(57)【要約】【課題】  フラッディングの発生を抑制することができる燃料電池ユニットを提供する。【解決手段】  水素に富む燃料ガスｇを生成する燃料処理装置１０と、酸化剤ガスａ１を加湿する加湿器２０と、燃料ガスｇを導入する燃料極と酸化剤ガスａ１を導入する空気極とを持つセルＣＬを複数有し、空気極オフガスｑを各セルＣＬから集めて燃料電池３０から排出する空気極オフガス排出マニホールド４５を有する燃料電池３０と、空気極オフガスｑに含まれる水分のうち凝縮水を分離する気水分離器５０と、気水分離器５０で分離された凝縮水を加湿器２０に導く回収水流路８６と、燃料処理装置１０、加湿器２０、燃料電池３０及び気水分離器５０を積載する台盤６０とを備え、台盤６０を据え付けたときに空気極オフガス排出マニホールド４５が傾斜し、空気極オフガス排出マニホールド４５から凝縮水が排出されるように構成されている燃料電池ユニット。【選択図】  図１
2006049224.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料燃料を導入して水素に富む燃料ガスを生成する燃料処理装置と；
酸素を含有する酸化剤ガスを加湿する加湿器と；
前記燃料ガスを導入する燃料極と前記酸化剤ガスを導入する空気極とを持つセルを複数有し前記燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素との電気化学的反応により発電し水分を発生する燃料電池であって、該電気化学的反応に使用されなかった酸化剤ガスと該電気化学的反応により発生した水分とを含む空気極オフガスを該各セルから集めて該燃料電池から排出する空気極オフガス排出マニホールドを有する燃料電池と；
前記空気極オフガスに含まれる水分のうち凝縮水を分離する気水分離器と；
前記気水分離器で分離された凝縮水を前記加湿器に導く回収水流路と；
前記燃料処理装置、加湿器、燃料電池及び気水分離器を積載する台盤とを備え；
前記台盤を据え付けたときに前記空気極オフガス排出マニホールドが傾斜し、前記空気極オフガス排出マニホールドから凝縮水が排出されるように構成された；
燃料電池ユニット。
【請求項２】
前記空気極オフガス排出マニホールドと前記気水分離器とを接続する空気極オフガス流路であって、前記空気極オフガス排出マニホールドから前記気水分離器に向けて下り勾配を有する空気極オフガス流路を備え；
前記空気極オフガス排出マニホールドの傾斜は、前記空気極オフガス排出マニホールドの底部を連ねる仮想線の水平線に対する角度が１度以上５度未満である；
請求項１に記載の燃料電池ユニット。
【請求項３】
前記燃料電池は前記電気化学的反応により発生する熱を奪う冷却水を流す冷却水流路を有し；
前記冷却水流路に配置され、前記冷却水流路に滞留した空気を排出する空気抜き手段を備える；
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池ユニット。
【請求項４】
前記燃料電池は前記電気化学的反応により発生する熱を奪う冷却水を流す冷却水流路を有し；
前記冷却水が前記冷却水流路を重力に逆らう方向に流れるように構成された；
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池ユニットに関し、特にフラッディングの発生を抑制することができる燃料電池ユニットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素に富む燃料ガスを燃料極に導入し酸素を含有する酸化剤ガスを空気極に導入して、燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素との電気化学的反応により発電する。燃料電池は、「セル」と呼ばれる燃料極と空気極と電解質層とを有する構成単位が複数積層して燃料電池本体を構成している。各セルへ供給される燃料ガス及び酸化剤ガス、並びに各セルから排出される燃料極オフガス及び空気極オフガスは、それぞれ配設されたマニホールドを通って供給及び排出される。
【０００３】
ところで、上述の水素と酸素との電気化学的反応の際には空気極に水分が発生する。また、燃料電池が固体高分子型燃料電池の場合は、プロトン交換膜の導電性を高く維持するため燃料ガスや酸化剤ガスを所定の湿度まで加湿することが必要になる。ところが、燃料電池作動温度以上の露点まで加湿をすると燃料電池内で水分が凝縮することとなる。このように、電気化学的反応により水分が発生したり加湿のし過ぎにより凝縮水が発生したりすると、燃料電池本体内部やその前後の流路に凝縮水が溜まり、燃料ガスや酸化剤ガスの流通を妨げるいわゆるフラッディングが発生する場合がある。