JP2003346834A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】簡単かつコンパクトな構成で、各発電セルを確
実に冷却して有効な発電性能を確保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、所定数の前記発電セル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と、冷却媒体により
前記発電セル１２を冷却するとともに、前記集電用電極
１４、１６間に介装される冷却セル１８とを備える。発
電セル１２の面寸法は、長辺Ｌ１と短辺Ｌ２とがＬ１／
Ｌ２≧５の関係に設定される。

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、上記の燃料電池スタックでは、
発電セルによる発電が行われると、この発電セルの面内
方向において温度分布が惹起されるおそれがある。具体
的には、発電セルの面内温度は、大気により冷却され易
い外周部分で比較的低温になる一方、放熱し難い中央部
分で比較的高温になる。これにより、発電セルの面内温
度が不均一になり、低温部分の発電性能は、最適運転温
度での発電性能よりも低下するという問題がある。

【００１１】また、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。

【００１２】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。

【００１３】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。特に、この種の燃
料電池スタックを車両に搭載する際には、熱交換器であ
るラジエータが前記車両内で大きなスペースを占領して
しまい、該車両用構成部品のレイアウトの自由度が制限
されるという問題がある。

【００１４】本発明はこの種の問題を解決するものであ
り、簡単かつコンパクトな構成で、各発電セルを確実に
冷却することができ、発電セル面内を均一な温度に維持
して有効な発電性能を確保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。

【００１５】

【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により
発電セルが冷却されるとともに、前記発電セルの面寸法
は、長辺Ｌ１と短辺Ｌ２とがＬ１／Ｌ２≧５の関係に設
定されている。このため、発電セルの面内中央部では、
短辺側の寸法が長辺側の寸法に比べて相当に短尺化さ
れ、この面内中央部から長辺側外周縁までの距離が短く
なる。従って、発電セルの外周縁からの大気放冷による
冷却効果が中央部まで確実に及ぶことになり、発電セル
の面内各部における温度差が有効に低減される。

【００１６】しかも、長辺と短辺との比（以下、アスペ
クト比ともいう）が小さい従来構造に比べ、発電面内中
央部の温度を低くすることができるとともに、各発電セ
ルの積層方向に対する温度差をも低減することが可能に
なる。これにより、簡単な構成で、発電セルの面方向の
温度差および積層方向の温度差を低減することができ、
前記発電セルの発電性能を有効に向上させることが可能
になる。

【００１７】さらに、大気放冷による冷却効果が、発電
セルの面内中央部にも及ぶため、冷却セルに循環される
冷却媒体による熱交換に必要な熱量を少なくすることが
できる。このため、冷却媒体量を有効に削減することが
可能になり、熱交換器、冷却媒体循環用ポンプおよび冷
却系配管等を備える冷却系システム全体の小型化が容易
に図られる。

【００１８】また、本発明の請求項２に係る燃料電池ス
タックでは、冷却媒体を発電セルおよび集電用電極から
電気的に絶縁するための絶縁機構が、０．５Ｗ／（ｍ・
ｋ）以上の熱伝導率を有している。従って、発電セルか
ら発生する熱は、絶縁機構を介して冷却セルに良好に伝
達され、冷却媒体との間で熱交換がなされる。これによ
り、積層方向における各発電セル間の温度差が低減され
るため、各発電セルの発電性能をより一層最高性能に近
づけることができ、燃料電池スタック全体の出力を大幅
に向上させることが可能になる。

【００１９】さらに、本発明の請求項３に係る燃料電池
スタックでは、複数の燃料電池スタック同士を、長辺側
を重ね合わせて鉛直方向に積層するとともに、前記鉛直
方向に重なり合う前記燃料電池スタック間には、冷却機
構が介装されている。このため、燃料電池スタック同士
を上下に積層した場合でも、前記燃料電池スタック間に
介装されている冷却機構を介して、前記燃料電池スタッ
クの長辺側から冷却することができる。従って、積層さ
れた燃料電池スタックを構成する各発電セルは、面内中
央部と外周部との温度差が低減され、所望の発電性能を
維持することが可能になる。

