(57)【要約】【課題】  発電性能の良い細長いストレート流路を採用しつつ、作りやすくコスト面でも有利な燃料電池スタックを提供する。【解決手段】  単位セルを複数積層して第１〜第３の各スタック２００Ａ〜２００Ｃをそれぞれ形成し、この各スタック２００Ａ〜２００Ｃを非導電性の連結部材２０１Ａ，２０１Ｂを介して直列に連結する。各スタック２００Ａ〜２００Ｃは、単位セルにおけるカソード側セパレータ１Ａ〜１Ｃのカソードガス流路２を直線流路で形成するとともに、互いに隣接するスタック２００Ａ〜２００Ｃにおける各単位セルのカソードガス流路２が、連結部材２０１Ａ，２０１Ｂ内に形成した空間にて互いに連通している。【選択図】      図１
2005276511.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単位セルを複数積層して単位燃料電池スタックを構成し、この単位燃料電池スタックを非導電性の連結部材を介して反応ガスの流れ方向に沿って複数直列に連結し、前記各単位燃料電池スタックは、前記単位セルにおける少なくとも一方のセパレータのガス流路を直線流路で形成するとともに、互いに隣接する前記単位燃料電池スタックにおける前記各単位セルの前記いずれか一方の直線流路からなるガス流路が、前記連結部材内に形成される空間にて互いに連通していることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記互いに隣接する単位燃料電池スタックのそれぞれのガス流路を、前記連結部材内の空間を介して互いに直線状に配置したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記連結部材内の空間に、反応ガス中に含有する水分を凝縮させるフィンを配置するとともに、重力方向下部に凝縮水を排出する水抜き部を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記単位セルにおける他方のセパレータのガス流路は、前記複数の単位燃料電池スタックそれぞれに、入口部および出口部を有するとともに、前記一方のガス流路におけるガス流れに対して下流側から上流側に反応ガスを流すことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記一方のセパレータのガス流路と反対側の面に冷却水流路を設け、この冷却水流路は、前記一方のガス流路のガス流れに対して上流側から下流側に冷却水を流し、前記単位燃料電池スタックの冷却水出口部から排出される冷却水を、その下流側に隣接する単位燃料電池スタックの冷却水入口部に導入することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記一方のガス流路の上流側に位置する単位燃料電池スタックは、その単位セルに使用するガス拡散層を、同下流側に位置する単位燃料電池スタックの単位セルに使用するガス拡散層よりも、水蒸気透過性を低くすることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項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】
本発明は、燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料が有する化学エネルギを直接電気エネルギに変換する装置であり、電解質膜を挟んで設けた一対の電極のうち陽極に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、陰極に酸素を含有する酸素剤ガスを供給し、これら一対の電極の電解質膜側の表面で生じる下記の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギを取り出す（例えば、下記特許文献１参照）。
【０００３】
陽極反応：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−                          （１）
陰極反応：２Ｈ＋＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ          （２）
このような燃料電池において、各電極に燃料ガス、酸化剤ガスをそれぞれ供給する方法としては、一般的に各電極の外側にそれぞれ配置するセパレータに各ガスの流路を形成し、なるべくすべての反応エリアに均一にガスを配流する。
