(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される単位燃料電池セルが、セパレータを介して水平方向に複数個積層された燃料電池スタックであって、
前記単位燃料電池セルは、横長の長方形状に構成されるとともに、
前記燃料電池スタック内には、横方向両端上下に位置してそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを各単位燃料電池セルに供給するための燃料ガス給排路および酸化剤ガス給排路が設けられる一方、
長辺側上下に位置して冷却媒体を供給するための冷却媒体給排路が設けられるとともに、
前記長辺側下部には、前記冷却媒体給排路の供給側が設けられ、かつ、前記長辺側上部には、前記冷却媒体給排路の排出側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２】
請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記単位燃料電池セルの横方向両端下部には、前記燃料ガス給排路および前記酸化剤ガス給排路の供給側が設けられる一方、
前記単位燃料電池セルの横方向両端上部には、前記燃料ガス給排路および前記酸化剤ガス給排路の排出側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１または２記載の燃料電池スタックにおいて、前記単位燃料電池セルの横方向両端上下には、前記燃料ガス給排路に連通する燃料ガス供給口および燃料ガス排出口と、
前記酸化剤ガス給排路に連通する酸化剤ガス供給口および酸化剤ガス排出口と、
が設けられるとともに、
前記燃料ガス供給口、前記燃料ガス排出口、前記酸化剤ガス供給口および前記酸化剤ガス排出口は、縦長の長方形状に設定されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項４】
固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される単位燃料電池セルが、セパレータを介して水平方向に複数個積層された燃料電池スタックであって、
前記単位燃料電池セルは、横長の長方形状に構成されるとともに、
前記燃料電池スタック内に、横方向両端上下に位置して設けられる燃料ガス供給口、燃料ガス排出口、酸化剤ガス供給口および酸化剤ガス排出口と、
前記アノード側電極に燃料ガスを供給するために、前記燃料ガス供給口と前記燃料ガス排出口を連通しかつ短辺側で折り返す複数本の連続する燃料ガス流路と、
前記カソード側電極に酸化剤ガスを供給するために、前記酸化剤ガス供給口と前記酸化剤ガス排出口を連通しかつ短辺側で折り返す複数本の連続する酸化剤ガス流路と、
前記燃料電池スタック内に、長辺側下部に互いに離間して設けられる複数の冷却媒体供給口と、
前記燃料電池スタック内に、長辺側上部に互いに離間して設けられる複数の冷却媒体排出口と、
前記冷却媒体供給口と前記冷却媒体排出口を連通し、冷却媒体を下から上に流す冷却媒体流路と、
を備え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、前記燃料ガス供給口および前記酸化剤ガス供給口は、前記横方向両端下部に設けられる一方、
燃料ガス排出口および酸化剤ガス排出口は、前記横方向両端上部に設けられ、
前記燃料ガス流路および前記酸化剤ガス流路は、下方から上方に向かって燃料ガスおよび酸化剤ガスを流すことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項６】
請求項４記載の燃料電池スタックにおいて、前記冷却媒体供給口の間および前記冷却媒体排出口の間には、貫通孔が形成されるとともに、前記貫通孔に締め付けボルトが挿入されて前記燃料電池スタックが一体的に固定されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項７】
請求項４〜６のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記燃料電池スタックの積層方向一端部に配置されるエンドプレートの鉛直面の略中央部には、複数の前記冷却媒体供給口に連通する単一の冷却媒体導入口および複数の前記冷却媒体排出口に連通する単一の冷却媒体導出口が設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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される単位燃料電池セルが、セパレータを介して水平方向に複数個積層された燃料電池スタックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設して構成された単位燃料電池セルを、セパレータによって挟持することにより構成されている。この固体高分子型燃料電池は、通常、単位燃料電池セルおよびセパレータを所定数だけ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】
