(57)【要約】【課題】ＰＥＦＣの熱効率の低下を抑制しつつ、スタック積層方向の温度偏差をより早期に抑制することができる高分子電解質形燃料電池スタックを提供する。【解決手段】３以上の反応部１１０、２１０と、伝熱部と、が積層して構成された高分子電解質形燃料電池スタックにおいて、記反応部１１０，２１０は、前記伝熱部から排出後の伝熱媒体が流通する流路に近接した流路を流通したアノードガス及びカソードガスのうち少なくとも一方が供給される第１反応部１００と、前記伝熱部に供給前の伝熱媒体が流通する流路に近接した流路を流通したアノードガス及びカソードガスのうち少なくとも一方が供給される第２反応部２１０と、を有し、１以上の前記第１反応部１１０が積層されてなる第１反応層Ｑが積層方向両端部に構成され、１以上の前記第２反応部２１０が積層されてなる第２反応層Ｐが積層方向中央部に構成された、高分子電解質形燃料電池スタック。【選択図】図１
2007335230.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＥＡ、アノードガス流路及びカソードガス流路を有する３以上の反応部と、伝熱媒体流路を有する伝熱部と、が積層して構成された高分子電解質形燃料電池スタックにおいて、
前記反応部は、前記伝熱部から排出後の伝熱媒体が流通する流路に近接した流路を流通したアノードガス及びカソードガスのうちの少なくとも一方が供給される第１反応部と、前記伝熱部に供給前の伝熱媒体が流通する流路に近接した流路を流通したアノードガス及びカソードガスのうちの少なくとも一方が供給される第２反応部と、を有し、
１以上の前記第１反応部が積層されてなる第１反応層が積層方向両端部に構成され、１以上の前記第２反応部が積層されてなる第２反応層が積層方向中央部に構成された、高分子電解質形燃料電池スタック。
【請求項２】
前記第１反応部には、前記伝熱部に供給前の伝熱媒体が流通する流路よりも前記伝熱部から排出後の伝熱媒体が流通する流路に近接した流路を流通したアノードガス及びカソードガスのうちの少なくとも一方が供給され、
前記第２反応部には、前記伝熱部から排出後の伝熱媒体が流通する流路よりも前記伝熱部に供給前の伝熱媒体が流通する流路に近接した流路を流通したアノードガス及びカソードガスのうちの少なくとも一方が供給される、請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池スタック。
【請求項３】
伝熱部に供給前の伝熱媒体が流通する伝熱媒体供給マニホールド、前記伝熱部から排出後の伝熱媒体が流通する伝熱媒体排出マニホールド、前記反応部に供給前のアノードガスが流通するアノードガス供給マニホールド、前記反応部から排出後のアノードガスが流通するアノードガス排出マニホールド、前記反応部に供給前のカソードガスが流通するカソードガス供給マニホールド、及び前記反応部から排出後のカソードガスが流通するカソードガス排出マニホールドが、それぞれ、前記積層された反応部及び伝熱部の側部において積層方向に延びて形成されており、
前記アノードガス供給マニホールド及び前記カソードガス供給マニホールドのうち少なくともいずれかは第１の供給マニホールド及び第２の供給マニホールドの２本のマニホールドからなり、
前記第１の供給マニホールドは前記伝熱媒体排出マニホールドに近接して形成されるとともに、前記第１反応部のアノードガス流路あるいはカソードガス流路に接続され、
前記第２の供給マニホールドは前記伝熱媒体供給マニホールドに近接して形成されるとともに、前記第２反応部のアノードガス流路あるいはカソードガス流路に接続された、請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池スタック。
【請求項４】
前記反応部は、前記伝熱媒体供給マニホールド、前記伝熱媒体排出マニホールド、前記アノードガス供給マニホールド、前記アノードガス排出マニホールド、前記カソードガス供給マニホールド、及び前記カソードガス排出マニホールドを構成するマニホールド孔が、その厚さ方向に貫通してそれぞれ形成され、かつ、内面側に前記アノードガス供給マニホールド及び前記アノードガス排出マニホールドを構成するマニホールド孔同士を結ぶアノードガス流路溝が形成された、平板状のアノードセパレータと、
前記伝熱媒体供給マニホールド、前記伝熱媒体排出マニホールド、前記アノードガス供給マニホールド、前記アノードガス排出マニホールド、前記カソードガス供給マニホールド、及び前記カソードガス排出マニホールドを構成するマニホールド孔が、その厚さ方向に貫通してそれぞれ形成され、かつ、内面側に前記カソードガス供給マニホールド及び前記カソードガス排出マニホールドを構成するマニホールド孔同士を結ぶカソードガス流路溝が形成された、平板状のカソードセパレータと、
前記伝熱媒体供給マニホールド、前記伝熱媒体排出マニホールド、前記アノードガス供給マニホールド、前記アノードガス排出マニホールド、前記カソードガス供給マニホールド、及び前記カソードガス排出マニホールドを構成するマニホールド孔が、その厚さ方向に貫通してそれぞれ形成された、平板状の枠体、ならびに該枠体の枠内に配設された前記ＭＥＡを有するＭＥＡ部材と、を備え、該アノードセパレータの内面及び該カソードセパレータの内面に該ＭＥＡ部材が挟まれて構成された、請求項３に記載の高分子電解質形燃料電池スタック。
【請求項５】
請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池スタックと、
前記第１反応部にアノードガスを供給する第１アノードガス供給系統と、
前記第１反応部にカソードガスを供給する第１カソードガス供給系統と、
前記第２反応部にアノードガスを供給する第２アノードガス供給系統と、
前記第２反応部にカソードガスを供給する第２カソードガス供給系統と、
前記第１アノードガス供給系統、第２アノードガス供給系統、第１カソードガス供給系統、及び第２カソードガス供給系統それぞれに配設された流量制御装置群と、を有する、高分子電解質形燃料電池システム。
【請求項６】
前記第１反応部におけるアノードガス及びカソードガスの圧力損失を検知する圧力計、前記第２反応部におけるアノードガス及びカソードガスの圧力損失を検知する圧力計、前記第１反応部及び前記第２反応部の発電電圧を検知する電圧計の少なくともいずれかを有してなる測定部と、
前記測定部の検知情報に基づいて、前記流量制御装置群を制御する制御装置と、を備えた、請求項５に記載の高分子電解質形燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子電解質形燃料電池スタック及び高分子電解質形燃料電池システムに関する。特に、反応部と伝熱部とが積層して構成された、高分子電解質形燃料電池スタック及びそれを用いた高分子電解質形燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質形燃料電池（以下、ＰＥＦＣという）は、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電解質膜−電極接合体）を有し、ＭＥＡの両側主面それぞれを水素を含有するアノードガスと空気など酸素を含有するカソードガスとに曝露して、アノードガスとカソードガスとを電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを発生させる装置である。
【０００３】
ところで、ＰＥＦＣは、電池反応毎の起電力が一般用途に比べ十分ではない。
【０００４】
また、電気化学反応は発熱反応であるので、ＰＥＦＣ運転動作中にＭＥＡが触媒活性温度になるように反応部を冷却する必要がある。また、ＰＥＦＣ起動動作時には、ＭＥＡが触媒活性温度になるようにＰＥＦＣを予熱する必要がある。加えて、ＰＥＦＣ運転動作時には適切な温度管理を要する。すなわち、ＭＥＡの冷却が不十分な場合、ＭＥＡの温度が上昇して高分子電解質膜から水分が蒸発する。その結果、高分子電解質膜の劣化が促進されてＭＥＡの耐久性が低下したり、高分子電解質膜の電気抵抗が増大してＭＥＡの起電力が低下したりすることが知られている。一方、ＰＥＦＣを必要以上に冷却した場合、ガス流路を流れるアノードガス及びカソードガス中の水分が結露し、これらガス中に含まれる液体状態の水の量が増加する。液体状態の水は、ガス流路に表面張力によって液滴として付着する。この液滴の量が甚だしい場合は、ガス流路内に付着した水がガス流路を塞いでガスの流れを阻害し、いわゆるフラッディング現象を起こす。その結果、電気出力が不安定化する等ＰＥＦＣの性能を低下させることが知られている。
