JP2003346831A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】発電セル面内の最高温度を最適運転温度以下に
維持するとともに、前記発電セルの積層方向および面方
向の温度差を低減することを可能にする。 【解決手段】燃料電池スタック１０は、発電セル１２
と、集電用電極１４、１６と、冷却液体により前記発電
セル１２を冷却する第１冷却セル１８と、前記第１冷却
セル１８との間に所定数の前記発電セル１２を挟んで前
記集電用電極１４、１６間に介装され、冷却空気により
該発電セル１２を冷却する第２冷却セル２０とを備え
る。第２冷却セル２０は、発電セル１２の発電面に対応
する面内において、面内中央部の伝熱面積が面内端部の
伝熱面積よりも大きい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電解質をアノード
側電極とカソード側電極とで挟んで構成される接合体を
有し、前記接合体をセパレータにより挟持して前記アノ
ード側電極に燃料ガスを供給する一方、前記カソード側
電極に酸化剤ガスを供給する発電セルを備えた燃料電池
スタックに関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）
は、炭化珪素多孔質（マトリックス）に濃厚リン酸を含
浸させた電解質層の両側に、それぞれカーボンを主体と
するアノード側電極およびカソード側電極を対設して構
成される接合体（電解質層・電極接合体）を、セパレー
タ（バイポーラ板）によって挟持することにより構成さ
れる発電セルを備えている。この発電セルは、通常、所
定数だけ積層して燃料電池スタックとして使用されてい
る。

【０００３】一方、固体高分子型燃料電池（ＳＰＦＣ）
は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電
解質膜を採用しており、同様に前記電解質膜により構成
される接合体（電解質膜・電極接合体）とセパレータと
を備える発電セルを、所定数だけ積層して燃料電池スタ
ックとして用いている。

【０００４】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、主に水素を
含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、触媒
電極上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード
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。
なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に
酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガス
ともいう）が供給されているために、このカソード側電
極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水
が生成される。

【０００５】ところで、上記の燃料電池では、有効な発
電性能を発揮するための最適な作動温度が設定されてい
る。例えば、リン酸型燃料電池では、１２０℃〜２００
℃であり、固体高分子型燃料電池では、６０℃〜９０℃
である。このため、発電セルを所望の作動温度に維持す
る必要があり、従来から、種々の冷却構造が採用されて
いる。一般的には、燃料電池スタックを構成するセパレ
ータに冷却媒体用通路を形成し、前記通路に水等の冷却
媒体を供給することにより発電セルの冷却を行う構造が
知られている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】この場合、冷却媒体と
して使用される水や、自動車用冷却構造に使用される一
般的な冷却媒体（冷却液体）では、イオン等の不純物や
金属系添加剤が混入しており、この冷却媒体自体に導電
性が付与されている。一方、冷却媒体として脱イオン水
や純水を用いる場合にも、運転中に冷却系配管やラジエ
ータを循環することによって金属等が混入し、この冷却
媒体に導電性が付与されてしまう。

【０００７】しかしながら、燃料電池スタックでは、各
発電セルで発生した電子がスタック両端側の集電用電極
から取り出されるため、上記のように冷却媒体に導電性
が付与されると、前記冷却媒体中に電気が流れてしま
う。これにより、冷却媒体を介して冷却系配管やラジエ
ータ等に電気が流れてしまい、地絡や液絡が発生して燃
料電池スタック全体の出力が低下するという問題が指摘
されている。

【０００８】そこで、本出願人は、冷却媒体を介して漏
電することを確実に阻止することができ、簡単な構成
で、有効な発電性能を維持することが可能な燃料電池ス
タックを提案している（特開２００１−３３２２８８号
公報参照）。

【０００９】この燃料電池スタックでは、集電用電極間
に冷却セルが介装されており、この冷却セルに供給され
る冷却媒体が絶縁機構を介して発電セルおよび前記集電
用電極から電気的に絶縁されるとともに、前記冷却セル
を挟んで配置される前記発電セル同士または前記発電セ
ルと前記集電用電極が導電機構を介して互いに電気的に
接続されている。これにより、冷却媒体を介して地絡や
液絡が発生することを確実に防止することができ、燃料
電池スタック全体の出力低下を有効に阻止して所望の発
電機能を維持することが可能になる。

【００１０】ところで、燃料電池スタックを運転する際
に発生する熱は、この燃料電池スタックの運転条件によ
り変動する。その際、高負荷運転条件では、発熱量が大
きくなり、発電セルの最高負荷条件で発生する熱を良好
に放熱し得るように、比較的大型の熱交換器を組み込む
冷却システムが採用されている。

