(57)【要約】      （修正有）【課題】システム効率低下を抑制することができるとともにガス流路内の滞留水を効率よく除去することができる燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池２００は、ガス流路が設けられたセルが複数積層されたスタックを備え、スタックには、ガス流路に接続されガス流路にガスを供給するための供給マニホールド８０ａ，８０ｃと、ガス流路に接続されガス流路からガスを排出するための排出マニホールド８０ｂ，８０ｄとが設けられ、スタックの少なくとも一方の端部セル１２のガス流路に供給マニホールド８０ａ、８０ｃから供給されるガスの流速は、スタック内の各ガス流路に供給マニホールド８０ａ、８０ｃから供給されるガスの平均流速よりも大きくなることを特徴とするものである。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス流路が設けられたセルが複数積層されたスタックを備え、
前記スタックには、前記ガス流路に接続され前記ガス流路にガスを供給するための供給マニホールドと、前記ガス流路に接続され前記ガス流路から前記ガスを排出するための排出マニホールドとが設けられ、
前記スタックの少なくとも一方の端部セルのガス流路に前記供給マニホールドから供給されるガスの流速は、前記スタック内の各ガス流路に前記供給マニホールドから供給されるガスの平均流速よりも大きくなることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記端部セルのガス流路は、前記供給マニホールドから前記排出マニホールドにかけて、一本の流路になっていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記供給マニホールドは、第１供給マニホールドと第２供給マニホールドとを含み、
前記排出マニホールドは、第１排出マニホールドと第２排出マニホールドとを含み、
前記第１供給マニホールド、前記第１排出マニホールド、前記第２供給マニホールドおよび前記第２排出マニホールドの順に連通し、
前記第２供給マニホールドは、少なくとも前記端部セルに接続されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項４】
前記第２供給マニホールドは、前記端部セルから連続して隣接する複数の前記セルに接続され、
前記第２供給マニホールドが接続された前記セルの数は、前記第１供給マニホールドが接続された前記セルの数に比較して小さいことを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
【請求項５】
前記供給マニホールドは、第１供給マニホールドと第２供給マニホールドとを含み、
前記排出マニホールドは、第１排出マニホールドと第２排出マニホールドとを含み、
前記第１供給マニホールド、前記第１排出マニホールド、前記第２供給マニホールドおよび前記第２排出マニホールドの順に連通し、
前記第１供給マニホールドは、少なくとも前記端部セルに接続されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項６】
前記第１供給マニホールドは、前記端部セルから連続して隣接する複数の前記セルに接続され、
前記第１供給マニホールドが接続された前記セルの数は、前記第２供給マニホールドが接続された前記セルの数に比較して小さいことを特徴とする請求項５記載の燃料電池。
【請求項７】
前記端部セルは、マイナス側の端部セルであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池と、
前記ガス流路に掃気ガスを供給する掃気ガス供給手段と、
前記端部セルの電気抵抗を検出する検出手段と、
前記検出手段の検出結果が所定値以上になるまで前記ガス流路に掃気ガスが供給されるように前記掃気ガス供給手段を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
前記ガス流路に前記掃気ガスと逆向きに反応ガスを供給する反応ガス供給手段をさらに備えることを特徴とする請求項８記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。
【０００３】