【０００４】
そのセパレータのガス流路について現在主流を占めているのが、入口から出口まで曲がりくねった流路で構成するサーペンタイン（蛇行）流路と、入口から出口まで曲がり部がないストレート流路の２種類であり、それぞれの流路には以下に述べるような長所と短所がある。
【０００５】
サーペンタイン流路の長所としては、流路を複数の折り返し部で形成するため、セパレータの形状としてはアスペクトレシオ（横縦の比）が最大でも２：１程度の長方形にできることである。これはセパレータの製造工程において例えばモールディングで成形する場合、その型やプレス機を比較的小型にできるので、成形精度やコストの面でも有利である。また、セパレータだけでなく、ＭＥＡ（電解質膜およびその両側の電極からなる膜・電極接合体）やシールの製造工程においても、アスペクトレシオが１：１すなわち正方形に近い方がそれだけ成形性がよくなり、精度やコストの面で有利である。
【０００６】
また、各構成要素の精度が高くなるということは、すなわち完成体である燃料電池スタックひいては燃料電池システムの信頼性を高めるということになる。
【０００７】
サーペンタイン流路の欠点としては、流路に折り返し部が複数あるため、上記式（２）による電気生成水が凝縮した場合に、その折り返し部に水が滞留してしまい、流路を閉塞してしまうということが挙げられる。流路が水によって閉塞すると、そのエリアにはガスが到達できずに、結果として本来反応しなければならないエリアをすべて発電に使うことができなくなり、発電性能が低下する。
【０００８】
また、反応ガスの供給湿度やセル内の温度分布をコントロールして電気生成水を凝縮させないようにした場合でも、複数の折返し部では本来の経路とは別に流路の一部をバイパスして、反応エリアを１００％発電に使うことができないという欠点もある。
【０００９】
これに対し、ストレート流路では流路に曲がり部がないために、電気生成水が凝縮した場合でも、ガスの流速によって容易に出口に排出することができる。また、サーペンタイン流路のように、一部の反応エリアをショートカットしてガスが流れるということもないので、発電性能が低下することなく、比較的安定した発電を行うことができる。
【００１０】
ただし、前述した凝縮水の排出性を良くするためには、前記したアスペクトレシオを少なくとも３：１以上の細長い形状とする必要がある。
【００１１】
その理由は、アスペクトレシオが小さいストレート流路では必然的に流路の本数が多くなり、凝縮した水を吹き飛ばすのに充分な流速が得られない。また、例えば全流路中の一本の流路が水で閉塞した場合、流路の本数が少なければその閉塞による前後の圧力差（ΔＰ）が上昇し、それが水の表面張力や流路壁面との摩擦よりも上回って排出することができるが、流路の本数が多い場合は、一本の流路の閉塞が与える影響が少なく、充分なΔＰが得られないため、水を排出することはできない。
【００１２】
したがって、燃料電池としての発電性能だけを考えた場合、図１０に示すように、セパレータ１０１をアスペクトレシオが３：１以上の細長い形状としてストレート流路１０１ａを設ける構造が最も理にかなったものと言える。
【００１３】
【特許文献１】特開平８−１０６９１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上記図１０に示したような発電性能の良いアスペクトレシオ３：１以上のストレート流路で構成される燃料電池スタックを製造する場合、以下のような課題が生じる。
【００１５】
１） セパレータが細長い構造となるため、成形精度のばらつき、モールド型の大型化、ハンドリング性の悪さ（持ち運ぶ時に割れやすい）などの欠点がある。
【００１６】
２） セパレータからガスや冷却水の漏洩を防止するシールについても、細長い構造であればあるほど数％の伸びまたは縮みが全体長に影響する度合いが大きいため、寸法のばらつきが大きくなる。
【００１７】
３） ＭＥＡについても、細長い形状にするには設備の大型化や精度管理が難しくなる。
【００１８】
