(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される単位燃料電池セルを、セパレータを介して複数個積層した燃料電池スタックであって、
前記セパレータの面内には、前記アノード側電極に供給される燃料ガスまたは前記カソード側電極に供給される酸化剤ガスのうち、少なくともいずれか一方を含む流体を流す複数本の流路溝が設けられるとともに、
前記流路溝は、前記セパレータの面内で、第１の直線状部と、前記第１の直線状部に並列して平行に延在する第２の直線状部とを有し、
かつ前記第１の直線状部と前記第２の直線状部の間に、前記第１の直線状部からＬ字状に折曲した第１のＬ字状部、前記第１のＬ字状部に連なる第３の直線状部、前記第３の直線状部からＬ字状に折曲して前記第２の直線状部に連なる第２のＬ字状部を含む折り返し部位が介在し、
少なくとも前記第３の直線状部に、互いに隣接する前記流路溝間でのみ前記流体の流通を可能にするための連通路が、前記第３の直線状部の外周から内周側に向かうに従って前記流体の流れ方向下流側から上流側に所定の距離ずつ離間するように設けられ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、前記流路溝は、ガス出口側の溝本数がガス入口側の溝本数よりも減少するよう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記載の燃料電池スタックにおいて、さらに、前記第２の直線状部に、外周から内周側に向かうに従って前記流体の流れ方向下流側から上流側に所定の距離ずつ離間するように設けられる連通路を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記第３の直線状部が、外周から内周側に向かうに従って流路が短くなるものであ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、電解質をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される単位燃料電池セルを、セパレータを介して複数個積層した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）からなる電解質の両側にそれぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設して構成された単位燃料電池セルを、セパレータによって挟持することにより構成されている。この固体高分子型燃料電池は、通常、単位燃料電池セルおよびセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【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、水素ガスは、触媒電極上で水素イオン化され、適度に加湿された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が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。カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、酸素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、前記水素イオン、前記電子および酸素ガスが反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、アノード側電極およびカソード側電極にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するために、通常、触媒電極層（電極面）に導電性を有する多孔質層、例えば、多孔質カーボンペーパがセパレータにより挟持されるとともに、各セパレータの互いに対向する面には、均一な幅寸法に設定された１本または複数本のガス流路が設けられている。
【０００５】
例えば、米国特許第５，５４７，７７６号に開示されている燃料電池スタックでは、図１０に示すように、プレート１に酸化剤ガス用開口２および出口開口３が貫通形成されるとともに、このプレート１の面４には、前記開口２および前記出口開口３を連通する複数本の流路溝５ａ〜５ｆが蛇行するように形成されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、流路溝５ａ〜５ｆは面４内で蛇行しているため、プレート１の両側部側に対応して複数の折り返し部位６が設けられている。しかしながら、折り返し部位６では、外側の流路溝５ａが比較的大きな曲率を有するものの、内側の流路溝５ｆや５ｅでは、曲率が相当に小さなものとなっている。従って、折り返し部位６の内側（流路溝５ｆ側）と外側（流路溝５ａ側）で圧損が異なり、前記内側でガスが流れ難くなってしまう。
