(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の両側に一対の電極が配設される少なくとも第１及び第２電解質・電極構造体を有し、第１セパレータ、前記第１電解質・電極構造体、第２セパレータ、前記第２電解質・電極構造体及び第３セパレータの順に積層される複数の発電ユニットを設け、前記第１セパレータの一方の面と前記第１電解質・電極構造体の一方の面との間、前記第１電解質・電極構造体の他方の面と前記第２セパレータの一方の面との間、前記第２セパレータの他方の面と前記第２電解質・電極構造体の一方の面との間、及び前記第２電解質・電極構造体の他方の面と前記第３セパレータの一方の面との間には、発電面に沿って所定の反応ガスを流す反応ガス流路が形成され、さらに各発電ユニット間にのみ、冷却媒体を流す冷却媒体流路が形成されるとともに、前記発電ユニットの積層方向に貫通して前記反応ガス及び前記冷却媒体を流す反応ガス連通孔及び冷却媒体連通孔が形成される燃料電池スタックであって、
前記発電ユニットの積層方向の少なくとも一方の端部に配設される前記発電ユニットに隣接し、該発電ユニットとの間に前記冷却媒体流路が形成される端部発電ユニットを備え、
前記端部発電ユニットは、前記発電ユニット側から第４セパレータ、前記第１電解質・電極構造体、第５セパレータ、導電性プレート及び第６セパレータの順に積層されるとともに、
前記第４セパレータは、前記第１セパレータと同一に構成される一方、
前記第６セパレータは、前記第３セパレータに前記冷却媒体流路と前記冷却媒体連通孔とを遮断するシール部材を設けることにより構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、前記反応ガス連通孔は、反応ガス供給連通孔及び反応ガス排出連通孔を有し、
前記第２セパレータは、セパレータ面を貫通し前記反応ガス流路と前記反応ガス供給連通孔及び前記反応ガス排出連通孔とを連通する入口開口部及び出口開口部を設ける一方、
前記第５セパレータは、前記第２セパレータの前記入口開口部を閉塞して構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、前記第６セパレータは、前記第３セパレータに前記冷却媒体流路と前記冷却媒体連通孔とを遮断する前記シール部材を設けることに加えて、さらに前記反応ガス流路と前記反応ガス連通孔とを遮断するシール部材を設けることにより構成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、前記端部発電ユニットに隣接するダミーユニットを備え、
前記発電ユニット、前記端部発電ユニット及び前記ダミーユニットの順に配置されるとともに、
前記ダミーユニットは、前記端部発電ユニット側から第７セパレータ、第１導電性プレート、第８セパレータ、第２導電性プレート及び第９セパレータの順に積層されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池スタックにおいて、前記第７セパレータは、前記第１セパレータと同一に構成され、前記第８セパレータは、前記第２セパレータと同一に構成され、前記第９セパレータは、前記第３セパレータと同一に構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、電解質の両側に一対の電極が配設される少なくとも第１及び第２電解質・電極構造体を有し、第１セパレータ、前記第１電解質・電極構造体、第２セパレータ、前記第２電解質・電極構造体及び第３セパレータの順に積層される複数の発電ユニットを設け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両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード側電極に燃料ガスを流すための燃料ガス流路（反応ガス流路）と、カソード側電極に酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路（反応ガス流路）とが設けられている。さらに、セパレータ間には、冷却媒体を流すための冷却媒体流路が前記セパレータの面方向に沿って設けられている。
【０００４】
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。積層方向端部に配置されている発電セルは、例えば、各発電セルによって発電された電荷を集める電力取り出し用ターミナルプレート（集電板）や、積層された発電セルを保持するために設けられた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。
【０００５】
この温度低下によって、端部の発電セルでは、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、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。
