JP4738979B2 - 固体高分子型燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、固体高分子電解質膜をガス拡散電極で挟持した膜電極複合体と、ガス流通路が形成されたセパレータとの繰り返しからなる起電部を備えた固体高分子型燃料電池スタックに関するものであり、特に、固体高分子電解質膜を均一に加湿するための技術に関するものである。

燃料電池システムは、燃料極に水素を含む燃料ガスを供給し、酸化剤極に酸素を含む酸化剤ガスを供給して発電を行うシステムである。燃料電池システムのうち、電解質としてプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用いた燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの起電部は、固体高分子電解質膜を燃料極・酸化剤極となるガス拡散電極で挟持した膜電極複合体と、ガス流通路が形成されたセパレータとの繰り返しから構成される。

この場合、膜電極複合体の燃料極と酸化剤極に対し、燃料ガスと酸化剤ガスは、導電性材料の平板の表面に設けられたガス流通路に沿って垂直方向から供給される。ガス流通路は、起電部の側面に配置されたガス供給マニホールドおよびガス排出マニホールドと連通しており、燃料ガスおよび酸化剤ガスは、ガス供給マニホールドを介して起電部のガス流通路に供給され、ガス流通路の上流から下流へと流れた後、ガス排出マニホールドから外部へ排出される。

一方、固体高分子電解質膜は、平衡する水蒸気圧により膜の含水率が変化し、電解質膜の抵抗が変化する特性がある。このことから、電解質膜の抵抗を小さくし、十分な発電性能を得るためには、固体高分子電解質膜に水分を加えること、すなわち、加湿が必要になる。固体高分子電解質膜を加湿する方法としては、燃料ガスや酸化剤ガスに予め水蒸気を添加する外部加湿方式と、セパレータを介して水を直接添加する内部加湿方式がある。

また、電池温度を適切な範囲内に維持するためには、電池反応の発熱を取り除いて冷却することが必要であるが、そのための冷却方法としては、起電部の複数セル毎に冷却板を挿入し、冷却板に水または空気を流して冷却する冷却板方式や、内部加湿により供給した水の蒸発潜熱により冷却する内部加湿・潜熱冷却方式などがある。

以上のような加湿方法と冷却方法には、密接な関係がある。例えば、外部加湿方式では、運転条件の発熱状態に応じて、数セルおきに冷却水流通路が挿入される。この外部加湿方式において、セパレータには緻密な導電性材料が使われ、燃料ガス流通路、酸化剤ガス流通路と冷却水流通路を形成するとともに、リークを防ぐようになっている。セパレータの両面に流通路を設ける場合、セパレータの枚数は１セル当り１〜２枚となる。

また、内部加湿・潜熱冷却方式では、ガス流通路と同じセパレータ面に設けた加湿水をガス流通路に直接供給し、加湿水の蒸発潜熱により冷却を行う。この内部加湿・潜熱冷却方式において、セパレータには緻密な導電性材料が使われ、リークを防ぐようになっている。この方式の場合、冷却板が省略でき、セパレータの枚数は１セル当たり１枚である。

ところで、上記のような外部加湿方式および内部加湿・潜熱冷却方式のいずれにおいても、反応による生成水は水蒸気として回収され、未反応のガスとともに排出される。電解質膜の抵抗を小さく保つため、ガス流通路の水蒸気圧は高くなり、セパレータとして緻密な材料を用いるため、水分の凝縮が起こって燃料極・酸化剤極内のガス拡散層を閉塞することにより、ガスの拡散が妨げられる。この現象は「フラッディング」と呼ばれ、固体高分子型燃料電池の性能劣化要因の１つである。

以上のように、従来の加湿・冷却方法では、セパレータ枚数を１セル当り１〜２枚と少なく構成できるものの、フラッディングし易いという課題があった。

一方、特許文献１では、セパレータとして微孔を有する導電性多孔質板を使用し、各セルに冷却水流通路を設けることにより、導電性多孔質板を介して冷却水をガス流通路に供給して加湿するとともに、生成水や凝縮した水分を導電性多孔質板を介して除去する加湿・冷却方法が開示されている。この加湿・冷却方法は、燃料ガスと酸化剤ガスの圧力を冷却水の圧力よりも高くしてガスのリークを防ぐとともに、セルの反応面内での均一な加湿と冷却を実現するものである。
特表平１１−５０８７２６

しかしながら、特許文献１による加湿・冷却方法では、全てのセルを加湿・冷却するために、セル１枚につき１個の冷却水流通路が必要になる。その結果、セパレータもセル１枚につき２枚必要となり、コストアップになるという問題がある。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、セルの反応面内での均一な加湿と冷却を実現可能で、かつ、セパレータのコストを削減可能な固体高分子型燃料電池スタックを提供することである。

