(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜をアノード側電極およびカソード側電極で挟んで構成される単位燃料電池セルとセパレータとを水平方向に交互に積層するとともに、
前記アノード側電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記カソード側電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路とが設けられた燃料電池スタックであって、
前記燃料電池スタックのエンドプレートに設けられ、前記燃料ガス流路および前記酸化剤ガス流路の入口側に連結される第１および第２供給配管と、
前記エンドプレートに設けられ、前記燃料ガス流路および前記酸化剤ガス流路の出口側に連結される第１および第２排出配管と、
を備え、
加湿された前記燃料ガスが供給される前記第１供給配管および加湿された前記酸化剤ガスが供給される前記第２供給配管のうち少なくとも１つは、配管自体の一部分に、該配管の開口直径を拡径することにより、他の部分よりも下方に突出する段差部位を有した拡大部を設け、該配管内で凝結した水が前記段差部位に排出されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
固体高分子電解質膜をアノード側電極およびカソード側電極で挟んで構成される単位燃料電池セルとセパレータとを水平方向に交互に積層するとともに、
前記アノード側電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記カソード側電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路とが設けられた燃料電池スタックであって、
前記燃料電池スタックに前記水平方向に積層されたエンドプレートに設けられ、前記燃料ガス流路および前記酸化剤ガス流路の入口側に連結される第１および第２供給配管と、
前記エンドプレートに設けられ、前記燃料ガス流路および前記酸化剤ガス流路の出口側に連結される第１および第２排出配管と、
を備え、
加湿された前記燃料ガスが供給される前記第１供給配管および加湿された前記酸化剤ガスが供給される前記第２供給配管のうち少なくとも１つは、前記燃料電池スタックに向かって上方に傾斜する傾斜部を設け、配管内で凝結した水が前記燃料電池スタック内に移動することを阻止することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記第１供給配管および前記第２供給配管のうち少なくとも１つに連通する液溜まり部を設けるとともに、
前記液溜まり部には、該液溜まり部に貯留される水の水位を検出する水位計と、
前記水位計により前記液溜まり部に一定量以上の水が貯留されたと判断された際、前記液溜まり部の水を排出するための排出弁と、
が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極で挟んで構成される単位燃料電池セルとセパレータとを、交互に積層した燃料電池スタックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池は、通常、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質の両側にそれぞれアノード側電極およびカソード側電極を配置した単位燃料電池セルを、セパレータによって挟持することにより互いに積層して燃料電池スタックを構成している。
【０００３】
この種の燃料電池スタックにおいて、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、水素は、触媒電極上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、酸素ガスあるいは空気が供給されているために、このカソード側電極において、前記水素イオン、前記電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
この場合、高分子イオン交換膜からなる電解質は、イオン透過性を保持すべく十分に加湿させておく必要がある。このため、一般的には、燃料電池の外部に設けられているガス加湿装置を用いて酸化剤ガスと燃料ガスとを加湿し、これらを水蒸気として燃料電池スタックに送ることにより、電解質を加湿するように構成されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、固体高分子型燃料電池は、作動温度が比較的低温（〜１００℃）であるため、酸化剤ガスや燃料ガスに加湿用に供給された水分が燃料電池スタックに導入される前に配管内で結露するおそれがある。一方、燃料電池スタックに導入された後に電解質に吸収されなかった水分や、反応によって生成された水分が、前記燃料電池スタック内のガス流路や該燃料電池スタックから排出後に配管内で冷却され、水の状態で存在し易い。
【０００６】
しかしながら、上記のように、燃料電池スタック近傍の配管内や前記燃料電池スタック内のガス流路に水が存在すると、各単位燃料電池セルに酸化剤ガスや燃料ガスを十分に供給することが困難になってしまう。これにより、反応ガスである燃料ガスおよび酸化剤ガスの触媒電極層への拡散性が低下し、セル性能が著しく悪化するという問題が指摘されている。
