JP7329396B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタックに関する。

燃料電池セルを積層したセル積層体を冷却する機構を有する燃料電池スタックとして、特許文献１には、セル積層体を収容するケースに空気の供給口及び排出口を設けて、ケース内に空気を流す構成が開示されている（特許文献１）。また、特許文献２には、セル積層体を分割してケース内に収容し、隣り合うセル積層体の間に冷却器を置き、冷却器に燃料ガスまたは酸化剤ガスを流すことで、セル積層体を冷却する構成が開示されている。上記の２つの文献に開示された燃料電池スタックはいずれも、セル積層体の外表面で熱交換を行なうことによりセルスタックを冷却する構成となっている。

特許第６０８２３０９号 特開２００５－７８８５９号公報

ところで、セルスタックの内部は温度分布の偏りが生じ易い。このため、上記各文献に開示された、セルスタックの内部の状況によらず外側から冷却する構成では、セルスタック内部の温度分布の偏りに対応した温度コントロールが難しい。

そこで本発明では、上記問題に鑑み、セルスタック内部の温度分布の偏りを抑制して、セルスタック全体を適切に冷却し得る燃料電池スタックを提供することを目的とする。

本発明のある態様によれば、複数の燃料電池セルを積層してなるセル積層体をケースに収容し、かつオープンカソード構造を有する燃料電池スタックが提供される。燃料電池スタックは、セル積層体が複数のセルモジュールに区分けされ、隣り合う前記セルモジュールの上流側セルモジュールの空気出口と下流側セルモジュールの空気入口とが内部マニホールドを介して直列に接続される。さらに、内部マニホールドとケースの外部とを連通する少なくとも１以上のガス供給口と、ガス供給口に冷却用ガスとしての空気を供給する冷却用ガス供給管と、冷却用ガスと上流側セルモジュールの空気出口から流出して内部マニホールドに流入するガスとを内部マニホールドで混合する混合機構と、を備え、内部マニホールド内のガス流れ方向と直交する方向をゼロ度とし、それよりもガス流れ方向と対向する側を正、その反対を負とした場合に、混合機構は、冷却用ガスを、内部マニホールド内のガス流れ方向に対して正となる角度で、ガス供給口から内部マニホールド内に導入する構成を有する。

上記態様によれば、冷却用ガスと上流側セルモジュールから流出した高温のカソードガスとが内部マニホールドで混合してから下流側セルモジュールに流入するので、セルスタック内部の温度分布の偏りを抑制して、セルスタック全体を適切に冷却し得る燃料電池スタックを提供することができる。

図１は、燃料電池スタックの外観図である。 図２は、ケースに収容された状態のセル積層体の概略図である。 図３は、カソードガスの流れを示す図である。 図４は、図３の第１セルモジュール及び第２セルモジュールの拡大図である。 図５は、第Ｎ－１セルモジュールの空気出口から第Ｎセルモジュールの空気出口までのガスの流れ及び温度分布を示す第１の模式図である。 図６は、第Ｎ－１セルモジュールの空気出口から第Ｎセルモジュールの空気出口までのガスの流れ及び温度分布を示す第２の模式図である。 図７は、第Ｎ－１セルモジュールの空気出口から第Ｎセルモジュールの空気出口までのガスの流れ及び温度分布を示す第３の模式図である。 図８は、第Ｎ－１セルモジュールの空気出口から第Ｎセルモジュールの空気出口までのガスの流れ及び温度分布を示す第４の模式図である。 図９は、冷却用ガスを供給する角度及び位置と、第Ｎセルモジュールの空気入口における温度バラツキとの関係を示す図である。 図１０は、図９における角度及び位置を示す図である。 図１１は、第１整流機構と第２整流機構の配置例を示す図である。 図１２は、図１１のＸII－ＸII線に沿った断面図である。 図１３は、図１１のＸIII－ＸIII線に沿った断面図である。 図１４は、第１整流機構の他の形態を示す図である。 図１５は、図１４のＸＶ－ＸＶ線に沿った断面図である。 図１６は、燃料電池スタック内のカソードガス流量を示す模式図である。 図１７は、燃料電池スタック内のカソードガス流速を示す模式図である。 図１８は、第１整流機構のさらに他の形態を示す図である。 図１９は、スタック分割段数と必要空気流量との関係を示す図である。 図２０は、スタック分割段数とスタックのネット出力との関係を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の実施形態にかかる燃料電池スタック１の外観図である。図２は、ケース２に収容された状態のセル積層体１０を示す図である。なお、図２では、ガス供給口９及び冷却用ガス供給管８は省略してある。

