JP2003338305A - 燃料電池のスタック構造 - Google Patents
燃料電池のスタック構造Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 セル積層方向端部、とくにガス出入り側端セ
ルの、フラッディングやコンタミによる電圧低下を抑制
できる燃料電池のスタック構造の提供。 【解決手段】 （１）燃料電池、たとえば固体高分子電
解質型燃料電池、のセル積層体の、少なくともガス出入
り側端部に、発電に寄与しない、ガス流路を形成した層
３１を設けた燃料電池のスタック構造。層３１は、ガス
流路をもつがＭＥＡをもたないダミーセルからなってい
てもよい。 （２） 発電に寄与しない、ガス流路を形成した層３１
の１面に、燃料ガス流路３６ａと酸化ガス流路３６ｂを
共に設けた燃料電池のスタック構造。
ルの、フラッディングやコンタミによる電圧低下を抑制
できる燃料電池のスタック構造の提供。 【解決手段】 （１）燃料電池、たとえば固体高分子電
解質型燃料電池、のセル積層体の、少なくともガス出入
り側端部に、発電に寄与しない、ガス流路を形成した層
３１を設けた燃料電池のスタック構造。層３１は、ガス
流路をもつがＭＥＡをもたないダミーセルからなってい
てもよい。 （２） 発電に寄与しない、ガス流路を形成した層３１
の１面に、燃料ガス流路３６ａと酸化ガス流路３６ｂを
共に設けた燃料電池のスタック構造。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池、とくに
固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）のスタック
構造に関する。
固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）のスタック
構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電
極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembl
y ）とセパレータとを積層したものから構成される。Ｍ
ＥＡは、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜
の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃
料極）および電解質膜の他面に配置された触媒層からな
る電極（カソード、空気極）とからなる。セパレータ
は、アノード、カソードに燃料ガス（水素）および酸化
ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体通路を
有するとともに、冷媒を流すための冷媒流路を有する。
ＭＥＡとセパレータとの間には拡散層が設けられる。１
以上のセルを積層してモジュールを構成し、モジュール
を積層してモジュール群とし、モジュール群のセル積層
方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレ
ートを配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、
セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（た
とえば、テンションプレート、テンションボルトなど）
にて固定してスタックを構成する。固体高分子電解質型
燃料電池では、アノード側では、水素を水素イオンと電
子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソ
ード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよ
び電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパ
レータを通してくる、またはセル積層体一端のセルのア
ノードで生じた電子が外部回路を通ってセル積層体他端
のセルのカソードに流れてくる）から水を生成する反応
が行われる。 アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ 電解質膜中を水素イオンが移動するためには電解質膜が
適度に湿潤していることが必要であり、ガスを適度に加
湿してセル積層体に供給する他、上記発電反応で生成し
た水を電解質膜の湿潤に利用している。しかし、湿潤過
多になると、ガス流路に水だまり（フラッディング）が
生じ、燃料電池の出力低下が起こる。特開２００１−２
３６９７５は、燃料電池スタックの奥側端部に、発電に
寄与しないガスのバイパス流路を設け、このバイパス流
路を通ったガスで出側のガスマニホルドに滞留する生成
水を押し出して、生成水による不具合の発生を抑制する
ことを提案している。
極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembl
y ）とセパレータとを積層したものから構成される。Ｍ
