燃料電池スタック
【課題】燃料電池スタックにおいて、複数の単セルの積層方向についての長さを短くする。
【解決手段】燃料電池スタックは、放熱部１２Ｕｒｈを有するセパレータ１２Ｕと、放熱部１２Ｌｒｈを有するセパレータ１２Ｌとを備える。第１の膜電極接合体ユニット１１（１）、および、第２の膜電極接合体ユニット１１（２）において発生した熱は、セパレータ１２Ｕにおける放熱部１２Ｕｒｈから、放熱絶縁シート６０、および、上側ヒートシンク５０Ｕを介して、燃料電池スタックの外部に放熱される。また、第２の膜電極接合体ユニット１１（２）、および、第３の膜電極接合体ユニット１１（３）において発生した熱は、セパレータ１２Ｌにおける放熱部１２Ｌｒｈから、放熱絶縁シート６０、および、下側ヒートシンク５０Ｌを介して、燃料電池スタックの外部に放熱される。
【解決手段】燃料電池スタックは、放熱部１２Ｕｒｈを有するセパレータ１２Ｕと、放熱部１２Ｌｒｈを有するセパレータ１２Ｌとを備える。第１の膜電極接合体ユニット１１（１）、および、第２の膜電極接合体ユニット１１（２）において発生した熱は、セパレータ１２Ｕにおける放熱部１２Ｕｒｈから、放熱絶縁シート６０、および、上側ヒートシンク５０Ｕを介して、燃料電池スタックの外部に放熱される。また、第２の膜電極接合体ユニット１１（２）、および、第３の膜電極接合体ユニット１１（３）において発生した熱は、セパレータ１２Ｌにおける放熱部１２Ｌｒｈから、放熱絶縁シート６０、および、下側ヒートシンク５０Ｌを介して、燃料電池スタックの外部に放熱される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池は、一般に、複数の単セル、すなわち、膜電極接合体を、セパレータを介在させて、積層させた燃料電池スタックの形態で利用される。このような燃料電池スタックにおいて、膜電極接合体は、発電時に上記電気化学反応によって発熱する。このため、燃料電池スタックには、膜電極接合体を冷却するための冷却媒体を流す冷却媒体流路が設けられる。そして、この冷却媒体流路は、一般に、冷却媒体が膜電極接合体の表面方向に沿って流れるように、セパレータに設けられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−１６２８４２号公報
【特許文献２】特開２０００−３５３５３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記冷却媒体流路をセパレータに設けると、冷却媒体流路を設けるためのスペースを確保するために、セパレータの厚さを厚くする必要がある。このため、燃料電池スタックにおいて、複数の単セルの積層方向についての長さが長くなり、燃料電池スタックの大型化を招く。
【０００５】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池スタックにおいて、複数の単セルの積層方向についての長さを短くすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合してなる膜電極接合体を、セパレータを介在させて、複数積層することによって構成される燃料電池スタックであって、略矩形形状を有する第１の膜電極接合体と、前記第１の膜電極接合体と略同一の形状を有し、前記第１の膜電極接合体と隣接して配置された第２の膜電極接合体と、前記第１および第２の膜電極接合体と略同一の形状を有し、前記第２の膜電極接合体に対して前記第１の膜電極接合体とは反対側に隣接して配置された第３の膜電極接合体と、前記第１の膜電極接合体のカソードに当接するとともに、前記第１の膜電極接合体における第１の長辺よりも外側に突出する突出部を有する第１のカソード当接部と、前記第２の膜電極接合体のアノードに当接するとともに、前記第１の膜電極接合体における第１の長辺と同じ側の、前記第２の膜電極接合体における第１の長辺よりも外側に突出する突出部を有する第１のアノード当接部と、前記第１のカソード当接部における前記突出部と前記第１のアノード当接部における前記突出部とを接続する第１の接続部と、を有する第１のセパレータと、前記第２の膜電極接合体のカソードに当接するとともに、前記第２の膜電極接合体における前記第１の長辺と対向する第２の長辺よりも外側に突出する突出部を有する第２のカソード当接部と、前記第３の膜電極接合体のアノードに当接するとともに、前記第２の膜電極接合体における前記第２の長辺と同じ側の、前記第３の膜電極接合体における第２の長辺よりも外側に突出する突出部を有する第２のアノード当接部と、前記第２のカソード当接部における前記突出部と前記第２のアノード当接部における前記突出部とを接続する第２の接続部と、を有する第２のセパレータと、冷却媒体を流すための冷却媒体流路を内部に有するヒートシンクと、を備え、前記第１のセパレータにおける前記第１の接続部は、前記第１のカソード当接部と前記第１のアノード当接部とを電気的に接続するとともに、前記第１および第２の膜電極接合体において発生した熱を、前記第１のカソード当接部および前記第１のアノード当接部を介して受け取って、前記ヒートシンクに放熱するように構成されており、前記第２のセパレータにおける前記第２の接続部は、前記第２のカソード当接部と前記第２のアノード当接部とを電気的に接続するとともに、前記第２および第３の膜電極接合体において発生した熱を、前記第２のカソード当接部および前記第２のアノード当接部を介して受け取って、前記ヒートシンクに放熱するように構成されている、燃料電池スタック。
【０００８】
ここで、例えば、「第１の膜電極接合体と隣接して配置された第２の膜電極接合体」との文言において、「隣接して配置された」とは、第１の膜電極接合体と第２の膜電極接合体との間に他の膜電極接合体が存在しないことを意味している。
【０００９】
適用例１の燃料電池スタックでは、セパレータに冷却媒体流路を設けることなく、上記第１セパレータにおける上記第１の接続部、および、上記第２のセパレータにおける上記第２の接続部から膜電極接合体において発生した熱を放熱することができる。したがって、燃料電池スタックにおいて、複数の単セルの積層方向についての長さを短くすることができる。この結果、燃料電池スタックの小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池スタック１００の概略構成を示す斜視図である。
【図２】膜電極接合体ユニット１１の概略構造を示す説明図である。
【図３】曲げ加工される前のセパレータ１２Ｕ、および、セパレータ１２Ｌの平面図である。
【図４】図１におけるＡ−Ａ断面図である。
【図５】燃料電池スタック１００の断面構造を示す説明図である。
【図６】絶縁部材７０を示す説明図である。
【図７】下側ヒートシンク５０Ｌ、および、上側ヒートシンク５０Ｕの内部構造を示す説明図である。
【図８】第２実施例の燃料電池スタックにおける膜電極接合体ユニット１１Ａの概略構成を示す説明図である。
【図９】曲げ加工される前のセパレータ１２ＵＡおよびセパレータ１２ＬＡの平面図である。
【図１０】第２実施例の燃料電池スタックの断面構造を示す説明図である。
【図１１】第２実施例のセパレータ１２ＵＡの変形例としてのセパレータ１２ＵＢの形状を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池スタックの構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池スタック１００の概略構成を示す斜視図である。この燃料電池スタック１００は、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を、セパレータを介在させて、複数積層させたスタック構造を有している。本実施例では、電解質膜として、固体高分子膜を用いるものとした。電解質として、固体酸化物等、他の電解質を用いるものとしてもよい。なお、燃料電池スタック１００における膜電極接合体の積層数は、燃料電池スタック１００に要求される出力に応じて任意に設定可能である。
【００１２】
燃料電池スタック１００は、複数の単セル１０の積層体の積層方向についての両端部に、それぞれ、集電板２０と、絶縁板３０と、エンドプレート４０と、をこの順に配置し、これらの積層方向に所定の荷重を加え、図示しない締結部材によって締結することによって構成されている。本実施例では、これらは、それぞれ略矩形形状を有しているものとした。そして、燃料電池スタック１００内部には、燃料ガスとしての水素を各膜電極接合体に分配して供給するための水素供給マニホールドや、酸化剤ガスとしての空気を各膜電極接合体に分配して供給するための空気供給マニホールドや、各膜電極接合体のアノードから排出されるアノードオフガスを集合させて燃料電池スタック１００の外部に排出するためのアノードオフガス排出マニホールドや、各膜電極接合体のカソードから排出されるカソードオフガスを集合させて燃料電池スタック１００の外部に排出するためのカソードオフガス排出マニホールドが形成されている。
【００１３】
そして、図示するように、一方のエンドプレート４０の下側長辺の内側には、下側長辺に沿って、空気供給マニホールドを構成する４つの空気供給口４０ａｉが形成されている。また、このエンドプレート４０の上側長辺の内側には、上側長辺に沿って、カソードオフガス排出マニホールドを構成する４つのカソードオフガス排出口４０ａｏが形成されている。また、このエンドプレート４０の左側短辺の内側には、左側短辺に沿って、水素供給マニホールドを構成する水素供給口４０ｈｉが形成されている。また、このエンドプレート４０の右側短辺の内側には、右側短辺に沿って、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出口４０ｈｏが形成されている。
【００１４】
なお、本実施例の燃料電池スタック１００では、４つの空気供給口４０ａｉ、および、４つのカソードオフガス排出口４０ａｏの形状は、すべて同一の矩形形状とした。また、４つの空気供給口４０ａｉ、および、４つのカソードオフガス排出口４０ａｏは、互いに対向する位置に形成されるものとした。また、水素供給口４０ｈｉ、および、アノードオフガス排出口４０ｈｏの形状は、同一の矩形形状とした。また、水素供給口４０ｈｉ、および、アノードオフガス排出口４０ｈｏは、互いに対向する位置に形成されるものとした。
【００１５】
また、本実施例の燃料電池スタック１００において、複数の単セル１０の積層体の下面、および、上面には、それぞれ、複数の単セル１０の積層体からの放熱を行うための、換言すれば、後述するセパレータを冷却するための金属製の部材からなる下側ヒートシンク５０Ｌと、上側ヒートシンク５０Ｕとが配置されている。なお、複数の単セル１０の積層体の下面と下側ヒートシンク５０Ｌとの間の全面、および、複数の単セル１０の積層体の上面と上側ヒートシンク５０Ｕとの間の全面には、後述する放熱絶縁シート（図示省略）が配置されている。この放熱絶縁シートによって、セパレータと下側ヒートシンク５０Ｌとの絶縁、および、セパレータと上側ヒートシンク５０Ｕとの絶縁を確保することができる。そして、下側ヒートシンク５０Ｌと上側ヒートシンク５０Ｕとは、複数の単セル１０の積層体および上記放熱絶縁シートを加圧するように、複数のボルト８０ｂおよびナット８０ｎによって締結されている。
【００１６】
なお、上記放熱絶縁シートのヤング率は、複数の単セル１０の積層体のヤング率よりも小さく設定されている。したがって、下側ヒートシンク５０Ｌと上側ヒートシンク５０Ｕとを締結したときに複数の単セル１０の積層体に加わる圧力は、上記放熱絶縁シートによって緩和される。また、下側ヒートシンク５０Ｌ、および、５０Ｕ上側ヒートシンク５０Ｕによるセパレータの冷却性能（放熱性能）の向上を図ることができる。
【００１７】
集電板２０は、緻密質カーボンや、銅板などのガス不透過な導電性部材によって形成されている。集電板２０には、それぞれ図示しない出力端子が設けられており、燃料電池スタック１００で発電した電力を出力可能となっている。また、絶縁板３０は、ゴムや、樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。また、エンドプレート４０は、剛性を確保するために、鋼等の金属によって形成されている。
【００１８】
Ａ２．単セルの積層体の構成：
複数の単セル１０の積層体は、以下に説明するように、膜電極接合体ＭＥＡ（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）の周囲にフレーム状のシールガスケットを形成したユニット（以下、膜電極接合体ユニットと呼ぶ）と、２種類のセパレータとを交互に配置して積層することによって構成されている。
【００１９】
Ａ２．１．膜電極接合体ユニット：
図２は、膜電極接合体ユニット１１の概略構造を示す説明図である。図２（ａ）に、膜電極接合体ユニット１１のカソード側から見た平面図を示した。また、図２（ｂ）に、図２（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。
【００２０】
図２（ａ）に示したように、膜電極接合体ユニット１１は、矩形形状を有しており、矩形形状を有する膜電極接合体ＭＥＡの周囲に、シールガスケット１１Ｓを形成したものである。膜電極接合体ＭＥＡは、図２（ｂ）に示したように、電解質膜１１０の両面に、それぞれ、カソード１１２ｃ（カソード側触媒層１１２ｃｃ、カソード側ガス拡散層１１２ｃｄ）、および、アノード１１２ａ（アノード側触媒層１１２ａｃ、アノード側ガス拡散層１１２ａｄ）を接合したものである。カソード側触媒層１１２ｃｃ、および、アノード側触媒層１１２ａｃは、例えば、白金を担持したカーボンブラックとアイオノマとからなる。また、カソード側ガス拡散層１１２ｃｄ、および、アノード側ガス拡散層１１２ａｄとしては、例えば、カーボンクロスや、カーボンペーパ等を適用可能である。
【００２１】
そして、シールガスケット１１Ｓの下側長辺部の膜電極接合体ＭＥＡの近傍領域には、シールガスケット１１Ｓの下側長辺に沿って、空気供給マニホールドを構成する４つの空気供給用貫通孔１１ａｉが形成されている。各空気供給用貫通孔１１ａｉの形状は、エンドプレート４０に形成された各空気供給口４０ａｉの形状と同じである。また、各空気供給用貫通孔１１ａｉの形成位置は、エンドプレート４０に形成された各空気供給口４０ａｉの形成位置とそれぞれ対応している。
【００２２】
また、シールガスケット１１Ｓの上側長辺部の膜電極接合体ＭＥＡの近傍領域には、シールガスケット１１Ｓの上側長辺に沿って、カソードオフガス排出マニホールドを構成する４つのカソードオフガス排出用貫通孔１１ａｏが形成されている。各カソードオフガス排出用貫通孔１１ａｏの形状は、エンドプレート４０に形成された各カソードオフガス排出口４０ａｏの形状と同じである。また、各カソードオフガス排出用貫通孔１１ａｏの形成位置は、エンドプレート４０に形成された各カソードオフガス排出口４０ａｏの形成位置とそれぞれ対応している。
【００２３】
また、シールガスケット１１Ｓの左側短辺部の膜電極接合体ＭＥＡの近傍領域には、シールガスケット１１Ｓの左側短辺に沿って、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔１１ｈｉが形成されている。水素供給用貫通孔１１ｈｉの形状は、エンドプレート４０に形成された水素供給口４０ｈｉの形状と同じである。また、水素供給用貫通孔１１ｈｉの形成位置は、エンドプレート４０に形成された水素供給口４０ｈｉの形成位置と対応している。
