(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質を挟持した一対の電極とセパレータとを有する単位燃料電池を複数積層した燃料電池であって、外部より前記複数の単位燃料電池の積層方向へ冷媒を供給する供給路と、該供給路に接続し前記単位燃料電池間に前記冷媒を通し冷媒と単位燃料電池との熱交換を行う冷媒流路と、該冷媒流路に接続し外部へ前記冷媒を流出させる排出路と、該排出路から分岐して前記冷媒流路から前記排出路に流入する冷媒の一部を分流し前記積層された単位燃料電池の積層方向の少なくとも一端部に配置された少なくとも１つの単位燃料電池と熱交換する第２の冷媒流路と、を備え、前記供給路に接続される前記冷媒流路のうち、前記単位燃料電池の積層方向の、外部より冷媒が供給される前記供給路の入口に近い冷媒流路ほど、前記冷媒流路に接続される前記排出路の外部への出口に近いように配置した燃料電池。
【請求項２】
前記第２の冷媒流路の、前記積層された単位燃料電池の積層方向の少なくとも一端部に配置された少なくとも１つの単位燃料電池と熱交換する流路部分は、単位燃料電池積層方向の少なくとも一端部に位置する燃料電池と接触する燃料電池以外の板に形成された溝を含む請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
積層された単位燃料電池の積層方向の一端部に配置された少なくとも１つの単位燃料電池には、発電する機能をもたせずに、冷媒による温度調整機能だけをもたせた請求項１記載の燃料電池。
【請求項４】
前記第２の冷媒流路は、前記排出路の単位燃料電池積層方向一端部から分岐し、前記排出路の単位燃料電池積層方向他端部に接続している請求項１記載の燃料電池。
【請求項５】
前記第２の冷媒流路が、積層された単位燃料電池の積層方向の一端部に配置された少なくとも１つの単位燃料電池と熱交換する第１の流路部分と、積層された単位燃料電池の積層方向の他端部に配置された少なくとも１つの単位燃料電池と熱交換する第２の流路部分と、前記第１の流路部分と前記第２の流路部分を連通する第３の流路部分を含んでおり、前記第３の流路部分は、前記排出路とは別の通路でかつ前記積層された複数の単位燃料電池の中に形成された通路である請求項４記載の燃料電池。
【請求項６】
前記第２の冷媒流路が、積層された単位燃料電池の積層方向の一端部に配置された少なくとも１つの単位燃料電池と熱交換する第１の流路部分と、積層された単位燃料電池の積層方向の他端部に配置された少なくとも１つの単位燃料電池と熱交換する第２の流路部分と、前記第１の流路部分と前記第２の流路部分を連通する第３の流路部分を含んでおり、前記第３の流路部分は、前記排出路とは別の通路でかつ前記積層された複数の単位燃料電池の外に管路として形成された通路である請求項４記載の燃料電池。
【請求項７】
単位燃料電池を複数積層した燃料電池スタックを、複数、直列に、単位燃料電池積層方向に接触させて配置し、各スタックの供給路への冷媒の入口および各スタックの排出路からの冷媒の出口を、複数のスタックに対して共通化した請求項１または請求項４記載の燃料電池。
【請求項８】
単位燃料電池を複数積層した燃料電池スタックを、複数、直列に、単位燃料電池積層方向に接触させて配置し、各スタックの、スタック間側の端部燃料電池には第２の冷媒流路を通さないようにした請求項１記載の燃料電池。
【請求項９】
前記第２の冷媒流路は、前記排出路の、単位燃料電池積層方向一端部にある少なくとも１つの単位燃料電池とそれに隣接する単位燃料電池との間の冷媒流路の出口より、単位燃料電池積層方向中央部側に隔たった部位から分岐している請求項１記載の燃料電池。
【請求項１０】
電解質を挟持した一対の電極とセパレータとを有する単位燃料電池を複数積層した燃料電池であって、外部より前記複数の単位燃料電池の積層方向へ冷媒を供給する供給路と、該供給路に接続し前記単位燃料電池間に前記冷媒を通し冷媒と単位燃料電池との熱交換を行う冷媒流路と、該冷媒流路に接続し外部へ前記冷媒を流出させる排出路と、該排出路から分岐して前記冷媒流路から前記排出路に流入する冷媒の一部を分流し前記積層された単位燃料電池の積層方向の少なくとも一端部に配置された少なくとも１つの単位燃料電池と熱交換する第２の冷媒流路と、を備え、前記第２の冷媒流路の、前記積層された単位燃料電池の積層方向の少なくとも一端部に配置された少なくとも１つの単位燃料電池と熱交換する流路部分は、単位燃料電池積層方向の少なくとも一端部に位置する燃料電池と接触する燃料電池以外の板に形成された溝を含む燃料電池。
【請求項１１】
電解質を挟持した一対の電極とセパレータとを有する単位燃料電池を複数積層した燃料電池であって、外部より前記複数の単位燃料電池の積層方向へ冷媒を供給する供給路と、該供給路に接続し前記単位燃料電池間に前記冷媒を通し冷媒と単位燃料電池との熱交換を行う冷媒流路と、該冷媒流路に接続し外部へ前記冷媒を流出させる排出路と、該排出路から分岐して前記冷媒流路から前記排出路に流入する冷媒の一部を分流し前記積層された単位燃料電池の積層方向の少なくとも一端部に配置された少なくとも１つの単位燃料電池と熱交換する第２の冷媒流路と、を備え、積層された単位燃料電池の積層方向の一端部に配置された少なくとも１つの単位燃料電池には、発電する機能をもたせずに、冷媒による温度調整機能だけをもたせた燃料電池。
【請求項１２】
