JP3811382B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質を一対の電極で挟持した電解質・電極構造体を、セパレータを介して複数個積層し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対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより構成されている。
【０００３】
この種の燃料電池は、通常、電解質（電解質膜）・電極構造体およびセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。前記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、水素含有ガスは、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膜を介してカソード側電極側へと移動し、その移動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、空気等の酸素含有ガス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ガスが反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、上記の燃料電池スタックを車両等に搭載して使用する場合、所望の電力を得るために相当に多数の燃料電池が必要となる。従って、燃料電池スタック全体が大型化し易くなってしまうため、前記燃料電池スタックの構成部品を積層方向に薄肉化することが望まれている。
【０００５】
そこで、例えば、米国特許第５，８０４，３２６号公報に開示されているように、燃料電池スタック全体を直方体状に構成するとともに、セパレータの面内に冷却媒体用流路を設けず、燃料電池の積層方向に連通孔を設けて、この連通孔に冷却媒体を流すように構成された燃料電池スタックが知られている。具体的には、図１１に示すように、燃料電池スタック１は、鉛直方向（矢印Ｘ方向）に積層されており、上下両端にエンドプレート２ａ、２ｂが設けられている。
【０００６】
エンドプレート２ａ、２ｂ間には、セパレータである流路プレート３が配置されており、この流路プレート３の短辺側両端縁部には、酸化剤ガス供給口４ａおよび燃料ガス供給口５ａと、酸化剤ガス排出口４ｂおよび燃料ガス排出口５ｂとが設けられている。酸化剤ガス供給口４ａと酸化剤ガス排出口４ｂとは、流路プレート３の面内を長辺側で折り返して蛇行する酸化剤ガス流路溝６により連通している。
【０００７】
流路プレート３の長辺側両端縁部には、積層方向に貫通する複数の貫通孔７が設けられており、前記貫通孔７を介して冷却媒体通路８が形成されるとともに、冷却媒体が、この冷却媒体通路８に沿って矢印方向に流れるように構成されている。
【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、所望の電極冷却性を確保するためには、電極中心部と冷却媒体との距離を短く設定する必要があり、流路プレート３のアスペクト比（縦横比）を大きくしなければならない。従って、流路プレート３に設けられている酸化剤ガス流路溝６（および図示しない燃料ガス流路溝）が相当に長尺化することになる。
【０００９】
この場合、流路プレート３の短辺側の寸法を短尺化しても、図１１中、Ａ０−Ａ０線に沿った短辺側の温度は、図１２に示す温度分布を有することになる。これにより、流路プレート３の短辺方向に対して貫通孔７同士の間隔を可及的に短尺化させても、前記流路プレート３の短辺方向略中央部と前記流路プレート３の短辺方向両端縁部との間に、比較的大きな温度差ΔＴｅ（℃）が発生してしまう。この結果、電極を良好に冷却することができず、安定した発電性能を得ることが困難になるという問題が指摘されている。
【００１０】
