JP2012164505A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】ポンプの数を低減でき、小型化に貢献できる燃料電池スタックを提供する。
【解決手段】燃料電池スタック１は、ＭＥＡ２とセパレータ３とを積層した構造をもつ。セパレータ３は、セパレータ３の厚み方向に貫通する入口側マニホルド７１と、セパレータ３の厚み方向に貫通する出口側マニホルド７２と、セパレータ３においてＭＥＡ２と反対側に形成され入口側マニホルド７１に連通すると共にＭＥＡ２に沿った第１方向に冷媒を流す第１冷媒通路８１と、セパレータ３においてＭＥＡ２と反対側に形成され出口側マニホルド７２に連通すると共にＭＥＡ２に沿うと共に第２方向に冷媒を流す第２冷媒通路８２と、第１冷媒通路８１と第２冷媒通路８２とを連通させ、第１冷媒通路８１を流した冷媒を第２冷媒通路８２に方向転換させる連通路８３とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明はセパレータを有する燃料電池スタックに関する。

特許文献１，２には、膜電極接合体をセパレータで挟持した燃料電池スタックが開示されている。このものによれば、セパレータは、冷媒を互いに逆方向に流す第１冷媒通路および第２冷媒通路を併有する。第１冷媒通路および第２冷媒通路は互いに独立しており、互いに連通していない。このため第１冷媒通路に冷媒を流す第１ポンプと、第２冷媒通路に冷媒を流す第２ポンプとが必要とされる。

特許文献３には、ＭＥＡを挟むカソードセパレータおよびアノードセパレータを設け、ＭＥＡに沿って延設された第１冷媒通路をアノードセパレータに形成し、ＭＥＡに沿って延設された第２冷媒通路をカソードセパレータに形成した燃料電池スタックが開示されている。このものによれば、第１冷媒通路を冷媒が流れる向きと、第２冷媒通路を冷媒が流れる向きとは、ＭＥＡに沿っているものの、互いに逆方向とされている。

特開２００９−１１７１３８号公報 特開平７−１４２０７８号公報 特開２００７−１８７５９号公報

上記したように特許文献１，２によれば、第１冷媒通路および第２冷媒通路は互いに独立しており、互いに連通していない。従って、第１冷媒通路を流れた冷媒が引き続いて第２冷媒通路に流入するものではない。特に、特許文献１，２によれば、第１冷媒通路および第２冷媒通路は互いに独立分離されているため、第１冷媒通路に冷媒を流す第１ポンプの他に、第２冷媒通路に冷媒を流す第２ポンプが必須とされる。すなわち特許文献１，２によれば、冷媒を流すポンプが２系統分必要であり、装置が大型化する。更に、特許文献３によれば、第１冷媒通路および第２冷媒通路においては、冷媒が流れる向きが互いに逆とされているものの、第１冷媒通路を流れた冷媒が引き続いて第２冷媒通路に流入するものではない。

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、ＭＥＡに沿った向きに配置された第１冷媒通路を流した冷媒を、ＭＥＡに沿った向きに配置された第２冷媒通路に引き続いて流すことにより、ポンプの数を低減でき、小型化に貢献できる燃料電池スタックを提供することを課題とする。

（１）様相１に係る燃料電池スタックは、イオン伝導性をもつ電解質膜をアノードおよびカソードで挟んだ膜電極接合体（以下、ＭＥＡともいう）と、セパレータとを積層した構造をもつ燃料電池スタックにおいて、
セパレータは、（ｉ）セパレータの厚み方向に貫通すると共に冷媒を通過させる入口側マニホルドと、（ｉｉ）セパレータの厚み方向に貫通すると共に冷媒を通過させる出口側マニホルドと、（ｉｉｉ）セパレータにおいて形成され入口側マニホルドに連通すると共に膜電極接合体に沿った第１方向に冷媒を流す第１冷媒通路と、（ｉｖ）セパレータにおいて形成され出口側マニホルドに連通すると共に膜電極接合体に沿うと共に第１冷媒通路を流れた冷媒を第１方向とは異なる第２方向に流す第２冷媒通路と、（ｖ）セパレータの厚みに沿って切断した断面において第１冷媒通路と第２冷媒通路とを連通させるように互いに隣接するセパレータを厚み方向に貫通し、且つ、第１冷媒通路を流した冷媒を第２冷媒通路に方向転換させる連通路とを具備する。

様相１に係る本発明によれば、第１冷媒通路は、セパレータに形成されており、入口側マニホルドに連通すると共にＭＥＡに沿った第１方向に冷媒を流す。第２冷媒通路は、セパレータに形成されており、第１冷媒通路を流れた冷媒を第１方向とは異なる第２方向に流す。セパレータの厚み方向に沿って切断した断面において、連通路は、第１冷媒通路と第２冷媒通路とを連通させるように互いに隣接するセパレータを厚み方向に貫通し、且つ、第１冷媒通路を流れた冷媒を第２冷媒通路に向けて方向転換させる。このためスタックを冷却させるための冷媒は、スタックの内部において、第１冷媒通路、連通路、第２冷媒通路を直列的に流れる。このように第１冷媒通路および第２冷媒通路を連通路により直列的関係としているため、ポンプの数を低減でき、小型化に貢献できる。

