JP2009054482A - 固体高分子型燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】 各単セルの発電性能の安定化を図る。
【解決手段】 固体高分子電解質膜、カソード、アノード、セパレータからなる単セル８を所要数積層し、その両側に集電板２と電気絶縁板３を配置した状態で、その両側からホルダ４ａ，４ｂで締め付けて固定する際に、セル積層方向の両端部の単セル８ａと上記ホルダ４ａ，４ｂとの間に、断熱材９を介在させる。各ホルダ４ａ，４ｂに、カソード排ガス１２ａを流通させるカソード排ガス流路１４と、アノード排ガス１０ａを流通させるアノード排ガス流路１６を個別に設けて固体高分子型燃料電池スタックＩを形成する。断熱材９によりホルダ４ａ，４ｂへの伝熱を防いでセル積層方向両端部の単セル８ａの温度低下を抑えると共に、各ホルダ４ａ，４ｂを、カソード排ガス１２ａ、アノード排ガス１０ａとの熱交換で温度上昇させることで、アノードガス１０及びカソードガス１２の結露を防止させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷却水による単セルの冷却を行わない小型の固体高分子型燃料電池スタックに関するもので、特に、積層された単セルごとの発電性能を安定化できるように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。

燃料電池は、燃料を用いた他の発電方法に比して熱効率が高く、又、環境汚染が少ないため、有効な発電装置として期待されている。特に、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、１００℃以下という低温で発電が行われ、出力密度が高いので、他の形式の燃料電池に比して小型化でき、しかも、電池構成材料の劣化が少ないこと、起動が容易であること、等の長所があることから、近年、小規模な業務用あるいは家庭用等の発電装置として使用されるようになってきている。

上記固体高分子型燃料電池の一般的な構成は、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の両面をカソード（空気極）とアノード（燃料極）の両ガス拡散電極で挟持させてセルユニットを形成し、このセルユニットの両側に、内面側にガス流路を、又、外面側に冷却水流路を設けてなるセパレータを配したものを単セルとするようにしてある。

更に、図３に示す如く、上記構成としてある単セル１を、所要数積層して、その積層した両側に集電板２と電気絶縁板３を内側から順に配置し、更にその外側に１対のホルダ（締付板）４を配置した状態とし、該各ホルダ４同士を、皿ばね等の所要の締付け手段７を介装したボルト５とナット６で締め付けて固定することによりスタックＩを構成するようにしてある。

更に又、図示してないが、上記固体高分子型燃料電池スタックＩには、上記各単セル１のアノード側セパレータのガス流路にそれぞれ連通するアノードガス用の内部マニホールドと、各単セル１のカソード側セパレータのガス流路にそれぞれ連通するカソードガス用の内部マニホールドを備えた構成としてある。

以上の構成としてある固体高分子型燃料電池スタックＩによれば、上記図示しないアノードガス用の内部マニホールドを通して、上記各単セル１のアノード側セパレータのガス流路に水素を含むアノードガス（燃料ガス）を供給すると共に、図示しないカソードガス用のマニホールドを通して、各単セル１のカソード側セパレータのガス流路に酸素を含むカソードガス（酸化剤ガス）を供給することにより、上記各単セル１のアノード側に供給されるアノードガス中の水素と、カソード側に供給されるカソードガス中の酸素とを電気化学反応（燃料電池反応）させて、この際発生する起電力を取り出すようにしてある。

更に、上記電気化学反応に伴う発熱により固体高分子電解質膜が高温とならないようにするために、上記セパレータの冷却水流路に冷却水を流通させて各単セル１の冷却を行うようにしてある（たとえば、特許文献１参照）。

なお、一般に、固体高分子型燃料電池で用いられている上記固体高分子電解質膜のプロトン伝導性能を高く保持するためには、該固体高分子電解質膜を湿潤状態としておく必要がある。そのために、アノードガス及びカソードガスは、高湿度とするほど発電電圧を高くすることができて、約８０％以上の湿度を含んだ状態で、各単セル１へ供給することが望まれている。

ところで、上記のような固体高分子型燃料電池スタックＩにおけるセル積層方向の両端部に位置する単セル１ａは、その片側の端面が集電板２に接触した状態に保持されているため、該集電板２を経て電気絶縁板３やホルダ４へ熱伝導により放熱される割合が大きくなる。そのために、上記固体高分子型燃料電池スタックＩのセル積層方向の両端部に位置する単セル１ａの温度が、セル積層方向の中間部に位置する他の単セル１に比して温度低下し易くなる。

