JP5624511B2

JP5624511B2 - 燃料電池スタック

Info

Publication number: JP5624511B2
Application number: JP2011097460A
Authority: JP
Inventors: 隆鴻村; 杉田　成利; 成利杉田; 稲井　滋; 滋稲井
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2011-04-25
Filing date: 2011-04-25
Publication date: 2014-11-12
Anticipated expiration: 2020-02-22
Also published as: JP2011142113A

Description

この発明は、固体高分子電解質膜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と、前記単位燃料電池セルを挟持するセパレータとを水平方向に積層して構成された、特に車載用に適した燃料電池スタックに関する。

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る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おり、通常、この単位燃料電池セルを所定数だけ積層して燃料電池スタックとして使用される。

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、水素含有ガスという）は、触媒電極上で水素がイオン化され、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、主に酸素を含有するガス（以下、酸素含有ガスという）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。

上記の燃料電池スタックでは、積層されている各単位燃料電池セルの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、内部マニホールドを構成することが行われている。この内部マニホールドは、具体的には、積層されている各単位燃料電池セルおよびセパレータに一体的に連通して設けられた複数の連通孔を備えており、供給用の連通孔に反応ガスが供給されると、前記反応ガスが各単位燃料電池セル毎に分散供給される一方、使用済みの反応ガスが排出用の連通孔に一体的に排出されるように構成されている。

ところで、特に、酸化剤ガスが流れる連通孔内には、電極発電面で生成された反応生成水が導入され易く、この連通孔内に滞留水が存在する場合が多い。一方、燃料ガスが流される連通孔内には、結露等による滞留水が発生するおそれがある。このため、連通孔が滞留水によって縮小または閉塞されてしまい、反応ガスの流れが妨げられて発電性能が低下するという不具合が指摘されている。

そこで、例えば、特許文献１に開示されているように、集電極の積層面に形成された燃料ガス流路および酸化ガス流路に親水性被膜が設けられた燃料電池が知られている。具体的には、図１６に示すように、集電極１の両側部に燃料ガスの給排流路２ａ、２ｂが貫通形成されるとともに、この集電極１の上下には、酸化ガスの給排流路３ａ、３ｂが貫通形成されている。集電極１の発電面側には、上下方向に沿って複数本の酸化ガス流路４が互いに平行でかつ直線上に設けられるとともに、前記酸化ガス流路４に親水性被膜５が形成されている。さらに、酸化ガスの給排流路３ｂには、多孔質部材６が配置されている。

このような構成において、燃料電池の運転に伴って発電面側で生成された水が、酸化ガス流路４に導入されると、この生成水は、前記酸化ガス流路４に形成された親水性被膜５を湿潤状態にする。この生成水は、自重により親水性被膜５およびその表面を伝って鉛直下方向に流れ、酸化ガス流路４から排出される。さらに、生成水が酸化ガスの給排流路３ｂに配置された多孔質部材６により吸収されるため、この生成水を酸化ガス流路４からより確実に排出することができるとしている。

特開平８−１３８６９２号公報

ところが、上記の従来技術では、集電極１の上下に酸化ガスの給排流路３ａ、３ｂが形成されるため、燃料電池全体の高さ方向の寸法を短尺化することが困難なものとなってしまう。特に、車載用燃料電池スタックとして使用する際には、自動車の車体の床下等のスペースを有効活用する必要があり、燃料電池全体の高さ方向を可及的に短尺化したいという要請がある。しかしながら、上記の従来技術では、この種の要請に効果的に対応することができないという問題点がある。
しかも、酸化ガスの給排流路３ａ、３ｂは、集電極１の上下に横方向に長尺に構成されている。これにより、集電極１の剛性を確保するためには、この集電極１の厚さを比較的大きく設定する必要があり、燃料電池スタック全体の積層方向の寸法が長尺化してしまうという問題が指摘されている。