燃料電池のうち固体の電解質を用いたものには、固体高分子型燃料電池、固体酸化物型燃料電池等がある。このうち、固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜がカソードとアノードとにより挟まれた膜電極接合体（ＭＥＡ）がさらにセパレータによって挟まれたセルが複数積層されたスタック構造を有する。固体高分子型燃料電池においては、燃料ガスがアノードに供給され、酸化剤ガスがカソードに供給される。その結果、燃料ガスと酸化剤ガスとが電気化学反応して水が生成される。この水が生成されるときに発生する電流が外部に取り出されることにより、燃料電池は発電する。
【０００４】
燃料電池の発電によって生成された水は、主として燃料電池内の反応ガス流路を通って外部に排出される。しかしながら、生成水の一部は、反応ガス流路内に滞留する場合がある。特に、端部セルに生成水が滞留しやすい。端部セルにおいては放熱量が大きいからである。反応ガス流路内に水が滞留していると、反応ガスの拡散性が低下する。この場合、燃料電池の発電性能が低下するおそれがある。そこで、生成水の滞留を抑制するための方法として、燃料電池の停止時に、乾燥した掃気ガスを反応ガス流路内に流す方法が考えられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
特許文献１には、滞留水が流路内にあると判断した場合に、通常の掃気時よりも掃気ガスを大量に流すことによって、滞留水を除去する方法が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−４９０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に係る掃気方法では、掃気ガスを大量に流す必要があるため、コンプレッサの負荷が大きくなり、燃料電池システムのシステム効率が低下する。また、掃気ガスを大量に流すための特別な制御装置も必要となる。
【０００８】
本発明は、システム効率低下を抑制することができるとともにガス流路内の滞留水を効率よく除去することができる燃料電池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】
【０００９】
本発明に係る燃料電池は、ガス流路が設けられたセルが複数積層されたスタックを備え、スタックには、ガス流路に接続されガス流路にガスを供給するための供給マニホールドと、ガス流路に接続されガス流路からガスを排出するための排出マニホールドとが設けられ、スタックの少なくとも一方の端部セルのガス流路に供給マニホールドから供給されるガスの流速は、スタック内の各ガス流路に供給マニホールドから供給されるガスの平均流速よりも大きくなることを特徴とする。本発明に係る燃料電池によれば、端部セルのガス流路を通るガスの流速は、スタック内のガス流路の平均流速に比較して大きくなる。それにより、ガス流路内の滞留水を効率よく除去することが可能となる。また、掃気ガス量を増加させる必要がないことから、システム効率低下を抑制することができる。
【００１０】
上記構成において、端部セルのガス流路は、供給マニホールドから排出マニホールドにかけて、一本の流路になっているものであってもよい。この構成によれば、端部セルのいずれの箇所に生成水が滞留していても、端部セルから滞留水を効率よく排出することができる。
【００１１】
上記構成において、供給マニホールドは、第１供給マニホールドと第２供給マニホールドとを含み、排出マニホールドは、第１排出マニホールドと第２排出マニホールドとを含み、第１供給マニホールド、第１排出マニホールド、第２供給マニホールドおよび第２排出マニホールドの順に連通し、第２供給マニホールドは、少なくとも端部セルに接続されていることを特徴とするものであってもよい。
【００１２】
上記構成において、第２供給マニホールドは、端部セルから連続して隣接する複数のセルに接続され、第２供給マニホールドが接続されたセルの数は、第１供給マニホールドが接続されたセルの数に比較して小さいことを特徴とするものであってもよい。
【００１３】
上記構成において、供給マニホールドは、第１供給マニホールドと第２供給マニホールドとを含み、排出マニホールドは、第１排出マニホールドと第２排出マニホールドとを含み、第１供給マニホールド、第１排出マニホールド、第２供給マニホールドおよび第２排出マニホールドの順に連通し、第１供給マニホールドは、少なくとも端部セルに接続されていることを特徴とするものであってもよい。
【００１４】
