(57)【要約】【課題】燃料電池の下端に接し、複数の燃料電池を横断して延在する電気絶縁性の排水部材を複数平行に配設するようにして、水を排水部材に伝わせることによって各燃料電池における空気流路の下端から水を速やかに排出することができ、各燃料電池の空気流路における水の溜（た）まり具合を均等化することができ、空気の供給を均一化することでき、燃料電池の性能低下を確実に防止することができるようにする。【解決手段】電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池がセパレータを挟んで積層され、前記燃料電池から排出された水の排出口が前記燃料電池の下端に形成されている燃料電池スタックであって、複数の燃料電池を横断して延在する電気絶縁性の排水部材が前記排出口に臨んで設けられている。【選択図】図１
2007317518.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池がセパレータを挟んで積層され、前記燃料電池から排出された水の排出口が前記燃料電池の下端に形成されている燃料電池スタックであって、
複数の燃料電池を横断して延在する電気絶縁性の排水部材が前記排出口に臨んで設けられていることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記排水部材は格子状に形成されている請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記排水部材は表面が親水性である請求項１又は２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ものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池は発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用、家庭用の発電装置として、又は、人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきたが、近年は、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として開発が進んでいる。そして、前記燃料電池は、アルカリ水溶液型（ＡＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）、直接型メタノール（ＤＭＦＣ）等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）が一般的である。
【０００３】
この場合、固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。そして、該ガス拡散電極の一方を燃料極（アノード極）とし、その表面に燃料としての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン（プロトン）と電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極（カソード極）とし、その表面に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。
【０００４】
そして、固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜の外側に燃料ガスとしての水素ガスや酸素等の酸化剤ガスのような反応ガスの供給通路を形成するセパレータを配した積層構造を有する。前記セパレータは、積層方向に隣り合う固体高分子電解質膜への反応ガスの透過を防止するとともに、発生した電流を外部へ取り出すための集電を行う。このように、固体高分子電解質膜とセパレータとから成る単位セルを多数積層して燃料電池スタックが構成される。
【０００５】
ところで、燃料電池システムでは、電気化学反応によって生成される水、すなわち、生成水の量が多くなると、酸素極側において局所的に空気流路が水分によって塞（ふさ）がれてしまい、燃料電池の性能が低下したりしてしまうことが知られている。そこで、燃料電池スタックを傾斜させ、空気流路の下端縁を傾斜させることによって、空気流路の下端からの水の排出性を高くする技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２０００−３０７２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記従来の燃料電池スタックにおいては、固体高分子電解質膜とセパレータとの間隔が狭いので空気流路を構成する両側の壁面の間隔が狭く、水の表面張力によって発生する毛細管現象により、空気流路内の下端部に水が保持されてしまう。そのため、空気流路の下端から水が落下し難く、水を適切に排出することができなかった。これにより、各空気流路における水詰まりの状態が不均一となり、空気の供給を均一にすることができなくなり、燃料電池の性能が低下してしまう。
