(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜をアノード側電極およびカソード側電極で挟んで構成される単位燃料電池セルとセパレータとを、交互に積層した燃料電池スタックであって、
少なくとも１つの前記セパレータの前記アノード側電極または前記カソード側電極に対向する平面内には、電極発電部の中央部分に対応した冷却媒体供給口と前記電極発電部の外周部分に対応した冷却媒体排出口とが設けられるとともに、前記平面内には、前記冷却媒体供給口から前記冷却媒体排出口に連通して冷却媒体が一方向に流れる渦巻き状の冷却媒体流路が形成されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記冷却媒体排出口が複数個設けられており、前記冷却媒体流路は、前記冷却媒体供給口から各冷却媒体排出口に連通する多重流路を構成することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池スタックにおいて、前記セパレータの端面が、該セパレータの両側に隣接する各単位燃料電池セルの端面よりも積層方向に直交する方向に突出するように構成されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記セパレータの平面内には、前記電極発電部の外周部分に対応して積層方向に貫通する冷却媒体用孔部が形成されるとともに、
前記セパレータ内に通路が形成され、前記通路を介して前記冷却媒体用孔部と前記冷却媒体供給口とが連通することを特徴とする燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極で挟んで構成される単位燃料電池セルとセパレータとを、交互に積層した燃料電池スタックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質膜型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質とこの電解質の両側にそれぞれ配置される触媒電極および多孔質カーボン電極とからなる単位燃料電池セルを、セパレータと交互に複数個ずつ積層することにより、燃料電池スタックとして構成されている。
【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水素は、触媒電極上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質、あるいは、強酸をしみ込ませた電解質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。カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、酸素ガスあるいは空気が供給されているために、このカソード側電極において、前記水素イオン、前記電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、この種の燃料電池スタックにおいては、有効な発電機能を確保するために、単位燃料電池セルの電極発電部（発電面）を所定の温度範囲に維持する必要がある。このため、セパレータに冷却媒体を流すための流路を設けることにより、電極発電部から吸熱を行うことが一般的に考えられている。具体的には、図６に示すように、アノード側電極またはカソード側電極に対向するセパレータ１の平面２内には、外周縁に位置して冷媒入口３と冷媒出口４とが設けられ、前記冷媒入口３と前記冷媒出口４とが前記平面２に形成された流路５を介して連通している。この流路５は、図６中、下方向から上方に向かって蛇行しながら冷却媒体を流すように構成されている。
【０００５】
ところが、上記のセパレータ１では、冷却水が発電面から吸熱を行いながら流路５に沿って流れるため、この冷却水の温度が前記流路５の下流側（図６中、上方）にいくに従って上昇する。このため、セルの発電面には、図６に示すような一方向の温度勾配が生じてしまい、前記発電面における発電性能の不均一が惹起され、燃料電池スタック全体の性能が低下するという問題が指摘されている。
【０００６】
そこで、例えば、特開平８−４５５２０号公報に開示されているように、冷却水供給口および冷却水排出口を、平面視において高分子電解質膜の中心部または周縁部に配置し、前記冷却水供給口と前記冷却水排出口とを渦巻き状の一本の通路で連通する固体高分子型燃料電池が知られている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来技術では、冷却水供給口および冷却水排出口が高分子電解質膜の中心部に配置されていると、冷却水は、この高分子電解質膜の中心部から外周部に向かって渦巻き状に流れた後、この外周部から前記中心部側に向かって渦巻き状に戻される。一方、冷却水供給口および冷却水排出口が高分子電解質膜の周縁部に配置されていると、冷却水は、この高分子電解質膜の周縁部から中心部に向かって渦巻き状に流れた後、前記周縁部側に戻されている。
【０００８】