上記のようにして固体高分子型燃料電池スタックＩのセル積層方向の両端部に位置する単セル１ａの温度が低くなると、これらの温度低下した単セル１ａでは、高湿度で供給される上記アノードガス及びカソードガス中の水分が結露し易くなり、このために、ガス流路の閉塞が生じてアノードガス及びカソードガスの流通が不安定になる虞や、フラッディング（電極水没現象）が生じる虞が懸念される。更には、結露した水の存在により、水の電気分解が行われるようになって逆電位が作用するようになってしまう虞も懸念される。

そのために、上記のような問題を解決するための手段として、たとえば、固体高分子型燃料電池スタックＩの電気絶縁板に冷却水流路を設け、該冷却水流路に、固体高分子型燃料電池スタックを通過させて上記電気化学反応（燃料電池反応）の熱を受けて温度上昇した後の冷却水を流して、固体高分子型燃料電池スタックＩの両端部からの放熱を抑制することで、セル積層方向両端部の単セル１ａの温度低下を抑えるようにすることが考えられている（たとえば、特許文献１参照）。

又、固体高分子型燃料電池スタックのセル積層方向両端部の単セルの温度低下を抑制するための別の手法としては、セル積層方向両端部の単セルと、その外側の集電板（ターミナルプレート）との間に断熱層を介在させて設けることも提案されている（たとえば、特許文献２参照）。

ところで、従来開発されてきている固体高分子型燃料電池は、家庭用のもので１ｋＷ程度、コンビニエンスストア等の事業所用のもので３ｋＷ程度の発電能力を備えたものとなっている。

これに対し、本発明者は、長い電源ケーブルを引き回す必要が生じているスタジオ用のビデオカメラやその他の各種移動式の電気機器における電源ケーブルを不要にできるようにするための電源、多量のバッテリを用意しなくても携帯型の各種電気機器の長時間使用を可能にするため電源、非常用電灯のための電源等として、数十〜数百Ｗクラスの発電能力を有する固体高分子型燃料電池の開発を考えている。

この種の数十〜数百Ｗクラスの発電能力を有する固体高分子型燃料電池を実現する場合、従来行われているような冷却水による冷却を行おうとすると、発電する電力のうちの多くの部分が、上記冷却水を循環させるためのポンプ等の補機のために消費されてしまうこと、及び、上記した如き数十〜数百Ｗクラス発電能力を得るためには、単セルのサイズ及び積層数を比較的小さく抑えることができることに鑑みて、本発明者は、冷却水による単セルの冷却を省略した形式の固体高分子型燃料電池スタック、すなわち、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜の両面をカソードとアノードの両ガス拡散電極で挟持させてセルユニットを形成し、その両側にガス流路のみを備えてなるセパレータを配して冷却水流路を具備しない単セルを構成し、且つ該単セルを、所要数積層すると共に、その両側に集電板と電気絶縁板を内側から順に配置した状態で、その外側に配置した１対のホルダを所要の締付け手段を介装したボルトとナットで締め付けて固定してなる構成を有する固体高分子型燃料電池スタックの開発を試みている。

特許第３４４８５５０号公報 特開２００２−１８４４４９号公報

ところが、本発明者が上記した如き冷却水による冷却を省略した形式の固体高分子型燃料電池スタックを構成して実験したところ、該固体高分子型燃料電池スタックにおいても、セル積層方向の両端部の単セルからホルダ側へ熱伝導により放熱される割合が大きくなることに起因して、セル積層方向の両端部に位置する単セルの温度が、セル積層方向の中間部に位置する他の単セルに比して温度低下してしまう温度分布の偏りが生じていた。

このために、温度が低くなるセル積層方向の両端部に位置する単セルでは、高湿度で供給されるアノードガス及びカソードガス中の水分が結露し易くなり、ガス流路の閉塞が生じてアノードガス及びカソードガスの流通が不安定になる虞、フラッディングが生じる虞、結露した水の存在により、水の電気分解が行われるようになって逆電位が作用するようになってしまう虞が懸念されるというのが実状である。

