(57)【要約】【課題】凝縮水の滞留によるガス流路の閉塞を防止または抑制する。【解決手段】燃料ガス供給管４６ａは、燃料ガス供給マニホールド２４ａに対し、燃料ガス導入部２４ｃの下端部分より少なくとも鉛直方向下方部分で連通し、凝縮水回収管５４ａは、燃料ガス導入部２４ｃの下端部分より少なくとも鉛直方向下方部分に配設されている。凝縮水回収管５４ａを介して凝縮水回収タンク５６ａに回収した凝縮水は、改質水などとして再利用することも可能である。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面を燃料極と酸化極とで挟持した膜電極接合体を含む単セルを、複数積層させてなるセルスタックと、
前記単セルにおいて発電に供される反応ガスを前記単セルに供給するための反応ガス源と、
前記反応ガス源から導出された前記反応ガスを、前記セルスタックに供給させる反応ガス供給路と、
前記単セルのそれぞれを貫通し、前記反応ガス供給路を流通する前記反応ガスを、前記セルスタックの内部に供給させる反応ガス供給マニホールドと、
前記反応ガス供給マニホールドに供給された前記反応ガスを、前記単セルのそれぞれに分配し、導入させる導入部を有し、前記導入部から導入された前記反応ガスを前記電極部分に流通させる反応ガス流路と、
前記反応ガス供給マニホールドまたは前記反応ガス供給路に連通し、前記反応ガス中の水分が凝縮した凝縮水を前記セルスタックの外部に排出させる凝縮水排出路と、
を備え、
前記反応ガス供給路は、前記反応ガス供給マニホールドに対し、前記導入部の下端部分より少なくとも鉛直方向下方部分で連通し、
前記凝縮水排出路は、前記導入部の下端部分より少なくとも鉛直方向下方部分に配設されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記凝縮水排出路が、前記反応ガス供給マニホールドに連通していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記凝縮水排出路が、前記反応ガス供給路の底面部分に接続されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記凝縮水排出路が、前記反応ガス供給マニホールドの鉛直方向下端部分に連通していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記導入部が、前記反応ガス供給マニホールドの鉛直方向上端部分に連通していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記凝縮水排出路を介して排出される凝縮水を回収し、貯留させる凝縮水回収タンクをさらに備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記反応ガス供給マニホールドが、セル面内において水平方向幅に比して鉛直方向幅が大きい縦長形状であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記反応ガスが、前記電極部分の燃料極側に供給される燃料ガスであることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項１から７のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記反応ガスが、前記電極部分の酸化極側に供給される酸化ガスであることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の最小単位に相当する、一般的な単セル（燃料電池単セルとも称する）の構成について、特に電極部分を含む要部の構成の概略について説明する。図１０に例示するように、カソード触媒層１２（酸化極またはカソード極とも称する）とアノード触媒層１４（燃料極またはアノード極とも称する）を、電解質膜１０を挟んで互いに対向するように設け、いわゆる膜電極接合体（ＭＥＡ）３０が構成されている。また、カソード触媒層１２の外側にはカソード拡散層１６が、アノード触媒層１４の外側にはアノード拡散層１８が、それぞれ設けられている。さらに、カソード拡散層１６の外側には、酸化ガス流路２０およびセル冷媒流路２２が形成されたカソード側セパレータ２６が、アノード拡散層１８の外側には、燃料ガス流路２４およびセル冷媒流路２２が形成されたアノード側セパレータ２８が、それぞれ設けられており、これらを例えば、接着や圧着などにより一体化させて、単セル４０が形成される。そして、得られた単セル４０を、所望の起電力が得られるように複数枚積層させたセルスタックを備える燃料電池がさまざまな分野において適用されている。
【０００３】
