JP2008016272A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】単セルが水平方向に複数積層され、各単セルの上方に配設された排出マニホールドを用いて生成水を含む排出ガスを排出する燃料電池スタックにおいて、排出マニホールド内で凝縮した凝縮水の単セルへの流れ込みを抑制する。
【解決手段】各単セルの上方に配設された排出マニホールドを用いて生成水を含む排出ガスを排出する燃料電池スタック１００において、カソードオフガスに含まれる生成水がカソードオフガス排出マニホールド１００Ｍｏ内で凝縮した凝縮水Ｗｃを燃料電池スタック１００の外部に排出するための専用の排水流路４７を、カソードオフガス排出マニホールド１００Ｍｏの内部に備えるようにする。
【選択図】図２

Description

本発明は、スタック構造を有する燃料電池に関するものである。

水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池には、電解質膜として固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池がある。そして、この固体高分子型燃料電池では、所望の発電性能を得るために、電解質膜を適正な湿潤状態に維持し、電解質膜のプロトン伝導性を適正に保つ必要があるため、発電中に、電解質膜の加湿が行われる。

従来、固体高分子型燃料電池を備える燃料電池システムでは、電解質膜を加湿するために、加湿器が用いられていた。そして、燃料電池システムに加湿器を備えることは、燃料電池システムの大型化を招いていた。そこで、近年では、燃料電池システムの小型化を図るため、加湿器を用いずに、発電時に上記電気化学反応によって生成された生成水を、燃料電池内部で再循環させて、電解質膜の加湿を行う技術が提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。そして、下記特許文献１に記載された技術では、燃料電池内における酸化剤ガスの流れ方向を、重力の向きと逆向き、すなわち、下から上としている。

このように、酸化剤ガスの流れ方向を重力の向きと逆向きとした燃料電池（単セル）を、単セルを複数積層したスタック構造を有する燃料電池スタックに適用する場合、各単セルは、水平方向に積層される。そして、このような燃料電池スタックでは、各単セルから排出された排出ガスを集合させて燃料電池スタックの外部に排出するための排出マニホールドが、各単セルの上方に配設される場合がある。この場合、各単セル内を下から上に流れ、各単セルの上端部から排出される排出ガスは、各単セルの上方に配設された排出マニホールドを介して、燃料電池スタックの外部に排出される。排出ガスには、発電で未消費の反応ガスの他に、生成水も含まれる。

特開２００２−４２８４４号公報

一般に、排出マニホールド内は、放熱により、燃料電池の動作温度（１００（℃）未満）よりも低いため、排出ガスに含まれる生成水（水蒸気）の一部は、排出マニホールド内で凝縮して、凝縮水が生成される。そして、この凝縮水は、排出ガスとともに排出マニホールド内を、単セルの積層方向に流れ、燃料電池スタックの外部に排出される。

しかし、排出マニホールド内で凝縮した凝縮水の一部が、排出の過程で、再度、単セル内に流れ込み、その量が過剰な場合には、フラッディングが生じる場合があった。そして、凝縮水は、排出ガスとともに排出マニホールド内を、単セルの積層方向に流れるため、上述した凝縮水によるフラッディングは、特に、排出マニホールド内の排出ガスの流れ方向の下流側の単セルで顕著だった。このような不具合は、上記特許文献１に記載された、生成水を内部で再循環させることが可能な固体高分子型燃料電池を適用した燃料電池スタックに限らず、単セルが水平方向に複数積層され、各単セルの上方に配設された排出マニホールドを用いて生成水を含む排出ガスを排出する燃料電池スタックにおいて、共通に生じ得る。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、単セルが水平方向に複数積層され、各単セルの上方に配設された排出マニホールドを用いて生成水を含む排出ガスを排出する燃料電池スタックにおいて、排出マニホールド内で凝縮した凝縮水の単セルへの流れ込みを抑制することを目的とする。

上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、以下の構成を採用した。
本発明の燃料電池は、
固体高分子膜からなる電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を備え、前記アノードに供給された水素と前記カソードに供給された酸素との電気化学反応によって発電する単セルを、セパレータを介在させて、水平方向に複数積層したスタック構造を有する燃料電池であって、
前記電気化学反応に供する反応ガスを、前記各単セルに分岐して供給するための供給マニホールドと、
前記各単セルの上方に配設され、前記各単セルから排出される、前記電気化学反応で未消費の反応ガスと前記電気化学反応によって生成された生成水とを含む排出ガスを、集合させて前記燃料電池の外部に排出するための排出マニホールドと、
前記単セルごとに、前記供給マニホールドから供給された反応ガスが、前記膜電極接合体の表面に沿って流れるように形成されているとともに、前記排出ガスが、前記膜電極接合体の上端部から前記排出マニホールドに排出されるように形成されたガス流路と、
を備え、さらに、
前記排出ガスに含まれる生成水が前記排出マニホールド内で凝縮したときに、その凝縮水を前記燃料電池の外部に排出するための専用の排水流路を、前記排出マニホールドの内部に備えることを要旨とする。

