JP3721321B2 - 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・電極接合体を有し、前記電解質・電極接合体とセパレータとを交互に積層した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されている。
【０００３】
この種の燃料電池において、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、電解質膜が高温で使用されると、この電解質膜の耐久性が低下してしまうおそれがあるため、前記電解質膜を適切に冷却する必要がある。このため、単位セル間、例えば、セパレータ間に接合体の面方向に沿って冷却媒体流路が構成されるとともに、前記セパレータの積層方向に貫通して、あるいは、前記セパレータの外部に位置して、前記冷却媒体流路に連通する冷却媒体入口連通口および冷却媒体出口連通口が設けられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この場合、セパレータには、アノード側電極に燃料電池を供給するための燃料ガス流路と、カソード側電極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路とが面方向に沿って設けられている。しかしながら、冷却媒体流路を流れる冷却媒体により燃料ガス流路および酸化剤ガス流路が同様に冷却されてしまい、特に前記酸化剤ガス流路では、電気化学反応の結果発生した生成水が結露し易く、濃度過電圧が惹起されて発電性能が低下するという問題が指摘されている。
【０００６】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、発電性能を有効に向上させ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。
【０００７】
【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、電解質・電極接合体とセパレータとを交互に積層するとともに、所定のセパレータに近接して冷却プレートが配置される。この冷却プレートは、冷却媒体が一方の面、例えば、アノード側電極に対向する面に沿って移動した後、折り返して他方の面、例えば、カソード側電極に対向する面に沿って流れる冷却媒体流路を設けている。
【０００８】
これにより、冷却媒体は、アノード側電極側を冷却して温度が上昇した後、カソード側電極側を冷却するため、アノード側電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路よりも、カソード側電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路を高温に維持することができる。従って、酸化剤ガス流路内での生成水の結露を防止して濃度過電圧を低減することが可能になり、発電性能の向上が容易に図られる。
【０００９】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池スタックでは、冷却プレートが、両面に沿って流れる冷却媒体同士の熱交換を阻止するために断熱機構を備えている。このため、冷却プレートの両面に沿って流れる冷却媒体は、互いに熱の影響を受けることがなく、電解質・電極接合体を所望の温度分布に確実に維持することができる。しかも、反応ガス流路内で均一な湿度分布を得ることが可能になり、電流密度分布が均一化されて濃度過電圧および抵抗過電圧を低減することができる。
【００１０】
【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を構成する単位セル１２の要部分解斜視図であり、図２は、複数組の前記単位セル１２が積層されて構成される燃料電池スタック１０の一部省略断面図である。
【００１１】
図１に示すように、単位セル１２は、接合体（電解質・電極接合体）１４を備える。接合体１４は、固体高分子電解質膜１６と、前記電解質膜１６を挟んで配設されるカソード側電極１８およびアノード側電極２０とを有する。カソード側電極１８およびアノード側電極２０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。
【００１２】
図１および図２に示すように、接合体１４のカソード側電極１８側に第１セパレータ２２が配設される一方、前記接合体１４のアノード側電極２０側に第２セパレータ２４が配設される。第１および第２セパレータ２２、２４間には、導電性金属または導電性カーボン材料からなる薄板状の冷却プレート２６が設けられる。
【００１３】
図１に示すように、接合体１４と第１および第２セパレータ２２、２４の長辺（矢印Ｂ方向）側の一端縁部には、単位セル１２の重ね合わせ方向（矢印Ａ方向）に互いに連通して、空気等の酸素含有ガスである酸化剤ガス（反応ガス）を通過させるための酸化剤ガス入口２８ａと、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出口３０ｂとが設けられる。
【００１４】
接合体１４と第１および第２セパレータ２２、２４の長辺（矢印Ｂ方向）側の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガスを通過させるための酸化剤ガス出口２８ｂと、燃料ガスを通過させるための燃料ガス入口３０ａと、冷却媒体を通過させるための冷却媒体入口３２ａおよび冷却媒体出口３２ｂとが設けられる。
【００１５】
第１セパレータ２２は、金属薄板で構成されるとともに、接合体１４の反応面（発電面）に対応する部位が凹凸形状、例えば、波形状に設定される。図２および図３に示すように、第１セパレータ２２は、接合体１４のカソード側電極１８に対向する側に複数本の酸化剤ガス流路（反応ガス流路）３４を設けるとともに、前記酸化剤ガス流路３４は、長辺方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在してそれぞれの両端が酸化剤ガス入口２８ａと酸化剤ガス出口２８ｂとに連通する。
【００１６】
図１および図２に示すように、第１セパレータ２２は、冷却プレート２６の一方の面２６ａに対向する側に複数本の第１冷却媒体流路３６を設ける。第１冷却媒体流路３６は、長辺方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在しており、一端側が冷却媒体出口３２ｂに連通するとともに、他端側が冷却プレート２６の端部で折り返した後、前記冷却プレート２６の他方の面２６ｂ側に設けられた後述する第２冷却媒体流路３８を介して冷却媒体入口３２ａに連通する。
【００１７】
第２セパレータ２４は、上記の第１セパレータ２２と略同様に構成されており、接合体１４のアノード側電極２０に対向する側に複数本の燃料ガス流路（反応ガス流路）４０を設けるとともに、前記燃料ガス流路４０は、長辺方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在してそれぞれの両端が燃料ガス入口３０ａと燃料ガス出口３０ｂとに連通する。第２セパレータ２４は、冷却プレート２６に対向する側に複数本の第２冷却媒体流路３８を設ける（図２参照）。第２冷却媒体流路３８は、長辺方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在しており、終端が冷却媒体入口３２ａに連通する。