【０００７】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、燃料電池スタック内に不要な水が導入されることを確実に阻止するとともに、構成の簡素化が可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池スタックでは、この燃料電池スタック内の燃料ガス流路および酸化剤ガス流路の入口側に連結される第１および第２供給配管と、前記燃料ガス流路および前記酸化剤ガス流路の出口側に連結される第１および第２排出配管とを備えるとともに、少なくとも１つの配管が、配管自体の一部分に他の部分よりも下方に突出する段差部位を有した拡大部を設けている。
【０００９】
ここで、燃料電池スタックには、結露を防ぐために冷却水温度（スタック温度）以下の露点を有した加湿ガスが供給されている。ところが、配管部分とスタック温度に温度差が存在すると、前記配管部分で水蒸気の凝結が起こり、凝結した水が燃料電池スタック内に導入されるおそれがある。その際、本発明では、第１供給配管や第２供給配管に設けられた拡大部に、下方に突出する段差部位が形成されており、配管内で凝結した水が前記段差部位に貯留されるため、燃料電池スタック内のガス流路に不要な水が導入されることを確実に阻止することができる。
【００１０】
一方、燃料電池スタックのガス出口側に連通する配管内で凝結した水は、前記燃料電池スタック内に逆流するおそれがある。その際、本発明では、第１排出配管や第２排出配管に拡大部を設けることにより、配管内の水がこの拡大部の段差部位に貯留されるため、燃料電池スタック内のガス流路に水が逆流することを有効に阻止することが可能になる。
【００１１】
また、本発明では、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路の入口および出口に連結される第１供給配管、第２供給配管、第１排出配管および第２排出配管のうち少なくとも１つが、燃料電池スタックに向かって上方に傾斜する傾斜部を設けている。このため、第１供給配管や第２供給配管内で凝結した水が、傾斜部によって燃料電池スタック内に導入されることがなく、一方、第１排出配管や第２排出配管内で凝結した水が、前記燃料電池スタック内に逆流することを確実に阻止することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０の概略斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の要部断面説明図であり、図３は、前記燃料電池スタック１０の一部分解斜視説明図である。
【００１３】
燃料電池スタック１０は、単位燃料電池セル１２と、この単位燃料電池セル１２を挟持する第１および第２セパレータ１４、１６とを備え、必要に応じてこれらが複数組だけ積層されている。単位燃料電池セル１２は、固体高分子電解質膜１８と、この電解質膜１８を挟んで配設されるアノード側電極２０およびカソード側電極２２とを有する。
【００１４】
図３に示すように、単位燃料電池セル１２の両側には、第１および第２ガスケット２４、２６が設けられ、前記第１ガスケット２４は、アノード側電極２０を収納するための大きな開口部２８を有する一方、前記第２ガスケット２６は、カソード側電極２２を収納するための大きな開口部３０を有する。単位燃料電池セル１２と第１および第２ガスケット２４、２６とが、第１および第２セパレータ１４、１６によって挟持され、これらが水平方向に複数組積層される。単位燃料電池セル１２と第１および第２セパレータ１４、１６の積層方向両端部には、第１および第２エンドプレート３２、３４が配置され、タイロッド３６を介して前記第１および第２エンドプレート３２、３４が一体的に締付け固定されている。
【００１５】
燃料電池スタック１０内には、上部側に燃料ガス供給流路３８、酸化剤ガス供給流路４０および冷却水排出流路４２が一体的に形成されるとともに、下部側には、燃料ガス排出流路４４、酸化剤ガス排出流路４６および冷却水供給流路４８が一体的に形成されている。
【００１６】
第１セパレータ１４のアノード側電極２０に対向する面部には、燃料ガス供給流路３８と燃料ガス排出流路４４とを連通して上下方向に延在する第１流路５０が形成される。第２セパレータ１６のカソード側電極２２に対向する面部には、酸化剤ガス供給流路４０と酸化剤ガス排出流路４６とを連通して上下方向に延在する第２流路５２が形成される（図２参照）。第１および第２セパレータ１４、１６のそれぞれ他方の面部には、冷却水排出流路４２と冷却水供給流路４８とを連通して上下方向に延在する第３流路５３が形成される。
【００１７】
図１に示すように、第１エンドプレート３２には、燃料ガス供給流路３８に連結される第１供給配管５４と、酸化剤ガス供給流路４０に連結される第２供給配管５６と、燃料ガス排出流路４４に連結される第１排出配管５８と、酸化剤ガス排出流路４６に連結される第２排出配管６０と、冷却水排出流路４２に連結される冷却水排出配管６２と、冷却水供給流路４８に連結される冷却水供給配管６４とが設けられる。
【００１８】
図２に示すように、第１供給配管５４は、図示しない燃料ガス供給源に連結される管路６６を備え、この管路６６の第１エンドプレート３２の近傍に拡大部６８が設けられる。拡大部６８は、管路６６よりも下方に突出する段差部位７０を有しており、実際上、前記管路６６の開口直径を拡径した円筒形状に設定されている。なお、第２供給配管５６、第１排出配管５８および第２排出配管６０は、第１供給配管５４と同様に構成されており、同一の構成要素には同一の参照符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００１９】
このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。
【００２０】
第１エンドプレート３２に接続されている第１供給配管５４から燃料ガス供給流路３８に対し、予め水蒸気が含まれた水素ガス（燃料ガス）が供給されるとともに、第２供給配管５６から酸化剤ガス供給流路４０に対して水蒸気が含まれた酸化剤ガスである空気（または酸素ガス）が供給される。
【００２１】
燃料ガス供給流路３８に導入された水素ガスは、第１流路５０に沿って下方向に移動しながら単位燃料電池セル１２のアノード側電極２０に供給される。一方、酸化剤ガス供給流路４０に導入された空気は、同様に第２流路５２に沿って下方向に移動しながら単位燃料電池セル１２を構成するカソード側電極２２に供給される。これにより、水素ガスは、水素イオン化されて電解質膜１８を介してカソード側電極２２側へと移動し、前記単位燃料電池セル１２で発電が行われる。未使用の水素ガスは、燃料ガス排出流路４４から第１排出配管５８に送られるとともに、未使用の空気は、酸化剤ガス排出流路４６から第２排出配管６０に導出される。
【００２２】
なお、冷却水供給流路４８には、冷却水供給配管６４から冷却水が供給されている。この冷却水は、第１および第２セパレータ１４、１６の第３流路５３を流れることによって各単位燃料電池セル１２を冷却した後、冷却水排出配管６２に導出される。
【００２３】
ところで、例えば、第１供給配管５４には、予め電解質加湿用の水蒸気が含まれた水素ガスが供給されており、この第１供給配管５４と燃料電池スタック１０のスタック温度（冷却水温度）に温度差が生じると、前記第１供給配管５４内で水蒸気の凝結が惹起される。そして、凝結した水は、水素ガスの流れに沿って燃料電池スタック１０内に移動しようとする。
【００２４】
この場合、第１の実施形態では、図２に示すように、第１供給配管５４を構成する管路６６が第１エンドプレート３２の近傍に位置する拡大部６８を設けており、この拡大部６８には、前記管路６６よりも下方に突出する段差部位７０が形成されている。このため、第１供給配管５４内で凝結した水７２は、段差部位７０に溜まって燃料電池スタック１０内の燃料ガス供給流路３８に流れることを防止することが可能になる。これにより、第１供給配管５４内で凝結した水７２が燃料電池スタック１０内に入り込んで滞留することを確実に阻止し、各単位燃料電池セル１２への水素ガスの均一分配を阻害することがない。
【００２５】
一方、第１排出配管５８内で凝結した水７２も同様に、この第１排出配管５８を構成する拡大部６８内に貯留され、燃料電池スタック１０内に逆流することを確実に阻止することができる。これによって、燃料電池スタック１０内に不要な水７２が導入されることがなく、この燃料電池スタック１０を長時間にわたって安定して運転させることが可能になるという効果が得られる。
【００２６】
また、空気の導入および導出を行う第２供給配管５６および第２排出配管６０においても同様に、凝結した水７２が燃料電池スタック１０内に導入されることがない。なお、第１の実施形態では、第１および第２供給配管５４、５６と第１および第２排出配管５８、６０とにそれぞれ拡大部６８を設けているが、水蒸気の凝結が懸念されない部分にはこの拡大部６８を設ける必要がなく、前記拡大部６８を選択的に採用することができる。
【００２７】
図４は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック８０の概略斜視説明図であり、図５は、前記燃料電池スタック８０の要部断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００２８】
燃料電池スタック８０を構成する第１エンドプレート８２には、燃料ガス供給流路３８に接続される第１供給配管８４と、酸化剤ガス供給流路４０に接続される第２供給配管８６と、燃料ガス排出流路４４に接続される第１排出配管８８と、酸化剤ガス排出流路４６に接続される第２排出配管９０とが設けられる。第２の実施形態では、第１および第２供給配管８４、８６と第１および第２排出配管８８、９０のうち少なくとも１つに、燃料電池スタック８０に向かって全体的に上方に傾斜する傾斜部９２が設けられている。
【００２９】
このように構成される第２の実施形態では、例えば、第１供給配管８４内を流れる水素ガス中の水蒸気が凝結してこの第１供給配管８４内に水が発生しても、燃料電池スタック８０に向かって上方に傾斜する傾斜部９２の勾配により、凝結した水が前記燃料電池スタック８０内に移動することがない。一方、未使用の水素ガスが燃料電池スタック１０から排出される第１排出配管８８は、同様に傾斜部９２を有している。従って、第１排出配管８８内で凝結した水が燃料電池スタック８０内に逆流することを確実に阻止することが可能になる。
【００３０】
これにより、第２の実施形態では、簡単な構成で、燃料電池スタック８０を長時間にわたって安定して運転させることができる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００３１】
図６は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック１００の一部断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００３２】
