燃料電池スタック装置
【課題】スタックの積層方向の端に位置する端セルの過剰な温度降下を抑制し、セルの積層方向における発電むらの低減に貢献できる燃料電池スタック装置を提供する。
【解決手段】スタック１の冷媒通路構造７は、積層方向の中間に存在する中間セル２Ｃの中間冷媒通路７０と、積層方向の端に存在する端セル２Ｅ，２Ｆの端冷媒通路７２，７３とを有する。冷媒供給通路５から入口に供給される冷媒を中間セル２Ｃの中間冷媒通路７０に流して中間セル２Ｃを冷却し、中間冷媒通路７０を流れて中間セル２Ｃから受熱して暖められた冷媒を端セル２Ｅ，２Ｆの端冷媒通路７２，７３に流して端セル２Ｅ，２Ｆを冷却させる。
【解決手段】スタック１の冷媒通路構造７は、積層方向の中間に存在する中間セル２Ｃの中間冷媒通路７０と、積層方向の端に存在する端セル２Ｅ，２Ｆの端冷媒通路７２，７３とを有する。冷媒供給通路５から入口に供給される冷媒を中間セル２Ｃの中間冷媒通路７０に流して中間セル２Ｃを冷却し、中間冷媒通路７０を流れて中間セル２Ｃから受熱して暖められた冷媒を端セル２Ｅ，２Ｆの端冷媒通路７２，７３に流して端セル２Ｅ，２Ｆを冷却させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は複数のセルを積層した燃料電池スタック装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタック装置は、膜電極接合体と膜電極接合体を厚み方向の両側を挟むセパレータとを有するセルを複数個厚み方向に積層して形成されると共に冷媒を流す冷媒通路構造を備えるスタックと、スタックの冷媒通路構造の入口に連通する冷媒供給通路と、スタックの冷媒通路構造の出口に連通する冷媒排出通路とを備える（特許文献１）。このようなスタック装置において、積層方向の端に位置する端セルでは、放熱性が高い傾向がある。このため端セルでは過剰に温度降下するおそれがある。これに対して、スタックの積層方向の中間側の中間セルでは、放熱性が少なく、熱こもり性が高い傾向がある。このため燃料電池スタック装置では、積層方向におけるセルの温度むらが大きく、積層方向において発電むらが発生するおそれがあった。殊に、固体高分子型の燃料電池の場合には、端セルにおいて、過剰な温度降下はフラッディングを発生させる要因となり、好ましくない。フラッディングとは、膜電極接合体などのガス流路面積を液相状の水で狭くして反応ガスの流れを制約させることをいう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−１１１２３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、スタックのうち放熱性が高い端セルにおける過剰な温度降下を抑制し、セルの積層方向における発電むらの低減に貢献できる燃料電池スタック装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（１）様相１の本発明に係る燃料電池スタック装置は、膜電極接合体と膜電極接合体の厚み方向の両側を挟むセパレータとを有するセルを複数個厚み方向に積層して形成されると共に冷媒を流す冷媒通路構造を備えるスタックと、スタックの冷媒通路構造の入口に連通する冷媒供給通路と、スタックの冷媒通路構造の出口に連通する冷媒排出通路とを具備しており、スタックの冷媒通路構造は、スタックの積層方向の中間に存在する中間セルの中間冷媒通路と、積層方向の端に存在する端セルの端冷媒通路とを有しており、且つ、冷媒供給通路から供給される冷媒を中間セルの中間冷媒通路に流して中間セルを冷却し、中間冷媒通路を流れて中間セルから受熱して暖められた冷媒を端セルの端冷媒通路に流して端セルと熱交換させる構造を有する。
【０００６】
様相１によれば、冷媒供給通路から供給される冷媒を、端セルの端冷媒通路ではなく、熱こもりにより昇温しがちの中間セルの中間冷媒通路に優先的に流し、中間セルを優先的に冷却させる。その後、上記したように中間冷媒通路を流れて中間セルから受熱して暖められた冷媒を、端セルの端冷媒通路に流して端セルと熱交換させる。従って、放熱性が高い端セルにおける温度の過剰降下が抑制される。このためスタックの積層方向におけるセルの温度むらが軽減される。
【０００７】
（２）様相２の本発明に係る燃料電池スタック装置は、冷媒供給通路から供給される冷媒を中間セルの中間冷媒通路に流して中間セルを冷却し、中間冷媒通路を流れて中間セルから受熱して暖められた冷媒を端セルの端冷媒通路に流して端セルと熱交換させる構造を有する点において、様相１と共通する技術的特徴をもつ。即ち、様相２の本発明に係る燃料電池スタック装置は、膜電極接合体と膜電極接合体を厚み方向の両側を挟むセパレータとを有するセルを複数個厚み方向に積層して形成されると共に冷媒を流す冷媒通路構造を備えるスタックと、スタックの冷媒通路構造の入口に連通する冷媒供給通路と、スタックの冷媒通路構造の出口に連通する冷媒排出通路とを具備しており、スタックの冷媒通路構造は、積層方向の中間に存在する中間セルの中間冷媒通路と、積層方向の端に存在する端セルの端冷媒通路と、中間冷媒通路を流れるものの端冷媒通路を流れないで冷媒排出通路に到達する冷媒流量α１と、中間冷媒通路および端冷媒通路を流れて冷媒排出通路に到達する冷媒流量α２との比率を調整する流量制御要素とを有しており、且つ、冷媒供給通路から供給される冷媒を中間セルの中間冷媒通路に流して中間セルを冷却し、中間冷媒通路を流れて中間セルから受熱して暖められた冷媒を端セルの端冷媒通路に流して端セルと熱交換させる構造を有する。
【０００８】
様相２によれば、冷媒供給通路から供給される冷媒を、端セルの端冷媒通路ではなく、熱こもりにより昇温しがちの中間セルの中間冷媒通路に優先的に流して中間セルを冷却させる。その後、上記したように中間冷媒通路を流れて中間セルから受熱して暖められた冷媒を、端セルの端冷媒通路に流して端セルと熱交換させる。従って、放熱性が高い端セルにおける温度の過剰降下が抑制される。このためスタックの積層方向におけるセルの温度むらが軽減される。
【０００９】
様相２によれば、スタックの発電運転において流量制御要素の開度を調整すれば、中間冷媒通路を流れるものの端冷媒通路を流れないで冷媒排出通路に到達する単位時間あたりの冷媒流量α１と、中間冷媒通路および端冷媒通路を流れて冷媒排出通路に到達する単位時間あたりの冷媒流量α２との比率を調整することができる。換言すると、端冷媒通路を流れて端セルと熱交換する冷媒の単位時間あたりの流量を調整でき、この冷媒は、中間セルの中間冷媒通路を流れて暖められたものであるため、端セルの熱交換量を調整でき、端セルの温度を調整できる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、スタックのうち放熱量が中間セルよりも多い端セルにおける過剰な温度降下を抑制できる。従って、セルの積層方向における発電むらの低減に貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態１に係り、スタック装置の要部概念を模式的に示す斜視図である。
【図２】実施形態１に係り、スタック装置の要部概念を模式的に示す断面図である。
【図３】実施形態１に係り、中間セルに使用される中間セパレータの側面図である。
【図４】実施形態１に係り、端セルに使用される端セパレータの側面図である。
【図５】実施形態１に係り、集電板の側面図である。
【図６】実施形態１に係り、第１エンドプレートの側面図である。
【図７】実施形態２に係り、スタック装置の要部概念を模式的に示す斜視図である。
【図８】実施形態６に係り、スタック装置の要部概念を模式的に示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
燃料電池は、パーフルオロスルホン酸ポリマー等の炭化フッ素系の電解質膜、炭化水素系の電解質膜を用いる固体高分子型燃料電池、リン酸を含浸させたポリベンズイミゾール等の電解質膜を用いる固体高分子型燃料電池が例示される。要するに、複数のセルを厚み方向に積層させると共にセルを冷媒で冷却させる方式であれば良い。冷媒としては、冷却水等の冷却液、冷却ガス、冷却ミスト等が挙げられる。中間冷媒通路は中間セルを冷却させるものであれば良く、隣接するセルを構成するセパレータを利用して形成できる。端冷媒通路は端セルを冷却させるものであれば良く、端セルを構成する端セパレータ、または、端セパレータに隣接する集電板を利用して形成しても良い。流量制御要素は、中間冷媒通路を流れるものの端冷媒通路を流れないで冷媒排出通路に到達する冷媒流量α１と、中間冷媒通路および端冷媒通路を流れて冷媒排出通路に到達する冷媒流量α２との比率を調整できるものであれば何でも良い。流量制御弁や可変オリファス等が例示される。
【００１３】
好ましくは、スタックは、冷媒供給通路からスタックの冷媒通路構造の入口に冷媒を供給するための第１冷媒入口と、スタックの中間冷媒通路を流れて中間セルから受熱して暖められた冷媒を端セルの端冷媒通路に流すことなく冷媒排出通路に流す第１冷媒出口と、中間冷媒通路を流れて中間セルから受熱して暖められた冷媒を端セルの端冷媒通路を介して冷媒排出通路に流す第２冷媒出口とを備えている。この場合、第１冷媒入口の冷媒の入口温度Ｔｉｎを検知する入口温度センサと、スタックの第１冷媒出口から排出される冷媒の第１出口温度Ｔｏｕｔ１を検知する第１出口温度センサと、スタックの第２冷媒出口から排出される冷媒の第２出口温度Ｔｏｕｔ２を検知する第２出口温度センサとを備えていることが好ましい。制御装置は、入口温度Ｔｉｎに対して第２出口温度Ｔｏｕｔ２がプラスマイナスτ℃（τ＝０〜７℃、または、０〜５℃）となるように、制御装置は流量制御要素の開度を調整することが好ましい。τは０〜３℃が好ましい。この場合、端セルのセル面内温度分布を中間セルのセル面内温度分布に近づけるのに有利となり、全部のセルのセル面内温度分布をできるだけ同様にできる。
【００１４】
（実施形態１）
図１〜図６は実施形態１の概念を示す。燃料電池スタック装置は固体高分子型の燃料電池であり、スタック１と、冷媒供給通路５と、冷媒排出通路６とを有する。冷媒供給通路５は、スタック１を冷却して温度調整する冷媒を搬送する冷媒搬送源として機能するポンプ５０を有する。冷媒としては、冷却水等の冷却液、冷却ガス、冷却ミスト等が挙げられ、要するに熱交換できる流体であれば良い。スタック１は多数のセル２を積層して形成されている。単数のセル２は、膜電極接合体３と、膜電極接合体３を厚み方向の両側を挟むセパレータ４とを有する。膜電極接合体３は、イオン伝導性（プロトン伝導性）を有する固体高分子型の電解質膜３０と、電解質膜３０をこれの厚み方向に挟むアノード３１およびカソード３２で形成されている。アノード３１は、燃料をアノード発電反応させる触媒層と、触媒層に燃料を拡散させつつ供給する多孔質のガス拡散層とで形成されている。カソード３２は、カソードガスを発電反応させる触媒層と、触媒層にカソードガスを拡散させつつ供給する多孔質のガス拡散層とで形成されている。
