JP2007227014A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】複数のセルスタックへ容易に各流体を等分配することができ、且つ主に移動体に搭載する場合のスペース効率を向上させる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】セルスタックを複数有する発電手段１と、発電手段に燃料を供給する燃料供給手段と、発電手段に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、発電手段に冷却水を供給する冷却水供給手段と、前記燃料、酸化剤、冷却水を前記発電手段に供給し又は該発電手段から排出される燃料、酸化剤、冷却水を回収する燃料マニホールド（燃料供給マニホールド２２及び燃料排出マニホールド２５）、酸化剤マニホールド（酸化剤供給マニホールド３２及び酸化剤排出マニホールド３５）、冷却水マニホールド（冷却水供給マニホールド４２及び冷却水排出マニホールド４５）とを備え、前記燃料マニホールドと酸化剤マニホールドと冷却水マニホールドを一体化して一体型マニホールド２Ｒ，２Ｌとした。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、詳細には、発電手段の各セルスタックに燃料、酸化剤、冷却水を分配するマニホールド構造に関する。

燃料電池システムにおける発電手段の各セルスタックに燃料、酸化剤、冷却水といった流体を等分配する方法としては、例えば、２つのセルスタックに対して等距離となるような配管又は流路を設け、各流体の圧力損失を等価にして実現する方法が提案されている（例えば、特許文献１、２など参照）。
特開２００５−５１９６号公報 特開２００５−１１６２２６号公報

しかしながら、特許文献１、２に記載された技術では、セルスタックが２つの場合は簡便に流体を等分配することは可能であるが、セルスタックが３つ以上となった場合、同様の方法で３つ以上の配管又は流路の圧力損失を等価にする方法は複雑であり、各セルスタックへの分配性能が悪化する。

また、これら特許文献１、２に記載された技術では、配管及び流路に大きなスペースを有することとなり、限られた空間内にシステムを配設しなくてはならない移動体（例えば自動車）においては、セルスタックの小型化などが余儀なくされ、延いては燃料電池システムの出力低下を招くこととなる。

そこで本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、複数のセルスタックへ容易に各流体を等分配することができ、且つ主に移動体に搭載する場合のスペース効率を向上させる燃料電池システムを提供する。

本発明は、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を複数積層してなるセルスタックを複数有する発電手段と、この発電手段に燃料を供給する燃料供給手段と、発電手段に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、発電手段に冷却水を供給する冷却水供給手段と、燃料、酸化剤、冷却水を前記発電手段に供給し又は該発電手段から排出される燃料、酸化剤、冷却水を回収する燃料マニホールド、酸化剤マニホールド、冷却水マニホールドとを備える。そして、本発明の燃料電池システムでは、燃料マニホールドと酸化剤マニホールドと冷却水マニホールドを一体化して一体型マニホールドとする。

本発明によれば、燃料、酸化剤、冷却水の各流体を各セルスタックへ分配する燃料マニホールド、酸化剤マニホールド、冷却水マニホールドを、発電手段の外部へ流体毎に分割することなく一体化しているので、複雑な配管又は流路形状とすることなく複数セルスタックへの各流体の等分配性を持たせることができ、また、小型化によりスペース効率を向上させることができる。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

本実施形態の燃料電池システムは、発電手段としての燃料電池と、燃料電池に燃料としての水素を供給する燃料供給手段と、燃料電池に酸化剤としての空気を供給する酸化剤供給手段とを主要な構成要素として備え、燃料電池に水素系からの水素、空気系からの空気をそれぞれ供給することで、燃料電池でこれら水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させて発電電力を得るものである。

発電手段は、電解質膜をアノード側電極とカソード側電極で挟んで単位燃料電池セル（単セル）を複数積層してなるセルスタックからなり、これらセルスタックを複数有することことで構成される。本実施形態の燃料電池システムでは、固体高分子タイプの燃料電池を用いている。固体高分子タイプの燃料電池は、電解質として固体高分子膜を用いたものであり、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化等の点で優れている。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。