しかしながら、燃料電池スタックが室温大気中に設置された場合、各単位燃料電池セルの外周部から外部への放熱が発生するため、この外周部は、中心部に比較して温度低下が惹起され易い。これにより、冷却水供給口および冷却水排出口のいずれもが高分子電解質膜の中心部または周縁部に配置されていると、この高分子電解質膜の発電面全体の温度分布が不均一になってしまうという問題が指摘されている。
【０００９】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、単位燃料電池セルの発電面の温度分布を均一化することができ、しかも構成を有効に簡素化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。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池スタックでは、セパレータの平面内に、電極発電部の中央部分に対応した冷却媒体供給口と、この電極発電部の外周部分に対応した冷却媒体排出口とが設けられ、この冷却媒体供給口とこの冷却媒体排出口とが渦巻き状の冷却媒体流路を介して連通している。このため、冷却媒体は、電極発電部の中央部分から外周部分に向かって流れながら前記電極発電部を冷却した後、冷却媒体排出口へと排出される。
【００１１】
ここで、電極発電部は、外周部分が中央部分に比べて放熱し易いために、この外周部分の温度が前記中央部分に比べて低下し易い。すなわち、本発明では、電極発電部の温度の高い中央部分に冷却媒体流路の上流側を設定し、この冷却媒体流路の下流側に向かって前記電極発電部の温度の低い外周部分を近づけている。これにより、電極発電部の温度分布を全体にわたって均一化させることができ、単位燃料電池セルの冷却効率を有効に向上させることが可能になる。
【００１２】
また、本発明では、冷却媒体排出口が複数個設けられており、冷却媒体流路が冷却媒体供給口から各冷却媒体排出口に連通する多重流路を構成している。従って、各冷却媒体流路毎の流路長を短縮化することができ、前記冷却媒体流路における冷却媒体の圧力損失を確実に低減させることが可能になる。
【００１３】
さらにまた、セパレータの端面が、このセパレータの両側に隣接する各単位燃料電池セルの端面よりも積層方向に直交する方向に突出している。このため、外部に突出するセパレータの端部が冷却フィンとしての機能を有し、燃料電池スタック全体の冷却効率を有効に向上させることができる。
【００１４】
【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の要部斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の一部断面説明図である。
【００１５】
燃料電池スタック１０は、単位燃料電池セル１２とセパレータ１４ａ、１４ｂとを水平方向に交互に積層した多層構造を有している。単位燃料電池セル１２は、固体高分子電解質膜１６を挟んでアノード側電極１８とカソード側電極２０とから構成される。単位燃料電池セル１２は、例えば、作動温度が１００℃以上であり、固体高分子電解質膜１６としてパーフルオロカーボンスルフォン酸膜、あるいは強酸をしみ込ませたポリベンゾイミダゾール膜が使用されている。固体高分子電解質膜１６、アノード側電極１８およびカソード側電極２０は同一の外径寸法を有しており、これらから一体的に構成される単位燃料電池セル１２がガスケット２２に設けられた開口部２４内に収容される。
【００１６】
ガスケット２２の上部側には、燃料ガスを通過させるための孔部２６ａと、酸化剤ガスを通過させるための孔部２８ａとが設けられるとともに、このガスケット２２の下部側には、燃料ガスを通過させるための孔部２６ｂと、酸化剤ガスを通過させるための孔部２８ｂとが形成される。ガスケット２２の両側部側には、冷却媒体、例えば、冷却水を通過させるための孔部３０ａ、３０ｂが形成されている。
【００１７】
セパレータ１４ａ、１４ｂは、上部側に燃料ガス供給用孔部３２ａと酸化剤ガス供給用孔部３４ａとを備えるとともに、下部側に燃料ガス排出用孔部３２ｂと酸化剤ガス排出用孔部３４ｂとを設けている。このセパレータ１４ａ、１４ｂの両側部側には、冷却水を通すための孔部３６ａ、３６ｂが形成される。
【００１８】
セパレータ１４ａのアノード側電極１８に対向する一方の面部３７ａには、燃料ガス供給用孔部３２ａと燃料ガス排出用孔部３２ｂとを連通して鉛直方向に延在する複数本の燃料ガス流路３８が形成される。セパレータ１４ｂのカソード側電極２０に対向する一方の面部３９ａには、酸化剤ガス供給用孔部３４ａと酸化剤ガス排出用孔部３４ｂとを連通して鉛直方向に延在する複数本の酸化剤ガス流路４０が設けられる。
【００１９】
セパレータ１４ｂの他方の面部３９ｂには、図１および図３に示すように、アノード側電極１８およびカソード側電極２０の電極発電部の中央部に対応して冷却媒体供給口４２が設けられるとともに、前記電極発電部の外周部分に対応して一箇所に冷却媒体排出口４４が設けられる。冷却媒体供給口４２は溝部で構成されており、セパレータ１４ｂの側部側に設けられた孔部３６ａに前記セパレータ１４ｂ内に形成された通路４６を介して連通する。冷却媒体排出口４４は、セパレータ１４ｂの側部側に形成された孔部３６ｂに連通している。