【００１５】
図１に示すように、スタック１は、複数個のセル２を厚み方向（矢印Ａ方向）に積層して形成された発電機能を有する積層体１０と、積層体１０の積層方向の一端側に設けられた導電材料で形成された集電板１１ｒと、集電板１１ｒの外側に図略の電気絶縁板を介して設けられた第１エンドプレート１１と、積層体１０の積層方向の他端側に設けられた導電材料で形成された集電板１１ｔと、集電板１１ｔの外側に図略の電気絶縁板を介して設けられた第２エンドプレート１２とを有する。図１に示すように、第１エンドプレート１１は、冷媒供給通路５から流れる冷媒が供給される単数の冷媒入口１３と、冷媒排出通路６に連通する第１冷媒出口１４および第２冷媒出口１５とを有する。冷媒入口１３はスタック１の上部側に設けられている。スタック１のうちの後述する中間冷媒通路７０において冷媒を下向きに流すためである。図１に示すように、第１冷媒出口１４はスタック１の下部側に設けられている。第２冷媒出口１５は、高さ方向において第１冷媒出口１４と反対側に位置するようにスタック１の上部側に設けられている。
【００１６】
図１に示すように、スタック１を構成する積層体１０は、積層方向（矢印Ａ方向）の中間に存在する発電用の中間セル２Ｃと、積層方向の一端側に存在する発電用の端セル２Ｅと、積層方向の他端側に存在する発電用の端セル２Ｆとに区分けされている。端セル２Ｅは、スタック１の積層体１０のうち積層方向（矢印Ａ方向）の一端側に配置されている端のセルを意味する。端セル２Ｆは、スタック１の積層体１０のうち積層方向（矢印Ａ方向）の他端側に配置されている端のセルを意味する。ここで、一端側の端セル２Ｅは、積層体１０のうち積層方向（矢印Ａ方向）の一端側における最端の１個のセル２とすることができる。他端側の端セル２Ｆは、積層体１０のうち積層方向（矢印Ａ方向）の他端側における最端の１個のセル２とすることができる。スタック１の積層体１０のうち、端セル２Ｅ，２Ｆ以外の残りのセル２が中間セル２Ｃに相当する。例えば４０個のセル２が積層されているときには、積層方向（矢印Ａ方向）の一端側のセル２および他端側のセル２は、高い放熱性をもつため、端セル２Ｅ，２Ｆに相当する。残部の３８個のセル２が中間セル２Ｃに相当する。
【００１７】
図２に示すように、スタック１は、発電運転時において、冷媒を流してスタック１と熱交換してスタック１の温度調整を行うための冷媒通路構造７を備える。図２に示すように、冷媒通路構造７は、中間セル２Ｃを冷却させる中間冷媒通路７０と、端セル２Ｅを熱交換させる端冷媒通路７２と、端セル２Ｆを熱交換させる端冷媒通路７３と、端冷媒通路７２，７３に流れる単位時間あたり冷媒の流量を調整するための流量制御要素として機能する流量制御弁７８とを有する。
【００１８】
すなわち、中間冷媒通路７０は、積層方向（矢印Ａ方向）の中間に存在する中間セル２Ｃに存在しており、中間セル２Ｃを冷却させる。端冷媒通路７２は、積層方向（矢印Ａ方向）の端に存在する端セル２Ｅに存在しており、端セル２Ｅと熱交換する。端冷媒通路７３は、積層方向（矢印Ａ方向）の端に存在する端セル２Ｆに存在しており、端セル２Ｆと熱交換する。
【００１９】
図１および図２に示すように、冷媒排出通路６は、スタック１の第１冷媒出口１４と流量制御弁７８の入口ポート７８ｉとを連通させる第１排出通路６１と、スタック１の第２冷媒出口１５と流量制御弁７８の出口ポート７８ｐ側とを連通させる第２排出通路６２と、第１排出通路６１および第２排出通路６２が合流する本排出通路６３とを有する。本排出通路６３の先端はラジエータ等の冷媒冷却要素６５に繋がるため、本排出通路６３を流れた冷媒は、冷媒冷却要素６５により冷却される。冷媒冷却要素６５は、冷媒を冷却できる機能をもつものであれば、何でも良い。スタック１から排出された暖かい冷媒の熱を熱交換器で熱交換させて暖かい貯湯水として溜める貯湯槽が設けられている場合には、冷媒冷却要素６５は、当該冷媒と貯湯水とを互いに熱交換させる熱交換器で形成しても良い。
【００２０】
流量制御弁７８の入口ポート７８ｉは、第１排出通路６１を介してスタック１の第１冷媒出口１４に連通する。第１冷媒出口１４は、中間セル２Ｃにおける中間冷媒通路７０を流れて暖められたものの、端セル２Ｅ，２Ｆにおける端冷媒通路７２，７３を流れなかった冷媒を排出させる出口を意味する。流量制御弁７８の出口ポート７８ｐは、第２排出通路６２を介してスタック１の第２冷媒出口１５に連通する。第２冷媒出口１５は、中間セル２Ｃにおける中間冷媒通路７０を流れ、その後、端セル２Ｅ，２Ｆにおける端冷媒通路７２，７３を流れた冷媒を排出させる出口を意味する。
【００２１】
図３は中間セル２Ｃを構成する中間セパレータ４Ｃの側面視を示す。中間セパレータ４Ｃは位置合わせ用のマーク８９を有する。中間セパレータ４Ｃは炭素や合金鋼等の導電材料で形成されており、第１マニホルド孔８１と、第２マニホルド孔８２と、第３マニホルド孔８３と、アノードに燃料を供給するための燃料供給孔８４と、カソードに空気（カソードガス）を供給するための空気供給孔８６と、アノードから燃料を排出させるための燃料排出孔８５と、カソードから空気を排出するための空気排出孔８７と、第１マニホルド孔８１および第２マニホルド孔８２を中間セパレータ４Ｃの面方向に沿って連通させる表面通路８８とを有する。この表面通路８８には、冷媒を曲走させる案内突起（図示せず）が形成されている。図３に示すように、中間セパレータ４Ｃにおいて、第１マニホルド孔８１と、第２マニホルド孔８２と、第３マニホルド孔８３と、燃料供給孔８４と、空気供給孔８６と、燃料排出孔８５と、空気排出孔８７とは、中間セパレータ４Ｃの厚み方向に貫通する。中間セパレータ４Ｃの表面通路８８は、中間セパレータ４Ｃの表面に沿って冷媒を流すように形成されており、第３マニホルド孔８３には連通していないものの、第１マニホルド孔８１および第２マニホルド孔８２に連通する。この場合、図３に示すように、中間セパレータ４Ｃにおいて、第１マニホルド孔８１から供給された冷媒は、表面通路８８を矢印Ｂ１方向（下向き）に通過して中間セパレータ４Ｃ（中間セル２Ｃ）から受熱して暖められつつ中間セパレータ４Ｃ（中間セル２Ｃ）を冷却させ、第２マニホルド孔８２から排出される。従って、中間冷媒通路７０は、中間セパレータ４Ｃを有する中間セル２Ｃと熱交換してこれを冷却させるものであり、中間セパレータ４Ｃに形成されている第１マニホルド孔８１、表面通路８８、第２マニホルド孔８２を利用して形成されている。
【００２２】
図４は端セル２Ｅを構成する端セパレータ４Ｅの側面視を示す。端セパレータ４Ｅは位置合わせ用のマーク８９を有する。端セパレータ４Ｅは、炭素や合金鋼等の導電材料で形成されており、第１マニホルド孔８１と、第２マニホルド孔８２と、第３マニホルド孔８３と、アノードに燃料を供給するための燃料供給孔８４と、カソードに空気を供給するための空気供給孔８６と、アノードから燃料を排出するための燃料排出孔８５と、カソードから空気を排出するための空気排出孔８７と、第２マニホルド孔８２および第３マニホルド孔８３をセパレータ４Ｅの面方向に沿って連通させるための表面通路８８とを有する。この表面通路８８には、冷媒を曲走させる案内突起（図示せず）が形成されている。
【００２３】
図４に示すように、端セパレータ４Ｅにおいて、第１マニホルド孔８１と、第２マニホルド孔８２と、第３マニホルド孔８３と、燃料供給孔８４と、空気供給孔８６と、燃料排出孔８５と、空気排出孔８７とは、端セパレータ４Ｅの厚み方向に貫通する。端セパレータ４Ｅの表面通路８８は、第１マニホルド孔８１に連通していないものの、第２マニホルド孔８２および第３マニホルド孔８３に連通する。この場合、図４に示すように、端セパレータ４Ｅにおいて、第２マニホルド孔８２から表面通路８８に供給された冷媒は、端セパレータ４Ｅの表面通路８８を矢印Ｂ２方向（上向き）に通過して端セパレータ４Ｅと接触しつつ端セパレータ４Ｅと熱交換し、第３マニホルド孔８３から排出される。この場合、冷媒は重力に抗して上向き（矢印Ｂ２方向）に流れるため、冷媒を端セパレータ４Ｅの表面通路８８に満たすのに有利となり、従って、中間セル２Ｃ（中間セパレータ４Ｃ）から受熱して暖められた冷媒と端セパレータ４Ｅとの熱交換時間を確保できる利点が得られる。このように端冷媒通路７２は、端セパレータ４Ｅを有するセル２Ｅを冷却させるものであるため、端セパレータ４Ｅに形成されている第２マニホルド孔８２、表面通路８８、第３マニホルド孔８３、集電板１１ｒの表面１１ｒｓ（図２参照）を利用して形成されている。
【００２４】
図５は他端側の集電板１１ｔの側面視を示す。集電板１１ｔにおいて、第１マニホルド孔８１に重なって対面する冷媒口１３ｔと、第２マニホルド孔８２に重なって連通する冷媒口１４ｔと、第３マニホルド孔８３に連通する冷媒口１５ｔと、冷媒口１４ｔ，１５ｔを集電板１１ｔの面方向に沿って連通させる連通路８８ｔとが、集電板１１ｔを厚み方向に貫通しないように形成されている。この場合、図５に示すように、集電板１１ｔにおいて、第２マニホルド孔８２を経て冷媒口１４ｔに供給された冷媒は、集電板１１ｔの表面通路８８ｔを矢印Ｂ３方向（上向き）に通過して端セパレータ４Ｆ（集電板１１ｔと隣接している）と接触することにより、端セパレータ４Ｆ（端セル２Ｆ）と熱交換し、冷媒口１５ｔを介して第３マニホルド孔８３に排出される。この場合、冷媒は重力に抗して上向き（図５に示す矢印Ｂ３方向）に流れる。この場合、中間セル２Ｃ（中間セパレータ４Ｃ）から受熱した暖かい冷媒と端セパレータ４Ｆ（端セル２Ｆ）との熱交換時間を確保できる利点が得られる。このように端冷媒通路７３は、他方の端セパレータ４Ｆを有する端セル２Ｆと熱交換するものであり、集電板１１ｔに形成されている冷媒口１４ｔ、表面通路８８ｔ、冷媒口１５ｔ、端セル２Ｆの端セパレータ４Ｆの表面４Ｆｓ（図２参照）を利用して形成されている。
【００２５】
