(57)【要約】    【課題】  燃料電池スタックにおいて、燃料ガス，酸化剤ガスと冷媒との差圧を、複雑な圧力制御装置を用いることなく適切な値に保つことができるようにする。    【解決手段】  それぞれ直線的に形成される燃料ガス供給路と酸化剤ガス供給路とが相互に直交するように反応ガス供給セパレータを積層する一方、前記反応ガス供給セパレータの燃料ガス入口面と酸化剤ガス入口面とがなす角部に冷媒入口を設け、該冷媒入口と対角線上の角部に冷媒出口を設け、冷媒供給路を冷媒入口から冷媒出口に向けて斜めに形成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子膜を挟んで燃料極と酸化剤極が設けられるセル本体を、燃料ガス供給路が形成される反応ガス供給セパレータ及び酸化剤ガス供給路が形成される反応ガス供給セパレータを介して複数積層してなる燃料電池スタックにおいて、
前記燃料ガス供給路及び酸化剤ガス供給路が、前記反応ガス供給セパレータのガス入口面から対向するガス出口面に向けて直線的に形成されると共に、前記燃料ガス供給路と酸化剤ガス供給路とが相互に直交する向きになるように前記反応ガス供給セパレータを配設する一方、
前記反応ガス供給セパレータのガス供給路が設けられる面の反対面に冷媒供給路を形成する構成とし、かつ、前記反応ガス供給セパレータの燃料ガス入口面と酸化剤ガス入口面とがなす角部に冷媒入口を設け、該冷媒入口と対角線上の角部に冷媒出口を設け、前記冷媒供給路が前記冷媒入口から冷媒出口に向けて斜めに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】
前記冷媒供給路が、前記冷媒入口から左右に分岐した後、前記反応ガス供給セパレータの周縁に沿って進んで前記冷媒出口に合流する外周路と、前記冷媒入口と冷媒出口とを結ぶ対角線と平行な方向に、前記外周路から分岐して前記外周路に合流する複数の分岐路とから構成されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記燃料ガス供給路及び／又は酸化剤ガス供給路の断面積が、下流側ほど大きくなるように形成されることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記冷媒供給路の断面積が、下流側ほど大きくなるように形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つ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し、詳しくは、燃料ガス供給路又は酸化剤ガス供給路が設けられると共に、冷媒供給路が設けられる反応ガス供給セパレータを介して、セル本体が複数積層される構成の燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、アノード電極及びカソード電極に隣接する多孔質水移動プレートを備え、前記多孔質水移動プレートに、反応物気体流が通る流路と、冷媒流が通る流路とが形成される燃料電池スタックが開示されている。
【特許文献１】特表２００３−５１７１８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、上記のように、多孔質水移動プレート（セパレータ）に反応物気体流が通る流路と、冷媒流が通る流路とが形成される場合、反応物気体流と冷媒流との差圧によって、反応物気体が多孔質水移動プレート（セパレータ）内に侵入してガス漏れを生じたり、反応物気体流の流路側に冷媒が漏れて反応物気体流の流路を狭めたりするため、前記差圧を管理する必要があった。
【０００４】