【００１１】例えば、電流密度が１Ａ／ｃｍ²で、発電
セル１個当たりの端子間電圧が約０．６Ｖの能力を有す
る発電セルを積層した定格出力が７０ｋＷ程度の燃料電
池スタックでは、定格出力運転時に７０ｋＷ程度の熱が
発生する。この発生熱の中、１２％程度は燃料電池スタ
ック自体の保温および放熱により消費されるものの、残
りの８８％程度の大量の熱は、前記燃料電池スタック内
に導入される冷却媒体を介して吸収し、外部に配置した
熱交換器で放熱する必要がある。

【００１２】これにより、大量の冷却媒体を循環させる
ために、ポンプ自体が大型化するとともに、熱交換器に
高い能力が要求され、前記熱交換器が相当に大型化して
しまうという問題が指摘されている。

【００１３】本発明はこの種の問題を解決するものであ
り、特に高出力時においても発電セル面内の最高温度を
最適運転温度以下に維持するとともに、前記発電セルの
積層方向および面方向の温度差を低減することが可能な
燃料電池スタックを提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係る
燃料電池スタックでは、集電用電極間に第１冷却セルが
介装されており、この第１冷却セルに供給される冷却液
体を介して発電セルが冷却される。さらに、第１冷却セ
ルとの間に所定数の発電セルを挟んで第２冷却セルが介
装され、この第２冷却セルに供給される冷却気体を介し
て前記発電セルが冷却される。

【００１５】従って、第１冷却セル近傍の発電セルを最
適運転温度に近似した温度に維持する一方、第２冷却セ
ル近傍の発電セルを最適運転温度まで冷却することが可
能になる。これにより、各発電セルの温度は、最適運転
温度近傍に調整されるとともに、発電セル間では、積層
方向に沿って温度差が低減され、前記発電セルの各発電
性能を有効に向上させることができる。

【００１６】しかも、第２冷却セルは、発電セルの発電
面に対応する面内において、面内中央部の伝熱面積が面
内端部の伝熱面積よりも大きく設定される。このため、
発電面内の中央側から発生する熱は、第２冷却セルに導
入される冷却気体と効果的に熱交換され、比較的高温に
なり易い前記発電面内の中央側を優先的に冷却すること
ができる。従って、発電セルの面内方向では、比較的高
温になり易い中央部が熱伝導による放熱作用下に強制的
に冷却される一方、比較的低温になり易い外周部の冷却
効率が低下し、前記発電セルの面内方向の温度分布が有
効に低減されるとともに、前記面内方向での最高温度を
低下させることができる。

【００１７】これにより、発電セルは、積層方向および
面方向の温度差が有効に低減され、各発電セルの発電性
能を最高性能に近づけて燃料電池スタックとしての出力
を良好に向上させることが可能になる。

【００１８】また、本発明の請求項２に係る燃料電池ス
タックでは、第２冷却セルが、面内中央部に対して面内
端部よりも多量の冷却気体を供給する冷却気体流路を設
けている。このため、比較的高温になり易い発電面内の
中央側を優先的に冷却することができ、発電セルの面方
向の温度差が可及的に低減される。

【００１９】

【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１０の概略構成を示す側面説明
図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の分解斜
視説明図であり、図３は、前記燃料電池スタック１０の
要部拡大断面図である。

【００２０】燃料電池スタック１０は発電セル１２を備
え、この発電セル１２が矢印Ａ方向に所定数だけ積層さ
れている。発電セル１２の積層方向両端側には、この発
電セル１２に対して電気的に一体的に接続される集電用
電極１４、１６が配置される。集電用電極１４、１６間
には、所定数の第１冷却セル１８が介装されるととも
に、前記第１冷却セル１８との間に所定数の発電セル１
２を挟んで所定数の第２冷却セル２０が介装される。

【００２１】集電用電極１４、１６の外側には、絶縁シ
ート１９ａ、１９ｂを介装してエンドプレート２１ａ、
２１ｂが配置される。エンドプレート２１ａ、２１ｂ
は、図示しないバックアッププレートを介してタイロッ
ド等により締め付けられており、発電セル１２と集電用
電極１４、１６と第１および第２冷却セル１８、２０
は、一体的に矢印Ａ方向に締め付け保持される。集電用
電極１４、１６には、例えば、モータ等の負荷２２が接
続されている（図１参照）。