この種の燃料電池スタックにおいて、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、水素含有ガスは、触媒電極上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスあるいは空気が供給されているために、このカソード側電極において、前記水素イオン、前記電子および酸素ガスが反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、燃料電池スタックを車両等に搭載しようとする場合、所望の電力を得るために各単位燃料電池セルの発電面積を大きく設定する必要があり、前記燃料電池スタック全体が相当に大型化してしまう。ところが、車両内では、燃料電池スタックの収容場所として床下が適しており、車載用燃料電池スタックとしては、高さ方向の寸法を低く設定した横長の長方形状に構成されることが望ましい。そこで、例えば、米国特許第５，８０４，３２６号公報に開示されているように、長方形状の単位燃料電池セルを構成し、前記単位燃料電池セルをセパレータにより挟持して複数個積層した燃料電池スタックが知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術では、セパレータの同一の面内に反応ガス流路と冷却水流路とが設けられており、この冷却水流路が前記反応ガス流路を挟みかつ長辺方向に直線状に延在している。このため、発電面全面に沿って冷却水を供給することができず、この発電面を効率的に冷却することができないおそれがある。
【０００６】
しかも、冷却水流路が長方形状セパレータの長手方向に沿って延在している。これにより、冷却水流路が長尺化してしまい、大きな圧損が発生するとともに、このセパレータ面内で温度分布が生ずるという問題が指摘されている。
【０００７】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、燃料電池スタック全体の高さ方向の寸法を低く抑えるとともに、発電面を均一かつ円滑に冷却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。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池スタックでは、単位燃料電池セルが横長の長方形状に構成されており、前記燃料電池スタック内には、横方向両端上下に位置してそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを各単位燃料電池セルに供給するための燃料ガス給排路および酸化剤ガス給排路が設けられる一方、長辺側上下に位置して冷却媒体を供給するための冷却媒体給排路が設けられるとともに、前記長辺側下部には、前記冷却媒体給排路の供給側が設けられ、かつ、前記長辺側上部には、前記冷却媒体給排路の排出側が設けられる。このため、燃料電池スタック全体の高さ方向の寸法を有効に低く設定することができ、この燃料電池スタックを、例えば、自動車車体の床下等の低いスペースにも容易に搭載することが可能になる。
【０００９】
また、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給側が冷却媒体の入口側に近接し、供給される前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスの温度を低く設定することができる。燃料ガスおよび酸化剤ガスの温度を単位燃料電池セルの温度に近似させればよいからである。従って、燃料ガスおよび酸化剤ガスの加湿量を減少させることが可能になり、前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスを加湿するための加湿装置自体の小型化が容易に図られる。
【００１０】
さらに、単位燃料電池セルの横方向両端下部に、燃料ガス給排路および酸化剤ガス給排路の供給側が設けられる一方、前記単位燃料電池セルの横方向両端上部に、前記燃料ガス給排路および前記酸化剤ガス給排路の排出側が設けられている。これにより、燃料ガスおよび酸化剤ガスの出口側が燃料電池スタックの上部側に設定され、生成水が前記燃料電池スタック内に逆流しないように、前記出口側の配管を該燃料電池スタックの燃料ガスおよび酸化剤ガスの出口高さよりも下方に配置する際に、前記配管を可能にするために十分な高さを確保することができる。
【００１１】
さらにまた、単位燃料電池セルの横方向両端上下には、それぞれ燃料ガス給排路と酸化剤ガス給排路に連通する燃料ガス供給口および燃料ガス排出口と酸化剤ガス供給口および酸化剤ガス排出口とが設けられ、前記燃料ガス供給口、前記燃料ガス排出口、前記酸化剤ガス供給口および前記酸化剤ガス排出口が縦長の長方形状に設定されている。これにより、例えば、円形状の供給口や排出口に比べてガス流量を有効に増加させることができ、燃料ガスおよび酸化剤ガスを各単位燃料電池セルを構成するアノード側電極およびカソード側電極に確実に供給することが可能になる。
【００１２】
また、単位燃料電池セルが横長の長方形状に構成されており、横方向両端上下に位置して燃料ガス供給口、燃料ガス排出口、酸化剤ガス供給口および酸化剤ガス排出口が設けられる一方、長辺側下部および長辺側上部にそれぞれ複数の冷却媒体供給口および冷却媒体排出口が設けられている。このため、燃料電池スタック全体の高さ方向の寸法を有効に低く設定することができ、この燃料電池スタックを、例えば、自動車車体の床下等の低いスペースに有効に搭載することが可能になる。
【００１３】
しかも、冷却媒体は、冷却媒体流路に沿って燃料電池スタックの下部側から上部側に向かって流れるため、この冷却媒体に混在している空気を前記冷却媒体流路に沿って冷却媒体排出口に円滑に排出することができる。さらに、冷却媒体が燃料電池スタックの短辺方向に沿って流れるため、冷却媒体流路が短尺化されて圧損が小さくなるとともに、発電面内で温度分布が発生することを有効に阻止することが可能になる。
【００１４】
さらに、燃料ガス供給口および酸化剤ガス供給口が横方向両端下部に設けられる一方、燃料ガス排出口および酸化剤ガス排出口が前記横方向両端上部に設けられ、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路は下方から上方に向かって燃料ガスおよび酸化剤ガスを流している。従って、燃料ガスおよび酸化剤ガスは、冷却媒体と同様に下方から上方に向かって移動し、供給される前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスの温度を低く設定することができる。
【００１５】