【０００７】
これにより、特に、内側の流路溝５ｆや５ｅでガス流速が著しく下がってしまい、この流路溝５ｆや５ｅから生成水を除去することが困難なものになっている。この生成水が多孔質層に蓄積されると、燃料ガスおよび酸化剤ガスの触媒電極層への拡散性が低下し、発電性能が著しく悪くなるという問題が指摘されている。
【０００８】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成でセパレータ面内でのガスの流通性を有効に向上させるとともに、良好な排水性を確保する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。
【０００９】
【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、セパレータの面内に燃料ガスまたは酸化剤ガスのうち、少なくともいずれか一方を含む流体を流す複数本の流路溝が設けられ、前記流路溝が前記セパレータの面内で折り返し部位を有するとともに、前記折り返し部位には、互いに隣接する前記流路溝間で前記流体の流通を可能にするための連通路が設けられている。
【００１０】
このため、複数本の流路溝が折り返し部位で折り返す際に、流体が連通路を介して各流路溝間を流通することができ、前記折り返し部位で内側と外側の流路圧損を均一化することが可能になり、流体が円滑に流れることになる。従って、流体の流速が低下することによる生成水の除去不良を確実に阻止することができる。
【００１１】
しかも、内側の流路溝に供給された流体が、連通路を介して他の流路溝に導入されるため、全流路溝で流速の低下を有効に阻止して生成水の除去処理が円滑かつ確実に遂行されるとともに、セパレータ面内を流通する流体の流れが均一化されるため、このセパレータ面内の反応が均一になり、発電性能を良好に維持することが可能になる。
【００１２】
また、請求項２に係る燃料電池スタックでは、ガス入口側の流路溝の本数よりもガス出口側の流路溝の本数が削減されるため、ガス出口側での流速を増加させることができる。これにより、ガス出口側において増加した流速によって、生成水の除去作業が一層有効に遂行される。さらに、請求項３では、連通路は、折り返し部位の外周から内周側に向かうに従って流体の流れ方向下流側から上流側に所定の距離ずつ離間して設けられることが好ましい。さらにまた、請求項４では、連通路は、折り返し部位の入口側に設けられる連通路と、前記折り返し部位の出口側に設けられる連通路とを備えることが好ましい。
【００１３】
【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の要部分解斜視図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の概略縦断面説明図である。
【００１４】
燃料電池スタック１０は、単位燃料電池セル１２と、この単位燃料電池セル１２を挟持する第１および第２セパレータ１４、１６とを備え、必要に応じてこれらが複数組だけ積層されている。燃料電池スタック１０は、全体として直方体状を有しており、例えば、短辺方向（矢印Ａ方向）が重力方向に指向するとともに、長辺方向（矢印Ｂ方向）が水平方向に指向して配置される。
【００１５】
単位燃料電池セル１２は、固体高分子電解質膜１８と、この電解質膜１８を挟んで配設されるカソード側電極２０およびアノード側電極２２とを有するとともに、前記カソード側電極２０および前記アノード側電極２２には、例えば、多孔質層である多孔質カーボンペーパ等からなる第１および第２ガス拡散層２４、２６が配設される。
【００１６】
単位燃料電池セル１２の両側には、第１および第２ガスケット２８、３０が設けられ、前記第１ガスケット２８は、カソード側電極２０および第１ガス拡散層２４を収納するための大きな開口部３２を有する一方、前記第２ガスケット３０は、アノード側電極２２および第２ガス拡散層２６を収納するための大きな開口部３４を有する。単位燃料電池セル１２と第１および第２ガスケット２８、３０とが、第１および第２セパレータ１４、１６によって挟持される。
【００１７】
図１および図３に示すように、第１セパレータ１４は、カソード側電極２０に対向する面１４ａおよび反対側の面１４ｂが長方形状に設定されており、例えば、長辺３５ａが水平方向に指向するとともに、短辺３５ｂが重力方向に指向して配置される。
【００１８】
