JP2006049197A - 燃料電池の冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 冷却水と反応ガスの流れ方向を同一としつつガス流路を蛇行状とした場合であっても、ガス流路における水詰まりを防止する。
【解決手段】 セパレータ３７の一方の面に設けた冷却水流路４５は、冷却水の流れ方向を、同他方の面に設けた空気流路４３の流れ方向と同方向とするとともに、折り返し部を有する蛇行状の複数の流路４５ａを並列に備える。空気流路４３は、折り返し部を境にしてその上流側の流路束４５Ａと下流側の流路束４５Ｂとの間隔Ｈおよび、流路束４５Ｂと流路束４５Ｃとの間隔Ｈを、各流路束Ａ，Ｂ，Ｃにおける流路４５ａ相互の間隔ｈよりも広くする。
【選択図】 図４

Description

本発明は、固体高分子膜の電解質層の両面に電極層を配置する膜・電極接合体と、この膜・電極接合体の両面に配置したセパレータとをそれぞれ有し、各セパレータの膜・電極接合体側の面に燃料ガスおよび酸化剤ガスがそれぞれ流れるガス流路を設けるとともに、セパレータの膜・電極接合体側と反対の面に冷却水が流れる冷却水流路を設けた燃料電池の冷却構造に関する。

燃料電池内では、電気化学反応の進行に伴って酸化剤ガスを供給するカソード電極側で生成水が生じ、生じた生成水は酸化剤ガス中に気化し、酸化剤ガスとともに燃料電池外に排出される。

ところが、生成水量が多いときや酸化剤ガスが流れるガス流路中に部分的に温度が低い領域があると、酸化剤ガスのガス流路内で生成水（水蒸気）が凝縮し、凝縮水がガス流路内に滞留してしまうことがある。

一方、燃料ガスを供給するアノード電極側では、電気化学反応に伴って生成水が生じることはない。ところが、燃料ガスは燃料電池に供給するのに先立って予め加湿を行うため、燃料ガスの消費とともにガス量が減っていくと、燃料ガス中の水分が凝縮し、ガス流路内に滞留してしまうことがある。酸化剤ガスあるいは燃料ガスのガス流路中で凝縮水が滞留すると、フラッディング（水詰まり）が起こり、燃料電池の性能が悪化してしまう。

このため、例えば下記特許文献１には、電気化学反応で生じた生成水（水蒸気）の凝縮を抑えるために、冷却水の流れを反応ガスの流れに対して同方向とする技術が開示されている。

ところがこの場合、流路を直線状として想定しているために、燃料電池の発電面に対向する側から見た形を正方形とした場合には、流路の本数が増加するため、流路間の流量バラツキが大きくなり、燃料電池の性能が悪化するという問題がある。また、多くの流路にガスを供給する必要があるため、マニホールドのサイズが大きくなり、その分反応面積が小さくなり、燃料電池の出力が低下する問題がある。

この対策として、流路を直線状としたまま本数の低減を図る場合には、発電領域の面積を確保するため、燃料電池の発電面に対向する側から見た形状が長細い長方形とすることが考えられる。

しかしながら、長方形の燃料電池は正方形に対してシール長が長くなるため、水素漏れに対する信頼性が低下する。また、セパレータなどのプレート部分の長さが長くなるため、厚さのバラツキが大きくなり、単位電池を複数積層する際のスタッキングが困難になるという問題がある。

このような問題を考慮して、燃料電池の発電面に対向する側から見た形状をほぼ正方形とした上で、流路形状をサーペンタイン（蛇行状）とする技術が、下記特許文献２に開示されている。流路形状をサーペンタインとすることによって、流路は、本数が低減できるものの、その途中に曲がりを伴うことになる。
特開平５−１４４４５１号公報 特開２００３−７７４９５号公報

図１４は、特許文献１の技術すなわち冷却水流路とガス流路のそれぞれの流れ方向を互いに同一とした技術と、特許文献２の技術すなわち流路を蛇行状とした技術とを組み合わせたカソード側セパレータ１の流路形状を示し、（ａ）が冷却水流路３を、（ｂ）が酸化剤ガス流路５をそれぞれ示す。

なお、図１４（ａ）中で３ａ，３ｂはそれぞれ冷却水入口マニホールド，同出口マニホールド、図１４（ｂ）中で５ａ，５ｂはそれぞれ酸化剤ガス入口マニホールド，出口マニホールドである。セパレータ１の表裏両面にそれぞれ形成してある蛇行状の冷却水流路３と酸化剤ガス流路５とは、流路入口付近および出口付近の一部を除き、互いに同方向となっている。