単セルでは１Ｖ程度の電圧となるため、一般に使用する場合には、単セルをカーボンや金属で形成されたセパレータで挟み複数積層することによってセルスタックを形成することで所望の電圧を得る。コジェネレーション用などの定置式燃料電池システムの場合、比較的設置空間に余裕があるため、単セルの積層枚数を増やすことが容易である。一方、設置空間が狭く定置式に比べ配設自由度の低い車両に燃料電池システムを搭載する場合、セルスタックの複数個を電気的に直列に接続し、単セルの積層枚数を増加させた場合と同じ効果を得ることが一般的に行なわれる。

セルスタックを複数用いる場合、それぞれのセルスタックに対して同等に燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水を分配する必要があり、一般的に分配機能を有するマニホールドが必要となる。

水素（燃料）系は、例えば、水素を貯蔵する高圧水素タンクや炭化水素燃料改質器、水素供給通路、バルブ、水素排気通路、水素希釈装置、水素燃焼装置等を有する。この水素系において、水素供給源である高圧水素タンクから取り出された水素は、可変バルブなどで流量や圧力が調整された上で、水素供給通路を通じて燃料電池の燃料極へと供給される。また、燃料電池の燃料極から排出されたアノード排出ガスは、水素排気通路を通って水素希釈装置で水素濃度が十分に希釈されるか水素燃焼装置で酸化された上で、システム外部に排出される。

なお、水素（燃料）系の構成は、以上の例に限定されるものではなく、従来公知の構成が何れも採用可能である。例えば、燃料電池での発電で消費されなかった余剰の水素をポンプやエゼクタを用いて循環させて、燃料電池の燃料極に再度供給する水素循環型の構成を採用してもよく、この場合には、水素の利用効率を高めながら燃料電池での発電を効率的に行なうことが可能となる。

燃料電池で発電を行なうには、燃料としての水素の他、酸化剤としての空気を供給する必要があり、燃料電池システムには、そのための機構として空気（酸化剤）系が設けられている。

空気（酸化剤）系は、例えば、空気を圧縮し燃料電池の酸化剤極へ供給する圧縮機や、空気冷却装置、空気供給通路、加湿器、空気排気通路、可変バルブ等を有する。この空気（酸化剤）系において、大気を圧縮機にて圧縮して供給された空気は、可変バルブなどで流量や圧力が調整され、空気冷却装置や加湿器によって適切な温度・湿度に調整されて燃料電池の酸化剤極へ供給される。また、燃料電池の酸化剤極から排出された排出ガスは、空気排気通路を介してシステム外部へ排出される。

また、燃料電池では、発電は発熱反応であるため、単セル（セルスタック）の冷却を行なう必要があり、燃料電池システムにはそのための機構として冷却水供給（循環）手段が設けられる。

冷却は、例えばエチレングリコールと水を混ぜた冷却水をポンプや放熱装置、フィルタ等を介して循環させる。また、冷却系は、燃料電池以外の例えば水素系のポンプや空気系の圧縮機などの熱を発する装置の冷却手段として使用することもできる。

次に、本発明を適用した燃料電池システムの具体的な実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、発電手段１（二点鎖線で示す）の両端部における下面には、燃料を発電手段１に供給排出させる燃料マニホールド（燃料供給マニホールド２２及び燃料排出マニホールド２５）と、酸化剤を発電手段１に供給排出させる酸化剤マニホールド（酸化剤供給マニホールド３２及び酸化剤排出マニホールド３５）と、冷却水を発電手段１に供給排出させる冷却水マニホールド（冷却水供給マニホールド４２及び冷却水排出マニホールド４５）とを一体化させた一体型マニホールド２Ｒ、２Ｌをそれぞれ取り付けてある。発電手段１は、前記したように、図示を省略するセルスタックの複数個を並べて配置することで構成されている。

図２には、一方の一体型マニホールド２Ｒを図示してある。この一体型マニホールド２Ｒは、内部が３つの空間に分割されている。すなわち、かかる一体型マニホールド２Ｒは、燃料排出マニホールド２５と、酸化剤供給マニホールド３２と、冷却水排出マニホールド４５とを有し、これらが互いに分割されることなく一体化されている。

図３には、他方の一体型マニホールド２Ｌを図示してある。他方の一体型マニホールド２Ｌも一方の一体型マニホールド２Ｒと同様、内部が３つの空間に分割されている。すなわち、この一体型マニホールド２Ｌは、燃料供給マニホールド２２と、酸化剤排出マニホールド３５と、冷却水供給マニホールド４２とを有し、これらが互いに分割されることなく一体化されている。

