JP2007250232A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】スタック内の燃料極の乾燥やフラッディング現象を抑制し、安定した出力と、長寿命の燃料電池スタックを提供する。
【解決手段】単位セルの片側に燃料ガス流路となる間隙を隔てて単位セルとセパレータとを交互に複数積層すると共に、各燃料ガス流路の入口同士を入口マニホールドで接続しかつ出口同士を出口マニホールドで接続して構成されたモジュールを複数有し、燃料ガスの流れ方向が、隣接するモジュール間で逆方向になるように、一方のモジュールの出口マニホールドと他方のモジュールの入口マニホールドとを接続した燃料電池スタックにおいて、下流側に位置するモジュールのマニホールドの横断面積を、上流側に位置するモジュールのマニホールドの横断面積よりも小さく設定したことを特徴とする燃料電池スタック。
【選択図】図１２

Description

この発明は、燃料電池スタックに係り、詳しくは、燃料ガスの流速が変化する燃料電池スタックに関するものである。

一般に、高分子電解質膜を使用した燃料電池では、電解質膜を挟んだ両側で燃料ガス或いは酸化ガスがイオン化し、そのイオンが電解質膜を透過して電気化学的な反応を生じるものである。

そして、燃料電池スタックは、燃料ガスと酸化ガスとを高分子電解質膜を介して反応させ電力を得るものである。この燃料電池スタックは、高分子電解質膜を燃料極と酸化極で挟んで構成された単位セルと、導電性材料で構成されたセパレータとを交互に積層して構成され、セパレータと燃料極との間に燃料ガスを、セパレータと酸化極の間に酸化ガスを流通させることにより、電気化学反応を生じさせるものである。

燃料電池スタックの構成としては、各セパレータに同時にガスを供給する並列方式のものや、所定枚数積層された物をモジュールとして、これを直列に複数連結し、各モジュールに順番にガスを供給する直列方式のものなどか提案されている。
特開２００４−１３９９８４号。

ところで、燃料電池スタックの燃料極側では、次のような問題があった。
燃料ガスと酸化ガスとの反応によって、生成水が発生するが、これが電解質膜を介して燃料極に及んで燃料ガスの流路に逆拡散水が発生する。この逆拡散水は、ガス流に押し流されて、燃料電池スタックのガス流出口付近に詰まってしまう。この水の詰まり（水素のフラッディング）によって、水の滞留部分の電極が機能しないことによる燃料ガスの燃料極への供給が遮断されて、電極劣化（電極材料の腐食）の原因、燃料電池の起動時又は停止時のガス置換時において、水滞留部の置換が遅れ、その結果触媒に影響を及ぼす原因となるといった問題があった。

また、燃料電池スタックの燃料ガスの流入口付近では、乾燥した燃料ガスによって燃料極の水分が奪われて電極の劣化を招くとともに、電解質膜が乾燥することにより膜抵抗が増大し、プロトンの移動ができなくなり、燃料電池出力が低下するといった問題があった。

特に、特許文献１に記載されているようなサーペンタイン構造の燃料電池スタックにおいては、最初にガスが流入するモジュールでは、電解質膜の乾燥が発生し、最後にガスが流入するモジュールではフラッディング現象が、それぞれ集中的に発生するといった問題があった。

この発明は、スタック内の燃料極の乾燥やフラッディング現象を抑制し、安定した出力と、長寿命の燃料電池スタックを提供することを目的とする。

以上のような目的は、以下の本発明によって達成される。
（１） 単位セルの片側に燃料ガス流路となる間隙を隔てて単位セルとセパレータとを交互に複数積層すると共に、各燃料ガス流路の入口同士を入口マニホールドで接続しかつ出口同士を出口マニホールドで接続して構成されたモジュールを複数有し、
燃料ガスの流れ方向が、隣接するモジュール間で逆方向になるように、一方のモジュールの出口マニホールドと他方のモジュールの入口マニホールドとを接続した燃料電池スタックにおいて、
下流側に位置するモジュールのマニホールドの横断面積を、上流側に位置するモジュールのマニホールドの横断面積よりも小さく設定したことを特徴とする燃料電池スタック。

（２） 各モジュールのマニホールドの横断面鉛直下端が同一直線上に位置していることを特徴とする上記（１）に記載の燃料電池スタック。

（３） 下流側に位置するモジュールのマニホールドの高さを、上流側に位置するモジュールのマニホールドの高さよりも小さく設定することにより、下流側に位置するモジュールのマニホールドの横断面積を、上流側に位置するモジュールのマニホールドの横断面積よりも小さく設定したことを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の燃料電池スタック。