そこで、本発明は、発電性能の良い細長いストレート流路を採用しつつ、上記の課題を解消し、作りやすくコスト面でも有利な燃料電池スタックを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、単位セルを複数積層して単位燃料電池スタックを構成し、この単位燃料電池スタックを非導電性の連結部材を介して反応ガスの流れ方向に沿って複数直列に連結し、前記各単位燃料電池スタックは、前記単位セルにおける少なくとも一方のセパレータのガス流路を直線流路で形成するとともに、互いに隣接する前記単位燃料電池スタックにおける前記各単位セルの前記いずれか一方の直線流路からなるガス流路が、前記連結部材内に形成される空間にて互いに連通していることを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、複数の単位燃料電池スタックを、これら各単位燃料電池スタックの一方のガス流路を互いに連通する空間を内部に備えた連結部材を介して直列に連結することで、単位セルにおける直線流路としたガス流路が、単位燃料電池スタック相互間においても曲がり部を持つことなく、凝縮水の排水性および反応ガスのショートカット抑制に有利なストレート流路の構造を全体として持ちながらも、各単位燃料電池スタックにおけるセパレータを正方形に近い形状とすることができ、作りやすく安価な構造とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
【００２２】
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる燃料電池スタックにおけるガス流路を示すセパレータの平面図である。本実施形態の燃料電池スタックでは、図１中で左側の最上流側に位置する第１のスタック２００Ａを構成するセパレータ１Ａと、同右側の最下流側に位置する第３のスタック２００Ｃを構成するセパレータ１Ｃと、その中間に位置する第２のスタック２００Ｂを構成するセパレータ１Ｂの３枚のセパレータを、反応ガスが連続して流れることによって発電を行う。
【００２３】
上記した第１〜第３の各スタック２００Ａ〜２００Ｃは、それぞれ単位燃料電池スタックを構成している。また、この単位燃料電池スタックは、図示していないが、電解質膜の両側に一対の電極を備えた膜・電極接合体（ＭＥＡ）およびその両側のガス拡散層と、さらにその両側に配置したカソード側およびアノード側の各セパレータとを有して単位セルを構成し、この単位セルを複数積層している。単位セルの積層方向は、図１中で紙面に直交する方向となる。
【００２４】
ここでは、３枚のセパレータ１Ａ〜１Ｃに反応ガスを連続して流すことにより、より大きな効果が得られるカソード側に適用したこととして説明する。一方のセパレータであるそれぞれのカソード側のセパレータ１Ａ〜１Ｃには、カソードガス（酸化剤ガス）を流すためのカソード流路２を、第１〜第３の各スタック２００Ａ〜２００Ｃの互いの連結方向に沿って直線流路として複数形成するとともに、アノードガス（燃料ガス）の入口マニホールド３Ａ〜３Ｃ，アノードガスの出口マニホールド４Ａ〜４Ｃおよび、クーラント（冷却水）の入口マニホールド５Ａ〜５Ｃ，クーラントの出口マニホールド６Ａ〜６Ｃを設けている。
【００２５】
上記したアノードガス入口マニホールド３Ａ〜３Ｃおよびアノード出口マニホールド４Ａ〜４Ｃは、他方のセパレータにおけるガス流路の入口部および出口部をそれぞれ構成している。また、クーラント入口マニホールド５Ａ〜５Ｃおよびクーラント出口マニホールド６Ａ〜６Ｃは、冷却水入口部および冷却水出口部をそれぞれ構成している。
【００２６】
図１で見えているカソード流路２の裏側には、図２のセパレータ１Ａで示すように、前記したクーラント入口・出口の各マニホールド５Ａ・６Ａを互いにつないだクーラント流路１０を設けている。他のセパレータ１Ｂ，１Ｃについても、同様にしてクーラント流路１０を形成している。
【００２７】
なお、図２は、後述するカソードガスの入口マニホールド７Ａ〜７Ｄが図中で左側となるよう統一するために、図１に対して上下を反転させてある。
【００２８】
また、各セパレータ１Ａ〜１Ｃにおけるクーラント流路１０を設けてある面にはクーラントのセパレータ外部への漏洩を防止したり、アノード・カソードガスとそれらのマニホールド部でクロスリークを防止するシール材１３を設けている。
【００２９】
図３は、第１のスタック２００Ａにおけるアノード側のセパレータ１２Ａの平面図で、前記したアノードガス入口・出口の各マニホールド３Ａ・４Ａを互いにつないだアノードガス流路９を設けている。他のアノード側セパレータ１２Ｂ，１２Ｃ（図７参照）についても、同様にしてアノードガス流路９を形成している。
【００３０】
