JP3615508B2 - 燃料電池スタック - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体が、セパレータを介装して複数積層されたサブスタックを有し、前記サブスタックが中間プレートを介装して複数積層されることにより構成される燃料電池スタックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜（電解質）を採用している。この電解質膜の両側に、それぞれ触媒電極と多孔質カーボンからなるアノード側電極およびカソード側電極を対設して構成される接合体（電解質・電極接合体）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持することにより構成される単位セル（単位発電セル）を備え、通常、この単位セルが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用している。
【０００３】
この種の燃料電池スタックにおいて、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、触媒電極上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、上記の燃料電池スタックでは、電解質膜が乾燥すると、高出力密度運転を維持することができなくなり、前記電解質膜を適切に加湿する必要がある。このため、従来から種々の加湿方式が採用されている。例えば、燃料電池スタックの外部にバブラー等の加湿器を備えており、反応ガス（燃料ガス／酸化剤ガス）を加湿して接合体に水分を供給することによって、前記接合体を構成する電解質膜を加湿する外部加湿法や、加湿器（加湿構造）を単位セル内部に備えて前記電解質膜を加湿する内部加湿法や、該内部加湿法に属し該電解質膜の内部における電気化学反応の結果発生した生成水を利用して加湿する自己加湿法等が知られている。
【０００５】
しかしながら、上記の外部加湿法では、燃料電池スタックの外部に付加装置として加湿器が設けられるため、燃料電池全体が大型化してしまい、占有スペースが拡大するという問題が指摘されている。しかも、特に燃料電池の負荷を急激に上昇させた際等に、加湿器の追従性が問題となる場合がある。
【０００６】
また、上記の内部加湿法としては、電解質膜の内部に埋め込まれた吸水糸による加湿法や、アノード側から水透過板を通した加湿法や、電解質膜のアノード側に吸水糸を接触させる加湿法が一般的である。ところが、この種の方式では、何らかの原因で加湿が不十分になった際、適切な補修が困難であるという問題が指摘されている。
【０００７】
さらに、上記の自己加湿法としては、例えば、電解質膜内に白金の微粒子を分散させ、アノード側電極およびカソード側電極から進入してくる水素ガスおよび酸素ガスの反応により前記電解質膜内部から水を生成させる方式や、電解質膜の厚さを非常に薄くしてカソード側電極側で生成される水を拡散させ、アノード側電極側に水を補給する方式が一般的である。しかしながら、この種の方式では、特別な電解質膜を製作しなければならず、コストが高騰するとともに、所望の特性を十分に備えた電解質膜を得ることが困難であるという問題がある。
【０００８】
そこで、例えば、特開平１０−２８４０９５号公報に開示されている固体高分子電解質型燃料電池の技術的思想を、電解質膜の加湿構造として採用することが考えられる。
【０００９】
上記の従来技術では、図１２に示すように、固体高分子電解質型燃料電池を構成するセパレータ１に、反応ガスのガス入口２とガス出口３とが貫通形成されるとともに、このセパレータ１の面内には、前記ガス入口２と前記ガス出口３とに連通するガス通流溝４が形成されている。
【００１０】
セパレータ１には、ガス通流溝４の中間部分に連通する副導入口５が貫通形成されており、ガス入口２からガス通流溝４に導入された反応ガスが、このガス通流溝４を通って消費されるとともに、副導入口５から供給される反応ガスと合流し、ガス出口３から排出されている。
【００１１】
すなわち、この従来技術では、副導入口５から導入される乾燥した反応ガスにより、ガス通流溝４を流れる反応ガスの水蒸気分圧を低下させ、水の凝縮を抑制してガス通流溝４の壁面への凝縮水の付着や滞留を防止し、安定した電池性能を得ることを目的としている。
【００１２】
そこで、上記の従来技術の目的とは異なる使用形態であるが、セパレータ１のガス入口２にガス通流溝４の上流側の反応に必要な量の反応ガスおよび水分を供給するとともに、副導入口５には、前記ガス通流溝４の下流側の反応に必要な量の低加湿の反応ガスを供給することが考えられる。これにより、ガス通流溝４の上流側を流れる際に生成される生成水を使用し、副導入口５から供給される低加湿の反応ガスを加湿することができ、前記ガス通流溝４の下流側に必要量の反応ガスおよび水分を供給することが可能になる。このため、加湿水量の低減を図るとともに、構成の簡素化および小型化が期待される。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のセパレータ１を使用する際、副導入口５からガス通流溝４に、直接、ドライ反応ガス（低加湿の反応ガス）が導入されるため、このガス通流溝４を流れる加湿された反応ガスと前記ドライ反応ガスとが均一に混合されないおそれがある。これにより、ガス通流溝４から発電部に供給される反応ガスの湿度やガス濃度等にばらつきが生じ易く、発電性能が低下するという問題が指摘される。
【００１４】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、未使用の追加反応ガスと使用後の反応ガスとを均一に混合させることができ、簡単な構成で、所望の発電性能を確実に維持することが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池スタックでは、サブスタック間に介装された中間プレートの面内に、反応ガスの供給方向上流側に配置された第１サブスタックの反応ガス出口側連通路と、反応ガス出口側連通路の近傍に設けられた追加反応ガス供給口と、前記反応ガスの供給方向下流側に配置された第２サブスタックの反応ガス入口側連通路とを連通する流路が設けられている。この流路は、追加反応ガス供給口から供給される未使用の追加反応ガスを、反応ガス出口側連通路から供給される使用後の反応ガスと混合させて反応ガス入口側連通路に送るためのガイド部を備えている。
【００１６】
従って、流路に導入された未使用の追加反応ガスと使用後の反応ガスとは、ガイド部の案内作用下に均一に混合されるため、第２サブスタックの反応ガス入口側連通路には、湿度やガス濃度が均一な反応ガスを確実に供給することができる。これにより、簡単な構成で、第２サブスタックの発電性能が有効に向上するとともに、加湿水量全体の低減を容易に図ることが可能になる。
【００１７】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池スタックでは、追加反応ガス供給口が、サブスタック内に電解質・電極接合体の積層方向に連通する連通孔を構成している。このため、未使用の追加反応ガスは、連通孔を介してサブスタック内を通る際、このサブスタックの温度と略同一の温度に調整された後、中間プレートに供給される。従って、混合された反応ガスの温度にばらつきが生じることがなく、発電性能を有効に向上させることができる。
【００１８】
さらに、本発明の請求項３に係る燃料電池スタックでは、流路が、反応ガスである酸化剤ガスを混合する酸化剤ガス混合流路と、前記反応ガスである燃料ガスを混合する燃料ガス混合流路とを備え、前記酸化剤ガス混合流路および前記燃料ガス混合流路が、中間プレートの同一面内に形成されている。これにより、中間プレートの薄肉化が容易に図られる。
【００１９】
さらにまた、本発明の請求項４に係る燃料電池スタックでは、酸化剤ガス混合流路および燃料ガス混合流路が、中間プレートの異なる面内に形成されるため、流路長を有効に長尺化することが可能になり、反応ガスを一層均一に混合することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０の一部分解斜視説明図である。
【００２１】
燃料電池スタック１０は、反応ガスである酸化剤ガスおよび燃料ガスの流れ方向（矢印Ｘ方向）に配列される第１サブスタック１２、第２サブスタック１４および第３サブスタック１６を備え、前記第１乃至第３サブスタック１２、１４および１６間には中間プレート１８ａ、１８ｂが介装される。
【００２２】
第１乃至第３サブスタック１２、１４および１６は、それぞれ所定組数のセルアセンブリ２０を矢印Ｘ方向に重ね合わせて構成されている。図２に示すように、セルアセンブリ２０は、第１単位セル２４と第２単位セル２６とを重ね合わせて構成されており、前記第１および第２単位セル２４、２６は、第１および第２接合体２８、３０を備える。
【００２３】
第１および第２接合体２８、３０は、固体高分子電解質膜（電解質）３２ａ、３２ｂと、前記電解質膜３２ａ、３２ｂを挟んで配設されるカソード側電極３４ａ、３４ｂおよびアノード側電極３６ａ、３６ｂとを有する。カソード側電極３４ａ、３４ｂおよびアノード側電極３６ａ、３６ｂは、それぞれ触媒電極と多孔質カーボンから構成されている。
