前記スペーサ部材の厚さが設定厚さ未満である場合において、端部構成部材の配置説明図である。
【図８】前記スペーサ部材の厚さが設定厚さを超える場合において、前記端部構成部材の配置説明図である。
【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）又は重力方向（矢印Ｃ方向）に積層された積層体１４を備える。燃料電池スタック１０は、図示しないが、燃料電池電気自動車等の燃料電池車両に搭載される。
【００１６】
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１８ａ及びエンドプレート２０ａが外方に向かって、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１８ｂ、スペーサ部材２２及びエンドプレート２０ｂが外方に向かって、順次、配設される。
【００１７】
図１に示すように、エンドプレート２０ａ、２０ｂは、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の内面にボルト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一対のエンドプレート２０ａ、２０ｂ間の距離は一定である。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。
【００１８】
発電セル１２は、図３及び図４に示すように、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体２８が、第１セパレータ３０及び第２セパレータ３２により挟持される。第１セパレータ３０及び第２セパレータ３２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。第１セパレータ３０及び第２セパレータ３２は、金属セパレータに代えて、例えば、カーボンセパレータを用いてもよい。
【００１９】
発電セル１２の長辺方向である矢印Ｂ方向（図４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。
【００２０】
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。
【００２１】
第１セパレータ３０の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体２８に向かう面３０ａ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及び燃料ガス出口連通孔３８ｂに連通する。
【００２２】
第２セパレータ３２の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体２８に向かう面３２ａ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及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂに連通する。
【００２３】
互いに隣接する第１セパレータ３０の面３０ｂと第２セパレータ３２の面３２ｂ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セパレータ３０の裏面形状と、酸化剤ガス流路４２が形成された第２セパレータ３２の裏面形状とが重なり合って形成される。
【００２４】
第１セパレータ３０の面３０ａ、３０ｂには、この第１セパレータ３０の外周端部を周回して、第１シール部材４６が一体化される。第２セパレータ３２の面３２ａ、３２ｂには、この第２セパレータ３２の外周端部を周回して、第２シール部材４８が一体化される。
【００２５】
図３に示すように、第１シール部材４６は、面３０ａ、３０ｂに亘って設けられ、均一の厚さを有して延在する平面シール４６ｆを有する。平面シール４６ｆには、面３０ａ側で、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体２８を構成する樹脂枠部材５６（後述する）に当接する第１凸状シール４６ａが一体に成形される。平面シール４６ｆには、面３０ｂ側で、隣接する第２セパレータ３２の第２シール部材４８に当接する二重シールである第２凸状シール４６ｂ及び第３凸状シール４６ｃが一体に成形される。
【００２６】
第２シール部材４８は、面３２ａ、３２ｂに亘って設けられ、均一の厚さを有して延在する平面シール４８ｆを有する。平面シール４８ｆには、面３２ａ側で、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体２８ａの外方に突出して第１シール部材４６に当接する第４凸状シール４８ａが一体に成形される。なお、第４凸状シール４８ａに代えて、第１シール部材４６に凸状シール（図示せず）を設けてもよい。
【００２７】
第１シール部材４６及び第２シール部材４８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】
樹脂枠付き電解質膜・電極構造体２８は、段差ＭＥＡである電解質膜・電極構造体２８ａを備える。電解質膜・電極構造体２８ａ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（陽イオン交換膜）５０と、前記固体高分子電解質膜５０を挟持するアノード電極５２及びカソード電極５４とを有する。
【００２９】
固体高分子電解質膜５０は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用してもよい。なお、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体２８に代えて、後述する樹脂枠部材５６を設けない電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を用いてもよい。
【００３０】
カソード電極５４は、固体高分子電解質膜５０及びアノード電極５２よりも小さな平面寸法（外形寸法）を有する。なお、上記の構成に代えて、アノード電極５２は、固体高分子電解質膜５０及びカソード電極５４よりも小さな平面寸法を有するように構成してもよい。また、アノード電極５２、カソード電極５４及び固体高分子電解質膜５０は、同一の平面寸法に設定されてもよい。
【００３１】
アノード電極５２は、固体高分子電解質膜５０の一方の面５０ａに接合される第１電極触媒層５２ａと、前記第１電極触媒層５２ａに積層される第１ガス拡散層５２ｂとを設ける。第１電極触媒層５２ａ及び第１ガス拡散層５２ｂは、同一の外形寸法を有するとともに、固体高分子電解質膜５０と同一（又は同一未満）の外形寸法に設定される。
