(57)【要約】【課題】発電セル内に液状水が滞留することを確実に阻止するとともに、燃料ガスを経済的に使用することができ、発電性能の向上を図ることを可能にする。【解決手段】燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１６を積層するとともに、各発電セル１６は、燃料ガス流路５２を設ける。燃料電池スタック１０内には、燃料ガス流路５２の出口側に連通するとともに、積層方向に延在して燃料ガス排出連通孔４４が設けられる。この燃料ガス排出連通孔４４の出口側に排水部７６が連通し、この排水部７６の入口７６ａは、前記燃料ガス排出連通孔４４の最下部の高さ位置に対し、同等乃至低い位置に設定されるとともに、前記排水部７６は、下方に向かって延在している。【選択図】図５
2004327059.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜の両側にアノード側電極とカソード側電極とを設けた電解質膜・電極構造体を、セパレータにより挟持するとともに、前記アノード側電極に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記カソード側電極に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路とを設ける発電セルを備え、複数の前記発電セルが積層方向に締め付けられる燃料電池スタックであって、
前記燃料電池スタック内に前記積層方向に延在して設けられ、前記燃料ガス流路の出口側に連通する燃料ガス排出用内部マニホールドと、
前記燃料ガス排出用内部マニホールドに連通し、該燃料ガス排出用内部マニホールドから液状水を排水する排水部と、
を備え、
前記排水部の入口は、前記燃料ガス排出用内部マニホールドの最下部の高さ位置に対し、同等乃至低い位置に設定されるとともに、
前記排水部は、前記入口から下方に向かって延在することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
固体高分子電解質膜の両側にアノード側電極とカソード側電極とを設けた電解質膜・電極構造体を、セパレータにより挟持するとともに、前記アノード側電極に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記カソード側電極に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路とを設ける発電セルを備え、複数の前記発電セルが積層方向に締め付けられる燃料電池スタックであって、
前記燃料電池スタック内に前記積層方向に延在して設けられ、前記燃料ガス流路の出口側に連通する燃料ガス排出用内部マニホールドと、
前記燃料ガス排出用内部マニホールドに連通し、該燃料ガス排出用内部マニホールドから排ガスを排出するとともに、排ガス開閉弁が設けられる排ガス流路と、
前記燃料ガス排出用内部マニホールドと前記排ガス開閉弁との間に連通し、該燃料ガス排出用内部マニホールドから液状水を排水する排水部と、
を備え、
前記排水部の入口は、前記燃料ガス排出用内部マニホールドの最下部の高さ位置に対し、同等乃至低い位置に設定されるとともに、
前記排水部は、前記入口から下方に向かって延在する排水流路と、
前記排水流路に配置される排水開閉弁と、
を有することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池スタックにおいて、前記排水部の入口と前記排水開閉弁との間には、前記液状水を貯留するためのタンクが配設されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項１または２記載の燃料電池スタックにおいて、前記排水部には、鉛直方向に離間して第１および第２排水開閉弁が配設されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池スタックにおいて、前記第１および第２排水開閉弁の間には、前記液状水を貯留するためのタンクが配設されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記発電セルの運転温度は、６０℃以下であることを特徴とする燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜の両側にアノード側電極とカソード側電極とを設けた電解質膜・電極構造体を、セパレータにより挟持する発電セルを備え、前記発電セルが複数積層される燃料電池スタックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜を採用している。この電解質膜の両側に、それぞれカーボンを主体とする基材に貴金属系の電極触媒層を接合したアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより、燃料電池（発電セル）が構成されている。
【０００３】
この種の燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
