(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極及び酸化極で固体高分子電解質膜を挟んだセルとセパレータとが交互に上下方向へ複数積層され、当該セルの当該燃料極側へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給マニホールドを有すると共に当該セルの当該燃料極側へ供給された当該燃料ガスを回収する燃料ガス回収マニホールドを有し、当該セルの当該酸化極側へ酸化ガスを供給する酸化ガス供給マニホールドを有すると共に当該セルの当該酸化極側へ供給された当該酸化ガスを回収する酸化ガス回収マニホールドを有し、上下方向に複数配設されるスタックと、
複数の前記スタックの間に配設されて、上側の当該スタックの前記燃料ガス回収マニホールドと下側の当該スタックの前記燃料ガス供給マニホールドとを接続する燃料ガス用接続路を有すると共に、上側の当該スタックに供給された前記酸化ガスを下側の当該スタックに供給する酸化ガス用接続路を有する中間フランジと
を備えている縦型の固体高分子形燃料電池において、
前記中間フランジの上側の前記スタックの前記燃料ガス供給マニホールドの下端側と当該中間フランジの下側の前記スタックの前記燃料ガス供給マニホールドの上端側とを断接可能に連絡する上側用燃料ガス側バイパス手段と、
最下方の前記スタックの前記燃料ガス供給マニホールドの下端側と外部とを断接可能に連絡する最下方用燃料ガス側バイパス手段と、
最下方の前記スタックの前記酸化ガス供給マニホールドの下端側と外部とを断接可能に連絡する最下方用酸化ガス側バイパス手段と
を備えている
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の固体高分子形燃料電池において、
前記中間フランジの前記酸化ガス用接続路が、上側の前記スタックの前記酸化ガス回収マニホールドと下側の前記スタックの前記酸化ガス供給マニホールドとを接続するものであり、
前記中間フランジの上側の前記スタックの前記酸化ガス供給マニホールドの下端側と当該中間フランジの下側の前記スタックの前記酸化ガス供給マニホールドの上端側とを断接可能に連絡する上側用酸化ガス側バイパス手段を備えている
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項３】
燃料極及び酸化極で固体高分子電解質膜を挟んだセルとセパレータとが交互に上下方向へ複数積層され、当該セルの当該燃料極側へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給マニホールドを有すると共に当該セルの当該燃料極側へ供給された当該燃料ガスを回収する燃料ガス回収マニホールドを有し、当該セルの当該酸化極側へ酸化ガスを供給する酸化ガス供給マニホールドを有すると共に当該セルの当該酸化極側へ供給された当該酸化ガスを回収する酸化ガス回収マニホールドを有し、上下方向に複数配設されるスタックと、
複数の前記スタックの間に配設されて、上側の当該スタックの前記燃料ガス回収マニホールドと下側の当該スタックの前記燃料ガス供給マニホールドとを接続する燃料ガス用接続路を有すると共に、上側の当該スタックに供給された前記酸化ガスを下側の当該スタックに供給する酸化ガス用接続路を有する中間フランジと
を備えている縦型の固体高分子形燃料電池において、
前記スタックの最下方に位置する前記セルの前記燃料極に前記燃料ガスを供給する前記燃料ガス供給マニホールドと前記燃料ガス回収マニホールドとの連通部分よりも下方に、当該燃料ガス供給マニホールドと当該燃料ガス回収マニホールドとを連通させる燃料ガス側バイパス手段と、
最下方の前記スタックの最下方に位置する前記セルの前記酸化極に前記酸化ガスを供給する前記酸化ガス供給マニホールドと前記酸化ガス回収マニホールドとの連通部分よりも下方に、当該酸化ガス供給マニホールドと当該酸化ガス回収マニホールドとを連通させる最下方用酸化ガス側バイパス手段と
を備えている
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項４】
請求項３に記載の固体高分子形燃料電池において、
前記中間フランジの前記酸化ガス用接続路が、上側の前記スタックの前記酸化ガス回収マニホールドと下側の前記スタックの前記酸化ガス供給マニホールドとを接続するものであり、
前記中間フランジの上方の前記スタックの最下方に位置する前記セルの前記酸化極に前記酸化ガスを供給する前記酸化ガス供給マニホールドと前記酸化ガス回収マニホールドとの連通部分よりも下方に、当該酸化ガス供給マニホールドと当該酸化ガス回収マニホールドとを連通させる上側用酸化ガス側バイパス手段を備えている
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、縦型の固体高分子形燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の縦型の固体高分子形燃料電池の一例の概略構造を図３に示す。
図３に示すように、固体高分子電解質膜を燃料極及び酸化極で挟んだセルとセパレータとを交互に上下方向へ複数積層した上側スタック１０の燃料ガス供給マニホールド１０ａと燃料ガス回収マニホールド１０ｃとは、上記セパレータにそれぞれ形成された燃料ガス流通路１０ｂを介して接続している。また、固体高分子電解質膜を燃料極及び酸化極で挟んだセルとセパレータとを交互に上下方向へ複数積層した下側スタック２０の燃料ガス供給マニホールド２０ａと燃料ガス回収マニホールド２０ｃとは、上記セパレータにそれぞれ形成された燃料ガス流通路２０ｂを介して接続している。
