JP6937253B2 - 燃料電池スタックのマニホールド、及び燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、燃料電池スタックのマニホールド、及び燃料電池スタックに関する。

燃料電池は、燃料極ガスと、酸化剤極ガスとの電極内における電気化学的反応により発電する。この燃料電池は、エネルギ変換効率が高く、またＮｏ_ｘやＳｏ_ｘ等の排出がほとんど無いので、地球環境に与える影響をより小さくすることが可能である。このため、産業用、家庭用などの定置用燃料電池発電システムの開発が進められている。また、燃料電池は、車載用のモータ電源としても実用化され始めている。

家庭用や車載用などの燃料電池の設置スペースは限られていることから、燃料電池スタックは可能な限り小型化することが望まれている。高分子電解質膜を用いた固体高分子形の燃料電池スタックは、高出力密度での運転が可能で、小型化が可能であり、また常温からの動作が可能であるので、頻繁な起動停止が要求される車載用あるいは純水素を用いる定置型の燃料電池システム向けとして高分子電解質膜を用いた固体高分子形の燃料電池の適用が進められている。

この燃料電池スタックは、電解質膜とこれを挟持する燃料極と酸化剤極、燃料極に面したガス流路が設けられている燃料極流路板と、酸化剤極に面したガス流路が設けられている酸化剤極流路板とを有するセルが積層されたセル積層体を構成される。また、発電に必要な燃料ガスを燃料極流路板に供給し、酸化剤ガスを酸化剤極流路に供給するために、セル積層体の側面には燃料マニホールドと酸化剤マニホールドとが配置されている。これらのマニホールドには、セル積層体に反応ガスを供給するための配管継手部と、セル積層体からの未反応ガスを排出するための配管継手部が設けられている。これらの配管継手部は、燃料電池システムを小型化すると共に、メンテナンスを容易化させるために、その配置を工夫する必要があり、マニホールドにおけるセル積層体の積層方向の端部側の端面に設けられている。一方で、セル積層体での反応ガス利用率効率を上げて発電効率を向上させるためマニホールド内の空間領域部の数を増加させて、各空隙部に接する積層体を独立ブロック化し、各ブロックをガスの流れに沿って直列に配置することが行われる。ところが、マニホールド内の空間領域の数を増加させると、空間領域部と、他の空間領域部とがセル積層体の積層方向に沿って順に配置される場合がある。このような場合、マニホールドの端面に配置された配管継手部と空間領域部とを連通させることが困難となってしまう。

特開２０１２−２５６４９８号公報 特許５４４４０２５号公報

本発明が解決しようとする課題は、マニホールドにおけるセル積層体の積層方向の端部側の端面に配管継手部を設けても、マニホールド内に複数の空間領域部をセル積層体の積層方向に沿って順に設けることが可能な燃料電池のマニホールド、及び燃料電池を提供することである。

本実施形態によれば、電解質膜と、前記電解質膜を挟持する燃料極および酸化剤極と、前記燃料極に面したガス流路が設けられている燃料極流路板と、前記酸化剤極に面したガス流路が設けられている酸化剤極流路板と、を有するセルが積層されたセル積層体の積層方向に沿った側面に配置され、前記セル積層体内の前記燃料極流路板、又は前記酸化剤極流路板に反応ガスを供給する燃料電池スタックのマニホールドであって、前記セル積層体の積層方向の第１端面から反対側の第２端面にかけて配置される複数の空間領域部と、前記第１端面から、前記第２端面とは反対側に突き出した第１配管継ぎ手部と、前記第１配管継ぎ手部に接続され、前記第１端面から前記積層方向に１以上の前記空間領域部を貫通して、前記第２端面側の前記空間領域部に連通する第１配管部と、を有する。

本発明によれば、マニホールドにおけるセル積層体の積層方向の端面に配管継手部を設けても、マニホールド内に複数の空間領域をセル積層体の積層方向に沿って順に設けることができる。

マニホールドを外した燃料電池スタックの構造を示す斜視図。 マニホールドを装着した状態の燃料電池スタックの構造を示す斜視図。 燃料電池セルの構成を示す分解斜視図。 燃料極流路板の構成を示す図。 酸化剤極流路板の構成を示す図。 第１マニホールドと第３マニホールドの形状を示す模式図。 第２マニホールドと第４マニホールドの形状を示す模式図。 第１マニホールド、第３マニホールド、及びセル積層体内を流れる冷却水の模式図。 第１マニホールド、第３マニホールドを流れる反応ガス（酸化剤極ガス）の模式図。 第２マニホールド、第４マニホールドを流れる反応ガス（燃料極ガス）の模式図。 一実施形態の第１変形例に係るマニホールドの構成を示す模式図。 一実施形態の第２変形例に係るマニホールドの構成を示す模式図。 一実施形態の第３変形例に係るマニホールドの構成を示す模式図。 一実施形態の第４変形例に係るマニホールドの構成を示す模式図。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、本件明細書に添付する図面においては、図示と理解のしやすさの便宜上、適宜縮尺および縦横の寸法比等を、実物のそれらから変更し誇張してある。

