(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜をアノード側電極およびカソード側電極で挟んで構成される単位燃料電池セルとセパレータとを交互に複数積層するとともに、マニホールド部材が連結された燃料電池スタックであって、
前記マニホールド部材は、前記アノード側電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路の入口側を形成する第１入口管体と、
前記燃料ガス流路の出口側を形成する第１出口管体と、
前記カソード側電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路の入口側を形成する第２入口管体と、
前記酸化剤ガス流路の出口側を形成する第２出口管体と、
前記単位燃料電池セルを冷却するための冷却媒体を供給する冷媒流路の入口側を形成し、前記第１および第２出口管体を囲繞する入口空間と、
前記冷媒流路の出口側を形成し、前記第１および第２入口管体を囲繞する出口空間と、
を設けることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
固体高分子電解質膜をアノード側電極およびカソード側電極で挟んで構成される単位燃料電池セルとセパレータとを交互に複数積層した複数の燃料電池スタック同士が、マニホールド部材で一体的に連結された燃料電池スタックであって、
前記マニホールド部材は、各燃料電池スタックの前記アノード側電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路の入口側を形成する第１入口管体と、
前記燃料ガス流路の出口側を形成する第１出口管体と、
前記カソード側電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路の入口側を形成する第２入口管体と、
前記酸化剤ガス流路の出口側を形成する第２出口管体と、
前記各燃料電池スタックを冷却するための冷却媒体を供給する冷媒流路の入口側を形成し、前記第１および第２出口管体を囲繞する入口空間と、
前記冷媒流路の出口側を形成し、前記第１および第２入口管体を囲繞する出口空間と、
を設ける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、固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極で挟んで構成される単位燃料電池セルとセパレータとを、交互に複数積層した燃料電池スタックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池は、通常、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質の両側にそれぞれアノード側電極およびカソード側電極を配置した単位燃料電池セルを、セパレータによって挟持することにより互いに複数積層して燃料電池スタックを構成している。
【０００３】
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、水素ガスは、触媒電極上で水素イオン化され、適度に加湿された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。カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、酸素ガスあるいは空気が供給されているために、このカソード側電極において、前記水素イオン、前記電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
この場合、高分子イオン交換膜からなる電解質は、イオン透過性を保持するために十分に加湿させておく必要がある。このため、一般的には、燃料電池の外部に設けられているガス加湿装置を用いて酸化剤ガスと燃料ガスとを加湿し、これらを水蒸気として燃料電池スタックに送ることにより、電解質を加湿するように構成されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、固体高分子型燃料電池は、作動温度が比較的低温（〜１００℃）であるため、酸化剤ガスや燃料ガスに加湿用に供給された水分が燃料電池スタックに導入される前に配管内で結露するおそれがある。一方、燃料電池スタックに導入された後に電解質に吸収されなかった水分や、反応によって生成された水分が、前記燃料電池スタック内のガス流路や該燃料電池スタックから排出後に配管内で冷却され、水の状態で存在し易い。
【０００６】
しかしながら、上記のように、燃料電池スタック近傍の配管内や前記燃料電池スタック内のガス流路に水が存在すると、各単位燃料電池セルに酸化剤ガスや燃料ガスを十分に供給することが困難になってしまう。これにより、反応ガスである燃料ガスおよび酸化剤ガスの触媒電極層への拡散性が低下し、セル性能が著しく悪化するという問題が指摘されている。
