(57)【要約】      （修正有）【課題】電極の劣化を抑制する燃料電池スタックを提供する。【解決手段】燃料電池スタックを、単位セルとセパレータを積層させて構成したモジュール１３０−１〜１３０−４を積層して構成し、それらのモジュールの間に、水素通路１７ａ、１７ｂを交互に遮断する遮蔽板１６−１〜１６−３を介挿する。燃料供給口１８２ａから燃料排出口１８１ｂへ燃料ガスが流通する際、燃料ガスは、各モジュール単位で流れる。各モジュールは、燃料ガスの流通方向に沿って積層枚数が減少しており、下流へ向かうに従って、流通速度が速くなる。これにより、下流部では、水の排出が促進され、上流部では、流速が遅くなり電極の乾燥が抑制される。【選択図】図９
2006059592.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単位セルの片側に燃料ガス流路となる間隙を隔てて単位セルとセパレータとを交互に複数積層すると共に、各燃料ガス流路の入口同士を入口マニホールドで接続しかつ出口同士を出口マニホールドで接続して構成されたモジュールを複数有し、
燃料ガスの流れ方向が、隣接するモジュール間で逆方向になるように、一方のモジュールの出口マニホールドと他方のモジュールの入口マニホールドとを接続した燃料電池スタックにおいて、
燃料ガスの入口側モジュールの流路断面積を大きく形成すると共に、出口側モジュールの流路断面積を小さく形成したことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記入口側モジュールは、単位セルが多く積層されることで流路断面積が大きく形成され、前記出口側モジュールは単位セルが少なく積層されることで流路断面が小さく形成されている請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記入口側モジュールは、単位セルとセパレータとの間隙が広くされることで流路断面積が大きく形成され、前記出口側モジュールは単位セルとセパレータとの間隙が狭くされることで流路断面が小さく形成されている請求項1記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記セパレータは単位セル側に多数の凸部が形成された集電部材を有し、前記入口側モジュールは、前記凸部の外径が小さく形成されることで流路断面積が大きく形成され、前記出口側モジュールは、前記凸部の外径が大きく形成されることで流路断面積が小さく形成されている請求項1に記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池スタックに係り、詳しくは、燃料ガスの流速が変化する燃料電池スタックに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、高分子電解質膜を使用した燃料電池では、電解質膜を挟んだ両側で燃料ガス或いは酸化ガスがイオン化し、そのイオンが電解質膜を透過して電気化学的な反応を生じるものである。
【０００３】
そして、燃料電池スタックは、燃料ガスと酸化ガスとを高分子電解質膜を介して反応させ電力を得るものである。この燃料電池スタックは、高分子電解質膜を燃料極と酸化極で挟んで構成された単位セルと、導電性材料で構成されたセパレータとを交互に積層して構成され、セパレータと燃料極との間に燃料ガスを、セパレータと酸化極の間に酸化ガスを流通させることにより、電気化学反応を生じさせるものである。
【０００４】
燃料電池スタックの構成としては、各セパレータに同時にガスを供給する並列方式のものや、所定枚数積層された物をモジュールとして、これを直列に複数連結し、各モジュールに順番にガスを供給する直列方式のものなどか提案されている。
【特許文献１】特開２００４−１３９９８４号。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、燃料電池スタックの燃料極側では、次のような問題があった。
【０００６】
燃料ガスと酸化ガスとの反応によって、生成水が発生するが、これが電解質膜を介して燃料極に及んで燃料ガスの流路に逆拡散水が発生する。この逆拡散水は、ガス流に押し流されて、燃料電池スタックのガス流出口付近に詰まってしまう。この水の詰まりによって、燃料ガスの燃料極への供給が遮断されて、電極劣化（水素のフラッディング）の原因となるといった問題があった。
