JP2007141551A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】膜電極構造体の相対湿度をほぼ均一にする。
【解決手段】膜電極構造体２０のアノード電極とこれに密接するセパレータ３０Ａとの間の空間を燃料を鉛直方向に流通させる燃料ガス通路とし、カソード電極２３とこれに密接するセパレータ３０Ｂとの間の空間を酸化剤ガスを鉛直方向に流通させる酸化剤ガス通路とし、セパレータ３０Ａをセパレータ３０Ｂに密接して配置して両セパレータ３０Ａ、３０Ｂ間に冷媒を水平方向に流通させる冷媒通路５３を形成し、冷媒通路５３の上部領域に連通する１次冷却水供給口１５ａ，１５ｂおよび１次冷却水排出口１６ａ，１６ｂと、冷却水通路５３の下部領域に連通する２次冷却水供給口１５ｃ，１５ｄおよび２次冷却水排出口１６ｃ，１６ｄとを、備え、冷却水通路５３の上部領域には下部領域よりも低温の冷媒を流通させる。
【選択図】図２

Description

この発明は、単位燃料電池を複数積層してなる燃料電池スタックに関するものである。

燃料電池には、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟んで膜電極構造体を形成し、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位燃料電池（以下、単位セルという）を構成し、この単位セルを複数積層して燃料電池スタックとするものが知られている。
この燃料電池では、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を透過してカソード電極まで移動し、カソード電極で酸素と電気化学反応を起こして発電し、その際に水（以下、生成水という）を生成する。この反応は反応ガスの流れ方向上流側から下流側へ向かって進行する。また、発電には発熱を伴うため、発電を継続するために一般に冷却装置で燃料電池を冷却している。
この冷却装置としては、蛇行する冷却管を内蔵させた冷却板を用いるものが知られている（特許文献１参照）。
また、単位燃料電池を積層する際に隣り合うセパレータ間に冷媒通路を形成し、この冷媒通路に冷媒を流して燃料電池を冷却する冷却装置も知られている。
特開昭６１−１６４８２号公報

ところで、図８に示すように、反応ガスを燃料電池スタックＳの上から下へ鉛直下向き（重力方向）に流した場合には、前記反応が上から下へ向かって進行し、反応に伴って生成される水も上から下へ流れていく。そのため、反応ガス流路内の相対湿度は上部よりも下部の方が高くなる。
このように、燃料電池スタック内の相対湿度に差が生じると、発電にも差が生じるという課題がある。
そこで、この発明は、膜電極構造体の相対湿度をほぼ均一にすることができる燃料電池スタックを提供するものである。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、電解質膜（例えば、後述する実施例における固体高分子電解質膜２１）の両側にアノード電極（例えば、後述する実施例におけるアノード電極２２）とカソード電極（例えば、後述する実施例におけるカソード電極２３）を設けて膜電極構造体（例えば、後述する実施例における膜電極構造体２０）を構成し、前記アノード電極とカソード電極に密接してセパレータ（例えば、後述する実施例におけるセパレータ３０Ａ，３０Ｂ）を配置して単位燃料電池（例えば、後述する実施例における単位燃料電池１０）を構成し、この単位燃料電池を複数積層してなる燃料電池スタック（例えば、後述する実施例における燃料電池スタックＳ）であって、前記アノード電極とこれに密接する前記セパレータとの間の空間を燃料を鉛直方向に流通させる燃料ガス通路（例えば、後述する実施例における燃料ガス通路５１）とし、前記カソード電極とこれに密接する前記セパレータとの間の空間を酸化剤ガスを鉛直方向に流通させる酸化剤ガス通路（例えば、後述する実施例における酸化剤ガス通路５２）とし、少なくとも一部の前記セパレータを他の前記セパレータに密接して配置することにより両セパレータ間に冷媒を水平方向に流通させる冷媒通路（例えば、後述する実施例における冷媒通路５３）を形成し、前記冷媒通路の上部領域に連通する冷媒入口（例えば、後述する実施例における１次冷却水供給口１５ａ，１５ｂ）および冷媒出口（例えば、後述する実施例における１次冷却水排出口１６ａ，１６ｂ）と、前記冷媒通路の下部領域に連通する冷媒入口（例えば、後述する実施例における２次冷却水供給口１５ｃ，１５ｄ）および冷媒出口（例えば、後述する実施例における２次冷却水排出口１６ｃ，１６ｄ）とを、別々に備え、前記冷媒通路の上部領域には下部領域よりも低温の冷媒を流通させることを特徴とする燃料電池スタック。

