(57)【要約】【課題】周辺補器を有効に削減するとともに、小型かつ低コストな構成で、発電性能の向上を図る。【解決手段】燃料電池スタック１０の第２セパレータ３４には、反応用空気流路５６が設けられ、第１セパレータ３２には、燃料ガス流路５２が設けられた面とは反対の面に冷却用空気流路５４が設けられる。この反応用空気流路５６の反応用空気入口５６ａと反応用空気出口５６ｂの間の圧力損失と、冷却用空気流路５４の冷却用空気入口５４ａと冷却用空気出口５４ｂの間の圧力損失とが略同一になるように、反応用空気流路５６および冷却用空気流路５４を構成する。【選択図】図４
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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反応用空気を供給する反応用空気流路と、前記電解質膜・電極構造体に冷却用空気を供給する冷却用空気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、
前記反応用空気流路は、反応用空気入口と反応用空気出口との間に、前記カソード側電極の面方向に沿って前記反応用空気を流動させる反応用空気流路部を有し、
前記冷却用空気流路は、冷却用空気入口と冷却用空気出口との間に、前記電解質膜・電極構造体の面方向に沿って前記冷却用空気を流動させる冷却用空気流路部を有し、
前記反応用空気入口と前記反応用空気出口の間の圧力損失と、前記冷却用空気入口と前記冷却用空気出口の間の圧力損失とが略同一になるように、前記反応用空気流路部および前記冷却用空気流路部を構成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、複数の前記発電セルの積層方向に貫通し、前記反応用空気入口と前記冷却用空気入口とに一体的に連通する空気供給連通孔を備え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、前記反応用空気出口および前記冷却用空気出口は、前記発電セルの側部から大気に開放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】
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】
この特許文献１に開示された燃料電池スタックでは、図１６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】
【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】
ところで、燃料電池スタックを作動させるためには、燃料ガス（例えば、水素ガス）、酸化剤ガス（例えば、空気）および温度調整用の媒体等からなる流体を外部より供給する必要がある。その際、これらの流体は、それぞれ流量や圧力等を個別に調整して供給されるため、基本的に、３系統の周辺補器が設けられる。そして、これらの周辺補器は、前記燃料電池スタックによる発電力を利用して駆動される。
【０００９】
しかしながら、上記の燃料電池スタックでは、周辺補器が個別に３系統設けられるため、装置が大型化し、かつ装置コストが増大するという問題が指摘されている。また、これらの周辺補器の消費電力、換言すると、燃料電池スタックの電力損失が大きくなるので、該燃料電池スタックの発電効率が低下するという問題が指摘されている。
【００１０】
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とともに、小型かつ低コストな構成で、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。
【００１１】
【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反応用空気を供給する反応用空気流路と、前記電解質膜・電極構造体に冷却用空気を供給する冷却用空気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ている。
【００１２】
そして、反応用空気流路は、反応用空気入口と、反応用空気出口との間に、カソード側電極の面方向に沿って反応用空気を流動させる反応用空気流路部を有し、冷却用空気流路は、冷却用空気入口と冷却用空気出口との間に、電解質膜・電極構造体の面方向に沿って冷却用空気を流動させる冷却用空気流路部を有し、前記反応用空気入口と前記反応用空気出口の間の圧力損失と、前記冷却用空気入口と前記冷却用空気出口の間の圧力損失とが略同一になるように、前記反応用空気流路部および前記冷却用空気流路部を構成している。
【００１３】
このため、反応用空気流路に供給する反応用空気の供給圧力と、冷却用空気流路に供給する冷却用空気の供給圧力とを略同一にすることが可能となり、反応用空気および冷却用空気を供給するための周辺補器を共通化することができる。その結果、周辺補器を有効に削減することが可能となり、燃料電池スタックが組み込まれるシステムの小型化かつ低コスト化を図ることができる。また、周辺補器の消費電力を有効に削減することが可能になるため、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。