（２）様相２に係る燃料電池スタックによれば、上記様相において、連通路は、セパレータの厚みに沿って切断した断面において、第１冷媒通路の終端部から第２冷媒通路の始端部に向けて冷媒をＵターンさせて方向転換させる。即ち、スタックを冷却させるための冷媒は、スタックの内部において、第１冷媒通路、連通路、第２冷媒通路を直列的に流れる。ここで、第１方向に流れて第１冷媒通路で加熱された冷媒を第２冷媒通路にＵターンさせて第２方向に流すことができる。ここで、冷媒の流れが進行するにつれて、冷媒はスタックから受熱して昇温される。従って冷媒の温度は、第１冷媒通路の始端部、第１冷媒通路の終端部、第２冷媒通路の始端部、第３冷媒通路の終端部の順に高温となる。Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３の関係とすると、冷媒の概略的な昇温温度としては、基本的には、第１冷媒通路の始端部ではＴ１、第１冷媒通路の終端部ではＴ２、第２冷媒通路の始端部ではＴ２、第３冷媒通路の終端部ではＴ３と仮定できる。

上記した構成が採用されている様相２に係る本発明によれば、当該断面において、第１冷媒通路の終端部と第２冷媒通路の始端部とは、基本的には互いに対向している。また、第１冷媒通路の始端部と第２冷媒通路の終端部とは、基本的には互いに対向している。このためＭＥＡにおける面内温度分布のばらつきを低減させ易い。これにより発電の安定性の向上、耐久性の向上が図られる。

仮に、ＭＥＡにおける面内温度分布のばらつきが大きく、低温部分と高温部分との温度差が大きく、セルの低温部分と高温部分との温度差が増加するときには、低温部分では、電極やガス通路内でのフラッディング、ＣＯ耐性の低下、触媒活性の低下等が発生するおそれがある。これに対してセルの高温部分では、カソードやアノードや電解質膜の過剰乾燥等が発生するおそれがある。

（３）様相３に係る燃料電池スタックによれば、上記様相において、セパレータの厚みに沿って切断した断面において、第１冷媒通路と第２冷媒通路とは膜電極接合体を挟んで互いに対向しており、第１冷媒通路における基本流れ方向と第２冷媒通路における基本流れ方向とは互いに逆方向である。即ち、第１冷媒通路で加熱された冷媒を第２冷媒通路に向けてＵターンさせる。この場合、第１冷媒通路における基本流れ方向と第２冷媒通路における基本流れ方向とは、互いに逆方向である。このためＭＥＡにおける面内温度分布のばらつきを低減させ易い。これにより前述したように発電の安定性の向上、耐久性の向上が図られる。

（４）様相４に係る燃料電池スタックによれば、上記様相において、セパレータの厚みに沿って切断した断面において、セパレータは、連通路をもつ仕切板と、仕切板を厚み方向に挟持する第１セパレータおよび第２セパレータとを有しており、第１冷媒通路と第２冷媒通路とは、連通孔を有する仕切板を挟んで互いに対向しており、第１冷媒通路における基本流れ方向と第２冷媒通路における基本流れ方向とは互いに逆方向である。即ち、第１冷媒通路で加熱された冷媒を仕切板の連通路から第２冷媒通路に向けてＵターンさせる。この場合、第１冷媒通路における基本流れ方向と第２冷媒通路における基本流れ方向とは、互いに逆方向である。このためＭＥＡにおける面内温度分布のばらつきを低減させ易い。これにより前述したように発電の安定性の向上、耐久性の向上が図られる。

本発明によれば、ＭＥＡに沿うと共に互いに異なる方向に冷媒を流す第１冷媒通路および第２冷媒通路が併有されているものの、第１冷媒通路および第２冷媒通路を連通路により直列的関係としている。このため、ＭＥＡに沿って第１冷媒通路を流した冷媒を連通路により方向変換させ、ＭＥＡに沿った第２冷媒通路に流すことができる。このように第１冷媒通路および第２冷媒通路を連通路により直列的関係としているため、ポンプの数を低減でき、小型化に貢献できる燃料電池スタックを提供することができる。

実施形態１に係り、セパレータの正面形態を示すと共にスタックの断面を示す構成図である。 実施形態１に係り、スタックの要部を拡大して示す断面図である。 実施形態２に係り、スタックの要部を示す断面図である。 実施形態３に係り、スタックの要部を示す断面図である。 実施形態３に係り、セパレータおよびＭＥＡを示す正面図である。

膜電極接合体は、プロトン伝導性等のイオン伝導性をもつ電解質膜と、電解質膜を厚み方向に挟むアノードおよびカソードとを有する。電解質膜は、炭化フッ素系でも、炭化水素系でも、炭化フッ素と炭化水素系とを混合したものでも良い。官能基としてはスルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基が挙げられる。セパレータは、セパレータの厚み方向に貫通すると共に冷媒を通過させる入口側マニホルドと、セパレータの厚み方向に貫通すると共に冷媒を通過させる出口側マニホルドと、セパレータにおいて形成され入口側マニホルドに連通すると共に膜電極接合体に沿った第１方向に冷媒を流す第１冷媒通路と、セパレータにおいて形成され出口側マニホルドに連通すると共に膜電極接合体に沿うと共に第１冷媒通路を流れた冷媒を第１方向とは異なる第２方向に流す第２冷媒通路と、セパレータの厚みに沿って切断した断面において第１冷媒通路と第２冷媒通路とを連通させるように互いに隣接するセパレータを厚み方向に貫通し、且つ、第１冷媒通路を流した冷媒を第２冷媒通路に方向転換させる連通路を有する。第１方向および第２方向は、冷媒が流れる基本方向を意味する。冷媒が蛇行するものの、冷媒が基本的には上向きに流れるときには、第１方向は上向きとなる。冷媒が蛇行するものの、冷媒が基本的には下向きに流れるときには、第１方向は下向きとなる。第２方向も同様である。