燃料電池の発電時には、燃料ガス流路を経由して燃料極に供給される原料（燃料ガス）を水素ガス、酸化ガス流路を経由して酸化極に供給される原料（酸化ガス）を空気とした場合、燃料極において、水素ガスから水素イオンと電子とが発生する。電子は外部端子から外部回路を通じて酸化極に到達する。酸化極において、供給される空気中の酸素と、電解質膜を通過した水素イオンと、外部回路を通じて酸化極に到達した電子により、水が生成する。このように電解質膜を介して対面する燃料極及び酸化極において電気化学反応が起こり、電池として機能する。この燃料電池は、発電に使用される原料のガスや液体燃料が豊富に存在すること、また、その発電原理より、排出される物質が水であること等から、クリーンなエネルギー源として様々な検討がされている。
【０００４】
このような燃料電池は一般に、発電時には化学反応に伴う熱を発生するが、安定した発電を維持するためには例えば６０℃から１００℃程度の所定の温度範囲となるように制御することが必要であるため、水やエチレングリコールなどの冷却媒体（冷媒）を各単セルに設けられたセル冷媒流路２２に流通させて燃料電池の過熱を防止している。
【０００５】
一般に燃料電池が良好な発電を行なうためには、例えばパーフルオロ系、パーフルオロスルホン酸系等のフッ素系イオン交換樹脂などが用いられる電解質膜１０に対して所定の水分量（含水量）を維持させて、プロトン透過性膜としての機能を発揮させることが好適であり、例えば燃料電池内に供給する反応ガスのいずれか一方、または両方を加湿させることにより電解質膜１０の水分調節を行なう。
【０００６】
ところで、燃料電池に対する水分の供給が所定の量を超えてしまうと、ガス流路内においてガス中の水分が凝縮し、液体の水を生成する（これを凝縮水と称する）。この凝縮水がガス流路や拡散層を塞いでしまうと、反応に必要な原料ガス（反応ガスとも称する）の、触媒層への供給が不十分となってしまう、いわゆるフラッディングと呼ばれる現象が発生し、発電効率が低下するばかりでなく、運転状態が不安定となり、場合によってはシステムの停止に繋がるおそれもある。さらに酸化極側、つまり酸化ガスが流通しているガス流路においては、ガス由来の凝縮水のほか、プロトンと酸素との反応によって生成する生成水も含まれるため、ガス流路内の水分量の制御には特に注意が必要である。
【０００７】
一方、凝縮水の生成には、ガスに含まれる水分量の多寡のほかに、その温度条件が密接に関わっている。つまり、燃料電池の運転時においては、温度の上昇に伴い飽和水蒸気圧が高くなり、ガス中に含有し得る水分量が多いために凝縮する水分量はわずかであるが、飽和水蒸気圧は温度の低下とともに低下するため、例えば出力を低下させた時や運転停止時などにおいては、凝縮水は生成しやすい一方、ガスの流量および／または流速は低いため、ガスの流通に伴う凝縮水の排出は期待できない。このため、例えば高加湿運転時など、凝縮水の生成が顕著である場合であって、例えば起動直後など、またはガス流速の遅い低出力時など、電池内部が比較的低温である場合における凝縮水の排出性が特に懸念されている。
【０００８】
凝縮水の排出に関し、例えば、特許文献１〜３のような燃料電池システムが提案されている。
【０００９】
特許文献１には、凝縮水または生成水を一時溜める水溜まり部が設けられ、電磁弁を開放して溜まった水を排出することが可能な燃料電池システムについて記載されている。
【００１０】
特許文献２には、所定の角度だけ傾けることにより、ガス供給マニホールド内で凝縮した水分を容易に排出させることの可能な燃料電池スタックについて記載されている。
【００１１】
また、特許文献３には、凝縮した水の単セル内部への侵入を防止する仕切り部材を反応ガス供給用マニホールド内に設けた燃料電池について記載されている。
【００１２】
【特許文献１】特開２００３−１７８７９１号公報
【特許文献２】特開２００４−２０７１０６号公報
【特許文献３】特開２００７−８７７４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、特許文献３に記載された燃料電池においては、マニホールド内の構成が複雑となってしまうため、コストアップに繋がりやすい。また、例えば高加湿運転からの停止時など、大量の水分が凝縮し得る条件下では、一旦貯水させた凝縮水が仕切り部材を越えて単セル内のガス流路内に流入してしまうおそれがある。
【００１４】
本発明は、凝縮水の滞留によるガス流路の閉塞を抑制または防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の構成は以下のとおりである。
【００１６】
