(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側にアノード電極とカソード電極を設けて膜電極構造体を構成し、前記アノード電極とカソード電極に密接してセパレータを配置して単位燃料電池を構成し、この単位燃料電池を複数積層してなり、
前記アノード電極および前記カソード電極とこれに密接する前記セパレータとの間の空間をそれぞれ反応ガス通路とし、
少なくとも一部の前記セパレータを他の前記セパレータに密接して配置することにより両セパレータ間に冷媒通路を形成し、
前記各反応ガス通路に連通し前記単位燃料電池の積層方向に貫通する反応ガス供給用連通孔および反応ガス排出用連通孔と、前記冷媒通路に連通し前記単位燃料電池の積層方向に貫通する冷媒供給用連通孔および冷媒排出用連通孔とを備えた燃料電池スタックであって、
前記反応ガス通路が設けられている領域を発電領域とし、
前記反応ガス供給用連通孔と前記反応ガス排出用連通孔を鉛直方向において前記発電領域を挟んで互いに対向する位置に配置し、
前記反応ガス供給用連通孔と前記発電領域との間、および、前記反応ガス排出用連通孔と前記発電領域との間に、反応ガスを拡散、整流する上部バッファ部と下部バッファ部を設け、
前記上部バッファ部および前記下部バッファ部は鉛直方向に対して傾斜する傾斜部を有し、
前記冷媒供給用連通孔と前記冷媒排出用連通孔を水平方向において前記発電領域を挟んで互いに対向する位置に配置するとともに鉛直方向において前記上部バッファ部と前記下部バッファ部の間に配置し、
前記冷媒通路に連通する空気抜き用連通孔を前記冷媒通路の最上部よりも上方に位置させて前記セパレータの面内に前記単位燃料電池の積層方向に貫通して設け、
前記空気抜き用連通孔を前記上部バッファ部の上方であって前記反応ガス供給用連通孔の最上部よりも下方に配置するとともに前記上部バッファ部の前記傾斜部の上端近傍に配置し、
前記冷媒通路に連通する冷媒ドレン用連通孔を前記冷媒通路の最下部よりも下方に位置させて前記セパレータの面内に前記単位燃料電池の積層方向に貫通して設け、
前記冷媒ドレン用連通孔を前記下部バッファ部の下方であって前記反応ガス排出用連通孔の最下部よりも上方に配置するとともに前記下部バッファ部の前記傾斜部の下端近傍に配置したことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記セパレータは面内中心部に対して点対称形状であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、単位燃料電池を複数積層してなる燃料電池スタックに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池には、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟んで膜電極構造体を形成し、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位燃料電池（以下、単位セルという）を構成し、この単位セルを複数積層して燃料電池スタックとするものが知られている。
この燃料電池では、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を透過してカソード電極まで移動し、カソード電極で酸素と電気化学反応を起こして発電し、その際に水（以下、生成水という）を生成する。また、発電には発熱を伴うため、発電を継続するために一般に冷却装置で燃料電池を冷却している。
この冷却装置には、単位燃料電池を積層する際に隣り合うセパレータ間に冷媒通路を形成し、この冷媒通路に冷媒を流して燃料電池を冷却するものが知られている。
このような冷媒通路を備えた燃料電池スタックでは、冷媒通路内に空気が残留していると、熱交換効率が低下して発電性能に影響を及ぼす。
【０００３】
ところで、冷媒通路に連通する冷媒供給口と冷媒排出口を水平方向において冷媒通路を挟んで互いに対向して設け、冷媒供給口から供給した冷媒を冷媒通路において水平方向に流して冷媒排出口に排出するように構成した場合に、冷媒供給口と冷媒排出口が冷媒通路の高さ途中に配置されていると、冷媒通路内の空気が抜けにくくなる。
そこで、冷媒通路に連通し単位セルの積層方向に貫通する空気抜き用連通孔を冷媒通路よりも上方に設けた燃料電池スタックが開発されている（例えば、特許文献１参照）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記空気抜き用連通孔を設ける場合には、反応ガス供給口や反応ガス排出口や冷媒供給口や冷媒排出口との干渉を避けて配置する必要があり、その設置位置が燃料電池スタックの大きさに影響を及ぼすため、改善の余地があった。
