(57)【要約】【課題】周辺補器を有効に削減することができ、簡単かつ小型な構成で、発電性能の向上を図ることを可能にする。【解決手段】燃料電池システム１２では、水素ボンベ８８から減圧弁９０を介して０．１ｋＰａ〜５０ｋＰａ程度に減圧された燃料ガスが、第３流量制御器９２により電極１ｃｍ２当たりの水素供給量が０．００１４ｎｏｒｍａｌ  ｌ／ｍｉｎ〜０．０１４ｎｏｒｍａｌ  ｌ／ｍｉｎに調整された後、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。反応用空気は、第１ブロア８０を介して０．１ｋＰａ〜５０ｋＰａ程度に加圧され、第１流量制御器８２により所定の空気供給量に調整されるとともに、常に、水素供給量の１．５倍〜２５倍程度になるように、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。【選択図】図１
2004327060.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複数の発電セルを備え、作動温度が６０℃以下の燃料電池スタックであって、
前記燃料ガス流路は、前記燃料ガスを重力方向に沿って流すとともに、該燃料ガスの供給圧力が０．１ｋＰａ〜５０ｋＰａで、かつ電極１ｃｍ２当たりの供給量が０．００１４ｎｏｒｍａｌ  ｌ／ｍｉｎ〜０．０１４ｎｏｒｍａｌ  ｌ／ｍｉｎに設定される一方、
前記酸化剤ガス流路は、前記酸化剤ガスを反重力方向に沿って流す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、電極１ｃｍ２当たりの前記酸化剤ガスの供給量は、前記燃料ガスの供給量の１．５倍〜２５倍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３】
請求項１または２記載の燃料電池スタックにおいて、前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスは、無加湿状態で供給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（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】
一般的に、燃料電池では、一方のセパレータには、セパレータの面方向に沿って燃料ガスを流すための燃料ガス流路が形成されるとともに、他方のセパレータには、セパレータの面方向に沿って酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路が形成されている。さらに、いずれかのセパレータまたは別のセパレータには、セパレータの面方向に沿って冷却媒体を流すための冷却媒体流路が形成されている。
【０００５】
例えば、特許文献１に開示されている燃料電池スタックは、図１０に示すように、カソードプレート１とアノードプレート２とを備えている。カソードプレート１の面内には、蛇行流路３が形成されており、この蛇行流路３は、酸化剤ガス入口４ａと酸化剤ガス出口４ｂとに連通している。アノードプレート２の面内には、蛇行流路５が形成されるとともに、この蛇行流路５は、燃料ガス入口６ａと燃料ガス出口６ｂとに連通している。
【０００６】
カソードプレート１には、酸化剤ガスが高濃度でかつ低湿度である第１領域７ａと、前記酸化剤ガスが低濃度でかつ高湿度である第２領域７ｂとが存在している。アノードプレート２の蛇行流路５に沿って流れる燃料ガスは、実質的に、第２領域７ｂから第１領域７ａに向かって流れ方向が設定されている。
【０００７】
また、図示しない冷却プレートがカソードプレート１の反対の面側に配置されており、この冷却プレートでは、最冷領域がカソードプレート１の第１領域７ａに対応する一方、最暖領域が第２領域７ｂに対応している。
【０００８】
これにより、カソードプレート１およびアノードプレート２間に挟持される図示しない固体高分子電解質膜の乾燥を防止して、所望の湿潤状態を維持することができる、としている。
【０００９】
【特許文献１】
米国特許第５，７７３，１６０号明細書（第１４欄第３１行〜第１５欄第６行、図１１）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
通常、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。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。
【００１１】
しかしながら、特許文献１では、反応ガスの供給圧力が３０ｐｓｉｇ（２０７ｋＰａゲージ圧）と高圧であるとともに、作動温度が７０℃〜９０℃と比較的高温である。このため、コンプレッサまたはブロアの小型化を図ることができず、しかも固体高分子電解質膜が乾燥し易いために、加湿器等の削減が遂行されないという問題が指摘されている。
【００１２】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、周辺補器を有効に削減することができ、簡単かつ小型な構成で、発電性能に優れる燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【００１３】
【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る。そして、燃料電池スタックの作動温度が６０℃以下に設定されるため、生成水が液状水として存在し易く、この液状水を使用して固体高分子電解質膜を良好に加湿することができる。
【００１４】