このように構成することにより、燃料ガス通路、酸化剤ガス通路、膜電極構造体（以下、反応ガス通路等という）に対する下部領域の冷却を上部領域よりも抑えることができ、反応ガス通路等において水分量が多い下部領域の温度を反応ガス通路等において水分量の少ない上部領域の温度よりも高くすることができる。その結果、反応ガス通路等における下部領域の相対湿度を低下させて上部領域の相対湿度と同等にして、膜電極構造体の面内方向全域をほぼ均一な相対湿度にすることができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記上部領域に連通する冷媒出口と前記下部領域に連通する冷媒入口とを接続し、前記上部領域を流通した冷媒を前記下部領域に流すことを特徴とする。
このように構成することにより、冷媒通路の上部領域を流通して温度上昇した冷媒を冷媒通路の下部領域に流すことができる。

請求項１に係る発明によれば、膜電極構造体の面内方向全域をほぼ均一な相対湿度にすることができるので、膜電極構造体の面内方向全域において均一に発電をすることができ、安定した発電が可能になる。また、膜電極構造体の乾燥を防止することができるとともに、生成水による反応ガス通路の閉塞を防止することができる。
請求項２に係る発明によれば、冷媒通路の上部領域を流通して温度上昇した冷媒を冷媒通路の下部領域に流すことができる。

以下、この発明に係る燃料電池の実施例を図１から図８の図面を参照して説明する。なお、この実施例の燃料電池スタックＳは燃料電池自動車用である。
図１は燃料電池スタックＳの概略斜視図であり、燃料電池スタックＳは、縦方向に細長い単位燃料電池（以下、単位セルと称す）１０を多数積層して電気的に直列接続し、その両側にエンドプレート９０Ａ，９０Ｂを配置し、図示しないタイロッドによって締結して構成されている。この実施例の燃料電池スタックＳは、前記縦方向を鉛直方向（重力方向）に向けて車両に搭載される。以下、図中の矢印Ｘ，Ｙは水平方向を示し、矢印Ｚは鉛直方向を示す。

図２に示すように、単位セル１０は、膜電極構造体２０の両側にセパレータ３０Ａ，３０Ｂを配置したサンドイッチ構造をなす。詳述すると、膜電極構造体２０は、図５に示すように、例えばフッ素系電解質材料等からなる固体高分子電解質膜（電解質膜）２１の両側にアノード電極２２とカソード電極２３を設けて構成され、膜電極構造体２０のアノード電極２２に面してアノード側セパレータ３０Ａが、カソード電極２３に面してカソード側セパレータ３０Ｂが配置されている。両セパレータ３０Ａ，３０Ｂは金属プレートを所定にプレス成形して形成されており、前記構成の単位セル１０を積層してなる燃料電池スタックＳでは、隣接する２つの単位セル１０，１０において一方の単位セル１０のアノード側セパレータ３０Ａと他方の単位セル１０のカソード側セパレータ３０Ｂとが密接する。

図２において、膜電極構造体２０と両セパレータ３０Ａ，３０Ｂの左上隅部には、使役前の燃料ガス（例えば、水素ガス）が流通する燃料ガス供給口１１が設けられ、その対角位置である右下隅部には、使役後の燃料ガス（以下、アノードオフガスという）が流通するアノードオフガス排出口１２が設けられている。同様に、膜電極構造体２０と両セパレータ３０Ａ，３０Ｂの右上隅部には、使役前の酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス供給口１３が設けられ、その対角位置である左下隅部には、使役後の酸化剤ガス（以下、カソードオフガスという）が流通するカソードオフガス排出口１４が設けられている。

