(57)【要約】【課題】スタックを外周方向に暖めるのに有利な燃料電池スタック装置を提供する。【解決手段】燃料電池スタック装置は、複数のセパレータ２および膜電極接合体５を厚み方向に積層して形成したスタック１と、スタック１の内部に形成さたスタック１を冷却する冷媒を流す冷媒流路６と、冷媒流路６の外側に形成され保温媒体を流す保温流路７とを備えている。保温流路７は、セパレータ２に形成され冷媒流路６の外周側において、セパレータ２の平面方向且つ外周方向に沿って配置されており、従って、保温媒体をセパレータ２の平面方向且つ外周方向に沿って流す。【選択図】図２
2007200706.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセパレータおよび膜電極接合体を厚み方向に積層して形成したスタックと、
前記スタックの内部に形成され前記スタックを冷却する冷媒を流す冷媒流路と、
前記冷媒流路の外側に形成され保温媒体を流す保温流路とを具備する燃料電池スタックにおいて、
前記保温流路は、前記セパレータに形成されており、且つ、前記セパレータの前記冷媒流路の外側において前記セパレータの平面方向且つ外周方向に沿って配置されており、前記保温媒体を前記セパレータの平面方向且つ外周方向に沿って流すことを特徴とする燃料電池スタック装置。
【請求項２】
請求項１において、前記保温流路を流れる保温媒体は、前記冷媒流路を流れて前記スタックの熱を受熱した冷媒であり、
前記冷媒は前記スタックの積層方向の一方側から前記スタックの内部に供給され、前記保温媒体は前記スタックの積層方向の他方側から前記スタックの内部に供給されることを特徴とする燃料電池スタック装置。
【請求項３】
請求項１または２において、複数の前記セパレータのうちの少なくとも一つは、冷媒を平面方向に沿って流す前記冷媒流路をもつ冷却機能付きセパレータであり、前記冷却機能付きセパレータは、これの厚み方向に貫通するとともに互いに離間する保温流路入口および保温流路出口を有しており、前記保温流路は前記保温流路入口および前記保温流路出口を繋ぐように前記冷媒流路の外周側に沿って形成されていることを特徴とする燃料電池スタック装置。
【請求項４】
請求項１〜３のうちのいずれか一項において、前記保温流路は前記冷媒流路の外周側に沿って複数本並走されている領域を有することを特徴とする燃料電池スタック装置。
【請求項５】
請求項１〜４のうちのいずれか一項において、前記冷媒流路の流路断面積をＳ１とし、前記保温流路の流路断面積をＳ２とするとき、Ｓ２はＳ１よりも小さく（Ｓ２＜Ｓ１）設定されていることを特徴とする燃料電池スタック装置。
【請求項６】
請求項１〜５のうちのいずれか一項において、前記スタックは、前記スタックの積層方向の端部を形成するエンドプレートを備えており、
前記エンドプレートは前記保温流路を備えており、前記セパレータの前記保温流路は、前記エンドプレートの外周側において前記エンドプレートの平面方向且つ外周方向に沿って配置されており、保温媒体を前記エンドプレートの平面方向且つ外周方向に沿って流すことを特徴とする燃料電池スタック装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はセパレータをもつ燃料電池スタック装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、スタックの外周側は発電領域から離間しているとともに外気に熱が奪われる。このためスタックの発電領域に近い内部の温度は維持されるものの、スタックの外周側は冷え易く、スタックの内部と外周側とでかなり温度差が発生し易い。この場合、スタックの発電運転の安定性を高めるには限界がある。
【０００３】
そこで、特許文献１には、保温機能をもつ燃料電池スタック装置が開示されている。燃料電池スタック装置は、複数のセパレータおよび膜電極接合体を厚み方向に積層して形成したスタックと、スタックの内部に形成されスタックを冷却する冷媒を流す冷媒流路と、スタックの熱を受熱した冷却水を流す保温流路とを備える。保温流路は、スタックの熱を受熱した冷却水を流すため、スタックを保温できる機能を有しており、スタックの積層方向に沿ってスタックを貫通する方向に形成されているものの、スタックを構成するセパレータの平面方向には形成されていない。
【０００４】
また、特許文献２には、セパレータに厚み方向に貫通するようにガスマニホルドを形成し、ガスマニホルドの周囲に流路を形成し、スタックの熱を受熱した暖かい冷却水を流路に流す固体高分子型燃料電池が開示されている。