【００１８】
図２に示すように、冷却プレート２６は、第１および第２冷却媒体流路３６、３８を介して両面２６ａ、２６ｂに沿って流れる冷却媒体同士の熱交換を阻止するために断熱機構５０を備える。この断熱機構５０は、ゴム材またはポリテトラフルオルエチレン（ＰＴＦＥ）等の樹脂材を、冷却プレート２６の両面２６ａ、２６ｂにコーティングすることにより構成される断熱層５２ａ、５２ｂを備える。
【００１９】
断熱層５２ａは、第１セパレータ２２の第１冷却媒体流路３６に対応して設けられており、前記第１セパレータ２２と冷却プレート２６の面２６ａとが接触する部分には設けられず、前記第１セパレータ２２と前記冷却プレート２６とを電気的に接続している。断熱層５２ｂは、上記の断熱層５２ａと同様に、第２セパレータ２４の第２冷却媒体流路３８に対応して設けられており、前記第２セパレータ２４を冷却プレート２６の面２６ｂとが接触する部分には設けられず、前記第２セパレータ２４と前記冷却プレート２６とを電気的に接続している。
【００２０】
このように構成される単位セル１２は、所定の数だけ矢印Ａ方向に重ね合わされるとともに、前記単位セル１２の矢印Ａ方向両端には、集電用電極６０を介してエンドプレート６２が配置され、前記エンドプレート６２が図示しないタイロッド等によっ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。
【００２１】
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。
【００２２】
燃料電池スタック１０内には、水素含有ガス等の燃料ガスと、空気等の酸素含有ガスである酸化剤ガスと、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体とが供給される。このため、燃料電池スタック１０では、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数組の単位セル１２に対し、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体が、順次、供給される。
【００２３】
図４に示すように、矢印Ａ方向に連通している酸化剤ガス入口２８ａに供給された酸化剤ガスは、第１セパレータ２２に設けられている複数本の酸化剤ガス流路３４に導入され、接合体１４を構成するカソード側電極１８に沿って移動した後、酸化剤ガス出口２８ｂに排出される。一方、燃料ガス入口３０ａに供給された燃料ガスは、第２セパレータ２４に設けられている複数本の燃料ガス流路４０に導入され、接合体１４を構成するアノード側電極２０に沿って移動した後、燃料ガス出口３０ｂに排出される。
【００２４】
従って、接合体１４では、カソード側電極１８に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２０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。
【００２５】
また、冷却媒体入口３２ａに供給された冷却媒体は、第２セパレータ２４に設けられている第２冷却媒体流路３８に沿って移動した後、冷却プレート２６の端部で折り返して第１セパレータ２２に設けられている第１冷却媒体流路３６に沿って移動し、冷却媒体出口３２ｂに排出される。これにより、接合体１４が冷却される。
【００２６】
この場合、第１の実施形態では、図４に示すように、冷却媒体が第２冷却媒体流路３８に沿って移動することにより、第２セパレータ２４の燃料ガス流路４０に供給される燃料ガスを冷却する。このため、温度が上昇した冷却媒体は、冷却プレート２６の端部で折り返して第１冷却媒体流路３６に沿って移動することにより、第１セパレータ２２の酸化剤ガス流路３４に供給される酸化剤ガスの冷却を行っている。
【００２７】
このように、冷却媒体は、燃料ガスの冷却を行って温度が上昇した後、酸化剤ガスの冷却を行うため、アノード側電極２０に燃料ガスを供給する燃料ガス流路４０よりも、カソード側電極１８に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路３４を高温に維持することができる。
【００２８】
これにより、特に、電気化学反応により生成水が発生する酸化剤ガス流路３４内で、この生成水が結露することを有効に防止することが可能になり、濃度過電圧を低減して各単位セル１２の発電性能を有効に向上させることができるという効果が得られる。
【００２９】
さらに、第１の実施形態では、冷却プレート２６に断熱機構５０が設けられている。この断熱機構５０は、冷却プレート２６の両面２６ａ、２６ｂにそれぞれ第１および第２冷却媒体流路３６、３８に対応して設けられる断熱層５２ａ、５２ｂを備えており、前記両面２６ａ、２６ｂに沿って流れる冷却媒体同士の熱交換を確実に阻止することができる。このため、冷却プレート２６の両面２６ａ、２６ｂに沿って流れる冷却媒体は、互いに熱の影響を受けることがなく、接合体１４を所望の温度分布に確実に維持することが可能になる。
【００３０】
具体的には、冷却プレート２６に断熱機構５０を用いない場合、酸化剤ガス流路３４、燃料ガス流路４０、並びに第１および第２冷却媒体流路３６、３８の各流路中央では、図５に示す温度分布が得られた。
【００３１】
なお、図５中、「位置」は接合体１４の発電面の位置を表しており、「位置０」は冷却媒体の折り返し端部位置に対応している。また、図５中、それぞれの矢印は、酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却媒体が発電面に沿って流れる流れ方向を示している。
【００３２】
この場合、第２および第１冷却媒体流路３８、３６に沿って流れる冷却媒体は、特に、冷却プレート２６が薄肉構造を有している際に、互いに熱交換を行っており、前記冷却プレート２６の折り返し端部での温度が相当に高くなっている。このため、燃料ガス出口３０ｂ付近の燃料ガス温度や、酸化剤ガス入口２８ａ付近の酸化剤ガス温度が、比較的高温となり易く、接合体１４を構成する電解質膜１６が高温使用による耐久性の悪化を惹起するおそれがある。
【００３３】
さらに、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口２８ａから酸化剤ガス出口２８ｂに向かって温度低下が惹起している。その際、酸化剤ガス流路３４内では、電気化学反応により生成水が発生しており、酸化剤ガス出口２８ｂに向かって温度低下が生じると、前記生成水が結露するおそれがある。
【００３４】
これに対して、冷却プレート２６に断熱機構５０を設ける第１の実施形態では、酸化剤ガス流路３４、燃料ガス流路４０、並びに第１および第２冷却媒体流路３６、３８の各流路中央部において、図６に示す温度分布が得られた。
【００３５】