【０００７】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、燃料電池スタック内に不要な水が導入されることを確実に阻止するとともに、構成の簡素化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。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池スタックでは、燃料電池スタックに組み込まれたマニホールド部材が、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路の入口側を形成する第１および第２入口管体と、前記燃料ガス流路および前記酸化剤ガス流路の出口側を形成する第１および第２出口管体とを有するとともに、冷媒流路が前記第１および第２出口管体を囲繞する入口空間と、前記第１および第２入口管体を囲繞する出口空間とを有している。これにより、マニホールド部材は、全体として二重管構造を採用しており、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路のガス出入口温度を燃料電池スタックとほぼ同一の温度に調整することができるとともに、前記マニホールド部材全体の小型化および簡素化が容易に図られる。しかも、冷却媒体は、先ず、マニホールド部材を通ることによりこのマニホールド部材を温めた後、燃料電池スタック内に導入される。さらに、冷却媒体は、燃料電池スタックの内部を通過する際に吸熱を行って温度が上昇した後、前記燃料電池スタックからマニホールド部材内に導入されてこのマニホールド部材を加温する。
【０００９】
これにより、マニホールド部材と燃料電池スタックとの間に温度差が発生することがなく、燃料ガスや酸化剤ガスに含まれる水蒸気がマニホールド内で凝結することがない。従って、燃料電池スタックのガス入口近傍やガス出口近傍で水蒸気が凝結してこの燃料電池スタック内のガス流路に不要な水が導入されることを確実に阻止し、燃料ガスおよび酸化剤ガスを各燃料電池スタックに良好かつ円滑に供給することが可能になる。
【００１０】
また、本発明では、複数の燃料電池スタック同士がマニホールド部材で一体的に連結されて大出力を得る燃料電池スタックにおいて、このマニホールド部材が冷却媒体を介して加温されるため、前記マニホールド部材と各燃料電池スタックとの温度差が減少される。これにより、各燃料電池スタック近傍で水蒸気が凝結することを確実に阻止し、前記各燃料電池スタック内のガス流路に水が進入することを回避することができる。
【００１２】
【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の概略斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の縦断面説明図である。
【００１３】
燃料電池スタック１０は、単位燃料電池セル１２と、この単位燃料電池セル１２を挟持する第１および第２セパレータ１４、１６とを備え、必要に応じてこれらが複数組だけ矢印Ａ方向に積層されるとともに、積層方向一端側にマニホールド部材１８が連結されている。単位燃料電池セル１２は、固体高分子電解質膜２０と、この電解質膜２０を挟んで配設されるアノード側電極２２およびカソード側電極２４とを有する。
【００１４】
単位燃料電池セル１２の両側には、第１および第２ガスケット２６、２８が設けられ、前記第１ガスケット２６は、アノード側電極２２を収納するための大きな開口部３０を有する一方、前記第２ガスケット２８は、カソード側電極２４を収納するための大きな開口部３２を有する（図２参照）。単位燃料電池セル１２と第１および第２ガスケット２６、２８とが、第１および第２セパレータ１４、１６によって挟持され、これらが水平方向（矢印Ａ方向）に複数組積層される。
【００１５】
燃料電池スタック１０内には、上部側に燃料ガス供給流路３４、酸化剤ガス供給流路３６および冷却水排出流路３８が一体的に形成されるとともに、下部側には、燃料ガス排出流路４０、酸化剤ガス排出流路４２および冷却水供給流路４４が一体的に形成されている。
【００１６】
図２に示すように、第１セパレータ１４のアノード側電極２２に対向する面部には、燃料ガス供給流路３４と燃料ガス排出流路４０とを連通して上下方向に延在する第１流路４６が形成される。第２セパレータ１６のカソード側電極２４に対向する面部には、酸化剤ガス供給流路３６と酸化剤ガス排出流路４２とを連通して上下方向に延在する第２流路４８が形成される。第１および第２セパレータ１４、１６のそれぞれ他方の面部には、冷却水供給流路４４と冷却水排出流路３８とを連通して上下方向に延在する第３流路５０が形成される。
【００１７】
図１および図２に示すように、マニホールド部材１８は、略矩形状を有しており、アノード側電極２２に水素ガス（燃料ガス）を供給する燃料ガス流路５２と、カソード側電極２４に酸化剤ガスである空気（または酸素ガス）を供給する酸化剤ガス流路５４と、冷却媒体、例えば、冷却水を供給する冷媒流路５６とを設けるとともに、前記冷媒流路５６の出口側は、前記燃料ガス流路５２および前記酸化剤ガス流路５４の入口側に設定される。
【００１８】
マニホールド部材１８の内部には、下部側に冷媒流路５６を構成する入口空間５８が形成される一方、上部側にこの冷媒流路５６を構成する出口空間６０が形成される。マニホールド部材１８の幅狭な側部１８ａには、入口空間５８に連通する冷却水入口６２と、出口空間６０に連通する冷却水出口６４とが形成されるとともに、このマニホールド部材１８の幅広な面部１８ｂには、前記入口空間５８と冷却水供給流路４４とを連通する導入孔部６６、および前記出口空間６０と冷却水排出流路３８とを連通する導出孔部６８が形成される。
【００１９】
