JP4948823B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

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Description

この発明は、単位燃料電池を複数積層してなる燃料電池スタックに関するものである。
燃料電池には、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟んで膜電極構造体を形成し、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位燃料電池(以下、単位セルという)を構成し、この単位セルを複数積層して燃料電池スタックとするものが知られている。
この燃料電池では、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を透過してカソード電極まで移動し、カソード電極で酸素と電気化学反応を起こして発電し、その際に水(以下、生成水という)を生成する。この反応は反応ガスの流れ方向上流側から下流側へ向かって進行する。また、発電には発熱を伴うため、発電を継続するために一般に冷媒を流して燃料電池を冷却している。
冷媒通路の構造例としては、波状に蛇行する突条を備えたセパレータを、金属プレートをプレス成形して形成し、このセパレータを膜電極構造体のアノード電極およびカソード電極に密接して配置して突条とアノード電極あるいはカソード電極との間の空間を反応ガス通路(すなわち、燃料ガス通路あるいは酸化剤ガス通路)とし、隣り合うセパレータ間に形成される空間を冷媒通路として、反応ガスの流れ方向と冷媒の流れ方向を直交させるようにしたものがある(例えば特許文献1参照)。
特開2003−338300号公報
ところで、図8に示すように、反応ガスを燃料電池スタックSの上から下へ鉛直下向き(重力方向)に流した場合には、前記反応が上から下へ向かって進行し、反応に伴って生成される水も上から下へ流れていく。そのため、反応ガス流路内の相対湿度は上部よりも下部の方が高くなる。
このように、燃料電池スタック内の相対湿度に差が生じると、発電にも差が生じるという課題がある。
そこで、この発明は、膜電極構造体の相対湿度をほぼ均一にすることができる燃料電池スタックを提供するものである。
上記課題を解決するために、請求項1に係る発明は、電解質膜(例えば、後述する実施例における固体高分子電解質膜21)の両側にアノード電極(例えば、後述する実施例におけるアノード電極22)とカソード電極(例えば、後述する実施例におけるカソード電極23)を設けて膜電極構造体(例えば、後述する実施例における膜電極構造体20)を構成し、前記アノード電極とカソード電極に密接して金属プレートからなるセパレータ(例えば、後述する実施例におけるセパレータ30A,30B)を配置して単位燃料電池(例えば、後述する実施例における10)を構成し、この単位燃料電池を複数積層してなる燃料電池スタック(例えば、後述する実施例における燃料電池スタックS)であって、前記セパレータは前記電解質膜から離間する側に突出し波状に蛇行しながら鉛直方向に延びる複数の突条(例えば、後述する実施例における突条31A,31B)を備え、前記アノード電極とこれに密接する前記セパレータの前記突条との間の空間を燃料ガスが鉛直方向の上から下へ向かって流通する燃料ガス通路(例えば、後述する実施例における燃料ガス通路51)とし、前記カソード電極とこれに密接する前記セパレータの前記突条との間の空間を酸化剤ガスが鉛直方向の上から下へ向かって流通する酸化剤ガス通路(例えば、後述する実施例における酸化剤ガス通路52)とし、少なくとも一部の前記セパレータを他の前記セパレータに密接して配置することにより前記燃料ガス通路および前記酸化剤ガス通路の裏側に位置する両セパレータ間に冷媒を水平方向に流通させる冷媒通路(例えば、後述する実施例における冷却水通路53)を形成し、前記セパレータにおける前記突条の波形の鉛直方向のピッチを上部領域よりも下部領域を小さくすることにより、前記冷媒通路の流路抵抗を前記上部領域よりも前記下部領域を大きくしたことを特徴とする燃料電池スタックである。
