JP7274517B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタックに関する。

一般的に、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。燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード電極が、前記固体高分子電解質膜の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、発電セルが構成されている。この発電セルが所定数で積層されることでセル積層体が構成される。セル積層体の両端にターミナルプレート、絶縁プレート及びエンドプレートがセル積層体に近接する方からこの順序で配設されて燃料電池スタックが構成される。燃料電池スタックは、例えば、車両に搭載され、該車両の走行駆動源に電力を供給する。

この種の燃料電池スタックには、アノード電極と一方のセパレータとの間に燃料ガス流路（反応ガス流路）が形成され、カソード電極と他方のセパレータとの間に酸化剤ガス流路（反応ガス流路）が形成されている。また、セル積層体、絶縁プレート及びエンドプレートには、燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給連通孔（反応ガス供給連通孔）と、燃料ガスを排出する燃料ガス排出連通孔と、酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給連通孔（反応ガス供給連通孔）と、酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出連通孔とが、積層方向に沿って形成されている。

特許文献１には、反応ガス排出連通孔が複数個存在するときに反応ガス供給連通孔の近傍に結露水等の液水が滞留し発電セルに浸入することを回避することが可能な燃料電池スタックが開示されている。特許文献１の燃料電池スタックでは、発電セルの反応ガス供給連通孔よりも上流側に入口を有する排水用のバイパス流路が設けられている。また、バイパス流路の入口近傍に、ガス流れ方向の上流側に向かって突出する環状凸部が設けられている。

特開２０１９－１７５６７３号公報

本発明は、バイパス流路及び環状凸部を有する燃料電池スタックにおいて、発電セルへの液水の浸入を一層効果的に抑制することを目的とする。

本発明の一態様は、電解質膜の両側にアノード電極及びカソード電極が配設される電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体を挟むセパレータとを有する発電セルが複数積層されたセル積層体と、前記セル積層体の一端部に配設されるターミナルプレート、第１絶縁プレート、第２絶縁プレート及びエンドプレートと、を備える燃料電池スタックにおいて、前記第１絶縁プレートは、前記セル積層体と前記第２絶縁プレートとの間に配置されており、少なくとも、前記セル積層体、前記第１絶縁プレート、前記第２絶縁プレート及び前記エンドプレートに、積層方向に沿って延在して前記アノード電極又は前記カソード電極に供給する反応ガスを供給する反応ガス供給連通孔と、前記アノード電極又は前記カソード電極から排出された使用済反応ガスを排出する上側反応ガス排出連通孔及び下側反応ガス排出連通孔とが形成され、前記反応ガス供給連通孔が前記セル積層体の水平方向の一端部に形成され、前記上側反応ガス排出連通孔が、前記セル積層体の水平方向の他端部で且つ前記反応ガス供給連通孔よりも高位置に形成され、前記下側反応ガス排出連通孔が、前記セル積層体の水平方向の前記他端部で且つ前記反応ガス供給連通孔よりも低位置に形成され、前記第１絶縁プレートの前記反応ガス供給連通孔は、第１プレート側連通孔であり、前記第２絶縁プレートの前記反応ガス供給連通孔は、第２プレート側連通孔であり、前記第１絶縁プレートと前記第２絶縁プレートとの間に、前記第２プレート側連通孔と前記下側反応ガス排出連通孔とを連通するバイパス流路が形成されており、前記第１プレート側連通孔の周囲に、前記第２プレート側連通孔に向かって突出するとともに、前記第２絶縁プレートとの間に前記バイパス流路の入口を形成する環状凸部が設けられており、前記環状凸部の内側空間は、前記第１プレート側連通孔の一部を構成しており、前記第１プレート側連通孔を形成する内面の下部は、前記反応ガスの流れ方向下流に向かって上り勾配となる傾斜部を有する、燃料電池スタックである。

本発明によれば、バイパス流路及び環状凸部を有する燃料電池スタックにおいて、発電セルへの液水の浸入を一層効果的に抑制することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの全体概略斜視図である。 発電セルの分解斜視図である。 酸化剤ガス流路側から見た第１金属セパレータの構成説明図である。 ダミーセルの分解斜視図である。 酸化剤ガス供給連通孔近傍の積層方向（矢印Ａ方向）に沿った概略断面図である。 第１絶縁プレートの、第２絶縁プレートに対向する側の面を示した概略正面図である。

図１は、本実施形態に係る燃料電池スタック１０の全体概略斜視図である。この燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１２が水平方向（矢印Ａ方向）に積層されたセル積層体１４を備える。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等の燃料電池車両に搭載される。なお、矢印Ｂ方向は、矢印Ａ方向に直交する水平方向であり、矢印Ｃ方向は鉛直方向（重力方向）である。

セル積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）一端には、ダミーセル１３ａ、電力を取り出すためのターミナルプレート１６ａ、第１絶縁プレート１７、第２絶縁プレート１８、及びエンドプレート２０ａが、内方から外方に向かってこの順序で配設される。ダミーセル１３ａは、セル積層体１４と第１絶縁プレート１７との間に配置（挟持）されている。第１絶縁プレート１７は、セル積層体１４と第２絶縁プレート１８との間に配置（挟持）されている。第２絶縁プレート１８は、第１絶縁プレート１７とエンドプレート２０ａとの間に配置（挟持）されている。なお、複数枚のダミーセル１３ａが配置されてもよい。

セル積層体１４の積層方向他端には、ダミーセル１３ｂ、ターミナルプレート１６ｂ、絶縁プレート１９及びエンドプレート２０ｂが、内方から外方に向かってこの順序で配設される。ダミーセル１３ｂは、セル積層体１４と絶縁プレート１９との間に配置（挟持）されている。絶縁プレート１９は、ダミーセル１３ｂとエンドプレート２０ｂとの間に配置（挟持）されている。なお、複数枚のダミーセル１３ｂが配置されてもよい。

