固体高分子型燃料電池
【課題】複数の単位セルの動作時の温度を均一化可能なスタック型の固体高分子型燃料電池を提供する。
【解決手段】固体高分子型燃料電池２００は、スタック２１０と、端板２２０，２３０と、冷却ファン２４０，２５０，２６０とを備える。スタック２１０は、端板２２０，２３０間に配置され、セル群２１１〜２１３に分類される。冷却ファン２５０は、セル群２１２を空冷し、冷却ファン２４０，２６０は、冷却ファン２５０よりも低い能力でそれぞれセル群２１１，２１３を空冷する。
【解決手段】固体高分子型燃料電池２００は、スタック２１０と、端板２２０，２３０と、冷却ファン２４０，２５０，２６０とを備える。スタック２１０は、端板２２０，２３０間に配置され、セル群２１１〜２１３に分類される。冷却ファン２５０は、セル群２１２を空冷し、冷却ファン２４０，２６０は、冷却ファン２５０よりも低い能力でそれぞれセル群２１１，２１３を空冷する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、固体高分子型燃料電池に関し、特に、スタック型の固体高分子型燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素と酸素とを電気化学的に反応させることにより、電気を取り出す燃料電池は、二酸化炭素（ＣＯ２）の排出を大きく低減することが可能な技術であると共に、従来の内燃機関に比べて効率が高く、静粛性に優れ、さらに、大気汚染の原因となるＮＯｘ、ＳＯｘおよびＰＭ等の排出量が少ないという特徴を有している。
【０００３】
このため、燃料電池は、クリーンなエネルギー変換装置として国際的にも研究開発が精力的に進められており、これまでに、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、および固体酸化物型燃料電池等が開発されている。
【０００４】
このような状況の下、近年、自動車用および家庭用等の小型の発電に適した燃料電池として、固体高分子型燃料電池が注目されている。この固体高分子型燃料電池が注目されるようになったのは、性能が一段と向上した固体高分子電解質膜を用いることによって電池の出力密度が飛躍的に向上し、高効率という従来からの燃料電池の特性に加え、小型化および低温作動が可能になったからである。
【０００５】
固体高分子型燃料電池は、数十〜数百個の単位電池を直列に接続して所要電力を得る。そして、単位電池は、固体高分子電解質膜と、２つのガス拡散電極と、２つのセパレータとを備える２つのガス拡散電極は、固体高分子電解質膜の両側に配置される。２つのセパレータは、２つのガス拡散電極の外側に配置される。
【０００６】
従来、２つのセパレータのうち、一方のセパレータの固体高分子電解質膜と反対側の表面に冷却用空気流路を形成した燃料電池スタックが知られている（特許文献１）。この燃料電池スタックにおいては、２つのセパレータＡ，Ｂのうち、セパレータＡは、固体高分子電解質膜と反対側の表面に冷却用空気流路用の溝を有し、セパレータＢは、固体高分子電解質膜と反対側の表面に冷却用空気流路用の溝を有する。そして、セパレータＡは、隣接する単位セルのセパレータＢと接することによって、溝が塞がれ、冷却用空気流路が形成される。
【特許文献１】特開２００６−２１０３５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、従来の燃料電池スタックでは、複数の単位セルの各々を冷却するための複数の単位セルの動作時の温度を均一に保持することが困難である。
【０００８】
そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、複数の単位セルの動作時の温度を均一化可能なスタック型の固体高分子型燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明によれば、固体高分子型燃料電池は、スタック型の固体高分子型燃料電池であって、スタックと、冷却手段とを備える。スタックは、直列に接続された複数の単位セルからなる。冷却手段は、スタックの中央部に位置する単位セルを第１の冷却能力で空冷し、スタックの端部に位置する単位セルを第２の冷却能力で空冷する。複数の単位セルは、隣接する第１および第２の単位セルを含み、第１および第２の単位セル間は、冷却手段からの空気に対して気密性を保持する構造からなる。
【００１０】
好ましくは、第１の単位セルは、第１の固体高分子電解質膜と、第１および第２のガス拡散電極と、第１および第２のセパレータとを含む。第１および第２のガス拡散電極は、第１の固体高分子電解質膜の両側に配置される。第１のセパレータは、第１のガス拡散電極の第１の固体高分子電解質膜側と反対側に配置され、金属からなる。第２のセパレータは、第２のガス拡散電極の第１の固体高分子電解質膜側と反対側に配置され、金属からなる。第２の単位セルは、第２の固体高分子電解質膜と、第３および第４のガス拡散電極と、第３および第４のセパレータとを含む。第３および第４のガス拡散電極は、第２の固体高分子電解質膜の両側に配置される。第３のセパレータは、第３のガス拡散電極の第２の固体高分子電解質膜側と反対側に配置され、金属からなる。第４のセパレータは、第４のガス拡散電極の第２の固体高分子電解質膜側と反対側に配置され、金属からなる。そして、第２のセパレータは、第２のガス拡散電極側と反対側の表面に第１の凹凸構造を有し、第３のセパレータは、第３のガス拡散電極側と反対側の表面に第２の凹凸構造を有する。また、第１の凹凸構造の凸部は、第２の凹凸構造の凸部に接している。さらに、スタックは、相互に接する第１の凹凸構造と第２の凹凸構造との周辺部に配置され、冷却手段からの空気が第１および第２の凹凸構造に入るのを遮断するシール部材を含む。
【００１１】
好ましくは、スタックは、各々が所定数の単位セルを含む第１から第３のセル群からなる。第１のセル群は、スタックの中央部に位置し、第２のセル群は、中央部の一方側に位置し、第３のセル群は、中央部の他方側に位置する。冷却手段は、第１から第３の冷却ファンを含む。第１の冷却ファンは、第１のセル群を第１の冷却能力で空冷する。第２の冷却ファンは、第２のセル群を第２の冷却能力で空冷する。第３の冷却ファンは、第３のセル群を第２の冷却能力で空冷する。
【００１２】
好ましくは、第１から第３の冷却ファンは、複数の単位セルの配列方向に垂直な方向から複数の単位セルを空冷する。
【００１３】
好ましくは、第１から第３のセル群は、相互に等しい数の単位セルを含む。
【発明の効果】
【００１４】
この発明による固体高分子型燃料電池においては、スタックの中央部は、相対的に高い能力で空冷され、スタックの端部は、相対的に低い能力で空冷される。また、隣接する第１および第２の単位セル間、冷却手段からの空気に対して気密性を保持する構造からなる
。その結果、スタックの中央部に位置する単位セルで発生した熱は、スタックの端部に位置する単位セルへ拡散し易くなる。そして、スタックは、均一な温度になり易い。
【００１５】
したがって、この発明によれば、複数の単位セルの動作時の温度を均一化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００１７】
図１は、この発明の実施の形態によるスタック型の固体高分子型燃料電池の断面図である。図１を参照して、この発明の実施の形態によるスタック型の固体高分子型燃料電池２００は、スタック２１０と、端板２２０，２３０と、冷却ファン２４０，２５０，２６０とを備える。