第１連通路は、セパレータの厚みに沿って切断した断面において、第１冷媒通路と第２冷媒通路とを連通させるように互いに隣接するセパレータを厚み方向に貫通し、且つ、第１冷媒通路を流した冷媒を第２冷媒通路に方向転換させる。冷媒はスタックを冷却させる媒体であり、水、オイル、ミスト、ガスが例示される。スタックの作動温度が１００℃未満であれば、水を採用できる。スタックの作動温度が１００℃以上であればオイルを採用できる。なお、セパレータは、実質的に冷媒をセパレータの厚み方向に透過させない緻密体で形成されていることが好ましい。

（実施形態１）
図１および図２は実施形態１の概念を示す。複雑化を避けるため、断面を示すハッチングは一部省略している。図１に示すように、燃料電池スタック（以下、スタックともいう）１は、複数のＭＥＡ２と、複数のセパレータ３とを積層した構造をもつ。セパレータ３の厚み方向（矢印ｔ方向）は、スタック１の積層方向（矢印Ａ方向）に相当する。ＭＥＡ２は、プロトン（イオン）伝導性をもつ炭化フッ素系または炭化水素系の高分子材料で形成された固体電解質膜２０と、電解質膜２０を厚み方向に挟むカソード（酸化剤極）２１およびアノード（燃料極）２２と有する。炭化フッ素系としては、パーフルオロスルホン酸樹脂ポリマーが例示される。燃料ガスであるアノードガス（一般的には水素ガス）が改質器またはガスタンクから、ＭＥＡ２のアノード２２に供給される。酸化剤ガスであるカソードガス（一般的には酸素含有ガスである空気）がＭＥＡ２のカソード２１に供給される。

ＭＥＡ２において、カソード２１は、図示しないものの、カソードガス（酸素ガスまたは酸素含有ガス）を拡散させつつ透過させるガス拡散層と、ガス拡散層または電解質膜２０に積層された、ガス拡散層と電解質膜２０との間に位置する触媒層とを有する。触媒層は、貴金属系の触媒と、プロトン（イオン）伝導性をもつ電解質成分と、カーボンブラック等の微小導電物質とを主要成分とすることが好ましい。アノード２２は、アノードガス（水素ガスまたは水素含有ガス）を拡散させつつ透過させるガス拡散層と、ガス拡散層または電解質膜２０に積層された、ガス拡散層と電解質膜２０との間に位置する触媒層とを有する。触媒層は、貴金属系の触媒と、プロトン（イオン）伝導性をもつ電解質成分と、カーボンブラック等の微小導電物質とを主要成分とすることが好ましい。

図１および図２に示すように、セパレータ３は、カソード２１に対面するカソードセパレータとして機能する第１セパレータ３１と、アノード２２に対面するアノードセパレータとして機能する第２セパレータ３２とで形成されている。第１セパレータ３１は、ＭＥＡ２のカソード２１に対面してカソード２１にカソードガスを供給させるカソードガス通路４１をもつ。第２セパレータ３２は、ＭＥＡ２のアノード２２に対面してアノード２２にアノードガスを供給させるアノードガス通路４２をもつ。なお、図１に示すように、第１セパレータ３１は上辺３１ｕ，下辺３１ｄを有する。第２セパレータ３２は上辺３２ｕ，下辺３２ｄを有する。

図１の（Ａ）は、第１セパレータ３１および第２セパレータ３２の冷媒通路側から見た正面形態を示す。図１の（Ｂ）は、第１セパレータ３１および第２セパレータ３２をＭＥＡ２と共に組み付けた断面形態を示す。第１セパレータ３１および第２セパレータ３２は、カソードガス通路４１に連通するようにセパレータ３の厚み方向に貫通する第１カソードマニホルド６１と第２カソードマニホルド６２と、アノードガス通路４２に連通するようにセパレータ３の厚み方向に貫通する第１アノードマニホルド５１と第２アノードマニホルド５２とをもつ。

ここで、第１カソードマニホルド６１および第２カソードマニホルド６２は、セパレータ３１，３２の厚み方向（矢印ｔ方向）に沿って貫通するように形成されており、カソードガスをカソードガス通路４１に供給させるようにカソードガス通路４１に連通するものの、図略のシール部によりアノードガス通路４２には非連通とされている。第１アノードマニホルド５１および第２アノードマニホルド５２は、セパレータ３１，３２の厚み方向（矢印ｔ方向，積層方向）に沿って貫通するように形成されており、アノードガス通路４２にアノードガスを供給させるためアノードガス通路に連通するものの、図略のシール部によりカソードガス通路４１には非連通とされている。これによりアノードガスとカソードガスとの混合が抑制される。なお、第１セパレータ３１および第２セパレータ３２は、黒鉛粉末等の炭素材料をバインダなどで固結させた緻密体、または、金属を母材とする緻密体で構成されている。金属を母材とする場合は、耐食性の良い金属を使用するか、金属に耐食性の被膜を形成することが好ましい。

本実施形態によれば、アノードガスが流れる第１アノードマニホルド５１と第２アノードマニホルド５２のうちの一方がアノードガスの入口となり、他方が出口となる。ここで、第１アノードマニホルド５１がアノードガスの入口であり、第２アノードマニホルド５２が出口であるときには、アノードガスはアノードガス通路４２を下向きに流れる。第１アノードマニホルド５１が出口であり、第２アノードマニホルド５２が入口であるときには、アノードガスはアノードガス通路４２を上向きに流れる。また、カソードガスが流れる第１カソードマニホルド６１と第２カソードマニホルド６２のうちの一方がカソード２１ガスの入口となり、他方が出口となる。ここで、第１カソードマニホルド６１がカソードガスの入口であり、第２カソードマニホルド６２が出口であるときには、カソードガスはカソードガス通路４１を下向きに流れる。第１カソードマニホルド６１が出口であり、第２カソードマニホルド６２が入口であるときには、カソードガスはカソードガス通路４１を上向きに流れる。

