(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体が、セパレータを介装して複数積層されたサブスタックを有し、前記サブスタックは、酸化剤ガスまたは燃料ガスの少なくとも１の反応ガスを積層方向に流す反応ガス入口および反応ガス出口と、前記反応ガス入口および前記反応ガス出口に連通して電極面に前記反応ガスを供給する反応ガス流路とを設けるとともに、複数の前記サブスタックが積層されて構成された燃料電池スタックであって、
反応ガス流れ方向上流側のサブスタックの前記反応ガス出口と、反応ガス流れ方向下流側のサブスタックの前記反応ガス入口とを連通し、前記サブスタック間で各反応ガス流路同士を直列に接続するための流路部と、
前記サブスタック間で直列に接続され、少なくとも２つの前記サブスタック間で該サブスタックの積層方向に対して前記反応ガスの流れ方向とは逆方向に冷却媒体を流す冷却媒体流路と、
を備え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、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体が、セパレータを介装して複数積層されたサブスタックを有し、複数の前記サブスタックが積層されて構成された燃料電池スタックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）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いる。この電解質膜の両側に、それぞれ触媒電極と多孔質カーボンからな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電解質膜・電極構造体を、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単位セルを備えている。通常、この単位セルが所定数だけ積層された燃料電池スタックが使用されている。
【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、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、電解質膜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。
【０００４】
上記の燃料電池スタックでは、例えば、車載用として使用する際には、比較的大きな出力が要求されるとともに、始動時において、前記燃料電池スタックから所望の高出力が得られる温度に、該燃料電池スタックを迅速に昇温することが望まれている。
【０００５】
そこで、例えば、米国特許第６，２９４，２７８Ｂ１号公報に開示されている燃料電池装置が知られている。この燃料電池装置は、図８に示すように、高温型スタック１と低温型スタック２とを備えている。高温型スタック１および低温型スタック２は、それぞれ矢印Ｌ方向に積層される複数の燃料電池３ａ、３ｂを設けている。この燃料電池３ａ、３ｂは、それぞれの作動温度のみを異にして構成されている。
【０００６】
高温型スタック１には、燃料ガスを燃料ガス流路（図示せず）に供給するための燃料ガス供給路４と、酸化剤ガスを酸化剤ガス流路（図示せず）に供給するための酸化剤供給路５とが接続されるとともに、前記高温型スタック１の反応ガス出口側には、接続ライン６ａ、６ｂが連結されている。接続ライン６ａ、６ｂは、クーラ７を介して低温型スタック２内の燃料ガス流路および酸化剤ガス流路（図示せず）に接続されている。
【０００７】
高温型スタック１および低温型スタック２は空冷されるものであり、冷却風が矢印Ｌ方向に直交する矢印Ｈ方向に移動する。このため、冷却風は、まず、低温型スタック２を冷却して高温となった後に、高温型スタック１を冷却している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術では、高温型スタック１から排出された燃料ガスおよび酸化剤ガスを低温型スタック２に供給する接続ライン６ａ、６ｂに、前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスを前記低温型スタック２の作動温度に冷却するためのクーラ７が介装されている。従って、構成が複雑であり、経済的でないという問題が指摘されている。
【０００９】
しかも、高温型スタック１および低温型スタック２では、矢印Ｌ方向に複数の燃料電池３ａ、３ｂが積層された状態で、冷却風が前記矢印Ｌ方向に直交する矢印Ｈ方向に供給されている。このため、例えば、高温型スタック１内では、積層方向（矢印Ｌ方向）に沿って温度勾配が惹起されてしまう。従って、反応ガス入口側の反応ガス流路温度に比べ、反応ガス出口側の反応ガス流路温度が高騰してしまう。
