(57)【要約】【課題】  両端部のセルを適度に加温して、固体高分子形燃料電池を安定的に動作させる。【解決手段】  本発明の固体高分子形燃料電池スタックの端板７０Ｅには、セル冷却用の熱媒体流路を流れる熱媒体の流れ方向と垂直方向に複数の切り込みを有し、端板７０Ｅにおける、熱媒体流路を流れる熱媒体の流れ方向の熱伝達量が、熱媒体の流れ方向と垂直方向の熱伝達量より小さい。【選択図】図１１
2005285683.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と前記電解質膜の一方の面に設けられたアノードと前記電解質膜の他方の面に設けられたカソードとを有する膜電極接合体と、前記アノードに対向する燃料流路を有するアノード側プレートと、前記カソードに対向する酸化剤流路を有するカソード側プレートとを有するセルと、前記セルを冷却する熱媒体が流れる熱媒体流路が設けられた冷却プレートとを複数積層した積層体と、
集電板および絶縁板を介して前記積層体の両端に設けられ、前記積層体を締め付ける端板と、
を備える燃料電池スタックであって、
前記集電板、前記絶縁板および前記端板のうち少なくとも一つのスタック端部材において、前記熱媒体流路を流れる熱媒体の流れ方向の熱伝達量が、前記熱媒体の流れ方向と垂直方向の熱伝達量より小さいことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
電解質膜と前記電解質膜の一方の面に設けられたアノードと前記電解質膜の他方の面に設けられたカソードとを有する膜電極接合体と、前記アノードに対向する燃料流路を有するアノード側プレートと、前記カソードに対向する酸化剤流路を有するカソード側プレートとを有するセルと、前記セルを冷却する熱媒体が流れる熱媒体流路が設けられた冷却プレートとを複数積層した積層体と、
集電板および絶縁板を介して前記積層体の両端に設けられ、前記積層体を締め付ける端板と、
を備える燃料電池スタックであって、
前記集電板、前記絶縁板および前記端板のうち少なくとも一つのスタック端部材において、前記熱媒体流路を流れる熱媒体の流れ方向と垂直方向に複数の切り込みが設けられたことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項３】
電解質膜と前記電解質膜の一方の面に設けられたアノードと前記電解質膜の他方の面に設けられたカソードとを有する膜電極接合体と、前記アノードに対向する燃料流路を有するアノード側プレートと、前記カソードに対向する酸化剤流路を有するカソード側プレートとを有するセルと、前記セルを冷却する熱媒体が流れる熱媒体流路が設けられた冷却プレートとを複数積層した積層体と、
集電板および絶縁板を介して前記積層体の両端に設けられ、前記積層体を締め付ける端板と、
を備える燃料電池スタックであって、
前記集電板、前記絶縁板および前記端板のうち少なくとも一つのスタック端部材において、前記熱媒体流路を流れる熱媒体の流れ方向に沿って複数の穴が設けられたことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項４】
電解質膜と前記電解質膜の一方の面に設けられたアノードと前記電解質膜の他方の面に設けられたカソードとを有する膜電極接合体と、前記アノードに対向する燃料流路を有するアノード側プレートと、前記カソードに対向する酸化剤流路を有するカソード側プレートとを有するセルと、前記セルを冷却する熱媒体が流れる熱媒体流路が設けられた冷却プレートとを複数積層した積層体と、
集電板および絶縁板を介して前記積層体の両端に設けられ、前記積層体を締め付ける端板と、
を備える燃料電池スタックであって、
前記集電板、前記絶縁板および前記端板のうち少なくとも一つのスタック端部材が、前記熱媒体流路を流れる熱媒体の流れ方向に沿って複数に分割されていることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項５】
前記燃料流路、前記酸化剤流路および前記熱媒体流路がそれぞれ複数の直線状の流路で構成され、
前記燃料流路を流れる燃料と前記酸化剤流路を流れる酸化剤とが上方から下方へ流れる並行流をなし、前記熱媒体流路を流れる熱媒体が前記燃料および前記酸化剤に対して並行流または対向流をなすことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックに関する。より具体的には、本発明はセルの温度の適正化が図られた燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、固体高分子形燃料電池スタックは、固体高分子膜の一方の面にアノード、他方の面にカソードを接合して膜電極接合体（以下、「ＭＥＡ」と表記する）を構成し、このＭＥＡのアノードに対向して燃料流路を設けたアノード側プレートと、ＭＥＡのカソードに対向して酸化剤流路を設けたカソード側プレートとで挟んでセルを構成し、さらに、このセル間に冷却プレートを介在させて複数積層することにより積層体を形成し、この積層体の両端に端板を添えて締め付けることにより構成される。
【０００３】