【０００５】
これらの理由から、ＰＥＦＣは、ＭＥＡ、アノードガス流路及びカソードガス流路を有する反応部と、伝熱媒体流路を有する伝熱部と、がそれぞれ複数積層して構成されている。このような積層構造の高分子電解質形燃料電池スタック（以下、スタックと略称する）がＰＥＦＣの本体を構成している。
【０００６】
そして、伝熱部に供給前の伝熱媒体が流通する伝熱媒体供給マニホールド、前記伝熱部から排出後の伝熱媒体が流通する伝熱媒体排出マニホールド、前記反応部に供給前のアノードガスが流通するアノードガス供給マニホールド、前記反応部から排出後のアノードガスが流通するアノードガス排出マニホールド、前記反応部に供給前のカソードガスが流通するカソードガス供給マニホールド、及び前記反応部から排出後のカソードガスが流通するカソードガス排出マニホールドが、それぞれ、前記積層された反応部及び伝熱部の側部において積層方向に延びて形成されている。
【０００７】
ここで、このマニホールドの構成形態によって、スタックは２種類に大別される。すなわち、マニホールドがスタックと一体化されて構成される内部マニホールド型スタックと、これらマニホールドがスタックへの装着部材として構成される外部マニホールド型スタックとに大別される。
【０００８】
現状において、主として用いられている内部マニホールド型スタックは、一般的には、平板状のアノードセパレータ及びカソードセパレータと、枠体及び該枠体の枠内に配設されたＭＥＡを有するＭＥＡ部材と、を備えている。そして反応部は、アノードセパレータの内面及びカソードセパレータの内面に該ＭＥＡ部材が挟まれて構成されている。アノードセパレータには、前記伝熱媒体供給マニホールド、前記伝熱媒体排出マニホールド、前記アノードガス供給マニホールド、前記アノードガス排出マニホールド、前記カソードガス供給マニホールド、及び前記カソードガス排出マニホールドを構成するマニホールド孔が、その厚さ方向に貫通してそれぞれ形成され、かつ、内面側に前記アノードガス供給マニホールド及び前記アノードガス排出マニホールドを構成するマニホールド孔同士を結ぶアノードガス流路溝が形成されている。
【０００９】
同様にして、カソードセパレータは、前記伝熱媒体供給マニホールド、前記伝熱媒体排出マニホールド、前記アノードガス供給マニホールド、前記アノードガス排出マニホールド、前記カソードガス供給マニホールド、及び前記カソードガス排出マニホールドを構成するマニホールド孔が、その厚さ方向に貫通してそれぞれ形成され、かつ、内面側に前記カソードガス供給マニホールド及び前記カソードガス排出マニホールドを構成するマニホールド孔同士を結ぶカソードガス流路溝が形成されている。
【００１０】
ＭＥＡ部材の枠体には、前記伝熱媒体供給マニホールド、前記伝熱媒体排出マニホールド、前記アノードガス供給マニホールド、前記アノードガス排出マニホールド、前記カソードガス供給マニホールド、及び前記カソードガス排出マニホールドを構成するマニホールド孔が、その厚さ方向に貫通してそれぞれ形成されている。
【００１１】
ＭＥＡは、高分子電解質膜とその両面に積層して構成された一対の電極とを有して構成されており、ＭＥＡの両主面には電極面が形成されている。また、セパレータは、電導性カーボンを含む樹脂、金属等の導電材料で構成され、ＭＥＡの電極面に当接して電気回路の一部を担っている。
【００１２】
なお、伝熱部の構成にはいくつかの形態がある。例えば、アノードセパレータ及び／あるいはカソードセパレータの外面側に伝熱媒体流路溝が形成され、積層によるセパレータ外面同士の接合によって伝熱部が形成されるという形態がある。あるいは、伝熱媒体流路が内部に構成された伝熱部材が、セパレータの外面間に挿入されるという形態もある。伝熱媒体としては、水、シリコンオイルが一般的に用いられている。また、伝熱部は、各反応部（セル）の積層間に構成されている必要はない。積層された２〜３の反応部毎に伝熱部が構成されている形態もある。
【００１３】
ところで、ＰＥＦＣの発電運転時においては、反応部（セル）の積層方向において両端部が中央部よりも温度が低くなり、ひいてはＰＥＦＣスタックの性能低下を招来するという問題があった。（例えば、特許文献１乃至４）
このようなＰＥＦＣの発電運転時における、スタックにおける積層方向（以下、積層方向と略称する）の温度偏差の問題については、スタック端部における温度低下を抑制、つまり放熱あるいは冷却の不均一を抑制、する構造あるいは方法が従来検討されていた。
【００１４】
具体的には、特許文献１では、スタックの両端に位置するセパレータの冷媒流路を廃止するスタックの構造が提案されている。
【００１５】
また、特許文献２では、スタックの両端に発熱体が配設されるスタックの構造、及び電池反応熱で昇温した冷却用流体によってスタックの両端部を加温する構造が提案されている。
【００１６】
特許文献３では、冷却用流体の配管接続部をスタックの両端部の一方の端部側に配設されるスタックの構造が提案されている。
【００１７】
特許文献４では、冷却水がスタックの両端から供給及び排出されるとともに、スタックを流通した冷却水が両端の端板内の水路を流通する構造が提案されている。
【特許文献１】特開２００２−２１６８０６号公報
【特許文献２】特開平８−１６７４２４号公報
【特許文献３】特開平８−１３００２８号公報
【特許文献４】特開平８−１１１２３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかし、特許文献２及び４に提案されるような、発電電力や外部電源を用いた発熱体の使用や、冷却水の保有熱の利用では、ＰＥＦＣシステム自体の熱効率の低下が懸念された。
【００１９】
また、特許文献１及び３に提案されるような冷却構造の変更では、温度偏差の抑制効果が限定的であり、改善の余地があった。
【００２０】
さらに、これら文献の提案全ては、専らスタック端部のセパレータに対して、加熱したり、冷却を抑制したりするものであった。すなわち、端部のＭＥＡの温度上昇には、発熱体あるいは冷却水からセパレータへの伝熱作用と、セパレータからＭＥＡへの伝熱作用とを要し、発電開始直後からの迅速な効果は得られにくいものであった。
【００２１】
このように、積層方向の温度偏差の抑制対策には、改善の余地があった。
【００２２】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、ＰＥＦＣの熱効率の低下を抑制しつつ、スタック積層方向の温度偏差をより早期に抑制することができる高分子電解質形燃料電池スタックを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記課題を解決すべく、発明者は鋭意研究を行った。その結果、伝熱媒体排出マニホールドには、電池反応熱を吸熱した伝熱媒体が流通するが、この伝熱媒体の蓄熱の一部は、伝熱媒体排出マニホールドの壁面に輻射されて熱損失となっていた。発明者は、この輻射熱を有効利用することによって、ＰＥＦＣの熱効率を低下させずに、スタック積層方向の温度偏差を抑制することができるものと考えた。
【００２４】
また、スタック端部のＭＥＡに供給されるアノードガス及びカソードガスのうち少なくとも一方の温度を調整することによってスタック積層方向の温度偏差をより早期に抑制することができるものと考えた。
【００２５】
これらの発想を基にして、発明者は、本発明に想到した。
【００２６】
第１の本発明の高分子電解質形燃料電池スタックは、ＭＥＡ、アノードガス流路及びカソードガス流路を有する３以上の反応部と、伝熱媒体流路を有する伝熱部と、が積層して構成された高分子電解質形燃料電池スタックにおいて、
前記反応部は、前記伝熱部から排出後の伝熱媒体が流通する流路に近接した流路を流通したアノードガス及びカソードガスのうち少なくとも一方が供給される第１反応部と、前記伝熱部に供給前の伝熱媒体が流通する流路に近接した流路を流通したアノードガス及びカソードガスのうち少なくとも一方が供給される第２反応部と、を有し、
