JP6869836B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタックに関する。

一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード電極が、前記固体高分子電解質膜の他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備える。

電解質膜・電極構造体は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されることにより、発電セル（単位燃料電池）が構成されている。発電セルは、所定の数だけ積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

燃料電池スタックでは、ＭＥＡと一方のセパレータとの間に、一方の反応ガス流路として燃料ガス流路が形成され、ＭＥＡと他方のセパレータとの間に、他方の反応ガス流路として酸化剤ガス流路が形成されている。また、燃料電池スタックでは、燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給連通孔と、燃料ガスを排出する燃料ガス排出連通孔と、酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給連通孔と、酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出連通孔とが、冷却媒体を供給する冷却媒体供給連通孔と、冷却媒体を排出する冷却媒体排出連通孔とが、積層方向に沿って形成されている。

特開２００５−２５１５２６号公報

従来の燃料電池スタックでは、燃料ガス排出連通孔及び酸化剤ガス排出連通孔は、それぞれ１つずつ設けられ、これら反応ガス排出連通孔は、延在方向の一端側の出口でマニホールドとつながっている。このため、例えば車両に搭載した燃料電池スタックが積層方向に傾斜した場合、反応ガス排出連通孔の奥側端部（出口とは反対側の端部）に、燃料電池スタック内で生成された水（生成水）がたまる。その結果、積層方向の端部に配置された発電セル（端部セル）の圧力損失が上昇するため、端部セルに反応ガスが入りにくくなる。反応ガスが不足した発電セルでは、濃度過電圧が上昇するとともにセル電圧が低下することで、発電不安定が発生する。このため、発電の継続が困難となり得る。また、セル内に溜まった水により、電解質膜の劣化、電極触媒の劣化、セパレータの腐食が惹起されるため、燃料電池スタックの寿命が短くなる。

本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、燃料電池スタックの傾き時に、ドレンを介して生成水を排出することで反応ガス排出連通孔に生成水が滞留することを抑制することが可能であるとともに、燃料電池スタックに対する荷重作用時に衝撃を緩和してドレンの損傷を抑制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。

上記の目的を達成するため、本発明は、電解質膜の両側に電極が設けられてなる電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体に積層されたセパレータとを有する発電セルが水平方向に複数積層された積層体を備え、電極面に沿って反応ガスを流す反応ガス流路が形成された燃料電池スタックに関するものである。前記積層体には、前記反応ガス流路と連通するとともに前記反応ガスを排出する複数の反応ガス排出連通孔と、冷却媒体を流す冷却媒体連通孔と、生成水を排出するためのドレンとが、前記発電セルの積層方向に沿って貫通形成されている。前記ドレンは、前記複数の反応ガス排出連通孔に連通し、下方側に配置された前記反応ガス排出連通孔の底部よりも下方に位置するとともに、前記複数の反応ガス排出連通孔及び前記冷却媒体連通孔よりも前記積層方向と直交する水平方向内側に配置されている。

前記反応ガス流路は、水平方向に延在し、下方側に配置された前記反応ガス排出連通孔の底部は、前記反応ガス流路の重力方向最下部よりも下方に位置することが好ましい。

下方側に配置された前記反応ガス排出連通孔の底部は、前記積層方向と直交する水平方向の幅が下方に向かって小さくなる凹形状部を有することが好ましい。

本発明の燃料電池スタックでは、発電セルの積層方向に貫通して、生成水を排出するためのドレンが形成されており、当該ドレンは、複数の反応ガス排出連通孔に連通し、下方側に配置された前記反応ガス排出連通孔の底部よりも下方に位置するとともに、前記複数の反応ガス排出連通孔及び前記冷却媒体連通孔よりも前記積層方向と直交する水平方向内側に配置されている。このため、燃料電池スタックの傾き時に、積層体の反応ガス排出連通孔に滞留する生成水（滞留水）の量を減らす又はなくすことができる。これにより、燃料電池スタックの発電安定性を向上させることができる。また、滞留水が減少する又は発生しないことにより、電解質膜、電極触媒及びセパレータの少なくともいずれかの寿命の延長化が図られる。さらに、上記の位置にドレンが配置されているため、燃料電池スタックに対する荷重作用時に、衝撃が緩和され、ドレンの損傷を抑制することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの斜視図である。 発電セルの分解斜視図である。 酸化剤ガス流路側から見た第１金属セパレータの構成説明図である。 燃料電池スタックの、複数の酸化剤ガス排出連通孔を含む面での模式的断面図である。 燃料電池スタックの、複数の燃料ガス排出連通孔を含む面での模式的断面図である。 第１金属セパレータの部分拡大図である。 第２金属セパレータの部分拡大図である。 図４及び図５におけるＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿った模式的断面図である。 燃料電池スタックの効果を説明する模式的断面図である。

