特許 7294239 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-06-12

(45)【発行日】2023-06-20

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0202 20160101AFI20230613BHJP

   H01M 8/026 20160101ALI20230613BHJP

   H01M 8/0267 20160101ALI20230613BHJP

【ＦＩ】

H01M8/0202

H01M8/026

H01M8/0267

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2020091647

(22)【出願日】2020-05-26

(65)【公開番号】P2021190201

(43)【公開日】2021-12-13

【審査請求日】2022-09-09

(73)【特許権者】

【識別番号】000004695

【氏名又は名称】株式会社ＳＯＫＥＮ

(73)【特許権者】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(74)【代理人】

【識別番号】100106149

【弁理士】

【氏名又は名称】矢作 和行

(74)【代理人】

【識別番号】100121991

【弁理士】

【氏名又は名称】野々部 泰平

(74)【代理人】

【識別番号】100145595

【弁理士】

【氏名又は名称】久保 貴則

(72)【発明者】

【氏名】堀 良輔

(72)【発明者】

【氏名】大平 紘敬

(72)【発明者】

【氏名】山田 貴史

(72)【発明者】

【氏名】福田 健太郎

【審査官】高木 康晴

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１０－７３５６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平９－８２３４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平２－１２９８５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平６－２１６４３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－３２４７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１７－５１０９５４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により発電する複数の燃料電池セル（１１）を有する燃料電池スタック（３１）と、
前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給装置（６０）と、
前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給するとともに、前記燃料電池スタックを冷却する酸化剤ガス供給装置（５０）とを備え、
前記燃料電池スタックは、
燃料ガスを前記燃料電池スタックの内部に導入するための燃料入口部（３２）と、
燃料ガスを前記燃料電池スタックの内部から導出するための燃料出口部（３３）と、
前記燃料電池スタックのうち、前記燃料出口部よりも前記燃料入口部に近い部分である燃料上流部（３１ｕ）と、
前記燃料電池スタックのうち、前記燃料入口部よりも前記燃料出口部に近い部分である燃料下流部（３１ｄ）とを備え、
前記燃料電池セルは、
酸化剤ガスの流路を形成しているカソードセパレータ（１５、６１５）と、
燃料ガスの流路を形成しているアノードセパレータ（１６）とを備え、
前記カソードセパレータは、
前記燃料下流部の一部を構成している下流カソードセパレータ（１５ｄ、６１５ｄ）と、
前記燃料上流部の一部を構成しており、前記下流カソードセパレータよりも放熱性の高い上流カソードセパレータ（１５ｕ、６１５ｕ）とを備えている燃料電池システム。

【請求項2】

前記上流カソードセパレータにおける酸化剤ガスの流路は、前記下流カソードセパレータにおける酸化剤ガスの流路よりも酸化剤ガスと接触する表面積が大きい請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

前記カソードセパレータは、酸化剤ガスの流路に設けられている放熱促進部（５５、２５５、３５５、４５５、５５５）を備えている請求項２に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

前記放熱促進部は、前記カソードセパレータから突出して設けられている放熱フィン（５５ｆ）である請求項３に記載の燃料電池システム。

【請求項5】

前記放熱フィンは、前記燃料ガスの流れの上流から下流に向かって、前記カソードセパレータからの突出量が小さくなる請求項４に記載の燃料電池システム。

【請求項6】

前記放熱フィンは、前記酸化剤ガスの流れの上流から下流に向かって、前記カソードセパレータからの突出量が大きくなる請求項４に記載の燃料電池システム。

【請求項7】

前記放熱促進部は、酸化剤ガスの流れを撹拌する撹拌部（２５５ｓ）である請求項３に記載の燃料電池システム。

【請求項8】

前記カソードセパレータは、酸化剤ガスの流れの上流から下流に向かって、互いに形状の異なる複数の前記放熱促進部を備えている請求項３から請求項７のいずれかに記載の燃料電池システム。

【請求項9】

前記カソードセパレータは、
燃料ガスとの反応に用いられる酸化剤ガスが流れる反応用流路部（１５ｒ）と、
燃料ガスとの反応に用いられない酸化剤ガスが流れる冷却用流路部（１５ｃ）とを備え、
前記放熱促進部は、前記反応用流路部よりも前記冷却用流路部に多く設けられている請求項３から請求項８のいずれかに記載の燃料電池システム。

【請求項10】

前記カソードセパレータは、
燃料ガスとの反応に用いられる酸化剤ガスが流れる反応用流路部（１５ｒ）と、
燃料ガスとの反応に用いられない酸化剤ガスが流れる冷却用流路部（６１５ｃ）とを備え、
前記上流カソードセパレータにおける前記冷却用流路部は、前記下流カソードセパレータにおける前記冷却用流路部よりも断面積が小さい請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項11】

前記上流カソードセパレータは、前記下流カソードセパレータよりも放熱性の高い材料で構成されている請求項１から請求項１０のいずれかに記載の燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この明細書における開示は、燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は、空気流の熱伝達を局所的に高めるために、熱伝導構造を有する空冷式燃料電池のセパレータプレートを開示している。先行技術文献の記載内容は、この明細書における技術的要素の説明として、参照により援用される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特表２０１７－５１０９５４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

燃料電池において、カソード側で発生した水蒸気が逆拡散によってアノード側に移動することがある。アノード側に移動した水蒸気が冷却されて凝縮すると液体の水になり、アノード側での燃料ガスのスムーズな流れを阻害することとなる。燃料電池は、燃料ガスが適切に供給されなければ、適切な発電を行うことができない状態となる。

【0005】

逆拡散などによるアノード側への水蒸気の移動は、燃料ガスの流れの上流から下流にかけて場所によらず発生し得る。このため、燃料ガスの流れにおいて下流に位置する部分ほど、多くの水蒸気を含みやすく、凝縮して液体の水が発生しやすいこととなる。上述の観点において、または言及されていない他の観点において、燃料電池システムにはさらなる改良が求められている。

【0006】

開示される１つの目的は、安定して発電可能な燃料電池システムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

ここに開示された燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により発電する複数の燃料電池セル（１１）を有する燃料電池スタック（３１）と、燃料電池スタックに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給装置（６０）と、燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給するとともに、燃料電池スタックを冷却する酸化剤ガス供給装置（５０）とを備え、燃料電池スタックは、燃料ガスを燃料電池スタックの内部に導入するための燃料入口部（３２）と、燃料ガスを燃料電池スタックの内部から導出するための燃料出口部（３３）と、燃料電池スタックのうち、燃料出口部よりも燃料入口部に近い部分である燃料上流部（３１ｕ）と、燃料電池スタックのうち、燃料入口部よりも燃料出口部に近い部分である燃料下流部（３１ｄ）とを備え、燃料電池セルは、酸化剤ガスの流路を形成しているカソードセパレータ（１５、６１５）と、燃料ガスの流路を形成しているアノードセパレータ（１６）とを備え、カソードセパレータは、燃料下流部の一部を構成している下流カソードセパレータ（１５ｄ、６１５ｄ）と、燃料上流部の一部を構成しており、下流カソードセパレータよりも放熱性の高い上流カソードセパレータ（１５ｕ、６１５ｕ）とを備えている。