【００１４】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池スタックでは、複数の前記発電セルの積層方向に貫通し、前記反応用空気入口と前記冷却用空気入口とに一体的に連通する空気供給連通孔を備える。これにより、周辺補器をさらに削減することが可能になり、かつ空気供給連通孔に用いられる部材等を簡素化することが可能になる。その結果、燃料電池スタックが組み込まれるシステムの小型化かつ低コスト化をより一層図ることができるとともに、燃料電池スタック自体の小型化を図ることができる。
【００１５】
さらに、本発明の請求項３に係る燃料電池スタックでは、前記反応用空気出口および前記冷却用空気出口は、前記発電セルの側部から大気に開放される。これにより、反応用空気出口および冷却用空気出口の反対側である反応用空気入口および冷却用空気入口における空気の供給圧力の低圧化が可能となり、周辺補器による供給圧力を可及的に低減することができる。その結果、周辺補器の消費電力をさらに削減することが可能になるため、燃料電池スタックの発電効率をより一層向上させることができる。
【００１６】
【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の概略分解斜視図であり、図３は、前記燃料電池スタック１０の一部断面説明図である。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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、酸化剤ガスとしての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。なお、反応用空気供給連通孔３８および冷却用空気供給連通孔４０は、開口面積が略同一に設定される。
【００２０】
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（例えば、水素ガス）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。
【００２１】
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３および図４参照）。
【００２２】
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。
【００２３】
図５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。
【００２４】
図６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、例えば、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（冷却用空気流路部）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、すなわち、直接、大気に開放される冷却用空気出口５４ｂとを有する。なお、冷却用空気流路５４には、傾斜する前記中央部から冷却用空気出口５４ｂへと延在し、１つの冷却用空気流路５４を２つに分流する分岐部５７が形成される。
【００２５】
図７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、反応用空気流路５６が形成され、この反応用空気流路５６は、例えば、矢印Ｂ方向に１往復半だけ折り返す蛇行した複数本の溝部（反応用空気流路部）により構成される。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の側部から外方、すなわち、後述するダクト部７８を介して大気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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
図２に示すように、反応用空気出口５６ｂ（図４、図７参照）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から落下され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とを有する。
【００３１】
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。
【００３２】
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および冷却用空気供給口６２に、それぞれ反応用空気および冷却用空気を供給するための周辺補器としてのブロア９０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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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３および図５参照）。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。
