(57)【要約】【課題】熱回収効率の低下を抑制すると共に高分子電解質膜の劣化を抑制可能な燃料電池を提供する。【解決手段】本実施形態によれば、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電し、内部に冷却用の第１水流路を有する燃料電池セルを積層した主スタックと、主スタックが排出した燃料ガスと、酸化剤ガスを用いて発電し、内部に冷却用の第２水流路を有する燃料電池セルを積層した従スタックと、を備える燃料電池であって、主スタック内に燃料ガスを導入する第１燃料ガス導入部と、第１水流路導入部との間の距離は、第１燃料ガス排出部と、第１水流路導入部との間の距離よりも短く、第２燃料ガス導入部と、第２水流路導入部との間の距離は、第２燃料ガス排出部と、第２水流路導入部との間の距離よりも長い。【選択図】図1
2019160701.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電し、内部に冷却用の第１水流路を有する燃料電池セルを積層した主スタックと、
前記主スタックが排出した燃料ガスと、酸化剤ガスを用いて発電し、内部に冷却用の第２水流路を有する燃料電池セルを積層した従スタックと、
を備える燃料電池であって、
前記主スタック内に前記燃料ガスを導入する第１燃料ガス導入部と、前記第１水流路に冷却水を導入する第１水流路導入部との間の距離は、前記主スタック内から前記燃料ガスを排出する第１燃料ガス排出部と、前記第１水流路導入部との間の距離よりも短く、
前記従スタック内に前記主スタックが排出した燃料ガスを導入する第２燃料ガス導入部と、前記第２水流路に冷却水を導入する第２水流路導入部との間の距離は、前記従スタック内から前記燃料ガスを排出する第２燃料ガス排出部と、前記第２水流路導入部との間の距離よりも長い、燃料電池。
【請求項２】
前記主スタックは、
前記燃料電池セルの積層方向に沿った第１側面に配置され、前記第１燃料ガス導入部を介して前記燃料ガスを供給する供給空間と前記燃料ガスを排出する排出空間とをデバイダーで分断した第１燃料極マニホールドと、
前記第１側面に隣接し、第１セル積層体の積層方向に沿った第２側面に配置され、前記第１水流路導入部を介して前記第１水流路に冷却水を供給する第１冷却水マニホールドと、
を有し、
前記従スタックは、
前記燃料電池セルの積層方向に沿った第１側面に配置され、前記第２燃料ガス導入部を介して前記燃料ガスを供給する供給空間と前記燃料ガスを排出する排出空間とをデバイダーで分断した第２燃料極マニホールドと、
前記第１側面に隣接し、第２セル積層体の積層方向に沿った第２側面に配置され、前記第２水流路導入部を介して前記第２水流路に冷却水を供給する第２冷却水マニホールドと、を有し、
前記主スタックでは、前記第１冷却水マニホールド側に前記供給空間を配置し、前記従スタックでは、前記第２冷却水マニホールド側に前記排出空間を配置した、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記主スタックは、
一方の主面に燃料極が配置され、前記主面と反対側の主面に酸化剤極が配置された固体高分子電解質膜と、前記燃料極に燃料ガスを供給する第１燃料極流路が形成された第１燃料極流路板と、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する第１酸化剤極流路が形成された第１酸化剤極流路板とを有し、前記第１燃料極流路板もしくは前記第１酸化剤極流路板の少なくとも一方の背面に冷却水が通過する前記第１水流路を形成した燃料電池セルを積層した積層体であり、
前記従スタックは、
一方の主面に燃料極が配置され、前記主面と反対側の主面に酸化剤極が配置された固体高分子電解質膜と、前記燃料極に燃料ガスを供給する第２燃料極流路が形成された第２燃料極流路板と、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する第２酸化剤極流路が形成された第２酸化剤極流路板とを有し、前記第２燃料極流路板もしくは前記第２酸化剤極流路板の少なくとも一方の背面に冷却水が通過する前記第２水流路を形成した燃料電池セルを積層した積層体である、請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記第１燃料極流路は、前記主スタックの前記第１側面から前記第１側面に対向する第３側面に前記燃料ガスを導入する第１流路と、前記第３側面から前記第１側面に前記燃料ガスを導入する第２流路とを有し、