通常、所望の発電力を得るために、所定数の燃料電池を積層した燃料電池スタックが使用されている。この燃料電池スタックには、酸化剤ガス、例えば、反応用空気を供給するためのコンプレッサまたはブロアや、反応ガス（反応用空気および燃料ガス）を加湿するための加湿器や、運転温度を最適に維持するための温度調整機器等の周辺補器が組み込まれている。
【０００５】
ところで、上記の燃料電池スタックでは、システム全体の小型化および軽量化が望まれており、周辺補器を削減するとともに、前記周辺補器を作動させるための電力消費を最小化する必要がある。このため、例えば、特許文献１には、空気流路チャンネルから生成水の除去に十分な空気流を維持しながら、空気供給用の電力消費を最小限にし、ネット出力を最大にすることを目的とした燃料電池スタックが開示されている。
【０００６】
上記の特許文献１では、図１４に示すように、水素フレーム（燃料ガス側セパレータ）１の中央部に水素流路プレート２が配置されている。水素フレーム１は、水素流路プレート２を挟んで上下に、水素供給マニホールド３と水素排出マニホールド４とを有するとともに、前記水素供給マニホールド３には、複数の供給通路５が連通する一方、前記水素排出マニホールド４には、同様に、複数の排出通路６が連通している。
【０００７】
水素流路プレート２には、鉛直方向に延在する複数の流路溝を備える水素流路７が形成されている。この水素流路７は、上部側の水素入口が供給通路５を介して水素供給マニホールド３に連通し、下部側の水素出口が排出通路６を介して水素排出マニホールド４に連通している。
【０００８】
このような構成において、水素供給マニホールド３から供給通路５に水素ガスが供給されると、この水素ガスは、水素流路プレート２の水素流路７に沿って鉛直方向に移動しながら、図示しないアノード側電極に供給される。そして、水素が消費された排ガスは、排出通路６から水素排出マニホールド４に排出されている。
【０００９】
上記の特許文献１の燃料電池スタックは、所謂、デッドエンド型水素供給システムを備えている。このデッドエンド型では、アノード側における不純物の蓄積や水の蓄積が発生するが、一定間隔の短いパージ、すなわち、水素排出ラインの一時的な開閉により対処することができ、性能の回復が可能になる、としている。
【００１０】
【特許文献１】
米国特許第５，８７９，８２６号明細書（第３欄第５４行〜第６２行、第６欄第４４行〜第６１行、図７）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、燃料電池の運転温度が、比較的低温、例えば、６０℃以下であると、この燃料電池の発電によりカソード側電極で生成される水は、液状水として存在する場合が多い。この液状水は、固体高分子電解質膜を透過（拡散）してアノード側電極に移動し易い。
【００１２】
その際、上記の特許文献１では、水素ガスが水素流路７に沿って鉛直下方向に流れるため、液状水がこの水素流路７から水素排出マニホールド４に排出される。ここで、水素排出マニホールドに連通する水素排出ラインが閉塞されており、液状水は、前記水素排出マニホールド４内に滞留し易い。さらに、水素排出マニホールド４に連通する水素流路７の出口側にも、液状水が滞留するおそれがある。
【００１３】
そこで、水素流路７の閉塞による発電性能の低下を解消させるために、水素排出ラインを開放してパージを行う必要がある。しかしながら、１回のパージでは、水素排出マニホールド４内および水素流路７に滞留している液状水を確実に除去することができず、パージを相当に頻繁に行わなければならない。このパージでは、燃料ガスである水素ガスを水素排出ラインから外部に放出することにより液状水を除去している。これによって、不要に消費される多量の水素ガスが存在してしまい、経済的ではないという問題が指摘されている。
【００１４】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、発電セル内に液状水が滞留することを確実に阻止し、燃料ガスを経済的に使用するとともに、発電性能を有効に向上させることが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池スタックでは、固体高分子電解質膜の両側にアノード側電極とカソード側電極とを設けた電解質膜・電極構造体を、セパレータにより挟持するとともに、前記アノード側電極に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記カソード側電極に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路とを設ける発電セルを備え、前記発電セルが複数積層されている。
【００１６】
燃料電池スタック内には、燃料ガス流路の出口側に連通するとともに、積層方向に延在して燃料ガス排出用内部マニホールドが設けられ、前記燃料ガス排出用内部マニホールドには、該燃料ガス排出用内部マニホールドから液状水を排水する排水部が連通する。ここで、排水部の入口は、燃料ガス排出用内部マニホールドの最下部の高さ位置に対し、同等乃至低い位置に設定されるとともに、前記排水部は、前記入口から下方に向かって延在している。