【０００５】
特許文献３には、円形状のセパレータと円形状のセルとを交互に厚み方向に積層した円柱形状をなすスタックと、円筒形状のジャケットとを設け、ジャケットをスタックの外周側に嵌合した燃料電池システムが開示されている。このものによれば、スタックから吐出された暖かい冷却水をジャケットに供給することにより、ジャケットを熱膨張させ、ジャケットの内部に発生する非所望の圧力を緩和すると記載されている。
【０００６】
特許文献４には、冷却剤を通流してプレッシャープレートを保温する冷却剤通路をプレッシャープレートに設けた燃料電池が開示されている。このものによれば、プレッシャープレートを保温することができる。
【特許文献１】特開平１０−６４５７５号公報
【特許文献２】特開２００４−１５２５７４号公報
【特許文献３】特開２００４−００６４２８号公報
【特許文献４】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】
【０００７】
上記した特許文献１に係る技術によれば、スタックの熱を受熱した暖かい冷却水をセパレータの保温流路に流すため、スタックを保温できる機能を有するものの、保温流路はスタックの積層方向に沿って形成されており、セパレータの平面方向には形成されていない。このためスタックをこれの外周方向に暖めるには限界があった。
【０００８】
上記した特許文献２に係る技術によれば、セパレータのガスマニホルドの周囲に形成した流路に暖かい冷却水を流すため、ガスマニホルド付近は暖めることができるものの、暖かい水はセパレータの外周方向に沿って流れない。このためスタックをこれの外周方向に暖めるには限界があった。
【０００９】
上記した特許文献３に係る技術によれば、スタックと別体のジャケットに暖かい冷却水を供給させるため、スタックと別体のジャケットを必要とし、コスト高となる。
【００１０】
上記した特許文献４に係る技術によれば、冷却剤通路がプレッシャープレートに形成されているだけであり、冷却剤通路がプレッシャープレートの外縁方向に沿って形成されているものではない。
【００１１】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、スタックをこれの外周方向に暖めるのに有利な燃料電池スタック装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る燃料電池スタック装置は、複数のセパレータおよび膜電極接合体を厚み方向に積層して形成したスタックと、スタックの内部に形成されスタックを冷却する冷媒を流す冷媒流路と、冷媒流路の外側に形成され保温媒体を流す保温流路とを具備する燃料電池スタックにおいて、保温流路は、セパレータに形成されており、且つ、セパレータの冷媒流路の外周側において前記セパレータの平面方向且つ外周方向に沿って配置されており、保温媒体をセパレータの平面方向且つ外周方向に沿って流すことを特徴とする。
【００１３】
ここで、セパレータの外周方向とは、セパレータを積層している積層方向に直交する断面において、セパレータの外縁に沿った外縁方向を意味する。ここで、『セパレータの外縁に沿った』とは、セパレータの外縁に相似形状に沿っていても良いし、あるいは、セパレータの外縁に近似した相似形状に沿っていても良いし、あるいは、セパレータの外縁に非相似形状に沿っていても良い。
【００１４】
セパレータは、ほぼ矩形状でも円形状でも他の形状でも良い。好ましくは、セパレータがほぼ矩形状であるときには、矩形状のセパレータの外縁に沿った方向が『セパレータの外周方向』とされる。セパレータが円形状であるときには、円形状のセパレータの外縁に沿った方向が『セパレータの外周方向』とされる。これに限らず、セパレータが円形状であるとき、円形状のセパレータの外縁の内側においてほぼ矩形状に沿った方向を『セパレータの外周方向』としても良い。また、セパレータが矩形形状であるときには、矩形形状のセパレータの外縁の内側においてほぼ円形状に沿った方向を『セパレータの外周方向』としても良い。
【００１５】