（一実施形態）

図１は、マニホールドを外した燃料電池スタック１の構造を示す斜視図である。図２は、マニホールドを装着した状態の燃料電池スタック１の構造を示す斜視図である。図１及び図２に示すように、一実施形態に係る燃料電池スタック１は、燃料電池セルにおける電気化学反応により発電する構造体である。すなわち、燃料電池スタック１は、セル積層体１０と、２つの集電板２０と、２つの絶縁板２５と、燃料電池締付構造体３０と、第１マニホールド４０と、第２マニホールド４２と、第３マニホールド４４と、第４マニホールド４６と、を備えて構成されている。セル積層体１０は、複数の燃料電池セル１０ａを積層したものである。燃料電池セル１０ａは、水素を含む燃料極ガスと酸素を含む酸化剤極ガスとの電気化学反応により発電する。すなわち、セル積層体１０は、複数の燃料電池セル１０ａを直列に接続した構造体である。燃料電池セル１０ａの詳細な構成は後述する。図１及び図２は、セル積層体１０の積層方向に平行なＺ方向と、Ｚ方向に垂直で互いに平行なＸ方向およびＹ方向を示している。本実施形態の燃料電池スタック１を水平面上に設置する場合、Ｚ方向は重力方向に平行となる。

セル積層体１０の積層方向の両側には、２つの集電板２０が配置されている。２つの集電板２０は、板状の導電体であり、セル積層体１０の両端面のそれぞれに配置されている。２つの絶縁板２５は、板状の絶縁体であり、２つの集電板２０と、２つの締付板１００との間にそれぞれ配置されている。このように、セル積層体１０の積層方向の両側には、２つの集電板２０と２つの絶縁板２５が順に配置されており、これらを一体的に積層方向の両側から２つの締付板１００で締め付けることで、燃料電池１が得られる。

燃料電池締付構造体３０は、セル積層体１０に面圧を加える構造体であり、２つの締付板１００と、複数の連結具２００と、を備えて構成されている。２つの締付板１００は、複数の燃料電池セルが積層されたセル積層体１０の積層方向の両側からセル積層体１０を締め付ける部材である。締付板１００は、押圧部１１０と、梁部１２０とを有している。これら押圧部１１０と、梁部１２０とは一体形成されている。

連結具２００は、２つの締付板１００を連結させる部材である。すなわち、本実施形態における連結具２００は、タイロッド２０２と、二つの座金２０４と、二つのナット２０６と、を有している。図１に示すように、２つの締付板１００に設けられた対向する孔部にタイロッド２０２を通した状態で、座金２０４を介してナット２０６が締め付けられ、２つの締付板１００が連結されている。

図２に示すように、燃料電池スタック１におけるセル積層体１０の積層方向に沿った側面にはマニホールド４０、４２、４４、４６が装着される。マニホールドとは、燃料極ガス、酸化剤極ガスなどの反応ガス、冷却水などを供給する空間領域を備えた部材である。

第１マニホールド４０は、冷却水マニホールドと酸化剤極マニホールドとを有している。第２マニホールド４２は、燃料極マニホールドである。第３マニホールド４４は、第１マニホールド４０に対向するマニホールドであり、冷却水マニホールドと酸化剤極マニホールドとを有している。すなわち、第１マニホールド４０と第３マニホールド４４とは、セル積層体１０の対向する側面にそれぞれ配置されている。

第４マニホールド４６は、第２マニホールド４２に対向するマニホールドであり、燃料極マニホールドである。すなわち、第２マニホールド４２と第４マニホールド４６とは、セル積層体１０の対向する側面にそれぞれ配置されている。

配管継ぎ手部４０ａから導入された冷却水は、セル積層体１０の側面から供給され、燃料電池セル１０ａの冷却水流路溝を介して配管継ぎ手部４４ａから排出される。一方で、配管継ぎ手部４０ｂから酸化剤極ガスが導入され、セル積層体１０内の電気化学反応によって消費されなかった酸化剤極ガスが配管継ぎ手部４０ｃから排出される。また、配管継ぎ手部４２ａから燃料極ガスが導入され、セル積層体１０内の電気化学反応によって消費されなかった燃料極ガスが配管継ぎ手部４２ｂから排出される。

マニホールド４０、４２、４４、４２には、ガス不透過性が求められる。また、マニホールド内部は、マニホールド外部より圧力が高くなる。このため、マニホールド４０、４２、４４、４２は、一般的にマニホールド内部と外部の圧力差に耐えうる剛性樹脂又は金属の成型品として構成されている。マニホールド４０、４２、４４、４２の詳細な構成も後述する。

図３乃至図５に基づき、第１の実施形態に係る燃料電池セル１０ａの詳細な構成について説明する。図３は、第１の実施形態に係る燃料電池セルの構成を示す分解斜視図である。図３に示すように、燃料電池セル１０ａは、電解質膜１２と、燃料極流路板１４と、酸化剤極流路板１６と、を備えて構成されている。この電解質膜１２は、一方の主面１２ａに燃料極が形成され、他方の主面１２ｂに酸化剤極が形成されている。電解質膜１２は、例えば高分子型の電解質膜である。

図４は、燃料極流路板１４の構成を示す図であり、図４（ａ）は、燃料極流路板１４の主面１４ａ側の形状を示す図であり、図４（ｂ）は、燃料極流路板１４の主面１４ｂ側の形状を示す図である。この図４（ａ）に示すように、燃料極流路板１４の主面１４ａは、電解質膜１２の燃料極と反対側であり、平坦な面を形成している。

図４（ｂ）に示すように、燃料極流路板１４は、電解質膜１２の燃料極側の主面１４ｂに、燃料極に沿った燃料極ガス流路溝１４０ｂを形成している。また、燃料極ガス流路溝１４０ｂは、第１入口部１４ｃと、第１出口部１４ｄと、第２入口部１４ｅと、第２出口部１４ｆと、を有する。第１入口部１４ｃから導入され燃料極ガスは、燃料極ガス流路溝１４０ｂに沿って流れ第１出口部１４ｄから排出される。また、第２入口部１４ｅから導入された燃料極ガスは、燃料極ガス流路溝１４０ｂに沿って流れ第２出口部１４ｆから排出される。

