JP2010034082A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックの配管構造を有効に簡素化且つコンパクトに構成するとともに、部品点数の削減及び組み付け作業の簡素化を図ることを可能にする。
【解決手段】燃料電池システムには、第１及び第２燃料電池スタック１２、１４が互いに平行に配列されるとともに、前記第１及び第２燃料電池スタック１２、１４に集合マニホールド１６が一体的に装着される。集合マニホールド１６の中央部に設けられる連結ブロック８０は、燃料ガス供給口９８ａ及び燃料ガス排出口９８ｂと、酸化剤ガス供給口１００ａ及び酸化剤ガス排出口１００ｂとが表裏に配置され、前記第１及び第２燃料電池スタック１２、１４に対して燃料ガス及び酸化剤ガスを均等に供給している。
【選択図】図６

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持する単位セルを設け、複数の前記単位セルを水平方向に積層するとともに、各単位セルの積層方向に貫通して６つの連通孔が、左右に３つずつ振り分けて形成された燃料電池スタックを備える燃料電池システムに関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜（電解質）を採用している。この電解質膜の両側に、それぞれカーボンを主体とする基材に貴金属系の電極触媒層を接合したアノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を設け、この電解質膜・電極構造体をセパレータによって挟持することにより燃料電池が構成されている。

この種の燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。

通常、この燃料電池は、所望の発電力を得るために、所定数（例えば、数十〜数百）だけ積層した燃料電池スタックとして使用されている。その際、燃料電池の積層方向の長さが相当に長尺化し、燃料ガスを各燃料電池に対して均等に供給することができない等の問題がある。そこで、複数の燃料電池スタックを用意するとともに、各燃料電池スタックを互いに並列させた燃料電池システムが採用されている。

例えば、特許文献１に開示されている「電気化学燃料電池スタックアレイ用統合外部マニホールドアセンブリ」が知られている。この特許文献１では、図９に示すように、電気化学燃料電池スタックアレイ１は、４つの燃料電池スタック２ａ〜２ｄを備えており、各燃料電池スタック２ａ〜２ｄは、複数の単位セル３を矢印Ｘ方向に積層して構成されている。

電気化学燃料電池スタックアレイ１には、外部マニホールドアセンブリ４が接続されている。この外部マニホールドアセンブリ４は、供給側のマニホールド主配管５ａ、５ｂ及び５ｃと、排出側のマニホールド主配管６ａ、６ｂ及び６ｃとを備えている。

マニホールド主配管５ａ〜５ｃは、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体を流すものであり、例えば、前記マニホールド主配管５ａには、複数のマニホールド分岐配管７が接続されてそれぞれの燃料電池スタック２ａ〜２ｄに反応ガス流を供給している。

一方、マニホールド主配管６ａ〜６ｃは、同様に、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体を流すものであり、例えば、前記マニホールド主配管６ａには、複数のマニホールド分岐配管８が接続され、各マニホールド分岐配管８を介して各燃料電池スタック２ａ〜２ｄから反応ガス流を排出している。

国際公開第９６／２０５０９号パンフレット（図１）

しかしながら、上記の特許文献１では、外部マニホールドアセンブリ４が、電気化学燃料電池スタックアレイ１の矢印Ｘ方向両端に設けられているため、前記電気化学燃料電池スタックアレイ１全体が相当に大型なものとなるとともに、配管系が複雑化且つ大型化してしまう。従って、配管の接続作業が煩雑なものとなり、しかもスペース効率が低下して、特に、車載用に有効に適用させることができないという問題が指摘されている。

さらに、マニホールド主配管５ａから分岐される各マニホールド分岐配管７や、マニホールド主配管６ａから分岐される各マニホールド分岐配管８は、それぞれ各燃料電池スタック２ａ〜２ｄの供給口及び排出口に対応して長さが異なっている。これにより、各燃料電池スタック２ａ〜２ｃに反応ガスを均一に供給することができないという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、燃料電池スタックの配管構造を有効に簡素化且つコンパクト化するとともに、部品点数の削減及び組み付け作業の簡素化を図ることが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池システムでは、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持する単位セルを設け、複数の前記単位セルを水平方向に積層するとともに、各単位セルの積層方向に貫通して燃料ガス入口連通孔、酸化剤ガス入口連通孔、冷却媒体入口連通孔、燃料ガス出口連通孔、酸化剤ガス出口連通孔及び冷却媒体出口連通孔の６つの連通孔が、左右に３つずつ振り分けて形成された同一構成の第１及び第２燃料電池スタックを備えている。