【００２４】
図２および図３に示すように、第１接合体２８のカソード側電極３４ａ側に第１セパレータ３８が配設され、前記第１接合体２８のアノード側電極３６ａ側と第２接合体３０のカソード側電極３４ｂ側との間に第２セパレータ４０が配設されるとともに、前記第２接合体３０のアノード側電極３６ｂ側に第３セパレータ４２が配設される。第１および第３セパレータ３８、４２の互いに対向する面側には、薄板状の壁板（隔壁部材）４４が介装される。
【００２５】
図２および図４に示すように、第１および第２接合体２８、３０並びに第１乃至第３セパレータ３８、４０および４２の長辺（矢印Ｃ方向）側の一端縁部には、第１および第２単位セル２４、２６の重ね合わせ方向（矢印Ａ方向）に互いに連通して、水素含有ガス等の燃料ガス（反応ガス）を通過させるための燃料ガス入口（反応ガス入口側連通路）４６と、冷却媒体を通過させるための冷却媒体出口４８と、ガス流れ方向上流側の第１単位セル２４で反応に供与された空気等の酸素含有ガスである酸化剤ガス（反応ガス）が排出される中間酸化剤ガス出口５０と、前記中間酸化剤ガス出口５０に連通し、ガス流れ方向下流側の第２単位セル２６に前記酸化剤ガスを導入させる中間酸化剤ガス入口５２とが設けられる。
【００２６】
第１および第２接合体２８、３０並びに第１乃至第３セパレータ３８、４０および４２の長辺側の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口（反応ガス入口側連通路）５６と、ガス流れ方向上流側の第１単位セル２４で反応に供与された燃料ガスが排出される中間燃料ガス出口５８と、前記中間燃料ガス出口５８に連通し、ガス流れ方向下流側の第２単位セル２６に前記燃料ガスを導入させる第１および第２中間燃料ガス入口６０ａ、６０ｂとが設けられる。
【００２７】
第１および第２接合体２８、３０並びに第１乃至第３セパレータ３８、４０および４２の下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス出口（反応ガス出口側連通路）６４、冷却媒体入口６６および燃料ガス出口（反応ガス出口側連通路）６８が設けられる。
【００２８】
酸化剤ガス出口６４の近傍には、酸化剤ガス入口５６に供給される加湿された酸化剤ガスよりも低加湿の酸化剤ガスが供給される低加湿酸化剤ガス供給口（追加反応ガス供給口）６５が設けられるとともに、燃料ガス出口６８の近傍には、燃料ガス入口４６に供給される加湿された燃料ガスよりも低加湿の燃料ガスを供給するための低加湿燃料ガス供給口（追加反応ガス供給口）６９が設けられる。低加湿酸化剤ガス供給口６５および低加湿燃料ガス供給口６９は、第１乃至第３サブスタック１２、１４および１６内にセルアセンブリ２０の積層方向に連通する連通孔を構成している。
【００２９】
第１セパレータ３８は、金属薄板で構成されるとともに、中央部側には、矢印Ｃ方向（長辺方向）に沿って所定の長さだけ延在する直線溝部７０が設けられるとともに、前記直線溝部７０の矢印Ｃ方向両端には、バッファ用空間部を構成するエンボス部７２が形成される。直線溝部７０およびエンボス部７２は、第１セパレータ３８の両面から交互に設けられており、図３および図４に示すように、第１セパレータ３８は、第１接合体２８のカソード側電極３４ａに対向する側に酸化剤ガス流路７４を設けるとともに、前記酸化剤ガス流路７４の両端が酸化剤ガス入口５６と中間酸化剤ガス出口５０とに連通する。
【００３０】
第１セパレータ３８は、壁板４４の一方の面に対向する側に直線溝部７０およびエンボス部７２を介して冷却媒体流路７６を設ける（図３および図４参照）。冷却媒体流路７６は、図４に示すように、一端が冷却媒体出口４８に連通するとともに、他端側が壁板４４の端部を折り返して前記壁板４４の他方の面側から冷却媒体入口６６に連通する。
【００３１】
第２セパレータ４０は、上記の第１セパレータ３８と略同様に構成されており、第１接合体２８のアノード側電極３６ａに対向する側に直線溝部７０およびエンボス部７２を介して燃料ガス流路７８を設けるとともに（図３参照）、前記燃料ガス流路７８は、燃料ガス入口４６と中間燃料ガス出口５８とに連通する（図４参照）。第２セパレータ４０は、第２接合体３０のカソード側電極３４ｂに対向する側に酸化剤ガス流路８０を設け、この酸化剤ガス流路８０の一端が中間酸化剤ガス入口５２を介して中間酸化剤ガス出口５０に連通するとともに、他端が酸化剤ガス出口６４に連通する。
【００３２】
第３セパレータ４２は、上記の第１および第２セパレータ３８、４０と略同様に構成されており、第２接合体３０のアノード側電極３６ｂに対向する側に燃料ガス流路８２を設ける（図３および図４参照）。この燃料ガス流路８２は、一端が第１および第２中間燃料ガス入口６０ａ、６０ｂを介して中間燃料ガス出口５８に連通する一方、他端が燃料ガス出口６８に連通する。第３セパレータ４２は、壁板４４に対向する側に冷却媒体流路８４を設ける。図４に示すように、この冷却媒体流路８４は、一端が冷却媒体入口６６に連通するとともに、他端が壁板４４で折り返して冷却媒体出口４８に連通する。
【００３３】
図１および図５に示すように、中間プレート１８ａの一方の面９０には、酸化剤ガス混合流路９２と燃料ガス混合流路９４とが設けられる。酸化剤ガス混合流路９２は、矢印Ｘ方向上流側の第１サブスタック１２の酸化剤ガス出口６４と、低加湿酸化剤ガス供給口６５と、矢印Ｘ方向下流側の第２サブスタック１４の酸化剤ガス入口５６とを連結する。酸化剤ガス混合流路９２は、低加湿酸化剤ガス供給口６５から供給される未使用の酸化剤ガスを、酸化剤ガス出口６４から供給される使用後の酸化剤ガスと混合させて酸化剤ガス入口５６に送るためのガイド部９６を備える。
【００３４】
ガイド部９６は、酸化剤ガス混合流路９２に設けられる複数のリブ部により構成されており、各リブ部の位置、長さ、方向および間隔等が設定されることにより、未使用の酸化剤ガスと使用後の酸化剤ガスとの混合状態を均一にする機能を有している。
【００３５】
燃料ガス混合流路９４は、第１サブスタック１２の燃料ガス出口６８と、低加湿燃料ガス供給口６９と、第２サブスタック１４の燃料ガス入口４６とを連通する。燃料ガス混合流路９４は、低加湿燃料ガス供給口６９から供給される未使用の燃料ガスを、燃料ガス出口６８から供給される使用後燃料ガスと混合させて燃料ガス入口４６に送るためのガイド部９８を備える。
【００３６】
このガイド部９８は、上記のガイド部９６と同様に複数のリブ部を備えており、各リブ部の位置、長さ、方向および間隔等が設定されることにより、未使用の燃料ガスと使用後の燃料ガスとを均一に混合させる機能を有している。
【００３７】
中間プレート１８ｂは、上記の中間プレート１８ａと同様に構成されており、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００３８】
中間プレート１８ｂには、矢印Ｘ方向上流側の第２サブスタック１４の酸化剤ガス出口６４と、低加湿酸化剤ガス供給口６５と、矢印Ｘ方向下流側の第３サブスタック１６の酸化剤ガス入口５６とを連通する酸化剤ガス混合流路９２、および前記第２サブスタック１４の燃料ガス出口６８と、低加湿燃料ガス供給口６９と、前記第３サブスタック１６の燃料ガス入口４６とを連通する燃料ガス混合流路９４が設けられている。
【００３９】
このように構成される第１乃至第３サブスタック１２、１４および１６と、中間プレート１８ａ、１８ｂとが、矢印Ｘ方向に積層された状態で図示しない固定手段を介して一体的に締め付けられることにより、燃料電池スタック１０が構成される。
【００４０】
このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。
【００４１】
燃料電池スタック１０内では、まず、第１サブスタック１２を構成するセルアセンブリ２０の酸化剤ガス入口５６に酸化剤ガスが供給されるとともに、前記セルアセンブリ２０の燃料ガス入口４６に燃料ガスが供給される（図１参照）。さらに、冷却媒体入口６６には、純水はエチレングリコールやオイル等の冷却媒体が供給される。このため、第１サブスタック１２では、矢印Ｘ方向に重ね合わされた複数組のセルアセンブリ２０に対して燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体が、順次、供給される。
【００４２】
矢印Ａ方向に連通している酸化剤ガス入口５６に供給された酸化剤ガスは、図３および図４に示すように、第１セパレータ３８に設けられている酸化剤ガス流路７４に導入され、第１接合体２８を構成するカソード側電極３４ａに沿って移動する。一方、燃料ガス入口４６に供給された燃料ガスは、第２セパレータ４０に設けられている燃料ガス流路７８に導入され、第１接合体２８を構成するアノード側電極３６ａに沿って移動する。従って、第１接合体２８では、カソード側電極３４ａに供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３６ａに供給される燃料ガスとが、触媒電極内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００４３】