そして、このように、燃料電池スタック全体の積層方向の寸法が長尺化すると、酸化ガスの給排流路３ｂの積層方向での長さが長くなり、そのため、奥側の生成水等が排出され難くなるという問題もある。とりわけ、車載用として使用する場合には車両が傾斜した状態で走行し例えば酸化ガスの給排流路３ｂの奥側に生成水が滞留するような状況では、この生成水は排出されず、逆流するなどしてそのままでは発電性能が低下する問題がある。
そこで、この発明は生成水の逆流を防止できる燃料電池スタックを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、固体高分子電解質膜（例えば、実施形態における固体高分子電解質膜１８）を一対の電極（例えば、実施形態におけるカソード側電極２０、アノード側電極２２）で挟んで構成する単位燃料電池セル（例えば実施形態における単位燃料電池セル１２）と、前記単位燃料電池セルを挟持する平面形状が矩形形状のセパレータ（例えば、実施形態における第１セパレータ１４、第２セパレータ１６）とを水平方向に積層し、反応ガスである燃料ガスと酸化剤ガスを供給して発電を行なう燃料電池スタック（例えば、実施形態における燃料電池スタック１０）であって、前記セパレータの外周縁部に、燃料ガスと酸化剤ガスの何れかの反応ガスを供給するための入口側連通孔（例えば、実施形態における入口側燃料ガス連通孔３６ａ、入口側酸化剤ガス連通孔３８ａ）と、前記反応ガスの反応済みガスを排出するための出口側連通孔（例えば、実施形態における出口側燃料ガス連通孔３６ｂ、出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂ）とを、前記燃料電池スタックの積層方向に貫通して設け、前記反応ガスは前記セパレータの上方側に配置された前記入口側連通孔から、複数本の水平方向に延びた反応ガス流路（例えば、実施形態における第１酸化剤ガス流路溝４２、第２酸化剤ガス流路溝４４、第１燃料ガス流路溝６０、第２燃料ガス流路溝６２）を流れ、反応に使用されて、反応済みガスとして下方側に配置された前記出口側連通孔に流れ、前記反応ガス流路の出口は、前記セパレータの前記反応ガス流路が設けられた側とは反対側である裏側に貫通する複数の貫通部と、各貫通部を通って前記出口側連通孔につながる複数本の連通部とで構成された複数本の連結流路（例えば、実施形態における第２酸化剤ガス連結流路４８、第２燃料ガス連結流路６６）からなり、前記複数本の連結流路が前記セパレータ面に重力方向に並んで配置されて直接前記出口側連通孔に接続され、前記出口側連通孔につながる前記複数本の連結流路の中で、最も重力方向下方に位置する前記連結流路は前記出口側連通孔の底部（例えば、実施形態における底部Ｔ２等）よりも上方の位置でつながることを特徴とする燃料電池スタック。

請求項１、２に記載した発明によれば、生成水等が出口側連通孔の中に溜まっていた場合でも、この生成水の逆流が防止できる。特に、燃料電池スタックが車両に搭載される際には、走行路の傾き等によって前記燃料電池スタックが傾斜しても、出口側連通孔に導入された水が反応ガス流路側に逆流することがない。従って、燃料電池スタック内で電極発電面が生成水で覆われることを防止し、発電性能の低下を確実に阻止することが可能になる。

この発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの概略縦断面説明図である。図１に示す燃料電池スタックの要部分解斜視図である。図１に示す燃料電池スタックの概略断面説明図である。図１に示す燃料電池スタックを構成する第１セパレータの正面説明図である。図１に示す燃料電池スタックを構成する第２セパレータの一方の面の正面説明図である。前記第２セパレータの他方の面の正面説明図である。バイパスプレートの一方の面の正面説明図である。図７のＢ−Ｂ線に沿うバイパスプレートの断面図と他の部材との分解側面図である。図１に示す燃料電池スタックを構成する多孔質吸水管体および第１セパレータの斜視説明図である。前記多孔質吸水管体を構成する線材の部分断面斜視説明図である。図１に示す燃料電池スタック内の静圧分布グラフ図である。第１実施形態の燃料電池スタックを模式的に示す概略図である。この発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの縦断面説明図である。この発明の第３実施形態のバイパス流路の取りまわしを示す概略図である。この発明の第４実施形態のバイパス流路の取りまわしを示す概略図である。従来技術に係る集電極の斜視説明図である。