ＥＡは、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜
の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃
料極）および電解質膜の他面に配置された触媒層からな
る電極（カソード、空気極）とからなる。セパレータ
は、アノード、カソードに燃料ガス（水素）および酸化
ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体通路を
有するとともに、冷媒を流すための冷媒流路を有する。
ＭＥＡとセパレータとの間には拡散層が設けられる。１
以上のセルを積層してモジュールを構成し、モジュール
を積層してモジュール群とし、モジュール群のセル積層
方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレ
ートを配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、
セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（た
とえば、テンションプレート、テンションボルトなど）
にて固定してスタックを構成する。固体高分子電解質型
燃料電池では、アノード側では、水素を水素イオンと電
子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソ
ード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよ
び電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパ
レータを通してくる、またはセル積層体一端のセルのア
ノードで生じた電子が外部回路を通ってセル積層体他端
のセルのカソードに流れてくる）から水を生成する反応
が行われる。 アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ 電解質膜中を水素イオンが移動するためには電解質膜が
適度に湿潤していることが必要であり、ガスを適度に加
湿してセル積層体に供給する他、上記発電反応で生成し
た水を電解質膜の湿潤に利用している。しかし、湿潤過
多になると、ガス流路に水だまり（フラッディング）が
生じ、燃料電池の出力低下が起こる。特開２００１−２
３６９７５は、燃料電池スタックの奥側端部に、発電に
寄与しないガスのバイパス流路を設け、このバイパス流
路を通ったガスで出側のガスマニホルドに滞留する生成
水を押し出して、生成水による不具合の発生を抑制する
ことを提案している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の燃料電
池スタックには、端部セルが発電中にセル電圧が低下し
てしまうという問題がある。この問題が発生する理由
は、 端部のセルには凝縮水や不純物（系の金属イオン
等）が混入しやすいために、フラッディングやコンタミ
が起こり、セル電圧の低下を引き起こすこと、および 端部は外部の熱の影響を受け、冷やされやすく、フ
ラッディングを起こしていること、等である。特開２０
０１−２３６９７５のように、スタックのガス出入り奥
側端にガスのバイパス流路を設けても、ガス出入り側端
のセルの電圧低下を解決できない。とくに、ガス中に混
入した不純物による不具合発生はガス出入り側端のセル
に起こりやすいが、それを解決できないし、また、ガス
出入り側端のセルが冷えやすくフラッディングを生じる
という問題も解決できない。本発明の目的は、セル積層
方向端部、とくにガス出入り側端セルの、フラッディン
グやコンタミによる電圧低下を抑制できる燃料電池のス
タック構造を提供することにある。
池スタックには、端部セルが発電中にセル電圧が低下し
てしまうという問題がある。この問題が発生する理由
は、 端部のセルには凝縮水や不純物（系の金属イオン
等）が混入しやすいために、フラッディングやコンタミ
が起こり、セル電圧の低下を引き起こすこと、および 端部は外部の熱の影響を受け、冷やされやすく、フ
ラッディングを起こしていること、等である。特開２０
０１−２３６９７５のように、スタックのガス出入り奥
側端にガスのバイパス流路を設けても、ガス出入り側端
のセルの電圧低下を解決できない。とくに、ガス中に混
入した不純物による不具合発生はガス出入り側端のセル
に起こりやすいが、それを解決できないし、また、ガス
出入り側端のセルが冷えやすくフラッディングを生じる
という問題も解決できない。本発明の目的は、セル積層
方向端部、とくにガス出入り側端セルの、フラッディン
グやコンタミによる電圧低下を抑制できる燃料電池のス
タック構造を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明はつぎの通りである。 （１） 燃料電池のセル積層体の、少なくともガス出入
り側端部に、発電に寄与しない、ガス流路を形成した層
を設けた燃料電池のスタック構造。 （２） 固体高分子電解質型燃料電池のセル積層体の、
少なくともガス出入り側端部に、発電に寄与しない、ガ
