WO2013118719A1 - 燃料電池スタック及び燃料電池システム - Google Patents

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cell stack
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internal manifold
anode
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大剛 岩崎
英高 西村
隼人 筑後
下井　亮一
敬士 市原
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日産自動車株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell stack configured by stacking a plurality of fuel cells, and a fuel cell system having the fuel cell stack.
  • a fuel cell is configured by sandwiching an electrolyte membrane between an anode electrode and a cathode electrode, and generating electricity using an anode gas containing hydrogen supplied to the anode electrode and a cathode gas containing oxygen supplied to the cathode electrode.
  • the electrochemical reactions that proceed at both the anode and cathode electrodes are as follows.
  • the fuel cell produces an electromotive force of about 1 V (volt) by the electrochemical reaction of (1) and (2).
  • a fuel cell When such a fuel cell is used as a power source for an automobile, since a large amount of power is required, it is used as a fuel cell stack in which several hundred fuel cells are stacked. Then, a fuel cell system for supplying the anode gas and the cathode gas to the fuel cell stack is configured to extract electric power for driving the vehicle.
  • JP2006-66131A discloses a fuel cell stack provided with an internal manifold which is a passage for flowing anode gas and cathode gas. These internal manifolds are configured in a passage shape by connecting through holes formed in the fuel cell in the stacking direction of the fuel cell.
  • Product water generated at the time of power generation or the like flows into an exhaust side internal manifold that discharges the anode gas and the cathode gas out of the fuel cell stack.
  • the generated water remains in the discharge-side internal manifold and returns to the reaction surface (active area), the power generation performance of the fuel cell stack is degraded. Therefore, it is desirable that the internal manifold on the discharge side be configured to easily discharge the generated water.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell stack capable of enhancing the discharge performance of generated water in the stacking direction in the internal manifold.
  • a fuel cell stack in a fuel cell stack provided with an internal manifold that extends in the stacking direction by stacking a plurality of fuel cells and discharges the gas used in the fuel cell to the outside, A fuel cell stack is provided that includes an extending member extending in the stacking direction in contact with the inner wall surface.
  • FIG. 1 is a schematic block diagram of a fuel cell system provided with a fuel cell stack according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a timing chart for explaining an anode pulsating operation in the fuel cell system.
  • FIG. 3 is an exploded view of a fuel cell stack.
  • FIG. 4A is a front view of a membrane electrode assembly.
  • FIG. 4B is a front view of the anode separator.
  • FIG. 4C is a front view of a cathode separator.
  • FIG. 5 is an enlarged view of the vicinity of the discharge-side internal manifold of the membrane electrode assembly.
  • FIG. 6 is a perspective view of an extending member provided in an internal manifold of a fuel cell stack.
  • FIG. 7 is a schematic side view of a fuel cell stack.
  • FIG. 8 is a longitudinal sectional view of an extending member provided in the fuel cell stack according to the fourth embodiment.
  • FIG. 9 is a top view of the extending member provided in the fuel cell stack according to the fifth embodiment.
  • FIG. 10 is a longitudinal sectional view of an extending member provided in the fuel cell stack according to the sixth embodiment.
  • FIG. 11A is a view showing a modified example of the upper surface of the inner wall of the extending member.
  • FIG. 11B is a view showing a modified example of the upper surface of the inner wall of the extending member.
  • FIG. 11C is a view showing a modified example of the upper surface of the inner wall of the extending member.
  • FIG. 11A is a view showing a modified example of the upper surface of the inner wall of the extending member.
  • FIG. 11B is a view showing a modified example of the upper surface of the inner wall of the extending member.
  • FIG. 11C is
  • FIG. 11D is a view showing a modified example of the upper surface of the inner wall of the extending member.
  • FIG. 11E is a view showing a modified example of the upper surface of the inner wall of the extending member.
  • FIG. 12 is a view showing a modified example of the projecting portion formed on the bottom surface of the inner wall of the extending member.
  • FIG. 13 is a longitudinal sectional view of an extending member provided in a fuel cell stack according to a seventh embodiment.
  • FIG. 14 is a view for explaining the effect of the fuel cell stack according to the seventh embodiment.
  • FIG. 15 is a longitudinal sectional view of an extending member and a shock absorbing material provided in a fuel cell stack according to an eighth embodiment.
  • FIG. 16 is a longitudinal sectional view of an extending member and a sliding member provided in a fuel cell stack according to a ninth embodiment.
  • FIG. 17 is a schematic cross-sectional view of a fuel cell stack provided with an extending member according to a tenth embodiment.
  • FIG. 18A is a longitudinal sectional view of an extending member provided in a fuel cell stack according to a tenth embodiment.
  • FIG. 18B is a longitudinal cross-sectional view of the extending member of the fuel cell stack according to the tenth embodiment.
  • FIG. 19 is a view showing a modification of the tenth embodiment.
  • FIG. 20 is a schematic cross-sectional view of a fuel cell stack according to an eleventh embodiment.
  • 21 is a cross-sectional view of the extending member taken along the line XX-XX in FIG.
  • FIG. 22 is a view showing an extending member according to a modification of the seventh embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic block diagram of a fuel cell system 1 provided with a fuel cell stack 10 according to a first embodiment of the present invention.
  • the fuel cell system 1 includes a fuel cell stack 10, an anode gas supply device 2, a cathode gas supply device 3, a cooling device 4, an inverter 5, a drive motor 6, a battery 7, and a DC / DC converter 8. , And a controller 60.
  • the fuel cell stack 10 is configured by stacking a predetermined number of fuel cells 100 as unit cells.
  • the fuel cell stack 10 is placed horizontally, and the fuel cells 100 are stacked in the horizontal direction.
  • the fuel cell stack 10 receives supply of hydrogen as an anode gas and air as a cathode gas to generate electric power, and supplies electric power to various electric components such as a drive motor 6 for driving a vehicle.
  • the fuel cell stack 10 has an anode side terminal 11 and a cathode side terminal 12 as output terminals for extracting electric power.
  • the anode gas supply device 2 includes a high pressure tank 21, an anode gas supply passage 22, a pressure regulating valve 23, a pressure sensor 24, an anode gas discharge passage 25, a buffer tank 26, a purge passage 27, and a purge valve 28. And.
  • the high pressure tank 21 is a container for storing the anode gas supplied to the fuel cell stack 10 while maintaining the anode gas at a high pressure.
  • the anode gas supply passage 22 is a passage for supplying the fuel cell stack 10 with the anode gas discharged from the high pressure tank 21.
  • One end of the anode gas supply passage 22 is connected to the high pressure tank 21, and the other end is connected to the anode gas inlet of the fuel cell stack 10.
  • the pressure control valve 23 is a solenoid valve whose opening degree can be adjusted continuously or stepwise, and is installed in the anode gas supply passage 22.
  • the pressure regulating valve 23 regulates the anode gas in the high pressure state discharged from the high pressure tank 21 to a predetermined pressure.
  • the opening degree of the pressure regulating valve 23 is controlled by the controller 60.
  • the pressure sensor 24 is provided in the anode gas supply passage 22 downstream of the pressure regulating valve 23.
  • the pressure sensor 24 detects the pressure of the anode gas flowing through the anode gas supply passage 22.
  • the pressure of the anode gas detected by the pressure sensor 24 represents the pressure of the entire anode system including the buffer tank 26 and the anode gas flow path in the fuel cell stack 10.
  • the anode gas discharge passage 25 is a passage that connects the fuel cell stack 10 and the buffer tank 26. One end of the anode gas discharge passage 25 is connected to the anode gas outlet of the fuel cell stack 10, and the other end is connected to the top of the buffer tank 26. In the anode gas discharge passage 25, surplus anode gas not used for the electrochemical reaction and impure gas containing nitrogen, water vapor and the like leaked from the cathode side to the anode gas flow path in the fuel cell stack 10. A mixed gas (hereinafter referred to as "anode off gas”) is discharged.
  • the buffer tank 26 is a container for temporarily storing the anode off gas flowing through the anode gas discharge passage 25. A portion of the water vapor contained in the anode off gas condenses in the buffer tank 26 into condensed water, and is separated from the anode off gas.
  • the purge passage 27 is a discharge passage that communicates the buffer tank 26 with the outside. One end of the purge passage 27 is connected to the lower portion of the buffer tank 26, and the other end of the purge passage 27 is formed as an open end.
  • the anode off gas stored in the buffer tank 26 is diluted by the cathode off gas flowing from the cathode gas discharge passage 35 described later into the purge passage 27 and discharged together with the condensed water from the open end of the purge passage 27 to the outside.
  • the purge valve 28 is a solenoid valve whose opening degree can be adjusted continuously or stepwise, and is installed in the purge passage 27. By adjusting the opening degree of the purge valve 28, the flow rate of the anode off gas discharged from the purge passage 27 to the outside is adjusted. The opening degree of the purge valve 28 is controlled by the controller 60.
  • the cathode gas supply device 3 includes a cathode gas supply passage 31, a filter 32, a compressor 33, a pressure sensor 34, a cathode gas discharge passage 35, and a pressure regulating valve 36.
  • the cathode gas supply passage 31 is a passage through which the cathode gas supplied to the fuel cell stack 10 flows. One end of the cathode gas supply passage 31 is connected to the filter 32, and the other end is connected to the cathode gas inlet of the fuel cell stack 10.
  • the filter 32 is for removing foreign matter such as dust and dirt contained in air taken from the outside.
  • the air from which the foreign matter has been removed by the filter 32 is the cathode gas supplied to the fuel cell stack 10.
  • the compressor 33 is installed in the cathode gas supply passage 31 between the filter 32 and the fuel cell stack 10.
  • the compressor 33 pressure-feeds the cathode gas taken in through the filter 32 to the fuel cell stack 10.
  • the pressure sensor 34 is provided in the cathode gas supply passage 31 downstream of the compressor 33.
  • the pressure sensor 34 detects the pressure of the cathode gas flowing through the cathode gas supply passage 31.
  • the pressure of the cathode gas detected by the pressure sensor 34 represents the pressure of the entire cathode system including the cathode gas flow path in the fuel cell stack 10 and the like.
  • the cathode gas discharge passage 35 is a passage connecting the fuel cell stack 10 and the purge passage 27 of the anode gas supply device 2. One end of the cathode gas discharge passage 35 is connected to the cathode gas outlet of the fuel cell stack 10, and the other end is connected to the purge passage 27 downstream of the purge valve 28.
  • the cathode gas not used for the electrochemical reaction in the fuel cell stack 10 is discharged to the purge passage 27 through the cathode gas discharge passage 35 as a cathode off gas.
  • the pressure control valve 36 is a solenoid valve whose opening degree can be adjusted continuously or stepwise, and is installed in the cathode gas discharge passage 35.
  • the pressure regulating valve 36 is controlled in its opening degree by the controller 60 to regulate the pressure of the cathode gas supplied to the fuel cell stack 10.
  • the cooling device 4 is a device for cooling the fuel cell stack 10 by cooling water.