【０００７】
本発明は、前記従来の燃料電池スタックの問題点を解決して、複数の燃料電池を横断して延在する電気絶縁性の排水部材を燃料電池から排出された水の排出口に臨んで設けるようにして、水を排水部材に伝わせることによって各燃料電池における空気流路の下端から水を速やかに排出することができ、各燃料電池の空気流路における水の溜（た）まり具合を均等化することができ、空気の供給を均一化することでき、燃料電池の性能低下を確実に防止することができる燃料電池スタック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】
【０００８】
そのために、本発明の燃料電池スタックにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池がセパレータを挟んで積層され、前記燃料電池から排出された水の排出口が前記燃料電池の下端に形成されている燃料電池スタックであって、複数の燃料電池を横断して延在する電気絶縁性の排水部材が前記排出口に臨んで設けられている。
【０００９】
本発明の他の燃料電池スタックにおいては、さらに、前記排水部材は格子状に形成されている。
【００１０】
本発明の更に他の燃料電池スタックにおいては、さらに、前記排水部材は表面が親水性である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、燃料電池スタックにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池がセパレータを挟んで積層され、前記燃料電池から排出された水の排出口が前記燃料電池の下端に形成されている燃料電池スタックであって、複数の燃料電池を横断して延在する電気絶縁性の排水部材が前記排出口に臨んで設けられている。
【００１２】
この場合、水を排水部材に伝わせることによって各燃料電池の酸化剤流路内の下端から水を速やかに排出することができる。そのため、各燃料電池の酸化剤流路内の酸化剤がスムーズに流れ、酸素極に十分な量の空気が供給されるので、燃料電池スタックの性能低下を確実に防止することができる。さらに、酸化剤が酸素極と接触して電気化学反応が発生するための面積が減少することを防止することができので、燃料電池の性能の低下を防止することができ、濃度過電圧を低減することができる。また、各燃料電池の酸化剤流路の下端部における水の溜まり具合を均等化することができ、酸化剤の供給を均一化することできる。そのため、各燃料電池の出力を均等化することができる。
【００１３】
他の燃料電池スタックにおいては、さらに、前記排水部材は格子状に形成されている。
【００１４】
この場合、同一の燃料電池の酸化剤流路の各部において、溜まっている水の量が均一となり、酸素極への酸化剤の供給が均一になる。
【００１５】
更に他の燃料電池スタックにおいては、さらに、前記排水部材は表面が親水性である。
【００１６】
この場合、排水部材を伝う水を導通することによる燃料電池間のリーク電流を減少させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１８】
図２は本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す模式側面図、図３は本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックのセルモジュールの構成を示す図、図４は本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックのセパレータユニットの構成を示す図である。
【００１９】
図において、１１は燃料電池（ＦＣ）装置としての燃料電池スタックであり、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として使用される。ここで、前記車両は、照明装置、ラジオ、パワーウィンドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えており、また、走行パターンが多様であり動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、動力源としての燃料電池スタック１１と図示されない蓄電手段としての二次電池又はキャパシタとを併用して使用することが望ましい。
【００２０】
そして、燃料電池スタック１１は、アルカリ水溶液型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、直接型メタノール等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池であることが望ましい。
