(57)【要約】【課題】燃料排出管路を燃料電池装置の上端と下端との中間において燃料ガス排出側マニホールドに接続するようにして、燃料電池装置を車両に搭載する場合における燃料排出管路の取り回しの自由度が高く、搭載性の高い燃料電池装置を提供することができるようにする。【解決手段】電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料流路が形成され、酸素極に沿って酸化剤流路が形成されたセパレータを介して複数積層されており、積層方向の燃料ガスの出口側に側端保持部が設けられた燃料電池装置であって、前記側端保持部は、最下流の燃料ガス流路に接続されたマニホールドと、該マニホールド内に溜まった水の水面より上方に接続された燃料排出管路と、前記マニホールドの下端に一端が接続されたバイパス管路とを備える。【選択図】図１
2008234892.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料流路が形成され、酸素極に沿って酸化剤流路が形成されたセパレータを介して複数積層されており、積層方向の燃料ガスの出口側に側端保持部が設けられた燃料電池装置であって、
前記側端保持部は、最下流の燃料ガス流路に接続されたマニホールドと、該マニホールド内に溜まった水の水面より上方に接続された燃料排出管路と、前記マニホールドの下端に一端が接続されたバイパス管路とを備えることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記バイパス管路は、前記燃料排出管路より流路径が小径であり、他端が前記燃料排出管路の途中に接続されている請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記燃料排出管路は、前記バイパス管路が接続される部分に形成された絞り部を備える請求項２に記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池は発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用、家庭用の発電装置として、又は、人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきたが、近年は、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として開発が進んでいる。そして、前記燃料電池は、アルカリ水溶液形（ＡＦＣ）、リン酸形（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩形（ＭＣＦＣ）、固体酸化物形（ＳＯＦＣ）、直接形メタノール（ＤＭＦＣ）等のものであってもよいが、固体高分子形燃料電池（ＰＥＭＦＣ）が一般的である。
【０００３】
この場合、固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。そして、該ガス拡散電極の一方を燃料極（アノード極）とし、その表面に燃料としての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン（プロトン）と電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極（カソード極）とし、その表面に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。
【０００４】
そして、固体高分子形燃料電池においては、電気化学反応によって生成された水分が、燃料極側から酸素極側に向けてプロトン同伴水として移動するとともに、酸素極側から燃料極側に向けて逆拡散水として移動する。これにより、固体高分子電解質膜の両側は、湿潤な状態に維持される。しかし、水分の量が多くなると、燃料極側において局所的に水素ガス流路が水分によって塞（ふさ）がれてしまい、燃料電池の性能が低下したり、燃料極が劣化したりしてしまうことが知られている。
【０００５】
そこで、水素ガス流路の出口に燃料排出管を接続するための燃料排出マニホールドの下面に排水流路を接続して、水分が水素ガス流路から燃料排出マニホールドに流出しやすくして、水分の滞留を防止して電流密度を均一化する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００４−３２７０５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記従来の燃料電池装置においては、燃料排出管を燃料電池装置の下端に接続する必要があるので、燃料電池装置を車両に搭載する場合、車両の備える他の機器との位置関係によっては、燃料排出管の取り回し方法等が制限され、搭載性が低下してしまう。
