JP4572252B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、固体高分子電解質膜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接合体を有する単位セルを備え、複数個の前記単位セルを重ね合わせてセルアセンブリを一体的に構成する燃料電池スタックに関する。

通常、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）からなる電解質膜を採用しており、この電解質膜の両側に、それぞれカーボンを主体とす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）を備えており、通常、この単位セルを所定数だけ積層して燃料電池スタックとして使用されている。

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。

ところで、燃料電池スタックでは、例えば、車載用として使用する際には、比較的大きな出力が要求されている。このため、単位セルの反応面（発電面）の寸法を大きく設定する構造や、多数個の前記単位セルを積層する構造等が採用されている（特許文献１）。

特開２０００−１２０５１号公報

しかしながら、単位セル自体の寸法を大きく設定すると、燃料電池スタック全体が大型化してしまい、車載用に適さないという問題が指摘されている。従って、通常、比較的コンパクトな単位セルを多数個積層した燃料電池スタックが使用されているが、積層個数が増加するのに伴って積層方向に温度分布が発生し易くなるとともに、電気化学反応により発生した生成水の排水性等が低下して所望の発電性能を得ることができないという不具合がある。

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、各単位セルの発電性能を有効に向上させることができるとともに、小型化に適する燃料電池スタックを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池スタックでは、固体高分子電解質膜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接合体を有する単位セルが、複数個重ね合わされるとともに、複数個の前記単位セルに燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方の反応ガスを流す反応ガス流路の全流路域が、隣接する単位セルにわたって直列的に連通するセルアセンブリを備え、複数組の前記セルアセンブリを重ね合わせて構成している。

このため、各セルアセンブリには、流れ方向下流側の単位セルの反応に必要な流量を付加した反応ガスが、流れ方向上流側の単位セルに供給されており、前記セルアセンブリ内に供給される反応ガスの流量が増加される。これにより、各セルアセンブリの湿度を均一化することができ、燃料電池スタック全体の電流密度分布を均一にして濃度過電圧を低減することが可能になる。

ここで、各セルアセンブリ内では、少なくとも２個の単位セルが互いに異なる構造に設定されており、各単位セル毎に反応に最適な構造を採用することが可能になる。また、各セルアセンブリ間にのみ冷却媒体流路が設けられており、前記冷却媒体流路が簡素化するとともに、燃料電池スタック全体の小型化が容易に図られる。

さらに、セルスタックの重ね合わせ方向に延在する反応ガス供給連通孔および反応ガス排出連通孔を設けるとともに、前記反応ガス供給連通孔と前記反応ガス排出連通孔との流路間には、前記セルスタックの重ね合わせ方向に延在する中間連通孔が設けられている。従って、単位セル間を連通する流路長が短尺化されるとともに、反応ガスの流れ方向に沿って発電性能を高めるのに最適な温度勾配を形成し易い。

この中間連通孔は、一方の単位セル面内の反応ガス入口と他方の単位セル面内の反応ガス出口との流路間に設けられ、各セルアセンブリ間で単位セル間を一体的に連通して設けられ、あるいは、各セルアセンブリ内の単位セル間でのみ連通して設けられている。中間連通孔が一体的に連通することにより、重ね合わせ方向の反応ガス濃度を均一化することができる。

本発明に係る燃料電池スタックでは、複数個の単位セルを重ね合わせてセルアセンブリが構成されるとともに、反応ガス流路の全流路域が隣接する単位セルにわたって少なくとも一部分を直列的に連通して設けられており、湿度の均一化や排水性の向上が容易に遂行されるとともに、前記セルアセンブリ単位で取り扱うことができ、作業性が有効に向上する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体高分子型セルアセンブリ１０の要部分解斜視図であり、図２は、複数組の前記セルアセンブリ１０が重ね合わされて（積層されて）構成される燃料電池スタック１２の概略斜視図である。

図１に示すように、セルアセンブリ１０は、第１単位セル１４と第２単位セル１６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１４、１６は、第１および第２接合体１８、２０を備える。

第１および第２接合体１８、２０は、固体高分子電解質膜２２ａ、２２ｂと、前記電解質膜２２ａ、２２ｂを挟んで配設されるカソード側電極２４ａ、２４ｂおよびアノード側電極２６ａ、２６ｂとを有する。カソード側電極２４ａ、２４ｂおよびアノード側電極２６ａ、２６ｂは、カーボンを主体とする基材に貴金属系の触媒電極層を接合して構成されており、その面には、例えば、多孔質層である多孔質カーボンペーパ等からなるガス拡散層が配設されている。

図１および図３に示すように、第１接合体１８のカソード側電極２４ａ側に第１セパレータ２８が配設され、第２接合体２０のアノード側電極２６ｂ側に第２セパレータ３０が配設されるとともに、前記第１および第２接合体１８、２０間に中間セパレータ３２が配設される。第１および第２セパレータ２８、３０の外側の面側には、薄板状の壁板（隔壁部材）３４が設けられる。

図１に示すように、第１および第２接合体１８、２０、第１および第２セパレータ２８、３０、並びに中間セパレータ３２の長辺側の一端縁部には、第１および第２単位セル１４、１６の重ね合わせ方向（矢印Ａ方向）に互いに連通して、酸素含有ガスまたは空気である酸化剤ガス（反応ガス）を通過させるための酸化剤ガス入口（反応ガス供給連通孔）３６ａと、酸化剤ガス出口（反応ガス排出連通孔）３６ｂ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中間連通孔３８とが設けられる。

第１および第２接合体１８、２０、第１および第２セパレータ２８、３０、並びに中間セパレータ３２の長辺側の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガスを通過させるための酸化剤ガス中間連通孔４０と、燃料ガスを通過させるための燃料ガス入口（反応ガス供給連通孔）４２ａと、燃料ガス出口（反応ガス排出連通孔）４２ｂと、冷却媒体を通過させるための冷却媒体入口４４ａと、冷却媒体出口４４ｂとが設けられる。