【００２４】
また、シールガスケット１１Ｓの右側短辺部の膜電極接合体ＭＥＡの近傍領域には、シールガスケット１１Ｓの右側短辺に沿って、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔１１ｈｏが形成されている。アノードオフガス排出用貫通孔１１ｈｏの形状は、エンドプレート４０に形成されたアノードオフガス排出口４０ｈｏの形状と同じである。また、アノードオフガス排出用貫通孔１１ｈｏの形成位置は、エンドプレート４０に形成されたアノードオフガス排出口４０ｈｏの形成位置と対応している。
【００２５】
Ａ２．２．セパレータ：
本実施例の燃料電池スタック１００は、２種類のセパレータ、すなわち、セパレータ１２Ｕ、および、セパレータ１２Ｌを備えている。本実施例では、セパレータ１２Ｕ、および、セパレータ１２Ｌとして、導電率および熱伝導率が比較的高く、また、耐食性に優れたチタンを用いるものとした。セパレータ１２Ｕ、および、セパレータ１２Ｌとして、チタンの代わりに、ステンレス鋼やアルミニウム等、他の金属材料を用いるものとしてもよい。なお、セパレータ１２Ｕ、および、セパレータ１２Ｌは、それぞれ、後述するように、曲げ加工されて利用される。
【００２６】
図３は、曲げ加工される前のセパレータ１２Ｕ、および、セパレータ１２Ｌの平面図である。図３（ａ）に、セパレータ１２Ｕを膜電極接合体ＭＥＡと当接する面側から見たときの平面図を示した。また、図３（ｂ）に、セパレータ１２Ｌを膜電極接合体ＭＥＡと当接する面側から見たときの平面図を示した。
【００２７】
図３（ａ）に示したように、セパレータ１２Ｕは、矩形形状を有しており、燃料電池スタック１００において、膜電極接合体ユニット１１における膜電極接合体ＭＥＡのカソード１１２ｃと当接するカソード当接部１２Ｕｃｃと、膜電極接合体ユニット１１における膜電極接合体ＭＥＡのアノード１１２ａと当接するアノード当接部１２Ｕｃａと、放熱部１２Ｕｒｈとを備えている。カソード当接部１２Ｕｃｃ、および、アノード当接部１２Ｕｃａの短辺の長さは同じである。
【００２８】
カソード当接部１２Ｕｃｃには、空気供給マニホールドを構成する４つの空気供給用貫通孔１２ａｉと、カソードオフガス排出マニホールドを構成する４つのカソードオフガス排出口１２ａｏと、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔１２ｈｉと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔１２ｈｏとが形成されている。そして、カソード当接部１２Ｕｃｃの表面には、膜電極接合体ＭＥＡにおけるカソード１１２ｃの表面に沿って、空気供給用貫通孔１２ａｉからカソードオフガス排出口１２ａｏに、空気およびカソードオフガスを流すためのカソードガス流路を構成するリブ１２ａｒ、および、溝１２ａｄが形成されている。リブ１２ａｒ、および、溝１２ａｄの形状は、空気およびカソードオフガスの圧力損失等を考慮して、任意に設計可能である。
【００２９】
また、アノード当接部１２Ｕｃａにも、空気供給マニホールドを構成する４つの空気供給用貫通孔１２ａｉと、カソードオフガス排出マニホールドを構成する４つのカソードオフガス排出口１２ａｏと、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔１２ｈｉと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔１２ｈｏとが形成されている。そして、アノード当接部１２Ｕｃａの表面には、膜電極接合体ＭＥＡにおけるアノード１１２ａの表面に沿って、水素供給用貫通孔１２ｈｉからアノードオフガス排出用貫通孔１２ｈｏに、水素およびアノードオフガスを流すためのアノードガス流路を構成するリブ１２ｈｒ、および、溝１２ｈｄが形成されている。リブ１２ｈｒ、および、溝１２ｈｄの形状は、水素およびアノードオフガスの圧力損失等を考慮して、任意に設計可能である。
【００３０】
なお、セパレータ１２Ｕは、カソード当接部１２Ｕｃｃに形成された各空気供給用貫通孔１２ａｉ、各カソードオフガス排出口１２ａｏ、水素供給用貫通孔１２ｈｉ、アノードオフガス排出用貫通孔１２ｈｏと、アノード当接部１２Ｕｃａに形成された各空気供給用貫通孔１２ａｉ、各カソードオフガス排出口１２ａｏ、水素供給用貫通孔１２ｈｉ、アノードオフガス排出用貫通孔１２ｈｏとがそれぞれ互いに一致するように、カソード当接部１２Ｕｃｃと放熱部１２Ｕｒｈとの境界、および、アノード当接部１２Ｕｃａと放熱部１２Ｕｒｈとの境界で、図の手前側に曲げ加工される。セパレータ１２Ｕにおける各貫通孔の形状は、エンドプレート４０や、膜電極接合体ユニット１１における各貫通孔の形状と同じである。また、セパレータ１２Ｕにおける各貫通孔の形成位置は、エンドプレート４０や、膜電極接合体ユニット１１における各貫通孔の形成位置と対応している。
【００３１】
また、図３（ｂ）に示したように、セパレータ１２Ｌは、矩形形状を有しており、燃料電池スタック１００において、膜電極接合体ユニット１１における膜電極接合体ＭＥＡのカソード１１２ｃと当接するカソード当接部１２Ｌｃｃと、膜電極接合体ユニット１１における膜電極接合体ＭＥＡのアノード１１２ａと当接するアノード当接部１２Ｌｃａと、放熱部１２Ｌｒｈとを備えている。カソード当接部１２Ｌｃｃ、および、アノード当接部１２Ｌｃａの短辺の長さは同じである。
【００３２】
アノード当接部１２Ｌｃａには、空気供給マニホールドを構成する４つの空気供給用貫通孔１２ａｉと、カソードオフガス排出マニホールドを構成する４つのカソードオフガス排出口１２ａｏと、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔１２ｈｉと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔１２ｈｏとが形成されている。そして、アノード当接部１２Ｌｃａの表面には、膜電極接合体ＭＥＡにおけるアノード１１２ａの表面に沿って、水素供給用貫通孔１２ｈｉからアノードオフガス排出用貫通孔１２ｈｏに、水素およびアノードオフガスを流すためのアノードガス流路を構成するリブ１２ｈｒ、および、溝１２ｈｄが形成されている。リブ１２ｈｒ、および、溝１２ｈｄの形状は、水素およびアノードオフガスの圧力損失等を考慮して、任意に設計可能である。
【００３３】
また、カソード当接部１２Ｌｃｃにも、空気供給マニホールドを構成する４つの空気供給用貫通孔１２ａｉと、カソードオフガス排出マニホールドを構成する４つのカソードオフガス排出口１２ａｏと、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔１２ｈｉと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔１２ｈｏとが形成されている。そして、カソード当接部１２Ｌｃｃの表面には、膜電極接合体ＭＥＡにおけるカソード１１２ｃの表面に沿って、空気供給用貫通孔１２ａｉからカソードオフガス排出口１２ａｏに、空気およびカソードオフガスを流すためのカソードガス流路を構成するリブ１２ａｒ、および、溝１２ａｄが形成されている。リブ１２ａｒ、および、溝１２ａｄの形状は、空気およびカソードオフガスの圧力損失等を考慮して、任意に設計可能である。
【００３４】
なお、セパレータ１２Ｌは、カソード当接部１２Ｌｃｃに形成された各空気供給用貫通孔１２ａｉ、各カソードオフガス排出口１２ａｏ、水素供給用貫通孔１２ｈｉ、アノードオフガス排出用貫通孔１２ｈｏと、アノード当接部１２Ｌｃａに形成された各空気供給用貫通孔１２ａｉ、各カソードオフガス排出口１２ａｏ、水素供給用貫通孔１２ｈｉ、アノードオフガス排出用貫通孔１２ｈｏとがそれぞれ互いに一致するように、アノード当接部１２Ｌｃａと放熱部１２Ｌｒｈとの境界、および、カソード当接部１２Ｌｃｃと放熱部１２Ｌｒｈとの境界で、図の手前側に曲げ加工される。セパレータ１２Ｌにおける各貫通孔の形状は、エンドプレート４０や、膜電極接合体ユニット１１における各貫通孔の形状と同じである。また、セパレータ１２Ｌにおける各貫通孔の形成位置は、エンドプレート４０や、膜電極接合体ユニット１１における各貫通孔の形成位置と対応している。
【００３５】
Ａ３．燃料電池スタックの断面構造：
図４は、図１におけるＡ−Ａ断面図である。図４において、破線で囲われた矩形領域は、先に説明した膜電極接合体ＭＥＡに対応する領域を示している。なお、図４では、下側ヒートシンク５０Ｌ、および、上側ヒートシンク５０Ｕの断面についての図示は省略されている。
【００３６】
図示するように、セパレータ１２Ｕにおける各空気供給用貫通孔１２ａｉと、セパレータ１２Ｌにおける各空気供給用貫通孔１２ａｉと、膜電極接合体ユニット１１における各空気供給用貫通孔１１ａｉとは一致している。また、セパレータ１２Ｕにおける各カソードオフガス排出口１２ａｏと、セパレータ１２Ｌにおける各カソードオフガス排出口１２ａｏと、膜電極接合体ユニット１１における各カソードオフガス排出用貫通孔１１ａｏとは一致している。また、セパレータ１２Ｕにおける水素供給用貫通孔１２ｈｉと、セパレータ１２Ｌにおける水素供給用貫通孔１２ｈｉと、膜電極接合体ユニット１１における水素供給用貫通孔１１ｈｉとは一致している。また、セパレータ１２Ｕにおけるアノードオフガス排出用貫通孔１２ｈｏと、セパレータ１２Ｌにおけるアノードオフガス排出用貫通孔１２ｈｏと、膜電極接合体ユニット１１におけるアノードオフガス排出用貫通孔１１ｈｏとは一致している。
【００３７】
図５は、燃料電池スタック１００の断面構造を示す説明図である。図５では、燃料電池スタック１００の一部の側断面図を示した。なお、図５においても、図４と同様に、下側ヒートシンク５０Ｌ、および、上側ヒートシンク５０Ｕの断面についての図示は省略されている。
【００３８】
図５において、最も左側に描かれた膜電極接合体ユニット１１を、第１の膜電極接合体ユニット１１（１）と呼ぶものとする。また、第１の膜電極接合体ユニット１１（１）と隣接して配置された膜電極接合体ユニット１１（左から２番目に描かれた膜電極接合体ユニット１１）を、第２の膜電極接合体ユニット１１（２）と呼ぶものとする。また、第２の膜電極接合体ユニット１１（２）の第１の膜電極接合体ユニット１１（１）とは反対側に隣接して配置された膜電極接合体ユニット１１（左から３番目に描かれた膜電極接合体ユニット１１）を、第３の膜電極接合体ユニット１１（３）と呼ぶものとする。
【００３９】
図示するように、燃料電池スタック１００において、セパレータ１２Ｕにおけるカソード当接部１２Ｕｃｃは、第１の膜電極接合体ユニット１１（１）における膜電極接合体ＭＥＡのカソード１１２ｃに当接する。また、セパレータ１２Ｕにおけるアノード当接部１２Ｕｃａは、第２の膜電極接合体ユニット１１（２）における膜電極接合体ＭＥＡのアノード１１２ａに当接する。そして、カソード当接部１２Ｕｃｃは、第１の膜電極接合体ユニット１１（１）の上側長辺よりも外側に突出する突出部１２Ｕｃｐを有している。また、アノード当接部１２Ｕｃａは、第２の膜電極接合体ユニット１１（２）の上側長辺よりも外側に突出する突出部１２Ｕｃｐを有している。セパレータ１２Ｕは、［課題を解決するための手段］における第１のセパレータに相当する。また、放熱部１２Ｕｒｈは、［課題を解決するための手段］における第１の接続部に相当する。
【００４０】
また、燃料電池スタック１００において、セパレータ１２Ｌにおけるカソード当接部１２Ｌｃｃは、第２の膜電極接合体ユニット１１（２）における膜電極接合体ＭＥＡのカソード１１２ｃに当接する。また、セパレータ１２Ｌにおけるアノード当接部１２Ｌｃａは、第３の膜電極接合体ユニット１１（３）における膜電極接合体ＭＥＡのアノード１１２ａに当接する。そして、カソード当接部１２Ｌｃｃは、第２の膜電極接合体ユニット１１（２）の下側長辺よりも外側に突出する突出部１２Ｌｃｐを有している。また、アノード当接部１２Ｌｃａは、第３の膜電極接合体ユニット１１（３）の下側長辺よりも外側に突出する突出部１２Ｌｃｐを有している。セパレータ１２Ｌは、［課題を解決するための手段］における第２のセパレータに相当する。また、放熱部１２Ｌｒｈは、［課題を解決するための手段］における第２の接続部に相当する。
【００４１】
また、セパレータ１２Ｕにおける放熱部１２Ｕｒｈと、上側ヒートシンク５０Ｕとの間には、放熱絶縁シート６０が挟持されている。そして、セパレータ１２Ｕにおける放熱部１２Ｕｒｈのほぼ全面が、放熱絶縁シート６０と接触している。また、セパレータ１２Ｌにおける放熱部１２Ｌｒｈと、下側ヒートシンク５０Ｌとの間にも、放熱絶縁シート６０が挟持されている。そして、セパレータ１２Ｌにおける放熱部１２Ｌｒｈのほぼ全面が、放熱絶縁シート６０と接触している。放熱絶縁シート６０は、例えば、シリコーンゴムに熱伝導性を高める性質を有する添加物を添加することによって作製される。
【００４２】
このような燃料電池スタック１００では、発電時に、第１の膜電極接合体ユニット１１（１）、および、第２の膜電極接合体ユニット１１（２）において発生した熱は、セパレータ１２Ｕにおけるカソード当接部１２Ｕｃｃ、および、アノード当接部１２Ｕｃａを介して、放熱部１２Ｕｒｈに伝導する。そして、この熱は、さらに、放熱部１２Ｕｒｈから放熱絶縁シート６０、上側ヒートシンク５０Ｕに伝導して、燃料電池スタック１００の外部に放熱される。また、発電時に、第２の膜電極接合体ユニット１１（２）、および、第３の膜電極接合体ユニット１１（３）において発生した熱は、セパレータ１２Ｌにおけるカソード当接部１２Ｌｃｃ、および、アノード当接部１２Ｌｃａを介して、放熱部１２Ｌｒｈに伝導する。そして、この熱は、さらに、放熱部１２Ｌｒｈから放熱絶縁シート６０、下側ヒートシンク５０Ｌに伝導して、燃料電池スタック１００の外部に放熱される。
【００４３】
また、燃料電池スタック１００において、隣接するセパレータ１２Ｕ間、および、隣接するセパレータ１２Ｌ間には、図示するように、絶縁部材７０が配置されている。この絶縁部材７０としては、例えば、ゴムや樹脂を用いることができる。
【００４４】
図６は、絶縁部材７０を示す説明図である。図７の左側に、絶縁部材７０の平面図を示した。また、図７の右側に、絶縁部材７０の側面図を示した。図７の左側に示したように、絶縁部材７０は、略矩形形状を有している。そして、絶縁部材７０には、セパレータ１２Ｕ、および、セパレータ１２Ｌにおける各空気供給用貫通孔１２ａｉ、および、カソードオフガス排出口１２ａｏと対応する位置に、それぞれ、貫通孔７０ａが形成されている。また、絶縁部材７０には、セパレータ１２Ｕ、および、セパレータ１２Ｌにおける水素供給用貫通孔１２ｈｉ、および、アノードオフガス排出用貫通孔１２ｈｏと対応する位置に、それぞれ、貫通孔７０ｈが形成されている。なお、絶縁部材７０における図示した上辺から上側の貫通孔７０ａまでの距離Ｌ１と、図示した下辺から下側の貫通孔７０ａまでの距離Ｌ２とは異なっている（Ｌ１＜Ｌ２）。そして、隣接するセパレータ１２Ｕ間に絶縁部材７０を配置する場合と、隣接するセパレータ１２Ｌ間に絶縁部材７０を配置する場合とでは、図５，６から分かるように、適宜、絶縁部材７０を上下反転させて利用される。