更には、上記したようにセル積層方向の両端部に存在する単セルにおいてアノードガス及びカソードガス中の水分が結露してしまうと、より温度が高いセル積層方向の中間部に位置する単セルでは、供給されるアノードガス及びカソードガス中の湿度が相対的に低下されることになるため、固体高分子電解質膜が乾き気味となり、該固体高分子電解質膜におけるプロトン伝導性能が低下して、発電する電圧が低下してしまうというのが実状である。

したがって、上記冷却水による冷却を省略した形式の固体高分子型燃料電池スタックにて、セル積層方向に配列されている各単セルの温度の均一化を図ることが望まれる。

しかし、上記冷却水による冷却を省略した形式の固体高分子型燃料電池スタックでは、上記特許文献１に示されたように、固体高分子型燃料電池スタックの冷却に供した後の冷却水を利用して、セル積層方向の両端部に位置する単セルの温度低下を抑制する手法を採用することは不可能である。

又、上記特許文献２に示されたように、セル積層方向両端部の単セルと、その外側の集電板との間に断熱層を介在させて設ける手法では、セル積層方向両端部の単セルから集電板を経て電気絶縁板、ホルダ側への伝熱を抑えることができて、上記セル積層方向両端部の単セルの温度低下を抑制できると考えられる。しかし、上記各ホルダには、通常、アノードガス用の内部マニホールドのガス入口と、カソードガス用の内部マニホールドのガス入口がそれぞれ設けてあるため、上記特許文献２に示された手法によって単セル側から各ホルダへの伝熱が抑えられると、各ホルダが温度低下してしまい、このために、高湿度で供給されるアノードガス及びカソードガスが、上記ホルダに設けてあるそれぞれの内部マニホールドのガス入口部分を通過する時点で結露する虞が生じる。このようにして上記各ホルダにおけるアノードガス用とカソードガス用の各内部マニホールドのガス入口部分で結露が生じると、その後、各内部マニホールドを経て各単セルに導かれるアノードガス及びカソードガス中の湿度が相対的に低下することになるため、該各単セルにおける発電電圧が低下する虞が懸念される。更には、上記各ホルダにおける各内部マニホールドのガス入口部分で結露した水が、アノードガスやカソードガスのガス流れに伴われて内部マニホールドへ進入したり、該内部マニホールドから各単セルのガス流路へ進入すると、ガス流路の閉塞が生じてアノードガスやカソードガスの流通が不安定になる虞、フラッディングが生じる虞、結露した水の存在により水の電気分解が行われるようになって逆電位が作用するようになる虞も懸念される。

そこで、本発明は、セル積層方向両端部の単セルの温度低下を抑制できて、セル積層方向に配列されている各単セルの温度の均一化を図ることができ、且つホルダに設けるアノードガス及びカソードガスの内部マニホールドの入口部分においてもアノードガス及びカソードガスの結露を未然に防止することができて、各単セルの発電性能の安定性を高めることが可能な固体高分子型燃料電池スタックを提供しようとするものである。

本発明は、上記課題を解決するために、請求項１に対応して、固体高分子電解質膜の両面をカソードとアノードで挟持し、その両側にガス流路を備えたセパレータを配して形成してなる単セルを、所要数積層すると共に、セル積層方向の両側に集電板と電気絶縁板を内側から順に配置し、更に、その外側から１対のホルダで締め付けて固定してなる固体高分子型燃料電池スタックにおいて、セル積層方向両端部の単セルと上記ホルダとの間に断熱材を介在させて設け、且つ上記各ホルダに、カソード排ガスを流通させるためのカソード排ガス流路と、アノード排ガスを流通させるためのアノード排ガス流路を個別に設けてなる構成とする。