（４） 下流側に位置するモジュールのマニホールドの幅を、上流側に位置するモジュールのマニホールドの幅よりも狭く設定することにより、下流側に位置するモジュールのマニホールドの横断面積を、上流側に位置するモジュールのマニホールドの横断面積よりも小さく設定したことを特徴とする上記（１）から（３）のいずれかに記載の燃料電池スタック。

（５） 同一モジュール内において下流側に位置するマニホールドと上流側に位置するマニホールドとを同一の横断面積に設定したことを特徴とする上記（１）から（４）のいずれかに記載の燃料電池スタック。

（６） 同一モジュール内において下流側に位置するマニホールドの横断面積を、上流側に位置するモジュールの横断面積よりも小さく設定したことを特徴とする上記（１）から（４）のいずれかに記載の燃料電池。

請求項１に記載の発明によれば、各モジュールは、燃料ガスの流入する上流側に位置するモジュールのマニホールドの横断面積が大きく、燃料ガスの流出する下流側に位置するモジュールのマニホールドの横断面積が小さく構成されているので、上流側では、ガスの流速が遅く、下流側では、流速が速くなる。従って、特に起動時において、上流側では、流速が遅くなるので、単位セルの乾燥が抑制され、流速の速い下流側では、ガス流の勢いによって、燃料ガス流路等に溜まっている水が燃料電池スタックの外へ排出され、フラッディング現象が抑制される。

請求項２に記載の発明によれば、各モジュールのマニホールドの横断面鉛直下端が同一水平線上に位置しているので、各モジュールのマニホールドが段差なく接続されることになり、生成水を含む溜まった水がスムーズに排出されることになる。

請求項３に記載の発明によれば、各モジュールは、燃料ガスの流入する上流側に位置するモジュールのマニホールドの高さが高く（横断面積が大きく）、燃料ガスの流出する下流側に位置するモジュールのマニホールドの高さが低く（横断面積が小さく）構成されているので、上流側では、ガスの流速が遅く、下流側では、流速が速くなる。従って、特に起動時において、上流側では、流速が遅くなるので、単位セルの乾燥が抑制され、流速の速い下流側では、ガス流の勢いによって、燃料ガス流路等に溜まっている水が燃料電池スタックの外へ排出され、フラッディング現象が抑制される。

請求項４に記載の発明によれば、各モジュールは、燃料ガスの流入する上流側に位置するモジュールのマニホールドの幅が広く（横断面積が大きく）、燃料ガスの流出する下流側に位置するモジュールのマニホールドの幅が狭く（横断面積が小さく）構成されているので、上流側では、ガスの流速が遅く、下流側では、流速が速くなる。従って、特に起動時において、上流側では、流速が遅くなるので、単位セルの乾燥が抑制され、流速の速い下流側では、ガス流の勢いによって、燃料ガス流路等に溜まっている水が燃料電池スタックの外へ排出され、フラッディング現象が抑制される。

請求項５に記載の発明によれば、同一モジュール内において下流側に位置するマニホールドと上流側に位置するマニホールドとが同一の横断面積であるから、どちらのマニホールドが下流側又は上流側であるかを考慮することなく、各モジュールを組み合わせることが可能となる。

請求項６に記載の発明によれば、各モジュールは、燃料ガスの流入する上流側に位置するモジュールのマニホールドの横断面積が大きく、燃料ガスの流出する下流側に位置するモジュールのマニホールドの横断面積が小さく構成されているだけでなく、さらに、同一モジュール内において下流側に位置するマニホールドの横断面積が、上流側に位置するモジュールの横断面積よりも小さく構成されているので、上流側では、ガスの流速がさらに遅く、下流側では、流速がさらに速くなる。従って、特に起動時において、上流側では、流速がさらに遅くなるので、単位セルの乾燥がさらに抑制され、流速がさらに速い下流側では、ガス流の勢いによって、燃料ガス流路等に溜まっている水が燃料電池スタックの外へ排出され、フラッディング現象がさらに抑制される。

次にこの発明の好適実施形態について説明する。この実施形態は、電気自動車に搭載される燃料電池システムである。図１は、この発明の燃料電池スタック１００を備えた燃料電池システムにおける燃料供給系１０等の構成を示す回路図である。図１に示されているように、この燃料電池システム１は燃料電池スタック１００と、燃料電池スタック１００に燃料ガスである水素ガスを供給する燃料供給系１０を備えている。
この燃料電池スタック１００の構成について説明する。燃料電池スタック１００は、燃料電池単位セル１５と燃料電池セパレータ１３とを交互に積層して構成されている。図２は、燃料電池用セパレータ１３を示す全体正面図、図３は、燃料電池セパレータ１３で構成された燃料電池スタック１００の部分断面平面図（図２におけるＡ‐Ａ断面図）、図４は、同じく部分断面側面図、図５は、燃料電池用セパレータ１３の全体背面図である。