固体高分子形燃料電池スタックは、アノード側プレートに改質ガス等の燃料ガスを流通させるとともに、カソード側プレートに空気等の酸化剤ガスを流通させ、電解質膜を介して電気化学反応を生じさせることにより直流電力を発電する。電気化学反応は発熱反応であるため、冷却プレートに冷却水を流通させて各セルを冷却することにより、固体高分子形燃料電池スタックの正常な運転温度（たとえば、約７０〜８０[℃]）の維持が図られている。
【０００４】
固体高分子形燃料電池スタックにおいて、端板に隣接する両端部のセルは外気の影響を受けやすい。このため、両端部のセルは他の部分のセルに比べて温度が低くなる。セルの温度が低下すると、アノード側プレートまたはカソード側プレートの流路を流れる反応ガス中の水蒸気が流路内で凝縮する。水蒸気が凝縮してできた凝縮水は、反応ガスの流れを阻害し、電池性能の低下を引き起こす。
【０００５】
このような現状を踏まえて、固体高分子形燃料電池スタックにおいて両端部のセルの温度低下を抑制する技術が望まれている。この種の技術としては、たとえば、両端の端板に冷却水を流すための流路を設け、運転温度に近い温度に昇温され、発電後に排出される冷却水を端板全面に設けられた流路に流して両端部のセルを加温する技術が知られている（たとえば、特許文献１）。
【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】
【０００６】
一般に、セルは冷却プレートを内の冷却水の流通により温度分布が生じる。すなわち、冷却プレートに供給されたばかりの冷却水は、効率的にセルを冷却するが、冷却プレートを流れるにつれて冷却水の温度は上昇し、セルの冷却効果が薄れる。このため、冷却水の流れ方向に沿って、セルに温度勾配が生じる。なお、「冷却水の流れ方向」とは、冷却プレートに設けられた冷却水流路の経路に沿った方向そのものではなく、冷却水流路の入口から出口に向かう方向を指す。
【０００７】
しかしながら、従来のように、発電後に排出される冷却水を端板全面に設けられた流路に流してしまうと、両端部のセルが均等に加温されてしまう。これにより、両端部のセルと他の部分のセルとで、温度分布に差異が生じ、両端部のセルと他の部分のセルとで、凝縮水が生じる部分が異なるため、固体高分子形燃料電池が発生する電圧が不安定となり、固体高分子形燃料電池を安定的に動作させることが困難になる。また、従来の端板は熱伝導性が等法的であるため、熱が端板全体に均等に伝導する。このため、中央部のセルの温度が所定の勾配を呈することとは異なり、端板の温度は一様な分布を呈していた。このことも、両端部のセルと他の部分のセルとで、温度分布に差異が生じる要因の一つとなっていた。
【０００８】
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池を安定的に動作させるために、両端部のセルを適度に加温することができる燃料電池スタックの提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のある態様は、電解質膜と前記電解質膜の一方の面に設けられたアノードと前記電解質膜の他方の面に設けられたカソードとを有する膜電極接合体と、前記アノードに対向する燃料流路を有するアノード側プレートと、前記カソードに対向する酸化剤流路を有するカソード側プレートとを有するセルと、前記セルを冷却する熱媒体が流れる熱媒体流路が設けられた冷却プレートとを複数積層した積層体と、集電板および絶縁板を介して前記積層体の両端に設けられ、前記積層体を締め付ける端板と、を備える燃料電池スタックであって、前記集電板、前記絶縁板および前記端板のうち少なくとも一つのスタック端部材において、前記熱媒体流路を流れる熱媒体の流れ方向の熱伝達量が、前記熱媒体の流れ方向と垂直方向の熱伝達量より小さいことを特徴とする。
【００１０】
これによれば、集電板、絶縁板および端板のうち少なくとも一つのスタック端部材において、熱媒体流路を流れる熱媒体の流れ方向の熱伝導性が低下するため、スタック端部材においてセルの温度分布に応じた温度分布が保たれ、スタック端部のセルの温度分布が他の部分のセルの温度分布に近似したものになる。これにより、スタック両端部のセルにおいて生じる凝縮水の量が低減して、セル内の反応ガス流路の閉塞が抑制される、各セル内におい凝縮水が生じる部分が均一化するため、各セルで発生する電圧のばらつきが抑制され、燃料電池を安定的に動作させることができる。
【００１１】
本発明の他の態様は、電解質膜と前記電解質膜の一方の面に設けられたアノードと前記電解質膜の他方の面に設けられたカソードとを有する膜電極接合体と、前記アノードに対向する燃料流路を有するアノード側プレートと、前記カソードに対向する酸化剤流路を有するカソード側プレートとを有するセルと、前記セルを冷却する熱媒体が流れる熱媒体流路が設けられた冷却プレートとを複数積層した積層体と、集電板および絶縁板を介して前記積層体の両端に設けられ、前記積層体を締め付ける端板と、を備える燃料電池スタックであって、前記集電板、前記絶縁板および前記端板のうち少なくとも一つのスタック端部材において、前記熱媒体流路を流れる熱媒体の流れ方向と垂直方向に複数の切り込みが設けられたことを特徴とする。
