JP2017188226A - 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の提供。【解決手段】燃料電池セルと、多孔質材のセパレータとが、交互に複数積層された積層体１０と、積層体１０の積層方向に沿った側面１０ａにおける複数のセパレータを覆う第１の冷却水マニホールド１４であって、第１の冷却水マニホールド１４に設けられた供給部１４２を介して供給された冷却水を複数のセパレータそれぞれに供給する第１の冷却水マニホールド１４と、第１の冷却水マニホールド１４から冷却水の一部が供給される外部配管１６と、積層体の側面１０ｂにおける複数のセパレータを覆う第２の冷却水マニホールド１８であって、外部配管１６から供給された冷却水を複数のセパレータそれぞれに供給すると共に、水流路から供給された冷却水の一部を排出部１８４から排出する第２の冷却水マニホールド１８とを備える燃料電池スタック１。【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。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。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。高分子電解質型燃料電池は、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。

高分子電解質型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、高分子電解質膜の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から除去するとともに、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加熱するという課題があった。

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、燃料極および空気極を有する燃料電池セルと、前記燃料極に燃料ガスを供給するための燃料ガス溝を一方の面に、および前記空気極に空気を供給するための空気溝を他方の面に有する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と、前記積層体の積層方向に沿った当該積層体の側面における前記複数のセパレータそれぞれの少なくとも一部の領域を覆う第１の冷却水マニホールドであって、当該第１の冷却水マニホールドに設けられた供給部を介して供給された冷却水を前記複数のセパレータそれぞれに供給する第１の冷却水マニホールドと、前記第１の冷却水マニホールドに一端が接続され、前記冷却水の一部が供給される外部配管と、前記外部配管の他端が接続され、前記積層体の側面における前記複数のセパレータそれぞれの少なくとも一部の領域を覆う第２の冷却水マニホールドであって、前記外部配管から供給された前記冷却水を前記複数のセパレータそれぞれに供給すると共に、前記水流路から供給された前記冷却水の一部を排出部から排出する第２の冷却水マニホールドとを備える。

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ができる。

第１実施形態に係る燃料電池スタックの外観を示す斜視図。 配管の断面を示す模式図。 第１実施形態に係る積層体の積層構造を示す模式図。 燃料電池セルの断面を示す模式図。 セパレータの側面を示す模式図。 第１の冷却水マニホールドの形態を示す図。 第３実施形態に係る燃料電池スタックの外観を示す斜視図。 第３実施形態に係る積層体の積層構造を示す模式図。 セパレータの側面および第２部材に形成された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）
図１は、第１実施形態に係る燃料電池スタック１の外観を示す斜視図である。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、燃料電池スタック１は、積層体１０と、締付板１２と、第１の冷却水マニホールド１４と、配管１６と、第２の冷却水マニホールド１８と、第１の燃料ガスマニホールド２０と、第２の燃料ガスマニホールド２２と、第１の空気マニホールド２４と、第２の空気マニホールド２６とを、備えて構成されている。

ここでは、マニホールド１４、１８、２０、２２、２４、２６を分かり易く表示するために、マニホールド１４、１８、２０、２２、２４、２６と積層体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１４、１８、２０、２２、２４、２６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、ここでのＸ軸方向及び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。

燃料電池セルは、水素を含む燃料ガスと酸素を含む空気との電気化学反応により発電する。積層体１０は、燃料電池セルとセパレータとが交互に複数積層されている。燃料電池セルの発電性能を上げるためには、固体高分子電解質膜の含水率を高くし、固体高分子電解質膜のプロトン抵抗を下げる必要がある。

セパレータとして微細孔を有する導電性多孔質板を適用する。セパレータに供給された冷却水は、その表面から蒸発し、燃料電池セルを加湿する。すなわち、セパレータの表面から蒸発した冷却水は、燃料電池セルの含水率を高めるために使用される。また、セパレータは、冷却水が蒸発する際の蒸発潜熱で積層体１０を冷却する。