【０００６】
そこで、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知られている。この燃料電池スタックでは、複数の発電セルが積層された積層体を備え、前記積層体の積層方向の少なくとも一方の端部に発電セルに対応して配設されるダミーセルを備え、前記ダミーセルは、電解質に対応する導電性プレートを有するダミー電極構造体と、前記ダミー電極構造を挟持するとともに、セパレータと同一構成のダミーセパレータとを備えている。
【０００７】
この場合、ダミーセルは、電解質を用いておらず、発電による生成水が生成されることがない。従って、ダミーセル自体が断熱層として機能するため、低温始動時の端部の発電セルの昇温遅れ及び前記端部の発電セルの電圧降下を有効に阻止することができる。
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−１４７５０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、燃料電池スタックでは、冷却媒体流路を複数の発電セル毎に設けることにより（所謂、間引き冷却）、前記冷却媒体流路の数を減少させて前記燃料電池スタック全体の積層方向の短尺化を図る工夫がなされている。従って、この種の間引き冷却型燃料電池スタックにおいて、端部の発電セルの昇温遅れ及び電圧降下を有効に阻止することが望まれている。
【００１０】
本発明はこの種の要請に対応するものであり、間引き冷却型の発電ユニットを備えるとともに、各発電ユニットを均等に冷却することができ、さらに端部発電ユニットが良好な発電性能を確保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】
本発明は、電解質の両側に一対の電極が配設される少なくとも第１及び第２電解質・電極構造体を有し、第１セパレータ、前記第１電解質・電極構造体、第２セパレータ、前記第２電解質・電極構造体及び第３セパレータの順に積層される複数の発電ユニットを設け、前記第１セパレータの一方の面と前記第１電解質・電極構造体の一方の面との間、前記第１電解質・電極構造体の他方の面と前記第２セパレータの一方の面との間、前記第２セパレータの他方の面と前記第２電解質・電極構造体の一方の面との間、及び前記第２電解質・電極構造体の他方の面と前記第３セパレータの一方の面との間には、発電面に沿って所定の反応ガスを流す反応ガス流路が形成され、さらに各発電ユニット間にのみ、冷却媒体を流す冷却媒体流路が形成されるとともに、前記発電ユニットの積層方向に貫通して前記反応ガス及び前記冷却媒体を流す反応ガス連通孔及び冷却媒体連通孔が形成される燃料電池スタックに関するものである。
【００１２】
燃料電池スタックは、発電ユニットの積層方向の少なくとも一方の端部に配設される発電ユニットに隣接し、該発電ユニットとの間に冷却媒体流路が形成される端部発電ユニットを備えている。端部発電ユニットは、発電ユニット側から第４セパレータ、第１電解質・電極構造体、第５セパレータ、導電性プレート及び第６セパレータの順に積層されるとともに、前記第４セパレータは、第１セパレータと同一に構成される一方、前記第６セパレータは、前記第３セパレータに冷却媒体流路と冷却媒体連通孔とを遮断するシール部材を設けることにより構成されている。
【００１３】
また、反応ガス連通孔は、反応ガス供給連通孔及び反応ガス排出連通孔を有し、第２セパレータは、セパレータ面を貫通し反応ガス流路と前記反応ガス供給連通孔及び前記反応ガス排出連通孔とを連通する入口開口部及び出口開口部を設ける一方、第５セパレータは、前記第２セパレータの前記入口開口部を閉塞して構成されることが好ましい。
【００１４】
さらに、第６セパレータは、第３セパレータに冷却媒体流路と冷却媒体連通孔とを遮断する前記シール部材を設けることに加えて、さらに反応ガス流路と反応ガス連通孔とを遮断するシール部材を設けることにより構成されることが好ましい。
【００１５】
さらにまた、燃料電池スタックは、端部発電ユニットに隣接するダミーユニットを備え、発電ユニット、前記端部発電ユニット及び前記ダミーユニットの順に配置されるとともに、前記ダミーユニットは、前記端部発電ユニット側から第７セパレータ、第１導電性プレート、第８セパレータ、第２導電性プレート及び第９セパレータの順に積層されることが好ましい。
【００１６】
また、第７セパレータは、第１セパレータと同一に構成され、第８セパレータは、第２セパレータと同一に構成され、第９セパレータは、第３セパレータと同一に構成されることが望ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、発電ユニットの積層方向の少なくとも一方の端部に、端部発電ユニットが配設されるとともに、前記端部発電ユニットは、導電性プレート（以下、ダミー電解質・電極構造体ともいう）を備えており、積層体の端部からの放熱が規制されている。このため、間引き冷却型の燃料電池スタックにおいて、積層方向の全ての発電ユニットは、所望の発電性能及び発電安定性を確保することが可能になる。