図６は一端側の第１エンドプレート１１の側面視を示す。図６に示すように、第１エンドプレート１１において、第１マニホルド孔８１に重なった対面する冷媒入口１３、第２マニホルド孔８２に重なって連通する第１冷媒出口１４、第３マニホルド孔８３に連通する第２冷媒出口１５が第１エンドプレート１１を厚み方向に貫通するようにそれぞれ形成されている。更に、燃料供給孔８４、空気供給孔８６、燃料排出孔８５、空気排出孔８７が第１エンドプレート１１の厚み方向に貫通するようにそれぞれ形成されている。組付時には、中間セパレータ４Ｃ、端セパレータ４Ｅ，４Ｆ、集電板１１ｒ，１１ｔがこれらのマーク８９を揃えた状態で、エンドプレート１１，１２と共に、厚み方向に積層され、セパレータ４の積層体１０が構成される。図１に示すように、積層体１０は、集電板１１ｒ，１１ｔを介して第１エンドプレート１１および第２エンドプレートプレート１２で挟持される。この場合、中間セパレータ４Ｃの第１マニホルド孔８１と、端セパレータ４Ｅの第１マニホルド孔８１と、第１エンドプレート１１の冷媒入口１３と、集電板１１ｔの冷媒口１３ｔが重なりあって連通する。同様に、中間セパレータ４Ｃの第２マニホルド孔８２と、端セパレータ４Ｅの第２マニホルド孔８２と、第１エンドプレート１１の第１冷媒出口１４と、集電板１１ｔの冷媒口１４ｔとが重なりあって連通する。同様に、中間セパレータ４Ｃの第３マニホルド孔８３と、端セパレータ４Ｅの第３マニホルド孔８３と、第１エンドプレート１１の第２冷媒出口１５と、集電板１１ｔの冷媒口１５ｔとが重なりあって連通する。なお、燃料供給孔８４についても同様である。燃料排出孔８５についても同様である。空気供給孔８６についても同様である。空気排出孔８７についても同様である。
【００２６】
次に、流量制御弁７８の作用について説明を加える。流量制御弁７８の開度を０とし流路断面積を０とすれば、第１冷媒出口１４および第１排出通路６１から流量制御弁７８の入口ポート７８ｉに流れる冷媒の流量α１を無しにでき、理論的には、中間冷却通路７０を流れた全部の冷媒を端セル２Ｅ，２Ｆの端冷媒通路７２，７３に流し、第２排出通路６２から本排出通路６３に流せる。従って、流量制御弁７８の開度を小さくしてこれのポート７８ｉ，７８ｐを連通させる流路横断面積を小さくすると、第１冷媒出口１４および第１排出通路６１から流量制御弁７８の入口ポート７８ｉに流れる冷媒の単位時間あたりの流量α１を減少できる。これにより端冷媒通路７２，７３、第２冷媒出口１５および第２排出通路６３を流れて本排出通路６３に到達する冷媒の単位時間あたりの流量α２を増加できる。この場合、中間冷媒通路７０から受熱して暖められた冷媒と端冷媒通路７２，７３（端セパレータ４Ｅ，４Ｆ、端セル２Ｅ，２Ｆ）とが熱交換する熱交換量を増加できる。換言すると、端冷媒通路７２，７３を流れないで、第１冷媒出口１４および第１排出通路６１から流量制御弁７８の入口ポート７８ｉ，出口ポート７８ｐを介して流れて冷媒排出通路６の本排出通路６３に到達する冷媒流量α１を減少できる。
【００２７】
逆に、流量制御弁７８の開度を大きくしてこれの流路横断面積を大きくすると、第１排出通路６１から流量制御弁７８の入口ポート７８ｉおよび出口ポート７８ｐを経て本排出通路６３に流れる冷媒の流量α１を増加できる。すなわち、端冷媒通路７２，７３を流れないで流量制御弁７８を流れて冷媒排出通路６に到達する冷媒流量α１を増加できる。これにより端冷媒通路７２，７３を流れて本排出通路６３に到達する冷媒流量α２を減少できる。この場合、端冷媒通路７２，７３を流れる冷媒と端セパレータ４Ｅ，４Ｆ（端セル２Ｅ，２Ｆ）とが熱交換する熱交換量を減少できる。換言すると、流量制御弁７８の開度が調整されてこれの流路横断面積が調整されると、端冷媒通路７２，７３を流れないで冷媒排出通路６の本排出通路６３に到達する冷媒流量α１と、端冷媒通路７２，７３を流れて冷媒排出通路６の本排出通路６３に到達する冷媒流量α２との比率を調整することができる。すなわち、流量制御弁７８はα１／α２を調整できる。ひいては、中間セル２Ｃを流れて暖められて端冷媒通路７２，７３の冷媒と端セパレータ４Ｅ，４Ｆ（端セル２Ｅ，２Ｆ）との熱交換量を調整でき、端セパレータ４Ｅ，４Ｆ（端セル２Ｅ，２Ｆ）の温度を調整できる。
【００２８】
本実施形態によれば、図２から理解できるように、流量制御弁７８が閉鎖（開度０）されているとき、ポンプ５０が作動すると、冷媒供給通路５の冷媒は、第１エンドプレート１１の冷媒入口１３、端セル２Ｅの端セパレータ４Ｅの第１マニホルド孔８１を介して、複数の中間セパレータ４Ｃの第１マニホルド孔８１に至る。更に、その冷媒は、複数の中間セパレータ４Ｃの表面通路８８を下向き（矢印Ｂ１方向）に流れて中間セパレータ４Ｃを冷却し、ひいては全部の中間セル２Ｃを優先的に冷却するため、冷媒はこれらから暖められる。このように暖められた冷媒は、複数の中間セパレータ４Ｃの第２マニホルド孔８２を介して、一端側の端セパレータ４Ｅの第２マニホルド孔８２に至り、更に、端セパレータ４Ｅの表面通路８８を流れて端セパレータ４Ｅ（端セル２Ｅ）と熱交換し、更に、端セパレータ４Ｅの第３マニホルド孔８３の順に流れ、更には、第１エンドプレート１１の第２冷媒出口１５、第２排出通路６２、本排出通路６３の順に流れる。更に、中間セル２Ｃから暖められた冷媒は、他端側の集電板１１ｔの冷媒口１４ｔ（中間セパレータ４Ｃの第２マニホルド孔８２に対面）に至ると、更に、集電板１１ｔの表面通路８８ｔを上向き（矢印Ｂ３方向）に流れて端セパレータ４Ｆ（端セル２Ｆ）と熱交換し、更に、集電板１１ｔの冷媒口１５ｔに流れ、その後、中間セル２Ｃの第３マニホルド孔８３に流れ、更に、第１エンドプレート１１の第２冷媒出口１５、第２排出通路６２、本排出通路６３の順に流れる。換言すると、図３から理解できるように、中間セル２Ｃにおける中間冷媒通路７０を流れる冷媒は、中間セパレータ４Ｃの第１マニホルド孔８１→中間セパレータ４Ｃの表面通路８８→中間セパレータ４Ｃの第２マニホルド孔８２の順に流れる。従って、中間冷媒通路７０は、中間セパレータ４Ｃの第１マニホルド孔８１、中間セパレータ４Ｃの表面通路８８、中間セパレータ４Ｃの第２マニホルド孔８２を利用して形成されている。
【００２９】
また、図４から理解できるように、端セル２Ｅにおける端冷媒通路７２を流れる冷媒は、端セパレータ４Ｅの第２マニホルド孔８２→端セパレータ４Ｅの表面通路８８→端セパレータ４Ｅの第３マニホルド孔８３の順に流れる。従って、端冷媒通路７２は、端セパレータ４Ｅの第２マニホルド孔８２、端セパレータ４Ｅの表面通路８８、端セパレータ４Ｅの第３マニホルド孔８３、集電板１１ｒで形成されている。また、図５から理解できるように、集電板１１ｔにおける端冷媒通路７３を流れる冷媒は、冷媒口１４ｔ→表面通路８８ｔ→冷媒口１５ｔの順に流れる。従って、端冷媒通路７３は、集電板１１ｔの冷媒口１４ｔ、表面通路８８ｔ、冷媒口１１ｔを利用して形成されている。
【００３０】
さて使用の際には、膜電極接合体３のアノード３１に燃料（例えば水素ガス等）を供給すると共に、カソード３２に酸化剤ガスとしての空気を供給する。これにより発電反応によりスタック１は発電する。発電に伴いスタック１は発熱して昇温する。なお、燃料ガスおよび空気の流れ経路は、基本的には従来技術と同様であり、本実施形態の要旨ではないため省略する。スタック１が昇温して高温になると、発電性能の劣化、スタック１の耐久性が低下するため、冷却水等の冷媒によりスタック１を冷却させる必要がある。冷媒としては、高い電気絶縁性をもつ純水が好ましい。本来的には、スタック１において中間セル２Ｃは端セル２Ｅ，２Ｆよりも熱こもり性が高いため、中間セル２Ｃの温度は端セル２Ｅ，２Ｆの温度よりも高温となり易い。これに対して、端セル２Ｅ，２Ｆは中間セル２Ｃよりも放熱性が高いため、端セル２Ｅ，２Ｆの温度は中間セル２Ｃの温度よりも低温となり易い。低温になると、発電出力を低下させる要因となるフラッディングが発生するおそれがある。
【００３１】
そこで本実施形態によれば、ポンプ５０により冷媒供給通路５から冷媒入口１３に供給される冷媒（温度：Ｔ１）を、まず、放熱性が高いため相対的に低温の端セル２Ｅ，２Ｆではなく、熱こもりしやすい相対的に高温の中間セル２Ｃの中間冷媒通路７０に優先的に流す。このように端セル２Ｅ，２Ｆではなく、スタック１の積層方向における中間セル２Ｃを優先的に冷却させる。このようにスタック１から受熱されていない比較的低温の冷媒で中間セル２Ｃを優先的に冷却させるため、熱こもりしやすい中間セル２Ｃを効果的に冷却でき、中間セル２Ｃの過剰昇温を抑制できる。この意味でスタック１の出力向上に有利である。ここで、中間冷媒通路７０を流れて中間セル２Ｃから受熱されて暖められた冷媒は、受熱によりβぶん昇温し、その温度はＴ２（Ｔ２＞Ｔ１）とされる。その後、中間セル２Ｃからの受熱で暖められた冷媒を、スタック１の端セル２Ｅ，２Ｆの端冷媒通路７２，７３に流し、端セル２Ｅ，２Ｆと熱交換させる。ここで、冷媒の温度が端セル２Ｅ，２Ｆよりも低温であれば、端セル２Ｅ，２Ｆは熱交換により冷却される。冷媒の温度が端セル２Ｅ，２Ｆよりも高温であれば、端セル２Ｅ，２Ｆは熱交換により加熱される。
【００３２】
以上説明したように本実施形態によれば、ポンプ５０により冷媒供給通路５から冷媒入口１３に供給される冷媒（温度：Ｔ１）を、まず、中間セル２Ｃの中間冷媒通路７０に優先的に流すため、昇温しがちの中間セル２Ｃを効果的に冷却できる。その後、中間セル２Ｃからの受熱で暖められた冷媒を、スタック１の端セル２Ｅ，２Ｆの端冷媒通路７２，７３に流し、端セル２Ｅ，２Ｆと熱交換するため、高い放熱性を有する端セル２Ｅ，２Ｆの過剰な温度降下が抑制されている。このため積層方向（矢印Ａ方向）においてスタック１の積層体１０における温度むらが抑制される。従って、スタック１を構成する全部のセル２において、積層体１０における温度むらが抑制される。ひいては積層方向（矢印Ａ方向）においてスタック１を構成するタスの発電むらが抑制される。よってスタック１の発電出力の向上、スタック１の長寿命化に貢献できる。上記したように放熱性が高い端セル２Ｅ，２Ｆにおける過剰な温度降下が抑制されるため、端セル２Ｅ，２Ｆにおけるフラッディングの抑制に有利であり、スタック１の発電性能の向上に貢献できる。
【００３３】
（実施形態２）
図７は実施形態２を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有するため、図１，図３〜図６を準用する。図７に示すように、第１エンドプレート１１の冷媒入口１３に供給される冷媒の入口温度Ｔｉｎを検知する入口温度センサ１００が設けられている。第１エンドプレート１１の第１冷媒出口１４から排出される冷媒の第１出口温度Ｔｏｕｔ１を検知する第１出口温度センサ１０１が設けられている。第１エンドプレート１１の第２冷媒出口１５から排出される冷媒の第２出口温度Ｔｏｕｔ２を検知する第２出口温度センサ１０２が設けられている。入口温度センサ１００および出口温度センサ１０１，１０２の温度信号は制御装置１１０に入力される。温度信号等に応じて、制御装置１１０は流量制御弁７８の開度を調整する制御信号を出力する。
【００３４】
冷媒の入口温度Ｔｉｎに対して冷媒の第２出口温度Ｔｏｕｔ２がプラスマイナスτ℃（例えばτ＝０〜７℃、０〜３℃）となるように、制御装置１１０は流量制御弁７８の開度を調整する。この場合、第２出口温度Ｔｏｕｔ２が入口温度Ｔｉｎよりも過剰に高温になると、流量制御弁７８の開度を増加させ、中間セル２Ｃで暖められた冷媒が端セル２Ｅ，２Ｆに向かう流量を減少させることが好ましい。また、第２出口温度Ｔｏｕｔ２が入口温度Ｔｉｎよりも過剰に低温になると、流量制御弁７８の開度を減少させ、中間セル２Ｃで暖められた冷媒が端セル２Ｅ，２Ｆに向かう流量を増加させ、ひいては端セル２Ｅ，２Ｆを昇温させることが好ましい。このように流量制御弁７８の開度を制御すれば、冷媒の入口温度Ｔｉｎに対して冷媒の第２出口温度Ｔｏｕｔ２を同一またはできるだけ近づけることができる。この場合、Ｔｉｎ≒Ｔｏｕｔ２とすることができる。
