(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される接合体を有し、前記接合体をセパレータにより挟持して前記アノード側電極に燃料ガスが供給される一方、前記カソード側電極に酸化剤ガスが供給される発電セルと、
所定数の前記発電セルに対して電気的に一体的に接続される一対の集電用電極と、
前記発電セルを冷却するための冷却液体が供給され、絶縁機構を設けて前記集電用電極間に介装される第１冷却セルと、
前記発電セルを冷却するための冷却気体が供給され、前記第１冷却セルとの間に所定数の前記発電セルを挟んで前記集電用電極間に介装される第２冷却セルと、
を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記第２冷却セルは、互いに近接する前記第１冷却セル間にのみ配置されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池スタックにおいて、前記集電用電極の外方には、該集電用電極を挟んで前記発電セルとは反対側に、前記発電セルを冷却するための冷却媒体が供給される第３冷却セルが配置されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、車両に搭載される車載型燃料電池スタックであって、前記第２冷却セルに前記冷却気体を供給する冷却気体供給部を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池スタックにおいて、前記冷却気体供給部は、前記車両の走行時に走行風を前記第２冷却セルに導くことを特徴とする燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される接合体を有し、前記接合体をセパレータにより挟持して前記アノード側電極に燃料ガスを供給する一方、前記カソード側電極に酸化剤ガスを供給する発電セルを備えた燃料電池スタックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）は、炭化珪素多孔質（マトリックス）に濃厚リン酸を含浸させた電解質層の両側に、それぞれカーボンを主体とするアノード側電極およびカソード側電極を対設して構成される接合体（電解質層・電極接合体）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持することにより構成される発電セルを備えている。この発電セルは、通常、所定数だけ積層して燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
一方、固体高分子型燃料電池（ＳＰＦＣ）は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜を採用しており、同様に前記電解質膜により構成される接合体（電解質膜・電極接合体）とセパレータとを備える発電セルを、所定数だけ積層して燃料電池スタックとして用いている。
【０００４】
この種の燃料電池スタックにおいて、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、触媒電極上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００５】
ところで、上記の燃料電池では、有効な発電性能を発揮するための最適な作動温度が設定されている。例えば、リン酸型燃料電池では、１２０℃〜２００℃であり、固体高分子型燃料電池では、６０℃〜９０℃である。このため、発電セルを所望の作動温度に維持する必要があり、従来から、種々の冷却構造が採用されている。一般的には、燃料電池スタックを構成するセパレータに冷却媒体用通路を形成し、前記通路に水等の冷却媒体を供給することにより発電セルの冷却を行う構造が知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この場合、冷却媒体として使用される水や、自動車用冷却構造に使用される一般的な冷却媒体（冷却液体）では、イオン等の不純物や金属系添加剤が混入しており、この冷却媒体自体に導電性が付与されている。一方、冷却媒体として脱イオン水や純水を用いる場合にも、運転中に冷却系配管やラジエータを循環することによって金属等が混入し、この冷却媒体に導電性が付与されてしまう。
【０００７】
しかしながら、燃料電池スタックでは、各発電セルで発生した電子がスタック両端側の集電用電極から取り出されるため、上記のように冷却媒体に導電性が付与されると、前記冷却媒体中に電気が流れてしまう。これにより、冷却媒体を介して冷却系配管やラジエータ等に電気が流れてしまい、地絡や液絡が発生して燃料電池スタック全体の出力が低下するという問題が指摘されている。
【０００８】
そこで、本出願人は、冷却媒体を介して漏電することを確実に阻止することができ、簡単な構成で、有効な発電性能を維持することが可能な燃料電池スタックを提案している（特開２００１−３３２２８８号公報参照）。
【０００９】
この燃料電池スタックでは、集電用電極間に冷却セルが介装されており、この冷却セルに供給される冷却媒体が絶縁機構を介して発電セルおよび前記集電用電極から電気的に絶縁されるとともに、前記冷却セルを挟んで配置される前記発電セル同士または前記発電セルと前記集電用電極が導電機構を介して互いに電気的に接続されている。これにより、冷却媒体を介して地絡や液絡が発生することを確実に防止することができ、燃料電池スタック全体の出力低下を有効に阻止して所望の発電機能を維持することが可能になる。
【００１０】