  • the cooling device 4 includes a cooling water circulation passage 41, a cooling water circulation pump 42, a radiator 43, and cooling water temperature sensors 44, 45.
  • the cooling water circulation passage 41 is a passage through which cooling water for cooling the fuel cell stack 10 flows. One end of the cooling water circulation passage 41 is connected to the cooling water inlet of the fuel cell stack 10, and the other end is connected to the cooling water outlet of the fuel cell stack 10.
  • the cooling water circulation pump 42 is a pressure feeding device that circulates the cooling water, and is installed in the cooling water circulation passage 41.
  • the radiator 43 is a radiator for cooling the cooling water discharged from the fuel cell stack 10, and is installed in the cooling water circulation passage 41 on the upstream side of the cooling water circulation pump 42.
  • the coolant temperature sensors 44 and 45 are sensors that detect the temperature of the coolant.
  • the coolant temperature sensor 44 is provided in the coolant circulation passage 41 near the coolant inlet of the fuel cell stack 10 and detects the temperature of the coolant flowing into the fuel cell stack 10.
  • the coolant temperature sensor 45 is provided in the coolant circulation passage 41 near the coolant outlet of the fuel cell stack 10 and detects the temperature of the coolant discharged from the fuel cell stack 10.
  • the inverter 5 includes a switch unit 51 and a smoothing capacitor 52, and is electrically connected to the fuel cell stack 10 via the anode side terminal 11 and the cathode side terminal 12.
  • the switch unit 51 includes a plurality of switching elements, and converts direct current into alternating current or alternating current into direct current.
  • the smoothing capacitor 52 is connected in parallel to the fuel cell stack 10 to suppress the ripple caused by the switching and the like in the switch unit 51.
  • the drive motor 6 is a three-phase alternating current motor.
  • the drive motor 6 is operated by the alternating current supplied from the inverter 5 to generate a torque for driving the vehicle.
  • Battery 7 is electrically connected to drive motor 6 and fuel cell stack 10 via DC / DC converter 8.
  • the battery 7 is a chargeable / dischargeable secondary battery such as a lithium ion secondary battery.
  • the DC / DC converter 8 is electrically connected to the fuel cell stack 10.
  • the DC / DC converter 8 is a bidirectional voltage converter that raises and lowers the voltage of the fuel cell stack 10, and obtains a DC output from a DC input and converts the input voltage into an arbitrary output voltage.
  • the controller 60 is configured by a microcomputer including a central processing unit (CPU), a read only memory (ROM), a random access memory (RAM), and an input / output interface (I / O interface).
  • CPU central processing unit
  • ROM read only memory
  • RAM random access memory
  • I / O interface input / output interface
  • the controller 60 includes a current sensor 61 for detecting an output current of the fuel cell stack 10 and a voltage sensor 62 for detecting an output voltage of the fuel cell stack 10 in addition to the pressure sensors 24 and 34 and the coolant temperature sensors 44 and 45, A detection signal from an accelerator pedal sensor 63 for detecting an amount of depression of an accelerator pedal provided in the vehicle and an SOC sensor 64 for detecting a charge amount of the battery 7 is input as a signal for detecting an operating state of the fuel cell system 1 .
  • the controller 60 periodically opens and closes the pressure control valve 23 based on these input signals to perform anode pulsating operation in which the anode pressure is periodically increased and decreased.
  • the anode dead end fuel cell system 1 in which the anode off gas is not circulated to the anode gas supply passage 22, the anode is continuously supplied from the high pressure tank 21 to the fuel cell stack 10 with the pressure regulating valve 23 open. Since the off gas continues to be discharged to the outside, the anode gas contained in the anode off gas is wasted. Therefore, in the fuel cell system 1, the anode off-gas stored in the buffer tank 26 is reversely flowed to the fuel cell stack 10 when the anode pressure is reduced by performing the anode pulsation operation by periodically opening and closing the pressure control valve 23. As a result, the anode gas in the anode off gas can be reused, and the amount of anode gas discharged to the outside can be reduced.
  • FIG. 2 is a timing chart for explaining an anode pulsating operation during steady operation of the fuel cell system 1.
  • the controller 60 calculates the target output of the fuel cell stack 10 according to the traveling condition of the vehicle, and the upper limit value and the lower limit value of the anode gas supply pressure (anode pressure) based on the target output. Set Then, the anode pressure is periodically increased and decreased between the set upper limit value and the lower limit value of the anode pressure.
  • the pressure regulating valve 23 is opened to an opening degree at which at least the anode pressure can be increased to the upper limit value.
  • the anode gas is supplied from the high pressure tank 21 to the fuel cell stack 10, and the anode off gas is discharged to the buffer tank 26.
  • the pressure regulating valve 23 When the anode pressure reaches the upper limit value at time t2, the pressure regulating valve 23 is fully closed as shown in FIG. 2B, and the supply of the anode gas from the high pressure tank 21 to the fuel cell stack 10 is stopped.
  • the anode pressure is reduced by the amount of consumption of the anode gas.
  • the pressure in the buffer tank 26 temporarily becomes higher than the pressure in the anode gas flow path of the fuel cell stack 10. And anode off gas back flow.
  • the anode gas left in the anode gas flow path of the fuel cell stack 10 and the anode gas in the anode off gas backflowing from the buffer tank 26 are consumed over time.
  • the pressure regulating valve 23 When the anode pressure reaches the lower limit value at time t3, the pressure regulating valve 23 is opened in the same manner as at time t1. Then, when the anode pressure reaches the upper limit value again at time t4, the pressure regulating valve 23 is fully closed. By periodically opening and closing the pressure control valve 23 as described above, the anode pulsation operation is performed, and the anode gas in the anode off gas is reused.
  • FIG. 3 is an exploded view of the fuel cell stack 10.
  • 4A is a front view of the membrane electrode assembly (MEA) 110
  • FIG. 4B is a front view of the anode separator 120
  • FIG. 4C is a front view of the cathode separator 130.
  • FIG. 5 is an enlarged view of the vicinity of the discharge-side internal manifolds 144 to 146 of the MEA 110.
  • the fuel cell stack 10 is configured by laminating a plurality of fuel cells 100 including the MEA 110, an anode separator 120, and a cathode separator 130.
  • the fuel cell 100 has a structure in which the anode separator 120 is disposed on one side of the MEA 110 and the cathode separator 130 is disposed on the other side.
  • the frame portion 112 of the MEA 110 is a frame member made of a synthetic resin or the like, and is integrally formed on the outer edge of the laminated body 111.
  • An anode gas supply hole 113A, a cooling water supply hole 114A, and a cathode gas supply hole 115A are formed in order from the top in the frame portion 112 on one end side (right side in the drawing).
  • a cathode gas discharge hole 115B, a cooling water discharge hole 114B, and an anode gas discharge hole 113B are formed in order from the top in the frame portion 112 on the other end side (left side in the drawing).
  • the anode separator 120 is a plate-like member formed of a conductive material such as metal.
  • the anode separator 120 forms an anode gas flow channel 121 for flowing anode gas on the surface on the MEA 110 side, and forms a cooling water flow channel (not shown) for flowing cooling water on the surface on the opposite side to the MEA 110 side.
  • An anode gas supply hole 123A, a cooling water supply hole 124A, and a cathode gas supply hole 125A are formed in this order from the top on one end side of the anode separator 120. Further, on the other end side of the anode separator 120, a cathode gas discharge hole 125B, a cooling water discharge hole 124B, and an anode gas discharge hole 123B are formed sequentially from the top.
  • the cathode separator 130 is a plate-like member formed of a conductive material such as metal.
  • the cathode separator 130 forms a cathode gas flow channel 131 for flowing the cathode gas on the surface on the MEA 110 side, and forms a cooling water flow channel (not shown) for flowing the cooling water on the surface on the opposite side to the MEA 110 side.
  • An anode gas supply hole 133A, a cooling water supply hole 134A, and a cathode gas supply hole 135A are formed in this order from the top on one end side of the cathode separator 130. Further, on the other end side of the cathode separator 130, a cathode gas discharge hole 135B, a cooling water discharge hole 134B, and an anode gas discharge hole 133B are formed sequentially from the top.
  • the anode gas supply holes 113A, 123A, 133A are connected in the stacking direction to form an internal manifold 141 for anode gas supply
  • the cooling water supply holes 114A, 124A and 134A are continuous in the stacking direction to form an internal manifold 142 for cooling water supply
  • cathode gas supply holes 115A, 125A and 135A are continuous in the stacking direction to form an internal manifold 143 for cathode gas supply.
  • anode gas discharge holes 113B, 123B and 133B are continuous in the stacking direction to form an internal manifold 144 for discharging anode gas
  • cooling water discharge holes 114B, 124B and 134B are continuous in the stacking direction to discharge cooling water.
  • the inner manifold 145 is formed, and the cathode gas discharge holes 115B, 125B, and 135B are connected in the stacking direction to form an inner manifold 146 for discharging the cathode gas.
  • seal members 116 are provided on the front and back surfaces of the MEA 110 so as to surround the outer edge of the MEA 110 and the respective internal manifolds 141 to 146.
  • An adhesive 117 for bonding the MEA 110 to the anode separator 120 and the cathode separator 130 is filled in the region between the seal member 116 and each of the inner manifolds 141-146.
  • the seal member 116 and the adhesive agent 117 are provided except for a portion where gas or the like enters and leaves the respective internal manifolds 141 to 146.
  • the fuel cell stack 10 is configured by the seal member 116 and the adhesive 117 so that the gas and the cooling water flowing through the respective internal manifolds 141 to 146 do not leak.
  • the internal manifolds 141 to 146 extending in the stacking direction (horizontal) of the fuel cell 100 are formed in the fuel cell stack 10, and the anode gas is supplied to each fuel cell 100 via the internal manifolds 141 to 143.
  • the cathode gas and the cooling water are supplied, and the anode gas, the cathode gas and the cooling water are discharged from each fuel cell 100 through the internal manifolds 144 to 146.
  • generated water generated at the time of power generation or the like flows into the discharge-side internal manifolds 144 and 146 that discharge the anode gas and the cathode gas to the outside.
  • generated water tends to be accumulated in the exhaust-side internal manifold 144 that discharges the anode gas to the outside.
  • the power generation performance of the fuel cell stack 10 may be deteriorated due to a decrease in the anode gas flow rate or the like.
  • the extending member 150 extended in the stacking direction is disposed in the discharge-side internal manifold 144 for discharging the anode gas to the outside, and the discharge performance of the generated water is obtained. It is raising.
  • FIG. 5 is an enlarged view of the vicinity of the discharge-side internal manifolds 144 to 146 of the MEA 110.
  • FIG. 6 is a perspective view of the extending member 150.
  • the extending member 150 is a cylindrical member having a substantially U-shaped cross section, and is formed of an insulating resin material.
  • the extending member 150 may be formed of a metal material, in which case the surface of the member is coated.
