JP2003346830A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】各発電セル内の面内温度を均一化し、有効な発
電性能を確保することを可能にする。 【解決手段】燃料電池スタック１０は、発電セル１２
と、所定数の前記発電セル１２に対して電気的に一体的
に接続される集電用電極１４、１６と、冷却液体により
前記発電セル１２を冷却する第１冷却セル１８とを備え
る。第１冷却セル１８は、発電セル１２の発電面に対応
する面内において、面内中央部に対し面内端部よりも多
量の冷却媒体を供給して、前記面内中央部を強制的に冷
却するように構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電解質をアノード
側電極とカソード側電極とで挟んで構成される接合体を
有し、前記接合体をセパレータにより挟持して前記アノ
ード側電極に燃料ガスを供給する一方、前記カソード側
電極に酸化剤ガスを供給する発電セルを備えた燃料電池
スタックに関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）
は、炭化珪素多孔質（マトリックス）に濃厚リン酸を含
浸させた電解質層の両側に、それぞれカーボンを主体と
するアノード側電極およびカソード側電極を対設して構
成される接合体（電解質層・電極接合体）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
れる発電セルを備えている。この発電セルは、通常、所
定数だけ積層して燃料電池スタックとして使用されてい
る。

【０００３】一方、固体高分子型燃料電池（ＳＰＦＣ）
は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電
解質膜を採用しており、同様に前記電解質膜により構成
される接合体（電解質膜・電極接合体）とセパレータと
を備える発電セルを、所定数だけ積層して燃料電池スタ
ックとして用いている。

【０００４】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。

【０００５】ところで、上記の燃料電池では、有効な発
電性能を発揮するための最適な作動温度が設定されてい
る。例えば、リン酸型燃料電池では、１２０℃〜２００
℃であり、固体高分子型燃料電池では、６０℃〜９０℃
である。このため、発電セルを所望の作動温度に維持す
る必要があり、従来から、種々の冷却構造が採用されて
いる。一般的には、燃料電池スタックを構成するセパレ
ータに冷却媒体用通路を形成し、前記通路に水等の冷却
媒体を供給することにより発電セルの冷却を行う構造が
知られている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】この場合、冷却媒体と
して使用される水や、自動車用冷却構造に使用される一
般的な冷却媒体（冷却液体）では、イオン等の不純物や
金属系添加剤が混入しており、この冷却媒体自体に導電
性が付与されている。一方、冷却媒体として脱イオン水
や純水を用いる場合にも、運転中に冷却系配管やラジエ
ータを循環することによって金属等が混入し、この冷却
媒体に導電性が付与されてしまう。

【０００７】しかしながら、燃料電池スタックでは、各
発電セルで発生した電子がスタック両端側の集電用電極
から取り出されるため、上記のように冷却媒体に導電性
が付与されると、前記冷却媒体中に電気が流れてしま
う。これにより、冷却媒体を介して冷却系配管やラジエ
ータ等に電気が流れてしまい、地絡や液絡が発生して燃
料電池スタック全体の出力が低下するという問題が指摘
されている。

【０００８】そこで、本出願人は、冷却媒体を介して漏
電することを確実に阻止することができ、簡単な構成
で、有効な発電性能を維持することが可能な燃料電池ス
タックを提案している（特開２００１−３３２２８８号
公報参照）。

【０００９】この燃料電池スタックでは、集電用電極間
に冷却セルが介装されており、この冷却セルに供給され
る冷却媒体が絶縁機構を介して発電セルおよび前記集電
用電極から電気的に絶縁されるとともに、前記冷却セル
を挟んで配置される前記発電セル同士または前記発電セ
ルと前記集電用電極が導電機構を介して互いに電気的に
接続されている。これにより、冷却媒体を介して地絡や
液絡が発生することを確実に防止することができ、燃料
電池スタック全体の出力低下を有効に阻止して所望の発
電機能を維持することが可能になる。

