(57)【要約】【課題】燃料電池スタックの発電セルを効率的に冷却して適正な温度に維持するとともに、発電効率を向上させる。【解決手段】燃料電池スタックの積層体１８には、複数の発電セル１６が積層されて備えられる。この発電セル１６における第１セパレータ３２には、冷却用空気を流通させる複数の冷却用空気流路５４が形成される。この冷却用空気流路５４は、１．２〜４ｍｍ２の開口断面積を有し、かつ冷却用空気流路５４の溝部の幅Ｗに対する深さＤの比が１．２以上、すなわち、「Ｄ／Ｗ≧１．２」に設定される。【選択図】図５
2004327087.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、前記発電セルが複数積層して積層方向に締め付けられる燃料電池スタックであって、
少なくとも一方の前記セパレータには、前記燃料ガス流路または前記酸化剤ガス流路が設けられた面とは反対の面に冷却媒体を流通させる複数の冷却媒体流路が設けられ、
前記冷却媒体流路は、１．２〜４ｍｍ２の開口断面積を有し、かつ前記冷却媒体流路の溝部の幅に対する深さの比が１．２以上に設定されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、隣接する前記冷却媒体流路は、互いに０．５〜１ｍｍだけ離間して配設され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、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（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
この場合、燃料電池スタックの作動温度は約５０℃であり、この燃料電池スタックを適正温度に維持し、かつ定格性能を確保して運転するため、該燃料電池スタックには、冷却セパレータの左半分および右半分を接合して冷却流路を形成した冷却セルが組み込まれている。
【０００７】
【特許文献１】
米国特許第５，８７９，８２６号明細書（第１３欄第１行〜第１４行、図１１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記の燃料電池スタックでは、冷却セルの冷却流路に冷却媒体を流通させるために、該燃料電池による電力を利用して冷却媒体供給用補器を駆動している。このため、この冷却媒体供給用補器の消費電力、あるいは電力損失が大きくなると燃料電池スタックの発電効率が低下するという問題がある。
【０００９】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、発電セルを効率的に冷却して適正な温度に維持するとともに、発電効率を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。
【００１０】
【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。
【００１１】
そして、少なくとも一方のセパレータには、燃料ガス流路または酸化剤ガス流路が設けられた面とは反対の面に冷却媒体を流通させる複数の冷却媒体流路が設けられ、この冷却媒体流路は、１．２〜４ｍｍ２の開口断面積を有し、かつ前記冷却媒体流路の溝部の幅に対する深さの比が１．２以上に設定されている。
【００１２】
これにより、冷却媒体流路を流通する冷却媒体の圧力損失を可及的に少なくすることが可能となるため、冷却媒体の供給圧力を有効に低減することができる。その結果、燃料電池スタックに冷却媒体を供給するための冷却媒体供給用補器の消費電力を削減することが可能になり、燃料電池スタックの発電効率を向上させることができる。
【００１３】
その上、セパレータにおける冷却媒体流路を効率的に配置することが可能になるため、燃料電池スタックが効率的に冷却され、その運転温度を適正に維持することができる。しかも、冷却媒体流路に対する積層方向の単位発電セル同士の接触面積を十分に確保することができ、燃料電池の集電用ターミナルプレート間の電圧低下を回避することが可能になる。その結果、燃料電池スタックの発電効率をより向上させることができる。
【００１４】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池スタックでは、隣接する前記冷却媒体流路は、互いに０．５〜１ｍｍだけ離間して配設される。これにより、セパレータに冷却媒体流路を容易に形成することが可能になるとともに、冷却媒体流路を効率的に配置することができる。その結果、燃料電池スタックが効率的に冷却され、その運転温度をより適正に維持することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明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の概略分解斜視図であり、図３は、前記燃料電池スタック１０および前記ケーシング１４の一部断面説明図である。
【００１６】
燃料電池スタック１０は、図２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。
【００１７】
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。
【００１８】
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（冷却媒体）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。
【００１９】
発電セル１６の矢印Ｃ方向（鉛直方向）の一端縁部には、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の開口形状に設定される。
