JPH07122280A - 固体高分子電解質型燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】燃料電池セルの電極膜表面において所望の温度
分布を得ることが可能な固体高分子電解質型燃料電池を
提供する。 【構成】単位燃料電池集積体（スタック）２は、従来例
によるスタックに対して単位燃料電池３および締付板２
１Ａ，２１Ｂを用いている。単位燃料電池３は、冷媒５
を反応ガスの通流方向に対してほぼ直角に通流させる互
いに独立した冷媒通流路を３本備えており、締付板２１
Ａおよび２１Ｂは、３本の冷媒通流路に対応するそれぞ
れ３個づつの冷媒の流入口９３ａおよび冷媒の流出口９
３ｂを備えている。３本の冷媒通流路には、放熱装置２
３が備える放熱能が互いに異なる単位放熱器２３ａ，〜
２３ｃから、温度がそれぞれ異なる冷媒５ａ，〜５ｃが
供給される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、固体高分子電解質型
燃料電池に係わり、燃料電池セルの電極膜表面における
温度分布を、所望の分布とすることが可能なよう改良さ
れたその構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、これに使用される電解質の
種類により、固体高分子電解質型，りん酸型などの低温
動作型燃料電池と、溶融炭酸塩型，固体酸化物型などの
高温動作型燃料電池とに大別される。このうち、低温動
作型燃料電池においては、燃料電池に直流電気を発生さ
せる電気化学的反応が発熱反応であるので、燃料電池の
温度を許容される動作温度に維持するために、冷却手段
が備えられている。

【０００３】図５は、低温動作型燃料電池である固体高
分子電解質型燃料電池の従来例の単位燃料電池集積体を
示すその側面図であり、図６は、図５中に示した単位燃
料電池の側面断面図であり、図７は、図６中に示した燃
料電池セルの側面断面図であり、図８は、図６において
Ｐ矢から見たセパレータの平面図である。図５，〜図８
において、９は単位燃料電池集積体（以降、スタックと
略称することがある。）であり、複数の単位燃料電池８
を積層し、さらにその両端部に、単位燃料電池８で発生
した直流電気をスタック９から取り出すための集電板９
１Ａ，９１Ｂと、単位燃料電池８、集電板９１Ａ，９１
Ｂを構造体から電気的に絶縁するための電気絶縁板９２
Ａ，９２Ｂと、単位燃料電池８、集電板９１Ａ，９１
Ｂ、電気絶縁板９２Ａ，９２Ｂを積層したスタック９の
両外端部に配設される締付板９３Ａ，９３Ｂとを順次積
層し、締付板９３Ａ，９３Ｂにその両外側面側から締付
けボルト９４により適度の加圧力を与えるようにして構
成されている。

【０００４】それぞれの単位燃料電池８は、図６中に示
した如く、燃料電池セル７と、この燃料電池セル７の一
方の側面に配設されて図示しない燃料ガス（例えば、水
素あるいは水素を高濃度に含んだガスである。）を通流
させる溝６１ａを多数有し，ガスを透過せず，しかも良
好な熱伝導性と良好な電気伝導性を備えた材料（例えば
炭素板である。）で製作されたセパレータ６Ａと、燃料
電池セル７の他方の側面に配設されて図示しない酸化剤
ガス（例えば、空気である。）を通流させる溝６２ａを
多数有し、セパレータ６Ａと同様の材料で製作されたセ
パレータ６Ｂとで構成されている。

【０００５】燃料電池セル７は、薄い矩形状をなしてお
り、固体高分子電解質膜からなる電解質層７１と、電解
質層７１の一方の主面に密接して接合された燃料ガスの
供給を受ける燃料電極（アノード極でもある。）膜７２
と、電解質層７１の他方の主面に密接して接合された酸
化剤ガスの供給を受ける酸化剤電極（カソード極でもあ
る。）膜７３とで構成されている。燃料電極膜７２およ
び酸化剤電極膜７３は、共に触媒活物質を含む触媒層７
４と、この触媒層７４を支持すると共に，反応ガス（燃
料ガスと酸化剤ガスを総称してこのように言う。）を触
媒層７４に供給および触媒層７４から排出し，しかも集
電体としての機能を有する多孔質の電極膜基材（使用材
料としては、例えば、カーボンペーパーが用いられ
る。）７５からなり、それぞれの触媒層７４を電解質層
７１と密着させている。電解質層７１としては、パ−フ
ルオロスルホン酸樹脂膜（例えば、米国のデュポン社
製、商品名ナフィオン膜）が最近は良く知られるように
なってきており、このパ−フルオロスルホン酸樹脂膜
は、飽和に含水させることにより常温で２０〔Ω・ｃ
ｍ〕以下の抵抗率を示して良好なプロトン導電性電解質
として機能する膜である。また、電解質層（以降、ＰＥ
膜と略称することがある。）７１は、電極膜７２，７３
の面方向の外形寸法よりも大きい面方向の外形寸法を持
つものであり、したがって、燃料電極膜７２，７３の周
辺部には、ＰＥ膜７１の端部との間にＰＥ膜７１の露出
面が存在することになる。