燃料は、発電手段１の周辺に配置された燃料供給手段（図示は省略する）から供給され、燃料供給マニホールド２２の燃料供給配管（燃料の入口）２１から燃料供給マニホールド２２のマニホールド空間内へ流入し、該燃料供給マニホールド２２から燃料供給連通管（燃料の出口）２３を介して発電手段１へ流入する。この燃料供給連通管２３は、燃料供給マニホールド２２の天面に垂直方向上方に向けて設けられている。本実施形態では、燃料供給連通管２３を、セルスタックの数（３個）に対応させて燃料供給マニホールド２２の天面に３箇所設けている。

発電手段１で発電に利用されずに余った燃料は、発電手段１から燃料排出連通管（燃料の入口）２４を介して燃料排出マニホールド２５のマニホールド空間内へ流入し、燃料排出配管（燃料の出口）２６から燃料排出マニホールド２５の外に排出される。排出された燃料は、一般的に循環使用されるが、触媒で酸化させたり空気で希釈したりして大気へ排出することも考えられる。前記燃料排出連通管２４は、燃料排出マニホールド２５の天面に垂直方向上方に向けて設けられている。本実施形態では、セルスタックの数に対応させて燃料排出連通管２４を３箇所に設けている。燃料排出配管２６は、前記燃料排出連通管２４に対して水平方向に出来るだけ離れた位置に垂直方向上方に向けて設けられている。本実施形態では、燃料排出連通管２４から最も離れた角部に燃料排出配管２６を設けている。

酸化剤は、発電手段１の周辺に配置された酸化剤供給手段（図示は省略する）から供給され、酸化剤供給配管３１から酸化剤供給マニホールド３２のマニホールド空間内へ流入し、該酸化剤供給マニホールド３２から酸化剤供給連通管３３を介して発電手段１へ流入する。この酸化剤供給連通管３３は、酸化剤供給マニホールド３２の天面に垂直方向上方に向けて設けられている。本実施形態では、酸化剤供給連通管３３を、セルスタックの数に対応させて酸化剤供給マニホールド３２の天面に３箇所設けている。

発電手段１で余った酸化剤は、発電手段１から酸化剤排出連通管３４を介して酸化剤排出マニホールド３５のマニホールド空間内へ流入し、酸化剤排出配管３６から酸化剤排出マニホールド３５の外に排出される。排出された酸化剤は、一般的にそのまま大気に排出される。この酸化剤排出連通管３４は、酸化剤排出マニホールド３５の天面に垂直方向上方に向けて設けられている。本実施形態では、酸化剤排出連通管３４を、セルスタックの数に対応させて酸化剤排出マニホールド３５の天面に３箇所設けている。

冷却水は、発電手段１の周辺に配置された冷却水供給手段（図示は省略する）から供給され、冷却水供給配管４１から冷却水供給マニホールド４２のマニホールド空間内へ流入し、該冷却水供給マニホールド４２から冷却水供給連通管４３を介して発電手段１へ流入する。この冷却水供給連通管４３は、冷却水供給マニホールド４２の天面に垂直方向上方に向けて設けられている。本実施形態では、冷却水供給連通管４３を、セルスタックの数に対応させて冷却水供給マニホールド４２の天面に３箇所設けている。

発電手段１で余った冷却水は、冷却水排出連通管４４を介して発電手段１から冷却水排出マニホールド４５のマニホールド空間内へ流入し、冷却水排出配管４６から冷却水排出マニホールド４５の外に排出される。冷却水排出マニホールド４５の外に排出された冷却水は、一般的に循環使用され、循環流路途中に水温調整手段などを有する構成となる。この冷却水排出連通管４４は、冷却水排出マニホールド４５の天面に垂直方向上方に向けて設けられている。本実施形態では、冷却水排出連通管４４を、セルスタックの数に対応させて冷却水排出マニホールド４５の天面に３箇所設けている。