セパレータ１３は、単位セル１５の電極に接触して電流を外部に取り出すための集電部材３、４と、各集電部材３、４の周端部に外装される枠体８、９とを備えている。集電板である集電部材３、４は金属で構成されている。構成金属は、導電性と耐食性を備えた金属で、例えば、ステンレス、ニッケル合金、チタン合金等に耐蝕導電処理を施したもの等が挙げられる。集電部材３は、単位セル１５の燃料極に接触し、集電部材４は酸素極に接触する。集電部材３には、プレス加工によって、突出形成された複数の凸状部３２が形成されている。

凸状部３２は、板材の長辺とに沿って短辺方向へ向けて、等間隔で配列されている。長辺に沿って（図２における横方向）配置された凸状部３２の間に形成された溝によって、凸状部３２の間には水素流路３０１が形成され、凸状部３２の裏側に形成された溝３３によって、水素流路３０２が形成されている。この凸状部３２の頂点部分の面は、燃料極が接触する当接部３２１となっている。集電部材３が網体であるため、当接部３２１が接触する部分においても、孔３２０を介して、燃料極は燃料ガスを供給することができる。また、水素流路３０１と水素流路３０２の間も、孔３２０を介して、水素ガスが相互に流通可能となる。集電部材３の両端部には、流通孔３５が形成され、セパレータ１３を積層した場合に、この流通孔３５によって水素供給路が構成される。
集電部材４は、矩形の板材から成り、プレス加工によって、複数の凸状部４２が形成されている。凸状部４２は、板材の短辺に平行に直線状に連続して形成されており、等間隔で配置されている。凸状部４２の間には、溝が形成されて、空気が流通する空気流路４０が形成されている。この凸状部４２の頂点部分の面は、酸素極が接触する当接部４２１となっている。また、凸状部４２の裏側は溝状の中空部４１となっており、中空部４１の両端は、閉鎖されている。

以上のような集電部材３、４は、各凸状部３２と凸状部４２が外側となるように重ね合わされて固定される。このとき、集電部材３の裏側面３４と空気流路４０の裏側面４０３が当接した状態となり、相互に通電可能な状態となる。また、空気流路４０は、図３に示されているように、単位セル１５に重ね合わされ、溝の開口部４００を閉鎖することにより、管状の流路が構成され、空気流路４０の内壁の一部が酸素極で構成される。この空気流路４０から、単位セル１５の酸素極に酸素と水が供給される。酸素極に供給される酸素は、空気流路４０を通過する空気中に含有される酸素である。

空気流路４０の一端側開口部は、空気と水が流入する導入口４３となり、他端の開口部は、空気と水が流出する導出口４４となっている。この導入口４３から導出口４４までの空気流路４０及びその集合体が、固体電解質膜に酸素を供給する酸素室（酸化ガス室）として機能する。また、中空部４１の一端側開口部は、空気と水が流入する流入開放口４５となり、他端の開口部は、空気と水が流出する流出開放口４６
となっている。以上のような構成において、空気流路４０と中空部４１は、交互に平行に配置され、相互に側壁４７を挟んで隣接した構成となっている。

集電部材３、４には、枠体８、９がそれぞれ重ねられる。図２に示されているように、集電部材３に重ねられる枠体８は、集電部材３と同じ大きさに構成され、中央には、凸状部３２を収納する窓８１が形成されている。また、両端部近傍には、集電部材３の流通孔３５に合致する位置に孔８３が形成されており、この孔８３と窓８１との間には、集電部材３に接触する側の平面に凹部が形成され、水素流通経路８４が設けられている。また、集電部材３に接触する面に対して、反対側の平面には、輪郭が窓８１に沿って形成された凹部が形成され、単位セル１５が収納される収納部８２が設けられている。この収納部８２に収納された単位セル１５の燃料極表面と、水素流路３０１、３０２と、窓８１とによって、燃料室３０が画成される。このように、燃料室は、燃料極に隣接して設けられ、酸素室は酸素極に隣接して設けられている。