【００２０】
セパレータ１４ｂの面部３９ｂ内には、冷却媒体供給口４２と冷却媒体排出口４４とを連通する渦巻き状の冷却媒体流路４８が形成される。冷却媒体流路４８は、実際上、セパレータ１４ｂの面部３９ｂに所定の深さまで溝部を形成することによって設けられている。なお、セパレータ１４ａの面部３７ｂには、セパレータ１４ｂの面部３９ｂに設けられた冷却媒体供給口４２を中央部に設定して冷却媒体排出口４４および渦巻き状の冷却媒体流路４８が左右を反転した状態で設けられている。
【００２１】
図１および図２に示すように、燃料電池スタック１０は、単位燃料電池セル１２とセパレータ１４ａ、１４ｂとの積層方向（矢印Ａ方向）に直交する方向に対し、前記セパレータ１４ａ、１４ｂの端面が前記単位燃料電池セル１２の端面よりも面方向外方に突出するように設定されている。セパレータ１４ａ、１４ｂは、さらに単位燃料電池セル１２を収容するガスケット２２の外径寸法よりも面方向に大きな寸法に設定されており、このガスケット２２の端面から面方向外方に突出する前記セパレータ１４ａ、１４ｂの突出部分が冷却フィンを構成している。
【００２２】
このように構成される第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。
【００２３】
燃料電池スタック１０では、燃料ガス（水素ガス）がセパレータ１４ａ、１４ｂの燃料ガス供給用孔部３２ａから燃料ガス流路３８を介して上下方向に移動する際、この燃料ガス流路３８に対向するアノード側電極１８に水素ガスが供給される。一方、燃料電池スタック１０に供給される酸化剤ガス（空気または酸素ガス）は、セパレータ１４ａ、１４ｂの酸化剤ガス供給用孔部３４ａから酸化剤ガス流路４０を介して上下方向に移動する際、カソード側電極２０に供給される。これにより、単位燃料電池セル１２で発電が行われる。
【００２４】
その際、セパレータ１４ａ、１４ｂの孔部３６ａに投入された冷却水は、通路４６から前記セパレータ１４ａ、１４ｂの中央部分に設けられた冷却媒体供給口４２に送られる。冷却水は、冷却媒体供給口４２からセパレータ１４ａ、１４ｂの面部３７ｂ、３９ｂに設けられた冷却媒体流路４８に供給され、この冷却媒体流路４８の流れ方向に沿って、すなわち、渦巻き状に移動して、前記セパレータ１４ａ、１４ｂの外周縁に設けられた冷却媒体排出口４４から孔部３６ｂに排出される。
【００２５】
この場合、第１の実施形態では、冷却水がセパレータ１４ａ、１４ｂの中央部に形成された冷却媒体供給口４２から冷却媒体流路４８に供給され、この冷却媒体流路４８に沿って渦巻き状に移動した後、前記セパレータ１４ａ、１４ｂの外周縁部に形成された冷却媒体排出口４４から排出される。このため、アノード側電極１８およびカソード側電極２０の電極発電部の中央部分に対応して温度の低い冷却水が供給され、この冷却水は、前記電極発電部の冷却を行ってそれ自体が昇温した状態で、該電極発電部の外周部側に移動する。
【００２６】
従って、冷却水は、アノード側電極１８およびカソード側電極２０のそれぞれの電極発電部の中央部分で最大の吸熱効果（冷却効果）を有することになる。一方、単位燃料電池セル１２は、外縁部分から外部への放熱により電極発電部の外周部分の温度が中央部分の温度に比べて低下し易い。
【００２７】
これにより、冷却水が電極発電部の中央部分で最大の冷却効果を有することによって、前記電極発電部全体の温度分布が均一化され、各単位燃料電池セル１２の冷却効率が有効に向上するという効果が得られる。このため、単位燃料電池セル１２の発電性能が均一化し、燃料電池スタック１０全体の性能を有効に維持することが可能となる。
【００２８】
また、第１の実施形態では、セパレータ１４ａ、１４ｂの外径寸法が単位燃料電池セル１２の外径寸法、さらにこの単位燃料電池セル１２を収容するガスケット２２の外径寸法よりも、面方向に大きく設定されており、このセパレータ１４ａ、１４ｂの外周部分が冷却フィンとしての機能を有している。従って、各単位燃料電池セル１２の外周側から有効に放熱することができ、冷却効率の向上が容易に図られる。
【００２９】
図４は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するセパレータ６０ａ、６０ｂの正面説明図である。
【００３０】
セパレータ６０ａ、６０ｂは、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０を構成するセパレータ１４ａ、１４ｂに代替して使用されるものであり、図１に示すアノード側電極１８およびカソード側電極２０に対向する面部とは反対側の面部６２に、電極発電部の中央部分に対応した冷却媒体供給口６４と、前記電極発電部の外周部分に対応した一組の冷却媒体排出口６６ａ、６６ｂとが設けられる。
【００３１】
冷却媒体供給口６４は、セパレータ６０ａ、６０ｂに形成された通路６８を介して孔部７０に連通している。セパレータ６０ａ、６０ｂの面部６２には、単一の冷却媒体供給口６４とそれぞれの冷却媒体排出口６６ａ、６６ｂとを連通する渦巻き状の第１および第２冷却媒体流路７２ａ、７２ｂが形成され、前記第１および第２冷却媒体流路７２ａ、７２ｂによって多重流路が構成されている。