【０００７】
本発明は、前記従来の燃料電池装置の問題点を解決して、燃料排出管路を燃料電池装置の上端と下端との中間において燃料ガス排出側マニホールドに接続するようにして、燃料電池装置を車両に搭載する場合における燃料排出管路の取り回しの自由度が高く、搭載性の高い燃料電池装置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】
【０００８】
そのために、本発明の燃料電池装置においては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料流路が形成され、酸素極に沿って酸化剤流路が形成されたセパレータを介して複数積層されており、積層方向の燃料ガスの出口側に側端保持部が設けられた燃料電池装置であって、前記側端保持部は、最下流の燃料ガス流路に接続されたマニホールドと、該マニホールド内に溜まった水の水面より上方に接続された燃料排出管路と、前記マニホールドの下端に一端が接続されたバイパス管路とを備える。
【０００９】
本発明の他の燃料電池装置においては、さらに、前記バイパス管路は、前記燃料排出管路より流路径が小径であり、他端が前記燃料排出管路の途中に接続されている。
【００１０】
本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記燃料排出管路は、前記バイパス管路が接続される部分に形成された絞り部を備える。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１の構成によれば、燃料電池装置を車両に搭載する場合における燃料排出管路の取り回しの自由度が高く、車両への搭載性を高くすることができる。また、燃料ガス排出側マニホールドにおける燃料ガスの流れがスムーズに整流されるので、燃料流路内で燃料ガスの流量の偏在が発生せず、発電効率が向上する。
【００１２】
請求項２の構成によれば、燃料ガスの燃料排出管路への流れを妨げることなく、水分をバイパス管路からスムーズに排出することができるので、燃料流路内に滞留した水分を適切に排出することができ、燃料電池の性能の低下や、燃料極の劣化を防止することができる。
【００１３】
請求項３の構成によれば、エゼクタの機能によって、バイパス管路内の水分が効果的に燃料排出管路に流入し、確実に排出される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１５】
図２は本発明の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す平面図、図３は本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。
【００１６】
図において、２０は複数の燃料電池セル（ＦＣ）から構成される燃料電池装置としての燃料電池スタックであり、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として使用される。ここで、車両は、照明装置、ラジオ、パワーウィンドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えており、また、走行パターンが多様であり、動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、動力源として燃料電池スタック２０と、バッテリ、リチウムイオン電池などの二次電池、キャパシタ等から成る蓄電手段とを併用して使用することが望ましい。
【００１７】
そして、燃料電池セルは、アルカリ水溶液形、リン酸形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形、直接形メタノール等のものであってもよいが、固体高分子形燃料電池であることが望ましい。
【００１８】