【００１８】
しかも、端部発電ユニットを構成する第４セパレータは、発電ユニットを構成する第１セパレータを使用する一方、第６セパレータは、第３セパレータに、冷却媒体流路と冷却媒体連通孔とを遮断するシール部材を設けることにより得られる。従って、燃料電池スタック全体としてセパレータの種類を削減することができ、前記燃料電池スタックを経済的に構成することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０の概略斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０を構成する発電ユニット１２の分解概略斜視図であり、図３は、前記燃料電池スタック１０の要部断面説明図である。
【００２０】
燃料電池スタック１０は、複数の発電ユニット１２が矢印Ａ方向に積層される積層体１４を備える。図１に示すように、積層体１４の積層方向一端には、第１端部発電ユニット１６ａ及び第１ダミーユニット１８ａが外方に向かって配置されるとともに、前記積層体１４の積層方向他端には、第２端部発電ユニット１６ｂ及び第２ダミーユニット１８ｂが外方に向かって配置される。第１及び第２ダミーユニット１８ａ、１８ｂには、ターミナルプレート２０ａ、２０ｂ、絶縁プレート２２ａ、２２ｂ及びエンドプレート２４ａ、２４ｂが外方に向かって配設される。
【００２１】
燃料電池スタック１０は、例えば、長方形状に構成されるエンドプレート２４ａ、２４ｂ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、あるいは、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る。
【００２２】
図２に示すように、発電ユニット１２は、第１セパレータ２６、第１電解質膜・電極構造体２８ａ、第２セパレータ３０、第２電解質膜・電極構造体２８ｂ及び第３セパレータ３２の順に矢印Ａ方向に積層される。第１セパレータ２６、第２セパレータ３０及び第３セパレータ３２は、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状を有している。
【００２３】
なお、第１セパレータ２６、第２セパレータ３０及び第３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板により構成される。また、第１セパレータ２６、第２セパレータ３０及び第３セパレータ３２は、金属セパレータに換えて、カーボンセパレータを使用してもよい。
【００２４】
発電ユニット１２の長辺方向の（矢印Ｃ方向）上端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔３６ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔３８ａが設けられる。
【００２５】
発電ユニット１２の長辺方向の下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔３８ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔３６ｂが設けられる。
【００２６】
発電ユニット１２の短辺方向（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、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔４０ａが設けられるとともに、前記発電ユニット１２の短辺方向の他端縁部には、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔４０ｂが設けられる。
【００２７】
第１及び第２電解質膜・電極構造体２８ａ、２８ｂ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４２と、前記固体高分子電解質膜４２を挟持するカソード側電極４４及びアノード側電極４６とを備える。アノード側電極４６は、カソード側電極４４よりも小さな表面積を有している。
【００２８】
カソード側電極４４及びアノード側電極４６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が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４２の両面に形成される。
【００２９】