また、冷却媒体供給口および冷却媒体排出口のそれぞれの間に形成される貫通孔に締め付けボルトが挿入され、燃料電池スタックが一体的に固定される。これにより、燃料電池スタック内の余剰スペースを有効に利用することができるとともに、前記燃料電池スタックの高さ方向の寸法を有効に小さく設定することが可能になる。
【００１６】
さらにまた、燃料電池スタックの積層方向一端部に配置されるエンドプレートの鉛直面の略中央部に、複数の冷却媒体供給口に連通する単一の冷却媒体導入口と、複数の冷却媒体排出口に連通する単一の冷却媒体導出口とが設けられる。これにより、エンドプレートに接続される配管構造が簡素化され、燃料電池スタックの高さ方向の寸法を一層低く設定することが可能になり、この燃料電池スタックを、自動車車体の床下等の低いスペースに容易に搭載することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
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を組み込む燃料電池システム１０の概略斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池システム１０の側面説明図である。
【００１８】
燃料電池システム１０は、水平方向（矢印Ａ方向）に沿って互いに平行に配列される第１燃料電池スタック１２と第２燃料電池スタック１４とを備える。第１および第２燃料電池スタック１２、１４の同一側の一端部鉛直面を構成する第１エンドプレート１６、１８には、正極である第１電力取り出し端子２０および負極である第２電力取り出し端子２２が設けられる。
【００１９】
第１および第２燃料電池スタック１２、１４の同一側の他端部鉛直面である第２エンドプレート２４、２６側には、前記第１および第２燃料電池スタック１２、１４に対して燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体の供給と排出を行うための配管機構２８が組み込まれる。第１および第２燃料電池スタック１２、１４は、取り付け機構３０を介して車両を構成する取り付けプレート３１に固定される。
【００２０】
第１燃料電池スタック１２は、図３および図４に示すように、単位燃料電池セル３２と、この単位燃料電池セル３２を挟持する第１および第２セパレータ３４、３６とを備え、これらが複数組だけ水平方向（矢印Ａ方向）に積層されている。第１燃料電池スタック１２は、全体として直方体状を有しており、短辺方向（矢印Ｂ方向）が重力方向に指向するとともに、長辺方向（矢印Ｃ方向）が水平方向に指向して配置される。
【００２１】
単位燃料電池セル３２は、固体高分子電解質膜３８と、この電解質膜３８を挟んで配設されるカソード側電極４０およびアノード側電極４２とを有するとともに、前記カソード側電極４０および前記アノード側電極４２には、例えば、多孔質層である多孔質カーボンペーパ等からなる第１および第２ガス拡散層４４、４６が配設される。
【００２２】
単位燃料電池セル３２の両側には、第１および第２ガスケット４８、５０が設けられ、前記第１ガスケット４８は、カソード側電極４０および第１ガス拡散層４４を収納するための大きな開口部５２を有する一方、前記第２ガスケット５０は、アノード側電極４２および第２ガス拡散層４６を収納するための大きな開口部５４を有する。単位燃料電池セル３２と第１および第２ガスケット４８、５０とが、第１および第２セパレータ３４、３６によって挟持される。
【００２３】
第１セパレータ３４は、カソード側電極４０に対向する面３４ａおよび反対側の面３４ｂが長方形状に設定されており、例えば、長辺５５ａが水平方向に指向するとともに、短辺５５ｂが重力方向に指向して配置される。
【００２４】
第１セパレータ３４の短辺５５ｂ側の両端縁部上部側には、酸素含有ガスまたは空気である酸化剤ガスを通過させるための酸化剤ガス入口５６ａと、水素含有ガス等の燃料ガスを通過させるための燃料ガス入口５８ａとが、上下方向に長尺な長方形状を有して設けられる。第１セパレータ３４の短辺５５ｂ側の両端縁部下部側には、酸化剤ガス出口５６ｂと燃料ガス出口５８ｂとが、酸化剤ガス入口５６ａおよび燃料ガス入口５８ａと対角位置になるようにかつ上下方向に長尺な長方形状を有して設けられている。
【００２５】
第１セパレータ３４の長辺５５ａの下端部には、矢印Ｃ方向に長尺な４つの冷却媒体入口６０ａ〜６０ｄが設けられるとともに、この第１セパレータ３４の長辺５５ａ側の上部には、同様に、矢印Ｃ方向に長尺な４つの冷却媒体出口６０ｅ〜６０ｈが設けられる。冷却媒体入口６０ａ〜６０ｄには、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体が供給される。
【００２６】
第１セパレータ３４の面３４ａには、酸化剤ガス入口５６ａに連通する１０本のそれぞれ独立した第１酸化剤ガス流路溝６２が、短辺５５ｂ側で折り返して水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって設けられる。第１酸化剤ガス流路溝６２は、５本の第２酸化剤ガス流路溝６５に合流し、前記第２酸化剤ガス流路溝６５が酸化剤ガス出口５６ｂに連通する。第１セパレータ３４には、タイロッド挿通用の孔部６３が６箇所に形成されている。
【００２７】
第２セパレータ３６は長方形状に形成されており、この第２セパレータ３６の短辺６４ｂ側の両端縁部上部側には、酸化剤ガス入口６６ａおよび燃料ガス入口６８ａが貫通形成されるとともに、その両端縁部下部側には、酸化剤ガス出口６６ｂおよび燃料ガス出口６８ｂが、前記酸化剤ガス入口６６ａおよび前記燃料ガス入口６８ａと対角位置になるように貫通形成されている。
【００２８】
第２セパレータ３６の長辺６４ａ側の下部には、矢印Ｃ方向に長尺な４つの冷却媒体入口７０ａ〜７０ｄが貫通形成され、この長辺６４ａ側の上部には、冷却媒体出口７０ｅ〜７０ｈが、同様に、矢印Ｃ方向に長尺に貫通形成される。