なお、更に望ましくは、水素ガスを燃料とし、酸素又は空気を酸化剤とするＰＥＭＦＣ（Ｐｒｏｔｏｎ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）形燃料電池、又は、ＰＥＭ（Ｐｒｏｔｏｎ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ）形燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該ＰＥＭ形燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを透過する固体高分子電解質膜の両側に触媒、電極及びセパレータを結合したセル（Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）を複数及び直列に結合したスタック（Ｓｔａｃｋ）から成る。
【００１９】
この場合、固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。そして、該ガス拡散電極の一方を燃料極とし、該燃料極表面に接する燃料流路を介し前記燃料極に燃料ガスとしての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン（プロトン）と電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極とし、該酸素極表面に接する酸化剤流路としての空気流路を介し前記酸素極に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素、前記水素イオン及び電子が結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。
【００２０】
例えば、本実施の形態においては、一例として、ＰＥＭ形燃料電池であり、例えば、１００枚のセルを直列に接続したスタックを使用する。なお、改質装置によってメタノール、ガソリン等を改質して取り出した燃料である水素ガスを燃料電池セルに直接供給することもできるが、車両の高負荷運転時にも安定して十分な量の水素を供給することができるようにするためには、燃料貯蔵手段７３に貯蔵した水素ガスを供給することが望ましい。
【００２１】
ここで、前記燃料貯蔵手段７３は、水素吸蔵合金を格納した容器であることが望ましいが、デカリンのような水素吸蔵液体を格納した容器、水素ガスボンベのように水素ガスを格納した容器等であってもよい。これにより、水素ガスがほぼ一定の圧力で常に十分に供給されるので、前記燃料電池セルは車両の負荷の変動に遅れることなく追随して、必要な電流を供給することができる。
【００２２】
本実施の形態において、燃料電池スタック２０は、図２に示されるように、複数のセルモジュール２１を有する。なお、図２における矢印は、燃料ガスとしての水素ガスの流れを示している。セルモジュール２１は、燃料電池としての単位セル（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、該単位セル同士を電気的に接続するとともに、単位セルに導入される水素ガスが流通する燃料流路と酸化剤としての空気が流通する空気流路とを分離するセパレータと、単位セル及びセパレータを１セットとして、板厚方向に複数のセットを重ねて構成されている。セルモジュール２１は、単位セル同士が所定の間隙（げき）を隔てて配置されるように、単位セルとセパレータとが、多段に重ねられて積層されている。
【００２３】
単位セルは、電解質層としての固体高分子電解質膜側に設けられた酸素極としての空気極及び他側に設けられた燃料極から構成されている。前記空気極及び燃料極は、反応ガスを拡散しながら透過する導電性材料から成る電極拡散層と、該電極拡散層上に形成され、固体高分子電解質膜と接触させて支持される触媒層とから成る。また、単位セルの空気極側の電極拡散層に接触して集電する集電体としての空気極側コレクタと、単位セルの燃料極側の電極拡散層に接触して集電する集電体としての燃料極側コレクタとを有する。
【００２４】
前記単位セルにおいては、水が移動する。この場合、燃料極表面に接する燃料流路内に燃料ガス、すなわち、アノードガスとしての水素ガスを供給すると、水素が水素イオンと電子とに分解され、水素イオンがプロトン同伴水を伴って、固体高分子電解質膜を透過する。また、前記空気極をカソード極とし、空気流路内に酸化剤、すなわち、カソードガスとしての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。なお、水分が逆拡散水として固体高分子電解質膜を透過し、燃料極表面に接する燃料流路内に移動する。ここで、逆拡散水とは、空気流路において生成される水が固体高分子電解質膜内に拡散し、該固体高分子電解質膜内を前記水素イオンと逆方向に透過して燃料極にまで浸透したものである。
【００２５】