【０００７】
また、燃料電池スタックの燃料ガスの流入口付近では、乾燥した燃料ガスによって燃料極の水分が奪われて電極の劣化を招くとともに、電解質膜が乾燥することにより膜抵抗が増大し、プロトンの移動ができなくなり、燃料電池出力が低下するといった問題があった。
【０００８】
特に、特許文献１に記載されているようなサーペンタイン構造の燃料電池スタックにおいては、最初にガスが流入するモジュールでは、電解質膜の乾燥が発生し、最後にガスが流入するモジュールではフラッディング現象が、それぞれ集中的に発生するといった問題があった。
【０００９】
この発明は、スタック内の燃料極の乾燥やフラッディング現象を抑制し、安定した出力と、長寿命の燃料電池スタック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】
以上のような目的は、以下の本発明によって達成される。
【００１１】
（１）  単位セルの片側に燃料ガス流路となる間隙を隔てて単位セルとセパレータとを交互に複数積層すると共に、各燃料ガス流路の入口同士を入口マニホールドで接続しかつ出口同士を出口マニホールドで接続して構成されたモジュールを複数有し、
燃料ガスの流れ方向が、隣接するモジュール間で逆方向になるように、一方のモジュールの出口マニホールドと他方のモジュールの入口マニホールドとを接続した燃料電池スタックにおいて、
燃料ガスの入口側モジュールの流路断面積を大きく形成すると共に、出口側モジュールの流路断面積を小さく形成したことを特徴とする燃料電池スタック。
【００１２】
（２）  前記入口側モジュールは、単位セルが多く積層されることで流路断面積が大きく形成され、前記出口側モジュールは単位セルが少なく積層されることで流路断面が小さく形成されている上記（１）に記載の燃料電池スタック。
【００１３】
（３）  前記入口側モジュールは、単位セルとセパレータとの間隙が広くされることで流路断面積が大きく形成され、前記出口側モジュールは単位セルとセパレータとの間隙が狭くされることで流路断面が小さく形成されている上記（1）に記載の燃料電池スタック。
【００１４】
（４）  前記セパレータは単位セル側に多数の凸部が形成された集電部材を有し、前記入口側モジュールは、前記凸部の外径が小さく形成されることで流路断面積が大きく形成され、前記出口側モジュールは、前記凸部の外径が大きく形成されることで流路断面積が小さく形成されている上記（1）に記載の燃料電池スタック。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に記載の発明によれば、各モジュールは、燃料ガスの流入する上流側が、流路断面積が大きく、燃料ガスの流出する下流側が、流路断面積が小さく構成されているので、上流側では、ガスの流速が遅く、下流側では、流速が速くなる。従って、上流側では、流速が遅くなるので、単位セルの乾燥が抑制され、流速の速い下流側では、ガス流の勢いによって、燃料ガス流路等に溜まっている水が燃料電池スタックの外へ排出され、フラッディング現象が抑制される。
【００１６】
請求項２に記載の発明によれば、単位セルとセパレータの積層数を変更することにより流路の断面積を調整できるので、共通のセパレータを用いて組立てが可能で、イニシャルコストの低減を図ることができる。
【００１７】
請求項３に記載の発明によれば、モジュール毎の単位セルの数を同じにしつつ、上流側と下流側で流路断面積を変更することが可能となる。
【００１８】
請求項４に記載の発明によれば、モジュール毎の単位セルの数を同じにし、かつ、モジュール毎の積層方向の厚さが同一のスタックを構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
次にこの発明の好適実施形態について説明する。この実施形態は、電気自動車に搭載される燃料電池システムである。図１は、この発明の燃料電池スタック１００を備えた燃料電池システムにおける燃料供給系１０の構成を示す回路図である。図１に示されているように、この燃料電池システム１は燃料電池スタック１００と、燃料電池スタック１００に燃料ガスである水素ガスを供給する燃料供給系１０を備えている。