フラッディングが発生した場合は、燃料ガスや酸化剤ガスの流通量を増大させ、燃料ガスや酸化剤ガスの圧力により滞留している凝縮水を排除するという方法があった（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−１７１９９３号公報（段落０００５、００３１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、マニホールドに凝縮水が滞留しなければフラッディングの発生が少なくなる。そこで本発明の目的は、フラッディングの発生を抑制することができる燃料電池ユニットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明に係る燃料電池ユニットは、例えば図１に示すように、原料燃料ｍを導入して水素に富む燃料ガスｇを生成する燃料処理装置１０と；酸素を含有する酸化剤ガスａ１を加湿する加湿器２０と；燃料ガスｇを導入する燃料極３１（図２参照）と酸化剤ガスａ１を導入する空気極３２（図２参照）とを持つセルＣＬを複数有し燃料ガスｇ中の水素と酸化剤ガスａ１中の酸素との電気化学的反応により発電し水分を発生する燃料電池３０であって、該電気化学的反応に使用されなかった酸化剤ガスａ１と該電気化学的反応により発生した水分とを含む空気極オフガスｑを各セルＣＬから集めて燃料電池３０から排出する空気極オフガス排出マニホールド４５を有する燃料電池３０と；空気極オフガスｑに含まれる水分のうち凝縮水を分離する気水分離器５０と；気水分離器５０で分離された凝縮水を加湿器２０に導く回収水流路８６と；燃料処理装置１０、加湿器２０、燃料電池３０及び気水分離器５０を積載する台盤６０とを備え；台盤６０を据え付けたときに空気極オフガス排出マニホールド４５が傾斜し、空気極オフガス排出マニホールド４５から凝縮水が排出されるように構成されている。
【０００６】
このように構成すると、空気極オフガス排出マニホールドが傾斜し、空気極オフガス排出マニホールドから凝縮水が排出されるので、フラッディングの発生を抑制することができる。ここで、「フラッディング」とは、燃料電池本体内部等に凝縮水が溜まって反応ガスの流れを妨げる現象である。なお、空気極オフガスに含まれる水分は、水蒸気及び凝縮水の少なくとも一方を含む。また、「積載する」とは直接又は間接に載置することを意味する。また、台盤には脚があってもなくてもよく、脚がない場合もここでいう「台盤」に含まれる。
【０００７】
また、請求項２に記載の発明に係る燃料電池ユニットは、例えば図１に示すように、請求項１に記載の燃料電池ユニット１において、空気極オフガス排出マニホールド４５と気水分離器５０とを接続する空気極オフガス流路８１Ａであって、空気極オフガス排出マニホールド４５から気水分離器５０に向けて下り勾配を有する空気極オフガス流路８１Ａを備え；空気極オフガス排出マニホールド４５の傾斜θは、空気極オフガス排出マニホールド４５の底部を連ねる仮想線の水平線に対する角度が１度以上５度未満である。ここで、空気極オフガス流路８１Ａは、典型的には、空気極オフガス排出マニホールド４５から気水分離器５０まで常に下り勾配を有しており、凝縮水の流れを滞らせることがないように構成されている。
【０００８】
このように構成すると、空気極オフガス排出マニホールドから気水分離器に向けて下り勾配を有する空気極オフガス流路を備えるので、空気極オフガス排出マニホールドに流出してきた凝縮水が滞ることなく気水分離器に流れ込み、フラッディングの発生を抑制することができる。また、空気極オフガス排出マニホールドが水平方向に対して１度以上の傾斜を有しているので、空気極オフガス排出マニホールドに流出してきた凝縮水が滞ることなく気水分離器に流れ込んでフラッディングの発生を抑制することができると共に、傾斜が５度未満なので、燃料電池ユニットを構成する他の機器の水の流れに及ぼす影響が少ない。
【０００９】
また、請求項３に記載の発明に係る燃料電池ユニットは、例えば図３（ａ）に示すように、請求項１又は請求項２に記載の燃料電池ユニット１（図１参照）において、燃料電池３０は電気化学的反応により発生する熱を奪う冷却水ｃを流す冷却水流路４６を有し；冷却水流路４６に配置され、冷却水流路４６に滞留した空気を排出する空気抜き手段８９を備える。
【００１０】
このように構成すると、冷却水流路に滞留した空気を排出する空気抜き手段を備えるので、空気極オフガス排出マニホールドを傾斜させることによって冷却水流路が傾斜した場合であっても冷却水流路に滞留した空気を除去して冷却水を流すことができる。
【００１１】
また、請求項４に記載の発明に係る燃料電池ユニットは、例えば図３（ｂ）に示すように、請求項１又は請求項２に記載の燃料電池ユニット１（図１参照）において、燃料電池３０は電気化学的反応により発生する熱を奪う冷却水ｃを流す冷却水流路４３、４６を有し；冷却水ｃが冷却水流路４３、４６を重力に逆らう方向に流れるように構成されている。
【００１２】