  • a gas inlet port 151 is formed on the side of the extending member 150 located on the inner side in the width direction of the fuel cell stack 10. Further, at one end of the extending member 150 in the longitudinal direction, a discharge port 152 for discharging the gas flowing from the inflow port 151 to the outside of the fuel cell stack 10 is formed.
  • the inner wall surface of the extending member 150 is formed flat so as not to obstruct the flow of gas or generated water in the fuel cell 100 in the stacking direction.
  • the extending member 150 is disposed in the inner manifold 144 in a state where the outer wall surface of the extending member 150 is in contact with the inner wall surface of the inner manifold 144 for discharging the anode gas. Since the extending member 150 is disposed in contact with the inner wall surface of the internal manifold 144 as described above, the extending member 150 functions as a member for positioning the fuel cells 100 when the fuel cell stack 10 is assembled. In the state of being installed in the internal manifold 144, the inner wall bottom surface 153 of the extending member 150 is set higher than the lower end position 111A of the laminate 111 (active area) of the MEA 110 (see FIG. 5). ).
  • a portion of the generated water generated at the time of power generation and the anode gas not used for power generation flow into the inside of the extension member 150 disposed in the internal manifold 144 via the inlet 151. Since the extending member 150 is a member extended in the stacking direction of the fuel cell 100, the generated water flowing into the inside of the extending member 150 smoothly flows downstream with the flow of the anode gas, and is discharged. The fuel is discharged to the outside of the fuel cell stack 10 through the outlet 152.
  • the extending member 150 provided in the internal manifold 144 also functions as a support member for supporting the stacked fuel cells 100, the fuel cell stack 10 is bent by its own weight as shown by a broken line in FIG. Can be prevented.
  • the fuel cell stack 10 includes the extending member 150 extended in the stacking direction of the fuel cell 100 in a state of being in contact with the inner wall surface of the internal manifold 144 for discharging the anode gas. Flows smoothly along the inner wall surface of the extending member 150. Thus, the generated water can be easily discharged through the extending member 150, and the discharge performance of the generated water in the internal manifold 144 can be enhanced. Further, by arranging the extending member 150 in contact with the inner wall surface of the internal manifold 144, it becomes possible to position each fuel cell 100 when assembling the fuel cell stack 10.
  • the extending member 150 is formed as a cylindrical member in contact with the inner wall upper surface, inner wall side surface and inner wall bottom surface of the inner manifold 144, but the inner wall upper surface, inner wall side surface and inner wall of the inner manifold 144 You may form as a rod-shaped member (rod-shaped member) contact
  • the extending member 150 according to the second embodiment is different from the fuel cell stack according to the first embodiment in that the extending member 150 is a water repellent member.
  • the extending member 150 of the second embodiment is formed of a highly water-repellent resin material such as polytetrafluoroethylene (PTFE).
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • the extending member 150 is coated with high water repellency, the fluidity of the generated water is deteriorated when the coating is peeled off due to deterioration over time, etc., but in the present embodiment, the extending member 150 itself is made of PTFE. Since it forms, even if it uses it for a long period of time, there is almost no fall of the water repellency of extension member 150.
  • the extending member 150 according to the third embodiment is different from the fuel cell stack according to the first embodiment in that the extending member 150 is formed of a hydrophilic member.
  • the extending member 150 of the third embodiment is formed of a highly hydrophilic resin material such as polyethylene terephthalate (PET) or polyphenylene sulfide (PPS). In view of heat resistance, polyphenylene sulfide (PPS) is more preferable.
  • PET polyethylene terephthalate
  • PPS polyphenylene sulfide
  • the amount of generated water flowing into the internal manifold 144 for discharging anode gas increases, and the generated water can be discharged efficiently.
  • the surface of the extending member 150 is coated with high hydrophilicity, the drawability of generated water is deteriorated when the coating is peeled off due to deterioration over time, etc., but in the present embodiment, the extending member 150 itself is Thus, the hydrophilic performance of the extending member 150 is hardly deteriorated even when used for a long time.
  • the extending member 150 according to the fourth embodiment is different from the fuel cell stack according to the first embodiment in that the extending member 150 is composed of a hydrophilic member and a water repellent member.
  • FIG. 8 is a longitudinal sectional view of the extending member 150 according to the fourth embodiment.
  • the inner portion 150A near the center (closer to the inlet 151) of the fuel cell 100 is made of PET, which is more hydrophilic than the member constituting the internal manifold 144,
  • the outer portion 150 ⁇ / b> B is made of PTFE, which is more water repellent than the members constituting the inner manifold 144.
  • the inner portion 150A of the extension member 150 highly hydrophilic, generated water in the vicinity of the inflow port 151 is easily drawn into the inside of the extension member 150. Further, by making the outer portion 150B of the extending member 150 highly water-repellent, the drawn-in generated water can be made to flow smoothly in the fuel cell 100 stacking direction. This makes it possible to enhance the discharge performance of the generated water in the internal manifold 144.
  • the extending member 150 according to the fifth embodiment is different from the fuel cell stack according to the first embodiment in that the extending member 150 is composed of a hydrophilic member and a water repellent member.
  • FIG. 9 is a top view of the extending member 150 according to the fifth embodiment.
  • the upstream portion 150C in the anode gas discharge direction is made of PET or PPS, which is more hydrophilic than the member constituting the internal manifold 144, and is closer to the discharge port 152.
  • the downstream portion 150D is made of PTFE, which is more water repellent than the member constituting the internal manifold 144.
  • the product water drawn in on the upstream side can be made to flow smoothly to the downstream side. It is possible to enhance the discharge performance of generated water in the internal manifold 144.
  • the upstream side portion 150C is made highly hydrophilic and the downstream side portion 150D is made highly water-repellent, so that from the upstream to the downstream, the hydrophilicity gradually changes to high water-repellent It may be configured.
  • an extending member 150 according to a sixth embodiment of the present invention will be described.
  • the extending member 150 according to the sixth embodiment differs in the inner structure from the fuel cell stacks according to the first to fifth embodiments.
  • FIG. 10 is a longitudinal sectional view of the extending member 150 according to the sixth embodiment.
  • the inner wall upper surface 154 of the extending member 150 is formed as an inclined surface.
  • the inner wall upper surface 154 is configured to incline downward from the inside to the outside in a direction (width direction of the fuel cell stack 10) orthogonal to the stacking direction of the fuel cells 100.
  • the generated water adhering to the inner wall upper surface 154 is guided to the inner back side of the extending member 150 and flows back from the inflow port 151 to the outside. It can prevent.
  • the extending member 150 includes a protrusion 153A that protrudes upward from the inner wall bottom surface 153.
  • the projecting portion 153 ⁇ / b> A is extended along the stacking direction of the fuel cell 100 at an inner portion closer to the inflow port 151.
  • the protrusion 153 ⁇ / b> A functions as an embankment that prevents the generated water flowing on the inner wall bottom surface 153 from flowing out to the outside of the extension member 150.
  • the extending member 150 of the sixth embodiment described above is configured such that the inner wall upper surface 154 is inclined and the inner wall bottom surface 153 is provided with the projecting portion 153A, the generated water once flowing into the inside of the extending member 150 is a fuel Backflow to the battery 100 side can be prevented, and the generated water can be stably discharged to the outside of the fuel cell stack 10.
  • the inner wall upper surface 154 of the extending member 150 is an inclined surface which is linearly inclined downward toward the outside, the present invention is not limited to this.
  • the inner wall upper surface 154 of the extension member 150 may have a configuration in which the generated water adhering to the inner wall surface 154 hardly has a backflow toward the fuel cell 100 as shown in FIGS. 11A to 11E.
  • the inner wall upper surface 154 of the extension member 150 may be an inclined surface in which the inner portion is inclined downward and the outer portion may be a horizontal surface.
  • the inner wall upper surface 154 of the extending member 150 is an inclined surface which is inclined downward from the inner side in a convex state as shown in FIG. 11B or as shown in FIG. 11C from an inner side in a convex state. It may be an inclined surface inclined downward to the outside.
  • the inner wall upper surface 154 of the extending member 150 has a wavy shape in which smooth asperities are continuously formed from the inside to the outside as shown in FIG. 11D, or as shown in FIG. It may be formed into a sawtooth shape.
  • the projecting portion 153A of the extending member 150 is a relatively wide member as shown in FIG. 10, but the present invention is not limited to this.
  • the projecting portion 153 ⁇ / b> A may be an upright wall which is erected from the inner wall bottom surface 153 close to the inflow port 151 and extends in the stacking direction of the fuel cell 100. Even with such a rising wall, it is possible to prevent the generated water flowing on the inner wall bottom surface 153 from flowing back to the fuel cell 100 side.
  • an extension member 150 according to a seventh embodiment of the present invention will be described.
  • the extending member 150 according to the seventh embodiment is different in shape from the extending member 150 of the first to sixth embodiments.
  • FIG. 13 is a longitudinal sectional view of the extending member 150 according to the seventh embodiment.
  • the extending member 150 is a rod-like member having a substantially trapezoidal cross section, and is formed of a highly hydrophilic resin material.
  • an upper side surface (hereinafter referred to as “upper side surface”) 150E, an outer side (left side in the drawing) side surface (hereinafter referred to as “outer side surface”) 150F and a lower side surface (hereinafter referred to Each of the lower side surfaces 150G is disposed in the inner manifold 144 so as to abut on the inner wall upper surface, inner wall outer surface and inner wall bottom surface of the inner manifold 144.
  • the side surface 150H on the inner side (right side in the figure, ie, the side of the laminated body 111) 150H of the extending member 150 has an acute angle ⁇ between the inner side surface 150H and the bottom surface of the inner manifold 144. To be inclined downward from the inside to the outside.
  • FIG. 14 is a view for explaining the effect of the fuel cell stack 10 according to the seventh embodiment.
  • the extending member 150 is formed of a member having a higher hydrophilicity than the member forming the internal manifold 144, and the angle ⁇ between the inner side surface 150H and the bottom surface of the inner wall of the internal manifold 144 is acute.
  • the inner side surface 150H was inclined.
  • the generated water attached to the upper surface of the inner wall of the internal manifold 144 can be drawn into the inner side surface 150H of the extending member 150 and further drawn into the acute angle region shown by the broken line in the drawing using the inclination of the inner side surface 150H. it can.
  • the highly hydrophilic member has a characteristic of drawing generated water in a narrow area as compared with the surrounding. Therefore, when the extending member 150 is formed of a highly hydrophilic member, generated water is drawn into an acute angle area which is a narrow area as compared with the surrounding area. As a result, in addition to the generated water adhering to the upper surface of the inner wall of the internal manifold 144, the generated water adhering to the bottom surface of the inner wall of the internal manifold 144 can also be drawn into the acute angle region.
  • extension member 150 a rod-like member, the volume in the internal manifold 144 is reduced, so that the flow velocity of the anode off gas flowing in the internal manifold can be increased.
  • the generated water drawn into the acute angle region can be moved more smoothly along the inner side surface 150H in the stacking direction.