【００１２】
これによれば、集電板、絶縁板および端板のうち少なくとも一つのスタック端部材において、熱媒体流路を流れる熱媒体の流れ方向の熱伝導性がスタック端部材に設けられた切り込みにより阻害されるため、スタック端部材においてセルの温度分布に応じた温度分布が保たれ、スタック端部のセルの温度分布が他の部分のセルの温度分布に近似したものになる。これにより、スタック両端部のセルにおいて生じる凝縮水の量が低減して、セル内の反応ガス流路の閉塞が抑制される、各セル内におい凝縮水が生じる部分が均一化するため、各セルで発生する電圧のばらつきが抑制され、燃料電池を安定的に動作させることができる。
【００１３】
本発明のさらに他の態様は、電解質膜と前記電解質膜の一方の面に設けられたアノードと前記電解質膜の他方の面に設けられたカソードとを有する膜電極接合体と、前記アノードに対向する燃料流路を有するアノード側プレートと、前記カソードに対向する酸化剤流路を有するカソード側プレートとを有するセルと、前記セルを冷却する熱媒体が流れる熱媒体流路が設けられた冷却プレートとを複数積層した積層体と、集電板および絶縁板を介して前記積層体の両端に設けられ、前記積層体を締め付ける端板と、を備える燃料電池スタックであって、前記集電板、前記絶縁板および前記端板のうち少なくとも一つのスタック端部材において、前記熱媒体流路を流れる熱媒体の流れ方向に沿って複数の穴が設けられたことを特徴とする。
【００１４】
これによれば、集電板、絶縁板および端板のうち少なくとも一つのスタック端部材において、熱媒体流路を流れる熱媒体の流れ方向の熱伝導性がスタック端部材に設けられた穴により阻害されるため、スタック端部材においてセルの温度分布に応じた温度分布が保たれ、スタック端部のセルの温度分布が他の部分のセルの温度分布に近似したものになる。これにより、スタック両端部のセルにおいて生じる凝縮水の量が低減して、セル内の反応ガス流路の閉塞が抑制される、各セル内におい凝縮水が生じる部分が均一化するため、各セルで発生する電圧のばらつきが抑制され、燃料電池を安定的に動作させることができる。
【００１５】
本発明のさらに他の態様は、電解質膜と前記電解質膜の一方の面に設けられたアノードと前記電解質膜の他方の面に設けられたカソードとを有する膜電極接合体と、前記アノードに対向する燃料流路を有するアノード側プレートと、前記カソードに対向する酸化剤流路を有するカソード側プレートとを有するセルと、前記セルを冷却する熱媒体が流れる熱媒体流路が設けられた冷却プレートとを複数積層した積層体と、集電板および絶縁板を介して前記積層体の両端に設けられ、前記積層体を締め付ける端板と、を備える燃料電池スタックであって、前記集電板、前記絶縁板および前記端板のうち少なくとも一つのスタック端部材が、前記熱媒体流路を流れる熱媒体の流れ方向に沿って複数に分割されていることを特徴とする。
【００１６】
これによれば、集電板、絶縁板および端板のうち少なくとも一つのスタック端部材において、熱媒体流路を流れる熱媒体の流れ方向の熱伝導性が分割されたスタック端部材間で阻害されるため、スタック端部材においてセルの温度分布に応じた温度分布が保たれ、スタック端部のセルの温度分布が他の部分のセルの温度分布に近似したものになる。これにより、スタック両端部のセルにおいて生じる凝縮水の量が低減して、セル内の反応ガス流路の閉塞が抑制される、各セル内におい凝縮水が生じる部分が均一化するため、各セルで発生する電圧のばらつきが抑制され、燃料電池を安定的に動作させることができる。
さらに、上記態様において、前記燃料流路、前記酸化剤流路および前記熱媒体流路がそれぞれ複数の直線状の流路で構成され、前記燃料流路を流れる燃料と前記酸化剤流路を流れる酸化剤とが上方から下方へ流れる並行流をなし、前記熱媒体流路を流れる熱媒体が前記燃料および前記酸化剤に対して並行流または対向流をなしてもよい。燃料流路、酸化剤流路および熱媒体流路が蛇行している場合は、部分的に不規則な温度分布が生じるが、上記構成によれば、各流路に沿った連続的な温度分布が形成されるため燃料電池スタックの安定性を改善することができる。
【００１７】
なお、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の装置によれば、燃料電池を安定的に動作させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
（実施例１）
図１は、実施例１に係る固体高分子形燃料電池スタック１０の構成を示す概略図である。固体高分子形燃料電池スタック１０は、複数のセル２０およびセル２０の間に介在する冷却プレート３０が積層した積層体４０、ならびに積層体４０の両端から集電板５０及び絶縁板６０を介して積層体４０を締め付ける端板７０，８０を備える。
【００２０】
セル２０は、ＭＥＡ２２、ＭＥＡ２２のアノードに対向して燃料流路を設けたアノード側プレート２４、およびＭＥＡ２２のカソードに対向して酸化剤流路を設けたカソード側プレート２６を有する。
【００２１】