図１の（Ａ）に示すように、第１セパレータ３１の隅部には、傾斜面で形成された目印部３ｍが形成されている。第２セパレータ３２の隅部にも、傾斜状の目印部３ｍが形成されている。なお、目印部３ｍは傾斜面に限らず、凹または凸で形成しても良い。スタック１の組付時には、第１セパレータ３１の目印部３ｍと第２セパレータ３２の目印部３ｍとを互いに整合させて同位置となるように、かつ第１セパレータ３１と第２セパレータ３２の冷媒通路面同士を合わせるように、第１セパレータ３１および第２セパレータ３２がＭＥＡ２と共に組み付けられる。

図１の（Ａ）（Ｂ）に示すように、第１セパレータ３１および第２セパレータ３２は、冷媒用の入口側マニホルド７１と、冷媒用の出口側マニホルド７２と、第１冷媒通路８１と、第２冷媒通路８２と、連通路８３とを有する。図１に示すように、冷媒用の入口側マニホルド７１および出口側マニホルド７２（図１の（Ａ）では明確化のため複数の斜線で示す）は、第１セパレータ３１および第２セパレータ３２の上辺３１ｕ，３２ｕ側において形成されている。冷媒用の入口側マニホルド７１は、セパレータ３の厚み方向（矢印ｔ方向）に貫通すると共に冷媒をスタック積層方向（矢印Ａ方向）に通過させる。冷媒用の出口側マニホルド７２は、セパレータ３の厚み方向（矢印ｔ方向）に貫通すると共に冷媒をスタック積層方向（矢印Ａ方向）に通過させる。第１冷媒通路８１は、第１セパレータ３１および第２セパレータ３２の表面においてＭＥＡ２と背向するようにＭＥＡ２と反対側に形成されており、ＭＥＡ２の表面に沿って形成されている。

第１冷媒通路８１の始端部８１ｓは入口側マニホルド７１に連通する。第１冷媒通路８１は、冷媒を蛇行させつつ下降案内させる凸部（図示せず）をもつ。よって、第１冷媒通路８１は、冷媒をＭＥＡ２の表面に沿って蛇行させつつ、セパレータ３１，３２の表面において、基本的には下方向（第１方向，矢印Ｄ方向）に流す。第２冷媒通路８２は、ＭＥＡ２の表面が延設されている方向に沿って形成されており、第１セパレータ３１および第２セパレータ３２の表面においてＭＥＡ２と反対側に形成されている。このように冷媒通路８１，８２は、第１セパレータ３１および第２セパレータ３２においてＭＥＡ２と背向するようにＭＥＡ２と反対側に形成されているため、下向きの冷媒通路８１，上向きの冷媒通路８２はＭＥＡ２を挟んでいる（図１の（Ｂ），図２参照）。

第２冷媒通路８２の終端部８２ｆは出口側マニホルド７２に連通するため、第２冷媒通路８２の終端部８２ｆを流れた冷媒は、出口側マニホルド７２に流入する。ここで、第２冷媒通路８２は、冷媒を蛇行させつつ上昇案内させる凸部（図示せず）をもつ。よって、第２冷媒通路８２は、冷媒をＭＥＡ２の表面が延設されている方向に沿って蛇行させつつ、基本的には第１方向（下方向）とは異なる第２方向（上方向）に向けて流す。このように第１冷媒通路８１では、冷媒は蛇行しつつ下向き（矢印Ｄ方向）に流れる。従って第１冷媒通路８１における冷媒の基本流れ方向は、下向きである。このように第２冷媒通路８２では、冷媒は蛇行しつつ上向き（矢印Ｕ方向）に流れる。従って第２冷媒通路８２における冷媒の基本流れ方向は、上向きである。このように第１冷媒通路８１における冷媒の基本流れ方向（下向き）と、第２冷媒通路８２における冷媒の基本流れ方向（上向き）とは、互いに逆方向である。なお、冷媒は液相状の冷媒が好ましく、一般的には冷却水が使用される。

図１の（Ｂ）及び図２は、セパレータ３の厚み方向（矢印ｔ方向）つまりスタック積層方向（矢印Ａ方向）に沿って切断した断面を示す。この断面において、連通路８３は、第１冷媒通路８１から第２冷媒通路８２に向けて冷媒をＵターンさせて方向転換させる。ここで、図１の（Ｂ）に示すように、連通路８３は、第１冷媒通路８１の終端部８１ｆ（f:finish）と第２冷媒通路８２の始端部８２ｓ（s:start）とを連通させている。この結果、連通路８３は、第１冷媒通路８１の終端部８１ｆを流れて加熱された冷媒をＵターンさせて、第２冷媒通路８２の始端部８２ｓに向けて流入させる機能をもつ。具体的には、冷媒は、まず、入口側マニホルド７１をスタック１の積層方向（矢印Ａ方向）に流れ、第１冷媒通路８１の始端部８１ｓから第１冷媒通路８１の始端部８１ｓに流入する。第１冷媒通路８１に流入した冷媒は、第１冷媒通路８１を蛇行しつつ第１冷媒通路８１の終端部８１ｆに向けて基本的には下向き（矢印Ｄ方向）に流れる。第１冷媒通路８１の終端部８１ｆに流れた冷媒は、連通路８３を貫通し、積層方向（矢印Ａ方向）に流れ、第２冷媒通路８２の始端部８２ｓに流れる。第２冷媒通路８２はＭＥＡ２を介して第１冷媒通路８１と反対側に位置している。更に、第２冷媒通路８２に流入した冷媒は、第２冷媒通路８２を蛇行しつつ基本的には上向き（矢印Ｕ方向）に流れ、終端部８２ｆを介して、出口側マニホルド７２に吐出される。その後、冷媒は出口側マニホルド７２に沿って流れ、排出路に排出される。