集電部材４に重ねられる枠体９は、枠体８と同じ大きさに構成され、中央には、凸状部４２を収納する窓９１が形成されている。また、両端部近傍には、枠体８の孔８３に合致する位置に孔９３が形成されている。枠体８の集電部材４が重ねられる側の面には、枠体８の対向する一対の長辺に沿って溝が形成され、集電部材３、４に重ねることによって、空気流通路９４、９５が構成される構造となっている。空気流通路９４の一端は、枠体８の長辺側の端面に形成された単位開口９４１に接続され、他端は空気流路４０の導入口４３に接続されている。

上流側の空気流通路９４は、単位開口９４１側から空気流路４０側へ向けて横断面積が漸減するように、端部内壁がテーパー面９４２となっており、後述する空気マニホールド５４から噴射される霧状水の取り入れを容易としている。一方、下流側の空気流通路９５の一端は、空気流路４０の導出口４４に接続され、他端は、枠体８の長辺側端面に形成された開口９５１に接続されている。空気流通路９５は、開口９５１側から空気流路４０側へ向けて横断面積が漸減するように、端部内壁がテーパー面９５２となっている。燃料電池スタック１００が傾いた際にも、このテーパー面９５２によって、水の排出が維持される。また、枠体９の、集電部材４に接触する面に対して、反対側の平面には、輪郭が窓９１に沿って形成された凹部が形成され、単位セル１５が収納される収納部９２が設けられている。上記単位開口９４１の集合体によって、燃料電池スタック１００の上面には、矩形状の開口９４０が形成され、この開口９４０に、空気マニホールド５４から空気が流入する。

図６は単位セル１５の拡大断面図である。単位セル１５は、固体高分子電解質膜１５ａと、該固体高分子電解質膜1５ａの両側面にそれぞれ重ねられた酸化剤極である酸素極１５ｂと燃料極１５ｃとを備えていて、固体高分子電解質膜１５ａは、酸素極１５ｂと燃料極１５ｃとで挟持されている。固体高分子電解質膜1５ａは、収納部８２、９２に合致した大きさに形成され、酸素極１５ｂと燃料極１５ｃは、窓９１、８１に合致した大きさに形成されている。単位セル１５の厚さは、枠体８、９や集電部材３、４の厚さに比べると極めて薄いので、図面では、一体の部材として表示している。空気流路４０の内壁には、親水性処理が施されている。内壁表面と水の接触角が４０°以下、好ましくは３０°以下となるように表面処理が施されているとよい。処理方法としては、親水処理剤を、表面に塗布する方法が取られる。塗布される処理剤としては、ポリアクリルアミド、ポリウレタン系樹脂、酸化チタン（Ｔｉ Ｏ2）等が挙げられる。

以上のように構成された枠体８、９によって集電部材３、４を保持してセパレータ１３が構成され、セパレータ１３と単位セル１５を交互に積層して、燃料電池スタック１００が構成される。図７は燃料電池スタック１００の部分平面図である。燃料電池スタック１００の上面には、多数の導入口４３が開口し、この導入口４３に、後述するように、空気マニホールド５４から空気が流入するとともに、空気マニホールド５４内で、噴射流入手段であるノズル５５から噴射された水が同時に流入する。このノズルは、水を液滴の状態で、燃料電池スタック１００に供給する。導入口４３から流入した空気と液滴状の水は、潜熱冷却により集電部材３、４を冷却する。また、燃料電池スタック１００の底面には、図７に示されている導入口４３に対向する位置に、多数の導出口４４が開口し、この導出
口４４から空気と、噴射供給された水が流出する。即ち、導入口４３は、燃料電池スタック１００の上面に、縦横に多数開口し、同様に、導出口４４は、燃料電池スタック１００の底面に、縦横に多数開口することとなる。

図８は、燃料電池スタック１００の全体平面図である。以上のように構成された燃料電池セパレータ１３は、所定の枚数重ねられたモジュール１３０（積層単位体）を構成し、このモジュール１３０を複数重ねることによって燃料電池スタック１００が構成される。モジュール１３０とモジュール１３０の間には、集電部材３と集電部材４の間に遮蔽板１６を挟んだ、セパレータ１４（図示せず）が介在する。図９は、遮蔽板１６の全体平面図である。遮蔽板１６は、モジュール１３０の間に介挿された際に、水素通路１７ａ（本発明のマニホールドに相当）又は水素通路１７ｂ（本発明のマニホールドに相当）のいずれかに対応した位置に、水素通路１７ａ、１７ｂの断面形状と同じ形状の、孔１６１ａ又は孔１６１ｂを備えている。孔１６１ａ又は孔１６１ｂは、１枚の遮蔽板１６について、どちらか一方のみが形成されている。
なお、遮蔽板１６は、導電性を有し、燃料電池スタック１００内での電気の流通は妨げない。

