(57)【要約】【課題】  燃料電池スタック内部の廃熱効率を向上させ、燃料電池スタック全体の温度分布がより均一なものとする。【解決手段】  燃料電池スタックの単位セルとセパレータの積層方向に沿って、廃熱空間ＳＰを形成し、該廃熱空間内に冷却水供給用の噴射ノズル５５を配置する。廃熱空間ＳＰから空気を酸素室へ供給するとともに、水を噴射し、内側から燃料電池スタック１００の冷却を行う。【選択図】        図７
2007134053.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単位セルとセパレータとが交互に積層された燃料電池スタックを備えた燃料電池システムにおいて、
単位セルとセパレータの積層方向に沿って内部に形成され、外部に連通する通気孔を有する廃熱空間を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記単位セルの酸素極に酸素を供給する酸素室と連通する内通気口が、前記廃熱空間に臨んで開口していると共に、前記単位セルの酸素極で反応済み排ガスが排出される外通気口が外側へ向けて開口している請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池スタックの廃熱空間に冷媒を供給する冷媒供給手段が接続されている請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記冷媒は、空気と水の少なくとも一方である請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記廃熱空間は、一端が閉鎖されている請求項１〜４のいずれか１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
単位セルとセパレータの積層方向における中心線を回転中心とする回転体形状である請求項１〜５のいずれか１に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記単位セルとセパレータの積層方向は鉛直方向に沿って配置され、
前記廃熱空間内には空気流路へ向けて水を噴射する放出口が配置されている請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記廃熱空間内には、酸素室へ向けて水を噴射する放出口が単位セルとセパレータの積層方向へ沿って配置されている請求項３〜７のいずれか１に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記放出口の放出方向は、単位セルを含む平面に平行な方向へ向けられている請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記放出口は、放射状に水を放射する請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記複数の放出口に水を供給する供給管が、廃熱空間内において、単位セルとセパレータの積層方向に沿って配置され、
該供給管を燃料電池スタックに対して相対的に回転させる回転手段を有する請求項８又は９に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムにかかり、詳しくは廃熱効率の良い構成を有する燃料電池スタックを備えた燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、高分子電解質膜を使用した燃料電池では、電解質膜を挟んで両側に燃料室及び酸素室が存在し、燃料室における燃料ガスが燃料極を介し、或いは、酸素室における酸化ガス（主として外気）が酸素極を介し、イオン化し、そのイオンを、電解質膜を介して取り出して電力を得ている。 
燃料電池を構成する単位セルは、上記高分子電解質膜を燃料極と酸素極で挟んで構成される。そして、この単位セルを、表裏面に燃料室と酸素室を有するセパレータを介して複数積層し、単位セルを直列に接続することで、所望の電力を取り出すことができる燃料電池スタックが構成される。
【０００３】
一方、燃料電池が発電反応により発電する際に、反応熱が発生し、燃料電池スタック全体の温度が上昇する。この温度が所定温度以上に達すると、電極が乾燥するなどの現象により出力が低下するため、燃料電池スタックの温度を一定の範囲内に維持する方策が採られている。 
例えば、酸素極に供給する酸化ガスに、冷却水を霧状に混入させ、酸化ガスとともに酸素極やセパレータに冷却水を付与し、冷却水との温度交換により、或は潜熱により冷却するといったものである（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００３−２７２６６６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記の様に冷却水を用いて燃料電池スタックを冷却した場合においても、燃料電池スタック全体の温度分布は、外気に接触する外側面の温度が最も低く、燃料電池スタックの内部に位置する中心部分の温度が相対的に高くなり、全体として均一な温度分布とすることは難しい。