保温媒体は、冷媒流路の外周側においてセパレータの平面方向且つ外周方向に沿って流れる。このためスタックを外周方向に暖めるのに有利となり、スタックの外周側が保温される。これによりスタックの外縁と内部との間における温度差が低減される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、保温媒体は、冷媒流路の外周側においてセパレータの平面方向に沿って流れる。このためスタックを外周方向に暖めるのに有利となる。これによりスタックの外縁と内部との間における温度差が低減され、スタックの運転が安定する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明に係る燃料電池スタック装置は、複数のセパレータおよび膜電極接合体を厚み方向に積層して形成したスタックと、スタックの内部に形成されスタックを冷却する冷媒を流す冷媒流路と、冷媒流路の外側に形成され保温媒体を流す保温流路とを備える。膜電極接合体は、電解質膜と燃料極と酸化剤極とを接合したものをいう。冷媒は、発電運転により高温となるスタックの過熱を抑えるべく、スタックを冷却するものである。スタックに供給される冷媒は、一般的には、スタックの内部温度の近くまで（例えば７０℃程度）加熱されている。セパレータの積層方向は上下方向でも水平方向でも良く、特に制限されない。保温流路は、セパレータに形成され冷媒流路の外周側に形成されており、保温媒体をセパレータの平面方向且つ外周方向に沿って流す流路である。この場合、保温流路がスタックの積層方向のみに形成されている場合に比較して、セパレータの外周側のかなりの部分または全部が保温される。
【００１８】
本発明によれば、保温流路を流れる保温媒体は、セパレータを保温できるものであれば、特に制限されない。保温媒体としては液体（例えば水）でも良いし気体（例えば空気）でも良い。保温媒体と冷媒とは同一のものでも良いし、異なるものでも良い。保温媒体としては、冷媒流路を流れてスタックの熱を受熱した冷媒である形態が例示される。この場合、スタックの熱を受熱した冷媒によりスタック自体を保温できる。また保温媒体としては、他の熱源により加熱された保温媒体をセパレータの保温流路に供給しても良い。
【００１９】
本発明によれば、冷媒はスタックの積層方向の一方側からスタックの内部に供給され、保温媒体はスタックの積層方向の他方側からスタックの内部に供給される形態が例示される。あるいは、冷媒はスタックの積層方向の一方側からスタックの内部に供給され、保温媒体はスタックの積層方向の一方側からスタックの内部に供給される形態が例示される。
【００２０】
本発明によれば、複数のセパレータのうちの少なくとも一つは、冷媒を平面方向に沿って流す冷媒流路をもつ冷却機能付きセパレータである形態が例示される。この場合、冷却機能付きセパレータは、これの厚み方向に貫通するとともに互いに離間する保温流路入口および保温流路出口と、保温流路入口および保温流路出口を繋ぐように冷媒流路の外周側に沿って形成された保温流路を有している形態が例示される。
【００２１】
本発明によれば、保温流路としては、冷媒流路の外周側に沿って複数本並走されている領域を有する形態が例示される。並走本数は特に限定されるものではないが、スペース等を考慮すると、２〜４本程度が例示される。この場合、保温流路の１本あたりの流路断面積が小さくなるため、保温流路を流れる保温媒体の流速が増加する。保温媒体の流速が増加すると、保温媒体が保温流路を流れる時間が短縮され、保温流路を流れる保温媒体の冷却が抑えられる。これによりスタックの外周方向の冷えが緩和される。
【００２２】
本発明によれば、冷媒流路の流路断面積をＳ１とし、保温流路の流路断面積をＳ２とするとき、Ｓ２はＳ１よりも小さく（Ｓ２＜Ｓ１）設定されている形態が例示される。この場合、保温流路の流路断面積が小さくなるため、保温流路を流れる保温媒体の流速が増加する。このため保温媒体が保温流路を流れる時間が短縮され、保温流路を流れる保温媒体の冷却が抑えられる。これによりスタックの外周側の冷えが緩和される。
【００２３】
本発明によれば、スタックは、スタックの積層方向の端部を形成するエンドプレートを備えており、エンドプレートは保温流路を備えている形態が例示される。セパレータの保温流路は、エンドプレートの外周側においてエンドプレートの平面方向且つ外周方向に沿って配置されており、保温媒体をエンドプレートの平面方向且つ外周方向に沿って流す。エンドプレートの外周も保温される。
【実施例１】
【００２４】
