JP2007234405A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、積層されている複数の発電セルを良好に温度調整することができ、効率的な発電を確実に遂行することを可能にする。
【解決手段】第１セパレータ１４の面１４ｂには、矢印Ｂ方向両端にそれぞれ複数の冷却媒体入口連通孔３４ａと冷却媒体出口連通孔３４ｂとが設けられるとともに、前記冷却媒体入口連通孔３４ａと前記冷却媒体出口連通孔３４ｂとは、冷却媒体流路４２により連通する。冷却媒体流路４２の冷却媒体流れ方向は、酸化剤ガス及び燃料ガスの流れ方向と略直交する。冷却媒体流路を構成する複数の冷却媒体流路溝４２ａには、複数のリブ部４３Ｒ１〜４３Ｒｎが断続的に形成され、冷却媒体入口連通孔３４ａ側の開口断面積に対して冷却媒体出口連通孔３４ｂ側の開口断面積が増加する。
【選択図】図３

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられた電解質・電極構造体とセパレータとが積層される複数の発電セルを備え、前記電解質・電極構造体と前記セパレータとの間には、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、１以上の前記発電セル間には、冷却媒体を供給する冷却媒体流路が形成され、さらに積層方向に貫通して前記冷却媒体流路に連通する冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔が形成される内部マニホールド型の燃料電池スタックに関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒（電極触媒層）と多孔質カーボン（拡散層）からなるアノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持する発電セルにより構成されている。通常、燃料電池では、この発電セルを所定の数だけ積層した燃料電池スタックが使用されている。

上記の燃料電池では、各発電セルを最適温度に維持するために、種々の冷却構造が採用されている。例えば、特許文献１に開示されている燃料電池は、図２０に示すように、複数の単電池１と冷媒流路２とを備えている。

各単電池１は、電極・電解質接合体３をセパレータ４、５により挟持するとともに、前記セパレータ４、５には、酸化剤ガス流路溝４ａ及び燃料ガス流路溝５ａが互いに直交して形成されている。冷却流路２は、各単電池１を垂直に貫通しており、その内部を冷媒が矢印方向に流れている。複数の冷媒流路２は、格子状に配置されるとともに、高温部における冷却能力が大きくなるように高温部に行くほどその間隔が狭くなるように配置されている。

特開２０００−９０９４３号公報（図１）

しかしながら、上記の特許文献１では、冷媒流路２が、各単電池１を垂直に貫通しているため、特に多数の単電池１が積層された燃料電池では、前記冷媒流路２の入口側と出口側とで冷媒に大きな温度差が発生してしまう。このため、冷媒流路２の入口側の単電池１と、前記冷媒流路２の出口側の単電池１とでは、発電性能や耐久性に変動が生じ易くなり、効率的な発電が遂行されないという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、積層されている複数の発電セルを良好に温度調整することができ、効率的な発電を確実に遂行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。

本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられた電解質・電極構造体とセパレータとが積層される複数の発電セルを備え、前記電解質・電極構造体と前記セパレータとの間には、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、１以上の前記発電セル間には、冷却媒体を供給する冷却媒体流路が形成され、さらに積層方向に貫通して前記冷却媒体流路に連通する冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔が形成される内部マニホールド型の燃料電池スタックに関するものである。

燃料電池スタックでは、冷却媒体流路の冷却媒体流れ方向が、反応ガス流路の反応ガス流れ方向と略直交するとともに、前記冷却媒体流路は、冷却媒体入口連通孔側の開口断面積に対して冷却媒体出口連通孔側の開口断面積が増加している。

また、燃料電池スタックは、複数の冷却媒体入口連通孔及び複数の冷却媒体出口連通孔を備え、冷却媒体流路は、各冷却媒体入口連通孔と各冷却媒体出口連通孔とに連通する複数の冷却媒体流路溝を設けるとともに、少なくとも前記冷却媒体流路溝のいずれかは、前記冷却媒体入口連通孔側の開口断面積に対して前記冷却媒体出口連通孔側に向かって開口断面積が増加することが好ましい。