以下、本発明に係る燃料電池スタックについて好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１２が水平方向（矢印Ａ方向）又は重力方向（矢印Ｃ方向）に積層された積層体１４を備える。燃料電池スタック１０は、例えば、図示しない燃料電池電気自動車等の燃料電池車両に搭載される。

積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）一端には、ターミナルプレート（電力取出プレート）１６ａ、インシュレータ１８ａ及びエンドプレート２０ａが外方に向かって、順次、配設される。積層体１４の積層方向他端には、ターミナルプレート１６ｂ、インシュレータ１８ｂ及びエンドプレート２０ｂが外方に向かって、順次、配設される。一方のインシュレータ１８ａは、積層体１４と一方のエンドプレート２０ａとの間に配置されている。他方のインシュレータ１８ｂは、積層体１４と他方のエンドプレート２０ｂとの間に配置されている。インシュレータ１８ａ、１８ｂは、絶縁性材料、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）やフェノール樹脂等で形成される。

エンドプレート２０ａ、２０ｂは、横長（縦長でもよい）の長方形状を有するとともに、各辺間には、連結バー２４が配置される。各連結バー２４は、両端がエンドプレート２０ａ、２０ｂの内面に固定されており、複数の積層された発電セル１２に積層方向（矢印Ａ方向）の締め付け荷重を付与する。なお、燃料電池スタック１０は、エンドプレート２０ａ、２０ｂを端板とする筐体を備え、当該筐体内に積層体１４を収容するように構成してもよい。

発電セル１２は、図２に示すように、樹脂枠付きＭＥＡ２８が、第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２により挟持される。第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属薄板の断面を波形にプレス成形して構成される。第１金属セパレータ３０と第２金属セパレータ３２とは、外周を溶接、ろう付け、かしめ等により一体に接合され、接合セパレータ３３を構成する。

樹脂枠付きＭＥＡ２８は、電解質膜・電極構造体２８ａ（以下、「ＭＥＡ２８ａ」という）と、ＭＥＡ２８ａの外周部に接合されるとともに該外周部を周回する樹脂枠部材４６とを備える。ＭＥＡ２８ａは、電解質膜４０と、電解質膜４０の一方の面に設けられたアノード電極（第１電極）４２と、電解質膜４０の他方の面に設けられたカソード電極（第２電極）４４とを有する。

電解質膜４０は、例えば、固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）である。固体高分子電解質膜は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である。電解質膜４０は、アノード電極４２及びカソード電極４４に挟持される。電解質膜４０は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用することができる。

詳細は図示しないが、アノード電極４２は、電解質膜４０の一方の面に接合される第１電極触媒層と、当該第１電極触媒層に積層される第１ガス拡散層とを有する。カソード電極４４は、電解質膜４０の他方の面に接合される第２電極触媒層と、当該第２電極触媒層に積層される第２ガス拡散層とを有する。

発電セル１２の長辺方向である矢印Ｂ方向（図２中、水平方向）の一端縁部には、積層方向に延在して、酸化剤ガス供給連通孔３４ａ、複数の冷却媒体排出連通孔３６ｂ及び複数（例えば、本実施形態のように２個）の燃料ガス排出連通孔３８ｂ（反応ガス排出連通孔）が設けられる。酸化剤ガス供給連通孔３４ａ、複数の冷却媒体排出連通孔３６ｂ及び複数の燃料ガス排出連通孔３８ｂは、それぞれ、積層体１４、インシュレータ１８ａ及びエンドプレート２０ａを積層方向に貫通している（ターミナルプレート１６ａを貫通してもよい）。これらの連通孔は上下方向に配列して設けられる。燃料ガス排出連通孔３８ｂは、一方の反応ガスである燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。酸化剤ガス供給連通孔３４ａは、他方の反応ガスである酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する。冷却媒体排出連通孔３６ｂは、冷却媒体を排出する。

