JP5024863B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に関し、特に積層させた単位セル間に冷却水などの冷媒を流通させ、各単位セルを冷却させるセル冷媒流路を有する燃料電池に関する。

従来の燃料電池の構成の概略について説明する。図１６は、一般的な燃料電池の構成の概略について、その一例を示す図である。なお、外部から燃料電池内に供給され、排出される冷媒の流路について特に着目して示すため、図１６においては、セパレータや拡散層などを含む一部の構成については省略し、または簡略な記載にとどめた。

図１６において、燃料電池５００は、複数の単位セル１１を積層させることにより、所望の発電性能を獲得することが可能となる。積層させた単位セル１１の積層端をそれぞれ集電板１２，１３で挟み込み、さらにその外側に絶縁板１４，１５およびエンドプレート１６，１７で順に挟持して、その外側から例えば図示しないボルト等による締結などの方法により全体を積層方向に押圧保持し、固定され、燃料電池５００が構成されている。

また、図１６において、単位セル１１のそれぞれを貫通する冷媒供給マニホールド１８が形成されており、外部から供給された冷媒が矢印３０のように流通する。一方、冷媒排出マニホールド１９もまた、単位セル１１のそれぞれを貫通するように形成されており、各単位セル１１において熱交換された使用済み冷媒が矢印３１のように流通し、外部へ排出される。さらに、各単位セル１１間にそれぞれセル冷媒流路１０が形成されている。各セル冷媒流路１０は、冷媒供給マニホールド１８および冷媒排出マニホールド１９に連通しており、冷媒供給マニホールド１８から分岐した冷媒が矢印３０ａに示すように各セル冷媒流路１０に分配され、各単位セル１１と熱交換される。セル冷媒流路１０にて熱交換された使用済み冷媒はそれぞれ、その後冷媒排出マニホールド１９にて矢印３１ａに示すように再び合流し、排出される。このように、冷媒供給マニホールド１８を流通する冷媒を各セル冷媒流路１０に直接分配することにより、燃料電池全体にわたりほぼ同程度の温度の冷媒を流通させることが可能となる。

次に、図１６に示した単位セル１１について、その要部の構成について説明する。図１３に例示したように、電解質膜１の一方の面にカソード触媒層２（カソード極または酸化剤極ともいう）と、もう一方の面にアノード触媒層３（アノード極または燃料極ともいう）とを電解質膜１を挟んで対向するように設け、さらにカソード触媒層２の外側にカソード拡散層４を、またアノード触媒層３の外側にアノード拡散層５を、それぞれ設け、いわゆる膜電極接合体（ＭＥＡ）が構成されている。また、カソード拡散層４の外側には、酸化ガス流路８およびセル冷媒流路１０が形成されたカソード側セパレータ６が、アノード拡散層５の外側には、燃料ガス流路９およびセル冷媒流路１０が形成されたアノード側セパレータ７が、例えば、接着などにより一体化されて、単位セル１１が形成される。

カソード触媒層２に酸素や空気等の原料（以下、原料ガスまたは反応ガスとも称する）を、アノード触媒層３に水素等の原料を、それぞれ供給して発電する。この単位セル１１を複数枚積層させることにより、図１６に示すような、所望の発電性能を有する燃料電池が形成される。このような燃料電池は通常、発電時には例えば６０℃から１００℃程度の所定の温度範囲となるように制御されているが、発電時には化学反応に伴う熱を発生するため、燃料電池の過熱を防止するために前述した冷媒が使用されている。

