(57)【要約】【課題】高温時のアノード出口近傍、且つカソード入口近傍の乾燥防止と低温時のカソード出口側、且つアノード入口から遠い部位のフラッディング防止を両立させる。【解決手段】燃料電池１０は、電解質膜の両面にカソード及びアノードが配置された膜電極接合体２３と、膜電極接合体に対向してそれぞれ設けられたセパレータ２６，２８と、互いに対向流、且つ、直交又は略直交するように設けられており、アノード入口４１がカソード出口３２近傍に配置され、且つ、アノード出口４２がカソード入口３１近傍に配置されるように構成されたカソードガス流路３０及びアノードガス流路４０と、セパレータの膜電極接合体２３が設けられる側と反対側に配置される冷却水流路５０と、を備える。そして、冷却水入口５１がアノード出口４２近傍に配置されると共に、冷却水出口５２がカソード出口３２側、且つアノード入口４１から遠い位置に配置される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面にカソード及びアノードが配置された膜電極接合体と、
前記膜電極接合体に対向してそれぞれ設けられたセパレータと、
互いに対向流、且つ、直交又は略直交するように設けられており、アノード入口がカソード出口近傍に配置され、且つ、アノード出口がカソード入口近傍に配置されるように構成されたカソードガス流路及びアノードガス流路と、
前記セパレータの前記膜電極接合体が設けられる側と反対側に配置される冷却水流路と、
を備え、
前記冷却水流路の冷却水入口が前記アノード出口近傍に配置されると共に、前記冷却水流路の冷却水出口が前記カソードガス出口側、且つ前記アノード入口から遠い位置に配置される、燃料電池。
【請求項２】
前記冷却水流路は、前記冷却水入口から前記カソードガスの流れと直交方向に冷却水が流れ、１以上のリブを回り込んで再び前記直交方向に冷却水が流れ、当該冷却水が前記冷却水出口から排出されるサーペンタイン流路で形成される、
請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記冷却水流路は、第１流路と第２流路とに分岐し、
前記第１流路は、前記冷却水入口から前記直交方向に冷却水が流れ、１以上のリブを回り込んで再び前記直交方向に冷却水が流れ、当該冷却水が前記冷却水出口から排出されるサーペンタイン流路で形成され、
前記第２流路は、前記冷却水入口から冷却水が流れ、当該冷却水は前記膜電極接合体における発電面の外側を回り、前記アノード入口近傍から前記発電面内を流れ、前記冷却水出口から排出される流路で形成される、
請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
電解質膜の両面にカソード及びアノードが配置された膜電極接合体と、
前記膜電極接合体に対向してそれぞれ設けられたセパレータと、
互いに対向流、且つ、直交又は略直交するように設けられており、アノード入口がカソード出口近傍に配置され、且つ、アノード出口がカソード入口近傍に配置されるように構成されたカソードガス流路及びアノードガス流路と、
前記セパレータの前記膜電極接合体が設けられる側と反対側に配置される冷却水流路と、
を備え、
前記冷却水流路は、前記カソード出口、且つ、前記アノード入口近傍に配置される第１冷却水入口と、前記カソード入口、且つ、前記アノード出口近傍に配置される第２冷却水入口と、前記カソード出口側、且つ前記アノード入口から遠い位置に配置される冷却水出口とを有し、
前記第１冷却水入口から流れる第１冷却水及び前記第２冷却水入口から流れる第２冷却水がそれぞれ前記冷却水出口へ排出されるように構成され、
前記第２冷却水が流れる冷却水流路は、前記第２冷却水入口から前記カソードガスの流れと直交方向に第２冷却水が流れ、１以上のリブを回り込んで再び前記直交方向に前記第２冷却水が流れ、当該第２冷却水が前記冷却水出口から排出されるサーペンタイン流路で形成される、燃料電池。
【請求項５】
前記第１冷却水入口の上流に前記第１冷却水の流量を調整する流量調整弁を備え、
前記流量調整弁は、前記第２冷却水の流量を前記第１冷却水の流量より多く、又は前記第２冷却水の流量と前記第１冷却水の流量を同一にする、