また、冷媒排出口が冷媒通路の高さ途中に配置されていると、メンテナンスなどのときに冷媒通路内の冷媒を完全に抜くことができなくなる。
そこで、この発明は、燃料電池スタックの大きさに殆ど影響を与えることなく、冷媒通路内の空気をほぼ総て抜くことができるとともに、必要時に冷媒通路内の冷媒をほぼ総て抜くことができる燃料電池スタックを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、電解質膜（例えば、後述する実施例における固体高分子電解質膜２１）の両側にアノード電極（例えば、後述する実施例におけるアノード電極２２）とカソード電極（例えば、後述する実施例におけるカソード電極２３）を設けて膜電極構造体（例えば、後述する実施例における膜電極構造体２０）を構成し、前記アノード電極とカソード電極に密接してセパレータ（例えば、後述する実施例におけるアノード側セパレータ３０Ａ，カソード側セパレータ３０Ｂ）を配置して単位燃料電池（例えば、後述する実施例における単位セル１０）を構成し、この単位燃料電池を複数積層してなり、前記アノード電極および前記カソード電極とこれに密接する前記セパレータとの間の空間をそれぞれ反応ガス通路（例えば、後述する実施例における燃料ガス通路５１、酸化剤ガス通路５２）とし、少なくとも一部の前記セパレータを他の前記セパレータに密接して配置することにより両セパレータ間に冷媒通路（例えば、後述する実施例における冷却水通路５３）を形成し、前記各反応ガス通路に連通し前記単位燃料電池の積層方向に貫通する反応ガス供給用連通孔（例えば、後述する実施例における燃料ガス供給用連通孔１、酸化剤ガス供給用連通孔３）および反応ガス排出用連通孔（例えば、後述する実施例におけるアノードオフガス排出用連通孔２、カソードオフガス排出用連通孔４）と、前記冷媒通路に連通し前記単位燃料電池の積層方向に貫通する冷媒供給用連通孔（例えば、後述する実施例における冷却水供給用連通孔５）および冷媒排出用連通孔（例えば、後述する実施例における冷却水排出用連通孔６）とを備えた燃料電池スタック（例えば、後述する実施例における燃料電池スタックＳ）であって、前記反応ガス通路が設けられている領域を発電領域（例えば、後述する実施例における発電領域Ｇ）とし、前記反応ガス供給用連通孔と前記反応ガス排出用連通孔を鉛直方向において前記発電領域を挟んで互いに対向する位置に配置し、前記反応ガス供給用連通孔と前記発電領域との間、および、前記反応ガス排出用連通孔と前記発電領域との間に、反応ガスを拡散、整流する上部バッファ部（例えば、後述する実施例における上部バッファ部３７）と下部バッファ部（例えば、後述する実施例における下部バッファ部４０）を設け、前記上部バッファ部および前記下部バッファ部は鉛直方向に対して傾斜する傾斜部（例えば、後述する実施例における傾斜部３７ａ，４０ａ）を有し、前記冷媒供給用連通孔と前記冷媒排出用連通孔を水平方向において前記発電領域を挟んで互いに対向する位置に配置するとともに鉛直方向において前記上部バッファ部と前記下部バッファ部の間に配置し、前記冷媒通路に連通する空気抜き用連通孔（例えば、後述する実施例における空気抜き用連通孔８）を前記冷媒通路の最上部よりも上方に位置させて前記セパレータの面内に前記単位燃料電池の積層方向に貫通して設け、前記空気抜き用連通孔を前記上部バッファ部の上方であって前記反応ガス供給用連通孔の最上部よりも下方に配置するとともに前記上部バッファ部の前記傾斜部の上端近傍に配置し、前記冷媒通路に連通する冷媒ドレン用連通孔（例えば、後述する実施例における冷却水ドレン用連通孔９）を前記冷媒通路の最下部よりも下方に位置させて前記セパレータの面内に前記単位燃料電池の積層方向に貫通して設け、前記冷媒ドレン用連通孔を前記下部バッファ部の下方であって前記反応ガス排出用連通孔の最下部よりも上方に配置するとともに前記下部バッファ部の前記傾斜部の下端近傍に配置したことを特徴とする燃料電池スタックである。
【０００６】
このように構成することにより、メンテナンスなど必要なときに、燃料電池スタックの冷媒通路内に溜まっている冷媒をほぼ完全に抜き出すことができる。また、燃料電池スタックの組み立て完了後のイニシャル時、あるいは、燃料電池スタック内の冷媒を抜いた後、冷媒通路に冷媒を充填するときに、冷媒通路内の空気をほぼ完全に排出して冷媒を充填することができる。
【０００７】
反応ガス供給用連通孔と発電領域との間に上部バッファ部を設けているので、反応ガス供給用連通孔から上部バッファ部に導入された反応ガスを拡散し、反応ガス通路に均一に分配することができる。反応ガス排出用連通孔と発電領域との間に下部バッファ部を設けているので、反応ガス通路から下部バッファ部に導入された反応ガスを整流して反応ガス排出用連通孔に集合させることができる。
