【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜の両側にアノード側電極とカソード側電極とを設けた電解質膜・電極構造体を、セパレータにより挟持する発電セルを備え、前記発電セルが複数積層される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）からなる電解質膜を採用している。この電解質膜の両側に、それぞれカーボンを主体とする基材に貴金属系の電極触媒層を接合したアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより、燃料電池（発電セル）が構成されている。
【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、主に水素を含有するガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜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は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。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有する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、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
通常、所望の発電力を得るために、所定数の燃料電池を積層した燃料電池スタックが使用されている。この燃料電池スタックには、酸化剤ガス、例えば、反応用空気を供給するためのコンプレッサまたはブロアや、反応ガス（反応用空気および燃料ガス）を加湿するための加湿器や、運転温度を最適に維持するための温度調整機器等の周辺補器が組み込まれている。
【０００５】
ところで、上記の燃料電池スタックでは、システム全体の小型化および軽量化が望まれており、周辺補器を削減するとともに、前記周辺補器を作動させるための電力消費を最小化する必要がある。このため、空気流路チャンネルから生成水の除去に十分な空気流を維持しながら、空気供給用の電力消費を最小限にし、ネット出力を最大にすることを目的とした燃料電池スタックが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
この場合、燃料電池スタックの作動温度は約５０℃であり、この燃料電池スタックを適正温度に維持し、かつ定格性能を確保して運転するため、該燃料電池スタックには、冷却セパレータの左半分および右半分を接合して冷却流路を形成した冷却セルが組み込まれている。
【０００７】
【特許文献１】
米国特許第５，８７９，８２６号明細書（第１３欄第１行〜第１４行、図１１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記の燃料電池スタックでは、冷却セルの冷却流路に冷却媒体を流通させるために、該燃料電池による電力を利用して冷却媒体供給用補器を駆動している。このため、この冷却媒体供給用補器の消費電力、あるいは電力損失が大きくなると燃料電池スタックの発電効率が低下するという問題がある。
【０００９】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、発電セルを効率的に冷却して適正な温度に維持するとともに、発電効率を向上させ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。
【００１０】
【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、固体高分子電解質膜の両側にアノード側電極とカソード側電極とを設けた電解質膜・電極構造体を、セパレータにより挟持するとともに、前記アノード側電極に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記カソード側電極に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路とを設ける発電セルを備え、前記発電セルが複数積層されている。
【００１１】
そして、少なくとも一方のセパレータには、燃料ガス流路または酸化剤ガス流路が設けられた面とは反対の面に冷却媒体を流通させる複数の冷却媒体流路が設けられ、この冷却媒体流路は、１．２〜４ｍｍ２の開口断面積を有し、かつ前記冷却媒体流路の溝部の幅に対する深さの比が１．２以上に設定されている。
【００１２】
これにより、冷却媒体流路を流通する冷却媒体の圧力損失を可及的に少なくすることが可能となるため、冷却媒体の供給圧力を有効に低減することができる。その結果、燃料電池スタックに冷却媒体を供給するための冷却媒体供給用補器の消費電力を削減することが可能になり、燃料電池スタックの発電効率を向上させることができる。
【００１３】
その上、セパレータにおける冷却媒体流路を効率的に配置することが可能になるため、燃料電池スタックが効率的に冷却され、その運転温度を適正に維持することができる。しかも、冷却媒体流路に対する積層方向の単位発電セル同士の接触面積を十分に確保することができ、燃料電池の集電用ターミナルプレート間の電圧低下を回避することが可能になる。その結果、燃料電池スタックの発電効率をより向上させることができる。
【００１４】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池スタックでは、隣接する前記冷却媒体流路は、互いに０．５〜１ｍｍだけ離間して配設される。これにより、セパレータに冷却媒体流路を容易に形成することが可能になるとともに、冷却媒体流路を効率的に配置することができる。その結果、燃料電池スタックが効率的に冷却され、その運転温度をより適正に維持することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０を組み込む燃料電池システム１２の概略斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０を収容保持するケーシング１４の概略分解斜視図であり、図３は、前記燃料電池スタック１０および前記ケーシング１４の一部断面説明図である。
【００１６】
燃料電池スタック１０は、図２に示すように、複数の発電セル１６が矢印Ａ方向に積層された積層体１８を備える。積層体１８の積層方向（矢印Ａ方向）一端には、集電用ターミナルプレート２０ａ、絶縁プレート２２ａおよびエンドプレート２４ａが外方に向かって、順次、配設される。積層体１８の積層方向他端には、集電用ターミナルプレート２０ｂ、絶縁プレート２２ｂおよびエンドプレート２４ｂが外方に向かって、順次、配設される。
【００１７】
図４に示すように、各発電セル１６は、電解質膜・電極構造体３０と、前記電解質膜・電極構造体３０を挟持する第１および第２セパレータ３２、３４とを備える。電解質膜・電極構造体３０と第１および第２セパレータ３２、３４との間には、後述する各種連通孔の周囲および電極面の外周を覆って、シール部材３６ａが介装されるとともに、隣接する発電セル１６間には、シール部材３６ｂが介装される。