【００４５】
上述したように、隣接するセパレータ１２Ｕ間、および、隣接するセパレータ１２Ｌ間に、絶縁部材７０を配置することによって、隣接するセパレータ１２Ｕ間、および、隣接するセパレータ１２Ｌ間の絶縁を確保し、燃料電池スタック１００における直列回路を確保することができる。
【００４６】
また、絶縁部材７０の長辺部には、長辺部全体に亘って、円柱形の突起部７０ｐが形成されている。なお、両突起部７０ｐ間の距離Ｌ３は、セパレータ１２Ｕにおけるカソード当接部１２Ｕｃｃ、および、アノード当接部１２Ｕｃａの短辺の長さ、および、セパレータ１２Ｌにおけるカソード当接部１２Ｌｃｃ、および、アノード当接部１２Ｌｃａの短辺の長さと同じである。
【００４７】
上述したように、絶縁部材７０の長辺部に突起部７０ｐを設けることによって、隣接するセパレータ１２Ｕ間、および、セパレータ１２Ｌ間の沿面距離を、突起部７０ｐを設けない場合よりも長くして、隣接するセパレータ１２Ｕ間、および、セパレータ１２Ｌ間の絶縁性を向上させることができる。また、絶縁部材７０における両突起部７０ｐ間の距離Ｌ３が、セパレータ１２Ｕにおけるカソード当接部１２Ｕｃｃ、および、アノード当接部１２Ｕｃａの短辺の長さ、および、セパレータ１２Ｌにおけるカソード当接部１２Ｌｃｃ、および、アノード当接部１２Ｌｃａの短辺の長さと同じであるので、突起部７０ｐにセパレータ１２Ｕ，１２Ｌの長辺端部を当接させることによって、複数のセパレータ１２Ｕ，１２Ｌを積層するときの位置合わせを容易に行うことができる。また、突起部７０ｐによって、複数のセパレータ１２Ｕ，１２Ｌの位置ずれを防止し、セパレータ１２Ｕとセパレータ１２Ｌとの短絡を防止することもできる。
【００４８】
Ａ４．ヒートシンクの内部構造：
図７は、下側ヒートシンク５０Ｌ、および、上側ヒートシンク５０Ｕの内部構造を示す説明図である。図７（ａ）に、図４におけるＡ−Ａ断面図、すなわち、下側ヒートシンク５０Ｌの断面図を示した。また、図７（ｂ）に、図４におけるＢ−Ｂ断面図、すなわち、上側ヒートシンク５０Ｕの断面図を示した。また、図７（ａ），（ｂ）中に、冷却媒体の流れを矢印で示した。本実施例では、冷却媒体として、ＬＬＣ（ロングライフクーラント）を用いるものとした。冷却媒体として、他の液体や気体を用いるものとしてもよい。
【００４９】
図７（ａ）に示したように、下側ヒートシンク５０Ｌの側面には、冷却媒体供給口５０Ｌｉ、および、冷却媒体排出口５０Ｌｏが設けられている。そして、下側ヒートシンク５０Ｌの内部には、冷却媒体供給口５０Ｌｉから供給された冷却媒体が、膜電極接合体ＭＥＡの積層方向に対して平行に流れるとともに、蛇行して流れ、冷却媒体排出口５０Ｌｏから排出されるように、冷却媒体流路が形成されている。この冷却媒体流路は、リブ５０Ｌｒ、および、溝５０Ｌｄによって構成されている。
【００５０】
また、図７（ｂ）に示したように、上側ヒートシンク５０Ｕの側面には、冷却媒体供給口５０Ｕｉ、および、冷却媒体排出口５０Ｕｏが設けられている。そして、上側ヒートシンク５０Ｕの内部にも、冷却媒体供給口５０Ｕｉから供給された冷却媒体が、膜電極接合体ＭＥＡの積層方向に対して平行に流れるとともに、蛇行して流れ、冷却媒体排出口５０Ｕｏから排出されるように、冷却媒体流路が形成されている。この冷却媒体流路は、リブ５０Ｕｒ、および、溝５０Ｕｄによって構成されている。なお、下側ヒートシンク５０Ｌにおける冷却媒体排出口５０Ｌｏから排出された冷却媒体は、上側ヒートシンク５０Ｕにおける冷却媒体供給口５０Ｕｉに供給される。
【００５１】
上述したように、下側ヒートシンク５０Ｌ、および、上側ヒートシンク５０Ｕにおいて、冷却媒体を膜電極接合体ＭＥＡの積層方向に対して平行に流すことによって、積層された複数の膜電極接合体ＭＥＡ間の温度差、温度のバラツキを小さくすることができる。また、冷却媒体を下側ヒートシンク５０Ｌ側から流すことによって、膜電極接合体ＭＥＡにおける空気の入口側の領域を効果的に冷却し、空気の入口側の領域におけるドライアップを抑制することができる。また、下側ヒートシンク５０Ｌから排出された冷却媒体を上側ヒートシンク５０Ｕに流すことによって、上側ヒートシンク５０Ｕ内を流れる冷却媒体の温度を、下側ヒートシンク５０Ｌ内を流れる冷却媒体の温度よりも高くすることができる。したがって、膜電極接合体ＭＥＡにおける空気（カソードオフガス）の出口側の領域の温度を比較的高くし、空気（カソードオフガス）の出口側の領域におけるフラッディングを抑制することができる。
【００５２】
以上説明した第１実施例の燃料電池スタック１００によれば、発電時に、膜電極接合体ＭＥＡにおいて発生した熱を、セパレータ１２Ｕにおける放熱部１２Ｕｒｈ、および、セパレータ１２Ｌにおける放熱部１２Ｌｒｈから放熱することができる。したがって、燃料電池スタック１００において、各膜電極接合体ＭＥＡの間に配置されるセパレータに冷却媒体を流す冷却媒体流路を備える必要がない。この結果、燃料電池スタック１００における複数の単セル１０の積層方向についての長さを短くすることができる。
【００５３】
また、本実施例の燃料電池スタック１００では、セパレータ１２Ｕ，１２Ｌにおいて、突出部１２Ｕｃｐ，１２Ｌｃｐ、および、放熱部１２Ｕｒｈ，１２Ｌｒｈは、膜電極接合体ユニット１１の長辺側に設けられている。したがって、これらが膜電極接合体ユニット１１の短辺側に設けられる場合よりも、膜電極接合体ＭＥＡにおいて発生した熱が放熱部に伝導するまでの距離を短くし、また、放熱部１２Ｕｒｈ，１２Ｌｒｈの面積を大きくすることが可能となり、効率よく放熱することができる。
【００５４】
また、セパレータに冷却媒体流路（冷却水流路）を設ける場合には、セパレータに電位がかかっているので、漏電を防止するために、冷却媒体として、比較的高価ないわゆる絶縁冷媒を使用する必要があるが、本実施例の燃料電池スタック１００では、冷却媒体流路が形成された下側ヒートシンク５０Ｌ、および、上側ヒートシンク５０Ｕには、電位がかかっていないので、冷却媒体として、比較的安価な、例えば、ＬＬＣ（ロングライフクーラント）を使用することができる。
【００５５】
また、従来の燃料電池スタックでは、セパレータの一方の面にガス流路（アノードガス流路、または、カソードガス流路）を形成し、他方の面に冷却媒体流路を形成する場合があった。この場合、図示は省略するが、セパレータの厚さを薄くするために、セパレータの断面形状が波型とされ、セパレータの両面における各凹部が、ガス流路、または、冷却媒体流路として用いられる場合があった。そして、このようなセパレータでは、ガス流路の設計と冷却媒体流路の設計とが互いに直接的に影響するため、ガス流路を最適に設計することが困難だった。これに対し、本実施例の燃料電池スタック１００では、膜電極接合体ＭＥＡ間に冷却媒体流路を設けないので、セパレータ１２Ｕ、および、セパレータ１２Ｌにおけるアノードガス流路、および、カソードガス流路を、それぞれ、最適に設計することができる。
【００５６】
Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．燃料電池スタックの構成：
第２実施例の燃料電池スタックの構成は、膜電極接合体ユニット、および、セパレータ以外は、第１実施例の燃料電池スタック１００の構成と同じである。以下、第２実施例の燃料電池スタックにおける膜電極接合体ユニット、セパレータ、および、燃料電池スタックの断面構造について説明する。
【００５７】
Ｂ２．膜電極接合体ユニット：
図８は、第２実施例の燃料電池スタックにおける膜電極接合体ユニット１１Ａの概略構成を示す説明図である。図８（ａ）に、膜電極接合体ユニット１１Ａのカソード側から見た平面図を示した。また、図８（ｂ）に、図８（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。
【００５８】
図示するように、膜電極接合体ユニット１１Ａは、矩形形状を有しており、矩形形状を有する膜電極接合体ＭＥＡの周囲に、シールガスケット１１Ｓを形成し、膜電極接合体ＭＥＡのカソード１１２ｃ上、および、アノード１１２ａ上に、それぞれ、カソード側金属多孔体１１４ｃ、および、アノード側金属多孔体１１４ａを積層したものである。カソード側金属多孔体１１４ｃは、膜電極接合体ＭＥＡのカソード１１２ｃの表面に沿って、空気、および、カソードオフガスを流すためのカソードガス流路を構成する。また、アノード側金属多孔体１１４ａは、膜電極接合体ＭＥＡのアノード１１２ａの表面に沿って、水素、および、アノードオフガスを流すためのガス流路を構成する。
【００５９】
なお、カソード側金属多孔体１１４ｃ、および、アノード側金属多孔体１１４ａは、導電性を有しており、それぞれ、カソード１１２ｃ、および、アノード１１２ａの一部としても機能する。また、本実施例では、アノード側金属多孔体１１４ａ、および、カソード側金属多孔体１１４ｃとして、発泡金属焼結体を用いるものとした。発泡金属焼結体の代わりに、例えば、金属メッシュや、エキスパンドメタル等、導電性、および、ガス拡散性を有する他の金属多孔体を用いるようにしてもよい。
【００６０】
シールガスケット１１ＳＡには、第１実施例におけるシールガスケット１１Ｓと同様に、空気供給マニホールドを構成する４つの空気供給用貫通孔１１ａｉと、カソードオフガス排出マニホールドを構成する４つのカソードオフガス排出用貫通孔１１ａｏと、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔１１ｈｉと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔１１ｈｏが形成されている。
【００６１】
なお、本実施例のシールガスケット１１ＳＡにおける膜電極接合体ＭＥＡのカソード１１２ｃ側の表面には、各空気供給用貫通孔１１ａｉからカソードガス流路としてのカソード側金属多孔体１１４ｃに連通する複数の空気連通流路１１ａｉｐが形成されている。また、シールガスケット１１ＳＡにおける膜電極接合体ＭＥＡのカソード１１２ｃ側の表面には、カソード側金属多孔体１１４ｃから各カソードオフガス排出用貫通孔１１ａｏに連通する複数のカソードオフガス連通流路１１ａｏｐが形成されている。また、シールガスケット１１ＳＡにおける膜電極接合体ＭＥＡのアノード１１２ａ側の表面には、水素供給用貫通孔１１ｈｉからアノードガス流路としてのアノード側金属多孔体１１４ａに連通する複数の水素連通流路１１ｈｉｐが形成されている。また、シールガスケット１１ＳＡにおける膜電極接合体ＭＥＡのアノード１１２ａ側の表面には、アノード側金属多孔体１１４ａから各アノードオフガス排出用貫通孔１１ｈｏに連通するアノードオフガス連通流路１１ｈｏｐが形成されている。
【００６２】
Ｂ３．セパレータ：
第２実施例の燃料電池スタックも、第１実施例の燃料電池スタック１００と同様に、２種類のセパレータ、セパレータ１２ＵＡ、および、セパレータ１２ＬＡを備えている。そして、セパレータ１２ＵＡ、および、セパレータ１２ＬＡも、第１実施例におけるセパレータ１２Ｕ、および、セパレータ１２Ｌと同様に、曲げ加工されて利用される。
【００６３】
図９は、曲げ加工される前のセパレータ１２ＵＡ、および、セパレータ１２ＬＡの平面図である。図９（ａ）に、セパレータ１２ＵＡを膜電極接合体ユニット１１Ａにおけるカソード側金属多孔体１１４ｃ、および、アノード側金属多孔体１１４ａと当接する面側から見たときの平面図を示した。また、図９（ｂ）に、セパレータ１２ＬＡを膜電極接合体ユニット１１Ａにおけるカソード側金属多孔体１１４ｃ、および、アノード側金属多孔体１１４ａと当接する面側から見たときの平面図を示した。
【００６４】
図９（ａ）に示したように、セパレータ１２ＵＡは、第１実施例におけるセパレータ１２Ｕと同様に、矩形形状を有しており、燃料電池スタックにおいて、膜電極接合体ユニット１１Ａにおけるカソード側金属多孔体１１４ｃ（カソード１１２ｃ）と当接するカソード当接部１２ＵＡｃｃと、膜電極接合体ユニット１１Ａにおけるアノード側金属多孔体１１４ａ（アノード１１２ａ）と当接するアノード当接部１２ＵＡｃａと、放熱部１２Ｕｒｈとを備えている。カソード当接部１２ＵＡｃｃ、および、アノード当接部１２ＵＡｃａの短辺の長さは同じである。
【００６５】
そして、カソード当接部１２ＵＡｃｃには、第１実施例のセパレータ１２Ｕにおけるカソード当接部１２Ｕｃｃと同様に、空気供給マニホールドを構成する４つの空気供給用貫通孔１２ａｉと、カソードオフガス排出マニホールドを構成する４つのカソードオフガス排出口１２ａｏと、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔１２ｈｉと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔１２ｈｏとが形成されている。また、アノード当接部１２ＵＡｃａにも、第１実施例のセパレータ１２Ｕにおけるアノード当接部１２Ｕｃａと同様に、空気供給マニホールドを構成する４つの空気供給用貫通孔１２ａｉと、カソードオフガス排出マニホールドを構成する４つのカソードオフガス排出口１２ａｏと、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔１２ｈｉと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔１２ｈｏとが形成されている。そして、本実施例の燃料電池スタックでは、膜電極接合体ユニット１１Ａがカソードガス流路としてのカソード側金属多孔体１１４ｃ、および、アノードガス流路としてのアノード側金属多孔体１１４ａを備えているので、セパレータ１２ＵＡは、第１実施例におけるセパレータ１２Ｕと異なり、リブ１２ａｒおよび溝１２ａｄや、リブ１２ｈｒおよび溝１２ｈｄを備えていない。
【００６６】
なお、セパレータ１２ＵＡは、カソード当接部１２ＵＡｃｃに形成された各空気供給用貫通孔１２ａｉ、各カソードオフガス排出口１２ａｏ、水素供給用貫通孔１２ｈｉ、アノードオフガス排出用貫通孔１２ｈｏと、アノード当接部１２ＵＡｃａに形成された各空気供給用貫通孔１２ａｉ、各カソードオフガス排出口１２ａｏ、水素供給用貫通孔１２ｈｉ、アノードオフガス排出用貫通孔１２ｈｏとがそれぞれ互いに一致するように、カソード当接部１２ＵＡｃｃと放熱部１２Ｕｒｈとの境界、および、アノード当接部１２ＵＡｃａと放熱部１２Ｕｒｈとの境界で、図の手前側に曲げ加工される。
【００６７】
また、図９（ｂ）に示したように、セパレータ１２ＬＡは、第１実施例におけるセパレータ１２Ｌと同様に、矩形形状を有しており、燃料電池スタックにおいて、膜電極接合体ユニット１１Ａにおけるカソード側金属多孔体１１４ｃ（カソード１１２ｃ）と当接するカソード当接部１２ＬＡｃｃと、膜電極接合体ユニット１１Ａにおけるアノード側金属多孔体１１４ａ（アノード１１２ａ）と当接するアノード当接部１２ＬＡｃａと、放熱部１２Ｌｒｈとを備えている。カソード当接部１２ＬＡｃｃ、および、アノード当接部１２ＬＡｃａの短辺の長さは同じである。
【００６８】
