(57)【要約】【課題】燃料電池の燃料極に沿って形成される燃料流路の底面を傾斜させることによって、燃料流路からの排水性が高く、燃料電池装置を車両に搭載する場合に装置全体を傾斜させる必要がなく、搭載性を高く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ガス流路を形成する第１の集電体と、酸素極に沿って酸化剤ガス流路を形成する第２の集電体と、燃料ガスと酸化剤ガスを遮断するセパレータとを挟んで積層された燃料電池装置であって、前記燃料極の下側の辺は、前記燃料ガス流路の下流側が低くなるように傾斜している。【選択図】図１
2008251204.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ガス流路を形成する第１の集電体と、
酸素極に沿って酸化剤ガス流路を形成する第２の集電体と、
燃料ガスと酸化剤ガスを遮断するセパレータとを挟んで積層された燃料電池装置であって、
前記燃料極の下側の辺は、前記燃料ガス流路の下流側が低くなるように傾斜している燃料電池装置。
【請求項２】
前記燃料電池の積層方向に貫通して隣接する複数の燃料ガス流路を接続する燃料用貫通孔と、
前記燃料ガス流路の下流側に位置する燃料用貫通孔の少なくとも一部の底部に接続された水排出管路とを有する請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記第１の集電体は、前記燃料ガス流路の下流側が低くなるように傾斜した溝を備える請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記燃料電池を複数積層したセルモジュールを複数有し、
燃料ガスの流れる方向は、セルモジュール毎に折り返すように蛇行している請求項１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、酸素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、反応ガス流路の出口に反応ガス排出管を接続するための反応ガス排出マニホールドの下面に排水流路を接続するとともに、燃料電池装置全体を傾斜させ、水分が反応ガス流路から反応ガス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２００４−２０７１０６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、装置全体を傾斜させなくてはならないので、燃料電池装置を車両に搭載する場合、広い搭載用のスペースを必要とするので、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、燃料電池の燃料極に沿って形成される燃料流路の底面を傾斜させることによって、燃料流路からの排水性が高く、燃料電池装置を車両に搭載する場合に装置全体を傾斜させる必要がなく、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ガス流路を形成する第１の集電体と、酸素極に沿って酸化剤ガス流路を形成する第２の集電体と、燃料ガスと酸化剤ガスを遮断するセパレータとを挟んで積層された燃料電池装置であって、前記燃料極の下側の辺は、前記燃料ガス流路の下流側が低くなるように傾斜している。
【０００９】
本発明の他の燃料電池装置においては、さらに、前記燃料電池の積層方向に貫通して隣接する複数の燃料ガス流路を接続する燃料用貫通孔と、前記燃料ガス流路の下流側に位置する燃料用貫通孔の少なくとも一部の底部に接続された水排出管路とを有する。
【００１０】
本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記第１の集電体は、前記燃料ガス流路の下流側が低くなるように傾斜した溝を備える。
【００１１】
本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記燃料電池を複数積層したセルモジュールを複数有し、燃料ガスの流れる方向は、セルモジュール毎に折り返すように蛇行している。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１の構成によれば、燃料流路からの排水性が高く、燃料電池装置を車両に搭載する場合に、装置全体を傾斜させる必要がなく、車両への搭載性を高くすることができる。また、燃料極が水によって覆われることがなく、燃料電池の性能の低下や、酸素極の劣化を防止することができる。
【００１３】
請求項２の構成によれば、燃料流路から排出されて燃料用貫通孔に流入した水が円滑に排出されるので、燃料流路からの排水性がより高くなる。
【００１４】
請求項３の構成によれば、燃料流路内における水は、より迅速に、かつ、より円滑に燃料流路から排出される。
【００１５】
請求項４の構成によれば、燃料ガスの流路長を長くしても、燃料流路内における水を確実に排出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