前記第２燃料極流路は、前記従スタックの前記第１側面から前記第１側面に対向する第３側面に前記燃料ガスを導入する第１流路と、前記第３側面から前記第１側面に前記燃料ガスを導入する第２流路とを有し、
前記第１燃料極流路の前記第１流路は、前記主スタックの前記第２側面側に配置され、
前記第２燃料極流路の前記第１流路は、前記従スタックの前記第２側面に対向する第４側面側に配置される、請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記主スタックと前記従スタックは、一体的に挟持されたカスケード型燃料電池である、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記第１燃料ガス排出部における冷却水温度は前記第１燃料ガス導入部における冷却水温度よりも高く、前記従スタックの前記第２燃料ガス導入部における冷却水温度は前記従スタックの前記第２燃料ガス排出部における冷却水温度より高い、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記主スタックの前記第１燃料極流路板および前記第１酸化剤極流路板と、前記従スタックの前記第２燃料極流路板および前記第２酸化剤極流路板とは、多孔質体であり、前記第１水流路および前記第２水流路を流れる冷却水の圧力は大気圧よりも低い、請求項３に記載の燃料電池。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか一項に記載の燃料電池と、
前記燃料電池の前記第１燃料ガス導入部および前記第２燃料ガス導入部に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
前記燃料電池の前記第１水流路および前記第２水流路に冷却水を供給する冷却水供給装置と、
を備える、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、燃料電池、および燃料電池システムに関する。
【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電気エネルギーに変換する発電装置である。この燃料電池は、小型化が可能であり、電気エネルギーへの変更効率にも優れている。また、環境性に優れており、発電に伴う発熱を温水や蒸気として回収することにより、コージェネレーションシステムとしての適用も可能である。このため、工場や病院などの業務用、一般家庭用、自動車用など、幅広い用途への採用が期待されている。
【０００３】
燃料ガスとして純水素を供給する燃料電池は水素濃度が高いことから、複数のスタックを燃料ガス配管に対して直列に接続して、発電する多段式の運転方法が一般に知られている。まず、主スタックに燃料ガスが供給され、次に主スタックから排出された残留燃料ガスが従スタックに供給される。これにより、燃料電池全体で燃料ガスの利用率が高くなり、燃料ガスを効率よく発電に使用することが可能となる。
【０００４】
このような多段式の運転方法では、従スタックにも燃料ガスが行き届くように燃料ガス流量を調節する必要があり、主スタックに供給される燃料ガス流量が多くなる傾向にある。また、一般に燃料ガスは乾燥ガスであり、主スタックに供給される燃料ガス流量が多いと主スタックの燃料ガス入口部では乾燥雰囲気となる。ところが、燃料電池スタックを構成する高分子電解質膜は高分子電解質膜の劣化は、乾燥且つ高温であるほど劣化が加速してしまう。一方で、このような現象を防ぐため、温度が低い部位から燃料ガスを供給すると、温度が比較的高い部位から燃料ガスが排出されることになり、燃料電池の熱回収効率が低下してしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１９６０８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、熱回収効率の低下を抑制すると共に高分子電解質膜の劣化を抑制可能な燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本実施形態によれば、