【００３６】
一方、図１に示すように、反応用空気は、ブロア９０を介して０．１ｋＰａ〜５０ｋＰａ程度の供給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７参照）。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重力方向に移動する。
【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３参照）。
【００３８】
また、図１に示すように、冷却用空気は、ブロア９０を介して、前記反応用空気と同一の０．１ｋＰａ〜５０ｋＰａ程度の供給圧力で冷却用空気供給口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６参照）。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、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。
【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、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を介して大気に排出される。また、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、大気に排出される。
【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。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。
【００４２】
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、大気に排出される。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（図２参照）。
【００４３】
上記のように、排水部８０に落下した液状水は、下方側に設けられている液状水流路８４に向けてさらに落下し、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。
【００４４】
ところで、第１の実施形態では、共通のブロア９０を介して、反応用空気入口５６ａおよび冷却用空気入口５４ａに反応用空気および冷却用空気を供給するとともに、反応用空気流路５６の反応用空気出口５６ｂおよび冷却用空気流路５４の冷却用空気出口５４ｂを、直接、大気に開放している。このため、反応用空気の反応用空気入口５６ａと反応用空気出口５６ｂの間の圧力損失ΔＰｒｅと、冷却用空気の冷却用空気入口５４ａと冷却用空気出口５４ｂの間の圧力損失ΔＰｃｏとが略同一になる。
【００４５】
これにより、反応用空気入口５６ａおよび冷却用空気入口５４ａにおける反応用空気および冷却用空気の供給圧力の低圧化が可能となり、ブロア９０による供給圧力を可及的に低減することができる。その結果、ブロア９０の消費電力を削減することが可能になるため、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。
【００４６】
この場合、上記の反応用空気の圧力損失ΔＰｒｅと冷却用空気の圧力損失ΔＰｃｏとが略同一となる条件下で、燃料電池スタック１０による定格発電を遂行するために必要な反応用空気の流量Ｖｒｅ、および燃料電池スタック１０の運転温度を６０℃以下、より好ましくは、３０℃〜５０℃に維持するために必要な冷却用空気の流量Ｖｃｏを確保するために、それぞれ反応用空気流路５６の溝部および冷却用空気流路５４の溝部を、以下の要領に基づいて形成すればよい。
【００４７】
先ず、下記の（１）式によって必要な反応用空気の流量Ｖｒｅを求める。
【００４８】
Ｖｒｅ［ｎｏｒｍａｌ  ｌ／ｍｉｎ．］＝｛Ｉ×Ｓ／（２×９６４８５×２）｝×２２．４×（１／０．２０９５）×６０                                …（１）
Ｉ：発電セル１６当たりの定格電流密度［Ａ／ｃｍ２］
Ｓ：電極面積［ｃｍ２］
【００４９】
なお、燃料電池スタック１０における、反応用空気の利用率は１００％としている。
【００５０】
一方、必要な冷却用空気の流量Ｖｃｏは、下記の（２）式によって求められる。
【００５１】
Ｖｃｏ［ｎｏｒｍａｌ  ｌ／ｍｉｎ．］＝｛Ｑ／（Ｃｐ×（Ｔｏｕｔ−Ｔｉｎ）×０．６）｝×（２２．４／２８．８）×１０００                          …（２）
Ｑ＝（Ｖ０−Ｖ）×Ｉ×Ｓ×６０                        …（３）
Ｑ：発電セル１６の１分間当たりに発生する発熱量［Ｊ／ｍｉｎ．］
Ｉ：発電セル１６当たりの定格電流密度［Ａ／ｃｍ２］
Ｓ：電極面積［ｃｍ２］
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：電極面積Ｓ［ｃｍ２］のときのセル電圧［ｖ］
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］