図１は、この発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０の概略縦断面説明図であり、図２は、前記燃料スタック１０の要部分解斜視図である。

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、これらが複数組だけ積層されている。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が配設されている。

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を有している。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とともに、この第２セパレータ１６には第３ガスケット３５が配設されている。

第１セパレータ１４は、その横方向両端上部側に水素含有ガス等の燃料ガス（反応ガス）を通過させるための入口側燃料ガス連通孔３６ａと、酸素含有ガスまたは空気である酸化剤ガス（反応ガス）を通過させるための入口側酸化剤ガス連通孔３８ａとを備えている。

第１セパレータ１４の横方向両端中央側には、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入口側冷却媒体連通孔４０ａと、使用後の前記冷却媒体を通過させるための出口側冷却媒体連通孔４０ｂとが設けられている。第１セパレータ１４の横方向両端下部側には、燃料ガス（反応済みガス）を通過させるための出口側燃料ガス連通孔３６ｂと、酸化剤ガス（反応済みガス）を通過させるための出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂとが、入口側燃料ガス連通孔３６ａおよび入口側酸化剤ガス連通孔３８ａと対角位置になるように設けられている。

第１セパレータ１４のカソード側電極２０に対向する面１４ａには、入口側酸化剤ガス連通孔３８ａに近接して複数本、例えば、６本のそれぞれ独立した第１酸化剤ガス流路溝４２が、水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって設けられている。第１酸化剤ガス流路溝４２は、３本の第２酸化剤ガス流路溝４４に合流し、この第２酸化剤ガス流路溝４４が出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂに近接して終端している。

図２〜図４に示すように、第１セパレータ１４には、この第１セパレータ１４を貫通するとともに、一端が面１４ａとは反対側の面１４ｂで入口側酸化剤ガス連通孔３８ａに連通する一方、他端が前記面１４ａ側で第１酸化剤ガス流路溝４２に連通する第１酸化剤ガス連結流路４６と、一端が前記面１４ｂ側で出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂに連通する一方、他端が前記面１４ａ側で第２酸化剤ガス流路溝４４に連通する第２酸化剤ガス連結流路４８とが、前記第１セパレータ１４を貫通して設けられている。

図２に示すように、第２セパレータ１６の横方向両端側には、第１セパレータ１４と同様に、入口側燃料ガス連通孔３６ａ、入口側酸化剤ガス連通孔３８ａ、入口側冷却媒体連通孔４０ａ、出口側冷却媒体連通孔４０ｂ、出口側燃料ガス連通孔３６ｂおよび出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂが形成されている。

図５に示すように、第２セパレータ１６の面１６ａには、入口側燃料ガス連通孔３６ａに近接して複数本、例えば、６本の第１燃料ガス流路溝６０が形成される。この第１燃料ガス流路溝６０は、水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって延在し、３本の第２燃料ガス流路溝６２に合流してこの第２燃料ガス流路溝６２が出口側燃料ガス連通孔３６ｂの近傍で終端している。

第２セパレータ１６には、入口側燃料ガス連通孔３６ａを面１６ｂ側から第１燃料ガス流路溝６０に連通する第１燃料ガス連結流路６４と、出口側燃料ガス連通孔３６ｂを前記面１６ｂ側から第２燃料ガス流路溝６２に連通する第２燃料ガス連結流路６６とが、前記第２セパレータ１６を貫通して設けられている。

図３および図６に示すように、第２セパレータ１６の面１６ｂには、第３ガスケット３５の開口部６８に対応する段差部７０が形成され、段差部７０内には、入口側冷却媒体連通孔４０ａおよび出口側冷却媒体連通孔４０ｂに近接して冷却媒体流路を構成する複数本の主流路溝７２ａ、７２ｂが形成されている。主流路溝７２ａ、７２ｂ間には、それぞれ複数本に分岐する分岐流路溝７４が水平方向に延在して設けられている。

第２セパレータ１６には、入口側冷却媒体連通孔４０ａと主流路溝７２ａとを連通する第１冷却媒体連結流路７６と、出口側冷却媒体連通孔４０ｂと主流路溝７２ｂとを連通する第２冷却媒体連結流路７８とが、前記第２セパレータ１６を貫通して設けられている。