本発明は、上記のような目的を達成するために、セパレータの側面に冷却水を接触させるように冷却水マニホールドを配置して、冷却水マニホールドを流れる冷却水を、セパレータ側面から内部に流し込み、セパレータ主表面から膜電極複合体に供給して固体高分子電解質膜を加湿することにより、セル１枚について１枚のセパレータのみを使用しながら、セルの反応面内での均一な加湿と冷却を実現したものである。

すなわち、本発明の固体高分子型燃料電池スタックは、固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散電極で挟持した膜電極複合体と、導電性多孔質板の対向する主表面にガス拡散電極に接して配置される燃料ガス流通路および酸化剤ガス流通路がそれぞれ形成されたセパレータとで構成される基本構成要素の繰り返しからなる起電部を備えた固体高分子型燃料電池スタックにおいて、セパレータの側面に冷却水を接触させるように側面冷却水マニホールドが配置され、これらの側面冷却水マニホールドおよびセパレータにより、加湿手段が構成されたことを特徴としている。ここで、加湿手段は、側面冷却水マニホールドを流れる冷却水を、セパレータ側面からセパレータ内部に流し込み、セパレータ主表面から膜電極複合体に供給して固体高分子電解質膜を加湿する手段である。

このような本発明の固体高分子型燃料電池スタックにおいては、側面冷却水マニホールドを流れる冷却水は、セパレータ側面からセパレータ内部に流れ込み、セパレータ主表面で蒸発してガス拡散電極に供給され、固体高分子電解質膜を均一に加湿する。また、膜電極複合体で発生した反応熱は、膜電極複合体主表面からセパレータ主表面に熱伝達し、セパレータ側面に向かって伝導した後、セパレータ側面から冷却水中へ熱伝達するため、膜電極複合体を均一に冷却できる。さらに、一枚のセパレータにより、燃料ガス流通路および酸化剤ガス流通路に加えて、冷却水流通路もまた提供されるため、セパレータの数は、セル１枚につき１枚のみとすることができる。

本発明によれば、セルの反応面内での均一な加湿と冷却を実現可能で、かつ、セパレータのコストを削減可能な固体高分子型燃料電池スタックを提供することができる。

以下には、本発明に係る固体高分子型燃料電池スタックの複数の実施形態について、図面を参照して具体的に説明する。なお、以下の説明中および図面中では、固体高分子型燃料電池スタックを「燃料電池スタック」と適宜略称する。

［第１の実施形態］
［構成］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体高分子型燃料電池スタック１００の構成を示す分解斜視図である。この図１に示すように、燃料電池スタック１００は、電池反応を行う起電部１００ａが中央に配置され、その周囲に、第１、第２のガスマニホールド１１０，１２０、上下の側面冷却水マニホールド１３０，１４０、および、第１、第２のエンドプレート１５０，１６０が配置されている。ここで、起電部１００ａは、図中矢印で示すように、その積層方向が水平方向となるように配置されており、積層方向両端面に配置された第１、第２のエンドプレート１５０，１６０により締め付けられている。

この場合、起電部１００ａの反応面（積層方向と直交する平面、エンドプレートと平行な平面）方向の形状は、一対の長辺と一対の短辺からなる長方形であり、この起電部１００ａ反応面の短辺をなす各側面に沿って、第１、第２のガスマニホールド１１０，１２０がそれぞれ配置されている。ここで、第１のガスマニホールド１１０は、下部に配置された燃料入口マニホールド１７１と上部に配置された空気入口マニホールド１８１から構成されており、第２のガスマニホールド１２０は、上部に配置された燃料出口マニホールド１７２と下部に配置された空気出口マニホールド１８２とから構成されている。なお、図中１７１ａ，１７２ａは燃料入口と燃料出口、図中１８１ａ，１８２ａは空気入口と空気出口である。

また、起電部１００ａ反応面の長辺をなす各側面であるところの、起電部１００ａの上下側面に沿って、上側面冷却水マニホールド１３０と下側面冷却水マニホールド１４０がそれぞれ配置されている。なお、図中２０１，２０２は、冷却水入口と冷却水出口であり、冷却水入口２０１から供給された冷却水は、上側面冷却水マニホールド１３０を介して、第１、第２のエンドプレート１５０，１６０にそれぞれ供給され、これらのエンドプレート１５０，１６０の上端から下端に向かって垂直方向に流れた後、下側面冷却水マニホールド１４０を介して冷却水出口２０２から排出されるようになっている。

図２は、図１に示す燃料電池スタック１００内のガスの流れを示す模式図である。この図２に示すように、第１、第２のガスマニホールド１１０，１２０は、起電部１００ａのガス流通路と連通している。また、燃料入口マニホールド１７１と空気入口マニホールド１８１が同じ側（第１のガスマニホールド１１０）にあり、燃料出口マニホールド１７２と空気出口マニホールド１８２が同じ側（第２のガスマニホールド１２０）にあるため、燃料ガスと空気は、第１のガスマニホールド１１０から第２のガスマニホールド１２０に向かう同方向に流れる。

