JP4908699B2

JP4908699B2 - 燃料電池スタック

Info

Publication number: JP4908699B2
Application number: JP2001282129A
Authority: JP
Inventors: 義典割石; 征治鈴木; 英明菊池; 成利杉田; 一郎馬場; 謙高橋
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2001-09-17
Filing date: 2001-09-17
Publication date: 2012-04-04
Anticipated expiration: 2021-09-17
Also published as: JP2003092131A

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、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、通常、多数個の単位セルを積層する構造等が採用されているが、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。
【０００５】
そこで、例えば、米国特許Ｒｅ３６，１４８号公報に開示されている装置が知られている。この装置では、図１２に示すように、燃料電池ブロック１が第１セルグループ２、第２セルグループ３および第３セルグループ４に分割されるとともに、前記第１乃至第３セルグループ２、３および４が、反応ガス（例えば、燃料ガス）の供給方向（矢印α方向）に積層されている。第１乃至第３セルグループ２、３および４は、それぞれ所定数の単位セル５ａ、５ｂおよび５ｃを備えている。
【０００６】
燃料電池ブロック１には、ライン６を介して反応ガスが供給されており、この反応ガスは、まず、第１セルグループ２を構成する複数の単位セル５ａに並列的に供給される。次いで、第１セルグループ２から排出された反応ガスは、第２セルグループ３を構成する複数の単位セル５ｂに並列的に供給された後、前記第２セルグループ３から排出されて、第３セルグループ４を構成する複数の単位セル５ｃに並列的に供給される。これにより、生成水や不活性ガスを効果的に排出することができ、発電性能の向上を図ることが可能になる、としている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の燃料電池ブロック１では、第１乃至第３セルグループ２、３および４における反応ガスの流れ方向が交互に逆転しており、単位セル５ａ、５ｃと単位セル５ｂとにおいて、それぞれのセパレータの構成が異なるものとなる。これにより、セパレータの種類が増加してしまい、前記セパレータの製造コストが高騰して経済的ではないという問題が指摘される。
【０００８】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、複数のサブスタックで同一のセパレータを使用することができ、経済的であるとともに、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。
【０００９】
【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前記サブスタックの反応ガス出口側連通路と、前記反応ガスの供給方向下流側に配置された前記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。従って、上流側のサブスタックの反応ガス出口側連通路に排出された反応ガスは、中間プレートの流路を通って下流側のサブスタックの反応ガス入口側連通路に供給されることになる。
【００１０】
このため、各サブスタックでは、常に、反応ガスが反応ガス入口側連通路から供給された後、反応ガス出口側連通路から排出されている。これにより、全てのサブスタックに対して同一のセパレータを使用することができ、種類の異なるセパレータを用意する必要がなく、構成が簡素化するとともに、経済的なものとなる。
【００１１】
【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。
【００１２】
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。
【００１３】
第１乃至第３サブスタック１２、１４および１６は、同一に構成されており、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。
【００１４】
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とから構成されている。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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（酸化剤ガス流れ変更流路）９２と燃料ガス混合流路（燃料ガス流れ変更流路）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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
第１および第２サブスタック１２、１４は、同一に構成されており、前記第２サブスタック１４の酸化剤ガス入口５６および燃料ガス入口４６は、前記第１サブスタック１２の酸化剤ガス入口５６および燃料ガス入口４６と同一の位置に設けられている（図１参照）。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
第２および第３サブスタック１４、１６は、同一に構成されており、前記第３サブスタック１６の酸化剤ガス入口５６および燃料ガス入口４６は、前記第２サブスタック１４の酸化剤ガス入口５６および燃料ガス入口４６と同一の位置に設けられている（図１参照）。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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、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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
一方、冷却媒体入口６６に供給された冷却媒体は、第３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。
【００４１】
この場合、第１の実施形態では、まず、第１サブスタック１２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、燃料ガス入口４６に燃料ガスが供給されると、この第１サブスタック１２内で一部が消費された前記酸化剤ガスおよび前記燃料ガスは、酸化剤ガス出口６４および燃料ガス出口６８に排出されて中間プレート１８ａに送られる。
【００４２】
次いで、酸化剤ガスおよび燃料ガスは、中間プレート１８ａの酸化剤ガス混合流路９２および燃料ガス混合流路９４を通って第２サブスタック１４の酸化剤ガス入口５６および燃料ガス入口４６に供給される。さらに、第２サブスタック１４の酸化剤ガス出口６４および燃料ガス出口６８に排出されて中間プレート１８ｂに送られた酸化剤ガスおよび燃料ガスは、前記中間プレート１８ｂの酸化剤ガス混合流路９２および燃料ガス混合流路９４を通って、第３サブスタック１６の酸化剤ガス入口５６および燃料ガス入口４６に供給される。
【００４３】
このように、第１乃至第３サブスタック１２、１４および１６では、酸化剤ガスおよび燃料ガスが、常に、酸化剤ガス入口５６および燃料ガス入口４６に供給された後、酸化剤ガス出口６４および燃料ガス出口６８に排出されるため、前記第１乃至第３サブスタック１２、１４および１６を全て同一の部品で構成することが可能になる。このため、第１乃至第３サブスタック１２、１４および１６に、それぞれ同一の第１乃至第３セパレータ３８、４０および４２を用いることができ、汎用性が向上するとともに、製造費が有効に削減されて経済的なものになるという効果が得られる。
【００４４】
また、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。
【００４５】
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、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。これにより、使用後の酸化剤ガスと未使用の酸化剤ガスとは、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に送られる。
【００４６】
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。
【００４７】
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。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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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と低加湿酸化剤ガス供給口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（酸化剤ガス流れ変更流路）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。
【００５３】
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。
【００５４】
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（燃料ガス流れ変更流路）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する機能を有する。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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された後、第２サブスタック１４の酸化剤ガス入口５６に供給される。
【００５８】
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された後、第２サブスタック１４の燃料ガス入口４６に供給される。
【００５９】
これにより、第２の実施形態では、酸化剤ガスおよび燃料ガスが、中間プレート１０２ａ、１０２ｂを介して第２および第３サブスタック１４および１６の酸化剤ガス入口５６および燃料ガス入口４６に供給されるため、第１乃至第３サブスタック１２、１４および１６に、それぞれ同一のセパレータ１１０を用いることができる。従って、第２の実施形態では、汎用性が向上するとともに、製造費が有効に削減されて経済的なものになる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６０】
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１および第２の実施形態に係る燃料電池スタック１０、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。
【００６１】
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１４６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１４６は接合体１４８とセパレータ１５０とを備える。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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に低加湿酸化剤ガス供給口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、第２サブスタック１４の酸化剤ガス入口５６に供給される。
【００６６】
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、第２サブスタック１４の燃料ガス入口４６に供給される。
【００６７】
これにより、第３の実施形態では、第１乃至第３サブスタック１２、１４および１６を同一の部品で構成することができ、製造費が有効に削減されて経済的なものになる等、第１および第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６８】
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が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。
【００６９】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックでは、上流側のサブスタックの反応ガス出口側連通路に排出された反応ガスが、中間プレートの流路を通って下流側のサブスタックの反応ガス入口側連通路に供給されるため、各サブスタックにおいて、反応ガスが反応ガス入口側連通路から供給された後、反応ガス出口側連通路から排出される。これにより、全てのサブスタックに対して同一のセパレータを使用することができるため、種類の異なるセパレータを用意する必要がなく、経済的なものとなる。
【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】従来技術に係る燃料電池ブロックの説明図である。
【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、１４６…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