酸化剤ガス供給連通孔３４ａは、上下方向に離間して配置された２つの冷却媒体排出連通孔３６ｂの間に配置されている。複数の燃料ガス排出連通孔３８ｂは、上側燃料ガス排出連通孔３８ｂ１と、下側燃料ガス排出連通孔３８ｂ２とを有する。上側燃料ガス排出連通孔３８ｂ１は、上側の冷却媒体排出連通孔３６ｂの上方に配置されている。下側燃料ガス排出連通孔３８ｂ２は、下側の冷却媒体排出連通孔３６ｂの下方に配置されている。

発電セル１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、積層方向に互いに連通して、燃料ガス供給連通孔３８ａ、複数の冷却媒体供給連通孔３６ａ及び複数（例えば、本実施形態のように２個）の酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ（反応ガス排出連通孔）が設けられる。燃料ガス供給連通孔３８ａ、複数の冷却媒体供給連通孔３６ａ及び複数の酸化剤ガス排出連通孔３４ｂは、それぞれ、積層体１４、インシュレータ１８ａ及びエンドプレート２０ａを積層方向に貫通している（ターミナルプレート１６ａを貫通してもよい）。これらの連通孔は上下方向に配列して設けられる。燃料ガス供給連通孔３８ａは、燃料ガスを供給する。冷却媒体供給連通孔３６ａは、冷却媒体を供給する。酸化剤ガス排出連通孔３４ｂは、酸化剤ガスを排出する。酸化剤ガス供給連通孔３４ａ、複数の酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ、燃料ガス供給連通孔３８ａ及び複数の燃料ガス排出連通孔３８ｂの配置は、本実施形態に限定されるものではない。要求される仕様に応じて、適宜設定すればよい。

燃料ガス供給連通孔３８ａは、上下方向に離間して配置された２つの冷却媒体供給連通孔３６ａの間に配置されている。複数の酸化剤ガス排出連通孔３４ｂは、上側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ１と、下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２とを有する。上側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ１は、上側の冷却媒体供給連通孔３６ａの上方に配置されている。下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２は、下側の冷却媒体供給連通孔３６ａの下方に配置されている。

図１に示すように、酸化剤ガス供給連通孔３４ａ、冷却媒体供給連通孔３６ａ及び燃料ガス供給連通孔３８ａは、それぞれ、エンドプレート２０ａに設けられた入口３５ａ、３７ａ、３９ａに連通する。また、酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ、冷却媒体排出連通孔３６ｂ及び燃料ガス排出連通孔３８ｂは、それぞれ、エンドプレート２０ａに設けられた出口３５ｂ、３７ｂ、３９ｂに連通する。

図２に示すように、樹脂枠部材４６の矢印Ｂ方向の一端縁部には、酸化剤ガス供給連通孔３４ａ、複数の冷却媒体排出連通孔３６ｂ及び複数の燃料ガス排出連通孔３８ｂが設けられる。樹脂枠部材４６の矢印Ｂ方向の他端縁部には、燃料ガス供給連通孔３８ａ、複数の冷却媒体供給連通孔３６ａ及び複数の酸化剤ガス排出連通孔３４ｂが設けられる。

樹脂枠部材４６を用いることなく、電解質膜４０を外方に突出させてもよい。また、外方に突出した電解質膜４０の両側に枠形状のフィルムを設けてもよい。

図３に示すように、第１金属セパレータ３０の樹脂枠付きＭＥＡ２８に向かう面３０ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する酸化剤ガス流路４８が設けられる。酸化剤ガス流路４８は、酸化剤ガス供給連通孔３４ａ及び酸化剤ガス排出連通孔３４ｂに流体的に連通する。酸化剤ガス流路４８は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の凸部４８ａ間に直線状流路溝（又は波状流路溝）４８ｂを有する。

酸化剤ガス供給連通孔３４ａと酸化剤ガス流路４８との間には、プレス成形により、複数個のエンボス部を有する入口バッファ部５０ａが設けられる。酸化剤ガス排出連通孔３４ｂと酸化剤ガス流路４８との間には、プレス成形により、複数個のエンボス部を有する出口バッファ部５０ｂが設けられる。

第１金属セパレータ３０の面３０ａには、プレス成形により、複数のメタルビードシールが樹脂枠付きＭＥＡ２８に向かって一体に膨出成形される。当該メタルビードシールに代えて、弾性材料からなる凸状弾性シールが設けられてもよい。複数のメタルビードシールは、外側ビード部５２ａと、内側ビード部５２ｂと、複数の連通孔ビード部５２ｃとを有する。外側ビード部５２ａは、面３０ａの外周縁部を周回する。内側ビード部５２ｂは、酸化剤ガス流路４８、酸化剤ガス供給連通孔３４ａ及び酸化剤ガス排出連通孔３４ｂの外周を周回し且つこれらを連通させる。

