JP2006228632A - 燃料電池スタックの配管構造 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックの配管構造において、配管中に混入したガスや水を滞留させることなく排出できるようにする。
【解決手段】本発明の燃料電池スタックの配管構造１は、燃料電池スタック２から冷却水を排出する冷却水出口配管６と燃料電池スタック２とを接続する冷却水出口接続部２４を、燃料電池スタック内の冷却水流路よりも高い位置に設置するとともに、燃料ガスを排出する燃料ガス出口配管５と燃料電池スタック２とを接続する燃料ガス出口接続部６４を燃料電池スタック内の燃料ガス流路よりも低い位置に設置し、さらに酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口配管８と燃料電池スタック２とを接続する酸化剤ガス出口接続部４４を燃料電池スタック内の酸化剤ガス流路よりも低い位置に設置したことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池スタックの配管構造に係り、特に冷却水中に混入したガスを滞留させることなく排出するように構成された燃料電池スタックの配管構造に関する。

固体高分子電解質型燃料電池は、イオン交換膜からなる電解質膜と、この電解質膜の一方の面に配置された燃料極と、電解質膜のもう一方の面に配置された空気極とから構成された膜−電極アセンブリを備え、この膜−電極アセンブリの燃料極及び空気極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するための流路となるセパレータを設置することによって単位燃料電池セルを形成する。この単位燃料電池セルの発電電力は、１Ｖ以下と低いため通常は単位燃料電池セルを複数積層させることによって、燃料電池スタックを形成し、例えば車両などに搭載して利用されている。

固体高分子電解質型燃料電池においては、燃料極側では水素が水素イオンと電子になる反応（Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- ）が起こり、空気極側では酸素と電解質膜を透過してくる水素イオンと外部回路を回ってきた電子とによって水を生成する反応（２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ）が起きている。

これらの反応が正常に行われるためには、まず水素イオンが電解質膜中を空気極側に移動できるようにある程度加湿されている必要がある。また、空気極での反応で生成される水滴によって、酸化剤ガスの空気極への供給が阻害されないように、燃料電池スタック内のガス流路（特に酸化剤ガス流路）から生成水が適切に燃料電池外部に排出されるようにすることも必要である。さらに、空気極での反応による熱を効果的に冷却できるように燃料電池スタック内の冷却水流路に空気が滞流しないようにすることも必要である。

また、これらの各流体の圧力・温度等を計測して燃料電池へ流入するガスの状況を最適に制御し、これによって燃料電池の寿命向上や発電性能の向上を図るために、各燃料電池配管には各種センサ類を設置する必要がある。

従来においては、例えば特開２００２−３４３４００号公報（特許文献１）に開示されているように、燃料電池スタックへの接続配管構造において、冷却水配管出口位置を燃料電池の貫通マニホールドより高い位置に設定して、冷却水配管内の空気抜け性を改善するようにしている。また、酸化剤ガス及び燃料ガスの配管出口位置を燃料電池の貫通マニホールドより低い位置に設定して、水抜け性を改善するようにしている。
特開２００２−３４３４００号公報

しかしながら、上述した特許文献１に開示された従来例では、各流体の接続位置と燃料電池スタックの貫通マニホールドとの位置関係を規定しただけなので、例えば各セル内の内部流路の状況によっては、燃料電池セル内の冷却水流路に空気溜まりが発生し、空気抜け性が悪化して冷却性能が悪くなるという問題点があった。また、酸化剤ガス流路内では生成水が溜まり、排水性が悪化してフラッディングによる発電効率の低下が起こるという問題点もあった。

また、燃料電池スタックが上下方向に複数積層されている場合については、燃料電池配管の接続位置について規定していないので、その接続位置によっては同様に冷却性能の低下や発電効率の低下などの不具合が起こる可能性があった。

さらに、各流体の燃料電池配管が上下に重なっているため、燃料電池スタックへ流入、あるいは燃料電池スタックから排出されるガスの温度・圧力等を測定する各種センサを燃料電池の出入口近傍に設置することが困難であった。このため、センサの設置位置から燃料電池までの配管構造によってはセンサ読取値と燃料電池出入り口での実際値との間に誤差が生じてしまい、燃料電池の寿命を短くしたり、燃料電池を効率よく発電できないという問題点があった。