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電し、内部に冷却用の第１水流路を有する燃料電池セルを積層した主スタックと、前記主スタックが排出した燃料ガスと、酸化剤ガスを用いて発電し、内部に冷却用の第２水流路を有する燃料電池セルを積層した従スタックと、を備える燃料電池であって、前記主スタック内に前記燃料ガスを導入する第１燃料ガス導入部と、前記第１水流路に冷却水を導入する第１水流路導入部との間の距離は、前記主スタック内から前記燃料ガスを排出する第１燃料ガス排出部と、前記第１水流路導入部との間の距離よりも短く、前記従スタック内に前記主スタックが排出した燃料ガスを導入する第２燃料ガス導入部と、前記第２水流路に冷却水を導入する第２水流路導入部との間の距離は、前記従スタック内から前記燃料ガスを排出する第２燃料ガス排出部と、前記第２水流路導入部との間の距離よりも長い。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、熱回収効率の低下を抑制すると共に高分子電解質膜の劣化を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す図。
【図２】燃料電池セルの構成を示す分解斜視図。
【図３】燃料極流路板の構成を示す図。
【図４】酸化剤極流路板の構成を示す図。
【図５】主スタックにマニホールドを装着した状態を示す模式図。
【図６】従スタックにマニホールドを装着した状態を示す模式図。
【図７】カスケード型燃料電池を示す概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、本件明細書に添付する図面においては、図示と理解のしやすさの便宜上、適宜縮尺および縦横の寸法比等を、実物のそれらから変更し誇張してある。
【００１１】
（一実施形態）
【００１２】
図１は、本実施形態に係る燃料電池システム１の概略構成を示す図である。図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電するシステムであり、燃料電池５と、燃料ガス供給装置３０と、酸化剤ガス供給装置４０と、冷却水供給装置５０とを備えて構成されている。燃料電池５は、燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電し、主スタック１０と、従スタック２０とを有する。
【００１３】
図１には、更に第１燃料ガス導入部３２ａと、第１燃料ガス排出部３４ｂ、配管３６、第２燃料ガス導入部３８ａ、第２燃料ガス排出部３９ｂ、第１酸化剤ガス導入部４２ａ、第１酸化剤ガス対向排出部４２ｂ、第１酸化剤ガスの戻り経路部４３、第１酸化剤ガス対向導入部４４ａ、第１酸化剤ガス排出部４４ｂ、第２酸化剤ガス導入部４６ａ、第２酸化剤ガスの戻り経路４８、第２酸化剤ガス対向導入部４９ａ、第２酸化剤ガス排出部４９ｂ、第１水流路導入部５２、第１水流路排出部５４、第２水流路導入部５６、第２水流路排出部５８が図示されている。本実施形態に係る燃料電池システム１では、燃料ガスは、無加湿で常温のまま主スタック１０に供給される。また、酸化剤ガスは、無加湿で常温のまま主スタック１０および従スタック２０に供給される。
【００１４】
主スタック１０は、燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電し、内部に冷却用の第１水流路を有する燃料電池セル１０ａを積層した積層体である。本実施形態に係る燃料ガスは、例えば加湿されていない水素含有ガスであり、酸化剤ガスは大気である。燃料電池セル１０ａの詳細な構成は後述する。
【００１５】
従スタック２０は、主スタック１０が排出した燃料ガスと、酸化剤ガスを用いて発電し、内部に冷却用の第２水流路を有する燃料電池セル１０ａを積層した積層体である。主スタック１０および従スタック２０の詳細な構成は後述する。
【００１６】
燃料ガス供給装置３０は、燃料ガスを第１燃料ガス導入部３２ａから主スタック１０に供給する。すなわち、第１燃料ガス導入部３２ａは、主スタック１０内に燃料ガスを導入する。第１燃料ガス導入部３２ａから導入された燃料ガスは、主スタック１０の発電に用いられた後に、第１燃料ガス排出部３４ｂから排出される。
【００１７】
