(57)【要約】【課題】燃料電池スタックにおける端部単セルの温度低下を抑制し、積層した単セルの温度の均一化を可能とする手段を提供する。【解決手段】端部単セルのセパレータに形成した冷却水入口部に、櫛形状の弾性体１７を挿着することにより、冷却水流量を調節して、端部単セルの温度低下を抑制する。あるいは、燃料電池スタックの冷却水入口１９に最も近い冷却水流通溝の下流にオリフィス孔１８を備え、かつ／または、燃料電池スタックの冷却水出口２０に最も近い冷却水流通溝の上流にオリフィス孔１８を備えることにより、冷却水流量を調節して、端部単セルの温度低下を抑制する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単セルを複数個積層した燃料電池スタックにおいて、積層方向端部のセパレータの冷却水入口部または冷却水出口部の一部に、弾性体を挿着したことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記弾性体を前記冷却水入口部または前記冷却水出口部に設けたスリットの一部に挿着したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記弾性体の形状は、櫛形状、コ字状またはT字状であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記弾性体が冷却水通流方向に貫通孔を有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
単セルを複数個積層した燃料電池スタックにおいて、該単セルのセパレータに設けた冷却水用マニホールド部分に、オリフィス孔を有することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項６】
単セルを複数個積層した燃料電池スタックにおいて、燃料電池スタックの冷却水入口に最も近い冷却水流通溝の下流にオリフィス孔を備え、かつ／または、燃料電池スタックの冷却水出口に最も近い冷却水流通溝の上流にオリフィス孔を備えることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記セパレータに設けた冷却水用マニホールド部分に、オリフィス孔を有することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項８】
単セルを複数個積層した燃料電池スタックにおいて、燃料電池スタックの冷却水入口に最も近い冷却水流通溝の下流にオリフィス孔を備え、かつ／または、燃料電池スタックの冷却水出口に最も近い冷却水流通溝の上流にオリフィス孔を備えることを特徴とする請求項７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、燃料電池スタックの冷却構造に関するものである。
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【背景技術】
【０００２】
従来技術（１）における固体高分子型燃料電池の燃料電池スタックの構成を図５に示す。燃料電池スタック１０は、複数の単セル５を積層したのち、その両端部に、集電板１１、絶縁板１２および加圧板１３を積層して構成される。
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集電板１１は、各単セル５で発生した電気を集電するもので、銅板等の導電材から成り、また、絶縁板１２は、燃料電池スタック１０を電気的に絶縁するもので、高分子材料などの絶縁材から成る。加圧板１３は、以上の単セル５、集電版１１および絶縁板１２を積層方向に加圧して、燃料電池スタックとして構成するもので、加圧力は締付けボルト１４により与えられる。
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図６に、燃料電池スタック１０を構成する単セル５の断面図を示す。単セル５は、固体高分子電解質膜１の両主面に電極２を熱圧着し、一体化して成る電解質膜・電極接合体３を、一対のセパレータ４で挟持して、構成される。セパレータ４の片面には、反応ガスである燃料ガスまたは酸化剤ガスが流通するガス流通溝７が形成されており、アノード側のセパレータのガス流通溝には、水素ガスを含む燃料ガスが、カソード側のセパレータのガス流通溝には、酸素ガスを含む酸化剤ガスがそれぞれ供給される。
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当該ガス流通溝７が形成された面の反対面には、冷却水流通溝８が形成され、流通する冷却水により、単セル５が冷却される。このため、発電時の反応熱による単セル５の温度上昇が抑えられ、燃料電池スタック１０は所定の運転温度に維持される。ここで、冷却水は、セパレータに設けられた冷却水入口側の冷却水マニホールド部分６ａから、それぞれ、各冷却水流通溝８に供給され、冷却水流通溝８を通過したのち、冷却水出口側の冷却水マニホールド部分６ｂにて他の冷却水と合流し、燃料電池スタック１０から排出される。反応ガス及び冷却水の漏出は、弾性材からなるシール体１５により、防止される。また、各単セルの冷却水マニホールド部分６ａ、６ｂは、単セルが積層することにより、積層方向に連通し、燃料電池スタック全体として、冷却水用マニホールドを形成する。なお、図６において、分かり易いように、各部材を適度に隙間をあけて記載してある。
