(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単位セルを軸方向に沿って複数列状に配置した燃料電池スタックを、Ｎ個のスタックからなるＮ段構成とし、スタック間に隔離板を設け、前記燃料電池スタックの両側面に、前記燃料電池スタックの各単位セルの燃料ガス流路に燃料ガスを供給するためのガス室を備えた第１および第２の燃料ガスマニホールドが設けられた燃料電池において、
前記第１および第２の燃料ガスマニホールドは、少なくともスタック間を境に仕切られた複数の空間を備え、
ｉ番目（ｉは１以上でＮ−１以下の整数）のスタックの燃料出口に対向する第１の空間とｉ＋１番目のスタックの燃料入口に対向する第２の空間とを連絡するスタック間連絡流路が、前記隔離板の中に設けられていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
各スタックは、燃料ガスが流れる複数段のパスを有し、
前記第１および第２の燃料ガスマニホールドの少なくとも一方は、スタック間を境に仕切られるだけでなく少なくとも一部のパス間を境に仕切られた複数の空間を備え、
前記スタック間連絡流路は、燃料ガスを前記第１の燃料ガスマニホールド内の低い場所の空間から前記第２の燃料ガスマニホールド内の高い場所の空間へと導くことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記スタック間連絡流路は、前記隔離板の面に沿って当該隔離板の縁の一部から他の縁の一部へと貫通する貫通孔により実現されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池と、原燃料を水素リッチなガスに改質しこの改質ガスを前記燃料電池に供給する改質手段と、酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する酸化剤ガス供給手段と、冷却剤を前記燃料電池に供給して回収する冷却手段と、前記燃料電池から取り出される電気を外部へ供給する電気制御手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池と、純水素ガスを前記燃料電池に供給する純水素ガス供給手段と、酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する酸化剤ガス供給手段と、冷却剤を前記燃料電池に供給して回収する冷却手段と、前記燃料電池から取り出される電気を外部へ供給する電気制御手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１つのスタックを隔離板で上流側スタックと下流側スタックとに分割した外部マニホールド方式の燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素等の燃料と空気等の酸化剤を燃料電池本体に供給して、電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換して外部へ取り出す発電装置である。
【０００３】
燃料電池の用途としては、工場や病院などの業務用、一般家庭用、自動車用などがあるが、近年の地球温暖化の問題、資源の有効活用や既存の発電設備との差別化という観点から、燃料電池には高い発電効率が求められる。
【０００４】
なお、特許文献１，２には、複数のスタックからなる燃料電池において発電効率などを向上させる技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公平８−２４０５５公報
【特許文献２】特開２００１−１９６０８７公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の燃料電池では、安全性を保ちながら発電効率を高めることを図っているが、第１のスタックと第２のスタックの間に配管が必要となり、電池が大きくなる問題があり、また配管に水分が凝縮してガスの流れを乱したり、凝縮した水が第２のスタックのあるセルに局所的に流れ、第２のスタックの反応ガス配流に悪影響を及ぼしたりする恐れがある。
【０００７】
一方、特許文献２の燃料電池では、特許文献１に比べ、仕切り板を設置することでコンパクトな構成を実現しているが、燃料電池スタック全体としての燃料のフローパターンの最適化を実現できているとは言い難い。
【０００８】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、コンパクトな構成で燃料フローパターンを最適化し高い燃料利用率を実現することができる燃料電池および燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様による燃料電池は、単位セルを軸方向に沿って複数列状に配置した燃料電池スタックを、Ｎ個のスタックからなるＮ段構成とし、スタック間に隔離板を設け、前記燃料電池スタックの両側面に、前記燃料電池スタックの各単位セルの燃料ガス流路に燃料ガスを供給するためのガス室を備えた第１および第２の燃料ガスマニホールドが設けられた燃料電池において、前記第１および第２の燃料ガスマニホールドは、少なくともスタック間を境に仕切られた複数の空間を備え、ｉ番目（ｉは１以上でＮ−１以下の整数）のスタックの燃料出口に対向する第１の空間とｉ＋１番目のスタックの燃料入口に対向する第２の空間とを連絡するスタック間連絡流路が、前記隔離板の中に設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、コンパクトな構成で燃料フローパターンを最適化し高い燃料利用率を実現することができる燃料電池および燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の外観を示す斜視図である。
【図２】図２は、燃料ガスの利用率を説明するためのグラフである。
【図３】図３（ａ）は、図１の燃料電池に備えられる第１のスタック２をその長手方向に垂直な方向から水平に見た場合の内部における燃料ガスのフローを示す概念図であり、図３（ｂ）は、図１の燃料電池に備えられる第２のスタック３をその長手方向に垂直な方向から水平に見た場合の内部における燃料ガスのフローを示す概念図である。
