(57)【要約】【課題】ＭＥＡを有する燃料電池スタックシステムの高出力密度化と冷却性能向上を図る。【解決手段】燃料電池スタックの冷却媒体入口マニホールド流路を冷却媒体が循環することによる顕熱冷却と、その冷却媒体の一部がセパレータの冷却媒体流路を通過して蒸発することによる潜熱冷却が行われるようにした。この燃料電池スタックシステムにおいて、冷却媒体出口マニホールド流路とカソードガス入口マニホールド流路を流体力学的に連結し、また、カソードガス出口マニホールド流路に気体ポンプまたはブロアを接続することにより、セパレータ流路内の冷却媒体の蒸発を一層促進することができる。【選択図】図３
2008305627.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の膜電極接合体と複数のセパレータとが交互に積層された燃料電池スタックを具備し、隣接する前記膜電極接合体の間に、表面側にカソードガス流路を有する第１セパレータと、表面側にアノードガス流路を有する第２セパレータとが、それぞれの裏面側が対向し、その間に冷却媒体流路が形成されるように配置され、前記膜電極接合体の両端部分に補強板が設けられている燃料電池スタックシステムにおいて、前記第１セパレータと前記第２セパレータおよび前記補強板の積層により形成された冷却媒体入口マニホールド流路内を冷却媒体の一部が循環することによる顕熱冷却と、前記冷却媒体入口マニホールド流路内を循環する前記冷却媒体の一部が前記第１セパレータと前記第２セパレータの間に形成された前記冷却媒体流路を通過し蒸発することによる潜熱冷却とが行われるようにしたことを特徴とする燃料電池スタックシステム。
【請求項２】
前記燃料電池スタックにカソードガス入口マニホールド流路と排カソードガスを排出するカソードガス出口マニホールド流路を有し、前記第１セパレータと前記第２セパレータの間に形成された前記冷却媒体流路を通過する過程で蒸発した前記冷却媒体の排出口が、前記カソードガス入口マニホールド流路と流体力学的に接続されてい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システム。
【請求項３】
前記カソードガス入口マニホールド流路内が負圧になっていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池スタックシステム。
【請求項４】
前記カソードガス出口マニホールド流路に、空気ポンプを具備するカソードガス排気系が組み込まれ、これにより前記カソードガス入口マニホールド流路内が負圧にされることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池スタックシステム。
【請求項５】
前記第１セパレータのカソードガス入口マニホールドに外気取込み口を有し、これにより前記カソードガス入口マニホールド流路内に外気が吸引されるようにしたことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池スタックシステム。
【請求項６】
前記第１セパレータに形成された前記カソードガス流路と前記第２セパレータに形成された前記アノードガス流路、および前記第１セパレータと前記第２セパレータの間に形成された前記冷却媒体流路のうち少なくとも１つが、多孔質になっていることを特徴とする請求項３又は５に記載の燃料電池スタックシステム。
【請求項７】
前記冷却媒体入口マニホールド流路に入る冷却媒体に気体を吹き込む気体吹込み口を有し、これにより気体交じり冷却媒体が生成されるようにしたことを特徴とする請求項３記載の燃料電池スタックシステム。
【請求項８】
