JP2009004124A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】効率的に冷却可能な燃料電池スタックを提供する。
【解決手段】複数の単セル５１が積層して構成されたスタック本体５０と、スタック本体５０に取り付けられた冷媒マニホールド１と、を備え、冷媒が、外部から冷媒マニホールド１のマニホールド室１１、脚部連通孔３１及び冷媒供給用連通孔５０ｅから構成されると共に並列で形成された４本の冷媒用流路を介して、各単セル５１に供給される燃料電池スタック４０であって、並列で形成された冷媒用流路の流路断面積の全部又は一部は異なる。
【選択図】図１０

Description

本発明は、冷媒を分配又は集合させる冷媒マニホールドを備える燃料電池スタックに関する。

固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）等の燃料電池（単セル）が積層して構成される燃料電池スタックは、その発電により発熱する。そこで、燃料電池スタックの過昇温を防止すると共に、発電好適温度に維持するため、燃料電池スタックを経由するように、エチレングリコールを主成分とするラジエータ液等の冷媒を流通させ、燃料電池スタックを適宜に冷却する技術がある（特許文献１、特許文献２参照）。
特開２０００−１６４２３８号公報（図１、図４参照） 特開２００５−５１９６号公報（図１、図２参照）

このような燃料電池スタックの冷却については、さらに効率的に冷却可能な技術の開発が望まれている。
そこで、本発明は、効率的に冷却可能な燃料電池スタックを提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明は、複数の単セルが積層して構成されたスタック本体と、前記スタック本体に取り付けられた冷媒マニホールドと、を備え、冷媒が、外部から前記冷媒マニホールドのマニホールド室、並列で形成された複数の冷媒用流路を介して、前記各単セルに供給される燃料電池スタックであって、前記並列で形成された冷媒用流路の流路断面積の全部又は一部は異なることを特徴とする燃料電池スタックである。

このような燃料電池スタックによれば、マニホールド室と各単セルとの間において、並列で形成された冷媒用流路の流路断面積の全部又は一部は異なるので、各単セルに冷媒を適切に供給することができる。これにより、各単セル、つまり、燃料電池スタックを効率的に冷却することができる。

また、本発明は、複数の単セルが積層して構成されたスタック本体と、前記スタック本体に取り付けられた冷媒マニホールドと、を備え、前記単セル内の冷媒が、並列で形成された複数の冷媒用流路、前記冷媒マニホールドのマニホールド室を介して、外部に排出される燃料電池スタックであって、前記並列で形成された冷媒用流路の流路断面積の全部又は一部は異なることを特徴とする燃料電池スタックである。

このような燃料電池スタックによれば、マニホールド室と各単セルとの間において、並列で形成された冷媒用流路の流路断面積の全部又は一部は異なるので、各単セルから冷媒を適切に排出することができる。これにより、各単セル、つまり、燃料電池スタックを効率的に冷却することができる。

また、前記マニホールド室は前記複数の冷媒用流路の配列方向に伸びると共に、前記マニホールド室と外部とを連通させる外部連通孔は、当該マニホールド室の長手方向中央に配置されており、前記冷媒用流路の流路断面積は、前記外部連通孔から遠ざかるにつれて、小さくなっている燃料電池スタックであることが好ましい。

このような燃料電池スタックによれば、冷媒用流路の流路断面積は、外部連通孔から遠ざかるにつれて小さくなっているので、冷媒が、外部連通孔から遠い冷媒用流路に流れ込みにくくなる。つまり、外部連通孔を通ってマニホールド室内に流入した冷媒が、外部連通孔から近い冷媒用流路を通過して、連通孔から遠い冷媒用流路に流入しにくくなる。
これにより、マニホールド室と単セルとの間において、並列で形成された複数の冷媒用流路における冷媒の流量が均等になる。したがって、各単セル、つまり、燃料電池スタックを適切に冷却することができる。

また、前記各単セルの酸化剤ガス出口付近を流れる冷媒が流通する冷媒用流路の流路断面積は、前記各単セルの酸化剤ガス入口付近を流れる冷媒が流通する冷媒用流路の流路断面積よりも、小さいことを特徴とする燃料電池スタックであることが好ましい。

このような燃料電池スタックによれば、各単セルの酸化剤ガス出口付近を流れる冷媒の流量は、各単セルの酸化剤ガス入口付近を流れる冷媒の流量よりも、少なくなる。そうすると、各単セルにおける酸化剤ガス出口付近の冷却効率は、酸化剤ガス入口付近よりも下がる。
これにより、単セルの酸化剤ガス出口付近では、酸化剤ガスが、暖かいまま、外部に排出される。すなわち、酸化剤ガス出口付近において、酸化剤ガスは大きく冷却されず、その飽和水蒸気量は高いままであるので、発電に伴う生成水（水蒸気等）が酸化剤ガスに含まれやすくなり、酸化剤ガスによって生成水を単セル外に排出することができる。

