JP4668038B2

JP4668038B2 - 燃料電池スタック

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Publication number: JP4668038B2
Application number: JP2005331095A
Authority: JP
Inventors: 英明菊池; 優小田; 征治鈴木; 敬正川越
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2005-11-16
Filing date: 2005-11-16
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2025-11-16
Also published as: US20070111083A1; US8722219B2; JP2007141543A

Description

この発明は、単位燃料電池を複数積層してなる燃料電池スタックに関し、とりわけ、発電に伴う生成水や凝結水を排出する排水構造を備えた燃料電池スタックに関するものである。

燃料電池には、固体高分子電解質膜の表裏にアノード電極とカソード電極を配置して膜電極構造体を形成し、この膜電極構造体の両側に反応ガス通路を形成する一対のセパレータを配設することによって単位燃料電池（以下、「単位セル」と呼ぶ）を構成し、さらに、この単位セルを複数積層して、これらを端部固定部材で挟持することによって燃料電池スタックとするものが知られている。

前記の各単位セルでは、アノード電極側に水素を、カソード電極側に酸素（酸素を含む空気）を夫々導入し、このとき電解質膜を通した水素と酸素の電気化学反応によって電力を発生する。前記の電気化学反応の際には、電力の発生とともにカソード電極側で反応水が生成され、この反応水がカソード電極側で反応済みガス（以下、「オフガス」と呼ぶ。）とともにスタック外部に排出される。尚、カソード電極側で生成される反応水の一部は、電解質膜を通してアノード電極側に逆拡散され、その逆拡散した反応水は、アノード電極側でオフガスとともにスタック外部に排出される。
また、各単位セルには、電解質膜を保護するために加湿蒸気を含んだ反応ガスが供給されるが、この反応ガス中の蒸気は単位セル内やガス排出通路内で凝結し、凝結水となって反応済みガスとともにスタック外部に排出される。

この種の燃料電池スタックにおいては、各単位セル内の反応ガス通路に導通したガス供給孔とガス排出孔が、すべての単位セルと一方の端部固定部材を貫通するように形成されているが、一方の端部固定部材に形成されるガス排出孔の端部は、前述の反応水や凝結水等の水（以下、「残留水」と呼ぶ。）を外部に確実に排出し得るように燃料電池スタックの低い位置に配置されている。

しかし、端部固定部材のガス排出孔の端部には比較的径の太い外部の配管が接続されるため、ガス排出孔の端部を燃料電池スタック上の充分に低い位置に開口させることが難しいことがある。

このため、これに対処し得る燃料電池スタックの技術として、端部固定部材に、単位セルのガス排出孔から上方に屈曲したガス孔とは別に、単位セルのガス排出孔の内側下端位置に連通する水抜き用の分岐孔を設けたものが案出されている。
特開２０００−１６４２３７号公報

しかし、この従来の燃料電池スタックにおいては、水抜き用の分岐孔が一方の端部固定部材の下端位置にのみ形成されているため、燃料電池スタックが他方の端部固定部材側が下になるように傾斜した場合に、スタック内部からの残留水の排出が難しくなる。

これに対する対策として、前後両側の端部固定部材に同様に水抜き用の分岐孔を設け、いずれの分岐孔からも同様に残留水を排出し得るようにすることが検討されている。

ところが、燃料電池スタックからの排水は、通常、一箇所にまとめて一つの配管から行うことが商品上好ましいため、上記のように前後の端部固定部材に水抜き用の分岐孔を設ける場合には、両排水孔から排出される水滴を一箇所にまとめるために燃料電池の外部に別配管を追加しなければならない。このため、現在検討されている上記の燃料電池スタックにおいては、必要な外部配管が長くなることから、製造コストの高騰の原因になり易いうえ、設置にあたっての占有スペースが増大する。