第１及び第２燃料電池スタックは、積層方向に沿って互いに平行に且つ極性を反転して配列されており、前記第１及び第２燃料電池スタックの互いに隣接する一端側の第１及び第２エンドプレートには、それぞれ同一の連通孔同士を連通させる集合マニホールドが一体的に装着されている。

そして、集合マニホールドは、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体の供給と排出とを行う複数の配管と、前記配管が接続されて該集合マニホールドの中央部に設けられ、少なくとも前記燃料ガスの供給口及び排出口と前記酸化剤ガスの供給口及び排出口とを有する連結ブロックとを備えている。

また、燃料ガスの供給口及び排出口と酸化剤ガスの供給口及び排出口とは、連結ブロックの互いに反対の面に設けられることが好ましい。

さらに、集合マニホールドは、第１燃料電池スタックの一方の端部に形成された３つの連通孔に接続される単一の第１マニホールドと、前記第１燃料電池スタックの他方の端部に形成された３つの連通孔に接続される単一の第２マニホールドと、第２燃料電池スタックの一方の端部に形成された３つの連通孔に接続される単一の第３マニホールドと、前記第２燃料電池スタックの他方の端部に形成された３つの連通孔に接続される単一の第４マニホールドとを備えることが好ましい。

さらにまた、本発明では、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持する単位セルを設け、複数の前記単位セルを水平方向に積層するとともに、各単位セルの積層方向に貫通して燃料ガス入口連通孔、酸化剤ガス入口連通孔、冷却媒体入口連通孔、燃料ガス出口連通孔、酸化剤ガス出口連通孔及び冷却媒体出口連通孔の６つの連通孔が、左右に３つずつ振り分けて形成された燃料電池スタックを備えている。

燃料電池スタックには、一方の端部に形成された３つの連通孔に接続される単一の第１マニホールドと、他方の端部に形成された３つの連通孔に接続される単一の第２マニホールドとが設けられるとともに、前記第１及び第２マニホールドは、複数の配管により接続されている。

また、複数の配管は、エンドプレートに接触して配設されることが好ましい。さらに、複数の配管は、隣接する配管同士が接触して配設されることが好ましい。

本発明によれば、集合マニホールドの中央部に連結ブロックが設けられるため、この連結ブロックから左右の第１及び第２燃料電池スタックに対して、燃料ガス及び酸化剤ガスを均等に分配することができる。これにより、第１及び第２燃料電池スタックは、所望の発電機能を確実に維持することが可能になる。

しかも、集合マニホールドは、第１及び第２燃料電池スタックの互いに隣接する一端側の第１及び第２エンドプレートに一体的に装着されている。このため、燃料電池システム全体の小型化が容易に図られるとともに、配管構造及び配管取り付け作業の簡素化が遂行される。

また、燃料ガスの供給口及び排出口と酸化剤ガスの供給口及び排出口とは、連結ブロックの互いに反対の面に設けられるため、前記連結ブロックの表裏に配管継手のスペースを十分に確保することができる。その際、第１及び第２燃料電池スタックの間に、例えば、酸化剤ガスの供給口及び排出口に接続される加湿器を配置すれば、連結ブロックと前記加湿器との配管距離が有効に短尺化される。

さらに、本発明では、それぞれ３つの連通孔に接続される単一のマニホールドを設けるため、部品点数が一挙に削減されて経済的であるとともに、組み付け作業全体が良好に簡素化される。

さらにまた、複数の配管は、エンドプレートに接触して配設されるため、高温となる排出反応ガス及び排出冷却媒体を介して前記エンドプレートを保温することが可能になる。従って、簡単な構成で、燃料電池スタック内での暖機処理が迅速に遂行される。

また、複数の配管は、隣接する配管同士が接触して配設されるため、排出反応ガス及び排出冷却媒体を介して供給反応ガス及び供給冷却媒体を加熱することが可能になる。これにより、燃料電池スタック内の温度を容易に均一化させることができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略全体斜視図である。 前記燃料電池システムを構成する燃料電池スタックの一部断面側面図である。 前記燃料電池スタックを構成する単位セルの分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの斜視説明図である。 前記燃料電池システムの反応ガス及び冷却媒体の流れ説明図である。 前記燃料電池システムを構成する集合マニホールド内の流れ説明図である。 前記集合マニホールドを構成する連結ブロックの断面説明図である。 前記集合マニホールドの正面説明図である。 特許文献１に係るアセンブリの説明図である。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０の概略全体斜視図である。