図４は、図２に示すマニホールド２Ｒを発電手段１上方から見下ろしたときの平面図である。各セルスタック３は、前記した燃料排出連通管２４、酸化剤供給連通管３３、冷却水排出連通管４４に対してシール材（図示は省略する）などを介してそれぞれ接続されている。なお、他方のマニホールド２Ｌも同様、各セルスタック３と燃料供給連通管２３、酸化剤排出連通管３４、冷却水供給連通管４３とがシール材を介してそれぞれ接続されている。

各マニホールド２２，２５，３２，３５，４２，４５は、所定のマニホールド空間を有しており、そのマニホールド空間内において各流体の流速を可能な限り遅くすることによって、複雑な分配流路を設けずに各セルスタック３へ各流体を等分配することができる。マニホールド空間の大きさは、発電手段１が必要とする各流体流量によって変動するが、一般的に発電手段１が最高出力を出している時でも各流体の流速が十分遅くなるようすることが考えられる。

ところで、発電手段１は、
燃料極：Ｈ₂ → ２Ｈ₊ ＋ ２ｅ_-
酸化剤極：２Ｈ₊ ＋ １／２Ｏ₂ ＋ ２ｅ_- → Ｈ₂Ｏ
という化学反応をそれぞれの極で発生し、反応中の電子の動きによって電流を得る。結果として、多量の生成水が発生することとなる。

このように生成された生成水は、発電手段１から排出されるが、燃料及び酸化剤に含まれることとなり、運転時には気流に乗って液水として下流へ流れることとなる。そのため、下流部品は、液水を含む液体を処理する必要があり、効率の悪化や制御性の低下、長期的には生成水による腐食を招く恐れがある。

以下、燃料系に関してのみ示すが、酸化剤系についても同様の効果を得ることができる。

一般的には、発電手段１から排出される液水を分離し処理する手段（例えば、遠心分離や邪魔板を用いた気液分離手段）をマニホールドとは別に設ける必要があるが、発電手段１への燃料供給マニホールド２２に比べ燃料排出マニホールド２５のマニホールド空間を大きくすることによって、マニホールド空間内を流れる燃料の流速が遅くなり、液水の分離を行い易くすることができる。このように、燃料供給マニホールド２２よりも燃料排出マニホールド２５のマニホールド空間を大きくすれば、そのマニホールド空間内に有効な気液分離手段を設けることができる。また、マニホールド空間を出来るだけ深くすることによって、より多量の貯水を行なうことができるようになる。

有効な気液分離装置の例としては、例えば図５に示すように、燃料排出マニホールド２５の発電手段１から燃料が排出される燃料排出連通管２４の直下を、当該燃料排出マニホールド２５のマニホールド空間の深さの最深部とする。図５は、図２のＡ−Ａ断面を矢視Ｂから見たときの断面図である。この燃料排出マニホールド２５の最深部には、気液分離手段である気液分離装置５０によって分離されマニホールド空間に溜まった水をマニホールド外部へ排水するための水排水手段が設けられている。水排水手段は、一体型マニホールド２Ｒの側面に設けられた第１水排出出口管２７ａ及びこの第１水排出出口管２７ａに設けられた電気開閉式のバルブ（図示は省略する）と、この水排出出口管２７ａとマニホールド最深部に連通した水排出流路管２７ｂと、マニホールド底部から下方へ垂下して設けられた第２水排出出口管２７ｃとからなる。

発電手段１から燃料排出連通管２４を介して燃料排出マニホールド２５のマニホールド空間内に入った燃料は、そのマニホールド空間内で流速が遅くなる。しかし、慣性の大きい液水は、大きな流速を持ったままマニホールド最深部へ進入し貯水されることとなる。加えて、燃料排出マニホールド２５のマニホールド空間上部を流れる気流中に、別の気液分離手段を設け、より気液分離性能をあげることも考えられる。気流中に設ける気液分離手段としては、例えば遠心力を用いる手段や気流中に邪魔板やメッシュを設ける手段などが考えられる。気液分離手段として、これらどの手段を用いても燃料排出連通管２４から排出される液水をより一層効果的に分離することが可能となる。

さらに、燃料排出マニホールド２５のマニホールド空間への燃料の入口、出口（燃料排出連通管２４及び燃料排出配管２６）ともにマニホールドに垂直方向上方に向けて設けることによって、気体である燃料はマニホールド空間上方を流れるため、貯水を燃料の気流によって巻き上げることなくマニホールド下部へ貯水させることが容易となる。