本発明によれば、効率的に冷却可能な燃料電池スタックを提供することができる。

≪第１実施形態≫
以下、本発明の第１実施形態について、図１から図１２を参照して説明する。
第１実施形態に係る燃料電池スタック、及びこれが組み込まれた燃料電池システム、並びにこのシステムを搭載した燃料電池自動車について説明する。

図１に示すように、燃料電池自動車２００は、燃料電池システム１００を搭載している。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック４０と、水素タンク１０１と、コンプレッサ１０２と、加湿器１０３と、ラジエータ１０４（放熱器）とを備えている。燃料電池スタック４０の出力端子７２ａ（図２参照）には、コンタクタやＤＣ−ＤＣコンバータ等の昇降圧回路を介して、電動式の走行モータ（図示しない）が接続されており、燃料電池スタック４０が発電すると、前記走行モータが駆動し、これを動力として、燃料電池自動車２００が走行するようになっている。

燃料電池スタック４０及び加湿器１０３は、燃料電池自動車２００のフロアパネル下のセンタートンネル内に配置されると共に、クロスメンバ等のサブフレームに固定されており、燃料電池自動車２００の低床化が図られている。そして、水素が、燃料電池自動車２００の後方で横置きされた水素タンク１０１から、燃料電池スタック４０の後側に供給されるようになっている。また、酸素を含む外部の空気が、ボンネット下のコンプレッサ１０２から加湿器１０３に送られ、この加湿器１０３で加湿された後、燃料電池スタック４０の後側に供給されるようになっている。

また、燃料電池自動車２００のフロントグリル裏に配置されたラジエータ１０４と、燃料電池スタック４０との間で、ポンプ（図示しない）等を動力源として、冷媒が循環するようになっている。これにより、発電によって自己発熱する燃料電池スタック４０が適宜に冷却されると共に、燃料電池スタック４０は好適運転温度（例えば７０〜８０℃）に維持されるようになっている。

≪燃料電池スタックの構成≫
燃料電池スタック４０について、具体的に説明する。
図２に示すように、燃料電池スタック４０は、その外形が略直方体であり、スタック本体５０と、スタック本体５０の前面に取り付けられた２つの冷媒マニホールド１、１とを備えている。

＜スタック本体＞
図３に示すように、スタック本体５０は、複数（例えば、２００〜４００）の単セル５１と、２枚の電極板７１、７１（ターミナルプレート）と、２枚の絶縁板７５、７５（インシュレータ）と、剛性の高いフロントプレート８１及びリアプレート８２と、を備えている。なお、図３では、単セル５１とリアプレート８２との間における電極板７１及び絶縁板７５を省略している。
複数の単セル５１は、その厚み方向に積層されており、２枚の電極板７１、７１と、２枚の絶縁板７５、７５とを介して、フロントプレート８１とリアプレート８２とで挟まれている。フロントプレート８１とリアプレート８２とは、ボルト８３によって締結されており、これにより、単セル５１の積層状態が維持されている（図２参照）。なお、単セル５１の積層方向と、燃料電池自動車２００の前後方向（走行方向）とは、一致している。そして、後方に向かって、燃料電池スタック４０は、正面視において、縦長となっている（図６参照）。

単セル５１は、ＭＥＡ５２（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、これを挟む板状のアノードセパレータ６１及びカソードセパレータ６２と、を備えている。

ＭＥＡ５２は、１価の陽イオン交換膜である固体高分子膜５３と、これを挟むアノード５４及びカソード５５とを備えている。アノード５４は固体高分子膜５３の前方に配置され、カソード５５は固体高分子膜５３の後方に配置されている。アノード５４及びカソード５５は、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体から構成され、その固体高分子膜５３側に電極反応を生じさせるための触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）を含んでいる。

アノードセパレータ６１は、ＭＥＡ５２のアノード５４側に配置されている。カソードセパレータ６２は、ＭＥＡ５２のカソード５５側に配置されている。また、アノードセパレータ６１及びカソードセパレータ６２は、カーボン製であり、導電性を有している。これにより、複数の単セル５１が電気的に直列で接続されている。