【００１７】
このため、固体高分子電解質膜を拡散してカソード側電極からアノード側電極に移動する液状水は、燃料ガス排出用内部マニホールドに排出された後、この燃料ガス排出用内部マニホールドの最下部の高さ位置に対し、同等乃至低い位置に設定された入口から排水部に円滑に排水される。従って、燃料ガス排出用内部マニホールドや燃料ガス流路が液状水により閉塞されることがなく、簡単な構成で、発電性能の低下を可及的に阻止することが可能になる。
【００１８】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池スタックでは、固体高分子電解質膜の両側にアノード側電極とカソード側電極とを設けた電解質膜・電極構造体を、セパレータにより挟持するとともに、前記アノード側電極に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記カソード側電極に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路とを設ける発電セルを備え、前記発電セルが複数積層されている。
【００１９】
燃料電池スタック内には、燃料ガス流路の出口側に連通するとともに、積層方向に延在して燃料ガス排出用内部マニホールドが設けられ、前記燃料ガス排出用内部マニホールドには、該燃料ガス排出用内部マニホールドから排ガスを排出するとともに、排ガス開閉弁を設ける排ガス流路が設けられる。
【００２０】
燃料ガス排出用内部マニホールドと排ガス開閉弁との間には、前記燃料ガス排出用内部マニホールドから液状水を排水する排水部が設けられる。排水部の入口は、燃料ガス排出用内部マニホールドの最下部の高さ位置に対し、同等乃至低い位置に設定されるとともに、前記排水部は、前記入口から下方に向かって延在する排水流路と、前記排水流路に配置される排水開閉弁とを有する。
【００２１】
これにより、排水流路には、排水開閉弁の上方のスペースに液状水が貯留されるため、発電性能を維持するために必要なパージの間隔を長く設定することができる。従って、パージにより不要に消費される燃料ガス量を有効に削減することが可能になり、経済的なものとなる。しかも、排ガス流路と排水流路との２系統でパージが行われるため、燃料電池スタック内に液状水が残存することを可及的に阻止し、発電時のセル電圧が良好に安定化する。
【００２２】
さらに、本発明の請求項３に係る燃料電池スタックでは、排水部の入口と排水開閉弁との間には、液状水を貯留するためのタンクが配設される。このため、排水部に貯留される液状水量が増大し、パージ間隔が長尺化されるとともに、パージによる燃料ガスの消費が一層削減される。
【００２３】
さらにまた、本発明の請求項４に係る燃料電池スタックでは、排水部には、鉛直方向に離間して第１および第２排水開閉弁が配設される。この場合、まず、上方の第１排水開閉弁が開放される一方、下方の第２排水開閉弁が閉塞されており、燃料ガス排出用内部マニホールドから排出される液状水は、前記第２排水開閉弁の上方に貯留される。
【００２４】
そして、排水部に貯留される液状水が第１排水開閉弁に到達する以前に、前記第１排水開閉弁が閉塞される一方、第２排水開閉弁が開放される。従って、第１および第２排水開閉弁の間に貯留されている液状水が排水部から排出される。その際、第１および第２排水開閉弁の間には、燃料ガスを含む排ガスがほとんど存在していないため、液状水と共に排出される燃料ガスの量が極めて少量となり、経済的である。
【００２５】
また、本発明の請求項５に係る燃料電池スタックでは、第１および第２排水開閉弁の間には、液状水を貯留するためのタンクが配設される。このため、排水部に貯留される液状水量が大幅に増大し、パージ間隔がさらに長尺化されるとともに、パージによる燃料ガスの消費が一層削減される。
【００２６】
さらに、本発明の請求項６に係る燃料電池スタックでは、発電セルの運転温度は、６０℃以下である。これにより、生成水が液状水として存在し易いが、簡単かつコンパクトな構成で、この液状水を良好に処理して所望の発電性能を確保することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０を組み込む燃料電池システム１２の概略斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０を収容保持するケーシング１４の分解概略斜視図であり、図３は、前記燃料電池スタック１０の一部切り欠き斜視説明図である。
【００２８】
燃料電池スタック１０は、図２および図３に示すように、複数の発電セル１６が矢印Ａ方向に積層された積層体１８を備える。積層体１８の積層方向（矢印Ａ方向）一端には、集電用ターミナルプレート２０ａ、絶縁プレート２２ａおよびエンドプレート２４ａが外方に向かって、順次、配設される。積層体１８の積層方向他端には、集電用ターミナルプレート２０ｂ、絶縁プレート２２ｂおよびエンドプレート２４ｂが外方に向かって、順次、配設される。