第１接合体２８で一部が消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路７４から中間酸化剤ガス出口５０に導入され、この中間酸化剤ガス出口５０に沿って矢印Ａ方向に移動する。この酸化剤ガスは、図４に示すように、中間酸化剤ガス入口５２から第２セパレータ４０に設けられている酸化剤ガス流路８０に導入された後、前記酸化剤ガス流路８０を介して第２接合体３０を構成するカソード側電極３４ｂに沿って移動する。
【００４４】
同様に、第１接合体２８を構成するアノード側電極３６ａで一部が消費された燃料ガスは、図４に示すように、中間燃料ガス出口５８に導入されて矢印Ａ方向に移動する。この燃料ガスは、第１および第２中間燃料ガス入口６０ａ、６０ｂを介して第３セパレータ４２に設けられている燃料ガス流路８２に導入される。
【００４５】
そして、燃料ガスは、第２接合体３０を構成するアノード側電極３６ｂに沿って移動するため、前記第２接合体３０では、酸化剤ガスおよび燃料ガスが触媒電極内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。酸素が消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口６４に排出されるとともに、水素が消費された燃料ガスは、燃料ガス出口６８に排出される。
【００４６】
一方、冷却媒体入口６６に供給された冷却媒体は、第４セパレータ４２に設けられている冷却媒体流路８４に沿って移動した後、壁板４４で折り返して第１セパレータ３８に設けられている冷却媒体流路７６に沿って移動し、冷却媒体出口４８に排出される。
【００４７】
この場合、第１の実施形態では、第１サブスタック１２に対して、この第１サブスタック１２の運転に必要な量の酸化剤ガスおよび水分（実際上、予め加湿された所定量の酸化剤ガス）が供給される。従って、第１サブスタック１２を構成する各セルアセンブリ２０では、反応に必要な量の酸化剤ガスが加湿された状態で供給されるため、前記第１サブスタック１２内で所望の反応が有効に行われる。
【００４８】
その際、各セルアセンブリ２０内では、反応により生成水が得られる。この生成水は、使用後の酸化剤ガスを介して酸化剤ガス出口６４に沿って矢印Ｘ方向に移動し、第１および第２サブスタック１２、１４間に介装されている中間プレート１８ａの酸化剤ガス混合流路９２に導入されるとともに、この酸化剤ガス混合流路９２には、低加湿酸化剤ガス供給口６５から低加湿の酸化剤ガスが供給される。
【００４９】
この場合、酸化剤ガス混合流路９２は、中間プレート１８ａの面９０内で酸化剤ガス入口５６に向かって比較的長尺状に構成されるとともに、ガイド部９６を構成する各リブ部の位置、長さ、方向および間隔等が設定されている。これにより、酸化剤ガス出口６４から酸化剤ガス混合流路９２に導入された使用後の酸化剤ガスと、低加湿酸化剤ガス供給口６５から前記酸化剤ガス混合流路９２に導入された未使用の酸化剤ガスとは、該酸化剤ガス混合流路９２を流れる際に、ガイド部９６による乱流効果と十分な混合距離を介して均一に混合した後、酸化剤ガス入口５６から第２サブスタック１４に送られる。
【００５０】
従って、第２サブスタック１４では、この第２サブスタック１４の運転に必要な量の酸化剤ガスが十分に加湿された状態で供給され、前記酸化剤ガスの湿度や酸素濃度等のばらつきを有効に阻止することができ、前記第２サブスタック１４での所望の反応が確実に遂行されるという効果が得られる。しかも、第１サブスタック１２で生成される生成水を、第２サブスタック１４に供給される酸化剤ガスの加湿水として使用することができる。これにより、酸化剤ガスの加湿水量が大幅に削減されるという利点がある。
【００５１】
さらに、低加湿酸化剤ガス供給口６５は、第１サブスタック１２内にセルアセンブリ２０の積層方向に連通する連通孔を構成している。このため、未使用の酸化剤ガスは、第２サブスタック１２の温度と略同一の温度に調整された後、中間プレート１８ａに供給される。従って、混合された酸化剤ガスの温度にばらつきが生じることがなく、発電性能を有効に向上させることができる。
【００５２】
一方、燃料ガスは、燃料ガス出口６８から燃料ガス混合流路９４に低濃度の燃料ガス（すなわち、加湿水量は一定に維持された状態で、反応により燃料ガスが消費され、実質的に低濃度となった燃料ガス）が供給されるとともに、低加湿燃料ガス供給口６９から前記燃料ガス混合流路９４に低加湿の未使用燃料ガスが供給される。
【００５３】
このため、燃料ガス混合流路９４では、上記の酸化剤ガス混合流路９２と同様に、加湿状態の燃料ガスと低加湿の未使用燃料ガスとが、ガイド部９８の乱流および混合作用下に均一に混合した後、燃料ガス入口４６から第２サブスタック１４に供給される。さらに、酸化剤ガス混合流路９２および燃料ガス混合流路９４は、中間プレート１８ａの同一の面９０内に設けられている。従って、中間プレート１８ａの薄肉化が容易に図られる。
【００５４】
これにより、第１の実施形態では、燃料電池スタック１０全体として、加湿水量の削減を図るとともに、下流側の第２サブスタック１４（さらに下流側の第３サブスタック１６）に対し、湿度および濃度等のばらつきがない酸化剤ガスおよび燃料ガスを確実に供給することができる。従って、加湿構造を大幅に小型化することが可能になるとともに、燃料電池スタック１０全体を簡単かつ小型に構成し、かつ有効な発電性能を維持することができるという効果が得られる。
【００５５】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック１００の一部分解斜視説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００５６】
燃料電池スタック１００は、第１乃至第３サブスタック１２、１４および１６間に中間プレート１０２ａ、１０２ｂを介装して構成される。第１乃至第３サブスタック１２、１４および１６を構成するセルアセンブリ１０４は、図７に示すように、矢印Ａ方向に積層される複数の単位セル１０６を備える。各単位セル１０６は、接合体１０８と、前記接合体１０８を挟持するセパレータ１１０とを備える。
【００５７】
接合体１０８およびセパレータ１１０の長辺（矢印Ｃ方向）側の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して燃料ガス入口４６、冷却媒体出口４８、低加湿酸化剤ガス供給口６５および酸化剤ガス出口６４が設けられる。接合体１０８およびセパレータ１１０の長辺側の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して酸化剤ガス入口５６、冷却媒体入口６６、低加湿燃料ガス供給口６９および燃料ガス出口６８が設けられる。
【００５８】
図８に示すように、中間プレート１０２ａ、１０２ｂの一方の面１１２には、酸化剤ガス出口６４と低加湿燃料ガス供給口６５と酸化剤ガス入口５６とを連通する酸化剤ガス混合流路１１４が設けられる。この酸化剤ガス混合流路１１４は、中間プレート１０２ａ、１０２ｂの一方の面１１２に沿って対角方向に延在する長尺状流路を構成するとともに、ガイド部１１６を設けている。
【００５９】
ガイド部１１６は、複数のリブ部で構成されており、各リブ部の長さ、位置、方向および間隔等が設定されることにより、低加湿酸化剤ガス供給口６５から酸化剤ガス混合流路１１４に供給される未使用の酸化剤ガスを、酸化剤ガス出口６４から前記酸化剤ガス混合流路１１４に供給される使用後の酸化剤ガスと均一に混合させる機能を有している。
【００６０】
中間プレート１０２ａ、１０２ｂの他方の面１１８には、燃料ガス出口６８と低加湿燃料ガス供給口６９と燃料ガス入口４６とを連通する燃料ガス混合流路１２０が設けられる。この燃料ガス混合流路１２０は、ガイド部１２２を設けており、前記ガイド部１２２を構成する各リブ部の長さ、位置、方向および間隔等が設定され、低加湿燃料ガス供給口６９から前記燃料ガス混合流路１２０に供給される未使用の燃料ガスを、燃料ガス出口６８から供給される使用後の燃料ガスと均一に混合させる機能を有する。
【００６１】
このように構成される第２の実施形態では、第１サブスタック１２に酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却水が供給されると、図７に示すように、この酸化剤ガスはセパレータ１１０の酸化剤ガス流路７４に導入され、接合体１０８を構成するカソード側電極３４ａに沿って移動する。一方、燃料ガスは、セパレータ１１０の燃料ガス流路７８に導入され、接合体１０８を構成するアノード側電極３６ａに沿って移動する。従って、各接合体１０８では、カソード側電極３４ａに供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３６ａに供給される燃料ガスとが、触媒電極内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００６２】
