JP3963716B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体がセパレータを介装して複数積層されたサブスタックを有し、複数個の前記サブスタックが複数列に配列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（ＰＥＦＣ）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（電解質）を採用している。この電解質膜の両側に、それぞれ触媒電極と多孔質カーボンからなる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る電解質膜（電解質）・電極構造体を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持することにより構成される単位セルを備えている。通常、この単位セルが所定数だけ積層されることにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この種の燃料電池スタックにおいて、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（以下、水素含有ガスともいう）は、触媒電極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。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（以下、酸素含有ガスともいう）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】
ところで、上記の燃料電池スタックでは、電解質膜が乾燥すると、高出力密度運転を維持することができなくなるため、前記電解質膜を適切に加湿する必要がある。そこで、例えば、米国特許第５，３８２，４７８号公報に開示されている燃料電池スタックが知られている。
【０００５】
上記の燃料電池スタックは、図１０に示すように、発電部２の上流側に加湿部４が配置されており、前記発電部２と加湿部４とは、単位セルの積層方向（矢印Ｘ方向）に一体的に組み付けられている。加湿部４側には、反応ガス供給口６ａと反応ガス排出口６ｂとが設けられるとともに、燃料電池スタック内には、前記反応ガス供給口６ａから前記加湿部４を通って発電部２に至り、さらに前記加湿部４から前記反応ガス排出口６ｂに連通する反応ガス流路８が設けられている。
【０００６】
そこで、反応ガス供給口６ａに反応ガス（酸化剤ガスまたは燃料ガス）が供給されると、この反応ガスは、加湿部４内を流れることによって水蒸気により加湿された後、発電部２に送られる。さらに、反応ガスは、発電部２で消費された後に加湿部４を通って反応ガス排出口６ｂから排出される。その際、加湿部４では、図示していないが、発電部２の冷却を行った冷却媒体が供給されており、この冷却媒体が水蒸気供給源として反応ガスの加湿に利用されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術では、発電部２の冷却を行った冷却媒体が反応ガスの加湿に利用されるため、この冷却媒体を補充する必要がある。しかも、冷却媒体を使用することから、反応ガスを加湿する前に前記冷却媒体をイオン交換器に通す必要がある。これにより、設備が複雑化および大型化するとともに、コストが高騰す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、使用済み反応ガス中に含まれる生成水を、未使用反応ガスの加湿水として利用することができ、簡単な構成で、反応ガス連通路内での結露を阻止して発電性能を有効に維持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、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体がセパレータを介装して複数積層されたサブスタックを有し、複数個の前記サブスタックが積層方向と直交する方向に複数列に配列されている。
【００１０】
さらに、サブスタックに供給される酸化剤ガスまたは燃料ガスの少なくとも一方の反応ガスと、前記サブスタックから排出される反応ガスとの間で水分の交換を行う加湿器を備え、この加湿器が１個のサブスタックに接合されている。
【００１４】
