JP2017188224A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】より効率的に冷却可能な燃料電池スタックを提供するである。【解決手段】本実施形態に係る燃料電池スタックは、燃料電池セルと、多孔質材で構成されたセパレータとが、交互に複数積層された積層体であって、セパレータの少なくとも一つは、当該積層体の積層方向に沿った第１側面から当該第１側面の反対側の側面である第２側面に貫通するＮ箇所の水流路群、ただしＮは２以上の整数、が形成されたセパレータである積層体と、（Ｎ＋１）個の冷却水マニホールドと、を備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、燃料電池スタックに関する。

燃料電池システムは、燃料ガス中の水素と空気中の酸素との結合エネルギーを直接電気に変換する。このため、発電効率が高く、環境性に優れた発電システムである。この燃料電池システムは、一般に燃料電池スタックと、改質器と、制御部と、その他装置とを備えて構成されている。この燃料電池スタックには、燃料電池セルが複数積層されて構成される。改質器からは、水素を含む燃料ガスが作りだされ、燃料電池スタックに供給される。また、燃料電池システム内の各装置は、制御部により制御され、燃料電池スタックの発電で生成される電気、水、および熱は外部に取り出される。燃料電池スタックでは、改質器で作り出された水素を含む燃料ガスが燃料電池セルの燃料極に供給され、空気が燃料電池セルの酸化剤極に供給されて、電気化学反応により発電する。高分子電解質形燃料電池は、この燃料電池セルの電解質としてプロトン伝導性を有する高分子電解質膜が用いられた燃料電池である。

高分子電解質形燃料電池の燃料電池スタックは、高分子電解質膜の両面を燃料極および酸化剤極で挟んで構成される燃料電池セルと、燃料極および酸化剤極に燃料ガスおよび空気を供給するためのガス流路が形成されたセパレータとを、交互に複数積層して構成されている。この燃料電池スタックには、燃料ガス入口マニホールド、燃料ガス出口マニホールド、空気入口マニホールド、および空気出口マニホールドが配置されている。燃料電池システムから供給された燃料ガスおよび空気は、それぞれ燃料ガス入口マニホールドと空気入口マニホールドに導入され、マニホールドに連通したガス流路を通して各セルへと供給される。燃料電池セルにおける反応生成水が蒸発した蒸気と、反応に使われなかったガスは、ガス流路から連通する燃料ガス出口マニホールドおよび空気出口マニホールドへと排出される。

高分子電解質膜のプロトン抵抗は、含水率に反比例する。すなわち、抵抗を小さくし、発電性能を高くするためには、高分子電解質膜を加湿して、含水率を高くする必要がある。この高分子電解質膜を加湿する方法として、燃料ガスあるいは空気中に蒸気を供給する外部加湿方式と、セパレータを介して液体で水を供給する内部加湿方式とが知られている。

また、燃料電池セルの温度を適切な範囲内に維持するために、燃料電池反応での発熱を冷却する必要がある。発電で得られる電気とともに、反応熱も利用するコージェネレーションシステムでは、冷却水を流して燃料電池スタックが冷却され、その冷却水から回収した熱が温水として利用される。この冷却水を流すための水流路はガス流路を有するセパレータの背面に形成され、水流路面を内側にして２枚のセパレータを貼り合せて使用される。

さらにまた、セパレータとして微細孔を有する導電性多孔質板を使用し、各セルに水流路を設けることにより、導電性多孔質板を介して水を燃料電池セルに供給して加湿するとともに、セパレータ表面からの水の蒸発潜熱により冷却する潜熱冷却方法が知られている。この潜熱冷却方法は、燃料ガスと空気の圧力を冷却水の圧力よりも高くすることで、生成水や凝縮した水分を導電性多孔質板により除去するとともに、燃料電池セルの反応面全面での加湿と冷却を実現するものである。

この導電性多孔質板の側面から冷却水を供給する燃料電池スタックが特許文献２に報告されている。上述の水流路を全セルに導入する燃料電池スタックでは、１セルにつきセパレータが２枚必要となり、コスト高になる。これに対して、セパレータ側面から冷却水を供給すれば、水流路は必要無いため、セパレータのコストを削減することが可能である。