すなわち、このアノード側のセパレータ１２Ａ（１２Ｂ，１２Ｃ）は、図１のカソード側のセパレータ１Ａ〜１Ｃとは異なり、１枚のセパレータ１２Ａ（１２Ｂ，１２Ｃ）で反応ガスの流れが完結して発電を行う。また、クーラントのシール材１３と同様に、アノード側ガス流路９の外周にも同様のシール材１４を設けており、これにより１枚の単位セルからアノードガスの外部へのリークとカソードライン・クーラントラインへのクロスリークを防止する。
【００３１】
なお、図３は、図２と同様に、後述するカソードガスの入口マニホールド７Ａ〜７Ｄが図中で左側となるよう統一するために、図１に対して上下を反転させてある。
【００３２】
図２のクーラント流路１０と図３のアノード流路９は本実施形態では曲がりくねったサーペンタインで形成しているが、この流路形状についてはその限りではなく、いかなる形状の流路をとってもよい。
【００３３】
図１に戻って説明を継続する。図１では最上流側に位置しているセパレータ１Ａにカソードガスの入口マニホールド７Ａ〜７Ｄを設け、最下流側のセパレータ１Ｃにカソードガスの出口マニホールド８Ａ〜８Ｄを設けている。ところが、その中間に位置するセパレータ１Ｂにはカソードガスのマニホールドがなく、カソードガス流路２が入口から出口まで完全な直線状で構成している。
【００３４】
また、セパレータ１Ａとセパレータ１Ｂとの間および、セパレータ１Ｂとセパレータ１Ｃとの間には、第１〜第３の各スタック２００Ａ〜２００Ｃ相互を反応ガスを密閉した状態で接続する非導電性の連結部材２０１Ａおよび２０１Ｂをそれぞれ設けている。この連結部材２０１Ａ，２０１Ｂは、後述するが、セパレータ１Ａからセパレータ１Ｂへ、また、セパレータ１Ｂからセパレータ１Ｃへ反応ガスを外部へ漏らすことなく送り込むことができる。
【００３５】
上記で説明した構造により、カソードガスは、最上流側のセパレータ１Ａの入口マニホールド７Ａ〜７Ｄから第１のスタック２００Ａにおける各単位セルのセパレータ１Ａのカソードガス流路２に導入されて発電を行う。セパレータ１Ａから排出されたカソードガスは、連結部材２０１Ａの内部の空間３００（図４参照）を通って、次の第２のスタック２００Ｂにおけるセパレータ１Ｂのカソードガス流路２に送り込まれて発電を行う。さらにセパレータ１Ｂから排出されたカソードガスは、連結部材２０１Ｂの内部の空間３００（図４参照）を通って、第３のスタック２００Ｃにおけるセパレータ１Ｃのカソードガス流路２に導入されて発電を行う。
【００３６】
これに対しアノードガスは、第１〜第３の各スタック２００Ａ〜２００Ｃにおけるアノード入口マニホールド３Ａ〜３Ｃから、対応する各単位セルのセパレータ１２Ａ〜１２Ｃのアノードガス流路９にそれぞれ供給し、同じスタックの出口マニホールド４Ａ〜４Ｃからそれぞれ排出する。すなわち、アノード側は１枚の単位セルでアノードガスの供給から排出までを完結して行い、スタック外部の連結部材などを介してスタック相互間にわたって流すことがなく、アノードガス、例えばＨ２のシールの難しさやＨ２が外部へリークするときの対策から開放される。
【００３７】
上記の点からは、本発明の主旨である反応ガスをストレートに各スタック２００Ａ〜００Ｃ相互間で連続して流すのはカソード側のみとし、アノード側については１枚の単位セルで完結するように流すことが好ましいが、シール構造やスタック間の連結部材の構造を工夫することにより、アノード・カソード両側の反応ガスをストレートに流してもよい。
【００３８】
次に、図４を用いて本発明の上記した実施形態を具現化する方法を説明する。第１のスタック２００Ａの図４中で紙面手前の側面に、前記図１に示したカソードガスの入口マニホールド７Ａ〜７Ｄにそれぞれ連通するカソードガスの供給ポート２０７Ａ〜２０７Ｄを設け、第３のスタック２００Ｃの同側面に、前記図１に示したカソードガスの出口マニホールド８Ａ〜８Ｄにそれぞれ連通するカソードガスの排出ポート２０８Ａ〜２０８Ｄをそれぞれ設ける。
【００３９】
また、第１〜第３の各スタック２００Ａ〜２００Ｃの上記した側面には、図１に示したアノードガスの入口マニホールド３Ａ〜３Ｃにそれぞれ連通するアノードガスの供給ポート２０９Ａ〜２０９Ｃと、図１に示したアノードガスの出口マニホールド４Ａ〜４Ｃにそれぞれ連通するアノードガスの排出ポート２１０Ａ〜２１０Ｃと、図１に示したクーラントの入口マニホールド５Ａ〜５Ｃに連通するクーラントの供給ポート２１１Ａ〜２１１Ｃと、図１に示したクーラントの出口マニホールド６Ａ〜６Ｃにそれぞれ連通するクーラントの排出ポート２１２Ａ〜２１２Ｃを、それぞれ設ける。
【００４０】
第１〜第３の各スタック２００Ａ〜２００Ｃは、前述したように、それぞれ単位セルを複数積層する形で構成しており、この積層状態を保持するために、積層方向両端にエンドプレート２０２Ａ〜２０２Ｃを配置し、これらを締め付けロッド２１６を用いて締め付ける。