これにより、冷却プレート２６の両面２６ａ、２６ｂに沿って流れる冷却媒体同士の熱交換が、断熱機構５０を介して確実に阻止され、折り返し端部での冷却媒体の温度上昇が回避される。従って、燃料ガスおよび酸化剤ガスの温度上昇を抑えて電解質膜１６の耐久性を向上させることができるとともに、酸化剤ガスの温度が酸化剤ガス入口２８ａから酸化剤ガス出口２８ｂに向かって上昇し、酸化剤ガス流路３４内で生成水が結露することを確実に阻止することが可能になるという効果が得られる。
【００３６】
また、この酸化剤ガスでは、図７に示すように、断熱機構５０を設けることにより、相対湿度が均一化される。このため、単位セル１２の発電性能を良好に維持するとともに、湿度低下による電解質膜１６の膜抵抗の増加を有効に阻止することができるという利点がある。
【００３７】
さらにまた、図２に示すように、燃料電池スタック１０の積層方向両端部側には、エンドプレート６２および集電用電極６０に近接して冷却プレート２６が配置されるとともに、この冷却プレート２６には、断熱機構５０が設けられている。これにより、単位セル１２から大気への外部放熱量を抑えることができ、燃料電池スタック１０の積層方向におけるセル温度のばらつきを有効に低減することが可能になる。
【００３８】
図８は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック１００の要部分解斜視図であり、図９は、前記燃料電池スタック１００の一部断面説明図である。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。
【００３９】
図８に示すように、燃料電池スタック１００は、第１単位セル１１４と第２単位セル１１６とを重ね合わせて矢印Ａ方向に積層して構成されており、前記第１および第２単位セル１１４、１１６は、第１および第２接合体（電解質・電極接合体）１１８、１２０を備える。
【００４０】
第１および第２接合体１１８、１２０は、固体高分子電解質膜１６ａ、１６ｂと、前記電解質膜１６ａ、１６ｂを挟んで配設されるカソード側電極１８ａ、１８ｂおよびアノード側電極２０ａ、２０ｂとを有する。カソード側電極１８ａ、１８ｂおよびアノード側電極２０ａ、２０ｂ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。
【００４１】
図８および図９に示すように、第１接合体１１８のカソード側電極１８ａ側に第１セパレータ２２が配設され、第２接合体１２０のアノード側電極２０ｂ側に第２セパレータ２４が配設されるとともに、前記第１および第２接合体１１８、１２０間に中間セパレータ１２２が配設される。第１および第２セパレータ２２、２４の外側の面側には、導電性金属からなる薄板状の冷却プレート２６が設けられる。
【００４２】
図８に示すように、第１および第２接合体１１８、１２０、第１および第２セパレータ２２、２４、並びに中間セパレータ１２２の長辺（矢印Ｂ方向）側の一端縁部には、第１および第２単位セル１１４、１１６の重ね合わせ方向（矢印Ａ方向）に互いに連通して、酸化剤ガス入口２８ａと、酸化剤ガス出口２８ｂと、ガス流れ方向上流側の第１単位セル１１４で反応に供与されて排出された燃料ガスをガス流れ方向下流側の第２単位セル１１６に導入させるための燃料ガス連通路１２４とが設けられる。
【００４３】
第１および第２接合体１１８、１２０、第１および第２セパレータ２２、２４、並びに中間セパレータ１２２の長辺（矢印Ｂ方向）側の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、ガス流れ方向上流側の第１単位セル１１４で反応に供与され排出された酸化剤ガスをガス流れ方向下流側の第２単位セル１１６に導入させるための酸化剤ガス連通路１２６と、燃料ガス入口３０ａと、燃料ガス出口３０ｂと、冷却媒体入口３２ａと、冷却媒体出口３２ｂとが設けられる。
【００４４】
図８および図９に示すように、第１セパレータ２２は、冷却プレート２６の一方の面２６ａに対向する側に複数本の第１冷却媒体流路３６ａを設ける。第１冷却媒体流路３６ａは、長辺方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在しており、一端が冷却媒体入口３２ａに連通するとともに、他端側が冷却プレート２６の端部で折り返した後、前記冷却プレート２６の他方の面２６ｂ側に設けられた第２冷却媒体流路３８ａを流れて冷却媒体出口３２ｂに連通する。
【００４５】
第２セパレータ２４は、冷却プレート２６に対向する側に複数本の第２冷却媒体流路３８ａを設けるとともに、この第２冷却媒体流路３８ａは、長辺方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在しており、終端が冷却媒体出口３２ｂに連通する。
【００４６】
中間セパレータ１２２は、上記の第１および第２セパレータ２２、２４と略同様に構成されており、第１接合体１１８のアノード側電極２０ａに対向する側に複数本の燃料ガス流路（反応ガス流路）４０ａを設けるとともに、前記燃料ガス流路４０ａは、長辺方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在してそれぞれの両端が燃料ガス連通路１２４と燃料ガス出口３０ｂとに連通する。
【００４７】
図９に示すように、中間セパレータ１２２は、第２接合体１２０のカソード側電極１８ｂに対向する側に複数本の酸化剤ガス流路（反応ガス流路）３４ａを設けるとともに、前記酸化剤ガス流路３４ａは、長辺方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在してそれぞれの両端が酸化剤ガス連通路１２６と酸化剤ガス出口２８ｂとに連通する。
【００４８】
このように構成される燃料電池スタック１００の動作について、以下に説明する。
【００４９】
燃料電池スタック１００内には、水素含有ガス等の燃料ガスと、空気等の酸素含有ガスである酸化剤ガスと、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体とが供給される。このため、燃料電池スタック１００では、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数組の第１および第２単位セル１１４、１１６に対し、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体が、順次、供給される。
【００５０】
図１０に示すように、矢印Ａ方向に連通している酸化剤ガス入口２８ａに供給された酸化剤ガスは、第１セパレータ２２に設けられている複数本の酸化剤ガス流路３４に導入され、第１接合体１１８を構成するカソード側電極１８ａに沿って移動する。
【００５１】
さらに、第１接合体１１８で一部が消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路３４から酸化剤ガス連通路１２６に導入されて矢印Ａ方向に移動した後、中間セパレータ１２２に設けられている酸化剤ガス流路３４ａに導入される。この酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路３４ａを介して第２接合体１２０を構成するカソード側電極１８ｂに沿って移動し、酸化剤ガス出口２８ｂに排出される。
【００５２】