そこでこの発明は、排水のための外部配管を少なくできるようにして、製造コストの低減と占有スペースの狭小化が可能な燃料電池スタックを提供しようとするものである。

上記の課題を解決するための手段として、請求項１に記載の発明は、電解質膜の表裏にアノード電極とカソード電極を有する膜電極構造体（例えば、後述の実施形態における膜電極構造体２０）と、この膜電極構造体のアノード電極面とカソード電極面に夫々密接して配置され、前記アノード電極面とカソード電極面との間に夫々反応ガス通路（例えば、後述の実施形態における反応ガス通路５１）を形成する一対のセパレータ（例えば、後述の実施形態におけるセパレータ３０Ａ，３０Ｂ）、によって単位燃料電池（例えば、後述の実施形態における単位セル１０）が構成され、この単位燃料電池が複数積層され、積層された複数の単位燃料電池が、積層方向両側に配置された端部固定部材によって挟持された燃料電池スタック（例えば、後述の実施形態における燃料電池スタックＳ）であって、前記各単位燃料電池内の前記反応ガス通路に導通するガス供給孔（例えば、後述の実施形態におけるガス供給孔１，３）とガス排出孔（例えば、後述の実施形態におけるガス排出孔２，４）が、前記複数の単位燃料電池から前記一方の端部固定部材（例えば、後述の実施形態におけるエンドプレート９０Ａ，９０Ｂ）にかけて連続して形成されて成るものにおいて、一端が前記ガス排出孔の前記他方の端部固定部材側の端部で前記ガス排出孔に接続される排水孔（例えば、後述の実施形態における排水孔８Ａ，８Ｂ）を、内側下端が少なくとも前記ガス排出孔の内側下端以下の高さになるように、前記ガス排出孔の外側に前記複数の単位燃料電池から前記一方の端部固定部材にかけて連続して形成するようにした。

これにより、単位燃料電池の反応ガス通路からガス排出孔に流れ込んだ残留水は、一方の端部固定部材に直接連通するガス排出孔の端部を通して、または、他方の端部固定部材側でガス排出孔に接続される排水孔を通して燃料電池スタックの外部に排出される。また、排水孔内に残留水が流れ込むと、その残留水にガス排出孔内のガス圧が作用し、その結果、残留水がガス圧によってスタック外部に押し出される。
また、排水孔は発電に伴う熱が直接伝達される単位燃料電池の内部に形成されているため、排水孔には発電に伴う熱が速やかに伝達される。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池スタックにおいて、前記排水孔の断面積を、前記ガス排出孔の断面積よりも小さく設定するようにした。
これにより、ガス排出孔から排水孔に残留水が流れ込むと、その残留水が排水孔の断面内を容易に満すようになる。流れ込んだ残留水によって排水孔の断面が満たされると、その残留水の前後の圧力差が大きくなり、残留水はその圧力差によってスタック外部に押し出され易くなる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の燃料電池スタックにおいて、前記他方の端部固定部材に、前記ガス排出孔と排水孔を接続する連通部（例えば、後述の実施形態における連通部９５）を設けるようにした。
これにより、ガス排出孔に流入した残留水は、一方の端部固定部材と他方の端部固定部材の少なくとも一方に流れ、一方の端部固定部材側に流れ込んだ残留水はそのままガス排出孔を通ってスタック外部に排出され、他方の端部固定部材側に流れ込んだ残留水は、他方の端部固定部材の連通部を通って排水孔内に入り、排水孔を通ってスタック外部に排出される。

また、請求項４に記載の発明は、前記各単位燃料電池の前記ガス排出孔の縁部と前記排水孔の縁部の間に、接触相手部材との隙間を通した水分の漏洩を防止するシール部材（例えば、後述の実施形態におけるシール部４４）が設けられた請求項３に記載の燃料電池スタックにおいて、前記他方の端部固定部材に、隣接する単位燃料電池の前記ガス排出孔と排水孔を跨ぐ凹溝（例えば、後述の実施形態における凹溝６０）と、この凹溝内に配置されて隣接する単位燃料電池の前記シール部材の反力を受ける反力受け部材（例えば、後述の実施形態におけるカバープレート６１、支持突起６３）を設け、この凹溝と反力受け部材によって前記連通部を構成するようにした。
これにより、ガス排出孔から他方の端部固定部材側に回り込んだ残留水は、他方の端部固定部材の凹溝と反力受け部材によって作られた連通部を通ってガス排出孔に流れ込むようになる。他方の端部固定部材に隣接する単位燃料電池は、ガス排出孔と排水孔の間に配置されるシール部材が他方の端部固定部材側の反力受け部材に当接する。これにより、シール部材による水分の漏れ防止がより確実になるとともに、端部の単位燃料電池が凹溝の内側方向に変形するのを制限される。