ところで、車両など移動体に燃料電池システムを搭載した場合、旋回や加減速又は登坂などによって移動体が傾斜することが考えられる。この時、マニホールド内の燃料気流近くの意図しない箇所に一時的に貯水された場合、気流によって貯水が再び巻き上げられることも考えられる。これを防止するために、移動体傾斜時にも所望の場所に貯水させるために、一体型マニホールド２Ｒの底面に傾斜５２を設け、移動体の姿勢によらず常に最深部へ貯水するようにする。なお、この傾斜５２の傾斜角度は、移動体の傾きの最大以上であることが必要となる。

このようにして貯水された水は、マニホールド空間のうち最深部に設けられた水排出流路管２７ｂを経由して第１水排出出口管２７ａ及び第２水排出出口管２７ｃよりマニホールド外に排出される。例えば、別に配設された水位検知手段などによって予め決められた水位を検出した場合に、該バルブを開にする方法が考えられるが、簡易的にオーバーフロータンクやフロート式の弁などとすることなども考えられる。

図６は、一方の一体型マニホールド２Ｒの燃料排出マニホールド２５のみを図示した斜視図である。発電手段１と連結される燃料排出連通管２４は、圧損低減を目的として可能な限り広い空間で接続されるように設けられる。

また、図７に示すように、燃料排出連通管２４に異物捕捉手段５１を設けることによって、発電手段１から排出される液水だけではなく、流路内に存在する異物も捕捉し除去することが可能となる。一般に、流路中の異物を捕捉するためには、流路中にメッシュ状のフィルタを設けることが考えられるが、この場合、十分な開口面積を持ったメッシュを配設できない場合、流体の圧力損失が大きくなるためフィルタを設けるには大きな空間が必要となる。

しかし、前記したように可能な限り広い空間で燃料排出連通管２４を形成しているので、比較的容易に十分な開口面積を持ったフィルタ（異物捕捉手段５１）を設けることができる。図６において、燃料排出マニホールド２５と発電手段１を連通する燃料排出連通管２４は、同図中斜線で示す部位以外でその機能を果たす。しかし、斜線部は、構造上そもそもデッドとなる空間であり、当該部位を燃料排出連通管２４の一部として考えると、可能な限り広い空間で接続することによって圧損を下げたフィルタを設けることができる。発電手段１から排出される異物は、液水同様に燃料よりも大きな慣性を有するため、マニホールド空間内で分離され、前記した異物捕捉手段５１内に蓄積されることとなる。

なお、図７では、各燃料排出連通管２４に設けられる異物捕捉手段５１を連結部材５３で連結して一体としているが、個々の燃料排出連通管２４に異物捕捉手段５１を設けても、同様の効果を得ることができる。

以上、燃料排出マニホールド２５について本発明を適用したが、酸化剤排出マニホールド３５についても同様、本発明を適用することができ同様の効果を得ることができる。

ところで、一般的に、燃料は発電手段１に対する急な負荷変動や流れのバラツキ吸収などを目的として、実際に発電に必要な燃料より多く供給される。従って、発電手段１では、供給された全ての燃料は消費されずに余ってしまうこととなる。余剰となった燃料は、ポンプやエゼクタなど燃料循環手段を用いることによって循環使用されるが、循環燃料だけでは発電手段１にとって不足となるため、燃料タンクから新たな燃料を追加する必要がある。

しかし、循環燃料は、発電手段１内で酸化剤極から混入した窒素を含んでいるため、発電手段１供給前に燃料タンクから供給される燃料との十分な攪拌が必要となる。攪拌手段を燃料供給マニホールド２２のマニホールド空間内に設ければ、十分に攪拌された燃料を発電手段１に供給することが可能となる。

攪拌手段としては、ファンなどを用いて機械的に攪拌する手段も考えられるが、燃料供給配管２１内に突起５４などを設けることによって（図３参照）、気流に渦を発生させ該渦によって流体的に燃料を攪拌する手段（スワール効果）も考えられる。かかる突起５４は、燃料供給配管２１の内面に、その長手方向又は周方向に沿って複数個設けられる。