【００１０】ところで、上記の燃料電池スタックでは、
発電セルによる発電が行われると、この発電セルの面内
方向において温度分布が惹起されるおそれがある。具体
的には、発電セルの面内温度は、大気により冷却され易
い外周部分で比較的低温になる一方、放熱し難い中央部
分で比較的高温になる。これにより、発電セルの面内温
度が不均一になり、低温部分の発電性能は、最適運転温
度での発電性能よりも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、特に各発電セルの面内の温度を均一化し、簡単かつ
コンパクトな構成で、有効な発電性能を確保することが
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、集電用電極間に冷却セルが介装
されており、この冷却セルに供給される冷却媒体を発電
セルおよび集電用電極から電気的に絶縁する絶縁機構が
設けられるとともに、導電機構を介して前記発電セル同
士または前記発電セルと前記集電用電極とを互いに電気
的に接続している。そして、冷却セルは、発電面に対応
する面内において、面内中央部に対し面内端部よりも多
量の冷却媒体を供給する冷却媒体流路を設けている。

【００１３】このため、発電セルの面内方向では、比較
的高温になり易い中央部が強制的に冷却される一方、比
較的低温になり易い外周部の冷却効率が低下する。従っ
て、発電セルの面内方向の温度分布が有効に低減される
とともに、前記面内方向での最高温度を低下させること
ができる。これにより、積層方向における発電セル間の
温度差が有効に低減され、各発電セルの発電性能を最高
性能に近づけて燃料電池スタックとしての出力を良好に
向上させることが可能になる。

【００１４】また、本発明の請求項２に係る燃料電池ス
タックでは、冷却媒体流路が、面内中央部と両方の面内
端部とに略３等分に分割されるとともに、前記面内中央
部には、前記冷却媒体流路に供給される全冷却媒体流量
の１／３〜２／３の流量が供給されている。このため、
発電セルの面内温度を可及的に均一化することができ、
各発電セルの発電性能を大幅に向上させることが可能に
なる。

【００１５】さらに、本発明の請求項３に係る燃料電池
スタックでは、発電セルを冷却するための冷却気体が供
給され、冷却セルとの間に所定数の前記発電セルを挟ん
で集電用電極間に介装される補助冷却セルを備えてい
る。従って、補助冷却セルに供給される冷却気体を介し
て発電セルが冷却される。

【００１６】その際、冷却セルとの間に所定数の発電セ
ルを挟んで、すなわち、前記冷却セル間で温度の高い発
電セルの近傍に補助冷却セルが介装されている。このた
め、補助冷却セルに冷却気体が供給されることにより、
この補助冷却セル近傍の温度の高い発電セルを有効に冷
却することができる。

【００１７】従って、冷却セル近傍の発電セルを最適運
転温度に近似した温度に維持する一方、補助冷却セル近
傍の発電セルを最適運転温度まで冷却することが可能に
なる。これにより、各発電セルの温度は、最適運転温度
近傍に調整されるとともに、発電セル間では、積層方向
に沿って温度差が低減され、前記発電セルの各発電性能
を有効に向上させることができる。

【００１８】しかも、高出力時には、冷却セルと共に補
助冷却セルが使用されて、冷却が必要な発電セルのみを
冷却している。このため、冷却用に大型の熱交換器を用
いる必要がなく、熱交換器を有効に小型化することが可
能になる。

【００１９】

【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の概略構成を示す側面説明
図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の分解斜
視説明図であり、図３は、前記燃料電池スタック１０の
要部拡大断面図である。

【００２０】燃料電池スタック１０は発電セル１２を備
え、この発電セル１２が矢印Ａ方向に所定数だけ積層さ
れている。発電セル１２の積層方向両端側には、この発
電セル１２に対して電気的に一体的に接続される集電用
電極１４、１６が配置される。集電用電極１４、１６間
には、所定数の第１冷却セル１８が介装されるととも
に、前記第１冷却セル１８との間に所定数の発電セル１
２を挟んで前記集電用電極１４、１６間に所定数の第２
冷却セル２０が介装される。

【００２１】集電用電極１４、１６の外側には、絶縁シ
ート１９ａ、１９ｂを介装してエンドプレート２１ａ、
２１ｂが配置される。エンドプレート２１ａ、２１ｂ
は、図示しないバックアッププレートを介してタイロッ
ド等により締め付けられており、発電セル１２と集電用
電極１４、１６と第１および第２冷却セル１８、２０
は、一体的に矢印Ａ方向に締め付け保持される。集電用
電極１４、１６には、例えば、モータ等の負荷２２が接
続されている（図１参照）。

