JP5502440B2 - 燃料電池スタック及びそれを備えた燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、放熱ロスを低減し、熱交換効率の高い燃料電池システムを得ることができるように改良を施した燃料電池スタック及びそれを備えた燃料電池システムに関するものである。

燃料電池システムは、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスから電気化学反応により電気と水と熱を取り出す装置である。現在、固体高分子電解質膜型燃料電池については、車載用、定置用、携帯用の用途に用いられている。中でも定置用は一般家庭あるいは店舗に設置する燃料電池システムであり、コージェネレーションシステムとして電気だけでなく熱も供給する。

この定置用の燃料電池システムは、都市ガス、ＬＰガス、灯油を原燃料とし、燃料電池システム内の改質器で改質反応によって得られる水素を燃料とする。従って、定置用の燃料電池システムは、発電部である燃料電池スタック、燃料電池に供給する反応ガスを製造する改質器、反応ガスを供給する手段、冷却媒体を循環する手段、発電された直流電流を昇圧し交流に変換する電気系、全装置を適正に運転する制御系の機器から構成されている。

一般に、燃料電池スタックは、電解質の両面に貴金属触媒を含む燃料極と酸化剤極の一対の電極を配置し、さらに前述の反応ガスを導入するガス流路を有するセパレータを前記電極の背面に配置して構成される単電池を複数積層して形成されている。また、燃料電池スタックにおいては、燃料電池反応による熱を冷却するために、冷却水などの冷媒が導入されている。

この冷却水は燃料電池反応による熱によって温められるため、その出口温度は入口温度よりも高くなる。そのため、電池から排出された冷却水は、燃料電池スタックとは別個に設置された熱交換器に導入され、燃料電池システムの外部に供給される水との間で熱交換されるように構成されている。

ここで、従来の燃料電池スタック４０を用いた燃料電池システムについて説明する。すなわち、図１３に示したように、ポンプ４２によって冷却水タンク４４から燃料電池スタック４０に導入された冷却水は、燃料電池スタック４０からの熱を回収し、第１の循環ライン４１に設けられた熱交換器４３に導入されるように構成されている。また、この熱交換器４３には、貯湯タンク４７を備えた第２の循環ライン４６が接続され、燃料電池システムの外部に供給される水が循環するように構成されている。

そして、前記熱交換器４３において、第１の循環ライン４１を流れる冷却水と第２の循環ライン４６を流れる水との間で熱交換され、前記貯湯タンク４７に温水を溜めることができるように構成され、さらに、前記貯湯タンク４７から、燃料電池システムのユーザーに温水を供給することができるように構成されている。

また、燃料電池スタックから排出される燃料ガス及び酸化剤ガスの排気ガスについても、冷却水と同様に熱交換器を通して熱回収される。すなわち、これらの排気ガスは、燃料電池反応の生成水が蒸発した蒸気を含んでいるため、前記熱交換器によって熱回収されて排気ガスが冷やされると、蒸気が凝縮し、水として回収される。このようにして回収された水は燃料電池スタックの冷却水として再利用される。燃料電池システムとして水自立させる、すなわち、燃料電池システムの外部からの水の補給を行わないで運転するためには、排気ガスからの水を効率良く回収することが重要である。

このような燃料電池スタックとしては、燃料電池スタックと排気ガスからの水回収部と空気供給ポンプを近接配置するというものがある（例えば、特許文献１参照）。すなわち、特許文献１に示された技術は、空気供給ポンプから燃料電池スタックに供給される空気によって、排気ガスを冷却して水回収を行うというものである。

特開２００８−１０２９３号公報

ところで、このような燃料電池システムの効率については、発電効率と排熱回収効率の両方を考慮すべきである。この排熱回収効率を上げるためには、熱交換器における熱交換効率を上げること、あるいは、燃料電池システムを構成する機器からの放熱ロスを下げることが必要である。この熱交換効率を上げるためには、燃料電池スタックから排出される冷却水の出口温度を高くすることが望ましい。また、放熱ロスを低減するためには、燃料電池スタックと熱交換器との距離を近くする、できれば隣接して配置することが望ましい。

しかしながら、上述した燃料電池システムにおいては、構成機器からの放熱ロスがあるために、排熱回収効率が不十分であるという問題点があった。また、熱交換器における熱交換効率を上げるためには、燃料電池スタックからの冷却水出口温度を上げることが望ましいが、冷却水の出口温度は燃料電池反応からの入熱量と冷却水流量によって決まり、この入熱量は所定の発電条件によって決まってしまうため、冷却水出口温度を上げることは困難であった。