そして、アノード当接部１２Ｌｃａには、第１実施例のセパレータ１２Ｕにおけるアノード当接部１２Ｌｃａと同様に、空気供給マニホールドを構成する４つの空気供給用貫通孔１２ａｉと、カソードオフガス排出マニホールドを構成する４つのカソードオフガス排出口１２ａｏと、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔１２ｈｉと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔１２ｈｏとが形成されている。また、カソード当接部１２ＬＡｃｃにも、第１実施例のセパレータ１２Ｕにおけるカソード当接部１２Ｕｃｃと同様に、空気供給マニホールドを構成する４つの空気供給用貫通孔１２ａｉと、カソードオフガス排出マニホールドを構成する４つのカソードオフガス排出口１２ａｏと、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔１２ｈｉと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔１２ｈｏとが形成されている。そして、本実施例の燃料電池スタックでは、膜電極接合体ユニット１１Ａがカソードガス流路としてのカソード側金属多孔体１１４ｃ、および、アノードガス流路としてのアノード側金属多孔体１１４ａを備えているので、セパレータ１２ＬＡは、第１実施例におけるセパレータ１２Ｌと異なり、リブ１２ａｒおよび溝１２ａｄや、リブ１２ｈｒおよび溝１２ｈｄを備えていない。
【００６９】
なお、セパレータ１２ＬＡは、カソード当接部１２ＬＡｃｃに形成された各空気供給用貫通孔１２ａｉ、各カソードオフガス排出口１２ａｏ、水素供給用貫通孔１２ｈｉ、アノードオフガス排出用貫通孔１２ｈｏと、アノード当接部１２ＬＡｃａに形成された各空気供給用貫通孔１２ａｉ、各カソードオフガス排出口１２ａｏ、水素供給用貫通孔１２ｈｉ、アノードオフガス排出用貫通孔１２ｈｏとがそれぞれ互いに一致するように、アノード当接部１２ＬＡｃａと放熱部１２Ｌｒｈとの境界、および、カソード当接部１２ＬＡｃｃと放熱部１２Ｌｒｈとの境界で、図の手前側に曲げ加工される。
【００７０】
Ｂ４．燃料電池スタックの断面構造：
図１０は、第２実施例の燃料電池スタックの断面構造を示す説明図である。図１０では、図５と同様に、第２実施例の燃料電池スタックの一部の側断面図を示した。なお、図１０では、下側ヒートシンク５０Ｌ、および、上側ヒートシンク５０Ｕの断面についての図示は省略されているが、これらの内部構造は、第１実施例と同じである（図７参照）。
【００７１】
図１０において、最も左側に描かれた膜電極接合体ユニット１１Ａを、第１の膜電極接合体ユニット１１Ａ（１）と呼ぶものとする。また、第１の膜電極接合体ユニット１１Ａ（１）と隣接して配置された膜電極接合体ユニット１１Ａ（左から２番目に描かれた膜電極接合体ユニット１１Ａ）を、第２の膜電極接合体ユニット１１Ａ（２）と呼ぶものとする。また、第２の膜電極接合体ユニット１１Ａ（２）の第１の膜電極接合体ユニット１１Ａ（１）とは反対側に隣接して配置された膜電極接合体ユニット１１Ａ（左から３番目に描かれた膜電極接合体ユニット１１Ａ）を、第３の膜電極接合体ユニット１１Ａ（３）と呼ぶものとする。
【００７２】
図示するように、第２実施例の燃料電池スタックにおいて、セパレータ１２ＵＡにおけるカソード当接部１２ＵＡｃｃは、第１の膜電極接合体ユニット１１Ａ（１）におけるアノード側金属多孔体１１４ａ（カソード１１２ｃ）に当接する。また、セパレータ１２ＵＡにおけるアノード当接部１２ＵＡｃａは、第２の膜電極接合体ユニット１１Ａ（２）におけるアノード側金属多孔体１１４ａ（アノード１１２ａ）に当接する。そして、カソード当接部１２ＵＡｃｃは、第１の膜電極接合体ユニット１１Ａ（１）の上側長辺よりも外側に突出する突出部１２Ｕｃｐを有している。また、アノード当接部１２ＵＡｃａは、第２の膜電極接合体ユニット１１Ａ（２）の上側長辺よりも外側に突出する突出部１２Ｕｃｐを有している。セパレータ１２ＵＡは、［課題を解決するための手段］における第１のセパレータに相当する。
【００７３】
また、第２実施例の燃料電池スタックにおいて、セパレータ１２ＬＡにおけるカソード当接部１２ＬＡｃｃは、第２の膜電極接合体ユニット１１Ａ（２）におけるカソード側金属多孔体１１４ｃ（カソード１１２ｃ）に当接する。また、セパレータ１２ＬＡにおけるアノード当接部１２ＬＡｃａは、第３の膜電極接合体ユニット１１Ａ（３）におけるアノード側金属多孔体１１４ａ（アノード１１２ａ）に当接する。そして、カソード当接部１２ＬＡｃｃは、第２の膜電極接合体ユニット１１Ａ（２）の下側長辺よりも外側に突出する突出部１２Ｌｃｐを有している。また、アノード当接部１２ＬＡｃａは、第３の膜電極接合体ユニット１１Ａ（３）の下側長辺よりも外側に突出する突出部１２Ｌｃｐを有している。セパレータ１２ＬＡは、［課題を解決するための手段］における第２のセパレータに相当する。
【００７４】
また、第１実施例の燃料電池スタック１００と同様に、セパレータ１２ＵＡにおける放熱部１２Ｕｒｈと、上側ヒートシンク５０Ｕとの間には、放熱絶縁シート６０が挟持されている。そして、セパレータ１２ＵＡにおける放熱部１２Ｕｒｈのほぼ全面が、放熱絶縁シート６０と接触している。また、セパレータ１２ＬＡにおける放熱部１２Ｌｒｈと、下側ヒートシンク５０Ｌとの間にも、放熱絶縁シート６０が挟持されている。そして、セパレータ１２ＬＡにおける放熱部１２Ｌｒｈのほぼ全面が、放熱絶縁シート６０と接触している。
【００７５】
このような燃料電池スタックでは、発電時に、第１の膜電極接合体ユニット１１Ａ（１）、および、第２の膜電極接合体ユニット１１Ａ（２）において発生した熱は、セパレータ１２ＵＡにおけるカソード当接部１２ＵＡｃｃ、および、アノード当接部１２ＵＡｃａを介して、放熱部１２Ｕｒｈに伝導する。そして、この熱は、さらに、放熱部１２Ｕｒｈから放熱絶縁シート６０、上側ヒートシンク５０Ｕに伝導して、燃料電池スタックの外部に放熱される。また、発電時に、第２の膜電極接合体ユニット１１Ａ（２）、および、第３の膜電極接合体ユニット１１Ａ（３）において発生した熱は、セパレータ１２ＬＡにおけるカソード当接部１２ＬＡｃｃ、および、アノード当接部１２ＬＡｃａを介して、放熱部１２Ｌｒｈに伝導する。そして、この熱は、さらに、放熱部１２Ｌｒｈから放熱絶縁シート６０、下側ヒートシンク５０Ｌに伝導して、燃料電池スタックの外部に放熱される。
【００７６】
また、燃料電池スタックにおいて、隣接するセパレータ１２ＵＡ間、および、隣接するセパレータ１２ＬＡ間には、第１実施例の燃料電池スタック１００と同様に、絶縁部材７０が配置されている。
【００７７】
以上説明した第２実施例の燃料電池スタックによっても、先に説明した第１実施例の燃料電池スタック１００と同様に、発電時に、膜電極接合体ＭＥＡにおいて発生した熱を、セパレータ１２ＵＡにおける放熱部１２Ｕｒｈ、および、セパレータ１２ＬＡにおける放熱部１２Ｌｒｈから放熱することができる。したがって、燃料電池スタックにおいて、各膜電極接合体ＭＥＡの間に配置されるセパレータに冷却媒体を流す冷却媒体流路を備える必要がない。この結果、燃料電池スタックにおける複数の単セル１０の積層方向についての長さを短くすることができる。
【００７８】
Ｃ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
【００７９】
Ｃ１．変形例１：
上記実施例、例えば、上記第２実施例では、セパレータ１２ＵＡ，１２ＬＡは、それぞれ、１枚の平板を２ヶ所で折り曲げることによって作製されるものとしたが（図９，１０参照）、本発明は、これに限られない。
【００８０】
図１１は、第２実施例のセパレータ１２ＵＡの変形例としてのセパレータ１２ＵＢの形状を示す説明図である。変形例としてのセパレータ１２ＵＢは、図１１（ａ），（ｂ）に示したように、２枚の平板状の部材１２ＵＢ１，１２ＵＢ２からなる。図９との比較から分かるように、これらは、それぞれ、図９に示したセパレータ１２ＵＡを２つに分割した形状を有している。そして、図１１（ｃ）に側面図で示したように、各部材１２ＵＢ１，１２ＵＢ２をそれぞれ折り曲げて組み合わせることによって、第２実施例のセパレータ１２ＵＡとほぼ同じ形状を有するセパレータ１２ＵＢを構成することができる。このような構成は、セパレータ１２ＬＡについても同様である。なお、２つの部材１２ＵＢ１，１２ＵＢ２の折り曲げ方、組み合わせ方は、適宜、変更可能である。
【００８１】
上述したように、例えば、セパレータ１２ＵＢを２つの部材１２ＵＢ１，１２ＵＢ２によって構成することにより、燃料電池スタックを構成する各部材を順次積層して、燃料電池スタックを製造することができるので、燃料電池スタックを製造するときの作業性を向上させることができる。
【００８２】
Ｃ２．変形例２：
上記実施例では、上側ヒートシンク５０Ｕ、および、下側ヒートシンク５０Ｌは、金属製の部材からなり、セパレータ１２Ｕ，１２ＵＡと上側ヒートシンク５０Ｕとの間、および、セパレータ１２Ｌ，１２ＬＡと下側ヒートシンク５０Ｌとの間に放熱絶縁シート６０を備えるものとしたが、本発明は、これに限られない。上側ヒートシンク５０Ｕ、および、下側ヒートシンク５０Ｌを、金属製の部材の代わりに、絶縁性部材によって構成するようにしてもよい。そして、上側ヒートシンク５０Ｕ、および、下側ヒートシンク５０Ｌを、絶縁性部材によって構成する場合には、放熱絶縁シート６０を省略してもよい。
【００８３】
Ｃ３．変形例３：
上記実施例では、上側ヒートシンク５０Ｕ、および、下側ヒートシンク５０Ｌは、内部に冷却媒体流路が形成されているものとしたが、本発明は、これに限られない。上側ヒートシンク５０Ｕ、および、下側ヒートシンク５０Ｌの内部に冷却媒体流路が形成されなくてもよい。
【００８４】
Ｃ４．変形例４：
上記実施例では、上側ヒートシンク５０Ｕ、および、下側ヒートシンク５０Ｌにおいて、冷却媒体流路は、それぞれ、冷却媒体が膜電極接合体ＭＥＡの積層方向に対して平行に流れるように形成されるものとしたが、本発明は、これに限られない。上側ヒートシンク５０Ｕ、および、下側ヒートシンク５０Ｌにおいて、冷却媒体流路は、任意に設計可能である。ただし、上記実施例によれば、先に説明したように、積層された複数の膜電極接合体ＭＥＡ間の温度差、温度のバラツキを小さくすることができるという利点がある。
【００８５】
Ｃ５．変形例５：
上記第１実施例では、燃料電池スタック１００は、上側ヒートシンク５０Ｕ、および、下側ヒートシンク５０Ｌを備えるものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、上側ヒートシンク５０Ｕを省略するようにしてもよい。また、上側ヒートシンク５０Ｕ、および、下側ヒートシンク５０Ｌに加えて、さらに、燃料電池スタック１００の側面にも、セパレータ１２Ｕ，１２Ｌを冷却するためのヒートシンクを備えるようにしてもよい。これらは、第２実施例の燃料電池スタックにおいても同様である。
【００８６】
Ｃ６．変形例６：
上記実施例では、上側ヒートシンク５０Ｕと下側ヒートシンク５０Ｌとは、ボルト８０ｂおよびナット８０ｎによって締結されるものとしたが、他の部材、例えば、バンドによって締結されるものとしてもよい。
【００８７】
Ｃ７．変形例７：
上記実施例では、燃料電池スタック１００において、空気と水素との流れを直交流としたが、対向流、あるいは、並行流としてもよい。この場合、適宜、各種マニホールドの設計変更を行えばよい。
【符号の説明】
【００８８】
１００…燃料電池スタック
１０…単セル
１１，１１Ａ…膜電極接合体ユニット
１１０…電解質膜
１１２ａ…アノード
１１２ｃ…カソード
１１２ａｃ…アノード側触媒層
１１２ａｄ…アノード側ガス拡散層
１１２ｃｃ…カソード側触媒層
１１２ｃｄ…カソード側ガス拡散層
１１４ａ…アノード側金属多孔体
１１４ｃ…カソード側金属多孔体
１１ａｉｐ…空気連通流路
１１ａｏｐ…カソードオフガス連通流路
１１ｈｉｐ…水素連通流路
１１ｈｏｐ…アノードオフガス連通流路
１１Ｓ，１１ＳＡ…シールガスケット
１１ａｉ…空気供給用貫通孔
１１ａｏ…カソードオフガス排出用貫通孔
１１ｈｉ…水素供給用貫通孔
１１ｈｏ…アノードオフガス排出用貫通孔
１２Ｕ，１２ＵＡ，１２ＵＢ…セパレータ
１２Ｕｃｃ，１２ＵＡｃｃ…カソード当接部
１２Ｕｃａ，１２ＵＡｃａ…アノード当接部
１２Ｕｃｐ…突出部
１２Ｕｒｈ…放熱部
１２Ｌ，１２ＬＡ…セパレータ
１２Ｌｃｃ，１２ＬＡｃｃ…カソード当接部
１２Ｌｃａ，１２ＬＡｃａ…アノード当接部
１２Ｌｃｐ…突出部
１２Ｌｒｈ…放熱部
１２ａｒ，１２ｈｒ…リブ
１２ａｄ，１２ｈｄ…溝
１２ａｉ…空気供給用貫通孔
１２ａｏ…カソードオフガス排出口
１２ｈｉ…水素供給用貫通孔
１２ｈｏ…アノードオフガス排出用貫通孔
２０…集電板
３０…絶縁板
４０…エンドプレート
４０ａｉ…空気供給口
４０ａｏ…カソードオフガス排出口
４０ｈｉ…水素供給口
４０ｈｏ…アノードオフガス排出口
５０Ｌ…下側ヒートシンク
５０Ｌｉ…冷却媒体供給口
５０Ｌｏ…冷却媒体排出口
５０Ｌｒ…リブ
５０Ｌｄ…溝
５０Ｕ…上側ヒートシンク
５０Ｕｉ…冷却媒体供給口
５０Ｕｏ…冷却媒体排出口
５０Ｕｒ…リブ
５０Ｕｄ…溝
６０…放熱絶縁シート
７０…絶縁部材
７０ａ，７０ｈ…貫通孔
７０ｐ…突起部
８０ｂ…ボルト
８０ｎ…ナット
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池は、一般に、複数の単セル、すなわち、膜電極接合体を、セパレータを介在させて、積層させた燃料電池スタックの形態で利用される。このような燃料電池スタックにおいて、膜電極接合体は、発電時に上記電気化学反応によって発熱する。このため、燃料電池スタックには、膜電極接合体を冷却するための冷却媒体を流す冷却媒体流路が設けられる。そして、この冷却媒体流路は、一般に、冷却媒体が膜電極接合体の表面方向に沿って流れるように、セパレータに設けられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−１６２８４２号公報
【特許文献２】特開２０００−３５３５３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記冷却媒体流路をセパレータに設けると、冷却媒体流路を設けるためのスペースを確保するために、セパレータの厚さを厚くする必要がある。このため、燃料電池スタックにおいて、複数の単セルの積層方向についての長さが長くなり、燃料電池スタックの大型化を招く。