図１５は、冷却水流路をサーペンタイン流路とした場合のカソード側セパレータ１の冷却水流路面の温度分布を示す。ここでは、前記図１４に示したように反応ガスと冷却水は、ほぼ同方向の流れとなっているものの、カーボンプレートかならるセパレータ１は、内部の熱伝導があるために、反応ガスの流れに沿って温度勾配が形成されない。温度勾配は、反応ガスの流れには沿わず、冷却水入口マニホールド３ａを備える図１５中で下部側と、冷却水出口マニホールド３ｂを備える図１５中で上部側との間で、上下方向に向かって形成される。

図１６は、上記した図１５の温度分布に対して反応ガスが流れた場合の酸化剤ガス流路（空気流路）５中の温度、湿度（ＲＨ）、凝縮水の変化を示す。図１６の温度分布からわかるように、温度は流路の直線部では殆ど変化せずに、曲がり部で上昇する傾向を示す。 このため、温度が殆ど変化しない直線部では、湿度（ＲＨ）が急上昇し、その下流端の曲がり部の手前で凝縮水が発生する。

このように、冷却水と反応ガスの流れ方向を同一とし、かつ流路形状をサーペンタインとした場合には、流路の曲がり部で凝縮水が発生するため、フラッディング（水詰まり）が発生し易いといった問題がある。

そこで、本発明は、冷却水と反応ガスの流れ方向を同一としつつ流路を蛇行状とした場合であっても、流路における水詰まりを防止することを目的としている。

本発明は、固体高分子膜の電解質層の両面に電極層を配置する膜・電極接合体と、この膜・電極接合体の両面に配置したセパレータとをそれぞれ有し、前記各セパレータの前記膜・電極接合体側の面に燃料ガスおよび酸化剤ガスがそれぞれ流れるガス流路を設けるとともに、前記セパレータの前記膜・電極接合体側と反対の面に冷却水が流れる冷却水流路を設け、この冷却水流路は、冷却水の流れ方向を、前記燃料ガスおよび酸化剤ガスの少なくともいずれか一方のガス流路のガス流れ方向と同方向とするとともに、折り返し部を有する蛇行状の流路とし、前記折り返し部を境にしてその上流側および下流側の各流路をそれぞれ複数並列に設けて流路束をそれぞれ形成し、この各流路束相互の間隔を、各流路束における流路相互の間隔よりも広くしたことを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、冷却水流路は、折り返し部を境にしてその上流側の流路束と同下流側の流路束との間隔を、各流路束における流路相互の間隔よりも広くしたので、各流路束相互間の熱伝導を低減でき、これにより冷却水と同方向に流れるガスの流れに沿って温度勾配が形成されて、蛇行流路における折り返し部での凝縮水の発生を低減することができ、フラッディング（水詰まり）を防止することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係わる燃料電池のシステム全体を示す構成図である。この燃料電池システムは、燃料電池本体１１と燃料電池を運転するための補機類とを備える。

燃料電池本体１１には、その温度を最適に保つため、内部に冷却水として不凍液であるロングライフクーラント（ＬＬＣ）を流す。ロングライフクーラントとしては、例えば、エチレングリコールと水との混合液などがある。ＬＬＣの循環系１３にはＬＬＣタンク１５，ＬＬＣポンプ１７，温度センサ１９，バイパスバルブ２０，ラジエータ２１をそれぞれ有する。

ＬＬＣ温度に応じて、ラジエータ２１をバイパスする流量をバイパスバルブ２０で調整し、燃料電池本体１１を最適な温度に保つ。また、燃料電池本体１１には、内部で電気化学反応によって発電を行うため、水素を含んだ燃料ガスと酸素を含んだ酸化剤ガスを供給する。

また、燃料電池本体１１内の水分状態を最適に保つため、燃料ガス供給系２３にはアノード水回収装置２５を、酸化剤ガス供給系２７にはカソード水回収装置２９をそれぞれ設置している。水回収装置としては、ガス間で水移動を行うための、膜や中空糸あるいは、ポーラス材を用いたプレートなどを備えるものあるいは、加湿した燃料電池本体１１からの排出ガスを入口に循環させるポンプあるいはイジェクタでもよく、また燃料ガスと酸化剤ガスとの間で水移動を行ってもよい。