図２に示される燃料電池スタック２０においては、複数のセルモジュール２１が図における横方向に重ねられて積層され、左右両端から側端保持部４０によって挟まれている。また、図２に示される例においては、単位セル及びセパレータのセットを１０個積層して１つのセルモジュール２１を形成し、該セルモジュール２１を１０個積層して１つの燃料電池スタック２０を形成している。なお、単位セルの両側には必ずセパレータが配設されるようになっているので、１つのセルモジュール２１におけるセパレータの数は１１枚である。
【００２６】
この場合、燃料電池スタック２０は、全体として扁（へん）平な直方体状の形状を有し、内部における空気の流れは、図２における図面に垂直な方向としての重力方向であり、上から下に直線状になっている。また、水素ガスの流れは、図２において矢印で示されるように、重力方向とほぼ直交する水平面内において、セルモジュール２１毎に折り返すサーペンタイン状に、すなわち、蛇行状になっている。そして、一方の側端保持部４０に水素ガスを供給する第２燃料供給管路３３が接続され、他方の側端保持部４０に水素ガスを排出する第１燃料排出管路３１が接続されている。
【００２７】
なお、各セルモジュール２１は、その両端においてセルモジュール２１を厚さ方向に貫通するように形成された燃料ガス流路としての燃料用貫通孔３５を備える。そして、前記第２燃料供給管路３３は、水素ガスの流れに関して最上流側に位置するセルモジュール２１の燃料用貫通孔３５に接続され、前記第１燃料排出管路３１は、水素ガスの流れに関して最下流側に位置するセルモジュール２１の燃料用貫通孔３５に接続されている。なお、第１燃料排出管路３１は、側端保持部４０内に形成された燃料ガス流路としての側端貫通孔３７及び燃料ガス排出側マニホールド４４を介して、最下流側に位置するセルモジュール２１の燃料用貫通孔３５に接続されている。
【００２８】
本実施の形態において、燃料電池システムは、図３に示されるように、燃料電池スタック２０に水素ガスを供給するためのシステムを有する。水素ガスは、燃料貯蔵手段７３から、燃料供給管路としての第１燃料供給管路３２、及び、該第１燃料供給管路３２に接続された燃料供給管路としての第２燃料供給管路３３を通って、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路の入口に供給される。そして、前記第１燃料供給管路３２には、水素供給電磁弁としての燃料供給電磁弁２６が配設される。また、前記第２燃料供給管路３３には、前記燃料流路内の圧力を検出する圧力検出手段としての圧力センサ７８が配設される。なお、前記燃料貯蔵手段７３は、十分に大きな容量を有し、常に、十分に高い圧力の水素ガスを供給することができる能力を有するものである。なお、前記燃料貯蔵手段７３は、単数であってもよいし、また、複数であってもよいし、複数の場合にはいくつであってもよい。
【００２９】
そして、燃料電池スタック２０の燃料流路の出口から未反応成分として排出される水素ガスは、燃料排出管路としての第１燃料排出管路３１を通って燃料電池スタック２０の外部に排出される。前記第１燃料排出管路３１には、回収容器としての水回収ドレインタンク６０が配設されている。そして、該水回収ドレインタンク６０には水と分離された水素ガスとを排出する燃料排出管路としての第２燃料排出管路３０が接続され、該第２燃料排出管路３０には水素循環ポンプとしての吸引循環ポンプ３６が配設されている。また、前記第２燃料排出管路３０には水素循環切り替え電磁弁としての水素循環電磁弁３４が配設されている。また、前記第２燃料排出管路３０における水回収ドレインタンク６０と反対側の端部は、第２燃料供給管路３３に接続されている。これにより、燃料電池スタック２０の外部に導出された水素ガスを回収し、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路に供給して再利用することができる。
【００３０】
なお、前記水回収ドレインタンク６０は、燃料電池システムの運転を停止する際に燃料ガス流路から排出された水素ガスを収容するための吸引タンクとしても機能する。そのため、前記水回収ドレインタンク６０の容量は、置換ガスとしての空気を燃料ガス流路内へ導入して燃料ガスとしての水素ガスのパージを行うと、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路内に残留していた水素ガスが急速に水回収ドレインタンク６０内に追いやられ、前記燃料ガス流路内に残留しない状態となるのに十分な大きさとなるように設定されている。すなわち、燃料電池スタック２０に空気が導入される時点において、前記燃料電池スタック２０の燃料ガス流路内が真空になっていなくても、該燃料ガス流路内において残留している水素ガスが急速に水回収ドレインタンク６０内に移動し、燃料電池スタック２０内において導入された空気中の酸素と混合状態になることがないようにするために、水回収ドレインタンク６０は十分に大きな容量を有するものである。