１以上の前記第１反応部が積層されてなる第１反応層が積層方向両端部に構成され、１以上の前記第２反応部が積層されてなる第２反応層が積層方向中央部に構成されている。
【００２７】
このように構成すると、スタック積層方向端部の反応部には、より高温のアノードガス及びカソードガスのうち少なくとも一方が供給されるので、スタック積層方向の温度偏差をより早期に抑制することができる。また、アノードガス及びカソードガスのうち少なくとも一方の加温には、伝熱部から排出された伝熱媒体からの輻射熱あるいは伝導熱が利用されるので、ＰＥＦＣの熱効率の低下を抑制することができる。
【００２８】
ここで、近接とは、第１反応部に供給されるアノードガス及びカソードガスの流路が、その他の流路よりも前記伝熱部から排出後の伝熱媒体が流通する流路に近接していることをいい、第２反応部に供給されるアノードガス及びカソードガスの流路が、その他の流路よりも前記伝熱部に供給前の伝熱媒体が流通する流路に近接していることをいう。
【００２９】
第２の本発明の高分子電解質形燃料電池スタックは、前記第１反応部には、前記伝熱部に供給前の伝熱媒体が流通する流路よりも前記伝熱部から排出後の伝熱媒体が流通する流路に近接した流路を流通したアノードガス及びカソードガスのうちの少なくとも一方が供給され、
前記第２反応部には、前記伝熱部から排出後の伝熱媒体が流通する流路よりも前記伝熱部に供給前の伝熱媒体が流通する流路に近接した流路を流通したアノードガス及びカソードガスのうちの少なくとも一方が供給されるとよい。このように構成するとより確実に本発明の効果を得ることができる。
【００３０】
第３の本発明の高分子電解質形燃料電池スタックは、伝熱部に供給前の伝熱媒体が流通する伝熱媒体供給マニホールド、前記伝熱部から排出後の伝熱媒体が流通する伝熱媒体排出マニホールド、前記反応部に供給前のアノードガスが流通するアノードガス供給マニホールド、前記反応部から排出後のアノードガスが流通するアノードガス排出マニホールド、前記反応部に供給前のカソードガスが流通するカソードガス供給マニホールド、及び前記反応部から排出後のカソードガスが流通するカソードガス排出マニホールドが、それぞれ、前記積層された反応部及び伝熱部の側部において積層方向に延びて形成されており、
前記アノードガス供給マニホールド及び前記カソードガス供給マニホールドのうち少なくともいずれかは第１の供給マニホールド及び第２の供給マニホールドの２本のマニホールドからなり、
前記第１の供給マニホールドは前記伝熱媒体排出マニホールドに近接して形成されるとともに、前記第１反応部のアノードガス流路あるいはカソードガス流路に接続され、
前記第２の供給マニホールドは前記伝熱媒体供給マニホールドに近接して形成されるとともに、前記第２反応部のアノードガス流路あるいはカソードガス流路に接続されているとよい。このように構成すると、本発明の効果をより確実に得ることができる。
【００３１】
第４の本発明の高分子電解質形燃料電池スタックは、前記反応部は、前記伝熱媒体供給マニホールド、前記伝熱媒体排出マニホールド、前記アノードガス供給マニホールド、前記アノードガス排出マニホールド、前記カソードガス供給マニホールド、及び前記カソードガス排出マニホールドを構成するマニホールド孔が、その厚さ方向に貫通してそれぞれ形成され、かつ、内面側に前記アノードガス供給マニホールド及び前記アノードガス排出マニホールドを構成するマニホールド孔同士を結ぶアノードガス流路溝が形成された、平板状のアノードセパレータと、
前記伝熱媒体供給マニホールド、前記伝熱媒体排出マニホールド、前記アノードガス供給マニホールド、前記アノードガス排出マニホールド、前記カソードガス供給マニホールド、及び前記カソードガス排出マニホールドを構成するマニホールド孔が、その厚さ方向に貫通してそれぞれ形成され、かつ、内面側に前記カソードガス供給マニホールド及び前記カソードガス排出マニホールドを構成するマニホールド孔同士を結ぶカソードガス流路溝が形成された、平板状のカソードセパレータと、
前記伝熱媒体供給マニホールド、前記伝熱媒体排出マニホールド、前記アノードガス供給マニホールド、前記アノードガス排出マニホールド、前記カソードガス供給マニホールド、及び前記カソードガス排出マニホールドを構成するマニホールド孔が、その厚さ方向に貫通してそれぞれ形成された、平板状の枠体、ならびに該枠体の枠内に配設された前記ＭＥＡを有するＭＥＡ部材と、を備え、該アノードセパレータの内面及び該カソードセパレータの内面に該ＭＥＡ部材が挟まれて構成されているとよい。このように構成すると、本発明の効果をより確実に得ることができる。
【００３２】
第５の本発明の高分子電解質形燃料電池は、請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池スタックと、
前記第１反応部にアノードガスを供給する第１アノードガス供給系統と、
前記第１反応部にカソードガスを供給する第１カソードガス供給系統と、
前記第２反応部にアノードガスを供給する第２アノードガス供給系統と、
前記第２反応部にカソードガスを供給する第２カソードガス供給系統と、
前記第１アノードガス供給系統、第２アノードガス供給系統、第１カソードガス供給系統、及び第２カソードガス供給系統それぞれに配設された流量制御装置群と、を有する。
【００３３】
このように構成すると、ＰＥＦＣの熱効率の低下を抑制しつつ、ＰＥＦＣシステムの発電性能の安定性をより早期に高めることができる。
【００３４】
第６の本発明の高分子電解質形燃料電池は、前記第１反応部におけるアノードガス及びカソードガスの圧力損失を検知する圧力計、前記第２反応部におけるアノードガス及びカソードガスの圧力損失を検知する圧力計、前記第１反応部及び前記第２反応部の発電電圧を検知する電圧計の少なくともいずれかを有してなる測定部と、
前記測定部の検知情報に基づいて、前記流量制御装置群を制御する制御装置と、を備えているとよい。このように構成すると、略自動的にＰＥＦＣシステムの発電性能の安定性を高めることができる。
【発明の効果】
【００３５】
以上のように、本発明の高分子電解質形燃料電池スタックは、ＰＥＦＣの熱効率の低下を抑制しつつ、スタック積層方向の温度偏差をより早期に抑制することができるという効果を奏する。また、本発明の高分子電解質形燃料電池システムは、ＰＥＦＣの熱効率の低下を抑制しつつ、ＰＥＦＣシステムの発電性能の安定性をより早期に高めることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明を行う。
【００３７】
（実施形態）
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。
【００３８】
図１は、本発明の実施形態の高分子電解質形燃料電池スタックの積層構造を示す３面図である。
【００３９】
なお、スタック１００は、家庭用コージェネレーションシステム、自動二輪車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、家電製品、携帯用コンピュータ装置、携帯電話、携帯用音響機器、携帯用情報端末などの携帯電気装置に例示されるようなＰＥＦＣシステムに用いられる。
【００４０】
図１に示すように、スタック１００は、矩形平板状の第１セル（第１反応部）１１０及び第２セル（第２反応部）２１０が積層された、直方体状を形成して構成されている。
【００４１】
そして、スタック１００には、１以上の第１セル１１０が積層されている第１反応層Ｑがスタック１００の積層方向両端部に構成されている。第１反応層Ｑの第１セル１１０の積層数は、スタック１００の両端部において異なっていてもよい。これによって、第１セル１１０の積層数は、スタック１００の積層方向の温度偏差の状態、あるいは発電性能の安定性に応じて加減して調整することができる。
【００４２】
また、１以上の第２セル２１０が積層されている第２反応層Ｐが、スタック１００の積層方向中央部に構成されている。ここでは、スタック１００は、第２反応層Ｐの積層方向両端が第１反応層Ｑの間に挟まれて構成されている。
【００４３】
第１セル１１０は、第１アノードセパレータ１９Ａ及び第１カソードセパレータ１９ＣがＭＥＡ部材７を挟んで構成されている。同様に、第２セル２１０は、第２アノードセパレータ２９Ａ及び第２カソードセパレータ２９ＣがＭＥＡ部材７を挟んで構成されている。
【００４４】