燃料電池システム１０は、水平方向（矢印Ａ方向）に沿って互いに平行に且つ極性を反転して配列される同一構成の第１燃料電池スタック１２と第２燃料電池スタック１４とを備える。第１及び第２燃料電池スタック１２、１４の水平方向一端には、集合マニホールド１６が一体的に装着される。

図２に示すように、第１燃料電池スタック１２は、複数の単位セル１８が水平方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体２０を備える。積層体２０の積層方向（矢印Ａ方向）一端には、ターミナルプレート２２ａ、絶縁プレート２４及び第１エンドプレート２６ａが外方に向かって、順次、配設される。積層体２０の積層方向他端には、ターミナルプレート２２ｂ、絶縁性スペーサ部材２８及び第２エンドプレート２６ｂが外方に向かって、順次、配設される。第１燃料電池スタック１２は、四角形（長方形）に構成される第１及び第２エンドプレート２６ａ、２６ｂを端板として含むケーシング２９により一体的に保持される。

図２及び図３に示すように、各単位セル１８は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）３０と、前記電解質膜・電極構造体３０を挟持する薄板波形状の第１及び第２金属セパレータ３２、３４とを備える。

単位セル１８の長辺方向（図３中、矢印Ｂ方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔３６ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３８ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔４０ｂが設けられる。

単位セル１８の長辺方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔４０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３８ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔３６ｂが設けられる。

電解質膜・電極構造体３０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜４２と、前記固体高分子電解質膜４２を挟持するアノード側電極４４及びカソード側電極４６とを備える。

アノード側電極４４及びカソード側電極４６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布された電極触媒層とを有する。電極触媒層は、互いに固体高分子電解質膜４２を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜４２の両面に接合される。

第１金属セパレータ３２の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３２ａには、燃料ガス供給連通孔４０ａと燃料ガス排出連通孔４０ｂとを連通する燃料ガス流路４８が形成される。この燃料ガス流路４８は、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部により構成される。第１金属セパレータ３２の面３２ｂには、冷却媒体供給連通孔３８ａと冷却媒体排出連通孔３８ｂとを連通する冷却媒体流路５０が形成される。この冷却媒体流路５０は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部により構成される。

第２金属セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３４ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部からなる酸化剤ガス流路５２が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路５２は、酸化剤ガス供給連通孔３６ａと酸化剤ガス排出連通孔３６ｂとに連通する。第２金属セパレータ３４の面３４ｂには、第１金属セパレータ３２の面３２ｂと重なり合って冷却媒体流路５０が一体的に形成される。

第１金属セパレータ３２の面３２ａ、３２ｂには、この第１金属セパレータ３２の外周端部を周回して第１シール部材５４が一体成形される。第１シール部材５４は、面３２ａで燃料ガス供給連通孔４０ａ、燃料ガス排出連通孔４０ｂ及び燃料ガス流路４８を囲繞してこれらを連通させる一方、面３２ｂで冷却媒体供給連通孔３８ａ、冷却媒体排出連通孔３８ｂ及び冷却媒体流路５０を囲繞してこれらを連通させる。

第２金属セパレータ３４の面３４ａ、３４ｂには、この第２金属セパレータ３４の外周端部を周回して第２シール部材５６が一体成形される。第２シール部材５６は、面３４ａで酸化剤ガス供給連通孔３６ａ、酸化剤ガス排出連通孔３６ｂ及び酸化剤ガス流路５２を囲繞してこれらを連通させる一方、面３４ｂで冷却媒体供給連通孔３８ａ、冷却媒体排出連通孔３８ｂ及び冷却媒体流路５０を囲繞してこれらを連通させる。

図２に示すように、第１及び第２シール部材５４、５６間には、固体高分子電解質膜４２の外周が直接ケーシング２９に接触することを阻止すべく、シール５７が介装される。第１及び第２シール部材５４、５６の外周端部は、ケーシング２９の内面との間に僅かな隙間を有していてもよく、また、前記内面に接していてもよい。これは、第１及び第２金属セパレータ３２、３４が所定量以上に曲がることを規制するためである。