燃料電池スタック１は、燃料電池セルを積層したセル積層体１０を収容するケース２と、セル積層体１０の積層方向の両端に配置される一対のエンドプレート３と、を備える。なお、本実施形態における燃料電池は、固体酸化物形燃料電池である。

以下の説明において、ケース２の各面のうち、図中のＸ軸とＹ軸とで形成される面を上面（及び下面）、Ｙ軸とＺ軸とで形成される面を側面、Ｘ軸とＺ軸とで形成される面を端面という。

ケース２の側面には、少なくとも１以上のガス供給口９が形成されている。本実施形態では、側面２Ａに形成された２つのガス供給口９（９Ａ、９Ｂ）の他に、側面２Ａと対向する側面にも図示しない２つのガス供給口が形成されている。これらガス供給口９には、冷却用ガスを供給する冷却用ガス供給管８が接続されている。

エンドプレート３Ａには、電流取り出し部７と、アノードガス供給口４、５と、カソードガス供給口６が形成されている。エンドプレート３Ｂには、電流取り出し部１１と、図示しないアノードガス排出口及びカソードガス排出口が形成されている。

セル積層体１０は、複数の燃料電池セルを直列に積層したものであり、仕切り板１３により複数のセルモジュール１０Ａ～１０Ｅに区分けされている。

ここで、図３、図４を参照して、本実施形態の燃料電池スタック１におけるカソードガスの流れについて説明する。図３は、図２にカソードガスの流れを示す矢印を追加した図であり、図４は、図３の第１セルモジュール１０Ａ及び第２セルモジュール１０Ｂの部分の拡大図である。

本実施形態の燃料電池スタック１は、いわゆるオープンカソード構造を採用しているため、セル積層体１０の側面とケース２の内壁面とで内部マニホールド１５が形成される。

カソードガス供給口６側の内部マニホールド１５の、第１セルモジュール１０Ａと第２セルモジュール１０Ｂとの境界部には、内部マニホールド１５の流路を遮断する邪魔板１４が配置されている。一方、電流取り出し部７側の内部マニホールド１５の、第２セルモジュール１０Ｂと第３セルモジュール１０Ｃとの境界部にも邪魔板１４が配置されている。第３セルモジュール１０Ｃ以降も同様に、両内部マニホールド１５の各境界部には、交互に邪魔板１４が配置されている。すなわち、隣り合うセルモジュールの上流側セルモジュールの空気出口と下流側セルモジュールの空気入口とが内部マニホールド１５を介して直列に接続されている。

これにより、カソードガス供給口６から供給されたカソードガスは、第１セルモジュール１０Ａに流入し、第１セルモジュール１０Ａを通過して空気出口１０Ａ－ＥＸから内部マニホールド１５に流入し、第２セルモジュール１０Ｂの空気入口１０Ｂ－ＩＮから第２セルモジュール１０Ｂに流入する。第２セルモジュール１０Ｂを通過したカソードガスは、再びカソードガス供給口６側の内部マニホールド１５に流入し、そこから第３セルモジュール１０Ｃへ流入する。第３セルモジュール１０Ｃ以降もこれと同様である。すなわち、カソードガスは第１セルモジュール１０Ａから第５セルモジュール１０Ｅまでを順番に通過する。

ところで、図３、図４には、ケース２の側面から内部マニホールド１５へ向かう矢印が記載されている。これはガス供給口９を介して冷却用ガスが内部マニホールド１５に供給されることを示している。ここでいう冷却用ガスは、カソードガスとして燃料電池セルでの発電に供することができる空気である。ただし、カソードガス供給口６から供給されるカソードガスが数百℃であるのに対し、冷却用ガスは、数十℃程度である。