【００２２】発電セル１２は、図２および図３に示すよ
うに、炭化珪素多孔質または塩基性ポリマー、例えば、
ポリベンズイミダゾールにリン酸を含浸させた電解質層
と額縁状部材からなる電解質部２４を挟んで、カソード
側電極２６およびアノード側電極２８が配設される接合
体（電解質層・電極接合体）３０を有する。カソード側
電極２６およびアノード側電極２８は、例えば、多孔質
層である多孔質カーボンペーパー等からなるガス拡散層
と、白金系触媒が表面に担持された多孔質カーボン粒子
が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布された電極触媒層
とをそれぞれ有しており、前記電極触媒層が電解質部２
４に接合されている。

【００２３】接合体３０の両側には、導電性材料、例え
ば、緻密質カーボン材料や金属で形成される第１および
第２セパレータ３２、３４が配置され、前記接合体３０
と前記第１および第２セパレータ３２、３４により、発
電セル１２が構成される。

【００２４】発電セル１２は、横方向（矢印Ｂ方向）両
端下部側に水素含有ガス等の燃料ガスを通過させるため
の燃料ガス供給連通路３６ａと、酸素含有ガスである酸
化剤ガスを通過させるための酸化剤ガス供給連通路３８
ａとを設ける。発電セル１２の横方向両端上部側には、
燃料ガスを通過させるための燃料ガス排出連通路３６ｂ
と、酸化剤ガスを通過させるための酸化剤ガス排出連通
路３８ｂとが、燃料ガス供給連通路３６ａおよび酸化剤
ガス供給連通路３８ａと対角位置になるように設けられ
ている。

【００２５】発電セル１２の横方向両端中央側には、切
り欠き部分４０ａ、４０ｂが設けられており、この切り
欠き部分４０ａ、４０ｂに冷媒供給管路４６と冷媒排出
管路４８が配置される。冷媒供給管路４６内に冷却液体
供給連通路４６ａが形成される一方、冷媒排出管路４８
内に冷却液体排出連通路４８ａが形成される。

【００２６】第１セパレータ３２のカソード側電極２６
に対向する面には、酸化剤ガス供給連通路３８ａおよび
酸化剤ガス排出連通路３８ｂに両端が連通して前記カソ
ード側電極２６に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路
５０が形成される（図２および図３参照）。第２セパレ
ータ３４のアノード側電極２８に対向する面には、燃料
ガス供給連通路３６ａおよび燃料ガス排出連通路３６ｂ
に両端が連通して前記アノード側電極２８に燃料ガスを
供給する燃料ガス流路５１が設けられる。酸化剤ガス流
路５０および燃料ガス流路５１は、水平方向（矢印Ｂ方
向）に蛇行しながら鉛直上方向に酸化剤ガスおよび燃料
ガスを導く流路構造を採用している。

【００２７】第１および第２セパレータ３２、３４のカ
ソード側電極２６およびアノード側電極２８に対向する
面には、燃料ガス供給連通路３６ａ、酸化剤ガス供給連
通路３８ａ、燃料ガス排出連通路３６ｂ、酸化剤ガス排
出連通路３８ｂ、酸化剤ガス流路５０および燃料ガス流
路５１を気密にシールするために、シール部材５３が、
例えば、焼き付け等によって設けられている。

【００２８】図１に示すように、第１冷却セル１８は、
燃料電池スタック１０内で集電用電極１４、１６間に１
０セルおき、すなわち、前記第１冷却セル１８間に１０
個の発電セル１２を配置して積層されている。この第１
冷却セル１８の両面に配置される第１および第２セパレ
ータ３２、３４は、図２および図３に示すように、前記
第１冷却セル１８側の面が平坦状に構成された片面ガス
流路付きセパレータ構造に設定されている。後述する第
２冷却セル２０においても、同様である。その他の第１
および第２セパレータ３２、３４は、両面に酸化剤ガス
流路５０と燃料ガス流路５１とが形成されている。

【００２９】第１冷却セル１８は、図３および図４に示
すように、冷却液体用流路プレート５２と、この流路プ
レート５２に重ね合わされて冷却液体通路５４を形成す
る蓋プレート５６と、前記冷却液体通路５４に供給され
る冷却液体を発電セル１２および集電用電極１４、１６
から電気的に絶縁するための絶縁シート（絶縁機構）５
８ａ、５８ｂと、前記第１冷却セル１８を挟んで前記発
電セル１２同士（または前記発電セル１２と前記集電用
電極１４、１６）を互いに電気的に接続するための導電
プレート（導電機構）６０ａ、６０ｂとを備える。流路
プレート５２および蓋プレート５６は、例えば、アルミ
ニウム合金やチタン合金等の軽合金や、緻密質の炭素材
料で形成される。