【０００５】
このような不均一な温度分布は、積層された各単位セルについて均一に発電能力を発揮させるためには好ましくない。 
本発明は、上記事実に鑑み成されたもので、内部の廃熱効率を向上させ、燃料電池スタック全体の温度分布がより均一に近い燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以上のような問題を解決する本発明は、以下のような構成を有する。 
（１）  単位セルとセパレータとが交互に積層された燃料電池スタックを備えた燃料電池システムにおいて、
単位セルとセパレータの積層方向に沿って内部に形成され、外部に連通する通気孔を有する廃熱空間を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【０００７】
（２）  前記単位セルの酸素極に酸素を供給する酸素室と連通する内通気口が、前記廃熱空間に臨んで開口していると共に、前記単位セルの酸素極で反応済み排ガスが排出される外通気口が外側へ向けて開口している上記（１）に記載の燃料電池システム。
【０００８】
（３）  前記燃料電池スタックの廃熱空間に冷媒を供給する冷媒供給手段が接続されている上記（１）又は（２）に記載の燃料電池システム。
【０００９】
（４）  前記冷媒は、空気と水の少なくとも一方である上記（３）に記載の燃料電池システム。
【００１０】
（５）  前記廃熱空間は、一端が閉鎖されている上記（１）〜（４）のいずれか１に記載の燃料電池システム。
【００１１】
（６）  単位セルとセパレータの積層方向における中心線を回転中心とする回転体形状である上記（１）〜（５）のいずれか１に記載の燃料電池システム。
【００１２】
（７）  前記単位セルとセパレータの積層方向は鉛直方向に沿って配置され、
前記廃熱空間内には空気流路へ向けて水を噴射する放出口が配置されている上記（６）に記載の燃料電池システム。
【００１３】
（８）  前記廃熱空間内には、酸素室へ向けて水を噴射する放出口が単位セルとセパレータの積層方向へ沿って配置されている上記（３）〜（７）のいずれか１に記載の燃料電池システム。
【００１４】
（９）  前記放出口の放出方向は、単位セルを含む平面に平行な方向へ向けられている上記（８）に記載の燃料電池システム。
【００１５】
（１０）  前記放出口は、放射状に水を放射する上記（９）に記載の燃料電池システム。
【００１６】
（１１）  前記複数の放出口に水を供給する供給管が、廃熱空間内において、単位セルとセパレータの積層方向に沿って配置され、
該供給管を燃料電池スタックに対して相対的に回転させる回転手段を有する上記（８）又は（９）に記載の燃料電池システム。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１記載の発明によれば、温度分布が高い燃料電池スタックの内部において、廃熱空間が設けられており、この廃熱空間は外部に連通する通気孔を有するので、燃料電池スタック内部の熱が外部に排出され、全体の温度分布を均一に近づけることができる。
【００１８】
請求項２記載の発明によれば、廃熱空間と酸素室とを連通させることによって、燃料電池スタック内の熱の排出効率をより向上させることができ、特に、燃料電池スタックの外側と、内側の廃熱空間とを酸素室を介して連通させることによって、酸素室を通る気体の流通が良好となり、廃熱効率が向上し、温度分布をより均一にすることができる。
【００１９】
請求項３に記載の発明によれば、廃熱空間内に冷媒供給手段が接続されているので、冷媒による廃熱効率が向上する。 
請求項４に記載の発明のよれば、冷媒は、空気と水の少なくとも一方であるから、酸素極に酸素を供給する処理と熱を排出する処理を１つの処理で実行でき、システムの稼働効率が向上する。また、冷媒である水によって、酸素極に水分が供給され、湿潤状態を維持させることができるので、冷却効果と湿潤維持効果を同時に発揮させることができる。
【００２０】
請求項５記載の発明によれば、廃熱空間は、一端が閉鎖されているので、廃熱空間を通過する気体は、すべて酸素室も通過することとなり、廃熱効果が一層向上する。 
請求項６記載の発明によれば、燃料電池スタックが回転体形状であるため、回転中心に位置する廃熱空間から、燃料電池スタック外側縁までの距離が均一となり、温度分布の均一化を一層向上させることができる。
【００２１】
請求項７記載の発明によれば、廃熱空間内に水供給手段が設けられ、酸素室へ向けて水が供給されるので、冷却効果が一層向上する。 
請求項８記載の発明によれば、酸素室へ向けて水を噴射する放出口が単位セルとセパレータの積層方向へ沿って配置されているので、水を含んだ酸化ガスを酸素室へ均一に供給することができ、冷却効率を上げることができる。
【００２２】
