JP2022144767A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】冷却媒体中のより多くの気泡をバイパス流路に向かわせることができる、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１０の冷却媒体流路６８は、電解質膜電極構造体２８ａの発電部に重なる部分を含んだ発電部冷却流路７０と、セパレータ３０、３２の外周部に設けられたバイパス流路８０と、冷却媒体供給連通孔４４ａからバイパス流路８０を貫通して延び、発電部冷却流路７０と連通する主供給流路８２と、冷却媒体供給連通孔４４ａの重力方向の上方からバイパス流路８０に向けて延びてバイパス流路８０に連通する気泡排出流路９０と、を有し、気泡排出流路９０は、冷却媒体供給連通孔４４ａの重力方向の上方に向かって延びる。
【選択図】図３

Description

本発明は、接合された一対のセパレータの内部に冷却媒体流路が設けられた燃料電池スタックに関する。

一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード電極が、前記固体高分子電解質膜の他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜電極構造体（ＭＥＡ）を備える。

電解質膜電極構造体は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されることにより、発電セル（燃料電池）が構成されている。発電セルは、所定の数だけ積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

燃料電池では、ＭＥＡと一方のセパレータとの間に、一方の反応ガス流路として燃料ガス流路が形成され、ＭＥＡと他方のセパレータとの間に、他方の反応ガス流路として酸化剤ガス流路が形成されている。また、一方のセパレータと他方のセパレータとの間に冷却媒体を流す冷却媒体流路が形成される。

冷却媒体流路を流れる冷却媒体を通じて燃料電池の発電部で発生する熱を取り除き、ＭＥＡの過熱を防いでいる。冷却媒体流路は、厚さが２００μｍ程度と非常に狭いため、冷却媒体に含まれる気泡が冷却媒体流路に残留することがある。気泡が残留すると、冷却媒体流路において局所的な冷却効率が低下し、ＭＥＡに局所的な高温部分が発生し、ＭＥＡを構成する電解質膜の劣化に繋がるおそれがある。

そこで、特許文献１には、発電部よりも重力方向の上方にバイパス流路を設け気泡を多く含み比重の小さい冷却媒体を上方のバイパス流路に流して発電部への流入を防ぐ技術が記載されている。

特開２０１９－１６０５６０号公報

しかしながら、従来の技術では、一部の気泡が冷却媒体の流れに乗って発電部に回り込んでしまうおそれがあり、発電部への気泡の流入防止の点で改善の余地がある。

そこで、一実施形態は、冷却媒体のより多くの気泡をバイパス流路に向かわせることができる、燃料電池スタックを提供することを目的とする。

以下の開示の一観点は、電解質膜電極構造体と、前記電解質膜電極構造体を挟持する一対のセパレータと、を備えた発電セルを複数積層してなる燃料電池スタックであって、隣接する前記セパレータの膨出部分の間に形成される冷却媒体流路と、前記冷却媒体流路に冷却媒体を供給する冷却媒体供給連通孔と、前記冷却媒体流路の前記冷却媒体を排出する冷却媒体排出連通孔と、を有し、前記冷却媒体流路は、前記電解質膜電極構造体の発電部に重なる部分を含んだ発電部冷却流路と、前記セパレータの外周部に設けられ前記セパレータと前記電解質膜電極構造体との間に形成される反応ガス流路を封止する流路シール部の膨出部分の間に形成された、バイパス流路と、前記冷却媒体供給連通孔の前記発電部冷却流路への対向部分から前記バイパス流路を貫通して前記発電部冷却流路に向けて延び、前記冷却媒体供給連通孔と前記発電部冷却流路とを連通する主供給流路と、
前記冷却媒体供給連通孔の重力方向の上方から前記バイパス流路に向けて延びて前記バイパス流路に連通する気泡排出流路と、を有し、前記気泡排出流路は、前記冷却媒体供給連通孔の重力方向の上方に向かって延びる、燃料電池スタックにある。

上記観点の燃料電池スタックによれば、冷却媒体中の気泡をより多くバイパス流路に向かわせることができる。

実施形態に係る燃料電池スタックの斜視図である。 図１の燃料電池（発電セル）の分解斜視図である。 図１のセパレータの一部拡大平面図である。 冷却媒体供給連通孔における冷却媒体の流体力と気泡の浮力との関係を示すグラフである。 比較例に係るセパレータとその気泡の流れを示す説明図である。 比較例に係るセパレータにおける気泡混在領域を示す説明図である。 実施形態に係るセパレータとその気泡の流れを示す説明図である。 実施形態に係るセパレータとその気泡混在領域を示す説明図である。 比較例及び実施形態に係る、冷却媒体中の空気混入率と、セパレータの流路閉塞率と測定結果を示すグラフである。