一対の締付板１２は、積層体１０の積層方向、つまりＺ軸方向に、面圧を加え、積層体１０を締め付けている。

第１の冷却水マニホールド１４は、積層体１０の積層方向に沿った第１側面１０ａ、すなわち積層体１０の下面に設けられている。第１の冷却水マニホールド１４には、外部から第１の冷却水入口部１４２を介して冷却水が供給される。

第１の冷却水マニホールド１４は、冷却水入口部１４２を介して冷却水を導入する。冷却水マニホールド１４から、冷却水がセパレータの第１側面１０ａ側から供給され、燃料電池セルを加湿する。

ここでの第１の冷却水マニホールド１４は、第１側面１０ａの全体を覆っている。これにより、第１側面１０ａと第１の冷却水マニホールド１４の開口部が接する面積をより広くしている。

第１の冷却水出口部１４４は、第１の冷却水マニホールド１４に設けられ、配管１６が接続されている。配管１６は、さらに第２の冷却水マニホールド１８の第２の冷却水入口部１８２に接続されている。これにより、配管１６は、第１の冷却水出口部１４４から排出された冷却水を第２の冷却水マニホールド１８に供給する。また、配管１６は、燃料電池スタック１の外側を通るように配置されている。

燃料電池スタック１の動作温度はおよそ８０℃である。よって、配管１６には、ステンレス配管、ゴムチューブ、テフロンチューブ、その他の樹脂配管、及び金属配管などの汎用配管を使用可能である。このように、比較的安価な材料の配管１６を用いて燃料電池スタック１を構成することができる。

第２の冷却水マニホールド１８は、積層体１０の積層方向に沿った第２側面１０ｂ、すなわち第１側面１０ａの反対側の側面であり、積層体１０の上面に設けられている。この第２の冷却水マニホールド１８は、積層体１０を構成するセパレータに第２側面１０ｂから冷却水を供給する。すなわち、第２の冷却水マニホールド１８は、その内部に、配管１６から供給される冷却水を蓄積し、開口部を介して冷却水を積層体１０に直接供給する。第２の冷却水マニホールド１８の第２の冷却水出口部１８４から、積層体１０に供給されなかった余剰の冷却水が排出される。

ここでの第２の冷却水マニホールド１８は、第２側面１０ｂの全体を覆っている。これにより、第２側面１０ｂと第２の冷却水マニホールド１８の開口部が接する面積をより広くしている。なお、積層体１０の第２側面１０ｂに複数の冷却水マニホールドを設けてもよい。この場合には、複数の冷却水マニホールドの中の一つの冷却水マニホールドは、第２側面１０ｂの一部の領域を覆う。

第１の燃料ガスマニホールド２０は、積層体１０の積層方向に沿った第３側面１０ｃ、すなわち積層体１０の左面に設けられている。この第１の燃料ガスマニホールド２０は、燃料ガス入口２０２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２２は、積層体１０の積層方向に沿った第４側面１０ｄ、すなわち第３側面１０ｃの反対側の側面であり、積層体１０の右面に設けられている。この第２の燃料ガスマニホールド２２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燃料ガスを燃料ガス出口２２２から排出する。

第１の空気マニホールド２４は、第４側面１０ｄに配置されている。この第１の空気マニホールド２４は、空気入口２４２から供給された空気を積層体１０に供給する。

第２の空気マニホールド２６は、空気出口２６２が形成され、第３側面１０ｃに配置されている。すなわち、第２の空気マニホールド２６は、電気化学反応によって消費されなかった空気を空気出口２６２から排出する。

次に、冷却水の圧力調整について説明する。図２は、配管１６の断面を示す模式図である。燃料電池の運転時には、燃料ガス及び空気の供給を妨げるフラディングと呼ばれる現象が生じる恐れがある。このフラディングを抑制するために、導電性多孔質セパレータを適用した燃料電池スタックにおいては、冷却水の圧力を下げることが有効である。一方、冷却水を導電性多孔質セパレータに積極的に供給するためには、冷却水の圧力を維持する必要もある。つまり、第１の冷却水マニホールド１４内の圧力を第２の冷却水マニホールド１８内の圧力よりも高くする必要がある。