本発明は、上述したような従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、放熱ロスを低減し、熱交換効率の高い燃料電池システムを得ることができる燃料電池スタック及びそれを備えた燃料電池システムを提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明の燃料電池スタックは、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の両面に配置される燃料極及び酸化剤極と、前記燃料極に面して水素を含む燃料ガスを供給する燃料ガス流路を有する燃料極セパレータと、前記酸化剤極に面して酸素を含む酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路を有する酸化剤極セパレータと、冷却水セパレータから成る単電池を複数積層して構成された発電部と、前記発電部に隣接して配置された熱交換部を有し、前記熱交換部の一次側に前記発電部から排出される酸化剤ガスを導入すると共に、前記熱交換部の二次側には冷却水を導入し、この酸化剤ガスと冷却水との間で熱交換を行い、前記熱交換部から排出された冷却水を前記冷却水セパレータに導入するように構成したものであって、前記熱交換部は、酸化剤ガス流路を有する多孔質炭素板と冷却水流路を有する多孔質炭素板とを交互に複数積層して構成され、前記発電部となる単電池の積層体と連続して積層されていることを特徴とするものである。

上記のような構成を有する本発明によれば、酸化剤ガスはまず発電部に導入され、燃料電池反応により熱と水を生成し、発電部から排出された酸化剤ガスは、飽和に近い湿度の蒸気を含み、発電部と同等の温度で熱交換部に導入される。一方、冷却水はまず熱交換部に導入された後に、発電部に導入される。熱交換部においては、冷却水の温度よりも熱交換部に導入された酸化剤ガスの温度の方が高いために、冷却水は酸化剤ガスの熱を奪って温められる。これにより発電部に導入される冷却水の温度を上げることができる。さらに、熱交換部と発電部とが隣接して配置されているために、発電部からの放熱も冷却水の昇温に活用することができる。

以上のような本発明によれば、放熱ロスを低減し、熱交換効率の高い燃料電池システムを得ることができる燃料電池スタック及びそれを備えた燃料電池システムを提供することができる。

本発明に係る燃料電池スタックの第１実施形態の構成を示す斜視図。 第１実施形態の熱交換部の構成を示す斜視図。 本発明に係る燃料電池スタックを用いた燃料電池システムの構成を示す図。 第１実施形態の燃料電池スタックにおけるガス及び冷却水の流れを示す図。 本発明に係る燃料電池スタックの第２実施形態の構成を示す斜視図。 本発明に係る第３実施形態の燃料電池スタックにおけるガス及び冷却水の流れを示す図。 本発明に係る燃料電池スタックの第４実施形態の構成を示す斜視図。 本発明に係る燃料電池スタックの第４実施形態の他の構成を示す斜視図。 本発明に係る燃料電池スタックの第５実施形態の構成を示す斜視図。 第５実施形態の燃料電池スタックを用いた燃料電池システムの構成を示す図。 第５実施形態の燃料電池スタックにおけるガス及び冷却水の流れを示す図。 本発明に係る燃料電池スタックの第６実施形態の構成を示す斜視図。 従来の燃料電池スタックを用いた燃料電池システムの構成を示す図。

以下、本発明に係る燃料電池スタックの実施形態の一例について、図面を参照して具体的に説明する。

（１）第１実施形態
（１−１）構成
第１実施形態の燃料電池スタック１は、図１に示すように、大別して発電部３と熱交換部２とから構成され、両者が中間締め付け板９を挟んで隣接するように配置されている。また、隣接配置された発電部３と熱交換部２の両端部には一対の締め付け板５が配設され、締め付けロッド４によって、前記発電部３と熱交換部２とを挟持した締め付け板５及び中間締め付け板９が締め付け固定されている。また、前記発電部３及び熱交換部２の外側部には、それぞれ対をなすガスマニホールド１０及びガス−冷却水マニホールド１１が取り付けられている。

そして、前記熱交換部２の一次側には前記発電部３から排出される酸化剤ガスを導入すると共に、熱交換部２の二次側には冷却水を導入し、この酸化剤ガスと冷却水との間で熱交換を行い、前記熱交換部２から排出された冷却水を前記発電部３の冷却水セパレータに導入するように構成されている。なお、本発明においては、前記マニホールド１０、１１の配置部位は、前記発電部３及び熱交換部２の外側部に限定されるものではない。

また、図２は、第１実施形態の熱交換部２の構成を示す斜視図である。すなわち、第１実施形態の熱交換部２は、表面に酸化剤ガス流路８が形成された多孔質炭素板６ａと、表面に冷却水流路７が形成された多孔質炭素板６ｂを交互に積層して形成されている。

ここで、前記多孔質炭素板６ａ、６ｂとしては、グラファイト粒子とレジンを圧縮して固めた板を使用することができる。グラファイト粒子の粒径は５〜３０ミクロンが好ましく、所望する成型後の孔の大きさに応じて、グラファイト粒子の粒径を選定することが好ましい。また、黒鉛化度の低いカーボン材を適用することも可能である。

