JP2003346866A - 燃料電池スタック - Google Patents

燃料電池スタック

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JP2003346866A JP2002149183A JP2002149183A JP2003346866A JP 2003346866 A JP2003346866 A JP 2003346866A JP 2002149183 A JP2002149183 A JP 2002149183A JP 2002149183 A JP2002149183 A JP 2002149183A JP 2003346866 A JP2003346866 A JP 2003346866A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】発電セル内の最高温度を最適運転温度以下に維
持し、簡単な構成で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、前記集電用電極
１４、１６間に介装され、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。

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ことができ、簡単かつコンパクト
な構成で、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。
【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、集電用電極間に
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】第１冷却セルは、所定数の発電セルを他の
第１冷却セルとで、あるいは、集電用電極とで挟持して
おり、前記第１冷却セル近傍の発電セルの温度は、該第
１冷却セルから離間する位置（挟持方向中央部）に配置
された発電セルの温度に比べて相対的に低下する。従っ
て、第１冷却セル間では、中央部に位置する発電セルの
温度が高い山形状の温度分布が生じ易い。
【００１６】そこで、第１冷却セルとの間に所定数の発
電セルを挟んで、すなわち、前記第１冷却セル間で温度
の高い発電セルの近傍に第２冷却セルが介装されてい
る。このため、第２冷却セルに冷却気体が供給されるこ
とにより、この第２冷却セル近傍の温度の高い発電セル
を有効に冷却することができる。
【００１７】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。
【００１８】しかも、高出力時には、第１冷却セルと共
に第２冷却セルが使用されて、冷却が必要な発電セルの
みを冷却している。このため、冷却用に大型の熱交換器
を用いる必要がなく、熱交換器を有効に小型化すること
が可能になる。
【００１９】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、互いに近接する第１冷却
セル間にのみ配置されている。従って、集電用電極と積
層方向両端の第１冷却セルとの間には、第２冷却セルが
配設されておらず、この集電用電極と前記積層方向両端
の第１冷却セルとの間に配設される発電セルの数は、互
いに近接する第１冷却セル間に配設される発電セルの数
よりも少なく設定される。
【００２０】互いに近接する第１冷却セル間には、中央
部に第２冷却セルが介装されるため、例えば、２ｎ個の
発電セルが配設される場合、集電用電極と積層方向両端
の第１冷却セルとの間には、それぞれｎ個の発電セルが
配設される。これにより、各第１冷却セルが除去（冷
却）する熱量の差が少なくなり、積層方向に沿って各発
電セルの温度差が有効に削減されるとともに、第２冷却
セルの数を減少させることができる。
【００２１】さらに、本発明の請求項３に係る燃料電池
スタックでは、集電用電極の外方には、該集電用電極を
挟んで発電セルとは反対側に、前記発電セルを冷却する
ための冷却媒体が供給される第３冷却セルが配置されて
いる。従って、集電用電極近傍の発電セルが過度に冷却
されることを回避するとともに、前記発電セルを適度に
冷却することが可能になる。このため、燃料電池スタッ
ク内に配設された発電セル同士の温度差が有効に小さく
なる。
【００２２】さらにまた、本発明の請求項４に係る燃料
電池スタックは、車両に搭載される車載型燃料電池スタ
ックであって、第２冷却セルに冷却気体を供給する冷却
気体供給部を備えている。これにより、冷却気体供給部
の作用下に、各発電セルを最適運転温度近傍に保持し、
かつ積層方向に沿って各発電セル間に温度差が発生する
ことを良好に阻止することが可能になる。従って、発電
性能が一層向上して高出力化が容易に図られる。
【００２３】また、本発明の請求項５に係る燃料電池ス
タックでは、冷却気体供給部が、車両の走行時に走行風
を第２冷却セルに導くことにより、冷却気体を前記第２
冷却セルに供給するためのコンプレッサ等の補器が不要
になる。このため、冷却系システムの小型化が図られる
とともに、車両のレイアウトの自由度が大幅に向上し、
該車両の小型化や居住空間の拡大が可能になる。
【００２４】
【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。
【００２５】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。
【００２６】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）。
【００２７】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（後述する）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２４に接合されている。