【０００３】
前記上側スタック１０と前記下側スタック２０との間には、中間フランジ３３が介在している。中間フランジ３３には、上側スタック１０の燃料ガス回収マニホールド１０ｃと下側スタック２０の燃料ガス供給マニホールド２０ａとを連通する燃料ガス用接続路３３ａが形成されている。前記中間フランジ３３の燃料ガス用接続路３３ａ内には、フィルタ３３ｃが介在している。中間フランジ３３の燃料ガス用接続路３３ａの前記上側スタック１０の前記燃料ガス回収マニホールド１０ｃとの接続側には、当該燃料ガス用接続路３３ａの内部と外部とを連絡する連絡管５１が接続している。この連絡管５１には、水位に応じて自動的に開閉する燃料ガス用自動弁５２が設けられている。
【０００４】
なお、図示していないが、前記上側スタック１０及び前記下側スタック２０には、上述した燃料ガス流通経路と同様に、酸化ガス供給マニホールド、酸化ガス回収マニホールド、酸化ガス流通路が設けられると共に、中間フランジ３３には、上側スタック１０の上記酸化ガス回収マニホールドと下側スタック２０の上記酸化ガス供給マニホールドとを連通する酸化ガス用接続路も形成され、当該酸化ガス用接続路内には、前記燃料ガス用接続路３３ａと同様にフィルタも介在し、中間フランジ３３の前記酸化ガス用接続路の前記上側スタック１０の前記酸化ガス回収マニホールドとの接続側には、当該酸化ガス用接続路の内部と外部とを連絡する連絡管も前記連絡管５１と同様に接続し、当該連絡管には、前記燃料ガス用自動弁５２と同様な酸化ガス用自動弁も設けられている。
【０００５】
このような従来の縦型の固体高分子形燃料電池においては、上側スタック１０の燃料ガス供給マニホールド１０ａ内に加湿された燃料ガス１を供給すると共に、上側スタック１０の前記酸化ガス供給マニホールドに加湿された酸化ガスを供給すると、前記燃料ガス１が各セパレータの燃料ガス流通路１０ｂをそれぞれ流通して各セルの燃料極にそれぞれ供給されると共に、前記酸化ガスが各セパレータの前記酸化ガス流通路をそれぞれ流通して各セルの酸化極にそれぞれ供給され、当該燃料ガス１中の水素と当該酸化ガス中の酸素とが当該セルにおいて電気化学的に反応して、電気を発生する。
【０００６】
前記上側スタック１０の各セルで上記電気化学的反応に利用されなかった上記燃料ガス１は、前記燃料ガス回収マニホールド１０ｃに回収され、前記中間フランジ３３の前記燃料ガス用接続路３３ａを介して前記フィルタ３３ｃで不純物を除去されてから前記下側スタック２０の前記燃料ガス供給マニホールド２０ａに送給され、当該下側スタック２０の各セパレータの燃料ガス流通路２０ｂをそれぞれ流通して各セルの燃料極にそれぞれ供給される。
【０００７】
また、前記上側スタック１０の各セルで上記電気化学的反応に利用されなかった前記酸化ガスは、前記酸化ガス回収マニホールドに回収され、前記中間フランジ３３の前記酸化ガス用接続路を介して前記下側スタック２０の前記酸化ガス供給マニホールドに送給され、当該下側スタック２０の各セパレータの前記酸化燃料ガス流通路をそれぞれ流通して各セルの酸化極にそれぞれ供給される。これにより、当該燃料ガス１中の水素と当該酸化ガス中の酸素とが当該セルにおいて電気化学的に反応して、電気を発生する。
【０００８】
前記下側スタック２０の各セルで上記電気化学的反応に利用されなかった前記燃料ガス１は、前記燃料ガス回収マニホールド２０ｃに回収され、外部へ排出される。また、前記下側スタック２０の各セルで上記電気化学的反応に利用されなかった前記酸化ガスは、前記酸化ガス回収マニホールドに回収され、外部へ排出される。
【０００９】
このようにして発電運転を行なって、前記中間フランジ３３の前記接続路３３ａ等に凝縮した水３が生じると、当該水３の水位に応じて、前記自動弁５２が自動的に開放して、当該水３を外部へ排出する。これにより、下側スタック２０への上記水３の流入を抑制して、下側スタック２０のセル電圧の変動を抑制することができると共に、当該中間フランジ３３の前記接続路３３ａ等の圧損の増加を抑制することができる。
【００１０】
【特許文献１】特開２００５−３２７６１１号公報（図４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、前述したような従来の縦型の固体高分子形燃料電池においては、前記上側スタック１０の前記供給マニホールド１０ａ等の下端部分に、加湿された前記ガス１等の凝縮した水３が溜まりやすかった。この上側スタック１０の前記供給マニホールド１０ａ等の下端部分に上記水３が溜まってしまうと、当該上側スタック１０の下端側に位置する前記セパレータの前記流通路１０ｂ等に当該水３が多量に流入して上記ガス１等が流入しなくなってしまい、発電性能が著しく低下してしまうおそれがあった。
【００１２】
そこで、前記上側スタック１０の前記供給マニホールド１０ａ等の下端部分に連絡管を介して前記自動弁５２等と同様な自動弁を接続することにより、前記水３を外部へ排出することが考えられている。
【００１３】
しかしながら、上述したように連絡管を介して前記水３を外部へ排出するようにしてしまうと、当該水３の排出に伴って、前記上側スタック１０の前記供給マニホールド１０ａ等に供給したフレッシュな前記ガス１等の一部をまったく使用することなく外部へ排出してしまうようになってしまうため、上記ガス１等の利用に無駄を生じてしまうという問題があった。
【００１４】