【0008】

開示された燃料電池システムによると、下流カソードセパレータよりも放熱性の高い上流カソードセパレータを備えている。このため、下流カソードセパレータを有する燃料下流部の温度を、上流カソードセパレータを有する燃料上流部の温度よりも高く維持できる。したがって、水蒸気を多く含みやすい燃料下流部において、燃料ガスの流路中で水蒸気が凝縮されて液体の水が発生することを抑制できる。よって、安定して発電可能な燃料電池システムを提供できる。

【0009】

この明細書における開示された複数の態様は、それぞれの目的を達成するために、互いに異なる技術的手段を採用する。請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態の部分との対応関係を例示的に示すものであって、技術的範囲を限定することを意図するものではない。この明細書に開示される目的、特徴、および効果は、後続の詳細な説明、および添付の図面を参照することによってより明確になる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】燃料電池システムを示す構成図である。

【図2】燃料電池スタックへの反応ガスの供給を説明するための説明図である。

【図3】燃料電池セルを示す分解斜視図である。

【図4】燃料上流部の燃料電池セルを示す拡大斜視図である。

【図5】燃料下流部の燃料電池セルを示す拡大斜視図である。

【図6】燃料電池スタック内部の反応ガス流路を示す断面図である。

【図7】第２実施形態における燃料上流部の燃料電池セルを示す拡大斜視図である。

【図8】第３実施形態における燃料上流部の燃料電池セルを示す拡大斜視図である。

【図9】第４実施形態における燃料上流部の燃料電池セルを示す拡大斜視図である。

【図10】第５実施形態における燃料上流部の燃料電池セルを示す拡大斜視図である。

【図11】第６実施形態における燃料電池スタック内部の反応ガス流路を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

図面を参照しながら、複数の実施形態を説明する。複数の実施形態において、機能的におよび／または構造的に対応する部分および／または関連付けられる部分には同一の参照符号、または百以上の位が異なる参照符号が付される場合がある。対応する部分および／または関連付けられる部分については、他の実施形態の説明を参照することができる。

【0012】

第１実施形態
燃料電池システム１は、燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応によって、発電を行うシステムである。燃料電池システム１は、例えば燃料電池ハイブリッド車（ＦＣＨＶ）に搭載されて走行用モータへ供給する電力を発電する。また、燃料電池システム１は、定置型燃料電池システムとして、電気と熱を同時に取り出して給湯や暖房などを行う。

【0013】

図１において、燃料電池システム１は、燃料電池スタック３１と酸化剤ガス供給装置５０と燃料ガス供給装置６０とを備えている。燃料電池スタック３１は、酸化剤ガスと燃料ガスとの化学反応で発電を行う発電装置である。燃料電池スタック３１は、燃料ガスを燃料電池スタック３１の内部に導入するための燃料入口部３２を備えている。燃料電池スタック３１は、燃料ガスを燃料電池スタック３１から外部に導出するための燃料出口部３３を備えている。

【0014】

燃料電池スタック３１のうち、燃料ガスの流れにおいて、燃料出口部３３よりも燃料入口部３２に近い部分は燃料上流部３１ｕである。一方、燃料電池スタック３１のうち、燃料ガスの流れにおいて、燃料入口部３２よりも燃料出口部３３に近い部分は燃料下流部３１ｄである。言い換えると、燃料電池スタック３１は、燃料ガスの流れに沿って全体を二等分した場合に、燃料入口部３２を含む燃料上流部３１ｕと、燃料出口部３３を含む燃料下流部３１ｄとに分けられる。

【0015】

酸化剤ガス供給装置５０は、燃料電池スタック３１に化学反応用の酸化剤ガスを供給する供給機能を有する。また、酸化剤ガス供給装置５０は、化学反応によって発熱している燃料電池スタック３１の温度を下げる空冷機能を有する。酸化剤ガス供給装置５０は、送風機５１とガイド部材５２とを備えている。送風機５１は、燃料電池スタック３１に対して酸化剤ガスである酸素を含んだ空気を供給するための装置である。送風機５１は、燃料電池スタック３１側から空気を吸い込み、燃料電池スタック３１とは反対側に空気を吐き出すこととなる。燃料電池システム１は、燃料電池スタック３１に対する水冷機能を備えず、空冷機能を備える空冷式燃料電池システムである。

【0016】

送風機５１は、燃料電池スタック３１に対向して設けられている。送風機５１は、燃料上流部３１ｕを通過するように送風する上流送風機５１ｕと、燃料下流部３１ｄを通過するように送風する下流送風機５１ｄとを備えている。送風機５１としては、回転軸の軸方向に沿って風を送る軸流送風機を採用可能である。ただし、送風機５１は、軸流送風機に限らず、回転軸の径方向に風を送る遠心送風機なども採用可能である。また、送風機５１に代えて、コンプレッサを用いて圧縮した空気を燃料電池スタック３１に供給してもよい。

【0017】

ガイド部材５２は、送風機５１と燃料電池スタック３１とをつないで、酸化剤ガスの流路を形成している。ガイド部材５２は、燃料電池スタック３１の全体に酸化剤ガスが流れるようにガイドするとともに、燃料電池スタック３１を通過せずに風が流れることを抑制している。ガイド部材５２は、燃料電池スタック３１から送風機５１に向かって徐々に風路が小さくなるように形成されている。

【0018】

燃料ガス供給装置６０は、燃料ガスタンク６１と供給弁６２と排出弁６３とを備えている。燃料ガスタンク６１は、燃料ガスである水素ガスを高圧の状態で貯蔵するタンクである。燃料ガスタンク６１を複数のタンクで構成してもよい。これによると、１つのタンクが空になった場合であっても、他のタンクから燃料ガスの供給を継続することができる。

【0019】

燃料ガスタンク６１と燃料電池スタック３１とをつなぐ燃料ガス配管には、供給弁６２が設けられている。供給弁６２は、燃料ガスタンク６１から燃料電池スタック３１に供給する燃料ガスの量を調整するための弁装置である。供給弁６２を開くことで燃料電池スタック３１に燃料ガスを供給し、供給弁６２を閉じることで燃料電池スタック３１への燃料ガスの供給を停止する。供給弁６２は、開度を電気的に制御可能な電磁弁である。ただし、供給弁６２を電磁弁以外の弁装置で構成してもよい。

【0020】

燃料電池スタック３１と外部とをつなぐ燃料ガス配管には、排出弁６３が設けられている。排出弁６３は、燃料電池スタック３１で反応に使われなかった燃料ガスなどの燃料電池スタック３１から外部に排出する排出ガスの量を調整する弁装置である。ここで、排出ガスには、未反応の燃料ガス以外のガスも含まれる。例えば、排出ガスには、燃料電池スタック３１での化学反応で生成した水としての水蒸気が含まれる。例えば、排出ガスには、燃料電池スタック３１に酸化剤ガスとして供給され、一部燃料ガス側に漏れ出した空気が含まれる。排出弁６３を開くことで燃料電池スタック３１から排出ガスを排出し、排出弁６３を閉じることで燃料電池スタック３１からの排出ガスの排出を停止する。排出弁６３は、開度を電気的に制御可能な電磁弁である。ただし、排出弁６３を電磁弁以外の弁装置で構成してもよい。