電解質を挟持した一対の電極とセパレータとを有する単位燃料電池を複数積層した燃料電池であって、外部より前記複数の単位燃料電池の積層方向へ冷媒を供給する供給路と、該供給路に接続し前記単位燃料電池間に前記冷媒を通し冷媒と単位燃料電池との熱交換を行う冷媒流路と、該冷媒流路に接続し外部へ前記冷媒を流出させる排出路と、該排出路から分岐して前記冷媒流路から前記排出路に流入する冷媒の一部を分流し前記積層された単位燃料電池の積層方向の少なくとも一端部に配置された少なくとも１つの単位燃料電池と熱交換する第２の冷媒流路と、を備え、前記第２の冷媒流路は、前記排出路の単位燃料電池積層方向一端部から分岐し、前記排出路の単位燃料電池積層方向他端部に接続している燃料電池。
【請求項１３】
電解質を挟持した一対の電極とセパレータとを有する単位燃料電池を複数積層した燃料電池であって、外部より前記複数の単位燃料電池の積層方向へ冷媒を供給する供給路と、該供給路に接続し前記単位燃料電池間に前記冷媒を通し冷媒と単位燃料電池との熱交換を行う冷媒流路と、該冷媒流路に接続し外部へ前記冷媒を流出させる排出路と、該排出路から分岐して前記冷媒流路から前記排出路に流入する冷媒の一部を分流し前記積層された単位燃料電池の積層方向の少なくとも一端部に配置された少なくとも１つの単位燃料電池と熱交換する第２の冷媒流路と、を備え、単位燃料電池を複数積層した燃料電池スタックを、複数、直列に、単位燃料電池積層方向に接触させて配置し、各スタックの供給路への冷媒の入口および各スタックの排出路からの冷媒の出口を、複数のスタックに対して共通化した燃料電池。
【請求項１４】
電解質を挟持した一対の電極とセパレータとを有する単位燃料電池を複数積層した燃料電池であって、外部より前記複数の単位燃料電池の積層方向へ冷媒を供給する供給路と、該供給路に接続し前記単位燃料電池間に前記冷媒を通し冷媒と単位燃料電池との熱交換を行う冷媒流路と、該冷媒流路に接続し外部へ前記冷媒を流出させる排出路と、該排出路から分岐して前記冷媒流路から前記排出路に流入する冷媒の一部を分流し前記積層された単位燃料電池の積層方向の少なくとも一端部に配置された少なくとも１つの単位燃料電池と熱交換する第２の冷媒流路と、を備え、単位燃料電池を複数積層した燃料電池スタックを、複数、直列に、単位燃料電池積層方向に接触させて配置し、各スタックの、スタック間側の端部燃料電池には第２の冷媒流路を通さないようにした燃料電池。
【請求項１５】
電解質を挟持した一対の電極とセパレータとを有する単位燃料電池を複数積層した燃料電池であって、外部より前記複数の単位燃料電池の積層方向へ冷媒を供給する供給路と、該供給路に接続し前記単位燃料電池間に前記冷媒を通し冷媒と単位燃料電池との熱交換を行う冷媒流路と、該冷媒流路に接続し外部へ前記冷媒を流出させる排出路と、該排出路から分岐して前記冷媒流路から前記排出路に流入する冷媒の一部を分流し前記積層された単位燃料電池の積層方向の少なくとも一端部に配置された少なくとも１つの単位燃料電池と熱交換する第２の冷媒流路と、を備え、前記第２の冷媒流路は、前記排出路の、単位燃料電池積層方向一端部にある少なくとも１つの単位燃料電池とそれに隣接する単位燃料電池との間の冷媒流路の出口より、単位燃料電池積層方向中央部側に隔たった部位から分岐している燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関し、とくに単位燃料電池を積層した積層型燃料電池の冷却構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の積層型燃料電池の冷却法は、図２の冷却水通路模式図に示すように、積層された各セル（単位燃料電池）間の冷媒流路２６に冷媒（通常は、冷却水）を通すことにより、各セル１９の温度を制御する。セル積層方向端部のセル１９Ａの両面にも冷却水を流すが、端部セル１９Ａに隣接する片側部分（ターミナル）は発熱せず、端部セルの熱は該セルを押さえて電流を取り出すターミナルを介して外に奪われてしまうため、端部セル１９Ａはセル積層方向中央部のセルに比較して温度が低くなってしまう。
従来の積層型燃料電池スタック内の、セル積層方向位置によってセル内を流れる冷却水の温度の変化を、図１１の破線で示す。
従来は、端部セル１９Ａの温度が他のセルの温度より低いために、発電が活発でなくなるという問題があった。
さらに、燃料電池内の水分量が多い場合には、温度が低い端部セル１９Ａ内において飽和蒸気圧が低くなるため、結露水が増大することにより液体の水分が充満し、セル内に燃料ガスが十分いきわたらなくなり、発電が阻害され、ひいてはそのセルの電圧低下を招くという問題があった。
【０００３】
特開２００１−６８１４１号公報は、端部のセルの温度を中央部のセルの温度と均一化するために、いったん各セルを冷却した水の全量を端部のセルに流す方法を提案している。しかし、この方法は冷却水の「全量」を端部セルに流すため、その圧力損失が多く、冷却水循環ポンプの動力損失が多いという問題があった。
また、特開２００１−６８１４１号公報の冷却水通路構造は、冷却水の燃料電池スタックへの供給口とスタックの各セルから集積した冷却水の出口とは、スタックのセル積層方向の互いに反対側の端部に設けられており、その後端部セルに循環するために、各セルへの冷却水の流量の分配が均一になりにくいという問題もあった。
【特許文献１】特開２００１−６８１４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする問題点は、いったん各セルを冷却した水の全量を端部のセルに流す従来構造では、圧力損失が多く、冷却水循環ポンプの動力損失が多いという問題である。
