JP2005293878A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックの発電を行ったときに、逆拡散などによってアノード電極側に発生するＨ_２Ｏの結露を効果的に防止する。
【解決手段】燃料電池スタック１の互いに隣り合う膜電極構造体７，７の間のセパレータ８に形成された冷媒流路１８は、その始端から終端に至る流路のうちの少なくとも一部の流路の終端近傍部分１８ｘが、膜電極構造体７のアノード電極１０の表面側の反応ガス（水素ガス）流路１３の終端に、冷媒流路１８の始端よりも近接して該反応ガス流路１３の終端近傍に存するように形成されている。
【選択図】図４

Description

本発明は燃料電池スタックに関し、特に発電性能の改善を目的とした構造を有する燃料電池スタックに関する。

燃料電池スタックは、固体高分子電解質膜とその両面にそれぞれ接合されたアノード電極およびカソード電極とからそれぞれ構成された複数の膜電極構造体（いわゆるＭＥＡ）と、各膜電極構造体の各電極の表面に臨んで設けられたセパレータとを、互いに隣合う膜電極構造体同士の間にセパレータが介在するように積層することにより構成された電池本体部を備えている。セパレータは、これが臨む電極との間に反応ガスの流路を形成し、該電極の表面沿いに反応ガスを流通させるものである。アノード電極の表面側の流路に流通させる反応ガスと、カソード電極の表面側の流路に流通させる反応ガスとしては、それぞれ通常、水素ガス、空気が使用される。

この種の燃料電池スタックは、固体高分子電解質膜を介したガス反応（水素と空気中の酸素との反応）によって各膜電極構造体の両電極間に電力を発生する。そして、この電力の発生時の発熱によって燃料電池スタックの昇温が過剰になるのを防止するために、互いに隣合う膜電極構造体同士の間のセパレータに、反応ガスの流路と画成（隔離）された冷媒流路を形成し、この冷媒流路に冷媒を流すことが一般に行われている。

ところで、燃料電池スタックでは、酸素と水素との反応によって水もしくは水蒸気（Ｈ₂Ｏ）が生成され、その生成されたＨ_２Ｏは、通常は、カソード電極の表面からこれに臨む反応ガス流路（空気流路）に進入する。そして、このカソード電極の表面に発生したＨ_２Ｏは、その多くは、該カソード電極の表面に臨む空気流路に供給される空気によって該空気流路の始端（入口）側から終端（出口）側に運搬されて、該空気流路から排出される。しかし、比較的低温な環境下で燃料電池スタックの運転を行ったような場合には、特に、空気流路の出口付近でＨ_２Ｏが結露して、カソード電極に付着したまま残留したり、あるいは、空気流路内に残留する恐れがある。そして、このようにＨ_２Ｏの結露およびその残留が発生すると、空気の流れが悪くなり、燃料電池スタックの発電能力が低下してしまう。

このような不具合を防止するために、例えば米国特許５５４７７７６（特許文献１）には、反応ガスとしての空気がアノード電極の表面側の反応ガス流路（空気流路）をその始端側の箇所から終端側の箇所に移っていくに伴い、その反応ガス流路の行路中の各箇所に隣接する冷媒流路の箇所（膜電極構造体の法線方向で見て反応ガス流路の各箇所とほぼ重なるような冷媒流路の箇所）が該冷媒流路の始端側から終端側に移っていくように、それらの空気流路および冷媒流路を形成するようにしたものが提案されている。これによれば、空気流路の終端付近の箇所が、冷媒流路を流れる過程で膜電極構造体の発熱によって暖められた冷媒を介して暖められやすくなる。その結果、空気流路の終端付近でのＨ_２Ｏの結露を防止することが可能となる。
米国特許５５４７７７６

ところで、燃料電池スタックの固体高分子電解質膜は、近年、燃料電池スタックの小型化やコスト低減などのために、より薄い膜厚のものが製造されるようになってきている。そして、特に、薄い膜厚の固体高分子電解質膜（例えば４０μｍの厚さの固体高分子電解質膜）を使用する燃料電池スタックでは、膜電極構造体で生成されたＨ_２Ｏの、いわゆる逆拡散が発生しやすい。このような逆拡散が発生しやすい燃料電池スタックでは、生成されたＨ_２Ｏのうち、カソード電極の表面に拡散せずにアノード電極の表面に拡散（逆拡散）する量が多くなるため、アノード電極側の反応ガス流路（水素ガス流路）にもＨ_２Ｏが進入しやすくなる。なお、通常的な厚さの固体高分子電解質膜を使用している場合でも、アノード電極側へのＨ_２Ｏの逆拡散が多少生じることがある。そして、その逆拡散の発生の度合いが固体高分子電解質膜の厚さが薄くなるほど、高くなる。