複数個のサブスタックが積層方向と直交する方向に複数列に配列されるとともに、１個のサブスタックが、前記１個のサブスタック以外の全ての他のサブスタックよりも前記積層方向に短尺に設定されている。そして、１個のサブスタックと加湿器とを接合した積層方向の寸法が、全ての他のサブスタックの積層方向の寸法と同等に設定されている。
【００１５】
この場合、積層方向の寸法と同等とは、１個のサブスタックと加湿器とを接合した際に、他のサブスタックとの間で前記積層方向に段差が目立たない程度の範囲を含む概念である。
【００１６】
このため、積層方向に沿って複数列に配列された複数個のサブスタックが設置される際、不要な間隙（デッドスペース）が発生することがなく、燃料電池スタックの設置スペースを有効に狭小化することができる。
【００２０】
【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の概略斜視図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の要部分解斜視図である。
【００２１】
燃料電池スタック１０は、積層方向（矢印Ａ方向）に沿って複数列、例えば、２列に配列される第１および第２サブスタック１２、１４を備える。第１サブスタック１２の一方の端部には、加湿器１６が接合されるとともに、第２サブスタック１４の一方の端部には、エンドプレート１７が取り付けられる。第１および第２サブスタック１２、１４の他方の端部には、連結プレート１８が一体的に固定される。
【００２２】
第１サブスタック１２の積層方向の寸法Ｈ１は、第２サブスタック１４の積層方向の寸法Ｈ２よりも短尺に設定されるとともに、前記第１サブスタック１２と加湿器１６とを接合した積層方向の寸法（Ｈ１＋Ｈ３）が、前記第２サブスタック１４の前記積層方向の寸法Ｈ２と同等に設定される。第１および第２サブスタック１２、１４は同一に構成されており、それぞれ所定組数の単位セル２０を矢印Ａ方向に重ね合わせて構成されている。
【００２３】
図３に示すように、単位セル２０は、電解質膜（電解質）・電極構造体２２と、前記電解質膜・電極構造体２２を挟持する第１および第２セパレータ２４、２６とを備える。第１および第２セパレータ２４、２６は、金属製薄板またはカーボン製薄板により構成されている。
【００２４】
電解質膜・電極構造体２２と第１および第２セパレータ２４、２６の長辺（矢印Ｂ方向）側の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔３０ａ、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３２ａ、および燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔３４ｂが設けられる。
【００２５】
電解質膜・電極構造体２２と第１および第２セパレータ２４、２６の長辺側の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔３４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３２ｂ、および酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔３０ｂが設けられる。
【００２６】
電解質膜・電極構造体２２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸されてなる固体高分子電解質膜３６と、該固体高分子電解質膜３６を挟持するアノード側電極３８およびカソード側電極４０とを備える。アノード側電極３８およびカソード側電極４０は、それぞれ触媒電極と多孔質カーボンから構成されている。
【００２７】
第１セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２２側の面２４ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部からなる酸化剤ガス流路４２が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路４２は、酸化剤ガス供給連通孔３０ａと酸化剤ガス排出連通孔３０ｂとに連通する。
【００２８】