さらに、燃料ガス流路は、燃料ガスを重力方向に沿って流すとともに、該燃料ガスの供給圧力が０．１ｋＰａ〜５０ｋＰａで、かつ電極１ｃｍ２当たりの供給量が０．００１４ｎｏｒｍａｌ  ｌ／ｍｉｎ〜０．０１４ｎｏｒｍａｌ  ｌ／ｍｉｎに設定されている。一方、酸化剤ガス流路は、酸化剤ガスを反重力方向に沿って流している。
【００１５】
従って、燃料ガスの供給圧力および供給量が比較的低く設定されていても、液状水は、前記燃料ガスと共に燃料ガス流路内を上方から下方に向かって円滑かつ確実に流動し、前記燃料ガス流路内に前記液状水が滞留することがない。このため、発電セルの発電性能が低下したり、発電が不安定になったりすることを確実に阻止することができる。
【００１６】
しかも、酸化剤ガスが酸化剤ガス流路内を下方から上方に向かって流動するため、前記酸化剤ガス流路の下流である上方には、上流である下方に比べて多量の生成水が存在する。一方、燃料ガス流路では、燃料ガスが導入される上流である上方の加湿量が、下流である下方の加湿量に比べて少ない。これにより、比較的乾燥し易い固体高分子電解質膜の上方では、酸化剤ガス流路内の液状水が燃料ガス流路側に拡散し、前記固体高分子電解質膜を所望の湿潤状態に維持することが可能になる。
【００１７】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池スタックでは、電極１ｃｍ２当たりの酸化剤ガスの供給量が、燃料ガスの供給量の１．５倍〜２５倍に設定されている。従って、酸化剤ガス流路内の液状水は、酸化剤ガスの流動作用下に前記酸化剤ガス流路の上方に容易に押し上げられる。このため、液状水の排水性を向上させるとともに、固体高分子電解質膜全体を所望の湿潤状態に確実に維持し、発電性能を確保し、かつ安定した発電が遂行可能になる。
【００１８】
さらに、本発明の請求項３に係る燃料電池スタックでは、燃料ガスおよび酸化剤ガスが無加湿状態で供給されるため、加湿器および該加湿器用の制御システムが不要になる。これにより、燃料電池スタック全体を小型化かつ経済的に構成することができる。
【００１９】
【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の一部分解概略斜視図である。
【００２０】
燃料電池スタック１０は、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、絶縁性プレート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。
【００２１】
図２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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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２および図３参照）。
【００２５】
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。
【００２６】
図４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、燃料ガスを重力方向に沿って流す。
【００２７】
図５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。
【００２８】
図６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の下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の上部側に設けられ、酸化剤ガスを反重力方向に流す。
【００２９】
図１に示すように、エンドプレート２４ａ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が形成された第１ブロック６０ａ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が形成された第２ブロック６２ａと、燃料ガス供給連通孔４２に連通する燃料ガス供給口６４が形成された第３ブロック６４ａと、燃料ガス排出連通孔４４に連通する燃料ガス排出口６６が形成された第４ブロック６６ａとが設けられる。
【００３０】
燃料電池スタック１０の積層方向両端には、カラー６８を介してバックアッププレート７０ａ、７０ｂが配設される。バックアッププレート７０ａ、７０ｂは、上下にそれぞれ２本ずつ配置される締め付けロッド７２により積層方向に締め付け保持される。ターミナルプレート２０ａ、２０ｂには、例えば、モータ等の外部負荷７４が接続される。
【００３１】
第１ブロック６０ａ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８０が第１流量制御器８２を介して接続され、第２ブロック６２ａには、冷却用空気供給口６２に冷却用空気を供給するための第２ブロア８４が第２流量制御器８６を介して接続される。第３ブロック６４ａには、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８８が減圧弁９０および第３流量制御器９２を介して接続される。
【００３２】
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。
【００３３】