すなわち、第１のガスマニホールド１１０の燃料入口マニホールド１７１と空気入口マニホールド１８１は、起電部１００ａの点線および破線で示した燃料ガス流通路および酸化剤ガス流通路とそれぞれ連通していて、燃料ガス流通路に燃料ガスを供給し、酸化剤ガス流通路に空気を供給する。また、第２のガスマニホールド１２０の燃料出口マニホールド１７２と空気出口マニホールド１８２は、起電部１００ａの燃料ガス流通路および酸化剤ガス流通路とそれぞれ連通していて、起電部１００ａで未反応の燃料ガスと空気をそれぞれ排出する。

図３は、図２に示す燃料電池スタック１００のＡ−Ａ’断面を部分的に示す模式図である。この図３に示すように、起電部１００ａは、複数積層した単位電池（セル）１０１から構成されている。個々の単位電池１０１は、固体高分子電解質膜１０２をアノードガス拡散電極（アノード）１０３およびカソードガス拡散電極（カソード）１０４で挟持した膜電極複合体（ＭＥＡ）１０５と、この膜電極複合体（ＭＥＡ）１０５に接する燃料ガス流通路１０３ｃと酸化剤ガス流通路１０４ｃをそれぞれ形成するセパレータ１０６から構成されている。

この場合、隣接する膜電極複合体（ＭＥＡ）１０５の間には、１枚のガス流通路付セパレータ１０６が挟持されているため、個々の単位電池１０１は、実質的に、図３に破線で示すように、膜電極複合体（ＭＥＡ）１０５とその両側のセパレータ１０６の各半分により構成されることとなる。

また、膜電極複合体（ＭＥＡ）１０５のアノードガス拡散電極１０３およびカソードガス拡散電極１０４における固体高分子電解質膜１０２の挟持面には、アノード触媒層１０３ａおよびカソード触媒層１０４ａがそれぞれ設けられており、膜電極複合体（ＭＥＡ）１０５は、この構成により燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素を電気化学反応させて発電を行う。

一方、セパレータ１０６は、導電性多孔質カーボン板の対向する主表面に流路溝を有する部材であり、ガス拡散電極１０３，１０４に接して配置されることにより、両側の主表面の流路溝が、燃料ガス流通路１０３ｃおよび酸化剤ガス流通路１０４ｃをそれぞれ形成する。

ここで、前述したように、起電部１００ａの反応面の形状は、一対の長辺と一対の短辺からなる長方形であり、起電部１００ａの長辺をなす各側面すなわち起電部１００ａの上下側面に沿って、上側面冷却水マニホールド１３０と下側面冷却水マニホールド１４０がそれぞれ配置されている。そのため、この起電部１００ａを構成するセパレータ１０６の主表面形状もまた、一対の長辺と一対の短辺からなる長方形であり、その長辺をなすセパレータ側面は、上下の側面冷却水マニホールド１３０，１４０内に形成された冷却水流通路１０７ｃに接しており、したがって、この冷却水流通路１０７ｃを流れる冷却水に接触する。

すなわち、これら上下の側面冷却水マニホールド１３０，１４０およびセパレータ１０６により、上下の側面冷却水マニホールド１３０，１４０を流れる冷却水を、セパレータ１０６側面から膜電極複合体（ＭＥＡ）１０５に供給して固体高分子電解質膜１０２を加湿する加湿手段が構成されている。

［作用］
以下には、図３中の矢印を参照しながら、第１の実施形態の固体高分子型燃料電池スタック１００における熱と水の流れについて説明する。

まず、膜電極複合体（ＭＥＡ）１０５で発生した反応熱は、図３中に黒塗りの矢印で示すように、ガス拡散電極１０３，１０４主表面からセパレータ１０６主表面に熱伝達し、セパレータ１０６側面に向かって伝導した後、セパレータ１０６側面から冷却水流通路１０７ｃを流れる冷却水中へ熱伝達する。この場合、膜電極複合体（ＭＥＡ）１０５の反応熱は、その主表面からセパレータ１０６主表面に対して連続的に均一に熱伝達し、また、セパレータ１０６側面から冷却水中への熱伝達は、上下の側面冷却水マニホールド１３０，１４０内における冷却水の流れに伴い、連続的に効率よく行われる。したがって、膜電極複合体（ＭＥＡ）１０５を均一に冷却できる。

一方、上下の側面冷却水マニホールド１３０，１４０を流れる冷却水は、セパレータ１０６側面から流れ込み、セパレータ１０６内部を流れた後、セパレータ１０６主表面で均一に蒸発してガス拡散電極１０３，１０４に供給され、固体高分子電解質膜１０２を均一に加湿する。すなわち、冷却水は連続的に流れており、セパレータ１０６側面から連続的に流れ込むため、導電性多孔質カーボン板で構成されたセパレータ１０６の細孔内は、冷却水で常時満たされており、その結果、冷却水はセパレータ１０６主表面で均一に蒸発してガス拡散電極１０３，１０４主表面に均一に供給され、これらの拡散電極１０３，１０４を介して固体高分子電解質膜１０２を均一に加湿する。