請求項１に記載の発明によれば、ガス排出孔の他端側に接続される排水孔を複数の単位燃料電池から一方の端部固定部材にかけて連続して形成したため、排水のための外部配管を一方の端部固定部材と他方の端部固定部材の両側から引き出す必要がなくなり、その結果、製造コストの低減と設置スペースの狭小化が可能になる。また、排水孔内に流れ込んだ残留水には、その残留水をスタック外部に押し出すようにガス排出孔内のガス圧が作用するため、燃料電池スタックが他方の端部固定部材側を下にするように傾斜した場合にあっても、排水孔を通して内部の水分を確実にスタック外に排出することができる。
さらに、この発明の場合、排水孔が発電に伴う熱が直接伝達される複数の単位燃料電池に跨って形成されているため、仮に、排水孔内に残留水が滞留してそのまま凍結することがあっても、その凍結した残留水を発電による熱によって速やかに解凍することができる。

請求項２に記載の発明によれば、排水孔の断面積が前記ガス排出孔の断面積よりも小さく、排水孔に流れ込んだ残留水が排水孔の断面内に満たされ易いため、排水孔に流れ込んだ残留水を、ガス排出孔内のガス圧によってより確実にスタック外部に押し出すことができる。

請求項３に記載の発明によれば、ガス排出孔と排水孔の端部を、外部配管を用いることなく接続することができるため、燃料電池スタックの小型化をより有利に進めることができる。

請求項４に記載の発明によれば、端部固定部材に設けられた凹溝と、凹溝内に配置される反力受け部材によって連通部が形成されるため、ガス排出孔と排水孔を確実に接続することができ、しかも、端部の単位燃料電池のシール部材の反力を反力受け部材で確実に受け止めることができることから、シール部材による密閉効果をより高めることができるとともに、凹溝に対峙する単位燃料電池の部分的な変形をも確実に阻止することができる。

以下、この発明に係る燃料電池スタックの一実施形態を図面に基づいて説明する。なお、この実施形態の燃料電池スタックＳは燃料電池自動車用である。
図１は燃料電池スタックＳの概略斜視図であり、燃料電池スタックＳは、縦方向に細長い単位燃料電池（以下、単位セルと称す）１０を多数積層して電気的に直列接続し、その両側にエンドプレート９０Ａ，９０Ｂを配置し、図示しないタイロッドによって締結して構成されている。なお、端部の単位セル１０の電極面とエンドプレート９０Ａ，９０Ｂの間には、図４に示すように絶縁部材９８を介して集電板９９が介装されている。この実施形態においては、エンドプレート９０Ａ，９０Ｂと絶縁部材９９がこの発明における端部固定部材を構成している。
また、この実施例の燃料電池スタックＳは、前記縦方向を鉛直方向に向けて車両に搭載される。以下、図中の矢印Ｘ，Ｙは水平方向を示し、矢印Ｚは鉛直方向を示す。

図２に示すように、単位セル１０は、膜電極構造体２０の両側にセパレータ３０Ａ，３０Ｂを配置したサンドイッチ構造をなす。詳述すると、膜電極構造体２０は、図５に示すように、例えばフッ素系電解質材料等からなる固体高分子電解質膜（電解質膜）２１の両側にアノード電極２２とカソード電極２３を設けて構成され、膜電極構造体２０のアノード電極２２に面してセパレータ３０Ａが、カソード電極２３に面してセパレータ３０Ｂが夫々配置されている。両セパレータ３０Ａ，３０Ｂは金属プレートを所定にプレス成形して形成されており、前記構成の単位セル１０を積層してなる燃料電池スタックＳでは、隣接する２つの単位セル１０，１０において、一方の単位セル１０のアノード側のセパレータ３０Ａと他方の単位セル１０のカソード側のセパレータ３０Ｂとが密接する。