【００２９】
図５に示すように、第２セパレータ３６の面３６ａには、燃料ガス入口６８ａに連通して１０本の第１燃料ガス流路溝７２が形成される。第１燃料ガス流路溝７２は、短辺６４ｂ側で折り返し水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって設けられ、この第１燃料ガス流路溝７２が５本の第２燃料ガス流路溝７３に合流し、前記第２燃料ガス流路溝７３が燃料ガス出口６８ｂに連通する。
【００３０】
図６に示すように、第２セパレータ３６の面３６ａとは反対側の面３６ｂには、冷却媒体入口７０ａ〜７０ｄと冷却媒体出口７０ｅ〜７０ｈにそれぞれ個別に連通する冷却媒体流路７４ａ〜７４ｄが重力方向に向かって設けられる。冷却媒体流路７４ａ〜７４ｄは、冷却媒体入口７０ａ〜７０ｄと冷却媒体出口７０ｅ〜７０ｈに連通するそれぞれ９本の第１流路溝７６ａ、７６ｂを備えるとともに、前記第１流路溝７６ａ、７６ｂ間には、それぞれ２本の第２流路溝７８が互いに重力方向に平行しかつ所定間隔ずつ離間して設けられる。
【００３１】
第２セパレータ３６には、第１セパレータ３４と同様に、タイロッド挿通用の孔部６３が６箇所に設けられている。孔部６３は、冷却媒体入口６０ａ〜６０ｄ、７０ａ〜７０ｄおよび冷却媒体出口６０ｅ〜６０ｈ、７０ｅ〜７０ｈの間に対応して第１および第２セパレータ３４、３６に設けられている。
【００３２】
図７に示すように、所定数だけ積層された単位燃料電池セル３２の積層方向両端には、ターミナルプレートである端子板８０と第１導電プレート８２とが配設される。端子板８０には、絶縁板８４を介して第１エンドプレート１６が積層されるとともに、この端子板８０に第１電力取り出し端子２０が装着される。
【００３３】
図８に示すように、第１電力取り出し端子２０は、円柱状の大径部８６の両端に小径なねじ部８８ａ、８８ｂを設けている。このねじ部８８ａは、端子板８０に形成された孔部９０を通って第１セパレータ３４の酸化剤ガス入口５６ａ内に突出し、前記ねじ部８８ａにナット部材９２が螺着される。大径部８６の肩部には、端子板８０との間のシール性を向上させるためにシール部材９４が介装されるとともに、前記大径部８６の外周と第１エンドプレート１６に形成された孔部９６との間に絶縁リング９８が介装される。
【００３４】
図９に示すように、第１導電プレート８２は、第２セパレータ３６とほぼ同一形状、すなわち、長方形状に設定されており、短辺側の両端縁部には、酸化剤ガス入口１００ａ、燃料ガス入口１０２ａおよび酸化剤ガス出口１００ｂ、燃料ガス出口１０２ｂが互いに対角位置に設けられている。第１導電プレート８２の長辺側下部および上部には、それぞれ４つの冷却媒体入口１０４ａ〜１０４ｄと冷却媒体出口１０４ｅ〜１０４ｈが設けられるとともに、これらの間に対応してタイロッド挿通用の孔部６３が６箇所に形成されている。
【００３５】
第１導電プレート８２には、第１燃料電池スタック１２の下側にかつ第２燃料電池スタック１４に近接して延在する第１接続板部１０６が設けられる。第１接続板部１０６には、下方に突出して２本のボルト部１０８ａ、１０８ｂが設けられ、このボルト部１０８ａ、１０８ｂおよび第１導電プレート８２は、導電性を有する材料、例えば、ＳＵＳや銅等で構成されている。図７に示すように、第１導電プレート８２には、絶縁板１１０、蓋板１１２およびシール部材１１４を介して第２エンドプレート２４が積層される。
【００３６】
図１０および図１１に示すように、第２エンドプレート２４は長方形状に構成されており、その短辺側の両端縁部上部側には、酸化剤ガス入口１２０ａと燃料ガス入口１２２ａとが貫通形成されるとともに、その短辺側の両端縁部下部側には、酸化剤ガス出口１２０ｂと燃料ガス出口１２２ｂとが前記酸化剤ガス入口１２０ａおよび前記燃料ガス入口１２２ａと対角位置になるように設けられる。
【００３７】
第２エンドプレート２４の内側の面２４ａには、第２セパレータ３６の冷却媒体入口７０ａ〜７０ｄに連通する第１冷却媒体流路溝１２４ａ〜１２４ｄと、前記第２セパレータ３６の冷却媒体出口７０ｅ〜７０ｈに連通する第２冷却媒体流路溝１２４ｅ〜１２４ｈが、水平方向に長尺でかつ所定の深さを有して形成される。第１冷却媒体流路溝１２４ａ〜１２４ｄは、それぞれ１２本の第１溝部１２６ａの端部に連通する。第１溝部１２６ａは、互いに平行に上方に延在した後、それぞれ２本ずつ合流して第２溝部１２６ｂが設けられ、前記第２溝部１２６ｂがそれぞれ２本ずつ第３溝部１２６ｃに合流して単一の冷却媒体導入口１２８に連通する。
【００３８】
第２冷却媒体流路溝１２４ｅ〜１２４ｈは、同様に、それぞれ１２本の第１溝部１３０ａに連通し、前記第１溝部１３０ａが鉛直下方向に延在して第２溝部１３０ｂに２本ずつ合流する。第２溝部１３０ｂは、２本ずつ第３溝部１３０ｃに合流して単一の冷却媒体導出口１３２に連通する。冷却媒体導入口１２８および冷却媒体導出口１３２には、図１０に示すように、供給管路１３４と排出管路１３６が連結されており、この供給管路１３４およびこの排出管路１３６が、第１燃料電池スタック１２の外方に所定の長さだけ突出している。第２エンドプレート２４には、タイロッド挿通用の孔部６３が６箇所に形成されている（図１１参照）。
【００３９】
第１燃料電池スタック１２内には、第２エンドプレート２４の酸化剤ガス入口１２０ａ、第１セパレータ３４の酸化剤ガス入口５６ａ、酸化剤ガス出口５６ｂおよび前記第２エンドプレート２４の酸化剤ガス出口１２０ｂを連通してＵ字状に構成される酸化剤ガス給排路１３８ａと、前記第２エンドプレート２４の燃料ガス入口１２２ａ、第２セパレータ３６の燃料ガス入口６８ａ、燃料ガス出口６８ｂおよび前記第２エンドプレート２４の燃料ガス出口１２２ｂを連通してＵ字形状に構成される燃料ガス給排路１３８ｂと、前記第２エンドプレート２４の供給管路１３４、前記第２セパレータ３６の冷却媒体入口７０ａ〜７０ｄ、冷却媒体出口７０ｅ〜７０ｈおよび前記第２エンドプレート２４の排出管路１３６に連通してＵ字形状に構成される冷却媒体給排路１３８ｃが設けられる。酸化剤ガス給排路１３８ａと燃料ガス給排路１３８ｂは、第１燃料電池スタック１２内の横方向（長尺方向）両端上下に位置して設けられている。