冷却プレート３０は、熱媒体として用いられる冷却水が流れる冷却水流路３２を有する。積層体４０の両端に位置する冷却プレート３０の冷却水流路３２の出口付近には、冷却水流路３２から後述する冷却水排出用マニホールド４４に流れ込む冷却水の流量を調節する流量制御素子３４が設けられている。流量制御素子３４については後述する。
【００２２】
なお、冷却水流路３２は、アノード側プレート２４および／またはカソード側プレート２６のＭＥＡ２２と反対側に設けることも可能である。この場合には、アノード側プレート２４および／またはカソード側プレート２６が冷却プレート３０を兼ねる。また、一枚のプレートの一方の面に燃料流路、他方の面に酸化剤流路を設けた、いわゆるバイポーラプレートを部分的に用いた場合も本発明に含まれる。
【００２３】
積層体４０の下部には、セル２０の積層方向に連通する冷却水供給用マニホールド４２が設けられている。また、積層体４０の上部には、セル２０の積層方向に連通する冷却水排出用マニホールド４４が設けられている。
【００２４】
図２は、端板７０の構成を示す概略図である。端板７０は、冷却水供給口７１、スタック端部流路７２、流量制御素子７３、冷却水排出口７４、冷却水入口７５、燃料入口７６、燃料出口７７、酸化剤入口７８および酸化剤出口７９を有する。
【００２５】
冷却水供給口７１は、冷却水排出用マニホールド４４と連通し、冷却水供給口７１を経由して冷却水排出用マニホールド４４からスタック端部流路７２に運転温度に近い温度に昇温した冷却水が流れ込む。スタック端部流路７２は、端板７０に設けられた凹溝状の上に閉塞プレート８１を取り付けることによりトンネル状に形成される。閉塞プレート８１は、熱伝導性の良好な材料で形成することが望ましい。スタック端部流路７２は、セル２０の高温領域に対応して、端板７０の上部領域に略連続Ｓ字形の経路に形成されている。
【００２６】
流量制御素子７３は、スタック端部流路７２の冷却水排出口７４付近に設けられ、スタック端部流路７２に流れ込む冷却水の流量を調節して、スタック端部流路７２内の冷却水の水温を所定温度に維持する。流量制御素子７３は、たとえば、スタック端部流路７２を流通して熱交換した後の冷却水の温度に応じて変形する感温式流量制御素子で構成され、スタック端部流路７２内の冷却水の温度に応じて開閉する弁の機能を有する。感温式流量制御素子の具体例としては、バイメタル、形状記憶合金、サーモロイドなどが挙げられる。なお、感温式流量制御素子を用いる以外に、冷却水の水温、端板７０の温度、または両端部のセル２０の温度を検出する温度センサおよび開閉駆動が制御可能なバルブを設け、温度センサで検出されたスタック端部流路７２内の冷却水の水温に応じて、バルブの開閉を制御してもよい。この場合、バルブの位置は、スタック端部流路７２の付近でもよい。
【００２７】
図３（Ａ）は、バイメタルを流量制御素子７３に用いた場合の構成を示し、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のＡ−Ａ線上の断面図を示す。流量制御素子７３は、スタック端部流路７２を流通して熱交換した後の冷却水の温度を感知してスタック端部流路７２内を流れる冷却水の流量を調節する。具体的には、流量制御素子７３は、冷却水の温度が所定の温度のときに、所定流量が流れるような基準状態にあるが、冷却水の温度が所定の温度以上の場合には、基準状態から図３（Ｂ）の矢印Ｈの方向へ変形し、スタック端部流路７２の断面積を小さくしてスタック端部流路７２を流れる冷却水の流量を減少させる。また、冷却水の温度が所定の温度以下の場合には、基準状態から図３（Ｂ）の矢印Ｌの方向へ変形し、スタック端部流路７２の断面積を大きくしてスタック端部流路７２を流れる冷却水の流量を増加させる。
【００２８】
これによれば、固体高分子形燃料電池スタック１０の出力が変動して、セル２０の温度が変動した場合に、スタック端部流路７２内の冷却水の水温を一定に保つことにより、両端部のセル２０の温度分布を一定に保つことができ、固体高分子形燃料電池スタック１０の動作を安定化することができる。
【００２９】
冷却水排出口７４は、スタック端部流路７２の出口部分に連通し、スタック端部流路７２を流れた冷却水を排出する。冷却水入口７５は、冷却水供給用マニホールド４２に連通する。燃料入口７６、燃料出口７７、酸化剤入口７８および酸化剤出口７９については後述する。
【００３０】
なお、冷却水供給口７１は、固体高分子形燃料電池スタック１０の外部へも連通しており、スタック端部流路７２に流れ込まない余分な冷却水を排出することができる。
【００３１】
他方の端板８０の構成も端板７０と基本構成は同様であるが、冷却水入口７５、燃料入口７６、燃料出口７７、酸化剤入口７８および酸化剤出口７９は設けられていない。
【００３２】
（反応ガスの流れ）
改質ガス等の燃料ガスは、燃料入口７６から供給され、固体高分子形燃料電池スタック１０の積層方向に連通して設けられた燃料供給用マニホールド（図示せず）を通って、各セル２０に分配供給される。各セル２０に供給された燃料ガスは、燃料流路を流通する。一方、空気等の酸化剤ガスは、酸化剤入口７８から供給され、固体高分子形燃料電池スタック１０の積層方向に連通して設けられた酸化剤ガス供給用マニホールド（図示せず）を通って、各セル２０に分配供給される。各セル２０に供給された酸化剤ガスは、酸化剤流路を流通する。