冷却用ガスを供給する位置は、隣り合うセルモジュールの上流側セルモジュールの空気出口と下流側セルモジュールの空気入口との間である。つまり、上流側セルモジュールを通過して温度上昇したカソードガスに冷却用ガスを混合させることで、下流側セルモジュールに流入する際のカソードガスの温度を低下させる。このような構成にするのは、同じ出力を発生させる場合に、セル積層体を複数のセルモジュールに区分けして、各セルモジュールを出る度に冷却用ガスを供給する構成と、複数のセルモジュールに区分けしない構成とを比較すると、前者の方が必要空気流量を大幅に低減できるという出願人の知見に基づく。以下、本実施形態のようにセル積層体を複数のセルモジュールに区分けして、各セルモジュールを出る度に冷却用ガスを供給する構成を、分割冷却構成ともいう。

分割冷却構成の場合、内部マニホールド１５に対して冷却用ガスを供給する角度及び供給する位置が冷却効果に影響を及ぼす。これについて、図５～図１０を参照して説明する。

図５～図８は、複数あるセルモジュールのうちの、ガス流れ上流側からＮ－１番目のセルモジュール（第Ｎ－１セルモジュールともいう）の空気出口からＮ番目のセルモジュール（第Ｎセルモジュールともいう）の空気出口までのガスの流れ及び温度分布を示す模式図である。

図５は、内部マニホールド１５内のガス流れ方向に対して直交する向きで冷却用ガスを供給する場合を示す。図６は、内部マニホールド１５内のガス流れ方向に対向する向きで冷却用ガスを供給する場合を示す。

図５と図６とを比較すると、図５では図６に比べて低温のガスは低温のまま、高温のガスは高温のまま、それぞれ第Ｎセルモジュールに流入する傾向が強いことがわかる。これは、内部マニホールド１５内を流れる高温のカソードガスは基本的に乱流であるため、図５のように単に冷却用ガス供給管８から冷却用ガスを供給するだけでは、内部マニホールド１５内で高温のカソードガスと冷却用ガスとが十分に混合しないからである。

図５のように、第Ｎセルモジュールに流入するガスに大きな温度分布があると、第Ｎセルモジュール内の複数の燃料電池セル間に、大きな温度のバラツキが生じる。このように燃料電池セル間の温度のバラツキが大きいことは、燃料電池スタックの温度コントロールの観点から望ましくない。

一方の図６では、第Ｎ－１セルモジュールから流出したカソードガスと冷却用ガスとが衝突することにより混合が促進される。これにより第Ｎセルモジュールの空気入口における温度分布が改善され、その結果、第Ｎセルモジュールの空気出口側の温度分布も改善される。つまり、第Ｎセルモジュール内の複数の燃料電池セル間の温度のバラツキが改善される。

上記のように、内部マニホールド１５内のガス流れ方向に対向する向きで冷却用ガスを供給することで、内部マニホールド１５内のガス流れ方向に対して直交する向きで冷却用ガスを供給する場合に比べて、燃料電池セル間の温度のバラツキを改善できる。ただし、以下に示すように、内部マニホールド１５内のガス流れ方向に対向する向きで冷却用ガスを供給する場合でも、冷却用ガスを供給する位置により、その効果に差が生じる。

図７は、内部マニホールド１５の上流側セルモジュール（第Ｎ－１セルモジュール）の空気出口と対向する位置で冷却用ガスを供給する場合を示す。図８は、内部マニホールド１５の下流側セルモジュール（第Ｎセルモジュール）の空気入口と対向する位置で冷却用ガスを供給する場合を示す。

図７と図８とを比較すると、図８の方が高温のまま第Ｎセルモジュールに流入するガス量が多いことがわかる。これは、冷却用ガスを供給する位置の関係で、図８の方が冷却用ガスと混合しないまま第Ｎセルモジュールに流入するガス量が多くなるからである。そして、高温のまま第Ｎセルモジュールに流入したガスは、燃料電池セルを通過することでさらに高温となる。つまり、セル積層体を冷却するという効果については、図７の方が優れている。

図９は、上記の冷却用ガスを供給する角度及び位置と、第Ｎセルモジュールの空気入口における温度バラツキとの関係をまとめたものである。図１０は、冷却用ガスを供給する角度及び位置の定義を示す図である。