請求項４に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、特に燃料電池の内部構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数種類の燃料電池の中の１つとして、固体高分子電解質型の燃料電池が知られている。この固体高分子電解質型の燃料電池は、例えばアノードとカソードに供給する反応ガスを対向流、且つ互いに反対方向に流通させて発電を行なう。
【０００３】
この発電の仕組みについて図８を参照して説明すると、固体高分子電解質型の燃料電池は、水素と空気との反応によって発電を行なっており、この発電時にカソード側で水が生成される。この反応の際、アノードからカソードにプロトンが電解質膜を移動しているため電解質膜は湿潤している必要がある。このように電解質膜を湿潤させるために燃料電池ではカソード側に生成した生成水をアノード側に送り（逆拡散）、逆に乾燥しやすいカソード入口にアノード出口を配置して、アノード側から膜に水分供給することでバランスを保つように構成されている。
【０００４】
しかしながら、固体高分子電解質型の燃料電池を動作させる場合に、加湿器等による加湿を行なわない無加湿運転をする場合であっても、上述の反応の際に生じる生成水により燃料電池の中央部が濡れ状態になる場合がある。このように濡れ状態が生じると、燃料電池の特性が低下するため発電性能も低下する。
【０００５】
これを解消するために、冷却水の流路の形状を工夫することで湿度を調整する技術が提案されている。具体的には、燃料ガス、あるいは酸化剤ガスの入口部および出口部を端部に配置し、入口部からの冷却水がセパレータの中央部を流通して出口部から排出するように冷却水の流路の形状を形成することが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
上述のように流水路の形状を形成した場合、固体高分子電解質型の燃料電池が無加湿運転を行なう場合であっても、中央部の温度を上昇させ、飽和水蒸気量を高め中央部の濡れ状態を緩和することができる。このため、当該中央部において電池反応が進行するため、反応に伴う生成水によって中央部のセルが濡れ状態になり、セル特性が低下するという状態を防止することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−１１８５８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、固体高分子電解質型の燃料電池の中には、アノードとカソードに供給する反応ガスを対向流、且つ互いに直交又は略直交する方向に流通させて発電を行なうものも知られている。
【０００９】
このような燃料電池においては、高温時の無加湿運転時において、アノード出口近傍、且つカソード入口近傍の電解質膜に乾燥が発生し、局所的に発電不可となり、燃料電池の発電性能が低下するという問題が生じる。これは、アノード入口近傍でカソード出口近傍の水分を得ても、当該水分がアノード出口近傍に移動する過程でカソード側に水分が奪われ、更に、発電に伴う水素消費によってアノードの水分が奪われるため、高温時ほどアノード出口近傍の水分量が少なくなるからである。
【００１０】
また、低温時にカソード出口側、且つアノード入口から遠い部位ほどフラッディングにより、セル電圧の出力が低下するという問題が生じる。これは、当該アノード入口から遠い部位ではアノードの湿度が飽和に達しやすくなりカソードからの電解質膜を介した水分移動が少なくなるためである。また、カソード出口近傍では、もともと酸素分圧が低いことも一因となる。
【００１１】
このようにアノードとカソードに供給する反応ガスを対向流、且つ互いに直交又は略直交する方向に流通させて発電を行なう燃料電池においては、高温時のアノード出口近傍、且つカソード入口近傍の乾燥防止と、低温時のカソード出口側、且つアノード入口から遠い部位のフラッディング防止とを両立させることができなかった。
【００１２】
このような問題に対して上記特許文献１に記載の技術を適用したとしても、当該技術は冷却水の流水路の形状を工夫して燃料電池の中央部の温度を上昇させるものであるため、上記問題を解決することができない。