【００４１】
また、第１〜第３の各スタック２００Ａ〜２００Ｃの図４中で上下両面には、非導電性の部材２０３Ａ〜２０３Ｃを固定してある。この部材２０３Ａ〜２０３Ｃは、各スタック２００Ａ〜２００Ｃにおけるカソードガスの流れ方向両側の縁部にフランジ部２０３Ａｆ〜２０３Ｃｆをそれぞれ備え、このフランジ部２０３Ａｆ〜２０３Ｃｆおよびエンドプレート２０２Ａ〜２０２Ｃの連結部材２０１Ａ，２０１Ｂに対向する部位に、シール材２０５を設けてスタック２００Ａ〜２００Ｃと連結部材２０１Ａ，２０１Ｂとをシールをする。
【００４２】
上記したシール材２０５を設ける際に、エンドプレート２０２Ａ〜２０２Ｃと部材２０３Ａ〜２０３Ｃとのつなぎ目の部位は、液状のガスケットなどで埋めるとよい。
【００４３】
また、第１のスタック２００Ａ、連結部材２０１Ａ、第２のスタック２００Ｂの連結には、連結結材２０１Ａの外周縁部を、部材２０３Ａ，２０３Ｂのフランジ部２０３Ａｆ，２０３Ｂｆで挟んだ状態でボルト２０６などで締結する。これにより、連結部のシールが確実に行え、反応ガスの外部へのリークを確実に防止することができる。
【００４４】
同様にして、第２のスタック２００Ｂ，連結部材２０１Ｂ，第３のスタック２００Ｃを連結する。このようにして第１〜第３の各スタック２００Ａ〜２００Ｃを互いに直列に連結することで、図１の３つのセパレータ１Ａ〜１Ｃのそれぞれのカソードガス流路２が直線状に接続され、少なくともカソードガスが各セパレータ１Ａ〜１Ｃのカソードガス流路２を連続して流れて発電を行うという本発明の主旨を容易に具現化できる。
【００４５】
以上により、上記した第１の実施形態によれば、第１〜第３の各スタック２００Ａ〜２００Ｃを、これら各スタック２００Ａ〜２００Ｃのカソードガス流路２を互いに連通する空間３００を内部に備えた連結部材２０１Ａ，２０１Ｂを介して互いに直列に連結することで、カソードガス流路２が、三つのスタック２００Ａ〜２００Ｃ全体にわたって曲がり部を持つことなく、凝縮水の排水性および反応ガスのショートカット抑制に有利なストレート流路の構造を持ちながらも、第１〜第３の各スタック２００Ａ〜２００Ｃにおけるセパレータ１Ａ〜１Ｃを含む単位セルは、横：縦の比が２：１以下の正方形により近い形状になり、作りやすく安価な構造とすることができる。
【００４６】
また、互いに隣接する第１〜第３のスタック２００Ａ〜２００Ｃのカソードガス流路２は、互い直線状に配置しており、カソードガスの入口マニホールド７Ａ〜７Ｄから同出口マニホールド８Ａ〜８Ｄまで、スタック相互の連結部においても一度も曲がることがないので、カソードガス流路２への反応ガスの分配を常に均一化することができる。
【００４７】
図５は、上記した第１の実施形態における変形例である。これは、前記した連結部材２０１Ａ，２０１Ｂ内に反応ガス中の水分を凝縮させるプレートフィン２１４を設けるとともに、連結部材２０１Ａ，２０１Ｂの下部に凝縮水を抜き取るための水抜き部としてのポート２１３を設けている。
【００４８】
プレートフィン２１４は、図５中で上下方向に長い板状に形成したものを、プレートフィン２１４内部の空間３００を遮るように複数並列に配置する。また、プレートフィン２１４内部の空間３００の底面３００ａは、図６（ａ）のプレートフィン２１４を省略した図でわかるように、ポート２１３を設けた側の上下方向の高さが低くなるような傾斜面としている。
【００４９】
また、図６（ａ）のＡ矢視方向から見た空間３００の底面３００ａ付近の簡略化した図６（ｂ）で示すように、ポート２１３には開閉バルブ２１７を設けるとともに、凝縮水を検知する二つのレベルセンサ２１４，２１５を設ける。このうち上部のレベルセンサ２１４は、傾斜している底面３００ａのポート２１３と反対側の図６（ｂ）中で右側の端部に対して水平位置でほぼ同等の高さに設置し、下部のレベルセンサ２１５は、ポート２１３の上端部付近に設置する。
【００５０】
開閉バルブ２１７は、上部のレベルセンサ２１４が水を検知したときに開き、下部のレベルセンサ２１５が水の検知をしなくなったときに閉じるよう、図示しないコントロールユニットによって開閉制御される。
【００５１】
このような構造とすることで、例えば第１のスタック２００Ａから水をミスト状に含んで排出されるカソードガスを、プレートフィン２１４にぶつけてミストを凝縮させ、次の第２のスタック２００Ｂのカソードガス流路２に水分を持ち込まないようにすることができる。これにより、下流側のスタックに水分が入りカソードガス流路２やガス拡散層を閉塞させフラッディング（水詰まり）するのを防止することができる。