【０００６】上記の構成を備える燃料電池セル７は、燃
料電極膜７２に燃料ガスを、また、酸化剤電極膜７３に
酸化剤ガスを供給することで、それぞれの電極７２，７
３の触媒層とＰＥ膜との界面に三相界面（前記触媒層中
の触媒と、ＰＥ膜と、いずれかの反応ガスとが、互い接
する界面のことを言う。）を形成させ、電気化学反応を
生じさせることで直流電気を発生する。なお前記触媒層
７４は、微小な粒子状の白金触媒とはっ水性を有するフ
ッ素樹脂から形成されており、しかも多数の細孔を形成
することで、反応ガスの三層界面までの効率的な拡散を
維持するするとともに、十分広い面積の三層界面の形成
がなされる構成としている。

【０００７】セパレータ６Ａの一方の面には溝６１ａ
と、この溝６１ａの間に介在する凸状の隔壁６１ｂとが
互いに交互に形成されており、セパレータ６Ｂの一方の
面には溝６２ａと、この溝６２ａの間に介在する凸状の
隔壁６２ｂとが互いに交互に形成されており、それぞれ
の溝６１ａ，およびそれぞれの溝６２ａは、互いに平行
して形成されている。セパレータ６Ａ，６Ｂの、燃料電
池セル７が持つＰＥ膜７１の露出面と対向する部位に
は、それぞれ凹状の溝６３が形成されている。この溝６
３には、反応ガスが通流路外に漏れ出るのを防止する役
目を負うガスシール体（例えば、Ｏリングである。）８
１が装着されている。

【０００８】それぞれのセパレータ６Ａ，６Ｂの他方の
面には、図８にセパレータ６Ａについて示したとおり、
冷媒５である例えば冷却水を通流させる冷媒通路用の凹
溝６５が形成されている。冷媒通路用の凹溝６５は、冷
媒５を溝６１ａ，６２ａ中を通流する反応ガスの通流方
向に平行し、しかも、互いに複数本が平行している部分
６５ａと、凹溝６５の複数のこの平行部６５ａを一方の
端部で一括する一方の端末部６５ｂと、平行部６５ａを
他方の端部で一括する他方の端末部６５ｃで構成されて
いる。凹溝６５のそれぞれの端末部６５ｂ，６５ｃは貫
通孔６６と６７とに連通されている。貫通孔６６，６７
は、共にセパレータ６Ａ，６Ｂの一方の面まで到達して
形成されされている。凹溝６５の周囲および貫通孔６
６，６７のセパレータ６Ａ，６Ｂのそれぞれの面に開口
している部位の周囲には、図示しない凹溝が形成されて
いる。この凹溝には、冷媒５が凹溝６５および貫通孔６
６，６７の外に漏れ出るのを防止する図示しないシール
体（例えば、Ｏリングである。）が単位燃料電池８の組
立て時等に装着される。なお、貫通孔６６，６７は、貫
通孔６６，６７を囲む凹溝も含めて、溝６３に対してセ
パレータ６Ａ，６Ｂの側端側に設けられている。なおま
た、凹溝６５、貫通孔６６，６７の内面および少なくと
も凹溝６５周囲や貫通孔６６，６７の開口部の周囲に形
成された凹溝を含むその周辺の面には、セパレータ６
Ａ，６Ｂと冷媒５との間を電気的に絶縁するために、電
気絶縁性の膜が形成される。さらに、セパレータ６Ｂに
形成されている凹溝６５、および貫通孔６６，６７は、
セパレータ６Ａに形成されている溝および孔に対して、
対称形に形成されている点が相違している。

【０００９】スタック９は、その組立て時に、それぞれ
の単位燃料電池８が備える燃料電池セル７を、セパレー
タ６Ａ，６Ｂの凹溝６３が形成されている側で挟み込む
形で一体化する。その際に、締付けボルト９４による加
圧力を利用して、燃料電池セル７の持つ電極膜７２，７
３を凸状の隔壁６１ｂ，６２ｂの先端部で直接加圧接触
させて挟持する。このようにして一体化された複数の単
位燃料電池８を、互いに隣接する単位燃料電池８の、セ
パレータ６Ａの他方の面と，セパレータ６Ｂの他方の面
とを互いに接触させて積層する。これにより、セパレー
タ６Ａ，６Ｂに形成されているそれぞれ凹溝６５によっ
て冷媒５の通流路が形成されることになる。この場合、
貫通孔６６，６７は、貫通孔６６，６７が位置する部位
のＰＥ膜７１、および、電気絶縁板９２Ａ，９２Ｂに貫
通孔６６，６７と同等径の図示しない貫通孔が穿たれて
いることで、マニホールドとして機能する。