第１セパレータ２６の第１電解質膜・電極構造体２８ａに向かう面２６ａには、燃料ガス供給連通孔３８ａと燃料ガス排出連通孔３８ｂとを連通する第１燃料ガス流路（反応ガス流路）４８が形成される。第１燃料ガス流路４８は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝を有するとともに、前記第１燃料ガス流路４８の入口及び出口近傍には、複数の入口孔部４９ａ及び出口孔部４９ｂが積層方向に貫通する。第１セパレータ２６の面２６ｂには、冷却媒体供給連通孔４０ａと冷却媒体排出連通孔４０ｂとを連通する冷却媒体流路５０が形成される（図４参照）。
【００３０】
第２セパレータ３０の第１電解質膜・電極構造体２８ａに向かう面３０ａには、図５に示すように、酸化剤ガス供給連通孔３６ａと酸化剤ガス排出連通孔３６ｂとを連通する第１酸化剤ガス流路（反応ガス流路）５２が形成される。第１酸化剤ガス流路５２は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝を有する。
【００３１】
図２に示すように、第２セパレータ３０の第２電解質膜・電極構造体２８ｂに向かう面３０ｂには、燃料ガス供給連通孔３８ａと燃料ガス排出連通孔３８ｂとを連通する第２燃料ガス流路（反応ガス流路）５４が形成される。第２燃料ガス流路５４は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝を有するとともに、前記第２燃料ガス流路５４の入口及び出口近傍には、複数の入口孔部５５ａ及び出口孔部５５ｂが積層方向に貫通する。
【００３２】
図６に示すように、第３セパレータ３２の第２電解質膜・電極構造体２８ｂに向かう面３２ａには、酸化剤ガス供給連通孔３６ａと酸化剤ガス排出連通孔３６ｂとを連通する第２酸化剤ガス流路（反応ガス流路）５６が形成される。第３セパレータ３２の面３２ｂには、冷却媒体供給連通孔４０ａと冷却媒体排出連通孔４０ｂとを連通する冷却媒体流路５０が形成される（図２参照）。
【００３３】
第１セパレータ２６の面２６ａ、２６ｂには、この第１セパレータ２６の外周端縁部を周回して第１シール部材６０が一体成形される。第２セパレータ３０の面３０ａ、３０ｂには、この第２セパレータ３０の外周端縁部を周回して第２シール部材６２が一体成形されるとともに、第３セパレータ３２の面３２ａ、３２ｂには、この第３セパレータ３２の外周端縁部を周回して第３シール部材６４が一体成形される。第１〜第３シール部材６０、６２、６４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が用いられる。
【００３４】
図２に示すように、第１シール部材６０は、第１セパレータ２６の面２６ａ側に、第１燃料ガス流路４８と入口孔部４９ａ及び出口孔部４９ｂとを周回する凸状シール部６０ａを有する。図４に示すように、第１シール部材６０は、冷却媒体流路５０と冷却媒体供給連通孔４０ａ及び冷却媒体排出連通孔４０ｂとを周回する凸状シール部６０ｂを有する。
【００３５】
第２シール部材６２は、図５に示すように、第２セパレータ３０の面３０ａ側に、第１酸化剤ガス流路５２と酸化剤ガス供給連通孔３６ａ及び酸化剤ガス排出連通孔３６ｂとを周回して設けられる凸状シール部６２ａを有する。第２シール部材６２は、図２に示すように、第２セパレータ３０の面３０ｂ側に、第２燃料ガス流路５４と入口孔部５５ａ及び出口孔部５５ｂとを周回して設けられる凸状シール部６２ｂを有する。
【００３６】
第３シール部材６４は、図６に示すように、第３セパレータ３２の面３２ａ側に、第２酸化剤ガス流路５６と酸化剤ガス供給連通孔３６ａ及び酸化剤ガス排出連通孔３６ｂとを周回して設けられる凸状シール部６４ａを有する。第３シール部材６４は、図２に示すように、第３セパレータ３２の面３２ｂ側に、冷却媒体流路５０と冷却媒体供給連通孔４０ａ及び冷却媒体排出連通孔４０ｂとを周回して設けられる凸状シール部６４ｂを有する。
【００３７】
図３に示すように、第１端部発電ユニット１６ａは、発電ユニット１２側から第４セパレータ６６、第１電解質膜・電極構造体２８ａ、第５セパレータ６８、導電性プレート（ダミー電解質・電極構造体）７０及び第６セパレータ７２の順に積層される。
【００３８】
第４セパレータ６６は、第１セパレータ２６と同一に構成される一方、第５セパレータ６８及び第６セパレータ７２は、第２セパレータ３０及び第３セパレータ３２と略同一に構成されており、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。
【００３９】
図７に示すように、第５セパレータ６８は、第２燃料ガス流路５４に連通する出口孔部５５ｂを設けるものの、入口孔部５５ａを設けていない。
【００４０】
第６セパレータ７２は、第３シール部材６４を設けるとともに、この第３シール部材６４は、前記第６セパレータ７２の面３２ｂ側に、冷却媒体流路５０と冷却媒体供給連通孔４０ａ及び冷却媒体排出連通孔４０ｂとを遮断するためのシール部６４ｃを有する。
【００４１】
図３に示すように、第１ダミーユニット１８ａは、第１端部発電ユニット１６ａ側から第７セパレータ７４、第１導電性プレート（第１ダミー電解質・電極構造体）７０ａ、第８セパレータ７６、第２導電性プレート（第２ダミー電解質・電極構造体）７０ｂ及び第９セパレータ７８の順に積層される。