【００３０】流路プレート５２は、幅方向（矢印Ｂ方
向）の両端中央側に一方の面側に突出して筒状接続部６
２ａ、６２ｂを設けており、前記接続部６２ａ、６２ｂ
に冷媒供給管路４６と冷媒排出管路４８とが接続され
る。流路プレート５２の他方の面側には、冷却液体通路
５４が形成されている。

【００３１】図４および図５に示すように、冷却液体通
路５４は、流路プレート５２の高さ方向（矢印Ｃ方向）
の面内中央部側の中央通路５４ａと、上下両面の内端部
側の上部通路５４ｂおよび下部通路５４ｃとに、略３等
分に分割されている。中央通路５４ａは、発電面中央部
に対応しており、発電面上部および下部に対応する上部
通路５４ｂおよび下部通路５４ｃよりも多量の冷却液体
を供給するように流路構造が設定されている。

【００３２】冷却液体通路５４において、縦方向（矢印
Ｃ方向）寸法の単位幅当たりの流量本数を調整してお
り、具体的には、中央通路５４ａには、矢印Ｂ方向に互
いに平行して直線状に延在する１４本の流路溝６４ａが
形成され、上部通路５４ｂおよび下部通路５４ｃには、
矢印Ｂ方向に互いに平行して直線状に延在するそれぞれ
５本の流路溝６４ｂ、６４ｃが形成される。

【００３３】この構成では、中央通路５４ａには、冷却
液体通路５４に供給される全冷却液体流量の略１４／２
４の流量が導入される一方、上部通路５４ｂおよび下部
通路５４ｃには、それぞれ略５／２４の流量が導入され
る。流路溝６４ａ、６４ｂおよび６４ｃの本数は、それ
ぞれに導入される冷却液体の流量に対応して設定される
ものであり、第１の実施形態では、中央通路５４ａに全
冷却液体流量の１／３〜２／３の流量が供給されるよう
に設定されることが望ましい。

【００３４】流路溝６４ａ、６４ｂおよび６４ｃの両端
と、接続部６２ａ、６２ｂとの間には、冷却液体を均一
にかつ安定した状態で流すためのガイド６６ａ、６６ｂ
が設けられている。

【００３５】図４に示すように、蓋プレート５６は、流
路プレート５２に対向する面とは反対側の面に、外方に
突出して筒状接続部６８ａ、６８ｂが形成される。この
接続部６８ａ、６８ｂは、流路プレート５２の接続部６
２ａ、６２ｂと同一位置に設けられており、冷媒供給管
路４６および冷媒排出管路４８に接続される。

【００３６】導電プレート６０ａ、６０ｂは、流路プレ
ート５２および蓋プレート５６を覆って配置される一
方、絶縁シート５８ａ、５８ｂは、前記導電プレート６
０ａ、６０ｂの前記流路プレート５２および前記蓋プレ
ート５６に接する面側に設けらている。導電プレート６
０ａ、６０ｂは、銅合金等の電気伝導性に優れる金属プ
レートで構成されている。

【００３７】絶縁シート５８ａ、５８ｂは、絶縁材、例
えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）で形成
されており、導電プレート６０ａ、６０ｂの全面にわた
り接着剤等により貼り付けられている。なお、絶縁シー
ト５８ａ、５８ｂに代替してシリコングリース等の絶縁
材を導電プレート６０ａ、６０ｂに塗布してもよい。

【００３８】導電プレート６０ａ、６０ｂの上端部に
は、それぞれ互いに近接する方向に屈曲して合わせ部７
０ａ、７０ｂが設けられるとともに、前記合わせ部７０
ａ、７０ｂに孔部７２ａ、７２ｂが形成される。合わせ
部７０ａ、７０ｂを覆って固定板体７４が配置され、こ
の固定板体７４から孔部７２ａ、７２ｂにねじ７６を挿
入し、前記ねじ７６にナット７８を螺合することによ
り、導電プレート６０ａ、６０ｂが流路プレート５２お
よび蓋プレート５６を保持する。