【００５２】
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。
【００５３】
次に、反応用空気入口５６ａと反応用空気出口５６ｂの間における反応用空気の圧力損失ΔＰｒｅが、反応用空気の流量Ｖｒｅ、反応用空気流路５６の開口断面積Ｓｒｅ、流路長さＬｒｅおよび反応用空気流路５６の数Ｎｒｅを変数とした関数により求められる。これを概略式に表すと、
ΔＰｒｅ＝ｆｘ（Ｖｒｅ，Ｓｒｅ，Ｌｒｅ，Ｎｒｅ）              …（４）
となる。なお、ｆｘは数学上の関数を示す記号である。
【００５４】
また、反応用空気の流量Ｖｒｅに対する反応用空気の圧力損失ΔＰｒｅの関係を概略グラフに表すと、図８に示すように、例えば、条件ａ１〜ａＮのグラフのようになる。なお、これらの条件ａ１〜ａＮは、変数としてのＳｒｅ、Ｌｒｅ、Ｎｒｅの選定に基づくものである。そして、反応用空気の圧力損失ΔＰｒｅは、（１）式で求められる反応用空気の流量Ｖｒｅに基づいて、例えば、条件ａ１〜ａＮに対応する圧力損失ΔＰｒｅ１、ΔＰｒｅ２、ΔＰｒｅ３、ΔＰｒｅＮの中から選択される。
【００５５】
一方、冷却用空気入口５４ａと冷却用空気出口５４ｂの間における冷却用空気の圧力損失ΔＰｃｏは、上記の反応用空気の圧力損失ΔＰｒｅの場合と同様に、冷却用空気の流量Ｖｃｏ、冷却用空気流路５４の開口断面積Ｓｃｏ、流路長さＬｃｏおよび冷却用空気流路５４の数Ｎｃｏを変数とした関数により求められ、これを概略式に表すと、
ΔＰｃｏ＝ｆｘ（Ｖｃｏ，Ｓｃｏ，Ｌｃｏ，Ｎｃｏ）            …（５）
となる。
【００５６】
また、冷却用空気の流量Ｖｃｏに対する冷却用空気の圧力損失ΔＰｃｏの関係を概略グラフに表すと、図９に示すように、例えば、条件ｂ１〜ｂＮのグラフのようになる。これらの条件ｂ１〜ｂＮは、変数としてのＳｃｏ、Ｌｃｏ、Ｎｃｏの選定に基づくものである。そして、冷却用空気の圧力損失ΔＰｃｏは、（２）式で求められる冷却用空気の流量Ｖｃｏに基づいて、例えば、条件ｂ１〜ｂＮに対応する圧力損失ΔＰｃｏ１、ΔＰｃｏ２、ΔＰｃｏ３、ΔＰｃｏＮの中から選択される。
【００５７】
このようにして、反応用空気の圧力損失ΔＰｒｅと冷却用空気の圧力損失ΔＰｃｏが略同一になるように、それぞれ反応用空気の流量Ｖｒｅおよび冷却用空気の流量Ｖｃｏに基づいて、反応用空気流路５６および冷却用空気流路５４を形成すればよい。すなわち、前記圧力損失ΔＰｒｅと前記圧力損失ΔＰｃｏが、例えば、圧力損失ΔＰｒｅＮと圧力損失ΔＰｃｏＮのときに同一になるとすれば、上記の条件ａＮと条件ｂＮに基づいて、反応用空気流路５６の溝部の開口断面積Ｓｒｅ、流路長さＬｒｅおよび反応用空気流路５６の数Ｎｒｅと、冷却用空気流路５４の溝部の開口断面積Ｓｃｏ、流路長さＬｃｏおよび冷却用空気流路５４の数Ｎｃｏとをそれぞれ形成すればよい（図８および図９参照）。
【００５８】
なお、ブロア９０を駆動するための消費電力を可及的に小さくするために、ブロア９０からの供給圧力に制約を設ける場合には、この制約に基づく条件下で、前記圧力損失ΔＰｒｅと圧力損失ΔＰｃｏが略同一となるように、反応用空気流路５６と冷却用空気流路５４を形成することになる。
【００５９】
次に、下記の（６）式によって、反応用空気の流量Ｖｒｅと冷却用空気の流量Ｖｃｏの合計、すなわち、ブロア９０から供給する空気のトータル流量Ｖｔｏｔａｌを求める。
【００６０】
Ｖｔｏｔａｌ［ｎｏｒｍａｌ  ｌ／ｍｉｎ．］＝（Ｖｒｅ＋Ｖｃｏ）×Ｎ          …（６）
Ｎ：発電セル１６の数［組］
【００６１】
ここで、上記のように、例えば、反応用空気の圧力損失ΔＰｒｅと冷却用空気の圧力損失ΔＰｃｏが、圧力損失ΔＰｒｅＮと圧力損失ΔＰｃｏＮのときに略同一となる場合、圧力損失ΔＰｒｅＮ（＝ΔＰｃｏＮ）以上の供給圧力を有し、かつトータル流量Ｖｔｏｔａｌ以上の空気を供給することが可能なブロア９０を選定し、燃料電池システム１２に組み込むことになる。
【００６２】
すなわち、図１０に示すように、例えば、ブロア９０の機種ｃ１〜ｃ３の中、圧力損失ΔＰｒｅＮ（＝ΔＰｃｏＮ）以上の供給圧力を有し、かつトータル流量Ｖｔｏｔａｌ以上の空気を供給することが可能なものは、機種ｃ１とｃ２である（図１０の斜線部分参照）。さらに、例えば、ブロア９０を駆動するための消費電力に制約があり、ブロア９０からの供給圧力に上限値が設けられる場合には、この上限値以下の条件を満たす機種ｃ２が選定される。
【００６３】
このように、反応用空気の流量Ｖｒｅおよび冷却用空気の流量Ｖｃｏを確保しながら、反応用空気の圧力損失ΔＰｒｅと冷却用空気の圧力損失ΔＰｃｏが略同一になるように、反応用空気流路５６の溝部の開口断面積Ｓｒｅ、流路長さＬｒｅおよび反応用空気流路５６の数Ｎｒｅと、冷却用空気流路５４の溝部の開口断面積Ｓｃｏ、流路長さＬｃｏおよび冷却用空気流路５４の数Ｎｃｏとをそれぞれ構成することにより、ブロア９０を共通化することができる。
【００６４】
その結果、従来のように、外部から反応用空気および冷却用空気を個別に供給する図示しないブロアおよび配管や弁等を有効に削減することが可能となり、燃料電池システム１２の小型化かつ低コスト化を図ることができる。しかも、共通のブロア９０を用いることによって消費電力を有効に削減することが可能になるため、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。