図１４および図１５は、図１３に示した単位セル１１の、Ｃ−Ｃラインに沿った断面形状を示す概略図である。図１４は、単位セル１１を貫通する冷媒排出マニホールド１９およびこれに連通するセル冷媒流路１０の構成の概略について、セパレータ６側から見た図である。また、図１５は、単位セル１１を貫通する冷媒供給マニホールド１８およびこれに連通するセル冷媒流路１０の構成の概略について、セパレータ６側から見た図である。一方、セパレータ６に隣接する隣の単位セル１１にも、セパレータ６に設けられたセル冷媒流路１０に対応する形状に成形されたセパレータ７が設けられており（図１３を参照のこと）、冷媒供給マニホールド１８から導入された冷媒は、セパレータ５とセパレータ６との間のセル冷媒流路１０を経由して冷媒排出マニホールド１９から排出される。このとき、セル冷媒流路１０を流通する冷媒と、熱を発生し高温となった単位セル１１との間で熱交換されるため、冷媒排出マニホールド１９から排出される使用済み冷媒は通常、冷媒供給マニホールド１８からセル冷媒流路１０に分配された冷媒の温度より高くなっている。

ところで、図１６において、燃料電池５００における発電時の単位セル積層方向に対する温度分布は、必ずしも一様でない。すなわち、積層端部１１ａ側の単位セル１１では、一般に金属などからなる集電板１２，１３および外部と接触しているエンドプレート１６，１７からの放熱により、積層中央部１１ｇの単位セル１１と比較して低温となり、冷媒温度を一様とすると積層端部１１ａ近傍において温度低下が生じる場合があった。このとき、積層中央部１１ｇの発電性能と比較すると、積層端部１１ｇおよびその近傍の発電性能が十分に発揮されないおそれがあった。また、特に、燃料電池内の水分量が多い場合には、積層中央部１１ｇと比較して温度の低い積層端部１１ａが飽和蒸気温度に到達してしまうと、生成水および／または加湿に用いられた水分が単位セル１１内において凝縮して反応ガスの流通を阻害し、電圧低下を招来するいわゆるフラッディングを起こしてしまうおそれもあった。このため、積層中央部１１ｇと積層端部１１ａとの間の温度分布を一様にすることが求められる。

積層端部での温度低下を抑制し、単位セルの積層方向の温度分布を一様にする技術については、例えば特許文献１〜３に記載されている。

特許文献１には、積層端部に供給する冷媒の流量をバルブで調整することにより、温度分布を一様にする技術について記載されている。しかしながら、装置および操作が煩雑であるため、コスト面を考慮すると実用的でない。

特許文献２には、中央部に流通させた冷媒を積層セルのさらに外側に流通可能なバイパス流路を構成し、セル端部の温度に応じて冷媒の供給流路を変更可能とする構成により、燃料電池全体の温度分布を一様にする燃料電池システムについて記載されている。しかしながら、構成が複雑であるばかりでなく、装置の体格が増大するため、好ましくない。

特許文献３には、中央部の各単位セルを冷却した冷媒を端部の単位セルの外側に流通させる燃料電池において、端部の単位セルを冷却した冷媒は、他の冷媒排出のマニホールドとは異なる副マニホールドから外部に排出し、流通する冷媒の圧力損失を防ぐ技術について記載されている。この副マニホールドは、単位セルの積層方向の一方端部から直接他方端部に連通しており、該他方端部で他の使用済み冷媒と合流した後に排出される構成となっている。このため、一方端部および他方端部の単位セルは、他の部位における単位セルの表面に設けられた冷媒流路とはその形状が相違している。

特開２００５−２８５６８２号公報 特開２００４−２８８５０９号公報 特開２００５−８５５７３号公報

特許文献３に記載された技術によれば、バルブなどの他の部材や特別な制御プログラムが不要であり、また特別な操作または動作も行なわれない点については好ましい。しかしながら、積層端部の単位セルについては積層中央部の他の単位セルとは別形状に成形する必要があり、製造コストの増大に繋がるおそれがある。

さらに、単位セルを貫通する追加のマニホールドを確保することで、単位セルのＭＥＡ部分の面積比率が小さくなってしまうおそれがある。ＭＥＡ部分の面積比率が小さくなると、燃料電池の体格に制限が有る場合には出力が低減するおそれがあり、一方所望の出力を維持させようとすると装置自体の体格が大きくなるおそれがある。