電極板７１は、直列で接続された複数の単セル５１の積層体から、電流を取り出し、燃料電池スタック４０の出力端子となる端子板であって、出力端子７２ａを有する電極板本体７２と、電極板本体７２の外縁を囲み、樹脂等の絶縁材から形成された外枠７３と、を備えている。
なお、アノード５４側（前側）に配置される電極板７１は負極板となり、そして、その出力端子７２ａはマイナス端子となり、前側の絶縁板７５の貫通孔７５ｇ、フロントプレート８１の貫通孔８１ｇを介して、外部に引き出されている（図２参照）。一方、カソード５５側（後側）に配置される電極板７１は正極板となり、そして、その出力端子７２ａはプラス端子となり、後側の絶縁板７５の貫通孔７５ｇ（いずれも図示しない）、リアプレート８２の貫通孔８２ｇを介して、外部に引き出されている。

絶縁板７５は、積層された複数の単セル５１と、フロントプレート８１及びリアプレート８２との電気的接続を絶縁させる絶縁板であって、例えば合成樹脂から形成されている。

＜スタック本体内の水素の流路＞
次に、スタック本体５０内の水素の流路について説明する（図３参照）。
単セル５１の積層方向である燃料電池自動車２００の前後方向において、後方に向かって、スタック本体５０の左上部には、水素タンク１０１からの水素を、各単セル５１に供給するための水素供給用連通孔５０ａが形成されている。水素供給用連通孔５０ａは、アノードセパレータ６１、固体高分子膜５３、カソードセパレータ６２、電極板７１、絶縁板７５及びリアプレート８２に形成された連通孔が重なることで、１本の流路を構成している。
同じく後方に向かって、スタック本体５０の右下部には、各単セル５１から排出された未反応の水素等を、外部に排出するための水素排出用連通孔５０ｂが形成されている。

各単セル５１のアノードセパレータ６１の後面（アノード５４側の面）には、アノード５４の全面に水素が供給されるように溝状の水素流路６１ａが形成されている。水素流路６１ａは、単セル５１内で水素が鉛直下向きに流れるように、アノードセパレータ６１の後面に形成された凹みに、複数のリブが鉛直方向で形成されることで構成されている。
そして、水素は、水素供給用連通孔５０ａから、各単セル５１の水素流路６１ａに流れ込み、各アノード５４に供給された後、未反応の水素が水素排出用連通孔５０ｂを介して外部に排出されるようになっている。

＜スタック本体内の空気の流路＞
次に、スタック本体５０内の空気の流路について説明する（図３、図４参照）。
後方に向かって、スタック本体５０の右上部には、加湿器１０３からの加湿された酸素を含む空気を、各単セル５１に供給するための空気供給用連通孔５０ｃが形成されている。空気供給用連通孔５０ｃは、アノードセパレータ６１、固体高分子膜５３、カソードセパレータ６２、電極板７１、絶縁板７５及びリアプレート８２に形成された連通孔が重なることで、１本の流路を構成している。
同じく、後方に向かって、スタック本体５０の左下部には、各単セル５１から排出された空気等を、外部に排出するための空気排出用連通孔５０ｄが形成されている。

各単セル５１のカソードセパレータ６２の前面（カソード５５側の面）には、カソード５５の全面に空気が供給されるように溝状の空気流路６２ａが形成されている（図４参照）。空気流路６２ａは、単セル５１内で空気が鉛直下向きに流れるように、カソードセパレータ６２の後面に形成された凹みに、複数のリブが鉛直方向で形成されることで構成されている。
そして、空気は、空気供給用連通孔５０ｃから、各単セル５１の空気流路６２ａに流れ込み、各カソード５５に供給された後、未反応の酸素等を含む空気が空気排出用連通孔５０ｄを介して外部に排出されるようになっている。

＜スタック本体内の冷媒の流路＞
次に、スタック本体５０内の冷媒の流路について説明する（図３、図５参照）。
単セル５１の積層方向（前後方向）において、後方に向かって、スタック本体５０の左側部には、冷媒供給側の冷媒マニホールド１を介して送られる冷媒を、各単セル５１に供給するための４本の冷媒供給用連通孔５０ｅが形成されている。スタック本体５０の右側部には、各単セル５１から排出された冷媒を、冷媒排出側の冷媒マニホールド１に排出するための４本の冷媒排出用連通孔５０ｆが形成されている。

各単セル５１のカソードセパレータ６２の後面には、冷媒が流通する溝状の冷媒流路６２ｂが形成されている（図５参照）。冷媒流路６２ｂは、単セル５１内で冷媒が水平方向に流れるように、カソードセパレータ６２の後面の凹みに、複数のリブが水平方向で形成されることで構成されている。すなわち、カソードセパレータ６２の後面では、冷媒が水平方向に流れ、前面では、空気が鉛直下向きで流れるようになっている。つまり、単セル５１において、冷媒の流通方向と、空気及び水素の流通方向とは、垂直の関係となっている。
そして、冷媒は、４本の冷媒供給用連通孔５０ｅから、各単セル５１の冷媒流路６２ｂに流れ込み、単セル５１を冷却した後、冷媒排出用連通孔５０ｆを通って、外部に排出されるようになっている。