ところで、燃料電池スタックを運転する際に発生する熱は、この燃料電池スタックの運転条件により変動する。その際、高負荷運転条件では、発熱量が大きくなり、発電セルの最高負荷条件で発生する熱を良好に放熱し得るように、比較的大型の熱交換器を組み込む冷却システムが採用されている。
【００１１】
例えば、電流密度が１Ａ／ｃｍ2で、発電セル１個当たりの端子間電圧が約０．６Ｖの能力を有する発電セルを積層した定格出力が７０ｋＷ程度の燃料電池スタックでは、定格出力運転時に７０ｋＷ程度の熱が発生する。この発生熱の中、１２％程度は燃料電池スタック自体の保温および放熱により消費されるものの、残りの８８％程度の大量の熱は、前記燃料電池スタック内に導入される冷却媒体を介して吸収させ、外部に配置した熱交換器で放熱する必要がある。
【００１２】
これにより、大量の冷却媒体を循環させるために、ポンプ自体が大型化するとともに、熱交換器に高い能力が要求され、前記熱交換器が相当に大型化してしまうという問題が指摘されている。
【００１３】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、特に高出力時にも発電セル面内の最高温度を最適運転温度以下に維持することができ、簡単かつコンパクトな構成で、有効な発電性能を確保することが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池スタックでは、集電用電極間に第１冷却セルが介装されており、この第１冷却セルに供給される冷却液体を介して発電セルが冷却される。さらに、第１冷却セルとの間に所定数の発電セルを挟んで、集電用電極間に第２冷却セルが介装され、この第２冷却セルに供給される冷却気体を介して前記発電セルが冷却される。
【００１５】
第１冷却セルは、所定数の発電セルを他の第１冷却セルとで、あるいは、集電用電極とで挟持しており、前記第１冷却セル近傍の発電セルの温度は、該第１冷却セルから離間する位置（挟持方向中央部）に配置された発電セルの温度に比べて相対的に低下する。従って、第１冷却セル間では、中央部に位置する発電セルの温度が高い山形状の温度分布が生じ易い。
【００１６】
そこで、第１冷却セルとの間に所定数の発電セルを挟んで、すなわち、前記第１冷却セル間で温度の高い発電セルの近傍に第２冷却セルが介装されている。このため、第２冷却セルに冷却気体が供給されることにより、この第２冷却セル近傍の温度の高い発電セルを有効に冷却することができる。
【００１７】
従って、第１冷却セル近傍の発電セルを最適運転温度に近似した温度に維持する一方、第２冷却セル近傍の発電セルを最適運転温度まで冷却することが可能になる。これにより、各発電セルの温度は、最適運転温度近傍に調整されるとともに、発電セル間では、積層方向に沿って温度差が低減され、前記発電セルの各発電性能を有効に向上させることができる。
【００１８】
しかも、高出力時には、第１冷却セルと共に第２冷却セルが使用されて、冷却が必要な発電セルのみを冷却している。このため、冷却用に大型の熱交換器を用いる必要がなく、熱交換器を有効に小型化することが可能になる。
【００１９】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池スタックでは、第２冷却セルが、互いに近接する第１冷却セル間にのみ配置されている。従って、集電用電極と積層方向両端の第１冷却セルとの間には、第２冷却セルが配設されておらず、この集電用電極と前記積層方向両端の第１冷却セルとの間に配設される発電セルの数は、互いに近接する第１冷却セル間に配設される発電セルの数よりも少なく設定される。
【００２０】
互いに近接する第１冷却セル間には、中央部に第２冷却セルが介装されるため、例えば、２ｎ個の発電セルが配設される場合、集電用電極と積層方向両端の第１冷却セルとの間には、それぞれｎ個の発電セルが配設される。これにより、各第１冷却セルが除去（冷却）する熱量の差が少なくなり、積層方向に沿って各発電セルの温度差が有効に削減されるとともに、第２冷却セルの数を減少させることができる。
【００２１】
さらに、本発明の請求項３に係る燃料電池スタックでは、集電用電極の外方には、該集電用電極を挟んで発電セルとは反対側に、前記発電セルを冷却するための冷却媒体が供給される第３冷却セルが配置されている。従って、集電用電極近傍の発電セルが過度に冷却されることを回避するとともに、前記発電セルを適度に冷却することが可能になる。このため、燃料電池スタック内に配設された発電セル同士の温度差が有効に小さくなる。
【００２２】
さらにまた、本発明の請求項４に係る燃料電池スタックは、車両に搭載される車載型燃料電池スタックであって、第２冷却セルに冷却気体を供給する冷却気体供給部を備えている。これにより、冷却気体供給部の作用下に、各発電セルを最適運転温度近傍に保持し、かつ積層方向に沿って各発電セル間に温度差が発生することを良好に阻止することが可能になる。従って、発電性能が一層向上して高出力化が容易に図られる。
【００２３】
また、本発明の請求項５に係る燃料電池スタックでは、冷却気体供給部が、車両の走行時に走行風を第２冷却セルに導くことにより、冷却気体を前記第２冷却セルに供給するためのコンプレッサ等の補器が不要になる。このため、冷却系システムの小型化が図られるとともに、車両のレイアウトの自由度が大幅に向上し、該車両の小型化や居住空間の拡大が可能になる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０の概略構成を示す側面説明図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の分解斜視説明図であり、図３は、前記燃料電池スタック１０の要部拡大断面図である。
【００２５】