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、燃料ガス（水素ガス）では、水素供給圧力が０．１ｋＰａ〜５０ｋＰａであり、電極１ｃｍ２当たりの水素供給量が０．００１４ｎｏｒｍａｌ  ｌ／ｍｉｎ（水素利用率１００％）〜０．０１４ｎｏｒｍａｌ  ｌ／ｍｉｎ（水素利用率１０％）に調整される。一方、酸化剤ガスでは、空気供給圧力が０．１ｋＰａ〜５０ｋＰａであり、電極１ｃｍ２当たりの空気供給量が０．００３３ｎｏｒｍａｌ  ｌ／ｍｉｎ（空気利用率１００％）〜０．０３３ｎｏｒｍａｌ  ｌ／ｍｉｎ（空気利用率１０％）に調整される。
【００３４】
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８８から減圧弁９０を介して０．１ｋＰａ〜５０ｋＰａ程度に減圧された燃料ガスが、第３流量制御器９２により上記の水素供給量に調整された後、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３および図４参照）。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（重力方向）に移動する。
【００３５】
一方、図１に示すように、反応用空気は、第１ブロア８０を介して０．１ｋＰａ〜５０ｋＰａ程度に加圧され、第１流量制御器８２により上記の空気供給量に調整されるとともに、常に、水素供給量の１．５倍〜２５倍程度になるように、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６参照）。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反重力方向に移動する。
【００３６】
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２および図３参照）。
【００３７】
また、図１に示すように、冷却用空気は、第２ブロア８４および第２流量制御器８６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。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３および図５参照）。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。
【００３８】
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。
【００３９】
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、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から外部に排出される。
【００４０】
この場合、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。この液状水の一部は、固体高分子電解質膜４６を拡散して燃料ガス流路５２に到達し、この燃料ガス流路５２に前記液状水が存在し易い。このため、反応用空気流路５６および燃料ガス流路５２から液状水が排出される場合が多い。
【００４１】
その際、燃料ガス流路５２では、燃料ガスの供給圧力が低圧で、かつ供給量が低く設定されているものの、前記燃料ガスを重力方向に沿って流すため、前記燃料ガス流路５２内の液状水は、上方から下方に向かって円滑かつ確実に流動する。このため、燃料ガス流路５２内に液状水が滞留して発電セル１６の発電性能が低下したり、発電が不安定になったりすることを確実に阻止することができる。
【００４２】
ここで、固体高分子電解質膜４６の上方には、燃料ガス供給連通孔４２が設けられており、この固体高分子電解質膜４６の上部側が乾燥され易い。一方、反応用空気は、反応用空気流路５６に沿って下方から上方に、すなわち、反重力方向に沿って移動する。このため、反応用空気流路５６の下流である上方には、上流である下方に比べて多量の生成水が存在し、固体高分子電解質膜４６の上部側を有効に加湿することができる。反応用空気流路５６の上方において、液状水が固体高分子電解質膜４６を拡散して燃料ガス流路５２側に移動するからである。
【００４３】
さらに、本実施形態では、反応用空気は、常に、燃料ガスの供給量の１．５倍〜２５倍程度になるように設定されている。従って、反応用空気流路５６内の液状水は、反応用空気の流動作用下に前記反応用空気流路５６の上方に押し上げられる。この押し上げられた液状水の一部は、カソード側電極５０を透過して固体高分子電解質膜４６に達し、前記固体高分子電解質膜４６の湿潤状態を維持することができる。これにより、水素イオンの伝導率を適正に維持するとともに、各発電セル１６の発電性能を確保し、かつ安定した発電を遂行することが可能になるという効果が得られる。
【００４４】
しかも、上記のように、反応生成水を用いて固体高分子電解質膜４６を所望の湿潤状態に維持することができ、水素ボンベ８８から燃料電池スタック１０内に供給される燃料ガスの加湿を行う必要がない。一方、反応用空気は、第１ブロア８０から燃料電池スタック１０に供給される際に、この反応用空気の加湿を行う必要がない。
【００４５】
このため、燃料ガスおよび反応用空気を、加湿せずに、すなわち、無加湿状態で、燃料電池スタック１０に供給することが可能となり、加湿器や加湿用の制御システムが不要になる。これにより、燃料電池スタック１０全体を有効に小型化かつ経済的に構成することができるという利点が得られる。
【００４６】
実施例