【００５２】
プレートフィン２１４で凝縮した水は重力で下方に落ち、図６（ｂ）に示すように空間３００の下部に溜まる。溜まった水を上部のレベルセンサ２１４が検知すると、開閉バルブ２１７が開き、ポート２１３を通して水を外部に排出する。水を排出して水量が下部のレベルセンサ２１５の位置になったところで、開閉バルブ２１７を閉じて水抜きを完了する。この操作により、連結部材２０１Ａ，２０１Ｂから反応ガスを外部に漏らすことなく、連結部材２０１Ａ，２０１Ｂ内部に溜まった水のみを外部に排出することができる。
【００５３】
図７（ａ）は、アノード側のセパレータ１２Ａ〜１２Ｃを、紙面の表側にアノードガス流路９が見える状態で、直線状に配列し、相互間を前記した連結部材２０１Ａ，２０１Ｂで接続した状態を示している。なお、ここでの連結部材２０１Ａ，２０１Ｂは、前記図５に示したプレートフィン２１４および水抜き用のポート２１３を備えるものとする。
【００５４】
図７（ａ）に示すように、アノードガス流路９は、各スタック２００Ａ〜２００Ｃのカソードガス流路２の下流側（図７（ａ）中で右側）に入口マニホールド３Ａ〜３Ｃを有し、ここから供給したアノードガスはカソードガス流路２の上流側（図７（ａ）中で左側）に向けて蛇行状に流れる。ここでのアノード流路９は、折り返し部が４箇所あるサーペンタイン流路としているが、カソードガス流路２の下流側から上流側に流すようにすれば流路形状はいかなる形状をとってもよい。
【００５５】
このようなアノードガスの流れとした場合の効果を、図７（ｂ）のグラフを用いて説明する。図７（ｂ）は、第１〜第３の各スタック２００Ａ〜２００Ｃの連結方向に対応する横軸に対し、縦軸を図７（ａ）のセパレータ１２Ａ〜１２Ｃの各位置に対応するカソードガス流路２中の水分量としている。
【００５６】
カソード入口マニホールド７Ａ〜７Ｄから供給したカソードガスは、発電の過程で生成した水を含み、スタック内部ではリニアに水分量が増えていく。ここでの水分量とは反応ガス中に蒸発した水蒸気と蒸発しきれずに残った液水の和を言う。
【００５７】
すなわち、第１のスタック２００Ａでは、入口側のから出口側に至る間に水分量は徐々に増え、この水は、第１のスタック２００Ａの出口から連結部材２０１Ａに流出後、重力および図５に示したプレートフィン２１４の効果で下方に落ちる。そして、第２のスタック２００Ｂにカソードガスが入るときには、絶対水分量が減少する。さらに、連結部材２０１Ａ内では反応ガスの温度がセル内部の温度と比較して低いので、セル内で凝縮した水だけでなく、カソードガス中に蒸発した水蒸気についても、冷やされることにより凝縮し除去される。
【００５８】
次に、第２のスタック２００Ｂ内においては、第１のスタック２００Ａと同様に生成水によりリニアに水分が増えていき、連結部材２０１Ｂでは連結部材２０１Ａと同様に水を排除して減少し、また第３のスタック２００Ｃでは、第１，第２のスタック２００Ａ，２００Ｂと同様に水分が増え、これらの過程を経てカソードガスはカソードガス出口マニホールド８Ａ〜８Ｄに到達する。
【００５９】
ここで、図７（ｂ）のグラフに示したように、セル内の水分量は常にカソードガスの下流側の方が多く、したがって、アノード側への逆拡散量も多くなりアノードガスの加湿がセル内で効果的に行われる。つまり、アノードガスに対する外部加湿器を別途設ける必要がなく、システムを安くコンパクトにすることができる。
【００６０】
図８（ａ）は、カソード側セパレータ１Ａ〜１Ｃを、紙面の表側にクーラント流路１０が見える状態で、直線状に配列し、相互間を前記した連結部材２０１Ａ，２０１Ｂで接続した状態を示している。図８（ｂ）は、第１〜第３の各スタック２００Ａ〜２００Ｃの連結方向に対応する横軸に対し、縦軸を図８（ａ）のセパレータ１Ａ〜１Ｃの各位置におけるセル内部の温度としている。
【００６１】
この場合、クーラントは、第１のスタック２００Ａにおけるセパレータ１Ａのカソードガス流路２の上流側に位置する入口マニホールド５Ａから供給され、最下流に向けて蛇行状に流れる。そのときの発電による排熱によってクーラントの温度が上昇していくので、セルの温度分布は下流に行くほど高くなっていく。
【００６２】