【００１８】
スタック２１０は、端板２２０と端板２３０との間に配置され、たとえば、３６個の単位セル２１０１〜２１３６からなる。そして、３６個の単位セル２１０１〜２１３６は、たとえば、３個のセル群２１１〜２１３に分類される。セル群２１１は、単位セル２１０１〜２１１２を含む。セル群２１２は、単位セル２１１３〜２１２４を含む。セル群２１３は、単位セル２１２５〜２１３６を含む。このように、セル群２１１〜２１３は、相互に等しい数の単位セルを含む。
【００１９】
冷却ファン２４０，２５０，２６０は、端板２２０と端板２３０との間にスタック２１０に対向して配置される。そして、冷却ファン２４０は、複数の単位セル２１０１〜２１３６の配列方向に垂直な方向からセル群２１１を空冷し、冷却ファン２５０は、複数の単位セル２１０１〜２１３６の配列方向に垂直な方向からセル群２１２を空冷し、冷却ファン２６０は、複数の単位セル２１０１〜２１３６の配列方向に垂直な方向からセル群２１３を空冷する。
【００２０】
冷却ファン２４０，２６０の冷却能力は、冷却ファン２５０の冷却能力よりも低い。したがって、冷却ファン２５０は、冷却ファン２４０，２６０よりも高い冷却能力でセル群２１２を空冷し、冷却ファン２４０，２６０は、冷却ファン２５０よりも低い冷却能力でそれぞれセル群２１１，２１３を空冷する。
【００２１】
図２は、図１に示す単位セル２１０１の断面図である。図２を参照して、単位セル２１０１は、固体高分子電解質膜１１０と、ガス拡散電極１２０，１３０と、セパレータ１４０，１５０と、ガスケット１６０，１７０とを含む。
【００２２】
ガス拡散電極１２０は、その一主面に触媒１８０を担持し、触媒１８０が固体高分子電解質膜１１０の一方面に接するように固体高分子電解質膜１１０の一方側に配置される。また、ガス拡散電極１３０は、その一主面に触媒１９０を担持し、触媒１９０が固体高分子電解質膜１１０の他方面に接するように固体高分子電解質膜１１０の他方側に配置される。
【００２３】
セパレータ１４０は、ガス拡散電極１２０の一主面（触媒１８０が担持された一主面と反対側の一主面）に接するように配置される。セパレータ１５０は、ガス拡散電極１３０の一主面（触媒１９０が担持された一主面と反対側の一主面）に接するように配置される。
【００２４】
ガスケット１６０は、固体高分子電解質膜１１０の外周部とセパレータ１４０の外周部との間に設けられ、気密性を保持してセパレータ１４０の外周部を固体高分子電解質膜１１０の外周部に連結する。ガスケット１７０は、固体高分子電解質膜１１０の外周部とセパレータ１５０の外周部との間に設けられ、気密性を保持してセパレータ１５０の外周部を固体高分子電解質膜１１０の外周部に連結する。
【００２５】
固体高分子電解質膜１１０は、たとえば、フッ素系のイオン交換膜からなる。ガス拡散電極１２０，１３０の各々は、ガス透過性および導電性を有する多孔体からなる。触媒１８０，１９０の各々は、白金（Ｐｔ）または白金合金（Ｐｔ−Ｒｕ）からなる。ガスケット１６０，１７０の各々は、フッ素樹脂、バイトンゴム、シリコンゴムおよびエチレンプロピレンゴム等のいずれかからなる。そして、フッ素樹脂は、より具体的には、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、およびテトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）等である。
【００２６】
固体高分子電解質膜１１０は、触媒１８０によって分離された電子ｅ−と水素イオンＨ＋とのうち、水素イオンＨ＋のみを触媒１９０側へ通過させる。ガス拡散電極１２０は、セパレータ１４０から供給された水素ガスを触媒１８０へ拡散させる。触媒１８０は、ガス拡散電極１２０に供給された水素ガスを電子ｅ−と水素イオンＨ＋とに分離する。
【００２７】
ガス拡散電極１３０は、セパレータ１５０から供給された空気（または酸素）を触媒１９０へ拡散させる。触媒１９０は、固体高分子電解質膜１１０から供給された水素イオンＨ＋と、ガス拡散電極１３０から供給された電子ｅ−と空気（または酸素）とを反応させ、水を生成する。
【００２８】
セパレータ１４０は、ガス拡散電極１２０に接する一主面に凹凸構造からなるガス供給溝１４０Ａを有する。そして、セパレータ１４０は、ガス供給溝１４０Ａを介して水素ガスをガス拡散電極１２０に供給する。
【００２９】
セパレータ１５０は、ガス拡散電極１３０に接する一主面に凹凸構造からなるガス供給溝１５０Ａを有する。そして、セパレータ１５０は、ガス供給溝１５０Ａを介して空気（または酸素）をガス拡散電極１３０に供給する。
【００３０】
固体高分子型燃料電池からなる単位セル２１０１が発電する動作について説明する。セパレータ１４０のガス供給溝１４０Ａを介して水素がガス拡散電極１２０へ供給されると、ガス拡散電極１２０は、水素ガスを触媒１８０へ拡散し、触媒１８０は、水素を水素イオンＨ＋と電子ｅ−とに分離する。
【００３１】
そうすると、固体高分子電解質膜１１０は、触媒１８０によって分離された水素イオンＨ＋および電子ｅ−のうち、水素イオンＨ＋のみを透過して触媒１９０へ供給する。一方、電子ｅ−は、触媒１８０からガス拡散電極１２０を介してセパレータ１４０へ移動し、セパレータ１４０から外部の負荷（図示せず）を介してセパレータ１５０へ流れる。そして、セパレータ１５０、電子ｅ−をガス拡散電極１３０へ供給する。
【００３２】
また、セパレータ１５０のガス供給溝１５０Ａを介して空気（または酸素）がガス拡散電極１３０へ供給される。そして、ガス拡散電極１３０は、空気（または酸素）を触媒１９０へ拡散し、電子ｅ−を触媒１９０へ供給する。
【００３３】
そうすると、水素イオンＨ＋、空気（または酸素）および電子ｅ−は、触媒１９０の助けを借りて反応し、水になる。このようにして、単位セル２１０１は発電する。
【００３４】
なお、図１に示す単位セル２１０２〜２１３６の各々は、図２に示す単位セル２１０１と同じ構造からなり、上述した方法によって発電する。
【００３５】
図３は、図２に示すセパレータ１４０の平面図である。図３を参照して、セパレータ１４０は、ステンレス鋼等の金属板からなり、ガス供給部１１と、ガス流路部１２と、ガス排出部１３と、孔１４〜１９とを含む。ガス供給部１１、ガス流路部１２、ガス排出部１３および孔１４〜１９は、金属板にプレス成形を施すことによって一体的に成形される。
【００３６】
ガス供給部１１は、凹部１１１と、孔１１２と、複数の凸部１１３とを含む。孔１１２および複数の凸部１１３は、凹部１１１内に配置される。そして、孔１１２は、長孔形状からなり、セパレータ１４０を厚み方向に貫通する。また、複数の凸部１１３は、孔１１２に沿ってガス流路部１２側に直線状に配置される。
【００３７】
凹部１１１は、基準面を構成し、複数の凸部１１３は、凹部１１１から０．４ｍｍの高さを有する。また、周縁部２１は、凹部１１１から０．５ｍｍの高さを有する。
【００３８】
ガス流路部１２は、複数の溝１２１を有する。複数の溝１２１は、略平行に設けられる。複数の溝１２１は、ガス供給部１１の凹部１１１と同じ基準面を有する。そして、隣接する２つの溝１２１，１２１間の凸部１２２は、溝１２１から０．５ｍｍの高さを有する。
【００３９】
ガス排出部１３は、凹部１３１と、孔１３２と、複数の凸部１３３とを含む。孔１３２および複数の凸部１３３は、凹部１３１内に配置される。そして、孔１３２は、長孔形状からなり、セパレータ１４０を厚み方向に貫通する。また、複数の凸部１３３は、孔１３２に沿ってガス流路部１２側に直線状に配置される。