第１セパレータ１４の短辺３５ｂ側の両端縁部上部側には、酸素ガスまたは空気である酸化剤ガスを通過させるための酸化剤ガス入口３６ａと、水素ガス等の燃料ガスを通過させるための燃料ガス入口３８ａとが上下方向に長尺形状を有して設けられる。第１セパレータ１４の短辺３５ｂ側の両端縁部略中央側には、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体を通過させるための冷却媒体入口４０ａおよび冷却媒体出口４０ｂが設けられるとともに、前記第１セパレータ１４の短辺３５ｂ側の両端縁部下部側には、酸化剤ガス出口３６ｂと燃料ガス出口３８ｂとが酸化剤ガス入口３６ａおよび燃料ガス入口３８ａとは対角の位置にかつ上下方向に長尺形状を有して設けられている。
【００１９】
第１セパレータ１４の面１４ａには、酸化剤ガス入口３６ａと酸化剤ガス出口３６ｂとに連通する酸化剤ガス流路４２が形成される。酸化剤ガス流路４２は、複数本、例えば、６本の第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｆを備えており、前記第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｆの一端側が酸化剤ガス入口３６ａに連通する。
【００２０】
第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｆは、酸化剤ガス入口３６ａ側から燃料ガス入口３８ａ側に向かって水平方向（矢印Ｂ方向）に延在した後、下方向（矢印Ａ方向）に屈曲し、さらに冷却媒体入口４０ａ側から冷却媒体出口４０ｂ側に向かって水平方向に延在する。冷却媒体出口４０ｂの近傍では、第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｆが２本ずつ第２ガス流路溝４６ａ〜４６ｃに合流するとともに、前記第２ガス流路溝４６ａ〜４６ｃは、水平方向に延在して酸化剤ガス出口３６ｂに連通する。
【００２１】
酸化剤ガス流路４２は、６本の第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｆが互いに略同一の間隔を有して折り返す第１折り返し部位４８と、第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｆが３本の第２ガス流路溝４６ａ〜４６ｃに合流した後、互いに所定の間隔を有して折り返す第２折り返し部位５０とを有する。図３から容易に諒解されるように、第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｆないし第２ガス流路溝４６ａ〜４６ｃは、第１折り返し部位４８（または第２折り返し部位５０）によって折り返されるまで直線状に延在する第１の直線状部と、該第１の直線状部に並列して平行に延在する第２の直線状部とを有する。そして、これら第１の直線状部と第２の直線状部の各々に連なる第１折り返し部位４８（または第２折り返し部位５０）は、第１の直線状部からＬ字状に折曲した第１のＬ字状部、該第１のＬ字状部に連なり前記第１の直線状部および前記第２の直線状部の延在方向に対して直交する方向に延在する第３の直線状部、この第３の直線状部からＬ字状に折曲して前記第２の直線状部に連なる第２のＬ字状部を含んで構成される。なお、以下においては、第３の直線状部を折り返し部位の入口側、第２のＬ字状部における第２の直線状部の近傍を折り返し部位の出口側と表すこともある。
【００２２】
第１折り返し部位４８を構成する第３の直線状部には、鉛直方向に延在する入口側の第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｆ間で酸化剤ガスの流通を可能にするための第１連通路５２ａ〜５２ｅが設けられる。第１連通路５２ａ〜５２ｅは、酸化剤ガスの流れ方向下流側から上流側にそれぞれ所定の距離ずつ離間して設けられている。第１連通路５２ａは、最外周側に位置する第１ガス流路溝４４ａ、４４ｂを互いに連通する一方、第１連通路５２ｅは、最内周側に位置する第１ガス流路溝４４ｆ、４４ｅを互いに連通している。
【００２３】
第２折り返し部位５０を構成する第３の直線状部には、鉛直方向に延在する入口側の第２ガス流路溝４６ａ〜４６ｃ間で酸化剤ガスの流通を可能にするための第２連通路５４ａ、５４ｂが設けられる。最内周側に位置する第２ガス流路溝４６ａと４６ｂを連通する第２連通路５４ａは、最外周側に位置する第２ガス流路溝４６ｃと４６ｂを連通する第２連通路５４ｂよりも、酸化剤ガスの流れ方向上流側に所定距離だけ離間して設けられている。
【００２４】