セパレータ１Ａのクーラント流路１０から出口マニホールド６Ａを経て一旦セル外部へ出たクーラントは、第２のスタック２００Ｂにおけるセパレータ１Ｂのクーラント流路１０に入口マニホールド５Ｂを経て入り、カソードガスの上流側から下流側に向けて蛇行状に流れていく。同様に第２のスタック２００Ｂから出口マニホールド６Ｂを経て流出したクーラントは、第３のスタック２００Ｃにおけるセパレータ１Ｃのクーラント流路１０に入口マニホールド５Ｃを経て入り、カソードガスの上流側から下流側に向けて蛇行状に流れる。
【００６３】
ここでのセル内の温度分は下流側ほど高くなっており、このような温度分布により、各セル内の飽和蒸気圧はカソードガスの下流に行くに従って高くなり、この高い飽和蒸気圧により生成水を凝縮させずにフラッディングすることを防止できる。
【００６４】
図９は、本発明の第２の実施形態に係わる単位セルの構造を示す側面図である。この実施形態における燃料電池スタックの基本的な構造は、第１の実施形態と同様であり、第１の実施形態と同一構成部分には同一符号を付してある。なお、ここでは、各スタック２００Ａ〜２００Ｃにおける単位セルを１枚のみとして図示している。
【００６５】
上記した単位セルにおける電解質膜１５Ａ〜１５Ｃの図中で上下両側に図示しない電極を介してガス拡散層１１Ａ〜１１Ｃを配置し、さらにその上下両側にアノード側セパレータ１２Ａ〜１２Ｃ，カソード側セパレータ１Ａ〜１Ｃを配置している。なお、図９では、各部材間に隙間を設けているが、実際には互いに密着した状態となっている。また、アノードガス流路９は、図７（ａ）に示したものに対して折り返し部を多数有するサーペンタイン流路とするとともに、カソード側セパレータ１Ａ〜１Ｃのクーラント流路は省略している。
【００６６】
ここで、第１のスタック２００Ａに用いるガス拡散層１１Ａは、水蒸気が透過しにくい例えばカーボンペーパのような部材を用い、第２，第３のスタック２００Ｂ，２００Ｃに用いるガス拡散層１１Ｂ，１１Ｃについては、水蒸気が透過しやすい例えばカーボンクロスのような部材を用いる。
【００６７】
これにより、第１のスタック２００Ａにおいては、低加湿で反応ガスを供給しても電解質膜１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃをドライアウトさせることなく発電を行うことができる。一方、下流側の第２，第３の各スタック２００Ｂ，２００Ｃにおいては、第１のスタック２００Ａの生成水で飽和となった反応ガスが供給されてきても、水蒸気透過性の良いガス拡散層１１Ｂ，１１Ｃによって、過剰な生成水はどんどん下流側に排出されていくので、電極面として形成してある触媒層やガス拡散層１１Ｂ，１１Ｃが水で覆われてフラッディングするのを防止することができる。
【００６８】
なお、上記した本発明の実施形態では、図１に示すように、直線状に反応ガスを流すカソードガス流路２を、複数の流路を一つの流路束としてこの流路束を４列設けているが、その流路束の数についてはそれ以上でもそれ以下すなわち１列でも同様の効果が得られる。
【００６９】
また、本実施形態では、スタックの数は３個とし、１個はカソードガスの入口マニホールド７Ａ〜７Ｄを、１個はカソードガスの出口マニホールド８Ａ〜８Ｄを、残りの1個はその間に存在してマニホールドを備えていないスタックという全体構造にしているが、本発明の効果が得れるのはその限りではなく、スタックが２つでも、さらに間のスタックを追加しトータル４個またはそれ以上のスタックで構成してもよい。
【００７０】
本発明によれば、前記互いに隣接する単位燃料電池スタックのそれぞれのガス流路を、前記連結部材内の空間を介して互いに直線状に配置したので、一方の反応ガスの入口から同出口まで、スタック相互の連結部などで一度も曲がることがなく、ガス流路への反応ガスの分配を常に均一化することができる。
【００７１】
前記連結部材内の空間に、反応ガス中に含有する水分を凝縮させるフィンを配置するとともに、重力方向下部に前記凝縮水を排出する水抜き部を設けたので、上流側の単位燃料電池スタックからミストを含んで排出されたガスが、フィンにぶつかることによってミストを凝縮させ、その下流の単位燃料電池スタックにミストが入るのを防止することができる。これにより、上流側の単位燃料電池スタックの生成水で過剰となった水をその下流側の燃単位料電池スタックに持ち込むことなく、下流側の単位燃料電池スタックでの水詰まりを防止することができる。
【００７２】