一方、燃料ガス入口３０ａに供給された燃料ガスは、第２セパレータ２４に設けられている複数本の燃料ガス流路４０に導入され、第２接合体１２０を構成するアノード側電極２０ｂに沿って移動する。第２接合体１２０を構成するアノード側電極２０ｂで一部が消費された燃料ガスは、燃料ガス連通路１２４に導入された後、矢印Ａ方向に移動して中間セパレータ１２２に設けられている燃料ガス流路４０ａに導入され、第１接合体１１８を構成するアノード側電極２０ａに沿って移動する。
【００５３】
従って、第１および第２接合体１１８、１２０では、カソード側電極１８ａ、１８ｂに供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２０ａ、２０ｂ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。
【００５４】
また、冷却媒体入口３２ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ２２に設けられている第１冷却媒体流路３６ａに沿って移動した後、冷却プレート２６の端部で折り返して第２セパレータ２４に設けられている第２冷却媒体流路３８ａに沿って移動し、冷却媒体出口３２ｂに排出される。
【００５５】
この場合、第２の実施形態では、冷却媒体が、冷却プレート２６の一方の面２６ａ側に設けられている第１冷却媒体流路３６ａに沿って流れることにより、第１単位セル１１４を冷却した後、この冷却プレート２６の端部で折り返して面２６ｂ側に設けられている第２冷却媒体流路３８ｂに沿って流れることにより、第２単位セル１１６を冷却している。このため、第２単位セル１１６は、第１単位セル１１４よりも高温に維持されている。
【００５６】
その際、酸化剤ガスは、第１単位セル１１４から第２単位セル１１６に向かって供給されており（図１０参照）、この第２単位セル１１６側は、前記第１単位セル１１４側よりも水蒸気流量（生成水量）が多くなっている。従って、第２単位セル１１６側を第１単位セル１１４側よりも高温に維持することができ、結露の発生を有効に阻止して濃度過電圧を低減し得るという効果がある。
【００５７】
さらに、冷却プレート２６には、両面２６ａ、２６ｂに沿って流れる冷却媒体同士の熱交換を阻止するために断熱機構５０が設けられている。これにより、所望の温度分布を確実に得ることができ、発電性能の向上を図ることが可能になる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５８】
なお、第１および第２の実施形態では、冷却プレート２６の両面２６ａ、２６ｂに第１および第２冷却媒体流路３６、３６ａ、３８および３８ａに対応して断熱層５２ａ、５２ｂを設けた断熱機構５０を備えているが、これに代替して、図１１に示す断熱機構５０ａを用いることができる。
【００５９】
この断熱機構５０ａは、冷却プレート２６の両面２６ａ、２６ｂの中央部側に所定の範囲にわたって設けられる断熱層１３０ａ、１３０ｂを備える。この断熱層１３０ａ、１３０ｂは、例えば、図２において、第１および第２セパレータ２２、２４に対して発電面の範囲内で接触することにより、第１および第２冷却媒体流路３６、３８を流れるそれぞれの冷却媒体同士の熱交換を阻止する機能を有する。また、冷却プレート２６を第１および第２セパレータ２２、２４の外周縁部まで延在させる際には、断熱機構５０ａをシール材料と一体成形してもよい。
【００６０】
さらに、断熱層１３０ａ、１３０ｂの外方では、冷却プレート２６の両面２６ａ、２６ｂが第１および第２セパレータ２２、２４の外周縁部と電気的に接続される。このように構成される断熱機構５０ａでは、実際の製作作業が有効に簡素化されるという効果が得られる。
【００６１】
また、上記の断熱機構５０ａに代替して、冷却プレート２６の両面２６ａ、２６ｂの全面に断熱層を施し、第１および第２セパレータ２２、２４同士をスタック外部に設けた接続構造によって電気的に接続するように構成してもよい。
【００６２】
さらにまた、冷却プレート２６自体を断熱性プレートで構成し、第１および第２セパレータ２２、２４同士をスタック外部に設けた接続構造によって電気的に接続するように構成してもよい。
【００６３】
さらに、図１２に示すように、断熱材で構成される冷却プレート１４０が、第１および第２セパレータ２２、２４間に介装されるとともに、前記第１および第２セパレータ２２、２４を導電性リベット１４２により電気的に接続することもできる。
【００６４】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックでは、所定のセパレータに近接して配置されるセパレータに、冷却媒体が一方の面に沿って移動した後、折り返して他方の面に沿って流れる冷却流路が設けられている。このため、例えば、冷却媒体がアノード側電極側を冷却した後、カソード側電極側を冷却するように流れると、燃料ガス流路よりも酸化剤ガス流路が高温に維持され、前記酸化剤ガス流路での生成水の結露を有効に防止することができる。これにより、濃度過電圧を低減して発電性能の向上を図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を構成する単位セルの要部分解斜視図である。
【図２】前記燃料電池スタックの一部省略断面図である。
【図３】前記燃料電池スタックを構成する第１セパレータの正面図である。
【図４】前記燃料電池スタック内の流れを説明する分解斜視図である。
【図５】冷却プレートに断熱機構を用いない際の各流路中央における温度分布の説明図である。
【図６】前記冷却プレートに前記断熱機構を用いる際の各流路中央における温度分布の説明図である。
【図７】前記断熱機構の有無による酸化剤ガス側の相対湿度の説明図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの要部分解斜視図である。
【図９】図８に示す燃料電池スタックの一部断面説明図である。
【図１０】前記第１および第２単位セル内の流れを説明する分解斜視図である。
【図１１】別の断熱機構が設けられた冷却プレートの斜視図である。
【図１２】断熱性冷却プレートと導電性リベットとが使用される際の一部断面図である。
【符号の説明】
１０、１００…燃料電池スタック １２、１１４、１１６…単位セル
１４、１１８、１２０…接合体 １６、１６ａ、１６ｂ…電解質膜
１８、１８ａ、１８ｂ…カソード側電極
２０、２０ａ、２０ｂ…アノード側電極
２２、２４…セパレータ ２６、１４０…冷却プレート
３２ａ…冷却媒体入口 ３２ｂ…冷却媒体出口
３４、３４ａ…酸化剤ガス流路
３６、３６ａ、３８、３８ａ…冷却媒体流路
４０、４０ａ…燃料ガス流路 ５０、５０ａ…断熱機構
５２ａ、５２ｂ、１３０ａ、１３０ｂ…断熱層
６２…エンドプレート １２２…中間セパレータ
１２４…燃料ガス連通路 １２６…酸化剤ガス連通路
１４２…導電性リベット
【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・電極接合体を有し、前記電解質・電極接合体とセパレータとを交互に積層した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されている。
【０００３】