発電手段１内の反応は、発熱反応であるため冷却水が必要であることは前述したが、該冷却水は発電手段１が低温の場合には、流路中に設けられた昇温手段によって加熱され、発電手段１の昇温を行なう役目も担う。ここで、冷却水供給マニホールド４２は、前述の通り空間として存在するため、そのマニホールド空間内に昇温手段５５を設けることによって（図３参照）、冷却水の均一な昇温を促進することができる。昇温手段５５は、一般的に電気ヒータが考えられるが、酸化剤供給手段から供給される高温の酸化剤との熱交換などによっても実現することができる。

この場合、図３に示すように、酸化剤排出マニホールド３５と冷却水供給マニホールド４２を近接して配置し、両マニホールド３５、４２の接触面積を大きくすることが必要となる。さらに、発電手段１内の冷却水流路は、発電手段１で発電された電流が流れるチャネルと接しており、そのため冷却水が導電性であった場合には漏電する可能性がある。そのため、この冷却水供給マニホールド４２のマニホールド空間内には、冷却水の導電率を所定値以下に管理し調整するための導電率調整手段５６を設ける（図３参照）。なお、導電率調整手段５６は、冷却水排出マニホールド４５のマニホールド空間内に設けるようにしてもよい。

ところで、前記したマニホールド２Ｒ、２Ｌは、鉄やステンレス、アルミといった金属で形成されるのが一般的である。この時、各マニホールド２２，２５，３２，３５，４２，４５は、流路を有する閉空間となるため、一般的に機械加工で形成することは困難であり、鋳造で形成されることが考えられる。また、各マニホールドを他に強度部材として使用しない場合には、樹脂によって形成し軽量化を図ることも考えられる。

何れの場合においても、外的な入力によってマニホールド２Ｒ、２Ｌ内の各マニホールド空間を形成する仕切りとなる壁部が破損した場合、マニホールド内で各流体が混ざり、例えば酸化剤流路に燃料が流出するなどの懸念がある。そこで、マニホールド２内の各マニホールド空間を分離する壁部よりも、他の部位の壁部であるところの外壁を弱く形成することによって、外的な入力によってマニホールド２の外壁が破損し、該破損箇所から流体が流出することによって、即座にマニホールド２の破損を検知することが可能となる。破損を検知する手段は、もともと燃料電池システムに設けられている発電手段１の運転圧力検知手段の低下や、マニホールド近傍に設けられた燃料検知手段などによることができる。

以上、本実施形態の燃料電池システムによれば、燃料、酸化剤、冷却水の各流体を各セルスタック３へ分配する燃料マニホールド（燃料供給マニホールド２２及び燃料排出マニホールド２５）、酸化剤マニホールド（酸化剤供給マニホールド３２及び酸化剤排出マニホールド３５）、冷却水マニホールド（冷却水供給マニホールド４２及び冷却水排出マニホールド４５）を、発電手段１の外部へ流体毎に分割することなく一体化しているので、複雑な配管又は流路形状とすることなく複数セルスタック３への各流体の等分配性を持たせることができ、また、小型化によりスペース効率を向上させることができる。

また、本実施形態によれば、発電手段１から排出される排出側の燃料排出マニホールド２５及び酸化剤排出マニホールド３５のうち、発電手段１と接続される側のマニホールド空間を、該発電手段１から離れる側のマニホールド空間よりも大きくしたので、発電手段通過後の燃料及び酸化剤に含まれる、該発電手段１から排出される液水を特別な装置を設けずに除去し貯水することができる。

また、本実施形態によれば、発電手段１から排出される排出側の燃料排出マニホールド２５及び酸化剤排出マニホールド３５のうち、発電手段１と接続される側のマニホールド空間の深さを、該発電手段１から離れる側のマニホールド空間の深さよりも深くしたので、例えば車両旋回時などの貯水液面変動を最小に抑えることができ、且つ貯水量を多くすることができる。

また、本実施形態によれば、発電手段１から排出される排出側の燃料排出マニホールド２５及び酸化剤排出マニホールド３５のうち、発電手段１と接続される部位のマニホールド空間の深さを最深部としたので、慣性の大きい液水を特別な気液分離手段を設けることなく液水を分離することができ、下流部品の液水による効率悪化や腐食を防止することができる。さらに、本実施形態によれば、燃料電池システム停止時に発電手段１内で発生した凝縮水を広い空間に貯めることができるため、システム始動時に水による配管の閉塞を防止することができる。