さらに、膜電極構造体２０と両セパレータ３０Ａ，３０Ｂの上側過半左端部には、使役前の１次冷却水が流通する２つの１次冷却水供給口１５ａ，１５ｂが縦列に並んで設けられ、対称位置である上側過半右端部には、使役後の１次冷却水が流通する２つの１次冷却水排出口１６ａ，１６ｂが縦列に並んで設けられ、下側過半右端部には、使役前の２次冷却水が流通する２つの２次冷却水供給口１５ｃ，１５ｄが縦列に並んで設けられ、対称位置である下側過半左端部には、使役後の２次冷却水が流通する２つの２次冷却水排出口１６ｃ，１６ｄが縦列に並んで設けられている。なお、後で詳述するが、使役後の１次冷却水は使役前の２次冷却水となる。１次冷却水供給口１５ａ，１５ｂ、１次冷却水排出口１６ａ，１６ｂ、２次冷却水供給口１５ｃ，１５ｄ、２次冷却水排出口１６ｃ，１６ｄは、燃料ガス供給口１１および酸化剤ガス供給口１３よりも下方であって、アノードオフガス排出口１２およびカソードオフガス排出口１４よりも上方に配置されている。
また、燃料ガス供給口１１と酸化剤ガス供給口１３の間、および、アノードオフガス排出口１２とカソードオフガス排出口１４の間には、燃料電池スタックＳを締結するタイロッドを挿通するためのタイロッド挿通孔１７が設けられている。

これら燃料ガス供給口１１、アノードオフガス排出口１２、酸化剤ガス供給口１３、カソードオフガス排出口１４、１次冷却水供給口１５ａ，１５ｂ、１次冷却水排出口１６ａ，１６ｂ、２次冷却水供給口１５ｃ，１５ｄ、２次冷却水排出口１６ｃ，１６ｄは、単位セル１０として組み立てられた状態、および、燃料電池スタックＳとして組み立てられた状態において、後述するシール部４３，４４を介して各供給口１１，１３，１５ａ〜１５ｄ毎、各排出口１２，１４，１６ａ〜１６ｄ毎に連通して、分配流路もしくは集合流路として機能し、それぞれ一方のエンドプレート９０Ａに設けられた燃料ガス供給口９１、アノードオフガス排出口９２、酸化剤ガス供給口９３、カソードオフガス排出口９４、１次冷却水供給口９５ａ，９５ｂ、１次冷却水排出口９６ａ，９６ｂ、２次冷却水供給口９５ｃ，９５ｄ、２次冷却水排出口９６ｃ，９６ｄに連通し、他方のエンドプレート９０Ｂによって先端を閉塞されている。また、タイロッド挿通孔１７も単位セル１０として組み立てられた状態、および、燃料電池スタックＳとして組み立てられた状態において、後述するシール部４３，４４を介して連通するとともに、エンドプレート９０Ａのタイロッド挿通孔１７に連通する。

さらに、図１に示すように、エンドプレート９０Ａの１次冷却水供給口９５ａ，９５ｂは１次冷却水供給マニホールド８１に接続され、エンドプレート９０Ａの１次冷却水排出口９６ａ，９６ｂおよび２次冷却水供給口９５ｃ，９５ｄは１次冷却水排出マニホールド８２に接続され、エンドプレート９０Ａの２次冷却水排出口９６ｃ，９６ｄは２次冷却水排出マニホールド８３に接続されていて、１次冷却水供給マニホールド８１から１次冷却水供給口９５ａ，９５ｂに冷却水を供給可能にされ、２次冷却水を２次冷却水排出口９６ｃ，９６ｄから２次冷却水排出マニホールド８３を介して排出可能にされている。
また、燃料ガス供給口９１に燃料ガスを、酸化剤ガス供給口９３に酸化剤ガスを、それぞれ図示しないマニホールドを介して供給可能に構成されており、アノードオフガス排出口９２から排出されるアノードオフガス、カソードオフガス排出口９４から排出されるカソードオフガスを、それぞれ図示しないマニホールドを介して排出可能に構成されている。