この場合、加湿によって消費される水は、セパレータ１０６側面を介して連続的に補給されるが、冷却水の圧力を燃料ガスおよび酸化剤ガスの圧力に比べて低く保つことにより、セパレータ１０６の細孔内の水が染み出してガス流通路１０３ｃ，１０４ｃを閉塞するといった問題の発生を防止することができる。また、セパレータ１０６の細孔の径を、毛細管力により細孔内の水が保持される範囲とすることにより、燃料ガスおよび酸化剤ガスのリークを防止することができる。

［効果］
以上のような第１の実施形態によれば、セパレータ側面に冷却水を接触させる側面冷却水マニホールドを配置することにより、これらの側面冷却水マニホールドおよびセパレータを加湿手段として機能させることができるため、側面冷却水マニホールドを流れる冷却水を、セパレータ側面からセパレータ内部に流し込み、セパレータ主表面で蒸発させて膜電極複合体に供給し、固体高分子電解質膜を均一に加湿できる。

また、膜電極複合体で発生した反応熱は、膜電極複合体主表面からセパレータ主表面に熱伝達し、セパレータ側面に向かって伝導した後、セパレータ側面から冷却水中へ熱伝達するため、膜電極複合体を均一に冷却できる。

さらに、一枚のセパレータにより、燃料ガス流通路および酸化剤ガス流通路に加えて、冷却水流通路もまた提供されるため、セパレータの数は、セル１枚につき１枚のみとすることができる。したがって、燃料電池スタック単位でのセパレータのコストを削減することができる。

［実施例］
以上のような第１の実施形態の効果を検証するための実施例として、図３に示す単位電池（有効面積１００ｃｍ²）を１００枚積層して燃料電池スタックを製作した。この燃料電池スタックに、燃料として水素を含む乾燥ガス、酸化剤として乾燥空気をそれぞれ供給し、また、燃料および空気の圧力よりも４０ｋＰａ低い圧力の冷却水を供給して発電試験を行ったところ、電流密度０．３Ａ／ｃｍ²（３０Ａ）まで安定して発電できることが確認された。

［第２の実施形態］
［構成］
図４は、本発明の第２の実施形態に係る固体高分子燃料電池スタック１００内のガスの流れを示す模式図である。この図４に示すように、本実施形態において、第１、第２のガスマニホールド１１０，１２０が起電部１００ａのガス流通路と連通している点は、第１の実施形態と同様であるが、燃料ガスと空気の流れる方向は互いに対向する方向となっている。

すなわち、第１のガスマニホールド１１０は、下部に配置された燃料出口マニホールド１７２と上部に配置された空気入口マニホールド１８１から構成されており、第２のガスマニホールド１２０は、上部に配置された燃料入口マニホールド１７１と下部に配置された空気出口マニホールド１８２とから構成されている。この構成により、空気は、第１の実施形態と同様に、第１のガスマニホールド１１０から第２のガスマニホールド１２０に向かって流れるが、燃料ガスは、それとは逆方向の、第２のガスマニホールド１２０から第１のガスマニホールド１１０に向かう方向に流れる。

なお、以上のような第１、第２のガスマニホールド１１０，１２０の構成とそれによるガスの流れ方向以外の部分は、第１の実施形態と全く同様に構成されている。すなわち、図４における起電部１００ａのＡ−Ａ’断面の構成は、図３に示した通りである。

［作用］
以上のような第２の実施形態において、固体高分子型燃料電池スタック１００のＡ−Ａ’断面における熱と水の流れは、第１の実施形態と同様であるが、本実施形態においては、さらに次のような作用が得られる。

すなわち、本実施形態においては、燃料ガスと空気の流れる方向を互いに対向する方向としたことにより、図５に示すように、ガスの流れ方向におけるセパレータ端部付近においてセパレータ１０６の積層方向（セパレータ１０６主平面に対する垂直方向）内外の実質的な水移動量が抑制される。なお、図５においては、セパレータ内外の実質的な水移動量を、セパレータへの水移動量（＝吸収量−蒸発量）として示している。

図５に示すように、セパレータ１０６における燃料上流側（燃料入口マニホールド１７１側）端部付近および空気上流側（空気入口マニホールド１８１側）端部付近では、膜電極複合体（ＭＥＡ）１０５からセパレータ１０６への水の移動量がマイナスになる、つまりセパレータからＭＥＡへの蒸発量が多くなるが、中央部分では膜電極複合体（ＭＥＡ）１０５からセパレータ１０６に安定して水が吸収されていることが分る。