こうすることによって、排出マニホールド内で凝縮した生成水を、排出マニホールドの内部に備えられた専用の排水流路を用いて、燃料電池の外部に排出することができる。したがって、単セルが水平方向に複数積層され、各単セルの上方に配設された排出マニホールドを用いて生成水を含む排出ガスを排出する燃料電池（燃料電池スタック）において、排出マニホールド内で凝縮した凝縮水が単セルへ流れ込むことを抑制することができる。この結果、排出マニホールドから単セルに流れ込む凝縮水によるフラッディングを抑制し、燃料電池スタックにおける発電を安定的に行うことができる。

上記燃料電池において、
前記反応ガスは、前記酸素を含む酸化剤ガスであり、
前記供給マニホールドは、前記酸化剤ガスを、前記各単セルに備えられた前記膜電極接合体のカソードに分岐して供給するための酸化剤ガス供給マニホールドであり、
前記排出マニホールドは、前記各カソードから排出される、前記電気化学反応で未消費の前記酸化剤ガスと前記生成水とを含むカソードオフガスを、集合させて前記燃料電池の外部に排出するためのカソードオフガス排出マニホールドであるものとしてもよい。

生成水は、水素と酸素との電気化学反応によって、各単セルのカソードで生成され、カソードオフガスとともにカソードオフガス排出マニホールドに排出される。本発明によって、カソードオフガス排出マニホールドから各単セルへの凝縮水の流れ込みを抑制することができる。

また、本発明の燃料電池において、
前記反応ガスは、前記水素を含む燃料ガスであり、
前記供給マニホールドは、前記燃料ガスを、前記各単セルに備えられた前記膜電極接合体のアノードに分岐して供給するための燃料ガス供給マニホールドであり、
前記排出マニホールドは、前記各アノードから排出される、前記電気化学反応で未消費の前記燃料ガスと前記生成水とを含むアノードオフガスを、集合させて前記燃料電池の外部に排出するためのアノードオフガス排出マニホールドであるものとしてもよい。

生成水は、水素と酸素との電気化学反応によって、各単セルのカソードで生成される。そして、この生成水は、電解質膜を透過して、アノード側にも染み出し、アノードオフガスとともにアノードオフガス排出マニホールドに排出される。本発明によって、アノードオフガス排出マニホールドから各単セルへの凝縮水の流れ込みを抑制することができる。

なお、本発明の燃料電池において、上記排水流路として、カソードオフガス排出マニホールド内で凝縮した凝縮水を燃料電池の外部に排出するための排水流路と、アノードオフガス排出マニホールド内で凝縮した凝縮水を燃料電池の外部に排出するための排水流路との双方を備えるようにしてもよい。

上述したいずれかの燃料電池において、排水流路は、種々の態様をとることが可能であり、例えば、
前記排水流路は、前記排出マニホールド内に、該排出マニホールドの上側内壁面から落下する前記凝縮水を受け止めることが可能なように配設されているとともに、該凝縮水が、前記スタック構造における積層方向に流れるように形成されているようにしてもよい。

こうすることによって、排出マニホールドの上側内壁面から落下する凝縮水を、排水流路に受け止めて、スタック構造における積層方向に流し、燃料電池の外部に排出することができる。

なお、上記燃料電池において、
前記排水流路は、該排水流路を形成するための複数の排水流路形成部材を、互いに接続することによって形成されており、
前記各排水流路形成部材は、それぞれ前記各セパレータに一体的に形成されているようにしてもよい。

こうすることによって、排水流路が排出マニホールド内に配設されているとともに、凝縮水がスタック構造における積層方向に流れるように形成された上記燃料電池の製造を容易に行うことができる。

本発明の燃料電池において、
前記セパレータは、前記スタック構造の積層方向に貫通し、前記排出マニホールドを構成する貫通孔を備えており、
前記複数のセパレータのうちの少なくとも１つは、前記貫通孔の下側内壁面に、前記排水流路として、
前記凝縮水を集水して流すための集水溝と、
前記集水溝に集水された前記凝縮水を、前記燃料電池の外部に排水するための排水マニホールドと、
を備えるようにしてもよい。