図１０に示すように、冷却用ガスを供給する角度は、内部マニホールド１５内のガス流れ方向（つまり燃料電池セルの積層方向）と直交する場合をゼロ[ｄｅｇ]とし、それよりもガス流れと対向する側を正、その反対を負とする。また、図１０に示すように、冷却用ガスを供給する位置は、内部マニホールド１５のガス流れ上流側の端部を起点とする。

図９に示すように、冷却用ガスを供給する角度を正、つまり内部マニホールド１５内のガス流れに対向する角度とし、かつ、セルモジュール間中央よりも第Ｎ－１セルモジュール側の位置に冷却用ガスを供給することで、第Ｎセルモジュールの空気入口における温度バラツキを改善することができる。そこで、本実施形態では、ガス供給口９がセルモジュール間中央よりも第Ｎ－１セルモジュール側に配置され、冷却用ガス供給管８が内部マニホールド１５内のガス流れに対向する角度でガス供給口９に接続される構成（例えば図７に示す構成）とする。当該構成においては、内部マニホールド１５内のガス流れに対向する角度でガス供給口９に接続された冷却用ガス供給管８が、冷却用ガスと上流側のセルモジュールの空気出口から流出して内部マニホールド１５に流入するガスとを内部マニホールド１５で混合する混合機構ということになる。

以上のように本実施形態によれば、複数の燃料電池セルを積層してなるセル積層体１０をケース２に収容し、かつオープンカソード構造を有する燃料電池スタック１が提供される。この燃料電池スタック１では、セル積層体１０は複数のセルモジュール１０Ａ～１０Ｅに区分けされ、隣り合うセルモジュールの上流側セルモジュールの空気出口と下流側セルモジュールの空気入口とが内部マニホールド１５を介して直列に接続される。さらに、内部マニホールド１５とケース２の外部とを連通する少なくとも１以上のガス供給口９と、ガス供給口９に冷却用ガスを供給する冷却用ガス供給管８と、冷却用ガスと上流側セルモジュールの空気出口から流出して内部マニホールド１５に流入するガスとを内部マニホールド１５で混合する混合機構と、を備える。これにより、上流側セルモジュールの空気出口から流出して内部マニホールド１５に流入する相対的に高温のガスと、相対的に低温の冷却用ガスとが、内部マニホールド１５内で混合してから次のセルモジュールに流入するので、セルモジュール内における燃料電池セル間の温度バラツキを改善できる。換言すると、本実施形態の燃料電池スタック１は、各セルモジュール内において燃料電池セル間の温度バラツキが生じないように冷却用ガスを供給する構成となっている。

本実施形態の混合機構は、冷却用ガスを、内部マニホールド１５内のガス流れ方向に対向する角度で、ガス供給口９から内部マニホールド１５内に導入する構成を有する。例えば、冷却用ガス供給管８を、内部マニホールド１５内のガス流れ方向に対向する角度で、ガス供給口９に接続する。これにより、内部マニホールド１５内のガス流れが乱流であっても、冷却用ガスとの混合を促進させることができる。

本実施形態では、ガス供給口９は、少なくともケース２の上流側セルモジュールの空気出口と対向する位置に設けられる。これにより、内部マニホールド１５内を流れる高温のガスと冷却用ガスとを、内部マニホールド１５内で効率よく混合させ、次のセルモジュールの空気入口における温度を均一に近づけることができる。その結果、セルモジュール内における燃料電池セル間の温度のバラツキを改善できる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。

第１実施形態で説明した構成にすることで、第Ｎ－１セルモジュールから内部マニホールド１５に流入したカソードガスと冷却用ガスとが効率よく混合され、第Ｎセルモジュール内の燃料電池セル間の温度分布を改善できる。つまり、複数のセルモジュールに区分けされたセル積層体１０の、各セルモジュール内の燃料電池セル間の温度分布を改善できる。

ただし、上述した構成では、第Ｎセルモジュールの空気入口付近にいわゆるホットスポットが生じるおそれがある。このため、各セルモジュールにおける燃料電池セル間の温度のバラツキを改善するだけでなく、ホットスポットの発生を抑制することも必要となる。そのための構成について以下に説明する。