前記第１セパレータと前記第２セパレータの間に形成された前記冷却媒体流路が、孔径の大きい多孔質体と孔径の小さい疎水性の多孔質体を組み合わせたものからな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システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜電極接合体とセパレータを有し、これらが複数積層された燃料電池スタックを具備する燃料電池スタックシステムに係り、特に固体高分子型燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池には、例えば、車載用の燃料電池のように高出力密度化が求められている。このためには、セパレータのうち発電に直接寄与しない部分の面積を削減するしかない。この手段として最も有効なのが、冷却媒体として用いられている冷却水の使用量を減らし、マニホールドの開口部を小さくして、体積当たりの出力を高めることである。
【０００３】
冷却水を減らすには、冷却水の比熱を利用する顕熱冷却でなく、蒸発熱を利用する潜熱冷却を行う必要がある。潜熱冷却は、顕熱冷却に比べて水の量が理論的には２％で済む。
【０００４】
潜熱冷却を推進するには、蒸発しやすいように、微細水滴状にするか、或いは、電気伝導媒体かつ伝熱媒体として多孔質状のように体積あたりの表面積の大きい物質に水を接触させて、水の体積当たりの表面積を増やす必要がある。
【０００５】
しかし、微細水滴を発生させ、冷却場所まで微細水滴を運搬する場合、微細水滴が流路の急に縮小する部分でお互いに衝突し、合体して大きな水滴になり、体積あたりの表面積が減少してしまうという問題があり、伝熱媒体として体積あたりの表面積を増やすには、結局、多孔質体を使用する必要がある。
【０００６】
また、水滴を移動させる手段及び蒸発場を提供する媒体としては気体が必要であり、カソードガスである空気が量的にも十分な量があるので望ましい。現状、カソードガスは、セパレータに供給する前に、電解質膜を乾燥させて劣化するのを防ぐため加湿している。このため、そのまま加湿カソードガスを使うと、冷却用の水と併せると、水蒸気濃度は飽和蒸気圧に近いので蒸発できず、冷却効果が発揮できないばかりでなく、水管理上過多の水分となり、反応発生水の除去が困難になる。これを解決するには、加湿と冷却をシステム的にまとめることが必須となる。
【０００７】
なお、水の潜熱により単セルが冷却されるようにした燃料電池は、特許文献１に記載されている。
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−３９５０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
燃料電池では、下記の式に示す反応により、アノードガスである水素とカソードガスである空気中の酸素が消費されて、水と熱と電力が発生する。
【００１０】
２Ｈ２＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ＋（熱）＋（電力）
この反応は、従来、セパレータ内反応ガス流路に沿って上流から下流に流れる間に生じているので、下流に流れるに従い反応ガス流量が減り、カソードガス側であれば反応発生水蒸気が流入し、アノードガス側でも濃度拡散及び電気浸透に基づく水が流入する。このため、水蒸気濃度は増大し、飽和濃度を超えれば凝縮水が発生して凝縮水によるフラディングを生じて、セル電圧の低下や寿命の低下を招くという課題がある。同時に、凝縮水発生により潜熱が解放され、温度の不均一を招いて、温度分布も偏りが生じて最高温度が上がり、膜電極接合体（以下、ＭＥＡという）を保護する観点から燃料利用率を下げ低出力化しなければならなかった。
【００１１】
ところが、出力密度を極限まで上げて高効率化、すなわち高出力密度化を図るには、燃料利用率を１００％近くまで高めざるを得ない。また、同時に、セパレータのマニホールドを含む額縁部分の面積を減らして、体積削減による高出力密度化を図らねばならない。この場合、温度分布の均一化と冷却性能向上が必須であり、水の潜熱冷却を利用して必要水量を減らして高出力密度化を図らなければならない。また同時に、この冷却水によりフラディングを加速しない工夫が必要になる。