図２は、燃料電池本体１１の内部構成を示す。この燃料電池本体１１は、固体高分子膜の電解質層の両側に電極層を備えた膜・電極接合体（ＭＥＡ）３１を中央に備え、その両側に、ガス拡散層（ＧＤＬ）３３、さらにその外側にアノード側セパレータ３５およびカソード側セパレータ３７をそれぞれ配置した単位電池３９を複数積層している。

アノード側セパレータ３５のＧＤＬ３３に対向する面には、燃料ガスとして水素ガスを供給するアノードガス流路４１を形成する一方、カソード側セパレータ３７のＧＤＬ３３に対向する面には、酸化剤として空気を供給するカソードガス流路４３を形成する。また、カソード側セパレータ３７のカソードガス流路４３と反対側の面には、冷却水流路４５を形成する。冷却水流路４５に代えて、アノード側セパレータ３５のアノードガス流路４１と反対側の面に冷却水流路を形成してもよいし、アノード側セパレータ３５、カソード側セパレータ３７の両方に形成してもよい。

図３は、アノード側セパレータ３５のカソードガス（水素）流路４１を形成した側から見た平面図である。図３中で左側部の上部に、水素入口マニホールド４７を、同右側部の下部に水素出口マニホールド４９を、それぞれ形成し、これら各マニホールド４７，４９相互を、蛇行状の水素流路４１によって連通している。

水素流路４１は、複数（ここでは５本）の流路４１ａを互いに並行に配置し、これら複数の流路４１ａは水素入口マニホールド４７側の端部で共通入口流路４１ｂに連通し、さらに二本の入口流路４１ｃによって水素入口マニホールド４７に連通する。また、複数の流路４１ａは、水素出口マニホールド４９側の端部で共通出口流路４１ｄに連通し、さらに二本の出口流路４１ｅによって水素出口マニホールド４９に連通する。

図４（ａ）は、カソード側セパレータ３７のカソードガス（空気）流路４３を形成した側から見た平面図、図４（ｂ）は、カソード側セパレータ３７の冷却水流路４５を形成した側から見た平面図である。

図４（ａ）中で左側部の下部に、空気入口マニホールド５１を、同右側部の上部に空気出口マニホールド５３を、それぞれ形成し、これら各マニホールド５１，５３相互を、蛇行状の空気流路４３によって連通している。

空気流路４３は、水素流路４１と同様に複数（ここでは５本）の流路４３ａを互いに並行に配置し、これら複数の流路４３ａは空気入口マニホールド５１側の端部で共通入口流路４３ｂに連通し、さらに三本の入口流路４３ｃによって空気入口マニホールド５１に連通する。また、複数の流路４３ａは、空気出口マニホールド５３側の端部で共通出口流路４３ｄに連通し、さらに三本の出口流路４３ｅによって空気出口マニホールド５３に連通する。

上記図４（ａ）の裏面側からの見た図に相当する図４（ｂ）中で下側部の右部に、冷却水入口マニホールド５５を、同上側部の左部に冷却水出口マニホールド５７を、それぞれ形成し、これら各マニホールド５５，５７相互を、蛇行状の冷却水流路４５によって連通している。

冷却水流路４５は、水素流路４１や空気流路４３と同様に複数（ここでは５本）の流路４５ａを互いに並行に配置して、これらの上流側端部および下流側端部を、それぞれ冷却水入口マニホールド５５および冷却水出口マニホールド５７に接続している。

上記した図４（ａ），（ｂ）からわかるように、空気流路４３と冷却水流路４５とは、それぞれの上流側および下流側の端部付近の一部を除き、流体の流れ方向が互い同一となっている。

一方、水素流路４１については、上記した空気流路４３および冷却水流路４５とは逆の流れ、すなわち空気流路４３および冷却水流路４５に対してカウンタフローとなっている。

凝縮水は、水素流路４１および空気流路４３では、共に主として下流で生成されるため、膜間の移動を考慮すると、各流路４１，４３相互で上記したような逆方向に流れるカウンタフローが有利となる。

しかしながら、水素と空気をカウンタフローにすると、水素とＬＬＣもカウンタフローとなるため、水素ガスの下流で温度が低下することになり、下流で凝縮水量が多くなる。よって、アノードでの凝縮水が問題となる場合には、水素と空気を同方向に流した方がよい。したがって、水素と空気の流す向きは、燃料電池の稼動条件によって、決める必要がある。