ス流路を形成した層を設けた燃料電池のスタック構造。 （３） 固体高分子電解質型燃料電池のセル積層体の、
少なくともガス出入り側端部に、発電に寄与しない、ガ
ス流路をもつがＭＥＡをもたないダミーセルの層を配置
した燃料電池のスタック構造。 （４） 前記発電に寄与しない、ガス流路を形成した層
を、セル積層体の両端部に設けた（１）または（２）ま
たは（３）記載の燃料電池のスタック構造。 （５） 前記発電に寄与しない、ガス流路を形成した層
の１面に、燃料ガス流路と酸化ガス流路を共に設けた
（１）または（２）または（３）または（４）記載の燃
料電池のスタック構造。
明はつぎの通りである。 （１） 燃料電池のセル積層体の、少なくともガス出入
り側端部に、発電に寄与しない、ガス流路を形成した層
を設けた燃料電池のスタック構造。 （２） 固体高分子電解質型燃料電池のセル積層体の、
少なくともガス出入り側端部に、発電に寄与しない、ガ
ス流路を形成した層を設けた燃料電池のスタック構造。 （３） 固体高分子電解質型燃料電池のセル積層体の、
少なくともガス出入り側端部に、発電に寄与しない、ガ
ス流路をもつがＭＥＡをもたないダミーセルの層を配置
した燃料電池のスタック構造。 （４） 前記発電に寄与しない、ガス流路を形成した層
を、セル積層体の両端部に設けた（１）または（２）ま
たは（３）記載の燃料電池のスタック構造。 （５） 前記発電に寄与しない、ガス流路を形成した層
の１面に、燃料ガス流路と酸化ガス流路を共に設けた
（１）または（２）または（３）または（４）記載の燃
料電池のスタック構造。
【０００５】上記（１）、（２）、（３）の燃料電池の
スタック構造では、少なくともガス出入り側端部に、発
電に寄与しない、ガス流路を形成した層を設けたので、
セル積層方向端部、とくにガス出入り側端セルの、水に
よるフラッディングや不純物によるコンタミによる電圧
低下を抑制できる。また、外部の温度（低温）の影響を
緩和でき、水の凝縮を抑制でき、フラッディングを抑制
できる。上記（４）の燃料電池のスタック構造では、発
電に寄与しない、ガス流路を形成した層を、セル積層体
の両端部に設けたので、セル積層方向両端部の、フラッ
ディングやコンタミによる電圧低下を抑制できる。上記
（５）の燃料電池のスタック構造では、１つの面内に燃
料ガス流路と酸化ガス流路を共に設けたので、２つの面
にガス流路を設ける場合に比べて層厚を薄くできる。
スタック構造では、少なくともガス出入り側端部に、発
電に寄与しない、ガス流路を形成した層を設けたので、
セル積層方向端部、とくにガス出入り側端セルの、水に
よるフラッディングや不純物によるコンタミによる電圧
低下を抑制できる。また、外部の温度（低温）の影響を
緩和でき、水の凝縮を抑制でき、フラッディングを抑制
できる。上記（４）の燃料電池のスタック構造では、発
電に寄与しない、ガス流路を形成した層を、セル積層体
の両端部に設けたので、セル積層方向両端部の、フラッ
ディングやコンタミによる電圧低下を抑制できる。上記
（５）の燃料電池のスタック構造では、１つの面内に燃
料ガス流路と酸化ガス流路を共に設けたので、２つの面
にガス流路を設ける場合に比べて層厚を薄くできる。
【０００６】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の燃料電池のスタ
ック構造を、図１〜図７を参照して、説明する。本発明
のガス流路が適用される燃料電池は、たとえば固体高分
子電解質型燃料電池１０である。燃料電池１０は、たと
えば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外
に用いられてもよい。
ック構造を、図１〜図７を参照して、説明する。本発明
のガス流路が適用される燃料電池は、たとえば固体高分
子電解質型燃料電池１０である。燃料電池１０は、たと
えば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外
に用いられてもよい。
【０００７】固体高分子電解質型燃料電池１０は、図
６、図７に示すように、膜−電極アッセンブリ（ＭＥ
Ａ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータとの
積層体からなる。ＭＥＡは、イオン交換膜からなる電解
質膜１１と電解質膜１１の一面に配置された触媒層１２
からなる電極１４（アノード、燃料極）および電解質膜
１１の他面に配置された触媒層１５からなる電極１７
（カソード、空気極）とからなる。セパレータ１８に
は、電極１４、１７に燃料ガス（水素）および酸化ガス
（酸素、通常は空気）を供給するためのガス流路２７
（燃料ガス流路２７ａ、酸化ガス流路２７ｂ）および燃
料電池冷却用の冷却水が流れる冷却水流路２６が形成さ
れている。ＭＥＡとセパレータ１８との間には、アノー
ド側に拡散層１３が、カソード側に拡散層１６が設けら
れる。ＭＥＡとセパレータ１８を重ねてセルを形成し、
該セルを少なくとも１層積層してモジュール１９を構成
し（たとえば、２セルから１モジュールを構成し）、モ
ジュール１９を積層してセル積層体とし、セル積層体の
少なくともガス出入り側端または両端に後述する発電に