【００４０】
凹部１３１は、ガス流路部１２の溝１２１と同じ基準面を有する。そして、複数の凸部１３３は、凹部１３１から０．４ｍｍの高さを有する。
【００４１】
孔１４〜１６は、ガス供給部１１の孔１１２と直線状になるように周縁部２１に形成される。孔１４，１５の各々は、略円形形状からなり、孔１１２と孔１６との間に配置される。また、孔１６は、長孔形状からなる。そして、孔１４〜１６は、セパレータ１４０を厚み方向に貫通する。
【００４２】
孔１７〜１９は、ガス排出部１３の孔１３２と直線状になるように周縁部２１に形成される。孔１７，１８の各々は、略円形形状からなり、孔１３２と孔１９との間に配置される。また、孔１９は、長孔形状からなる。そして、孔１７〜１９は、セパレータ１４０を厚み方向に貫通する。
【００４３】
ガス供給部１１は、孔１１２から水素ガスまたは空気（または酸素ガス）を受け、その受けた水素ガスまたは空気（または酸素ガス）をガス流路部１２へ供給する。ガス流路部１２は、ガス供給部１１から供給された水素ガスまたは空気（または酸素ガス）を複数の溝１２１によってガス排出部１３へ流す。ガス排出部１３は、ガス流路部１２から受けた水素ガスまたは空気（または酸素ガス）を孔１３２から排出する。
【００４４】
図４は、図３に示すセパレータ１４０の裏面の平面図である。図４を参照して、周縁部２１Ｒは、図３に示す周縁部２１に対応する。ガス供給部１１において、凸部１１１Ｒは、図３に示す凹部１１１に対応する。また、複数の凸部１１３Ｒは、図３に示す複数の凸部１１３に対応する。図４においては、周縁部２１Ｒが基準面を構成し、凸部１１１Ｒは、周縁部２１Ｒから０．５ｍｍの高さを有する。また、凸部１１３Ｒは、周縁部２１Ｒから０．１ｍｍの高さを有する。したがって、凸部１１３Ｒは、凸部１１１Ｒよりも窪んでいる。
【００４５】
ガス流路部１２において、凹部１２２Ｒは、図３に示す凸部１２２に対応し、凸部１２１Ｒは、図３に示す溝１２１に対応する。そして、凹部１２２Ｒは、周縁部２１Ｒと同じ基準面を構成し、凸部１２１Ｒは、凹部１２２Ｒから０．５ｍｍの高さを有する。
【００４６】
ガス排出部１３において、凸部１３１Ｒは、図３に示す凹部１３１に対応する。また、複数の凸部１３３Ｒは、図３に示す複数の凸部１３３に対応する。凸部１３１Ｒは、周縁部２１Ｒから０．５ｍｍの高さを有する。また、凸部１３３Ｒは、周縁部２１Ｒから０．１ｍｍの高さを有する。したがって、凸部１３３Ｒは、凸部１３１Ｒよりも窪んでいる。
【００４７】
したがって、セパレータ１４０の裏面は、凸部１２１Ｒが周縁部２１Ｒから突出した構造を有する。
【００４８】
図５は、図３に示すガス供給部１１の拡大図である。図５を参照して、直線状に配列された複数の凸部１１３の両側の周縁部２１には、凹部１１４，１１５が設けられている。そして、金属板２０は、凹部１１４，１１５間の距離に等しい長さを有し、両端が凹部１１４，１１５にはめ込まれる。
【００４９】
この金属板２０は、セパレータ１４０を用いて固体高分子型燃料電池を作製する場合、セパレータ１４０に接して設けられるガスケットがガス流路部１２にめり込むのを防止するために設けられる。
【００５０】
なお、図２に示すセパレータ１５０も、図３から図５に示すセパレータ１４０と同じ構造からなる。
【００５１】
図６は、隣接する２つの単位セル間に配置されるシール部材および図４に示すセパレータ１４０の裏面を示す平面図である。図６を参照して、シール部材２６０は、略Ｌ字形状を有し、本体部２６２と、延伸部２６３と、孔２６１１〜２６１３とを有する。延伸部２６３は、本体部２６２の一方端から本体部２６２の幅方向に沿って延伸するように本体部２６２に連結される。孔２６１１は、長孔形状からなり、本体部２６２を貫通する。孔２６１２，２６１３の各々は、略円形形状からなり、本体部２６２を貫通する。孔２６１１は、セパレータ１４０の孔１６，１１２，１９，１３２と同じ寸法を有する。孔２６１２，２６１３の各々は、セパレータ１４０の孔１４，１５，１７，１８と同じ寸法を有する。
【００５２】
そして、孔２６１１〜２６１３は、シール部材２６０がセパレータ１４０の裏面のガスマニホールド部１０Ａ，１０Ｂに配置された場合、それぞれ、セパレータ１４０の孔１４，１５，１６、セパレータ１４０の孔１７，１８，１９にマッチし、延伸部２６３は、凸部１２１Ｒの長さ方向に沿って周縁部２１Ｒに配置される。
【００５３】
セパレータ１４０の裏面には、凸部１２１Ｒが形成され（図６の（ｂ）参照）、隣接する２つの単位セルは、セパレータ１４０の裏面とセパレータ１５０の裏面とが接するので、隣接する２つの単位セルのセパレータ１４０，１５０は、凸部１２１Ｒ同士が接する。その結果、隣接する２つの単位セルのセパレータ１４０，１５０においては、ガスマニホールド部１０Ａ，１０Ｂに隙間が形成される。したがって、ガスマニホールド部１０Ａ，１０Ｂにおけるガスリークを抑制するために、シール部材２６０が隣接する２つの単位セルの２つのセパレータ１４０，１５０間に配置される。
【００５４】
単位セル２１０１〜２１３６が２つの端板２２０，２３０間に直列に配列された場合、セパレータ１４０，１５０の孔１４，１５；１７，１８およびシール部材２６０の孔２６１２，２６１３は、単位セル２１０１〜２１３６の配列方向に直線状に配置されるので、単位セル２１０１〜２１３６は、セパレータ１４０，１５０の孔１４，１５；１７，１８およびシール部材２６０の孔２６１２，２６１３にボルトを通して端板２２０，２３０間に固定される。
【００５５】
なお、セパレータ１４０，１５０は、ステンレス鋼に限らず、硫酸に対して耐腐食性を有する金属板から成っていればよい。
【００５６】
図７は、図１に示す隣接する２つの単位セル２１０１，２１０２の断面図である。なお、図７は、図３および図４に示すセパレータ１４０の幅方向における断面図である。図７を参照して、単位セル２１０１のセパレータ１５０の凹凸構造１５０１（凸部１２１Ｒおよび凹部１２２Ｒからなる）は、単位セル２１０２のセパレータ１４０の凹凸構造１４０１（凸部１２１Ｒおよび凹部１２２Ｒからなる）に接する。
【００５７】
この場合、凹凸構造１４０１の凸部１２１Ｒは、凹凸構造１５０１の凸部１２１Ｒに接し、凹凸構造１４０１の凹部１２２Ｒは、凹凸構造１５０１の凹部１２２Ｒに対向する。したがって、単位セル２１０１のセパレータ１５０と単位セル２１０２のセパレータ１４０との間には、２つの凹部１２２Ｒからなる隙間が形成される。
【００５８】
シール部材２６０は、凹凸構造１４０１，１５０１の外周側のセパレータ１４０とセパレータ１５０との間に配置される。
【００５９】
図８は、図１に示す隣接する２つの単位セル２１０１，２１０２の他の断面図である。なお、図８は、図３および図４に示すセパレータ１４０の長さ方向における断面図である。図８を参照して、単位セル２１０１のセパレータ１５０の凸部１２１Ｒは、単位セル２１０２のセパレータ１４０の凸１２１Ｒに接する。そして、シール部材２６０は、２つの凸部１２１Ｒの外周側のセパレータ１４０とセパレータ１５０との間に配置される。
【００６０】
上述したように、凹凸構造１４０１，１５０１は、その周囲がシール部材２６０によってシールされているので、冷却ファン２４０，２５０，２６０がスタック２１０を空冷したとき、単位セル２１０１のセパレータ１５０と単位セル２１０２のセパレータ１４０との間の隙間（２つの凹部１２２Ｒ）は、セパレータ冷却ファン２４０，２５０，２６０からの空気に対して気密性を保持する構造からなる。