図４（ｂ）に示すように、本実施形態では、蛇行状の冷却水流路４５は、複数の流路４５ａが水平方向に延びる下部の第１水平流路束４５Ａと、その上部の第２水平流路束４５Ｂと、さらにその上部の第３水平流路束４５Ｃとをそれぞれ有している。第１水平流路束４５Ａと第２水平流路束４５Ｂとを、折り返し部としての第１鉛直流路束４５Ｄで連通し、第２水平流路束４５Ｂと第３水平流路束４５Ｃとを、折り返し部としての第２鉛直流路束４５Ｅで連通している。

なお、折り返し部として、複数の流路４５ａを並列に備える第１鉛直流路束４５Ｄおよび第２鉛直流路束４５Ｅに代えて、それぞれ１本の流路を用いてもよい。すなわち、１本の流路によって各水平流路束４５Ａ，４５Ｂ相互を連通し、また１本の流路によって各水平流路束４５Ｂ，４５Ｃ相互を連通する。

そして、ここでは第１水平流路束４５Ａと第２水平流路束４５Ｂとの間隔Ｈおよび、第２水平流路束４５Ｂと第３水平流路束４５Ｃとの間隔Ｈを、各流路４５ａ相互の間隔ｈよりも広くしている。なお、ここでの５本の流路４５ａの互いに隣接するもの同士の間隔はすべてｈとしてほぼ等しくしている。

これによって、第１，第２，第３の各水平流路束４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｃ相互間の幅広のリブ部では、セパレータ３７が冷却されにくくなるので、複数の流路４５ａ相互間の幅の狭いリブ部に比べて温度が上昇し、蛇行状の水素の流れ方向に沿って温度勾配が生じることとなる。

図５に空気流路４３の流れ方向に対する温度変化を示す。本実施形態では、第１，第２，第３の各水平流路束４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｃ相互間の熱伝導を抑えることができるため、前記図１５に示した従来例（図４（ｂ）での各水平流路束４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｃ相互間の間隔を、流路４５ａ相互の間隔と同等とした場合）に比べ、空気流路入口から同出口に向かって温度上昇をより保つことができる。

このように、空気流路４３の入口から出口に向かって温度が上昇しているため、電気化学反応によって生成水が発生しても、温度上昇による水蒸気分圧の上昇によって湿度（ＲＨ）の急激な上昇は抑えられ、水蒸気が飽和になりにくく、凝縮水によるフラッディングを防止することができる。

図６は、本発明の第２の実施の形態に係わる、カソード側セパレータ３７の冷却水流路４５を形成した側から見た、前記図４（ｂ）に相当する平面図である。本実施形態は、第１，第２，第３の各水平流路束４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｃにおける各流路４５ａ相互の間隔を、図６中で下部から上部に向けて徐々に狭くしている。図６に示す冷却水流路以外の他の構成は、第１の実施形態と同様である。

すなわち、各水平流路束４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｃにおける最下部の流路４５ａ相互の間隔ｈoが最も広く、各水平流路束４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｃにおける最上部の流路４５ａ相互の間隔ｈiが最も狭くなっており、これらの間隔は冷却水の出口側ほど狭くなっている。

このため、冷却水入口側に比べて温度が高くなる冷却水出口側の部分を、冷却水入口側部分よりも冷やすことができ、この結果、各流路束４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｃにおける流路４５ａ相互間の温度差が小さくなり、温度勾配がより空気の流れに沿うようになる。よって、空気流路４３の入口から出口に向かって温度が上昇し、生成水が温度上昇による水蒸気分圧の上昇によって吸収され、凝縮水によるフラッディングを防止できる。

図７（ａ），（ｂ）は、本発明の第３の実施の形態に係わる、前記図４（ａ），（ｂ）に相当する平面図である。この実施形態は、図７（ａ）に示すように、冷却水流路４５の第１水平流路束４５Ａと第２水平流路束４５Ｂとの間の部分５９および、第２水平流路束４５Ｂと第３水平流路束４５Ｃとの間の部分６５のカソード側セパレータ３７に、それぞれ細長い貫通孔６１および６３を設けている。

第３の実施形態によれば、各水平流路束４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｃ相互間の熱の伝達が、貫通孔６１，６３を設けることによる空気の断熱効果によって遮断される。

図８に空気流路４３の流れ方向に対する温度変化を示す。本実施形態では、各水平流路束４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｃ相互間の熱伝導を抑えることができるため、前記図１５に示した従来例に比べて、空気流路入口から同出口に向かって温度上昇をより保つことができる。これにより、生成水が温度上昇による水蒸気分圧の上昇によって吸収され、凝縮水によるフラッディングを防止できる。