【００３９】第２冷却セル２０は、図１に示すように、
燃料電池スタック１０内で互いに隣り合う第１冷却セル
１８間に、および集電用電極１４、１６と前記第１冷却
セル１８間に５セルおきに配置される。具体的には、第
１冷却セル１８間、および集電用電極１４、１６と前記
第１冷却セル１８間の中央には、両側にそれぞれ５個の
発電セル１２を配置して第２冷却セル２０が積層されて
いる。

【００４０】図３および図６に示すように、第２冷却セ
ル２０は、冷却気体（例えば、空気）用流路プレート８
０と、この流路プレート８０に重ね合わされて冷却空気
通路８２を形成する蓋プレート８４とを備える。流路プ
レート８０および蓋プレート８４は、軽量でかつ熱伝導
性および電気伝導性の良好な、例えば、アルミニウム合
金やチタン合金等の軽合金材料で形成される。

【００４１】冷却空気通路８２は、流路プレート８０の
一方の面８０ａに設けられており、鉛直方向（矢印Ｃ方
向）に直線状に延在する複数本の流路溝８６を備える。
流路溝８６の下端側には、ガイド８８を設けた空気導入
部９０が連通している。冷却空気通路８２は、カソード
側電極２６およびアノード側電極２８の横方向（矢印Ｂ
方向）の幅寸法の６０％〜７０％の範囲に設定されてい
る。

【００４２】蓋プレート８４には、空気導入部９０に連
通する室９２が形成され、この室９２が空気導入口９４
に連通する。この空気導入口９４には、電気的絶縁処理
が施されたパイプ９６が接続されている。流路プレート
８０と蓋プレート８４とは、複数本のねじ９８により互
いに固定されている。

【００４３】図２に示すように、エンドプレート２１ａ
には、燃料ガス供給連通路３６ａに連通する燃料ガス入
口１００ａと、燃料ガス排出連通路３６ｂに連通する燃
料ガス出口１００ｂと、酸化剤ガス供給連通路３８ａに
連通する酸化剤ガス入口１０２ａと、酸化剤ガス排出連
通路３８ｂに連通する酸化剤ガス出口１０２ｂとが形成
される。

【００４４】図７は、第１の実施形態に係る燃料電池ス
タック１０を組み込む燃料電池システム１１０の概略構
成説明図である。

【００４５】燃料電池システム１１０は、燃料電池スタ
ック１０に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部１１２
と、前記燃料電池スタック１０に酸化剤ガスを供給する
酸化剤ガス供給部１１４と、前記燃料電池スタック１０
に冷却液体（液状冷却媒体）を供給する冷却液体供給部
１１６と、前記燃料電池スタック１０に冷却空気を供給
する冷却空気供給部１１８とを備える。

【００４６】燃料ガス供給部１１２は、高圧水素貯蔵源
１２０を備え、この高圧水素貯蔵源１２０から燃料電池
スタック１０内の燃料ガス供給連通路３６ａに連なる燃
料ガス配管１２２には、第１減圧弁１２４および燃料ガ
ス流量制御器１２６が設けられる。

【００４７】酸化剤ガス供給部１１４は、第１コンプレ
ッサ１２８を備え、この第１コンプレッサ１２８から燃
料電池スタック１０内の酸化剤ガス供給連通路３８ａに
連なる酸化剤ガス配管１３０には、第２減圧弁１３１お
よび酸化剤ガス流量制御器１３２が設けられる。

【００４８】冷却液体供給部１１６は、燃料電池スタッ
ク１０内の冷却液体供給連通路４６ａと冷却液体排出連
通路４８ａとを繋ぐ冷却液体配管１３４を備え、前記冷
却液体配管１３４には、循環用ポンプ１３６と比較的小
型な熱交換器１３８とが設けられる。

【００４９】冷却空気供給部１１８は、第２コンプレッ
サ１４０を備え、この第２コンプレッサ１４０は、燃料
電池スタック１０を構成する第２冷却セル２０に連なる
冷却空気配管１４２に接続される。この冷却空気配管１
４２には、第３減圧弁１４４と冷却空気流量制御器１４
６が設けられる。