【００４２】
第７セパレータ７４は、第１セパレータ２６と同様に構成され、第８セパレータ７６及び第９セパレータ７８は、第２セパレータ３０及び第３セパレータ３２と同一に構成されている。なお、第７セパレータ７４では、第１シール部材６０が、冷却媒体流路５０と冷却媒体供給連通孔４０ａ及び冷却媒体排出連通孔４０ｂとを遮断する凸状シール部（図示せず）を面２６ｂ側に設けてもよい。
【００４３】
導電性プレート７０、第１導電性プレート７０ａ及び第２導電性プレート７０ｂは、例えば、第１電解質膜・電極構造体２８ａと同等の厚さに設定されるとともに、発電機能を有していない。
【００４４】
第１端部発電ユニット１６ａ内において、第５セパレータ６８と導電性プレート７０との間には、第２燃料ガス流路５４に対応するとともに、燃料ガスの流れを規制することにより第１断熱層８０ａが形成される。第１端部発電ユニット１６ａと第１ダミーユニット１８ａとの間には、冷却媒体流路５０に対応するとともに、冷却媒体の流れを規制することにより第２断熱層８０ｂが形成される。
【００４５】
図１に示すように、エンドプレート２４ａの上下両端縁部には、酸化剤ガス供給連通孔３６ａに連通する酸化剤ガス入口マニホールド８２ａ、燃料ガス供給連通孔３８ａに連通する燃料ガス入口マニホールド８４ａ、酸化剤ガス排出連通孔３６ｂに連通する酸化剤ガス出口マニホールド８２ｂ、及び燃料ガス排出連通孔３８ｂに連通する燃料ガス出口マニホールド８４ｂが、上下両端縁部に設けられる。
【００４６】
エンドプレート２４ａの左右両端縁部には、冷却媒体供給連通孔４０ａに連通する冷却媒体入口マニホールド８６ａと、冷却媒体排出連通孔４０ｂに連通する冷却媒体出口マニホールド８６ｂとが設けられる。
【００４７】
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。
【００４８】
先ず、図１に示すように、燃料電池スタック１０では、酸化剤ガス入口マニホールド８２ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口マニホールド８４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口マニホールド８６ａに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。
【００４９】
図２に示すように、酸化剤ガスは、各発電ユニット１２を構成する酸化剤ガス供給連通孔３６ａから第２セパレータ３０の第１酸化剤ガス流路５２及び第３セパレータ３２の第２酸化剤ガス流路５６に導入される。このため、酸化剤ガスは、第１及び第２電解質膜・電極構造体２８ａ、２８ｂの各カソード側電極４４に沿って鉛直下方向に移動する。
【００５０】
一方、燃料ガスは、各発電ユニット１２を構成する燃料ガス供給連通孔３８ａから第１セパレータ２６の第１燃料ガス流路４８及び第２セパレータ３０の第２燃料ガス流路５４に導入される。従って、燃料ガスは、第１及び第２電解質膜・電極構造体２８ａ、２８ｂの各アノード側電極４６に沿って鉛直下方向に移動する。
【００５１】
上記のように、第１及び第２電解質膜・電極構造体２８ａ、２８ｂでは、各カソード側電極４４に供給される酸化剤ガスと、各アノード側電極４６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。
【００５２】
次いで、カソード側電極４４に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔３６ｂから酸化剤ガス出口マニホールド８２ｂに排出される（図１参照）。同様に、アノード側電極４６に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔３８ｂから燃料ガス出口マニホールド８４ｂに排出される。
【００５３】
また、冷却媒体は、図２及び図３に示すように、各発電ユニット１２間に形成される冷却媒体流路５０に導入される。冷却媒体は、矢印Ｂ方向（図２中、水平方向）に沿って流動し、一方の発電ユニット１２の第２電解質膜・電極構造体２８ｂと他方の発電ユニット１２の第１電解質膜・電極構造体２８ａとを冷却する。すなわち、冷却媒体は、発電ユニット１２内の第１及び第２電解質膜・電極構造体２８ａ、２８ｂ間を冷却しない、所謂、間引き冷却した後、冷却媒体排出連通孔４０ｂから冷却媒体出口マニホールド８６ｂに排出される。
【００５４】
この場合、第１の実施形態では、図３に示すように、積層体１４の積層方向一端に配置されている発電ユニット１２に隣接して第１端部発電ユニット１６ａが配設されている。この第１端部発電ユニット１６ａは、発電ユニット１２側から第４セパレータ６６、第１電解質膜・電極構造体２８ａ、第５セパレータ６８、導電性プレート７０及び第６セパレータ７２の順に積層されている。