第２セパレータ２６の電解質膜・電極構造体２２側の面２６ａには、燃料ガス供給連通孔３４ａと燃料ガス排出連通孔３４ｂとを連通する燃料ガス流路４４が形成される。この燃料ガス流路４４は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部を備える。第２セパレータ２６の面２６ｂには、冷却媒体供給連通孔３２ａと冷却媒体排出連通孔３２ｂとを連通する冷却媒体流路４６が形成される。この冷却媒体流路４６は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部を備える。
【００２９】
図２に示すように、エンドプレート１７には、燃料ガス供給連通孔３４ａに連通する燃料ガス入口４８と、冷却媒体供給連通孔３２ａに連通する冷却媒体入口５０とが形成される。
【００３０】
連結プレート１８には、第２サブスタック１４の酸化剤ガス排出連通孔３０ｂを第１サブスタック１２を構成する酸化剤ガス供給連通孔３０ａに連通するための酸化剤ガス通路５２と、前記第２サブスタック１４を構成する燃料ガス排出連通孔３４ｂを前記第１サブスタック１２を構成する燃料ガス供給連通孔３４ａに連通するための燃料ガス通路５４とが、前記第１および第２サブスタック１２、１４側の面１８ａに沿って溝状に形成される。第１および第２サブスタック１２、１４には、リターン流路を構成する酸化剤ガス連通路（反応ガス連通路）５７と、燃料ガス連通路（反応ガス連通路）５９とが設けられる。
【００３１】
連結プレート１８の他方の面１８ｂ側には、第１および第２サブスタック１２、１４の冷却媒体供給連通孔３２ａ同士、および冷却媒体排出連通孔３２ｂ同士を連通するために、冷却媒体通路５６ａ、５６ｂが溝状に構成されている。
【００３２】
図４に示すように、加湿器１６は、矢印Ａ方向に積層される複数組の加湿セル６０を備え、前記加湿セル６０の積層方向両端にエンドプレート６２ａ、６２ｂが配設される。加湿セル６０は、水透過膜６４と、この水透過膜６４の両側に配置されるセパレータ６６、６８とを備える。
【００３３】
セパレータ６６には、水透過膜６４側に水平方向に延在する複数の突起７０が設けられ、前記セパレータ６６と前記水透過膜６４との間には、水平方向に蛇行しながら鉛直方向に連なる第１酸化剤ガス通路７２が形成される。セパレータ６８には、水透過膜６４側に水平方向に延在する複数の突起７４が設けられ、前記セパレータ６８と前記水透過膜６４との間には、水平方向に蛇行しながら鉛直方向に連なる第２酸化剤ガス通路７６が形成される。
【００３４】
図５に示すように、加湿セル６０には、水平方向一端側に未使用酸化剤ガス排出通路８０、冷却媒体排出通路８２および使用済み酸化剤ガス供給通路８４が設けられる。加湿セル６０の水平方向他端側には、使用済み酸化剤ガス排出通路８６、燃料ガス排出通路８８および未使用酸化剤ガス供給通路９０が設けられる。
【００３５】
セパレータ６６に設けられている第１酸化剤ガス通路７２は、使用済み酸化剤ガス供給通路８４と使用済み酸化剤ガス排出通路８６とを連通する（図５参照）。セパレータ６８に設けられている第２酸化剤ガス通路７６は、未使用酸化剤ガス供給通路９０と未使用酸化剤ガス排出通路８０とを連通する。
【００３６】
図４に示すように、第１サブスタック１２に接合されるエンドプレート６２ｂには、未使用酸化剤ガス排出通路８０を第２サブスタック１４を構成する酸化剤ガス供給連通孔３０ａに連通するための酸化剤ガス通路９２が形成される。このエンドプレート６２ｂには、第１サブスタック１２を構成する燃料ガス排出連通孔３４ｂを、一旦、上方に折り返して燃料ガス排出通路８８に連通する溝部９４が形成される。
【００３７】
図１に示すように、エンドプレート６２ａには、冷却媒体排出通路８２、使用済み酸化剤ガス排出通路８６、燃料ガス排出通路８８および未使用酸化剤ガス供給通路９０が形成される。未使用酸化剤ガス供給通路９０および使用済み酸化剤ガス排出通路８６は、互いに近接してエンドプレート６２ａに形成されている。
【００３８】
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。
【００３９】
まず、加湿器１６を構成するエンドプレート６２ａに形成された未使用酸化剤ガス供給通路９０から酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されると、この酸化剤ガスは、前記加湿器１６内の第２酸化剤ガス通路７６を通って酸化剤ガス通路９２に送られる。酸化剤ガスは、酸化剤ガス通路９２を介して第２サブスタック１４を構成する酸化剤ガス供給連通孔３０ａに供給される（図２参照）。
【００４０】