空気抜き用連通孔を、冷媒通路、冷媒供給用連通孔、冷媒排出用連通孔よりも上方に配置することができるので、空気の排出性が向上する。また、冷媒ドレン用連通孔を、冷媒通路、冷媒供給用連通孔、冷媒排出用連通孔よりも下方に配置することができるので、冷媒の排出性が向上する。
【０００８】
また、空気抜き用連通孔を上部バッファ部の傾斜部の上端近傍に配置したので、空気抜き用連通孔をより高い位置に配置することができ、冷媒ドレン用連通孔を下部バッファ部の傾斜部の下端近傍に配置したので、冷媒ドレン用連通孔をより低い位置に配置することができる。
【０００９】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記セパレータは面内中心部に対して点対称形状であることを特徴とする。
このように構成することにより、セパレータの上下を逆にしてセットしても単位燃料電池および燃料電池スタックを支障なく組み立てることができる。また、製造するセパレータの種類が少なくて済む。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１に係る発明によれば、冷媒通路内の空気をほぼ完全に排出して冷媒通路内に冷媒を充填することができるので、冷媒通路内に空気が残留することがなく、熱交換効率が向上し、冷却効率が向上する。また、メンテナンスなどにおいて、燃料電池スタックの冷媒通路内に溜まっている冷媒を容易にほぼ完全に抜き出すことができ、メンテナンスの作業がし易くなる。
【００１１】
また、空気抜き用連通孔をより高い位置に配置することができるので空気の排出性が更に向上し、冷媒ドレン用連通孔をより低い位置に配置することができるので冷媒の排出性が更に向上する。
反応ガス供給用連通孔と発電領域との間に上部バッファ部を設けているので、反応ガス供給用連通孔から上部バッファ部に導入された反応ガスを拡散し、反応ガス通路に均一に分配することができる。反応ガス排出用連通孔と発電領域との間に下部バッファ部を設けているので、反応ガス通路から下部バッファ部に導入された反応ガスを整流して反応ガス排出用連通孔に集合させることができる。
【００１２】
請求項２に係る発明によれば、セパレータの上下を逆にしてセットしても単位燃料電池および燃料電池スタックを支障なく組み立てることができので、組み立てミスが減少し、生産性が向上する。また、製造するセパレータの種類が少なくて済むので、コストを低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、この発明に係る燃料電池スタックの実施例を図１から図６の図面を参照して説明する。なお、この実施例の燃料電池スタックＳは燃料自動車用である。
図１は燃料電池スタックＳの概略斜視図であり、燃料電池スタックＳは、縦方向に細長い単位燃料電池（以下、単位セルと称す）１０を多数積層して電気的に直列接続し、その両側にエンドプレート９０Ａ，９０Ｂを配置し、図示しないタイロッドによって締結して構成されている。この実施例の燃料電池スタックＳは、前記縦方向を鉛直方向に向けて車両に搭載される。以下、図中の矢印Ｘ，Ｙは水平方向を示し、矢印Ｚは鉛直方向を示す。
【００１４】
図２に示すように、単位セル１０は、膜電極構造体２０の両側にセパレータ３０Ａ，３０Ｂを配置したサンドイッチ構造をなす。詳述すると、膜電極構造体２０は、図５に示すように、例えばフッ素系電解質材料等からなる固体高分子電解質膜（電解質膜）２１の両側にアノード電極２２とカソード電極２３を設けて構成され、膜電極構造体２０のアノード電極２２に面してアノード側セパレータ３０Ａが、カソード電極２３に面してカソード側セパレータ３０Ｂが配置されている。両セパレータ３０Ａ，３０Ｂは金属プレートを所定にプレス成形して形成されており、前記構成の単位セル１０を積層してなる燃料電池スタックＳでは、隣接する２つの単位セル１０，１０において一方の単位セル１０のアノード側セパレータ３０Ａと他方の単位セル１０のカソード側セパレータ３０Ｂとが密接する。
【００１５】
図２において、膜電極構造体２０と両セパレータ３０Ａ，３０Ｂの左上隅部には、使役前の燃料ガス（例えば、水素ガス）が流通する燃料ガス供給口１１が設けられ、その対角位置である右下隅部には、使役後の燃料ガス（以下、アノードオフガスという）が流通するアノードオフガス排出口１２が設けられている。同様に、膜電極構造体２０と両セパレータ３０Ａ，３０Ｂの右上隅部には、使役前の酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス供給口１３が設けられ、その対角位置である左下隅部には、使役後の酸化剤ガス（以下、カソードオフガスという）が流通するカソードオフガス排出口１４が設けられている。さらに、膜電極構造体２０と両セパレータ３０Ａ，３０Ｂの左端部には、使役前の冷却水が流通する４つの冷却水供給口１５，１５・・・が縦列に並んで設けられ、対称位置である右端部には、使役後の冷却水が流通する４つの冷却水排出口１６，１６・・・が縦列に並んで設けられている。冷却水供給口１５，１５・・・と冷却水排出口１６，１６・・・は、燃料ガス供給口１１および酸化剤ガス供給口１３よりも下方であって、アノードオフガス排出口１２およびカソードオフガス排出口１４よりも上方に配置されている。