【図４】図４（ａ）は、図１の燃料電池に備えられる燃料入口／出口マニホールド７を各スタック側からに水平に見た場合の形状を示す図であり、図４（ｂ）は、図１の燃料電池に備えられる燃料リターンマニホールド８を各スタック側からに水平に見た場合の形状を示す図である。
【図５】図５は、図１の燃料電池に備えられる燃料入口／出口マニホールド７およびスタック間連絡流路１１を外側から各スタックの長手方向に水平に見た場合の形状を示す図である。
【図６】図６は、図５中の矢視Ａ−Ａ部における燃料入口／出口マニホールド７およびスタック間連絡流路１１の詳細な断面形状を示す断面図である。
【図７】図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の外観を示す斜視図である。
【図８】図８（ａ）は、図７の燃料電池に備えられる第１のスタック３２をその長手方向に垂直な方向から水平に見た場合の内部における燃料ガスのフローを示す概念図であり、図８（ｂ）は、図７の燃料電池に備えられる第２のスタック３３をその長手方向に垂直な方向から水平に見た場合の内部における燃料ガスのフローを示す概念図である。
【図９】図９（ａ）は、図７の燃料電池に備えられる燃料入口／出口マニホールド３７を各スタック側からに水平に見た場合の形状を示す図であり、図９（ｂ）は、図７の燃料電池に備えられる燃料リターンマニホールド３８を各スタック側からに水平に見た場合の形状を示す図である。
【図１０】図１０は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の外観を示す斜視図である。
【図１１】図１１は、図１０の燃料電池に備えられる隔離板５６の構造および燃料ガスフローを示す平面図である。
【図１２】図１２（ａ）は、図１０の燃料電池に備えられる第１のスタック５２をその長手方向に垂直な方向から水平に見た場合の内部における燃料ガスのフローを示す概念図であり、図１２（ｂ）は、図１０の燃料電池に備えられる第２のスタック５３をその長手方向に垂直な方向から水平に見た場合の内部における燃料ガスのフローを示す概念図である。
【図１３】図１３（ａ）は、図１０の燃料電池に備えられる燃料入口／リターンマニホールド５７を各スタック側からに水平に見た場合の形状を示す図であり、図１３（ｂ）は、図１０の燃料電池に備えられる燃料リターン／出口マニホールド５８を各スタック側からに水平に見た場合の形状を示す図である。
【図１４】図１４は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池の外観を示す斜視図である。
【図１５】図１５は、図１４の燃料電池に備えられる隔離板７６の構造および燃料ガスフローを示す平面図である。
【図１６】図１６（ａ）は、図１４の燃料電池に備えられる第１のスタック７２をその長手方向に垂直な方向から水平に見た場合の内部における燃料ガスのフローを示す概念図であり、図１６（ｂ）は、図１４の燃料電池に備えられる第２のスタック７３をその長手方向に垂直な方向から水平に見た場合の内部における燃料ガスのフローを示す概念図である。
【図１７】図１７（ａ）は、図１４の燃料電池に備えられる燃料入口／リターンマニホールド７７を各スタック側からに水平に見た場合の形状を示す図であり、図１７（ｂ）は、図１４の燃料電池に備えられる燃料リターン／出口マニホールド７８を各スタック側からに水平に見た場合の形状を示す図である。
【図１８】図１８は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池システムの外観を示す斜視図である。
【図１９】図１９は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池システムの外観を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
【００１４】
（第１の実施形態）
最初に、図１乃至図６を参照して、本発明の第１の実施形態について説明する。
【００１５】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の外観を示す斜視図である。
【００１６】
図１に示される燃料電池は、電解質を挟んで一側に燃料電極を配置し、他側に酸化剤電極を配置するとともに、各電極の前記燃料電極の外側に燃料ガス流路を備えたセパレータを配置し、前記酸化剤電極の外側に酸化剤ガス流路を備えたセパレータを配置した単位セルを軸方向に沿って複数列状に配置した燃料電池スタック１を、第１のスタック２および第２のスタック３からなる２段構成とし、第１のスタック２の外側に集電板４を設け、第２のスタック３の外側に集電板５を設け、スタック間に隔離板６を設け、燃料電池スタック１の各単位セルの燃料ガス流路に燃料ガスを供給するためのガス室を備えた燃料ガスマニホールドとして、燃料電池スタック１の燃料入口／出口側に燃料入口／出口マニホールド７を設け、燃料リターン側に燃料リターンマニホールド８を設け、燃料入口／出口マニホールド７に燃料入口配管９および燃料出口配管１０を設け、さらに、燃料入口／出口マニホールド７の外側にスタック間連絡流路１１を設けた構成を有する。スタック間連絡流路１１は、燃料ガスを燃料入口／出口マニホールド７内の低い場所の空間から同じ燃料入口／出口マニホールド７内の高い場所の空間へと導く。なお、単位セルの数は、第１のスタック２よりも第２のスタック３の方が少ないものとする（例えば、６５％対３５％の割合とする）。
【００１７】
また、燃料電池として機能するためには、酸化剤マニホールドおよび冷却剤マニホールドも必要であるが、これらは本願発明に直接関係するものではないため、本実施形態では酸化剤マニホールドおよび冷却剤マニホールドの図示を省略している（他の実施形態も同様）。
【００１８】