【００１０】スタック９の一方の端部にある単位燃料電
池８では、貫通孔６６には、締付板９３Ａが備える冷媒
５の流入口９３ａに連通させて形成された図示しない冷
媒通流口が接続され、一方，貫通孔６７は封じられる。
また、他方の端部にある単位燃料電池８では、貫通孔６
７には締付板９３Ｂが備える冷媒５の流出口９３ｂに連
通させて形成された図示しない冷媒通流口が接続され、
一方，貫通孔６６は封じられる。スタック９では、単位
燃料電池８内に構成される冷媒５の通流路は互いに並列
に接続されることになるが、これはスタック９の積層方
向に配置された単位燃料電池８間での冷媒５の温度差を
少なくするためである。

【００１１】なおまた、スタックには、冷媒５を通流さ
せる専用の冷却体を備えたものも知られている。この場
合にはこの専用の冷却体は、それぞれの単位燃料電池８
の中間、あるいは、複数の単位燃料電池８を積層する毎
に、介挿される。さらに、この専用の冷却体を備えるよ
うにした場合には、凹溝６５と貫通孔６６，６７および
それ等の周囲の凹溝を、セパレータ６Ａ，６Ｂに形成す
る必要は無くなる。

【００１２】図９は、スタック９をその主要な周辺装置
と共に示した冷媒供給経路図である。なお、図９におい
てはスタック９は模式化して示している。冷媒供給経路
は、冷媒５をこの冷媒供給経路に循環させるのに必要な
圧力を供給する加圧ポンプ９７と、冷媒５の循環流量を
制御する制御弁９８と、冷媒５を冷却するよく知られた
放熱装置９６と、これらの間を接続する配管９９とを備
えている。スタック９において，後記する燃料電池セル
７における反応によって発生した熱を吸収することで高
温となった冷媒５は、流出口９３ｂから流出される。こ
の高温の冷媒５は冷媒供給経路中を放熱装置９６に循環
され、放熱装置９６で除熱されてその温度を所望の温度
にまで降下され、再び流入口９３ａからスタック９に還
流される。

【００１３】ところで、固体高分子電解質型燃料電池に
おいては、前記した三層界面において、次のような電気
化学反応が生じる。すなわち、アノード電極７２側では
（１）式による反応が起こる。

【００１４】

【化１】 Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- ………………（１） また、カソード電極７３側では（２）式による反応が起
こる。

【００１５】

【化２】 （１／２）Ｏ₂ ＋２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- → Ｈ₂ Ｏ ………………（２） すなわち、この反応では、水素と酸素が反応して水を生
成する。その反応エネルギーの一部が電気エネルギーと
して取り出され、残余は熱エネルギーとなる。この熱エ
ネルギーである反応熱により、燃料電池セル７が加熱さ
れることになる。しかし、燃料電池セル７が持つＰＥ膜
７１は、ＰＥ膜７１の比抵抗を小さくして発電効率を高
く維持するようにためには、通常、５０℃から１００℃
程度の温度に保つことが望ましいものである。したがっ
て、固体高分子電解質型燃料電池においては、この反応
熱を除去して前記した適切な運転温度に維持することが
必要となる。このために準備されたものがセパレータ６
Ａ，６Ｂと、セパレータ６Ａ，６Ｂ等に形成された冷却
部と、冷媒５の供給経路である。

【００１６】燃料電池セル７で発生した反応熱は、ま
ず、セパレータ６Ａ，６Ｂの電極膜７２，７３に接触し
ている凸状の隔壁６１ｂ，６２ｂに主として伝導され
る。セパレータ６Ａ，６Ｂに伝導された分の反応熱は、
以降、セパレータ６Ａ，６Ｂ中を伝導し、最終的に凹溝
６５から冷媒５に伝導される。また、燃料電池セル７で
発生した電気エネルギーによる電流は、まず、セパレー
タ６Ａ，６Ｂの電極膜７２，７３に接触している凸状の
隔壁６１ｂ，６２ｂに伝導する。以降、セパレータ６
Ａ，６Ｂから隣接する単位燃料電池８に伝導され、最終
的に集電板９１Ａ，９１Ｂから電気負荷に供給される。
かくしてセパレータ６Ａ，６Ｂは、燃料電池セル７に反
応ガスを供給する役目に加えて、燃料電池セル７で発生
した電気エネルギーを伝達する役目、および、燃料電池
セル７で発生した反応熱を冷媒５に伝達する役目も果た
していることになる。

【００１７】他方、固体高分子電解質型燃料電池の発電
効率を高く維持するためには、ＰＥ膜７１の前記した性
質により、ＰＥ膜７１の含水状態を飽和状態に維持する
ことも必要である。このため反応ガスに水を添加して湿
度を高めてスタック９へ供給するようにし、ＰＥ膜７１
から反応ガスへの水の蒸発を抑えて、ＰＥ膜７１が乾燥
するのを防止している。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】固体高分子型燃料電池
では、前述の反応で生成された水（以降、生成水と略称
することがある。）は、生成された直後では水蒸気の状
態として存在するが、燃料電池セル７の温度が低いとこ
の水蒸気は液化される。この液化した生成水は、多孔質
である電極膜基材７５に吸着されて反応ガスを拡散させ
る毛管を塞いでしまうために、電極膜基材７５の反応ガ
スを触媒層７４に供給する等の機能が阻害される。した
がって、特に、生成水の濃度が高い反応ガスの出口付近
の燃料電池セル７の温度は、生成水を液化させないため
に、比較的高い温度に維持する必要がある。一方、反応
ガスの相対湿度を低下させないために、生成水がまだ得
られていない反応ガスの入口付近では、反応ガスは高い
湿度に維持する必要がある。したがって、反応ガスの入
口付近の燃料電池セル７の温度は、比較的低い温度にす
る必要がある。このように、固体高分子型燃料電池で
は、反応ガスが含有する水分を適切な値に管理するため
に、燃料電池セル７の電極膜７２，７３の膜表面におけ
る温度分布を、反応ガス入口部で比較的低い値に、ま
た、反応ガス出口部で比較的高い値に維持する必要があ
るものである。