【００２９】
図４に示すように、各発電セル１６は、電解質膜・電極構造体３０と、前記電解質膜・電極構造体３０を挟持する第１および第２セパレータ３２、３４とを備える。電解質膜・電極構造体３０と第１および第２セパレータ３２、３４との間には、後述する各種連通孔の周囲および電極面の外周を覆って、シール部材３６ａが介装されるとともに、隣接する発電セル１６間には、シール部材３６ｂが介装される。
【００３０】
発電セル１６の矢印Ｂ方向（水平方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向（積層方向）に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、反応用空気を供給するための反応用空気供給連通孔３８と、冷却用空気を供給するための冷却用空気供給連通孔４０とが設けられる。冷却用空気供給連通孔４０は、反応用空気供給連通孔３８よりも開口面積が大きく設定される。
【００３１】
発電セル１６の矢印Ｃ方向（鉛直方向）の一端縁部（上端縁部）には、矢印Ａ方向に連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔４２が設けられるとともに、前記発電セル１６の矢印Ｃ方向の他端縁部（下端縁部）には、矢印Ａ方向に連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔（燃料ガス排出用内部マニホールド）４４が設けられる。燃料ガス供給連通孔４２および燃料ガス排出連通孔４４は、矢印Ｂ方向に長尺な長円状開口形状に設定される。
【００３２】
電解質膜・電極構造体３０は、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜４６と、この固体高分子電解質膜４６を挟持するアノード側電極４８およびカソード側電極５０とを備える（図４および図５参照）。
【００３３】
アノード側電極４８およびカソード側電極５０は、多孔質のカーボンペーパ、カーボンクロスまたはカーボン不織布等からなるガス拡散層と、白金系触媒がカーボン担体に担持されて固体高分子電解質膜４６の両面に塗布された電極触媒層とを有する。第１および第２セパレータ３２、３４は、導電性材料、例えば、緻密質のカーボン材料や金属で構成される。
【００３４】
図６に示すように、第１セパレータ３２のアノード側電極４８に向かう面３２ａには、燃料ガス供給連通孔４２と燃料ガス排出連通孔４４とを連通する燃料ガス流路５２が形成される。この燃料ガス流路５２は、例えば、矢印Ｃ方向に延在する複数本の溝部により構成される。
【００３５】
図７に示すように、第１セパレータ３２の面３２ａとは反対の面３２ｂには、冷却用空気流路５４が形成され、この冷却用空気流路５４は、両端が水平方向に延在しかつ中央部が傾斜する複数本の溝部により構成される。冷却用空気流路５４は、冷却用空気供給連通孔４０に連通する冷却用空気入口５４ａと、第１セパレータ３２の側部から外方に開放される冷却用空気出口５４ｂとを有する。
【００３６】
図８に示すように、第２セパレータ３４のカソード側電極５０に向かう面３４ａには、例えば、矢印Ｂ方向に１往復半だけ折り返す蛇行流路である反応用空気流路（酸化剤ガス流路）５６が設けられる。この反応用空気流路５６は、反応用空気供給連通孔３８に連通する反応用空気入口５６ａと、第２セパレータ３４の側部から、すなわち、発電セル１６の側部から外方に開放される反応用空気出口５６ｂとを有する。反応用空気入口５６ａは、第２セパレータ３４の上部側に設けられる一方、反応用空気出口５６ｂは、前記第２セパレータ３４の下部側に設けられる。
【００３７】
図３〜図５に示すように、エンドプレート２４ａには、積層体１８内の燃料ガス供給連通孔４２に連通する内部供給通路５８が形成されるとともに、燃料ガス排出連通孔４４に連通する内部排出通路６０が形成される。内部排出通路６０の最下部の高さ位置は、燃料ガス排出連通孔４４の最下部の高さ位置に対し、同等乃至距離Ｈ１だけ低い位置に設定される。エンドプレート２４ａには、内部供給通路５８に対応して第１ブロック６２が取り付けられる一方、内部排出通路６０に対応して第２ブロック６４が取り付けられる。
【００３８】
第１ブロック６２は、内部供給通路５８に沿って矢印Ｂ方向に長尺に構成される。第１ブロック６２の長手方向中央部には、矢印Ａ方向に突出して円筒部６２ａが設けられ、この円筒部６２ａに燃料ガス供給口６６が形成される。第２ブロック６４は、内部排出通路６０に対応して矢印Ｂ方向に長尺に構成されるとともに、その長手方向中央部には、水平方向（矢印Ａ方向）に突出する第１円筒部６８と、鉛直下方向（矢印Ｃ方向）に突出する第２円筒部７０とが設けられる。
【００３９】
第２ブロック６４内には、図３および図５に示すように、第１円筒部６８の先端に設けられる燃料ガス排出口７２に連通する燃料ガス排出口内通路７４が設けられる。燃料ガス排出口内通路７４の最下部の高さ位置は、内部排出通路６０の最下部の高さ位置と同等に設定され、実質的に、燃料ガス排出連通孔４４の最下部の高さと同等以下に設定される。第２円筒部７０には、排水部７６が設けられるとともに、前記排水部７６の入口７６ａの高さ位置は、燃料ガス排出口内通路７４の最下部の高さ位置に対し、同等乃至低い位置に設定される。