さらに、燃料電池スタック１の長辺側が水平方向に設置されることにより、前記酸化剤ガス流路溝６が鉛直方向に蛇行することになる。このため、酸化剤ガス流路溝６内で結露した生成水は、前記酸化剤ガス流路溝６に沿って反重力方向に移動することが困難となり、流路プレート３の面内に生成水が残存して燃料電池スタック１の発電性能が低下するという問題がある。
【００１１】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、電解質・電極構造体を容易かつ確実に冷却するとともに、セパレータの厚さを有効に薄肉化してスタック全体の小型化を容易に図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、セパレータの平面が長方形状に設定されており、この平面には、燃料ガスおよび／または酸化剤ガスである反応ガスを流すための反応ガス流路が短辺方向に複数に分割されて設けられている。反応ガス流路の外周には、電解質・電極構造体の積層方向に貫通して外側冷却媒体流路が設けられる一方、分割された前記反応ガス流路の間には、前記電解質・電極構造体の積層方向に貫通して内側冷却媒体流路が設けられている。
【００１３】
このため、セパレータの平面内に冷却媒体流路溝を設ける必要がなく、電解質・電極構造体を容易かつ確実に冷却するとともに、前記セパレータの積層方向の厚さを可及的に薄肉化することができ、燃料電池スタック全体の小型化が容易に図られる。
【００１４】
しかも、分割された反応ガス流路間に内側冷却媒体流路が設けられるため、セパレータの面方向に沿って冷却媒体を流す構成に比べ、少量の冷却媒体で所望の冷却機能を確実に維持することが可能になる。
【００１５】
さらに、例えば、冷却媒体が、内側冷却媒体流路を介して積層方向に流れた後、折り返して外側冷却媒体流路を介し積層方向に流れることにより、通常、高温となり易い燃料電池スタック内の中央部分を有効に冷却することができる。その上、温度が高くなった冷却媒体が、外側冷却媒体流路に供給されるため、燃料電池スタックの側面（例えば、上面および下面）からの放熱量を抑えることが可能になる。これにより、燃料電池スタック内での生成水の結露による反応ガス流路の閉塞を阻止し、安定した発電特性を確実に得ることができる。
【００１６】
【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の要部分解斜視図である。
【００１７】
燃料電池スタック１０は、複数個の単位燃料電池セル１２を備え、前記単位燃料電池セル１２は、複数組だけ水平方向（矢印Ａ方向）に積層されている。燃料電池スタック１０は、全体として直方体状を有しており、短辺方向（矢印Ｂ方向）が重力方向に指向するとともに、長辺方向（矢印Ｃ方向）が水平方向に指向して配置される。
【００１８】
図２に示すように、単位燃料電池セル１２は、電解質膜・電極構造体１４と、前記電解質膜・電極構造体１４を挟持する第１および第２セパレータ１６、１８とを備える。
【００１９】
電解質膜・電極構造体１４は、固体高分子電解質膜１９と、この電解質膜１９を挟んで配設されるカソード側電極２０およびアノード側電極２２とを有するとともに、前記カソード側電極２０および前記アノード側電極２２には、例えば、多孔質層である多孔質カーボンペーパやカーボンクロス等からなる第１および第２ガス拡散層２４、２６が配設される。カソード側電極２０、アノード側電極２２並びに第１および第２ガス拡散層２４、２６は、短辺方向に複数、例えば、２つに分割されている。
【００２０】
電解質膜・電極構造体１４の両側には、第１および第２ガスケット２８、３０が設けられ、前記第１ガスケット２８は、それぞれカソード側電極２０および第１ガス拡散層２４を収納するための大きな開口部３２ａ、３２ｂを上下に有する一方、前記第２ガスケット３０は、それぞれアノード側電極２２および第２ガス拡散層２６を収納するための大きな開口部３４ａ、３４ｂを上下に有する。
【００２１】