さらに、冷却媒体流路溝には、開口断面積を調整可能なリブ部が設けられることが好ましく、また、冷却媒体出口連通孔側の前記リブ部は、冷却媒体入口連通孔側の前記リブ部に比べて、短尺に形成されることが好ましい。

さらにまた、冷却媒体流路溝は、冷却媒体入口連通孔側から冷却媒体出口連通孔側に向かって溝深さ又は溝幅寸法を大きく設定することが好ましい。

また、燃料電池スタックは、複数の冷却媒体入口連通孔に一体に連通するマニホールド部材を備え、前記マニホールド部材には、単一の冷却媒体導入口が形成されることが好ましい。

さらに、積層方向端部側の発電セルは、積層方向中央側の発電セルに比べて、冷却媒体流路の冷却媒体流量が少量に設定されることが好ましい。

本発明によれば、冷却媒体流路の冷却媒体流れ方向が、反応ガス流路の反応ガス流れ方向と略直交するため、冷却媒体は、発電面（反応面）を冷却して移動することにより、冷却媒体入口連通孔側から冷却媒体出口連通孔側に向かって温度が上昇する。

そこで、冷却媒体流路は、冷却媒体入口連通孔側の開口断面積に対して冷却媒体出口連通孔側の開口断面積が増加しているため、冷却媒体温度が上昇し易い前記冷却媒体出口連通孔側の冷却媒体流量を増加させることができる。従って、冷却媒体流路では、冷却媒体の流れ方向に沿って温度差（温度分布）が発生することがなく、簡単な構成で、発電面の面内における温度を均一化することが可能になる。特に多数の発電セルが積層されていても、各発電セルの発電面面内における温度の均一化を確実に図ることができる。

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の概略斜視図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０を構成する各発電セル１１の要部分解斜視図である。

発電セル１１は、図２に示すように、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１２と、第１及び第２セパレータ１４、１６とを、矢印Ａ方向（水平方向）に積層しており、通常、複数の前記発電セル１１が矢印Ａ方向に積層されて燃料電池スタック１０を構成する。第１及び第２セパレータ１４、１６は、横長の長方形状を有しており、例えば、カーボンプレートで形成される。

電解質膜・電極構造体１２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜１８と、前記固体高分子電解質膜１８を挟持するカソード側電極２０及びアノード側電極２２とを備える。カソード側電極２０は、固体高分子電解質膜１８と同一表面積に設定される一方、アノード側電極２２は、前記固体高分子電解質膜１８よりも小さな表面積に設定される。

カソード側電極２０及びアノード側電極２２は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜１８の両面に形成される。

発電セル１１の矢印Ｃ方向（鉛直方向）の一端縁部（上端縁部）には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための複数の酸化剤ガス入口連通孔３０ａが、矢印Ｂ方向（水平方向）に配列して設けられる。

発電セル１１の矢印Ｃ方向の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための複数の燃料ガス出口連通孔３２ｂが、酸化剤ガス入口連通孔３０ａの下方に位置し且つ矢印Ｂ方向に配列して設けられる。燃料ガス出口連通孔３２ｂは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａの開口面積よりも小さな開口面積に設定されるとともに、前記酸化剤ガス入口連通孔３０ａよりも多数に設定される。

燃料電池スタック１０の矢印Ｃ方向の他端縁部（下端縁部）には、矢印Ａ方向に互いに連通して酸素含有ガスを排出するための複数の酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが、矢印Ｂ方向に配列して設けられる。燃料電池スタック１０の矢印Ｃ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して水素含有ガスを供給するための複数の燃料ガス入口連通孔３２ａが、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂの上方に位置し且つ矢印Ｂ方向に配列して設けられる。

燃料電池スタック１０の矢印Ｂ方向の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して冷却媒体を供給するための複数の冷却媒体入口連通孔３４ａが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。燃料電池スタック１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して冷却媒体を排出するための複数の冷却媒体出口連通孔３４ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

第１セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、酸化剤ガス流路（反応ガス流路）３６が設けられる。酸化剤ガス流路３６は、複数の酸化剤ガス流路溝３６ａを有し、前記酸化剤ガス流路溝３６ａは、矢印Ｂ方向に互いに所定の間隔ずつ離間し且つ矢印Ｃ方向に直線状に延在する。