請求項９記載の発明によれば、水の放出方向は、単位セルを含む平面に平行な方向に向けられているので、水の放出方向と各酸素室を有するセパレータの配置姿勢が合致し、酸素室に水が容易に到達できる。 
請求項１０記載の発明によれば、水は放射状に排出されるので、廃熱空間の内周面において周方向に開口した内通気口に、均一に水を供給することができる。 
請求項１１記載の発明によれば、燃料電池スタックに対して相対的に回転しながら、放出口から水が供給されるので、廃熱空間の内周面において周方向に開口した内通気口に、均一に水を供給することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。 
次にこの発明の好適実施形態について説明する。この実施形態は、電気自動車に搭載される燃料電池スタックである。図１は、この発明の燃料電池スタック１００とその燃料電池スタック１００を収納するケースを示す全体斜視図である。
【００２４】
この燃料電池スタック１００の構成について説明する。燃料電池スタック１００は、燃料電池単位セル１５と燃料電池セパレータ１３とを交互に積層して構成されている。図２は、燃料電池用セパレータ１３の分解斜視図、図３は、集電部材３の全体斜視図、図４は、燃料電池セパレータ１３の一部断面図である。図１に示されている燃料電池スタック１００は、回転体形状である円柱形状であり、円柱の中心線に沿って廃熱空間ＳＰが形成されている。従って、燃料電池スタック１００は、後述する単位セルとセパレータを交互に積層して構成された積層部ＡＣと、積層部ＡＣの両端に順に重ねられた電極ターミナル１９１ａ、１９１ｂ、絶縁部材１９２ａ、１９２ｂ、エンドプレート１９ａ、１９ｂとを備えている。そして、燃料電池スタック１００は、スタックケースＣＡ内に収容され、上記積層部ＡＣや電極ターミナル１９１ａ、１９１ｂ等の積層状態が維持されている。
【００２５】
セパレータ１３と単位セル１５は、それぞれ中央に穴ＨＯｓ、ＨＯｃを有する円盤状に形成され、セパレータ１３と単位セル１５を交互に配置して積層した場合に、これらの中央の穴ＨＯｓ、ＨＯｃによって、廃熱空間ＳＰが形成される。
【００２６】
セパレータ１３は、単位セル１５の電極に接触して電流を外部に取り出すための集電部材３、４と、各集電部材３、４の周端部に外装される外枠体８１、９１と、内周部に外装される内枠体８２、９２と、集電部材３、４の間に介挿される仕切板ＤＩを備えている。集電板である集電部材３、４は金属で構成されている。構成金属は、導電性と耐食性を備えた金属で、例えば、ステンレス、ニッケル合金、チタン合金等に耐蝕導電処理を施したもの等が挙げられる。
【００２７】
集電部材３は、単位セル１５の燃料極に接触し、集電部材４は酸素極に接触する。集電部材３は円形に形成され、中心部には、集電部材３の外周端円と同心円の中心孔３ｈが形成され、外周端近傍には、中心孔３ｈを挟んだ対称位置に水素流路を構成する流通孔３１ａ、３１ｂが形成されている。集電部材３、４は、それぞれ網材で構成されている。
【００２８】
集電部材３には、プレス加工によって、突出形成された複数の凸状部３２が形成されている。凸状部３２は、集電部材３の外周縁に沿って円弧状に形成され、径方向へ略等間隔で形成されている。
【００２９】
配置された凸状部３２の間に形成された溝によって、凸状部３２の間には水素流路３０１が形成され、凸状部３２の裏側に形成された溝３３によって、水素流路３０２が形成されている。この凸状部３２の頂点部分の面は、燃料極が接触する当接部３２１となっている。集電部材３が網体であるため、当接部３２１が接触する部分においても、網目を介して、燃料極は燃料ガスを供給することができる。また、水素流路３０１と水素流路３０２の間も、網目を介して、水素ガスが相互に流通可能となる。燃料極と集電部材３の間に形成される空間が、燃料極に水素を供給する燃料室３０として機能する。 
集電部材３の両端部の流通孔３１ａ、３１ｂによって、セパレータ１３を積層した場合に水素供給路が構成される。
【００３０】
集電部材４は、集電部材３と同様に、円形の板材から成り、中央部には、外周端円と同心円の中心孔４１が形成され、外周端近傍には、中心孔４１を挟んだ対称位置に水素流路を構成する流通孔４１ａ、４１ｂが形成されている。
【００３１】
また、集電部材４には、プレス加工によって、複数の凸状部４２が形成されている。凸状部４２は、集電部材４の中心から外周端へ向けて直線状に連続して形成されており、放射状にかつ、周方向へ等間隔で配置されている。凸状部４２自体は、外周へ向けて幅が漸増するように構成されている。また、凸状部４２の間には、溝が形成されて、空気が流通する空気流路４０が形成されている。空気流路４０も同様に外周へ向けて幅が漸増するように構成されている。この凸状部４２の頂点部分の面は、酸素極が接触する当接部４２１となっている。また、凸状部４２の裏側は溝状の中空部４３となっており、中空部４３の両端は、開放されている。この中空部４３も空気が流通する空気流路４０１となる。
【００３２】