（１）電解質膜の両面を燃料極と酸化極とで挟持した膜電極接合体を含む単セルを、複数積層させてなるセルスタックと、前記単セルにおいて発電に供される反応ガスを前記単セルに供給するための反応ガス源と、前記反応ガス源から導出された前記反応ガスを、前記セルスタックに供給させる反応ガス供給路と、前記単セルのそれぞれを貫通し、前記反応ガス供給路を流通する前記反応ガスを、前記セルスタックの内部に供給させる反応ガス供給マニホールドと、前記反応ガス供給マニホールドに供給された前記反応ガスを、前記単セルのそれぞれに分配し、導入させる導入部を有し、前記導入部から導入された前記反応ガスを前記電極部分に流通させる反応ガス流路と、前記反応ガス供給マニホールドまたは前記反応ガス供給路に連通し、前記反応ガス中の水分が凝縮した凝縮水を前記セルスタックの外部に排出させる凝縮水排出路と、を備え、前記反応ガス供給路は、前記反応ガス供給マニホールドに対し、前記導入部の下端部分より少なくとも鉛直方向下方部分で連通し、前記凝縮水排出路は、前記導入部の下端部分より少なくとも鉛直方向下方部分に配設されている、燃料電池システム。
【００１７】
（２）上記（１）に記載の燃料電池システムにおいて、前記凝縮水排出路が、前記反応ガス供給マニホールドに連通している、燃料電池システム。
【００１８】
（３）上記（１）に記載の燃料電池システムにおいて、前記凝縮水排出路が、前記反応ガス供給路の底面部分に接続されている、燃料電池システム。
【００１９】
（４）上記（２）に記載の燃料電池システムにおいて、前記凝縮水排出路が、前記反応ガス供給マニホールドの鉛直方向下端部分に連通している、燃料電池システム。
【００２０】
（５）上記（１）から（４）のいずれか１つに記載の燃料電池システムにおいて、前記導入部が、前記反応ガス供給マニホールドの鉛直方向上端部分に連通している、燃料電池システム。
【００２１】
（６）上記（１）から（５）のいずれか１つに記載の燃料電池システムにおいて、前記凝縮水排出路を介して排出される凝縮水を回収し、貯留させる凝縮水回収タンクをさらに備える、燃料電池システム。
【００２２】
（７）上記（１）から（６）のいずれか１つに記載の燃料電池システムにおいて、前記反応ガス供給マニホールドが、セル面内において水平方向幅に比して鉛直方向幅が大きい縦長形状である、燃料電池システム。
【００２３】
（８）上記（１）から（７）のいずれか１つに記載の燃料電池システムにおいて、前記反応ガスが、前記電極部分の燃料極側に供給される燃料ガスである、燃料電池システム。
【００２４】
（９）上記（１）から（７）のいずれか１つに記載の燃料電池システムにおいて、前記反応ガスが、前記電極部分の酸化極側に供給される酸化ガスである、燃料電池システム。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、凝縮した水分の滞留によるガス流路の閉塞を抑制または防止することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、各図面において、同様の構成については同じ符号を付し、場合によってはその説明を省略する。
【００２７】
図１は、本発明の実施の形態における燃料電池システムを構成するセルスタックの形状の概略について説明する図である。図１において、積層させた単セル４０の積層端を図示しない集電板でそれぞれ挟み込み、さらにその外側を図示しない絶縁板および締結板４２，４４で順に挟持して、その外側から例えば図示しないボルト等による締結などの方法により全体を積層方向に押圧保持し、固定され、セルスタック５０が形成されている。図１において、締結板４２に接続され、セルスタック５０の外部に延出する配管４６，４８は、一対の流体供給／排出用の配管をそれぞれ示しているが、その詳細については後述する。本実施の形態において、セルスタック５０を構成する単セル４０には一般に、図１０に例示するような固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）を適用することができる。
【００２８】
図２は、図１に示すセルスタック５０を構成する単セル４０において、アノード側セパレータの形状、特に燃料ガス流路側の形状の一例について説明する図である。なお、図２に示すアノード側セパレータ２８の形状は、図１０に示す単セル４０のＡ−Ａ’断面に相当する（ただし、寸法および詳細な形状等は必ずしも一致しない）。
【００２９】
図２に示すアノード側セパレータ２８には、酸化ガス供給マニホールド２０ａ、酸化ガス排出マニホールド２０ｂ、冷媒供給マニホールド２２ａ、冷媒排出マニホールド２２ｂ、燃料ガス供給マニホールド２４ａ、燃料ガス排出マニホールド２４ｂの各流体マニホールドが形成されている。これらの各流体マニホールドはそれぞれ、アノード側セパレータ２８を貫通し、さらには図１に示す単セル４０を貫通するように設けられており、各流体（酸化ガス、燃料ガス、冷却媒体）が互いに混入しないよう、それぞれ個別に連通している。
【００３０】
図２において、燃料ガス供給マニホールド２４ａには、セルスタックの外部から供給された燃料ガスが流通している。燃料ガス供給マニホールド２４ａを流通する燃料ガスは、燃料ガス導入部２４ｃから各単セルに分配され、燃料ガス流路２４に導入される。燃料ガス流路２４に導入された燃料ガス中の水素は、ＭＥＡを介して対面する図示しない酸化ガス流路に導入された酸化ガス中の酸素との間の電気化学反応を伴いながら通過し、必要量の水素が消費された、燃料ガス流路２４通過後の燃料ガス、いわゆるオフガスを燃料ガス導出部２４ｄより燃料ガス排出マニホールド２４ｂに導出する（例えば、図１０参照のこと）。そして、各単セルの燃料ガス導出部２４ｄから導出された燃料ガスのオフガスは、燃料ガス排出マニホールド２４ｂで合流し、セルスタックの外部に排出される。