前記単位セルにおける他方のセパレータのガス流路は、前記複数の単位燃料電池スタックそれぞれに、入口部および出口部を有するとともに、前記一方のガス流れに対し下流側から上流側に反応ガスを流すようにしたので、一方のガス流れと他方のガス流れがカウンターフローとなり、電解質膜内の水の逆拡散による一方の電極（カソード）から他方の電極（アノード）への水の移動がなされ、外部加湿器を別途設けることなく他方の電極の加湿を効果的に行うことができる。
【００７３】
前記一方のセパレータのガス流路と反対側に冷却水流路を設け、この冷却水流路は、前記一方のガス流路のガス流れに対し上流側から下流側に冷却水を流し、前記単位燃料電池スタックの冷却水出口部から排出される冷却水を、その下流側に隣接する単位燃料電池スタックの冷却水入口部に導入するようにしたので、上流側の単位燃料電池スタックから下流側の単位燃料電池スタックに行くにしたがって、冷却水の温度が高くなり、セル内部温度上昇による生成水の蒸発を促進し、セル内の水詰まりを防止することができる。
【００７４】
前記一方のガス流路の上流側の単位燃料電池スタックは、その単位セルに使用するガス拡散層を、同下流側の単位燃料電池スタックの単位セルに使用するガス拡散層よりも、水蒸気透過性を低くしたので、相対湿度の低いガスを供給しても入口側の単位燃料電池スタックの電解質膜がドライアウトすることを防ぐことができ、また、下流に行くに従ってガス拡散層の水蒸気透過性が増すことにより、上流側の単位燃料電池スタックで生成水により飽和に達した反応ガスでもガス拡散層が水を透過させ、水詰まりが起きることなく、発電を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係わる燃料電池スタックにおけるカソードガス流路を示すセパレータの平面図である。
【図２】図１のセパレータの裏面に形成してあるクーラント流路を示すセパレータの平面図である。
【図３】図１の燃料電池スタックにおけるアノードガス流路を示すセパレータの平面図である。
【図４】図１の実施形態による燃料電池スタックの具現的な構造を示す分解斜視図である。
【図５】第１の実施形態の変形例を示す連結部材の斜視図である。
【図６】（ａ）は図５（ａ）におけるプレートフィンを省略した連結部材の斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ矢視方向から見た空間の底面付近を示す簡略化した図である。
【図７】（ａ）はアノード側セパレータを、紙面の表側にアノードガス流路が見える状態で直線状に配列し、相互間を連結部材で接続した状態を示す平面図、（ｂ）は第１〜第３の各スタックの連結方向に対応する横軸に対し、縦軸を（ａ）のセパレータの各位置におけるカソードガス中の水分量としたグラフである。
【図８】（ａ）はカソード側セパレータを、紙面の表側にクーラント流路が見える状態で直線状に配列し、相互間を連結部材で接続した状態を示す平面図、（ｂ）は第１〜第３の各スタックの連結方向に対応する横軸に対し、縦軸を（ａ）のセパレータの各位置におけるセル内部の温度としたグラフである。
【図９】本発明の第２の実施形態に係わる第１〜第３の各スタックにおける各単位セルの構造を示す側面図である。
【図１０】アスペクトレシオが３：１以上の細長い形状のストレート流路を備えるセパレータの平面図である。
【符号の説明】
【００７６】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ  カソード側セパレータ（一方のセパレータ）
２  カソードガス流路（直線流路）
３Ａ，３Ｂ，３Ｃ  アノードガス流路の入口（入口部）
４Ａ，４Ｂ，４Ｃ  アノードガス流路の出口（出口部）
５Ａ，５Ｂ，５Ｃ  クーラント入口マニホールド（冷却水入口部）
６Ａ，６Ｂ，６Ｃ  クーラント出口マニホールド（冷却水出口部）
９  アノードガス流路
１０  クーラント流路（冷却水流路）
１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ  アノード側セパレータ（他方のセパレータ）
２００Ａ  第１のスタック（単位燃料電池スタック）
２００Ｂ  第２のスタック（単位燃料電池スタック）
２００Ｃ  第３のスタック（単位燃料電池スタック）
２０１Ａ，２０１Ｂ  非導電性の連結部材
２１３  ポート（水抜き部）
２１４  プレートフィン（フィン）
３００  連結部材内の空間
【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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