このようなことから、本発明は、発電性能の低下を防止しながらも原料ガスを有効に利用することができる縦型の固体高分子形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】
【００１５】
前述した課題を解決するための、第一番目の発明に係る固体高分子形燃料電池は、燃料極及び酸化極で固体高分子電解質膜を挟んだセルとセパレータとが交互に上下方向へ複数積層され、当該セルの当該燃料極側へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給マニホールドを有すると共に当該セルの当該燃料極側へ供給された当該燃料ガスを回収する燃料ガス回収マニホールドを有し、当該セルの当該酸化極側へ酸化ガスを供給する酸化ガス供給マニホールドを有すると共に当該セルの当該酸化極側へ供給された当該酸化ガスを回収する酸化ガス回収マニホールドを有し、上下方向に複数配設されるスタックと、複数の前記スタックの間に配設されて、上側の当該スタックの前記燃料ガス回収マニホールドと下側の当該スタックの前記燃料ガス供給マニホールドとを接続する燃料ガス用接続路を有すると共に、上側の当該スタックに供給された前記酸化ガスを下側の当該スタックに供給する酸化ガス用接続路を有する中間フランジとを備えている縦型の固体高分子形燃料電池において、前記中間フランジの上側の前記スタックの前記燃料ガス供給マニホールドの下端側と当該中間フランジの下側の前記スタックの前記燃料ガス供給マニホールドの上端側とを断接可能に連絡する上側用燃料ガス側バイパス手段と、最下方の前記スタックの前記燃料ガス供給マニホールドの下端側と外部とを断接可能に連絡する最下方用燃料ガス側バイパス手段と、最下方の前記スタックの前記酸化ガス供給マニホールドの下端側と外部とを断接可能に連絡する最下方用酸化ガス側バイパス手段とを備えていることを特徴とする。
【００１６】
第二番目の発明に係る固体高分子形燃料電池は、第一番目の発明において、前記中間フランジの前記酸化ガス用接続路が、上側の前記スタックの前記酸化ガス回収マニホールドと下側の前記スタックの前記酸化ガス供給マニホールドとを接続するものであり、前記中間フランジの上側の前記スタックの前記酸化ガス供給マニホールドの下端側と当該中間フランジの下側の前記スタックの前記酸化ガス供給マニホールドの上端側とを断接可能に連絡する上側用酸化ガス側バイパス手段を備えていることを特徴とする。
【００１７】
第三番目の発明に係る固体高分子形燃料電池は、燃料極及び酸化極で固体高分子電解質膜を挟んだセルとセパレータとが交互に上下方向へ複数積層され、当該セルの当該燃料極側へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給マニホールドを有すると共に当該セルの当該燃料極側へ供給された当該燃料ガスを回収する燃料ガス回収マニホールドを有し、当該セルの当該酸化極側へ酸化ガスを供給する酸化ガス供給マニホールドを有すると共に当該セルの当該酸化極側へ供給された当該酸化ガスを回収する酸化ガス回収マニホールドを有し、上下方向に複数配設されるスタックと、複数の前記スタックの間に配設されて、上側の当該スタックの前記燃料ガス回収マニホールドと下側の当該スタックの前記燃料ガス供給マニホールドとを接続する燃料ガス用接続路を有すると共に、上側の当該スタックに供給された前記酸化ガスを下側の当該スタックに供給する酸化ガス用接続路を有する中間フランジとを備えている縦型の固体高分子形燃料電池において、前記スタックの最下方に位置する前記セルの前記燃料極に前記燃料ガスを供給する前記燃料ガス供給マニホールドと前記燃料ガス回収マニホールドとの連通部分よりも下方に、当該燃料ガス供給マニホールドと当該燃料ガス回収マニホールドとを連通させる燃料ガス側バイパス手段と、最下方の前記スタックの最下方に位置する前記セルの前記酸化極に前記酸化ガスを供給する前記酸化ガス供給マニホールドと前記酸化ガス回収マニホールドとの連通部分よりも下方に、当該酸化ガス供給マニホールドと当該酸化ガス回収マニホールドとを連通させる最下方用酸化ガス側バイパス手段とを備えていることを特徴とする。
【００１８】
第四番目の発明に係る固体高分子形燃料電池は、第三番目の発明において、前記中間フランジの前記酸化ガス用接続路が、上側の前記スタックの前記酸化ガス回収マニホールドと下側の前記スタックの前記酸化ガス供給マニホールドとを接続するものであり、前記中間フランジの上方の前記スタックの最下方に位置する前記セルの前記酸化極に前記酸化ガスを供給する前記酸化ガス供給マニホールドと前記酸化ガス回収マニホールドとの連通部分よりも下方に、当該酸化ガス供給マニホールドと当該酸化ガス回収マニホールドとを連通させる上側用酸化ガス側バイパス手段を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る固体高分子形燃料電池によれば、発電性能の低下を防止しながらも原料ガスを有効に利用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明に係る固体高分子形燃料電池の実施形態を図面に基づいて以下に説明するが、本発明は以下に説明する実施形態のみに限定されるものではない。
【００２１】
［第一番目の実施形態］
本発明に係る固体高分子形燃料電池の第一番目の実施形態を図１に基づいて説明する。図１は、固体高分子形燃料電池の要部の概略構成図であり、Ａが燃料ガスの流通系統の概略構成図、Ｂが酸化ガスの流通系統の概略構成図である。
【００２２】