このため、第１の冷却水マニホールド１４と第２の冷却水マニホールド１８とをつなぐ配管１６に圧損部材１６２を設けることで、冷却水の圧力を調整する。

圧損部材１６２は、例えばオリフィス板で構成されている。オリフィス板はドーナツ状の形をした板であり、板の中央部にある穴部を冷却水が通過する。この穴部を冷却水が通過することで冷却水の流速が変化し、圧力が低下する。このように、配管１６に圧損部材１６２を設けることにより、第１の冷却水マニホールド１４と第２の冷却水マニホールド１８との間に圧力差をつけるのである。この圧力差によって、第１の冷却水マニホールド１４からは冷却水を供給することが可能である。さらに、第２の冷却水マニホールド１８は低い圧力に保たれ、フラディングを防止できる。

このように、冷却水の供給に必要とされる圧力と、フラディング現象を抑制するために必要とされる圧力との圧力差を、配管１６に圧損部材１６２を設けることで達成している。なお、本実施形態における第１の冷却水入口部１４２が供給部に対応し、配管１６が水流路に対応し、第２の冷却水出口部１８４が排出部に対応する。

次に、積層体１０の積層構造について説明する。図３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２側面１０ｂを示している。積層体１０は、燃料電池セル１０２と、セパレータ１０４とが、交互に複数積層されて構成されている。

なお、ここでの燃料電池セル１０２およびセパレータ１０４はそれぞれ方形状である。また、燃料電池セル１０２の主面１０２ａおよび主面１０２ｂはＸＹ平面である。同様にセパレータ１０４の主面１０４０ａおよび主面１０４０ｂはＸＹ平面である。

第１セパレータ１０４は、上述の様に導電性多孔質材で形成されている。この導電性多孔質材の細孔に満たされた冷却水が主面１０４ａ、１０４ｂから気化することで、燃料電池セル１０２を主面１０２ａ、１０２ｂから加湿する。すなわち、気化して空孔となった細孔を満たすように、側面１０ａ、１０ｂから供給された冷却水がセパレータ１０４内部を拡散する。そして、細孔を満たした冷却水が再び主面１０４ａ、１０４ｂから気化する。このように、セパレータ１０４は、燃料電池セル１０２を加湿するとともに、蒸発潜熱で冷却される。

次に、燃料電池セル１０２の構成を説明する。図４は、燃料電池セル１０２の断面を示す模式図である。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。

酸化剤極１０２ｄは、高分子電解質膜１０２ｃの一方の主面１０２ａ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の他方の主面１０２ｂ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１０２ｃの一方の主面１０２ａに酸化剤極１０２ｄを他方の主面に燃料極１０２ｅを有して構成されている。

次に、セパレータ１０４の構成を説明する。図５は、セパレータ１０４の側面を積層体の第４側面１０ｄ側から示す模式図である。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。燃料ガス流通路１０４０ａを介して燃料ガスが、燃料電池セル１０２の燃料極１０２ｅに供給される。また、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。これにより、空気が、酸化剤ガス流通路１０４０ｂを介して燃料電池セル１０２の酸化剤極１０２ｄに供給される。

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、セパレータ１０４の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。また、セパレータ１０４は、セパレータ１０４の両方の主面からの水の蒸発潜熱により冷却される。また、上述のように冷却水の圧力は、燃料ガスと空気の圧力よりも低くされている。これにより、生成水や凝縮した水分を導電性多孔質材から除去するとともに、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。