このように構成することにより、冷媒通路の上部領域に流れる冷媒の流量よりも下部領域に流れる冷媒の流量を少なくすることができるので、燃料ガス通路、酸化剤ガス通路、膜電極構造体(以下、反応ガス通路等という)に対する下部領域の冷却を上部領域よりも抑えて、反応ガス通路等において水分量が多い下部領域の温度を反応ガス通路等において水分量の少ない上部領域の温度よりも上げることができる。その結果、反応ガス通路等における下部領域の相対湿度を低下させて上部領域の相対湿度と同等にして、膜電極構造体の面内方向全域をほぼ均一な相対湿度にすることができる。
また、セパレータにおける突条の波形の鉛直方向のピッチを上部領域よりも下部領域を小さくしたことにより、反応ガス通路の流路抵抗も上部領域よりも下部領域の方が大きくなる。その結果、下部領域における反応ガスの圧力を低下させて飽和水蒸気圧以下にすることができ、下部領域の反応ガス通路内に存在する生成水等の水を気化させて反応ガスとともに排出することができる。
請求項に係る発明は、請求項1に記載の発明において、前記冷媒通路の上部領域に連通する冷媒入口(例えば、後述する実施例における冷却水供給口15a,15b)および冷媒出口(例えば、後述する実施例における冷却水排出口16a,16b)と、前記冷媒通路の下部領域に連通する冷媒入口(例えば、後述する実施例における冷却水供給口15c,15d)および冷媒出口(例えば、後述する実施例における冷却水排出口16c,16d)とを、別々に備えることを特徴とする。
このように構成することにより、上部領域と下部領域に確実に冷媒を流通させることができる。
請求項1に係る発明によれば、膜電極構造体の面内方向全域をほぼ均一な相対湿度にすることができるので、膜電極構造体の面内方向全域において均一に発電をすることができ、安定した発電が可能になる。また、膜電極構造体の乾燥を防止することができるとともに、生成水による反応ガス通路の閉塞を防止することができる。さらに、下部領域の反応ガス通路内に存在する生成水等の水を気化させて反応ガスとともに排出することができる。
請求項に係る発明によれば、上部領域と下部領域に確実に冷媒を流通させることができる。
以下、この発明に係る燃料電池スタックの実施例を図1から図8の図面を参照して説明する。なお、この実施例の燃料電池スタックSは燃料電池自動車用である。
図1は燃料電池スタックSの概略斜視図であり、燃料電池スタックSは、縦方向に細長い単位燃料電池(以下、単位セルと称す)10を多数積層して電気的に直列接続し、その両側にエンドプレート90A,90Bを配置し、図示しないタイロッドによって締結して構成されている。この実施例の燃料電池スタックSは、前記縦方向を鉛直方向(重力方向)に向けて車両に搭載される。以下、図中の矢印X,Yは水平方向を示し、矢印Zは鉛直方向を示す。
図2に示すように、単位セル10は、膜電極構造体20の両側にセパレータ30A,30Bを配置したサンドイッチ構造をなす。詳述すると、膜電極構造体20は、図5に示すように、例えばフッ素系電解質材料等からなる固体高分子電解質膜(電解質膜)21の両側にアノード電極22とカソード電極23を設けて構成され、膜電極構造体20のアノード電極22に面してアノード側セパレータ30Aが、カソード電極23に面してカソード側セパレータ30Bが配置されている。両セパレータ30A,30Bは金属プレートを所定にプレス成形して形成されており、前記構成の単位セル10を積層してなる燃料電池スタックSでは、隣接する2つの単位セル10,10において一方の単位セル10のアノード側セパレータ30Aと他方の単位セル10のカソード側セパレータ30Bとが密接する。