図５は、酸化剤極流路板１６の構成を示す図であり、図５（ａ）は、酸化剤極流路板１６の主面１６ａの形状を示す図であり、図５（ｂ）は、酸化剤極流路板１６の主面１６ａの反対側の主面１６ｂの形状を示す図である。この図５（ａ）に示すように、酸化剤極流路板１６は、電解質膜１２の酸化剤極側の主面１６ａに、酸化剤極に沿った酸化剤ガス流路溝１６０ａを形成している。また、燃料極ガス流路溝１６０ａは、第１入口部１６ｃと、第１出口部１６ｄと、第２入口部１６ｅと、第２出口部１６ｆと、を有する。第１入口部１６ｃから導入され酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路溝１６０ｂに沿って流れ第１出口部１６ｄから排出される。また、第２入口部１６ｅから導入され酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路溝１６０ｂに沿って流れ第２出口部１６ｆから排出される。

図５（ｂ）に示すように、酸化剤極側と反対側の主面１６ｂに、冷却水流路溝１６０ｂを形成している。冷却水流路溝１６０ｂは、第１入口部１６ｈと、第１出口部１６ｇと、を有する。第１入口部１６ｈから導入され冷却水は、冷却水流路溝１６０ｂに沿って流れ第１出口部１６ｇから排出される。

これら複数の燃料電池セル１０ａは、化学式１で示す反応により発電する。より詳細には、燃料極ガスは例えば水素含有ガスである。燃料極ガスは、燃料極流路板１４の燃料極ガス流路溝１４０ｂに沿って流れ、燃料極反応をおこす。酸化剤ガスは例えば酸素含有ガスである。酸化剤ガスは、酸化剤極流路板１６の酸化剤ガス流路溝１６０ａを沿って流れ、酸化剤極反応をおこす。燃料電池１は、これらの電気化学反応を利用して、集電板２０（図１）に設けられた電極から電気エネルギを取り出す。

（化学式１）
燃料極反応：2H_２ → 4H^＋ ＋ 4ｅ
酸化剤極反応：4H^＋＋O_２＋ ４ｅ → 2H₂O

図６に基づき、第１マニホールド４０と第３マニホールド４４との詳細な構成を説明する。図６は、第１マニホールド４０と第３マニホールド４４の形状を示す模式図であり、図６（ａ）は、第１マニホールド４０（図２）をセル積層体１０側（図１）から水平に見た形状を示す模式図であり、図６（ｂ）は、第３マニホールド４４（図２）をセル積層体１０側から水平に見た形状を示す模式図である。

図６（ａ）に示すように、第１マニホールド４０は、反応ガス、すなわち酸化剤ガスを供給する酸化剤マニホールドと冷却水を供給する冷却水マニホールドとを有する。この第１マニホールド４０は、配管継ぎ手部４０ａと、配管継ぎ手部４０ｂと、配管継ぎ手部４０ｃと、連通管４０ｄと、第１空間領域部４０ｅと、第２空間領域部４０ｆと、第３空間領域部４０ｇと、第４空間領域部４０ｈと、配管部４０ｋと、第５空間領域４０ｍと、を備えて構成されている。すなわち、第１マニホールド４０の酸化剤マニホールドは、配管継ぎ手部４０ｂと、配管継ぎ手部４０ｃと、連通管４０ｄと、第１空間領域部４０ｅと、第２空間領域部４０ｆと、第３空間領域部４０ｇと、第４空間領域部４０ｈと、配管部４０ｋとを有する。また、第１マニホールド４０の冷却水マニホールドは、配管継ぎ手部４０ａと、第５空間領域４０ｍと、を有する。

配管継ぎ手部４０ａは、供給用継ぎ手部であり、第５空間領域４０ｍと連通している。この配管継ぎ手部４０ａは、冷却水を第５空間領域４０ｍに供給する。

配管継ぎ手部４０ｂは、供給用継ぎ手部であり、配管部４０ｋを介して第１空間領域部４０ｅと連通している。この配管継ぎ手部４０ｂは、反応ガス、すなわち酸化剤ガスを第１空間領域部４０ｅに供給する。

配管継ぎ手部４０ｃは、排出用継ぎ手部であり、第４空間領域部４０ｈと連通している。この配管継ぎ手部４０ｃは、電気化学反応により消費されなかった未反応ガスを第４空間領域部４０ｈから排出する。

連通管４０ｄは、セル積層体１０（図１）の積層方向に沿った側面に対向する第１マニホールド４０の背面に設けられている。この連通管４０ｄは、第２空間領域部４０ｆと、第３空間領域部４０ｇとを連通している。

第１空間領域部４０ｅと、第２空間領域部４０ｆと、第３空間領域部４０ｇと、第４空間領域部４０ｈと、第５空間領域４０ｍとは、セル積層体１０（図１）のセル積層方向に沿った側面に沿って配置される複数の空間領域部である。セル積層体１０の側面に接している面積が第１空間領域部４０ｅ、第２空間領域部４０ｆ、第３空間領域部４０ｇ、第４空間領域部４０ｈの順に小さくなるように構成されている。