こうすることによって、上記凝縮水を、集水溝、および、排水マニホールドを用いて、燃料電池の外部に排水することができる。

上記燃料電池において、
前記複数のセパレータのうちの少なくとも１つは、前記排水流路として、さらに、
前記排出マニホールドの上側内壁面から落下する前記凝縮水を、前記集水溝に導くための集水板を備えるようにすることが好ましい。

こうすることによって、排出マニホールドの上側内壁面から落下する凝縮水を、集水溝に効率よく集水し、排水することができる。

さらに、上記燃料電池において、
前記集水板は、前記ガス流路から前記排出マニホールドへの前記排出ガスの排出口を覆うように形成されているようにすることが好ましい。

こうすることによって、上記凝縮水が、排出マニホールドの上側内壁面から排出ガスの排出口へ、直接的に落下することを抑制することができる。

なお、上述した集水板を備える燃料電池において、
前記集水板は、前記セパレータに一体的に形成されているようにしてもよい。

こうすることによって、集水板をセパレータと別体とする場合と比較して、燃料電池の製造を容易にすることができる。

本発明は、上述の燃料電池としての構成の他、この燃料電池を備える燃料電池システムの発明として構成することもできる。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池システムの構成：
Ａ２．燃料電池スタックの構成：
Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．燃料電池システムの構成：
Ｂ２．燃料電池スタックの構成：
Ｃ．変形例：

Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池システムの構成：
図１は、第１実施例としての燃料電池スタック１００を備える燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。

燃料電池スタック１００は、水素と酸素との電気化学反応によって発電する単セル４０を、セパレータを介在させて、水平方向に複数積層させたスタック構造を有している。各単セル４０は、後述するように、概ね、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体をセパレータによって挟持した構成となっている。本実施例では、電解質膜として、ナフィオン（登録商標）等の固体高分子膜を用いるものとした。各セパレータには、アノードに供給すべき燃料ガスとしての水素の流路や、カソードに供給すべき酸化剤ガスとしての空気の流路や、冷却水の流路が形成されている。なお、単セル４０の積層数は、燃料電池スタック１００に要求される出力に応じて任意に設定可能である。

燃料電池スタック１００は、一端から、エンドプレート１０、絶縁板２０、集電板３０、複数の単セル４０、集電板３０、絶縁板２０、エンドプレート１０の順に積層することによって構成されている。これらには、燃料電池スタック１００内に、水素や、空気や、冷却水を流すための供給口や、排出口が設けられている。また、燃料電池スタック１００内部には、水素や、空気や、冷却水を、それぞれ各単セル４０に分配して供給するための供給マニホールド（水素供給マニホールド、空気供給マニホールド、冷却水供給マニホールド）や、各単セル４０のアノードおよびカソードからそれぞれ排出されるアノードオフガスおよびカソードオフガスや、冷却水を集合させて燃料電池スタック１００の外部に排出するための排出マニホールド（アノードオフガス排出マニホールド、カソードオフガス排出マニホールド、冷却水排出マニホールド）が形成されている。

エンドプレート１０は、剛性を確保するため、鋼等の金属によって形成されている。絶縁板２０は、ゴムや、樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。集電板３０は、緻密質カーボンや、銅板などのガス不透過な導電性部材によって形成されている。集電板３０には、それぞれ図示しない出力端子が設けられており、燃料電池スタック１００で発電した電力を出力可能となっている。

なお、図示は省略しているが、燃料電池スタック１００には、スタック構造のいずれかの箇所における接触抵抗の増加等による電池性能の低下を抑制したり、ガスの漏洩を抑制したりするために、スタック構造の積層方向に、押圧力が加えられている。

燃料電池スタック１００のアノードには、配管５３を介して、高圧水素を貯蔵した水素タンク５０から、燃料ガスとしての水素が供給される。水素タンク５０の代わりに、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素リッチなガスを生成し、アノードに供給するものとしてもよい。

水素タンク５０に貯蔵された高圧水素は、水素タンク５０の出口に設けられたシャットバルブ５１、レギュレータ５２によって圧力、および、供給量が調整されて、アノードに供給される。アノードからの排出されるアノードオフガスは、排出配管５６を介して、外部に排出することができる。なお、アノードオフガスを外部に排出する際には、アノードオフガスに含まれる水素は、図示しない希釈器や、燃焼器によって処理される。

また、配管５３、および、排出配管５６には、アノードオフガスを配管５３に再循環させるための循環配管５４が接続されている。そして、排出配管５６の循環配管５４との接続部の下流側には、排気バルブ５７が配設されている。また、循環配管５４には、ポンプ５５が配設されている。ポンプ５５、および、排気バルブ５７の駆動を制御することによって、アノードオフガスを外部に排出するか、配管５３に循環させるかを適宜切り換えることができる。アノードオフガスを配管５３に再循環させることによって、アノードオフガスに含まれる未消費の水素を効率よく利用することができる。

