(57)【要約】【課題】電解質膜全面を湿潤状態に維持するとともに、比較的低温および低圧で作動しても、安定した発電を行うことを可能にする。【解決手段】発電セル１６は、第１セパレータ３２に燃料ガス流路５２が形成される一方、第２セパレータ３４に反応用空気流路５６が形成される。反応用空気流路５６は、第２セパレータ３４の下部から上部に折り返す下部折り返し部５８ａを有する。下部折り返し部５８ａの下流には、第２セパレータ３４の上部に対応して上部折り返し部５８ｂを有するとともに、前記上部折り返し部５８ｂの下流には、前記第２セパレータ３４の下部に対応して外部に開放される反応用空気出口５６ｂが設けられる。【選択図】図２
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【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、
前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路とは、前記燃料ガスの高濃度領域から低濃度領域に向かう方向が、前記酸化剤ガスの高濃度領域から低濃度領域に向かう方向と略同一方向に設定されるとともに、
前記酸化剤ガス流路は、前記発電セルの下部で折り返す下部折り返し部を有す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、前記酸化剤ガス流路は、前記下部折り返し部の下流に前記発電セルの上部に対応して上部折り返し部を有するとともに、
前記上部折り返し部の下流には、前記発電セルの下部に対応して外部に開放される酸化剤ガス出口が設けら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、複数の前記発電セルが鉛直方向に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】
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】
ところで、上記の特許文献１では、図１０に示すように、ＭＥＡ１をエアフレーム（カソード側セパレータ）２および水素フレーム（アノード側セパレータ）３で挟んで単位セル４が構成されるとともに、各単位セル４間にセパレータ５が介装されている。単位セル４、セパレータ５および冷却セパレータ６により繰り返しユニットが構成されており、この冷却セパレータ６は、左側冷却セパレータ６ａと右側冷却セパレータ６ｂとを有している。
【０００７】
エアフレーム２には、複数の流路溝を備えて略Ｓ字状に蛇行する空気流路７が形成されている。この空気流路７は、上部側の空気入口が空気供給マニホールド２ａに連通し、下部側の空気出口が空気排出マニホールド２ｂに連通している。水素フレーム３には、複数の流路溝を備えて重力方向に延在する水素流路８が形成されている。この水素流路８は、上部側の水素入口が水素供給マニホールド３ａに連通し、下部側の水素出口が水素排出マニホールド３ｂに連通している。
【０００８】
【特許文献１】
米国特許第５，８７９，８２６号明細書（第１３欄第１行〜第２２行、図４、図７、図１１）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、特許文献１では、空気流路７および水素流路８の流れ方向が略重力方向に設定されており、反応生成水が重力方向に沿って前記空気流路７および前記水素流路８の下方に流れ易い。このため、空気および水素の高濃度領域である空気供給マニホールド２ａ付近および水素供給マニホールド３ａ付近では、生成水を電解質膜の湿潤状態を維持するために使用することができず、前記電解質膜が部分的に乾燥し易い。
【００１０】
そこで、特許文献１では、燃料電池に加湿セクションを設けており、供給空気を加湿することによって、電解質膜中を湿潤状態に確保し、水素イオンの伝導率を維持する工夫がなされている。
【００１１】
しかしながら、燃料電池には、供給空気を加湿するための加湿セクションが設けられているため、燃料電池全体を有効に小型化することができないとともに、経済的では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、電解質膜全面を湿潤状態に維持するとともに、比較的低温および低圧で作動しても、安定した発電を行う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。
【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複数の発電セルを備える。燃料電池スタックの作動温度は、６０℃以下に設定されている。
【００１４】
そして、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路とは、燃料ガスの高濃度領域から低濃度領域に向かう方向（燃料ガスの流れ方向）が、酸化剤ガスの高濃度領域から低濃度領域に向かう方向（酸化剤ガスの流れ方向）と略同一方向に設定されている。このため、酸化剤ガス流路内には、生成水が液状水として存在し易くなる一方、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路のそれぞれの高濃度領域が重なり合う部位に対応する固体高分子電解質膜が乾燥し易くなる。その際、酸化剤ガス流路は、発電セルの下部で折り返す下部折り返し部を有している。従って、酸化剤ガス流路内の液状水は、前記酸化剤ガス流路の下部折り返し部で折り返して高濃度領域に対応する部位に沿って移動する。
【００１５】
これにより、固体高分子電解質膜の乾燥し易い部位に液状水の一部が浸透し、前記固体高分子電解質膜が乾燥することを防止することができ、前記固体高分子電解質膜の湿潤状態を維持することが可能になる。このため、酸化剤ガスと燃料ガスとが略同一方向に供給されても、水素イオンの伝導率を適正に保持して、発電セルの発電性能の低下や不安定な発電を良好に阻止することができる。
【００１６】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池スタックでは、酸化剤ガス流路は、下部折り返し部の下流に発電セルの上部に対応して上部折り返し部を有するとともに、前記上部折り返し部の下流には、前記発電セルの下部に対応して外部に開放される酸化剤ガス出口が設けられている。
【００１７】
このため、酸化剤ガス流路内の生成水は、酸化剤ガスと共に前記酸化剤ガス流路内から確実に排出され、該酸化剤ガス流路内が液状水により閉塞されることが阻止される。一方、酸化剤ガス流路の下流に蓄積され易い生成水が良好に排出されるため、前記酸化剤ガス流路から固体高分子電解質膜を拡散して燃料ガス流路に到達する液状水の量が削減される。
【００１８】
従って、燃料ガス流路から排出される液状水量が減少し、この燃料ガス流路が前記液状水により閉塞されることが防止される。これにより、電解質膜・電極構造体に酸化剤ガスおよび燃料ガスを確実かつ円滑に供給することができ、発電が不能になったり、不安定になったりすることがない。