図１に示すように、ガス透過性及び導電性を有する燃料極及び酸化極でプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を挟んだセル１１１と、一方の面に燃料ガス流通路１１０ｂを形成されると共に他方の面に酸化ガス流通路１１０ｅを形成された導電性を有する中間セパレータ１１２とを交互に上下方向へ複数積層し、一方の面に燃料ガス流通路１１０ｂが形成されるものの他方の面には酸化ガス流通路がない導電性を有するエンドセパレータ１１３と、一方の面に酸化ガス流通路１１０ｅが形成されるものの他方の面には燃料ガス流通路がない導電性を有するエンドセパレータ１１４とで挟んだ上側スタック１１０と、ガス透過性及び導電性を有する燃料極及び酸化極でプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を挟んだセル１２１と、一方の面に燃料ガス流通路１２２ｂを形成されると共に他方の面に酸化ガス流通路１２２ｅを形成された導電性を有する中間セパレータ１２２とを交互に上下方向へ複数積層し、一方の面に燃料ガス流通路１２３ａが形成されるものの他方の面には酸化ガス流通路がない導電性を有するエンドセパレータ１２３と、一方の面に酸化ガス流通路１２４ｂが形成されるものの他方の面には燃料ガス流通路がない導電性を有するエンドセパレータ１２４とで挟んだ下側スタック１２０との間には、導電性を有する中間フランジ１３３が介在している。
【００２３】
前記スタック１１０，１２０の前記セパレータ１１２〜１１４，１２２〜１２４の周縁側には、前記セル１１１の前記燃料極へ燃料ガス１を供給するように前記燃料ガス流通路１１０ｂ，１２０ｂと連通する燃料ガス供給マニホールド１１０ａ，１２０ａと、当該セル１１１の当該燃料極へ供給された燃料ガス１を回収するように当該燃料ガス流通路１１０ｂ，１２０ｂと連通する燃料ガス回収マニホールド１１０ｃ，１２０ｃとが形成されると共に、前記セル１１１の前記酸化極へ酸化ガス２を供給するように前記酸化ガス流通路１１０ｅ，１２０ｅと連通する酸化ガス供給マニホールド１１０ｄ，１２０ｄと、当該セル１１１の当該酸化極へ供給された酸化ガス２を回収するように当該酸化ガス流通路１１０ｅ，１２０ｅと連通する当該酸化ガス回収マニホールド１１０ｆ，１２０ｆが形成されている。隣り合う前記セパレータ１１２〜１１４，１２２〜１２４間の周縁端沿いには、ガスケット１１５，１２５が介在している。
【００２４】
前記中間フランジ１３３には、前記上側スタック１１０の前記燃料ガス回収マニホールド１１０ｃと前記下側スタック１２０の前記燃料ガス供給マニホールド１２０ａとを接続する燃料ガス用接続路１３３ａと、前記上側スタック１１０の前記酸化ガス回収マニホールド１１０ｆと前記下側スタック１２０の前記酸化ガス供給マニホールド１２０ｄとを接続する酸化ガス用接続路１３３ｂとが形成されている。前記中間フランジ１３３の前記接続路１３３ａ，１３３ｂ内には、フィルタ１３３ｃ，１３３ｄがそれぞれ配設されている。
【００２５】
前記上側スタック１１０の上部には、当該上側スタック１１０の前記燃料ガス供給マニホールド１１０ａと連通する燃料ガス供給口１３１ａ及び前記酸化ガス供給マニホールド１１０ｄと連通する酸化ガス供給口１３１ｄを形成された上側エンドフランジ１３１が配設されている。前記下側スタック１２０の上部には、当該下側スタック１２０の前記燃料ガス回収マニホールド１２０ｃと連通する燃料ガス排出口１３２ｃ及び前記酸化ガス回収マニホールド１２０ｆと連通する酸化ガス排出口１３２ｆを形成された下側エンドフランジ１３２が配設されている。
【００２６】
前記上側スタック１１０の前記燃料ガス供給マニホールド１１０ａの下端側には、第一の燃料ガス側バイパス管１４１の一端側が接続している。この第一の燃料ガス側バイパス管１４１の他端側は、前記下側スタック１２０の前記燃料ガス供給マニホールド１２０ａの上端側に接続している。この第一の燃料ガス側バイパス管１４１には、前記上側スタック１１０の前記燃料ガス供給マニホールド１１０ａの下端側と前記下側スタック１２０の前記燃料ガス供給マニホールド１２０ａの上端側とを断接可能に連絡するように、水位に応じたフロートの昇降により自動的に開閉する自動開閉弁（ドレイナ）１４５が設けられている。
【００２７】
前記下側スタック１２０の前記燃料ガス供給マニホールド１２０ａの下端側には、第二の燃料ガス側バイパス管１４２の一端側が接続している。この第二の燃料ガス側バイパス管１４２の他端側は、外部へ連絡している。この第二の燃料ガス側バイパス管１４２には、前記下側スタック１２０の前記燃料ガス供給マニホールド１２０ａの下端側と外部とを断接可能に連絡するように、水位に応じたフロートの昇降により自動的に開閉する自動開閉弁（ドレイナ）１４６が設けられている。
【００２８】
前記上側スタック１１０の前記酸化ガス供給マニホールド１１０ｄの下端側には、第一の酸化ガス側バイパス管１４３の一端側が接続している。この第一の酸化ガス側バイパス管１４３の他端側は、前記下側スタック１２０の前記酸化ガス供給マニホールド１２０ｄの上端側に接続している。この第一の酸化ガス側バイパス管１４３には、前記上側スタック１１０の前記酸化ガス供給マニホールド１１０ｄの下端側と前記下側スタック１２０の前記酸化ガス供給マニホールド１２０ｄの上端側とを断接可能に連絡するように、水位に応じたフロートの昇降により自動的に開閉する自動開閉弁（ドレイナ）１４７が設けられている。
【００２９】