【００３３】
燃料ガスおよび酸化剤ガスが流通する各セル２０では、電解質膜を介して電気化学反応が生じることにより発電が行われる。各セル２０から排出される未反応の燃料ガスは、固体高分子形燃料電池スタック１０の積層方向に連通して設けられた燃料排出マニホールド（図示せず）で合流し、燃料排出マニホールドを通って燃料出口７７から外部に排出される。燃料出口７７から排出された未反応燃料ガスは、図示しない燃料改質装置の改質器バーナに導入されて燃焼するのが一般的である。
【００３４】
発電後に各セル２０から排出される未反応の酸化剤ガスは、固体高分子形燃料電池スタック１０の積層方向に連通して設けられた酸化剤排出マニホールド（図示せず）で合流し、酸化剤排出マニホールドを通って酸化剤出口７９から外部に排出される。
【００３５】
（冷却水の流れ）
冷却水は、冷却水入口７５から供給され、固体高分子形燃料電池スタック１０の積層方向に連通して設けられた冷却水供給用マニホールド４２を通って各冷却水流路３２に分配供給される。各冷却水流路３２を流通する冷却水は、各セル２０を冷却することにより、各セル２０を適正運転温度（たとえば、約７０〜８０[℃]）に保持する。
【００３６】
冷却水流路３２から排出される冷却水は、各セル２０で発生する反応熱により昇温されて温度が約７２〜７５[℃]になる。温度が上昇した冷却水は、冷却水排出用マニホールド４４内に流入する。なお、冷却水排出用マニホールド４４の固体高分子形燃料電池スタック１０の積層方向中央部付近に、仕切り（図示せず）を設け、仕切りを境として昇温された冷却水を２方向に分けてもよい。
【００３７】
なお、積層体４０の両端に位置する冷却水流路３２の出口付近に設けられた流量制御素子３４は、端板７０に設けられた流量制御素子７３と基本的な構成は同様である。ただし、流量制御素子３４は、端部に位置する冷却水流路３２を流通した冷却水の温度が所定の温度のときに、所定流量が流れるような基準状態にあるが、冷却水流路３２を流通した冷却水の温度が所定の温度以上の場合には、端部の冷却水流路３２の断面積を大きくして端部の冷却水流路３２を流れる冷却水の流量を増加させる。また、冷却水の温度が所定の温度以下の場合には、端部の冷却水流路３２の断面積を小さくして端部の冷却水流路３２を流れる冷却水の流量を減少させる。
【００３８】
これによれば、固体高分子形燃料電池スタック１０の出力が変動して、セル２０の温度が変動した場合に、端部の冷却水流路３２内の冷却水の水温を一定に保つことにより、両端部のセル２０の温度分布を一定に保つことができ、固体高分子形燃料電池スタック１０の動作を安定化することができる。
【００３９】
冷却水排出用マニホールド４４内を端板７０の方へ流通する冷却水は、端板７０の冷却水供給口７１からスタック端部流路７２に流入し、端板７０の上方部から下方部へ向けて蛇行しながら流れる。スタック端部流路７２内の昇温された冷却水の流れによって、閉塞プレート８１、集電板５０及び絶縁板６０を介して、端板７０に隣接する端部のセル２０を加温することができる。しかも、スタック端部流路７２は、セル２０の高温領域に対応して端板７０の上部領域にその経路を有し、スタック端部流路７２を流れる冷却水は、スタック端部流路７２の下流に行くにしたがって徐々に温度が低下する。このため、端板７０側端部のセル２０の高温領域が効率よく加温されるとともに、端板７０側端部のセル２０と他の部分のセル２０の温度分布を近似させることができる。
【００４０】
一方、冷却水排出用マニホールド４４内を端板８０の方へ流通する冷却水は、端板７０の冷却水供給口７１からスタック端部流路７２に流入し、端板７０の上方部から下方部へ向けて蛇行しながら流れる。スタック端部流路７２内の昇温された冷却水の流れによって、閉塞プレート８１、集電板５０及び絶縁板６０を介して、端板８０に隣接する端部のセル２０を加温することができる。しかも、スタック端部流路７２は、セル２０の高温領域に対応して端板８０の上部領域にその経路を有し、スタック端部流路７２を流れる冷却水は、スタック端部流路７２の下流に行くにしたがって徐々に温度が低下する。このため、端板８０側端部のセル２０の高温領域が効率よく加温されるとともに、端板８０側端部のセル２０と他の部分のセル２０の温度分布を近似させることができる。
【００４１】
両端部のセル２０の高温領域が加温される結果として、両端部のセル２０で生じる凝縮水の量が低減するとともに、両端部のセル２０の温度分布が他の部分のセル２０の温度分布に近づくため、各セル２０内で凝縮水が生じる箇所がほぼ一致し、各セル２０の発電効率を均等に向上させることができる。
なお、固体高分子形燃料電池スタック１０を動作させるときに各セル２０の温度分布を適正化する観点から、燃料流路、酸化剤流路および冷却水流路３２が、それぞれ複数の直線状の流路で構成され、燃料流路を流れる燃料ガスと酸化剤流路を流れる酸化剤ガスが上方から下方へ流れる並行流であり、冷却水流路３２を流れる冷却水が燃料ガスおよび酸化剤ガスと並行流または対向流であることが望ましく、冷却水流路３２を流れる冷却水が燃料ガスおよび酸化剤ガスと対向流、すなわち、冷却水が下方から上方へ流通することがより望ましい。これによれば流路に沿った連続的な温度分布が形成されるため固体高分子形燃料電池スタック１０の安定性を改善することができる。