【００１８】
発電セル１６の矢印Ｂ方向（水平方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向（積層方向）に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、反応用空気を供給するための反応用空気供給連通孔３８と、冷却用空気（冷却媒体）を供給するための冷却用空気供給連通孔４０とが設けられる。冷却用空気供給連通孔４０は、反応用空気供給連通孔３８よりも開口面積が大きく設定される。
【００１９】
発電セル１６の矢印Ｃ方向（鉛直方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔４２が設けられるとともに、前記発電セル１６の矢印Ｃ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔４４が設けられる。燃料ガス供給連通孔４２および燃料ガス排出連通孔４４は、矢印Ｂ方向に長尺な長円状の開口形状に設定される。
【００２０】
電解質膜・電極構造体３０は、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜４６と、この固体高分子電解質膜４６を挟持するアノード側電極４８およびカソード側電極５０とを備える（図４および図５参照）。
【００２１】
アノード側電極４８およびカソード側電極５０は、多孔質のカーボンペーパ、カーボンクロスまたはカーボン不織布等からなるガス拡散層と、白金系触媒がカーボン担体に担持されて固体高分子電解質膜４６の両面に塗布された電極触媒層とを有する。第１および第２セパレータ３２、３４は、導電性材料、例えば、緻密質のカーボン材料や金属で構成される。
【００２２】
図６に示すように、第１セパレータ３２のアノード側電極４８に向かう面３２ａには、燃料ガス供給連通孔４２と燃料ガス排出連通孔４４とを連通する燃料ガス流路５２が形成される。この燃料ガス流路５２は、例えば、矢印Ｃ方向に延在する複数本の溝部により構成される。
【００２３】
図７に示すように、第１セパレータ３２の面３２ａとは反対の面３２ｂには、冷却用空気流路（冷却媒体流路）５４が形成され、この冷却用空気流路５４は、両端が水平方向に延在し、かつ中央部が傾斜する複数本の溝部により構成される。冷却用空気流路５４は、冷却用空気供給連通孔４０に連通する冷却用空気入口５４ａと、第１セパレータ３２の側部から外方に開放される冷却用空気出口５４ｂとを有する。
【００２４】
図３に示すように、第２セパレータ３４のカソード側電極５０に向かう面３４ａには、例えば、矢印Ｂ方向に１往復半だけ折り返す蛇行流路である反応用空気流路５６が設けられる。この反応用空気流路５６は、反応用空気供給連通孔３８に連通する反応用空気入口５６ａと、第２セパレータ３４の側部から、すなわち、発電セル１６の側部から外方に開放される反応用空気出口５６ｂとを有する。反応用空気入口５６ａは、第２セパレータ３４の上部側に設けられる一方、反応用空気出口５６ｂは、前記第２セパレータ３４の下部側に設けられる。
【００２５】
図１および図２に示すように、燃料電池スタック１０の積層方向両端には、バックアッププレート５８ａ、５８ｂが配設される。バックアッププレート５８ａには、反応用空気供給連通孔３８に連通する反応用空気供給口６０と、冷却用空気供給連通孔４０に連通する冷却用空気供給口６２と、燃料ガス供給連通孔４２に連通する燃料ガス供給口６４と、燃料ガス排出連通孔４４に連通する燃料ガス排出口６６とが設けられる。
【００２６】
ケーシング１４は、バックアッププレート５８ａ、５８ｂ間に積層される燃料電池スタック１０の角部に対応して配置され、前記燃料電池スタック１０を外部から締め付ける締結部材６８ａ、６８ｂ、６８ｃおよび６８ｄを備える。各締結部材６８ａ〜６８ｄは、燃料電池スタック１０の積層方向両端側からねじ７０を介してバックアッププレート５８ａ、５８ｂに固定される。締結部材６８ａ〜６８ｄは、絶縁層が表面に形成された軽合金で形成される。
【００２７】
締結部材６８ａ〜６８ｄには、下板７２ａ、上板７２ｂおよび側板７２ｃ、７２ｄがねじ止めにより固定される。下板７２ａ、上板７２ｂおよび側板７２ｃ、７２ｄは、めっき鋼板や樹脂等で構成される。
【００２８】
図２および図３に示すように、側板７２ｃの上部側には、各発電セル１６の冷却用空気流路５４を構成する冷却用空気出口５４ｂに対応して、矢印Ａ方向に延在する冷却用空気排気口７４が形成される。この側板７２ｃの下部側には、各発電セル１６の反応用空気出口５６ｂに対応して、反応用空気排気口７６が矢印Ａ方向に延在して形成されるとともに、この反応用空気排気口７６を囲繞してダクト部７８が設けられる。
【００２９】
図３に示すように、反応用空気出口５６ｂの下方には、液状水を排出するための排水部８０が設けられる。排水部８０は、反応用空気出口５６ｂから落下する液状水を受ける液状水受部８２と、締結部材６８ａに形成されて矢印Ａ方向に延在する液状水流路８４と、前記液状水受部８２と前記液状水流路８４との間に配置され、前記液状水受部から前記液状水流路８４に落下する液状水が発電セル１６の下部に浸入することを阻止する舌片状シール部８６とを有する。
【００３０】
液状水受部８２は、ダクト部７８の下部に設けられており、横方向に飛散する液状水を液状水流路８４に案内する。液状水流路８４は、締結部材６８ａに沿って矢印Ａ方向に長尺状に形成されるとともに、この液状水流路８４の略中央部には、排水口８８が設けられる。シール部８６は、シール部材３６ａの燃料ガス排出連通孔４４を囲繞する下端一方の角部に一体的に設けられ、前記燃料ガス排出連通孔４４の近傍から締結部材６８ａ側に突出している。
【００３１】
図１に示すように、バックアッププレート５８ａには、反応用空気供給口６０に反応用空気を供給するための第１ブロア９０と、冷却用空気供給口６２に冷却用空気を供給するための冷却媒体供給用補器としての第２ブロア９２とが接続されるとともに、燃料ガス供給口６４に燃料ガスを供給するための水素ボンベ９４が減圧弁９６を介して接続される。
【００３２】
ところで、冷却用空気流路５４は、図７に示すように、冷却用空気入口５４ａから冷却用空気出口５４ｂに連通し、冷却用空気入口５４ａ側において水平方向に延在する水平部位５５ａと、冷却用空気出口５４ｂ側において水平方向に延在する水平部位５５ｂと、これらの水平部位５５ａ、５５ｂの間に配置される傾斜部位５５ｃとを有する。冷却用空気流路５４の傾斜部位５５ｃの一部には、１つの冷却用空気流路５４を２つに分流する分岐壁部５７が設けられる。
【００３３】