第１反応層Ｑは、従来のスタックの運転動作中におけるＭＥＡ部材７とその中央部側に隣接するＭＥＡ部材７との隣接温度差が、スタック最端部における隣接温度差とほぼ同程度の隣接温度差があるセルの積層領域を言う。ここで、隣接温度差は、スタックの運転動作中においてスタック最端部からスタック中央部に向かって小さくなる傾向にある。しかし、具体的な積層領域は、スタックの設計要素によって異なる。積層領域に影響を及ぼす設計要素としては、アノードセパレータ及びカソードセパレータの材質、セルの寸法、スタックの断熱構造が例示される。したがって、第１反応層Ｑは、スタック１００と同じ材質及び構造の従来構造のスタックを用いた隣接温度差の計測によって、決定することができる。あるいは、スタック両端部にそれぞれ第１セル１１０を５つ構成したスタック１００を暫定的に組み上げて、発電出力の状態を検証しながら、好適な第１セル１１０の積層数を決定することもできる。
【００４５】
第２反応層Ｐは、第１反応層Ｑ以外の領域である。
【００４６】
スタック１００の積層方向両端には一対の端部材が配設されて構成されている。すなわち、セル１１０、２１０と同じ平面外形を有する集電板５０，５１，絶縁板６０，６１及び端板７０，７１が両端に積層されて、端部間が締結具８２によって、スタックが締結されている。
【００４７】
集電板５０，５１には、それぞれ電極５９が構成されている。
【００４８】
一方の端板７０には、一対の伝熱媒体供給部７４Ｉ、第１アノードガス供給部１７２Ｉ、第２アノードガス供給部２７２Ｉ、第１カソードガス供給部１７３Ｉ、及び第２カソードガス供給部２７３Ｉが構成されている。
【００４９】
他方の端板７１には、伝熱媒体排出部７４Ｅ、アノードガス排出部７２Ｅ、及びカソードガス排出部７３Ｅが構成されている。
【００５０】
そして、これら供給部及び排出部からスタック端部のセル１１０に連通する流通孔が集電板５０、５１，絶縁板６０、６１及び端板７０、７１を貫通して形成されている。
【００５１】
次に、スタック１００のスタック端部の構造を説明する。
【００５２】
図２は、図１のスタックの一方の端部の構造を示す分解斜視図である。
【００５３】
締結具８２は、ボルト・ナットによって構成されている。ボルト孔１５は、集電板５０、５１、絶縁板６０、６１，端板７０、７１及びセル１１０，２１０を貫通するようにして、それぞれの矩形平面の４隅に穿たれている。ボルト８２Ｂは、ボルト孔１５に挿通されて、スタック１００の両端間を貫通している。ボルト８２Ｂの両端には座金８２Ｗ及びナット８２Ｎが装着されている。
【００５４】
絶縁板６０，６１および端板７０，７１は電気絶縁性材料からなる。
【００５５】
一対の伝熱媒体供給部７４Ｉ、第１アノードガス供給部１７２Ｉ、第２アノードガス供給部２７２Ｉ、第１カソードガス供給部１７３Ｉ、及び第２カソードガス供給部２７３Ｉは、外部の配管に接続可能な部材によって構成されている。ここでは、図示するように流通孔と、それに装着されるノズルと、によって構成されている。ノズルの代わりに弁、袋ナットに例示される公知の手段によって構成することも可能である。他方の端板７１においても、伝熱媒体排出部７４Ｅ、アノードガス排出部７２Ｅ、及びカソードガス排出部７３Ｅが同様に構成されている（図示せず）。
【００５６】
一方の絶縁板６０には、各供給部７４Ｉ、１７２Ｉ、２７２Ｉ、１７３Ｉ、２７３Ｉにそれぞれ通ずる流通孔６４Ｉ、１６２Ｉ、２６２Ｉ、１６３Ｉ、２６３Ｉが形成されている。他方の絶縁版６１にも、各排出部７２Ｅ，７３Ｅ，７４Ｅに通ずる流通孔が形成されている（図示せず）。
【００５７】
集電板５０，５１は銅金属等導電性材料からなり、それぞれ端子５９が形成されている。そして、一方の集電板５０には、絶縁板６０の流通孔６４Ｉと伝熱媒体供給マニホールド９４Ｉとを連通する流通孔５４Ｉ、流通孔１６２Ｉと第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉとを連通する流通孔１５２Ｉ、流通孔２６２Ｉと第２アノードガス供給マニホールド２９２Ｉとを連通する流通孔２５２Ｉ、流通孔１６３Ｉと第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉとを連通する流通孔１５３Ｉ、及び流通孔２６３Ｉと第２カソードガス供給マニホールド２９３Ｉとを連通する流通孔２５３Ｉが形成されている。他方の集電板５１にも、各排出部７２Ｅ，７３Ｅ，７４Ｅと各各排出マニホールド９２Ｅ，９３Ｅ，９４Ｅとを連通する流通孔が形成されている（図示せず）。したがって、一方の集電板５０には、アノードガス排出マニホールド９２Ｅ、カソードガス排出マニホールド９３Ｅ及び伝熱媒体排出マニホールド９４Ｅの流通孔が形成されていないので、集電板５０によってこれらマニホールドの延伸端が構成されている。同様にして、他方の集電板５１には、伝熱媒体供給マニホールド９４Ｉ、第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ、第２アノードガス供給マニホールド２９２Ｉ、第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉ、及び第２カソードガス供給マニホールド２９３Ｉの流通孔が形成されていないので、集電板５１によってこれらマニホールドの延伸端が構成されている。
【００５８】
そして、後述するように、第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ及び第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉは、それぞれ第１セル１１０内の流路によってアノードガス排出マニホールド９２Ｅ及びカソードガス排出マニホールド９３Ｅに通じている。また、第２アノードガス供給マニホールド２９２Ｉ及び第２カソードガス供給マニホールド２９３Ｉは、それぞれ第２セル２１０内の流路によってアノードガス排出マニホールド９２Ｅ及びカソードガス排出マニホールド９３Ｅに通じている。伝熱媒体供給マニホールド９４Ｉはセル１１０、２１０の積層間を通る流路によって伝熱媒体排出マニホールド９４Ｅに通じている。
【００５９】
したがって、スタック１００内には、５つの流路が構成されている。すなわち、第１アノードガス供給部１７２Ｉから第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ、第１セル１１０内、及びアノードガス排出マニホールド９２Ｅを経て、アノードガス排出部７２Ｅに通ずる第１のアノードガスの流路が構成されている。第２アノードガス供給部２７２Ｉから第２アノードガス供給マニホールド２９２Ｉ、第２セル２１０内、及びアノードガス排出マニホールド９２Ｅを経て、アノードガス排出部７２Ｅに通ずる第２のアノードガスの流路が構成されている。第１カソードガス供給部１７３Ｉから第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉ、第１セル１１０内、及びカソードガス排出マニホールド９３Ｅを経て、カソードガス排出部７３Ｅに通ずる第１のカソードガスの流路が構成されている。第２カソードガス供給部２７３Ｉから第２カソードガス供給マニホールド２９３Ｉ、第２セル２１０内、及びカソードガス排出マニホールド９３Ｅを経て、カソードガス排出部７３Ｅに通ずる第２のカソードガスの流路が構成されている。そして、伝熱媒体供給部７４Ｉから伝熱媒体供給マニホールド９４Ｉ、第１セル１１０及び第２セルの積層間、ならびに伝熱媒体排出マニホールド９４Ｅを経て、伝熱媒体排出部７４Ｅに通ずる流路が構成されている。
【００６０】
なお、図２では、スタック最端部の第１セル１１０のカソードセパレータ１９Ｃの外面における、一対の伝熱媒体供給マニホールド孔３４Ｉから伝熱媒体排出マニホールド孔３４Ｅを結んで延びる伝熱媒体流路溝３６が示されている。また、図示しないが、他方のスタック最端部に位置するアノードセパレータの外面にも伝熱媒体流路溝が形成されている。
【００６１】
ここで、本発明の特徴の一部である各種マニホールドの位置を説明する。
【００６２】