【００２８】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。
【００２９】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。
【００３０】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。
【００３１】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。
【００３２】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。
【００３３】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。
【００３４】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。
【００３５】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。
【００３６】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。
【００３７】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。
【００３８】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。
【００３９】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。
【００４０】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。
【００４１】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。
【００４２】冷却空気通路８２は、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８８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。
【００４３】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、パイプ９６が接
続されている。パイプ９６は、電気的絶縁処理が施され
ており、例えば、前記パイプ９６をポリテトラフルオル
エチレン等の樹脂で形成し、あるいは、金属製パイプの
外表面にポリテトラフルオルエチレン等の樹脂をコーテ
ィングしている。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。
【００４４】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。
【００４５】図６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。
【００４６】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。
【００４７】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。
【００４８】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。
【００４９】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。
【００５０】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。
【００５１】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。
【００５２】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。
【００５３】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
を制御される。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。
【００５４】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。
【００５５】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）。
【００５６】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６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。
【００５７】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。
【００５８】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６参照）。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。
【００５９】この場合、第１冷却セル１８では、冷却液
体通路５４を形成する流路プレート５２と蓋プレート５
６とが、絶縁シート５８ａ、５８ｂを設けた導電プレー
ト６０ａ、６０ｂに覆われている（図３参照）。このた
め、冷却液体通路５４は、発電セル１２から電気的に絶
縁されており、前記発電セル１２で発生する電気が前記
冷却液体通路５４の冷却液体に流れることがない。これ
により、冷却液体を介して地絡や液絡が発生することが
なく、燃料電池スタック１０全体の出力低下を確実に阻
止することができ、所望の発電機能を確実に維持するこ
とが可能になるという効果が得られる。
【００６０】しかも、冷却液体に導電性が付与されてい
ても、発電セル１２の発電性能に影響を与えることがな