【００１０】
これにより、反応ガス出口側の燃料電池３ａでは、相対温度が低下し、高温型スタック１全体の電圧低下が発生するという問題がある。特に、車載用として多数の燃料電池３ａを積層する際には、反応ガス出口側の燃料電池３ａの発電性能が著しく低下してしまう。なお、低温型スタック２においても、上記の高温型スタック１と同様の不具合が指摘されている。
【００１１】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、積層されている各燃料電池の発電性能を均一化することができ、スタック全体として所望の発電性能を有効に維持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。
【００１２】
【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、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体がセパレータを介装して複数積層されたサブスタックを有し、前記サブスタックは、酸化剤ガスまたは燃料ガスの少なくとも１の反応ガスを積層方向に流す反応ガス入口および反応ガス出口と、前記反応ガス入口および前記反応ガス出口に連通して電極面に前記反応ガスを供給する反応ガス流路とを設けるとともに、複数の前記サブスタックが積層されている。燃料電池スタックは、反応ガス流れ方向上流側のサブスタックの反応ガス出口と、反応ガス流れ方向下流側のサブスタックの反応ガス入口とを連通し、前記サブスタック間で各反応ガス流路同士を直列に接続するための流路部と、前記サブスタック間で直列に接続され、少なくとも２つの前記サブスタック間で該サブスタックの積層方向に対して前記反応ガスの流れ方向とは逆方向に冷却媒体を流す冷却媒体流路とを備えている。
【００１３】
このため、反応ガスの流れ方向に沿って第１〜第ｎ（ｎ：２以上の整数）のサブスタックが積層されている場合、冷却媒体は、まず、前記第ｎのサブスタックに供給されて温度が上昇した後、順次、上流側のサブスタックに供給され、最後に第１のサブスタックを冷却する。従って、第１のサブスタックが高温側サブスタックとなる一方、第ｎのサブスタックが低温側サブスタックとなり、反応ガスの流れ方向後段側のサブスタックの相対湿度が上昇する。
【００１４】
これにより、後段側のサブスタックでは、温度上昇による相対湿度の低下が有効に回避されて発電性能を向上させることができ、燃料電池スタック全体として所望の発電性能を確実に維持することが可能になる。しかも、冷却媒体の流れ方向と反応ガスの流れ方向とを、少なくとも２つのサブスタック間で該サブスタックの積層方向に対して互いに逆方向に設定するだけでよい。このため、構成が有効に簡素化され、燃料電池スタックを経済的に構成することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０の分解斜視説明図である。
【００１６】
燃料電池スタック１０は、反応ガスである酸化剤ガスおよび燃料ガスの供給方向（矢印Ｘ方向）に配列される第１サブスタック１２、第２サブスタック１４および第３サブスタック１６を備え、前記第１乃至第３サブスタック１２、１４および１６間には中間プレート１８ａ、１８ｂが介装される。
【００１７】
第１乃至第３サブスタック１２、１４および１６は、略同様に構成されており、それぞれ所定組数の単位セル２０ａ、２０ｂおよび２０ｃを矢印Ａ方向に重ね合わせて構成されている。図２に示すように、単位セル２０ａは、電解質膜・電極構造体２２と、前記電解質膜・電極構造体２２を挟持する第１および第２セパレータ２４、２６とを備える。
【００１８】
電解質膜・電極構造体２２は、固体高分子電解質膜２８と、前記固体高分子電解質膜２８を挟んで配設されるアノード側電極３０およびカソード側電極３２とを有する。アノード側電極３０およびカソード側電極３２は、それぞれ触媒電極と多孔質カーボンとから構成されており、前記触媒電極が固体高分子電解質膜２８側に対向している。
【００１９】
電解質膜・電極構造体２２のアノード側電極３０側に第１セパレータ２４が配設され、前記電解質膜・電極構造体２２のカソード側電極３２側に第２セパレータ２６が配設される。第１および第２セパレータ２４、２６は、薄板状の金属導電板またはカーボン板により構成されている。
【００２０】
電解質膜・電極構造体２２並びに第１および第２セパレータ２４、２６の長辺（矢印Ｃ方向）側の一端縁部には、単位セル２０ａの重ね合わせ方向（矢印Ａ方向）に互いに連通して、水素含有ガス等の燃料ガス（反応ガス）を通過させるための燃料ガス入口３６ａと、冷却媒体を通過させるための冷却媒体出口３８ｂと、低加湿酸化剤ガス供給口４０と、酸素含有ガス等の酸化剤ガス（反応ガス）を通過させるための酸化剤ガス出口４２ｂとが設けられる。