酸化剤ガス流路溝３６ａは、矢印Ｃ方向両端部で入口孔部３８ａと出口孔部３８ｂとに連通する。入口孔部３８ａ及び出口孔部３８ｂは、燃料ガス出口連通孔３２ｂ及び燃料ガス入口連通孔３２ａの内方に位置し、且つ矢印Ｂ方向に所定間隔ずつ離間して設けられる。

図３に示すように、面１４ｂには、１つの酸化剤ガス入口連通孔３０ａとそれぞれ２つの入口孔部３８ａとを連通させる入口凹部４０ａが設けられる。４本の酸化剤ガス流路溝３６ａは、入口孔部３８ａから入口凹部４０ａを介して２本に集約された後、１つの酸化剤ガス入口連通孔３０ａに連通する。面１４ｂには、同様に、１つの酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとそれぞれ２つの出口孔部３８ｂとを連通させる出口凹部４０ｂが設けられる。

第１セパレータ１４の面１４ｂには、各冷却媒体入口連通孔３４ａと冷却媒体出口連通孔３４ｂとを連通する冷却媒体流路４２が設けられる。冷却媒体流路４２の冷却媒体流れ方向（矢印Ｂ方向）は、酸化剤ガス流路３６の酸化剤ガス流れ方向及び後述する燃料ガス流路（反応ガス流路）４４の燃料ガス流れ方向と略直交する。

冷却媒体流路４２は、複数の冷却媒体流路溝４２ａを有し、前記冷却媒体流路溝４２ａは、矢印Ｂ方向に直線状に延在するとともに、前記冷却媒体流路溝４２ａは、冷却媒体入口連通孔３４ａ側の開口断面積に対して冷却媒体出口連通孔３４ｂ側の開口断面積が増加する。具体的には、各冷却媒体流路溝４２ａには、矢印Ｂ方向に延在する複数のリブ部４３Ｒ１〜４３Ｒｎ（ｎ：自然数）が断続的に形成され、冷却媒体入口連通孔３４ａ側に最も近接するリブ部４３Ｒ１が最大長さに設定される。リブ部４３Ｒ２〜４３Ｒｎは、それぞれの長さが、順次、短尺に設定されることにより、各冷却媒体流路溝４２ａの長手方向に沿って開口断面積が調整される。

図４に示すように、第２セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、燃料ガス流路４４が設けられる。燃料ガス流路４４は、矢印Ｃ方向に直線状に延在する複数の燃料ガス流路溝４４ａを有する。各燃料ガス流路溝４４ａの矢印Ｃ方向両端は、入口孔部４６ａと出口孔部４６ｂとに連通する。入口孔部４６ａは、燃料ガス入口連通孔３２ａから上方に所定の距離だけ離間する一方、出口孔部４６ｂは、燃料ガス出口連通孔３２ｂから下方に所定の間隔だけ離間する。

図２及び図４に示すように、第２セパレータ１６の面１６ｂには、２つの入口孔部４６ａと１つの燃料ガス入口連通孔３２ａとを連通させる入口凹部４８ａが設けられる。面１６ｂには、同様に、２つの出口孔部４６ｂと１つの燃料ガス出口連通孔３２ｂとを連通させる出口凹部４８ｂが設けられる。

図２、図５及び図６に示すように、第２セパレータ１６の面１６ｂには、溝部５０が形成され、この溝部５０に第１シール部材５２が装着される。この第１シール部材５２は、複数の酸化剤ガス入口連通孔３０ａを囲繞する部分と、複数の燃料ガス入口連通孔３２ａから複数の入口孔部４６ａを囲繞する部分と、複数の酸化剤ガス出口連通孔３０ｂを囲繞する部分と、複数の燃料ガス出口連通孔３２ｂから複数の出口孔部４６ｂを囲繞する部分とを有する。

第１及び第２セパレータ１４、１６の面１４ａ、１６ａ間には、第２シール部材５４と第３シール部材５６とが介装されるとともに、前記面１６ａと電解質膜・電極構造体１２を構成する固体高分子電解質膜１８の外周縁部との間には、第４シール部材５８が介装される。第２シール部材５４は、それぞれ複数の酸化剤ガス入口連通孔３０ａ同士、及び複数の酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ同士を囲繞する部分を有する（図２参照）。