【0021】

燃料電池スタック３１で発電を行う場合には、供給弁６２を開いて燃料電池スタック３１に燃料ガスを供給する。また、供給した燃料ガスが消費されるまで排出弁６３を閉じた状態とし、燃料ガスの消費が完了した場合に、排出弁６３を開いて排出ガスを排出する。排出ガスが排出されることで、燃料電池スタック３１内に新たに燃料ガスが供給されることとなる。ただし、常に排出弁６３を開いた状態として、未反応の燃料ガスを含む排出ガスを排出してもよい。

【0022】

燃料電池スタック３１を流れた未反応の燃料ガスをそのまま排出するのではなく、再び燃料電池スタック３１に流す構成としてもよい。これによると、未反応の燃料ガスを燃料電池スタック３１に再循環させて、化学反応に使用することができる。このため、未反応のまま排出される燃料ガスの量を削減して、燃料ガスを効率的に発電に利用することができる。ただし、燃料ガスを再循環させる構成を追加する分、燃料電池システム１全体のサイズが大型化しやすい。言い換えると、燃料ガスを再循環させる構成を備えないことで、燃料電池システム１全体のサイズを小型に設計しやすい。このため、燃料電池システム１の用途や使用環境等を考慮して、燃料ガスを再循環させる構成を採用するか否かを選択することが好ましい。

【0023】

燃料電池システム１は、負荷８１と二次電池８２と制御部９０とを備えている。負荷８１は、燃料電池スタック３１で発電した電力を消費する装置である。負荷８１は、例えば車両の走行に用いる走行用モータである。負荷８１は、例えば給湯に用いるヒータ装置である。二次電池８２は、燃料電池スタック３１で発電した電力を蓄える装置である。二次電池８２に蓄えた電力を用いて、負荷８１を駆動してもよい。制御部９０は、燃料電池システム１を構成する様々な装置の駆動を制御して、燃料電池スタック３１の発電を制御している。

【0024】

図２において、上流送風機５１ｕと下流送風機５１ｄとは、互いに隣接して設けられている。上流送風機５１ｕと下流送風機５１ｄとは、ともに軸流送風機である。上流送風機５１ｕの回転軸は、燃料上流部３１ｕと対向している。下流送風機５１ｄの回転軸は、燃料下流部３１ｄと対向している。

【0025】

燃料電池スタック３１は、複数の燃料電池セル１１が積層されて構成されている。燃料電池セル１１の積層方向は、Ｚ方向である。ここで、Ｚ方向は、上下方向のことであり、燃料電池スタック３１のＺ方向の両端面は、燃料電池スタック３１の上面と下面とに対応している。ただし、燃料電池セル１１の積層方向は、上下方向に限られない。送風機５１は、燃料電池セル１１の積層方向に交差する方向に風を流している。送風機５１の送風方向は、Ｘ方向である。ここで、Ｘ方向は、送風機５１の回転軸の軸方向に一致している。Ｘ方向とＺ方向に２つの方向に直交する方向は、Ｙ方向である。

【0026】

燃料入口部３２は、燃料電池スタック３１の下面に設けられている。このため、燃料ガスは、燃料電池セル１１の積層方向に沿って燃料電池スタック３１内部に導入されることとなる。燃料出口部３３は、燃料電池スタック３１の下面に設けられている。このため、燃料ガスは、燃料電池セル１１の積層方向に沿って燃料電池スタック３１内部から導出されることとなる。

【0027】

図３において、燃料電池セル１１は、膜電極接合体１２と酸化剤ガス拡散層１４ａと燃料ガス拡散層１４ｂとカソードセパレータ１５とアノードセパレータ１６とを備えている。膜電極接合体１２は、電解質膜の一方の面にアノード電極を配設し、他方の面にカソード電極を配設して構成された接合体である。アノード電極やカソード電極は、白金などの触媒をカーボンなどの担持体で担持して構成されている。膜電極接合体１２は、ＭＥＡとも呼ばれる。

【0028】

各燃料電池セル１１は、燃料ガスとして機能する水素ガスと酸化剤ガスとして機能する酸素を含む空気とが供給されることで、電気エネルギを出力することとなる。より詳細には、アノード側では、水素が水素イオンと電子に変化する反応が引き起こされる。一方、カソード側では、水素イオンと電子と酸素とが反応して水が生成する反応が引き起こされる。

【0029】

酸化剤ガス拡散層１４ａと燃料ガス拡散層１４ｂとは、酸化剤ガスや燃料ガスなどの反応ガスを拡散させる機能を有する。酸化剤ガス拡散層１４ａと燃料ガス拡散層１４ｂとは、ガス透過性および電子伝導性を有する多孔質部材で構成されている。

【0030】

カソードセパレータ１５とアノードセパレータ１６とは、例えば、導電性を有する材料である金属やカーボンで構成されている。カソードセパレータ１５は、酸化剤ガスが流れる流路を形成している。カソードセパレータ１５において、酸化剤ガスの流れる方向は、Ｘ方向である。アノードセパレータ１６は、燃料ガスが流れる流路を形成している。アノードセパレータ１６において、燃料ガスの流れる方向は、Ｙ方向である。酸化剤ガス拡散層１４ａは、カソードセパレータ１５と膜電極接合体１２との間に位置している。燃料ガス拡散層１４ｂは、アノードセパレータ１６と膜電極接合体１２との間に位置している。

【0031】

膜電極接合体１２は、化学反応が引き起こされる反応面として機能する部分よりも外側に燃料ガスの流通可能なマニホールド１９を備えている。酸化剤ガス拡散層１４ａと燃料ガス拡散層１４ｂとは、拡散層として機能する部分よりも外側に燃料ガスの流通可能なマニホールド１９を備えている。カソードセパレータ１５は、酸化剤ガスが流れる流路を形成している部分よりも外側に燃料ガスの流通可能なマニホールド１９を備えている。アノードセパレータ１６は、燃料ガスが流れる流路を形成している部分の端に燃料ガスを燃料電池セル１１の積層方向であるＺ方向に流通可能なマニホールド１９を備えている。

【0032】

マニホールド１９は、燃料入口部３２から導入された直後の燃料ガスが流れる上流マニホールド１９ｕを備えている。マニホールド１９は、燃料出口部３３から導出される直前の燃料ガスが流れる下流マニホールド１９ｄを備えている。このマニホールド１９によって複数の燃料電池セル１１を貫通して燃料ガスをアノードセパレータ１６に形成された燃料ガスの流路に流すことができる。

【0033】

カソードセパレータ１５は、上流カソードセパレータ１５ｕと下流カソードセパレータ１５ｄとを備えている。上流カソードセパレータ１５ｕは、カソードセパレータ１５のうち燃料上流部３１ｕを構成している部分である。下流カソードセパレータ１５ｄは、カソードセパレータ１５のうち燃料下流部３１ｄを構成している部分である。

【0034】

図４において、カソードセパレータ１５は、波型の板部材である。カソードセパレータ１５は、酸化剤ガスの流路として反応用流路部１５ｒと冷却用流路部１５ｃとの２種類の流路部を備えている。反応用流路部１５ｒは、酸化剤ガス拡散層１４ａ側が開放されている流路部である。反応用流路部１５ｒを流れている酸化剤ガスは、酸化剤ガス拡散層１４ａに流れ込み、化学反応に使用される。一方、冷却用流路部１５ｃは、酸化剤ガス拡散層１４ａとは反対側が開放されている流路部である。冷却用流路部１５ｃを流れている酸化剤ガスは、酸化剤ガス拡散層１４ａに流れ込むことができない。ただし、燃料電池セル１１をＸ方向に貫通するように酸化剤ガスが通過することになる。このため、燃料電池セル１１の冷却に大きく寄与する。反応用流路部１５ｒと冷却用流路部１５ｃとは、Ｙ方向に交互に並んで形成されている。