図２に示すように、第１、第２および第３ガスケット２８、３０および３５の横方向両端部には、入口側燃料ガス連通孔３６ａ、入口側酸化剤ガス連通孔３８ａ、入口側冷却媒体貫通孔４０ａ、出口側冷却媒体連通孔４０ｂ、出口側燃料ガス連通孔３６ｂおよび出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂが設けられている。

図１に示すように、単位燃料電池セル１２と第１および第２セパレータ１４、１６の積層方向両端側には、第１および第２エンドプレート８０、８２が配置され、タイロッド８４を介して前記第１および第２エンドプレート８０、８２が一体的に締め付け固定されている。
ここで、８１はバイパスプレートを示し、このバイパスプレート８１は上記第２エンドプレート８２とともにタイロッド８４により締め付け固定されている。

上記バイパスプレート８１は、図２、図７、図８に示すように、燃料電池スタック１０の入口側酸化剤ガス連通孔３８ａおよび出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂの奥側、つまり後述する図１２に示すように前記入口側酸化剤ガス連通孔３８ａの供給口Ｋおよび出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂの排出口Ｈから見て奥側に位置する第１セパレータ１４の面１４ｂに密接配置されるもので、第１セパレータ１４の入口側酸化剤ガス連通孔３８ａに対応する位置に当該バイパスプレート８１の入口側酸化剤ガス連通孔３８ａが設けられている。
そして、第１セパレータ１４の出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂの底部Ｔ２に対応する位置に、反応に使用される酸化剤ガスを供給する吐出孔１１０が、第１セパレータ１４の出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂに沿った方向に指向して設けられている。

一方、バイパスプレート８１の第１セパレータ１４に密接する面８１ａとは反対側の面８１ｂには、図２に示すように当該バイパスプレート８１の入口側酸化剤ガス連通孔３８ａの孔壁に形成された複数の矩形断面形状の入口孔１０９と前記吐出孔１１０とを連通するバイパス流路１１１が設けられている。
前記バイパス流路１１１は前記入口側酸化剤ガス連通孔３８ａから前記吐出孔１１０までを対角位置で接続する３本の溝状の供給路１１１ａと、この供給路１１１ａのうち上側と下側の供給路１１１ａに沿って前記入口孔１０９から延び、供給路１１１ａに途中で合流する２本の溝状の補助供給路１１１ｂとで構成されている。

ここで、前記バイパスプレート８１の入口側酸化剤ガス連通孔３８ａは図７に示すように第１セパレータ１４の入口側酸化剤ガス連通孔３８ａよりも高さ△ｈ１だけ低い位置（図８にも示す）に最下部の入口孔１０９の開口位置となる底部Ｔ１が設定されている。一方、前記吐出孔１１０は第１セパレータ１４の出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂの底部Ｔ２に位置することから、前記図４に示す最下部の第２酸化剤ガス連結流路４８の位置よりも高さ△ｈ２だけ低い位置に開口することになる。

また、逆流を防止するため、供給路１１１ａのうち上側の２本は吐出孔１１０の直前で屈曲して下方向に向かって形成され、補助供給路１１１ｂも供給路１１１ａの合流点Ｐの直前で屈曲して下方向に向かって形成されている。
このように構成されたバイパスプレート８１が、図８に示すようにターミナルプレート１１２と絶縁板１１３を介装した状態で図１に示すようにエンドプレート８２とともにタイロッド８４で締め付け固定されている。
なお、上記バイパス流路１１１は、酸化剤ガスが前記単位燃料電池セル１２を流れる流量以上の流量が流れるように設定されている。
したがって、上記バイパス流路１１１は厳密に言えばバイパスプレート８１とターミナルプレート１１２との間に形成されることとなる。