本発明が解決しようとするもう一つの問題点は、冷却水の供給口と出口とがスタックの互いに反対側に設けられている従来構造では、各セルへの冷却水の流量の分配が均一になりにくいという問題である。
【０００５】
本発明の目的は、いったん各セルを冷却した水を端部のセルに流しても圧力損失を小さくできる冷媒流路構造をもった燃料電池を提供することにある。
本発明のもう一つの目的は、冷却水の各セルへの分配を均一化できる冷媒流路構造をもった燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１）  電解質を挟持した一対の電極とセパレータとを有する単位燃料電池を複数積層した燃料電池であって、外部より前記複数の単位燃料電池の積層方向へ冷媒を供給する供給路と、該供給路に接続し前記単位燃料電池間に前記冷媒を通し冷媒と単位燃料電池との熱交換を行う冷媒流路と、該冷媒流路に接続し外部へ前記冷媒を流出させる排出路と、該排出路から分岐して前記冷媒流路から前記排出路に流入する冷媒の一部を分流し前記積層された単位燃料電池の積層方向の少なくとも一端部に配置された少なくとも１つの単位燃料電池と熱交換する第２の冷媒流路と、を備え、前記供給路に接続される前記冷媒流路のうち、前記単位燃料電池の積層方向の、外部より冷媒が供給される前記供給路の入口に近い冷媒流路ほど、前記冷媒流路に接続される前記排出路の外部への出口に近いように配置した燃料電池。
（２）  前記第２の冷媒流路の、前記積層された単位燃料電池の積層方向の少なくとも一端部に配置された少なくとも１つの単位燃料電池と熱交換する流路部分は、単位燃料電池積層方向の少なくとも一端部に位置する燃料電池と接触する燃料電池以外の板に形成された溝を含む（１）記載の燃料電池。
（３）  積層された単位燃料電池の積層方向の一端部に配置された少なくとも１つの単位燃料電池には、発電する機能をもたせずに、冷媒による温度調整機能だけをもたせた（１）記載の燃料電池。
（４）  前記第２の冷媒流路は、前記排出路の単位燃料電池積層方向一端部から分岐し、前記排出路の単位燃料電池積層方向他端部に接続している（１）記載の燃料電池。
（５）  前記第２の冷媒流路が、積層された単位燃料電池の積層方向の一端部に配置された少なくとも１つの単位燃料電池と熱交換する第１の流路部分と、積層された単位燃料電池の積層方向の他端部に配置された少なくとも１つの単位燃料電池と熱交換する第２の流路部分と、前記第１の流路部分と前記第２の流路部分を連通する第３の流路部分を含んでおり、前記第３の流路部分は、前記排出路とは別の通路でかつ前記積層された複数の単位燃料電池の中に形成された通路である（４）記載の燃料電池。
（６）  前記第２の冷媒流路が、積層された単位燃料電池の積層方向の一端部に配置された少なくとも１つの単位燃料電池と熱交換する第１の流路部分と、積層された単位燃料電池の積層方向の他端部に配置された少なくとも１つの単位燃料電池と熱交換する第２の流路部分と、前記第１の流路部分と前記第２の流路部分を連通する第３の流路部分を含んでおり、前記第３の流路部分は、前記排出路とは別の通路でかつ前記積層された複数の単位燃料電池の外に管路として形成された通路である（４）記載の燃料電池。
（７）  単位燃料電池を複数積層した燃料電池スタックを、複数、直列に、単位燃料電池積層方向に接触させて配置し、各スタックの供給路への冷媒の入口および各スタックの排出路からの冷媒の出口を、複数のスタックに対して共通化した（１）または（４）記載の燃料電池。
（８）  単位燃料電池を複数積層した燃料電池スタックを、複数、直列に、単位燃料電池積層方向に接触させて配置し、各スタックの、スタック間側の端部燃料電池には第２の冷媒流路を通さないようにした（１）記載の燃料電池。
（９）  前記第２の冷媒流路は、前記排出路の、単位燃料電池積層方向一端部にある少なくとも１つの単位燃料電池とそれに隣接する単位燃料電池との間の冷媒流路の出口より、単位燃料電池積層方向中央部側に隔たった部位から分岐している（１）記載の燃料電池。
（１０）  電解質を挟持した一対の電極とセパレータとを有する単位燃料電池を複数積層した燃料電池であって、外部より前記複数の単位燃料電池の積層方向へ冷媒を供給する供給路と、該供給路に接続し前記単位燃料電池間に前記冷媒を通し冷媒と単位燃料電池との熱交換を行う冷媒流路と、該冷媒流路に接続し外部へ前記冷媒を流出させる排出路と、該排出路から分岐して前記冷媒流路から前記排出路に流入する冷媒の一部を分流し前記積層された単位燃料電池の積層方向の少なくとも一端部に配置された少なくとも１つの単位燃料電池と熱交換する第２の冷媒流路と、を備え、前記第２の冷媒流路の、前記積層された単位燃料電池の積層方向の少なくとも一端部に配置された少なくとも１つの単位燃料電池と熱交換する流路部分は、単位燃料電池積層方向の少なくとも一端部に位置する燃料電池と接触する燃料電池以外の板に形成された溝を含む燃料電池。
（１１）  電解質を挟持した一対の電極とセパレータとを有する単位燃料電池を複数積層した燃料電池であって、外部より前記複数の単位燃料電池の積層方向へ冷媒を供給する供給路と、該供給路に接続し前記単位燃料電池間に前記冷媒を通し冷媒と単位燃料電池との熱交換を行う冷媒流路と、該冷媒流路に接続し外部へ前記冷媒を流出させる排出路と、該排出路から分岐して前記冷媒流路から前記排出路に流入する冷媒の一部を分流し前記積層された単位燃料電池の積層方向の少なくとも一端部に配置された少なくとも１つの単位燃料電池と熱交換する第２の冷媒流路と、を備え、積層された単位燃料電池の積層方向の一端部に配置された少なくとも１つの単位燃料電池には、発電する機能をもたせずに、冷媒による温度調整機能だけをもたせた燃料電池。