【0035】

上流カソードセパレータ１５ｕにおいて、冷却用流路部１５ｃには、放熱促進部５５である放熱フィン５５ｆが設けられている。放熱促進部５５とは、放熱性能の向上に寄与する部分のことである。放熱フィン５５ｆは、上流カソードセパレータ１５ｕからＺ方向に突出して設けられている。放熱フィン５５ｆは、Ｘ方向を長手方向とする板形状である。放熱フィン５５ｆの上流カソードセパレータ１５ｕからの突出量は、上流カソードセパレータ１５ｕの高さよりも小さい。言い換えると、放熱フィン５５ｆのＺ方向の大きさは、上流カソードセパレータ１５ｕのＺ方向の大きさよりも小さい。このため、燃料電池セル１１を積層した状態において、放熱フィン５５ｆのＺ方向の端部は、隣接する燃料電池セル１１と接触しない。したがって、放熱フィン５５ｆと隣接する燃料電池セル１１との間の隙間を酸化剤ガスが通過することができる。

【0036】

放熱フィン５５ｆのＺ方向の大きさは、上流カソードセパレータ１５ｕのＺ方向の大きさの半分以上の大きさである。放熱フィン５５ｆは、冷却用流路部１５ｃのＹ方向の略中央部分に設けられている。放熱フィン５５ｆは、冷却用流路部１５ｃにおける酸化剤ガスの流れの最上流部である始端部から最下流部である終端部まで連続して設けられている。

【0037】

上流カソードセパレータ１５ｕに放熱フィン５５ｆが設けられていることで、酸化剤ガスと上流カソードセパレータ１５ｕが接触する表面積を大きく確保することができる。放熱フィン５５ｆが大きいほど、酸化剤ガスと上流カソードセパレータ１５ｕが接触する表面積を大きく確保することができる。１つの冷却用流路部１５ｃ内に、複数の放熱フィン５５ｆを設けてもよい。

【0038】

図５において、下流カソードセパレータ１５ｄには、放熱促進部５５に相当する構成は設けられていない。このため、下流カソードセパレータ１５ｄは、上流カソードセパレータ１５ｕに比べて、酸化剤ガスと接触する表面積が小さく、放熱性が低いこととなる。

【0039】

図６において、燃料電池セル１１がＺ方向に積層されているため、カソードセパレータ１５とアノードセパレータ１６とがＺ方向に交互に並んでいる。ここで、燃料電池セル１１を構成している膜電極接合体１２、酸化剤ガス拡散層１４ａ、燃料ガス拡散層１４ｂについては、図示を省略している。

【0040】

放熱フィン５５ｆは、複数の冷却用流路部１５ｃごとに設けられている。冷却用流路部１５ｃと反応用流路部１５ｒとは、Ｙ方向において交互に形成されている。このため、上流カソードセパレータ１５ｕにおいて、放熱フィン５５ｆを有する流路部と、放熱フィン５５ｆを有さない流路部とが交互に形成されていることになる。一方、下流カソードセパレータ１５ｄにおいて、放熱フィン５５ｆは設けられていない。

【0041】

アノードセパレータ１６の内部には、滞留水Ｗが存在することがある。滞留水Ｗの発生する理由について、以下に説明する。燃料電池セル１１の化学反応では、カソード側に水が生成する。さらに、酸化剤ガスとして空気を供給する場合には、供給される空気に水分が含まれている。このように、燃料電池スタック３１の発電中において、カソードセパレータ１５側には、水分が存在している状態となる。また、燃料電池スタック３１の発電にともない、膜電極接合体１２は発熱する。このため、カソードセパレータ１５側に存在する水分は、膜電極接合体１２によって加熱されて、水蒸気となりやすい。

【0042】

膜電極接合体１２を構成している電解質膜は、水素イオンだけでなく水蒸気を透過する膜である。このため、膜電極接合体１２において、カソード側に存在している水蒸気は、膜電極接合体１２を透過してアノード側に移動する。カソード側からアノード側に水蒸気が移動する現象は、逆拡散と呼ばれる。アノード側に移動した水蒸気は、冷却されてアノードセパレータ１６の表面に凝縮する。この凝縮水がアノードセパレータ１６の表面に留まることで、滞留水Ｗとなる。逆拡散は、膜電極接合体１２の電解質膜の膜厚が薄いほど発生しやすい。

【0043】

また、燃料電池セル１１においては、カソード側を流れていた酸化剤ガスの一部がアノード側に漏れ出すことがある。このため、カソード側を流れている燃料ガスには、一部の酸化剤ガスが混ざった状態となる。酸化剤ガスとして空気を供給する場合には、燃料ガス中にカソード側から漏れ出した窒素や水などが混ざることとなる。このカソード側から漏れ出した水についても、膜電極接合体１２を透過した水蒸気と同様にアノードセパレータ１６の表面で凝縮して、滞留水Ｗとなり得る。

【0044】

カソード側で発生した水蒸気のアノード側への逆拡散や、カソード側からアノード側に酸化剤ガスの一部が漏れ出す現象は、燃料電池セル１１全体で起こり得る。したがって、燃料ガスの流れにおいて、下流に位置する燃料ガスほど多くの水が混ざった状態となりやすい。よって、燃料電池セル１１を流れる燃料ガスの流れにおいて、下流に位置する部分ほど滞留水Ｗが発生しやすく、滞留水Ｗの量が多くなりやすい。

【0045】

滞留水Ｗは、アノードセパレータ１６における燃料ガスの流路を狭めて、圧力損失を増大させる。言い換えると、滞留水Ｗが存在することで、アノードセパレータ１６を燃料ガスが適切に流れにくい状態となる。このため、アノードセパレータ１６に形成された複数の流路部のうち、滞留水Ｗが存在する流路部は、滞留水Ｗが存在しない流路部に比べて流れる燃料ガスの量が少なくなる。したがって、適切な発電に必要な燃料ガスの供給が受けられず、その燃料電池セル１１における発電量が低下してしまう。このように、燃料電池セル１１ごとの滞留水Ｗの有無および滞留水Ｗの量によって、燃料電池セル１１ごとの発電量にばらつきが生じ、燃料電池スタック３１全体としての発電量が低下する。

【0046】

燃料電池システム１において滞留水Ｗの影響を抑制できる理由について、以下に説明する。カソードセパレータ１５は、上流カソードセパレータ１５ｕの方が下流カソードセパレータ１５ｄよりも放熱性が高い。言い換えると、下流カソードセパレータ１５ｄは、上流カソードセパレータ１５ｕよりも放熱性が低く、発電に伴う発熱によって温度が高くなりやすい。したがって、下流カソードセパレータ１５ｄを含む燃料下流部３１ｄは、上流カソードセパレータ１５ｕを含む燃料上流部３１ｕよりも温度が高くなりやすい。滞留水Ｗは、水蒸気が凝縮することで発生する。このため、温度の高い燃料下流部３１ｄでは、水蒸気の凝縮が引き起こされにくく、滞留水Ｗが発生しにくくなる。また、温度の高い燃料下流部３１ｄでは、発生した滞留水Ｗを蒸発させて、解消しやすいことも、滞留水Ｗの影響を抑制できる理由の１つである。