すなわち、セパレータ１０６における燃料上流側端部付近では、図中破線で示すように、アノードからセパレータへの水移動量はマイナスであり、セパレータ１０６から膜電極複合体（ＭＥＡ）１０５のアノード１０３側に水が蒸発する。これに対して、セパレータ１０６の積層方向において燃料上流側端部付近と重なる空気下流側（空気出口マニホールド１８２側）端部付近では、図中点線で示すように、カソードからセパレータへの水移動量はプラスであり、セパレータ１０６から膜電極複合体（ＭＥＡ）１０５のカソード１０４側へ蒸発する水の蒸発量よりも、カソード１０４からセパレータ１０６側に吸収される水の吸収量の方が多くなっている。

そのため、セパレータ１０６の燃料上流側端部付近、空気下流側端部付近での、セパレータ１０６の積層方向内外における水移動量の収支（吸収量と蒸発量）が打ち消し合い、図中実線で示すように、この部分におけるセパレータ内外の実質的な水移動量（吸収量と蒸発量の差）は抑制されている。

また、セパレータ１０６における空気上流側端部付近では、カソードからセパレータへの水移動量はマイナスであり、セパレータ１０６から膜電極複合体（ＭＥＡ）１０５のカソード１０４に水が蒸発する。これに対して、セパレータ１０６の積層方向において空気上流側端部付近と重なる燃料下流側（燃料出口マニホールド１７２側）端部付近では、アノードからセパレータへの水移動量は、マイナスであり、セパレータ１０６から膜電極複合体（ＭＥＡ）１０５のアノード１０３側へ蒸発する水の蒸発量と、アノード１０３からセパレータ１０６側に吸収される水の吸収量とがほぼ等しくなっている。

そのため、セパレータ１０６の空気上流側端部付近、燃料下流側端部付近での、セパレータ１０６の積層方向内外におけるトータルの水移動量の収支（吸収量と蒸発量）が打ち消し合い、図中実線で示すように、この部分におけるセパレータ内外の実質的な水移動量（吸収量と蒸発量の差）は抑制されている。

［効果］
以上のような第２の実施形態によれば、第１の実施形態の効果に加えて、次のような効果が得られる。すなわち、ガスの流れ方向におけるセパレータ端部において、セパレータの積層方向内外における水移動量の収支（吸収量と蒸発量）が打ち消し合い、結果的に、セパレータ全体における積層方向内外の実質的な水移動量（吸収量と蒸発量の差）を抑制してセパレータ内の水の局所的な消費を抑制できるため、セパレータ側面からの水の補給量を低減して、燃料電池スタックを安定に運転することが可能となる。

［第３の実施形態］
［構成］
図６は、本発明の第３の実施形態に係る固体高分子型燃料電池スタック１００の構成を示す分解斜視図である。また、図７は、図６の燃料電池スタック１００における冷却水流通路を示す斜視図である。

これらの図６、図７に示すように、燃料電池スタック１００が、起電部１００ａと、第１、第２のガスマニホールド１１０，１２０、上下の側面冷却水マニホールド１３０，１４０、第１、第２のエンドプレート１５０，１６０から構成されている点、および、燃料入口・出口マニホールド１７１，１７２と空気入口・出口マニホールド１８１，１８２の位置関係は、第１の実施形態と同様である。

本実施形態において、第１の実施形態と異なる点は、上下の側面冷却水マニホールド１３０，１４０と、第１、第２のエンドプレート１５０，１６０が、それぞれ複数の冷却水流通路を備えており、図７に示すように、各流通路が順次連通されることで、起電部１００ａの周囲に冷却水が螺旋状に流れる螺旋状流通路２００が構成されている点である。

まず、図６に示すように、上側面冷却水マニホールド１３０には、第１のガスマニホールド１１０と平行に伸びる複数の冷却水流通路２１１，２１２，…，２１ｎが設けられており、第１のガスマニホールド１１０から第２のガスマニホールド１２０の方向、すなわち、空気の流れ方向に向かって順次並べられている。このうち、第１のガスマニホールド１１０側端部の冷却水流通路２１１は、冷却水入口２０１に連通している。

また、第２のエンドプレート１６０には、垂直方向に伸びる複数の冷却水流通路２２１，２２２，…，２２ｎが設けられ、空気の流れ方向に向かって順次並べられている。これらの冷却水流通路２２１，２２２，…，２２ｎは、図７に示すように、その上端で、上側面冷却水マニホールド１３０の冷却水流通路２１１，２１２，…，２１ｎの一端にそれぞれ連通している。

また、下側面冷却水マニホールド１４０には、上側面冷却水マニホールド１３０の複数の冷却水流通路２１１，２１２，…，２１ｎと対向する複数の冷却水流通路２３１，２３２，…，２３ｎが設けられており、これらの冷却水流通路２３１，２３２，…，２３ｎは、図７に示すように、その一端で、第２のエンドプレート１６０の冷却水流通路２２１，２２２，…，２２ｎの下端にそれぞれ連通している。また、第２のガスマニホールド１２０側端部の冷却水流通路２３ｎは、冷却水出口２０２に連通している。