【００３１】
また、前記第２燃料排出管路３０における吸引循環ポンプ３６と水素循環電磁弁３４との間には、燃料排出管路としての第３燃料排出管路５６が接続され、該第３燃料排出管路５６には水素排気電磁弁としての水素起動停止電磁弁５６ａが配設されている。これにより、燃料電池スタック２０の運転終了時に水素ガスを排出することができる。
【００３２】
さらに、前記第２燃料供給管路３３には、パージ手段としての外気導入管路２８が接続されている。そして、該外気導入管路２８には、空気導入用電磁弁としての外気導入用電磁弁２８ａ及びエアフィルタ２８ｂが配設され、燃料電池スタック２０の運転終了時に置換ガスとしての外気を燃料ガス流路に導入して燃料ガスとしての水素ガスのパージを行うことができるようになっている。
【００３３】
ここで、前記燃料供給電磁弁２６、外気導入用電磁弁２８ａ、水素循環電磁弁３４及び水素起動停止電磁弁５６ａは、いわゆる、オン−オフ式のものであり、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによって作動させられる。さらに、前記吸引循環ポンプ３６は、水素ガスとともに逆拡散水を強制的に排出し、燃料ガス流路内を負圧の状態にすることができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。なお、前記エアフィルタ２８ｂは、空気に含まれる塵埃（じんあい）、不純物、有害ガス等を除去する。
【００３４】
一方、酸化剤としての空気は、図示されない空気供給ファン、空気ボンベ、空気タンク等の酸化剤供給源から、吸気マニホールド等を通って、燃料電池スタック２０の空気流路に供給される。なお、酸化剤として、空気に代えて酸素を使用することもできる。そして、空気流路から排出される空気は、図示されない排気マニホールド、凝縮器等を通って大気中へ排出される。
【００３５】
また、前記吸気マニホールドには、水をスプレーして、燃料電池スタック２０の酸素極（カソード極）を湿潤な状態に維持するための水供給ノズルが配設される。また、スプレーされた水によって前記酸素極及び燃料極を冷却することができる。さらに、前記凝縮器は、前記燃料電池スタック２０から排出される空気に含まれる水分を凝縮して除去するためのもので、前記凝縮器によって凝縮された水は図示されない水タンクに回収され、水供給ノズルに供給される。
【００３６】
そして、前記蓄電手段としての二次電池は、いわゆる、バッテリ（蓄電池）であり、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等が一般的である。なお、前記蓄電手段は、必ずしもバッテリでなくてもよく、電気二重層キャパシタのようなキャパシタ（コンデンサ）、フライホイール、超伝導コイル、蓄圧器等のように、エネルギを電気的に蓄積し放出する機能を有するものであれば、いかなる形態のものであってもよい。さらに、これらの中のいずれかを単独で使用してもよいし、複数のものを組み合わせて使用してもよい。
【００３７】
また、前記燃料電池スタック２０は図示されない負荷に接続され、発生した電流を前記負荷に供給する。ここで、該負荷は、一般的には、駆動制御装置であるインバータ装置であり、前記燃料電池スタック２０又は蓄電手段からの直流電流を交流電流に変換して、車両の車輪を回転させる駆動モータに供給する。ここで、該駆動モータは発電機としても機能するものであり、車両の減速運転時には、いわゆる回生電流を発生する。この場合、前記駆動モータは車輪によって回転させられて発電するので、前記車輪にブレーキをかける、すなわち、車両の制動装置（ブレーキ）として機能する。そして、前記回生電流が蓄電手段に供給されて該蓄電手段が充電される。
【００３８】