上述したように、第１の燃料ガスマニホールド２０と、第２の空気ガスマニホールド２６とは、積層体１０の第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２２と、第１の空気ガスマニホールド２４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、燃料ガスの入口用の部屋及び出口用の部屋と、空気の入口用の部屋及び出口用の部屋と、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、運転の開始前に第１の冷却水入口部１４２から導入された冷却水は、第１の冷却水マニホールド１４に導入され、配管１６を介して、第１の冷却水マニホールド１４内の空気を第２セパレータ１０４に押し出す。続いて、配管１６を介して供給された冷却水は、第２の冷却水マニホールド１８内の空気を第２の冷却水出口部１８４から押し出す。このように、第１の冷却水入口部１４２の位置よりも、第２の冷却水出口部１８４の位置の方が上方であり、第１の冷却水マニホールド１４内、配管１６内、及び第２の冷却水マニホールド１８内が、冷却水の上昇流で充填される。

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１４に導入された冷却水は、配管１６と第２の冷却水マニホールド１８を通って、第２の冷却水出口部１８４から排出される。すなわち、冷却水は下部に配置された第１の冷却水入口部１４２から、上部に配置された第２の冷却水出口部１８４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１０４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。また、冷却水系は、外部への水漏れを防ぐためのシールが用いられる場合があり、このシールからガスが漏れこむ可能性がある。

この水流路に混入した燃料ガスなどは、冷却水と共に上方に押し出され、第２の冷却水出口部１８４から排出される。このように、冷却水の上昇流にしたがい、溜まった燃料ガスなどが冷却水とともに、排出される。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燃料ガスなどによって、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、冷却水の流れが阻害されることが回避されている。

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、第１の冷却水マニホールド１４から排出された冷却水を第２の冷却水マニホールド１８に配管１６を介して上昇流で供給させることとした。これにより、水流路に混入した燃料ガスなどは、冷却水と共に上方に押し出され、冷却水の流れが阻害されることが回避される。

また、配管１６に圧損要素を設けることとした。これにより、冷却水の供給に必要とされる第１の冷却水マニホールド１４内の圧力と、フラディング現象を抑制するために必要とされる第２の冷却水マニホールド１８内の圧力との圧力差を得ることができる。

（第２実施形態）
第２実施形態に係る冷却水マニホールドに仕切り板を設けことにより、冷却水マニホールド内全体に水流路を構成することで、水流の淀みを減少させ、燃料ガスなどが滞留することを回避しようとしたものである。

図６は、第１の冷却水マニホールド１４の形態を示す図である。第１の冷却水マニホールド１４内に仕切り板１４６が設けられていることで、第１実施形態に係る冷却水マニホールドと相違している。

仕切り板１４２の無い第１の冷却水マニホールド１４の場合、流れの淀んだ領域が生じる。淀みに燃料ガスなどの気泡が滞る場合には、セパレータ１０４への冷却水の供給が妨げられてしまう恐れがある。これに対し、図６の点線の矢印で示すように、第１の冷却水マニホールド１４内に仕切り板１４６を設けることで、冷却水が流れる通路が形成され、冷却水の淀みを低減することが可能である。これにより、燃料ガスなどの気泡の滞留が抑制され、気泡による冷却水の供給阻害が回避される。このため、第１の冷却水マニホールド１４の開口部全面から、セパレータ１０４に冷却水を供給することが可能である。第２の冷却水マニホールド１８も第１の冷却水マニホールド１４と同等の構成であり、水室内に仕切り板１４６が設けられている。

また、淀みを低減することによって、冷却水マニホールド１４、１８内の温度を、より均一化することが可能である。これらのことから分かるように、冷却水マニホールド１４、１８内に冷却水が流れる通路を設けることで、燃料電池スタック１を効率的に冷却し、より安定した状態での運転が可能である。

以上のように、本実施形態に係る燃料電池スタック１は、冷却水マニホールド１４、１８内に仕切り板１４２を設けこととした。これにより、水室内に冷却水が流れる通路が構成され、冷却水の淀みを低減することが可能であり、気泡による冷却水の供給阻害を回避することができる。

（第３実施形態）
第３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セパレータを用いて積層体を構成することにより、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。