この場合、アノード電極側の表面に拡散するＨ_２Ｏの量は、カソード電極の表面に拡散するＨ_２Ｏの量よりも一般には少ない。このため、従来は、アノード電極側に発生するＨ_２Ｏについては、その結露の影響などは考慮されておらず、その結露の防止のための格別な方策も採られていないのが実状である。

しかし、本願発明者は、種々様々の検討、実験によって、アノード電極側でのＨ_２Ｏの結露の防止が燃料電池スタックの発電性能の低下を防止する上で重要な課題であることを知見した。すなわち、アノード電極側の反応ガス流路（水素ガス流路）に供給される水素ガスの流量は、カソード電極側の空気流路に供給される空気の流量に比して小さい。加えて、水素ガス流路に供給された水素ガスは、アノード電極の表面沿いに流れる過程で徐々に消費されてその流量が少なくなっていく。このため、特にアノード電極側で発生したＨ_２Ｏは、そのアノード電極の表面沿いの水素ガス流路の終端付近に溜まって結露しやすい。

そして、この場合、前記特許文献１のもののように、カソード電極側の空気流路とこれに隣接する冷媒流路とを形成しても、燃料電池スタックの発電を行ったときに、アノード電極側に発生したＨ_２Ｏの結露の防止が不十分になり、ひいては、燃料電池スタックの発電能力が低下しやすいという不都合を生じる。

本発明はかかる背景に鑑みてなされたものであり、燃料電池スタックの発電を行ったときに、逆拡散などによってアノード電極側に発生するＨ_２Ｏの結露を効果的に防止することができる燃料電池スタックを提供することを目的とする。

本発明の燃料電池スタックは、かかる目的を達成するために、固体高分子電解質膜とその両面にそれぞれ接合されたアノード電極およびカソード電極とからそれぞれ構成された複数の膜電極構造体と、各膜電極構造体の各電極の表面に臨んで設けられ、該電極との間に反応ガスの流路を形成するセパレータとを積層して構成された電池本体部を備えると共に、少なくとも一組の隣り合う膜電極構造体の間のセパレータに、当該一組の膜電極構造体のうちの一方の膜電極構造体のアノード電極の表面側の反応ガスの流路と他方の膜電極構造体のカソード電極の表面側の反応ガスの流路とから画成された冷媒の流路を形成してなる燃料電池スタックにおいて、前記一組の膜電極構造体の間のセパレータに形成された冷媒の流路は、その始端から終端に至る流路のうちの少なくとも一部の流路の終端近傍部分が、当該一組の膜電極構造体のうちの前記一方の膜電極構造体のアノード電極の表面側の反応ガスの流路の終端に、該冷媒の流路の始端よりも近接して該反応ガスの流路の終端近傍に存するように形成されていることを特徴とするものである。

なお、本発明において、アノード電極側の反応ガスの流路（該アノード電極の表面に臨む流路）に供給する反応ガスは、水素ガスもしくはこれを含有するガスであり、カソード電極側の反応ガスの流路（該カソード電極の表面に臨む流路）に供給する反応ガスは、酸素ガスもしくはこれを含有するガス（好適には空気）である。

本発明の燃料電池スタックによれば、前記一組の膜電極構造体のセパレータに形成された冷媒の流路が、上記のように形成されているので、この流路を流れる過程で燃料電池スタックの発電時の発熱により暖められる冷媒の少なくとも一部がその流路の終端近傍部分（該冷媒の流路の出口近傍の箇所）に達したときに、その熱によってアノード電極側の反応ガスの流路の終端近傍（該反応ガスの流路の出口近傍の箇所）を暖めることとなる。その結果、燃料電池スタックの発電運転を行ったときに、生成されたＨ_２Ｏがアノード電極側に拡散して該アノード電極の表面に臨む反応ガス流路に進入しても、そのＨ_２Ｏが該アノード電極側の反応ガス流路の終端付近で結露するのが効果的に防止される。

従って、本発明の燃料電池スタックによれば、燃料電池スタックの発電を行ったときに、逆拡散などによってアノード電極側に発生するＨ_２Ｏの結露を効果的に防止することができる。ひいては、生成されたＨ_２Ｏの結露による燃料電池スタックの発電性能の低下を防止することができる。

なお、本発明においては、アノード電極側の反応ガスの流路に供給する反応ガスは、水素ガスそのものでよいことはもちろんであるが、カソード電極側の反応ガスの流路に供給する反応ガスは、酸素を含有するガスとしての空気が好適である。カソード電極側の反応ガスとして空気を使用することで、カソード電極側の流路（空気流路）に供給すべき空気の流量が比較的多くなる。このため、アノード電極側に生成されるＨ_２Ｏは、その大部分を空気によって運搬して、空気流路の終端（出口）から排出することが可能である。この場合、本発明では、アノード電極側の反応ガスの流路と冷媒の流路との関係については、カソード電極側と同様に、前記一組の膜電極構造体の間のセパレータに形成された冷媒の流路は、その始端から終端に至る流路のうちの少なくとも一部の流路の終端近傍部分が、当該一組の膜電極構造体のうちの前記他方の膜電極構造体のカソード電極の表面側の反応ガスの流路の終端に、該冷媒の流路の入口よりも近接して該反応ガスの流路の終端近傍に存するように形成されていることが好適である。但し、必ずしも、このように形成しておく必要はない。