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以上の従来技術（１）では、すべての単セル５の冷却水流通溝８、冷却水用マニホールド部分６a、６bの構造は同一であるため、冷却水はすべての単セルに均等に流通する。
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一方、特許文献１に示された従来技術（２）では、積層方向両端部の単セルにおいて、冷却水流通溝は形成されず、端部の単セルが冷却水により冷却されない構造となっている。また、特許文献２に示された従来技術（３）では、単セルの冷却水流通溝の一部を構成する最外周の冷却水流通溝と、他の冷却水流通溝との溝断面積を同等に設定する閉塞シールを配設している。
【特許文献１】特開2002−216806号公報
【特許文献２】特開2005−235613号公報・
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
燃料電池の出力特性は、その運転温度に依存することから、燃料電池スタックにおいて、各単セルの出力電圧を均一に維持するには、各単セルの運転温度を均一に保持することを要する。しかし、従来技術（１）において、積層方向の両端部の単セルの温度は、中央部の単セルの温度より、低いものとなる。これは、端部の単セル（以下、端部単セル）では、放熱しやすい一方、端部以外の単セルでは、放熱しにくいことによる。すなわち、端部単セルで発生した熱は、自ら発熱することがない集電板、絶縁板および加圧板を介して、外界へ放熱されるが、端部以外の単セルは、他の単セルに挟持されているため、セルで発生した熱が外界へ放熱しにくい。このため、すべての単セルの冷却水流通溝が同じく形成されている従来技術（１）では、冷却水が各単セルを等しく流通するため、外界への放熱がしやすい端部単セルの温度は、端部以外の単セルの温度より低くなる問題点が生じる。
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この端部単セルの温度低下による、燃料電池スタックの温度不均一を解決するものとして、従来技術（２）では、端部セルの冷却水流通溝を形成せず、冷却水を流通しない構造を採用している。しかし、端部セルのみ冷却水を流通しない構造とすることは、別途、構造の異なるセパレータの製造を要し、製造工数の増加となる欠点がある。また、端部の冷却水を全く流通しない構造では、加圧板、集電板等の材質、厚み、面積などにより、その放熱効率が低下した場合、端部単セルの温度上昇により、燃料電池スタックの温度を均一にすることが困難となる場合も生じる。
・  
従来技術（３）では、単セル内での冷却水流量を均一化するために、単セルの最外周の冷却水流通溝に、冷却水流路を閉塞するシールを配設して、冷却水の流量を調節する。しかし、端部単セルと端部単セルの温度を均一に保てない問題点がある。
・  
そこで、本発明は上記の従来技術の問題点を鑑み、燃料電池スタックの端部単セルの温度低下を抑制する燃料電池を提供することを課題とする。
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【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の課題は、端部単セルの冷却水の流量を調節するし、燃料電池スタックの温度を均一化させることによって解決される。
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すなわち、請求項１の発明の特徴は、単セルを複数個積層した燃料電池スタックにおいて、積層方向端部のセパレータの冷却水入口部または冷却水出口部の一部に、弾性体を挿着したことである。
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また、請求項２の発明の特徴は、請求項１に記載の燃料電池スタックにおいて、弾性体を前記冷却水入口部または前記冷却水出口部に設けたスリットの一部に挿着したことである。
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また、請求項３の発明の特徴は、請求項１または請求項２に記載の燃料電池スタックにおいて、弾性体の形状が、櫛形状、コ字状またはT字状であることである。
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また、請求項４の発明の特徴は、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池スタックにおいて、弾性体が冷却水通流方向に貫通孔を有することである。
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また、請求項５の発明の特徴は、単セルを複数個積層した燃料電池スタックにおいて、単セルのセパレータに設けた冷却水用マニホールド部分に、オリフィス孔を有することである。
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また、請求項６の発明の特徴は、単セルを複数個積層した請求項５に記載の燃料電池スタックにおいて、燃料電池スタックの冷却水入口に最も近い冷却水流通溝の下流にオリフィス孔を備え、かつ／または、燃料電池スタックの冷却水出口に最も近い冷却水流通溝の上流にオリフィス孔を備えることである。