また、本実施形態によれば、発電手段１と接続される燃料マニホールド又は酸化剤マニホールドへの入口を垂直方向上方に向けて設け、出口を入口に対して水平方向に出来るだけ離れた位置として垂直方向上方に向けて設けたので、流体はマニホールド空間内の上方のみを流れることとなり、マニホールド空間下部の貯水を巻き上げることを防止でき、液水をより確実に分離し貯水することが可能となる。

また、本実施形態によれば、発電手段１から排出される排出側の燃料マニホールド又は酸化剤マニホールドの底面に所定の傾斜５２を設けたので、燃料電池システム全体が傾斜した場合などにも意図した最深部へ貯水することができ、マニホールド空間内を通過する燃料及び酸化剤に水を流出させることを防止することができる。

また、本実施形態によれば、マニホールド空間の最深部に水排出手段２７を設けたので、マニホールド空間内へ貯水した水を速やかにマニホールド空間外へと排出させることができる。

また、本実施形態によれば、発電手段１から排出される排出側の燃料排出マニホールド２５又は酸化剤排出マニホールド３５のマニホールド空間内に気液分離手段５０を設けたので、慣性によって分離しきれなかった気流中の液水を確実に分離させることができる。

また、本実施形態によれば、発電手段１から排出される排出側の燃料排出マニホールド２５又は酸化剤排出マニホールド３５との発電手段１との結合部に異物捕捉手段５１を設けたので、発電手段１から排出される異物を除去することができる。

また、本実施形態によれば、発電手段１へ供給する供給側の燃料供給マニホールド２２のマニホールド空間内に燃料を攪拌する攪拌手段５４を設けたので、水素濃度の低い循環燃料と水素濃度が高い燃料タンクからの燃料を十分に攪拌することができ、水素濃度ムラのない燃料を発電手段１へと供給することができる。

また、本実施形態によれば、攪拌手段５４をスワール効果とするため、マニホールド空間入口にて流れに渦を発生させることによって、循環燃料と燃料タンクからの燃料を十分に攪拌させることができる。

また、本実施形態によれば、発電手段１へ供給される供給側の冷却水供給マニホールド４２のマニホールド空間内に昇温手段５５を設けたので、低温下での燃料電池システム起動時に過熱された冷却水を最短距離で発電手段１へ供給することができ、速やかに発電手段１の暖機を行なうことができる。

また、本実施形態によれば、冷却水マニホールドのマニホールド空間内に導電率調整手段５６を設けたので、導電率が十分に下がった冷却水を発電手段１内に供給することができ、発電手段１内の漏電を防止することができる。

また、本実施形態によれば、各燃料マニホールド、酸化剤マニホールド、冷却水マニホールドの壁部のうち、各流体のマニホールド空間を形成する仕切りとなる壁部より他の部位の壁部の強度を弱くしたので、マニホールドに異常な入力があった場合にマニホールド外側面が破損することとなり、各流体の圧力が低下するため流体の漏れが容易に検出でき、マニホールドの破損を検出することができる。

以上、本発明を適用した具体的な実施形態について説明したが、燃料の違いやマニホールド２Ｒ及び２Ｌ内のマニホールド空間の構成などによらず、近似の燃料電池システムであれば何れも本発明を適用することができ、同様の効果を得ることができる。

発電手段の両端部下面に取り付けられた一体型マニホールドの斜視図である。 一方の一体型マニホールドの拡大斜視図である。 他方の一体型マニホールドの拡大斜視図である。 図２に示すマニホールドを発電手段上方から見下ろしたときの平面図である。 図２のＡ−Ａ線断面図である。 一方の一体型マニホールドの燃料排出マニホールドのみを図示した斜視図である。 異物捕捉手段を燃料排出連通管に取り付ける前の状態を示す斜視図である。

