JP2008305806A - 固体高分子型燃料電池スタック - Google Patents

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Abstract

【課題】 大きな反応面積を確保することができる上に、円滑なガス供給を図り且つ小型化を実現する固体高分子型燃料電池スタックを提供する。
【解決手段】 セパレータの各々の部分に形成され、前記燃料ガス流路および前記酸化剤ガス流路の周囲に配置され、前記セパレータの面に対して直交する方向に冷媒を通流させる複数の冷却剤流路と、を有する固体高分子型燃料電池スタックにおいて、前記酸化剤ガス流路は、その一端に酸化剤ガス入口を有し、かつ、その他端に酸化剤ガス出口を有し、前記冷却剤流路は、その一端に冷却剤入口を有し、かつ、その他端に冷却剤出口を有し、前記冷却剤入口は前記酸化剤ガス入口と隣接するところに配置され、かつ、前記冷却剤入口と前記酸化剤ガス入口とが同じ方向を向き、前記冷却剤出口は前記酸化剤ガス出口と隣接するところに配置され、かつ、前記冷却剤出口と前記酸化剤ガス出口とが同じ方向を向いている。
【選択図】 図１９

Description

本発明は、イオン伝導性を有する固体高分子を電解質とする固体高分子型燃料電池スタックに係り、特に、大きな反応面積を確保するべく改良を施した固体高分子型燃料電池スタックに関するものである。
近年、高効率のエネルギー変換装置として、燃料電池が注目を集めている。この燃料電池は、用いられる電解質の種類により、アルカリ型、固体高分子型、リン酸型等の低温作動燃料電池と、溶融炭酸塩型、固体酸化物型等の高温作動燃料電池とに大別される。
なかでも、電解質としてプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池（以下、ＰＥＦＣと記す）は、コンパクトな構造で高出力密度が得られ、かつ簡易なシステムで運転が可能なことから、宇宙用や車両用などの電源として注目されている。
この高分子電解質膜（以下、高分子膜という）としては、パーフルオロカーボンスルホン酸膜（例えば、ナフィオン：商品名、デュポン社製）などが用いられている。そして、このような高分子膜を、白金などの触媒を有する一対の多孔質電極（燃料極と酸化剤極）によって狭持して、膜電極複合体が構成されている。なお、上記高分子膜および多孔質電極は共にシート状に形成されており、内部抵抗を低減するために、その厚みは概略１ｍｍ以下にされている。
また、前記高分子膜および電極のシートの形状は通常矩形であり、電極の面積は、発電に必要な電流値および単位面積当たりの電流値すなわち電流密度によって決まり、概略１００ｃｍ2 以上、すなわち１辺が１０ｃｍ以上の大きさに設定されているものが多い。なお、高分子膜は燃料極と酸化剤極に供給されるガスの混合を防ぐ役割もあるため、その面積は電極の面積より大きく設定されている。
前記膜電極複合体から電流を取り出すために、燃料極と酸化剤極の外側には集電体が配置される。この集電体には、燃料極および酸化剤極の面と平行に多数の溝が形成され、この溝が、燃料極および酸化剤極に電池反応に必要な燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するガス流路となっている。また、１つの膜電極複合体によって生じる起電力は１Ｖ以下と小さいため、複数の膜電極複合体を積層し、直列に接続してＰＥＦＣ積層体を構成し、起電力を高くしている。この際、燃料極側の集電体と酸化剤極側の集電体が必要となるため、隣接する膜電極複合体の燃料極側の集電体と酸化剤極側の集電体を一体に構成したセパレータが用いられている。
ところで、膜電極複合体では電池反応によって熱を生じる。この熱を取り除く冷却方法としては、複数の膜電極複合体の間に冷却板を挿入し、この冷却板に冷却水を流通させる方法が一般的である。しかし、この方法では、ガスを供給するセパレータとは別に冷却水を供給するセパレータも必要になるため、積層方向の厚みが増してしまうという問題点があった。
この問題点を解決する方法として、ガス流路の周囲４方を取り囲むように冷却水流路を形成することにより、膜電極複合体の間に挿入されていた冷却板を省略する方法が、特開平１０−２１９４９号公報に開示されている。すなわち、前記公報に示された技術は、図１に示すように、中央部にガス流路となる溝２０１が形成されたセパレータ２００の上下左右４ヶ所に、冷却水を流通させる流路２０２を形成し、この流路２０２内に冷却水を流すことによって反応熱を取り除くものである。
しかしながら、上記の冷却方法には、以下のような問題点があった。
第一の問題点として、反応面積を大きくできないという点が挙げられる。すなわち、上記の冷却方法では、セパレータ２００によって挟持された膜電極複合体で生じた熱は、セパレータ２００に伝わり、セパレータの厚み方向と直角な方向に伝わって、流路２０２内を流れる冷却水により取り除かれる。つまり、反応部中央のセパレータの温度が周囲部より高くなる。
したがって、反応面積を大きくすると、反応部中央と冷却流路の距離も大きくなり、上記の温度差も大きくなる。一方、セパレータの厚みを増やし、断面積、すなわち伝熱面積を増やすことにより温度差を小さくすることも考えられるが、この方法ではセルの厚みも増えてしまい、コンパクト性が失われるという問題がある。
第二の問題点として、セパレータ平面内の温度分布が３次元になるという点が挙げられる。すなわち、上記の冷却方法では、上述したようにセパレータ平面内の温度分布は、中央部が高く、周囲４辺が低くなる。これでは、ガス流路を平面状に形成しても、反応によって生じた水は、セパレータの周囲で凝縮してしまうため、反応によって生じた水を効率よく回収することはできない。
第三の問題点として、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給孔および排出孔を大きくできないという問題点が挙げられる。図２１のようにガス流路の四方に冷却水流路を配置した場合、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給孔および排出孔を４角に配置することになり、供給孔および排出孔の断面積は、冷却水流路の断面積よりも小さくなってしまう。
これは、反応面積を大きくし、多量の燃料ガスまたは酸化剤ガスを必要とした場合に、供給孔、すなわちガスの分配マニホールドの断面積が小さくなり、積層した燃料電池スタックの各単セルに、燃料ガスまたは酸化剤ガスを均一に分配できなくなる。
特開平１０−２１９４９号公報
本発明の目的は、大きな反応面積を確保することができる上に、円滑なガス供給を図り且つ小型化を実現する固体高分子型燃料電池スタックを提供することにある。
上記の目的を達成するために、本発明に係る固体高分子型燃料電池スタックは、積層された複数のセル(4)と、前記セル(4)間に挿入されたセパレータ(60,70,80,90)とを備え、前記セル(4)の各々は、アノードと、カソードと、前記アノードとカソードの間に挟持された固体高分子電解質膜とを有し、前記セパレータの各々は、前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路とのうち少なくとも一方を有し、かつ外形が長方形であり、前記セパレータの各々の部分に形成され、前記燃料ガス流路および前記酸化剤ガス流路の周囲に配置され、前記セパレータの面に対して直交する方向に冷媒を通流させる複数の冷却剤流路（62,72,82,82b,92,92b,102,102b）と、を有する固体高分子型燃料電池スタック(1)において、前記酸化剤ガス流路は、その一端に酸化剤ガス入口（85a,95a）を有し、かつ、その他端に酸化剤ガス出口（85b,95b）を有し、前記冷却剤流路は、その一端に冷却剤入口(87a,97a)を有し、かつ、その他端に冷却剤出口(87b,97b)を有し、前記冷却剤入口(87a,97a)は前記酸化剤ガス入口（85a,95a）と隣接するところに配置され、かつ、前記冷却剤入口(87a,97a)と前記酸化剤ガス入口（85a,95a）とが同じ方向を向き、前記冷却剤出口(87b,97b)は前記酸化剤ガス出口（85b,95b）と隣接するところに配置され、かつ、前記冷却剤出口(87b,97b)と前記酸化剤ガス出口（85b,95b）とが同じ方向を向いていることを特徴とするものである。