複数の連通孔ビード部５２ｃは、燃料ガス供給連通孔３８ａ、燃料ガス排出連通孔３８ｂ、冷却媒体供給連通孔３６ａ及び冷却媒体排出連通孔３６ｂをそれぞれ周回する。なお、外側ビード部５２ａは、必要に応じて設ければよく、不要にすることもできる。

図２に示すように、第２金属セパレータ３２の樹脂枠付きＭＥＡ２８に向かう面３２ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する燃料ガス流路５８が形成される。燃料ガス流路５８は、燃料ガス供給連通孔３８ａ及び燃料ガス排出連通孔３８ｂに流体的に連通する。燃料ガス流路５８は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の凸部５８ａ間に直線状流路溝（又は波状流路溝）５８ｂを有する。

燃料ガス供給連通孔３８ａと燃料ガス流路５８との間には、プレス成形により、複数個のエンボス部を有する入口バッファ部６０ａが設けられる。燃料ガス排出連通孔３８ｂと燃料ガス流路５８との間には、プレス成形により、複数個のエンボス部を有する出口バッファ部６０ｂが設けられる。

第２金属セパレータ３２の面３２ａには、プレス成形により、複数のメタルビードシールが、樹脂枠付きＭＥＡ２８に向かって膨出成形される。当該メタルビードシールに代えて、弾性材料からなる凸状弾性シールが設けられてもよい。複数のメタルビードシールは、外側ビード部６２ａと、内側ビード部６２ｂと、複数の連通孔ビード部６２ｃとを有する。外側ビード部６２ａは、面３２ａの外周縁部を周回する。内側ビード部６２ｂは、外側ビード部６２ａよりも内側で、燃料ガス流路５８、燃料ガス供給連通孔３８ａ及び燃料ガス排出連通孔３８ｂの外周を周回し且つこれらを連通させる。

複数の連通孔ビード部６２ｃは、酸化剤ガス供給連通孔３４ａ、酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ、冷却媒体供給連通孔３６ａ及び冷却媒体排出連通孔３６ｂをそれぞれ周回する。なお、外側ビード部６２ａは、必要に応じて設ければよく、不要にすることもできる。

溶接又はロウ付けにより互いに接合される第１金属セパレータ３０の面３０ｂと第２金属セパレータ３２の面３２ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔３６ａと冷却媒体排出連通孔３６ｂとに流体的に連通する冷却媒体流路６６が形成される。冷却媒体流路６６は、酸化剤ガス流路４８が形成された第１金属セパレータ３０の裏面形状と、燃料ガス流路５８が形成された第２金属セパレータ３２の裏面形状とが重なり合って形成される。

図４に示すように、上側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ１と下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２とは、出口３５ｂの反対側の端部（奥側端部）で、第１連結流路７０により互いに連結されている。なお、図４では、理解の容易のため、燃料ガス供給連通孔３８ａ及び冷却媒体供給連通孔３６ａ（図２）の図示を省略している。本実施形態では、第１連結流路７０は、インシュレータ１８ｂに設けられている。

具体的に、第１連結流路７０は、インシュレータ１８ｂ内で上下方向に延在している。第１連結流路７０は、上側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ１に隣接する第１上側連通孔接続部７０ａと、下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２に隣接する第１下側連通孔接続部７０ｂと、第１上側連通孔接続部７０ａと第１下側連通孔接続部７０ｂとを繋ぐ第１中間部７０ｃとを有する。図８に示すように、第１中間部７０ｃの流路幅（矢印Ｂ方向の流路幅）は、第１上側連通孔接続部７０ａ及び第１下側連通孔接続部７０ｂの各流路幅よりも小さい。なお、第１中間部７０ｃの流路幅は、第１上側連通孔接続部７０ａ及び第１下側連通孔接続部７０ｂの各流路幅と同じか、それより大きくてもよい。

本実施形態と異なり、第１連結流路７０は、ターミナルプレート１６ｂ又はエンドプレート２０ｂに設けられてもよい。あるいは、第１連結流路７０は、インシュレータ１８ｂ及びエンドプレート２０ｂの外部に設けられた連結流路部材に設けられてもよい。

図４に示すように、燃料電池スタック１０には、燃料電池スタック１０の運転時（発電時）に燃料電池スタック１０内のカソード側で生じた生成水Ｗ（図９参照）を排出するための第１ドレン７２が設けられている。第１ドレン７２は、積層方向（矢印Ａ方向）に貫通形成され且つ第１連結流路７０に連通している。