【００１６】
また、燃料ガス供給口１１と酸化剤ガス供給口１３の間、および、アノードオフガス排出口１２とカソードオフガス排出口１４の間には、燃料電池スタックＳを締結するタイロッドを挿通するためのタイロッド挿通孔１７が設けられている。
さらに、膜電極構造体２０と両セパレータ３０Ａ，３０Ｂには、酸化剤ガス供給口１３および上側のタイロッド挿通孔１７に隣接してこれらの下側に空気抜き孔１８が設けられ、カソードオフガス排出口１４および下側のタイロッド挿通孔１７に隣接してこれらの上側に冷却水ドレン孔１９が設けられている。空気抜き孔１８と冷却水ドレン孔１９は点対称な位置に配置されている。
【００１７】
これら燃料ガス供給口１１、アノードオフガス排出口１２、酸化剤ガス供給口１３、カソードオフガス排出口１４、冷却水供給口１５，１５・・・、冷却水排出口１６，１６・・・、空気抜き孔１８、冷却水ドレン孔１９は、単位セル１０として組み立てられた状態、および、燃料電池スタックＳとして組み立てられた状態において、後述するシール部４３，４４を介してそれぞれ連通して、燃料ガス供給用連通孔（反応ガス供給用連通孔）１、アノードオフガス排出用連通孔（反応ガス排出用連通孔）２，酸化剤ガス供給用連通孔（反応ガス供給用連通孔）３、カソードオフガス排出用連通孔（反応ガス排出用連通孔）４、冷却水供給用連通孔（冷媒供給用連通孔）５、冷却水排出用連通孔（冷媒排出用連通孔）６、空気抜き用連通孔８、冷却水ドレン用連通孔（冷媒ドレン用連通孔）９を形成し、分配流路もしくは集合流路として機能する。すなわち、これら連通孔１〜６，８，９は単位セル１０の積層方向に貫通して設けられている。
【００１８】
これら燃料ガス供給用連通孔１、アノードオフガス排出用連通孔２，酸化剤ガス供給用連通孔３、カソードオフガス排出用連通孔４、冷却水供給用連通孔５、冷却水排出用連通孔６、空気抜き用連通孔８、冷却水ドレン用連通孔９は、それぞれ一方のエンドプレート９０Ａに設けられた燃料ガス供給口９１、アノードオフガス排出口９２、酸化剤ガス供給口９３、カソードオフガス排出口９４、冷却水供給口９５，９５・・・、冷却水排出口９６，９６・・・、空気抜き孔９８，冷却水ドレン孔９９に連通するとともに、他方のエンドプレート９０Ｂによって先端が閉塞されている。
そして、燃料ガス供給口９１に燃料ガスを、酸化剤ガス供給口９３に酸化剤ガスを、冷却水供給口９５，９５・・・に冷却水を、それぞれ図示しないマニホールドを介して供給可能に構成されており、また、アノードオフガス排出口９２から排出されるアノードオフガス、カソードオフガス排出口９４から排出されるカソードオフガス、冷却水排出口９６，９６・・・から排出される冷却水を、それぞれ図示しないマニホールドを介して排出可能に構成されている。
エンドプレート９０Ａの空気抜き孔９８は配管（図示略）を介して冷却水リザーバータンク（図示略）に接続され、冷却水ドレン孔９９はメンテナンスにおいて必要なとき等を除いて栓（図示略）で閉塞される。
また、タイロッド挿通孔１７も単位セル１０として組み立てられた状態、および、燃料電池スタックＳとして組み立てられた状態において、後述するシール部４３，４４を介して連通するとともに、エンドプレート９０Ａのタイロッド挿通孔１７に連通する。
【００１９】
図３に示すように、アノード側セパレータ３０Ａは膜電極構造体２０に面当接する平坦部３６を備え、冷却水供給口１５，１５・・・と冷却水排出口１６，１６・・・の間に挟まれた矩形領域には、膜電極構造体２０から離間する方向に突出する突条３１Ａがその長手方向を鉛直方向に向けて多数形成され、水平方向（Ｘ方向）等間隔に並行に配置されている。各突条３１Ａは略台形波状に左右に蛇行しながら鉛直方向に延びている。詳述すると、１本の突条３１Ａは、鉛直方向へ千鳥に配置され鉛直方向直線的に延びる第１の直線部３２および第２の直線部３３が、鉛直方向に対して傾斜して延びる傾斜部３４により接続されて構成されている。以下の説明の都合上、同一突条３１Ａにおいて第１の直線部３２と第２の直線部３３の水平方向中心間距離を突条３１Ａの振幅Ｗ、同一突条３１Ａにおいて隣接する第１の直線部３２，３２の中心間距離を突条３１ＡのピッチＰと定義すると、全突条３１Ａにおいて、振幅Ｗは同一に設定されており、ピッチＰも同一に設定されている。図５に示すように、この突条３１Ａの断面形状は平坦な頂部３５を有する台形状をなし、隣り合う突条３１Ａ，３１Ａの端部同士は平坦部３６によって接続されている。