本発明の第１実施形態を図１〜図６を参照して説明する。図１は燃料電池スタックの構成を模式的に示す斜視図である。同図に示すように燃料電池スタック１は、電池本体部２と、この電池本体部２の外周囲に装着されたヘッダ３とを備えている。ヘッダ３の一方の側部３ａ（図の左側部）には、水素ガスの導入側通路４inと、冷媒の導入側通路５inと、空気の導出側通路６outとが、それぞれ燃料電池スタック１の長手方向に貫通して設けられている。これらの水素ガスの導入側通路４in（以下、導入側水素ガス通路４inという）、冷媒の導入側通路５in（以下、導入側冷媒通路５inという）、および空気の導出側通路６out（以下、導出側空気通路６outという）は、この順番でヘッダ３の側部３ａの上部側から下部側に向かって上下方向に並列している。

また、ヘッダ３の他方の側部３ｂには、水素ガスの導出側通路４outと、冷媒の導出側通路５outと、空気の導入側通路６inとが、それぞれ燃料電池スタック１の長手方向に貫通して設けられている。これらの水素ガスの導出側通路４out（以下、導出側水素ガス通路４outという）、冷媒の導出側通路５out（以下、導出側冷媒通路５outという）、および空気の導入側通路６in（以下、導入側空気通路６inという）は、この順番でヘッダ３の側部３ｂの下部側から上部側に向かって上下方向に並列している。

詳細な図示は省略するが、導入側水素ガス通路４inと導出側水素ガス通路４outとは燃料電池スタック１の長手方向の一端部（図１の奥側の端部。以下、後端部という）にて図示しない管を介して連通されている。そして、導入側水素ガス通路４inには、矢印（１）で示すように、燃料電池スタック１の長手方向の他端部（図１の手前側の端部。以下、前端部という）から図示しない水素ガス供給器によって水素ガスが供給される。さらに、その供給された水素ガスのうち、電池本体部２で消費された水素ガスを除く残余の水素ガスが、導出側水素ガス通路４outを矢印（１）’で示すように図１の手前側に向かって流れ、燃料電池スタック１の前端部にて該導出側水素ガス通路４outから導出されて回収されるようになっている。

同様に、導入側冷媒通路５inと導出側冷媒通路５outとは燃料電池スタック１の後端部にて連通されている。そして、導入側冷媒通路５inには、矢印（２）で示すように、燃料電池スタック１の前端部から図示しない冷媒供給器によって冷媒が供給される。さらに、その供給された冷媒が、電池本体部１の後述の冷媒流路を経由した後、導出側冷媒通路５outを矢印（２）’で示すように図１の手前側に向かって流れ、燃料電池スタック１の前端部にて該導出側冷媒通路５outから導出されて回収されるようになっている。なお、導出側冷媒通路５outから回収された冷媒は、燃料電池スタック１の外部にて図示しない放熱器を経由して放熱した後、再び導入側冷媒通路５inに供給されるようになっている。

また、導入側空気通路６inと導出側空気通路６outとは、上記と同様に燃料電池スタック１の後端部にて連通されている。そして、導入側空気通路６inには、矢印（３）で示すように、燃料電池スタック１の前端部から図示しない空気供給器によって空気（大気）が供給される。さらに、その供給された空気のうち、電池本体部２で消費される酸素を除いた空気が、導出側空気通路６outを矢印（３）’で示すように図１の手前側に向かって流れ、燃料電池スタック１の前端部にて該導出側空気通路６outから導出されるようになっている。

電池本体部２は、複数の板状の膜電極構造体７と、その各膜電極構造体７の各面に装着された導電性のセパレータ８とを各膜電極構造体７の法線方向（燃料電池スタック１の長手方向）に積層して構成されている。別の言い方をすれば、電池本体部２は、複数の膜電極構造体７と複数のセパレータ８とが交互に並ぶようにそれらを各膜電極構造体７の法線方向に積層して構成されている。さらに別の言い方をすれば、各膜電極構造体７とその両側のセパレータ８，８とによって、燃料電池スタック１の単位セル（１つの発電要素）が構成され、この単位セルを直列に積層することで、電池本体部２が構成されている。

以下に、図２を参照して、膜電極構造体７およびセパレータ８の基本構造を説明する。図２は電池本体部２を構成する一部の膜電極構造体７およびセパレータ８の断面図を示している。