図２において、膜電極構造体２０と両セパレータ３０Ａ，３０Ｂの左上隅部には、使役前の燃料ガス（例えば、水素ガス）が流通する燃料ガス供給口１１が設けられ、その対角位置である右下隅部には、使役後の燃料ガス（以下、アノードオフガスという）が流通するアノードオフガス排出口１２が設けられている。同様に、膜電極構造体２０と両セパレータ３０Ａ，３０Ｂの右上隅部には、使役前の酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス供給口１３が設けられ、その対角位置である左下隅部には、使役後の酸化剤ガス（以下、カソードオフガスという）が流通するカソードオフガス排出口１４が設けられている。
さらに、膜電極構造体２０と両セパレータ３０Ａ，３０Ｂの左端部には、使役前の冷却水が流通する４つの冷却水供給口１５・・・が縦列に並んで設けられ、対称位置である右端部には、使役後の冷却水が流通する４つの冷却水排出口１６・・・が縦列に並んで設けられている。冷却水供給口１５・・・と冷却水排出口１６・・・は、燃料ガス供給口１１及び酸化剤ガス供給口１３よりも下方であって、アノードオフガス排出口１２及びカソードオフガス排出口１４よりも上方に配置されている。

また、燃料ガス供給口１１と酸化剤ガス供給口１３の間、及び、アノードオフガス排出口１２とカソードオフガス排出口１４の間には、燃料電池スタックＳを締結するタイロッドを挿通するためのタイロッド挿通孔１７が設けられている。

アノード側とカソード側の二つのオフガス排出口１２，１４は全体が略矩形状に形成され、両者の中間位置に向かって全体が下方に傾斜している。ただし、両オフガス排出口１２，１４の中間部側の下端コーナ部分は各開口の内側方向に突出した膨出部が残されている。そして、膜電極構造体２０と両セパレータ３０Ａ，３０Ｂのこれらの膨出部には、オフガス排出口１２，１４に対して断面積の充分に小さい円形状の排水口１８Ａ，１８Ｂが形成されている。この排水口１８Ａ，１８Ｂは、その内側下端が、少なくともオフガス排出口１２，１４の内側下端以下の高さになるように形成されている。

また、図１に示すように、一方のエンドプレート９０Ａとその内側の絶縁部材９８（図１では図示せず）には、前述の単位セル１０のガス供給口１１，１３、オフガス排出口１２，１４、冷却水の供給口１５・・・、排出口１６・・・、排水口１８Ａ，１８Ｂに対応する位置にほぼ同様の開口が形成されている。なお、エンドプレート９０Ａ上の各開口については、前述の単位セル１０のものと対応する部分に同一符号を付し、同一名をもって呼ぶものとする。

ところで、単位セル１０と一方のエンドプレート９０Ａのガス供給口１１，１３、オフガス排出口１２，１４、冷却水の供給口１５・・・、排出口１６・・・、排水口１８Ａ，１８Ｂは、いずれも燃料電池スタックＳとして組み立てられた状態において、単位セル１０の積層方向に連続した孔を形成する。具体的には、燃料ガスと酸化剤ガスの各ガス供給口１１・・・，１３・・・は夫々ガス供給孔１，３を形成し、同様に、オフガス排出口１２・・・と１４・・・はガス排出孔２と４、冷却水の供給口１５・・・と排出口１６・・・は冷却水の導入孔５と戻り孔６、排水口１８Ａ，１８Ｂは残留水の排水孔８Ａ，８Ｂを夫々形成する。