図１に示すように、第２セパレータ１６は長方形状に形成されており、この第２セパレータ１６の短辺側の両端縁部上部側には、酸化剤ガス入口６２ａおよび燃料ガス入口６４ａが貫通形成されるとともに、その両端縁部略中央部には、冷却媒体入口６６ａおよび冷却媒体出口６６ｂが貫通形成される。第２セパレータ１６の短辺側の両端縁部下部側には、酸化剤ガス出口６２ｂおよび燃料ガス出口６４ｂが酸化剤ガス入口６２ａおよび燃料ガス入口６４ａと対角位置になるように貫通形成されている。
【００２５】
第２セパレータ１６のアノード側電極２２に対向する面１６ａには、図２に示すように、燃料ガス入口６４ａと燃料ガス出口６４ｂとを連通する燃料ガス流路６８が形成される。燃料ガス流路６８は、酸化剤ガス流路４２と同様に構成されており、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。
【００２６】
図１および図４に示すように、第２セパレータ１６の面１６ａとは反対側の面１６ｂには、冷却媒体入口６６ａと冷却媒体出口６６ｂとに連通して冷却媒体流路７０ａ〜７０ｄが設けられる。冷却媒体流路７０ａ〜７０ｄは、冷却媒体入口６６ａおよび冷却媒体出口６６ｂに連通するそれぞれ１本の主流路溝７２ａ、７２ｂを備えるとともに、前記主流路溝７２ａ、７２ｂ間には、複数本、例えば、４本の分岐流路溝７４が互いに平行にかつ所定間隔ずつ離間し水平方向に延在して設けられている。
【００２７】
このように構成される第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。
【００２８】
燃料電池スタック１０内には、燃料ガス（例えば、炭化水素を改質した水素を含むガス）が供給されるとともに、酸化剤ガスとして空気または酸素ガス（以下、単に空気という）が供給される。この空気は、第１セパレータ１４の酸化剤ガス入口３６ａから酸化剤ガス流路４２に導入される。図３に示すように、酸化剤ガス流路４２に供給された空気は、まず、第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｆに導入されて第１セパレータ１４の面１４ａの長辺方向（矢印Ｂ方向）に沿って蛇行しながら重力方向に移動する。
【００２９】
その際、空気中の酸素ガスは、第１ガス拡散層２４を通って単位燃料電池セル１２のカソード側電極２０に供給される。そして、未使用の空気は、第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｆを通って第２ガス流路溝４６ａ〜４６ｃに合流されて矢印Ｂ方向に移動しながらカソード側電極２０に供給される一方、残余の空気が酸化剤ガス出口３６ｂから排出される。
【００３０】
この場合、酸化剤ガス入口３６ａに連通する６本の第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｆが、水平方向一方（図３中、矢印Ｂ１方向）に延在した後に第１折り返し部位４８で折り返して水平方向他方（図３中、矢印Ｂ２方向）に延在している。ここで、第１折り返し部位４８の最外周に位置する第１ガス流路溝４４ａは、角度がそれぞれ９０゜の折り返しを２つ有しかつ各折り返し間に比較的長い流路長が設けられている。このため、第１ガス流路溝４４ａを流れる酸化剤ガスは、比較的円滑に第１折り返し部位４８を通過することができる。
【００３１】
一方、第１折り返し部位４８の最内周に位置する第１ガス流路溝４４ｆは、実際上、１８０゜の角度にわたって１回折り返されている。従って、第１ガス流路溝４４ｆでは、第１ガス流路溝４４ａに比べて流路圧損が相当に大きなものとなってしまう。
【００３２】
そこで、第１の実施形態では、第１折り返し部位４８の入口側に、互いに隣接する第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｆ間を連通する第１連通路５２ａ〜５２ｅが設けられている。このため、図５に示すように、第１ガス流路溝４４ｆに供給されて第１折り返し部位４８で角度９０゜だけ折り返された空気の一部は、第１連通路５２ｅを介して第１ガス流路溝４４ｅに流れることができる。
【００３３】
同様に、第１ガス流路溝４４ｅを通って第１折り返し部位４８で角度９０゜だけ折り返された空気は、その一部が第１連通路５２ｄを通って第１ガス流路溝４４ｄに導入される。さらに、第１ガス流路溝４４ｄを流れる空気の一部は、第１折り返し部位４８の入口側で第１連通路５２ｃを介して第１ガス流路溝４４ｃに、この第１ガス流路溝４４ｃを流れる空気の一部は、第１連通路５２ｂを介して第１ガス流路溝４４ｂに、この第１ガス流路溝４４ｂを流れる空気の一部は、第１連通路５２ａを介して第１ガス流路溝４４ａに、それぞれ導入される。
【００３４】