【００６１】
再び、図１を参照して、単位セル２１０１〜２１３６は、上述した動作によって発電し、冷却ファン２４０，２５０，２６０は、それぞれ、セル群２１１〜２１３を冷却する。この場合、冷却ファン２４０，２６０は、冷却ファン２５０よりも低い冷却能力でセル群２１１，２１３を空冷し、冷却ファン２５０は、冷却ファン２４０，２６０よりも高い冷却能力でセル群２１２を空冷する。
【００６２】
そして、複数の単位セル２１０１〜２１３６において、隣接する２つの単位セル間の隙間は、上述したように冷却ファン２４０，２５０，２６０からの空気を遮断する構造からなるので、スタック２１０の中央部に位置するセル群２１２に含まれる単位セルで発生した熱は、セル群２１１，２１３に含まれる単位セルへ拡散し易くなる。また、スタック２１０の中央部に位置するセル群２１２は、冷却ファン２４０，２６０よりも冷却能力が高い冷却ファン２５０によって空冷され、セル群２１２の両側に位置するセル群２１１，２１３は、冷却ファン２５０よりも冷却能力が低い冷却ファン２４０，２６０によって空冷される。
【００６３】
その結果、セル群２１１〜２１３の温度は、均一になり易い。したがって、この発明によれば、複数の単位セル２１０１〜２１３６の温度を均一化できる。
【００６４】
このように、この発明においては、直列に接続された３６個の単位セル２１０１〜２１３６は、個別に空冷されるのではなく、冷却ファン２４０，２５０，２６０によって、１個の発熱体として全体的に空冷される。この場合、スタック２１０の中央部は、相対的に高い能力で空冷され、端部は、相対的に低い能力で空冷される。
【００６５】
なお、上記においては、複数の単位セル２１０１〜２１３６は、３個のセル群２１１〜２１３に分類されると説明したが、この発明においては、これに限らず、複数の単位セル２１０１〜２１３６は、３個以外のセル群に分類されてもよく、一般的には、複数のセル群に分類されていればよい。
【００６６】
なお、冷却ファン２４０，２５０，２６０は、「冷却手段」を構成し、冷却ファン２５０は、「第１の冷却ファン」を構成し、冷却ファン２４０は、「第２の冷却ファン」を構成し、冷却ファン２６０は、「第３の冷却ファン」を構成する。
【００６７】
また、セル群２１２は、「第１のセル群」を構成し、セル群２１１は、「第２のセル群」を構成し、セル群２１３は、「第３のセル群」を構成する。
【００６８】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
この発明は、複数の単位セルの動作時の温度を均一化可能なスタック型の固体高分子型燃料電池に適用される。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】この発明の実施の形態によるスタック型の固体高分子型燃料電池の断面図である。
【図２】図１に示す単位セルの断面図である。
【図３】図２に示すセパレータの平面図である。
【図４】図３に示すセパレータの裏面の平面図である。
【図５】図３に示すガス供給部の拡大図である。
【図６】隣接する２つの単位セル間に配置されるシール部材および図４に示すセパレータの裏面を示す平面図である。
【図７】図１に示す隣接する２つの単位セルの断面図である。
【図８】図１に示す隣接する２つの単位セルの他の断面図である。
【符号の説明】
【００７１】
１４０，１５０ セパレータ、１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ ガスマニホールド部、１１ ガス供給部、１２ ガス流路部、１３ ガス排出部、１４〜１９，１１２，１３２，２６１１〜２６１３ 孔、２０ 金属板、２１，２１Ｒ 周縁部、１１１，１１４，１１５，１２２Ｒ，１３１ 凹部、２００，２００Ａ 固体高分子型燃料電池、１１０ 固体高分子電解質膜、１１１Ｒ，１１３，１１３Ｒ，１２１Ｒ，１２２，１３１Ｒ，１３３，１３３Ｒ 凸部、１２０，１３０ ガス拡散電極、１２１，２３１１〜２３２１ 溝、１４０Ａ，１５０Ａ ガス供給溝、１６０，１７０ ガスケット、１８０，１９０ 触媒、２１０ スタック、２２０，２３０ 端板、２４０，２５０，２６０ 冷却ファン、２６０ シール部材、２６２ 本体部、２６３ 延伸部、２１０１〜２１３６ 単位セル、１４０１，１５０１ 凹凸構造。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、固体高分子型燃料電池に関し、特に、スタック型の固体高分子型燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素と酸素とを電気化学的に反応させることにより、電気を取り出す燃料電池は、二酸化炭素（ＣＯ２）の排出を大きく低減することが可能な技術であると共に、従来の内燃機関に比べて効率が高く、静粛性に優れ、さらに、大気汚染の原因となるＮＯｘ、ＳＯｘおよびＰＭ等の排出量が少ないという特徴を有している。
【０００３】
このため、燃料電池は、クリーンなエネルギー変換装置として国際的にも研究開発が精力的に進められており、これまでに、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、および固体酸化物型燃料電池等が開発されている。
【０００４】
このような状況の下、近年、自動車用および家庭用等の小型の発電に適した燃料電池として、固体高分子型燃料電池が注目されている。この固体高分子型燃料電池が注目されるようになったのは、性能が一段と向上した固体高分子電解質膜を用いることによって電池の出力密度が飛躍的に向上し、高効率という従来からの燃料電池の特性に加え、小型化および低温作動が可能になったからである。
【０００５】
固体高分子型燃料電池は、数十〜数百個の単位電池を直列に接続して所要電力を得る。そして、単位電池は、固体高分子電解質膜と、２つのガス拡散電極と、２つのセパレータとを備える２つのガス拡散電極は、固体高分子電解質膜の両側に配置される。２つのセパレータは、２つのガス拡散電極の外側に配置される。
【０００６】
従来、２つのセパレータのうち、一方のセパレータの固体高分子電解質膜と反対側の表面に冷却用空気流路を形成した燃料電池スタックが知られている（特許文献１）。この燃料電池スタックにおいては、２つのセパレータＡ，Ｂのうち、セパレータＡは、固体高分子電解質膜と反対側の表面に冷却用空気流路用の溝を有し、セパレータＢは、固体高分子電解質膜と反対側の表面に冷却用空気流路用の溝を有する。そして、セパレータＡは、隣接する単位セルのセパレータＢと接することによって、溝が塞がれ、冷却用空気流路が形成される。
【特許文献１】特開２００６−２１０３５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、従来の燃料電池スタックでは、複数の単位セルの各々を冷却するための複数の単位セルの動作時の温度を均一に保持することが困難である。
【０００８】
そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、複数の単位セルの動作時の温度を均一化可能なスタック型の固体高分子型燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明によれば、固体高分子型燃料電池は、スタック型の固体高分子型燃料電池であって、スタックと、冷却手段とを備える。スタックは、直列に接続された複数の単位セルからなる。冷却手段は、スタックの中央部に位置する単位セルを第１の冷却能力で空冷し、スタックの端部に位置する単位セルを第２の冷却能力で空冷する。複数の単位セルは、隣接する第１および第２の単位セルを含み、第１および第２の単位セル間は、冷却手段からの空気に対して気密性を保持する構造からなる。