特表平１１−５０８７２６号公報 特許第４７３８９７９号公報

導電性多孔質板の側面から冷却水を供給する燃料電池スタックでは、冷却水は、まず燃料電池スタックの長方形のセパレータの長辺に接する面に配置される冷却水マニホールドに導入される。セパレータの側面から燃料電池セルに供給される水以外の冷却水は、燃料電池スタックの両端のエンドプレートに形成される流路を通り、対面に配置される冷却水出口マニホールドから燃料電池スタック外に排出される。

しかしながら、エンドプレートに水流路を形成する構造は複雑であり、加工が難しいという課題があった。更に、燃料電池スタックの両端に近いセルの冷却はできるものの、中央のセルでは除熱が不十分で、中央のセルと両端に近いセルに温度差が生じる課題があった。

本発明が解決しようとする課題は、より効率的に冷却可能な燃料電池スタックを提供することである。

本実施形態に係る燃料電池スタックは、燃料電池セルと、多孔質材で構成されたセパレータとが、交互に複数積層された積層体であって、前記セパレータの少なくとも一つは、当該積層体の積層方向に沿った第１側面から当該第１側面の反対側の側面である第２側面に貫通するＮ箇所の水流路群、ただしＮは２以上の整数、が形成されたセパレータである、積層体と、（Ｎ＋１）個の冷却水マニホールドと、を備える。

本発明によれば、燃料電池スタックをより効率的に冷却できる。

燃料電池スタックの外観を示す模式図。 積層体の積層構造を示す模式図。 燃料電池セルの断面図を示す模式図。 第１セパレータの側面を示す模式図。 第２セパレータの側面および第２部材の一方の面に形成された水流路を示す模式図。 冷却水マニホールドの断面と第２部材の一方の面に形成される水流路群を示す模式図。 第２部材の一方の面に形成されるクランク状の水流路を示す模式図。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
第１実施形態に係る燃料電池スタックは、水流路が形成された第２セパレータを用いて積層体を構成することにより、水流路を介してより効率的な燃料電池スタックの冷却を可能にしようとしたものである。

第１実施形態に係る燃料電池スタック１の構成を説明する。図１は、燃料電池スタック１の外観を示す模式図である。第１実施形態に係る燃料電池スタック１は、燃料電池セルにおける電気化学反応により発電する装置である。すなわち、この燃料電池スタック１は、積層体１０と、第１の冷却水マニホールド１２と、第２の冷却水マニホールド１４と、第３の冷却水マニホールド１６と、第４の冷却水マニホールド１８と、第５の冷却水マニホールド２０と、第６の冷却水マニホールド２２と、第１の燃料ガスマニホールド２４と、第２の燃料ガスマニホールド２６と、第１の空気マニホールド２８と、第２の空気マニホールド３０とを、備えて構成されている。ここでは、マニホールドを分かり易く表示するために、積層体１０との間に隙間を開けて例示しているが、実機ではマニホールドを積層体１０に接するように取り付けて使用する。以後の説明ではＸ、Ｙ、Ｚで示す座標系を参照して説明する場合がある。なお、ここでは、Ｚ軸方向は水平方向と一致し、Ｙ軸方向は鉛直方向と一致している。

積層体１０は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む空気の電気化学反応により発電する。この積層体１０には、燃料電池スタック１の積層方向、すなわちＺ軸に沿った第１側面１０ａと、第１側面１０ａの反対側の第２側面１０ｂと、の間を貫通する複数の水流路が形成されている。積層体１０は一対の締付板１１に挟まれ、タイロッドあるいはバンド（図には記載されていない）によって、積層方向に荷重をかけて締め付けられる。

冷却水マニホールド１２、１４、１６、１８、２０、２２は、第１側面１０ａと第２側面１０ｂとに設けられ、積層体１０を加湿するとともに冷却するために用いる冷却水を供給し排出する。また、これらの冷却水マニホールド１０、１２、１４、１６、１８、２０、２２は、積層体１０内に形成された水流路を介して冷却水を供給するとともに排出する。すなわち、点線の矢印で示すように、第１の冷却水マニホールド１２に冷却水入口１２２から導入された冷却水は、冷却水マニホールド１２、１４、１６、１８、２０、２２と積層体１０内の水流路とを交互に通って、第６の冷却水マニホールド２２の冷却水出口２２２から排出される。

