JP2003346832A - 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、構成部材間の接触電気抵抗を有効に
低減し、発電セルの出力の向上を図ることを可能にす
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、冷却空気によ
り前記発電セル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、少なくとも発電セル１２と
接触する部分、および前記第２冷却セル２０の構成部材
間で接触する部分に、耐食性および導電性を有する材料
が用いられる。

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燃料電池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させ、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、構成部材間の接触電気
抵抗を有効に低減し、発電セルの出力の向上を図ること
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、少なくとも発電
セルと接触する部分および前記第２冷却セルの構成部材
間で接触する部分に、耐食性および導電性を有する材料
が用いられている。このため、第２冷却セルと発電セル
との接触界面および前記第２冷却セル内部の接触電気抵
抗を有効に削減することができ、電圧の低下を阻止して
燃料電池スタック全体の出力を向上させることが可能に
なる。

【００１７】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、軽合金製部材を備え、前
記軽合金製部材には、金メッキ、銅メッキまたは錫メッ
キによる表面処理が施されている。

【００１８】この場合、第２冷却セルに軽量でかつ安価
な軽合金製部材を使用すると、各部材の固有抵抗が低く
ても、大気中での酸化や運転環境下での酸化により前記
部材の表面に酸化皮膜が生じ易い。この酸化皮膜によっ
て、発電セルと第２冷却セルとの間の接触電気抵抗成分
が増加し、発電時に電圧の低下が惹起されてしまい、燃
料電池スタックの出力が低下するという問題がある。こ
の現象は、特に、アルミニウム合金を使用した際に顕著
である。

【００１９】そこで、軽合金製部材に金メッキ、銅メッ
キまたは錫メッキによる表面処理が施されることによ
り、第２冷却セルと発電セルとの間、および前記第２冷
却セル内部における接触電気抵抗の低減が確実に図られ
る。従って、燃料電池スタック全体の出力を有効に向上
させることができるとともに、軽量でかつ安価な軽合金
製部材を好適に使用することが可能になる。

【００２０】さらに、本発明の請求項３に係る燃料電池
スタックでは、第２冷却セルが、耐食性を有する黒鉛系
材料で構成されている。これにより、表面処理を施す必
要がなく、確実に接触電気抵抗の低減を図ることがで
き、燃料電池スタック全体の出力を有効に向上させるこ
とが可能になる。

【００２１】

【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。

【００２２】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を挟んで前記集電用電極１４、１６間に所定数の第２
冷却セル２０が介装される。

【００２３】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）。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】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。

【００２８】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。

【００２９】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。

【００３０】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。

【００３１】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や、緻密質の炭素材料で形成され
る。

【００３２】流路プレート５２は、幅方向（矢印Ｂ方
向）両端中央側に一方の面側に突出して筒状接続部６２
ａ、６２ｂを設けており、前記接続部６２ａ、６２ｂ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、６６ｂ
が設けられる。

【００３３】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。

【００３４】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ている。導電プレート６
０ａ、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。

【００３５】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。

【００３６】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。

【００３７】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。

【００３８】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。

【００３９】第１の実施形態では、流路プレート８０お
よび蓋プレート８４は、アルミニウム合金（ＪＩＳ規格
７０７５や２０１４−Ｔ６等が好ましい）で形成され
る。流路プレート８０および蓋プレート８４は、少なく
とも発電セル１２と接触する部分、および前記流路プレ
ート８０と前記蓋プレート８４との間で接触する部分
に、耐食性および導電性を有する材料が用いられる。

【００４０】具体的には、図５および図６に示すよう
に、流路プレート８０および蓋プレート８４の発電セル
１２と接触する部分に対応し、金メッキ、銅メッキまた
は錫メッキ処理による外側電気メッキ層８５ａが設けら
れる。流路プレート８０および蓋プレート８４の互いに
接触する部分には、同様に、金メッキ、銅メッキまたは
錫メッキによる表面処理が施され、内側電気メッキ層８
５ｂが設けられる。外側電気メッキ層８５ａおよび内側
電気メッキ層８５ｂは、膜厚が３μｍ〜１０μｍの範囲
内に設定される。

【００４１】冷却空気通路８２は、図５に示すように、
流路プレート８０の一方の面８０ａに設けられており、
鉛直方向（矢印Ｃ方向）に直線状に延在する複数本の流
路溝８６を備える。流路溝８６の下端側には、ガイド８
８を設けた空気導入部９０が連通している。冷却空気通
路８２は、カソード側電極２６およびアノード側電極２
８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。

【００４２】図３および図５に示すように、蓋プレート
８４には、空気導入部９０に連通する室９２が形成さ
れ、この室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。

【００４３】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。

【００４４】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。

【００４５】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。

【００４６】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。

【００４７】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。

【００４８】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。

【００４９】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。

【００５０】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。

【００５１】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。

【００５２】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。

【００５３】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。

【００５４】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）。

【００５５】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の温度が上昇してくる。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１
１６を構成するポンプ１３６が駆動される。

【００５６】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。

【００５７】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。

【００５８】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
のみでは、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
を調整された後、各第２冷却セル２０を構成するパイプ
９６から空気導入口９４に導入される。

【００５９】図３および図５に示すように、冷却空気
は、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。この空気導入部９０には、ガイド８８を
介して冷却空気通路８２が設けられており、前記冷却空
気は、前記ガイド８８を介して複数の流路溝８６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。これにより、第２冷却セル２０近傍の発電セ
ル１２が冷却される。