燃料電池スタック１００のカソードには、配管６１を介して、コンプレッサ６０によって圧縮された圧縮空気が、酸素を含有した酸化剤ガスとして供給される。カソードから排出されるカソードオフガスは、配管６２を介して、外部に排出される。配管６２には、カソードオフガスとともに、燃料電池スタック１００のカソードで、水素と酸素との電気化学反応によって生成された生成水も排出される。

また、本実施例の燃料電池スタック１００は、後述するように、カソードオフガス排出マニホールドの内部で生成された凝縮水を燃料電池スタック１００の外部に排水するための専用の排水流路を、カソードオフガス排出マニホールドの内部に備えており、この排水流路を流れる凝縮水は、排水配管６３を介して、排水される。

Ａ２．燃料電池スタックの構成：
図２は、燃料電池スタック１００の断面構造、および、燃料電池スタック１００内における酸化剤ガスとしての空気、生成水を含むカソードオフガス、および、凝縮水の流れを示す説明図である。なお、本明細書では、水素、および、冷却水の流れについては、説明を省略する。

燃料電池スタック１００は、膜電極接合体４１の周囲にフレーム部材４５を配設した単セル４０としてのユニットを、セパレータ４６を介在させて、水平方向に複数積層することによって構成されている。

膜電極接合体４１は、電解質膜４２の両面に、それぞれカソード４３ｃ、および、アノード４３ａを接合したものである。そして、カソード４３ｃ、および、アノード４３ａの表面には、それぞれ金属多孔体流路４４が配設されている。各金属多孔体流路４４は、金属多孔体からなり、セパレータ４６、および、カソード４３ｃ、または、アノード４３ａと当接して膜電極接合体４１で発電された電流を流す機能を有するとともに、空気供給マニホールド１００Ｍｉから供給された空気、および、水素供給マニホールドから供給された水素を、それぞれカソード４３ｃ、および、アノード４３ａに沿って供給するためのガス流路を形成する。なお、フレーム部材４５は、例えば、シリコーンゴム等からなり、セパレータ４６と当接し、セパレータ４６とのシール性を有している。

セパレータ４６は、３枚の金属板、すなわち、カソード対向プレート４６ｃと、中間プレート４６ｍと、アノード対向プレート４６ａとをこの順に重ね合わせて接合することによって構成されている。なお、図示は省略しているが、セパレータ４６内部には、冷却水を流すための流路が形成されている。

先に説明したように、燃料電池スタック１００内部には、空気供給マニホールド１００Ｍｉと、カソードオフガス排出マニホールド１００Ｍｏと、水素供給マニホールドと、アノードオフガス排出マニホールドと、冷却水供給マニホールドと、冷却水排出マニホールドとが形成されている。そして、本実施例の燃料電池スタック１００では、図示するように、空気供給マニホールド１００Ｍｉは、膜電極接合体４１の下部に配設されており、カソードオフガス排出マニホールド１００Ｍｏは、膜電極接合体４１の上部に配設されている。

そして、カソード対向プレート４６ｃと、中間プレート４６ｍと、アノード対向プレート４６ａと、フレーム部材４５には、それぞれ空気供給マニホールド１００Ｍｉ、水素供給マニホールド、冷却水供給マニホールドや、カソードオフガス排出マニホールド１００Ｍｏ、アノードオフガス排出マニホールド、冷却水供給マニホールドを構成する貫通孔が形成されている。また、図示するように、フレーム部材４５の空気供給マニホールド１００Ｍｉを構成する貫通孔の上側壁面には、空気供給マニホールド１００Ｍｉからカソード側の金属多孔体流路４４の下端部に空気を導入するための空気導入口４５ｉが形成されている。また、フレーム部材４５のカソードオフガス排出マニホールド１００Ｍｏを構成する貫通孔の下側壁面には、カソード側の金属多孔体流路４４の上端部からカソードオフガス排出マニホールド１００Ｍｏにカソードオフガスを排出するためのカソードオフガス排出口４５ｏが形成されている。したがって、カソード側の金属多孔体流路４４において、空気、および、カソードオフガスは、重力方向と対向する方向、すなわち、下から上に流れる。