配管３６は、第１燃料ガス排出部３４ｂと第２燃料ガス導入部３８ａとを連通する配管である。第１燃料ガス排出部３４ｂから排出された燃料ガスは、配管３６を介して第２燃料ガス導入部３８ａに供給される。
【００１８】
第２燃料ガス導入部３８ａは、配管３６を介して供給された燃料ガスを従スタック２０内に導入する。すなわち、第２燃料ガス導入部３８ａは、従スタック２０内に主スタック１０が排出した燃料ガスを導入する。燃料ガス導入部３８ａから導入された燃料ガスは、従スタック２０の発電に用いられた後に、第２燃料ガス排出部３９ｂから排出される。従スタック２０から排出された燃料ガスは触媒燃焼器で燃焼される。或いは、バーナーにより燃料したり、リサイクル器により回収したりしてもよい。
【００１９】
酸化剤ガス供給装置４０は、酸化剤ガスとして、例えば大気を第１酸化剤ガス導入部４２ａから主スタック１０に供給する。第１酸化剤ガス導入部４２ａから導入された酸化剤ガスは、主スタック１０内の経路および第１酸化剤ガス対向排出部４２ｂ、第１酸化剤ガスの戻り経路部４３、第１酸化剤ガス対向導入部４４ａを介し、再び主スタック１０内の経路を介して、第１酸化剤ガス排出部４４ｂから排出される。  
【００２０】
同様に、酸化剤ガス供給装置４０は、酸化剤ガスを第２酸化剤ガス導入部４６ａから従スタック２０に供給する。第３酸化剤ガス導入部３９ａから導入された酸化剤ガスは、従スタック２０内の経路および第２酸化剤ガス対向排出部４６ｂ、第２酸化剤ガスの戻り経路部４８、第２酸化剤ガス対向導入部４９ａを介し、再びスタック２０内の経路を介して、第２酸化剤ガス排出部４４ｂから排出される。  
【００２１】
冷却水供給装置５０は、冷却水を第１水流路導入部５２から主スタック１０に供給する。第１水流路導入部５２から導入された冷却水は、燃料電池セル１０ａ内の第１水流路を介して主スタック１０を冷却し、第１水流路排出部５４から排出される。
【００２２】
同様に、冷却水供給装置５０は、冷却水を第２水流路導入部５６から従スタック２０に供給する。第２水流路導入部５６から導入された冷却水は、燃料電池セル１０ａ内の第２水流路を介して従スタック２０を冷却し、第２水流路排出部５８から排出される。
【００２３】
図２乃至図４に基づき、本実施形態に係る燃料電池セル１０ａの詳細な構成について説明する。図２は、本実施形態に係る燃料電池セル１０ａの構成を示す分解斜視図である。図２に示すように、燃料電池セル１０ａは、電解質膜１２と、燃料極流路板１４と、酸化剤極流路板１６と、を備えて構成されている。この電解質膜１２は、一方の主面１２ａに燃料極が形成され、他方の主面１２ｂに酸化剤極が形成されている。電解質膜１２は、例えば固体高分子電解質膜である。すなわち、本実施形態に係る電解質膜１２は、一方の主面に燃料極が配置され、主面と反対側の主面に酸化剤極が配置された固体高分子電解質膜である。
【００２４】
図３は、燃料極流路板１４の構成を示す図であり、図３（ａ）は、燃料極流路板１４の主面１４ａ側の形状を示す図であり、図３（ｂ）は、燃料極流路板１４の主面１４ｂ側の形状を示す図である。この図３（ａ）に示すように、燃料極流路板１４の主面１４ａは、電解質膜１２の燃料極と反対側であり、平坦な面を形成している。
【００２５】
図３（ｂ）に示すように、燃料極流路板１４は、電解質膜１２の燃料極側の主面１４ｂに、燃料極に沿った燃料極流路１４０を形成している。燃料極流路１４０は、第１流路１４０ａと第２流路１４０ｂとを有する。
【００２６】
また、燃料極流路１４０には、上述したように、主スタック１０では、第１燃料ガス導入部３２ａと、第１燃料ガス対向排出部３２ｂと、第１燃料ガス対向導入部３４ａ、第１燃料ガス排出部３４ｂが設けられている。これにより、主スタック１０では、第１燃料ガス導入部３２ａから導入され燃料極ガスは、第１流路１４０ａに沿って流れ第１燃料ガス対向排出部３２ｂから排出される。また、第１燃料ガス対向導入部３４ａから導入された燃料極ガスは、第２流路１４０ｂに沿って流れ第１燃料ガス排出部３４ｂから排出される。
【００２７】
図４は、酸化剤極流路板１６の構成を示す図であり、図４（ａ）は、酸化剤極流路板１６の主面１６ａの形状を示す図であり、図４（ｂ）は、酸化剤極流路板１６の主面１６ａの反対側の主面１６ｂの形状を示す図である。この図４（ａ）に示すように、酸化剤極流路板１６は、電解質膜１２の酸化剤極側の主面１６ａに、酸化剤極に沿った酸化剤ガス流路溝１６０ａを形成している。また、上述したように、主スタック１０では、燃料極ガス流路溝１６０ａには、第１酸化剤ガス導入部４２ａ、第１酸化剤ガス対向排出部４２ｂ、第１酸化剤ガス対向導入部４４ａ、および第１酸化剤ガス排出部４４ｂが設けられている。