各膜電極構造体７は、通常、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と称されるものであり、図示の如く、薄い方形フィルム状の固体ポリマーイオン交換膜などからなる固体高分子電解質膜９（以下、単に電解質膜９という）とその両面にそれぞれ接合された板状のアノード電極１０およびカソード電極１１とから構成されている。電解質膜９は、本実施形態では例えば４０μｍの厚さのものが用いられている。なお、かかる各膜電極構造体７の構造は公知のものであるので、本明細書でのさらなる説明は省略する。

セパレータ８は、各膜電極構造体７の各電極１０，１１との間に反応ガス（本実施形態では反応ガスとして水素ガスと空気とを用いる）の流路を形成するものである。この場合、互いに隣り合う膜電極構造体７，７の間のセパレータ８は、より詳しくは一方の膜電極構造体７のアノード電極１０の表面に装着されて該アノード電極１０との間に水素ガスの流路を形成するセパレータ８ａと、他方の膜電極構造体７のカソード電極１１の表面に装着されて該カソード電極１１との間に空気の流路を形成するセパレータ８ｃとを接合して構成されている（以下、これらのセパレータ８ａ，８ｃをそれぞれアノード側セパレータ８ａ、カソード側セパレータ８ｃということがある）。これらのセパレータ８ａ，８ｃは本実施形態では例えばカーボンから構成されている。

アノード側セパレータ８ａの、アノード電極１０に臨む面には、複数の溝１２が形成されており、その溝１２とアノード電極１０の表面との間に形成される空間が水素ガス流路１３として形成されている。同様にカソード側セパレータ８ｃのカソード電極１１に臨む面に形成された複数の溝１４と該カソード電極１１の表面との間に空間が空気流路１５として形成されている。

また、本実施形態では、これらの互いに隣接して接合されたアノード側セパレータ８ａおよびカソード側セパレータ８ｃの接合面、すなわち、アノード側セパレータ８ａのカソード側セパレータ８ｃに臨む面と、カソード側セパレータ８ｃのアノード側セパレータ８ａに臨む面とには、互いに対向する複数の溝１６，１７が各々形成されており、この溝１６，１７によって両セパレータ８ａ，８ｃの間に形成される空間が冷媒流路１９として形成されている。冷媒流路１９と水素ガス流路１３とはアノード側セパレータ８ａによって画成され、冷媒流路１９と空気流路１５とはカソード側セパレータ８ｃによって画成されている。

ここで、本実施形態におけるアノード側セパレータ８ａとこれを装着したアノード電極１０との間の水素ガス流路１３のパターンと、互いに接合されたアノード側セパレータ８ａとカソード側セパレータ８ｃとの間の冷媒流路１８のパターンとをそれぞれ図３、図４を参照して説明する。図３は図２に示した矢印IIIの向きで見た水素ガス流路１３のパターンを示しており、図４は図２に示した矢印IVの向きで見た冷媒流路１８のパターンを示している。なお、これらの図３および図４には、ヘッダ３を併せて図示している。この場合、矢印III，IVの向きは逆向きであるので、図３および図４のヘッダ３は互いに左右が逆になっている。

図３に示すように、アノード側セパレータ８ａの複数の溝１２によって形成される水素ガス流路１３（これは本実施形態では各溝１２毎の複数の流路から構成されている）は、その始端（入口）１３inが同図の右上箇所で、ヘッド３の側部３ａの上部に存する導入側水素ガス通路４inに連通されており、その始端１３inから左右に蛇行しながら同図の左下の終端（出口）１３outに至っている。そして、その水素ガス流路１３の終端１３outがヘッド３の側部３ｂの下部に存する導出側水素ガス通路４outに連通されている。

また、図４に示すように、冷媒流路１８は、その始端（入口）１８inが同図の左側部の中央箇所で、ヘッド３の側部３ａの中央部に存する導入側冷媒通路５inに連通されており、その始端１８inから上下方向に並ぶ複数の流路１８ａ，１８ｂ，１８ｃに分岐した後、同図の右側部の中央箇所の終端（出口）１８outに合流している。そして、その冷媒流路１８の終端１８outがヘッド３の側部３ｂの中央部に存する導出側冷媒通路５outに連通されている。なお、図４の破線は、冷媒流路１８と水素ガス流路１３の位置関係を示すために、水素ガス流路１３の全体的（代表的）な経路を示したものである。

ここで、本実施形態では、前記図１に示した如く、ヘッド３の側部３ａの上部と中央部（上下方向での中央部）とにそれぞれ導入側水素ガス通路４inおよび導入側冷媒通路５inが配置されており、また、ヘッド３の側部３ｂの中央部（上下方向の中央部）と下部とにそれぞれ導出側冷媒通路５outおよび導出側水素ガス通路４outが配置されている。従って、冷媒流路１８と水素ガス流路１３とを膜電極構造体７の法線方向で同じ向きから見たとき、図４に見られる如く、冷媒流路１８のうちの下側の流路１８ｃは、その終端近傍部分１８ｘ（流路１８ｃのうちの終端１８out寄りの部分）が、水素ガス流路１３の終端近傍に位置している（膜電極構造体７の法線方向で見たときのそれらの終端近傍部分の位置がほぼ同じ位置になる）。また、冷媒流路１８の下側の流路１８ｃの終端近傍部分１８ｘは、冷媒流路１８の始端１８inよりも、水素ガス流路１３の終端に近接している。