【００５５】
このため、発電ユニット１２と第１端部発電ユニット１６ａとの間に形成される冷却媒体流路５０に冷却媒体が供給されると、この冷却媒体によって、前記発電ユニット１２を構成する第２電解質膜・電極構造体２８ｂと、前記第１端部発電ユニット１６ａを構成する第１電解質膜・電極構造体２８ａとが冷却されている。
【００５６】
その際、各発電ユニット１２では、前記発電ユニット１２間に形成される冷却媒体流路５０に冷却媒体が供給されることにより、前記冷却媒体流路５０の両側に配置されている第２電解質膜・電極構造体２８ｂと第１電解質膜・電極構造体２８ａとが冷却されている。
【００５７】
従って、積層方向中央部の発電ユニット１２と、積層方向最端部、すなわち、第１端部発電ユニット１６ａに隣接する発電ユニット１２とでは、単一の冷却媒体流路５０を流れる冷却媒体を介し、両側の第１及び第２電解質膜・電極構造体２８ａ、２８ｂを冷却しており、発熱と冷却とのバランスを同等にすることができる。
【００５８】
しかも、第１端部発電ユニット１６ａ内に燃料ガスの流れを規制することにより第１断熱層８０ａが形成されるとともに、前記第１端部発電ユニット１６ａと第１ダミーユニット１８ａとの間には、冷却媒体の流れを規制することにより第２断熱層８０ｂが形成されている。従って、積層体１４の積層方向最端部側から外方への放熱が一層確実に阻止される。
【００５９】
さらに、第１の実施形態では、図２及び図７に示すように、第１端部発電ユニット１６ａを構成する第４セパレータ６６は、第１セパレータ２６と同一であるとともに、第５セパレータ６８及び第６セパレータ７２は、第２セパレータ３０及び第３セパレータ３２と略同一に構成されている。
【００６０】
具体的には、第２セパレータ３０と第５セパレータ６８とは、同一の成形型を共用することができる。すなわち、入口孔部５５ａを打ち抜くためのピン部材を用いることにより、第２セパレータ３０が成形される一方、該ピン部材を用いないことにより、第５セパレータ６８が成形される。
【００６１】
また、第３セパレータ３２と第６セパレータ７２とは、同一の成形型を用いるとともに、シール成形型の一部を変更すればよい。すなわち、第６セパレータ７２では、第３シール部材６４が冷却媒体流路５０と冷却媒体供給連通孔４０ａ及び冷却媒体排出連通孔４０ｂとを遮断するシール部６４ｃを追加すればよい。これにより、第１端部発電ユニット１６ａは、実質的に、発電ユニット１２と同一に構成され、専用のセパレータを用いる必要がない。
【００６２】
さらに、第１ダミーユニット１８ａでは、同様に、第８セパレータ７６及び第９セパレータ７８は、第２セパレータ３０及び第３セパレータ３２を用いればよい。一方、第７セパレータ７４は、必要に応じて第６セパレータ７２と同様に第１シール部材６０の一部を変更すればよく、実質的に第１セパレータ２６を用いることができる。
【００６３】
なお、第２端部発電ユニット１６ｂ及び第２ダミーユニット１８ｂでは、上記の第１端部発電ユニット１６ａ及び第１ダミーユニット１８ａと同様の効果が得られる。
【００６４】
これにより、第１の実施形態では、間引き冷却型の燃料電池スタック１０において、セパレータの種類は、実質的に３種類に、すなわち、第１セパレータ２６、第２セパレータ３０及び第３セパレータ３２に削減され、前記燃料電池スタック１０を経済的に構成することができるという効果が得られる。
【００６５】
さらにまた、第５セパレータ６８は、出口孔部５５ｂを有している。このため、第２燃料ガス流路５４で燃料ガスを遮断する際に、この第２燃料ガス流路５４に水溜まりが発生することがなく、出口孔部５５ｂから確実に排水することが可能になる。
【００６６】
また、第１ダミーユニット１８ａでは、第１及び第２燃料ガス流路４８、５４に、燃料ガスが、常時、供給されるとともに、第１及び第２酸化剤ガス流路５２、５６に酸化剤ガスが、常時、供給されている。従って、流路溝内の排水処理が行われ、滞流水の発生による凍結等が確実に阻止されるという利点がある。
【００６７】
図８は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック９０の要部断面説明図である。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。また、以下に説明する第３及び第４の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００６８】
燃料電池スタック９０では、積層体１４の積層方向一端に配置されている発電ユニット１２に隣接して、第１端部発電ユニット１６ａ及び第１ダミーユニット１８ａが配置される。第１端部発電ユニット１６ａでは、導電性プレート７０と第６セパレータ７２ａとの間に形成される第２酸化剤ガス流路５６への酸化剤ガスの流入を規制することにより、第３断熱層８０ｃが構成される。
【００６９】