以上のような集電部材３、４は、各凸状部３２と凸状部４２が外側となるように、仕切板ＤＩを介して重ね合わされて固定される。この仕切板ＤＩは、集電部材３、４と同様の材料に構成され、導電性、耐食性を備えている。仕切板ＤＩは、集電部材３、４と同様に、円形の板材から成り、中央部には、外周端円と同心円の中心孔Ｄｈが形成され、外周端近傍には、中心孔Ｄｈを挟んだ対称位置に水素流路の一部を構成する流通孔Ｄａ、Ｄｂが形成されている。
【００３３】
集電部材３と集電部材４は、仕切板ＤＩを介して相互に通電可能な状態となる。また、空気流路４０には単位セル１５が重ね合わされ、溝の開口部を閉鎖することにより、管状の流路が構成され、空気流路４０の内壁の一部が単位セル１５の酸素極１５ｂで構成される。この空気流路４０から、単位セル１５の酸素極１５ｂに酸素と水が供給される。酸素極１５ｂに供給される酸素は、空気流路４０を通過する空気中に含有される酸素である。酸素極１５ｂと集電部材４との間に形成される空気流路４０、４０１及びその集合体が、固体電解質膜に酸素を供給する酸素室として機能する。
【００３４】
このような集電部材４には、外枠体９１と内枠体９２が重ね合わされる。外枠体９１は、集電部材４の外縁部４４に重なり、内枠体９２は、内縁部４５に重なる。外枠体９１の周面には、多数の開口が形成され、空気流路４０、４０１の外周側端の開口に接続され、空気と水が流出する導出口９１１となっている。また、外枠体９１の内側には、集電部材４の流通孔４１ａ、４１ｂに対応する位置に、流通孔４１ａ、４１ｂと同じ内径を有する環体９１２ａ、９１２ｂが設けられており、積層した際に水素供給路の一部を構成する構成となっている。
【００３５】
内枠体９２の周面にも、多数の開口が形成され、空気流路４０、４０１の内周側端の開口に接続され、空気と水が流入する導入口９２１となっている。以上のように、導入口９２１から、空気流路４０、４０１を通って導出口９１１へ到達する空気及び水の流通路が構成される。導入口９２１で内通気口が構成され、導出口９１１で外通気口が構成される。
【００３６】
一方、集電部材３には、外枠体８１と内枠体８２が重ねられる。外枠体８１は、集電部材３の外縁部３４に重なり、内枠体８２は、内縁部３５に重なる。外枠体８１の内側には、集電部材３の流通孔３１ａ、３１ｂに対応する位置に、流通孔３１ａ、３１ｂと同じ内径を有する環体８１２ａ、８１２ｂが設けられており、積層した際に水素供給路の一部を構成する構成となっている。各環体８１２ａ、８１２ｂの外周面には、複数の流通口８１３ａ、８１３ｂがそれぞれ形成され、水素供給路と燃料室３０とを連通する。水素ガスは、一方の流通口８１３ａ（又は８１３ｂ）から燃料室３０内に流入し、水素流路３０１、３０２を通過して、他方の流通口８１３ｂ（又は８１３ａ）から流出する。このように、燃料室３０は、燃料極に隣接して設けられ、酸素室は酸素極に隣接して設けられている。
【００３７】
図５は単位セル１５の全体斜視図、図６は拡大断面図である。単位セル１５は、集電部材３、４と同形状の円形に形成され、中央部には、外周端円と同心円の中心孔ＨＯｃが形成され、外周端近傍には、中心孔ＨＯｃを挟んだ対称位置に水素流路が挿通する挿通孔１５１ａ、１５１ｂが形成されている。
【００３８】
また、単位セル１５は、固体高分子電解質膜１５ａと、該固体高分子電解質膜1５ａの両側面にそれぞれ重ねられた酸化剤極である酸素極１５ｂと燃料極１５ｃとを備えていて、固体高分子電解質膜１５ａは、酸素極１５ｂと燃料極１５ｃとで挟持されている。固体高分子電解質膜1５ａの外径は、外枠体９１、８１の外径より小さく、内径より大きく形成されており、その内径は、内枠体９２、８２の内径より大きく、外形より小さく形成されている。
【００３９】
このように構成されることにより、固体高分子電解質膜1５ａの外周端部は、外枠体９１、８１に挟持され、内周端部は、内枠体９２、８２に挟持される。また、挿通孔１５１ａ、１５１ｂの周端部も、同様に、環体８１２ａ、８１２ｂ、環体９１２ａ、９１２ｂによって挟持される。
【００４０】
一方、酸素極１５ｂは、外枠体９１の内径と同径の外径を有し、内枠体９２の外径と同一の内径を有し、外枠体９１と内枠体９２の間に収容され、既述の通り、当接部４２１に接触する。また、燃料極１５ｃは、外枠体８１の内径と同径の外径を有し、内枠体８２の外径と同一の内径を有し、外枠体８１と内枠体８２の間に収容され、既述の通り、当接部３２１に接触する。
【００４１】
空気流路４０の内壁には、親水性処理が施されている。内壁表面と水の接触角が４０°以下、好ましくは３０°以下となるように表面処理が施されているとよい。処理方法としては、親水処理剤を、表面に塗布する方法が取られる。塗布される処理剤としては、ポリアクリルアミド、ポリウレタン系樹脂、酸化チタン（Ｔｉ Ｏ2）等が挙げられる。
【００４２】
以上のように構成された外枠体８１、９１、内枠体８２、９２、集電部材３、４によりセパレータ１３が構成される。このようなセパレータ１３と単位セル１５を交互に積層して、積層部ＡＣが構成される。