【００３２】
カソード電極５４は、固体高分子電解質膜５０の面５０ｂに接合される第２電極触媒層５４ａと、前記第２電極触媒層５４ａに積層される第２ガス拡散層５４ｂとを設ける。第２電極触媒層５４ａ及び第２ガス拡散層５４ｂは、同一の（又は異なる）外形寸法を有するとともに、固体高分子電解質膜５０の外形寸法よりも小さな外形寸法に設定される。
【００３３】
第１電極触媒層５２ａは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、第１ガス拡散層５２ｂの表面に一様に塗布されて形成される。第２電極触媒層５４ａは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、第２ガス拡散層５４ｂの表面に一様に塗布されて形成される。第１ガス拡散層５２ｂ及び第２ガス拡散層５４ｂは、カーボンペーパ、カーボンクロス等からなる。第１電極触媒層５２ａ及び第２電極触媒層５４ａは、固体高分子電解質膜５０の両方の面５０ａ、５０ｂに形成される。
【００３４】
樹脂枠付き電解質膜・電極構造体２８は、固体高分子電解質膜５０の外周を周回するとともに、アノード電極５２及びカソード電極５４に接合される枠形状の樹脂枠部材５６を備える。樹脂枠部材５６は、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＰＡ（ポリフタルアミド）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）、ＬＣＰ（リキッドクリスタルポリマー）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、又はｍ−ＰＰＥ（変性ポリフェニレンエーテル樹脂）等で構成される。樹脂枠部材５６は、その他、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）又は変性ポリオレフィンで構成してもよい。
【００３５】
樹脂枠部材５６は、固体高分子電解質膜５０の外周縁部が接合される薄肉状の内側膨出部５６ａと、第１シール部材４６の第１凸状シール４６ａが当接する薄肉状の外側膨出部５６ｂとを有する。
【００３６】
図３に示すように、積層体１４の積層方向両端には、発電セル１２が端部発電セル１２Ａ、１２Ｂとして配置される。端部発電セル１２Ａは、ターミナルプレート１６ａ側に配置される一方、端部発電セル１２Ｂは、ターミナルプレート１６ｂ側に配置される。ターミナルプレート１６ａ、１６ｂは、電気導電性を有する材料から構成され、例えば、銅、アルミニウム又はステンレススチール等の金属で構成される。
【００３７】
図２に示すように、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの一方のプレート面の略中央には、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は、絶縁性筒体６０ａに挿入されてインシュレータ１８ａの孔部６２ａ及びエンドプレート２０ａの孔部６４ａ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５８ｂは、絶縁性筒体６０ｂに挿入されてインシュレータ１８ｂの孔部６２ｂ、スペーサ部材２２の孔部６６及びエンドプレート２０ｂの孔部６４ｂを貫通して前記エンドプレート２０ｂの外部に突出する。
【００３８】
インシュレータ１８ａ、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る。インシュレータ１８ａ、１８ｂの中央部には、積層体１４に向かって開口される凹部６８ａ、６８ｂが形成され、前記凹部６８ａ、６８ｂは、孔部６２ａ、６２ｂに連通する。
【００３９】
インシュレータ１８ａ及びエンドプレート２０ａの矢印Ｂ方向の一端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂが設けられる。インシュレータ１８ａ及びエンドプレート２０ａの矢印Ｂ方向他端縁部には、燃料ガス入口連通孔３８ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂが設けられる。インシュレータ１８ｂ、スペーサ部材２２及びエンドプレート２０ｂには、冷却媒体入口連通孔３６ａ及び冷却媒体出口連通孔３６ｂが設けられる。
【００４０】
スペーサ部材２２は、樹脂で形成される。スペーサ部材２２は、燃料電池スタック１０全体に積層方向に締め付け荷重が付与された際、所望の締め付け荷重が得られるように、厚さが調整される。スペーサ部材２２の厚さに応じて、後述するように、端部構成部材７０ａ、７０ｂの構成が調整される。
【００４１】
図２及び図３に示すように、凹部６８ａには、ターミナルプレート１６ａ及び端部構成部材７０ａが収容される一方、凹部６８ｂには、ターミナルプレート１６ｂ及び端部構成部材７０ｂが収容される。なお、端部構成部材７０ａ又は端部構成部材７０ｂのいずれか一方のみを設けてもよい。
【００４２】
端部構成部材７０ａは、図２、図３及び図５に示すように、それぞれ矩形状の第１多孔質カーボンプレート（第１部材）７２ａ、波板状の金属製プレート（第２部材）７４ａ及び第２多孔質カーボンプレート（第１部材）７６ａを備える。なお、端部構成部材７０ａは、少なくとも第１多孔質カーボンプレート７２ａ及び金属製プレート７４ａを備えていればよい。第１多孔質カーボンプレート７２ａは、電気導電性を有する材料から構成される。
【００４３】
端部構成部材７０ｂは、上記の端部構成部材７０ａと同様に構成されており、同一の構成要素には、同一の参照符号にａに代えてｂを付し、その詳細な説明は省略する。
【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３４ａ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２０ｂの冷却媒体入口連通孔３６ａに供給される。
【００４６】
酸化剤ガスは、図４に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３４ａから第２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に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体２８ａのカソード電極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１セパレータ３０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２８ａのアノード電極５２に供給される。