配管部４０ｋは、配管継ぎ手部４０ｂと第１空間領域部４０ｅとを連通する配管である。すなわち、配管部４０ｋは、第３空間領域部４０ｇを貫通して、第１空間領域部４０ｅと連通している。ここで、セル積層体１０の側面に対向する第１マニホールド４０の背面と第３空間領域部４０ｇが接するセル積層体１０の側面との間に配置された配管を、第３空間領域部４０ｇを貫通する配管と呼ぶこととする。このように、配管継ぎ手部４０ｂと、第３空間領域部４０ｇと、第１空間領域部４０ｅとがセル積層体１０の積層方向に沿って順に配置されている。同様に、配管継ぎ手部４０ｃと、第４空間領域部４０ｈと、第２空間領域部４０ｆとがセル積層体１０の積層方向に沿って順に配置されている。

図６（ｂ）に示すように、第３マニホールド４４は、酸化剤ガスを供給する酸化剤マニホールドと冷却水を排出する冷却水マニホールドとを有する。この第３マニホールド４４は、配管継ぎ手部４４ａと、第１空間領域部４４ｂと、第２空間領域部４４ｃと、第３空間領域部４４ｄとを備えて構成されている。すなわち、第３マニホールド４４の酸化剤マニホールドは、第１空間領域部４４ｂと、第２空間領域部４４ｃとを有している。また、第３マニホールド４４の冷却水マニホールドは、配管継ぎ手部４４ａと、第３空間領域部４４ｄと、を有する。

配管継ぎ手部４４ａは、排出用継ぎ手部であり、第３空間領域部４４ｄと連通している。この配管継ぎ手部４４ａは、冷却水を第３空間領域部４４ｄから排出する。第１空間領域部４４ｂと、第２空間領域部４４ｃと、第３空間領域部４４ｄとは、セル積層体１０のセル積層方向に沿った側面に沿って配置される複数の空間領域部である。

図７に基づき、第２マニホールド４２と第４マニホールド４６との詳細な構成を説明する。図７は、第２マニホールド４２と第４マニホールド４６の形状を示す模式図であり、図７（ａ）は、第２マニホールド４２（図２）をセル積層体１０側から水平に見た場合の形状を示す模式図であり、図７（ｂ）は、第４マニホールド４６（図２）をセル積層体１０側から水平に見た場合の形状を示す模式図である。

図７（ａ）に示すように、第２マニホールド４２は、反応ガス、すなわち燃料極ガスを供給する燃料極マニホールドであり、配管継ぎ手部４２ａと、配管継ぎ手部４２ｂと、連通管４２ｃと、第１空間領域部４２ｄと、第２空間領域部４２ｅと、第３空間領域部４２ｆと、第４空間領域部４２ｇと、配管部４２ｈと、を備えて構成されている。配管継ぎ手部４２ａは、供給用継ぎ手部であり、配管部４２ｈを介して第１空間領域部４２ｄと連通している。この配管継ぎ手部４２ａは、反応ガスを第１空間領域部４２ｄに供給する。

配管継ぎ手部４２ｂは、排出用継ぎ手部であり、第４空間領域部４２ｇと連通している。この配管継ぎ手部４２ｂは、電気化学反応により消費されなかった未反応ガスを第４空間領域部４２ｇから排出する。連通管４２ｃは、第２マニホールド４２の背面に設けられた連通管であり、第２空間領域部４２ｅと、第３空間領域部４２ｆとを連通している。

第１空間領域部４２ｄと、第２空間領域部４２ｅと、第３空間領域部４２ｆと、第４空間領域部４２ｇとは、セル積層体１０のセル積層方向に沿った側面に沿って配置される複数の空間領域部である。セル積層体１０の側面に接している面積が第１空間領域部４２ｄ、第２空間領域部４２ｅ、第３空間領域部４２ｆ、第４空間領域部４２ｇの順に小さくなるように構成されている。

配管部４２ｈは、配管継ぎ手部４２ａと第１空間領域部４２ｄとを連通する配管である。より具体的には、配管部４２ｈは、第３空間領域部４２ｆを貫通して、第１空間領域部４２ｄに連通している。ここで、セル積層体１０の側面に対向する第２マニホールド４２の面と第３空間領域部４２ｆが接するセル積層体１０の側面との間に配置される配管を、第３空間領域部４２ｆを貫通する配管と呼ぶこととする。このように、配管継ぎ手部４２ａと、第３空間領域部４２ｆと、第１空間領域部４２ｄとがセル積層体１０の積層方向に沿って順に配置されている。また、配管継ぎ手部４２ｂと、第４空間領域部４２ｇと、第２空間領域部４２ｅとがセル積層体１０の積層方向に沿って順に配置されている。

この図７（ｂ）に示すように、第４マニホールド４６は、反応ガス、すなわち燃料極ガスを供給する燃料極マニホールドであり、第１空間領域部４６ａと、第２空間領域部４６ｂとを備えて構成されている。第１空間領域部４６ａと、第２空間領域部４６ｂとセル積層体１０のセル積層方向に沿った側面に沿って配置される複数の空間領域部である。

図５及び図６を参照にしつつ、図８に基づき冷却水の流れを説明する。図８は、第１マニホールド４０、第３マニホールド４４、及びセル積層体１０内を流れる冷却水の模式図である。セル積層体１０の上側から見た図である。この図８に示すように、配管継ぎ手部４０ａから供給された冷却水は、第５空間領域４０ｍに貯水される。続いて、第５空間領域４０ｍに貯水された冷却水は、第５空間領域４０ｍと連通している酸化剤極流路板１６の第１入口部１６ｃ（図５（ｂ））を介して冷却水流路溝１６０ｂを流れ、第１出口部１６ｈ（図５（ｂ））から第３マニホールド４４の第３空間領域部４４ｄに排出される。そして、第３空間領域部４４ｄに貯水された冷却水は、第３空間領域部４４ｄと連通している配管継ぎ手部４４ａから排出される。このように、セル積層体１０内の酸化剤極流路板１６の冷却水流路溝１６０ｂを冷却水が流れることにより、セル積層体１０が冷却される。