なお、本実施の形態において、燃料電池システムは図示されない制御手段を有する。該制御手段は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算手段、磁気ディスク、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、各種のセンサから燃料電池スタック２０の燃料流路及び空気流路に供給される水素、酸素、空気等の流量、温度、出力電圧等を検出して、前記酸化剤供給源、燃料供給電磁弁２６、外気導入用電磁弁２８ａ、水素循環電磁弁３４、吸引循環ポンプ３６、水素起動停止電磁弁５６ａ等の動作を制御する。なお、前記制御手段は、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路への水素ガスの供給を停止してからの経過時間を計測するためのタイマーも備える。そして、前記制御手段は、他のセンサ及び他の制御装置と連携して、燃料電池スタック２０に燃料及び酸化剤を供給するすべての装置の動作を統括的に制御する。
【００３９】
次に、前記燃料電池スタック２０における燃料ガス排出側マニホールド４４と第１燃料排出管路３１との接続部の構成について詳細に説明する。
【００４０】
図１は本発明の実施の形態における燃料電池スタックの燃料ガス排出側マニホールドと第１燃料排出管路との接続部の構成を示す図、図４は本発明の実施の形態の比較例の燃料ガス排出側マニホールドと第１燃料排出管路との接続部の構成を示す図である。なお、図１及び４において、（ａ）は要部を示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図である。
【００４１】
図に示されるように、燃料電池スタック２０において水素ガスの流れに関して最下流側に位置するセルモジュール２１に隣接して配設された側端保持部４０は、金属等の導電性材料から成り、最下流側に位置するセパレータに当接し、燃料電池スタック２０の電極端子として機能するターミナル４１、該ターミナル４１に当接する電気的絶縁性材料から成るインシュレータ４２、該インシュレータ４２に当接し、燃料電池スタック２０を挟み込んで締め付けるエンドプレート４３、及び、該エンドプレート４３の外側に接続された燃料ガス排出側マニホールド４４を有する。なお、図に示される例において、燃料ガス排出側マニホールド４４は、エンドプレート４３と一体的に形成されているが、エンドプレート４３と別個に形成され、該エンドプレート４３の外側に接続されていてもよい。
【００４２】
そして、側端保持部４０は、ターミナル４１、インシュレータ４２及びエンドプレート４３を厚さ方向に貫通して燃料ガス排出側マニホールド４４内に連通する燃料排出管路の一部である側端貫通孔３７を有し、該側端貫通孔３７は、燃料流路の一部であって、セルモジュール２１を厚さ方向に貫通するように形成された燃料用貫通孔３５に接続されている。なお、各セルモジュール２１において、水素ガスは、燃料流路内を流通して燃料用貫通孔３５に流入する。該燃料用貫通孔３５及び側端貫通孔３７は、上下方向に延在する細長い断面形状を備える。
【００４３】
また、「背景技術」でも説明したように、燃料流路内の水素ガスには、酸素極側から燃料極側に向けて逆拡散水として移動した水分が含まれており、該水分は、分圧が高くなると凝縮して凝縮水となる。そして、凝縮する水分の量が多いと、燃料流路が局所的に水分によって塞がれてしまい、単位セルの性能が低下したり、単位セルの燃料極が劣化したりしてしまう。
【００４４】
そこで、本実施の形態においては、燃料電池システムの定常運転時に、所定のタイミングで水素ガスの排出処理を実行し、吸引循環ポンプ３６を作動させて燃料流路内の水素ガスを吸引して燃料電池スタック２０から排出することによって、燃料流路内の水素ガスの流速を高くして、燃料流路内に滞留した水分を吹き飛ばして排出するようになっている。これにより、燃料極が水分によって覆われることがなく、単位セルの性能の低下や、燃料極の劣化を防止することができる。前記排出処理は、所定の周期毎に実行されるようにしてもよいし、所定の運転時間毎に実行されるようにしてもよいし、車両の走行距離が所定の値となる毎に実行されるようにしてもよいし、走行水分の滞留が検出されたときに随時実行されるようにしてもよい。
【００４５】
また、燃料電池システムの運転を停止させる場合にも、燃料流路内の水素ガスを吸引循環ポンプ３６によって吸引して大気中に排出する際に、燃料流路内の水素ガスの流速が高くなり、燃料流路内に滞留した水分を吹き飛ばして排出する。これにより、燃料極が水分によって覆われることがなく、単位セルの性能の低下や、燃料極の劣化を防止することができる。
【００４６】