上述した課題を解決するために、本発明に係わる燃料電池スタックの配管構造は、燃料電池スタックに流体を供給する燃料電池スタックの配管構造において、燃料電池スタックから冷却水を排出する冷却水出口配管と前記燃料電池スタックとの冷却水出口接続部は、前記燃料電池スタック内の冷却水流路よりも高い位置に設置されていることを特徴とする。

本発明に係る燃料電池スタックの配管構造では、燃料電池スタックから冷却水を排出する冷却水出口配管と燃料電池スタックとを接続する冷却水出口接続部を、燃料電池スタック内の冷却水流路よりも高い位置に設置したので、燃料電池スタックから排出される冷却水の流れを常に上昇していく流れにすることができる。これによって、冷却水に混入したガスを滞留させることなく、燃料電池外部に排出することができるので、冷却水の冷却性能が向上し、燃料電池スタックの発電性能及び寿命を向上させることができる。

以下、本発明に係わる燃料電池スタックの配管構造を実施するための最良の形態となる実施例について説明する。

図１は、本実施例に係る燃料電池スタックの配管構造の構成を示す斜視図である。

図１に示すように、本実施例の燃料電池スタックの配管構造１は、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応により反応させて発電する燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス入口配管３と、燃料電池スタック２に冷却水を供給する冷却水入口配管４と、燃料電池スタック２から燃料ガスを排出する燃料ガス出口配管５と、燃料電池スタック２から冷却水を排出する冷却水出口配管６と、燃料電池スタック２に燃料ガスを供給する燃料ガス入口配管７と、燃料電池スタック２から酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口配管８と、各配管を燃料電池スタック２に接続する燃料電池マニホールド９と、各配管に設置された各種センサ１３〜１８とを備えている。

ここで、燃料電池スタック２は、単位燃料電池セルが水平方向に複数積層されることによって構成されており、各単位燃料電池セルのアノードには燃料ガスである水素ガスが供給され、カソードには酸化剤ガスである空気が供給されてアノードとカソード間に挟持された電解質膜における電極反応によって発電している。また、各単位燃料電池セルには冷却水流路が設けられ、電気化学反応によって発熱した単位燃料電池セルを冷却している。

酸化剤ガス入口配管３は、燃料電池マニホールド９の上段に接続されて燃料電池スタック２に酸化剤ガスを供給している。

冷却水入口配管４は、燃料電池マニホールド９の中段に接続され、酸化剤ガス入口配管３と上下に重ならないようにずれて配置され、燃料電池スタック２に冷却水を供給している。

燃料ガス出口配管５は、燃料電池マニホールド９の下段に接続され、酸化剤ガス入口配管３及び冷却水入口配管４と上下に重ならないようにずれて配置され、燃料電池スタック２から燃料ガスを排出している。

冷却水出口配管６は、燃料電池マニホールド９の上段に接続されて燃料電池スタック２から冷却水を排出している。

燃料ガス入口配管７は、燃料電池マニホールド９の中段に接続され、隣接する冷却水出口配管６と上下に重ならないようにずれて配置され、燃料電池スタック２へ燃料ガスを供給している。

酸化剤ガス出口配管８は、燃料電池マニホールド９の下段に接続され、隣接する燃料ガス入口配管７、および冷却水出口配管６と上下に重ならないようにずれて配置され、燃料電池スタック２から酸化剤ガスを排出している。

燃料電池マニホールド９は、燃料ガスや酸化剤ガス、冷却水の各配管が接続され、燃料電池スタック２に各流体を供給し、また排出している。

各センサ１３〜１８は、配管内を流れる流体の圧力や温度などを検出するための検出手段であり、各配管の上部に設置されて検知部は下向きになっている。これにより、検知部に水が溜まることを防止して、低温環境下に放置された場合の凍結やガス圧力の制御不良などを防止することができる。また、燃料電池システムが車両の床下に設置される場合には、燃料電池スタック２から排出される燃料ガス及び酸化剤ガス配管の補機類側接続位置を常に外部マニホールド側が低い位置に設定すると、燃料電池接続配管内の水の滞留がなくなり、低温環境などで凍結による配管破損を防ぐことや、燃料電池の起動時間の短縮が可能になる。このとき、燃料電池外部マニホールド出口部分に溜まる水分は、例えば、当該部に燃料ガス及び酸化剤ガス排出手段を設置して排出ガスに混ぜて排出したりできるので、当該部に水が溜まることによる燃料電池の発電への悪影響を防ぐことができる。なお、仮に車両前部のコンパートメント部空間において同様の設置方法を採っても同等の効果を狙うことは無論可能である。