以下、燃料電池スタックについて好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１に示すように、本発明の一実施形態に係る燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１２（燃料電池）が水平方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体１４を備える。燃料電池スタック１０は、例えば、図示しない燃料電池電気自動車等の燃料電池車両に搭載される。

積層体１４の積層方向の一端（矢印Ａ１方向の端）には、ターミナルプレート１６ａ、インシュレータ１８ａ及びエンドプレート２０ａが外方に向かって、順次、配設される。積層体１４の積層方向の他端（矢印Ａ２方向の端）には、ターミナルプレート１６ｂ、インシュレータ１８ｂ及びエンドプレート２０ｂが外方に向かって、順次、配設される。

エンドプレート２０ａ、２０ｂは、横長（縦長でもよい）の長方形状を有すると共に、各辺間には、連結バー２４が配置される。各連結バー２４は、両端がエンドプレート２０ａ、２０ｂの内側面に固定されており、複数の積層された発電セル１２に積層方向（矢印Ａ方向）の圧縮荷重（締付荷重）を付与する。なお、燃料電池スタック１０は、エンドプレート２０ａ、２０ｂを端板とする筐体を備え、当該筐体内に積層体１４を収容するように構成してもよい。

発電セル１２は、横長の長方形状を有する。発電セル１２は、図２に示すように、樹脂枠付きＭＥＡ２８と、樹脂枠付きＭＥＡ２８を矢印Ａ方向から挟持する第１セパレータ３０及び第２セパレータ３２とを有する。第１セパレータ３０及び第２セパレータ３２は、金属薄板、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属薄板の断面を波形にプレス成形して構成される。

第１セパレータ３０と第２セパレータ３２とは、所定の接合ラインに沿って互いに接合されて接合セパレータ３３を形成する。また、接合セパレータ３３には、第１セパレータ３０の最外周と第２セパレータ３２の最外周とを互いに接合する複数の接合部が接合セパレータ３３の外周に沿って間隔を開けて設けられている。接合ラインは、例えばレーザ溶接された線状の部分である。接合ラインは、ＭＩＧ、ＴＩＧ、シーム溶接、ロウ付け、カシメ等による接合部であってもよい。

図２において、樹脂枠付きＭＥＡ２８は、電解質膜電極構造体２８ａ（以下、「ＭＥＡ２８ａ」という）と、ＭＥＡ２８ａの外周部に接合されると共に該外周部を周回する樹脂枠部材３４（樹脂枠部、樹脂フィルム）とを備える。ＭＥＡ２８ａは、電解質膜３６と、電解質膜３６の一方の面に設けられたカソード電極３８と、電解質膜３６の他方の面に設けられたアノード電極４０とを有する。

電解質膜３６は、例えば、固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）である。固体高分子電解質膜は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である。電解質膜３６は、カソード電極３８及びアノード電極４０に挟持される。電解質膜３６は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用することができる。

詳細は図示しないが、カソード電極３８は、電解質膜３６の一方の面に接合される第１電極触媒層と、当該第１電極触媒層に積層される第１ガス拡散層とを有する。アノード電極４０は、電解質膜３６の他方の面に接合される第２電極触媒層と、当該第２電極触媒層に積層される第２ガス拡散層とを有する。

樹脂枠付きＭＥＡ２８の樹脂枠部は、樹脂枠部材３４を用いることなく、電解質膜３６をカソード電極３８及びアノード電極４０よりも外方に突出させることにより形成してもよい。この場合、電解質膜３６のうちカソード電極３８及びアノード電極４０よりも外方に突出した部分の両側に枠形状のフィルムを設けてもよい。

各発電セル１２の長辺方向の一端縁部（矢印Ｂ１方向の端縁部）には、燃料ガス供給連通孔４６ａ、複数（例えば、２つ）の冷却媒体排出連通孔４４ｂ、第１酸化剤ガス排出連通孔４２ｂ１及び第２酸化剤ガス排出連通孔４２ｂ２が設けられる。図１及び図２に示すように、燃料ガス供給連通孔４６ａ、複数の冷却媒体排出連通孔４４ｂ、第１酸化剤ガス排出連通孔４２ｂ１及び第２酸化剤ガス排出連通孔４２ｂ２は、それぞれ、積層体１４、インシュレータ１８ａ及びエンドプレート２０ａを積層方向に貫通している（ターミナルプレート１６ａを貫通してもよい）。

図２において、燃料ガス供給連通孔４６ａ、複数の冷却媒体排出連通孔４４ｂ、第１酸化剤ガス排出連通孔４２ｂ１及び第２酸化剤ガス排出連通孔４２ｂ２は、矢印Ｃ方向（発電セル１２の短辺に沿った方向）に配列して設けられる。第１酸化剤ガス排出連通孔４２ｂ１及び第２酸化剤ガス排出連通孔４２ｂ２のそれぞれは、一方の反応ガスである酸化剤ガス、例えば、空気を矢印Ａ方向に排出する。燃料ガス供給連通孔４６ａは、他方の反応ガスである燃料ガス、例えば、水素含有ガスを矢印Ａ方向に供給する。冷却媒体排出連通孔４４ｂは、冷却媒体を矢印Ａ方向に排出する。