このように構成すると、冷却水が冷却水流路を重力に逆らう方向に流れるので、空気極オフガス排出マニホールドを傾斜させることによって冷却水流路が傾斜した場合であっても冷却水流路に空気が滞留しない。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、空気極オフガス排出マニホールドが傾斜し、空気極オフガス排出マニホールドから凝縮水が排出されるので、フラッディングの発生を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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。なお、各図において、互いに同一又は相当する装置には同一符号を付し、重複した説明は省略する。
【００１５】
まず、図１を参照して本発明の実施の形態に係る燃料電池ユニット１の構成について説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池ユニット１の概略構成を説明する模式的断面図である。燃料電池ユニット１は、燃料処理装置１０と、加湿器２０と、燃料電池３０と、気水分離器５０と、台盤６０とを備えている。
【００１６】
燃料処理装置１０は、原料燃料ｍと改質用水ｓとを導入し、原料燃料ｍを改質して水素に富む燃料ガスｇを生成する装置である。水素に富む燃料ガスｇとは、水素を４０％以上、典型的には７５％程度含んだ、燃料電池３０に供給するガスである。原料燃料ｍを改質する水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、燃料処理装置１０は改質に必要な改質熱を得るための燃焼部１１を有している。燃焼部１１は、バーナーを有し、原料燃料ｍの一部と燃焼空気ａ２とを導入し燃焼して改質熱を得るように構成されている。燃料電池３０が運転され、燃料電池３０から燃料ガスｇのうち電気化学的反応に使用されなかった水素を含む燃料極オフガスｐが排出されるようになると、燃料極オフガスｐを燃焼部１１に導入し燃焼して改質熱を得るように構成されている。燃焼部１１で燃焼した後に発生するガスは燃焼排ガスｅとして燃焼部１１から排出されように構成されている。
【００１７】
燃料処理装置１０は、原料燃料ｍを導入する原料燃料導入口１２と、改質用水ｓを導入する改質用水導入口１３と、生成した燃料ガスｇを導出する燃料ガス導出口１４とを有している。改質用水導入口１３は加湿器２０の下部と接続されており、燃料ガス導出口１４は燃料電池３０の燃料ガス供給マニホールド４１と接続されている。なお、「接続され」とは、流路を介して接続される場合も含む。また、燃焼部１１は、燃焼空気ａ２を導入する燃焼空気導入口１５と、原料燃料ｍを導入する燃焼原料導入口１６と、燃料極オフガスｐを導入する燃料極オフガス導入口１８と、燃焼排ガスｅを排出する燃焼排ガス排出口１９とを有している。燃料極オフガス導入口１８は、気水分離器５５を介して、燃料電池３０の燃料極オフガス排出マニホールド４４と接続されている。
【００１８】
燃料処理装置１０に導入される原料燃料ｍは、典型的には都市ガス、ＬＰＧ、消化ガス、メタノール、ＧＴＬ（Ｇａｓ ｔｏ Ｌｉｑｕｉｄ）や灯油等が用いられる。燃料処理装置１０に導入する原料燃料ｍと燃焼部１１に導入する原料燃料ｍとは同種のものでもよいし異なる種類のものでもよい。原料燃料ｍは、都市ガス等の気体の場合は不図示のブロワで燃料処理装置１０に送られ、灯油等の液体の場合は不図示のポンプで燃料処理装置１０に送られる。さらに、原料燃料ｍを燃料処理装置１０に導く流路に脱硫器（不図示）を設け、原料燃料ｍを燃料処理装置１０に導入する前に脱硫することが好ましい。また、原料燃料ｍが灯油等の液体の場合は、原料燃料ｍを燃料処理装置１０に導く流路又は燃料処理装置１０内に原料燃料ｍを気化するための気化器を設けることが好ましい。
【００１９】
加湿器２０は、燃料電池３０に導入する酸化剤ガスａ１を加湿する装置である。加湿器２０は、その内部に、上部から、加湿用の水を散布する水分散器２１と、散布した加湿用の水と酸化剤ガスａ１との接触を促進させる充填部２２とを有している。充填部２２には多孔質材料が充填され、水分散器２１から散布された加湿用の水を拡散して酸化剤ガスａ１との接触面積を増大し、酸化剤ガスａ１の加湿を促進させるように構成されている。また、加湿器２０は、その下部に水を貯留する貯水部２３を有している。貯水部２３には気水分離器５０で分離された凝縮水が回収水ｒ１として流入するように構成されている。また、貯水部２３には気水分離器５５で分離された凝縮水が回収水ｒ２として流入するように構成されている。
【００２０】