次に、上述したように構成された本実施例の燃料電池スタックの配管構造１における各流体の流れ方を説明する。ただし、燃料電池スタック内に示す矢印は、複数ある流路の一つを模式的に表したものである。

まず、図２及び図３に基づいて冷却水の流れ方を説明する。図２は燃料電池スタック２における冷却水の流れを模式的に説明するための図である。冷却水入口配管４（図１）から供給された冷却水は、図２に示すように、燃料電池マニホールド９の中段に設置された冷却水入口接続部２１から燃料電池マニホールド９に流入して冷却水入口流路２２へ送られる。そして、冷却水入口流路２２からは各単位燃料電池セルへ冷却水が供給され、単位燃料電池セル内の冷却水流路を通過して単位燃料電池セルを冷却し、冷却水出口流路２３へと冷却水が排出される。

ここで、燃料電池セル内の冷却水の流れを図３に基づいて説明する。図３に示すように、中段に設置された冷却水入口流路２２から供給された冷却水は、燃料電池セル３１内の上下に複数設置された冷却水流路３２を流れて、上段に設置された冷却水出口流路２３へと排出される。

ここで、図３に示すように、冷却水出口流路２３は燃料電池セル内の冷却水流路３２よりも高い位置に設置されている。したがって、冷却水の流れは燃料電池セル内の冷却水流路３２から冷却水出口流路２３へと上昇していく流れになり、冷却水流路３２に混入したガス（おもに空気）を冷却水出口流路２３へと排出することができる。

さらに、図２に示すように、冷却水出口流路２３に排出された冷却水は、燃料電池マニホールド９に送られて冷却水出口接続部２４から冷却水出口配管６へと排出される。

このとき冷却水出口接続部２４は上段に設置されているので、冷却水出口流路２３よりも高い位置になっている。したがって、冷却水の流れは冷却水出口流路２３から冷却水出口接続部２４へと上昇していく流れになり、冷却水流路３２に混入したガスを冷却水出口配管６へと排出することができる。

次に、図４及び図５に基づいて酸化剤ガスの流れ方を説明する。図４は燃料電池スタック２における酸化剤ガスの流れを模式的に説明するための図である。酸化剤ガス入口配管３（図１）から供給された酸化剤ガスは、図４に示すように、燃料電池マニホールド９の上段に設置された酸化剤ガス入口接続部４１から燃料電池マニホールド９に流入して酸化剤ガス入口流路４２へ送られる。そして、酸化剤ガス入口流路４２からは各単位燃料電池セルへ酸化剤ガスが供給され、単位燃料電池セル内の酸化剤ガス流路を通過してカソードに供給される。カソードでは供給された酸素と、電解質膜を透過してくる水素イオンと、外部回路を回ってきた電子とによって水を生成する反応（２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ）が行われる。そして、消費されずに残った酸化剤ガスや反応によって生成した水蒸気は酸化剤ガス出口流路４３へと排出される。

ここで、燃料電池セル内の酸化剤ガスの流れを図５に基づいて説明する。図５に示すように、上段に設置された酸化剤ガス入口流路４２から供給された酸化剤ガスは、燃料電池セル５１内の上下に複数設置された酸化剤ガス流路５２を流れて、下段に設置された酸化剤ガス出口流路４３へと排出される。

ここで、図５に示すように、酸化剤ガス出口流路４３は燃料電池セル内の酸化剤ガス流路５２よりも低い位置に設置されている。したがって、酸化剤ガスの流れは燃料電池セル内の酸化剤ガス流路５２から酸化剤ガス出口流路４３へと下降していく流れになり、酸化剤ガス流路５２に含まれる生成水などの水滴を酸化剤ガス出口流路４３へと排出することができる。

さらに、図４に示すように、酸化剤ガス出口流路４３に排出された水滴は、燃料電池マニホールド９に送られて酸化剤ガス出口接続部４４から酸化剤ガス出口配管８へと排出される。

このとき酸化剤ガス出口接続部４４は下段に設置されているので、酸化剤ガス出口流路４３よりも低い位置になっている。したがって、酸化剤ガスの流れは酸化剤ガス出口流路４３から酸化剤ガス出口接続部４４へと下降していく流れになり、酸化剤ガス流路５２に含まれる生成水などの水滴を酸化剤ガス出口配管８へと排出することができる。これによって、フラッディング（流路の水溜まり）による燃料電池の発電不良を防止することができる。