図１及び図２に示すように、ターミナルプレート２２ａ、２２ｂの端部には、面方向に突出する板状の端子部５８ａ、５８ｂが形成される。

ケーシング２９は、図１、図２及び図４に示すように、端板である第１及び第２エンドプレート２６ａ、２６ｂと、積層体２０の側部に配置される複数の側板６０ａ〜６０ｄと、前記側板６０ａ〜６０ｄの互いに近接する端部同士をねじ止めにより連結するアングル部材（例えば、Ｌアングル）６２ａ〜６２ｄと、前記第１及び第２エンドプレート２６ａ、２６ｂと前記側板６０ａ〜６０ｄとを連結するそれぞれ長さの異なる連結ピン６４ａ、６４ｂとを備える。

図４に示すように、第１エンドプレート２６ａの矢印Ｂ方向一端には、酸化剤ガス供給連通孔３６ａに連通する酸化剤ガス入口６６ａ、冷却媒体供給連通孔３８ａに連通する冷却媒体入口６８ａ、及び燃料ガス排出連通孔４０ｂに連通する燃料ガス出口７０ｂが形成される。

第１エンドプレート２６ａの矢印Ｂ方向他端には、燃料ガス供給連通孔４０ａに連通する燃料ガス入口７０ａ、冷却媒体排出連通孔３８ｂに連通する冷却媒体出口６８ｂ、及び酸化剤ガス排出連通孔３６ｂに連通する酸化剤ガス出口６６ｂが形成される。

図２に示すように、スペーサ部材２８は、ケーシング２９の内周で位置決めされるように所定の寸法に設定された矩形状を有する。このスペーサ部材２８は、積層体２０の積層方向の長さ変動を吸収して前記積層体２０に所望の締め付け荷重を付与可能にするために、厚さが調整される。なお、積層体２０の積層方向の長さの変動が、第１及び第２金属セパレータ３２、３４自体の弾性等で吸収可能であれば、スペーサ部材２８を用いなくてもよい。

第２燃料電池スタック１４は、上記のように構成される第１燃料電池スタック１２と略同一に構成されており、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

第１及び第２燃料電池スタック１２、１４を構成する積層体２０は、全く同一の構成を有しており、それぞれの極性を逆にするために、例えば、前記第２燃料電池スタック１４を構成する積層体２０を、前記第１燃料電池スタック１２を構成する積層体２０に対して鉛直軸回りに１８０°反転させている。

第２燃料電池スタック１４では、図５に示すように、第２エンドプレート２６ｂに酸化剤ガス入口７２ａ、冷却媒体入口７４ａ及び燃料ガス出口７６ｂが矢印Ｂ方向一端側に形成されるとともに、燃料ガス入口７６ａ、冷却媒体出口７４ｂ及び酸化剤ガス出口７２ｂが矢印Ｂ方向他端側に形成される。

第１及び第２燃料電池スタック１２、１４の中間位置Ｐに対して、酸化剤ガス入口６６ａ、７２ａ、冷却媒体入口６８ａ、７４ａ及び燃料ガス出口７０ｂ、７６ｂは、互いに近接する位置に且つ対称となる位置に設けられる一方、燃料ガス入口７０ａ、７６ａ、冷却媒体出口６８ｂ、７４ｂ及び酸化剤ガス出口６６ｂ、７２ｂは、互いに離間する位置に且つ対称となる位置に設けられる。

図１に示すように、第１及び第２燃料電池スタック１２、１４の互いに隣接する一端側の第１及び第２エンドプレート２６ａ、２６ｂには、集合マニホールド１６が一体的に装着される。集合マニホールド１６は、図１及び図６に示すように、該集合マニホールド１６の中央部に連結ブロック８０を設けており、この連結ブロック８０の両側部には、それぞれ６本の配管８２ａ〜８２ｆ及び８４ａ〜８４ｆが連結される。

配管８２ａ〜８２ｆは、第１燃料電池スタック１２側に延在して第１マニホールド８６に連結される。この第１マニホールド８６は、第１燃料電池スタック１２の一方の端部に形成された３つの連通孔である酸化剤ガス入口６６ａ、冷却媒体入口６８ａ、及び燃料ガス出口７０ｂに接続される単一のマニホールドを構成する。

第１燃料電池スタック１２の他方の端部に形成された３つの連通孔である燃料ガス入口７０ａ、冷却媒体出口６８ｂ及び酸化剤ガス出口６６ｂには、単一の第２マニホールド８８が接続される。第１マニホールド８６には、それぞれ配管８２ａ〜８２ｅに連通する４本の配管９０ａ〜９０ｄの一端が接続される。