図２に示すように、伝熱媒体が流通する伝熱媒体供給マニホールド９４Ｉ及び伝熱媒体排出マニホールド９４Ｅ、アノードガスが流通する第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ、第２アノードガス供給マニホールド２９２Ｉ及びアノードガス排出マニホールド９２Ｅ、ならびに、カソードガスが流通する第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉ、第２カソードガス供給マニホールド２９３Ｉ及びカソードガス排出マニホールド９３Ｅが、それぞれ、スタック１００の側部において積層方向に延びて形成されている。
【００６３】
ここで、伝熱媒体排出マニホールド９４Ｅの両脇にそれぞれ第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ及び第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉが伝熱媒体供給マニホールド９４Ｉに平行して形成されている。また、伝熱媒体供給マニホールド９４Ｉの両脇にそれぞれ第２アノードガス供給マニホールド２９２Ｉ及び第２カソードガス供給マニホールド２９３Ｉが伝熱媒体供給マニホールド９４Ｉに平行して形成されている。
【００６４】
したがって、第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ及び第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉはそれぞれ伝熱媒体排出マニホールド９４Ｅに近接して形成されているので、第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ及び第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉを流通するアノードガス及びカソードガスは、伝熱媒体排出マニホールド９４Ｅを流通する伝熱媒体との熱交換をより良く行うことができる。
【００６５】
ここで、近接とは、第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ及び第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉと伝熱媒体排出マニホールド９４Ｅとの離隔距離が他のマニホールドと伝熱媒体排出マニホールド９４Ｅとの離隔距離よりも短いことをいう。
【００６６】
特に、第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ及び第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉと伝熱媒体排出マニホールド９４Ｅとの離隔距離が、それらと伝熱媒体供給マニホールド９４Ｉとの離隔距離よりも短いと好適である。すなわち、第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ及び第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉが伝熱媒体供給マニホールド９４Ｉよりも伝熱媒体排出マニホールド９４Ｅに近接して形成されていると好適である。
【００６７】
また、第２アノードガス供給マニホールド２９２Ｉ及び第２カソードガス供給マニホールド２９３Ｉはそれぞれ伝熱媒体供給マニホールド９４Ｉに近接して形成されているので、第２アノードガス供給マニホールド２９２Ｉ及び第２カソードガス供給マニホールド２９３Ｉを流通するアノードガス及びカソードガスは、伝熱媒体供給マニホールド９４Ｉを流通する伝熱媒体との熱交換をより良く行うことができる。
【００６８】
ここで、近接とは、第２アノードガス供給マニホールド２９２Ｉ及び第２カソードガス供給マニホールド２９３Ｉと伝熱媒体供給マニホールド９４Ｉとの離隔距離が他のマニホールドと伝熱媒体供給マニホールド９４Ｉとの離隔距離よりも短いことをいう。
【００６９】
特に、第２アノードガス供給マニホールド２９２Ｉ及び第２カソードガス供給マニホールド２９３Ｉと伝熱媒体供給マニホールド９４Ｉとの離隔距離が、それらと伝熱媒体排出マニホールド９４Ｅとの離隔距離よりも短いと好適である。すなわち、第２アノードガス供給マニホールド２９２Ｉ及び第２カソードガス供給マニホールド２９３Ｉが伝熱媒体排出マニホールド９４Ｅよりも伝熱媒体供給マニホールド９４Ｉに近接して形成されていると好適である。
【００７０】
次に、スタック１００内のセル間の積層部（伝熱部）を説明する。
【００７１】
図３は、図１のスタックのセル間の積層部を示す分解斜視図である。
【００７２】
図３では、第１セル１１０同士間における構造を例示しているが、第２セル２１０の外面も同様である。したがって、スタック１００のセル１１０、２１０間は全て同様の構造となっている。
【００７３】
図３に示すように、アノードセパレータ１９Ａの外面には、一対の伝熱媒体供給マニホールド孔２４Ｉそれぞれと伝熱媒体排出マニホールド孔２４Ｅとの間を結ぶようにして伝熱媒体流路溝（伝熱媒体流路）２６が形成されている。伝熱媒体流路溝２６は、外面の中央部全体に亘って蛇行するサーペンタイン状に形成されている。同様にして、カソードセパレータ１９Ｃの外面には、一対の伝熱媒体供給マニホールド孔３４Ｉそれぞれと伝熱媒体排出マニホールド孔３４Ｅとの間を結ぶようにして伝熱媒体流路溝（伝熱媒体流路）３６が形成されている。伝熱媒体流路溝３６は、外面の中央部全体に亘って蛇行するサーペンタイン状に形成されている。また、セル積層時には、伝熱媒体流路溝２６と伝熱媒体流路溝３６とが接合するように形成されている。そして、アノードセパレータ１９Ａの外面及びカソードセパレータ１９Ｃの外面は、伝熱媒体流路溝２６，３６の周囲をシシールするように形成されている。このような構造により、伝熱媒体は、外部に漏出することなく流通し、セル１１０，２１０との熱交換をより良く行うことができる。
【００７４】
次に、本発明の特徴の一部である第１セル１１０と第２セル２１０との構造の相違を説明する。
【００７５】
図４は、図１の第１反応層のセルの積層構造を示す部分分解斜視図である。
【００７６】
図４に示すように、セル１１０は、ＭＥＡ部材７を一対の平板状のアノードセパレータ１９Ａ及びカソードセパレータ１９Ｃ（両者をセパレータと総称する）で挟んで構成されている。
【００７７】
平面視において、セパレータ１９Ａ，１９Ｃ及びＭＥＡ部材７の周縁部には、それぞれスタック１００において連なって、第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉを形成する第１アノードガス供給マニホールド孔１１２Ｉ、１２２Ｉ、１３２Ｉ、第２アノードガス供給マニホールド２９２Ｉを形成する第２アノードガス供給マニホールド孔２１２Ｉ、２２２Ｉ、２３２Ｉ、およびアノードガス排出マニホールド９２Ｅを形成するアノードガス排出マニホールド孔１２Ｅ、２２Ｅ、３２Ｅが、それらの主面１９Ａ、１９Ｃ、７を貫通するようにして穿たれている。また、同様にして、第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉを形成する第１カソードガス供給マニホールド孔１１３Ｉ、１２３Ｉ、１３３Ｉ、第２カソードガス供給マニホールド２９３Ｉを形成する第２カソードガス供給マニホールド孔２１３Ｉ、２２３Ｉ、２３３Ｉ、およびカソードガス排出マニホールド９３Ｅを形成するカソードガス排出マニホールド孔１３Ｅ、２３Ｅ、３３Ｅが、それらの主面１９Ａ、１９Ｃ、７を貫通するようにして穿たれている。さらに、同様にして、一対の伝熱媒体供給マニホールド９４Ｉを形成する一対の伝熱媒体供給マニホールド孔１４Ｉ、２４Ｉ、３４Ｉ、および伝熱媒体排出マニホールド９４Ｅを形成する伝熱媒体排出マニホールド孔１４Ｅ、２４Ｅ、３４Ｅが、それらの主面１９Ａ、１９Ｃ、７を貫通するようにして穿たれている。
【００７８】