ターミナルプレート１６ａ、１６ｂは集電体であり、ターミナルプレート１６ａには、各発電セル１２のアノード電極４２（又はカソード電極４４）が電気的に接続される。一方、ターミナルプレート１６ｂには、各発電セル１２のカソード電極４４（又はアノード電極４２）が電気的に接続される。なお、アノード電極４２及びカソード電極４４は図２に示している。

図１において、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの各々の略中央には、積層方向外方に向かって端子部２２ａ、２２ｂが突出形成される。端子部２２ａ、２２ｂは略円柱形状をなし、その側壁の大部分は図示しない絶縁性筒体で覆われている。絶縁性筒体は、端子部２２ａ、２２ｂと、第１絶縁プレート１７、第２絶縁プレート１８、絶縁プレート１９、エンドプレート２０ａ、２０ｂにそれぞれ形成された通過孔２４の内壁との間に介在し、特に、端子部２２ａ、２２ｂとエンドプレート２０ａ、２０ｂの間を電気的に絶縁する。端子部２２ａ、２２ｂの、絶縁性筒体で覆われていない先端は、エンドプレート２０ａ、２０ｂの積層方向外方に露呈する。

第１絶縁プレート１７及び第２絶縁プレート１８及び絶縁プレート１９は絶縁体からなる。第１絶縁プレート１７には、積層方向外方（矢印Ａ方向の一方側）に向かって陥没した凹部２６ａが形成されている。ターミナルプレート１６ａは凹部２６ａに収容されている。絶縁プレート１９には、積層方向外方（矢印Ａ方向の他方側）に向かって陥没した凹部２６ｂが形成されている。ターミナルプレート１６ｂは凹部２６ｂに収容されている。

第１絶縁プレート１７、第２絶縁プレート１８及び絶縁プレート１９は、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）樹脂やフェノール樹脂等の電気的絶縁性樹脂で形成される。

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２７が配置される。各連結バー２７は、両端がエンドプレート２０ａ、２０ｂの内面に固定されており、セル積層体１４に積層方向（矢印Ａ方向）の締付荷重を付与する。なお、この構成に代替し、エンドプレート２０ａ、２０ｂを端板とする筐体内にセル積層体１４を収容するようにしてもよい。

発電セル１２は、図２に示すように、樹脂枠付きＭＥＡ２８が、第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２で挟持されることによって構成される。第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ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、又はその金属表面に防食用の表面処理を施した金属薄板の断面を波形にプレス成形して構成される。第１金属セパレータ３０と第２金属セパレータ３２とは、外周を溶接、ロウ付け、かしめ等により一体に接合され、接合セパレータ３３を構成する。

樹脂枠付きＭＥＡ２８は、電解質膜・電極構造体２８ａ（以下、「ＭＥＡ２８ａ」という）と、ＭＥＡ２８ａの外周部に接合されるとともに該外周部を周回する樹脂枠部材４６とを備える。ＭＥＡ２８ａは、電解質膜４０と、電解質膜４０の一方の面に設けられたアノード電極４２と、電解質膜４０の他方の面に設けられたカソード電極４４とを有する。

電解質膜４０は、例えば、固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）からなる。固体高分子電解質膜は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である。電解質膜４０は、アノード電極４２及びカソード電極４４に挟持される。なお、電解質膜４０は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用することができる。

詳細は図示しないが、アノード電極４２は、電解質膜４０の一方の面に接合される第１電極触媒層と、当該第１電極触媒層に積層される第１ガス拡散層とを有する。カソード電極４４は、電解質膜４０の他方の面に接合される第２電極触媒層と、当該第２電極触媒層に積層される第２ガス拡散層とを有する。

発電セル１２の矢印Ｂ方向の一端部に、矢印Ａ方向に貫通する上側燃料ガス排出連通孔３８ｂ１（上側反応ガス排出連通孔）、上側冷却媒体排出連通孔３６ｂ１、酸化剤ガス供給連通孔３４ａ（反応ガス供給連通孔）、下側冷却媒体排出連通孔３６ｂ２、下側燃料ガス排出連通孔３８ｂ２（下側反応ガス排出連通孔）が設けられる。これらの連通孔は、重力方向である矢印Ｃ方向に一列に配列して設けられるが、いわゆるジグザグ状に配置してもよい。

上側燃料ガス排出連通孔３８ｂ１及び下側燃料ガス排出連通孔３８ｂ２は、後述する燃料ガス流路５８から、一方の反応ガスである燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。酸化剤ガス供給連通孔３４ａは、後述する酸化剤ガス流路４８に、他方の反応ガスである酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する。上側冷却媒体排出連通孔３６ｂ１、下側冷却媒体排出連通孔３６ｂ２は、後述する冷却媒体流路６６から、例えば、水や油、エチレングリコール等の適宜の冷却媒体を排出する。

酸化剤ガス供給連通孔３４ａは、上側冷却媒体排出連通孔３６ｂ１と下側冷却媒体排出連通孔３６ｂ２の間に配置されている。また、上側燃料ガス排出連通孔３８ｂ１は上側冷却媒体排出連通孔３６ｂ１の上方に配置され、下側燃料ガス排出連通孔３８ｂ２は下側冷却媒体排出連通孔３６ｂ２の下方に配置されている。

発電セル１２の矢印Ｂ方向の他端部に、矢印Ａ方向に貫通する上側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ１（上側反応ガス排出連通孔）、上側冷却媒体供給連通孔３６ａ１、燃料ガス供給連通孔３８ａ（反応ガス供給連通孔）、下側冷却媒体供給連通孔３６ａ２、下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２（下側反応ガス排出連通孔）が設けられる。これらの連通孔は、重力方向である矢印Ｃ方向に配列して設けられるが、いわゆるジグザグ状に配置してもよい。