そして、ガス供給孔１，３のエンドプレート９０Ａ側の端部（ガス供給口１１，１３）は、図示しない配管を介して水素ボンベ（燃料ガス供給源）とエアコンプレッサ（酸化剤ガス供給源）に夫々接続されている。また、ガス排出孔２，４のエンドプレート９０Ａ側の端部は、夫々排気管９１（図４において、カソード側の排気管９１のみ図示。）に接続され、排水孔８Ａ，８Ｂのエンドプレート９０Ａ側の端部は、細径のドレン配管９２（図４において、カソード側のドレン配管９２のみ図示。）に接続されている。なお、図４において、９３は、排気管９１内に配置されたガス圧調整弁であり、９４は、排気管９１とドレン配管９２を合流させて残留水の排水を一ヶ所で行うための排水ボックスである。
また、冷却水の導入孔５と戻り孔６のエンドプレート９０Ａ側の端部は、夫々図示しないマニホールドを介して冷却水の循環供給回路に接続されている。

一方、他方のエンドプレート９０Ｂ側では、ガス供給孔１，３、導入孔５、戻り孔６が夫々絶縁部材９８によって封止されており、ガス排出孔２，４は絶縁部材９８に設けられた連通部９５を介して夫々排水孔８Ａ，８Ｂの各端部に接続されている。この連通部９５については後に詳述する。

ここで、前述の単位セル１０の内部の通路について説明する。
なお、アノード側セパレータ３０Ａとカソード側セパレータ３０Ｂは、配置するときの表裏の向きが異なるだけで全体はほぼ同様の構造となっている。このため、ここでは図３に示すアノード側のセパレータ３０Ａを例に詳細に説明する。

図３に示すように、セパレータ３０Ａは、膜電極構造体２０に面当接する平坦部３６を備え、冷却水供給口１５・・・と冷却水排出口１６・・・の間に挟まれた矩形領域には、膜電極構造体２０から離間する方向に突出する複数の突条３１が鉛直方向に沿って形成されている。この各突条３１は、セパレータ３０Ａの幅方向左右に蛇行しながら鉛直方向に伸び、隣接する突条３１，３１は等間隔に配列されている。
これらの突条３１は、膜電極構造体２０に臨む面側において、幅方向左右に蛇行しつつ鉛直方向に延びる複数本の反応ガス通路５１を形成する。これら反応ガス通路５１の上下の各端部はバッファ部３７を介してガス供給口１１とオフガス排出口１２に連通している。バッファ部３７は、セパレータ３０Ａの膜電極構造体２０に臨む側の面に突設された複数の突起４０によって構成されている。なお、この上下のバッファ部３７は、ガス供給口１１から反応ガス通路５１に流入してオフガス排出口１２に抜けるガスの流れを整流するように機能する。

そして、セパレータ３０Ａの膜電極構造体２０に密接する面には、絶縁樹脂（例えば、シリコン樹脂）からなるシール部４３が設けられている。このシール部４３は、セパレータ３０Ａ上の突条３１とバッファ部３７の周囲と、セパレータ３０Ａ上の前述したほぼすべの開口の周囲を個別に囲繞するように設けられている。このシール部４３は、膜電極構造体２０との間でガス流通空間を形成し、かつ、各開口を個別に膜電極構造体２０の対応する開口に気密状態をもって導通させるものであるが、アノード側のガス供給口１１とオフガス排出口１２は、バッファ部３７及び反応ガス通路５１との間でガス流通を行う必要から、これらの周囲のシール部４３はバッファ部３７に臨む位置で欠如している。
なお、カソード側のセパレータ３０Ｂには同様にシール部４３が設けられているが、カソード側では、ガス供給口１３とオフガス排出口１４をバッファ部３７及び反応ガス通路５１に導通させる必要から、ガス供給口１３とオフガス排出口１４の周囲のシール部４３がバッファ部３７に臨む位置で欠如し、ガス供給口１１とオフガス排出口１２の周囲はシール部４３によって囲繞されている。