【００２１】
なお、更に望ましくは、水素ガスを燃料ガス、すなわち、アノードガスとし、酸素又は空気を酸化剤、すなわち、カソードガスとするＰＥＭＦＣ（Ｐｒｏｔｏｎ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）型燃料電池、又は、ＰＥＭ（Ｐｒｏｔｏｎ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ）型燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該ＰＥＭ型燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを透過する電解質層の両側に触媒、電極及びセパレータを結合したセル（Ｃｅｌｌ）を複数及び直列に結合したスタック（Ｓｔａｃｋ）から成る。
【００２２】
本実施の形態において、燃料電池スタック１１は、複数のセルモジュール１０を有する。該セルモジュール１０は、燃料電池としての単位セル（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）１０Ａと、該単位セル１０Ａ同士を電気的に接続するとともに、単位セル１０Ａに導入される、アノードガスとしての水素ガスの流路とカソードガスとしての空気の流路とを分離するセパレータユニット１０Ｂとを１セットとして、板厚方向に複数のセットを重ねて構成されている。なお、セルモジュール１０は、単位セル１０Ａ同士が所定の間隙（げき）を隔てて配置されるように、単位セル１０Ａとセパレータユニット１０Ｂとが、２種類のフレーム１７及び１８とともに、多段に重ねられて積層されている。この場合、セルモジュール１０は、導電可能に、かつ、燃料ガス流路、すなわち、水素ガス流路が連続するように相互に接続されている。
【００２３】
そして、単位セル１０Ａは、電解質層としての固体高分子電解質膜１９、並びに、該固体高分子電解質膜１９の一側に設けられた酸素極としての空気極（カソード極）１２及び他側に設けられた燃料極（アノード極）１３から成る。前記空気極１２及び燃料極１３は、反応ガスを拡散しながら透過する導電性材料から成る電極拡散層と、該電極拡散層上に形成され、固体高分子電解質膜１９と接触させて支持される触媒層とから成る。
【００２４】
前記単位セル１０Ａにおいては、水が移動する。この場合、セパレータユニット１０Ｂの燃料極１３側に形成された燃料室内に燃料ガス、すなわち、アノードガスとしての水素ガスを供給すると、水素が水素イオンと電子とに分解され、水素イオンがプロトン同伴水を伴って、固体高分子電解質膜１９を透過する。また、前記空気極１２をカソード極とし、セパレータユニット１０Ｂの空気極１２側に形成された空気流路としての酸素室内に酸化剤、すなわち、カソードガスとしての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。なお、水分が逆拡散水として固体高分子電解質膜１９を透過し、燃料室内に移動する。ここで、逆拡散水とは、空気流路としての酸素室において生成される水が固体高分子電解質膜１９内に拡散し、該固体高分子電解質膜１９内を前記水素イオンと逆方向に透過して燃料室にまで浸透したものである。
【００２５】
図２には、燃料電池スタック１１に酸化剤としての空気を供給する装置が示されている。この場合、空気は、矢印で示されるように、エアフィルタ２７を通って、酸化剤供給源としての空気供給ファン２６に吸引され、該空気供給ファン２６から、接続ダクト２５、及び、該接続ダクト２５に連結された空気導入ダクト２４を通って、燃料電池スタック１１の上側に取り付けられた空気供給室３７に供給される。
【００２６】
なお、前記空気供給ファン２６は、空気を吸引して吐出することができるものであれば、いかなる種類のものであってもよく、高圧の空気を供給するためのポンプであってもよい。また、前記エアフィルタ２７は、空気に含まれる塵埃（じんあい）、不純物等を除去することができるものであれば、いかなる種類のものであってもよい。なお、酸化剤として、空気に代えて酸素を使用することもできる。また、前記接続ダクト２５、空気導入ダクト２４又は空気供給室３７には、必要に応じて、酸素室に供給される空気中に水をスプレーして供給し、燃料電池スタック１１の酸素極としての空気極１２を湿潤な状態に維持するための水供給ノズルを配設することもできる。
【００２７】
そして、矢印で示されるように、燃料電池スタック１１の空気流路を通過した空気は、燃料電池スタック１１の下側に取り付けられた空気排出室３８から、該空気排出室３８に接続された排気接続ダクト２３及び排気導出ダクト２２を通って、凝縮器ユニット２１内に導入される。燃料電池スタック１１の空気流路から排出された空気は水分を含むものであるが、凝縮器ユニット２１内を上昇する間に冷却されて凝縮した水分を分離し、凝縮器ユニット２１の上端の排気口２１ａから大気中に排気される。この場合、凝縮器ユニット２１によって凝縮された水は水タンクに回収されることが望ましい。そして、該水タンク内の水を前記水供給ノズルに供給することによって水を無駄に廃棄することなく、循環させて再利用することができる。