なお、冷却用空気流路５４の数は、冷却用空気入口５４ａにおける冷却用空気供給連通孔４０との関係によって制約を受けるが、本実施形態では、冷却用空気入口５４ａにおいて、例えば、３４個の冷却用空気流路５４を設けるようにしている。そして、冷却用空気流路５４の傾斜部位５５ｃにおける上方側に６つ、および下方側に４つの分岐壁部５７をそれぞれ設けている（図７参照）。従って、傾斜部位５５ｃから水平部位５５ｂにおいて、４４個の冷却用空気流路５４が設けられることになる。このように冷却用空気流路５４を構成することで、発電セル１６の温度が上昇し易い中央部付近の冷却性能を高めるとともに、冷却用空気が流通する際の圧力損失を低減することができる。
【００３４】
また、本実施形態では、冷却用空気流路５４の開口断面積は、１．２ｍｍ２以上、より好ましくは、１．２〜４ｍｍ２に設定され、かつ冷却用空気流路５４の溝部の幅Ｗに対する深さＤの比（アスペクト比ともいう）が１．２以上、すなわち「Ｄ／Ｗ≧１．２」に設定される（図５参照）。
【００３５】
このように、冷却用空気流路５４の開口断面積およびアスペクト比を前記の範囲に設定すると、第２ブロア９２から供給される冷却用空気の圧力、すなわち供給圧力を高くする必要がなくなり、その結果、第２ブロア９２の小型化が可能になるとともに、第２ブロア９２の消費電力を削減することが可能になり好ましい。これにより、燃料電池スタック１０のネット出力が低下することを回避して、燃料電池スタック１０の発電効率を向上させることができる。
【００３６】
また、冷却用空気流路５４の開口断面積およびアスペクト比を前記の範囲に設定することにより、第１セパレータ３２の面３２ｂにおける冷却用空気流路５４が効率的に配置され、該冷却用空気流路５４の数を十分に確保することが可能になるとともに、冷却用空気流路５４の相互の間隔、すなわち前記壁部５９の数も十分に確保することが可能になる。これにより、積層方向の各発電セル１６同士の接触面積が十分に確保されて、各発電セル１６同士の接触抵抗の増大が回避されるので、集電用ターミナルプレート２０ａ、２０ｂ間の電圧低下を回避することが可能になる。その結果、燃料電池スタック１０の発電効率をより向上させることができる。
【００３７】
さらに、隣接する冷却用空気流路５４は、互いに０．５〜１ｍｍだけ離間して配設される（図５参照）。すなわち、隣接する冷却用空気流路５４の相互間には、寸法ｔを有する壁部５９が設けられる。これにより、第１セパレータ３２に冷却用空気流路５４を形成するための溝部の加工が容易になる一方、該溝部に対して形成される壁部５９の破損等を回避することができる。また、第１セパレータ３２の面３２ｂに配置される冷却用空気流路５４の数を十分に確保することが可能になるので、燃料電池スタック１０を効率的に冷却することができる。
【００３８】
なお、冷却用空気流路５４の開口断面積が４ｍｍ２より大きく、かつアスペクト比が１．２以上の場合には、冷却用空気流路５４の溝部の深さＤがより大きくなり、燃料電池スタック１０が積層方向に大型化するので好ましくない。
【００３９】
このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。
【００４０】
まず、燃料電池スタック１０では、作動温度が比較的低温、例えば、６０℃以下、より好ましくは、３０℃〜５０℃の範囲内に設定されている。また、反応ガスの作動圧力は、水素供給圧力が０．１ｋＰａ〜５０ｋＰａであり、空気供給圧力が０．１ｋＰａ〜５０ｋＰａである。
【００４１】
そこで、図１に示すように、燃料電池システム１２では、水素ボンベ９４から減圧弁９６を介して０．１ｋＰａ〜５０ｋＰａ程度に減圧された燃料ガスが、燃料ガス供給口６４から燃料電池スタック１０に供給される。この燃料電池スタック１０内では、燃料ガスが燃料ガス供給連通孔４２に供給され、この燃料ガス供給連通孔４２から第１セパレータ３２の燃料ガス流路５２に導入される（図５および図６参照）。従って、燃料ガスは、電解質膜・電極構造体３０のアノード側電極４８に沿って鉛直下方向に移動する。
【００４２】
一方、図１に示すように、反応用空気は、第１ブロア９０を介して０．１ｋＰａ〜５０ｋＰａ程度の導入圧力で反応用空気供給口６０から燃料電池スタック１０に供給される。この燃料電池スタック１０内では、反応用空気が反応用空気供給連通孔３８に供給され、この反応用空気供給連通孔３８から第２セパレータ３４の反応用空気流路５６に導入される（図３および図５参照）。このため、反応用空気は、電解質膜・電極構造体３０のカソード側電極５０に沿って蛇行しながら移動する。
【００４３】
従って、各電解質膜・電極構造体３０では、アノード側電極４８に供給される燃料ガスと、カソード側電極５０に供給される反応用空気とが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる（図４および図５参照）。
【００４４】
また、図１に示すように、冷却用空気は、第２ブロア９２を介して冷却用空気供給口６２から燃料電池スタック１０に供給される。燃料電池スタック１０内では、冷却用空気が冷却用空気供給連通孔４０に供給され、この冷却用空気供給連通孔４０から第１セパレータ３２の冷却用空気流路５４に導入されて、電解質膜・電極構造体３０に沿って移動する（図５および図７参照）。
【００４５】
この際、発電セル１６当たりの冷却用空気の流量Ｖａｉｒ［ｎｏｒｍａｌ ｌ／ｍｉｎ．］は、以下の（１）式によって求められる。
【００４６】
Ｖａｉｒ＝｛Ｑ／（Ｃｐ×（Ｔｏｕｔ−Ｔｉｎ）×０．６）｝×（２２．４／２８．８）×１０００ …（１）
Ｑ＝（Ｖ０−Ｖ）×Ｉ×Ｓ×６０
Ｑ：発電セル１６の１分間当たりに発生する発熱量［Ｊ／ｍｉｎ．］
Ｖ０：燃料ガスおよび酸化剤ガスの反応による理論上の起電力［ｖ］
Ｖ：電極面の面積Ｓ［ｃｍ２］のときのセル電圧［ｖ］
Ｉ：発電セル１６当たりの定格電流密度［Ａ／ｃｍ２］
Ｃｐ：冷却用空気の比熱［Ｊ／ｋｇ・Ｋ］
Ｔｏｕｔ：冷却用空気出口５４ｂにおける冷却用空気の出口温度［Ｋ］
Ｔｉｎ：冷却用空気入口５４ａにおける冷却用空気の入口温度［Ｋ］
【００４７】
なお、燃料電池スタック１０から、冷却用空気が発熱量Ｑを除去する際の効率は６０％としている。
【００４８】
そこで、例えば、発電セル１６を積層した定格発電容量が１．４ｋＷの燃料電池スタック１０の場合において、理論上の起電力Ｖ０が１．２ｖ、定格電流密度Ｉが０．２Ａ／ｃｍ２、電極面積Ｓが１５０ｃｍ２のときのセル電圧Ｖが０．７ｖ、空気の比熱Ｃｐが１００７Ｊ／ｋｇ・Ｋ、冷却用空気の出口温度Ｔｏｕｔが３３３Ｋおよび冷却用空気の入口温度Ｔｉｎが２９３Ｋとして、上記の式▲１▼により算出すると、冷却用空気の流量Ｖａｉｒは２９ｎｏｒｍａｌ ｌ／ｍｉｎ．となる。
【００４９】
一方では、燃料電池スタック１０のネット出力をより増大させるために、冷却用空気を供給する第２ブロア９２の消費電力、換言すると、第２ブロア９２における電力損失を、例えば、１００Ｗ以下に抑制する必要がある。すなわち、第２ブロア９２に一般的なブロアを用いる場合には、冷却用空気の供給圧力が０．７ｋＰａ以下のものに限定する必要がある。
【００５０】
そこで、前記壁部５９の寸法ｔを０．９ｍｍに一定として、上記の冷却用空気流路５４の開口断面積およびアスペクト比を変化させて、発電セル１６当たりの冷却用空気の流量Ｖａｉｒと、第２ブロア９２の供給圧力との関係について実験を行った。
【００５１】
