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JPWO2000031814A1 - Polymer electrolyte fuel cell stack - Google Patents

Polymer electrolyte fuel cell stack

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JPWO2000031814A1
JPWO2000031814A1 JP2000-584546A JP2000584546A JPWO2000031814A1 JP WO2000031814 A1 JPWO2000031814 A1 JP WO2000031814A1 JP 2000584546 A JP2000584546 A JP 2000584546A JP WO2000031814 A1 JPWO2000031814 A1 JP WO2000031814A1
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JP
Japan
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separator
cell stack
flow path
fuel cell
polymer electrolyte
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JP2000-584546A
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宗一郎 霜鳥
和夫 齋藤
美知郎 堀
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Toshiba Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 セパレータの外形形状を長方形とし、セパレータの表面に形成された燃料ガス流路あるいは酸化剤ガス流路の周囲部分で、セパレータの長辺の伸長方向と実質的に平行な部分に、冷却媒体用流路を形成し、冷却媒体をセパレータ平面に対して直角方向に流通させるように構成する。 (57) [Abstract] The separator has a rectangular outer shape, and a cooling medium flow path is formed in the peripheral portion of the fuel gas flow path or oxidant gas flow path formed on the surface of the separator, in a portion substantially parallel to the extension direction of the long side of the separator, so that the cooling medium flows in a direction perpendicular to the separator plane.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

[技術分野] 本発明は、イオン伝導性を有する固体高分子を電解質とする固体高分子型燃料
電池スタックに係り、特に、大きな反応面積を確保するべく改良を施した固体高
分子型燃料電池スタックに関するものである。 [背景技術] 近年、高効率のエネルギー変換装置として、燃料電池が注目を集めている。こ
の燃料電池は、用いられる電解質の種類により、アルカリ型、固体高分子型、リ
ン酸型等の低温作動燃料電池と、溶融炭酸塩型、固体酸化物型等の高温作動燃料
電池とに大別される。 なかでも、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
固体高分子型燃料電池(以下、PEFCと記す)は、コンパクトな構造で高出力
密度が得られ、かつ簡易なシステムで運転が可能なことから、宇宙用や車両用な
どの電源として注目されている。 この高分子電解質膜(以下、高分子膜という)としては、パーフルオロカーボ
ンスルホン酸膜(例えば、ナフィオン:商品名、デュポン社製)などが用いられ
ている。そして、このような高分子膜を、白金などの触媒を有する一対の多孔質
電極(燃料極と酸化剤極)によって狭持して、膜電極複合体が構成されている。
なお、上記高分子膜および多孔質電極は共にシート状に形成されており、内部抵
抗を低減するために、その厚みは概略1mm以下にされている。 また、前記高分子膜および電極のシートの形状は通常矩形であり、電極の面積
は、発電に必要な電流値および単位面積当たりの電流値すなわち電流密度によっ
て決まり、概略100cm以上、すなわち1辺が10cm以上の大きさに設定
されているものが多い。なお、高分子膜は燃料極と酸化剤極に供給されるガスの
混合を防ぐ役割もあるため、その面積は電極の面積より大きく設定されている。 前記膜電極複合体から電流を取り出すために、燃料極と酸化剤極の外側には集
電体が配置される。この集電体には、燃料極および酸化剤極の面と平行に多数の
溝が形成され、この溝が、燃料極および酸化剤極に電池反応に必要な燃料ガスお
よび酸化剤ガスを供給するガス流路となっている。また、1つの膜電極複合体に
よって生じる起電力は1V以下と小さいため、複数の膜電極複合体を積層し、直
列に接続してPEFC積層体を構成し、起電力を高くしている。この際、燃料極
側の集電体と酸化剤極側の集電体が必要となるため、隣接する膜電極複合体の燃
料極側の集電体と酸化剤極側の集電体を一体に構成したセパレータが用いられて
いる。 ところで、膜電極複合体では電池反応によって熱を生じる。この熱を取り除く
冷却方法としては、複数の膜電極複合体の間に冷却板を挿入し、この冷却板に冷
却水を流通させる方法が一般的である。しかし、この方法では、ガスを供給する
セパレータとは別に冷却水を供給するセパレータも必要になるため、積層方向の
厚みが増してしまうという問題点があった。 この問題点を解決する方法として、ガス流路の周囲4方を取り囲むように冷却
水流路を形成することにより、膜電極複合体の間に挿入されていた冷却板を省略
する方法が、特開平10−21949号公報に開示されている。すなわち、前記
公報に示された技術は、図1に示すように、中央部にガス流路となる溝201が
形成されたセパレータ200の上下左右4ヶ所に、冷却水を流通させる流路20
2を形成し、この流路202内に冷却水を流すことによって反応熱を取り除くも
のである。 しかしながら、上記の冷却方法には、以下のような問題点があった。 第一の問題点として、反応面積を大きくできないという点が挙げられる。すな
わち、上記の冷却方法では、セパレータ200によって挟持された膜電極複合体
で生じた熱は、セパレータ200に伝わり、セパレータの厚み方向と直角な方向
に伝わって、流路202内を流れる冷却水により取り除かれる。つまり、反応部
中央のセパレータの温度が周囲部より高くなる。 したがって、反応面積を大きくすると、反応部中央と冷却流路の距離も大きく
なり、上記の温度差も大きくなる。一方、セパレータの厚みを増やし、断面積、
すなわち伝熱面積を増やすことにより温度差を小さくすることも考えられるが、
この方法ではセルの厚みも増えてしまい、コンパクト性が失われるという問題が
ある。 第二の問題点として、セパレータ平面内の温度分布が3次元になるという点が
挙げられる。すなわち、上記の冷却方法では、上述したようにセパレータ平面内
の温度分布は、中央部が高く、周囲4辺が低くなる。これでは、ガス流路を平面
状に形成しても、反応によって生じた水は、セパレータの周囲で凝縮してしまう
ため、反応によって生じた水を効率よく回収することはできない。 第三の問題点として、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給孔および排出孔を大き
くできないという問題点が挙げられる。図21のようにガス流路の四方に冷却水
流路を配置した場合、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給孔および排出孔を4角に
配置することになり、供給孔および排出孔の断面積は、冷却水流路の断面積より
も小さくなってしまう。 これは、反応面積を大きくし、多量の燃料ガスまたは酸化剤ガスを必要とした
場合に、供給孔、すなわちガスの分配マニホールドの断面積が小さくなり、積層
した燃料電池スタックの各単セルに、燃料ガスまたは酸化剤ガスを均一に分配で
きなくなる。 [発明の開示] 本発明の目的は、大きな反応面積を確保することができる上に、円滑なガス供
給を図り且つ小型化を実現する固体高分子型燃料電池スタックを提供することに
ある。 上記の目的を達成するために、本発明は、燃料極と酸化剤極とに狭持された固
体高分子電解質膜を有する単セルが、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス
流路と、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路の少なくとも一方
を備えたセパレータを介して複数積層されてなる固体高分子型燃料電池スタック
において、前記セパレターの外形形状を長方形とし、前記燃料ガス流路あるいは
酸化剤ガス流路の周囲部分で、セパレータの長辺の伸長方向と実質的に平行な部
分に、冷却媒体用流路を形成し、前記冷却媒体をセパレータ平面に対して直角方
向に流通させるように構成した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、セパレータの外形形状を長方形と
し、セパレータの長辺の伸長方向と実質的に平行な部分に冷却媒体用流路を形成
しているため、電極の上下端部と電極中央部の距離を小さくすることができるの
で、電極端部と電極中央部の温度差を小さくすることができる。また、反応によ
って発生した熱は上下方向に伝達されるので、左右方向の温度分布はほとんど一
定になる。したがって、反応面積が大きくなっても、セパレータ内の温度差を小
さく抑えることができ、また、単セルの積層方向に冷却部材を挿入する必要もな
いので、積層方向の厚みを小さくすることができる。 また別の発明は、燃料極と酸化剤極とに狭持された固体高分子電解質膜を有す
る単セルが、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記酸化剤極に
酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路の少なくとも一方を備えたセパレータを介
して複数積層されてなる固体高分子型燃料電池スタックにおいて、前記セパレタ
ーの外形形状を長方形とし、前記セパレータの相対する長辺の伸長方向と実質的
に平行な部分に、冷却媒体用流路を複数形成し、前記冷却媒体をセパレータ平面
に対して直角方向に流通させるように構成した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、冷却媒体用流路をセパレータの相
対する長辺の伸長方向と実質的に平行な部分に複数形成しているので、上記請求
項1に記載の発明の作用・効果に加えて、さらに優れた冷却効果が得られる。 さらに別の発明によれば、燃料極と酸化剤極とに狭持された固体高分子電解質
膜を有する単セルが、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記酸
化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路の少なくとも一方を備えたセパレ
ータを介して複数積層されてなる固体高分子型燃料電池スタックにおいて、前記
セパレターの外形形状を長方形とし、前記セパレータの燃料極または酸化剤極に
接する面に複数の冷却領域を設け、各冷却領域の中央部に冷却媒体用流路を形成
し、前記冷却媒体をセパレータ平面に対して直角方向に流通させるように構成し
た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、各冷却領域の中央部に冷却媒体用
流路を形成しているので、各冷却領域で発生した反応熱は、その領域内に形成さ
れた冷却媒体用流路を流れる冷却媒体によって冷却されるように構成されている
。この場合、冷却媒体用流路の内壁が伝熱面となるが、この流路は各冷却領域の
中央に位置しているため、その内壁のすべての面を伝熱面とすることができるの
で、効率良い冷却が可能となる。 [発明を実施するための最良の態様] 以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。 (第1実施形態) 図2は本発明による固体高分子型燃料電池スタックの第1実施形態の構成を示
す斜視図である。 すなわち、燃料電池スタック1は、セル部2とエンドプレート3から構成され
ている。このセル部2は、単セル4を複数積層して構成されている。また、エン
ドプレート3は、セル部2の前後端に1枚ずつ設けられ、図示しないスタッドや
バネなどの締め付け冶具により、セル部2を締め付けるように配設されている。
また、エンドプレート3には、図示しない電流取り出し端子があり、燃料電池ス
タック1で発電した電力を取り出すように構成されている。 また、前面のエンドプレート3aには、各流体用の配管が取り付けられている
。具体的には、前面のエンドプレート3aの右端上部に酸化剤ガス入口5aが設