【００４２】
（比較例１）
図４は、上記実施例１と比較するために構成した比較例１に係る固体高分子形燃料電池スタック１０Ａを示す。固体高分子形燃料電池スタック１０Ａの基本的な構成は、実施例１の固体高分子形燃料電池スタック１０と同様であるので、同一部材に同じ符号を付して詳しい説明を省略する。固体高分子形燃料電池スタック１０Ａでは、両端部の冷却水流路３２に流量制御素子３４が設けられておらず、さらに端板７０Ａ、８０Ａに設けられた水流路の形態が実施例１とは相違する。すなわち、端板７０Ａと端板８０Ａとはほぼ同じ構成であるから端板７０Ａについて説明すると、図５に示すように、スタック端部流路７２Ａが端板７０Ａのほぼ全面にわたり略連続Ｓ字形に形成されている点、流量制御素子７３が設けられておらず、冷却水供給口７１から供給される全ての冷却水がスタック端部流路７２Ａに流入するという点で比較例１は実施例１と異なる。
【００４３】
比較例１においては、発電後に各セル２０から排出される昇温後の冷却水は、冷却水排出用マニホールド４４Ａを通ってからスタック端部流路７２Ａに流れ込み、その上方部から下方部に向けて蛇行しながら流れ、下端部に設けられた冷却水排出口７４Ａから外部に排出される。
【００４４】
比較例１では、スタック端部流路７２Ａが端板７０Ａのほぼ全面にわたり設けられており、さらに、冷却水供給口７１から供給される全ての冷却水が無制限にスタック端部流路７２Ａに流入するため、端板７０Ａに温度分布が生じず一定の温度になるとともに、固体高分子形燃料電池スタックの出力が変動すると、それにともなって端板７０Ａの温度が変動してしまう。
【００４５】
（比較例２）
図６は、上記実施例１と比較するために構成した比較例２に係る固体高分子形燃料電池スタック１０Ｂを示す。固体高分子形燃料電池スタック１０Ｂの基本的な構成は、実施例１の固体高分子形燃料電池スタック１０と同様であるので、同一部材に同じ符号を付して詳しい説明を省略する。固体高分子形燃料電池スタック１０Ｂの端板７０Ｂ、８０Ｂは水流路を有しない点で、実施例１の固体高分子形燃料電池スタック１０とは著しく相違する。ただし、端板７０Ｂに冷却水排出用マニホールド４４に連通する冷却水排出口７４Ｂが設けられている。
【００４６】
比較例２では、発電後に各セル２０から排出される昇温された冷却水は、冷却水排出用マニホールド４４を通って、端板７０Ｂの冷却水排出口７４Ｂから外部に排水される。したがって、昇温後の冷却水を用いた両端部のセル２０の加温は行われない。
【００４７】
（実施例および比較例の評価）
実施例１、比較例１および比較例２の３種類の固体高分子形燃料電池スタック（セル数６５個）を作製し、発電中における各セルの温度分布の測定実験を行った。図７は、セルの温度分布測定の実験結果を示す。各セルの温度は、セル最下部、セル中央部およびセル最上部にて測定された。図７に示すように、実施例１は、セル最下部の温度Ｔ１０、セル中央部の温度Ｔ１２、セル最上部の温度Ｔ１４ともに、両端セルと他のセルとに差異が生じず、各セルの温度分布が極めて近似することが確認された。
【００４８】
これに対して、比較例２では、両端セルにおいて他のセルよりセル最下部の温度Ｔ２０、セル中央部の温度Ｔ２２、セル最上部の温度Ｔ２４ともに低下しており、特に、セル最上部の温度Ｔ２４の両端セルにおける温度低下が顕著であった。
【００４９】
比較例１では、両端セルにおける温度低下が温度Ｔ３０、セル中央部の温度Ｔ３２、セル最上部の温度Ｔ３４ともに比較例２に比べると改善されてはいるが、両端セルと他の部分のセルの温度分布は依然として異なっていることが確認された。
【００５０】
以上の実験結果から、実施例１の固体高分子形燃料電池スタックは、セルの高温領域に対応する端板７０および端板８０の一部に、温度が制御された昇温後の冷却水を流すことにより、各セルの温度分布を近似させることができることがわかった。
【００５１】
なお、固体高分子形燃料電池スタックの端板７０、８０におけるスタック端部流路７２の経路は、実施例１の形態に限られない。以下で説明する実施例２および実施例３は、端板７０、８０のスタック端部流路７２の構成が異なる他は、実施例１と基本的な構成は同様であるため、同一部材に同じ符号を付して詳しい説明を省略する。
【００５２】
（実施例２）
図８は、実施例２に係る固体高分子形燃料電池スタックの端板７０Ｃの構成を示す概略図である。実施例２の端板７０Ｃにおけるスタック端部流路７２Ｃは、セル２０の高温領域に対応して端板７０Ｃの上部領域に略連続Ｓ字形に設けられている点では、実施例１と共通する。ただし、実施例２のスタック端部流路７２Ｃは、端板７０Ｃの上部に位置するほど、断面積が大きい。これにより、スタック端部のセル２０の上部がより効果的にスタック端部流路７２Ｃを流れる冷却水によって加温されるので、スタック端部のセル２０の温度分布を他の部分のセル２０の温度分布により近づけることができる。
【００５３】