上記構成において、第１供給マニホールドは、端部セルから連続して隣接する複数のセルに接続され、第１供給マニホールドが接続されたセルの数は、第２供給マニホールドが接続されたセルの数に比較して小さいことを特徴とするものであってもよい。
【００１５】
上記構成において、端部セルは、マイナス側の端部セルであることを特徴とするものであってもよい。この構成によれば、マイナス側端部セルのガス流路の滞留水を効率よく除去することができる。
【００１６】
本発明に係る燃料電池システムは、請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池と、ガス流路に掃気ガスを供給する掃気ガス供給手段と、端部セルの電気抵抗を検出する検出手段と、検出手段の検出結果が所定値以上になるまでガス流路に掃気ガスが供給されるように掃気ガス供給手段を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。本発明に係る燃料電池システムによれば、端部セルのガス流路を通るガスの流速は、スタック内のガス流路の平均流速に比較して大きくなる。それにより、ガス流路内の滞留水を効率よく除去することが可能となる。また、掃気ガス量を増加させる必要がないことから、システム効率低下を抑制することができる。
【００１７】
上記構成において、ガス流路に掃気ガスと逆向きに反応ガスを供給する反応ガス供給手段をさらに備えることを特徴とするものであってもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、システム効率低下を抑制することができるとともにガス流路内の滞留水を効率よく除去することができる燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００２０】
まず、本発明の第１実施例に係る燃料電池２００を含む燃料電池システム３００全体について説明する。図１は、燃料電池システム３００の構成を示すブロック図である。図１に示すように、燃料電池システム３００は、反応ガス供給手段４０、掃気ガス供給手段５０、検出手段６０、制御手段７０および燃料電池２００を備える。
【００２１】
燃料電池２００は、セル１０が複数積層されたスタック構造を有する。セル１０の積層体の一方端にはエンドプレート２０が配置され、他方端にはエンドプレート２２が配置されている。エンドプレート２０，２２にはそれぞれ、反応ガス等を各セル１０に供給するための配管が接続される。
【００２２】
反応ガス供給手段４０は、燃料ガス供給手段（図示せず）および酸化剤ガス供給手段（図示せず）を備える。燃料ガス供給手段は、燃料電池２００に燃料ガスを供給する手段である。酸化剤ガス供給手段は、燃料電池２００に酸化剤ガスを供給する手段である。燃料ガスとしては、例えば水素が用いられる。酸化剤ガスとしては、例えば酸素を含んだエアが用いられる。以下、燃料ガスおよび酸化剤ガスを反応ガスと総称する。反応ガス供給手段４０は、制御手段７０の指示に従って、エンドプレート２２側から各セル１０のガス流路に反応ガスを供給する。それにより、各セル１０において発電が行われる。
【００２３】
掃気ガス供給手段５０は、燃料電池２００に掃気ガスを供給する手段である。掃気ガスとしては、特に限定はされないが、乾燥した反応ガス等が用いられる。掃気ガス供給手段５０は、制御手段７０の指示に従って、エンドプレート２０側から各セル１０のガス流路に掃気ガスを供給する。それにより、各セル１０のガス流路に滞留する水が除去される。
【００２４】
検出手段６０は、セル１０の電気抵抗値を検出し、制御手段７０にその検出結果を伝える。制御手段７０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等から構成される。制御手段７０は、検出手段６０の検出結果に基づいて、反応ガス供給手段４０および掃気ガス供給手段５０を制御する。
【００２５】
図２にセル１０の模式的断面図を示す。図２に示すように、セル１０はセパレータ１１０ａ、拡散層１０８ａ、カソード触媒層１０４、電解質膜１０２、アノード触媒層１０６、拡散層１０８ｂおよびセパレータ１１０ｂが順に積層された構造を有する。電解質膜１０２は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質からなり、例えばパーフルオロスルフォン酸型ポリマからなる。
【００２６】