図2において、膜電極構造体20と両セパレータ30A,30Bの左上隅部には、使役前の燃料ガス(例えば、水素ガス)が流通する燃料ガス供給口11が設けられ、その対角位置である右下隅部には、使役後の燃料ガス(以下、アノードオフガスという)が流通するアノードオフガス排出口12が設けられている。同様に、膜電極構造体20と両セパレータ30A,30Bの右上隅部には、使役前の酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス供給口13が設けられ、その対角位置である左下隅部には、使役後の酸化剤ガス(以下、カソードオフガスという)が流通するカソードオフガス排出口14が設けられている。さらに、膜電極構造体20と両セパレータ30A,30Bの左端部には、使役前の冷却水(冷媒)が流通する4つの冷却水供給口(冷媒入口)15a〜15dが縦列に並んで設けられ、対称位置である右側端部には、使役後の冷却水が流通する4つの冷却水排出口(冷媒出口)16a〜16dが縦列に並んで設けられている。冷却水供給口15a〜15dと冷却水排出口16a〜16dは、燃料ガス供給口11および酸化剤ガス供給口13よりも下方であって、アノードオフガス排出口12およびカソードオフガス排出口14よりも上方に配置されている。また、燃料ガス供給口11と酸化剤ガス供給口13の間、および、アノードオフガス排出口12とカソードオフガス排出口14の間には、燃料電池スタックSを締結するタイロッドを挿通するためのタイロッド挿通孔17が設けられている。
これら燃料ガス供給口11、アノードオフガス排出口12、酸化剤ガス供給口13、カソードオフガス排出口14、冷却水供給口15a〜15d、冷却水排出口16a〜16dは、単位セル10として組み立てられた状態、および、燃料電池スタックSとして組み立てられた状態において、後述するシール部43,44を介して各供給口11,13,15a〜15d毎、各排出口12,14,16a〜16d毎に連通して、分配流路もしくは集合流路として機能し、それぞれ一方のエンドプレート90Aに設けられた燃料ガス供給口91、アノードオフガス排出口92、酸化剤ガス供給口93、カソードオフガス排出口94、冷却水供給口95a〜95d、冷却水排出口96a〜96dに連通し、他方のエンドプレート90Bによって先端を閉塞されている。また、タイロッド挿通孔17も単位セル10として組み立てられた状態、および、燃料電池スタックSとして組み立てられた状態において、後述するシール部43,44を介して連通するとともに、エンドプレート90Aのタイロッド挿通孔17に連通する。
図1に示すように、使役前の冷却水は冷却水供給マニホールド81からエンドプレート90Aの各冷却水供給口95a〜95dに分配して供給され、使役後の冷却水はエンドプレート90Aの各冷却水排出口96a〜96dから冷却水排出マニホールド82に導入され、集合して排出される。
また、燃料ガス供給口91に燃料ガスを、酸化剤ガス供給口93に酸化剤ガスを、それぞれ図示しないマニホールドを介して供給可能に構成されており、アノードオフガス排出口92から排出されるアノードオフガス、カソードオフガス排出口94から排出されるカソードオフガスを、それぞれ図示しないマニホールドを介して排出可能に構成されている。
図3に示すように、アノード側セパレータ30Aは膜電極構造体20に面当接する平坦部36を備え、冷却水供給口15a〜15dと冷却水排出口16a〜16dの間に挟まれた矩形領域には、膜電極構造体20から離間する方向に突出する突条31Aがその長手方向を鉛直方向に向けて多数形成され、水平方向(X方向)等間隔に並行に配置されている。図5に示すように、この突条31Aの断面形状は平坦な頂部35を有する台形状をなし、隣り合う突条31A,31Aの端部同士は平坦部36によって接続されている。
各突条31Aは略台形波状に左右に蛇行しながら鉛直方向に延びている。詳述すると、1本の突条31Aは、鉛直方向へ千鳥に配置され鉛直方向直線的に延びる第1の直線部32および第2の直線部33が、鉛直方向に対して傾斜して延びる傾斜部34により接続されて構成されている。以下の説明の都合上、同一突条31Aにおいて第1の直線部32と第2の直線部33の水平方向中心間距離を突条31Aの振幅W、同一突条31Aにおいて隣接する第1の直線部32,32の中心間距離を突条31AのピッチPと定義する。
突条31Aは、長手方向中間部よりも上側の上部領域(冷却水供給口15a,15bと冷却水排出口16a,16bが配置されている領域)と、前記中間部より下側の下部領域(冷却水供給口15c,15dと冷却水排出口16c,16dが配置されている領域)ではピッチPを異にしており、下部領域のピッチP2が上部領域のピッチP1よりも小さく設定されている。なお、突条31Aの振幅Wについては上部領域も下部領域も同じに設定されている。