【００２０】しかも、アスペクト比の大きな薄型燃料電
池スタックを上下に積層するため、アスペクト比と上下
方向の積層数を調整することによって、必要出力と設置
空間に応じたレイアウトが可能となる。特に、設置空間
が限定される車両に搭載する際には、好適な構造とな
る。

【００２１】さらにまた、本発明の請求項４に係る燃料
電池スタックでは、冷却機構が軽合金で形成されるとと
もに、燃料電池スタックに接触する表面部分には、０．
５Ｗ／（ｍ・ｋ）以上の熱伝導率を有し、かつ電気絶縁
性のコーティング処理が施されている。これにより、上
下に積層された複数の燃料電池スタック積層体全体にお
いても、各部位の温度差が有効に低減され、発電性能を
一層向上させることが可能になる。

【００２２】

【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の概略構成を示す平面説明
図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の側面図
であり、図３は、前記燃料電池スタック１０の分解斜視
説明図である。

【００２３】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、所定数の冷却セル１８が介装される。

【００２４】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と冷却セル１８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）。

【００２５】発電セル１２は、図３および図４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。

【００２６】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。図５に示すように、発電セル
１２の面寸法は、長辺（横寸法）Ｌ１と、短辺（縦寸
法）Ｌ２の比であるアスペクト比が、Ｌ１／Ｌ２≧５の
関係、より好適には、Ｌ１／Ｌ２＝５〜７の関係に設定
される。

【００２７】発電セル１２は、図３および図５に示すよ
うに、横方向（矢印Ｂ方向）の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３８ａとを設ける。発電セ
ル１２の横方向の両端上部側には、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３８
ａと対角位置になるように設けられている。

【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３および図４参照）。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、それぞれ水平方向
（矢印Ｂ方向）に平行して延在する複数本の流路溝を備
えている。

【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、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１０セ
ルおき、すなわち、前記冷却セル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、３
４は、図３および図４に示すように、前記冷却セル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。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】冷却セル１８は、図６に示すように、冷却
媒体用流路プレート５２と、この流路プレート５２に重
ね合わされて冷却媒体通路５４を形成する蓋プレート５
６と、前記冷却媒体通路５４に供給される冷却媒体、例
えば、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）５８ａ、５８ｂと、前記冷却セル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（導電機構）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）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６３と冷媒排出管路６５とが接続され
る（図３参照）。冷媒供給管路６３内に冷却媒体供給連
通路６３ａが形成される一方、冷媒排出管路６５内に冷
却媒体排出連通路６５ａが形成される。

【００３３】図６に示すように、流路プレート５２の他
方の面側には、冷却媒体通路５４が形成されており、こ
の冷却媒体通路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。

【００３４】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６３および冷媒排
出管路６５に接続される（図３参照）。

【００３５】導電プレート６０ａ、６０ｂは、図６に示
すように、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６０ａ、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。

【００３６】絶縁シート５８ａ、５８ｂは、絶縁シート
１９ａ、１９ｂと同様に構成され、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５８
ａ、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。

【００３７】絶縁シート５８ａ、５８ｂは、さらに好適
には、絶縁性と、良好な熱伝導率、具体的には、０．５
Ｗ／（ｍ・ｋ）以上の熱伝導率とを有するとともに、所
望の弾性を有して導電プレート６０ａ、６０ｂとの密着
性に優れる材料で構成される。絶縁シート５８ａ、５８
ｂは、例えば、表１に示すように、信越化学工業株式会
社製の高熱伝導性シリコンゴムシートや低硬度高熱伝導
性シリコンゴムシート等が使用される。

【００３８】

【表１】

【００３９】表１からも明らかなように、高熱伝導性シ
リコンゴムシートの中、製品名ＴＣ−ＥＧおよびＴＣ−
ＴＸの熱伝導率は、それぞれ、４．５Ｗ／（ｍ・ｋ）、
５．０Ｗ／（ｍ・ｋ）であり、通常のゴムや樹脂材料の
熱伝導率に比べて１桁大きな値となり、好適である。