（１２）  電解質を挟持した一対の電極とセパレータとを有する単位燃料電池を複数積層した燃料電池であって、外部より前記複数の単位燃料電池の積層方向へ冷媒を供給する供給路と、該供給路に接続し前記単位燃料電池間に前記冷媒を通し冷媒と単位燃料電池との熱交換を行う冷媒流路と、該冷媒流路に接続し外部へ前記冷媒を流出させる排出路と、該排出路から分岐して前記冷媒流路から前記排出路に流入する冷媒の一部を分流し前記積層された単位燃料電池の積層方向の少なくとも一端部に配置された少なくとも１つの単位燃料電池と熱交換する第２の冷媒流路と、を備え、前記第２の冷媒流路は、前記排出路の単位燃料電池積層方向一端部から分岐し、前記排出路の単位燃料電池積層方向他端部に接続している燃料電池。
（１３）  電解質を挟持した一対の電極とセパレータとを有する単位燃料電池を複数積層した燃料電池であって、外部より前記複数の単位燃料電池の積層方向へ冷媒を供給する供給路と、該供給路に接続し前記単位燃料電池間に前記冷媒を通し冷媒と単位燃料電池との熱交換を行う冷媒流路と、該冷媒流路に接続し外部へ前記冷媒を流出させる排出路と、該排出路から分岐して前記冷媒流路から前記排出路に流入する冷媒の一部を分流し前記積層された単位燃料電池の積層方向の少なくとも一端部に配置された少なくとも１つの単位燃料電池と熱交換する第２の冷媒流路と、を備え、単位燃料電池を複数積層した燃料電池スタックを、複数、直列に、単位燃料電池積層方向に接触させて配置し、各スタックの供給路への冷媒の入口および各スタックの排出路からの冷媒の出口を、複数のスタックに対して共通化した燃料電池。
（１４）  電解質を挟持した一対の電極とセパレータとを有する単位燃料電池を複数積層した燃料電池であって、外部より前記複数の単位燃料電池の積層方向へ冷媒を供給する供給路と、該供給路に接続し前記単位燃料電池間に前記冷媒を通し冷媒と単位燃料電池との熱交換を行う冷媒流路と、該冷媒流路に接続し外部へ前記冷媒を流出させる排出路と、該排出路から分岐して前記冷媒流路から前記排出路に流入する冷媒の一部を分流し前記積層された単位燃料電池の積層方向の少なくとも一端部に配置された少なくとも１つの単位燃料電池と熱交換する第２の冷媒流路と、を備え、単位燃料電池を複数積層した燃料電池スタックを、複数、直列に、単位燃料電池積層方向に接触させて配置し、各スタックの、スタック間側の端部燃料電池には第２の冷媒流路を通さないようにした燃料電池。
（１５）  電解質を挟持した一対の電極とセパレータとを有する単位燃料電池を複数積層した燃料電池であって、外部より前記複数の単位燃料電池の積層方向へ冷媒を供給する供給路と、該供給路に接続し前記単位燃料電池間に前記冷媒を通し冷媒と単位燃料電池との熱交換を行う冷媒流路と、該冷媒流路に接続し外部へ前記冷媒を流出させる排出路と、該排出路から分岐して前記冷媒流路から前記排出路に流入する冷媒の一部を分流し前記積層された単位燃料電池の積層方向の少なくとも一端部に配置された少なくとも１つの単位燃料電池と熱交換する第２の冷媒流路と、を備え、前記第２の冷媒流路は、前記排出路の、単位燃料電池積層方向一端部にある少なくとも１つの単位燃料電池とそれに隣接する単位燃料電池との間の冷媒流路の出口より、単位燃料電池積層方向中央部側に隔たった部位から分岐している燃料電池。
【発明の効果】
【０００７】
上記（１）の燃料電池によれば、排出される冷媒の「一部」を利用して積層方向端部に配置される単位燃料電池をあたためることができるので、圧損を抑制でき、かつ、端部に配置される単位燃料電池の温度低下を防止することができる。
上記（１）の燃料電池によれば、冷媒が流れ難い供給路入口に近い冷媒流路ほど、排出路の出口に近いように配置されるので、供給路入口に近い冷媒流路の冷媒の流れを流れ易くすることができ、単位燃料電池の冷媒の流れを均一化することができる。
上記（２）と（１０）の燃料電池によれば、端部の単位燃料電池と熱交換する流路部分が、該単位燃料電池と接触する燃料電池以外の板に形成された溝を含むので、端部の単位燃料電池の流路構造を中央の単位燃料電池の流路構造と同じにすることができ、圧損低下のために特別に端部単位燃料電池の溝幅や溝深さを増大させる必要はない。
上記（３）と（１１）の燃料電池によれば、端部単位燃料電池を発電機能をもたされていないダミーとした場合は、温度が高くなっている冷媒を流した場合に、端部単位燃料電池での発熱が加わった時に、端部単位燃料電池の温度が逆に他の単位燃料電池の温度より上がるようなことが起こることを防止することができる。
上記（４）と（１２）の燃料電池によれば、冷媒流路が、排出路の単位燃料電池積層方向一端部から分岐し、排出路の単位燃料電池積層方向他端部に接続しているので、積層方向両端部にある単位燃料電池をあたためることができる。
上記（５）の燃料電池によれば、第３の流路部分が、積層された複数の単位燃料電池の中に形成された通路であるので、配管の取回しが複雑化しない。
上記（６）の燃料電池によれば、第３の流路部分が、積層された複数の単位燃料電池の外に管路として形成された通路であるので、中央単位燃料電池のセパレータに、副流路を設ける必要がなく、セパレータの設計変更を最少とすることができる。
上記（７）と（１３）の燃料電池によれば、燃料電池スタックを、複数、直列に配置し、冷媒の入口、出口をスタック間エンドプレートに設けたので、冷媒の入口、出口を共通化でき、冷却構造を単純化できる。