【００３５】
例えば、冷媒の入口温度Ｔｉｎが７０℃の場合には、中間セル２Ｃの冷却により冷媒が５℃ぶん暖められると仮定すると、中間セル２Ｃを冷却して暖められた冷媒の温度は７５℃付近となる。このとき、第２冷媒出口１５から排出される冷媒の出口温度Ｔｏｕｔ２を、冷媒入口１３の入口温度Ｔｉｎに適合させるように（Ｔｉｎ≒Ｔｏｕｔ２、つまり７０℃となるように）、流量制御弁７８の開度を制御すれば、基本的には、スタック１の各セル２（中間セル２Ｃ，端セル２Ｅ，２Ｆ）における上部の温度を７０℃付近とし、各セル２（中間セル２Ｃ，端セル２Ｅ，２Ｆ）の下部における温度を７５℃付近とするセル面方向におけるセル面内温度分布が得られる。なお、第１冷媒出口１４から排出される冷媒の温度は温度センサ１０１で検知されるが、この冷媒は両端の端セル２Ｅ，２Ｆを通過しないため、この冷媒の温度は基本的には７５℃付近であると考えられる。上記したように流量制御弁７８の開度を調整すれば、スタック１の全部の中間セル２Ｃおよび端セル２Ｅ，２Ｆにおけるセル温度分布を上記温度分布に近づけることができる。なお、７０℃、７５℃はあくまでも例示であり、この温度に限定されるものではなく，７５℃，８０℃でも良い。更に８０℃，８５℃でも良い。
【００３６】
（実施形態３）
本実施形態は実施形態１，２と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。上記した実施形態１では、他端側の端セル２Ｆを冷却させる端冷媒通路７３は、集電板１１ｔを利用して形成されているが、これに限らず、他端側の端セル２Ｆの端セパレータ４Ｆに凹状の端冷媒通路７３を形成しても良い。要するに、端冷媒通路７３は他端側の端セル２Ｆを熱交換できるものであれば良い。また実施形態１では、一端側の端セル２Ｅを冷却させる端冷媒通路７２は、端セパレータ４Ｅを利用して形成されているが、これに限らず、一端側の端セパレータ４Ｅに隣接する集電板１１ｒに端冷媒通路７２を形成しても良い。要するに、端冷媒通路７２は一端側の端セル２Ｅを熱交換できるものであれば良い。
【００３７】
（実施形態４）
本実施形態は実施形態１，２と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。上記した実施形態１では、一端側の端セル２Ｅは、積層方向の一端側における最端の１個のセル２を意味する。他端側の端セル２Ｆは、積層方向の他端側における最端の１個のセル２を意味する。残りのセル２が中間セル２Ｃに相当する。しかし本実施形態では、セル２の積層数が例えば４０〜３００個と多いため、一端側の端セル２Ｅは、積層方向の一端側における複数個（１〜６個のうちの任意値）のセル２を意味する。他端側の端セル２Ｆは、積層方向の他端側における複数個（１〜６個のうちの任意値）のセルを意味する。残りのセル２が中間セル２Ｃに相当する。なお、セル２の積層数をＮとするとき、一端側の端セル２Ｅの上限の個数は、｛Ｎ−（０．６×Ｎ）｝／２にできる。他端側の端セル２Ｆについても同様である。
【００３８】
（実施形態５）
本実施形態は実施形態１，２と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。但し、流量制御弁７８は第１冷媒出口１４側ではなく、第２冷媒出口１５側に設けられている。本実施形態においても、中間セル２Ｃから受熱して暖められた冷媒を端セル２Ｅ，２Ｆに流すため、端セル２Ｅ，２Ｆにおける過剰な温度降下は抑制される。更に、流量制御弁７８の開度を調整すれば、端冷媒通路７２，７３を流れないで冷媒排出通路６の本排出通路６３に到達する冷媒流量α１と、端冷媒通路７２，７３を流れて流量制御弁７８を介して冷媒排出通路６の本排出通路６３に到達する冷媒流量α２との比率を調整することができる。このため端セル２Ｅ，２Ｆの温度を調整できる。
【００３９】
（実施形態６）
図８は実施形態６を示す。本実施形態は実施形態１，２と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。但し流量制御弁７８、第１排出通路６１および第１冷媒出口１４が装備されていない。本来的には、端セル２Ｅ，２Ｆは中間セル２Ｃよりも放熱性が高いため、端セル２Ｅ，２Ｆの温度は中間セル２Ｃの温度よりも低温となり易い。低温になると、フラッディングが発生するおそれがある。そこで本実施形態によれば、実施形態１と同様に、冷媒供給通路５から入口に供給される冷媒（温度：Ｔ１）を、スタック１の端セル２Ｅ，２Ｆに流さないで、まず、中間セル２Ｃの中間冷媒通路７０に優先的に流し、中間セル２Ｃを優先的に冷却させる。中間冷媒通路７０を流れて中間セル２Ｃから受熱して暖められた冷媒は、受熱によりβぶん昇温して温度Ｔ２（Ｔ２＞Ｔ１）とされている。次に、中間セル２Ｃからの受熱で暖められた冷媒を、スタック１の端セル２Ｅ，２Ｆの端冷媒通路７２，７３に流し、端セル２Ｅ，２Ｆを熱交換させ、第１エンドプレート１１の第２冷媒出口１５から冷媒排出通路６に排出させる。本実施形態においても、中間セル２Ｃから受熱して暖められた冷媒を端セル２Ｅ，２Ｆに流すため、端セル２Ｅ，２Ｆにおける過剰な温度降下は抑制される。
【００４０】
（その他）
上記した図面は実施形態の概念を示すものであり、端冷媒通路７２は、冷媒が流れる通路を端セパレータ４Ｅに形成することにより形成されているが、端セパレータ４Ｅおよび集電板１１ｒのうち互いに対向する表面同士に、冷媒が流れる通路を形成して端冷媒通路７２としても良い。要するに、端冷媒通路７２は、一端側の端セル２Ｅを冷媒で熱交換できればよい。端冷媒通路７３は、冷媒が流れる通路を集電板１１ｔに形成することにより形成されているが、端セパレータ４Ｆおよび集電板１１ｔのうち互いに対向する表面同士に、冷媒が流れる通路を形成して端冷媒通路７３としても良い。要するに端冷媒通路７３は、他端側の端セル２Ｆを冷媒で熱交換できればよい。流量制御弁７８としては、第１排出通路６１、第２排出通路６２および本排出通路６３に繋がる三方弁としても良い。中間冷媒通路７０は冷媒を下向きに流し、端冷媒通路７２，７３は冷媒を上向きに流すが、これに限定されず、中間冷媒通路７０は冷媒を上向きに流し、端冷媒通路７２，７３は冷媒を下向きに流すことにしても良い。更に、スタック１において、燃料は下向きに流しても良いし、上向きに流しても良い。同様に空気は下向きに流しても良いし、上向きに流しても良い。従って、第１冷媒出口１４はスタック１の下部側に設けられているが、上部側に設けられていても良い。冷媒入口１３，第２冷媒出口１５はスタック１の上部側に設けられているが、下部側に設けられていても良い。上記した実施形態では、スタック１では、セル２を水平方向に沿って並設して積層しているが、これに限らず、セル２を高さ方向に沿って並設して積層しても良い。スタック１は、冷却水等の冷媒によりセル２を冷却させるものであれば良い。本発明は上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実行できる。
【符号の説明】
【００４１】
１はスタック、１０は積層体、１１は第１エンドプレート、１２は第２エンドプレート、１３は冷媒入口、１４は第１冷媒出口、１５は第２冷媒出口、２はセル、２Ｃは中間セル、２Ｅ，２Ｆは端セル、４はセパレータ、５は冷媒供給通路、５０はポンプ、６は冷媒排出通路、７は冷媒通路構造、７０は中間冷媒通路、７２，７３は端冷媒通路、７８は流量制御弁（流量制御要素）、８１は第１マニホルド孔、８２は第２マニホルド孔、８３は第３マニホルド孔、８８は表面通路、１００は入口温度センサ、１０１は第１出口温度センサ、１０２は第２出口温度センサ、１１０は制御装置を示す。
【技術分野】
【０００１】
本発明は複数のセルを積層した燃料電池スタック装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタック装置は、膜電極接合体と膜電極接合体を厚み方向の両側を挟むセパレータとを有するセルを複数個厚み方向に積層して形成されると共に冷媒を流す冷媒通路構造を備えるスタックと、スタックの冷媒通路構造の入口に連通する冷媒供給通路と、スタックの冷媒通路構造の出口に連通する冷媒排出通路とを備える（特許文献１）。このようなスタック装置において、積層方向の端に位置する端セルでは、放熱性が高い傾向がある。このため端セルでは過剰に温度降下するおそれがある。これに対して、スタックの積層方向の中間側の中間セルでは、放熱性が少なく、熱こもり性が高い傾向がある。このため燃料電池スタック装置では、積層方向におけるセルの温度むらが大きく、積層方向において発電むらが発生するおそれがあった。殊に、固体高分子型の燃料電池の場合には、端セルにおいて、過剰な温度降下はフラッディングを発生させる要因となり、好ましくない。フラッディングとは、膜電極接合体などのガス流路面積を液相状の水で狭くして反応ガスの流れを制約させることをいう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−１１１２３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、スタックのうち放熱性が高い端セルにおける過剰な温度降下を抑制し、セルの積層方向における発電むらの低減に貢献できる燃料電池スタック装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（１）様相１の本発明に係る燃料電池スタック装置は、膜電極接合体と膜電極接合体の厚み方向の両側を挟むセパレータとを有するセルを複数個厚み方向に積層して形成されると共に冷媒を流す冷媒通路構造を備えるスタックと、スタックの冷媒通路構造の入口に連通する冷媒供給通路と、スタックの冷媒通路構造の出口に連通する冷媒排出通路とを具備しており、スタックの冷媒通路構造は、スタックの積層方向の中間に存在する中間セルの中間冷媒通路と、積層方向の端に存在する端セルの端冷媒通路とを有しており、且つ、冷媒供給通路から供給される冷媒を中間セルの中間冷媒通路に流して中間セルを冷却し、中間冷媒通路を流れて中間セルから受熱して暖められた冷媒を端セルの端冷媒通路に流して端セルと熱交換させる構造を有する。
【０００６】