本発明は、単位セル積層端部における発電性能の低下を抑制または防止することが可能となる燃料電池を提供する。

また、本発明の他の目的は、積層中央部と比較して低温になりがちな、積層端部近傍における各単位セル内を所望の温度分布に維持することにある。

本発明の構成は以下のとおりである。

（１）複数の単位セルを積層させてなる燃料電池において、前記単位セルのそれぞれを貫通し、外部から冷媒を供給する冷媒供給マニホールドと、前記単位セルのそれぞれを貫通し、セルを通過した冷媒を外部へ排出する冷媒排出マニホールドと、前記冷媒供給マニホールドから分岐し、並設された単位セル間に冷媒を流通させるセル冷媒流路と、を有し、前記セル冷媒流路は、冷媒排出マニホールドに直接連通する直行セル冷却流路と、ある一つの単位セル間から少なくとも別の単位セル間を経由した後に冷媒排出マニホールドに連通する迂回セル冷却流路と、からなり、単位セル積層端部近傍には、迂回セル冷却流路を備える。

（２）複数の単位セルを積層させてなる燃料電池において、前記単位セルのそれぞれを貫通し、外部から冷媒を供給する冷媒供給マニホールドと、前記単位セルのそれぞれを貫通し、使用済み冷媒を外部へ排出する冷媒排出マニホールドと、前記単位セルに並行して備えられ、冷媒供給マニホールドおよび冷媒排出マニホールドに直接連通する複数のセル冷媒流路と、を有し、単位セル積層端部近傍では、セル冷媒流路に導入された冷媒を、さらに外側に並設された他のセル冷媒流路に導入させるガイドを冷媒供給マニホールドおよび冷媒排出マニホールドに設けてなる。

（３）上記（１）または（２）に記載の燃料電池において、積層端部の単位セルは、アノード側がカソード側よりも外側に配設されている。

（４）上記（３）に記載の燃料電池において、前記積層端部の単位セルにおける、アノード側のセル冷媒流路を流通する冷媒温度をＴａ、カソード側のセル冷媒流路を流通する冷媒温度をＴｃとすると、Ｔａ≧Ｔｃである。

（５）上記（２）に記載の燃料電池において、前記ガイドは、電気絶縁性を有する絶縁部材で構成されている。

（６）上記（５）に記載の燃料電池において、前記ガイドは、冷媒供給マニホールドおよび冷媒排出マニホールドにそれぞれ挿設可能な迂回ガイドブロックである。

（７）上記（５）に記載の燃料電池において、前記ガイドは、積層端部に対向する集電板に接着可能な迂回ガイド部材である。

本発明によれば、積層端部近傍における単位セル内での発電性能の低下を抑制または防止することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、各図面において同じ構成については同じ符号を付し、その説明を省略する。

図１は、本発明の実施の形態における燃料電池の構成の概略を示す模式図である。図１において、燃料電池１００は、ガイド部材２０，２１をそれぞれ設けたことを除き、他の構成については従来の燃料電池５００とほぼ同様である。

図１において、冷媒供給マニホールド１８により外部から燃料電池１００内部に供給された冷媒は、直行セル冷媒流路１０ａおよび迂回セル冷媒流路１０ｂに分岐され、各単位セル１１間を流通し、熱交換することにより、各単位セル１１を冷却する。

図１に示すように、直行セル冷媒流路１０ａは、複数の単位セル１１間に並行して備えられており、矢印３０ａのように分配された冷媒を矢印３１ａのように直接冷媒排出マニホールド１９に流通するよう配設されている。つまり、直行セル冷媒流路１０ａは、冷媒供給マニホールドおよび冷媒排出マニホールドに直接連通するよう構成されており、図１６に示した従来のセル流媒流路１０と同様である。なお、冷媒供給マニホールド１８および冷媒排出マニホールド１９は、従来と同様のいかなる構成で配設されていても良いが、図１に示す本実施の形態のように、冷媒が流れ難い冷媒供給マニホールド１８の入口に近い直行セル冷媒流路１０ａほど、冷媒排出マニホールド１９の出口に近いように配置されると、冷媒供給マニホールド１８の入口に近い直行セル冷媒流路１０ａの冷媒の流れを流れ易くすることができ、各単位セル１１間の冷媒の流れを均一化することができる。