加湿器２０の下部には加湿用水導出口２４が設けられており、加湿用水導出口２４は水分散器２１と加湿用水流路２５を介して接続されている。加湿用水流路２５には散水ポンプ９１が配設されており、貯水部２３に貯留されている水を上部に揚水して水分散器２１から散布させることができるように構成されている。また、加湿用水流路２５には水処理装置９８が配設されており、酸化剤ガスａ１を加湿する水をアルカリ性に保つことができるように構成されている。加湿器２０下部には改質用水導出口２６が設けられており、改質用水導出口２６は燃料処理装置１０の改質用水導入口１３と流路８２を介して接続されている。流路８２には改質用水ポンプ９２が配設されており、改質用水ｓを燃料処理装置１０に圧送することができるように構成されている。また、流路８２には純水装置９９が配設されており、燃料処理装置１０に供給する改質用水ｓを純水に精製することができるように構成されている。
【００２１】
加湿器２０は、貯水部２３の水面より上部に酸化剤ガス導入口２８を有しており、加湿器２０内に酸化剤ガスａ１を導入することができるように構成されている。加湿器２０の上部には酸化剤ガス導出口２９が設けられており、酸化剤ガス導出口２９は燃料電池３０の酸化剤ガス供給マニホールド４２と流路８３を介して接続されている。流路８３にはブロワ９３が配設されており、加湿器２０で加湿された酸化剤ガスａ１を燃料電池３０に圧送することができるように構成されている。
【００２２】
燃料電池３０は固体高分子型燃料電池であり、水素に富む燃料ガスｇと酸素を含有する酸化剤ガスａ１とを導入し、燃料ガスｇ中の水素と酸化剤ガスａ１中の酸素との電気化学的反応により発電して水分及び熱を発生するように構成されている。燃料ガスｇ及び酸化剤ガスａ１は、そのすべてが電気化学的反応に使用されるのではなく、反応に使用されなかった燃料ガスｇは燃料極オフガスｐとして燃料極オフガス排出マニホールド４４から排出され、反応に使用された後の残りの酸化剤ガスａ１は空気極オフガスｑとして空気極オフガス排出マニホールド４５から排出されるように構成されている。
【００２３】
ここで、図２を参照して、燃料電池３０の構成についてさらに詳細に説明する。図２（ａ）は一つのセルＣＬの構成を説明する斜視図である。セルＣＬは、固体高分子膜３３を燃料極３１及び空気極３２で挟み、これをさらにセパレータ４０Ａ、４０Ｂで挟んで構成されている。固体高分子膜３３は、薄いフィルム状の膜でできた固体の電解質で、水素イオンを通して電子を通さないように構成されている。固体高分子膜３３は、水分を通し、高い導電性を維持するために加湿されていることが好ましい。燃料極３１は、白金−ルテニウム合金の導体であり、表面の触媒の作用により、供給された燃料ガスｇ中の水素が水素イオンと電子とに分解されるように構成されている。空気極３２は、白金の導体であり、固体高分子膜３３を通ってきた水素イオンと外部電気回路（不図示）を通ってきた電子とが供給された酸化剤ガスａ１中の酸素と結合して水分を生成するように構成されている。
【００２４】
セパレータ４０Ａの燃料極３１に接する面には、複数の溝状の燃料ガス流路４７が形成されている。セパレータ４０Ａの燃料ガス流路４７が形成されている面は、燃料極３１が貼り合わせられることにより、燃料ガス流路４７を流れる燃料ガスｇが流路外へ漏れないように構成されている。燃料ガス流路４７は、燃料ガス入口４１Ａから流入してくる燃料ガスｇを流して燃料極３１全体に行き渡らせ、燃料ガスｇのうち反応に使われなかったガスを燃料極オフガスｐとして燃料ガス出口４４Ａに流出するように構成されている。
【００２５】
セパレータ４０Ｂの空気極３２に接する面には、複数の溝状の酸化剤ガス流路（不図示）が燃料ガス流路４７と同じように形成されている。セパレータ４０Ｂの酸化剤ガス流路が形成されている面は、空気極３２が貼り合わせられることにより、酸化剤ガス流路を流れる酸化剤ガスａ１が流路外へ漏れないように構成されている。酸化剤ガス流路は、酸化剤ガス入口４２Ｂから流入してくる酸化剤ガスａ１を流して空気極３２全体に行き渡らせ、酸化剤ガスａ１のうち反応に使われなかったガスを空気極オフガスｑとして酸化剤ガス出口４５Ｂに流出するように構成されている。
【００２６】
セパレータ４０Ｂの空気極３２に接する面の裏面には通水溝４９が形成されている。一方、セパレータ４０Ａの燃料極３１に接する面の裏面は平滑な面となっている。セパレータ４０Ｂの通水溝４９が形成されている面とセパレータ４０Ａの燃料極３１に接する面の裏面とが貼り合わせられることにより通水溝４９は流路を形成し、冷却水ｃを流すことができるように構成されている。通水溝４９で形成された流路は、冷却水入口４３Ｂから流入してくる冷却水ｃを流してセパレータ４０Ａ、４０Ｂの貼合面全体に行き渡らせ、燃料電池３０で発生する熱を奪った後、冷却水ｃを冷却水出口４６Ｂに流出するように構成されている。
【００２７】
以上のような構成のセルＣＬが複数積層されて燃料電池３０本体を形成している。図２（ｂ）は複数のセルＣＬを積層して構成した燃料電池３０本体を示す斜視図である。燃料電池３０は、ｎ層のセルＣＬが積層されている。一つのセルＣＬでは１Ｖ未満の小さな電圧しか得ることができないが、複数のセルＣＬを積層し直列につなぐことで数１０Ｖや数１００Ｖといった高い電圧を得ることが可能になる。
【００２８】