燃料ガス供給連通孔３８ａは、燃料ガス流路５８に燃料ガスを供給する。上側冷却媒体供給連通孔３６ａ１、下側冷却媒体供給連通孔３６ａ２は、冷却媒体流路６６に冷却媒体を供給する。上側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ１、下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２は、酸化剤ガス流路４８から酸化剤ガスを排出する。

燃料ガス供給連通孔３８ａは、上下方向に離間して配置された上側冷却媒体供給連通孔３６ａ１、下側冷却媒体供給連通孔３６ａ２の間に配置されている。上側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ１は上側冷却媒体供給連通孔３６ａ１の上方に配置され、下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２は下側冷却媒体供給連通孔３６ａ２の下方に配置されている。

このように、酸化剤ガス供給連通孔３４ａと、上側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ１及び下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２とは、発電セル１２の水平方向（矢印Ｂ方向）中心を挟んで互いに反対側の端部に形成される。上側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ１は酸化剤ガス供給連通孔３４ａよりも高位置である。下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２は酸化剤ガス供給連通孔３４ａよりも低位置である。

燃料ガス供給連通孔３８ａ、下側燃料ガス排出連通孔３８ｂ２、上側燃料ガス排出連通孔３８ｂ１についても同様に、発電セル１２の水平方向（矢印Ｂ方向）中心を挟んで互いに反対側の端部に形成される。上側燃料ガス排出連通孔３８ｂ１は燃料ガス供給連通孔３８ａよりも高位置である。下側燃料ガス排出連通孔３８ｂ２は燃料ガス供給連通孔３８ａよりも低位置である。

図３に示すように、第１金属セパレータ３０の樹脂枠付きＭＥＡ２８に臨む表面３０ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する酸化剤ガス流路４８が設けられる。酸化剤ガス流路４８は、酸化剤ガス供給連通孔３４ａ、上側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ１及び下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２に連通する。酸化剤ガス流路４８は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の凸部４８ａ間に直線状流路溝（又は波状流路溝）４８ｂを有する。

酸化剤ガス供給連通孔３４ａと酸化剤ガス流路４８との間には、プレス成形により、ＭＥＡ２８側に突出する複数個のエンボス部を有する入口バッファ部５０ａが設けられる。上側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ１、下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２と酸化剤ガス流路４８との間には、プレス成形により、ＭＥＡ２８側に突出する複数個のエンボス部を有する出口バッファ部５０ｂが設けられる。

第１金属セパレータ３０の表面３０ａには、プレス成形により、複数のメタルビードシールが樹脂枠付きＭＥＡ２８に向かって膨出成形される。当該メタルビードシールに代えて、弾性材料からなる凸状弾性シールが設けられてもよい。複数のメタルビードシールは、外側ビード部５２ａと、内側ビード部５２ｂと、複数の連通孔ビード部５２ｃとを有する。外側ビード部５２ａは、表面３０ａの外周縁部を周回する。内側ビード部５２ｂは、酸化剤ガス流路４８、酸化剤ガス供給連通孔３４ａ、上側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ１及び下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２の外周を周回し且つこれらを連通させる。

複数の連通孔ビード部５２ｃは、燃料ガス供給連通孔３８ａ、上側燃料ガス排出連通孔３８ｂ１、下側燃料ガス排出連通孔３８ｂ２、上側冷却媒体供給連通孔３６ａ１、下側冷却媒体供給連通孔３６ａ２、上側冷却媒体排出連通孔３６ｂ１、下側冷却媒体排出連通孔３６ｂ２をそれぞれ周回する。なお、外側ビード部５２ａは、必要に応じて設ければよく、不要にすることもできる。

図２に示すように、第２金属セパレータ３２の樹脂枠付きＭＥＡ２８に向かう表面３２ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する燃料ガス流路５８が形成される。燃料ガス流路５８は、燃料ガス供給連通孔３８ａ、上側燃料ガス排出連通孔３８ｂ１及び下側燃料ガス排出連通孔３８ｂ２に連通する。燃料ガス流路５８は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の凸部５８ａ間に直線状流路溝（又は波状流路溝）５８ｂを有する。

燃料ガス供給連通孔３８ａと燃料ガス流路５８との間には、プレス成形により、ＭＥＡ２８側に突出する複数個のエンボス部を有する入口バッファ部６０ａが設けられる。上側燃料ガス排出連通孔３８ｂ１、下側燃料ガス排出連通孔３８ｂ２と燃料ガス流路５８との間には、プレス成形により、ＭＥＡ２８側に突出する複数個のエンボス部を有する出口バッファ部６０ｂが設けられる。

第２金属セパレータ３２の表面３２ａには、プレス成形により、複数のメタルビードシールが、樹脂枠付きＭＥＡ２８に向かって膨出成形される。当該メタルビードシールに代えて、弾性材料からなる凸状弾性シールが設けられてもよい。複数のメタルビードシールは、外側ビード部６２ａと、内側ビード部６２ｂと、複数の連通孔ビード部６２ｃとを有する。外側ビード部６２ａは、表面３２ａの外周縁部を周回する。内側ビード部６２ｂは、外側ビード部６２ａよりも内側で、燃料ガス流路５８、燃料ガス供給連通孔３８ａ、上側燃料ガス排出連通孔３８ｂ１及び下側燃料ガス排出連通孔３８ｂ２の外周を周回し且つこれらを連通させる。

複数の連通孔ビード部６２ｃは、酸化剤ガス供給連通孔３４ａ、上側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ１、下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２、上側冷却媒体供給連通孔３６ａ１、下側冷却媒体供給連通孔３６ａ２、上側冷却媒体排出連通孔３６ｂ１、下側冷却媒体排出連通孔３６ｂ２をそれぞれ周回する。なお、外側ビード部６２ａは、必要に応じて設ければよく、不要にすることもできる。