その結果、図８に示すように、上記の流量Ｖａｉｒを２９ｎｏｒｍａｌ ｌ／ｍｉｎ．以上確保するとともに、第２ブロア９２の供給圧力が０．７ｋＰａ以下となる範囲（図６中、網掛部分参照）を満たす条件は、冷却用空気流路５４の開口断面積が１．２ｍｍ２以上、かつアスペクト比が１．２以上であることが把握できる。
【００５２】
このように、冷却用空気流路５４を構成するとともに、該冷却用空気流路５４の開口断面積およびアスペクト比、さらには、壁部５９の寸法ｔの条件を上記のように設定することによって、燃料電池スタック１０の発電セル１６が効率的に冷却され、適正な温度、例えば、発電セル１６の運転温度を６０℃以下、さらには３０℃〜５０℃に維持することができる。
【００５３】
これにより、各発電セル１６が比較的低温で運転され、反応用空気および燃料ガスを無加湿、あるいは低加湿で使用しても、固体高分子電解質膜４６が乾燥し難くなり、加湿器等の周辺補器が不要になるという効果がある。
【００５４】
なお、冷却用空気流路５４に沿って移動した冷却用空気は、この冷却用空気流路５４の冷却用空気出口５４ｂから、直接、外部に排出される。従って、冷却用空気排出マニホールドを設ける必要がなく、第２ブロア９２の消費電力がより削減されるとともに、燃料電池スタック１０全体の小型化が可能になる。
【００５５】
次いで、アノード側電極４８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔４４に排出されて矢印Ａ方向に流動し、バックアッププレート５８ａの燃料ガス排出口６６から外部に排出される。一方、カソード側電極５０に供給されて消費された反応用空気は、反応用空気流路５６の反応用空気出口５６ｂからダクト部７８を介して外部に排出される。
【００５６】
この場合、燃料電池スタック１０の運転温度は、６０℃以下（より好ましくは３０℃〜５０℃）と低温であり、発電反応により生成される生成水は、液状水として存在する割合が大きい。この液状水は、低圧の未反応の反応用空気とともに、反応用空気流路５６の反応用空気出口５６ｂから放出される。
【００５７】
このため、未反応の反応用空気は、液状水から分離され、水蒸気状の生成水とともに側板７２ｃのダクト部７８を介して、直接、外部に排出される。一方、液状水は、重力によって反応用空気出口５６ｂから下方に、すなわち、排水部８０に落下する。なお、液状水の一部がダクト部７８側に飛散しても、このダクト部７８の下部に設けられている液状水受部８２を介して、前記液状水が捕捉され、該液状水を排水部８０側に確実に落下させることができる。
【００５８】
上記のように、排水部８０に落下した液状水は、シール部材３６ａに一体的に設けられているシール部８６で一旦受けられた後、下方に落下する。従って、この落下した液状水は、発電セル１６の下部側に浸入することがなく、例えば、燃料ガス流路５２や反応用空気流路５６が液状水の浸入により閉塞されることがない。従って、液状水は、シール部８６の下方に設けられている液状水流路８４に円滑に落下し、この液状水流路８４の略中央部に設けられている排水口８８から燃料電池スタック１０の外部に確実に排出される。
【００５９】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックでは、冷却媒体流路を流通する冷却媒体の圧力損失を可及的に少なくすることが可能となるため、冷却媒体の供給圧力を有効に低減することができる。その結果、燃料電池スタックに冷却媒体を供給するための冷却媒体供給用補器の消費電力を削減することが可能になり、燃料電池スタックの発電効率を向上させることができる。
【００６０】
また、セパレータにおける冷却媒体流路を効率的に配置することが可能になるため、燃料電池スタックが効率的に冷却され、その運転温度を適正に維持することができる。しかも、冷却媒体流路に対する積層方向の単位発電セル同士の接触面積を十分に確保することができ、燃料電池の集電用ターミナルプレート間の電圧低下を回避することが可能になる。その結果、燃料電池スタックの発電効率をより向上させることができる。
【００６１】
さらに、セパレータにおける冷却媒体流路を容易に形成することが可能になるとともに、冷却媒体流路を効率的に配置することができる。その結果、燃料電池スタックが効率的に冷却され、その運転温度をより適正に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池スタックを組み込む燃料電池システムの概略斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池スタックを収容保持するケーシングの概略分解斜視図である。
【図３】前記燃料電池スタックおよび前記ケーシングの一部断面説明図である。
【図４】前記燃料電池スタックの概略一部分解斜視図である。
【図５】前記燃料電池スタックの一部断面図である。
【図６】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図である。
【図７】前記燃料電池スタックを構成する第１セパレータの他方の面の正面図である。
【図８】前記燃料電池スタックにおける発電セル当たりの冷却用空気の流量と、第２ブロアの供給圧力との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０…燃料電池スタック １２…燃料電池システム
１４…ケーシング １６…発電セル
１８…積層体 ３０…電解質膜・電極構造体
３２、３４…セパレータ ３６ａ、３６ｂ…シール部材
３８…反応用空気供給連通孔 ４０…冷却用空気供給連通孔
４２…燃料ガス供給連通孔 ４４…燃料ガス排出連通孔
４６…固体高分子電解質膜 ４８…アノード側電極
５０…カソード側電極 ５２…燃料ガス流路
５４…冷却用空気流路 ５４ａ…冷却用空気入口
５４ｂ…冷却用空気出口 ５５ａ、５５ｂ…水平部位
５５ｃ…傾斜部位 ５６…反応用空気流路
５６ａ…反応用空気入口 ５６ｂ…反応用空気出口
５７…分岐壁部 ５９…壁部
６０…反応用空気供給口 ６２…冷却用空気供給口
６４…燃料ガス供給口 ６６…燃料ガス排出口
７４…冷却用空気排気口 ７６…反応用空気排気口
９０、９２…ブロア ９４…水素ボンベ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention provides a fuel cell including a power generation cell in which an electrolyte membrane / electrode structure having an anode electrode and a cathode electrode provided on both sides of a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched by separators, and a plurality of the power generation cells are stacked. Regarding the stack.