【００２８】
図２は、燃料電池スタック１１が搭載された車両の一部の側断面を模式的に示したものであり、凝縮器ユニット２１が車両の前方部分に配設された例を示している。この場合、車両の走行風を利用して凝縮器ユニット２１内の空気を冷却し、水分を凝縮することができる。なお、図において、３１Ｌ及び３１Ｒは車両フレームの左右のメンバーであり、燃料電池スタック１１は、左右のメンバー３１Ｌ及び３１Ｒの間に配設されている。また、３１Ｃは車両フレームの補助部材である。さらに、２８Ｌ及び２８Ｒは車両の左右の前輪である。さらに、３４は、前記水供給ノズルからスプレーされる水を供給するために水供給管路、電磁弁、流量調整弁、水タンク、水供給ポンプ等の補機類を備える水供給用補機類ユニットである。
【００２９】
一方、燃料ガスとしての水素ガスは、水素吸蔵合金を収納した容器、デカリンのような水素吸蔵液体を収納した容器、水素ガスボンベ等から成る図示されない燃料貯蔵手段から燃料供給管路を通って、燃料電池スタック１１の燃料ガス流路の入口に供給される。水素ガスは燃料電池スタック１１内を流通する。そして、該燃料電池スタック１１の燃料ガス流路の出口から未反応成分として排出される水素ガスは、図示されない燃料排出管路を通って燃料電池スタック１１外に排出される。なお、前記燃料排出管路には、排出された水素ガスが含まれる水分を分離して回収するための水回収ドレインタンクが配設されていることが望ましい。これにより、水分が分離されて水回収ドレインタンクから排出された水素ガスを回収し、燃料電池スタック１１の燃料ガス流路に供給して再利用することができる。
【００３０】
この場合、燃料電池スタック１１は、全体として扁（へん）平な直方体状の形状を有し、内部における空気の流れは、重力方向、すなわち、上から下に直線状になっている。また、水素ガスの流れは、重力方向とほぼ直交する水平面内において、セルモジュール１０毎に折り返すサーペンタイン状に、すなわち、蛇行状になっている。
【００３１】
また、前記燃料電池スタック１１は、水素ガスの入口側及び出口側に配設された図示されないエンドプレートによって積層方向に締め付けられている。なお、前記エンドプレートは締付用シャフトによって、セルモジュール１０を締め付ける力が付与された状態で、相互に接続されている。
【００３２】
前記セルモジュール１０は、一端がセパレータユニット１０Ｂの縦方向凸条形成面と一方のフレーム１７の端面とで終端し、他端がセパレータユニット１０Ｂの横方向凸条形成面と他方のフレーム１８の端面とで終端している。
【００３３】
そして、各セルモジュール１０は、全体として直方体状の形状を有し、セパレータユニット１０Ｂを備える。なお、該セパレータユニット１０Ｂは、長方形状の開口の周囲を取り囲む枠状のフレーム１７及び１８を有し、各フレーム１７及び１８は、長手方向両端近傍に形成された長孔（あな）を備える。各セパレータユニット１０Ｂは、相互に密着し、かつ、前記長孔同士が相互に整列するように積層され、これにより、長孔はセパレータユニット１０Ｂの積層方向に貫通する水素ガス流路を形成する。
【００３４】
また、単位セル１０Ａは、電解質層としての固体高分子電解質膜１９と、該固体高分子電解質膜１９の一側に設けられた酸素極としての空気極１２及び他側に設けられた燃料極１３とから成る。そして、前記空気極１２及び燃料極１３は、反応ガスを拡散しながら透過する導電性材料から成る電極拡散層と、該電極拡散層上に形成され、固体高分子電解質膜１９と接触させて支持される触媒物質を含む触媒層とから成る。これらの部材のうち、空気極１２及び燃料極１３は、それらの支持部材としてのフレーム１８の開口部の幅より若干長い横方向寸法と、開口部の高さより若干短い縦方向寸法とを有するものとされている。また、固体高分子電解質膜１９は、開口部の縦横方向寸法より一回り大きな縦横寸法とされている。
【００３５】