電解質膜・電極構造体１４と第１および第２ガスケット２８、３０とが、第１および第２セパレータ１６、１８によって挟持される。第１および第２セパレータ１６、１８は、例えば、長辺３５ａが水平方向に指向するとともに、短辺３５ｂが重力方向に指向して配置される。
【００２２】
電解質膜・電極構造体１４、第１および第２ガスケット２８、３０並びに第１および第２セパレータ１６、１８の一方の短辺３５ｂ側には、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出口３６ｂ、酸素含有ガス等の酸化剤ガスを通過させるための酸化剤ガス入口３８ａ、燃料ガス入口４０ａおよび酸化剤ガス出口４２ｂが、上部側から下部側に向かって、順次、設けられる。
【００２３】
電解質膜・電極構造体１４、第１および第２ガスケット２８、３０並びに第１および第２セパレータ１６、１８の他方の短辺３５ｂ側には、酸化剤ガス出口３８ｂ、燃料ガス入口３６ａ、酸化剤ガス入口４２ａおよび燃料ガス出口４０ｂが、上部側から下部側に向かって、順次、設けられる。
【００２４】
電解質膜・電極構造体１４、第１および第２ガスケット２８、３０並びに第１および第２セパレータ１６、１８の略中央部には、長辺３５ａに沿って矢印Ｃ方向に延在する冷却媒体入口４４ａが設けられるとともに、この冷却媒体入口４４ａの上下には、矢印Ｃ方向に延在して互いに平行な冷却媒体出口４４ｂ、４４ｃが設けられる。冷却媒体入口４４ａ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。
【００２５】
第１セパレータ１６のカソード側電極２０に対向する面１６ａには、酸化剤ガス入口３８ａ、４２ａに連通するそれぞれ独立した複数の酸化剤ガス流路溝からなる酸化剤ガス流路（反応ガス流路）４８ａ、４８ｂが、水平方向に蛇行しながら反重力方向および重力方向に向かって設けられており、前記酸化剤ガス流路４８ａ、４８ｂの下流は、酸化剤ガス出口３８ｂ、４２ｂに連通している。
【００２６】
図３に示すように、第２セパレータ１８のアノード側電極２２側の面１８ａには、燃料ガス入口３６ａ、４０ａに連通してそれぞれ独立した複数本の燃料ガス流路溝からなる燃料ガス流路（反応ガス流路）５０ａ、５０ｂが形成される。この燃料ガス流路５０ａ、５０ｂは、水平方向に蛇行しながら反重力方向および重力方向に向かって設けられ、燃料ガス出口３６ｂ、４０ｂに連通している。
【００２７】
図１に示すように、電解質膜・電極構造体１４と第１および第２セパレータ１６、１８とを備えた単位燃料電池セル１２は、矢印Ａ方向に所定組数だけ積層され、その積層方向両端には、第１エンドプレート５２と第２エンドプレート５４とが配設される。第１および第２エンドプレート５２、５４がタイロッド（図示せず）を介して一体的に締め付けられることにより、燃料電池スタック１０が構成される。
【００２８】
図４に示すように、燃料電池スタック１０内には、各単位燃料電池セル１２に形成されている酸化剤ガス入口３８ａ、４２ａおよび酸化剤ガス出口３８ｂ、４２ｂを連通して略Ｕ字状に構成される酸化剤ガス給排路５６ａ、５６ｂと、燃料ガス入口３６ａ、４０ａおよび燃料ガス出口３６ｂ、４０ｂを連通して略Ｕ字状に構成される燃料ガス給排路５８ａ、５８ｂと、冷却媒体入口４４ａを連通して構成される内側冷却媒体流路６０と、冷却媒体出口４４ｂ、４４ｃを連通して構成される外側冷却媒体流路６２ａ、６２ｂとが設けられる。
【００２９】
第２エンドプレート５４には、冷却媒体入口４４ａを通って積層方向後方（第２エンドプレート５４側）に流れてくる冷却媒体を、上下に振り分けて冷却媒体出口４４ｂ、４４ｃに連通する外側冷却媒体流路６２ａ、６２ｂに供給するための分配通路６４が形成される。
【００３０】
図１に示すように、第１エンドプレート５２には、配管構造７０が設けられる。この配管構造７０は、酸化剤ガス入口３８ａ、４２ａに連通する酸化剤ガス供給管７２と、酸化剤ガス出口３８ｂ、４２ｂに連通する酸化剤ガス排出管７４と、燃料ガス入口３６ａ、４０ａに連通する燃料ガス供給管７６と、燃料ガス出口３６ｂ、４０ｂに連通する燃料ガス排出管７８と、冷却媒体入口４４ａに連通する冷却媒体供給管８０と、冷却媒体出口４４ｂ、４４ｃに連通する冷却媒体排出管８２とを備える。