【００３１】
図３は、図２に示すアノード側セパレータ２８を含む単セルを積層させて図１に示すようなセルスタック５０を形成するときの、燃料ガス流通用の配管４６，４８の好適な接続箇所について説明する図である。
【００３２】
図３において、図示しないアノード側反応ガス供給路として利用される配管（以下「燃料ガス供給管」という）は、囲み３２で示された、燃料ガス供給マニホールド２４ａの鉛直方向下端部分またはこれに対応する配管または締結板（図１参照）に接続され、ここでは図示しない燃料ガス源より燃料ガスが供給される。例えば、燃料電池に供給される前の燃料ガスが加湿器を用いて加湿される場合や、改質器で改質される燃料ガス（改質ガス）が改質反応に用いられる水分を含む場合など、燃料ガス供給マニホールド２４ａに供給される燃料ガスが水分を含む場合において、例えば運転開始直後や停止時においてはセルスタックの温度低下に伴い水分過剰となり、凝縮水が燃料ガス供給マニホールド２４ａに滞留しがちになる。本実施の形態において、燃料ガス導入部２４ｃ下端部分より少なくとも鉛直方向下方部分で燃料ガス供給管と燃料ガス供給マニホールド２４ａとを連通させることにより、燃料ガス供給マニホールド２４ａ内に滞留した、燃料ガス供給管から供給される燃料ガス中に含まれる水分に由来する凝縮水の、燃料ガス流路２４への流入は困難となるため、凝縮水の流入に伴う燃料ガス流路２４内におけるフラッディングの発生を防止または抑制することが可能となる。
【００３３】
本実施の形態において、燃料ガス供給マニホールド２４ａの形状に制限はなく、いかなるものであっても良いが、好ましくは、図３に示すようにセル面内において水平方向（ｘ方向）の幅に比して鉛直方向（ｙ方向）の幅が大きい縦長形状である。本実施の形態によれば、燃料ガス供給管と燃料ガス導入部２４ｃとの鉛直方向高さの差をより大きくすることが可能となるため、燃料ガス供給マニホールド２４ａにおける凝縮水が大量であっても、より確実に燃料ガス流路を確保することが可能となる。また、本実施の形態によれば、例えば車両などの移動体にセルスタックを含む燃料電池システムを搭載した場合において、斜面走行中にセルスタックが傾いた場合においても、燃料ガス導入部２４ｃからの凝縮水の流入を抑制することが可能となるため、好適である。なお、燃料ガス供給管と燃料ガス導入部２４ｃとの鉛直方向高さの差を最大とするためには、図３に示すように、燃料ガス導入部２４ｃを燃料ガス供給マニホールド２４ａの鉛直方向上端部分に連通可能に配置するとともに、燃料ガス供給管を燃料ガス供給マニホールド２４ａの鉛直方向下端部分に接続させることが好適である。
【００３４】
なお、特に断りのない限り、以下「水平方向」、「鉛直方向」とは、図３において示すｘ方向／ｙ方向を指すものとし、位置関係を比較する、「上端」、「下端」、「上部」、「底部」などの表現の基準はいずれも、図３に示す「鉛直方向」である。
【００３５】
また、本発明の他の実施の形態において、燃料ガスのオフガスを排出する燃料ガス排出管は、囲み３４で示された、燃料ガス排出マニホールド２４ｂの鉛直方向下端部分またはこれに対応する配管または締結板（図１参照）に接続され、燃料ガスのオフガスを外部に排出する。本実施の形態において、燃料ガス排出マニホールド２４ｂの形状に制限はなく、いかなるものであっても良いが、好ましくは、図３に示すようにセル面内において水平方向の幅に比して鉛直方向の幅が大きい縦長形状である。本実施の形態によれば、燃料ガス導出部２４ｄの鉛直方向高さ（幅）をより大きくすることができ、燃料ガス排出マニホールド２４ｂにおける凝縮水が多量であっても、燃料ガス流路、特に燃料ガス導出部２４ｄの、凝縮水の滞留していない空間部分をより多く確保することが可能となる。このため、一般に水素ガスを多く含有する燃料ガス流路２４の上流側と比較して流量および／または流速が低下する傾向にある下流側において、燃料ガスのオフガスをより確実に燃料ガス流路２４の外部へ排出させることが可能となる。
【００３６】
図４は、本発明の実施の形態における燃料電池システムの、特にアノード側における流体流路の構成の概略について説明する図である。図４において、燃料ガス供給マニホールド２４ａの下端部分に連通する、燃料ガス供給管４６ａの底面部分には、凝縮水排出路としての配管５４ａ（凝縮水排出管ともいう）が接続されており、バルブ５８ａを介して凝縮水回収タンク５６ａに連通可能に構成されている。
【００３７】