溶接又はロウ付けにより互いに接合される第１金属セパレータ３０の裏面３０ｂと第２金属セパレータ３２の裏面３２ｂとの間には、冷却媒体流路６６が形成される。冷却媒体流路６６は、上側冷却媒体供給連通孔３６ａ１、下側冷却媒体供給連通孔３６ａ２、上側冷却媒体排出連通孔３６ｂ１及び下側冷却媒体排出連通孔３６ｂ２に連通する。

発電セル１２と同様に、図１に示す燃料電池スタック１０のエンドプレート２０ａ、第１絶縁プレート１７及び第２絶縁プレート１８の各々の矢印Ｂ方向の一端部にも、上側燃料ガス排出連通孔３８ｂ１、上側冷却媒体排出連通孔３６ｂ１、酸化剤ガス供給連通孔３４ａ、下側冷却媒体排出連通孔３６ｂ２、下側燃料ガス排出連通孔３８ｂ２が設けられる。また、エンドプレート２０ａ、第１絶縁プレート１７及び第２絶縁プレート１８の各々の矢印Ｂ方向の他端部にも、上側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ１、上側冷却媒体供給連通孔３６ａ１、燃料ガス供給連通孔３８ａ、下側冷却媒体供給連通孔３６ａ２、下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２が設けられる。

図１に示すように、ターミナルプレート１６ａは、矢印Ｂ方向の外縁が上記１０個の連通孔の内方に位置する。なお、ターミナルプレート１６ａの矢印Ｂ方向寸法を大きくし、ターミナルプレート１６ａにも上記１０個の連通孔を設けるようにしてもよい。

図４に示すように、ダミーセル１３ａは、ＭＥＡ２８ａ（図２参照）の代わりに用いられる発電機能を持たないダミー電極接合体７０と、ダミー電極接合体７０の外周部に接合された樹脂枠部材４６と、ダミー電極接合体７０を挟持する第１ダミーセパレータ７２及び第２ダミーセパレータ７４とを備える。ダミー電極接合体７０は、電解質膜４０（図２参照）に代えて用いられる電気導電性を有するプレート７６と、プレート７６の両面にそれぞれ接合された一対の電極７８、７９とを備える。すなわち、ＭＥＡ２８ａと異なり、ダミー電極接合体７０は、電解質膜４０を有しない。

プレート７６は、発電セル１２の電解質膜４０（図２参照）に対応するものであり、電解質膜４０と同様の形状に形成されている。プレート７６は、例えば、ステンレスにより構成される金属プレートである。プレート７６は、カーボンプレートであってもよい。

一方の電極７８は、アノード電極４２（図２参照）を構成するガス拡散層に対応するものであり、例えば、カーボンペーパにより構成される。他方の電極７９は、カソード電極４４（図２参照）を構成するガス拡散層に対応するものであり、例えば、カーボンペーパにより構成される。電極７８、７９は、電極触媒層を有しない。

第１ダミーセパレータ７２は、第１金属セパレータ３０と略同様に構成されるとともに、第２ダミーセパレータ７４は、第２金属セパレータ３２と略同様に構成されているため、その詳細な説明は省略する。第１ダミーセパレータ７２及び第２ダミーセパレータ７４において、第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２と同一の構成要素には、同一の参照符号を付している。

ダミーセル１３ａの内部には、ダミー電極接合体７０と第１ダミーセパレータ７２との間に、酸化剤ガス供給連通孔３４ａに連通し且つ上側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ１及び下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２に連通する第１流路４８ｄ（発電セル１２の酸化剤ガス流路４８に相当する流路）が形成されている。また、ダミーセル１３ａの内部には、ダミー電極接合体７０と第２ダミーセパレータ７４との間に、燃料ガス供給連通孔３８ａに連通し且つ上側燃料ガス排出連通孔３８ｂ１及び下側燃料ガス排出連通孔３８ｂ２に連通する第２流路５８ｄ（発電セル１２の燃料ガス流路５８に相当する流路）が形成されている。

図１においてセル積層体１４の他端側に配置された他方のダミーセル１３ｂも、一方のダミーセル１３ａと同様に構成されている。

エンドプレート２０ａには、その一部が図５に示されるマニホールド８０（反応ガス供給配管部材）が付設される。図５には、酸化剤ガス供給管部８２が示されており、その内部は、酸化剤ガス供給流路８４である。

酸化剤ガス供給管部８２の出口端部は、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス供給連通孔３４ａに重ねられる。このため、酸化剤ガス供給流路８４が酸化剤ガス供給連通孔３４ａに連通する。酸化剤ガス供給連通孔３４ａは、円筒形状であってもよい。

ここで、酸化剤ガス供給管部８２の出口端部には、略中空円錐台形状をなし且つ両端が開口した中間ジョイント８６が嵌合されている。中間ジョイント８６は、マニホールド８０から第２絶縁プレート１８に近接するにつれてテーパー状に拡開する。このため、その内部に形成されたテーパー形状貫通孔８８の内径は、マニホールド８０から第２絶縁プレート１８に近接するにつれて漸次的に大きくなる。

第２絶縁プレート１８の酸化剤ガス供給連通孔３４ａ（以下、「第２プレート側連通孔１８ａ」ともいう）内には、円弧状に突出したストッパ部９０が形成されている。中間ジョイント８６の拡開した一端側の先端面がストッパ部９０に当接することで、中間ジョイント８６が第２絶縁プレート１８の第２プレート側連通孔１８ａの途中まで差し込まれて停止した状態となる。中間ジョイント８６と、第２プレート側連通孔１８ａの内壁との間には、中間ジョイント８６の肉厚分の段差ＳＴが形成される。