なお、本実施形態では、カソード側セパレータ８ｃとこれを装着したカソード電極１１との間に形成される空気流路１５のパターンは、膜電極構造体７の法線方向で見たとき、概ね、水素ガス流路１３のパターンとほぼ左右対称のパターンに形成されている。より詳しくは、空気流路１５は、図２の矢印Ｖの向き（矢印IIIと同じ向き）で見たとき、図５に破線で示す如く、左上の始端（入口）１５inから左右に蛇行しつつ、右下の終端（出口）１５outに至っている。そして、空気流路１５の始端１５inがヘッド３の側部３ｂの上部に存する導入側空気通路６inに連通し、終端１５outがヘッド３の側部３ａの下部に存する導出側空気通路６outに連通している。従って、この空気流路１５と冷媒流路１８との関係については、図５に実線で示した冷媒流路１８のうちの下側の流路１８ｃの始端近傍部分（流路１８ｃのうちの始端１８in寄りの部分）が、空気流路１５の終端近傍に位置し、また、該流路１８ｃの始端近傍部分は、冷媒流路１８の終端１８outよりも、空気流路１５の終端に近接している。

以上説明した如く構成された本実施形態の燃料電池スタック１では、その発電を行うとき、ヘッダ３の導入側冷媒通路５inに冷媒を供給しつつ、ヘッダ３の導入側水素ガス通路４inおよび導入側空気通路６inにそれぞれ反応ガスとしての水素ガス、空気が供給される。なお、冷媒としては、例えば水、エチレングリコール等が用いられる。

このとき、導入側水素ガス通路４inに供給された水素ガスは、各膜電極構造体７のアノード電極１０に臨む水素ガス流路１３にその始端１３inから流入して、この水素ガス流路１３を該アノード電極１０の表面沿いに流れる。そして、その水素ガス流路１３の終端１３outから導出側水素ガス通路４outに流出する。また、導入側空気通路６inに供給された空気は、各膜電極構造体７のカソード電極１１に臨む空気流路１５にその始端１５inから流入して、この空気流路１５を該カソード電極１１の表面沿いに流れる。そして、その空気流路１５の終端１５outから導出側空気通路６outに流出する。また、導入側冷媒通路５inに供給された冷媒は、互いに隣り合う膜電極構造体７，７の間の各冷媒流路１８にその始端１８inから流入してこの冷媒流路１８を流れる。そして、その冷媒流路１８の終端１８outから導出側冷媒通路５outに流出する。

さらに、上記の如くアノード電極１０の表面に水素ガス、カソード電１１の表面に空気が供給された各膜電極構造体７にあっては、アノード電極１０に供給された水素ガスがイオン化し、その水素イオンが電解質膜９を透過してカソード電極１１に移動する。そして、このカソード電極１１に移動した水素イオンが、該カソード電極１１に供給された空気中の酸素と反応し、そのときに、両電極１０，１１間に起電力が発生して発電すると共に、Ｈ_２Ｏ（水もしくは水蒸気）が生成される。また、この発電時に各膜電極構造体７で発生する熱エネルギーは、これに隣接するセパレータ８の内部の冷媒流路１８を流れる冷媒によって吸収され、これにより燃料電池スタック１の過剰な昇温が防止される。なお、各膜電極構造体７の両電極１０，１１間に発生した起電力（発電電力）は、各膜電極構造体７の両側のセパレータ８，８から図示しないケーブルを介して取り出され、それを全ての膜電極構造体７について直列に合成してなる電力が適宜の電気負荷に供給される。

かかる発電時において、各膜電極構造体７で生成されるＨ_２Ｏはその多くが該膜電極構造体７の両電極１０，１１のうちのカソード電極１１側に拡散して該カソード電極１１の表面に臨む空気流路１５に進入する。但し、いわゆる逆拡散などによって、生成されたＨ_２Ｏの一部は、アノード電極側１０に拡散して該アノード電極１０の表面に臨む水素ガス流路１３に進入する。

この場合、空気流路１５に供給される空気のうち、各膜電極構造体１１の発電のために消費される成分は、該空気の約１／５の組成割合である酸素のみであるので、該空気流路１５に供給される空気の流量は、水素ガス流路１３に供給される水素ガスの流量よりも十分に多いものとされている。また、空気流路１５に供給される空気のうちの一部の組成成分である酸素が該空気流路１５を流れる過程で各膜電極構造体１１の発電によって消費されても、該空気流路１５の流量はさほど低下しない。このため、空気流路１５に進入するＨ_２Ｏの大部分は、基本的には、カソード電極１１の表面に結露して残留したりすることなく、空気流路１５を流れる空気によって運搬されて、該空気流路１５からヘッダ３の導出側空気通路５inに流出する。