以下、本発明の実施例１を図１〜図３を参照して説明する。図１に示すように、燃料電池スタック装置のスタック１は、複数のセパレータ２および膜電極接合体５を厚み方向に交互に積層して形成されている。膜電極接合体５は、固体電解質で形成された高分子型の電解質膜５０と、燃料が供給される燃料極５１と、酸化剤流体が供給される酸化剤極５２とを接合したものをいう。燃料極５１は触媒層と燃料を拡散させるガス拡散層とをもつ。酸化剤極５２は触媒層と酸化剤ガスを拡散させるガス拡散層とをもつ。
【００２５】
図１に示すように、セパレータ２は、第１セパレータ２Ｆ、第２セパレータ２Ｓ、第３セパレータ２Ｔを有する。第１セパレータ２Ｆの一方の片面２ｈには酸化剤流路３が形成され、他方の片面２ｃに凹溝状の冷媒流路６が表裏の関係で形成されている。第２セパレータ２Ｓの一方の片面２ｈに凹溝状の冷媒流路６が形成され、他方の片面２ｃに凹状の燃料流路４が表裏の関係で形成されている。第３セパレータ２Ｔの一方の片面２ｈに凹状の酸化剤流路３が形成され、他方の片面２ｃに燃料流路４が表裏の関係で形成されている。酸化剤流路３は酸化剤極５２に酸化剤流体(一般的には空気等の酸素含有ガス、酸素ガス)を供給する。燃料流路４は燃料極５１に燃料(一般的には水素含有ガス、水素ガス)を供給する。冷媒流路６は冷媒（一般的には冷却水で有るが、場合によっては冷却ガスでも良い）を流す。このように冷媒流路６はセパレータ２Ｆ，２Ｓに形成されているため、セパレータ２Ｆ，２Ｓは冷却機能付きのセパレータに相当する。
【００２６】
図２は第１セパレータ２Ｆの片面２ｃを模式的に示す。図２に示すように、第１セパレータ２Ｆはほぼ矩形形状を有しており、上辺２ｕと、上辺２ｕに対向する下辺２ｄと、互いに対向する２つの側辺２ｓとを有する。第１セパレータ２Ｆの表面において、これの外周部を除く領域には、冷媒を流す凹溝状の冷媒流路６が曲成状態に形成されている。第１セパレータ２Ｆにおいて、第１セパレータ２Ｆを厚み方向に貫通するように、冷媒入口６０および冷媒出口６１が形成されている。冷媒入口６０は第１セパレータ２Ｆの上部側に位置する。冷媒出口６１は第１セパレータ２Ｆの下部側に位置する。冷媒入口６０に供給された冷媒は、冷媒流路６に沿って矢印ＳＡ方向に曲成されつつ流れ、冷媒出口６１から吐出される。これにより第１セパレータ２Ｆが冷却され、スタック１の過熱が抑制される。
【００２７】
図２に示すように、第１セパレータ２Ｆにおいてこれの厚み方向に貫通するように、燃料入口４０および燃料出口４１が形成されており、酸化剤入口３０および酸化剤出口３１が形成されている。酸化剤入口３０は、第１セパレータ２Ｆの上部側（上辺２ｕ側）に横長開口状をなすように形成されている。酸化剤出口３１は、第１セパレータ２Ｆの下部側（下辺２ｄ側）に横長開口状をなすように形成されている。従って、酸化剤流体は、第１セパレータ２Ｆの平面において、酸化剤入口３０から酸化剤出口３１に向けて下向きに流れる。
【００２８】
上記した冷媒入口６０、冷媒出口６１、燃料入口４０、燃料出口４１、酸化剤入口３０、酸化剤出口３１は、第１セパレータ２Ｆのみならず、第２セパレータ２Ｓ、第３セパレータ２Ｔにおいても、対応する位置にそれぞれ形成されている。
【００２９】
本実施例によれば、図２に示すように、第１セパレータ２Ｆは、これの厚み方向に貫通するとともに互いに離間する横長開口状をなす保温流路入口７０、保温流路出口７１と、断面凹形状の細い溝状をなす保温流路７とを有する。保温流路７は、第１セパレータ２Ｆの右側の外縁２ｗに沿って形成された断面凹形状の溝状をなす１本の保温流路７Ｒと、第１セパレータ２Ｆの左側の外縁２ｗに沿って形成された断面凹形状の溝状をなす１本の保温流路７Ｌとで形成されている。保温流路入口７０は第１セパレータ２Ｆの上部に位置しており、酸化剤入口３０の上側（外側）に形成されている。保温流路出口７１は第１セパレータ２Ｆの下部に位置しており、酸化剤出口３１の下側（外側）に形成されている。
【００３０】
図２に示すように、保温流路７（７Ｒ、７Ｌ）は、第１セパレータ２Ｆの片面２ｃにおいて、冷媒流路６を外側から包囲するように、冷媒流路６と共に形成されている。保温流路７は、保温流路入口７０および保温流路出口７１を繋ぐように冷媒流路６の外周側に沿って断面凹形状の溝状に形成されている。換言すると、図２に示すように、保温流路７は保温流路入口７０から保温流路出口７１にかけて、第１セパレータ２Ｆの外周をほぼ１周するように、第１セパレータ２Ｆの外縁２ｗに沿って形成されている。外縁２ｗと保温流路７との距離をＬＷとし、下辺２ｄの長さをＬＤとし、ＬＤを１００と相対表示するとき、ＬＷは１〜２０、２〜１０の範囲内で設定されている。なお、保温流路７の曲成部７ｍは、第１セパレータ２Ｆの隅角部２ｍに対応する位置に、第１セパレータ２Ｆの隅角部（４個）と同数個（４個）形成されている。