図９は、前記図７に示した第３の実施形態のセパレータ３７を使用した燃料電池本体１１の積層状態を簡略化した燃料電池スタックの斜視図である。積層方向両端にエンドプレート６７（ここでは一方の端部のエンドプレート６７のみを示している）を配置し、その間に前記図２に示した単位電池３９を複数積層する。この場合、上記したセパレータ３７の貫通孔６１，６３に整合するスタック貫通孔を燃料電池スタック全体に設ける。

そして、上記した積層状態を保持するために、締結用ロッドとしての複数のタイロッド６９を、燃料電池スタック全体に挿入して締め付け、積層のための荷重を付加する。このとき、複数のタイロッド６９のうち２本を、上記したセパレータ３７の貫通孔６１，６３を含むスタック貫通孔に挿入する。

このように、単位電池３９の積層部品であるタイロッド６９を単位電池３９の中央部に通すことによって、燃料電池スタック全体のコンパクト化が図れる。また、単位電池３９の中央部に荷重を負荷することができるため、単位電池３９の面圧をその面全体で均一化でき、電気的接触抵抗低減によって燃料電池としての性能が向上する。

なお、貫通孔６１，６３を含むスタック貫通孔の周囲は、Ｏリングなどのシール材によってシールする。

図１０（ａ），（ｂ）は、本発明の第４の実施の形態に係わる、前記図７（ａ），（ｂ）に相当する平面図である。この実施形態は、図７に示した第３の実施形態におけるセパレータ３７の貫通孔６１，６３に、セパレータ３７より熱伝導率の低い構造部材７１，７３を配置する。

このため、各水平流路束４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｃ相互間の熱の伝達が、熱伝導率の低い構造部材７１，７３を設けることによる断熱効果によって遮断される。熱伝導率の低い構造部材７１，７３としては、樹脂などを使用することができる。あるいは金属系の部材も表面処理などによって絶縁が確保できれば、ハニカム構造などを活用することによって、熱伝導率の低い部材として活用することができる。

第４の実施形態では、水平流路束４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｃ相互間の熱伝導を抑えることができるため、第３の実施形態と同様に空気流路４３の入口から出口に向かって温度上昇を保つことができるので、生成水が温度上昇による水蒸気分圧の上昇によって吸収され、凝縮水によるフラッディングを防止できる。

図１１は、前記図９に示した燃料電池スタックにおいて、２本のタイロッド６９を貫通孔６１，６３を含むスタック貫通孔に挿入する代わりに、板状の構造部材７５，７７を配置している。この板状の構造部材７５，７７は、前記図１０（ａ），（ｂ）に示した構造部材７１，７３と同様に、セパレータ３７より熱伝導率の低い部材である。

これにより、板状の構造部材７５，７７が、各単位電池３９をつなぐことになり、単位電池３９を複数積層した燃料電池スタックの剛性を高めることができる。

図１２は、本発明の第５の実施の形態に係わる、前記図４（ｂ）に相当する平面図である。この実施形態は、セパレータ３７を製造する際に、冷却水流路４５の第１水平流路束４５Ａと第２水平流路束４５Ｂとの間および、第２水平流路束４５Ｂと第３水平流路束４５Ｃとの間に相当する部分を、素材の割合を変えて低熱伝達率部材７９，８１とし、熱伝導率を他の部分より低くしている。

具体的には、低熱伝達率部材７９，８１は、セパレータ３７を構成するカーボンに混ぜる樹脂の割合を高くして熱伝導率を低くしている。

このため、各水平流路束４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｃ相互間の熱の伝達が、低熱伝達率部材７９，８１の材料特性による断熱効果によって遮断される。このため、空気流路４３の入口から出口に向かって温度上昇をより保つことができ、生成水が温度上昇による水蒸気分圧の上昇によって吸収され、凝縮水によるフラッディングを防止できる。

図１３（ａ），（ｂ）は、本発明の第６の実施の形態に係わる、前記図４（ａ），（ｂ）に相当する平面図である。この実施形態は、図１３（ｂ）に示すように、第１水平流路束４５Ａにおける各流路４５ａの上流側端部を、図中で上下方向に延びる共通入口流路４５ｂに連通し、さらにこの共通入口流路４５ｂの上下方向中央部を、１本の入口流路４５ｃを介して冷却水入口マニホールド５５に連通する。

また、第３水平流路束４５Ｃにおける各流路４５ａの下流側端部を、図中で上下方向に延びる共通入口流路４５ｄに連通し、さらにこの共通入口流路４５ｄの上下方向中央部を、１本の出口流路４５ｅを介して冷却水出口マニホールド５７に連通する。