一方、水素ガス流路１３に供給される水素ガスの流量は空気流路１５への空気の供給流量に比して少なく、また、その水素ガスが水素ガス流路１３を流れる過程で膜電極構造体１１の発電によって消費されることで、水素ガス流路１３における水素ガスの流量は、その水素ガス流路１３の終端１３outに近づくに伴い減少していく（減少の度合いが空気流路１５の場合よりも大きい）。このため、特に水素ガス流路１３の終端近傍でＨ_２Ｏの結露およびその残留が発生しやすい。

しかるに、本実施形態の燃料電池スタック１では、前記したように、冷媒流路１８のうちの下側の流路１８ｃは、その終端近傍部分１８ｘが、水素ガス流路１３の終端近傍に位置し、また、流路１８ｃの終端近傍部分１８ｘは、冷媒流路１８の始端１８inよりも、水素ガス流路１３の終端に近接している。このため、水素ガス流路１３の終端近傍は、冷媒流路１８をその始端１８inから終端１８outに流れる過程で暖められた冷媒（流路１８ｃの終端近傍部分１８ｘの冷媒）の熱によって放熱しにくくなっている。その結果、水素ガス流路１３の終端近傍でＨ_２Ｏが結露するのが防止される。ひいては、結露しアノード電極１０に付着したＨ_２Ｏや水素ガス流路１３内に残留するＨ_２Ｏによって膜電極構造体７の発電能力（発電出力）が損なわれてしまうような事態を回避することができる。

ここで、図６を参照して、本実施形態の燃料電池スタック１の効果の検証結果について説明する。図６のグラフａは、本実施形態の燃料電池スタック１の起動後の定常状態（燃料電池スタック１への水素ガスの供給量、空気の供給量、冷媒の供給量、環境温度等を一定に維持した状態）における各単位セル（各膜電極構造体７とその両側のセパレータ８，８で構成される電池）の出力電圧の測定値を示すもの（実施例）である。なお、図６の横軸は、燃料電池スタック１の長手方向（膜電極構造体７の法線方向）における各セルの膜電極構造体７の位置を示し、縦軸は各セルの出力電圧である。

また、図６のグラフｂは、比較例の燃料電池スタックの起動後の定常状態における各単位セルの出力電圧の測定値を示すものである。比較例の燃料電池スタックは、その構造は本実施形態の燃料電池スタックと同一であるが、実施形態のものと逆に、ヘッダ３の導出側水素ガス通路４outから水素ガスを供給すると共に、導出側空気通路６outから空気を供給するようにしたものである。つまり、比較例は、各水素ガス流路での水素ガスの流れの向きと、各空気流路での空気の流れの向きとを前記実施形態と逆向きにしたものである。これ以外の測定条件は、グラフａの実施例と同一である。この場合、比較例の燃料電池スタックでは、上記の如く水素ガス、酸素ガスを供給するので、水素ガス流路にあっては、その終端が冷媒流路の始端近傍部分に近いものとなり、また、空気流路にあっては、その終端が冷媒流路の終端近傍部分に近いものとなる。

図６に見られる如く、比較例の燃料電池スタックでは、図のＡ，Ｂに対応する位置の単位セルにおいて、出力電圧の比較的大きな落ち込みが生じている。ここで、比較例の燃料電池スタックでは、空気流路の終端近傍に、冷媒流路の一部の流路の終端近傍部分が存在しているので、空気流路の終端近傍でのＨ_２Ｏの結露を防止する上では実施例のものよりも有利になっているにもかかわらず、水素ガス流路の終端と冷媒流路の終端近傍部分とが離れているため、水素ガス流路の終端近傍でＨ_２Ｏの結露およびその残留が生じやすくなっている。比較例の燃料電池スタックでは、図のＡ，Ｂに対応する位置の単位セルにおいて、水素ガス流路の終端近傍でＨ_２Ｏの結露およびその残留が発生し、それによって、それらの単位セルの出力電圧の落ち込みが生じていると考えられる。

これに対して、実施例の燃料電池スタック１では、図のＡ，Ｂに対応する位置の単位セルの出力電圧の落ち込みが比較例に比して小さくなっていると共に、各単位セルの出力電圧も全体的に比較例よりも高くなっている。そして、この場合、実施例の燃料電池スタック１では、空気流路１５の終端が冷媒流路１８の終端近傍部分から離れていて、空気流路１５の終端近傍でのＨ_２Ｏの結露を防止する上では比較例よりも不利であるにもかかわらず、上記の如く、比較例よりも各単位セルの出力特性を良好になっている。これは、実施例の燃料電池スタック１では、前記した通り、水素ガス流路１３の終端近傍でのＨ_２Ｏの結露が防止されることによる効果が大きいためであると考えられる。