【００３１】
本実施例によれば、前述したように、第２セパレータ２Ｓの片面２ｈにも断面凹形状の冷媒流路６が同様な構造で形成されている。そして第２セパレータ２Ｓにおいても、保温流路入口７０および保温流路出口７１が形成され、保温流路入口７０および保温流路出口７１を繋ぐように、断面凹形状の溝で形成された保温流路７が冷媒流路６の外周側に沿って冷媒流路６を包囲するように第２セパレータ２Ｓの片面２ｈに形成されている。
【００３２】
図３は、セパレータ２を厚み方向に積層した構造をもつスタック１を模式的に示す。図３に示すように、セパレータ２の各冷媒入口６０が厚み方向に積層されるため、冷媒を流す冷媒マニホルド往路６５がスタック１の積層方向に沿って形成されている。更に図３に示すように、各セパレータ２の冷媒出口６１が厚み方向に積層されるため、冷媒を流す冷媒マニホルド復路６６が冷媒マニホルド往路６５と反対側となるように、スタック１の積層方向に沿って形成されている。スタック１の積層方向の一方１ｅ側には、冷媒入口６５ｉおよび冷媒出口６６ｏが形成されている。
【００３３】
スタック１の発電運転時には、冷媒搬送手段６９により、冷媒（一般的には、６０〜７０℃の暖かい冷媒）は、スタック１の冷媒入口６５ｉから冷媒マニホルド往路６５に供給され、更に、スタック１の積層方向に沿って矢印Ｘ１方向（横方向）に流れる。そして冷媒は、セパレータ２の冷媒流路６に沿ってつまり矢印Ｙ１方向（下方向）に向けて、つまり、冷媒出口６１に向けて流れ、冷媒マニホルド復路６６に至る。なお、スタック１に供給される冷媒の温度が過剰に低いと、スタック１の発電運転が制限される。
【００３４】
そして図３から理解できるように、冷媒マニホルド復路６６に至った冷媒は、冷媒マニホルド復路６６に沿って矢印Ｘ３方向（冷媒マニホルド往路６５における流れ方向である矢印Ｘ１方向と逆方向）に流れ、冷媒出口６６ｏからスタック１の外部に吐出される。このようにスタック１の内部を冷媒が流れるため、発電運転中のスタック１の過熱が防止され、スタック１は適温領域に維持される。なお、スタック１の冷媒マニホルド復路６６の冷媒出口６６ｏから吐出される冷媒の温度は、例えば７０〜８０℃程度と暖かい。
【００３５】
また図３に示すように、複数のセパレータ２が積層されると、各保温流路入口７０が積層されるため、保温マニホルド往路７５（図３参照）がスタック１の積層方向に沿って形成されている。更に、各保温流路出口７１が積層されるため、保温マニホルド復路７６（図３参照）が保温マニホルド往路７５と反対側となるように、スタック１の積層方向に沿って形成されている。保温マニホルド往路７５および保温マニホルド復路７６は保温媒体を流すものである。
【００３６】
図３に示すように、保温マニホルド往路７５および保温マニホルド復路７６は、スタック１において冷媒マニホルド往路６５および冷媒マニホルド復路６６の外側に配置されている。この場合、保温媒体によりスタック１の外縁２ｗ側の保温性を高めることができる。
【００３７】
本実施例によれば、図３から理解できるように、冷媒マニホルド往路６５を流れる冷媒の流れ方向は矢印Ｘ１方向であり、保温マニホルド往路７５を流れる保温媒体の流れ方向は矢印Ｘ３方向であり、両者は、互いに逆方向とされている。また図３から理解できるように、冷媒マニホルド復路６６を流れる冷媒の流れ方向は矢印Ｘ３方向であり、保温マニホルド復路７６を流れる保温媒体の流れ方向は矢印Ｘ１方向であり、両者は互いに逆方向とされている。
【００３８】
ところで、前述したように、スタック１のセパレータ２の外縁２ｗにおいては、膜電極接合体５の発電領域から離間しているとともに、外気に近いため外気に熱が逃げ易い。このためスタック１の外周側は冷え易い。故に、スタック１の内部と外周側とでかなりの温度差が発生することがある。大きな温度差が発生すると、スタック１の発電運転の安定性を高めるには限界がある。その一つとしてフラッディングが挙げられる。
【００３９】