以上説明したように本実施形態によれば、図１から理解できるように、第１冷媒通路８１は、ＭＥＡ２に沿って下方向（第１方向）に冷媒を流す。第２冷媒通路８２は、ＭＥＡ２に沿うと共に上方向（第２方向）に冷媒を流す。連通路８３は、第１冷媒通路８１と第２冷媒通路８２とを直列に連通させるように、互いに隣接するセパレータ３を厚み方向に貫通しており、且つ、第１冷媒通路８１を流れた冷媒を第２冷媒通路８２にＵターンさせて方向転換させる。

上記した本実施形態によれば、第１冷媒通路８１および第２冷媒通路８２は互いに直列的関係で連通しており、直列に連続する１系統の冷媒通路とされている。具体的には、第１冷媒通路８１の終端部８１ｆおよび第２冷媒通路８２の始端部８２ｓは、連通路８３を介して、互いに直列的関係で連通しており、直列に連続する１系統の冷媒通路とされている。このため、特許文献１，２とは異なり、第１冷媒通路８１に冷媒を流す第１ポンプと、第２冷媒通路８２に冷媒を流す第２ポンプとが別途必要とされる不具合はない。すなわち、冷媒を流すためのポンプ等の搬送源は共通化され、１系統分で足りる。このため装置の小型化に貢献できる。

また本実施形態によれば、前述したように、冷媒は、入口側マニホルド７１→第１冷媒通路８１の始端部８１ｓ→第１冷媒通路８１の終端部８１ｆ→連通路８３→第２冷媒通路８２の始端部８２ｓ→第２冷媒通路８２の終端部８２ｆ→出口側マニホルド７２の順に直列的に流れる。ここで、入口側マニホルド７１や第１冷媒通路８１の始端部８１ｓ付近の冷媒の温度を、温度Ｔ１として示す。更に冷媒の流れが進行した第１冷媒通路８１の終端部８１ｆや第２冷媒通路８２の始端部８２ｓ付近の温度を、温度Ｔ２（Ｔ２＞Ｔ１）として示す。ここで、第１冷媒通路８１の終端部８１ｆと、第２冷媒通路８２の始端部８２ｓとは互いに対向している。更に、冷媒の流れが進行した第２冷媒通路８２の終端部８２ｆや出口側マニホルド７２付近の冷媒の温度を、温度Ｔ３として示す。このようにスタック１の内部において冷媒の流れが進行するにつれて、冷媒がスタック１から受熱する熱量が次第に増加するため、温度関係はＴ１＜Ｔ２＜Ｔ３として示される。本実施形態によれば、冷媒が液相状の冷却水であり、Ｔ１は７０℃、Ｔ２は７５℃、Ｔ３は８０℃であると考えられる。なお、変動があったとしても、温度としてはプラスマイナス１〜１０℃内の変動があり、Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３の関係が維持される。

上記したように本実施形態によれば、第１冷媒通路８１で加熱された冷媒を、連通路８３でＵターン状に方向転換させて、第２冷媒通路８２の始端部８２ｓに供給させる。ここで、図１から理解できるように、第１冷媒通路８１の始端部８１ｓ（第１冷媒通路８１の始端部８１ｓ付近の温度は温度Ｔ１に近似）は、基本的には、第２冷媒通路８２の終端部８２ｆ（第２冷媒通路８２の終端部８２ｆ付近の温度は温度Ｔ３に近似）に対向している。また、第１冷媒通路８１の終端部８１ｆ（第１冷媒通路８１の終端部８１ｆ付近の温度は温度Ｔ２に近似）は、基本的には、第２冷媒通路８２の始端部８２ｓ付近（第２冷媒通路８２の始端部８２ｓ付近の温度は温度Ｔ２に近似）に対向している。ここで、前述したように、Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３の関係が成立するため、ＭＥＡ２における面内温度分布のばらつきを低減させるのに有利となる。

即ち、本実施形態によれば、スタック１の重力方向の上部（始端部８１ｓ，終端部８２ｆ）では、基本的には、温度Ｔ１の領域と温度Ｔ３の領域とが存在するため、温度Ｔ１と温度Ｔ３との中間を示す温度Ｔ２付近の温度領域となり易い。これに対して、スタック１の重力方向の下部（終端部８１ｆ，始端部８２ｓ）では、基本的には、温度Ｔ２の領域と温度Ｔ２の領域とが存在するため、温度Ｔ２付近の温度領域となり易い。このため、スタック１のＭＥＡ２における面内温度分布のばらつきを低減させるのに有利となる。よって、ＭＥＡ２における面内温度分布の均一化に貢献できる。これによりセルの発電の安定性の向上、耐久性の向上が図られる。なお、仮に、ＭＥＡ２における面内温度分布のばらつきが大きく、ＭＥＡ２において低温部分と高温部分との温度差が大きく、セルの低温部分と高温部分との温度差が増加する場合には、次の不具合が発生する。すなわち、セルの低温部分では電極やガス通路内でのフラッディング、ＣＯ耐性の低下、触媒活性の低下等が発生するおそれがある。セルの高温部分ではカソード２１，アノード２２や電解質膜２０の過剰乾燥等が発生するおそれがある。

図１の（Ｂ）に示すように、連通路８３は、複数の第１セパレータ３１および第２セパレータ３２のうち、ＭＥＡ２を挟んで互いに対向する第１セパレータ３１および第２セパレータ３２を厚み方向に貫通させる。但し、連通路８３が形成されていない第１セパレータ３１ｘには、厚み方向に貫通しないように凹状の窪み８５が形成されている。同様に、連通路８３が形成されていない第２セパレータ３２ｘには、厚み方向に貫通しないように凹状の窪み８５が形成されている。窪み８５は連通路８３に対面する。このように窪み８５はセパレータ３の厚み方向に貫通していないが、連通路８３はセパレータ３の厚み方向に貫通して冷媒通路８１，８２を直列に連通させている。このため、第１冷媒通路８１の終端部８１ｆに流れた冷媒は、連通路８３を貫通してＵターンし、第２冷媒通路８２の始端部８２ｓに良好に流れることができる。