第１セパレータ２８は、金属薄板で構成されるとともに、第１接合体１８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３および図４に示すように、第１セパレータ２８は、第１接合体１８のカソード側電極２４ａに対向する側に複数本の酸化剤ガス流路（反応ガス流路）４６を設けるとともに、前記酸化剤ガス流路４６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３６ａと酸化剤ガス中間連通孔４０とに連通する。

図１および図３に示すように、第１セパレータ２８は、壁板３４の一方の面に対向する側に複数本の冷却媒体流路４８を設ける。冷却媒体流路４８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４４ａに連通するとともに、他端側が壁板３４に形成された、あるいは、別部材に形成された中間折り返し部である孔部５０を介して前記壁板３４の他方の面側から冷却媒体出口４４ｂに連通する。

第２セパレータ３０は、上記の第１セパレータ２８と略同様に構成されており、第２接合体２０のアノード側電極２６ｂに対向する側に複数本の燃料ガス流路（反応ガス流路）５２を設けるとともに、前記燃料ガス流路５２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中間連通孔３８と燃料ガス出口４２ｂとに連通する。第２セパレータ３０は、壁板３４に対向する側に複数本の冷却媒体流路５４を設ける。冷却媒体流路５４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４４ｂに連通する。

中間セパレータ３２は、上記の第１および第２セパレータ２８、３０と略同様に構成されており、第１接合体１８のアノード側電極２６ａに対向する側に複数本の燃料ガス流路（反応ガス流路）５６を設けるとともに、前記燃料ガス流路５６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４２ａと燃料ガス中間連通孔３８とに連通する。

図３に示すように、中間セパレータ３２は、第２接合体２０のカソード側電極２４ｂに対向する側に複数本の酸化剤ガス流路（反応ガス流路）５８を設けるとともに、前記酸化剤ガス流路５８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中間連通孔４０と酸化剤ガス出口３６ｂとに連通する。

第１および第２単位セル１４、１６に直列的に設けられる酸化剤ガス流路４６、５８と、燃料ガス流路５６、５２とは、それぞれの流路断面積が異なっている。図３に示すように、出口側の酸化剤ガス流路５８および燃料ガス流路５２は、入口側の酸化剤ガス流路４６および燃料ガス流路５６よりも小さな流路断面積に設定されている。

このように構成されるセルアセンブリ１０は、図示しない固定手段を介して一体的に保持された状態で、図２に示すように、所定の組数だけ矢印Ａ方向に重ね合わされる。セルアセンブリ１０の矢印Ａ方向両端には、集電用電極６０ａ、６０ｂを介してエンドプレート６２ａ、６２ｂが配置され、前記エンドプレート６２ａ、６２ｂが図示しないタイロッド等によって締め付けられることにより、燃料電池スタック１２が構成される。

エンドプレート６２ａの長辺側の一端縁部には、酸化剤ガス入口３６ａおよび酸化剤ガス出口３６ｂに連通する酸化剤ガス供給口６４ａおよび酸化剤ガス排出口６４ｂが形成される。エンドプレート６２ａの長辺側の他端縁部には、燃料ガス入口４２ａ、燃料ガス出口４２ｂ、冷却媒体入口４４ａおよび冷却媒体出口４４ｂに連通する燃料ガス供給口６６ａ、燃料ガス排出口６６ｂ、冷却媒体供給口６８ａおよび冷却媒体排出口６８ｂが形成される。

このように構成される燃料電池スタック１２およびセルアセンブリ１０の動作について、以下に説明する。

燃料電池スタック１２内には、燃料ガス供給口６６ａから水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給口６４ａから空気または酸素含有ガスである酸化剤ガスが供給され、さらに冷却媒体供給口６８ａから純水や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、燃料電池スタック１２では、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数組のセルアセンブリ１０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。

図５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３６ａに供給された酸化剤ガスは、第１セパレータ２８に設けられている複数本の酸化剤ガス流路４６に導入され、第１接合体１８を構成するカソード側電極２４ａに沿って移動する。一方、燃料ガス入口４２ａに供給された燃料ガスは、中間セパレータ３２に設けられている複数本の燃料ガス流路５６に導入され、第１接合体１８を構成するアノード側電極２６ａに沿って移動する。従って、第１接合体１８では、カソード側電極２４ａに供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２６ａに供給される燃料ガスとが、触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。

第１接合体１８に一部が消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４６から酸化剤ガス中間連通孔４０に導入され、この酸化剤ガス中間連通孔４０に沿って矢印Ａ方向に移動した後、中間セパレータ３２に設けられている酸化剤ガス流路５８に導入される。この酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路５８を介して第２接合体２０を構成するカソード側電極２４ｂに沿って移動する。

同様に、第１接合体１８を構成するアノード側電極２６ａで一部が消費された燃料ガスは、燃料ガス中間連通孔３８に導入された後、矢印Ａ方向に移動し、第２セパレータ３０に設けられている燃料ガス流路５２に導入され、第２接合体２０を構成するアノード側電極２６ｂに沿って移動する。このため、第２接合体２０では、酸化剤ガスおよび燃料ガスが触媒層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３６ｂ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４２ｂに排出される。

一方、冷却媒体入口４４ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ２８に設けられている冷却媒体流路４８に沿って移動した後、壁板３４に形成された孔部５０で折り返し、第２セパレータ３０に設けられている冷却媒体流路５４に沿って移動し、冷却媒体出口４４ｂに排出される。