そして、セパレータユニット１０Ｂは、単位セル１０Ａ間のガス遮断部材でありセパレータ本体としてのセパレータ基板１６と、該セパレータ基板１６の一側に設けられ、単位セル１０Ａの空気極１２側の電極拡散層に接触して集電するとともに空気と水との混合流を透過する多数の開口が形成された網目状の集電体としての空気極側コレクタ１４と、セパレータ基板１６の他側に設けられ、単位セル１０Ａの燃料極１３側の電極拡散層に接触して同じく電流を外部に導出するための網目状の集電体としての燃料極側コレクタ１５とを有する。そして、これらを単位セル１０Ａも含めて所定の位置関係に保持すべく、空気極側コレクタ１４の左右両側に配置されたフレーム１７（最外側のもののみが上下端を相互にバックアッププレート１７ａ及び１７ｂで連結されて枠状（図４参照）をなす。）と、燃料極側コレクタ１５及び単位セル１０Ａの周縁部に配置されたフレーム１８とが設けられている。空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５は、本実施の形態においては、導電性の板材、例えば、板厚が０．２〔ｍｍ〕程度の金属薄板で構成されている。また、セパレータ基板１６は、板厚が更に薄い導電性の板材、例えば、金属薄板で構成される。この構成金属としては、導電性と耐蝕（しょく）性を備えた金属、例えば、ステンレス鋼、ニッケル合金、チタン合金等に金メッキ等の耐蝕導電処理を施したものが挙げられる。また、フレーム１７及び１８は、適宜の絶縁性材料から成る。
【００３６】
なお、空気極側コレクタ１４には、親水性処理が施されていることが望ましい。処理方法としては、親水処理剤を、表面に塗布する方法が採られる。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（ＴｉＯ2 ）等が挙げられる。この他の親水性処理としては、金属表面の粗さを粗化する処理が挙げられる。例えば、プラズマ処理などがその一例である。親水性処理は、最も温度が高くなる部位に施すことが好ましい。
【００３７】
そして、前記空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５をセパレータ基板１６と重ね合わせることによって、該セパレータ基板１６の一方側に酸化剤流路としての空気流路、すなわち、酸素室が構成され、他方側に燃料ガス流路としての水素ガス流路、すなわち、燃料室が構成されることになる。前記縦方向の空気流路から、単位セル１０Ａの空気極１２に空気が供給され、同様に、横方向の水素ガス流路から単位セル１０Ａの燃料極１３に水素が供給される。
【００３８】
前記フレーム１７及び１８によって、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５並びにセパレータ基板１６を保持してセパレータユニット１０Ｂが構成される。そして、該セパレータユニット１０Ｂと単位セル１０Ａとを交互に積層して、セルモジュール１０が構成される。このように積層されたセルモジュール１０には、図３に示される、フレーム１８で挟まれる間の部分に、セルモジュール１０の上面から縦方向に該セルモジュール１０の下面まで全通するスリット状の空気流路が形成される。また、複数のセルモジュール１０を積層して燃料電池スタック１１が構成されるが、その積層方向は、セパレータユニット１０Ｂと単位セル１０Ａとの積層方向と同一である。
【００３９】
なお、単位セル１０Ａにおいては水が移動する。すなわち、燃料極側コレクタ１５が配設されている燃料室内に燃料ガスとして水素ガスを供給すると、水素が水素イオンと電子とに分解され、水素イオンがプロトン同伴水を伴って、固体高分子電解質膜１９を透過する。また、前記空気極１２をカソード極とし、酸素室内に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子が結合して、水が生成される。さらに、水分が逆拡散水として固体高分子電解質膜１９を透過し、燃料室内に移動する。ここで、逆拡散水とは、酸素室において生成される水が固体高分子電解質膜１９内に拡散し、該固体高分子電解質膜１９内を前記水素イオンと逆方向に透過して燃料室にまで浸透したものである。
【００４０】
次に、前記燃料電池スタック１１の酸素室の下端部の構成を詳細に説明する。
【００４１】
図１は本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの排水部材の構成を示す図、図５は本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの排水部材の断面を示す図、図６は本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの排水部材の機能を示す第１の模式図、図７は本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの排水部材の機能を示す第２の模式図である。
【００４２】
本実施の形態において、燃料電池スタック１１は、図１に示されるように、その下端に配設された排水部材組立体４１を有する。なお、図１（ａ）は燃料電池スタック１１の側面を示し、図１（ｂ）は燃料電池スタック１１の下面を示している。そして、前記排水部材組立体４１は、単位セル１０Ａの積層方向（図１における横方向）に延在して平行に配設された複数の排水部材４１ａと、該排水部材４１ａと直交する方向に延在して各排水部材４１ａの両端に接続された連結部材４１ｂとを備える。
【００４３】