図７は、第３実施形態に係る燃料電池スタック１の外観を示す斜視図である。第３実施形態に係る燃料電池スタック１は、配管１６を設ける替わりに、点線で示す水流路１０８が形成されたセパレータ１０６を用いて積層体１０を構成することで、第１実施形態に係る燃料電池スタック１と相違する。

このように、積層体１０には、燃料電池スタック１の積層方向と直交する方向、つまりＸＹ面に沿って、クランク状の水流路１０８が形成されている。すなわち、この水流路１０８は、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。

第１の冷却水マニホールド１４は、第１の冷却水入口部１４２から供給された冷却水を第１側面１０ａから積層体１０に供給し、加湿する。また、冷却に使用されなかった冷却水は、水路１０８を介して、第２の冷却水マニホールド１８に供給される。

第２の冷却水マニホールド１８は、水流路１０８から供給された冷却水を第２側面１０ｂから積層体１０に供給し、加湿する。また、冷却に使用されなかった冷却水を第２の冷却水出口部１８４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８は、第３実施形態に係る積層体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７を参照すると積層体１０の第２側面１０ｂを示している。再び図８に示すように、水路が形成されたセパレータ１０６が積層されていることで、図３に示す積層体１０と相違する。

水流路１０８が形成されたセパレータ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、セパレータ１０６の水流路１０８に冷却水を流すことで、セパレータ１０６を介して積層体１０が冷却される。このため、セパレータ１０６は、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の位置に配置される。

次に、セパレータ１０６の構成を説明する。図９は、セパレータ１０６の側面、および第２部材に形成されたクランク状の水流路１０８を示す模式図である。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。ただし、図９の水流路は１本しか記載していないが、一例であり、複数の水流路を形成することを除外するものでは無い。

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部材は、水流路１０８と、燃料ガス流通路１０６０ａとを形成している。すなわち、第２部材の一方の面には、水流路が形成され、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、セパレータ１０６は、第１部材と第２部材とを張り合わせることで、一方の主面に燃料ガス流通路１０６０ａが形成され、他方の主面に酸化剤ガス流通路１０６０ｂが形成され、主面間に水流路が形成される。

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、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される。さらにまた、冷却水は、実線の矢印で示すように、水流路１０８の入口部１０８ａから供給され、出口部１０８ｂから排出される。これにより、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、冷却水は、水流路１０８からもセパレータ１０４の多孔質材に供給される。これらのことから分かるように、セパレータ１０６の冷却能力は、水流路の形成されていないセパレータ１０４の冷却能力よりも高いのである。

このため、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、水流路１０８の形成されたセパレータ１０４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、水流路１０８を形成したセパレータ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１０に対する冷却能力も調整できるのである。

また、セパレータ１０４の冷却で足りる箇所には、セパレータ１０６を配置しないためセパレータ１０６の使用枚数をより低減させることも可能である。このように、水流路を有するセパレータ１０６を積層体１０に挿入することで、積層体１０の内部での冷却効果が得られる。この水流路１０８の両面の燃料電池セル１０２を冷却する効果を有することから、全セパレータの内の多くとも２分の１をセパレータ１０６にすれば、十分な冷却効果が得られる。

さらにまた、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７および図９を参照して、冷却水の流れについて説明する。まず、運転の開始前に第１の冷却水入口部１４２から導入された冷却水は、第１の冷却水マニホールド１４に導入され、水流路１０８の第１開口部１０８ａを介して排出される。これにより、第１の冷却水マニホールド１４内の空気は、冷却水とともに水流路１０８を通り、第２開口部１０８ｂを介して第２セパレータ１０４に押し出される。そして、水流路１０８の第２開口部１０８ｂを介して供給された冷却水は、第２の冷却水マニホールド１８内の空気を第２の冷却水出口部１８４から押し出す。このように、第１の冷却水入口部１４２の位置よりも、第２の冷却水出口部１８４の位置の方が鉛直上方であり、第１の冷却水マニホールド１４内、水流路１０８内、及び第２の冷却水マニホールド１８内が、冷却水の上昇流で充填される。