けられ、エンドプレート左端下部には酸化剤ガス出口5bが設けられている。ま
た、エンドプレート3aの左方上部には燃料ガス入口6aが設けられ、右方下部
には燃料ガス出口6bが設けられている。さらに、前面のエンドプレート3aの
中央には、その上下部に冷却剤入口7aが設けられている。一方、後面のエンド
プレート3bの中央には、その上下部に冷却剤出口7bが設けられている。 図3は、図2に示す燃料電池スタック1を、前記冷却剤入口7aおよび冷却剤
出口7bの中心線を含む平面で切断した断面図を示すものである。すなわち、単
セル4は、膜電極複合体(MEA)8、1組のシールパッキン9およびセパレー
タ10から構成され、膜電極複合体8は、電解質膜8aと燃料極8b、消化剤極
8cの2個の電極から構成されている。また、セパレータ10には、その中央部
の両面にガスが流れる溝が形成されている。具体的には、燃料極8bと接する面
に燃料ガス流路11が、酸化剤極8cに接する面に酸化剤ガス流路12が設けら
れている。シールパッキン9は、両電極、後述するガス流通マニホールドおよび
冷却剤流路に相当する部分が切り落とされており、その厚みは電極とほぼ同じに
構成されている。 図4A、図4Bはセパレータの構成を示す図であって、図4Aはセパレータ1
0の燃料ガス流路側の正面図であり、図4Bは図4AにおけるA−A断面図であ
る。セパレータ10の外形寸法は、長さ25cm、幅7cm、厚さ2mmに設定
され、その材質は、導電性があり緻密な構造な物であれば良く、ここでは、緻密
なカーボン材を用いた。 また、セパレータ10の周囲部には複数の貫通孔が設けられている。具体的に
は、セパレータ10の右側部には酸化剤ガス供給マニホールド13aが、左側部
には酸化剤ガス排出マニホールド13bが設けられている。また、セパレータ1
0の長辺の伸長方向に実質的に平行な部分、つまりセパレータ10の上部には、
燃料ガス供給マニホールド14aおよび8個の冷却剤流路15が設けられ、セパ
レータ10の下部には、燃料ガス排出マニホールド14bおよび8個の冷却剤流
路15が設けられている。 さらに、セパレータ10の表面中央部には、幅1mm、深さ0.5mmの溝が
機械加工により複数設けられている。これらの溝は、前記燃料ガス供給マニホー
ルド14aおよび燃料ガス排出マニホールド14bと連通され、燃料ガス流路1
1を構成している。そして、図中矢印で示すように、燃料ガス供給マニホールド
14aより供給された燃料ガスをセパレータ10の溝内に供給し、未反応の燃料
ガスを燃料ガス排出マニホールド14bから排出するように構成されている。 また、セパレータ10の裏面中央部には、表面と同様の溝が設けられており、
これらの溝は、前記酸化剤ガス供給マニホールド13aおよび酸化剤ガス排出マ
ニホールド13bと連通されて酸化剤ガス流路12を構成し、酸化剤ガスを供給
、排出するように構成されている。 なお、図4Aに示す矩形の破線は、燃料極8bおよび酸化剤極8cの大きさを
示しており、ここでは、長さ5cm、幅20cmの燃料極および酸化剤極を用い
た。 また、前記冷却剤流路15に導入される冷却剤としては水を用いても良いが、
寒冷地での使用を考えた場合、不凍液を用いるのがより望ましい。ここでは、エ
チレングリコール水溶液を用いた。この冷却剤は、図2に示す前面のエンドプレ
ート3aに設けられた2個の冷却剤入口7aから、燃料電池スタック1内に均等
に導入される。なお、エンドプレート3a内には図示しない分配ヘッダーが設け
られており、この分配ヘッダーによって冷却剤入口7aから導入された冷却剤が
、上下それぞれ8個の流れに分割される。 8個の流れに分割された冷却剤は、セパレータ10とシールパッキン9、電解
質膜8aの上下に設けられた共通の冷却剤流路15を、これら部品平面と直角方
向に流れる。その際に、冷却剤流路15の壁面から熱を奪い、冷却を行う。冷却
を行った冷却剤は、後面のエンドプレート3bに到達し、エンドプレート3b内
に設けられた図示しない合流ヘッダーにより、上下2個の流れにまとめられ、冷
却剤出口7bから排出されるように構成されている。 図5は、単セル4内の熱の流れを示す図である。すなわち、電池反応により発
生した熱は、燃料極8bおよび酸化剤極8cを伝導して、セパレータ10との接
触面からセパレータ内に伝達され、セパレータ平面と直角方向に伝達される。そ
の後、熱はセパレータ内を上下方向に伝達され、冷却剤流路15の壁面から冷却
剤に伝達され、冷却される。 上記の電極(5cm×20cm)およびセパレータ(7cm×25cm×2m
m)で構成した単セルを100枚積層した本実施形態の燃料電池スタックと、電
極の大きさが10cm×10cm、セパレータの大きさが12cm×12cm、
厚さ2mmの単セルを100枚積層した従来の燃料電池スタックを製作し、反応
ガスとしてH/Air(利用率70%/40%)を供給し、冷却剤として入口
温度50℃、流量1.5kg/secのエチレングリコール水溶液を供給して、
電流密度0.5A/cmにて発電試験を実施して、両者のスタック電圧および
セパレータ内の温度分布およびスタック内の各セルの電圧分布を測定したところ
、以下のような結果が得られた。 図6は、発明者らが検証した、本実施形態の燃料電池スタックおよび従来の燃
料電池スタックの各単位セルの電圧分布特性を示す。セル番号は前面のエンドプ
レート、すなわち燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給および排出口が設けられた方
から順につけられている。 本実施の形態の燃料電池スタックでは、各単位セルの電圧はほぼ均一であった
。これは、セパレータの短辺の伸長方向に実質的に平行な部分に酸化剤供給マニ
ホールドを設けることで、十分な断面積(1cm×5cm)を確保できたためと
考えられる。 一方、従来の燃料電池スタックでは、セパレータの4角にしかガス供給/排出
マニホールドを設けることができず、その大きさが1cm×1cmと小さいため
、各単位セルに酸化剤ガスを均一に供給することができなくなり、平均電圧に比
べて±30%の偏りを生じてしまった。このようにセパレータの短辺の伸長方向
と実質的に平行な部分に燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給マニホールドを設ける
ことで、マニホールドの断面積を大きくとることができ、反応面積が大きくなっ
て多量の燃料ガスまたは酸化剤ガスが必要になった場合でも、スタックの各単位
セルに均一に分配することが可能となる。 すなわち、図7は発明者らが検証した、セパレータ内の上下方向の温度分布を
示すものであり、図8は発明者らが検証した、左右方向の温度分布を示すもので
ある。図から明らかなように、従来の燃料電池スタックでは、電極およびセパレ
ータが正方形で、かつ周囲4方に冷却剤流路が形成されているため、上下方向お
よび左右方向の温度分布は等しくなっている。しかし電極端部と電極中央部の距
離が5cmと離れているために、電極中央部の温度は上昇し、周囲部の温度が7
0℃であるに対して80℃となり、10℃の温度差が生じた。 これに対して、本実施形態の燃料電池スタックでは、上下方向の長さが5cm
と短く、電極端部と電極中央部の距離は2.5cmしか離れていないため、周囲
部と中央部の温度差も小さく、2℃の温度差に抑えることができた。また、図5
に示すように、熱は上下方向に伝達されるので、左右方向の温度分布はほとんど
一定になり、72℃を示す(図8参照)。 また、スタック電圧を調べたところ、従来の燃料電池スタックでは40Vだっ
たのに対し、本実施形態の燃料電池スタックでは55Vであった。このように高
いスタック電圧が得られたのは、図7および図8に示すように電極中央部の温度
の上昇を抑えることができるため、膜の導電性を保つ水分の蒸発を防ぐことがで
きるためと考えられる。 以上のように、セパレータの外形形状を長方形とし、セパレータのガス流路の
周囲部分で、セパレータの長辺の伸長方向と実質的に平行な部分に、冷却媒体を
セパレータ平面と直角方向に流通させるように、冷却媒体用流路を形成したこと
により、燃料電池反応による熱を取り除く構造となり得、反応面積が大きくなっ
ても、セパレータ内の温度差を小さく抑えることができた。 なお、反応面積を大きくする場合には、電極形状およびセパレータの長方形の
長辺を伸ばすことによって、熱が伝わる短辺方向の距離を保つことができるので
、セパレータ内の温度差は、上記と同様に小さくできる。 (第2実施形態) 本実施形態は上記第1実施形態の変形例であり、燃料ガス供給マニホールドお
よび燃料ガス排出マニホールドの配設箇所を、セパレータの側部に変更したもの
である。なお、図9は第2実施形態の固体高分子型燃料電池スタックの構成を示
す斜視図であり、図10A、図10Bはセパレータの構成を示す図であって、図
10Aはセパレータの燃料ガス流路側の正面図であり、図10Bは図10Aにお
けるB−B断面図である。 本実施形態においては、第1実施形態の燃料電池スタックの燃料ガス供給マニ
ホールドおよび燃料ガス排出マニホールド部分を冷却剤流路とし、第1実施形態
の酸化剤供給マニホールドおよび酸化剤排出マニホールド部分をそれぞれ上下2
分割して、一方を燃料ガス供給マニホールド24aおよび燃料ガス排出マニホー
ルド24bとしている。 具体的には、図10A、図10Bに示すように、セパレータのガス流路の周囲
部分で、セパレータの短辺の伸長方向と実質的に平行な左側部に、燃料ガス供給
マニホールド24aと酸化剤ガス排出マニホールド23bが設けられ、右側部に
酸化剤ガス供給マニホールド23aと燃料ガス排出マニホールド24bとが設け
られている。 また上記の構成に対応して図9に示すように、前面のエンドプレート23aの
右側部には、酸化剤ガス入口25aと燃料ガス出口26bが上下に設けられ、エ
ンドプレート23aの左側部には、燃料ガス入口26aと酸化剤ガス出口25b
が上下に設けられている。なお、冷却剤入口7aおよび冷却剤出口7bは、第1
実施形態と同様の位置に設けられている。 また、図10A、図10Bに示すように、セパレータの中央部に形成された燃
料ガス流路11は、左側部の上部に設けられた燃料ガス供給マニホールド24a
および右側部の下部に設けられた燃料ガス排出マニホールド24bと連通されて
おり、図中矢印のように燃料ガスをセパレータに供給し、排出するように構成さ
れている。一方、冷却剤は、セパレータの上部および下部にそれぞれ9個設けら
れた流路内を、セパレータの平面と直角方向に流通し、冷却剤流路壁面から反応
熱を奪って冷却を行うように構成されている。 本実施形態では、上記第1実施形態と同様に、電極の大きさを長さ20cm、
幅5cm、セパレータの大きさを長さ25cm、幅7cm、厚さ2mmとした。
また、セパレータの材質には緻密なカーボン材を用いた。これらの部品を用いて
単セルを製作し、この単セルを100枚積層して発電試験を行った。試験条件は
第1実施形態と同じ条件で行った。 その結果、周囲部の温度が70℃、中央部が71.7℃となり、上下方向の温
度差は第1実施形態に比べてさらに小さくなった。これは、冷却剤流路が上下1
個ずつ増え、伝達面積が増えた結果、温度差がさらに小さくなったと考えられる
。また、スタック電圧は56Vとなり、第1実施形態と同様に、従来の燃料電池
スタックに比べて高い電圧が得られた。 以上のように、セパレータのガス流路の周囲部分で、セパレータの短辺の伸長
方向と実質的に平行な部分に、燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給または排出マニ
ホールドを設ける構成としたことにより、セパレータのガス流路の周囲部分のう
ち、上下部分をすべて冷却剤流路とすることができるため、冷却剤流路の壁面の
面積が増え、伝熱面積が増えて、大きな電極面積でも小さな温度差に抑えること
ができた。 また、第1の実施形態と同様に、さらにセパレータの短辺と平行な部分に燃料
ガスおよび酸化剤ガスの供給マニホールドを設けることで、マニホールドの断面
積を大きくとることができ、反応面積が大きくなって多量の燃料ガスまたは酸化
剤ガスが必要になった場合でも、スタックの各単位セルに均一に分配することが
可能となる。 (第3実施形態) 本実施形態は、上記第2実施形態と同様の構成を有するセパレータを、可撓性
黒鉛炭素からなるシートで構成したものである。この可撓性黒鉛炭素からなるシ
ートは膨張黒鉛材とも呼ばれ、柔らかく成形が容易で、シール性に優れていると
いう特徴を有している。また、厚み方向と平面方向で異方性を有しており、例え
ば、熱伝導率では、厚み方向に比べて平面方向が約10倍となるため、本発明の
冷却方法に極めて適した材料である。 ここでは、膨張黒鉛シートとして、日本カーボン製のニカフィルム(商品名)
を原材料として用いた。また、セパレータの形状は第2実施形態と同じとし、厚
さ4mm、密度0.5g/cmのニカフィルムのシートをプレス成形してセパ
レータを製作した。 そして、電極の大きさを幅5cm、長さ20cmとし、上記のセパレータと組
合せて単セルを構成し、この単セルを100枚積層して燃料電池スタックを製作
し、第2実施形態と同条件で発電試験を行い、上下方向のセパレータ内の温度分
布を測定した。その結果、周囲部が70℃であったに対して中央部が71.5℃
となり、第2実施形態よりさらに温度差を小さく保つことができた。 また、カソード極表面中央部とセパレータ中央部の温度差を測定したところほ
ぼ0℃であった。膨張黒鉛では、厚み方向の熱伝導率は低いが、伝熱面積が大き
いので問題はない。 なお、上記の実施例では、セパレータ中央部の温度と周囲温度の温度差は1.