第１の燃料ガスマニホールド２４は、水素を含む燃料ガスの入口である燃料ガス入口２４２が形成され、燃料電池スタック１の積層方向、すなわちＺ軸に沿った第３側面１０ｃに配置されている。すなわち、この第１の燃料ガスマニホールド２４は、燃料ガス入口２４２から供給された水素を含む燃料ガスを積層体１０に供給する。

第２の燃料ガスマニホールド２６は、燃料ガス出口２６２が形成され、第３側面１０ｃの反対側の側面である第４側面１０ｄに配置されている。すなわち、この第２の燃料ガスマニホールド２６は、積層体１０内の電気化学反応によって消費されなかったガスを燃料ガス出口２６２から排出する。

第１の空気ガスマニホールド２８は、酸化剤ガス入口２８２が形成され、第４側面１０ｄに配置されている。すなわち、この第１の空気ガスマニホールド２８は、酸化剤ガス入口２８２から供給された空気を積層体１０に供給する。

第２の空気ガスマニホールド３０は、空気ガス出口３０２が形成され、第３側面１０ｃに配置されている。すなわち、この第２の空気ガスマニホールド３０は、電気化学反応によって消費されなかった空気を空気ガス出口３０２から排出する。

次に、積層体１０の積層構造について説明する。図２は、積層体１０の積層構造を示す模式図である。ここでは、積層体１０のＸＺ平面、すなわち図１を参照すると積層体１０の第３側面１０Ｃを示している。図２に示すように、積層体１０は、燃料電池セル１０２と、多孔質材で構成されたセパレータ１０４、１０６とが、交互に複数積層されて構成されている。燃料電池セル１０２は、供給された燃料ガス中の水素と空気中の酸素との電気化学反応により電気化学反応によって電気、水、および熱を生成する。

第１セパレータ１０４は、多孔質材で形成されている。この多孔質材の細孔に満たされた冷却水が蒸発することで、燃料電池セル１０２が加湿されるとともに冷却される。この多孔質材は、例えば導電性多孔質材である。

第２セパレータ１０６は、多孔質材で形成されている。この多孔質材の細孔に満たされた冷却水が蒸発することで、燃料電池セル１０２が加湿されるとともに冷却される。この多孔質材は、例えば導電性多孔質材である。また、第２セパレータ１０６には、複数の水流路が形成されている。これにより、冷却水を複数の水流路に流すことで、第２セパレータ１０６を介して積層体１０が冷却される。このため、第２セパレータ１０６は、第１セパレータ１０４だけでは、除熱が不十分で、加熱が生じ得る積層体１０内の位置に配置される。

なお、ここでの燃料電池セル１０２およびセパレータ１０４、１０６はそれぞれ方形状である。また、燃料電池セルの主面１０２ａおよび主面１０２ｂはＸＹ平面である。同様に第１セパレータ１０４の主面１０４ａおよび主面１０４ｂはＸＹ平面であり、第２セパレータ１０６の主面１０６ａおよび主面１０６ｂはＸＹ平面である。

次に、燃料電池セル１０２の構成を説明する。図３は、燃料電池セル１０２の断面図を示す図である。この燃料電池セル１０２は、高分子電解質膜１０２ｃと、酸化剤極１０２ｄと、燃料極１０２ｅと、を備えて構成されている。この高分子電解質膜１０２ｃは、例えばプロトン伝導性を有する高分子電解質膜である。

酸化剤極１０２ｄは、高分子電解質膜１０２ｃの一方の面に形成されている。酸化剤極１０２ｄには、酸素を含む酸化剤ガスとしての空気が供給される。この酸化剤極１０２ｄは、電気化学反応を行う触媒層１０２ｆと、ガス拡散層１０２ｇとによって形成されている。

燃料極１０２ｅは、高分子電解質膜１０２ｃの他方の面に形成されている。燃料極１０２ｅには、水素を含む燃料ガスが供給される。この燃料極１０２ｅは、電気化学反応を行う触媒層１０２ｈと、ガス拡散層１０２ｉとによって形成されている。このように、燃料電池セル１０２は、高分子電解質膜の一方の主面１０２ａに酸化剤極１０２ｄを他方の主面１０２ｂに燃料極１０２ｅを有して構成されているのである。