燃料電池３０は、導入した燃料ガスｇを各セルＣＬに分配する燃料ガス供給マニホールド４１を有している。燃料ガス供給マニホールド４１は次のようにして形成されている。まず、一つのセルＣＬでセパレータ４０Ａ、４０Ｂ、及び固体高分子膜３３が貼り合わせられることにより、セパレータ４０Ａに形成された燃料ガス入口４１Ａ、セパレータ４０Ｂに形成された燃料ガス通過孔４１Ｂ、固体高分子膜３３に形成された燃料ガス通過孔４１Ｃが連通して通路が形成される。次いで、複数のセルＣＬが積層されることにより、燃料電池３０本体を貫く燃料ガス供給マニホールド４１が形成されている。
【００２９】
燃料電池３０は、燃料ガス供給マニホールド４１が形成されるのと同じ要領で形成された、酸化剤ガス供給マニホールド４２と、冷却水流路としての冷却水供給マニホールド４３と、燃料極オフガス排出マニホールド４４と、空気極オフガス排出マニホールド４５と、冷却水流路としての冷却水導出マニホールド４６とを有している。これらのマニホールドは、典型的には、互いに平行になるように燃料電池３０に形成されている。燃料ガス供給マニホールド４１と燃料極オフガス排出マニホールド４４とは燃料ガス流路４７（図２（ａ）参照）で連通しており、燃料ガスｇが酸化剤ガスａ１や冷却水ｃと混合しないように構成されている。酸化剤ガス供給マニホールド４２と空気極オフガス排出マニホールド４５とは酸化剤ガス流路（不図示）で連通しており、酸化剤ガスａ１が燃料ガスｇや冷却水ｃと混合しないように構成されている。冷却水供給マニホールド４３と冷却水導出マニホールド４６とは通水溝４９（図２（ａ）参照）で連通しており、冷却水ｃが燃料ガスｇや酸化剤ガスａ１と混合しないように構成されている。
【００３０】
ここで、図１に戻って燃料電池ユニット１における燃料電池３０の接続関係について説明する。燃料ガス供給マニホールド４１は燃料処理装置１０の燃料ガス導出口１４と接続されている。酸化剤ガス供給マニホールド４２は加湿器２０の酸化剤ガス導出口２９と接続されている。燃料極オフガス排出マニホールド４４は、気水分離器５５を介して、燃料処理装置１０の燃焼部１１に設けられた燃料極オフガス導入口１８と接続されている。空気極オフガス排出マニホールド４５は空気極オフガス流路８１Ａと接続されており、空気極オフガス流路８１Ａは気水分離器５０と接続されている。また、空気極オフガス流路８１Ａには、燃焼部１１の燃焼排ガス排出口１９と接続された排ガス流路８４が合流している。冷却水供給マニホールド４３（図２（ｂ）参照）は熱交換器（不図示）と接続されており、冷却水導出マニホールド４６（図２（ｂ）参照）は熱交換器（不図示）と接続されている。冷却水供給マニホールド４３及び冷却水導出マニホールド４６は、これらを連通する通水溝４９（図２（ａ）参照）と不図示の熱交換器、及びこれらを接続する冷却水流路とで循環流路を形成している。
【００３１】
図３（ａ）に示すように、冷却水導出マニホールド４６から燃料電池３０の外部に向って流路が接続されており、これらが一体となって冷却水流路４６が形成されている。また、冷却水導出マニホールド４６は冷却水供給マニホールド４３よりも上方に設けられている。冷却水流路４６には空気抜き手段としてのエア抜き弁８９が設けられている。エア抜き弁８９は、冷却水ｃが流れる流路が傾斜した場合に上方となる位置に設けられている。この場合、冷却水ｃは、冷却水供給マニホールド４３を重力に逆らう方向に流れ、冷却水導出マニホールド４６を重力に従う方向に流れるように構成されている。エア抜き弁８９は冷却水ｃが流れる流路中に滞留する空気を排出しつつ冷却水ｃを流出させないように構成されている。
【００３２】
一方、図３（ｂ）に示す実施例では、冷却水流路４６に空気抜き手段が設けられていない。この場合、冷却水ｃは、冷却水供給マニホールド４３、冷却水導出マニホールド４６共に重力に逆らう方向に流れるように構成されている。この場合における冷却水ｃは、顕在化した空気が移動する方向と同方向に流れ、顕在化した空気を燃料電池３０外に排出するように構成されている。ただし、図示はしないが、冷却水流路４６に空気抜き手段８９を設けてもよい。この場合は、冷却水ｃが流れる流路が傾斜した場合に上方となる位置に空気抜き手段８９を設置することが好ましい。
【００３３】