【００３１】
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、以下に説明する。
【００３２】
図１に示すように、酸化剤ガス供給管７２に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、燃料ガス供給管７６には、燃料ガス（例えば、炭化水素を改質した水素を含むガス）が供給される。さらに、冷却媒体供給管８０には冷却媒体が供給される。酸化剤ガス供給管７２に供給された空気は、図４に示すように、酸化剤ガス給排路５６ａ、５６ｂに分配された後、第１セパレータ１６に設けられている酸化剤ガス入口３８ａ、４２ａに供給される。
【００３３】
第１セパレータ１６では、酸化剤ガス入口３８ａ、４２ａに供給された空気が、面１６ａ内の酸化剤ガス流路４８ａ、４８ｂに導入され、この酸化剤ガス流路４８ａ、４８ｂに沿って水平方向に蛇行しながら反重力方向および重力方向に移動する。その際、空気中の酸素ガスは、図２に示すように、第１ガス拡散層２４からカソード側電極２０に供給される一方、未使用の空気が酸化剤ガス出口３８ｂ、４２ｂに排出される。この酸化剤ガス出口３８ｂ、４２ｂに排出された空気は、酸化剤ガス給排路５６ａ、５６ｂの出口側に設けられている酸化剤ガス排出管７４を介して燃料電池スタック１０の外部に排出される（図１参照）。
【００３４】
一方、燃料ガス供給管７６に供給された燃料ガスは、図４に示すように、燃料ガス給排路５８ａ、５８ｂに分配された後、第２セパレータ１８の燃料ガス入口３６ａ、４０ａに送られる。燃料ガス入口３６ａ、４０ａに導入された燃料ガスは、燃料ガス流路５０ａ、５０ｂに供給されることにより、第２セパレータ１８の面１８ａに沿って水平方向に蛇行しながら反重力方向および重力方向に移動する。その際、図３に示すように、燃料ガス中の水素ガスは、第２ガス拡散層２６を通って電解質膜・電極構造体１４のアノード側電極２２に供給される。
【００３５】
そして、未使用の燃料ガスは、燃料ガス流路５０ａ、５０ｂから燃料ガス出口３６ｂ、４０ｂに導出され、燃料ガス給排路５８ａ、５８ｂの出口側から燃料ガス排出管７８に排出される（図１参照）。これにより、各電解質膜・電極構造体１４で発電が行われ、燃料電池スタック１０に接続される負荷、例えば、図示しないモータに電力が供給されることになる。
【００３６】
また、燃料電池スタック１０内は、冷却媒体により冷却される。すなわち、冷却媒体供給管８０に供給された冷却媒体は、図４に示すように、内側冷却媒体流路６０に導入され、各電解質膜・電極構造体１４に形成されている冷却媒体入口４４ａを通って積層方向後方側に移動する（図２参照）。その際、冷却媒体は、各電解質膜・電極構造体１４の略中央部を通って前記電解質膜・電極構造体１４を中央側から冷却した後、積層方向後方側に配置されている第２エンドプレート５４の分配通路６４に導入される。
【００３７】
この分配通路６４に導入された冷却媒体は、図４に示すように、矢印Ｂ方向（上下方向）両端側に移動して外側冷却媒体流路６２ａ、６２ｂに供給される。外側冷却媒体流路６２ａ、６２ｂを流れる冷却媒体は、各単位燃料電池セル１２の電解質膜・電極構造体１４を外側から冷却した後、冷却媒体排出管８２から排出される（図１参照）。
【００３８】
この場合、第１の実施形態では、燃料電池スタック１０全体が直方体状に設定されるとともに、第１および第２セパレータ１６、１８の面１６ａ、１８ａには、反応ガス流路である酸化剤ガス流路４８ａ、４８ｂおよび燃料ガス流路５０ａ、５０ｂが、短辺方向（矢印Ｂ方向）に分割して形成される。
【００３９】