燃料ガス供給連通孔４６ａは、上下方向に離間して配置された２つの冷却媒体排出連通孔４４ｂの間に配置されている。第１酸化剤ガス排出連通孔４２ｂ１は、上側の冷却媒体排出連通孔４４ｂの上方（矢印Ｃ１方向）に配置されている。第２酸化剤ガス排出連通孔４２ｂ２は、下側の冷却媒体排出連通孔４４ｂの下方（矢印Ｃ２方向）に配置されている。

各発電セル１２の長辺方向の他端縁部（矢印Ｂ２方向の端縁部）には、酸化剤ガス供給連通孔４２ａ、複数（例えば、２つ）の冷却媒体供給連通孔４４ａ、第１燃料ガス排出連通孔４６ｂ１及び第２燃料ガス排出連通孔４６ｂ２が設けられる。図１及び図２に示すように、酸化剤ガス供給連通孔４２ａ、複数の冷却媒体供給連通孔４４ａ、第１燃料ガス排出連通孔４６ｂ１及び第２燃料ガス排出連通孔４６ｂ２は、それぞれ、積層体１４、インシュレータ１８ａ及びエンドプレート２０ａを積層方向に貫通している（ターミナルプレート１６ａを貫通してもよい）。

図２において、酸化剤ガス供給連通孔４２ａ、複数の冷却媒体供給連通孔４４ａ、第１燃料ガス排出連通孔４６ｂ１及び第２燃料ガス排出連通孔４６ｂ２は、矢印Ｃ方向（発電セル１２の短辺に沿った方向）に配列して設けられる。酸化剤ガス供給連通孔４２ａは、酸化剤ガスを矢印Ａ方向に供給する。第１燃料ガス排出連通孔４６ｂ１及び第２燃料ガス排出連通孔４６ｂ２のそれぞれは、燃料ガスを矢印Ａ方向に排出する。冷却媒体供給連通孔４４ａは、冷却媒体を矢印Ａ方向に供給する。

酸化剤ガス供給連通孔４２ａは、上下方向に離間して配置された２つの冷却媒体供給連通孔４４ａの間に配置されている。第１燃料ガス排出連通孔４６ｂ１は、上側の冷却媒体供給連通孔４４ａの上方（矢印Ｃ１方向）に配置されている。第２燃料ガス排出連通孔４６ｂ２は、下側の冷却媒体供給連通孔４４ａの下方（矢印Ｃ２方向）に配置されている。

各発電セル１２には、第１ドレン連通孔４８ａ及び第２ドレン連通孔４８ｂが設けられている。図１及び図２に示すように、第１ドレン連通孔４８ａ及び第２ドレン連通孔４８ｂは、それぞれ、積層体１４、インシュレータ１８ａ及びエンドプレート２０ａを積層方向に貫通している（ターミナルプレート１６ａを貫通してもよい）。

図２において、第１ドレン連通孔４８ａは、発電セル１２の矢印Ｃ２方向の端部（下端部）に位置している。第１ドレン連通孔４８ａは、発電セル１２の長手方向の中央よりも発電セル１２の一端側（矢印Ｂ１方向）にずれて位置している。第１ドレン連通孔４８ａは、第２酸化剤ガス排出連通孔４２ｂ２の下端よりも矢印Ｃ２方向（下方）に位置している。

第１ドレン連通孔４８ａは、インシュレータ１８ｂ又はエンドプレート２０ｂに設けられた図示しない連通路を介して第１酸化剤ガス排出連通孔４２ｂ１及び第２酸化剤ガス排出連通孔４２ｂ２に連通している。すなわち、第１ドレン連通孔４８ａは、発電セル１２の運転時（発電時）に発生した生成水のうち第１酸化剤ガス排出連通孔４２ｂ１及び第２酸化剤ガス排出連通孔４２ｂ２に導かれたものを外部に排出する。

第２ドレン連通孔４８ｂは、発電セル１２の矢印Ｃ２方向の端部（下端部）に位置している。第２ドレン連通孔４８ｂは、発電セル１２の長手方向の中央よりも発電セル１２の他端側（矢印Ｂ２方向）にずれて位置している。第２ドレン連通孔４８ｂは、第２燃料ガス排出連通孔４６ｂ２の下端よりも矢印Ｃ２方向（下方）に位置している。