ところで、効率を上げる手法の一つに燃料利用率（燃料の供給量に対する消費量の割合）を向上させる方法がある。燃料を水素に変換する改質器を備えたプラントの場合は燃料電池から排出された燃料ガスは熱源として活用されるが、純水素燃料のプラントの場合は発電に使われない水素は排気されるか燃焼されてしまうので、燃料利用率を向上させることがプラント効率向上に不可欠である。
【００１９】
本実施形態のように燃料電池スタックを２つのスタックからなる２段構成とした燃料電池においては、燃料電池全体の単電池セル数の６５％を第１のスタックとし、残りの３５％の単電池を第２のスタックとすると、図２に示すように全ての領域において全体の利用率より個々のスタックの利用率を低くすることが可能となる。例えば全体の燃料ガスの利用率を７０％とすると、第１のスタックの燃料ガスの実質利用率は、７０％×０．６５＝４５．５％であり、また、第２のスタックの燃料ガスの実質利用率は、０．３５／｛（１００％／７０％）−０．６５｝×１００＝４５．０％であり、全体の燃料ガスの利用率を変えずに個々のスタックの利用率を下げる、すなわち全体の燃料ガスの流量を変えることなく、個々のスタックに供給される燃料ガスの流量を増やすことが可能となる。このような手法は、全体の燃料ガス流量を低減できるため、プラント効率を向上させる上で有効となる。したがって、本実施形態ではこのような手法を、前述の第１のスタック２および第２のスタック３に適用している（他の実施形態も同様）。
【００２０】
図３（ａ）は、図１の燃料電池に備えられる第１のスタック２をその長手方向に垂直な方向から水平に見た場合の内部における燃料ガスのフローを示す概念図であり、図３（ｂ）は、図１の燃料電池に備えられる第２のスタック３をその長手方向に垂直な方向から水平に見た場合の内部における燃料ガスのフローを示す概念図である。また、図４（ａ）は、図１の燃料電池に備えられる燃料入口／出口マニホールド７を各スタック側からに水平に見た場合の形状を示す図であり、図４（ｂ）は、図１の燃料電池に備えられる燃料リターンマニホールド８を各スタック側からに水平に見た場合の形状を示す図である。
【００２１】
第１のスタック２は、図３（ａ）に示されるように、燃料ガスが流れるパスとして第１のパス２Ａおよび第２のパス２Ｂを有する。また、第２のスタック３は、図３（ｂ）に示されるように、燃料ガスが流れるパスとして第１のパス３Ａおよび第２のパス３Ｂを有する。図３（ａ）および図３（ｂ）から分るように、第１のスタック２と第２のスタック３とは、共通した２段パス構成を有する。なお、燃料ガスのフローの詳細については、後で詳しく述べる。
【００２２】
燃料入口／出口マニホールド７は、図４（ａ）に示されるように、その内側に、スタック間を境に仕切られ且つ燃料ガスのパス間を境に仕切られた４つの空間７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄを有する。空間７Ａには燃料入口配管９が接続され、空間７Ｄには燃料出口配管１０が接続され、空間７Ｂ，７Ｃには、燃料入口／出口マニホールド７に設けられた開口部１２，１３を介して両空間を燃料入口／出口マニホールド７の外側で連絡する前述のスタック間連絡流路１１が接続されている。空間７Ａは、第１のスタック２の第１のパス２Ａに対向し、空間７Ｂは、第１のスタック２の第２のパス２Ｂに対向し、空間７Ｃは、第２のスタック３の第１のパス３Ａに対向し、空間７Ｄは、第２のスタック３の第２のパス３Ｂに対向している。
【００２３】
一方、燃料リターンマニホールド８は、図４（ｂ）に示されるように、その内側に、スタック間を境に仕切られた２つの空間８Ａ，８Ｂを有する。空間８Ａは、第１のスタック２の第１のパス２Ａおよび第２のパス２Ｂに対向し、空間８Ｂは、第２のスタック３の第１のパス３Ａおよび第２のパス３Ｂに対向している。
【００２４】
図５は、図１の燃料電池に備えられる燃料入口／出口マニホールド７およびスタック間連絡流路１１を外側から各スタックの長手方向に水平に見た場合の形状を示す図である。また、図６は、図５中の矢視Ａ−Ａ部における燃料入口／出口マニホールド７およびスタック間連絡流路１１の詳細な断面形状を示す断面図である。
【００２５】
図５および図６に示されるように、スタック間連絡流路１１は、燃料入口／出口マニホールド７の外側にて第１の開口部１２と第２の開口部１３とを連絡する空間１４が密閉されるように燃料入口／出口マニホールド７の外側に連絡流路用蓋１１ａを取り付けることにより実現されている。具体的には、連絡流路用蓋１１ａと燃料入口／出口マニホールド７との間には、空間１４を形成するために、燃料入口／出口マニホールド７の一部を構成する蓋取付部１５，１６が設けられており、また、連絡流路用蓋１１ａにはＯリング用の溝が加工されており、当該溝には蓋取付部１５，１６と接する連絡流路蓋用Ｏリング１７，１８が設けられ、ボルト・ねじ・ナットを含む連絡流路蓋用締結部１９，２０により連絡流路用蓋１１ａが燃料入口／出口マニホールド７に固定されている。
【００２６】
ここで、図３および図４を参照して、本実施形態における燃料ガスフローについて説明する。なお、燃料電池システムの運転時には、燃料電池スタック１に燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水がそれぞれ供給されるが、ここでは燃料ガスのフローについてのみ示す。
【００２７】
燃料ガスが燃料入口配管９を通じて燃料入口／出口マニホールド７の空間７Ａに供給されると、燃料ガスは、第１のスタック２の第１のパス２Ａを通り、燃料リターンマニホールド８の空間８Ａで折り返し、第１のスタック２の第２のパス２Ｂを通り、燃料入口／出口マニホールド７の空間７Ｂに入る。空間７Ｂに入った燃料ガスは、燃料入口／出口マニホールド７の開口部１２を介してスタック間連絡流路１１を通り、燃料入口／出口マニホールド７の開口部１３を介して空間７Ｃに入る。空間７Ｃに入った燃料ガスは、第２のスタック３の第１のパス３Ａを通り、燃料リターンマニホールド８の空間８Ｂで折り返し、第２のスタック３の第２のパス３Ｂを通り、燃料入口／出口マニホールド７の空間７Ｄに入る。空間７Ｄに入った燃料ガス、すなわち、燃料電池スタック１で消費されなかった燃料ガスは、燃料出口配管１０より排出される。