そこで、従来では、反応物気体流及び冷媒流の圧力の検出結果に基づく流量制御によって前記差圧の管理を行なっていたが、差圧を精度良く管理するためには、複数の圧力センサを設置して複雑な流量制御を行なう必要が生じ、これによって部品点数の増加によるコスト増、重量増、又は、制御不具合の要因が増えてしまうという問題があった。
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、反応物気体（燃料ガス，酸化剤ガス）と冷媒との差圧を、複雑な圧力制御装置を用いることなく適切な値に保つことができる燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
そのため、本発明では、固体高分子膜を挟んで燃料極と酸化剤極が設けられるセル本体を、燃料ガス供給路が形成される反応ガス供給セパレータ及び酸化剤ガス供給路が形成される反応ガス供給セパレータを介して複数積層してなる燃料電池スタックにおいて、燃料ガス供給路及び酸化剤ガス供給路が、反応ガス供給セパレータのガス入口面から対向するガス出口面に向けて直線的に形成されると共に、燃料ガス供給路と酸化剤ガス供給路とが相互に直交する向きになるように反応ガス供給セパレータを配設する一方、前記反応ガス供給セパレータのガス供給路が設けられる面の反対面に冷媒供給路を形成する構成とし、かつ、反応ガス供給セパレータの燃料ガス入口面と酸化剤ガス入口面とがなす角部に冷媒入口を設け、該冷媒入口と対角線上の角部に冷媒出口を設け、冷媒供給路が冷媒入口から冷媒出口に向けて斜めに形成される構成とした。
【発明の効果】
【０００６】
かかる構成によると、直線的に形成される燃料ガス供給路と酸化剤ガス供給路とが相互に直交する向きになるように反応ガス供給セパレータを配設することで、反応ガスの合成圧力が、燃料ガス入口面と酸化剤ガス入口面とがなす角部から対角線上の角部に向かう方向に低下する圧力勾配を示すことになり、この圧力勾配の方向と同じ方向に向けて冷媒を流すことで、反応ガスと冷媒との圧力差が流れの位置によって大きく変化することを抑止できる。
【０００７】
従って、複雑な圧力制御を行うことなく、反応ガスと冷媒との圧力差を適切な値に保持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
図１は、実施形態における燃料電池セルを示す。
図１に示す燃料電池セル１は、固体高分子膜，該固体高分子膜を挟んで設けられる燃料極及び酸化剤極，シール部材を含んで構成されるセル本体２と、前記セル本体２の燃料極側に設けられる燃料ガス通過用セパレートプレート３と、前記セル本体２の酸化剤極側に設けられる酸化剤ガス通過用セパレートプレート４とを含んで構成される。
【０００９】
そして、図１に示す燃料電池セル１を複数積層することで燃料電池スタックが構成されるる。
即ち、燃料電池スタックにおいては、酸化剤ガス通過用セパレートプレート４，セル本体２，燃料ガス通過用セパレートプレート３，酸化剤ガス通過用セパレートプレート４，セル本体２，燃料ガス通過用セパレートプレート３・・・の順で重ねられることになる。
【００１０】
前記セル本体２において、アノード側の燃料極に対して、燃料ガス通過用セパレートプレート３を介して燃料ガスとしての水素が供給され、該水素が前記燃料極上でイオン化されて水素イオンと電子になる。
前記水素イオンは、前記固体高分子膜を介してカソード側の酸化剤極に移動する。
カソード側の酸化剤極には前記酸化剤ガス通過用セパレートプレート４を介して酸化剤ガスとしての空気が供給され、該空気中の酸素と前記固体高分子膜を介して移動してきた水素イオンと外部回路を移動してきた電子とが反応して水が生成される。
【００１１】
上記のようにして外部回路を電子が移動することで、電子の移動方向とは逆方向に電流が流れ、電気エネルギーを得ることができる。
前記燃料ガス通過用セパレートプレート３及び酸化剤ガス通過用セパレートプレート４は、多孔質体で形成される。