第２ドレン連通孔４８ｂは、インシュレータ１８ｂ又はエンドプレート２０ｂに設けられた図示しない連通路を介して第１燃料ガス排出連通孔４６ｂ１及び第２燃料ガス排出連通孔４６ｂ２に連通している。すなわち、第２ドレン連通孔４８ｂは、発電セル１２の運転時（発電時）に生成した生成水のうち第１燃料ガス排出連通孔４６ｂ１及び第２燃料ガス排出連通孔４６ｂ２に導かれたものを外部に排出する。

以下の説明では、酸化剤ガス供給連通孔４２ａ、第１酸化剤ガス排出連通孔４２ｂ１、第２酸化剤ガス排出連通孔４２ｂ２、冷却媒体供給連通孔４４ａ、冷却媒体排出連通孔４４ｂ、燃料ガス供給連通孔４６ａ、第１燃料ガス排出連通孔４６ｂ１、第２燃料ガス排出連通孔４６ｂ２、第１ドレン連通孔４８ａ及び第２ドレン連通孔４８ｂを、単に連通孔５０ということがある。

連通孔５０の配置、形状及び大きさは、本実施形態に限定されるものではなく、要求される仕様に応じて、適宜設定すればよい。

図２に示すように、発電セル１２の第１セパレータ３０と、これに隣接する他の発電セル１２の第２セパレータ３２とが積層されて、溶接やカシメ等の方法で接合されて接合セパレータ３３が構成される。

第１セパレータ３０の電解質膜電極構造体２８ａに向き合う面（以下、「表面３０ｂ」という。）には、連通孔５０の周囲を個別に周回する第１連通孔シール部５４と、第１セパレータ３０の外周部に沿って設けられた第１流路シール部５６と、反応部に燃料ガスを流す流路突起５２と、が膨出形成されている。第１セパレータ３０と電解質膜電極構造体２８ａとの間には、燃料ガスが流通する燃料ガス流路６４が形成される。燃料ガス流路６４は、第１セパレータ３０の外周部に設けられた流路シール部によって封止される。

また、第２セパレータ３２の電解質膜電極構造体２８ａに向き合う面（以下、「表面３２ｂ」という。）には、連通孔５０の周囲を個別に周回する第２連通孔シール部６０と、第２セパレータ３２の外周部に沿って設けられた第２流路シール部６２と、反応部の酸化剤ガスの流動方向に沿って延びた複数の流路突起５８とが膨出形成されている。第２セパレータ３２と、電解質膜電極構造体２８ａとの間には、酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス流路が形成される。酸化剤ガス流路は、第２セパレータ３２の外周部に設けられた第２連通孔シール部６０によって封止される。

接合セパレータ３３において、第１セパレータ３０の第１連通孔シール部５４は第２セパレータ３２の第２連通孔シール部６０と対向配置され、第１セパレータ３０の第１流路シール部５６は第２セパレータ３２の第２流路シール部６２と対向配置される。また、第１セパレータ３０の流路突起５２と第２セパレータ３２の流路突起５８とが、互い位に対向配置される。接合セパレータ３３において、第１セパレータ３０の膨出部分と、第２セパレータ３２の膨出部分との間には、冷却媒体が流れる冷却媒体流路６８が形成される。

以下、冷却媒体流路６８についてさらに説明する。

図３に示すように、第１セパレータ３０の第２セパレータ３２に対向する面（以下、「内面３０ａ」という。）には、表面３０ｂ側の膨出部分に対応する部分が凹んでおり、その一部が冷却媒体流路６８を構成する。冷却媒体流路６８は、電解質膜３６の発電部と重なる位置に設けられた発電部冷却流路７０を有している。発電部冷却流路７０には、流路突起５２の内側に設けられた流路溝７４が矢印Ｂ方向に延びて複数本設けられている。

隣接する流路溝７４の間には、平坦部７６が設けられている。平坦部７６は対向する第２セパレータ３２の平坦部７６と当接して流路溝７４の側部を閉塞する。流路溝７４及び平坦部７６により、発電部冷却流路７０の発電部対応領域７２が構成される。発電部対応領域７２の矢印Ｂ２方向側の端部には、バッファ部７８が設けられている。バッファ部７８は凹状に形成される。バッファ部７８には、冷却媒体を流路溝７４に分配する突起部７８ａが複数設けられている。バッファ部７８は、発電部対応領域７２の矢印Ｂ１方向側の端部にも設けられている。

冷却媒体流路６８は、さらに、バイパス流路８０と、周回流路８６と、主供給流路８２と、気泡排出流路９０と、主排出流路８８（図２参照）を有する。バイパス流路８０は、第１セパレータ３０の第１流路シール部５６を構成する膨出部分及び第２セパレータ３２の第２流路シール部６２（図２参照）を構成する膨出部分の間に形成される。図３に示すように、バイパス流路８０は、第１セパレータ３０（及び第２セパレータ３２）の外周部に沿って設けられており、発電部を迂回して配置されている。但し、バイパス流路８０の矢印Ｂ２側の端部は、連通孔５０のうち、反応ガスを通す酸化剤ガス供給連通孔４２ａ、第１燃料ガス排出連通孔４６ｂ１、及び第２燃料ガス排出連通孔４６ｂ２の外周側を通り、かつ、２つの冷却媒体供給連通孔４４ａの内周側（発電部側）を通るように配置されている。したがってバイパス流路８０の矢印Ｂ２側の端部は、２つの冷却媒体供給連通孔４４ａと他の連通孔５０との間を縫うように蛇行している。