【００１２】
潜熱冷却に１００％依存することは、固体高分子型燃料電池の作動温度が１００℃以下であるので飽和濃度が大気圧以下、すなわち、沸騰状態とならないことと、潜熱必要冷却媒体量が微量のため温度制御への影響が大きく、そのため、温度制御安定性が悪くなり、膜電極接合体の劣化や寿命短縮を招くという課題がある。
【００１３】
本発明の目的は、高出力密度化と冷却性能向上が図れるようにした燃料電池スタックシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、複数の膜電極接合体と複数のセパレータとが交互に積層された燃料電池スタックを具備し、隣接する前記膜電極接合体の間に、表面側にカソードガス流路を有する第１セパレータと、表面側にアノードガス流路を有する第２セパレータとが、それぞれの裏面側が対向し、その間に冷却媒体流路が形成されるように配置され、前記膜電極接合体の両端部分に補強板が設けられている構造の燃料電池スタックシステムにおいて、前記第１セパレータと前記第２セパレータおよび前記補強板の積層により形成された冷却媒体入口マニホールド流路内を冷却媒体の一部が循環することによる顕熱冷却と、前記冷却媒体入口マニホールド流路内を循環する前記冷却媒体の一部が前記第１セパレータと前記第２セパレータの間に形成された前記冷却媒体流路を通過し蒸発することによる潜熱冷却とが行われるようにしたものである。
【００１５】
上記の燃料電池スタックシステムにおいて、第１セパレータと第２セパレータの間の冷却媒体流路を通過する過程で蒸発した冷却媒体の排出口を、カソードガス入口マニホールド流路と流体力学的に接続することは望ましく、冷却媒体流路内の冷却媒体の蒸発を促進することができる。
【００１６】
また、上記の燃料電池スタックシステムにおいて、カソードガス入口マニホールド流路内を負圧にすることも望ましく、第１セパレータと第２セパレータ間の冷却媒体流路に流入した冷却媒体の蒸発を促進させることができる。
【００１７】
また、上記の燃料電池スタックシステムにおいて、第１セパレータのカソードガス入口マニホールドに外気を吸引することも望ましく、第１セパレータと第２セパレータ間の冷却媒体流路に流入した冷却媒体の蒸発を促進させることができる。
【００１８】
上記の燃料電池スタックシステムにおいて、第１セパレータに形成されたカソードガス流路と第２セパレータに成されたアノードガス流路および第１セパレータと第２セパレータの間に形成された冷却媒体流路のうち少なくとも１つを多孔質にすることも望ましい。
【００１９】
上記の燃料電池スタックシステムにおいて、冷却媒体入口マニホールド流路内に入る冷却媒体に気体を吹き込み、気体交じり冷却媒体が生成されるようにすることも望ましい。
【００２０】
上記の燃料電池スタックシステムにおいて、第１セパレータと第２セパレータの間に形成された冷却媒体流路を、孔径の大きい多孔質体と孔径の小さい疎水性の多孔質体を組み合わせたものとすることも望ましく、冷却媒体流路内の冷却媒体の蒸発を促進させることができる。
【発明の効果】
【００２１】
顕熱冷却と潜熱冷却を統合して、セパレータ内を潜熱冷却、スタック内を顕熱冷却できるようにしたことで、高出力密度化と冷却性能の向上が図れる。また、冷却媒体マニホールド面積を小さくできるのでコンパクト化も図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の燃料電池スタックシステムの実施例を、図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００２３】
図１と図２はいずれも隣接する膜電極接合体の間に配置されるセパレータを示している。