【００４０】
図１０および図１３に示すように、冷却媒体導入口１２８および冷却媒体導出口１３２は、第２エンドプレート２４の面内の略中央部に、すなわち、酸化剤ガス入口１２０ａ、燃料ガス入口１２２ａ、酸化剤ガス出口１２０ｂおよび燃料ガス出口１２２ｂの上下方向および左右方向内方に位置して設けられている。
【００４１】
図７に示すように、第１燃料電池スタック１２は、締め付け機構１４０を介して積層方向（矢印Ａ方向）に一体的に締め付け固定される。締め付け機構１４０は、第１エンドプレート１６の外面側に設けられる液体チャンバ１４２と、この液体チャンバ１４２内に封入される非圧縮性の面圧付与用液体、例えば、シリコンオイル１４４と、第２エンドプレート２４の外面側に設けられ、前記第２エンドプレート２４を前記第１エンドプレート１６側に押圧するために水平方向に所定間隔ずつ離間して配置される３つの皿ばね１４６ａ〜１４６ｃとを備える。
【００４２】
液体チャンバ１４２を挟んで第１エンドプレート１６に対向してバックアッププレート１４８が配設され、このバックアッププレート１４８とアルミニウムまたはステンレススチールの薄板１５０との間に液体チャンバ１４２が構成される。皿ばね１４６ａ〜１４６ｃは、第２エンドプレート２４の面内に略等間隔ずつ離間して配置されるとともに、取り付け板１５２により支持される。取り付け板１５２から第１燃料電池スタック１２を貫通してバックアッププレート１４８に６本のタイロッド１５４が挿入される。タイロッド１５４の端部にナット１５６がねじ込まれることにより、第１燃料電池スタック１２が一体的に保持される。
【００４３】
図２および図１２に示すように、取り付け機構３０は、第１エンドプレート１６の下部側に一体的に設けられるブラケット部１６０ａ、１６０ｂと、第２エンドプレート２４の下部側にねじ止めされるマウントブラケット１６２ａ、１６２ｂとを備える。ブラケット部１６０ａ、１６０ｂには、第１燃料電池スタック１２の積層方向（矢印Ａ方向）に長尺な長孔１６４ａ、１６４ｂが形成される一方、マウントブラケット１６２ａ、１６２ｂに孔部１６６ａ、１６６ｂが形成される。
【００４４】
長孔１６４ａ、１６４ｂおよび孔部１６６ａ、１６６ｂには、それぞれゴムマウント１６８が配置される。ゴムマウント１６８は、上下にねじ部１７０ａ、１７０ｂが設けられており、上部に突出する前記ねじ部１７０ａにカラー１７２が配置されてこのカラー１７２がここから長孔１６４ａ、１６４ｂに挿入されるとともに、該ねじ部１７０ａにナット１７４が螺合される。マウントブラケット１６２ａ、１６２ｂ側では、ゴムマウント１６８のねじ部１７０ａが孔部１６６ａ、１６６ｂに挿入されてその先端部にナット１７４が螺合される。ゴムマウント１６８の下部側に突出するねじ部１７０ｂは、取り付けプレート３１に挿入されてナット１７６が螺合されることにより、第１燃料電池スタック１２を車両等に固定する。
【００４５】
図１３に示すように、第２燃料電池スタック１４は、上述した第１燃料電池スタック１２とは対称的に構成されるとともに、電解質膜３８に対してカソード側電極４０とアノード側電極４２とが逆側に配置されており、第１エンドプレート１８側に負極である第２電力取り出し端子２２が設けられる（図１４参照）。第２燃料電池スタック１４は、基本的には第１燃料電池スタック１２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を付してその詳細な説明は省略する。
【００４６】
図１５に示すように、第２燃料電池スタック１４は、第２導電プレート１８０を備えており、この第２導電プレート１８０には、前記第２燃料電池スタック１４の下側に延在しかつ第１燃料電池スタック１２に設けられている第１導電プレート８２の第１接続板部１０６に近接する第２接続板部１８２を設けている。第１および第２接続板部１０６、１８２には、それぞれ一対のボルト部１０８ａ、１０８ｂと１８４ａ、１８４ｂとが設けられている。
【００４７】
ボルト部１０８ａと１８４ａおよびボルト部１０８ｂと１８４ｂには、それぞれ可撓性接続体、例えば、撚り線１８６ａ、１８６ｂが接続される。撚り線１８６ａ、１８６ｂは、多数の細線状の導線を網状に撚ることにより構成されており、それぞれゴムカバー１８８ａ、１８８ｂにより覆われている。
【００４８】
図１３に示すように、第１および第２燃料電池スタック１２、１４を構成する第２エンドプレート２４、２６には、それぞれ燃料ガス入口１２２ａと酸化剤ガス出口１２０ｂとが互いに近接する位置に配置されており、この第２エンドプレート２４、２６に配管機構２８が組み込まれる。
【００４９】
図１および図１６に示すように、配管機構２８は、互いに並設される第１および第２燃料電池スタック１２、１４を構成する第２エンドプレート２４、２６の各燃料ガス入口１２２ａを覆って前記第２エンドプレート２４、２６に一体的に固定される第１ブラケット１９０を備える。この第１ブラケット１９０には、各燃料ガス入口１２２ａにそれぞれ連通する燃料ガス供給管１９２ａ、１９２ｂが設けられ、前記燃料ガス供給管１９２ａ、１９２ｂが合流して燃料ガス供給口１９４に連通する。
【００５０】
第２エンドプレート２４、２６には、各酸化剤ガス出口１２０ｂを覆って第２ブラケット１９６が固定される。この第２ブラケット１９６に設けられ酸化剤ガス出口１２０ｂにそれぞれ連通する酸化剤ガス排出管１９８ａ、１９８ｂの先端部が、酸化剤ガス排出口２００に一体的に連通する。
【００５１】