前記した特許文献１のように、第１セパレータと第２セパレータとで挟持される仕切板が設けられている構造が採用されているときには、仕切板の厚みが増加するため、積層方向（矢印Ａ方向）におけるスタック１の積層長が増加し、スタック１の積層長が大型化する不具合がある。この点について本実施形態によれば、第１セパレータ３１と第２セパレータ３２とで仕切板を挟持する構造を採用していないため、仕切板を廃止でき、スタック１の積層長を短縮でき、スタック１の積層長の小型化に貢献できる。本実施形態によれば、前述したように仕切板を廃止するため、仕切板３５とセパレータ３との間をシールするシール部も不要にできるため、仕切板の厚み、シール部の厚みを短縮でき、スタック１の小型化に貢献できる。更に仕切板３５は流体抵抗となり易いため、仕切板３５を廃止できることは、カソードガスおよびアノードガス等の流体の抵抗の低減に貢献できる。

上記したように本実施形態によれば、セパレータ３の厚みに沿って切断した断面（図１の（Ｂ））において、第１冷媒通路８１と第２冷媒通路８２とはＭＥＡ２を挟んで互いに対向しており、第１冷媒通路８１における基本流れ方向と第２冷媒通路８２における基本流れ方向とは、互いに逆方向である。このため、第１冷媒通路８１で加熱された冷媒を連通路８３でＵターン状に方向転換させて第２冷媒通路８２に供給させる構造を採用している。従って、第１冷媒通路８１で加熱された冷媒を連通路８３でＵターン状に方向転換させて第２冷媒通路８２に直列的に供給させる構造を容易に採用できる。

（実施形態２）
図３は実施形態２を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成であり、同様の作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。図３はセパレータ３の厚み方向（矢印ｔ方向）に沿って切断した断面を示す。図３に示すように、ＭＥＡ２、セパレータ３、ＭＥＡ２、セパレータ３、ＭＥＡ２の順に積層されている。ＭＥＡ２は、プロトン（イオン）伝導性をもつ電解質膜２０と、電解質膜２０を厚み方向に挟むカソード２１およびアノード２２と有する。

図３に示すように、セパレータ３は第１セパレータ３１と第２セパレータ３２とを積層状態に接合させて形成されている。第１セパレータ３１はＭＥＡ２のカソード２１に対面しており、カソード２１に接触する複数の凸壁３１ｐと、隣接する凸壁３１ｐ間に形成されＭＥＡ２のカソード２１に供給させるカソードガスを流すカソードガス通路４１を形成する複数の凹壁３１ｖと有する。図３に示すように、第２セパレータ３２はＭＥＡ２のアノード２２に対面しており、ＭＥＡ２のアノード２２に接触する複数の凸壁３２ｐと、隣接する凸壁３２ｐ間に形成されアノード２２に供給させるアノードガスを流すアノードガス通路４２を形成する複数の凹壁３２ｖと有する。凹壁３１ｖ，３２ｖ同士は互いに積層されている。なお、凹壁３１ｖ，３２ｖ同士は接合等で一体化されていることが好ましい。図３に示すように、互い対向する第１セパレータ３１の凸壁３１ｐと第２セパレータ３２の凸壁３２ｐとによって、断面ハニカム状の第１冷媒通路８１（WaterのＷとして示す）がセパレータ３の内部に形成されている。第１セパレータ３１の凸壁３１ｐと第２セパレータ３２の凸壁３２ｐとによって、断面ハニカム状の第２冷媒通路８２（Ｗバーとして示す）がセパレータ３の内部に形成されている。

本実施形態においても、実施形態１と同様に、図３に示すように、第１冷媒通路８１において冷媒は、第１方向（下向きおよび上向きのうちの一方）に流れる。第２冷媒通路８２において冷媒は、第２方向（下向きおよび上向きのうちの他方）に流れる。このように第１冷媒通路８１および第２冷媒通路８２は、互いに冷媒の流れ方向を逆とさせつつ、ＭＥＡ２を挟んでいる。第１冷媒通路８１および第２冷媒通路８２互いに連通させる連通路８３（図３参照）がセパレータ３１，３２の下部に形成されている。

上記した本実施形態によれば、実施形態１と同様に、第１冷媒通路８１および第２冷媒通路８２は、連通路８３により、互いに直列的な関係で連通している。具体的には、第１冷媒通路８１の終端部８１ｆおよび第２冷媒通路８２の始端部８２ｓは、連通路８３により互いに直列的な関係で連通している。このため本実施形態によれば、特許文献１，２とは異なり、第１冷媒通路８１に冷媒を流す第１ポンプと、第２冷媒通路８２に冷媒を流す第２ポンプとが別途必要とされる不具合はなく、ポンプが共通化される。すなわち、冷媒を流すためのポンプ等の搬送源は１系統分で足りるため、装置の小型化に貢献できる。

（実施形態３）
図４および図５は実施形態３を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成であり、同様の作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。図４はセパレータ３の厚みに沿って切断した断面を示す。図５は第１セパレータ３１、仕切板３５、第２セパレータ３２、ＭＥＡ２の正面図を示す。