燃料電池スタック１０は発電セル１２を備え、この発電セル１２が矢印Ａ方向に所定数だけ積層されている。発電セル１２の積層方向両端側には、この発電セル１２に対して電気的に一体的に接続される集電用電極１４、１６が配置される。集電用電極１４、１６間には、所定数の第１冷却セル１８が介装されるとともに、前記第１冷却セル１８との間に所定数の発電セル１２を挟んで前記集電用電極１４、１６間に所定数の第２冷却セル２０が介装される。
【００２６】
集電用電極１４、１６の外側には、絶縁シート１９ａ、１９ｂを介装してエンドプレート２１ａ、２１ｂが配置される。エンドプレート２１ａ、２１ｂは、図示しないバックアッププレートを介してタイロッド等により締め付けられており、発電セル１２と集電用電極１４、１６と第１および第２冷却セル１８、２０は、一体的に矢印Ａ方向に締め付け保持される。集電用電極１４、１６には、例えば、モータ等の負荷２２が接続されている（図１参照）。
【００２７】
発電セル１２は、図２および図３に示すように、炭化珪素多孔質または塩基性ポリマー、例えば、ポリベンズイミダゾールにリン酸を含浸させた電解質層と額縁状部材（後述する）からなる電解質部２４を挟んで、カソード側電極２６およびアノード側電極２８が配設される接合体（電解質層・電極接合体）３０を有する。カソード側電極２６およびアノード側電極２８は、例えば、多孔質層である多孔質カーボンペーパー等からなるガス拡散層と、白金系触媒が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布された電極触媒層とをそれぞれ有しており、前記電極触媒層が電解質部２４に接合されている。
【００２８】
接合体３０の両側には、導電性材料、例えば、緻密質カーボン材料や金属で形成される第１および第２セパレータ３２、３４が配置され、前記接合体３０と前記第１および第２セパレータ３２、３４により、発電セル１２が構成される。
【００２９】
発電セル１２は、横方向（矢印Ｂ方向）両端下部側に水素含有ガス等の燃料ガスを通過させるための燃料ガス供給連通路３６ａと、酸素含有ガスである酸化剤ガスを通過させるための酸化剤ガス供給連通路３８ａとを設ける。発電セル１２の横方向両端上部側には、燃料ガスを通過させるための燃料ガス排出連通路３６ｂと、酸化剤ガスを通過させるための酸化剤ガス排出連通路３８ｂとが、燃料ガス供給連通路３６ａおよび酸化剤ガス供給連通路３８ａと対角位置になるように設けられている。
【００３０】
発電セル１２の横方向両端中央側には、切り欠き部分４０ａ、４０ｂが設けられており、この切り欠き部分４０ａ、４０ｂに冷媒供給管路４６と冷媒排出管路４８が配置される。冷媒供給管路４６内に冷却液体供給連通路４６ａが形成される一方、冷媒排出管路４８内に冷却液体排出連通路４８ａが形成される。
【００３１】
第１セパレータ３２のカソード側電極２６に対向する面には、酸化剤ガス供給連通路３８ａおよび酸化剤ガス排出連通路３８ｂに両端が連通して前記カソード側電極２６に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路５０が形成される（図２および図３参照）。第２セパレータ３４のアノード側電極２８に対向する面には、燃料ガス供給連通路３６ａおよび燃料ガス排出連通路３６ｂに両端が連通して前記アノード側電極２８に燃料ガスを供給する燃料ガス流路５１が設けられる。酸化剤ガス流路５０および燃料ガス流路５１は、水平方向（矢印Ｂ方向）に蛇行しながら鉛直上方向に酸化剤ガスおよび燃料ガスを導く流路構造を採用している。
【００３２】
第１および第２セパレータ３２、３４のカソード側電極２６およびアノード側電極２８に対向する面には、燃料ガス供給連通路３６ａ、酸化剤ガス供給連通路３８ａ、燃料ガス排出連通路３６ｂ、酸化剤ガス排出連通路３８ｂ、酸化剤ガス流路５０および燃料ガス流路５１を気密にシールするために、シール部材５３が、例えば、焼き付け等によって設けられている。
【００３３】
図１に示すように、第１冷却セル１８は、燃料電池スタック１０内で集電用電極１４、１６間に１０セルおき、すなわち、前記第１冷却セル１８間に１０個の発電セル１２を配置して積層されている。この第１冷却セル１８の両面に配置される第１および第２セパレータ３２、３４は、図２および図３に示すように、前記第１冷却セル１８側の面が平坦状に構成された片面ガス流路付きセパレータ構造に設定されている。後述する第２冷却セル２０においても、同様である。その他の第１および第２セパレータ３２、３４は、両面に酸化剤ガス流路５０と燃料ガス流路５１とが形成されている。
【００３４】
第１冷却セル１８は、図３および図４に示すように、冷却液体用流路プレート５２と、この流路プレート５２に重ね合わされて冷却液体通路５４を形成する蓋プレート５６と、前記冷却液体通路５４に供給される冷却液体を発電セル１２および集電用電極１４、１６から電気的に絶縁するための絶縁シート（絶縁機構）５８ａ、５８ｂと、前記第１冷却セル１８を挟んで前記発電セル１２同士（または前記発電セル１２と前記集電用電極１４、１６）を互いに電気的に接続するための導電プレート６０ａ、６０ｂとを備える。流路プレート５２および蓋プレート５６は、例えば、アルミニウム合金やチタン合金等の軽合金や、緻密質の炭素材料で形成される。
【００３５】
流路プレート５２は、幅方向（矢印Ｂ方向）両端中央側に一方の面側に突出して筒状接続部６２ａ、６２ｂを設けており、前記接続部６２ａ、６２ｂに冷媒供給管路４６と冷媒排出管路４８とが接続される。流路プレート５２の他方の面側には、冷却液体通路５４が形成されており、この冷却液体通路５４を構成して矢印Ｂ方向に直線状に設けられる複数本の流路溝６４が、接続部６２ａ、６２ｂに連通する。流路溝６４の入口と接続部６２ａとの間、および前記流路溝６４の出口と接続部６２ｂとの間には、該流路溝６４に冷却液体を均一にかつ安定した状態で流すためのガイド６６ａ、６６ｂが設けられる。
【００３６】