アノード側セパレータ30Aにおいて、燃料ガス供給口11および酸化剤ガス供給口13よりも下方には、上部バッファー部37が膜電極構造体20から離間する方向に突出して形成されている。上部バッファー部37は正面視で下方に末広がりの台形状をなし、前述した各突条31Aの上端がこの上部バッファー部37の下端に連通している。上部バッファー部37には膜電極構造体20に接近する方向に突出する円筒状の凸部38が分散して設けられており、凸部38の先端面はアノード側セパレータ30Aの平坦部36と面一にされている。さらに、上部バッファー部37と燃料ガス供給口11は、この間において膜電極構造体20から離間する方向に突出して多数形成された別の突条39を介して連通している。
また、アノード側セパレータ30Aにおいて、アノードオフガス排出口12およびカソードオフガス排出口14よりも上方には、下部バッファー部40が膜電極構造体20から離間する方向に突出して形成されている。下部バッファ部40は正面視で上方に末広がりの台形状をなし、前述した各突条31Aの下端がこの下部バッファー部40の上端に連通している。下部バッファー部40には膜電極構造体20に接近する方向に突出する円筒状の凸部41が分散して設けられており、凸部41の先端面はアノード側セパレータ30Aの平坦部36と面一にされている。さらに、下部バッファー部40とアノードオフガス排出口12は、この間において膜電極構造体20から離間する方向に突出して多数形成された別の突条42を介して連通している。
そして、アノード側セパレータ30Aにおいて膜電極構造体20に密接する面には、絶縁樹脂(例えば、シリコン樹脂)からなるシール部43が設けられている。シール部43は、燃料ガス供給口11とアノードオフガス排出口12と上部バッファー部37と下部バッファ部40と総ての突条31A,39,42の外側を一周して囲繞するとともに、酸化剤ガス供給口13、カソードオフガス排出口14、各冷却水供給口15a〜15d、各冷却水排出口16a〜16d、タイロッド挿通孔17をそれぞれ個別に囲繞している。
アノード側セパレータ30Aはその平坦部36とシール部43を膜電極構造体20のアノード電極22に密接して取り付けられ、膜電極構造体20と上部バッファー部37との間に形成される空間、膜電極構造体20と下部バッファ部40との間に形成される空間、膜電極構造体20と突条31A,39,42との間に形成される空間が、燃料ガスが流通するアノードガス通路51となる。その結果、燃料ガス供給口11を介してアノードガス通路51に導入された燃料ガスは、突条39、上部バッファー部37、突条31A、下部バッファ部40、突条42を順に流通して、アノードオフガス排出口12に排出される。すなわち、燃料ガスは膜電極構造体20のアノード電極22に沿って蛇行しながら上から下へ鉛直方向に流れていく。
その際に、上部バッファー部37が下方に末広がりの台形状をなし、多数の凸部38を有しているので、燃料ガス供給口11から上部バッファー部37に導入した燃料ガスを拡散して総ての突条31Aにほぼ均一に分配することができる。また、下部バッファ部40が上方に末広がりの台形状をなし、多数の凸部41を有しているので、各突条31Aから下部バッファ部40に導入されたアノードオフガスを整流してアノードオフガス排出口12に集合させることができる。
カソード側セパレータ30Bもアノード側セパレータ30Aとほぼ同様の構成であるので同一構成については説明を省略し、図4を参照して相違点だけを説明する。なお、図4はカソード側セパレータ30Bをカソード電極23に面する側から見た図である。
図2のように同一面側から見たときに、カソード側セパレータ30Bの突条31Bとアノード側セパレータ30Aの突条31Aでは位相を異にしており、正弦波形で言えば180度位相がずれている。
突条31Bも、長手方向中間部よりも上側の上部領域のピッチP1が、前記中間部より下側の下部領域のピッチP2よりも大きく設定されており、突条31Bの振幅Wについては上部領域も下部領域も同じに設定されている。なお、突条31BのピッチP1と突条31AのピッチP1は同寸法であり、突条31BのピッチP2と突条31AのピッチP2は同寸法であり、突条31Bの振幅Wと突条31Aの振幅Wは同寸法である。