【００１０】
好ましくは、第１の単位セルは、第１の固体高分子電解質膜と、第１および第２のガス拡散電極と、第１および第２のセパレータとを含む。第１および第２のガス拡散電極は、第１の固体高分子電解質膜の両側に配置される。第１のセパレータは、第１のガス拡散電極の第１の固体高分子電解質膜側と反対側に配置され、金属からなる。第２のセパレータは、第２のガス拡散電極の第１の固体高分子電解質膜側と反対側に配置され、金属からなる。第２の単位セルは、第２の固体高分子電解質膜と、第３および第４のガス拡散電極と、第３および第４のセパレータとを含む。第３および第４のガス拡散電極は、第２の固体高分子電解質膜の両側に配置される。第３のセパレータは、第３のガス拡散電極の第２の固体高分子電解質膜側と反対側に配置され、金属からなる。第４のセパレータは、第４のガス拡散電極の第２の固体高分子電解質膜側と反対側に配置され、金属からなる。そして、第２のセパレータは、第２のガス拡散電極側と反対側の表面に第１の凹凸構造を有し、第３のセパレータは、第３のガス拡散電極側と反対側の表面に第２の凹凸構造を有する。また、第１の凹凸構造の凸部は、第２の凹凸構造の凸部に接している。さらに、スタックは、相互に接する第１の凹凸構造と第２の凹凸構造との周辺部に配置され、冷却手段からの空気が第１および第２の凹凸構造に入るのを遮断するシール部材を含む。
【００１１】
好ましくは、スタックは、各々が所定数の単位セルを含む第１から第３のセル群からなる。第１のセル群は、スタックの中央部に位置し、第２のセル群は、中央部の一方側に位置し、第３のセル群は、中央部の他方側に位置する。冷却手段は、第１から第３の冷却ファンを含む。第１の冷却ファンは、第１のセル群を第１の冷却能力で空冷する。第２の冷却ファンは、第２のセル群を第２の冷却能力で空冷する。第３の冷却ファンは、第３のセル群を第２の冷却能力で空冷する。
【００１２】
好ましくは、第１から第３の冷却ファンは、複数の単位セルの配列方向に垂直な方向から複数の単位セルを空冷する。
【００１３】
好ましくは、第１から第３のセル群は、相互に等しい数の単位セルを含む。
【発明の効果】
【００１４】
この発明による固体高分子型燃料電池においては、スタックの中央部は、相対的に高い能力で空冷され、スタックの端部は、相対的に低い能力で空冷される。また、隣接する第１および第２の単位セル間、冷却手段からの空気に対して気密性を保持する構造からなる
。その結果、スタックの中央部に位置する単位セルで発生した熱は、スタックの端部に位置する単位セルへ拡散し易くなる。そして、スタックは、均一な温度になり易い。
【００１５】
したがって、この発明によれば、複数の単位セルの動作時の温度を均一化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００１７】
図１は、この発明の実施の形態によるスタック型の固体高分子型燃料電池の断面図である。図１を参照して、この発明の実施の形態によるスタック型の固体高分子型燃料電池２００は、スタック２１０と、端板２２０，２３０と、冷却ファン２４０，２５０，２６０とを備える。
【００１８】
スタック２１０は、端板２２０と端板２３０との間に配置され、たとえば、３６個の単位セル２１０１〜２１３６からなる。そして、３６個の単位セル２１０１〜２１３６は、たとえば、３個のセル群２１１〜２１３に分類される。セル群２１１は、単位セル２１０１〜２１１２を含む。セル群２１２は、単位セル２１１３〜２１２４を含む。セル群２１３は、単位セル２１２５〜２１３６を含む。このように、セル群２１１〜２１３は、相互に等しい数の単位セルを含む。
【００１９】
冷却ファン２４０，２５０，２６０は、端板２２０と端板２３０との間にスタック２１０に対向して配置される。そして、冷却ファン２４０は、複数の単位セル２１０１〜２１３６の配列方向に垂直な方向からセル群２１１を空冷し、冷却ファン２５０は、複数の単位セル２１０１〜２１３６の配列方向に垂直な方向からセル群２１２を空冷し、冷却ファン２６０は、複数の単位セル２１０１〜２１３６の配列方向に垂直な方向からセル群２１３を空冷する。
【００２０】
冷却ファン２４０，２６０の冷却能力は、冷却ファン２５０の冷却能力よりも低い。したがって、冷却ファン２５０は、冷却ファン２４０，２６０よりも高い冷却能力でセル群２１２を空冷し、冷却ファン２４０，２６０は、冷却ファン２５０よりも低い冷却能力でそれぞれセル群２１１，２１３を空冷する。
【００２１】
図２は、図１に示す単位セル２１０１の断面図である。図２を参照して、単位セル２１０１は、固体高分子電解質膜１１０と、ガス拡散電極１２０，１３０と、セパレータ１４０，１５０と、ガスケット１６０，１７０とを含む。
【００２２】
ガス拡散電極１２０は、その一主面に触媒１８０を担持し、触媒１８０が固体高分子電解質膜１１０の一方面に接するように固体高分子電解質膜１１０の一方側に配置される。また、ガス拡散電極１３０は、その一主面に触媒１９０を担持し、触媒１９０が固体高分子電解質膜１１０の他方面に接するように固体高分子電解質膜１１０の他方側に配置される。
【００２３】
セパレータ１４０は、ガス拡散電極１２０の一主面（触媒１８０が担持された一主面と反対側の一主面）に接するように配置される。セパレータ１５０は、ガス拡散電極１３０の一主面（触媒１９０が担持された一主面と反対側の一主面）に接するように配置される。
【００２４】
ガスケット１６０は、固体高分子電解質膜１１０の外周部とセパレータ１４０の外周部との間に設けられ、気密性を保持してセパレータ１４０の外周部を固体高分子電解質膜１１０の外周部に連結する。ガスケット１７０は、固体高分子電解質膜１１０の外周部とセパレータ１５０の外周部との間に設けられ、気密性を保持してセパレータ１５０の外周部を固体高分子電解質膜１１０の外周部に連結する。
【００２５】
固体高分子電解質膜１１０は、たとえば、フッ素系のイオン交換膜からなる。ガス拡散電極１２０，１３０の各々は、ガス透過性および導電性を有する多孔体からなる。触媒１８０，１９０の各々は、白金（Ｐｔ）または白金合金（Ｐｔ−Ｒｕ）からなる。ガスケット１６０，１７０の各々は、フッ素樹脂、バイトンゴム、シリコンゴムおよびエチレンプロピレンゴム等のいずれかからなる。そして、フッ素樹脂は、より具体的には、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、およびテトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）等である。
【００２６】
固体高分子電解質膜１１０は、触媒１８０によって分離された電子ｅ−と水素イオンＨ＋とのうち、水素イオンＨ＋のみを触媒１９０側へ通過させる。ガス拡散電極１２０は、セパレータ１４０から供給された水素ガスを触媒１８０へ拡散させる。触媒１８０は、ガス拡散電極１２０に供給された水素ガスを電子ｅ−と水素イオンＨ＋とに分離する。
【００２７】
ガス拡散電極１３０は、セパレータ１５０から供給された空気（または酸素）を触媒１９０へ拡散させる。触媒１９０は、固体高分子電解質膜１１０から供給された水素イオンＨ＋と、ガス拡散電極１３０から供給された電子ｅ−と空気（または酸素）とを反応させ、水を生成する。