酸化剤ガス流路４８ａ、４８ｂ間および燃料ガス流路５０ａ、５０ｂ間には、冷却媒体を流すための内側冷却媒体流路６０を構成する冷却媒体入口４４ａが積層方向に貫通して形成されるとともに、前記酸化剤ガス流路４８ａ、４８ｂおよび前記燃料ガス流路５０ａ、５０ｂの外方に位置して、冷却媒体を流すための外側冷却媒体流路６２ａ、６２ｂを構成する冷却媒体出口４４ｂ、４４ｃが積層方向に貫通して設けられている。
【００４０】
このため、電解質膜・電極構造体１４の積層方向に貫通して設けられている内側冷却媒体流路６０から外側冷却媒体流路６２ａ、６２ｂに沿って冷却媒体を流すだけで、前記電解質膜・電極構造体１４の発電面を内側および外側から良好に冷却することができる。従って、第１セパレータ１６の面１６ｂ側または第２セパレータ１８の面１８ｂ側に、面方向に沿って冷却媒体流路溝を形成する必要がなく、前記第１セパレータ１６または前記第２セパレータ１８の積層方向の厚さが可及的に薄肉化される。
【００４１】
これにより、第１の実施形態では、燃料電池スタック１０の積層方向の寸法を有効に短尺化することが可能になり、前記燃料電池スタック１０全体の小型化が容易に図られるという効果が得られる。
【００４２】
さらに、反応ガス流路である酸化剤ガス流路４８ａ、４８ｂおよび燃料ガス流路５０ａ、５０ｂは、第１および第２セパレータ１６、１８の短辺方向に分割されている。このため、酸化剤ガス流路４８ａ、４８ｂおよび燃料ガス流路５０ａ、５０ｂを水平方向に蛇行して鉛直方向に向かうサーペンタイン流路として構成することにより、特に前記酸化剤ガス流路４８ａ、４８ｂ内で生成された生成水が、酸化剤ガス入口３８ａおよび酸化剤ガス出口４２ｂ側に確実に排出され、燃料電池スタック１０の発電性能が低下することを確実に阻止することが可能になる。
【００４３】
なお、反応ガス流路は、短辺方向に２つ以上に分割することができ、また、アスペクト比等によって３分割や４分割等に設定することも可能である。
【００４４】
しかも、分割された酸化剤ガス流路４８ａ、４８ｂ間および燃料ガス流路５０ａ、５０ｂ間には、内側冷却媒体流路６０が設けられている。従って、第１および第２セパレータ１６、１８間に面方向に沿って冷却媒体を流す従来の構成に比べ、少量の冷却媒体で所望の冷却機能を確実に維持することができるという利点がある。このため、冷却媒体を送るポンプ（図示せず）の動力を低減することが可能になり、発電システム全体の効率化を図ることができる。
【００４５】
さらにまた、第１の実施形態では、内側冷却媒体流路６０に冷却媒体を供給した後、この冷却媒体を第２エンドプレート５４の分配通路６４を介して外側冷却媒体流路６２ａ、６２ｂに導入し、この外側冷却媒体流路６２ａ、６２ｂの出口側から排出している。これにより、各電解質膜・電極構造体１４において、温度の高い略中央部に温度の低い冷却媒体が供給されることになり、前記電解質膜・電極構造体１４の冷却効率を有効に向上させることが可能になる。
【００４６】
その上、内側冷却媒体流路６０を通って温度が高くなった冷却媒体が、外側冷却媒体流路６２ａ、６２ｂに供給される。このため、燃料電池スタック１０の側面、例えば、上面および下面からの放熱量を抑えることができ、前記燃料電池スタック１０内での生成水の結露による酸化剤ガス流路４８ａ、４８ｂや燃料ガス流路５０ａ、５０ｂの閉塞を阻止し、安定した発電性能を確実に得ることが可能になる。しかも、酸化剤ガス流路４８ａ、４８ｂおよび燃料ガス流路５０ａ、５０ｂの酸化剤ガスおよび燃料ガスの流れ方向は、冷却媒体の流れ方向と一致している。従って、特に酸化剤ガス出口３８ｂ、４２ｂ側の温度が高くなり、生成水を効果的に排出することができる。
【００４７】
ところで、図１に示すように、燃料電池スタック１０に対し、所定数の単位燃料電池セル１２の間毎に導電板９０を介装してもよい。この導電板９０は、冷却媒体が通過することによって比較的迅速に面方向に冷却されるため、前記導電板９０の面に接する各電解質膜・電極構造体１４の発電面が一層効率的に冷却されるという効果がある。
【００４８】