【００２０】
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）。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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（冷却媒体流路）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。
【００２４】
図３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。
【００２５】
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、バックアッププレート５８ａ、５８ｂが配設される。バックアッププレート５８ａ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６０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６２と、燃料ガス供給連通孔４２に連通する燃料ガス供給口６４と、燃料ガス排出連通孔４４に連通する燃料ガス排出口６６とが設けられる。
【００２６】
ケーシング１４は、バックアッププレート５８ａ、５８ｂ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６８ａ、６８ｂ、６８ｃおよび６８ｄを備える。各締結部材６８ａ〜６８ｄは、燃料電池スタック１０の積層方向両端側からねじ７０を介してバックアッププレート５８ａ、５８ｂに固定される。締結部材６８ａ〜６８ｄは、絶縁層が表面に形成された軽合金で形成される。
【００２７】
締結部材６８ａ〜６８ｄには、下板７２ａ、上板７２ｂおよび側板７２ｃ、７２ｄがねじ止めにより固定される。下板７２ａ、上板７２ｂおよび側板７２ｃ、７２ｄは、めっき鋼板や樹脂等で構成される。
【００２８】
図２および図３に示すように、側板７２ｃ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７４が形成される。この側板７２ｃ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７６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７６を囲繞してダクト部７８が設けられる。
【００２９】
図３に示すように、反応用空気出口５６ｂの下方には、液状水を排出するための排水部８０が設けられる。排水部８０は、反応用空気出口５６ｂから落下する液状水を受ける液状水受部８２と、締結部材６８ａに形成されて矢印Ａ方向に延在する液状水流路８４と、前記液状水受部８２と前記液状水流路８４との間に配置され、前記液状水受部から前記液状水流路８４に落下する液状水が発電セル１６の下部に浸入することを阻止する舌片状シール部８６とを有する。
【００３０】
液状水受部８２は、ダクト部７８の下部に設けられており、横方向に飛散する液状水を液状水流路８４に案内する。液状水流路８４は、締結部材６８ａに沿って矢印Ａ方向に長尺状に形成されるとともに、この液状水流路８４の略中央部には、排水口８８が設けられる。シール部８６は、シール部材３６ａの燃料ガス排出連通孔４４を囲繞する下端一方の角部に一体的に設けられ、前記燃料ガス排出連通孔４４の近傍から締結部材６８ａ側に突出している。
【００３１】
図１に示すように、バックアッププレート５８ａには、反応用空気供給口６０に反応用空気を供給するための第１ブロア９０と、冷却用空気供給口６２に冷却用空気を供給するための冷却媒体供給用補器としての第２ブロア９２とが接続されるとともに、燃料ガス供給口６４に燃料ガスを供給するための水素ボンベ９４が減圧弁９６を介して接続される。
【００３２】
ところで、冷却用空気流路５４は、図７に示すように、冷却用空気入口５４ａから冷却用空気出口５４ｂに連通し、冷却用空気入口５４ａ側において水平方向に延在する水平部位５５ａと、冷却用空気出口５４ｂ側において水平方向に延在する水平部位５５ｂと、これらの水平部位５５ａ、５５ｂの間に配置される傾斜部位５５ｃとを有する。冷却用空気流路５４の傾斜部位５５ｃの一部には、１つの冷却用空気流路５４を２つに分流する分岐壁部５７が設けられる。
【００３３】
なお、冷却用空気流路５４の数は、冷却用空気入口５４ａにおける冷却用空気供給連通孔４０との関係によって制約を受けるが、本実施形態では、冷却用空気入口５４ａにおいて、例えば、３４個の冷却用空気流路５４を設けるようにしている。そして、冷却用空気流路５４の傾斜部位５５ｃにおける上方側に６つ、および下方側に４つの分岐壁部５７をそれぞれ設けている（図７参照）。従って、傾斜部位５５ｃから水平部位５５ｂにおいて、４４個の冷却用空気流路５４が設けられることになる。このように冷却用空気流路５４を構成することで、発電セル１６の温度が上昇し易い中央部付近の冷却性能を高めるとともに、冷却用空気が流通する際の圧力損失を低減することができる。
【００３４】
また、本実施形態では、冷却用空気流路５４の開口断面積は、１．２ｍｍ２以上、より好ましくは、１．２〜４ｍｍ２に設定され、かつ冷却用空気流路５４の溝部の幅Ｗに対する深さＤの比（アスペクト比ともいう）が１．２以上、すなわち「Ｄ／Ｗ≧１．２」に設定される（図５参照）。
【００３５】
このように、冷却用空気流路５４の開口断面積およびアスペクト比を前記の範囲に設定すると、第２ブロア９２から供給される冷却用空気の圧力、すなわち供給圧力を高くする必要がなくなり、その結果、第２ブロア９２の小型化が可能になるとともに、第２ブロア９２の消費電力を削減することが可能になり好ましい。これにより、燃料電池スタック１０のネット出力が低下することを回避して、燃料電池スタック１０の発電効率を向上させることができる。