図４において、改質器や水素ボンベなどの燃料ガス源５２で生じさせ、導出された燃料ガスを、必要に応じて図示しない加湿器などを用いて所望の水分量となるように加湿させた後、燃料ガス供給管４６ａを流通し、所望の流量および／または流速で燃料ガス供給マニホールド２４ａの下端部分に供給される。燃料ガスはその後、各単セルに設けられた燃料ガス流路２４を経由し、燃料ガス排出マニホールド２４ｂの下端部分に配設された燃料ガス排出管４８ａからオフガスとしてセルスタックの外部に排出される。なお、他の実施の形態として、燃料ガス排出マニホールド２４ｂが、燃料ガス流路２４から燃料ガス排出マニホールド２４ｂに燃料ガスのオフガスを導出する導出部２４ｄの下端部分よりさらに下方まで延びており、その下端部分２４ｄより下方に燃料ガス排出管４８ａが配設された構成を有していてもよい。
【００３８】
図４において、燃料ガス供給マニホールド２４ａまたはその近傍において凝縮した凝縮水は、燃料ガス供給マニホールド２４ａの底部に次第に滞留していき、やがて所定量を超えると燃料ガス供給マニホールド２４ａの下端部分に連通する燃料ガス供給管４６ａを経由して凝縮水排出管５４ａに流入し、貯留される。実施の形態において、バルブ５８ａは通常、閉じた状態となっており、凝縮水排出管５４ａに流入した凝縮水はバルブ５８ａの上部に滞留しているが、例えば、バルブ５８ａの上部に滞留する凝縮水が所定量となったとき、または所定時間経過の都度、バルブ５８ａを開放し、凝縮水回収タンク５６ａに凝縮水を回収し、貯留させることができる。凝縮水回収タンク５６ａに貯留された凝縮水は、必要に応じてイオン交換された後、例えば改質器における改質水や、加湿器における加湿用水分として再利用することができる。バルブ５８ａは、開閉式のものでも流量可変式のものであっても良く、例えば電磁弁やフロートバルブなど、いかなる形式のものを用いることも可能であるが、例えばフロートバルブでは、バルブの開閉には電力の消費を伴わないため、好適である。なお、本実施の形態において、凝縮水排出管５４ａを流通し、単セル内から排出される凝縮水は、一旦凝縮水回収タンク５６ａに回収されることから、以下、「凝縮水排出管」を「凝縮水回収管」とも称する。
【００３９】
図４において、凝縮水排出管または凝縮水回収管５４ａは、燃料ガス供給管４６ａと同様の材料を用いて作製することができ、例えば、ステンレス鋼材料（ＳＵＳ材）などを挙げることができるが、これに限定されるものではない。また、凝縮水回収管５４ａと燃料ガス供給管４６ａとの接続は、適用する材料に応じた適切な方法を用いることが可能であり、例えば、予め一体に成形するものであっても、図示しない継手部材を適用した接続、適当な接着剤による接着、溶接、その他いかなる方法によるものであっても良い。
【００４０】
また、本実施の形態において、必要に応じて、燃料ガス供給管４６ａおよび／または燃料ガス供給マニホールド２４ａから凝縮水回収管５４ａに向けて、凝縮水の流入を誘導する傾斜を設けることも好適である。また、反応ガス内の水分量が過飽和のままセルスタック内に流通せず、適切に凝縮が行なわれるよう、燃料ガス供給管４６ａおよび／または凝縮水回収管５４ａの内表面の少なくとも一部に親水化処理および／または疎水化処理を施しても良く、さらに粗面化処理を施しても良い。なお、凝縮水の流入を誘導する傾斜の傾きや燃料ガス供給管４６ａおよび／または凝縮水回収管５４ａの内表面処理の程度は燃料ガス供給マニホールド２４ａおよび／または燃料ガス供給管４６ａ、さらにアノード側の凝縮水回収管５４ａなどの流路表面の濡れ性や燃料電池の運転条件によって適宜設定することが可能である。また、凝縮水の流入を誘導する傾斜は、生成した凝縮水を直接または間接にアノード側の凝縮水回収管５４ａに流入させることが可能であればいかなる形状のものであっても良い。
【００４１】
図５は、アノード側に図４に示す燃料ガスの流通経路を有する燃料電池システムにおいて、特に反応ガスを含む流体の流通に着目した構成の概略を説明する概念図である。
【００４２】
図５において、燃料ガス源５２として、例えば改質装置を用いることができる。例えば改質装置である燃料ガス源５２は、例えば燃料ガスのオフガスを、酸素源としての空気などを用いて燃焼させ、装置内の温度を上昇させる燃焼部５２ａと、天然ガスや都市ガスなどの燃料ガス原料に含まれる、メタンなどの炭化水素を改質させて水素や一酸化炭素を含む改質ガスを得る改質部５２ｂと、改質ガス中の一酸化炭素と水とを反応させて一酸化炭素濃度を低下させるシフト部５２ｃと、触媒毒となる改質ガス中の一酸化炭素を除去し、セルスタック内に供給する燃料ガスを得るＣＯ除去部５２ｄとを含み、構成することができる。必要に応じて、図示しない脱硫器を用い、燃料ガス原料中に含有する硫黄成分を除去することも好適である。
【００４３】