又、上記構成において、セル積層方向の中間部の単セルを冷却するための冷却手段を備えるようにした構成とする。

本発明の固体高分子型燃料電池スタックによれば、以下の如き優れた効果を発揮する。
（１）固体高分子電解質膜の両面をカソードとアノードで挟持し、その両側にガス流路を備えたセパレータを配して形成してなる単セルを、所要数積層すると共に、セル積層方向の両側に集電板と電気絶縁板を内側から順に配置し、更に、その外側から１対のホルダで締め付けて固定してなる固体高分子型燃料電池スタックにおいて、セル積層方向両端部の単セルと上記ホルダとの間に断熱材を介在させて設け、且つ上記各ホルダに、カソード排ガスを流通させるためのカソード排ガス流路と、アノード排ガスを流通させるためのアノード排ガス流路を個別に設けてなる構成としてあるので、セル積層方向両端部の単セルの温度低下を抑制できて、該セル積層方向の両端部の単セルでアノードガスやカソードガスに結露が生じる虞を未然に防止できる。又、各ホルダを、温度上昇した状態で排出されるカソード排ガス及びアノード排ガスとの熱交換により温度上昇させることができて、上記各ホルダに設けられるアノードガス用内部マニホールドのガス入口や、カソードガス用内部マニホールドのガス入口で、アノードガスやカソードガスに結露が生じる虞を未然に防止できる。
（２）したがって、結露した水によりガス流路の閉塞が生じてアノードガスやカソードガスの流通が不安定になる虞や、フラッディングが生じる虞や、水の電気分解が行われるようになって逆電位が作用するようになる虞を未然に防止することができ、更には、セル積層方向の中間部における単セルに対しても、結露による湿度の低下を生じていない高湿度のアノードガス及びカソードガスを供給することができて、セル積層方向中間部の単セルにて発電電圧が低下する虞を未然に防止することができる。よって、各単セルの発電性能の安定化を図ることができて、セル電圧分布の均等化を図ることが可能になる。
（３）セル積層方向の中間部の単セルを冷却するための冷却手段を備えるようにした構成とすることにより、セル積層方向の中間部に位置する単セルが、発電時の電気化学反応に伴う発熱によって過度に温度上昇する虞を未然に防止できて、積層方向中間部の単セルの発電性能の安定化を図ることが可能になる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。

図１（イ）（ロ）（ハ）は本発明の固体高分子型燃料電池スタックの実施の一形態を示すもので、図３に示した固体高分子型燃料電池スタックＩと同様に、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜の両面をカソードとアノードの両ガス拡散電極で挟持させてセルユニットを形成し、その両側にガス流路のみを備えてなるセパレータを配して冷却水流路を具備しない単セル８を構成し、上記単セル８を所要数積層すると共に、セル積層方向の両側に集電板２と電気絶縁板３を内側から順に配置し、更に、その外側に１対のホルダ４ａ，４ｂを配置して、該各ホルダ４ａ，４ｂ同士を、皿ばねの如き所要の締付け手段７を介装したボルト５とナット６で締め付けて固定してなる構成において、セル積層方向の両端部の単セル８ａと上記ホルダ４ａ，４ｂとの間、より具体的には、たとえば、上記電気絶縁板３とホルダ４ａ，４ｂとの間に、それぞれ全面に亘り断熱材９を介在させて設ける。これにより、上記セル積層方向両端部の単セル８ａよりホルダ４ａ，４ｂへの伝熱を、上記断熱材９により抑制できるようにしてある。

更に、上記各ホルダ４ａ，４ｂのうち、一方のホルダ４ａ、たとえば、図１（イ）における下端側のホルダ４ａに、図１（ハ）に示す如く、アノードガス１０用の内部マニホールド１１のガス入口１１ａと、カソードガス１２用の内部マニホールド１３のガス出口１３ｂとを設けると共に、該ホルダ４ａの内部に、カソード排ガス１２ａを流通させるためのカソード排ガス流路１４を設けて、該カソード排ガス流路１４の入口側に、上記カソードガス用内部マニホールド１３のガス出口１３ｂを、カソード排ガス配管１５を介して接続する。

一方、上記各ホルダ４ａ，４ｂのうち、図１（イ）における上端側となる他方のホルダ４ｂには、図１（ロ）に示す如く、カソードガス用内部マニホールド１３のガス入口１３ａと、アノードガス用内部マニホールド１１のガス出口１１ｂとを設けると共に、該ホルダ４ｂの内部に、アノード排ガス１０ａを流通させるためのアノード排ガス流路１６を設けて、該アノード排ガス流路１６の入口側に、上記アノードガス用内部マニホールド１１のガス出口１１ｂを、アノード排ガス配管１７を介し接続して、固体高分子型燃料電池スタックＩを構成する。

更に又、図１（イ）に示す如く、セル積層方向の中間部の単セル８の外周側の所要個所には、該セル積層方向の中間部に存在する単セル８を冷却するための冷却手段として、たとえば、冷却ファン１８と、上記セル積層方向中間部の単セル８の温度に応じて上記冷却ファン１８の運転を制御する図示しない温度コントローラを設けるようにしてある。なお、上記冷却ファン１８の取り付け構造の記載は省略してある。