【００１３】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、アノード及びカソードに供給する反応ガスを対向流、且つ互いに直交又は略直交する方向に流通させて発電を行なうように構成された燃料電池において、高温時のアノード出口近傍、且つカソード入口近傍の乾燥防止と低温時のカソード出口側、且つアノード入口から遠い部位のフラッディング防止を両立させることができる燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために本発明の燃料電池は、電解質膜の両面にカソード及びアノードが配置された膜電極接合体と、膜電極接合体に対向してそれぞれ設けられたセパレータと、互いに対向流、且つ、直交又は略直交するように設けられており、アノード入口がカソード出口近傍に配置され、且つ、アノード出口がカソード入口近傍に配置されるように構成されたカソードガス流路及びアノードガス流路と、セパレータの膜電極接合体が設けられる側と反対側に配置される冷却水流路と、を備え、冷却水流路の冷却水入口がアノード出口近傍に配置されると共に、冷却水流路の冷却水出口がカソードガス出口側、且つアノード入口から遠い位置に配置されるものである。
【００１５】
また、本発明の好ましい一態様によれば、上記の冷却水流路は、冷却水入口からカソードガスの流れと直交方向に冷却水が流れ、１以上のリブを回り込んで再びカソードガスの流れと直交方向に冷却水が流れ、当該冷却水が冷却水出口から排出されるサーペンタイン流路で形成されることが好ましい。
【００１６】
この燃料電池によると、高温時のアノード出口近傍、且つカソード入口近傍の乾燥防止と低温時のカソード出口側、且つアノード入口から遠い部位のフラッディング防止を両立させることができる。
【００１７】
さらに、本発明の好ましい一態様によれば、上記の冷却水流路を第１流路と第２流路とに分岐し、第１流路は冷却水入口からカソードガスの流れと直交方向に冷却水が流れ、１以上のリブを回り込んで再びカソードガスの流れと直交方向に冷却水が流れ、当該冷却水が冷却水出口から排出されるサーペンタイン流路で形成し、第２流路は冷却水入口から冷却水が流れ、当該冷却水は膜電極接合体における発電面の外側を回り、アノード入口近傍から発電面内を流れ、冷却水出口から排出される流路で形成されることが好ましい。
【００１８】
冷却水流路を第１流路と第２流路との２系統に分け、第１流路で上記効果を奏するとともに、第２流路が発電面の外側を回ってアノード入口まで冷却水を送ることにより、アノード入口近傍の乾燥し易い部位もラジエータで冷やされた冷却水により冷却することができる。さらに、第２流路がアノード入口近傍を通過後、発電面内を通過する。これにより発電によって生じた排熱により冷却水の温度が高くなるが、第２流路は第１流路よりも冷却水流路長が長く、圧損が高いため冷却水流量が少なくなり、冷却水出口近傍では温度が高くなる。このため、この第２流路の冷却水をカソード出口近傍へ流し、冷却水出口から当該冷却水を排出することによりフラッディングしやすい部位の冷却水の温度を上げ、フラッディングの抑制効果をさらに向上させることができる。
【００１９】
また、本発明の燃料電池は、電解質膜の両面にカソード及びアノードが配置された膜電極接合体と、膜電極接合体に対向してそれぞれ設けられたセパレータと、互いに対向流、且つ、直交又は略直交するように設けられており、アノード入口がカソード出口近傍に配置され、且つ、アノード出口がカソード入口近傍に配置されるように構成されたカソードガス流路及びアノードガス流路と、セパレータの膜電極接合体が設けられる側と反対側に配置される冷却水流路と、を備え、冷却水流路は、カソード出口、且つ、アノード入口近傍に配置される第１冷却水入口と、カソード入口、且つ、アノード出口近傍に配置される第２冷却水入口と、カソード出口側、且つアノード入口から遠い位置に配置される冷却水出口とを有し、第１冷却水入口から流れる第１冷却水及び第２冷却水入口から流れる第２冷却水がそれぞれ冷却水出口へ排出されるように構成し、第２冷却水が流れる冷却水流路は、第２冷却水入口からカソードガスの流れと直交方向に第２冷却水が流れ、１以上のリブを回り込んで再びカソードガスの流れと直交方向に第２冷却水が流れ、当該第２冷却水が冷却水出口から排出されるサーペンタイン流路で形成されるものである。
【００２０】
この燃料電池によると、高温時のアノード出口近傍、且つカソード入口近傍の乾燥防止と低温時のカソード出口側、且つアノード入口から遠い部位のフラッディング防止を両立させることができる。
【００２１】