【００２８】
セパレータ１４０は、ガス拡散電極１２０に接する一主面に凹凸構造からなるガス供給溝１４０Ａを有する。そして、セパレータ１４０は、ガス供給溝１４０Ａを介して水素ガスをガス拡散電極１２０に供給する。
【００２９】
セパレータ１５０は、ガス拡散電極１３０に接する一主面に凹凸構造からなるガス供給溝１５０Ａを有する。そして、セパレータ１５０は、ガス供給溝１５０Ａを介して空気（または酸素）をガス拡散電極１３０に供給する。
【００３０】
固体高分子型燃料電池からなる単位セル２１０１が発電する動作について説明する。セパレータ１４０のガス供給溝１４０Ａを介して水素がガス拡散電極１２０へ供給されると、ガス拡散電極１２０は、水素ガスを触媒１８０へ拡散し、触媒１８０は、水素を水素イオンＨ＋と電子ｅ−とに分離する。
【００３１】
そうすると、固体高分子電解質膜１１０は、触媒１８０によって分離された水素イオンＨ＋および電子ｅ−のうち、水素イオンＨ＋のみを透過して触媒１９０へ供給する。一方、電子ｅ−は、触媒１８０からガス拡散電極１２０を介してセパレータ１４０へ移動し、セパレータ１４０から外部の負荷（図示せず）を介してセパレータ１５０へ流れる。そして、セパレータ１５０、電子ｅ−をガス拡散電極１３０へ供給する。
【００３２】
また、セパレータ１５０のガス供給溝１５０Ａを介して空気（または酸素）がガス拡散電極１３０へ供給される。そして、ガス拡散電極１３０は、空気（または酸素）を触媒１９０へ拡散し、電子ｅ−を触媒１９０へ供給する。
【００３３】
そうすると、水素イオンＨ＋、空気（または酸素）および電子ｅ−は、触媒１９０の助けを借りて反応し、水になる。このようにして、単位セル２１０１は発電する。
【００３４】
なお、図１に示す単位セル２１０２〜２１３６の各々は、図２に示す単位セル２１０１と同じ構造からなり、上述した方法によって発電する。
【００３５】
図３は、図２に示すセパレータ１４０の平面図である。図３を参照して、セパレータ１４０は、ステンレス鋼等の金属板からなり、ガス供給部１１と、ガス流路部１２と、ガス排出部１３と、孔１４〜１９とを含む。ガス供給部１１、ガス流路部１２、ガス排出部１３および孔１４〜１９は、金属板にプレス成形を施すことによって一体的に成形される。
【００３６】
ガス供給部１１は、凹部１１１と、孔１１２と、複数の凸部１１３とを含む。孔１１２および複数の凸部１１３は、凹部１１１内に配置される。そして、孔１１２は、長孔形状からなり、セパレータ１４０を厚み方向に貫通する。また、複数の凸部１１３は、孔１１２に沿ってガス流路部１２側に直線状に配置される。
【００３７】
凹部１１１は、基準面を構成し、複数の凸部１１３は、凹部１１１から０．４ｍｍの高さを有する。また、周縁部２１は、凹部１１１から０．５ｍｍの高さを有する。
【００３８】
ガス流路部１２は、複数の溝１２１を有する。複数の溝１２１は、略平行に設けられる。複数の溝１２１は、ガス供給部１１の凹部１１１と同じ基準面を有する。そして、隣接する２つの溝１２１，１２１間の凸部１２２は、溝１２１から０．５ｍｍの高さを有する。
【００３９】
ガス排出部１３は、凹部１３１と、孔１３２と、複数の凸部１３３とを含む。孔１３２および複数の凸部１３３は、凹部１３１内に配置される。そして、孔１３２は、長孔形状からなり、セパレータ１４０を厚み方向に貫通する。また、複数の凸部１３３は、孔１３２に沿ってガス流路部１２側に直線状に配置される。
【００４０】
凹部１３１は、ガス流路部１２の溝１２１と同じ基準面を有する。そして、複数の凸部１３３は、凹部１３１から０．４ｍｍの高さを有する。
【００４１】
孔１４〜１６は、ガス供給部１１の孔１１２と直線状になるように周縁部２１に形成される。孔１４，１５の各々は、略円形形状からなり、孔１１２と孔１６との間に配置される。また、孔１６は、長孔形状からなる。そして、孔１４〜１６は、セパレータ１４０を厚み方向に貫通する。
【００４２】
孔１７〜１９は、ガス排出部１３の孔１３２と直線状になるように周縁部２１に形成される。孔１７，１８の各々は、略円形形状からなり、孔１３２と孔１９との間に配置される。また、孔１９は、長孔形状からなる。そして、孔１７〜１９は、セパレータ１４０を厚み方向に貫通する。
【００４３】
ガス供給部１１は、孔１１２から水素ガスまたは空気（または酸素ガス）を受け、その受けた水素ガスまたは空気（または酸素ガス）をガス流路部１２へ供給する。ガス流路部１２は、ガス供給部１１から供給された水素ガスまたは空気（または酸素ガス）を複数の溝１２１によってガス排出部１３へ流す。ガス排出部１３は、ガス流路部１２から受けた水素ガスまたは空気（または酸素ガス）を孔１３２から排出する。
【００４４】
図４は、図３に示すセパレータ１４０の裏面の平面図である。図４を参照して、周縁部２１Ｒは、図３に示す周縁部２１に対応する。ガス供給部１１において、凸部１１１Ｒは、図３に示す凹部１１１に対応する。また、複数の凸部１１３Ｒは、図３に示す複数の凸部１１３に対応する。図４においては、周縁部２１Ｒが基準面を構成し、凸部１１１Ｒは、周縁部２１Ｒから０．５ｍｍの高さを有する。また、凸部１１３Ｒは、周縁部２１Ｒから０．１ｍｍの高さを有する。したがって、凸部１１３Ｒは、凸部１１１Ｒよりも窪んでいる。
【００４５】
ガス流路部１２において、凹部１２２Ｒは、図３に示す凸部１２２に対応し、凸部１２１Ｒは、図３に示す溝１２１に対応する。そして、凹部１２２Ｒは、周縁部２１Ｒと同じ基準面を構成し、凸部１２１Ｒは、凹部１２２Ｒから０．５ｍｍの高さを有する。
【００４６】
ガス排出部１３において、凸部１３１Ｒは、図３に示す凹部１３１に対応する。また、複数の凸部１３３Ｒは、図３に示す複数の凸部１３３に対応する。凸部１３１Ｒは、周縁部２１Ｒから０．５ｍｍの高さを有する。また、凸部１３３Ｒは、周縁部２１Ｒから０．１ｍｍの高さを有する。したがって、凸部１３３Ｒは、凸部１３１Ｒよりも窪んでいる。
【００４７】
したがって、セパレータ１４０の裏面は、凸部１２１Ｒが周縁部２１Ｒから突出した構造を有する。
【００４８】
図５は、図３に示すガス供給部１１の拡大図である。図５を参照して、直線状に配列された複数の凸部１１３の両側の周縁部２１には、凹部１１４，１１５が設けられている。そして、金属板２０は、凹部１１４，１１５間の距離に等しい長さを有し、両端が凹部１１４，１１５にはめ込まれる。
【００４９】
この金属板２０は、セパレータ１４０を用いて固体高分子型燃料電池を作製する場合、セパレータ１４０に接して設けられるガスケットがガス流路部１２にめり込むのを防止するために設けられる。
【００５０】
なお、図２に示すセパレータ１５０も、図３から図５に示すセパレータ１４０と同じ構造からなる。
【００５１】
図６は、隣接する２つの単位セル間に配置されるシール部材および図４に示すセパレータ１４０の裏面を示す平面図である。図６を参照して、シール部材２６０は、略Ｌ字形状を有し、本体部２６２と、延伸部２６３と、孔２６１１〜２６１３とを有する。延伸部２６３は、本体部２６２の一方端から本体部２６２の幅方向に沿って延伸するように本体部２６２に連結される。孔２６１１は、長孔形状からなり、本体部２６２を貫通する。孔２６１２，２６１３の各々は、略円形形状からなり、本体部２６２を貫通する。孔２６１１は、セパレータ１４０の孔１６，１１２，１９，１３２と同じ寸法を有する。孔２６１２，２６１３の各々は、セパレータ１４０の孔１４，１５，１７，１８と同じ寸法を有する。
【００５２】