【００１９】スタック９では、前述したとおり、燃料電
池セル７で発生した反応熱は、多くの部分は冷媒５によ
り除去され、残部のほとんどはセパレータ６Ａ，６Ｂの
側端面から周囲雰囲気中に放散されることにより除去さ
れる。したがって、冷媒５が凹溝６５、特にその平行部
６５ａで形成された冷媒通流路中を通流する内に、反応
熱を吸収して序々にその温度を上昇させる。冷媒５の温
度が上昇したことは、その部分のセパレータ６Ａ，６Ｂ
の温度が上昇したことであり、このセパレータ６Ａ，６
Ｂの温度が上昇したことは、その部分の燃料電池セル７
の温度が上昇していることである。このため、それぞれ
の単位燃料電池８が持つ燃料電池セル７の電極膜７２，
７３の膜表面における温度は、反応ガス入口部で最も低
く、反応ガス出口部に近くなるにつれて序々に温度を上
昇させることになる。

【００２０】ところで、電極膜７２，７３の温度が上昇
したことは、それに対応して、その部分のセパレータ６
Ａ，６Ｂの温度が上昇していることであり、このこと
は、セパレータ６Ａ，６Ｂの側端面から周囲雰囲気への
熱放散の度合いが増加することを意味して、電極膜７
２，７３の膜表面の温度上昇の度合いはしだいに低減す
る。特に、反応ガス出口部の近傍では、セパレータ６
Ａ，６Ｂの側端面に近いことから、セパレータ６Ａ，６
Ｂの側端面からの熱放散の影響が増大することで、電極
膜７２，７３の膜表面の温度はかえって降下をする。こ
の結果、電極膜７２，７３の膜表面の温度分布は、反応
ガス入口部で最も低く、序々に温度を上昇してやがてピ
ーク値に達し、反応ガス出口部では、かなり低下する傾
向となる。この傾向は、大容量の固体高分子電解質型燃
料電池ほど顕著になる。燃料電池セルの電極膜表面付近
における温度分布の測定データ例を示す図１０中に、曲
線Ｂとして従来例の場合を示す。このデータは、セパレ
ータの凸状の隔壁の、電極膜表面付近におけるその先端
部の、燃料電池セルの中心線上の位置におけるものであ
る。従来例のスタック９の場合ではこのような温度分布
となるので、反応ガス入口部での温度を限界近くまで高
くしても、反応ガス出口部での温度を生成水が液化しな
い温度に維持することがなかなか困難である。このた
め、満足な燃料電池の性能が得られなくなってきてい
る。

【００２１】この発明は、前述の従来技術の問題点に鑑
みなされたものであり、その目的は、燃料電池セルの電
極膜表面において所望の温度分布を得ることが可能な固
体高分子電解質型燃料電池を提供することにある。

【００２２】

【課題を解決するための手段】この発明では前述の目的
は、 １）燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて直流電力
を発生する燃料電池セルと、燃料電池セルの両側に配置
されて，燃料電池セルに燃料ガスまたは酸化剤ガスを供
給するためのガス流通溝を有するセパレータと、を備え
る単位燃料電池が複数個集積された単位燃料電池集積体
と、単位燃料電池集積体内に、それぞれの単位燃料電池
毎あるいは複数の単位燃料電池毎に設けられて、燃料電
池セルで発生した熱を除去する冷媒を通流させる冷却部
とを備え、燃料電池セルは、固体高分子電解質膜からな
る電解質層と、この電解質層の両主面のそれぞれに密着
して配置された一対の燃料電極および酸化剤電極とを備
えたものであり、冷却部は、冷媒を通流させる冷媒通流
路を備えたものである、固体高分子電解質型燃料電池に
おいて、単位燃料電池集積体が備えるそれぞれの冷却部
は、冷媒が流入あるいは流出する一対の端末部をそれぞ
れに持つ冷媒通流路を複数備えた構成とすること、また ２）前記１項記載の手段において、それぞれの冷却部が
備える複数の冷媒通流路は、それぞれの冷媒通流路毎に
個別に温度および／または流量を制御された冷媒が供給
される構成とすること、さらにまた ３）前記１項記載の手段において、冷却部が備える複数
の冷媒通流路は、セパレータが備えるガス流通溝に対し
てそれぞれほぼ直交する方向に形成され、それぞれの冷
却部に供給される冷媒が、まず、燃料ガスあるいは酸化
剤ガスが単位燃料電池に流入する最も上流側に位置する
冷媒通流路の持つ一方の端末部に供給され、この最も上
流側に位置する冷媒通流路の持つ他方の端末部から流出
した冷媒が、以降、順次上流側に位置する冷媒通流路に
供給されるように互いに接続される構成とすること、に
より達成される。