【００４０】
図１および図２に示すように、燃料電池スタック１０の積層方向両端には、スペーサ７７（図３参照）を介してバックアッププレート７８ａ、７８ｂが配設される。バックアッププレート７８ａには、反応用空気供給連通孔３８に連通する反応用空気供給口８０と、冷却用空気供給連通孔４０に連通する冷却用空気供給口８２と、燃料ガス供給連通孔４２に連通する燃料ガス供給口６６と、燃料ガス排出連通孔４４に連通する燃料ガス排出口７２とが設けられる。
【００４１】
ケーシング１４は、バックアッププレート７８ａ、７８ｂ間に積層される燃料電池スタック１０の角部に対応して配置され、前記燃料電池スタック１０を外部から締め付ける締結部材８８ａ、８８ｂ、８８ｃおよび８８ｄを備える。各締結部材８８ａ〜８８ｄは、燃料電池スタック１０の積層方向両端側からねじ９０を介してバックアッププレート７８ａ、７８ｂに固定される。締結部材８８ａ〜８８ｄは、絶縁層が表面に形成された軽合金で形成される。
【００４２】
締結部材８８ａ〜８８ｄには、下板９２ａ、上板９２ｂおよび両側板９２ｃ、９２ｄがねじ止め固定される。下板９２ａ、上板９２ｂおよび側板９２ｃ、９２ｄは、めっき鋼板や樹脂等で構成される。
【００４３】
図２に示すように、側板９２ｃの上部側には、各発電セル１６の冷却用空気流路５４を構成する冷却用空気出口５４ｂに対応して、矢印Ａ方向に延在する冷却用空気排気口９４が形成される。この側板９２ｃの下部側には、各発電セル１６の反応用空気出口５６ｂに対応して、反応用空気排気口９６が矢印Ａ方向に延在して形成されるとともに、この反応用空気排気口９６を囲繞してダクト部９８が設けられる。締結部材８８ａには、矢印Ａ方向に延在する液状水流路１００が設けられ、この液状水流路１００の略中央部には、排水口１０２が設けられる。
【００４４】
図１に示すように、バックアッププレート７８ａには、反応用空気供給口８０に反応用空気を供給するための第１ブロア１１０と、冷却用空気供給口８２に冷却用空気を供給するための第２ブロア１１２とが接続されるとともに、燃料ガス供給口６６に燃料ガスを供給するための水素ボンベ１１４が減圧弁１１６を介して接続される。
【００４５】
燃料ガス排出口７２に排ガス流路１１８が接続されるとともに、この排ガス流路１１８には、排ガス開閉弁１２０が接続される。排水部７６には、排水流路１２２が接続され、前記排水流路１２２は、鉛直下方向に延在して所定の高さ位置に排水開閉弁１２４が配置される。
【００４６】
このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。
【００４７】
まず、燃料電池スタック１０では、作動温度が比較的低温、例えば、６０℃以下、より好ましくは、３０℃〜５０℃の範囲内に設定されている。また、反応ガスの作動圧力は、水素供給圧力が０．１ｋＰａ〜５０ｋＰａであり、空気供給圧力が０．１ｋＰａ〜５０ｋＰａである。なお、通常発電時には、排ガス開閉弁１２０および排水開閉弁１２４が閉塞されている。
【００４８】
そこで、図１に示すように、燃料電池システム１２では、水素ボンベ１１４から減圧弁１１６を介して０．１ｋＰａ〜５０ｋＰａ程度に減圧された燃料ガスが、燃料ガス供給口６６から燃料電池スタック１０に供給される。この燃料電池スタック１０内では、燃料ガスが燃料ガス供給連通孔４２に供給され、この燃料ガス供給連通孔４２から第１セパレータ３２の燃料ガス流路５２に導入される（図５および図６参照）。従って、燃料ガスは、電解質膜・電極構造体３０のアノード側電極４８に沿って鉛直下方向に移動する。
【００４９】
一方、図１に示すように、反応用空気は、第１ブロア１１０を介して０．１ｋＰａ〜５０ｋＰａ程度の導入圧力で反応用空気供給口８０から燃料電池スタック１０に供給される。この燃料電池スタック１０内では、反応用空気が反応用空気供給連通孔３８に供給され、この反応用空気供給連通孔３８から第２セパレータ３４の反応用空気流路５６に導入される（図５および図８参照）。このため、反応用空気は、電解質膜・電極構造体３０のカソード側電極５０に沿って蛇行しながら移動する。
【００５０】
従って、各電解質膜・電極構造体３０では、アノード側電極４８に供給される燃料ガスと、カソード側電極５０に供給される反応用空気とが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる（図４および図５参照）。
【００５１】
また、図１に示すように、冷却用空気は、第２ブロア１１２を介して冷却用空気供給口８２から燃料電池スタック１０に供給される。この燃料電池スタック１０内では、冷却用空気が冷却用空気供給連通孔４０に供給され、この冷却用空気供給連通孔４０から第１セパレータ３２の冷却用空気流路５４に導入される（図５および図７参照）。このため、冷却用空気は、電解質膜・電極構造体３０に沿って移動し、各発電セル１６の運転温度が６０℃以下、より好ましくは、３０℃〜５０℃になるように冷却する。