なお、圧縮する際の圧力が高すぎると緻密構造となるため、本発明に適用するのは好ましくない。従って、多孔質構造を維持できる程度の圧力で圧縮し成型することが好ましい。また、流路の形状に合わせた型を使って、圧縮成型時に多孔質炭素板表面に流路を形成することもできる。

また、図３は、本発明に係る燃料電池スタックを適用した燃料電池システムの構成を示したものである。すなわち、第１の循環ライン４１において、ポンプ４２によって冷却水タンク４４から燃料電池スタック１に導入される冷却水は、まず、燃料電池スタック１の熱交換器２に導入され、ここで昇温された後、発電部３に導入される。これにより、発電部３から出てくる冷却水の温度を高く保つことができるため、熱交換器４３における熱交換率を向上させることが可能となる。

（１−２）作用
第１実施形態の燃料電池スタック１においては、冷却水２１及び酸化剤ガス２２の流れは図４に示したようになる。すなわち、酸化剤ガス２２は発電部３に導入され、燃料電池反応により熱と水を生成する。発電部３から排出された酸化剤ガス２３は、飽和に近い湿度の蒸気を含み、発電部３と同等の温度で熱交換部２に導入される。

一方、冷却水２１はまず熱交換部２に導入された後に、発電部３に導入される。熱交換部２においては、冷却水２１の温度よりも酸化剤ガス２２の温度の方が高いために、冷却水２１は酸化剤ガス２２の熱を奪って温められる。これにより酸化剤ガス２２は冷やされるために、酸化剤ガス２２中の蒸気は凝縮し、液体（水）になる。この場合、熱交換部２における酸化剤ガス２２の圧力を冷却水２１の圧力よりも高く保つことによって、凝縮水は多孔質炭素板中の気孔を通って冷却水流路に移動し、冷却水２１として回収される。

（１−３）効果
このように第１実施形態の燃料電池スタック１によれば、発電部３に導入される冷却水２１の温度を上げることができる。さらに、熱交換部２と発電部３とが隣接して配置されているために、発電部３からの放熱も冷却水２１の昇温に活用することができる。また、発電部３及び熱交換部２から構成される燃料電池スタック１の周囲を保温材で覆うことによって、さらに放熱を抑制することができる。

このように第１実施形態の燃料電池スタック１を用いることにより、燃料電池スタック１からの冷却水２１の出口温度を上げ、放熱ロスを抑制することが可能な、排熱回収効率の高い燃料電池システムを提供することができる。

（２）第２実施形態
次に、本発明に係る燃料電池スタックの第２実施形態を、図５を用いて説明する。なお、上記第１実施形態と同一の部材には同一の符号を付して、説明は省略する。

（２−１）構成
第２実施形態の燃料電池スタック３１においては、発電部３３と熱交換部３２とが連続して積層され、その両端部に一対の締め付け板５が配設され、締め付けロッド４によって、前記発電部３３と熱交換部３２とを挟持した両締め付け板５が締め付け固定されている。

この場合、熱交換部３２に適用する多孔質炭素板として、発電部３３に適用される多孔質炭素板３６と同一素材の多孔質炭素板を用いることが好ましい。これにより、熱交換部３２も十分な導電性を有するため、発電部３３と熱交換部３２とを連続して積層することができる。また、締め付け板５として金属等の導電性の部材を適用することにより、燃料電池スタック３１の両端の締め付け板５から、発電した電気を取り出すこともできる。

また、第２実施形態においては、電池運転時には、（冷却水圧力）＜（反応ガス圧力）となるように運転することが望ましい。これにより、熱交換部３２において凝縮した水が、圧力差によって多孔質炭素板３６中の気孔を通って冷却水流路に移動し、冷却水として回収される。なお、上記圧力差としては、１０〜５０ｋＰａで運転することが望ましい。５０ｋＰａ以上の圧力差があると、多孔質炭素板のガスシール機能が失われて、反応ガスが冷却水中にリークする可能性があるからである。

また、上記圧力差を維持するためには、冷却水を供給するポンプの吐出圧と反応ガスを供給する手段であるブロワあるいはコンプレッサーの吐出圧を制御する方法を用いることができる。あるいは、熱交換部３２又は燃料電池スタック３１の下流に、圧損要素を入れて反応ガス圧力を高くするように構成しても良い。

（２−２）作用・効果
第２実施形態の燃料電池スタック３１においても、上記第１実施形態と同様、冷却水２１及び酸化剤ガス２２の流れは図４に示したようになる。従って、第１実施形態と同様に、発電部３３に導入される冷却水２１の温度を上げることができる。また、熱交換部３２と発電部３３とが隣接して配置されているため、発電部３３からの放熱も冷却水の昇温に活用することができる。さらに、発電部３３及び熱交換部３２から構成される燃料電池スタック３１の周囲を保温材で覆うことによって、さらに放熱を抑制することができる。