図５及び図６を参照にしつつ、図９に基づき反応ガス（酸化剤ガス）の流れを説明する。図９は、第１マニホールド４０、第３マニホールド４４、及びセル積層体１０内を流れる反応ガス（酸化剤ガス）の模式図である。図９（ａ）は、第１マニホールド４０の第１空間領域部４０ｅ、第２空間領域部４０ｆ、及び第５空間領域４０ｍと、第３マニホールド４４の第１空間領域部４４ｂ、及び第３空間領域部４４ｄとを上面から水平に見た図である。図９（ｂ）は、第１マニホールド４０の第３空間領域部４０ｇ、第４空間領域部４０ｈ、及び第５空間領域４０ｍと、第３マニホールド４４の第２空間領域部４４ｃ、及び第３空間領域部４４ｄとを上面から水平に見た図である。

この図９（ａ）に示すように、第１マニホールド４０の配管継ぎ手部４０ｂから供給された酸化剤ガスは、配管部４０ｋ（図６（ａ））を介して第１空間領域部４０ｅに供給される。続いて、セル積層体１０に積層される酸化剤極流路板１６のうち第１空間領域部４０ｅと連通する酸化剤極流路板１６の第１入口部１６ｃを介して酸化剤ガス流路溝１６０ａ（図５（ａ））を流れ、第１出口部１６ｄ（図５（ａ））から第３マニホールド４４の第１空間領域部４４ｂに排出される。第１空間領域部４４ｂに排出された酸化剤ガスは、セル積層体１０に積層される酸化剤極流路板１６のうち第１空間領域部４４ｂ（図５（ａ））と連通する酸化剤極流路板１６の第２入口部１６ｅを介して酸化剤ガス流路溝１６０ａ（図５（ａ））を流れ、第２出口部１６ｆ（図５（ａ））から第１マニホールド４０の第２空間領域部４０ｆに排出される。

図９（ｂ）に示すように、第１マニホールド４０の第２空間領域部４０ｆに排出された酸化剤ガスは、連通管４０ｄを介して第３空間領域部４０ｇに供給される。続いて、酸化剤ガスは、セル積層体１０（図１）に積層される酸化剤極流路板１６のうち第２空間領域部４０ｆと連通する酸化剤極流路板１６の第１入口部１６ｃ（図５（ａ））を介して酸化剤ガス流路溝１６０ａ（図５（ａ））を流れ、第１出口部１６ｄ（図５（ａ））から第３マニホールド４４の第２空間領域部４４ｃに排出される。第２空間領域部４４ｃに排出された酸化剤ガスは、セル積層体１０に積層される酸化剤極流路板１６のうち第３空間領域部４４ｃと連通する酸化剤極流路板１６の第２入口部１６ｅ（図５（ａ））を介して酸化剤ガス流路溝１６０ａ（図５（ａ））を流れ、第２出口部１６ｆ（図５（ａ））から第１マニホールド４０の第４空間領域部４０ｈに排出される。そして、第４空間領域部４０ｈに排出された酸化剤ガスは、第４空間領域部４０ｈと連通している配管継ぎ手部４０ｃから排出される。このように、セル積層体１０内の酸化剤極流路板１６の酸化剤ガス流路溝１６０ａを酸化剤ガスが流れることにより、電解質膜１２の酸化剤極に酸化剤ガスが供給される。

ここで、第１マニホールド４０の第１空間領域部４０ｅから供給される酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路溝１６０ａを酸化剤極流路板１６の第１領域とし、第３マニホールド４４の第２空間領域部４４ｂから供給される酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路溝１６０ａを酸化剤極流路板１６の第２領域とし、第１マニホールド４０の第３空間領域部４０ｇから供給される酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路溝１６０ａを酸化剤極流路板１６の第３領域とし、第３マニホールド４４の第３空間領域部４４ｃから供給される酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路溝１６０ａを酸化剤極流路板１６の第４領域とする。上述のように、セル積層体１０の側面に接している面積が第１空間領域部４０ｅ、第２空間領域部４０ｆ、第３空間領域部４０ｇ、第４空間領域部４０ｈの順に小さくなるので、第１領域、第２領域、第３領域、第４領域の順に酸化剤極に接する面積が小さくなる。これらから分かるように、酸化剤ガスが電気化学反応により消費され、酸化剤ガスに含まれる酸素の量が少なくなるに従い、酸化剤極に接する面積が小さくなるので、酸化剤極における酸化剤極反応の反応効率は、酸化剤極流路内で均一化される。

図４及び図７を参照にしつつ、図１０に基づき反応ガス（燃料極ガス）の流れを説明する。図１０は、第２マニホールド４２、第４マニホールド４６、及びセル積層体１０内を流れる反応ガス（燃料極ガス）の模式図である。図１０（ａ）は、第２マニホールド４２の第１空間領域部４２ｄ、及び第２空間領域部４２ｅと、第４マニホールド４６の第１空間領域部４６ａとを上面から水平に見た図である。図１０（ｂ）は、第２マニホールド４２の第３空間領域部４２ｈ、及び第４空間領域部４２ｇと、第４マニホールド４６の第２空間領域部４６ｂとを上面から水平に見た図である。