このため、第１折り返し部位４８の内側（第１ガス流路溝４４ｆ）と外側（第１ガス流路溝４４ａ）とで圧損が異なることがなく、第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｆの圧損を均一化することができ、全体にわたって流速を均一化して生成水を確実かつ円滑に排出することが可能になるという効果が得られる。さらに、第１セパレータ１４の面１４ａ内にわたって空気の流れが均一化されるため、発電面内での反応が均一に行われ、発電性能を良好に維持することができるという利点がある。
【００３５】
第２折り返し部位５０では、同様に内側の第２ガス流路溝４６ａを流れる空気の一部が、この第２折り返し部位５０の入口側で第２連通路５４ａから第２ガス流路溝４６ｂに導入されるとともに、この第２ガス流路溝４６ｂを流れる空気の一部が、前記第２折り返し部位５０の入口側で第２連通路５４ｂを通って外側の第２ガス流路溝４６ｃに導入される。従って、空気が第２ガス流路溝４６ａ〜４６ｃ内を所望の流速を維持して均一に流れるため、生成水の除去が確実に遂行される。
【００３６】
さらに、第２折り返し部位５０では、６本の第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｆが、３本の第２ガス流路溝４６ａ〜４６ｃに合流された後に折り返されている。このため、特に第２折り返し部位５０では、流路圧損が相当に大きくなり、空気の流れが不均一になり易い。そこで、第２折り返し部位５０に、鉛直方向に延在する入口側の第２ガス流路溝４６ａ〜４６ｃ間で酸化剤ガスの流通を可能にするための第２連通路５４ａ、５４ｂを設けることにより、前記第２ガス流路溝４６ａ〜４６ｃの圧損を確実に均一化することができ、空気を円滑かつ均一に流すことが可能になる。
【００３７】
しかも、酸化剤ガス入口３６ａ側で６本の第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｆが、酸化剤ガス出口３６ｂ側で３本の第２ガス流路溝４６ａ〜４６ｃに合流して溝本数を半減させている。これにより、酸化剤ガス出口３６ｂ近傍での空気の流速を増加させることができ、この酸化剤ガス出口３６ｂから生成水を一層有効に除去することが可能になる。このため、第１セパレータ１４の面１４ａ内において、ガス供給不足による濃度過電圧の増加を防止することができ、燃料電池スタック１０を安定して運転することが可能になるという利点がある。
【００３８】
ところで、第２セパレータ１６では、燃料ガス入口６４ａから燃料ガス流路６８に供給された燃料ガスが、面１６ａに沿って水平方向に蛇行しながら重力方向に移動する。その際、酸化剤ガス流路４２に供給された空気と同様に、燃料ガス中の水素ガスが第２ガス拡散層２６からアノード側電極２２に供給される一方、未使用の燃料ガスが燃料ガス出口６４ｂから排出される。
【００３９】
その際、燃料ガス流路６８には、燃料ガスに加湿用に添加した水分が結露した水や、カソード側電極２０側での生成水が電解質膜１８を透過した水が存在し易い。しかしながら、第２セパレータ１６の面１６ａに形成された燃料ガス流路６８は、酸化剤ガス流路４２と同様に構成されており、この燃料ガス流路６８全体において燃料ガスの流速を均一化することができ、水の除去が確実に遂行されるという効果が得られる。
【００４０】
また、燃料電池スタック１０には冷却媒体が供給されており、この冷却媒体は、第１および第２セパレータ１４、１６の冷却媒体入口４０ａ、６６ａに供給される。図４に示すように、第２セパレータ１６の冷却媒体入口６６ａに供給された冷却媒体は、冷却媒体流路７０ａ〜７０ｄを構成する各主流路溝７２ａに導入され、前記主流路溝７２ａに沿って上方向、水平方向および下方向に向かって流れる。冷却媒体は、それぞれの主流路溝７２ａから分岐された複数の分岐流路溝７４に導入され、前記分岐流路溝７４に沿って面１６ｂ内の略全面にわたり水平方向に流れた後、前記分岐流路溝７４が合流する主流路溝７２ｂを通って冷却媒体出口６６ｂから排出される。
【００４１】
図６は、本発明の第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７６の面７６ａの一部正面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０を構成する第１セパレータ１４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。
【００４２】
第１セパレータ７６の面７６ａには、酸化剤ガス流路４２が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路４２の第１折り返し部位４８には、鉛直方向に延在する入口側の第１連通路５２ａ〜５２ｅの他に、下流側で水平方向に延在する出口側の第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｆ間で酸化剤ガスの流通を可能にするための第１連通路７８ａ〜７８ｅが設けられている。この第１連通路７８ａ〜７８ｅは、酸化剤ガスの流れ方向下流側から上流側にそれぞれ所定間隔ずつ離間して設けられている。