上記のように、各単位セル１０６で消費された酸化剤ガスおよび燃料ガスは、それぞれ酸化剤ガス出口６４および燃料ガス出口６８に排出され、第１サブスタック１２の下流側に配置されている中間プレート１０２ａに送られる。中間プレート１０２ａでは、一方の面１１２において酸化剤ガス出口６４から酸化剤ガス混合流路１１４に加湿状態の酸化剤ガスが供給されるとともに、低加湿酸化剤ガス供給口６５から低加湿の未使用酸化剤ガスが前記酸化剤ガス混合流路１１４に導入される。
【００６３】
その際、酸化剤ガス混合流路１１４は、中間プレート１０２ａの面１１２内で対角方向に長尺状に構成されるとともに、ガイド部１１６を構成する複数のリブ部の長さ、位置方向および間隔等が設定されている。従って、酸化剤ガス混合流路１１４に供給された加湿状態の酸化剤ガスと低加湿の未使用酸化剤ガスとは、十分かつ均一に混合した後、酸化剤ガス入口５６から第２サブスタック１４に供給される。
【００６４】
一方、中間プレート１０２ａの他方の面１１８では、燃料ガス出口６８から燃料ガス混合流路１２０に低濃度の燃料ガスが供給されるとともに、低加湿燃料ガス供給口６９から前記燃料ガス混合流路１２０に低加湿の未使用燃料ガスが供給される。このため、燃料ガス混合流路１２０では、上記の酸化剤ガス混合流路１１４と同様に、加湿状態の燃料ガスと低加湿の未使用燃料ガスとがガイド部１２２の乱流および混合作用下に均一に混合した後、燃料ガス入口４６から第２サブスタック１４に供給される。
【００６５】
これにより、第２の実施形態では、加湿水量の削減を図るとともに、下流側の第２サブスタック１４（さらに下流側の第３サブスタック１６）に対し、湿度および濃度等のばらつきがない酸化剤ガスおよび燃料ガスを確実に供給することができ、簡単かつ小型な構成で有効な発電性能を維持することができる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６６】
しかも、中間プレート１０２ａでは、一方の面１１２に酸化剤ガス混合流路１１４が設けられるとともに、他方の面１１８に燃料ガス混合流路１２０が設けられている。従って、酸化剤ガス混合流路１１４および燃料ガス混合流路１２０の流路長が有効に長尺化され、酸化剤ガスおよび燃料ガスを一層確実に均一に混合することが可能になる。
【００６７】
図９は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック１４０の一部分解斜視説明図である。なお、第２の実施形態に係る燃料電池スタック１００と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００６８】
燃料電池スタック１４０は、第１乃至第３サブスタック１２、１４および１６間に介装される中間プレート１４２ａ、１４２ｂを備える。第１乃至第３サブスタック１２、１４および１６を構成する各セルアセンブリ１４４は、図１０に示すように、複数の単位セル１４４を矢印Ａ方向に重ね合わせて構成されており、各単位セル１４４は接合体１４８とセパレータ１５０とを備える。
【００６９】
接合体１４８およびセパレータ１５０の長辺（矢印Ｃ方向）側の一端縁部には、重ね合わせ方向（矢印Ａ方向）に互いに連通して燃料ガス入口４６と酸化剤ガス出口６４とが設けられるとともに、長辺側の他端縁部には、酸化剤ガス入口５６と燃料ガス出口６８とが設けられる。
【００７０】
接合体１４８とセパレータ１５０の下端縁部には、中央部に冷却媒体入口６６が設けられるとともに、酸化剤ガス出口６４の近傍に低加湿酸化剤ガス供給口６５が、燃料ガス出口６８の近傍に低加湿燃料ガス供給口６９が、それぞれ設けられる。接合体１４８とセパレータ１５０の上端縁部中央には、冷却媒体出口４８が設けられる。
【００７１】
図１１に示すように、中間プレート１４２ａ、１４２ｂは、一方の面１１２に酸化剤ガス混合流路１１４が設けられるとともに、他方の面１１８に燃料ガス混合流路１２０が設けられている。
【００７２】
このように構成される第３の実施形態では、第２の実施形態に係る燃料電池スタック１００と同様に、第１サブスタック１２から排出される酸化剤ガスが、中間プレート１０２ａの一方の面１１２側で酸化剤ガス混合流路１１４に供給されるとともに、この酸化剤ガス混合流路１１４に低加湿酸化剤供給口６５から低加湿の未使用酸化剤ガスが供給される。このため、加湿状態の酸化剤ガスと低加湿の未使用酸化剤ガスとは、酸化剤ガス混合流路１１４で均一に混合された後、酸化剤ガス入口５６から第２サブスタック１４に供給される。
【００７３】
一方、中間プレート１４２ａの他方の面１１８では、燃料ガス出口６８から燃料ガス混合流路１２０に低濃度の燃料ガスが供給されるとともに、低加湿燃料ガス供給口６９から前記燃料ガス混合流路１２０に低加湿の未使用燃料ガスが供給される。従って、低濃度の燃料ガスと低加湿の未使用燃料ガスとは、燃料ガス混合流路１２０で均一に混合された後、燃料ガス入口４６から第２サブスタック１４に供給される。
【００７４】
これにより、第３の実施形態では、燃料電池スタック１４０全体の加湿水量が大幅に削減されるとともに、下流側の第２サブスタック１４および第３サブスタック１６の発電性能を有効に維持し得る等、第１および第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００７５】
なお、第１乃至第３の実施形態では、各セルアセンブリ２０、１０４および１４４は、長辺側を水平方向に配置する横置きタイプで構成されているが、この長辺側を鉛直方向に指向させた縦置きタイプで構成してもよい。
【００７６】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックでは、サブスタック間に介装される中間プレートの面内に流路を設けるとともに、前記流路に設けられたガイド部を介し、追加反応ガス供給口から供給される未使用の追加反応ガスを、上流側の反応ガス出口側連通路から供給される使用後の反応ガスと均一の混合した後、下流側の反応ガス入口側連通路に送ることができる。
【００７７】
これにより、各サブスタックに対して反応ガスの湿度や濃度等のばらつきが発生することがなく、前記サブスタックの発電性能を有効に維持するとともに、簡単な構成で、燃料電池スタック全体の加湿水量を大幅に低減させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの一部分解斜視図である。
【図２】前記燃料電池スタックを構成するセルアセンブリの要部分解斜視図である。
【図３】前記セルアセンブリの一部断面説明図である。
【図４】前記セルアセンブリの流れ説明図である。
【図５】前記燃料電池スタックを構成する中間プレートの正面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの一部分解斜視説明図である。
【図７】前記燃料電池スタックの流れ説明図である。
【図８】前記燃料電池スタックを構成する中間プレートの正面図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックの一部分解斜視説明図である。
【図１０】前記燃料電池スタック流れ説明図である。
【図１１】前記燃料電池スタックを構成する中間プレートの正面図である。
【図１２】従来技術に係るセパレータの正面図である。
【符号の説明】
１０、１００、１４０…燃料電池スタック
１２、１４、１６…サブスタック
１８ａ、１８ｂ、１０２ａ、１０２ｂ、１４２ａ、１４２ｂ…中間プレート
２０、１０４、１４４…セルアセンブリ ２４、２６、１０６…単位セル
２８、３０、１０８、１４８…接合体 ３２ａ、３２ｂ…電解質膜
３４ａ、３４ｂ…カソード側電極 ３６ａ、３６ｂ…アノード側電極
３８、４０、４２、１１０、１５０…セパレータ
４６…燃料ガス入口 ５６…酸化剤ガス入口
６４…酸化剤ガス出口 ６５…低加湿酸化剤ガス供給口
６８…燃料ガス出口 ６９…低加湿燃料ガス供給口
７４、８０…酸化剤ガス流路 ７８、８２…燃料ガス流路
９２、１１４…酸化剤ガス混合流路 ９４、１２０…燃料ガス混合流路
９６、９８、１１６、１２２…ガイド部
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体が、セパレータを介装して複数積層されたサブスタックを有し、前記サブスタックが中間プレートを介装して複数積層されることにより構成される燃料電池スタックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜（電解質）を採用している。この電解質膜の両側に、それぞれ触媒電極と多孔質カーボンからなるアノード側電極およびカソード側電極を対設して構成される接合体（電解質・電極接合体）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持することにより構成される単位セル（単位発電セル）を備え、通常、この単位セルが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用している。
【０００３】