【００６０】この場合、第１の実施形態では、流路プレ
ート８０および蓋プレート８４がアルミニウム合金で形
成されるとともに、前記流路プレート８０および前記蓋
プレート８４の表面には、少なくとも発電セル１２と接
触する部分と、該流路プレート８０および該蓋プレート
８４同士が接触する部分とに、金メッキ、銅メッキまた
は錫メッキ等による表面処理が施されて外側電気メッキ
層８５ａおよび内側電気メッキ層８５ｂが設けられてい
る。

【００６１】ここで、流路プレート８０および蓋プレー
ト８４を軽合金材料、例えば、アルミニウム合金で形成
すると、前記流路プレート８０および前記蓋プレート８
４の固有抵抗が低くても、大気中での酸化や運転環境下
での酸化により該流路プレート８０および該蓋プレート
８４の表面に酸化皮膜が生じ易い。この酸化皮膜によっ
て発電セル１２と第２冷却セル２０との間の接触電気抵
抗成分が増加し、発電時に電圧の低下が惹起されて燃料
電池スタック１０の出力が低下するおそれがある。

【００６２】そこで、第１の実施形態では、アルミニウ
ム合金製の流路プレート８０および蓋プレート８４に、
耐食性および導電性を有する表面処理を施すことによ
り、第２冷却セル２０と発電セル１２との間、および前
記第２冷却セル２０内部における接触電気抵抗の低減が
確実に図られる。

【００６３】このため、燃料電池スタック１０全体の出
力を有効に向上させるとともに、軽量でかつ安価な軽合
金部材、例えば、アルミニウム合金を好適に使用するこ
とが可能になるという効果が得られる。なお、表面処理
としては、コストと接触抵抗の低減とのバランスを考慮
すると、錫メッキが好適である。

【００６４】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、１
６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
１４、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。

【００６５】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効果が得られる。

【００６６】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。

【００６７】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。

【００６８】第２冷却セル１６０は、流路プレート１６
２と蓋プレート１６４とを備え、前記流路プレート１６
２および前記蓋プレート１６４は、耐食性に優れる緻密
質の黒鉛系材料で形成される。これにより、第２の実施
形態では、流路プレート１６２および蓋プレート１６４
に表面処理を施す必要がなく、接触電気抵抗の低減を確
実に図ることができ、燃料電池スタック全体の出力を有
効に向上させることが可能になる。

【００６９】そこで、従来構成の冷却セルと上記の第２
冷却セル２０、１６０とを用いて面圧と貫通抵抗との関
係を検出する実験を行った。具体的には、発電セル１２
を構成する第１および第２セパレータ３２、３４に用い
られる緻密質の黒鉛系材料を用い、１００ｍｍ×１００
ｍｍで、厚さが２ｍｍの黒鉛セパレータ材を用意した。
この黒鉛セパレータ材により、１００ｍｍ×１００ｍｍ
で、厚さが２ｍｍの７０７５アルミニウム合金を挟持し
た構成、１００ｍｍ×１００ｍｍで、厚さが２ｍｍの
７０７５アルミニウム合金の両表面に、厚さが５μｍの
錫メッキを施した錫メッキ部材を挟持した構成、およ
び１００ｍｍ×１００ｍｍで、厚さが２ｍｍの緻密質の
黒鉛系材料を挟んだ構成を採用した。

【００７０】次いで、上記の構成（従来構成）、構成
（第２冷却セル２０に相当）および構成（第２冷却
セル１６０に相当）において、締め付け圧力を変化させ
た際に、接触面の面圧と貫通抵抗との関係を検出したと
ころ、図９に示す結果が得られた。

【００７１】これにより、アルミニウム合金の表面に錫
メッキを施すことによって（構成）、緻密質の黒鉛系
材料との接触抵抗が従来の構成に比べて大幅に低減す
るという結果が得られた。従って、第１の実施形態に係
る第２冷却セル２０を用いることにより、出力の向上を
図るとともに、軽量かつ安価に構成することができると
いうことが実証された。

【００７２】また、黒鉛系セパレータで黒鉛系材料を密
着させることにより（構成）、接触抵抗が大幅に低減
された。このため、第２の実施形態に係る第２冷却セル
１６０を使用することによって、出力をより一層向上さ
せることが可能になることが実証された。

【００７３】

【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。

【００７４】しかも、第２冷却セルは、少なくとも発電
セルと接触する部分および前記第２冷却セルの構成部材
間で接触する部分に、耐食性および導電性を有する材料
が用いられている。このため、第２冷却セルと発電セル
との接触界面および前記第２冷却セル内部の接触電気抵
抗を有効に削減することができ、電圧の低下を阻止して
燃料電池スタック全体の出力を向上させることが可能に
なる。

【００７５】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、接
触電気抵抗が低減されて該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冷却セルの説明図である。

【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】黒鉛系材料間に種々の部材が挟持された際の面
圧と貫通抵抗との関係を示す説明図である。

【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、１６４…蓋プレート ６０ａ、６０ｂ…
導電プレート ６４、８６…流路溝 ８２…冷却空気通
路 ８５ａ…外側電気メッキ層 ８５ｂ…内側電気
メッキ層 ９０…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

Claims (3)

【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、少なくとも前記発電セルと接触す
   る部分および該第２冷却セルの構成部材間で接触する部
   分に、耐食性および導電性を有する材料が用いられるこ
   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、軽合金製部材を備え、前記軽
   合金製部材には、金メッキ、銅メッキまたは錫メッキに
   よる表面処理が施されることを特徴とする燃料電池スタ
   ック。
3. 【請求項３】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、耐食性を有する黒鉛系材料で
   構成されることを特徴とする燃料電池スタック。