図３に示すように、アノード側セパレータ３０Ａは膜電極構造体２０に面当接する平坦部３６を備え、１次冷却水供給口１５ｃ，１５ｄ、１次冷却水排出口１６ａ，１６ｂ、２次冷却水供給口１５ｃ，１５ｄ、２次冷却水排出口１６ｃ，１６ｄの間に挟まれた矩形領域には、膜電極構造体２０から離間する方向に突出する突条３１Ａがその長手方向を鉛直方向に向けて多数形成され、水平方向（Ｘ方向）等間隔に並行に配置されている。各突条３１Ａは略台形波状に左右に蛇行しながら鉛直方向に延びている。詳述すると、１本の突条３１Ａは、鉛直方向へ千鳥に配置され鉛直方向直線的に延びる第１の直線部３２および第２の直線部３３が、鉛直方向に対して傾斜して延びる傾斜部３４により接続されて構成されている。以下の説明の都合上、同一突条３１Ａにおいて第１の直線部３２と第２の直線部３３の水平方向中心間距離を突条３１Ａの振幅Ｗ、同一突条３１Ａにおいて隣接する第１の直線部３２，３２の中心間距離を突条３１ＡのピッチＰと定義すると、全突条３１Ａにおいて、振幅Ｗは同一に設定されており、ピッチＰも同一に設定されている。図５に示すように、この突条３１Ａの断面形状は平坦な頂部３５を有する台形状をなし、隣り合う突条３１Ａ，３１Ａの端部同士は平坦部３６によって接続されている。

アノード側セパレータ３０Ａにおいて、燃料ガス供給口１１および酸化剤ガス供給口１３よりも下方には、上部バッファー部３７が膜電極構造体２０から離間する方向に突出して形成されている。上部バッファー部３７は正面視で下方に末広がりの台形状をなし、前述した各突条３１Ａの上端がこの上部バッファー部３７の下端に連通している。上部バッファー部３７には膜電極構造体２０に接近する方向に突出する円筒状の凸部３８が分散して設けられており、凸部３８の先端面はアノード側セパレータ３０Ａの平坦部３６と面一にされている。さらに、上部バッファー部３７と燃料ガス供給口１１は、この間において膜電極構造体２０から離間する方向に突出して多数形成された別の突条３９を介して連通している。

また、アノード側セパレータ３０Ａにおいて、アノードオフガス排出口１２およびカソードオフガス排出口１４よりも上方には、下部バッファー部４０が膜電極構造体２０から離間する方向に突出して形成されている。下部バッファ部４０は正面視で上方に末広がりの台形状をなし、前述した各突条３１Ａの下端がこの下部バッファー部４０の上端に連通している。下部バッファー部４０には膜電極構造体２０に接近する方向に突出する円筒状の凸部４１が分散して設けられており、凸部４１の先端面はアノード側セパレータ３０Ａの平坦部３６と面一にされている。さらに、下部バッファー部４０とアノードオフガス排出口１２は、この間において膜電極構造体２０から離間する方向に突出して多数形成された別の突条４２を介して連通している。

そして、アノード側セパレータ３０Ａにおいて膜電極構造体２０に密接する面には、絶縁樹脂（例えば、シリコン樹脂）からなるシール部４３が設けられている。シール部４３は、燃料ガス供給口１１とアノードオフガス排出口１２と上部バッファー部３７と下部バッファ部４０と総ての突条３１Ａ，３９，４２の外側を一周して囲繞するとともに、酸化剤ガス供給口１３、カソードオフガス排出口１４、各冷却水供給口１５ａ〜１５ｄ、各冷却水排出口１６ａ〜１６ｄ、タイロッド挿通孔１７をそれぞれ個別に囲繞している。