また、図２に示すように、バイパス流路８０の矢印Ｂ１側の端部は、連通孔５０のうち、燃料ガス供給連通孔４６ａ、第１酸化剤ガス排出連通孔４２ｂ１、第２酸化剤ガス排出連通孔４２ｂ２の外周側を通り、かつ、２つの冷却媒体排出連通孔４４ｂの内周側を通るように配置されている。したがって、バイパス流路８０の矢印Ｂ１側の端部は、２つの冷却媒体排出連通孔４４ｂと他の連通孔５０との間を縫うように蛇行している。

図３に示すように、本実施形態では、発電セル１２の矢印Ｂ２側の端部において、２つの冷却媒体供給連通孔４４ａが設けられており、各々の冷却媒体供給連通孔４４ａは、上下方向に並んだ３つの反応ガス用の連通孔５０の間に配置されている。そのため、バイパス流路８０は、冷却媒体供給連通孔４４ａに隣接する連通孔５０を外側に迂回する連通孔迂回部９４を有している。図２に示すように、矢印Ｂ１側には、２つの冷却媒体排出連通孔４４ｂが設けられており、冷却媒体排出連通孔４４ｂの近傍にも、上下方向に隣接する反応ガスの連通孔５０を迂回する連通孔迂回部９４が設けられている。

図３に示すように、周回流路８６は、２つの冷却媒体供給連通孔４４ａの周りを別個に周回して設けられた流路である。周回流路８６は、第１セパレータ３０の第１連通孔シール部５４（図２参照）を構成する膨出部分の内側と、第２セパレータ３２の第２連通孔シール部６０（図２参照）を構成する膨出部分の内側とに形成された流路である。周回流路８６は、図２に示す２つの冷却媒体排出連通孔４４ｂの周りにも設けられている。周回流路８６は、バイパス流路８０より冷却媒体供給連通孔４４ａ又は冷却媒体排出連通孔４４ｂに近接して配置されている。周回流路８６は、主供給流路８２及び主排出流路８８（図２参照）を通じて発電部冷却流路７０及びバイパス流路８０に連通する。

図３に示すように、主供給流路８２は、冷却媒体供給連通孔４４ａの発電部への対向部分から、発電部冷却流路７０に向けて延びている。主供給流路８２は、矢印Ｂ方向に延びている。本実施形態では、複数本の主供給流路８２が、上下方向に離間して複数設けられており、主供給流路群８４を構成する。主供給流路８２は、バイパス流路８０を矢印Ｂ方向に貫通する。主供給流路８２は、冷却媒体供給連通孔４４ａと、バイパス流路８０と、発電部冷却流路７０とを流体的に連通させる。

図２に示すように、主排出流路８８は、冷却媒体排出連通孔４４ｂの発電部に対向する側部から、発電部に向けて延びている。主排出流路８８は、複数本設けられている。複数本の主排出流路８８により主排出流路群８９が構成される。

図３に示すように、気泡排出流路９０は、冷却媒体供給連通孔４４ａの重力方向の上方からバイパス流路８０に向けて延び、冷却媒体供給連通孔４４ａとバイパス流路８０とを連通させる。気泡排出流路９０は、冷却媒体供給連通孔４４ａの発電部に対向する側部から離間した部位に設けられており、主供給流路８２に対して上方に向けて３０°以上傾いている。気泡排出流路９０の傾斜角度が重力方向に接近する程、気泡排出流路９０の内部の冷却媒体の矢印Ｂ１方向の流速ｖが減少する。また、気泡排出流路９０と主供給流路８２との距離Ｌを大きくとることができ、バイパス流路８０を通じた気泡の逆流を防止できて好適である。

気泡排出流路９０は、冷却媒体供給連通孔４４ａに対して上方に隣接する連通孔５０（第１燃料ガス排出連通孔４６ｂ１）に向かって延びておりバイパス流路８０の連通孔迂回部９４の第１合流部９２ａにおいてバイパス流路８０に合流する。バイパス流路８０は、主供給流路８２から主排出流路８８に向かって冷却媒体が流れるが、第１合流部９２ａが設けられた連通孔迂回部９４は、主供給流路８２の冷却媒体の流動方向である矢印Ｂ１方向とは逆の矢印Ｂ２方向に冷却媒体が流動する部分となっている。気泡は、連通孔迂回部９４の流れに乗って排出されるため、発電部冷却流路７０への気泡の流入を防止できる。