この場合、第１の実施形態では、第１および第２単位セル１４、１６によりセルアセンブリ１０が一体的に構成されるとともに、前記第１および第２単位セル１４、１６にわたって酸化剤ガス流路４６、５８および燃料ガス流路５６、５２が、酸化剤ガス中間連通孔４０および燃料ガス中間連通孔３８を介して、少なくとも一部分を直列的に連通している。これにより、入口側の酸化剤ガス流路４６および燃料ガス流路５６には、第１および第２単位セル１４、１６全体の反応に必要な量の酸化剤ガスおよび燃料ガスが供給され、前記酸化剤ガス流路４６および前記燃料ガス流路５６には、通常の単位セルの２倍の流量が流されることになる。

従って、特に、生成水が発生する酸化剤ガス流路４６、５８での排水性が向上し、第１および第２単位セル１４、１６における前記酸化剤ガス流路４６、５８内の湿度の均一化を図ることができる。このため、第１および第２単位セル１４、１６の電流密度分布を均一にして、濃度過電圧を低減することが可能になるという効果が得られる。

さらに、第１および第２単位セル１４、１６にわたって酸化剤ガス流路４６、５８および燃料ガス流路５６、５２が直列的に連通するため、酸化剤ガス入口３６ａおよび燃料ガス入口４２ａに供給される酸化剤ガスおよび燃料ガスの流速は、従来の単位セルに比べて増加する。従って、第１および第２単位セル１４、１６内で発生する生成水を有効に排出することができ、セルアセンブリ１０全体の排水性が大幅に向上する。

さらにまた、酸化剤ガス流路４６、５８および燃料ガス流路５６、５２が直列的に連通することにより、第１および第２単位セル１４、１６を繋ぐ長尺な反応ガス流路が構成されている。このため、第１および第２単位セル１４、１６内で圧力損失が増加し、前記第１および第２単位セル１４、１６内での酸化剤ガスおよび燃料ガスの排水性が有効に向上するとともに、燃料電池スタック１２内の各セルアセンブリ１０への酸化剤ガスおよび燃料ガスの分配が均一化されるという利点がある。

また、第１の実施形態では、酸化剤ガス流路４６、５８と、燃料ガス流路５６、５２とは、それぞれの流路断面積が異なっている。具体的には、出口側の酸化剤ガス流路５８および燃料ガス流路５２が、入口側の酸化剤ガス流路４６および燃料ガス流路５６よりも小さな流路断面積に設定されている（図３参照）。酸化剤ガスおよび燃料ガスは、出口側に移動するに従って、酸素ガスおよび水素ガスが反応により消費されて減少する。このため、出口側の酸化剤ガス流路５８および燃料ガス流路５２の流路断面積を小さくすることにより、第２接合体２０の反応面における反応が均一化される。

ここで、酸化剤ガス流路４６、５８と燃料ガス流路５６、５２とにおいて、それぞれの流路断面積を変更する際には、流路深さ、流路幅、あるいは流路本数を変更することにより設定することができる。

具体的には、図６に示すように、板状の第１セパレータ２８ａに設けられる酸化剤ガス流路４６ａの流路深さに対し、板状の中間セパレータ３２ａに設けられる酸化剤ガス流路５８ａの流路深さが浅く設定されるとともに、前記中間セパレータ３２ａの燃料ガス流路５６ａの流路深さに対して、板状の第２セパレータ３０ａに設けられている燃料ガス流路５２ａの流路深さが小さく設定される。これにより、第１および第２単位セル１４、１６の薄肉化が図られ、セルアセンブリ１０全体の小型化が容易に可能になる。

また、図７に示すように、板状の第１セパレータ２８ｂ、中間セパレータ３２ｂおよび第２セパレータ３０ｂにおいて、入口側の酸化剤ガス流路４６ｂおよび燃料ガス流路５６ｂの流路幅よりも、出口側の酸化剤ガス流路５８ｂおよび燃料ガス流路５２ｂの流路幅が小さく設定される。このため、第１および第２単位セル１４、１６同士の接触面積が増大し、接触抵抗の低減を図ることができる。

さらに、図８に示すように、板状の第１セパレータ２８ｃ、中間セパレータ３２ｃおよび第２セパレータ３０ｃにおいて、入口側の酸化剤ガス流路４６ｃおよび燃料ガス流路５６ｃの流路本数よりも、出口側の酸化剤ガス流路５８ｃおよび燃料ガス流路５２ｃの流路本数が減少される。これにより、上記と同様に、第１および第２単位セル１４、１６同士の接触面積を有効に増加させることが可能になる。

さらにまた、第１および第２単位セル１４、１６内における排水性の向上を図るためには、出口側である第２単位セル１６内のガス流路長を入口側の第１単位セル１４のガス流路長よりも長く設定すればよい。出口側ほど生成水の量が増加し、この出口側のガス流路長を長尺化させることによって圧力降下を惹起させ、生成水の排出性を向上させることができるからである。

具体的には、図９に示すように、例えば、中間セパレータ３２に直線状の燃料ガス流路５６が設けられる一方、第２セパレータ３０ｄには、蛇行する燃料ガス流路５２ｄが設けられている。従って、出口側の燃料ガス流路５２ｄのガス流路長は、入り口側の燃料ガス流路５６のガス流路長よりも有効に長尺化される。なお、この蛇行形状の燃料ガス流路５２ｄに代替して、屈曲乃至湾曲する燃料ガス流路を採用することもできる。

また、第１の実施形態では、セルアセンブリ１０が複数個、例えば、２個の単位セル１４、１６から一体的に構成されるため、このセルアセンブリ１０として取り扱うことにより、単位セル毎に取り扱われる従来構成に比べて、燃料電池スタック１２を組み立てる際の作業性が有効に簡素化する。