第１絶縁プレート１７の酸化剤ガス供給連通孔３４ａ（以下、「第１プレート側連通孔１７ａ」ともいう）の入口近傍には、第２絶縁プレート１８に向かって突出する環状凸部９２が突出形成されている。環状凸部９２の縦方向（Ｃ方向）寸法及び横方向（Ａ方向）寸法は、第２絶縁プレート１８の第２プレート側連通孔１８ａの縦方向寸法及び横方向寸法よりも小さい。環状凸部９２の先端は、第２プレート側連通孔１８ａ内に進入している。なお、第２プレート側連通孔１８ａが円形であるときには、環状凸部９２の外径を第２プレート側連通孔１８ａの内径に比して小さくすればよい。

環状凸部９２の内側空間９２ａ（環状凸部９２により囲まれる空間）は、第１プレート側連通孔１７ａの一部を構成する。具体的には、環状凸部９２の内側空間９２ａは、第１プレート側連通孔１７ａの上流側領域を構成する。

第１プレート側連通孔１７ａを形成する内面１７ｓの下部は、酸化剤ガスの流れ方向下流（図５で右方向）に向かって上り勾配となる傾斜部９６を有する。傾斜部９６は、環状凸部９２の突出方向側の第１端部９６ａ（上流側端部）と、当該突出方向と逆方向側の第２端部９６ｂ（下流側端部）とを有する。傾斜部９６において、第１端部９６ａは傾斜起点位置であり、第２端部９６ｂは傾斜終了位置である。傾斜部９６は、第１端部９６ａよりも第２端部９６ｂが高位置となるように水平方向に対して傾斜している。傾斜部９６の傾斜角度は、０度より大きく、９０度よりも小さい範囲であれば特に制限されない。傾斜部９６の傾斜角度は、１０度～８０度の範囲で設定されてもよい。あるいは、傾斜部９６の傾斜角度は、２０度～７０度の範囲で設定されてもよい。

傾斜部９６は、互いに傾斜角度が異なる複数の傾斜領域を有してもよい。従って、傾斜部９６は、例えば、第１傾斜領域と、第１傾斜領域よりも下流側に設けられた第２傾斜領域とを有し、第２傾斜領域の傾斜角度は、第１傾斜領域の傾斜角度より大きくてもよい。

傾斜部９６は、第１プレート側連通孔１７ａにおける上流側領域に設けられている。傾斜部９６は、環状凸部９２の突端９６ｃにて最も低い。図５において、傾斜部９６の第２端部９６ｂは、環状凸部９２の根元位置Ｐ（第１絶縁プレート１７からの突出起点位置）よりも下流側（発電セル１２側）に位置する。なお、傾斜部９６の第２端部９６ｂは、酸化剤ガスの流れ方向（第１絶縁プレート１７の厚み方向；矢印Ａ方向）で、環状凸部９２の根元位置Ｐに位置してもよく、あるいは根元位置Ｐよりも上流側に位置してもよい。

第１プレート側連通孔１７ａは、傾斜部９６よりも下流側に、ダミーセル１３ａ側に向かって勾配のない一般部９８を有する。すなわち、一般部９８は、第１プレート側連通孔１７ａの下部に設けられており、第１絶縁プレート１７の厚み方向（矢印Ａ方向）と平行な部分である。

第１絶縁プレート１７と第２絶縁プレート１８との間に、第２プレート側連通孔１８ａと下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２（図２参照）とを連通するバイパス流路９４が形成されている。環状凸部９２（詳細には、環状凸部９２の下部）は、第２絶縁プレート１８との間にバイパス流路９４の入口を形成する。バイパス流路９４は、環状凸部９２の下方を起点とし、第１絶縁プレート１７と第２絶縁プレート１８との間に形成されたクリアランスとして延在する。バイパス流路９４は、第１絶縁プレート１７の、第２絶縁プレート１８を臨む側の端面に溝状に形成される。

図６に示すように、溝状のバイパス流路９４は、酸化剤ガス供給連通孔３４ａ（第１プレート側連通孔１７ａ）の下方から、下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２の側方に向かうように延在する。バイパス流路９４の外側には、図示しないシール部材が設けられる。

酸化剤ガス供給連通孔３４ａが下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２よりも高位置であるため、バイパス流路９４は、矢印Ｂ方向に対し、酸化剤ガス供給連通孔３４ａ側から下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２側に向かうに従って下降するように傾斜する。

上記のように構成される燃料電池スタック１０は、以下のように動作する。

燃料電池スタック１０を運転するに際しては、図１に示すように、酸素含有ガス等の酸化剤ガス、例えば、圧縮空気が、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス供給連通孔３４ａに供給される。その一方で、水素含有ガス等の燃料ガス、例えば、水素が、エンドプレート２０ａの燃料ガス供給連通孔３８ａに供給される。さらに、純水やエチレングリコール、油等の冷却媒体が、エンドプレート２０ａの上側冷却媒体供給連通孔３６ａ１、下側冷却媒体供給連通孔３６ａ２に供給される。

燃料ガスは、図２に示すように、燃料ガス供給連通孔３８ａから第２金属セパレータ３２の燃料ガス流路５８に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路５８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、ＭＥＡ２８ａのアノード電極４２に供給される。

一方、酸化剤ガスは、図３に示すように、酸化剤ガス供給連通孔３４ａから第１金属セパレータ３０の酸化剤ガス流路４８に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、ＭＥＡ２８ａのカソード電極４４に供給される。

従って、図２に示される各ＭＥＡ２８ａでは、アノード電極４２に供給される燃料ガスと、カソード電極４４に供給される酸化剤ガスとが、第１電極触媒層及び第２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。また、上側冷却媒体供給連通孔３６ａ１、下側冷却媒体供給連通孔３６ａ２に供給された冷却媒体は、第１金属セパレータ３０と第２金属セパレータ３２との間に形成された冷却媒体流路６６に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、ＭＥＡ２８ａを冷却した後、上側冷却媒体排出連通孔３６ｂ１、下側冷却媒体排出連通孔３６ｂ２から排出される。