【００４８】
従って、各電解質膜・電極構造体２８ａ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５２に供給される燃料ガスとが、第２電極触媒層５４ａ及び第１電極触媒層５２ａ内で電気化学反応により消費されて、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３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。アノード電極５２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、冷却媒体入口連通孔３６ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ３０と第２セパレータ３２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２８ａを冷却した後、冷却媒体出口連通孔３６ｂから排出される。
【００５１】
この場合、本実施形態では、スペーサ部材２２の厚さに応じて、端部構成部材７０ａ、７０ｂの構成が調整されている。具体的には、スペーサ部材２２の厚さと端部発電セル１２Ａ（及び／又は１２Ｂ）の温度とは、図６に示す関係を有している。
【００５２】
スペーサ部材２２の厚さは、燃料電池スタック１０の積層方向の締め付け荷重を調整する際に設定されており、前記スペーサ部材２２の厚さが小さくなると、端部発電セル１２Ａ（及び／又は１２Ｂ）からの放熱が大きくなる。一方、スペーサ部材２２の厚さが大きくなると、放熱し難くなり、端部発電セル１２Ａ（及び／又は１２Ｂ）が過昇温され易い。
【００５３】
そこで、スペーサ部材２２の厚さが、端部発電セル１２Ａ（及び／又は１２Ｂ）の温度が許容範囲（Ｔ１℃〜Ｔ２℃）となる厚さＳ１〜Ｓ２（設定厚さ）の範囲内である場合、端部構成部材７０ａ、７０ｂは、図３に示すように、配置されている。すなわち、ターミナルプレート１６ａから積層体１４に向かって、第１多孔質カーボンプレート７２ａ、金属製プレート７４ａ及び第２多孔質カーボンプレート７６ａの順に、配置されている。ターミナルプレート１６ｂから積層体１４に向かって、第１多孔質カーボンプレート７２ｂ、金属製プレート７４ｂ及び第２多孔質カーボンプレート７６ｂの順に、配置されている。
【００５４】
一方、スペーサ部材２２の厚さが、設定厚さＳ１未満である場合、端部構成部材７０ａは、図７に示すように、配置される。具体的には、ターミナルプレート１６ａから金属製プレート７４ａ、第１多孔質カーボンプレート７２ａ及び第２多孔質カーボンプレート７６ａの順に配置される。
【００５５】
従って、同一材質の第１多孔質カーボンプレート７２ａ及び第２多孔質カーボンプレート７６ａが互いに接触して配置されるため、端部発電セル１２Ａからの放熱を良好に抑制することができる。なお、端部構成部材７０ｂでは、上記の端部構成部材７０ａと同様に配置されており、同様の効果が得られる。
【００５６】
また、スペーサ部材２２の厚さが、設定厚さＳ２を超える場合、端部構成部材７０ａは、図８に示すように、配置される。具体的には、第１多孔質カーボンプレート７２ａは、ターミナルプレート１６ａの外側に、すなわち、前記ターミナルプレート１６ａとインシュレータ１８ａの凹部６８ａの底面との間に配置される。ターミナルプレート１６ａには、内側に向かって金属製プレート７４ａ及び第２多孔質カーボンプレート７６ａの順に配置される。
【００５７】
これにより、ターミナルプレート１６ａから第１多孔質カーボンプレート７２ａに良好に放熱され、端部発電セル１２Ａからの放熱が促進されて、前記端部発電セル１２Ａの過昇温を抑制することが可能になる。なお、端部構成部材７０ｂでは、上記の端部構成部材７０ａと同様に配置されており、同様の効果が得られる。
【００５８】
また、スペーサ部材２２の厚さが、設定厚さＳ２を超える場合、第１多孔質カーボンプレート７２ａに代えて、前記第１多孔質カーボンプレート７２ａと同一の厚さを有するアルミプレートを用いてもよい。アルミプレートは、図８に示す第１多孔質カーボンプレート７２ａに代えて配置されることにより、ターミナルプレート１６ａから外方に有効に放熱させることができる。
【００５９】
なお、本実施形態では、２枚のセパレータ間に樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を挟持したセルユニットを構成し、各セルユニット間に冷却媒体流路を形成する、所謂、各セル冷却構造を採用しているが、これに限定されるものではない。
【００６０】
例えば、３枚以上のセパレータと２枚以上の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を備え、前記セパレータと前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体とを交互に積層したセルユニットを構成してもよい。その際、各セルユニット間に冷却媒体流路が形成され、所謂、間引き冷却構造となる。
【符号の説明】
【００６１】
１０…燃料電池スタック              １２…発電セル
１２Ａ、１２Ｂ…端部発電セル        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      ２８…樹脂枠付き電解質膜・電極構造体
２８ａ…電解質膜・電極構造体        ３０、３２…セパレータ
３４ａ…酸化剤ガス入口連通孔        ３４ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
３６ａ…冷却媒体入口連通孔          ３６ｂ…冷却媒体出口連通孔
３８ａ…燃料ガス入口連通孔          ３８ｂ…燃料ガス出口連通孔
４０…燃料ガス流路                  ４２…酸化剤ガス流路
４４…冷却媒体流路                  ４６、４８…シール部材
５０…固体高分子電解質膜            ５２…アノード電極
５４…カソード電極                  ５６…樹脂枠部材
６８ａ、６８ｂ…凹部                ７０ａ、７０ｂ…端部構成部材
７２ａ、７２ｂ、７６ａ、７６ｂ…多孔質カーボンプレート
７４ａ、７４ｂ…金属製プレート
【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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