【００２８】
これにより、主スタック１０では、第１酸化剤ガス導入部４２ａから導入され酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路溝１６０ｂに沿って流れ第１酸化剤ガス対向排出部４２ｂから排出される。また、第１酸化剤ガス対向導入部４４ａから導入され酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路溝１６０ｂに沿って流れ第１酸化剤ガス排出部４４ｂから排出される。
【００２９】
図４（ｂ）に示すように、主スタック１０では、酸化剤極側と反対側の主面１６ｂに、第１水流路１６０ｂを形成している。同様に、従スタック２０では、酸化剤極側と反対側の主面１６ｂに、第２水流路１６０ｂを形成している。
【００３０】
主スタック１０の第１水流路１６０ｂには、上述したように、第１水流路導入部５２、および第１水流路排出部５４が設けられている。これにより、主スタック１０では、第１水流路導入部５２から導入され冷却水は、第１水流路１６０ｂに沿って流れ第１水流路排出部５４から排出される。酸化剤極流路板１６は、例えば微細孔を有する導電性多孔質板で構成されている。また、第１水流路１６０ｂは、冷却水をその表面から蒸発し、燃料電池セルを加湿する。さらにまた、第１水流路１６０ｂを流れる冷却水、すなわち、第１冷却水流路および第２冷却水流路を流れる冷却水の圧力は大気圧よりも低く構成されている。それによって燃料ガス流路や酸化剤ガス流路に凝集した水滴は導電性多孔質板を介して冷却水流路に移動するため、燃料ガス流路や酸化剤ガス流路における水滴によるガス拡散阻害を防止することができる。
【００３１】
これら複数の燃料電池セル１０ａは、化学式１で示す反応により発電する。より詳細には、燃料極ガスは例えば水素含有ガスである。燃料極ガスは、燃料極流路板１４の燃料極ガス流路溝１４０ｂに沿って流れ、燃料極反応をおこす。酸化剤ガスは例えば酸素含有ガスである。酸化剤ガスは、酸化剤極流路板１６の酸化剤ガス流路溝１６０ａを沿って流れ、酸化剤極反応をおこす。主スタック１０は、これらの電気化学反応を利用して、集電板に設けられた電極から電気エネルギーを取り出す。
【００３２】
（化学式１）
燃料極反応：Ｈ２  →  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ
酸化剤極反応：１／２Ｏ２  ＋  ２Ｈ＋  ＋２ｅ−  →  Ｈ２Ｏ
【００３３】
図５は、主スタック１０の燃料電池セル１０ａの積層方向に沿った側面にマニホールドを装着した状態を示す模式図である。図５に示すように、主スタック１０には、第１燃料極マニホールド６０と、第１燃料極対向マニホールド６２と、冷却水マニホールド６４と、冷却水対向マニホールド６６とが装着されている。図中の白抜きの矢印は、燃料ガスの燃料電池セル１０ａ内の流れを示している。図中の模様つきの矢印は、酸化剤ガスの燃料電池セル１０ａ内の流れを示している。
【００３４】
第１燃料極マニホールド６０は、主スタック１０の積層方向に沿った第１側面に配置されている。第１燃料極マニホールド６０は、燃料ガス供給装置３０から供給された燃料ガスを第１燃料ガス導入部３２ａにより燃料電池セル１０ａ内に供給する供給空間と、第１燃料ガス排出部３４ｂから排出された燃料ガスを更に排出するための排出空間とをデバイダー６１で分断したマニホールドである。
【００３５】
第１燃料極対向マニホールド６２は、第１側面に対応する第３側面に配置され、第１燃料ガス対向排出部３２ｂから排出された燃料ガスを第１燃料ガス対向導入部３４ａから燃料電池セル１０ａ内の経路に供給するマニホールドである。
【００３６】
冷却水マニホールド６４は、第１冷却水マニホールド６４ａと、第１酸化剤極マニホールド６４ｂと、を有している。冷却水マニホールド６４は、第１側面に隣接し、主スタック１０の積層方向に沿った第２側面に配置されている。第１冷却水マニホールド６４ａは、第１水流路導入部５２を介して燃料電池セル１０ａ内の第１水流路に冷却水を供給するマニホールドである。
【００３７】