【0047】

上述した実施形態によると、燃料電池システム１は、下流カソードセパレータ１５ｄと、下流カソードセパレータ１５ｄよりも放熱性の高い上流カソードセパレータ１５ｕとを備えている。このため、燃料ガス中に水蒸気を多く含みやすい燃料下流部３１ｄの温度が燃料上流部３１ｕの温度よりも高い状態を維持しやすい。したがって、燃料下流部３１ｄの燃料ガス流路で水蒸気が冷却されて凝縮することを防ぎやすい。よって、凝縮した滞留水Ｗによって燃料ガスのスムーズな流れが阻害されにくく、適切な燃料ガスの供給を維持しやすい。以上により、安定して発電可能な燃料電池システム１を提供できる。

【0048】

上流カソードセパレータ１５ｕにおける酸化剤ガスの流路は、下流カソードセパレータ１５ｄにおける酸化剤ガスの流路よりも酸化剤ガスと接触する表面積が大きい。このため、シンプルな構成で下流カソードセパレータ１５ｄに比べて上流カソードセパレータ１５ｕの放熱性を高めることができる。

【0049】

カソードセパレータ１５は、酸化剤ガスの流路に設けられている放熱促進部５５を備えている。このため、放熱促進部５５の形状や配置を適切に調整することで、カソードセパレータ１５の放熱性を容易に変更できる。

【0050】

放熱促進部５５は、上流カソードセパレータ１５ｕに設けられ、下流カソードセパレータ１５ｄには設けられていない。このため、下流カソードセパレータ１５ｄにも放熱促進部５５を設けた場合に比べて、燃料上流部３１ｕと燃料下流部３１ｄとの温度差を大きく確保しやすい。ここで、燃料上流部３１ｕと燃料下流部３１ｄとの温度差が小さ過ぎる場合には、燃料上流部３１ｕの目標温度と燃料下流部３１ｄの目標温度とを両立できない場合がある。したがって、燃料上流部３１ｕと燃料下流部３１ｄとの温度差を大きく確保可能にすることは、燃料上流部３１ｕと燃料下流部３１ｄとのそれぞれで適切に発電を維持するために重要である。

【0051】

放熱促進部５５は、カソードセパレータ１５から突出して設けられている放熱フィン５５ｆである。このため、放熱フィン５５ｆを設けていない部分に比べて、酸化剤ガスと接触する表面積を拡大しやすい。特に、放熱フィン５５ｆは、酸化剤ガスの流速が遅い場合であっても、安定して放熱性を高く発揮しやすい構成である。

【0052】

放熱促進部５５は、反応用流路部１５ｒよりも冷却用流路部１５ｃに多く設けられている。このため、反応用流路部１５ｒに多くの放熱促進部５５が設けられてしまい、化学反応に必要な酸化剤ガスが不足するといった事態を抑制しやすい。したがって、燃料電池スタック３１に対する化学反応用の酸化剤ガスの供給を安定して維持するとともに、燃料上流部３１ｕの温度を適切に低下させやすい。ここで、反応用流路部１５ｒに放熱促進部５５を設ける場合には、化学反応用の酸化剤ガスの供給を安定して維持できる形状および配置とすることが好ましい。

【0053】

放熱促進部５５は、冷却用流路部１５ｃに設けられ、反応用流路部１５ｒには設けられていない。このため、放熱促進部５５が冷却用流路部１５ｃにおける酸化剤ガスの流れを妨げることがない。したがって、燃料電池スタック３１に化学反応用の酸化剤ガスを安定して供給するとともに、燃料上流部３１ｕの温度を適切に低下させやすい。

【0054】

放熱促進部５５の形状や配置は、上述の例に限られず、所望の放熱性能が発揮可能な範囲で任意の形状および配置を採用可能である。

【0055】

第２実施形態
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。この実施形態では、放熱促進部２５５が撹拌部２５５ｓを備えている。また、１つの冷却用流路部１５ｃ内に撹拌部２５５ｓと放熱フィン２５５ｆとを備えている。

【0056】

図７において、上流カソードセパレータ１５ｕの冷却用流路部１５ｃには、放熱促進部２５５が設けられている。放熱促進部２５５は、酸化剤ガスの流れを乱すための撹拌部２５５ｓを備えている。撹拌部２５５ｓは、上流カソードセパレータ１５ｕからＺ方向に突出して設けられた凸部である。撹拌部２５５ｓは、Ｘ方向を長手方向とする板形状である。撹拌部２５５ｓの上流カソードセパレータ１５ｕからの突出量は、上流カソードセパレータ１５ｕの高さよりも小さい。言い換えると、撹拌部２５５ｓのＺ方向の大きさは、上流カソードセパレータ１５ｕのＺ方向の大きさよりも小さい。

【0057】

撹拌部２５５ｓは、冷却用流路部１５ｃのＹ方向の略中央部分に設けられている。撹拌部２５５ｓは、冷却用流路部１５ｃにおける酸化剤ガスの流れの最上流部である始端部を含む位置に設けられている。撹拌部２５５ｓのＸ方向の大きさは、上流カソードセパレータ１５ｕのＸ方向の大きさよりも小さい。冷却用流路部１５ｃの終端部を含む部分には、撹拌部２５５ｓが設けられていない。このため、燃料電池セル１１をＸ方向から視認した際に、始端部側からは撹拌部２５５ｓが視認でき、終端部側からは撹拌部２５５ｓが視認できないこととなる。

【0058】

放熱促進部２５５は、放熱フィン２５５ｆを備えている。放熱フィン２５５ｆは、酸化剤ガスの流れにおいて、撹拌部２５５ｓよりも下流側に設けられている。放熱フィン２５５ｆのＸ方向の大きさは、撹拌部２５５ｓのＸ方向の大きさよりも大きい。放熱フィン２５５ｆのＹ方向の大きさは、撹拌部２５５ｓのＹ方向の大きさよりも小さい。放熱フィン２５５ｆのＺ方向の大きさは、撹拌部２５５ｓのＺ方向の大きさよりも大きい。言い換えると、撹拌部２５５ｓと放熱フィン２５５ｆとは、互いに異なる形状である。

【0059】

上流カソードセパレータ１５ｕに撹拌部２５５ｓが設けられていることで、撹拌部２５５ｓの周囲の酸化剤ガスの流れを撹拌する。より詳細には、冷却用流路部１５ｃに流入する酸化剤ガスが撹拌部２５５ｓに衝突することで酸化剤ガスの流れが変化することとなる。これにより、上流カソードセパレータ１５ｕの表面に沿ってＸ方向に流れる酸化剤ガスを、Ｘ方向だけでなくＹ方向やＺ方向にも流れるようにすることができる。言い換えると、撹拌部２５５ｓは、酸化剤ガスの流れを乱し、層流から乱流に変化させる。

【0060】

撹拌部２５５ｓの撹拌により、上流カソードセパレータ１５ｕの表面付近を流れる酸化剤ガスが、表面付近の位置を維持したままＸ方向に沿って流れ続けることを抑制できる。したがって、上流カソードセパレータ１５ｕの表面付近を流れて温度が上昇した酸化剤ガスは、上流カソードセパレータ１５ｕの表面付近から引き離される。その後、上流カソードセパレータ１５ｕの表面付近には、新しく温度が上昇する前の酸化剤ガスが引き寄せられることとなる。