具体的には、図９に示すように、第３シール部材６４は、第６セパレータ７２ａの面３２ａ側に、第２酸化剤ガス流路５６と酸化剤ガス供給連通孔３６ａ及び酸化剤ガス排出連通孔３６ｂとを遮断するシール部６４ｃを有する。
【００７０】
これにより、第２の実施形態では、積層体１４の積層方向一端側には、第１及び第２断熱層８０ａ、８０ｂに加えて第３断熱層８０ｃが設けられ、断熱効果が一層向上するという効果が得られる。
【００７１】
図１０は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック１００の要部断面説明図である。
【００７２】
この燃料電池スタック１００は、第１端部発電ユニット１６ａ及び第１ダミーユニット１８ａを備えるとともに、前記第１ダミーユニット１８ａには、第１導電性プレート７０ａの両側に、第１燃料ガス流路４８及び第１酸化剤ガス流路５２に対応するとともに、それぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスの流れを規制することによって、第４及び第５断熱層８０ｄ、８０ｅが構成される。
【００７３】
具体的には、第７セパレータ７４ａは、第５セパレータ６８と同様に構成される一方、第８セパレータ７６ａは、第６セパレータ７２ａと同様に構成される。従って、第３の実施形態では、積層体１４の積層方向一端側には、第１〜第５断熱層８０ａ〜８０ｅが設けられる。
【００７４】
図１１は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタック１１０の要部断面説明図である。
【００７５】
燃料電池スタック１１０を構成する第１ダミーユニット１８ａには、第２導電性プレート７０ｂの両側にも、第２燃料ガス流路５４及び第２酸化剤ガス流路５６に対応するとともに、それぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスの流れを規制することにより、第６及び第７断熱層８０ｆ、８０ｇが構成される。
【００７６】
具体的には、第８セパレータ７６ｂは、入口孔部５５ａを設けない一方、第９セパレータ７８ａは、第６セパレータ７２ａと同様に構成される。このため、第４の実施形態では、積層体１４の積層方向一端側には、第１〜第７断熱層８０ａ〜８０ｇが設けられており、断熱性の向上が一層確実に図られる。
【００７７】
なお、第１〜第４の実施形態では、発電ユニット１２が２セル毎に間引き冷却するように構成されているが、これに限定されるものではなく、例えば、３セル毎に間引き冷却する構成であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【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概略斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池スタックを構成する発電ユニットの分解概略斜視図である。
【図３】前記燃料電池スタックの要部断面説明図である。
【図４】前記発電ユニットを構成する第１セパレータの正面説明図である。
【図５】前記発電ユニットを構成する第２セパレータの正面説明図である。
【図６】前記発電ユニットを構成する第３セパレータの正面説明図である。
【図７】前記燃料電池スタックを構成する第１端部発電ユニットの分解概略斜視図である。
【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要部断面説明図である。
【図９】前記燃料電池スタックを構成する発電ユニットの第６セパレータ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要部断面説明図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックの要部断面説明図である。
【符号の説明】
【００７９】
１０、９０、１００、１１０…燃料電池スタック
１２…発電ユニット                  １４…積層体
１６ａ、１６ｂ…端部発電ユニット    １８ａ、１８ｂ…ダミーユニット
２６、３０、３２、６６、６８、７２、７２ａ、７４、７４ａ、７６、７６ａ、７６ｂ、７８、７８ａ…セパレータ
２８ａ、２８ｂ…電解質膜・電極構造体
４２…固体高分子電解質膜            ４４…カソード側電極
４６…アノード側電極                ４８、５４…燃料ガス流路
５０…冷却媒体流路                  ５２、５６…酸化剤ガス流路
６０、６２、６４…シール部材
６０ａ、６０ｂ、６２ａ、６２ｂ、６４ａ、６４ｂ…凸状シール部
６４ｃ…シール部
７０、７０ａ、７０ｂ…導電性プレート
８０ａ〜８０ｇ…断熱層
【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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