【００２３】

【作用】この発明では、固体高分子電解質型燃料電池に
おいて、 単位燃料電池集積体が備えるそれぞれの冷却部を、冷
媒が流入あるいは流出する一対の端末部をそれぞれに持
つ冷媒通流路を複数備えたものである構成とし、それぞ
れの冷却部が備える複数の冷媒通流路には、それぞれの
冷媒通流路毎に個別に温度および／または流量が制御さ
れた冷媒を供給するようにすることにより、それぞれの
冷媒通流路に通流する冷媒は、セパレータを介して反応
熱を吸収してその流量の応じた値で序々に温度上昇する
ので、その温度は、流入口における温度と温度上昇値と
の和による値となる。前述したようにセパレータの温度
は、この冷媒の温度と、セパレータの側端面からの周囲
雰囲気への熱放散量とによりほとんど定まるので、それ
ぞれの冷媒通流路に通流する冷媒の温度を異ならせるこ
とで、冷媒通流路の配置に対応するセパレータの面方向
の温度分布を、任意の分布状況にすることが可能とな
る。その際に、それぞれの冷媒通流路に通流する冷媒の
温度および／または流量の値を、セパレータの側端面か
らの周囲雰囲気への熱放散量を考慮した値に設定するこ
とにより、セパレータの面方向の温度分布を、したがっ
て、燃料電池セルの電極膜表面における温度の分布状況
を、固体高分子電解質型燃料電池にとって好ましい分布
状況にすることが可能となるのである。また 冷却部が備える複数の冷媒通流路を、セパレータが備
えるガス流通溝に対してそれぞれほぼ直交する方向に形
成し、それぞれの冷却部に供給される冷媒を、まず、燃
料ガスあるいは酸化剤ガスが単位燃料電池に流入する最
も上流側に位置する冷媒通流路の持つ一方の端末部に供
給し、この最も上流側に位置する冷媒通流路の持つ他方
の端末部から流出した冷媒が、以降、順次上流側に位置
する冷媒通流路に供給されるように互いに接続される構
成とすることにより、より上流側に位置する冷媒通流路
から流出した冷媒は、その冷媒通流路を通流する際に、
セパレータを介して反応熱を吸収して温度上昇する。こ
の温度が高くなった冷媒が次に位置する冷媒通流路に通
流するので、この冷媒通流路の付近のセパレータの温度
は、より上流側に位置する冷媒通流路の付近のセパレー
タの反応ガスが通流する側の面の温度に対して上昇す
る。セパレータは、このようにして反応ガスの通流する
方向に対して順次高くなる温度分布が得られる。その際
に、冷媒を通流させる冷媒通流路を、セパレータの側端
面からの周囲雰囲気への熱放散量を考慮して形成するこ
とにより、セパレータの面方向の温度分布を、したがっ
て、燃料電池セルの電極膜表面における温度の分布状況
を、固体高分子電解質型燃料電池にとって好ましい分布
状況にすることが可能となるのである。

【００２４】

【実施例】以下この発明の実施例を図面を参照して詳細
に説明する。 実施例１；図１は、請求項１，２に対応するこの発明の
一実施例による固体高分子電解質型燃料電池の単位燃料
電池集積体を主要な周辺装置と共に示した冷媒供給経路
図である。図２は、図１中に示した単位燃料電池集積体
が備えるセパレータの前記した図６におけるＰ矢方向か
ら見た場合のその平面図である。図１，図２において、
図５，〜図９に示した従来例の固体高分子電解質型燃料
電池と同一部分には同じ符号を付し、その説明を省略す
る。なお、図１においてスタックは模式化して示した。

【００２５】図１，図２において、３は、図６等に示し
た従来例による単位燃料電池８に対して、セパレータ６
Ａ ，６Ｂに替えてセパレータ１を用いるようにした単
位燃料電池である。セパレータ１は、セパレータ６Ａ
，６Ｂに対して、冷媒５の流通通路用である凹溝６５
に替えて、凹溝１１を備えている。凹溝１１はこの場合
３本備えられ、いずれも溝６１ａ，溝６２ａ中を通流す
る反応ガスの通流方向に対して、それぞれほぼ直交する
方向に形成されており、しかも３本の凹溝１１は、同一
の間隔；Ａで互いに平行して形成されている。それぞれ
の凹溝１１の，凹溝６５の場合と同様にセパレータ１の
側端付近まで形成されたその両端部は、それぞれ貫通孔
１２，１３に連通されている。貫通孔１２，１３は、貫
通孔６６，６７と同様の構造を備えているので、その詳
細な説明は省略する。なお、上記の構成を持つセパレー
タ１は、対称形であるので、燃料電池セル７の両面に配
置するセパレータには共にセパレータ１を適用する。