また、本発明に係る固体高分子型燃料電池スタックは、積層された複数のセル(4)と、前記セル(4)間に挿入されたセパレータ(60,70,100)とを備え、前記セル(4)の各々は、アノードと、カソードと、前記アノードとカソードの間に挟持された固体高分子電解質膜とを有し、前記セパレータの各々は、前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路とのうち少なくとも一方を有し、かつ外形が長方形であり、前記セパレータの各々の部分に形成され、前記燃料ガス流路および前記酸化剤ガス流路の周囲に配置され、前記セパレータの面に対して直交する方向に冷媒を通流させる複数の冷却剤流路（102,102b）と、を有する固体高分子型燃料電池スタック(1)において、前記酸化剤ガス流路は、その一端に酸化剤ガス入口（85a）を有し、かつ、その他端に酸化剤ガス出口（85b）を有し、前記冷却剤流路（102,102b）は、直列に接続され、その一端に冷却剤入口(87a)を有し、かつ、その他端に冷却剤出口(87b)を有し、前記冷却剤入口(87a)は前記酸化剤ガス入口（85a）と隣接するところに配置され、かつ、前記冷却剤入口(87a)と前記酸化剤ガス入口（85a）とが同じ方向を向き、前記冷却剤出口(87b)は前記酸化剤ガス出口（85b）と隣接するところに配置され、かつ、前記冷却剤出口(87b)と前記酸化剤ガス出口（85b）とが同じ方向を向いていることを特徴とするものである。
また、本発明に係る固体高分子型燃料電池スタックは、積層された複数のセル(4)と、前記セル(4)間に挿入されたセパレータ(60,70,80,90)とを備え、前記セル(4)の各々は、アノードと、カソードと、前記アノードとカソードの間に挟持された固体高分子電解質膜とを有し、前記セパレータの各々は、前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路とのうち少なくとも一方を有し、かつ外形が長方形であり、前記セパレータの各々の部分に形成され、前記燃料ガス流路および前記酸化剤ガス流路の周囲に配置され、前記セパレータの面に対して直交する方向に冷媒を通流させる複数の冷却剤流路（82,82b,92,92b）と、を有する固体高分子型燃料電池スタック(1)において、前記酸化剤ガス流路は、その一端に酸化剤ガス入口（85a,95a）を有し、かつ、その他端に酸化剤ガス出口（85b,95b）を有し、前記冷却剤流路（82,82b,92,92b）は、それらのうちの一部の流路が並列に接続された第１の冷却剤流路グループと、他の一部の流路が並列に接続された第２の冷却剤流路グループと、前記第１の冷却剤流路グループが集合する一端に連通する冷却剤入口(87a,97a)と、前記第１の冷却剤流路グループが集合する他端に連通する冷却剤出口(87b,97b)と、前記第２の冷却剤流路グループが集合する一端に連通する冷却剤入口(87a,97a)と、前記第２の冷却剤流路グループが集合する他端に連通する冷却剤出口(87b,97b)と、を有し、前記冷却剤入口(87a,97a)の各々は前記酸化剤ガス入口（85a,95a）と隣接するところに配置され、かつ、前記冷却剤入口(87a,97a) の各々と前記酸化剤ガス入口（85a,95a）とが同じ方向を向き、前記冷却剤出口(87b,97b) の各々は前記酸化剤ガス出口（85b,95b）と隣接するところに配置され、かつ、前記冷却剤出口(87b,97b) の各々と前記酸化剤ガス出口（85b,95b）とが同じ方向を向いていることを特徴とするものである。
上記のような構成を有する本発明によれば、セパレータの外形形状を長方形とし、冷却剤入口(87a,97a)が酸化剤ガス入口（85a,95a）と隣接するところに配置され、かつ、冷却剤入口(87a,97a)と酸化剤ガス入口（85a,95a）とが同じ方向を向き、冷却剤出口(87b,97b)が酸化剤ガス出口（85b,95b）と隣接するところに配置され、かつ、冷却剤出口(87b,97b)と酸化剤ガス出口（85b,95b）とが同じ方向を向いているため、冷却剤流路と酸化剤ガス流路とが並行流路（コ・フロー）の位置関係になり（図２０Ａ参照）、冷却剤を酸化剤ガスと並行して通流させることにより、酸化剤ガス中に含まれる湿気（水分）が酸化剤ガス出口において凝縮するのを防止することができる。
上記のような構成を有する本発明によれば、冷却剤流路をセパレータの相対する長辺の伸長方向と実質的に平行な部分に複数形成しているので、上記請求項１に記載の発明の作用・効果に加えて、さらに優れた冷却効果が得られる。
さらに別の発明によれば、燃料極と酸化剤極とに狭持された固体高分子電解質膜を有する単セルが、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路の少なくとも一方を備えたセパレータを介して複数積層されてなる固体高分子型燃料電池スタックにおいて、前記セパレータの外形形状を長方形とし、前記セパレータの燃料極または酸化剤極に接する面に複数の冷却領域を設け、各冷却領域の中央部に冷却剤流路を形成し、前記冷却媒体をセパレータ平面に対して直角方向に流通させるように構成したことを特徴とするものである。
上記のような構成を有する本発明によれば、各冷却領域の中央部に冷却剤流路を形成しているので、各冷却領域で発生した反応熱は、その領域内に形成された冷却剤流路を流れる冷却媒体によって冷却されるように構成されている。この場合、冷却剤流路の内壁が伝熱面となるが、この流路は各冷却領域の中央に位置しているため、その内壁のすべての面を伝熱面とすることができるので、効率良い冷却が可能となる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
（第１実施形態）
図２は本発明による固体高分子型燃料電池スタックの第１実施形態の構成を示す斜視図である。
すなわち、燃料電池スタック１は、セル部２とエンドプレート３ａ，３ｂから構成されている。このセル部２は、単セル４を複数積層して構成されている。また、エンドプレート３ａ，３ｂは、セル部２の前後端に１枚ずつ設けられ、図示しないスタッドやバネなどの締め付け冶具により、セル部２を締め付けるように配設されている。また、エンドプレート３ａ，３ｂには、図示しない電流取り出し端子があり、燃料電池スタック１で発電した電力を取り出すように構成されている。
また、前面のエンドプレート３ａには、各流体用の配管が取り付けられている。具体的には、前面のエンドプレート３ａの右端上部に酸化剤ガス入口５ａが設けられ、エンドプレート左端下部には酸化剤ガス出口５ｂが設けられている。また、エンドプレート３ａの左方上部には燃料ガス入口６ａが設けられ、右方下部には燃料ガス出口６ｂが設けられている。さらに、前面のエンドプレート３ａの中央には、その上下部に冷却剤入口７ａが設けられている。一方、後面のエンドプレート３ｂの中央には、その上下部に冷却剤出口７ｂが設けられている。