上部バッファー部37は突条39を介して酸化剤ガス供給口13に連通しており、下部バッファ部40は突条42を介してカソードオフガス排出口14に連通している。
カソード側セパレータ30Bのシール部43は、酸化剤ガス供給口13とカソードオフガス排出口14と上部バッファー部37と下部バッファ部40と総ての突条31B,39,42の外側を一周して囲繞するとともに、燃料ガス供給口11、アノードオフガス排出口12、各冷却水供給口15a〜15d、各冷却水排出口16a〜16d、タイロッド挿通孔17をそれぞれ個別に囲繞している。
カソード側セパレータ30Bはその平坦部36とシール部43を膜電極構造体20のカソード電極23に密接して取り付けられ、膜電極構造体20と上部バッファー部37との間に形成される空間、膜電極構造体20と下部バッファ部40との間に形成される空間、膜電極構造体20と突条31B,39,42との間に形成される空間が、酸化剤ガスが流通するカソードガス通路52となる。その結果、酸化剤ガス供給口13を介してカソードガス通路52に導入された酸化剤ガスは、突条39、上部バッファー部37、突条31B、下部バッファ部40、突条42を順に流通して、カソードオフガス排出口14に排出される。すなわち、酸化剤ガスは膜電極構造体20のカソード電極23に沿って蛇行しながら上から下へ鉛直方向に流れていく。
その際に、上部バッファー部37が下方に末広がりの台形状をなし、多数の凸部38を有しているので、酸化剤ガス供給口13から上部バッファー部37に導入した酸化剤ガスを拡散して総ての突条31Bにほぼ均一に分配することができる。また、下部バッファ部40が上方に末広がりの台形状をなし、多数の凸部41を有しているので、各突条31Bから下部バッファ部40に導入されたカソードオフガスを整流してカソードオフガス排出口14に集合させることができる。
なお、図2において膜電極構造体20の面内に二点鎖線で示すように、この燃料電池スタックSにおいては、アノード側セパレータ30Aの突条31Aおよびカソード側セパレータ30Bの突条31Bが設けられている領域が実質的な発電領域Gとなる。
また、図2に示すように、カソード側セパレータ30Bにおいて膜電極構造体20に密接する面の裏面にも、絶縁樹脂(例えば、シリコン樹脂)からなるシール部44が設けられている。シール部44は、冷却水供給口15a〜15dおよび冷却水排出口16a〜16dの外側を1周して囲繞するとともに、燃料ガス供給口11、アノードオフガス排出口12、酸化剤ガス供給口13、カソードオフガス排出口14、タイロッド挿通孔17をそれぞれ個別に囲繞している。このカソード側セパレータ30Bと同様に、アノード側セパレータ30Aにおいて膜電極構造体20に密接する面の裏面にも、シール部44が設けられている。
前述したように、単位セル10を積層してなる燃料電池スタックSでは、隣接する2つの単位セル10,10において一方の単位セル10のアノード側セパレータ30Aと他方の単位セル10のカソード側セパレータ30Bとが密接するが、その際には、アノード側セパレータ30Aの突条31Aにおける第1の直線部32の頂部35とカソード側セパレータ30Bの突条31Bにおける第1の直線部32の頂部35とを密接させるとともに、アノード側セパレータ30Aの上部バッファ部37および下部バッファ部40とカソード側セパレータ30Bの上部バッファ部37および下部バッファ部40とを密接させ、アノード側セパレータ30Aのシール部44とカソード側セパレータ30Bのシール部44とを密接させる。これにより、両シール部44,44に囲繞された両セパレータ30A,30B間の空間であって上部バッファー部37と下部バッファ部40の間に、冷却水供給口15a〜15d、冷却水排出口16a〜16d、突条31A,31Bを包囲する領域に冷却水通路(冷媒通路)53が形成される。そして、上部バッファ部37,37間、および下部バッファ部40,40間には冷却水が流れなくなるので、発電領域Gに冷媒を効率よく流通させることができ、発電領域Gを効率的に冷却することができる。
図5、図6を参照して冷却水通路53について詳述する。なお、図6は、アノード側セパレータ30Aの突条31Aとカソード側セパレータ30Bの突条31Bをそれぞれ1本ずつ代表的に図示している。