【００２６】２は、図５等に示した従来例によるスタッ
ク９に対して、単位燃料電池８および締付板９３Ａ，９
３Ｂに替えて、単位燃料電池３および締付板２１Ａ，２
１Ｂを用いるようにしたスタックである。締付板２１
Ａ，２１Ｂは、締付板９３Ａ，９３Ｂに対して、それぞ
れの凹溝１１の本数に対応する個数の冷媒５の流入口９
３ａあるいは、冷媒５の流出口９３ｂが備えられ、締付
板２１Ａ，２１Ｂ内においては、それぞれの冷媒５の通
流路は互いに隔離されている。

【００２７】スタック２に冷媒５を供給する経路は、図
９に示した従来例に対して、放熱装置９６にに替えて放
熱装置２３を用いると共に、凹溝１１の本数と同数の例
えばニードル弁である制御弁９８を備えている。放熱装
置２３は、放熱能が互いに異なる凹溝１１の本数と同数
の単位放熱器２３ａ，２３ｂおよび２３ｃを備えてい
る。それぞれの単位放熱器は、単位放熱器２３ｃ、単位
放熱器２３ｂ、単位放熱器２３ａの順に順次大きくなる
放熱能を備えている。したがって、同一温度で放熱装置
２３に流入した冷媒５は、放熱装置２３の出口におい
て、単位放熱器２３ａに放熱した冷媒５ａの温度が最も
低く、単位放熱器２３ｂに放熱した冷媒５ｂの温度は、
冷媒５ａの温度よりも高く、単位放熱器２３ｃに放熱し
た冷媒５ｃが、冷媒５ｂの温度よりもさらに高い。

【００２８】冷媒５ａ，〜冷媒５ｃは、それぞれの専用
の制御弁９８を経て、締付板２１Ａの備えるそれぞれの
流入口９３ａに流入する。スタック２を冷却して締付板
２１Ｂの備えるそれぞれの流出口９３ｂから流出した冷
媒５ａ，〜冷媒５ｃは、合流したうえで加圧ポンプ９７
に還流する。その際に、必要に応じて冷媒５ａ，〜冷媒
５ｃのそれぞれの流量は、専用の制御弁９８の開度を調
整することで、個別に調整される。

【００２９】この発明では前述の構成としたので、それ
ぞれの単位燃料電池３の備える冷媒通流路に通流する冷
媒５ａ，〜冷媒５ｃは、セパレータ１を介してそれぞれ
の燃料電池セル７で発生した反応熱を吸収してその流量
の応じた値で序々にその温度を上昇する。したがって、
その温度は、流入口９３ａにおける温度と前記の温度上
昇値との和による値となる。冷媒５ａ，〜冷媒５ｃの温
度が、生成ガスの下流側となる冷媒通流路に通流する冷
媒ほど高く設定されていることで、セパレータの面方向
の温度分布を、生成ガスの下流側となるほど高くなる分
布状況にすることが可能となる。その際に、冷媒５ａ，
〜冷媒５ｃの温度の値は、必要に応じてはさらに冷媒５
ａ，〜冷媒５ｃの流量の値は、セパレータの側端面から
の周囲雰囲気への熱放散量を考慮した値に設定する。こ
れにより、セパレータ１の面方向の温度分布を、したが
って、燃料電池セル７の電極膜７２，７３表面における
温度分布を、反応ガスの入口付近では、反応ガスを乾燥
させない比較的低い値とし、しかも、反応ガスの出口付
近を含む各部では、生成水が液化することの無い比較的
高い値とすることが可能となる。

【００３０】なお、生成水の含有度の高い反応ガスの出
口付近では、固体高分子電解質型燃料電池の運転状態の
変化によっては、生成水が液化してしまうことを絶無に
することは容易ではないのであるが、しかし、生成水が
液化してしまったとしても、前記した燃料電池セル７の
電極膜７２，７３表面における温度分布状況とすること
で、液化した生成水を素早く気化させることが可能であ
る。

【００３１】実施例１における今までの説明では、冷媒
５ａ，〜冷媒５ｃの流入口９３ａにおける温度は互いに
異なるとしたが、これに限定されるものではなく、例え
ば、全て同一の温度であっても、また一部のみの温度だ
けが異なるものであっても、よいものである。 実施例２；図３は、請求項３に対応するこの発明の一実
施例による固体高分子電解質型燃料電池が備えるセパレ
ータの前記した図６におけるＰ矢方向から見た場合のそ
の平面図である。図４は、図３に示したセパレータを用
いた単位燃料電池集積体を模式的に示すその側面図であ
る。図３，図４において、図１，図２に示した請求項
１，２に対応するこの発明の固体高分子電解質型燃料電
池、および図５，〜図９に示した従来例の固体高分子電
解質型燃料電池と同一部分には同じ符号を付し、その説
明を省略する。