遮蔽板１６が孔１６１ａを有する場合には、水素通路１７ｂでの水素ガスの流通は、遮蔽板１６によって遮断される。遮蔽板１６が孔１６１ｂを有する場合には、水素通路１７ａでの水素ガスの流通は、遮蔽板１６によって遮断される。遮蔽板１６は、水素ガスが流入する側から流出する側へ配置されている順に、孔１６１ｂが設けられている遮蔽板１６、孔１６１ａが設けられている遮蔽板１６・・・となるよう、交互に配置される。このようにモジュール１３０毎に、水素通路１７ａと水素通路１７ｂの一方を交互に遮蔽することで、供給された水素ガスは、モジュール１３０単位で、連続して各燃料室３０内を流通する。具体的には、最初のモジュール１３０では、水素通路１７ａ（燃料流入通路）から水素通路１７ｂ（燃料流出通路）へ向けて、各燃料室３０内を水素ガスが流れ、次のモジュール１３０では、水素通路１７ｂ（燃料流入通路）から水素通路１７ａ（燃料流出通路）へ向けて、各燃料室３０内を水素ガスが流れ、さらに次のモジュール１３０では、水素通路１７ａから水素通路１７ｂへ向けて、各燃料室３０内を連続して水素ガスが流れる・・・以降は、交互に水素ガスの流通方向が変化する。このように、水素通路１７ａと水素通路１７ｂは、モジュール１３０の各燃料室３０に水素ガスを供給する燃料流入通路と、各燃料室３０から水素ガスが流出してくる燃料流入通路とに交互に入れ替わることとなる。

燃料電池スタック１００は、単位セル１５とセパレータ１３を積層して構成されたモジュール１３０と、モジュール１３０内において、セパレータ１３の積層方向に形成され、燃料室３０を挟んだ両側に位置し、各燃料室３０にそれぞれ連通する一対の水素通路１７ａ、１７ｂとを有し、モジュール１３０を積層して構成されたものであって、隣接するモジュール１３０の間には、各モジュール１３０の一方の水素通路１７ａ、１７ａ（又は１７ｂ、１７ｂ）間を連通する連通部（孔１６１ａ（又は１６１ｂ））と、他方の水素通路１７ｂ、１７ｂ（又は１７ａ、１７ａ）間の水素流通を遮断する遮断部１６２ｂ（又は１６２ａ）とを有し、連通部と遮断部は、積層されているモジュール１３０の積層方向に向けて順に、一方の水素通路１７ａ、１７ａ（又は１７ｂ、１７ｂ）と他方の水素通路１７ｂ、１７ｂ（又は１７ａ、１７ａ）において交互に設けられ、一対の水素流路（１７ａ、１７ｂ）間の各燃料室３０内を流れる水素ガスの流通方向が、モジュール１３０毎に交互に逆向きに変化する構成となっている。

このように、燃料電池スタック１００を、複数のモジュール１３０に分割し、モジュール毎に水素ガスを流通させる構成とすることによって、各モジュール１３０の間で水素ガス流量に差が生じることを防止できる。また、１つのモジュール１３０内においても、積層方向に配置された各燃料室３０間で水素ガス流量の差が生ずることを抑制できる。さらに、燃料電池スタック１００に供給された水素ガスは、繰り返し、モジュール１３０内を流れるので、燃料室３０の燃料極に接触する機会が増え、反応効率が向上する。１つのモジュール１３０が有する燃料室３０の総和の容積は、大量の水素が流通可能となる程度に確保されるので、水素の供給速度を上げても（水素の流量を上げても）、水素がモジュール１３０内の燃料室３０内に滞ることなく、短時間でモジュール１３０外へ（即ち、燃料電池スタック１００の外へ）流れ出ることができる。これにより、特に起動時又は停止時の置換速度が増大することとなり（即ち、置換ガスが水素に入れ替わるまでに要する時間が短くなり）、置換ガスと水素ガスが、燃料室３０内で偏在する時間を一層短縮することができ、電極の劣化を防止することができる。さらには、通常運転時においては、水素の流速が増大することで、生成水の排出を容易にし、燃料電池の水詰まりによる出力低下の防止が期待できる。