図３は、図２に示す燃料電池スタック１を、前記冷却剤入口７ａおよび冷却剤出口７ｂの中心線を含む平面で切断した断面図を示すものである。すなわち、単セル４は、膜電極複合体（ＭＥＡ）８、１組のシールパッキン９およびセパレータ１０から構成され、膜電極複合体８は、電解質膜８ａと燃料極８ｂ、消化剤極８ｃの２個の電極から構成されている。また、セパレータ１０には、その中央部の両面にガスが流れる溝が形成されている。具体的には、燃料極８ｂと接する面に燃料ガス流路１１が、酸化剤極８ｃに接する面に酸化剤ガス流路１２が設けられている。シールパッキン９は、両電極、後述するガス流通マニホールドおよび冷却剤流路に相当する部分が切り落とされており、その厚みは電極とほぼ同じに構成されている。
図４Ａ、図４Ｂはセパレータの構成を示す図であって、図４Ａはセパレータ１０の燃料ガス流路側の正面図であり、図４Ｂは図４ＡにおけるＡ−Ａ断面図である。セパレータ１０の外形寸法は、長さ２５ｃｍ、幅７ｃｍ、厚さ２ｍｍに設定され、その材質は、導電性があり緻密な構造な物であれば良く、ここでは、緻密なカーボン材を用いた。
また、セパレータ１０の周囲部には複数の貫通孔が設けられている。具体的には、セパレータ１０の右側部には酸化剤ガス供給マニホールド１３ａが、左側部には酸化剤ガス排出マニホールド１３ｂが設けられている。また、セパレータ１０の長辺の伸長方向に実質的に平行な部分、つまりセパレータ１０の上部には、燃料ガス供給マニホールド１４ａおよび８個の冷却剤流路１５が設けられ、セパレータ１０の下部には、燃料ガス排出マニホールド１４ｂおよび８個の冷却剤流路１５が設けられている。
さらに、セパレータ１０の表面中央部には、幅１ｍｍ、深さ０．５ｍｍの溝が機械加工により複数設けられている。これらの溝は、前記燃料ガス供給マニホールド１４ａおよび燃料ガス排出マニホールド１４ｂと連通され、燃料ガス流路１１を構成している。そして、図中矢印で示すように、燃料ガス供給マニホールド１４ａより供給された燃料ガスをセパレータ１０の溝内に供給し、未反応の燃料ガスを燃料ガス排出マニホールド１４ｂから排出するように構成されている。
また、セパレータ１０の裏面中央部には、表面と同様の溝が設けられており、これらの溝は、前記酸化剤ガス供給マニホールド１３ａおよび酸化剤ガス排出マニホールド１３ｂと連通されて酸化剤ガス流路１２を構成し、酸化剤ガスを供給、排出するように構成されている。
なお、図４Ａに示す矩形の破線は、燃料極８ｂおよび酸化剤極８ｃの大きさを示しており、ここでは、長さ５ｃｍ、幅２０ｃｍの燃料極および酸化剤極を用いた。
また、前記冷却剤流路１５に導入される冷却剤としては水を用いても良いが、寒冷地での使用を考えた場合、不凍液を用いるのがより望ましい。ここでは、エチレングリコール水溶液を用いた。この冷却剤は、図２に示す前面のエンドプレート３ａに設けられた２個の冷却剤入口７ａから、燃料電池スタック１内に均等に導入される。なお、エンドプレート３ａ内には図示しない分配ヘッダーが設けられており、この分配ヘッダーによって冷却剤入口７ａから導入された冷却剤が、上下それぞれ８個の流れに分割される。
８個の流れに分割された冷却剤は、セパレータ１０とシールパッキン９、電解質膜８ａの上下に設けられた共通の冷却剤流路１５を、これら部品平面と直角方向に流れる。その際に、冷却剤流路１５の壁面から熱を奪い、冷却を行う。冷却を行った冷却剤は、後面のエンドプレート３ｂに到達し、エンドプレート３ｂ内に設けられた図示しない合流ヘッダーにより、上下２個の流れにまとめられ、冷却剤出口７ｂから排出されるように構成されている。
図５は、単セル４内の熱の流れを示す図である。すなわち、電池反応により発生した熱は、燃料極８ｂおよび酸化剤極８ｃを伝導して、セパレータ１０との接触面からセパレータ内に伝達され、セパレータ平面と直角方向に伝達される。その後、熱はセパレータ内を上下方向に伝達され、冷却剤流路１５の壁面から冷却剤に伝達され、冷却される。
上記の電極（５ｃｍ×２０ｃｍ）およびセパレータ（７ｃｍ×２５ｃｍ×２ｍｍ）で構成した単セルを１００枚積層した本実施形態の燃料電池スタックと、電極の大きさが１０ｃｍ×１０ｃｍ、セパレータの大きさが１２ｃｍ×１２ｃｍ、厚さ２ｍｍの単セルを１００枚積層した従来の燃料電池スタックを製作し、反応ガスとしてＨ2 ／Ａｉｒ（利用率７０％／４０％）を供給し、冷却剤として入口温度５０℃、流量１．５ｋｇ／ｓｅｃのエチレングリコール水溶液を供給して、電流密度０．５Ａ／ｃｍ2 にて発電試験を実施して、両者のスタック電圧およびセパレータ内の温度分布およびスタック内の各セルの電圧分布を測定したところ、以下のような結果が得られた。
図６は、発明者らが検証した、本実施形態の燃料電池スタックおよび従来の燃料電池スタックの各単位セルの電圧分布特性を示す。セル番号は前面のエンドプレート、すなわち燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給および排出口が設けられた方から順につけられている。
本実施の形態の燃料電池スタックでは、各単位セルの電圧はほぼ均一であった。これは、セパレータの短辺の伸長方向に実質的に平行な部分に酸化剤供給マニホールドを設けることで、十分な断面積（１ｃｍ×５ｃｍ）を確保できたためと考えられる。
一方、従来の燃料電池スタックでは、セパレータの４角にしかガス供給／排出マニホールドを設けることができず、その大きさが１ｃｍ×１ｃｍと小さいため、各単位セルに酸化剤ガスを均一に供給することができなくなり、平均電圧に比べて±３０％の偏りを生じてしまった。このようにセパレータの短辺の伸長方向と実質的に平行な部分に燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給マニホールドを設けることで、マニホールドの断面積を大きくとることができ、反応面積が大きくなって多量の燃料ガスまたは酸化剤ガスが必要になった場合でも、スタックの各単位セルに均一に分配することが可能となる。
すなわち、図７は発明者らが検証した、セパレータ内の上下方向の温度分布を示すものであり、図８は発明者らが検証した、左右方向の温度分布を示すものである。図から明らかなように、従来の燃料電池スタックでは、電極およびセパレータが正方形で、かつ周囲４方に冷却剤流路が形成されているため、上下方向および左右方向の温度分布は等しくなっている。しかし電極端部と電極中央部の距離が５ｃｍと離れているために、電極中央部の温度は上昇し、周囲部の温度が７０℃であるに対して８０℃となり、１０℃の温度差が生じた。
これに対して、本実施形態の燃料電池スタックでは、上下方向の長さが５ｃｍと短く、電極端部と電極中央部の距離は２．５ｃｍしか離れていないため、周囲部と中央部の温度差も小さく、２℃の温度差に抑えることができた。また、図５に示すように、熱は上下方向に伝達されるので、左右方向の温度分布はほとんど一定になり、７２℃を示す（図８参照）。
また、スタック電圧を調べたところ、従来の燃料電池スタックでは４０Ｖだったのに対し、本実施形態の燃料電池スタックでは５５Ｖであった。このように高いスタック電圧が得られたのは、図７および図８に示すように電極中央部の温度の上昇を抑えることができるため、膜の導電性を保つ水分の蒸発を防ぐことができるためと考えられる。