再び図１に戻って燃料電池ユニット１の構成についての説明を続ける。気水分離器５０は、空気極オフガスｑ及び燃焼排ガスｅからこれらに含まれる凝縮水を分離する装置である。気水分離器５０は、ガス流入口５１と、ガス排出口５２と、回収水導出口５３とを有している。ガス流入口５１は空気極オフガス流路８１Ａと接続されている。空気極オフガス流路８１Ａは燃料電池３０の空気極オフガス排出マニホールド４５と接続されている。また、空気極オフガス流路８１Ａの途中には流路８４が合流しており、流路８４の他端は燃料処理装置１０の燃焼部１１に設けられた燃焼排ガス排出口１９と接続されている。空気極オフガス流路８１Ａは、空気極オフガス排出マニホールド４５から気水分離器５０に向って下り勾配を有しており、勾配は凝縮水が気水分離器５０に流入すればどのような角度であってもよい。ガス排出口５２は、燃料電池ユニット１の外部に導かれている。回収水導出口５３は回収水流路８６により加湿器２０と接続されている。なお、空気極オフガス流路８１Ａは、典型的には、空気極オフガス排出マニホールド４５から気水分離器５０まで常に下り勾配を有しているが、例えば図４に示すように、途中部分的にトラップ状の上り勾配があったとしても、均圧管８８等を設置して凝縮水が滞ることなく気水分離器５０に流入すれば、空気極オフガス流路８１Ａ全体として下り勾配を有していることとなる。
【００３４】
気水分離器５５は、燃料極オフガスｐからこれらに含まれる凝縮水を分離する装置である。気水分離器５５は、ガス流入口５６と、ガス導出口５７と、回収水導出口５８とを有している。ガス流入口５６は燃料極オフガス流路８１Ｂと接続されている。燃料極オフガス流路８１Ｂは燃料電池３０の燃料極オフガス排出マニホールド４４と接続されている。燃料極オフガス流路８１Ｂは、燃料極オフガス排出マニホールド４４から気水分離器５５に向って下り勾配を有しており、勾配は凝縮水が気水分離器５５に流入すればどのような角度であってもよい。ガス導出口５７は、燃料処理装置１０の燃焼部１１に設けられた燃料極オフガス導入口１８と接続されている。回収水導出口５８は、気水分離器５０に接続された回収水流路８６を介して加湿器２０と接続されている。
【００３５】
台盤６０は、燃料電池ユニット１を構成する燃料処理装置１０や加湿器２０、燃料電池３０、気水分離器５０等を積載するベースプレートである。本実施の形態では、台盤６０に脚ではなくスペーサ６１ａ、６１ｂが設けられている。スペーサ６１ａ、６１ｂはそれぞれ高さが異なっており、据え付けたときに燃料電池ユニット１全体の傾斜角θがおよそ４．５度となるように構成されている。なお、傾斜角θは、空気極オフガス排出マニホールド４５の底部を連ねる仮想線の水平方向に対する角度であり、凝縮水を流下させる観点から１度以上であることが好ましく、加湿器２０における加湿用の水の液流れに悪影響を及ぼさない観点から５度未満であることが好ましい。台盤６０の上部には、積載されている燃料電池３０等の機器を覆うようにケース６５が配置されている。
【００３６】
続いて図１を参照して、本実施の形態に係る燃料電池ユニット１の作用について説明する。
燃料電池ユニット１の起動時は、燃料処理装置１０の燃焼部１１に原料燃料ｍと燃焼空気ａ２を導入し、バーナーを点火して燃料処理装置１０を予熱する。燃焼後の排ガスｅは、流路８４を通って燃焼部１１から排出される。予熱が完了したら原料燃料ｍと改質用水ｓとを燃料処理装置１０に導入し、燃焼部１１から改質熱を得て水蒸気改質反応が行なわれる。燃料処理装置１０では、原料燃料ｍの水蒸気改質反応により、水素に富む燃料ガスｇが生成される。燃料処理装置１０で生成された燃料ガスｇは、燃料電池３０の燃料ガス供給マニホールド４１に送られる。
【００３７】
加湿器２０では、ブロワ９３が起動することにより、酸化剤ガス導入口２８から酸化剤ガスａ１が導入され、導入された酸化剤ガスａ１は酸化剤ガス導出口２９に向って流れる。酸化剤ガスａ１は、典型的には空気である。他方、貯水部２３に貯留されている水は、ポンプ９１により揚水され、水処理装置９８でアルカリ性になって水分散器２１から散布される。散布された水は充填部２２の多孔質材料を伝わって拡散した後に再び貯水部２３に流下する。流下する水が導入された酸化剤ガスａ１とカウンターフローにより接触することにより、酸化剤ガスａ１は加湿されると共に、酸化剤ガスａ１に含まれる硫黄酸化物等の酸性ガス汚染物質が除去される。加湿器２０で加湿された酸化剤ガスａ１は、燃料電池３０の酸化剤ガス供給マニホールド４２に送られる。
【００３８】
ここで、図２（ａ）、（ｂ）を適宜参照しながら燃料電池３０の作用について説明する。燃料ガス供給マニホールド４１に送られた燃料ガスｇは、各セルＣＬ１、ＣＬ２、・・・ＣＬ（ｎ）に分配される。各セルＣＬでは、燃料ガスｇが、燃料ガス入口４１Ａから燃料ガス流路４７を通って燃料ガス出口４４Ａに至るまでに燃料極３１全体に行き渡る。燃料ガスｇが燃料極３１全体に行き渡ると、燃料ガスｇ中の水素が燃料極３１の触媒の作用により水素イオンと電子とに分解される。分解された水素イオンは固体高分子膜３３を通過して空気極３２に移動する。分解された電子は不図示の外部電気回路を通って空気極３２に移動し、このとき発電される。燃料極３１に供給された燃料ガスｇはそのすべてが反応に利用されるわけではなく、反応に利用されなかった燃料ガスｇは燃料極オフガスｐとして燃料極オフガス排出マニホールド４４に排出される。
【００３９】