気泡排出流路９０とバイパス流路８０とが合流する第１合流部９２ａと、主供給流路群８４の上端の主供給流路８２とバイパス流路８０とが合流する第２合流部９２ｂとの距離Ｌは、主供給流路群８４に含まれる主供給流路８２の間隔よりも広い。

本実施形態において、気泡排出流路９０は、冷却媒体供給連通孔４４ａと周回流路８６とを結ぶ第１経路９０ａと、周回流路８６とバイパス流路８０とを結ぶ第２経路９０ｂとにより構成される。第２経路９０ｂは、第１経路９０ａよりも発電部から離れた矢印Ｂ２側（外側）に配置されている。

図３に示す例では、気泡排出流路９０を上側の冷却媒体供給連通孔４４ａにのみ設けているが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、下側の冷却媒体供給連通孔４４ａに気泡排出流路９０を設けてもよい。

発電部冷却流路７０への気泡の流入を防ぐ観点からは、冷却媒体供給連通孔４４ａから主供給流路８２への冷却媒体の流体力（噴流力）が気泡の浮力よりも小さい範囲とする方が、気泡の上方への分離が進む。冷却媒体の流体力は、冷却媒体の密度ρと、主供給流路８２の断面積Ｓと、冷却媒体の流速ｖの二乗と、の積により求まり、図４に示されるように、流速ｖの増加にしたがって増大する。流体力が気泡の浮力よりも小さい範囲となるように、主供給流路８２で圧損を生じさせるように構成されている。このような圧損を発生させる観点から、主供給流路８２は、流体力が冷却媒体の気泡の浮力よりも小さい範囲となるように、断面積Ｓを小さくすると共に長さを長くとることが好ましい。

本実施形態の燃料電池スタック１０は以上のように構成され、以下その作用について説明する。

実施形態の燃料電池スタック１０の説明に先立って比較例について説明する。図５に示す比較例に係る接合セパレータ３３では、冷却媒体流路６８において、気泡排出流路９０Ａが主供給流路８２の近傍に設けられている。比較例に係る気泡排出流路９０Ａでは、矢印に示すように、バイパス流路８０に流入した気泡の一部が主供給流路８２側に流れ込んで発電部冷却流路７０に入り、流路溝７４を気泡が閉塞してしまう。

図６に示すように、比較例の場合、発電部冷却流路７０の広い範囲に気泡が入り込んでしまう。

一方、図７に示す本実施形態に係る接合セパレータ３３では、気泡排出流路９０が上方に隣接する連通孔５０に向けて延びており、気泡排出流路９０と主供給流路８２との距離Ｌが比較例の場合よりも大きくとられている。さらに、気泡排出流路９０は矢印Ｂ１方向への流速成分が低くなる向きでバイパス流路８０に接続されている。そのため、気泡排出流路９０からバイパス流路８０に流入した気泡は、バイパス流路８０の流れに乗って矢印に示すように、浮力によって上方に向けて流れて行く。また、気泡排出流路９０と主供給流路８２との距離Ｌが大きいことと、矢印Ｂ１方向の流速が小さいことにより、バイパス流路８０における逆流を防止でき、主供給流路８２への気泡の流入を抑制できる。

そのため、主供給流路８２を通じて発電部冷却流路７０に流れ込む冷却媒体の気泡の混入を防ぐことができ、流路溝７４の閉塞を防ぐことができる。

図８に示すように、本実施形態によれば、発電部冷却流路７０の上端付近の限られた部分に気泡が混在するだけであり、比較例に比べて気泡混在領域が大幅に減少する結果が得られる。

比較例及び本実施形態について、空気を混入させた冷却媒体を流した際の、流路溝７４の気泡による閉塞率の測定を行った結果を図９に示す。図示のように、比較例及び実施形態において、冷却媒体中の空気の混入率の増大に伴って、流路閉塞率が増大している。本実施形態によれば、空気混入率が増大した場合であっても、比較例の結果よりも流路閉塞率が抑制される結果が得られた。