以上のように、セパレータの外形形状を長方形とし、セパレータのガス流路の周囲部分で、セパレータの長辺の伸長方向と実質的に平行な部分に、冷却媒体をセパレータ平面と直角方向に流通させるように、冷却剤流路を形成したことにより、燃料電池反応による熱を取り除く構造となり得、反応面積が大きくなっても、セパレータ内の温度差を小さく抑えることができた。
なお、反応面積を大きくする場合には、電極形状およびセパレータの長方形の長辺を伸ばすことによって、熱が伝わる短辺方向の距離を保つことができるので、セパレータ内の温度差は、上記と同様に小さくできる。
（第２実施形態）
本実施形態は上記第１実施形態の変形例であり、燃料ガス供給マニホールドおよび燃料ガス排出マニホールドの配設箇所を、セパレータの側部に変更したものである。なお、図９は第２実施形態の固体高分子型燃料電池スタックの構成を示す斜視図であり、図１０Ａ、図１０Ｂはセパレータの構成を示す図であって、図１０Ａはセパレータの燃料ガス流路側の正面図であり、図１０Ｂは図１０ＡにおけるＢ−Ｂ断面図である。
本実施形態においては、第１実施形態の燃料電池スタックの燃料ガス供給マニホールドおよび燃料ガス排出マニホールド部分を冷却剤流路とし、第１実施形態の酸化剤供給マニホールドおよび酸化剤排出マニホールド部分をそれぞれ上下２分割して、一方を燃料ガス供給マニホールド２４ａおよび燃料ガス排出マニホールド２４ｂとしている。
具体的には、図１０Ａ、図１０Ｂに示すように、セパレータのガス流路の周囲部分で、セパレータの短辺の伸長方向と実質的に平行な左側部に、燃料ガス供給マニホールド２４ａと酸化剤ガス排出マニホールド２７ｂが設けられ、右側部に酸化剤ガス供給マニホールド２７ａと燃料ガス排出マニホールド２４ｂとが設けられている。
また上記の構成に対応して図９に示すように、前面のエンドプレート２３ａの右側部には、酸化剤ガス入口２５ａと燃料ガス出口２６ｂが上下に設けられ、エンドプレート２３ａの左側部には、燃料ガス入口２６ａと酸化剤ガス出口２５ｂが上下に設けられている。なお、冷却剤入口７ａおよび冷却剤出口７ｂは、第１実施形態と同様の位置に設けられている。
また、図１０Ａ、図１０Ｂに示すように、セパレータ２０の中央部に形成された燃料ガス流路１１は、左側部の上部に設けられた燃料ガス供給マニホールド２４ａおよび右側部の下部に設けられた燃料ガス排出マニホールド２４ｂと連通されており、図中矢印のように燃料ガスをセパレータ２０に供給し、排出するように構成されている。一方、冷却剤は、セパレータの上部および下部にそれぞれ９個設けられた流路内を、セパレータ２０の平面と直角方向に流通し、冷却剤流路壁面から反応熱を奪って冷却を行うように構成されている。
本実施形態では、上記第１実施形態と同様に、電極の大きさを長さ２０ｃｍ、幅５ｃｍ、セパレータの大きさを長さ２５ｃｍ、幅７ｃｍ、厚さ２ｍｍとした。また、セパレータの材質には緻密なカーボン材を用いた。これらの部品を用いて単セルを製作し、この単セルを１００枚積層して発電試験を行った。試験条件は第１実施形態と同じ条件で行った。
その結果、周囲部の温度が７０℃、中央部が７１．７℃となり、上下方向の温度差は第１実施形態に比べてさらに小さくなった。これは、冷却剤流路が上下１個ずつ増え、伝達面積が増えた結果、温度差がさらに小さくなったと考えられる。また、スタック電圧は５６Ｖとなり、第１実施形態と同様に、従来の燃料電池スタックに比べて高い電圧が得られた。
以上のように、セパレータのガス流路の周囲部分で、セパレータの短辺の伸長方向と実質的に平行な部分に、燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給または排出マニホールドを設ける構成としたことにより、セパレータのガス流路の周囲部分のうち、上下部分をすべて冷却剤流路とすることができるため、冷却剤流路の壁面の面積が増え、伝熱面積が増えて、大きな電極面積でも小さな温度差に抑えることができた。
また、第１の実施形態と同様に、さらにセパレータの短辺と平行な部分に燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給マニホールドを設けることで、マニホールドの断面積を大きくとることができ、反応面積が大きくなって多量の燃料ガスまたは酸化剤ガスが必要になった場合でも、スタックの各単位セルに均一に分配することが可能となる。
（第３実施形態）
本実施形態は、上記第２実施形態と同様の構成を有するセパレータを、可撓性黒鉛炭素からなるシートで構成したものである。この可撓性黒鉛炭素からなるシートは膨張黒鉛材とも呼ばれ、柔らかく成形が容易で、シール性に優れているという特徴を有している。また、厚み方向と平面方向で異方性を有しており、例えば、熱伝導率では、厚み方向に比べて平面方向が約１０倍となるため、本発明の冷却方法に極めて適した材料である。
ここでは、膨張黒鉛シートとして、日本カーボン製のニカフィルム（商品名）を原材料として用いた。また、セパレータの形状は第２実施形態と同じとし、厚さ４ｍｍ、密度０．５ｇ／ｃｍ3 のニカフィルムのシートをプレス成形してセパレータを製作した。
そして、電極の大きさを幅５ｃｍ、長さ２０ｃｍとし、上記のセパレータと組合せて単セルを構成し、この単セルを１００枚積層して燃料電池スタックを製作し、第２実施形態と同条件で発電試験を行い、上下方向のセパレータ内の温度分布を測定した。その結果、周囲部が７０℃であったに対して中央部が７１．５℃となり、第２実施形態よりさらに温度差を小さく保つことができた。
また、カソード極表面中央部とセパレータ中央部の温度差を測定したところほぼ０℃であった。膨張黒鉛では、厚み方向の熱伝導率は低いが、伝熱面積が大きいので問題はない。
なお、上記の実施例では、セパレータ中央部の温度と周囲温度の温度差は１．５℃となったが、セパレータ中央部の温度と周囲温度の温度差の許容値を５℃以下に抑えることが望ましい。図１１は、発明者らが検証した、反応部の温度と反応ガスにより持ち出される水蒸気の量の関係を示す特性図である。ここでは、７０℃の水蒸気量を１としたときの相対値を示している。温度が上昇すると、飽和水蒸気圧が上昇し、反応ガスにより持ち出される水蒸気の量が多くなる。酸化剤ガスの流れる方向との直角面の中央部と端部とで温度が高く、水蒸気の持ち出し量が多くなり、端部で少なくなって、凝縮を生じる。
反応部で生じる生成水の量は、上記の相対値にて０．４であり、中央部と端部とでの持ち出し量の差が、この値より小さければ、生成水量の範囲内に収まり、生成水量以上の凝縮又は蒸発を生じなくなるため、この範囲内にするのが望ましい。つまり、図１１より、端部の温度を７０℃とすると、中央部の温度は７５℃以下に保つことが望ましい。
図１２は、発明者らが検証した、膨張黒鉛シート（熱伝導率１４０Ｗ／ｍＫ）を材料として用いたとき、セパレータの外形寸法の短片に対する長片の比（アスペクト比）と、中央部と端部との温度差の特性を示す。なお、反応部面積は、１００cm2で一定である。この図１２から、短片に対する長辺の比が３以上であれば、温度差が５℃以下となり、上記の条件を満たす。
図１３は、発明者らが検証した、アルミニウム（熱伝導率２００Ｗ／ｍＫ）を材料として用いたとき、セパレータの外形寸法の短片に対する長片の比（アスペクト比）と、中央部と端部との温度差の特性を示す。なお、反応部面積は、１００cm2で一定である。この図１３から、短片に対する長辺の比が２．５以上であれば、温度差が５℃以下となり、上記の条件を満たす。
以上のように、セパレータを可撓性黒鉛炭素からなるシートで構成し、前記セパレータの外形寸法の短辺に対する長辺の長さの比を３以上にすることで、大きな電極面積でも温度差を小さくすることができた。また、セパレータを可撓性黒鉛炭素からなるシートで構成した結果、プレス成形を用いることができ、量産が容易でコストに優れた燃料電池スタックを製作することができた。