【００２８】
なお、本実施形態では、燃料電池スタック１を、第１のスタック２および第２のスタック３からなる２段構成とする場合を例示したが、これに限定せず、３つ以上のスタックからなる３段以上の構成としてもよい。燃料電池スタック１を、Ｎ個のスタックからなるＮ段構成とした場合、ｉ番目（ｉは１以上でＮ−１以下の整数）のスタックの燃料出口に対向する空間とｉ＋１番目のスタックの燃料入口に対向する空間とを連絡するスタック間連絡流路１１がそれぞれ燃料入口／出口マニホールド７の外側に設けられる。
【００２９】
この第１の実施形態によれば、燃料電池スタック１の第１のスタック２と第２のスタック３とを同一の積層体と見なすことができるとともに、燃料入口／出口マニホールド７の外側にスタック間連絡流路１１を設けているため、第１のスタック２と第２のスタック３との間に燃料ガス配管、酸化剤ガス配管、冷却水配管を設ける必要が無くなり、コンパクトな燃料電池スタック１を実現することができる。
【００３０】
また、燃料入口／出口マニホールド７の外側にスタック間連絡流路１１を設けているため、燃料電池スタック１の構造上の制約にとらわれずに、高い燃料利用率を維持しつつ、燃料電池スタック１全体としての燃料のフローパターンを最適化することができる。
【００３１】
また、第１のスタック２と第２のスタック３との間のスタック間連絡流路１１が短いため、第１のスタック２と第２のスタック３の間での放熱が小さく、ガス配管に水分が凝縮してガスの流れを乱したり、凝縮した水が第２のスタック３のあるセルに局所的に流れ、第２のスタック３の反応ガス配流に悪影響を及ぼしたりすることを抑制できる。
【００３２】
また、第１のスタック２および第２のスタック３のそれぞれにおいて、燃料ガスが上から下へと流れるフローパターンを形成できるため、燃料ガス流路や各マニホールド内にて凝縮する水分をスムーズに外部へ排出することが可能となる。
【００３３】
（第２の実施形態）
次に、図７乃至図９を参照して、本発明の第２の実施形態について説明する。
【００３４】
図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の外観を示す斜視図である。
【００３５】
図７に示される燃料電池は、電解質を挟んで一側に燃料電極を配置し、他側に酸化剤電極を配置するとともに、各電極の前記燃料電極の外側に燃料ガス流路を備えたセパレータを配置し、前記酸化剤電極の外側に酸化剤ガス流路を備えたセパレータを配置した単位セルを軸方向に沿って複数列状に配置した燃料電池スタック３１を、第１のスタック３２および第２のスタック３３からなる２段構成とし、第１のスタック３２の外側に集電板３４を設け、第２のスタック３３の外側に集電板３５を設け、スタック間に隔離板３６を設け、燃料電池スタック３１の各単位セルの燃料ガス流路に燃料ガスを供給するためのガス室を備えた燃料ガスマニホールドとして、燃料電池スタック３１の燃料入口／出口側に燃料入口／出口マニホールド３７を設け、燃料リターン側に燃料リターンマニホールド３８を設け、燃料入口／出口マニホールド３７に燃料入口配管３９および燃料出口配管４０を設け、さらに、燃料リターンマニホールド３８の外側にスタック間連絡流路４１を設けた構成を有する。スタック間連絡流路４１は、燃料ガスを燃料リターンマニホールド３８内の低い場所の空間から同じ燃料リターンマニホールド３８内の高い場所の空間へと導く。なお、単位セルの数は、第１のスタック３２よりも第２のスタック３３の方が少ないものとする（例えば、６５％対３５％の割合とする）。
【００３６】
図８（ａ）は、図７の燃料電池に備えられる第１のスタック３２をその長手方向に垂直な方向から水平に見た場合の内部における燃料ガスのフローを示す概念図であり、図８（ｂ）は、図７の燃料電池に備えられる第２のスタック３３をその長手方向に垂直な方向から水平に見た場合の内部における燃料ガスのフローを示す概念図である。また、図９（ａ）は、図７の燃料電池に備えられる燃料入口／出口マニホールド３７を各スタック側からに水平に見た場合の形状を示す図であり、図９（ｂ）は、図７の燃料電池に備えられる燃料リターンマニホールド３８を各スタック側からに水平に見た場合の形状を示す図である。
【００３７】
第１のスタック３２は、図８（ａ）に示されるように、燃料ガスが流れるパスとして第１のパス３２Ａ、第２のパス３２Ｂ、および第３のパス３２Ｃを有する。また、第２のスタック３３は、図８（ｂ）に示されるように、燃料ガスが流れるパスとして第１のパス３３Ａ、第２のパス３３Ｂ、および第３のパス３３Ｃを有する。図８（ａ）および図８（ｂ）から分るように、第１のスタック３２と第２のスタック３３とは、共通した３段パス構成を有する。なお、燃料ガスのフローの詳細については、後で詳しく述べる。
【００３８】
燃料入口／出口マニホールド３３は、図９（ａ）に示されるように、その内側に、スタック間を境に仕切られ且つ燃料ガスの一部のパス間を境に仕切られた４つの空間３７Ａ，３７Ｂ，３７Ｃ，３７Ｄを有する。空間３７Ａには燃料入口配管３９が接続され、空間３７Ｄには燃料出口配管４０が接続されている。空間３７Ａは、第１のスタック３２の第１のパス３２Ａに対向し、空間３７Ｂは、第１のスタック３２の第２のパス３２Ｂおよび第３のパス３２Ｃに対向し、空間３７Ｃは、第２のスタック３３の第１のパス３３Ａおよび第２のパス３３Ｂに対向し、空間３７Ｄは、第２のスタック３３の第３のパス３３Ｃに対向している。
【００３９】
一方、燃料リターンマニホールド３８は、図９（ｂ）に示されるように、その内側に、スタック間を境に仕切られた４つの空間３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃ，３８Ｄを有する。空間３８Ｂ，３８Ｃには、燃料リターンマニホールド３８に設けられた開口部１２，１３を介して両空間を燃料リターンマニホールド３８の外側で連絡する前述のスタック間連絡流路４１が接続されている。空間３８Ａは、第１のスタック３２の第１のパス３２Ａおよび第２のパス３２Ｂに対向し、空間３８Ｂは、第１のスタック３２の第３のパス３２Ｃに対向し、空間３８Ｃは、第２のスタック３３の第１のパス３３Ａに対向し、空間３８Ｄは、第２のスタック３３の第２のパス３３Ｂおよび第３のパス３３Ｃに対向している。