また、本発明の好ましい一態様によれば、第１冷却水入口の上流に第１冷却水の流量を調整する流量調整弁を備え、流量調整弁を、第２冷却水の流量が第１冷却水の流量より多く、又は第２冷却水の流量と第１冷却水の流量を同一にするように調整するように制御することが好ましい。
【００２２】
このように構成した場合、流量調整弁により第２冷却水の流量を第１冷却水の流量以上に調整できるため、第２冷却水と第１冷却水の流量の分配を最適化することができ、カソード出口近傍でのフラッディングの抑制効果をさらに向上させることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の燃料電池によると、アノード及びカソードに供給する反応ガスを対向流、且つ互いに直交又は略直交する方向に流通させて発電を行なうように構成された燃料電池において、高温時のアノード出口近傍、且つカソード入口近傍の乾燥防止と低温時のカソード出口側、且つアノード入口から遠い部位のフラッディング防止を両立させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池の構成の一部を模式的に示す部品分解図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るアノードガス、カソードガス、及び冷却水の流れを説明する模式図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係るアノードガス流路の部位に応じたアノード相対湿度を示す図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る燃料電池と従来の燃料電池との間のセル電圧の比較を示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る燃料電池の構成の一部を模式的に示す部品分解図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係るアノードガス、カソードガス、及び冷却水の流れを説明する模式図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係るアノードガス流路の部位に応じたアノード相対湿度を示す図である。
【図８】従来例における燃料電池における水素の移動を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の各実施形態について詳細に説明する。なお、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。また、図面の寸法比率は、図面の比率に限定されるものではない。以下の実施の形態は、本発明をその実施の形態のみに限定する趣旨ではない。またさらに、本発明はその要旨を逸脱しない限り、さまざまな変形が可能である。
【００２６】
（第１実施形態）
図１は、本発明による燃料電池の第１実施形態の構成の一部を模式的に示す部品分解図（一点透視図法による）である。燃料電池スタック１０は、固体高分子電解質膜を備えた固体高分子型の燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であり、主として燃料電池自動車等に搭載されるものである。この燃料電池スタック１０は、単位セル２０を複数積層したスタック構造を有している（なお、図示においては一単位のみ示す）。また、単位セル２０は、電解質膜を挟んでアノードとカソードが配置されたＭＥＡ２１（膜電極接合体：Membrane Electrode Assembly）の両面外側に、ガス拡散層２２がシールガスケット（図示せず）によって一体に形成された発電体２３、隣接する発電体２３，２３を隔離する例えばステンレス鋼やチタン等の導電性金属材料からなるカソードセパレータ２６、アノードセパレータ２８、及び中間プレート２９から構成されている。
【００２７】
なお、隣接する発電体２３，２３を隔離するセパレータは、上記のカソードセパレータ２６、上記の中間プレート２９、上記のアノードセパレータ２８が積層された三層積層型のユニットをなしており、図示との整合をとるべく、ここでは、単位セル２０を上述の如く定義している。
【００２８】