上記（８）と（１４）の燃料電池によれば、燃料電池スタックを、複数、直列に配置したので、スタック間側は熱の逃げ場がなくあたためなくてよく、スタック間に近い側の端部単位燃料電池に第２の冷媒通路を通すことを省略することができ、冷却構造を単純化できる。
上記（９）と（１５）の燃料電池によれば、第２の冷媒流路が、排出路の、単位燃料電池積層方向一端部にある少なくとも１つの単位燃料電池とそれに隣接する単位燃料電池との間の冷媒流路の出口より、単位燃料電池積層方向中央部側に隔たった部位から分岐しているので、排出路の、単位燃料電池積層方向一端部にある単位燃料電池とそれに隣接する単位燃料電池との間の冷媒流路の出口部位から分岐する場合よりも、温度の高い冷媒を第２の冷媒流路に分流させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に、本発明の燃料電池の制御方法を図１−図１３を参照して説明する。ただし、図２、図３は比較例であり、本発明には含まない。また、図１２、図１３は燃料電池の一般構造を示し、本発明にも適用可能である。
図１、図４−６は本発明の実施例１の燃料電池を示し、図７は本発明の実施例２の燃料電池を示し、図８は本発明の実施例３の燃料電池を示し、図９は本発明の実施例４の燃料電池を示し、図１０は本発明の実施例５の燃料電池を示す。図１１は本発明と比較例との燃料電池の温度分布を示す。
本発明の全実施例に共通する、または類似する部分には、本発明の全実施例にわたって同じ符号を付してある。
【０００９】
まず、本発明の全実施例に共通する、または類似する部分の構成と作用、効果を図１、図４−６、図１１、図１２、図１３を参照して説明する。
本発明で対象となる燃料電池１０は、単位燃料電池１９を積層した積層型燃料電池であり、たとえば積層型の固体高分子電解質型燃料電池である。該燃料電池１は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
【００１０】
燃料電池１０、たとえば積層型の固体高分子電解質型燃料電池は、図１２、図１３に示すように、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８とを有する単位燃料電池１９（「単電池」、「単セル」ともいう）を積層したものからなる。積層方向は任意である。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜（「電解質」ともいう）１１とこの電解質膜１１の一面に配置された触媒層１２からなる電極（アノード１４、燃料極）および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５からなる電極（カソード１７、空気極）とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層１３、１６が設けられる。セパレータ１８には、アノードに燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路２７が形成され、カソードに酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路２８が形成されている。また、セパレータ１８には冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６も形成されている。膜−電極アッセンブリとセパレータを重ねてセル１９を構成し、少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）、ボルト・ナット２５にて固定して、スタック２３を構成する。
【００１１】
各セルの、アノード側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水を生成するつぎの反応が行われる。
【００１２】
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- 
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
セルの発電反応およびジュール熱によりセル温度が上昇するので、燃料電池は冷媒流路２６を流れる冷媒により冷却される。温度が高すぎると膜１１が損傷し、温度が低すぎると発電が不活発となるので、適切な温度に冷却される必要がある。冷媒は燃料電池外から入側冷媒マニホールド（「供給路」ともいう）２９ａに供給され、入側冷媒マニホールド２９ａからセル間の冷媒流路２６に分配されて入り、セルと熱交換して温度上昇した冷媒は冷媒流路２６から出側冷媒マニホールド（「排出路」ともいう）２９ｂに流入して集合し、出側冷媒マニホールド２９ｂから燃料電池外に流出する。同様に、燃料ガスは入側燃料ガスマニホールド３０ａから燃料ガス流路２７を通って出側燃料ガスマニホールド３０ｂに流れ、酸化ガスは入側酸化ガスマニホールド３１ａから酸化ガス流路２８を通って出側酸化ガスマニホールド３１ｂに流れる。
【００１３】
従来の積層型燃料電池では、単位燃料電池積層方向端部にある単位燃料電池１９Ａの温度がそれより中央部側の単位燃料電池１９の温度より低くなる（図１１の破線）。