燃料ガス源５２より得られた、水素を含有する燃料ガスは、必要に応じて加湿され、燃料ガス供給管４６ａを介してセルスタック５０に供給される。一方、空気や純酸素などの酸化ガスは、酸化ガス供給管４６ｃを介してセルスタック５０に供給される。セルスタック５０に供給された燃料ガス中の水素および酸化ガス中の酸素は、各単セル内の燃料極および酸化極において、電解質膜を介して反応に供される一方、それぞれのオフガスが燃料ガス排出管４８ａおよび酸化ガス排出管４８ｃから、セルスタック５０の外部へ排出される（例えば、図１０参照のこと）。
【００４４】
本実施の形態において、燃料ガス供給管４６ａの、セルスタック５０との接続部分またはその近傍には、凝縮水回収管５４ａが接続されており、図５では図示しない燃料ガス供給マニホールドの底部に滞留する凝縮水を流入、貯留させることが可能な構成を有している。本構成によれば、燃料ガス供給マニホールド内、および各単セルに設けられた燃料ガス流路内における凝縮水の長期にわたる滞留や、凝縮水の逆流による、燃料ガス源５２の不具合の発生などを防止または抑制することが可能となる。
【００４５】
また、本実施の形態において、バルブ５８ａの操作により凝縮水回収管５４ａ内から凝縮水回収タンク５６ａに流入し、貯留された凝縮水は、凝縮水供給管６０に設けられたポンプ６２の作動により、例えば燃料ガス源５２として改質器を用いたときの改質部５２ｂに改質水として供給し、再利用することも可能である。このとき、凝縮水回収管５４ａおよび／または凝縮水供給管６０において、必要に応じて、凝縮水に混入した異物などを除去するフィルタや、金属イオン等の水溶性の不純物を除去するイオン交換膜またはイオン交換樹脂等を適用することも好適である。
【００４６】
図５において、冷媒供給管４６ｂから図示しない冷媒供給マニホールドを経由してセルスタック５０の内部に供給された冷却媒体は、各単セル間の図示しないセル冷媒流路を流通し、熱交換によりセルスタック５０を冷却した後、図示しない冷媒排出マニホールドに連通する冷媒排出管４８ｂを介してセルスタック５０の外部に排出される。なお、冷却媒体の流通は、水道水などの適用によるものであっても良く、図示しない冷却器などの適用による循環式であっても良く、特に制限はないが、例えば車両などの移動体に搭載する場合には、循環式冷媒流路の適用が好適である。
【００４７】
図６は、本発明の他の実施の形態における燃料電池システムの、特にカソード側における流体流路の構成の概略について説明する図である。なお、図６に示すカソード側セパレータ２６の形状は、図１０に示す単セル４０のＢ−Ｂ’断面図に相当する（ただし、寸法および詳細な形状等は必ずしも一致しない）。
【００４８】
図６に示すカソード側セパレータ２６には、酸化ガス供給マニホールド２０ａ、酸化ガス排出マニホールド２０ｂ、冷媒供給マニホールド２２ａ、冷媒排出マニホールド２２ｂ、燃料ガス供給マニホールド２４ａ、燃料ガス排出マニホールド２４ｂの各流体マニホールドが形成されている。これらの各流体マニホールドはそれぞれ、カソード側セパレータ２６を貫通し、さらには図示しない単セルを貫通するように設けられており、各流体が互いに混入しないよう、それぞれ個別に連通している。
【００４９】
図６において、酸化ガス供給マニホールド２０ａの下端部分に連通する、カソード側反応ガス供給路としての配管（以下「酸化ガス供給管」という）４６ｃの底面部分には、凝縮水回収管５４ｃが接続されており、バルブ５８ｃを介して凝縮水回収タンク５６ｃに連通可能に構成されている。
【００５０】
図６において、エアポンプまたはブロワなどを含む酸化ガス源５３を用いて生じさせ、導出された空気や酸素などの酸化ガスを、加湿器６４を用いて所望の水分量となるように加湿させた後、酸化ガス供給管４６ｃを流通し、所望の流量および／または流速で酸化ガス供給マニホールド２０ａの下端部分に供給される。酸化ガスはその後、各単セルに設けられた酸化ガス流路２０を経由し、酸化ガス排出マニホールド２０ｂの下端部分に配設された酸化ガス排出管４８ｃからオフガスとしてセルスタック５０の外部に排出される。
【００５１】
図６において、酸化ガス供給マニホールド２０ａまたはその近傍において凝縮した凝縮水は、酸化ガス供給マニホールド２０ａの底部に次第に滞留していき、やがて所定量を超えると酸化ガス供給マニホールド２０ａの下端部分に連通する酸化ガス供給管４６ｃを経由して凝縮水回収管５４ｃに流入し、貯留される。実施の形態において、バルブ５８ｃは通常、閉じた状態となっており、凝縮水回収管５４ｃに流入した凝縮水はバルブ５８ｃの上部に滞留しているが、例えば、バルブ５８ｃの上部に滞留する凝縮水が所定量となったとき、または所定時間経過の都度、バルブ５８ｃを解放し、凝縮水回収タンク５６ｃに凝縮水を貯留・回収することができる。凝縮水回収タンク５６ｃに回収した凝縮水は、必要に応じてイオン交換された後、例えば改質器における改質水や、加湿器における加湿用水分供給源として再利用することも可能である。本実施の形態において、バルブ５８ｃは、例えば図４に示すバルブ５８ａと同様のものであっても、異なるものであっても良い。
【００５２】