次に、図６及び図７に基づいて燃料ガスの流れ方を説明する。図６は燃料電池スタック２における燃料ガスの流れを模式的に説明するための図である。燃料ガス入口配管７（図１）から供給された燃料ガスは、図６に示すように、燃料電池マニホールド９の中段に設置された燃料ガス入口接続部６１から燃料電池マニホールド９に流入して燃料ガス入口流路６２へ送られる。そして、燃料ガス入口流路６２からは各単位燃料電池セルへ燃料ガスが供給され、単位燃料電池セル内の燃料ガス流路を通過してアノードに供給される。アノードでは供給された水素ガスが水素イオンと電子になる反応（Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- ）が行われ、消費されずに残った燃料ガスは燃料ガス出口流路６３へと排出される。

ここで、燃料電池セル内の燃料ガスの流れを図７に基づいて説明する。図７に示すように、中段に設置された燃料ガス入口流路６２から供給された燃料ガスは、燃料電池セル７１内の上下に複数設置された燃料ガス流路７２を流れて、下段に設置された燃料ガス出口流路６３へと排出される。

ここで、図７に示すように、燃料ガス出口流路６３は燃料電池セル内の燃料ガス流路７２よりも低い位置に設置されている。したがって、燃料ガスの流れは燃料電池セル内の燃料ガス流路７２から燃料ガス出口流路６３へと下降していく流れになり、燃料ガス流路７２に含まれる水滴を燃料ガス出口流路６３へと排出することができる。

さらに、図６に示すように、燃料ガス出口流路６３に排出された水滴は、燃料電池マニホールド９に送られて燃料ガス出口接続部６４から燃料ガス出口配管５へと排出される。

このとき燃料ガス出口接続部６４は下段に設置されているので、燃料ガス出口流路６３よりも低い位置になっている。したがって、燃料ガスの流れは燃料ガス出口流路６３から燃料ガス出口接続部６４へと下降していく流れになり、燃料ガス流路７２に含まれる水滴を燃料ガス出口配管５へと排出することができる。これによって、フラッディングによる燃料電池の発電不良を防止することができる。

このように、本実施例の燃料電池スタックの配管構造１では、燃料電池スタックから冷却水を排出する冷却水出口配管６と燃料電池スタック２とを接続する冷却水出口接続部２４が、燃料電池スタック２内の冷却水流路よりも高い位置に設置されているので、燃料電池スタックから排出される冷却水の流れを常に上昇していく流れにすることができる。これによって、冷却水流路３２内に混入したガスを滞留させることなく、燃料電池外部に排出することができるので、冷却水の冷却性能が向上し、燃料電池スタックの発電性能及び寿命を向上させることができる（請求項１の効果）。

また、本実施例の燃料電池スタックの配管構造１では、燃料電池スタック２から燃料ガスを排出する燃料ガス出口配管５と燃料電池スタック２とを接続する燃料ガス出口接続部６４が、燃料電池スタック２内の燃料ガス流路よりも低い位置に設置されているので、燃料電池スタック２から排出される燃料ガスの流れを常に下降していく流れにすることができる。これによって、燃料ガス流路７２に含まれる水滴を滞留させることなく、燃料電池外部に排出することができる（請求項３の効果）。

さらに、本実施例の燃料電池スタックの配管構造１では、燃料電池スタック２から酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口配管８と燃料電池スタック２とを接続する酸化剤ガス出口接続部４４が、燃料電池スタック２内の酸化剤ガス流路よりも低い位置に設置されているので、燃料電池スタック２から排出される酸化剤ガスの流れを常に下降していく流れにすることができる。これによって、酸化剤ガス流路５２に含まれる生成水などの水滴を滞留させることなく、燃料電池外部に排出することができ、これによって、フラッディングによる燃料電池の発電不良を防止することができる（請求項４の効果）。

また、本実施例の燃料電池スタックの配管構造１では、冷却水出口配管６と酸化剤ガス出口配管８を燃料電池スタック２の同一側に配置しているので、最もフラッディングが起こりやすいカソードの出口付近を通過する冷却水温度を高くすることができ、フラッディングの原因となる生成水の凝縮を防止することができる。また、燃料電池セル内を水平方向に各流体が流れる場合においては、左右両端にあるスタック出入口マニホールドと燃料電池外部マニホールドとの距離を短縮できるので、軽量化やコストを削減することができる（請求項６の効果）。