【００２２】発電セル１２は、図２および図３に示すよ
うに、炭化珪素多孔質または塩基性ポリマー、例えば、
ポリベンズイミダゾールにリン酸を含浸させた電解質層
と額縁状部材からなる電解質部２４を挟んで、カソード
側電極２６およびアノード側電極２８が配設される接合
体（電解質層・電極接合体）３０を有する。カソード側
電極２６およびアノード側電極２８は、例えば、多孔質
層である多孔質カーボンペーパー等からなるガス拡散層
と、白金系触媒が表面に担持された多孔質カーボン粒子
が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布された電極触媒層
とをそれぞれ有しており、前記電極触媒層が電解質部２
４に接合されている。

【００２３】接合体３０の両側には、導電性材料、例え
ば、緻密質カーボン材料や金属で形成される第１および
第２セパレータ３２、３４が配置され、前記接合体３０
と前記第１および第２セパレータ３２、３４により、発
電セル１２が構成される。

【００２４】発電セル１２は、横方向（矢印Ｂ方向）両
端下部側に水素含有ガス等の燃料ガスを通過させるため
の燃料ガス供給連通路３６ａと、酸素含有ガスである酸
化剤ガスを通過させるための酸化剤ガス供給連通路３８
ａとを設ける。発電セル１２の横方向両端上部側には、
燃料ガスを通過させるための燃料ガス排出連通路３６ｂ
と、酸化剤ガスを通過させるための酸化剤ガス排出連通
路３８ｂとが、燃料ガス供給連通路３６ａおよび酸化剤
ガス供給連通路３８ａと対角位置になるように設けられ
ている。

【００２５】発電セル１２の横方向両端中央側には、切
り欠き部分４０ａ、４０ｂが設けられており、この切り
欠き部分４０ａ、４０ｂに冷媒供給管路４６と冷媒排出
管路４８が配置される。冷媒供給管路４６内に冷却液体
供給連通路４６ａが形成される一方、冷媒排出管路４８
内に冷却液体排出連通路４８ａが形成される。

【００２６】第１セパレータ３２のカソード側電極２６
に対向する面には、酸化剤ガス供給連通路３８ａおよび
酸化剤ガス排出連通路３８ｂに両端が連通して前記カソ
ード側電極２６に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路
５０が形成される（図２および図３参照）。第２セパレ
ータ３４のアノード側電極２８に対向する面には、燃料
ガス供給連通路３６ａおよび燃料ガス排出連通路３６ｂ
に両端が連通して前記アノード側電極２８に燃料ガスを
供給する燃料ガス流路５１が設けられる。酸化剤ガス流
路５０および燃料ガス流路５１は、水平方向（矢印Ｂ方
向）に蛇行しながら鉛直上方向に酸化剤ガスおよび燃料
ガスを導く流路構造を採用している。

【００２７】第１および第２セパレータ３２、３４のカ
ソード側電極２６およびアノード側電極２８に対向する
面には、燃料ガス供給連通路３６ａ、酸化剤ガス供給連
通路３８ａ、燃料ガス排出連通路３６ｂ、酸化剤ガス排
出連通路３８ｂ、酸化剤ガス流路５０および燃料ガス流
路５１を気密にシールするために、シール部材５３が、
例えば、焼き付け等によって設けられている。

【００２８】図１に示すように、第１冷却セル１８は、
燃料電池スタック１０内で集電用電極１４、１６間に１
０セルおき、すなわち、前記第１冷却セル１８間に１０
個の発電セル１２を配置して積層されている。この第１
冷却セル１８の両面に配置される第１および第２セパレ
ータ３２、３４は、図２および図３に示すように、前記
第１冷却セル１８側の面が平坦状に構成された片面ガス
流路付きセパレータ構造に設定されている。後述する第
２冷却セル２０においても、同様である。その他の第１
および第２セパレータ３２、３４は、両面に酸化剤ガス
流路５０と燃料ガス流路５１とが形成されている。

【００２９】第１冷却セル１８は、図３および図４に示
すように、冷却液体用流路プレート５２と、この流路プ
レート５２に重ね合わされて冷却液体通路５４を形成す
る蓋プレート５６と、前記冷却液体通路５４に供給され
る冷却液体を発電セル１２および集電用電極１４、１６
から電気的に絶縁するための絶縁シート（絶縁機構）５
８ａ、５８ｂと、前記第１冷却セル１８を挟んで前記発
電セル１２同士（または前記発電セル１２と前記集電用
電極１４、１６）を互いに電気的に接続するための導電
プレート６０ａ、６０ｂとを備える。流路プレート５２
および蓋プレート５６は、例えば、アルミニウム合金や
チタン合金等の軽合金の他、緻密質の炭素材料で形成さ
れる。