い。従って、イオンや金属系添加物を含む一般の水系冷
却媒体等を使用することができ、設備全体の簡素化を図
るとともに、経済的であるという利点がある。
【００６１】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だけで、すなわち、第１冷却セル
１８だけで、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１１
８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６参照）。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を構成するパイ
プ９６から空気導入口９４に導入される。
【００６２】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。
【００６３】この場合、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。
【００６４】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。
【００６５】しかも、高出力時には、第１冷却セル１８
と共に第２冷却セル２０が使用され、冷却が必要な発電
セル１２のみを冷却している。このため、冷却用に大型
の熱交換器を用いる必要がなく、比較的小型の熱交換器
１３８により良好に対応することができる。
【００６６】さらに、第２冷却セル２０は、冷却空気を
用いるために第１冷却セル１８のような導電性を有する
冷却液体を使用しない。従って、冷却空気と発電セル１
２との間を絶縁する必要がなく、第２冷却セル２０の構
成が有効に簡素化されるという利点がある。
【００６７】また、図７に示すように、燃料電池スタッ
ク１０と同様に構成される燃料電池スタック１０ａを用
いて、第２冷却セル２０による空冷の有無と発電セル１
２の温度との関係を検出する実験を行った。
【００６８】この燃料電池スタック１０ａは、３０個の
発電セル１２を積層して両端部に集電用電極１４、１６
を配置するとともに、前記集電用電極１４、１６の外側
には、絶縁および断熱用のエポキシ樹脂製板を設置し、
さらにその外側にエンドプレート２１ａ、２１ｂを配置
した。エンドプレート２１ａには、図示しない皿ばねお
よびバックアッププレートを設置し、このバックアップ
プレートとエンドプレート２１ｂ側の図示しないバック
アッププレートとの間にボルトを挿通して締め付けるこ
とにより、燃料電池スタック１０ａが構成された。
【００６９】電解質部２４を構成する電解質層は、リン
酸含浸前のポリベンズイミダゾール膜の重量と、ポリベ
ンズイミダゾール繰り返し単位当たりの分子量とから、
前記ポリベンズイミダゾール膜内のポリベンズイミダゾ
ール繰り返し単位のモル数が予め算出された。
【００７０】そして、厚さが５０μｍのポリベンズイミ
ダゾール膜を８５％のリン酸溶液に２４時間以上、前記
ポリベンズイミダゾール膜内のリン酸濃度が平衡に達す
るまで浸漬した。次いで、リン酸が含浸したポリベンズ
イミダゾール膜を取り出して、８０℃で真空乾燥した
後、その重量とリン酸の分子量とから浸漬後のポリベン
ズイミダゾール膜内のリン酸のモル数が算出された。
【００７１】このポリベンズイミダゾール繰り返し単位
のモル数と、ポリベンズイミダゾール膜内のリン酸のモ
ル数とから、ポリベンズイミダゾール繰り返し単位当た
りのリン酸の分子数を算出したところ、このリン酸の分
子数は、１０．２であった。
【００７２】一方、カソード側電極２６およびアノード
側電極２８は、以下のように製作された。
【００７３】まず、カーボン微粒子とポリテトラフルオ
ロエチレン（以下、ＰＴＦＥという）微粉末をエチレン
グリコールに分散させた溶液を、厚さが２７０μｍのカ
ーボンペーパーの片側表面に塗布し、乾燥してエチレン
グリコールを除去することにより、カーボン・ＰＴＦＥ
層が形成された。さらに、多孔質カーボン微粒子に白金
合金系触媒を担持したものを純水で湿らせた後、エチレ
ングリコールと混合および攪拌することにより、担持触
媒・エチレングリコール溶液が得られた。
【００７４】この担持触媒・エチレングリコール溶液
を、カーボンクロス表面に形成したカーボン・ＰＴＦＥ
層上にスクリーン印刷によって均一に塗布し、乾燥によ
りエチレングリコールを除去して触媒層を形成し、ガス
拡散層付き電極が得られた。触媒層形成後のガス拡散層
付き電極の層厚さは、３００μｍであった。カソード側
電極２６およびアノード側電極２８において、発電に寄
与する電極面積は、２６８ｃｍ2であった。
【００７５】次に、膜厚さが２５μｍのポリイミドフイ
ルムに打ち抜き加工を施して、額縁状部材が形成され
た。この額縁状部材を、カソード側電極２６およびアノ
ード側電極２８と略同一寸法の電解質層の外周部にオー
バーラップさせるように重ね、さらに前記電解質層の両
面に前記カソード側電極２６およびアノード側電極２８
を配置し、プレス装置を用いて加圧および加熱して一体
化した。これにより、接合体（電解質層・電極接合体）
３０が形成された。
【００７６】そこで、発電セル１２を１０セル毎に、第
１冷却セル１８が配置されるとともに、前記発電セル１
２を５セル毎に、第２冷却セル２０が配置された。すな
わち、第１冷却セル１８間の中央に第２冷却セル２０が
介装された。そして、図７に示すように、３０個の発電
セル１２の中、中央の１０個の発電セル１２の両端に位
置する発電セル１２と、これらに隣接する第１冷却セル
１８との間に、熱電対１５０が設置された。さらに、１
０個の発電セル１２の中央に位置する第２冷却セル２０
と、これに隣り合う発電セル１２との間に、熱電対１５
０が設置された。
【００７７】このように構成される燃料電池スタック１
０ａにおいて、流量が１８．７ｎｏｒｍａｌ ｌ／ｍｉ
ｎ（標準状態０℃で、１ａｔｍに換算した流量）、ガス