寄与しない層３１を配置する。そして、該層３１を含め
たセル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、
インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セ
ル積層体をセル積層方向に締め付けセル積層体の外側で
セル積層方向に延びる締結部材２４（たとえば、テンシ
ョンプレート、スルーボルトなど）とボルト２５または
ナットで固定して燃料電池スタック２３を構成する。
６、図７に示すように、膜−電極アッセンブリ（ＭＥ
Ａ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータとの
積層体からなる。ＭＥＡは、イオン交換膜からなる電解
質膜１１と電解質膜１１の一面に配置された触媒層１２
からなる電極１４（アノード、燃料極）および電解質膜
１１の他面に配置された触媒層１５からなる電極１７
（カソード、空気極）とからなる。セパレータ１８に
は、電極１４、１７に燃料ガス（水素）および酸化ガス
（酸素、通常は空気）を供給するためのガス流路２７
（燃料ガス流路２７ａ、酸化ガス流路２７ｂ）および燃
料電池冷却用の冷却水が流れる冷却水流路２６が形成さ
れている。ＭＥＡとセパレータ１８との間には、アノー
ド側に拡散層１３が、カソード側に拡散層１６が設けら
れる。ＭＥＡとセパレータ１８を重ねてセルを形成し、
該セルを少なくとも１層積層してモジュール１９を構成
し（たとえば、２セルから１モジュールを構成し）、モ
ジュール１９を積層してセル積層体とし、セル積層体の
少なくともガス出入り側端または両端に後述する発電に
寄与しない層３１を配置する。そして、該層３１を含め
たセル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、
インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セ
ル積層体をセル積層方向に締め付けセル積層体の外側で
セル積層方向に延びる締結部材２４（たとえば、テンシ
ョンプレート、スルーボルトなど）とボルト２５または
ナットで固定して燃料電池スタック２３を構成する。
【０００８】電解質膜１１は固体高分子膜のイオン交換
膜からなり、湿潤状態で水素イオン（プロトン）が膜中
を移動する。電解質膜１１は非導電性膜である。触媒層
１２、１５は白金（Ｐｔ）、カーボン（Ｃ）、電解質か
らなる。拡散層１３、１６はガス透過性を有しカーボン
（Ｃ）からなる。セパレータ１８は、燃料ガスと酸化ガ
ス、燃料ガスと冷却水、酸化ガスと冷却水、の何れかを
隔てるとともに、隣り合うセルのアノードからカソード
に電子が流れる電気の通路を形成している。セパレータ
１８は、ガス、水不透過性で、導電性を有する。セパレ
ータ１８は、通常は、カーボン（黒鉛である場合を含
む）、または金属（メタル）、または導電性樹脂、の何
れかからなる。
膜からなり、湿潤状態で水素イオン（プロトン）が膜中
を移動する。電解質膜１１は非導電性膜である。触媒層
１２、１５は白金（Ｐｔ）、カーボン（Ｃ）、電解質か
らなる。拡散層１３、１６はガス透過性を有しカーボン
（Ｃ）からなる。セパレータ１８は、燃料ガスと酸化ガ
ス、燃料ガスと冷却水、酸化ガスと冷却水、の何れかを
隔てるとともに、隣り合うセルのアノードからカソード
に電子が流れる電気の通路を形成している。セパレータ
１８は、ガス、水不透過性で、導電性を有する。セパレ
ータ１８は、通常は、カーボン（黒鉛である場合を含
む）、または金属（メタル）、または導電性樹脂、の何
れかからなる。
【０００９】ＭＥＡの一側のセパレータに燃料ガス流路
２７ａが形成されており、ＭＥＡの他側のセパレータに
酸化ガス流路２７ｂが形成されている。冷却水流路２６
はセル毎に、または複数のセル毎に、設けられる。図７
の例では、２セルで１モジュールを構成しており、冷却
水流路２６が、モジュール毎（２セル毎）に設けられて
いる。また、図７の例では、セパレータ１８は燃料ガス
と酸化ガスの何れか一方と冷媒とを隔てるセパレータ１
８Ａと、燃料ガスと酸化ガスを隔てるセパレータ１８Ｂ
との、２種類のセパレータからなる。また、ＭＥＡがあ
り、その両側に燃料ガス、酸化ガスが供給される部位
は、燃料電池の発電部３３を構成している。
２７ａが形成されており、ＭＥＡの他側のセパレータに
酸化ガス流路２７ｂが形成されている。冷却水流路２６
はセル毎に、または複数のセル毎に、設けられる。図７
の例では、２セルで１モジュールを構成しており、冷却
水流路２６が、モジュール毎（２セル毎）に設けられて
いる。また、図７の例では、セパレータ１８は燃料ガス
と酸化ガスの何れか一方と冷媒とを隔てるセパレータ１
８Ａと、燃料ガスと酸化ガスを隔てるセパレータ１８Ｂ
との、２種類のセパレータからなる。また、ＭＥＡがあ
り、その両側に燃料ガス、酸化ガスが供給される部位
は、燃料電池の発電部３３を構成している。
【００１０】セパレータ１８は、通常、四角形状か、ほ
ぼ四角形状を有する。ただし、セパレータ１８の形状は
四角形に限るものではない。ガス流路２７（燃料ガス流