さらに、本実施例の燃料電池スタックの配管構造１では、燃料電池スタック２に接続される配管がそれぞれ上下で重ならないように配置されているので、各配管の上部にセンサ１３〜１８を設置するためのスペースを確保することができる。 また、隣接する配管同士が上下に重ならないように配置されているので、燃料電池ケースへの配管フランジ接続作業やホース組み付け作業などを行う場合に工具スペースやハンドスペースを確保でき、組み付け作業時間を短縮することができる（請求項７の効果）。

さらに、本実施例の燃料電池スタックの配管構造１では、燃料電池スタック２に接続される配管の接続部近傍にセンサを設置しているので、センサを補機類側に設置した場合と比較して、センサ設置部以降の配管レイアウトの変動による圧損影響などを少なくでき、センサ読取値と燃料電池へ導入される際の実際値との間で誤差が生じる可能性を減らすことができるため、センサ読取値により燃料電池スタック２内部のガス状況を的確に制御できるようになり、また燃料電池スタックの寿命や発電性能を向上させることができる。さらに、センサの検知部を下向きにしたので、検知部に水が溜まることを防止することができ、低温環境下に放置した場合の凍結防止や、さらには燃料電池スタックにおける発電のためのガス圧制御不良を防止することができる（請求項８の効果）。

図８は、実施例２に係る燃料電池スタックの配管構造の構成を示す斜視図である。図８に示すように、本実施例の燃料電池スタックの配管構造８１は、複数の燃料電池スタック８２ａ〜８２ｃが上下方向に積層されていることが実施例１と異なっており、その他の構成は実施例１と同様なので詳しい説明は省略する。

次に、上述のように構成された本実施例の燃料電池スタックの配管構造８１における各流体の流れ方を説明する。

まず、図９及び図１０に基づいて冷却水の流れ方を説明する。図９は各燃料電池スタック８２ａ〜８２ｃにおける冷却水の流れを模式的に説明するための図である。冷却水入口配管４（図８）から供給された冷却水は、図９に示すように、燃料電池マニホールド９０の中段に設置された冷却水入口接続部９１から燃料電池マニホールド９０へ流入し、そこから各燃料電池スタック８２ａ〜８２ｃの冷却水入口流路９２ａ〜９２ｃへ送られる。そして、冷却水入口流路９２ａ〜９２ｃからは各燃料電池スタック８２ａ〜８２ｃの単位燃料電池セルへ冷却水が供給され、単位燃料電池セル内の冷却水流路を通過して単位燃料電池セルを冷却し、冷却水出口流路９３ａ〜９３ｃへと冷却水を排出する。

ここで、各燃料電池スタック８２ａ〜８２ｃの燃料電池セル内の冷却水の流れを図１０に基づいて説明する。図１０に示すように、各燃料電池スタックの中段に設置された冷却水入口流路９２ａ〜９２ｃから供給された冷却水は、燃料電池セル１０１ａ〜１０１ｃ内の上下に複数設置された冷却水流路１０２ａ〜１０２ｃを流れて、各燃料電池スタックの上段に設置された冷却水出口流路９３ａ〜９３ｃへと排出される。

ここで、図１０に示すように、冷却水出口流路９３ａ〜９３ｃは各燃料電池セル内において燃料電池セル内の冷却水流路１０２ａ〜１０２ｃよりも高い位置に設置されている。したがって、冷却水の流れは燃料電池セル内の冷却水流路１０２ａ〜１０２ｃから冷却水出口流路９３ａ〜９３ｃへと上昇していく流れになり、冷却水流路１０２ａ〜１０２ｃに混入したガスを冷却水出口流路９３ａ〜９３ｃへと排出することができる。

さらに、図９に示すように、冷却水出口流路９３ａ〜９３ｃに排出された冷却水は、燃料電池マニホールド９に送られて冷却水出口接続部９４から冷却水出口配管６へと排出される。