【００２４】
まず、図１の第１セパレ−タ１−ａの構成について説明する。図１（ａ）は冷却媒体流路２側であり、図１（ｂ）はカソードガス流路３側である。冷却媒体流路２側の左右いずれか一方、図１（ａ）では左に３つのマニホールドがある。これらのマニホールドの１つは、排カソードガスを排出するためのカソードガス出口マニホールド５である。残りの２つは、冷却媒体を第１セパレータ１−ａ上の冷却媒体流路２に供給するための冷却媒体入口マニホールド６と、アノードガスを第２セパレータ１−ｂ上のアノードガス流路１３に供給することにより、ガス拡散層（以下、ＧＤＬという）を介してＭＥＡに供給し、発電するためのアノードガス入口マニホールド７である。
【００２５】
図１（ａ）の右には、２つのマニホールドがあり、それぞれアノードガス流路１３から排ガスを送り出すアノードガス出口マニホールド８、外気１９を外部から取り込むと同時に冷却媒体流路２から水蒸気を取り込み、カソードガス流路３に供給するためのカソードガス入口マニホールド９で構成されている。
【００２６】
第１セパレータ１−ａの冷却媒体側はシール１０−ａにより４つの部分に区分されている。この面の主な働きである冷却媒体の流れ場は、冷却媒体の供給口である冷却媒体入口マニホールド６、多孔質から構成され、下流に向かって流れながら冷却媒体が蒸発する冷却媒体流路２、及び負圧になるように設定されて冷却媒体及び外気１９を吸引するカソードガス入口マニホールド９よりなる部分で、残りの部分は、それぞれシール１０−ａにより独立したマニホールドとして仕切られている。
【００２７】
図１（ｂ）は、第１セパレータ１−ａのカソードガス流路側であり、マニホールドの構成は、裏面から見ているだけなので同じである。これもシール１０−ｂによって４つに分かれている。この面の主な働きであるカソードガスの流れ場は、カソードガスが外部に排出されるためのカソードガス出口マニホールド５、カソードガスが流れる間にＭＥＡに供給するためのカソードガス流路３、及びカソードガスと水蒸気が供給されるカソードガス入口マニホールド９により構成される。残りの部分は、シール１０−ｂにより、それぞれ独立したマニホールドとして仕切られている。
【００２８】
図１（ａ）で示すように、冷却媒体入口マニホールド６内の冷却媒体は、カソードガスの作り出す負圧に引かれて冷却媒体流路２を流れる。この際、ＭＥＡが作り出す熱を受けるとともに、カソードガス入口マニホールド９内の負圧を受けて蒸発しながら、カソードガス入口マニホールド９に向かって流れる。
【００２９】
このとき、カソードガス入口マニホールド９は外部から空気を吸引するので、水蒸気と空気が混合した空気が、図１（ｂ）に示すように、カソードガス出口マニホールド５に接続している空気ポンプによる負圧で引かれて、水蒸気を含んだ加湿された空気としてカソードガス入口マニホールド９からカソードガス流路３を流れて、カソードガス出口マニホールド５に向かう。図示していないが、この面に接するＧＤＬを介してＭＥＡにカソードガスを供給して発電に寄与する。
【００３０】
以上、一面が冷却媒体流路２、もう一面がカソードガス流路３を形成する第１セパレータ１−ａについて説明した。
【００３１】
図２に、一面が冷却媒体流路２、もう一面がアノードガス流路１１を形成する第２セパレータ１−ｂを示す。
【００３２】
図２（ａ）は、冷却媒体流路２側である。この面は、図１（ａ）の冷却媒体流路側と向かい合っており、図１のシール１０−ａ及び冷却媒体流路２を共有するので、図２（ａ）にはシールも流路構成部品もなく、対応する空間が開いている。
【００３３】