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。
【００１７】
図２は本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す斜視図、図３は本発明の第１の実施の形態における単位セル及びセパレータのセットの構成を示す分解図、図４は本発明の第１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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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、図３に示されるように、燃料電池としての単位セル（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）１２と、該単位セル１２同士を電気的に接続するとともに、単位セル１２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１６とを有し、単位セル１２及びセパレータ１６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においては、単位セル１２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１２とセパレータ１６とが、フレーム１７によって周囲を保持された状態で、多段に重ねられて積層されている。
【００２５】
単位セル１２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１２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１４と、単位セル１２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１５とが、前記単位セル１２と隣接するセパレータ１６との間に配設される。
【００２６】
前記単位セル１２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。
【００２７】
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、両側から側端保持部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１２及びセパレータ１６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１２の両側には必ずセパレータ１６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１６の数は１１枚である。
【００２８】
また、各フレーム１７及びセパレータ１６の長手方向両側には、上下方向に延在するスリット状の燃料ガス流路として機能する燃料用貫通孔３５が形成されている。そして、単位セル１２及びセパレータ１６を積層してセルモジュール２１を形成した状態で、各フレーム１７及びセパレータ１６の燃料用貫通孔３５は相互に接続され、セルモジュール２１を厚さ方向に貫通する。
【００２９】
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における上下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、重力方向とほぼ直交する水平方向であり、図２において矢印Ａで示されるように、各セルモジュール２１において互いに平行に、左側の燃料用貫通孔３５から右側の燃料用貫通孔３５に向けた流れになっている。
【００３０】
図２に示される例においては、手前側の側端保持部４０の左端近傍に開口する燃料用貫通孔３５としての後述される導入側燃料用貫通孔３５ａに水素ガスを供給する第２燃料供給管路３３が接続され、ここから燃料電池スタック２０内に水素ガスが導入される。また、奥側の側端保持部４０の右端近傍に開口する燃料用貫通孔３５としての図２には示されていないが後述される排出側燃料用貫通孔３５ｂに水素ガスを排出する第１燃料排出管路３１が接続され、ここから水素ガスが排出される。
【００３１】
そして、前記排出側燃料用貫通孔３５ｂの底部の適所には図示されない水排出開口が形成され、該水排出開口に水排出管路としてのドレイン管３８が接続されている。図示される例においては、各セルモジュール２１に１個ずつ水排出開口が形成され、該水排出開口の各々にドレイン枝管３８ａが接続されているが、水排出開口を形成する位置、間隔、数等については、適宜変更することができる。また、ドレイン管３８は、１本のドレイン集合管３８ｂに集合され、該ドレイン集合管３８ｂから燃料電池スタック２０の外に水が排出される。なお、ドレイン集合管３８ｂは、前記第１燃料排出管路３１の途中に接続されていることが望ましい。また、ドレイン集合管３８ｂの途中には水排出制御開閉弁３９が配設されている。
【００３２】