アノード電極４２に供給されて消費された燃料ガス（使用済反応ガス）は、上側燃料ガス排出連通孔３８ｂ１、下側燃料ガス排出連通孔３８ｂ２に分配され、矢印Ａ方向に流通して排出される。また、カソード電極４４に供給されて消費された酸化剤ガス（使用済反応ガス）は、上側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ１、下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２に分配され、矢印Ａ方向に流通して排出される。

ここで、酸化剤ガスには、燃料電池スタック１０に供給される前に、電解質膜４０を湿潤状態に保つべく、水分が添加されることで加湿されている。例えば、燃料電池スタック１０の運転が停止されて低温となったとき、この水分が、図５に示されるマニホールド８０の酸化剤ガス供給管部８２内で結露し、その結果として結露水Ｗが生じることが想定される。

この燃料電池スタック１０では、酸化剤ガス供給管部８２の酸化剤ガス供給流路８４に対し、中間ジョイント８６のテーパー形状貫通孔８８が連通する。テーパー形状貫通孔８８は、第２絶縁プレート１８の酸化剤ガス供給連通孔３４ａ（第２プレート側連通孔１８ａ）に近接するにつれ、換言すれば、酸化剤ガスの流通方向下流側となるにつれ、内径が大きくなる。このため、結露水Ｗが生じた場合には、結露水Ｗは、テーパー形状貫通孔８８の内壁を伝って第２絶縁プレート１８に容易に流動する。

中間ジョイント８６と、第２絶縁プレート１８の酸化剤ガス供給連通孔３４ａ（第２プレート側連通孔１８ａ）の内壁との間には、中間ジョイント８６の肉厚分の段差ＳＴが形成されている。テーパー形状貫通孔８８の出口端部（下流側開口）まで到達した結露水Ｗには、重力が作用する。すなわち、重力により、結露水Ｗが第２プレート側連通孔１８ａの内壁に容易に滴下する。

第１絶縁プレート１７の酸化剤ガス供給連通孔３４ａ（第１プレート側連通孔１７ａ）近傍に設けられた環状凸部９２の縦方向寸法及び横方向寸法は、第２絶縁プレート１８の酸化剤ガス供給連通孔３４ａの縦方向寸法及び横方向寸法よりも小径である。第２プレート側連通孔１８ａの内壁に滴下した結露水Ｗが第１プレート側連通孔１７ａに浸入するためには、重力に抗って環状凸部９２を上昇する必要がある。このため、第２プレート側連通孔１８ａの内壁に滴下した結露水Ｗが、第２プレート側連通孔１８ａよりも下流側、すなわち第１プレート側連通孔１７ａに進行することが抑制される。

第２プレート側連通孔１８ａの内壁に滴下した結露水Ｗは、バイパス流路９４へと流入する。結露水Ｗは、バイパス流路９４を介して下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２に送られ（図６参照）、その後、エンドプレート２０ａ（図１参照）から外部に排出される。

この場合、燃料電池スタック１０は、以下の効果を奏する。

上記のように、環状凸部９２の内側空間９２ａは、第１プレート側連通孔１７ａの一部を構成しており、第１プレート側連通孔１７ａを形成する内面の下部は、酸化剤ガスの流れ方向下流に向かって上り勾配となる傾斜部９６を有する。この構成により、結露水Ｗが環状凸部９２に乗り上げた場合でも、結露水Ｗは、傾斜部９６の勾配及び重力により、第２プレート側連通孔１８ａ側へと戻されて、バイパス流路９４へと流動する。従って、発電セル１２への結露水Ｗ等の液水の浸入を一層効果的に抑制することができる。このため、セル積層体１４内の酸化剤ガス流路４８が閉塞して各発電セル１２で酸化剤ガスの供給不足となること等が回避される。

これにより、セル電圧が不安定になったり、セル電圧が低下したりすることで発電性能が低下することを有効に防止することができる。加えて、セル積層体１４内に滞留した水によって電解質膜や電極触媒が劣化したり、セパレータが腐食したりすること等も防止される。このため、燃料電池スタック１０の寿命が長期化するという利点もある。

傾斜部９６は、第１プレート側連通孔１７ａにおける上流側領域に設けられている。この構成により、傾斜部９６が第２プレート側連通孔１８ａに近いため、第１プレート側連通孔１７ａに浸入した結露水Ｗを第２プレート側連通孔１８ａに戻しやすい。

傾斜部９６は、環状凸部９２の突端９６ｃにて最も低い。この構成により、傾斜部９６が環状凸部９２の突端９６ｃから始まるため、第１プレート側連通孔１７ａに浸入した結露水Ｗを第２プレート側連通孔１８ａに一層戻しやすい。

セル積層体１４と第１絶縁プレート１７との間に、発電機能を持たないダミーセル１３ａが配置されている。ダミーセル１３ａの内部には、酸化剤ガス供給連通孔３４ａ（反応ガス供給連通孔）に連通し且つ上側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ１（上側反応ガス排出連通孔）及び下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２（下側反応ガス排出連通孔）に連通する第１流路４８ｄ（図４参照）が形成されている。結露水Ｗが、第１プレート側連通孔１７ａを越えて下流側に浸入した場合には、ダミーセル１３ａの第１流路４８ｄ（図４も参照）にて結露水Ｗを受け入れることで、ダミーセル１３ａよりも下流側にある発電セル１２への結露水Ｗの浸入が抑制される。ダミーセル１３ａの第１流路４８ｄに流入した結露水Ｗは、ダミーセル１３ａの下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２（図４参照）から排出される。上記のように、第１プレート側連通孔１７ａから下流側への結露水Ｗの浸入が抑制されるため、ダミーセル１３ａへの結露水Ｗの浸入も抑制される。従って、ダミーセル１３ａに到達する結露水Ｗの量は、単位時間内にダミーセル１３ａにて処理可能（受け入れ可能）な許容範囲内に収まりやすい。