様相１によれば、冷媒供給通路から供給される冷媒を、端セルの端冷媒通路ではなく、熱こもりにより昇温しがちの中間セルの中間冷媒通路に優先的に流し、中間セルを優先的に冷却させる。その後、上記したように中間冷媒通路を流れて中間セルから受熱して暖められた冷媒を、端セルの端冷媒通路に流して端セルと熱交換させる。従って、放熱性が高い端セルにおける温度の過剰降下が抑制される。このためスタックの積層方向におけるセルの温度むらが軽減される。
【０００７】
（２）様相２の本発明に係る燃料電池スタック装置は、冷媒供給通路から供給される冷媒を中間セルの中間冷媒通路に流して中間セルを冷却し、中間冷媒通路を流れて中間セルから受熱して暖められた冷媒を端セルの端冷媒通路に流して端セルと熱交換させる構造を有する点において、様相１と共通する技術的特徴をもつ。即ち、様相２の本発明に係る燃料電池スタック装置は、膜電極接合体と膜電極接合体を厚み方向の両側を挟むセパレータとを有するセルを複数個厚み方向に積層して形成されると共に冷媒を流す冷媒通路構造を備えるスタックと、スタックの冷媒通路構造の入口に連通する冷媒供給通路と、スタックの冷媒通路構造の出口に連通する冷媒排出通路とを具備しており、スタックの冷媒通路構造は、積層方向の中間に存在する中間セルの中間冷媒通路と、積層方向の端に存在する端セルの端冷媒通路と、中間冷媒通路を流れるものの端冷媒通路を流れないで冷媒排出通路に到達する冷媒流量α１と、中間冷媒通路および端冷媒通路を流れて冷媒排出通路に到達する冷媒流量α２との比率を調整する流量制御要素とを有しており、且つ、冷媒供給通路から供給される冷媒を中間セルの中間冷媒通路に流して中間セルを冷却し、中間冷媒通路を流れて中間セルから受熱して暖められた冷媒を端セルの端冷媒通路に流して端セルと熱交換させる構造を有する。
【０００８】
様相２によれば、冷媒供給通路から供給される冷媒を、端セルの端冷媒通路ではなく、熱こもりにより昇温しがちの中間セルの中間冷媒通路に優先的に流して中間セルを冷却させる。その後、上記したように中間冷媒通路を流れて中間セルから受熱して暖められた冷媒を、端セルの端冷媒通路に流して端セルと熱交換させる。従って、放熱性が高い端セルにおける温度の過剰降下が抑制される。このためスタックの積層方向におけるセルの温度むらが軽減される。
【０００９】
様相２によれば、スタックの発電運転において流量制御要素の開度を調整すれば、中間冷媒通路を流れるものの端冷媒通路を流れないで冷媒排出通路に到達する単位時間あたりの冷媒流量α１と、中間冷媒通路および端冷媒通路を流れて冷媒排出通路に到達する単位時間あたりの冷媒流量α２との比率を調整することができる。換言すると、端冷媒通路を流れて端セルと熱交換する冷媒の単位時間あたりの流量を調整でき、この冷媒は、中間セルの中間冷媒通路を流れて暖められたものであるため、端セルの熱交換量を調整でき、端セルの温度を調整できる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、スタックのうち放熱量が中間セルよりも多い端セルにおける過剰な温度降下を抑制できる。従って、セルの積層方向における発電むらの低減に貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態１に係り、スタック装置の要部概念を模式的に示す斜視図である。
【図２】実施形態１に係り、スタック装置の要部概念を模式的に示す断面図である。
【図３】実施形態１に係り、中間セルに使用される中間セパレータの側面図である。
【図４】実施形態１に係り、端セルに使用される端セパレータの側面図である。
【図５】実施形態１に係り、集電板の側面図である。
【図６】実施形態１に係り、第１エンドプレートの側面図である。
【図７】実施形態２に係り、スタック装置の要部概念を模式的に示す斜視図である。
【図８】実施形態６に係り、スタック装置の要部概念を模式的に示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
燃料電池は、パーフルオロスルホン酸ポリマー等の炭化フッ素系の電解質膜、炭化水素系の電解質膜を用いる固体高分子型燃料電池、リン酸を含浸させたポリベンズイミゾール等の電解質膜を用いる固体高分子型燃料電池が例示される。要するに、複数のセルを厚み方向に積層させると共にセルを冷媒で冷却させる方式であれば良い。冷媒としては、冷却水等の冷却液、冷却ガス、冷却ミスト等が挙げられる。中間冷媒通路は中間セルを冷却させるものであれば良く、隣接するセルを構成するセパレータを利用して形成できる。端冷媒通路は端セルを冷却させるものであれば良く、端セルを構成する端セパレータ、または、端セパレータに隣接する集電板を利用して形成しても良い。流量制御要素は、中間冷媒通路を流れるものの端冷媒通路を流れないで冷媒排出通路に到達する冷媒流量α１と、中間冷媒通路および端冷媒通路を流れて冷媒排出通路に到達する冷媒流量α２との比率を調整できるものであれば何でも良い。流量制御弁や可変オリファス等が例示される。
【００１３】
好ましくは、スタックは、冷媒供給通路からスタックの冷媒通路構造の入口に冷媒を供給するための第１冷媒入口と、スタックの中間冷媒通路を流れて中間セルから受熱して暖められた冷媒を端セルの端冷媒通路に流すことなく冷媒排出通路に流す第１冷媒出口と、中間冷媒通路を流れて中間セルから受熱して暖められた冷媒を端セルの端冷媒通路を介して冷媒排出通路に流す第２冷媒出口とを備えている。この場合、第１冷媒入口の冷媒の入口温度Ｔｉｎを検知する入口温度センサと、スタックの第１冷媒出口から排出される冷媒の第１出口温度Ｔｏｕｔ１を検知する第１出口温度センサと、スタックの第２冷媒出口から排出される冷媒の第２出口温度Ｔｏｕｔ２を検知する第２出口温度センサとを備えていることが好ましい。制御装置は、入口温度Ｔｉｎに対して第２出口温度Ｔｏｕｔ２がプラスマイナスτ℃（τ＝０〜７℃、または、０〜５℃）となるように、制御装置は流量制御要素の開度を調整することが好ましい。τは０〜３℃が好ましい。この場合、端セルのセル面内温度分布を中間セルのセル面内温度分布に近づけるのに有利となり、全部のセルのセル面内温度分布をできるだけ同様にできる。
【００１４】
（実施形態１）
図１〜図６は実施形態１の概念を示す。燃料電池スタック装置は固体高分子型の燃料電池であり、スタック１と、冷媒供給通路５と、冷媒排出通路６とを有する。冷媒供給通路５は、スタック１を冷却して温度調整する冷媒を搬送する冷媒搬送源として機能するポンプ５０を有する。冷媒としては、冷却水等の冷却液、冷却ガス、冷却ミスト等が挙げられ、要するに熱交換できる流体であれば良い。スタック１は多数のセル２を積層して形成されている。単数のセル２は、膜電極接合体３と、膜電極接合体３を厚み方向の両側を挟むセパレータ４とを有する。膜電極接合体３は、イオン伝導性（プロトン伝導性）を有する固体高分子型の電解質膜３０と、電解質膜３０をこれの厚み方向に挟むアノード３１およびカソード３２で形成されている。アノード３１は、燃料をアノード発電反応させる触媒層と、触媒層に燃料を拡散させつつ供給する多孔質のガス拡散層とで形成されている。カソード３２は、カソードガスを発電反応させる触媒層と、触媒層にカソードガスを拡散させつつ供給する多孔質のガス拡散層とで形成されている。
【００１５】
図１に示すように、スタック１は、複数個のセル２を厚み方向（矢印Ａ方向）に積層して形成された発電機能を有する積層体１０と、積層体１０の積層方向の一端側に設けられた導電材料で形成された集電板１１ｒと、集電板１１ｒの外側に図略の電気絶縁板を介して設けられた第１エンドプレート１１と、積層体１０の積層方向の他端側に設けられた導電材料で形成された集電板１１ｔと、集電板１１ｔの外側に図略の電気絶縁板を介して設けられた第２エンドプレート１２とを有する。図１に示すように、第１エンドプレート１１は、冷媒供給通路５から流れる冷媒が供給される単数の冷媒入口１３と、冷媒排出通路６に連通する第１冷媒出口１４および第２冷媒出口１５とを有する。冷媒入口１３はスタック１の上部側に設けられている。スタック１のうちの後述する中間冷媒通路７０において冷媒を下向きに流すためである。図１に示すように、第１冷媒出口１４はスタック１の下部側に設けられている。第２冷媒出口１５は、高さ方向において第１冷媒出口１４と反対側に位置するようにスタック１の上部側に設けられている。
【００１６】
図１に示すように、スタック１を構成する積層体１０は、積層方向（矢印Ａ方向）の中間に存在する発電用の中間セル２Ｃと、積層方向の一端側に存在する発電用の端セル２Ｅと、積層方向の他端側に存在する発電用の端セル２Ｆとに区分けされている。端セル２Ｅは、スタック１の積層体１０のうち積層方向（矢印Ａ方向）の一端側に配置されている端のセルを意味する。端セル２Ｆは、スタック１の積層体１０のうち積層方向（矢印Ａ方向）の他端側に配置されている端のセルを意味する。ここで、一端側の端セル２Ｅは、積層体１０のうち積層方向（矢印Ａ方向）の一端側における最端の１個のセル２とすることができる。他端側の端セル２Ｆは、積層体１０のうち積層方向（矢印Ａ方向）の他端側における最端の１個のセル２とすることができる。スタック１の積層体１０のうち、端セル２Ｅ，２Ｆ以外の残りのセル２が中間セル２Ｃに相当する。例えば４０個のセル２が積層されているときには、積層方向（矢印Ａ方向）の一端側のセル２および他端側のセル２は、高い放熱性をもつため、端セル２Ｅ，２Ｆに相当する。残部の３８個のセル２が中間セル２Ｃに相当する。
【００１７】
図２に示すように、スタック１は、発電運転時において、冷媒を流してスタック１と熱交換してスタック１の温度調整を行うための冷媒通路構造７を備える。図２に示すように、冷媒通路構造７は、中間セル２Ｃを冷却させる中間冷媒通路７０と、端セル２Ｅを熱交換させる端冷媒通路７２と、端セル２Ｆを熱交換させる端冷媒通路７３と、端冷媒通路７２，７３に流れる単位時間あたり冷媒の流量を調整するための流量制御要素として機能する流量制御弁７８とを有する。
【００１８】
すなわち、中間冷媒通路７０は、積層方向（矢印Ａ方向）の中間に存在する中間セル２Ｃに存在しており、中間セル２Ｃを冷却させる。端冷媒通路７２は、積層方向（矢印Ａ方向）の端に存在する端セル２Ｅに存在しており、端セル２Ｅと熱交換する。端冷媒通路７３は、積層方向（矢印Ａ方向）の端に存在する端セル２Ｆに存在しており、端セル２Ｆと熱交換する。
【００１９】
図１および図２に示すように、冷媒排出通路６は、スタック１の第１冷媒出口１４と流量制御弁７８の入口ポート７８ｉとを連通させる第１排出通路６１と、スタック１の第２冷媒出口１５と流量制御弁７８の出口ポート７８ｐ側とを連通させる第２排出通路６２と、第１排出通路６１および第２排出通路６２が合流する本排出通路６３とを有する。本排出通路６３の先端はラジエータ等の冷媒冷却要素６５に繋がるため、本排出通路６３を流れた冷媒は、冷媒冷却要素６５により冷却される。冷媒冷却要素６５は、冷媒を冷却できる機能をもつものであれば、何でも良い。スタック１から排出された暖かい冷媒の熱を熱交換器で熱交換させて暖かい貯湯水として溜める貯湯槽が設けられている場合には、冷媒冷却要素６５は、当該冷媒と貯湯水とを互いに熱交換させる熱交換器で形成しても良い。