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また、請求項７の発明の特徴は、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記セパレータに設けた冷却水用マニホールド部分に、オリフィス孔を有することである。
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また、請求項８の発明の特徴は、単セルを複数個積層した請求項７に記載の燃料電池スタックにおいて、燃料電池スタックの冷却水入口に最も近い冷却水流通溝の下流にオリフィス孔を備え、かつ／または、燃料電池スタックの冷却水出口に最も近い冷却水流通溝の上流にオリフィス孔を備えることである。
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【発明の効果】
【０００５】
冷却水入口部のスリットに挿着する櫛形状などの形状を有する弾性体は、冷却水の流れる順方向に沿って、挿入され固定されるため、長期の運転においても、位置ずれ、脱落を生じることがない。また、挿着をする弾性体の数を変えることにより、端部単セルの冷却水流量の調節が可能となる効果が得られる。
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さらに、冷却水流量を調節するオリフィス孔は、固体電解質膜を用いて形成すれば、新たな材料、部品を追加することなく、簡易に端部単セルの冷却水流量を調節できる効果が得られる。
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冷却水流量の調節により、端部単セルの冷却水流量は、他の単セルより減少し、端部単セルの温度低下が抑制されるため、従来技術における、端部単セルの温度低下により生じる積層セルの温度の不均一が解消し、発電量を増加できる。
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【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明の実施例について、図面をもとに、以下に説明する。図２、図４では、分かり易いように、各部材を適度に隙間をあけて記載してある。本発明による端部単セルの冷却構造の実施例（１）を図１および図２にて説明する。
・  
図１は、端部の単セルの冷却構造を示すものである。冷却水は、冷却水入口側の冷却水マニホールド部分６a、冷却水入口部９ａを経て、冷却水流通溝８に配流されたのち、冷却水出口部９ｂに集合し、冷却水出口側の冷却水マニホールド部分６ｂにて、他のセルから流出した冷却水と合流し、排出される。冷却水入口部９ａおよび冷却水出口部９ｂには、一定間隔のスリット１６が形成されており、このうち、冷却水入口部９ａのスリット１６に、コ字状の弾性体１７を挿着して、冷却水流路の一部を遮断する。なお、当該スリット構造によって、開口部分となる冷却水入口部９ａ、冷却水出口部９ｂの機械強度が保持されている。
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ここで、弾性体１７の材料として、ブチルゴム、フッ素ゴム、ニトリルゴム、EPDM（エチレンプロピレン共重合体）、シリコンゴムなどを用いることができる。弾性体１７の形状として、スリットに挿入可能な櫛形状、コ字状、または、T字状などを採用することができ、また、所望の冷却水流量に応じて、その形状、個数を組み合わせて使用できる。さらに、スリット内に挿入される弾性体１７の部分に、水が流通する貫通孔を設けて、通過する冷却水の量を調節することもできる。これらの櫛形状などの弾性体１７は、材料の機械加工、またはインジェクション成形などの成形加工により、簡易に製作できる。
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図２は、実施例（１）による単セル積層構造の断面を示すものである。冷却水は、積層された各単セル５の冷却水入口側の冷却水マニホールド部分６aおよび冷却水出口側の冷却水マニホールド部分６bにより構成される冷却水用マニホールドを流れる。燃料電池スタック１０に導入された冷却水は、冷却水入口側の冷却水マニホールド部分６aから分岐し、各単セルの冷却水入口部９aを経て、冷却水流通溝８に配流されたのち、冷却水出口部９bを通り、冷却水出口側の冷却水マニホールド部分６bに合流する。冷却水流通方向の最終端部の単セル５aおよび冷却水流通方向の開始端部の単セル５bにおいては、冷却水入口部９aに挿着された櫛形状、コ字状、または、T字状の弾性体１７によって、流路の一部が遮断される。このため、冷却水流通方向の最終端部の単セル５aおよび冷却水流通方向の開始端部の単セル５bを流通する冷却水の流量は、他の単セルより減少し、端部単セルの温度の低下が抑制される。
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以上のように、実施例（１）では、冷却水流通方向の最終端部の単セル５aおよび冷却水流通方向の開始端部の単セル５bについて、弾性体１７を使用したが、開始端、最終端のそれぞれ外側に配した加圧板１３、集電板１１等の材質、厚みなどが異なることにより、開始端、最終端の放熱効果が異なる場合には、開始端、最終端のいずれか一方の単セルについて、当該弾性体１７を使用して、冷却水量を調節し、端部単セルの温度低下を抑制することができる。