【００２１】
電解質膜・電極構造体２２並びに第１および第２セパレータ２４、２６の長辺側の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口４２ａと、冷却媒体入口３８ａと、低加湿燃料ガス供給口４４と、燃料ガス出口３６ｂとが設けられる。
【００２２】
低加湿酸化剤ガス供給口４０には、酸化剤ガス入口４２ａに供給される加湿された酸化剤ガスよりも低加湿の酸化剤ガスが供給される一方、低加湿燃料ガス供給口４４には、燃料ガス入口３６ａに供給される加湿された燃料ガスよりも低加湿の燃料ガスが供給される。
【００２３】
第１セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２２側の面２４ａには、例えば、矢印Ｃ方向に延在する複数本の溝部からなる燃料ガス流路溝５０が設けられるとともに、この燃料ガス流路溝５０は、燃料ガス入口３６ａと燃料ガス出口３６ｂとに連通する。
【００２４】
図３に示すように、第２セパレータ２６の電解質膜・電極構造体２２側の面２６ａには、酸化剤ガス入口４２ａと酸化剤ガス出口４２ｂとを連通する酸化剤ガス流路溝５２が形成される。この酸化剤ガス流路溝５２は、矢印Ｃ方向に延在する複数本の溝部を備える。図２に示すように、第２セパレータ２６の面２６ｂには、冷却媒体入口３８ａと冷却媒体出口３８ｂとを連通する冷却媒体流路溝５４が形成される。この冷却媒体流路溝５４は、矢印Ｃ方向に延在する複数本の溝部を備える。
【００２５】
単位セル２０ａでは、図２に示すように、燃料ガス入口３６ａ、燃料ガス流路溝５０および燃料ガス出口３６ｂを含む燃料ガス流路（反応ガス流路）５６と、酸化剤ガス入口４２ａ、酸化剤ガス流路溝５２および酸化剤ガス出口４２ｂを含む酸化剤ガス流路（反応ガス流路）５８と、冷却媒体入口３８ａ、冷却媒体流路溝５４および冷却媒体出口３８ｂを含む冷却媒体流路６０とが設けられる。
【００２６】
燃料ガス流路５６および酸化剤ガス流路５８は、矢印Ｘ方向に向かって燃料ガスおよび酸化剤ガスの流れ方向が設定される一方、冷却媒体流路６０は、矢印Ｘ方向とは逆の矢印Ｙ方向に向かって冷却媒体の流れ方向が設定されている。
【００２７】
図１および図４に示すように、中間プレート１８ａ、１８ｂの一方の面６２ａには、燃料ガス出口３６ｂと、低加湿燃料ガス供給口４４と、燃料ガス入口３６ａとを連通する燃料ガス混合流路６４が設けられる。この燃料ガス混合流路６４は、中間プレート１８ａ、１８ｂの一方の面６２ａに沿って対角方向に延在する長尺状流路を構成するとともに、ガイド部６６を設けている。
【００２８】
中間プレート１８ａ、１８ｂの他方の面６２ｂには、酸化剤ガス出口４２ｂと、低加湿酸化剤ガス供給口４０と、酸化剤ガス入口４２ａとを連通する酸化剤ガス混合流路６８とが設けられる。この酸化剤ガス混合流路６８は、燃料ガス混合流路６４と交差するように、中間プレート１８ａ、１８ｂの他方の面６２ｂに沿って対角方向に延在するとともに、ガイド部７０を設けている。
【００２９】
図１に示すように、第１乃至第３サブスタック１２、１４および１６は、略同様に構成されている。第２サブスタック１４の冷却媒体入口３８ａおよび冷却媒体出口３８ｂは、第１および第３サブスタック１２、１６の冷却媒体入口３８ａおよび冷却媒体出口３８ｂとは逆の位置に設けられている。
【００３０】
燃料電池スタック１０では、燃料ガス流路５６および酸化剤ガス流路５８が、第１乃至第３サブスタック１２、１４および１６間で直列に接続されるとともに、燃料ガスおよび酸化剤ガスの流れ方向が、前記第１サブスタック１２から前記第３サブスタック１６に向かって矢印Ｘ方向に設定されている。なお、酸化剤ガス流路５８のみを第１乃至第３サブスタック１２、１４および１６間で直列に接続し、燃料ガス流路５６を前記第１乃至第３サブスタック１２、１４および１６間で並列に接続してもよい。
【００３１】
冷却媒体流路６０は、第１乃至第３サブスタック１２、１４および１６間で直列に接続されるとともに、冷却媒体の流れ方向が、前記第３サブスタック１６から前記第１サブスタック１２に向かって矢印Ｙ方向に設定されている。
【００３２】
このように構成される本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。
【００３３】
図１に示すように、酸化剤ガス流路５８には、酸化剤ガスとして、空気等の酸素含有ガス（以下、単に空気という）が供給されるとともに、燃料ガス流路５６には、燃料ガスとして、例えば、水素含有ガスが供給される。さらに、冷却媒体流路６０には、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体が供給される。その際、空気および水素含有ガスは、第１サブスタック１２側から矢印Ｘ方向に向かって流される一方、冷却媒体は、第３サブスタック１６側から矢印Ｙ方向に向かって流される。また、低加湿燃料ガス供給口４４および低加湿酸化剤ガス供給口４０には、低加湿の未使用燃料ガスおよび低加湿の酸化剤ガスが供給される。
