(57)【要約】【課題】アノードオフガス非循環型燃料電池システムに用いられる燃料電池スタックにおいて、比較的簡易な構成で、アノードからの生成水の排水性を向上させる。【解決手段】燃料電池モジュール４０を複数積層することによって、燃料電池スタックを構成する。燃料電池モジュール４０は、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１を、カソード側セパレータ４２と、アノード側セパレータ４３とによって挟持することによって構成される。そして、燃料電池スタックは、各燃料電池モジュール４０におけるＭＥＡのアノード４１１ａ、および、カソード４１１ｃからそれぞれ排出されるアノードオフガス、および、カソードオフガスの双方を集合させて、燃料電池スタックの外部に排出するための排気ガス排出マニホールドを備える。この排気ガス排出マニホールドは、アノード４１１ａからアノードオフガスとともに生成水を吸引するためのベンチュリ構造を備える。【選択図】図２
2009135062.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を、セパレータを介在させて、複数積層した燃料電池スタックであって、
前記燃料電池スタックの外部から供給された燃料ガスを、複数の前記膜電極接合体における各アノードに分岐して供給するための燃料ガス供給マニホールドと、
前記燃料電池スタックの外部から供給された酸化剤ガスを、複数の前記膜電極接合体における各カソードに分岐して供給するための酸化剤ガス供給マニホールドと、
前記アノードから排出された排出ガスであるアノードオフガス、および、前記カソードから排出された排出ガスであるカソードオフガスの双方を集合させて、前記燃料電池スタックの外部に排出するための排気ガス排出マニホールドと、を備え、
前記排気ガス排出マニホールドは、前記アノードから前記アノードオフガスを吸引するためのベンチュリ構造を備える、
燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池スタックであって、
前記排気ガス排出マニホールドは、
前記アノードオフガス、および、前記カソードオフガスを、前記膜電極接合体、および、前記セパレータの積層方向に流すための主流路と、
前記アノードオフガスを前記主流路に流すためのアノードオフガス排出流路と、
前記カソードオフガスを前記主流路に流すためのカソードオフガス排出流路と、
を備え、
前記ベンチュリ構造は、
前記排気ガス排出マニホールドにおける主流路と、前記アノードオフガス排出流路との合流部に設けられている、
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であって、
前記排気ガス排出マニホールドは、
前記アノードオフガス、および、前記カソードオフガスを、前記膜電極接合体、および、前記セパレータの積層方向に流すための主流路と、
前記アノードオフガスを前記主流路に流すためのアノードオフガス排出流路と、
前記カソードオフガスを前記主流路に流すためのカソードオフガス排出流路と、
を備え、
前記アノードオフガス排出流路は、前記セパレータを挟んで隣り合う前記膜電極接合体におけるカソードから排出される前記カソードオフガスを前記主流路に流すための前記カソードオフガス排出流路と合流するように形成されており、
前記ベンチュリ構造は、
前記アノードオフガス排出流路と、前記セパレータを挟んで隣り合う前記膜電極接合体におけるカソードから排出される前記カソードオフガスを前記主流路に流すための前記カソードオフガス排出流路との合流部に設けられている、
燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガス（例えば、水素）と酸化剤ガス（例えば、酸素）との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。そして、この燃料電池には、電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を、セパレータを介在させて、複数積層した燃料電池スタックがある。
【０００３】
このような燃料電池スタックには、一般に、燃料電池スタックの外部から供給された燃料ガスを、複数の膜電極接合体における各アノードに分岐して供給するための燃料ガス供給マニホールドや、燃料電池スタックの外部から供給された酸化剤ガスを、複数の膜電極接合体における各カソードに分岐して供給するための酸化剤ガス供給マニホールドや、上記各アノードから排出された排出ガスであるアノードオフガスを集合させて、燃料電池スタックの外部に排出するためのアノードオフガス排出マニホールドや、上記カソードから排出された排出ガスであるカソードオフガスを集合させて、燃料電池スタックの外部に排出するためのカソードオフガス排出マニホールドが備えられる。
【０００４】
そして、燃料電池スタックでは、発電時に、上記電気化学反応によって生成水が生成され、この生成水は、アノードオフガスや、カソードオフガスの流れによって、これらのガスとともに、アノードオフガス排出マニホールドや、カソードオフガス排出マニホールドから、それぞれ燃料電池スタックの外部に排水される。
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１７２７５９号公報
【特許文献２】特開２００７−１６５１９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、燃料電池スタックを備える燃料電池システムには、アノードオフガスを燃料ガス供給配管に循環させて、アノードオフガスに含まれる、発電で未消費の水素を再利用するタイプの燃料電池システム（以下、アノードオフガス循環型燃料電池システムと呼ぶ）と、アノードオフガスを燃料ガス供給配管に循環させることなく、外部に排出するタイプの燃料電池システム（以下、アノードオフガス非循環型燃料電池システムと呼ぶ）とがある。
【０００７】