ところで、通常の燃料電池スタック２０においては、燃料ガス排出側マニホールド４４と第１燃料排出管路３１との接続部が、図４に示されるような構造を備えている。すなわち、図４（ａ）に示されるように、燃料ガス排出側マニホールド４４は、燃料電池スタック２０の側方から観て三角形の形状を備える。そして、上下方向に延在する細長い断面形状を備える側端貫通孔３７は、前記三角形における上下方向に延在する辺に対応する位置に接続され、第１燃料排出管路３１は前記三角形における上下方向に延在する辺に対向する頂点に対応する位置に接続されている。
【００４７】
なお、前記三角形は、他の二辺のうちの一辺が水平方向に延在する直角三角形であり、前記第１燃料排出管路３１は、燃料電池スタック２０の下端、すなわち、側端貫通孔３７の下端に対応する位置に接続されている。そのため、第１燃料排出管路３１が燃料ガス排出側マニホールド４４に接続される位置は、前記燃料用貫通孔３５及び側端貫通孔３７の下端、さらには、燃料流路の下端に対応するので、前記排出処理や燃料電池システムの運転を停止させる際に、燃料流路内から排出された水分は、水素ガスや空気とともにスムーズに第１燃料排出管路３１に流入し、該第１燃料排出管路３１を通って排出される。
【００４８】
しかし、燃料電池スタック２０を車両に搭載することを考えると、車両における燃料電池スタック２０の下端に対応する部位には、燃料電池スタック２０を支持する支持部材、他の管路、周辺機器等が配設されることが多く、燃料電池スタック２０の下端に接続された第１燃料排出管路３１が前記支持部材、管路、周辺機器等と干渉してしまう。そのため、第１燃料排出管路３１の取り回しの方法等が制限され、燃料電池スタック２０の車両への搭載性が低下する。
【００４９】
また、前記通常の燃料電池スタック２０においては、図４（ａ）に示されるように、燃料用貫通孔３５の下端、すなわち、底面の位置と、側端貫通孔３７の下端、すなわち、底面の位置とが同一となっている。そのため、水分は、燃料用貫通孔３５から側端貫通孔３７に向けて流れることができるだけでなく、該側端貫通孔３７から燃料用貫通孔３５に向けて流れることもできる。したがって、例えば、水素ガスを大気中に排出する際の水素ガスの流速が十分でなく、図においてＢで示されるように、側端貫通孔３７内に水分が残留した場合や、水素ガスの排出が停止した際における燃料流路内の水素ガスの流速の低下によって第１燃料排出管路３１内の水分が側端貫通孔３７にまで逆流した場合においては、排出された水分がセルモジュール２１の燃料用貫通孔３５にまで逆流し、さらに、毛細管現象等により燃料流路内にまで逆流してしまうことがある。
【００５０】
そこで、本実施の形態においては、図１に示されるように、第１燃料排出管路３１を燃料電池スタック２０の上端と下端との中間において側端保持部４０に接続するようになっている。なお、第１燃料排出管路３１は、燃料電池スタック２０の上下方向のほぼ中央において側端保持部４０に接続されることが望ましい。具体的には、図１（ａ）に示されるように、側端保持部４０の燃料ガス排出側マニホールド４４の形状を燃料電池スタック２０の側方から観てほぼ二等辺三角形とし、側端貫通孔３７が前記二等辺三角形における上下方向に延在する他の一辺に対応する位置に接続され、第１燃料排出管路３１が前記二等辺三角形における上下方向に延在する辺に対向する頂点に対応する位置に接続されることが望ましい。
【００５１】
この場合、上下方向に延在する細長い断面形状を備える燃料用貫通孔３５及び側端貫通孔３７を通過して燃料ガス排出側マニホールド４４に流入した水素ガスは、二等辺三角形のような形状の燃料ガス排出側マニホールド４４内を、上下方向のほぼ中央に位置する頂点に向かって収束するように流れ、第１燃料排出管路３１に流入する。そのため、燃料ガス排出側マニホールド４４内における水素ガスの流れは、スムーズに整流され、上下方向に関し、流量の偏在が発生しない。したがって、セルモジュール２１内においても、燃料用貫通孔３５に接続された燃料流路内で、上下方向に関し、流量の偏在が発生しないので、単位セルにおける各部に均等に水素ガスが供給され、発電効率が向上する。
【００５２】
また、燃料ガス排出側マニホールド４４の下端と第１燃料排出管路３１の途中とを接続するバイパス管路３９が配設されている。該バイパス管路３９は、前記第１燃料排出管路３１よりも小径のパイプから成り、一端が燃料ガス排出側マニホールド４４の下端、すなわち、底面に開口し、他端が第１燃料排出管路３１内に開口する。このように、バイパス管路３９は、前記第１燃料排出管路３１よりも小径で、前記第１燃料排出管路３１よりも低い位置で燃料ガス排出側マニホールド４４に接続されているので、水素ガスの第１燃料排出管路３１への流れを妨げることなく、水分を流入させて排出することができる。なお、バイパス管路３９の一端から流入した水分は、バイパス管路３９の他端から第１燃料排出管路３１に流入し、該第１燃料排出管路３１内を流れる水素ガスとともに、燃料電池スタック２０外に排出される。