【００２０】
アノード側セパレータ３０Ａにおいて、燃料ガス供給口１１および酸化剤ガス供給口１３よりも下方には、上部バッファー部３７が膜電極構造体２０から離間する方向に突出して形成されている。上部バッファー部３７は正面視で下方に末広がりの台形状をなし、アノード側セパレータ３０Ａの水平方向中央に向かって上り傾斜の傾斜部３７ａを有している。前述した各突条３１Ａの上端は上部バッファー部３７の下端に連通している。上部バッファー部３７には膜電極構造体２０に接近する方向に突出する円筒状の凸部３８が分散して設けられており、凸部３８の先端面はアノード側セパレータ３０Ａの平坦部３６と面一にされている。さらに、燃料ガス供給口１１とこれに対向する上部バッファー部３７の傾斜部３７ａは、この間において膜電極構造体２０から離間する方向に突出して多数形成された別の突条３９を介して連通している。前述した空気抜き孔１８は酸化剤ガス供給口１３に対向する傾斜部３７ａの上端（終端）近傍であって該上端よりも若干上方に位置している。
【００２１】
また、アノード側セパレータ３０Ａにおいて、アノードオフガス排出口１２およびカソードオフガス排出口１４よりも上方には、下部バッファー部４０が膜電極構造体２０から離間する方向に突出して形成されている。下部バッファ部４０は正面視で上方に末広がりの台形状をなし、アノード側セパレータ３０Ａの水平方向中央に向かって下り傾斜の傾斜部４０ａを有している。前述した各突条３１Ａの下端はこの下部バッファー部４０の上端に連通している。下部バッファー部４０には膜電極構造体２０に接近する方向に突出する円筒状の凸部４１が分散して設けられており、凸部４１の先端面はアノード側セパレータ３０Ａの平坦部３６と面一にされている。さらに、アノードオフガス排出口１２とこれに対向する下部バッファー部４０の傾斜部４０ａは、この間において膜電極構造体２０から離間する方向に突出して多数形成された別の突条４２を介して連通している。前述した冷却水ドレン孔１９はカソードオフガス排出口１４に対向する傾斜部４０ａの下端（終端）近傍であって該下端よりも若干下方に位置している。
【００２２】
そして、アノード側セパレータ３０Ａにおいて膜電極構造体２０に密接する面には、絶縁樹脂（例えば、シリコン樹脂）からなるシール部４３が設けられている。シール部４３は、燃料ガス供給口１１とアノードオフガス排出口１２と上部バッファー部３７と下部バッファ部４０と総ての突条３１Ａ，３９，４２の外側を一周して囲繞するとともに、酸化剤ガス供給口１３、カソードオフガス排出口１４、各冷却水供給口１５，１５・・・、各冷却水排出口１６，１６・・・、タイロッド挿通孔１７、空気抜き孔１８、冷却水ドレン孔１９をそれぞれ個別に囲繞している。
【００２３】
アノード側セパレータ３０Ａはその平坦部３６とシール部４３を膜電極構造体２０のアノード電極２２に密接して取り付けられ、膜電極構造体２０と上部バッファー部３７との間に形成される空間、膜電極構造体２０と下部バッファ部４０との間に形成される空間、膜電極構造体２０と突条３１Ａ，３９，４２との間に形成される空間が、燃料ガスが流通するアノードガス通路５１となる。その結果、燃料ガス供給口１１を介してアノードガス通路５１に導入された燃料ガスは、突条３９、上部バッファー部３７、突条３１Ａ、下部バッファ部４０、突条４２を順に流通して、アノードオフガス排出口１２に排出される。すなわち、燃料ガスは膜電極構造体２０のアノード電極２２に沿って蛇行しながら上から下へ鉛直方向に流れていく。
その際に、上部バッファー部３７が下方に末広がりの台形状をなし、多数の凸部３８を有しているので、燃料ガス供給口１１から上部バッファー部３７に導入した燃料ガスを拡散して総ての突条３１Ａにほぼ均一に分配することができる。また、下部バッファ部４０が上方に末広がりの台形状をなし、多数の凸部４１を有しているので、各突条３１Ａから下部バッファ部４０に導入されたアノードオフガスを整流してアノードオフガス排出口１２に集合させることができる。
【００２４】
カソード側セパレータ３０Ｂもアノード側セパレータ３０Ａとほぼ同様の構成であるので同一構成については説明を省略し、図４を参照して相違点だけを説明する。なお、図４はカソード側セパレータ３０Ｂをカソード電極２３に面する側から見た図である。