そして、アノードセパレータ１９Ａの内面には、第１アノードガス供給マニホールド孔１２２Ｉとアノードガス排出マニホールド孔２２Ｅとの間を結ぶようにしてアノードガス流路溝２１が形成されている。アノードガス流路溝２１は、セル１１０組立状態においてＭＥＡ５が当接する領域において、サーペンタイン状に形成されている。同様にして、カソードセパレータ１９Ｃの内面には、第１カソードガス供給マニホールド孔１３３Ｉとカソードガス排出マニホールド孔３３Ｅとの間を結ぶようにしてカソードガス流路溝３１が形成されている。カソードガス流路溝３１は、セル１１０組立状態においてＭＥＡ５が当接する領域において、サーペンタイン状に形成されている。このような構造によって、第１セル１１０組立状態において、ＭＥＡ部材７とアノードセパレータ１９Ａとの間には、第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉのアノードガスが第１セル１１０内に供給され、第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉのカソードガスが第１セル１１０内に供給される。すなわち、第１セル１１０には、伝熱媒体排出マニホールド９４Ｅとの熱交換がより良く行われたアノードガス及びカソードガスが供給される。
【００７９】
図５は、図１の第２反応層のセルの積層構造を示す部分分解斜視図である。
【００８０】
図５に示すように、第２セル２１０は、アノードガス流路溝２１の上流端及びカソードガス流路溝３１の上流端が、それぞれ第２アノードガス供給マニホールド孔２２２Ｉ及び第２カソードガス供給マニホールド孔２３３Ｉに接続されている点を除いて、図４に示す第１セル１１０と同じである。
【００８１】
アノードセパレータ２９Ａの内面のアノードガス流路溝２１は、第２アノードガス供給マニホールド孔２２２Ｉとアノードガス排出マニホールド孔２２Ｅとの間を結んで形成されている。また、カソードセパレータ２９Ｃの内面のカソードガス流路溝３１は、第２カソードガス供給マニホールド孔２３３Ｉとカソードガス排出マニホールド孔３３Ｅとの間を結んで形成されている。これによって、第２セル２１０組立状態において、ＭＥＡ部材７とアノードセパレータ２９Ａとの間には、第２アノードガス供給マニホールド２９２Ｉのアノードガスが第２セル２１０内に供給され、第２カソードガス供給マニホールド２９３Ｉのカソードガスが第２セル２１０内に供給される。すなわち、第２セル２１０には、伝熱媒体供給マニホールド９４Ｉとの熱交換がより良く行われたアノードガス及びカソードガスが供給される。
【００８２】
なお、アノードガス流路溝２１、カソードガス流路溝３１、および伝熱媒体流路溝２６，３６は、それぞれ水平方向に伸びる直線部と隣接する直線部をつなぐターン部とから構成されているが、並行する溝の数およびターン部の数はそれぞれ限定されるものではなく、本発明の効果を損なわない範囲で適宜設定することが可能である。
【００８３】
次に、セル１１０，２１０の構造を説明する。
【００８４】
図６は、図４のセルの構造を示す要部断面図である。図６では第１セル１１０を例示するが第２セル２１０も同様の構造である。
【００８５】
ＭＥＡ部材７は、ＭＥＡ５の周縁に延在する高分子電解膜が一対のガスケット（枠体）６で挟まれて構成されている。したがって、ガスケット６の中央開口部（枠内）の両面にはＭＥＡ５が露出している。また、ガスケット６を貫通して第１アノードガス供給マニホールド孔１１２Ｉ、第２アノードガス供給マニホールド孔２１２Ｉ、アノードガス排出マニホールド孔１２Ｅ、第１カソードガス供給マニホールド孔１１３Ｉ、第２カソードガス供給マニホールド孔２１３Ｉ、カソードガス排出マニホールド孔１３Ｅ、伝熱媒体供給マニホールド孔１４Ｉ、伝熱媒体排出マニホールド孔１４Ｅが穿たれている。ガスケット６の材質は、耐環境性を有する弾性物質であり、例示としては、フッ素系ゴムが好適である。
【００８６】
ＭＥＡ５は、高分子電解質膜１とその両面に積層して構成された一対の電極とを有して構成されている。具体的には、ＭＥＡ５は、水素イオンを選択的に透過すると考えられているイオン交換膜からなる高分子電解質膜１と、高分子電解質膜１の周縁部より内側の部分の両面に形成された一対の電極層を有して構成されている。電極層は、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする一対のアノード側触媒層２Ａ及びカソード側触媒層２Ｃと、この一対の触媒層２Ａ，２Ｃの外面に配設された一対の及びアノード側ガス拡散層４Ａ及びカソード側ガス拡散層４Ｃとを備えて構成されている。ここで、ガス拡散層４Ａ，４Ｃは、通気性と電子伝導性を併せ持つように多孔質構造を有している。すなわち、カソード側触媒層２Ｃおよびカソード側ガス拡散層４Ｃがカソード電極を構成し、アノード側触媒層２Ａおよびアノード側ガス拡散層４Ａがアノード電極を構成している。
【００８７】
高分子電解質膜１には、パーフルオロスルホン酸からなる膜が好適である。例えば、DuPont社製Nafion（登録商標）膜が例示される。そして、ＭＥＡ５は、一般的には、高分子電解質膜上に触媒層２Ａ、２Ｃ及びガス拡散層４Ａ，４Ｃを順次塗布、転写、ホットプレス等の方法により形成して製造される。あるいは、このようにして製造されたＭＥＡ５の市販品を利用することもできる。
【００８８】
アノードセパレータ１９Ａおよびカソードセパレータ１９Ｃ（以下、両者をセパレータと総称する）は、導電性材料で構成されている。例えば、黒鉛板、フェノール樹脂を含浸させた黒鉛板、金属板からなる。したがって、ＭＥＡ５において発生した電気エネルギーは、ガス拡散層４Ａ、４Ｃ及びセパレータ９Ａ、９Ｃを導通するので外部へ取り出すことができる。
【００８９】
アノードセパレータ１９Ａの内面及びカソードセパレータ１９Ｃの周縁部にはＭＥＡ部材７のガスケット６の両面がそれぞれ当接してアノードガス流路溝２１及びカソードセパレータ３１の溝蓋となる。さらに、アノードセパレータ１９Ａの内面の中央部には、ＭＥＡ５のアノード側ガス拡散層４Ａが当接している。すなわち、アノードセパレータ１９Ａのアノードガス流路溝２１がアノード側ガス拡散層４Ａに当接している。これによって、アノードガス流路溝２１内を流通するアノードガスは、外部に漏出することなく、多孔質のアノード側ガス拡散層４Ａ内部に拡散しながら侵入して、アノード側触媒層２Ａまで到達する。同様にして、カソードセパレータ１９Ｃのカソードガス流路溝３１がカソード側ガス拡散層４Ｃに当接している。これによって、カソードガス流路溝３１内を流通するカソードガスは、外部に漏出することなく、多孔質のカソード側ガス拡散層４Ｃ内部に拡散しながら侵入して、カソード側触媒層２Ｃまで到達する。そして、電池反応が可能となる。
【００９０】
次に、スタック１００を用いたＰＥＦＣシステムを例示して説明する。
【００９１】
図７は、図１のスタックを用いたＰＥＦＣシステムの構成を概略的に示す図である。
【００９２】
図７に示すように、一対の伝熱媒体供給部７４Ｉには伝熱媒体供給系統４４が接続される。伝熱媒体供給系統４４は、配管、ポンプに例示されるような供給装置（図示せず）、及び熱交換器に例示されるような温度調節装置（図示せず）を有して構成されている。好適な伝熱媒体Ｗとしては水、シリコンオイルが例示される。
【００９３】
第１アノードガス供給部１７２Ｉには第１アノードガス供給系統１４２Ｉが接続される。また、第２アノードガス供給部２７２Ｉには第２アノードガス供給系統２４２Ｉが接続される。第１カソードガス供給部１７３Ｉには第１カソードガス供給系統１４３Ｉが接続される。また、第２カソードガス供給部２７３Ｉには第２カソードガス供給系統２４３Ｉが接続される。アノードガス排出部７２Ｅにはアノードガス排出系統４２Ｅが接続される。また、カソードガス排出部７３Ｅにはカソードガス排出系統４３Ｅが接続される。
【００９４】
ここで、第１及び第２アノードガス供給系統１４２Ｉ、２４２Ｉは、それぞれ配管、ポンプに例示されるような供給装置（図示せず）、加湿及び加温装置（図示せず）、ならびに供給装置より精確な流量制御を可能とする流量制御装置１４２Ｃ、２４２Ｃを有して構成されている。本実施形態では、第１アノードガス供給系統１４２Ｉと第２アノードガス供給系統２４２Ｉとは、供給装置ならびに加湿及び加温装置を共有して、流量制御装置１４２Ｃ，２４２Ｃをそれぞれの配管に有して構成されている。
【００９５】
好適なアノードガスＡとしては水素ガス、あるいは炭化水素を原料とする水蒸気改質反応によって生成された改質ガスが例示される。
【００９６】