利用率が５０％、圧力が２０１．３ｋＰａ（絶対圧）に
設定された水素ガスが供給される一方、４４．５ｎｏｒ
ｍａｌ ｌ／ｍｉｎ、ガス利用率が５０％、圧力が２０
１．３ｋＰａに設定された空気が供給され、負荷電流密
度が０．５Ａ／ｃｍ2、燃料電池スタック１０ａとして
は１３４Ａの条件で発電を行った。
【００７８】まず、第２冷却セル２０を用いずに、第１
冷却セル１８に対して１個当たり２．４ｎｏｒｍａｌ
ｌ／ｍｉｎの自動車用冷却液を供給して冷却を行った。
その際、中央部の１０個の発電セル１２の積層方向の温
度分布が、比較例として図８に示されている。
【００７９】これにより、第２冷却セル２０に接する発
電セル１２のセパレータ温度が、最高で１６０℃となる
一方、第１冷却セル１８に接する発電セル１２のセパレ
ータ温度が１０４℃であった。従って、第２冷却セル２
０に接する発電セル１２は、運転最適温度である１６０
℃となっており、燃料電池スタック１０ａに上記の発電
能力より多くの発電性能が要求される際、前記第２冷却
セル２０に接する前記発電セル１２の温度が運転最適温
度以上となってしまう。
【００８０】そこで、第１の実施形態では、比較例と同
一条件で発電を行うとともに、第２冷却セル２０に接す
る発電セル１２のセパレータ温度が最高温度である１６
０℃となった時点で、この第２冷却セル２０に５０ｎｏ
ｒｍａｌ ｌ／ｍｉｎの流量で空気を導入し、冷却を開
始した。空気導入が開始されてから１０分後、第２冷却
セル２０に接する発電セル１２のセパレータ温度は、１
５２℃となった（図７中、実施例参照）。
【００８１】このように、燃料電池スタック１０ａの
中、最も温度が高い部分、すなわち、第２冷却セル２０
に接する発電セル１２のセパレータ温度が１５２℃とな
り、比較例に比べて８℃の温度低下となった。一方、第
１冷却セル１８に接する発電セル１２のセパレータ温度
は、比較例と同様に１０４℃であった。
【００８２】この結果、第２冷却セル２０を用いること
により、第１冷却セル１８に供給される冷却液体の量を
比較例よりも減少させることができ、燃料電池システム
１１０内に貯留される冷却液体量を減少させることが可
能になる。従って、冷却液体供給部１１６を構成するポ
ンプ１３６および熱交換器１３８を有効に小型化するこ
とができるという利点が得られる。
【００８３】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。
【００８４】図９は、本発明の第２の実施形態に係る燃
料電池スタック１６０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。また、以下に示す第３乃至第５の
実施形態においても、同様にその詳細な説明は省略す
る。
【００８５】第２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間に配置されてい
る。具体的には、図９および図１０に示すように、燃料
電池スタック１６０の集電用電極１４、１６と、積層方
向両端の第１冷却セル１８との間には、第２冷却セル２
０が配設されておらず、互いに近接する第１冷却セル１
８間の中央にのみ前記第２冷却セル２０が配設されてい
る。第１冷却セル１８間の発電セル１２の数が１０個で
あり、その中央に第２冷却セル２０が配設されており、
前記第１冷却セル１８と前記第２冷却セル２０との間に
は、５個の発電セル１２が配設される。集電用電極１
４、１６と、これらに隣接する第１冷却セル１８との間
には、５個の発電セル１２が配設されている。
【００８６】このように構成される第２の実施形態で
は、各第１冷却セル１８の両側に、それぞれ５個の発電
セル１２が積層されている。このため、各第１冷却セル
１８が除去（冷却）する熱量の差が少なくなり、積層方
向に沿って各発電セル１２の温度差が有効に削減される
という効果が得られる。
【００８７】さらに、集電用電極１４、１６と第１冷却
セル１８との間に、第２冷却セル２０が配設されておら
ず、前記第２冷却セル２０の数を、例えば、両端側の２
個だけ減少することができる。
【００８８】図１１は、本発明の第３の実施形態に係る
燃料電池スタック１７０の概略構成を示す側面説明図で
ある。
【００８９】この燃料電池スタック１７０では、集電用
電極１４、１６の外方に、前記集電用電極１４、１６を
挟んで発電セル１２とは反対側に位置して第３冷却セル
１７２が配置される。具体的には、集電用電極１４、１
６の外方に、絶縁シート１９ａ、１９ｂを介装して第３
冷却セル１７２が配置され、前記第３冷却セル１７２に
断熱材１７４を介してエンドプレート２１ａ、２１ｂが
配置されている。
【００９０】第３冷却セル１７２は、集電用電極１４、
１６と絶縁シート１９ａ、１９ｂにより絶縁されるとと
もに、発電セル１２同士を電気的に接続する必要がな
く、導電プレートが不要である。図１２に示すように、
第３冷却セル１７２は、流路プレート５２と蓋プレート
５６とを備えている。
【００９１】このように構成される第３の実施形態で
は、集電用電極１４、１６の外側に第３冷却セル１７２
が配置されるため、前記集電用電極１４、１６近傍の発
電セル１２が過度に冷却されることを回避するととも
に、前記第３冷却セル１７２を適度に冷却することがで
きる。
【００９２】これにより、燃料電池スタック１７０内に
配設された各発電セル１２同士の温度差が有効に小さく
なるという利点が得られる。しかも、第３冷却セル１７
２は、流路プレート５２と蓋プレート５６とを備えるだ
けでよく、構成が有効に簡素化されて経済的である。
【００９３】図１３は、本発明の第４の実施形態に係る
燃料電池スタックを構成する第１冷却セル１８０の分解
斜視説明図である。
【００９４】この第１冷却セル１８０を構成する流路プ
レート１８２は、冷却液体通路５４の入口近傍に、冷却
液体供給連通路４６ａから前記冷却液体通路５４に導入
される冷却液体の流入量を抑制する絞り１８４ａ、１８