端部にある単位燃料電池１９Ａの温度を中央部側の単位燃料電池１９の温度に近づけ、単位燃料電池１９Ａを含む全単位燃料電池の温度が均一化される（図１１の実線）ように、本発明の燃料電池１０は、外部より複数の単位燃料電池の積層方向へ冷媒を供給する供給路２９ａと、該供給路２９ａに接続し単位燃料電池間に冷媒を通し冷媒と単位燃料電池との熱交換を行う冷媒流路２６と、該冷媒流路２６に接続し外部へ冷媒を流出させる排出路２９ｂとからなる第１の冷媒流路４０を備えているとともに、該排出路２９ｂから分岐（分岐部は排出路２９ｂの端部または端部から単位燃料電池積層方向に中央側に離れた部位）して冷媒流路２６から排出路２９ｂに流入する冷媒の一部を分流し積層された単位燃料電池の積層方向の少なくとも一端部（一端部だけでもよいし、両端部でもよい）に配置された少なくとも１つ（端部にある「複数」のセルでもよい）の単位燃料電池１９Ａと熱交換する第２の冷媒流路５０を備えている。
【００１４】
また、供給路２９ａに接続される冷媒流路２６のうち、単位燃料電池の積層方向の、外部より冷媒が供給される供給路２９ａの入口２９ａｉに近い冷媒流路２６ほど、冷媒流路２６に接続される排出路２９ｂの外部への出口２９ｂｏに近いように配置される。
外部から供給路２９ａへの冷媒入口と、排出路２９ｂから外部への冷媒出口とは、スタック２３の単位燃料電池積層方向同じ側に設けられる。
【００１５】
第２の冷媒流路５０を通って冷媒の一部が流れるように、第２の冷媒流路５０の排出路２９ｂからの分岐部と、該分岐部より冷媒流れ方向下流にある、排出路２９ｂを流れる冷媒（第２の冷媒流路５０を流れる冷媒以外の冷媒）との合流部との間の、第２の冷媒流路５０の圧力損失は、排出路２９ｂを流れる冷媒（第２の冷媒流路５０を流れる冷媒以外の冷媒）の、上記分岐部と上記合流部との間の圧力損失よりも小さくしてある。これは、図１の例では、図１において、副出口マニホールド５０の圧力の左下がりの実線の傾斜が、出口マニホールド２９ｂの圧力の左下がりの実線の傾斜より緩やかで、かつ、副出口マニホールド５０の冷媒入口では副出口マニホールド５０の圧力が出口マニホールド２９ｂの圧力より小で、副出口マニホールド５０の冷媒出口では副出口マニホールド５０の圧力が出口マニホールド２９ｂの圧力より大であることに、対応している。
【００１６】
また、端部単位燃料電池１９Ａを流れる冷媒は、中央部の単位燃料電池１９の冷媒流路２６を通過した後のある程度温度が高くなった冷媒であるため、単純にその冷媒を端部単位燃料電池１９Ａの熱交換部に通過させると、逆に端部単位燃料電池１９Ａの温度が中央部位単位燃料電池１９の温度より高くなってしまうおそれがあるため、端部単位燃料電池１９Ａの冷媒流量が他の単位燃料電池１９の１枚当たりの流量より多くなるように、通路断面積を他の単位燃料電池１９の冷媒流路２６の通路断面積より大としてある。これは、図４、図５の例では、図５の端部位単位燃料電池１９Ａの冷媒流路２６の溝幅が，図４の中央部位単位燃料電池１９の冷媒流路２６の溝幅より大としてあることに対応する。図５の端部位単位燃料電池１９Ａの冷媒流路２６の溝幅を大とすることに代えて、図５の端部位単位燃料電池１９Ａの冷媒流路２６の溝幅を他のセルの冷媒流路２６の溝幅と同じにし、かつ、端部位単位燃料電池１９Ａに接する燃料電池以外のプレート（たとえば、ターミナル）に冷媒流路を形成して、この冷媒流路と端部位単位燃料電池１９Ａの冷媒流路の和の通路断面積が他のセルの冷媒流路２６の通路断面積より大としてもよい。
【００１７】
また、積層された単位燃料電池の積層方向の一端部に配置された少なくとも１つの単位燃料電池１９Ａには、発電する機能をもたせずに、冷媒による温度調整機能だけをもたせてもよい。
【００１８】
本発明の全実施例に共通する、または類似する上記部分の燃料電池１０の作用、効果を説明する。
上記燃料電池１０では、冷媒流路２６から排出路２９ｂに排出される、冷媒流路２６における単位燃料電池との熱交換によってあたためられた冷媒を、第２の冷媒流路５０にまわして、積層方向端部に配置される単位燃料電池１９Ａをあたためるので、図１１に実線で示すように、端部に配置される単位燃料電池１９Ａの温度低下が防止される。このため、端部単位燃料電池１９Ａでターミナルなどに熱が伝達しても端部単位燃料電池１９Ａの温度が中央部の単位燃料電池１９より低くなりにくく、図１１の実線に示すように、端部単位燃料電池１９Ａの温度は中央部の単位燃料電池１９の冷媒流路２６の温度とほぼ同じに維持される。
この場合、冷媒流路２６から排出路２９ｂに排出される冷媒の「一部」のみを第２の冷媒流路５０にまわして、積層方向端部に配置される単位燃料電池１９Ａをあたためるので、冷媒流路２６から排出路２９ｂに排出される冷媒の全量を利用して端部に配置される単位燃料電池１９Ａをあたためる場合よりも、冷媒の流れの圧損を抑制でき、冷媒循環ポンプの動力損失を低減することができる。
【００１９】
また、冷媒が流れ難い供給路入口２９ａｉに近い冷媒流路２６ほど、排出路の外部への出口２９ｂｏに近いように配置されるので、供給路入口２９ａｉに近い冷媒流路２６の冷媒の流れを流れ易くすることができ、全単位燃料電池１９、１９Ａにわたって、冷媒流路２６を流れる冷媒の流量を均一化することができる。
冷媒の供給路入口２９ａｉと冷媒の排出路出口２９ｂｏがスタック２３の単位燃料電池積層方向同じ側にあるので、排出路（出側冷媒マニホールド）２９ｂ内圧力が、図１の左下がりの実線となり、冷媒流路２６の入口、出口の差圧が全単位燃料電池１９、１９Ａにわたって均一化し、冷媒流路２６を流れる冷媒の流量を均一化することができる。図１の左下がりの実線で示す本発明では、供給路入口２９ａｉに近い冷媒流路２６の出入り口間圧力差は大きく、供給路入口２９ａｉに近い冷媒流路２６には冷媒が流れやすい。これによって、燃料電池全体を適切な活性化温度に維持でき、電池性能を改善できるとともに、全単位燃料電池にわたって飽和蒸気圧を適切に保つことができフラッディングが生じにくいようにすることができる。
【００２０】