【００４３】
図７に示されているように、本発明の燃料電池スタック１００は、鉛直方向に単位セル１５とセパレータ１３が積層され、その上側に積層される電極ターミナル１９１ａ、絶縁部材１９２ａ、エンドプレート１９ａは、それぞれ中央に孔１９１ａ−１、１９２ａ−１、１９ａ−１が形成され、周端部近傍に流通孔１９１ａ−２、１９２ａ−２、１９ａ−２が形成されている。電極ターミナル１９１ａ、絶縁部材１９２ａ、エンドプレート１９ａを積層することによって、孔１９１ａ−１、１９２ａ−１、１９ａ−１が廃熱空間ＳＰの一部を構成する。また、同様に流通孔１９１−２、１９２ａ−２、１９ａ−２は、水素供給路１７ａの一部を構成する。
【００４４】
一方、積層部ＡＣの下側に積層される電極ターミナル１９１ｂ、絶縁部材１９２ｂ、エンドプレート１９ｂには、周端部近傍に流通孔１９１ｂ−２、１９２ｂ−２、１９ｂ−２が形成されている。電極ターミナル１９１ｂ、絶縁部材１９２ｂ、エンドプレート１９ｂを積層することによって、流通孔１９１ｂ−２、１９２ｂ−２、１９ｂ−２は水素供給路１７ｂの一部を構成する。
【００４５】
以上のように構成された燃料電池スタック１００は、全体として円柱形状をなし、横断面形状が、円柱の中心軸と同心円となる廃熱空間ＳＰを備えている。廃熱空間ＳＰ内には、冷却水を供給する供給配管５４が挿入されている。供給配管５４は、燃料電池スタック１００の中心線に合致した位置に配置され、複数の噴射ノズル５５が等間隔で配置されている。
【００４６】
図７中の拡大図に示されているように、噴射ノズル５５は、供給配管５４を中心として放射状に水を噴射する。放射方向は、セパレータ１３に平行な面となるように設定されており、酸素室へ向けて均一に水が供給できるように構成されている。また、廃熱空間ＳＰは、一端が開口して通気孔ＳＰ１となっており、他端は電極ターミナル１９１ｂ、絶縁部材１９２ｂ、エンドプレート１９ｂによって閉鎖されている。このような構成とすることによって、通気孔ＳＰ１から流入した空気は、すべて酸素室を通過することとなり、酸素室への酸素の供給効率が向上する。 
なお、廃熱空間ＳＰの他端を閉鎖せず、電極ターミナル１９１ｂ、絶縁部材１９２ｂ、エンドプレート１９ｂの中央にそれぞれ孔を形成し、廃熱空間ＳＰの両端が開放した構成としてもよい。
【００４７】
以上のような燃料電池スタック１００は、既述の通り、スタックケースＣＡ内に収納される。図１に示されているように、スタックケースＣＡは、上下に分割され、上部のケース１０１と、下部のケース１０２とを有する。上部ケース１０１と下部ケース１０２を付き合わせることにより、内側に収納スペース１０３が構成される。上部ケース１０１の天板１０１ａには、中央部に空気導入部１０１ｂが設けられ、後述する空気導入路１２３が接続され、空気導入部１０１ｂは、収納された燃料電池スタック１００の廃熱空間ＳＰの通気孔ＳＰ１に接続される。空気導入部１０１ｂには、後述する給水路５６が挿入され、該給水路５６は供給配管５４に接続される。 
また、上部ケース１０１の天板１０１ａには、燃料ガス供給流路２０１Ｂが接続され、燃料電池スタック１００の水素供給路１７ａに繋げられる。
【００４８】
下部ケース１０２の底板１０２ａには、中央部に空気排出路１２４が接続され、空気排出路１２４は、下部スース１０２の内部に連通されている。また、底板１０２ａにはガス排出流路２０２も接続され、燃料電池スタック１００の水素供給路１７ｂに繋げられる。さらに、下部ケース１０２には、排水路５７１が底板又は底板近傍の側面に接続され、噴射ノズル５５から噴射された水をケース内から排出する。噴射ノズル５５は、水を噴射する放出口であり、冷媒供給手段の１つとして機能する。
【００４９】
スタックケースＣＡ内に収納された燃料電池スタック１００は、スタックケースＣＡの内壁との間に隙間１０５を有する。燃料電池スタック１００は中心軸が鉛直方向となるように設置されているので、噴射ノズル５５から燃料電池スタック１００に供給された水は、空気流路４０、４０１を介して外側へ到達し、該隙間１０５を介して、下方へ流下し、熱とともに排水路５７１から排出される。空気流路４０、４０１を、冷媒である水が通過する際、酸素極１５ｂを湿潤状態とするとともに、燃料電池スタック１００との熱交換と、空気流通による潜熱冷却により、燃料電池スタック１００内を冷却する。
【００５０】
また、空気導入路１２３から供給された空気は、廃熱空間ＳＰ内へ導かれ、この廃熱空間ＳＰから、導入口９２１、空気流路４０、４０１を通って、外側面の導出口９１１へ到達し、隙間１０５を通って、熱とともに空気排出路１２４へ排出される。冷媒としての空気は、中心の廃熱空間ＳＰから、放射状に燃料電池スタック１００内を通過するので、空気の流量が周方向に配置された空気流路４０、４０１の間で均一とすることができ、冷却効果を均一に発揮させることが可能となる。
【００５１】