ここで、前記排水部材４１ａは、電気絶縁性を備える材料から成る棒状の部材であり、各単位セル１０Ａの下端に接し、複数の単位セル１０Ａを横断するように配設されている。なお、前記排水部材４１ａの断面形状は、図５（ａ）〜（ｃ）に各々示されるような矩（く）形、半円形及び円形のいずれかであることが望ましいが、いかなる形状であってもよい。そして、前記排水部材４１ａの材料は、ポリエチレン、ポリプロピレン等の親水性樹脂であることが望ましいが、電気絶縁性を備えるものであれば、いかなる種類のものであってもよい。なお、前記排水部材４１ａの表面に親水性処理が施すこともできる。
【００４４】
また、前記連結部材４１ｂは、排水部材４１ａと同様の形状を備え、同様の材料から成る部材であることが望ましいが、いかなる形状を備え、いかなる材料から成るものであってもよい。なお、前記連結部材４１ｂは、複数の排水部材４１ａを連結して一体化することによって単一の排水部材組立体４１として取り扱うことができるようにすることを主たる機能とする部材であり、その数、配設される位置、形状等は適宜変更することができ、また、省略することもできる。
【００４５】
そして、前記排水部材４１ａは、単位セル１０Ａの下端に接することによって、単位セル１０Ａの空気極１２とセパレータユニット１０Ｂのセパレータ基板１６との間に形成された酸素室内の下端に形成された排出口からの水の排出を促進する。図６は単位セル１０Ａの積層方向に延在する断面の要部を拡大した図であり、交互に積層された単位セル１０Ａとセパレータユニット１０Ｂとの間に形成された各酸素室内の下端部からの水の排出状況を模式的に示している。なお、図６においては、説明の都合上、燃料室及びセパレータユニット１０Ｂの図示が省略され、隣接する単位セル１０Ａの酸素室内の下端部における水の排出状況が強調されている。図６において、５１は酸素室内の下端部に溜まった水を示し、５２は酸素室内の下端部から排出される水を示している。
【００４６】
まず、図６（ａ）には、排水部材４１ａを配設しない場合の水の排出状況が示されている。単位セル１０Ａの空気極１２とセパレータユニット１０Ｂのセパレータ基板１６との間隔が狭く、酸素室は幅の狭い空間となっている。そのため、５１として示されるように、水の表面張力によって発生する毛細管現象により、酸素室内の下端部に水が保持されてしまう。この場合、自重が表面張力を上回るまで酸素室内の下端部に水が溜まり、その後、落下する。そのため、酸素室内の下端部に多量の水が溜まってしまい、酸素室内の空気の流れが阻害され、酸素極に十分な量の空気が供給されなくなる。また、隣接する単位セル１０Ａの酸素室間において、溜まっている水の量が不均一となり、酸素極への空気の供給が不均一になる。
【００４７】
しかし、図６（ｂ）に示されるように、単位セル１０Ａの積層方向に延在する排水部材４１ａを単位セル１０Ａの下端に接するように配設すると、酸素室内の下端部に溜まった水が棒状の排水部材４１ａを伝って、５２として示されるように、集まって落下する。この場合、５２として示される排水部材４１ａから落下する水によって、５１として示される酸素室内の下端部に溜まった水に対して引く力が作用する。そのため、酸素室内の下端部に溜まった水が速やかに排出されるので、酸素室内の空気がスムーズに流れ、酸素極に十分な量の空気が供給される。
【００４８】
また、水が棒状の排水部材４１ａを伝っていく力は、酸素室内の下端部に溜まった水の水位に比例するので、水が多量に溜まっている酸素室ほど水が早期に排出される。一方、水があまり溜まっていない酸素室からは水がそれ程排出されない。そのため、図６（ｃ）に示されるように、隣接する単位セル１０Ａの酸素室間において、溜まっている水の量が均一となり、酸素極への空気の供給が均一になる。
【００４９】
そして、図７は、単位セル１０Ａの延在する方向の断面の要部を拡大した図であり、ある一つの単位セル１０Ａの酸素室内の下端部からの水の排出状況を模式的に示している。なお、図７においても、５１は酸素室内の下端部に溜まった水を示し、５２は酸素室内の下端部から排出される水を示している。
【００５０】
まず、図７（ａ）には、排水部材４１ａを配設しない場合の水の排出状況が示されている。図６（ａ）に示される場合と同様に、水の表面張力によって発生する毛細管現象により、酸素室内の下端部に水が保持される。この場合、自重が表面張力を上回るまで酸素室内の下端部に水が溜まり、その後、落下する。そのため、酸素室内の下端部に多量の水が溜まってしまい、酸素室内の空気の流れが阻害され、酸素極に十分な量の空気が供給されなくなる。また、同一の単位セル１０Ａの酸素室でも、各部分において溜まっている水の量が不均一となり、酸素極への空気の供給が不均一になる。
【００５１】