このとき冷却水出口接続部９４は上段に設置されているので、最上部に設置された燃料電池スタック８２ａの冷却水出口流路９３ａよりも高い位置になっている。したがって、冷却水の流れは冷却水出口流路９３ａ〜９３ｃから冷却水出口接続部９４へと上昇していく流れになり、冷却水流路１０２ａ〜１０２ｃに混入したガスを冷却水出口配管６へと排出することができる。

次に、図１１及び図１２に基づいて酸化剤ガスの流れ方を説明する。図１１は燃料電池スタック８２ａ〜８２ｃにおける酸化剤ガスの流れを模式的に説明するための図である。酸化剤ガス入口配管３（図８）から供給された酸化剤ガスは、図１１に示すように、燃料電池マニホールド９の上段に設置された酸化剤ガス入口接続部１１１から燃料電池マニホールド９に流入し、そこから各燃料電池スタック８２ａ〜８２ｃの酸化剤ガス入口流路１１２ａ〜１１２ｃへ送られる。そして、酸化剤ガス入口流路１１２ａ〜１１２ｃからは各燃料電池スタック８２ａ〜８２ｃの単位燃料電池セルへ酸化剤ガスが供給され、単位燃料電池セル内の酸化剤ガス流路を通過してカソードに酸化剤ガスが供給される。カソードでは供給された酸素と、電解質膜を透過してくる水素イオンと、外部回路を回ってきた電子とによって水を生成する反応（２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ）が行われる。そして、消費されずに残った酸化剤ガスや反応によって生成した水蒸気は酸化剤ガス出口流路１１３ａ〜１１３ｃへと排出される。

ここで、各燃料電池スタック８２ａ〜８２ｃの燃料電池セル内の酸化剤ガスの流れを図１２に基づいて説明する。図１２に示すように、各燃料電池スタックの上段に設置された酸化剤ガス入口流路１１２ａ〜１１２ｃから供給された酸化剤ガスは、燃料電池セル１２１ａ〜１２１ｃ内の上下に複数設置された酸化剤ガス流路１２２ａ〜１２２ｃを流れて、各燃料電池スタックの下段に設置された酸化剤ガス出口流路１１３ａ〜１１３ｃへと排出される。

ここで、図１２に示すように、酸化剤ガス出口流路１１３ａ〜１１３ｃは各燃料電池セル内において燃料電池セル内の酸化剤ガス流路１２２ａ〜１２２ｃよりも低い位置に設置されている。したがって、酸化剤ガスの流れは燃料電池セル内の酸化剤ガス流路１２２ａ〜１２２ｃから酸化剤ガス出口流路１１３ａ〜１１３ｃへと下降していく流れになり、酸化剤ガス流路１２２ａ〜１２２ｃに含まれる生成水などの水滴を酸化剤ガス出口流路１１３ａ〜１１３ｃへと排出することができる。

さらに、図１１に示すように、酸化剤ガス出口流路１１３ａ〜１１３ｃに排出された水滴は、燃料電池マニホールド９に送られて酸化剤ガス出口接続部１１４から酸化剤ガス出口配管８へと排出される。

このとき酸化剤ガス出口接続部１１４は下段に設置されているので、最下部の燃料電池スタック８２ｃの酸化剤ガス出口流路１１３ｃよりも低い位置になっている。したがって、酸化剤ガスの流れは酸化剤ガス出口流路１１３ａ〜１１３ｃから酸化剤ガス出口接続部１１４へと下降していく流れになり、酸化剤ガス流路１２２ａ〜１２２ｃに含まれる生成水などの水滴を酸化剤ガス出口配管８へと排出することができる。これによって、フラッディングによる燃料電池の発電不良を防止することができる。

次に、図１３及び図１４に基づいて燃料ガスの流れ方を説明する。図１３は燃料電池スタック８２ａ〜８２ｃにおける燃料ガスの流れを模式的に説明するための図である。燃料ガス入口配管７（図８）から供給された燃料ガスは、図１３に示すように、燃料電池マニホールド９の中段に設置された燃料ガス入口接続部１３１から燃料電池マニホールド９に流入し、そこから各燃料電池スタック８２ａ〜８２ｃの燃料ガス入口流路１３２ａ〜１３２ｃへ送られる。そして、燃料ガス入口流路１３２ａ〜１３２ｃからは各燃料電池スタック８２ａ〜８２ｃの単位燃料電池セルへ燃料ガスが供給され、単位燃料電池セル内の燃料ガス流路を通過してアノードに供給される。アノードでは供給された水素ガスが水素イオンと電子になる反応（Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- ）が行われ、消費されずに残った燃料ガスは燃料ガス出口流路１３３ａ〜１３３ｃへと排出される。