[0002]
[Prior art]
For example, a polymer electrolyte fuel cell employs an electrolyte membrane composed of a polymer ion exchange membrane (cation exchange membrane). On both sides of the electrolyte membrane, an electrolyte membrane / electrode structure in which an anode electrode and a cathode electrode each having a noble metal-based electrode catalyst layer bonded to a base material mainly composed of carbon are sandwiched by separators. And a fuel cell (power generation cell).
[0003]
In this type of fuel cell, the fuel gas supplied to the anode electrode, for example, a gas mainly containing hydrogen, is hydrogenated on the electrode catalyst and moves toward the cathode electrode via the electrolyte membrane. . The electrons generated during that time are taken out to an external circuit and used as DC electric energy. Since an oxidant gas, for example, a gas or air containing mainly oxygen is supplied to the cathode side electrode, hydrogen ions, electrons and oxygen react at the cathode side electrode to generate water. Is done.
[0004]
Usually, a fuel cell stack in which a predetermined number of fuel cells are stacked is used to obtain a desired power generation. The fuel cell stack has a compressor or blower for supplying an oxidizing gas, for example, reaction air, a humidifier for humidifying the reaction gas (reaction air and fuel gas), and an optimal operating temperature. Peripheral auxiliaries such as temperature control equipment for maintaining are incorporated.
[0005]
By the way, in the above-mentioned fuel cell stack, it is desired to reduce the size and weight of the entire system, and it is necessary to reduce the number of peripheral accessories and minimize the power consumption for operating the peripheral accessories. Thus, a fuel cell stack is disclosed that aims to minimize power consumption for air supply and maximize net output while maintaining sufficient air flow for removal of product water from the air flow channel. (For example, see Patent Document 1).
[0006]
In this case, the operating temperature of the fuel cell stack is about 50 ° C. In order to maintain the fuel cell stack at an appropriate temperature and to operate while maintaining the rated performance, the fuel cell stack includes the left half of the cooling separator. And a cooling cell in which the right half is joined to form a cooling channel.
[0007]
[Patent Document 1]
U.S. Pat. No. 5,879,826 (column 13, line 1 to line 14, FIG. 11)
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
In the above-described fuel cell stack, in order to circulate the cooling medium through the cooling channel of the cooling cell, the cooling medium supply auxiliary device is driven by using the electric power of the fuel cell. For this reason, there is a problem that when the power consumption or the power loss of the cooling medium supply auxiliary increases, the power generation efficiency of the fuel cell stack decreases.
[0009]
The present invention solves this kind of problem, and aims to provide a fuel cell stack that can efficiently cool a power generation cell to maintain an appropriate temperature and improve power generation efficiency. I do.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In the fuel cell stack according to claim 1 of the present invention, an electrolyte membrane / electrode structure in which an anode electrode and a cathode electrode are provided on both sides of a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched by a separator, and the anode electrode is And a power generation cell provided with a fuel gas flow path for supplying a fuel gas along the cathode side and an oxidizing gas flow path for supplying an oxidizing gas along the cathode-side electrode. The power generation cells are stacked in plurality.
[0011]
And at least one of the separators is provided with a plurality of cooling medium passages for circulating a cooling medium on a surface opposite to the surface on which the fuel gas passage or the oxidizing gas passage is provided. Has an opening cross-sectional area of 1.2 to 4 mm 2 , and the ratio of the depth to the width of the groove of the cooling medium channel is set to 1.2 or more.
[0012]
This makes it possible to minimize the pressure loss of the cooling medium flowing through the cooling medium flow path, so that the supply pressure of the cooling medium can be effectively reduced. As a result, it is possible to reduce the power consumption of the cooling medium supply auxiliary device for supplying the cooling medium to the fuel cell stack, and it is possible to improve the power generation efficiency of the fuel cell stack.
[0013]
In addition, since the cooling medium flow path in the separator can be efficiently arranged, the fuel cell stack can be efficiently cooled and its operating temperature can be appropriately maintained. In addition, a sufficient contact area between the unit power generation cells in the stacking direction with respect to the cooling medium flow path can be ensured, and a voltage drop between the current collecting terminal plates of the fuel cell can be avoided. As a result, the power generation efficiency of the fuel cell stack can be further improved.
[0014]
Further, in the fuel cell stack according to the second aspect of the present invention, the adjacent cooling medium passages are disposed apart from each other by 0.5 to 1 mm. This makes it possible to easily form the cooling medium flow path in the separator, and efficiently arrange the cooling medium flow path. As a result, the fuel cell stack is efficiently cooled, and the operating temperature thereof can be more appropriately maintained.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic perspective view of a fuel cell system 12 incorporating a fuel cell stack 10 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a schematic exploded perspective view of a casing 14 that houses and holds the fuel cell stack 10. FIG. 3 is a partial cross-sectional view of the fuel cell stack 10 and the casing 14.
[0016]
As shown in FIG. 2, the fuel cell stack 10 includes a stacked body 18 in which a plurality of power generation cells 16 are stacked in the direction of arrow A. At one end of the stack 18 in the stacking direction (the direction of arrow A), a terminal plate 20a for current collection, an insulating plate 22a, and an end plate 24a are sequentially disposed outward. At the other end of the stack 18 in the stacking direction, a current collecting terminal plate 20b, an insulating plate 22b, and an end plate 24b are sequentially arranged outward.
[0017]
As shown in FIG. 4, each power generation cell 16 includes an electrolyte membrane / electrode structure 30, and first and second separators 32 and 34 sandwiching the electrolyte membrane / electrode structure 30. A seal member 36a is interposed between the electrolyte membrane / electrode structure 30 and the first and second separators 32 and 34 to cover the periphery of various communication holes described later and the outer periphery of the electrode surface. A seal member 36b is interposed between the generated power generation cells 16.
[0018]
One end edge of the power generation cell 16 in the direction of arrow B (horizontal direction) communicates with each other in the direction of arrow A (stacking direction) to supply oxidant gas, for example, reaction air supply for supplying reaction air. A hole 38 and a cooling air supply communication hole 40 for supplying cooling air (cooling medium) are provided. The opening area of the cooling air supply communication hole 40 is set larger than that of the reaction air supply communication hole 38.
[0019]
At one end of the power generation cell 16 in the direction of arrow C (vertical direction), a fuel gas supply communication hole 42 for supplying fuel gas is provided in communication with the direction of arrow A. A fuel gas discharge communication hole 44 for discharging the fuel gas is provided at the other end of the C direction in the direction of the arrow A to discharge the fuel gas. The fuel gas supply communication hole 42 and the fuel gas discharge communication hole 44 are set to have an oval opening shape that is elongated in the direction of arrow B.