しかし、図７（ｂ）に示されるように、単位セル１０Ａの積層方向に延在する排水部材４１ａを単位セル１０Ａの下端に接するように配設すると、酸素室内の下端部に溜まった水が棒状の排水部材４１ａを伝って、５２として示されるように、集まって落下する。この場合、５２として示される排水部材４１ａから落下する水によって、５１として示される酸素室内の下端部に溜まった水に対して引く力が作用する。そのため、酸素室内の下端部に溜まった水が速やかに排出されるので、酸素室内の空気がスムーズに流れ、酸素極に十分な量の空気が供給される。
【００５２】
また、水が棒状の排水部材４１ａを伝っていく力は、酸素室内の下端部に溜まった水の水位に比例するので、酸素室内において水が多量に溜まっている部分ほど水が早期に排出される。一方、水があまり溜まっていない部分からは水がそれ程排出されない。そのため、図７（ｃ）に示されるように、単位セル１０Ａの酸素室の各部分において、溜まっている水の量が均一となり、酸素極への空気の供給が均一になる。
【００５３】
このように、本実施の形態においては、単位セル１０Ａの下端に接し、複数の単位セル１０Ａを横断して該単位セル１０Ａの積層方向に延在する電気絶縁性の排水部材４１ａを複数平行に配設するようになっている。これにより、水を排水部材４１ａに伝わせることによって各単位セル１０Ａにおける酸素室の下端から水を速やかに排出することができる。そのため、各単位セル１０Ａの酸素室内の空気がスムーズに流れ、酸素極に十分な量の空気が供給されるので、燃料電池スタック１１の性能低下を確実に防止することができる。さらに、空気が酸素極と接触して電気化学反応が発生するための面積が減少することを防止することができるので、燃料電池の性能の低下を防止することができ、濃度過電圧を低減することができる。
【００５４】
また、各単位セル１０Ａの酸素室内の下端部における水の溜まり具合を均等化することができ、空気の供給を均一化することできる。そのため、各単位セル１０Ａの端子電圧を均等化することができる。
【００５５】
なお、前記排水部材４１ａにおける単位セル１０Ａの下端と接する面に弾性部材を取り付けることができる。該弾性部材は、例えば、シリコーンゴム、発泡樹脂等の材料から成るものであることが望ましいが、いかなる種類の材料から成るものであってもよい。前記弾性部材を排水部材４１ａに取り付けることによって、排水部材４１ａとセルモジュール１０の下端との密着性が高くなり、単位セル１０Ａの酸素室内の下端部に溜まった水の排水性を高めることができる。
【００５６】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。
【００５７】
図８は本発明の第２の実施の形態における燃料電池スタックの排水部材の構成を示す図である。
【００５８】
本実施の形態において、排水部材組立体４１は、図８に示されるように、単位セル１０Ａの積層方向に対して傾斜する方向に延在して配設された複数の排水部材４１ａと、単位セル１０Ａの積層方向及び該積層方向と直交する方向に延在して各排水部材４１ａの両端に接続された連結部材４１ｂとを備える。なお、図８（ａ）は燃料電池スタック１１の側面を示し、図８（ｂ）は燃料電池スタック１１の下面を示している。
【００５９】
図示される例において、排水部材４１ａは、単位セル１０Ａの積層方向に対して傾斜する一方向に延在して互いに平行な一組の排水部材４１ａと、単位セル１０Ａの積層方向に対して傾斜する他方向に延在して互いに平行な他組の排水部材４１ａとを含み、一組の排水部材４１ａと他組の排水部材４１ａとが互いに交差するようになっている。すなわち、排水部材４１ａは、菱（ひし）形の開口を備える格子状となるように配設されている。また、連結部材４１ｂは、矩形の枠を形成するように相互に接続された二対の連結部材４１ｂから成る。
【００６０】
なお、排水部材４１ａは、単位セル１０Ａの積層方向に対して傾斜する一方向に延在する一組、又は、単位セル１０Ａの積層方向に対して傾斜する他方向に延在する他組のいずれか一方の組だけを含むものであってもよい。
【００６１】
このように、本実施の形態においては、排水部材４１ａが単位セル１０Ａの積層方向に対して傾斜する方向に延在しているので、一本の排水部材４１ａに接する単位セル１０Ａの数が少なくなっている。すなわち、排水部材４１ａが単位セル１０Ａの積層方向に対して傾斜する方向に延在しているので、排水部材４１ａの単位セル１０Ａの積層方向のカバー範囲が狭くなっている。そのため、排水部材４１ａの長手方向両端において接する単位セル１０Ａ間の端子電圧の差が小さくなるので、排水部材４１ａを伝う水を導通する電流量を減少させることができる。すなわち、排水部材４１ａを伝う水を導通することによる単位セル１０Ａ間のリーク電流を減少させることができる。
【００６２】