5℃となったが、セパレータ中央部の温度と周囲温度の温度差の許容値を5℃以
下に抑えることが望ましい。図11は、発明者らが検証した、反応部の温度と反
応ガスにより持ち出される水蒸気の量の関係を示す特性図である。ここでは、7
0℃の水蒸気量を1としたときの相対値を示している。温度が上昇すると、飽和
水蒸気圧が上昇し、反応ガスにより持ち出される水蒸気の量が多くなる。酸化剤
ガスの流れる方向との直角面の中央部と端部とで温度が高く、水蒸気の持ち出し
量が多くなり、端部で少なくなって、凝縮を生じる。 反応部で生じる生成水の量は、上記の相対値にて0.4であり、中央部と端部
とでの持ち出し量の差が、この値より小さければ、生成水量の範囲内に収まり、
生成水量以上の凝縮又は蒸発を生じなくなるため、この範囲内にするのが望まし
い。つまり、図11より、端部の温度を70℃とすると、中央部の温度は75℃
以下に保つことが望ましい。 図12は、発明者らが検証した、膨張黒鉛シート(熱伝導率140W/mK)
を材料として用いたとき、セパレータの外形寸法の短片に対する長片の比(アス
ペクト比)と、中央部と端部との温度差の特性を示す。なお、反応部面積は、1
00cmで一定である。この図12から、短片に対する長辺の比が3以上であ
れば、温度差が5℃以下となり、上記の条件を満たす。 図13は、発明者らが検証した、アルミニウム(熱伝導率200W/mK)を
材料として用いたとき、セパレータの外形寸法の短片に対する長片の比(アスペ
クト比)と、中央部と端部との温度差の特性を示す。なお、反応部面積は、10
0cmで一定である。この図13から、短片に対する長辺の比が2.5以上で
あれば、温度差が5℃以下となり、上記の条件を満たす。 以上のように、セパレータを可撓性黒鉛炭素からなるシートで構成し、前記セ
パレータの外形寸法の短辺に対する長辺の長さの比を3以上にすることで、大き
な電極面積でも温度差を小さくすることができた。また、セパレータを可撓性黒
鉛炭素からなるシートで構成した結果、プレス成形を用いることができ、量産が
容易でコストに優れた燃料電池スタックを製作することができた。 (第4実施形態) 第4実施形態では、上記第2実施形態と同様の構成を有するセパレータを、ア
ルミニウムで構成したものである。アルミニウムは、熱伝導率が極めて高く、本
発明の冷却方法に極めて適した材料であり、柔らかいので成形が容易であるとい
う特徴を有している。 ここでは、アルミ材としてクラッド材を用いた。また、セパレータの形状は第
2実施形態と同じとし、厚さ1.5mmのアルミ板をプレス成形してセパレータ
を製作した。また、その表面には、防食および導電性のコーティングを施した。 そして、電極の大きさを幅5cm、長さ20cmとし、上記のセパレータと組
合せて単セルを構成し、この単セルを100枚積層して燃料電池スタックを製作
し、第2実施形態と同条件で発電試験を行い、上下方向のセパレータ内の温度分
布を測定した。その結果、周囲部が70℃であったのに対して中央部が71.5
℃となり、第3実施形態と同様に温度差を小さく保つことができた。また同時に
セパレータの厚みを1.5mmとすることができるので、第1実施形態および第
2実施形態と比べて0.5mm薄くすることが可能となった。 なお、上記の実施例では、セパレータ中央部の温度と周囲温度の温度差は1.
5℃となったが、セパレータ中央部の温度と周囲温度の温度差の許容値を5℃と
すると、アルミの場合は、電極の幅の最大値は66mmとなる。このとき、電極
の長さは152mmとなり、セパレータの寸法は幅80mm、長さ200mmが
好適である。つまり、セパレータの外形寸法の短辺に対する長辺の長さの比を2
.5以上にすることが望ましい。 以上のように、セパレータをアルミニウム系の金属の薄板で構成し、前記セパ
レータの外形寸法の短辺に対する長辺の長さの比を2.5以上にすることで、大
きな電極面積でも温度差を小さくすることができた。また、セパレータの厚みを
薄くすることができるので、コンパクトでコスト性に優れた燃料電池スタックを
製作することができた。 なお、セパレータの材料としては、熱伝導に優れた他の金属、例えば、銅系の
金属でも同様の効果が得られた。 (第5実施形態) 図14A、図14Bは、本発明の第5実施形態におけるセパレータの構成を示
す図であって、図14Aはセパレータの燃料ガス流路側の正面図であり、図14
Bは図14AにおけるC−C断面図である。 すなわち、本実施形態では、セパレータ30の相対する上下の2辺と平行に、
冷却媒体用の複数の流路が、セパレータの上下部と中央部の3ヵ所に8個ずつ計
24個形成されている。なお、セパレータの大きさは、幅13cm、長さ25c
m、厚さ2mmとし、セパレータの材質としては、アルミニウム材を用いた。 そして、電極の大きさは幅10cm、長さ20cmであり、上下半分ずつの大
きさに分けられている。また、図14A、図14Bに示すように、セパレータ3
0の左上には燃料ガス供給マニホールド34aが設けられ、右下には燃料ガス排
出マニホールド34bが設けられている。さらにセパレータ30の右側部には酸
化剤ガス供給マニホールド33aが、左側部には酸化剤ガス排出マニホールド3
3bが設けられている。 また、セパレータ30の表面には、燃料ガス流路が上下2区画にわたって設け
られており、それぞれ前記燃料ガス供給マニホールド34aおよび燃料ガス排出
マニホールド34bと連通され、燃料ガス流路31を構成している。そして、図
中矢印の流れに沿って、燃料ガス供給マニホールド34aより供給された燃料ガ
スをセパレータ30の溝内に供給し、未反応の燃料ガスを燃料ガス排出マニホー
ルド34bから排出するように構成されている。 一方、図示しない裏面には、同様に、酸化剤ガス流路が2区画にわたって設け
られており、それぞれ左右の側部に設けられた酸化剤ガス供給マニホールド33
aおよび酸化剤ガス排出マニホールド33bに連通されている。また、冷却媒体
は、セパレータの上下部と中央部の3ヵ所に8個ずつ計24個形成された冷却剤
流路内に導入され、この冷却媒体をセパレータ平面と直角方向に流通させること
によって、燃料電池反応によって発生する熱を取り除くように構成されている。 上記のセパレータと電極を組合せて単セルを構成し、この単セルを50枚積層
して発電試験を行った。条件は第2実施形態と同じにした。その結果、上下方向
の温度分布は、2区画あるガス流路で同じ分布を示し、セパレータの上下端部が
69℃、ガス流路の中央が72℃、セパレータの中央部が71℃となった。 このように本実施形態においては、セパレータの中央部に設けられた冷却剤流
路内を流れる冷却剤によって、上下2区画の反応熱が取り除かれるため、セパレ
ータの中央部の温度は上下端部より高い温度となったが、その温度差は従来の燃
料電池スタックに比べて小さな温度差に抑えることができた。 (第6実施形態) 図15A、図15Bは、本発明の第6実施形態におけるセパレータの構成を示
す図であって、図15Aはセパレータの燃料ガス流路側の正面図であり、図15
Bは図15AにおけるD−D断面図である。 すなわち、本実施形態では、セパレータ40の相対する上下の2辺と平行に、
冷却媒体用の複数の流路が、セパレータの上下部と中央部の3ヵ所に9個ずつ計
27個形成されている。なお、セパレータの大きさは、幅13cm、長さ25c
m、厚さ2mmとし、セパレータの材質としては、アルミニウム材を用いた。 そして、電極の大きさは幅10cm、長さ20cmであり、上下半分ずつの大
きさに分けられている。また、図15A、図15Bに示すように、セパレータ4
0の左右の側部には、燃料ガス供給マニホールド44aおよび燃料ガス排出マニ
ホールド44b、酸化剤ガス供給マニホールド43aおよび酸化剤ガス排出マニ
ホールド43bが、それぞれ2個ずつ合計8個設けられている。 また、セパレータ40の表面には、燃料ガス流路が上下2区画にわたって設け
られており、それぞれ前記燃料ガス供給マニホールド44aおよび燃料ガス排出
マニホールド44bと連通され、燃料ガス流路41を構成している。そして、図
中矢印の流れに沿って、燃料ガス供給マニホールド44aより供給された燃料ガ
スをセパレータ40の溝内に供給し、未反応の燃料ガスを燃料ガス排出マニホー
ルド44bから排出するように構成されている。 一方、図示しない裏面には、同様に、酸化剤ガス流路が2区画にわたって設け
られており、それぞれ左右の側部に設けられた酸化剤ガス供給マニホールド43
aおよび酸化剤ガス排出マニホールド43bに連通されている。また、冷却媒体
は、セパレータの上下部と中央部の3ヵ所に9個ずつ計27個形成された冷却剤
流路内に導入され、この冷却媒体をセパレータ平面と直角方向に流通させること
によって、燃料電池反応によって発生する熱を取り除くように構成されている。 上記のセパレータと電極を組合せて単セルを構成し、この単セルを50枚積層
して発電試験を行った。条件は第2実施形態と同じにした。その結果、上下方向
の温度分布は、2区画あるガス流路で同じ分布を示し、上下端が69℃、ガス流
路の中央が72℃、セパレータの中央部が71℃となった。 このように、本実施形態においても、上記第5実施形態と同様に、セパレータ
の中央部に設けられた冷却剤流路内を流れる冷却剤によって、上下2区画の反応
熱が取り除かれるため、セパレータの中央部の温度は上下端部より高い温度とな
ったが、その温度差は従来の燃料電池スタックに比べて小さな温度差に抑えるこ
とができた。 (第7実施形態) 図16は、本発明の第7実施形態におけるセパレータの構成を示す図であって
、セパレータの燃料ガス流路側の正面図である。 すなわち、本実施形態では、セパレータ50の中央部に複数の冷却領域51が
設けられ、各冷却領域51の中央に冷却媒体流通用の冷却剤流路52が形成され
ている。具体的には、セパレータの大きさを幅13cm、長さ25cm、厚さ2
mmとし、発電反応部に相当する幅12cm、長さ21cmの領域の中に、図中
破線で示す幅4cm、長さ3cmの冷却領域51が、短辺方向に3列、長辺方向
に7列の計21個設けられている。そして、各々の冷却領域の中央に、冷却媒体
用流路52が設けられ、冷却剤をセパレータ平面と直角方向に流すように構成さ
れている。 また、図16に示すように、セパレータ50の左側部には、燃料ガス供給マニ
ホールド54aと酸化剤ガス排出マニホールド53bが設けられ、右側部には、
燃料ガス排出マニホールド54bと酸化剤ガス供給マニホールド53aが設けら
れている。そしてセパレータの表面には、燃料ガス流路が前記冷却剤流路52を
避けるように設けられており、それぞれ左右の供給マニホールド、排出マニホー
ルドと連通されている。 さらに、冷却媒体は、上記21個の冷却剤流路52内に導入され、この冷却媒
体をセパレータ平面と直角方向に流通させることによって、燃料電池反応によっ
て発生する熱を取り除くように構成されている。なお、本実施形態では、1個の
冷却媒体流路は1個の冷却領域で発生した反応熱を取り除くように構成されてい
る。その際、冷却剤流路52の内壁が伝熱面となるが、冷却剤流路52は各冷却
領域51の中央に位置しているため、その内壁のすべての面を伝熱面とすること
ができるので、効率良い冷却が可能となる。 (第8実施形態) 本実施形態は、上記第4実施形態の変形例であり、冷却剤流路の内面の形状を
変更したものである。なお、図17A、図17Bは本実施形態におけるセパレー
タの構成を示す図であって、図17Aはセパレータの燃料ガス流路側の正面図で
あり、図17Bは図17AにおけるE−E断面図である。 すなわち、本実施形態のセパレータ60はアルミニウムで構成され、各冷却剤
流路62の内壁に、幅2mm、長さ5mmの突起63がそれぞれ3個設けられて
いる。その他の構成は、上記第4実施形態ひいては第2実施形態と同様であるの
で、説明は省略する。 また、冷却媒体は、セパレータの長辺の上下部に設けられた18個の冷却剤流
路62に導入され、この冷却媒体をセパレータ平面と直角方向に流通させること
によって、燃料電池反応によって発生する熱を取り除くように構成されている。
この場合、冷却剤流路62の内壁が伝熱面となるが、本実施形態においては各冷
却剤流路62の内壁に突起63を設けることによって、内壁の長さを増やすこと
ができ、伝熱面積を増やすことができるので、効率良く冷却可能となる。 (第9実施形態) 本実施形態は、上記第3実施形態および第8実施形態の変形例であり、冷却剤
流路の内面の形状を変更したものである。なお、図18A、図18Bは本実施形
態におけるセパレータの構成を示す図であって、図18Aはセパレータの燃料ガ
ス流路側の正面図であり、図18Bは図18AにおけるF−F断面図である。 すなわち、本実施形態のセパレータ70は可撓性黒鉛炭素からなるシートで構
成され、各冷却剤流路72の内壁中央部を幅2mmにわたって内側に張り出すよ
うな形状とされている。そして、張り出した部分の厚みを、燃料ガス流路と酸化
剤ガス流路が設けられている部分と同じ厚み、つまり1mmになるようにプレス
で成形し、張り出し部分73を形成した。その他の構成は、上記第3実施形態ひ
いては第2実施形態と同様であるので、説明は省略する。 また、冷却媒体は、セパレータの長辺の上下部に設けられた18個の冷却剤流
路72に導入され、この冷却媒体をセパレータ平面と直角方向に流通させること
によって、燃料電池反応によって発生する熱を取り除くように構成されている。
この場合、冷却剤流路72の内壁が伝熱面となるが、本実施形態においては、各
冷却剤流路72の内壁に張り出し部分73を設けることによって、伝熱面積を増
やすことができるので、効率良く冷却することが可能となる。 また、セパレータを構成する膨張黒鉛は、厚さを薄くし、密度を上げることに
よって熱伝導率が上昇するという特徴がある。従って、張り出した部分を厚さが
1mmになるように薄くすることにより、高い熱伝導率が期待できる。これによ
り、効率良く冷却することが可能となる。 (第10実施形態) 本実施形態は、上記第1実施形態の変形例であり、セパレータ80の長辺に沿
って設けられた上下2列の冷却剤流路82をそれぞれ直列に連通させるように構
成したものである。 なお、図19は、第10実施形態の固体高分子型燃料電池スタックの構成を示
す斜視図であり、図20A、図20Bはセパレータの構成を示す図であって、図
20Aはセパレータの燃料ガス流路側の正面図であり、図20Bは図20Aにお
けるG−G断面図である。 すなわち、本実施形態においては、セパレータの上部および下部に設けられた
それぞれ8個の冷却剤流路82内を、冷却媒体が直列に流れるように構成されて
いる。その他の構成は、上記第1実施形態と同様であるので、説明は省略する。 また、セパレータ80の外形寸法は、長さ25cm、幅7cm、厚さ2mmに
設定され、その材質は、導電性があり緻密な構造な物であれば良く、ここでは、
緻密なカーボン材を用いた。 図21A、図21Bは、図19に示す前面のエンドプレート83aを、また、
図22A、図22Bは後面のエンドプレート83bを示す正面図である。これら
前面のエンドプレート83aと後面のエンドプレート83bには、セパレータ8
0の上下2列の冷却剤流路82を直列に連通する連通用の冷却剤流路82bが設
けられている。 また、図19に示すように、前面のエンドプレート83aには、各流体用の配
管が取り付けられている。具体的には、前面のエンドプレート83aの右端上部
に酸化剤ガス入口85aが設けられ、エンドプレート左端下部には酸化剤ガス出
口85bが設けられている。また、エンドプレート83aの左方上部には燃料ガ
ス入口86aが設けられ、右方下部には燃料ガス出口86bが設けられている。
さらに、前面のエンドプレート83aの右方には、その上下部に冷却剤入口87
aが設けられ、一方、前面のエンドプレート83aの左方には、その上下部に冷
却剤出口87bが設けられている。なお、冷却剤としては、水を用いても良いが
、寒冷地での使用を考えた場合、不凍液を用いるのが好ましい。ここでは、エチ
レングリコール水溶液を用いた。 冷却剤は、図19に示す前面のエンドプレート83aに設けられた2個の冷却
剤入口87aから導入され、均等に流される。すなわち、冷却剤は、セパレータ
とシールパッキン、電解質膜の上下に設けられた8個の共通の冷却剤流路の右端
の流路を、これら部品平面と直角に流れる。その際に、流路の壁面から、熱を奪
い冷却を行うように構成されている。 そして、図19および図21A、図21Bに示すように、前面のエンドプレー
ト83aに設けられた2個の冷却剤入口87aから導入された冷却剤は、後面の
エンドプレート83bに到達し、図22A、図22Bに示すように、後面のエン
ドプレート83b内に設けられた連通用の冷却剤流路82bを通って、左隣の冷
却剤流路に導かれ、そこでUターンして前面のエンドプレート83aへと流され
る。その後、図19に示すように、8個の冷却剤流路を直列に流れ、流路の壁面
から熱を奪って、燃料電池スタック内の熱を冷却していく。 本実施形態では、冷却剤の入口を右端に、出口を左端に設けて、冷却剤を右か
ら左へ流すようにしたため、冷却剤の流れがセパレータ内の酸化剤ガスの流れと
同じになる。その結果、セパレータ内の温度分布を、冷却剤の入口がある右端を
低く、出口がある左端を高くすることが可能となる。このように、酸化剤ガス出
口の温度を高くすることにより、酸化剤出口で含まれる水蒸気の凝縮を防ぐこと
ができるので、反応によって生成される水を効率よく排出することができ、より
効果的である。 (第11実施形態) 本実施形態は、上記第10実施形態の変形例であり、セパレータ90の長辺に
沿って設けられた上下2列の冷却剤流路92の流れを一部統合し、統合した流れ
をそれぞれ直列に連通させるように構成したものである。 なお、図23は、第11実施形態の固体高分子型燃料電池スタックの構成を示
す斜視図であり、図24A、図24Bは、前面のエンドプレート93aを示し、
図25A、図25Bは、後面のエンドプレート93bを示す正面図である。 すなわち、本実施形態においては、図23に示すように、セパレータの上部お
よび下部に2列に設けられた8個の冷却剤流路のうち4個の冷却剤流路が、同一
方向に並列に流れるように構成されている。また、前記の流し方を実現するため
に、図24A、図24Bに示すように、前面のエンドプレート93aに設けられ
た2個の冷却剤入口97aから導入された冷却剤は、右端から4個の冷却剤流路
に分配された後、冷却剤流路内を流れ、後面のエンドプレート93bに到達する
。 後面のエンドプレート93bに到達した冷却媒体は、図25A、図25Bに示
すように、後面のエンドプレート93b内に設けられた冷却剤流路を通って、左
端から4個の冷却剤流路に導かれ、そこでUターンして前面のエンドプレート9
3aへと流される。 このように、8個の冷却剤流路を4個ずつに分けて連通して流すことにより、
第10実施形態と同様に、セパレータの右側で温度が低く、左側で温度を高くで
きるので、酸化剤出口付近の温度を高くすることができ、反応による生成水の排
出を良好に行うことができる。 (第12実施形態) 本実施形態は、第10実施形態の変形例であり、セパレータの長辺に沿って設
けられた上下2列の冷却剤流路を直列に連通させるように構成したものである。 なお、図26は、第12実施形態の固体高分子型燃料電池スタックの構成を示
す斜視図であり、図27A、図27Bは図26に示す前面のエンドプレート10
0aを、また、図28A、図28Bは後面のエンドプレート100bを示す正面
図である。これら前面のエンドプレート100aと後面のエンドプレート100
bには、セパレータ80の上下2列の冷却剤流路102bが、セパレータ80の
短辺の伸長方向と実質的に平行な部分に設けられている。 前面のエンドプレート100aに設けられた1個の冷却剤入口から導入された
冷却剤は、上列の冷却剤流路102bのうち右端の流路を流れ、後面のエンドプ
レート100bに到達する。後面エンドプレート100bでは、上下の冷却剤流
路102bが設けられており、下列の冷却剤流路102bの右端の流路に導かれ
る。下列の冷却剤流路102bの右端の流路に導入された冷却剤は前面のエンド
プレート100a内の同様の連通流路を通って上列の冷却剤流路102bの右端
から二番目の流路に導入される。 このように冷却剤は、上下二列の冷却剤流路102bを交互に右端から左端に
向かって流すことにより、第10実施形態と同様に、セパレータ80の右側で温
度が低く、左側で温度を高くできるので、酸化剤出口付近の温度を高くすること
ができ、反応による生成水の排出を良好に行うことができる。 [産業上の利用の可能性] 以上述べたように本発明によれば、セパレータ内の温度差を小さく保つことが
でき、かつ積層方向の厚みを小さくすることができ、もって、小型にして反応面
積を大きく確保することが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。
[Technical Field] The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell stack using an ion-conductive solid polymer as an electrolyte, and more particularly to a polymer electrolyte fuel cell stack improved to ensure a large reaction area. [Background Art] In recent years, fuel cells have attracted attention as a highly efficient energy conversion device. These fuel cells are broadly classified into low-temperature operating fuel cells, such as alkaline, polymer electrolyte, and phosphoric acid fuel cells, and high-temperature operating fuel cells, such as molten carbonate and solid oxide fuel cells, depending on the type of electrolyte used. Polymer electrolyte fuel cells (hereinafter referred to as PEFCs) using a proton-conductive solid polymer electrolyte membrane as the electrolyte have attracted attention as a power source for space and vehicles because of their compact structure, high power density, and simple system operation. Examples of such polymer electrolyte membranes (hereinafter referred to as polymer membranes) include perfluorocarbon sulfonic acid membranes (e.g., Nafion, a product name manufactured by DuPont). A membrane electrode assembly is constructed by sandwiching such a polymer membrane between a pair of porous electrodes (a fuel electrode and an oxidizer electrode) containing a catalyst such as platinum.