カソードオフガスには、発電時に、水素と酸素との電気化学反応によって生成された生成水（水蒸気）が含まれている。そして、カソードオフガス排出マニホールド１００Ｍｏ内は、放熱により、燃料電池スタック１００の動作温度（１００（℃）未満）よりも低いため、生成水の一部は、カソードオフガス排出マニホールド１００Ｍｏ内で凝縮して、凝縮水Ｗｃが生成される。そして、先に説明したように、カソードオフガス排出マニホールド１００Ｍｏは、膜電極接合体４１の上部に配設されているため、凝縮水Ｗｃが、重力により、カソードオフガス排出口４５ｏからカソード側の金属多孔体流路４４に流れ込み、その量が過剰な場合には、フラッディングが生じる。そこで、本実施例の燃料電池スタック１００は、カソードオフガス排出マニホールド１００Ｍｏの内部に、凝縮水Ｗｃを燃料電池スタック１００の外部に排出するための排水流路４７が備えられている。

本実施例では、この排水流路４７は、後述するように、各セパレータ４６に排水流路形成部材４７ｐをそれぞれ設け、各セパレータ４６間の排水流路形成部材４７ｐ同士を互いに接続することによって構成されている。この排水流路形成部材４７ｐは、絶縁性部材からなる。排水流路４７（排水流路形成部材４７ｐ）は、図の右側、および、図３に断面形状示したように、樋型の形状を有しており、カソードオフガス排出マニホールド１００Ｍｏの上側内壁面から落下する凝縮水Ｗｃを受け止めて、スタック構造における積層方向に流し、燃料電池スタック１００の外部に排出することができる。なお、各セパレータ４６間における各排水流路形成部材４７ｐ同士の接続部には、排水流路形成部材４７ｐ同士のシール性を確保するため、シール部材４７ｓが設けられている。

図３は、セパレータ４６の平面図である。図中の破線で示した領域は、燃料電池スタック１００において、膜電極接合体４１が配置される領域を表している。セパレータ４６は、図示するように、カソードオフガス排出マニホールド１００Ｍｏの内部に、３つの排水流路形成部材４７ｐが横方向に連なって配設されており、これらは、治具４７ｊによって連結されるとともに、セパレータ４６に固定されている。排水流路形成部材４７ｐの数は、任意に設定可能である。

以上説明した第１実施例の燃料電池スタック１００によれば、カソードオフガス排出マニホールド１００Ｍｏ内で凝縮した凝縮水Ｗｃを、カソードオフガス排出マニホールド１００Ｍｏの内部に設けられた専用の排水流路４７を用いて、燃料電池スタック１００の外部に排出することができる。したがって、単セル４０が水平方向に複数積層され、各単セル４０の上方に配設されたカソードオフガス排出マニホールド１００Ｍｏを用いて生成水を含む排出ガスを排出する燃料電池スタック１００において、カソードオフガス排出マニホールド１００Ｍｏ内で凝縮した凝縮水Ｗｃが単セル４０へ流れ込むことを抑制することができる。この結果、カソードオフガス排出マニホールド１００Ｍｏから単セル４０に流れ込む凝縮水Ｗｃによるフラッディングを抑制し、燃料電池スタック１００における発電を安定的に行うことができる。

Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．燃料電池システムの構成：
第２実施例の燃料電池システムは、燃料電池スタックの構造、および、凝縮水の排水系以外は、図１に示した燃料電池システム１０００と同じである（図示省略）。そして、第２実施例の燃料電池システムは、第１実施例の燃料電池システム１０００における燃料電池スタック１００の代わりに、後述する燃料電池スタック１００Ａを備えている。

燃料電池スタック１００Ａは、後述するように、第１実施例の燃料電池スタック１００における排水流路４７の代わりに、カソードオフガス排出マニホールド１００Ｍｏ内で生成された凝縮水を集水する集水溝や、集水板や、集水溝に集水した凝縮水を集合させて燃料電池スタック１００Ａの外部に排水するための凝縮水排水マニホールドを内部に備えており、集水板、および、集水溝によって集水された凝縮水は、凝縮水排水マニホールドから、排水配管６３（図１参照）を介して、排水される。

Ｂ２．燃料電池スタックの構成：
図４は、燃料電池スタック１００Ａの断面構造、および、燃料電池スタック１００内における酸化剤ガスとしての空気、生成水を含むカソードオフガス、および、凝縮水の流れを示す説明図である。