この種の燃料電池スタックにおいて、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、触媒電極上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、上記の燃料電池スタックでは、電解質膜が乾燥すると、高出力密度運転を維持することができなくなり、前記電解質膜を適切に加湿する必要がある。このため、従来から種々の加湿方式が採用されている。例えば、燃料電池スタックの外部にバブラー等の加湿器を備えており、反応ガス（燃料ガス／酸化剤ガス）を加湿して接合体に水分を供給することによって、前記接合体を構成する電解質膜を加湿する外部加湿法や、加湿器（加湿構造）を単位セル内部に備えて前記電解質膜を加湿する内部加湿法や、該内部加湿法に属し該電解質膜の内部における電気化学反応の結果発生した生成水を利用して加湿する自己加湿法等が知られている。
【０００５】
しかしながら、上記の外部加湿法では、燃料電池スタックの外部に付加装置として加湿器が設けられるため、燃料電池全体が大型化してしまい、占有スペースが拡大するという問題が指摘されている。しかも、特に燃料電池の負荷を急激に上昇させた際等に、加湿器の追従性が問題となる場合がある。
【０００６】
また、上記の内部加湿法としては、電解質膜の内部に埋め込まれた吸水糸による加湿法や、アノード側から水透過板を通した加湿法や、電解質膜のアノード側に吸水糸を接触させる加湿法が一般的である。ところが、この種の方式では、何らかの原因で加湿が不十分になった際、適切な補修が困難であるという問題が指摘されている。
【０００７】
さらに、上記の自己加湿法としては、例えば、電解質膜内に白金の微粒子を分散させ、アノード側電極およびカソード側電極から進入してくる水素ガスおよび酸素ガスの反応により前記電解質膜内部から水を生成させる方式や、電解質膜の厚さを非常に薄くしてカソード側電極側で生成される水を拡散させ、アノード側電極側に水を補給する方式が一般的である。しかしながら、この種の方式では、特別な電解質膜を製作しなければならず、コストが高騰するとともに、所望の特性を十分に備えた電解質膜を得ることが困難であるという問題がある。
【０００８】
そこで、例えば、特開平１０−２８４０９５号公報に開示されている固体高分子電解質型燃料電池の技術的思想を、電解質膜の加湿構造として採用することが考えられる。
【０００９】
上記の従来技術では、図１２に示すように、固体高分子電解質型燃料電池を構成するセパレータ１に、反応ガスのガス入口２とガス出口３とが貫通形成されるとともに、このセパレータ１の面内には、前記ガス入口２と前記ガス出口３とに連通するガス通流溝４が形成されている。
【００１０】
セパレータ１には、ガス通流溝４の中間部分に連通する副導入口５が貫通形成されており、ガス入口２からガス通流溝４に導入された反応ガスが、このガス通流溝４を通って消費されるとともに、副導入口５から供給される反応ガスと合流し、ガス出口３から排出されている。
【００１１】
すなわち、この従来技術では、副導入口５から導入される乾燥した反応ガスにより、ガス通流溝４を流れる反応ガスの水蒸気分圧を低下させ、水の凝縮を抑制してガス通流溝４の壁面への凝縮水の付着や滞留を防止し、安定した電池性能を得ることを目的としている。
【００１２】
そこで、上記の従来技術の目的とは異なる使用形態であるが、セパレータ１のガス入口２にガス通流溝４の上流側の反応に必要な量の反応ガスおよび水分を供給するとともに、副導入口５には、前記ガス通流溝４の下流側の反応に必要な量の低加湿の反応ガスを供給することが考えられる。これにより、ガス通流溝４の上流側を流れる際に生成される生成水を使用し、副導入口５から供給される低加湿の反応ガスを加湿することができ、前記ガス通流溝４の下流側に必要量の反応ガスおよび水分を供給することが可能になる。このため、加湿水量の低減を図るとともに、構成の簡素化および小型化が期待される。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のセパレータ１を使用する際、副導入口５からガス通流溝４に、直接、ドライ反応ガス（低加湿の反応ガス）が導入されるため、このガス通流溝４を流れる加湿された反応ガスと前記ドライ反応ガスとが均一に混合されないおそれがある。これにより、ガス通流溝４から発電部に供給される反応ガスの湿度やガス濃度等にばらつきが生じ易く、発電性能が低下するという問題が指摘される。
【００１４】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、未使用の追加反応ガスと使用後の反応ガスとを均一に混合させることができ、簡単な構成で、所望の発電性能を確実に維持することが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池スタックでは、サブスタック間に介装された中間プレートの面内に、反応ガスの供給方向上流側に配置された第１サブスタックの反応ガス出口側連通路と、反応ガス出口側連通路の近傍に設けられた追加反応ガス供給口と、前記反応ガスの供給方向下流側に配置された第２サブスタックの反応ガス入口側連通路とを連通する流路が設けられている。この流路は、追加反応ガス供給口から供給される未使用の追加反応ガスを、反応ガス出口側連通路から供給される使用後の反応ガスと混合させて反応ガス入口側連通路に送るためのガイド部を備えている。
【００１６】
従って、流路に導入された未使用の追加反応ガスと使用後の反応ガスとは、ガイド部の案内作用下に均一に混合されるため、第２サブスタックの反応ガス入口側連通路には、湿度やガス濃度が均一な反応ガスを確実に供給することができる。これにより、簡単な構成で、第２サブスタックの発電性能が有効に向上するとともに、加湿水量全体の低減を容易に図ることが可能になる。
【００１７】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池スタックでは、追加反応ガス供給口が、サブスタック内に電解質・電極接合体の積層方向に連通する連通孔を構成している。このため、未使用の追加反応ガスは、連通孔を介してサブスタック内を通る際、このサブスタックの温度と略同一の温度に調整された後、中間プレートに供給される。従って、混合された反応ガスの温度にばらつきが生じることがなく、発電性能を有効に向上させることができる。
【００１８】
さらに、本発明の請求項３に係る燃料電池スタックでは、流路が、反応ガスである酸化剤ガスを混合する酸化剤ガス混合流路と、前記反応ガスである燃料ガスを混合する燃料ガス混合流路とを備え、前記酸化剤ガス混合流路および前記燃料ガス混合流路が、中間プレートの同一面内に形成されている。これにより、中間プレートの薄肉化が容易に図られる。
【００１９】
さらにまた、本発明の請求項４に係る燃料電池スタックでは、酸化剤ガス混合流路および燃料ガス混合流路が、中間プレートの異なる面内に形成されるため、流路長を有効に長尺化することが可能になり、反応ガスを一層均一に混合することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０の一部分解斜視説明図である。
【００２１】
燃料電池スタック１０は、反応ガスである酸化剤ガスおよび燃料ガスの流れ方向（矢印Ｘ方向）に配列される第１サブスタック１２、第２サブスタック１４および第３サブスタック１６を備え、前記第１乃至第３サブスタック１２、１４および１６間には中間プレート１８ａ、１８ｂが介装される。
【００２２】
第１乃至第３サブスタック１２、１４および１６は、それぞれ所定組数のセルアセンブリ２０を矢印Ｘ方向に重ね合わせて構成されている。図２に示すように、セルアセンブリ２０は、第１単位セル２４と第２単位セル２６とを重ね合わせて構成されており、前記第１および第２単位セル２４、２６は、第１および第２接合体２８、３０を備える。
【００２３】
第１および第２接合体２８、３０は、固体高分子電解質膜（電解質）３２ａ、３２ｂと、前記電解質膜３２ａ、３２ｂを挟んで配設されるカソード側電極３４ａ、３４ｂおよびアノード側電極３６ａ、３６ｂとを有する。カソード側電極３４ａ、３４ｂおよびアノード側電極３６ａ、３６ｂは、それぞれ触媒電極と多孔質カーボンから構成されている。
【００２４】
図２および図３に示すように、第１接合体２８のカソード側電極３４ａ側に第１セパレータ３８が配設され、前記第１接合体２８のアノード側電極３６ａ側と第２接合体３０のカソード側電極３４ｂ側との間に第２セパレータ４０が配設されるとともに、前記第２接合体３０のアノード側電極３６ｂ側に第３セパレータ４２が配設される。第１および第３セパレータ３８、４２の互いに対向する面側には、薄板状の壁板（隔壁部材）４４が介装される。
【００２５】
図２および図４に示すように、第１および第２接合体２８、３０並びに第１乃至第３セパレータ３８、４０および４２の長辺（矢印Ｃ方向）側の一端縁部には、第１および第２単位セル２４、２６の重ね合わせ方向（矢印Ａ方向）に互いに連通して、水素含有ガス等の燃料ガス（反応ガス）を通過させるための燃料ガス入口（反応ガス入口側連通路）４６と、冷却媒体を通過させるための冷却媒体出口４８と、ガス流れ方向上流側の第１単位セル２４で反応に供与された空気等の酸素含有ガスである酸化剤ガス（反応ガス）が排出される中間酸化剤ガス出口５０と、前記中間酸化剤ガス出口５０に連通し、ガス流れ方向下流側の第２単位セル２６に前記酸化剤ガスを導入させる中間酸化剤ガス入口５２とが設けられる。