前記下側スタック１２０の前記酸化ガス供給マニホールド１２０ｄの下端側には、第二の酸化ガス側バイパス管１４４の一端側が接続している。この第二の酸化ガス側バイパス管１４４の他端側は、外部へ連絡している。この第二の酸化ガス側バイパス管１４４には、前記下側スタック１２０の前記酸化ガス供給マニホールド１２０ｄの下端側と外部とを断接可能に連絡するように、水位に応じたフロートの昇降により自動的に開閉する自動開閉弁（ドレイナ）１４８が設けられている。
【００３０】
なお、本実施形態においては、第一の燃料ガス側バイパス管１４１、ドレイナ１４５等により、上側用燃料ガス側バイパス手段を構成し、第二の燃料ガス側バイパス管１４２、ドレイナ１４６等により、最下方用燃料ガス側バイパス手段を構成し、第一の酸化ガス側バイパス管１４３、ドレイナ１４７等により、上側用酸化ガス側バイパス手段を構成し、第二の酸化ガス側バイパス管１４４、ドレイナ１４８等により、最下方用酸化ガス側バイパス手段を構成している。
【００３１】
このような本実施形態に係る縦型の固体高分子形燃料電池１００の作動を次に説明する。
【００３２】
前記上側エンドフランジ１３１の前記燃料ガス供給口１３１ａから前記上側スタック１１０の前記燃料ガス供給マニホールド１１０ａ内へ加湿された燃料ガス１を供給すると共に、前記酸化ガス供給口１３１ｄから前記酸化ガス供給マニホールド１１０ｄ内へ加湿された酸化ガス２を供給すると、当該燃料ガス１が前記燃料ガス流通路１１０ｂ内を流通して各前記セル１１１の前記燃料極に供給されると共に、当該酸化ガス２が各前記酸化ガス流通路１１０ｅ内を流通して前記セル１１１の前記酸化極に供給されることにより、当該セル１１１において、燃料ガス１中の水素と酸化ガス２中の酸素とが電気化学的に反応して、電気を発生する。
【００３３】
前記上側スタック１１０の各前記セル１１１で上記反応に寄与しなかった前記燃料ガス１は、前記燃料ガス回収マニホールド１１０ｃに回収されて、前記中間フランジ１３３の前記燃料ガス用接続路１３３ａ及び前記フィルタ１３３ｃを介して下側スタック１２０の前記燃料ガス供給マニホールド１２０ａ内に供給され、前記燃料ガス流通路１２０ｂ内を流通して各前記セル１２１の前記燃料極に供給される一方、前記上側スタック１１０の各前記セル１１１で上記反応に寄与しなかった前記酸化ガス２は、前記酸化ガス回収マニホールド１１０ｆに回収されて、前記中間フランジ１３３の前記酸化ガス用接続路１３３ｂ及び前記フィルタ１３３ｄを介して下側スタック１２０の前記酸化ガス供給マニホールド１２０ｄ内に供給され、前記酸化ガス流通路１２０ｅ内を流通して各前記セル１２１の前記酸化極に供給される。
【００３４】
これにより、前記セル１２１において、燃料ガス１中の水素と酸化ガス２中の酸素とが電気化学的に反応して、電気を発生し、各当該セル１２１で当該反応に寄与しなかった前記燃料ガス１が、前記燃料ガス回収マニホールド１２０ｃに回収されて、前記下側エンドフランジ１３２の前記燃料ガス排出口１３２ｃから外部に排出される一方、各当該セル１２１で当該反応に寄与しなかった前記酸化ガス２が、前記酸化ガス回収マニホールド１２０ｆに回収されて、前記下側エンドフランジ１３２の前記酸化ガス排出口１３２ｆから外部に排出される。
【００３５】
このようにして発電運転を行なっていき、上側スタック１１０の燃料ガス供給マニホールド１１０ａ及び酸化ガス供給マニホールド１１０ｄの下端部分に、加湿された燃料ガス１及び酸化ガス２の凝縮した水３が滞留してくると、当該水３は、当該上側スタック１１０の当該供給マニホールド１１０ａ，１１０ｄの内部から前記バイパス管１４１，１４３を介して前記ドレイナ１４５，１４７へ流入する。当該ドレイナ１４５，１４７内に流入した水３の水位が規定高さ以上となると、前記フロートが上昇することにより、当該ドレイナ１４５，１４７が開放状態となって、当該水３が下側スタック１２０の前記供給マニホールド１２０ａ，１２０ｄの上端側へ送給される。
【００３６】
このため、上側スタック１１０の前記供給マニホールド１１０ａ，１１０ｄの下端部分の水３の滞留が抑制され、当該上側スタック１１０の下端側に位置する前記流通路１１０ｂ，１１０ｅ内への当該水３の流入が抑制されることにより、当該流通路１１０ｂ，１１０ｅ内での前記ガス１，２の流通障害を大幅に抑制することができ、発電性能の低下を防止することができる。
【００３７】
ここで、上側スタック１１０の前記供給マニホールド１１０ａ，１１０ｄに供給されたフレッシュな前記ガス１，２の一部は、当該マニホールド１１０ａ，１１０ｄ内から上記水３と共に排出されてしまうものの、下側スタック１２０の前記供給マニホールド１２０ａ，１２０ｄ内に送給されることから、前記上側スタック１１０の前記回収マニホールド１１０ｃ，１１０ｆから前記中間フランジ１３３の前記接続路１３３ａ，１３３ｂを介して当該下側スタック１２０の当該供給マニホールド１２０ａ，１２０ｄに送給されてきた使用済みの前記ガス１，２と共に前記流通路１２０ｂ，１２０ｅ内に流入して前記セル１２１に供給されることにより、前記反応に利用されるようになるので、無駄を生じることはない。
【００３８】
そして、下側スタック１２０の前記供給マニホールド１２０ａ，１２０ｄの下端部分にも水３が滞留してくると、当該水３は、当該下側スタック１２０の当該供給マニホールド１２０ａ，１２０ｄの内部から前記バイパス管１４２，１４４を介して前記ドレイナ１４６，１４８へ流入する。当該ドレイナ１４６，１４８内に流入した水３の水位が規定高さ以上となると、前記フロートが上昇することにより、当該ドレイナ１４６，１４８が開放状態となって、当該水３が外部へ排出される。
【００３９】