すなわち、この実施形態では、冷却水流路４５の入口および同出口を、それぞれ１箇所にしている。

また、図１４（ａ）に示すように、空気流路４３についても、その複数の流路４３ａのそれぞれの上流側端部を連通する共通入口流路４３ｂの上下方向上端部を、１本の入口流路４３ｃを介して空気入口マニホールド５１に連通する。さらに複数の流路４３ａのそれぞれの下流側端部を連通する共通出口流路４３ｄの上下方向下端部を、１本の出口流路４３ｅを介して空気出口マニホールド５３に連通する。

すなわち、この実施形態では、空気流路４３の入口および同出口を、それぞれ１箇所にしている。その他の構成は図４と同様である。

このような構成とする第６の実施形態は、前記図４に示した第１の実施形態と比較すれば明らかなように、流路の出入口部付近においても、反応ガス（空気）と冷却水の流れを互いに揃えることができる。その結果、空気流路４３の入口から出口に向かって温度上昇をより一層保つことができ、生成水が温度上昇による水蒸気分圧の上昇によって吸収され、凝縮水によるフラッディングをより確実に防止できる。

本発明によれば、各流路束における流路相互の間隔を、冷却水の出口側ほど狭くしたので、温度が高い流路部分を温度が低い流路部分よりも、より冷やすことができ、この結果、各流路束における流路間の温度差が小さくなり、冷却水と同方向に流れる反応ガスの流れに沿って温度勾配が形成されて、蛇行流路における折り返し部での凝縮水の発生を低減することができ、フラッディング（水詰まり）を防止することができる。

前記折り返し部を境にしてその上流側の流路束と同下流側の流路束との間に、前記セパレータを貫通する貫通孔を設けたので、各流路束相互間の熱伝導を低減でき、これにより冷却水と同方向に流れるガスの流れに沿って温度勾配が形成されて、蛇行流路における折り返し部での凝縮水の発生を低減することができ、フラッディング（水詰まり）を防止することができる。

前記貫通孔に、前記セパレータより熱伝導率の低い部材を配置することで、各流路束相互間の熱伝導を低減でき、これにより冷却水と同方向に流れるガスの流れに沿って温度勾配が形成されて、蛇行流路における折り返し部での凝縮水の発生を低減することができ、フラッディング（水詰まり）を防止することができる。

前記膜・電極接合体と前記セパレータとからなる単位電池を複数積層して燃料電池スタックを構成し、この燃料電池スタックに、前記セパレータの貫通孔に整合するスタック貫通孔を設け、このスタック貫通孔に締結用ロッドを挿入して前記燃料電池スタックを締結固定することで、燃料電池スタック全体のコンパクト化が図れるとともに、単位電池の中央部に荷重を負荷することができるため、単位電池の面圧をその面全体で均一化でき、電気的接触抵抗低減によって燃料電池としての性能が向上する。

前記膜・電極接合体と前記セパレータとからなる単位電池を複数積層して燃料電池スタックを構成し、この燃料電池スタックに、前記セパレータの貫通孔に整合するスタック貫通孔を設け、このスタック貫通孔に前記セパレータより熱伝導率の低い部材を配置することで、この部材を構造部材として活用でき、燃料電池スタックとして剛性を向上することができる。

前記折り返し部を境にしてその上流側の流路束と同下流側の流路束との間の部分の前記セパレータの熱伝達率を、セパレータの他の部分より低くしたので、各流路束相互間の熱伝導を低減でき、これにより冷却水と同方向に流れる反応ガスの流れに沿って温度勾配が形成されて、蛇行流路における折り返し部での凝縮水の発生を低減することができ、フラッディング（水詰まり）を防止することができる。また、この場合、カーボンセパレータの熱伝導率を低下する材料として樹脂の割合を多くすることによって、セパレータの強度を向上できる効果もある。

前記冷却水流路の入口および同出口を、それぞれ１箇所にするとともに、前記冷却水流路における冷却水の流れ方向に対してガス流れ方向が同方向の前記ガス流路の入口および同出口を、それぞれ１箇所にすることで、反応ガスと冷却水の流れを、入口近傍および出口近傍においても同方向とすることができ、これにより冷却水と同方向に流れるガスの流れに沿ってより確実に温度勾配が形成されて、蛇行流路における折り返し部での凝縮水の発生を低減することができ、フラッディング（水詰まり）を防止することができる。