The polymer membrane and porous electrode are both formed in sheet form, with a thickness of approximately 1 mm or less to reduce internal resistance. The polymer membrane and electrode sheets are typically rectangular, with the electrode area determined by the current value required for power generation and the current value per unit area, i.e., current density, and typically set to approximately 100 cm2 or more, i.e., 10 cm or more per side. The polymer membrane also serves to prevent mixing of gases supplied to the fuel electrode and oxidizer electrode, so its area is set larger than that of the electrodes. To extract current from the membrane electrode assembly, current collectors are placed on the outside of the fuel electrode and oxidizer electrode. These current collectors have numerous grooves formed parallel to the surfaces of the fuel electrode and oxidizer electrode, which serve as gas channels for supplying the fuel gas and oxidizer gas required for the cell reaction to the fuel electrode and oxidizer electrode. Because the electromotive force generated by a single membrane electrode assembly is small, at less than 1 V, multiple membrane electrode assemblies are stacked and connected in series to form a PEFC stack to increase the electromotive force. In this case, a current collector on the fuel electrode side and a current collector on the oxidizer electrode side are required, so a separator is used in which the current collectors on the fuel electrode side and the current collectors on the oxidizer electrode side of adjacent membrane electrode assemblies are integrated. Heat is generated in membrane electrode assemblies due to the cell reaction. A common cooling method for removing this heat is to insert a cooling plate between multiple membrane electrode assemblies and circulate cooling water through this cooling plate. However, this method requires a separator for supplying cooling water in addition to the separator for supplying gas, which increases the thickness in the stacking direction. To solve this problem, Japanese Patent Laid-Open Publication No. 10-21949 discloses a method for eliminating the need for cooling plates inserted between membrane electrode assemblies by forming cooling water channels surrounding the gas channel on all four sides. Specifically, the technology disclosed in the publication, as shown in FIG. 1 , includes a separator 200 having a groove 201 formed in the center as a gas channel, and four channels 20 for circulating cooling water at the top, bottom, left, and right.
2, and the reaction heat is removed by flowing cooling water through the flow channels 202. However, the above cooling method has the following problems. The first problem is that the reaction area cannot be increased. That is, in the above cooling method, the heat generated in the membrane electrode assembly sandwiched between the separators 200 is transferred to the separators 200, and then transferred in a direction perpendicular to the thickness direction of the separators, and is removed by the cooling water flowing through the flow channels 202. In other words, the temperature of the separator at the center of the reaction section becomes higher than that of the surrounding area. Therefore, if the reaction area is increased, the distance between the center of the reaction section and the cooling flow channels also increases, and the above temperature difference also increases. On the other hand, if the thickness of the separator is increased and the cross-sectional area,
In other words, it is possible to reduce the temperature difference by increasing the heat transfer area, but
This method also increases the thickness of the cell, resulting in a loss of compactness. A second problem is that the temperature distribution within the separator plane is three-dimensional. In other words, with the cooling method described above, the temperature distribution within the separator plane is higher in the center and lower on the four peripheral sides, as described above. As a result, even if the gas flow path is formed in a planar shape, water produced by the reaction condenses around the separator, making it impossible to efficiently recover the water produced by the reaction. A third problem is that the supply and discharge holes for the fuel gas and oxidizer gas cannot be made large. If cooling water flow paths are arranged on all four sides of the gas flow path as shown in Figure 21 , the supply and discharge holes for the fuel gas and oxidizer gas are arranged at the four corners, and the cross-sectional areas of the supply and discharge holes are smaller than the cross-sectional area of the cooling water flow path. This means that if the reaction area is increased and a large amount of fuel gas or oxidizer gas is required, the cross-sectional area of the supply holes, i.e., the gas distribution manifold, becomes smaller, making it impossible to uniformly distribute the fuel gas or oxidizer gas to each unit cell in the stack. [Disclosure of the Invention] An object of the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell stack that can ensure a large reaction area, ensure smooth gas supply, and achieve miniaturization. To achieve the above object, the present invention provides a polymer electrolyte fuel cell stack including a plurality of unit cells, each having a solid polymer electrolyte membrane sandwiched between an anode and an oxidizer electrode, stacked with separators having at least one of a fuel gas channel for supplying fuel gas to the anode and an oxidizer gas channel for supplying oxidizer gas to the oxidizer electrode, the separators having a rectangular outer shape, and a coolant channel formed in a portion substantially parallel to the long sides of the separator around the fuel gas channel or the oxidizer gas channel, so that the coolant flows perpendicular to the separator plane. According to the present invention having the above configuration, the rectangular outer shape of the separator and the coolant channel formed in a portion substantially parallel to the long sides of the separator reduce the distance between the upper and lower ends of the electrodes and the center of the electrodes, thereby reducing the temperature difference between the electrode ends and the center of the electrodes. Furthermore, because heat generated by the reaction is transferred vertically, the temperature distribution in the horizontal direction is almost constant. Therefore, even if the reaction area is large, the temperature difference within the separator can be kept small. Furthermore, since there is no need to insert a cooling element in the stacking direction of the unit cells, the thickness in the stacking direction can be reduced. Another invention is a solid polymer fuel cell stack formed by stacking a plurality of unit cells, each having a solid polymer electrolyte membrane sandwiched between an anode and an oxidizer electrode, via separators having at least one of a fuel gas channel for supplying fuel gas to the anode and an oxidizer gas channel for supplying oxidizer gas to the oxidizer electrode, wherein the separators have a rectangular outer shape, and a plurality of coolant channels are formed in portions of the separators that are substantially parallel to the extension direction of the opposing long sides, so that the coolant flows perpendicular to the separator plane. According to the invention having the above configuration, since a plurality of coolant channels are formed in portions of the separators that are substantially parallel to the extension direction of the opposing long sides, an even more excellent cooling effect can be achieved in addition to the functions and effects of the invention described above. According to yet another aspect of the present invention, a polymer electrolyte fuel cell stack is provided in which a plurality of unit cells, each having a solid polymer electrolyte membrane sandwiched between an anode and an oxidizer electrode, are stacked via separators each having at least one of a fuel gas channel for supplying fuel gas to the anode and an oxidizer gas channel for supplying oxidizer gas to the oxidizer electrode. The separators have a rectangular outer shape, and a plurality of cooling zones are provided on the surfaces of the separators that contact the anode or the oxidizer electrode. A cooling medium channel is formed in the center of each cooling zone, and the cooling medium flows perpendicular to the separator plane. According to the present invention having the above-described configuration, since the cooling medium channel is formed in the center of each cooling zone, reaction heat generated in each cooling zone is cooled by the cooling medium flowing through the cooling medium channel formed within that zone. In this case, the inner wall of the cooling medium channel serves as a heat transfer surface. Because the channel is located in the center of each cooling zone, the entire surface of the inner wall can be used as a heat transfer surface, enabling efficient cooling. [Best Mode for Carrying Out the Invention] Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. 2 is a perspective view showing the configuration of a first embodiment of a polymer electrolyte fuel cell stack according to the present invention. Specifically, the fuel cell stack 1 is composed of a cell section 2 and end plates 3. The cell section 2 is composed of a plurality of stacked unit cells 4. The end plates 3 are provided at the front and rear ends of the cell section 2, one at each end, and are arranged to fasten the cell section 2 with fastening jigs such as studs or springs (not shown).