【００３４】
このため、第１サブスタック１２では、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数組の単位セル２０ａに対して燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体が、順次、供給される。図２に示すように、矢印Ａ方向に連通している酸化剤ガス入口４２ａに供給された酸化剤ガスは、第２セパレータ２６に設けられている酸化剤ガス流路溝５２に導入され、電解質膜・電極構造体２２を構成するカソード側電極３２に沿って移動する。一方、燃料ガス入口３６ａに供給された燃料ガスは、第１セパレータ２４に設けられている燃料ガス流路溝５０に導入され、電解質膜・電極構造体２２を構成するアノード側電極３０に沿って移動する。
【００３５】
従って、電解質膜・電極構造体２２では、カソード側電極３２に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３０に供給される燃料ガスとが、触媒電極内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００３６】
一方、冷却媒体入口３８ａに供給された冷却媒体は、第２セパレータ２６に設けられている冷却媒体流路溝５４に沿って移動し、電解質膜・電極構造体２２を冷却した後に、冷却媒体出口３８ｂに排出される。
【００３７】
上記のように、各単位セル２０ａで消費された酸化剤ガスおよび燃料ガスは、それぞれ酸化剤ガス出口４２ｂおよび燃料ガス出口３６ｂに排出され、第１サブスタック１２の下流側に配置されている中間プレート１８ａに送られる。図１および図４に示すように、中間プレート１８ａの一方の面６２ａにおいて、燃料ガス出口３６ｂから燃料ガス混合流路６４に低濃度の燃料ガスが供給されるとともに、低加湿燃料ガス供給口４４から低加湿の未使用燃料ガスが前記燃料ガス混合流路６４に導入される。
【００３８】
このため、燃料ガス混合流路６４に供給された低濃度の燃料ガスと低加湿の未使用燃料ガスとは、十分かつ均一に混合された後、第２サブスタック１４の燃料ガス入口３６ａに供給される。
【００３９】
一方、中間プレート１８ａの他方の面６２ｂでは、酸化剤ガス出口４２ｂから酸化剤ガス混合流路６８に反応生成水を含んで加湿状態の酸化剤ガスが供給されるとともに、低加湿酸化剤ガス供給口４０から前記酸化剤ガス混合流路６８に低加湿の未使用酸化剤ガスが供給される。これにより、酸化剤ガス混合流路６８では、上記の燃料ガス混合流路６４と同様に、加湿状態の酸化剤ガスと低加湿の未使用酸化剤ガスとが均一に混合された後、第２サブスタック１４の酸化剤ガス入口４２ａに供給される。
【００４０】
第２サブスタック１４では、上記の第１サブスタック１２と同様に、燃料ガス入口３６ａに供給された燃料ガスが、電解質膜・電極構造体２２を構成するアノード側電極３０に供給される一方、酸化剤ガス入口４２ａに供給された酸化剤ガスが、前記電解質膜・電極構造体２２を構成するカソード側電極３２に供給される。このため、電解質膜・電極構造体２２で発電が行われるとともに、消費された酸化剤ガスおよび燃料ガスは、中間プレート１８ｂに送られる（図１参照）。
【００４１】
この消費された酸化剤ガスおよび燃料ガスは、中間プレート１８ｂを介して低加湿の未使用酸化剤ガスおよび低加湿の未使用燃料ガスと混合された後、第３サブスタック１６の燃料ガス入口３６ａおよび酸化剤ガス入口４２ａに供給される。この第３サブスタック１６では、上記の第１および第２サブスタック１２、１４と同様に、電解質膜・電極構造体２２のアノード側電極３０およびカソード側電極３２に燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されて発電が行われる。
【００４２】
この場合、第１乃至第３サブスタック１２、１４および１６では、燃料ガスおよび酸化剤ガスの流れ方向（矢印Ｘ方向）に沿って第１サブスタック１２、第２サブスタック１４および第３サブスタック１６が積層されている。従って、特に、後段側の第２および第３サブスタック１４、１６では、温度上昇に伴って相対湿度が低下し易く、単位セル２０ｂ、２０ｃの発電性能が低下するおそれがある。
【００４３】
そこで、本実施形態では、冷却媒体流路６０が第１乃至第３サブスタック１２、１４および１６間で直列に接続されるとともに、燃料ガスおよび酸化剤ガスの流れ方向とは反対方向（矢印Ｙ方向）に向かって冷却媒体を流すように構成している。
【００４４】