蓋プレート５６は、流路プレート５２に対向する面とは反対側の面に、外方に突出して筒状接続部６８ａ、６８ｂが形成される。この接続部６８ａ、６８ｂは、流路プレート５２の接続部６２ａ、６２ｂと同一位置に設けられており、冷媒供給管路４６および冷媒排出管路４８に接続される。
【００３７】
導電プレート６０ａ、６０ｂは、流路プレート５２および蓋プレート５６を覆って配置される一方、絶縁シート５８ａ、５８ｂは、前記導電プレート６０ａ、６０ｂの前記流路プレート５２および前記蓋プレート５６に接する面側に設けらている。導電プレート６０ａ、６０ｂは、銅合金等の電気伝導性に優れる金属プレートで構成されている。
【００３８】
絶縁シート５８ａ、５８ｂは、絶縁材、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）で形成されており、導電プレート６０ａ、６０ｂの全面にわたり接着剤等により貼り付けられている。なお、絶縁シート５８ａ、５８ｂに代替してシリコングリース等の絶縁材を導電プレート６０ａ、６０ｂに塗布してもよい。
【００３９】
導電プレート６０ａ、６０ｂの上端部には、それぞれ互いに近接する方向に屈曲して合わせ部７０ａ、７０ｂが設けられるとともに、前記合わせ部７０ａ、７０ｂに孔部７２ａ、７２ｂが形成される。合わせ部７０ａ、７０ｂを覆って固定板体７４が配置され、この固定板体７４から孔部７２ａ、７２ｂにねじ７６を挿入し、前記ねじ７６にナット７８を螺合することにより、導電プレート６０ａ、６０ｂが流路プレート５２および蓋プレート５６を保持する。
【００４０】
第２冷却セル２０は、図１に示すように、燃料電池スタック１０内で互いに隣り合う第１冷却セル１８間に、および集電用電極１４、１６と前記第１冷却セル１８間に５セルおきに配置される。具体的には、第１冷却セル１８間、および集電用電極１４、１６と前記第１冷却セル１８間の中央には、両側にそれぞれ５個の発電セル１２を配置して第２冷却セル２０が積層されている。
【００４１】
図３および図５に示すように、第２冷却セル２０は、冷却気体（例えば、空気）用流路プレート８０と、この流路プレート８０に重ね合わされて冷却空気通路８２を形成する蓋プレート８４とを備える。流路プレート８０および蓋プレート８４は、軽量でかつ熱伝導性および電気伝導性の良好な、例えば、アルミニウム合金やチタン合金等の軽合金材料で形成される。
【００４２】
冷却空気通路８２は、流路プレート８０の一方の面８０ａに設けられており、鉛直方向（矢印Ｃ方向）に直線状に延在する複数本の流路溝８６を備える。流路溝８６の下端側には、ガイド８８を設けた空気導入部９０が連通している。冷却空気通路８２は、カソード側電極２６およびアノード側電極２８の横方向（矢印Ｂ方向）の幅寸法の６０％〜７０％の範囲に設定されている。
【００４３】
蓋プレート８４には、空気導入部９０に連通する室９２が形成され、この室９２が空気導入口９４に連通する。この空気導入口９４には、パイプ９６が接続されている。パイプ９６は、電気的絶縁処理が施されており、例えば、前記パイプ９６をポリテトラフルオルエチレン等の樹脂で形成し、あるいは、金属製パイプの外表面にポリテトラフルオルエチレン等の樹脂をコーティングしている。流路プレート８０と蓋プレート８４とは、複数本のねじ９８により互いに固定されている。
【００４４】
図２に示すように、エンドプレート２１ａには、燃料ガス供給連通路３６ａに連通する燃料ガス入口１００ａと、燃料ガス排出連通路３６ｂに連通する燃料ガス出口１００ｂと、酸化剤ガス供給連通路３８ａに連通する酸化剤ガス入口１０２ａと、酸化剤ガス排出連通路３８ｂに連通する酸化剤ガス出口１０２ｂとが形成される。
【００４５】
図６は、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０を組み込む燃料電池システム１１０の概略構成説明図である。
【００４６】
燃料電池システム１１０は、燃料電池スタック１０に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部１１２と、前記燃料電池スタック１０に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部１１４と、前記燃料電池スタック１０に冷却液体（液状冷却媒体）を供給する冷却液体供給部１１６と、前記燃料電池スタック１０に冷却空気を供給する冷却空気供給部１１８とを備える。
【００４７】
燃料ガス供給部１１２は、高圧水素貯蔵源１２０を備え、この高圧水素貯蔵源１２０から燃料電池スタック１０内の燃料ガス供給連通路３６ａに連なる燃料ガス配管１２２には、第１減圧弁１２４および燃料ガス流量制御器１２６が設けられる。
【００４８】
酸化剤ガス供給部１１４は、第１コンプレッサ１２８を備え、この第１コンプレッサ１２８から燃料電池スタック１０内の酸化剤ガス供給連通路３８ａに連なる酸化剤ガス配管１３０には、第２減圧弁１３１および酸化剤ガス流量制御器１３２が設けられる。
【００４９】
冷却液体供給部１１６は、燃料電池スタック１０内の冷却液体供給連通路４６ａと冷却液体排出連通路４８ａとを繋ぐ冷却液体配管１３４を備え、前記冷却液体配管１３４には、循環用ポンプ１３６と比較的小型な熱交換器１３８とが設けられる。
【００５０】
冷却空気供給部１１８は、第２コンプレッサ１４０を備え、この第２コンプレッサ１４０は、燃料電池スタック１０を構成する第２冷却セル２０に連なる冷却空気配管１４２に接続される。この冷却空気配管１４２には、第３減圧弁１４４と冷却空気流量制御器１４６が設けられる。
【００５１】
このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、燃料電池システム１１０との関連で以下に説明する。