次に、第１セパレータ１０４の構成を説明する。図４は、第１セパレータ１０４の側面を示す模式図である。第１セパレータ１０４の一方の面には、燃料ガス流通路１０４０ａが形成されている。また、第１セパレータ１０４の他方の面には、酸化剤ガス流通路１０４０ｂが形成されている。

冷却水は、積層体１０の第１側面１０ａおよび第２側面１０ｂ（図１）と直接接触する。そして、点線の矢印で示すように、側面から供給された冷却水が多孔質材の微細孔を介して高分子電解質膜１０２ｃを加湿するとともに、第１セパレータ１０４の両方の主面１０４ａ、１０４ｂからの水の蒸発潜熱により冷却する。また、燃料ガスと空気の圧力は、冷却水の圧力よりも高くされている。これにより、生成水や凝縮した水分を導電性多孔質材により除去するとともに、積層体１０の反応面全面での加湿と冷却を実現するのである。

次に、第２セパレータ１０６の構成を説明する。図５は、第２セパレータ１０６の側面および第２部材１０６４の一方の面に形成された水流路を示す模式図である。第２セパレータ１０６は、第１部材１０６２と第２部材１０６４とを張り合わせて構成されている。

第１部材１０６２は、酸化剤ガス流通路１０６０ｂを形成している。すなわち、第１部材１０６２の一方の面は平面であり、他方の面には、酸化剤ガス流通路１０６０ｂが形成されている。

第２部材１０６４は、複数の水流路１０８、１１０、１１２、１１４、１１６と、燃料ガス流通路１０６０ａとを形成している。すなわち、第２部材１０６４の一方の面には、複数の水流路１０８、１１０、１１２、１１４、１１６が形成され、他方の面には、燃料ガス流通路１０６０ａが形成されている。

このように、第２セパレータ１０６は、第１部材１０６２と第２部材１０６４とを張り合わせることで、一方の主面１０６ａに燃料ガス流通路１０６０ａが形成され、他方の主面１０６ｂに酸化剤ガス流通路１０６０ｂが形成され、主面間に複数の水流路１０８、１１０、１１２、１１４、１１６が形成される。すなわち、Ｘ軸と平行に５本の直線状の水流路１０８、１１０、１１２、１１４、１１６が第２セパレータ１０６に形成される。このように、第１水流路１０８の上方、すなわち鉛直上方に第２水流路１１０、更にその上方に第３水流路１１２が形成されている。更に第３水流路１１２の上方に、第４水流路１１４、および第５水流路１１６が順に形成されている。

また、点線の矢印で示すように、側面から供給された冷却水が多孔質材の微細孔を介して高分子電解質膜１０２ｃを加湿するとともに、第２セパレータ１０６の両方の主面１０６ａ、１０６ｂからの水の蒸発潜熱により冷却する。さらにまた、冷却水は、実線の矢印で示すように、水流路の一方の流路口から供給され、他方の流路口から排出される。これにより、第２セパレータ１０６は、蒸発潜熱により冷却されるとともに、冷却水により直接冷却されるのである。なお、複数の水流路１０８、１１０、１１２、１１４、１１６からも冷却水は第２セパレータ１０６の多孔質材に供給される。このことから分かるように、第２セパレータ１０６の冷却能力は、第１セパレータ１０４の冷却能力よりも高いのである。

上述のように、第２セパレータ１０６は、冷却をより強く行う必要がある領域に配置されている。さらにまた、第２セパレータ１０６の複数の水流路１０８、１１０、１１２、１１４、１１６は、冷却水を供給し排水する流路を形成する。これから分かるように、複数の水流路１０８、１１０、１１２、１１４、１１６を形成した第２セパレータ１０６を積層体１０に積層することで、積層体１０の外に水流路を形成しなくてもよいのである。これにより、積層体１０の構造を直方体に形成できるとともに、積層体に対する冷却能力も調整できるのである。また、複数の水流路１０８、１１０、１１２、１１４、１１６を直線状に形成したため、冷却水に対する抵抗をより低減させるとともに、ガス或いは空気が水流路に溜まることが抑制されるのである。