アノード側セパレータ３０Ａはその平坦部３６とシール部４３を膜電極構造体２０のアノード電極２２に密接して取り付けられ、膜電極構造体２０と上部バッファー部３７との間に形成される空間、膜電極構造体２０と下部バッファ部４０との間に形成される空間、膜電極構造体２０と突条３１Ａ，３９，４２との間に形成される空間が、燃料ガスが流通するアノードガス通路５１となる。その結果、燃料ガス供給口１１を介してアノードガス通路５１に導入された燃料ガスは、突条３９、上部バッファー部３７、突条３１Ａ、下部バッファ部４０、突条４２を順に流通して、アノードオフガス排出口１２に排出される。すなわち、燃料ガスは膜電極構造体２０のアノード電極２２に沿って蛇行しながら上から下へ鉛直方向に流れていく。
その際に、上部バッファー部３７が下方に末広がりの台形状をなし、多数の凸部３８を有しているので、燃料ガス供給口１１から上部バッファー部３７に導入した燃料ガスを拡散して総ての突条３１Ａにほぼ均一に分配することができる。また、下部バッファ部４０が上方に末広がりの台形状をなし、多数の凸部４１を有しているので、各突条３１Ａから下部バッファ部４０に導入されたアノードオフガスを整流してアノードオフガス排出口１２に集合させることができる。

カソード側セパレータ３０Ｂもアノード側セパレータ３０Ａとほぼ同様の構成であるので同一構成については説明を省略し、図４を参照して相違点だけを説明する。なお、図４はカソード側セパレータ３０Ｂをカソード電極２３に面する側から見た図である。
図２のように同一面側から見たときに、カソード側セパレータ３０Ｂの突条３１Ｂとアノード側セパレータ３０Ａの突条３１Ａでは位相を異にしており、正弦波形で言えば１８０度位相がずれている。突条３１Ｂの振幅ＷとピッチＰについては、カソード側セパレータ３０Ｂもアノード側セパレータ３０Ａと同一に設定されている。上部バッファー部３７は突条３９を介して酸化剤ガス供給口１３に連通しており、下部バッファ部４０は突条４２を介してカソードオフガス排出口１４に連通している。
カソード側セパレータ３０Ｂのシール部４３は、酸化剤ガス供給口１３とカソードオフガス排出口１４と上部バッファー部３７と下部バッファ部４０と総ての突条３１Ｂ，３９，４２の外側を一周して囲繞するとともに、燃料ガス供給口１１、アノードオフガス排出口１２、各冷却水供給口１５ａ〜１５ｄ、各冷却水排出口１６ａ〜１６ｄ、タイロッド挿通孔１７をそれぞれ個別に囲繞している。

カソード側セパレータ３０Ｂはその平坦部３６とシール部４３を膜電極構造体２０のカソード電極２３に密接して取り付けられ、膜電極構造体２０と上部バッファー部３７との間に形成される空間、膜電極構造体２０と下部バッファ部４０との間に形成される空間、膜電極構造体２０と突条３１Ｂ，３９，４２との間に形成される空間が、酸化剤ガスが流通するカソードガス通路５２となる。その結果、酸化剤ガス供給口１３を介してカソードガス通路５２に導入された酸化剤ガスは、突条３９、上部バッファー部３７、突条３１Ｂ、下部バッファ部４０、突条４２を順に流通して、カソードオフガス排出口１４に排出される。すなわち、酸化剤ガスは膜電極構造体２０のカソード電極２３に沿って蛇行しながら上から下へ鉛直方向に流れていく。

その際に、上部バッファー部３７が下方に末広がりの台形状をなし、多数の凸部３８を有しているので、酸化剤ガス供給口１３から上部バッファー部３７に導入した酸化剤ガスを拡散して総ての突条３１Ｂにほぼ均一に分配することができる。また、下部バッファ部４０が上方に末広がりの台形状をなし、多数の凸部４１を有しているので、各突条３１Ｂから下部バッファ部４０に導入されたカソードオフガスを整流してカソードオフガス排出口１４に集合させることができる。
なお、図２において膜電極構造体２０の面内に二点鎖線で示すように、この燃料電池スタックＳにおいては、アノード側セパレータ３０Ａの突条３１Ａおよびカソード側セパレータ３０Ｂの突条３１Ｂが設けられている領域が実質的な発電領域Ｇとなる。