カソード触媒層１０４は、プロトンと酸素との反応を促進する触媒層である。アノード触媒層１０６は、水素のプロトン化を促進する触媒層である。カソード触媒層１０４およびアノード触媒層１０６は、例えば、白金担持カーボンからなる。拡散層１０８ａは、酸素を含有する酸化剤ガスを透過する層である。拡散層１０８ｂは水素を含有する燃料ガスを透過する層である。拡散層１０８ａ，１０８ｂは、例えば、カーボンペーパからなる。セパレータ１１０ａには、酸化剤ガス流路９０が設けられている。セパレータ１１０ｂには、燃料ガス流路９１が設けられている。
【００２７】
燃料ガス流路９１には、燃料ガス供給手段から燃料ガスが供給される。この燃料ガスは、拡散層１０８ｂを透過してアノード触媒層１０６に到達する。燃料ガスに含まれる水素は、アノード触媒層１０６の触媒を介してプロトンと電子とに解離する。プロトンは、電解質膜１０２を伝導してカソード触媒層１０４に到達する。
【００２８】
酸化剤ガス流路９０には、酸化剤ガス供給手段から酸化剤ガスが供給される。この酸化剤ガスは、拡散層１０８ａを透過してカソード触媒層１０４に到達する。カソード触媒層１０４においては、触媒を介してプロトンと酸素とが反応する。それにより、発電が行われるとともに、水が生成される。発電によって生成された水は、主として酸化剤ガス流路９０および燃料ガス流路９１を通って外部へ排出される。
【００２９】
続いて、燃料電池２００に形成されたマニホールドおよび各セル１０に形成されたガス流路について説明する。説明を簡略化するため、酸化剤ガスが流動するマニホールドおよびガス流路について説明する。図３（ａ）は、酸化剤ガスが流動するマニホールドおよびガス流路の模式図である。例えば、図３（ａ）に示すように、燃料電池２００は、セル１０が１０層積層されたスタック構造を有すると仮定する。また、燃料電池２００のエンドプレート２０側端のセル１０を、端部セル１２と称する。端部セル１２以外のセル１０の酸化剤ガス流路をそれぞれ酸化剤ガス流路９０ａと称し、端部セル１２の酸化剤ガス流路を酸化剤ガス流路９０ｂと称する。
【００３０】
燃料電池２００には、供給マニホールドおよび排出マニホールドが設けられている。供給マニホールドは、酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給するためのマニホールドである。供給マニホールドは、マニホールド８０ａおよびマニホールド８０ｃを含む。マニホールド８０ａは、各酸化剤ガス流路９０ａに酸化剤ガスを供給するためのマニホールドである。マニホールド８０ｃは、酸化剤ガス流路９０ｂに酸化剤ガスを供給するためのマニホールドであり、端部セル１２に接続されている。
【００３１】
排出マニホールドは、酸化剤ガス流路から酸化剤ガスを排出するためのマニホールドである。排出マニホールドは、マニホールド８０ｂおよびマニホールド８０ｄを含む。マニホールド８０ｂは、各酸化剤ガス流路９０ａから酸化剤ガスを排出するためのマニホールドである。マニホールド８０ｄは、酸化剤ガス流路９０ｂから酸化剤ガスを排出するためのマニホールドである。
【００３２】
各マニホールドは、マニホールド８０ａ、マニホールド８０ｂ、マニホールド８０ｃおよびマニホールド８０ｄの順に連通している。また、マニホールド８０ｂは、酸化剤ガス流路を介さずにマニホールド８０ｃに接続されている。酸化剤ガスは、マニホールド８０ａから供給され、各酸化剤ガス流路９０ａ、マニホールド８０ｂ、マニホールド８０ｃおよび酸化剤ガス流路９０ｂを通り、マニホールド８０ｄから排出される。図３（ａ）において、酸化剤ガスの流れ方向を、矢印で示す。
【００３３】
この場合、各酸化剤ガス流路９０ａを流動する酸化剤ガスは、集約されて酸化剤ガス流路９０ｂを流動する。それにより、酸化剤ガス流路９０ｂを流動する酸化剤ガスの流速は、各酸化剤ガス流路９０ａを流動する酸化剤ガスの流速に比較して大きくなる。したがって、酸化剤ガス流路９０ｂを流動する酸化剤ガスの流速は、燃料電池２００の各ガス流路を流動する酸化剤ガスの平均流速よりも大きくなる。それにより、端部セル１２に滞留する水分が効率よく除去される。
【００３４】
続いて、図３（ａ）の燃料電池２００において、酸化剤ガスと逆向きに掃気ガスを供給した場合のマニホールドおよびガス流路の模式図を図３（ｂ）に示す。この場合の掃気ガスとしては、例えば、乾燥したエアを用いることができる。掃気ガスは、マニホールド８０ｄから供給され、酸化剤ガス流路９０ｂ、マニホールド８０ｃ、マニホールド８０ｂおよび各酸化剤ガス流路９０ａを通り、マニホールド８０ａから排出される。図３（ｂ）において、掃気ガスの流れ方向を、矢印で示す。