【００２６】
第１および第２接合体２８、３０並びに第１乃至第３セパレータ３８、４０および４２の長辺側の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口（反応ガス入口側連通路）５６と、ガス流れ方向上流側の第１単位セル２４で反応に供与された燃料ガスが排出される中間燃料ガス出口５８と、前記中間燃料ガス出口５８に連通し、ガス流れ方向下流側の第２単位セル２６に前記燃料ガスを導入させる第１および第２中間燃料ガス入口６０ａ、６０ｂとが設けられる。
【００２７】
第１および第２接合体２８、３０並びに第１乃至第３セパレータ３８、４０および４２の下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス出口（反応ガス出口側連通路）６４、冷却媒体入口６６および燃料ガス出口（反応ガス出口側連通路）６８が設けられる。
【００２８】
酸化剤ガス出口６４の近傍には、酸化剤ガス入口５６に供給される加湿された酸化剤ガスよりも低加湿の酸化剤ガスが供給される低加湿酸化剤ガス供給口（追加反応ガス供給口）６５が設けられるとともに、燃料ガス出口６８の近傍には、燃料ガス入口４６に供給される加湿された燃料ガスよりも低加湿の燃料ガスを供給するための低加湿燃料ガス供給口（追加反応ガス供給口）６９が設けられる。低加湿酸化剤ガス供給口６５および低加湿燃料ガス供給口６９は、第１乃至第３サブスタック１２、１４および１６内にセルアセンブリ２０の積層方向に連通する連通孔を構成している。
【００２９】
第１セパレータ３８は、金属薄板で構成されるとともに、中央部側には、矢印Ｃ方向（長辺方向）に沿って所定の長さだけ延在する直線溝部７０が設けられるとともに、前記直線溝部７０の矢印Ｃ方向両端には、バッファ用空間部を構成するエンボス部７２が形成される。直線溝部７０およびエンボス部７２は、第１セパレータ３８の両面から交互に設けられており、図３および図４に示すように、第１セパレータ３８は、第１接合体２８のカソード側電極３４ａに対向する側に酸化剤ガス流路７４を設けるとともに、前記酸化剤ガス流路７４の両端が酸化剤ガス入口５６と中間酸化剤ガス出口５０とに連通する。
【００３０】
第１セパレータ３８は、壁板４４の一方の面に対向する側に直線溝部７０およびエンボス部７２を介して冷却媒体流路７６を設ける（図３および図４参照）。冷却媒体流路７６は、図４に示すように、一端が冷却媒体出口４８に連通するとともに、他端側が壁板４４の端部を折り返して前記壁板４４の他方の面側から冷却媒体入口６６に連通する。
【００３１】
第２セパレータ４０は、上記の第１セパレータ３８と略同様に構成されており、第１接合体２８のアノード側電極３６ａに対向する側に直線溝部７０およびエンボス部７２を介して燃料ガス流路７８を設けるとともに（図３参照）、前記燃料ガス流路７８は、燃料ガス入口４６と中間燃料ガス出口５８とに連通する（図４参照）。第２セパレータ４０は、第２接合体３０のカソード側電極３４ｂに対向する側に酸化剤ガス流路８０を設け、この酸化剤ガス流路８０の一端が中間酸化剤ガス入口５２を介して中間酸化剤ガス出口５０に連通するとともに、他端が酸化剤ガス出口６４に連通する。
【００３２】
第３セパレータ４２は、上記の第１および第２セパレータ３８、４０と略同様に構成されており、第２接合体３０のアノード側電極３６ｂに対向する側に燃料ガス流路８２を設ける（図３および図４参照）。この燃料ガス流路８２は、一端が第１および第２中間燃料ガス入口６０ａ、６０ｂを介して中間燃料ガス出口５８に連通する一方、他端が燃料ガス出口６８に連通する。第３セパレータ４２は、壁板４４に対向する側に冷却媒体流路８４を設ける。図４に示すように、この冷却媒体流路８４は、一端が冷却媒体入口６６に連通するとともに、他端が壁板４４で折り返して冷却媒体出口４８に連通する。
【００３３】
図１および図５に示すように、中間プレート１８ａの一方の面９０には、酸化剤ガス混合流路９２と燃料ガス混合流路９４とが設けられる。酸化剤ガス混合流路９２は、矢印Ｘ方向上流側の第１サブスタック１２の酸化剤ガス出口６４と、低加湿酸化剤ガス供給口６５と、矢印Ｘ方向下流側の第２サブスタック１４の酸化剤ガス入口５６とを連結する。酸化剤ガス混合流路９２は、低加湿酸化剤ガス供給口６５から供給される未使用の酸化剤ガスを、酸化剤ガス出口６４から供給される使用後の酸化剤ガスと混合させて酸化剤ガス入口５６に送るためのガイド部９６を備える。
【００３４】
ガイド部９６は、酸化剤ガス混合流路９２に設けられる複数のリブ部により構成されており、各リブ部の位置、長さ、方向および間隔等が設定されることにより、未使用の酸化剤ガスと使用後の酸化剤ガスとの混合状態を均一にする機能を有している。
【００３５】
燃料ガス混合流路９４は、第１サブスタック１２の燃料ガス出口６８と、低加湿燃料ガス供給口６９と、第２サブスタック１４の燃料ガス入口４６とを連通する。燃料ガス混合流路９４は、低加湿燃料ガス供給口６９から供給される未使用の燃料ガスを、燃料ガス出口６８から供給される使用後燃料ガスと混合させて燃料ガス入口４６に送るためのガイド部９８を備える。
【００３６】
このガイド部９８は、上記のガイド部９６と同様に複数のリブ部を備えており、各リブ部の位置、長さ、方向および間隔等が設定されることにより、未使用の燃料ガスと使用後の燃料ガスとを均一に混合させる機能を有している。
【００３７】
中間プレート１８ｂは、上記の中間プレート１８ａと同様に構成されており、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００３８】
中間プレート１８ｂには、矢印Ｘ方向上流側の第２サブスタック１４の酸化剤ガス出口６４と、低加湿酸化剤ガス供給口６５と、矢印Ｘ方向下流側の第３サブスタック１６の酸化剤ガス入口５６とを連通する酸化剤ガス混合流路９２、および前記第２サブスタック１４の燃料ガス出口６８と、低加湿燃料ガス供給口６９と、前記第３サブスタック１６の燃料ガス入口４６とを連通する燃料ガス混合流路９４が設けられている。
【００３９】
このように構成される第１乃至第３サブスタック１２、１４および１６と、中間プレート１８ａ、１８ｂとが、矢印Ｘ方向に積層された状態で図示しない固定手段を介して一体的に締め付けられることにより、燃料電池スタック１０が構成される。
【００４０】
このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。
【００４１】
燃料電池スタック１０内では、まず、第１サブスタック１２を構成するセルアセンブリ２０の酸化剤ガス入口５６に酸化剤ガスが供給されるとともに、前記セルアセンブリ２０の燃料ガス入口４６に燃料ガスが供給される（図１参照）。さらに、冷却媒体入口６６には、純水はエチレングリコールやオイル等の冷却媒体が供給される。このため、第１サブスタック１２では、矢印Ｘ方向に重ね合わされた複数組のセルアセンブリ２０に対して燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体が、順次、供給される。
【００４２】
矢印Ａ方向に連通している酸化剤ガス入口５６に供給された酸化剤ガスは、図３および図４に示すように、第１セパレータ３８に設けられている酸化剤ガス流路７４に導入され、第１接合体２８を構成するカソード側電極３４ａに沿って移動する。一方、燃料ガス入口４６に供給された燃料ガスは、第２セパレータ４０に設けられている燃料ガス流路７８に導入され、第１接合体２８を構成するアノード側電極３６ａに沿って移動する。従って、第１接合体２８では、カソード側電極３４ａに供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３６ａに供給される燃料ガスとが、触媒電極内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００４３】
第１接合体２８で一部が消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路７４から中間酸化剤ガス出口５０に導入され、この中間酸化剤ガス出口５０に沿って矢印Ａ方向に移動する。この酸化剤ガスは、図４に示すように、中間酸化剤ガス入口５２から第２セパレータ４０に設けられている酸化剤ガス流路８０に導入された後、前記酸化剤ガス流路８０を介して第２接合体３０を構成するカソード側電極３４ｂに沿って移動する。
【００４４】
同様に、第１接合体２８を構成するアノード側電極３６ａで一部が消費された燃料ガスは、図４に示すように、中間燃料ガス出口５８に導入されて矢印Ａ方向に移動する。この燃料ガスは、第１および第２中間燃料ガス入口６０ａ、６０ｂを介して第３セパレータ４２に設けられている燃料ガス流路８２に導入される。
【００４５】