【００２０】
燃料電池スタック１００の構成について説明する。燃料電池スタック１００は、燃料電池単位セル１５と燃料電池セパレータ１３とを交互に積層して構成されている。図２は、燃料電池用セパレータ１３を示す全体正面図、図３は、燃料電池セパレータ１３で構成された燃料電池スタック１００の部分断面平面図（図２におけるＡ‐Ａ断面図）、図４は、同じく部分断面側面図（図２及び図３におけるＢ−Ｂ断面図）、図５は、燃料電池セパレータ１３の部分断面側面図（図２及び図３におけるＣ−Ｃ断面図）、図６は、燃料電池用セパレータ１３の全体背面図である。
【００２１】
セパレータ１３は、単位セル１５の電極に接触して電流を外部に取り出すための集電部材３、４と、各集電部材３、４の周端部に外装される枠体８、９とを備えている。
【００２２】
集電部材３、４は金属板で構成されている。構成金属は、導電性と耐食性を備えた金属で、例えば、ステンレス、ニッケル合金、チタン合金等に耐蝕導電処理を施したもの等が挙げられる。さらに、集電部材３、４は、カーボンで構成されたものを使用することもできる。
【００２３】
集電部材３は、単位セル１５の燃料極に接触し、集電部材４は酸素極に接触する。集電部材３は、矩形の板材から成り、その表面には、プレス加工によって、突出形成された複数の柱状凸部３２が形成されている。柱状凸部３２は、板材の短辺と長辺とに沿って縦横に等間隔で配列されている。柱状凸部３２の間には、長辺に沿って（図２における横方向）配置された柱状凸部３２の間に形成された溝によって、水素流路３０１が、短辺に沿って（図２における縦方向）配置された柱状凸部３２の間に形成された溝によって、水素流路３０２が形成されている。この柱状凸部３２の頂点部分の面は、燃料極が接触する当接部３２１となっている。また、柱状凸部３２の裏側は、穴３３となっている。集電部材３の両端部には、孔３５が形成され、セパレータ１３を積層した場合に、この孔３５によって水素供給路が構成される。
【００２４】
集電部材４は、矩形の板材から成り、プレス加工によって、複数の凸状部４２が形成されている。凸状部４２は、板材の短辺に平行に直線状に連続して形成されており、等間隔で配置されている。凸状部４２の間には、溝が形成されて、空気が流通する空気流路４０が形成されている。この凸状部４２の頂点部分の面は、酸素極が接触する当接部４２１となっている。また、凸状部４２の裏側は溝状の中空部となっており、この中空部によって冷却流路４１が形成されている。空気流路４０と、冷却流路４１は、板材の端部まで達し、両端は、板材の端辺部で開口する開口部を備えている。集電部材４の両端部には、孔４８が形成され、セパレータ１３を積層した場合には、重ねられた孔４８によって水素供給路が構成される。
【００２５】
以上のような集電部材３、４は、各柱状凸部３２と凸状部４２が外側となるように重ね合わされて固定される。このとき、水素流路３０１、３０２の裏側面３４と空気流路４０の裏側面４０３が当接した状態となり、相互に通電可能な状態となる。また、集電部材３、４を重ね合わせることによって、図４に示されているように、冷却流路４１が形成され、穴３３は冷却流路４１の一部を構成する。また、空気流路４０は、図３及び図５に示されているように、単位セル１５に重ね合わされ、溝の開口部４００を閉鎖することにより、管状の流路が構成され、空気流路４０の内壁の一部が酸素極で構成される。この空気流路４０から、単位セル１５の酸素極に酸素と水が供給される。図４に示されているように、柱状凸部３２の高さが、水素流路３０１、３０２の流路幅Ｗとなる。この柱状凸部３２の高さを調整することにより、水素流路３０１、３０２の流路幅Ｗを変更することができる。
【００２６】
空気流路４０の一端側開口部は、空気と水が流入する導入口４３となり、他端の開口部は、空気と水が流出する導出口４４となっている。また、冷却流路４１の一端側開口部は、空気と水が流入する流入開放口４５となり、他端の開口部は、空気と水が流出する流出開放口４６となっている。以上のような構成において、空気流路４０と冷却流路４１は、交互に平行に配置され、相互に側壁４７を挟んで隣接した構成となっている。このため、導入口４３と流入開放口４５も交互に配置され、導出口４４と流出開放口４６も交互に配置される。また、空気と水は、側壁４７に沿って流れるため、側壁４７は、冷却フィンとしての作用も発揮する。空気流路４０と冷却流路４１が交互に、かつ平行に配置されることで、燃料電池の冷却効率が向上し、均一な冷却が可能となる。