第３シール部材５６は、電解質膜・電極構造体１２の外周部外方を囲繞し、且つ燃料ガス入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂの内方に配置される（図４参照）。第４シール部材５８は、固体高分子電解質膜１８の外周縁部に接触するとともに、第２セパレータ１６の面１６ａに形成される燃料ガス流路４４を囲繞する。

図１に示すように、燃料電池スタック１０の積層方向両端には、エンドプレート６０ａ、６０ｂが配設されるとともに、前記エンドプレート６０ａ、６０ｂが図示しない締め付けボルトによって積層方向に締め付け保持される。エンドプレート６０ａには、複数の冷却媒体入口連通孔３４ａに一体に連通する第１マニホールド部材６２ａと、複数の冷却媒体出口連通孔３４ｂに一体に連通する第２マニホールド部材６２ｂとが装着される。第１マニホールド部材６２ａには、単一の冷却媒体入口６４ａが形成される一方、第２マニホールド部材６２ｂには、単一の冷却媒体出口６４ｂが形成される。

なお、エンドプレート６０ａには、図示しないが、複数の酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ、燃料ガス入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂに一体に連通するマニホールド部材が装着される。

このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。

図２に示すように、複数の酸化剤ガス入口連通孔３０ａには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、複数の燃料ガス入口連通孔３２ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、複数の冷却媒体入口連通孔３４ａには、純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。

酸化剤ガスは、図３及び図５に示すように、各酸化剤ガス入口連通孔３０ａから第１セパレータ１４の面１４ｂに形成される入口凹部４０ａを通って入口孔部３８ａに供給される。さらに、酸化剤ガスは、入口孔部３８ａから面１４ａ側に設けられている各酸化剤ガス流路溝３６ａに導入される。このため、酸化剤ガスは、図２中、矢印Ｃ方向に直線状に延在する複数の酸化剤ガス流路溝３６ａに沿って移動することにより、電解質膜・電極構造体１２のカソード側電極２０に供給される。

一方、燃料ガスは、図２及び図６に示すように、燃料ガス入口連通孔３２ａから第２セパレータ１６の面１６ｂに形成されている入口凹部４８ａを通って入口孔部４６ａに供給される。燃料ガスは、入口孔部４６ａを通って面１６ａ側に送られ、この面１６ａに形成されている複数の燃料ガス流路溝４４ａに導入される。このため、燃料ガスは、図２中、矢印Ｃ方向に直線状に延在する複数の燃料ガス流路溝４４ａに沿って移動し、電解質膜・電極構造体１２のアノード側電極２２に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体１２では、カソード側電極２０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２２に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。なお、酸化剤ガスと燃料ガスとは、対向流をなしている。

次いで、カソード側電極２０に供給されて消費された酸化剤ガスは、図２に示すように、各酸化剤ガス流路溝３６ａに連通する出口孔部３８ｂを通って第１セパレータ１４の面１４ｂ側に導入される。さらに、酸化剤ガスは、出口凹部４０ｂから酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに排出される（図２及び図３参照）。

同様に、アノード側電極２２に供給されて消費された燃料ガスは、各燃料ガス流路溝４４ａに連通する出口孔部４６ｂから第２セパレータ１６の面１６ｂ側に移動する（図４参照）。その後、燃料ガスは、出口凹部４８ｂから燃料ガス出口連通孔３２ｂに排出される（図２及び図４参照）。

また、複数の冷却媒体入口連通孔３４ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ１４の面１４ｂに形成された複数の冷却媒体流路溝４２ａに沿って矢印Ｂ方向に移動する。このため、冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２の発電面（電極面）全面にわたって冷却した後、複数の冷却媒体出口連通孔３４ｂに排出される。