その結果、図１２に模式的に示すように、燃料電池スタック１０には入口側酸化剤ガス連通孔３８ａの奥側と、出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂの奥側とが、バイパスプレート８１とエンドプレート８２等とで形成されたバイパス流路１１１により接続される。これにより、酸化剤ガスを供給する側である入口側酸化剤ガス連通孔３８ａの供給口Ｋと、反応済みガスとなって排出される側である出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂの排出口Ｈとが同じ側、つまり燃料電池スタック１０の一側面側に設けられたリターンフロー構造が形成されることとなる。この場合において、単一で薄板形状のバイパスプレート８１を用いるため燃料電池スタック１０の外部で配管を必要としない点で有利であり、単位燃料電池セル１２の積層方向の寸法を短縮することができる。
また、供給口Ｋと排出口Ｈとが同じ側にあるので、これら供給口Ｋと排出口Ｈとにおける配管を、組付け工数、部品点数の点で有利な集合配管とすることができるメリットがある。

前記燃料電池スタック１０内には、少なくとも出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂおよび必要に応じて出口側燃料ガス連通孔３６ｂに、それぞれ多孔質吸水管体８６が積層方向に延在して配設されている。ここで、この多孔質吸水管体８６は前記吐出孔１１０からの反応ガスである酸化剤ガスの吐出を阻害しないように配置されている。図１および図９に示すように、多孔質吸水管体８６は、金属、例えば、ＳＵＳ（ステンレス鋼）製のパイプ状芯材８８と、この芯材８８の外周部に巻き付けられる複数の線材９０とを備えている。

図１０に示すように、線材９０は表面に凹凸状を有しており、各線材９０が束ねられることによって空間９２が形成されている。この空間９２は、芯材８８の長手方向（燃料電池スタック１０の積層方向）に沿って延在している。芯材８８は、その両端を閉塞して構成してもよく、この芯材８８が燃料電池スタック１０内に図示しない固定手段を介して固定されている。

図４および図５に示すように、多孔質吸水管体８６は、出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂ内および出口側燃料ガス連通孔３６ｂ内において、重力方向下側でかつ第２酸化剤ガス連結流路４８および第２燃料ガス連結流路６６から離間する位置に設置されている。

図１に示すように、第１エンドプレート８０には、出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂに連通する孔部９４が形成されるとともに、前記第１エンドプレート８０に継手９６を介して前記孔部９４に連通するマニホールド管体９８が接続されている。マニホールド管体９８は、継手９６から延出する外側管体１００を備え、この外側管体１００内には、多孔質吸水管体８６に接続され、または前記多孔質吸水管体８６から延長された多孔質吸水管体１０２が配置されている。この多孔質吸水管体１０２は、例えば、ガス加湿用や改質用に使用可能な水を貯留する貯水タンク（図示せず）に接続されている。なお、図１に鎖線で示すように外側管体１００をやや上方に向けて湾曲させるようにしても、多孔質吸水管体１０２の毛細管現象により生成水の貯水タンクへの排水には影響を及ぼさない。

また、第１エンドプレート８０には、出口側燃料ガス連通孔３６ｂに連通する孔部１０４が形成され、この孔部１０４には、上述したマニホールド管体９８と同様に構成されるマニホールド管体１０６が連結されており、その詳細な説明は省略する。

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。
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含有ガス（以下、単に空気ともいう）が供給され、さらに単位燃料電池セル１２の発電面を冷却するために、冷却媒体が供給される。燃料電池スタック１０内の入口側燃料ガス連通孔３６ａに供給された燃料ガスは、図３および図５に示すように、第１燃料ガス連結流路６４を介して面１６ｂ側から面１６ａ側に移動し、この面１６ａ側に形成されている第１燃料ガス流路溝６０に供給される。

第１燃料ガス流路溝６０に供給された燃料ガスは、第２セパレータ１６の面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、燃料ガス中の水素含有ガスは、第２ガス拡散層２６を通って単位燃料電池セル１２のアノード側電極２２に供給される。そして、未使用の燃料ガスは、第１燃料ガス流路溝６０に沿って移動しながらアノード側電極２２に供給される一方、未使用の燃料ガスが第２燃料ガス流路溝６２を介して第２燃料ガス連結流路６６に導入され、面１６ｂ側に移動した後に出口側燃料ガス連通孔３６ｂに排出される。