この図１０（ａ）に示すように、配管継ぎ手部４２ａから供給された燃料極ガスは、配管部４２ｈ（図７（ａ））を介して第１空間領域部４２ｄに供給される。続いて、セル積層体１０に積層される燃料極流路板１４のうち第１空間領域部４２ｄと連通する燃料極流路板１４の第１入口部１４ｃを介して燃料極ガス流路溝１４０ｂ（図４（ｂ））を流れ、第１出口部１４ｄ（図４（ｂ））から第４マニホールド４６の第１空間領域部４６ａに排出される。第１空間領域部４６ａに排出された燃料極ガスは、セル積層体１０に積層される燃料極流路板１４のうち第１空間領域部４６ａと連通する燃料極流路板１６の第２入口部１４ｅ（図４（ｂ））を介して燃料極ガス流路溝１４０ｂ（図４（ｂ））を流れ、第２出口部１４ｆ（図４（ｂ））から第２マニホールド４２の第２空間領域部４２ｆに排出される。

図１０（ｂ）に示すように、第２マニホールド４２の第２空間領域部４２ｅに排出された燃料極ガスは、連通管４２ｃを介して第３空間領域部４２ｆに供給される。続いて、セル積層体１０に積層される燃料極流路板１４のうち第３空間領域部４２ｆと連通する燃料極流路板１６の第１入口部１４ｃを介して燃料極ガス流路溝１４０ｂ（図４（ｂ））を流れ、第１出口部１４ｄ（図４（ｂ））から第４マニホールド４６の第２空間領域部４６ｂに排出される。第２空間領域部４６ｂに排出された燃料極ガスは、セル積層体１０に積層される燃料極流路板１４のうち第２空間領域部４６ｂと連通する燃料極流路板１４の第２入口部１４ｅ（図４（ｂ））を介して燃料極ガス流路溝１４０ｂ（図４）を流れ、第２出口部１４ｆ（（図４（ｂ））から第２マニホールド４２の第４空間領域部４２ｇに排出される。そして、第４空間領域部４２ｇに排出された燃料極ガスは、第４空間領域部４２ｇと連通している配管継ぎ手部４２ｂから排出される。このように、セル積層体１０内の燃料極流路板１４の燃料極ガス流路溝１４０ｂを燃料極ガスが流れることにより、電解質膜１２の燃料極に燃料極ガスが供給される。

ここで、第２マニホールド４２の第１空間領域部４２ｄから供給される燃料極ガスが流れる燃料極ガス流路溝１４０ｂを燃料極流路板１４の第１領域とし、第４マニホールド４６の第１空間領域部４６ａから供給される燃料極ガスが流れる燃料極ガス流路溝１４０ｂを燃料極流路板１４の第２領域とし、第２マニホールド４２の第３空間領域部４２ｆから供給される燃料極ガスが流れる燃料極ガス流路溝１４０ｂを燃料極流路板１４の第３領域とし、第４マニホールド４６の第２空間領域部４６ｂから供給される燃料極ガスが流れる燃料極ガス流路溝１４０ｂを燃料極流路板１４の第４領域とする。上述のように、セル積層体１０の側面に接している面積が第１空間領域部４２ｄ、第２空間領域部４２ｅ、第３空間領域部４２ｆ、第４空間領域部４２ｇの順に小さくなるので、第１領域、第２領域、第３領域、第４領域の順に燃料極に接する面積が小さくなる。これらから分かるように、燃料極ガスが電気化学反応により消費され、燃料極ガスに含まれる水素の量が少なくなるに従い、燃料極に接する面積が小さくなるので、燃料極における燃料極反応の反応効率は、燃料極流路内で均一化される。

以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池スタック１によれば、第３空間領域部４０ｇ、４２ｆを貫通する配管部４０ｋ、４２ｈを設けた。これにより、配管継ぎ手部４０ｂ、４２ａと、第３空間領域部４０ｇ、４２ｆと、第１空間領域部４０ｅ、４２ｄとを、セル積層体１０の積層方向に沿って順に配置しても、配管継ぎ手部４０ｂ、４２ａと、第１空間領域部４０ｅ、４２ｄとを連通させることができる。

（一実施形態の第１変形例）

図１１は、一実施形態の第１変形例に係るマニホールドの構成を示す模式図である。図１１（ａ）は、一実施形態の第１変形例に係る第１マニホールド４０の構成を示す模式図である。図１１（ｂ）は、一実施形態の第１変形例に係る第３マニホールド４４の構成を示す模式図である。この図１１（ａ）に示すように、配管継ぎ手部４０ｃと第４空間領域部４０ｈとを連通させている点が一実施形態に係る第１マニホールド４０と相違する。この図１１（ａ）に示すように、配管継ぎ手部４０ｃ、第２空間領域部４０ｆ、第４空間領域部４０ｈが、セル積層体１０の積層方向に沿って順に配置されている場合には、配管部４０ｋは、第２空間領域部４０ｆを貫通して、第４空間領域部４０ｈと連通している。この図１１（ｂ）に示すように、第１空間領域部４４ｂを第２空間領域部４４ｃよりも配管継ぎ手部４４ａに近づけている。このように、第２空間領域部４０ｆを貫通する配管部４０ｋを設けることにより、配管継ぎ手部４０ｃ、第２空間領域部４０ｆ、第４空間領域部４０ｈを、セル積層体１０の積層方向に沿って順に配置しても、配管継ぎ手部４０ｃと、第４空間領域部４０ｈとを連通させることができる。