[0020]
The electrolyte membrane / electrode structure 30 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 46 in which a thin film of perfluorocarbon sulfonic acid resin is impregnated with water, an anode electrode 48 and a cathode electrode sandwiching the solid polymer electrolyte membrane 46. 50 (see FIGS. 4 and 5).
[0021]
The anode-side electrode 48 and the cathode-side electrode 50 are formed on both surfaces of a gas diffusion layer made of porous carbon paper, carbon cloth or carbon nonwoven fabric, and a solid polymer electrolyte membrane 46 with a platinum-based catalyst supported on a carbon carrier. Electrode catalyst layer. The first and second separators 32 and 34 are made of a conductive material, for example, a dense carbon material or metal.
[0022]
As shown in FIG. 6, a fuel gas flow path 52 that connects the fuel gas supply communication hole 42 and the fuel gas discharge communication hole 44 is formed on the surface 32 a of the first separator 32 facing the anode electrode 48. The fuel gas flow path 52 is constituted by, for example, a plurality of grooves extending in the direction of arrow C.
[0023]
As shown in FIG. 7, a cooling air flow path (cooling medium flow path) 54 is formed on a surface 32b opposite to the surface 32a of the first separator 32. The cooling air flow path 54 has both ends. It is composed of a plurality of grooves extending in the horizontal direction and having a central portion inclined. The cooling air passage 54 has a cooling air inlet 54 a communicating with the cooling air supply communication hole 40, and a cooling air outlet 54 b opened outward from a side of the first separator 32.
[0024]
As shown in FIG. 3, a surface 34 a of the second separator 34 facing the cathode electrode 50 is provided with, for example, a reaction air flow path 56 that is a meandering flow path that is folded back and forth by one reciprocation in the direction of arrow B. The reaction air flow path 56 is opened outward from the reaction air inlet 56 a communicating with the reaction air supply communication hole 38 and the side of the second separator 34, that is, from the side of the power generation cell 16. And a reaction air outlet 56b. The reaction air inlet 56a is provided on the upper side of the second separator 34, while the reaction air outlet 56b is provided on the lower side of the second separator 34.
[0025]
As shown in FIGS. 1 and 2, backup plates 58 a and 58 b are disposed at both ends in the stacking direction of the fuel cell stack 10. The backup plate 58a communicates with the reaction air supply port 60 communicating with the reaction air supply communication hole 38, the cooling air supply port 62 communicating with the cooling air supply communication hole 40, and the fuel gas supply communication hole 42. A fuel gas supply port 64 and a fuel gas discharge port 66 communicating with the fuel gas discharge communication hole 44 are provided.
[0026]
The casing 14 is disposed corresponding to a corner of the fuel cell stack 10 stacked between the backup plates 58a and 58b, and includes fastening members 68a, 68b, 68c and 68d for fastening the fuel cell stack 10 from outside. The fastening members 68 a to 68 d are fixed to the backup plates 58 a and 58 b via screws 70 from both ends in the stacking direction of the fuel cell stack 10. The fastening members 68a to 68d are formed of a light alloy having an insulating layer formed on the surface.
[0027]
The lower plate 72a, the upper plate 72b, and the side plates 72c and 72d are fixed to the fastening members 68a to 68d by screws. The lower plate 72a, the upper plate 72b, and the side plates 72c, 72d are made of a plated steel plate, a resin, or the like.
[0028]
As shown in FIGS. 2 and 3, the cooling air extending in the direction of the arrow A corresponds to the cooling air outlet 54 b constituting the cooling air passage 54 of each power generation cell 16 on the upper side of the side plate 72 c. A service air exhaust port 74 is formed. On the lower side of the side plate 72c, a reaction air exhaust port 76 is formed extending in the direction of arrow A corresponding to the reaction air outlet 56b of each power generation cell 16, and the reaction air exhaust port 76 is formed. A duct portion 78 is provided so as to surround 76.
[0029]
As shown in FIG. 3, a drain portion 80 for discharging liquid water is provided below the reaction air outlet 56b. The drainage section 80 includes a liquid water receiving section 82 that receives liquid water falling from the reaction air outlet 56b, a liquid water flow path 84 formed in the fastening member 68a and extending in the direction of arrow A, and the liquid water receiving section 82. And a tongue-shaped seal portion 86 that is disposed between the liquid water flow passage 84 and prevents the liquid water falling from the liquid water receiving portion into the liquid water flow passage 84 from entering the lower portion of the power generation cell 16. Have.
[0030]
The liquid water receiving portion 82 is provided below the duct portion 78 and guides the liquid water scattered in the lateral direction to the liquid water flow path 84. The liquid water flow path 84 is formed to be elongated in the direction of arrow A along the fastening member 68a, and a drain port 88 is provided at a substantially central portion of the liquid water flow path 84. The seal portion 86 is integrally provided at one corner of the lower end of the seal member 36a surrounding the fuel gas discharge communication hole 44, and protrudes from the vicinity of the fuel gas discharge communication hole 44 toward the fastening member 68a.
[0031]
As shown in FIG. 1, the backup plate 58a has a first blower 90 for supplying reaction air to the reaction air supply port 60, and a cooling blower for supplying cooling air to the cooling air supply port 62. A second blower 92 as a medium supply auxiliary device is connected, and a hydrogen cylinder 94 for supplying fuel gas to the fuel gas supply port 64 is connected via a pressure reducing valve 96.
[0032]
Incidentally, as shown in FIG. 7, the cooling air passage 54 communicates with the cooling air outlet 54b from the cooling air inlet 54a, and extends horizontally on the cooling air inlet 54a side. It has a horizontal portion 55b extending in the horizontal direction on the cooling air outlet 54b side, and an inclined portion 55c disposed between these horizontal portions 55a and 55b. At a part of the inclined portion 55c of the cooling air passage 54, a branch wall portion 57 that divides one cooling air passage 54 into two is provided.
[0033]
Although the number of cooling air passages 54 is limited by the relationship with the cooling air supply passage 40 at the cooling air inlet 54a, in the present embodiment, for example, 34 cooling air inlets 54a are provided at the cooling air inlet 54a. Is provided. Further, six branch walls 57 are provided above the inclined portion 55c of the cooling air flow passage 54 and four branch walls 57 are provided below the inclined portion 55c (see FIG. 7). Therefore, 44 cooling air passages 54 are provided from the inclined portion 55c to the horizontal portion 55b. By configuring the cooling air passage 54 in this way, it is possible to enhance the cooling performance near the center where the temperature of the power generation cell 16 is likely to rise, and to reduce the pressure loss when the cooling air flows. .