また、燃料電池スタック１０内の入口側酸化剤ガス連通孔３８ａに供給された空気は、図３に示すように、第１セパレータ１４の入口側酸化剤ガス連通孔３８ａに連通する第１酸化剤ガス連結流路４６を介して第１酸化剤ガス流路溝４２に導入される。図２に示すように、第１酸化剤ガス流路溝４２に供給された空気は、水平方向に蛇行しながら重力方向に移動する間、この空気中の酸素含有ガスが第１ガス拡散層２４からカソード側電極２０に供給される。一方、未使用の空気は、第２酸化剤ガス流路溝４４を介して第２酸化剤ガス連結流路４８から出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂに排出される。これにより、単位燃料電池セル１２で発電が行われ、例えば、図示しないモータに電力が供給されることになる。

さらにまた、燃料電池スタック１０内に供給された冷却媒体は、入口側冷却媒体連通孔４０ａに導入された後、図６に示すように、第２セパレータ１６の第１冷却媒体連結流路７６を介して面１６ｂ側の主流路溝７２ａに供給される。冷却媒体は、主流路溝７２ａから分岐する複数本の分岐流路溝７４を通って単位燃料電池セル１２の発電面を冷却した後、主流路溝７２ｂに合流する。そして、使用後の冷却媒体は、第２冷却媒体連結流路７８を通って出口側冷却媒体連通孔４０ｂから排出される。

ところで、上記のように燃料電池スタック１０が運転されている際、特にカソード側電極２０側で比較的多くの水が生成されており、この水が第１および第２酸化剤ガス流路溝４２、４４を介して出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂに導出される。とりわけ、この実施形態では前記入口側燃料ガス連通孔３６ａ、前記出口側燃料ガス連通孔３６ｂ、前記入口側酸化剤ガス連通孔３８ａおよび前記出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂが、第１セパレータ１４、第２セパレータ１６の外周部側、つまり燃料電池スタック１０の外周側に設けられているため、外気温の影響を受けやすく、生成水が結露し易いのである。

この場合、第１の実施形態では、出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂに多孔質吸水管体８６が配置されており、この出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂに導入された水が、前記多孔質吸水管体８６を構成する複数の線材９０を毛細管現象によって透過し、前記線材９０間に形成されている空間９２に導かれる。ここで、燃料電池スタック１０では、酸化剤ガスおよび燃料ガスが、図１１に示すような静圧分布を有している。このため、出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂの出口側の圧力が内部側の圧力よりも低くなり、空気の上下流の圧力差によって多孔質吸水管体８６の空間９２に導入された水は、図１中、矢印Ａ方向に示すように、第１エンドプレート８０側、すなわち、マニホールド管体９８側に押し出される。

これにより、第１の実施形態では、出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂに導入された水は、多孔質吸水管体８６の毛細管現象とこの出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂ内の空気の圧力差によって、マニホールド管体９８内の多孔質吸水管体１０２側に円滑かつ確実に排出され、簡単な構成で滞留する生成水等の結露水の排水性が有効に向上するという効果が得られる。
特に、燃料電池スタック１０が車両に搭載される際には、走行路の傾き等によって前記燃料電池スタック１０が傾斜しても、出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂに導入された水が第２酸化剤ガス流路溝４４側に逆流することがない。従って、燃料電池スタック１０内で電極発電面が生成水で覆われることを防止し、発電性能の低下を確実に阻止することが可能になるという利点がある。

ここで、上記出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂの奥側においては、手前側に比較して生成水が溜まり易くなるが、前記入口側酸化剤ガス連通孔３８ａに供給された酸化剤ガスの一部が図１２に示すようにバイパスプレート８１の入口孔１０９からバイパス流路１１１を通って吐出孔１１０で出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂに噴射されるため、出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂの奥側に滞留した生成水は押出される。したがって、傾斜した状態で走行する車両に適用した場合に好適である。

この場合、バイパス流路１１１は、図７に示すように補助供給路１１１ｂが供給路１１１ａに合流しているため、吐出孔１１０では流速が大きくなり、従って、吐出孔１１０において生成水を効率良く押出すことができる。このとき吐出孔１１０の位置（出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂの底部Ｔ２の位置）が第２酸化剤ガス連結流路４８よりも△ｈ２下側にあるので逆流の心配もない。
一方、入口側酸化剤ガス連通孔３８ａにおいては、酸化剤ガスが加湿されているため、結露により水が生ずることがあるが、前記バイパス流路１１１の入口孔１０９の位置（バイパスプレート８１の入口側酸化剤ガス連通孔３８ａの底部Ｔ１の位置）が第１セパレータ１４、第１ガスケット２８等の入口側酸化剤ガス連通孔３８ａの底部よりも△ｈ１低く設定されているため、上記結露水も効率良く排出できる。