図２（ｂ）は、アノードガス流路１３側を示す。図２（ｂ）のアノードガス流路側のマニホールドの構成は、図１（ｂ）と基本的に同じであり、この面の主な働きは、アノードガスの流れ場を提供することである。そのため、アノードガスを第２セパレータ１−ｂに分配して供給するためのアノードガス入口マニホールド７、アノードガスが流れながら消費されて発電するためのアノードガス流路１３及び排アノードガスが集合するためのアノードガス出口マニホールド８から構成される。その残りのマニホールドはシール１０−ｃにより仕切られ、それぞれ独立している。
【００３４】
この中で、アノードガスは、アノードガス入口マニホールド７からアノードガス流路１３に入り、ＧＤＬを介してＭＥＡにアノードガスを送り、発電に寄与しながらアノードガス出口マニホールド８からアノードガス出口マニホールド流路に集合し排出される。
【００３５】
図３は、図１、図２のＡ−Ａ断面で運転中のスタックを見たもので、スタックは、冷却媒体とカソードガス及びアノードガスが直接接触するのを防ぐ第１セパレータ１−ａ、第２セパレータ１−ｂ、電極と電解質膜により構成された膜電極接合体で、発電に寄与する電気化学反応を行うＭＥＡ１７、導電性を保ちつつ電解質に必要な湿分を保持し反応ガスを透過させるＧＤＬ１８、ＭＥＡ１７を保護するとともに組立性を向上させるＭＥＡ補強板２４及びシール１０−ａ、１０−ｂ、１０−ｃにより構成される。
【００３６】
発電部分に注目すると、スタックの上部から順に、多孔質で構成されるアノードガス流路１３、第２セパレータ１−ｂ、冷却媒体流路２、第１セパレータ１−ａ、カソードガス流路３、ＧＤＬ１８、ＭＥＡ１７、ＧＤＬ１８、アノードガス流路１３という具合に、この順番で繰り返し積層されている。
【００３７】
発電以外の部分で左の部分を見ると、第２セパレータ１−ｂ、第１セパレータ１−ａ、ＭＥＡ補強板２４、第２セパレータ１−ｂ、第１セパレータ１−ａという具合に、この順番で繰り返し積層されている。また、第２セパレータ１−ｂと第１セパレータ１−ａ及びＭＥＡ補強板２４に同じ面形状で開けられた冷却媒体入口マニホールド６とシール１０−ａ、１０−ｂ、１０−ｃにより、スタック積層時に、冷却媒体入口マニホールド流路１４が形成される。
【００３８】
冷却媒体入口マニホールド流路１４では、積層された金属製の第１及び第２セパレータが伝熱流路のフィンを構成している。このため、非常に伝熱効率が高いので、これを利用して、この冷却媒体入口マニホールド流路１４と、冷却ポンプ１５、放熱器１６で図示のように循環冷却系を組むと、伝熱効率の高い顕熱冷却系が構成できる。
【００３９】
また、発電部以外の右の部分を見ると、第２セパレータ１−ｂ、第１セパレータ１−ａ及びＭＥＡ補強板２４に、同じ面形状で開けられたカソードガス入口マニホールド９とシール１０−ａ、１０−ｂ、１０−ｃにより、スタック積層時に、カソードガス入口マニホールド流路２２が形成される。
【００４０】
このカソードガス入口マニホールド流路２２では、あとで述べる空気ポンプ１１の作用で負圧になっており、外部から空気そして冷却媒体流路２で発生した水蒸気を吸引し、この水蒸気混合空気、すなわち、カソードガスとして好適な加湿空気が発生する。なお、この際、一部の冷却媒体が、カソードガス入口マニホールド流路２２の負圧に吸引されて、多孔質で構成された冷却媒体流路２に送り込まれて、ＭＥＡ１７の発熱を受けて多孔質の作用を受けて蒸発しながらカソードガス入口マニホールド流路２２に吸引される。
【００４１】
図４は、図１、図２のＢ−Ｂ断面で運転中のスタックを見たもので、スタックの発電部分の構成は図３と同じである。発電以外の部分で左の部分を見ると、第１セパレータ１−ａ、第２セパレータ１−ｂ及びＭＥＡ補強板２４に同じ面形状で開けられたカソードガス出口マニホールド５とシール１０−ａ，１０−ｂ、１０−ｃにより、スタック積層時に、カソードガス出口マニホールド流路２１が形成される。
【００４２】
このカソードガス出口マニホールド流路２１には、加湿と潜熱冷却の動力源となる空気ポンプ１１、排カソードガス中の水分を分離して再利用するための気水分離器２０で、図示のようにカソードガス排気系を組んでいる。ここの必要な負圧については後述する。