【００４０】
なお、図７の燃料電池に備えられる燃料リターンマニホールド３８およびスタック間連絡流路４１を外側から各スタックの長手方向に水平に見た場合の形状や、それらの詳細な断面形状については、前述の第１の実施形態において図５および図６に示したものと同様となるため、ここではそれらの図示および説明を省略する。
【００４１】
ここで、図８および図９を参照して、本実施形態における燃料ガスフローについて説明する。なお、燃料電池システムの運転時には、燃料電池スタック３１に燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水がそれぞれ供給されるが、ここでは燃料ガスのフローについてのみ示す。
【００４２】
燃料ガスが燃料入口配管３９を通じて燃料入口／出口マニホールド３７の空間３７Ａに供給されると、燃料ガスは、第１のスタック３２の第１のパス３２Ａを通り、燃料リターンマニホールド３８の空間３８Ａで折り返し、第１のスタック３２の第２のパス３２Ｂを通り、燃料入口／出口マニホールド３７の空間３７Ｂで更に折り返し、第１のスタック３２の第３のパス３２Ｃを通り、燃料リターンマニホールド３８の空間３８Ｂに入る。空間３８Ｂに入った燃料ガスは、燃料リターンマニホールド３８の開口部４２を介してスタック間連絡流路４１を通り、燃料リターンマニホールド３８の開口部４３を介して空間３８Ｃに入る。空間３８Ｃに入った燃料ガスは、第２のスタック３３の第１のパス３３Ａを通り、燃料入口／出口マニホールド３７の空間３７Ｃで折り返し、第２のスタック３３の第２のパス３３Ｂを通り、燃料リターンマニホールド３８の空間３８Ｄで更に折り返し、第２のスタック３３の第３のパス３３Ｃを通り、燃料入口／出口マニホールド３７の空間３７Ｄに入る。空間３７Ｄに入った燃料ガス、すなわち、燃料電池スタック３１で消費されなかった燃料ガスは、燃料出口配管４０より排出される。
【００４３】
なお、本実施形態では、燃料電池スタック３１を、第１のスタック３２および第２のスタック３３からなる２段構成とする場合を例示したが、これに限定せず、３つ以上のスタックからなる３段以上の構成としてもよい。燃料電池スタック３１を、Ｎ個のスタックからなるＮ段構成とした場合、ｉ番目（ｉは１以上でＮ−１以下の整数）のスタックの燃料出口に対向する空間とｉ＋１番目のスタックの燃料入口に対向する空間とを連絡するスタック間連絡流路４１がそれぞれ燃料リターンマニホールド３８の外側に設けられる。
【００４４】
この第２の実施形態によれば、前述の第１の実施形態と異なる別のフローパターンを適用した場合においても、前述の第１の実施形態と同様な効果を得ることができる。
【００４５】
（第３の実施形態）
次に、図１０乃至図１３を参照して、本発明の第３の実施形態について説明する。
【００４６】
図１０は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の外観を示す斜視図である。
【００４７】
図１０に示される燃料電池は、電解質を挟んで一側に燃料電極を配置し、他側に酸化剤電極を配置するとともに、各電極の前記燃料電極の外側に燃料ガス流路を備えたセパレータを配置し、前記酸化剤電極の外側に酸化剤ガス流路を備えたセパレータを配置した単位セルを軸方向に沿って複数列状に配置した燃料電池スタック５１を、第１のスタック５２および第２のスタック５３からなる２段構成とし、第１のスタック５２の外側に集電板５４を設け、第２のスタック５３の外側に集電板５５を設け、スタック間に隔離板５６を設け、燃料電池スタック５１の各単位セルの燃料ガス流路に燃料ガスを供給するためのガス室を備えた燃料ガスマニホールドとして、燃料電池スタック５１の燃料入口側に燃料入口／リターンマニホールド５７を設け、燃料出口側に燃料リターン／出口マニホールド５８を設け、燃料入口／リターンマニホールド５７に燃料入口配管５９を設け、燃料リターン／出口マニホールド５８に燃料出口配管６０を設け、さらに、隔離板５６の中にスタック間連絡流路を設けた構成を有する。本実施形態の隔離板５６は、その内部にスタック間連絡流路を設ける必要があることから、前述の第１の実施形態や第２の実施形態の隔離板よりも幅が若干広いものを適用する。なお、単位セルの数は、第１のスタック２よりも第２のスタック３の方が少ないものとする（例えば、６５％対３５％の割合とする）。
【００４８】
図１１は、図１０の燃料電池に備えられる隔離板５６の構造および燃料ガスフローを示す平面図である。
【００４９】
隔離板５６は、その内部に、図１１に示されるようにスタック間連絡流路６１を有する。このスタック間連絡流路６１は、隔離板５６の面に沿って燃料リターン／出口マニホールド５８側の縁の下側部分の開口部６２から燃料入口／リターンマニホールド５７側の縁の上側部分の開口部６３へと貫通する貫通孔により実現されている。このスタック間連絡流路６１は、燃料ガスを燃料入口／リターンマニホールド５７内の低い場所の空間から燃料リターン／出口マニホールド５８内の高い場所の空間へと導く。
【００５０】
図１２（ａ）は、図１０の燃料電池に備えられる第１のスタック５２をその長手方向に垂直な方向から水平に見た場合の内部における燃料ガスのフローを示す概念図であり、図１２（ｂ）は、図１０の燃料電池に備えられる第２のスタック５３をその長手方向に垂直な方向から水平に見た場合の内部における燃料ガスのフローを示す概念図である。また、図１３（ａ）は、図１０の燃料電池に備えられる燃料入口／リターンマニホールド５７を各スタック側からに水平に見た場合の形状を示す図であり、図１３（ｂ）は、図１０の燃料電池に備えられる燃料リターン／出口マニホールド５８を各スタック側からに水平に見た場合の形状を示す図である。
【００５１】
第１のスタック５２は、図１２（ａ）に示されるように、燃料ガスが流れるパスとして第１のパス５２Ａおよび第２のパス５２Ｂを有する。また、第２のスタック５３は、図１２（ｂ）に示されるように、燃料ガスが流れるパスとして第１のパス５３Ａおよび第２のパス５３Ｂを有する。図１２（ａ）および図１２（ｂ）から分るように、第１のスタック５２と第２のスタック５３とは、共通した２段パス構成を有する。なお、燃料ガスのフローの詳細については、後で詳しく述べる。