従って、前記多孔質吸水管８６の毛細管現象と、出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂ内の空気の圧力差による排水性の向上に加えて、バイパス流路１１１により吐出孔１１０から酸化剤ガスを強制的に押出すことで、滞留する生成水、結露水の排水性を著しく向上でき、発電性能の低下を防止することができる。

さらに、多孔質吸水管体８６は、図４に示すように、出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂの重力方向下側でかつ第２酸化剤ガス連結流路４８から離間する位置に配置されている。このため、生成水の吸水性が向上するとともに、第１セパレータ１４の電極発電面側での空気の流れ分布を乱すことを阻止することができる。しかも、出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂ内での空気の圧損を増加させることがない。

さらにまた、図１に鎖線で示すように、マニホールド管体９８を上方に湾曲した場合には、このマニホールド管体９８内に配置されている多孔質吸水管体１０２が、出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂよりも上方に配置される。これにより、第１エンドプレート８０の面内でマニホールド管体９８をレイアウトすることが可能になり、燃料電池スタック１０全体の高さ方向の寸法が大きくなることがない。従って、配管レイアウトの自由度が向上するとともに、燃料電池スタック１０全体の高さ方向を有効に短尺化し、特に車載用に優れるという利点がある。

そして、第１の実施形態では、図２に示すように、入口側燃料ガス連通孔３６ａ、入口側酸化剤ガス連通孔３８ａ、入口側冷却媒体連通孔４０ａ、出口側冷却媒体連通孔４０ｂ、出口側燃料ガス連通孔３６ｂおよび出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂが、燃料電池スタック１０の横方向両端部に設けられている。このため、燃料電池スタック１０の上部および下部に、横方向に長尺な連通孔を設ける必要がなく、前記燃料電池スタック１０全体の高さ方向を可及的に短尺化でき、前記燃料電池スタック１０全体の積層方向を有効に薄型化することができる。

なお、第１の実施形態では、出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂ側についてのみ説明したが、出口側燃料ガス連通孔３６ｂ側においても同様に凝縮水が発生しており、多孔質吸水管体８６を用いたり、さらに燃料ガス用のバイパスプレートを前記バイパスプレート８１の外側に付加して同様の構成のバイパス路を設けることによって効率的かつ確実な排水機能を有することが可能になる。また、多孔質吸水管体８６がパイプ状の芯材８８を有しているが、これに代替して棒状部材を用いてもよい。

図１３は、この発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック１６０の縦断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０と同様にバイパス流路１１１が形成されている点等の基本的構造は同一（第４実施形態まで同様）であるので、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。
この燃料電池スタック１６０では、出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂと出口側燃料ガス連通孔３６ｂに多孔質吸水管体１６２が配置されており、前記多孔質吸水管体１６２は、パイプ部材１６４と、このパイプ部材１６４内に配置される複数本の線材１６６とを備えている。

パイプ部材１６４は、出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂおよび出口側燃料ガス連通孔３６ｂに配置される部分に複数の孔部１６８を備えており、水の透過を可能にする一方、燃料電池スタック１６０の外部に露呈する部分には、孔部が設けられていない。なお、パイプ部材１６４は一体的に構成されているが、孔部１６８を設ける管体と孔部を有しない管体とを個別に設け、それらを継手等によって固定するように構成してもよい。また、線材１６６に代替して各種の吸水材を用いてもよい。