図２のように同一面側から見たときに、カソード側セパレータ３０Ｂの突条３１Ｂとアノード側セパレータ３０Ａの突条３１Ａは位相を異にしており、正弦波形で言えば１８０度位相がずれている。突条３１Ｂの振幅ＷとピッチＰについては、カソード側セパレータ３０Ｂもアノード側セパレータ３０Ａと同一に設定されている。酸化剤ガス供給口１３とこれに対向する上部バッファー部３７の傾斜部３７ａは突条３９を介して連通しており、カソードオフガス排出口１４とこれに対向する下部バッファ部４０の傾斜部４０ａは突条４２を介して連通している。空気抜き孔１８は酸化剤ガス供給口１３に対向する上部バッファ部３７の傾斜部３７ａの上端（終端）近傍であって該上端よりも若干上方に位置しており、冷却水ドレン孔１９はカソードオフガス排出口１４に対向する下部バッファ部４０の傾斜部４０ａの下端（終端）近傍であって該下端よりも若干下方に位置している。
カソード側セパレータ３０Ｂのシール部４３は、酸化剤ガス供給口１３とカソードオフガス排出口１４と上部バッファー部３７と下部バッファ部４０と総ての突条３１Ｂ，３９，４２の外側を一周して囲繞するとともに、燃料ガス供給口１１、アノードオフガス排出口１２、各冷却水供給口１５，１５・・・、各冷却水排出口１６，１６・・・、タイロッド挿通孔１７、空気抜き孔１８、冷却水ドレン孔１９をそれぞれ個別に囲繞している。
【００２５】
カソード側セパレータ３０Ｂはその平坦部３６とシール部４３を膜電極構造体２０のカソード電極２３に密接して取り付けられ、膜電極構造体２０と上部バッファー部３７との間に形成される空間、膜電極構造体２０と下部バッファ部４０との間に形成される空間、膜電極構造体２０と突条３１Ｂ，３９，４２との間に形成される空間が、酸化剤ガスが流通するカソードガス通路５２となる。その結果、酸化剤ガス供給口１３を介してカソードガス通路５２に導入された酸化剤ガスは、突条３９、上部バッファー部３７、突条３１Ｂ、下部バッファ部４０、突条４２を順に流通して、カソードオフガス排出口１４に排出される。すなわち、酸化剤ガスは膜電極構造体２０のカソード電極２３に沿って蛇行しながら上から下へ鉛直方向に流れていく。
その際に、上部バッファー部３７が下方に末広がりの台形状をなし、多数の凸部３８を有しているので、酸化剤ガス供給口１３から上部バッファー部３７に導入した酸化剤ガスを拡散して総ての突条３１Ｂにほぼ均一に分配することができる。また、下部バッファ部４０が上方に末広がりの台形状をなし、多数の凸部４１を有しているので、各突条３１Ｂから下部バッファ部４０に導入されたカソードオフガスを整流してカソードオフガス排出口１４に集合させることができる。
【００２６】
なお、図２において膜電極構造体２０の面内に二点鎖線で示すように、この燃料電池スタックＳにおいては、アノード側セパレータ３０Ａの突条３１Ａおよびカソード側セパレータ３０Ｂの突条３１Ｂが設けられている領域が実質的な発電領域Ｇとなる。
したがって、この燃料電池スタックＳにおいては、燃料ガス供給用連通孔１とアノードオフガス排出用連通孔２は鉛直方向において発電領域Ｇを挟んで互いに対向して位置し、酸化剤ガス供給用連通孔３とカソードオフガス排出用連通孔４は鉛直方向において発電領域Ｇを挟んで互いに対向して位置し、冷却水供給用連通孔５と冷却水排出用連通孔６は水平方向において発電領域Ｇを挟んで互いに対向して位置している。
また、上部バッファ部３７は、燃料ガス供給用連通孔１および酸化剤ガス供給用連通孔３と発電領域Ｇとの間に位置し、下部バッファ部４０は、アノードオフガス排出用連通孔２およびカソードオフガス排出用連通孔４と発電領域Ｇとの間に位置しており、冷却水供給用連通孔５と冷却水排出用連通孔６は、鉛直方向において上部バッファ部３７と下部バッファ部４０の間に位置している。
空気抜き用連通孔８は上部バッファ部３７の上方に位置し、冷却水ドレン用連通孔９は下部バッファ部４０の下方に位置している。
【００２７】
また、図２に示すように、カソード側セパレータ３０Ｂにおいて膜電極構造体２０に密接する面の裏面にも、絶縁樹脂（例えば、シリコン樹脂）からなるシール部４４が設けられている。シール部４４は、冷却水供給口１５，１５・・・および冷却水排出口１６，１６・・・、空気抜き孔１８、冷却水ドレン孔１９の外側を１周して囲繞するとともに、燃料ガス供給口１１、アノードオフガス排出口１２、酸化剤ガス供給口１３、カソードオフガス排出口１４、タイロッド挿通孔１７をそれぞれ個別に囲繞している。このカソード側セパレータ３０Ｂと同様に、アノード側セパレータ３０Ａにおいて膜電極構造体２０に密接する面の裏面にも、シール部４４が設けられている。
【００２８】
なお、この実施例では、アノード側セパレータ３０Ａおよびカソード側セパレータ３０Ｂがいずれも面内中心部に対して点対称形状をなしているので、それぞれのセパレータ３０Ａ，３０Ｂの上下を逆にしてセットしても単位セル１０および燃料電池スタックＳを支障なく組み立てることができる。したがって、組み立てミスが減少し、生産性がよい。また、製造するセパレータの種類が少なくて済み、コストを低減することができる。