上記各ホルダ４ａ，４ｂの所要個所には、図１（イ）に示す如く、起動時に該各ホルダ４ａ，４ｂを予熱するための予熱手段として、たとえば、予熱用ヒータ１９を設けることが好ましい。又、図１（イ）に二点鎖線で示す如く、上記各ホルダ４ａ，４ｂを断熱材で覆う構成としてもよい。図１（ロ）（ハ）における符号２１は上記ホルダ４ａ，４ｂ同士を固定するためのボルト５を挿通させるためのボルト孔、２２は上記ホルダ４ａ，４ｂと各単セル８、集電板２、電気絶縁板３の位置合わせを行うための図示しないピンを挿通させるピン孔、２３は上記各ホルダ４ａ，４ｂ内にそれぞれ対応する排ガス流路１４,１５を形成するために設けためくら孔である。

以上の構成としてある固体高分子型燃料電池スタックＩを有する固体高分子型燃料電池を運転する場合は、予熱用ヒータ１９により各ホルダ４ａ，４ｂを高加湿のアノードガス１０及びカソードガス１２が結露を生じない温度まで予熱した状態にて、上記一方のホルダ４ａに設けてあるアノードガス用内部マニホールド１１のガス入口１１ａより、高湿度のアノードガス１０を供給すると共に、他方のホルダ４ｂに設けてあるカソードガス用内部マニホールド１３のガス入口１３ａより高湿度のカソードガス１２を供給すると、上記各内部マニホールド１１，１３を通してアノードガス１０及びカソードガス１２が各単セル８へ導かれて、該各単セル８においてアノード側に供給されるアノードガス１０中の水素と、カソード側に供給されるカソードガス１２中の酸素の電気化学反応（燃料電池反応）が行われることで、この際発生する起電力が取り出されるようになる。

この際、上記各単セル８は上記電気化学反応に伴う発熱によって温度上昇するが、上記セル積層方向の両端部に位置する単セル８ａよりその外側に位置するホルダ４ａ，４ｂへの伝熱は、断熱材９によって抑制されるため、該セル積層方向の両端部に位置する単セル８ａの温度低下は抑制されるようになる。したがって、上記セル積層方向の両端部に位置する単セル８ａにおいて、高湿度で供給されるアノードガス１０やカソードガス１２が結露する虞は未然に防止される。

上記電気化学反応の後は、上記各単セル８のアノードからはアノード排ガス１０ａが、又、カソードからはカソード排ガス１２ａが、それぞれ上記電気化学反応に伴う発熱によって温度上昇した状態で排出されるようになる。

その後、上記温度上昇したアノード排ガス１０ａは、上記他方のホルダ４ｂに設けてあるアノードガス用内部マニホールド１１のガス出口１１ｂまで導かれると、アノード排ガス配管１７を経て該他方のホルダ４ｂ内に設けてあるアノード排ガス流路１６へ導かれる。これにより、該アノード排ガス流路１６を流通する上記温度上昇したアノード排ガス１０ａとの熱交換により、該他方のホルダ４ｂの温度が上昇させられるようになる。

又、上記温度上昇したカソード排ガス１２ａは、上記一方のホルダ４ａに設けてあるカソードガス用内部マニホールド１３のガス出口１３ｂまで導かれると、カソード排ガス配管１５を経て該一方のホルダ４ａ内に設けてあるカソード排ガス流路１４へ導かれる。これにより、該カソードガス流路１４を流通する上記温度上昇したカソード排ガス１２ａとの熱交換により、一方のホルダ４ａの温度が上昇させられるようになる。

上記したように固体高分子型燃料電池にて発電する際の電気化学反応に伴う熱により温度上昇するアノード排ガス１０ａとカソード排ガス１２ａが、上記ホルダ４ｂのアノード排ガス流路１６と、ホルダ４ａのカソード排ガス流路１４をそれぞれ流通するようになった後は、上記予熱用ヒータ１９を切っても、上記各ホルダ４ｂと４ａは、上記電気化学反応に伴う熱により温度上昇するアノード排ガス１０ａとカソード排ガス１２ａによってそれぞれ継続的に加熱されるようになる。