燃料電池スタック１００Ａは、先に説明した第１実施例の燃料電池スタック１００と同様に、膜電極接合体４１の周囲にフレーム部材４５を配設した単セル４０としてのユニットを、セパレータ４６Ａを介在させて、水平方向に複数積層することによって構成されている。膜電極接合体４１、および、フレーム部材４５は、第１実施例の燃料電池スタック１００と同じである。また、空気供給マニホールド１００Ｍｉや、カソードオフガス排出マニホールド１００Ｍｏ等の位置関係も、燃料電池スタック１００と同じであり、空気供給マニホールド１００Ｍｉから各単セル４０に分岐して供給される空気は、金属多孔体流路４４に沿って下から上に流れ、金属多孔体流路４４の上端部からカソードオフガス排出マニホールド１００Ｍｏに排出される。

セパレータ４６Ａは、第１実施例のセパレータ４６と同様に、３枚の金属板、すなわち、カソード対向プレート４６Ａｃと、中間プレート４６Ａｍと、アノード対向プレート４６Ａａとをこの順に重ね合わせて接合することによって構成されている。ただし、セパレータ４６Ａは、セパレータ４６における排水流路形成部材４７ｐや、治具４７ｊの代わりに、集水板４６ｄや、集水溝４８を一体的に備えている。

集水板４６ｄは、図示するように、カソード対向プレート４６Ａｃのカソードオフガス排出マニホールド１００Ｍｏを構成する部分を曲げ加工することによって、カソードオフガス排出口４５ｏを覆うように形成されている。こうすることによって、カソードオフガス排出マニホールド１００Ｍｏで生成された凝縮水Ｗｃが、カソードオフガス排出マニホールド１００Ｍｏの上側内壁面からカソードオフガス排出口４５ｏへ直接的に落下することを抑制するとともに、集水板４６ｄに落下した凝縮水Ｗｃを集水溝４８に導き、効率よく集水することができる。なお、本実施例では、カソード対向プレート４６Ａｃのカソードオフガス排出マニホールド１００Ｍｏを構成する部分を、カソードオフガスの流れ方向の下流側から上流側に向けて曲げるものとしたが、カソードオフガスの流れ方向の上流から下流に向けて曲げるものとしてもよい。

集水溝４８は、図から分かるように、中間プレート４６Ａｍにおけるカソードオフガス排出マニホールド１００Ｍｏを構成する貫通孔の縦方向の長さを、アノード対向プレート４６Ａａ、および、カソード対向プレート４６Ａｃのカソードオフガス排出マニホールド１００Ｍｏを構成する貫通孔の縦方向の長さよりも長くすることによって形成されている。

図５は、セパレータ４６Ａの平面図である。セパレータ４６Ａは、先に説明したように、カソードオフガス排出マニホールド１００Ｍｏの下側内壁面に、集水溝４８を備えている。そして、集水溝４８の両端には、集水板４６ｄ、および、カソードオフガス排出マニホールド１００Ｍｏの側面から集水溝４８に集水した凝縮水Ｗｃを凝縮水排水マニホールド４６ｗに導くためのドレインポート４８ｐが形成されている。こうすることによって、集水板４６ｄ、および、集水溝４８によって集水した凝縮水Ｗｃを、ドレインポート４８ｐ、および、凝縮水排水マニホールド４６ｗを通じて、燃料電池スタック１００Ａの外部に排出することができる。

以上説明した第２実施例の燃料電池スタック１００Ａによれば、カソードオフガス排出マニホールド１００Ｍｏ内で凝縮した凝縮水Ｗｃを、排水流路としての集水板４６ｄ、集水溝４８、ドレインポート４８ｐ、凝縮水排水マニホールド４６ｗを用いて、燃料電池スタック１００の外部に排出することができる。したがって、単セル４０が水平方向に複数積層され、各単セル４０の上方に配設されたカソードオフガス排出マニホールド１００Ｍｏを用いて生成水を含む排出ガスを排出する燃料電池スタック１００Ａにおいて、カソードオフガス排出マニホールド１００Ｍｏ内で凝縮した凝縮水Ｗｃが単セル４０へ流れ込むことを抑制することができる。この結果、カソードオフガス排出マニホールド１００Ｍｏから単セル４０に流れ込む凝縮水Ｗｃによるフラッディングを抑制し、燃料電池スタック１００Ａにおける発電を安定的に行うことができる。

Ｃ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。

Ｃ１．変形例１：
上記第１実施例では、図３に示したように、カソードオフガス排出マニホールド１００Ｍｏは、矩形形状であるものとしたが、本発明は、これに限られない。

図６は、第１実施例の変形例としてのセパレータ４６Ｂの平面図である。このセパレータ４６Ｂにおいて、カソードオフガス排出マニホールド１００ＢＭｏは、図示するように、カソードオフガス排出マニホールド１００ＢＭｏの上側内壁面で生成された凝縮水Ｗｃが、重力によって、一部に集まりやすくなるように、下に凸となる凸部を有している。そして、この凸部は、各排水流路形成部材４７ｐのほぼ真上に配置されている。こうすることによって、カソードオフガス排出マニホールド１００ＢＭｏの上側内壁面で生成された凝縮水Ｗｃを、排水流路４７に効率よく集水することができる。