出口空間６０には、燃料ガス流路５２を構成する第１入口管体７０が配置され、この第１入口管体７０の一方の端部７０ａがマニホールド部材１８の側部１８ａから外部に導出されるとともに、前記第１入口管体７０の他方の端部７０ｂが前記マニホールド部材１８の面部１８ｂから燃料電池スタック１０内の燃料ガス供給流路３４に連なっている。出口空間６０には、酸化剤ガス流路５４を構成する第２入口管体７２が配置され、この第２入口管体７２の一方の端部７２ａがマニホールド部材１８の側部１８ａから外部に導出されるとともに、前記第２入口管体７２の他方の端部７２ｂが前記マニホールド部材１８の面部１８ｂから酸化剤ガス供給流路３６に連なる。
【００２０】
入口空間５８には、燃料ガス流路５２を構成する第１出口管体７４と、酸化剤ガス流路５４を構成する第２出口管体７６とが配置される。第１および第２出口管体７４、７６の端部７４ａ、７６ａは、マニホールド部材１８の面部１８ｂから外部に導出される一方、端部７４ｂ、７６ｂは、前記マニホールド部材１８の面部１８ｂからそれぞれ燃料ガス排出流路４０および酸化剤ガス排出流路４２に連なる。図３に示すように、冷媒流路５６の途上には、冷却水タンク７８とポンプ８０とが配置され、冷却水がこの冷却水タンク７８内と燃料電池スタック１０内を循環する。
【００２１】
このように構成される第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。
【００２２】
図３に示すように、冷却水タンク７８内の冷却水は、ポンプ８０の作用下に冷媒流路５６を介してマニホールド部材１８の冷却水入口６２から入口空間５８内に導入される（図１参照）。冷却水は、入口空間５８に連通する導入孔部６６から燃料電池スタック１０内の冷却水供給流路４４に供給され、第１および第２セパレータ１４、１６の第３流路５０を下方向から上方側に向かって流れることにより、各単位燃料電池セル１２の冷却を行う（図２参照）。さらに、冷却水は、冷却水排出流路３８から出口空間６０に導出された後、冷却水出口６４から冷媒流路５６を介して冷却水タンク７８に戻される。
【００２３】
燃料ガス流路５２に導入される水素ガスは、第１入口管体７０を通って端部７０ｂから燃料ガス供給流路３４に供給される。水素ガスは、第１セパレータ１４の第１流路４６に沿って下方向に移動しながら、単位燃料電池セル１２のアノード側電極２２に供給される。一方、酸化剤ガス流路５４に導入される空気は、同様に第２入口管体７２の端部７２ｂから酸化剤ガス供給流路３６に送られる。この空気は、第２セパレータ１６の第２流路４８に沿って下方向に移動しながら、単位燃料電池セル１２を構成するカソード側電極２４に供給される。
【００２４】
これにより、アノード側電極２２に供給された水素ガスは、水素イオン化されて電解質膜２０を介してカソード側電極２４側へと移動し、各単位燃料電池セル１２で発電が行われる。なお、未使用の水素ガスは、燃料ガス排出流路４０から第１出口管体７４に送られるとともに、未使用の空気は、酸化剤ガス排出流路４２から第２出口管体７６に導出される。
【００２５】
この場合、燃料電池スタック１０の運転時における温度は、７０℃〜９０℃であり、この燃料電池スタック１０に供給される水素ガスおよび空気は、マニホールド部材１８の入口側および出口側で７０℃〜９０℃の温度範囲内に調整されている。ところが、マニホールド部材１８の温度は、各単位燃料電池セル１２の作動温度に比べて低くなり易く、このマニホールド部材１８に配置されている第１および第２入口管体７０、７２内や第１および第２出口管体７４、７６内で水素ガスおよび空気中に含まれている水蒸気が凝結して水が生成されるおそれがある。
【００２６】
そこで、第１の実施形態では、マニホールド部材１８内に第１および第２出口管体７４、７６を囲繞して入口空間５８が設けられるとともに、第１および第２入口管体７０、７２を囲繞して出口空間６０が形成される。そして、冷却水タンク７８と燃料電池スタック１０の内部とを循環する冷却水が、先ず、入口空間５８に導入されてマニホールド部材１８内を温めた後、各単位燃料電池セル１２を冷却することによって昇温され、出口空間６０に導入されて前記マニホールド部材１８内を温める。冷却水は、さらに、冷却水出口６４から冷媒流路５６を介して冷却水タンク７８に戻された後、マニホールド部材１８側に送り出される。なお、燃料電池スタック１０の起動時には、冷却水の温度が水素ガスや空気の温度よりも低いため、ヒータ等によりこの冷却水を温めて入口空間５８に供給している。
【００２７】
このように、第１の実施形態では、マニホールド部材１８を冷却水により加温することによって、前記マニホールド部材１８と各単位燃料電池セル１２との温度差を減少させることができる。このため、マニホールド部材１８内に配置されている第１および第２入口管体７０、７２内や第１および第２出口管体７４、７６内で、水素ガスや空気中に含まれる水蒸気が凝結することがない。
【００２８】
特に、第１および第２入口管体７０、７２を囲繞して出口空間６０が設けられており、昇温された冷却水により前記第１および第２入口管体７０、７２を確実に保温または加温することができる。従って、第１および第２入口管体７０、７２内での水の生成を阻止し、この水がガス流に乗って燃料電池スタック１０内に導入されることを有効に阻止することが可能になる。
【００２９】