前記冷却水流路を流れる冷却水の温度勾配を、前記ガス流路を流れる反応ガスの流れに沿わせたので、冷却水と同方向に流れる反応ガスの流れに沿って温度勾配が形成されて、蛇行流路における折り返し部での凝縮水の発生を低減することができ、フラッディング（水詰まり）を防止することができる。

本発明の第１の実施形態に係わる燃料電池のシステム全体を示す構成図である。 図１の燃料電池本体の内部構成を示す断面図である。 アノード側セパレータのカソードガス（水素）流路を形成した側から見た平面図である。 （ａ）は、カソード側セパレータのカソードガス（空気）流路を形成した側から見た平面図、（ｂ）は、カソード側セパレータの冷却水流路を形成した側から見た平面図である。 第１の実施形態および従来例による空気流路の流れ方向に対する温度変化特性図である。 本発明の第２の実施の形態に係わる、カソード側セパレータの冷却水流路を形成した側から見た、図４（ｂ）に相当する平面図である。 （ａ），（ｂ）は、第３の実施の形態に係わる、図４（ａ），（ｂ）にそれぞれ相当する平面図である。 第３の実施形態および従来例による空気流路の流れ方向に対する温度変化特性図である。 第３の実施形態のセパレータを使用した燃料電池本体の積層状態を簡略化した斜視図である。 （ａ），（ｂ）は、第４の実施の形態に係わる、図７（ａ），（ｂ）にそれぞれ相当する平面図である。 第４の実施形態のセパレータを使用した燃料電池本体の積層状態を簡略化した斜視図である。 本発明の第５の実施の形態に係わる、図４（ｂ）に相当する平面図である。 （ａ），（ｂ）は、第６の実施の形態に係わる、前記図４（ａ），（ｂ）にそれぞれ相当する平面図である。 （ａ）は従来のカソード側セパレータにおける冷却水流路の形状を示す平面図、（ｂ）は同酸化剤ガス流路の形状を示す平面図である。 冷却水流路をサーペンタイン流路とした場合のカソード側セパレータの冷却水流路面の温度分布図である。 図１５の温度分布に対して反応ガスが流れた場合の酸化剤ガス流路中の温度、湿度（ＲＨ）、凝縮水の変化特性図である。

符号の説明

３１ 膜・電極接合体
３５ アノード側セパレータ
３７ カソード側セパレータ
４１ アノードガス（水素）流路
４３ カソードガス（空気）流路
４３ｃ １本の入口流路（ガス流路の入口）
４３ｅ １本の出口流路（ガス流路の出口）
４５ 冷却水流路（蛇行状の流路）
４５ｃ １本の入口流路（冷却水流路の入口）
４５ｅ １本の出口流路（冷却水流路の出口）
４５Ａ 第１水平流路束
４５Ｂ 第２水平流路束
４５Ｃ 第３水平流路束
４５Ｄ 第１鉛直流路束（折り返し部）
４５Ｅ 第２鉛直流路束（折り返し部）
６１，６３ セパレータの貫通孔
６９ タイロッド（締結用ロッド）
７１，７３ 構造部材（セパレータより熱伝導率の低い部材）
７５，７７ 板状の構造部材（セパレータより熱伝導率の低い部材）
７９，８１ 低熱伝達率部材
Ｈ 第１水平流路束と第２水平流路束との間隔
ｈ 流路相互の間隔

Claims (9)