【００２７】
集電部材３、４には、枠体８、９がそれぞれ重ねられる。図２に示されているように、集電部材３に重ねられる枠体８は、集電部材３と同じ大きさに構成され、中央には、柱状凸部３２を収納する窓８１が形成されている。また、両端部近傍には、集電部材３の孔３５に合致する位置に孔８３ａ、８３ｂが形成されており、この孔８３ａ、８３ｂと窓８１との間には、集電部材３に接触する側の平面に凹部が形成され、水素流通経路８４ａ、８４ｂが設けられている。また、集電部材３に接触する面に対して、反対側の平面には、輪郭が窓８１に沿って形成された凹部が形成され、単位セル１５が収納される収納部８２が設けられている。この収納部８２に収納された単位セル１５の燃料極表面と、水素流路３０１、３０２と、窓８１とによって、燃料保持部である燃料室３０が画成される。
【００２８】
集電部材４に重ねられる枠体９は、枠体８と同じ大きさに構成され、中央には、凸状部４２を収納する窓９１が形成されている。また、両端部近傍には、枠体８の孔８３ａ、８３ｂに合致する位置に孔９３ｂ、９３ａが形成されている。枠体８の集電部材４が重ねられる側の面には、枠体８の対向する一対の長辺に沿って溝が形成され、集電部材３、４に重ねることによって、空気流通路９４、９５が構成される構造となっている。空気流通路９４の一端は、枠体８の長辺側の端面に形成された開口９４１に接続され、他端は空気流路４０の導入口４３と冷却流路４１の流入開放口４５とに接続されている。
【００２９】
上流側の空気流通路９４は、開口９４１側から空気流路４０側へ向けて横断面積が漸減するように、端部内壁がテーパー面９４２となっており、空気マニホールドから噴射される霧状水の取り入れを容易としている。一方、下流側の空気流通路９５の一端は、空気流路４０の導出口４４と冷却流路４１の流入開放口４５とに接続され、他端は、枠体８の長辺側端面に形成された開口９５１に接続されている。空気流通路９５は、開口９５１側から空気流路４０側へ向けて横断面積が漸減するように、端部内壁がテーパー面９５２となっている。燃料電池スタック１００が傾いた際にも、このテーパー面９５２によって、水の排出が維持される。 
また、枠体９の、集電部材４に接触する面に対して、反対側の平面には、輪郭が窓９１に沿って形成された凹部が形成され、単位セル１５が収納される収納部９２が設けられている。
【００３０】
図７は単位セル１５の拡大断面図である。単位セル１５は、固体高分子電解質膜１５ａと、該固体高分子電解質膜1５ａの両側面にそれぞれ重ねられた酸化剤極である酸素極１５ｂと燃料極１５ｃとを備えている。固体高分子電解質膜1５ａは、収納部８２、９２に合致した大きさに形成され、酸素極１５ｂと燃料極１５ｃは、窓９１、８１に合致した大きさに形成されている。単位セル１５の厚さは、枠体８、９や集電部材３、４の厚さに比べると極めて薄いので、図面では、一体の部材として表示している。
【００３１】
空気流路４０及び冷却流路４１の内壁には、親水性処理が施されている。内壁表面と水の接触角が４０°以下、好ましくは３０°以下となるように表面処理が施されているとよい。処理方法としては、親水処理剤を、表面に塗布する方法が取られる。塗布される処理剤としては、ポリアクリルアミド、ポリウレタン系樹脂、酸化チタン（Ｔｉ Ｏ2）等が挙げられる。
【００３２】
以上のように構成された枠体８、９によって集電部材３、４を保持してセパレータ１３が構成され、セパレータ１３と単位セル１５を交互に積層して、燃料電池スタック１００が構成される。図８は燃料電池スタック１００の部分平面図である。燃料電池スタック１００の上面には、多数の導入口４３と流入開放口４５が交互に開口し、この導入口４３と流入開放口４５に、空気マニホールド（図示せず）から、霧状の水とともに空気が流入する。側壁４７は、空気の流通経路に配置され冷却フィンとしても作用する。導入口４３と流入開放口４５から流入した空気と水は、冷却流路４１内で、潜熱冷却により集電部材３、４を冷却する。