図６に示すように、第１ドレン７２は、下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２の底部７５よりも下方に配置されている。下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２の底部７５は、積層方向と直交する水平方向（矢印Ｂ方向）の幅が下方に向かって小さくなる凹形状部７５ａを有する。本実施形態において、凹形状部７５ａは、Ｖ字状に形成されている。なお、凹形状部７５ａは円弧状に形成されてもよい。下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２の底部７５は、酸化剤ガス流路４８の重力方向最下部４８ｃよりも下方に位置する。

第１ドレン７２は、下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２の底部７５の最下部７５ｂよりも下方に配置されている。具体的に、底部７５の最下部７５ｂと第１ドレン７２の最上部７２ｂとは、鉛直方向（矢印Ｃ方向）に距離Ｈ１だけ高低差を有する。距離Ｈ１は、例えば、２〜１５ｍｍに設定され、好ましくは５〜１０ｍｍに設定される。第１ドレン７２は、酸化剤ガス流路４８の重力方向最下部４８ｃよりも下方に位置する。

第１ドレン７２は、酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ及び冷却媒体供給連通孔３６ａに対し、積層方向に直交する水平方向内側（長方形状の発電セル１２の長手方向中心側）に配置されている。具体的に、酸化剤ガス排出連通孔３４ｂの酸化剤ガス流路４８側の辺３４ｂｓと、第１ドレン７２の水平方向外端部７２ｃとは、水平方向に距離Ｌ１だけ離れている。距離Ｌ１は、例えば、２〜２０ｍｍに設定され、好ましくは５〜１５ｍｍに設定される。

図８に示すように、第１下側連通孔接続部７０ｂの底部９０は、積層方向と直交する水平方向の幅が下方に向かって小さくなる凹形状部９０ａを有する。当該凹形状部９０ａは、上述した下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２の凹形状部７５ａ（図６参照）と同様にＶ字状（円弧状でもよい）に形成されている。底部９０は、酸化剤ガス流路４８の重力方向最下部４８ｃ（図６参照）よりも下方に位置する。

燃料電池スタック１０には、第１連結流路７０と第１ドレン７２とを流体的に連通させる第１中継流路７４が設けられている。第１中継流路７４は、第１ドレン７２に隣接する第１ドレン接続部７４ａを有する。本実施形態では、第１中継流路７４は、インシュレータ１８ｂに設けられている。なお、第１連結流路７０がエンドプレート２０ｂに設けられる場合、第１中継流路７４もエンドプレート２０ｂに設けられるのが好ましい。第１連結流路７０と第１中継流路７４とは、インシュレータ１８ｂとエンドプレート２０ｂとに別々に設けられてもよい。

第１中継流路７４は、第１連結流路７０の最下部（第１下側連通孔接続部７０ｂの凹形状部９０ａの最下部）に繋がるとともに、第１連結流路７０から第１ドレン７２に向かって下方に傾斜する。

図２に示すように、第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２において、第１ドレン７２の外周には、生成水Ｗの漏れを防止するためのビードシール７２ａが設けられている。ビードシール７２ａは、第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２の厚さ方向にそれぞれ隣接するＭＥＡ２８側に向かって突出し且つ第１ドレン７２を囲むリング状に形成されている。

図５に示すように、上側燃料ガス排出連通孔３８ｂ１と下側燃料ガス排出連通孔３８ｂ２とは、出口３９ｂの反対側の端部（奥側端部）で、第２連結流路８０により互いに連結されている。なお、図５では、理解の容易のため、酸化剤ガス供給連通孔３４ａ及び冷却媒体排出連通孔３６ｂの図示を省略している。本実施形態では、第２連結流路８０は、インシュレータ１８ｂに設けられている。

具体的に、第２連結流路８０は、インシュレータ１８ｂ内で上下方向に延在している。第２連結流路８０は、上側燃料ガス排出連通孔３８ｂ１に隣接する第２上側連通孔接続部８０ａと、下側燃料ガス排出連通孔３８ｂ２に隣接する第２下側連通孔接続部８０ｂと、第２上側連通孔接続部８０ａと第２下側連通孔接続部８０ｂとを繋ぐ第２中間部８０ｃとを有する。図８に示すように、第２中間部８０ｃの流路幅（矢印Ｂ方向の流路幅）は、第２上側連通孔接続部８０ａ及び第２下側連通孔接続部８０ｂの各流路幅よりも小さい。なお、第２中間部８０ｃの流路幅は、第２上側連通孔接続部８０ａ及び第２下側連通孔接続部８０ｂの各流路幅と同じか、それより大きくてもよい。