一方、図６において、酸化ガスのオフガスをセルスタック５０の外部に排出させる酸化ガス排出管４８ｃは、酸化ガス排出マニホールド２０ｂの下端部分に連通させることが好ましい。本実施の形態によれば、酸化ガス排出マニホールド２０ｂ内における、酸化ガスのオフガス中に含まれる、生成水を含む凝縮水の過度な滞留を防止または抑制し、適切に排水させることにより、適切なガス流路の確保が可能となるため、好適である。
【００５３】
また、本実施の形態において、酸化ガス排出管４８ｃを、例えば加湿器６４内において、水分含有率および／または温度が高い酸化ガスのオフガスと、水分含有率および／または温度が比較的低い酸化ガス（供給用）との間で湿度交換および／または温度交換させる構成とすることができる。一般に、酸化ガス排出マニホールド２０ｂに排出される酸化ガスのオフガスには、加湿器６４において加湿した水分のほか、電極反応により生成した生成水に由来する水分が含まれている。また、運転中のセルスタック５０から排出される酸化ガスのオフガスは、セルスタック５０供給前の酸化ガスと比較して、一般に高温である。本実施の形態によれば、酸化ガス中のオフガス中に多量に含まれる水分および／または廃熱の少なくとも一部を、セルスタック５０供給前の酸化ガスと交換して再利用することが可能となる。
【００５４】
図７は、カソード側に図６に示す酸化ガスの流通経路を有する燃料電池システムにおいて、特に反応ガスを含む流体の流通に着目した構成の概略を説明する概念図である。図７に示す燃料電池システムは、カソード側における酸化ガスの流通経路を除き、図５に示す燃料電池システムと同様の構成を有している。
【００５５】
図７において、ここでは図示しない酸化ガス源から、加湿器６４内を通過して加湿された、酸素を含有する酸化ガスは、酸化ガス供給管４６ｃを介してセルスタック５０に供給される。各単セル内のＭＥＡにおいて、この酸化ガス中の酸素と、燃料ガス供給管４６ａを介して供給された燃料ガス中の水素とが、各単セル内の電解質膜を介して対面する酸化極と燃料極とにおいて反応し（例えば、図１０参照のこと）、各反応ガスのオフガスが、酸化ガス排出管４８ｃおよび燃料ガス排出管４８ａから、セルスタック５０の外部へそれぞれ排出される。
【００５６】
図７において、酸化ガス供給管４６ｃの、セルスタック５０との連通部分またはその近傍には、凝縮水回収管５４ｃが接続されており、図７では図示しない酸化ガス供給マニホールドの底部またはその近傍に滞留する凝縮水をセルスタック５０の外部に排出させることが可能な構成を有している。本構成によれば、酸化ガス供給マニホールド内、および各単セルに設けられた酸化ガス流路内における凝縮水の長期にわたる滞留や、凝縮水の逆流による、ここでは図示しない酸化ガス源の不具合の発生などを防止または抑制することが可能となる。
【００５７】
また、本実施の形態において、バルブ５８ｃの操作により凝縮水回収管５４ｃ内から凝縮水回収タンク５６に送られ、貯留された凝縮水は、例えば燃料ガス源５２として改質器を用いたときの改質部５２ｂに改質水として供給し、再利用することも可能である。
【００５８】
本実施の形態において、燃料ガス供給管４６ａに接続された凝縮水回収管５４ａと、酸化ガス供給管４６ｃに接続された凝縮水回収管５４ｃは、いずれも凝縮水回収タンク５６に連通可能に構成されており、アノード側供給部およびカソード側供給部において凝縮した凝縮水を一箇所にまとめて回収し、滞留させるよう構成されている。本実施の形態によれば、部材共通化に伴うシステム全体としての大型化を抑制することが可能となる。一方、他の実施の形態として、アノード側供給部およびカソード側供給部において凝縮した凝縮水をそれぞれ別に回収し、滞留させるよう構成することも可能である。本実施の形態によれば、例えば一方の凝縮水を改質水として、他方の凝縮水を加湿用としてそれぞれ利用するなど、凝縮水の供給先を複数とすることも可能となるため、回収した凝縮水のより効果的な再利用が可能となる。
【００５９】
図８は、本発明のさらに別の実施の形態における燃料電池システムの構成の概略について説明する図である。図８において、アノード側の凝縮水回収管５４ａが、燃料ガス供給マニホールド２４ａに連通する燃料ガス供給管４６ａに接続された構成に代えて、燃料ガス供給マニホールド２４ａに直接連通する構成を有することを除き、図４に示す燃料電池システムとほぼ同様の構成を有している。
【００６０】
図８において、燃料ガス供給マニホールド２４ａの内部またはその近傍で凝縮した凝縮水は、燃料ガス供給マニホールド２４ａの下端部分に接続された凝縮水回収管５４ａに流入し、貯留される。本実施の形態において、燃料ガス供給管４６ａは、凝縮水回収管５４ａとは独立して配設されているため、燃料ガス供給管４６ａからの燃料ガスの流通を乱すことなく、燃料ガス供給マニホールド２４ａ内の凝縮水をセルスタックの外部へ排出することができ、ガス流路内におけるフラッディングの発生を防止または抑制することが可能となる。
【００６１】