【００４０】なお、絶縁機構としては、絶縁シート５８
ａ、５８ｂに代替して、高熱伝導性・電気絶縁性グリー
スを使用してもよい。例えば、信越化学工業株式会社製
の放熱用オイルコンパウンドが使用される。このオイル
コンパウンドは、シリコンオイルを基油として金属酸化
物を配合しており、グリース状を有するとともに、熱伝
導率に優れている。表２は、各オイルコンパウンドの熱
伝導率が示されている。

【００４１】

【表２】

【００４２】上記のオイルコンパウンドの中、Ｇ７６
５、Ｇ７５０およびＧ７５１の熱伝導率は、それぞれ、
２．８９Ｗ／（ｍ・ｋ）、３．５Ｗ／（ｍ・ｋ）および
４．５Ｗ／（ｍ・ｋ）であり、通常のゴムや樹脂材料の
熱伝導率に比べて１桁大きな値となっている。

【００４３】導電プレート６０ａ、６０ｂの長辺方向両
端部には、それぞれ互いに近接する方向に屈曲してフォ
ーク状の合わせ部７０ａ、７０ｂが設けられるととも
に、前記合わせ部７０ａ、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。

【００４４】図３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。

【００４５】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、以下に説明する。

【００４６】まず、モータ等の負荷２２の要求電流に応
じて、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）および酸化剤ガスである酸素
含有ガス（以下、空気ともいう）が供給される。

【００４７】図３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。

【００４８】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）。

【００４９】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、図示しない
ポンプの作用下に、燃料電池スタック１０に冷却液体が
供給される。

【００５０】燃料電池スタック１０の冷却媒体供給連通
路６３ａに供給された冷却液体は、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
れた冷却媒体通路５４に導入される（図３参照）。図６
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１２の発電面を冷却した
後、冷却媒体排出連通路６５ａに排出される（図３参
照）。

【００５１】この場合、第１の実施形態には、図５に示
すように、発電セル１２の面寸法がアスペクト比で略５
〜７に設定されている。このため、アスペクト比が一般
的に１〜２の従来構造に比べ、発電セル１２の面方向中
央部が上下（長辺側）の両外周縁に近接している。従っ
て、発電セル１２が大気放冷により外周部から冷却され
る際に、その冷却効果が面内中央部にまで及び、この面
内中央部が良好に冷却される。これにより、発電セル１
２では、面内各部の温度差が有効に低減される。

【００５２】しかも、面内中央部の温度は、アスペクト
比が小さい従来構造の面内中央部の温度よりも低くな
り、各発電セル１２では、積層方向の温度差をも低減す
ることができる。このため、発電セル１２は、面内各部
の温度差と積層方向の温度差とが低減され、前記発電セ
ル１２の発電性能を有効に向上させることが可能になる
という効果が得られる。

【００５３】さらに、発電セル１２の面内中央部に大気
放冷による冷却効果が作用するため、冷却媒体通路５４
を循環する冷却液体により熱交換が必要な熱量を減少さ
せることができる。従って、冷却液体の流量が大幅に削
減され、熱交換器（ラジエータ）、冷却媒体循環用ポン
プおよび冷却系配管等から構成される冷却系システム全
体を有効に小型化することが可能になる。

【００５４】さらにまた、絶縁シート５８ａ、５８ｂ
は、熱伝導性の良好な、具体的には、０．５Ｗ／（ｍ・
ｋ）以上の熱伝導率を有する材料で構成されている。こ
のため、発電セル１２から発生する熱は、絶縁シート５
８ａ、５８ｂを介して冷却セル１８内に良好に伝達さ
れ、冷却媒体通路５４に流れる冷却液体との間で熱交換
がなされる。これにより、特に、積層方向への熱移動が
良好に行われ、各発電セル１２の積層方向に対する温度
差を可及的に低減することができる。