第２エンドプレート２４、２６には、それぞれの酸化剤ガス入口１２０ａおよび燃料ガス出口１２２ｂを覆って第３および第４ブラケット２０２、２０４が固定される。第３および第４ブラケット２０２、２０４には、酸化剤ガス入口１２０ａに連通する酸化剤ガス供給管２０６の両端が連通するとともに、この酸化剤ガス供給管２０６の途上に酸化剤ガス供給口２０８が設けられる。第３および第４ブラケット２０２、２０４には、燃料ガス出口１２２ｂに連通する燃料ガス排出管２１０の両端が連通し、この燃料ガス排出管２１０の途上に燃料ガス排出口２１２が設けられる。
【００５２】
第２エンドプレート２４、２６に設けられている各供給管路１３４に冷却媒体供給管２１４の両端が連結され、この冷却媒体供給管２１４に冷却媒体供給口２１６が設けられる。第２エンドプレート２４、２６に設けられている各排出管路１３６に冷却媒体排出管２１８が連結されるとともに、この冷却媒体排出管２１８に冷却媒体排出口２２０が設けられる。
【００５３】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
【００５４】
図１に示すように、燃料電池システム１０には、燃料ガス供給口１９４から燃料ガス（例えば、炭化水素を改質した水素を含むガス）が供給されるとともに、酸化剤ガス供給口２０８に酸化剤ガスとして空気または酸素含有ガス（以下、単に空気ともいう）が供給され、さらに、冷却媒体供給口２１６に冷却媒体が供給される。
【００５５】
燃料ガス供給口１９４に供給された燃料ガスは、燃料ガス供給管１９２ａ、１９２ｂを通って第１および第２燃料電池スタック１２、１４を構成する第２エンドプレート２４、２６の各燃料ガス入口１２２ａに送られ、さらに第２セパレータ３６の各燃料ガス入口６８ａから第１燃料ガス流路溝７２に導入される。図５に示すように、第１燃料ガス流路溝７２に供給された燃料ガスは、第２セパレータ３６の面３６ａに沿って水平方向に蛇行しながら重力方向に移動する。
【００５６】
その際、燃料ガス中の水素ガスは、第２ガス拡散層４６を通って単位燃料電池セル３２のアノード側電極４２に供給される。そして、未使用の燃料ガスは、第１燃料ガス流路溝７２に沿って移動しながらアノード側電極４２に供給される一方、未使用の燃料ガスが第２燃料ガス流路溝７３を介して燃料ガス出口６８ｂから排出される。この未使用の燃料ガスは、第２エンドプレート２４、２６の各燃料ガス出口１２２ｂを通って燃料ガス排出管２１０に導入され、燃料ガス排出口２１２を介して燃料電池システム１０から排出される。
【００５７】
一方、酸化剤ガス供給口２０８に供給された空気は、酸化剤ガス供給管２０６を介して第２エンドプレート２４、２６に設けられた各酸化剤ガス入口１２０ａに送られ、さらに第１および第２燃料電池スタック１２、１４内に組み込まれた第１セパレータ３４の酸化剤ガス入口５６ａに供給される（図３参照）。第１セパレータ３４では、酸化剤ガス入口５６ａに供給された空気が面３４ａ内の第１酸化剤ガス流路溝６２に導入され、この第１酸化剤ガス流路溝６２に沿って水平方向に蛇行しながら重力方向に移動する。
【００５８】
その際、空気中の酸素ガスは、第１ガス拡散層４４からカソード側電極４０に供給される一方、未使用の空気が第２酸化剤ガス流路溝６５を介して酸化剤ガス出口５６ｂから排出される。この酸化剤ガス出口５６ｂに排出された空気は、第２エンドプレート２４、２６に設けられた酸化剤ガス出口１２０ｂから酸化剤ガス排出管１９８ａ、１９８ｂを介して酸化剤ガス排出口２００より排出される（図１参照）。
【００５９】
これにより、第１および第２燃料電池スタック１２、１４で発電が行われ、それぞれ特性の異なる第１および第２電力取り出し端子２０、２２間に接続される負荷、例えば、図示しないモータに電力が供給されることになる。
【００６０】
また、第１および第２燃料電池スタック１２、１４内は、冷却媒体により有効に冷却される。すなわち、冷却媒体供給口２１６に供給された冷却媒体は、冷却媒体供給管２１４から第２エンドプレート２４、２６に設けられている供給管路１３４に導入される。この冷却媒体は、図１１に示すように、第２エンドプレート２４、２６の冷却媒体導入口１２８に導入され、複数の第２溝部１２６ｂから第１溝部１２６ａを通って第１冷却媒体流路溝１２４ａ〜１２４ｄに送られる。
【００６１】
第１冷却媒体流路溝１２４ａ〜１２４ｄに導入された冷却媒体は、第２セパレータ３６の下部側に形成された冷却媒体入口７０ａ〜７０ｄに導入され、図６に示すように、前記冷却媒体入口７０ａ〜７０ｄに連通する冷却媒体流路７４ａ〜７４ｄに沿って下方から上方に向かって移動する。冷却媒体流路７４ａ〜７４ｄを通って各単位燃料電池セル３２を冷却した冷却媒体は、冷却媒体出口７０ｅ〜７０ｈを通って第２エンドプレート２４、２６の第２冷却媒体流路溝１２４ｅ〜１２４ｈに導入される（図１１参照）。
【００６２】
この第２冷却媒体流路溝１２４ｅ〜１２４ｈに導入された冷却媒体は、第１溝部１３０ａから第２溝部１３０ｂを介して冷却媒体導出口１３２に送られ、排出管路１３６から冷却媒体排出管２１８を通って冷却媒体排出口２２０より排出される。
【００６３】
この場合、第１の実施形態では、図１０に示すように、第１燃料電池スタック１２内に横方向（矢印Ｃ方向）両端上下に位置して酸化剤ガス入口５６ａ、燃料ガス入口６８ａ、酸化剤ガス出口５６ｂおよび燃料ガス出口６８ｂ等が設けられるとともに、長辺側下部および上部には、冷却媒体入口７０ａ〜７０ｄおよび冷却媒体出口７０ｅ〜７０ｈ等が設けられている。このため、第１燃料電池スタック１２を横長に設定することができ、この第１燃料電池スタック１２の高さ方向の寸法を低く構成することが可能になる。
【００６４】
特に、第１の実施形態では、第１燃料電池スタック１２内の横方向（長尺方向）両端上下に位置して、酸化剤ガス給排路１３８ａおよび燃料ガス給排路１３８ｂが設けられる一方、この第１燃料電池スタック１２内の横方向両端には冷却媒体給排路１３８ｃが設けられていない。これにより、第１燃料電池スタック１２の高さ方向の寸法を一層低く設定することができ、燃料電池システム１０を自動車車体の床下等の低いスペースにも容易に搭載することが可能になるという効果がある。