また、各セパレータ３０Ａ，３０Ｂの裏面には、膜電極構造体２０側の面と同様に絶縁樹脂（例えば、シリコン樹脂）からなるシール部４４が設けられている。このシール部４４は、セパレータ３０Ａ上の突条３１とバッファ部３７の裏面部の周囲と、セパレータ３０Ａ上の前述したほぼすべの開口の周囲を個別に囲繞するように設けられている。ただし、冷却水の供給口１５・・・と排出口１６・・・の周囲のシール部４４は、突条３１に臨む位置で欠如している。

また、隣接する２つの単位セル１０，１０間においては、図５に示すように一方の単位セル１０のアノード側のセパレータ３０Ａと、他方の単位セル１０のカソード側のセパレータ３０Ｂは、背中合わせで相互に密接しているが、相互に密接するセパレータ３０Ａ，３０Ｂのうちの、一方の突条３１の頂部３５と他方の突条３１の頂部３５は、突条３１の長手方向で間欠的に密接しており、両者の頂部３５，３５の残余の部分に隙間が形成されている。このため、背中合わせで相互に密接するセパレータ３０Ａ，３０Ｂの間には幅方向に流通可能な空間部が形成され、この空間部が、冷却水供給口１５・・・から冷却水排出口１６・・・に向かって冷却水の流れる冷却水通路５３となっている。なお、この冷却水通路５３の周囲は前述したシール部４４によって密閉されている。

このように構成された燃料電池スタックＳ及び単位セル１０では、アノード電極２２で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜２１を透過してカソード電極２３まで移動し、カソード電極２３で酸素と電気化学反応を起こして発電し、その際に水を生成する。この発電に伴う発熱により単位セル１０が所定の作動温度を越えないように、冷却水通路５３を流れる冷却水で熱を奪い冷却する。

ところで、ガス排出孔２，４の他方のエンドプレート９０Ｂ側の各端部を排水孔８Ａ，８Ｂに接続する連通部９５は、図６〜図１０に示すように絶縁部材９８の単位セル１０に臨む側の面に形成された凹溝６０と、この凹溝６０の長手方向の略中間位置において、凹溝６０の上部を覆うカバープレート６１（反力受け部材）とを備えている。凹溝６０の長手方向の両端部はガス排出孔２（または４）と排水孔８Ａ（または８Ｂ）に夫々開口し、カバープレート６１の上面には、凹溝６０を跨ぐ隣接するセパレータ３０Ｂ（単位セル１０）のシール部４４が密接するようになっている。
より詳細には、カバープレート６１は、凹溝６０の両縁に形成された段差部６２内に嵌合され、その状態において、上面が絶縁部材９８の上面と面一になっている。これに対し、セパレータ３０Ｂのシール部４４のうち、ガス排出孔２（または４）と排水孔８Ａ（または８Ｂ）の間の気密を保つ境界シール領域４４ａがカバープレート６１の上面に密接する。また、凹溝６０の幅方向中央位置には、頂部の高さが段差部６２と同一高さの支持突起６３が隆起して形成され、この支持突起６３がカバープレート６１の背面を支持するようになっている。なお、この実施形態の場合、この支持突起６３とカバープレート６１が反力受け部材を構成している。

この燃料電池スタックＳは、以上のような構成であるため、ガス供給孔１，２から燃料ガスと酸化剤ガスが夫々供給されると、各単位セル１０において発電が行われ、この発電の際に生成された反応水と、ガス中の水分が凝結した凝結水（以下、これらを「残留水」と呼ぶ。）がオフガスとともにガス排出孔２，４に排出される。
ガス排出孔２，４に流入した残留水は、燃料電池スタックＳが水平状態になっている場合には、ガス排出孔２，４の一方のエンドプレート９０Ａ側と他方のエンドプレート９０Ｂ側に流れ、一方のエンドプレート９０Ａ側に流出した残留水は、排気管９１と排水ボックス９４を通って外部に排出される。また、他方のエンドプレート９０Ｂ側に流出した残留水は、絶縁部材９８に設けられた連通部９５を通って排水孔８Ａ，８Ｂに流入し、排水孔８Ａ，８Ｂからさらにドレン配管９２と排水ボックス９４を通って外部に排出される。