【0061】

まとめると、酸化剤ガスの流れを撹拌することで、上流カソードセパレータ１５ｕから近い位置を流れる酸化剤ガスを引き離し、上流カソードセパレータ１５ｕから離れた位置を流れる酸化剤ガスを引き寄せることができる。これにより、上流カソードセパレータ１５ｕと酸化剤ガスとの温度差が大きい状態を維持しやすい。よって、上流カソードセパレータ１５ｕと酸化剤ガスとの間での熱交換効率を高めやすい。言い換えると、上流カソードセパレータ１５ｕの熱を酸化剤ガスに放熱する放熱性を高めやすい。

【0062】

上述した実施形態によると、放熱促進部２５５は、酸化剤ガスの流れを撹拌する撹拌部２５５ｓである。このため、カソードセパレータ１５を流れる酸化剤ガスのうち、カソードセパレータ１５と接触して熱交換する酸化剤ガスの割合を高めることができる。したがって、撹拌部２５５ｓが設けられている上流カソードセパレータ１５ｕにおける放熱性を高めやすい。特に、撹拌部２５５ｓによって酸化剤ガスの流れを熱交換効率の低い層流から熱交換効率の高い乱流に変化させることで、熱交換効率を大きく向上させることができる。

【0063】

カソードセパレータ１５は、酸化剤ガスの流れの上流から下流に向かって、撹拌部２５５ｓと放熱フィン２５５ｆとを備えている。言い換えると、カソードセパレータ１５は、酸化剤ガスの流れの上流から下流に向かって、互いに形状の異なる複数の放熱促進部２５５を備えている。このため、様々な形状の放熱促進部２５５を組み合わせて放熱性を細かく調整することができる。また、酸化剤ガスの流れの撹拌を目的とする撹拌部２５５ｓと、酸化剤ガスとの接触面積の拡大を目的とする放熱フィン２５５ｆとのように、異なる目的で放熱性の向上を実現する構成を組み合わせることができる。このため、複数の放熱促進部２５５として適切な組み合わせを採用することで、放熱性を向上させやすい。

【0064】

撹拌部２５５ｓは、冷却用流路部１５ｃにおける酸化剤ガスの流れの最上流部である始端部を含む位置に設けられている。このため、冷却用流路部１５ｃにおける酸化剤ガスの流れの最上流において、酸化剤ガスの流れを乱すことができる。したがって、酸化剤ガスの流れの上流から下流まで冷却用流路部１５ｃ全体にわたって熱交換効率向上の効果を得ることができる。

【0065】

撹拌部２５５ｓは、冷却用流路部１５ｃにおける酸化剤ガスの流れの最上流部である始端部を含む位置に設けられ、終端部には設けられていない。言い換えると、撹拌部２５５ｓが視認できる側を酸化剤ガスの流れの最上流部となるように、燃料電池スタック３１を設置することとなる。このため、燃料電池スタック３１の適切な向きを認識しやすく、酸化剤ガス供給装置５０に対する燃料電池スタック３１の向きを誤って配置してしまうことを防止しやすい。

【0066】

放熱促進部２５５として、撹拌部２５５ｓと放熱フィン２５５ｆとを備えた構成を例に説明したが、放熱促進部２５５の構成は上述の構成に限られない。例えば、放熱促進部２５５を撹拌部２５５ｓのみで構成してもよい。また、放熱促進部２５５を酸化剤ガスの流れの上流から下流までの間に複数設けた撹拌部２５５ｓで構成してもよい。

【0067】

撹拌部２５５ｓとして、カソードセパレータ１５からＺ方向に突出して設けられた凸部を例に説明したが、酸化剤ガスの流れを撹拌する構成は凸部に限られない。例えば、カソードセパレータ１５からＺ方向に陥没して設けられた凹部で構成してもよい。あるいは、撹拌部２５５ｓを凸部と凹部とを組み合わせて構成してもよい。

【0068】

放熱促進部２５５の形状や配置は、上述の例に限られず、所望の放熱性能が発揮可能な範囲で任意の形状および配置を採用可能である。

【0069】

第３実施形態
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。この実施形態では、放熱促進部３５５である放熱フィン３５５ｆが、冷却用流路部１５ｃと反応用流路部１５ｒとの両方の流路に設けられている。

【0070】

図８において、上流カソードセパレータ１５ｕの冷却用流路部１５ｃと反応用流路部１５ｒとには、放熱促進部３５５として機能する放熱フィン３５５ｆが設けられている。放熱フィン３５５ｆは、上流カソードセパレータ１５ｕからＺ方向に突出して設けられている。冷却用流路部１５ｃに設けられている放熱フィン３５５ｆは、Ｚ方向のうち膜電極接合体１２から離れる方向に突出している。一方、反応用流路部１５ｒに設けられている放熱フィン３５５ｆは、Ｚ方向のうち膜電極接合体１２に近づく方向に突出している。

【0071】

放熱フィン３５５ｆは、Ｘ方向を長手方向とする板形状である。放熱フィン３５５ｆの上流カソードセパレータ１５ｕからの突出量は、上流カソードセパレータ１５ｕの高さよりも小さい。言い換えると、放熱フィン３５５ｆのＺ方向の大きさは、上流カソードセパレータ１５ｕのＺ方向の大きさよりも小さい。このため、燃料電池セル１１を積層した状態において、冷却用流路部１５ｃに設けられている放熱フィン３５５ｆのＺ方向の端部は、隣接する燃料電池セル１１と接触しない。したがって、冷却用流路部１５ｃに設けられている放熱フィン３５５ｆと隣接する燃料電池セル１１との間の隙間を酸化剤ガスが通過することができる。また、反応用流路部１５ｒに設けられている放熱フィン３５５ｆのＺ方向の端部は、酸化剤ガス拡散層１４ａと接触しない。したがって、反応用流路部１５ｒに設けられている放熱フィン３５５ｆと酸化剤ガス拡散層１４ａとの間の隙間を酸化剤ガスが通過することができる。

【0072】

放熱フィン３５５ｆのＺ方向の大きさは、上流カソードセパレータ１５ｕのＺ方向の大きさの半分以上の大きさである。放熱フィン３５５ｆは、冷却用流路部１５ｃのＹ方向の略中央部分に設けられている。放熱フィン３５５ｆは、冷却用流路部１５ｃにおける酸化剤ガスの流れの最上流部である始端部から最下流部である終端部まで連続して設けられている。

【0073】

上流カソードセパレータ１５ｕに放熱フィン３５５ｆが設けられていることで、酸化剤ガスと上流カソードセパレータ１５ｕが接触する表面積を大きく確保することができる。放熱フィン３５５ｆが大きいほど、酸化剤ガスと上流カソードセパレータ１５ｕが接触する表面積を大きく確保することができる。１つの冷却用流路部１５ｃ内に、複数の放熱フィン３５５ｆを設けてもよい。

【0074】

上述した実施形態によると、放熱促進部３５５は、上流カソードセパレータ１５ｕの冷却用流路部１５ｃと反応用流路部１５ｒとの両方の流路に設けられている。このため、冷却用流路部１５ｃのみに放熱促進部３５５が設けられている場合に比べて、上流カソードセパレータ１５ｕの放熱性を高めやすい。