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、
前記サブスタックとして、反応ガスの供給方向上流側に配置された上流側サブスタックと、前記反応ガスの供給方向下流側に配置された下流側サブスタックとを含み、前記反応ガスは、前記上流側サブスタック、前記中間プレート、前記下流側サブスタックの順序で流通し、
前記上流側サブスタックには、電極を通過した前記反応ガスが流通する反応ガス出口側連通路と、未使用の反応ガスが流通する追加反応ガス供給口が設けられ、
前記下流側サブスタックには、電極に供給される前記反応ガスが流通する反応ガス入口側連通路が設けられ、
且つ前記中間プレートの面内には、前記上流側サブスタックの前記反応ガス出口側連通路及び前記追加反応ガス供給口と、前記下流側サブスタックの前記反応ガス入口側連通路とを連通する流路が、該面に沿って設けられ、
前記上流側サブスタックの前記電極を通過して前記反応ガス出口側連通路に到達した前記反応ガスと、前記上流側サブスタックの前記追加反応ガス供給口を通過した前記未使用の反応ガスとは、前記中間プレートに設けられた前記流路を流通することで前記中間プレートの面に沿って移動した後、前記下流側サブスタックの前記反応ガス入口側連通路を流通し、
前記セパレータには、積層方向に沿って貫通するように、前記反応ガス出口側連通路、前記追加反応ガス供給口及び前記反応ガス入口側連通路が形成され、
且つ前記上流側サブスタック及び前記下流側サブスタックが、同一構造の前記セパレータ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、前記反応ガス入口側連通路は、前記サブスタックの積層方向に直線状に貫通するとともに、
前記上流側サブスタックの前記反応ガス入口側連通路と、前記下流側サブスタックの前記反応ガス入口側連通路とは、前記積層方向に同一位置に設けられる一方、
前記反応ガス出口側連通路は、前記サブスタックの積層方向に直線状に貫通するとともに、
前記上流側サブスタックの前記反応ガス出口側連通路と、前記下流側サブスタックの前記反応ガス出口側連通路とは、前記積層方向に同一位置に設けら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流す酸化剤ガス流れ変更流路と、
前記反応ガスである燃料ガスを流す燃料ガス流れ変更流路と、
を備え、
前記酸化剤ガス流れ変更流路および前記燃料ガス流れ変更流路は、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流す酸化剤ガス流れ変更流路と、
前記反応ガスである燃料ガスを流す燃料ガス流れ変更流路と、
を備え、
前記酸化剤ガス流れ変更流路および前記燃料ガス流れ変更流路は、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。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記流路に、前記上流側サブスタックの前記反応ガス出口側連通路を通過した前記反応ガスと、該上流側サブスタックの前記追加反応ガス供給口を通過した未使用の前記反応ガスとを混合する混合部が設けられたことを特徴とする燃料電池スタック。