さらに説明すると、スタック本体５０（燃料電池スタック４０）の正面視において、４本の冷媒供給用連通孔５０ｅと、４本の冷媒排出用連通孔５０ｆとは、スタック本体５０の両側部に振り分けて配置されている。そして、４本の冷媒供給用連通孔５０ｅと、４本の冷媒排出用連通孔５０ｆとは、スタック本体５０の両側部において、鉛直方向に沿って直線状で配列されると共に、後記する外部連通孔２１の上側に２本、下側に２本で振り分けられている。つまり、第１実施形態において、４本の冷媒供給用連通孔５０ｅと４本の冷媒排出用連通孔５０ｆとの配列方向は、鉛直方向である。

このように、各単セル５１の冷媒流路６２ｂに対して、４本の冷媒供給用連通孔５０ｅによる４系統で冷媒を供給し、４本の冷媒排出用連通孔５０ｆによる４系統で冷媒を排出することにより、各冷媒流路６２ｂの全体に、冷媒をむらなく流通させることができるようになっている。これにより、各単セル５１を全体的に冷却することができ、各単セル５１が局所的に昇温しにくくなっている。

＜冷媒マニホールド＞
次に、冷媒マニホールド１、１について説明する。
図６に示すように、燃料電池スタック４０の正面視において、その左側の冷媒マニホールド１は冷媒供給側のマニホールドであり、その右側の冷媒マニホールド１は冷媒排出側のマニホールドである。すなわち、図６において、左側の冷媒マニホールド１は、ラジエータ１０４からの冷媒を、スタック本体５０内の４本の冷媒供給用連通孔５０ｅに、分配供給するものである。これに対し、右側の冷媒マニホールド１は、スタック本体５０内の４本の冷媒排出用連通孔５０ｆから排出された冷媒を集合させ、ラジエータ１０４に導くものである。そして、冷媒供給側の冷媒マニホールド１と、冷媒排出側の冷媒マニホールド１とは、スタック本体５０のフロントプレート８１に、車幅方向（図６における左右方向）において、対称に取り付けられている。
ここで、冷媒供給側の冷媒マニホールド１と、冷媒排出側の冷媒マニホールド１とは、同一形状であるので、以下、冷媒供給側の冷媒マニホールド１について、主に説明する。

＜冷媒供給側の冷媒マニホールドの構成＞
冷媒マニホールド１は、合成樹脂製の一体成型品であって、図６から図９に示すように、その両端が閉じられた筒状のマニホールド本体１０と、１つの外部連通部２０と、４つの脚部３０、３０、３０、３０と、を備えている。

［マニホールド本体］
マニホールド本体１０は、その内部に、マニホールド室１１を有している（図７〜図９参照）。このマニホールド室１１は、４本の冷媒供給用連通孔５０ｅの配列方向である鉛直方向（図８では紙面に垂直な方向）に伸びており、冷媒マニホールド１がスタック本体５０に取り付けられた状態（以下、取付状態）において、４本の冷媒供給用連通孔５０ｅに対して、垂直となるように設計されている。

マニホールド本体１０の内周面１０ａには、図８に示すように、その軸方向（鉛直方向）断面視において、中心角が略９０°の扇形を呈する凸条１２が、その中心側に突出するように形成されている。すなわち、マニホールド室１１は、その軸方向断面視において、中心角が略２７０°の扇形を呈している。凸条１２は脚部３０側に配置されており、脚部３０の後記する脚部連通孔３１は、凸条１２内を伸びて、マニホールド室１１に開口している。

そして、凸条１２の一部を構成すると共に、脚部連通孔３１を取り囲み、内周面１０ａに立設した土手状の堤部１３（リブ）は、外部連通孔２１からの冷媒が、マニホールド室１１を介して、脚部連通孔３１に直接的に流れ込みにくくさせる「じゃま部」として機能している。
ここで、直接的に流通するとは、外部連通孔２１から冷媒が、マニホールド室１１を取り囲む内周面１０ａで反射等せず、流れが急激に変化しないまま、脚部連通孔３１に流れ込むことを意味する。

これにより、外部連通孔２１からの冷媒は、図８及び図９に示すように、土手状の堤部１３によって、４つの脚部連通孔３１に直接的に流れ込むことがじゃまされるようになっている。その結果、マニホールド室１１では、鉛直方向断面視において、右回りの旋回流や、渦流や、乱流等が発生するようになっている。次いで、このように旋回流等で流れる冷媒が、各脚部連通孔３１に流れ込むようになっている。