【０００５】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池スタックにおいて、複数の単セルの積層方向についての長さを短くすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合してなる膜電極接合体を、セパレータを介在させて、複数積層することによって構成される燃料電池スタックであって、略矩形形状を有する第１の膜電極接合体と、前記第１の膜電極接合体と略同一の形状を有し、前記第１の膜電極接合体と隣接して配置された第２の膜電極接合体と、前記第１および第２の膜電極接合体と略同一の形状を有し、前記第２の膜電極接合体に対して前記第１の膜電極接合体とは反対側に隣接して配置された第３の膜電極接合体と、前記第１の膜電極接合体のカソードに当接するとともに、前記第１の膜電極接合体における第１の長辺よりも外側に突出する突出部を有する第１のカソード当接部と、前記第２の膜電極接合体のアノードに当接するとともに、前記第１の膜電極接合体における第１の長辺と同じ側の、前記第２の膜電極接合体における第１の長辺よりも外側に突出する突出部を有する第１のアノード当接部と、前記第１のカソード当接部における前記突出部と前記第１のアノード当接部における前記突出部とを接続する第１の接続部と、を有する第１のセパレータと、前記第２の膜電極接合体のカソードに当接するとともに、前記第２の膜電極接合体における前記第１の長辺と対向する第２の長辺よりも外側に突出する突出部を有する第２のカソード当接部と、前記第３の膜電極接合体のアノードに当接するとともに、前記第２の膜電極接合体における前記第２の長辺と同じ側の、前記第３の膜電極接合体における第２の長辺よりも外側に突出する突出部を有する第２のアノード当接部と、前記第２のカソード当接部における前記突出部と前記第２のアノード当接部における前記突出部とを接続する第２の接続部と、を有する第２のセパレータと、冷却媒体を流すための冷却媒体流路を内部に有するヒートシンクと、を備え、前記第１のセパレータにおける前記第１の接続部は、前記第１のカソード当接部と前記第１のアノード当接部とを電気的に接続するとともに、前記第１および第２の膜電極接合体において発生した熱を、前記第１のカソード当接部および前記第１のアノード当接部を介して受け取って、前記ヒートシンクに放熱するように構成されており、前記第２のセパレータにおける前記第２の接続部は、前記第２のカソード当接部と前記第２のアノード当接部とを電気的に接続するとともに、前記第２および第３の膜電極接合体において発生した熱を、前記第２のカソード当接部および前記第２のアノード当接部を介して受け取って、前記ヒートシンクに放熱するように構成されている、燃料電池スタック。
【０００８】
ここで、例えば、「第１の膜電極接合体と隣接して配置された第２の膜電極接合体」との文言において、「隣接して配置された」とは、第１の膜電極接合体と第２の膜電極接合体との間に他の膜電極接合体が存在しないことを意味している。
【０００９】
適用例１の燃料電池スタックでは、セパレータに冷却媒体流路を設けることなく、上記第１セパレータにおける上記第１の接続部、および、上記第２のセパレータにおける上記第２の接続部から膜電極接合体において発生した熱を放熱することができる。したがって、燃料電池スタックにおいて、複数の単セルの積層方向についての長さを短くすることができる。この結果、燃料電池スタックの小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池スタック１００の概略構成を示す斜視図である。
【図２】膜電極接合体ユニット１１の概略構造を示す説明図である。
【図３】曲げ加工される前のセパレータ１２Ｕ、および、セパレータ１２Ｌの平面図である。
【図４】図１におけるＡ−Ａ断面図である。
【図５】燃料電池スタック１００の断面構造を示す説明図である。
【図６】絶縁部材７０を示す説明図である。
【図７】下側ヒートシンク５０Ｌ、および、上側ヒートシンク５０Ｕの内部構造を示す説明図である。
【図８】第２実施例の燃料電池スタックにおける膜電極接合体ユニット１１Ａの概略構成を示す説明図である。
【図９】曲げ加工される前のセパレータ１２ＵＡおよびセパレータ１２ＬＡの平面図である。
【図１０】第２実施例の燃料電池スタックの断面構造を示す説明図である。
【図１１】第２実施例のセパレータ１２ＵＡの変形例としてのセパレータ１２ＵＢの形状を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池スタックの構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池スタック１００の概略構成を示す斜視図である。この燃料電池スタック１００は、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を、セパレータを介在させて、複数積層させたスタック構造を有している。本実施例では、電解質膜として、固体高分子膜を用いるものとした。電解質として、固体酸化物等、他の電解質を用いるものとしてもよい。なお、燃料電池スタック１００における膜電極接合体の積層数は、燃料電池スタック１００に要求される出力に応じて任意に設定可能である。
【００１２】
燃料電池スタック１００は、複数の単セル１０の積層体の積層方向についての両端部に、それぞれ、集電板２０と、絶縁板３０と、エンドプレート４０と、をこの順に配置し、これらの積層方向に所定の荷重を加え、図示しない締結部材によって締結することによって構成されている。本実施例では、これらは、それぞれ略矩形形状を有しているものとした。そして、燃料電池スタック１００内部には、燃料ガスとしての水素を各膜電極接合体に分配して供給するための水素供給マニホールドや、酸化剤ガスとしての空気を各膜電極接合体に分配して供給するための空気供給マニホールドや、各膜電極接合体のアノードから排出されるアノードオフガスを集合させて燃料電池スタック１００の外部に排出するためのアノードオフガス排出マニホールドや、各膜電極接合体のカソードから排出されるカソードオフガスを集合させて燃料電池スタック１００の外部に排出するためのカソードオフガス排出マニホールドが形成されている。
【００１３】
そして、図示するように、一方のエンドプレート４０の下側長辺の内側には、下側長辺に沿って、空気供給マニホールドを構成する４つの空気供給口４０ａｉが形成されている。また、このエンドプレート４０の上側長辺の内側には、上側長辺に沿って、カソードオフガス排出マニホールドを構成する４つのカソードオフガス排出口４０ａｏが形成されている。また、このエンドプレート４０の左側短辺の内側には、左側短辺に沿って、水素供給マニホールドを構成する水素供給口４０ｈｉが形成されている。また、このエンドプレート４０の右側短辺の内側には、右側短辺に沿って、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出口４０ｈｏが形成されている。
【００１４】
なお、本実施例の燃料電池スタック１００では、４つの空気供給口４０ａｉ、および、４つのカソードオフガス排出口４０ａｏの形状は、すべて同一の矩形形状とした。また、４つの空気供給口４０ａｉ、および、４つのカソードオフガス排出口４０ａｏは、互いに対向する位置に形成されるものとした。また、水素供給口４０ｈｉ、および、アノードオフガス排出口４０ｈｏの形状は、同一の矩形形状とした。また、水素供給口４０ｈｉ、および、アノードオフガス排出口４０ｈｏは、互いに対向する位置に形成されるものとした。
【００１５】
また、本実施例の燃料電池スタック１００において、複数の単セル１０の積層体の下面、および、上面には、それぞれ、複数の単セル１０の積層体からの放熱を行うための、換言すれば、後述するセパレータを冷却するための金属製の部材からなる下側ヒートシンク５０Ｌと、上側ヒートシンク５０Ｕとが配置されている。なお、複数の単セル１０の積層体の下面と下側ヒートシンク５０Ｌとの間の全面、および、複数の単セル１０の積層体の上面と上側ヒートシンク５０Ｕとの間の全面には、後述する放熱絶縁シート（図示省略）が配置されている。この放熱絶縁シートによって、セパレータと下側ヒートシンク５０Ｌとの絶縁、および、セパレータと上側ヒートシンク５０Ｕとの絶縁を確保することができる。そして、下側ヒートシンク５０Ｌと上側ヒートシンク５０Ｕとは、複数の単セル１０の積層体および上記放熱絶縁シートを加圧するように、複数のボルト８０ｂおよびナット８０ｎによって締結されている。
【００１６】
なお、上記放熱絶縁シートのヤング率は、複数の単セル１０の積層体のヤング率よりも小さく設定されている。したがって、下側ヒートシンク５０Ｌと上側ヒートシンク５０Ｕとを締結したときに複数の単セル１０の積層体に加わる圧力は、上記放熱絶縁シートによって緩和される。また、下側ヒートシンク５０Ｌ、および、５０Ｕ上側ヒートシンク５０Ｕによるセパレータの冷却性能（放熱性能）の向上を図ることができる。
【００１７】
集電板２０は、緻密質カーボンや、銅板などのガス不透過な導電性部材によって形成されている。集電板２０には、それぞれ図示しない出力端子が設けられており、燃料電池スタック１００で発電した電力を出力可能となっている。また、絶縁板３０は、ゴムや、樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。また、エンドプレート４０は、剛性を確保するために、鋼等の金属によって形成されている。
【００１８】
Ａ２．単セルの積層体の構成：
複数の単セル１０の積層体は、以下に説明するように、膜電極接合体ＭＥＡ（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）の周囲にフレーム状のシールガスケットを形成したユニット（以下、膜電極接合体ユニットと呼ぶ）と、２種類のセパレータとを交互に配置して積層することによって構成されている。
【００１９】
Ａ２．１．膜電極接合体ユニット：
図２は、膜電極接合体ユニット１１の概略構造を示す説明図である。図２（ａ）に、膜電極接合体ユニット１１のカソード側から見た平面図を示した。また、図２（ｂ）に、図２（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。
【００２０】
図２（ａ）に示したように、膜電極接合体ユニット１１は、矩形形状を有しており、矩形形状を有する膜電極接合体ＭＥＡの周囲に、シールガスケット１１Ｓを形成したものである。膜電極接合体ＭＥＡは、図２（ｂ）に示したように、電解質膜１１０の両面に、それぞれ、カソード１１２ｃ（カソード側触媒層１１２ｃｃ、カソード側ガス拡散層１１２ｃｄ）、および、アノード１１２ａ（アノード側触媒層１１２ａｃ、アノード側ガス拡散層１１２ａｄ）を接合したものである。カソード側触媒層１１２ｃｃ、および、アノード側触媒層１１２ａｃは、例えば、白金を担持したカーボンブラックとアイオノマとからなる。また、カソード側ガス拡散層１１２ｃｄ、および、アノード側ガス拡散層１１２ａｄとしては、例えば、カーボンクロスや、カーボンペーパ等を適用可能である。
【００２１】
そして、シールガスケット１１Ｓの下側長辺部の膜電極接合体ＭＥＡの近傍領域には、シールガスケット１１Ｓの下側長辺に沿って、空気供給マニホールドを構成する４つの空気供給用貫通孔１１ａｉが形成されている。各空気供給用貫通孔１１ａｉの形状は、エンドプレート４０に形成された各空気供給口４０ａｉの形状と同じである。また、各空気供給用貫通孔１１ａｉの形成位置は、エンドプレート４０に形成された各空気供給口４０ａｉの形成位置とそれぞれ対応している。
【００２２】
また、シールガスケット１１Ｓの上側長辺部の膜電極接合体ＭＥＡの近傍領域には、シールガスケット１１Ｓの上側長辺に沿って、カソードオフガス排出マニホールドを構成する４つのカソードオフガス排出用貫通孔１１ａｏが形成されている。各カソードオフガス排出用貫通孔１１ａｏの形状は、エンドプレート４０に形成された各カソードオフガス排出口４０ａｏの形状と同じである。また、各カソードオフガス排出用貫通孔１１ａｏの形成位置は、エンドプレート４０に形成された各カソードオフガス排出口４０ａｏの形成位置とそれぞれ対応している。
【００２３】
また、シールガスケット１１Ｓの左側短辺部の膜電極接合体ＭＥＡの近傍領域には、シールガスケット１１Ｓの左側短辺に沿って、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔１１ｈｉが形成されている。水素供給用貫通孔１１ｈｉの形状は、エンドプレート４０に形成された水素供給口４０ｈｉの形状と同じである。また、水素供給用貫通孔１１ｈｉの形成位置は、エンドプレート４０に形成された水素供給口４０ｈｉの形成位置と対応している。
【００２４】
また、シールガスケット１１Ｓの右側短辺部の膜電極接合体ＭＥＡの近傍領域には、シールガスケット１１Ｓの右側短辺に沿って、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔１１ｈｏが形成されている。アノードオフガス排出用貫通孔１１ｈｏの形状は、エンドプレート４０に形成されたアノードオフガス排出口４０ｈｏの形状と同じである。また、アノードオフガス排出用貫通孔１１ｈｏの形成位置は、エンドプレート４０に形成されたアノードオフガス排出口４０ｈｏの形成位置と対応している。
【００２５】
Ａ２．２．セパレータ：
本実施例の燃料電池スタック１００は、２種類のセパレータ、すなわち、セパレータ１２Ｕ、および、セパレータ１２Ｌを備えている。本実施例では、セパレータ１２Ｕ、および、セパレータ１２Ｌとして、導電率および熱伝導率が比較的高く、また、耐食性に優れたチタンを用いるものとした。セパレータ１２Ｕ、および、セパレータ１２Ｌとして、チタンの代わりに、ステンレス鋼やアルミニウム等、他の金属材料を用いるものとしてもよい。なお、セパレータ１２Ｕ、および、セパレータ１２Ｌは、それぞれ、後述するように、曲げ加工されて利用される。
【００２６】
図３は、曲げ加工される前のセパレータ１２Ｕ、および、セパレータ１２Ｌの平面図である。図３（ａ）に、セパレータ１２Ｕを膜電極接合体ＭＥＡと当接する面側から見たときの平面図を示した。また、図３（ｂ）に、セパレータ１２Ｌを膜電極接合体ＭＥＡと当接する面側から見たときの平面図を示した。
【００２７】
図３（ａ）に示したように、セパレータ１２Ｕは、矩形形状を有しており、燃料電池スタック１００において、膜電極接合体ユニット１１における膜電極接合体ＭＥＡのカソード１１２ｃと当接するカソード当接部１２Ｕｃｃと、膜電極接合体ユニット１１における膜電極接合体ＭＥＡのアノード１１２ａと当接するアノード当接部１２Ｕｃａと、放熱部１２Ｕｒｈとを備えている。カソード当接部１２Ｕｃｃ、および、アノード当接部１２Ｕｃａの短辺の長さは同じである。
【００２８】
カソード当接部１２Ｕｃｃには、空気供給マニホールドを構成する４つの空気供給用貫通孔１２ａｉと、カソードオフガス排出マニホールドを構成する４つのカソードオフガス排出口１２ａｏと、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔１２ｈｉと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔１２ｈｏとが形成されている。そして、カソード当接部１２Ｕｃｃの表面には、膜電極接合体ＭＥＡにおけるカソード１１２ｃの表面に沿って、空気供給用貫通孔１２ａｉからカソードオフガス排出口１２ａｏに、空気およびカソードオフガスを流すためのカソードガス流路を構成するリブ１２ａｒ、および、溝１２ａｄが形成されている。リブ１２ａｒ、および、溝１２ａｄの形状は、空気およびカソードオフガスの圧力損失等を考慮して、任意に設計可能である。
【００２９】
また、アノード当接部１２Ｕｃａにも、空気供給マニホールドを構成する４つの空気供給用貫通孔１２ａｉと、カソードオフガス排出マニホールドを構成する４つのカソードオフガス排出口１２ａｏと、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔１２ｈｉと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔１２ｈｏとが形成されている。そして、アノード当接部１２Ｕｃａの表面には、膜電極接合体ＭＥＡにおけるアノード１１２ａの表面に沿って、水素供給用貫通孔１２ｈｉからアノードオフガス排出用貫通孔１２ｈｏに、水素およびアノードオフガスを流すためのアノードガス流路を構成するリブ１２ｈｒ、および、溝１２ｈｄが形成されている。リブ１２ｈｒ、および、溝１２ｈｄの形状は、水素およびアノードオフガスの圧力損失等を考慮して、任意に設計可能である。