そして、孔２６１１〜２６１３は、シール部材２６０がセパレータ１４０の裏面のガスマニホールド部１０Ａ，１０Ｂに配置された場合、それぞれ、セパレータ１４０の孔１４，１５，１６、セパレータ１４０の孔１７，１８，１９にマッチし、延伸部２６３は、凸部１２１Ｒの長さ方向に沿って周縁部２１Ｒに配置される。
【００５３】
セパレータ１４０の裏面には、凸部１２１Ｒが形成され（図６の（ｂ）参照）、隣接する２つの単位セルは、セパレータ１４０の裏面とセパレータ１５０の裏面とが接するので、隣接する２つの単位セルのセパレータ１４０，１５０は、凸部１２１Ｒ同士が接する。その結果、隣接する２つの単位セルのセパレータ１４０，１５０においては、ガスマニホールド部１０Ａ，１０Ｂに隙間が形成される。したがって、ガスマニホールド部１０Ａ，１０Ｂにおけるガスリークを抑制するために、シール部材２６０が隣接する２つの単位セルの２つのセパレータ１４０，１５０間に配置される。
【００５４】
単位セル２１０１〜２１３６が２つの端板２２０，２３０間に直列に配列された場合、セパレータ１４０，１５０の孔１４，１５；１７，１８およびシール部材２６０の孔２６１２，２６１３は、単位セル２１０１〜２１３６の配列方向に直線状に配置されるので、単位セル２１０１〜２１３６は、セパレータ１４０，１５０の孔１４，１５；１７，１８およびシール部材２６０の孔２６１２，２６１３にボルトを通して端板２２０，２３０間に固定される。
【００５５】
なお、セパレータ１４０，１５０は、ステンレス鋼に限らず、硫酸に対して耐腐食性を有する金属板から成っていればよい。
【００５６】
図７は、図１に示す隣接する２つの単位セル２１０１，２１０２の断面図である。なお、図７は、図３および図４に示すセパレータ１４０の幅方向における断面図である。図７を参照して、単位セル２１０１のセパレータ１５０の凹凸構造１５０１（凸部１２１Ｒおよび凹部１２２Ｒからなる）は、単位セル２１０２のセパレータ１４０の凹凸構造１４０１（凸部１２１Ｒおよび凹部１２２Ｒからなる）に接する。
【００５７】
この場合、凹凸構造１４０１の凸部１２１Ｒは、凹凸構造１５０１の凸部１２１Ｒに接し、凹凸構造１４０１の凹部１２２Ｒは、凹凸構造１５０１の凹部１２２Ｒに対向する。したがって、単位セル２１０１のセパレータ１５０と単位セル２１０２のセパレータ１４０との間には、２つの凹部１２２Ｒからなる隙間が形成される。
【００５８】
シール部材２６０は、凹凸構造１４０１，１５０１の外周側のセパレータ１４０とセパレータ１５０との間に配置される。
【００５９】
図８は、図１に示す隣接する２つの単位セル２１０１，２１０２の他の断面図である。なお、図８は、図３および図４に示すセパレータ１４０の長さ方向における断面図である。図８を参照して、単位セル２１０１のセパレータ１５０の凸部１２１Ｒは、単位セル２１０２のセパレータ１４０の凸１２１Ｒに接する。そして、シール部材２６０は、２つの凸部１２１Ｒの外周側のセパレータ１４０とセパレータ１５０との間に配置される。
【００６０】
上述したように、凹凸構造１４０１，１５０１は、その周囲がシール部材２６０によってシールされているので、冷却ファン２４０，２５０，２６０がスタック２１０を空冷したとき、単位セル２１０１のセパレータ１５０と単位セル２１０２のセパレータ１４０との間の隙間（２つの凹部１２２Ｒ）は、セパレータ冷却ファン２４０，２５０，２６０からの空気に対して気密性を保持する構造からなる。
【００６１】
再び、図１を参照して、単位セル２１０１〜２１３６は、上述した動作によって発電し、冷却ファン２４０，２５０，２６０は、それぞれ、セル群２１１〜２１３を冷却する。この場合、冷却ファン２４０，２６０は、冷却ファン２５０よりも低い冷却能力でセル群２１１，２１３を空冷し、冷却ファン２５０は、冷却ファン２４０，２６０よりも高い冷却能力でセル群２１２を空冷する。
【００６２】
そして、複数の単位セル２１０１〜２１３６において、隣接する２つの単位セル間の隙間は、上述したように冷却ファン２４０，２５０，２６０からの空気を遮断する構造からなるので、スタック２１０の中央部に位置するセル群２１２に含まれる単位セルで発生した熱は、セル群２１１，２１３に含まれる単位セルへ拡散し易くなる。また、スタック２１０の中央部に位置するセル群２１２は、冷却ファン２４０，２６０よりも冷却能力が高い冷却ファン２５０によって空冷され、セル群２１２の両側に位置するセル群２１１，２１３は、冷却ファン２５０よりも冷却能力が低い冷却ファン２４０，２６０によって空冷される。
【００６３】
その結果、セル群２１１〜２１３の温度は、均一になり易い。したがって、この発明によれば、複数の単位セル２１０１〜２１３６の温度を均一化できる。
【００６４】
このように、この発明においては、直列に接続された３６個の単位セル２１０１〜２１３６は、個別に空冷されるのではなく、冷却ファン２４０，２５０，２６０によって、１個の発熱体として全体的に空冷される。この場合、スタック２１０の中央部は、相対的に高い能力で空冷され、端部は、相対的に低い能力で空冷される。
【００６５】
なお、上記においては、複数の単位セル２１０１〜２１３６は、３個のセル群２１１〜２１３に分類されると説明したが、この発明においては、これに限らず、複数の単位セル２１０１〜２１３６は、３個以外のセル群に分類されてもよく、一般的には、複数のセル群に分類されていればよい。
【００６６】
なお、冷却ファン２４０，２５０，２６０は、「冷却手段」を構成し、冷却ファン２５０は、「第１の冷却ファン」を構成し、冷却ファン２４０は、「第２の冷却ファン」を構成し、冷却ファン２６０は、「第３の冷却ファン」を構成する。
【００６７】
また、セル群２１２は、「第１のセル群」を構成し、セル群２１１は、「第２のセル群」を構成し、セル群２１３は、「第３のセル群」を構成する。
【００６８】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
この発明は、複数の単位セルの動作時の温度を均一化可能なスタック型の固体高分子型燃料電池に適用される。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】この発明の実施の形態によるスタック型の固体高分子型燃料電池の断面図である。
【図２】図１に示す単位セルの断面図である。
【図３】図２に示すセパレータの平面図である。
【図４】図３に示すセパレータの裏面の平面図である。
【図５】図３に示すガス供給部の拡大図である。
【図６】隣接する２つの単位セル間に配置されるシール部材および図４に示すセパレータの裏面を示す平面図である。
【図７】図１に示す隣接する２つの単位セルの断面図である。
【図８】図１に示す隣接する２つの単位セルの他の断面図である。
【符号の説明】
【００７１】
１４０，１５０ セパレータ、１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ ガスマニホールド部、１１ ガス供給部、１２ ガス流路部、１３ ガス排出部、１４〜１９，１１２，１３２，２６１１〜２６１３ 孔、２０ 金属板、２１，２１Ｒ 周縁部、１１１，１１４，１１５，１２２Ｒ，１３１ 凹部、２００，２００Ａ 固体高分子型燃料電池、１１０ 固体高分子電解質膜、１１１Ｒ，１１３，１１３Ｒ，１２１Ｒ，１２２，１３１Ｒ，１３３，１３３Ｒ 凸部、１２０，１３０ ガス拡散電極、１２１，２３１１〜２３２１ 溝、１４０Ａ，１５０Ａ ガス供給溝、１６０，１７０ ガスケット、１８０，１９０ 触媒、２１０ スタック、２２０，２３０ 端板、２４０，２５０，２６０ 冷却ファン、２６０ シール部材、２６２ 本体部、２６３ 延伸部、２１０１〜２１３６ 単位セル、１４０１，１５０１ 凹凸構造。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スタック型の固体高分子型燃料電池であって、