また、この実施形態の燃料電池スタックＳの場合、車両搭載用であることから、車両の傾斜とともにスタックＳ全体が傾斜する状況が考えられる。
以下、一方のエンドプレート９０Ａが下側になる傾斜を「前方傾斜」と呼び、逆に他方のエンドプレート９０Ｂが下側になる傾斜を「後方傾斜」と呼び、夫々の傾斜の場合の残留水の排出について順次説明する。

＜前方傾斜時＞
前方傾斜時には、図７に示すように管径の太いガス排出孔２，４が一方のエンドプレート９０Ａ側を下向きにして傾斜しているため、残留水は主にガス排出孔２，４から前方の排気管９１にそのまま抜け、排水ボックス９４を通って外部に排出される。

＜後方傾斜時＞
後方傾斜時には、図１０に示すようにガス排出孔２，４が他方のエンドプレート９０Ｂ側を下向きにして傾斜しているため、残留水は他方のエンドプレート９０Ｂ側に集まり、絶縁部材９８の連通部９５を通って排水孔８Ａ，８Ｂに流入する。このとき、排水孔８Ａ，８Ｂのエンドプレート９０Ｂ側の端部は、残留水の通過する一連の通路の中で最低位になっているが、発電時等にガス圧調整弁８３等の作用によってガス排出孔２，４内が大気圧に対して相対的に高圧状態にされると、排水孔８Ａ，８Ｂに流れ込んだ残留水の前後に、ガス排出孔２，４内のガス圧と、排水孔８Ａ，８Ｂの一端側の大気圧が夫々作用し、このときの差圧によって排水孔８Ａ，８Ｂに流れ込んだ残留水が排水ボックス側に押出される。
特に、この実施形態の燃料電池スタックＳの場合、ガス排出孔２，４の断面積に対して排水孔８Ａ，８Ｂの断面積が充分に小さく設定されているため、連通部９５を通して排水孔８Ａ，８Ｂ内に残留水が流れ込むと、その残留水によって排水孔８Ａ，８Ｂの断面が閉塞、若しくは、充分に狭められるため、排水孔８Ａ，８Ｂに流れ込んだ残留水にはより効率良くガス排出孔２，４内のガス圧が作用し、それによってより確実な排水が可能となる。

したがって、この燃料電池スタックＳにおいては、スタックＳが前後のいずれ側に傾いても残留水を確実に外部に排出することができる。
また、この燃料電池スタックＳにおいては、ガス排出孔２，４の端部が連通部９５を介してスタックＳの内部の排水孔８Ａ，８Ｂに接続されているため、排水のための外部配管をより少なくして、製造コストの低減と設置スペースの狭小化を図ることができる。特に、この実施形態の場合、連通部９５を絶縁部材９８に設けるようにしているため、連通部９５を設けるための外部配管も必要がない。

また、この燃料電池スタックＳは、残留水の排水のための排水孔８Ａ，８ＢがスタックＳの各単位セル１０に跨るようにして直接形成されているため、発電による熱を排水孔８Ａ，８Ｂに直接的に作用させることができる。このため、排水孔８Ａ，８Ｂに仮に残留水が残り、その残留水が凍結するようなことがあっても、発電の再開時に、発電による熱によって速やかに凍結した残留水を解凍することができる。

さらに、この燃料電池スタックＳは、ガス排出孔２，４と排水孔８Ａ，８Ｂを接続する連通部９５が、絶縁部材９８の凹溝６０と、この凹溝６０内に形成された支持突起６３と、支持突起６３に支持されるカバープレート６１によって形成されているため、連通部９５を比較的低コストで容易に作ることができるうえ、絶縁部材９８に隣接する単位セル１０のシール部４４を不具合なく機能させることができる。即ち、シール部４４のうちの、ガス排出孔２，４と排水孔８Ａ，８Ｂの間に介在される境界シール領域４４ａが、カバープレート６１に密接した状態で凹溝６０を跨ぐ構造になっているため、ガス排出孔２，４と排水孔８Ａ，８Ｂの間の確実なシールを行うことができる。