【００６５】
しかも、酸化剤ガス入口５６ａ、燃料ガス入口６８ａ、酸化剤ガス出口５６ｂおよび燃料ガス出口６８ｂ等が、上下方向に長尺な長方形状に設定されている。このため、例えば、円形状に比べて酸化剤ガスおよび燃料ガスの流量が有効に増加され、各単位燃料電池セル３２を構成するカソード側電極４０およびアノード側電極４２に前記酸化剤ガスおよび前記燃料ガスを確実に分散供給することができる。
【００６６】
さらに、第１の実施形態では、図６に示すように、冷却媒体が第２セパレータ３６の下部側に設けられている冷却媒体入口７０ａ〜７０ｄに連通する冷却媒体流路７４ａ〜７４ｄに沿って下方から上方に向かって移動した後、冷却媒体出口７０ｅ〜７０ｈに排出される。従って、冷却媒体に混在している空気は、冷却媒体流路７４ａ〜７４ｄに沿って下から上に円滑かつ確実に移動し、空気抜き処理が効果的に遂行されるという利点がある。
【００６７】
しかも、冷却媒体流路７４ａ〜７４ｄは、第２セパレータ３６の短辺方向（重力方向）に沿って設けられている。これにより、冷却媒体が第２セパレータ３６の面３６ａ内で流れる距離が短尺化されて圧損が小さくなるとともに、発電面内での温度分布の発生を抑えることができ、冷却媒体による冷却効率が有効に向上するという効果が得られる。
【００６８】
さらにまた、第１の実施形態では、図１１および図１３に示すように、第２エンドプレート２４の面２４ａの略中央部に位置して冷却媒体導入口１２８および冷却媒体導出口１３２が設けられ、前記冷却媒体導出口１２８に導入される冷却媒体を冷却媒体入口７０ａ〜７０ｄに分割供給する一方、冷却媒体出口７０ｅ〜７０ｈを介して排出された冷却媒体を前記冷却媒体導出口１３２に一体的に導出する。このため、冷却媒体用配管構造が有効に簡素化され、第１燃料電池スタック１２の高さ方向の寸法を一層容易に短尺化することが可能になる。従って、燃料電池システム１０を有効に薄肉化し、例えば、自動車車体の床下に前記燃料電池システム１０を容易に搭載することができる。
【００６９】
また、第１の実施形態では、第１燃料電池スタック１２内に冷却媒体給排路１３８ｃの間に位置して孔部６３が形成され、この孔部６３にタイロッド１５４が挿入されて、前記第１燃料電池スタック１２が一体的に保持されている。このため、第１および第２セパレータ３４、３６の余剰部分を有効に利用することができるとともに、第１燃料電池スタック１２全体の高さ方向の寸法を小さく設定することが可能になる。
【００７０】
なお、第１の実施形態では、第１および第２燃料電池スタック１２、１４を積層方向に並列して燃料電池システム１０を構成しているが、この第１燃料電池スタック１２のみを用いても同様の効果が得られる。
【００７１】
図１７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック２４０内の流体の流れを示す流路説明図であり、図１８は、前記燃料電池スタック２４０の要部分解斜視図である。なお、第１の実施形態に係る第１燃料電池スタック１２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】
燃料電池スタック２４０を構成する第１および第２セパレータ２４２、２４４は、長方形状に設定されており、前記第１および第２セパレータ２４２、２４４の短辺５５ｂ、６４ｂ側の両端縁部下部側には、酸化剤ガス入口５６ａ、６６ａと燃料ガス入口５８ａ、６８ａとが設けられる。第１および第２セパレータ２４２、２４４の短辺５５ｂ、６４ｂ側の両端縁部上部側には、酸化剤ガス出口５６ｂ、６６ｂと燃料ガス出口５８ｂ、６８ｂとが設けられる。
【００７３】
第１セパレータ２４２の面２４２ａには、酸化剤ガス入口５６ａに連通する１０本のそれぞれ独立した第１酸化剤ガス流路溝６２が、短辺５５ｂ側で折り返して水平方向に蛇行しながら反重力方向に向かって設けられる。第１酸化剤ガス流路溝６２は、５本の第２酸化剤ガス流路溝６５に合流し、前記第２酸化剤ガス流路溝６５が酸化剤ガス出口５６ｂに連通する。
【００７４】
図１９に示すように、第２セパレータ２４４の面２４４ａには、燃料ガス入口６８ａに連通して１０本の第１燃料ガス流路溝７２が形成される。第１燃料ガス流路溝７２は、短辺６４ｂ側で折り返して水平方向に蛇行しながら反重力方向に設けられ、５本の第２燃料ガス流路溝７３に合流した後、この第２燃料ガス流路溝７３が燃料ガス出口６８ｂに連通する。
【００７５】
図１７に示すように、燃料電池スタック２４０内には、酸化剤ガス給排路１３８ａと燃料ガス給排路１３８ｂと冷却媒体給排路１３８ｃとが設けられる。酸化剤ガス給排路１３８ａと燃料ガス給排路１３８ｂは、冷却媒体給排路１３８ｃと同様に燃料電池スタック２４０内の横方向両端下部に供給側が設けられる一方、横方向両端上部に排出側が設けられる。
【００７６】
このように構成される第２の実施形態では、燃料電池スタック２４０内の横方向両端下部から酸化剤ガス給排路１３８ａと燃料ガス給排路１３８ｂとに空気と燃料ガスとが供給される。この空気は、第１セパレータ２４２の面２４２ａ内の第１酸化剤ガス流路溝６２に導入され、水平方向に蛇行しながら反重力方向に移動する。そして、未使用の空気が第２酸化剤ガス流路溝６５を介して酸化剤ガス出口５６ｂに排出され、燃料電池スタック２４０の横方向両端上部から排出される。
【００７７】
一方、燃料ガスは、第２セパレータ２４４の面２４４ａ内の第１燃料ガス流路溝７２に導入され、水平方向に蛇行しながら反重力方向に移動する。そして、未使用の燃料ガスは、燃料電池スタック２４０の横方向両端上部から排出される。
【００７８】