前記燃料ガス通過用セパレートプレート３の燃料極側の面には、燃料ガスを通過させるための燃料ガス供給路を構成する直線状の燃料ガス供給溝５が一定間隔毎に複数平行に形成される。
【００１２】
前記燃料ガス通過用セパレートプレート３は、前記燃料ガス供給溝５が水平方向に延設されるように設置され、図１の右側端面から燃料ガス（水素）が供給され、前記燃料ガス供給溝５を通過した燃料ガス（水素）が図１の左側端面から排出されるよう構成される。
同様に、前記酸化剤ガス通過用セパレートプレート４の酸化剤極側の面には、酸化剤ガス（空気）を通過させるための酸化剤ガス供給路を構成する直線状の酸化剤ガス供給溝６が一定間隔毎に複数平行に形成される。
【００１３】
酸化ガス通過用セパレートプレート４は、前記酸化剤ガス供給溝６が上下方向（垂直方向）に延設されるように設置され、図１の下端面から酸化剤ガス（空気）が供給され、前記酸化剤ガス供給溝６を通過した酸化剤ガス（空気）が図１の上端面から排出されるよう構成される。
また、前記燃料ガス通過用セパレートプレート３の燃料ガス供給溝５が設けられる面の反対面には、冷媒入口８から冷媒出口９に向けて冷媒（冷却水）を通過させるための冷媒供給路を構成する冷媒供給溝７が形成される。
【００１４】
前記冷媒入口８は、燃料ガス通過用セパレートプレート３の燃料ガス入口面３ａと酸化ガス通過用セパレートプレート４の酸化剤ガス入口面４ａとがなす角部１１に設けられる。
各燃料ガス通過用セパレートプレート３の冷媒入口８には、冷媒供給マニホールド１２によって冷媒（冷却水）が分配供給されるようになっており、前記冷媒供給マニホールド１２は、燃料ガス通過用セパレートプレート３，セル本体２及び酸化剤ガス通過用セパレートプレート４を貫通して全セルに渡って形成される。
【００１５】
一方、冷媒出口９は、前記角部１１と対角線上で対向する角部１３に設けられる。
各燃料ガス通過用セパレートプレート３の冷媒出口９に導入された冷媒は、冷媒排出マニホールド１４によって燃料電池セルの外部の排出されるようになっており、前記冷媒排出マニホールド１４は、燃料ガス通過用セパレートプレート３，セル本体２及び酸化剤ガス通過用セパレートプレート４を貫通して全セルに渡って形成される。
【００１６】
前記冷媒入口８から冷媒出口９に向けて冷媒（冷却水）を通過させるための冷媒供給溝７は、冷媒入口８から冷媒出口９に向けて斜めに形成される溝であって、外周路溝７ａと複数の分岐路溝７ｂとから構成される。
前記外周路溝７ａは、冷媒入口８から左右に分岐し、角部１１を挟む燃料ガス通過用セパレートプレート３の２つの面３ａ，３ｂに対してそれぞれ平行に進んだ後、冷媒入口８と冷媒出口９との結ぶ対角線とは別の対角線上の角部１５ａ，１５ｂで冷媒出口９に向けて屈曲され、角部１３を挟む燃料ガス通過用セパレートプレート３の２つの面３ｃ，３ｄに対してそれぞれ平行に進んで冷媒出口９に連通される。
【００１７】
一方、前記分岐路溝７ｂは、燃料ガス通過用セパレートプレート３の面３ａ，３ｂと平行な前記外周路溝７ａから分岐され、前記冷媒入口８と冷媒出口９との結ぶ対角線と略平行な方向に進んで、燃料ガス通過用セパレートプレート３の面３ｃ，３ｄと平行な前記外周路溝７ａに合流するように複数設けられる。
かかる構成によると、直線的に形成される燃料ガス供給溝５（燃料ガス供給路）と酸化剤ガス供給溝６（酸化剤ガス供給路）とが、相互に直交する向きになるように燃料ガス通過用セパレートプレート３と酸化剤ガス通過用セパレートプレート４とが配設される一方、各溝（流路）における反応ガスの圧力は、流路内圧力損失によって下流側に向けて下がる傾向を示す。
【００１８】
従って、前記燃料ガス通過用セパレートプレート３の背面に酸化剤ガス通過用セパレートプレート４が重ねられる状態における燃料ガス（水素）と酸化剤ガス（空気）との合成圧力は、燃料ガス通過用セパレートプレート３の角部１１から角部１３に向かう方向に低下する圧力勾配を示すことになる。