また、図１において、迂回セル冷媒流路１０ｂは、第１の迂回セル冷媒流路１０１ａと、第２の迂回セル冷媒流路１０１ｂと、第３の迂回セル冷媒流路１０１ｃと、を含み構成されている。矢印３０ｂのように分配された冷媒は、まず、単位セル１１ｃと単位セル１１ｂとの間に配設された第１の迂回セル冷媒流路１０１ａを流通する。第１の迂回セル冷媒流路１０１ａを流通し、その間に単位セル１１ｂ，１１ｃと熱交換し、やや温められた冷媒は、第１のガイド部材２１により一旦矢印３１ｂのように折り返され、単位セル１１ｂと単位セル１１ａとの間に配設された第２の迂回セル冷媒流路１０１ｂを流通する。第２の迂回セル冷媒流路１０１ｂを流通し、その間に単位セル１１ａ，１１ｂと熱交換した冷媒は、第２のガイド部材２０により矢印３０ｃのようにさらに折り返されて、積層端部の単位セル１１ａのさらに外側に配設された第３の迂回セル冷媒流路１０１ｃを流通する。迂回セル冷媒流路１０ｂを流通し終えた冷媒は、矢印３１ｄのように冷媒排出マニホールドに導入され、外部に排出される。

このように、単位セル積層端部近傍では、セル冷媒流路に導入され、熱交換により温められた冷媒を、さらに外側に並設された他のセル冷媒流路に導入させる迂回セル冷媒流路を設けることにより、単位セル積層端部における冷媒での単位セルの過冷却を抑制または防止し、燃料電池の積層方向全体にわたり各単位セルにおける所望の電池性能を発揮することが可能となる。

次に、図１に示した第１のガイド部材２１および第２のガイド部材２０について、それぞれ例を挙げて具体的に説明する。

図４は、本発明の実施の形態における第１のガイド部材２１の構成の概略を示す模式図である。図４において、第１のガイド部材２１には、第１の迂回セル冷媒流通部１９ａと排出冷媒流通部１９ｂが設けられ、それぞれの流通部を流通する冷媒が互いに混合しないように形成されている。また、本実施の形態において、第１のガイド部材２１は、図１に示す単位セル１１における冷媒排出マニホールド１９に挿設可能なブロック形状を有している（図１４を参照のこと）。このため、単位セル１１を積層させる際にブロック形状のガイド部材（ガイドブロックとも称する）２１を冷媒排出マニホールド１９の所定の位置に挿設し、必要に応じて固定することにより、図６に示す単位セル１１ｃとすることが可能となる。

一方、図５は、図４に示した第１のガイドブロック２１の、Ａ−Ａラインに沿った断面形状を示す概略図である。図１に示した第１のガイド部材２１は、図５に示す第１のガイドブロック２１と同一方向からみたものに対応している。すなわち、図１に示すように、第１のガイド部材またはガイドブロック２１を単位セル１１ａ〜１１ｃの間の所定の位置に備えることにより、第１の迂回セル冷媒流路１０１ａから第１の迂回セル冷媒流通部１９ａを介して第２の迂回セル冷媒流路１０１ｂへと冷媒が流通する流路が形成される。

図７は、本発明の実施の形態における第２のガイド部材２０の構成の概略を示す模式図である。図７において、第２のガイド部材２０には、第２の迂回セル冷媒流通部１８ａと供給冷媒流通部１８ｂが設けられ、それぞれの流通部を流通する冷媒が互いに混合しないように形成されている。また、本実施の形態において、第２のガイド部材２０は、図１に示す単位セル１１における冷媒供給マニホールド１８に挿設可能なブロック形状を有している（図１５を参照のこと）。このため、単位セル１１を積層させる際にブロック形状のガイド部材（ガイドブロックとも称する）２０を冷媒供給マニホールド１８の所定の位置に挿設し、必要に応じて固定することにより、図９に示す単位セル１１ｃとすることが可能となる。