このように、第２の実施形態では、酸化剤ガス給排路１３８ａと燃料ガス給排路１３８ｂの供給側が冷却媒体給排路１３８ｃの供給側と同様に燃料電池スタック２４０の下部側に設けられている。このため、供給される燃料ガスおよび空気の温度は、入口側の冷却媒体の温度に対応して低く設定することができ、この結果、前記燃料ガスおよび前記空気の加湿量を少なくすることが可能になる。従って、燃料ガスおよび空気を加湿するための加湿装置（図示せず）を容易に小型化することができ、設備全体の簡素化およびコストの削減が図られるという効果が得られる。
【００７９】
さらに、酸化剤ガス給排路１３８ａと燃料ガス給排路１３８ｂの排出側が燃料電池スタック２４０の横方向両端上部に設けられている。このため、酸化剤ガス給排路１３８ａおよび燃料ガス給排路１３８ｂの出口に接続される配管（図示せず）は、生成水の逆流を阻止するために前記出口よりも下方向に配置する際、高さ方向のスペースを有効に確保することが可能になる。これにより、特に、車載用として使用される場合のように、燃料電池スタック２４０の載置面が床下面であっても、酸化剤ガス給排路１３８ａおよび燃料ガス給排路１３８ｂの出口側の配管を有効に下げた状態で配置することができるという利点がある。
【００８０】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックでは、単位燃料電池セルが横長の長方形状に構成されており、前記燃料電池スタック内には、横方向両端上下に位置して燃料ガス給排路および酸化剤ガス給排路が設けられるため、前記燃料電池スタック全体の高さ方向の寸法を有効に低く設定することができる。従って、燃料電池スタックを、例えば、自動車車体の床下等の低いスペースにも容易に搭載することが可能になる。
【００８１】
また、本発明に係る燃料電池スタックでは、横方向両端上下に燃料ガス給排口および酸化剤ガス給排口を設けるとともに、上下に複数の冷却媒体供給口および冷却媒体排出口を設けることにより、前記燃料電池スタック全体を横長構造に設定することができる。しかも、冷却媒体が下から上に向かって流れるため、この冷却媒体に混在する空気を円滑に排出することができるとともに、冷却媒体流路が短尺化されて圧損の低減を図り、かつ温度分布の発生を阻止することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックを組み込む燃料電池システムの概略斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池システムの側面説明図である。
【図３】前記燃料電池スタックの要部分解斜視図である。
【図４】前記燃料電池スタックの要部縦断面説明図である。
【図５】前記燃料電池スタックを構成する第２セパレータの一方の面の正面説明図である。
【図６】前記第２セパレータの他方の面の正面説明図である。
【図７】前記燃料電池スタックの概略縦断面説明図である。
【図８】前記燃料電池スタックを構成する電力取り出し端子の接続構造を示す説明図である。
【図９】前記燃料電池スタックを構成する導電プレートの斜視説明図である。
【図１０】前記燃料電池スタック内の流体の流れを示す流路説明図である。
【図１１】前記燃料電池スタックを構成する第２エンドプレートの内方側の面の正面説明図である。
【図１２】前記燃料電池スタックの平面説明図である。
【図１３】配管機構が省略された状態の前記燃料電池システムの正面説明図である。
【図１４】前記燃料電池システムの背面説明図である。
【図１５】前記燃料電池システムの下側を示す斜視説明図である。
【図１６】前記燃料電池システムの正面説明図である。
【図１７】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック内の流体の流れを示す流路説明図である。
【図１８】前記燃料電池スタックの要部分解斜視図である。
【図１９】前記燃料電池スタックを構成する第２セパレータの一方の面の正面説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池システム            １２、１４、２４０…燃料電池スタック
１６、１８、２４、２６…エンドプレート
２０、２２…電力取り出し端子      ２８…配管機構
３０…取り付け機構                ３２…単位燃料電池セル
３４、３６、２４２、２４４…セパレータ
３８…電解質膜                    ４０…カソード側電極
４２…アノード側電極
５６ａ、６６ａ、１００ａ、１２０ａ…酸化剤ガス入口
５６ｂ、６６ｂ、１００ｂ、１２０ｂ…酸化剤ガス出口
５８ａ、６８ａ、１０２ａ、１２２ａ…燃料ガス入口
５８ｂ、６８ｂ、１０２ｂ、１２２ｂ…燃料ガス出口
６０ａ〜６０ｄ、７０ａ〜７０ｄ、１０４ａ〜１０４ｄ…冷却媒体入口
６０ｅ〜６０ｈ、７０ｅ〜７０ｈ、１０４ｅ〜１０４ｈ…冷却媒体出口
６２、６５…酸化剤ガス流路溝      ７２、７３…燃料ガス流路溝
７４ａ〜７４ｄ…冷却媒体流路      ８０…端子板
８２、１８０…導電プレート        １０６、１８２…接続板部
１２４ａ〜１２４ｈ…冷却媒体流路溝
１２８…冷却媒体導入口            １３２…冷却媒体導出口
１３４…供給管路                  １３６…排出管路
１３８ａ…酸化剤ガス給排路        １３８ｂ…燃料ガス給排路
１３８ｃ…冷却媒体給排路          １４０…締め付け機構
１４２…液体チャンバ              １４６ａ〜１４６ｃ…皿ばね
１６０ａ、１６０ｂ…ブラケット部
１６２ａ、１６２ｂ…マウントブラケット
１６８…ゴムマウント
【図１】
0003957254.tif 000002
【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】
0003957254.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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