また、マニホールド本体１０は、冷媒供給用連通孔５０ｅに対して、燃料電池スタック４０の内側（単セル５１の面方向内側）にオフセットしており（図８参照）、燃料電池スタック４０の幅方向において、マニホールド本体１０がスタック本体５０からはみ出していない（図６参照）。これにより、冷媒マニホールド１を備える燃料電池スタック４０が、デッドスペースをつくることなく、容易にレイアウト可能となっている。
さらに、マニホールド室１１の中心を通る軸線も、冷媒供給用連通孔５０ｅに対して、燃料電池スタック４０の内側にオフセットしている（図８参照）。これにより、外部連通孔２１からの冷媒が、冷媒供給用連通孔５０ｅに、直接的に流れ込みにくくなっている。

［脚部］
４つの脚部３０は、フロントプレート８１の４つの取付孔８１ｅに差し込まれる部分である。各脚部３０は、その内部に脚部連通孔３１を有している。そして、取付状態において、マニホールド室１１は、４つの脚部連通孔３１を介して、スタック本体５０の４本の冷媒供給用連通孔５０ｅと、それぞれ連通するようになっている（図７、図８参照）。

また、各脚部連通孔３１の中心を通る軸線と、対応する冷媒供給用連通孔５０ｅの軸線Ａ２とは、一致している。すなわち、４つの脚部連通孔３１は、鉛直方向において、外部連通部２０（外部連通孔２１）の上側に２つ、下側に２つ、対称で配置されている。
そして、外部連通孔２１から遠い２つの脚部連通孔３１、３１は、外部連通孔２１から近い２つの脚部連通孔３１、３１よりも小さくなっている（図７参照）。すなわち、脚部連通孔３１は、外部連通孔２１から遠ざかるについて、小さくなっている。

［外部連通部］
外部連通部２０は、円筒状であって、ラジエータ１０４に接続するホース１１０等が外嵌する部分であり（図８参照）、その内部に外部連通孔２１を有している。そして、このようにラジエータ１０４と外部連通部２０とが前記ホース１１０等を介して接続されると、ラジエータ１０４とマニホールド室１１とは、外部連通孔２１を介して連通するようになっている。

外部連通孔２１の中心を通る軸線Ａ１は、取付状態において、スタック本体５０内の冷媒供給用連通孔５０ｅの軸線Ａ２と、非平行かつ非垂直の関係、つまり、ねじれの関係となるように設計されている。これにより、冷媒が、外部連通孔２１からマニホールド室を介して脚部連通孔３１に、直接的に流れ込みにくくなっていると共に、前記したように、マニホールド室１１で冷媒の旋回流等が発生するようになっている。

さらに説明すると、外部連通孔２１の軸線Ａ１上には、マニホールド本体１０の内周面１０ａが位置するように設計されている。これにより、外部連通孔２１からマニホールド室１１に流れ込んだ冷媒が軸線Ａ１上の内周面１０ａに当たり、これにより、マニホールド室１１で、冷媒の旋回流、渦流、乱流等が発生し、４つの脚部連通孔３１に直接的に流れにくくなっている。

また、外部連通孔２１の軸線Ａ１（外部連通部２０）は、４本の冷媒供給用連通孔５０ｅの配列方向（鉛直方向）において、冷媒供給用連通孔５０ｅからずれ、重なっておらず、この４本の冷媒供給用連通孔５０ｅに冷媒が分配供給されるように、マニホールド室１１の長手方向（鉛直方向）の中央に配置されている（図７参照）。すなわち、外部連通孔２１は、４本の冷媒供給用連通孔５０ｅの配列方向（鉛直方向）において、最外側の２つの冷媒供給用連通孔５０ｅの間に配置されている。

さらに、外部連通部２０は、マニホールド室１１に対してスタック本体５０の反対側に配置されると共に、スタック本体５０の外側に開いている。これにより、外部連通部２０にホース１１０を着脱容易となっている。
そして、外部連通孔２１の軸線Ａ１は、フロントプレート８１の表面と４本の冷媒供給用連通孔５０ｅを通る仮想面との両面に対して垂直な面、つまり、第１実施形態では水平面内において、冷媒供給用連通孔５０ｅの軸線Ａ２とのなす角度θが、１０〜７０°の範囲内となるように設計されている（図８参照）。

このような冷媒マニホールド１、１を備える燃料電池スタック４０において、図１０に示すように、冷媒供給側では、冷媒は、外部から、外部連通孔２１を介してマニホールド室１１に導入され、そして、マニホールド室１１と単セル５１との間において並列で形成された４本の冷媒用流路（脚部連通孔３１と冷媒供給用連通孔５０ｅとから構成されている）を介して、各単セル５１に供給されるようになっている。