この種の燃料電池において、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、電解質膜が高温で使用されると、この電解質膜の耐久性が低下してしまうおそれがあるため、前記電解質膜を適切に冷却する必要がある。このため、単位セル間、例えば、セパレータ間に接合体の面方向に沿って冷却媒体流路が構成されるとともに、前記セパレータの積層方向に貫通して、あるいは、前記セパレータの外部に位置して、前記冷却媒体流路に連通する冷却媒体入口連通口および冷却媒体出口連通口が設けられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この場合、セパレータには、アノード側電極に燃料電池を供給するための燃料ガス流路と、カソード側電極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路とが面方向に沿って設けられている。しかしながら、冷却媒体流路を流れる冷却媒体により燃料ガス流路および酸化剤ガス流路が同様に冷却されてしまい、特に前記酸化剤ガス流路では、電気化学反応の結果発生した生成水が結露し易く、濃度過電圧が惹起されて発電性能が低下するという問題が指摘されている。
【０００６】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、発電性能を有効に向上させ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。
【０００７】
【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、電解質・電極接合体とセパレータとを交互に積層するとともに、所定のセパレータに近接して冷却プレートが配置される。この冷却プレートは、冷却媒体が一方の面、例えば、アノード側電極に対向する面に沿って移動した後、折り返して他方の面、例えば、カソード側電極に対向する面に沿って流れる冷却媒体流路を設けている。
【０００８】
これにより、冷却媒体は、アノード側電極側を冷却して温度が上昇した後、カソード側電極側を冷却するため、アノード側電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路よりも、カソード側電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路を高温に維持することができる。従って、酸化剤ガス流路内での生成水の結露を防止して濃度過電圧を低減することが可能になり、発電性能の向上が容易に図られる。
【０００９】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池スタックでは、冷却プレートが、両面に沿って流れる冷却媒体同士の熱交換を阻止するために断熱機構を備えている。このため、冷却プレートの両面に沿って流れる冷却媒体は、互いに熱の影響を受けることがなく、電解質・電極接合体を所望の温度分布に確実に維持することができる。しかも、反応ガス流路内で均一な湿度分布を得ることが可能になり、電流密度分布が均一化されて濃度過電圧および抵抗過電圧を低減することができる。
【００１０】
【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を構成する単位セル１２の要部分解斜視図であり、図２は、複数組の前記単位セル１２が積層されて構成される燃料電池スタック１０の一部省略断面図である。
【００１１】
図１に示すように、単位セル１２は、接合体（電解質・電極接合体）１４を備える。接合体１４は、固体高分子電解質膜１６と、前記電解質膜１６を挟んで配設されるカソード側電極１８およびアノード側電極２０とを有する。カソード側電極１８およびアノード側電極２０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。
【００１２】
図１および図２に示すように、接合体１４のカソード側電極１８側に第１セパレータ２２が配設される一方、前記接合体１４のアノード側電極２０側に第２セパレータ２４が配設される。第１および第２セパレータ２２、２４間には、導電性金属または導電性カーボン材料からなる薄板状の冷却プレート２６が設けられる。
【００１３】
図１に示すように、接合体１４と第１および第２セパレータ２２、２４の長辺（矢印Ｂ方向）側の一端縁部には、単位セル１２の重ね合わせ方向（矢印Ａ方向）に互いに連通して、空気等の酸素含有ガスである酸化剤ガス（反応ガス）を通過させるための酸化剤ガス入口２８ａと、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出口３０ｂとが設けられる。
【００１４】
接合体１４と第１および第２セパレータ２２、２４の長辺（矢印Ｂ方向）側の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガスを通過させるための酸化剤ガス出口２８ｂと、燃料ガスを通過させるための燃料ガス入口３０ａと、冷却媒体を通過させるための冷却媒体入口３２ａおよび冷却媒体出口３２ｂとが設けられる。
【００１５】
第１セパレータ２２は、金属薄板で構成されるとともに、接合体１４の反応面（発電面）に対応する部位が凹凸形状、例えば、波形状に設定される。図２および図３に示すように、第１セパレータ２２は、接合体１４のカソード側電極１８に対向する側に複数本の酸化剤ガス流路（反応ガス流路）３４を設けるとともに、前記酸化剤ガス流路３４は、長辺方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在してそれぞれの両端が酸化剤ガス入口２８ａと酸化剤ガス出口２８ｂとに連通する。
【００１６】
図１および図２に示すように、第１セパレータ２２は、冷却プレート２６の一方の面２６ａに対向する側に複数本の第１冷却媒体流路３６を設ける。第１冷却媒体流路３６は、長辺方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在しており、一端側が冷却媒体出口３２ｂに連通するとともに、他端側が冷却プレート２６の端部で折り返した後、前記冷却プレート２６の他方の面２６ｂ側に設けられた後述する第２冷却媒体流路３８を介して冷却媒体入口３２ａに連通する。
【００１７】
第２セパレータ２４は、上記の第１セパレータ２２と略同様に構成されており、接合体１４のアノード側電極２０に対向する側に複数本の燃料ガス流路（反応ガス流路）４０を設けるとともに、前記燃料ガス流路４０は、長辺方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在してそれぞれの両端が燃料ガス入口３０ａと燃料ガス出口３０ｂとに連通する。第２セパレータ２４は、冷却プレート２６に対向する側に複数本の第２冷却媒体流路３８を設ける（図２参照）。第２冷却媒体流路３８は、長辺方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在しており、終端が冷却媒体入口３２ａに連通する。
【００１８】
図２に示すように、冷却プレート２６は、第１および第２冷却媒体流路３６、３８を介して両面２６ａ、２６ｂに沿って流れる冷却媒体同士の熱交換を阻止するために断熱機構５０を備える。この断熱機構５０は、ゴム材またはポリテトラフルオルエチレン（ＰＴＦＥ）等の樹脂材を、冷却プレート２６の両面２６ａ、２６ｂにコーティングすることにより構成される断熱層５２ａ、５２ｂを備える。