本実施形態の燃料電池スタック１０は、以下の効果を奏する。

本実施形態は、電解質膜電極構造体２８ａと、電解質膜電極構造体２８ａを挟持する一対のセパレータ３０、３２と、を備えた発電セル１２を複数積層してなる燃料電池スタック１０であって、隣接するセパレータ３０、３２の膨出部分の間に形成される冷却媒体流路６８と、冷却媒体流路６８に冷却媒体を供給する冷却媒体供給連通孔４４ａと、冷却媒体流路６８の冷却媒体を排出する冷却媒体排出連通孔４４ｂと、を有し、冷却媒体流路６８は、電解質膜電極構造体２８ａの発電部に重なる部分を含んだ発電部冷却流路７０と、セパレータ３０、３２の外周部に設けられセパレータ３０、３２と電解質膜電極構造体２８ａとの間に形成される反応ガス流路を封止する流路シール部の膨出部分の間に形成された、バイパス流路８０と、冷却媒体供給連通孔４４ａの発電部冷却流路７０へ対向部分からバイパス流路８０を貫通して発電部冷却流路７０に向けて延び、冷却媒体供給連通孔４４ａと発電部冷却流路７０とを連通する主供給流路８２と、冷却媒体供給連通孔４４ａの重力方向の上方からバイパス流路８０に向けて延びてバイパス流路８０に連通する気泡排出流路９０と、を有し、気泡排出流路９０は、冷却媒体供給連通孔４４ａの重力方向の上方に向かって延びる。

上記の構成によれば、気泡排出流路９０が上方を向いているため、冷却媒体中の気泡を、その浮力を生かしてバイパス流路８０に流すことができる。バイパス流路８０は、冷却媒体供給連通孔４４ａと冷却媒体排出連通孔４４ｂとの圧力差によって、発電部を迂回しつつ気泡が混入した冷却媒体を冷却媒体排出連通孔４４ｂに流すことができる。また、気泡排出流路９０が上方の連通孔５０に向くため、バイパス流路８０に沿った主供給流路８２までの距離Ｌが大きくなるため、気泡排出流路９０からバイパス流路８０に流れ込んだ冷却媒体の逆流を防ぐことができ、主供給流路８２を通じた気泡の混入をより効果的に防止できる。

上記の燃料電池スタック１０において、主供給流路８２は、複数本設けられて主供給流路群８４を構成し、気泡排出流路９０とバイパス流路８０とが合流する第１合流部９２ａと、主供給流路群８４の上端の主供給流路８２とバイパス流路８０とが合流する第２合流部９２ｂとの距離Ｌは、主供給流路群８４に含まれる主供給流路８２の間隔よりも広く形成されている。この構成によれば、主供給流路８２と気泡排出流路９０のバイパス流路８０に沿った距離Ｌが大きくなるため、バイパス流路８０内を気泡が逆流して主供給流路８２側に回り込むことを防止でき、発電部冷却流路７０への気泡の混入を抑制できる。

上記の燃料電池スタック１０において、気泡排出流路９０は主供給流路８２の方向に対して重力方向上方に向けて３０°以上傾斜してもよい。この構成によれば、気泡の浮力を利用して気泡排出流路９０において効率よく気泡が混入した冷却媒体を流すことができる。

上記の燃料電池スタック１０において、気泡排出流路９０は冷却媒体供給連通孔４４ａの重力方向の上方に隣接する連通孔５０に向かうように延びてもよい。

上記の燃料電池スタック１０であって、バイパス流路８０は、冷却媒体供給連通孔４４ａの重力方向上方に隣接する連通孔５０を外側に迂回する連通孔迂回部９４を有し、気泡排出流路９０は、連通孔迂回部９４において発電部冷却流路７０の冷却媒体の流動方向に逆行する逆行部分に接続されてもよい。この構成によれば、バイパス流路８０の気泡の逆流を防止でき、気泡の主供給流路８２への混入を防止できる。

上記の燃料電池スタック１０において、さらに、バイパス流路８０と冷却媒体供給連通孔４４ａとの間に設けられ、冷却媒体供給連通孔４４ａを周回する連通孔シール部５４、６０の膨出部分の間に形成された周回流路８６を有し、気泡排出流路９０は、冷却媒体供給連通孔４４ａと周回流路８６とを繋ぐ第１経路９０ａと、周回流路８６とバイパス流路８０とを繋ぐ第２経路９０ｂとを有し、第２経路９０ｂは、第１経路９０ａよりも外側（発電部から離れる側）に配置されている。この構成によれば、気泡排出流路９０の実質的な傾斜角を鉛直上方に近づけることにより、気泡の浮力を生かして気泡の排出をさらに効率よく行える。また、気泡排出流路９０と主供給流路８２との距離Ｌが大きくなるため、逆流による気泡混入を防止できる。

上記の燃料電池スタック１０において、主供給流路８２の断面積Ｓは、冷却媒体供給連通孔４４ａから前記主供給流路８２に向けた流体力よりも冷却媒体供給連通孔４４ａの内部の気泡の浮力の方が大きくなる流速ｖを維持する範囲に制限されてもよい。ここで、気泡の浮力とは、発電部冷却流路７０の流路溝７４を閉塞する可能性が有る所定サイズよりも大きい気泡を対象とした浮力である。冷却媒体供給連通孔４４ａから主供給流路８２に向かう流速ｖは、図４に基づいて、例えば０．１７ｍ／秒以下とすることができる。この構成によれば、冷却媒体供給連通孔４４ａの内部で気泡の分離が進み、気泡排出流路９０を通じて効率よく気泡を除去できる。その結果、発電部冷却流路７０への気泡の混入を減らすことができる。