一方、冷媒供給溝７は、角部１１に設けられる冷媒入口８から角部１３に設けられる冷媒出口９に向けて斜めに形成され、冷媒の圧力も流路内圧力損失によって下流側に向けて下がる傾向を示す。
【００１９】
従って、燃料ガス（水素）と酸化剤ガス（空気）との合成圧力が低下する方向と、冷媒の圧力が低下する方向とは、共に角部１１（冷媒入口８）から角部１３（冷媒出口９）に向かう方向となり、反応ガス（燃料ガス，酸化剤ガス）と冷媒との圧力差が、流路位置によって大きく異なるようになることがない。
前記圧力差は、反応ガスのセパレートプレート３，４への侵入や、冷媒の反応ガス流路側への漏れを防止するために管理する必要があるパラメータであるが、上記のように、流路位置によって大きく異なることがなければ、複数の圧力センサを用いた複雑な流量制御によって前記圧力差を調整する必要がなくなり、システム構成を簡略化できる。
【００２０】
また、本実施形態では、前記燃料ガス通過用セパレートプレート３に形成される燃料ガス供給溝５、及び、前記酸化剤ガス通過用セパレートプレート４に形成される酸化剤ガス供給溝６の断面積が、下流側ほど大きくなるように形成してある（図２参照）。
上記のように燃料ガス供給溝５及び酸化剤ガス供給溝６（反応ガス流路）の断面積を下流側ほど大きくすれば、入口から導入された反応ガスの流速が出口に近づくにつれて低下することになり、速度が低下することで電極（触媒）との反応機会を増大させることになる。
【００２１】
反応ガス（燃料ガス，酸化剤ガス）の濃度は、反応が進むことで入口側が高く出口に向かって低下することになるが、上記のように、流路断面積を設定すれば、濃度が下がる分を速度の低下による反応機会の増大によって補うことができ、反応面内の発電分布の均一化を図り、ヒートスポットの発生を回避できる。
また、本実施形態では、燃料ガス供給溝５及び酸化剤ガス供給溝６と同様に、冷媒供給溝７の断面積が下流側ほど大きくなるように形成してある。
【００２２】
本実施形態の多孔質体で形成されるセパレートプレート３，４では、水が余っている部分から水を吸って、加湿の必要な部分にまわすことができる。また、セパレータから水が抜けてしまうと、反応ガスがセパレータを吹き抜けてしまうことになり、水が余り過ぎると触媒が機能できなくなって性能低下を来たす。
一方、反応ガスは、ガス入口側ではセパレータ壁面に対して相対的に湿度が低いのに対して、その後は生成水により水が余り傾向になる。
【００２３】
従って、ガス入口側では加湿が要求されるのに対して、ガス出口側では逆に除湿が要求さえることになるため、冷媒供給溝７の断面積を加湿が要求される入口側で増やして冷媒流量を増やし、加湿要求から除湿要求への切り換わりに対応して、徐々に断面積を減少させるものである。
これにより、セパレータから水が抜けることによる反応ガスの吹き抜けを防止しつつ、水あふれによる触媒性能の低下を回避することができる。
【００２４】
尚、燃料ガス供給溝５，酸化剤ガス供給溝６，冷媒供給溝７の断面積の拡大は、溝の幅の増大、及び／又は、溝の深さの増大によって実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】実施形態における燃料電池セルを示す分解斜視図。
【図２】実施形態における反応ガス供給溝の構成を示す平面図。
【符号の説明】
【００２６】
１…燃料電池セル１，２…セル本体，３…燃料ガス通過用セパレートプレート，４…酸化剤ガス通過用セパレートプレート，５…燃料ガス供給溝，６…酸化剤ガス供給溝，７…冷媒供給溝，７ａ…外周路溝，７ｂ…分岐路溝，８…冷媒入口，９…冷媒出口
【図１】
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【図２】
2005276736.tif 000004