このように、第２実施形態の燃料電池スタック３１を用いることにより、燃料電池スタック３１からの冷却水出口温度を上げ、放熱ロスを抑制することが可能な、排熱回収効率の高い燃料電池システムを提供することができる。

（３）第３実施形態
第３実施形態は、上記第１実施形態の変形例であって、図６に示すように、第１実施形態における酸化剤ガスを、燃料ガスに置き換えたものである。すなわち、燃料電池スタック１から排出される燃料ガス２３中には水素が含まれるため、燃料改質器の昇温バーナーに導入して燃焼させることが一般であるが、燃料ガス中に水分が含まれると、昇温バーナー内の燃焼を阻害し失火させる恐れもある。しかしながら、第３実施形態によれば、燃料ガス２３中に含まれる水分を凝縮して回収することができるため、昇温バーナーの失火を防止することができる、信頼性の高い燃料電池システムを提供することができる。

（４）第４実施形態
（４−１）構成
続いて、本発明に係る燃料電池スタックの第４実施形態について説明する。第４実施形態は、熱交換部２を構成する炭素板として、発電部３に適用される燃料極セパレータ、酸化剤極セパレータ及び冷却水セパレータを用いたものである。すなわち、図７は第４実施形態における熱交換部２を構成する炭素板の構成を示したものである。通常、発電部３においては、燃料極セパレータと酸化剤極セパレータの間には膜・電極接合体（ＭＥＡ）が配置されるが、熱交換部２においては、燃料ガス流路１５を備えた燃料極セパレータと空気流路１７を備えた酸化剤極セパレータ１８の間に緻密炭素板１４あるいは金属板を挟むことにより、燃料ガスと酸化剤ガスが混合されることを防止するように構成されている。

また、第４実施形態においては、前記発電部３から排出される燃料ガスを前記熱交換部２の燃料極セパレータ１６に導入すると共に、前記発電部３から排出される酸化剤ガスを前記熱交換部２の酸化剤極セパレータ１８に導入するように構成されている。なお、図７中の符号１９は、冷却水流路１７を備えた冷却水セパレータである。

また、第４実施形態における熱交換部２を構成する炭素板としては、図８に示すように、炭素板の両面にガス流路と冷却水流路をそれぞれ形成した両面セパレータを用いることも可能である。例えば、図８は、冷却水流路７と空気流路１７とを両面に加工した両面セパレータ２０を適用した場合を示したものであるが、冷却水流路７と燃料ガス流路１５とを両面に加工した両面セパレータを適用することも可能である。

（４−２）作用・効果
このように構成された第４実施形態の燃料電池スタックにおいても、上記第１〜第３実施形態と同様の作用・効果が得られるので、発電部３に導入される冷却水２１の温度を上げることが可能となる。また、発電部３からの放熱も、冷却水２１の昇温に使うことができる。

さらに、第４実施形態においては、熱交換部２に発電部３と同じ部材を適用することにより、構成部材の製造コストを低減することができるだけではなく、燃料ガス２３、酸化剤ガス２２、冷却水２１の入口及び出口の位置を揃えることができるために、マニホールド構造を簡略化することができる。

このように、第４実施形態の燃料電池スタックを用いることにより、燃料電池スタックからの冷却水出口温度を上げ、放熱ロスを抑制することが可能な、排熱回収効率の高い燃料電池システムをより安価に提供することができる。

（５）第５実施形態
（５−１）構成
さらに、本発明に係る第５実施形態について、図９〜図１１を用いて具体的に説明する。第５実施形態の燃料電池スタック３４では、複数の熱交換部を有している点に特徴がある。すなわち、図９に示すように、大別して発電部３と第１の熱交換部２４と第２の熱交換部２５とから構成されている。図９において、第１の熱交換部２４は発電部３の手前側に配置され、第２の熱交換部２５は発電部３の奥側に配置されている。

発電部３と第１及び第２の熱交換部２４、２５との間には中間締め付け板９が設けられている。つまり、発電部３と第１の熱交換部２４ならびに発電部３と第２の熱交換部２５は、中間締め付け板９を挟んで互いに隣接するように配置されている。また、発電部３及び第１及び第２の熱交換部２４、２５の外側部には、それぞれ対をなすガスマニホールド１０及びガス−冷却水マニホールド１１が取り付けられている。

なお、燃料電池スタック３４の両端部に一対の締め付け板５が配設される点や、締め付けロッド４によって締め付け板５及び中間締め付け板９が締め付け固定される点に関しては、上記第１の実施形態における燃料電池スタック１の構成と同様である。さらに、熱交換部２４、２５の構成についても第１の実施形態の熱交換部２と同様である（図２参照）。