【００３５】
酸化剤ガス流路９０ｂを流動する掃気ガスの流速は、各酸化剤ガス流路９０ａを流動する掃気ガスの流速に比較して大きくなる。したがって、酸化剤ガス流路９０ｂを流動する掃気ガスの流速は、燃料電池２００の各ガス流路を流動する掃気ガスの平均流速よりも大きくなる。それにより、端部セル１２に滞留する水分が効率よく除去される。また、乾燥した掃気ガスが酸化剤ガス流路９０ａよりも先に酸化剤ガス流路９０ｂに供給されることから、酸化剤ガス流路９０ｂの乾燥が促進される。この場合、氷点下等の低温環境下における生成水の凍結が抑制される。その結果、燃料電池２００の起動性が向上する。
【００３６】
本実施例に係る燃料電池２００によれば、通常の量の掃気ガスを流せば、端部セル１２の酸化剤ガス流路９０ｂを流動する掃気ガスの流速は、燃料電池２００の各ガス流路を流動する掃気ガスの平均流速よりも大きくなる。それにより、端部セル１２の酸化剤ガス流路９０ｂの滞留水を効率よく除去することが可能となる。したがって、掃気ガスの総量を多くすることなく、端部セル１２の滞留水を効率よく除去することができる。その結果、燃料電池システム３００のシステム効率低下を抑制することができる。また、掃気ガスの総量を多くするための特別な装置を設ける必要がない。
【００３７】
続いて、燃料電池システム３００の動作について説明する。図４に、燃料電池システム３００の起動から停止までのフローチャートを示す。燃料電池システム３００のスイッチがオンされると、制御手段７０は、反応ガスを燃料電池２００に供給するように、反応ガス供給手段４０を制御する（ステップＳ１）。反応ガスが燃料電池２００に供給されると、各セル１０において水素と酸素から水が電気化学反応により生成され、それに伴って電力が発生し、発電が開始される（ステップＳ２）。
【００３８】
次に、制御手段７０は、発電停止信号があるか否かを判定する（ステップＳ３）。制御手段７０が発電停止信号がないと判断した場合は、制御手段７０は、そのまま発電を継続する。一方、制御手段７０が発電停止信号があると判断した場合は、制御手段７０は燃料電池２００の発電を停止する（ステップＳ４）。次に、制御手段７０は、掃気ガスを燃料電池２００に供給するように掃気ガス供給手段５０を制御する（ステップＳ５）。
【００３９】
続いて、制御手段７０は、検出手段６０から端部セル１２の電気抵抗値を受け取る（ステップＳ６）。続いて、制御手段７０は、端部セル１２の電気抵抗値が所定の値（例えば、５００ｍΩ・ｃｍ２）より大きいか否かを判定する（ステップＳ７）。この場合、端部セル１２の滞留水が除去されたか否かを判定することができる。なお、端部セル１２の電気抵抗値ではなく、スタック全体の電気抵抗値を検出することによっても、端部セル１２の滞留水の量を推測することは可能である。
【００４０】
ステップＳ７において端部セル１２の電気抵抗値が所定の値よりも大きいと判定されなかった場合、制御手段７０は、ステップＳ６を実行する。一方、ステップＳ７において、端部セル１２の電気抵抗値が所定の値よりも大きいと判定された場合、制御手段７０は、掃気ガス供給を停止するように掃気ガス供給手段５０を制御する（ステップＳ８）。その後、制御手段７０は、フローチャートの実行を終了する。
【００４１】
なお、本実施例においては、マニホールドおよびガス流路の例として、酸化剤ガスが流動するマニホールドおよびガス流路を示したが、燃料ガスが流動するマニホールドおよびガス流路が、本実施例のような流路構造を有するものであってもよい。さらに、酸化剤ガスが流動するマニホールドおよびガス流路および燃料ガスが流動するマニホールドおよびガス流路の両方とも、本実施例のような流路構造を有するものであってもよい。
【００４２】
また、本実施例において、掃気ガスを反応ガスと同じ方向に流すものであってもよい。すなわち、図３（ａ）に示す燃料電池２００において、酸化剤ガスの代わりに掃気ガスを流すものであってもよい。この場合においても、端部セル１２の酸化剤ガス流路９０ｂを通る掃気ガスの流速は、燃料電池２００の各ガス流路を流動する掃気ガスの平均流速よりも大きくなる。それにより、端部セル１２の酸化剤ガス流路９０ｂの滞留水を効率よく除去することが可能となる。
【００４３】
また、端部セル１２は、燃料電池２００のマイナス端に設けてあることが好ましい。燃料電池２００のプラス端のセルに比較して、マイナス端のセルに生成水が滞留しやすい傾向になるからである。