【００５０】このように構成される燃料電池スタック１
０の動作について、燃料電池システム１１０との関連で
以下に説明する。

【００５１】まず、燃料電池システム１１０では、モー
タ等の負荷２２の要求電流に応じて、燃料ガス供給部１
１２および酸化剤ガス供給部１１４の制御が行われる。
燃料ガス供給部１１２では、第１減圧弁１２４および燃
料ガス流量制御器１２６を介して高圧水素貯蔵源１２０
から燃料電池スタック１０に所定量の燃料ガス（水素ガ
スまたは水素含有ガス）が供給される。

【００５２】一方、酸化剤ガス供給部１１４では、第１
コンプレッサ１２８を介して導入された酸化剤ガスであ
る酸素含有ガス（以下、空気ともいう）が、第２減圧弁
１３１および酸化剤ガス流量制御器１３２を介して流量
が制御される。このため、燃料電池スタック１０には、
所定量の酸素含有ガスが供給される。

【００５３】図２に示すように、エンドプレート２１ａ
の燃料ガス入口１００ａに供給された燃料ガスは、燃料
ガス供給連通路３６ａを介して第２セパレータ３４に形
成されている燃料ガス流路５１に供給される。このた
め、燃料ガス中の水素含有ガスは、発電セル１２のアノ
ード側電極２８に供給されるとともに、未使用の燃料ガ
スが燃料ガス排出連通路３６ｂに排出される。

【００５４】また、エンドプレート２１ａの酸化剤ガス
入口１０２ａに供給された空気は、酸化剤ガス供給連通
路３８ａを介して第１セパレータ３２に形成されている
酸化剤ガス流路５０に導入される。従って、空気中の酸
素含有ガスがカソード側電極２６に供給される一方、未
使用の空気が酸化剤ガス排出連通路３８ｂに排出され
る。これにより、発電セル１２で発電が行われ、モータ
等の負荷２２に電力が供給されることになる（図１参
照）。

【００５５】上記のように、燃料電池スタック１０内で
発電が行われると、この発電に伴って熱が発生し、各発
電セル１２の温度が上昇してくる。発電セル１２の最適
運転温度は、例えば、ポリベンズイミダゾール膜にリン
酸を含浸させた電解質部２４を用いた場合に、１６０℃
を超えないことが必要である。このため、燃料電池シス
テム１１０では、図７に示すように、冷却液体供給部１
１６を構成するポンプ１３６が駆動される。

【００５６】ポンプ１３６の作用下に、燃料電池スタッ
ク１０の冷却液体供給連通路４６ａに供給された冷却液
体は、第１冷却セル１８を構成する流路プレート５２と
蓋プレート５６との間に形成された冷却液体通路５４に
導入される。図４に示すように、流路プレート５２で
は、接続部６２ａから流路溝６４ａ、６４ｂおよび６４
ｃに冷却液体が導入され、この冷却液体が前記流路溝６
４ａ、６４ｂおよび６４ｃを通って発電セル１２の発電
面を冷却した後、冷却液体排出連通路４８ａに排出され
る。

【００５７】冷却液体排出連通路４８ａから冷却液体配
管１３４に導出された冷却液体は、各発電セル１２から
熱を奪って比較的高温となっており、熱交換器１３８に
導入される（図７参照）。この熱交換器１３８では、冷
却液体から放熱が行われ、温度が低下した前記冷却液体
は、再び第１冷却セル１８に循環される。

【００５８】この場合、第１冷却セル１８では、図４お
よび図５に示すように、流路プレート５２に設けられる
冷却液体通路５４が、縦方向に略３等分された中央通路
５４ａ、上部通路５４ｂおよび下部通路５４ｃを備える
とともに、それぞれの流路溝６４ａ、６４ｂおよび６４
ｃは、縦方向寸法の単位幅当たりの流路本数が調整され
ている。

【００５９】具体的には、中央の流路溝６４ａが１４本
に設定される一方、上下の流路溝６４ｂ、６４ｃがそれ
ぞれ５本に設定されている。これにより、中央通路５４
ａには、冷却液体通路５４に供給される全冷却液体流量
の略１４／２４の流量が導入される一方、上部通路５４
ｂおよび下部通路５４ｃには、それぞれ略５／２４の流
量が導入される。

【００６０】このため、中央通路５４ａには、上部通路
５４ｂおよび下部通路５４ｃに比べて多量の冷却液体が
供給され、各発電セル１２の発電面内では、比較的高温
になり易い中央部が強制的に冷却されるとともに、比較
的低温になり易い外周部の冷却効率が低下する。従っ
て、発電セル１２の面内方向の温度分布が有効に低減さ
れるとともに、この面内方向での最高温度を低下させる
ことができる。