ここで、鉛直方向両外側に配置され、外部連通孔２１から遠い２つの脚部連通孔３１は、鉛直方向内側に配置され、外部連通孔２１から近い脚部連通孔３１、３１よりも小さい。すなわち、鉛直方向両外側に配置され、外部連通孔２１から遠い２本の冷媒用流路の流路断面積は、鉛直方向内側に配置され、外部連通孔２１から近い２本の冷媒用流路の流路断面積よりも、小さくなっている。したがって、第１実施形態では、４本の冷媒用流路の流路断面積の一部が、他の流路断面積と異なっている。
ただし、冷媒供給側の４本の冷媒用流路の流路断面積の全部が、異なるように構成してもよく、また、冷媒用流路の本数は４本に限定されない。

一方、冷媒排出側では、各単セル５１からの冷媒が、単セル５１とマニホールド室１１との間において並列で形成された４本の冷媒用流路（冷媒排出用連通孔５０ｆと脚部連通孔３１とから構成されている）を介して、マニホールド室１１に流れ込み、外部連通孔２１を介して外部に排出されるようになっている。

ここで、鉛直方向両外側に配置され、外部連通孔２１から遠い２つの脚部連通孔３１は、鉛直方向内側に配置され、外部連通孔２１から近い脚部連通孔３１、３１よりも小さい。すなわち、鉛直方向両外側に配置され、外部連通孔２１から遠い２本の冷媒用流路の流路断面積は、鉛直方向内側に配置され、外部連通孔２１から近い２本の冷媒用流路の流路断面積よりも、小さくなっており、４本の冷媒用流路の流路断面積の一部が他の流路断面積と異なっている。
ただし、冷媒排出側の４本の冷媒用流路の流路断面積の全部が、異なるように構成してもよく、また、冷媒用流路の本数は４本に限定されない。

≪燃料電池スタックの作用効果−冷媒供給側≫
このような燃料電池スタック４０によれば、冷媒供給側において、次の作用効果を得ることができる。
冷媒供給側の冷媒マニホールド１において、外部連通孔２１から遠い脚部連通孔３１、３１は、外部連通孔２１から近い脚部連通孔３１、３１よりも小さく、外部連通孔２１から遠い脚部連通孔３１、３１を通る冷媒が受ける圧力損失は大きくなるので、マニホールド室１１の冷媒が、４つの脚部連通孔３１に均等に流れ込み、４本の冷媒供給用連通孔５０ｅ内の冷媒流量は略等しくなる（図１０、図１１参照）。
これに対して、４つの脚部連通孔３１の大きさが同一である場合、マニホールド室１１の冷媒が、外部連通孔２１から遠い脚部連通孔３１、３１に多流量で流れ込み、その結果、図１１の比較例に示すように、鉛直方向両外側の冷媒供給用連通孔５０ｅ、５０ｅの冷媒流量が多くなってしまう。

そして、このように４本の冷媒供給用連通孔５０ｅ内の冷媒流量は略等しくなるので、各冷媒供給用連通孔５０ｅから、単セル５１を構成するカソードセパレータ６２の冷媒流路６２ｂに流れ込む冷媒の流量も均等になる。そうすると、各単セル５１において、冷媒が、冷媒流路６２ｂの全体を流れ、つまり、冷媒流路６２ｂの全体に行き届きやすくなり、各単セル５１を効率的に冷却することができる。よって、燃料電池スタック４０は局所的に昇温することはなく、燃料電池スタック４０の温度分布は均一となり、その温度管理がしやすくなる。

また、マニホールド室１１で冷媒の旋回流等が発生するので、冷媒が４つの脚部連通孔３１に直接的に流れ込みにくくなり、さらに、堤部１３によっても、脚部連通孔３１への直接的な冷媒の流れ込みは防止されるので、冷媒が４つの脚部連通孔３１に均等に流れ込みやすくなる。

≪燃料電池スタックの作用効果−冷媒排出側≫
また、燃料電池スタック４０によれば、冷媒排出側において、次の作用効果を得ることができる。
冷媒排出側の冷媒マニホールド１において、外部連通孔２１から遠い脚部連通孔３１、３１は、外部連通孔２１から近い脚部連通孔３１、３１よりも小さく、外部連通孔２１から遠い脚部連通孔３１、３１を通る冷媒が受ける圧力損失は大きくなるので、鉛直方向両側に配置される冷媒排出用連通孔５０ｆ、５０ｆから、マニホールド室１１に冷媒が流れ込みにくくなる。