この第２サブスタック１４では、エンドプレート１７に設けられている燃料ガス入口４８から燃料ガス供給連通孔３４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、冷却媒体入口５０から冷却媒体供給連通孔３２ａに純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体が供給される。このため、第２サブスタック１４では、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数組の単位セル２０に対して酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却媒体が供給される。
【００４１】
図３に示すように、矢印Ａ方向に連通している酸化剤ガス供給連通孔３０ａに供給された酸化剤ガスは、第１セパレータ２４に設けられている複数本の酸化剤ガス流路４２に導入され、電解質膜・電極構造体２２を構成するカソード側電極４０に沿って移動する。一方、燃料ガス供給連通孔３４ａに供給された燃料ガスは、第２セパレータ２６に設けられている複数本の燃料ガス流路４４に導入され、電解質膜・電極構造体２２を構成するアノード側電極３８に沿って移動する。
【００４２】
従って、電解質膜・電極構造体２２では、カソード側電極４０に供給される酸化剤ガスとアノード側電極３８に供給される燃料ガスとが、触媒電極内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００４３】
電解質膜・電極構造体２２により一部が消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４２から酸化剤ガス排出連通孔３０ｂに導入され、図２に示すように、連結プレート１８に設けられている酸化剤ガス通路５２に供給される。この酸化剤ガス通路５２は、第２サブスタック１４の酸化剤ガス排出連通孔３０ｂと、第１サブスタック１２の酸化剤ガス供給連通孔３０ａとを連通しており、前記酸化剤ガス通路５２に供給された酸化剤ガスは、前記第１サブスタック１２の前記酸化剤ガス供給連通孔３０ａに導入される。
【００４４】
同様に、電解質膜・電極構造体２２を構成するアノード側電極３８で一部が消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔３４ｂに導入された後、矢印Ａ方向に移動して連結プレート１８に設けられている燃料ガス通路５４に排出される。この燃料ガス通路５４は、第１サブスタック１２の燃料ガス供給連通孔３４ａに連通しており、燃料ガスは、この第１サブスタック１２の前記燃料ガス供給連通孔３４ａに導入される。
【００４５】
これにより、第１サブスタック１２では、第２サブスタック１４と同様に、各電解質膜・電極構造体２２を構成するカソード側電極４０とアノード側電極３８とに酸化剤ガスおよび燃料ガスが供給され、触媒電極内で電気化学反応により消費されて、発電が行われる。
【００４６】
なお、第２サブスタック１４の冷却媒体供給連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、一部が各電解質膜・電極構造体２２を冷却して冷却媒体排出連通孔３２ｂに排出される。さらに、冷却媒体は、連結プレート１８に設けられている冷却媒体通路５６ａ、５６ｂを介して、第１サブスタック１２の冷却媒体供給連通孔３２ａおよび冷却媒体排出連通孔３２ｂに導入される。
【００４７】
第１サブスタック１２から排出される燃料ガスは、加湿器１６に設けられている燃料ガス排出通路８８から排出されるとともに、冷却媒体は、前記加湿器１６に設けられている冷却媒体排出通路８２から排出される。
【００４８】
この場合、第１の実施形態では、第１サブスタック１２の酸化剤ガス排出連通孔３０ｂに排出された使用済み酸化剤ガスが、加湿器１６を構成する使用済み酸化剤ガス供給通路８４に供給されている。図５に示すように、使用済み酸化剤ガス供給通路８４に供給された使用済み酸化剤ガスは、セパレータ６６に形成されている第１酸化剤ガス通路７２に沿って移動し、使用済み酸化剤ガス排出通路８６に排出される。
【００４９】
その際、第１酸化剤ガス通路７２に水透過膜６４を介装して対向している第２酸化剤ガス通路７６には、未使用酸化剤ガスが供給されている（図４参照）。従って、水蒸気分圧の差により加湿状態にある使用済み酸化剤ガスから未使用酸化剤ガスに向かって水分が移動し、使用済み酸化剤ガス中の水分が減少する一方、未使用酸化剤ガス中の水分が増加する。