符号の説明

１…発電手段
２Ｒ，２Ｌ…マニホールド
３…セルスタック
２１…燃料供給配管
２２…燃料供給マニホールド
２３…燃料供給連通管
２４…燃料排出連通管
２５…燃料排出マニホールド
２６…燃料排出配管
２７…水排出手段
３１…酸化剤供給配管
３２…酸化剤供給マニホールド
３３…酸化剤供給連通管
３４…酸化剤排出連通管
３５…酸化剤排出マニホールド
３６…酸化剤排出管
４２…冷却水供給マニホールド
４３…冷却水供給連通管
４４…冷却水排出連通管
４５…冷却水排出マニホールド
４６…冷却水排出配管
５０…気液分離装置
５１…異物捕捉手段
５２…傾斜
５５…昇温手段
５６…導電率調整手段

Claims (14)

1. 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を複数積層してなるセルスタックを複数有する発電手段と、
   前記発電手段に燃料を供給する燃料供給手段と、
   前記発電手段に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、
   前記発電手段に冷却水を供給する冷却水供給手段と、
   前記燃料、酸化剤、冷却水を前記発電手段に供給し又は該発電手段から排出される燃料、酸化剤、冷却水を回収する燃料マニホールド、酸化剤マニホールド、冷却水マニホールドとを備え、
   前記燃料マニホールドと酸化剤マニホールドと冷却水マニホールドを一体化して一体型マニホールドとした
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記発電手段から排出される排出側の燃料マニホールド及び酸化剤マニホールドのうち、該発電手段と接続される側のマニホールド空間を、該発電手段から離れる側のマニホールド空間よりも大きくした
   ことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記発電手段から排出される排出側の燃料マニホールド及び酸化剤マニホールドのうち、該発電手段と接続される側のマニホールド空間の深さを、該発電手段から離れる側のマニホールド空間の深さよりも深くした
   ことを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項３に記載の燃料電池システムであって、
   前記発電手段から排出される排出側の燃料マニホールド及び酸化剤マニホールドのうち、該発電手段と接続される部位のマニホールド空間の深さを最深部とした
   ことを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項２から請求項４の何れか一つに記載の燃料電池システムであって、
   前記発電手段と接続される燃料マニホールド又は酸化剤マニホールドへの入口を垂直方向上方に向けて設け、出口を入口に対して水平方向に出来るだけ離れた位置として垂直方向上方に向けて設けた
   ことを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項２から請求項５の何れか一つに記載の燃料電池システムであって、
   前記発電手段から排出される排出側の燃料マニホールド又は酸化剤マニホールドの底面に、所定の傾斜を設けた
   ことを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項４に記載の燃料電池システムであって、
   前記最深部に、水排出手段を設けた
   ことを特徴とする燃料電池システム。
8. 請求項１から請求項７の何れか一つに記載の燃料電池システムであって、
   前記発電手段から排出される排出側の燃料マニホールド又は酸化剤マニホールドのマニホールド空間内に、気液分離手段を設けた
   ことを特徴とする燃料電池システム。
9. 請求項１から請求項８の何れか一つに記載の燃料電池システムであって、
   前記発電手段から排出される排出側の燃料マニホールド又は酸化剤マニホールドと該発電手段との結合部に、異物補足手段を設けた
   ことを特徴とする燃料電池システム。
10. 請求項１から請求項９の何れか一つに記載の燃料電池システムであって、
    前記発電手段へ供給する供給側の燃料マニホールドのマニホールド空間内に、燃料を攪拌する攪拌手段を設けた
    ことを特徴とする燃料電池システム。
11. 請求項１０に記載の燃料電池システムであって、
    前記攪拌手段は、スワール効果を利用したものである
    ことを特徴とする燃料電池システム。
12. 請求項１から請求項１１の何れか一つに記載の燃料電池システムであって、
    前記発電手段へ供給される供給側の冷却水マニホールドのマニホールド空間内に、昇温手段を設けた
    ことを特徴とする燃料電池システム。
13. 請求項１から請求項１２の何れか一つに記載の燃料電池システムであって、
    前記冷却水マニホールドのマニホールド空間内に、冷却水導電率調整手段を設けた
    ことを特徴とする燃料電池システム。
14. 請求項１から請求項１３の何れか一つに記載の燃料電池システムであって、
    前記各燃料マニホールド、酸化剤マニホールド、冷却水マニホールドの壁部のうち、各流体のマニホールド空間を形成する仕切りとなる壁部より他の部位の壁部の強度を弱くした
    ことを特徴とする燃料電池システム。

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