【００１９】
断熱層５２ａは、第１セパレータ２２の第１冷却媒体流路３６に対応して設けられており、前記第１セパレータ２２と冷却プレート２６の面２６ａとが接触する部分には設けられず、前記第１セパレータ２２と前記冷却プレート２６とを電気的に接続している。断熱層５２ｂは、上記の断熱層５２ａと同様に、第２セパレータ２４の第２冷却媒体流路３８に対応して設けられており、前記第２セパレータ２４を冷却プレート２６の面２６ｂとが接触する部分には設けられず、前記第２セパレータ２４と前記冷却プレート２６とを電気的に接続している。
【００２０】
このように構成される単位セル１２は、所定の数だけ矢印Ａ方向に重ね合わされるとともに、前記単位セル１２の矢印Ａ方向両端には、集電用電極６０を介してエンドプレート６２が配置され、前記エンドプレート６２が図示しないタイロッド等によっ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。
【００２１】
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。
【００２２】
燃料電池スタック１０内には、水素含有ガス等の燃料ガスと、空気等の酸素含有ガスである酸化剤ガスと、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体とが供給される。このため、燃料電池スタック１０では、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数組の単位セル１２に対し、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体が、順次、供給される。
【００２３】
図４に示すように、矢印Ａ方向に連通している酸化剤ガス入口２８ａに供給された酸化剤ガスは、第１セパレータ２２に設けられている複数本の酸化剤ガス流路３４に導入され、接合体１４を構成するカソード側電極１８に沿って移動した後、酸化剤ガス出口２８ｂに排出される。一方、燃料ガス入口３０ａに供給された燃料ガスは、第２セパレータ２４に設けられている複数本の燃料ガス流路４０に導入され、接合体１４を構成するアノード側電極２０に沿って移動した後、燃料ガス出口３０ｂに排出される。
【００２４】
従って、接合体１４では、カソード側電極１８に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２０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。
【００２５】
また、冷却媒体入口３２ａに供給された冷却媒体は、第２セパレータ２４に設けられている第２冷却媒体流路３８に沿って移動した後、冷却プレート２６の端部で折り返して第１セパレータ２２に設けられている第１冷却媒体流路３６に沿って移動し、冷却媒体出口３２ｂに排出される。これにより、接合体１４が冷却される。
【００２６】
この場合、第１の実施形態では、図４に示すように、冷却媒体が第２冷却媒体流路３８に沿って移動することにより、第２セパレータ２４の燃料ガス流路４０に供給される燃料ガスを冷却する。このため、温度が上昇した冷却媒体は、冷却プレート２６の端部で折り返して第１冷却媒体流路３６に沿って移動することにより、第１セパレータ２２の酸化剤ガス流路３４に供給される酸化剤ガスの冷却を行っている。
【００２７】
このように、冷却媒体は、燃料ガスの冷却を行って温度が上昇した後、酸化剤ガスの冷却を行うため、アノード側電極２０に燃料ガスを供給する燃料ガス流路４０よりも、カソード側電極１８に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路３４を高温に維持することができる。
【００２８】
これにより、特に、電気化学反応により生成水が発生する酸化剤ガス流路３４内で、この生成水が結露することを有効に防止することが可能になり、濃度過電圧を低減して各単位セル１２の発電性能を有効に向上させることができるという効果が得られる。
【００２９】
さらに、第１の実施形態では、冷却プレート２６に断熱機構５０が設けられている。この断熱機構５０は、冷却プレート２６の両面２６ａ、２６ｂにそれぞれ第１および第２冷却媒体流路３６、３８に対応して設けられる断熱層５２ａ、５２ｂを備えており、前記両面２６ａ、２６ｂに沿って流れる冷却媒体同士の熱交換を確実に阻止することができる。このため、冷却プレート２６の両面２６ａ、２６ｂに沿って流れる冷却媒体は、互いに熱の影響を受けることがなく、接合体１４を所望の温度分布に確実に維持することが可能になる。
【００３０】
具体的には、冷却プレート２６に断熱機構５０を用いない場合、酸化剤ガス流路３４、燃料ガス流路４０、並びに第１および第２冷却媒体流路３６、３８の各流路中央では、図５に示す温度分布が得られた。
【００３１】
なお、図５中、「位置」は接合体１４の発電面の位置を表しており、「位置０」は冷却媒体の折り返し端部位置に対応している。また、図５中、それぞれの矢印は、酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却媒体が発電面に沿って流れる流れ方向を示している。
【００３２】
この場合、第２および第１冷却媒体流路３８、３６に沿って流れる冷却媒体は、特に、冷却プレート２６が薄肉構造を有している際に、互いに熱交換を行っており、前記冷却プレート２６の折り返し端部での温度が相当に高くなっている。このため、燃料ガス出口３０ｂ付近の燃料ガス温度や、酸化剤ガス入口２８ａ付近の酸化剤ガス温度が、比較的高温となり易く、接合体１４を構成する電解質膜１６が高温使用による耐久性の悪化を惹起するおそれがある。
【００３３】
さらに、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口２８ａから酸化剤ガス出口２８ｂに向かって温度低下が惹起している。その際、酸化剤ガス流路３４内では、電気化学反応により生成水が発生しており、酸化剤ガス出口２８ｂに向かって温度低下が生じると、前記生成水が結露するおそれがある。
【００３４】
これに対して、冷却プレート２６に断熱機構５０を設ける第１の実施形態では、酸化剤ガス流路３４、燃料ガス流路４０、並びに第１および第２冷却媒体流路３６、３８の各流路中央部において、図６に示す温度分布が得られた。
【００３５】
これにより、冷却プレート２６の両面２６ａ、２６ｂに沿って流れる冷却媒体同士の熱交換が、断熱機構５０を介して確実に阻止され、折り返し端部での冷却媒体の温度上昇が回避される。従って、燃料ガスおよび酸化剤ガスの温度上昇を抑えて電解質膜１６の耐久性を向上させることができるとともに、酸化剤ガスの温度が酸化剤ガス入口２８ａから酸化剤ガス出口２８ｂに向かって上昇し、酸化剤ガス流路３４内で生成水が結露することを確実に阻止することが可能になるという効果が得られる。
【００３６】
また、この酸化剤ガスでは、図７に示すように、断熱機構５０を設けることにより、相対湿度が均一化される。このため、単位セル１２の発電性能を良好に維持するとともに、湿度低下による電解質膜１６の膜抵抗の増加を有効に阻止することができるという利点がある。