また、端部の単位燃料電池と熱交換する流路部分が、該単位燃料電池と接触する燃料電池以外の板に形成された溝を含む場合は、端部の単位燃料電池１９Ａの流路構造を中央の単位燃料電池１９の流路構造と同じにすることができ、圧損低下のために特別に端部単位燃料電池１９Ａの溝幅や溝深さを増大させる必要はない。これによって、セル構造を単純なものにすることができる。
また、端部単位燃料電池１９Ａを発電機能をもたされていないダミーとした場合は、端部単位燃料電池１９Ａの温度が逆に他のセルの温度より上昇することを防止することができる。
【００２１】
つぎに、本発明の各実施例に特有な部分の構成と作用、効果を説明する。
本発明の実施例１の燃料電池１０では、図１、図４−図６に示すように、第２の冷媒流路５０は、排出路２９ｂの単位燃料電池積層方向の一端部から分岐し、排出路２９ｂの単位燃料電池積層方向の他端部に接続している。
【００２２】
第２の冷媒流路５０が、積層された単位燃料電池の積層方向の一端部に配置された少なくとも１つの単位燃料電池１９Ａと熱交換する第１の流路部分５１と、積層された単位燃料電池の積層方向の他端部に配置された少なくとも１つの単位燃料電池と熱交換する第２の流路部分５２と、第１の流路部分５１と第２の流路部分５２を連通する第３の流路部分５３を含んでいる。
第３の流路部分５３は単位燃料電池集積体の中に形成される場合は、第３の流路部分５３は、排出路２６ｂとは別の通路で、かつ、各単位燃料電池１９、１９Ａを貫通して単位燃料電池積層方向に延びる副出口マニホールド５３からなる。
【００２３】
図４の単位燃料電池積層方向中央部の単位燃料電池１９では、副出口マニホールド５３は単に単位燃料電池１９を貫通しているだけで、単位燃料電池間の冷媒流路２６への冷媒の流出入はない。図５の単位燃料電池積層方向端部の単位燃料電池１９Ａでは、供給路２９ａはセル面の冷媒流路２６への冷媒の流出入はせず、副出口マニホールド５３に接続されている。なお、図５の単位燃料電池１９Ａの第１、第２の流路部分５１、５２（他のセルの冷媒流路２６に対応する流路部分）は、図４の中央部単位燃料電池１９の冷媒流路２６より、少ない通路抵抗になるようにしてある。たとえば、第１、第２の流路部分５１、５２の溝幅を中央部単位燃料電池１９の冷媒流路２６より大にする。
【００２４】
図６に示すように、奥側（供給路２９ａの入口から遠い側）の端部単位燃料電池１９の外側の通路５１については、冷媒は供給路２９ａからは入らず、排出路２９ｂから冷媒の一部のみが通路５１に流入して、通路５１から副出口マニホールド５３へと流れる。副出口マニホールド５３から供給路２９ａの入口側の端部単位燃料電池１９Ａの外側の通路５２に流入し、通路５２から、排出路２９ｂにおいて、他のセルからの冷媒と合流して、燃料電池１０の外部へ流出し、循環ポンプに戻る。
【００２５】
本発明の実施例１の燃料電池の作用、効果について説明する。
図１の下図は、冷媒の供給路２９ａ、排出路２９ｂの冷媒圧力変化を模式的に示したものである。
供給路２９ａと排出路２９ｂは、冷媒が流れるために圧力損失があるが、供給路２９ａでは、順次、各セル１９に冷却水が分流するため、奥に行くにしたがい圧力が僅かに上昇する。
ここで、排出路２９ｂの奥の冷媒を端部セル１９Ａに流そうとすると、排出路２９ｂの奥はすでに供給路２９ａより圧力が低下しているために、別の圧損の少ないバイパス流路を通さないと外部に流れない。そこで、副出口マニホールド５３を排出路２９ｂとは別に設けて、一部の流量（したがって、全量よりは少ない流量）を、低い圧損にて、流すようにしてあるので、第２の冷媒流路５０を通って冷媒が流れ、端部セル１９Ａを温めることができる。
【００２６】
副出口マニホールド５３から、供給路２９ａの入口側の端部単位燃料電池１９Ａに冷媒を供給するようにしてあるので、供給路２９ａの入口側の端部単位燃料電池１９Ａの温度も制御する。したがって、積層方向の両端部にある単位燃料電池１９Ａをあたためることができる。
また、第３の流路部分（副出口マニホールド）５３が、積層された複数の単位燃料電池の中に形成された通路であるので、配管の取回しが複雑化しない。
【００２７】
本発明の実施例２の燃料電池１０では、図７に示すように、第２の冷媒流路５０が、積層された単位燃料電池の積層方向の一端部に配置された少なくとも１つの単位燃料電池１９Ａと熱交換する第１の流路部分５１と、積層された単位燃料電池の積層方向の他端部に配置された少なくとも１つの単位燃料電池と熱交換する第２の流路部分５２と、第１の流路部分５１と第２の流路部分５２を連通する第３の流路部分５３を含んでいる。
第３の流路部分５３は単位燃料電池集積体の外に形成されており、第３の流路部分５３は、排出路２６ｂとは別の通路で、かつ、積層された複数の単位燃料電池の外に管路５３として形成された通路からなる。
本発明の実施例２の燃料電池１０の作用効果については、第３の流路部分５３が、積層された複数の単位燃料電池の外に管路として形成された通路であるので、中央単位燃料電池のセパレータに、副流路（本発明の実施例１の副出口マニホールド）を設ける必要がなく、セパレータ１８の、従来セパレータからの設計変更を最少とすることができる。
【００２８】
本発明の実施例３の燃料電池１０では、図８に示すように、単位燃料電池１９を複数積層した燃料電池スタック２３が、複数、直列に、単位燃料電池積層方向に接触されて配置されている。各スタック２３の供給路２９ａへの冷媒の入口５４および各スタックの排出路２９ｂからの冷媒の出口５５が、スタック２３間のエンドプレート２２に、複数のスタック２３に対して共通化して、設けられている。