また、図２に示すように、カソード側セパレータ３０Ｂにおいて膜電極構造体２０に密接する面の裏面にも、絶縁樹脂（例えば、シリコン樹脂）からなるシール部４４が設けられている。シール部４４は、１次冷却水供給口１５ａ，１５ｂ、１次冷却水排出口１６ａ，１６ｂ、２次冷却水供給口１５ｃ，１５ｄ、２次冷却水排出口１６ｃ，１６ｄの外側を１周して囲繞するとともに、燃料ガス供給口１１、アノードオフガス排出口１２、酸化剤ガス供給口１３、カソードオフガス排出口１４、タイロッド挿通孔１７をそれぞれ個別に囲繞している。このカソード側セパレータ３０Ｂと同様に、アノード側セパレータ３０Ａにおいて膜電極構造体２０に密接する面の裏面にも、シール部４４が設けられている。

前述したように、単位セル１０を積層してなる燃料電池スタックＳでは、隣接する２つの単位セル１０，１０において一方の単位セル１０のアノード側セパレータ３０Ａと他方の単位セル１０のカソード側セパレータ３０Ｂとが密接するが、その際には、アノード側セパレータ３０Ａの突条３１Ａにおける第１の直線部３２の頂部３５とカソード側セパレータ３０Ｂの突条３１Ｂにおける第１の直線部３２の頂部３５とを密接させるとともに、、アノード側セパレータ３０Ａの上部バッファ部３７および下部バッファ部４０とカソード側セパレータ３０Ｂの上部バッファ部３７および下部バッファ部４０とを密接させ、アノード側セパレータ３０Ａのシール部４４とカソード側セパレータ３０Ｂのシール部４４とを密接させる。これにより、両シール部４４，４４に囲繞された両セパレータ３０Ａ，３０Ｂ間の空間であって上部バッファー部３７と下部バッファ部４０の間に、１次冷却水供給口１５ａ，１５ｂ、１次冷却水排出口１６ａ，１６ｂ、２次冷却水供給口１５ｃ，１５ｄ、２次冷却水排出口１６ｃ，１６ｄ、突条３１Ａ，３１Ｂを包囲する領域に冷却水通路（冷媒通路）５３が形成される。そして、上部バッファ部３７，３７間、および下部バッファ部４０，４０間には冷却水が流れなくなるので、発電領域Ｇに冷媒を効率よく流通させることができ、発電領域Ｇを効率的に冷却することができる。

図５、図６を参照して冷却水通路５３について詳述する。なお、図６は、アノード側セパレータ３０Ａの突条３１Ａとカソード側セパレータ３０Ｂの突条３１Ｂをそれぞれ１本ずつ代表的に図示している。
前述したように、アノード側セパレータ３０Ａの突条３１Ａとカソード側セパレータ３０Ｂの突条３１Ｂは互いに位相を異にしているので、突条３１Ａにおける第１の直線部３２の頂部３５と突条３１Ｂにおける第１の直線部３２の頂部３５とを密接させて重ねたときに、突条３１Ａにおける第２の直線部３３の頂部３５と突条３１Ｂにおける第２の直線部３３の頂部３５は重なることなく、互いに水平方向に離間して位置し、この間に開口６０が形成される。

また、アノード側セパレータ３０Ａの突条３１Ａにおける第２の直線部３３の頂部３５はカソード側セパレータ３０Ｂの平坦部３６から離間して配置されており、同様に、カソード側セパレータ３０Ｂの突条３１Ｂにおける第２の直線部３３の頂部３５はアノード側セパレータ３０Ａの平坦部３６から離間して配置されている。これにより、アノード側セパレータ３０Ａとカソード側セパレータ３０Ｂの間に形成される冷却水通路５３は、突条３１Ａ，３１Ｂの第１の直線部３２，３２が突き合わさっている部分では水平方向を遮断されるが、突条３１Ａ，３１Ｂの第２の直線部３３，３３が存在する部分では水平方向に連通する。その結果、冷却水通路５３内において冷却水は、突条３１Ａの第２の直線部３３と突条３１Ｂの第２の直線部３３との間を縫うようにして水平方向に流通することができる。つまり、燃料ガスと酸化剤ガス（以下、総称して反応ガスという）が鉛直方向に流れるのに対し、冷却水は反応ガスの流れ方向と直交する水平方向に流れる。