他方、酸化剤ガス供給マニホールド４２に送られた酸化剤ガスａ１は、各セルＣＬ１、ＣＬ２、・・・ＣＬ（ｎ）に分配される。各セルＣＬでは、酸化剤ガスａ１が、酸化剤ガス入口４２Ｂから不図示の酸化剤ガス流路を通って酸化剤ガス出口４５Ｂに至るまでに空気極３２全体に行き渡る。空気極３２全体に行き渡った酸化剤ガスａ１中の酸素は、固体高分子膜３３を通過してきた水素イオン及び外部電気回路を通ってきた電子と結合し、水分を生成する。空気極３２に供給された酸化剤ガスａ１はそのすべてが反応に利用されるわけではなく、反応に利用されなかった酸化剤ガスａ１は空気極オフガスｑとして、空気極３２で生成された水分と共に不図示の酸化剤ガス流路を通って、空気極オフガス排出マニホールド４５に排出される。
【００４０】
空気極オフガスｑに混じっている凝縮水が空気極オフガス排出マニホールド４５やセパレータ４０Ｂに形成された酸化剤ガス流路に滞留して燃料ガスｇや酸化剤ガスａ１の流通を妨げる、いわゆるフラッディングが発生すると、そのセルＣＬに酸化剤ガスａ１が供給されなくなる。そうすると、凝縮水の滞留があるセルＣＬで電気化学反応が行なわれなくなってそのセルでの発電がなくなり、燃料電池３０全体での発電電流が小さくなってしまう。したがって、フラッディングを防止するため、本発明では、電気化学的反応により生じた凝縮水を燃料電池３０内に滞留させないように、空気極オフガス排出マニホールド４５に約４．５度の傾斜角θを設けている。本実施の形態では、燃料電池３０が積載されている台盤６０の底部に高さの異なるスペーサ６１ａ、６１ｂを配設することにより空気極オフガス排出マニホールド４５に傾斜角θを設けることとしている。空気極オフガス排出マニホールド４５が傾斜角θを有することにより、発生した水分が空気極オフガス排出マニホールド４５に滞留することなく排出される。
【００４１】
また、凝縮水は、空気極３２側のみならず、場合によっては燃料極３１側でも発生することがある。燃料極３１に供給される燃料ガスｇは、約５５℃の温度で水蒸気飽和しており、電気化学的反応で燃料ガスｇ中の水素が消費されると水蒸気分圧が上昇し、飽和水蒸気が凝縮して凝縮水が発生する。また、燃料極３１側の圧力が空気極３２側の圧力よりも低くなったときは、空気極３２で発生した凝縮水が固体高分子膜３３を通って燃料極３１側に移動する場合もある。したがって、燃料極３１側におけるフラッディングを防止するため、燃料極オフガス排出マニホールド４４に約４．５度の傾斜角θを設けることが好ましい。本実施の形態では、燃料極オフガス排出マニホールド４４が空気極オフガス排出マニホールド４５と平行に設けられているため、空気極オフガス排出マニホールド４５に傾斜角θを設けるために配設された台盤６０の底部の高さの異なるスペーサ６１ａ、６１ｂにより、燃料極オフガス排出マニホールド４４も約４．５度の傾斜角θを有している。燃料極オフガス排出マニホールド４４が傾斜角θを有することにより、凝縮水が燃料極オフガス排出マニホールド４４に滞留することなく排出される。
【００４２】
既述の燃料ガスｇ中の水素と酸化剤ガスａ１中の酸素との電気化学的反応において、燃料電池３０は熱を発生する。発生した熱を除去するために、燃料電池３０には冷却水ｃが供給される。図３（ａ）に示すように、冷却水ｃは、傾斜角θを有している燃料電池３０に対して、冷却水流路である冷却水供給マニホールド４３内を重力に逆らう方向（図３（ａ）において左斜め上方）に流れ、各セルＣＬに分配される。各セルＣＬにおいて、冷却水ｃは、通水溝４９（図２（ａ）参照）を重力に逆らう方向に流れ、冷却水導出マニホールド４６に至る。各セルＣＬから冷却水導出マニホールド４６に集積した冷却水ｃは、重力に従う方向に流れて燃料電池３０から導出される。このように燃料電池３０内を冷却水ｃが流れる過程において空気が顕在化した場合に、水よりも密度が小さい空気は重力に逆らう方向へと移動する。そうすると、冷却水ｃ中の空気は、冷却水流路４６の中で上部にあるエア抜き弁８９に集まってくる。エア抜き弁８９に集まった空気は頂部から系外へと排出される。
【００４３】
又は、図３（ｂ）に示すように、冷却水供給マニホールド４３から通水溝４９（図２（ａ）参照）を経て冷却水導出マニホールド４６に至り燃料電池３０から導出されるまで、冷却水ｃが重力に逆らう方向に流れるようにしてもよい。このようにすると、顕在化した空気は、冷却水ｃと共に流れて燃料電池３０から排出されることとなる。なお、図示はしないが、図３（ｂ）に示す実施の形態において空気抜き手段８９を設けた場合は、冷却水ｃが燃料電池３０から導出された後に下がっても冷却水流路４６に空気が滞留することがない。
【００４４】