これにより、マニホールド部材１８内や燃料電池スタック１０内に水が滞留することを確実に阻止し、各単位燃料電池セル１２に水素ガスおよび空気を均一かつ円滑に分配することができるという効果が得られる。従って、燃料電池スタック１０を長時間にわたって安定して運転させることが可能になる。
【００３０】
図４は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック１００の概略斜視説明図である。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。
【００３１】
燃料電池スタック１００は、複数の燃料電池スタック１０２ａ〜１０２ｄ同士をマニホールド部材１０４で一体的に連結して構成されている。図４および図５に示すように、マニホールド部材１０４内に形成された出口空間６０には、燃料ガス流路５２を構成する第１入口管体１０６と酸化剤ガス流路５４を構成する第２入口管体１０８とが配置される。
【００３２】
第１および第２入口管体１０６、１０８には、燃料電池スタック１０２ａ、１０２ｂの各燃料ガス供給流路３４および各酸化剤ガス供給流路３６に対応して端部１０６ａ、１０６ｂおよび端部１０８ａ、１０８ｂが形成されるとともに、燃料電池スタック１０２ｃ、１０２ｄの燃料ガス供給流路３４および酸化剤ガス供給流路３６に対応して端部１０６ｃ、１０６ｄおよび端部１０８ｃ、１０８ｄが設けられる。
【００３３】
マニホールド部材１０４の入口空間５８には、燃料ガス流路５２を構成する第１出口管体１１０と酸化剤ガス流路５４を構成する第２出口管体１１２とが配置される。第１および第２出口管体１１０、１１２には、各燃料電池スタック１０２ａ〜１０２ｄの燃料ガス排出流路４０および酸化剤ガス排出流路４２に連通する端部１１０ａ〜１１０ｄおよび端部１１２ａ〜１１２ｄが形成される。
【００３４】
マニホールド部材１０４の両面１０４ａ、１０４ｂには、燃料電池スタック１０２ａ〜１０２ｄの冷却水供給流路４４と入口空間５８とを連通する導入孔部１１４ａ〜１１４ｄが設けられるとともに、前記燃料電池スタック１０２ａ〜１０２ｄの冷却水排出流路３８と出口空間６０とを連通する導出孔部１１６ａ〜１１６ｄが形成される。
【００３５】
このように構成される第２の実施形態では、複数の燃料電池スタック１０２ａ〜１０２ｄをマニホールド部材１０４に一体的に連結して燃料電池スタック１００を構成しており、大出力を得ることができる。しかも、単一のマニホールド部材１０４に燃料ガス流路５２および酸化剤ガス流路５４を集約することが可能になり、ガス流路長を一挙に短尺化し得るとともに、前記マニホールド部材１０４の小型化が容易に図られるという効果がある。
【００３６】
さらに、第２の実施形態では、マニホールド部材１０４と各燃料電池スタック１０２ａ〜１０２ｄとの温度差を有効に減少させ、水蒸気の凝結を防止して前記燃料電池スタック１０２ａ〜１０２ｄの内部に水が進入することを確実に阻止することができる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックでは、マニホールド部材が燃料ガス流路と酸化剤ガス流路と冷媒流路とを設けているため、冷却媒体を介して前記マニホールド部材を加温することができ、該マニホールド部材と単位燃料電池セルとの温度差を小さくして水蒸気の凝結を確実に阻止することが可能になる。さらに、冷媒流路の出口側が燃料ガス流路および酸化剤ガス流路の入口側に設定されており、燃料ガスおよび酸化剤ガスの温度を均一化するとともに、燃料電池スタック内にガス流に乗って水が導入されることを回避することができる。
【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斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池スタックの縦断面説明図である。
【図３】前記燃料電池スタックを構成する冷媒流路の説明図である。
【図４】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マニホールド部材の縦断面説明図である。
【符号の説明】
１０、１００、１０２ａ〜１０２ｄ…燃料電池スタック
１２…単位燃料電池セル          １４、１６…セパレータ
１８、１０４…マニホールド部材  ２０…電解質膜
２２…アノード側電極            ２４…カソード側電極
３４…燃料ガス供給流路          ３６…酸化剤ガス供給流路
３８…冷却水排出流路            ４０…燃料ガス排出流路
４２…酸化剤ガス排出流路        ４４…冷却水供給流路
４６、４８、５０…流路          ５２…燃料ガス流路
５４…酸化剤ガス流路            ５６…冷媒流路
５８…入口空間                  ６０…出口空間
６２…冷却水入口                ６４…冷却水出口
６６、１１４ａ〜１１４ｄ…導入孔部
６８、１１６ａ〜１１６ｄ…導出孔部
７０、７２、１０６、１０８…入口管体
７４、７６、１１０、１１２…出口管体
７８…冷却水タンク              ８０…ポンプ
【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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