【００３３】
図９は、燃料電池スタック１００の全体平面図である。以上のように構成された燃料電池セパレータ１３は、所定の枚数重ねられたモジュール１３０（積層単位体）を構成し、このモジュール１３０を複数重ねることによって燃料電池スタック１００が構成される。モジュール１３０とモジュール１３０の間には、図１１に示されているように、集電部材３と集電部材４の間に遮蔽板１６を挟んだ、セパレータ１４が介在する。図１２は、遮蔽板１６の全体平面図である。遮蔽板１６は、モジュール１３０の間に介挿された際に、水素通路１７ａ又は水素通路１７ｂのいずれかに対応した位置に、水素通路１７ａ、１７ｂの断面形状と同じ形状の、孔１６１ａ又は孔１６１ｂを備えている。孔１６１ａ又は孔１６１ｂは、１枚の遮蔽板１６について、どちらか一方のみが形成されている。更には、遮蔽板１６の代りに、図６に示されている枠体９を用いてもよい。この場合には、孔９３ａ又は孔９３ｂのいずれか一方を開孔しない事でも実現される。または、セパレータ１４を構成する集電部材３、４の片方の孔３５又は４８を開孔しないことにより実現できる。なお、遮蔽板１６は、導電性を有し、燃料電池スタック１００内での電気の流通は妨げない。
【００３４】
一方、遮蔽板１６が孔１６１ａを有する場合には、水素通路１７ｂでの水素ガスの流通は、遮蔽板１６によって遮断される。遮蔽板１６が孔１６１ｂを有する場合には、水素通路１７ａでの水素ガスの流通は、遮蔽板１６によって遮断される。遮蔽板１６は、水素ガスが流入する側から流出する側へ配置されている順に、孔１６１ｂが設けられている遮蔽板１６、孔１６１ａが設けられている遮蔽板１６・・・となるよう、交互に配置される。このようにモジュール１３０毎に、水素通路１７ａと水素通路１７ｂの一方を交互に遮蔽することで、供給された水素ガスは、モジュール１３０単位で、連続して各燃料室３０内を流通する。具体的には、最初のモジュール１３０では、水素通路１７ａ（燃料流入通路）から水素通路１７ｂ（燃料流出通路）へ向けて、各燃料室３０内を水素ガスが流れ、次のモジュール１３０では、水素通路１７ｂ（燃料流入通路）から水素通路１７ａ（燃料流出通路）へ向けて、各燃料室３０内を水素ガスが流れ、さらに次のモジュール１３０では、水素通路１７ａ（燃料流入通路）から水素通路１７ｂ（燃料流出通路）へ向けて、各燃料室３０内を連続して水素ガスが流れる・・・以降は、交互に水素ガスの流通方向が変化する。
【００３５】
このように、水素通路１７ａと水素通路１７ｂは、モジュール１３０の各燃料室３０に水素ガスを供給する燃料流入通路と、各燃料室３０から水素ガスが流出してくる燃料流出通路とに交互に入れ替わることとなる。各モジュール１３０は、水素流通路１７ａと、水素流通路１７ａに連通する水素流通経路８４ａによって、さらに、水素流通路１７ｂと、水素流通路１７ｂに連通する水素流通経路８４ｂによって、それぞれマニホールドが構成されている。そして、水素通路１７ａが燃料流入通路である場合には、水素通路１７ａと水素流通経路８４ａで構成されるマニホールドが、入口マニホールドとなり、水素通路１７ｂと水素流通経路８４ｂで構成されるマニホールドが、出口マニホールドとなる。逆に、水素通路１７ａが燃料流出通路である場合には、水素通路１７ａと水素流通経路８４ａで構成されるマニホールドが、出口マニホールドとなり、水素通路１７ｂと水素流通経路８４ｂで構成されるマニホールドが、入口マニホールドとなる。
【００３６】
燃料電池スタック１００は、単位セル１５とセパレータ１３を積層して構成されたモジュール１３０と、モジュール１３０内において、セパレータ１３の積層方向に形成され、燃料室３０を挟んだ両側に位置し、各燃料室３０にそれぞれ連通する一対の水素通路１７ａ、１７ｂとを有し、モジュール１３０を積層して構成されたものであって、隣接するモジュール１３０の間には、各モジュール１３０の一方の水素通路１７ａ、１７ａ（又は１７ｂ、１７ｂ）間を連通する連通部（孔１６１ａ（又は１６１ｂ））と、他方の水素通路１７ｂ、１７ｂ（又は１７ａ、１７ａ）間の水素流通を遮断する遮断部１６２ｂ（又は１６２ａ）とを有し、連通部と遮断部は、積層されているモジュール１３０の積層方向に向けて順に、一方の水素通路１７ａ、１７ａ（又は１７ｂ、１７ｂ）と他方の水素通路１７ｂ、１７ｂ（又は１７ａ、１７ａ）において交互に設けられ、一対の水素流路（１７ａ、１７ｂ）間の各燃料室３０内を流れる水素ガスの流通方向が、モジュール１３０毎に交互に逆向きに変化する構成となっている。