また、図５に示すように、内側冷却媒体流路６０内において、積層方向後方（冷却媒体流れ方向）に向かって第２セパレータ１８の貫通孔（冷却媒体入口４４ａ）を、順次、内方に向かって段状に突出させるようにすれば、第２セパレータ１８の段部を構成する部分と冷却媒体との接触面積が増大し、該第２セパレータ１８を一層効率的に冷却することが可能になる。なお、第２セパレータ１８に代替し、あるいは、前記第２セパレータ１８の他に、第１セパレータ１６の貫通孔を段状に突出させてもよい。
【００４９】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する第１セパレータ１００の正面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０を構成する第１セパレータ１６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、以下に説明する第３乃至第５の実施形態においても同様である。
【００５０】
第１セパレータ１００には、略中央部に長辺方向（矢印Ｃ方向）に沿って冷却媒体入口１０２ａ、１０２ｂおよび１０２ｃがそれぞれ所定の長さに形成されるとともに、前記冷却媒体入口１０２ａ、１０２ｂ間および前記冷却媒体入口１０２ｂ、１０２ｃ間にリブ部１０４が設けられている。第１セパレータ１００の上部側には、矢印Ｃ方向に沿って冷却媒体出口１０６ａ、１０６ｂおよび１０６ｃがそれぞれ所定の長さに設けられるとともに、前記冷却媒体出口１０６ａ、１０６ｂ間および前記冷却媒体出口１０６ｂ、１０６ｃ間にリブ部１０８が設けられている。
【００５１】
同様に、第１セパレータ１００の下部側には、矢印Ｃ方向に沿ってそれぞれ冷却媒体出口１１０ａ、１１０ｂおよび１１０ｃが所定の長さ毎に設けられ、前記冷却媒体出口１１０ａ、１１０ｂ間および前記冷却媒体出口１１０ｂ、１１０ｃ間には、リブ部１１２が設けられている。
【００５２】
このように構成される第２の実施形態では、冷却媒体入口１０２ａ乃至１０２ｃ間にリブ部１０４が設けられるとともに、冷却媒体出口１０６ａ乃至１０６ｃ間および１１０ａ乃至１１０ｃ間にそれぞれリブ部１０８、１１２が設けられている。このため、第１セパレータ１００が比較的薄肉状に構成されている場合であっても、前記第１セパレータ１００の強度を有効に維持することが可能になる。
【００５３】
しかも、第１セパレータ１００では、短辺方向（矢印Ｂ方向）に沿った（Ａ−Ａ線）温度分布が、第１の実施形態と同様に均一化される（図７参照）。その際、第１セパレータ１００の短辺方向に沿った温度差ΔＴｎ（℃）は、図１２に示すように、従来構造の燃料電池スタック１における温度差ΔＴｅ（℃）に比べて相当に小さな値となり、電極の冷却性が大幅に向上するという効果が得られる。
【００５４】
図８は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する第１セパレータ１２０の正面説明図である。
【００５５】
この第１セパレータ１２０では、上下両端側に矢印Ｃ方向に延在し、かつ冷却媒体入口４４ａよりも短尺な冷却媒体出口１２２ａ、１２２ｂが形成される。冷却媒体出口１２２ａの両端側には、略Ｌ字状に屈曲する冷却媒体出口１２４ａ、１２６ａが、酸化剤ガス出口３８ｂおよび燃料ガス出口３６ｂを２面で囲うようにして設けられている。一方、冷却媒体出口１２２ｂの両端側には、同様に略Ｌ字状に屈曲する冷却媒体出口１２４ｂ、１２６ｂが、燃料ガス出口４０ｂおよび酸化剤ガス出口４２ｂを２面で囲うようにして設けられている。
【００５６】
このように構成される第３の実施形態では、特に、酸化剤ガス出口３８ｂ、４２ｂを囲って冷却媒体出口１２４ａ、１２６ｂが設けられている。このため、冷却媒体入口４４ａに導入されて温度が高くなった冷却媒体が冷却媒体出口１２４ａ、１２６ｂを流れることにより、酸化剤ガス出口３８ｂ、４２ｂ側の温度が上昇する。従って、酸化剤ガス出口３８ｂ、４２ｂにおける生成水の結露を有効に阻止し、安定した発電性能を確実に得ることができるという効果が得られる。
【００５７】