本実施の形態において、燃料電池システムは、図４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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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、水排出制御開閉弁３９、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。
【００４３】
次に、前記燃料電池スタック２０における燃料流路の構成について詳細に説明する。
【００４４】
図１は本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの燃料流路の構成を示す図、図５は本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの燃料極側コレクタの構成を示す図である。
【００４５】
図１には、フレーム１７に保持された単位セル１２における燃料流路側の面、すなわち、燃料極が示されている。本実施の形態において、単位セル１２における燃料極の形状は、台形であって、左右両側の上下方向に延在する辺が互いに平行で、上側の辺が水平で、下側の辺が傾斜している台形となっている。なお、前記上側の辺は燃料流路の上面に一致し、下側の辺は燃料流路の底面１８に一致する。
【００４６】
そして、水素ガスは、前記燃料流路内を図１における左から右に向けて流通する。したがって、前記燃料流路は、下流に行くほど底面１８が低くなり、かつ、断面積が広くなる。また、燃料流路に水素ガスを導入する導入側燃料用貫通孔３５ａの上下方向の寸法は、燃料流路の左側の辺の上下寸法に対応し、燃料流路から水素ガスを排出する排出側燃料用貫通孔３５ｂの上下方向の寸法は、燃料流路の右側の辺の上下寸法に対応する。その結果、導入側燃料用貫通孔３５ａの上下方向の寸法は、排出側燃料用貫通孔３５ｂの上下方向の寸法よりも小さくなっている。
【００４７】
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、すなわち、液相の水となる。そして、該水は、自重によって燃料流路を落下して底面１８に到達すると、矢印Ｂで示されるように、傾斜している底面１８に沿って右斜め下に向けて流れ、排出側燃料用貫通孔３５ｂに流入する。前記底面１８が傾斜しているので、燃料流路内における水素ガスの流れの流速が低くても、水は、自重によって底面１８に沿って右斜め下に向けて流れるので、燃料流路内に滞留することなく、排出側燃料用貫通孔３５ｂに流入する。
【００４８】
さらに、本実施の形態においては、燃料流路内における水の流れをより円滑にするために、図５に示されるように、燃料極側コレクタ１５に形成された溝１５ｂも、前記底面１８と同様に、傾斜している。なお、燃料極側コレクタ１５は、単位セル１２における燃料流路側の面と同様の形状を備え、下側の辺１５ａは燃料流路の底面１８に一致する。すなわち、下側の辺１５ａは、前記底面１８と同様に傾斜し、前記溝１５ｂと平行になっている。
【００４９】
このように、溝１５ｂが傾斜しているので、燃料流路内の水は、底面１８にまで落下しなくても、溝１５ｂに到達すると、該溝１５ｂに沿って右斜め下に向けて流れ、排出側燃料用貫通孔３５ｂに流入する。そのため、燃料流路内における水は、より迅速に、かつ、より円滑に燃料流路から排出される。
【００５０】
また、前記溝１５ｂは、燃料流路内における水素ガスの流れをガイドする機能も有するので、燃料流路内において水素ガスが流れる場合、水素ガスは溝１５ｂ及び底面１８に沿って右斜め下に向けて流れることとなる。そのため、燃料流路内における水は、水素ガスの流れによっても溝１５ｂ及び底面１８に沿って右斜め下に向けて流れることとなり、更に迅速に、かつ、更に円滑に燃料流路から排出される。
【００５１】
なお、燃料流路内において凝縮する水分の量が多いと、燃料流路が局所的に水によって塞がれてしまうことがある。すると、単位セル１２の性能が低下したり、単位セル１２の燃料極が劣化したりしてしまう。
【００５２】
そこで、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を吹き飛ばして排出することが望ましい。これにより、燃料極が水によって覆われることがなく、単位セル１２の性能の低下や、酸素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、走行中にセルの電圧変化等により水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。
【００５３】
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１２の性能の低下や、酸素極の劣化を防止することができる。
【００５４】