【００３０】流路プレート５２は、幅方向（矢印Ｂ方
向）の両端中央側に、一方の面側に突出して筒状接続部
６２ａ、６２ｂを設けており、前記接続部６２ａ、６２
ｂに冷媒供給管路４６と冷媒排出管路４８とが接続され
る。流路プレート５２の他方の面側には、冷却液体通路
５４が形成されており、この冷却液体通路５４を構成し
て矢印Ｂ方向に直線状に設けられる複数本の流路溝６４
が、接続部６２ａ、６２ｂに連通する。流路溝６４の入
口と接続部６２ａとの間、および前記流路溝６４の出口
と接続部６２ｂとの間には、該流路溝６４に冷却液体を
均一にかつ安定した状態で流すためのガイド６６ａ、６
６ｂが設けられる。

【００３１】蓋プレート５６は、流路プレート５２に対
向する面とは反対側の面に、外方に突出して筒状接続部
６８ａ、６８ｂが形成される。この接続部６８ａ、６８
ｂは、流路プレート５２の接続部６２ａ、６２ｂと同一
位置に設けられており、冷媒供給管路４６および冷媒排
出管路４８に接続される。

【００３２】導電プレート６０ａ、６０ｂは、流路プレ
ート５２および蓋プレート５６を覆って配置される一
方、絶縁シート５８ａ、５８ｂは、前記導電プレート６
０ａ、６０ｂの前記流路プレート５２および前記蓋プレ
ート５６に接する面側に設けられている。導電プレート
６０ａ、６０ｂは、銅合金等の電気伝導性に優れる金属
プレートで構成されている。

【００３３】絶縁シート５８ａ、５８ｂは、絶縁材、例
えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）で形成
されており、導電プレート６０ａ、６０ｂの全面にわた
り接着剤等により貼り付けられている。なお、絶縁シー
ト５８ａ、５８ｂに代替して、シリコングリース等の絶
縁材を導電プレート６０ａ、６０ｂに塗布してもよい。

【００３４】導電プレート６０ａ、６０ｂの上端部に
は、それぞれ互いに近接する方向に屈曲して合わせ部７
０ａ、７０ｂが設けられるとともに、前記合わせ部７０
ａ、７０ｂに孔部７２ａ、７２ｂが形成される。合わせ
部７０ａ、７０ｂを覆って固定板体７４が配置され、こ
の固定板体７４から孔部７２ａ、７２ｂにねじ７６を挿
入し、前記ねじ７６にナット７８を螺合することによ
り、導電プレート６０ａ、６０ｂが流路プレート５２お
よび蓋プレート５６を保持する。

【００３５】第２冷却セル２０は、図１に示すように、
燃料電池スタック１０内で互いに隣り合う第１冷却セル
１８間に、および集電用電極１４、１６と前記第１冷却
セル１８間に５セルおきに配置される。具体的には、第
１冷却セル１８間、および集電用電極１４、１６と前記
第１冷却セル１８間の中央には、両側にそれぞれ５個の
発電セル１２を配置して第２冷却セル２０が積層されて
いる。

【００３６】図３および図５に示すように、第２冷却セ
ル２０は、冷却気体（例えば、空気）用流路プレート８
０と、この流路プレート８０に重ね合わされて冷却空気
通路（冷却気体流路）８２を形成する蓋プレート８４と
を備える。流路プレート８０および蓋プレート８４は、
軽量でかつ熱伝導性および電気伝導性の良好な、例え
ば、アルミニウム合金やチタン合金等の軽合金材料で形
成される。

【００３７】冷却空気通路８２は、図５および図６に示
すように、流路プレート８０の一方の面８０ａの中央部
に設けられており、カソード側電極２６およびアノード
側電極２８の横方向（矢印Ｂ方向）の幅寸法の６０％〜
７０％の範囲に設定されている。

【００３８】冷却空気通路８２は、第１壁部８２ａを介
して鉛直方向（矢印Ｃ方向）に直線状に延在する複数本
の第１流路溝８６ａを備える。冷却空気通路８２の流路
幅方向（矢印Ｂ方向）の中央部分の４０％〜６０％で、
かつ発電セル１２の下端に対応する部分から前記発電セ
ル１２の縦方向（矢印Ｃ方向）の寸法の２０％〜４０％
（第１の実施形態では、３３％）の位置を起点として上
端までの領域には、第２壁部８２ｂを介して鉛直方向
（矢印Ｃ方向）に直線状に延在する複数本の第２流路溝
８６ｂが形成される。

【００３９】第１流路溝８６ａは、例えば、２０本に設
定される一方、第２流路溝８６ｂは、例えば、１８本に
設定されており、中央側の１０本の前記第１流路溝８６
ａが細分化されて前記第２流路溝８６ｂが構成される。
第１流路溝８６ａの下端側には、それぞれガイド８８が
設けられた一組の空気導入部９０が連通している。