The end plates 3 are also provided with current extraction terminals (not shown) for extracting the electricity generated by the fuel cell stack 1. The front end plate 3a is also fitted with piping for various fluids. Specifically, an oxidant gas inlet 5a is provided at the upper right end of the front end plate 3a, and an oxidant gas outlet 5b is provided at the lower left end of the end plate. A fuel gas inlet 6a is provided at the upper left end of the end plate 3a, and a fuel gas outlet 6b is provided at the lower right end of the end plate 3a. Coolant inlets 7a are provided at the top and bottom of the center of the front end plate 3a. Meanwhile, coolant outlets 7b are provided at the top and bottom of the center of the rear end plate 3b. Figure 3 shows a cross-sectional view of the fuel cell stack 1 shown in Figure 2, cut along a plane including the centerlines of the coolant inlet 7a and coolant outlet 7b. That is, the unit cell 4 is composed of a membrane electrode assembly (MEA) 8, a set of seal packings 9, and a separator 10. The membrane electrode assembly 8 is composed of an electrolyte membrane 8a and two electrodes, namely, a fuel electrode 8b and a digester electrode 8c. The separator 10 has grooves formed on both sides of its central portion through which gas flows. Specifically, a fuel gas flow channel 11 is provided on the surface in contact with the fuel electrode 8b, and an oxidizer gas flow channel 12 is provided on the surface in contact with the oxidizer electrode 8c. The seal packing 9 has portions corresponding to both electrodes, a gas distribution manifold (described later), and a coolant flow channel cut out, and is configured to have approximately the same thickness as the electrodes. Figures 4A and 4B are diagrams showing the configuration of the separator, and Figure 4A shows the separator 1
4A is a front view of the fuel gas flow path side of separator 10, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line A-A in FIG. 4A. The outer dimensions of separator 10 are set to 25 cm in length, 7 cm in width, and 2 mm in thickness, and the material may be any material that is conductive and has a dense structure; in this example, a dense carbon material is used. A plurality of through-holes are provided around the periphery of separator 10. Specifically, an oxidant gas supply manifold 13a is provided on the right side of separator 10, and an oxidant gas discharge manifold 13b is provided on the left side. Separator 10 also has a plurality of through-holes.
In the portion substantially parallel to the direction of extension of the long side of separator 10, i.e., the upper portion of separator 10,
A fuel gas supply manifold 14a and eight coolant flow paths 15 are provided, and a fuel gas discharge manifold 14b and eight coolant flow paths 15 are provided at the bottom of the separator 10. Furthermore, a plurality of grooves, each 1 mm wide and 0.5 mm deep, are machined in the center of the surface of the separator 10. These grooves are connected to the fuel gas supply manifold 14a and the fuel gas discharge manifold 14b, and are used to separate the fuel gas flow paths 15.
As shown by the arrows in the figure, the separator 10 is configured such that fuel gas supplied from a fuel gas supply manifold 14a is supplied into the grooves of the separator 10, and unreacted fuel gas is discharged from a fuel gas discharge manifold 14b. A groove similar to that on the front surface is provided in the center of the rear surface of the separator 10,
These grooves are connected to the oxidant gas supply manifold 13a and the oxidant gas discharge manifold 13b to form the oxidant gas flow path 12, and are configured to supply and discharge the oxidant gas. The rectangular dashed lines shown in Figure 4A indicate the size of the fuel electrode 8b and the oxidant electrode 8c, and here, the fuel electrode and the oxidant electrode used were 5 cm long and 20 cm wide. Furthermore, water may be used as the coolant introduced into the coolant flow path 15, but
Considering use in cold climates, antifreeze is more desirable. Here, an ethylene glycol solution was used. The coolant is uniformly introduced into the fuel cell stack 1 through two coolant inlets 7a provided on the front end plate 3a (see FIG. 2). A distribution header (not shown) is provided inside the end plate 3a, which splits the coolant introduced through the coolant inlets 7a into eight upper and eight lower streams. The eight split coolant flows through common coolant channels 15 provided above and below the separator 10, seal packing 9, and electrolyte membrane 8a, perpendicular to the plane of these components. As the coolant flows, it absorbs heat from the walls of the coolant channels 15, thereby cooling the fuel cell. The cooled coolant reaches the rear end plate 3b, where it is combined into two upper and lower streams by a confluence header (not shown) provided inside the end plate 3b and discharged through the coolant outlet 7b. FIG. 5 illustrates the heat flow within the unit cell 4. That is, the heat generated by the cell reaction is conducted through the fuel electrode 8b and the oxidizer electrode 8c, and is transferred from the contact surface with the separator 10 into the separator, and is transferred in a direction perpendicular to the separator plane. The heat is then transferred vertically within the separator, and transferred from the wall surface of the coolant flow channel 15 to the coolant, where it is cooled. The above electrodes (5 cm x 20 cm) and separators (7 cm x 25 cm x 2 m) are
The fuel cell stack of this embodiment is formed by stacking 100 single cells each having a thickness of 1000 μm, and a separator having a size of 10 cm×10 cm and a thickness of 12 cm×12 cm.
A conventional fuel cell stack was fabricated by stacking 100 2 mm thick single cells. H2 /Air (utilization rate 70%/40%) was supplied as the reactant gas, and an ethylene glycol aqueous solution was supplied as the coolant at an inlet temperature of 50°C and a flow rate of 1.5 kg/sec.
A power generation test was conducted at a current density of 0.5 A/ cm² , and the stack voltage, temperature distribution within the separator, and voltage distribution of each cell within the stack were measured. The following results were obtained. Figure 6 shows the voltage distribution characteristics of each unit cell of the fuel cell stack of this embodiment and a conventional fuel cell stack, as verified by the inventors. Cell numbers are assigned in order from the front end plate, i.e., the end where the fuel gas and oxidant gas supply and discharge ports are located. In the fuel cell stack of this embodiment, the voltage of each unit cell was nearly uniform. This is thought to be due to the fact that a sufficient cross-sectional area (1 cm × 5 cm) was ensured by providing an oxidant supply manifold substantially parallel to the extension direction of the short sides of the separator. In contrast, in the conventional fuel cell stack, gas supply/discharge manifolds could only be provided at the four corners of the separator, and their small size of 1 cm × 1 cm prevented uniform supply of oxidant gas to each unit cell, resulting in a ±30% deviation from the average voltage. By providing a fuel gas or oxidant gas supply manifold in a portion substantially parallel to the extension direction of the short side of the separator in this way, the cross-sectional area of the manifold can be made large, and even if a large amount of fuel gas or oxidant gas is required due to a large reaction area, it is possible to distribute it uniformly to each unit cell of the stack. That is, Figure 7 shows the vertical temperature distribution within the separator as verified by the inventors, and Figure 8 shows the horizontal temperature distribution as verified by the inventors. As is clear from the figures, in a conventional fuel cell stack, the electrodes and separators are square and coolant channels are formed on all four sides of the periphery, so the vertical and horizontal temperature distributions are uniform. However, because the distance between the electrode edge and the center of the electrode is 5 cm, the temperature at the center of the electrode rises, and the temperature at the periphery drops by 7 cm.
The temperature rose to 80°C from 0°C, resulting in a temperature difference of 10°C.
The distance between the electrode edge and the center was only 2.5 cm, so the temperature difference between the periphery and the center was small, and was kept to 2°C.
As shown in Figure 8, heat is transferred vertically, so the temperature distribution in the horizontal direction is almost constant, reaching 72°C (see Figure 8). Furthermore, when the stack voltage was examined, it was 40V for the conventional fuel cell stack, while it was 55V for the fuel cell stack of this embodiment. This high stack voltage is thought to be due to the fact that the temperature rise in the center of the electrode can be suppressed, as shown in Figures 7 and 8, thereby preventing the evaporation of moisture that maintains the membrane's conductivity. As described above, by forming a rectangular separator outer shape and a coolant flow path around the separator's gas flow path, substantially parallel to the extension direction of the separator's long sides, so that the coolant flows perpendicular to the separator plane, a structure can be achieved that removes heat generated by the fuel cell reaction, thereby minimizing the temperature difference within the separator even when the reaction area is large. Furthermore, when the reaction area is increased, the electrode shape and the long sides of the rectangular separator can be extended to maintain the distance along the short side for heat transfer, thereby minimizing the temperature difference within the separator as described above. (Second embodiment) This embodiment is a modification of the first embodiment, in which the fuel gas supply manifold and fuel gas discharge manifold are disposed at the sides of the separators. Fig. 9 is a perspective view showing the configuration of a polymer electrolyte fuel cell stack of the second embodiment, and Figs. 10A and 10B are views showing the configuration of the separators, with Fig. 10A being a front view of the fuel gas flow path side of the separator and Fig. 10B being a cross-sectional view taken along the line B-B in Fig. 10A. In this embodiment, the fuel gas supply manifold and fuel gas discharge manifold portions of the fuel cell stack of the first embodiment are used as coolant flow paths, and the oxidant supply manifold and oxidant discharge manifold portions of the first embodiment are respectively disposed at the top and bottom of the separators.
10A and 10B, the fuel gas supply manifold 24a and the oxidant gas discharge manifold 23b are provided on the left side of the separator, which is substantially parallel to the direction of extension of the short side of the separator, around the gas flow path of the separator, and the oxidant gas supply manifold 23a and the fuel gas discharge manifold 24b are provided on the right side. Also, in correspondence with the above configuration, as shown in FIG. 9, an oxidant gas inlet 25a and a fuel gas outlet 26b are provided above and below on the right side of the front end plate 23a, and a fuel gas inlet 26a and an oxidant gas outlet 25b are provided above and below on the left side of the end plate 23a.
The coolant inlet 7a and the coolant outlet 7b are provided at the top and bottom.
10A and 10B, the fuel gas flow channel 11 formed in the center of the separator is connected to the fuel gas supply manifold 24a provided at the top of the left side.
The separator is connected to a fuel gas discharge manifold 24b provided at the bottom of the right side, and is configured to supply and discharge fuel gas to and from the separator as shown by the arrows in the figure. Meanwhile, the coolant flows through nine channels provided at the top and bottom of the separator in a direction perpendicular to the plane of the separator, and is configured to remove reaction heat from the coolant channel wall surface for cooling. In this embodiment, as in the first embodiment, the size of the electrodes is 20 cm in length and 20 cm in width.