しかも、セルアセンブリ１０の小型化を図ることにより、燃料電池スタック１２全体の小型化が容易に可能になる。すなわち、第１および第２セパレータ２８、３０および中間セパレータ３２は、金属薄板を用いて波形状（凹凸形状）に構成されている。このため、第１および第２セパレータ２８、３０および中間セパレータ３２を一挙に薄型化することができ、セルアセンブリ１０全体の薄肉化が遂行される。

また、中間セパレータ３２は、第１接合体１８に対向する側に燃料ガス流路５６を設けるとともに、第２接合体２０に対向する側に酸化剤ガス流路５８を設けている（図３参照）。従って、燃料ガス流路５６と酸化剤ガス流路５８とを２枚のセパレータに個別に設けるものに比べて薄肉化が容易に図られ、セルアセンブリ１０全体の小型化が可能になる。

さらに、第１および第２セパレータ２８、３０および中間セパレータ３２には、酸化剤ガス入口３６ａ、酸化剤ガス出口３６ｂ、燃料ガス入口４２ａおよび燃料ガス出口４２ｂが重ね合わせ方向に互いに連通して設けられている。これにより、セルアセンブリ１０の外部に別体のマニホールド（外部マニホールド）を設ける必要がなく、この外部マニホールドに使用される積層方向端部のシール構造が不要になって、前記セルアセンブリ１０の小型化および構成の簡素化が図られる。

さらにまた、第１の実施形態では、図５に示すように、反応ガス、例えば、酸化剤ガスが、酸化剤ガス流路４６を介して第１接合体１８のカソード側電極２４ａに沿って通過した後、酸化剤ガス中間連通孔４０を介して矢印Ａ方向（重ね合わせ方向）に流れ、さらに酸化剤ガス流路５８を介して第２接合体２０のカソード側電極２４ｂに沿って流れている。

すなわち、酸化剤ガスは、第１および第２単位セル１４、１６の重ね合わせ方向に向かって蛇行するように流れており、前記第１および第２単位セル１４、１６間を連通する流路長が短尺化されるとともに、酸化剤ガス（または燃料ガス）の流れ方向に沿って温度勾配を形成し易いという利点がある。その際、燃料ガスと酸化剤ガスは、第１および第２接合体１８、２０の各反応面に沿って互いに反対方向に流れている。従って、カソード側電極２４ａ、２４ｂ側からの生成水によりアノード側電極２６ａ、２６ｂ側を良好に加湿することが可能になる。

また、第１の実施形態では、第１および第２単位セル１４、１６間に冷却媒体流路が設けられていない。このため、出口側の第２単位セル１６が入口側の第１単位セル１４よりも高温となり、生成水の排水性が向上する。

図１２に示すように、第１単位セル１４側に比べて第２単位セル１６側のガス流路内温度を高くすることにより、前記第１および第２単位セル１４、１６のガス流路内相対湿度が、図１３に示すようになる。第１単位セル１４では、２セル分の酸化剤ガスが供給されるために湿度変化が低減される一方、第２単位セル１６では、セル温度が高くなって相対湿度が低減するからである。

これにより、第１および第２単位セル１４、１６における相対湿度を均一化することができ、電解質膜２２ａ、２２ｂのイオン導電性を向上させ、濃度過電圧の低減を図ることが可能となる。

ところで、第１の実施形態では、酸化剤ガス入口３６ａと酸化剤ガス出口３６ｂとの間に酸化剤ガス中間連通孔４０が設けられるとともに、燃料ガス入口４２ａと燃料ガス出口４２ｂとの間に燃料ガス中間連通孔３８が設けられている。

図１０に示すように、第１および第２セパレータ２８、３０には、酸化剤ガス中間連通孔４０および燃料ガス中間連通孔３８を設けない関連構造がある。このため、各セルアセンブリ１０内でのみ酸化剤ガス中間連通孔４０および燃料ガス中間連通孔３８が連通することになる。

さらに、図１１に示すように、第１および第２セパレータ２８、３０および中間セパレータ３２の平面内に、酸化剤ガス中間連通孔４０ａと燃料ガス中間連通孔３８ａとを設けてもよい。

次に、セルアセンブリ１０およびこのセルアセンブリ１０が重ね合わされて構成された燃料電池スタック１２を用いて、反応ガス供給方法を以下に説明する。なお、基本的には、上記したセルアセンブリ１０および燃料電池スタック１２の動作の説明と同様であり、概略的に説明する。

図５に示すように、まず、第１および第２単位セル１４、１６の重ね合わせ方向（矢印Ａ方向）に設けられた反応ガス供給連通路である酸化剤ガス入口３６ａおよび燃料ガス入口４２ａから、それぞれ複数本の酸化剤ガス流路４６および燃料ガス流路５６に酸化剤ガスおよび燃料ガスが並列的に供給される。これにより、第１および第２接合体１８、２０で反応に供与されて使用済みの酸化剤ガスおよび燃料ガスは、矢印Ａ方向に設けられた反応ガス排出連通路である酸化剤ガス出口３６ｂおよび燃料ガス出口４２ｂに排出される。

その際、酸化剤ガスおよび燃料ガスは、セルアセンブリ１０内で、まず、上流側の第１単位セル１４に導入されて反応に供与された後、酸化剤ガス中間連通孔４０および燃料ガス中間連通孔３８から下流側の第２単位セル１６に導入されて反応に供与されている。このため、酸化剤ガスおよび燃料ガスは、流量の増加や流速の増加、並びに圧力損失の増加が可能になり、第１および第２単位セル１４、１６の反応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。

ここで、流れ方向上流側の第１単位セル１４には、セルアセンブリ１０全体で使用される全量分、すなわち、２セル分の酸化剤ガスおよび燃料ガスが導入されている。

図１４は、本発明の第２の実施形態に係るセルアセンブリ８０の要部分解斜視図である。なお、第１の実施形態に係るセルアセンブリ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。以下に示す第３の実施形態以降も同様である。