さらにまた、第１セパレータ１０４の冷却で足りる箇所には、第２セパレータ１０６を配置しないため、第２セパレータ１０６の使用枚数をより低減させることも可能である。第２セパレータ１０６は、第１部材１０６２と第２部材１０６４とを張り合わせて構成されている。このため、加工が容易である。このように、外部流水路が不要であるとともに、製造工程をより単純化可能である。なお、本実施形態では、燃料ガス流通路１０４０ａ、１０６０ａがガス通路に対応し、酸化剤ガス流通路１０４０ｂ、１０６０ｂが空気通路に対応する。

次に図５を参照にしつつ図１に基づいて冷却水マニホールドの詳細について説明する。ここでは、第ｎ水流路は、第ｎの冷却水マニホールドから第（ｎ＋１）の冷却水マニホールドに冷却水を流すように形成されている。

すなわち、第１の冷却水マニホールド１２は、蓄積方向に沿った積層体１０の第１側面１０ａにおける複数のセパレータ１０４、１０６それぞれの少なくとも一部の領域と、第２セパレータ１０６の第１水流路１０８における一方の流路口と、を覆っている。これにより、この第１の冷却水マニホールド１２は、冷却水入口１２２から導入された冷却水を積層体１０および第１水流路１０８における一方の流路口に供給する。

第２の冷却水マニホールド１４は、第１側面１０ａの反対側の側面である第２側面１０ｂにおける複数のセパレータ１０４、１０６それぞれの少なくとも一部の領域と、第１水流路１０８における他方の流路口と、第２水流路１１０における一方の流路口と、を覆っている。これにより、この第２の冷却水マニホールド１４は、第１水流路１０８を介して供給された冷却水を積層体１０および第２水流路１１０における一方の流路口に供給する。

第３の冷却水マニホールド１６は、第１側面１０ａにおける複数のセパレータ１０４、１０６それぞれの少なくとも一部の領域と、第２水流路１１０における他方の流路口と、第３水流路１１２における一方の流路口と、を覆っている。これにより、この第３の冷却水マニホールド１６は、第２水流路１１０を介して供給された冷却水を積層体１０および第３水流路１１２における一方の流路口に供給する。

第４の冷却水マニホールド１８は、第２側面１０ｂにおける複数のセパレータ１０４、１０６それぞれの少なくとも一部の領域と、第３水流路１１２における他方の流路口と、第４水流路１１４における一方の流路口と、を覆っている。これにより、この第４の冷却水マニホールド１８は、第３水流路１１２を介して供給された冷却水を積層体１０および第４水流路１１４における一方の流路口に供給する。

第５の冷却水マニホールド２０は、第１側面１０ａにおける複数のセパレータ１０４、１０６それぞれの少なくとも一部の領域と、第４水流路１１４における他方の流路口と、第５水流路１１６における一方の流路口と、を覆っている。これにより、この第５の冷却水マニホールド２０は、第４水流路１１４を介して供給された冷却水を積層体１０および第５水流路１１６における一方の流路口に供給する。

第６の冷却水マニホールド２２は、第２側面１０ｂにおける複数のセパレータ１０４、１０６それぞれの少なくとも一部の領域と、第５水流路１１６における他方の流路口と、を覆っている。これにより、第６の冷却水マニホールド２２は、第５水流路１１６を介して供給された冷却水を積層体１０に供給し、冷却水出口２２２を介して導出する。

このように、第１側面１０ａの反対側の側面である第２側面１０ｂに貫通するＮ箇所の水流路群、ただしＮは２以上の整数、がセパレータ１０６に形成されている。この場合、（Ｎ＋１）個の冷却水マニホールドが積層体１０の側面１０ａ、１０ｂに配置されている。そして、（Ｎ＋１）個の冷却水マニホールドのそれぞれは順に冷却水が供給され、ｎ（nは、1からNまでの整数）番目の冷却水マニホールドに導入された冷却水は、セパレータ１０６の有する下からｎ番目の水流路群を通って（ｎ＋１）番目の冷却水マニホールドに導入され、（Ｎ＋１）番目の冷却水マニホールドから燃料電池スタック１の外へと供給される。例えばN＝２であれば、冷却水は、3番目の冷却水マニホールドから燃料電池スタック１の外へと排出される。