【００４０】図３および図５に示すように、蓋プレート
８４には、それぞれ空気導入部９０に連通する一組の室
９２が形成され、各室９２が空気導入口９４に連通す
る。この空気導入口９４には、電気的絶縁処理が施され
たパイプ９６が接続されている。流路プレート８０と蓋
プレート８４とは、複数本のねじ９８により互いに固定
されている。

【００４１】図２に示すように、エンドプレート２１ａ
には、燃料ガス供給連通路３６ａに連通する燃料ガス入
口１００ａと、燃料ガス排出連通路３６ｂに連通する燃
料ガス出口１００ｂと、酸化剤ガス供給連通路３８ａに
連通する酸化剤ガス入口１０２ａと、酸化剤ガス排出連
通路３８ｂに連通する酸化剤ガス出口１０２ｂとが形成
される。

【００４２】図７は、第１の実施形態に係る燃料電池ス
タック１０を組み込む燃料電池システム１１０の概略構
成説明図である。

【００４３】燃料電池システム１１０は、燃料電池スタ
ック１０に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部１１２
と、前記燃料電池スタック１０に酸化剤ガスを供給する
酸化剤ガス供給部１１４と、前記燃料電池スタック１０
に冷却液体（液状冷却媒体）を供給する冷却液体供給部
１１６と、前記燃料電池スタック１０に冷却空気を供給
する冷却空気供給部１１８とを備える。

【００４４】燃料ガス供給部１１２は、高圧水素貯蔵源
１２０を備え、この高圧水素貯蔵源１２０から燃料電池
スタック１０内の燃料ガス供給連通路３６ａに連なる燃
料ガス配管１２２には、第１減圧弁１２４および燃料ガ
ス流量制御器１２６が設けられる。

【００４５】酸化剤ガス供給部１１４は、第１コンプレ
ッサ１２８を備え、この第１コンプレッサ１２８から燃
料電池スタック１０内の酸化剤ガス供給連通路３８ａに
連なる酸化剤ガス配管１３０には、第２減圧弁１３１お
よび酸化剤ガス流量制御器１３２が設けられる。

【００４６】冷却液体供給部１１６は、燃料電池スタッ
ク１０内の冷却液体供給連通路４６ａと冷却液体排出連
通路４８ａとを繋ぐ冷却液体配管１３４を備え、前記冷
却液体配管１３４には、循環用ポンプ１３６と比較的小
型な熱交換器１３８とが設けられる。

【００４７】冷却空気供給部１１８は、第２コンプレッ
サ１４０を備え、この第２コンプレッサ１４０は、燃料
電池スタック１０を構成する第２冷却セル２０に連なる
冷却空気配管１４２に接続される。この冷却空気配管１
４２には、第３減圧弁１４４と冷却空気流量制御器１４
６が設けられる。

【００４８】このように構成される燃料電池スタック１
０の動作について、燃料電池システム１１０との関連で
以下に説明する。

【００４９】まず、燃料電池システム１１０では、モー
タ等の負荷２２の要求電流に応じて、燃料ガス供給部１
１２および酸化剤ガス供給部１１４の制御が行われる。
燃料ガス供給部１１２では、第１減圧弁１２４および燃
料ガス流量制御器１２６を介して高圧水素貯蔵源１２０
から燃料電池スタック１０に所定量の燃料ガス（水素ガ
スまたは水素含有ガス）が供給される。

【００５０】一方、酸化剤ガス供給部１１４では、第１
コンプレッサ１２８を介して導入された酸化剤ガスであ
る酸素含有ガス（以下、空気ともいう）が、第２減圧弁
１３１および酸化剤ガス流量制御器１３２を介して流量
が制御される。このため、燃料電池スタック１０には、
所定量の酸素含有ガスが供給される。

【００５１】図２に示すように、エンドプレート２１ａ
の燃料ガス入口１００ａに供給された燃料ガスは、燃料
ガス供給連通路３６ａを介して第２セパレータ３４に形
成されている燃料ガス流路５１に供給される。このた
め、燃料ガス中の水素含有ガスは、発電セル１２のアノ
ード側電極２８に供給されるとともに、未使用の燃料ガ
スが燃料ガス排出連通路３６ｂに排出される。

【００５２】また、エンドプレート２１ａの酸化剤ガス
入口１０２ａに供給された空気は、酸化剤ガス供給連通
路３８ａを介して第１セパレータ３２に形成されている
酸化剤ガス流路５０に導入される。従って、空気中の酸
素含有ガスがカソード側電極２６に供給される一方、未
使用の空気が酸化剤ガス排出連通路３８ｂに排出され
る。これにより、発電セル１２で発電が行われ、モータ
等の負荷２２に電力が供給されることになる（図１参
照）。