【００５０】
このように、第１の実施形態では、第２サブスタック１４および第１サブスタック１２で電気化学反応により消費されて生成水を含んだ使用済み酸化剤ガスが、加湿器１６に供給されて未使用酸化剤ガスとの間で水分の交換を行っている。このため、使用済み酸化剤ガスに含まれる水分を未使用酸化剤ガスを加湿するための加湿水として利用することができ、前記未使用酸化剤ガスに供給される加湿水を、燃料電池スタック１０全体で有効に低減することが可能になる。
【００５１】
しかも、使用済み酸化剤ガスに含まれる水分が削減されるとともに、未使用酸化剤ガス供給通路９０と使用済み酸化剤ガス排出通路８６とが近接して配置されるため、この使用済み酸化剤ガスを加湿器１６に戻すための配管が簡略化される。これにより、酸化剤ガス連通路５７内で結露が発生することがなく、発電面内に水が導入されたり、前記酸化剤ガス連通路５７内に水滴が滞留して該酸化剤ガス連通路５７を閉塞することがない。従って、酸化剤ガスを円滑に流すことができ、燃料電池スタック１０全体の発電性能を有効に維持することが可能になるという効果が得られる。
【００５２】
また、酸化剤ガスおよび燃料ガスは、第２サブスタック１４および第１サブスタック１２間に直列に供給するとともに、後段の前記第１サブスタック１２の積層枚数が前段の前記第２サブスタック１４の積層枚数より少なく設定されている。このため、酸化剤ガスおよび燃料ガスの利用率が有効に向上するという利点がある。
【００５３】
さらに、第１の実施形態では、図１に示すように、第１サブスタック１２と加湿器１６とが矢印Ａ方向に接合された状態で、この第１サブスタック１２およびこの加湿器１６を含む積層方向（矢印Ａ方向）の寸法が、第２サブスタック１４の積層方向（矢印Ａ方向）の寸法と同等に設定されている。従って、積層方向に平行して配列された第１および第２サブスタック１２、１４が一体的に設置される際にも、不要な間隙（デッドスペース）が発生することがなく、燃料電池スタック１０の設置スペースが有効に狭小化されるという利点がある。
【００５４】
さらにまた、第１の実施形態では、第１および第２サブスタック１２、１４が水平方向に配列されているが、必要に応じて前記第１および第２サブスタック１２、１４を上下方向に重ね合わせて構成することもできる。
【００５５】
また、燃料電池スタック１０の外形は、表面から凹凸部分を排除した立方体形状に設定されている（図１参照）。このため、燃料電池スタック１０を狭小なスペースに有効に設置することが可能になる。
【００５６】
さらに、燃料電池スタック１０が第１および第２サブスタック１２、１４を構成している。これにより、第１および第２サブスタック１２、１４を一つのブロックとして取り扱うことができ、単位セル毎に取り扱う構成に比べて、積層個数が削減される。このため、燃料電池スタック１０の組み立て作業性が有効に向上し、生産性が高くなるという利点がある。
【００５７】
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１００の要部分解斜視図である。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。また、以下に説明する第３乃至第５の実施形態でも、同様である。
【００５８】
燃料電池スタック１００は、第１および第２サブスタック１２、１４を連結する連結プレート１０２を備える。この連結プレート１０２の面１０２ａには、第１および第２サブスタック１２、１４の酸化剤ガス供給連通孔３０ａ同士を連通する酸化剤ガス通路１０４、酸化剤ガス排出連通孔３０ｂ同士を連通する酸化剤ガス通路１０６、燃料ガス供給連通孔３４ａ同士を連通する燃料ガス通路１０８、および燃料ガス排出連通孔３４ｂ同士を連通する燃料ガス通路１１０が形成されている。
【００５９】
燃料電池スタック１０では、第１および第２サブスタック１２、１４に対して酸化剤ガスおよび燃料ガスが直列に供給される一方、燃料電池スタック１００では、前記第１および第２サブスタック１２、１４に対して酸化剤ガスおよび燃料ガスが並列に供給される。
【００６０】
このように構成される第２の実施形態では、加湿器１６に供給された未使用酸化剤ガスは、使用済み酸化剤ガスとの間で水分の交換が行われて加湿された後、第２サブスタック１４を構成する酸化剤ガス供給連通孔３０ａに供給される。一方、燃料ガスおよび冷却媒体は、第２サブスタック１４の燃料ガス供給連通孔３４ａおよび冷却媒体供給連通孔３２ａに供給される。