【００４４】
また、本実施例において、マニホールド８０ｃは、端部セル１２から連続して隣接する複数のセル１０に接続されていてもよい。この場合においても、マニホールド８０ｃが接続されたセル１０の数が、マニホールド８０ａが接続されたセル１０の数に比較して小さい場合には、端部セル１２の酸化剤ガス流路９０ｂを流動するガスの流速は、燃料電池２００の各ガス流路を流動するガスの平均流速よりも大きくなる。例えばセル１０が１００層積層された燃料電池２００の場合、マニホールド８０ｃは端部セル１２から連続して隣接する２０層程度のセル１０に接続されていてもよい。
【００４５】
本実施例の図３（ａ）と請求項３との対応関係において、マニホールド８０ａが第１供給マニホールドに相当し、マニホールド８０ｂが第１排出マニホールドに相当し、マニホールド８０ｃが第２供給マニホールドに相当し、マニホールド８０ｄが第２排出マニホールドに相当する。また、本実施例の図３（ｂ）と請求項５との対応関係において、マニホールド８０ｄが第１供給マニホールドに相当し、マニホールド８０ｃが第１排出マニホールドに相当し、マニホールド８０ｂが第２供給マニホールドに相当し、マニホールド８０ａが第２排出マニホールドに相当する。
【００４６】
（変形例１）
また、本実施例において、マイナス側およびプラス側の両方の端部セルのガス流路を流動するガスの流速が、スタック内の各ガス流路の平均流速よりも大きいものであってもよい。図５（ａ）および図５（ｂ）に、マイナス側端部セルおよびプラス側端部セルのガス流路を流動するガスの流速が、スタック内の各ガス流路の平均流速よりも大きい燃料電池２００ａのマニホールドおよびガス流路の模式図を示す。
【００４７】
図５（ａ）は酸化剤ガスが流動する場合の模式図であり、図５（ｂ）は掃気ガスが流動する場合の模式図である。図５（ａ）において、燃料電池２００ａのマイナス側端部セル１０を端部セル１２と称し、プラス側端部セル１０を端部セル１３と称する。端部セル１３の酸化剤ガス流路を、酸化剤ガス流路９０ａと称し、端部セル１２および端部セル１３以外の各セル１０の酸化剤ガス流路を、それぞれ酸化剤ガス流路９０ｂと称し、端部セル１２の酸化剤ガス流路を、酸化剤ガス流路９０ｃと称する。
【００４８】
供給マニホールドは、マニホールド８１ａ、マニホールド８１ｃおよびマニホールド８１ｅを含む。マニホールド８１ａは、酸化剤ガス流路９０ａに酸化剤ガスを供給するためのマニホールドであり、端部セル１３に接続されている。マニホールド８１ｃは、各酸化剤ガス流路９０ｂに酸化剤ガスを供給するためのマニホールドである。マニホールド８１ｅは、酸化剤ガス流路９０ｃに酸化剤ガスを供給するためのマニホールドであり、端部セル１２に接続されている。
【００４９】
排出マニホールドは、マニホールド８１ｂ、マニホールド８１ｄおよびマニホールド８１ｆを含む。マニホールド８１ｂは、酸化剤ガス流路９０ａから酸化剤ガスを排出するためのマニホールドである。マニホールド８１ｄは、各酸化剤ガス流路９０ｂから酸化剤ガスを排出するためのマニホールドである。マニホールド８１ｆは、酸化剤ガス流路９０ｃから酸化剤ガスを排出するためのマニホールドである。
【００５０】
各マニホールドは、マニホールド８１ａ、マニホールド８１ｂ、マニホールド８１ｃ、マニホールド８１ｄ、マニホールド８１ｅおよびマニホールド８１ｆの順に連通している。また、マニホールド８１ｂは、酸化剤ガス流路を介さずにマニホールド８１ｃに接続されている。さらに、マニホールド８１ｄは、酸化剤ガス流路を介さずにマニホールド８１ｅに接続されている。酸化剤ガスは、マニホールド８１ａから供給され、酸化剤ガス流路９０ａを通り、マニホールド８１ｂ、マニホールド８１ｃ、各酸化剤ガス流路９０ｂ、マニホールド８１ｄ、マニホールド８１ｅおよび酸化剤ガス流路９０ｃを通りマニホールド８１ｆから外部へ排出される。図５（ａ）において、酸化剤ガスの流れ方向を、矢印で示す。
【００５１】
また、図５（ｂ）に示すように、掃気ガスは、マニホールド８１ｆから供給され、酸化剤ガス流路９０ｃ、マニホールド８１ｅ、マニホールド８１ｄ、各酸化剤ガス流路９０ｂ、マニホールド８１ｃ、マニホールド８１ｂおよび酸化剤ガス流路９０ａを通り、マニホールド８１ａから外部へ排出される。
【００５２】