【００１９】
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。このため、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可能になる。
【００２０】
【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。
【００２１】
燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１６が水平方向（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。
【００２２】
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。
【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（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。
【００２４】
発電セル１６の矢印Ｂ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Ｃ方向に長尺な長円状の開口形状に設定される。
【００２５】
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）。
【００２６】
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。
【００２７】
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Ｂ方向（水平方向）に延在する複数本の溝部により構成される。燃料ガス流路５２は、燃料ガスの高濃度領域ＲＨ１から低濃度領域ＲＬ１に向かう方向、すなわち、流れ方向が、矢印Ｂ１方向に設定される。
【００２８】
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、上下両端が鉛直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。
【００２９】
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Ｃ方向に１往復半だけ折り返す複数の蛇行する溝部を備える反応用空気流路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（酸化剤ガス出口）５６ｂとを有する。反応用空気流路５６は、反応用空気の高濃度領域ＲＨ２から低濃度領域ＲＬ２に向かう方向、すなわち、流れ方向が、略矢印Ｂ１方向に設定される。
【００３０】
反応用空気流路５６は、第２セパレータ３４の下部（発電セル１６の下部）から上部に折り返す下部折り返し部５８ａを有する。下部折り返し部５８ａの下流には、第２セパレータ３４の上部（発電セル１６の上部）に対応して上部折り返し部５８ｂが設けられるとともに、前記上部折り返し部５８ｂの下流には、前記第２セパレータ３４の下部に対応して外部に開放される反応用空気出口５６ｂが、鉛直下方向に向かって設けられる。
【００３１】
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。
【００３２】
燃料電池スタック１０の積層方向両端には、図示しないカラー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、左右にそれぞれ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。
【００３３】
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８２が接続される。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８４が減圧弁８６を介して接続される。
【００３４】
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。
【００３５】
まず、図１に示すように、燃料電池システム１２では、水素ボンベ８４から減圧弁８６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を矢印Ａ方向に移動して第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に沿って移動する。
【００３６】
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〜３０ｋＰａ程度に加圧され、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を矢印Ａ方向に移動して第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移動する。
【００３７】
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）。
【００３８】
また、図１に示すように、冷却用空気は、第２ブロア８２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を矢印Ａ方向に移動して第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。
【００３９】
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状態で使用しても、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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
その際、本実施形態では、図６に示すように、反応用空気流路５６の反応用空気入口５６ａが、第２セパレータ３４の右上端部に設けられた反応用空気供給連通孔３８に連通している。そして、反応用空気流路５６は、反応用空気供給連通孔３８から下部折り返し部５８ａに至るまで、下方（矢印Ｃ１方向）に延在している。従って、反応用空気の高濃度領域ＲＨ２で反応生成される生成水は、鉛直下方向に流動して下部折り返し部５８ａに一旦蓄積される。
【００４３】
下部折り返し部５８ａに一旦蓄積された生成水は、さらにこの下部折り返し部５８ａから上方（矢印Ｃ２方向）に移動する反応用空気に含まれて、第２セパレータ３４の上方に押し上げられる。このため、生成水が上部折り返し部５８ｂに向かって移動し、カソード側電極５０を拡散して固体高分子電解質膜４６に供給される。
【００４４】
ここで、図４および図６に示すように、燃料ガス流路５２において、燃料ガスの高濃度領域ＲＨ１から低濃度領域ＲＬ１に向かう方向が矢印Ｂ１方向に設定される一方、反応用空気流路５６において、反応用空気の高濃度領域ＲＨ２から低濃度領域ＲＬ２に向かう方向が、同様に矢印Ｂ１方向に設定されている。このため、固体高分子電解質膜４６では、両方の高濃度領域ＲＨ１、ＲＨ２が重なり合う部位（図２中、右側部）が乾燥し易い。