【００３０】
なお、セパレータ１２Ｕは、カソード当接部１２Ｕｃｃに形成された各空気供給用貫通孔１２ａｉ、各カソードオフガス排出口１２ａｏ、水素供給用貫通孔１２ｈｉ、アノードオフガス排出用貫通孔１２ｈｏと、アノード当接部１２Ｕｃａに形成された各空気供給用貫通孔１２ａｉ、各カソードオフガス排出口１２ａｏ、水素供給用貫通孔１２ｈｉ、アノードオフガス排出用貫通孔１２ｈｏとがそれぞれ互いに一致するように、カソード当接部１２Ｕｃｃと放熱部１２Ｕｒｈとの境界、および、アノード当接部１２Ｕｃａと放熱部１２Ｕｒｈとの境界で、図の手前側に曲げ加工される。セパレータ１２Ｕにおける各貫通孔の形状は、エンドプレート４０や、膜電極接合体ユニット１１における各貫通孔の形状と同じである。また、セパレータ１２Ｕにおける各貫通孔の形成位置は、エンドプレート４０や、膜電極接合体ユニット１１における各貫通孔の形成位置と対応している。
【００３１】
また、図３（ｂ）に示したように、セパレータ１２Ｌは、矩形形状を有しており、燃料電池スタック１００において、膜電極接合体ユニット１１における膜電極接合体ＭＥＡのカソード１１２ｃと当接するカソード当接部１２Ｌｃｃと、膜電極接合体ユニット１１における膜電極接合体ＭＥＡのアノード１１２ａと当接するアノード当接部１２Ｌｃａと、放熱部１２Ｌｒｈとを備えている。カソード当接部１２Ｌｃｃ、および、アノード当接部１２Ｌｃａの短辺の長さは同じである。
【００３２】
アノード当接部１２Ｌｃａには、空気供給マニホールドを構成する４つの空気供給用貫通孔１２ａｉと、カソードオフガス排出マニホールドを構成する４つのカソードオフガス排出口１２ａｏと、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔１２ｈｉと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔１２ｈｏとが形成されている。そして、アノード当接部１２Ｌｃａの表面には、膜電極接合体ＭＥＡにおけるアノード１１２ａの表面に沿って、水素供給用貫通孔１２ｈｉからアノードオフガス排出用貫通孔１２ｈｏに、水素およびアノードオフガスを流すためのアノードガス流路を構成するリブ１２ｈｒ、および、溝１２ｈｄが形成されている。リブ１２ｈｒ、および、溝１２ｈｄの形状は、水素およびアノードオフガスの圧力損失等を考慮して、任意に設計可能である。
【００３３】
また、カソード当接部１２Ｌｃｃにも、空気供給マニホールドを構成する４つの空気供給用貫通孔１２ａｉと、カソードオフガス排出マニホールドを構成する４つのカソードオフガス排出口１２ａｏと、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔１２ｈｉと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔１２ｈｏとが形成されている。そして、カソード当接部１２Ｌｃｃの表面には、膜電極接合体ＭＥＡにおけるカソード１１２ｃの表面に沿って、空気供給用貫通孔１２ａｉからカソードオフガス排出口１２ａｏに、空気およびカソードオフガスを流すためのカソードガス流路を構成するリブ１２ａｒ、および、溝１２ａｄが形成されている。リブ１２ａｒ、および、溝１２ａｄの形状は、空気およびカソードオフガスの圧力損失等を考慮して、任意に設計可能である。
【００３４】
なお、セパレータ１２Ｌは、カソード当接部１２Ｌｃｃに形成された各空気供給用貫通孔１２ａｉ、各カソードオフガス排出口１２ａｏ、水素供給用貫通孔１２ｈｉ、アノードオフガス排出用貫通孔１２ｈｏと、アノード当接部１２Ｌｃａに形成された各空気供給用貫通孔１２ａｉ、各カソードオフガス排出口１２ａｏ、水素供給用貫通孔１２ｈｉ、アノードオフガス排出用貫通孔１２ｈｏとがそれぞれ互いに一致するように、アノード当接部１２Ｌｃａと放熱部１２Ｌｒｈとの境界、および、カソード当接部１２Ｌｃｃと放熱部１２Ｌｒｈとの境界で、図の手前側に曲げ加工される。セパレータ１２Ｌにおける各貫通孔の形状は、エンドプレート４０や、膜電極接合体ユニット１１における各貫通孔の形状と同じである。また、セパレータ１２Ｌにおける各貫通孔の形成位置は、エンドプレート４０や、膜電極接合体ユニット１１における各貫通孔の形成位置と対応している。
【００３５】
Ａ３．燃料電池スタックの断面構造：
図４は、図１におけるＡ−Ａ断面図である。図４において、破線で囲われた矩形領域は、先に説明した膜電極接合体ＭＥＡに対応する領域を示している。なお、図４では、下側ヒートシンク５０Ｌ、および、上側ヒートシンク５０Ｕの断面についての図示は省略されている。
【００３６】
図示するように、セパレータ１２Ｕにおける各空気供給用貫通孔１２ａｉと、セパレータ１２Ｌにおける各空気供給用貫通孔１２ａｉと、膜電極接合体ユニット１１における各空気供給用貫通孔１１ａｉとは一致している。また、セパレータ１２Ｕにおける各カソードオフガス排出口１２ａｏと、セパレータ１２Ｌにおける各カソードオフガス排出口１２ａｏと、膜電極接合体ユニット１１における各カソードオフガス排出用貫通孔１１ａｏとは一致している。また、セパレータ１２Ｕにおける水素供給用貫通孔１２ｈｉと、セパレータ１２Ｌにおける水素供給用貫通孔１２ｈｉと、膜電極接合体ユニット１１における水素供給用貫通孔１１ｈｉとは一致している。また、セパレータ１２Ｕにおけるアノードオフガス排出用貫通孔１２ｈｏと、セパレータ１２Ｌにおけるアノードオフガス排出用貫通孔１２ｈｏと、膜電極接合体ユニット１１におけるアノードオフガス排出用貫通孔１１ｈｏとは一致している。
【００３７】
図５は、燃料電池スタック１００の断面構造を示す説明図である。図５では、燃料電池スタック１００の一部の側断面図を示した。なお、図５においても、図４と同様に、下側ヒートシンク５０Ｌ、および、上側ヒートシンク５０Ｕの断面についての図示は省略されている。
【００３８】
図５において、最も左側に描かれた膜電極接合体ユニット１１を、第１の膜電極接合体ユニット１１（１）と呼ぶものとする。また、第１の膜電極接合体ユニット１１（１）と隣接して配置された膜電極接合体ユニット１１（左から２番目に描かれた膜電極接合体ユニット１１）を、第２の膜電極接合体ユニット１１（２）と呼ぶものとする。また、第２の膜電極接合体ユニット１１（２）の第１の膜電極接合体ユニット１１（１）とは反対側に隣接して配置された膜電極接合体ユニット１１（左から３番目に描かれた膜電極接合体ユニット１１）を、第３の膜電極接合体ユニット１１（３）と呼ぶものとする。
【００３９】
図示するように、燃料電池スタック１００において、セパレータ１２Ｕにおけるカソード当接部１２Ｕｃｃは、第１の膜電極接合体ユニット１１（１）における膜電極接合体ＭＥＡのカソード１１２ｃに当接する。また、セパレータ１２Ｕにおけるアノード当接部１２Ｕｃａは、第２の膜電極接合体ユニット１１（２）における膜電極接合体ＭＥＡのアノード１１２ａに当接する。そして、カソード当接部１２Ｕｃｃは、第１の膜電極接合体ユニット１１（１）の上側長辺よりも外側に突出する突出部１２Ｕｃｐを有している。また、アノード当接部１２Ｕｃａは、第２の膜電極接合体ユニット１１（２）の上側長辺よりも外側に突出する突出部１２Ｕｃｐを有している。セパレータ１２Ｕは、［課題を解決するための手段］における第１のセパレータに相当する。また、放熱部１２Ｕｒｈは、［課題を解決するための手段］における第１の接続部に相当する。
【００４０】
また、燃料電池スタック１００において、セパレータ１２Ｌにおけるカソード当接部１２Ｌｃｃは、第２の膜電極接合体ユニット１１（２）における膜電極接合体ＭＥＡのカソード１１２ｃに当接する。また、セパレータ１２Ｌにおけるアノード当接部１２Ｌｃａは、第３の膜電極接合体ユニット１１（３）における膜電極接合体ＭＥＡのアノード１１２ａに当接する。そして、カソード当接部１２Ｌｃｃは、第２の膜電極接合体ユニット１１（２）の下側長辺よりも外側に突出する突出部１２Ｌｃｐを有している。また、アノード当接部１２Ｌｃａは、第３の膜電極接合体ユニット１１（３）の下側長辺よりも外側に突出する突出部１２Ｌｃｐを有している。セパレータ１２Ｌは、［課題を解決するための手段］における第２のセパレータに相当する。また、放熱部１２Ｌｒｈは、［課題を解決するための手段］における第２の接続部に相当する。
【００４１】
また、セパレータ１２Ｕにおける放熱部１２Ｕｒｈと、上側ヒートシンク５０Ｕとの間には、放熱絶縁シート６０が挟持されている。そして、セパレータ１２Ｕにおける放熱部１２Ｕｒｈのほぼ全面が、放熱絶縁シート６０と接触している。また、セパレータ１２Ｌにおける放熱部１２Ｌｒｈと、下側ヒートシンク５０Ｌとの間にも、放熱絶縁シート６０が挟持されている。そして、セパレータ１２Ｌにおける放熱部１２Ｌｒｈのほぼ全面が、放熱絶縁シート６０と接触している。放熱絶縁シート６０は、例えば、シリコーンゴムに熱伝導性を高める性質を有する添加物を添加することによって作製される。
【００４２】
このような燃料電池スタック１００では、発電時に、第１の膜電極接合体ユニット１１（１）、および、第２の膜電極接合体ユニット１１（２）において発生した熱は、セパレータ１２Ｕにおけるカソード当接部１２Ｕｃｃ、および、アノード当接部１２Ｕｃａを介して、放熱部１２Ｕｒｈに伝導する。そして、この熱は、さらに、放熱部１２Ｕｒｈから放熱絶縁シート６０、上側ヒートシンク５０Ｕに伝導して、燃料電池スタック１００の外部に放熱される。また、発電時に、第２の膜電極接合体ユニット１１（２）、および、第３の膜電極接合体ユニット１１（３）において発生した熱は、セパレータ１２Ｌにおけるカソード当接部１２Ｌｃｃ、および、アノード当接部１２Ｌｃａを介して、放熱部１２Ｌｒｈに伝導する。そして、この熱は、さらに、放熱部１２Ｌｒｈから放熱絶縁シート６０、下側ヒートシンク５０Ｌに伝導して、燃料電池スタック１００の外部に放熱される。
【００４３】
また、燃料電池スタック１００において、隣接するセパレータ１２Ｕ間、および、隣接するセパレータ１２Ｌ間には、図示するように、絶縁部材７０が配置されている。この絶縁部材７０としては、例えば、ゴムや樹脂を用いることができる。
【００４４】
図６は、絶縁部材７０を示す説明図である。図７の左側に、絶縁部材７０の平面図を示した。また、図７の右側に、絶縁部材７０の側面図を示した。図７の左側に示したように、絶縁部材７０は、略矩形形状を有している。そして、絶縁部材７０には、セパレータ１２Ｕ、および、セパレータ１２Ｌにおける各空気供給用貫通孔１２ａｉ、および、カソードオフガス排出口１２ａｏと対応する位置に、それぞれ、貫通孔７０ａが形成されている。また、絶縁部材７０には、セパレータ１２Ｕ、および、セパレータ１２Ｌにおける水素供給用貫通孔１２ｈｉ、および、アノードオフガス排出用貫通孔１２ｈｏと対応する位置に、それぞれ、貫通孔７０ｈが形成されている。なお、絶縁部材７０における図示した上辺から上側の貫通孔７０ａまでの距離Ｌ１と、図示した下辺から下側の貫通孔７０ａまでの距離Ｌ２とは異なっている（Ｌ１＜Ｌ２）。そして、隣接するセパレータ１２Ｕ間に絶縁部材７０を配置する場合と、隣接するセパレータ１２Ｌ間に絶縁部材７０を配置する場合とでは、図５，６から分かるように、適宜、絶縁部材７０を上下反転させて利用される。
【００４５】
上述したように、隣接するセパレータ１２Ｕ間、および、隣接するセパレータ１２Ｌ間に、絶縁部材７０を配置することによって、隣接するセパレータ１２Ｕ間、および、隣接するセパレータ１２Ｌ間の絶縁を確保し、燃料電池スタック１００における直列回路を確保することができる。
【００４６】
また、絶縁部材７０の長辺部には、長辺部全体に亘って、円柱形の突起部７０ｐが形成されている。なお、両突起部７０ｐ間の距離Ｌ３は、セパレータ１２Ｕにおけるカソード当接部１２Ｕｃｃ、および、アノード当接部１２Ｕｃａの短辺の長さ、および、セパレータ１２Ｌにおけるカソード当接部１２Ｌｃｃ、および、アノード当接部１２Ｌｃａの短辺の長さと同じである。
【００４７】
上述したように、絶縁部材７０の長辺部に突起部７０ｐを設けることによって、隣接するセパレータ１２Ｕ間、および、セパレータ１２Ｌ間の沿面距離を、突起部７０ｐを設けない場合よりも長くして、隣接するセパレータ１２Ｕ間、および、セパレータ１２Ｌ間の絶縁性を向上させることができる。また、絶縁部材７０における両突起部７０ｐ間の距離Ｌ３が、セパレータ１２Ｕにおけるカソード当接部１２Ｕｃｃ、および、アノード当接部１２Ｕｃａの短辺の長さ、および、セパレータ１２Ｌにおけるカソード当接部１２Ｌｃｃ、および、アノード当接部１２Ｌｃａの短辺の長さと同じであるので、突起部７０ｐにセパレータ１２Ｕ，１２Ｌの長辺端部を当接させることによって、複数のセパレータ１２Ｕ，１２Ｌを積層するときの位置合わせを容易に行うことができる。また、突起部７０ｐによって、複数のセパレータ１２Ｕ，１２Ｌの位置ずれを防止し、セパレータ１２Ｕとセパレータ１２Ｌとの短絡を防止することもできる。
【００４８】
Ａ４．ヒートシンクの内部構造：
図７は、下側ヒートシンク５０Ｌ、および、上側ヒートシンク５０Ｕの内部構造を示す説明図である。図７（ａ）に、図４におけるＡ−Ａ断面図、すなわち、下側ヒートシンク５０Ｌの断面図を示した。また、図７（ｂ）に、図４におけるＢ−Ｂ断面図、すなわち、上側ヒートシンク５０Ｕの断面図を示した。また、図７（ａ），（ｂ）中に、冷却媒体の流れを矢印で示した。本実施例では、冷却媒体として、ＬＬＣ（ロングライフクーラント）を用いるものとした。冷却媒体として、他の液体や気体を用いるものとしてもよい。
【００４９】
図７（ａ）に示したように、下側ヒートシンク５０Ｌの側面には、冷却媒体供給口５０Ｌｉ、および、冷却媒体排出口５０Ｌｏが設けられている。そして、下側ヒートシンク５０Ｌの内部には、冷却媒体供給口５０Ｌｉから供給された冷却媒体が、膜電極接合体ＭＥＡの積層方向に対して平行に流れるとともに、蛇行して流れ、冷却媒体排出口５０Ｌｏから排出されるように、冷却媒体流路が形成されている。この冷却媒体流路は、リブ５０Ｌｒ、および、溝５０Ｌｄによって構成されている。
【００５０】
また、図７（ｂ）に示したように、上側ヒートシンク５０Ｕの側面には、冷却媒体供給口５０Ｕｉ、および、冷却媒体排出口５０Ｕｏが設けられている。そして、上側ヒートシンク５０Ｕの内部にも、冷却媒体供給口５０Ｕｉから供給された冷却媒体が、膜電極接合体ＭＥＡの積層方向に対して平行に流れるとともに、蛇行して流れ、冷却媒体排出口５０Ｕｏから排出されるように、冷却媒体流路が形成されている。この冷却媒体流路は、リブ５０Ｕｒ、および、溝５０Ｕｄによって構成されている。なお、下側ヒートシンク５０Ｌにおける冷却媒体排出口５０Ｌｏから排出された冷却媒体は、上側ヒートシンク５０Ｕにおける冷却媒体供給口５０Ｕｉに供給される。
【００５１】