次に、本発明の他の実施形態を説明する。なお、以降に説明する実施形態では、第１実施形態と同一構成もしくは同一機能部分については第１実施形態と同一の参照符号を用いて詳細な説明を省略する。

本発明では、冷媒流路のパターンと水素ガス流路のパターンとの関係は、前記第１実施形態のものに限られるものではない。例えば図７〜図１１にそれぞれ示すようなパターンを用いてもよい。

図７に示す実施形態（第２実施形態）、図８に示す実施形態（第３実施形態）、および図９に示す実施形態（第４実施形態）は、いずれも、水素ガス流路１３のパターンのみが第１実施形態と相違するものである。図７に示す第２実施形態では、水素ガス流路１３は、ヘッダ３の導入側水素ガス通路４inに連通する始端から、冷媒流路１８のうちの流路１８ａ，１８ｂ，１８ｃにそれぞれ沿う３つの流路に分岐され、それが、導出側水素ガス通路４outの付近で合流されて終端に至り、該導出側水素ガス通路４outに連通している。

また、図８に示す第３実施形態では、水素ガス流路１３は、ヘッダ３の導入側水素ガス通路４inに連通する始端から、上下に蛇行しつつ右側に移動して導出側水素ガス通路４outに近づき、その終端で該導出側水素ガス通路４outに連通している。

また、図９に示す第４実施形態では、水素ガス流路１３は、ヘッダ３の導入側水素ガス通路４inに連通する始端から左右に蛇行しつつ、下側に移動して左下側の箇所に至り、次いで、上下に蛇行しつつ右側に移動して導出側水素ガス通路４outに近づき、その終端で該導出側水素ガス通路４outに連通している。

これらの第２〜第４のいずれの実施形態においても、第１実施形態と同様に、冷媒流路１８のうちの流路１８ｃの終端近傍部分１８ｘが水素ガス流路１３の終端近傍に存在しており、また、流路１８ｃの終端近傍部分１８ｘは、冷媒流路１８の始端１８inよりも水素ガス流路１３の終端に近接している。従って、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

また、図１０に示す実施形態（第５実施形態）と、図１１に示す実施形態（第６実施形態）とは、いずれも、水素ガス流路１３のパターンを例えば前記第４実施形態と同一とすると共に、冷媒流路１８のパターンとヘッダ３の導入側冷媒通路５inおよび導出側冷媒通路５outの位置とを第１実施形態と異なるものとしたものである。それ以外は、第１実施形態と同一である。

この場合、図１０に示す第５実施形態では、ヘッダ３の導入側冷媒通路５inおよび導出側冷媒通路５outは、それぞれヘッダ３の上部の中央部（左右方向の中央部）、下部の中央部（左右方向の中央部）に設けられている。そして、冷媒流路１８は、ヘッダ３の導入側冷媒通路５inに連通する始端１８inから、下方に伸びる３つの流路１８ａ，１８ｂ，１８ｃに分岐されている。そして、これらの流路１８ａ，１８ｂ，１８ｃは、導出側冷媒通路５outの近くで合流した後、その終端１８outが導出側冷媒通路５outに連通されている。この第５実施形態では、冷媒流路１８のうちの右側の流路１８ｃの終端近傍部分１８ｘが水素ガス流路１３の終端近傍に存在しており、また、流路１８ｃの終端近傍部分１８ｘは、冷媒流路１８の始端１８inよりも水素ガス流路１３の終端に近接している。従って、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

また、図１１に示す第６実施形態では、ヘッダ３の導入側冷媒通路５inおよび導出側冷媒通路５outは、それぞれヘッダ３の上側左隅、下側右隅に設けられている。そして、冷媒流路１８は、ヘッダ３の導入側冷媒通路５inに連通する始端１８inから、斜め下方に伸びる３つの流路１８ａ，１８ｂ，１８ｃに分岐されている。そして、これらの流路１８ａ，１８ｂ，１８ｃは、導出側冷媒通路５outの近くで合流した後、その終端１８outが導出側冷媒通路５outに連通されている。この第６実施形態では、冷媒流路１８（全ての流路１８ａ〜１８ｃ）の終端近傍部分１８ｘが水素ガス流路１３の終端近傍に存在しており、また、冷媒流路１８の終端近傍部分１８ｘは、冷媒流路１８の始端１８inよりも水素ガス流路１３の終端に近接している。従って、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