  • the extending member 150 is a rod-like member, and the extending member 150 is disposed in the inner manifold 144 such that each of the upper side surface 150E and the lower side surface 150G abuts on the inner wall upper surface and the inner wall bottom surface of the inner manifold 144. .
  • the function as a supporting member for supporting the stacked fuel cell 100 is further strengthened, as compared with the case where the extending member 150 is a cylindrical member having a substantially U-shaped cross section as in the first embodiment,
  • the fuel cell stack 10 can be further prevented from being flexed by its own weight as shown by a broken line in FIG.
  • an extending member 150 according to an eighth embodiment of the present invention will be described.
  • the eighth embodiment is different from the seventh embodiment in that a shock absorbing material 160 is provided between the extending member 150 and the internal manifold 144.
  • FIG. 15 is a longitudinal sectional view of the extension member 150 and the shock absorbing material 160 according to the eighth embodiment.
  • the shock absorbing material 160 is a cylindrical member having a substantially U-shaped cross section, and is formed of an elastic body such as a synthetic rubber containing silicone rubber.
  • the shock absorbing material 160 is in contact with the upper side surface 150E, the outer side surface 150F and the lower side surface 150G of the extending member 150, and the outer peripheral surface is the upper inner wall surface, the inner wall outer surface and the inner wall of the inner manifold. It is disposed in the inner manifold 144 to abut the bottom surface.
  • the internal temperature of the fuel cell stack 10 rises.
  • the member constituting the internal manifold 144 and the member constituting the extending member 150 are different members, and the member constituting the extending member 150 is thermally expanded more than the member constituting the internal manifold 144 The rate is large. Therefore, when the extension member 150 is expanded, a load is input to the internal manifold 144 from the extension member 150, which causes the durability of the fuel cell stack 10 to be reduced.
  • the shock absorbing material 160 between the extending member 150 and the internal manifold 144 as in the present embodiment, the load input from the extending member 150 to the internal manifold 144 can be reduced.
  • the durability of the battery stack 10 can be improved.
  • the extension member 150 and the shock absorbing material 160 are separately formed, but may be integrally formed. Moreover, although the shock absorbing material 160 was provided in the whole region of the upper side 150E, the outer side 150F, and the lower side 150G of the extending member 150, it is good also as providing only in the one part area
  • the ninth embodiment Next, an extending member 150 according to a ninth embodiment of the present invention will be described.
  • the ninth embodiment is different from the seventh embodiment in that a sliding member 170 is provided between the extending member 150 and the internal manifold 144.
  • FIG. 16 is a longitudinal sectional view of the extending member 150 and the sliding member 170 according to the ninth embodiment.
  • the sliding member 170 is a cylindrical member having a substantially U-shaped cross section, and is formed of a resin member containing polyimide, etc., as long as it has a relatively low friction coefficient. It is not limited to this.
  • the sliding member 170 has its outer peripheral surface in contact with the upper side surface 150E, the outer side surface 150F and the lower side surface 150G of the extending member 150, and the outer peripheral surface thereof is the inner wall upper surface, inner wall outer surface and inner wall of the internal manifold. It is disposed in the inner manifold 144 to abut the bottom surface.
  • the slide member 170 on the outer peripheral surface of the extending member 150, the assemblability when inserting the extending member 150 into the internal manifold 150 can be improved. In addition, it is possible to suppress the component wear due to the sliding between the extension member 150 and the inner wall surface of the internal manifold 144 at the time of assembly, and to improve the durability of the fuel cell stack 10.
  • the extending member 150 and the sliding member 170 are individually formed, they may be integrally formed. Further, although the slide member 170 is provided on the entire area of the upper side surface 150E, the outer side surface 150F, and the lower side surface 150G of the extension member 150, the slide member 170 may be provided only in a partial region thereof.
  • an extending member 150 according to a tenth embodiment of the present invention will be described.
  • the tenth embodiment is different from the seventh embodiment in that the cross-sectional area of the longitudinal cross section of the extending member 150 is made smaller toward the anode gas outlet of the fuel cell stack 10.
  • FIG. 17 is a schematic cross-sectional view of a fuel cell stack 10 provided with the extending member 150 according to the present embodiment.
  • 18A shows a longitudinal sectional view of the extending member 150 at one end of the fuel cell stack 10
  • FIG. 18B shows a longitudinal sectional view of the extending member 150 at the other end of the fuel cell stack 10. As shown in FIG.
  • an anode gas inlet and an anode gas outlet are formed on one end side of the fuel stack 10.
  • the flow velocity of the anode off gas flowing through the internal manifold 144 is faster on one end side (the side on which the anode gas outlet portion is formed) than on the other end side of the fuel cell stack 10. .
  • the extending member 150 is formed such that the cross-sectional area of the longitudinal cross section of the extending member 150 becomes smaller toward the anode gas outlet of the fuel cell stack 10. did.