これにより、単セル５１の冷媒流路６２ｂから、鉛直方向両外側の冷媒排出用連通孔５０ｆ、５０ｆに、冷媒が排出されにくくなる。そうすると、鉛直方向両側に配置される冷媒供給用連通孔５０ｅ、５０ｅから、単セル５１の冷媒流路６２ｂに冷媒に流れ込みにくくなる。したがって、冷媒供給側において、冷媒が、マニホールド室１１から４本の脚部連通孔３１に均等で流れ込みやすくなり、各単セル５１を適切に冷却することができる。

また、図８に示すように、４本の冷媒排出用連通孔５０ｆの中心を通る軸線Ａ３と、外部連通孔２１の軸線Ａ１とは、非平行かつ非垂直の関係、つまり、ねじれの関係にあるため、４本の冷媒排出用連通孔５０ｆから、４つの脚部３０の脚部連通孔３１を介して、マニホールド室１１に送り込まれた冷媒は、このマニホールド室１１で旋回流等を発生させる。これにより、冷媒が、脚部連通孔３１から外部連通孔２１に、直接的に流れ込みにくくなる。

＜冷媒マニホールドの製造方法＞
次に、冷媒供給側の冷媒マニホールド１の一製造方法について、図１２を参照して説明する。
図１２に示すように、冷媒マニホールド１の外形に対応した金型３０１、３０１内に、中子３０２と、中子３０３とを配置する。中子３０２はマニホールド室１１を形成するためのものであり、中子３０３は脚部連通孔３１を形成するためのものである（図７参照）。なお、中子３０２、３０３は治具（図示しない）等によって、所定位置に配置される。
ここで、中子３０２と中子３０３とは、図１２に示すように、平面で相互に当接させることができるため、曲面で相互に当接する場合と比較して、中子３０２に対して中子３０３の位置決めを容易とすることができる。これにより、マニホールド室１１及び脚部連通孔３１が精密な位置に形成された冷媒マニホールド１を得ることができる。

≪第２実施形態≫
次に、本発明の第２実施形態について、図１３及び図１４を参照して説明する。
第２実施形態に係る燃料電池スタックは、絶縁板７５（図３参照）に代えて、絶縁板７５Ａを備えている。絶縁板７５Ａには、第１実施形態と同様に、冷媒供給用連通孔５０ｅの一部を構成する貫通孔、冷媒排出用連通孔５０ｆの一部を構成する貫通孔が、それぞれ形成されているが、鉛直両外側に形成された２つの貫通孔は、内側に形成された２つの貫通孔よりも小さくなっている。

これにより、図１４に示すように、鉛直方向両外側の２つの冷媒供給用連通孔５０ｅは、絶縁板７５Ａの部分で狭く、その流路断面積は他よりも小さくなっており、第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。冷媒排出側についても同様である。
この他、電極板７１の外枠７３の部分で、冷媒供給用連通孔５０ｅ、冷媒排出用連通孔５０ｆの流路断面積を小さくする構成としてもよい。

≪第３実施形態≫
次に、本発明の第３実施形態について、図１５から図１７を参照して説明する。
第３実施形態に係る冷媒マニホールド２の脚部連通孔３１は、鉛直下方に向かうにつれて、徐々に小さくなっている。すなわち、冷媒供給側及び冷媒排出側において、各単セル５１の空気出口（空気排出用連通孔５０ｄ）付近を流れる冷媒が流通する冷媒用流路（脚部連通孔３１と、冷媒供給用連通孔５０ｅ又は冷媒排出用連通孔５０ｆと、から構成される）の流路断面積は、各単セル５１の空気入口付近を流れる冷媒用流路の流路断面積よりも、小さくなっている。

これにより、各単セル５１の空気出口付近を流れる冷媒の流量は、各単セル５１の空気入口付近を流れる冷媒の流量よりも、少なくなる（図１７参照）。したがって、各単セル５１における空気出口付近の冷却効率は、空気入口付近よりも下がり、空気が暖かいままで、空気出口を介して外部に排出される。すなわち、空気出口付近において、空気は大きく冷却されず、その飽和水蒸気量は高いままであるので、発電に伴う生成水（水蒸気）が空気に含まれやすくなり、空気に生成水を含ませて単セル５１外に排出することができる。
なお、アノード側においても、水素出口付近が冷却されにくくなるので、未反応の水素を含むガスの飽和水蒸気量は、水素出口付近で大きく下がらず、固体高分子膜５３を透過した生成水等を、同様に排出できる。

≪第４実施形態≫
次に、本発明の第４実施形態について、図１８及び図１９を参照して説明する。
図１８及び図１９に示すように、第４実施形態に係る冷媒マニホールド３は、第１実施形態に係る冷媒マニホールド１の凸条１２及び堤部１３（図８、図９参照）を備えていない。ただし、前記したように、外部連通孔２１と脚部連通孔３１との間で、冷媒が直接的に流通しにくくさせるため、堤部１３を備えることが好ましい。