すなわち、冷却媒体流路６０では、図１および図５に示すように、最後段の第３サブスタック１６側から第１サブスタック１２側に向かって冷却媒体を流すように構成されている。このため、燃料電池スタック１０では、冷却媒体が、まず、第３サブスタック１６に供給され、この第３サブスタック１６を構成する各単位セル２０ｃを冷却して温度が上昇した後、第２サブスタック１４に送られる。
【００４５】
この第２サブスタック１４では、冷却媒体が各単位セル２０ｂを冷却してさらに温度を上昇させた後、第１サブスタック１２を構成する各単位セル２０ａを冷却している。従って、図６に示すように、第１サブスタック１２が高温側スタック、第２サブスタック１４が中温側スタック、第３サブスタック１６が低温側スタックとなり、前記第２および第３サブスタック１４、１６の相対湿度が上昇する（図７参照）。
【００４６】
これにより、第２および第３サブスタック１４、１６では、相対湿度の低下が有効に回避されて、各単位セル２０ｂ、２０ｃの発電性能を向上させることができ、燃料電池スタック１０全体として所望の発電性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。
【００４７】
しかも、冷却媒体の流れ方向を燃料ガスおよび酸化剤ガスの流れ方向とは逆方向に設定するだけでよい。このため、構成が有効に簡素化され、燃料電池スタック１０を経済的に構成することができる。
【００４８】
なお、本実施形態では、燃料電池スタック１０が第１乃至第３サブスタック１２、１４および１６を積層して構成しているが、複数のサブスタックであれば積層数は種々設定可能であり、第１乃至第ｎ（ｎは２以上の整数）のサブスタックを積層する種々の燃料電池スタックにも有効に適用することができる。
【００４９】
また、上述した本実施形態では、各単位セル２０ａ、２０ｂおよび２０ｃが長辺側を水平方向に配置する横置きタイプで構成されているが、この長辺側を鉛直方向に指向させた縦置きタイプで構成してもよい。
【００５０】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックでは、サブスタック間で直列に接続される反応ガス流路と、前記サブスタック間で直列に接続されて前記反応ガス流路の流れ方向とは逆方向に冷却媒体を流す冷却媒体流路とを備えている。このため、反応ガスの流れ方向後段のサブスタックは、前段のサブスタックよりも低温となり、この後段のサブスタックの相対湿度を上昇させることができる。
【００５１】
これにより、特に後段側のサブスタックでは、相対湿度の低下を有効に阻止して発電性能を均一化することができ、燃料電池スタック全体として所望の発電性能を確実に維持することが可能になる。しかも、冷却媒体の流れ方向と反応ガスの流れ方向とを互いに逆方向に設定するだけでよく、構成が有効に簡素化されて、燃料電池スタックを経済的に構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの概略全体斜視図である。
【図２】前記燃料電池スタックの一部分解斜視説明図である。
【図３】前記燃料電池スタックを構成する単位セルの第１セパレータの正面図である。
【図４】前記燃料電池スタックを構成する中間プレートの正面図である。
【図５】前記燃料電池スタック内の流れ説明図である。
【図６】前記燃料電池を構成する第１乃至第３サブスタック内の温度分布説明図である。
【図７】前記第１乃至第３サブスタック内の相対湿度説明図である。
【図８】従来技術に係る燃料電池装置の概略構成説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池スタック            １２、１４、１６…サブスタック
１８ａ、１８ｂ…中間プレート      ２０ａ〜２０ｃ…単位セル
２２…電解質膜・電極構造体        ２４、２６…セパレータ
２８…固体高分子電解質膜          ３０…アノード側電極
３２…カソード側電極              ３６ａ…燃料ガス入口
３６ｂ…燃料ガス出口              ３８ａ…冷却媒体入口
３８ｂ…冷却媒体出口              ４０…低加湿酸化剤ガス供給口
４２ａ…酸化剤ガス入口            ４２ｂ…酸化剤ガス出口
４４…低加湿燃料ガス供給口        ５０…燃料ガス流路溝
５２…酸化剤ガス流路溝            ５４…冷却媒体流路溝
５６…燃料ガス流路                ５８…酸化剤ガス流路
６０…冷却媒体流路
【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】
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【図８】
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