なお、燃料流路から排出された水は、排出側燃料用貫通孔３５ｂに流入する。そこで、本実施の形態においては、図２に示されるように、排出側燃料用貫通孔３５ｂの底部にドレイン管３８が接続されている。そのため、排出側燃料用貫通孔３５ｂに流入した水は、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、排出側燃料用貫通孔３５ｂの底部からドレイン管３８を通って排出される。なお、該ドレイン管３８から水を排出する場合、水排出制御開閉弁３９は開いた状態にさせられる。また、ドレイン集合管３８ｂが第１燃料排出管路３１の途中に接続されている場合、ドレイン管３８に流入した水分は、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。
【００５５】
このように、本実施の形態においては、燃料流路の底面１８が傾斜しているので、燃料電池スタック２０を水平に設置しても、すなわち、燃料流路の上面が水平となるようにしても、燃料流路内の水は、底面１８に沿って斜め下に向けて流れ、燃料流路内に滞留することなく、燃料流路から迅速に、かつ、円滑に排出されて排出側燃料用貫通孔３５ｂに流入する。そのため、燃料流路からの排水性が高く、燃料極が水によって覆われることがなく、単位セル１２の性能の低下や、燃料極の劣化を防止することができる。
【００５６】
特に、起動又は停止時における異常電位の発生を効果的に防止することができ、触媒層の劣化を防止することができる。また、燃料電池スタック２０を車両に搭載する場合に燃料電池スタック２０全体を傾斜させる必要がないので、広いスペースが不要となり、搭載性が高くなる。
【００５７】
なお、単位セル１２の燃料極の形状を台形としているので、燃料極の形状を長方形とした場合よりも、燃料極の面積がわずかながら減少するが、台形としたことによって削減された部分は、燃料極における最下端に位置し、水が溜まりやすく、発電にあまり寄与しないだけでなく、劣化を引き起こしやすい部分であるので、面積が減少しても、当該部分を削減する方がむしろ望ましい。
【００５８】
さらに、排出側燃料用貫通孔３５ｂの底部にドレイン管３８が接続されているので、燃料流路から排出されて排出側燃料用貫通孔３５ｂに流入した水は、排出側燃料用貫通孔３５ｂの底部からドレイン管３８を通って円滑に排出される。そのため、燃料流路からの排水性がより高くなる。
【００５９】
さらに、燃料極側コレクタ１５に形成された溝１５ｂが傾斜して底面１８と平行になっているので、燃料流路内における水は、より迅速に、かつ、より円滑に燃料流路から排出される。
【００６０】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。
【００６１】
図６は本発明の第２の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す斜視図、図７は本発明の第２の実施の形態における燃料電池スタックの燃料流路の構成を示す図である。なお、図７（ａ）は奇数番目のセルモジュールにおける燃料流路の構成を示し、図７（ｂ）は偶数番目のセルモジュールにおける燃料流路の構成を示している。
【００６２】
本実施の形態においては、水素ガスの流れが、図６における矢印Ｃで示されるように、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。図６に示される例において、燃料電池スタック２０は、第１番目セルモジュール２１−１〜第４番目セルモジュール２１−４の４つのセルモジュール２１を含んでいる。この場合、奇数番目のセルモジュール２１、すなわち、第１番目セルモジュール２１−１及び第３番目セルモジュール２１−３における水素ガスの流れは左から右に向いたものとなっており、偶数番目のセルモジュール２１、すなわち、第２番目セルモジュール２１−２及び第４番目セルモジュール２１−４における水素ガスの流れは右から左に向いたものとなっている。
【００６３】
そのため、図７（ａ）に示されるように、奇数番目のセルモジュール２１の単位セル１２における燃料極の形状は、下側の辺が右斜め下に向けて傾斜している台形であり、燃料流路の底面１８も右斜め下に向けて傾斜している。一方、図７（ｂ）に示されるように、偶数番目のセルモジュール２１の単位セル１２における燃料極の形状は、下側の辺が左斜め下に向けて傾斜している台形であり、燃料流路の底面１８も左斜め下に向けて傾斜している。
【００６４】
なお、本実施の形態において、導入側燃料用貫通孔３５ａの上下方向の寸法と、排出側燃料用貫通孔３５ｂの上下方向の寸法とは等しくなっている。また、奇数番目のセルモジュール２１においては、導入側燃料用貫通孔３５ａが左側に位置し、排出側燃料用貫通孔３５ｂが右側に位置しているが、偶数番目のセルモジュール２１においては、導入側燃料用貫通孔３５ａが右側に位置し、排出側燃料用貫通孔３５ｂが左側に位置している。
【００６５】
そして、奇数番目のセルモジュール２１の燃料流路内において凝縮した水は、自重によって燃料流路を落下して底面１８に到達すると、矢印Ｄで示されるように、傾斜している底面１８に沿って右斜め下に向けて流れ、排出側燃料用貫通孔３５ｂに流入する。前記底面１８が傾斜しているので、燃料流路内における水素ガスの流れの流速が低くても、水は、自重によって底面１８に沿って右斜め下に向けて流れるので、燃料流路内に滞留することなく、排出側燃料用貫通孔３５ｂに流入する。
【００６６】