即ち、スタック１の発電運転においては、燃料電池に供給される前の酸化剤流体は加湿され、水蒸気を含むことが多い。加湿する理由としては、電解質膜５０の過剰乾燥を防止し、電解質膜５０のイオン伝導性を高め、発電性能を高めるためである。酸化剤流体に含まれている水分は、燃料電池には水蒸気として供給されることが好ましい。しかしながらスタック１の内部と外周側とでかなりの温度分布が発生している場合には、スタック１の外周側が内部に比較して冷えているため、スタック１に供給された酸化剤流体に含まれている水蒸気が、スタック１の内部で凝縮し、多量の凝縮水を形成するおそれがある。この場合、フラッディングの要因となる。フラッディングが生じると、膜電極接合体５等のガス流路を水が塞ぐおそれがあり、ガス分配性が均一でなくなり、スタック１の発電ムラを低減させるためには好ましくない。
【００４０】
そこで本実施例によれば、スタックの冷媒出口６６ｏから吐出された冷媒、つまり、スタック１の内部を通過して暖められた冷媒（一般的には冷却水）を保温媒体として用い、スタック１の内部に再び供給する。即ち、スタック１の発電運転時には、冷媒マニホルド復路６６の冷媒出口６６ｏから吐出された冷媒を、スタック１を暖める保温媒体として、スタック１の保温マニホルド往路７５の保温入口７５ｉに供給し、暖かい保温媒体を保温マニホルド往路７５に沿って矢印Ｘ３方向（セパレータ積層方向）に流す。この結果、保温媒体は、第１セパレータ２Ｆおよび第２セパレータ２Ｓにおいて、保温流路入口７０から保温流路７に沿って下方（矢印Ｙ１方向）に流れ、保温流路出口７１から吐出する。
【００４１】
そして図３から理解できるように、保温媒体は保温マニホルド復路７６に沿って矢印Ｘ１方向（セパレータ積層方向）に流れ、保温マニホルド復路７６の保温出口７６ｏからスタック１の外部に吐出される。この結果、スタック１のうち冷え易い外周側が保温媒体で暖められる。このためスタック１の外周側と内部との温度差が緩和され、フラッディングが抑制され、スタック１の発電ムラが軽減される。
【００４２】
このようにスタック１の外周面側が暖められる。このため、スタック１に供給される酸化剤流体が加湿される場合であっても、スタック１に供給される酸化剤流体に含まれている水蒸気がスタック１の内部で凝縮することが抑制される。従ってスタック１の内部におけるフラッディング等が抑制され、スタック１の発電性能が安定する。
【００４３】
特に本実施例によれば、図２に示すように、保温流路７は、第１セパレータ２Ｆの冷媒流路６の外周側において、冷媒流路６を包囲しつつ第１セパレータ２Ｆの外周側に沿ってほぼ１周するように形成されている。このため、保温流路がセパレータの積層方向のみに形成されているもののセパレータの外周方向に沿って形成されていない特許文献１に係る技術に比較して、スタック１を外周方向に沿って暖めるのに有利である。
【００４４】
本実施例によれば、図２に示すようにセパレータ２の一方の片面２ｃには、冷媒流路６および保温流路７の双方が併せて形成されている。ここで、冷媒は冷媒流路６に沿って流れる。また保温媒体が保温流路７に沿って流れる。このため、冷媒流路６を流れる冷媒が保温流路７側に流れて両者が混入したとしても、あるいは、保温流路７を流れる保温媒体が冷媒流路６に流れて両者が混入したとしても、冷媒および保温媒体は水であり同一組成であるため、特に支障がない。
【００４５】
本実施例によれば、冷媒流路６の流路断面積をＳ１とし、保温流路７Ｒの流路断面積をＳＲとし、保温流路７Ｌの流路断面積をＳＬとすると、保温流路７Ｒの流路断面積ＳＲと保温流路７Ｌの流路断面積ＳＬの合計の流路断面積をＳ２とするとき、Ｓ２はＳ１よりも小さく設定されている。この場合、保温流路７の合計流路断面積が小さくなるため、保温流路７を流れる保温媒体の流速が冷媒流路６を流れる冷媒の流速よりも増加する。このため保温媒体が保温流路７を流れる時間が短縮され、保温流路７を流れる保温媒体の冷却が抑えられる。これによりスタック１の外周側の冷えが緩和される。なお、ＳＲ≒ＳＬまたはＳＲ＝ＳＬとされている。Ｓ１を１００と相対表示するとき、Ｓ２は２０〜７０、３０〜５０が例示される。
【００４６】
また、保温流路７において保温媒体が流れない部分が局部的に生じることは、保温ムラを誘発し、好ましくない。この点本実施例によれば、Ｓ２はＳ１よりも小さく設定されているため、保温流路７において保温媒体が流れない部分が局部的に生じることが抑制され、外周方向における保温ムラの低減に貢献できる。
【００４７】