一方、図８は、図７に示した第２のガイドブロック２０の、Ｂ−Ｂラインに沿った断面形状を示す概略図である。図１に示した第２のガイド部材２０は、図８に示す第２のガイドブロック２０と同一方向からみたものに対応している。すなわち、図１に示すように、第２のガイド部材またはガイドブロック２０を単位セル１１ａ〜１１ｂの間の所定の位置に備えることにより、第２の迂回セル冷媒流路１０１ｂから第２の迂回セル冷媒流通部１８ａを介して第３の迂回セル冷媒流路１０１ｃへと冷媒が流通する流路が形成される。そして、第３の迂回セル冷媒流路１０１ｃを流通した冷媒は、排出冷媒流通部１９ｂを経由して冷媒排出マニホールド１９を流通する使用済み冷媒と合流し、外部に排出される。

上述した実施の形態において、第１のガイドブロック２１および第２のガイドブロック２０は、複数の単位セル１１のセル間に跨設されるため、隣接する単位セル１１同士の短絡を防止するために、電気絶縁性を有する絶縁部材で構成されることが好ましい。第１のガイドブロック２１および第２のガイドブロック２０として好適に使用することの可能な絶縁部材として、例えば、フェノール樹脂、エポキシガラス、フッ素樹脂などを挙げることができるが、これに限るものではない。

また、第１のガイドブロック２１および第２のガイドブロック２０を所望に位置に固定させる好適な方法として、接着や溶着など、公知のあらゆる方法を適用しても良いが、液状パッキンまたは耐冷媒性を有する接着剤の塗布による固定処理を適用すると、作業効率と耐久性の観点からより好適である。本実施の形態において好適に使用しうる液状パッキンまたは耐冷媒性を有する接着剤として、例えばシリコーン系の液状ガスケット、弾力性を有するエポキシ系接着剤などを挙げることができるが、これに限るものではない。

さらに、他の実施の形態として、第１のガイド部材２１および第２のガイド部材２０のうち、少なくとも一方を予め図１に示す集電板１３に接着させておくことも好適である。このとき使用される第１のガイド部材２１および／または第２のガイド部材２０は、図４，５および図７，８で説明した形状または他の形状を有するガイドブロックでなくてもよい。第１のガイド部材２１を設けることにより、第１の迂回セル冷媒流通部１９ａと排出冷媒流通部１９ｂに相当する部分が形成され、それぞれの流通部を流通する冷媒が互いに混合しないような構成であればいかなる形状のものであってもよい。同様に、第２のガイド部材２０を設けることにより、第２の迂回セル冷媒流通部１８ａと供給冷媒流通部１８ｂに相当する部分が形成され、それぞれの流通部を流通する冷媒が互いに混合しないような構成であればいかなる形状のものであってもよい。

本実施の形態において、集電板１３と第１のガイド部材２１および第２のガイド部材２０の接着は、集電板１３およびこれと接着させる第１のガイド部材２１および第２のガイド部材２０の材質により適宜設定されるが、例えば、前述した液状パッキンまたは耐冷媒性を有する接着剤を使用しても良い。

図２は、本発明の他の実施の形態における燃料電池の構成の概略を示す模式図である。図１において、迂回セル冷媒流路１０ｂは冷媒供給マニホールド１８の、最奥部である積層端部近傍に第１のガイドブロック２１および第２のガイドブロック２０をそれぞれ配置することにより形成されているのに対し、図２においては、迂回セル冷媒流路１０ｃは冷媒供給マニホールド１８の、最も入口側に近い積層端部近傍に第１のガイドブロック７１および第２のガイドブロック７０をそれぞれ配置することにより形成されている点で相違している。

図２において、燃料電池２００は、図１に示す燃料電池１００と同様に、積層端部近傍に第１の迂回セル冷媒流路１０１ｄ、第２の迂回セル冷媒流路１０１ｅ、および第３の迂回セル冷媒流路１０１ｆを含む迂回セル冷媒流路１０ｃを設けたことにより、積層端部における過冷却を抑制または防止し、燃料電池２００の積層端部においても、所定の発電能力を発揮することが可能となる。