  • the extending member 150 according to the present embodiment is formed such that the space through which the anode off gas flows in the internal manifold 144 becomes larger toward the anode gas outlet of the fuel cell stack 10.
  • the flow rate of the anode off gas flowing in the internal manifold 144 can be made uniform, so that the drainage performance can be improved while the flow rate of the anode gas distributed to each fuel cell 100 can be made uniform.
  • an extending member 150 according to an eleventh embodiment of the present invention will be described.
  • the eleventh embodiment differs from the seventh embodiment in that a protrusion 150H is provided at the end of the extending member 150 to prevent the extending member 150 from shifting in the direction perpendicular to the stacking direction.
  • FIG. 20 is a schematic cross-sectional view of the fuel cell stack 10.
  • FIG. 21 is a cross-sectional view of the extension member 150 taken along the line XX-XX in FIG.
  • the fuel cell stack 10 is provided with a plate 13 for holding the stacked fuel cells at both end portions in the stacking direction.
  • the plate 13 is also present in the above-described embodiments, the illustration is omitted.
  • a communication hole 131 communicating with the internal manifold 144 and the anode gas outlet portion is formed in the plate 13. And in this embodiment, as shown in FIG. 20, the extending member 150 is extended to the communication hole 131 of the plate 13, and further, as shown in FIGS. 20 and 21, inside the communication hole 131, the inside of the communication hole 131. A protrusion 150H that abuts the side surface is provided on the extending member 150.
  • the extending member 150 is installed in the internal manifold 144 for discharging anode gas, but the extending member 150 is installed in the internal manifold 146 for discharging cathode gas in the same manner. It is also good.
  • the extension member 150 is installed in the internal manifolds 144 and 146, not only the discharge performance of generated water can be enhanced in both internal manifolds 144 and 146, but also the alignment accuracy of the fuel cell 100 can be enhanced. It becomes.
  • the fuel cell stack 10 including the extending member 150 is applied to the non-anode fuel cell system, but the present invention is not limited to this.
  • the fuel cell stack 10 including the extending member 150 may be applied to an anode circulating fuel cell system capable of circulating the anode off gas to the anode gas supply passage 22.
  • the extending member 150 is a single rod-like member, but as shown in FIG. 22, even if it is divided into a number smaller than the total number of fuel cells 100 for improvement of assemblability. good.

Abstract

　複数の燃料電池が積層されることで積層方向に延設され、燃料電池で使用されたガスを外部に排出する内部マニホールドを備える燃料電池スタックが、内部マニホールドの内壁面に接した状態で積層方向に延設される延設部材を備える。

Description

燃料電池スタック及び燃料電池システム
　本発明は、複数の燃料電池を積層して構成される燃料電池スタック及びその燃料電池スタックを有する燃料電池システムに関する。
　燃料電池は、電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成されており、アノード電極に供給される水素を含有するアノードガス及びカソード電極に供給される酸素を含有するカソードガスを用いて発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電気化学反応は、以下の通りである。
　　　アノード電極：　２Ｈ2 → ４Ｈ+＋４ｅ-             ・・・（１）
　　　カソード電極：　４Ｈ+＋４ｅ-＋Ｏ2 → ２Ｈ2Ｏ      ・・・（２）
　これら（１）（２）の電気化学反応によって、燃料電池は１Ｖ（ボルト）程度の起電力を生じる。
　このような燃料電池を自動車用電源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池を積層した燃料電池スタックとして使用される。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両を駆動させるための電力を取り出す。
　ＪＰ２００６－６６１３１Ａには、アノードガスやカソードガスを流すための通路である内部マニホールドを備えた燃料電池スタックが開示されている。これら内部マニホールドは、燃料電池に形成された貫通孔が燃料電池の積層方向に連なることによって通路状に構成されるものである。
　アノードガス及びカソードガスを燃料電池スタック外に排出させる排出側の内部マニホールドには、発電時等に生成された生成水が流入する。生成水が排出側の内部マニホールド内にとどまって反応面（アクティブエリア）に戻ってくると、燃料電池スタックの発電性能が低下してしまう。そのため、排出側の内部マニホールドは生成水が排出されやすい構成とすることが望ましい。
　　しかしながら、ＪＰ２００６－６６１３１Ａに記載の燃料電池スタックでは、積層される各燃料電池が正確に位置合わせできていない場合、燃料電池スタックを構成した際に内部マニホールドの内側に凹凸部分が形成され、積層方向への生成水の流れが凹凸部分によって阻害されてしまうという問題がある。
　本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、内部マニホールドにおける積層方向への生成水の排出性能を高めることができる燃料電池スタックを提供することを目的とする。
　本発明のある態様によれば、複数の燃料電池が積層されることで積層方向に延設され、燃料電池で使用されたガスを外部に排出する内部マニホールドを備える燃料電池スタックにおいて、内部マニホールドの内壁面に接した状態で積層方向に延設される延設部材を備える燃料電池スタックが提供される。
　本発明の実施形態、本発明の利点については、添付された図面を参照しながら以下に詳細に説明する。
図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池スタックを備える燃料電池システムの概略構成図である。 図２は、燃料電池システムにおけるアノード脈動運転を説明するためのタイミングチャートである。 図３は、燃料電池スタックの分解図である。 図４Ａは、膜電極接合体の正面図である。 図４Ｂは、アノードセパレータの正面図である。 図４Ｃは、カソードセパレータの正面図である。 図５は、膜電極接合体の排出側の内部マニホールド近傍の拡大図である。 図６は、燃料電池スタックの内部マニホールド内に設けられる延設部材の斜視図である。 図７は、燃料電池スタックの側面概略図である。 図８は、第４実施形態による燃料電池スタックが備える延設部材の縦断面図である。 図９は、第５実施形態による燃料電池スタックが備える延設部材の上面図である。 図１０は、第６実施形態による燃料電池スタックが備える延設部材の縦断面図である。 図１１Ａは、延設部材の内壁上面の変形例を示す図である。 図１１Ｂは、延設部材の内壁上面の変形例を示す図である。 図１１Ｃは、延設部材の内壁上面の変形例を示す図である。 図１１Ｄは、延設部材の内壁上面の変形例を示す図である。 図１１Ｅは、延設部材の内壁上面の変形例を示す図である。 図１２は、延設部材の内壁底面に形成される突出部の変形例を示す図である。 図１３は、第７実施形態による燃料電池スタックが備える延設部材の縦断面図である。 図１４は、第７実施形態による燃料電池スタックの効果について説明する図である。 図１５は、第８実施形態による燃料電池スタックが備える延設部材及び緩衝材の縦断面図である。 図１６は、第９実施形態による燃料電池スタックが備える延設部材及び滑り部材の縦断面図である。 図１７は、第１０実施形態による延設部材を備えた燃料電池スタックの概略横断面図である。 図１８Ａは、第１０実施形態による燃料電池スタックが備える延設部材の縦断面図である。 図１８Ｂは、第１０実施形態による燃料電池スタックが備える延設部材の縦断面図である。 図１９は、第１０実施形態の変形例を示す図である。 図２０は、第１１実施形態による燃料電池スタックの概略横断面図である。 図２１は、図２０のXX-XX線に沿う延設部材の横断面図である。 図２２は、第７実施形態の変形例による延設部材を示した図である。
　（第１実施形態）
　図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池スタック１０を備える燃料電池システム１の概略構成図である。
　燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、アノードガス供給装置２と、カソードガス供給装置３と、冷却装置４と、インバータ５と、駆動モータ６と、バッテリ７と、ＤＣ／ＤＣコンバータ８と、コントローラ６０と、を備える。
　燃料電池スタック１０は、単位セルとしての燃料電池１００を所定枚数積層して構成される。燃料電池スタック１０は横置きされ、燃料電池１００は水平方向に積層された状態となる。燃料電池スタック１０は、アノードガスとしての水素及びカソードガスとしての空気の供給を受けて発電し、車両を駆動する駆動モータ６等の各種電気部品に電力を供給する。燃料電池スタック１０は、電力を取り出すための出力端子としてアノード側端子１１及びカソード側端子１２を有している。
　アノードガス供給装置２は、高圧タンク２１と、アノードガス供給通路２２と、調圧弁２３と、圧力センサ２４と、アノードガス排出通路２５と、バッファタンク２６と、パージ通路２７と、パージ弁２８と、を備える。
　高圧タンク２１は、燃料電池スタック１０に供給されるアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する容器である。
　アノードガス供給通路２２は、高圧タンク２１から排出されたアノードガスを燃料電池スタック１０に供給するための通路である。アノードガス供給通路２２の一端は高圧タンク２１に接続され、他端は燃料電池スタック１０のアノードガス入口部に接続される。
　調圧弁２３は、連続的又は段階的に開度を調節可能な電磁弁であって、アノードガス供給通路２２に設置される。調圧弁２３は、高圧タンク２１から排出された高圧状態のアノードガスを所定の圧力に調節する。調圧弁２３の開度はコントローラ６０によって制御される。