また、カソードセパレータ２６と発電体２３との間には、カソードガス（空気）が流通する白抜矢印で示すカソードガス流路３０（ストレート流路）が画成されている。さらに、アノードセパレータ２８と発電体２３との間には、図示水平方向（カソードガスの流れと直交方向）に延在する複数のリブＲＡによって画成され且つアノードガス（乾燥水素）が流通する白抜矢印で示すアノードガス流路４０（サーペンタイン流路）が画成されている。またさらに、中間プレート２９には、図示水平方向に延在するリブＲＢによって図示白抜矢印で示す冷却水流路５０（サーペンタイン流路）が画成されている。なお、冷却水流路５０におけるリブＲＢは１つだけでなく複数のリブＲＢを設けても良い。
【００２９】
そして、発電体２３、カソードセパレータ２６、アノードセパレータ２８、及び中間プレート２９の縁周部には、カソードガス流路３０に連通するカソード入口３１、及び、同カソード出口３２、アノードガス流路４０に連通するアノード入口４１、及び、同アノード出口４２、並びに冷却水流路５０に連通する冷却水入口５１、及び、同冷却水出口５２が設けられている。
【００３０】
このように、カソード入口３１は、空気等のカソードガスをＭＥＡ２１のカソード側へ供給するためのカソードガス入口マニホールドとして、また、カソード出口３２は、カソードガスを排出するためのカソードガス出口マニホールドとして機能する。同様に、アノード入口４１は、水素を含む燃料ガスであるアノードガスをＭＥＡ２１のアノード側へ供給するためのアノードガス入口マニホールドとして、また、アノード出口４２は、アノードガスを排出するためのアノードガス出口マニホールドとして機能する。さらに同様に、冷却水入口５１は、冷却水を冷却水出口５２側へ供給するための冷却水入口マニホールドとして、また、冷却水出口５２は、冷却水を例えばラジエータへ排出するための冷却水出口マニホールドとして機能する。
【００３１】
図２は、セル２０を流通するアノードガス、カソードガス、及び冷却水の流れを説明する模式図である。先ず、アノード入口４１、アノード出口４２、カソード入口３１、カソード出口３２、冷却水入口５１、及び冷却水出口５２の配置関係について説明する。セル２０の図示左上隅にアノード入口４１、及び図示右下隅にアノード出口４２が設けられている。また、セル２０の図示下側に所定長のカソード入口３１、及び図示上側に所定長のカソード出口３２が設けられている。したがって、アノード入口４１がカソード出口３２近傍に配置され、且つ、アノード出口４２がカソード入口３１近傍に配置されている。さらに、冷却水入口５１がアノード出口４２近傍、且つカソード３１入口近傍に配置されると共に、冷却水出口５２がカソード出口３２側、且つアノード入口４１から遠い位置（セル２０の長手方向（図２の左右方向）の端部のうちアノード入口４１が位置する端部とは反対側の端部）に配置されている。
【００３２】
次に、セル２０を流通するアノードガス、カソードガス、及び冷却水の流れについて説明する。図示白抜矢印で示すアノードガス流路４０において、アノードガスは、部位Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆをこの順に通過するように構成されている。また、部位Ａ，Ｄ，Ｅはアノード入口４１側に、部位Ｂ，Ｃ，Ｆは、アノード出口４２側に設けられている。したがって、アノード入口４１から供給されるアノードガスは、部位Ａ，Ｂを通過してアノード出口４２側に進行した後、リブＲＡを回り込みアノード出口４２側から部位Ｃ，Ｄを通過してアノード入口４１側に進行し、更にリブＲＡを回り込み、アノード入口４１側から部位Ｅ，Ｆを通過し、最後にアノード出口４２から排出される。また、図示白抜矢印で示すカソードガス流路３０において、カソード入口３１から供給される、アノードガスの対向流となるカソードガスは、直線的にカソード出口３２側へ進行し、カソード出口３２から排出される。したがって、アノードガス流路４０及びカソードガス流路３０は、対向流、かつ、互いに直交するように構成されている。なお、アノードガス流路４０及びカソードガス流路３０は、直交する構成に限るものではなく、略直交するように構成しても良い。
【００３３】
一方、図示破線矢印で示す冷却水流路５０において、冷却水入口５１から供給される冷却水は、アノード出口４２側からアノード入口４１側へ直線的に進行した後、リブＲＢを回り込み、アノード入口４１側からアノード出口４２側へ進行し、冷却水出口５２から排出される。
【００３４】