２つの熱交換部２４、２５を有する第４実施形態において、排ガスと冷却水の流れは以下のようになっている。すなわち、第１の熱交換部２４においては、一次側に発電部３から排出される燃料ガスを導入すると共に二次側に冷却水を導入するように構成されている。このため、第１の熱交換部２４では燃料ガスと冷却水との間で熱交換を行うようになっている。さらに、第１の熱交換部２４では、排出した冷却水を発電部３の冷却水セパレータに導入するように構成されている。

一方、第２の熱交換部２５においては、一次側に発電部３から排出される酸化剤ガスを導入すると共に二次側に冷却水を導入するように構成されている。このため、第２の熱交換部２５では酸化剤ガスと冷却水との間で熱交換を行うようになっている。そして、第２の熱交換部２５も第１の熱交換部２４と同じく、排出した冷却水を発電部３の冷却水セパレータに導入するように構成されている。

また、図１０は、第５実施形態に係る燃料電池スタック３４を適用した燃料電池システムの構成を示したものである。すなわち、第１の循環ライン４１において、ポンプ４２によって冷却水タンク４４から燃料電池スタック１に導入される冷却水は、まず、燃料電池スタック３４の熱交換部２４および２５に導入され、ここで昇温された後、発電部３に導入される。これにより、発電部３から出てくる冷却水の温度を高く保つことができるため、熱交換器４３における熱交換効率を向上させることが可能となる。

（５−２）作用
第５実施形態の燃料電池スタック３４においては、冷却水２１、酸化剤ガス２２及び燃料ガス２３の流れは図１１に示したようになる。すなわち、酸化剤ガス２２及び燃料ガス２３は発電部３に導入され、燃料電池反応により熱と水を生成する。発電部３から排出された酸化剤ガス２２及び燃料ガス２３は、飽和に近い湿度の蒸気を含み、発電部３と同等の温度で、それぞれ第２の熱交換部２５及び第１の熱交換部２４に導入される。

一方、冷却水２１はまず熱交換部２４および２５に導入された後に、発電部３に導入される。第１の熱交換部２４においては、冷却水２１の温度よりも燃料ガス２３の温度の方が高いために、冷却水２１は燃料ガス２３の熱を奪って温められる。

これにより燃料ガス２３は冷やされるために、燃料ガス２３中の蒸気は凝縮し、液体（水）になる。この場合、第１の熱交換部２４における燃料ガス２３の圧力を冷却水２１の圧力よりも高く保つことによって、凝縮水は多孔質炭素板中の気孔を通って冷却水流路に移動し、冷却水２１として回収される。

また、第２の熱交換部２５においては、冷却水２１の温度よりも酸化剤ガス２２の温度の方が高いために、冷却水２１は酸化剤ガス２２の熱を奪って温められる。これにより酸化剤ガス２２は冷やされるために、酸化剤ガス２２中の蒸気は凝縮し、液体（水）になる。この場合も、第２の熱交換部２５において、酸化剤ガス２２の圧力を冷却水２１の圧力よりも高く保つことによって、凝縮水は多孔質炭素板中の気孔を通って冷却水流路に移動し、冷却水２１として回収される。

（５−３）効果
このように第５実施形態の燃料電池スタック３４によれば、燃料電池スタック３４から排出される酸化剤ガス２２及び燃料ガス２３の両方を用いて、発電部３に導入される冷却水２１の温度を上げることができる。しかも、第１及び第２の熱交換部２４、２５と発電部３とが隣接して配置されているために、発電部３からの放熱も冷却水２１の昇温に活用することができる。また、発電部３及び熱交換部２４、２５から構成される燃料電池スタック３４の周囲を保温材で覆うことによって、さらに放熱を抑制することができる。

このような第５実施形態の燃料電池スタック３４によれば、排熱回収効率が極めて高く、燃料電池スタック３４からの冷却水２１の出口温度を十分に上げることが可能である。したがって、放熱ロスを抑制することが可能な、排熱回収効率の高い燃料電池システムを提供することができる。

しかも、第５実施形態では、燃料ガス２３が導入される第１の熱交換部２４と、酸化剤ガス２２が導入される第２の熱交換部２５とを、別々に設けているので、各ガスの流路を形成するセパレータの加工が容易である。したがって、燃料電池スタック３４の構造を簡略化することができる。また、燃料ガス２３及び酸化剤ガス２２を異なる熱交換部２４、２５に流すため、熱交換器２４、２５の温度を制御し易く、熱交換効率の向上に寄与することができる。さらに、第５実施形態においては、燃料ガス２３中に含まれる水分を凝縮して回収しているため、前記第３実施形態と同じく、昇温バーナーの失火を防止することが可能である。

（６）第６実施形態
次に、本発明に係る燃料電池スタックの第６実施形態を、図１２を用いて説明する。なお、第６実施形態は、上記第２実施形態及び第５の実施形態を組み合わせたものであり、各実施形態と同一の部材については同一の符号を付し、説明は省略する。