そして、燃料ガスは、第２接合体３０を構成するアノード側電極３６ｂに沿って移動するため、前記第２接合体３０では、酸化剤ガスおよび燃料ガスが触媒電極内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。酸素が消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口６４に排出されるとともに、水素が消費された燃料ガスは、燃料ガス出口６８に排出される。
【００４６】
一方、冷却媒体入口６６に供給された冷却媒体は、第４セパレータ４２に設けられている冷却媒体流路８４に沿って移動した後、壁板４４で折り返して第１セパレータ３８に設けられている冷却媒体流路７６に沿って移動し、冷却媒体出口４８に排出される。
【００４７】
この場合、第１の実施形態では、第１サブスタック１２に対して、この第１サブスタック１２の運転に必要な量の酸化剤ガスおよび水分（実際上、予め加湿された所定量の酸化剤ガス）が供給される。従って、第１サブスタック１２を構成する各セルアセンブリ２０では、反応に必要な量の酸化剤ガスが加湿された状態で供給されるため、前記第１サブスタック１２内で所望の反応が有効に行われる。
【００４８】
その際、各セルアセンブリ２０内では、反応により生成水が得られる。この生成水は、使用後の酸化剤ガスを介して酸化剤ガス出口６４に沿って矢印Ｘ方向に移動し、第１および第２サブスタック１２、１４間に介装されている中間プレート１８ａの酸化剤ガス混合流路９２に導入されるとともに、この酸化剤ガス混合流路９２には、低加湿酸化剤ガス供給口６５から低加湿の酸化剤ガスが供給される。
【００４９】
この場合、酸化剤ガス混合流路９２は、中間プレート１８ａの面９０内で酸化剤ガス入口５６に向かって比較的長尺状に構成されるとともに、ガイド部９６を構成する各リブ部の位置、長さ、方向および間隔等が設定されている。これにより、酸化剤ガス出口６４から酸化剤ガス混合流路９２に導入された使用後の酸化剤ガスと、低加湿酸化剤ガス供給口６５から前記酸化剤ガス混合流路９２に導入された未使用の酸化剤ガスとは、該酸化剤ガス混合流路９２を流れる際に、ガイド部９６による乱流効果と十分な混合距離を介して均一に混合した後、酸化剤ガス入口５６から第２サブスタック１４に送られる。
【００５０】
従って、第２サブスタック１４では、この第２サブスタック１４の運転に必要な量の酸化剤ガスが十分に加湿された状態で供給され、前記酸化剤ガスの湿度や酸素濃度等のばらつきを有効に阻止することができ、前記第２サブスタック１４での所望の反応が確実に遂行されるという効果が得られる。しかも、第１サブスタック１２で生成される生成水を、第２サブスタック１４に供給される酸化剤ガスの加湿水として使用することができる。これにより、酸化剤ガスの加湿水量が大幅に削減されるという利点がある。
【００５１】
さらに、低加湿酸化剤ガス供給口６５は、第１サブスタック１２内にセルアセンブリ２０の積層方向に連通する連通孔を構成している。このため、未使用の酸化剤ガスは、第２サブスタック１２の温度と略同一の温度に調整された後、中間プレート１８ａに供給される。従って、混合された酸化剤ガスの温度にばらつきが生じることがなく、発電性能を有効に向上させることができる。
【００５２】
一方、燃料ガスは、燃料ガス出口６８から燃料ガス混合流路９４に低濃度の燃料ガス（すなわち、加湿水量は一定に維持された状態で、反応により燃料ガスが消費され、実質的に低濃度となった燃料ガス）が供給されるとともに、低加湿燃料ガス供給口６９から前記燃料ガス混合流路９４に低加湿の未使用燃料ガスが供給される。
【００５３】
このため、燃料ガス混合流路９４では、上記の酸化剤ガス混合流路９２と同様に、加湿状態の燃料ガスと低加湿の未使用燃料ガスとが、ガイド部９８の乱流および混合作用下に均一に混合した後、燃料ガス入口４６から第２サブスタック１４に供給される。さらに、酸化剤ガス混合流路９２および燃料ガス混合流路９４は、中間プレート１８ａの同一の面９０内に設けられている。従って、中間プレート１８ａの薄肉化が容易に図られる。
【００５４】
これにより、第１の実施形態では、燃料電池スタック１０全体として、加湿水量の削減を図るとともに、下流側の第２サブスタック１４（さらに下流側の第３サブスタック１６）に対し、湿度および濃度等のばらつきがない酸化剤ガスおよび燃料ガスを確実に供給することができる。従って、加湿構造を大幅に小型化することが可能になるとともに、燃料電池スタック１０全体を簡単かつ小型に構成し、かつ有効な発電性能を維持することができるという効果が得られる。
【００５５】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック１００の一部分解斜視説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００５６】
燃料電池スタック１００は、第１乃至第３サブスタック１２、１４および１６間に中間プレート１０２ａ、１０２ｂを介装して構成される。第１乃至第３サブスタック１２、１４および１６を構成するセルアセンブリ１０４は、図７に示すように、矢印Ａ方向に積層される複数の単位セル１０６を備える。各単位セル１０６は、接合体１０８と、前記接合体１０８を挟持するセパレータ１１０とを備える。
【００５７】
接合体１０８およびセパレータ１１０の長辺（矢印Ｃ方向）側の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して燃料ガス入口４６、冷却媒体出口４８、低加湿酸化剤ガス供給口６５および酸化剤ガス出口６４が設けられる。接合体１０８およびセパレータ１１０の長辺側の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して酸化剤ガス入口５６、冷却媒体入口６６、低加湿燃料ガス供給口６９および燃料ガス出口６８が設けられる。
【００５８】
図８に示すように、中間プレート１０２ａ、１０２ｂの一方の面１１２には、酸化剤ガス出口６４と低加湿燃料ガス供給口６５と酸化剤ガス入口５６とを連通する酸化剤ガス混合流路１１４が設けられる。この酸化剤ガス混合流路１１４は、中間プレート１０２ａ、１０２ｂの一方の面１１２に沿って対角方向に延在する長尺状流路を構成するとともに、ガイド部１１６を設けている。
【００５９】
ガイド部１１６は、複数のリブ部で構成されており、各リブ部の長さ、位置、方向および間隔等が設定されることにより、低加湿酸化剤ガス供給口６５から酸化剤ガス混合流路１１４に供給される未使用の酸化剤ガスを、酸化剤ガス出口６４から前記酸化剤ガス混合流路１１４に供給される使用後の酸化剤ガスと均一に混合させる機能を有している。
【００６０】
中間プレート１０２ａ、１０２ｂの他方の面１１８には、燃料ガス出口６８と低加湿燃料ガス供給口６９と燃料ガス入口４６とを連通する燃料ガス混合流路１２０が設けられる。この燃料ガス混合流路１２０は、ガイド部１２２を設けており、前記ガイド部１２２を構成する各リブ部の長さ、位置、方向および間隔等が設定され、低加湿燃料ガス供給口６９から前記燃料ガス混合流路１２０に供給される未使用の燃料ガスを、燃料ガス出口６８から供給される使用後の燃料ガスと均一に混合させる機能を有する。
【００６１】
このように構成される第２の実施形態では、第１サブスタック１２に酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却水が供給されると、図７に示すように、この酸化剤ガスはセパレータ１１０の酸化剤ガス流路７４に導入され、接合体１０８を構成するカソード側電極３４ａに沿って移動する。一方、燃料ガスは、セパレータ１１０の燃料ガス流路７８に導入され、接合体１０８を構成するアノード側電極３６ａに沿って移動する。従って、各接合体１０８では、カソード側電極３４ａに供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３６ａに供給される燃料ガスとが、触媒電極内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００６２】
上記のように、各単位セル１０６で消費された酸化剤ガスおよび燃料ガスは、それぞれ酸化剤ガス出口６４および燃料ガス出口６８に排出され、第１サブスタック１２の下流側に配置されている中間プレート１０２ａに送られる。中間プレート１０２ａでは、一方の面１１２において酸化剤ガス出口６４から酸化剤ガス混合流路１１４に加湿状態の酸化剤ガスが供給されるとともに、低加湿酸化剤ガス供給口６５から低加湿の未使用酸化剤ガスが前記酸化剤ガス混合流路１１４に導入される。
【００６３】
その際、酸化剤ガス混合流路１１４は、中間プレート１０２ａの面１１２内で対角方向に長尺状に構成されるとともに、ガイド部１１６を構成する複数のリブ部の長さ、位置方向および間隔等が設定されている。従って、酸化剤ガス混合流路１１４に供給された加湿状態の酸化剤ガスと低加湿の未使用酸化剤ガスとは、十分かつ均一に混合した後、酸化剤ガス入口５６から第２サブスタック１４に供給される。
【００６４】