【００５３】上記のように、燃料電池スタック１０内で
発電が行われると、この発電に伴って熱が発生し、各発
電セル１２の温度が徐々に上昇する。発電セル１２の最
適運転温度は、例えば、ポリベンズイミダゾール膜にリ
ン酸を含浸させた電解質部２４を用いた場合に、１６０
℃を超えないことが必要である。このため、燃料電池シ
ステム１１０では、図７に示すように、冷却液体供給部
１１６を構成するポンプ１３６が駆動される。

【００５４】ポンプ１３６の作用下に、燃料電池スタッ
ク１０の冷却液体供給連通路４６ａに供給された冷却液
体は、第１冷却セル１８を構成する流路プレート５２と
蓋プレート５６との間に形成された冷却液体通路５４に
導入される。図４に示すように、流路プレート５２で
は、接続部６２ａから流路溝６４に冷却液体が導入さ
れ、この冷却液体が前記流路溝６４を通って発電セル１
２の発電面を冷却した後、冷却液体排出連通路４８ａに
排出される。

【００５５】冷却液体排出連通路４８ａから冷却液体配
管１３４に導出された冷却液体は、各発電セル１２から
熱を奪って比較的高温となっており、熱交換器１３８に
導入される（図７参照）。この熱交換器１３８では、冷
却液体から放熱が行われ、温度が低下した前記冷却液体
は、再び第１冷却セル１８に循環される。

【００５６】ところで、燃料電池スタック１０におい
て、高負荷が要求されて高出力状態になると、各発電セ
ル１２の発熱量が増加する。その際、液状の冷却媒体と
小型の熱交換器１３８で、すなわち、第１冷却セル１８
のみで、全ての発電セル１２の最高温度を最適運転温度
以下に維持できなくなる前に、冷却空気供給部１１８が
駆動されて第２冷却セル２０に冷却空気が供給される
（図７参照）。冷却空気供給部１１８では、第２コンプ
レッサ１４０を介して導入された冷却空気が、第３減圧
弁１４４および冷却空気流量制御器１４６を介して流量
が調整された後、各第２冷却セル２０を構成する一組の
パイプ９６からそれぞれの空気導入口９４に導入され
る。

【００５７】冷却空気は、図３に示すように、空気導入
口９４から室９２を介して空気導入部９０に導入され
る。図５および図６に示すように、各空気導入部９０に
は、ガイド８８を介して冷却空気通路８２が連なってお
り、前記冷却空気は、まず、前記ガイド８８を介して２
０本の第１流路溝８６ａに均等に、かつ安定した状態で
導入され、鉛直上方向に向かって流れる。２０本の第１
流路溝８６ａの中、中央部の１０本の第１流路溝８６ａ
は、１８本に細分化された第２流路溝８６ｂに連なって
おり、冷却気体が、両側の第１流路溝８６ａと第２流路
溝８６ｂとに分割して供給される。

【００５８】この場合、第１の実施形態では、流路プレ
ート８０の一方の面８０ａに発電セル１２の発電面中央
部に対応して第２流路溝８６ｂが設けられるとともに、
この第２流路溝８６ｂは、１０本の第１流路溝８６ａが
１８本に細分化されて構成されている。このため、第２
流路溝８６ｂを形成する第２壁部８２ｂの熱伝導におけ
る伝熱面積は、第１流路溝８６ａを形成する第１壁部８
２ａの伝熱面積よりも大きくなる。

【００５９】これにより、発電セル１２の発電面内の中
央側から発生する熱は、第２流路溝８６ｂに導入される
冷却空気と効果的に熱交換され、比較的高温になり易い
前記発電面内の中央側を優先的に冷却することができ
る。従って、発電セル１２の面内方向では、比較的高温
になり易い中央部が熱伝導による放熱作用下に強制的に
冷却される一方、比較的低温になり易い外周部の冷却効
率が低下する。このため、発電セル１２の面内方向の温
度分布が有効に低減されるとともに、前記面内方向での
最高温度を低下させることができる。

【００６０】従って、各発電セル１２は、積層方向およ
び面方向の温度差が有効に低減され、各発電セル１２の
発電性能を最高性能に近づけて燃料電池スタック１０と
しての出力を良好に向上させることが可能になるという
効果が得られる。