【００６１】
第２サブスタック１４内では、酸化剤ガス供給連通孔３０ａおよび燃料ガス供給連通孔３４ａに供給された酸化剤ガスおよび燃料ガスの一部が、各電解質膜・電極構造体２２を構成するカソード側電極４０およびアノード側電極３８に沿って移動し、発電に供されて消費される。そして、酸化剤ガス供給連通孔３０ａおよび燃料ガス供給連通孔３４ａを流動する酸化剤ガスおよび燃料ガスは、連結プレート１０２に形成されている酸化剤ガス通路１０４および燃料ガス通路１１０を介して、第１サブスタック１２の酸化剤ガス供給連通孔３０ａおよび燃料ガス供給連通孔３４ａに供給される。
【００６２】
また、発電に供された酸化剤ガスおよび燃料ガスは、連結プレート１０２に設けられている酸化剤ガス通路１０６および燃料ガス通路１０８を介して、第１サブスタック１２の酸化剤ガス排出連通孔３０ｂおよび燃料ガス排出連通孔３４ｂに排出される。
【００６３】
この場合、第２の実施形態では、第１および第２サブスタック１２、１４で発電に供された使用済み酸化剤ガスが、酸化剤ガス排出連通孔３０ｂから加湿器１６に送られ、未使用酸化剤ガスとの間で水分の交換がなされる。これによって、未使用酸化剤ガスを有効に加湿するとともに、使用済み酸化剤ガスの加湿量を低減することができ、結露が発生することがなく、良好な発電機能を営むことが可能になる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６４】
図７は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック１３０の概略斜視図である。
【００６５】
燃料電池スタック１３０は、加湿器１６が接合された第１サブスタック１２と、前記第１サブスタック１２に並列される第２および第３サブスタック１４、１４ａとを備える。第１乃至第３サブスタック１２、１４および１４ａにわたって連結プレート１３２が一体的に取り付けられるとともに、前記第２および第３サブスタック１４、１４ａには、エンドプレート１３４が一体的に設けられる。
【００６６】
このように、第３の実施形態では、燃料電池スタック１３０が、第１乃至第３サブスタック１２、１４および１４ａが並列されて全体として直方体形状の外形形状に設定されており、前記燃料電池スタック１３０全体を有効に小型化することができる。さらに、必要に応じて第４サブスタック１４ｂ、あるいはそれ以上のサブスタックを配列すれば、特に大電力が要請される際にも容易に対応することが可能になる。
【００６７】
図８は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタック１４０の概略平面説明図である。
【００６８】
この燃料電池スタック１４０では、第１乃至第４サブスタック１２、１４、１４ａおよび１４ｂが設けられ、第１および第２サブスタック１２、１４並びに第３および第４サブスタック１４ａ、１４ｂが積層方向（矢印Ａ方向）に配列される。第１および第２サブスタック１２、１４と第３および第４サブスタック１４ａ、１４ｂとの間に、連結プレート１４２が介装されるとともに、前記第３および第４サブスタック１４ａ、１４ｂ同士が連結プレート１４４により結合される。
【００６９】
燃料電池スタック１４０内には、反応ガス、例えば、酸化剤ガスを加湿器１６に近接して設けられている酸化剤ガス供給通路１４６および酸化剤ガス排出通路１４８に連通し、略Ｕ字状に折り返すリターン流路を構成する酸化剤ガス連通路１５０が設けられている。
【００７０】
図９は、本発明に関連する燃料電池スタック１６０の概略平面説明図である。
【００７１】
この燃料電池スタック１６０では、第１および第２サブスタック１２、１４が積層方向（矢印Ａ方向）に一列に、すなわち、積層方向に交差する矢印Ｂ方向に沿って２列に配置されるとともに、前記第１サブスタック１２の矢印Ａ方向端面に加湿器１６２が接合される。加湿器１６２は、矢印Ｂ方向の寸法が第１および第２サブスタック１２、１４と同一寸法に設定されており、燃料電池スタック１６０全体として直方体形状に構成される。
【００７２】
燃料電池スタック１６０内には、略Ｕ字状のリターン流路を構成する酸化剤ガス連通路１６４が設けられる。酸化剤ガス連通路１６４に連通する酸化剤ガス供給通路１６６および酸化剤ガス排出通路１６８は、互いに近接して加湿器１６２に設けられている。なお、燃料電池スタック１６０では、必要に応じて第２サブスタック１４に第３および第４サブスタック１４ａ、１４ｂ等を連結して構成することができる。