1. 固体高分子膜の電解質層の両面に電極層を配置する膜・電極接合体と、この膜・電極接合体の両面に配置したセパレータとをそれぞれ有し、前記各セパレータの前記膜・電極接合体側の面に燃料ガスおよび酸化剤ガスがそれぞれ流れるガス流路を設けるとともに、前記セパレータの前記膜・電極接合体側と反対の面に冷却水が流れる冷却水流路を設け、この冷却水流路は、冷却水の流れ方向を、前記燃料ガスおよび酸化剤ガスの少なくともいずれか一方のガス流路のガス流れ方向と同方向とするとともに、折り返し部を有する蛇行状の流路とし、前記折り返し部を境にしてその上流側および下流側の各流路をそれぞれ複数並列に設けて流路束をそれぞれ形成し、この各流路束相互の間隔を、各流路束における流路相互の間隔よりも広くしたことを特徴とする燃料電池の冷却構造。
2. 固体高分子膜の電解質層の両面に電極層を配置する膜・電極接合体と、この膜・電極接合体の両面に配置したセパレータとをそれぞれ有し、前記各セパレータの前記膜・電極接合体側の面に燃料ガスおよび酸化剤ガスがそれぞれ流れるガス流路を設けるとともに、前記セパレータの前記膜・電極接合体側と反対の面に冷却水が流れる冷却水流路を設け、この冷却水流路は、冷却水の流れ方向を、前記燃料ガスおよび酸化剤ガスの少なくともいずれか一方のガス流路のガス流れ方向と同方向とするとともに、折り返し部を有する蛇行状の流路とし、前記折り返し部を境にしてその上流側および下流側の各流路をそれぞれ複数並列に設けて流路束をそれぞれ形成し、この各流路束における流路相互の間隔を、冷却水の出口側ほど狭くしたことを特徴とする燃料電池の冷却構造。
3. 固体高分子膜の電解質層の両面に電極層を配置する膜・電極接合体と、この膜・電極接合体の両面に配置したセパレータとをそれぞれ有し、前記各セパレータの前記膜・電極接合体側の面に燃料ガスおよび酸化剤ガスがそれぞれ流れるガス流路を設けるとともに、前記セパレータの前記膜・電極接合体側と反対の面に冷却水が流れる冷却水流路を設け、この冷却水流路は、冷却水の流れ方向を、前記燃料ガスおよび酸化剤ガスの少なくともいずれか一方のガス流路のガス流れ方向と同方向とするとともに、折り返し部を有する蛇行状の流路とし、前記折り返し部を境にしてその上流側および下流側の各流路をそれぞれ複数並列に設けて流路束をそれぞれ形成し、この各流路束相互間に、前記セパレータを貫通する貫通孔を設けたことを特徴とする燃料電池の冷却構造。
4. 前記貫通孔に、前記セパレータより熱伝導率の低い部材を配置することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池の冷却構造。
5. 前記膜・電極接合体と前記セパレータとからなる単位電池を複数積層して燃料電池スタックを構成し、この燃料電池スタックに、前記セパレータの貫通孔に整合するスタック貫通孔を設け、このスタック貫通孔に締結用ロッドを挿入して前記燃料電池スタックを締結固定することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池の冷却構造。
6. 前記膜・電極接合体と前記セパレータとからなる単位電池を複数積層して燃料電池スタックを構成し、この燃料電池スタックに、前記セパレータの貫通孔に整合するスタック貫通孔を設け、このスタック貫通孔に前記セパレータより熱伝導率の低い部材を配置することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池の冷却構造。
7. 固体高分子膜の電解質層の両面に電極層を配置する膜・電極接合体と、この膜・電極接合体の両面に配置したセパレータとをそれぞれ有し、前記各セパレータの前記膜・電極接合体側の面に燃料ガスおよび酸化剤ガスがそれぞれ流れるガス流路を設けるとともに、前記セパレータの前記膜・電極接合体側と反対の面に冷却水が流れる冷却水流路を設け、この冷却水流路は、冷却水の流れ方向を、前記燃料ガスおよび酸化剤ガスの少なくともいずれか一方のガス流路のガス流れ方向と同方向とするとともに、折り返し部を有する蛇行状の流路とし、前記折り返し部を境にしてその上流側および下流側の各流路をそれぞれ複数並列に設けて流路束をそれぞれ形成し、この各流路束相互間の前記セパレータの熱伝達率を、セパレータの他の部分より低くしたことを特徴とする燃料電池の冷却構造。
8. 前記冷却水流路の入口および同出口を、それぞれ１箇所にするとともに、前記冷却水流路における冷却水の流れ方向に対してガス流れ方向が同方向の前記ガス流路の入口および同出口を、それぞれ１箇所にすることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の燃料電池の冷却構造。
9. 固体高分子膜の電解質層の両面に電極層を配置する膜・電極接合体と、この膜・電極接合体の両面に配置したセパレータとをそれぞれ有し、前記各セパレータの前記膜・電極接合体側の面に燃料ガスおよび酸化剤ガスがそれぞれ流れるガス流路を設けるとともに、前記セパレータの前記膜・電極接合体側と反対の面に冷却水が流れる冷却水流路を設け、この冷却水流路は、冷却水の流れ方向を、前記燃料ガスおよび酸化剤ガスの少なくともいずれか一方のガス流路のガス流れ方向と同方向とするとともに、折り返し部を有する蛇行状の流路とし、前記冷却水流路を流れる冷却水の温度勾配を、前記ガス流路を流れる反応ガスの流れに沿わせたことを特徴とする燃料電池の冷却構造。

Images