（実施例３）
図９は、実施例３に係る固体高分子形燃料電池スタックの端板７０Ｄの構成を示す概略図である。実施例３の端板７０Ｄにおけるスタック端部流路７２Ｄは、セル２０の高温領域に対応して端板７０Ｄの上部領域に略連続Ｓ字形に設けられている点では、実施例１と共通する。ただし、実施例３のスタック端部流路７２Ｄは、端板７０Ｄの上部に位置するほど、折り返された経路間の間隔が密になっている。これにより、スタック端部のセル２０の上部がより効果的にスタック端部流路７２Ｃを流れる冷却水によって加温されるので、スタック端部のセル２０の温度分布を他の部分のセル２０の温度分布により近づけることができる。
【００５４】
なお、実施例１−３に示したスタック端部流路は端板７０、８０に形成されているが、端板７０、８０のみならず、集電板５０または絶縁板６０に形成されてもよく、さらには、端板７０、８０が絶縁板６０を兼ねる構成に形成されてもよい。たとえば、端板７０、８０及び絶縁板６０の両者に溝を形成し、端板７０、８０と絶縁板６０をそれぞれ張り合わせることにより、スタック端部流路を形成することが可能である。
【００５５】
以上説明した実施例１−３は、セルの反応熱で温度が上昇した冷却水を利用してスタック端部のセルに適度な温度分布を与える形態である。次に、実施例１−３とは異なる形態で、スタック両端のセルの温度分布を適正化する構成について説明する。
【００５６】
（実施例４）
図１０は、実施例４に係る固体高分子形燃料電池スタック１０Ｅの構成を示す。固体高分子形燃料電池スタック１０Ｅの基本的な構成は、実施例１の固体高分子形燃料電池スタック１０と同様であるので、同一部材に同じ符号を付して詳しい説明を省略する。端板７０Ｅと端板８０Ｅとはほぼ同じ構成であるため、以下では端板７０Ｅについて説明する。ただし、固体高分子形燃料電池スタック１０Ｅには、端板７０Ｅに冷却水排出用マニホールド４４に連通する冷却水排出口７４Ｅが設けられている。
【００５７】
図１１は、実施例４に係る固体高分子形燃料電池スタックの端板７０Ｅの構成を示す概略図である。端板７０Ｅは、矢印Ｔで示すセル２０内の冷却水の流れの方向に対して垂直方向に複数の切り込み９０が設けられている。
【００５８】
切り込み９０により、端板７０Ｅの矢印Ｔ方向への熱の伝導が阻害され、セル２０内の冷却水ガスの流れの方向の熱伝達量がセル２０内の冷却水の流れの方向に垂直方向の熱伝達量に比べて低くなる。このため、端板７０Ｅの上部と下部との間で温度差が保たれ、端板７０Ｅに集電板５０及び絶縁板６０を介して隣接するセル２０の上部の温度低下が抑制され、スタック端部のセル２０の温度分布が他の部分のセル２０の温度分布に近似したものになる。
【００５９】
実施例４では、端板７０Ｅの横方向の一方の辺から複数の切り込み９０が入れられているが、端板７０Ｅの横方向の両方の辺から、互い違いに複数の切り込み９０を入れてもよい。
【００６０】
なお、固体高分子形燃料電池スタックの端板７０Ｅの熱伝達量を冷却水の流れの方向とその垂直方向とで差をつける形態は、実施例４の構成に限られない。以下で説明する実施例５および実施例６は、端板７０Ｅ、８０Ｅの構成が異なる他は、実施例４と基本的な構成は同様であるため、同一部材に同じ符号を付して詳しい説明を省略する。
【００６１】
（実施例５）
図１２は、実施例５に係る固体高分子形燃料電池スタックの端板７０Ｆの構成を示す。端板７０Ｆは、矢印Ｔで示す冷却水流路３２内の冷却水の流れの方向に沿って複数の穴９２が設けられている。穴９２の形状は、上記冷却水の流れの方向に対して垂直方向に長手方向が向いていることが望ましい。
【００６２】
穴９２により、端板７０Ｆの矢印Ｔ方向への熱の伝導が阻害され、セル２０内の反応ガスの流れの方向の熱伝達量が冷却水流路３２内の冷却水の流れの方向に垂直方向の熱伝達量に比べて低くなる。このため、端板７０Ｆの上部と下部との間で温度差が保たれ、端板７０Ｆに集電板５０及び絶縁板６０を介して隣接するセル２０の上部の温度低下が抑制され、スタック端部のセル２０の温度分布が他の部分のセル２０の温度分布に近似したものになる。
【００６３】
（実施例６）
図１３は、実施例６に係る固体高分子形燃料電池スタックの端板７０Ｇの構成を示す。端板７０Ｇは、矢印Ｔで示す冷却水流路３２内の冷却水の流れの方向に対して複数に分割されている。端板７０Ｇが上記冷却水の流れの方向に対して複数に分割されている結果、分割された端板７０Ｇ間での熱伝導が著しく阻害され、冷却水流路３２内の冷却水の流れの方向の熱伝達量が冷却水流路３２内の冷却水の流れの方向に垂直方向の熱伝達量に比べて低くなる。このため、端板７０Ｇの上部と下部との間で温度差が保たれ、端板７０Ｇに集電板５０及び絶縁板６０を介して隣接するセル２０の上部の温度低下が抑制され、スタック端部のセル２０の温度分布が他の部分のセル２０の温度分布に近似したものになる。
【００６４】
なお、端板７０Ｇを複数に分割した場合には、端板７０Ｇの分割部分ごとに、ロッド等で固体高分子形燃料電池スタック全体を締め付ける。
【００６５】