なお、本実施の形態において、凝縮水回収管５４ａは、燃料ガス供給マニホールド２４ａに対し、燃料ガス導入部２４ｃ下端部分より少なくとも鉛直方向下方部分で連通していることが好ましいが、燃料ガス供給管４６ａの鉛直方向高さより下方部分で連通していることがより好適である。本実施の形態によれば、燃料ガス供給マニホールド２４ａ内の凝縮水が燃料ガス供給管４６ａ内に流入することなく、より確実に凝縮水回収管５４ａに流入させることが可能となる。
【００６２】
図８に示す燃料電池システムにおいて、アノード側のガス流路構造について説明したが、同様の構成をカソード側についても適用することが可能である。図９は、図８に示すアノード側ガス流路構造について、カソード側にも同様のガス流路構造を適用した場合について、その一例を示したものである。
【００６３】
図９に示す燃料電池システムは、セルスタック５０に対する凝縮水回収管５４ａ，５４ｃおよび反応ガス供給管４６ａ，４６ｃの接続を除き、図７に示す燃料電池システムと同様の構成を有している。
【００６４】
図９において、アノード側の凝縮水回収管５４ａは、ここでは図示しない燃料ガス供給マニホールドに対し、燃料ガス供給管４６ａとは独立して連通している。同様に、カソード側の凝縮水回収管５４ｃは、ここでは図示しない酸化ガス供給マニホールドに対し、酸化ガス供給管４６ｃとは独立して連通している。本実施の形態によれば、各反応ガス供給マニホールドおよびその近傍において凝縮した凝縮水によるフラッディングの発生を防止または抑制するとともに、反応ガスのより安定した流通を行なうことが可能となる。
【００６５】
以上説明した、本発明の実施の形態およびその変形例によれば、反応ガスマニホールドおよびその近傍において凝縮する凝縮水の滞留に伴うガス流路の閉塞を防止または抑制することが可能となる。また、本発明の他の実施の形態によれば、凝縮水を回収し、貯留させて再利用することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、定置用の燃料電池に限らず、例えば移動体搭載型の燃料電池においても好適に利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の実施の形態におけるセルスタックの形状の概略について説明する図である。
【図２】図１に示す単セルにおいて、アノード側セパレータの燃料ガス流路側の形状の一例について説明する図である。
【図３】図２に示すアノード側セパレータを含むセルスタックにおける、燃料ガス流通用の配管の好適な接続箇所について説明する図である。
【図４】本発明の実施の形態における燃料電池システムの、特にアノード側における流体流路の構成の概略について説明する図である。
【図５】図４に示す燃料ガスの流通経路を有する燃料電池システムにおいて、特に流体の流通に着目した構成の概略を説明する概念図である。
【図６】本発明の他の実施の形態における燃料電池システムの、特にカソード側における流体流路の構成の概略について説明する図である。
【図７】図６に示す酸化ガスの流通経路を有する燃料電池システムにおいて、特に流体の流通に着目した構成の概略を説明する概念図である。
【図８】本発明の別の実施の形態における燃料電池システムの構成の概略について説明する図である。
【図９】本発明の別の実施の形態における燃料電池システムにおいて、特に流体の流通に着目した構成の概略を説明する概念図である。
【図１０】一般的な単セルの構成の概略を示す模式図である。
【符号の説明】
【００６８】
１０  電解質膜、１２  カソード触媒層、１４  アノード触媒層、１６  カソード拡散層、１８  アノード拡散層、２０  酸化ガス流路、２０ａ  酸化ガス供給マニホールド、２０ｂ  酸化ガス排出マニホールド、２２  セル冷媒流路、２２ａ  冷媒供給マニホールド、２２ｂ  冷媒排出マニホールド、２４  燃料ガス流路、２４ａ  燃料ガス供給マニホールド、２４ｂ  燃料ガス排出マニホールド、２４ｃ  燃料ガス導入部、２４ｄ  燃料ガス導出部、２６  カソード側セパレータ、２８  アノード側セパレータ、３０  膜電極接合体（ＭＥＡ）、４０  単セル、４２，４４  締結板、４６，４８  配管、４６ａ  燃料ガス供給管、４６ｂ  冷媒供給管、４６ｃ  酸化ガス供給管、４８ａ  燃料ガス排出管、４８ｂ  冷媒排出管、４８ｃ  酸化ガス排出管、５０  セルスタック、５２  燃料ガス源、５２ａ  燃焼部、５２ｂ  改質部、５２ｃ  シフト部、５２ｄ  ＣＯ除去部、５３  酸化ガス源、５４ａ，５４ｃ  凝縮水回収管（凝縮水排出管）、５６，５６ａ，５６ｃ  凝縮水回収タンク、５８ａ，５８ｃ  バルブ、６０  凝縮水供給管、６２  ポンプ、６４  加湿器。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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