第１プレート側連通孔１７ａは、傾斜部９６よりも下流側に、ダミーセル１３ａ側に向かって勾配のない一般部９８を有する。この構成により、図５において破線の矢印で示すように、傾斜部９６を越えてダミーセル１３ａ側に移動する結露水Ｗをダミーセル１３ａの第１流路４８ｄへと落としやすくすることができる。従って、発電セル１２への結露水Ｗの浸入を一層好適に抑制することができる。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。例えば、中間ジョイント８６の肉厚分の段差ＳＴがなく、第２プレート側連通孔１８ａの内壁と傾斜部９６の先端（第１端部９６ａ）の高さが同じであってもよい。

例えば、バイパス流路９４を、燃料ガス供給連通孔３８ａから下側燃料ガス排出連通孔３８ｂ２にわたって設けるようにしてもよい。

また、溝状のバイパス流路９４を、第２絶縁プレート１８の、第１絶縁プレート１７を臨む端面に形成するようにしてもよい。

さらに、酸化剤ガス供給連通孔３４ａから下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２にわたるバイパス流路９４と、燃料ガス供給連通孔３８ａから下側燃料ガス排出連通孔３８ｂ２にわたるバイパス流路９４との双方を設けるようにしてもよい。この場合、一方のバイパス流路９４を第１絶縁プレート１７に形成するとともに、他方のバイパス流路９４を第２絶縁プレート１８に形成する。両バイパス流路９４に交点が形成される場合、該交点で両反応ガスが混合されることを回避するべく、交点部分に蓋部を設けるようにすればよい。

上記の実施形態をまとめると、以下のようになる。

上記の実施形態は、電解質膜（４０）の両側にアノード電極（４２）及びカソード電極（４４）が配設される電解質膜・電極構造体（２８ａ）と、前記電解質膜・電極構造体を挟むセパレータとを有する発電セル（１２）が複数積層されたセル積層体（１４）と、前記セル積層体の一端部に配設されるターミナルプレート（１６ａ）、第１絶縁プレート（１７）、第２絶縁プレート（１８）及びエンドプレート（２０ａ）と、を備える燃料電池スタック（１０）において、前記第１絶縁プレートは、前記セル積層体と前記第２絶縁プレートとの間に配置されており、少なくとも、前記セル積層体、前記第１絶縁プレート、前記第２絶縁プレート及び前記エンドプレートに、積層方向に沿って延在して前記アノード電極又は前記カソード電極に供給する反応ガスを供給する反応ガス供給連通孔と、前記アノード電極又は前記カソード電極から排出された使用済反応ガスを排出する上側反応ガス排出連通孔及び下側反応ガス排出連通孔とが形成され、前記反応ガス供給連通孔が前記セル積層体の水平方向の一端部に形成され、前記上側反応ガス排出連通孔が、前記セル積層体の水平方向の他端部で且つ前記反応ガス供給連通孔よりも高位置に形成され、前記下側反応ガス排出連通孔が、前記セル積層体の水平方向の前記他端部で且つ前記反応ガス供給連通孔よりも低位置に形成され、前記第１絶縁プレートの前記反応ガス供給連通孔は、第１プレート側連通孔（１７ａ）であり、前記第２絶縁プレートの前記反応ガス供給連通孔は、第２プレート側連通孔（１８ａ）であり、前記第１絶縁プレートと前記第２絶縁プレートとの間に、前記第２プレート側連通孔と前記下側反応ガス排出連通孔とを連通するバイパス流路（９４）が形成されており、前記第１プレート側連通孔の周囲に、前記第２プレート側連通孔に向かって突出するとともに、前記第２絶縁プレートとの間に前記バイパス流路の入口を形成する環状凸部（９２）が設けられており、前記環状凸部の内側空間（９２ａ）は、前記第１プレート側連通孔の一部を構成しており、前記第１プレート側連通孔を形成する内面（１７ｓ）の下部は、前記反応ガスの流れ方向下流に向かって上り勾配となる傾斜部（９６）を有する、燃料電池スタックを開示している。

前記傾斜部は、前記第１プレート側連通孔における上流側領域に設けられている。

前記傾斜部は、前記環状凸部の突端（９６ｃ）にて最も低い。

前記セル積層体と前記第１絶縁プレートとの間に、発電機能を持たないダミーセル（１３ａ）が配置されており、前記ダミーセルの内部には、前記反応ガス供給連通孔に連通し且つ前記上側反応ガス排出連通孔及び前記下側反応ガス排出連通孔に連通する流路が形成されている。

前記第１プレート側連通孔は、前記傾斜部よりも下流側に、前記ダミーセル側に向かって勾配のない一般部（９８）を有する。

１０…燃料電池スタック １２…発電セル
１４…セル積層体 １７…第１絶縁プレート
１８…第２絶縁プレート ３４ａ…酸化剤ガス供給連通孔
３４ｂ１…上側酸化剤ガス排出連通孔 ３４ｂ２…下側酸化剤ガス排出連通孔
９２…環状凸部 ９４…バイパス流路
９６…傾斜部 Ｗ…結露水

Claims (6)