（一実施形態の第２変形例）

図１２は、一実施形態の第２変形例に係るマニホールドの構成を示す模式図である。図１２（ａ）は、一実施形態の第２変形例に係る第２マニホールド４２の構成を示す模式図である。図１２（ｂ）は、一実施形態の第２変形例に係る第４マニホールド４６の構成を示す模式図である。この図１２（ａ）に示すように、配管継ぎ手部４２ｂと第４空間領域部４２ｇとを連通させている点が一実施形態に係る第２マニホールド４２と相違する。この図１２（ａ）に示すように、配管継ぎ手部４２ｂ、第２空間領域部４２ｅ、第４空間領域部４２ｇが、セル積層体１０の積層方向に沿って順に配置されている場合には、配管部４０ｊは、第２空間領域部４２ｅを貫通して、第４空間領域部４２ｇと連通している。この図１２（ｂ）に示すように、第１空間領域部４６ａと第２空間領域部４６ｂとのセル積層体１０の積層方向に沿った位置を入れ替えている点が一実施形態に係る第４マニホールド４６と相違する。このように、第２空間領域部４２ｅを貫通する配管部４０ｊを設けることにより、配管継ぎ手部４２ｂ、第２空間領域部４０ｅ、第４空間領域部４２ｇを、セル積層体１０の積層方向に沿って順に配置しても、配管継ぎ手部４２ｂと、第４空間領域部４２ｇとを連通させることができる。

（一実施形態の第３変形例）

図１３は、一実施形態の第３変形例に係るマニホールドの構成を示す模式図である。図１３（ａ）は、一実施形態の第３変形例に係る第２マニホールド４の構成を示す模式図である。図１３（ｂ）は、一実施形態の第３変形例に係る第４マニホールド４６の構成を示す模式図である。この図１３（ａ）に示すように、第１空間領域部４２ｄと第２空間領域部４２ｅを一つの第１空間領域部４２ｄとし、第３空間領域部４２ｆと第４空間領域部４２ｇを一つの第２空間領域部４２ｅとした点が一実施形態に係る第２マニホールド４２と相違する。このように、第２空間領域部４２ｅを貫通する配管部４２ｈを設けることにより、配管継ぎ手部４２ａ、第２空間領域部４２ｅ、第１空間領域部４２ｄを、セル積層体１０の積層方向に沿って順に配置しても、配管継ぎ手部４２ａと、第１空間領域部４２ｄとを連通させることができる。

（一実施形態の第４変形例）

図１４は、一実施形態の第４変形例に係るマニホールドの構成を示す模式図である。図１４（ａ）は、一実施形態の第４変形例に係る第２マニホールド４２の構成を示す模式図である。図１４（ｂ）は、一実施形態の第４変形例に係る第４マニホールド４６の構成を示す模式図である。この図１４（ａ）に示すように、第１空間領域部４２ｄと第２空間領域部４２ｅを一つの第１空間領域部４２ｄとし、第３空間領域部４２ｆと第４空間領域部４２ｇを一つの第２空間領域部４２ｅとし、位置を入れ替えた点が一実施形態に係る第２マニホールド４２と相違する。このように、第１空間領域部４２ｄを貫通する配管部４２ｈを設けることにより、配管継ぎ手部４２ｂ、第１空間領域部４２ｄ、第２空間領域部４２ｅを、セル積層体１０の積層方向に沿って順に配置しても、配管継ぎ手部４２ｂと、第２空間領域部４２ｅとを連通させることができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施することが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１：燃料電池スタック、１０：セル積層体、１０ａ：燃料電池セル、１２:電解質膜、１４：燃料極流路板、１６：酸化剤極流路板、４０：第１マニホールド、４０ａ〜ｃ：配管継ぎ手部、４０ｄ：連通管、４０ｅ：第１空間領域部、４０ｆ：第２空間領域部、４０ｇ：第３空間領域部、４０ｈ：第４空間領域部、４０ｋ：配管部、４０ｍ：第５空間領域部、４２：第２マニホールド、４２ａ：配管継ぎ手部、４２ｂ：配管継ぎ手部、４２ｃ：連通管、４２ｄ：第１空間領域部、４２ｅ：第２空間領域部、４２ｆ：第３空間領域部、４２ｇ：第４空間領域部、４２ｈ：配管部、４４：第３マニホールド、４６：第４マニホールド

Claims (7)