また、第１のエンドプレート１５０には、斜め垂直方向に伸びる複数の冷却水流通路２４１，２４２，…，２４ｎ−１が設けられており、これらの冷却水流通路２４１，２４２，…，２４ｎ−１は、図７に示すように、その下端で、下側面冷却水マニホールド１４０の冷却水流通路２３１，２３２，…，２３ｎ−１の一端にそれぞれ連通すると共に、その上端で、上側面冷却水マニホールド１３０の冷却水流通路２１１，２１２，…，２１ｎ−１の一端にそれぞれ連通している。

以上のように、上側面冷却水マニホールド１３０の冷却水流通路２１１，２１２，…，２１ｎと、第２のエンドプレート１６０の冷却水流通路２２１，２２２，…，２２ｎと、下側面冷却水マニホールド１４０の冷却水流通路２３１，２３２，…，２３ｎと、第１のエンドプレート１５０の冷却水流通路２４１，２４２，…，２４ｎ−１が、各流通路の並び順に応じて順次連通され、冷却水入口２０１から冷却水出口２０２に至る螺旋状流通路２００が構成されている。

この場合、図７に大形の矢印で示すように、起電部１００ａに対して螺旋状流通路２００に冷却水の流れる方向（螺旋の中心軸方向）と、起電部１００ａ内の酸化剤ガス流通路１０４ｃに空気の流れる方向は、同じ方向となっている。

［作用］
以上のような第３の実施形態において、固体高分子型燃料電池スタック１００のＡ−Ａ’断面における熱の流れは、第１の実施形態と同様であるが、本実施形態においては、図７に示すように、水の流れが異なる。

すなわち、図７に示すように、起電部１００ａの周囲に、冷却水が螺旋状に流れる螺旋状流通路２００が構成されているため、第２のエンドプレート１６０では、第１の実施形態と同様、冷却水は上から下に向かって流れるが、第１のエンドプレート１５０では、冷却水は下から上に向かって流れることになる。なお、上下の側面冷却水マニホールド１３０，１４０を流れる冷却水が、個々のセパレータ１０６に対してその側面から流れ込み、セパレータ１０６内部を流れて膜電極複合体（ＭＥＡ）１０５に供給され、固体高分子電解質膜１０２を加湿する点については、第１の実施形態と同様である。

本実施形態においては、特に、起電部１００ａの周囲の螺旋状流通路２００に冷却水の流れる方向（螺旋の中心軸方向）と、起電部１００ａ内の酸化剤ガス流通路１０４ｃに空気の流れる方向が同じ方向であるため、起電部１００ａのセパレータ１０６から熱伝達される反応熱により、螺旋状流通路２００を流れる冷却水は、螺旋状流通路２００の下流に向かってその温度が上昇することになる。

したがって、セパレータ１０６においては、酸化剤ガス流通路の下流側、すなわち、空気下流側に向かって冷却水の温度が上昇することになり、その結果、図８に示すように、空気下流部分でのセパレータへの水の吸収量が低減され、この部分でのセパレータ内外の実質的な水移動量（吸収量と蒸発量の差）が抑制される。

なお、図８においては、本実施形態におけるセパレータへのトータルの水移動量を実線の曲線で示すと共に、第２の実施形態におけるセパレータへのトータルの水移動量（図５と同じデータ）を破線の曲線で示している。この２つの曲線を比較すれば明らかなように、本実施形態においては、空気下流部分から中央部分でのセパレータ内外の実質的な水移動量（吸収量と蒸発量の差）が、第２の実施形態に比べてさらに抑制されている。

［効果］
以上のような第３の実施形態によれば、第１の実施形態の効果に加えて、次のような効果が得られる。すなわち、セパレータにおいては、空気下流側に向かって冷却水の温度が上昇する結果、空気下流部分近でのセパレータ内外の実質的な水移動量（吸収量と蒸発量の差）を抑制してセパレータ内の水の局所的な消費を抑制できるため、セパレータ側面からの水の補給量を低減して、燃料電池スタックを安定に運転することが可能となる。

［第４の実施形態］
［構成］
図９は、本発明の第４の実施形態に係る固体高分子型燃料電池スタック１００のセパレータ１０６の断面における寸法関係を示す模式図である。

この図９に示すように、本実施形態のセパレータ１０６は、セパレータ１０６全体の厚さ（全厚）Ｌ１と、セパレータの両側の主表面に形成された燃料ガス流通路１０３ｃおよび酸化剤ガス流通路１０４ｃの深さを除いた残肉部１０６ａの厚さ（残肉厚）Ｌ２との残肉厚Ｌ２／全厚Ｌ１比が５０％以上、すなわち、Ｌ２／Ｌ１≧５０％であることを特徴としている。なお、本実施形態の燃料電池スタック１００において、このようなセパレータ１０６の断面における寸法関係の限定以外は、第１の実施形態と同様に構成されている。