（第４実施形態）
第４実施形態では、上記第２実施形態と同様の構成を有するセパレータを、アルミニウムで構成したものである。アルミニウムは、熱伝導率が極めて高く、本発明の冷却方法に極めて適した材料であり、柔らかいので成形が容易であるという特徴を有している。
ここでは、アルミ材としてクラッド材を用いた。また、セパレータの形状は第２実施形態と同じとし、厚さ１．５ｍｍのアルミ板をプレス成形してセパレータを製作した。また、その表面には、防食および導電性のコーティングを施した。
そして、電極の大きさを幅５ｃｍ、長さ２０ｃｍとし、上記のセパレータと組合せて単セルを構成し、この単セルを１００枚積層して燃料電池スタックを製作し、第２実施形態と同条件で発電試験を行い、上下方向のセパレータ内の温度分布を測定した。その結果、周囲部が７０℃であったのに対して中央部が７１．５℃となり、第３実施形態と同様に温度差を小さく保つことができた。また同時にセパレータの厚みを１．５ｍｍとすることができるので、第１実施形態および第２実施形態と比べて０．５ｍｍ薄くすることが可能となった。
なお、上記の実施例では、セパレータ中央部の温度と周囲温度の温度差は１．５℃となったが、セパレータ中央部の温度と周囲温度の温度差の許容値を５℃とすると、アルミの場合は、電極の幅の最大値は６６ｍｍとなる。このとき、電極の長さは１５２ｍｍとなり、セパレータの寸法は幅８０ｍｍ、長さ２００ｍｍが好適である。つまり、セパレータの外形寸法の短辺に対する長辺の長さの比を２．５以上にすることが望ましい。
以上のように、セパレータをアルミニウム系の金属の薄板で構成し、前記セパレータの外形寸法の短辺に対する長辺の長さの比を２．５以上にすることで、大きな電極面積でも温度差を小さくすることができた。また、セパレータの厚みを薄くすることができるので、コンパクトでコスト性に優れた燃料電池スタックを製作することができた。
なお、セパレータの材料としては、熱伝導に優れた他の金属、例えば、銅系の金属でも同様の効果が得られた。
（第５実施形態）
図１４Ａ、図１４Ｂは、本発明の第５実施形態におけるセパレータの構成を示す図であって、図１４Ａはセパレータの燃料ガス流路側の正面図であり、図１４Ｂは図１４ＡにおけるＣ−Ｃ断面図である。
すなわち、本実施形態では、セパレータ３０の相対する上下の２辺と平行に、冷却媒体用の複数の流路が、セパレータの上下部と中央部の３ヵ所に８個ずつ計２４個形成されている。なお、セパレータの大きさは、幅１３ｃｍ、長さ２５ｃｍ、厚さ２ｍｍとし、セパレータの材質としては、アルミニウム材を用いた。
そして、電極の大きさは幅１０ｃｍ、長さ２０ｃｍであり、上下半分ずつの大きさに分けられている。また、図１４Ａ、図１４Ｂに示すように、セパレータ３０の左上には燃料ガス供給マニホールド３４ａが設けられ、右下には燃料ガス排出マニホールド３４ｂが設けられている。さらにセパレータ３０の右側部には酸化剤ガス供給マニホールド３３ａが、左側部には酸化剤ガス排出マニホールド３３ｂが設けられている。
また、セパレータ３０の表面には、燃料ガス流路が上下２区画にわたって設けられており、それぞれ前記燃料ガス供給マニホールド３４ａおよび燃料ガス排出マニホールド３４ｂと連通され、燃料ガス流路３１を構成している。そして、図中矢印の流れに沿って、燃料ガス供給マニホールド３４ａより供給された燃料ガスをセパレータ３０の溝内に供給し、未反応の燃料ガスを燃料ガス排出マニホールド３４ｂから排出するように構成されている。
一方、図示しない裏面には、同様に、酸化剤ガス流路が２区画にわたって設けられており、それぞれ左右の側部に設けられた酸化剤ガス供給マニホールド３３ａおよび酸化剤ガス排出マニホールド３３ｂに連通されている。また、冷却媒体は、セパレータの上下部と中央部の３ヵ所に８個ずつ計２４個形成された冷却剤流路内に導入され、この冷却媒体をセパレータ平面と直角方向に流通させることによって、燃料電池反応によって発生する熱を取り除くように構成されている。
上記のセパレータと電極を組合せて単セルを構成し、この単セルを５０枚積層して発電試験を行った。条件は第２実施形態と同じにした。その結果、上下方向の温度分布は、２区画あるガス流路で同じ分布を示し、セパレータの上下端部が６９℃、ガス流路の中央が７２℃、セパレータの中央部が７１℃となった。
このように本実施形態においては、セパレータの中央部に設けられた冷却剤流路内を流れる冷却剤によって、上下２区画の反応熱が取り除かれるため、セパレータの中央部の温度は上下端部より高い温度となったが、その温度差は従来の燃料電池スタックに比べて小さな温度差に抑えることができた。
（第６実施形態）
図１５Ａ、図１５Ｂは、本発明の第６実施形態におけるセパレータの構成を示す図であって、図１５Ａはセパレータの燃料ガス流路側の正面図であり、図１５Ｂは図１５ＡにおけるＤ−Ｄ断面図である。
すなわち、本実施形態では、セパレータ４０の相対する上下の２辺と平行に、冷却媒体用の複数の流路が、セパレータの上下部と中央部の３ヵ所に９個ずつ計２７個形成されている。なお、セパレータの大きさは、幅１３ｃｍ、長さ２５ｃｍ、厚さ２ｍｍとし、セパレータの材質としては、アルミニウム材を用いた。
そして、電極の大きさは幅１０ｃｍ、長さ２０ｃｍであり、上下半分ずつの大きさに分けられている。また、図１５Ａ、図１５Ｂに示すように、セパレータ４０の左右の側部には、燃料ガス供給マニホールド４４ａおよび燃料ガス排出マニホールド４４ｂ、酸化剤ガス供給マニホールド４３ａおよび酸化剤ガス排出マニホールド４３ｂが、それぞれ２個ずつ合計８個設けられている。
また、セパレータ４０の表面には、燃料ガス流路が上下２区画にわたって設けられており、それぞれ前記燃料ガス供給マニホールド４４ａおよび燃料ガス排出マニホールド４４ｂと連通され、燃料ガス流路４１を構成している。そして、図中矢印の流れに沿って、燃料ガス供給マニホールド４４ａより供給された燃料ガスをセパレータ４０の溝内に供給し、未反応の燃料ガスを燃料ガス排出マニホールド４４ｂから排出するように構成されている。
一方、図示しない裏面には、同様に、酸化剤ガス流路が２区画にわたって設けられており、それぞれ左右の側部に設けられた酸化剤ガス供給マニホールド４３ａおよび酸化剤ガス排出マニホールド４３ｂに連通されている。また、冷却媒体は、セパレータの上下部と中央部の３ヵ所に９個ずつ計２７個形成された冷却剤流路内に導入され、この冷却媒体をセパレータ平面と直角方向に流通させることによって、燃料電池反応によって発生する熱を取り除くように構成されている。
上記のセパレータと電極を組合せて単セルを構成し、この単セルを５０枚積層して発電試験を行った。条件は第２実施形態と同じにした。その結果、上下方向の温度分布は、２区画あるガス流路で同じ分布を示し、上下端が６９℃、ガス流路の中央が７２℃、セパレータの中央部が７１℃となった。
このように、本実施形態においても、上記第５実施形態と同様に、セパレータの中央部に設けられた冷却剤流路内を流れる冷却剤によって、上下２区画の反応熱が取り除かれるため、セパレータの中央部の温度は上下端部より高い温度となったが、その温度差は従来の燃料電池スタックに比べて小さな温度差に抑えることができた。
（第７実施形態）
図１６は、本発明の第７実施形態におけるセパレータの構成を示す図であって、セパレータの燃料ガス流路側の正面図である。