[0034]
Further, in the present embodiment, the opening cross-sectional area of the cooling air channel 54, 1.2 mm 2 or more, more preferably, is set to 1.2～4Mm 2, and the width of the groove of the cooling air channel 54 The ratio of the depth D to W (also called the aspect ratio) is set to 1.2 or more, that is, “D / W ≧ 1.2” (see FIG. 5).
[0035]
As described above, when the opening cross-sectional area and the aspect ratio of the cooling air passage 54 are set in the above ranges, it is not necessary to increase the pressure of the cooling air supplied from the second blower 92, that is, the supply pressure. As a result, the size of the second blower 92 can be reduced, and the power consumption of the second blower 92 can be reduced, which is preferable. Thus, it is possible to avoid a decrease in the net output of the fuel cell stack 10 and improve the power generation efficiency of the fuel cell stack 10.
[0036]
Further, by setting the opening cross-sectional area and the aspect ratio of the cooling air flow passage 54 to the above ranges, the cooling air flow passage 54 on the surface 32b of the first separator 32 is efficiently arranged, and the cooling air flow passage 54 is formed. A sufficient number of the flow paths 54 can be ensured, and a sufficient interval between the cooling air flow paths 54, that is, the number of the wall portions 59 can be sufficiently ensured. Thereby, the contact area between the power generation cells 16 in the stacking direction is sufficiently ensured, and an increase in the contact resistance between the power generation cells 16 is avoided, so that a voltage drop between the current collecting terminal plates 20a and 20b is prevented. It becomes possible to avoid. As a result, the power generation efficiency of the fuel cell stack 10 can be further improved.
[0037]
Further, the adjacent cooling air passages 54 are disposed apart from each other by 0.5 to 1 mm (see FIG. 5). That is, the wall portion 59 having the dimension t is provided between the adjacent cooling air passages 54. This facilitates processing of the groove for forming the cooling air flow passage 54 in the first separator 32, while avoiding damage to the wall 59 formed with respect to the groove. Further, the number of cooling air passages 54 arranged on the surface 32b of the first separator 32 can be sufficiently ensured, so that the fuel cell stack 10 can be efficiently cooled.
[0038]
When the opening cross-sectional area of the cooling air passage 54 is larger than 4 mm 2 and the aspect ratio is 1.2 or more, the depth D of the groove of the cooling air passage 54 becomes larger, and the fuel cell It is not preferable because the size of the stack 10 increases in the stacking direction.
[0039]
The operation of the fuel cell stack 10 configured as described above will be described below.
[0040]
First, the operating temperature of the fuel cell stack 10 is set at a relatively low temperature, for example, 60 ° C. or lower, and more preferably in the range of 30 ° C. to 50 ° C. The operating pressure of the reaction gas is such that the hydrogen supply pressure is 0.1 kPa to 50 kPa and the air supply pressure is 0.1 kPa to 50 kPa.
[0041]
Therefore, as shown in FIG. 1, in the fuel cell system 12, the fuel gas reduced in pressure from the hydrogen cylinder 94 to about 0.1 kPa to 50 kPa through the pressure reducing valve 96 is supplied from the fuel gas supply port 64 to the fuel cell stack 10. Supplied. In the fuel cell stack 10, the fuel gas is supplied to the fuel gas supply passage 42, and is introduced from the fuel gas supply passage 42 into the fuel gas passage 52 of the first separator 32 (see FIGS. 5 and 6). ). Therefore, the fuel gas moves vertically downward along the anode 48 of the electrolyte membrane / electrode structure 30.
[0042]
On the other hand, as shown in FIG. 1, the reaction air is supplied to the fuel cell stack 10 from the reaction air supply port 60 through the first blower 90 at an introduction pressure of about 0.1 kPa to 50 kPa. In the fuel cell stack 10, reaction air is supplied to the reaction air supply communication hole 38, and is introduced from the reaction air supply communication hole 38 to the reaction air flow path 56 of the second separator 34 (FIG. 3). And FIG. 5). For this reason, the reaction air moves meandering along the cathode electrode 50 of the electrolyte membrane / electrode structure 30.
[0043]
Therefore, in each of the electrolyte membrane / electrode structures 30, the fuel gas supplied to the anode 48 and the reaction air supplied to the cathode 50 are consumed by the electrochemical reaction in the electrode catalyst layer, Power generation is performed (see FIGS. 4 and 5).
[0044]
Further, as shown in FIG. 1, the cooling air is supplied to the fuel cell stack 10 from the cooling air supply port 62 via the second blower 92. In the fuel cell stack 10, cooling air is supplied to the cooling air supply communication hole 40, and is introduced from the cooling air supply communication hole 40 to the cooling air flow path 54 of the first separator 32, and the electrolyte film It moves along the electrode structure 30 (see FIGS. 5 and 7).
[0045]
At this time, the flow rate Vair [normal l / min. ] Is obtained by the following equation (1).
[0046]
Vair = {Q / (Cp × (Tout−Tin) × 0.6)} × (22.4 / 28.8) × 1000 (1)
Q = (V0−V) × I × S × 60
Q: The amount of heat generated per minute of the power generation cell 16 [J / min. ]
V0: theoretical electromotive force [v] due to reaction between fuel gas and oxidant gas
V: cell voltage [v] when the electrode surface area S [cm 2 ]
I: Rated current density [A / cm 2 ] per power generation cell 16
Cp: Specific heat of cooling air [J / kg · K]
Tout: outlet temperature of cooling air at the cooling air outlet 54b [K]
Tin: Inlet temperature of cooling air at cooling air inlet 54a [K]
[0047]
The efficiency at which the cooling air removes the calorific value Q from the fuel cell stack 10 is set to 60%.
[0048]
Therefore, for example, in the case of the fuel cell stack 10 having the rated power generation capacity of 1.4 kW in which the power generation cells 16 are stacked, the theoretical electromotive force V0 is 1.2 V, the rated current density I is 0.2 A / cm 2 , and the electrode is Assuming that the cell voltage V is 0.7 V when the area S is 150 cm 2 , the specific heat Cp of the air is 1007 J / kg · K, the outlet temperature Tout of the cooling air is 333 K, and the inlet temperature Tin of the cooling air is 293 K, Calculated by equation (1), the flow rate Vair of the cooling air is 29 normal l / min. It becomes.