このセルアセンブリ８０は、第１および第２接合体８２、８４を備える。第１接合体８２は、フッ素系の電解質膜８６を有するとともに、第２接合体８４は、炭化水素系の電解質膜８８を有している。

このように構成される第２の実施形態では、反応ガスの流れ方向下流側の第２接合体８４が流れ方向上流側の第１接合体８２に比べて高温となるため、前記第２接合体８４に耐熱性を有する炭化水素系の電解質膜８８が設けられている。これにより、第２接合体８４の耐用性が向上し、長期間にわたって使用することができ、経済的なものとなる。

図１５は、本発明の第３の実施形態に係る固体高分子型セルアセンブリ１４０の要部分解斜視図である。

セルアセンブリ１４０は、第１および第２単位セル１４２、１４４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１４２、１４４は、第１および第２接合体１４６、１４８を備える。第１および第２接合体１４６、１４８は、第１および第２セパレータ１５０、１５２と第１および第２中間セパレータ１５４、１５６とにより挟持されるとともに、前記第１および第２中間セパレータ１５４、１５６間には板ばね状の整流板１５８が介装される。

セルアセンブリ１４０の長辺側の一端縁部には、燃料ガス入口４２ａ、酸化剤ガス中間連通孔４０および燃料ガス出口４２ｂが矢印Ａ方向に連通して設けられるとともに、前記セルアセンブリ１４０の長辺側の他端縁部には、酸化剤ガス入口３６ａ、冷却媒体入口４４ａ、燃料ガス中間連通孔３８、冷却媒体出口４４ｂおよび酸化剤ガス出口３６ｂが矢印Ａ方向に連通して設けられている。

第１および第２中間セパレータ１５４、１５６の互いに整流板１５８に対向する面には、冷却媒体流路５４が直線状に設けられており、前記第１中間セパレータ１５４では、冷却媒体入口４４ａに前記冷却媒体流路５４の一端が連通するとともに、該冷却媒体流路５４の他端が整流板１５８で折り返して第２中間セパレータ１５６に設けられている冷却媒体流路５４に連通している。この冷却媒体流路５４は、第２中間セパレータ１５６の冷却媒体出口４４ｂに連通している。

このように構成されるセルアセンブリ１４０内では、酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却媒体は、図１６に示す流れ方向に沿って直列的に第１および第２単位セル１４２、１４４に送られる。その際、第１および第２単位セル１４２、１４４間には、整流板１５８を介して冷却媒体流路５４が形成されている。これにより、特に、セルアセンブリ１４０の内部で過度に温度が上昇することを確実に阻止することができる。

図１７は、本発明の第４の実施形態に係る固体高分子型セルアセンブリ１６０の要部分解斜視図である。なお、図１５に示す第３の実施形態に係るセルアセンブリ１４０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。

セルアセンブリ１６０は、第１および第２単位セル１６２、１６４を矢印Ａ方向に重ね合わせて構成されており、酸化剤ガス中間連通孔４０を設けていない。このため、セルアセンブリ１６０内では、図１８に示すように、燃料ガスが第１単位セル１６２から第２単位セル１６４に直列的に連通する燃料ガス流路５６、５２に沿って流れる一方、酸化剤ガスが酸化剤ガス流路４６、５８を介して前記第１および第２単位セル１６２、１６４に個別に、すなわち、並列的に流されている。

このように、粘度の小さい燃料ガスが直列的に連通する燃料ガス流路５６、５２に沿って流されるため、流量長が長尺化されて十分な圧力損失を与えることができ、アノード側電極２６ａ、２６ｂからの生成水を有効に排出することが可能になるという利点がある。

図１９は、本発明の第５の実施形態に係る固体高分子型セルアセンブリ１８０の要部分解斜視図であり、図２０は、このセルアセンブリ１８０内の酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却媒体の流れ図である。なお、図１５に示す第３の実施形態に係るセルアセンブリ１４０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。

セルアセンブリ１８０は、第１および第２単位セル１８２、１８４を矢印Ａ方向に重ね合わせて構成される。このセルアセンブリ１８０の長辺側の一端縁部には、燃料ガス入口４２ａ、酸化剤ガス中間連通孔４０、燃料ガス出口４２ｂおよび冷却媒体中間連通孔１８６が設けられる。

このように構成されるセルアセンブリ１８０では、図２０に示すように、冷却媒体が冷却媒体入口４４ａに沿って矢印Ａ方向に流れた後、第１および第２中間セパレータ１５４、１５６間に導入されて冷却媒体流路５４に沿って面方向（矢印Ｂ方向）に移動する。この冷却媒体は、第２中間セパレータ１５６の長辺側の一端縁部に設けられている冷却媒体中間連通孔１８６に導入され、矢印Ａ方向に向かって移動した後、第２セパレータ１５２の酸化剤ガス流路５８とは反対側の面で折り返して冷却媒体出口４４ｂに排出される。

ところで、第１の実施形態に係るセルアセンブリ１０の流量構成は、図２１に示すように、記号化することができる。すなわち、セルアセンブリ１０を構成する第１単位セル１４をセルＣＡで表すとともに、第２単位セル１６をセルＣＢで表しており、酸化剤ガスの流れを流路Ｒ１、燃料ガスの流れを流路Ｒ２および冷却媒体の流れを流路Ｒ３で表している。

同様に、第３の実施形態に係るセルアセンブリ１４０の流路構成は、図２２に示すように記号化され、第４の実施形態に係るセルアセンブリ１６０の流路構造は、図２３に示すように記号化され、第５の実施形態に係るセルアセンブリ１８０は、図２４に示すように記号化される。従って、図２１乃至図２４に示す流路構成を選択的に組み合わせることにより、種々の異なる流路構成が得られる。