【0075】

反応用流路部１５ｒに設けられている放熱フィン３５５ｆと酸化剤ガス拡散層１４ａとの間には、隙間が設けられている。このため、酸化剤ガス拡散層１４ａに酸化剤ガスが流れ込むことを、放熱フィン３５５ｆが阻害しにくい。

【0076】

冷却用流路部１５ｃに設けられている放熱フィン３５５ｆと、反応用流路部１５ｒに設けられている放熱フィン３５５ｆとを異なる形状としてもよい。例えば、反応用流路部１５ｒの放熱フィン３５５ｆのＺ方向の大きさを、冷却用流路部１５ｃの放熱フィン３５５ｆのＺ方向の大きさよりも小さくする。これによると、反応用流路部１５ｒの圧力損失の増加を小さくして、膜電極接合体１２に適切な量の酸化剤ガスを安定して供給しやすい。

【0077】

放熱促進部３５５の形状や配置は、上述の例に限られず、所望の放熱性能が発揮可能な範囲で任意の形状および配置を採用可能である。

【0078】

第４実施形態
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。この実施形態では、放熱促進部４５５として機能する放熱フィン４５５ｆが設けられている。放熱フィン４５５ｆは、燃料ガスの流れの上流から下流に向かって、カソードセパレータ１５からの突出量が小さくなるように構成されている。

【0079】

図９において、燃料電池セル１１がＺ方向に積層されているため、カソードセパレータ１５とアノードセパレータ１６とがＺ方向に交互に並んでいる。ここで、燃料電池セル１１を構成する膜電極接合体１２、酸化剤ガス拡散層１４ａ、燃料ガス拡散層１４ｂについては、図示を省略している。

【0080】

放熱フィン４５５ｆは、複数の冷却用流路部１５ｃごとに設けられており、冷却用流路部１５ｃと反応用流路部１５ｒとは、Ｙ方向において交互に形成されている。このため、カソードセパレータ１５において、放熱フィン４５５ｆを有している流路部と、放熱フィン４５５ｆを有していない流路部とが交互に形成されていることになる。また、放熱フィン４５５ｆは、上流カソードセパレータ１５ｕと下流カソードセパレータ１５ｄとの両方に設けられている。

【0081】

放熱フィン４５５ｆは、燃料ガスの流れの上流から下流に向かって、複数設けられている。放熱フィン４５５ｆの突出量は、Ｙ方向において燃料入口部３２に近い位置に設けられているほど大きい。言い換えると、放熱フィン４５５ｆの突出量は、Ｙ方向において燃料出口部３３に近い位置に設けられているほど小さい。このため、上流カソードセパレータ１５ｕに設けられている放熱フィン４５５ｆの突出量は、下流カソードセパレータ１５ｄに設けられている放熱フィン４５５ｆの突出量よりも大きいこととなる。

【0082】

放熱フィン４５５ｆの突出量は、Ｙ方向に隣り合う放熱フィン４５５ｆ同士で所定量ずつ異なる。例えば、最も小さい放熱フィン４５５ｆの突出量をＦ０とした場合、Ｙ方向において１つと隣に設けられている放熱フィン４５５ｆの突出量は、Ｆ０の２倍に設定できる。また、さらにその隣の放熱フィン４５５ｆの突出量は、Ｆ０の３倍に設定できる。このように、突出量をＦ０の倍数に設定することで、Ｙ方向に隣り合う放熱フィン４５５ｆ同士の突出量をＦ０ずつ異ならせることができる。言い換えると、放熱フィン４５５ｆの突出量をＹ方向の位置に対して線形な関係とすることができる。

【0083】

放熱フィン４５５ｆの突出量は、Ｙ方向の位置に対して線形な関係とする場合に限られない。例えば、Ｙ方向の位置に対して放熱フィン４５５ｆの突出量を非線形な関係としてもよい。また、下流カソードセパレータ１５ｄにおける放熱フィン４５５ｆの突出量を全てＦ０とし、上流カソードセパレータ１５ｕにおける放熱フィン４５５ｆの突出量を全てＦ０の５倍とするなどしてもよい。

【0084】

放熱フィン４５５ｆの突出量が大きいほど、酸化剤ガスと接触する表面積が大きく、放熱性が高くなる。一方、放熱フィン４５５ｆの突出量が小さいほど、酸化剤ガスと接触する表面積が小さく、放熱性が低くなる。このため、上流カソードセパレータ１５ｕの放熱性は、下流カソードセパレータ１５ｄの放熱性よりも高くなる。

【0085】

上述した実施形態によると、放熱フィン４５５ｆは、燃料ガスの流れの上流から下流に向かって、カソードセパレータ１５からの突出量が小さくなる。このため、カソードセパレータ１５における放熱性を段階的に変化させることができる。したがって、カソードセパレータ１５において、放熱性が高すぎる部分や低すぎる部分が生じることを抑制しやすい。

【0086】

放熱促進部４５５の形状や配置は、上述の例に限られず、所望の放熱性能が発揮可能な範囲で任意の形状および配置を採用可能である。

【0087】

第５実施形態
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。この実施形態では、放熱促進部５５５として機能する放熱フィン５５５ｆが設けられている。放熱フィン５５５ｆは、酸化剤ガスの流れの上流から下流に向かって、カソードセパレータ１５からの突出量が大きくなるように構成されている。

【0088】

図１０において、上流カソードセパレータ１５ｕの冷却用流路部１５ｃには、放熱促進部５５５である放熱フィン５５５ｆが設けられている。放熱フィン５５５ｆは、上流カソードセパレータ１５ｕからＺ方向に突出して設けられている。放熱フィン５５５ｆは、Ｘ方向を長手方向とする板形状である。放熱フィン５５５ｆの上流カソードセパレータ１５ｕからの突出量は、酸化剤ガスの流れの上流から下流に向かって徐々に大きくなるように構成されている。このため、冷却用流路部１５ｃにおける表面積は、酸化剤ガスの最上流が最も大きく、最下流が最も小さくなる。

【0089】

放熱フィン５５５ｆの突出量は、Ｘ方向の位置に対して線形に変化する関係となっている。ただし、Ｘ方向の位置と放熱フィン５５５ｆの突出量との関係は、線形な関係に限られない。例えば、Ｘ方向の位置に対して放熱フィン４５５ｆの突出量を非線形な関係としてもよい。また、始端部からＸ方向の中央までの放熱フィン４５５ｆの突出量を一定のＦ０とし、Ｘ方向の中央から終端部までの突出量をＦ０の５倍としてもよい。この場合、放熱フィン５５５ｆは、Ｘ方向において段差を有する形状となる。

【0090】

酸化剤ガスは、冷却用流路部１５ｃを流れる過程で、カソードセパレータ１５の表面と接触して熱交換する。このため、酸化剤ガスの温度は、酸化剤ガスの流れの上流で最も低く、下流で最も高くなりやすい。すなわち、酸化剤ガスの温度の観点からは、酸化剤ガスの流れの上流の放熱性が高く、下流の放熱性が低くなる。一方、冷却用流路部１５ｃにおける表面積は、酸化剤ガスの最上流で最も小さく、最下流で最も大きくなるように構成されている。このため、冷却用流路部１５ｃの表面積の観点からは、酸化剤ガスの流れの上流の放熱性が低く、下流の放熱性が高くなる。