図１１は、第Ｎ－１セルモジュールの空気出口から第Ｎセルモジュールの空気出口までを示す模式図である。図１１に示す構成は、図７に示す構成に、後述する第１整流機構２０及び第２整流機構２１を追加した構成となっている。なお、図１１では省略しているが、第Ｎセルモジュールの出口側の内部マニホールド１５にも、入口側の内部マニホールド１５と同様に冷却用ガス供給管８、第１整流機構２０及び第２整流機構２１が設けられる。

図７に示す構成についてシミュレーションを行なった結果、燃料電池スタック１を連続運転した場合に、上流側の第Ｎ－１セルモジュールと下流側の第Ｎセルモジュールとの境界部にホットスポット（図１１の破線で囲まれた領域Ａ）が生じる可能性があることが判明した。

そこで、内部マニホールド１５のガス供給口９よりも下流に、第Ｎ－１セルモジュールから内部マニホールド１５に流入したカソードガスと冷却用ガスとの混合ガスを、領域Ａに向かわせる第１整流機構２０を設ける。第１整流機構２０の具体的な構成については後述する。

さらに、領域Ａに向かわせる混合ガスをより均熱化するための第２整流機構２１も設ける。第２整流機構２１の具体的な構成についても後述する。

ここで、第１整流機構２０について、図１１、図１２を参照して説明する。

図１２は、図１１のＸII－ＸII線に沿った断面図である。

第１整流機構２０は、ケース２のガス供給口９が配置された壁面から、上流側への傾きをもって内部マニホールド１５の内側へ延びる板状部材であり、図１２に示すように内部マニホールド１５内の流路の一部を塞ぐ。これにより、第Ｎ－１セルモジュールから内部マニホールド１５に流入したカソードガスと冷却用ガス供給管８から内部マニホールド１５に流入した冷却用ガスとの混合ガスの流れ方向が、領域Ａに向かうようになる。すなわち、冷却用ガスと混合した直後の混合ガスが領域Ａに直行することとなるので、ホットスポットの発生を抑制できる。

図１３は、図１１のＸIII－ＸIII線に沿った断面図である。

第２整流機構２１は、ガス供給口９よりも上流に配置され、少なくともガス供給口９側にガス流路を残して内部マニホールド１５内の流路を塞ぐ板状部材である。そして、第２整流機構２１はケース２に固定されている。第２整流機構２１よりも上流側の燃料電池セルから内部マニホールド１５に流入したカソードガスは、第２整流機構２１によって整流されて、ガス供給口９の出口付近（図１１の領域Ｂ）に向かう。これにより、冷却用ガスと第Ｎ－１セルモジュールから内部マニホールド１５に流入したカソードガスとが混合し易くなり、各セルモジュールでの燃料電池セル間の温度分布をより改善することができる。

以上の通り本実施形態によれば、燃料電池スタック１は、内部マニホールド１５のガス供給口９より下流に、冷却用ガスと混合した内部マニホールド１５内のガスの流れを上流側セルモジュールと下流側セルモジュールとの境界部に向ける第１整流機構２０と、内部マニホールド１５のガス供給口９より上流に、上流側セルモジュールの空気出口から内部マニホールド１５に流入するガスの少なくとも一部の流れをガス供給口９に近づける第２整流機構２１と、を備える。これにより、内部マニホールド１５内の全体のガス流れを整流して、各セルモジュールにおける燃料電池セル間の温度のバラツキを抑制しつつ、ホットスポットの発生も抑制できる。

本実施形態では、第１整流機構２０は、ケース２のガス供給口９が配置された壁面から、上流側への傾きをもって内部マニホールド１５の内側へ延びる板状部材である。この第１整流機構２０によって、冷却用ガスと混合して温度が低下したガスを、ホットスポットになり易い領域に導くことができる。

本実施形態では、第２整流機構２１は、少なくともガス供給口９側にガス流路を残して内部マニホールド１５内の流路を塞ぐ板状部材である。ガス供給口９側にガス流路を残すことで、上流側セルモジュールから内部マニホールド１５内に流入したカソードガスの一部はガス供給口９付近に導かれ、冷却用ガスと混合し易くなる。