図５（ａ）に示すように、燃料電池２００ａの流路構造によれば、酸化剤ガスの全量が酸化剤ガス流路９０ａを流動する。また、各酸化剤ガス流路９０ｂを流動する酸化剤ガスは、集約されて酸化剤ガス流路９０ｃを流動する。それにより、酸化剤ガス流路９０ａおよび酸化剤ガス流路９０ｃを流動する酸化剤ガスの流速は、燃料電池２００ａの各ガス流路を流動する酸化剤ガスの平均流速よりも大きくなる。それにより、端部セル１２および端部セル１３に滞留する水分が効率よく除去される。
【００５３】
また、図５（ｂ）に示すように、燃料電池２００ａの流路構造によれば、酸化剤ガス流路９０ａおよび酸化剤ガス流路９０ｃを流動する掃気ガスの流速は、燃料電池２００ａの各ガス流路を流動する掃気ガスの平均流速よりも大きくなる。それにより、端部セル１２および端部セル１３に滞留する水分が効率よく除去される。この場合、氷点下等の低温環境下における生成水の凍結が抑制される。その結果、燃料電池２００ａの起動性が向上する。
【００５４】
なお、燃料電池２００ａにおいて、マニホールド８１ｅは、端部セル１２から連続して隣接する複数のセル１０に接続されていてもよい。この場合においても、マニホールド８１ｅが接続されたセル１０の数が、マニホールド８１ｃが接続されたセル１０の数に比較して小さい場合には、端部セル１２の酸化剤ガス流路９０ｃを流動するガスの流速は、燃料電池２００ａの各ガス流路を流動するガスの平均流速よりも大きくなる。
【００５５】
また、燃料電池２００ａにおいて、マニホールド８１ａが、端部セル１３から連続して隣接する複数のセル１０に接続されていてもよい。この場合においても、マニホールド８１ａが接続されたセル１０の数が、マニホールド８１ｃが接続されたセル１０の数に比較して小さい場合には、端部セル１３の酸化剤ガス流路９０ａを流動するガスの流速は、燃料電池２００ａの各ガス流路を流動するガスの平均流速よりも大きくなる。
【００５６】
さらに、燃料電池２００ａにおいて、マニホールド８１ｅは端部セル１２から連続して隣接する複数のセル１０に接続され、かつ、マニホールド８１ａは端部セル１３から連続して隣接する複数のセル１０に接続されていてもよい。この場合においても、マニホールド８１ｅが接続された複数のセル１０およびマニホールド８１ａが接続された複数のセル１０の合計数が、マニホールド８１ｃが接続されたセル１０の数に比較して小さい場合には、端部セル１２および端部セル１３のそれぞれの酸化剤ガス流路９０ｃ，９０ａを流動するガスの流速は、燃料電池２００ａの各ガス流路を流動する掃気ガスの平均流速よりも大きくなる。例えばセル１０が１００層積層された燃料電池２００ａの場合、マニホールド８１ａおよびマニホールド８１ｅはそれぞれ２０層のセル１０に接続されていてもよい。
【００５７】
本変形例の図５（ａ）と請求項３との対応関係において、マニホールド８１ｃが第１供給マニホールドに相当し、マニホールド８１ｄが第１排出マニホールドに相当し、マニホールド８１ｅが第２供給マニホールドに相当し、マニホールド８１ｆが第２排出マニホールドに相当する。また、本変形例の図５（ｂ）と請求項５との対応関係において、マニホールド８１ｆが第１供給マニホールドに相当し、マニホールド８１ｅが第１排出マニホールドに相当し、マニホールド８１ｄが第２供給マニホールドに相当し、マニホールド８１ｃが第２排出マニホールドに相当する。
【実施例２】
【００５８】
続いて、本発明の第２実施例に係る燃料電池２００ｂについて説明する。図６（ａ）は、実施例２に係る燃料電池２００ｂの酸化剤ガスが流動するマニホールドおよびガス流路の模式図である。図６（ａ）に示す燃料電池２００ｂは、図３（ａ）に示す燃料電池２００と異なり、端部セル１２の代わりに端部セル１２ｂを備え、マニホールド８０ａの代わりにマニホールド８２ａを備え、マニホールド８０ｂの代わりにマニホールド８２ｂを備える。端部セル１２ｂは、酸化剤ガス流路９０ｂの代わりに酸化剤ガス流路９１ｂを備える。また、図６（ａ）の燃料電池２００ｂにおいて、酸化剤ガスと逆向きに掃気ガスを供給した場合のマニホールドおよびガス流路の模式図を、図６（ｂ）に示す。その他の構成は実施例１に係る燃料電池２００と同じであるため、説明を省略する。
【００５９】
図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、マニホールド８２ａおよびマニホールド８２ｂはそれぞれ、端部セル１２ｂを含む燃料電池２００ｂを構成する各セル１０に接続されている。図６（ａ）において、酸化剤ガスは、マニホールド８２ａから供給され各酸化剤ガス流路９０ａおよび酸化剤ガス流路９１ｂを通り、マニホールド８２ｂから外部へ排出される。また、図６（ｂ）において、掃気ガスは、マニホールド８２ｂから供給され、各酸化剤ガス流路９０ａおよび酸化剤ガス流路９１ｂを通り、マニホールド８２ａから外部へ排出される。