配管９０ａ、９０ｂ及び９０ｄの他端は、第２マニホールド８８に接続される一方、配管９０ｃの他端は、第２マニホールド８８の外周を通って、第１燃料電池スタック１２の側方に延在している。配管９０ａ〜９０ｄは、互いの外周面を接触して配設されるとともに、第１燃料電池スタック１２の第１エンドプレート２６ａの面に接触している。

配管８４ａ〜８４ｆは、第２燃料電池スタック１４側に延在して第３マニホールド９２に接続される。この第３マニホールド９２は、第２燃料電池スタック１４の一方の端部に形成された３つの連通孔である酸化剤ガス入口７２ａ、冷却媒体入口７４ａ及び燃料ガス出口７６ｂに接続される単一のマニホールドを構成する。

第２燃料電池スタック１４の他方の端部に形成された３つの連通孔である燃料ガス入口７６ａ、冷却媒体出口７４ｂ及び酸化剤ガス出口７２ｂには、単一の第４マニホールド９４が接続される。

第３マニホールド９２には、配管８４ａ〜８４ｅに連通する４つの配管９６ａ〜９６ｄの一端が接続されるとともに、前記配管９６ａ、９６ｃ及び９６ｄの他端が第４マニホールド９４に接続される。配管９６ｂの他端は、第２マニホールド８８に一部が連結された状態で、第２燃料電池スタック１４の側方に延在する。

連結ブロック８０の一方の面である表面８０ａには、燃料ガス供給口９８ａと燃料ガス排出口９８ｂとが設けられる。燃料ガス供給口９８ａは、配管８２ｂ、８４ｂに連通する一方、燃料ガス排出口９８ｂは、配管８２ｆ、８４ｆに連通する。

図７に示すように、連結ブロック８０の他方の面である裏面８０ｂの上部側には、配管８２ａ、８４ａに連通する酸化剤ガス供給口１００ａと、配管８２ｅ、８４ｅに連通する酸化剤ガス排出口１００ｂとが近接して形成される。この裏面８０ｂには、酸化剤ガス供給口１００ａ及び酸化剤ガス排出口１００ｂに連通する加湿器１０２が取り付けられる。

図６及び図８に示すように、第１マニホールド８６は、酸化剤ガス入口６６ａを配管８２ａに連通し、冷却媒体入口６８ａを配管８２ｄ、９０ｃに連通し、燃料ガス出口７０ｂを配管８２ｆに連通する。第２マニホールド８８は、燃料ガス入口７０ａを配管９０ａに連通し、冷却媒体出口６８ｂを配管９０ｄに連通し、酸化剤ガス出口６６ｂを配管９０ｂに連通する。

同様に、第３マニホールド９２は、酸化剤ガス入口７２ａを配管８４ａに連通し、冷却媒体入口７４ａを配管８４ｄ（及び必要に応じて端部が閉塞された配管９６ｃ）に連通し、燃料ガス出口７６ｂを配管８４ｆに連通する。第４マニホールド９４は、燃料ガス入口７６ａを配管９６ａに連通し、冷却媒体出口７４ｂを配管９６ｂに連通し、酸化剤ガス出口７２ｂを配管９６ｄに連通する。

集合マニホールド１６では、配管８２ａ、８４ａが酸化剤ガス供給配管を構成し、配管８２ｂ、８４ｂ、９０ａ及び９６ａが燃料ガス供給配管を構成し、配管８２ｃ、８４ｃ、９０ｂ及び９６ｂが冷却媒体排出配管を構成し、配管８２ｄ、８４ｄ及び９０ｃが冷却媒体供給配管を構成し、配管８２ｅ、８４ｅ、９０ｄ及び９６ｄが酸化剤ガス排出配管を構成し、配管８２ｆ、８４ｆが燃料ガス排出配管を構成する。

配管８２ａ〜８２ｆ、８４ａ〜８４ｆ、９０ａ〜９０ｄ及び９６ａ〜９６ｄは、例えば、熱伝導性に優れる金属材や伝熱性樹脂材、又は絶縁性樹脂材等で形成される。なお、金属材の流路内面に絶縁コートを施してもよい。