本実施の形態において、図２に示す第１のガイドブロック７１は、図４，５に示す第１のガイドブロック２１とほぼ同様の形状とすることが可能である。一方、第２のガイドブロックについても、第１のガイドブロック７１と同様の形状とすることが可能であり、部品点数を削減することが可能となるため、好ましい。

図３は、本発明のさらに別の実施の形態における燃料電池の構成の概略を示す模式図である。図３における燃料電池３００は、単位セル１１の積層端部それぞれの近傍に迂回セル冷媒流路１０ｂ，１０ｃを設けたことにより、積層両端部における過冷却を抑制または防止し、所定の発電能力を発揮することが可能となる。

なお、図１〜図３に示した本発明の実施の形態において、迂回セル冷媒流路１０ｂ（１０ｃ）の形状は、第１〜第３の迂回セル冷媒流路１０１ａ〜１０１ｃ（１０１ｄ〜１０１ｆ）の３本のセル冷媒流路を迂回させる構成としたが、他の実施の形態として、積層枚数や運転状況、セル冷媒流路の形状などを考慮し、例えば５本または７本程度のセル冷媒流路を迂回させる構成としてもよい。一方、９本を超えると、圧損が大きくなり、冷媒の流通が十分行なわれなくなるおそれがあるため、好ましくない。

さらに、図１〜図３に示した本発明の実施の形態において、迂回セル冷媒流路１０ｂ（１０ｃ）の形状は、第１〜第３の迂回セル冷媒流路１０１ａ〜１０１ｃ（１０１ｄ〜１０１ｆ）を一流路ずつ順に流通させるよう、いわば直列に冷媒が流通するよう形成されていたが、変形例として、２またはそれ以上、例えば、２本〜３本程度の迂回セル冷媒流路を冷媒が同時に流通するよう、いわば並列に構成してもよい。本変形例によれば、積層端部における冷媒供給の圧損が抑制されるため、所定量または速度の冷媒流通が確保されるため、特に単位セルの積層枚数が多い場合などにおいて好ましい形態である。

ところで、燃料電池における単位セルの積層枚数や単位セルの性能によっては、単位セルの積層中央部と積層端部における温度勾配が大きくなり、積層中央部と積層端部における温度の差だけでなく、一枚の単位セルにおけるアノード側とカソード側との温度差が無視できない程度となってしまう場合がある。

図１０は、燃料電池の作動時における、各セル冷媒流路を流通する冷却水温度を、単位セルの積層方向に比較したグラフである。図１０において、横軸には単位セルの積層方向を示しており、縦軸には各単位セル間を流通する冷媒（本実施の形態では冷却水を使用）の温度を示している。横軸において、左側端部はカソード集電板１２側（プラス側とも称する）の積層端部を、右側端部はアノード集電板１３側（マイナス側とも称する）の積層端部を、それぞれ示している。なお、横軸の方向は、図１６および図１〜図３に示した燃料電池の形状に対応している。

図１０において、図１６に示した従来の燃料電池５００における積層両端部の冷却水温度は、破線１１０で示すように積層中央部の冷却水温度と比較して、低くなっている。このため、燃料電池の作動時における、各単位セルを挟んで対向する冷却水温度について、カソード極側の冷却水温度（Ｔｃ）とアノード極側の冷却水温度（Ｔａ）との差を単位セルの積層方向に比較した、図１１の破線１１６に示すように、図１０の破線１１０で示した従来の燃料電池においては、積層端部における単位セルでは、アノード極側とカソード極側とで単位セル内部の温度が異なるという現象が起こりうる。破線１１６において、特に、マイナス側の積層端部においては、ＴｃがＴａよりも高くなっている。