路２７ａ、酸化ガス流路２７ｂ）は、複数の流路溝が並
行する流路群、または溝状流路の幅内に複数の突起をも
つ流路からなり、流路は、仕切壁３２により、セパレー
タ面内方向に蛇行するように形成されており、いわゆる
サーペンタイン流路を構成している。セパレータ１８に
は、発電部３３を挟んで対向する端部に、冷却水マニホ
ルド２８（２８ａが入り側、２８ｂが出側）、燃料ガス
マニホルド２９（２９ａが入り側、２９ｂが出側）、酸
化ガスマニホルド３０（３０ａが入り側、３０ｂが出
側）が形成されている。これらのマニホルド２８、２
９、３０は異種流体が混じり合わないように、互いにシ
ールされている。図６において、３４はこれらのマニホ
ルド２８、２９、３０に連通する流体（水、燃料ガス、
酸化ガス）の給排（出入り）のパイプである。図６に示
すように、流体は、燃料電池スタック２３のセル積層方
向一端から給排されている。
ぼ四角形状を有する。ただし、セパレータ１８の形状は
四角形に限るものではない。ガス流路２７（燃料ガス流
路２７ａ、酸化ガス流路２７ｂ）は、複数の流路溝が並
行する流路群、または溝状流路の幅内に複数の突起をも
つ流路からなり、流路は、仕切壁３２により、セパレー
タ面内方向に蛇行するように形成されており、いわゆる
サーペンタイン流路を構成している。セパレータ１８に
は、発電部３３を挟んで対向する端部に、冷却水マニホ
ルド２８（２８ａが入り側、２８ｂが出側）、燃料ガス
マニホルド２９（２９ａが入り側、２９ｂが出側）、酸
化ガスマニホルド３０（３０ａが入り側、３０ｂが出
側）が形成されている。これらのマニホルド２８、２
９、３０は異種流体が混じり合わないように、互いにシ
ールされている。図６において、３４はこれらのマニホ
ルド２８、２９、３０に連通する流体（水、燃料ガス、
酸化ガス）の給排（出入り）のパイプである。図６に示
すように、流体は、燃料電池スタック２３のセル積層方
向一端から給排されている。
【００１１】図３は、セル積層体部位における、セパレ
ータ面内の燃料ガス流路パターンの一例を示しており、
図４はセル積層体部位における、セパレータ面内の酸化
ガス流路パターンの一例を示しており、図５はセル積層
体部位における、セパレータ面内の冷却水流路パターン
の一例を示している。ただし、流路パターンは図３〜図
５に示したものに限定されるものではない。
ータ面内の燃料ガス流路パターンの一例を示しており、
図４はセル積層体部位における、セパレータ面内の酸化
ガス流路パターンの一例を示しており、図５はセル積層
体部位における、セパレータ面内の冷却水流路パターン
の一例を示している。ただし、流路パターンは図３〜図
５に示したものに限定されるものではない。
【００１２】図６（イ）に示すように、燃料電池スタッ
ク２３のセル積層体の、セル積層方向の少なくともガス
出入り側の端部には、またはセル積層方向の両端部（図
６（イ）の例は両端部に設けた場合を示す）には、発電
に寄与しない、ガス流路３６を形成した層３１が設けら
れている。層３１は、たとえば、ガス流路３６をもつが
ＭＥＡをもたないダミーセルの層３１から構成されてい
る。層３１は、不純物や凝縮水のトラップ用に設けられ
るものであり、１層だけでは不純物や凝縮水のトラップ
が不十分な場合は、層３１を複数層設けてもよい。以下
に、１層設ける場合を例にとって、より詳しく説明す
る。
ク２３のセル積層体の、セル積層方向の少なくともガス
出入り側の端部には、またはセル積層方向の両端部（図
６（イ）の例は両端部に設けた場合を示す）には、発電
に寄与しない、ガス流路３６を形成した層３１が設けら
れている。層３１は、たとえば、ガス流路３６をもつが
ＭＥＡをもたないダミーセルの層３１から構成されてい
る。層３１は、不純物や凝縮水のトラップ用に設けられ
るものであり、１層だけでは不純物や凝縮水のトラップ
が不十分な場合は、層３１を複数層設けてもよい。以下
に、１層設ける場合を例にとって、より詳しく説明す
る。
【００１３】発電に寄与しない、ガス流路３６を形成し
た層３１は、図６（ロ）、（ハ）および図１、図２に示
すように、２枚の層３１ａ、３１ｂをＭＥＡを挟まずに
重ね合わせた層３１からなる。各層３１ａ、３１ｂは、
セパレータ１８と同様に導電性をもち、たとえば、カー
ボン板からなる。ただし、カーボンは複数枚の金属板の
組み合わせ体、または導電性樹脂板で置き換えられても
よい。
た層３１は、図６（ロ）、（ハ）および図１、図２に示
すように、２枚の層３１ａ、３１ｂをＭＥＡを挟まずに
重ね合わせた層３１からなる。各層３１ａ、３１ｂは、
セパレータ１８と同様に導電性をもち、たとえば、カー
ボン板からなる。ただし、カーボンは複数枚の金属板の
組み合わせ体、または導電性樹脂板で置き換えられても
よい。
【００１４】２枚の層３１ａ、３１ｂのうち、一方の層
３１ａの一面には、ガス流路３６が形成されており、他
方の層３１ｂにはガス流路が形成されていない。そし
て、一方の層３１ａのガス流路３６が形成された面を、
ガス流路が形成されていない他方の層３１ｂと密着させ
て発電に寄与しない層３１を構成する。そして、発電に
寄与しない層３１を、スタック２３の、セル積層体の端