【００５２】
まず、燃料電池システム１１０では、モータ等の負荷２２の要求電流に応じて、燃料ガス供給部１１２および酸化剤ガス供給部１１４の制御が行われる。燃料ガス供給部１１２では、第１減圧弁１２４および燃料ガス流量制御器１２６を介して高圧水素貯蔵源１２０から燃料電池スタック１０に所定量の燃料ガス（水素ガスまたは水素含有ガス）が供給される。
【００５３】
一方、酸化剤ガス供給部１１４では、第１コンプレッサ１２８を介して導入された酸化剤ガスである酸素含有ガス（以下、空気ともいう）が、第２減圧弁１３１および酸化剤ガス流量制御器１３２を介して流量を制御される。このため、燃料電池スタック１０には、所定量の酸素含有ガスが供給される。
【００５４】
図２に示すように、エンドプレート２１ａの燃料ガス入口１００ａに供給された燃料ガスは、燃料ガス供給連通路３６ａを介して第２セパレータ３４に形成されている燃料ガス流路５１に供給される。このため、燃料ガス中の水素含有ガスは、発電セル１２のアノード側電極２８に供給されるとともに、未使用の燃料ガスが燃料ガス排出連通路３６ｂに排出される。
【００５５】
また、エンドプレート２１ａの酸化剤ガス入口１０２ａに供給された空気は、酸化剤ガス供給連通路３８ａを介して第１セパレータ３２に形成されている酸化剤ガス流路５０に導入される。従って、空気中の酸素含有ガスがカソード側電極２６に供給される一方、未使用の空気が酸化剤ガス排出連通路３８ｂに排出される。これにより、発電セル１２で発電が行われ、モータ等の負荷２２に電力が供給されることになる（図１参照）。
【００５６】
上記のように、燃料電池スタック１０内で発電が行われると、この発電に伴って熱が発生し、各発電セル１２の温度が上昇してくる。発電セル１２の最適運転温度は、例えば、ポリベンズイミダゾール膜にリン酸を含浸させた電解質部２４を用いた場合に、１６０℃を超えないことが必要である。このため、燃料電池システム１１０では、図６に示すように、冷却液体供給部１１６を構成するポンプ１３６が駆動される。
【００５７】
ポンプ１３６の作用下に、燃料電池スタック１０の冷却液体供給連通路４６ａに供給された冷却液体は、第１冷却セル１８を構成する流路プレート５２と蓋プレート５６との間に形成された冷却液体通路５４に導入される。図４に示すように、流路プレート５２では、接続部６２ａから流路溝６４に冷却液体が導入され、この冷却液体が前記流路溝６４を通って発電セル１２の発電面を冷却した後、冷却液体排出連通路４８ａに排出される。
【００５８】
冷却液体排出連通路４８ａから冷却液体配管１３４に導出された冷却液体は、各発電セル１２から熱を奪って比較的高温となっており、熱交換器１３８に導入される（図６参照）。この熱交換器１３８では、冷却液体から放熱が行われ、温度が低下した前記冷却液体は、再び第１冷却セル１８に循環される。
【００５９】
この場合、第１冷却セル１８では、冷却液体通路５４を形成する流路プレート５２と蓋プレート５６とが、絶縁シート５８ａ、５８ｂを設けた導電プレート６０ａ、６０ｂに覆われている（図３参照）。このため、冷却液体通路５４は、発電セル１２から電気的に絶縁されており、前記発電セル１２で発生する電気が前記冷却液体通路５４の冷却液体に流れることがない。これにより、冷却液体を介して地絡や液絡が発生することがなく、燃料電池スタック１０全体の出力低下を確実に阻止することができ、所望の発電機能を確実に維持することが可能になるという効果が得られる。
【００６０】
しかも、冷却液体に導電性が付与されていても、発電セル１２の発電性能に影響を与えることがない。従って、イオンや金属系添加物を含む一般の水系冷却媒体等を使用することができ、設備全体の簡素化を図るとともに、経済的であるという利点がある。
【００６１】
ところで、燃料電池スタック１０において、高負荷が要求されて高出力状態になると、各発電セル１２の発熱量が増加する。その際、液状の冷却媒体と小型の熱交換器１３８だけで、すなわち、第１冷却セル１８だけで、全ての発電セル１２の最高温度を最適運転温度以下に維持できなくなる前に、冷却空気供給部１１８が駆動されて第２冷却セル２０に冷却空気が供給される（図６参照）。冷却空気供給部１１８では、第２コンプレッサ１４０を介して導入された冷却空気が、第３減圧弁１４４および冷却空気流量制御器１４６を介して流量が調整された後、各第２冷却セル２０を構成するパイプ９６から空気導入口９４に導入される。
【００６２】
図３および図５に示すように、冷却空気は、空気導入口９４から室９２を介して空気導入部９０に導入される。この空気導入部９０には、ガイド８８を介して冷却空気通路８２が設けられており、前記冷却空気は、前記ガイド８８を介して複数の流路溝８６に均等に、かつ安定した状態で導入され、鉛直上方向に向かって流れる。これにより、第２冷却セル２０近傍の発電セル１２が冷却される。
【００６３】
この場合、第１の実施形態では、第２冷却セル２０が互いに近接する第１冷却セル１８間の中央に、および前記第１冷却セル１８と集電用電極１４、１６間の中央に配置されており、前記第２冷却セル２０の両側には、それぞれ発電セル１２が５セルずつ配置されている（図１参照）。このため、第２冷却セル２０は、互いに近接する第１冷却セル１８間、および集電用電極１４、１６と前記第１冷却セル１８との間で、温度が高い位置に対応して配置されており、この温度の高い位置の発電セル１２を有効に冷却することができる。
【００６４】
従って、第１冷却セル１８近傍の発電セル１２を最適運転温度に近似した温度に維持した状態で、第２冷却セル２０近傍の発電セル１２を最適運転温度まで冷却することが可能になる。これにより、各発電セル１２の温度は、最適運転温度近傍に調整されるとともに、前記発電セル１２間には、積層方向に沿って温度差が低減され、該発電セル１２の各発電性能を有効に向上させることができるという効果が得られる。