第１酸化剤極マニホールド６４ｂは、酸化剤ガス供給装置４０から供給された酸素含有ガスを第１酸化剤ガス導入部４２ａにより燃料電池セル１０ａ内に供給する供給空間と、第１酸化剤ガス対向排出部４２ｂから排出された燃料ガスを更に排出するための排出空間とをデバイダー６５で分断したマニホールドである。
【００３８】
冷却水対向マニホールド６６は、第１冷却水対向マニホールド６６ａと、第１酸化剤極対向マニホールド６６ｂと、を有している。冷却水対向マニホールド６６は、第２側面に対向し、主スタック１０の積層方向に沿った第４側面に配置されている。  
【００３９】
第１冷却水対向マニホールド６６ａは、第１水流路排出部５４から排出された冷水を更に排出するための排出空間を有するマニホールドである。第１酸化剤極対向マニホールド６６ｂは、第１酸化剤ガス対向排出部４２ｂから排出された酸素含有ガスを第１酸化剤ガス対向導入部４４ａから燃料電池セル１０ａ内の経路に供給するマニホールドである。
【００４０】
これらから分かるように、第１水流路導入部５２から導入された冷却水は、燃料電池セル１０ａを冷却するので、第１水流路排出部５４に近づくにしたがい水温が上昇する。このため、第１燃料ガス排出部３４ｂにおける冷却水温度Ｔ１２は第１燃料ガス導入部３２ａにおける冷却水温度Ｔ１１よりも高くなる。また、主スタック１０における第１冷却水マニホールド６４ａの供給空間と第１燃料極マニホールド６０の供給空間とは、隣接している。これにより、主スタック１０で最も低い温度の領域に燃料ガスを供給することが可能となる。このように、加湿されていない燃料ガスが燃料電池セル１０ａ内に供給される際には、燃料電池セル１０ａ内の最も低い温度の領域に供給されるので、第１燃料ガス導入部３２ａに近接する燃料電池セル１０ａ内の高分子電解質膜の劣化が抑制される。
【００４１】
一方で、第１燃料ガス排出部３４ｂから排出される際の燃料ガスの温度は、第１燃料ガス導入部３２ａから供給される際の燃料ガスの温度よりも高くなるが、排出される際の燃料ガスは、第１水路内を流れる冷却水から浸潤した水分により加湿されており、燃料電池セル１０ａ内の高分子電解質膜の劣化が抑制される。また、主スタックから排出される燃料ガスは、より高温の状態で従スタック２０に供給されるので、従スタック２０の温度は向上し、発電効率および熱利用効率をより向上させることが可能となる。
【００４２】
このように、主スタック１０内に燃料ガスを導入する１燃料ガス導入部３２ａと、燃料電池セル１０ａ内の第１水流路に冷却水を導入する第１水流路導入部５２との間の距離を、主スタック１０内から燃料ガスを排出する第１燃料ガス排出部３４ｂと、第１水流路導入部５２との間の距離よりも短くすることで、燃料ガスの導入時に主スタック１０内の低温領域に燃料ガスを導入でき、燃料ガスの排出時に主スタック１０内の低温領域も高温の領域から燃料ガスを排出できる。これにより、第１燃料ガス導入部３２ａに近接する燃料電池セル１０ａ内の高分子電解質膜の劣化を抑制する。
【００４３】
図６は、従スタック２０の燃料電池セル１０ａの積層方向に沿った側面にマニホールドを装着した状態を示す模式図である。図６に示すように、従スタック２０には、第２燃料極マニホールド６００と、第２燃料極対向マニホールド６２０と、第２の冷却水マニホールド６４０と、第２の冷却水対向マニホールド６６０とが装着されている。従スタック２０は、主スタック１０と同等の構成であり、第２燃料極マニホールド６００は、第１燃料極マニホールド６０と同等の構成であり、第２燃料極対向マニホールド６２０は、第１燃料極対向マニホールド６２と同等の構成であり、第２の冷却水マニホールド６４０は、冷却水マニホールド６４と同等の構成であり、第２冷却水対向マニホールド６６０は、第１冷却水対向マニホールド６６と同等の構成である。以下では、主スタック１０と異なる点に関して説明する。
【００４４】
図６に示すように、主スタック１０が排出した燃料ガスを従スタック２０内に導入する第２燃料ガス導入部３８aの位置と、第２水流路に冷却水を導入する第２水流路導入部５６との間の距離が、従スタック２０内から燃料ガスを排出する第２燃料ガス排出部３９ｂと、第２水流路導入部５６との間の距離よりも長くなっている。すなわち、第２の冷却水マニホールド６４０の第２冷却水マニホールド６４０ａは、第２燃料極マニホールド６００の排出空間と隣接している。
【００４５】