【００５２】
燃料入口／リターンマニホールド５７は、図１３（ａ）に示されるように、その内側に、スタック間を境に仕切られ且つ燃料ガスの一部のパス間を境に仕切られた３つの空間５７Ａ，５７Ｂ，５７Ｃを有する。空間５７Ａには燃料入口配管５９が接続され、空間５７Ｂには、隔離板５６に設けられた開口部６２，６３を介して燃料リターン／出口マニホールド５８の空間５８Ｂと連絡する前述のスタック間連絡流路６１が接続されている。空間５７Ａは、第１のスタック５２の第１のパス５２Ａに対向し、空間５７Ｂは、第１のスタック５２の第２のパス５２Ｂに対向し、空間５７Ｃは、第２のスタック５３の第１のパス５３Ａおよび第２のパス５３Ｂに対向している。
【００５３】
一方、燃料リターン／出口マニホールド５８は、図１３（ｂ）に示されるように、その内側に、スタック間を境に仕切られ且つ燃料ガスの一部のパス間を境に仕切られた３つの空間５８Ａ，５８Ｂ，５８Ｃを有する。空間５８Ｃには燃料出口配管６０が接続され、空間５８Ｂには、隔離板５６に設けられた開口部６３，６２を介して燃料入口／リターンマニホールド５７の空間５７Ｂと連絡する前述のスタック間連絡流路６１が接続されている。空間５８Ａは、第１のスタック５２の第１のパス５２Ａおよび第２のパス５２Ｂに対向し、空間５７Ｂは、第２のスタック５３の第１のパス５３Ａに対向し、空間５７Ｃは、第２のスタック５３の第２のパス５３Ｂに対向している。
【００５４】
ここで、図１１乃至図１３を参照して、本実施形態における燃料ガスフローについて説明する。なお、燃料電池システムの運転時には、燃料電池スタック５１に燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水がそれぞれ供給されるが、ここでは燃料ガスのフローについてのみ示す。
【００５５】
燃料ガスが燃料入口配管５９を通じて燃料入口／リターンマニホールド５７の空間５７Ａに供給されると、燃料ガスは、第１のスタック５２の第１のパス５２Ａを通り、燃料リターン／出口マニホールド５８の空間５８Ａで折り返し、第１のスタック５２の第２のパス５２Ｂを通り、燃料入口／リターンマニホールド５７の空間５７Ｂに入る。空間５７Ｂに入った燃料ガスは、隔離板５６の開口部６２を介してスタック間連絡流路６１を通り、隔離板５６の開口部６３を介して燃料リターン／出口マニホールド５８の空間５８Ｂに入る。空間５８Ｂに入った燃料ガスは、第２のスタック５３の第１のパス５３Ａを通り、燃料入口／リターンマニホールド５７の空間５７Ｃで折り返し、第２のスタック５３の第２のパス５３Ｂを通り、燃料リターン／出口マニホールド５８の空間５８Ｃに入る。空間５８Ｃに入った燃料ガス、すなわち、燃料電池スタック５１で消費されなかった燃料ガスは、燃料出口配管６０より排出される。
【００５６】
なお、本実施形態では、燃料電池スタック５１を、第１のスタック５２および第２のスタック５３からなる２段構成とする場合を例示したが、これに限定せず、３つ以上のスタックからなる３段以上の構成としてもよい。燃料電池スタック１を、Ｎ個のスタックからなるＮ段構成とした場合、ｉ番目（ｉは１以上でＮ−１以下の整数）のスタックの燃料出口に対向する空間とｉ＋１番目のスタックの燃料入口に対向する空間とを連絡するスタック間連絡流路６１がそれぞれスタック間の隔離板５６の中に設けられる。
【００５７】
この第３の実施形態によれば、スタック間連絡流路６１を燃料ガスマニホールドの外側に設けず、スタック間の隔離板５６の中に設けることにより、前述の第１の実施形態や第２の実施形態と同様な効果を得ることができる。また、隔離板５６は燃料ガスマニホールドの外側に設ける必要がないため、燃料電池のサイズを更に小さくすることができる。
【００５８】
（第４の実施形態）
次に、図１４乃至図１７を参照して、本発明の第４の実施形態について説明する。
【００５９】
図１４は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池の外観を示す斜視図である。
【００６０】
図１４に示される燃料電池は、電解質を挟んで一側に燃料電極を配置し、他側に酸化剤電極を配置するとともに、各電極の前記燃料電極の外側に燃料ガス流路を備えたセパレータを配置し、前記酸化剤電極の外側に酸化剤ガス流路を備えたセパレータを配置した単位セルを軸方向に沿って複数列状に配置した燃料電池スタック７１を、第１のスタック７２および第２のスタック７３からなる２段構成とし、第１のスタック７２の外側に集電板７４を設け、第２のスタック７３の外側に集電板７５を設け、スタック間に隔離板７６を設け、燃料電池スタック７１の各単位セルの燃料ガス流路に燃料ガスを供給するためのガス室を備えた燃料ガスマニホールドとして、燃料電池スタック７１の燃料入口側に燃料入口／リターンマニホールド７７を設け、燃料出口側に燃料リターン／出口マニホールド７８を設け、燃料入口／リターンマニホールド７７に燃料入口配管７９を設け、燃料リターン／出口マニホールド７８に燃料出口配管８０を設け、さらに、隔離板７６の中にスタック間連絡流路を設けた構成を有する。本実施形態の隔離板７６は、その内部にスタック間連絡流路を設ける必要があることから、前述の第１の実施形態や第２の実施形態の隔離板よりも幅が若干広いものを適用する。なお、単位セルの数は、第１のスタック２よりも第２のスタック３の方が少ないものとする（例えば、６５％対３５％の割合とする）。
【００６１】
図１５は、図１４の燃料電池に備えられる隔離板７６の構造および燃料ガスフローを示す平面図である。
【００６２】
隔離板７６は、その内部に、図１５に示されるようにスタック間連絡流路８１を有する。このスタック間連絡流路８１は、隔離板７６の面に沿って燃料リターン／出口マニホールド７８側の縁の下側部分の開口部８２から燃料入口／リターンマニホールド７７側の縁の上側部分の開口部８３へと貫通する貫通孔により実現されている。このスタック間連絡流路８１は、燃料ガスを燃料リターン／出口マニホールド７８内の低い場所の空間から燃料入口／リターンマニホールド７７内の高い場所の空間へと導く。