【００７３】
その際、燃料電池スタック１６０が、第１乃至第４サブスタック１２、１４、１４ａおよび１４ｂを構成することにより、前記第１乃至第４サブスタック１２、１４、１４ａおよび１４ｂを一つのブロックとして取り扱うことができる。このため、燃料電池スタック１６０の組み立て作業性が有効に向上する。
【００７４】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックでは、複数個のサブスタック内に供給されて反応に供された使用済み反応ガスを加湿器に導入することにより、この使用済み反応ガスと未使用反応ガスとの間で水分の交換を行うことができる。このため、使用済み反応ガスに含まれる水分を未使用反応ガスを加湿するための加湿水として利用することが可能になり、供給される加湿水を有効に低減させることができる。
【００７５】
しかも、使用済み反応ガスに含まれる水分が削減されるとともに、この使用済み反応ガスを加湿器に戻すための配管が簡略化される。これにより、反応ガス連通路内で結露が発生することがなく、良好な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概略斜視図である。
【図２】 前記燃料電池スタックの要部分解斜視図である。
【図３】 前記燃料電池スタックを構成する単位セルの分解斜視図である。
【図４】 前記燃料電池スタックを構成する加湿器の一部断面説明図である。
【図５】 前記加湿器を構成するセパレータの正面説明図である。
【図６】 本発明の第２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７】 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックの概略斜視図である。
【図８】 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックの概略平面説明図である。
【図９】 本発明に関連する燃料電池スタックの概略平面説明図である。
【図１０】 従来技術に係る燃料電池スタックの概略説明図である。
【符号の説明】
１０、１００、１３０、１４０、１６０…燃料電池スタック
１２、１４、１４ａ、１４ｂ…サブスタック
１６、１６２…加湿器 １７…エンドプレート
１８、１０２、１３２…連結プレート ２０…単位セル
２２…電解質膜・電極構造体 ２４、６６、６８…セパレータ
３０ａ…酸化剤ガス供給連通孔 ３０ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
３２ａ…冷却媒体供給連通孔 ３２ｂ…冷却媒体排出連通孔
３４ａ…燃料ガス供給連通孔 ３４ｂ…燃料ガス排出連通孔
３６…固体高分子電解質膜 ３８…アノード側電極
４０…カソード側電極 ４２…酸化剤ガス流路
４４…燃料ガス流路 ４６…冷却媒体流路
５２、７２、７６、９２、１０４、１０６…酸化剤ガス通路
５４、１０８、１１０…燃料ガス通路 ５６ａ、５６ｂ…冷却媒体通路
５７、１５０、１６４…酸化剤ガス連通路
５９…燃料ガス連通路 ６０…加湿セル
６４…水透過膜 ８０…未使用酸化剤ガス排出通路
８２…冷却媒体排出通路 ８４…使用済み酸化剤ガス供給通路
８６…使用済み酸化剤ガス排出通路 ８８…燃料ガス排出通路
９０…未使用酸化剤ガス供給通路 １４６、１６６…酸化剤ガス供給通路
１４８、１６８…酸化剤ガス排出通路

Claims (1)

1. 電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体がセパレータを介装して複数積層されたサブスタックを有し、複数個の前記サブスタックが積層方向と直交する方向に複数列に配列される燃料電池スタックであって、
   前記サブスタックに供給される酸化剤ガスまたは燃料ガスの少なくとも一方の未使用反応ガスと、前記サブスタックから排出される使用済み反応ガスとの間で水分の交換を行う加湿器を備え、
   １個のサブスタック以外の全ての他のサブスタックは、前記積層方向の寸法が同一に設定されており、
   前記１個のサブスタックに前記加湿器が前記積層方向に接合されるとともに、
   前記１個のサブスタックおよび前記加湿器を含む前記積層方向の寸法が、前記全ての他のサブスタックの前記積層方向の寸法と同等に設定されることを特徴とする燃料電池スタック。

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