４ｂを設けている。絞り１８４ａ、１８４ｂは、ガイド
６６ａの上流側に位置して流路プレート１８２の面から
膨出形成されている。
【００９５】このように構成される第４の実施形態で
は、冷却液体供給連通路４６ａから流路プレート１８２
と蓋プレート５６との間に形成されている冷却液体通路
５４に冷却液体が導入される際、絞り１８４ａ、１８４
ｂにより前記冷却液体の流入量が抑制される。このた
め、各第１冷却セル１８０による冷却効率の均一化を図
ることができ、特に、集電用電極１４、１６近傍の発電
セル１２の温度と、それ以外の発電セル１２の温度との
差を、有効に縮小することができる。
【００９６】図１４は、本発明の第５の実施形態に係る
燃料電池システム１９０の概略構成説明図である。
【００９７】この燃料電池システム１９０は、車両に搭
載されており、車両の走行時の走行風を利用する冷却空
気供給部１９２を備えている。冷却空気供給部１９２
は、走行風を取り込む冷却空気配管１９４を設け、この
冷却空気配管１９４には、絞り１９６が配置されるとと
もに、前記冷却空気配管１９４と酸化剤ガス配管１３０
との間には、絞り１９８を備えたバイパス配管２００が
接続されている。
【００９８】このように構成される第５の実施形態で
は、車両の走行時に、走行風が冷却空気供給部１９２に
導入され、この冷却空気が燃料電池スタック１０を構成
する第２冷却セル２０に導入される。特に、高出力時に
は、車速が速くなって冷却空気供給部１９２に導入され
る冷却空気の流量が増大し、発電セル１２の冷却効率が
向上する。従って、冷却空気を第２冷却セル２０に供給
するためのコンプレッサ等の補器が不要になり、冷却系
システムの小型化が図られるとともに、車両のレイアウ
トの自由度が大幅に向上し、該車両の小型化や居住空間
の拡大が可能になる。
【００９９】なお、車両が低速時、あるいは停止時に、
第２冷却セル２０に冷却空気を供給する際には、第１コ
ンプレッサ１２８から導入された酸化剤ガスである空気
をバイパス配管２００を介して冷却空気配管１９４に導
入すればよい。
【０１００】
【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。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。
【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７】実施例の燃料電池スタックの発電セルの温度を
検出するための熱電対の配置説明図である。
【図８】図７に示す燃料電池スタックを用いて前記第２
冷却セルによる空冷の有無と前記発電セルの温度との関
係を示す説明図である。
【図９】本発明の第２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１０】前記燃料電池スタックの概略斜視説明図であ
る。
【図１１】本発明の第３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１２】前記燃料電池スタックを構成する第３冷却セ
ルの分解斜視説明図である。
【図１３】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタ
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１４】本発明の第５の実施形態に係る燃料電池シス
テムの概略構成説明図である。
【符号の説明】
１０、１０ａ、１６０、１７０…燃料電池スタック １２…発電セル １４、１６…集電
用電極 １８、２０、１７２、１８０…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、１８２…流路プレート ５４…冷却液体通
路 ５６、８４…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 ９０…空気導入部 ９４…空気導入口 １１０、１９０…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、１９２…冷却空気供給部 １７４…断熱材 １８４ａ、１８４ｂ、１９６、１９８…絞り
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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

Claims (5)

    【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
    前記集電用電極間に介装される第２冷却セルと、 を備え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、互いに近接する前記第１冷却
    セル間にのみ配置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または２記載の燃料電池スタック
    において、前記集電用電極の外方には、該集電用電極を
    挟んで前記発電セルとは反対側に、前記発電セルを冷却
    するための冷却媒体が供給される第３冷却セルが配置さ
    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１乃至３のいずれか１項に記載の燃
    料電池スタックにおいて、車両に搭載される車載型燃料
    電池スタックであって、前記第２冷却セルに前記冷却気
    体を供給する冷却気体供給部を備えることを特徴とする
    燃料電池スタック。
  5. 【請求項５】請求項４記載の燃料電池スタックにおい
    て、前記冷却気体供給部は、前記車両の走行時に走行風
    を前記第２冷却セルに導くことを特徴とする燃料電池ス
    タック。
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