上記の燃料電池スタック１０において、冷却媒体供給連通孔４４ａは、重力方向の上下方向に間隔を開けて複数設けられ、少なくとも最上部の冷却媒体供給連通孔４４ａに気泡排出流路９０が設けられてもよい。この構成によれば、気泡の混入が相対的に多くなる最上部の冷却媒体供給連通孔４４ａについて、気泡の分離及び除去を効率よく行うことができる。

上記において、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改変が可能なことは言うまでもない。

１０…燃料電池スタック １２…発電セル
２８ａ…電解質膜電極構造体 ３０、３２…セパレータ
４４ａ…冷却媒体供給連通孔 ５０…連通孔
６８…冷却媒体流路 ７０…発電部冷却流路
８０…バイパス流路 ８２…主供給流路
８４…主供給流路群 ８６…周回流路
９０…気泡排出流路 ９０ａ…第１経路
９０ｂ…第２経路 ９２ａ…第１合流部
９２ｂ…第２合流部 ９４…連通孔迂回部

Claims (8)

1. 電解質膜電極構造体と、前記電解質膜電極構造体を挟持する一対のセパレータと、を備えた発電セルを複数積層してなる燃料電池スタックであって、
   隣接する前記セパレータの膨出部分の間に形成される冷却媒体流路と、
   前記冷却媒体流路に冷却媒体を供給する冷却媒体供給連通孔と、
   前記冷却媒体流路の前記冷却媒体を排出する冷却媒体排出連通孔と、を有し、
   前記冷却媒体流路は、
   前記電解質膜電極構造体の発電部に重なる部分を含んだ発電部冷却流路と、
   前記セパレータの外周部に設けられ前記セパレータと前記電解質膜電極構造体との間に形成される反応ガス流路を封止する流路シール部の膨出部分の間に形成された、バイパス流路と、
   前記冷却媒体供給連通孔の前記発電部冷却流路への対向部分から前記バイパス流路を貫通して前記発電部冷却流路に向けて延び、前記冷却媒体供給連通孔と前記発電部冷却流路とを連通する主供給流路と、
   前記冷却媒体供給連通孔の重力方向の上方から前記バイパス流路に向けて延びて前記バイパス流路に連通する気泡排出流路と、を有し、
   前記気泡排出流路は、前記冷却媒体供給連通孔の重力方向の上方に向かって延びる、燃料電池スタック。
2. 請求項１記載の燃料電池スタックであって、前記主供給流路は、複数本設けられて主供給流路群を構成し、
   前記気泡排出流路と前記バイパス流路とが合流する第１合流部と、前記主供給流路群の上端の前記主供給流路と前記バイパス流路とが合流する第２合流部との距離は、前記主供給流路群に含まれる前記主供給流路の間隔よりも広い、燃料電池スタック。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池スタックであって、前記気泡排出流路は前記主供給流路の方向に対して重力方向の上方に向けて３０°以上傾斜している、燃料電池スタック。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックであって、前記気泡排出流路は前記冷却媒体供給連通孔の重力方向の上方に隣接する連通孔に向かって延びる、燃料電池スタック。
5. 請求項１～４のいずれか１項に記載の燃料電池スタックであって、
   前記バイパス流路は、前記冷却媒体供給連通孔の重力方向の上方に隣接する連通孔を外側に迂回する連通孔迂回部を有し、
   前記気泡排出流路は、前記連通孔迂回部において前記発電部冷却流路の前記冷却媒体の流動方向に逆行する逆行部分に接続されている、燃料電池スタック。
6. 請求項５記載の燃料電池スタックであって、さらに、前記バイパス流路と前記冷却媒体供給連通孔との間に設けられ、前記冷却媒体供給連通孔を周回する連通孔シール部の膨出部分の間に形成された周回流路を有し、
   前記気泡排出流路は、前記冷却媒体供給連通孔と前記周回流路とを繋ぐ第１経路と、前記周回流路と前記バイパス流路とを繋ぐ第２経路とを有し、前記第２経路は、前記第１経路よりも外側に配置されている、
   燃料電池スタック。
7. 請求項２記載の燃料電池スタックであって、前記主供給流路の断面積は、前記冷却媒体供給連通孔から前記主供給流路に向けた流体力よりも前記冷却媒体供給連通孔の内部の気泡の浮力が大きくなる流速を維持する範囲に制限されている、燃料電池スタック。
8. 請求項１～７のいずれか１項に記載の燃料電池スタックであって、前記冷却媒体供給連通孔は、重力方向の上下方向に間隔を開けて複数設けられ、少なくとも最上部の前記冷却媒体供給連通孔に前記気泡排出流路が設けられている、燃料電池スタック。

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