通常の燃料電池装置と同様に、燃料電池スタック１１において、各単位セル１０Ａは電気的に直列となるように接続されて積層されている。そのため、積層方向に関して離れた位置にある単位セル１０Ａ間の端子電圧の差は、積層方向に関して近い位置にある単位セル１０Ａ間の端子電圧の差よりも大きくなっている。そして、該単位セル１０Ａ間の端子電圧の差が大きいと、単位セル１０Ａ間のリーク電流が大きくなる。しかし、本実施の形態においては、前述のように、排水部材４１ａが単位セル１０Ａの積層方向に対して傾斜する方向に延在しているので、排水部材４１ａを伝う水を導通することによる単位セル１０Ａ間のリーク電流を減少させることができる。
【００６３】
なお、その他の点の構成及び動作については、前記第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
【００６４】
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。なお、第１及び第２の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１及び第２の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。
【００６５】
図９は本発明の第３の実施の形態における燃料電池スタックの排水部材の構成を示す図である。
【００６６】
本実施の形態において、排水部材組立体４１は、図９に示されるように、燃料電池スタック１１の下側に取り付けられた空気排出室３８に組み付けられている。なお、図９（ａ）は燃料電池スタック１１及び空気排出室３８の側断面を示し、図９（ｂ）は空気排出室３８に組み付けられた排水部材組立体４１の上面を示している。
【００６７】
この場合、前記空気排出室３８は、底板部材３８ａと、該底板部材３８ａに直交するように接続されて上方に延出する支持部材３８ｂ及び周壁部材３８ｃとを備え、排水部材組立体４１は、支持部材３８ｂ及び周壁部材３８ｃの上端に組み付けられている。また、排水部材組立体４１の構成は、前記第１の実施の形態とほぼ同様であるが、連結部材４１ｂが省略されている。
【００６８】
このように、本実施の形態においては、排水部材組立体４１が空気排出室３８に組み付けられているので、連結部材４１ｂを省略することができ、排水部材組立体４１の構成を簡素化することができる。また、排水部材組立体４１の取り扱いが容易となり、燃料電池スタック１１への取付作業、取外し作業等を容易に行うことができる。さらに、排水部材４１ａが複数箇所において下方から支持部材３８ｂ及び周壁部材３８ｃによって支持されるので、排水部材４１ａとセルモジュール１０の下端との密着性が高くなり、単位セル１０Ａの酸素室内の下端部に溜まった水の排水性を高めることができる。
【００６９】
なお、その他の点の構成及び動作については、前記第１及び第２の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
【００７０】
また、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの排水部材の構成を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す模式側面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックのセルモジュールの構成を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックのセパレータユニットの構成を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの排水部材の断面を示す図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの排水部材の機能を示す第１の模式図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの排水部材の機能を示す第２の模式図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態における燃料電池スタックの排水部材の構成を示す図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態における燃料電池スタックの排水部材の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００７２】
１１    燃料電池スタック
１２    空気極
１３    燃料極
１９    固体高分子電解質膜
３８    空気排出室
４１ａ    排水部材
【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】
2007317518.tif 000009
【図８】
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【図９】
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