上述したように、下側ヒートシンク５０Ｌ、および、上側ヒートシンク５０Ｕにおいて、冷却媒体を膜電極接合体ＭＥＡの積層方向に対して平行に流すことによって、積層された複数の膜電極接合体ＭＥＡ間の温度差、温度のバラツキを小さくすることができる。また、冷却媒体を下側ヒートシンク５０Ｌ側から流すことによって、膜電極接合体ＭＥＡにおける空気の入口側の領域を効果的に冷却し、空気の入口側の領域におけるドライアップを抑制することができる。また、下側ヒートシンク５０Ｌから排出された冷却媒体を上側ヒートシンク５０Ｕに流すことによって、上側ヒートシンク５０Ｕ内を流れる冷却媒体の温度を、下側ヒートシンク５０Ｌ内を流れる冷却媒体の温度よりも高くすることができる。したがって、膜電極接合体ＭＥＡにおける空気（カソードオフガス）の出口側の領域の温度を比較的高くし、空気（カソードオフガス）の出口側の領域におけるフラッディングを抑制することができる。
【００５２】
以上説明した第１実施例の燃料電池スタック１００によれば、発電時に、膜電極接合体ＭＥＡにおいて発生した熱を、セパレータ１２Ｕにおける放熱部１２Ｕｒｈ、および、セパレータ１２Ｌにおける放熱部１２Ｌｒｈから放熱することができる。したがって、燃料電池スタック１００において、各膜電極接合体ＭＥＡの間に配置されるセパレータに冷却媒体を流す冷却媒体流路を備える必要がない。この結果、燃料電池スタック１００における複数の単セル１０の積層方向についての長さを短くすることができる。
【００５３】
また、本実施例の燃料電池スタック１００では、セパレータ１２Ｕ，１２Ｌにおいて、突出部１２Ｕｃｐ，１２Ｌｃｐ、および、放熱部１２Ｕｒｈ，１２Ｌｒｈは、膜電極接合体ユニット１１の長辺側に設けられている。したがって、これらが膜電極接合体ユニット１１の短辺側に設けられる場合よりも、膜電極接合体ＭＥＡにおいて発生した熱が放熱部に伝導するまでの距離を短くし、また、放熱部１２Ｕｒｈ，１２Ｌｒｈの面積を大きくすることが可能となり、効率よく放熱することができる。
【００５４】
また、セパレータに冷却媒体流路（冷却水流路）を設ける場合には、セパレータに電位がかかっているので、漏電を防止するために、冷却媒体として、比較的高価ないわゆる絶縁冷媒を使用する必要があるが、本実施例の燃料電池スタック１００では、冷却媒体流路が形成された下側ヒートシンク５０Ｌ、および、上側ヒートシンク５０Ｕには、電位がかかっていないので、冷却媒体として、比較的安価な、例えば、ＬＬＣ（ロングライフクーラント）を使用することができる。
【００５５】
また、従来の燃料電池スタックでは、セパレータの一方の面にガス流路（アノードガス流路、または、カソードガス流路）を形成し、他方の面に冷却媒体流路を形成する場合があった。この場合、図示は省略するが、セパレータの厚さを薄くするために、セパレータの断面形状が波型とされ、セパレータの両面における各凹部が、ガス流路、または、冷却媒体流路として用いられる場合があった。そして、このようなセパレータでは、ガス流路の設計と冷却媒体流路の設計とが互いに直接的に影響するため、ガス流路を最適に設計することが困難だった。これに対し、本実施例の燃料電池スタック１００では、膜電極接合体ＭＥＡ間に冷却媒体流路を設けないので、セパレータ１２Ｕ、および、セパレータ１２Ｌにおけるアノードガス流路、および、カソードガス流路を、それぞれ、最適に設計することができる。
【００５６】
Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．燃料電池スタックの構成：
第２実施例の燃料電池スタックの構成は、膜電極接合体ユニット、および、セパレータ以外は、第１実施例の燃料電池スタック１００の構成と同じである。以下、第２実施例の燃料電池スタックにおける膜電極接合体ユニット、セパレータ、および、燃料電池スタックの断面構造について説明する。
【００５７】
Ｂ２．膜電極接合体ユニット：
図８は、第２実施例の燃料電池スタックにおける膜電極接合体ユニット１１Ａの概略構成を示す説明図である。図８（ａ）に、膜電極接合体ユニット１１Ａのカソード側から見た平面図を示した。また、図８（ｂ）に、図８（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。
【００５８】
図示するように、膜電極接合体ユニット１１Ａは、矩形形状を有しており、矩形形状を有する膜電極接合体ＭＥＡの周囲に、シールガスケット１１Ｓを形成し、膜電極接合体ＭＥＡのカソード１１２ｃ上、および、アノード１１２ａ上に、それぞれ、カソード側金属多孔体１１４ｃ、および、アノード側金属多孔体１１４ａを積層したものである。カソード側金属多孔体１１４ｃは、膜電極接合体ＭＥＡのカソード１１２ｃの表面に沿って、空気、および、カソードオフガスを流すためのカソードガス流路を構成する。また、アノード側金属多孔体１１４ａは、膜電極接合体ＭＥＡのアノード１１２ａの表面に沿って、水素、および、アノードオフガスを流すためのガス流路を構成する。
【００５９】
なお、カソード側金属多孔体１１４ｃ、および、アノード側金属多孔体１１４ａは、導電性を有しており、それぞれ、カソード１１２ｃ、および、アノード１１２ａの一部としても機能する。また、本実施例では、アノード側金属多孔体１１４ａ、および、カソード側金属多孔体１１４ｃとして、発泡金属焼結体を用いるものとした。発泡金属焼結体の代わりに、例えば、金属メッシュや、エキスパンドメタル等、導電性、および、ガス拡散性を有する他の金属多孔体を用いるようにしてもよい。
【００６０】
シールガスケット１１ＳＡには、第１実施例におけるシールガスケット１１Ｓと同様に、空気供給マニホールドを構成する４つの空気供給用貫通孔１１ａｉと、カソードオフガス排出マニホールドを構成する４つのカソードオフガス排出用貫通孔１１ａｏと、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔１１ｈｉと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔１１ｈｏが形成されている。
【００６１】
なお、本実施例のシールガスケット１１ＳＡにおける膜電極接合体ＭＥＡのカソード１１２ｃ側の表面には、各空気供給用貫通孔１１ａｉからカソードガス流路としてのカソード側金属多孔体１１４ｃに連通する複数の空気連通流路１１ａｉｐが形成されている。また、シールガスケット１１ＳＡにおける膜電極接合体ＭＥＡのカソード１１２ｃ側の表面には、カソード側金属多孔体１１４ｃから各カソードオフガス排出用貫通孔１１ａｏに連通する複数のカソードオフガス連通流路１１ａｏｐが形成されている。また、シールガスケット１１ＳＡにおける膜電極接合体ＭＥＡのアノード１１２ａ側の表面には、水素供給用貫通孔１１ｈｉからアノードガス流路としてのアノード側金属多孔体１１４ａに連通する複数の水素連通流路１１ｈｉｐが形成されている。また、シールガスケット１１ＳＡにおける膜電極接合体ＭＥＡのアノード１１２ａ側の表面には、アノード側金属多孔体１１４ａから各アノードオフガス排出用貫通孔１１ｈｏに連通するアノードオフガス連通流路１１ｈｏｐが形成されている。
【００６２】
Ｂ３．セパレータ：
第２実施例の燃料電池スタックも、第１実施例の燃料電池スタック１００と同様に、２種類のセパレータ、セパレータ１２ＵＡ、および、セパレータ１２ＬＡを備えている。そして、セパレータ１２ＵＡ、および、セパレータ１２ＬＡも、第１実施例におけるセパレータ１２Ｕ、および、セパレータ１２Ｌと同様に、曲げ加工されて利用される。
【００６３】
図９は、曲げ加工される前のセパレータ１２ＵＡ、および、セパレータ１２ＬＡの平面図である。図９（ａ）に、セパレータ１２ＵＡを膜電極接合体ユニット１１Ａにおけるカソード側金属多孔体１１４ｃ、および、アノード側金属多孔体１１４ａと当接する面側から見たときの平面図を示した。また、図９（ｂ）に、セパレータ１２ＬＡを膜電極接合体ユニット１１Ａにおけるカソード側金属多孔体１１４ｃ、および、アノード側金属多孔体１１４ａと当接する面側から見たときの平面図を示した。
【００６４】
図９（ａ）に示したように、セパレータ１２ＵＡは、第１実施例におけるセパレータ１２Ｕと同様に、矩形形状を有しており、燃料電池スタックにおいて、膜電極接合体ユニット１１Ａにおけるカソード側金属多孔体１１４ｃ（カソード１１２ｃ）と当接するカソード当接部１２ＵＡｃｃと、膜電極接合体ユニット１１Ａにおけるアノード側金属多孔体１１４ａ（アノード１１２ａ）と当接するアノード当接部１２ＵＡｃａと、放熱部１２Ｕｒｈとを備えている。カソード当接部１２ＵＡｃｃ、および、アノード当接部１２ＵＡｃａの短辺の長さは同じである。
【００６５】
そして、カソード当接部１２ＵＡｃｃには、第１実施例のセパレータ１２Ｕにおけるカソード当接部１２Ｕｃｃと同様に、空気供給マニホールドを構成する４つの空気供給用貫通孔１２ａｉと、カソードオフガス排出マニホールドを構成する４つのカソードオフガス排出口１２ａｏと、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔１２ｈｉと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔１２ｈｏとが形成されている。また、アノード当接部１２ＵＡｃａにも、第１実施例のセパレータ１２Ｕにおけるアノード当接部１２Ｕｃａと同様に、空気供給マニホールドを構成する４つの空気供給用貫通孔１２ａｉと、カソードオフガス排出マニホールドを構成する４つのカソードオフガス排出口１２ａｏと、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔１２ｈｉと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔１２ｈｏとが形成されている。そして、本実施例の燃料電池スタックでは、膜電極接合体ユニット１１Ａがカソードガス流路としてのカソード側金属多孔体１１４ｃ、および、アノードガス流路としてのアノード側金属多孔体１１４ａを備えているので、セパレータ１２ＵＡは、第１実施例におけるセパレータ１２Ｕと異なり、リブ１２ａｒおよび溝１２ａｄや、リブ１２ｈｒおよび溝１２ｈｄを備えていない。
【００６６】
なお、セパレータ１２ＵＡは、カソード当接部１２ＵＡｃｃに形成された各空気供給用貫通孔１２ａｉ、各カソードオフガス排出口１２ａｏ、水素供給用貫通孔１２ｈｉ、アノードオフガス排出用貫通孔１２ｈｏと、アノード当接部１２ＵＡｃａに形成された各空気供給用貫通孔１２ａｉ、各カソードオフガス排出口１２ａｏ、水素供給用貫通孔１２ｈｉ、アノードオフガス排出用貫通孔１２ｈｏとがそれぞれ互いに一致するように、カソード当接部１２ＵＡｃｃと放熱部１２Ｕｒｈとの境界、および、アノード当接部１２ＵＡｃａと放熱部１２Ｕｒｈとの境界で、図の手前側に曲げ加工される。
【００６７】
また、図９（ｂ）に示したように、セパレータ１２ＬＡは、第１実施例におけるセパレータ１２Ｌと同様に、矩形形状を有しており、燃料電池スタックにおいて、膜電極接合体ユニット１１Ａにおけるカソード側金属多孔体１１４ｃ（カソード１１２ｃ）と当接するカソード当接部１２ＬＡｃｃと、膜電極接合体ユニット１１Ａにおけるアノード側金属多孔体１１４ａ（アノード１１２ａ）と当接するアノード当接部１２ＬＡｃａと、放熱部１２Ｌｒｈとを備えている。カソード当接部１２ＬＡｃｃ、および、アノード当接部１２ＬＡｃａの短辺の長さは同じである。
【００６８】
そして、アノード当接部１２Ｌｃａには、第１実施例のセパレータ１２Ｕにおけるアノード当接部１２Ｌｃａと同様に、空気供給マニホールドを構成する４つの空気供給用貫通孔１２ａｉと、カソードオフガス排出マニホールドを構成する４つのカソードオフガス排出口１２ａｏと、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔１２ｈｉと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔１２ｈｏとが形成されている。また、カソード当接部１２ＬＡｃｃにも、第１実施例のセパレータ１２Ｕにおけるカソード当接部１２Ｕｃｃと同様に、空気供給マニホールドを構成する４つの空気供給用貫通孔１２ａｉと、カソードオフガス排出マニホールドを構成する４つのカソードオフガス排出口１２ａｏと、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔１２ｈｉと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔１２ｈｏとが形成されている。そして、本実施例の燃料電池スタックでは、膜電極接合体ユニット１１Ａがカソードガス流路としてのカソード側金属多孔体１１４ｃ、および、アノードガス流路としてのアノード側金属多孔体１１４ａを備えているので、セパレータ１２ＬＡは、第１実施例におけるセパレータ１２Ｌと異なり、リブ１２ａｒおよび溝１２ａｄや、リブ１２ｈｒおよび溝１２ｈｄを備えていない。
【００６９】
なお、セパレータ１２ＬＡは、カソード当接部１２ＬＡｃｃに形成された各空気供給用貫通孔１２ａｉ、各カソードオフガス排出口１２ａｏ、水素供給用貫通孔１２ｈｉ、アノードオフガス排出用貫通孔１２ｈｏと、アノード当接部１２ＬＡｃａに形成された各空気供給用貫通孔１２ａｉ、各カソードオフガス排出口１２ａｏ、水素供給用貫通孔１２ｈｉ、アノードオフガス排出用貫通孔１２ｈｏとがそれぞれ互いに一致するように、アノード当接部１２ＬＡｃａと放熱部１２Ｌｒｈとの境界、および、カソード当接部１２ＬＡｃｃと放熱部１２Ｌｒｈとの境界で、図の手前側に曲げ加工される。
【００７０】
Ｂ４．燃料電池スタックの断面構造：
図１０は、第２実施例の燃料電池スタックの断面構造を示す説明図である。図１０では、図５と同様に、第２実施例の燃料電池スタックの一部の側断面図を示した。なお、図１０では、下側ヒートシンク５０Ｌ、および、上側ヒートシンク５０Ｕの断面についての図示は省略されているが、これらの内部構造は、第１実施例と同じである（図７参照）。
【００７１】
図１０において、最も左側に描かれた膜電極接合体ユニット１１Ａを、第１の膜電極接合体ユニット１１Ａ（１）と呼ぶものとする。また、第１の膜電極接合体ユニット１１Ａ（１）と隣接して配置された膜電極接合体ユニット１１Ａ（左から２番目に描かれた膜電極接合体ユニット１１Ａ）を、第２の膜電極接合体ユニット１１Ａ（２）と呼ぶものとする。また、第２の膜電極接合体ユニット１１Ａ（２）の第１の膜電極接合体ユニット１１Ａ（１）とは反対側に隣接して配置された膜電極接合体ユニット１１Ａ（左から３番目に描かれた膜電極接合体ユニット１１Ａ）を、第３の膜電極接合体ユニット１１Ａ（３）と呼ぶものとする。
【００７２】
図示するように、第２実施例の燃料電池スタックにおいて、セパレータ１２ＵＡにおけるカソード当接部１２ＵＡｃｃは、第１の膜電極接合体ユニット１１Ａ（１）におけるアノード側金属多孔体１１４ａ（カソード１１２ｃ）に当接する。また、セパレータ１２ＵＡにおけるアノード当接部１２ＵＡｃａは、第２の膜電極接合体ユニット１１Ａ（２）におけるアノード側金属多孔体１１４ａ（アノード１１２ａ）に当接する。そして、カソード当接部１２ＵＡｃｃは、第１の膜電極接合体ユニット１１Ａ（１）の上側長辺よりも外側に突出する突出部１２Ｕｃｐを有している。また、アノード当接部１２ＵＡｃａは、第２の膜電極接合体ユニット１１Ａ（２）の上側長辺よりも外側に突出する突出部１２Ｕｃｐを有している。セパレータ１２ＵＡは、［課題を解決するための手段］における第１のセパレータに相当する。