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１４に導入された冷却水は、水流路１０８と第２の冷却水マニホールド１８を通って、第２の冷却水出口部１８４から排出される。すなわち、冷却水は下部に配置された第１の冷却水入口部１４２から、鉛直上方に配置された第２の冷却水出口部１８４に向かって上昇流で流れていくのである。このように、冷却水の上昇流にしたがい、溜まった燃料ガスなどが冷却水とともに、排出される。なお、本実施形態における水流路１０８の開口部１０８ａが第１排出部に対応し、水流路１０８の第２開口部１０８ｂが第２供給部に対応する。

また、第３の実施形態においても、第２の実施形態と同様に、冷却水マニホールド１４、１８内に仕切り板１４６が設けることで、冷却水が流れる通路が形成され、冷却水の淀みを低減す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１０８が形成されたセパレータ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。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、冷却水の流れが阻害されることを回避できる。

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、１４：第１の冷却水マニホールド、１６：配管、１８：第２の冷却水マニホールド、２０：第１の燃料ガスマニホールド、２２：第２の燃料ガスマニホールド、２４：第１の空気マニホールド、２６：第２の空気マニホールド、１０２：燃料電池セル、１０４、１０６：セパレータ、１０８：水流路、１４６：仕切り板、１６２：圧損部材

Claims (5)

1. 燃料極および空気極を有する燃料電池セルと、前記燃料極に燃料ガスを供給するための燃料ガス溝を一方の面に、および前記空気極に空気を供給するための空気溝を他方の面に有する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と、
   前記積層体の積層方向に沿った当該積層体の側面における前記複数のセパレータそれぞれの少なくとも一部の領域を覆う第１の冷却水マニホールドであって、当該第１の冷却水マニホールドに設けられた供給部を介して供給された冷却水を前記複数のセパレータそれぞれに供給する第１の冷却水マニホールドと、
   前記第１の冷却水マニホールドに一端が接続され、前記冷却水の一部が供給される外部配管と、
   前記外部配管の他端が接続され、前記積層体の側面における前記複数のセパレータそれぞれの少なくとも一部の領域を覆う第２の冷却水マニホールドであって、前記外部配管から供給された前記冷却水を前記複数のセパレータそれぞれに供給すると共に、前記水流路から供給された前記冷却水の一部を排出部から排出する第２の冷却水マニホールドと、
   を備える燃料電池スタック。
2. 前記配管は、当該配管内に圧損部材を有し、前記第１の冷却水マニホールド内の水圧と前記第２の冷却水マニホールド内の水圧とに圧力差をつける請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 燃料極および空気極を有する燃料電池セルと、前記燃料極に燃料ガスを供給するための燃料ガス溝を一方の面に、および前記空気極に空気を供給するための空気溝を他方の面に有する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、当該セパレータの少なくとも一つは、冷却水水流路が形成されたセパレータである、積層体と、
   前記積層体の積層方向に沿った当該積層体の側面における前記複数のセパレータそれぞれの少なくとも一部の領域を覆う第１の冷却水マニホールドであって、当該第１の冷却水マニホールドに設けられた供給部を介して供給された冷却水を前記複数のセパレータそれぞれに供給する第１の冷却水マニホールドと、
   前記積層体の側面における前記複数のセパレータそれぞれの少なくとも一部の領域を覆う第２の冷却水マニホールドであって、前記水流路から供給された前記冷却水を前記複数のセパレータそれぞれに供給すると共に、前記水流路から供給された前記冷却水の一部を排出部から排出する第２の冷却水マニホールドと、
   を備える燃料電池スタック。
4. 前記第１の冷却水マニホールドは、前記積層体の積層方向に沿った当該積層体の第１側面である下面に配置され、前記第２の冷却水マニホールドは、前記第１側面の反対側の側面である上面に配置される請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
5. 前記第１の冷却水マニホールド内に仕切り板を設けて、前記冷却水マニホールド内の冷却水通路が蛇行する請求項1乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。

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