　圧力センサ２４は、調圧弁２３よりも下流側のアノードガス供給通路２２に設けられる。圧力センサ２４は、アノードガス供給通路２２を流れるアノードガスの圧力を検出する。圧力センサ２４で検出されたアノードガスの圧力は、バッファタンク２６や燃料電池スタック１０内のアノードガス流路等を含むアノード系全体の圧力を代表する。
　アノードガス排出通路２５は、燃料電池スタック１０とバッファタンク２６とを連通する通路である。アノードガス排出通路２５の一端は燃料電池スタック１０のアノードガス出口部に接続され、他端はバッファタンク２６の上部に接続される。アノードガス排出通路２５には、電気化学反応に使用されなかった余剰のアノードガスと、燃料電池スタック１０内においてカソード側からアノードガス流路へとリークしてきた窒素や水蒸気等を含む不純ガスとの混合ガス（以下、「アノードオフガス」という。）が排出される。
　バッファタンク２６は、アノードガス排出通路２５を流れてきたアノードオフガスを一時的に蓄える容器である。アノードオフガスに含まれる水蒸気の一部は、バッファタンク２６内で凝縮して凝縮水となり、アノードオフガスから分離される。
　パージ通路２７は、バッファタンク２６を外部に連通させる排出通路である。パージ通路２７の一端はバッファタンク２６の下部に接続され、パージ通路２７の他端は開口端として形成される。バッファタンク２６に蓄えられたアノードオフガスは、後述のカソードガス排出通路３５からパージ通路２７に流入するカソードオフガスによって稀釈され、凝縮水とともにパージ通路２７の開口端から外部へ排出される。
　パージ弁２８は、連続的又は段階的に開度を調節可能な電磁弁であり、パージ通路２７に設置される。パージ弁２８の開度を調節することで、パージ通路２７から外部へ排出されるアノードオフガスの流量が調整される。パージ弁２８の開度はコントローラ６０によって制御される。
　カソードガス供給装置３は、カソードガス供給通路３１と、フィルタ３２と、コンプレッサ３３と、圧力センサ３４と、カソードガス排出通路３５と、調圧弁３６と、を備える。
　カソードガス供給通路３１は、燃料電池スタック１０に供給されるカソードガスが流れる通路である。カソードガス供給通路３１の一端はフィルタ３２に接続され、他端は燃料電池スタック１０のカソードガス入口部に接続される。
　フィルタ３２は、外部から取り込まれる空気に含まれる塵や埃等の異物を除去するものである。フィルタ３２によって異物が除去された空気が、燃料電池スタック１０に供給されるカソードガスとなる。
　コンプレッサ３３は、フィルタ３２と燃料電池スタック１０との間のカソードガス供給通路３１に設置される。コンプレッサ３３は、フィルタ３２を介して取り込まれたカソードガスを燃料電池スタック１０に圧送する。
　圧力センサ３４は、コンプレッサ３３よりも下流側のカソードガス供給通路３１に設けられる。圧力センサ３４は、カソードガス供給通路３１を流れるカソードガスの圧力を検出する。圧力センサ３４で検出されたカソードガスの圧力は、燃料電池スタック１０内のカソードガス流路等を含むカソード系全体の圧力を代表する。
　カソードガス排出通路３５は、燃料電池スタック１０とアノードガス供給装置２のパージ通路２７とを連通する通路である。カソードガス排出通路３５の一端は燃料電池スタック１０のカソードガス出口部に接続され、他端はパージ弁２８よりも下流側のパージ通路２７に接続される。燃料電池スタック１０において電気化学反応に使用されなかったカソードガスは、カソードオフガスとして、カソードガス排出通路３５を介してパージ通路２７に排出される。
　調圧弁３６は、連続的又は段階的に開度を調節可能な電磁弁であって、カソードガス排出通路３５に設置される。調圧弁３６は、コントローラ６０によって開度が制御され、燃料電池スタック１０に供給されるカソードガスの圧力を調整する。
　冷却装置４は、冷却水によって燃料電池スタック１０を冷却するための装置である。冷却装置４は、冷却水循環通路４１と、冷却水循環ポンプ４２と、ラジエータ４３と、冷却水温度センサ４４，４５と、を備える。
　冷却水循環通路４１は、燃料電池スタック１０を冷却するための冷却水が流れる通路である。冷却水循環通路４１の一端は燃料電池スタック１０の冷却水入口部に接続され、他端は燃料電池スタック１０の冷却水出口部に接続される。
　冷却水循環ポンプ４２は、冷却水を循環させる圧送装置であって、冷却水循環通路４１に設置される。
　ラジエータ４３は、燃料電池スタック１０から排出された冷却水を冷却するための放熱器であって、冷却水循環ポンプ４２よりも上流側の冷却水循環通路４１に設置される。
　冷却水温度センサ４４，４５は、冷却水の温度を検出するセンサである。冷却水温度センサ４４は、燃料電池スタック１０の冷却水入口部寄りの冷却水循環通路４１に設けられ、燃料電池スタック１０に流入する冷却水の温度を検出する。これに対して、冷却水温度センサ４５は、燃料電池スタック１０の冷却水出口部寄りの冷却水循環通路４１に設けられ、燃料電池スタック１０から排出された冷却水の温度を検出する。
　インバータ５は、スイッチ部５１及び平滑コンデンサ５２を備え、アノード側端子１１及びカソード側端子１２を介して燃料電池スタック１０に電気的に接続される。スイッチ部５１は、複数のスイッチング素子から構成され、直流を交流に又は交流を直流に変換する。平滑コンデンサ５２は、燃料電池スタック１０と並列に接続されて、スイッチ部５１でのスイッチング等によって生じるリプルを抑制する。
　駆動モータ６は、三相交流モータである。駆動モータ６は、インバータ５から供給される交流電流によって作動して、車両を駆動させるトルクを発生する。
　バッテリ７は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８を介して、駆動モータ６及び燃料電池スタック１０と電気的に接続される。バッテリ７は、リチウムイオン二次電池等の充放電可能な二次電池である。
　ＤＣ／ＤＣコンバータ８は、燃料電池スタック１０に電気的に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ８は、燃料電池スタック１０の電圧を昇降圧させる双方向性の電圧変換機であり、直流入力から直流出力を得るとともに入力電圧を任意の出力電圧に変換する。
　コントローラ６０は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。
　コントローラ６０には、圧力センサ２４，３４や冷却水温度センサ４４，４５の他に、燃料電池スタック１０の出力電流を検出する電流センサ６１や燃料電池スタック１０の出力電圧を検出する電圧センサ６２、車両に備えられるアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルペダルセンサ６３、バッテリ７の充電量を検出するＳＯＣセンサ６４からの検出信号が、燃料電池システム１の運転状態を検出するための信号として入力する。コントローラ６０は、これらの入力信号に基づいて調圧弁２３を周期的に開閉して、アノード圧を周期的に増減圧させるアノード脈動運転を行う。
　アノードオフガスをアノードガス供給通路２２に循環しないアノードデッドエンド型の燃料電池システム１の場合、調圧弁２３を開いたままにして高圧タンク２１から燃料電池スタック１０にアノードガスを供給し続けると、アノードオフガスが外部へ排出され続けてしまうので、アノードオフガスに含まれるアノードガスを無駄に使用することとなる。そこで、燃料電池システム１では、調圧弁２３を周期的に開閉してアノード脈動運転を行うことで、バッファタンク２６に溜めたアノードオフガスを、アノード圧の減圧時に燃料電池スタック１０に逆流させる。これにより、アノードオフガス中のアノードガスを再利用することができ、外部へ排出されるアノードガス量を減らすことが可能となる。
　図２は、燃料電池システム１の定常運転時におけるアノード脈動運転について説明するタイミングチャートである。
　図２（Ａ）に示すように、コントローラ６０は、車両走行状態に応じて燃料電池スタック１０の目標出力を算出し、目標出力に基づいてアノードガス供給圧力（アノード圧）の上限値及び下限値を設定する。そして、設定したアノード圧の上限値及び下限値の間でアノード圧を周期的に増減圧させる。
　具体的には、時刻ｔ１でアノード圧が下限値に達したら、図２（Ｂ）に示すように、少なくともアノード圧を上限値まで増圧させることができる開度まで調圧弁２３を開く。この状態のときは、アノードガスは高圧タンク２１から燃料電池スタック１０に供給され、アノードオフガスがバッファタンク２６へ排出される。
　時刻ｔ２でアノード圧が上限値に達したら、図２（Ｂ）に示すように調圧弁２３を全閉とし、高圧タンク２１から燃料電池スタック１０へのアノードガスの供給を停止する。前述した電気化学反応によって、燃料電池スタック１０内のアノードガス流路に残されたアノードガスが時間の経過とともに消費されると、アノードガスの消費分だけアノード圧が低下する。
　燃料電池スタック１０内のアノードガスがある程度消費されると、バッファタンク２６の圧力が一時的に燃料電池スタック１０のアノードガス流路の圧力よりも高くなるため、バッファタンク２６から燃料電池スタック１０へとアノードオフガスが逆流する。その結果、燃料電池スタック１０のアノードガス流路に残されたアノードガスと、バッファタンク２６から逆流したアノードオフガス中のアノードガスが時間の経過とともに消費される。
　時刻ｔ３でアノード圧が下限値に達したら、時刻ｔ１の時と同様に調圧弁２３が開かれる。そして、時刻ｔ４で再びアノード圧が上限値に達したら、調圧弁２３を全閉とする。このように調圧弁２３を周期的に開閉することで、アノード脈動運転が行われ、アノードオフガス中のアノードガスが再利用される。
　次に、図３、図４Ａ～図４Ｃ、及び図５を参照して、燃料電池スタック１０の構成を説明する。図３は、燃料電池スタック１０の分解図である。図４Ａは膜電極接合体（ＭＥＡ）１１０の正面図であり、図４Ｂはアノードセパレータ１２０の正面図であり、図４Ｃはカソードセパレータ１３０の正面図である。図５は、ＭＥＡ１１０の排出側の内部マニホールド１４４～１４６近傍の拡大図である。
　図３に示すように、燃料電池スタック１０は、ＭＥＡ１１０、アノードセパレータ１２０、及びカソードセパレータ１３０からなる燃料電池１００を、複数積層して構成されている。燃料電池１００は、ＭＥＡ１１０の一方の面にアノードセパレータ１２０が配置され、他方の面にカソードセパレータ１３０が配置される構造である。
　図４Ａに示すように、ＭＥＡ１１０は、電解質膜の一方の面にアノード電極を配置し他方の面にカソード電極を配置した積層体１１１と、積層体１１１の外周端に形成される枠部１１２と、を備える。
　ＭＥＡ１１０の枠部１１２は、合成樹脂等からなる枠部材であって、積層体１１１の外縁に一体形成される。一端側（図中右側）の枠部１１２には、上から順にアノードガス供給孔１１３Ａ、冷却水供給孔１１４Ａ、カソードガス供給孔１１５Ａが形成される。また、他端側（図中左側）の枠部１１２には、上から順にカソードガス排出孔１１５Ｂ、冷却水排出孔１１４Ｂ、アノードガス排出孔１１３Ｂが形成される。
　図４Ｂに示すように、アノードセパレータ１２０は、金属等の導電性材料で形成された板状部材である。アノードセパレータ１２０は、ＭＥＡ１１０側の面にアノードガスを流すアノードガス流路１２１を形成し、ＭＥＡ１１０側とは反対側の面に冷却水を流す冷却水流路（図示省略）を形成する。
　アノードセパレータ１２０の一端側には、上から順にアノードガス供給孔１２３Ａ、冷却水供給孔１２４Ａ、カソードガス供給孔１２５Ａが形成される。また、アノードセパレータ１２０の他端側には、上から順にカソードガス排出孔１２５Ｂ、冷却水排出孔１２４Ｂ、アノードガス排出孔１２３Ｂが形成される。
　図４Ｃに示すように、カソードセパレータ１３０は、金属等の導電性材料で形成された板状部材である。カソードセパレータ１３０は、ＭＥＡ１１０側の面にカソードガスを流すカソードガス流路１３１を形成し、ＭＥＡ１１０側とは反対側の面に冷却水を流す冷却水流路（図示省略）を形成する。
　カソードセパレータ１３０の一端側には、上から順にアノードガス供給孔１３３Ａ、冷却水供給孔１３４Ａ、カソードガス供給孔１３５Ａが形成される。また、カソードセパレータ１３０の他端側には、上から順にカソードガス排出孔１３５Ｂ、冷却水排出孔１３４Ｂ、アノードガス排出孔１３３Ｂが形成される。
　燃料電池１００が積層されて燃料電池スタック１０が形成された時に、アノードガス供給孔１１３Ａ，１２３Ａ，１３３Ａが積層方向に連なってアノードガス供給用の内部マニホールド１４１を形成し、冷却水供給孔１１４Ａ，１２４Ａ，１３４Ａが積層方向に連なって冷却水供給用の内部マニホールド１４２を形成し、カソードガス供給孔１１５Ａ，１２５Ａ，１３５Ａが積層方向に連なってカソードガス供給用の内部マニホールド１４３を形成する。同様に、アノードガス排出孔１１３Ｂ，１２３Ｂ，１３３Ｂが積層方向に連なってアノードガス排出用の内部マニホールド１４４を形成し、冷却水排出孔１１４Ｂ，１２４Ｂ，１３４Ｂが積層方向に連なって冷却水排出用の内部マニホールド１４５を形成し、カソードガス排出孔１１５Ｂ，１２５Ｂ，１３５Ｂが積層方向に連なってカソードガス排出用の内部マニホールド１４６を形成する。
　図５に示すように、ＭＥＡ１１０の表面及び裏面には、ＭＥＡ１１０の外縁及び各内部マニホールド１４１～１４６を取り囲むようにシール部材１１６が設けられている。シール部材１１６と各内部マニホールド１４１～１４６との間の領域には、ＭＥＡ１１０をアノードセパレータ１２０及びカソードセパレータ１３０に接着するための接着剤１１７が充填される。シール部材１１６及び接着剤１１７は、各内部マニホールド１４１～１４６に対してガス等が出入りする部分を除いて設けられる。燃料電池スタック１０は、シール部材１１６及び接着剤１１７によって、各内部マニホールド１４１～１４６を流れるガスや冷却水が漏出しないように構成されている。