【００３２】図３，図４において、３Ａは、図１に示し
た請求項１，２に対応するこの発明による単位燃料電池
３に対して、セパレータ１に替えてセパレータ１Ａを用
いるようにした単位燃料電池である。セパレータ１Ａ
は、セパレータ１に対して、凹溝１１を４本備えるよう
にしたものである。しかも４本の凹溝１１は、同一の間
隔；Ｂで互いに平行して形成されている。また、２Ａ
は、図１，２に示した請求項１，２に対応するこの発明
によるスタック２に対して、単位燃料電池３および締付
板２１Ａ，２１Ｂに替えて、単位燃料電池３Ａおよび締
付板２２Ａ，２２Ｂを用いるようにしたスタックであ
る。締付板２２Ａ，２２Ｂは、締付板２１Ａ，２１Ｂに
対して、それぞれの凹溝１１の本数に対応する個数の冷
媒５の流入口９３ａあるいは、冷媒５の流出口９３ｂが
備えられている。

【００３３】スタック２Ａに対する冷媒５の供給は、図
９に示した冷媒供給経路と同一の構成を持つ冷媒供給経
路により行われる。ただし、スタック２Ａの備える流入
口９３ａと流出口９３ｂ間との接続は、次記するように
して行われる。すなわち、冷媒５は、まず反応ガスがス
タック２Ａに流入する最も上流側に位置する冷媒通流路
の持つ流入口９３ａに供給される。最も上流側に位置す
る冷媒通流路の持つ流出口９３ｂから流出した冷媒５
は、次に上流側に位置する冷媒通流路の持つ流出口９３
ｂに供給される。続いて、次に上流側に位置する冷媒通
流路の持つ流入口９３ａから流出した冷媒５は、さらに
次に上流側に位置する冷媒通流路の持つ流入口９３ａに
供給される。以降、流入口９３ａと流出口９３ｂ間との
接続は、順次上流側に位置する冷媒通流路に冷媒５が供
給されるように互いに接続される。

【００３４】この発明では前述の構成としたので、より
上流側に位置する冷媒通流路から流出した冷媒５は、そ
の冷媒通流路を通流する際に、セパレータ１Ａを介して
反応熱を吸収して温度上昇する。この温度が高くなった
冷媒５が次に位置する冷媒通流路に通流するので、この
冷媒通流路の付近のセパレータ１Ａの温度は、より上流
側に位置する冷媒通流路の付近のセパレータ１Ａの温度
に対して上昇する。セパレータ１Ａは、このようにして
反応ガスの通流する方向に対して順次高くなる温度分布
が得られる。この際に、冷媒通流路への冷媒５の通流方
向が、互いに隣接する冷媒通流路において反転している
ために、冷媒通流路に沿ったセパレータ１Ａの温度分布
状況が交互に反転することになり、これにより、セパレ
ータ１Ａの面方向の温度分布の変化状況をほぼ一様にす
ることができている。これ等のことにより、燃料電池セ
ル７の電極膜７２，７３表面における温度分布を、反応
ガスの入口付近では、反応ガスを乾燥させない比較的低
い値とし、しかも、反応ガスの出口付近を含む各部で
は、生成水が液化することの無い比較的高い値とするこ
とが可能となっている。

【００３５】ところで、セパレータ１Ａの備える全ての
冷媒通流路に冷媒５を通流させる必要は必ずしも無く、
例えば、反応ガスがスタック２Ａから流出する最も下流
側に位置する冷媒通流路に冷媒５を通流させない場合に
は、最も下流側に位置する冷媒通流路付近のセパレータ
１Ａは、主としてその側端面から周囲雰囲気への熱放散
により冷却されるのみであるので、その温度は、冷媒５
が通流されている場合よりも上昇する。スタック２Ａの
寸法、あるいはスタック２Ａの運転状態によっては、こ
のようにした場合の方が、燃料電池セル７の電極膜７
２，７３表面における温度分布を、固体高分子電解質型
燃料電池にとってより好ましい状況にすることが可能で
ある。図１０中に曲線Ａで示したグラフは、こうした冷
媒５の通流方法を採用した場合の、燃料電池セル７の電
極膜７２，７３表面付近における温度分布の測定データ
例である。曲線Ａによれば、燃料電池セル７の電極膜７
２，７３表面付近における温度分布は、反応ガスの入口
部からその出口部に向かって、ほぼ均一に温度が上昇す
る温度分布状況が得られている。また、このことを活用
して、反応ガスの入口付近の温度を従来例の場合よりも
低い値としており、それにも関わらず、反応ガスの出口
付近の温度は従来例の場合よりも高い値にすることがで
きている。

【００３６】このように、この実施例２の場合において
も、セパレータ１Ａの面方向の温度分布を、したがっ
て、燃料電池セル７の電極膜７２，７３表面における温
度分布を、反応ガスの入口付近では、反応ガスを乾燥さ
せない比較的低い値とし、しかも、反応ガスの出口付近
を含む各部では、生成水が液化することの無い比較的高
い値とすることが可能となるのである。

【００３７】実施例１における今までの説明では、冷媒
５のスタック２への供給方法は、それぞれの流入口９３
ａからのみ流入させるとしてきたが、これに限定される
ものではなく、例えば、実施例２における供給方法と同
様に、互いに隣接する冷媒通流路において冷媒５の通流
方向を交互に反転させるようにしてもよいものである。