【００３６】
また、冷却用空気流路５４の開口断面積およびアスペクト比を前記の範囲に設定することにより、第１セパレータ３２の面３２ｂにおける冷却用空気流路５４が効率的に配置され、該冷却用空気流路５４の数を十分に確保することが可能になるとともに、冷却用空気流路５４の相互の間隔、すなわち前記壁部５９の数も十分に確保することが可能になる。これにより、積層方向の各発電セル１６同士の接触面積が十分に確保されて、各発電セル１６同士の接触抵抗の増大が回避されるので、集電用ターミナルプレート２０ａ、２０ｂ間の電圧低下を回避することが可能になる。その結果、燃料電池スタック１０の発電効率をより向上させることができる。
【００３７】
さらに、隣接する冷却用空気流路５４は、互いに０．５〜１ｍｍだけ離間して配設される（図５参照）。すなわち、隣接する冷却用空気流路５４の相互間には、寸法ｔを有する壁部５９が設けられる。これにより、第１セパレータ３２に冷却用空気流路５４を形成するための溝部の加工が容易になる一方、該溝部に対して形成される壁部５９の破損等を回避することができる。また、第１セパレータ３２の面３２ｂに配置される冷却用空気流路５４の数を十分に確保することが可能になるので、燃料電池スタック１０を効率的に冷却することができる。
【００３８】
なお、冷却用空気流路５４の開口断面積が４ｍｍ２より大きく、かつアスペクト比が１．２以上の場合には、冷却用空気流路５４の溝部の深さＤがより大きくなり、燃料電池スタック１０が積層方向に大型化するので好ましくない。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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９４から減圧弁９６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６４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。
【００４２】
一方、図１に示すように、反応用空気は、第１ブロア９０を介して０．１ｋＰａ〜５０ｋＰａ程度の導入圧力で反応用空気供給口６０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３および図５参照）。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。
【００４３】
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）。
【００４４】
また、図１に示すように、冷却用空気は、第２ブロア９２を介して冷却用空気供給口６２から燃料電池スタック１０に供給される。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に導入されて、電解質膜・電極構造体３０に沿って移動する（図５および図７参照）。
【００４５】
この際、発電セル１６当たりの冷却用空気の流量Ｖａｉｒ［ｎｏｒｍａｌ  ｌ／ｍｉｎ．］は、以下の（１）式によって求められる。
【００４６】
Ｖａｉｒ＝｛Ｑ／（Ｃｐ×（Ｔｏｕｔ−Ｔｉｎ）×０．６）｝×（２２．４／２８．８）×１０００                                                  …（１）
Ｑ＝（Ｖ０−Ｖ）×Ｉ×Ｓ×６０
Ｑ：発電セル１６の１分間当たりに発生する発熱量［Ｊ／ｍｉｎ．］
Ｖ０：燃料ガスおよび酸化剤ガスの反応による理論上の起電力［ｖ］
Ｖ：電極面の面積Ｓ［ｃｍ２］のときのセル電圧［ｖ］
Ｉ：発電セル１６当たりの定格電流密度［Ａ／ｃｍ２］
Ｃｐ：冷却用空気の比熱［Ｊ／ｋｇ・Ｋ］
Ｔｏｕｔ：冷却用空気出口５４ｂにおける冷却用空気の出口温度［Ｋ］
Ｔｉｎ：冷却用空気入口５４ａにおける冷却用空気の入口温度［Ｋ］
【００４７】
なお、燃料電池スタック１０から、冷却用空気が発熱量Ｑを除去する際の効率は６０％としている。
【００４８】
そこで、例えば、発電セル１６を積層した定格発電容量が１．４ｋＷの燃料電池スタック１０の場合において、理論上の起電力Ｖ０が１．２ｖ、定格電流密度Ｉが０．２Ａ／ｃｍ２、電極面積Ｓが１５０ｃｍ２のときのセル電圧Ｖが０．７ｖ、空気の比熱Ｃｐが１００７Ｊ／ｋｇ・Ｋ、冷却用空気の出口温度Ｔｏｕｔが３３３Ｋおよび冷却用空気の入口温度Ｔｉｎが２９３Ｋとして、上記の式▲１▼により算出すると、冷却用空気の流量Ｖａｉｒは２９ｎｏｒｍａｌ  ｌ／ｍｉｎ．となる。
【００４９】
一方では、燃料電池スタック１０のネット出力をより増大させるために、冷却用空気を供給する第２ブロア９２の消費電力、換言すると、第２ブロア９２における電力損失を、例えば、１００Ｗ以下に抑制する必要がある。すなわち、第２ブロア９２に一般的なブロアを用いる場合には、冷却用空気の供給圧力が０．７ｋＰａ以下のものに限定する必要がある。
【００５０】
そこで、前記壁部５９の寸法ｔを０．９ｍｍに一定として、上記の冷却用空気流路５４の開口断面積およびアスペクト比を変化させて、発電セル１６当たりの冷却用空気の流量Ｖａｉｒと、第２ブロア９２の供給圧力との関係について実験を行った。
【００５１】
その結果、図８に示すように、上記の流量Ｖａｉｒを２９ｎｏｒｍａｌ  ｌ／ｍｉｎ．以上確保するとともに、第２ブロア９２の供給圧力が０．７ｋＰａ以下となる範囲（図６中、網掛部分参照）を満たす条件は、冷却用空気流路５４の開口断面積が１．２ｍｍ２以上、かつアスペクト比が１．２以上であることが把握できる。
【００５２】
このように、冷却用空気流路５４を構成するとともに、該冷却用空気流路５４の開口断面積およびアスペクト比、さらには、壁部５９の寸法ｔの条件を上記のように設定することによって、燃料電池スタック１０の発電セル１６が効率的に冷却され、適正な温度、例えば、発電セル１６の運転温度を６０℃以下、さらには３０℃〜５０℃に維持することができる。