また、酸化剤ガス出口３８ｂ、４２ｂでは、この酸化剤ガス出口３８ｂ、４２ｂを３面で囲うようにして酸化剤ガス出口１２８ａ、１２８ｂを設けることができる。これにより、酸化剤ガス出口３８ｂ、４２ｂを温まった冷却水により一層良好に昇温させることができ、生成水の結露を可及的に阻止することが可能になる。
【００５８】
図９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セパレータ１３０の正面説明図である。
【００５９】
この第１セパレータ１３０の一方の面（カソード側電極に対向する面）１３０ａには、酸化剤ガス入口３８ａ、４２ａと酸化剤ガス出口３８ｂ、４２ｂとをそれぞれ連通する酸化剤ガス流路１３２ａ、１３２ｂが個別に形成される。酸化剤ガス流路１３２ａ、１３２ｂは、水平方向（矢印Ｃ方向）に延在する複数本のストレート流路溝により構成されている。
【００６０】
これにより、第４の実施形態では、酸化剤ガス流路１３２ａ、１３２ｂで結露される生成水を、一層円滑かつ確実に排出することが可能になるという利点がある。
【００６１】
なお、第４の実施形態では、図示していないが、燃料ガス入口３６ａ、４０ａと燃料ガス出口３６ｂ、４０ｂとは、ストレート流路溝により構成される個別の燃料ガス流路を介して連通している。
【００６２】
図１０は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池スタック１４０内の流路説明図である。
【００６３】
この燃料電池スタック１４０を構成する第１および第２セパレータ１４２、１４４には、その中央部側に水平方向に配列されて冷却媒体入口１４６ａ、１４６ｂおよび１４６ｃが貫通形成される。第１および第２セパレータ１４２、１４４の長辺側上下両端縁部には、それぞれ冷却媒体出口１４８ａ、１４８ｂおよび１４８ｃと、冷却媒体出口１４８ｄ、１４８ｅおよび１４８ｆとが貫通形成されている。
【００６４】
燃料電池スタック１４０内には、冷却媒体入口１４６ａ乃至１４６ｃを連通して内側冷却媒体流路１５０が形成されるとともに、冷却媒体出口１４８ａ乃至１４８ｃおよび冷却媒体出口１４８ｄ乃至１４８ｆを連通して外側冷却媒体流路１５２ａ、１５２ｂが形成されている。
【００６５】
燃料電池スタック１４０の積層方向両端に第１および第２エンドプレート１５４、１５６が配置され、前記エンドプレート１５４には、内側冷却媒体流路１５０を折り返す内側リターン流路１５６と、外側冷却媒体流路１５２ａ、１５２ｂを折り返す外側リターン流路１５８ａ、１５８ｂとが設けられている。第２エンドプレート１５６には、内側冷却媒体流路１５０を折り返す内側リターン流路１６０と、外側冷却媒体流路１５２ａ、１５２ｂを折り返す内側リターン流路１６２ａ、１６２ｂと、前記内側冷却媒体流路１５０を前記外側冷却媒体流路１５２ａ、１５２ｂに連通するリターン流路１６４とが設けられている。
【００６６】
このように構成される燃料電池スタック１４０では、内側冷却媒体流路１５０に供給される冷却媒体は、この燃料電池スタック１４０内で積層方向に折り返して冷却媒体入口１４６ａ乃至１４６ｃに、順次、導入され、発電面の中央部側を冷却する。さらに、冷却媒体は、外側冷却媒体流路１５２ａ、１５２ｂに導入され、冷却媒体出口１４８ａ乃至１４８ｃおよび冷却媒体出口１４８ｄ乃至１４８ｆを、順次、通って発電面の外側から冷却を行った後、外部に排出される。
【００６７】
これにより、燃料電池スタック１４０では、冷却媒体が比較的長尺な内側冷却媒体流路１５０と外側冷却媒体流路１５２ａ、１５２ｂに沿って流れるため、発電面を一層確実に冷却することができるという効果が得られる。
【００６８】
なお、上記した第１乃至第５の実施形態では、酸化剤ガスおよび燃料ガスを下部側から上部側に向かって流すように構成されているが、この酸化剤ガスおよび燃料ガスを上部側から下部側に向かって流すようにしてもよい。