また、セパレータ１０４、１０６の側面が冷却水に接するのは、冷却水マニホールド１２、１４、１６、１８、２０、２２に面する場所だけである。このため、冷却水マニホールド１２、１４、１６、１８、２０、２２の面積は、セパレータ１０４、１０６の側面との接触面積を増やすため、できるだけ広くする方がより効率的に冷却水を供給可能である。

なお、図１中では冷却水マニホールドは左右３か所ずつに配置されている。ただし、冷却水マニホールドの数は総数３か所以上であれば良く、図１中の６か所に限るものではない。

次に図４および図５を参照にしつつ図１に基づいて燃料ガスマニホールド２４、２６の詳細について説明する。第１の燃料ガスマニホールド２４は、積層体１０のセパレータ１０４、１０６それぞれに形成された燃料ガス流通路１０４０ａ、１０６０ａと連通している。すなわち、この第１の燃料ガスマニホールド２４は、燃料ガス流通路１０４０ａ、１０６０ａを介して燃料電池セル１０２それぞれの燃料極１０２ｅに水素を含む燃料ガスを供給する。

第２の燃料ガスマニホールド２６は、積層体１０のセパレータそれぞれに形成された燃料ガス流通路１０４０ａ、１０６０ａと連通している。すなわち、この第２の燃料ガスマニホールド２６は、燃料電池セル１０２それぞれの燃料極１０２ｅに供給されたガスの中で、電気化学反応によって消費されなかったガスを燃料ガス出口２６２から排出する。

次に図４および図５を参照にしつつ図１に基づいて空気ガスマニホールド２８、３０の詳細について説明する。第１の空気ガスマニホールド２８は、積層体１０のセパレータセパレータ１０４、１０６それぞれに形成された酸化剤ガス流通路１０４０ｂ、１０６０ｂと連通している。すなわち、この第１の空気ガスマニホールド２８は、酸化剤ガス流通路１０４０ｂ、１０６０ｂを介して燃料電池セル１０２それぞれの酸化剤極１０２ｄに空気を供給する。

第２の空気ガスマニホールド３０は、積層体１０のセパレータ１０４、１０６それぞれに形成された酸化剤ガス流通路１０４０ｂ、１０６０ｂと連通している。すなわち、この第２の燃料ガスマニホールド２６は、燃料電池セル１０２それぞれの酸化剤極１０２ｄに供給された空気の中で、電気化学反応によって消費されなかった空気を空気ガス出口３０２から排出する。

上述したように、第１の燃料ガスマニホールド２４と、第２の空気ガスマニホールド３０とは、積層体１０の水平方向に沿った側面のうち第３側面１０ｃに配置されている。また、第２の燃料ガスマニホールド２６と、第１の空気ガスマニホールドとは、第３側面１０ｃの反対側の側面である第４側面１０ｄに配置されている。すなわち、燃料ガスおよび空気の入口と出口用の部屋として計４室が必要であり、対向する面に配置された一対のマニホールドには、それぞれ２室が設けられている。この一対のマニホールドのそれぞれの２室に配置する、燃料ガスおよび空気の入口と出口の組み合わせは、燃料電池セル１０２のセル特性に合わせて選択することが可能である。

以上が燃料電池スタック１の構成の説明であるが、次に図１および図５を参照して、冷却水の流れについて説明する。

まず、運転の開始前に冷却水入口１２２から導入された冷却水は、第１の冷却水マニホールド１２に導入され、第１水流路１０８を介して、第１の冷却水マニホールド１２内の空気を第２セパレータ１０６に押し出す。続いて、第１水流路１０８を介して供給された冷却水は、第２水流路１１０を介して第２の冷却水マニホールド１４内の空気を第３の冷却水マニホールド１６に押し出す。このように、第４の冷却水マニホールド１８内、第５の冷却水マニホールド２０内、および第６の冷却水マニホールド２２内の空気が順に押し出され、全ての冷却水マニホールド内は冷却水で充填される。