【００５２】
これにより、各発電セル１６が比較的低温で運転され、反応用空気および燃料ガスを無加湿、あるいは低加湿で使用しても、固体高分子電解質膜４６が乾燥し難くなり、加湿器等の周辺補器が不要になるという効果がある。
【００５３】
次いで、アノード側電極４８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔４４に排出されて矢印Ａ方向に流動し、エンドプレート２４ａの内部排出通路６０から燃料ガス排出口７２を介して排ガス流路１１８に排出される（図５参照）。一方、カソード側電極５０に供給されて消費された反応用空気は、反応用空気流路５６の反応用空気出口５６ｂからダクト部９８を介して外部に排出される（図２参照）。
【００５４】
上記のように、燃料電池スタック１０の運転温度は、６０℃以下（好ましくは３０℃〜５０℃）と低温であり、発電反応によりカソード側電極５０で生成される生成水は、液状水として存在する割合が大きい。この液状水は、反応用空気流路５６に沿って流れるとともに、一部が固体高分子電解質膜４６を拡散してアノード側電極４８に移動し、燃料ガス流路５２に沿って流動する。そして、液状水は、燃料ガス流路５２の出口側（下端側）に連通する燃料ガス排出連通孔４４に排出され、この燃料ガス排出連通孔４４に沿ってエンドプレート２４ａ側に移動する。
【００５５】
この場合、第１の実施形態では、図５に示すように、エンドプレート２４ａの内部排出通路６０の最下部の高さ位置が、燃料ガス排出連通孔４４の最下部の高さ位置に対して、同等乃至距離Ｈ１だけ低くなるように設定されるとともに、排水部７６の入口７６ａの高さ位置が、前記内部排出通路６０（および燃料ガス排出口内通路７４）と同等以下の高さに設定されている。
【００５６】
このため、燃料ガス排出連通孔４４に排出された液状水は、エンドプレート２４ａの内部排出通路６０に円滑に排出された後、入口７６ａから排水部７６を介して鉛直下方向に確実に排水される。従って、燃料ガス排出連通孔４４や燃料ガス流路５２が液状水により閉塞されることがなく、簡単な構成で、各発電セル１６の発電性能の低下を可及的に阻止することが可能になる。
【００５７】
さらに、液状水は、排水部７６に接続された排水流路１２２に排出されて、排水開閉弁１２４の上方に貯留される（図１参照）。この液状水は、閉塞されている排水開閉弁１２４と入口７６ａとの間のスペースに貯留される。この入口７６ａまで前記液状水が満たされた後、排ガス流路１１８内およびエンドプレート２４ａ内の液状水面が燃料ガス排出連通孔４４の最下部の高さ位置に至るまで、前記液状水が蓄積される。
【００５８】
このように、燃料電池スタック１０の運転時に生成される液状水が、燃料ガス排出連通孔４４に排出されて、排水部７６の排水開閉弁１２４から前記燃料ガス排出連通孔４４の最下部の高さ位置に蓄積されるまでの間、前記燃料ガス排出連通孔４４内および燃料ガス流路５２が前記液状水により閉塞されることはない。これにより、各発電セル１６の発電性能を維持するために必要なパージの間隔が良好に長尺化されるとともに、パージによる燃料ガスの消費が一層削減され、経済的であるという効果が得られる。
【００５９】
ところで、排水部７６に貯留されている液浄水の水位が上昇し、燃料ガス流路５２が前記液状水により閉塞される前にパージが行われる。その際、排ガス流路１１８の排ガス開閉弁１２０および排水流路１２２の排水開閉弁１２４が、同時に開放される。
【００６０】
このため、燃料ガス排出連通孔４４、エンドプレート２４ａの内部排出通路６０、排水部７６の排水流路１２２および排ガス流路１１８に蓄積されていた液状水は、前記排水流路１２２と前記排ガス流路１１８との２系統から供給される燃料ガスの圧力に加え、前記排水流路１２２内での重力の作用によって、迅速かつ確実に排出される。従って、燃料電池スタック１０内に液状水が残存することを可及的に阻止し、各発電セル１６のセル電圧が良好に安定化するという利点がある。
【００６１】
実施例
燃料電池システム１２において、燃料ガスは、水素ボンベ１１４から減圧弁１１６を介して供給圧力が２３ｋＰａに調整されて燃料ガス供給口６６に供給される一方、反応用空気は、第１ブロア１１０を介して２．５ｋＰａの入口圧力となるように反応用空気供給口８０に供給され、燃料電池スタック１０が始動された。
【００６２】
その後、反応用空気供給口８０に反応用空気の供給を継続するとともに、排ガス開閉弁１２０および排水開閉弁１２４を閉塞して燃料ガス側をデッドエンドにして運転を行った。
【００６３】
この場合、燃料電池スタック１０の１つの発電セル１６を電圧変化検出用のモニタとして使用した。そして、モニタとして使用された発電セル１６のセル電圧が０．３５Ｖに低下したとき、排ガス開閉弁１２０および排水開閉弁１２４を開放して、排ガス流路１１８と排水流路１２２との２系統からパージを行った。次いで、排ガス開閉弁１２０および排水開閉弁１２４を閉塞し、燃料ガス側をデッドエンドにして上記の操作を繰り返し行った。
【００６４】