図１０は、燃料電池スタック１００の正面図である。エンドプレート１９ａの外側面には凹部１９３ａが形成されている。この凹部１９３ａの端部には、水素通路１７ａに連通する燃料供給口１８２ａが開口している。凹部１９３ａには、カバー１９４ａが、全体に覆い被せられている。凹部１９３ａは、水素通路１７ａへ向けて幅広となる形状に形成されている。カバー１９４ａは、凹部１９３ａの形状に沿った形状に形成され、水素通路１７ａに対して反対側の端に、ガス導入口１８１ａが形成されている。カバー１９４ａと凹部１９３ａで画成された空間によって、整流手段としての導入案内路１８ａが構成されている。この整流手段は、水素導入路２０２から送られてくる水素ガスを水素通路１７ａへ滑らかに導く作用を有し、流通経路の断面形状や流通方向が急激に変化することによって生じる抵抗や乱流の発生を抑制し、その結果、燃料電池スタック１００内の各燃料室に均一に水素ガスが供給されるように構成されている。

この導入案内路１８ａは、ガス導入口１８１ａが、水素導入路２０２と同じ断面形状を有し、燃料供給口１８２ａが、水素通路１７ａと同じ断面形状を有している。そして、ガス導入口１８１ａから燃料供給口１８２ａまでの流路１８３ａは、横断面の幅が漸増し、ガス流の圧力損失を抑制しつつ、水素ガスを導く構成となっている。また、流路１８３ａには、水素通路１７ａの横断面におけるガス流速の分布が均一となるように、ガス流を案内する整流板１８４ａが設けられている。

図１１は、燃料電池スタック１００の背面図である。燃料電池スタック１００の水素ガス流出部分には、導出案内路１８ｂが設けられている。導出案内路１８ｂは、エンドプレート１９ｂの外側面に形成された凹部１９３ｂと、この凹部１９３ｂに被せられたカバー１９４ｂとによって画成された空間によって構成される。凹部１９３ｂの端部には、水素通路１７ａに連通する燃料排出口１８１ｂが開口している。

この導出案内路１８ｂは、燃料排出口１８１ｂが、水素通路１７ａと同じ断面形状を有し、ガス導出口１８２ｂが、水素導出路２０３と同じ断面形状を有している。そして、燃料排出口１８１ｂからガス導出口１８２ｂまでの流路１８３ｂは、横断面の幅が漸減し、さらに、流路１８３ａには、整流板１８４ａが設けられ、ガス流の圧力損失を抑制しつつ、水素ガスを導く構成となっている。
以上のような燃料電池スタック１００の構成によって、燃料電池スタック１００に流入した水素ガスは、圧力損失が抑制され、各燃料電池セパレータ１３の燃料室３０へ均一に水素ガスが供給される。

図８に示されているように、各モジュール１３０ａ〜１３０ｈは、積層されている単位セル１５とセパレータ１３の数が同数となっている。
そして、下流側に位置するモジュール（例えばモジュール１３０a）の水素流路１７ａ、１７ｂの横断面積は、上流側に位置するモジュール（例えばモジュール１３０ｂ）の水素流路１７ａ、１７ｂの横断面積よりも小さく設定されている。これは、例えば、図１２に示すように、下流側に位置するモジュールの水素流路１７ａ、１７ｂの高さｈを、上流側に位置するモジュール１３の水素流路１７ａ、１７ｂの高さｈよりも低くすることで実現できる。この場合、例えば、上流側に位置するモジュール（例えばモジュール１３０ａ）のセパレータ１３として図２に示される高さの水素流路１７a、１７ｂを有するものが用いられ、下流側に位置するモジュール（例えばモジュール１３０ｂ）のセパレータ１３として図１３に示される高さの水素流路１７a、１７ｂを有するものが用いられる。
このように構成することによって、各モジュール１３０a〜１３０ｈ内を流通する水素ガスの流通路横断面積が、下流へ向けて減少するように構成される。

このように水素流路１７ａ、１７ｂの横断面積（すなわちマニホールドの横断面積）が減ることで、各モジュール１３０a〜１３０ｈ内を流れる水素ガスの流速は、各モジュール毎に異なり、下流へ向けて流速が速くなることとなる。
図１２では、同一モジュール（例えばモジュール１３０a）内において下流側に位置する水素流路１７ａ、１７ｂと上流側に位置する水素流路１７ａ、１７ｂとを同一の横断面積に設定した例を示している。本発明はこれに限定されず、例えば、同一モジュール１３内において下流側に位置する水素流路１７ａ、１７ｂの横断面積を、上流側に位置する水素流路１７ａ、１７ｂの横断面積よりも小さく設定する（図示せず）ことによっても同様の効果を得ることが可能である。このようにすれば、同一モジュール（例えばモジュール１３０ａ）内において下流側に位置する水素流路１７ｂと上流側に位置する水素流路１７ａとが同一の横断面積であるから、どちらが下流側又は上流側の水素流路であるかを考慮することなく、各モジュール１３０ａ〜１３０ｈを組み合わせることが可能となる。