【００２０】
流量制御弁７８の入口ポート７８ｉは、第１排出通路６１を介してスタック１の第１冷媒出口１４に連通する。第１冷媒出口１４は、中間セル２Ｃにおける中間冷媒通路７０を流れて暖められたものの、端セル２Ｅ，２Ｆにおける端冷媒通路７２，７３を流れなかった冷媒を排出させる出口を意味する。流量制御弁７８の出口ポート７８ｐは、第２排出通路６２を介してスタック１の第２冷媒出口１５に連通する。第２冷媒出口１５は、中間セル２Ｃにおける中間冷媒通路７０を流れ、その後、端セル２Ｅ，２Ｆにおける端冷媒通路７２，７３を流れた冷媒を排出させる出口を意味する。
【００２１】
図３は中間セル２Ｃを構成する中間セパレータ４Ｃの側面視を示す。中間セパレータ４Ｃは位置合わせ用のマーク８９を有する。中間セパレータ４Ｃは炭素や合金鋼等の導電材料で形成されており、第１マニホルド孔８１と、第２マニホルド孔８２と、第３マニホルド孔８３と、アノードに燃料を供給するための燃料供給孔８４と、カソードに空気（カソードガス）を供給するための空気供給孔８６と、アノードから燃料を排出させるための燃料排出孔８５と、カソードから空気を排出するための空気排出孔８７と、第１マニホルド孔８１および第２マニホルド孔８２を中間セパレータ４Ｃの面方向に沿って連通させる表面通路８８とを有する。この表面通路８８には、冷媒を曲走させる案内突起（図示せず）が形成されている。図３に示すように、中間セパレータ４Ｃにおいて、第１マニホルド孔８１と、第２マニホルド孔８２と、第３マニホルド孔８３と、燃料供給孔８４と、空気供給孔８６と、燃料排出孔８５と、空気排出孔８７とは、中間セパレータ４Ｃの厚み方向に貫通する。中間セパレータ４Ｃの表面通路８８は、中間セパレータ４Ｃの表面に沿って冷媒を流すように形成されており、第３マニホルド孔８３には連通していないものの、第１マニホルド孔８１および第２マニホルド孔８２に連通する。この場合、図３に示すように、中間セパレータ４Ｃにおいて、第１マニホルド孔８１から供給された冷媒は、表面通路８８を矢印Ｂ１方向（下向き）に通過して中間セパレータ４Ｃ（中間セル２Ｃ）から受熱して暖められつつ中間セパレータ４Ｃ（中間セル２Ｃ）を冷却させ、第２マニホルド孔８２から排出される。従って、中間冷媒通路７０は、中間セパレータ４Ｃを有する中間セル２Ｃと熱交換してこれを冷却させるものであり、中間セパレータ４Ｃに形成されている第１マニホルド孔８１、表面通路８８、第２マニホルド孔８２を利用して形成されている。
【００２２】
図４は端セル２Ｅを構成する端セパレータ４Ｅの側面視を示す。端セパレータ４Ｅは位置合わせ用のマーク８９を有する。端セパレータ４Ｅは、炭素や合金鋼等の導電材料で形成されており、第１マニホルド孔８１と、第２マニホルド孔８２と、第３マニホルド孔８３と、アノードに燃料を供給するための燃料供給孔８４と、カソードに空気を供給するための空気供給孔８６と、アノードから燃料を排出するための燃料排出孔８５と、カソードから空気を排出するための空気排出孔８７と、第２マニホルド孔８２および第３マニホルド孔８３をセパレータ４Ｅの面方向に沿って連通させるための表面通路８８とを有する。この表面通路８８には、冷媒を曲走させる案内突起（図示せず）が形成されている。
【００２３】
図４に示すように、端セパレータ４Ｅにおいて、第１マニホルド孔８１と、第２マニホルド孔８２と、第３マニホルド孔８３と、燃料供給孔８４と、空気供給孔８６と、燃料排出孔８５と、空気排出孔８７とは、端セパレータ４Ｅの厚み方向に貫通する。端セパレータ４Ｅの表面通路８８は、第１マニホルド孔８１に連通していないものの、第２マニホルド孔８２および第３マニホルド孔８３に連通する。この場合、図４に示すように、端セパレータ４Ｅにおいて、第２マニホルド孔８２から表面通路８８に供給された冷媒は、端セパレータ４Ｅの表面通路８８を矢印Ｂ２方向（上向き）に通過して端セパレータ４Ｅと接触しつつ端セパレータ４Ｅと熱交換し、第３マニホルド孔８３から排出される。この場合、冷媒は重力に抗して上向き（矢印Ｂ２方向）に流れるため、冷媒を端セパレータ４Ｅの表面通路８８に満たすのに有利となり、従って、中間セル２Ｃ（中間セパレータ４Ｃ）から受熱して暖められた冷媒と端セパレータ４Ｅとの熱交換時間を確保できる利点が得られる。このように端冷媒通路７２は、端セパレータ４Ｅを有するセル２Ｅを冷却させるものであるため、端セパレータ４Ｅに形成されている第２マニホルド孔８２、表面通路８８、第３マニホルド孔８３、集電板１１ｒの表面１１ｒｓ（図２参照）を利用して形成されている。
【００２４】
図５は他端側の集電板１１ｔの側面視を示す。集電板１１ｔにおいて、第１マニホルド孔８１に重なって対面する冷媒口１３ｔと、第２マニホルド孔８２に重なって連通する冷媒口１４ｔと、第３マニホルド孔８３に連通する冷媒口１５ｔと、冷媒口１４ｔ，１５ｔを集電板１１ｔの面方向に沿って連通させる連通路８８ｔとが、集電板１１ｔを厚み方向に貫通しないように形成されている。この場合、図５に示すように、集電板１１ｔにおいて、第２マニホルド孔８２を経て冷媒口１４ｔに供給された冷媒は、集電板１１ｔの表面通路８８ｔを矢印Ｂ３方向（上向き）に通過して端セパレータ４Ｆ（集電板１１ｔと隣接している）と接触することにより、端セパレータ４Ｆ（端セル２Ｆ）と熱交換し、冷媒口１５ｔを介して第３マニホルド孔８３に排出される。この場合、冷媒は重力に抗して上向き（図５に示す矢印Ｂ３方向）に流れる。この場合、中間セル２Ｃ（中間セパレータ４Ｃ）から受熱した暖かい冷媒と端セパレータ４Ｆ（端セル２Ｆ）との熱交換時間を確保できる利点が得られる。このように端冷媒通路７３は、他方の端セパレータ４Ｆを有する端セル２Ｆと熱交換するものであり、集電板１１ｔに形成されている冷媒口１４ｔ、表面通路８８ｔ、冷媒口１５ｔ、端セル２Ｆの端セパレータ４Ｆの表面４Ｆｓ（図２参照）を利用して形成されている。
【００２５】
図６は一端側の第１エンドプレート１１の側面視を示す。図６に示すように、第１エンドプレート１１において、第１マニホルド孔８１に重なった対面する冷媒入口１３、第２マニホルド孔８２に重なって連通する第１冷媒出口１４、第３マニホルド孔８３に連通する第２冷媒出口１５が第１エンドプレート１１を厚み方向に貫通するようにそれぞれ形成されている。更に、燃料供給孔８４、空気供給孔８６、燃料排出孔８５、空気排出孔８７が第１エンドプレート１１の厚み方向に貫通するようにそれぞれ形成されている。組付時には、中間セパレータ４Ｃ、端セパレータ４Ｅ，４Ｆ、集電板１１ｒ，１１ｔがこれらのマーク８９を揃えた状態で、エンドプレート１１，１２と共に、厚み方向に積層され、セパレータ４の積層体１０が構成される。図１に示すように、積層体１０は、集電板１１ｒ，１１ｔを介して第１エンドプレート１１および第２エンドプレートプレート１２で挟持される。この場合、中間セパレータ４Ｃの第１マニホルド孔８１と、端セパレータ４Ｅの第１マニホルド孔８１と、第１エンドプレート１１の冷媒入口１３と、集電板１１ｔの冷媒口１３ｔが重なりあって連通する。同様に、中間セパレータ４Ｃの第２マニホルド孔８２と、端セパレータ４Ｅの第２マニホルド孔８２と、第１エンドプレート１１の第１冷媒出口１４と、集電板１１ｔの冷媒口１４ｔとが重なりあって連通する。同様に、中間セパレータ４Ｃの第３マニホルド孔８３と、端セパレータ４Ｅの第３マニホルド孔８３と、第１エンドプレート１１の第２冷媒出口１５と、集電板１１ｔの冷媒口１５ｔとが重なりあって連通する。なお、燃料供給孔８４についても同様である。燃料排出孔８５についても同様である。空気供給孔８６についても同様である。空気排出孔８７についても同様である。
【００２６】
次に、流量制御弁７８の作用について説明を加える。流量制御弁７８の開度を０とし流路断面積を０とすれば、第１冷媒出口１４および第１排出通路６１から流量制御弁７８の入口ポート７８ｉに流れる冷媒の流量α１を無しにでき、理論的には、中間冷却通路７０を流れた全部の冷媒を端セル２Ｅ，２Ｆの端冷媒通路７２，７３に流し、第２排出通路６２から本排出通路６３に流せる。従って、流量制御弁７８の開度を小さくしてこれのポート７８ｉ，７８ｐを連通させる流路横断面積を小さくすると、第１冷媒出口１４および第１排出通路６１から流量制御弁７８の入口ポート７８ｉに流れる冷媒の単位時間あたりの流量α１を減少できる。これにより端冷媒通路７２，７３、第２冷媒出口１５および第２排出通路６３を流れて本排出通路６３に到達する冷媒の単位時間あたりの流量α２を増加できる。この場合、中間冷媒通路７０から受熱して暖められた冷媒と端冷媒通路７２，７３（端セパレータ４Ｅ，４Ｆ、端セル２Ｅ，２Ｆ）とが熱交換する熱交換量を増加できる。換言すると、端冷媒通路７２，７３を流れないで、第１冷媒出口１４および第１排出通路６１から流量制御弁７８の入口ポート７８ｉ，出口ポート７８ｐを介して流れて冷媒排出通路６の本排出通路６３に到達する冷媒流量α１を減少できる。
【００２７】
逆に、流量制御弁７８の開度を大きくしてこれの流路横断面積を大きくすると、第１排出通路６１から流量制御弁７８の入口ポート７８ｉおよび出口ポート７８ｐを経て本排出通路６３に流れる冷媒の流量α１を増加できる。すなわち、端冷媒通路７２，７３を流れないで流量制御弁７８を流れて冷媒排出通路６に到達する冷媒流量α１を増加できる。これにより端冷媒通路７２，７３を流れて本排出通路６３に到達する冷媒流量α２を減少できる。この場合、端冷媒通路７２，７３を流れる冷媒と端セパレータ４Ｅ，４Ｆ（端セル２Ｅ，２Ｆ）とが熱交換する熱交換量を減少できる。換言すると、流量制御弁７８の開度が調整されてこれの流路横断面積が調整されると、端冷媒通路７２，７３を流れないで冷媒排出通路６の本排出通路６３に到達する冷媒流量α１と、端冷媒通路７２，７３を流れて冷媒排出通路６の本排出通路６３に到達する冷媒流量α２との比率を調整することができる。すなわち、流量制御弁７８はα１／α２を調整できる。ひいては、中間セル２Ｃを流れて暖められて端冷媒通路７２，７３の冷媒と端セパレータ４Ｅ，４Ｆ（端セル２Ｅ，２Ｆ）との熱交換量を調整でき、端セパレータ４Ｅ，４Ｆ（端セル２Ｅ，２Ｆ）の温度を調整できる。
【００２８】