また、偶数番目のセルモジュール２１の燃料流路内において凝縮した水は、自重によって燃料流路を落下して底面１８に到達すると、矢印Ｅで示されるように、傾斜している底面１８に沿って左斜め下に向けて流れ、排出側燃料用貫通孔３５ｂに流入する。前記底面１８が傾斜しているので、燃料流路内における水素ガスの流れの流速が低くても、水は、自重によって底面１８に沿って左斜め下に向けて流れるので、燃料流路内に滞留することなく、排出側燃料用貫通孔３５ｂに流入する。
【００６７】
さらに、本実施の形態においても、前記第１の実施の形態と同様に、燃料流路内における水の流れをより円滑にするために、燃料極側コレクタ１５に形成された溝１５ｂは、前記底面１８と同様に、傾斜している。すなわち、奇数番目のセルモジュール２１における燃料極側コレクタ１５は、図７（ａ）に示されるような単位セル１２の燃料流路側の面と同様の形状を備え、下側の辺１５ａが底面１８と同様に右斜め下に向けて傾斜し、溝１５ｂも底面１８と平行に、右斜め下に向けて傾斜している。
【００６８】
また、偶数番目のセルモジュール２１における燃料極側コレクタ１５は、図７（ｂ）に示されるような単位セル１２の燃料流路側の面と同様の形状を備え、下側の辺１５ａが底面１８と同様に左斜め下に向けて傾斜し、溝１５ｂも底面１８と平行に、左斜め下に向けて傾斜している。
【００６９】
そして、排出側燃料用貫通孔３５ｂの底部の適所には図示されない水排出開口が形成され、該水排出開口にドレイン管３８が接続されている。図６に示される例においては、各セルモジュール２１に１個ずつ水排出開口が形成され、該水排出開口の各々にドレイン枝管３８ａが接続されている。この場合、奇数番目のセルモジュール２１における排出側燃料用貫通孔３５ｂが右側に位置し、偶数番目のセルモジュール２１における排出側燃料用貫通孔３５ｂが左側に位置しているので、ドレイン管３８は左右に各々配設されている。なお、図６においては、第１番目セルモジュール２１−１及び第３番目セルモジュール２１−３における排出側燃料用貫通孔３５ｂに接続された右側のドレイン管３８のみが描画され、第２番目セルモジュール２１−２及び第４番目セルモジュール２１−４における排出側燃料用貫通孔３５ｂに接続された左側のドレイン管３８は、燃料電池スタック２０の陰に隠れているので、描画されていない。そして、左右のドレイン管３８は、各々を連結する連結管３８ｃを介して、ドレイン集合管３８ｂに接続されている。
【００７０】
なお、その他の点の構成及び動作については、前記第１の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。
【００７１】
このように、本実施の形態においては、奇数番目のセルモジュール２１における燃料流路の底面１８の傾斜する方向と、偶数番目のセルモジュール２１における燃料流路の底面１８の傾斜する方向とが互いに逆になっている。そのため、燃料電池スタック２０における水素ガスの流れを蛇行状にすることができ、水素ガスの流路長を長く設定することができる。
【００７２】
また、ドレイン管３８を左右に各々配設することによって、左右いずれに位置する排出側燃料用貫通孔３５ｂからも水を円滑に排出することができる。
【００７３】
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】
【００７４】
【図１】本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの燃料流路の構成を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態における単位セル及びセパレータのセットの構成を示す分解図である。
【図４】本発明の第１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５】本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの燃料極側コレクタの構成を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態における燃料電池スタックの燃料流路の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００７５】
１２    単位セル
１４    空気極側コレクタ
１５    燃料極側コレクタ
１５ｂ    溝
１６    セパレータ
１８    底面
２０    燃料電池スタック
２１    セルモジュール
３５    燃料用貫通孔
３５ａ    導入側燃料用貫通孔
３５ｂ    排出側燃料用貫通孔
３８    ドレイン管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2008251204.tif 000006
【図５】
2008251204.tif 000007
【図６】
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【図７】
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