　このように燃料電池スタック１０の内部には、燃料電池１００の積層方向（水平）に延設される内部マニホールド１４１～１４６が形成され、内部マニホールド１４１～１４３を介して各燃料電池１００にアノードガス、カソードガス及び冷却水が供給され、内部マニホールド１４４～１４６を介して各燃料電池１００からアノードガス、カソードガス及び冷却水が排出される。
　ところで、燃料電池スタック１０では、アノードガス及びカソードガスを外部に排出させる排出側の内部マニホールド１４４，１４６に、発電時等に生成された生成水が流入する。特に、本実施形態のようなアノードデッドエンド型の燃料電池スタック１０では、アノードガスを外部に排出させる排出側の内部マニホールド１４４に生成水が溜まりやすい。アノードガス排出用の内部マニホールド１４４に生成水が溜まると、アノードガス流量の低下等に起因して燃料電池スタック１０の発電性能が悪化するおそれがある。
　そこで、本実施形態による燃料電池スタック１０では、アノードガスを外部に排出させる排出側の内部マニホールド１４４内に、積層方向に延設される延設部材１５０を配置して、生成水の排出性能を高めている。
　図５及び図６を参照して、延設部材１５０について説明する。図５は、ＭＥＡ１１０の排出側の内部マニホールド１４４～１４６近傍の拡大図である。図６は、延設部材１５０の斜視図である。
　図５及び図６に示すように、延設部材１５０は、略コ字断面を有する筒状部材であって、絶縁性の樹脂材料によって形成されている。延設部材１５０は金属材料によって形成してもよいが、その場合には部材表面が絶縁コーティングされる。
　燃料電池スタック１０の幅方向内側に位置する延設部材１５０の側部には、ガス流入用の流入口１５１が形成される。また、延設部材１５０の長手方向一側の端部には、流入口１５１から流入してきたガスを燃料電池スタック１０外に排出するための排出口１５２が形成される。延設部材１５０の内壁面は、ガスや生成水の燃料電池１００積層方向の流れを阻害しないように平坦に形成されている。
　延設部材１５０は、延設部材１５０の外壁面がアノードガス排出用の内部マニホールド１４４の内壁面に接した状態で、内部マニホールド１４４内に配置される。このように延設部材１５０を内部マニホールド１４４の内壁面に当接させて配置するため、延設部材１５０は燃料電池スタック１０組み立て時において各燃料電池１００の位置決めを行う部材として機能する。なお、内部マニホールド１４４内に設置された状態では、延設部材１５０の内壁底面１５３は、ＭＥＡ１１０の積層体１１１（アクティブエリア）の下端位置１１１Ａよりも高くなるように設定されている（図５参照）。
　発電時に生成された生成水の一部及び発電に使用されなかったアノードガスは、流入口１５１を介して、内部マニホールド１４４内に配設された延設部材１５０の内側に流入する。延設部材１５０は燃料電池１００の積層方向に延設された部材であるため、延設部材１５０の内側に流入した生成水は、アノードガスの流れに伴って下流側にスムーズに流動し、排出口１５２を通って燃料電池スタック１０の外部に排出される。
　また、内部マニホールド１４４内に設けられた延設部材１５０は、積層された燃料電池１００を支持する支持部材としても機能するので、燃料電池スタック１０が図７において破線で示すように自重によって撓んでしまうことを防止することができる。
　上記した第１実施形態の燃料電池スタック１０によれば、以下の効果を得ることができる。
　燃料電池スタック１０は、アノードガス排出用の内部マニホールド１４４の内壁面に接した状態で燃料電池１００の積層方向に延設される延設部材１５０を備えるので、内部マニホールド１４４内に流入した生成水は延設部材１５０の内壁面を伝ってスムーズに流動する。これにより生成水が延設部材１５０を介して排出されやすくなり、内部マニホールド１４４における生成水の排出性能を高めることが可能となる。また、延設部材１５０を内部マニホールド１４４の内壁面に当接させて配置することで、燃料電池スタック１０の組み立て時において各燃料電池１００の位置決めを行うことも可能となる。
　なお、第１実施形態では、延設部材１５０は、内部マニホールド１４４の内壁上面、内壁側面及び内壁底面に当接する筒状部材として形成されているが、内部マニホールド１４４の内壁上面、内壁側面及び内壁底面の少なくとも一つに当接する棒状部材（ロッド状部材）として形成してもよい。このように形成した場合においても、延設部材１５０に付着した生成水は、延設部材１５０を伝ってスムーズに燃料電池１００積層方向に流動する。
　（第２実施形態）
　次に、本発明の第２実施形態による延設部材１５０について説明する。第２実施形態による延設部材１５０は撥水性部材によって構成されている点で第１実施形態の燃料電池スタックと相違する。
　第２実施形態の延設部材１５０は、高撥水性の樹脂材料、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）によって形成される。このように内部マニホールド１４４を構成する部材よりも撥水性の高い部材によって延設部材１５０を構成することで、延設部材１５０の内壁面を伝って移動する生成水の流動性を高めることができる。
　これにより、アノードガス排出用の内部マニホールド１４４における生成水の排出性能をより高めることが可能となる。また、延設部材１５０の表面を高撥水性コーティングする場合には経時劣化等によりコーティングがはげた時に生成水の流動性が悪化してしまうが、本実施形態では延設部材１５０自体をＰＴＦＥによって形成するので、長期間使用しても延設部材１５０の撥水性能の低下がほとんどない。
　（第３実施形態）
　次に、本発明の第３実施形態による延設部材１５０について説明する。第３実施形態による延設部材１５０は親水性部材によって構成されている点で第１実施形態の燃料電池スタックと相違する。
　第３実施形態の延設部材１５０は、高親水性の樹脂材料、例えばポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）やポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）などによって形成される。なお、耐熱性を考慮すると、ポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）の方がより好ましい。このように内部マニホールド１４４を構成する部材よりも親水性の高い部材によって延設部材１５０を構成することで、延設部材１５０の流入口１５１近傍の生成水が延設部材１５０の内側に引き込まれやすくなる。
　これにより、アノードガス排出用の内部マニホールド１４４内に流入する生成水の量が増え、生成水を効率的に排出することが可能となる。また、延設部材１５０の表面を高親水性コーティングする場合には経時劣化等によりコーティングがはげた時に生成水の引き込み性が悪化してしまうが、本実施形態では延設部材１５０自体をＰＰＳ等によって形成するので、長期間使用しても延設部材１５０の親水性能の低下がほとんどない。
　（第４実施形態）
　次に、本発明の第４実施形態による延設部材１５０について説明する。第４実施形態による延設部材１５０は親水性部材及び撥水性部材によって構成されている点で第１実施形態の燃料電池スタックと相違する。
　図８は、第４実施形態による延設部材１５０の縦断面図である。
　図８に示すように、延設部材１５０は、燃料電池１００の中央寄り（流入口１５１寄り）における内側部分１５０Ａが内部マニホールド１４４を構成する部材よりも親水性の高いＰＥＴによって構成されており、外側部分１５０Ｂが内部マニホールド１４４を構成する部材よりも撥水性の高いＰＴＦＥによって構成されている。
　このように、延設部材１５０の内側部分１５０Ａを高親水性とすることで、流入口１５１近傍の生成水が延設部材１５０の内側に引き込まれやすくなる。また、延設部材１５０の外側部分１５０Ｂを高撥水性とすることで、引き込んだ生成水を燃料電池１００積層方向にスムーズに流動させることができる。これにより、内部マニホールド１４４における生成水の排出性能を高めることが可能となる。
　（第５実施形態）
　次に、本発明の第５実施形態による延設部材１５０について説明する。第５実施形態による延設部材１５０は親水性部材及び撥水性部材によって構成されている点で第１実施形態の燃料電池スタックと相違する。
　図９は、第５実施形態による延設部材１５０の上面図である。
　図９に示すように、延設部材１５０は、アノードガス排出方向の上流側部分１５０Ｃが内部マニホールド１４４を構成する部材よりも親水性の高いＰＥＴ又はＰＰＳによって構成されており、排出口１５２寄りの下流側部分１５０Ｄが内部マニホールド１４４を構成する部材よりも撥水性の高いＰＴＦＥによって構成されている。
　このように、延設部材１５０の上流側部分１５０Ｃを高親水性とし下流側部分１５０Ｄを高撥水性とすることで、上流側において引き込まれた生成水をスムーズに下流側に流動させることができ、内部マニホールド１４４における生成水の排出性能を高めることが可能となる。
　なお、延設部材１５０は、上流側部分１５０Ｃを高親水性とし下流側部分１５０Ｄを高撥水性として構成したが、上流から下流に向かって高親水性から高撥水性に徐々に変化するように構成してもよい。
　（第６実施形態）
　次に、本発明の第６実施形態による延設部材１５０について説明する。第６実施形態による延設部材１５０は内側構造において第１～第５実施形態の燃料電池スタックと相違する。
　図１０は、第６実施形態による延設部材１５０の縦断面図である。
　図１０に示すように、延設部材１５０の内壁上面１５４は傾斜面として形成される。内壁上面１５４は、燃料電池１００の積層方向に直交する方向（燃料電池スタック１０の幅方向）において、内側から外側に向かって下り傾斜するように構成されている。このように延設部材１５０の内壁上面１５４を傾斜面とすることで、内壁上面１５４に付着した生成水が延設部材１５０の内部奥側に導かれ、流入口１５１から外側に逆流することを防止できる。
　さらに、延設部材１５０は、内壁底面１５３から上方に突出する突出部１５３Ａを備える。突出部１５３Ａは、流入口１５１寄りの内側部分において、燃料電池１００の積層方向に沿って延設される。突出部１５３Ａは、内壁底面１５３上を流動する生成水が延設部材１５０の外側に流出することを防止する堤防として機能する。
　上記した第６実施形態の延設部材１５０は、内壁上面１５４が傾斜するように構成され、また内壁底面１５３に突出部１５３Ａを備えるので、延設部材１５０の内側に一旦流入した生成水が燃料電池１００側に逆流することを防止でき、生成水を安定的に燃料電池スタック１０外に排出させることが可能となる。
　なお、第６実施形態では、延設部材１５０の内壁上面１５４は、外側に向かって直線的に下り傾斜する傾斜面としたが、これに限定されるものではない。延設部材１５０の内壁上面１５４は、図１１Ａ～図１１Ｅに示すように、付着した生成水が燃料電池１００側に逆流しにくい構成であればよい。
　例えば、延設部材１５０の内壁上面１５４は、図１１Ａに示すように、内側部分を下り傾斜する傾斜面とし、外側部分を水平面としてもよい。
　また、延設部材１５０の内壁上面１５４は、図１１Ｂに示すように上に凸の状態で内側から外側に下り傾斜する傾斜面としたり、図１１Ｃに示すように下に凸の状態で内側から外側に下り傾斜する傾斜面としたりしてもよい。
　さらに、延設部材１５０の内壁上面１５４は、図１１Ｄに示すように滑らかな凹凸が内側から外側に連続して形成される波状としたり、図１１Ｅに示すように傾斜部が内側から外側に連続して形成されるのこぎり歯状としたりしてもよい。
　第６実施形態では、延設部材１５０の突出部１５３Ａは、図１０に示すように比較的幅の広い部材としたが、これに限られるものではない。突出部１５３Ａは、図１２に示すように、流入口１５１寄りの内壁底面１５３から起立し、燃料電池１００の積層方向に延設される起立壁としてもよい。このような起立壁であっても、内壁底面１５３上を流動する生成水が燃料電池１００側に逆流することを防止することが可能となる。
　（第７実施形態）
　次に、本発明の第７実施形態による延設部材１５０について説明する。第７実施形態による延設部材１５０は、その形状が第１～第６実施形態の延設部材１５０と相違する。
　図１３は、第７実施形態による延設部材１５０の縦断面図である。
　図１３に示すように、延設部材１５０は、略台形状の断面を有する棒状部材であって、高親水性の樹脂材料によって形成される。
　延設部材１５０は、その外周面のうち、上側の側面（以下「上側側面」という）１５０Ｅ、外側（図中左側）の側面（以下「外側側面」という。）１５０Ｆ及び下側の側面（以下「下側側面」という。）１５０Ｇのそれぞれが、内部マニホールド１４４の内壁上面、内壁外側面及び内壁底面に当接するように、内部マニホールド１４４内に配置される。
　そして、延設部材１５０の内側（図中右側、すなわち積層体１１１側）の側面（以下「内側側面」という。）１５０Ｈは、内側側面１５０Ｈと内部マニホールド１４４の内壁底面とのなす角θが鋭角となるように、内側から外側に向かって下り傾斜するように形成される。
　図１４は、第７実施形態による燃料電池スタック１０の効果について説明する図である。
　本実施形態では、内部マニホールド１４４を構成する部材よりも親水性の高い部材で延設部材１５０を構成し、さらに内側側面１５０Ｈと内部マニホールド１４４の内壁底面とのなす角θが鋭角となるように内側側面１５０Ｈを傾斜させた。
　これにより、内部マニホールド１４４の内壁上面に付着した生成水を延設部材１５０の内側側面１５０Ｈへと引き込み、さらに内側側面１５０Ｈの傾斜を利用して図中破線で示した鋭角領域へと引き込むことができる。