【００３７】
さらにまた、図２に示すように、燃料電池スタック１０の積層方向両端部側には、エンドプレート６２および集電用電極６０に近接して冷却プレート２６が配置されるとともに、この冷却プレート２６には、断熱機構５０が設けられている。これにより、単位セル１２から大気への外部放熱量を抑えることができ、燃料電池スタック１０の積層方向におけるセル温度のばらつきを有効に低減することが可能になる。
【００３８】
図８は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック１００の要部分解斜視図であり、図９は、前記燃料電池スタック１００の一部断面説明図である。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。
【００３９】
図８に示すように、燃料電池スタック１００は、第１単位セル１１４と第２単位セル１１６とを重ね合わせて矢印Ａ方向に積層して構成されており、前記第１および第２単位セル１１４、１１６は、第１および第２接合体（電解質・電極接合体）１１８、１２０を備える。
【００４０】
第１および第２接合体１１８、１２０は、固体高分子電解質膜１６ａ、１６ｂと、前記電解質膜１６ａ、１６ｂを挟んで配設されるカソード側電極１８ａ、１８ｂおよびアノード側電極２０ａ、２０ｂとを有する。カソード側電極１８ａ、１８ｂおよびアノード側電極２０ａ、２０ｂ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。
【００４１】
図８および図９に示すように、第１接合体１１８のカソード側電極１８ａ側に第１セパレータ２２が配設され、第２接合体１２０のアノード側電極２０ｂ側に第２セパレータ２４が配設されるとともに、前記第１および第２接合体１１８、１２０間に中間セパレータ１２２が配設される。第１および第２セパレータ２２、２４の外側の面側には、導電性金属からなる薄板状の冷却プレート２６が設けられる。
【００４２】
図８に示すように、第１および第２接合体１１８、１２０、第１および第２セパレータ２２、２４、並びに中間セパレータ１２２の長辺（矢印Ｂ方向）側の一端縁部には、第１および第２単位セル１１４、１１６の重ね合わせ方向（矢印Ａ方向）に互いに連通して、酸化剤ガス入口２８ａと、酸化剤ガス出口２８ｂと、ガス流れ方向上流側の第１単位セル１１４で反応に供与されて排出された燃料ガスをガス流れ方向下流側の第２単位セル１１６に導入させるための燃料ガス連通路１２４とが設けられる。
【００４３】
第１および第２接合体１１８、１２０、第１および第２セパレータ２２、２４、並びに中間セパレータ１２２の長辺（矢印Ｂ方向）側の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、ガス流れ方向上流側の第１単位セル１１４で反応に供与され排出された酸化剤ガスをガス流れ方向下流側の第２単位セル１１６に導入させるための酸化剤ガス連通路１２６と、燃料ガス入口３０ａと、燃料ガス出口３０ｂと、冷却媒体入口３２ａと、冷却媒体出口３２ｂとが設けられる。
【００４４】
図８および図９に示すように、第１セパレータ２２は、冷却プレート２６の一方の面２６ａに対向する側に複数本の第１冷却媒体流路３６ａを設ける。第１冷却媒体流路３６ａは、長辺方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在しており、一端が冷却媒体入口３２ａに連通するとともに、他端側が冷却プレート２６の端部で折り返した後、前記冷却プレート２６の他方の面２６ｂ側に設けられた第２冷却媒体流路３８ａを流れて冷却媒体出口３２ｂに連通する。
【００４５】
第２セパレータ２４は、冷却プレート２６に対向する側に複数本の第２冷却媒体流路３８ａを設けるとともに、この第２冷却媒体流路３８ａは、長辺方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在しており、終端が冷却媒体出口３２ｂに連通する。
【００４６】
中間セパレータ１２２は、上記の第１および第２セパレータ２２、２４と略同様に構成されており、第１接合体１１８のアノード側電極２０ａに対向する側に複数本の燃料ガス流路（反応ガス流路）４０ａを設けるとともに、前記燃料ガス流路４０ａは、長辺方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在してそれぞれの両端が燃料ガス連通路１２４と燃料ガス出口３０ｂとに連通する。
【００４７】
図９に示すように、中間セパレータ１２２は、第２接合体１２０のカソード側電極１８ｂに対向する側に複数本の酸化剤ガス流路（反応ガス流路）３４ａを設けるとともに、前記酸化剤ガス流路３４ａは、長辺方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在してそれぞれの両端が酸化剤ガス連通路１２６と酸化剤ガス出口２８ｂとに連通する。
【００４８】
このように構成される燃料電池スタック１００の動作について、以下に説明する。
【００４９】
燃料電池スタック１００内には、水素含有ガス等の燃料ガスと、空気等の酸素含有ガスである酸化剤ガスと、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体とが供給される。このため、燃料電池スタック１００では、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数組の第１および第２単位セル１１４、１１６に対し、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体が、順次、供給される。
【００５０】
図１０に示すように、矢印Ａ方向に連通している酸化剤ガス入口２８ａに供給された酸化剤ガスは、第１セパレータ２２に設けられている複数本の酸化剤ガス流路３４に導入され、第１接合体１１８を構成するカソード側電極１８ａに沿って移動する。
【００５１】
さらに、第１接合体１１８で一部が消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路３４から酸化剤ガス連通路１２６に導入されて矢印Ａ方向に移動した後、中間セパレータ１２２に設けられている酸化剤ガス流路３４ａに導入される。この酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路３４ａを介して第２接合体１２０を構成するカソード側電極１８ｂに沿って移動し、酸化剤ガス出口２８ｂに排出される。
【００５２】
一方、燃料ガス入口３０ａに供給された燃料ガスは、第２セパレータ２４に設けられている複数本の燃料ガス流路４０に導入され、第２接合体１２０を構成するアノード側電極２０ｂに沿って移動する。第２接合体１２０を構成するアノード側電極２０ｂで一部が消費された燃料ガスは、燃料ガス連通路１２４に導入された後、矢印Ａ方向に移動して中間セパレータ１２２に設けられている燃料ガス流路４０ａに導入され、第１接合体１１８を構成するアノード側電極２０ａに沿って移動する。
【００５３】