【００３７】
図９に示されているように、各モジュール１３０は、積層されている単位セル１５とセパレータ１３の数が異なる。水素ガスが最初に流入するモジュール１３０−１は、積層枚数が最も多く、水素ガスが最後に流入するモジュール１３０−４は、最も少ない。そして、モジュール１３０−１〜モジュール１３０−４へ向けて、モジュール１３０における単位セル１５とセパレータ１３の積層枚数は、漸減するように構成されている。
【００３８】
このように構成することによって、各モジュール１３０−１〜４内を流通する水素ガスの流通路横断面積が、下流へ向けて減少するように構成される。各モジュール１３０の水素ガス流通路横断面積は、各モジュール１３０を構成する各セパレータ１３における水素流路３０２の断面積（燃料室内を流れる水素ガスの流線に対して、垂直な面の面積が、最も小さくなる位置の面積：図１０におけるａ部分の面積の総和（モジュール１３０を構成するセパレータ１３の、前記水素流路３０２断面積の総和））により算出される。即ち、積層されるセパレータ１３の数が減れば、水素ガス流通路横断面積も減ることとなる。
【００３９】
このように水素ガス流通路横断面積が減ることで、各モジュール１３０−１〜４内を流れる水素ガスの流速は、各モジュール毎に異なり、下流へ向けて流速が速くなることとなる。
【００４０】
また、燃料電池スタック１００を、複数のモジュール１３０に分割し、モジュール毎に水素ガスを順番に流通させる構成とすることによって、各燃料室３０を通過水素ガスの量を均等に近づけることができる。つまり、１つのモジュール１３０内において、積層方向に配置された各燃料室３０間で水素ガス流量の差が生ずることを抑制できる。さらに、燃料電池スタック１００に供給された水素ガスは、繰り返し、モジュール１３０−１〜４内を流れるので、燃料室３０の燃料極に接触する機会が増え、反応効率が向上する。
【００４１】
燃料室３０内に発生する逆拡散水は、ガス流によって、下流側へ押し流され下流へ向かう程、逆拡散水が溜まっていくが、既述のように、下流側が最もガス流の流速が高いので、溜まった逆拡散水を容易に排出することができる。また、水素ガスの流入する上流側では、ガス流速が低くなるため、タンクから供給される乾燥した水素ガスとの接触により、燃料極の水分持ち去り量を少なくすることができる。
【００４２】
図９に示されているように、燃料電池スタック１００の両端には、端部セパレータの外側に電極板１９１ａ、１９１ｂが積層され、さらに外側には、絶縁部材１９２ａ、１９２ｂ、エンドプレート１９ａ、１９ｂの順に積層されている。
【００４３】
図１３は、燃料電池スタック１００の正面図である。エンドプレート１９ａの外側面には凹部１９３ａが形成されている。この凹部１９３ａの端部には、水素通路１７ａに連通する燃料供給口１８２ａが開口している。凹部１９３ａには、カバー１９４ａが、全体に覆い被せられている。凹部１９３ａは、水素通路１７ａへ向けて幅広となる形状に形成されている。カバー１９４ａは、凹部１９３ａの形状に沿った形状に形成され、水素通路１７ａに対して反対側の端に、ガス導入口１８１ａが形成されている。カバー１９４ａと凹部１９３ａで画成された空間によって、整流手段としての導入案内路１８ａが構成されている。この整流手段は、水素導入路２０２から送られてくる水素ガスを水素通路１７ａへ滑らかに導く作用を有し、流通経路の断面形状や流通方向が急激に変化することによって生じる抵抗や乱流の発生を抑制し、その結果、燃料電池スタック１００内の各燃料室に均一に水素ガスが供給されるように構成されている。
【００４４】
この導入案内路１８ａは、ガス導入口１８１ａが、水素導入路２０２と同じ断面形状を有し、燃料供給口１８２ａが、水素通路１７ａと同じ断面形状を有している。そして、ガス導入口１８１ａから燃料供給口１８２ａまでの流路１８３ａは、横断面の幅が漸増し、ガス流の圧力損失を抑制しつつ、水素ガスを導く構成となっている。また、流路１８３ａには、水素通路１７ａの横断面におけるガス流速の分布が均一となるように、ガス流を案内する整流板１８４ａが設けられている。