The width was 5 cm, and the separator dimensions were 25 cm long, 7 cm wide, and 2 mm thick.
Furthermore, a dense carbon material was used for the separator material. A single cell was fabricated using these components, and 100 of these single cells were stacked together to conduct a power generation test. The test conditions were the same as those of the first embodiment. As a result, the temperature in the peripheral area was 70°C, and in the center was 71.7°C, and the temperature difference in the vertical direction was even smaller than in the first embodiment. This is because the coolant flow path is 1°C above and 1°C below.
The increase in the number of separators and the increased heat transfer area likely resulted in a further reduction in the temperature difference. Furthermore, the stack voltage was 56 V, a higher voltage than that of a conventional fuel cell stack, as in the first embodiment. As described above, by providing fuel gas or oxidant gas supply or discharge manifolds in the separator's gas flow path periphery, substantially parallel to the extension direction of the short sides, the upper and lower portions of the separator's gas flow path periphery can be used as coolant flow paths. This increases the wall area of the coolant flow path, increasing the heat transfer area and enabling a small temperature difference even with a large electrode area. Furthermore, as in the first embodiment, by providing fuel gas and oxidant gas supply manifolds in the separator's short sides parallel to the short sides, the cross-sectional area of the manifolds can be increased, allowing for uniform distribution of large amounts of fuel gas or oxidant gas to each unit cell of the stack, even when the reaction area is large and a large amount of fuel gas or oxidant gas is required. (Third Embodiment) In this embodiment, a separator having a configuration similar to that of the second embodiment is formed from a flexible graphite carbon sheet. This sheet made of flexible graphite carbon is also called expanded graphite material, and is characterized by its softness, ease of molding, and excellent sealing properties. It also has anisotropy in the thickness direction and the plane direction, and for example, its thermal conductivity is about 10 times higher in the plane direction than in the thickness direction, making it an extremely suitable material for the cooling method of the present invention. Here, Nikafilm (trade name) manufactured by Nippon Carbon Co., Ltd. is used as the expanded graphite sheet.
The separators were made in the same shape as in the second embodiment, by press-molding a sheet of 4 mm thick, 0.5 g/ cm3 density NiCa film. The electrodes were then 5 cm wide and 20 cm long, and combined with the separator to form a single cell. One hundred of these single cells were stacked to form a fuel cell stack. A power generation test was conducted under the same conditions as in the second embodiment, and the temperature distribution in the separator in the vertical direction was measured. The results showed that the temperature was 70°C in the periphery and 71.5°C in the center.
The temperature difference was kept even smaller than in the second embodiment. Furthermore, the temperature difference between the center of the cathode surface and the center of the separator was measured and found to be approximately 0°C. Although expanded graphite has a low thermal conductivity in the thickness direction, this is not a problem as the heat transfer area is large. In the above example, the temperature difference between the temperature at the center of the separator and the ambient temperature was 1.
5°C, it is desirable to limit the allowable temperature difference between the separator center temperature and the ambient temperature to 5°C or less. Figure 11 is a characteristic diagram showing the relationship between the temperature of the reaction section and the amount of water vapor carried away by the reaction gas, as verified by the inventors.
The values are relative to the amount of water vapor at 0°C, which is set to 1. As the temperature rises, the saturated water vapor pressure rises, and the amount of water vapor carried away by the reaction gas increases. The temperature is higher at the center and edges of the plane perpendicular to the direction of the oxidant gas flow, and the amount of water vapor carried away increases, while it decreases at the edges, resulting in condensation. The amount of water produced in the reaction section is 0.4 in the above relative value, and if the difference in the amount carried away between the center and edges is smaller than this value, it falls within the range of the amount of water produced,
It is desirable to keep the temperature within this range because condensation or evaporation of more than the amount of water produced will not occur. In other words, from FIG. 11, if the temperature at the end is 70°C, the temperature at the center will be 75°C.
It is desirable to keep the temperature below 100°C.
When using this material, the ratio of the long side to the short side of the separator's external dimensions (aspect ratio) and the temperature difference between the center and the end portions are shown.
12 , if the ratio of the long side to the short side is 3 or more, the temperature difference will be 5°C or less, satisfying the above condition. Figure 13 shows the characteristics of the ratio of the long side to the short side (aspect ratio) of the separator's external dimensions and the temperature difference between the center and the ends when aluminum (thermal conductivity 200 W/mK) is used as the material, as verified by the inventors. The reaction area is 10
13 shows that the temperature difference is 5°C or less when the ratio of the long side to the short side is 2.5 or greater, thereby satisfying the above condition. As described above, by constructing the separator from a flexible graphite carbon sheet and setting the ratio of the long side to the short side of the separator's external dimensions to 3 or greater, the temperature difference can be reduced even with a large electrode area. Furthermore, by constructing the separator from a flexible graphite carbon sheet, press molding can be used, enabling the manufacture of a fuel cell stack that is easy to mass-produce and inexpensive. (Fourth Embodiment) In the fourth embodiment, a separator having a configuration similar to that of the second embodiment is constructed from aluminum. Aluminum has extremely high thermal conductivity, making it a material extremely suitable for the cooling method of the present invention. It is also characterized by its softness and ease of molding. Here, a clad aluminum material is used as the aluminum material. The separator shape is the same as that of the second embodiment, and it was manufactured by press-forming a 1.5 mm thick aluminum plate. Furthermore, its surface was coated with a corrosion-resistant and conductive coating. The electrodes were 5 cm wide and 20 cm long, and combined with the separator to form a single cell. 100 of these single cells were stacked to form a fuel cell stack. A power generation test was conducted under the same conditions as in the second embodiment, and the temperature distribution in the separator in the vertical direction was measured. As a result, the temperature was 70°C in the periphery and 71.5°C in the center.
°C, and the temperature difference could be kept small, just like in the third embodiment. At the same time, the thickness of the separator could be made 1.5 mm, which made it possible to make it 0.5 mm thinner than in the first and second embodiments. In the above example, the temperature difference between the temperature at the center of the separator and the ambient temperature was 1.
If the allowable temperature difference between the center of the separator and the ambient temperature is 5°C, the maximum electrode width for aluminum is 66 mm. In this case, the electrode length is 152 mm, and the separator dimensions are preferably 80 mm wide and 200 mm long. In other words, the ratio of the long side to the short side of the separator's external dimensions is 2.
.5 or more. As described above, by constructing the separator from a thin plate of aluminum-based metal and setting the ratio of the long side length to the short side length of the separator's external dimensions to 2.5 or more, it is possible to reduce the temperature difference even with a large electrode area. Furthermore, since the thickness of the separator can be made thin, it is possible to manufacture a compact and cost-effective fuel cell stack. Note that similar effects can be obtained even when other metals with excellent thermal conductivity, such as copper-based metals, are used as separator materials. (Fifth Embodiment) Figures 14A and 14B are diagrams showing the configuration of a separator in a fifth embodiment of the present invention, where Figure 14A is a front view of the separator on the fuel gas flow path side, and Figure 14B is a diagram showing the configuration of a separator in a fifth embodiment of the present invention.
14A. That is, in this embodiment, the separator 30 is provided with a plurality of separators 30a, 30b, 30c, 30d, 30e, 30f ...
A total of 24 cooling medium flow channels are formed in three locations: the top, bottom, and center of the separator, with eight channels in each location. The separator is 13 cm wide and 25 cm long.
The separator was made of aluminum. The electrode was 10 cm wide and 20 cm long, and was divided into upper and lower halves. As shown in Figures 14A and 14B, the separator 3
A fuel gas supply manifold 34a is provided at the upper left of the separator 30, and a fuel gas discharge manifold 34b is provided at the lower right. Furthermore, an oxidant gas supply manifold 33a is provided at the right side of the separator 30, and an oxidant gas discharge manifold 34b is provided at the left side.
3b are provided. A fuel gas flow path is provided on the surface of the separator 30 across two upper and lower sections, and is connected to the fuel gas supply manifold 34a and the fuel gas discharge manifold 34b, respectively, to form the fuel gas flow path 31. The fuel gas supplied from the fuel gas supply manifold 34a is supplied into the grooves of the separator 30 along the flow of the arrows in the figure, and unreacted fuel gas is discharged from the fuel gas discharge manifold 34b. On the other hand, on the back surface (not shown), an oxidant gas flow path is similarly provided across two sections, and is connected to the oxidant gas supply manifolds 33 provided on the left and right sides, respectively.
The separator is connected to the oxidizer gas discharge manifold 33a and the oxidizer gas discharge manifold 33b. A cooling medium is introduced into 24 coolant channels, eight of which are formed in three locations: the top, bottom, and center of the separator. The cooling medium flows perpendicular to the separator plane to remove heat generated by the fuel cell reaction. The separators and electrodes are combined to form a single cell, and 50 of these single cells were stacked and subjected to a power generation test. The conditions were the same as those in the second embodiment. The vertical temperature distribution was the same in the two gas channel sections: 69°C at the top and bottom ends of the separator, 72°C at the center of the gas channel, and 71°C at the center of the separator. In this embodiment, the coolant flowing through the coolant channel in the center of the separator removes the reaction heat from the two upper and lower sections. Therefore, the center of the separator is hotter than the top and bottom ends. However, the temperature difference is smaller than that in conventional fuel cell stacks. 15A and 15B are diagrams showing the configuration of a separator according to a sixth embodiment of the present invention. FIG. 15A is a front view of the separator on the fuel gas flow path side, and FIG. 15B is a diagram showing the configuration of a separator according to a sixth embodiment of the present invention.
15A. That is, in this embodiment, the separator 40 is provided with a plurality of separators 40a, 40b, 40c, 40d, 40e, 40f ...
A total of 27 cooling medium flow channels are formed in three locations: the top, bottom, and center of the separator, with nine in each location. The separator is 13 cm wide and 25 cm long.
The separator was made of aluminum. The electrode was 10 cm wide and 20 cm long, and was divided into upper and lower halves. As shown in Figures 15A and 15B, the separator 4
On the left and right sides of the separator 40, two fuel gas supply manifolds 44a and two fuel gas discharge manifolds 44b, and two oxidant gas supply manifolds 43a and two oxidant gas discharge manifolds 43b are provided, for a total of eight. Furthermore, on the surface of the separator 40, a fuel gas flow path is provided across two upper and lower sections, which are connected to the fuel gas supply manifold 44a and the fuel gas discharge manifold 44b, respectively, to form the fuel gas flow path 41. The fuel gas supplied from the fuel gas supply manifold 44a is supplied into the grooves of the separator 40 along the flow of the arrows in the figure, and unreacted fuel gas is discharged from the fuel gas discharge manifold 44b. On the other hand, on the back surface (not shown), a similar oxidant gas flow path is provided across two sections, and the oxidant gas supply manifolds 43a and the oxidant gas discharge manifolds 43b are connected to the fuel gas supply manifolds 44a and the fuel gas discharge manifolds 44b, respectively, to form the fuel gas flow path 41. The fuel gas supplied from the fuel gas supply manifold 44a is supplied into the grooves of the separator 40, and unreacted fuel gas is discharged from the fuel gas discharge manifold 44b, along the flow of the arrows in the figure. On the other hand, on the back surface (not shown), a similar oxidant gas flow path is provided across two sections, and the oxidant gas supply manifolds 43a and the oxidant gas discharge manifolds 43b are connected to the fuel gas supply manifolds 44a and the fuel gas discharge manifolds 44b.
The separator is connected to the oxidizer gas discharge manifold 43a and the oxidizer gas discharge manifold 43b. A cooling medium is introduced into 27 coolant channels, nine of which are formed in three locations: the top, bottom, and center of the separator. The cooling medium flows perpendicular to the separator plane to remove heat generated by the fuel cell reaction. The separators and electrodes are combined to form a single cell, and 50 of these single cells were stacked and subjected to a power generation test. The conditions were the same as those in the second embodiment. The vertical temperature distribution was the same in the two gas channel sections: 69°C at the top and bottom ends, 72°C at the center of the gas channel, and 71°C at the center of the separator. As in the fifth embodiment, the coolant flowing through the coolant channel in the center of the separator removes the reaction heat from the two upper and lower sections. Therefore, the center of the separator is hotter than the top and bottom ends. However, the temperature difference is smaller than that in conventional fuel cell stacks. 16 is a diagram showing the configuration of a separator according to a seventh embodiment of the present invention, and is a front view of the separator on the fuel gas flow path side. That is, in this embodiment, a plurality of cooling regions 51 are provided in the center of a separator 50, and a coolant flow path 52 for circulating a cooling medium is formed in the center of each cooling region 51. Specifically, the size of the separator is 13 cm wide, 25 cm long, and 2 cm thick.