部セルとターミナル２０との間に配置する。
３１ａの一面には、ガス流路３６が形成されており、他
方の層３１ｂにはガス流路が形成されていない。そし
て、一方の層３１ａのガス流路３６が形成された面を、
ガス流路が形成されていない他方の層３１ｂと密着させ
て発電に寄与しない層３１を構成する。そして、発電に
寄与しない層３１を、スタック２３の、セル積層体の端
部セルとターミナル２０との間に配置する。
【００１５】また、図１に示すように、一方の層３１ａ
の一面に、燃料ガス流路３６ａと酸化ガス流路３６ｂの
両方が形成されている。図１の例では、一方の層３１ａ
の一面の、半分の部位に燃料ガス流路３６ａが形成され
ており、残り半分の部位に酸化ガス流路３６ｂが形成さ
れている。燃料ガス流路３６ａと酸化ガス流路３６ｂと
は互いにシールされていて異種ガスが混じり合うことは
ない。燃料ガス流路３６ａの流路パターンはセルの燃料
ガス流路２７ａの流路パターンとは異なっており、酸化
ガス流路３６ｂの流路パターンはセルの酸化ガス流路２
７ｂの流路パターンとは異なっている。
の一面に、燃料ガス流路３６ａと酸化ガス流路３６ｂの
両方が形成されている。図１の例では、一方の層３１ａ
の一面の、半分の部位に燃料ガス流路３６ａが形成され
ており、残り半分の部位に酸化ガス流路３６ｂが形成さ
れている。燃料ガス流路３６ａと酸化ガス流路３６ｂと
は互いにシールされていて異種ガスが混じり合うことは
ない。燃料ガス流路３６ａの流路パターンはセルの燃料
ガス流路２７ａの流路パターンとは異なっており、酸化
ガス流路３６ｂの流路パターンはセルの酸化ガス流路２
７ｂの流路パターンとは異なっている。
【００１６】２枚の層３１ａ、３１ｂのうち、ガス流路
が形成されていない側の層３１ｂの、層３１ａと密着さ
れる側の面と反対側の面には、望ましくは、溝からなる
冷却水流路３５（図２において破線で示した流路）が形
成されている。冷却水流路３５の流路パターンは、セル
積層体のセパレータ１８の冷却水流路２６の流路パター
ンと同じである。
が形成されていない側の層３１ｂの、層３１ａと密着さ
れる側の面と反対側の面には、望ましくは、溝からなる
冷却水流路３５（図２において破線で示した流路）が形
成されている。冷却水流路３５の流路パターンは、セル
積層体のセパレータ１８の冷却水流路２６の流路パター
ンと同じである。
【００１７】そして、図６（ロ）に示すように、ガス流
路が形成されていない層３１ｂの、冷却水流路３５が形
成された側の面を、セル積層体の端部セル側に向けてセ
ル積層体の端部セルと密着させて、配置する。そのと
き、層３１ｂの冷却水流路３５と、端部セルのセパレー
タ１８の冷却水流路２６とが一致し、流路３５、２６が
協働して他のセルの冷却水流路と同じ大きさの流路断面
をもつ、合成冷却水流路を構成する。２枚の層３１ａ、
３１ｂのうち、ガス流路が形成された側の層３１ｂの、
ガス流路３６が形成される側の面と反対側の面（ターミ
ナル２０と密着する側の面）にも、冷却水流路３５が形
成されることが望ましい。その理由は、外部の熱の影響
を遮断できるからである。
路が形成されていない層３１ｂの、冷却水流路３５が形
成された側の面を、セル積層体の端部セル側に向けてセ
ル積層体の端部セルと密着させて、配置する。そのと
き、層３１ｂの冷却水流路３５と、端部セルのセパレー
タ１８の冷却水流路２６とが一致し、流路３５、２６が
協働して他のセルの冷却水流路と同じ大きさの流路断面
をもつ、合成冷却水流路を構成する。２枚の層３１ａ、
３１ｂのうち、ガス流路が形成された側の層３１ｂの、
ガス流路３６が形成される側の面と反対側の面（ターミ
ナル２０と密着する側の面）にも、冷却水流路３５が形
成されることが望ましい。その理由は、外部の熱の影響
を遮断できるからである。
【００１８】なお、図６（ロ）の構成に代えて、図６
（ハ）に示すように、２枚の層３１ａ、３１ｂのうち、
ガス流路３６ａ、３６ｂが一面に形成された側の層３１
ａをセル積層体側に配置し、ガス流路が形成されていな
い側の層３１ｂをターミナル２０側に配置し、層３１ａ
のセル積層体と密着する面に、セル積層体のセパレータ
１８の冷却水流路２６の流路パターンと同じパターンの
流路３５を形成し、層３１ｂのターミナル２０と密着す
る側の面にも冷却水流路２６を形成した、構成としても
よい。
（ハ）に示すように、２枚の層３１ａ、３１ｂのうち、
ガス流路３６ａ、３６ｂが一面に形成された側の層３１
ａをセル積層体側に配置し、ガス流路が形成されていな
い側の層３１ｂをターミナル２０側に配置し、層３１ａ
のセル積層体と密着する面に、セル積層体のセパレータ
１８の冷却水流路２６の流路パターンと同じパターンの
流路３５を形成し、層３１ｂのターミナル２０と密着す
る側の面にも冷却水流路２６を形成した、構成としても
よい。
【００１９】つぎに、上記構成の作用を説明する。図６
（イ）に示すように、燃料電池スタック２３のセル積層
体の、セル積層方向の少なくともガス出入り側の端部
に、またはセル積層方向の両端部（図６（イ）の例は両
端部に設けた場合を示す）には、発電に寄与しない、ガ
ス流路３６を形成した層（ダミーセル）３１が設けられ