【００６１】さらに、第１の実施形態では、第２冷却セ
ル２０が互いに近接する第１冷却セル１８間の中央に、
および前記第１冷却セル１８と集電用電極１４、１６間
の中央に配置されており、前記第２冷却セル２０の両側
には、それぞれ発電セル１２が５セルずつ配置されてい
る（図１参照）。このため、第２冷却セル２０は、互い
に近接する第１冷却セル１８間、および集電用電極１
４、１６と前記第１冷却セル１８との間で、温度が高い
位置に対応して配置されており、この温度の高い位置の
発電セル１２を有効に冷却することができる。

【００６２】従って、第１冷却セル１８近傍の発電セル
１２を最適運転温度に近似した温度に維持した状態で、
第２冷却セル２０近傍の発電セル１２を最適運転温度ま
で冷却することが可能になる。これにより、各発電セル
１２の温度は、最適運転温度近傍に調整されるととも
に、前記発電セル１２間には、積層方向に沿って温度差
が低減され、該発電セル１２の各発電性能を有効に向上
させることができるという利点が得られる。

【００６３】なお、第１の実施形態では、第１および第
２冷却セル１８、２０が積層方向に均等に、すなわち、
等間隔で離間して配置されているが、燃料電池スタック
１０の積層方向の温度分布が少なくなるように、適宜、
配置位置を調整することが可能である。

【００６４】図８は、本発明の第２の実施形態に係る燃
料電池スタックを構成する第２冷却セル１６０の分解斜
視説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池
スタック１０を構成する第２冷却セル２０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。

【００６５】第２の実施形態では、第２冷却セル１６０
が、冷却気体（例えば、空気）用流路プレート１６２
と、この流路プレート１６２に重ね合わされて冷却空気
通路（冷却気体流路）１６４を形成する蓋プレート１６
６とを備える。

【００６６】冷却空気通路１６４は、図８および図９に
示すように、流路プレート１６２の一方の面１６２ａの
中央部に設けられており、カソード側電極２６およびア
ノード側電極２８の横方向（矢印Ｂ方向）の幅寸法の６
０％〜７０％の範囲で、かつ縦方向（矢印Ｃ方向）の幅
の上部側の７０％〜９０％の範囲に設定されている。

【００６７】冷却空気通路１６４は、全流路幅の２０％
〜３０％に相当する端部（両端部では４０％〜６０％に
相当）で、かつ発電セル１２の下端に対応する部分から
前記発電セル１２の縦方向（矢印Ｃ方向）の寸法の３０
％〜４０％の位置を起点として形成される複数本の第１
流路溝１６８ａを備える。

【００６８】冷却空気通路８２の流路幅方向（矢印Ｂ方
向）の中央部分の４０％〜６０％で、かつ発電セル１２
の下端に対応する部分から前記発電セル１２の縦方向
（矢印Ｃ方向）の寸法の３０％〜４５％の位置を起点と
して上端までの領域には、第１流路溝１６８ａよりも細
分化された複数本の第２流路溝１６８ｂが形成される。

【００６９】具体的には、第１流路溝１６８ａは、第１
壁部１６４ａを介して、例えば、１２本に設定される一
方、第２流路溝１６８ｂは、第２壁部１６４ｂを介し
て、例えば、１８本に設定されている。第１流路溝１８
６ａは、冷却空気通路１６４の全流路幅の５０％（左右
にそれぞれ２５％ずつ）に設定される。第２流路溝１６
８ｂは、冷却空気通路１６４の全流路幅の５０％に設定
されるとともに、発電セル１２の下端に対応する部分か
ら前記発電セル１２の縦方向（矢印Ｃ方向）寸法の４０
％の位置を起点として上端まで形成される。

【００７０】冷却空気通路１６４の下部には、単一の空
気導入部１７０が連通している。この空気導入部１７０
は、ガイド１７２を介して５本の通路１７４を備えてお
り、両端の２本が第１流路溝１６８ａに連通する一方、
残りの３本が第２流路溝１６８ｂに連通する。

【００７１】蓋プレート１６６には、図８に示すよう
に、空気導入部１７０に連通する単一の室１７５が形成
され、この室１７５が空気導入口１７６に連通する。こ
の空気導入口１７６には、電気的絶縁処理が施されたパ
イプ９６が接続されている。

【００７２】このように構成される第２の実施形態で
は、第２流路溝１６８ｂを形成する第２壁部１６４ｂの
熱伝導における伝熱面積が、第１流路溝１６８ａを形成
する第１壁部１６４ａの伝熱面積よりも大きくなる。こ
れにより、発電セル１２の発電面内の中央側から発生す
る熱は、第２流路溝１６８ｂに導入される冷却空気と効
果的に熱交換され、比較的高温になり易い前記発電面内
の中央側を優先的に冷却することができる。