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本発明による端部単セルの冷却構造の実施例（２）を図３および図４にて説明する。図３は、オリフィス孔１８を有する単セルの外観の一部を示したものである。従来技術（１）の燃料電池スタックのすべての単セルは冷却水用マニホールド部分の固体高分子電解質膜が切り取られて存在しない単セルであるが、本実施例（２）の燃料電池スタックでは、冷却水入口側の冷却水マニホールド部分６aもしくは冷却水出口側の冷却水マニホールド部分６ｂに、固体高分子電解質膜１が存在し、オリフィス孔１８が開けられている単セルをも備えている。
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図４は、実施例（２）による単セル積層構造の断面を示すものである。本燃料電池スタックは、燃料電池スタックの冷却水入口１９に最も近い冷却水流通溝の下流にオリフィス孔１８を備え、燃料電池スタックの冷却水出口２０に最も近い冷却水流通溝の上流にオリフィス孔１８を備えている。冷却水は、燃料電池スタックの冷却水入口１９、積層された各単セルの冷却水入口側の冷却水マニホールド部分６a、各単セルの冷却水入口部９aを経て、冷却水流通溝８に配流されたのち、冷却水出口部９ｂに集合し、冷却水出口側の冷却水マニホールド部分６ｂにて、他のセルから流出した冷却水と合流し、燃料電池スタックの冷却水出口２０に排出される。冷却水流通方向の最終端部の単セル５aにおいては、冷却水入口側のオリフィス孔１８によって、流路が狭められるため、冷却水の流量は、他の単セルより減少し、端部単セルの温度の低下が抑制される。また、冷却水流通方向の開始端部の単セル５ｂにおいては、開始端部から２番目の単セル５ｃの冷却水出口側の冷却水マニホールド部分６bにオリフィス孔１８が設けられているため、冷却水流通方向の開始端部の単セル５ｂを流れる冷却水の流量は他のセルより減少し、端部単セルの温度の低下が抑制される。
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従って、実施例（１）と同様に、実施例（２）では、冷却水流通方向の最終端部の単セル５aおよび冷却水流通方向の開始端部の単セル５bにおいて、流量が他の単セルより減少するため、端部単セルの温度低下が抑制される。
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なお、図４には下流側セパレータ４aに冷却水流通溝８が形成されているが、上流側セパレータ４bに冷却水流通溝８を形成した単セルを積層して燃料電池スタック１０を構成することも可能である。かかる場合、最終端部から２番目の単セルの冷却水入口側の冷却水マニホールド部分６ａ、および、開始端部の単セルの冷却水出口側の冷却水マニホールド部分６ｂに、オリフィス孔１８を、配設することにより、実施例（２）と同様の作用、効果が得られる。
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また、実施例（１）と同様に、実施例（２）においても、オリフィス孔１８の配設を一箇所とし、冷却水流通方向の最終端部の単セル５aまたは冷却水流通方向の開始端部の単セル５bのいずれか一方の単セルについて、冷却水量を調節して、端部単セルの温度低下を抑制することもできる。
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さらに、実施例（１）の弾性体１７と、実施例（２）のオリフィス孔１８とを併用して、冷却水量を調節することができる。かかる場合、２段階で水量を調節することとなるため、冷却水の流速が大きな場合などにおいて、端部単セルの冷却水流量の調節に適する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の一実施例に係る端部単セルの構造を示す図である。
【図２】図１に示す実施例の単セル積層構造の断面を示す図である。
【図３】本発明の別の実施例に係る端部単セルの構造を示す図である。
【図４】図３に示す実施例の単セル積層構造の断面を示す図である。
【図５】従来技術の燃料電池スタックの構成を示す図である。
【図６】従来技術の単セルの構造の断面を示す図である。
【符号の説明】
【０００８】
１  固体高分子電解質膜
２  電極
３  電解質膜・電極接合体
４  セパレータ
４a  下流側セパレータ
４b  上流側セパレータ
５  単セル
５a  冷却水流通方向の最終端部の単セル
５b  冷却水流通方向の開始端部の単セル
５c  開始端部から2番目の単セル
６a  冷却水入口側の冷却水マニホールド部分
６b  冷却水出口側の冷却水マニホールド部分
７  ガス流通溝
８  冷却水流通溝
９a  冷却水入口部
９b  冷却水出口部
１０  燃料電池スタック
１１  集電板
１２  絶縁板
１３  加圧板
１４  締め付けボルト
１５  シール体
１６  スリット
１７  弾性体
１８  オリフィス孔
１９  燃料電池スタックの冷却水入口
２０  燃料電池スタックの冷却水出口
【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】
2007141694.tif 000007
【図６】
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