また、図１２に示すように、各モジュール１３の水素流路１７ａ、１７ｂの横断面鉛直下端は同一直線上に位置している。これにより、各モジュール１３の水素流路１７ａ、１７ｂが段差なく接続されることになるから、生成水がスムーズに排出されることになる。水素流路１７ａ、１７ｂの横断面鉛直下端が位置する直線を水平とすれば、より水の排出が良好となり、さらに、水素の流通方向へ向けて下方へ傾斜する構成とすることにより、さらに水の排出が良好となりうる。
なお、下流側に位置するモジュール２１３の水素流路１７ａ、１７ｂの高さｈを、上流側に位置するモジュール１３の水素流路１７ａ、１７ｂの高さｈよりも低くしても、生成水の排出がスムーズに行われないことがあり得る。この場合には、下流側に位置するモジュール２１３の水素流路１７ａ、１７ｂの幅ｗを、上流側に位置するモジュール１３の水素流路１７ａ、１７ｂの幅ｗよりも狭くすることで、下流側に位置するモジュール１３の水素流路１７ａ、１７ｂの横断面積を上流側に位置する水素流路１７ａ、１７ｂの横断面積よりも小さく設定することが考えられる。

また、燃料電池スタック１００を、複数のモジュール１３０に分割し、モジュール毎に水素ガスを順番に流通させる構成とすることによって、各燃料室３０を通過水素ガスの量を均等に近づけることができる。つまり、１つのモジュール１３０内において、積層方向に配置された各燃料室３０間で水素ガス流量の差が生ずることを抑制できる。さらに、燃料電池スタック１００に供給された水素ガスは、繰り返し、モジュール１３０a〜１３０ｈ内を流れるので、燃料室３０の燃料極に接触する機会が増え、反応効率が向上する。

燃料室３０内に発生する逆拡散水は、ガス流によって、下流側へ押し流され下流へ向かう程、逆拡散水が溜まっていくが、既述のように、下流側が最もガス流の流速が高いので、溜まった逆拡散水を容易に排出することができる。また、水素ガスの流入する上流側では、ガス流速が低くなるため、タンクから供給される乾燥した水素ガスとの接触により、燃料極の水分持ち去り量を少なくすることができる。
図８に示されているように、燃料電池スタック１００の両端には、端部セパレータの外側に電極板１９１ａ、１９１ｂが積層され、さらに外側には、絶縁部材１９２ａ、１９２ｂ、エンドプレート１９ａ、１９ｂの順に積層されている。

次に、図１に示されている他の構成について説明する。燃料供給系１０は、高圧水素タンク１１に一端が接続されている水素道通路２０１と、水素道通路２０１の他端に接続された水素排出路２０２と、燃料電池スタック１００に接続された水素供給路２０５と、一端が水素排出路２０２に他端が水素供給路２０５に接続された水素循環路２０４とを備えた管路を有している。水素排出路２０２は、燃料電池スタック１００のガス導入口１８１ａに接続され、水素供給路２０５は、燃料電池スタック１００のガス導出口１８２ｂに接続されている。水素排出路２０２、水素循環路２０４、水素供給路２０５によって、水素循環経路が構成される。

水素道通路２０１と水素排出路２０２との間には、起動時水素供給電磁弁Ｖ１が設けられ、水素循環路２０４には、水回収ドレンタンク２１、水素循環ポンプ２２、水素循環切換電磁弁Ｖ３が設けられ、水素供給路２０５には、起動時水素排気電磁弁Ｖ５が設けられている。また、水回収ドレインタンク２１には、水素排気路２０６が接続され、水素排気路２０６には水素排気電磁弁Ｖ４が設けられている。

燃料電池スタック１００には、ガス導出口１８２ｂから水素ガスが流入する。そして、水素ガスは、ガス導入口１８１ａへ向かって、各モジュール１３０a〜１３０ｈを順に流れ、充填されていたガスを押し出しつつ、水素供給路２０５へ流出し、起動時水素排気電磁弁Ｖ５から外へ充填ガスを押し出し、ガスの置換を完了する。ガスの置換が完了したか否かの判断は、燃料電池スタック１００に設けられた電圧センサＳ１（図示せず）により検出された電圧値より、燃料電池スタック１００の出力を検出し、この出力が所定値に達したかを判断することより行われる。