【００５３】
さらに、水分をスムーズに燃料ガス排出側マニホールド４４から排出するために、図１（ｂ）に示されるように、燃料ガス排出側マニホールド４４の底面に傾斜部３８を形成し、該傾斜部３８の最下端にバイパス管路３９の一端を開口させることが望ましい。前記傾斜部３８の形状は、例えば、漏斗状、すなわち、擂（す）り鉢状であることが望ましいが、バイパス管路３９の一端が開口する位置が燃料用貫通孔３５及び側端貫通孔３７の底面よりも低くなるような形状であれば、いかなる形状であってもよい。
【００５４】
このように、燃料用貫通孔３５の底面の位置よりも、バイパス管路３９の開口の底面の位置が低くなっているので、排出された水分がセルモジュール２１の燃料用貫通孔３５にまで逆流することがなく、したがって、燃料流路内にまで逆流してしまうことがない。また、側端貫通孔３７の底面とバイパス管路３９の開口とが傾斜部３８によって接続されているので、水分は、側端貫通孔３７からバイパス管路３９にスムーズに流出する。
【００５５】
さらに、第１燃料排出管路３１においてバイパス管路３９が接続される接続部には絞り部を形成して、内径を絞ることが望ましい。すなわち、前記接続部をエゼクタとして機能するような構造とすることが望ましい。これにより、バイパス管路３９が接続される部分において、第１燃料排出管路３１を流れる水素ガスの流速が増大するので、エゼクタとしての機能によってバイパス管路３９内の水が吸引されて、効果的に第１燃料排出管路３１に流入する。
【００５６】
このように、本実施の形態においては、第１燃料排出管路３１が燃料電池スタック２０の上下方向のほぼ中央において側端保持部４０に接続されている。そのため、燃料電池スタック２０を車両に搭載した場合に、第１燃料排出管路３１が車両の備える支持部材、管路、周辺機器等と干渉することがなく、第１燃料排出管路３１の取り回しの自由度が高く、燃料電池スタック２０の搭載性が高くなる。また、燃料ガス排出側マニホールド４４内における水素ガスの流れは、短い距離であってもスムーズに整流され、上下方向に関し、流量の偏在が発生しない。これにより、セルモジュール２１の燃料流路内で水素ガスの流量の偏在が発生しないので、単位セルの各部に均等に水素ガスが供給され、発電効率が向上する。
【００５７】
また、燃料ガス排出側マニホールド４４の下端と第１燃料排出管路３１の途中とを接続する第１燃料排出管路３１よりも小径のバイパス管路３９が配設されている。これにより、水素ガスの第１燃料排出管路３１への流れを妨げることなく、水分をバイパス管路３９からスムーズに排出することができる。そのため、水分が燃料流路内にまで逆流してしまうこともなく、水分を燃料流路内から確実に排出させることができるので、単位セルの劣化を防止することができる。
【００５８】
さらに、第１燃料排出管路３１におけるバイパス管路３９が接続される部分に絞り部が形成されているので、バイパス管路３９内の水分が効果的に第１燃料排出管路３１に流入し、確実に排出される。
【００５９】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の実施の形態における燃料電池スタックの燃料ガス排出側マニホールドと第１燃料排出管路との接続部の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す平面図である。
【図３】本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態の比較例の燃料ガス排出側マニホールドと第１燃料排出管路との接続部の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００６１】
２０    燃料電池スタック
３０    第２燃料排出管路
３１    第１燃料排出管路
３５    燃料用貫通孔
３７    側端貫通孔
３９    バイパス管路
４０    側端保持部
４４    燃料ガス排出側マニホールド
【図１】
2008234892.tif 000003
【図２】
2008234892.tif 000004
【図３】
2008234892.tif 000005
【図４】
2008234892.tif 000006