図１に示すように、第１燃料電池スタック１２の集合マニホールド１６に近接する端子部５８ａと、第２燃料電池スタック１４の前記集合マニホールド１６に近接する端子部５８ｂとは、ケーブル１０４を介して電気的に接続される。端子部５８ａは、例えば、負極である一方、端子部５８ｂは、例えば、正極であり、これらがケーブル１０４により電気的に接続されることによって、第１及び第２燃料電池スタック１２、１４が電気的に直列に接続される。第１燃料電池スタック１２の端子部５８ｂと、第２燃料電池スタック１４の端子部５８ａとは、例えば、モータ等の外部負荷１０６に接続されている。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。

先ず、図１、図６及び図７に示すように、燃料電池システム１０では、集合マニホールド１６に装着された加湿器１０２から連結ブロック８０の酸化剤ガス供給口１００ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、前記連結ブロック８０の燃料ガス供給口９８ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、配管９０ｃには、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

連結ブロック８０の酸化剤ガス供給口１００ａに供給された酸化剤ガスは、配管８２ａ、８４ａを通って第１及び第３マニホールド８６、９２に送られる。このため、酸化剤ガスは、第１及び第２燃料電池スタック１２、１４を構成する第１及び第２エンドプレート２６ａ、２６ｂの酸化剤ガス入口６６ａ、７２ａに供給される（図５及び図６参照）。

連結ブロック８０の燃料ガス供給口９８ａに供給された燃料ガスは、配管８２ｂ、８４ｂから配管９０ａ、９６ａを通って第１及び第２燃料電池スタック１２、１４の燃料ガス入口７０ａ、７６ａに供給される。

配管９０ｃに供給された冷却媒体は、一部分が第２マニホールド８８から第１燃料電池スタック１２の冷却媒体入口６８ａに送られるとともに、残余の部分が配管８２ｄ、８４ｄを介して第３マニホールド９２から第２燃料電池スタック１４の冷却媒体入口７４ａに供給される。

次いで、第１燃料電池スタック１２内では、図３に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔３６ａから第２金属セパレータ３４の酸化剤ガス流路５２に導入され、電解質膜・電極構造体３０のカソード側電極４６に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔４０ａから第１金属セパレータ３２の燃料ガス流路４８に導入され、電解質膜・電極構造体３０のアノード側電極４４に沿って移動する。

従って、各電解質膜・電極構造体３０では、カソード側電極４６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４４に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。

次いで、カソード側電極４６に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔３６ｂに沿って流動した後、第１エンドプレート２６ａの酸化剤ガス出口６６ｂに排出される（図５参照）。同様に、アノード側電極４４に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔４０ｂに排出されて流動し、第１エンドプレート２６ａの燃料ガス出口７０ｂに排出される。

また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔３８ａから第１及び第２金属セパレータ３２、３４間の冷却媒体流路５０に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体３０を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３８ｂを移動して第１エンドプレート２６ａの冷却媒体出口６８ｂに排出される。

第２燃料電池スタック１４では、上記の第１燃料電池スタック１２と同様に、使用済みの酸化剤ガスは、第２エンドプレート２６ｂの酸化剤ガス出口７２ｂに排出される（図５参照）。さらに、使用済みの燃料ガスは、第２エンドプレート２６ｂの燃料ガス出口７６ｂに排出されるとともに、使用済みの冷却媒体は、前記第２エンドプレート２６ｂの冷却媒体出口７４ｂに排出される。

酸化剤ガス出口６６ｂ、７２ｂに排出された酸化剤ガスは、図６及び図８に示すように、第２及び第４マニホールド８８、９４から配管９０ｄ、９６ｄを通って配管８２ｅ、８４ｅに送られる。さらに、酸化剤ガスは、連結ブロック８０内を上昇して酸化剤ガス排出口１００ｂから加湿器１０２に送られる（図７参照）。

加湿器１０２では、使用済みの酸化剤ガスから使用前の酸化剤ガスに水分及び熱の交換が行われる。このため、使用前の酸化剤ガスは、所望の加湿状態で且つ所望の温度に調整された後、第１及び第２燃料電池スタック１２、１４に供給される。

一方、燃料ガス出口７０ｂ、７６ｂに排出された燃料ガスは、図６及び図８に示すように、第１及び第３マニホールド８６、９２から配管８２ｆ、８４ｆを通って連結ブロック８０の燃料ガス排出口９８ｂに排出される。