ところで、この燃料電池スタックＳにおいては、燃料電池スタックＳの１次冷却水供給口１５ａ，１５ｂがエンドプレート９０Ａの１次冷却水供給口９５ａ，９５ｂを介して１次冷却水供給マニホールド８１に接続され、燃料電池スタックＳの１次冷却水排出口１６ａ，１６ｂと２次冷却水供給口１５ｃ，１５ｄがエンドプレート９０Ａの１次冷却水排出口９６ａ，９６ｂおよび２次冷却水供給口９５ｃ，９５ｄを介して１次冷却水排出マニホールド８２に接続され、燃料電池スタックＳの２次冷却水排出口１６ｃ，１６ｄがエンドプレート９０Ａの２次冷却水排出口９６ｃ，９６ｄを介して２次冷却水排出マニホールド８３に接続されているので、冷却水は次のように流れる。
１次冷却水供給マニホールド８１から燃料電池スタックＳの１次冷却水供給口１５ａ，１５ｂに分配供給された使役前の１次冷却水は、冷却水通路５３における上部領域（１次冷却水供給口１５ａ，１５ｂおよび１次冷却水排出口１６ａ，１６ｂが配置されている上側の領域）を水平方向に流れて１次冷却水供給口１６ａ，１６ｂに排出される。この際に、１次冷却水は上部領域における反応ガスと熱交換して反応ガス温度を下げ、１次冷却水の温度は上昇する。

１次冷却水供給口１６ａ，１６ｂに排出された使役後の１次冷却水は１次冷却水排出マニホールド８２に集合し、２次冷却水として１次冷却水排出マニホールド８２から燃料電池スタックＳの２次冷却水供給口１５ｃ，１５ｄに分配供給される。この使役前の２次冷却水は冷却水通路５３における下部領域（２次冷却水供給口１５ｃ，１５ｄおよび２次冷却水排出口１６ｃ，１６ｄが配置されている下側の領域）を水平方向に流れて２次冷却水排出口１６ｃ，１６ｄに排出される。この際に、２次冷却水は下部領域における反応ガスと熱交換して反応ガス温度を上げる。そして、２次冷却水排出口１６ｃ，１６ｄに排出された使役後の２次冷却水は２次冷却水排出マニホールド８３を介して排出される。図７はこの冷却水の流れを模式的に示した図である。
このように、この燃料電池スタックＳでは、上部領域を冷却した使役後の冷却水（使役後の１次冷却水）を、下部領域冷却用の冷却水（使役前の２次冷却水）として使用するので、冷却水通路５３の下部領域を流れる冷却水の温度の方が上部領域を流れる冷却水の温度よりも高くなる。

このように構成された燃料電池スタックＳおよび単位セル１０では、アノード電極２２で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜２１を透過してカソード電極２３まで移動し、カソード電極２３で酸素と電気化学反応を起こして発電し、その際に水を生成する。この発電に伴う発熱により単位セル１０が所定の作動温度を越えないように、冷却水通路５３を流れる冷却水で熱を奪い冷却する。

ところで、この燃料電池スタックＳでは、反応ガス（燃料ガスおよび酸化剤ガス）が膜電極構造体２０に沿って上から下へ鉛直下向き（重力方向）に流れるので、前記反応は上から下へ向かって進行し、反応に伴って生成される水も燃料ガス通路５１および酸化剤ガス通路５２（以下、総称して反応ガス通路５１，５２という場合もある）を上から下へ流れていく。そのため、反応ガス通路５１，５２内の水分量は上部よりも下部の方が多くなる。