【００６５】
しかも、高出力時には、第１冷却セル１８と共に第２冷却セル２０が使用され、冷却が必要な発電セル１２のみを冷却している。このため、冷却用に大型の熱交換器を用いる必要がなく、比較的小型の熱交換器１３８により良好に対応することができる。
【００６６】
さらに、第２冷却セル２０は、冷却空気を用いるために第１冷却セル１８のような導電性を有する冷却液体を使用しない。従って、冷却空気と発電セル１２との間を絶縁する必要がなく、第２冷却セル２０の構成が有効に簡素化されるという利点がある。
【００６７】
また、図７に示すように、燃料電池スタック１０と同様に構成される燃料電池スタック１０ａを用いて、第２冷却セル２０による空冷の有無と発電セル１２の温度との関係を検出する実験を行った。
【００６８】
この燃料電池スタック１０ａは、３０個の発電セル１２を積層して両端部に集電用電極１４、１６を配置するとともに、前記集電用電極１４、１６の外側には、絶縁および断熱用のエポキシ樹脂製板を設置し、さらにその外側にエンドプレート２１ａ、２１ｂを配置した。エンドプレート２１ａには、図示しない皿ばねおよびバックアッププレートを設置し、このバックアッププレートとエンドプレート２１ｂ側の図示しないバックアッププレートとの間にボルトを挿通して締め付けることにより、燃料電池スタック１０ａが構成された。
【００６９】
電解質部２４を構成する電解質層は、リン酸含浸前のポリベンズイミダゾール膜の重量と、ポリベンズイミダゾール繰り返し単位当たりの分子量とから、前記ポリベンズイミダゾール膜内のポリベンズイミダゾール繰り返し単位のモル数が予め算出された。
【００７０】
そして、厚さが５０μｍのポリベンズイミダゾール膜を８５％のリン酸溶液に２４時間以上、前記ポリベンズイミダゾール膜内のリン酸濃度が平衡に達するまで浸漬した。次いで、リン酸が含浸したポリベンズイミダゾール膜を取り出して、８０℃で真空乾燥した後、その重量とリン酸の分子量とから浸漬後のポリベンズイミダゾール膜内のリン酸のモル数が算出された。
【００７１】
このポリベンズイミダゾール繰り返し単位のモル数と、ポリベンズイミダゾール膜内のリン酸のモル数とから、ポリベンズイミダゾール繰り返し単位当たりのリン酸の分子数を算出したところ、このリン酸の分子数は、１０．２であった。
【００７２】
一方、カソード側電極２６およびアノード側電極２８は、以下のように製作された。
【００７３】
まず、カーボン微粒子とポリテトラフルオロエチレン（以下、ＰＴＦＥという）微粉末をエチレングリコールに分散させた溶液を、厚さが２７０μｍのカーボンペーパーの片側表面に塗布し、乾燥してエチレングリコールを除去することにより、カーボン・ＰＴＦＥ層が形成された。さらに、多孔質カーボン微粒子に白金合金系触媒を担持したものを純水で湿らせた後、エチレングリコールと混合および攪拌することにより、担持触媒・エチレングリコール溶液が得られた。
【００７４】
この担持触媒・エチレングリコール溶液を、カーボンクロス表面に形成したカーボン・ＰＴＦＥ層上にスクリーン印刷によって均一に塗布し、乾燥によりエチレングリコールを除去して触媒層を形成し、ガス拡散層付き電極が得られた。触媒層形成後のガス拡散層付き電極の層厚さは、３００μｍであった。カソード側電極２６およびアノード側電極２８において、発電に寄与する電極面積は、２６８ｃｍ2であった。
【００７５】
次に、膜厚さが２５μｍのポリイミドフイルムに打ち抜き加工を施して、額縁状部材が形成された。この額縁状部材を、カソード側電極２６およびアノード側電極２８と略同一寸法の電解質層の外周部にオーバーラップさせるように重ね、さらに前記電解質層の両面に前記カソード側電極２６およびアノード側電極２８を配置し、プレス装置を用いて加圧および加熱して一体化した。これにより、接合体（電解質層・電極接合体）３０が形成された。
【００７６】
そこで、発電セル１２を１０セル毎に、第１冷却セル１８が配置されるとともに、前記発電セル１２を５セル毎に、第２冷却セル２０が配置された。すなわち、第１冷却セル１８間の中央に第２冷却セル２０が介装された。そして、図７に示すように、３０個の発電セル１２の中、中央の１０個の発電セル１２の両端に位置する発電セル１２と、これらに隣接する第１冷却セル１８との間に、熱電対１５０が設置された。さらに、１０個の発電セル１２の中央に位置する第２冷却セル２０と、これに隣り合う発電セル１２との間に、熱電対１５０が設置された。
【００７７】
このように構成される燃料電池スタック１０ａにおいて、流量が１８．７ｎｏｒｍａｌ  ｌ／ｍｉｎ（標準状態０℃で、１ａｔｍに換算した流量）、ガス利用率が５０％、圧力が２０１．３ｋＰａ（絶対圧）に設定された水素ガスが供給される一方、４４．５ｎｏｒｍａｌ  ｌ／ｍｉｎ、ガス利用率が５０％、圧力が２０１．３ｋＰａに設定された空気が供給され、負荷電流密度が０．５Ａ／ｃｍ2、燃料電池スタック１０ａとしては１３４Ａの条件で発電を行った。
【００７８】
まず、第２冷却セル２０を用いずに、第１冷却セル１８に対して１個当たり２．４ｎｏｒｍａｌ  ｌ／ｍｉｎの自動車用冷却液を供給して冷却を行った。その際、中央部の１０個の発電セル１２の積層方向の温度分布が、比較例として図８に示されている。
【００７９】
これにより、第２冷却セル２０に接する発電セル１２のセパレータ温度が、最高で１６０℃となる一方、第１冷却セル１８に接する発電セル１２のセパレータ温度が１０４℃であった。従って、第２冷却セル２０に接する発電セル１２は、運転最適温度である１６０℃となっており、燃料電池スタック１０ａに上記の発電能力より多くの発電性能が要求される際、前記第２冷却セル２０に接する前記発電セル１２の温度が運転最適温度以上となってしまう。
【００８０】