このため、下側スタック１２０の前記供給マニホールド１２０ａ，１２０ｄの下端部分での水３の滞留も抑制され、当該下側スタック１２０の下端側に位置する前記流通路１２０ｂ，１２０ｅ内への当該水３の流入が抑制されることにより、当該流通路１２０ｂ，１２０ｅ内での前記ガス１，２の流通障害を大幅に抑制することができ、発電性能の低下を防止することができる。
【００４０】
このとき、下側スタック１２０の前記供給マニホールド１２０ａ，１２０ｄ内の前記ガス１，２の一部が当該マニホールド１２０ａ，１２０ｄ内から上記水３と共に外部へ排出されてしまうものの、上側スタック１１０で一度使用された前記ガス１，２がほとんどであることから、それほど大きな損失とはならない。
【００４１】
したがって、本実施形態に係る縦型の固体高分子形燃料電池１００によれば、発電性能の低下を防止しながらも前記ガス１，２を有効に利用することができる。
【００４２】
［第二番目の実施形態］
本発明に係る固体高分子形燃料電池の第二番目の実施形態を図２に基づいて説明する。図２は、固体高分子形燃料電池の要部の概略構成図であり、Ａが燃料ガスの流通系統の概略構成図、Ｂが酸化ガスの流通系統の概略構成図である。ただし、前述した第一番目の実施形態と同様な部分については、前述した第一番目の実施形態の説明で用いた符号と同様な符号を用いることにより、前述した第一番目の実施形態での説明と重複する説明を省略する。
【００４３】
図２に示すように、上側スタック２１０は、前述した第一番目の実施形態の上側スタック１１０において、積層方向下端側を、一方の面に形成された前記酸化ガス流通路の前記マニホールド１１０ｄ，１１０ｆとの接続部分を閉塞されたダミーエンドセパレータ２１４と、当該ダミーエンドセパレータ２１４上に配設されて、導電性を有するものの前記電気化学反応を生じ得ないダミーセル２１１Ａと、このダミーセル２１１Ａ上に配設されて、一方の面に燃料ガス流通路１１０ｂを形成されると共に他方の面に酸化ガス流通路１１０ｅを形成された導電性を有する中間セパレータ２１２と、この中間セパレータ２１２上に配設されて、導電性を有するものの前記電気化学反応を生じ得ないダミーセル２１１Ｂと、このダミーセル２１１Ｂ上に配設されて、他方の面に酸化ガス流通路１１０ｅを有するものの一方の面に形成された前記燃料ガス流通路の前記マニホールド１１０ａ，１１０ｃとの接続部分を閉塞された導電性を有するダミー中間セパレータ２１２Ａとに代えたものである。
【００４４】
また、下側スタック２２０は、前述した第一番目の実施形態の下側スタック１２０において、積層方向下端側を、一方の面に形成された前記酸化ガス流通路の前記マニホールド１２０ｄ，１２０ｆとの接続部分を閉塞されたダミーエンドセパレータ２２４と、当該ダミーエンドセパレータ２２４上に配設されて、導電性を有するものの前記電気化学反応を生じ得ないダミーセル２２１Ａと、このダミーセル２２１Ａ上に配設されて、一方の面に燃料ガス流通路１２０ｂを形成されると共に他方の面に酸化ガス流通路１２０ｅを形成された導電性を有する中間セパレータ２２２と、この中間セパレータ２２２上に配設されて、導電性を有するものの前記電気化学反応を生じ得ないダミーセル２２１Ｂと、このダミーセル２２１Ｂ上に配設されて、他方の面に酸化ガス流通路１２０ｅを有するものの一方の面に形成された前記燃料ガス流通路の前記マニホールド１２０ａ，１２０ｃとの接続部分を閉塞された導電性を有するダミー中間セパレータ２２２Ａとに代えたものである。
【００４５】
つまり、本実施形態に係る縦型の固体高分子形燃料電池２００は、前述した第一番目の実施形態に係る縦型の固体高分子形燃料電池１００の前記スタック１１０，１２０における前記バイパス管１４１〜１４４及び前記ドレイナ１４５〜１４８に代えて、上記ダミーセル２１１Ａ，２１１Ｂ，２２１Ａ，２２１Ｂ、上記中間セパレータ２１２，２２２、上記ダミー中間セパレータ２１２Ａ，２２２Ａ、上記ダミーエンドセパレータ２１４，２２４を適用した上記スタック２１０，２２０としたのである。
【００４６】
なお、本実施形態においては、前記ダミーエンドセパレータ２１４，２２４、前記ダミーセル２１１Ａ，２２１Ａ、前記中間セパレータ２１２，２２２等により、燃料ガス側バイパス手段を構成し、前記ダミーエンドセパレータ２１４、前記ダミーセル２１１Ａ，２１１Ｂ、前記中間セパレータ２１２、前記ダミー中間セパレータ２１２Ａ等により、上側用酸化ガス側バイパス手段を構成し、前記ダミーエンドセパレータ２２４、前記ダミーセル２２１Ａ，２２１Ｂ、前記中間セパレータ２２２、前記ダミー中間セパレータ２２２Ａ等により、最下方用酸化ガス側バイパス手段を構成している。
【００４７】
このような本実施形態に係る縦型の固体高分子形燃料電池２００においては、前述した第一番目の実施形態の場合と同様にして、加湿された燃料ガス１及び酸化ガス２を上側スタック２１０に供給することにより、前述した第一番目の実施形態の場合と同様にして、上側スタック２１０及び下側スタック２２０において燃料ガス１中の水素と酸化ガス２中の酸素とが電気化学的に反応して、電気を発生する。
【００４８】
そして、上記発電運転に伴って、上側スタック２１０の燃料ガス供給マニホールド１１０ａの下端部分に滞留した水３は、前記中間セパレータ２１２の前記燃料ガス流通路１１０ｂ内を流通して前記燃料ガス回収マニホールド１１０ｃに流出し、前記中間フランジ１３３の前記燃料ガス用接続路１３３ａを介して下側スタック２２０の燃料ガス供給マニホールド１２０ａ内へ送り込まれると共に、上側スタック２１０の酸化ガス供給マニホールド１１０ｄの下端部分に滞留した水３は、前記中間セパレータ２１２の前記酸化ガス流通路１１０ｅ内を流通して前記酸化ガス回収マニホールド１１０ｆに流出し、前記中間フランジ１３３の前記酸化ガス用接続路１３３ｂを介して下側スタック２２０の酸化ガス供給マニホールド１２０ｄ内へ送り込まれる。