本実施形態と異なり、第２連結流路８０は、ターミナルプレート１６ｂ又はエンドプレート２０ｂに設けられてもよい。あるいは、第２連結流路８０は、インシュレータ１８ｂ及びエンドプレート２０ｂの外部に設けられた連結流路部材に設けられてもよい。

図５に示すように、燃料電池スタック１０には、燃料電池スタック１０の運転時（発電時）に燃料電池スタック１０内のアノード側で生じた生成水Ｗ（図９参照）を排出するための第２ドレン８２が設けられている。第２ドレン８２は、積層方向（矢印Ａ方向）に貫通形成され且つ第２連結流路８０に連通している。

図７に示すように、第２ドレン８２は、下側燃料ガス排出連通孔３８ｂ２の底部７７よりも下方に配置されている。下側燃料ガス排出連通孔３８ｂ２の底部７７は、積層方向と直交する水平方向の幅が下方に向かって小さくなる凹形状部７７ａを有する。本実施形態において、凹形状部７７ａは、Ｖ字状に形成されている。凹形状部７７ａは円弧状に形成されてもよい。下側燃料ガス排出連通孔３８ｂ２の底部７７は、燃料ガス流路５８の重力方向最下部５８ｃよりも下方に位置する。なお、下側燃料ガス排出連通孔３８ｂ２及び下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２以外の連通孔（特に、反応ガス連通孔）についても同様に、それらの底部は、積層方向と直交する水平方向の幅が下方に向かって小さくなる凹形状部７７ａを有する（図３参照）。

第２ドレン８２は、下側燃料ガス排出連通孔３８ｂ２の底部７７の最下部７７ｂよりも下方に配置されている。具体的に、底部７７の最下部７７ｂと第２ドレン８２の最上部８２ｂとは、鉛直方向に距離Ｈ２だけ高低差を有する。距離Ｈ２は、例えば、２〜１５ｍｍに設定され、好ましくは５〜１０ｍｍに設定される。第２ドレン８２は、燃料ガス流路５８の重力方向最下部５８ｃよりも下方に位置する。

第２ドレン８２は、燃料ガス排出連通孔３８ｂ及び冷却媒体排出連通孔３６ｂに対し、積層方向に直交する水平方向内側（長方形状の発電セル１２の長手方向中心側）に配置されている。具体的に、燃料ガス排出連通孔３８ｂの燃料ガス流路５８側の辺３８ｂｓと、第２ドレン８２の水平方向外端部８２ｃとは、水平方向に距離Ｌ２だけ離れている。距離Ｌ２は、例えば、２〜２０ｍｍに設定され、好ましくは５〜１５ｍｍに設定される。

図８に示すように、第２下側連通孔接続部８０ｂの底部９２は、積層方向と直交する水平方向の幅が下方に向かって小さくなる凹形状部９２ａを有する。当該凹形状部９２ａは、上述した下側燃料ガス排出連通孔３８ｂ２の凹形状部７７ａ（図７参照）と同様にＶ字状（円弧状でもよい）に形成されている。底部９２は、燃料ガス流路５８の重力方向最下部５８ｃ（図７参照）よりも下方に位置する。

燃料電池スタック１０には、第２連結流路８０と第２ドレン８２とを流体的に連通させる第２中継流路８４が設けられている。第２中継流路８４は、第２ドレン８２に隣接する第２ドレン接続部８４ａを有する。本実施形態では、第２中継流路８４は、インシュレータ１８ｂに設けられている。なお、第２連結流路８０がエンドプレート２０ｂに設けられる場合、第２中継流路８４もエンドプレート２０ｂに設けられるのが好ましい。第２連結流路８０と第２中継流路８４とは、インシュレータ１８ｂとエンドプレート２０ｂとに別々に設けられてもよい。

第２中継流路８４は、第２連結流路８０の最下部（第２下側連通孔接続部８０ｂの凹形状部９２ａの最下部）に繋がるとともに、第２連結流路８０から第２ドレン８２に向かって下方に傾斜する。

なお、第１連結流路７０及び第２連結流路８０は、いずれか一方のみ設けられてもよい。第１ドレン７２及び第２ドレン８２は、いずれか一方のみ設けられてもよい。

図２に示すように、第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２において、第２ドレン８２の外周にはビードシール８２ａが設けられている。ビードシール８２ａは、第１金属セパレータ３０及び第２金属セパレータ３２の厚さ方向にそれぞれ隣接するＭＥＡ２８側に向かって突出し且つ第２ドレン８２を囲むリング状に形成されている。