1. 電解質膜の両側にアノード電極及びカソード電極が配設される電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体を挟むセパレータとを有する発電セルが複数積層されたセル積層体と、前記セル積層体の一端部に配設されるターミナルプレート、第１絶縁プレート、第２絶縁プレート及びエンドプレートと、を備える燃料電池スタックにおいて、
   前記第１絶縁プレートは、前記セル積層体と前記第２絶縁プレートとの間に配置されており、
   少なくとも、前記セル積層体、前記第１絶縁プレート、前記第２絶縁プレート及び前記エンドプレートに、積層方向に沿って延在して前記アノード電極又は前記カソード電極に供給する反応ガスを供給する反応ガス供給連通孔と、前記アノード電極又は前記カソード電極から排出された使用済反応ガスを排出する上側反応ガス排出連通孔及び下側反応ガス排出連通孔とが形成され、
   前記反応ガス供給連通孔が前記セル積層体の水平方向の一端部に形成され、
   前記上側反応ガス排出連通孔が、前記セル積層体の水平方向の他端部で且つ前記反応ガス供給連通孔よりも高位置に形成され、
   前記下側反応ガス排出連通孔が、前記セル積層体の水平方向の前記他端部で且つ前記反応ガス供給連通孔よりも低位置に形成され、
   前記第１絶縁プレートの前記反応ガス供給連通孔は、第１プレート側連通孔であり、
   前記第２絶縁プレートの前記反応ガス供給連通孔は、第２プレート側連通孔であり、
   前記第１絶縁プレートと前記第２絶縁プレートとの間に、前記第２プレート側連通孔と前記下側反応ガス排出連通孔とを連通するバイパス流路が形成されており、
   前記第１プレート側連通孔の周囲に、前記第２プレート側連通孔に向かって突出するとともに、前記第２絶縁プレートとの間に前記バイパス流路の入口を形成する環状凸部が設けられており、
   前記環状凸部の内側空間は、前記第１プレート側連通孔の一部を構成しており、
   前記第１プレート側連通孔を形成する内面の下部は、前記反応ガスの流れ方向下流に向かって上り勾配となる傾斜部を有し、
   前記傾斜部は、前記環状凸部の突出方向側の傾斜起点位置である第１端部と、当該突出方向と逆方向側の傾斜終了位置である第２端部とを有し、
   前記第２プレート側連通孔の内周面の下部と前記傾斜部の前記第１端部の高さは略同じである、燃料電池スタック。
2. 電解質膜の両側にアノード電極及びカソード電極が配設される電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体を挟むセパレータとを有する発電セルが複数積層されたセル積層体と、前記セル積層体の一端部に配設されるターミナルプレート、第１絶縁プレート、第２絶縁プレート及びエンドプレートと、を備える燃料電池スタックにおいて、
   前記第１絶縁プレートは、前記セル積層体と前記第２絶縁プレートとの間に配置されており、
   少なくとも、前記セル積層体、前記第１絶縁プレート、前記第２絶縁プレート及び前記エンドプレートに、積層方向に沿って延在して前記アノード電極又は前記カソード電極に供給する反応ガスを供給する反応ガス供給連通孔と、前記アノード電極又は前記カソード電極から排出された使用済反応ガスを排出する上側反応ガス排出連通孔及び下側反応ガス排出連通孔とが形成され、
   前記反応ガス供給連通孔が前記セル積層体の水平方向の一端部に形成され、
   前記上側反応ガス排出連通孔が、前記セル積層体の水平方向の他端部で且つ前記反応ガス供給連通孔よりも高位置に形成され、
   前記下側反応ガス排出連通孔が、前記セル積層体の水平方向の前記他端部で且つ前記反応ガス供給連通孔よりも低位置に形成され、
   前記第１絶縁プレートの前記反応ガス供給連通孔は、第１プレート側連通孔であり、
   前記第２絶縁プレートの前記反応ガス供給連通孔は、第２プレート側連通孔であり、
   前記第１絶縁プレートと前記第２絶縁プレートとの間に、前記第２プレート側連通孔と前記下側反応ガス排出連通孔とを連通するバイパス流路が形成されており、
   前記第１プレート側連通孔の周囲に、前記第２プレート側連通孔に向かって突出するとともに、前記第２絶縁プレートとの間に前記バイパス流路の入口を形成する環状凸部が設けられており、
   前記環状凸部の内側空間は、前記第１プレート側連通孔の一部を構成しており、
   前記環状凸部の内周面は、前記反応ガスの流れ方向上流に向かってテーパー状に拡開し、前記環状凸部の内周面の下部は、前記反応ガスの流れ方向下流に向かって上り勾配となる傾斜部を有し、
   前記第２プレート側連通孔の内側空間には、貫通孔を有するジョイントが設けられ、
   前記ジョイントの内周面は、前記反応ガスの流れ方向下流に向かってテーパー状に拡開し、前記ジョイントの内周面の下部は、前記反応ガスの流れ方向下流に向かって下り勾配となる傾斜部を有し、
   前記反応ガスの流れ方向下流に向かって下り勾配となる前記ジョイントの前記傾斜部と、前記反応ガスの流れ方向下流に向かって上り勾配となる前記環状凸部の前記傾斜部とが、互いに向かい合うように配置される、燃料電池スタック。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記環状凸部の前記傾斜部は、前記第１プレート側連通孔における上流側領域に設けられている、燃料電池スタック。
4. 請求項３記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記環状凸部の前記傾斜部は、前記環状凸部の突端にて最も低い、燃料電池スタック。
5. 請求項１又は２記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記セル積層体と前記第１絶縁プレートとの間に、発電機能を持たないダミーセルが配置されており、
   前記ダミーセルの内部には、前記反応ガス供給連通孔に連通し且つ前記上側反応ガス排出連通孔及び前記下側反応ガス排出連通孔に連通する流路が形成されている、燃料電池スタック。
6. 請求項５記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記第１プレート側連通孔は、前記環状凸部の前記傾斜部よりも下流側に、前記ダミーセル側に向かって勾配のない一般部を有する、燃料電池スタック。

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