【００４９】
このとき、上記中間セパレータ２１２の上記流通路１１０ｂ，１１０ｅに対面している上記ダミーセル２１１Ａ，２１１Ｂは、前記電気化学反応に関与せず導電性を維持しているだけであることから、当該中間セパレータ２１２の上記流通路１１０ｂ，１１０ｅ内に多量の前記水３が流通しても、発電性能の低下を生じることはない。
【００５０】
加えて、前記ダミーエンドセパレータ２１４及び前記ダミー中間セパレータ２１４Ａは、上記ダミーセル２１１Ａ，２１１Ｂと対面する前記ガス１，２の流通路が前記マニホールド１１０ａ，１１０ｃ，１１０ｄ，１１０ｆと遮断されていることから、当該ダミーセル２１１Ａ，２１１Ｂを介して上記中間セパレータ２１２の上記流通路１１０ｂ，１１０ｅ内で上記ガス１，２がクロスリークしてしまうことを防止することができる。
【００５１】
ここで、上側スタック２１０の前記供給マニホールド１１０ａ，１１０ｄに供給されたフレッシュな前記ガス１，２の一部は、前記中間セパレータ２１２の前記流通路１１０ｂ，１１０ｅ内を上記水３と共に流通して前記電気化学反応に関与することなく前記回収マニホールド１１０ｃ，１１０ｆに回収されてしまうものの、前記中間フランジ１３３の前記接続路１３３ａ，１３３ｂを介して下側スタック２２０の前記供給マニホールド１２０ａ，１２０ｄ内へ送給されることから、無駄を生じることはない。
【００５２】
そして、下側スタック２２０の燃料ガス供給マニホールド１２０ａの下端部分に滞留した水３は、前記中間セパレータ２２２の前記燃料ガス流通路１２０ｂ内を流通して前記燃料ガス回収マニホールド１２０ｃに流出し、前記下側エンドフランジ１３２の前記燃料ガス排出口１３２ｃを介して外部へ排出されると共に、下側スタック２２０の酸化ガス供給マニホールド１２０ｄの下端部分に滞留した水３は、前記中間セパレータ２２２の前記酸化ガス流通路１２０ｅ内を流通して前記酸化ガス回収マニホールド１２０ｆに流出し、前記下側エンドフランジ１３２の前記酸化ガス排出口１３２ｆを介して外部へ排出される。
【００５３】
このとき、上記中間セパレータ２２２の上記流通路１２０ｂ，１２０ｅに対面している上記ダミーセル２２１Ａ，２２１Ｂは、前記電気化学反応に関与せず導電性を維持しているだけであることから、当該中間セパレータ２２２の上記流通路１２０ｂ，１２０ｅ内に多量の前記水３が流通しても、発電性能の低下を生じることはない。
【００５４】
加えて、前記ダミーエンドセパレータ２２４及び前記ダミー中間セパレータ２２４Ａは、上記ダミーセル２２１Ａ，２２１Ｂと対面する前記ガス１，２の流通路が前記供給マニホールド１２０ａ，１２０ｃ，１２０ｄ，１２０ｆと遮断されていることから、当該ダミーセル２２１Ａ，２２１Ｂを介して上記中間セパレータ２２２の上記流通路１２０ｂ，１２０ｅ内で上記ガス１，２がクロスリークしてしまうことを防止することができる。
【００５５】
ここで、下側スタック２２０の前記供給マニホールド１２０ａ，１２０ｄ内の前記ガス１，２の一部が、前記中間セパレータ２２２の前記流通路１２０ｂ，１２０ｅ内を上記水３と共に流通して前記電気化学反応に関与することなく前記回収マニホールド１２０ｃ，１２０ｆに回収されてしまうものの、上側スタック２１０で一度使用された前記ガス１，２がほとんどであることから、それほど大きな損失とはならない。
【００５６】
つまり、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池２００においては、前記スタック２１０，２２０の最下方に位置するセル１１１，１２１の前記燃料極に燃料ガス１を供給する燃料ガス供給マニホールド１１０ａ，１２０ａと燃料ガス回収マニホールド１１０ｃ，１２０ｃとの連通部分である燃料ガス流通路１１０ｂ，１２０ｂよりも下方で、当該燃料ガス供給マニホールド１１０ａ，１２０ａと当該燃料ガス回収マニホールド１１０ｃ，１２０ｃとを連通させると共に、前記スタック２１０，２２０の最下方に位置するセル１１１，１２１の前記酸化極に酸化ガス２を供給する酸化ガス供給マニホールド１１０ｄ，１２０ｄと酸化ガス回収マニホールド１１０ｆ，１２０ｆとの連通部分よりも下方で、当該酸化ガス供給マニホールド１１０ｄ，１２０ｄと当該酸化ガス回収マニホールド１１０ｆ，１２０ｆとを連通させるようにしたのである。
【００５７】
このため、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池２００においては、前記スタック２１０，２２０のセル１１１，１２１へ前記ガス１，２を供給する前記流通路１１０ｂ，１１０ｅ，１２０ｂ，１２０ｅに、前記供給マニホールド１１０ａ，１１０ｄ，１２０ａ，１２０ｄの下端部分に滞留した水３を多量に流入させることなく発電運転を行なうことができる。
【００５８】
したがって、本実施形態に係る縦型の固体高分子形燃料電池２００によれば、前述した第一番目の実施形態に係る縦型の固体高分子形燃料電池１００の場合と同様に、発電性能の低下を防止しながらも前記ガス１，２を有効に利用することができるのはもちろんのこと、前述した第一番目の実施形態に係る縦型の固体高分子形燃料電池１００の場合よりも、簡素な構造とすることができるので、前述した第一番目の実施形態の場合よりも、製造の容易化及び低コスト化を図ることができる。
【００５９】
［他の実施形態］