図３は、アノードガス流路４０における部位Ａ〜Ｆのアノード湿度について、冷却水の冷却温度を均一にした場合と、上記の燃料電池スタック１０の構成を用いた場合とを相対的に比較した結果を示す図である。なお、同図において、隣接する２つの棒グラフのうち左側が従来技術のアノード湿度を示し、右側が単位セル２０のアノード湿度を示している。
【００３５】
部位Ｆを参照すると、燃料電池スタック１０（単位セル２０）においては、冷却水温度が低下するため冷却水の温度を均一にした場合と比較して、相対的な湿度が上昇している。これは、カソード入口３１側のアノード出口４２近傍に冷却水入口５１を配置し、ラジエータ（図示を省略する。）で冷却された冷却水を冷却水流路５０に供給することで、高温時に最も乾燥し易いアノード出口４２近傍、且つ、カソード入口３１近傍の温度を下げることができ、部位Ｆの乾燥を防止することができるからである。
【００３６】
また、部位Ｂを参照すると、燃料電池スタック１０においては、冷却水の温度が上昇するため冷却水の温度を均一にした場合と比較して、相対的なアノード湿度が低下している。これは、発電によって生じた排熱によって温度上昇した冷却水を、最もフラッディングし易いカソード出口３２側のアノード入口４１から遠い部位に配置された冷却水出口５２から排出することで、低温時にフラッディングし易い部位Ｆの温度を上げ、フラッディングを防止することができるからである。
【００３７】
図４は、上記のように冷却水入口５１及び冷却水出口５２を配置した燃料電池スタック１０と、従来の燃料電池スタックとの発電性能を、所定温度（６５℃及び９０℃）で比較した結果を示す図である。なお、各所定温度で隣接する二つの棒グラフのうち図示右側の棒グラフが燃料電池スタック１０のセル電圧を示しており、左側の棒グラフが従来の燃料電池スタックのセル電圧を示している。６５℃及び９０℃のいずれを参照しても、燃料電池スタック１０のセル電圧が従来の燃料電池スタックのセル電圧より大きくなっている。また、６５℃における発電性能は、燃料電池スタック１０がわずかに大きくなっている程度であるが、６５℃より高温の９０℃における発電性能は、燃料電池スタック１０が大きく上回っている。したがって、燃料電池スタック１０は、高温運転時の発電性能を大きく向上させている。
【００３８】
以上のように構成された燃料電池スタック１０によると、高温時にアノード出口４２近傍、且つカソード入口３１近傍（位置Ｆ）の乾燥を解消することができると共に、低温時にカソード出口３２側、且つアノード入口４１から遠い部位（部位Ｂ）で起こるフラッディングを解消することができ、燃料電池スタック１０の発電性能を向上させることができる。
（第２実施形態）
図５は、本発明による燃料電池スタック１０の第２実施形態の構成の一部を模式的に示す部品分解図（一点透視図法による）である。第１実施形態と異なるのは、アノードセパレータ２８の裏側に形成される冷却水流路５の構造である。このため以下では、冷却水流路５の構造等について詳細に説明する。なお、第１の実施形態と同一の構成には同一の符号を付することとし、詳細な説明は省略する。
【００３９】
この第２実施形態の冷却水流路５０は、アノード出口４２近傍の冷却水入口５１からカソード出口３２側、且つアノード入口４１とは遠い側に配置される冷却水出口５２に向けて冷却水が流れる構成になっている点では第１実施形態と同様であるが、セル発電面（発電面）内を流れる本流５５と、カソード入口３１近傍ではセル発電面の外側を流れ、アノード入口４１近傍からは発電面内を流れる支流５６に分岐している点が異なっている。
【００４０】
より具体的には、図６に示すように、冷却水流路５０は、第１流路である本流５５と第２流路である支流５６とに分岐している。本流５５は、冷却水入口５１から図示の水平方向（カソードガスの流れと直交方向）に冷却水が流れ、リブＲＣを回り込んで再び水平向に冷却水が流れ、当該冷却水が冷却水出口５２から排出されるサーペンタイン流路で形成され、支流５６は、冷却水入口５１から冷却水が流れ、当該冷却水はセル発電面の外側を回り、アノード入口４１近傍からはセル発電面内を流れ、冷却水出口５２から排出される流路で形成される。なお、図６においては、リブＲＣは１つしか図示していないがリブＲＣは複数設けても良い。
【００４１】
燃料電池スタック１０は、カソード入口３１側、且つ、アノード出口４２近傍に冷却水入口５１を設け、ラジエータで冷やされた冷却水を冷却水流路５０に導入することで、最も乾燥し易いアノード出口４２近傍のセル温度を下げることで膜の乾燥を防止することができる。