【００５５】また、絶縁機構としての絶縁シート５８
ａ、５８ｂが、シリコンゴムシートや絶縁性グリース等
を用いている。従って、絶縁機構の簡素化を図るととも
に、この絶縁機構が小型かつ薄型化され、燃料電池スタ
ック１０全体の小型化が可能になるという利点がある。

【００５６】なお、第１の実施形態では、冷却セル１８
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。

【００５７】図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃
料電池スタック１２０を積層した状態の概略構成を示す
側面説明図である。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。

【００５８】第２の実施形態では、複数の燃料電池スタ
ック１２０が長辺側を重ね合せて鉛直方向（矢印Ｃ方
向）に積層されるとともに、前記燃料電池スタック１２
０間には、各長辺間に対応して冷却機構１２２が介装さ
れる。

【００５９】各燃料電池スタック１２０を構成するエン
ドプレート１２４ａ、１２４ｂには、上下に隣り合う前
記燃料電池スタック１２０に近接してフランジ１２６
ａ、１２６ｂが形成される。フランジ１２６ａ、１２６
ｂは、冷却機構１２２を挟んでボルト１２８を介して締
め付けられる。上下に配置された燃料電池スタック１２
０は、冷却機構１２２を介装して締め付け固定されるこ
とにより、燃料電池スタック積層体１３０が構成され
る。

【００６０】図８に示すように、冷却機構１２２は、中
空の薄型直方体形状を有する冷却管１３２を備えてお
り、この冷却管１３２には、矢印Ａ方向に貫通して冷却
媒体流路１３４が設けられる。冷却管１３２は、アルミ
ニウム合金等の軽合金で形成されており、少なくとも燃
料電池スタック１２０に接触する部分の外表面には、熱
伝導性が良好でかつ絶縁性のコーティング処理が施され
ることによって、皮膜１３６が設けられる。

【００６１】この皮膜１３６は、第１の実施形態に用い
られている絶縁シート５８ａ、５８ｂと同様に構成され
ている。具体的には、皮膜１３６として、０．５Ｗ／
（ｍ・ｋ）以上の熱伝導率と絶縁性とを有するととも
に、所望の弾性を有する高熱伝導性シリコンゴムシー
ト、低硬度高熱伝導性シリコンゴムシートの他、高熱伝
導性・電気絶縁性グリース等が使用される。

【００６２】このように構成される第２の実施形態で
は、複数の燃料電池スタック１２０が長辺側を重ね合わ
せるようにして上下に配置されるとともに、各燃料電池
スタック１２０間に冷却機構１２２を構成する冷却管１
３２が介装されることにより、燃料電池スタック積層体
１３０が構成される。

【００６３】この状態で、各燃料電池スタック１２０に
酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却液体が供給されて発電
が行われるとともに、冷却管１３２の冷却媒体流路１３
４には、空気等の冷却気体や通常の自動車用冷却液体等
の冷却媒体が導入される。この冷却媒体は、冷却管１３
２の上下に配置されている燃料電池スタック１２０の長
辺側（上面および／または下面）から冷却を行う。

【００６４】このため、第２の実施形態では、上下方向
に積層されている各燃料電池スタック１２０が、長辺側
を大気放冷による冷却効果および／または冷却管１３２
に供給される冷却媒体による冷却効果によって冷却され
る。その際、燃料電池スタック１２０を構成する各発電
セル１２では、特にアスペクト比が大きく設定されてい
るため、面内中央部と外周縁との温度差が有効に低減さ
れ、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

【００６５】しかも、冷却管１３２には、熱伝導性が良
好でかつ電気絶縁性のコーティング処理による皮膜１３
６が形成されている。これにより、上下方向に積層され
た複数の燃料電池スタック１２０全体において、上下方
向の温度差が有効に低減され、燃料電池スタック積層体
１３０全体の発電効率が向上するという利点がある。