16, a fuel gas supply manifold 54a and an oxidant gas discharge manifold 53b are provided on the left side of the separator 50, and a fuel gas supply manifold 54b and an oxidant gas discharge manifold 53b are provided on the right side.
A fuel gas exhaust manifold 54b and an oxidant gas supply manifold 53a are provided. A fuel gas flow channel is provided on the surface of the separator to avoid the coolant flow channels 52 and communicate with the left and right supply and exhaust manifolds, respectively. A coolant is introduced into the 21 coolant flow channels 52 and flows perpendicular to the separator plane to remove heat generated by the fuel cell reaction. In this embodiment, each coolant flow channel is configured to remove reaction heat generated in one cooling zone. The inner walls of the coolant flow channels 52 serve as heat transfer surfaces. Because the coolant flow channels 52 are located in the centers of the cooling zones 51, the entire surface of the inner walls can be used as heat transfer surfaces, enabling efficient cooling. (Eighth Embodiment) This embodiment is a modification of the fourth embodiment, in which the shape of the inner surfaces of the coolant flow channels is changed. 17A and 17B are diagrams showing the configuration of the separator in this embodiment, with Fig. 17A being a front view of the separator on the fuel gas flow path side, and Fig. 17B being a cross-sectional view taken along the line E-E in Fig. 17A. Specifically, the separator 60 in this embodiment is made of aluminum, and each coolant flow path 62 has three protrusions 63, each 2 mm wide and 5 mm long, on its inner wall. The remaining configuration is similar to that of the fourth and second embodiments, and therefore a description thereof will be omitted. Furthermore, a coolant is introduced into 18 coolant flow paths 62 provided at the top and bottom of the long sides of the separator, and is configured to remove heat generated by the fuel cell reaction by circulating this coolant in a direction perpendicular to the separator plane.
In this case, the inner walls of the coolant flow channels 62 serve as heat transfer surfaces. In this embodiment, by providing protrusions 63 on the inner walls of each coolant flow channel 62, the length of the inner walls can be increased, thereby increasing the heat transfer area and enabling efficient cooling. (Ninth Embodiment) This embodiment is a modification of the third and eighth embodiments, in which the shape of the inner surfaces of the coolant flow channels is modified. FIGS. 18A and 18B show the configuration of a separator in this embodiment, with FIG. 18A being a front view of the separator on the fuel gas flow channel side, and FIG. 18B being a cross-sectional view taken along the line F-F in FIG. 18A. That is, the separator 70 of this embodiment is made of a flexible graphite carbon sheet, and the central portions of the inner walls of each coolant flow channel 72 are shaped to overhang inward by a width of 2 mm. The overhanging portions 73 are formed by press molding so that the thickness of the overhanging portions is the same as the thickness of the portions where the fuel gas flow channel and the oxidant gas flow channel are provided, i.e., 1 mm. The other configurations are similar to those of the third and second embodiments, and therefore a description thereof will be omitted. The cooling medium is introduced into 18 coolant flow paths 72 provided at the top and bottom of the long sides of the separator, and is configured to circulate this cooling medium perpendicular to the separator plane to remove the heat generated by the fuel cell reaction.
In this case, the inner walls of the coolant flow channels 72 serve as heat transfer surfaces. In this embodiment, the inner walls of each coolant flow channel 72 are provided with protruding portions 73, which increases the heat transfer area and enables efficient cooling. Furthermore, the expanded graphite used in the separators has the advantage that its thermal conductivity increases with decreasing thickness and increasing density. Therefore, by reducing the thickness of the protruding portions to 1 mm, high thermal conductivity can be expected. This enables efficient cooling. (Tenth Embodiment) This embodiment is a modification of the first embodiment, in which two upper and lower rows of coolant flow channels 82 are arranged along the long sides of the separator 80 and are connected in series. Note that FIG. 19 is a perspective view showing the configuration of a polymer electrolyte fuel cell stack according to the tenth embodiment, and FIGS. 20A and 20B are views showing the configuration of a separator. FIG. 20A is a front view of the separator from the fuel gas flow channel side, and FIG. 20B is a cross-sectional view taken along the line G-G of FIG. 20A. That is, in this embodiment, the separator is configured so that the coolant flows in series through eight coolant flow paths 82 provided in each of the upper and lower parts. The other configurations are the same as those of the first embodiment, so a description thereof will be omitted. The outer dimensions of the separator 80 are set to 25 cm in length, 7 cm in width, and 2 mm in thickness, and the material may be any material that is electrically conductive and has a dense structure. In this example,
21A and 21B show the front end plate 83a shown in FIG.
22A and 22B are front views showing the rear end plate 83b. The front end plate 83a and the rear end plate 83b are provided with separators 8
19, the front end plate 83a is provided with a coolant flow path 82b for communicating the two upper and lower rows of coolant flow paths 82 in series. Furthermore, as shown in FIG. 19, piping for each fluid is attached to the front end plate 83a. Specifically, an oxidant gas inlet 85a is provided at the upper right end of the front end plate 83a, and an oxidant gas outlet 85b is provided at the lower left end of the end plate. Furthermore, a fuel gas inlet 86a is provided at the upper left end of the end plate 83a, and a fuel gas outlet 86b is provided at the lower right end.
Furthermore, on the right side of the front end plate 83a, there are coolant inlets 87 at the top and bottom.
On the left side of the front end plate 83a, coolant outlets 87b are provided at the top and bottom. While water may be used as the coolant, antifreeze is preferable for use in cold climates. An ethylene glycol solution was used here. The coolant is introduced through two coolant inlets 87a provided on the front end plate 83a, as shown in FIG. 19, and flows uniformly. Specifically, the coolant flows through the rightmost of the eight common coolant channels provided above and below the separator, seal packing, and electrolyte membrane, perpendicular to the plane of these components. As it flows, it absorbs heat from the channel walls, providing cooling. As shown in FIGS. 19 , 21A , and 21B , the coolant introduced through the two coolant inlets 87 a in the front end plate 83 a reaches the rear end plate 83 b. As shown in FIGS. 22A and 22B , the coolant passes through the communicating coolant channels 82 b in the rear end plate 83 b and is guided to the adjacent coolant channel to the left, where it makes a U-turn and flows to the front end plate 83 a. As shown in FIG. 19 , the coolant then flows serially through the eight coolant channels, absorbing heat from the channel walls and cooling the fuel cell stack. In this embodiment, the coolant inlet is located at the right end and the outlet is located at the left end, so that the coolant flows from right to left. This ensures that the coolant flow is the same as the oxidant gas flow in the separator. As a result, the temperature distribution in the separator can be lower at the right end where the coolant inlet is located and higher at the left end where the coolant outlet is located. In this way, by increasing the temperature of the oxidant gas outlet, it is possible to prevent condensation of water vapor contained in the oxidant outlet, and therefore it is possible to efficiently discharge water produced by the reaction, which is more effective. (Eleventh Embodiment) This embodiment is a modification of the above-mentioned tenth embodiment, in which the flows of the coolant flow channels 92 in two upper and lower rows provided along the long sides of the separator 90 are partially integrated, and the integrated flows are connected in series. Note that Fig. 23 is a perspective view showing the configuration of a polymer electrolyte fuel cell stack of the eleventh embodiment, and Figs. 24A and 24B show the front end plate 93a,
25A and 25B are front views showing the rear end plate 93b. That is, in this embodiment, as shown in FIG. 23, four of the eight coolant channels arranged in two rows at the top and bottom of the separator are configured to flow in the same direction in parallel. To achieve this flow pattern, as shown in FIGS. 24A and 24B, the coolant introduced through two coolant inlets 97a in the front end plate 93a is distributed to four coolant channels from the right end, then flows through the coolant channels, and reaches the rear end plate 93b. As shown in FIGS. 25A and 25B, the coolant that has reached the rear end plate 93b passes through the coolant channels in the rear end plate 93b, is guided to the four coolant channels from the left end, makes a U-turn, and is then guided to the front end plate 93b.
In this way, by dividing the eight coolant flow paths into groups of four and connecting them to each other,
As in the tenth embodiment, the temperature can be lower on the right side of the separator and higher on the left side, so the temperature near the oxidant outlet can be increased, and water produced by the reaction can be efficiently discharged. (Twelfth embodiment) This embodiment is a modification of the tenth embodiment, and is configured so that two rows of coolant flow channels, one above the other, provided along the long sides of the separator are connected in series. Note that Fig. 26 is a perspective view showing the configuration of a polymer electrolyte fuel cell stack of the twelfth embodiment, and Figs. 27A and 27B show the front end plate 10 shown in Fig. 26.
28A and 28B are front views showing the front end plate 100a and the rear end plate 100b.
In the front end plate 100b, two rows of coolant channels 102b, one above the other, are provided in the separator 80 in a portion substantially parallel to the extension direction of the short sides of the separator 80. Coolant introduced through a single coolant inlet provided in the front end plate 100a flows through the rightmost channel of the upper row of coolant channels 102b and reaches the rear end plate 100b. In the rear end plate 100b, upper and lower coolant channels 102b are provided, and the coolant is led to the rightmost channel of the lower row of coolant channels 102b. The coolant introduced into the rightmost channel of the lower row of coolant channels 102b passes through a similar communicating channel in the front end plate 100a and is introduced into the second-from-the-rightmost channel of the upper row of coolant channels 102b. In this way, by alternately flowing the coolant through the upper and lower rows of coolant flow channels 102b from the right end to the left end, the temperature can be lower on the right side of the separator 80 and higher on the left side, as in the tenth embodiment, so that the temperature near the oxidant outlet can be increased and water produced by the reaction can be efficiently discharged. [Industrial Applicability] As described above, according to the present invention, it is possible to maintain a small temperature difference within the separator and reduce the thickness in the stacking direction, thereby providing a solid polymer fuel cell stack that can be made small and ensure a large reaction area.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawings]

図1は従来の固体高分子型燃料電池スタックのセパレータの構成を示す斜視図
。 図2は本発明による固体高分子型燃料電池スタックの第1実施形態の構成を示
す斜視図。 図3は図2に示す燃料電池スタックの断面図。 図4A、図4Bは第1実施形態のセパレータの構成を示す図であって、図4A
はセパレータの燃料ガス流路側の正面図であり、図4Bは図4AにおけるA−A
断面図。 図5は第1実施形態の燃料電池スタックの単セル内の熱の流れを示す図。 図6は第1実施形態の燃料電池スタックのセル電圧分布を示す図。 図7は第1実施形態と従来例におけるセパレータの上下方向の温度分布を示す
図。 図8は第1実施形態と従来例におけるセパレータの左右方向の温度分布を示す
図。 図9は本発明による固体高分子型燃料電池スタックの第2実施形態の構成を示
す斜視図。 図10A、図10Bは第2実施形態のセパレータの構成を示す図であって、図
10Aはセパレータの燃料ガス流路側の正面図であり、図10Bは図10Aにお
けるB−B断面図。 図11は本発明における温度と水蒸気量との関係を示す図。 図12は本発明における膨張黒鉛セパレータのアスペクト比と温度差との関係
を示す図。 図13は本発明におけるアルミニウムセパレータのアスペクト比と温度差との
関係を示す図。 図14A、図14Bは第5実施形態のセパレータの構成を示す図であって、図
14Aはセパレータの燃料ガス流路側の正面図であり、図14Bは図14Aにお
けるC−C断面図。 図15A、図15Bは第6実施形態のセパレータの構成を示す図であって、図
15Aはセパレータの燃料ガス流路側の正面図であり、図15Bは図15Aにお
けるD−D断面図。 図16は第7実施形態のセパレータの構成を示す図であって、セパレータの燃
料ガス流路側の正面図。 図17A、図17Bは第8実施形態のセパレータの構成を示す図であって、図
17Aはセパレータの燃料ガス流路側の正面図であり、図17Bは図17Aにお
けるE−E断面図。 図18A、図18Bは第9実施形態のセパレータの構成を示す図であって、図
18Aはセパレータの燃料ガス流路側の正面図であり、図18Bは図18Aにお
けるF−F断面図。 図19は本発明による固体高分子型燃料電池スタックの第10実施形態の構成
を示す斜視図。 図20A、図20Bは第10実施形態のセパレータの構成を示す図であって、
図20Aはセパレータの燃料ガス流路側の正面図であり、図20Bは図20Aに
おけるG−G断面図。 図21A、図21Bは図19に示す前面のエンドプレートの構成を示す図であ
って、図21Aは正面図であり、図21Bは図21AにおるH−H断面図。 図22A、図22Bは図19に示す後面のエンドプレートの構成を示す図であ
って、図22Aは正面図であり、図22Aは図22AにおけるI−I断面図。 図23は本発明による固体高分子型燃料電池スタックの第11実施形態の構成
を示す斜視図。 図24A、図24Bは図23に示す前面のエンドプレートの構成を示す図であ
って、図24Aは正面図であり、図24Bは図24AにおけるJ−J断面図。 図25A、図25Bは図23に示す後面のエンドプレートの構成を示す図であ
って、図25Aは正面図であり、図25Bは図25AにおけるK−K断面図。 図26は本発明による固体高分子型燃料電池スタックの第12実施形態の構成
を示す斜視図。 図27A、図27Bは図26に示す前面のエンドプレートの構成を示す図であ
って、図27Aは正面図であり、図27Bは図27AにおけるJ−J断面図。 図28A、図28Bは図26に示す後面のエンドプレートの構成を示す図であ
って、図28Aは正面図であり、図28Bは図28AにおけるL−L断面図。
Fig. 1 is a perspective view showing the structure of a separator in a conventional polymer electrolyte fuel cell stack. Fig. 2 is a perspective view showing the structure of a first embodiment of a polymer electrolyte fuel cell stack according to the present invention. Fig. 3 is a cross-sectional view of the fuel cell stack shown in Fig. 2. Figs. 4A and 4B are views showing the structure of the separator in the first embodiment.