図４に示すように、ＭＥＡ２、セパレータ３、ＭＥＡ２、セパレータ３、ＭＥＡ２の順に積層されて、スタック１が構成されている。ＭＥＡ２は、プロトン伝導性をもつ電解質膜２０と、電解質膜２０を厚み方向に挟むカソード２１およびアノード２２と有する。図４に示すように、セパレータ３は、ＭＥＡ２のカソード２１に対面する第１セパレータ３１と、ＭＥＡ２のアノード２２に対面する第２セパレータ３２と、第１セパレータ３１と第２セパレータ３２とに挟持されて接合された仕切板３５とを有する。図４に示すように、第１セパレータ３１は、ＭＥＡ２のカソード２１に接触する複数の凸壁３１ｐと、隣接する凸壁３１ｐ間に形成されＭＥＡ２のカソード２１に供給させるカソードガスを流すカソードガス通路４１を形成する複数の凹壁３１ｖと有する。

第２セパレータ３２は、ＭＥＡ２のアノード２２に接触する複数の凸壁３２ｐと、隣接する凸壁３２ｐ間に形成されアノード２２に供給させるアノードガスを流すアノードガス通路４２を形成する複数の凹壁３２ｖと有する。図４に示すように、凹壁３１ｖ，３２ｖ同士は仕切板３５を介して互いに積層されている。凹壁３１ｖ，３２ｖ同士は仕切板３５を介して接合されていることが好ましい。

図４に示すように、第１セパレータ３１の凸壁３１ｐと仕切板３５とによって、第１冷媒通路８１（Ｗとして示す）がセパレータ３の内部においてカソード２１側に形成されている。第２セパレータ３２の凸壁３２ｐと仕切板３５とによって、第２冷媒通路８２（Ｗバーとして示す）がセパレータ３の内部においてアノード２２側に形成されている。第１冷媒通路８１において、冷媒は第１方向（下向きおよび上向きのうちの一方）に流れる。第２冷媒通路８２において、冷媒は、第１方向とは異なる第２方向（下向きおよび上向きのうちの他方）に流れる。このように第１冷媒通路８１および第２冷媒通路８２は、互いに冷媒の流れ方向を逆とさせつつ、仕切板３５を挟んでいる（図４参照）。

図５に示すように、第１セパレータ３１、仕切板３５、第２セパレータ３２には目印部３ｍが形成されている。目印部３ｍを互いに整合させて同位置となるように、かつ第１セパレータ３１と第２セパレータ３２の冷媒通路面同士が対面するように、第１セパレータ３１、仕切板３５、第２セパレータ３２がＭＥＡ２と共に組み付けられる。図５に示すように、セパレータ３の構成要素のひとつである仕切板３５の下辺３５ｄ側には、連通路８３が仕切板３５をこれの厚み方向に貫通するように形成されている。連通路８３は、第１冷媒通路８１および第２冷媒通路８２を連通させる。具体的には、連通路８３は、第１冷媒通路８１の終端部８１ｆおよび第２冷媒通路８２の始端部８２ｓを直列的に連通させている。ここで、冷媒は、第１冷媒通路８１を図４の紙面垂直方向（第１方向）に沿って蛇行しつつ下向き（矢印Ｄ方向）に流れて終端部８１ｆに至る。その後、冷媒は、第１冷媒通路８１の終端部８１ｆから連通路８３を通過して第２冷媒通路８２の始端部８２ｓに流入し、その後、第２冷媒通路８２を図４の紙面垂直方向（第２方向）に沿って蛇行しつつ上向き（矢印Ｕ方向）流れる。実施形態１と同様に、第２方向は第１方向とは異なる方向であり、一般的には逆方向である。

上記した本実施形態によれば、実施形態１と同様に、第１冷媒通路８１および第２冷媒通路８２は連通路８３により互いに連通している。具体的には、第１冷媒通路８１の終端部８１ｆおよび第２冷媒通路８２の始端部８２ｓは、連通路８３により直列的に互いに連通している。このため、特許文献１，２とは異なり、第１冷媒通路８１に冷媒を流す第１ポンプと、第２冷媒通路８２に冷媒を流す第２ポンプとが別途必要とされる不具合はない。すなわち、冷媒を流すためのポンプ等の搬送源は１系統分で足りるため、装置の小型化に貢献できる。

ここで、本実施形態においても、実施形態１と同様に、温度については、Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３の関係であるため、ＭＥＡ２における面内温度分布のばらつきを低減させるのに有利となる。即ち、スタック１の重力方向の上部では、温度Ｔ１の領域と温度Ｔ３の領域とが存在するため、基本的には、温度Ｔ１と温度Ｔ３との中間を示す温度Ｔ２付近の温度領域となり易い。スタック１の重力方向の下部では、温度Ｔ２の領域と温度Ｔ２の領域とが存在するため、温度Ｔ２付近の温度領域となり易い。このため、スタック１のＭＥＡ２における面内温度分布のばらつきを低減させるのに有利となる。よって、ＭＥＡ２における面内温度分布の均一化に貢献できる。これによりセルの発電の安定性の向上、耐久性の向上が図られる。