1. 電解質膜と、前記電解質膜を挟持する燃料極および酸化剤極と、前記燃料極に面したガス流路が設けられている燃料極流路板と、前記酸化剤極に面したガス流路が設けられている酸化剤極流路板と、を有するセルが積層されたセル積層体の積層方向に沿った側面に配置され、前記セル積層体内の前記燃料極流路板、又は前記酸化剤極流路板に反応ガスを供給する燃料電池スタックのマニホールドであって、
   前記セル積層体の前記積層方向の第１端面から反対側の第２端面にかけて配置される複数の空間領域部と、
   前記第１端面から、前記第２端面とは反対側に突き出した第１配管継ぎ手部と、
   前記第１配管継ぎ手部に接続され、前記第１端面から前記積層方向に１以上の前記空間領域部を貫通して、前記第２端面側の前記空間領域部に連通する第１配管部と、
   前記第１配管継ぎ手部から流入した前記反応ガスの全てが、前記第１配管部を介して供給される第１空間領域部と、
   前記第１空間領域部から排出された前記反応ガスが供給され、前記第１空間領域部よりも前記側面に接する面積が小さい第２空間領域部と、
   前記第２空間領域部から排出された前記反応ガスが供給され、前記第１配管部が貫通しており、かつ前記第２空間領域部よりも前記側面に接する面積が小さい第３空間領域部と、
   前記第３空間領域部から排出された前記反応ガスが供給され、前記第３空間領域部よりも前記側面に接する面積が小さい第４空間領域部と、
   前記第４空間領域部内の前記反応ガスを排出させる第２配管継ぎ手部であって、前記第１端面から、前記第２端面とは反対側に突き出した第２配管継ぎ手部と、
   を備える、燃料電池スタックのマニホールド。
2. 電解質膜と、前記電解質膜を挟持する燃料極および酸化剤極と、前記燃料極に面したガス流路が設けられている燃料極流路板と、前記酸化剤極に面したガス流路が設けられている酸化剤極流路板と、を有するセルが積層されたセル積層体の積層方向に沿った側面に配置され、前記セル積層体内の前記燃料極流路板、又は前記酸化剤極流路板に反応ガスを供給する燃料電池スタックのマニホールドであって、
   前記セル積層体の前記積層方向の第１端面から反対側の第２端面にかけて配置される複数の空間領域部と、
   前記第１端面から、前記第２端面とは反対側に突き出した第１配管継ぎ手部と、
   前記第１配管継ぎ手部から前記反応ガスが供給される第１空間領域部と、
   前記第１空間領域部から排出された前記反応ガスが供給され、第２配管部が貫通しており、かつ前記第１空間領域部よりも前記側面に接する面積が小さい第２空間領域部と、
   前記第２空間領域部から排出された前記反応ガスが供給され、前記第２空間領域部よりも前記側面に接する面積が小さい第３空間領域部と、
   前記第３空間領域部から排出された前記反応ガスが供給され、前記第３空間領域部よりも前記側面に接する面積が小さい第４空間領域部と、
   前記第２配管部に接続され、前記第４空間領域部内の前記反応ガスのみが排出される第２配管継ぎ手部であって、前記第１端面から、前記第２端面とは反対側に突き出した第２配管継ぎ手部と、
   を備える、燃料電池スタックのマニホールド。
3. 前記反応ガスは、水素含有ガス、酸素含有ガスのいずれかであり、前記反応ガスと異なる流体が供給される第５空間領域部を更に有する、請求項１又は２に記載の燃料電池スタックのマニホールド。
4. 前記第２空間領域部と、前記第３空間領域部とは、前記セル積層体の前記積層方向に沿った前記側面に対向する前記マニホールドの背面に設けられた流路を介して連通している、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池スタックのマニホールド。
5. 前記第１配管継ぎ手部と前記第２配管継ぎ手部と前記複数の空間領域部とが一体成型されている、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池スタックのマニホールド。
6. 電解質膜と、前記電解質膜を挟持する燃料極および酸化剤極と、前記燃料極に面したガス流路が設けられている燃料極流路板と、前記酸化剤極に面したガス流路が設けられている酸化剤極流路板と、を有するセルが積層されたセル積層体と、
   前記セル積層体の積層方向に沿った側面に配置され、前記セル積層体内の前記燃料極流路板、又は前記酸化剤極流路板に反応ガスを供給するマニホールドと、を備え、
   前記マニホールドは、
   前記セル積層体の前記積層方向の第１端面から反対側の第２端面にかけて配置される複数の空間領域部と、
   前記第１端面から、前記第２端面とは反対側に突き出した第１配管継ぎ手部と、
   前記第１配管継ぎ手部に接続され、前記第１端面から前記積層方向に１以上の前記空間領域部を貫通して、前記第２端面側の前記空間領域部に連通する第１配管部と、
   前記第１配管継ぎ手部から流入した前記反応ガスの全てが、前記第１配管部を介して供給される第１空間領域部と、
   前記第１空間領域部から排出された前記反応ガスが供給され、前記第１空間領域部よりも前記側面に接する面積が小さい第２空間領域部と、
   前記第２空間領域部から排出された前記反応ガスが供給され、前記第１配管部が貫通しており、かつ前記第２空間領域部よりも前記側面に接する面積が小さい第３空間領域部と、
   前記第３空間領域部から排出された前記反応ガスが供給され、前記第３空間領域部よりも前記側面に接する面積が小さい第４空間領域部と、
   前記第４空間領域部内の前記反応ガスを排出させる第２配管継ぎ手部であって、前記第１端面から、前記第２端面とは反対側に突き出した第２配管継ぎ手部と、を有する、燃料電池スタック。
7. 電解質膜と、前記電解質膜を挟持する燃料極および酸化剤極と、前記燃料極に面したガス流路が設けられている燃料極流路板と、前記酸化剤極に面したガス流路が設けられている酸化剤極流路板と、を有するセルが積層されたセル積層体と、
   前記セル積層体の積層方向に沿った側面に配置され、前記セル積層体内の前記燃料極流路板、又は前記酸化剤極流路板に反応ガスを供給するマニホールドと、を備え、
   前記マニホールドは、
   前記セル積層体の前記積層方向の第１端面から反対側の第２端面にかけて配置される複数の空間領域部と、
   前記第１端面から、前記第２端面とは反対側に突き出した第１配管継ぎ手部と、
   前記第１配管継ぎ手部から前記反応ガスが供給される第１空間領域部と、
   前記第１空間領域部から排出された前記反応ガスが供給され、第２配管部が貫通しており、かつ前記第１空間領域部よりも前記側面に接する面積が小さい第２空間領域部と、
   前記第２空間領域部から排出された前記反応ガスが供給され、前記第２空間領域部よりも前記側面に接する面積が小さい第３空間領域部と、
   前記第３空間領域部から排出された前記反応ガスが供給され、前記第３空間領域部よりも前記側面に接する面積が小さい第４空間領域部と、
   前記第２配管部に接続され、前記第４空間領域部内の前記反応ガスのみが排出される第２配管継ぎ手部であって、前記第１端面から、前記第２端面とは反対側に突き出した第２配管継ぎ手部と、
   を有する、燃料電池スタック。

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