すなわち、本実施形態では、セパレータ５０の中央部に複数の冷却領域５１が設けられ、各冷却領域５１の中央に冷却媒体流通用の冷却剤流路５２が形成されている。具体的には、セパレータの大きさを幅１３ｃｍ、長さ２５ｃｍ、厚さ２ｍｍとし、発電反応部に相当する幅１２ｃｍ、長さ２１ｃｍの領域の中に、図中破線で示す幅４ｃｍ、長さ３ｃｍの冷却領域５１が、短辺方向に３列、長辺方向に７列の計２１個設けられている。そして、各々の冷却領域の中央に、冷却剤流路５２が設けられ、冷却剤をセパレータ平面と直角方向に流すように構成されている。
また、図１６に示すように、セパレータ５０の左側部には、燃料ガス供給マニホールド５４ａと酸化剤ガス排出マニホールド５３ｂが設けられ、右側部には、燃料ガス排出マニホールド５４ｂと酸化剤ガス供給マニホールド５３ａが設けられている。そしてセパレータの表面には、燃料ガス流路が前記冷却剤流路５２を避けるように設けられており、それぞれ左右の供給マニホールド、排出マニホールドと連通されている。
さらに、冷却媒体は、上記２１個の冷却剤流路５２内に導入され、この冷却媒体をセパレータ平面と直角方向に流通させることによって、燃料電池反応によって発生する熱を取り除くように構成されている。なお、本実施形態では、１個の冷却媒体流路は１個の冷却領域で発生した反応熱を取り除くように構成されている。その際、冷却剤流路５２の内壁が伝熱面となるが、冷却剤流路５２は各冷却領域５１の中央に位置しているため、その内壁のすべての面を伝熱面とすることができるので、効率良い冷却が可能となる。
（第８実施形態）
本実施形態は、上記第４実施形態の変形例であり、冷却剤流路の内面の形状を変更したものである。なお、図１７Ａ、図１７Ｂは本実施形態におけるセパレータの構成を示す図であって、図１７Ａはセパレータの燃料ガス流路側の正面図であり、図１７Ｂは図１７ＡにおけるＥ−Ｅ断面図である。
すなわち、本実施形態のセパレータ６０はアルミニウムで構成され、各冷却剤流路６２の内壁に、幅２ｍｍ、長さ５ｍｍの突起６３がそれぞれ３個設けられている。その他の構成は、上記第４実施形態ひいては第２実施形態と同様であるので、説明は省略する。
また、冷却媒体は、セパレータの長辺の上下部に設けられた１８個の冷却剤流路６２に導入され、この冷却媒体をセパレータ平面と直角方向に流通させることによって、燃料電池反応によって発生する熱を取り除くように構成されている。この場合、冷却剤流路６２の内壁が伝熱面となるが、本実施形態においては各冷却剤流路６２の内壁に突起６３を設けることによって、内壁の長さを増やすことができ、伝熱面積を増やすことができるので、効率良く冷却可能となる。
（第９実施形態）
本実施形態は、上記第３実施形態および第８実施形態の変形例であり、冷却剤流路の内面の形状を変更したものである。なお、図１８Ａ、図１８Ｂは本実施形態におけるセパレータの構成を示す図であって、図１８Ａはセパレータの燃料ガス流路側の正面図であり、図１８Ｂは図１８ＡにおけるＦ−Ｆ断面図である。
すなわち、本実施形態のセパレータ７０は可撓性黒鉛炭素からなるシートで構成され、各冷却剤流路７２の内壁中央部を幅２ｍｍにわたって内側に張り出すような形状とされている。そして、張り出した部分の厚みを、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路が設けられている部分と同じ厚み、つまり１ｍｍになるようにプレスで成形し、張り出し部分７３を形成した。その他の構成は、上記第３実施形態ひいては第２実施形態と同様であるので、説明は省略する。
また、冷却媒体は、セパレータの長辺の上下部に設けられた１８個の冷却剤流路７２に導入され、この冷却媒体をセパレータ平面と直角方向に流通させることによって、燃料電池反応によって発生する熱を取り除くように構成されている。この場合、冷却剤流路７２の内壁が伝熱面となるが、本実施形態においては、各冷却剤流路７２の内壁に張り出し部分７３を設けることによって、伝熱面積を増やすことができるので、効率良く冷却することが可能となる。
また、セパレータを構成する膨張黒鉛は、厚さを薄くし、密度を上げることによって熱伝導率が上昇するという特徴がある。従って、張り出した部分を厚さが１ｍｍになるように薄くすることにより、高い熱伝導率が期待できる。これにより、効率良く冷却することが可能となる。
（第１０実施形態）
本実施形態は、上記第１実施形態の変形例であり、セパレータ８０の長辺に沿って設けられた上下２列の冷却剤流路８２をそれぞれ直列に連通させるように構成したものである。
なお、図１９は、第１０実施形態の固体高分子型燃料電池スタックの構成を示す斜視図であり、図２０Ａ、図２０Ｂはセパレータの構成を示す図であって、図２０Ａはセパレータの燃料ガス流路側の正面図であり、図２０Ｂは図２０ＡにおけるＧ−Ｇ断面図である。
すなわち、本実施形態においては、セパレータの上部および下部に設けられたそれぞれ８個の冷却剤流路８２内を、冷却媒体が直列に流れるように構成されている。その他の構成は、上記第１実施形態と同様であるので、説明は省略する。
また、セパレータ８０の外形寸法は、長さ２５ｃｍ、幅７ｃｍ、厚さ２ｍｍに設定され、その材質は、導電性があり緻密な構造な物であれば良く、ここでは、緻密なカーボン材を用いた。
図２１Ａ、図２１Ｂは、図１９に示す前面のエンドプレート８３ａを、また、図２２Ａ、図２２Ｂは後面のエンドプレート８３ｂを示す正面図である。これら前面のエンドプレート８３ａと後面のエンドプレート８３ｂには、セパレータ８０の上下２列の冷却剤流路８２を直列に連通する連通用の冷却剤流路８２ｂが設けられている。
また、図１９に示すように、前面のエンドプレート８３ａには、各流体用の配管が取り付けられている。具体的には、前面のエンドプレート８３ａの右端上部に酸化剤ガス入口８５ａが設けられ、エンドプレート左端下部には酸化剤ガス出口８５ｂが設けられている。また、エンドプレート８３ａの左方上部には燃料ガス入口８６ａが設けられ、右方下部には燃料ガス出口８６ｂが設けられている。さらに、前面のエンドプレート８３ａの右方には、その上下部に冷却剤入口８７ａが設けられ、一方、前面のエンドプレート８３ａの左方には、その上下部に冷却剤出口８７ｂが設けられている。なお、冷却剤としては、水を用いても良いが、寒冷地での使用を考えた場合、不凍液を用いるのが好ましい。ここでは、エチレングリコール水溶液を用いた。
冷却剤は、図１９に示す前面のエンドプレート８３ａに設けられた２個の冷却剤入口８７ａから導入され、均等に流される。すなわち、冷却剤は、セパレータとシールパッキン、電解質膜の上下に設けられた８個の共通の冷却剤流路の右端の流路を、これら部品平面と直角に流れる。その際に、流路の壁面から、熱を奪い冷却を行うように構成されている。
そして、図１９および図２１Ａ、図２１Ｂに示すように、前面のエンドプレート８３ａに設けられた２個の冷却剤入口８７ａから導入された冷却剤は、後面のエンドプレート８３ｂに到達し、図２２Ａ、図２２Ｂに示すように、後面のエンドプレート８３ｂ内に設けられた連通用の冷却剤流路８２ｂを通って、左隣の冷却剤流路に導かれ、そこでＵターンして前面のエンドプレート８３ａへと流される。その後、図１９に示すように、８個の冷却剤流路を直列に流れ、流路の壁面から熱を奪って、燃料電池スタック内の熱を冷却していく。
本実施形態では、冷却剤の入口を右端に、出口を左端に設けて、冷却剤を右から左へ流すようにしたため、冷却剤の流れがセパレータ内の酸化剤ガスの流れと同じになる。その結果、セパレータ内の温度分布を、冷却剤の入口がある右端を低く、出口がある左端を高くすることが可能となる。このように、酸化剤ガス出口の温度を高くすることにより、酸化剤出口で含まれる水蒸気の凝縮を防ぐことができるので、反応によって生成される水を効率よく排出することができ、より効果的である。