【００４５】
そこで、本実施形態では、下部折り返し部５８ａを通過した生成水が、上方に折り返して移動することにより、固体高分子電解質膜４６の乾燥し易い部位に前記生成水が供給される（図６参照）。
【００４６】
従って、固体高分子電解質膜４６の乾燥し易い部位に生成水の一部が浸透し、前記固体高分子電解質膜４６が乾燥することを防止することができ、前記固体高分子電解質膜４６全面の湿潤状態を維持することが可能になる。これにより、反応用空気と燃料ガスとが、略同一方向に供給されても、水素イオンの伝導率を適正に保持して、発電セル１６の発電性能の低下や不安定な発電を良好に阻止することができるという効果が得られる。
【００４７】
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可能になり、水素ボンベ８４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、加湿を行う必要がない。
【００４８】
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等が不要になる。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。
【００４９】
さらに、反応用空気流路５６は、下部折り返し部５８ａの下流に発電セル１６の上部に対応して上部折り返し部５８ｂを有するとともに、前記上部折り返し部５８ｂの下流には、前記発電セル１６の下部に対応して外部に開放される反応用空気出口５６ｂが設けられている。
【００５０】
従って、反応用空気流路５６内の生成水は、反応用空気と共に前記反応用空気流路５６内から確実に排出され、該反応用空気流路５６内が液状水により閉塞されることが阻止される。一方、反応用空気流路５６の下流に蓄積され易い生成水は良好に排出されるため、前記反応用空気流路５６から固体高分子電解質膜４６を拡散して燃料ガス流路５２に到達する液状水の量が削減される。
【００５１】
このため、燃料ガス流路５２から排出される液状水量が減少し、この燃料ガス流路５２が前記液状水により閉塞されることが防止される。これにより、電解質膜・電極構造体３０に反応用空気および燃料ガスを確実かつ円滑に供給することができ、各発電セル１６の発電が不能になったり、不安定になったりすることがない。
【００５２】
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（水素ガス）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８２の作用下に冷却用空気を２０ｎｏｒｍａｌ  ｌ／ｍｉｎ〜３０ｎｏｒｍａｌ  ｌ／ｍｉｎの供給圧力で供給し、作動温度を４０℃近傍に維持した。
【００５３】
次いで、燃料ガスの供給圧力を１．２ｋＰａ〜４．２ｋＰａ間で領域▲１▼〜▲５▼の５段階に順次変化させるとともに、発電セル１６当たりの供給量を０．４２ｎｏｒｍａｌ  ｌ／ｍｉｎ（水素利用率５０％）〜０．２３ｎｏｒｍａｌ  ｌ／ｍｉｎ（水素利用率９０％）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８４から供給した。燃料ガスは、図２中、燃料ガス流路５２に沿って右端部から左端部に流動した。
【００５４】
一方、反応用空気は、加湿することなく、第１ブロア８０からの供給圧力を０．９ｋＰａに、かつ発電セル１６当たりの供給量を０．７１ｎｏｒｍａｌ  ｌ／ｍｉｎ（空気利用率７０％）に設定して、前記反応用空気を供給した。反応用空気は、図２中、反応用空気流路５６に沿って右側上部から右側下部に向かって移動した後、下部折り返し部５８ａで上方に折り返された。反応用空気は、さらに上部折り返し部５８ｂで下方に折り返し、重力方向に移動して反応用空気出口５６ｂから下方に排出された。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。
【００５５】
また、比較例として、実施例の発電セル１６を反時計方向に９０°だけ反転させた。すなわち、燃料ガスは上方から下方に向かって重力方向に供給される一方、反応用空気は、左側上部から右側に移動した後、折り返して左側に移動した。さらに、反応用空気は、左側端部で折り返して右側に移動し、右側下端縁部の反応用空気出口５６ｂから外部に排出された。
【００５６】
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。
【００５７】
これにより、いずれの条件においても、実施例のセル電圧は、比較例のセル電圧よりも高くなった。しかも、燃料ガス流路５２から液状水が排出され難い条件、すなわち、燃料ガスの供給圧力（水素供給圧力）が低く設定された領域▲４▼、▲５▼では、比較例のセル電圧が低下する傾向を示したのに対し、実施例のセル電圧が低下することがなく、安定した発電が行われた。
【００５８】
従って、各発電セル１６は、液状水の滞留による燃料ガス流路５２の詰まりや、固体高分子電解質膜４６の部分的な乾燥等が良好に阻止され、簡単な構成で、所望の発電性能を確実に保持することが可能になった。
【００５９】
【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、酸化剤ガス流路内には、生成水が液状水として存在し易くなる一方、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路のそれぞれの高濃度領域が重なり合う部位に対応する固体高分子電解質膜が乾燥し易くなる。その際、酸化剤ガス流路内の液状水は、前記酸化剤ガス流路の下部折り返し部で折り返して高濃度領域に対応する部位に沿って移動する。
【００６０】
従って、固体高分子電解質膜の乾燥し易い部位に液状水の一部が浸透し、前記固体高分子電解質膜が乾燥することを防止することができ、前記固体高分子電解質膜の湿潤状態を維持することが可能になる。これにより、酸化剤ガスと燃料ガスとが略同一方向に供給されても、水素イオンの伝導率を適正に保持して、発電セルの発電性能の低下や不安定な発電を良好に阻止することができる。
【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の概略一部分解斜視図である。
【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            ５８ａ…下部折り返し部
５８ｂ…上部折り返し部            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、８２…ブロア
８４…水素ボンベ                  ８６…減圧弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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