なお、実施例４−６に示した端板の板形状は、端板のみならず、集電板５０または絶縁板６０にも適用可能であり、さらには、端板７０、８０が絶縁板６０を兼ねる構成にも適用可能である。このようないずれの構成によっても、集電板５０または絶縁板６０の冷却水流路３２内の冷却水の流れの方向の熱伝導を阻害し、集電板５０または絶縁板６０の冷却水流路３２内の冷却水の流れの方向の熱伝達量を冷却水流路３２内の冷却水の流れの方向に垂直方向の熱伝達量に比べて低くすることができる。このため、集電板５０または絶縁板６０の上部と下部との間で温度差が保たれ、スタック端部のセル２０の上部の温度低下が抑制され、スタック端部のセル２０の温度分布が他の部分のセル２０の温度分布に近似したものになる。
【００６６】
本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。また、上記実施例１−３のいずれかの形態と上記実施例４−６のいずれかの形態とを組み合わせることにより、スタック端部のセル２０の温度分布とそれ以外の部分のセル２０の温度分布により近くすることができる。
【００６７】
（実施例７）
たとえば、図１４は、実施例７に係る固体高分子形燃料電池スタックの端板７０Ｈの構成を示す。実施例７に係る固体高分子形燃料電池スタックは実施例１と基本構成が共通する。実施例７では、端板７０Ｈに、セル２０の高温領域に対応して、その上部領域に略連続Ｓ字形の経路に形成されてたスタック端部流路７２Ｈが設けられたことに加えて、その下部領域に矢印Ｔで示す冷却水流路３２内の冷却水の流れの方向に沿って複数の穴９２Ｈが設けられている。
【００６８】
これによれば、端板７０Ｈの上部領域をセル２０の高温領域に対応して適度に加温するとともに、端板７０Ｈの下部領域では、セル２０内の冷却水の流れの方向に下部になるにつれて温度が低くなるような温度勾配が生じるため、スタック端部のセル２０の温度分布とそれ以外の部分のセル２０の温度分布により近くすることができる。
【００６９】
また、上記各実施例では、スタック端部流路が端板に形成された溝により構成されているが、スタック端部流路を端板の外側に設けてもよい。この場合、保温の観点から、スタック端部流路を断熱材で被覆することが好適である。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】実施例１に係る固体高分子形燃料電池スタックの構成を示す概略図である。
【図２】固体高分子形燃料電池スタックの端板の構成を示す概略図である。
【図３】（Ａ）は、端板に設けられた流量制御素子を示す図であり、（Ｂ）は、図３（Ａ）に示す流量制御素子のＡ−Ａ線上の断面図である。
【図４】比較例１に係る固体高分子形燃料電池スタックを示す概略図である。
【図５】比較例１に係る固体高分子形燃料電池スタックの端板の構成を示す図である。
【図６】比較例２に係る固体高分子形燃料電池スタックを示す概略図である。
【図７】実施例１、比較例１および比較例２の固体高分子形燃料電池スタックの各セルの温度分布測定の実験結果を示すグラフである。
【図８】実施例２に係る固体高分子形燃料電池スタックの端板の構成を示す概略図である。
【図９】実施例３に係る固体高分子形燃料電池スタックの端板の構成を示す概略図である。
【図１０】実施例４に係る固体高分子形燃料電池スタックの構成を示す概略図である。
【図１１】実施例４に係る固体高分子形燃料電池スタックの端板の構成を示す概略図である。
【図１２】実施例５に係る固体高分子形燃料電池スタックの端板の構成を示す図である。
【図１３】実施例６に係る固体高分子形燃料電池スタックの端板の構成を示す図である。
【図１４】実施例７に係る固体高分子形燃料電池スタックの端板の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００７１】
１０  固体高分子形燃料電池スタック、２０  セル、２２  ＭＥＡ、２４  アノード側プレート、２６  カソード側プレート、３０  冷却プレート、４０  積層体、４２  冷却水供給用マニホールド、４４  冷却水排出用マニホールド、５０  集電板、６０  絶縁板、７０，８０  端板、７１  冷却水供給口、７２  スタック端部流路、７３  流量制御素子、７４、冷却水排出口、７６  燃料入口、７７  燃料出口、７８  酸化剤入口、７９  酸化剤出口。
【図１】
2005285683.tif 000003
【図２】
2005285683.tif 000004
【図３】
2005285683.tif 000005
【図４】
2005285683.tif 000006
【図５】
2005285683.tif 000007
【図６】
2005285683.tif 000008
【図７】
2005285683.tif 000009
【図８】
2005285683.tif 000010
【図９】
2005285683.tif 000011
【図１０】
2005285683.tif 000012
【図１１】
2005285683.tif 000013
【図１２】
2005285683.tif 000014
【図１３】
2005285683.tif 000015
【図１４】
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