スタック１の発電運転時には、図３に示すように、冷媒搬送手段６９により冷媒は、スタック１の一方１ｅ側の冷媒入口６５ｉから、スタック１の内部の冷媒マニホルド往路６５内に供給され、スタック１の積層方向に流れる。ここで、スタック１の積層方向に冷媒マニホルド往路６５を流れる冷媒の温度に着目とするとき、スタック１の一方１ｅ側における温度をｔｅとし、スタック１の他方１ｆ側における温度をｔｆとすると、一般的には、ｔｅ＞ｔｆとなる傾向がある。暖かい冷媒といえども、スタック１の外縁２ｗから熱が奪われるためである。この点本実施例によれば、図３に示すように、スタック１の一方１ｅ側ではなく、相対的に低温となり易い他方１ｆ側において、保温媒体が流入する保温入口７５ｉが形成されている。そして、暖かい保温媒体を保温入口７５ｉ（他方１ｆ側）から保温マニホルド往路７５に流入させる。これにより一方１ｅ側よりも相対的に低温となり易い他方１ｆ側における保温性が高められる。故に、スタック１の発電運転を良好に行うことができる。
【実施例２】
【００４８】
図４は実施例２を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、作用効果を奏する。以下、異なる部分を中心として説明する。図４に示すように、保温流路７Ｌは冷媒流路６の外周側に沿って複数本並走する複数の保温流路７ｆ、７ｓで形成されている。保温流路７Ｒも同様とされている。この場合、保温流路７ｆ、７ｓの１本あたりの流路断面積が小さくなるため、保温流路７ｆ、７ｓを流れる保温媒体の流速が増加する。保温媒体が流れる流速が増加すると、保温媒体が保温流路７ｆ、７ｓを流れる時間が短縮され、保温流路７ｆ、７ｓを流れる保温媒体の冷却が抑えられる。これによりスタック１の外周側の冷えが効果的に緩和される。この結果、スタック１に供給される酸化剤流体に含まれている水蒸気がスタック１の内部で凝縮することが抑制される。従ってスタック１の内部におけるフラッディング等が抑制され、スタック１の発電性能が安定する。また、保温流路７において保温媒体が流れない部分が局部的に生じることは、好ましくない。この点本実施例によれば、保温流路７は冷媒流路６の外周側に沿って複数本並走されているため、１本の保温流路７ｆ、７ｓの流路断面積が小さくなり、保温媒体が流れない部分が保温流路７ｆ、７ｓにおいて局部的に生じることが抑制され、空気などの巻き込みが抑制される。
【実施例３】
【００４９】
図５は実施例３を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、作用効果を奏する。以下、異なる部分を中心として説明する。図５に示すように、保温流路入口７０はセパレータ２Ｆの下部に形成されており、保温流路出口７１はセパレータ２Ｆの上部に形成されている。このため保温流路７において、保温媒体は保温流路入口７０から矢印Ｕ１方向に向けてつまり上向きに流れ、保温流路出口７１から吐出される。この場合、保温媒体の流れ方向は、重力方向とは反対であるため、保温媒体の流速は低下するものの、保温流路７における保温媒体への空気の巻き込みが効果的に抑えられる。なお、第２セパレータ２Ｓにおいても、保温流路入口７０、保温流路出口７１、保温流路７が同様な構造で形成されている。
【実施例４】
【００５０】
図６は実施例４を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、作用効果を奏する。以下、異なる部分を中心として説明する。図６に示すように、別のセパレータ２の片面には酸化剤流路３が形成されている。酸化剤流路３においては、切欠３ｙをもつ突起３ｘが上下方向に延設されている。酸化剤流体は、酸化剤入口３０から酸化剤出口３１に向けて酸化剤流路３を下向き（矢印Ｄ２方向）に流れる。図６に示すように、このセパレータ２の外周側において、保温流路７が酸化剤流路３を外側から包囲するように形成されている。保温流路７は、保温流路入口７０および保温流路出口７１を繋ぐように冷媒流路６の外周側に沿って形成されている。なお、保温流路７Ｒは、複数の保温流路７ｆ、７ｓを並走させて形成しても良い。保温流路７Ｌについても同様である。
【実施例５】
【００５１】
図７は実施例５を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、作用効果を奏する。以下、異なる部分を中心として説明する。図７に示すように、実施例１と同様に、スタック１には冷媒マニホルド往路６５および冷媒マニホルド復路６６が形成されており、保温マニホルド往路７５および保温マニホルド復路７６が形成されている。図７に示すように、迂回流路８０が切替バルブ８２（切替手段）を介して配置されている。迂回流路８０は、保温マニホルド往路７５および保温マニホルド復路７６を迂回する。