［作用・効果］
以上のような第４の実施形態においては、セパレータ１０６の全厚Ｌ１と残肉厚Ｌ２との関係を、残肉厚／全厚比が５０％以上、すなわち、Ｌ２／Ｌ１≧５０％、に限定したことにより、セパレータ１０６における熱伝導および水の流れを適切に設定できる。その結果、起電部１００ａ内の中央部分の最高温度を、固体高分子型燃料電池の作動上限温度以下に抑制することができると共に、上下の側面冷却水マニホールド１３０，１４０と接触するセパレータ１０６側面部分での水透過量を十分に確保でき、電池反応による生成水を適切に処理できるため、燃料電池スタック１００を安定に運転することが可能となる。

［実施例］
以上のような第４の実施形態の効果を検証するための実施例として、以下の表１に示すように、残肉厚／全厚比が、それぞれ４９％、６６％、７５％となる３種のセパレータを使用して、図３に示す単位電池（有効面積１００ｃｍ²）を１００枚積層し、セパレータの各部の寸法のみが異なる３種の燃料電池スタックを製作した。すなわち、実施例１，２は、本実施形態に係る条件「Ｌ２／Ｌ１≧５０％」を満足するセパレータを使用した例であり、比較例１は、本実施形態とは異なり、同条件を満足しないセパレータを使用した例である。

そして、これらの比較例１、実施例１，２について、燃料電池スタック内の温度分布とセパレータ側面の水透過量を計測したところ、図１０、図１１に示すような結果が得られた。

このうち、図１０は、燃料電池スタックのセパレータ主表面方向（水平方向）における電極中央から側面冷却水マニホールドまでの距離とセパレータ温度の関係を示す。この図１０に示すように、電極中央の温度が最も高く、側面冷却水マニホールドに向かって温度が傾斜的に低くなっているが、この理由は、図３中に黒塗りの矢印で示すように、燃料電池の反応熱が、セパレータ内の中央から側面に向かう熱伝導によって冷却されるためである。

ここで、冷却水の温度を６０℃、燃料電池スタックの電流密度を０．３Ａ／ｃｍ²（３０Ａ）と仮定すると、セパレータの残肉厚／全厚比：４９％の比較例においては、電極中央の最高温度が９０℃を超えてしまい、したがって、固体高分子型燃料電池の作動上限である８０℃を超えてしまう。これに対して、セパレータの残肉厚／全厚比：６６％の実施例１においては、最高温度が７８℃であり、また、セパレータの残肉厚／全厚比：７５％の実施例２においては、最高温度が７２℃となり、いずれも、作動上限である８０℃以下に抑えることができる。

また、図１１は、側面冷却水マニホールドに接触するセパレータ側面の水透過量を示す。この図１１に示すように、セパレータの残肉厚／全厚比が増えるにしたがって水が透過する断面積が増加するため、水透過量が増加する。ここで、セパレータの残肉厚／全厚比：４９％の比較例においては、水透過量が０．４４であり、反応による生成水量（０．５）を下回るため、十分な水透過量が確保できない。これに対して、セパレータの残肉厚／全厚比：６６％の実施例１においては、水透過量が０．８９であり、また、セパレータの残肉厚／全厚比：７５％の実施例２においては、水透過量が１．３３となり、いずれも、反応生成水量を上回るため、生成水を適切に処理できる。

［他の実施形態］
なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で他にも多種多様な変形例が実施可能である。まず、実施形態において示した燃料電池スタックの構成や各部の寸法および形状は一例にすぎず、具体的な構成や各部の寸法および形状は適宜選択可能である。例えば、ガスマニホールドや冷却水マニホールドの具体的な寸法および形状、単位電池の積層枚数等は、燃料電池スタックの定格や用途に応じて自由に選択可能である。

すなわち、本発明は、セパレータの側面に冷却水を接触させるように冷却水マニホールドを配置して、冷却水マニホールドを流れる冷却水を、セパレータ側面から内部に流し込み、セパレータ主表面から膜電極複合体に供給して固体高分子電解質膜を加湿するものである限り、その具体的な実施形態は自由に選択可能である。

本発明の第１の実施形態に係る固体高分子型燃料電池スタックの構成を示す分解斜視図。 第１の実施形態に係る燃料電池スタック内のガスの流れを示す模式図。 図２のＡ−Ａ’断面を部分的に示す模式図。 本発明の第２の実施形態に係る固体高分子燃料電池スタック内のガスの流れを示す模式図。 第２の実施形態に係る燃料電池スタックにおいて、ガスの流れ方向各部におけるセパレータへの水移動量を示すグラフ。 本発明の第３の実施形態に係る固体高分子型燃料電池スタックの構成を示す分解斜視図。 第３の実施形態に係る燃料電池スタックにおける冷却水流通路を示す斜視図。 第３の実施形態に係る燃料電池スタックにおけるガスの流れ方向各部におけるセパレータへの水移動量を、第２の実施形態と比較して示すグラフ。 本発明の第４の実施形態に係る固体高分子型燃料電池スタックのセパレータの断面における寸法関係を示す模式図。 第３の実施形態に係る燃料電池スタックの実施例と比較例について、電極中央から側面冷却水マニホールドまでの距離とセパレータ温度の関係を示すグラフ。 第３の実施形態に係る燃料電池スタックの実施例と比較例について、側面冷却水マニホールドに接触するセパレータ側面の水透過量を示すグラフ。