このように、ＴｃがＴａよりも高くなると、これに伴い、単位セル内において、アノード極側の温度がカソード極側の温度よりも低くなるために、アノードガス流路内の水分が凝縮し、液水の発生をもたらす。また、例えば水素などが用いられるアノード極側の反応原料は、カソード極側を流通する酸化剤原料などと異なり、この液水を排出するエネルギーが十分でない。このため、アノードガス流路内に発生した液水は、外部に排出されずに滞留しやすくなり、アノードガス流路内においてフラッディングしやすくなる。この現象は、燃料電池の作動時における各単位セルの含水量を、単位セルの積層方向に比較した、図１２の破線１２２に示すように、マイナス側の単位セル内における含水量が、プラス側端部や積層中央部における単位セルの含水量と比較して大きいことからも確認することができる。なお、Ｔｃ−Ｔａは、実施の形態によっては、１℃またはそれ以下のわずかな温度差であっても、アノード極側においてフラッディングを発生する場合があることが明らかとなった。

一方、図１または図２に示す、本発明の実施の形態によれば、特にマイナス側の単位セル積層端部の温度低下を効果的に抑制し、図１０の実線１１２または１１４で示したように、マイナス側端部の冷却水温度を、少なくともプラス側端部の冷却水温度よりも高くし、積層中央部における冷却水温度と同じか、またはより高くすることができる。このとき、図１１の実線１１８または１２０からも明らかなように、Ｔｃ−Ｔａ≦０とすることが可能となり、アノードガス流路におけるフラッディングの発生を抑制または防止することが可能となる。このとき、図１２の実線１２６に示すように、マイナス側の単位セル積層端部において、アノード極側の含水量が減少するが、アノード極側に流通させる水素などの反応原料は一般に加湿した状態で供給することが可能であるため、いわゆるドライアップを発生するおそれもないと考えられる。

一方、プラス側の単位セル積層端部においては、アノード極側の冷却水温度はカソード極側の冷却水温度よりも高いため、アノード極側の流路内におけるフラッディングの発生のおそれはほとんどないものと考えられる。したがって、アノード側がカソード側よりも外側に配設されているアノード集電板１３側における単位セル１１の積層端部近傍に、図１，２に示した迂回セル冷媒流路１０ｂまたは１０ｃを設け、少なくとも積層端部の単位セルにおいてＴｃ≦Ｔａとすることにより、積層端部近傍における各単位セル内を所望の温度分布に維持し、アノード極側の流路内におけるフラッディングの発生を抑制または防止することが可能となる。

なお、積層端部の単位セルにおいて、少なくともＴｃ≦Ｔａとすることが好ましいが、最適な実施の形態は、単位セル内のアノード極側とカソード極側との温度差をなくすべく、Ｔｃ＝Ｔａとすることである。したがって、マイナス側の積層端部近傍に限らず、例えば図３に示したように、積層両端部の近傍に迂回セル冷媒流路１０ｂ，１０ｃをそれぞれ設けることも好適である。本実施の形態によれば、積層両端部の近傍を流通する冷媒の温度を制御することで、積層両端部における発電性能の低下を抑制または防止し、燃料電池全体としての出力性能を最大限に発揮することが可能となる。

本発明は、複数の冷媒流路を設けて単位セルの過熱を抑制または防止する構成を有する燃料電池において好適に利用することが可能である。

本発明の実施の形態における燃料電池の構成の概略を示す模式図である。 本発明の他の実施の形態における燃料電池の構成の概略を示す模式図である。 本発明のさらに別の実施の形態における燃料電池の構成の概略を示す模式図である。 第１のガイドブロックの構成の概略を示す模式図である。 図４に示した第１のガイドブロックの、Ａ−Ａラインに沿った断面形状を示す概略図である。 第１のガイドブロックを備える単位セルの構成の概略を示す模式図である。 第２のガイドブロックの構成の概略を示す模式図である。 図７に示した第２のガイドブロックの、Ｂ−Ｂラインに沿った断面形状を示す概略図である。 第２のガイドブロックを備える単位セルの構成の概略を示す模式図である。 燃料電池の作動時における、各セル冷媒流路を流通する冷却水温度を、単位セルの積層方向に比較したグラフである。 燃料電池の作動時における、各単位セルを挟んで対向する冷却水温度について、Ｔｃ−Ｔａを単位セルの積層方向に比較したグラフである。 燃料電池の作動時における、各単位セルの含水量を、単位セルの積層方向に比較したグラフである。 単位セルについて、その要部の構成について説明する図である。 図１３に示した単位セルの、Ｃ−Ｃラインに沿った断面形状を示す概略図である。 図１３に示した単位セルの、Ｃ−Ｃラインに沿った断面形状を示す概略図である。 従来の燃料電池の構成の概略を示す模式図である。