次いで、特徴的な流路構成を例示して、以下に説明する。なお、流路Ｒ１、Ｒ２およびＲ３は、流れ方向を逆向きにしたり、左右を反転させたりすることにより、種々変更可能であるため、この種のバリエーションについては説明を省略する。また、以下に示す組み合わせは、酸化剤ガスの流路Ｒ１と冷却媒体の流路Ｒ３との組み合わせのみを示しており、燃料ガスの流路Ｒ２は、種々の構成が採用可能であり、その説明は省略する。

まず、図２５に示すように、セルＣＡからセルＣＢに流路Ｒ１が直列的に接続されるとともに、冷却媒体用の流路Ｒ３が前記セルＣＡ、ＣＢ間から該セルＣＢの外側にＵ字状に構成されている。これにより、セルＣＡおよびセルＣＢの面内で酸化剤ガス出口に向かって温度が上昇し、前記セルＣＡ、ＣＢ内の湿度が均一化されるとともに、重ね合わせ方向で出口側の該セルＣＢが高温となり、セルアセンブリ全体として湿度の均一化が図られる。

しかも、酸化剤ガスをセルＣＡ側からセルＣＢ側に直列的に流すことにより、このセルＣＡでは、単位セル当たりの流量が増加され、面内での湿度の均一化が遂行される。その上、流速の増加による排水性の向上を図ることができるとともに、圧力損失の増加により各セルＣＡ、ＣＢへの酸化剤ガスおよび燃料ガスの分配が均一化される。さらに、冷却媒体が直列的に流されてＵ字状に折り返されるため、冷却媒体の単位セル当たりの流量が増加される。このため、セルＣＡ、ＣＢの面内での温度変化を小さくするとともに、湿度の均一化が図られる。

次に、図２６に示すように、酸化剤ガスの流路Ｒ１がセルＣＡからセルＣＢにＵ字状に連結されて設けられるとともに、冷却媒体の流路Ｒ３が前記セルＣＡ、ＣＢ間にＵ字状に構成されている。このように構成されることにより、図２５に示す流路構成と同様の効果が得られる。

さらにまた、図２７に示すように、酸化剤ガスの流路Ｒ１をセルＣＡ側からセルＣＢ側に直列的に送る一方、冷却媒体の流路Ｒ３を前記セルＣＡ側から前記セルＣＢ側に直列的にかつ折り返して流す構成によっても、図２５に示す構成と同様の効果が得られる。

また、図２８に示すように、酸化剤ガスの流路Ｒ１をセルＣＢ側からセルＣＡ側に直列的にかつ折り返して設けるとともに、冷却媒体の流路Ｒ３を前記セルＣＡ、ＣＢ間および該セルＣＢの外側で互いに逆方向に折り返して構成しても、図２５に示す流路構成と同様の効果が得られる。

一方、３セル構成では、上記の２セル構成と同様に、酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却媒体の流れ方向を種々変更することができる。

例えば、図２９に示すように、酸化剤ガスの流路Ｒ１がセルＣＡ、ＣＢおよびＣＣを直列的に繋ぐとともに、燃料ガスの流路Ｒ２は、同様に前記セルＣＡ、ＣＢおよびＣＣを直列的に繋ぎ、かつ前記流路Ｒ１とは反対の流れ方向に設定されている。冷却媒体の流路Ｒ３は、セルＣＡ、ＣＢ間に設けられている。

このような流路構成において、酸化剤ガスおよび燃料ガスは、単位セル当たりの流量が増加され、これによって流速および圧力損失が向上するとともに、水蒸気分圧が各セルＣＡ、ＣＢおよびＣＣ内で均一化される。しかも、各セルＣＡ、ＣＢおよびＣＣ内では、酸化剤ガスと燃料ガスとが面内で対向流として構成されるため、酸化剤ガスの流路Ｒ１の出口側の生成水が、電解質膜を介して燃料ガスの流路Ｒ２に逆拡散して燃料ガスが有効に加湿され、自己加湿性の向上を図ることが可能になる。

図３０に示す流路構造では、酸化剤ガスの流路Ｒ１がセルＣＣ、ＣＢおよびＣＡに向かって直列的に設けられるとともに、燃料ガスの流路Ｒ２が、前記セルＣＡ、ＣＢおよびＣＣに向かって直列的に設けられる。さらに、冷却媒体の流路Ｒ３は、セルＣＣ側からセルＣＢおよびセルＣＡ側に向かって直列的に蛇行するようにして設けられている。

図３１は、４セル構成、すなわち、セルＣＡ、ＣＢ、ＣＣおよびＣＤを備えており、酸化剤ガスの流路Ｒ１は、前記セルＣＡ、ＣＢ、ＣＣおよびＣＤの順に直列的に設けられるとともに、燃料ガスの流路Ｒ２は、前記セルＣＡ、ＣＢ、ＣＣおよびＣＤの順に、かつ前記流路Ｒ１とは反対の流れ方向を有して設けられている。冷却媒体の流路Ｒ３は、セルＣＡ、ＣＢ、ＣＣおよびＣＤ間に流路Ｒ１とは反対方向に直列的に設けられている。

このため、単位セル当たりの流量が増加し、流速の向上、圧力損失の向上、および各セルＣＡ、ＣＢ、ＣＣおよびＣＤ内での水蒸気分圧の均一化が図られるという効果が得られる。

図３２では、燃料ガス側をマージ構成に設定する３セル構成の流れ図を示している。酸化剤ガスの流路Ｒ１は、セルＣＣ、ＣＢおよびＣＡの順に直列的に設けられるとともに、冷却媒体の流路Ｒ３は、前記流路Ｒ１と同一方向に蛇行するようにして設けられている。セルＣＡには、燃料ガスの流路Ｒ２Ａが流路Ｒ１と反対方向に設けられ、セルＣＢには前記流路Ｒ２Ａと平行して流路Ｒ２Ｂが設けられ、前記流路Ｒ２Ａ、Ｒ２Ｂが合流した流路Ｒ２が、セルＣＣを前記流路Ｒ１と同一方向に流れるように設けられている。