図９には、モニタとして使用された発電セル１６において、セル電圧およびセル温度の経時変化が示されている。図９から諒解されるように、燃料電池スタック１０の運転開始時からセル電圧が０．３５Ｖに低下するまでに要した時間は、略２２０分であった。この時点で、排ガス開閉弁１２０および排水開閉弁１２４を開放してパージを行い、１秒後に前記排ガス開閉弁１２０および前記排水開閉弁１２４を閉塞した。
【００６５】
以後、セル電圧が０．３５Ｖに低下した時点で上記の運転を繰り返したところ、いずれのパージにおいてもセル電圧は初期電圧と同等レベルに復帰し、１回毎の燃料ガス側デッドエンド運転は、略２２０分〜２５０分だけ継続された。さらに、セル電圧の変動が少ない安定した発電状態は、略１５０分〜１７０分だけ継続して行われた。
【００６６】
これに対して、比較例として、図１０に示す燃料電池スタック１０ａを組み込む燃料電池システム１２ａを用いて燃料ガス側デッドエンド運転を行った。なお、燃料電池システム１２と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００６７】
この燃料電池システム１２ａに組み込まれる燃料電池スタック１０ａでは、排水部７６を設けておらず、この燃料電池スタック１０ａで燃料ガスが消費された排ガスは、排ガス流路１１８にのみ排出されるように構成されている。そこで、燃料電池システム１２ａにより燃料ガス側のデッドエンド運転を行い、セル電圧が０．３５Ｖに低下した際に、排ガス開閉弁１２０を開放してパージを行ったところ、図１１に示す結果が得られた。
【００６８】
図１１から諒解されるように、燃料電池スタック１０ａの運転開始からセル電圧が０．３５Ｖに低下するまでに要した時間は略５０分であり、パージによってセル電圧は初期電圧と同等レベルに復帰した。しかしながら、１回毎の燃料ガス側デッドエンド運転の継続時間は、略５０分〜１２０分と著しく短くなっており、しかも、電圧変動が少ない安定した発電状態は数分〜４０分程度しか継続されなかった。
【００６９】
このように、実施例では、１回毎のデッドエンド運転の継続時間および電圧変動の少ない安定した発電状態の継続時間は、いずれも比較例である燃料電池システム１２ａに比べて相当に向上するという結果が得られた。
【００７０】
図１２は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック１４０を組み込む燃料電池システム１４２の概略斜視説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０を組み込む燃料電池システム１２と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００７１】
この燃料電池スタック１４０は、排水流路１２２に排水部７６の入口７６ａと、排水開閉弁１２４との間に位置して、液浄水を貯留するためのタンク１４４を配設している。このため、第２の実施形態では、排水部７６に排水される液状水が、排水開閉弁１２４と入口７６ａとの間で排水流路１２２内に貯留されるとともに、タンク１４４にも貯留される。従って、排水部７６全体の容積が大幅に拡大され、この排水部７６に貯留される液状水量が増大してパージの間隔が相当に長尺化されるとともに、パージによる燃料ガスの消費が一層削減されるという効果が得られる。
【００７２】
図１３は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック１５０を組み込む燃料電池システム１５２の概略斜視説明図である。この燃料電池スタック１５０では、排水部７６に鉛直方向に離間して第１排水開閉弁１５４と第２排水開閉弁１５６とが配設されている。
【００７３】
第３の実施形態では、まず、上方の第１排水開閉弁１５４が開放される一方、下方の第２排水開閉弁１５６が閉塞された状態で、燃料電池スタック１５０の運転が開始される。このため、各発電セル１６で水素が消費された排ガスは、燃料ガス排出口７２から排ガス流路１１８に排出されるとともに、液状水は排水部７６の下方に向かって延在する排水流路１２２に排出され、第２排水開閉弁１５６の上方に貯留される。
【００７４】
その際、燃料ガス排出連通孔４４に液状水が蓄積されず、燃料ガス流路５２もこの液状水で閉塞されることがないため（図５参照）、燃料ガスの供給が阻害されることがなく、燃料電池スタック１５０の発電性能の低下を確実に回避することができる。
【００７５】
次いで、排水流路１２２に蓄積される液状水が第１排水開閉弁１５４に到達する以前に、前記第１排水開閉弁１５４を閉塞する一方、第２排水開閉弁１５６を開放する。従って、第１および第２排水開閉弁１５４、１５６の間に貯留されている液状水は、排水部７６から確実に排出される。この場合、第１および第２排水開閉弁１５４、１５６の間に排ガスがほとんど存在しないため、液状水とともに排出される燃料ガスの量は極めて少量となり、経済的であるという効果が得られる。
【００７６】
なお、第１および第２排水開閉弁１５４、１５６の間には、液状水を貯留するためのタンク１５８を配設してもよい。これにより、排水部７６に貯留される液状水量が大幅に増大し、パージの間隔がさらに長尺化されるとともに、パージによる燃料ガスの消費が一層削減されるという利点がある。