この場合、第１の実施形態では、冷却媒体流路４２の冷却媒体流れ方向（矢印Ｃ方向）が、酸化剤ガス流路３６の酸化剤ガス流れ方向（矢印Ｃ方向）及び燃料ガス流路４４の燃料ガス流れ方向（矢印Ｃ方向）と略直交している。このため、冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２の発電面を冷却して矢印Ｂ方向に移動することにより、冷却媒体入口連通孔３４ａ側から冷却媒体出口連通孔３４ｂ側に向かって温度が上昇している。

その際、冷却媒体流路４２を構成する各冷却媒体流路溝４２ａには、冷却媒体入口連通孔３４ａ側から冷却媒体出口連通孔３４ｂ側に向かって順次短尺に設定される複数のリブ部４３Ｒ１〜４３Ｒｎが断続的に形成されている。従って、各冷却媒体流路溝４２ａは、冷却媒体入口連通孔３４ａ側の開口断面積に対して冷却媒体出口連通孔３４ｂ側の開口断面積が増加し、特に冷却媒体温度が上昇し易い前記冷却媒体出口連通孔３４ｂ側の冷却媒体流量が良好に増加されている。

これにより、各冷却媒体流路溝４２ａでは、冷却媒体流れ方向に沿って温度差（温度分布）が発生することがなく、簡単な構成で、発電面の面内における温度を均一化することが可能になる。このため、各発電セル１１の発電面面内における温度の均一化を図ることができるという効果が得られる。特に、多数の発電セル１１が積層された燃料電池スタック１０においても、各発電セル１１の発電面面内における温度の均一化が確実になされる。

さらにまた、図１に示すように、燃料電池スタック１０を構成するエンドプレート６０ａには、複数の冷却媒体入口連通孔３４ａに一体に連通する第１マニホールド部材６２ａが装着されるとともに、前記第１マニホールド部材６２ａには、単一の冷却媒体入口６４ａが形成されている。従って、冷却媒体入口６４ａから第１マニホールド部材６２ａ内に供給された冷却媒体に圧損が発生し、各冷却媒体入口連通孔３４ａに対して冷却媒体を均一に供給することができるという利点がある。

しかも、冷却媒体流路４２を構成する各冷却媒体流路溝４２ａには、各冷却媒体入口連通孔３４ａ側に近接してリブ部４３Ｒ１が形成されている。これにより、各冷却媒体流路溝４２ａ毎に圧損が良好に発生し、冷却媒体を冷却媒体流路溝４２ａ毎に均等に分配して供給することが可能になる。

ところで、リブ部４３Ｒ１〜４３Ｒｎは、種々の形状に設定することができる。例えば、図７に示すように、長円乃至楕円形状のリブ部７０Ｒ１、７０Ｒ２及び円形状のリブ部７０Ｒｎを用いることができる。上記のリブ部７０Ｒ１〜７０Ｒｎでは、各リブ部７０Ｒ１〜７０Ｒｎ間の間隙で冷却媒体の混合が一層良好に行われ、冷却媒体流路溝４２ａ内における冷却媒体温度の均一化がより確実に遂行されるという効果が得られる。

また、図８に示すように、略八角形状のリブ部７２Ｒ１〜７２Ｒｎが所定間隔ずつ離間して設けられる構成でもよい。この場合、リブ部７２Ｒ１〜７２Ｒｎ間では、前記リブ部７２Ｒ１〜７２Ｒｎの形状によって冷却媒体の混合が図られる等、リブ部７０Ｒ１〜７０Ｒｎと同様の効果が得られる。

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を構成する第１セパレータ７４の断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０を構成する第１セパレータ１４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、以下に説明する第３〜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。

第１セパレータ７４は、冷却媒体入口連通孔３４ａと冷却媒体出口連通孔３４ｂとを連通する冷却媒体流路７６を設ける。冷却媒体流路７６は、各冷却媒体入口連通孔３４ａと各冷却媒体出口連通孔３４ｂとをそれぞれ個別に連通する複数の冷却媒体流路溝７６ａを有する。冷却媒体流路溝７６ａは、冷却媒体入口連通孔３４ａ側から冷却媒体出口連通孔３４ｂ側に向かって溝深さが大きく設定される。これにより、冷却媒体入口連通孔３４ａ側の開口断面積に対して冷却媒体出口連通孔３４ｂ側の開口断面積が増加するように構成されている。