【００４５】
図１４は、燃料電池スタック１００の背面図である。燃料電池スタック１００の水素ガス流出部分には、導出案内路１８ｂが設けられている。導出案内路１８ｂは、エンドプレート１９ｂの外側面に形成された凹部１９３ｂと、この凹部１９３ｂに被せられたカバー１９４ｂとによって画成された空間によって構成される。凹部１９３ｂの端部には、水素通路１７ａに連通する燃料排出口１８１ｂが開口している。
【００４６】
この導出案内路１８ｂは、燃料排出口１８１ｂが、水素通路１７ａと同じ断面形状を有し、ガス導出口１８２ｂが、水素導出路２０２と同じ断面形状を有している。そして、燃料排出口１８１ｂからガス導出口１８２ｂまでの流路１８３ｂは、横断面の幅が漸減し、さらに、流路１８３ａには、整流板１８４ａが設けられ、ガス流の圧力損失を抑制しつつ、水素ガスを導く構成となっている。
【００４７】
以上のような燃料電池スタック１００の構成によって、燃料電池スタック１００に流入した水素ガスは、圧力損失が抑制され、各燃料電池セパレータ１３の燃料室３０へ均一に水素ガスが供給される。なお、ガス導出口１８２ｂは、燃料排出口１８１ｂの下端部の位置よりも、鉛直方向において、同じ高さ、又は下方に位置している。このような位置にガス導出口１８２ｂを設けることによって、燃料電池スタック１００から、水素通路１７ａを通って排出される水を、水素導出路２０２へ排出することが容易となる。
【００４８】
次に、図１に示されている他の構成について説明する。燃料供給系１０は、高圧水素タンク１１に一端が接続されている水素道通路２０１と、水素道通路２０１の他端に接続された水素排出路２０２と、同じく水素道通路２０１に一端が接続されている水素導入路２０３と、水素導入路２０３の他端に接続された水素供給路２０５と、一端が水素排出路２０２に他端が水素供給路２０５に接続された水素循環路２０４とを備えた管路を有している。水素排出路２０２は、燃料電池スタック１００のガス導出口１８２ｂに接続され、水素供給路２０５は、燃料電池スタック１００のガス導入口１８１ａに接続されている。水素排出路２０２、水素循環路２０４、水素供給路２０５によって、水素循環経路が構成される。
【００４９】
水素道通路２０１と水素排出路２０２との間には、起動時水素供給電磁弁Ｖ１が設けられ、水素導入路２０３には、通常時水素供給電磁弁Ｖ２が設けられ、水素循環路２０４には、水回収ドレンタンク２１、水素循環ポンプ２２、水素循環切換電磁弁Ｖ３が設けられ、水素供給路２０５には、起動時水素排気電磁弁Ｖ５が設けられている。また、水回収ドレインタンク２１には、水素排気路２０６が接続され、水素排気路２０６には水素排気電磁弁Ｖ４が設けられている。
【００５０】
起動時においては、燃料室３０内に充填されている空気を排出し、燃料室３０内のガスを水素ガスに置換する必要がある。このため、起動時は、通常時水素供給電磁弁Ｖ２、水素循環切換電磁弁Ｖ３、水素排気電磁弁Ｖ４を閉じた状態で、起動時水素排気電磁弁Ｖ５と起動時水素供給電磁弁Ｖ１を開放する。燃料電池スタック１００には、ガス導出口１８２ｂから水素ガスが流入する。そして、水素ガスは、ガス導入口１８１ａへ向かって、各モジュール１３０−３〜１を順に流れ、充填されていたガスを押し出しつつ、水素供給路２０５へ流出し、起動時水素排気電磁弁Ｖ５から外へ充填ガスを押し出し、ガスの置換を完了する。ガスの置換が完了したか否かの判断は、燃料電池スタック１００に設けられた電圧センサＳ１により検出された電圧値より、燃料電池スタック１００の出力を検出し、この出力が所定値に達したかを判断することより行われる。
【００５１】
ここで、燃料電池スタック１００内では、次のような作用が発揮されている。既述の通り、燃料電池スタック１００は、ガス導出口１８２ｂ側のモジュール１３０−４が、ガス流路が狭く構成されているので、流入した最少のモジュール１３０−４では、流速が速くなる。置換ガスが空気である場合には、置換ガスと水素の接触によって、境界面で反応が起こり、燃料極の劣化の原因となるが、流速が速いために水素ガスへの置換が短時間で行われ、電極の劣化が抑制される。また、ガス導入口１８１ａ側のモジュール１３０−１では、流速が遅くなるが、この時点で酸素は、途中で触媒燃焼し、濃度が薄くなっているため、水素との反応が起こり難く、電極の劣化が抑制される。