【００４３】
酸化剤ガス流路４２の第２折り返し部位５０には、鉛直方向に延在する入口側の第２連通路５４ａ、５４ｂの他に、下流側で水平方向に延在する出口側の第２ガス流路溝４６ａ〜４６ｃ間で酸化剤ガスの流通を可能にするための第２連通路７９ａ、７９ｂが設けられている。最内周側の第２ガス流路溝４６ａと４６ｂを連通する第２連通路７９ａは、最外周側の第２ガス流路溝４６ｃと４６ｂを連通する第２連通路７９ｂよりも、酸化剤ガスの流れ方向下流側に所定距離だけ離間して設けられている。
【００４４】
このように構成される第２の実施形態では、第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｆに沿って水平方向（矢印Ｂ１方向）に流れる空気が、第１折り返し部位４８で折り返される際、図７に示すように、この第１折り返し部位４８の入口側に設けられた第１連通路５２ａ〜５２ｅを介して前記第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｆの圧損を均一化することができる。
【００４５】
さらに、第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｆに沿って流れる空気が、第１折り返し部位４８の出口側に設けられた第１連通路７８ａ〜７８ｅに導入されることにより、前記第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｆの圧損が均一化される。これにより、第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｆ全体として空気の流速を均一化することが可能になり、生成水をより一層確実かつ容易に除去することができるという効果が得られる。
【００４６】
さらにまた、６本の第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｆが３本の第２ガス流路溝４６ａ〜４６ｃに合流された後に折り返される第２折り返し部位５０には、入口側の第２連通路５４ａ、５４ｂと出口側の第２連通路７９ａ、７９ｂとが設けられている。このため、第２ガス流路溝４６ａ〜４６ｃは、第２折り返し部位５０の入口側および出口側で圧損が均一化され、この第２ガス流路溝４６ａ〜４６ｃ全体として空気の流速をより一層確実に均一化することが可能になる。
【００４７】
図８は、本発明の第３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８０の面８０ａの一部正面説明図である。第１セパレータ８０の面８０ａには、酸化剤ガス流路８２が形成されるとともに、この酸化剤ガス流路８２は、複数本、例えば、１０本の第１ガス流路溝８４ａ〜８４ｊを備えている。第１ガス流路溝８４ａ〜８４ｊは、水平方向に延在して２本ずつ第２ガス流路溝８６ａ〜８６ｅに合流した後、前記第２ガス流路溝８６ａ〜８６ｅが折り返し部位８８で折り返して水平方向に延在している。
【００４８】
折り返し部位８８には、鉛直方向に延在する入口側の第２ガス流路溝８６ａ〜８６ｅ間で空気の流通を可能にするための第１連通路９０ａ〜９０ｄおよび９２ａ〜９２ｄと、水平方向に延在する出口側の前記第２ガス流路溝８６ａ〜８６ｅ間で前記空気の流通を可能にするための第２連通路９４ａ〜９４ｄ、９６ａ〜９６ｄおよび９８ａ〜９８ｄが設けられる。
【００４９】
入口側の第１連通路９０ａ〜９０ｄは、空気の流れ方向下流側から上流側にそれぞれ所定間隔ずつ離間して設けられており、第１連通路９２ａ〜９２ｄは、同様に前記空気の流れ方向下流側から上流側にそれぞれ所定間隔ずつ離間して設けられている。出口側の第２連通路９４ａ〜９４ｄ、９６ａ〜９６ｄおよび９８ａ〜９８ｄは、それぞれ空気の流れ方向上流側から下流側に所定間隔ずつ離間して設けられている。
【００５０】
このように構成される第３の実施形態では、第１ガス流路溝８４ａ〜８４ｊに沿って水平方向に流れる空気は、第２ガス流路溝８６ａ〜８６ｅに合流された後に折り返し部位８８で折り返される。その際、折り返し部位８８の内側である第２ガス流路溝８６ｅでは、実質的に１８０゜の角度にわたって折り返されており、空気が流れ難くなってしまう。
【００５１】
この第３の実施形態では、第２ガス流路溝８６ｅの鉛直部分に第１連通路９０ｄおよび９２ｄを介して第２ガス流路溝８６ｄが連通しており、前記第２ガス流路溝８６ｅの鉛直部分を流れる空気の一部が、前記第１連通路９０ｄおよび９２ｄを通って第２ガス流路溝８６ｄの鉛直部分に導入される。