図１０は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する第１セパレータ８０の一部平面説明図である。

第１セパレータ８０は、冷却媒体入口連通孔３４ａと冷却媒体出口連通孔３４ｂとを連通する冷却媒体流路８２を備える。冷却媒体流路８２は、各冷却媒体入口連通孔３４ａと各冷却媒体出口連通孔３４ｂとを、それぞれ個別に連通する複数の冷却媒体流路溝８２ａを有するとともに、前記冷却媒体流路溝８２ａは、前記冷却媒体入口連通孔３４ａ側から前記冷却媒体出口連通孔３４ｂ側に向かって幅寸法が大きく設定されている。このため、各冷却媒体流路溝８２ａは、冷却媒体入口連通孔３４ａ側の開口断面積に対して冷却媒体出口連通孔３４ｂ側の開口断面積が増加する。従って、第２及び第３の実施形態では、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図１１は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタック９０の側面説明図である。燃料電池スタック９０は、積層方向中央部領域に所定数の第１発電セル９２ａが配置され、前記中央部領域の外方である中間部領域に所定数の第２発電セル９２ｂが配置され、さらに端部領域に所定数の第３発電セル９２ｃが配置されている。燃料電池スタック９０では、発電反応によって、中央部領域の第１発電セル９２ａが最も高温になり易い一方、端部領域の第３発電セル９２ｃは、エンドプレート６０ａ、６０ｂを介して放熱され、最も低温になり易い。

そこで、第１発電セル９２ａ〜第３発電セル９２ｃの各冷却媒体流路構造が個別に設定される。具体的には、図１２に示すように、第１発電セル９２ａを構成する第１セパレータ９４ａでは、各冷却媒体流路溝４２ａに多数のリブ部９６Ｒ１〜９６Ｒｎが設けられることによって、冷却媒体出口連通孔３４ｂ側の開口断面積が大きく設定される。

図１３に示すように、第２発電セル９２ｂを構成する第１セパレータ９４ｂでは、各冷却媒体流路溝４２ａに第１セパレータ９４ａに比べて少数のリブ部９７Ｒ１〜９７Ｒｎを設けることにより、前記冷却媒体流路溝４２ａの開口断面積の増加量が低減される。図１４に示すように、第３発電セル９２ｃを構成する第１セパレータ９４ｃでは、冷却媒体入口連通孔３４ａ近傍から冷却媒体出口連通孔３４ｂの近傍まで延在する単一のリブ部９８Ｒを設け、前記冷却媒体流路溝４２ａ全体の開口断面積を小さく設定する。

これにより、第１〜第３発電セル９２ａ、９２ｂ及び９２ｃの順で、各冷却媒体流路溝４２ａ全体の冷却媒体流量が少量になるように設定されるため、前記第１〜第３発電セル９２ａ、９２ｂ及び９２ｃを略同一温度に調整することができる。従って、燃料電池スタック９０の積層方向に沿って温度分布が発生することがなく、前記燃料電池スタック９０全体として所望の発電性能を確実に維持することができるという効果が得られる。

図１５は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池スタック１００の側面説明図である。燃料電池スタック１００は、中央部領域に所定数の第１発電セル１０２ａを設け、この第１発電セル１０２ａの両側に、すなわち中間部領域に所定数の第２発電セル１０２ｂが配置されるとともに、前記第２発電セル１０２ｂの外方に、すなわち端部領域に所定数の第３発電セル１０２ｃが配置される。

図１６に示すように、第１〜第３発電セル１０２ａ、１０２ｂ及び１０２ｃは、電解質膜・電極構造体１２を挟持する第１セパレータ１０４ａ〜１０４ｃと第２セパレータ１０６ａ〜１０６ｃとを備える。第１及び第２セパレータ１０４ａ〜１０４ｃ、１０６ａ〜１０６ｃの矢印Ｃ方向の上端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔３０ａの下方に位置し、且つ矢印Ｂ方向に配列して複数の燃料ガス入口連通孔３２ａが設けられる。第１及び第２セパレータ１０４、１０６の矢印Ｃ方向の下端縁部には、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂの上方に位置し、且つ矢印Ｂ方向に配列して複数の燃料ガス出口連通孔３２ｂが設けられる。