【００４３】
発電部以外の右の部分を見ると、図３と共用部分であるため、全く同じである。すなわち、第１セパレータ１−ａ、第セパレータ１−ｂ及びＭＥＡ補強板２４に同じ面形状で開けられたカソードガス入口マニホールド９とシール１０−ａ、１０−ｂ、１０−ｃにより、スタック積層時に、カソードガス入口マニホールド流路２２が形成される。
【００４４】
カソードガス入口マニホールド流路２２では、空気ポンプ１１の作用で負圧になっており、外部から空気そして冷却媒体流路２で発生した水蒸気を吸引し、この水蒸気混合空気、すなわち、カソードガスとして好適な加湿空気を発生させる。この加湿空気は、多孔質で構成されたカソードガス流路３に送り込まれ、ＭＥＡ１７及びＧＤＬ１８を介して発電に寄与して酸素が消費されながら、カソードガス出口マニホールド２１に達し、各セパレータからの排カソードガスがカソードガス出口マニホールド２１にて合流しながら、空気ポンプ１１に吸引されて、最終的に気水分離器２０で水分を分離した後、排出される。
【００４５】
図５は、図１、図２のＣ−Ｃ断面で運転中のスタックを見たもので、スタックの発電部分の構成は同じである。発電部分では、アノードガス入口マニホールド流路２３から流れ込んだアノードガスが、アノードガス流路を流れる際、ＧＤＬ１８を介してＭＥＡ１７により消費されて電力と熱を発生させながら、アノードガス出口マニホールド流路２５に集合する。
【００４６】
発電以外の部分で左の部分を見ると、第１セパレータ１−ａ、第２セパレータ１−ｂ及びＭＥＡ補強板２４に、同じ面形状で開けられたアノードガス入口マニホールド７とシール１０−ａ、１０−ｂ、１０−ｃにより、スタック積層時に、アノードガス入口マニホールド流路２３が形成される。このアノードガス入口マニホールド流路２３には、加圧されたアノードガスガスが流れ込み、分配されてアノードガスガス流路１３に流れ込む。
【００４７】
発電部以外の右の部分を見ると、第１セパレータ１−ａ、第２セパレータ１−ｂ及びＭＥＡ補強板２４に、同じ面形状で開けられたアノードガス出口マニホールド８とシール１０−ａ，１０−ｂ、１０−ｃにより、スタック積層時に、アノードガス出口マニホールド流路２５が形成される。
【００４８】
このアノードガス出口マニホールド流路２５には、アノードガス流路１３を通過する際に、ＭＥＡ１７の電気化学反応による発電によって消費されたアノードガスが流れ込み、集合されてアノードガス出口マニホールド流路２５に流れ込む。
【００４９】
このようにしてアノードガス系統は、アノードガスを各ＭＥＡに分配し、また、排アノードガスを集合することで、発電燃料を等分配する役目を担っている。このアノードガス流路１３も多孔質で構成して、冷却媒体の潜熱冷却及び顕熱冷却の効果を、金属セパレータを通じて獲得する構成となっている。
【００５０】
図６は、潜熱冷却に係わる冷却媒体が通過する部分の圧力状態の模式図であり、絶対圧基準で記述してある。潜熱冷却に係わる冷却媒体は、冷却媒体入口マニホールド流路１４から、冷却媒体流路２、カソードガス出口マニホールド流路２２、カソードガス流路３、カソードガス出口マニホールド流路２１を経て、図示していないが空気ポンプ１１に吸引される。空気ポンプ１１に最も近いカソードガス出口マニホールド５が最も低圧で、潜熱のみで冷却しようとすると、−７０ｋＰａＧ、少なくとも−５０ｋＰａＧの負圧にする必要がある。
【００５１】
この理由は、図７に示すように、温度と水の蒸気圧の関係による。大気圧下の場合、飽和蒸気圧が大気圧、すなわち、約１００ｋＰａにならないと、水の１００％の蒸発である沸騰が発生しない。このため、スタックの温度を８１℃に保とうとすると、周りの圧力を絶対圧で５０ｋＰａ、大気圧基準で−５０ｋＰａ、７０℃に保とうとすると、絶対圧で３３ｋＰａ、大気圧基準で−６７ｋＰａ必要となる。
【００５２】