【００６５】
次に、図１１〜図１５を参照しながら、第２の実施形態に係る燃料電池スタック１００を組み込む燃料電池システム１０２について説明する。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０および燃料電池システム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。
【００６６】
図１１に示すように、燃料電池スタック１００の積層方向一端側のバックアッププレート１０４には、第１の実施形態の燃料電池スタック１０の反応用空気供給口６０および冷却用空気供給口６２（図１参照）が一体化された形状に相当する１つの空気供給口１０６が設けられる。この空気供給口１０６から燃料電池スタック１００内に空気が供給される。
【００６７】
図１２に示すように、燃料電池スタック１００は、前記空気供給口１０６に連通するとともに、複数の発電セル１６の積層方向に貫通し、反応用空気入口５６ａと冷却用空気入口５４ａとに一体的に連通する空気供給連通孔１０８を備える。この空気供給連通孔１０８は、第１の実施形態の燃料電池スタック１０の反応用空気供給連通孔３８および冷却用空気供給連通孔４０（図４参照）が一体化された形状に相当する。この場合、各発電セル１６には、前記空気供給連通孔１０８に対応してそれぞれ形成された電解質膜・電極構造体１１０、前記電解質膜・電極構造体１１０を挟持する第１および第２セパレータ１１２、１１４が備えられる（図１３〜図１５参照）。
【００６８】
また、電解質膜・電極構造体１１０と第１および第２セパレータ１１２、１１４との間には、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１１６ａ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１１６ｂが介装される。これらのシール部材１１６ａ、１１６ｂは、前記空気供給連通孔１０８に対応してそれぞれ形成されている。
【００６９】
このように構成することにより、燃料電池スタック１００が組み込まれる燃料電池システム１０２の小型化かつ低コスト化が図られ、ブロア９０の消費電力が有効に削減されるとともに、周辺補器としての図示しない配管や弁等をさらに削減することが可能になる。また、電解質膜・電極構造体１１０、第１および第２セパレータ１１２、１１４、シール部材１１６ａ、１１６ｂ等の部材を簡素化することが可能になる。その結果、燃料電池システム１２の小型化かつ低コスト化をより一層図ることができるとともに、燃料電池スタック１０自体の小型化を図ることができる。
【００７０】
実施例
ここでは、上記の第２の実施形態に係る燃料電池スタック１００を組み込む燃料電池システム１０２に適用した実施例を説明する。
【００７１】
７０組の発電セル１６を積層するとともに、ブロア９０の消費電力を可及的に小さくするために、供給圧力の上限値、すなわちブロア９０の供給圧力の上限値を０．７ｋＰａとした。
【００７２】
そして、発電セル１６当たりの定格電流密度が０．２Ａ／ｃｍ２、電極面積が１５０ｃｍ２として、必要な反応用空気の流量Ｖｒｅを上記の（１）式により求めると、Ｖｒｅ＝０．５ｎｏｒｍａｌ  ｌ／ｍｉｎ．が得られた。
【００７３】
一方、反応による理論上の起電力が１．２ｖ、発電セル１６当たりの定格電流密度が０．２Ａ／ｃｍ２、電極面積が１５０ｃｍ２のときのセル電圧が０．７ｖ、空気の比熱が１００７Ｊ／ｋｇ・Ｋ、冷却用空気出口５４ｂにおける冷却用空気の出口温度が３３３Ｋ、冷却用空気入口５４ａにおける冷却用空気の入口温度が２９３Ｋとして、必要な冷却用空気の流量Ｖｃｏを上記の（２）式および（３）式により求めると、Ｖｃｏ＝２９ｎｏｒｍａｌ  ｌ／ｍｉｎ．が得られた。
【００７４】
ここで、ブロア９０の上限値が０．７ｋＰａであるから、反応用空気の流量Ｖｒｅ＝０．５ｎｏｒｍａｌ  ｌ／ｍｉｎ．と冷却用空気の流量Ｖｃｏ＝２９ｎｏｒｍａｌ  ｌ／ｍｉｎ．に基づいて、反応用空気の圧力損失ΔＰｒｅと冷却用空気の圧力損失ΔＰｃｏが０．７ｋＰａになるように、反応用空気流路５６の溝部の開口断面積Ｓｒｅ、流路長さＬｒｅおよび流路の数Ｎｒｅと、冷却用空気流路５４の溝部の開口断面積Ｓｃｏ、流路長さＬｃｏおよび流路の数Ｎｃｏをそれぞれ選定した。
【００７５】
その結果、反応用空気流路５６では、開口断面積が０．８ｍｍ２で、流路長さが３７０ｍｍ、流路の数が２１本の溝部が必要となり、一方、冷却用空気流路５４では、開口断面積が２．１ｍｍ２、流路長さが１６４ｍｍ、流路の数が４４本の溝部が必要となった。
【００７６】
これにより、反応用空気流路５６の溝部は、開口断面積の０．８ｍｍ２に基づいて、その幅Ｗ１を１ｍｍ、深さＤ１を０．８ｍｍとし、流路長さを３７０ｍｍとするために１往復半だけ折り返す蛇行した形状に形成している（図３参照）。一方、冷却用空気流路５４の溝部は、開口断面積の２．１ｍｍ２に基づいて、その幅Ｗ２を１ｍｍ、深さＤ２を２．１ｍｍとしている（図３参照）。
【００７７】