直列に接続された複数の単位セルからなるスタックと、
前記スタックの中央部に位置する単位セルを第１の冷却能力で空冷し、前記スタックの端部に位置する単位セルを第２の冷却能力で空冷する冷却手段とを備え、
前記複数の単位セルは、隣接する第１および第２の単位セルを含み、
前記第１および第２の単位セル間は、前記冷却手段からの空気に対して気密性を保持する構造からなる、固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
前記第１の単位セルは、
第１の固体高分子電解質膜と、
前記第１の固体高分子電解質膜の両側に配置された第１および第２のガス拡散電極と、
前記第１のガス拡散電極の前記第１の固体高分子電解質膜側と反対側に配置され、金属からなる第１のセパレータと、
前記第２のガス拡散電極の前記第１の固体高分子電解質膜側と反対側に配置され、金属からなる第２のセパレータとを含み、
前記第２の単位セルは、
第２の固体高分子電解質膜と、
前記第２の固体高分子電解質膜の両側に配置された第３および第４のガス拡散電極と、
前記第３のガス拡散電極の前記第２の固体高分子電解質膜側と反対側に配置され、金属からなる第３のセパレータと、
前記第４のガス拡散電極の前記第２の固体高分子電解質膜側と反対側に配置され、金属からなる第４のセパレータとを含み、
前記第２のセパレータは、前記第２のガス拡散電極側と反対側の表面に第１の凹凸構造を有し、
前記第３のセパレータは、前記第３のガス拡散電極側と反対側の表面に第２の凹凸構造を有し、
前記第１の凹凸構造の凸部は、前記第２の凹凸構造の凸部に接しており、
前記スタックは、相互に接する前記第１の凹凸構造と前記第２の凹凸構造との周辺部に配置され、前記冷却手段からの空気が前記第１および第２の凹凸構造に入るのを遮断するシール部材を含む、請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項３】
前記スタックは、各々が所定数の単位セルを含む第１から第３のセル群からなり、
前記第１のセル群は、前記スタックの中央部に位置し、
前記第２のセル群は、前記中央部の一方側に位置し、
前記第３のセル群は、前記中央部の他方側に位置し、
前記冷却手段は、
前記第１のセル群を前記第１の冷却能力で空冷する第１の冷却ファンと、
前記第２のセル群を前記第２の冷却能力で空冷する第２の冷却ファンと、
前記第３のセル群を前記第２の冷却能力で空冷する第３の冷却ファンとを含む、請求項１または請求項２に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項４】
前記第１から第３の冷却ファンは、前記複数の単位セルの配列方向に垂直な方向から前記複数の単位セルを空冷する、請求項３に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項５】
前記第１から第３のセル群は、相互に等しい数の単位セルを含む、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１】
スタック型の固体高分子型燃料電池であって、
直列に接続された複数の単位セルからなるスタックと、
前記スタックの中央部に位置する単位セルを第１の冷却能力で空冷し、前記スタックの端部に位置する単位セルを第２の冷却能力で空冷する冷却手段とを備え、
前記複数の単位セルは、隣接する第１および第２の単位セルを含み、
前記第１および第２の単位セル間は、前記冷却手段からの空気に対して気密性を保持する構造からなる、固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
前記第１の単位セルは、
第１の固体高分子電解質膜と、
前記第１の固体高分子電解質膜の両側に配置された第１および第２のガス拡散電極と、
前記第１のガス拡散電極の前記第１の固体高分子電解質膜側と反対側に配置され、金属からなる第１のセパレータと、
前記第２のガス拡散電極の前記第１の固体高分子電解質膜側と反対側に配置され、金属からなる第２のセパレータとを含み、
前記第２の単位セルは、
第２の固体高分子電解質膜と、
前記第２の固体高分子電解質膜の両側に配置された第３および第４のガス拡散電極と、
前記第３のガス拡散電極の前記第２の固体高分子電解質膜側と反対側に配置され、金属からなる第３のセパレータと、
前記第４のガス拡散電極の前記第２の固体高分子電解質膜側と反対側に配置され、金属からなる第４のセパレータとを含み、
前記第２のセパレータは、前記第２のガス拡散電極側と反対側の表面に第１の凹凸構造を有し、
前記第３のセパレータは、前記第３のガス拡散電極側と反対側の表面に第２の凹凸構造を有し、
前記第１の凹凸構造の凸部は、前記第２の凹凸構造の凸部に接しており、
前記スタックは、相互に接する前記第１の凹凸構造と前記第２の凹凸構造との周辺部に配置され、前記冷却手段からの空気が前記第１および第２の凹凸構造に入るのを遮断するシール部材を含む、請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項３】
前記スタックは、各々が所定数の単位セルを含む第１から第３のセル群からなり、
前記第１のセル群は、前記スタックの中央部に位置し、
前記第２のセル群は、前記中央部の一方側に位置し、
前記第３のセル群は、前記中央部の他方側に位置し、
前記冷却手段は、
前記第１のセル群を前記第１の冷却能力で空冷する第１の冷却ファンと、
前記第２のセル群を前記第２の冷却能力で空冷する第２の冷却ファンと、
前記第３のセル群を前記第２の冷却能力で空冷する第３の冷却ファンとを含む、請求項１または請求項２に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項４】
前記第１から第３の冷却ファンは、前記複数の単位セルの配列方向に垂直な方向から前記複数の単位セルを空冷する、請求項３に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項５】
前記第１から第３のセル群は、相互に等しい数の単位セルを含む、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００８−１７６９４１（Ｐ２００８−１７６９４１Ａ）
【公開日】平成２０年７月３１日（２００８．７．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−６７４０（Ｐ２００７−６７４０）
【出願日】平成１９年１月１６日（２００７．１．１６）
【出願人】（０００１４２５９５）株式会社栗本鐵工所 (566)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年７月３１日（２００８．７．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１月１６日（２００７．１．１６）
【出願人】（０００１４２５９５）株式会社栗本鐵工所 (566)
【Ｆターム（参考）】
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