（６−１）構成
図１２に示すように、第６実施形態の燃料電池スタック３５においては、発電部３３と第１及び第２の熱交換部２４、２５とが連続して交互に積層され、その両端部に一対の締め付け板５が配設され、締め付けロッド４によって、前記発電部３３と熱交換部２４、２５とを挟持した両締め付け板５が締め付け固定されている。

この場合、第１及び第２の熱交換部２４、２５に適用する多孔質炭素板としては、図５に示した熱交換部３２の場合と同じく、発電部３３に適用される多孔質炭素板３６と同一素材の多孔質炭素板を用いることが好ましい。これにより、第１及び第２の熱交換部２４、２５も十分な導電性を有するため、発電部３３と第１及び第２の熱交換部２４、２５とを連続して積層することができる。また、締め付け板５として金属等の導電性の部材を適用することにより、燃料電池スタック３５の両端の締め付け板５から、発電した電気を取り出すこともできる。

また、第６実施形態においては、上記第２実施形態と同様、電池運転時には、（冷却水圧力）＜（反応ガス圧力）となるように運転することが望ましい。これにより、第１及び第２の熱交換部２４、２５において凝縮した水が、圧力差によって多孔質炭素板中の気孔を通って冷却水流路に移動し、冷却水として回収される。なお、上記圧力差としては、上述したように、１０〜５０ｋＰａで運転することが望ましい。５０ｋＰａ以上の圧力差があると、多孔質炭素板のガスシール機能が失われて、反応ガスが冷却水中にリークする可能性があるからである。

また、上記圧力差を維持するためには、冷却水を供給するポンプの吐出圧と反応ガスを供給する手段であるブロワあるいはコンプレッサーの吐出圧を制御する方法を用いることができる。あるいは、第１及び第２の熱交換部２４、２５又は燃料電池スタック３５の下流に、圧損要素を入れて反応ガス圧力を高くするように構成しても良い。

（６−２）作用・効果
以上のような第６実施形態の燃料電池スタック３５によれば、上記第５実施形態と同様、冷却水２１、酸化剤ガス２２及び燃料ガス２３の流れは前記図１１に示したようになる。従って、発電部３３に導入される冷却水２１の温度を上げることができる。

また、第１及び第２の熱交換部２４、２５と発電部３３とが隣接して配置されているため、発電部３３からの放熱も、冷却水２１の昇温に活用することができる。さらに、発電部３３及び１及び第２の熱交換部２４、２５から構成される燃料電池スタック３５の周囲を保温材で覆うことによって、さらに放熱を抑制することができる。

このように、第６実施形態の燃料電池スタック３５を用いることにより、燃料電池スタック３５からの冷却水２１の出口温度を上げ、放熱ロスを抑制することが可能な、排熱回収効率の高い燃料電池システムを提供することができる。

（７）他の実施形態
なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、例えば、複数の熱交換部を備えた燃料電池スタックにおいて、熱交換部の設置数は適宜選択可能である。

また、他の部材に関しても設置数や構成等は、適宜変更可能である。具体的には、発電部３を中央部及び両端部に分割して、中央部の発電部３における冷却水セパレータには第１の熱交換部２４を出た冷却水２１（つまり燃料ガス２３により温められた冷却水２１）を導入し、両端部の発電部３における冷却水セパレータには第２の熱交換部を出た冷却水２１（つまり酸化剤ガス２２により温められた冷却水２１）を導入するように構成しても良い。このような実施形態によれば、より効率よく冷却水２１を温めることが可能であり、優れた排熱回収効率を獲得することができる。

１、３１、３４、３５、４０…燃料電池スタック
２、３２…熱交換部
３、３３…発電部
４…締め付けロッド
５…締め付け板
６、３６…多孔質炭素板
７…冷却水流路
８…ガス流路
９…中間締め付け板
１０…ガスマニホールド
１１…ガス−冷却水マニホールド
１２…ガス配管
１３…冷却水配管
１４…緻密炭素板
１５…燃料ガス流路
１６…燃料極セパレータ
１７…空気流路
１８…酸化剤極セパレータ
１９…冷却水セパレータ
２０…両面セパレータ
２１…冷却水
２２…酸化剤ガス
２３…燃料ガス
２４…第１の熱交換部
２５…第２の熱交換部
４１…第１の循環ライン
４２、４５…ポンプ
４３…熱交換器
４４…冷却水タンク
４６…第２の循環ライン
４７…貯湯タンク

Claims (11)