しかし、本実施例のシステムでは、顕熱冷却も併用しているので、少なくとも−１０ｋＰａＧ、望ましくは−３０ｋＰａＧで十分である。
【００５３】
図８は、本実施例を、スタックを含むシステムとしたときの構成図である。構成は、次のとおりである。すなわち、アノードガスを供給するアノードガス供給口１１２、カソードガスを供給するために吸引するカソードガス供給口１１１、冷却媒体を冷却する放熱器１６、冷却媒体を供給する冷却ポンプ１５、冷却媒体を供給する冷却媒体供給口１１０、両端にある絶縁板１０９、電力を外部に取り出すための集電板１１３、本発明の２枚のセパレータを冷却媒体流路２側を背中合わせにしたもの、電解質膜１０２を電極１０３とＧＤＬ１８でサンドイッチ状に挟んだ発電部分１０５を交互に積層したスタック１００、アノードガスを排出するアノードガス排出口１０４、カソードガスを排出するカソードガス排出口１０８、カソードガスを吸引する空気ポンプ１１、空気ポンプ１１から出た排カソードガス中から水分を分離する気水分離器２０、循環冷却媒体を放熱器１６に向け循環させるために排出する循環冷却媒体排出口１０１を有する。
【００５４】
発電部分１０５には、アノードガス流路１３とカソードガス流路３が接して、発電部分１０５に水素と酸素を供給する。同時に、カソードガス流路３とアノードガス流路１３の裏側に形成された冷却媒体流路２で発電部分１０５での発熱を吸収する。
【００５５】
この実施例の効果は、顕熱冷却と潜熱冷却の併用により、潜熱冷却に係わる水の微量制御の影響による温度変動の影響を緩和し、顕熱冷却によりＭＥＡを保護するとともに顕熱単独に比べて冷却媒体量が低減できることである。これにより、冷却媒体マニホールド面積を小さくできるので安全にコンパクト化、高出力密度化及びこれにより低コスト化が図れる。
【実施例２】
【００５６】
本実施例では、実施例１の顕熱冷却部分がセパレータの左側のみであったのを、右側にも追加したものである。このために、図９に示すように、冷却媒体第２マニホールド２６を設けて、その分、カソードガス出口マニホールド９の面積を減らした。図９（ａ）は冷却媒体側であり、図９（ｂ）はカソードガス側である。
【００５７】
図１０は、図９（ａ）のＡ−Ａ断面に沿ったスタック断面を示したもので、発電部分には実施例１との違いはなく、右の部分に図示するように、冷却媒体流路２とは直接に連結していない冷却媒体第２マニホールド２６及び冷却媒体第２マニホールド流路２７が増設されている。この増設された部分に、冷却媒体入口マニホールド流路１４との並行流が冷却ポンプ１５より供給されて循環するようになり、少なくとも実施例１の２倍の顕熱除熱効果と温度分布平均化効果がある。
【００５８】
図１１は、図９（ｂ）のＢ−Ｂ断面に沿ったスタック断面を示したものであり、実施例１と同じであり、カソードガス入口マニホールド流路２２の流路面積が減少した以外は変化がない。
【００５９】
図１２は、実施例２をシステム化したときの図で、冷却媒体供給口１１０と循環冷却媒体排出口１０１が二つとなった点が実施例１と異なる。図１２では、二つの冷却媒体供口を符号１１０−ａ，１１０−ｂで示し、二つの循環冷却媒体排出口を符号１０１−ａ、１０１−ｂで示している。
【００６０】
このため、実施例２によれば、顕熱冷却と潜熱冷却の併用により潜熱冷却が多孔質の劣化等により除熱作用が劣化しても顕熱冷却によりＭＥＡを保護するとともに顕熱単独に比べて冷却媒体量が低減できるので、冷却媒体マニホールド面積を小さくできる、安全にコンパクト化、高出力密度化及びこれにより低コスト化が図れる。また、顕熱冷却が強化されたことと、両側から顕熱冷却することから、温度分布の均一化が図られて出力向上が図れ、更なる高出力密度化が図れる。
【実施例３】
【００６１】