符号の説明

１ 電解質膜、２ カソード触媒層（カソード極）、３ アノード触媒層（アノード極）、４ カソード拡散層、５ アノード拡散層、６ カソード側セパレータ、７ アノード側セパレータ、８ 酸化ガス流路、９ 燃料ガス流路、１０ セル冷媒流路、１０ａ 直行セル冷媒流路、１０ｂ、１０ｃ 迂回セル冷媒流路、１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ 単位セル、１１ｇ 積層中央部、１２ カソード側集電板、１３ アノード側集電板、１４，１５ 絶縁板、１６，１７ エンドプレート、１８ 冷媒供給マニホールド、１８ａ 第２の迂回セル冷媒流通部、１８ｂ 供給冷媒流通部、１９ 冷媒排出マニホールド、１９ａ 第１の迂回セル冷媒流通部、１９ｂ 排出冷媒流通部、２０，７０ 第２のガイド部材（ブロック）、２１，７１ 第１のガイド部材（ブロック）、１００，２００，３００，５００ 燃料電池、１０１ａ，１０１ｄ 第１の迂回セル冷媒流路、１０１ｂ，１０１ｅ 第２の迂回セル冷媒流路、１０１ｃ，１０１ｆ 第３の迂回セル冷媒流路。

Claims (7)

1. 複数の単位セルを積層させてなる燃料電池において、
   前記単位セルのそれぞれを貫通し、外部から冷媒を供給する冷媒供給マニホールドと、
   前記単位セルのそれぞれを貫通し、セルを通過した冷媒を外部へ排出する冷媒排出マニホールドと、
   前記冷媒供給マニホールドから分岐し、並設された単位セル間に冷媒を流通させるセル冷媒流路と、
   を有し、
   前記セル冷媒流路は、
   冷媒排出マニホールドに直接連通する直行セル冷却流路と、
   ある一つの単位セル間から少なくとも別の単位セル間を経由した後に冷媒排出マニホールドに連通する迂回セル冷却流路と、
   を含み、
   単位セル積層端部近傍には、迂回セル冷却流路を備えることを特徴とする燃料電池。
2. 複数の単位セルを積層させてなる燃料電池において、
   前記単位セルのそれぞれを貫通し、外部から冷媒を供給する冷媒供給マニホールドと、
   前記単位セルのそれぞれを貫通し、使用済み冷媒を外部へ排出する冷媒排出マニホールドと、
   前記単位セルに並行して備えられ、冷媒供給マニホールドおよび冷媒排出マニホールドに直接連通する複数のセル冷媒流路と、
   を有し、
   単位セル積層端部近傍では、セル冷媒流路に導入された冷媒を、さらに外側に並設された他のセル冷媒流路に導入させるガイドを冷媒供給マニホールドおよび冷媒排出マニホールドに設けたことを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池において、
   積層端部の単位セルは、アノード側がカソード側よりも外側に配設されていることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項３に記載の燃料電池において、
   前記積層端部の単位セルにおける、アノード側のセル冷媒流路を流通する冷媒温度をＴａ、カソード側のセル冷媒流路を流通する冷媒温度をＴｃとすると、Ｔａ≧Ｔｃであることを特徴とする燃料電池。
5. 請求項２に記載の燃料電池において、
   前記ガイドは、電気絶縁性を有する絶縁部材で構成されていることを特徴とする燃料電池。
6. 請求項５に記載の燃料電池において、
   前記ガイドは、冷媒供給マニホールドおよび冷媒排出マニホールドにそれぞれ挿設可能な迂回ガイドブロックであることを特徴とする燃料電池。
7. 請求項５に記載の燃料電池において、
   前記ガイドは、積層端部に近接する集電板に接着可能な迂回ガイド部材であることを特徴とする燃料電池。

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