このように、燃料ガスの流路Ｒ２Ａ、Ｒ２Ｂを互いに平行して設け、この流路Ｒ２Ａ、Ｒ２Ｂが合流して流路Ｒ２を構成している。このため、水素利用率を有効に向上させることが可能になるという効果が得られる。なお、酸化剤ガス側をマージ構成に設定しても、同様の効果が得られる。

図３３は、燃料ガス側をマージ構成に設定する４セル構成の流れ図を示している。酸化剤ガスの流路Ｒ１は、セルＣＤ、ＣＣ、ＣＢおよびＣＡの順に直列的に設けられるとともに、冷却媒体の流路Ｒ３は、前記流路Ｒ１と同一方向に向かって直列的に設けられている。セルＣＡには燃料ガスの流路Ｒ２Ａが設けられ、セルＣＢには燃料ガスの流路Ｒ２Ｂが設けられ、さらにセルＣＣには燃料ガスの流路Ｒ２Ｃが設けられ、前記流路Ｒ２Ａ、Ｒ２ＢおよびＲ２Ｃが合流した流路Ｒ２がセルＣＤを流路Ｒ１と同一方向に流れるように設けられる。

従って、この４セル構成では、図３２に示す３セル構成と同様の効果が得られることになる。特に、燃料ガスは消費による流量の減少が大きく、この燃料ガスのマージ構成を採用することにより、流速の向上と利用率の向上が容易に遂行可能となる。

図３４は、本発明の第６の実施形態に係る固体高分子型セルアセンブリ２００の要部分解斜視図であり、図３５は、このセルアセンブリ２００内での酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却媒体の流れ図である。なお、第１の実施形態に係るセルアセンブリ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。

セルアセンブリ２００は、第１および第２単位セル２０２、２０４を矢印Ａ方向に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２０２、２０４は、第１および第２接合体２０６、２０８を備える。第１接合体２０６は、第１セパレータ２１０と第１中間セパレータ２１２とに挟持される一方、第２接合体２０８は、第２中間セパレータ２１４と第２セパレータ２１６とに挟持されるとともに、前記第２セパレータ２１６に第３セパレータ２１８が重ね合わされている。

セルアセンブリ２００の長辺側の一端縁部には、酸化剤ガス入口３６ａ、冷却媒体中間連通孔２２０および酸化剤ガス出口３６ｂが、矢印Ａ方向に一体的に貫通して形成されるとともに、長辺側の他端縁部には、冷却媒体入口４４ａ、酸化剤ガス中間連通孔４０および冷却媒体出口４４ｂが、矢印Ａ方向に貫通形成される。セルアセンブリ２００の短辺側の一端縁部には、燃料ガス入口４２ａと燃料ガス出口４２ｂとが矢印Ａ方向に貫通形成されるとともに、短辺側の他端縁部には、燃料ガス中間連通孔３８が矢印Ａ方向に貫通形成される。

第２中間セパレータ２１４には、冷却媒体入口４４ａと冷却媒体中間連通孔２２０とに連通する複数本の冷却媒体流路２２２が直線状に形成され、第３セパレータ２１８には、前記冷却媒体中間連通孔２２０と冷却媒体出口４４ｂとに連通する複数本の冷却媒体流路２２４が直線状に形成される。

このように構成されるセルアセンブリ２００では、第１および第２接合体２０６、２０８において、酸化剤ガスと燃料ガスとが互いに直交する方向にかつ直列して供給されており、湿度の均一化や排水性の向上等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図３６は、本発明の第７の実施形態に係る固体高分子型セルアセンブリ２４０の概略分解斜視図であり、図３７は、前記セルアセンブリ２４０の酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却媒体の流れ図である。なお、図３４に示すセルアセンブリ２００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。

セルアセンブリ２４０は、第１および第２単位セル２４２、２４４を矢印Ａ方向に重ね合わせて構成されており、長辺側一端縁部には、酸化剤ガス入口３６ａ、冷却媒体出口４４ｂ、冷却媒体入口４４ａおよび燃料ガス中間連通孔３８が貫通して形成される。セルアセンブリ２４０の長辺側他端縁部には、燃料ガス入口４２ａ、冷却媒体中間連通孔２２０および酸化剤ガス中間連通孔４０が矢印Ａ方向に貫通して設けられる。セルアセンブリ２４０の短辺側一端縁部には、酸化剤ガス出口３６ｂと燃料ガス出口４２ｂとが、矢印Ａ方向に貫通形成されている。

第１中間セパレータ２１２および第２セパレータ２１６には、第１および第２接合体２０６、２０８のカソード側電極２４ａ、２４ｂに対向する面側に蛇行する酸化剤ガス流路２４６、２４８が形成される。酸化剤ガス流路２４６は、酸化剤ガス入口３６ａと酸化剤ガス中間連通孔４０とに連通する一方、酸化剤ガス流路２４８は、前記酸化剤ガス中間連通孔４０と酸化剤ガス出口３６ｂとに連通する。

第１セパレータ２１０と第２中間セパレータ２１４とには、それぞれアノード側電極２６ａ、２６ｂに対向する面側に蛇行する燃料ガス流路２５０、２５２が形成される（図３７参照）。燃料ガス流路２５０は、燃料ガス入口４２ａと燃料ガス中間連通孔３８とに連通する一方、燃料ガス流路２５２は、前記燃料ガス中間連通孔３８と燃料ガス出口４２ｂとに連通する。