次に、燃料電池スタック１００内での水素ガスの流れについて説明する。図８は、燃料電池スタック１００の構成を模式的に示す分解斜視図である。仕切板ＤＩは、単位セル１５が単位枚数重ねられる毎に、流通孔Ｄａ、Ｄｂの一方が閉鎖されたものが、交互に介挿される。この実施形態では、１０枚の単位セル１５が重ねられる毎に、流通孔Ｄａ、Ｄｂの一方が閉鎖された仕切板ＤＩが用いられる。たとえば、水素ガスの上流側から１０枚目の単位セルと１１枚目の単位セル間に、流通孔Ｄａが閉鎖され、流通孔Ｄｂが設けられた仕切板ＤＩ−１が介挿される。次に、２０枚目の単位セルと２１枚目の単位セルの間に、流通孔Ｄｂが閉鎖され、流通孔Ｄａが設けられた仕切板ＤＩ−２が介挿される。
【００５２】
さらに、３０枚目の単位セルと３１枚目の単位セルの間に、流通孔Ｄａが閉鎖され、流通孔Ｄｂが設けられた仕切板ＤＩ−３が介挿される。このように、仕切板ＤＩ−１の上流側の単位セル１５とセパレータ１３で１モジュール１３０−１を構成し、仕切板ＤＩ−１と仕切板ＤＩ−２の間の単位セル１５とセパレータ１３で１モージュール１３０−２を構成し、仕切板ＤＩ−（ｎ−１）と仕切板ＤＩ−ｎの間の単位セル１５とセパレータ１３で１モージュール１３０−ｎを構成する。 
このように構成することにより、水素供給路１７ａ、１７ｂは分断され、モジュール単位で、一方の水素供給路１７ａ（又は１７ｂ）から他方の水素供給路１７ｂ（又は１７ａ）へ水素ガスを流通させる構成となる。
【００５３】
最初に水素供給路１７ａに供給された水素ガスは、第１モジュール１３０−１において、１０個の燃料室３０内を、流通口８１３ａから流通口８１３ｂへ向けて流通し、水素供給路１７ｂへ到達する。次に、仕切板ＤＩ−１の流通孔Ｄｂを通過して、次の第２モジュール１３０−２の水素供給路１７ｂへ流入し、１０個の燃料室３０内を、流通口８１３ｂから流通口８１３ａへ向けて流通し、水素供給路１７ａへ到達する。次に、仕切板ＤＩ−２の流通孔Ｄａを通過して、次の第３モジュール１３０−３の水素供給路１７ａへ流入し、１０個の燃料室３０内を、流通口８１３ａから流通口８１３ｂへ向けて流通し、水素供給路１７ｂへ到達する。このように各モジュール毎に順番に流通し、最終的に燃料電池スタック１００の外部に排出される。なお、モジュールを構成する単位セルの数は、１０個に限定されず、他の数でもよい。また、水素ガスの流れる方向に応じて、構成枚数を増加又は減少させてもよい。
【００５４】
次に、図９に示されている燃料電池システムの構成について説明する。図９は、システム１の構成を示すブロック図である。図９に示されているように、この燃料電池システム１は燃料電池スタック１００、水素貯蔵タンク１１を含む燃料供給系１０、空気供給系１２、水供給系５０、負荷系７とに大略構成される。
【００５５】
燃料供給系１０の構成について説明する。燃料ガスボンベである水素貯蔵タンク１１には、燃料ガス供給流路２０１Ａ、２０１Ｂを介して燃料電池スタック１００のガス取入口に接続されている。燃料ガス供給流路２０１Ａには、水素元バルブ１８、一次圧センサＳ０、レギュレータ１９、二次圧センサＳ１、第１ガス供給弁２０及び水素調圧弁２１、第２ガス供給弁２２、三次圧センサＳ２が順に設けられ、この燃料ガス供給流路２０１Ａは、燃料ガス供給流路２０１Ｂの一端に接続している。燃料ガス供給流路２０１Ｂの他端は、燃料電池スタック１００の上記ガス取入口２０１ＢのＩＮに接続されている。燃料電池スタック１００のガス排出口には、ガス排出流路２０２の一端が接続され、その他端は、燃料ガス供給流路２０１Ｂに接続され、燃料ガスの循環路が構成される。ガス排出流路２０２には、燃料電池スタック１００のガス排出口側から順に、トラップ２４、循環ポンプ２５、循環電磁弁２６が配置されている。トラップ２４には、水レベルセンサＳ１０が取り付けられ、さらに、ガス導出路２０３の一端が接続されている。ガス導出路２０３の他端は、空気排出路１２４に接続されている。ガス導出路２０３には、排気電磁弁２７が設けられている。
【００５６】
次に空気供給系１２について説明する。空気供給系１２は、空気導入路１２３と、空気マニホールド５４と、空気排出路である空気排出路１２４とを備えている。空気導入路１２３には、フィルタ１２１、空気ファン１２２、空気マニホールド５４の順で流入方向に沿って設けられている。廃熱空間ＳＰは、各酸素室へ空気を振分ける空気マニホールドとしての機能も有する。空気ファン１２２により冷媒供給手段の１つが構成される。 
該廃熱空間ＳＰ内には、導入口９２１へ向けて冷却水を噴射するノズル５５が複数個、等間隔で設けられている。空気マニホールド５４は、燃料電池スタック１００の導入口９２１に空気を分割して流入させる。
【００５７】
空気排出路１２４は、スタックケースＣＡの排気口に接続され、スタックケースＣＡから流出した空気を凝縮器５１へ導く。空気排出路１２４の終端部には、ファンが取り付けられた凝縮器５１が設けられ、続いてフィルタ１２５が接続されている。凝縮器５１は、空気から水分取り出す。取り出された水は、凝縮器５１の下方に設けられた回収タンク（トレー）内に回収される。また、スタックケースＣＡから直接取り出された水も、この回収タンクへ導水され貯留される。 