ここで、燃料電池セル内の燃料ガスの流れを図１４に基づいて説明する。図１４に示すように、各燃料電池スタックの中段に設置された燃料ガス入口流路１３２ａ〜１３２ｃから供給された燃料ガスは、各燃料電池セル１４１ａ〜１４１ｃ内の上下に複数設置された燃料ガス流路１４２ａ〜１４２ｃを流れて、各燃料電池スタックの下段に設置された燃料ガス出口流路１３３ａ〜１３３ｃへと排出される。

ここで、図１４に示すように、燃料ガス出口流路１３３ａ〜１３３ｃは各燃料電池セル内において燃料電池セル内の燃料ガス流路１４２ａ〜１４２ｃよりも低い位置に設置されている。したがって、燃料ガスの流れは燃料電池セル内の燃料ガス流路１４２ａ〜１４２ｃから燃料ガス出口流路１３３ａ〜１３３ｃへと下降していく流れになり、燃料ガス流路１４２ａ〜１４２ｃに含まれる水滴を燃料ガス出口流路１３３ａ〜１３３ｃへと排出することができる。

さらに、図１３に示すように、燃料ガス出口流路１３３ａ〜１３３ｃに排出された水滴は、燃料電池マニホールド９に送られて燃料ガス出口接続部１３４から燃料ガス出口配管５へと排出される。

このとき燃料ガス出口接続部１３４は下段に設置されているので、最下部の燃料電池スタック８２ｃの燃料ガス出口流路１３３ｃよりも低い位置になっている。したがって、燃料ガスの流れは燃料ガス出口流路１３３ａ〜１３３ｃから燃料ガス出口接続部１３４へと下降していく流れになり、燃料ガスに含まれる水滴を燃料ガス出口配管５へと排出することができる。これによって、フラッディングによる燃料電池の発電不良を防止することができる。

このように、本実施例の燃料電池スタックの配管構造８１では、燃料電池スタックが上下に複数積層されている場合に、冷却水出口接続部９４が最上部の燃料電池スタック８２ａ内の冷却水流路よりも高い位置に設置されているので、各燃料電池スタック８２ａ〜８２ｃから排出される冷却水の流れを常に上昇していく流れにすることができる。これによって、冷却水流路１２２ａ〜１２２ｃに混入したガスを滞留させることなく、燃料電池外部に排出することができるので、冷却水の冷却性能が向上し、燃料電池スタックの発電性能及び寿命を向上させることができる（請求項２の効果）。

また、本実施例の燃料電池スタックの配管構造８１では、燃料電池スタックが上下に複数積層されている場合に、酸化剤ガス出口接続部１１４あるいは燃料ガス出口接続部１３４が最下部の燃料電池スタック８２ｃ内の冷却水流路よりも低い位置に設置されているので、各燃料電池スタック８２ａ〜８２ｃから排出される酸化剤ガス及び燃料ガスの流れを常に下降していく流れにすることができる。 これによって、酸化剤ガス流路１２２ａ〜１２２ｃ及び燃料ガス流路１４２ａ〜１４２ｃに含まれる生成水などの水滴を滞留させることなく、燃料電池外部に排出することができ、これによって、フラッディングによる燃料電池の発電不良を防止することができる（請求項５の効果）。

なお、上記実施例１および実施例２では、燃料電池スタック２に接続する各配管が上下に重ならない配置として、図１や図８に示すように燃料電池スタック２の正面から見て各接続部が逆ハの字形となるようにした例について示したが、図１５に示す燃料電池スタックの配管構造１５１のように、一つおきに上下に重なるような配置としてもよいし、またハの字形となるように配置してもよく、これらの配置とした場合についても、同等の効果を得ることができる。