同様にして、第１及び第２カソードガス供給系統１４３Ｉ、２４３Ｉは、それぞれ配管、ポンプに例示されるような供給装置（図示せず）、加湿及び加熱装置（図示せず）、及び供給装置より精確な流量制御を可能とする流量制御装置１４３Ｃ、２４３Ｃを有して構成されている。本実施形態では、第１カソードガス供給系統１４３Ｉと第２カソードガス供給系統２４３Ｉとは、供給装置ならびに加湿及び加温装置を共有して、流量制御装置１４３Ｃ，２４３Ｃをそれぞれの配管に有して構成されている。
【００９７】
好適なカソードガスＣとしては、酸素ガス、あるいは空気が例示される。
【００９８】
流量制御装置１４２Ｃ，１４３Ｃ，２４２Ｃ、２４３Ｃは、ニードル弁、質量流量制御装置（Mass Flow Controller）に例示されるような公知の手段を用いることができる。
【００９９】
ここで、第２反応層Ｐ及び第１反応層Ｑにおけるアノードガス及びカソードガスの流路形態の相違に伴って流路抵抗も相違する。この流路抵抗の相違は、第２反応層Ｐ及び第１反応層Ｑにおけるアノードガス及びカソードガスの流量差を招来し、第２反応層Ｐ及び第１反応層Ｑにおける発電出力の相違、つまりスタック１００の発電性能の低下を招来する。ところが、この流量制御装置群（１４２Ｃ，１４３Ｃ，２４２Ｃ、２４３Ｃ）の配設によって、第２反応層Ｐ及び第１反応層Ｑそれぞれにおいてアノードガス及びカソードガスそれぞれの流量を調整することが可能となる。つまり、第１セル１１０のアノードガス及びカソードガスの流量と、第２セル２１０のアノードガス及びカソードガスの流量との流量差を抑制することができ、スタック１００の発電性能の安定性を高めることが可能となる。
【０１００】
アノードガス排出部７２Ｅにはアノードガス供給系統４２Ｅが接続されている。また、カソードガス排出部７３Ｅにはカソードガス排出系統４３Ｅが接続されている。そして、第１アノードガス供給系統１４２Ｉとアノードガス排出系統４２Ｅとには、両系統間の圧力差を検知する圧力検知装置１４２Ｐが配設されている。第２アノードガス供給系統２４２Ｉとアノードガス排出系統４２Ｅとには、両系統間の圧力差を検知する圧力検知装置２４２Ｐが配設されている。第１カソードガス供給系統１４３Ｉとカソードガス排出系統４３Ｅとには、両系統間の圧力差を検知する圧力検知装置１４３Ｐが配設されている。第２カソードガス供給系統２４３Ｉとカソードガス排出系統４３Ｅとには、両系統間の圧力差を検知する圧力検知装置２４３Ｐが配設されている。これら圧力検出装置によって、第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ、第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉ、第２アノードガス供給マニホールド２９２Ｉ、及び第２カソードガス供給マニホールド２９３Ｉと、アノードガス排出マニホールド９２Ｅ及びカソードガス排出マニホールド９３Ｅとの圧力差を検知することができる。
【０１０１】
制御装置２００は、圧力検出装置１４２Ｐ，１４３Ｐ，２４２Ｐ，２４３Ｐの検知情報を取得して、流量制御装置群（１４２Ｃ，１４３Ｃ，２４２Ｃ、２４３Ｃ）を制御するように構成されている。
【０１０２】
なお、圧力検出装置１４２Ｐ，１４３Ｐ，２４２Ｐ，２４３Ｐは、第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ、第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉ、第２アノードガス供給マニホールド２９２Ｉ、第２カソードガス供給マニホールド２９３Ｉ、アノードガス排出マニホールド９２Ｅ、及びカソードガス排出マニホールド９３Ｅ内部の圧力、あるいはこれらの圧力差を直接検出するように配設されてもよい。あるいは、第１アノードガス供給部１７２Ｉ、第２アノードガス供給部２７２Ｉ、第１カソードガス供給部１７３Ｉ、第２カソードガス供給部２７３Ｉ、アノードガス排出部７２Ｅ及びカソードガス排出部７３Ｅにそれぞれ圧力検出装置を装着し、制御装置２００が差分を算出するように構成することもできる。あるいは、各セル１１０，２１０の発電電圧を検知する電圧計を備えて、制御装置２００が電圧計の検知電圧（検知情報）を取得するようにしてもよい。このように構成すると、略自動的に発電性能の安定性を高めることができる。
【０１０３】
次に、以上のように構成されたＰＥＦＣシステムの発電運転動作を例示して説明する。
【０１０４】
伝熱媒体Ｗは、伝熱媒体供給系統４４Ｉにおいて７２℃に例示されるような電池反応に適した温度に調整される。そして、調整された伝熱媒体Ｗは、伝熱媒体供給部７４Ｉに供給される。また、伝熱媒体の流量は、スタック１００の温度状態に応じて、スタック１００の温度が電池反応に適した温度となるように、調整される。
【０１０５】
また、アノードガスＡは、第１アノードガス供給系統１４２Ｉ及び第２アノードガス供給系統２４２Iにおいて露点７２℃に例示されるような電池反応に適した温度及び湿度に調整される。そして、調整されたアノードガスＡは、第１アノードガス供給部１７２Ｉ及び第２アノードガス供給部２７２Ｉに供給される。
【０１０６】
さらに、カソードガスＣは、第１カソードガス供給系統１４３Ｉ及び第２カソードガス供給系統２４３Ｉにおいて露点７２℃に例示されるような電池反応に適した温度及び湿度に調整される。そして調整されたカソードガスＣは、第１カソードガス供給部１７３Ｉ及び第２カソードガス供給部２７３Ｉに供給される。
【０１０７】
ここで、これら供給温度は、発電電圧の振動の有無のようなスタック１００の発電出力状況に応じて、適宜調整される。
【０１０８】
伝熱媒体供給マニホールド９４Ｉに供給された伝熱媒体Ｗは、伝熱媒体供給マニホールド９４Ｉから伝熱媒体流路溝２６，３６に分流する。そして、第１セル１１０及び第２セル２１０の電池反応熱を吸熱してより高温となって伝熱媒体排出マニホールド９４Ｅに合流して、伝熱媒体排出部７４Ｅに排出される。したがって、伝熱媒体排出マニホールド孔１４Ｅ、２４Ｅ、３４Ｅ周囲のＭＥＡ部材７，アノードセパレータ１９Ａ，２９Ａ及びカソードセパレータ１９Ｃ、２９Ｃには伝熱媒体排出マニホールド９４Ｅの熱が輻射あるいは伝導される。この輻射熱あるいは伝導熱によって、伝熱媒体排出マニホールド９４Ｅに近接する第１アノードガス供給マニホールド１９２Ｉ及び第１カソードガス供給マニホールド１９３Ｉを流通するアノードガス及びカソードガスは、それぞれ加温される。
【０１０９】
そして、第１アノードガス供給部１７２Ｉにおける温度よりも高温に加温されたアノードガスＡが第１セル１１０に供給される。同様にして、第１カソードガス供給部１７３Ｉにおける温度よりも高温に加温されたカソードガスＣが第１セル１１０に供給される。
【０１１０】
他方、第２アノードガス供給マニホールド２９２Ｉに近接する伝熱媒体供給マニホールド９４Ｉには、第２アノードガス供給部２７２Ｉのアノードガス及び第２カソードガス供給部２７３Ｉのカソードガスとほぼ同程度の温度の伝熱媒体が供給されている。したがって、第２アノードガス供給マニホールド２９２Ｉに供給されたアノードガスは、伝熱媒体供給マニホールド９４Ｉの輻射熱あるいは伝導熱によって、放熱が抑制されて、ほぼ第２アノードガス供給部２７２Ｉにおける温度が維持されて、第２セル２１０に供給される。同様にして、第２カソードガス供給部２７３Ｉにおける温度が維持されたカソードガスＣが第２セル２１０に供給される。
【０１１１】
そして、第１アノードガス供給マニホールド１９２ＩのアノードガスＡ及び第１カソードガス供給マニホールド１９３ＩのカソードガスＣは、それぞれ第１セル１１０のアノードガス流路２１及びカソードガス流路３１に分流する。
【０１１２】
また、第２アノードガス供給マニホールド２９２ＩのアノードガスＡ及び第２カソードガス供給マニホールド２９３ＩのカソードガスＣは、それぞれ第２セル２１０のアノードガス流路２１及びカソードガス流路３１に分流する。
【０１１３】
第１セル１１０及び第２セル２１０のＭＥＡ５を隔膜にしてアノードガスＡ及びカソードガスＣが流通して電池反応が起こる。
【０１１４】
第１セル１１０及び第２セルを流通したアノードガスＡは、アノードガス排出マニホールド９２Ｅに合流して、アノードガス排出部７２Ｅからアノードガス排出系統４２Ｅに排出される。
【０１１５】
第１セル１１０及び第２セルを流通したカソードガスＣは、カソードガス排出マニホールド９３Ｅに合流して、カソードガス排出部７３Ｅからカソードガス排出系統４３Ｅに排出される。
【０１１６】