この冷却用空気流路５４は、発電セル１６の温度が上昇し易い中央部の冷却性能を高めるとともに、流路長さを１６４ｍｍにするために、両端が水平方向に延在しかつ中央部が傾斜する形状に形成されている。また、冷却用空気入口５４ａにおける冷却用空気流路５４の流路の数Ｎｃｏは、空気供給連通孔１０８において反応用空気流路５６の流路の数Ｎｒｅとの関係によって制約を受ける。そこで、冷却用空気入口５４ａでは、例えば、３４本の冷却用空気流路５４を設け、そして、冷却用空気流路５４の傾斜する中央部における上方側に６箇所、下方側に４箇所の分岐部５７をそれぞれ設けている（図６参照）。これにより、合計４４本の冷却用空気流路５４を形成している。
【００７８】
そして、燃料電池スタック１００における反応用空気の流量Ｖｒｅと冷却用空気の流量Ｖｃｏの合計、すなわち、ブロア９０から供給する空気のトータル流量Ｖｔｏｔａｌは、（０．５＋２９）×７０＝２０６５ｎｏｒｍａｌ  ｌ／ｍｉｎ．であるから、この燃料電池スタック１００を運転する場合には、供給圧力が０．７ｋＰａ以下で、かつトータル流量Ｖｔｏｔａｌが２０６５ｎｏｒｍａｌ  ｌ／ｍｉｎ．以上の空気を供給することが可能なブロア９０を選定すればよいことが解った。
【００７９】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックでは、反応用空気流路に供給する反応用空気の供給圧力と、冷却用空気流路に供給する冷却用空気の供給圧力とを略同一にすることが可能となり、反応用空気および冷却用空気を供給するための周辺補器を共通化することができる。その結果、周辺補器を有効に削減することが可能となり、燃料電池スタックが組み込まれるシステムの小型化かつ低コスト化を図ることができる。また、周辺補器の消費電力を有効に削減することが可能になるため、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。
【００８０】
また、反応用空気入口と冷却用空気入口とに一体的に連通する空気供給連通孔を備えているので、周辺補器をさらに削減することが可能になり、かつ空気供給連通孔に用いられる部材等を簡素化することが可能になる。その結果、燃料電池スタックが組み込まれるシステムの小型化かつ低コスト化をより一層図ることができるとともに、燃料電池スタック自体の小型化を図ることができる。
【００８１】
さらに、反応用空気入口および冷却用空気入口における空気の供給圧力の低圧化が可能となり、周辺補器による供給圧力を可及的に低減することができる。その結果、周辺補器の消費電力をさらに削減することが可能になるため、燃料電池スタックの発電効率をより一層向上させることができる。
【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概略分解斜視図である。
【図３】前記燃料電池スタックの一部断面説明図である。
【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６】図５に示す第１セパレータの他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２セパレータの一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反応用空気の流量に対する圧力損失の関係を表すグラフである。
【図９】前記燃料電池スタックにおける冷却用空気の流量に対する圧力損失の関係を表すグラフである。
【図１０】前記燃料電池スタックに供給される流量に対するブロアの供給圧力の関係を表すグラフである。
【図１１】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１２】第２の実施形態に係る燃料電池スタックの一部分解概略斜視図である。
【図１３】第２の実施形態に係る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１４】図１３に示す第１セパレータの他方の面の正面図である。
【図１５】第２の実施形態に係る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１６】従来技術に係る燃料電池の概略分解斜視図である。
【符号の説明】
１０、１００…燃料電池スタック    １２、１０２…燃料電池システム
１４…ケーシング                  １６…発電セル
１８…積層体                      ３０、１１０…電解質膜・電極構造体
３２、３４、１１２、１１４…セパレータ
３６ａ、３６ｂ、１１６ａ、１１６ｂ…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、５８ｂ、１０４…バックアッププレート
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
９０…ブロア                      ９４…水素ボンベ
１０８…空気供給連通孔
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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