また、ノズル５５から供給された水の内、燃料電池スタック１００内で蒸発した水分も、ここで回収される。空気排出路１２４には、排気温度センサＳ９が設けられ、燃料電池スタック１００内の温度が間接的に検出される。
【００５８】
次に、水供給系について説明する。水供給系５０は、貯水手段としての水タンク５３１と、凝縮器５１で回収した水を水タンク５３１へ導く導水路５７と、水タンク５３１の水をノズル５５へ導く給水路５６とを有する。導水路５７には、凝縮器５１から水タンク５３１へ向けて、回収ポンプ６２、ラジエタ６３が順に設けられている。回収ポンプ６２は、燃料電池スタック１００に対して噴射された冷却水と、凝縮器５１で排気ガスから取り出された水を、水タンク５３１へ送り込む。ラジエタ６３は、導水路５７を通過する水を冷却する冷却手段であり、回収された水の熱を外気へ放熱して冷却する。
【００５９】
給水路５６には、フィルタ６４、水供給手段である供給ポンプ６１が順に設けられている。水タンク５３１には、水温センサＳ５と、貯水量検出手段であるタンク水位センサＳ７が設けられている。凝縮器５１と、導水路５７と、回収ポンプ６２とによって、水回収手段が構成される。
【００６０】
燃料電池スタック１００には、負荷系７が接続されており、燃料電池スタック１００で出力される電力は、この負荷系７に供給される。燃料電池スタック１００の電極は、配線７１を介してインバータ７３に接続され、インバータ７３からモータなどの負荷に電力が供給される。インバータ７３には、スイッチ手段であるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor／絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）７５を介して補助電源７６が接続されている。補助電源７６は、例えば、バッテリ、キャパシタなどで構成することができる。 
この負荷系７には、燃料電池スタック１００の出力電圧を検出する電圧センサＳ４と、同じく出力電流を検出する電流センサＳ３が設けられている。
【００６１】
本発明の燃料電池スタック１００の形状は、既述のような円柱形状である場合の他、他の回転体形状であってもよい。例えば、円錐台形状、或は円錐形状であってもよい。さらに、多角形柱状体であってもよい。即ち、横断面の形状が、正四角形、正五角径、正六角形などであってもよい。例えば、図１０に示されているように、正四角形であってもよい。  図１０は、第２実施形態の構成を示すスタックケースＣＡｃの全体斜視図である。この構成では、燃料電池スタック１００ｃの形状は、角柱形状である。スタックケースＣＡｃ自体の形状は、燃料電池スタック１００ｃの形状に合わせて、矩形に形成されている。その他の構成は、図１に示されている第１実施形態の構成と同様であるため、符号を援用し、説明は省略する。
【００６２】
図１１は、第３実施形態の燃料電池スタック１００の側面図、図１２は、同じく平面図である。この燃料電池スタック１００は、エンドプレート１９ａ、１９ｂが、積層部ＡＣよりも大径に形成され、水素供給路１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄが積層部ＡＣの外側に配置されている。また、廃熱空間ＳＰ内には、供給配管５４が挿入されており、供給配管５４の先端は、下部エンドプレート１９ｂに軸受１９３を介して回転自在に支持されている。供給配管５４には、複数の噴射ノズル５５が等間隔で配置されている。供給配管５４の基端は、スタックケース側に回転自在に支持される。供給配管５４は、噴射ノズル５５から水を噴射しつつ、燃料電池スタック１００に対して相対的に回転する。この回転によって、供給配管５４の周囲に位置する酸素室へ水を均一に供給する。この場合、噴射ノズル５５の噴射方向は、周囲に放射する方式のものでよく、特定の方向に噴射する方式のものでもよい。
【００６３】
図１３は、モジュール１３０の平面図である。各セパレータの外枠体８１に４つの流通口が形成され、１つのモジュール１３０毎に、流通口８１３ａ〜ｄを水素供給路１７ａ〜ｄにつなげる接続部１８ａ〜ｄが設けられている。燃料室３０内には、図３に示されていような凸状部３２が適宜設けられ、水素ガスの流通方向は適宜設定することができる。例えば、対向する流通口８１３ａ、８１３ｂ又は流通口８１３ａ、８１３ｂを１対として、その一対の流通口の間で水素ガスを流通させ、所定のタイミングで水素ガスを流通させる流通口を切り換える構成としてもよい。または、対向する位置にある一対の流通口を排出口とし、他の一対の流通口を流入口としてもよい。
【００６４】
図１４は、他の構成例を示すモジュール１３０の平面図である。この構成例では、対向する位置に２つの流通口８１３ａ、８１３ｄ及び８１３ｂ、８１３ｃを設け、その間に、燃料室３０を二つに分割する仕切り８３が設けられている。このような構成とすることによって、水素ガスは、２つの燃料室３０ａ、３０ｂ内を別々に流通する。この構成でも、水素ガスの流通方向は、適宜変更してよい。