燃料電池スタック１００は、第１および第２供給配管５４、５６と、第１および第２排出配管５８、６０とを備えるとともに、それぞれ排水管１０２ａ〜１０２ｄを介して液溜り部１０４ａ〜１０４ｄに接続されている。液溜り部１０４ａ〜１０４ｄには、それぞれ貯留される水７２の水位を検出する水位計１０６ａ〜１０６ｄと、前記水位計１０６ａ〜１０６ｄにより前記液溜り部１０４ａ〜１０４ｄに一定量以上の水７２が貯留されていると判断された際、前記水７２を排出するための排出弁１０８ａ〜１０８ｄとが設けられる。
【００３３】
このように構成される第３の実施形態では、例えば、水素ガスを燃料電池スタック１００内に供給するための第１供給配管５４内で凝結した水７２は、排水管１０２ａを介して液溜り部１０４ａ内に貯留される。この液溜り部１０４ａでは、水位計１０６ａを介して水７２の水位が計測され、この水位が一定量以上であると、排出弁１０８ａが開かれて前記液溜り部１０４ａ内の水７２が自動的に排出される。次いで、液溜り部１０４ａ内の水位が下限値に達すると、再び排出弁１０８ａが閉じられて自動排水処理が終了する。
【００３４】
このように、第３の実施形態では、第１供給配管５４内で凝結した水が、一旦、液溜り部１０４ａに貯留された後、排出弁１０８ａを介して自動排水されている。従って、燃料電池スタック１００内に不要な水７２が導入されることを阻止するとともに、この燃料電池スタック１００を一層長時間にわたって安定して連続運転し得るという利点がある。
【００３５】
図７は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタック１２０の一部断面説明図である。なお、第３の実施形態に係る燃料電池スタック１００と同一の構成要素には、同一の参照符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００３６】
この燃料電池スタック１２０では、第１および第２供給配管５４、５６と第１および第２排出配管５８、６０とが、燃料電池スタック１２０に向かって上方に傾斜する傾斜部１２２を設けている。従って、第４の実施形態では、段差部位７０と傾斜部１２２とを介し、燃料電池スタック１２０内に水７２が不要に導入されることを確実に阻止することができる他、第３の実施形態と同様の効果が得られる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックでは、この燃料電池スタック内の燃料ガス流路および酸化剤ガス流路に連結される第１および第２供給配管と第１および第２排出配管のうち少なくとも１つが、配管自体の一部分に管路の他の部分よりも下方に突出する段差部位を有した拡大部を設けており、この管路内で凝結した水が前記段差部位に溜められるため、前記燃料電池スタック内に導入されることがない。これにより、簡単な構成で、燃料電池スタックを長時間にわたって安定して運転させることができる。
【００３８】
また、本発明では、燃料電池スタックの燃料ガス流路および酸化剤ガス流路に連結される第１および第２供給配管と第１および第２排出配管のうち少なくとも１つが、前記燃料電池スタックに向かって上方に傾斜する傾斜部を設けている。このため、管路内で凝結した水が燃料電池スタック内に送り込まれたり、この燃料電池スタック内に逆流したりすることがなく、前記燃料電池スタックの発電性能を有効に維持することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの概略斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池スタックの要部断面説明図である。
【図３】前記燃料電池スタックの一部分解斜視説明図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの概略斜視説明図である。
【図５】図４に示す前記燃料電池スタックの要部断面説明図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックの一部断面説明図である。
【図７】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックの一部断面説明図である。
【符号の説明】
１０、８０、１００、１２０…燃料電池スタック
１２…単位燃料電池セル            １４、１６…セパレータ
１８…電解質膜                    ２０…アノード側電極
２２…カソード側電極              ２４、２６…ガスケット
３２、３４、８２…エンドプレート  ３８…燃料ガス供給流路
４０…酸化剤ガス供給流路          ４２…冷却水排出流路
４４…燃料ガス排出流路            ４６…酸化剤ガス排出流路
４８…冷却水供給流路              ５０、５２、５３…流路
５４、５６、８４、８６…供給配管  ５８、６０、８８、９０…排出配管
６２…冷却水排出配管              ６４…冷却水供給配管
６８…拡大部                      ７０…段差部位
９２、１２２…傾斜部              １０４ａ〜１０４ｄ…液留り部
１０６ａ〜１０６ｄ…水位計        １０８ａ〜１０８ｄ…排出弁
【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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