Ｃ２．変形例２：
上記第１実施例では、燃料電池スタック１００の排水流路４７は、複数のセパレータ４６に一体的に設けられた排水流路形成部材４７ｐを互いに接続することによって構成するものとしたが、本発明は、これに限られない。排水流路４７を、セパレータ４６とは別に用意された単一の排水流路形成部材によって構成するようにしてもよい。この場合、排水流路形成部材の両端部は、エンドプレート１０に固定するようにすればよい。

また、別途用意された排水流路形成部材４７ｐを用いて排水流路４７を形成する代わりに、カソードオフガス排出マニホールド１００Ｍｏの下側内壁面に、排水流路４７を一体形成するようにしてもよい。

Ｃ３．変形例３：
上記第２実施例では、すべてのセパレータに集水板４６ｄ、および、集水溝４８を備えるものとしたが、一部のセパレータに集水板４６ｄ、および、集水溝４８を備えるようにしてもよい。また、上記第２実施例では、集水板４６ｄは、カソードオフガス排出口４５ｏを覆うように形成されているものとしたが、本発明は、これに限られない。

Ｃ４．変形例４：
上記第２実施例では、セパレータ４６Ａにおいて、集水板４６ｄは、カソード対向プレート４６Ａｃを曲げ加工することによって、セパレータ４６に一体的に形成されているものとしたが、本発明は、これに限られない。集水板を別途備えるようにしてもよい。また、集水板４６ｄは、カソードオフガス排出口４５ｏを覆っていなくてもよい。また、セパレータ４６Ａが集水板４６ｄを備えないようにしてもよい。

Ｃ５．変形例５：
上記実施例では、カソードオフガスに含まれる生成水の一部がカソードオフガス排出マニホールド１００Ｍｏで凝縮した凝縮水を、排水流路４７や、集水板４６ｄ、集水溝４８等を用いて燃料電池スタック１００，１００Ａの外部に排出するものとしたが、本発明は、これに限られない。アノードオフガスに含まれる生成水の一部がアノードオフガス排出マニホールドで凝縮した凝縮水を、上記実施例と同様にして、排水流路４７や、集水板４６ｄ、集水溝４８等を用いて燃料電池スタック１００，１００Ａの外部に排出するようにしてもよい。

Ｃ６．変形例６：
上記実施例では、燃料電池スタック１００，１００Ａにおいて、カソードオフガス排出口４５ｏは、フレーム部材４５に形成されているものとしたが、本発明は、これに限られない。カソードオフガス排出口は、カソードオフガスが、カソード側の金属多孔体流路４４の上端部からカソードオフガス排出マニホールド１００Ｍｏに排出されるように形成されていればよく、セパレータ４６，４６Ａに形成するようにしてもよい。

Ｃ７．変形例７：
上記実施例では、燃料電池スタック１００，１００Ａにおいて、セパレータ４６，４６Ａは、それぞれ３枚の金属板からなるものとし、金属多孔体流路４４を備えるものとしたが、本発明は、これに限られない。これらの代わりに、例えば、ガス流路となる溝を備えるブロック形状のセパレータを用いるようにしてもよい。

第１実施例としての燃料電池スタック１００を備える燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。 燃料電池スタック１００の断面構造および燃料電池スタック１００内における酸化剤ガスとしての空気生成水を含むカソードオフガスおよび凝縮水の流れを示す説明図である。 セパレータ４６の平面図である。 燃料電池スタック１００Ａの断面構造および燃料電池スタック１００内における酸化剤ガスとしての空気生成水を含むカソードオフガスおよび凝縮水の流れを示す説明図である。 セパレータ４６Ａの平面図である。 第１実施例の変形例としてのセパレータ４６Ｂの平面図である。