ているので、該層３１により、ガス供給配管をつたって
来る、加湿ガスの凝縮水や、ガス供給配管や補機類の金
属イオンなどの不純物が、ダミーセル３１のガス流路３
６（３６ａ、３６ｂ）を流れる間に、ガス流路３６で捕
捉（トラップ）され、セル積層体の発電セルに流れ込ま
ない。その結果、従来、セル、とくに端部セル（とく
に、ガス供給側端の端部セル）で起こっていた不純物
や、凝縮水による電圧低下が抑制される。ダミーセル３
１がコンタミされても、ダミーセル３１は元々発電を起
こさないものであるから、燃料電池の電圧低下を起こさ
ない。
（イ）に示すように、燃料電池スタック２３のセル積層
体の、セル積層方向の少なくともガス出入り側の端部
に、またはセル積層方向の両端部（図６（イ）の例は両
端部に設けた場合を示す）には、発電に寄与しない、ガ
ス流路３６を形成した層（ダミーセル）３１が設けられ
ているので、該層３１により、ガス供給配管をつたって
来る、加湿ガスの凝縮水や、ガス供給配管や補機類の金
属イオンなどの不純物が、ダミーセル３１のガス流路３
６（３６ａ、３６ｂ）を流れる間に、ガス流路３６で捕
捉（トラップ）され、セル積層体の発電セルに流れ込ま
ない。その結果、従来、セル、とくに端部セル（とく
に、ガス供給側端の端部セル）で起こっていた不純物
や、凝縮水による電圧低下が抑制される。ダミーセル３
１がコンタミされても、ダミーセル３１は元々発電を起
こさないものであるから、燃料電池の電圧低下を起こさ
ない。
【００２０】また、セル積層体の端部に、発電に寄与し
ない、ガス流路３６を形成した層（ダミーセル）３１が
設けられているので、セル積層体が外部の温度（低温）
の影響を受けることが緩和され、ガス温度低下による飽
和蒸気圧低下でフラッディングが生じやすくなるのを抑
制できる。フラッディングが生じると、電極へのガスの
供給が阻害され、電圧低下が生じるが、それが抑制され
る。
ない、ガス流路３６を形成した層（ダミーセル）３１が
設けられているので、セル積層体が外部の温度（低温）
の影響を受けることが緩和され、ガス温度低下による飽
和蒸気圧低下でフラッディングが生じやすくなるのを抑
制できる。フラッディングが生じると、電極へのガスの
供給が阻害され、電圧低下が生じるが、それが抑制され
る。
【００２１】また、層３１ａの一面にだけガス流路３６
ａ、３６ｂが形成されるので、層３１ａの両面にガス流
路３６ａ、３６ｂが形成される（一面にガス流路３６ａ
が他面にガス流路３６ｂが形成される）場合に比べて、
一方のガス流路の深さ分、層３１の厚さを薄くでき、ダ
ミーセルを挿入してスタック長がそれだけ長くなるの
を、最小に抑えることができる。
ａ、３６ｂが形成されるので、層３１ａの両面にガス流
路３６ａ、３６ｂが形成される（一面にガス流路３６ａ
が他面にガス流路３６ｂが形成される）場合に比べて、
一方のガス流路の深さ分、層３１の厚さを薄くでき、ダ
ミーセルを挿入してスタック長がそれだけ長くなるの
を、最小に抑えることができる。
【００２２】
【発明の効果】請求項１、２、３の燃料電池のスタック
構造によれば、少なくともガス出入り側端部に、発電に
寄与しない、ガス流路を形成した層（ダミーセル）を設
けたので、セル積層方向端部、とくにガス出入り側端セ
ルの、水によるフラッディングや不純物によるコンタミ
による電圧低下を抑制できる。また、外部の温度（低
温）の影響を緩和でき、水の凝縮を抑制でき、フラッデ
ィングを抑制できる。請求項４の燃料電池のスタック構
造によれば、発電に寄与しない、ガス流路を形成した層
を、セル積層体の両端部に設けたので、セル積層方向両
端部の、フラッディングやコンタミによる電圧低下を抑
制できる。請求項５の燃料電池のスタック構造によれ
ば、１つの面内に燃料ガス流路と酸化ガス流路を共に設
けたので、２つの面にガス流路を設ける場合に比べて層
厚を薄くできる。
構造によれば、少なくともガス出入り側端部に、発電に
寄与しない、ガス流路を形成した層（ダミーセル）を設
けたので、セル積層方向端部、とくにガス出入り側端セ
ルの、水によるフラッディングや不純物によるコンタミ
による電圧低下を抑制できる。また、外部の温度（低
温）の影響を緩和でき、水の凝縮を抑制でき、フラッデ
ィングを抑制できる。請求項４の燃料電池のスタック構
造によれば、発電に寄与しない、ガス流路を形成した層
を、セル積層体の両端部に設けたので、セル積層方向両
端部の、フラッディングやコンタミによる電圧低下を抑
制できる。請求項５の燃料電池のスタック構造によれ
ば、１つの面内に燃料ガス流路と酸化ガス流路を共に設
けたので、２つの面にガス流路を設ける場合に比べて層
厚を薄くできる。
【図１】本発明実施例の燃料電池のスタック構造におけ
る、発電に寄与しない、ガス流路を形成した層の、ガス
流路を形成した面側から見た正面図である。
る、発電に寄与しない、ガス流路を形成した層の、ガス
流路を形成した面側から見た正面図である。
【図２】本発明実施例の燃料電池のスタック構造におけ
る、発電に寄与しない、ガス流路を形成しない層の、冷
却水流路と反対側の面から見た正面図である。
る、発電に寄与しない、ガス流路を形成しない層の、冷
却水流路と反対側の面から見た正面図である。