【００２９】
前述したように、単位セル１０を積層してなる燃料電池スタックＳでは、隣接する２つの単位セル１０，１０において一方の単位セル１０のアノード側セパレータ３０Ａと他方の単位セル１０のカソード側セパレータ３０Ｂとが密接するが、その際には、アノード側セパレータ３０Ａの突条３１Ａにおける第１の直線部３２の頂部３５とカソード側セパレータ３０Ｂの突条３１Ｂにおける第１の直線部３２の頂部３５とを密接させるとともに、アノード側セパレータ３０Ａの上部バッファ部３７および下部バッファ部４０とカソード側セパレータ３０Ｂの上部バッファ部３７および下部バッファ部４０とを密接させ、アノード側セパレータ３０Ａのシール部４４とカソード側セパレータ３０Ｂのシール部４４とを密接させる。これにより、両シール部４４，４４に囲繞された両セパレータ３０Ａ，３０Ｂ間の空間であって上部バッファー部３７と下部バッファ部４０の間に、冷却水供給口１５，１５・・・、冷却水排出口１６，１６・・・、突条３１Ａ，３１Ｂを包囲するように冷却水通路５３が形成される。そして、上部バッファ部３７，３７間、および下部バッファ部４０，４０間には冷却水が流れなくなるので、発電領域Ｇに冷媒を効率よく流通させることができ、発電領域Ｇを効率的に冷却することができる。
また、空気抜き孔１８および冷却水ドレン孔１９は、上部バッファー部３７の傾斜部３７ａおよび下部バッファ部４０の傾斜部４０ａに沿って形成される溝５３ａ，５３ｂによって冷却水通路５３に連通する。
そして、空気抜き用連通孔８は、冷却水供給用連通孔５、冷却水排出用連通孔６、冷却水通路５３の各最上部よりも上方に位置し、且つ、溝５３ａのほぼ最上部に位置している。また、冷却水ドレン用連通孔９は、冷却水供給用連通孔５、冷却水排出用連通孔６、冷却水通路５３の各最下部よりも下方に位置し、且つ、溝５３ｂのほぼ最下部に位置している。
【００３０】
図５、図６を参照して冷却水通路５３について詳述する。なお、図６は、アノード側セパレータ３０Ａの突条３１Ａとカソード側セパレータ３０Ｂの突条３１Ｂをそれぞれ１本ずつ代表的に図示している。
前述したように、アノード側セパレータ３０Ａの突条３１Ａとカソード側セパレータ３０Ｂの突条３１Ｂは互いに位相を異にしているので、突条３１Ａにおける第１の直線部３２の頂部３５と突条３１Ｂにおける第１の直線部３２の頂部３５とを密接させて重ねたときに、突条３１Ａにおける第２の直線部３３の頂部３５と突条３１Ｂにおける第２の直線部３３の頂部３５は重なることなく、互いに水平方向に離間して位置し、この間に開口６０が形成される。
【００３１】
また、アノード側セパレータ３０Ａの突条３１Ａにおける第２の直線部３３の頂部３５はカソード側セパレータ３０Ｂの平坦部３６から離間して配置されており、同様に、カソード側セパレータ３０Ｂの突条３１Ｂにおける第２の直線部３３の頂部３５はアノード側セパレータ３０Ａの平坦部３６から離間して配置されている。これにより、アノード側セパレータ３０Ａとカソード側セパレータ３０Ｂの間に形成される冷却水通路５３は、突条３１Ａ，３１Ｂの第１の直線部３２，３２が突き合わさっている部分では水平方向を遮断されるが、突条３１Ａ，３１Ｂの第２の直線部３３，３３が存在する部分では水平方向に連通する。
その結果、冷却水供給口１５，１５・・・から冷却水通路５３に導入された冷却水は、突条３１Ａの第２の直線部３３と突条３１Ｂの第２の直線部３３との間を縫うようにして水平方向に流通し、対応する冷却水排出口１６，１６・・・へと流れる。つまり、燃料ガスと酸化剤ガスが鉛直方向に流れるのに対し、冷却水はこれら反応ガスの流れ方向と直交する水平方向に流れる。
【００３２】
このように構成された燃料電池スタックＳおよび単位セル１０では、アノード電極２２で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜２１を透過してカソード電極２３まで移動し、カソード電極２３で酸素と電気化学反応を起こして発電し、その際に水を生成する。この発電に伴う発熱により単位セル１０が所定の作動温度を越えないように、冷却水通路５３を流れる冷却水で熱を奪い冷却する。
【００３３】
ところで、この燃料電池スタックＳでは、メンテナンス時などにおいて燃料電池スタックＳから冷却水を抜く必要が生じたときには、エンドプレート９０Ａの冷却水ドレン孔９９を閉塞している図示しない栓を外すことにより、燃料電池スタックＳ内の冷却水を容易にほぼ完全に抜くことができる。これは、空気抜き用連通孔８および冷却水ドレン用連通孔９が総ての単位セル１０における冷却水通路５３に連通していること、空気抜き用連通孔８が前記冷却水リザーバータンクを介して大気に開放されていること、冷却水ドレン用連通孔９が冷却水供給用連通孔５、冷却水排出用連通孔６、冷却水通路５３の各最下部よりも下方であって溝５３ｂの最下部に位置していること、空気抜き用連通孔８が冷却水供給用連通孔５、冷却水排出用連通孔６、冷却水通路５３の各最上部よりも上方であって溝５３ａの最上部に位置していることによる。