本実施形態では、第２整流機構２１は、ケース２に固定されている。このようにケース２に固定すると、第１整流機構２０との位置関係を設定し易くなる。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態について説明する。

本実施形態は、基本的には第２実施形態と同様であるが、第１整流機構２０の構成が第２実施形態と異なる。この相違する点を中心に図１４、図１５を参照して説明する。

図１４は、第Ｎ－１セルモジュールの空気出口から第Ｎセルモジュールの空気出口までを示す模式図である。図１５は、図１４のＸＶ－ＸＶ線に沿った断面図である。

図１４に示すように、本実施形態の第１整流機構２０は、ガス供給口９を介して内部マニホールド１５の内部まで先端が挿入された冷却用ガス供給管８である。この冷却用ガス供給管８の内部マニホールド１５内に挿入された先端部は斜めにカットされ、かつ開口面が上流側を向くよう配置される。これにより、冷却用ガス供給管８の斜めにカットされた部分の下流側の壁面が第２実施形態における板状部材と同様の機能を果たすこととなる。

すなわち、上記のような第１整流機構２０であっても、冷却用ガス供給管８の挿入量や挿入角度等を適宜設定することで、冷却用ガスと第Ｎ－１セルモジュールから内部マニホールド１５に流入したカソードガスとの混合ガスの流れを領域Ａに向けることができる。

以上のように本実施形態では、第１整流機構２０は、ガス供給口９を介して内部マニホールド１５の内部まで先端が挿入された冷却用ガス供給管８であって、冷却用ガス供給管８の内部マニホールド１５内に挿入された先端部は、軸線に直交する面に対して傾いた開口面を有し、かつ、その開口面が上流側を向いている。このような構成であっても、第２実施形態の第１整流機構２０と同様の作用効果を奏する。

ここで、第１実施形態から第３実施形態における、燃料電池スタック１内を流れるカソードガスの流量及び流速について、図１６、図１７を参照して説明する。図１６及び図１７はいずれも、第Ｎ－１セルモジュールから第Ｎ＋１セルモジュールまでのガス流れを模式的に示している。図中の矢印を有する破線がガスの流れを示しており、図中の矢印を有する実線は冷却用ガスが供給されることを示している。また、図１６においては、破線が太いほど流量が多いことを示し、図１７においては、破線が太いほど流速が高いことを示している。

第１実施形態から第３実施形態で説明した分割冷却構成では、各セルモジュールの出口側でカソードガスの流れに冷却用ガスを供給しているので、図１６に示すように、下流側になるほどカソードガス流量が多くなる。

一方、カソードガス流速は、内部マニホールド１５の流路断面が全セルモジュールを通じて一定であれば、カソードガス流量が多くなる下流側に行くほど高流速になる。しかし、内部マニホールド１５内の流速が高くなるほど、内部マニホールド１５からセル積層体１０へのカソードガスの分配が不均一になる。これは、本実施形態のように、内部マニホールド１５からセル積層体１０へ流入する際にカソードガス流路が略９０°曲がる構成では、カソードガス流速が高くなるほどカソードガス流路の外側にカソードガスが偏るからである。

セルモジュール１０内の燃料電池セル間でカソードガスの供給量にバラツキがあることは、発電効率の観点から望ましくない。

上述したカソードガスの分配性を改善するための構成としては、図１７に示すように、各セルモジュール１０において、空気入口側よりも空気出口側の方が内部マニホールド１５の流路断面積が大きく、かつ、下流側になるほど内部マニホールド１５の流路断面積が大きくなる構成が考えられる。各セルモジュール間の内部マニホールド１５の流路断面積を、冷却用ガスの供給によってカソードガス流量が増加しても各内部マニホールド１５内のカソードガス流速が一定となるように設定することで、カソードガスの分配性を改善できる。

次に、第１実施形態から第３実施形態において分割冷却構成を採用することの効果について、図１９及び図２０を参照して説明する。図１９は、スタック分割段数と必要空気流量との関係を示す図である。図２０は、スタック分割段数毎の、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するブロアの、必要吸気流量を供給するために必要な動力（ブロア動力）と、ブロア動力を差し引いた後の燃料電池スタック１の出力（以下、ネット出力ともいう）と、を示す図である。