ここで、燃料電池スタック１００内では、次のような作用が発揮されている。既述の通り、燃料電池スタック１００は、ガス導出口１８２ｂ側のモジュール１３０ｈが、水素流路１７ａ、１７ｂの横断面積が狭く構成されているので、流入した最初のモジュール１３０ｈでは、流速が速くなる。置換ガスが空気である場合には、置換ガスと水素の接触によって、境界面で反応が起こり、燃料極の劣化の原因となるが、流速が速いために水素ガスへの置換が短時間で行われ、電極の劣化が抑制される。また、ガス導入口１８１ａ側のモジュール１３０ａでは、流速が遅くなるが、この時点で酸素は、途中で触媒燃焼し、濃度が薄くなっているため、水素との反応が起こり難く、電極の劣化が抑制される。

水素ガスへの置換が完了すると、水素循環ポンプ２２の駆動を開始する。これにより、水素ガスは、水素導通路２０１、水素排出路２０２、水素供給路２０５を介して、燃料電池スタック１００へ送られ、燃料電池スタック１００内をガス導入口１８１ａからガス導出口１８２ｂへ、各モジュール１３０ａ〜１３０ｈを順に通過する。そして、水素ガスは、水素循環経路２０２、２０４、２０５、１００を循環する。これが、定常運転状態となる。そして、水素ガスの循環によって、逆拡散水が水回収ドレインタンク２１に溜まるため、適宜水素排気電磁弁Ｖ４を開放し、水素排気路２０６から排出する。

この発明の燃料電池システム１を示すブロック図である。 燃料電池用セパレータを示す全体正面図である。 燃料電池セパレータで構成された燃料電池スタックの部分断面平面図（Ａ‐Ａ断面図）である。 燃料電池セパレータで構成された燃料電池スタックの部分断面平面図である。 燃料電池セパレータの全体背面図である。 単位セルの構成を示す拡大側面断面図である。 燃料電池スタックの上面の構成を示す部分平面図である。 燃料電池スタックの全体平面図である。 遮蔽板の全体平面図である。 燃料電池スタックの全体正面図である。 燃料電池スタックの全体背面図である。 燃料電池スタックの斜視図である。 燃料電池用セパレータを示す全体正面図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
１００ 燃料電池スタック
１３ 燃料電池セパレータ
１３０ モジュール
１５ 単位セル
１７ａ、１７ｂ 水素通路
３ 集電部材
３０ 燃料室
３０１ 水素流路
３０２ 水素流路
４ 集電部材
４０ 空気流路
４１ 冷却流路
４３ 導入口
４４ 導出口
４５ 流入開放口
４６ 流出開放口
８ 枠体
９ 枠体

Claims (6)

1. 単位セルの片側に燃料ガス流路となる間隙を隔てて単位セルとセパレータとを交互に複数積層すると共に、各燃料ガス流路の入口同士を入口マニホールドで接続しかつ出口同士を出口マニホールドで接続して構成されたモジュールを複数有し、
   燃料ガスの流れ方向が、隣接するモジュール間で逆方向になるように、一方のモジュールの出口マニホールドと他方のモジュールの入口マニホールドとを接続した燃料電池スタックにおいて、
   下流側に位置するモジュールのマニホールドの横断面積を、上流側に位置するモジュールのマニホールドの横断面積よりも小さく設定したことを特徴とする燃料電池スタック。
2. 各モジュールのマニホールドの横断面鉛直下端が同一直線上に位置してい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。
3. 下流側に位置するモジュールのマニホールドの高さを、上流側に位置するモジュールのマニホールドの高さよりも小さく設定することにより、下流側に位置するモジュールのマニホールドの横断面積を、上流側に位置するモジュールのマニホールドの横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又は２に記載の燃料電池スタック。
4. 下流側に位置するモジュールのマニホールドの幅を、上流側に位置するモジュールのマニホールドの幅よりも狭く設定することにより、下流側に位置するモジュールのマニホールドの横断面積を、上流側に位置するモジュールのマニホールドの横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から３のいずれかに記載の燃料電池スタック。
5. 同一モジュール内において下流側に位置するマニホールドと上流側に位置するマニホールドとを同一の横断面積に設定したことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池スタック。
6. 同一モジュール内において下流側に位置するマニホールドの横断面積を、上流側に位置するモジュールの横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から４のいずれかに記載の燃料電池スタック。
   

Images