また、上部バッファ部３７の傾斜部３７ａに沿って冷却水が流れ落ちるので、上部バッファ部３７の上方に冷却水が残留することがない。そして、燃料電池スタックＳ内の冷却水のほぼ総てを、下部バッファ部４０の傾斜部４０ａに沿って設けた溝５３ｂを介して冷却水ドレン用連通孔９に導くことができる。
【００３４】
燃料電池スタックＳの組み立て完了後のイニシャル時に、あるいは、前述のごとく燃料電池スタックＳ内の冷却水を抜いた後に、冷却水通路５３に冷却水を充填する場合には、エンドプレート９０Ａの空気抜き孔９８および冷却水ドレン孔９９を前記冷却水リザーバータンクに接続し、冷却水供給口９５から冷却水を供給することにより、各単位セルにおける冷却水通路５３内の空気をほぼ完全に容易に排出することができる。これは、空気抜き用連通孔８が総ての単位セル１０における冷却水通路５３に連通し、且つ、空気抜き用連通孔８が冷却水供給用連通孔５、冷却水排出用連通孔６、冷却水通路５３の各最上部よりも上方であって溝５３ａの最上部に位置していること、および、上部バッファ部３７において気液分離が行われることによる。
また、下部バッファ部４０の傾斜部４０ａに沿って空気を上方に移動させることができるので、下部バッファ部４０の下方に空気が残留することがない。そして、冷却水通路５３内の空気のほぼ総てを、上部バッファ部３７の傾斜部３７ａに沿って設けた溝５３ａを介して空気抜き用連通孔８に導くことができる。
さらに、通常の運転時において冷却水中に空気が混入した場合にも、上部バッファ部３７において気液分離が行われ、冷却水から分離した空気を空気抜き用連通孔８を介して前記冷却水リザーバータンクに排出することができる。
このようにして燃料電池スタックＳの冷却水通路５３内に残留する空気を殆どなくすことができるので、熱交換効率が向上し、冷却効率が向上する。
【００３５】
〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、前述した実施例では、隣接する２つの単位セル間に総て冷媒通路を設けたが、冷媒通路は単位燃料電池間に総て設けず、間引きして設けてもよい。この場合に、冷媒通路を間引いた部位では、隣接する２つの単位セルが１つのセパレータを共有し、該セパレータが一方の単位セルではアノード側セパレータとして機能し、他方の単位セルではカソード側セパレータとして機能する。
また、実施例では、反応ガスの流れ方向と冷媒の流れ方向とを交差させる手段として、波形の突条を有するセパレータを積層する構造を採用したが、この構造に限定されるものではなく、反応ガスの流れ方向と冷媒の流れ方向とを交差させることができれば、いかなる構造を採用しても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】この発明に係る燃料電池スタックの概略斜視図である。
【図２】前記燃料電池スタックを構成する単位燃料電池の分解図である。
【図３】前記単位燃料電池を構成するアノード側セパレータの正面図である。
【図４】前記単位燃料電池を構成するカソード側セパレータの正面図である。
【図５】燃料電池スタックの部分断面図である。
【図６】前記燃料電池スタックにおけるセパレータ積層状態を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３７】
Ｓ  燃料電池スタック
Ｇ  発電領域
１  燃料ガス供給用連通孔（反応ガス供給用連通孔）
２  アノードオフガス排出用連通孔（反応ガス排出用連通孔）
３  酸化剤ガス供給用連通孔（反応ガス供給用連通孔）
４  カソードオフガス排出用連通孔（反応ガス排出用連通孔）
５  冷却水供給用連通孔（冷媒供給用連通孔）
６  冷却水排出用連通孔（冷媒排出用連通孔）
８  空気抜き用連通孔
９  冷却水ドレン用連通孔（冷媒ドレン用連通孔）
１０  単位セル（単位燃料電池）
２０  膜電極構造体
２１  固体高分子電解質膜（電解質膜）
２２  アノード電極
２３  カソード電極
３０Ａ、３０Ｂ  セパレータ
３７  上部バッファ部３７
３７ａ  傾斜部
４０  下部バッファ部
４０ａ  傾斜部
５１  燃料ガス通路（反応ガス通路）
５２  酸化剤ガス通路（反応ガス通路）
５３  冷却水通路（冷媒通路）
【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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