【００６１】これにより、第１の実施形態では、積層方
向における発電セル１２間の温度差を低減し、各発電セ
ル１２の発電性能を最高性能に近づけて、燃料電池スタ
ック１０全体としての出力を良好に向上させることが可
能になるという効果が得られる。

【００６２】さらに、第１の実施形態では、中央通路５
４ａには、冷却液体通路５４に供給される全冷却液体流
量の１／３〜２／３の流量が供給されている。このた
め、発電セル１２の面内温度を可及的に均一化すること
ができ、各発電セル１２の発電性能を大幅に向上させる
ことが可能になる。

【００６３】なお、中央通路５４ａに全冷却液体流量の
１／３以下の流量が供給される際には、発電セル１２の
面内温度を均一化することが困難になる。一方、中央通
路５４ａに全冷却液体流量の２／３以上の流量が供給さ
れる際には、上部通路５４ｂおよび下部通路５４ｃの流
量が不足して、所望の冷却機能を有することが困難とな
る。

【００６４】ところで、燃料電池スタック１０におい
て、高負荷が要求されて高出力状態になると、各発電セ
ル１２の発熱量が増加する。その際、液状の冷却媒体と
小型の熱交換器１３８で、すなわち、第１冷却セル１８
のみで、全ての発電セル１２の最高温度を最適運転温度
以下に維持できなくなる前に、冷却空気供給部１１８が
駆動されて第２冷却セル２０に冷却空気が供給される
（図７参照）。

【００６５】冷却空気供給部１１８では、第２コンプレ
ッサ１４０を介して導入された冷却空気が、第３減圧弁
１４４および冷却空気流量制御器１４６を介して流量が
調整された後、各第２冷却セル２０を構成するパイプ９
６から空気導入口９４に導入される。

【００６６】図３および図６に示すように、冷却空気
は、空気導入口９４から室９２を介して空気導入部９０
に導入される。この空気導入部９０には、ガイド８８を
介して冷却空気通路８２が設けられており、前記冷却空
気は、前記ガイド８８を介して複数の流路溝８６に均等
に、かつ安定した状態で導入され、鉛直上方向に向かっ
て流れる。これにより、第２冷却セル２０近傍の発電セ
ル１２が冷却される。

【００６７】従って、第１冷却セル１８近傍の発電セル
１２を最適運転温度に近似した温度に維持した状態で、
第２冷却セル２０近傍の発電セル１２を最適運転温度ま
で冷却することが可能になる。これにより、各発電セル
１２の温度は、最適運転温度近傍に調整されるととも
に、前記発電セル１２間には、積層方向に沿って温度差
が低減され、該発電セル１２の各発電性能を有効に向上
させることができるという効果が得られる。

【００６８】しかも、高出力時には、第１および第３冷
却セル１８と共に第２冷却セル２０が使用され、冷却が
必要な発電セル１２のみを冷却している。このため、冷
却用に大型の熱交換器を用いる必要がなく、比較的小型
の熱交換器１３８により良好に対応することができる。

【００６９】さらに、第２冷却セル２０は、冷却空気を
用いているために、第１冷却セル１８のような導電性を
有する冷却液体を使用していない。従って、冷却空気と
発電セル１２との間を絶縁する必要がなく、第２冷却セ
ル２０の構成が有効に簡素化されるという利点がある。

【００７０】なお、第１の実施形態では、第１および第
２冷却セル１８、２０が積層方向に均等に、すなわち、
等間隔で離間して配置されているが、燃料電池スタック
１０の積層方向の温度分布が少なくなるように、適宜、
配置位置を調整することが可能である。

【００７１】図８は、本発明の第２の実施形態に係る燃
料電池スタック１６０の概略構成を示す側面説明図であ
る。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０
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。

【００７２】この燃料電池スタック１６０では、第２冷
却セル２０を用いておらず、所定数の第１冷却セル１８
のみを介して各発電セル１２を冷却するように構成され
ている。これにより、第１冷却セル１８の冷却作用下
に、各発電セル１２は、積層方向にかつ発電面方向に沿
って温度差を低減することができる。従って、各発電セ
ル１２の発電性能を有効に維持するとともに、燃料電池
スタック１６０全体の小型化が容易に遂行されるという
効果が得られる。