そこで、第１の実施形態では、比較例と同一条件で発電を行うとともに、第２冷却セル２０に接する発電セル１２のセパレータ温度が最高温度である１６０℃となった時点で、この第２冷却セル２０に５０ｎｏｒｍａｌ  ｌ／ｍｉｎの流量で空気を導入し、冷却を開始した。空気導入が開始されてから１０分後、第２冷却セル２０に接する発電セル１２のセパレータ温度は、１５２℃となった（図７中、実施例参照）。
【００８１】
このように、燃料電池スタック１０ａの中、最も温度が高い部分、すなわち、第２冷却セル２０に接する発電セル１２のセパレータ温度が１５２℃となり、比較例に比べて８℃の温度低下となった。一方、第１冷却セル１８に接する発電セル１２のセパレータ温度は、比較例と同様に１０４℃であった。
【００８２】
この結果、第２冷却セル２０を用いることにより、第１冷却セル１８に供給される冷却液体の量を比較例よりも減少させることができ、燃料電池システム１１０内に貯留される冷却液体量を減少させることが可能になる。従って、冷却液体供給部１１６を構成するポンプ１３６および熱交換器１３８を有効に小型化することができるという利点が得られる。
【００８３】
なお、第１の実施形態では、第１および第２冷却セル１８、２０が積層方向に均等に、すなわち、等間隔で離間して配置されているが、燃料電池スタック１０の積層方向の温度分布が少なくなるように、適宜、配置位置を調整することが可能である。
【００８４】
図９は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック１６０の概略構成を示す側面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に示す第３乃至第５の実施形態においても、同様にその詳細な説明は省略する。
【００８５】
第２の実施形態では、第２冷却セル２０が、互いに近接する第１冷却セル１８間に配置されている。具体的には、図９および図１０に示すように、燃料電池スタック１６０の集電用電極１４、１６と、積層方向両端の第１冷却セル１８との間には、第２冷却セル２０が配設されておらず、互いに近接する第１冷却セル１８間の中央にのみ前記第２冷却セル２０が配設されている。第１冷却セル１８間の発電セル１２の数が１０個であり、その中央に第２冷却セル２０が配設されており、前記第１冷却セル１８と前記第２冷却セル２０との間には、５個の発電セル１２が配設される。集電用電極１４、１６と、これらに隣接する第１冷却セル１８との間には、５個の発電セル１２が配設されている。
【００８６】
このように構成される第２の実施形態では、各第１冷却セル１８の両側に、それぞれ５個の発電セル１２が積層されている。このため、各第１冷却セル１８が除去（冷却）する熱量の差が少なくなり、積層方向に沿って各発電セル１２の温度差が有効に削減されるという効果が得られる。
【００８７】
さらに、集電用電極１４、１６と第１冷却セル１８との間に、第２冷却セル２０が配設されておらず、前記第２冷却セル２０の数を、例えば、両端側の２個だけ減少することができる。
【００８８】
図１１は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック１７０の概略構成を示す側面説明図である。
【００８９】
この燃料電池スタック１７０では、集電用電極１４、１６の外方に、前記集電用電極１４、１６を挟んで発電セル１２とは反対側に位置して第３冷却セル１７２が配置される。具体的には、集電用電極１４、１６の外方に、絶縁シート１９ａ、１９ｂを介装して第３冷却セル１７２が配置され、前記第３冷却セル１７２に断熱材１７４を介してエンドプレート２１ａ、２１ｂが配置されている。
【００９０】
第３冷却セル１７２は、集電用電極１４、１６と絶縁シート１９ａ、１９ｂにより絶縁されるとともに、発電セル１２同士を電気的に接続する必要がなく、導電プレートが不要である。図１２に示すように、第３冷却セル１７２は、流路プレート５２と蓋プレート５６とを備えている。
【００９１】
このように構成される第３の実施形態では、集電用電極１４、１６の外側に第３冷却セル１７２が配置されるため、前記集電用電極１４、１６近傍の発電セル１２が過度に冷却されることを回避するとともに、前記第３冷却セル１７２を適度に冷却することができる。
【００９２】
これにより、燃料電池スタック１７０内に配設された各発電セル１２同士の温度差が有効に小さくなるという利点が得られる。しかも、第３冷却セル１７２は、流路プレート５２と蓋プレート５６とを備えるだけでよく、構成が有効に簡素化されて経済的である。
【００９３】
図１３は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する第１冷却セル１８０の分解斜視説明図である。
【００９４】
この第１冷却セル１８０を構成する流路プレート１８２は、冷却液体通路５４の入口近傍に、冷却液体供給連通路４６ａから前記冷却液体通路５４に導入される冷却液体の流入量を抑制する絞り１８４ａ、１８４ｂを設けている。絞り１８４ａ、１８４ｂは、ガイド６６ａの上流側に位置して流路プレート１８２の面から膨出形成されている。
【００９５】
このように構成される第４の実施形態では、冷却液体供給連通路４６ａから流路プレート１８２と蓋プレート５６との間に形成されている冷却液体通路５４に冷却液体が導入される際、絞り１８４ａ、１８４ｂにより前記冷却液体の流入量が抑制される。このため、各第１冷却セル１８０による冷却効率の均一化を図ることができ、特に、集電用電極１４、１６近傍の発電セル１２の温度と、それ以外の発電セル１２の温度との差を、有効に縮小することができる。
【００９６】
図１４は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池システム１９０の概略構成説明図である。