【００５２】
スタック１の外縁２ｗ側の温度が充分に高く、スタック１の外周側を暖める必要性が乏しいときには、バルブ８２の切り替えにより、冷媒マニホルド復路６６の冷媒出口６６ｏと迂回流路８０とを連通させる。この場合、冷媒マニホルド復路６６の冷媒出口６６ｏと保温マニホルド往路７５とを非連通とする。この結果、スタック１の冷媒マニホルド復路６６の冷媒出口６６ｏから吐出された暖かい冷媒は、迂回流路８０に流れるものの、保温マニホルド往路７５および保温マニホルド復路７６には流れない。
【００５３】
これに対して、スタック１の外周側を暖める要請が強くなったとき、バルブ８２の切り替えにより、冷媒マニホルド復路６６と迂回流路８０とを非連通とする。この場合、冷媒マニホルド復路６６と保温マニホルド往路７５とを連通とする。この結果、冷媒マニホルド復路６６から吐出された暖かい冷媒は、保温マニホルド往路７５および保温マニホルド復路７６に流れ、スタック１をこれの外周方向に暖める。
【実施例６】
【００５４】
図８は実施例６を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、作用効果を奏する。以下、異なる部分を中心として説明する。図８に示すように、スタック１の積層方向の端部となるエンドプレート１００、１１０が設けられている。エンドプレート１００、１１０には、これの厚み方向に貫通する保温流路入口７０Ｍおよび保温流路出口７１Ｍが形成されており、保温流路入口７０Ｍおよび保温流路出口７１Ｍを繋ぐように保温流路７（７Ｒ、７Ｌ）が形成されている。保温流路７（７Ｒ、７Ｌ）は、エンドプレート１００の外縁１００ｗ、エンドプレートの１１０の外縁１１０ｗに沿って形成されている。これによりエンドプレート１００、１１０は外周方向に保温される。またスタック１の積層方向の端部の冷えも抑制される。
【００５５】
（他の実施例）
上記した実施例によれば、冷媒はスタック１の積層方向の一方１ｅ側からスタック１の内部に供給され、保温媒体はスタック１の積層方向の他方１ｆ側からスタック１の内部に供給される形態が採用されている。しかしこれに限らず、冷媒はスタック１の積層方向の一方１ｅ側からスタック１の内部に供給され、保温媒体もスタック１の積層方向の一方１ｅ側からスタック１の内部に供給される形態としても良い。セパレータ２はほぼ矩形状に限らず、円形状でも良い。本発明は上記しかつ図面に示した実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更して実施される。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明は例えば車両用、定置用、電気機器用、電子機器用の燃料電池スタック装置に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】実施例１に係り、スタックを分解して模式的に示す構成図である。
【図２】セパレータに形成されている冷媒流路および保温流路を模式的に示す正面図である。
【図３】スタックにおける冷媒の流れ形態を模式的に示す構成図である。
【図４】実施例２に係り、セパレータに形成されている保温流路を拡大して模式的に示す部分正面図である。
【図５】実施例３に係り、セパレータに形成されている冷媒流路および保温流路を模式的に示す正面図である。
【図６】実施例４に係り、セパレータに形成されている酸化剤流路および保温流路を模式的に示す正面図である。
【図７】実施例５に係り、スタックにおける冷媒の流れ形態を模式的に示す構成図である。
【図８】実施例６に係り、スタックにおける冷媒の流れ形態を模式的に示す構成図である。
【符号の説明】
【００５８】
図中、１はスタック、２はセパレータ、３は酸化剤流路、３０は酸化剤入口、３１は酸化剤出口、４は燃料流路、４０は燃料入口、４１は燃料出口、５は膜電極接合体、５０は電解質膜、５１は燃料極、５２は酸化剤極、６は冷媒流路、６０は冷媒入口、６１は冷媒出口、７（７Ｒ，７Ｌ）は保温流路、７０は保温流路入口、７１は保温流路出口、７５は保温マニホルド往路、７６は保温マニホルド復路、８０は迂回流路を示す。
【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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