符号の説明

１０００…燃料電池システム
１００，１００Ａ…燃料電池スタック
１０…エンドプレート
２０…絶縁板
３０…集電板
４０…単セル
４１…膜電極接合体
４２…電解質膜
４３ａ…アノード
４３ｃ…カソード
４４…金属多孔体流路
４５…フレーム部材
４５ｉ…空気導入口
４５ｏ…カソードオフガス排出口
４６，４６Ａ，４６Ｂ…セパレータ
４６ａ，４６Ａａ…アノード対向プレート
４６ｃ，４６Ａｃ…カソード対向プレート
４６ｍ，４６Ａｍ…中間プレート
４６ｄ…集水板
４６ｗ…凝縮水排水マニホールド
４７…排水流路
４７ｊ…治具
４７ｐ…排水流路形成部材
４７ｓ…シール部材
４８…集水溝
４８ｐ…ドレインポート
５０…水素タンク
５１…シャットバルブ
５２…レギュレータ
５３…配管
５４…循環配管
５５…ポンプ
５６…排出配管
５７…排気バルブ
６０…コンプレッサ
６１，６２…配管
６３…排水配管
１００Ｍｉ…空気供給マニホールド
１００Ｍｏ，１００ＢＭｏ…カソードオフガス排出マニホールド
Ｗｃ…凝縮水

Claims (9)

1. 固体高分子膜からなる電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を備え、前記アノードに供給された水素と前記カソードに供給された酸素との電気化学反応によって発電する単セルを、セパレータを介在させて、水平方向に複数積層したスタック構造を有する燃料電池であって、
   前記電気化学反応に供する反応ガスを、前記各単セルに分岐して供給するための供給マニホールドと、
   前記各単セルの上方に配設され、前記各単セルから排出される、前記電気化学反応で未消費の反応ガスと前記電気化学反応によって生成された生成水とを含む排出ガスを、集合させて前記燃料電池の外部に排出するための排出マニホールドと、
   前記単セルごとに、前記供給マニホールドから供給された反応ガスが、前記膜電極接合体の表面に沿って流れるように形成されているとともに、前記排出ガスが、前記膜電極接合体の上端部から前記排出マニホールドに排出されるように形成されたガス流路と、
   を備え、さらに、
   前記排出ガスに含まれる生成水が前記排出マニホールド内で凝縮したときに、その凝縮水を前記燃料電池の外部に排出するための専用の排水流路を、前記排出マニホールドの内部に備える、
   燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池であって、
   前記反応ガスは、前記酸素を含む酸化剤ガスであり、
   前記供給マニホールドは、前記酸化剤ガスを、前記各単セルに備えられた前記膜電極接合体のカソードに分岐して供給するための酸化剤ガス供給マニホールドであり、
   前記排出マニホールドは、前記各カソードから排出される、前記電気化学反応で未消費の前記酸化剤ガスと前記生成水とを含むカソードオフガスを、集合させて前記燃料電池の外部に排出するためのカソードオフガス排出マニホールドである、
   燃料電池。
3. 請求項１記載の燃料電池であって、
   前記反応ガスは、前記水素を含む燃料ガスであり、
   前記供給マニホールドは、前記燃料ガスを、前記各単セルに備えられた前記膜電極接合体のアノードに分岐して供給するための燃料ガス供給マニホールドであり、
   前記排出マニホールドは、前記各アノードから排出される、前記電気化学反応で未消費の前記燃料ガスと前記生成水とを含むアノードオフガスを、集合させて前記燃料電池の外部に排出するためのアノードオフガス排出マニホールドである、
   燃料電池。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池であって、
   前記排水流路は、前記排出マニホールド内に、該排出マニホールドの上側内壁面から落下する前記凝縮水を受け止めることが可能なように配設されているとともに、該凝縮水が、前記スタック構造における積層方向に流れるように形成されている、
   燃料電池。
5. 請求項４記載の燃料電池であって、
   前記排水流路は、該排水流路を形成するための複数の排水流路形成部材を、互いに接続することによって形成されており、
   前記各排水流路形成部材は、それぞれ前記各セパレータに一体的に形成されている、
   燃料電池。
6. 請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池であって、
   前記セパレータは、前記スタック構造の積層方向に貫通し、前記排出マニホールドを構成する貫通孔を備えており、
   前記複数のセパレータのうちの少なくとも１つは、前記貫通孔の下側内壁面に、前記排水流路として、
   前記凝縮水を集水して流すための集水溝と、
   前記集水溝に集水された前記凝縮水を、前記燃料電池の外部に排水するための排水マニホールドと、
   を備える燃料電池。
7. 請求項６記載の燃料電池であって、
   前記複数のセパレータのうちの少なくとも１つは、前記排水流路として、さらに、
   前記排出マニホールドの上側内壁面から落下する前記凝縮水を、前記集水溝に導くための集水板を備える、
   燃料電池。
8. 請求項７記載の燃料電池であって、
   前記集水板は、前記ガス流路から前記排出マニホールドへの前記オフガスの排出口を覆うように形成されている、
   燃料電池。
9. 請求項７または８記載の燃料電池であって、
   前記集水板は、前記セパレータに一体的に形成されている、
   燃料電池。

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