図１９に示すように、スタック分割段数を増やすと、必要空気流量は累乗的に減少する。この必要空気流量を用いて、ブロア動力及び燃料電池スタック１のネット出力を算出すると、図２０に示すように、分割段数が増加するほどブロア動力は減少する。このようにブロア動力が減少するほど、燃料電池スタック１のネット出力は増大する。つまり、分割段数が増えるほど、ネット出力はさらに増大する。

上記の通り、分割冷却構成とすると、より少ない空気流量で燃料電池スタック１の冷却性能を確保できるので、燃料電池スタック１の高出力化を図る場合に、ブロアの大型化を抑制できる。

なお、ホットスポットの発生を抑制する機構は、第１整流機構２０に限られない。例えば、図１８に示すように冷却用ガス供給管８を二重管構造とし、内側の管３０を曲げることによって、先端部分をホットスポットになりやすい領域Ａに向ける構成にしてもよい。当該構成によれば、より低温の冷却用ガスで直接的に領域Ａを冷却することができる。

また、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

１ 燃料電池スタック
２ ケース
３ エンドプレート
６ カソードガス供給口
８ 冷却用ガス供給管
９ ガス供給口
１０ セル積層体
１３ 仕切り板
１４ 邪魔板
１５ 内部マニホールド
２０ 第１整流機構
２１ 第２整流機構

Claims (7)

1. 複数の燃料電池セルを積層してなるセル積層体をケースに収容し、かつオープンカソード構造を有する燃料電池スタックにおいて、
   前記セル積層体は複数のセルモジュールに区分けされ、
   隣り合う前記セルモジュールの上流側セルモジュールの空気出口と下流側セルモジュールの空気入口とが内部マニホールドを介して直列に接続され、
   さらに、前記内部マニホールドと前記ケースの外部とを連通する少なくとも１以上のガス供給口と、
   前記ガス供給口に冷却用ガスとしての空気を供給する冷却用ガス供給管と、
   前記冷却用ガスと前記上流側セルモジュールの空気出口から流出して前記内部マニホールドに流入するガスとを前記内部マニホールドで混合する混合機構と、
   を備え、
   前記内部マニホールド内のガス流れ方向と直交する方向をゼロ度とし、それよりもガス流れ方向と対向する側を正、その反対を負とした場合に、
   前記混合機構は、前記冷却用ガスを、前記内部マニホールド内のガス流れ方向に対して正となる角度で、前記ガス供給口から前記内部マニホールド内に導入する構成を有することを特徴とする燃料電池スタック。
2. 請求項１に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記ガス供給口は、少なくとも前記ケースの前記上流側セルモジュールの空気出口と対向する位置に設けられる、燃料電池スタック。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記内部マニホールドの前記ガス供給口より下流に、前記冷却用ガスと混合した前記内部マニホールド内のガスの流れを前記上流側セルモジュールと前記下流側セルモジュールとの境界部に向ける第１整流機構と、
   前記内部マニホールドの前記ガス供給口より上流に、前記上流側セルモジュールの空気出口から前記内部マニホールドに流入するガスの少なくとも一部の流れを前記ガス供給口に近づける第２整流機構と、
   を備える、燃料電池スタック。
4. 請求項３に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記第１整流機構は、前記ケースの前記ガス供給口が配置された壁面から、上流側への傾きをもって前記内部マニホールドの内側へ延びる板状部材である、燃料電池スタック。
5. 請求項３に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記第１整流機構は、前記ガス供給口を介して前記内部マニホールドの内部まで先端が挿入された前記冷却用ガス供給管であって、前記冷却用ガス供給管の前記内部マニホールド内に挿入された先端部は、軸線に直交する面に対して傾いた開口面を有し、かつ前記開口面が上流側を向いている、燃料電池スタック。
6. 請求項５に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記第２整流機構は、少なくとも前記ガス供給口側にガス流路を残して前記内部マニホールド内の流路を塞ぐ板状部材である、燃料電池スタック。
7. 請求項６に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記第２整流機構は、前記ケースに固定されている、燃料電池スタック。

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