さらに、冷却媒体出口６８ｂに排出された冷却媒体は、第２マニホールド８８から配管９０ｂを通って第１マニホールド８６に至り、配管８２ｃ、８４ｃ及び９６ｂを通って外部に排出される。また、冷却媒体出口７４ｂから排出された冷却媒体は、配管９６ｂの途上に合流して外部に排出される。

この場合、本実施形態では、第１及び第２燃料電池スタック１２、１４が並列され、この第１及び第２燃料電池スタック１２、１４の互いに隣接する第１及び第２エンドプレート２６ａ、２６ｂには、集合マニホールド１６が一体的に装着されている。そして、集合マニホールド１６の中央部には、連結ブロック８０が設けられるとともに、この連結ブロック８０は、燃料ガス供給口９８ａ、燃料ガス排出口９８ｂ、酸化剤ガス供給口１００ａ及び酸化剤ガス排出口１００ｂを備えている。

これにより、連結ブロック８０から第１及び第２燃料電池スタック１２、１４に対して燃料ガス及び酸化剤ガスを均等に分配することができ、前記第１及び第２燃料電池スタック１２、１４は、所望の発電機能を確実に維持することが可能になるという効果が得られる。

しかも、集合マニホールド１６は、第１及び第２燃料電池スタック１２、１４の互いに隣接する一端側に装着されている。このため、燃料電池システム１０全体の小型化が容易に図られるとともに、配管構造及び配管取り付け作業の簡素化が遂行される。

また、連結ブロック８０の表面８０ａには、燃料ガス供給口９８ａ及び燃料ガス排出口９８ｂが設けられる一方、前記連結ブロック８０の裏面８０ｂには、酸化剤ガス供給口１００ａ及び酸化剤ガス排出口１００ｂが設けられている（図７参照）。従って、連結ブロック８０の表裏（表面８０ａ及び裏面８０ｂ）に配管継手のスペースを十分に確保することができ、スペース効率の向上が図られる。しかも、第１及び第２燃料電池スタック１２、１４の間に加湿器１０２が配置されており、この加湿器１０２と連結ブロック８０との配管距離が有効に短尺化されるという利点がある。

さらに、本実施形態では、第１燃料電池スタック１２において、図６に示すように、酸化剤ガス入口６６ａ、冷却媒体入口６８ａ及び燃料ガス出口７０ｂに接続される単一の第１マニホールド８６と、燃料ガス入口７０ａ、冷却媒体出口６８ｂ及び酸化剤ガス出口６６ｂに接続される単一の第２マニホールド８８とを設けている。同様に、第２燃料電池スタック１４において、それぞれ３つの連通孔に接続される単一の第３及び第４マニホールド９２、９４を設けている。これにより、部品点数が一挙に削減されて経済的であるとともに、集合マニホールド１６全体の組み付け作業が良好に簡素化されるという効果がある。

さらにまた、第１燃料電池スタック１２において、複数の配管９０ａ〜９０ｄが第１エンドプレート２６ａの面に接触して配設されている。このため、第１燃料電池スタック１２の発電により高温となる排出冷却媒体及び排出酸化剤ガスは、それぞれ配管９０ｂ、９０ｄを流れることによって、前記配管９０ｂ、９０ｄから第１エンドプレート２６ａに伝熱が行われる。

従って、特に、低温起動時に第１燃料電池スタック１２の端部セル（積層方向端部に配置されている単位セル１８）を速やかに暖機することが可能になり、簡単な構成で、前記第１燃料電池スタック１２の効率的な暖機処理が容易に遂行されるという利点がある。

また、配管９０ａ〜９０ｄは、隣接する配管同士が接触して配設されている。これにより、配管９０ｂ、９０ｄを流れる高温の排出冷却媒体及び排出酸化剤ガスを介して、配管９０ａ、９０ｃを流れる供給燃料ガス及び供給冷却媒体を加熱することができる。

このため、第１燃料電池スタック１２内の温度を容易に均一化させて効率的な発電機能を維持することが可能になる。一方、第２燃料電池スタック１４においても、上記の第１燃料電池スタック１２と同様の効果が得られる。

なお、本実施形態では、連結部材として、例えば、アングル部材６２ａ〜６２ｄを用いているが、これに限定されるものではない。例えば、側板６０ａ〜６０ｄ自体に屈曲するフランジ部を形成し、各フランジ部をねじ止めして前記側板６０ａ〜６０ｄ同士を連結することにより連結部材を構成してもよい。また、側板６０ａ〜６０ｄ同士を溶接して一体化することにより、連結部材を構成してもよい。