【００６５】
図１５は、図１１に示されている燃料電池スタックの積層部ＡＣの変形例を示すものである。図１５は、集電部材３ｃの構成を示す平面図である。図１６は同じく集電部材４ｃの平面図、図１７は、単位セル５ｃの平面図である。これらの図に示されている変形例は、積層部ＡＣの平面形状が正四角形である、第４実施形態を示すものである。
【００６６】
集電部材３ｃは矩形に形成され、外枠体８１と内枠体８２は、対角線方向に配置された仕切８３によって連結されている。その仕切８３によって、燃料室は、２つの燃料室３０ａ、３０ｂに分割される。各燃料室３０ａ、３０ｂにそれぞれ外周辺に平行に配置された凸状部３２が設けられ、ガス流が均一に流れるようにガスを誘導する。仕切８３が設けられた頂点部近傍に、流通口８１３ａ〜ｄが設けられており、各燃料室３０ａ、３０ｂ毎に水素ガスの流通が行われ、第１実施形態の構成と同様に、モジュール毎に水素ガスの流通方向が変更される。各流通口８１３ａ〜ｄは、モジュール毎に１つの開口を形成し、この開口に図１１に示されている接続部１８ａ〜ｄがそれぞれ接続され、水素ガスが流通する。
【００６７】
集電部材４ｃには、内枠体９２が重ね合わされ、内枠体９２の頂点部には補強材９３が対角線方向に設けられている。集電部材４ｃは、内側の孔から外側周端へ向けて放射状に形成された複数の凸状部４２が形成され、その間に形成された溝によって空気流路４０が形成されている。凸状部４２の裏側に形成された空気流路４０１と空気流路４０は、内枠体９２に形成された導入口に接続されている。集電部材４ｃにおいて、重ねられる集電部材３ｃの流通口８１３ａ〜ｄに対応する位置には、空気流路４０１と空気流路４０の積層方向の隙間を埋める閉鎖部９４が設けられている。閉鎖部９４は、モジュール毎に集電部材３ｃ、４ｃを積層した場合に形成される開口の位置に設けられ、開口に接続される接続部１８ａ〜ｄから空気流路４０１、空気流路４０に水素ガスが流入することを防止する。
【００６８】
集電部材３ｃ、４ｃは、第１実施形態における集電部材と同様に網状板材で構成されている。図１７は、単位セル１５ｃの平面図である。単位セル１５ｃは、集電部材３ｃ等の形状に合わせて矩形に形成され、同様に矩形の孔ＨＯｃを中心に有している。固体高分子電解質膜１５ａｃと、該固体高分子電解質膜1５ａｃの両側面にそれぞれ重ねられた酸素極と燃料極１５ｃｃとを備えている。
【００６９】
このような集電部材３ｃ、４ｃと単位セル１５ｃを交互に積層することによって構成された燃料電池スタック１００ｃは、中央部に廃熱空間ＳＰｃを備える。この廃熱空間ＳＰｃには、供給配管が挿入され、該供給配管には、噴射ノズル５５が設けられている。 
以上説明したように、本発明の燃料電池スタックは、円筒形状に限らず、角柱状であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】この発明の燃料電池スタックを収容するスタックケースの全体斜視図である。
【図２】燃料電池用セパレータの分解斜視図である。
【図３】集電部材の全体斜視図である。
【図４】燃料電池セパレータの一部断面図である。
【図５】単位セルの全体斜視図である。
【図６】単位セルの拡大断面図である。
【図７】燃料電池スタックの断面側面図である。
【図８】燃料電池スタックの構成を模式的に示す分解斜視図である。
【図９】燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図１０】第２の実施の形態におけるスタックケースの全体斜視図である。
【図１１】第３実施形態の燃料電池スタックの側面全体図である。
【図１２】第３実施形態の燃料電池スタックの平面全体図である。
【図１３】第３の実施の形態におけるモジュールの平面図である。
【図１４】第３の実施の形態におけるモジュールの平面図である。
【図１５】第４の実施の形態における集電部材の平面図である。
【図１６】第４の実施の形態における集電部材の平面図である。
【図１７】第４の実施の形態における単位セルの平面図である。
【符号の説明】
【００７１】
１  燃料電池システム
３  集電部材
４  集電部材
１１  水素貯蔵タンク
１００  燃料電池スタック
２０１Ａ、２０１Ｂ  燃料ガス供給流路
２０４  循環流路
２５  循環ポンプ
５５  噴射ノズル
ＳＰ  廃熱空間
【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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【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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【図１７】
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