なお、前述した第一番目の実施形態においては、水位に応じたフロートの昇降により自動的に開閉するドレイナ１４５〜１４８を用いて前記バイパス管１４１〜１４４を断接するようにしたが、これに代えて、他の実施形態として、例えば、タイマからの信号により所定時間ごとに自動的に開閉する電磁弁を適用することも可能である。
【００６０】
また、前述した第二番目の実施形態においては、他方の面に酸化ガス流通路１１０ｅ，１２０ｅを有するものの一方の面に形成された前記燃料ガス流通路の前記マニホールド１１０ａ，１１０ｃ，１２０ａ，１２０ｃとの接続部分を閉塞されたダミー中間セパレータ２１２Ａ，２２２Ａを適用するようにしたが、これに代えて、他の実施形態として、例えば、一方の面に酸化ガス流通路１１０ｅ，１２０ｅが形成されるものの他方の面には燃料ガス流通路がもともとないエンドセパレータ１１４，１２４を適用することも可能である。
【００６１】
また、前述した実施形態においては、最下方に酸化ガス流通路１１０ｅ，１２０ｅが位置する構造の前記スタック１１０，１２０，２１０，２２０の場合について説明したが、他の実施形態として、最下方に燃料ガス流通路１１０ｂ，１２０ｂが位置する構造のスタックの場合には、燃料ガス流通路と酸化ガス流通路とを逆にするだけで、前述した実施形態の場合と同様にして適用することができる。
【００６２】
また、前述した実施形態においては、中間フランジの前記酸化ガス用接続路が、上側スタック１１０，２１０の酸化ガス回収マニホールド１１０ｆと下側スタック１２０，２２０の酸化ガス供給マニホールド１２０ａとを中間フランジ１３３の酸化ガス用接続路１３３ｂで接続することにより、酸化ガス２の利用効率を向上させるようにした固体高分子形燃料電池１００，２００の場合について説明したが、他の実施形態として、例えば、上側スタックの酸化ガス供給マニホールドと下側スタックの酸化ガス供給マニホールドとを接続すると共に上側スタックの酸化ガス回収マニホールドと下側スタックの酸化ガス回収マニホールドとを接続するように酸化ガス用接続路を形成した中間フランジを適用した固体高分子形燃料電池の場合（利用効率を特に向上させる必要がない空気を酸化ガスとして適用した場合）には、前述した実施形態で説明した上側用酸化ガス側バイパス手段が不要となる。
【００６３】
また、前述した実施形態においては、上側スタック１１０，２１０と下側スタック１２０，２２０とを中間フランジ１３３を介して接続した、すなわち、２つのスタックを１つの中間フランジで接続した固体高分子形燃料電池１００，２００の場合について説明したが、本発明はこれに限らず、他の実施形態として、３つ以上のスタックを２つ以上の中間フランジで接続した固体高分子形燃料電池の場合であっても、前述した実施形態の場合と同様にして適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明に係る固体高分子形燃料電池は、発電性能の低下を防止しながらも原料ガスを有効に利用することができるので、産業上、極めて有益に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明に係る固体高分子形燃料電池の第一番目の実施形態の要部の概略構成図であり、Ａが燃料ガスの流通系統の概略構成図、Ｂが酸化ガスの流通系統の概略構成図である。
【図２】本発明に係る固体高分子形燃料電池の第二番目の実施形態の要部の概略構成図であり、Ａが燃料ガスの流通系統の概略構成図、Ｂが酸化ガスの流通系統の概略構成図である。
【図３】従来の縦型の固体高分子形燃料電池の一例の燃料ガスの流通系統の概略構成図である。
【符号の説明】
【００６６】
１  燃料ガス
２  酸化ガス
３  水
１００  固体高分子形燃料電池
１１０  上側スタック
１１０ａ  燃料ガス供給マニホールド
１１０ｂ  燃料ガス流通路
１１０ｃ  燃料ガス回収マニホールド
１１０ｄ  酸化ガス供給マニホールド
１１０ｅ  酸化ガス流通路
１１０ｆ  酸化ガス回収マニホールド
１１１  セル
１１２  中間セパレータ
１１３，１１４  エンドセパレータ
１１５  ガスケット
１２０  下側スタック
１２０ａ  燃料ガス供給マニホールド
１２０ｂ  燃料ガス流通路
１２０ｃ  燃料ガス回収マニホールド
１２０ｄ  酸化ガス供給マニホールド
１２０ｅ  酸化ガス流通路
１２０ｆ  酸化ガス回収マニホールド
１２１  セル
１２２  中間セパレータ
１２３，１２４  エンドセパレータ
１２５  ガスケット
１３１  上側エンドフランジ
１３１ａ  燃料ガス供給口
１３１ｄ  酸化ガス供給口
１３２  下側エンドフランジ
１３２ｃ  燃料ガス排出口
１３２ｆ  酸化ガス排出口
１３３  中間フランジ
１３３ａ  燃料ガス用接続路
１３３ｂ  酸化ガス用接続路
１３３ｃ，１３３ｄ  フィルタ
１４１  第一の燃料ガス側バイパス管
１４２  第二の燃料ガス側バイパス管
１４３  第一の酸化ガス側バイパス管
１４４  第二の酸化ガス側バイパス管
１４５〜１４８  自動開閉弁（ドレイナ）
２００  固体高分子形燃料電池
２１０  上側スタック
２１１Ａ，２１１Ｂ  ダミーセル
２１２  中間セパレータ
２１２Ａ  ダミー中間セパレータ
２１４  ダミーエンドセパレータ
２２０  下側スタック
２２１Ａ，２２１Ｂ  ダミーセル
２２２  中間セパレータ
２２２Ａ  ダミー中間セパレータ
２２４  ダミーエンドセパレータ
【図１】
0005148258.tif 000002
【図２】
0005148258.tif 000003
【図３】
0005148258.tif 000004