電極面積が１５０ｃｍ２の発電セル１６を使用し、この発電セル１６を１個だけ図１の燃料電池システム１２に組み込んだ実施例を構成し、燃料ガスおよび反応用空気を供給した。そして、電流密度が０．２Ａ／ｃｍ２の条件下で発電を開始し、第２ブロア８４の作用下に冷却用空気を２０ｎｏｒｍａｌ  ｌ／ｍｉｎ〜３０ｎｏｒｍａｌ  ｌ／ｍｉｎの供給量で供給し、作動温度を４０℃近傍に維持した。
【００４７】
次いで、燃料ガスの供給圧力を０．５ｋＰａ〜０．３３ｋＰａ間で領域▲１▼〜▲５▼の５段階に順次変化させるとともに、電極１ｃｍ２当たりの供給量を０．００２８ｎｏｒｍａｌ  ｌ／ｍｉｎ（水素利用率５０％）〜０．００１５ｎｏｒｍａｌｌ／ｍｉｎ（水素利用率９０％）、すなわち、発電セル１６当たりの供給量を０．４２ｎｏｒｍａｌ  ｌ／ｍｉｎ〜０．２３ｎｏｒｍａｌ  ｌ／ｍｉｎ間で領域▲１▼〜▲５▼の５段階に順次変化させ、前記燃料ガスを加湿することなく水素ボンベ８８から供給した。
【００４８】
一方、反応用空気では、加湿することなく第１ブロア８０から供給圧力を１．１ｋＰａで、かつ電極１ｃｍ２当たりの供給量を０．００４７ｎｏｒｍａｌ  ｌ／ｍｉｎ（空気利用率７０％）、すなわち、発電セル１６当たりの供給量を０．７１ｎｏｒｍａｌ  ｌ／ｍｉｎに設定して前記反応用空気を供給した。そこで、電流密度が０．２Ａ／ｃｍ２で作動したときのセル電圧およびセル温度の時間変化が、図７に示されている。
【００４９】
また、比較例として、実施例の発電セル１６を１８０°反転させ、燃料ガスを下方から上方に向かって反重力方向に、反応用空気を上方から下方に向かって重力方向に、それぞれ連通させる燃料電池システムを構成した。そして、上記の実施例と同様の条件で発電を行い、電流密度が０．２Ａ／ｃｍ２で作動したときのセル電圧とセル温度の時間変化を検出し、その結果が、図８に示されている。さらに、図７および図８の結果は、図９に比較説明図として示されている。
【００５０】
これにより、発電セル１６当たりの燃料ガス供給量を０．４２ｎｏｒｍａｌ  ｌ／ｍｉｎ〜０．２３ｎｏｒｍａｌ  ｌ／ｍｉｎと低く設定した場合、実施例のセル電圧は、低下量が０．０２Ｖと極めて小さくなる一方、比較例のセル電圧は、低下量が０．１Ｖと相当に大きなものとなった。
【００５１】
しかも、発電セル１６当たりの燃料ガス供給量が一定の場合、実施例のセル電圧は、比較例のセル電圧に比べて高い値となった。さらにまた、発電セル１６当たりの燃料ガス供給量が一定の場合、実施例のセル電圧の変動が、比較例のセル電圧の変動に比べて小さくなった。
【００５２】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックでは、燃料電池スタックの作動温度が６０℃以下に設定されるため、生成水が液状水として存在し易く、この液状水を使用して固体高分子電解質膜を良好に加湿することができる。
【００５３】
さらに、燃料ガスの供給圧力および供給量が比較的低く設定されていても、液状水は、前記燃料ガスと共に燃料ガス流路内を上方から下方に向かって円滑かつ確実に流動し、前記燃料ガス流路内に前記液状水が滞留することがない。このため、発電セルの発電性能が低下したり、発電が不安定になったりすることを確実に阻止することができる。
【００５４】
しかも、酸化剤ガスが酸化剤ガス流路内を下方から上方に向かって流動するため、比較的乾燥し易い固体高分子電解質膜の上方では、前記酸化剤ガス流路内の液状水が燃料ガス流路側に拡散し、前記固体高分子電解質膜を所望の湿潤状態に維持することが可能になる。
【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の一部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断面図である。
【図４】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５】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６】前記燃料電池スタックを構成する第２セパレータの一方の面の正面図である。
【図７】実施例のセル電圧およびセル温度と経過時間との関係図である。
【図８】比較例のセル電圧およびセル温度と経過時間との関係図である。
【図９】前記実施例と前記比較例との比較説明図である。
【図１０】特許文献１の燃料電池スタックの概略斜視説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池スタック          １２…燃料電池システム
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          ６０…反応用空気供給口
６０ａ、６２ａ、６４ａ、６６ａ…ブロック
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            ７０ａ、７０ｂ…バックアッププレート
７４…外部負荷                  ８０、８４…ブロア
８２、８６、９２…流量制御器    ８８…水素ボンベ
９０…減圧弁
【図１】
2004327060.tif 000003
【図２】
2004327060.tif 000004
【図３】
2004327060.tif 000005
【図４】
2004327060.tif 000006
【図５】
2004327060.tif 000007
【図６】
2004327060.tif 000008
【図７】
2004327060.tif 000009
【図８】
2004327060.tif 000010
【図９】
2004327060.tif 000011
【図１０】
2004327060.tif 000012