4B is a front view of the separator on the fuel gas flow path side, and FIG. 4B is a view taken along the line A-A in FIG. 4A.
FIG. 5 is a cross-sectional view. FIG. 6 is a diagram showing the heat flow within a unit cell of the fuel cell stack of the first embodiment. FIG. 7 is a diagram showing the temperature distribution in the vertical direction of the separator in the first embodiment and a conventional example. FIG. 8 is a diagram showing the temperature distribution in the horizontal direction of the separator in the first embodiment and a conventional example. FIG. 9 is a perspective view showing the configuration of a second embodiment of a polymer electrolyte fuel cell stack according to the present invention. FIGs. 10A and 10B are diagrams showing the configuration of a separator in the second embodiment, where FIG. 10A is a front view of the separator on the fuel gas flow path side, and FIG. 10B is a B-B cross-sectional view of FIG. 10A. FIG. 11 is a diagram showing the relationship between temperature and water vapor amount in the present invention. FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the aspect ratio of an expanded graphite separator in the present invention and temperature difference. FIG. 13 is a diagram showing the relationship between the aspect ratio of an aluminum separator in the present invention and temperature difference. Figures 14A and 14B show the configuration of a separator according to a fifth embodiment, with Figure 14A being a front view of the separator on the fuel gas flow path side and Figure 14B being a cross-sectional view taken along C-C in Figure 14A. Figures 15A and 15B show the configuration of a separator according to a sixth embodiment, with Figure 15A being a front view of the separator on the fuel gas flow path side and Figure 15B being a cross-sectional view taken along D-D in Figure 15A. Figure 16 shows the configuration of a separator according to a seventh embodiment, with a front view of the separator on the fuel gas flow path side. Figures 17A and 17B show the configuration of a separator according to an eighth embodiment, with Figure 17A being a front view of the separator on the fuel gas flow path side and Figure 17B being a cross-sectional view taken along E-E in Figure 17A. 18A and 18B are diagrams showing the configuration of a separator of a ninth embodiment, in which Fig. 18A is a front view of the separator on the fuel gas flow channel side, and Fig. 18B is a cross-sectional view taken along the line F-F in Fig. 18A. Fig. 19 is a perspective view showing the configuration of a polymer electrolyte fuel cell stack of a tenth embodiment according to the present invention. Figs. 20A and 20B are diagrams showing the configuration of a separator of the tenth embodiment, in which
Fig. 20A is a front view of the fuel gas flow path side of the separator, and Fig. 20B is a G-G cross-sectional view of Fig. 20A. Figs. 21A and 21B are views showing the configuration of the front end plate shown in Fig. 19, with Fig. 21A being a front view and Fig. 21B being a H-H cross-sectional view of Fig. 21A. Figs. 22A and 22B are views showing the configuration of the rear end plate shown in Fig. 19, with Fig. 22A being a front view and Fig. 22A being a I-I cross-sectional view of Fig. 22A. Fig. 23 is a perspective view showing the configuration of an eleventh embodiment of a polymer electrolyte fuel cell stack according to the present invention. Figs. 24A and 24B are views showing the configuration of the front end plate shown in Fig. 23, with Fig. 24A being a front view and Fig. 24B being a J-J cross-sectional view of Fig. 24A. Figs. 25A and 25B are views showing the configuration of the rear end plate shown in Fig. 23, with Fig. 25A being a front view and Fig. 25B being a K-K cross-sectional view of Fig. 25A. Fig. 26 is a perspective view showing the configuration of a twelfth embodiment of a polymer electrolyte fuel cell stack according to the present invention. Figs. 27A and 27B are views showing the configuration of the front end plate shown in Fig. 26, with Fig. 27A being a front view and Fig. 27B being a cross-sectional view taken along line J-J in Fig. 27A. Figs. 28A and 28B are views showing the configuration of the rear end plate shown in Fig. 26, with Fig. 28A being a front view and Fig. 28B being a cross-sectional view taken along line L-L in Fig. 28A.

───────────────────────────────────────────────────── (注)この公表は、国際事務局(WIPO)により国際公開された公報を基に作 成したものである。 なおこの公表に係る日本語特許出願(日本語実用新案登録出願)の国際公開の 効果は、特許法第184条の10第1項(実用新案法第48条の13第2項)に より生ずるものであり、本掲載とは関係ありません。───────────────────────────────────────────────────── (Note) This publication is based on the publication published internationally by the International Bureau of Patents (WIPO). The effect of the international publication of the Japanese patent application (Japanese utility model registration application) related to this publication arises pursuant to Article 184-10, Paragraph 1 of the Patent Act (Article 48-13, Paragraph 2 of the Utility Model Act) and is unrelated to this publication.

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 燃料極と酸化剤極とに狭持された固体高分子電解質膜を有する単
セルが、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路と前記酸化剤極に酸化剤
ガスを供給する酸化剤ガス流路とのうち少なくとも一方を備えたセパレータを介
し、複数積層されてなる固体高分子型燃料電池スタックにおいて、 前記セパレターは、外形が長方形状であり、且つ、 前記セパレターの前記燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路の周囲部分であってセ
パレータの長辺の伸長方向と実質的に平行な部分には、前記冷却媒体をセパレー
タ平面に対して直角方向に流通させるように、冷却媒体用流路が形成されたこと
を特徴とする固体高分子型燃料電池スタック。
[Claim 1] A solid polymer fuel cell stack comprising a plurality of unit cells, each having a solid polymer electrolyte membrane sandwiched between a fuel electrode and an oxidizer electrode, stacked together with a separator having at least one of a fuel gas flow path for supplying fuel gas to the fuel electrode and an oxidizer gas flow path for supplying oxidizer gas to the oxidizer electrode, wherein the separator has a rectangular outer shape, and a cooling medium flow path is formed in the portion of the separator surrounding the fuel gas flow path and the oxidizer gas flow path, which is substantially parallel to the extension direction of the long side of the separator, so that the cooling medium flows in a direction perpendicular to the separator plane.
【請求項2】 燃料極と酸化剤極とに狭持された固体高分子電解質膜を有する単
セルが、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路と前記酸化剤極に酸化剤
ガスを供給する酸化剤ガス流路とのうち少なくとも一方を備えたセパレータを介
し、複数積層されてなる固体高分子型燃料電池スタックにおいて、 前記セパレターは、外形が長方形状であり、且つ、 前記セパレータの相対する長辺の伸長方向と実質的に平行な部分には、前記冷
却媒体をセパレータ平面に対して直角方向に流通させるように、冷却媒体用流路
が複数形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。
[Claim 2] A polymer electrolyte fuel cell stack in which a plurality of unit cells, each having a solid polymer electrolyte membrane sandwiched between a fuel electrode and an oxidizer electrode, are stacked via a separator having at least one of a fuel gas flow path for supplying fuel gas to the fuel electrode and an oxidizer gas flow path for supplying oxidizer gas to the oxidizer electrode, wherein the separator has a rectangular outer shape, and a plurality of cooling medium flow paths are formed in portions substantially parallel to the extension direction of the opposing long sides of the separator, so as to circulate the cooling medium in a direction perpendicular to the separator plane.
【請求項3】 燃料極と酸化剤極とに狭持された固体高分子電解質膜を有する単
セルが、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路と前記酸化剤極に酸化剤
ガスを供給する酸化剤ガス流路とのうち少なくとも一方を備えたセパレータを介
し、複数積層されてなる固体高分子型燃料電池スタックにおいて、 前記セパレターは、外形が長方形状であり、且つ、 前記セパレターの前記極に接する面には、複数の冷却領域が設けられると共に
各冷却領域の中央部には、前記冷却媒体をセパレータ平面に対して直角方向に流
通させるように、冷却媒体用流路が形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。
[Claim 3] A polymer electrolyte fuel cell stack in which a plurality of unit cells, each having a solid polymer electrolyte membrane sandwiched between a fuel electrode and an oxidizer electrode, are stacked via a separator having at least one of a fuel gas flow path for supplying fuel gas to the fuel electrode and an oxidizer gas flow path for supplying oxidizer gas to the oxidizer electrode, wherein the separator has a rectangular outer shape, and the surface of the separator that contacts the electrode is provided with a plurality of cooling areas, and a cooling medium flow path is formed in the center of each cooling area so as to circulate the cooling medium in a direction perpendicular to the separator plane.
【請求項4】 前記燃料ガス流路あるいは酸化剤ガス流路の周囲部分で、セパレ
ータの短辺の伸長方向と実質的に平行な部分に、燃料ガスまたは酸化剤ガスの供
給用または排出用マニホールドを設けたことを特徴とする請求項1乃至請求項3
のいずれか一に記載の固体高分子型燃料電池スタック。
4. A fuel gas supply or discharge manifold for supplying or discharging the fuel gas or the oxidant gas is provided in a portion of the periphery of the fuel gas flow path or the oxidant gas flow path, substantially parallel to the direction of extension of the short sides of the separator.
10. The polymer electrolyte fuel cell stack according to claim 9, wherein the polymer electrolyte fuel cell stack is a polymer electrolyte fuel cell stack according to any one of claims 1 to 9.
【請求項5】 前記セパレータが、可撓性黒鉛炭素からなるシートから構成され
、前記セパレータの短辺に対する長辺の長さの比が3以上であることを特徴とす
る請求項1乃至請求項3のいずれか一に記載の固体高分子型燃料電池スタック。
[Claim 5] A solid polymer fuel cell stack as described in any one of claims 1 to 3, characterized in that the separator is made of a sheet made of flexible graphite carbon, and the ratio of the length of the long side of the separator to the length of the short side is 3 or more.
【請求項6】 前記セパレータが、銅またはアルミニウム系の金属の薄板から構
成され、前記セパレータの短辺に対する長辺の長さの比が2.5以上であること
を特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一に記載の固体高分子型燃料電池
スタック。
[Claim 6] A solid polymer fuel cell stack as described in any one of claims 1 to 3, characterized in that the separator is made of a thin plate of copper or aluminum-based metal, and the ratio of the length of the long side of the separator to the length of the short side is 2.5 or more.
【請求項7】 前記セパレータに形成された冷却媒体用流路の内壁に、複数の突
起を設けたことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一に記載の固体高
分子型燃料電池スタック。
7. The polymer electrolyte fuel cell stack according to claim 1, wherein a plurality of protrusions are provided on the inner wall of the cooling medium flow path formed in the separator.
【請求項8】 前記セパレータに形成された冷却媒体用流路の内壁に、張り出し
部を設けたことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一に記載の固体高
分子型燃料電池スタック。
8. The polymer electrolyte fuel cell stack according to claim 1, wherein an inner wall of a cooling medium flow path formed in said separator is provided with a protruding portion.
【請求項9】 前記複数の冷却媒体用流路が直列に接続されていることを特徴と
する請求項1乃至請求項3のいずれか一に記載の固体高分子型燃料電池スタック
9. The polymer electrolyte fuel cell stack according to claim 1, wherein the plurality of cooling medium flow paths are connected in series.
【請求項10】 前記複数の冷却媒体用流路の一部が並列に接続され、並列に接
続された流路間が直列に接続されていることを特徴とする請求項1乃至請求項3
のいずれか一に記載の固体高分子型燃料電池スタック。
10. A cooling medium supply passage according to any one of claims 1 to 3, wherein some of the plurality of cooling medium passages are connected in parallel, and the passages connected in parallel are connected in series.
10. The polymer electrolyte fuel cell stack according to claim 9, wherein the polymer electrolyte fuel cell stack is a polymer electrolyte fuel cell stack according to any one of claims 1 to 9.
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