また、特に、この燃料電池スタックＳにおいては、カバープレート６１の背面中央が支持突起６３を介して支持されているため、エンドプレート９０Ａ，９０Ｂによる挟持固定によって単位セル１０が絶縁部材側９８に強固に圧接された場合にも、隣接する単位セル１０が凹溝６０方向に変形する不具合は生じない。

〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施形態に限られるものではない。
例えば、前述した実施形態では、隣接する２つの単位セル間に総て冷却水通路を設けたが、冷却水通路は単位セル間に総て設けず、間引きして設けてもよい。この場合に、冷却水通路を間引いた部位では、隣接する２つの単位セルが１つのセパレータを共有し、該セパレータが一方の単位セルではアノード側セパレータとして機能し、他方の単位セルではカソード側セパレータとして機能する。

この発明に係る燃料電池スタックの概略斜視図。前記燃料電池スタックを構成する単位燃料電池の分解図。前記単位燃料電池を構成するセパレータの正面図。前記燃料電池スタックの図１のＡ−Ａ断面に対応する断面図。前記燃料電池スタックの部分断面図。燃料電池スタックを構成する絶縁部材の平面図。前記燃料電池スタックの図６のＢ−Ｂ断面に対応する断面図。前記絶縁部材の図６のＣ部の拡大図。前記絶縁部材の図８のＤ−Ｄ線に対応する断面図。前記燃料電池スタックの図６のＢ−Ｂ断面に対応する断面図。

符号の説明

Ｓ…燃料電池スタック
１，３…ガス供給孔
２，４…ガス排出孔
８Ａ，８Ｂ…排水孔
１０…単位セル
２０…膜電極構造体
２１…電解質膜
２２…アノード電極
２３…カソード電極
３０Ａ，３０Ｂ…セパレータ
４４…シール部
５１…反応ガス通路
６０…凹溝
６１…カバープレート（反力受け部材）
６３…支持突起（反力受け部材）
９０Ａ，９０Ｂ…エンドプレート（端部固定部材）
９５…連通部
９８…絶縁部材（端部固定部材）

Claims

電解質膜の表裏にアノード電極とカソード電極を有する膜電極構造体と、
この膜電極構造体のアノード電極面とカソード電極面に夫々密接して配置され、前記アノード電極面とカソード電極面との間に夫々反応ガス通路を形成する一対のセパレータ、
によって単位燃料電池が構成され、
この単位燃料電池が複数積層され、積層された複数の単位燃料電池が、積層方向両側に配置された端部固定部材によって挟持された燃料電池スタックであって、
前記各単位燃料電池内の前記反応ガス通路に導通するガス供給孔とガス排出孔が、前記複数の単位燃料電池から前記一方の端部固定部材にかけて連続して形成されて成るものにおいて、
一端が前記ガス排出孔の前記他方の端部固定部材側の端部で前記ガス排出孔に接続される排水孔を、内側下端が少なくとも前記ガス排出孔の内側下端以下の高さになるように、前記ガス排出孔の外側に前記複数の単位燃料電池から前記一方の端部固定部材にかけて連続して形成したことを特徴とする燃料電池スタック。
前記排水孔の断面積を、前記ガス排出孔の断面積よりも小さく設定したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
前記他方の端部固定部材に、前記ガス排出孔と排水孔を接続する連通部を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池スタック。
前記各単位燃料電池の前記ガス排出孔の縁部と前記排水孔の縁部の間に、接触相手部材との隙間を通した水分の漏洩を防止するシール部材が設けられた請求項３に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記他方の端部固定部材に、隣接する単位燃料電池の前記ガス排出孔と排水孔を跨ぐ凹溝と、この凹溝内に配置されて隣接する単位燃料電池の前記シール部材の反力を受ける反力受け部材を設け、この凹溝と反力受け部材によって前記連通部を構成したことを特徴とする燃料電池スタック。