本実施形態によれば、図２から理解できるように、流量制御弁７８が閉鎖（開度０）されているとき、ポンプ５０が作動すると、冷媒供給通路５の冷媒は、第１エンドプレート１１の冷媒入口１３、端セル２Ｅの端セパレータ４Ｅの第１マニホルド孔８１を介して、複数の中間セパレータ４Ｃの第１マニホルド孔８１に至る。更に、その冷媒は、複数の中間セパレータ４Ｃの表面通路８８を下向き（矢印Ｂ１方向）に流れて中間セパレータ４Ｃを冷却し、ひいては全部の中間セル２Ｃを優先的に冷却するため、冷媒はこれらから暖められる。このように暖められた冷媒は、複数の中間セパレータ４Ｃの第２マニホルド孔８２を介して、一端側の端セパレータ４Ｅの第２マニホルド孔８２に至り、更に、端セパレータ４Ｅの表面通路８８を流れて端セパレータ４Ｅ（端セル２Ｅ）と熱交換し、更に、端セパレータ４Ｅの第３マニホルド孔８３の順に流れ、更には、第１エンドプレート１１の第２冷媒出口１５、第２排出通路６２、本排出通路６３の順に流れる。更に、中間セル２Ｃから暖められた冷媒は、他端側の集電板１１ｔの冷媒口１４ｔ（中間セパレータ４Ｃの第２マニホルド孔８２に対面）に至ると、更に、集電板１１ｔの表面通路８８ｔを上向き（矢印Ｂ３方向）に流れて端セパレータ４Ｆ（端セル２Ｆ）と熱交換し、更に、集電板１１ｔの冷媒口１５ｔに流れ、その後、中間セル２Ｃの第３マニホルド孔８３に流れ、更に、第１エンドプレート１１の第２冷媒出口１５、第２排出通路６２、本排出通路６３の順に流れる。換言すると、図３から理解できるように、中間セル２Ｃにおける中間冷媒通路７０を流れる冷媒は、中間セパレータ４Ｃの第１マニホルド孔８１→中間セパレータ４Ｃの表面通路８８→中間セパレータ４Ｃの第２マニホルド孔８２の順に流れる。従って、中間冷媒通路７０は、中間セパレータ４Ｃの第１マニホルド孔８１、中間セパレータ４Ｃの表面通路８８、中間セパレータ４Ｃの第２マニホルド孔８２を利用して形成されている。
【００２９】
また、図４から理解できるように、端セル２Ｅにおける端冷媒通路７２を流れる冷媒は、端セパレータ４Ｅの第２マニホルド孔８２→端セパレータ４Ｅの表面通路８８→端セパレータ４Ｅの第３マニホルド孔８３の順に流れる。従って、端冷媒通路７２は、端セパレータ４Ｅの第２マニホルド孔８２、端セパレータ４Ｅの表面通路８８、端セパレータ４Ｅの第３マニホルド孔８３、集電板１１ｒで形成されている。また、図５から理解できるように、集電板１１ｔにおける端冷媒通路７３を流れる冷媒は、冷媒口１４ｔ→表面通路８８ｔ→冷媒口１５ｔの順に流れる。従って、端冷媒通路７３は、集電板１１ｔの冷媒口１４ｔ、表面通路８８ｔ、冷媒口１１ｔを利用して形成されている。
【００３０】
さて使用の際には、膜電極接合体３のアノード３１に燃料（例えば水素ガス等）を供給すると共に、カソード３２に酸化剤ガスとしての空気を供給する。これにより発電反応によりスタック１は発電する。発電に伴いスタック１は発熱して昇温する。なお、燃料ガスおよび空気の流れ経路は、基本的には従来技術と同様であり、本実施形態の要旨ではないため省略する。スタック１が昇温して高温になると、発電性能の劣化、スタック１の耐久性が低下するため、冷却水等の冷媒によりスタック１を冷却させる必要がある。冷媒としては、高い電気絶縁性をもつ純水が好ましい。本来的には、スタック１において中間セル２Ｃは端セル２Ｅ，２Ｆよりも熱こもり性が高いため、中間セル２Ｃの温度は端セル２Ｅ，２Ｆの温度よりも高温となり易い。これに対して、端セル２Ｅ，２Ｆは中間セル２Ｃよりも放熱性が高いため、端セル２Ｅ，２Ｆの温度は中間セル２Ｃの温度よりも低温となり易い。低温になると、発電出力を低下させる要因となるフラッディングが発生するおそれがある。
【００３１】
そこで本実施形態によれば、ポンプ５０により冷媒供給通路５から冷媒入口１３に供給される冷媒（温度：Ｔ１）を、まず、放熱性が高いため相対的に低温の端セル２Ｅ，２Ｆではなく、熱こもりしやすい相対的に高温の中間セル２Ｃの中間冷媒通路７０に優先的に流す。このように端セル２Ｅ，２Ｆではなく、スタック１の積層方向における中間セル２Ｃを優先的に冷却させる。このようにスタック１から受熱されていない比較的低温の冷媒で中間セル２Ｃを優先的に冷却させるため、熱こもりしやすい中間セル２Ｃを効果的に冷却でき、中間セル２Ｃの過剰昇温を抑制できる。この意味でスタック１の出力向上に有利である。ここで、中間冷媒通路７０を流れて中間セル２Ｃから受熱されて暖められた冷媒は、受熱によりβぶん昇温し、その温度はＴ２（Ｔ２＞Ｔ１）とされる。その後、中間セル２Ｃからの受熱で暖められた冷媒を、スタック１の端セル２Ｅ，２Ｆの端冷媒通路７２，７３に流し、端セル２Ｅ，２Ｆと熱交換させる。ここで、冷媒の温度が端セル２Ｅ，２Ｆよりも低温であれば、端セル２Ｅ，２Ｆは熱交換により冷却される。冷媒の温度が端セル２Ｅ，２Ｆよりも高温であれば、端セル２Ｅ，２Ｆは熱交換により加熱される。
【００３２】
以上説明したように本実施形態によれば、ポンプ５０により冷媒供給通路５から冷媒入口１３に供給される冷媒（温度：Ｔ１）を、まず、中間セル２Ｃの中間冷媒通路７０に優先的に流すため、昇温しがちの中間セル２Ｃを効果的に冷却できる。その後、中間セル２Ｃからの受熱で暖められた冷媒を、スタック１の端セル２Ｅ，２Ｆの端冷媒通路７２，７３に流し、端セル２Ｅ，２Ｆと熱交換するため、高い放熱性を有する端セル２Ｅ，２Ｆの過剰な温度降下が抑制されている。このため積層方向（矢印Ａ方向）においてスタック１の積層体１０における温度むらが抑制される。従って、スタック１を構成する全部のセル２において、積層体１０における温度むらが抑制される。ひいては積層方向（矢印Ａ方向）においてスタック１を構成するタスの発電むらが抑制される。よってスタック１の発電出力の向上、スタック１の長寿命化に貢献できる。上記したように放熱性が高い端セル２Ｅ，２Ｆにおける過剰な温度降下が抑制されるため、端セル２Ｅ，２Ｆにおけるフラッディングの抑制に有利であり、スタック１の発電性能の向上に貢献できる。
【００３３】
（実施形態２）
図７は実施形態２を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有するため、図１，図３〜図６を準用する。図７に示すように、第１エンドプレート１１の冷媒入口１３に供給される冷媒の入口温度Ｔｉｎを検知する入口温度センサ１００が設けられている。第１エンドプレート１１の第１冷媒出口１４から排出される冷媒の第１出口温度Ｔｏｕｔ１を検知する第１出口温度センサ１０１が設けられている。第１エンドプレート１１の第２冷媒出口１５から排出される冷媒の第２出口温度Ｔｏｕｔ２を検知する第２出口温度センサ１０２が設けられている。入口温度センサ１００および出口温度センサ１０１，１０２の温度信号は制御装置１１０に入力される。温度信号等に応じて、制御装置１１０は流量制御弁７８の開度を調整する制御信号を出力する。
【００３４】
冷媒の入口温度Ｔｉｎに対して冷媒の第２出口温度Ｔｏｕｔ２がプラスマイナスτ℃（例えばτ＝０〜７℃、０〜３℃）となるように、制御装置１１０は流量制御弁７８の開度を調整する。この場合、第２出口温度Ｔｏｕｔ２が入口温度Ｔｉｎよりも過剰に高温になると、流量制御弁７８の開度を増加させ、中間セル２Ｃで暖められた冷媒が端セル２Ｅ，２Ｆに向かう流量を減少させることが好ましい。また、第２出口温度Ｔｏｕｔ２が入口温度Ｔｉｎよりも過剰に低温になると、流量制御弁７８の開度を減少させ、中間セル２Ｃで暖められた冷媒が端セル２Ｅ，２Ｆに向かう流量を増加させ、ひいては端セル２Ｅ，２Ｆを昇温させることが好ましい。このように流量制御弁７８の開度を制御すれば、冷媒の入口温度Ｔｉｎに対して冷媒の第２出口温度Ｔｏｕｔ２を同一またはできるだけ近づけることができる。この場合、Ｔｉｎ≒Ｔｏｕｔ２とすることができる。
【００３５】
例えば、冷媒の入口温度Ｔｉｎが７０℃の場合には、中間セル２Ｃの冷却により冷媒が５℃ぶん暖められると仮定すると、中間セル２Ｃを冷却して暖められた冷媒の温度は７５℃付近となる。このとき、第２冷媒出口１５から排出される冷媒の出口温度Ｔｏｕｔ２を、冷媒入口１３の入口温度Ｔｉｎに適合させるように（Ｔｉｎ≒Ｔｏｕｔ２、つまり７０℃となるように）、流量制御弁７８の開度を制御すれば、基本的には、スタック１の各セル２（中間セル２Ｃ，端セル２Ｅ，２Ｆ）における上部の温度を７０℃付近とし、各セル２（中間セル２Ｃ，端セル２Ｅ，２Ｆ）の下部における温度を７５℃付近とするセル面方向におけるセル面内温度分布が得られる。なお、第１冷媒出口１４から排出される冷媒の温度は温度センサ１０１で検知されるが、この冷媒は両端の端セル２Ｅ，２Ｆを通過しないため、この冷媒の温度は基本的には７５℃付近であると考えられる。上記したように流量制御弁７８の開度を調整すれば、スタック１の全部の中間セル２Ｃおよび端セル２Ｅ，２Ｆにおけるセル温度分布を上記温度分布に近づけることができる。なお、７０℃、７５℃はあくまでも例示であり、この温度に限定されるものではなく，７５℃，８０℃でも良い。更に８０℃，８５℃でも良い。
【００３６】
（実施形態３）
本実施形態は実施形態１，２と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。上記した実施形態１では、他端側の端セル２Ｆを冷却させる端冷媒通路７３は、集電板１１ｔを利用して形成されているが、これに限らず、他端側の端セル２Ｆの端セパレータ４Ｆに凹状の端冷媒通路７３を形成しても良い。要するに、端冷媒通路７３は他端側の端セル２Ｆを熱交換できるものであれば良い。また実施形態１では、一端側の端セル２Ｅを冷却させる端冷媒通路７２は、端セパレータ４Ｅを利用して形成されているが、これに限らず、一端側の端セパレータ４Ｅに隣接する集電板１１ｒに端冷媒通路７２を形成しても良い。要するに、端冷媒通路７２は一端側の端セル２Ｅを熱交換できるものであれば良い。
【００３７】
（実施形態４）
本実施形態は実施形態１，２と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。上記した実施形態１では、一端側の端セル２Ｅは、積層方向の一端側における最端の１個のセル２を意味する。他端側の端セル２Ｆは、積層方向の他端側における最端の１個のセル２を意味する。残りのセル２が中間セル２Ｃに相当する。しかし本実施形態では、セル２の積層数が例えば４０〜３００個と多いため、一端側の端セル２Ｅは、積層方向の一端側における複数個（１〜６個のうちの任意値）のセル２を意味する。他端側の端セル２Ｆは、積層方向の他端側における複数個（１〜６個のうちの任意値）のセルを意味する。残りのセル２が中間セル２Ｃに相当する。なお、セル２の積層数をＮとするとき、一端側の端セル２Ｅの上限の個数は、｛Ｎ−（０．６×Ｎ）｝／２にできる。他端側の端セル２Ｆについても同様である。
【００３８】
（実施形態５）
本実施形態は実施形態１，２と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。但し、流量制御弁７８は第１冷媒出口１４側ではなく、第２冷媒出口１５側に設けられている。本実施形態においても、中間セル２Ｃから受熱して暖められた冷媒を端セル２Ｅ，２Ｆに流すため、端セル２Ｅ，２Ｆにおける過剰な温度降下は抑制される。更に、流量制御弁７８の開度を調整すれば、端冷媒通路７２，７３を流れないで冷媒排出通路６の本排出通路６３に到達する冷媒流量α１と、端冷媒通路７２，７３を流れて流量制御弁７８を介して冷媒排出通路６の本排出通路６３に到達する冷媒流量α２との比率を調整することができる。このため端セル２Ｅ，２Ｆの温度を調整できる。