【0091】

まとめると、冷却用流路部１５ｃにおける酸化剤ガスの流れの上流側は、酸化剤ガスとの温度差が大きく、熱交換可能な表面積が小さいため、放熱性が中程度となる。一方、冷却用流路部１５ｃにおける酸化剤ガスの流れの下流側は、酸化剤ガスとの温度差が小さく、熱交換可能な表面積が大きいため、放熱性が中程度となる。このように、放熱フィン５５５ｆを設けることで、冷却用流路部１５ｃにおいて、Ｘ方向の放熱性の分布を同程度にすることができる。言い換えると、放熱フィン５５５ｆを設けることで、酸化剤ガスの流れ方向における温度分布のばらつきを解消することができる。

【0092】

上述した実施形態によると、放熱フィン５５５ｆは、酸化剤ガスの流れの上流から下流に向かって、カソードセパレータ１５からの突出量が大きくなるように構成されている。このため、酸化剤ガスの流れの下流ほど放熱フィン５５５ｆの表面積を大きく確保できる。したがって、酸化剤ガスの流れ方向において放熱性に大きな偏りが発生してしまうことを解消できる。

【0093】

放熱促進部５５５の形状や配置は、上述の例に限られず、所望の放熱性能が発揮可能な範囲で任意の形状および配置を採用可能である。

【0094】

第６実施形態
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。この実施形態では、上流カソードセパレータ６１５ｕは、下流カソードセパレータ６１５ｄよりも放熱性の高い材料で構成されている。また、上流カソードセパレータ６１５ｕにおける冷却用流路部６１５ｃのＹ方向の大きさは、下流カソードセパレータ６１５ｄにおける冷却用流路部６１５ｃのＹ方向の大きさよりも小さい。

【0095】

図１１において、上流カソードセパレータ６１５ｕは、チタンやステンレスやアルミなどの金属材料で構成されている。一方、下流カソードセパレータ６１５ｄは、カーボンで構成されている。一般的に金属材料は、カーボンに比べて熱伝導性の高い材料である。このため、上流カソードセパレータ６１５ｕは、下流カソードセパレータ６１５ｄに比べて放熱性の高い材料で構成されていることとなる。

【0096】

上流カソードセパレータ６１５ｕの冷却用流路部６１５ｃは、下流カソードセパレータ６１５ｄの冷却用流路部６１５ｃに比べて、Ｙ方向の大きさが小さい。一方、反応用流路部１５ｒのＹ方向の大きさは、上流カソードセパレータ６１５ｕと下流カソードセパレータ６１５ｄとの両方で等しい大きさである。また、下流カソードセパレータ６１５ｄの冷却用流路部６１５ｃと反応用流路部１５ｒのＹ方向の大きさは、互いに略等しい大きさである。まとめると、上流カソードセパレータ６１５ｕにおける冷却用流路部６１５ｃのみが、カソードセパレータ６１５の他の流路部に比べてＹ方向の大きさが小さい。

【0097】

冷却用流路部６１５ｃのＺ方向の大きさは、上流カソードセパレータ６１５ｕと下流カソードセパレータ６１５ｄとの両方で等しい大きさである。ここで、流路部の断面積は、Ｙ方向の大きさである流路幅とＺ方向の大きさである流路高さとの積で算出される。このため、流路幅の小さな上流カソードセパレータ６１５ｕにおける冷却用流路部６１５ｃの断面積が他の流路部に比べて断面積が小さいこととなる。冷却用流路部６１５ｃの断面積が小さいほど、冷却用流路部６１５ｃを流れる酸化剤ガスの流速が速くなる。このため、断面積が小さいほど、上流カソードセパレータ６１５ｕの表面付近に多くの酸化剤ガスを流すことができる。言い換えると、断面積が小さいほど、放熱性を高めることができる。

【0098】

上述した実施形態によると、上流カソードセパレータ６１５ｕにおける冷却用流路部６１５ｃは、下流カソードセパレータ６１５ｄにおける冷却用流路部６１５ｃよりも断面積が小さい。このため、上流カソードセパレータ６１５ｕの冷却用流路部６１５ｃを流れる酸化剤ガスの流速を速くして、放熱性を高めることができる。また、上流カソードセパレータ６１５ｕに冷却用流路部６１５ｃを形成する数を多く確保できる。このため、放熱性を高めることができる。

【0099】

上流カソードセパレータ６１５ｕは、下流カソードセパレータ６１５ｄよりも放熱性の高い材料で構成されている。このため、燃料下流部３１ｄの温度を燃料上流部３１ｕの温度に比べて高く維持しやすい。したがって、水蒸気を多く含みやすい燃料下流部３１ｄにおいて、水蒸気が凝縮して滞留水Ｗが発生することを抑制しやすい。

【0100】

上流カソードセパレータ６１５ｕを下流カソードセパレータ６１５ｄよりも放熱性の高い材料で構成するとともに、放熱フィン５５ｆや撹拌部２５５ｓなどを設けてもよい。これによると、材料と構造の両方の観点から上流カソードセパレータ６１５ｕの放熱性を下流カソードセパレータ６１５ｄの放熱性を高めることができる。

【0101】

他の実施形態
この明細書および図面等における開示は、例示された実施形態に制限されない。開示は、例示された実施形態と、それらに基づく当業者による変形態様を包含する。例えば、開示は、実施形態において示された部品および／または要素の組み合わせに限定されない。開示は、多様な組み合わせによって実施可能である。開示は、実施形態に追加可能な追加的な部分をもつことができる。開示は、実施形態の部品および／または要素が省略されたものを包含する。開示は、１つの実施形態と他の実施形態との間における部品および／または要素の置き換え、または組み合わせを包含する。開示される技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示されるいくつかの技術的範囲は、請求の範囲の記載によって示され、さらに請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内での全ての変更を含むものと解されるべきである。

【0102】

明細書および図面等における開示は、請求の範囲の記載によって限定されない。明細書および図面等における開示は、請求の範囲に記載された技術的思想を包含し、さらに請求の範囲に記載された技術的思想より多様で広範な技術的思想に及んでいる。よって、請求の範囲の記載に拘束されることなく、明細書および図面等の開示から、多様な技術的思想を抽出することができる。

【符号の説明】

【0103】

１ 燃料電池システム、 １１ 燃料電池セル、 １２ 膜電極接合体、 １５ カソードセパレータ、 １５ｕ 上流カソードセパレータ、 １５ｄ 下流カソードセパレータ、 １５ｃ 冷却用流路部、 １５ｒ 反応用流路部、 １６ アノードセパレータ、 ３１ 燃料電池スタック、 ３１ｕ 燃料上流部、 ３１ｄ 燃料下流部、 ３２ 燃料入口部、 ３３ 燃料出口部、 ５０ 酸化剤ガス供給装置、 ５５ 放熱促進部、 ５５ｆ 放熱フィン、 ６０ 燃料ガス供給装置、 ２５５ 放熱促進部、 ２５５ｆ 放熱フィン、 ２５５ｓ 撹拌部、 ３５５ 放熱促進部、 ３５５ｆ 放熱フィン、 ４５５ 放熱促進部、 ４５５ｆ 放熱フィン、 ５５５ 放熱促進部、 ５５５ｆ 放熱フィン、 ６１５ カソードセパレータ、 ６１５ｕ 上流カソードセパレータ、 ６１５ｄ 下流カソードセパレータ、 ６１５ｃ 冷却用流路部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】