このように構成されるセルアセンブリ２４０では、前記セルアセンブリ２４０に供給される酸化剤ガスが、それぞれ蛇行するとともに直列的に連通している酸化剤ガス流路２４６、２４８に沿って流れる一方、燃料ガスは、同様に互いに直列的に連通して蛇行する燃料ガス流路２５０、２５２に沿って流される。このため、酸化剤ガスおよび燃料ガスのガス流路長が相当に長尺化され、湿度の均一化や排水性を向上させることができる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

本発明の第１の実施形態に係る固体高分子型セルアセンブリの要部分解斜視図である。 燃料電池スタックの概略斜視図である。 前記セルアセンブリの一部断面説明図である。 前記セルアセンブリを構成する第１セパレータの正面図である。 前記セルアセンブリ内の流れ図である。 流路断面積を、流路深さを異にして設定する際の説明図である。 前記流路断面積を、流路幅を異ならせて設定する際の説明図である。 前記流路断面積を、流路本数を異ならせて設定する際の説明図である。 流路長を変更した前記セルアセンブリの分解斜視説明図である。 前記セルアセンブリ内でのみ中間連通孔が連通する構造の分解斜視説明図である。 前記中間連通孔が面内に設けられた構造のセルアセンブリの分解斜視説明図である。 第１および第２単位セル内のカソード温度の説明図である。 前記第１および第２単位セル内のカソード相対湿度の説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る固体高分子型セルアセンブリの要部分解斜視図である。 本発明の第３の実施形態に係る固体高分子型セルアセンブリの要部分解斜視図である。 前記第３の実施形態に係るセルアセンブリの流れ図である。 本発明の第４の実施形態に係る固体高分子型セルアセンブリの要部分解斜視図である。 前記第４の実施形態に係るセルアセンブリの流れ図である。 本発明の第５の実施形態に係る固体高分子型セルアセンブリの要部分解斜視図である。 前記第５の実施形態に係るセルアセンブリの流れ図である。 前記第１の実施形態に係るセルアセンブリの流路構造を記号化した表記図である。 前記第３の実施形態に係るセルアセンブリの流路構造を記号化した表記図である。 前記第４の実施形態に係るセルアセンブリの流路構造を記号化した表記図である。 前記第５の実施形態に係るセルアセンブリの流路構造を記号化した表記図である。 特徴的な流路構造の表記図である。 別の流路構造の表記図である。 さらに別の流路構造の表記図である。 さらにまた別の流路構造の表記図である。 ３セル構成の特徴的な流路構造の表記図である。 ３セル構成の別の流路構造の表記図である。 ４セル構成の特徴的な流路構造の表記図である。 ３セルで燃料ガスをマージ構成にする際の流路構造の表記図である。 燃料ガスをマージ構成にする４セルの流路構造の表記図である。 本発明の第６の実施形態に係る固体高分子型セルアセンブリの要部分解斜視図である。 前記第６の実施形態に係るセルアセンブリの流れ図である。 本発明の第７の実施形態に係る固体高分子型セルアセンブリの要部分解斜視図である。 前記第７の実施形態に係るセルアセンブリの流れ図である。

符号の説明

１０、８０、１４０、１６０、１８０、２００、２４０…セルアセンブリ
１２…燃料電池スタック
１４、１６、１４２、１４４、１６２、１６４、１８２、１８４、２０２、２０４、２４２、２４４…単位セル
１８、２０、８２、８４、１４６、１４８、２０６、２０８…接合体
２２ａ、２２ｂ、８６、８８…電解質膜
２４ａ、２４ｂ…カソード側電極 ２６ａ、２６ｂ…アノード側電極
２８、２８ａ、２８ｂ、３０、３０ａ〜３０ｄ、１５０、１５２、２１０、２１６、２１８…セパレータ
３２、３２ａ〜３２ｃ、１５４、１５６、２１２、２１４…中間セパレータ
３６ａ…酸化剤ガス入口 ３６ｂ…酸化剤ガス出口
３８、３８ａ…燃料ガス中間連通孔 ４０、４０ａ…酸化剤ガス中間連通孔
４２ａ…燃料ガス入口 ４２ｂ…燃料ガス出口
４４ａ…冷却媒体入口 ４４ｂ…冷却媒体出口
４６、４６ａ〜４６ｃ、５８、５８ａ〜５８ｃ、２４６、２４８…酸化剤ガス流路
４８、５４、２２２、２２４…冷却媒体流路
５０…孔部
５２、５２ａ〜５２ｄ、５６、５６ａ〜５６ｃ、２５０、２５２…燃料ガス流路
６４ａ…酸化剤ガス供給口 ６４ｂ…酸化剤ガス排出口
１５８…整流板 １８６、２２０…冷却媒体中間連通孔

Claims (4)

1. 固体高分子電解質膜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接合体を有する単位セルが、複数個重ね合わされるとともに、複数個の前記単位セルに燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方の反応ガスを流す反応ガス流路の全流路域が、隣接する単位セルにわたって直列的に連通するセルアセンブリを備え、
   複数組の前記セルアセンブリを重ね合わせており、
   前記セルアセンブリの重ね合わせ方向に延在する反応ガス供給連通孔および反応ガス排出連通孔を設けるとともに、
   前記反応ガス供給連通孔と前記反応ガス排出連通孔との流路間には、前記セルアセンブリの重ね合わせ方向に延在し、かつ各セルアセンブリ間で前記単位セル間を一体的に連通して中間連通孔が設けられることを特徴とす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において、各セルアセンブリ内では、少なくとも２個の前記単位セルが互いに異なる構造に設定されることを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項１または２記載の燃料電池スタックにおいて、各セルアセンブリ間にのみ冷却媒体流路が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記中間連通孔は、一方の単位セル面内の反応ガス入口と他方の単位セル面内の反応ガス出口との流路間に設けられることを特徴とする燃料電池スタック。

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