【００３９】
（実施形態６）
図８は実施形態６を示す。本実施形態は実施形態１，２と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。但し流量制御弁７８、第１排出通路６１および第１冷媒出口１４が装備されていない。本来的には、端セル２Ｅ，２Ｆは中間セル２Ｃよりも放熱性が高いため、端セル２Ｅ，２Ｆの温度は中間セル２Ｃの温度よりも低温となり易い。低温になると、フラッディングが発生するおそれがある。そこで本実施形態によれば、実施形態１と同様に、冷媒供給通路５から入口に供給される冷媒（温度：Ｔ１）を、スタック１の端セル２Ｅ，２Ｆに流さないで、まず、中間セル２Ｃの中間冷媒通路７０に優先的に流し、中間セル２Ｃを優先的に冷却させる。中間冷媒通路７０を流れて中間セル２Ｃから受熱して暖められた冷媒は、受熱によりβぶん昇温して温度Ｔ２（Ｔ２＞Ｔ１）とされている。次に、中間セル２Ｃからの受熱で暖められた冷媒を、スタック１の端セル２Ｅ，２Ｆの端冷媒通路７２，７３に流し、端セル２Ｅ，２Ｆを熱交換させ、第１エンドプレート１１の第２冷媒出口１５から冷媒排出通路６に排出させる。本実施形態においても、中間セル２Ｃから受熱して暖められた冷媒を端セル２Ｅ，２Ｆに流すため、端セル２Ｅ，２Ｆにおける過剰な温度降下は抑制される。
【００４０】
（その他）
上記した図面は実施形態の概念を示すものであり、端冷媒通路７２は、冷媒が流れる通路を端セパレータ４Ｅに形成することにより形成されているが、端セパレータ４Ｅおよび集電板１１ｒのうち互いに対向する表面同士に、冷媒が流れる通路を形成して端冷媒通路７２としても良い。要するに、端冷媒通路７２は、一端側の端セル２Ｅを冷媒で熱交換できればよい。端冷媒通路７３は、冷媒が流れる通路を集電板１１ｔに形成することにより形成されているが、端セパレータ４Ｆおよび集電板１１ｔのうち互いに対向する表面同士に、冷媒が流れる通路を形成して端冷媒通路７３としても良い。要するに端冷媒通路７３は、他端側の端セル２Ｆを冷媒で熱交換できればよい。流量制御弁７８としては、第１排出通路６１、第２排出通路６２および本排出通路６３に繋がる三方弁としても良い。中間冷媒通路７０は冷媒を下向きに流し、端冷媒通路７２，７３は冷媒を上向きに流すが、これに限定されず、中間冷媒通路７０は冷媒を上向きに流し、端冷媒通路７２，７３は冷媒を下向きに流すことにしても良い。更に、スタック１において、燃料は下向きに流しても良いし、上向きに流しても良い。同様に空気は下向きに流しても良いし、上向きに流しても良い。従って、第１冷媒出口１４はスタック１の下部側に設けられているが、上部側に設けられていても良い。冷媒入口１３，第２冷媒出口１５はスタック１の上部側に設けられているが、下部側に設けられていても良い。上記した実施形態では、スタック１では、セル２を水平方向に沿って並設して積層しているが、これに限らず、セル２を高さ方向に沿って並設して積層しても良い。スタック１は、冷却水等の冷媒によりセル２を冷却させるものであれば良い。本発明は上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実行できる。
【符号の説明】
【００４１】
１はスタック、１０は積層体、１１は第１エンドプレート、１２は第２エンドプレート、１３は冷媒入口、１４は第１冷媒出口、１５は第２冷媒出口、２はセル、２Ｃは中間セル、２Ｅ，２Ｆは端セル、４はセパレータ、５は冷媒供給通路、５０はポンプ、６は冷媒排出通路、７は冷媒通路構造、７０は中間冷媒通路、７２，７３は端冷媒通路、７８は流量制御弁（流量制御要素）、８１は第１マニホルド孔、８２は第２マニホルド孔、８３は第３マニホルド孔、８８は表面通路、１００は入口温度センサ、１０１は第１出口温度センサ、１０２は第２出口温度センサ、１１０は制御装置を示す。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体と前記膜電極接合体の厚み方向の両側を挟むセパレータとを有するセルを複数個厚み方向に積層して形成されると共に冷媒を流す冷媒通路構造を備えるスタックと、
前記スタックの前記冷媒通路構造の入口に連通する冷媒供給通路と、
前記スタックの前記冷媒通路構造の出口に連通する冷媒排出通路とを具備しており、
前記スタックの前記冷媒通路構造は、
前記スタックの積層方向の中間に存在する中間セルの中間冷媒通路と、前記積層方向の端に存在する端セルの端冷媒通路とを有しており、且つ、
前記冷媒供給通路から供給される冷媒を前記中間冷媒通路に流して前記中間セルを冷却し、前記中間冷媒通路を流れて前記中間セルから受熱して暖められた冷媒を前記端セルの前記端冷媒通路に流して前記端セルと熱交換させる構造を有する燃料電池スタック装置。
【請求項２】
膜電極接合体と前記膜電極接合体を厚み方向の両側を挟むセパレータとを有するセルを複数個厚み方向に積層して形成されると共に冷媒を流す冷媒通路構造を備えるスタックと、
前記スタックの前記冷媒通路構造の入口に連通する冷媒供給通路と、
前記スタックの前記冷媒通路構造の出口に連通する冷媒排出通路とを具備しており、
前記スタックの前記冷媒通路構造は、
前記スタックの積層方向の中間に存在する中間セルの中間冷媒通路と、前記積層方向の端に存在する端セルの端冷媒通路と、前記中間冷媒通路を流れるものの前記端冷媒通路を流れないで前記冷媒排出通路に到達する冷媒流量α１と、前記中間冷媒通路および前記端冷媒通路を流れて前記冷媒排出通路に到達する冷媒流量α２との比率を調整する流量制御要素とを有しており、且つ、
前記冷媒供給通路から供給される冷媒を前記中間冷媒通路に流して前記中間セルを冷却し、前記中間冷媒通路を流れて前記中間セルから受熱して暖められた冷媒を前記端冷媒通路に流して前記端セルと熱交換させる構造を有する燃料電池スタック装置。
【請求項３】
請求項２において、前記スタックは、前記冷媒供給通路から前記スタックの前記冷媒通路構造の入口に冷媒を供給するための第１冷媒入口と、前記スタックの前記中間冷媒通路を流れて前記中間セルから受熱して暖められた冷媒を前記端セルの前記端冷媒通路に流すことなく前記冷媒排出通路に流す第１冷媒出口と、前記中間冷媒通路を流れて前記中間セルから受熱して暖められた冷媒を前記端セルの前記端冷媒通路を介して前記冷媒排出通路に流す第２冷媒出口とを備えている燃料電池スタック装置。
【請求項４】
請求項３において、前記第１冷媒入口の冷媒の入口温度Ｔｉｎを検知する入口温度センサと、前記第１冷媒出口から排出される冷媒の出口温度Ｔｏｕｔ１を検知する第１出口温度センサと、前記第２冷媒出口から排出される冷媒の出口温度Ｔｏｕｔ２を検知する第２出口温度センサと、前記入口温度Ｔｉｎに対して前記出口温度Ｔｏｕｔ２がプラスマイナスτ℃（τ＝０〜５℃）となるように前記流量制御要素の開度を調整する制御装置とを備えている燃料電池スタック装置。
【請求項１】
膜電極接合体と前記膜電極接合体の厚み方向の両側を挟むセパレータとを有するセルを複数個厚み方向に積層して形成されると共に冷媒を流す冷媒通路構造を備えるスタックと、
前記スタックの前記冷媒通路構造の入口に連通する冷媒供給通路と、
前記スタックの前記冷媒通路構造の出口に連通する冷媒排出通路とを具備しており、
前記スタックの前記冷媒通路構造は、
前記スタックの積層方向の中間に存在する中間セルの中間冷媒通路と、前記積層方向の端に存在する端セルの端冷媒通路とを有しており、且つ、
前記冷媒供給通路から供給される冷媒を前記中間冷媒通路に流して前記中間セルを冷却し、前記中間冷媒通路を流れて前記中間セルから受熱して暖められた冷媒を前記端セルの前記端冷媒通路に流して前記端セルと熱交換させる構造を有する燃料電池スタック装置。
【請求項２】
膜電極接合体と前記膜電極接合体を厚み方向の両側を挟むセパレータとを有するセルを複数個厚み方向に積層して形成されると共に冷媒を流す冷媒通路構造を備えるスタックと、
前記スタックの前記冷媒通路構造の入口に連通する冷媒供給通路と、
前記スタックの前記冷媒通路構造の出口に連通する冷媒排出通路とを具備しており、
前記スタックの前記冷媒通路構造は、
前記スタックの積層方向の中間に存在する中間セルの中間冷媒通路と、前記積層方向の端に存在する端セルの端冷媒通路と、前記中間冷媒通路を流れるものの前記端冷媒通路を流れないで前記冷媒排出通路に到達する冷媒流量α１と、前記中間冷媒通路および前記端冷媒通路を流れて前記冷媒排出通路に到達する冷媒流量α２との比率を調整する流量制御要素とを有しており、且つ、
前記冷媒供給通路から供給される冷媒を前記中間冷媒通路に流して前記中間セルを冷却し、前記中間冷媒通路を流れて前記中間セルから受熱して暖められた冷媒を前記端冷媒通路に流して前記端セルと熱交換させる構造を有する燃料電池スタック装置。
【請求項３】
請求項２において、前記スタックは、前記冷媒供給通路から前記スタックの前記冷媒通路構造の入口に冷媒を供給するための第１冷媒入口と、前記スタックの前記中間冷媒通路を流れて前記中間セルから受熱して暖められた冷媒を前記端セルの前記端冷媒通路に流すことなく前記冷媒排出通路に流す第１冷媒出口と、前記中間冷媒通路を流れて前記中間セルから受熱して暖められた冷媒を前記端セルの前記端冷媒通路を介して前記冷媒排出通路に流す第２冷媒出口とを備えている燃料電池スタック装置。
【請求項４】
請求項３において、前記第１冷媒入口の冷媒の入口温度Ｔｉｎを検知する入口温度センサと、前記第１冷媒出口から排出される冷媒の出口温度Ｔｏｕｔ１を検知する第１出口温度センサと、前記第２冷媒出口から排出される冷媒の出口温度Ｔｏｕｔ２を検知する第２出口温度センサと、前記入口温度Ｔｉｎに対して前記出口温度Ｔｏｕｔ２がプラスマイナスτ℃（τ＝０〜５℃）となるように前記流量制御要素の開度を調整する制御装置とを備えている燃料電池スタック装置。
【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２０１１−２４９０１０（Ｐ２０１１−２４９０１０Ａ）
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１７５１８（Ｐ２０１０−１１７５１８）
【出願日】平成２２年５月２１日（２０１０．５．２１）
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月２１日（２０１０．５．２１）
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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