　また、高親水性の部材は、周囲と比べて狭い領域に生成水を引き込む特性を有している。そのため、延設部材１５０を親水性の高い部材で構成した場合は、周囲と比べて狭い領域である鋭角領域に生成水が引き込まれることとなる。その結果、内部マニホールド１４４の内壁上面に付着した生成水以外に、内部マニホールド１４４の内壁底面に付着した生成水も鋭角領域へと引き込むことができる。
　これにより、内部マニホールド１４４内に流入してきた生成水の逆流を抑制できるとともに、鋭角領域へと引き込んだ生成水を内側側面１５０Ｈに沿って積層方向へとスムーズに移動させることができる。
　また、延設部材１５０を棒状部材とすることで、内部マニホールド１４４内の体積が減少するため、内部マニホールド内を流通するアノードオフガスの流速を速くすることができる。
　これにより、鋭角領域へと引き込んだ生成水を内側側面１５０Ｈに沿って積層方向へとよりスムーズに移動させることができる。
　また、延設部材１５０を棒状部材とし、上側側面１５０Ｅ及び下側側面１５０Ｇのそれぞれが、内部マニホールド１４４の内壁上面及び内壁底面に当接するように、延設部材１５０を内部マニホールド１４４内に配置した。
　これにより、延設部材１５０を第１実施形態のように略コ字断面を有する筒状部材にした場合と比較して、積層された燃料電池１００を支持する支持部材としての機能をより強め、燃料電池スタック１０が図７に破線で示すように自重によって撓むのをより一層防止することができる。
　（第８実施形態）
　次に、本発明の第８実施形態による延設部材１５０について説明する。第８実施形態では、延設部材１５０と内部マニホールド１４４との間に緩衝材１６０を設けた点で第７実施形態と相違する。
　図１５は、第８実施形態による延設部材１５０及び緩衝材１６０の縦断面図である。
　図１５に示すように、緩衝材１６０は、略コ字断面を有する筒状部材であって、シリコーンゴムを含む合成ゴム等の弾性体によって形成される。
　緩衝材１６０は、その内周面が延設部材１５０の上側側面１５０Ｅ、外側側面１５０Ｆ及び下側側面１５０Ｇに当接するように、また、その外周面が内部マニホールドの内壁上面、内壁外側面及び内壁底面に当接するように、内部マニホールド１４４内に配置される。
　燃料電池システム１の運転中は、燃料電池スタック１０の内部温度が上昇する。内部マニホールド１４４を構成する部材と、延設部材１５０を構成する部材とは、それぞれ異なる部材であり、内部マニホールド１４４を構成する部材よりも、延設部材１５０を構成する部材の方が、熱膨張率が大きい。そのため、延設部材１５０が膨張することで、内部マニホールド１４４には延設部材１５０から荷重が入力されることになり、燃料電池スタック１０の耐久性を低下させる要因となる。
　そこで本実施形態のように、延設部材１５０と内部マニホールド１４４との間に緩衝材１６０を設けることで、延設部材１５０から内部マニホールド１４４に入力される荷重を低減することができるので、燃料電池スタック１０の耐久性を向上させることができる。
　なお、本実施形態では、延設部材１５０と緩衝材１６０とをそれぞれ個別に形成したが、一体的に形成しても良い。また、緩衝材１６０を延設部材１５０の上側側面１５０Ｅ、外側側面１５０Ｆ及び下側側面１５０Ｇの全域に設けたが、その一部の領域にだけ設けることとしても良い。
　（第９実施形態）
　次に、本発明の第９実施形態による延設部材１５０について説明する。第９実施形態では、延設部材１５０と内部マニホールド１４４との間に滑り部材１７０を設けた点で第７実施形態と相違する。
　図１６は、第９実施形態による延設部材１５０及び滑り部材１７０の縦断面図である。
　図１６に示すように、滑り部材１７０は、略コ字断面を有する筒状部材であって、ポリイミドを含む樹脂部材等によって形成されるが、相対的に摩擦係数が小さい低摩擦材であればこれに限られるものではない。
　滑り部材１７０は、その内周面が延設部材１５０の上側側面１５０Ｅ、外側側面１５０Ｆ及び下側側面１５０Ｇに当接するように、また、その外周面が内部マニホールドの内壁上面、内壁外側面及び内壁底面に当接するように、内部マニホールド１４４内に配置される。
　このように、延設部材１５０の外周面に滑り部材１７０を設けることで、延設部材１５０を内部マニホールド１５０に挿通させるときの組み付け性を向上させることができる。また、組み付け時における延設部材１５０と内部マニホールド１４４の内壁面との摺動による部品磨耗を抑制し、燃料電池スタック１０の耐久性を向上させることができる。
　なお、本実施形態では、延設部材１５０と滑り部材１７０とをそれぞれ個別に形成したが、一体的に形成しても良い。また、滑り部材１７０を延設部材１５０の上側側面１５０Ｅ、外側側面１５０Ｆ及び下側側面１５０Ｇの全域に設けたが、その一部の領域にだけ設けることとしても良い。
　（第１０実施形態）
　次に、本発明の第１０実施形態による延設部材１５０について説明する。第１０実施形態では、延設部材１５０の縦断面の断面積を、燃料電池スタック１０のアノードガス出口部ほど小さくする点で第７実施形態と相違する。
　以下、図１７図１８Ａ及び図１８Ｂを参照して、本実施形態による延設部材１５０を備えた燃料電池スタック１０について説明する。
　図１７は、本実施形態による延設部材１５０を備えた燃料電池スタック１０の概略横断面図である。図１８Ａは燃料電池スタック１０の一端側の延設部材１５０の縦断面図を示し、図１８Ｂは燃料電池スタック１０の他端側の延設部材１５０の縦断面図を示す。
　図１７に示すように、本実施形態による燃料電池スタック１０は、アノードガス入口部とアノードガス出口部とが、燃料スタック１０の一端部側に形成されているものである。このような燃料電池スタック１０の場合、内部マニホールド１４４を流れるアノードオフガスの流速は、燃料電池スタック１０の他端側よりも一端側（アノードガス出口部が形成されている側）の方が速くなる。
　そこで本実施形態では、図１８Ａ及び図１８Ｂに示すように、延設部材１５０の縦断面の断面積が、燃料電池スタック１０のアノードガス出口部に行くほど小さくなるように延設部材１５０を形成した。換言すれば、本実施形態による延設部材１５０は、内部マニホールド１４４内においてアノードオフガスが流れる空間が、燃料電池スタック１０のアノードガス出口部に行くほど大きくなるように形成される。
　これにより、内部マニホールド１４４内を流れるアノードオフガスの流速を均一にすることができるので、各燃料電池１００に配流されるアノードガスの流量の均一化を図りつつ、排水性を向上させることができる。
　なお、アノードガス出口部が燃料電池スタック１０の両端部に形成される場合には、図１９に示すように、燃料電池スタック１０の積層方向中央部に位置する延設部材１５０の縦断面の断面積が最大となるようにすれば良い。
（第１１実施形態）
　次に、本発明の第１１実施形態による延設部材１５０について説明する。第１１実施形態では、延設部材１５０の端部に、延設部材１５０の積層方向と直行する方向へのずれを防止する突起部１５０Ｈを設けた点で第７実施形態と相違する。
　以下、図２０及び図２１を参照して本実施形態による燃料電池スタック１０が備える延設部材１５０について説明する。
　図２０は、燃料電池スタック１０の概略横断面図である。図２１は、図２０のXX-XX線に沿う延設部材１５０の横断面図である。
　図２０に示すように、燃料電池スタック１０は、積層方向両端部に、積層した燃料電池を挟持するためのプレート１３を備える。なお前述の各実施形態においてもプレート１３は存在するが、図示は省略している。
　このプレート１３には、内部マニホールド１４４及びアノードガス出口部に連通する連通孔１３１が形成されている。そして本実施形態では、図２０に示すように、延設部材１５０をプレート１３の連通孔１３１まで延ばし、さらに図２０及び図２１に示すように、連通孔１３１の内部において、連通孔１３１の内側側面と当接する突起部１５０Ｈを延設部材１５０に設けた。
　これにより、延設部材１５０が積層方向と直行する方向にずれるのを抑制することができる。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
　第１から第１１実施形態では、アノードガス排出用の内部マニホールド１４４内に延設部材１５０を設置したが、同様の方法でカソードガス排出用の内部マニホールド１４６内に延設部材１５０を設置してもよい。内部マニホールド１４４，１４６に延設部材１５０を設置した場合には、両方の内部マニホールド１４４，１４６において生成水の排出性能を高めることができるだけでなく、燃料電池１００の位置合わせ精度も高めることが可能となる。
　また、第１から第１１実施形態では、アノード非循環型の燃料電池システムに、延設部材１５０を備える燃料電池スタック１０を適用したが、これに限られるものではない。アノードオフガスをアノードガス供給通路２２に循環可能なアノード循環型の燃料電池システムに、延設部材１５０を備える燃料電池スタック１０を適用してもよい。
　また、第７実施形態では、延設部材１５０を一本の棒状部材としたが、図２２に示すように、組み付け性向上のため、燃料電池１００の総枚数よりも少ない数に分割しても良い。
　本願は、２０１２年２月９日に日本国特許庁に出願された特願２０１２－２６２７２号、及び、２０１２年８月６日に日本国特許庁に出願された特願２０１２－１７４１８７号に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (17)

  1. 　複数の燃料電池が積層されることで積層方向に延設され、前記燃料電池で使用されたガスを外部に排出する内部マニホールドを備える燃料電池スタックにおいて、
    　前記内部マニホールドの内壁面に接した状態で積層方向に延設される延設部材を備える燃料電池スタック。
  2. 　前記延設部材は、前記内部マニホールド内に前記燃料電池からのガスが流入する側の反対側に設けられる棒状部材である請求項１に記載の燃料電池スタック。
  3. 　前記延設部材は、前記内部マニホールドの内壁底面とのなす角が鋭角となる傾斜面を備える請求項２に記載の燃料電池スタック。
  4. 　前記延設部材は、前記内部マニホールドを構成する部材よりも親水性が高い親水部材から構成される請求項２又は請求項３に記載の燃料電池スタック。
  5. 　前記延設部材は、前記内部マニホールドの内壁面と接する部分に緩衝材を有する請求項２から請求項４までのいずれか１つに記載の燃料電池スタック。
  6. 　前記延設部材は、前記内部マニホールドの内壁面と接する部分に低摩擦材を有する請求項２から請求項４までのいずれか１つに記載の燃料電池スタック。
  7. 　前記延設部材は、前記内部マニホールド内に占める前記延設部材の割合が、前記内部マニホールドの出口に近いほど少なくなるように構成される請求項２から請求項６までのいずれか１つに記載の燃料電池スタック。
  8. 　前記燃料電池スタックは、積層した前記燃料電池の積層方向外側に設けられ、前記内部マニホールドと連通する連通孔を有するプレートを備え、
    　前記延設部材は、前記プレートの連通孔まで延設されると共に、前記延設部材が積層方向と直交する方向にずれるのを抑制するずれ抑制部を前記プレートの連通孔内に備える、
    請求項１から請求項７までのいずれか１つに記載の燃料電池スタック。
  9. 　前記延設部材は、前記燃料電池からのガスが流入可能な流入部を有する筒状部材である請求項１に記載の燃料電池スタック。
  10. 　前記延設部材は、前記内部マニホールドを構成する部材よりも撥水性が高い撥水部材から構成される請求項１又は請求項９に記載の燃料電池スタック。
  11. 　前記延設部材は、前記内部マニホールドを構成する部材よりも親水性が高い親水部材から構成される請求項１又は請求項９に記載の燃料電池スタック。
  12. 　前記延設部材は、燃料電池中央寄りの内側部分が前記内部マニホールドを構成する部材よりも親水性の高い親水部材によって構成され、外側部分が前記内部マニホールドを構成する部材よりも撥水性の高い撥水部材によって構成される請求項１又は請求項９に記載の燃料電池スタック。
  13. 　前記延設部材は、ガス排出方向における上流部分が前記内部マニホールドを構成する部材よりも親水性の高い親水部材によって構成され、下流部分が前記内部マニホールドを構成する部材よりも撥水性の高い撥水部材によって構成される請求項１又は請求項９に記載の燃料電池スタック。
  14. 　前記延設部材の内壁上面は、前記燃料電池側への生成水の逆流を防止するように、傾斜面として形成される請求項１及び請求項９から請求項１３のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
  15. 　前記延設部材の内壁底面には、前記燃料電池側への生成水の逆流を防止するように、上方に突出する突出部が形成されることを特徴とする請求項１及び請求項９から請求項１４のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
  16. 　前記延設部材は、アノードガスを外部に排出する内部マニホールド及びカソードガスを外部に排出する内部マニホールド内にそれぞれ設けられる請求項１から請求項１５のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
  17. 　請求項１から請求項１６のいずれか一つに記載の燃料電池スタックを備える燃料電池システムにおいて、
    　前記燃料電池スタックに供給するアノードガスの圧力を制御する制御弁と、
    　前記燃料電池スタックから排出されるアノードオフガスを蓄えるバッファタンクと、
    　前記制御弁を周期的に開閉してアノードガスの供給圧力を増減圧させることで、アノード脈動運転を実行する制御部と、を備える燃料電池システム。
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