しかしながら、この燃料電池スタックＳでは、前述したように、冷却水通路５３における下部領域を流れる１次冷却水の温度が、上部領域を流れる２次冷却水の温度よりも高いので、下部領域の冷却を上部領域よりも抑えることができ、反応ガス通路５１，５２内において水分量が多い下部領域の温度を反応ガス通路５１，５２において水分量の少ない上部領域の温度よりも高くすることができる。その結果、下部領域の反応ガス通路５１，５２内の相対湿度を低下させて上部領域の反応ガス通路５１，５２内の相対湿度とほぼ同等にすることができ、図７に示すように膜電極構造体２０の面内方向全域をほぼ均一な相対湿度にすることができる。
これにより、膜電極構造体２０の面内方向全域において均一に発電をすることができ、安定した発電が可能になる。また、膜電極構造体２０の乾燥を防止することができるとともに、生成水による反応ガス通路５１，５２の閉塞を防止することができる。

〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、前述した実施例では、隣接する２つの単位セル間に総て冷媒通路を設けたが、冷媒通路は単位燃料電池間に総て設けず、間引きして設けてもよい。この場合に、冷媒通路を間引いた部位では、隣接する２つの単位セルが１つのセパレータを共有し、該セパレータが一方の単位セルではアノード側セパレータとして機能し、他方の単位セルではカソード側セパレータとして機能する。
また、実施例では、反応ガスの流れ方向と冷媒の流れ方向とを交差させる手段として、波形の突条を有するセパレータを積層する構造を採用したが、この構造に限定されるものではなく、反応ガスの流れ方向と冷媒の流れ方向とを交差させることができれば、いかなる構造を採用しても構わない。
この発明において突条の上部領域とは下部領域に対して上方に位置する領域という意味である。したがって、前述した実施例では、冷媒通路（突条）を上下２つの領域に分けたが、３つあるいはそれ以上の領域に分けて、下方に位置する領域ほど流れる冷媒の温度を高くしてもよい。

この発明に係る燃料電池スタックの概略斜視図である。 前記燃料電池スタックを構成する単位燃料電池の分解図である。 前記単位燃料電池を構成するアノード側セパレータの正面図である。 前記単位燃料電池を構成するカソード側セパレータの正面図である。 燃料電池スタックの部分断面図である。 前記燃料電池スタックにおけるセパレータ積層状態を示す斜視図である。 前記燃料電池スタックにおける冷媒の流れと湿度状態を示す概念図である。 比較例における燃料電池スタックにおける冷媒の流れと湿度状態を示す概念図である。

符号の説明

Ｓ 燃料電池スタック
１０ 単位セル（単位燃料電池）
１５ａ，１５ｂ １次冷却水供給口（冷媒入口）
１５ｃ，１５ｄ ２次冷却水供給口（冷媒入口）
１６ａ，１６ｂ １次冷却水排出口（冷媒出口）
１６ｃ，１６ｄ ２次冷却水排出口（冷媒出口）
２０ 膜電極構造体
２１ 固体高分子電解質膜（電解質膜）
２２ アノード電極
２３ カソード電極
３０Ａ、３０Ｂ セパレータ
５１ 燃料ガス通路
５２ 酸化剤ガス通路
５３ 冷却水通路（冷媒通路）

Claims (2)

1. 電解質膜の両側にアノード電極とカソード電極を設けて膜電極構造体を構成し、前記アノード電極とカソード電極に密接してセパレータを配置して単位燃料電池を構成し、この単位燃料電池を複数積層してなる燃料電池スタックであって、
   前記アノード電極とこれに密接する前記セパレータとの間の空間を燃料を鉛直方向に流通させる燃料ガス通路とし、
   前記カソード電極とこれに密接する前記セパレータとの間の空間を酸化剤ガスを鉛直方向に流通させる酸化剤ガス通路とし、
   少なくとも一部の前記セパレータを他の前記セパレータに密接して配置することにより両セパレータ間に冷媒を水平方向に流通させる冷媒通路を形成し、
   前記冷媒通路の上部領域に連通する冷媒入口および冷媒出口と、前記冷媒通路の下部領域に連通する冷媒入口および冷媒出口とを、別々に備え、
   前記冷媒通路の上部領域には下部領域よりも低温の冷媒を流通させることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 前記上部領域に連通する冷媒出口と前記下部領域に連通する冷媒入口とを接続し、前記上部領域を流通した冷媒を前記下部領域に流すことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。

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