【００５２】
水素ガスへの置換が完了すると、起動時水素排気電磁弁Ｖ５と起動時水素供給電磁弁Ｖ１を閉じ、通常時水素供給電磁弁Ｖ２、水素循環切換電磁弁Ｖ３を開放し、水素循環ポンプ２２の駆動を開始する。これにより、水素ガスは、水素導通路２０１、水素導入路２０３、水素供給路２０５を介して、燃料電池スタック１００へ送られ、燃料電池スタック１００内をガス導入口１８１ａからガス導出口１８２ｂへ、各モジュール１３０−１〜４を順に通過する。そして、水素ガスは、水素循環経路２０２、２０４、２０５、１００を循環する。これが、定常運転状態となる。そして、水素ガスの循環によって、逆拡散水が水回収ドレインタンク２１に溜まるため、適宜水素排気電磁弁Ｖ４を開放し、水素排気路２０６から排出する。
【００５３】
以上説明した構成は、各モジュール１３０の単位セル１５とセパレータ１３の積層枚数を変更することにより、モジュール毎の水素ガス流通路の横断面積を変更する構成であるが、モジュール毎に、柱状凸部３２の高さＷの異なる集電部材３を用いることにより、水素ガス流通路の横断面積を、モジュール毎に変更する構成してもよい。即ち、燃料極１５ｃと集電部材３との距離Ｗ（図４）を調整し、水素ガス流通路の横断面積ａを調整するものである。例えば、上流側に位置するモジュール１３０−１は、距離Ｗの大きな集電部材３を用い、下流側のモジュールは、距離Ｗの小さな集電部材３を用いる。このようにすることにより、燃料室３０のガス流路横断面積ａを、下流側へ向けて、モジュール毎に減少させることができる。このような構成とすることにより、各モジュールの単位セル１５の数は変わらないので、十分な出力を確保することができる。
【００５４】
更に、他の構成例として、図２に示されている集電部材３における柱状凸部３２の横断面径ｄを変更することで、水素流路３０２の横断面積ａ（図１０）を変更することができ、モジュール１３０毎において、柱状凸部３２の横断面径ｄが異なる集電部材３を用いることで、モジュール１３０毎に燃料ガスの流路断面積を調整することができる。例えば、柱状凸部３２の横断面径ｄを大きくすれば、水素流路３０２の横断面積ａは小さくなり、燃料ガスの流路断面積も小さくなる。
【００５５】
従って、上流側に位置するモジュール１３０−１の横断面径ｄを小さくし、下流側のモジュール１３０−４の横断面径ｄを大きくすることにより、上流側の燃料ガスの流速を遅く、下流側の流速を速くすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】この発明の燃料電池システム１を示すブロック図である。
【図２】燃料電池用セパレータを示す全体正面図である。
【図３】燃料電池セパレータで構成された燃料電池スタックの部分断面平面図（Ａ‐Ａ断面図）である。
【図４】燃料電池セパレータで構成された燃料電池スタックの部分断面側面図（Ｂ‐Ｂ断面図）でである。
【図５】燃料電池セパレータの部分断面側面図（Ｃ‐Ｃ断面図）である。
【図６】燃料電池用セパレータの全体背面図である。
【図７】単位セルの断面図である。
【図８】燃料電池スタックの部分平面図である。
【図９】燃料電池スタックの全体平面図である。
【図１０】燃料電池スタックの部分断面側面図である。
【図１１】水素通路の縦断面を示す燃料電池スタックの部分断面図（Ｄ-Ｄ断面図）である。
【図１２】遮蔽板の全体平面図である。
【図１３】燃料電池スタックの全体正面図である。
【図１４】燃料電池スタックの全体背面図である。
【符号の説明】
【００５７】
１  燃料電池システム
１００  燃料電池スタック
１３  燃料電池セパレータ
１３０  モジュール
１５  単位セル
１７ａ、１７ｂ  水素通路
３  集電部材
３０  燃料室
３２  柱状凸部
３０１  水素流路
３０２  水素流路
４  集電部材
４０  空気流路
４１  冷却流路
４２  凸状部
４３  導入口
４４  導出口
４５  流入開放口
４６  流出開放口
８  枠体
９  枠体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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