（第１１実施形態）
本実施形態は、上記第１０実施形態の変形例であり、セパレータ９０の長辺に沿って設けられた上下２列の冷却剤流路９２の流れを一部統合し、統合した流れをそれぞれ直列に連通させるように構成したものである。
なお、図２３は、第１１実施形態の固体高分子型燃料電池スタックの構成を示す斜視図であり、図２４Ａ、図２４Ｂは、前面のエンドプレート９３ａを示し、図２５Ａ、図２５Ｂは、後面のエンドプレート９３ｂを示す正面図である。
すなわち、本実施形態においては、図２３に示すように、セパレータの上部および下部に２列に設けられた８個の冷却剤流路９２のうち４個の冷却剤流路９２が、同一方向に並列に流れるように構成されている。また、前記の流し方を実現するために、図２４Ａ、図２４Ｂに示すように、前面のエンドプレート９３ａに設けられた２個の冷却剤入口９７ａから導入された冷却剤は、右端から４個の冷却剤流路９２に分配された後、冷却剤流路９２内を流れ、後面のエンドプレート９３ｂに到達する。
後面のエンドプレート９３ｂに到達した冷却媒体は、図２５Ａ、図２５Ｂに示すように、後面のエンドプレート９３ｂ内に設けられた冷却剤流路９２ｂを通って、左端から４個の冷却剤流路９２に導かれ、そこでＵターンして前面のエンドプレート９３ａへと流される。
このように、８個の冷却剤流路９２を４個ずつに分けて連通して流すことにより、第１０実施形態と同様に、セパレータの右側で温度が低く、左側で温度を高くできるので、酸化剤出口付近の温度を高くすることができ、反応による生成水の排出を良好に行うことができる。
（第１２実施形態）
本実施形態は、第１０実施形態の変形例であり、セパレータの長辺に沿って設けられた上下２列の冷却剤流路を直列に連通させるように構成したものである。
なお、図２６は、第１２実施形態の固体高分子型燃料電池スタックの構成を示す斜視図であり、図２７Ａ、図２７Ｂは図２６に示す前面のエンドプレート１００ａを、また、図２８Ａ、図２８Ｂは後面のエンドプレート１００ｂを示す正面図である。これら前面のエンドプレート１００ａと後面のエンドプレート１００ｂには、セパレータ１００の上下２列の冷却剤流路１０２，１０２ｂが、セパレータ１００の短辺の伸長方向と実質的に平行な部分に設けられている。
前面のエンドプレート１００ａに設けられた１個の冷却剤入口から導入された冷却剤は、上列の冷却剤流路１０２，１０２ｂのうち右端の流路を流れ、後面のエンドプレート１００ｂに到達する。後面エンドプレート１００ｂでは、上下の冷却剤流路１０２，１０２ｂが設けられており、下列の冷却剤流路１０２，１０２ｂの右端の流路に導かれる。下列の冷却剤流路１０２ｂの右端の流路に導入された冷却剤は前面のエンドプレート１００ａ内の同様の連通流路を通って上列の冷却剤流路１０２，１０２ｂの右端から二番目の流路に導入される。
このように冷却剤は、上下二列の冷却剤流路１０２，１０２ｂを交互に右端から左端に向かって流すことにより、第１０実施形態と同様に、セパレータ１００の右側で温度が低く、左側で温度を高くできるので、酸化剤出口付近の温度を高くすることができ、反応による生成水の排出を良好に行うことができる。
以上述べたように本発明によれば、セパレータ内の温度差を小さく保つことができ、かつ積層方向の厚みを小さくすることができ、もって、小型にして反応面積を大きく確保することが可能な固体高分子型燃料電池スタックを提供することができる。
図１は従来の固体高分子型燃料電池スタックのセパレータの構成を示す斜視図。 図２は本発明による固体高分子型燃料電池スタックの第１実施形態の構成を示す斜視図。 図３は図２に示す燃料電池スタックの断面図。 図４Ａは第１実施形態のセパレータの構成を示す図であって、セパレータの燃料ガス流路側の正面図。 図４Ｂは図４ＡにおけるＡ−Ａ断面図。 図５は第１実施形態の燃料電池スタックの単セル内の熱の流れを示す図。 図６は第１実施形態の燃料電池スタックのセル電圧分布を示す図。 図７は第１実施形態と従来例におけるセパレータの上下方向の温度分布を示す図。 図８は第１実施形態と従来例におけるセパレータの左右方向の温度分布を示す図。 図９は本発明による固体高分子型燃料電池スタックの第２実施形態の構成を示す斜視図。 図１０Ａは第２実施形態のセパレータの構成を示す図であって、セパレータの燃料ガス流路側の正面図。 図１０Ｂは図１０ＡにおけるＢ−Ｂ断面図。 図１１は本発明における温度と水蒸気量との関係を示す図。 図１２は本発明における膨張黒鉛セパレータのアスペクト比と温度差との関係を示す図。 図１３は本発明におけるアルミニウムセパレータのアスペクト比と温度差との関係を示す図。 図１４Ａは第５実施形態のセパレータの構成を示す図であって、セパレータの燃料ガス流路側の正面図。 図１４Ｂは図１４ＡにおけるＣ−Ｃ断面図。 図１５Ａは第６実施形態のセパレータの構成を示す図であって、セパレータの燃料ガス流路側の正面図。 図１５Ｂは図１５ＡにおけるＤ−Ｄ断面図。 図１６は第７実施形態のセパレータの構成を示す図であって、セパレータの燃料ガス流路側の正面図。 図１７Ａは第８実施形態のセパレータの構成を示す図であって、セパレータの燃料ガス流路側の正面図。 図１７Ｂは図１７ＡにおけるＥ−Ｅ断面図。 図１８Ａは第９実施形態のセパレータの構成を示す図であって、セパレータの燃料ガス流路側の正面図。 図１８Ｂは図１８ＡにおけるＦ−Ｆ断面図。 図１９は本発明による固体高分子型燃料電池スタックの第１０実施形態の構成を示す斜視図。 図２０Ａは第１０実施形態のセパレータの構成を示す図であって、セパレータの燃料ガス流路側の正面図。 図２０Ｂは図２０ＡにおけるＧ−Ｇ断面図。 図２１Ａは図１９に示す前面のエンドプレートを示す正面図。 図２１Ｂは図２１ＡにおるＨ−Ｈ断面図。 図２２Ａは図１９に示す後面のエンドプレートを示す正面図。 図２２Ｂは図２２ＡにおけるＩ−Ｉ断面図。 図２３は本発明による固体高分子型燃料電池スタックの第１１実施形態の構成を示す斜視図。 図２３に示す前面のエンドプレートの構成を示す図であって、図２４Ａは正面図。 図２４Ｂは図２４ＡにおけるＪ−Ｊ断面図。 図２３に示す後面のエンドプレートの構成を示す図であって、図２５Ａは正面図。 図２５Ｂは図２５ＡにおけるＫ−Ｋ断面図。 図２６は本発明による固体高分子型燃料電池スタックの第１２実施形態の構成を示す斜視図。 図２６に示す前面のエンドプレートの構成を示す図であって、図２７Ａは正面図。 図２７Ｂは図２７ＡにおけるＪ−Ｊ断面図。 図２６に示す後面のエンドプレートの構成を示す図であって、図２８Ａは正面図。 図２８Ｂは図２８ＡにおけるＬ−Ｌ断面図。
符号の説明
２…セル部、３ａ，３ｂ，２３ａ，２３ｂ，８３ａ，８３ｂ，９３ａ，９３ｂ，１００ａ，１００ｂ…エンドプレート、
４…単セル、５ａ，２５ａ…酸化剤ガス入口、５ｂ，２５ｂ…酸化剤ガス出口、６ａ，２６ａ…燃料ガス入口、６ｂ，２６ｂ…燃料ガス出口、７ａ，８７ａ…冷却剤入口、７ｂ，８７ｂ…冷却剤出口、８…膜電極複合体（ＭＥＡ）、９…シールパッキン、
１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０，１００…セパレータ、
１４ａ，１４ｂ，２４ａ，２４ｂ，２７ａ，２７ｂ，３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂ，４３ａ，４３ｂ，４４ａ，４４ｂ，５３ａ，５３ｂ，５４ａ，５４ｂ…マニホールド、
１５，５２，６２，７２，８２，８２ａ，８２ｂ，９２，９２ａ，９２ｂ，１０２，１０２ｂ…冷却剤流路、
６３…突起、７３…張り出し部。