【００６３】
図１６（ａ）は、図１４の燃料電池に備えられる第１のスタック７２をその長手方向に垂直な方向から水平に見た場合の内部における燃料ガスのフローを示す概念図であり、図１６（ｂ）は、図１４の燃料電池に備えられる第２のスタック７３をその長手方向に垂直な方向から水平に見た場合の内部における燃料ガスのフローを示す概念図である。また、図１７（ａ）は、図１４の燃料電池に備えられる燃料入口／リターンマニホールド７７を各スタック側からに水平に見た場合の形状を示す図であり、図１７（ｂ）は、図１４の燃料電池に備えられる燃料リターン／出口マニホールド７８を各スタック側からに水平に見た場合の形状を示す図である。
【００６４】
第１のスタック７２は、図１６（ａ）に示されるように、燃料ガスが流れるパスとして第１のパス７２Ａ、第２のパス７２Ｂ、および第３のパス７２Ｃを有する。また、第２のスタック７３は、図１６（ｂ）に示されるように、燃料ガスが流れるパスとして第１のパス７３Ａ、第２のパス７３Ｂ、および第３のパス７３Ｃを有する。図１６（ａ）および図１６（ｂ）から分るように、第１のスタック７２と第２のスタック７３とは、共通した３段パス構成を有する。なお、燃料ガスのフローの詳細については、後で詳しく述べる。
【００６５】
燃料入口／リターンマニホールド７７は、図１７（ａ）に示されるように、その内側に、スタック間を境に仕切られ且つ燃料ガスの一部のパス間を境に仕切られた４つの空間７７Ａ，７７Ｂ，７７Ｃ，７７Ｄを有する。空間７７Ａには燃料入口配管７９が接続され、空間７７Ｃには、隔離板７６に設けられた開口部８３，８２を介して燃料リターン／出口マニホールド７８の空間７８Ｂと連絡する前述のスタック間連絡流路８１が接続されている。空間７７Ａは、第１のスタック７２の第１のパス７２Ａに対向し、空間７７Ｂは、第１のスタック７２の第２のパス７２Ｂおよび第３のパス７２Ｃに対向し、空間７７Ｃは、第２のスタック７３の第１のパス７３Ａに対向し、空間７７Ｄは、第２のスタック７３の第２のパス７３Ｂおよび第３のパス７３Ｄに対向している。
【００６６】
一方、燃料リターン／出口マニホールド７８は、図１７（ｂ）に示されるように、その内側に、スタック間を境に仕切られ且つ燃料ガスの一部のパス間を境に仕切られた４つの空間７８Ａ，７８Ｂ，７８Ｃ，７８Ｄを有する。空間７８Ｄには燃料出口配管８０が接続され、空間７８Ｂには、隔離板７６に設けられた開口部８２，８３を介して燃料入口／リターンマニホールド７７の空間７７Ｃと連絡する前述のスタック間連絡流路８１が接続されている。空間７８Ａは、第１のスタック７２の第１のパス７２Ａおよび第２のパス７２Ｂに対向し、空間７８Ｂは、第１のスタック７２の第３のパス７３Ｃに対向し、空間７７Ｃは、第２のスタック７３の第１のパス７３Ａおよび第２のパス７３Ｂに対向し、空間７７Ｄは、第２のスタック７３の第３のパス７３Ｃに対向している。
【００６７】
ここで、図１５乃至図１７を参照して、本実施形態における燃料ガスフローについて説明する。なお、燃料電池システムの運転時には、燃料電池スタック７１に燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水がそれぞれ供給されるが、ここでは燃料ガスのフローについてのみ示す。
【００６８】
燃料ガスが燃料入口配管７９を通じて燃料入口／リターンマニホールド７７の空間７７Ａに供給されると、燃料ガスは、第１のスタック７２の第１のパス７２Ａを通り、燃料リターン／出口マニホールド７８の空間７８Ａで折り返し、第１のスタック７２の第２のパス７２Ｂを通り、燃料入口／リターンマニホールド７７の空間７７Ｂで更に折り返し、第１のスタック７２の第３のパス７７Ｃを通り、燃料リターン／出口マニホールド７８の空間７８Ｂに入る。空間７８Ｂに入った燃料ガスは、隔離板７６の開口部８２を介してスタック間連絡流路８１を通り、隔離板７６の開口部８３を介して燃料入口／リターンマニホールド７７の空間７７Ｃに入る。空間７７Ｃに入った燃料ガスは、第２のスタック７３の第１のパス７３Ａを通り、燃料リターン／出口マニホールド７８の空間７８Ｃで折り返し、第２のスタック７３の第２のパス７３Ｂを通り、燃料入口／リターンマニホールド７７の空間７７Ｄで更に折り返し、第２のスタック７３の第３のパス７３Ｃを通り、燃料リターン／出口マニホールド７８の空間７８Ｄに入る。空間７８Ｄに入った燃料ガス、すなわち、燃料電池スタック７１で消費されなかった燃料ガスは、燃料出口配管８０より排出される。
【００６９】
なお、本実施形態では、燃料電池スタック７１を、第１のスタック７２および第２のスタック７３からなる２段構成とする場合を例示したが、これに限定せず、３つ以上のスタックからなる３段以上の構成としてもよい。燃料電池スタック７１を、Ｎ個のスタックからなるＮ段構成とした場合、ｉ番目（ｉは１以上でＮ−１以下の整数）のスタックの燃料出口に対向する空間とｉ＋１番目のスタックの燃料入口に対向する空間とを連絡するスタック間連絡流路８１がそれぞれスタック間の隔離板７６の中に設けられる。
【００７０】
この第４の実施形態によれば、前述の第３の実施形態と異なる別のフローパターンを適用した場合においても、前述の第３の実施形態と同様な効果を得ることができる。
【００７１】
（第１乃至第４の実施形態についての補足事項）
前述の各実施形態に示される隔離板は、第１のスタックと第２のスタックとの間に位置しており、水蒸気雰囲気に曝されておりかつ、隣り合うスタックの部品が耐腐食性のある材料であることから、スタックの部品との異種材料間腐食（ガルバニック腐食）を防止するため、隔離板６の材料は、カーボン板、およびカーボン粉末に樹脂を加えた混合材のいずれか一方であることが望ましい。
【００７２】