【００７３】

【発明の効果】本発明に係る燃料電池スタックでは、冷
却セルが、発電面に対応する面内において、面内中央部
に対し面内端部よりも多量の冷却媒体を供給する冷却媒
体流路を設けているため、面内方向では、比較的高温に
なり易い面内中央部が強制的に冷却される一方、比較的
低温になり易い面内外周部の冷却効率が低下する。

【００７４】このため、発電セルの面内方向の温度分布
が有効に低減されるとともに、前記面内方向での最高温
度を低下させることができる。これにより、積層方向に
おける発電セル間の温度差が低減され、各発電セルの発
電性能を最高性能に近づけて燃料電池スタックとしての
出力を良好に向上させ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
クの概略構成を示す側面説明図である。

【図２】前記燃料電池スタックの分解斜視説明図であ
る。

【図３】前記燃料電池スタックの要部拡大断面図であ
る。

【図４】前記燃料電池スタックを構成する第１冷却セル
の分解斜視説明図である。

【図５】前記第１冷却セルを構成する流路プレートの正
面説明図である。

【図６】前記燃料電池スタックを構成する第２冷却セル
の分解斜視説明図である。

【図７】前記燃料電池スタックを組み込む燃料電池シス
テムの概略構成説明図である。

【図８】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタッ
クの概略構成を示す側面説明図である。

【符号の説明】

１０、１６０…燃料電池スタック １２…発電セル １４、１６…集電用電極 １８、２０…冷却
セル １９ａ、１９ｂ、５８ａ、５８ｂ…絶縁シート ２１ａ、２１ｂ…エンドプレート ２４…電解質部 ２６…カソード側電極 ２８…アノード側
電極 ３０…接合体 ３２、３４…セパ
レータ ４６…冷媒供給管路 ４８…冷媒排出管
路 ５０…酸化剤ガス流路 ５１…燃料ガス流
路 ５２、８０…流路プレート ５４…冷却液体通
路 ５４ａ…中央通路 ５４ｂ…上部通路 ５４ｃ…下部通路 ５６、８４…蓋プ
レート ６０ａ、６０ｂ…導電プレート ６４ａ〜６４ｃ、
８６…流路溝 ８２…冷却空気通路 ９０…空気導入部 ９４…空気導入口 １１０…燃料電池
システム １１２…燃料ガス供給部 １１４…酸化剤ガ
ス供給部 １１６…冷却液体供給部 １１８…冷却空気
供給部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電解質をアノード側電極とカソード側電極
   とで挟んで構成される接合体を有し、前記接合体をセパ
   レータにより挟持して前記アノード側電極に燃料ガスが
   供給される一方、前記カソード側電極に酸化剤ガスが供
   給される発電セルと、 所定数の前記発電セルに対して電気的に一体的に接続さ
   れる一対の集電用電極と、 前記集電用電極間に介装されるとともに、前記発電セル
   を冷却するための冷却媒体が発電面に沿って供給される
   冷却セルと、 前記冷却媒体を前記発電セルおよび前記集電用電極から
   電気的に絶縁するための絶縁機構と、 前記冷却セルを挟んで配置される前記発電セル同士また
   は前記発電セルと前記集電用電極とを互いに電気的に接
   続するための導電機構と、 を備え、 前記冷却セルは、前記発電面に対応する面内において、
   面内中央部に対し面内端部よりも多量の前記冷却媒体を
   供給する冷却媒体流路を設けることを特徴とする燃料電
   池スタック。
2. 【請求項２】請求項１記載の燃料電池スタックにおい
   て、前記冷却媒体流路は、前記面内中央部と該面内中央
   部を挟んで両側に設けられる前記面内端部とに略３等分
   に分割されるとともに、 前記面内中央部には、前記冷却媒体流路に供給される全
   冷却媒体流量の１／３〜２／３の流量が供給されること
   を特徴とする燃料電池スタック。
3. 【請求項３】請求項１または２記載の燃料電池スタック
   において、前記発電セルを冷却するための冷却気体が供
   給され、前記冷却セルとの間に所定数の前記発電セルを
   挟んで前記集電用電極間に介装される補助冷却セルを備
   えることを特徴とする燃料電池スタック。