【００５２】
従って、特に折り返し部位８８の内側である第２ガス流路溝８６ｅと前記折り返し部位８８の外側である第２ガス流路溝８６ａの流路圧損を均一化することができる。これにより、第２ガス流路溝８６ａ〜８６ｅの圧損を均一化し、全体としての流速を均一にすることが可能になり、生成水を確実に除去し得るという効果がある。
【００５３】
しかも、入口側の第２ガス流路溝８６ａ〜８６ｅ間で空気の流通を可能にするために、第１連通路９０ａ〜９０ｄと第１連通路９２ａ〜９２ｄとが２段階に設けられている。このため、折り返し部位８８において、第２ガス流路溝８６ａ〜８６ｅの圧損をより一層確実に均一化することができ、生成水の除去が円滑に遂行されるとともに、第１セパレータ８０の面８０ａ内の反応が均一に行われるという利点がある。
【００５４】
さらにまた、折り返し部位８８には、第２ガス流路溝８６ａ〜８６ｅを互いに連通する第２連通路９４ａ〜９４ｄ、９６ａ〜９６ｄおよび９８ａ〜９８ｄが形成されている。これにより、第１連通路９０ａ〜９０ｄおよび９２ａ〜９２ｄを通って外側に移動した空気を折り返し部位８８の内側に戻すことができ、第２ガス流路溝８６ａ〜８６ｅ全体の圧損を均一化することが可能になる。
【００５５】
このため、第１ガス流路溝８４ａ〜８４ｊから第２ガス流路溝８６ａ〜８６ｅに導入された空気は、折り返し部位８８で折り返された後に部分的にガス流速の低下を惹起することがなく、全体として流速を均一化して第１セパレータ８０の面８０ａ内の生成水を確実に排出することができるという利点が得られる。
【００５６】
なお、第１連通路９０ａ〜９０ｄおよび９２ａ〜９２ｄと、第２連通路９４ａ〜９４ｄ、９６ａ〜９６ｄおよび９８ａ〜９８ｄを、図９に示すように、酸化剤ガスの流れ方向に傾斜して構成してもよい。これにより、酸化剤ガスの流通が一層円滑に遂行されるという効果が得られる。
【００５７】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックでは、燃料ガスや酸化剤ガスを含む流体を流す複数本の流路溝がセパレータの面内で折り返す際に、連通路を介して各流路溝間で前記流体の流通が可能となっており、前記流路溝での部分的なガス流速の低下を有効に阻止し、生成水を確実に除去することができる。これにより、簡単な構成で、発電面内の発電効率のばらつきを惹起することがなく、所望の発電性能を維持することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの要部分解斜視図である。
【図２】前記燃料電池スタックの概略縦断面説明図である。
【図３】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説明図である。
【図４】前記第１セパレータの他方の面の正面説明図である。
【図５】前記第１セパレータに設けられた折り返し部位の拡大説明図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る燃料電池スタックを構成する第１セパレータの面の一部正面説明図である。
【図７】前記第１セパレータに設けられる折り返し部位の拡大説明図である。
【図８】本発明の第３実施形態に係る燃料電池スタックを構成する第１セパレータの面の一部正面説明図である。
【図９】前記第１セパレータに設けられる折り返し部位の別の形状の拡大説明図である。
【図１０】従来技術に係るセパレータの正面説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池スタック          １２…単位燃料電池セル
１４、１６、７６、８０…セパレータ
１４ａ、１４ｂ、１６ａ、１６ｂ、７６ａ、８０ａ…面
１８…電解質膜                  ２０…カソード側電極
２２…アノード側電極            ２４、２６…ガス拡散層
３６ａ、６２ａ…酸化剤ガス入口  ３６ｂ…酸化剤ガス出口
３８ａ、６４ａ…燃料ガス入口    ３８ｂ、６４ｂ…燃料ガス出口
４２、８２…酸化剤ガス流路
４４ａ〜４４ｆ、８４ａ〜８４ｊ…第１ガス流路溝
４６ａ〜４６ｃ、８６ａ〜８６ｅ…第２ガス流路溝
４８、５０、８８…折り返し部位
５２ａ〜５２ｅ、７８ａ〜７８ｅ、９０ａ〜９０ｄ、９２ａ〜９２ｄ…第１連通路
５４ａ、５４ｂ、７９ａ、７９ｂ、９４ａ〜９４ｄ、９６ａ〜９６ｄ、９８ａ〜９８ｄ…第２連通路
６８…燃料ガス流路
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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