【００７３】
また、第２実施例の燃料電池スタックにおいて、セパレータ１２ＬＡにおけるカソード当接部１２ＬＡｃｃは、第２の膜電極接合体ユニット１１Ａ（２）におけるカソード側金属多孔体１１４ｃ（カソード１１２ｃ）に当接する。また、セパレータ１２ＬＡにおけるアノード当接部１２ＬＡｃａは、第３の膜電極接合体ユニット１１Ａ（３）におけるアノード側金属多孔体１１４ａ（アノード１１２ａ）に当接する。そして、カソード当接部１２ＬＡｃｃは、第２の膜電極接合体ユニット１１Ａ（２）の下側長辺よりも外側に突出する突出部１２Ｌｃｐを有している。また、アノード当接部１２ＬＡｃａは、第３の膜電極接合体ユニット１１Ａ（３）の下側長辺よりも外側に突出する突出部１２Ｌｃｐを有している。セパレータ１２ＬＡは、［課題を解決するための手段］における第２のセパレータに相当する。
【００７４】
また、第１実施例の燃料電池スタック１００と同様に、セパレータ１２ＵＡにおける放熱部１２Ｕｒｈと、上側ヒートシンク５０Ｕとの間には、放熱絶縁シート６０が挟持されている。そして、セパレータ１２ＵＡにおける放熱部１２Ｕｒｈのほぼ全面が、放熱絶縁シート６０と接触している。また、セパレータ１２ＬＡにおける放熱部１２Ｌｒｈと、下側ヒートシンク５０Ｌとの間にも、放熱絶縁シート６０が挟持されている。そして、セパレータ１２ＬＡにおける放熱部１２Ｌｒｈのほぼ全面が、放熱絶縁シート６０と接触している。
【００７５】
このような燃料電池スタックでは、発電時に、第１の膜電極接合体ユニット１１Ａ（１）、および、第２の膜電極接合体ユニット１１Ａ（２）において発生した熱は、セパレータ１２ＵＡにおけるカソード当接部１２ＵＡｃｃ、および、アノード当接部１２ＵＡｃａを介して、放熱部１２Ｕｒｈに伝導する。そして、この熱は、さらに、放熱部１２Ｕｒｈから放熱絶縁シート６０、上側ヒートシンク５０Ｕに伝導して、燃料電池スタックの外部に放熱される。また、発電時に、第２の膜電極接合体ユニット１１Ａ（２）、および、第３の膜電極接合体ユニット１１Ａ（３）において発生した熱は、セパレータ１２ＬＡにおけるカソード当接部１２ＬＡｃｃ、および、アノード当接部１２ＬＡｃａを介して、放熱部１２Ｌｒｈに伝導する。そして、この熱は、さらに、放熱部１２Ｌｒｈから放熱絶縁シート６０、下側ヒートシンク５０Ｌに伝導して、燃料電池スタックの外部に放熱される。
【００７６】
また、燃料電池スタックにおいて、隣接するセパレータ１２ＵＡ間、および、隣接するセパレータ１２ＬＡ間には、第１実施例の燃料電池スタック１００と同様に、絶縁部材７０が配置されている。
【００７７】
以上説明した第２実施例の燃料電池スタックによっても、先に説明した第１実施例の燃料電池スタック１００と同様に、発電時に、膜電極接合体ＭＥＡにおいて発生した熱を、セパレータ１２ＵＡにおける放熱部１２Ｕｒｈ、および、セパレータ１２ＬＡにおける放熱部１２Ｌｒｈから放熱することができる。したがって、燃料電池スタックにおいて、各膜電極接合体ＭＥＡの間に配置されるセパレータに冷却媒体を流す冷却媒体流路を備える必要がない。この結果、燃料電池スタックにおける複数の単セル１０の積層方向についての長さを短くすることができる。
【００７８】
Ｃ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
【００７９】
Ｃ１．変形例１：
上記実施例、例えば、上記第２実施例では、セパレータ１２ＵＡ，１２ＬＡは、それぞれ、１枚の平板を２ヶ所で折り曲げることによって作製されるものとしたが（図９，１０参照）、本発明は、これに限られない。
【００８０】
図１１は、第２実施例のセパレータ１２ＵＡの変形例としてのセパレータ１２ＵＢの形状を示す説明図である。変形例としてのセパレータ１２ＵＢは、図１１（ａ），（ｂ）に示したように、２枚の平板状の部材１２ＵＢ１，１２ＵＢ２からなる。図９との比較から分かるように、これらは、それぞれ、図９に示したセパレータ１２ＵＡを２つに分割した形状を有している。そして、図１１（ｃ）に側面図で示したように、各部材１２ＵＢ１，１２ＵＢ２をそれぞれ折り曲げて組み合わせることによって、第２実施例のセパレータ１２ＵＡとほぼ同じ形状を有するセパレータ１２ＵＢを構成することができる。このような構成は、セパレータ１２ＬＡについても同様である。なお、２つの部材１２ＵＢ１，１２ＵＢ２の折り曲げ方、組み合わせ方は、適宜、変更可能である。
【００８１】
上述したように、例えば、セパレータ１２ＵＢを２つの部材１２ＵＢ１，１２ＵＢ２によって構成することにより、燃料電池スタックを構成する各部材を順次積層して、燃料電池スタックを製造することができるので、燃料電池スタックを製造するときの作業性を向上させることができる。
【００８２】
Ｃ２．変形例２：
上記実施例では、上側ヒートシンク５０Ｕ、および、下側ヒートシンク５０Ｌは、金属製の部材からなり、セパレータ１２Ｕ，１２ＵＡと上側ヒートシンク５０Ｕとの間、および、セパレータ１２Ｌ，１２ＬＡと下側ヒートシンク５０Ｌとの間に放熱絶縁シート６０を備えるものとしたが、本発明は、これに限られない。上側ヒートシンク５０Ｕ、および、下側ヒートシンク５０Ｌを、金属製の部材の代わりに、絶縁性部材によって構成するようにしてもよい。そして、上側ヒートシンク５０Ｕ、および、下側ヒートシンク５０Ｌを、絶縁性部材によって構成する場合には、放熱絶縁シート６０を省略してもよい。
【００８３】
Ｃ３．変形例３：
上記実施例では、上側ヒートシンク５０Ｕ、および、下側ヒートシンク５０Ｌは、内部に冷却媒体流路が形成されているものとしたが、本発明は、これに限られない。上側ヒートシンク５０Ｕ、および、下側ヒートシンク５０Ｌの内部に冷却媒体流路が形成されなくてもよい。
【００８４】
Ｃ４．変形例４：
上記実施例では、上側ヒートシンク５０Ｕ、および、下側ヒートシンク５０Ｌにおいて、冷却媒体流路は、それぞれ、冷却媒体が膜電極接合体ＭＥＡの積層方向に対して平行に流れるように形成されるものとしたが、本発明は、これに限られない。上側ヒートシンク５０Ｕ、および、下側ヒートシンク５０Ｌにおいて、冷却媒体流路は、任意に設計可能である。ただし、上記実施例によれば、先に説明したように、積層された複数の膜電極接合体ＭＥＡ間の温度差、温度のバラツキを小さくすることができるという利点がある。
【００８５】
Ｃ５．変形例５：
上記第１実施例では、燃料電池スタック１００は、上側ヒートシンク５０Ｕ、および、下側ヒートシンク５０Ｌを備えるものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、上側ヒートシンク５０Ｕを省略するようにしてもよい。また、上側ヒートシンク５０Ｕ、および、下側ヒートシンク５０Ｌに加えて、さらに、燃料電池スタック１００の側面にも、セパレータ１２Ｕ，１２Ｌを冷却するためのヒートシンクを備えるようにしてもよい。これらは、第２実施例の燃料電池スタックにおいても同様である。
【００８６】
Ｃ６．変形例６：
上記実施例では、上側ヒートシンク５０Ｕと下側ヒートシンク５０Ｌとは、ボルト８０ｂおよびナット８０ｎによって締結されるものとしたが、他の部材、例えば、バンドによって締結されるものとしてもよい。
【００８７】
Ｃ７．変形例７：
上記実施例では、燃料電池スタック１００において、空気と水素との流れを直交流としたが、対向流、あるいは、並行流としてもよい。この場合、適宜、各種マニホールドの設計変更を行えばよい。
【符号の説明】
【００８８】
１００…燃料電池スタック
１０…単セル
１１，１１Ａ…膜電極接合体ユニット
１１０…電解質膜
１１２ａ…アノード
１１２ｃ…カソード
１１２ａｃ…アノード側触媒層
１１２ａｄ…アノード側ガス拡散層
１１２ｃｃ…カソード側触媒層
１１２ｃｄ…カソード側ガス拡散層
１１４ａ…アノード側金属多孔体
１１４ｃ…カソード側金属多孔体
１１ａｉｐ…空気連通流路
１１ａｏｐ…カソードオフガス連通流路
１１ｈｉｐ…水素連通流路
１１ｈｏｐ…アノードオフガス連通流路
１１Ｓ，１１ＳＡ…シールガスケット
１１ａｉ…空気供給用貫通孔
１１ａｏ…カソードオフガス排出用貫通孔
１１ｈｉ…水素供給用貫通孔
１１ｈｏ…アノードオフガス排出用貫通孔
１２Ｕ，１２ＵＡ，１２ＵＢ…セパレータ
１２Ｕｃｃ，１２ＵＡｃｃ…カソード当接部
１２Ｕｃａ，１２ＵＡｃａ…アノード当接部
１２Ｕｃｐ…突出部
１２Ｕｒｈ…放熱部
１２Ｌ，１２ＬＡ…セパレータ
１２Ｌｃｃ，１２ＬＡｃｃ…カソード当接部
１２Ｌｃａ，１２ＬＡｃａ…アノード当接部
１２Ｌｃｐ…突出部
１２Ｌｒｈ…放熱部
１２ａｒ，１２ｈｒ…リブ
１２ａｄ，１２ｈｄ…溝
１２ａｉ…空気供給用貫通孔
１２ａｏ…カソードオフガス排出口
１２ｈｉ…水素供給用貫通孔
１２ｈｏ…アノードオフガス排出用貫通孔
２０…集電板
３０…絶縁板
４０…エンドプレート
４０ａｉ…空気供給口
４０ａｏ…カソードオフガス排出口
４０ｈｉ…水素供給口
４０ｈｏ…アノードオフガス排出口
５０Ｌ…下側ヒートシンク
５０Ｌｉ…冷却媒体供給口
５０Ｌｏ…冷却媒体排出口
５０Ｌｒ…リブ
５０Ｌｄ…溝
５０Ｕ…上側ヒートシンク
５０Ｕｉ…冷却媒体供給口
５０Ｕｏ…冷却媒体排出口
５０Ｕｒ…リブ
５０Ｕｄ…溝
６０…放熱絶縁シート
７０…絶縁部材
７０ａ，７０ｈ…貫通孔
７０ｐ…突起部
８０ｂ…ボルト
８０ｎ…ナット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合してなる膜電極接合体を、セパレータを介在させて、複数積層することによって構成される燃料電池スタックであって、
略矩形形状を有する第１の膜電極接合体と、
前記第１の膜電極接合体と略同一の形状を有し、前記第１の膜電極接合体と隣接して配置された第２の膜電極接合体と、
前記第１および第２の膜電極接合体と略同一の形状を有し、前記第２の膜電極接合体に対して前記第１の膜電極接合体とは反対側に隣接して配置された第３の膜電極接合体と、
前記第１の膜電極接合体のカソードに当接するとともに、前記第１の膜電極接合体における第１の長辺よりも外側に突出する突出部を有する第１のカソード当接部と、前記第２の膜電極接合体のアノードに当接するとともに、前記第１の膜電極接合体における第１の長辺と同じ側の、前記第２の膜電極接合体における第１の長辺よりも外側に突出する突出部を有する第１のアノード当接部と、前記第１のカソード当接部における前記突出部と前記第１のアノード当接部における前記突出部とを接続する第１の接続部と、を有する第１のセパレータと、
前記第２の膜電極接合体のカソードに当接するとともに、前記第２の膜電極接合体における前記第１の長辺と対向する第２の長辺よりも外側に突出する突出部を有する第２のカソード当接部と、前記第３の膜電極接合体のアノードに当接するとともに、前記第２の膜電極接合体における前記第２の長辺と同じ側の、前記第３の膜電極接合体における第２の長辺よりも外側に突出する突出部を有する第２のアノード当接部と、前記第２のカソード当接部における前記突出部と前記第２のアノード当接部における前記突出部とを接続する第２の接続部と、を有する第２のセパレータと、
冷却媒体を流すための冷却媒体流路を内部に有するヒートシンクと、を備え、
前記第１のセパレータにおける前記第１の接続部は、前記第１のカソード当接部と前記第１のアノード当接部とを電気的に接続するとともに、前記第１および第２の膜電極接合体において発生した熱を、前記第１のカソード当接部および前記第１のアノード当接部を介して受け取って、前記ヒートシンクに放熱するように構成されており、
前記第２のセパレータにおける前記第２の接続部は、前記第２のカソード当接部と前記第２のアノード当接部とを電気的に接続するとともに、前記第２および第３の膜電極接合体において発生した熱を、前記第２のカソード当接部および前記第２のアノード当接部を介して受け取って、前記ヒートシンクに放熱するように構成されている、
燃料電池スタック。
【請求項１】
電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合してなる膜電極接合体を、セパレータを介在させて、複数積層することによって構成される燃料電池スタックであって、
略矩形形状を有する第１の膜電極接合体と、
前記第１の膜電極接合体と略同一の形状を有し、前記第１の膜電極接合体と隣接して配置された第２の膜電極接合体と、
前記第１および第２の膜電極接合体と略同一の形状を有し、前記第２の膜電極接合体に対して前記第１の膜電極接合体とは反対側に隣接して配置された第３の膜電極接合体と、
前記第１の膜電極接合体のカソードに当接するとともに、前記第１の膜電極接合体における第１の長辺よりも外側に突出する突出部を有する第１のカソード当接部と、前記第２の膜電極接合体のアノードに当接するとともに、前記第１の膜電極接合体における第１の長辺と同じ側の、前記第２の膜電極接合体における第１の長辺よりも外側に突出する突出部を有する第１のアノード当接部と、前記第１のカソード当接部における前記突出部と前記第１のアノード当接部における前記突出部とを接続する第１の接続部と、を有する第１のセパレータと、
前記第２の膜電極接合体のカソードに当接するとともに、前記第２の膜電極接合体における前記第１の長辺と対向する第２の長辺よりも外側に突出する突出部を有する第２のカソード当接部と、前記第３の膜電極接合体のアノードに当接するとともに、前記第２の膜電極接合体における前記第２の長辺と同じ側の、前記第３の膜電極接合体における第２の長辺よりも外側に突出する突出部を有する第２のアノード当接部と、前記第２のカソード当接部における前記突出部と前記第２のアノード当接部における前記突出部とを接続する第２の接続部と、を有する第２のセパレータと、
冷却媒体を流すための冷却媒体流路を内部に有するヒートシンクと、を備え、
前記第１のセパレータにおける前記第１の接続部は、前記第１のカソード当接部と前記第１のアノード当接部とを電気的に接続するとともに、前記第１および第２の膜電極接合体において発生した熱を、前記第１のカソード当接部および前記第１のアノード当接部を介して受け取って、前記ヒートシンクに放熱するように構成されており、
前記第２のセパレータにおける前記第２の接続部は、前記第２のカソード当接部と前記第２のアノード当接部とを電気的に接続するとともに、前記第２および第３の膜電極接合体において発生した熱を、前記第２のカソード当接部および前記第２のアノード当接部を介して受け取って、前記ヒートシンクに放熱するように構成されている、
燃料電池スタック。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１０−２７２４０３（Ｐ２０１０−２７２４０３Ａ）
【公開日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１２４０６７（Ｐ２００９−１２４０６７）
【出願日】平成２１年５月２２日（２００９．５．２２）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月２２日（２００９．５．２２）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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