したがって、上記一方のホルダ４ａに設けてあるアノードガス用内部マニホールド１１のガス入口１１ａの部分にて、高湿度で供給されるアノードガス１０が結露する虞は未然に防止されるようになる。又、上記他方のホルダ４ｂに設けてあるカソードガス用内部マニホールド１３のガス入口１３ａの部分にて、高湿度で供給されるカソードガス１２が結露する虞も未然に防止されるようになる。

又、セル積層方向の中間部に位置する単セル８にて、上記電気化学反応に伴う発熱によって温度上昇するときの温度が、或る設定温度を超えて固体高分子電解質膜の耐熱温度に近付くときには、図示しない温度コントローラにより上記冷却ファン１８を運転することで、該セル積層方向中間部の単セル８の過度の温度上昇が未然に防止されるようになる。

このように、本発明の固体高分子型燃料電池スタックＩによれば、セル積層方向両端部の単セル８ａの温度低下を抑制できて、該セル積層方向の両端部の単セル８ａでアノードガス１０やカソードガス１２に結露が生じる虞を未然に防止できると共に、各ホルダ４ａ，及び４ｂを、温度上昇した状態で排出されるカソード排ガス１２ａ及びアノード排ガス１０ａとの熱交換により温度上昇させることで、上記ホルダ４ａに設けてあるアノードガス用内部マニホールド１１のガス入口１１ａでアノードガス１０に結露が生じる虞を未然に防止でき、又、上記ホルダ４ｂに設けてあるカソードガス用内部マニホールド１３のガス入口１３ａでカソードガス１２に結露が生じる虞を未然に防止できる。

したがって、結露した水によりガス流路の閉塞が生じてアノードガス１０やカソードガス１２の流通が不安定になる虞や、フラッディングが生じる虞や、水の電気分解が行われるようになって逆電位が作用するようになる虞を未然に防止することができる。

更に、セル積層方向の中間部における単セル８に対しても、結露による湿度の低下を生じていない高湿度のアノードガス１０及びカソードガス１２を供給することができて、該セル積層方向中間部の単セル８にて固体高分子電改質膜が乾き気味になる虞を解消できることから、セル積層方向中間部の単セル８にて発電電圧が低下する虞を未然に防止することができる。よって、各単セル８，８ａの発電性能の安定化を図ることができて、セル電圧分布の均等化を図ることが可能になる。

なお、本発明は上記実施の形態のみに限定されるものではなく、図１（ロ）では、ホルダ４ｂにおける左右の側面に、カソードガス用内部マニホールド１３のガス入口１３ａ及びアノードガス用内部マニホールド１１のガス出口１１ｂを設け、該ホルダ４ａの左右の側面に出口と入口を備えたアノード排ガス流路１６を設けた構成を示したが、上記カソードガス用内部マニホールド１３のガス入口１３ａ及びアノードガス用内部マニホールド１１のガス出口１１ｂは、セル積層方向の外側の端面に設ける等、適宜位置を変更してもよい。又、アノード排ガス流路１６は、アノードガス用内部マニホールド１１のガス出口１１ｂより排出されるアノード排ガス１０ａを流通させて上記ホルダ４ｂを温度上昇させることができるようにしてあれば、流路形状は適宜変更してもよく、更には、アノード排ガス配管１７を介することなく上記アノードガス用内部マニホールド１１のガス出口１１ｂに直接連通するアノード排ガス流路１６をホルダ内部４ｂの内部に設けるようにしてもよい。

図１（ハ）では、ホルダ４ａにおける左右の側面に、アノードガス用内部マニホールド１１のガス入口１１ａ及びカソードガス用内部マニホールド１３のガス出口１３ｂを設け、該ホルダ４ａの左右の側面に入口と出口を備えたカソード排ガス流路１４を設けた構成を示したが、上記アノードガス用内部マニホールド１１のガス入口１１ａ及びカソードガス用内部マニホールド１３のガス出口１３ｂの位置は、セル積層方向の外側の端面に設ける等、適宜位置を変更してもよい。又、カソード排ガス流路１４は、カソードガス用内部マニホールド１３のガス出口１３ｂより排出されるカソード排ガス１２ａを流通させて上記ホルダ４ａを温度上昇させることができるようにすれば、流路形状は適宜変更してもよく、更には、カソード排ガス配管１５を介することなく上記カソードガス用内部マニホールド１３のガス出口１３ｂに直結したカソード排ガス流路１４をホルダ内部４ａの内部に設けるようにしてもよい。