【００６０】
続いて、燃料電池２００ｂの酸化剤ガス流路９１ｂについて説明する。図７（ａ）は、図６（ｂ）における端部セル１２ｂの模式的平面図である。図７（ａ）に示すように、端部セル１２ｂの酸化剤ガス流路９１ｂは、マニホールド８２ａからマニホールド８２ｂにかけて、蛇行しつつ伸びる一本の流路（以下、一本流路と称する）状に形成されている。図７（ａ）において、掃気ガスはマニホールド８２ｂから供給され酸化剤ガス流路９１ｂを通り、マニホールド８２ａから外部へ排出される。
【００６１】
一方、図７（ｂ）に、図６（ｂ）における端部セル１２ｂ以外のセル１０の模式的平面図を示す。図７（ｂ）において、酸化剤ガス流路９０ａはセル１０内に複数形成されている。図７（ｂ）において、掃気ガスは、マニホールド８２ｂから供給され、各酸化剤ガス流路９０ａを通り、マニホールド８２ａから外部へ排出される。
【００６２】
この場合、図７（ａ）に示す酸化剤ガス流路９１ｂを流動する掃気ガスの流速は、図７（ｂ）に示す各酸化剤ガス流路９０ａを流動する掃気ガスの流速に比較して、大きくなる。すなわち、端部セル１２ｂのガス流路が１本流路であることにより、端部セル１２ｂのガス流路を流動するガスの流速は、各酸化剤ガス流路９０ａを流動するガスの平均流速よりも大きくなる。したがって、酸化剤ガス流路９１ｂを流動する酸化剤ガスの流速は、燃料電池２００ｂの各ガス流路を流動する酸化剤ガスの平均流速よりも大きくなる。それにより、端部セル１２ｂに滞留する水分が効率よく除去される。
【００６３】
また、酸化剤ガス流路９１ｂが一本流路になっていれば、マニホールド８２ｂから供給された掃気ガスは端部セル１２ｂに形成された酸化剤ガス流路９１ｂを流動してからマニホールド８２ａに排出される。したがって、端部セル１２ｂのいずれの箇所に生成水が滞留していても、端部セル１２ｂから生成水を効率よく排出することができる。
【００６４】
なお、酸化剤ガス流路９１ｂは、２本以上の流路を備えていてもよい。この場合においても、酸化剤ガス流路９１ｂを流動する掃気ガスの流速が燃料電池２００ｂの各ガス流路を流動する掃気ガスの平均流速よりも大きくなるように酸化剤ガス流路９１ｂの本数が限定されていれば、本発明の効果が得られる。また、図３（ａ）および図３（ｂ）に示す燃料電池２００において、端部セル１２の酸化剤ガス流路９０ｂが、１本流路になっていてもよい。また、図５（ａ）および図５（ｂ）に示す燃料電池２００ａにおいて、端部セル１２の酸化剤ガス流路９０ｂおよび端部セル１３の酸化剤ガス流路９０ａが、それぞれ１本流路になっていてもよい。
【００６５】
本変形例の図６（ａ）と請求項１との対応関係において、マニホールド８２ａが供給マニホールドに相当し、マニホールド８２ｂが排出マニホールドに相当する。また、本実施例の図６（ｂ）と請求項１との対応関係において、マニホールド８２ｂが供給マニホールドに相当し、マニホールド８２ａが排出マニホールドに相当する。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の第１実施例に係る燃料電池システムの模式図である。
【図２】第１実施例に係るセルの模式図である。
【図３】第１実施例に係る燃料電池の流路構造の模式図である。
【図４】第１実施例に係る燃料電池システムのフローチャートである。
【図５】第１実施例の変形例１に係る燃料電池の流路構造の模式図である。
【図６】第２実施例に係る燃料電池の流路構造の模式図である。
【図７】第２実施例に係る燃料電池のセルの模式的平面図である。
【符号の説明】
【００６７】
１０  セル
１２  端部セル
４０  反応ガス供給手段
５０  掃気ガス供給手段
６０  検出手段
７０  制御手段
８０ａ  マニホールド
８０ｂ  マニホールド
８０ｃ  マニホールド
８０ｄ  マニホールド
９０ａ  ガス流路
９０ｂ  ガス流路
２００  燃料電池
３００  燃料電池システム
【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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