Claims (9)

  1. 積層された複数のセル(4)と、前記セル(4)間に挿入されたセパレータ(60,70,80,90)とを備え、前記セル(4)の各々は、アノードと、カソードと、前記アノードとカソードの間に挟持された固体高分子電解質膜とを有し、
    前記セパレータの各々は、前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路とのうち少なくとも一方を有し、かつ外形が長方形であり、
    前記セパレータの各々の部分に形成され、前記燃料ガス流路および前記酸化剤ガス流路の周囲に配置され、前記セパレータの面に対して直交する方向に冷媒を通流させる複数の冷却剤流路（62,72,82,82b,92,92b,102,102b）と、を有する固体高分子型燃料電池スタック(1)において、
    前記酸化剤ガス流路は、その一端に酸化剤ガス入口（85a,95a）を有し、かつ、その他端に酸化剤ガス出口（85b,95b）を有し、
    前記冷却剤流路は、その一端に冷却剤入口(87a,97a)を有し、かつ、その他端に冷却剤出口(87b,97b)を有し、
    前記冷却剤入口(87a,97a)は前記酸化剤ガス入口（85a,95a）と隣接するところに配置され、かつ、前記冷却剤入口(87a,97a)と前記酸化剤ガス入口（85a,95a）とが同じ方向を向き、
    前記冷却剤出口(87b,97b)は前記酸化剤ガス出口（85b,95b）と隣接するところに配置され、かつ、前記冷却剤出口(87b,97b)と前記酸化剤ガス出口（85b,95b）とが同じ方向を向いていることを特徴とする固体高分子型燃料電池スタック。
  2. 積層された複数のセル(4)と、前記セル(4)間に挿入されたセパレータ(60,70,100)とを備え、前記セル(4)の各々は、アノードと、カソードと、前記アノードとカソードの間に挟持された固体高分子電解質膜とを有し、
    前記セパレータの各々は、前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路とのうち少なくとも一方を有し、かつ外形が長方形であり、
    前記セパレータの各々の部分に形成され、前記燃料ガス流路および前記酸化剤ガス流路の周囲に配置され、前記セパレータの面に対して直交する方向に冷媒を通流させる複数の冷却剤流路（102,102b）と、を有する固体高分子型燃料電池スタック(1)において、
    前記酸化剤ガス流路は、その一端に酸化剤ガス入口（85a）を有し、かつ、その他端に酸化剤ガス出口（85b）を有し、
    前記冷却剤流路（102,102b）は、直列に接続され、その一端に冷却剤入口(87a)を有し、かつ、その他端に冷却剤出口(87b)を有し、
    前記冷却剤入口(87a)は前記酸化剤ガス入口（85a）と隣接するところに配置され、かつ、前記冷却剤入口(87a)と前記酸化剤ガス入口（85a）とが同じ方向を向き、
    前記冷却剤出口(87b)は前記酸化剤ガス出口（85b）と隣接するところに配置され、かつ、前記冷却剤出口(87b)と前記酸化剤ガス出口（85b）とが同じ方向を向いていることを特徴とする固体高分子型燃料電池スタック。
  3. 積層された複数のセル(4)と、前記セル(4)間に挿入されたセパレータ(60,70,80,90)とを備え、前記セル(4)の各々は、アノードと、カソードと、前記アノードとカソードの間に挟持された固体高分子電解質膜とを有し、
    前記セパレータの各々は、前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路とのうち少なくとも一方を有し、かつ外形が長方形であり、
    前記セパレータの各々の部分に形成され、前記燃料ガス流路および前記酸化剤ガス流路の周囲に配置され、前記セパレータの面に対して直交する方向に冷媒を通流させる複数の冷却剤流路（82,82b,92,92b）と、を有する固体高分子型燃料電池スタック(1)において、
    前記酸化剤ガス流路は、その一端に酸化剤ガス入口（85a,95a）を有し、かつ、その他端に酸化剤ガス出口（85b,95b）を有し、
    前記冷却剤流路（82,82b,92,92b）は、
    それらのうちの一部の流路が並列に接続された第１の冷却剤流路グループと、
    他の一部の流路が並列に接続された第２の冷却剤流路グループと、
    前記第１の冷却剤流路グループが集合する一端に連通する冷却剤入口(87a,97a)と、
    前記第１の冷却剤流路グループが集合する他端に連通する冷却剤出口(87b,97b)と、
    前記第２の冷却剤流路グループが集合する一端に連通する冷却剤入口(87a,97a)と、
    前記第２の冷却剤流路グループが集合する他端に連通する冷却剤出口(87b,97b)と、
    を有し、
    前記冷却剤入口(87a,97a)の各々は前記酸化剤ガス入口（85a,95a）と隣接するところに配置され、かつ、前記冷却剤入口(87a,97a) の各々と前記酸化剤ガス入口（85a,95a）とが同じ方向を向き、
    前記冷却剤出口(87b,97b) の各々は前記酸化剤ガス出口（85b,95b）と隣接するところに配置され、かつ、前記冷却剤出口(87b,97b) の各々と前記酸化剤ガス出口（85b,95b）とが同じ方向を向いていることを特徴とする固体高分子型燃料電池スタック。
  4. 前記セパレータ(80,90)と平行に配置され、前記酸化剤ガス入口（85a,95a）、前記酸化剤ガス出口（85b,95b）、前記冷却剤入口(87a,97a)および前記冷却剤出口(87b,97b)がそれぞれ開口するエンドプレート(83a,93a,100a)をさらに有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の固体高分子型燃料電池スタック。
  5. 前記エンドプレート(83a,93a,100a)は矩形であり、
    前記前記酸化剤ガス入口（85a,95a）、前記酸化剤ガス出口（85b,95b）、前記冷却剤入口(87a,97a)および前記冷却剤出口(87b,97b)は、前記エンドプレート(83a,93a,100a)の短辺の周辺領域にそれぞれ開口していることを特徴とする請求項４記載の固体高分子型燃料電池スタック。
  6. 前記各セパレータ(80,90)は、可撓性の黒鉛炭素のシートであり、前記セパレータの短辺に対する長辺の長さの比が３以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の固体高分子型燃料電池スタック。
  7. 前記セパレータ(80,90)は、銅またはアルミニウム系の金属の薄板であり、前記セパレータの短辺に対する長辺の長さの比が２．５以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の固体高分子型燃料電池スタック。
  8. 前記セパレータに形成された冷却剤流路(62)の内壁に複数の突起(63)を設けたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の固体高分子型燃料電池スタック。
  9. 前記セパレータに形成された冷却剤流路(62)の内壁に張り出し部(73)を設けたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の固体高分子型燃料電池スタック。
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