再び図１に戻って燃料電池ユニット１の作用について説明する。燃料極オフガス排出マニホールド４４から排出された燃料極オフガスｐは、凝縮水が発生した場合は気水分離器５５で凝縮水が分離された後、燃料処理装置１０の燃焼部１１に導入される。燃焼部１１に導入された燃料極オフガスｐは燃焼され、燃焼によって得られた熱は原料燃料ｍを改質する改質熱に利用される。燃焼後の燃焼排ガスｅは燃焼部１１から排出されて気水分離器５０に流入する。空気極オフガス排出マニホールド４５から排出された空気極オフガスｑは、空気極オフガス流路８１Ａを通り気水分離器５０に流入する。空気極オフガス流路８１Ａは気水分離器５０に向って下り勾配を有しているので、空気極オフガスｑに凝縮水が混じっていても途中に滞ることなく気水分離器５０に流入する。なお、燃焼排ガスｅと空気極オフガスｑとは、それぞれ気水分離器５０に流入する前に合流しており、混合排ガスｕとして気水分離器５０に流入する。
【００４５】
気水分離器５０に流入した混合排ガスｕは凝縮水が分離され、分離された凝縮水は回収水ｒ１として加湿器２０下部の貯水部２３に流入する。凝縮水が分離された混合排ガスｕは燃料電池ユニット１外に排出される。また、気水分離器５５で燃料極オフガスｐから分離された凝縮水は、回収水ｒ２として加湿器２０下部の貯水部２３に流入する。加湿器２０の貯水部２３に貯留された回収水ｒ１、ｒ２は、既述のように酸化剤ガスａ１の加湿に利用される以外に、燃料処理装置１０に供給される改質用水ｓとしても利用される。貯水部２３に貯留された水はポンプ９２により圧送され、純水装置９９にて純水に精製された後、改質用水ｓとして燃料処理装置１０に供給される。
【００４６】
以上の説明では、改質方式は水蒸気改質方式として説明したが、部分酸化改質方式やオートサーマル改質方式であってもよい。部分酸化改質方式やオートサーマル改質方式を採用した場合は燃焼部１１が不要になり、燃料処理装置１０をコンパクトにすることができる。
【００４７】
以上の説明では、燃料電池２０は固体高分子型燃料電池として説明したが、りん酸型燃料電池等の固体高分子型燃料電池以外の燃料電池であってもよい。
【００４８】
以上の説明では、空気抜き手段はエア抜き弁８９として説明したが、仕切弁等を設けて定期的に冷却水流路４６に滞留した空気を抜くように構成してもよい。
【００４９】
以上の説明では、台盤６０の下部にスペーサ６１ａ、６１ｂを設けて台盤６０を傾斜させることとしたが、ジャッキ等の高さを調節できるものを設けて台盤６０を傾斜させるようにしてもよい。この場合は、台盤６０の傾斜角度の変更が容易になるという利点がある。
【００５０】
以上の説明では、台盤６０を傾斜させることにより燃料電池３０の空気極オフガス排出マニホールド４５を傾斜させることとした。台盤６０を傾斜させるときは、燃料電池ユニット１を製作する際に、燃料電池ユニット１内への各機器の載置が容易となり規格化しやすくなる。ただし、燃料電池ユニット１に組み込む際に燃料電池３０本体のみを傾斜させて積載し台盤６０を傾斜させずに据え付け、空気極オフガス排出マニホールド４５を傾斜させるようにしてもよい。燃料電池３０本体のみを傾斜させたときは、台盤６０を据え付ける際に傾斜角度を気にする必要がなく、台盤６０の据え付けが容易になる。
【００５１】
以上の説明では、各マニホールドは互いに平行になるように燃料電池３０に形成されることとして説明したが、例えば、燃料極オフガス排出マニホールド４４及び空気極オフガス排出マニホールド４５をこれ以外のマニホールドに対して平行とはならないように形成してもよい。
【００５２】
以上のように本発明の実施の形態に係る燃料電池ユニット１によれば、据え付けたときに燃料極オフガス排出マニホールド４４及び空気極オフガス排出マニホールド４５が傾斜し、凝縮水が燃料極オフガス排出マニホールド４４及び空気極オフガス排出マニホールド４５に溜まりにくい構成となっているので、フラッディングの発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池ユニットの概略構成を説明する模式的断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る燃料電池本体の概略構成を説明する斜視図である。（ａ）は一つのセルの構成を説明する斜視図、（ｂ）は複数のセルを積層して構成した燃料電池本体を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る燃料電池本体の概略構成を説明する斜視図であり、部分的に破断して示している。
【図４】オフガス流路の変形例を抽出して示す断面図である。
【符号の説明】
【００５４】
１０  燃料処理装置
２０  加湿器
３０  燃料電池
３１  燃料極
３２  空気極
４３、４６  冷却水流路
４５  空気極オフガス排出マニホールド
５０  気水分離器
６０  台盤
８１Ａ  空気極オフガス流路
８９  空気抜き手段
ＣＬ  セル
ａ１  酸化剤ガス
ｃ    冷却水
ｇ    燃料ガス
ｍ    原料燃料
ｑ    空気極オフガス
θ    傾斜角度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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