【００６６】さらに、第２の実施形態では、アスペクト
比の大きな薄型の燃料電池スタック１２０が上下に積層
されるため、このアスペクト比と上下方向の積層数を調
整することにより、必要出力と設置空間に応じたレイア
ウトが可能となる。このため、特に、設置空間が限られ
た車両に搭載する際に、好適な燃料電池スタック積層体
１３０を提供することができる。

【００６７】

【発明の効果】本発明に係る燃料電池スタックでは、発
電セルの面寸法が、長辺Ｌ１／短辺Ｌ２≧５の関係に設
定されており、前記発電セルの面内中央部が長辺側外周
縁に近接し、大気放冷による冷却効果が前記面内中央部
まで確実に及ぶ。このため、発電セルの面内各部の温度
差が低減されるとともに、積層方向の各発電セルの温度
差も低減され、該発電セルの発電性能が有効に向上す
る。

【００６８】しかも、大気放冷により発電セルの面内中
央部まで円滑に冷却されるため、冷却セルに供給される
冷却媒体量を削減することができ、熱交換器、冷却媒体
循環用ポンプおよび冷却系配管等からなる冷却系システ
ムの小型化が容易に図られる。

【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平面説明図である。

【図２】前記燃料電池スタックの側面図である。

【図３】前記燃料電池スタックの分解斜視説明図であ
る。

【図４】前記燃料電池スタックの要部拡大断面図であ
る。

【図５】前記燃料電池スタックを構成する接合体の正面
説明図である。

【図６】前記燃料電池スタックを構成する冷却セルの分
解斜視説明図である。

【図７】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタッ
クを積層した状態の概略構成を示す側面説明図である。

【図８】前記燃料電池スタックを構成する冷却機構の一
部省略斜視説明図である。

【符号の説明】

１０、１２０…燃料電池スタック １２…発電セ
ル １４、１６…集電用電極 １８…冷却セ
ル １９ａ、１９ｂ…絶縁シート ２１ａ、２１
ｂ…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 ３２、３４…
セパレータ ５０…酸化剤ガス流路 ５１…燃料ガ
ス流路 ５２…流路プレート ５４…冷却媒
体通路 ５６…蓋プレート ５８ａ、５８
ｂ…絶縁シート ６０ａ、６０ｂ…導電プレート １２２…冷却
機構 １２４ａ、１２４ｂ…エンドプレート １３０…燃料
電池スタック積層体 １３２…冷却管 １３４…冷却
媒体流路 １３６…皮膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｍ 8/24 Ｈ０１Ｍ 8/24 Ｅ (72)発明者 岡崎 幸治 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 Ｆターム(参考） 5H026 AA04 AA06 CC03 CC08 HH00 HH03 HH05

Claims (4)

【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媒体が供給され、前
   記集電用電極間に介装される冷却セルと、 前記冷却媒体を前記発電セルおよび前記集電用電極から
   電気的に絶縁するための絶縁機構と、 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を互いに電気的に接続
   するための導電機構と、 を備え、 前記発電セルの面寸法は、長辺Ｌ１と短辺Ｌ２とがＬ１
   ／Ｌ２≧５の関係に設定さ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、前記絶縁機構は、０．５Ｗ／（ｍ・ｋ）以上の熱伝
   導率を有す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または２記載の燃料電池スタック
   において、複数の前記燃料電池スタック同士を、前記長
   辺側を重ね合わせて鉛直方向に積層するとともに、 前記鉛直方向に重なり合う前記燃料電池スタック間に
   は、冷却機構が介装されることを特徴とする燃料電池ス
   タック。
4. 【請求項４】請求項３記載の燃料電池スタックにおい
   て、前記冷却機構は、軽合金で形成されるとともに、 前記燃料電池スタックに接触する表面部分には、０．５
   Ｗ／（ｍ・ｋ）以上の熱伝導率を有しかつ電気絶縁性の
   コーティング処理が施されることを特徴とする燃料電池
   スタック。