再び図３（ｂ）を参照すると、主スタック１０では、第１側面から第１側面に対向する第３側面に燃料ガスを導入する流路１４０ａは、第２側面側に配置される。これに対し、従スタック２０では、第１側面から第１側面に対向する第３側面に燃料ガスを導入する流路１４０ｂは、第４側面側に配置される。また、主スタック１０では、第３側面から第３側面に対向する第１側面に燃料ガスを導入する流路１４０ｂは、第４側面側に配置される。これに対し、従スタック２０では、第３側面から第３側面に対向する第１側面に燃料ガスを導入する流路１４０ａは、第２側面側に配置される。さらにまた、第２燃料ガス排出部３９ｂにおける冷却水温度Ｔ２１は、第２燃料ガス導入部３８ａにおける冷却水温度Ｔ２２よりも低くなる。
【００４６】
これらから分かるように、従スタック２０では、低温側から燃料ガスが排出されるので、第２燃料ガス排出部３９ｂから排出される燃料ガスの吸熱効率が、高温側から排出される場合よりも向上する。一方で、主スタック１０が排出した燃料ガスは、加湿されているので、高温状態で燃料電池セル１０ａに導入されても料電池セル１０ａ内の高分子電解質膜の乾燥を防ぐことができ、劣化促進は抑制される。
【００４７】
以上のように、本実施形態によれば、主スタック１０内に燃料ガスを導入する第１燃料ガス導入部３２ａと、燃料電池セル１０ａ内の第１水流路に冷却水を導入する第１水流路導入部５２との間の距離を、主スタック１０内から燃料ガスを排出する第１燃料ガス排出部３４ｂと、第１水流路導入部５２との間の距離よりも短く構成した。これにより、燃料電池セル１０ａ内の低温側から加湿していない燃料ガスを導入することが可能となり、高分子電解質膜の乾燥を防ぎ、また温度が低いため、燃料電池セル１０ａ内の高分子電解質膜の劣化を抑制できる。
【００４８】
また、従スタック２０内に主スタック１０が排出した燃料ガスを導入する第２燃料ガス導入部３８ａと、第２水流路に冷却水を導入する第２水流路導入部５６との間の距離は、従スタック内から燃料ガスを排出する第２燃料ガス排出部３９ｂと、第２水流路導入部５６との間の距離よりも長く構成した。これにより、従スタック２０内の燃料電池セル１０ａ内の低温側から燃料ガスを排出することが可能となり、燃料ガスの吸熱効率がより向上する。
【００４９】
（一実施形態の変形例）
図７は、主スタック１０と従スタック２０とを一体的に挟持したカスケード型燃料電池を示す概略図である。図７に示すように、主スタック１０への冷却水の供給は、第１冷却水導入部７０から導入され、第１冷却水排出部７２から排出される。同様に、従スタック２０への冷却水の供給は、第２冷却水導入部７４から導入され、第２冷却水排出部７６から排出される。
【００５０】
主スタック１０への燃料ガスの供給は、第１燃料ガス導入部７８から導入され、経路８０を経由して、第１燃料ガス排出部８２から排出される。従スタック２０への燃料ガスの供給は、第２燃料ガス導入部８４から導入され、第２燃料ガス排出部８６から排出される。これらから分かるように、主スタック１０の低温側から加湿していない燃料ガスを導入することが可能となり、燃料電池セル１０ａ内の高分子電解質膜の劣化を抑制できる。また、従スタック２０内の低温側から燃料ガスを排出することが可能となり、燃料ガスの吸熱効率がより向上する。
【００５１】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施することが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５２】
１：燃料電池システム、５：燃料電池、１０：主スタック、１２：電解質膜、１４：燃料極流路板、１６：酸化剤極流路板、２０：従スタック、３２ａ：第１燃料ガス導入部、３４ｂ：第１燃料ガス排出部、３９ｂ：第２燃料ガス排出部、５２第１水流路導入部、５３：第１水流、５４第１水流路排出部、５６第２水流路導入部、５７：第２水流路、５８：第２水流路排出部、６０：第１燃料極マニホールド、６１：デバイダー、６４ａ：第１冷却水マニホールド、６００：第２燃料極マニホールド、６４０ａ：第２冷却水マニホールド
【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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