また、前述の各実施形態に示される燃料電池スタックは、水素とその他のガスを含んだ混合ガスを燃料としたものにも適用可能であるが、その場合、第１のスタックで消費された燃料ガスが第２のスタックに導入されるため、第１のスタックと比較して第２のスタックの燃料ガス中の水素濃度が低くなり、第２のスタックのセル電圧が若干低くなる。それに対し、純水素の燃料では各実施形態で示した燃料電池スタックにおいて第１のスタックと第２のスタックの水素濃度はほぼ１００％に維持されるため、第１のスタックと第２のスタックの特性はほぼ等しくなり、特に純水素の燃料に対して有効となる。
【００７３】
また、第１の実施形態および第２の実施形態では、スタック間連絡流路が燃料ガスマニホールドの外側に設けているが、代わりに、スタック間連絡流路を燃料ガスマニホールドの内側に設けたり、あるいは、燃料ガスマニホールドの外壁の中に貫通孔を設けることでスタック間連絡流路を実現するようにしてもよい。例えば、燃料ガスマニホールドの側面に短い配管で連絡流路を形成してもよい。その場合には水分凝縮の影響が小さくなるよう配慮することが望ましい。
【００７４】
（第５の実施形態）
次に、図１８を参照して、本発明の第５の実施形態について説明する。
【００７５】
図１８は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池システムの外観を示す斜視図である。
【００７６】
図１８に示される燃料電池システムは、前述の第１乃至第４の実施形態で示した燃料電池のいずれかに相当する燃料電池９１と、原燃料を水素リッチなガスに改質しこの改質ガスを燃料電池９１の燃料極９１ａに供給する改質装置９２と、酸化剤ガスを燃料電池９１の酸化剤極９１ｂに供給する酸化剤ガス供給装置９３と、冷却剤を燃料電池９１の電池冷却部９１ｃに供給して回収する冷却装置９４と、燃料電池９１から取り出される電気を外部へ供給する電気制御装置９５とを備えたものとなっている。
【００７７】
このように構成において、都市ガスなどの原燃料ガスが改質装置９２に供給され、改質された水素リッチの燃料ガスが燃料電池９１の燃料極９１ａに供給される。また、酸化剤ガスが酸化剤ガス供給装置９３により酸化剤極９１ｂに供給され、冷却剤が冷却装置９４により電池冷却部９１ｃに供給される。燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給して得られた電気は、電気制御装置９５により当該燃料電池システムの外部へ供給される。
【００７８】
この第５の実施形態によれば、第１乃至第４の実施形態で示した燃料電池の利点を活かした燃料電池システムを実現することが可能となる。
【００７９】
（第６の実施形態）
次に、図１９を参照して、本発明の第６の実施形態について説明する。
【００８０】
なお、この第６の実施形態においては、図１９に示した第５の実施形態の構成と共通する部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。以下では、第５の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００８１】
図１９は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池システムの外観を示す斜視図である。
【００８２】
図１９に示される燃料電池システムは、前述の改質装置１３の代わりに、純水素ガス供給装置９６を備えたものとなっている。純水素ガス供給装置９６は、純水素ガスを燃料電池９１の燃料極９１ａに供給する。
【００８３】
純水素ガスを燃料ガスに用いた場合は、複数段からなるスタック群のいずれにおいても、水素濃度は１００％となり、スタック間で燃料ガスの組成に違いはなく、スタック間の比較においてほぼ同じ条件での運転が可能となる。
【００８４】
この第６の実施形態によれば、純水素ガスを燃料ガスに用いた場合に第１乃至第４の実施形態で示した燃料電池の利点を更に活かした燃料電池システムを実現することが可能となる。
【００８５】
本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００８６】
１，３１，５１，７１…燃料電池スタック
２，３２，５２，７２…第１のスタック
３，３３，５３，７３…第２のスタック
４，５，３４，３５，５４，５５，７４，７５…集電板
６，３６，５６，７６…隔離板
７，３７…燃料入口／出口マニホールド
８，３８…燃料リターンマニホールド
５７，７７…燃料入口／リターンマニホールド
５８，７８…燃料リターン／出口マニホールド
９，３９，５９，７９…燃料入口配管
１０，４０，６０，８０…燃料出口配管
１１，４１，６１，８１…スタック間連絡流路
１２，１３，４２，４３，６２，６３，８２，８３…開口部
１４…空間
１５，１６…蓋取付部
１７，１８…連絡流路蓋用Ｏリング
１９，２０…連絡流路蓋用締結部
９１…燃料電池
９２…改質装置
９３…酸化剤ガス供給装置
９４…冷却装置
９５…電気制御装置
９６…純水素ガス供給装置
【図１】
0005444025.tif 000002
【図２】
0005444025.tif 000003
【図３】
0005444025.tif 000004
【図４】
0005444025.tif 000005
【図５】
0005444025.tif 000006
【図６】
0005444025.tif 000007
【図７】
0005444025.tif 000008
【図８】
0005444025.tif 000009
【図９】
0005444025.tif 000010
【図１０】
0005444025.tif 000011
【図１１】
0005444025.tif 000012
【図１２】
0005444025.tif 000013
【図１３】
0005444025.tif 000014
【図１４】
0005444025.tif 000015
【図１５】
0005444025.tif 000016
【図１６】
0005444025.tif 000017
【図１７】
0005444025.tif 000018
【図１８】
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【図１９】
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