図１（イ）における単セル８の積層数は図示するための便宜的な数であって、固体高分子型燃料電池全体で所望する発電性能に応じて単セル８の積層数は適宜変更してよい。

締付け手段７は、各ホルダ４ａ，４ｂ同士をボルト５とナット６で締め付けて固定する際に締付け方向の力を付与できるようにしてあれば、皿ばね以外のいかなる形式の締付け手段７を採用してもよい。

セル積層方向中間部の単セルを冷却することができれば、冷却ファン１８以外のいかなる形式の冷却手段を採用してもよい。

断熱材９と電気絶縁板３は必ずしも両方を同時に使用する必要はなく、代わりに電気絶縁板３に上記断熱材９の機能をもたせて、断熱材を上記電気絶縁板３と一体物としてもよい。このような断熱機能と電気絶縁機能の両方を有する部材の例としてはシリコンシートなどがあり、この場合のシート厚は６ｍｍ程度あればよい。

その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

以下、本発明者が実施した本発明の有効性の検証の結果について説明する。

図１（イ）（ロ）（ハ）に示した構成の固体高分子型燃料電池スタックＩにて、各単セル８の発電する電圧について、セル積層方向の一端部の単セル８（８ａ）の発電電圧を基準とする比（セル電圧比）を求めた。その結果を図２に実線で示す。

比較例として、図１（イ）（ロ）（ハ）に示したと同様の構成において、電気絶縁板３とホルダ４ａ，４ｂの間の断熱材９を省略し、且つ各ホルダ４ａ，４ｂにおけるカソード排ガス流路１４、アノード排ガス流路１６を省略した構成の固体高分子型燃料電池スタックＩにて、上記と同様に各単セル８の発電する電圧について、セル積層方向の一端部の単セル８（８ａ）の発電電圧を基準とする比（セル電圧比）を求めた。その結果を図２に破線で示す。

図２における破線で示された結果から明らかなように、上記断熱材９及び各ホルダ４ａ，４ｂにカソード排ガス流路１４、アノード排ガス流路１６を具備しない構成の固体高分子型燃料電池スタックＩでは、セル積層方向の中間部における単セル８にて、供給されるアノードガス１０及びカソードガス１２の相対湿度の低下に伴って固体高分子電改質膜のプロトン伝導性能が低下していることに起因すると考えられる発電電圧の大幅な低下が生じており、この場合、セル電圧比の変動幅が約０．０５Ｖとなっているのに比して、図２に実線で示した結果から明らかなように、本発明の固体高分子型燃料電池スタックＩによれば、セル積層方向中間部における単セル８においても発電電圧の低下を抑えることができて、セル電圧比の変動幅を約０．０２５Ｖに抑えることができ、したがって、セル電圧分布の均等化を図ることができることが判明した。

本発明の固体高分子型燃料電池スタックの実施の一形態を示すもので、（イ）は概略側面図、（ロ）は（イ）のＡ−Ａ方向矢視図、（ハ）は（イ）のＢ−Ｂ方向矢視図である。 本発明の有効性の検証結果を示す図である。 従来の固体高分子型燃料電池スタックを示す概要図である。

符号の説明

Ｉ 固体高分子型燃料電池スタック
２ 集電板
３ 電気絶縁板
４ａ，４ｂ ホルダ
８，８ａ 単セル
９ 断熱材
１０ アノードガス
１０ａ アノード排ガス
１２ カソードガス
１２ａ カソード排ガス
１４ カソード排ガス流路
１６ アノード排ガス流路
１８ 冷却ファン（冷却手段）

Claims (2)

1. 固体高分子電解質膜の両面をカソードとアノードで挟持し、その両側にガス流路を備えたセパレータを配して形成してなる単セルを、所要数積層すると共に、セル積層方向の両側に集電板と電気絶縁板を内側から順に配置し、更に、その外側から１対のホルダで締め付けて固定してなる固体高分子型燃料電池スタックにおいて、セル積層方向両端部の単セルと上記ホルダとの間に断熱材を介在させて設け、且つ上記各ホルダに、カソード排ガスを流通させるためのカソード排ガス流路と、アノード排ガスを流通させるためのアノード排ガス流路を個別に設けてなる構成を有することを特徴とする固体高分子型燃料電池スタック。
2. セル積層方向の中間部の単セルを冷却するための冷却手段を備えるようにした請求項１記載の固体高分子型燃料電池スタック。

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