【００６９】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックでは、セパレータの平面内に冷却媒体流路溝を設ける必要がなく、電解質・電極構造体を容易かつ確実に冷却するとともに、前記セパレータの積層方向の厚さを可及的に薄肉化することができ、燃料電池スタック全体の小型化が容易に図られる。
【００７０】
しかも、分割された反応ガス流路間に内側冷却媒体流路が設けられるため、セパレータの面方向に沿って冷却媒体を流す構成に比べ、少量の冷却媒体で所望の冷却機能を確実に維持することが可能になる。従って、冷却媒体を送るポンプの動力を低減することができ、燃料電池スタックによる発電システム全体の効率化を図ることが可能になる。
【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要部分解斜視図である。
【図３】前記燃料電池スタックに組み込まれる第２セパレータの正面説明図である。
【図４】前記燃料電池スタック内の流路説明図である。
【図５】前記燃料電池スタック内で第２セパレータの貫通孔を段状に配置した際の説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する第１セパレータの正面説明図である。
【図７】前記第１セパレータの短辺方向に沿った温度分布の説明図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する第１セパレータの正面説明図である。
【図９】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セパレータの正面説明図である。
【図１０】
本発明の第５の実施形態に係る燃料電池スタック内の流路説明図である。
【図１１】従来技術に係る燃料電池スタックの斜視図である。
【図１２】図１１の燃料電池スタックの短辺方向に沿った温度分布の説明図である。
【符号の説明】
１０、１４０…燃料電池スタック １２…単位燃料電池セル
１４…電解質膜・電極構造体
１６、１８、１００、１２０、１３０、１４２、１４４…セパレータ
２０…カソード側電極 ２２…アノード側電極
３６ａ、４０ａ…燃料ガス入口 ３６ｂ、４０ｂ…燃料ガス出口
３８ａ、４２ａ…酸化剤ガス入口 ３８ｂ、４２ｂ…酸化剤ガス出口
４４ａ、１０２ａ〜１０２ｃ、１４６ａ〜１４６ｃ…冷却媒体入口
４４ｂ、４４ｃ、１０６ａ〜１０６ｃ、１１０ａ〜１１０ｃ、１２２ａ、１２２ｂ、１２４ａ、１２４ｂ、１２６ａ、１２６ｂ、１４８ａ〜１４８ｆ…冷却媒体出口
４８ａ、４８ｂ…酸化剤ガス流路 ５０ａ、５０ｂ…燃料ガス流路
５２、５４…エンドプレート ６０、１５０…内側冷却媒体流路
６２ａ、６２ｂ、１５２ａ、１５２ｂ…外側冷却媒体流路
６４…分配通路 ７０…配管構造
１０４、１０８、１１２…リブ部

Claims (1)

1. 電解質を一対の電極で挟持した電解質・電極構造体を、セパレータを介して複数個積層するとともに、積層方向両端にエンドプレートが配設される燃料電池スタックであって、
   前記セパレータは、平面が長方形状に設定されており、
   前記平面の前記電解質・電極構造体に対向する面には、燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方である反応ガスを流すとともに、短辺方向に複数に分割された複数本の反応ガス流路と、
   前記電解質・電極構造体の積層方向に貫通しかつ前記反応ガス流路の外周に配置されて冷却媒体を流すための外側冷却媒体流路と、
   前記電解質・電極構造体の積層方向に貫通しかつ分割された前記反応ガス流路の間に配置されて冷却媒体を流すための内側冷却媒体流路と、
   が設けられ、
   前記燃料電池スタックの積層方向一端側に配設される前記エンドプレートには、前記内側冷却媒体流路を通った冷却媒体を折り返して前記外側冷却媒体流路に供給するための分配通路が形成されることを特徴とする燃料電池スタック。

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