次に、通常の運転中は、全ての冷却水マニホールド内が冷却水で充填された状態で、第１の冷却水マニホールド１２に導入された冷却水は、水流路と冷却水マニホールドを交互に通って、第６の冷却水マニホールド２２に配置される冷却水出口２２２から排出される。すなわち、冷却水は最下部に配置された冷却水入口１２２から、最上部に配置された冷却水出口２２２に向かって上昇流で流れていくのである。この場合、セパレータの細孔を通して、燃料ガスあるいは空気が水流路に混入する可能性がある。このとき、水流路中でガスは上方に向かって流されているので、ガスも順に上方に押し出され冷却水出口２２２から排出される。このように、冷却水の上昇流にしたがい、溜まったガスがそのまま冷却水とともに、排出されるのである。一方で、下降流にした場合には、最上部の冷却水マニホールドに溜まったガスによって、冷却水の流れが阻害される恐れがある。しかし、本実施形態に係る冷却水の流れは上昇流であるので、冷却水の流水阻害はより低減されているのである。

一方、セパレータ１０４、１０６の側面から燃料電池セル１０２に供給される水以外の冷却水、すなわち余分な冷却水は、積層体１０の外に排出する必要がある。このため、水流路を有する第２セパレータ１０６は、少なくとも１枚以上が積層体１０に配置される必要である。また、上述のように第２セパレータ１０６に形成された水流路を通る冷却水は燃料電池セル内の電気化学反応で発生する熱を冷却する役割も有している。すなわち、より強く冷却する必要がある位置に第２セパレータ１０６を配置することで、余分な冷却水を排水するとともに、より効率的な冷却が可能となる。なお、第２セパレータ１０６の枚数は、冷却性能によって決めることが可能である。

以上のように、本実施形態に係る燃料電池スタック１によれば、水流路が形成された第２セパレータ１０６を用いて積層体１０を構成することとした。このため、余分な冷却水を排水するとともに、より強く冷却する必要がある位置に第２セパレータ１０６を積層でき、より効率的な冷却を行うことができる。さらにまた、第２セパレータ１０６の水流路１０８〜１１６を介して上昇流で冷却水を積層体１０に供給するようにしたので、水流路１０８〜１１６に混入した燃料ガスあるいは空気による流水阻害をより低減できる。

（第２実施形態）
第１実施形態に係る第２セパレータの水流路は一本で構成されていたのに対して、第２実施形態に係る第２セパレータの水流路は、複数の水流路群で構成されている。以下に第１実施形態と異なる点を説明する。

図６に基づいて第２実施形態に係る第２セパレータ１０６の水路を説明する。図６は、冷却水マニホールドの断面と第２部材１０６４の一方の面に形成される水流路群を示す模式図である。第１水流路１０８は、複数の水路である第１の水流路群１０８ｎで構成されている。すなわち、第１の水流路群１０８ｎは平行な複数の直線状の流路で構成されている。同様に、第２水流路１１０は、複数の水路である第２の水流路群１１０ｎで構成され、第３水流路１１２は、複数の水路である第３の水流路群１１２ｎで構成され、第４水流路１１４は、複数の水路である第４の水流路群１１４ｎで構成され、第５水流路１１６は、複数の水路である第５の水流路群１１６ｎで構成されている。第１の水流路群１０８ｎは最下部に位置し、その上に第２の水流路群１１０ｎが位置する。順に第５の水流路群１１６ｎまでが位置するように構成されている。すなわち、第ｎ群の水流路は、第ｎの冷却水マニホールドと第（ｎ＋１）の冷却水マニホールドとを結ぶように形成される。

これにより、第１の冷却水マニホールド１２に導入された冷却水は、第１の水流路群１０８ｎを介して第２の冷却水マニホールド１４に導入される。更に、第２の水流路群１１０ｎを介して、第３の冷却水マニホールド１６へと導入され、最終的には第６の冷却水マニホールド２２から排出される。すなわち、冷却水は上昇流であり、上述したように水流路群ｎに混入した燃料ガスあるいは空気による流水阻害をより低減できる。