１０…燃料電池システム １２、１４…燃料電池スタック
１６…集合マニホールド １８…単位セル
２０…積層体 ２６ａ、２６ｂ…エンドプレート
２９…ケーシング ３０…電解質膜・電極構造体
３２、３４…セパレータ ３６ａ…酸化剤ガス供給連通孔
３６ｂ…酸化剤ガス排出連通孔 ３８ａ…冷却媒体供給連通孔
３８ｂ…冷却媒体排出連通孔 ４０ａ…燃料ガス供給連通孔
４０ｂ…燃料ガス排出連通孔 ４２…固体高分子電解質膜
４４…アノード側電極 ４６…カソード側電極
４８…燃料ガス流路 ５０…冷却媒体流路
５２…酸化剤ガス流路 ５８ａ、５８ｂ…端子部
６０ａ〜６０ｄ…側板 ６６ａ、７２ａ…酸化剤ガス入口
６６ｂ、７２ｂ…酸化剤ガス出口 ６８ａ、７４ａ…冷却媒体入口
６８ｂ、７４ｂ…冷却媒体出口 ７０ａ、７６ａ…燃料ガス入口
７０ｂ、７６ｂ…燃料ガス出口 ８０…連結ブロック
８２ａ〜８２ｆ、８４ａ〜８４ｆ、９０ａ〜９０ｄ、９６ａ〜９６ｄ…配管
８６、８８、９２、９４…マニホールド
９８ａ…燃料ガス供給口 ９８ｂ…燃料ガス排出口
１００ａ…酸化剤ガス供給口 １００ｂ…酸化剤ガス排出口
１０２…加湿器

Claims (6)

1. 電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持する単位セルを設け、複数の前記単位セルを水平方向に積層するとともに、各単位セルの積層方向に貫通して燃料ガス入口連通孔、酸化剤ガス入口連通孔、冷却媒体入口連通孔、燃料ガス出口連通孔、酸化剤ガス出口連通孔及び冷却媒体出口連通孔の６つの連通孔が、左右に３つずつ振り分けて形成された同一構成の第１及び第２燃料電池スタックを備え、
   前記第１及び第２燃料電池スタックは、前記積層方向に沿って互いに平行に且つ極性を反転して配列されており、
   前記第１及び第２燃料電池スタックの互いに隣接する一端側の第１及び第２エンドプレートには、それぞれ同一の連通孔同士を連通させる集合マニホールドが一体的に装着されるとともに、
   前記集合マニホールドは、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体の供給と排出とを行う複数の配管と、
   前記配管が接続されて該集合マニホールドの中央部に設けられ、少なくとも前記燃料ガスの供給口及び排出口と前記酸化剤ガスの供給口及び排出口とを有する連結ブロックと、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料ガスの供給口及び排出口と前記酸化剤ガスの供給口及び排出口とは、前記連結ブロックの互いに反対の面に設けられることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、前記集合マニホールドは、前記第１燃料電池スタックの一方の端部に形成された３つの連通孔に接続される単一の第１マニホールドと、
   前記第１燃料電池スタックの他方の端部に形成された３つの連通孔に接続される単一の第２マニホールドと、
   前記第２燃料電池スタックの一方の端部に形成された３つの連通孔に接続される単一の第３マニホールドと、
   前記第２燃料電池スタックの他方の端部に形成された３つの連通孔に接続される単一の第４マニホールドと、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
4. 電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持する単位セルを設け、複数の前記単位セルを水平方向に積層するとともに、各単位セルの積層方向に貫通して燃料ガス入口連通孔、酸化剤ガス入口連通孔、冷却媒体入口連通孔、燃料ガス出口連通孔、酸化剤ガス出口連通孔及び冷却媒体出口連通孔の６つの連通孔が、左右に３つずつ振り分けて形成された燃料電池スタックを備え、
   前記燃料電池スタックには、一方の端部に形成された３つの連通孔に接続される単一の第１マニホールドと、
   他方の端部に形成された３つの連通孔に接続される単一の第２マニホールドと、
   が設けられるとともに、
   前記第１及び第２マニホールドは、複数の配管により接続されることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記複数の配管は、前記エンドプレートに接触して配設されることを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記複数の配管は、隣接する配管同士が接触して配設されることを特徴とする燃料電池システム。

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