なお、以上説明した第１〜第６実施形態では、セパラレータをカーボンで構成したものを示したが、セパレータを金属板により構成してもよい。この場合、隣り合う膜電極構造体の間に冷媒流路を形成する場合、例えば２枚の金属板にプレス加工を施すことで各金属板の両面に凹凸溝を形成し、それぞれの金属板を一方の膜電極構造体のアノード電極、他方の膜電極構造体のカソード電極に各々接合することで、各電極との間に水素ガス流路、空気流路を形成する。さらに、それらの２枚の金属板を接合することで、両金属板の間に冷媒流路を形成することができる。

また、冷媒流路や、空気流路、水素ガス流路は、カーボンや金属板からなるセパレータに複数の突起（エンボス）を点在的に形成し、それによって、流路を構成してもよい。

また、前記第１〜第６実施形態では、冷媒流路は、互いに隣合う各組の膜電極構造体７，７の間に設けるようにしたが、必ずしも、全ての組の膜電極構造体７，７の間に設ける必要はない。例えば、膜電極構造体７，７の組の１つ置き毎に冷媒流路を設けるようにしてもよい。この場合、間に冷媒流路を設けない膜電極構造体７，７の組については、その膜電極構造体７，７の間のセパレータを単一構造（１部品構造）のカーボンもしくは金属板により形成してもよい。

また、前記第１実施形態では、空気流路１５と冷媒流路１８との関係については、図５に実線で示した冷媒流路１８のうちの下側の流路１８ｃの始端近傍部分（流路１８ｃのうちの始端１８in寄りの部分）が、空気流路１５の終端近傍に位置し、また、該流路１８ｃの始端近傍部分は、冷媒流路１８の終端１８outよりも、空気流路１５の終端に近接しているようにした。但し、水素ガス流路１３と冷媒流路１８との関係と同様に、冷媒流路のうちの少なくとも一部の流路の終端近傍部分（その流路の始端寄りの部分）が、空気流路の終端近傍に位置し、また、その冷媒流路の少なくとも一部の流路の終端近傍部分が、冷媒流路の始端よりも、空気流路の終端に近接するようにしてもよい。この場合の実施形態は、例えば第１実施形態における導入側空気通路６inと導出側空気通路６outとをそれぞれ第１実施形態と逆に、導出側、導入側として使用して、空気を導出側空気通路６outから供給するようにするようすればよい。このようにすると、各空気流路１５における空気の流れの向きが第１実施形態と逆になるので、冷媒流路１８と空気流路１５との上記の関係が実現できる。このことは、前記第２〜第６実施形態についても同様である。

本発明の第１実施形態の燃料電池スタックの全体構成を概略的に示す斜視図。 図１の燃料電池スタックの電池本体部の膜電極構造体およびセパレータの構成を示す断面図。 図２の矢印IIIの向きで見た水素ガス流路のパターンを示す図。 図２の矢印IVの向きで見た冷媒流路のパターンを示す図。 図２の矢印Vの向きで見た冷媒流路と空気流路とのパターンを示す図。 第１実施形態の燃料電池スタックの効果の検証結果を示すグラフ。 第２実施形態における燃料電池スタックの冷媒流路と水素ガス流路とのパターンの関係を示す図。 第３実施形態における燃料電池スタックの冷媒流路と水素ガス流路とのパターンの関係を示す図。 第４実施形態における燃料電池スタックの冷媒流路と水素ガス流路とのパターンの関係を示す図。 第５実施形態における燃料電池スタックの冷媒流路と水素ガス流路とのパターンの関係を示す図。 第６実施形態における燃料電池スタックの冷媒流路と水素ガス流路とのパターンの関係を示す図。

符号の説明

１…燃料電池スタック、２…電池本体部、７…膜電極構造体、８，８ａ，８ｂ…セパレータ、９…固体高分子電解質膜、１０…アノード電極、１１…カソード電極、１３…水素ガス流路、１５…空気流路、１８…冷媒流路。

Claims (1)

1. 固体高分子電解質膜とその両面にそれぞれ接合されたアノード電極およびカソード電極とからそれぞれ構成された複数の膜電極構造体と、各膜電極構造体の各電極の表面に臨んで設けられ、該電極との間に反応ガスの流路を形成するセパレータとを積層して構成された電池本体部を備えると共に、少なくとも一組の隣り合う膜電極構造体の間のセパレータに、当該一組の膜電極構造体のうちの一方の膜電極構造体のアノード電極の表面側の反応ガスの流路と他方の膜電極構造体のカソード電極の表面側の反応ガスの流路とから画成された冷媒の流路を形成してなる燃料電池スタックにおいて、
   前記一組の膜電極構造体の間のセパレータに形成された冷媒の流路は、その始端から終端に至る流路のうちの少なくとも一部の流路の終端近傍部分が、当該一組の膜電極構造体のうちの前記一方の膜電極構造体のアノード電極の表面側の反応ガスの流路の終端に、該冷媒の流路の始端よりも近接して該反応ガスの流路の終端近傍に存するように形成されていることを特徴とする燃料電池スタック。

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