実施例１に係る燃料電池スタックの配管構造の構成を示す斜視図である。 実施例１に係る燃料電池スタックの配管構造による冷却水の流れを説明するための斜視図である。 実施例１に係る燃料電池スタックの配管構造による冷却水の流れを説明するための断面図である。 実施例１に係る燃料電池スタックの配管構造による酸化剤ガスの流れを説明するための斜視図である。 実施例１に係る燃料電池スタックの配管構造による酸化剤ガスの流れを説明するための断面図である。 実施例１に係る燃料電池スタックの配管構造による燃料ガスの流れを説明するための斜視図である。 実施例１に係る燃料電池スタックの配管構造による燃料ガスの流れを説明するための断面図である。 実施例２に係る燃料電池スタックの配管構造の構成を示す斜視図である。 実施例２に係る燃料電池スタックの配管構造による冷却水の流れを説明するための斜視図である。 実施例２に係る燃料電池スタックの配管構造による冷却水の流れを説明するための断面図である。 実施例２に係る燃料電池スタックの配管構造による酸化剤ガスの流れを説明するための斜視図である。 実施例２に係る燃料電池スタックの配管構造による酸化剤ガスの流れを説明するための断面図である。 実施例２に係る燃料電池スタックの配管構造による燃料ガスの流れを説明するための斜視図である。 実施例２に係る燃料電池スタックの配管構造による燃料ガスの流れを説明するための断面図である。 各接続部の配置が異なる他の燃料電池スタックの配管構造の構成を示す斜視図である。

符号の説明

１、８１、１５１…配管構造
２、８２ａ〜８２ｃ…燃料電池スタック
３…酸化剤ガス入口配管
４…冷却水入口配管
５…燃料ガス出口配管
６…冷却水出口配管
７…燃料ガス入口配管
８…酸化剤ガス出口配管
９、９０…燃料電池マニホールド
１３〜１８…センサ
２１、９１…冷却水入口接続部
２２、９２ａ〜９２ｃ…冷却水入口流路
２３、９３ａ〜９３ｃ…冷却水出口流路
２４、９４…冷却水出口接続部
３１、５１、７１、１０１ａ〜１０１ｃ、１２１ａ〜１２１ｃ、１４１ａ〜１４１ｃ…燃料電池セル
３２、１０２ａ〜１０２ｃ、１２２ａ〜１２２ｃ…冷却水流路
４１、１１１…酸化剤ガス入口接続部
４２、１１２ａ〜１１２ｃ…酸化剤ガス入口流路
４３、１１３ａ〜１１３ｃ…酸化剤ガス出口流路
４４、１１４…酸化剤ガス出口接続部
５２、１２２ａ〜１２２ｃ…酸化剤ガス流路
６１、１３１…燃料ガス入口接続部
６２、１３２ａ〜１３２ｃ…燃料ガス入口流路
６３、１３３ａ〜１３３ｃ…燃料ガス出口流路
６４、１３４…燃料ガス出口接続部
７２、１４２ａ〜１４２ｃ…燃料ガス流路

Claims (8)

1. 燃料電池スタックに流体を供給する燃料電池スタックの配管構造において、
   燃料電池スタックから冷却水を排出する冷却水出口配管と前記燃料電池スタックとの冷却水出口接続部は、前記燃料電池スタック内の冷却水流路よりも高い位置に設置されていることを特徴とする燃料電池スタックの配管構造。
2. 前記燃料電池スタックが重力方向に積層された構成において、前記燃料電池スタックは、前記積層された燃料電池スタックのうちの最上部の燃料電池スタックであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタックの配管構造。
3. 前記燃料電池スタックから燃料ガスを排出する燃料ガス出口配管と前記燃料電池スタックとを接続する燃料ガス出口接続部は、前記燃料電池スタック内の燃料ガス流路よりも低い位置に設置されていることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の燃料電池スタックの配管構造。
4. 前記燃料電池スタックから酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口配管と前記燃料電池スタックとを接続する酸化剤ガス出口接続部は、前記燃料電池スタック内の酸化剤ガス流路よりも低い位置に設置されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックの配管構造。
5. 前記燃料電池スタックが重力方向に積層された構成において、前記燃料電池スタックは、前記積層された燃料電池スタックのうちの最下部の燃料電池スタックであることを特徴とする請求項３または４のいずれかに記載の燃料電池スタックの配管構造。
6. 前記冷却水出口配管と前記酸化剤ガス出口配管は、前記燃料電池スタックの同一側に配置されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池スタックの配管構造。
7. 前記燃料電池スタックのそれぞれの接続部は、隣接する接続部同士が上下に重複しないように配置されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池スタックの配管構造。
8. 前記燃料電池スタックに接続される配管には、それぞれの接続部近傍において検出部を下向きにした検出手段が設置されていることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池スタックの配管構造。

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