[0049]
On the other hand, in order to further increase the net output of the fuel cell stack 10, the power consumption of the second blower 92 that supplies the cooling air, in other words, the power loss in the second blower 92 is suppressed to, for example, 100 W or less. There is a need. That is, when a general blower is used for the second blower 92, it is necessary to limit the supply pressure of the cooling air to 0.7 kPa or less.
[0050]
Therefore, while keeping the dimension t of the wall portion 59 constant at 0.9 mm, the opening cross-sectional area and the aspect ratio of the cooling air flow passage 54 are changed, and the flow rate Vair of the cooling air per power generation cell 16 and An experiment was conducted on the relationship with the supply pressure of the second blower 92.
[0051]
As a result, as shown in FIG. 8, the flow rate Vair was set to 29 normal l / min. The condition for satisfying the above condition and satisfying the range in which the supply pressure of the second blower 92 is 0.7 kPa or less (see the shaded portion in FIG. 6) is that the opening cross-sectional area of the cooling air passage 54 is 1.2 mm 2 or more. And that the aspect ratio is 1.2 or more.
[0052]
As described above, the cooling air passage 54 is configured, and the conditions of the opening cross-sectional area and the aspect ratio of the cooling air passage 54 and the dimension t of the wall portion 59 are set as described above. The power generation cells 16 of the fuel cell stack 10 are efficiently cooled, and an appropriate temperature, for example, the operating temperature of the power generation cells 16 can be maintained at 60 ° C. or lower, and further, 30 ° C. to 50 ° C.
[0053]
Thereby, even if each power generation cell 16 is operated at a relatively low temperature, and the reaction air and fuel gas are used without humidification or with low humidification, the solid polymer electrolyte membrane 46 is hardly dried, and the There is an effect that peripheral auxiliary devices become unnecessary.
[0054]
The cooling air that has moved along the cooling air passage 54 is directly discharged to the outside from the cooling air outlet 54b of the cooling air passage 54. Therefore, there is no need to provide a cooling air discharge manifold, and the power consumption of the second blower 92 is further reduced, and the overall size of the fuel cell stack 10 can be reduced.
[0055]
Next, the fuel gas supplied to and consumed by the anode 48 is discharged to the fuel gas discharge passage 44, flows in the direction of arrow A, and is discharged to the outside from the fuel gas discharge port 66 of the backup plate 58a. On the other hand, the reaction air supplied to and consumed by the cathode electrode 50 is discharged to the outside from the reaction air outlet 56b of the reaction air passage 56 through the duct portion 78.
[0056]
In this case, the operating temperature of the fuel cell stack 10 is as low as 60 ° C. or less (more preferably, 30 ° C. to 50 ° C.), and a large proportion of the water generated by the power generation reaction exists as liquid water. The liquid water is discharged from the reaction air outlet 56b of the reaction air passage 56 together with the low-pressure unreacted reaction air.
[0057]
For this reason, the unreacted reaction air is separated from the liquid water, and is directly discharged to the outside through the duct portion 78 of the side plate 72c together with the steam-like generated water. On the other hand, the liquid water falls downward from the reaction air outlet 56 b by gravity, that is, falls into the drainage section 80. Even if a part of the liquid water scatters toward the duct portion 78, the liquid water is captured through the liquid water receiving portion 82 provided below the duct portion 78, and the liquid water is drained. It can be surely dropped to the part 80 side.
[0058]
As described above, the liquid water that has fallen into the drain 80 is once received by the seal 86 provided integrally with the seal member 36a, and then falls downward. Therefore, the dropped liquid water does not enter the lower side of the power generation cell 16 and, for example, the fuel gas flow path 52 and the reaction air flow path 56 are not blocked by the liquid water. Therefore, the liquid water falls smoothly into the liquid water flow path 84 provided below the seal portion 86, and flows out of the fuel cell stack 10 through a drain port 88 provided at a substantially central portion of the liquid water flow path 84. Is reliably discharged.
[0059]
【The invention's effect】
In the fuel cell stack according to the present invention, since the pressure loss of the cooling medium flowing through the cooling medium flow path can be reduced as much as possible, the supply pressure of the cooling medium can be effectively reduced. As a result, it is possible to reduce the power consumption of the cooling medium supply auxiliary device for supplying the cooling medium to the fuel cell stack, and it is possible to improve the power generation efficiency of the fuel cell stack.
[0060]
Further, since the cooling medium flow path in the separator can be efficiently arranged, the fuel cell stack can be efficiently cooled, and the operating temperature thereof can be appropriately maintained. In addition, a sufficient contact area between the unit power generation cells in the stacking direction with respect to the cooling medium flow path can be ensured, and a voltage drop between the current collecting terminal plates of the fuel cell can be avoided. As a result, the power generation efficiency of the fuel cell stack can be further improved.
[0061]
Further, the cooling medium passage in the separator can be easily formed, and the cooling medium passage can be efficiently arranged. As a result, the fuel cell stack is efficiently cooled, and the operating temperature thereof can be more appropriately maintained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic perspective explanatory view of a fuel cell system incorporating a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic exploded perspective view of a casing that houses and holds the fuel cell stack.
FIG. 3 is a partially sectional explanatory view of the fuel cell stack and the casing.
FIG. 4 is a schematic partially exploded perspective view of the fuel cell stack.
FIG. 5 is a partial sectional view of the fuel cell stack.
FIG. 6 is a front view of one surface of a first separator constituting the fuel cell stack.
FIG. 7 is a front view of the other surface of the first separator constituting the fuel cell stack.
FIG. 8 is a graph showing a relationship between a flow rate of cooling air per power generation cell in the fuel cell stack and a supply pressure of a second blower.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell stack 12 ... Fuel cell system 14 ... Casing 16 ... Power generation cell 18 ... Laminated body 30 ... Electrolyte membrane / electrode structure 32, 34 ... Separator 36a, 36b ... Seal member 38 ... Reaction air supply communication hole 40 ... Cooling air supply communication hole 42 ... Fuel gas supply communication hole 44 ... Fuel gas discharge communication hole 46 ... Solid polymer electrolyte membrane 48 ... Anode side electrode 50 ... Cathode side electrode 52 ... Fuel gas passage 54 ... Cooling air passage 54a cooling air inlet 54b cooling air outlet 55a, 55b horizontal part 55c inclined part 56 reaction air channel 56a reaction air inlet 56b reaction air outlet 57 branch wall 59 wall Reference numeral 60: Reaction air supply port 62: Cooling air supply port 64: Fuel gas supply port 66: Fuel gas discharge port 74: Cooling air exhaust port 76: Reaction air Exhaust ports 90, 92: blower 94: hydrogen cylinder