1. 高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の両面に配置される燃料極及び酸化剤極と、前記燃料極に面して水素を含む燃料ガスを供給する燃料ガス流路を有する燃料極セパレータと、前記酸化剤極に面して酸素を含む酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路を有する酸化剤極セパレータと、冷却水セパレータから成る単電池を複数積層して構成された発電部と、
   前記発電部に隣接して配置された熱交換部を有し、
   前記熱交換部の一次側に前記発電部から排出される酸化剤ガスを導入すると共に、前記熱交換部の二次側には冷却水を導入し、この酸化剤ガスと冷却水との間で熱交換を行い、前記熱交換部から排出された冷却水を前記冷却水セパレータに導入する燃料電池スタックにおいて、
   前記熱交換部は、酸化剤ガス流路を有する多孔質炭素板と冷却水流路を有する多孔質炭素板とを交互に複数積層して構成され、前記発電部となる単電池の積層体と連続して積層されていることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の両面に配置される燃料極及び酸化剤極と、前記燃料極に面して水素を含む燃料ガスを供給する燃料ガス流路を有する燃料極セパレータと、前記酸化剤極に面して酸素を含む酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路を有する酸化剤極セパレータと、冷却水セパレータから成る単電池を複数積層して構成された発電部と、
   前記発電部に隣接して配置された熱交換部を有し、
   前記熱交換部の一次側に前記発電部から排出される酸化剤ガスを導入すると共に、前記熱交換部の二次側には冷却水を導入し、この酸化剤ガスと冷却水との間で熱交換を行い、前記熱交換部から排出された冷却水を前記冷却水セパレータに導入する燃料電池スタックにおいて、
   前記熱交換部における酸化剤ガス圧力を冷却水圧力よりも高く維持することを特徴とする燃料電池スタック。
3. 高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の両面に配置される燃料極及び酸化剤極と、前記燃料極に面して水素を含む燃料ガスを供給する燃料ガス流路を有する燃料極セパレータと、前記酸化剤極に面して酸素を含む酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路を有する酸化剤極セパレータと、冷却水セパレータから成る単電池を複数積層して構成された発電部と、
   前記発電部に隣接して配置された熱交換部を有し、
   前記熱交換部の一次側に前記発電部から排出される燃料ガスを導入すると共に、前記熱交換部の二次側には冷却水を導入し、この燃料ガスと冷却水との間で熱交換を行い、前記熱交換部から排出された冷却水を前記冷却水セパレータに導入する燃料電池スタックにおいて、
   前記熱交換部は、燃料ガス流路を有する多孔質炭素板と冷却水流路を有する多孔質炭素板とを交互に複数積層して構成され、前記発電部となる単電池の積層体と連続して積層されていることを特徴とする燃料電池スタック。
4. 高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の両面に配置される燃料極及び酸化剤極と、前記燃料極に面して水素を含む燃料ガスを供給する燃料ガス流路を有する燃料極セパレータと、前記酸化剤極に面して酸素を含む酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路を有する酸化剤極セパレータと、冷却水セパレータから成る単電池を複数積層して構成された発電部と、
   前記発電部に隣接して配置された熱交換部を有し、
   前記熱交換部の一次側に前記発電部から排出される燃料ガスを導入すると共に、前記熱交換部の二次側には冷却水を導入し、この燃料ガスと冷却水との間で熱交換を行い、前記熱交換部から排出された冷却水を前記冷却水セパレータに導入する燃料電池スタックにおいて、
   前記熱交換部における燃料ガス圧力を冷却水圧力よりも高く維持することを特徴とする燃料電池スタック。
5. 高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の両面に配置される燃料極及び酸化剤極と、前記燃料極に面して水素を含む燃料ガスを供給する燃料ガス流路を有する燃料極セパレータと、前記酸化剤極に面して酸素を含む酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路を有する酸化剤極セパレータと、冷却水セパレータから成る単電池を複数積層して構成された発電部と、
   前記発電部に隣接して配置された熱交換部を有し、
   前記熱交換部の一次側に前記発電部から排出される燃料ガス及び酸化剤ガスを導入すると共に、前記熱交換部の二次側には冷却水を導入し、この燃料ガス及び酸化剤ガスと冷却水との間で熱交換を行い、前記熱交換部から排出された冷却水を前記冷却水セパレータに導入する燃料電池スタックにおいて、
   前記熱交換部は、前記発電部を構成する燃料極セパレータ、酸化剤極セパレータ及び冷却水セパレータとそれぞれ同じ部材を複数積層して構成され、
   この熱交換部が前記発電部となる単電池の積層体と連続して積層され、
   前記発電部から排出される燃料ガスを前記熱交換部の燃料極セパレータに導入すると共に、前記発電部から排出される酸化剤ガスを前記熱交換部の酸化剤極セパレータに導入するように構成したことを特徴とする燃料電池スタック。
6. 前記燃料極セパレータ、酸化剤極セパレータ及び冷却水セパレータが、多孔質炭素板から構成されていることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池スタック。