【００３２】
このように構成される第２の実施形態では、冷却水が電極発電部の中央部分に対応した冷却媒体供給口６４から第１および第２冷却媒体流路７２ａ、７２ｂに供給される。この冷却水は、電極発電部を冷却しながら第１および第２冷却媒体流路７２ａ、７２ｂに沿って渦巻き状に流れ、前記電極発電部の外周部分に対応した冷却媒体排出口６６ａ、６６ｂから排出される。
【００３３】
このため、第２の実施形態においても第１の実施形態と同様に、放熱され難く外周部分に比べて温度が高い電極発電部の中央部分に低温の冷却水が供給されるため、前記電極発電部全体の冷却効率を有効に向上させることができるという効果が得られる。しかも、第２の実施形態では、第１および第２冷却媒体流路７２ａ、７２ｂが独立して設けられるため、それぞれの流路長が有効に短尺化され、前記第１および第２冷却媒体流路７２ａ、７２ｂにおける冷却水の圧損を軽減し得るという利点がある。
【００３４】
図５は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するセパレータ８０ａ、８０ｂの正面説明図である。
【００３５】
セパレータ８０ａ、８０ｂでは、図１に示すアノード側電極１８およびカソード側電極２０に対向する面部とは反対側の面部８２に、電極発電部の中央部分に対応した冷却媒体供給口８４と、前記電極発電部の外周部分に対応した冷却媒体排出口８６ａ〜８６ｄとが設けられる。冷却媒体供給口８４は、通路８８を介してセパレータ８０ａ、８０ｂの側部端縁部に形成された孔部９０に連通している。セパレータ８０ａ、８０ｂの面部８２には、冷却媒体供給口８４と四つの冷却媒体排出口８６ａ〜８６ｄとに連通する渦巻き状の第１乃至第４冷却媒体流路９２ａ〜９２ｄが形成され、これらによって多重流路が構成されている。
【００３６】
このように構成される第３の実施形態では、電極発電部の中央部分から外周部分に向かって冷却水が供給されるため、この電極発電部全体を均一に冷却し得る等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。さらに、冷却媒体供給口８４から四つの冷却媒体排出口８６ａ〜８６ｄに連通する四本の第１乃至第４冷却媒体流路９２ａ〜９２ｄが設けられている。これにより、第１乃至第４冷却媒体流路９２ａ〜９２ｄは、それぞれ第２の実施形態の第１および第２冷却媒体流路７２ａ、７２ｂよりもさらに短尺化され、冷却水の圧損を大幅に削減し得るという利点がある。
【００３７】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックでは、セパレータの平面内に、電極発電部の中央部分に対応した冷却媒体供給口と前記電極発電部の外周部分に対応した冷却媒体排出口とが設けられるとともに、前記冷却媒体供給口と前記冷却媒体排出口とが渦巻き状の冷却媒体流路を介して連通している。このため、冷却媒体は、電極発電部の中央部分で最大の吸熱機能を有する一方、前記電極発電部の外周部分が放熱により冷却され易い。これにより、電極発電部全体の温度分布を均一化することができ、単位燃料電池セルの発電性能を有効に維持して燃料電池スタック全体の性能を向上させることができる。
【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要部斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池スタックの一部を水平方向に切断した断面説明図である。
【図３】前記燃料電池スタックを構成するセパレータの正面説明図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するセパレータの正面説明図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するセパレータの正面説明図である。
【図６】従来技術に係るセパレータの正面説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池スタック          １２…単位燃料電池セル
１４ａ、１４ｂ、６０ａ、６０ｂ、８０ａ、８０ｂ…セパレータ
１６…電解質膜                  １８…アノード側電極
２０…カソード側電極            ２２…ガスケット
２６ａ、２６ｂ、２８ａ、２８ｂ、３０ａ、３０ｂ、３２ａ、３２ｂ、３４ａ、３４ｂ、３６ａ、３６ｂ、７０、９０…孔部
３８…燃料ガス流路              ４０…酸化剤ガス流路
４２、６４、８４…冷却媒体供給口
４４、６６ａ、６６ｂ、８６ａ〜８６ｄ…冷却媒体排出口
４８、７２ａ、７２ｂ、９２ａ〜９２ｄ…冷却媒体流路
【図１】
0003548433.tif 000002
【図２】
0003548433.tif 000003
【図３】
0003548433.tif 000004
【図４】
0003548433.tif 000005
【図５】
0003548433.tif 000006
【図６】
0003548433.tif 000007