このように、水流路１０８、１１０、１１２、１１４、１１６がそれぞれ、水流路群１０８ｎ、１１０ｎ、１１２ｎ、１１４ｎ、１１６ｎで構成されている。このため、第２セパレータ１０６に流れる冷却水が第２セパレータ１０６に接する面積がより増加している。これにより、第２セパレータ１０６の冷却能力をより向上すさせるとともに、冷却水の排出能力も向上させているのである。なお、冷却水マニホールドを６か所に配置したが、この構成に限るものではない。

以上のように、本実施形態に係る燃料電池スタック１によれば、第２セパレータ１０６の水流路を複数の水路である水流路群１０８ｎ〜１１６ｎで構成することとした。このため、この第２セパレー１０６は、余分な冷却水をより多く排水するとともに、より効率的に冷却ができる。さらにまた、第２セパレータ１０６の水流路群１０８ｎ〜１１６ｎを介して上昇流で冷却水を積層体１０に供給するようにしたので、水流路に混入した燃料ガスあるいは空気による流水阻害をより低減できる。

上述の第２セパレータ１０６の水流路は全て直線状に構成されているが、図７に示すように第２セパレータ１０６の水流路の少なくとも一つをクランク状の水路１１８に形成してもよい。これにより、一方の経路口の位置よりも他方の経路口の位置を上方に構成可能である。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施することが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１：燃料電池スタック、１０：積層体、１２：第１の冷却水マニホールド、１４：第２の冷却水マニホールド、１６：第３の冷却水マニホールド、１８；第４の冷却水マニホールド、２０：第５の冷却水マニホールド、２２：第６の冷却水マニホールド、２４：第１の燃料ガスマニホールド、２６：第２の燃料ガスマニホールド、２８：第１の空気マニホールド、３０：第２の空気マニホールド、１０８：第１水流路、１１０：第２水流路、１１２：第３水流路、１１４：第４水流路、１１６：第５水流路、１０８ｎ：第１の水流路群、１１０ｎ：第２の水流路群、１１２ｎ：第３の水流路群、１１４ｎ：第４の水流路群、１１６ｎ：第５の水流路群

Claims (6)

1. 燃料電池セルと、多孔質材で構成されたセパレータとが、交互に複数積層された積層体であって、前記セパレータの少なくとも一つは、当該積層体の積層方向に沿った第１側面から当該第１側面の反対側の側面である第２側面に貫通するＮ箇所の水流路群、ただしＮは２以上の整数、が形成されたセパレータである、積層体と、
   （Ｎ＋１）個の冷却水マニホールドと、
   を備える燃料電池スタック。
2. 前記ｎ番目（ｎは１からＮの整数）の冷却水群は、第ｎ冷却水マニホールドと第（ｎ＋１）冷却水マニホールドに開口しており、
   第ｎ（nは、1からNの整数）番目の冷却水マニホールドに導入された前記冷却水は前記セパレータの有するｎ番目の水流路を通って第（ｎ＋１）番目の冷却水マニホールドに導入され、第（Ｎ＋１）番目の冷却水マニホールドからスタック外へと排出される請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 第１冷却水マニホールドは前記燃料電池スタックの最下部に位置し、第（Ｎ＋１）冷却水マニホールドが最上部に位置する請求項１又は２に記載の燃料電池スタック。
4. 前記燃料電池セルおよび前記セパレータは方形状であって、
   前記燃料電池セルは、電解質膜の一方の主面に燃料極が形成され、他方の主面に空気極が形成され、
   前記セパレータは、一方の主面に燃料極用のガス通路が形成され、他方の主面に空気極用の空気通路が形成され、
   前記水路が形成されたセパレータには、更に主面間に前記第１側面と前記第２側面とを貫通する複数の水流路が形成されている請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
5. 前記ガス通路を介して前記複数の燃料電池セルのそれぞれに燃料ガスを導入する燃料ガスマニホールドと、
   前記空気通路を介して前記複数の燃料電池セルのそれぞれに空気を導入する空気マニホールドと、を更に備え、
   前記燃料ガスマニホールドおよび前記空気マニホールドは、前記積層体の水平方向に沿った側面のうち第３側面および当該第３側面の反対側の側面である第４側面それぞれに配置されている請求項４に記載の燃料電池スタック。
6. 前記水流路の形成されたセパレータは、二つの部材で形成されている請求項１乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。

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