（実施形態４）
本実施形態は実施形態１〜３と基本的には同様の構成であり、同様の作用効果を有するため、図１〜図５を準用する。以下、相違する部分を中心として説明する。ＭＥＡ２において、プロトン伝導性をもつ電解質膜２０は、イミダゾール環を有する高分子化合物に、フェニル基を有する官能基で無機酸の水素原子を置換した酸をドープしてなる中温型の固体高分子電解質材料で形成されている。この場合、イミダゾール環を有する高分子化合物がポリベンズイミダゾールであり、かつ無機酸がリン酸である。このようなスタック１の作動温度は１００〜２００℃程度、１３０〜１８０℃程度の中温である。従って、冷媒としては、沸点が高い流体（オイル等）を例示できる。または、配管系の内圧を高めると共に配管系のシール性を高めれば、冷媒として水を用いても良い。水としては、液相および気相が共存する形態、気相で形成されている形態が例示される。本実施形態においても、図１に示すように、冷媒は、入口側マニホルド７１→第１冷媒通路８１の始端部８２ｓ→第１冷媒通路８１の終端部８１ｆ→連通路８３→第２冷媒通路８２の始端部８２ｓ→第２冷媒通路８２の終端部８２ｆ→出口側マニホルド７２の順に直列的に流れる。上記した本実施形態によれば、第１冷媒通路８１の終端部８１ｆおよび第２冷媒通路８２の始端部８２ｓは連通路８３を介して互いに直列的に連通している。具体的には、第１冷媒通路８１の終端部８１ｆおよび第２冷媒通路８２の始端部８２ｓは、互いに直列的に連通している。このため、特許文献１，２とは異なり、第１冷媒通路８１に冷媒を流す第１ポンプと、第２冷媒通路８２に冷媒を流す第２ポンプとが別途必要とされる不具合はない。すなわち、冷媒を流すためのポンプ等の搬送源は１系統分で足りるため、装置の小型化に貢献できる。

本実施形態によれば、第１冷媒通路８１の終端部８１ｆおよび第２冷媒通路８２の始端部８２ｓは連通路８３を介して互いに直列的に連通しているため、冷媒の流れが進行するにつれて、冷媒が受熱する熱量が次第に増加する。ここで、入口側マニホルド７１の冷媒の温度は基本的には温度Ｔ１であり、第１冷媒通路８１の終端部８１ｆや第２冷媒通路８２の始端部８２ｓの温度は、冷媒の受熱が進行するため、温度Ｔ２（Ｔ２＞Ｔ１）である。更に、出口側マニホルド７２の冷媒の温度は、冷媒の受熱が進行するため、基本的には温度Ｔ３（Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３）である。冷媒はオイル系（例えば、シリコーンオイル）とされており、Ｔ１は約１５０℃、Ｔ２は約１６０℃、Ｔ３は約１７０℃であると考えられる。ここで、前述したように、Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３の関係であるため、ＭＥＡ２における面内温度分布のばらつきを低減させるのに有利となる。これによりセルの発電の安定性の向上、耐久性の向上が図られる。

（その他）実施形態１では、第１冷媒通路８１における冷媒の基本流れ方向は下向きであり、第２冷媒通路８２における冷媒の基本流れ方向は上向きとされているが、逆としても良い。カソードガスは上向きに流れても良いし、下向きに流れても良い。アノードガスは上向きに流れても良いし、下向きに流れても良い。実施形態１〜３においても、ＭＥＡ２における電解質膜２０は、イミダゾール環を有する高分子化合物に、フェニル基を有する官能基で無機酸の水素原子を置換した酸をドープしてなる中温型の固体高分子電解質材料で形成されていても良い。冷媒はスタック１の作動温度に応じて変更できる。本発明は上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。

１はスタック、２はＭＥＡ、２０は電解質膜、２１はカソード、２２はアノード、３はセパレータ、３１は第１セパレータ、３２は第２セパレータ、３５は仕切板、４１はカソードガス通路、４２はアノードガス通路、５１は第１アノードマニホルド、５２は第２アノードマニホルド、６１は第１カソードマニホルド、６２は第２カソードマニホルド、７１は入口側マニホルド、７２は出口側マニホルド、８１は第１冷媒通路、８２は第２冷媒通路、８３は連通路を示す。

Claims (4)

1. イオン伝導性をもつ電解質膜をアノードおよびカソードで挟んだ膜電極接合体と、セパレータとを積層した構造をもつ燃料電池スタックにおいて、
   前記セパレータは、
   前記セパレータの厚み方向に貫通すると共に冷媒を通過させる入口側マニホルドと、前記セパレータの厚み方向に貫通すると共に冷媒を通過させる出口側マニホルドと、前記セパレータにおいて形成され前記入口側マニホルドに連通すると共に前記膜電極接合体に沿った第１方向に冷媒を流す第１冷媒通路と、前記セパレータにおいて形成され前記出口側マニホルドに連通すると共に前記膜電極接合体に沿うと共に第１冷媒通路を流れた冷媒を前記第１方向とは異なる第２方向に流す第２冷媒通路と、前記セパレータの厚みに沿って切断した断面において前記第１冷媒通路と前記第２冷媒通路とを連通させるように互いに隣接する前記セパレータを厚み方向に貫通し、且つ、前記第１冷媒通路を流れた冷媒を前記第２冷媒通路に方向転換させる連通路とを具備する燃料電池スタック。
2. 請求項１において、前記連通路は、前記セパレータの厚みに沿って切断した断面において、前記第１冷媒通路の終端部から前記第２冷媒通路の始端部に向けて冷媒をＵターンさせて方向転換させる燃料電池スタック。
3. 請求項１または２において、前記セパレータの厚みに沿って切断した断面において、前記第１冷媒通路と前記第２冷媒通路とは前記膜電極接合体を挟んで互いに対向しており、前記第１冷媒通路における基本流れ方向と前記第２冷媒通路における基本流れ方向とは互いに逆方向である燃料電池スタック。
4. 請求項１または２において、前記セパレータの厚みに沿って切断した断面において、前記セパレータは、前記連通路をもつ仕切板と、前記仕切板を厚み方向に挟持する第１セパレータおよび第２セパレータとを有しており、
   前記第１冷媒通路と前記第２冷媒通路とは、前記連通孔を有する仕切板を挟んで互いに対向しており、前記第１冷媒通路における基本流れ方向と前記第２冷媒通路における基本流れ方向とは互いに逆方向である燃料電池スタック。

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