電解質膜・電極構造体１２の両面では、酸化剤ガス及び燃料ガスが鉛直下方向に沿って互いに平行流を構成する。このため、第１〜第３発電セル１０２ａ、１０２ｂ及び１０２ｃでは、鉛直方向上端側で反応が顕著になり、この上端側の温度が下端側の温度に比べて高温になり易い。

そこで、第１〜第３発電セル１０２ａ、１０２ｂ及び１０２ｃの各冷却媒体流路構造が個別に設定される。具体的には、図１７に示すように、第１発電セル１０２ａを構成する第１セパレータ１０４ａでは、各冷却媒体流路溝４２ａにリブ部を全く設けない構成、あるいは、下端縁部に形成されている所定数の冷却媒体流路溝４２ａに、上方に向かって、順次、短尺化するリブ部１０８Ｒ１〜１０８Ｒ３を設けてもよい。

図１８に示すように、第２発電セル１０２ｂを構成する第１セパレータ１０４ｂでは、下端縁部側の冷却媒体流路溝４２ａに燃料ガス入口連通孔３２ａ側から燃料ガス出口連通孔３２ｂ側に向かって短尺化する複数のリブ部１１０Ｒ１、１１０Ｒ２及び１１０Ｒ３が設けられる。このリブ部１１０Ｒ１〜１１０Ｒ３は、鉛直上方向に向かって、順次、短尺化されるとともに、上端側の冷却媒体流路溝４２ａには、前記リブ部１１０Ｒ１〜１１０Ｒ３が設けられない。この上端部側では、発熱が下端部側に比べて大きいため、多量の冷却媒体流量が必要だからである。

図１９に示すように、第３発電セル１０２ｃを構成する第１セパレータ１０４ｃでは、冷却媒体入口連通孔３４ａの近傍から冷却媒体出口連通孔３４ｂに向かって延在するリブ部１１２Ｒが設けられる。リブ部１１２Ｒは、上端側の冷却媒体流路溝４２ａから下端側の冷却媒体流路溝４２ａに向かって順次、長尺になるように設定されている。

このように構成される第５の実施形態では、第１〜第３発電セル１０２ａ、１０２ｂ及び１０２ｃは、それぞれ発電面内で高温になり易い上部側に対しての冷却媒体流量を、下部側に対しての冷却媒体流量よりも多く設定している。しかも、冷却媒体入口連通孔３４ａ側から冷却媒体出口連通孔３４ｂ側に向かって冷却媒体流路溝４２ａの開口断面積を増加させることにより、発電面前全面にわたって均一な温度に調整することができる。

さらに、中央部領域の第１発電セル１０２ａ、中間部領域の第２発電セル１０２ｂ及び端部領域の第３発電セル１０２ｃの冷却媒体流路構造を、個別に設定している。これにより、燃料電池スタック１００では、積層方向に沿って温度分布が発生することがなく、前記燃料電池スタック１００全体として所望の発電性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。

なお、第５の実施形態では、図１５に示すように、エンドプレート６０ａに取り付けられる第１及び第２マニホールド部材６２ａ、６２ｂは、下部側に冷却媒体入口６４ａ及び冷却媒体出口６４ｂを形成してもよい。

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斜視図である。 前記燃料電池スタックを構成する各発電セルの要部分解斜視図である。 前記発電セルを構成する第１セパレータの正面説明図である。 前記燃料電池を構成する第２セパレータの正面説明図である。 前記燃料電池スタックの酸化剤ガスの流れを示す断面図である。 前記燃料電池スタックの燃料ガスの流れを示す断面図である。 別のリブ形状の説明図である。 また別のリブ形状の説明図である。 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１セパレータの断面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する第１セパレータの一部平面説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックの側面図である。 前記燃料電池スタックを構成する第１発電セルの第１セパレータの説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する第２発電セルの第１セパレータの説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する第３発電セルの第１セパレータの説明図である。 本発明の第５の実施形態に係る燃料電池スタックの側面図である。 前記燃料電池スタックを構成する発電セルの要部分解斜視図である。 前記燃料電池スタックを構成する第１発電セルの第１セパレータの説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する第２発電セルの第１セパレータの説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する第３発電セルの第１セパレータの説明図である。 特許文献１に開示されている燃料電池の斜視説明図である。