【００４２】
また、図６に示すように、冷却水流路５０を本流５５と支流５６との２系統に分け、本流５５で上記効果を奏するとともに、支流５６は本流５５のセル発電面の外側を回ってアノード入口４１側に冷却水を送ることにより、アノード入口４１近傍の乾燥し易い部位Ａもラジエータで冷やされた冷却水により冷却することができる。
【００４３】
さらに、この支流５６は、アノード入口４１近傍を通過後、セル発電面内を通過する。これにより発電によって生じた排熱により冷却水の温度が高くなるが、この第２実施形態の支流５６は本流５５よりも冷却水流路長が長く、圧損が高いため冷却水流量が少なくなり、冷却水出口５２近傍では温度が高くなる。このため、この支流５６の冷却水をカソード出口３２近傍へ流し、冷却水出口５２から当該冷却水を排出することにより、最もフラッディングしやすい部位Ｂの冷却水の温度を上げ、フラッディングを防止することができる。
【００４４】
図７は、アノードガス流路４０における部位Ａ〜Ｆのアノード湿度について、冷却水の冷却温度を均一にした場合と、上記の燃料電池スタック１０の構成を用いた場合とを相対的に比較した結果を示す図である。なお、同図において、隣接する２つの棒グラフのうち左側が従来技術のアノード湿度を示し、右側が単位セル２０のアノード湿度を示している。
【００４５】
部位Ａを参照すると、燃料電池スタック１０（単位セル２０）においては、上記のように支流５６を設けたことにより、冷却水の温度が低いため冷却水の温度を均一にした場合と比較して、相対的な湿度低下がない。また、部位Ｂ及び部位Ｆにおいては、上記の第１実施形態とそれぞれ同様な効果を奏することを示している。
【００４６】
（変形例）
さらに、上記燃料電池スタック１０は、１つの冷却水入口５１から流れる冷却水を本流５５と支流５６とに分岐する構成を説明したが、以下のように冷却水流路５０を構成しても、上記第２実施形態の燃料電池スタック１０と同様な効果を奏することができる。
【００４７】
具体的には、冷却水流路５０は、カソード出口３２、且つ、アノード入口４１近傍に配置される第１冷却水入口と、カソード入口３１、且つ、アノード出口４２近傍に配置される第２冷却水入口と、カソード出口３２側、且つアノード入口４１から遠い位置に配置される冷却水出口とを有するように構成する。また、第１冷却水入口から流れる第１冷却水及び第２冷却水入口から流れる第２冷却水がそれぞれ冷却水出口へ排出されるように構成する。さらに、第２冷却水が流れる冷却水流路を、第２冷却水入口から水平方向に第２冷却水が流れ、リブＲＣを回り込んで再び水平方向に第２冷却水が流れ、当該第２冷却水が冷却水出口から排出されるサーペンタイン流路で形成する。なお、リブＲＣは１つだけなく複数設けても良いのは第２実施形態と同様である。
【００４８】
このように構成した変形例の燃料電池スタック１０も上記第２実施形態と同様な効果を奏することができる。
【００４９】
さらに、変形例の燃料電池スタック１０において、第１冷却水入口の上流に冷却水流量を調整する流量調整弁を備え、当該流量調整弁を、第２冷却水の流量が第１冷却水の流量より多く、又は第２冷却水の流量と第１冷却水の流量を同一にするように調整するように制御しても良い。
【００５０】
このように構成した場合、流量調整弁により第２冷却水の流量を第１冷却水の流量以上に調整できるため、第１冷却水と第２冷却水の流量の分配を最適化することができ、カソード出口３２近傍でのフラッディングの抑制効果を向上させることができる。
【符号の説明】
【００５１】
１０…燃料電池スタック（燃料電池）、２０…単位セル、２１…ＭＥＡ、２２…ガス拡散層、２３…発電体、２６…カソードセパレータ、２８…アノードセパレータ、２９…中間プレート、３０…カソードガス流路、３１…カソード入口、３２…カソード出口、４０…アノードガス流路、４１…アノード入口、４２…アノード出口、５０…冷却水流路、５１…冷却水入口、５２…冷却水出口、５５…本流、５６…支流、ＲＡ，ＲＢ，ＲＣ…リブ
【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１】
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【図８】
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