【００９７】
この燃料電池システム１９０は、車両に搭載されており、車両の走行時の走行風を利用する冷却空気供給部１９２を備えている。冷却空気供給部１９２は、走行風を取り込む冷却空気配管１９４を設け、この冷却空気配管１９４には、絞り１９６が配置されるとともに、前記冷却空気配管１９４と酸化剤ガス配管１３０との間には、絞り１９８を備えたバイパス配管２００が接続されている。
【００９８】
このように構成される第５の実施形態では、車両の走行時に、走行風が冷却空気供給部１９２に導入され、この冷却空気が燃料電池スタック１０を構成する第２冷却セル２０に導入される。特に、高出力時には、車速が速くなって冷却空気供給部１９２に導入される冷却空気の流量が増大し、発電セル１２の冷却効率が向上する。従って、冷却空気を第２冷却セル２０に供給するためのコンプレッサ等の補器が不要になり、冷却系システムの小型化が図られるとともに、車両のレイアウトの自由度が大幅に向上し、該車両の小型化や居住空間の拡大が可能になる。
【００９９】
なお、車両が低速時、あるいは停止時に、第２冷却セル２０に冷却空気を供給する際には、第１コンプレッサ１２８から導入された酸化剤ガスである空気をバイパス配管２００を介して冷却空気配管１９４に導入すればよい。
【０１００】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックでは、集電用電極間に第１冷却セルとの間に所定数の発電セルを挟んで第２冷却セルが介装されるため、前記第１冷却セル間で温度の高い発電セルを、前記第２冷却セルにより有効に冷却することができる。従って、第１冷却セル近傍の発電セルを最適運転温度に近似した温度に維持する一方、第２冷却セル近傍の発電セルを最適運転温度まで冷却することが可能になる。これにより、各発電セルの温度は、最適運転温度近傍に調整されるとともに、発電セル間では、積層方向に沿って温度差が低減され、前記発電セルの各発電性能を有効に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの概略構成を示す側面説明図である。
【図２】前記燃料電池スタックの分解斜視説明図である。
【図３】前記燃料電池スタックの要部拡大断面図である。
【図４】前記燃料電池スタックを構成する第１冷却セルの分解斜視説明図である。
【図５】前記燃料電池スタックを構成する第２冷却セルの分解斜視説明図である。
【図６】前記燃料電池スタックを組み込む燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図７】実施例の燃料電池スタックの発電セルの温度を検出するための熱電対の配置説明図である。
【図８】図７に示す燃料電池スタックを用いて前記第２冷却セルによる空冷の有無と前記発電セルの温度との関係を示す説明図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの概略構成を示す側面説明図である。
【図１０】前記燃料電池スタックの概略斜視説明図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックの概略構成を示す側面説明図である。
【図１２】前記燃料電池スタックを構成する第３冷却セルの分解斜視説明図である。
【図１３】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する第１冷却セルの分解斜視説明図である。
【図１４】本発明の第５の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。
【符号の説明】
１０、１０ａ、１６０、１７０…燃料電池スタック
１２…発電セル                    １４、１６…集電用電極
１８、２０、１７２、１８０…冷却セル
１９ａ、１９ｂ、５８ａ、５８ｂ…絶縁シート
２１ａ、２１ｂ…エンドプレート    ２４…電解質部
２６…カソード側電極              ２８…アノード側電極
３０…接合体                      ３２、３４…セパレータ
４６…冷媒供給管路                ４８…冷媒排出管路
５０…酸化剤ガス流路              ５１…燃料ガス流路
５２、８０、１８２…流路プレート  ５４…冷却液体通路
５６、８４…蓋プレート            ６０ａ、６０ｂ…導電プレート
６４、８６…流路溝                ８２…冷却空気通路
９０…空気導入部                  ９４…空気導入口
１１０、１９０…燃料電池システム  １１２…燃料ガス供給部
１１４…酸化剤ガス供給部          １１６…冷却液体供給部
１１８、１９２…冷却空気供給部    １７４…断熱材
１８４ａ、１８４ｂ、１９６、１９８…絞り
【図１】
0003878512.tif 000002
【図２】
0003878512.tif 000003
【図３】
0003878512.tif 000004
【図４】
0003878512.tif 000005
【図５】
0003878512.tif 000006
【図６】
0003878512.tif 000007
【図７】
0003878512.tif 000008
【図８】
0003878512.tif 000009
【図９】
0003878512.tif 000010
【図１０】
0003878512.tif 000011
【図１１】
0003878512.tif 000012
【図１２】
0003878512.tif 000013
【図１３】
0003878512.tif 000014
【図１４】
0003878512.tif 000015