【００７７】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックでは、固体高分子電解質膜を拡散してカソード側電極からアノード側電極に移動する液状水は、燃料ガス排出用内部マニホールドに排出された後、この燃料ガス排出用内部マニホールドの最下部の高さと同等以下の高さに設定された入口から排水部に円滑に排水される。従って、燃料ガス排出用内部マニホールドや燃料ガス流路が液状水により閉塞されることがなく、簡単な構成で、発電性能の低下を可及的に阻止することが可能になる。
【００７８】
また、排水流路には、排水開閉弁の上方に液状水が貯留されるため、発電性能を維持するために必要なパージの間隔を長く設定することができる。従って、パージにより不要に消費される燃料ガス量を有効に削減することが可能になり、経済的なものとなる。しかも、排ガス流路と排水流路との２系統でパージが行われるため、燃料電池スタック内に液状水が残存することを可及的に阻止し、発電時のセル電圧が良好に安定化する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックを組み込む燃料電池システムの概略斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池スタックを収容保持するケーシングの分解概略斜視図である。
【図３】前記燃料電池スタックの一部切り欠き斜視図である。
【図４】前記燃料電池スタックの一部分解概略斜視図である。
【図５】前記燃料電池スタックの一部断面図である。
【図６】前記燃料電池スタックを構成する第１セパレータの一方の面の正面図である。
【図７】前記第１セパレータの他方の面の正面図である。
【図８】前記燃料電池スタックを構成する第２セパレータの正面説明図である。
【図９】実施例によるセル電圧およびセル温度の経時変化の説明図である。
【図１０】比較例として用いられる燃料電池スタックを組み込む燃料電池システムの概略斜視説明図である。
【図１１】前記比較例によるセル電圧およびセル温度の経時変化の説明図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックを組み込む燃料電池システムの概略斜視説明図である。
【図１３】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックを組み込む燃料電池システムの概略斜視説明図である。
【図１４】特許文献１の水素フレームの概略説明図である。
【符号の説明】
１０、１０ａ、１４０、１５０…燃料電池スタック
１２、１２ａ、１４２、１５２…燃料電池システム
１４…ケーシング                １６…発電セル
１８…積層体                    ３０…電解質膜・電極構造体
３２、３４…セパレータ          ３６ａ、３６ｂ…シール部材
３８…反応用空気供給連通孔      ４０…冷却用空気供給連通孔
４２…燃料ガス供給連通孔        ４４…燃料ガス排出連通孔
４６…固体高分子電解質膜        ４８…アノード側電極
５０…カソード側電極            ５２…燃料ガス流路
５４…冷却用空気流路            ５４ａ…冷却用空気入口
５４ｂ…冷却用空気出口          ５６…反応用空気流路
５６ａ…反応用空気入口          ５６ｂ…反応用空気出口
５８…内部供給通路              ６０…内部排出通路
６２、６４…ブロック            ６６…燃料ガス供給口
７２…燃料ガス排出口            ７４…燃料ガス排出口内通路
７６…排水部                    ７６ａ…入口
７８ａ、７８ｂ…バックアッププレート
８８ａ〜８８ｄ…締結部材        ９２ａ…下板
９２ｂ…上板                    ９２ｃ、９２ｄ…側板
１１０、１１２…ブロア          １１４…水素ボンベ
１１６…減圧弁                  １４４、１５８…タンク
１５４、１５６…排水開閉弁
【図１】
2004327059.tif 000003
【図２】
2004327059.tif 000004
【図３】
2004327059.tif 000005
【図４】
2004327059.tif 000006
【図５】
2004327059.tif 000007
【図６】
2004327059.tif 000008
【図７】
2004327059.tif 000009
【図８】
2004327059.tif 000010
【図９】
2004327059.tif 000011
【図１０】
2004327059.tif 000012
【図１１】
2004327059.tif 000013
【図１２】
2004327059.tif 000014
【図１３】
2004327059.tif 000015
【図１４】
2004327059.tif 000016