本発明の実施例３の燃料電池１０の作用、効果については、燃料電池スタック２３を、複数、直列に配置し、冷媒の出入り口５４、５５をスタック２３間のエンドプレート２２に、共通化して、設けたので、冷媒の出入り口５４、５５を複数のスタック２３に対してそれぞえ設けた場合に比べて、冷却通路構造を単純化できる。
【００２９】
本発明の実施例４の燃料電池１０では、図９に示すように、単位燃料電池１９を複数積層した燃料電池スタック２３が、複数、直列に、単位燃料電池積層方向に接触されて配置されている。各スタック２３の、スタック間側の端部単位燃料電池１９Ａには、第２の冷媒流路５０を通さないようにした。
本発明の実施例４の燃料電池１０の作用、効果については、燃料電池スタック２３を、複数、直列に配置したので、スタック２３間のエンドプレート２２側は外部への熱の逃げ場がなく、したがって、スタック２３間側の端部単位燃料電池１９をあたためなくてよく、スタック間側の端部単位燃料電池１９Ａには、第２の冷媒流路５０を通さずに省略することができ、それだけ冷却通路構造を単純化できる。
【００３０】
本発明の実施例５の燃料電池１０では、図１０に示すように、第２の冷媒流路５０が、排出路２９ｂの、単位燃料電池積層方向一端部にある少なくとも１つの単位燃料電池１９Ａとそれに隣接する単位燃料電池１９との間の冷媒流路２６の出口より、単位燃料電池積層方向中央部側に隔たった部位から分岐している。
本発明の実施例５の燃料電池１０の作用、効果については、第２の冷媒流路５０が、排出路２９ｂの、単位燃料電池積層方向一端部にある少なくとも１つの単位燃料電池１９Ａとそれに隣接する単位燃料電池１９との間の冷媒流路２６の出口より、単位燃料電池積層方向中央部側に隔たった部位から分岐しているので、排出路２９ｂの、単位燃料電池積層方向一端部にある少なくとも１つの単位燃料電池１９Ａとそれに隣接する単位燃料電池１９との間の冷媒流路２６の出口で分岐する場合より温度の高い冷媒を第２の冷媒流路５０に分流させることができ、端部単位燃料電池１９Ａの温度低下を効果的に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】（Ａ）は本発明の実施例１の燃料電池の冷媒（冷却水）通路模式図であり、（Ｂ）はその冷媒（冷却水）通路内圧力模式図である。
【図２】（Ａ）は従来の燃料電池の冷媒（冷却水）通路模式図であり、（Ｂ）はその冷媒（冷却水）通路内圧力模式図である。
【図３】従来の燃料電池の単位燃料電池の冷媒（冷却水）マニホールドと冷媒（冷却水）流路の正面図である。
【図４】本発明の実施例１の燃料電池の中央部単位燃料電池の冷媒（冷却水）マニホールドと冷媒（冷却水）流路の正面図である。
【図５】本発明の実施例１の燃料電池の端部単位燃料電池の冷媒（冷却水）マニホールドと冷媒（冷却水）流路の正面図である。
【図６】本発明の実施例１の、図４と図５の単位燃料電池を組付けた燃料電池の分解斜視図である。
【図７】本発明の実施例２の燃料電池の冷媒（冷却水）通路模式図である。
【図８】本発明の実施例３の燃料電池の冷媒（冷却水）通路模式図である。
【図９】本発明の実施例４の燃料電池の冷媒（冷却水）通路模式図である。
【図１０】本発明の実施例５の燃料電池の冷媒（冷却水）通路模式図である。
【図１１】本発明の燃料電池と従来の燃料電池の単位燃料電池積層方向の温度分布図である。
【図１２】本発明の燃料電池のスタックの側面図である。
【図１３】図１１の燃料電池の一部の拡大断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０  燃料電池
１１  電解質膜
１２  （アノード側）触媒層
１３  拡散層
１４  アノード
１５  （カソード側）触媒層
１６  拡散層
１７  カソード
１８  セパレータ
１９  単位燃料電池
１９Ａ  端部単位燃料電池
２０  ターミナル
２１  インシュレータ
２２  エンドプレート
２３  スタック
２４  テンションプレート
２５  ボルト・ナット
２６  冷媒流路
２７  燃料ガス流路
２８  酸化ガス流路
２９ａ  供給路（入側冷媒マニホールド）
２９ａｉ  供給路への冷媒入口
２９ｂ  排出路（出側冷媒マニホールド）
２９ｂｏ  排出路の外部への出口
３０ａ  入側燃料ガスマニホールド
３０ｂ  出側燃料ガスマニホールド
３１ａ  入側酸化ガスマニホールド
３１ｂ  出側酸化ガスマニホールド
４０  第１の冷媒流路
５０  第２の冷媒流路                                                            ５１  第１の流路部分
５２  第２の流路部分
５３  第３の流路部分（副出口マニホールド、または外の管路）
５４  冷媒入口
５５  冷媒出口
【図１】
0004656826.tif 000002
【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】
0004656826.tif 000008
【図８】
0004656826.tif 000009
【図９】
0004656826.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
0004656826.tif 000012
【図１２】
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【図１３】
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