一方、中間プレート１０２ａの他方の面１１８では、燃料ガス出口６８から燃料ガス混合流路１２０に低濃度の燃料ガスが供給されるとともに、低加湿燃料ガス供給口６９から前記燃料ガス混合流路１２０に低加湿の未使用燃料ガスが供給される。このため、燃料ガス混合流路１２０では、上記の酸化剤ガス混合流路１１４と同様に、加湿状態の燃料ガスと低加湿の未使用燃料ガスとがガイド部１２２の乱流および混合作用下に均一に混合した後、燃料ガス入口４６から第２サブスタック１４に供給される。
【００６５】
これにより、第２の実施形態では、加湿水量の削減を図るとともに、下流側の第２サブスタック１４（さらに下流側の第３サブスタック１６）に対し、湿度および濃度等のばらつきがない酸化剤ガスおよび燃料ガスを確実に供給することができ、簡単かつ小型な構成で有効な発電性能を維持することができる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６６】
しかも、中間プレート１０２ａでは、一方の面１１２に酸化剤ガス混合流路１１４が設けられるとともに、他方の面１１８に燃料ガス混合流路１２０が設けられている。従って、酸化剤ガス混合流路１１４および燃料ガス混合流路１２０の流路長が有効に長尺化され、酸化剤ガスおよび燃料ガスを一層確実に均一に混合することが可能になる。
【００６７】
図９は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック１４０の一部分解斜視説明図である。なお、第２の実施形態に係る燃料電池スタック１００と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００６８】
燃料電池スタック１４０は、第１乃至第３サブスタック１２、１４および１６間に介装される中間プレート１４２ａ、１４２ｂを備える。第１乃至第３サブスタック１２、１４および１６を構成する各セルアセンブリ１４４は、図１０に示すように、複数の単位セル１４４を矢印Ａ方向に重ね合わせて構成されており、各単位セル１４４は接合体１４８とセパレータ１５０とを備える。
【００６９】
接合体１４８およびセパレータ１５０の長辺（矢印Ｃ方向）側の一端縁部には、重ね合わせ方向（矢印Ａ方向）に互いに連通して燃料ガス入口４６と酸化剤ガス出口６４とが設けられるとともに、長辺側の他端縁部には、酸化剤ガス入口５６と燃料ガス出口６８とが設けられる。
【００７０】
接合体１４８とセパレータ１５０の下端縁部には、中央部に冷却媒体入口６６が設けられるとともに、酸化剤ガス出口６４の近傍に低加湿酸化剤ガス供給口６５が、燃料ガス出口６８の近傍に低加湿燃料ガス供給口６９が、それぞれ設けられる。接合体１４８とセパレータ１５０の上端縁部中央には、冷却媒体出口４８が設けられる。
【００７１】
図１１に示すように、中間プレート１４２ａ、１４２ｂは、一方の面１１２に酸化剤ガス混合流路１１４が設けられるとともに、他方の面１１８に燃料ガス混合流路１２０が設けられている。
【００７２】
このように構成される第３の実施形態では、第２の実施形態に係る燃料電池スタック１００と同様に、第１サブスタック１２から排出される酸化剤ガスが、中間プレート１０２ａの一方の面１１２側で酸化剤ガス混合流路１１４に供給されるとともに、この酸化剤ガス混合流路１１４に低加湿酸化剤供給口６５から低加湿の未使用酸化剤ガスが供給される。このため、加湿状態の酸化剤ガスと低加湿の未使用酸化剤ガスとは、酸化剤ガス混合流路１１４で均一に混合された後、酸化剤ガス入口５６から第２サブスタック１４に供給される。
【００７３】
一方、中間プレート１４２ａの他方の面１１８では、燃料ガス出口６８から燃料ガス混合流路１２０に低濃度の燃料ガスが供給されるとともに、低加湿燃料ガス供給口６９から前記燃料ガス混合流路１２０に低加湿の未使用燃料ガスが供給される。従って、低濃度の燃料ガスと低加湿の未使用燃料ガスとは、燃料ガス混合流路１２０で均一に混合された後、燃料ガス入口４６から第２サブスタック１４に供給される。
【００７４】
これにより、第３の実施形態では、燃料電池スタック１４０全体の加湿水量が大幅に削減されるとともに、下流側の第２サブスタック１４および第３サブスタック１６の発電性能を有効に維持し得る等、第１および第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００７５】
なお、第１乃至第３の実施形態では、各セルアセンブリ２０、１０４および１４４は、長辺側を水平方向に配置する横置きタイプで構成されているが、この長辺側を鉛直方向に指向させた縦置きタイプで構成してもよい。
【００７６】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックでは、サブスタック間に介装される中間プレートの面内に流路を設けるとともに、前記流路に設けられたガイド部を介し、追加反応ガス供給口から供給される未使用の追加反応ガスを、上流側の反応ガス出口側連通路から供給される使用後の反応ガスと均一の混合した後、下流側の反応ガス入口側連通路に送ることができる。
【００７７】
これにより、各サブスタックに対して反応ガスの湿度や濃度等のばらつきが発生することがなく、前記サブスタックの発電性能を有効に維持するとともに、簡単な構成で、燃料電池スタック全体の加湿水量を大幅に低減させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの一部分解斜視図である。
【図２】前記燃料電池スタックを構成するセルアセンブリの要部分解斜視図である。
【図３】前記セルアセンブリの一部断面説明図である。
【図４】前記セルアセンブリの流れ説明図である。
【図５】前記燃料電池スタックを構成する中間プレートの正面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの一部分解斜視説明図である。
【図７】前記燃料電池スタックの流れ説明図である。
【図８】前記燃料電池スタックを構成する中間プレートの正面図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックの一部分解斜視説明図である。
【図１０】前記燃料電池スタック流れ説明図である。
【図１１】前記燃料電池スタックを構成する中間プレートの正面図である。
【図１２】従来技術に係るセパレータの正面図である。
【符号の説明】
１０、１００、１４０…燃料電池スタック
１２、１４、１６…サブスタック
１８ａ、１８ｂ、１０２ａ、１０２ｂ、１４２ａ、１４２ｂ…中間プレート
２０、１０４、１４４…セルアセンブリ ２４、２６、１０６…単位セル
２８、３０、１０８、１４８…接合体 ３２ａ、３２ｂ…電解質膜
３４ａ、３４ｂ…カソード側電極 ３６ａ、３６ｂ…アノード側電極
３８、４０、４２、１１０、１５０…セパレータ
４６…燃料ガス入口 ５６…酸化剤ガス入口
６４…酸化剤ガス出口 ６５…低加湿酸化剤ガス供給口
６８…燃料ガス出口 ６９…低加湿燃料ガス供給口
７４、８０…酸化剤ガス流路 ７８、８２…燃料ガス流路
９２、１１４…酸化剤ガス混合流路 ９４、１２０…燃料ガス混合流路
９６、９８、１１６、１２２…ガイド部
Claims (4)
- 電解質をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体が、セパレータを介装して複数積層されたサブスタックを有し、前記サブスタックが中間プレートを介装して複数積層されることにより構成される燃料電池スタックであって、
前記中間プレートの面内には、反応ガスの供給方向上流側に配置された第１サブスタックの反応ガス出口側連通路と、前記反応ガス出口側連通路の近傍に設けられた追加反応ガス供給口と、前記反応ガスの供給方向下流側に配置された第２サブスタックの反応ガス入口側連通路とを連通する流路が設けられるとともに、前記流路は、前記追加反応ガス供給口から供給される未使用の追加反応ガスを、前記反応ガス出口側連通路から供給される使用後の反応ガスと混合させて前記反応ガス入口側連通路に送るためのガイド部を備えることを特徴とする燃料電池スタック。 - 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記追加反応ガス供給口は、前記サブスタック内に前記電解質・電極接合体の積層方向に連通する連通孔を構成しており、前記未使用の追加反応ガスは、前記連通孔を介して前記サブスタック内を通って前記中間プレートに供給されることを特徴とする燃料電池スタック。
- 請求項１または２記載の燃料電池スタックにおいて、前記流路は、前記反応ガスである酸化剤ガスを混合する酸化剤ガス混合流路と、
前記反応ガスである燃料ガスを混合する燃料ガス混合流路と、
を備え、
前記酸化剤ガス混合流路および前記燃料ガス混合流路は、前記中間プレートの同一面内に形成されることを特徴とする燃料電池スタック。 - 請求項１または２記載の燃料電池スタックにおいて、前記流路は、前記反応ガスである酸化剤ガスを混合する酸化剤ガス混合流路と、
前記反応ガスである燃料ガスを混合する燃料ガス混合流路と、
を備え、
前記酸化剤ガス混合流路および前記燃料ガス混合流路は、前記中間プレートの異なる面内に形成されることを特徴とする燃料電池スタック。
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