符号の説明

１０、９０、１００…燃料電池スタック
１１、９２ａ〜９２ｃ、１０２ａ〜１０２ｃ…発電セル
１２…電解質膜・電極構造体
１４、１６、７４、８０、９４ａ〜９４ｃ、１０４、１０４ａ〜１０４ｃ、１０６、１０６ａ〜１０６ｃ…セパレータ
１８…固体高分子電解質膜 ２０…カソード側電極
２２…アノード側電極 ３０ａ…酸化剤ガス入口連通孔
３０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ３２ａ…燃料ガス入口連通孔
３２ｂ…燃料ガス出口連通孔 ３４ａ…冷却媒体入口連通孔
３４ｂ…冷却媒体出口連通孔 ３６…酸化剤ガス流路
３８ａ、４６ａ…入口孔部 ３８ｂ、４６ｂ…出口孔部
４０ａ、４８ａ…入口凹部 ４０ｂ、４８ｂ…出口凹部
４２、７６、８２…冷却媒体流路 ４２ａ、７６ａ、８２ａ…冷却媒体流路溝
４３Ｒ１〜４３Ｒｎ、７０Ｒ１〜７０Ｒｎ、７２Ｒ１〜７２Ｒｎ、９６Ｒ１〜９６Ｒｎ、９７Ｒ１〜９７Ｒｎ、９８Ｒ、１０８Ｒ１〜１０８Ｒ３、１１０Ｒ１〜１１０Ｒ３、１１２Ｒ…リブ部
４４…燃料ガス流路 ４４ａ…燃料ガス流路溝

Claims (7)

1. 電解質の両側に一対の電極が設けられた電解質・電極構造体とセパレータとが積層される複数の発電セルを備え、前記電解質・電極構造体と前記セパレータとの間には、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、１以上の前記発電セル間には、冷却媒体を供給する冷却媒体流路が形成され、さらに積層方向に貫通して前記冷却媒体流路に連通する冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔が形成される内部マニホールド型の燃料電池スタックであって、
   前記冷却媒体流路の冷却媒体流れ方向は、前記反応ガス流路の反応ガス流れ方向と略直交するとともに、
   前記冷却媒体流路は、前記冷却媒体入口連通孔側の開口断面積に対して前記冷却媒体出口連通孔側の開口断面積が増加することを特徴とする燃料電池スタック。
2. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、複数の前記冷却媒体入口連通孔及び複数の前記冷却媒体出口連通孔を備え、
   前記冷却媒体流路は、各冷却媒体入口連通孔と各冷却媒体出口連通孔とに連通する複数の冷却媒体流路溝を設けるとともに、
   少なくとも前記冷却媒体流路溝のいずれかは、前記冷却媒体入口連通孔側の開口断面積に対して前記冷却媒体出口連通孔側の開口断面積が増加することを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項２記載の燃料電池スタックにおいて、前記冷却媒体流路溝には、開口断面積を調整可能なリブ部が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
4. 請求項３記載の燃料電池スタックにおいて、前記冷却媒体出口連通孔側の前記リブ部は、前記冷却媒体入口連通孔側の前記リブ部に比べて、短尺に形成されることを特徴とする燃料電池スタック。
5. 請求項２記載の燃料電池スタックにおいて、前記冷却媒体流路溝は、前記冷却媒体入口連通孔側から前記冷却媒体出口連通孔側に向かって溝深さ又は溝幅寸法を大きく設定することを特徴とする燃料電池スタック。
6. 請求項２乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、複数の前記冷却媒体入口連通孔に一体に連通するマニホールド部材を備え、
   前記マニホールド部材には、単一の冷却媒体導入口が形成されることを特徴とする燃料電池スタック。
7. 請求項２乃至６のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、積層方向端部側の発電セルは、積層方向中央側の発電セルに比べて、前記冷却媒体流路の冷却媒体流量が少量に設定されることを特徴とする燃料電池スタック。

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