次に、図１４は、この発明の第３の実施形態を示し、具体的にはバイパス流路１１１の他の実施形態を示したものである。
この実施形態は、図１２に示したような第１の実施形態とは異なり、入口側酸化剤ガス連通孔３８ａの供給口Ｋと出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂの排出口Ｈとを異なる側、つまり燃料電池スタック１０の対向する面側に設けたものである。
この実施形態では上記供給口Ｋが出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂの奥側と同じ側に配置されるため、入口側酸化剤ガス連通孔３８ａの酸化剤ガスを分岐管１０３により分岐して出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂに供給している。
よって、この場合も出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂの奥側に滞留した生成水を排出口Ｈから押出すことができる。

このとき、入口側酸化剤ガス連通孔３８ａの奥側や手前側に結露水が溜まっている場合には、図１４に鎖線で示すようにバイパス路１０４を設けることができる。このようにすることで入口側酸化剤ガス連通孔３８ａ側の結露水の排出もスムーズに行なうことができる。

また、図１５に示す第４の実施形態のように、図１４と同様の入口側酸化剤ガス連通孔３８ａ、出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂの配置であっても、配管１０５を取りまわして入口側酸化剤ガス連通孔３８ａの奥側と出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂの手前側とを連結することもできる。
この場合にも、前記第３の実施形態と同様に、出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂの奥側の生成水と入口側酸化剤ガス連通孔３８ａの結露水とを確実に排出することができる。

なお、この発明は上記実施形態に限られるものではなく、例えば、第１実施例のバイパスプレートを設ける替わりに、第２エンドプレート８２の外側に入口側酸化剤ガス連通孔３８ａと出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂとを結ぶバイパス配管を設けるようにしても良い。また、前記各実施形態においては、吐出孔１１０と多孔質吸水管体とを併用した場合について述べたが、生成水等の排出が充分になされれば、多孔質吸水管体を廃止して吐出孔のみを設けるようにしても良い。また、前記吐出孔１１０は、出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂの長さ方向に復数設けるようにして、出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂの排出口Ｈ側から見た奥側のみならず中途部からも生成水を押出すようにしてもよい。

１８固体高分子電解質膜
２０カソード側電極（一対の電極）
２２アノード側電極（一対の電極）
１２単位燃料電池セル
１４第１セパレータ（セパレータ）
１６第２セパレータ（セパレータ）
１０、１６０燃料電池スタック
３６ａ入口側燃料ガス連通孔（入口側連通孔）
３６ｂ出口側燃料ガス連通孔（出口側連通孔）
３８ａ入口側酸化剤ガス連通孔（入口側連通孔）
３８ｂ出口側酸化剤ガス連通孔（出口側連通孔）
４２第１酸化剤ガス流路溝（反応ガス流路）
４４第２酸化剤ガス流路溝（反応ガス流路）
６０第１燃料ガス流路溝（反応ガス流路）
６２第２燃料ガス流路溝（反応ガス流路）
Ｔ２底部
４８第２酸化剤ガス連結流路（連結流路）
６６第２燃料ガス連結流路（連結流路）

Claims

固体高分子電解質膜を一対の電極で挟んで構成する単位燃料電池セルと、前記単位燃料電池セルを挟持する平面形状が矩形形状のセパレータとを水平方向に積層し、反応ガスである燃料ガスと酸化剤ガスを供給して発電を行なう燃料電池スタックであって、前記セパレータの外周縁部に、燃料ガスと酸化剤ガスの何れかの反応ガスを供給するための入口側連通孔と、前記反応ガスの反応済みガスを排出するための出口側連通孔とを、前記燃料電池スタックの積層方向に貫通して設け、前記反応ガスは前記セパレータの上方側に配置された前記入口側連通孔から、複数本の水平方向に延びた反応ガス流路を流れ、反応に使用されて、反応済みガスとして下方側に配置された前記出口側連通孔に流れ、前記反応ガス流路の出口は、前記セパレータの前記反応ガス流路が設けられた側とは反対側である裏側に貫通する複数の貫通部と、各貫通部を通って前記出口側連通孔につながる複数本の連通部とで構成された複数本の連結流路からなり、前記複数本の連結流路が前記セパレータ面に重力方向に並んで配置されて直接前記出口側連通孔に接続され、前記出口側連通孔につながる前記複数本の連結流路の中で、最も重力方向下方に位置する前記連結流路は前記出口側連通孔の底部よりも上方の位置でつながることを特徴とする燃料電池スタック。