【００３８】また実施例１，２における今までの説明で
は、セパレータ１，１Ａの備える凹溝１１は同一の間隔
で形成されるとしてきたが、これに限定されるものでは
なく、例えば、その間隔は異ならせてもよいものであ
る。ただし、間隔を異ならせた場合には、反応ガスの通
流方向に対する対称性が失われることが有るので、スタ
ック２，２Ａの組立て時の自由度は多少制限を受けるこ
とになる。

【００３９】

【発明の効果】この発明においては、前述の構成とし
て、燃料電池セルの電極膜表面における温度分布を任意
の分布状況にすることが可能となることで、次の効果が
有る。 反応ガスの入口付近では、反応ガスを乾燥させない比
較的低い値とし、しかも、反応ガスの出口付近を含む各
部では、生成水が液化することの無い比較的高い値とす
ることが可能となる。またこのことにより 反応ガスの入口付近の温度を、反応ガスを乾燥させな
いために好適なより低い値とし、しかもこのよな条件と
しながらも、反応ガスの出口付近の温度を、生成水を液
化させないために好適なより高い値とすることが可能と
なる。これ等のことから 満足すべき固体高分子電解質型燃料電池の性能を、長
期間安定して得ることが可能となるのである。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１，２に対応するこの発明の一実施例に
よる固体高分子電解質型燃料電池の単位燃料電池集積体
を主要な周辺装置と共に示した冷媒供給経路図

【図２】図１中に示した単位燃料電池集積体が備えるセ
パレータの図６におけるＰ矢方向から見た場合のその平
面図

【図３】請求項３に対応するこの発明の一実施例による
固体高分子電解質型燃料電池が備えるセパレータの図６
におけるＰ矢方向から見た場合のその平面図

【図４】図３に示したセパレータを用いた単位燃料電池
集積体を模式的に示すその側面図

【図５】従来例の単位燃料電池集積体を示すその側面図

【図６】図５中に示した単位燃料電池の側面断面図

【図７】図６中に示した燃料電池セルの側面断面図

【図８】図６においてＰ矢から見たセパレータの平面図

【図９】図５中に示した単位燃料電池集積体をその主要
な周辺装置と共に示した冷媒供給経路図

【図１０】燃料電池セルの電極膜表面付近における温度
分布の測定データ例を示すグラフ

【符号の説明】

２ 単位燃料電池集積体（スタック） ２１Ａ 締付板 ２１Ｂ 締付板 ２３ 放熱装置 ２３ａ 単位放熱器 ２３ｂ 単位放熱器 ２３ｃ 単位放熱器 ３ 単位燃料電池 ５ 冷媒 ５ａ 冷媒 ５ｂ 冷媒 ５ｃ 冷媒 ９３ａ 流入口 ９３ｂ 流出口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 関 辰与志 大阪府大阪市北区中之島３丁目３番22号 関西電力株式会社内 (72)発明者 榎並 義晶 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて
   直流電力を発生する燃料電池セルと、燃料電池セルの両
   側に配置されて，燃料電池セルに燃料ガスまたは酸化剤
   ガスを供給するためのガス流通溝を有するセパレータ
   と、を備える単位燃料電池が複数個集積された単位燃料
   電池集積体と、 単位燃料電池集積体内に、それぞれの単位燃料電池毎あ
   るいは複数の単位燃料電池毎に設けられて、燃料電池セ
   ルで発生した熱を除去する冷媒を通流させる冷却部とを
   備え、 燃料電池セルは、固体高分子電解質膜からなる電解質層
   と、この電解質層の両主面のそれぞれに密着して配置さ
   れた一対の燃料電極および酸化剤電極とを備えたもので
   あり、 冷却部は、冷媒を通流させる冷媒通流路を備えたもので
   ある、 固体高分子電解質型燃料電池において、 単位燃料電池集積体が備えるそれぞれの冷却部は、冷媒
   が流入あるいは流出する一対の端末部をそれぞれに持つ
   冷媒通流路を複数備えたものである、 ことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。
2. 【請求項２】請求項１記載の固体高分子電解質型燃料電
   池において、 それぞれの冷却部が備える複数の冷媒通流路は、それぞ
   れの冷媒通流路毎に個別に温度および／または流量を制
   御された冷媒が供給されるものである、 ことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。
3. 【請求項３】請求項１記載の固体高分子電解質型燃料電
   池において、 冷却部が備える複数の冷媒通流路は、セパレータが備え
   るガス流通溝に対してそれぞれほぼ直交する方向に形成
   され、それぞれの冷却部に供給される冷媒が、まず、燃
   料ガスあるいは酸化剤ガスが単位燃料電池に流入する最
   も上流側に位置する冷媒通流路の持つ一方の端末部に供
   給され、この最も上流側に位置する冷媒通流路の持つ他
   方の端末部から流出した冷媒が、以降、順次上流側に位
   置する冷媒通流路に供給されるように互いに接続される
   ものである、 ことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。