前述したように、アノード側セパレータ30Aの突条31Aとカソード側セパレータ30Bの突条31Bは互いに位相を異にしているので、突条31Aにおける第1の直線部32の頂部35と突条31Bにおける第1の直線部32の頂部35とを密接させて重ねたときに、突条31Aにおける第2の直線部33の頂部35と突条31Bにおける第2の直線部33の頂部35は重なることなく、互いに水平方向に離間して位置し、この間に開口60が形成される。
また、アノード側セパレータ30Aの突条31Aにおける第2の直線部33の頂部35はカソード側セパレータ30Bの平坦部36から離間して配置されており、同様に、カソード側セパレータ30Bの突条31Bにおける第2の直線部33の頂部35はアノード側セパレータ30Aの平坦部36から離間して配置されている。これにより、アノード側セパレータ30Aとカソード側セパレータ30Bの間に形成される冷却水通路53は、突条31A,31Bの第1の直線部32,32が突き合わさっている部分では水平方向を遮断されるが、突条31A,31Bの第2の直線部33,33が存在する部分では水平方向に連通する。
その結果、冷却水供給口15a〜15dから冷却水通路53に導入された冷却水は、突条31Aの第2の直線部33と突条31Bの第2の直線部33との間を縫うようにして水平方向に流通し、対応する冷却水排出口16a〜16dへと流れる。つまり、燃料ガスと酸化剤ガスが鉛直方向に流れるのに対し、冷却水はこれら反応ガスの流れ方向と直交する水平方向に流れる。
また、前述したように、突条31Aおよび突条31Bは、下部領域のピッチP2が上部領域のピッチP1よりも小さく設定されているので、突条31Aの第2の直線部33と突条31Bの第2の直線部33の間に形成される開口60の開口面積は、上部領域よりも下部領域の方が小さくなり、冷却水通路53の流路抵抗は上部領域よりも下部領域の方が大きくなる。
このように構成された燃料電池スタックSおよび単位セル10では、アノード電極22で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜21を透過してカソード電極23まで移動し、カソード電極23で酸素と電気化学反応を起こして発電し、その際に水を生成する。この発電に伴う発熱により単位セル10が所定の作動温度を越えないように、冷却水通路53を流れる冷却水で熱を奪い冷却する。
ところで、この燃料電池スタックSでは、反応ガス(燃料ガスおよび酸化剤ガス)が膜電極構造体20に沿って上から下へ鉛直下向き(重力方向)に流れるので、前記反応は上から下へ向かって進行し、反応に伴って生成される水も燃料ガス通路51および酸化剤ガス通路52(以下、総称して反応ガス通路51,52という場合もある)を上から下へ流れていく。そのため、反応ガス通路51,52内の水分量は上部よりも下部の方が多くなる。
しかしながら、この燃料電池スタックSでは、前述したように突条31Aおよび突条31Bの下部領域におけるピッチP2を上部領域のピッチP1よりも小さく設定したことにより、冷却水通路53の流路抵抗は上部領域よりも下部領域の方が大きくなるので、冷却水は冷却水通路53の下部領域より上部領域に流れ易くなり、下部領域に流れる冷却水量を少なくすることができる。これにより、下部領域における冷却を上部領域における冷却よりも抑えることができ、反応ガス通路51,52内の水分量が多い下部領域の温度を、反応ガス通路51,52内の水分量が少ない上部領域の温度よりも上げることができる。その結果、下部領域の反応ガス通路51,52内の相対湿度を低下させて上部領域の反応ガス通路51,52内の相対湿度とほぼ同等にすることができ、図7に示すように膜電極構造体20の面内方向全域をほぼ均一な相対湿度にすることができる。
また、突条31Aおよび突条31Bの下部領域におけるピッチP2を上部領域のピッチP1よりも小さく設定したことにより、反応ガス通路51,52の流路抵抗も上部領域よりも下部領域の方が大きくなる。その結果、下部領域における反応ガスの圧力を飽和水蒸気圧以下まで低下させることができ、下部領域の反応ガス通路51,52内に存在する生成水等の水を気化させて反応ガスとともに反応ガス通路51,52から排出することができる。