【００７３】しかも、空気導入部１７０は、５本の通路
１７４を備えており、両端の２本が第１流路溝１６８ａ
に連通する一方、残りの３本が第２流路溝１６８ｂに連
通している。このため、冷却空気通路１６４では、面内
中央部に対して面内端部よりも多量の冷却空気を供給す
ることが可能になり、比較的高温になり易い中央部が強
制的に冷却される。

【００７４】従って、発電セル１２間における積層方向
および面方向の温度差が有効に低減され、各発電セル１
２の発電性能を最高性能に近づけて燃料電池スタック１
０としての出力を良好に向上させることが可能になる
等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

【００７５】

【発明の効果】本発明に係る燃料電池スタックでは、集
電用電極間に、第１冷却セルとの間に所定数の発電セル
を挟んで第２冷却セルが介装されるため、前記第１冷却
セル間で温度の高い発電セルを、前記第２冷却セルによ
り有効に冷却することができる。しかも、第２冷却セル
は、発電セルの発電面に対応する面内において、面内中
央部の伝熱面積が面内端部の伝熱面積よりも大きい。こ
のため、発電面内の中央側から発生する熱は、第２冷却
セルに導入される冷却気体と効果的に熱交換され、比較
的高温になり易い前記発電面内の中央側を優先的に冷却
することができる。

【００７６】これにより、各発電セルの温度は、最適運
転温度近傍に調整されるとともに、前記発電セルは、積
層方向および面方向に沿って温度差が低減され、前記発
電セルの各発電性能を有効に向上させることができる。

【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
クの概略構成を示す側面説明図である。

【図２】前記燃料電池スタックの分解斜視説明図であ
る。

【図３】前記燃料電池スタックの要部拡大断面図であ
る。

【図４】前記燃料電池スタックを構成する第１冷却セル
の分解斜視説明図である。

【図５】前記燃料電池スタックを構成する第２冷却セル
の分解斜視説明図である。

【図６】前記第２冷却セルを構成する流路プレートの正
面説明図である。

【図７】前記燃料電池スタックを組み込む燃料電池シス
テムの概略構成説明図である。

【図８】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタッ
クを構成する第２冷却セルの分解斜視説明図である。

【図９】前記第２冷却セルを構成する流路プレートの正
面説明図である。

【符号の説明】

１０…燃料電池スタック １２…発電セル １４、１６…集電用電極 １８、２０、１６
０…冷却セル １９ａ、１９ｂ、５８ａ、５８ｂ…絶縁シート ２１ａ、２１ｂ…エンドプレート ２４…電解質部 ２６…カソード側電極 ２８…アノード側
電極 ３０…接合体 ３２、３４…セパ
レータ ４６…冷媒供給管路 ４８…冷媒排出管
路 ５０…酸化剤ガス流路 ５１…燃料ガス流
路 ５２、８０、１６２…流路プレート ５４…冷却液体通
路 ５６、８４、１６６…蓋プレート ６０ａ、６０ｂ…
導電プレート ８２、１６４…冷却空気通路 ８２ａ、８２ｂ、１６４ａ、１６４ｂ…壁部 ８６ａ、８６ｂ、１６８ａ、１６８ｂ…流路溝 ８８、１７２…ガイド ９０、１７０…空
気導入部 ９４…空気導入口 １１０…燃料電池
システム １１２…燃料ガス供給部 １１４…酸化剤ガ
ス供給部 １１６…冷却液体供給部 １１８…冷却空気
供給部 １７４…通路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電解質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接合体を有し、前記接合体をセパ
   レータにより挟持して前記アノード側電極に燃料ガスが
   供給される一方、前記カソード側電極に酸化剤ガスが供
   給される発電セルと、 所定数の前記発電セルに対して電気的に一体的に接続さ
   れる一対の集電用電極と、 前記発電セルを冷却するための冷却液体が供給され、絶
   縁機構を設けて前記集電用電極間に介装される第１冷却
   セルと、 前記発電セルを冷却するための冷却気体が供給され、前
   記第１冷却セルとの間に所定数の前記発電セルを挟んで
   介装される第２冷却セルと、 を備え、 前記第２冷却セルは、前記発電セルの発電面に対応する
   面内において、面内中央部の伝熱面積が面内端部の伝熱
   面積よりも大きいことを特徴とする燃料電池スタック。
2. 【請求項２】請求項１記載の燃料電池スタックにおい
   て、前記第２冷却セルは、前記面内中央部に対して前記
   面内端部よりも多量の前記冷却気体を供給する冷却気体
   流路を設けることを特徴とする燃料電池スタック。