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。

まず、図１に示すように、酸素含有ガス等の酸化剤ガス、例えば、空気は、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス供給連通孔３４ａ（入口３５ａ）に供給される。水素含有ガス等の燃料ガスは、エンドプレート２０ａの燃料ガス供給連通孔３８ａ（入口３９ａ）に供給される。純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体は、エンドプレート２０ａの冷却媒体供給連通孔３６ａ（入口３７ａ）に供給される。

酸化剤ガスは、図３に示すように、酸化剤ガス供給連通孔３４ａから第１金属セパレータ３０の酸化剤ガス流路４８に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、ＭＥＡ２８ａのカソード電極４４に供給される。

一方、燃料ガスは、図２に示すように、燃料ガス供給連通孔３８ａから第２金属セパレータ３２の燃料ガス流路５８に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路５８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、ＭＥＡ２８ａのアノード電極４２に供給される。

従って、各ＭＥＡ２８ａでは、カソード電極４４に供給される酸化剤ガスと、アノード電極４２に供給される燃料ガスとが、第２電極触媒層及び第１電極触媒層内で電気化学反応により消費されて、発電が行われる。

次いで、カソード電極４４に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード電極４２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３８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体供給連通孔３６ａに供給された冷却媒体は、第１金属セパレータ３０と第２金属セパレータ３２との間に形成された冷却媒体流路６６に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、ＭＥＡ２８ａを冷却した後、冷却媒体排出連通孔３６ｂから排出される。

この場合、本実施形態に係る燃料電池スタック１０は、以下の効果を奏する。

燃料電池スタック１０では、互いに高さの異なる複数の酸化剤ガス排出連通孔３４ｂが形成されるとともに、複数の酸化剤ガス排出連通孔３４ｂが第１連結流路７０により互いに連結されている（図４）。また、燃料電池スタック１０では、互いに高さの異なる複数の燃料ガス排出連通孔３８ｂが形成されるとともに、複数の燃料ガス排出連通孔３８ｂが第２連結流路８０により互いに連結されている（図５）。

このため、図９に示すように、燃料電池スタック１０が水平面Ｓに対して傾いた際（例えば、燃料電池スタック１０が搭載された車両が傾いた際）、生成水Ｗは、上側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ１から、第１連結流路７０を介して、第１ドレン７２へと流動する。また、生成水Ｗは、下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２から第１ドレン７２へと流動する。そして、第１ドレン７２の容積を超える生成水Ｗが第１ドレン７２に流入すると、生成水Ｗは、第１ドレン７２の出口７３から排出される。

詳細は図示しないが、アノード側の流路（図５）についても同様に、燃料電池スタック１０の傾き時に、生成水Ｗは、上側燃料ガス排出連通孔３８ｂ１から、第２連結流路８０を介して、第２ドレン８２へと流動する。また、生成水Ｗは、下側燃料ガス排出連通孔３８ｂ２から第２ドレン８２へと流動する。そして、第２ドレン８２の容量を超える生成水Ｗが第２ドレン８２に流入した場合、生成水Ｗは、第２ドレン８２の出口８３（図１参照）から排出される。

従って、燃料電池スタック１０によれば、燃料電池スタック１０の傾き時に、積層体１４（反応ガス排出連通孔）の端部に滞留する生成水Ｗ（滞留水）の量を減らす又は無くすことができる。これにより、燃料電池スタック１０の発電安定性を向上させることができる。また、燃料電池スタック１０内で滞留水が減少する又は発生しないことにより、電解質膜４０、電極触媒及びセパレータの少なくともいずれかの寿命の延長化が図られる。

燃料電池スタック１０には、生成水Ｗを排出するための第１ドレン７２及び第２ドレン８２が設けられている。そして、第１ドレン７２及び第２ドレン８２は、積層方向に貫通形成され、且つそれぞれ、第１連結流路７０及び第２連結流路８０に連通している。この構成により、第１ドレン７２及び第２ドレン８２を介して生成水Ｗの排出が促進されるため、滞留水をより効果的に減少させ、又は滞留水の発生を防止することが可能となる。

第１連結流路７０及び第２連結流路８０は、積層体１４の端部に配置されたインシュレータ１８ｂ又はエンドプレート２０ｂに設けられている。これにより、簡易且つ経済的な構成で、第１連結流路７０及び第２連結流路８０を設けることができる。