符号の説明

１００…固体高分子型燃料電池スタック（燃料電池スタック）
１００ａ…起電部
１０１…単位電池
１０２…固体高分子電解質膜
１０３…アノードガス拡散電極（アノード）
１０３ｃ…燃料ガス流通路
１０４…カソードガス拡散電極（カソード）
１０４ｃ…酸化剤ガス流通路
１０５…膜電極複合体（ＭＥＡ）
１０６…セパレータ
１０７ｃ…冷却水流通路
１１０…第１のガスマニホールド
１２０…第２のガスマニホールド
１３０…上側面冷却水マニホールド
１４０…下側面冷却水マニホールド
１５０…第１のエンドプレート
１６０…第２のエンドプレート
１７１…燃料入口マニホールド
１７１ａ…燃料入口
１７２…燃料出口マニホールド
１７２ａ…燃料出口
１８１…空気入口マニホールド
１８１ａ…空気入口
１８２…空気出口マニホールド
１８２ａ…空気出口
２００…螺旋状流通路
２０１…冷却水入口
２０２…冷却水出口
２１１〜２１ｎ…上側面冷却水マニホールドの冷却水流通路
２２１〜２２ｎ…第２のエンドプレートの冷却水流通路
２３１〜２３ｎ…下側面冷却水マニホールドの冷却水流通路
２４１〜２４ｎ−１…第１のエンドプレートの冷却水流通路

Claims (6)

1. 固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散電極で挟持した膜電極複合体と、導電性多孔質板の対向する主表面に前記ガス拡散電極に接して配置される燃料ガス流通路および酸化剤ガス流通路がそれぞれ形成されたセパレータとで構成される基本構成要素の繰り返しからなる起電部を備えた固体高分子型燃料電池スタックにおいて、
   前記セパレータの側面に冷却水を接触させるように側面冷却水マニホールドが配置され、これらの側面冷却水マニホールドおよびセパレータにより、側面冷却水マニホールドを流れる冷却水を、セパレータ側面からセパレータ内部に流し込み、セパレータ主表面から前記膜電極複合体に供給して前記固体高分子電解質膜を加湿する加湿手段が構成された
   ことを特徴とする固体高分子型燃料電池スタック。
2. 前記セパレータの主表面の形状は、一対の長辺と一対の短辺からなる長方形であり、セパレータの各長辺に沿って前記側面冷却水マニホールドが配置され、セパレータの各短辺に沿ってガスマニホールドが配置された
   ことを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池スタック。
3. 前記燃料ガス流通路および酸化剤ガス流通路は、燃料ガスの流れる方向と酸化剤ガスの流れる方向が互いに対向するように配置された
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体高分子型燃料電池スタック。
4. 前記側面冷却水マニホールドは、水平方向に並べられた複数の流通路を備え、当該複数の流通路は各流通路の並び順に応じた順序で冷却水が流れるように直列に連通され、
   前記複数の流通路に冷却水が流れる順序の並び順方向と、前記酸化剤ガス流通路に酸化剤ガスの流れる方向が同じ方向となるように構成された
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池スタック。
5. 前記起電部は、積層方向が水平方向となるように配置され、当該起電部をその積層方向両端面から締め付ける一対のエンドプレートが設けられ、これらのエンドプレートはそれぞれ、垂直方向または垂直斜め方向に冷却水を流す流通路を水平方向に並べてなる複数の流通路を備え、
   前記起電部の対向する上下の側面に上下の前記側面冷却水マニホールドがそれぞれ配置され、これら上下の側面冷却水マニホールドはそれぞれ、水平方向に冷却水を流す流通路を水平方向に並べてなる複数の流通路を備え、
   前記上下の側面冷却水マニホールドの流通路と前記一対のエンドプレートの流通路が各流通路の並び順に応じて順次連通されることで、前記起電部の周囲に冷却水が螺旋状に流れる螺旋状流通路が構成され、
   前記螺旋状流通路に冷却水の流れる方向と、前記酸化剤ガス流通路に酸化剤ガスの流れる方向が同じ方向となるように構成された
   ことを特徴とする請求項４に記載の固体高分子型燃料電池スタック。
6. 前記セパレータにおいて、前記一対の主表面に形成された前記燃料ガス流通路および酸化剤ガス流通路の深さを除いた残肉部の厚さは、セパレータ全体の厚さの５０％以上である
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池スタック。

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