従って、第１および第２接合体１１８、１２０では、カソード側電極１８ａ、１８ｂに供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２０ａ、２０ｂ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。
【００５４】
また、冷却媒体入口３２ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ２２に設けられている第１冷却媒体流路３６ａに沿って移動した後、冷却プレート２６の端部で折り返して第２セパレータ２４に設けられている第２冷却媒体流路３８ａに沿って移動し、冷却媒体出口３２ｂに排出される。
【００５５】
この場合、第２の実施形態では、冷却媒体が、冷却プレート２６の一方の面２６ａ側に設けられている第１冷却媒体流路３６ａに沿って流れることにより、第１単位セル１１４を冷却した後、この冷却プレート２６の端部で折り返して面２６ｂ側に設けられている第２冷却媒体流路３８ｂに沿って流れることにより、第２単位セル１１６を冷却している。このため、第２単位セル１１６は、第１単位セル１１４よりも高温に維持されている。
【００５６】
その際、酸化剤ガスは、第１単位セル１１４から第２単位セル１１６に向かって供給されており（図１０参照）、この第２単位セル１１６側は、前記第１単位セル１１４側よりも水蒸気流量（生成水量）が多くなっている。従って、第２単位セル１１６側を第１単位セル１１４側よりも高温に維持することができ、結露の発生を有効に阻止して濃度過電圧を低減し得るという効果がある。
【００５７】
さらに、冷却プレート２６には、両面２６ａ、２６ｂに沿って流れる冷却媒体同士の熱交換を阻止するために断熱機構５０が設けられている。これにより、所望の温度分布を確実に得ることができ、発電性能の向上を図ることが可能になる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５８】
なお、第１および第２の実施形態では、冷却プレート２６の両面２６ａ、２６ｂに第１および第２冷却媒体流路３６、３６ａ、３８および３８ａに対応して断熱層５２ａ、５２ｂを設けた断熱機構５０を備えているが、これに代替して、図１１に示す断熱機構５０ａを用いることができる。
【００５９】
この断熱機構５０ａは、冷却プレート２６の両面２６ａ、２６ｂの中央部側に所定の範囲にわたって設けられる断熱層１３０ａ、１３０ｂを備える。この断熱層１３０ａ、１３０ｂは、例えば、図２において、第１および第２セパレータ２２、２４に対して発電面の範囲内で接触することにより、第１および第２冷却媒体流路３６、３８を流れるそれぞれの冷却媒体同士の熱交換を阻止する機能を有する。また、冷却プレート２６を第１および第２セパレータ２２、２４の外周縁部まで延在させる際には、断熱機構５０ａをシール材料と一体成形してもよい。
【００６０】
さらに、断熱層１３０ａ、１３０ｂの外方では、冷却プレート２６の両面２６ａ、２６ｂが第１および第２セパレータ２２、２４の外周縁部と電気的に接続される。このように構成される断熱機構５０ａでは、実際の製作作業が有効に簡素化されるという効果が得られる。
【００６１】
また、上記の断熱機構５０ａに代替して、冷却プレート２６の両面２６ａ、２６ｂの全面に断熱層を施し、第１および第２セパレータ２２、２４同士をスタック外部に設けた接続構造によって電気的に接続するように構成してもよい。
【００６２】
さらにまた、冷却プレート２６自体を断熱性プレートで構成し、第１および第２セパレータ２２、２４同士をスタック外部に設けた接続構造によって電気的に接続するように構成してもよい。
【００６３】
さらに、図１２に示すように、断熱材で構成される冷却プレート１４０が、第１および第２セパレータ２２、２４間に介装されるとともに、前記第１および第２セパレータ２２、２４を導電性リベット１４２により電気的に接続することもできる。
【００６４】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックでは、所定のセパレータに近接して配置されるセパレータに、冷却媒体が一方の面に沿って移動した後、折り返して他方の面に沿って流れる冷却流路が設けられている。このため、例えば、冷却媒体がアノード側電極側を冷却した後、カソード側電極側を冷却するように流れると、燃料ガス流路よりも酸化剤ガス流路が高温に維持され、前記酸化剤ガス流路での生成水の結露を有効に防止することができる。これにより、濃度過電圧を低減して発電性能の向上を図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を構成する単位セルの要部分解斜視図である。
【図２】前記燃料電池スタックの一部省略断面図である。
【図３】前記燃料電池スタックを構成する第１セパレータの正面図である。
【図４】前記燃料電池スタック内の流れを説明する分解斜視図である。
【図５】冷却プレートに断熱機構を用いない際の各流路中央における温度分布の説明図である。
【図６】前記冷却プレートに前記断熱機構を用いる際の各流路中央における温度分布の説明図である。
【図７】前記断熱機構の有無による酸化剤ガス側の相対湿度の説明図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの要部分解斜視図である。
【図９】図８に示す燃料電池スタックの一部断面説明図である。
【図１０】前記第１および第２単位セル内の流れを説明する分解斜視図である。
【図１１】別の断熱機構が設けられた冷却プレートの斜視図である。
【図１２】断熱性冷却プレートと導電性リベットとが使用される際の一部断面図である。
【符号の説明】
１０、１００…燃料電池スタック １２、１１４、１１６…単位セル
１４、１１８、１２０…接合体 １６、１６ａ、１６ｂ…電解質膜
１８、１８ａ、１８ｂ…カソード側電極
２０、２０ａ、２０ｂ…アノード側電極
２２、２４…セパレータ ２６、１４０…冷却プレート
３２ａ…冷却媒体入口 ３２ｂ…冷却媒体出口
３４、３４ａ…酸化剤ガス流路
３６、３６ａ、３８、３８ａ…冷却媒体流路
４０、４０ａ…燃料ガス流路 ５０、５０ａ…断熱機構
５２ａ、５２ｂ、１３０ａ、１３０ｂ…断熱層
６２…エンドプレート １２２…中間セパレータ
１２４…燃料ガス連通路 １２６…酸化剤ガス連通路
１４２…導電性リベット
Claims (2)
- 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・電極接合体を有し、前記電解質・電極接合体とセパレータとを交互に積層した燃料電池スタックであって、
所定のセパレータに近接して配置される冷却プレートを備え、
前記冷却プレートは、冷却媒体が一方の面に沿って移動した後、折り返して他方の面に沿って流れる冷却媒体流路を設け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、前記冷却プレートは、両面に沿って流れる前記冷却媒体同士の熱交換を阻止するために断熱機構を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
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