複数の酸化剤ガス排出連通孔３４ｂは、互いに異なる高さに配置された上側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ１及び下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２を有する。また、複数の燃料ガス排出連通孔３８ｂは、互いに異なる高さに配置された上側燃料ガス排出連通孔３８ｂ１及び下側燃料ガス排出連通孔３８ｂ２を有する。そして、第１ドレン７２及び第２ドレン８２は、それぞれ、下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２及び下側燃料ガス排出連通孔３８ｂ２よりも下方に配置されている。この構成により、重力の作用により、生成水Ｗの排出を一層促進することができる。

第１ドレン７２は、酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ及び冷却媒体供給連通孔３６ａよりも積層方向と直交する水平方向内側に配置されている。また、第２ドレン８２は、燃料ガス排出連通孔３８ｂ及び冷却媒体排出連通孔３６ｂよりも積層方向と直交する水平方向内側に配置されている。このため、燃料電池スタック１０に対する荷重作用時に、衝撃が緩和され、第１ドレン７２及び第２ドレン８２の損傷を抑制することが可能となる。

下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２の底部７５及び下側燃料ガス排出連通孔３８ｂ２の底部７７は、それぞれ、酸化剤ガス流路４８の重力方向最下部４８ｃ及び燃料ガス流路５８の重力方向最下部５８ｃよりも下方に位置する。この構成により、酸化剤ガス流路４８及び燃料ガス流路５８からそれぞれ下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２及び下側燃料ガス排出連通孔３８ｂ２へと生成水Ｗを良好に流動させることができる。

下側酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ２の底部７５及び下側燃料ガス排出連通孔３８ｂ２の底部７７は、積層方向と直交する水平方向の幅が下方に向かって小さくなる凹形状部７５ａ、７７ａを有する。この構成により、底部７５、７７に集められた生成水Ｗを、同様の形状を有する第１下側連通孔接続部７０ｂ及び第２下側連通孔接続部８０ｂ（図８）を介して、第１ドレン７２及び第２ドレン８２へと良好に流動させることができる。

本実施形態では、２枚の金属セパレータ間に電解質膜・電極構造体を挟持したセルユニットを構成し、各セルユニット間に冷却媒体流路を形成する、所謂、各セル冷却構造を採用している。これに対して、例えば、３枚以上の金属セパレータと２枚以上の電解質膜・電極構造体を備え、金属セパレータと電解質膜・電極構造体とを交互に積層したセルユニットを構成してもよい。その際、各セルユニット間には、冷却媒体流路が形成される、所謂、間引き冷却構造が構成される。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改変が可能である。

１０…燃料電池スタック １２…発電セル
３０…第１金属セパレータ ３２…第２金属セパレータ
３４ｂ…酸化剤ガス排出連通孔 ３８ｂ…燃料ガス排出連通孔
７０…第１連結流路 ７２…第１ドレン
８０…第２連結流路 ８２…第２ドレン

Claims (3)

1. 電解質膜の両側に電極が設けられてなる電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体に積層されたセパレータとを有する発電セルが水平方向に複数積層された積層体を備え、電極面に沿って反応ガスを流す反応ガス流路が形成された燃料電池スタックであって、
   前記積層体には、前記反応ガス流路と連通するとともに前記反応ガスを排出する複数の反応ガス排出連通孔と、冷却媒体を流す冷却媒体連通孔と、生成水を排出するためのドレンとが、前記発電セルの積層方向に沿って貫通形成され、
   前記複数の反応ガス排出連通孔は、前記反応ガスの出口の反対側の端部で連結流路により互いに連結されており、
   前記ドレンは、前記連結流路に連通し、下方側に配置された前記反応ガス排出連通孔の底部よりも下方に位置するとともに、前記複数の反応ガス排出連通孔及び前記冷却媒体連通孔よりも前記積層方向と直交する水平方向内側に配置されている、
   ことを特徴とする燃料電池スタック。
2. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記反応ガス流路は、水平方向に延在し、
   下方側に配置された前記反応ガス排出連通孔の底部は、前記反応ガス流路の重力方向最下部よりも下方に位置する、
   ことを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池スタックにおいて、
   下方側に配置された前記反応ガス排出連通孔の底部は、前記積層方向と直交する水平方向の幅が下方に向かって小さくなる凹形状部を有する、
   ことを特徴とする燃料電池スタック。

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