以上、本発明の好適な一実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば以下のような変更をすることができる。
前記した実施形態では、スタック本体５０は、４本の冷媒供給用連通孔５０ｅと、４本の冷媒排出用連通孔５０ｆを備えたが、これに限定されず、冷媒供給用連通孔５０ｅ及び冷媒排出用連通孔５０ｆの少なくとも一方が、複数本であればよい。そして、冷媒マニホールド１の脚部３０及び脚部連通孔３１の数は、これに対応させればよい。

前記した実施形態では、マニホールド室１１は、切り欠かれた円柱状であり、スタック本体５０の冷媒供給用連通孔５０ｅ及び冷媒排出用連通孔５０ｆに対して垂直な関係であるとしたが、冷媒を分配又は集合させることができれば、この位置関係及び形状に限定されない。
また、前記した実施形態では、外部連通部２０及び外部連通孔２１が１つである場合を例示したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、これに限定されず、複数であってもよい。

第１実施形態に係る燃料電池自動車の斜視図である。 第１実施形態に係る燃料電池スタックの斜視図である。 第１実施形態に係る燃料電池スタックの分解斜視図である。 第１実施形態に係るカソードセパレータを前方から見た斜視図である。 第１実施形態に係るカソードセパレータを後方から見た斜視図である。 第１実施形態に係る燃料電池スタックの正面図である。 第１実施形態に係る燃料電池スタックの図２におけるＸ１方向からの矢視図である。 第１実施形態に係る冷媒マニホールドの図７におけるＹ１−Ｙ１線断面図である。 第１実施形態に係る冷媒マニホールドの斜視図である。 第１実施形態に係る燃料電池スタック内の冷媒流路を示す図である。 第１実施形態に係る燃料電池スタックの効果を示すグラフである。 第１実施形態に係る冷媒マニホールドの製造方法を示す断面図である。 第２実施形態に係る絶縁板の斜視図である。 第２実施形態に係る燃料電池スタックの図２におけるＸ１方向からの矢視図である。 第３実施形態に係る燃料電池スタックの正面図である。 第３実施形態に係る燃料電池スタック内の冷媒流路を示す図である。 第３実施形態に係る燃料電池スタックの効果を示すグラフである。 第４実施形態に係る燃料電池スタックの図７におけるＹ１−Ｙ１線断面図である。 第４実施形態に係る燃料電池スタックの斜視図である。

符号の説明

１ 冷媒マニホールド
１０ マニホールド本体
１１ マニホールド室
２０ 外部連通部
２１ 外部連通孔
３０ 脚部
３１ 脚部連通孔（冷媒用流路）
４０ 燃料電池スタック
５０ スタック本体
５０ｅ 冷媒供給用連通孔（冷媒用流路）
５０ｆ 冷媒排出用連通孔（冷媒用流路）
５１ 単セル
５２ ＭＥＡ
５３ 固体高分子膜
５４ アノード
５５ カソード
６１ アノードセパレータ
６２ カソードセパレータ
６２ａ 空気流路
６２ｂ 冷媒流路
１００ 燃料電池システム

Claims (4)

1. 複数の単セルが積層して構成されたスタック本体と、
   前記スタック本体に取り付けられた冷媒マニホールドと、を備え、
   冷媒が、外部から前記冷媒マニホールドのマニホールド室、並列で形成された複数の冷媒用流路を介して、前記各単セルに供給される燃料電池スタックであって、
   前記並列で形成された冷媒用流路の流路断面積の全部又は一部は異なる
   ことを特徴とする燃料電池スタック。
2. 複数の単セルが積層して構成されたスタック本体と、
   前記スタック本体に取り付けられた冷媒マニホールドと、を備え、
   前記単セル内の冷媒が、並列で形成された複数の冷媒用流路、前記冷媒マニホールドのマニホールド室を介して、外部に排出される燃料電池スタックであって、
   前記並列で形成された冷媒用流路の流路断面積の全部又は一部は異なる
   ことを特徴とする燃料電池スタック。
3. 前記マニホールド室は前記複数の冷媒用流路の配列方向に伸びると共に、
   前記マニホールド室と外部とを連通させる外部連通孔は、当該マニホールド室の長手方向中央に配置されており、
   前記冷媒用流路の流路断面積は、前記外部連通孔から遠ざかるにつれて、小さくなっている
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池スタック。
4. 前記各単セルの酸化剤ガス出口付近を流れる冷媒が流通する冷媒用流路の流路断面積は、前記各単セルの酸化剤ガス入口付近を流れる冷媒が流通する冷媒用流路の流路断面積よりも、小さい
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
   

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