【図３】本発明実施例の燃料電池のスタック構造におけ
る発電セルの、セパレータの燃料ガス流路を形成した面
側から見た正面図である。
る発電セルの、セパレータの燃料ガス流路を形成した面
側から見た正面図である。
【図４】本発明実施例の燃料電池のスタック構造におけ
る発電セルの、セパレータの酸化ガス流路を形成した面
側から見た正面図である。
る発電セルの、セパレータの酸化ガス流路を形成した面
側から見た正面図である。
【図５】本発明実施例の燃料電池のスタック構造におけ
る発電セルの、セパレータの冷却水流路を形成した面側
から見た正面図である。
る発電セルの、セパレータの冷却水流路を形成した面側
から見た正面図である。
【図６】（イ）は本発明実施例の燃料電池のスタック構
造の側面図であり、（ロ）は発電に寄与しない層とその
近傍の側面図であり、（ハ）は（ロ）に代わるもう一つ
の、発電に寄与しない層とその近傍の側面図である。
造の側面図であり、（ロ）は発電に寄与しない層とその
近傍の側面図であり、（ハ）は（ロ）に代わるもう一つ
の、発電に寄与しない層とその近傍の側面図である。
【図７】図６（イ）の発電セル近傍部の、拡大断面図で
ある。
ある。
１０ （固体高分子電解質型）燃料電池
１１ 電解質膜
１２ 触媒層
１３ 拡散層
１４ 電極（アノード、燃料極）
１５ 触媒層
１６ 拡散層
１７ 電極（カソード、空気極）
１８、１８Ａ、１８Ｂ セパレータ
１９ モジュール
２０ ターミナル
２１ インシュレータ
２２ エンドプレート
２３ スタック
２４ 締結部材（テンションプレート）
２５ ボルトまたはナット
２６ 冷却水流路
２７ ガス流路
２７ａ 燃料ガス流路
２７ｂ 酸化ガス流路
２８ 冷却水マニホルド
２９ 燃料ガスマニホルド
３０ 酸化ガスマニホルド
３１ 発電に寄与しない層
３１ａ ガス流路が形成された層
３１ｂ ガス流路が形成されていない層
３２ 仕切壁
３３ 発電部
３４ パイプ
３５ 層３１に形成された冷却水流路
３６ａ 層３１に形成された燃料ガス流路
３６ｂ 層３１に形成された酸化ガス流路
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 高橋 剛
愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動
車株式会社内
Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC03
Claims (5)
- 【請求項１】 燃料電池のセル積層体の、少なくともガ
ス出入り側端部に、発電に寄与しない、ガス流路を形成
した層を設けた燃料電池のスタック構造。 - 【請求項２】 固体高分子電解質型燃料電池のセル積層
体の、少なくともガス出入り側端部に、発電に寄与しな
い、ガス流路を形成した層を設けた燃料電池のスタック
構造。 - 【請求項３】 固体高分子電解質型燃料電池のセル積層
体の、少なくともガス出入り側端部に、発電に寄与しな
い、ガス流路をもつがＭＥＡをもたないダミーセルの層
を配置した燃料電池のスタック構造。 - 【請求項４】 前記発電に寄与しない、ガス流路を形成
した層を、セル積層体の両端部に設けた請求項１または
請求項２または請求項３記載の燃料電池のスタック構
造。 - 【請求項５】 前記発電に寄与しない、ガス流路を形成
した層の１面に、燃料ガス流路と酸化ガス流路を共に設
けた請求項１または請求項２または請求項３または請求
項４記載の燃料電池のスタック構造。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002144934A JP3801096B2 (ja) | 2002-05-20 | 2002-05-20 | スタック構造を有する燃料電池 |
| US10/435,388 US7588851B2 (en) | 2002-05-20 | 2003-05-12 | Fuel cell stack structure |
| CA002428959A CA2428959C (en) | 2002-05-20 | 2003-05-16 | Fuel cell stack structure |
| DE10322537.4A DE10322537B4 (de) | 2002-05-20 | 2003-05-19 | Stapelstruktur einer Brennstoffzelle |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002144934A JP3801096B2 (ja) | 2002-05-20 | 2002-05-20 | スタック構造を有する燃料電池 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2006073685A Division JP4438762B2 (ja) | 2006-03-17 | 2006-03-17 | 燃料電池 |
Publications (2)
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