そして、制御装置２００は、圧力検出装置４４Ｐ，１４２Ｐ，１４３Ｐ，２４２Ｐ，２４３Ｐの検知情報を取得して、流量制御装置群（１４２Ｃ，１４３Ｃ，２４２Ｃ、２４３Ｃ）を制御する。
【０１１７】
以上のように、本実施形態において、第１セル１１０が積層されてなる第１反応層Ｑには、アノードガス供給系統１４２Ｉ，２４２Ｉにおける状態よりもより高温となったカソードガス及びアノードガスが供給され、かつ第１反応層Ｑはスタック１００の積層方向端部に構成されているので、スタック１００の積層方向の温度偏差がより早期に抑制される。また、アノードガス及びカソードガスの加温には、従来熱損失となっていた、伝熱媒体排出マニホールド９４Ｅからの輻射熱あるいは伝導熱が利用されるので、ＰＥＦＣの熱効率の低下が抑制される。
【０１１８】
また、流量制御装置１４２Ｃ、１４３Ｃ、２４２Ｃ、２４３Ｃによって、第２反応層Ｐ及び第１反応層Ｑを流通するアノードガス及びカソードガスの流量を調整することができる。
【０１１９】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
【０１２０】
例えば、本発明は、内部マニホールド型スタックのみならず外部マニホールド型スタックにおいても適用することができる。この場合には、伝熱媒体マニホールドとアノードガスマニホールドあるいはカソードガスマニホールドとの間で輻射熱又は伝導熱により上述の熱伝達が可能なように構成されている。具体的には、それぞれ近接するマニホールド部材同士が一緒に断熱材で被覆されている。
【０１２１】
また、各マニホールドの本数は上記の実施形態に限定されない。すなわち、伝熱媒体マニホールドとアノードガスマニホールドあるいはカソードガスマニホールドとの間での熱伝達の構造が上述のように構築されるように配置されれば、本発明を実施することができる。
【０１２２】
さらに、本実施形態では、アノードガス供給マニホールド及びカソードガス供給マニホールドの両方において第１の供給マニホールド及び第２の供給マニホールドを形成した。しかし、アノードガス及びカソードガスのいずれか一方においてのみ第１の供給マニホールド及び第２の供給マニホールドを形成することもできる。このように構成しても、第１反応層Ｑにはアノードガスあるいはカソードガスのいずれかがより高温の状態で供給されるので、スタック１００の積層方向の温度偏差は抑制される。
【０１２３】
さらに、各マニホールド及び供給部の構成は変形例１のように変更可能である。
【０１２４】
［変形例１］
図８は、本変形例のスタックの一方のスタック端部の構造を示す分解斜視図である。以下、変形された構成について説明する。
【０１２５】
図に示すように、本変形例では、全ての供給部、すなわち、伝熱媒体供給部７４Ｉ、第１アノードガス供給部１７２Ｉ、第２アノードガス供給部２７２Ｉ、第１カソードガス供給部１７３Ｉ、及び第２カソードガス供給部２７３Ｉ、伝熱媒体排出部７４Ｅ、アノードガス排出部７２Ｅ、及びカソードガス排出部７３Ｅが一方の端板５０に構成されている。したがって、他方の集電板５１には、供給部及び排出部が構成されていない。
【０１２６】
また、伝熱媒体供給マニホールド９４Ｉは一本となっている。すなわち、図に示すように伝熱媒体供給マニホールド孔３４Ｉから、伝熱媒体排出マニホールド孔３４Ｅを結んで伝熱媒体流路溝３６が形成されている。そして、伝熱媒体流路溝３６は、複数の流路に分岐して構成されている。
【０１２７】
そして、伝熱媒体供給マニホールド９４Ｉの両脇にそれぞれ第２アノードガス供給マニホールド２９２Ｉ及び第２カソードガス供給マニホールド２９３Ｉが伝熱媒体供給マニホールド９４Ｉに平行して形成されている。
【産業上の利用可能性】
【０１２８】
本発明の高分子電解質形燃料電池スタックは、ＰＥＦＣの熱効率の低下を抑制しつつ、スタック積層方向の温度偏差をより早期に抑制することができる高分子電解質形燃料電池スタックとして有用である。また、本発明の高分子電解質形燃料電池システムは、ＰＥＦＣの熱効率の低下を抑制しつつ、ＰＥＦＣシステムの発電性能の安定性をより早期に高めることができる高分子電解質形燃料電池システムとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１２９】
【図１】本発明の実施形態の高分子電解質形燃料電池スタックの積層構造を示す３面図である。
【図２】図１のスタックの一方のスタック端部の構造を示す分解斜視図である。
【図３】図１のスタックのセル間の積層部を示す分解斜視図である。
【図４】図１の第１反応層のセルの積層構造を示す部分分解斜視図である。
【図５】図１の第２反応層のセルの積層構造を示す部分分解斜視図である。
【図６】図４のセルの構造を示す要部断面図である。
【図７】図１のスタックを用いたＰＥＦＣシステムの構成を概略的に示す図である。
【図８】本変形例のスタックの一方のスタック端部の構造を示す分解斜視図である。
【符号の説明】
【０１３０】
１  高分子電解質膜
２Ａ  アノード側触媒層
２Ｃ  カソード側触媒層
４Ａ  アノード側ガス拡散層
４Ｃ  カソード側ガス拡散層
５  膜−電極接合体（ＭＥＡ）
６  ガスケット
７  ＭＥＡ部材
１９Ａ、２９Ａ  アノードセパレータ
１９Ｃ、２９Ｃ  カソードセパレータ
１１２Ｉ、１２２Ｉ、１３２Ｉ  第１アノードガス供給マニホールド孔
２１２Ｉ、２２２Ｉ、２３２Ｉ  第２アノードガス供給マニホールド孔
１２Ｅ、２２Ｅ、３２Ｅ  アノードガス排出マニホールド孔
１１３Ｉ、１２３Ｉ、１３３Ｉ  第１カソードガス供給マニホールド孔
２１３Ｉ、２２３Ｉ、３３３Ｉ  第２カソードガス供給マニホールド孔
１３Ｅ、２３Ｅ、３３Ｅ  カソードガス排出マニホールド孔
１４Ｉ、２４Ｉ、３４Ｉ  伝熱媒体供給マニホールド孔
１４Ｅ、２４Ｅ、３４Ｅ  伝熱媒体排出マニホールド孔
１５  ボルト孔
２１  アノードガス流路溝
３１  カソードガス流路溝
２６、３６  伝熱媒体流路溝
４２Ｅ  アノードガス排出系統
４３Ｅ  カソードガス排出系統
４４Ｅ  伝熱媒体排出系統
４４Ｉ  伝熱媒体供給系統
１４２Ｉ  第１アノードガス供給系統
１４３Ｉ  第１カソードガス供給系統
２４２Ｉ  第２アノードガス供給系統
２４３Ｉ  第２カソードガス供給系統
１４２Ｃ、１４３Ｃ、２４２Ｃ、２４３Ｃ  流量制御装置
１４２Ｐ、１４３Ｐ、２４２Ｐ、２４３Ｐ  圧力検出装置
５０、５１  集電板
５９  端子
６０、６１  絶縁板
７０、７１  端板
５２Ｉ、６２Ｉ、７２Ｉ  流通孔
５２Ｅ、６２Ｅ、７２Ｅ  排出側アノードガス流通孔
５３Ｉ、６３Ｉ、７３Ｉ  供給側カソードガス流通孔
５３Ｅ、６３Ｅ、７３Ｅ  排出側カソードガス流通孔
５４Ｉ、６４Ｉ，７４Ｉ  供給側伝熱媒体流通孔
５４Ｅ、６４Ｅ，７４Ｅ  排出側伝熱媒体流通孔
５２Ｅ、６２Ｅ、７２Ｅ、５３Ｅ、６３Ｅ、７３Ｅ、５４Ｅ、６４Ｅ、７４Ｅ、５４Ｉ、６４Ｉ、７４Ｉ、１５２Ｉ、１５３Ｉ、１６２Ｉ、１６３Ｉ、１７２Ｉ、１７３Ｉ、２５２Ｉ、２５３Ｉ、２６２Ｉ、２６３Ｉ、２７２Ｉ、２７３Ｉ  流通孔
７２Ｅ  アノードガス排出部
７３Ｅ  カソードガス排出部
７４Ｅ  伝熱媒体排出部
７４Ｉ  伝熱媒体供給部
１７２Ｉ  第１アノードガス供給部
１７３Ｉ  第１カソードガス供給部
２７２Ｉ  第２アノードガス供給部
２７３Ｉ  第２カソードガス供給部
８２  締結具
８２Ｂ  ボルト
８２Ｗ  座金
８２Ｎ  ナット
８３  ノズル
９２Ｅ  アノードガス排出マニホールド
９３Ｅ  カソードガス排出マニホールド
９４Ｉ  伝熱媒体供給マニホールド
９４Ｅ  伝熱媒体排出マニホールド
１９２Ｉ  第１アノードガス供給マニホールド
１９３Ｉ  第１カソードガス供給マニホールド
２９２Ｉ  第２アノードガス供給マニホールド
２９３Ｉ  第２カソードガス供給マニホールド
１００  スタック
１１０  第１セル
２１０  第２セル
２００  制御装置
Ｐ  第２反応層
Ｑ  第１反応層
Ａ  アノードガス
Ｃ  カソードガス
Ｗ  伝熱媒体
【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】
2007335230.tif 000009
【図８】
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