【００５３】
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。
【００５４】
なお、冷却用空気流路５４に沿って移動した冷却用空気は、この冷却用空気流路５４の冷却用空気出口５４ｂから、直接、外部に排出される。従って、冷却用空気排出マニホールドを設ける必要がなく、第２ブロア９２の消費電力がより削減されるとともに、燃料電池スタック１０全体の小型化が可能になる。
【００５５】
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、バックアッププレート５８ａの燃料ガス排出口６６から外部に排出される。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７８を介して外部に排出される。
【００５６】
この場合、燃料電池スタック１０の運転温度は、６０℃以下（より好ましくは３０℃〜５０℃）と低温であり、発電反応により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、低圧の未反応の反応用空気とともに、反応用空気流路５６の反応用空気出口５６ｂから放出される。
【００５７】
このため、未反応の反応用空気は、液状水から分離され、水蒸気状の生成水とともに側板７２ｃのダクト部７８を介して、直接、外部に排出される。一方、液状水は、重力によって反応用空気出口５６ｂから下方に、すなわち、排水部８０に落下する。なお、液状水の一部がダクト部７８側に飛散しても、このダクト部７８の下部に設けられている液状水受部８２を介して、前記液状水が捕捉され、該液状水を排水部８０側に確実に落下させることができる。
【００５８】
上記のように、排水部８０に落下した液状水は、シール部材３６ａに一体的に設けられているシール部８６で一旦受けられた後、下方に落下する。従って、この落下した液状水は、発電セル１６の下部側に浸入することがなく、例えば、燃料ガス流路５２や反応用空気流路５６が液状水の浸入により閉塞されることがない。従って、液状水は、シール部８６の下方に設けられている液状水流路８４に円滑に落下し、この液状水流路８４の略中央部に設けられている排水口８８から燃料電池スタック１０の外部に確実に排出される。
【００５９】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックでは、冷却媒体流路を流通する冷却媒体の圧力損失を可及的に少なくすることが可能となるため、冷却媒体の供給圧力を有効に低減することができる。その結果、燃料電池スタックに冷却媒体を供給するための冷却媒体供給用補器の消費電力を削減することが可能になり、燃料電池スタックの発電効率を向上させることができる。
【００６０】
また、セパレータにおける冷却媒体流路を効率的に配置することが可能になるため、燃料電池スタックが効率的に冷却され、その運転温度を適正に維持することができる。しかも、冷却媒体流路に対する積層方向の単位発電セル同士の接触面積を十分に確保することができ、燃料電池の集電用ターミナルプレート間の電圧低下を回避することが可能になる。その結果、燃料電池スタックの発電効率をより向上させることができる。
【００６１】
さらに、セパレータにおける冷却媒体流路を容易に形成することが可能になるとともに、冷却媒体流路を効率的に配置することができる。その結果、燃料電池スタックが効率的に冷却され、その運転温度をより適正に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明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概略分解斜視図である。
【図３】前記燃料電池スタックおよび前記ケーシングの一部断面説明図である。
【図４】前記燃料電池スタックの概略一部分解斜視図である。
【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】前記燃料電池スタックを構成する第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における発電セル当たりの冷却用空気の流量と、第２ブロアの供給圧力との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０…燃料電池スタック            １２…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            ５５ａ、５５ｂ…水平部位
５５ｃ…傾斜部位                  ５６…反応用空気流路
５６ａ…反応用空気入口            ５６ｂ…反応用空気出口
５７…分岐壁部                    ５９…壁部
６０…反応用空気供給口            ６２…冷却用空気供給口
６４…燃料ガス供給口              ６６…燃料ガス排出口
７４…冷却用空気排気口            ７６…反応用空気排気口
９０、９２…ブロア                ９４…水素ボンベ
【図１】
2004327087.tif 000003
【図２】
2004327087.tif 000004
【図３】
2004327087.tif 000005
【図４】
2004327087.tif 000006
【図５】
2004327087.tif 000007
【図６】
2004327087.tif 000008
【図７】
2004327087.tif 000009
【図８】
2004327087.tif 000010