図１３は、実施例１の変形例で、図１、図２のＡ−Ａ断面で運転中のスタックを見たものである。冷却媒体入口マニホールド流路１４内で供給する冷却媒体中に空気ブロア２８で気泡を混入させて、冷却媒体流路２中で多孔質及び気体の作用により冷却媒体の体積当たりの表面積を増やして、冷却媒体流路２、すなわち、発電部での均一蒸発の促進を図ったものである。
【００６２】
これにより潜熱蒸発の促進による冷却媒体の低減、発電性能向上による高出力密度化が図れる。
【実施例４】
【００６３】
図１４（ａ）（ｂ）に示すスタック断面は、実施例１の変形例で、図１、図２のＡ−Ａ断面で運転中のスタックを見たものである。冷却媒体流路２の部分は、図１４（ｂ）のＡ部拡大図に示すように、上が気孔径の大きい多孔質層３０、下が気孔径の小さい疎水性多孔層２９の２層構造になっている。多孔質層３０の孔径は１００μｍ程度がよく、疎水性多孔質層２９の孔径は２０μｍ程度がよい。これにより、カソード入口マニホールドの空気が下の層を通って冷却媒体流路２に入り込み、負圧に引かれて、上の冷却媒体と空気とが攪拌混合しながら冷却媒体が蒸発して潜熱冷却を促進するように図ったものである。
【００６４】
これにより、補機を増加させずに潜熱冷却を促進できるので、スタックとしてばかりでなく、システムとしても高出力密度化が図れるという効果がある。
【００６５】
なお、本発明は、燃料電池以外にも電力と熱が電気化学反応により発生する発電要素で、高出力化を図らなければならないものにも利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】実施例１の第１セパレータの構成を示した平面図である。
【図２】実施例１の第２スタックの構成を示した平面図である。
【図３】図１、図２のＡ−Ａ断面から見たスタックの構成図である。
【図４】図１、図２のＢ−Ｂ断面から見たスタックの構成図である。
【図５】図１、図２のＣ−Ｃ断面から見たスタックの構成図である。
【図６】スタック内の関連部分の圧力関係を示した説明図である。
【図７】水の温度−飽和蒸気圧を示した説明図である。
【図８】実施例１の燃料電池スタックシステムの構成図である。
【図９】実施例２の第１セパレータの構成を示した説明図である。
【図１０】図９のＡ−Ａ断面から見たスタックの構成図である。
【図１１】図９のＢ−Ｂ断面から見たスタックの構成図である。
【図１２】実施例２の燃料電池スタックシステムの構成図である。
【図１３】実施例３のスタックの構成図である。
【図１４】実施例４のスタックの構成図である。
【符号の説明】
【００６７】
１−ａ…第１セパレータ、１−ｂ…第２セパレータ、２…冷却媒体流路、３…カソードガス流路、５…カソードガス出口マニホールド、６…冷却媒体入口マニホールド、７…アノードガス入口マニホールド、８…アノードガス出口マニホールド、９…カソードガス入口マニホールド、１０−ａ…シール、１０−ｂ…シール、１０−ｃ…シール、１１…空気ポンプ、１３…アノードガス流路、１４…冷却媒体入口マニホ−ルド流路、１５…冷却ポンプ、１６…放熱器、１７…ＭＥＡ、１８…ＧＤＬ、１９…外気、２０…気水分離器、２１…カソードガス出口マニホールド流路、２２…カソードガス入口マニホールド流路、２３…アノードガス入口マニホールド流路、２４…ＭＥＡ補強板、２５…アノードガス出口マニホールド流路、２６…冷却媒体第２マニホ−ルド、２７…冷却媒体第２マニホ−ルド流路、２８…空気ブロア、２９…疎水性多孔質層、３０…多孔質層、１００…スタック、１０１…循環冷却媒体排出口、１０２…電解質膜、１０３…電極、１０４…アノードガス排出口、１０５…発電部分、１０８…カソードガス排出口、１０９…絶縁板、１１０…冷却媒体供給口、１１１…カソードガス供給口、１１２…アノードガス供給口、１１３…集電板。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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