7. 高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の両面に配置される燃料極及び酸化剤極と、前記燃料極に面して水素を含む燃料ガスを供給する燃料ガス流路を有する燃料極セパレータと、前記酸化剤極に面して酸素を含む酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路を有する酸化剤極セパレータと、冷却水セパレータから成る単電池を複数積層して構成された発電部と、
   前記発電部に隣接して配置された熱交換部を有し、
   前記熱交換部の一次側に前記発電部から排出される燃料ガス及び酸化剤ガスを導入すると共に、前記熱交換部の二次側には冷却水を導入し、この燃料ガス及び酸化剤ガスと冷却水との間で熱交換を行い、前記熱交換部から排出された冷却水を前記冷却水セパレータに導入する燃料電池スタックにおいて、
   前記熱交換部における燃料ガス圧力及び酸化剤ガス圧力のいずれよりも、冷却水圧力を低く維持することを特徴とする燃料電池スタック。
8. 高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の両面に配置される燃料極及び酸化剤極と、前記燃料極に面して水素を含む燃料ガスを供給する燃料ガス流路を有する燃料極セパレータと、前記酸化剤極に面して酸素を含む酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路を有する酸化剤極セパレータと、冷却水セパレータから成る単電池を複数積層して構成された発電部と、
   前記発電部に隣接して第１及び第２の熱交換部を少なくとも１つずつ配置し、
   前記第１の熱交換部の一次側に前記発電部から排出される燃料ガスを導入し、当該熱交換部の二次側にはそれぞれ冷却水を導入し、燃料ガスと冷却水との間で熱交換を行い、
   前記第２の熱交換部の一次側に前記発電部から排出される酸化剤ガスを導入し、当該熱交換部の二次側にはそれぞれ冷却水を導入し、燃料ガスと冷却水との間で熱交換を行い、
   前記第１及び第２の熱交換部から排出された冷却水を前記冷却水セパレータに導入する燃料電池スタックにおいて、
   前記第１の熱交換部は、燃料ガス流路を有する多孔質炭素板と冷却水流路を有する多孔質炭素板とを交互に複数積層して構成され、前記第２の熱交換部は、酸化剤ガス流路を有する多孔質炭素板と冷却水流路を有する多孔質炭素板とを交互に複数積層して構成され、前記発電部となる単電池の積層体と連続して積層され、前記第１及び第２の熱交換部の間に前記単電池の積層体が配置されたことを特徴とする燃料電池スタック。
9. 高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の両面に配置される燃料極及び酸化剤極と、前記燃料極に面して水素を含む燃料ガスを供給する燃料ガス流路を有する燃料極セパレータと、前記酸化剤極に面して酸素を含む酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路を有する酸化剤極セパレータと、冷却水セパレータから成る単電池を複数積層して構成された発電部と、
   前記発電部に隣接して第１及び第２の熱交換部を少なくとも１つずつ配置し、
   前記第１の熱交換部の一次側に前記発電部から排出される燃料ガスを導入し、当該熱交換部の二次側にはそれぞれ冷却水を導入し、燃料ガスと冷却水との間で熱交換を行い、
   前記第２の熱交換部の一次側に前記発電部から排出される酸化剤ガスを導入し、当該熱交換部の二次側にはそれぞれ冷却水を導入し、燃料ガスと冷却水との間で熱交換を行い、
   前記第１及び第２の熱交換部から排出された冷却水を前記冷却水セパレータに導入する燃料電池スタックにおいて、
   前記発電部を中央部及び両端部に分割し、中央部の前記発電部における前記冷却水セパレータに前記第１の熱交換部を出た冷却水を導入し、両端部の前記発電部における前記冷却水セパレータに前記第２の熱交換部を出た冷却水を導入するように構成したことを特徴とする燃料電池スタック。
10. 高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の両面に配置される燃料極及び酸化剤極と、前記燃料極に面して水素を含む燃料ガスを供給する燃料ガス流路を有する燃料極セパレータと、前記酸化剤極に面して酸素を含む酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路を有する酸化剤極セパレータと、冷却水セパレータから成る単電池を複数積層して構成された発電部と、
    前記発電部に隣接して第１及び第２の熱交換部を少なくとも１つずつ配置し、
    前記第１の熱交換部の一次側に前記発電部から排出される燃料ガスを導入し、当該熱交換部の二次側にはそれぞれ冷却水を導入し、燃料ガスと冷却水との間で熱交換を行い、
    前記第２の熱交換部の一次側に前記発電部から排出される酸化剤ガスを導入し、当該熱交換部の二次側にはそれぞれ冷却水を導入し、燃料ガスと冷却水との間で熱交換を行い、
    前記第１及び第２の熱交換部から排出された冷却水を前記冷却水セパレータに導入する燃料電池スタックにおいて、
    前記第１及び第２の熱交換部における燃料ガス圧力及び酸化剤ガス圧力を冷却水圧力よりも高く維持することを特徴とする燃料電池スタック。
11. 請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の燃料電池スタックを備えたことを特徴とする燃料電池システム。

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