これにより、膜電極構造体20の面内方向全域において均一に発電をすることができ、安定した発電が可能になる。また、膜電極構造体20の乾燥を防止することができるとともに、生成水による反応ガス通路51,52の閉塞を防止することができる。
特にこの実施例では、冷却水通路53の上部領域に対応する位置に冷却水供給口15a,15bと冷却水排出口16a,16bを設け、冷却水通路53の下部領域に対応する位置に冷却水供給口15c,15dと冷却水排出口16c,16dを設けたので、上部領域と下部領域に確実に冷却水を流通させることができる。
〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、前述した実施例では、隣接する2つの単位セル間に総て冷媒通路を設けたが、冷媒通路は単位燃料電池間に総て設けず、間引きして設けてもよい。この場合に、冷媒通路を間引いた部位では、隣接する2つの単位セルが1つのセパレータを共有し、該セパレータが一方の単位セルではアノード側セパレータとして機能し、他方の単位セルではカソード側セパレータとして機能する。
突条の波形は前述した台形波状に限るものではなく、正弦波形状など種々の形状が採用可能である。
この発明において突条の上部領域とは下部領域に対して上方に位置する領域という意味である。したがって、前述した実施例では、冷媒通路(突条)を上下2つの領域に分けたが、3つあるいはそれ以上の領域に分けて、下方に位置する領域ほど流路抵抗を大きく(突条の波のピッチを小さく)してもよい。
この発明に係る燃料電池スタックの概略斜視図である。 前記燃料電池スタックを構成する単位燃料電池の分解図である。 前記単位燃料電池を構成するアノード側セパレータの正面図である。 前記単位燃料電池を構成するカソード側セパレータの正面図である。 燃料電池スタックの部分断面図である。 前記燃料電池スタックにおけるセパレータ積層状態を示す斜視図である。 前記燃料電池スタック内の湿度状態を示す概念図である。 比較例における燃料電池スタック内の湿度状態を示す概念図である。
符号の説明
S 燃料電池スタック
10 単位セル(単位燃料電池)
15a〜15d 冷却水供給口(冷媒入口)
16a〜16d 冷却水排出口(冷媒出口)
20 膜電極構造体
21 固体高分子電解質膜(電解質膜)
22 アノード電極
23 カソード電極
30A、30B セパレータ
31A,31B 突条
51 燃料ガス通路
52 酸化剤ガス通路
53 冷却水通路(冷媒通路)

Claims (2)

  1. 電解質膜の両側にアノード電極とカソード電極を設けて膜電極構造体を構成し、前記アノード電極とカソード電極に密接して金属プレートからなるセパレータを配置して単位燃料電池を構成し、この単位燃料電池を複数積層してなる燃料電池スタックであって、
    前記セパレータは前記電解質膜から離間する側に突出し波状に蛇行しながら鉛直方向に延びる複数の突条を備え、
    前記アノード電極とこれに密接する前記セパレータの前記突条との間の空間を燃料ガスが鉛直方向の上から下へ向かって流通する燃料ガス通路とし、
    前記カソード電極とこれに密接する前記セパレータの前記突条との間の空間を酸化剤ガスが鉛直方向の上から下へ向かって流通する酸化剤ガス通路とし、
    少なくとも一部の前記セパレータを他の前記セパレータに密接して配置することにより前記燃料ガス通路および前記酸化剤ガス通路の裏側に位置する両セパレータ間に冷媒を水平方向に流通させる冷媒通路を形成し、
    前記セパレータにおける前記突条の波形の鉛直方向のピッチを上部領域よりも下部領域を小さくすることにより、前記冷媒通路の流路抵抗を前記上部領域よりも前記下部領域を大きくしたことを特徴とする燃料電池スタック。
  2. 前記冷媒通路の上部領域に連通する冷媒入口および冷媒出口と、前記冷媒通路の下部領域に連通する冷媒入口および冷媒出口とを、別々に備えることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池スタック。
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