そして、アノードオフガス循環型燃料電池システムでは、一般に、アノードオフガスを燃料ガス供給配管に循環させるための循環配管に循環ポンプが配設される。このため、発電時にカソードで生成され、電解質膜を介して、アノード側に透過した生成水を、アノードオフガスとともに上記循環ポンプによって吸引し、燃料電池スタックの外部に、速やかに排水することができる。
【０００８】
しかし、アノードオフガス非循環型燃料電池システムでは、一般に、上述した循環ポンプを備えないため、アノードオフガスの流速は比較的遅く、アノードからの生成水の排水性が悪かった。
【０００９】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、アノードオフガス非循環型燃料電池システムに用いられる燃料電池スタックにおいて、比較的簡易な構成で、アノードからの生成水の排水性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【００１１】
［適用例１］電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を、セパレータを介在させて、複数積層した燃料電池スタックであって、前記燃料電池スタックの外部から供給された燃料ガスを、複数の前記膜電極接合体における各アノードに分岐して供給するための燃料ガス供給マニホールドと、前記燃料電池スタックの外部から供給された酸化剤ガスを、複数の前記膜電極接合体における各カソードに分岐して供給するための酸化剤ガス供給マニホールドと、前記アノードから排出された排出ガスであるアノードオフガス、および、前記カソードから排出された排出ガスであるカソードオフガスの双方を集合させて、前記燃料電池スタックの外部に排出するための排気ガス排出マニホールドと、を備え、前記排気ガス排出マニホールドは、前記アノードから前記アノードオフガスを吸引するためのベンチュリ構造を備える、燃料電池スタック。
【００１２】
適用例１の燃料電池スタックは、先に説明したアノードオフガス非循環型燃料電池システムに用いられる。そして、本適用例の燃料電池スタックは、上記アノードオフガス、および、上記カソードオフガスの双方を集合させて、燃料電池スタックの外部に排出するための排気ガス排出マニホールドを備え、この排気ガス排出マニホールドは、アノードからアノードオフガスを吸引するためのベンチュリ構造を備える。こうすることによって、アノードからアノードオフガスとともに生成水を吸引することができるので、比較的簡易な構成で、アノードからの生成水の排水性を向上させることができる。また、本適用例の燃料電池スタックを燃料電池システムに適用することによって、アノードオフガスとともにアノードから生成水を吸引するためのポンプを設ける必要がないので、燃料電池システムの大型化、および、エネルギ効率の低下を防止することができる。
【００１３】
［適用例２］適用例１記載の燃料電池スタックであって、前記排気ガス排出マニホールドは、前記アノードオフガス、および、前記カソードオフガスを、前記膜電極接合体、および、前記セパレータの積層方向に流すための主流路と、前記アノードオフガスを前記主流路に流すためのアノードオフガス排出流路と、前記カソードオフガスを前記主流路に流すためのカソードオフガス排出流路と、を備え、前記ベンチュリ構造は、前記排気ガス排出マニホールドにおける主流路と、前記アノードオフガス排出流路との合流部に設けられている、燃料電池スタック。
【００１４】
適用例２の燃料電池スタックでは、ベンチュリ構造が、上記主流路と、上記アノードオフガス排出流路との合流部に設けられているので、上記主流路を流れるアノードオフガス、および、カソードオフガスの流速によって、上記アノードオフガス排出流路を介して、アノードから生成水を吸引することができる。
【００１５】
［適用例３］適用例１記載の燃料電池スタックであって、前記排気ガス排出マニホールドは、前記アノードオフガス、および、前記カソードオフガスを、前記膜電極接合体、および、前記セパレータの積層方向に流すための主流路と、前記アノードオフガスを前記主流路に流すためのアノードオフガス排出流路と、前記カソードオフガスを前記主流路に流すためのカソードオフガス排出流路と、を備え、前記アノードオフガス排出流路は、前記セパレータを挟んで隣り合う前記膜電極接合体におけるカソードから排出される前記カソードオフガスを前記主流路に流すための前記カソードオフガス排出流路と合流するように形成されており、前記ベンチュリ構造は、前記アノードオフガス排出流路と、前記セパレータを挟んで隣り合う前記膜電極接合体におけるカソードから排出される前記カソードオフガスを前記主流路に流すための前記カソードオフガス排出流路との合流部に設けられている、燃料電池スタック。
【００１６】
適用例３の燃料電池スタックでは、ベンチュリ構造が、上記アノードオフガス排出流路と、セパレータを挟んで隣り合う膜電極接合体におけるカソードから排出されるカソードオフガスを上記主流路に流すための上記カソードオフガス排出流路との合流部に設けられているので、上記カソードオフガス排出流路を流れるカソードオフガスの流速によって、上記アノードオフガス排出配管を介して、アノードから生成水を吸引することができる。
【００１７】
本発明は、上述した種々の特徴の一部を組み合わせて構成することもできる。また、本発明は、上述の燃料電池スタックとしての構成の他、上述した燃料電池スタックを備える燃料電池システムの発明として構成することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池スタック１００を備える燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。
【００１９】
燃料電池スタック１００は、水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池モジュール４０を、複数積層させたスタック構造を有している。各燃料電池モジュール４０は、概ね、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を、セパレータによって挟持した構成となっている。燃料電池モジュール４０の詳細については、後述する。アノード、および、カソードは、それぞれ、電解質膜の各表面に接合された触媒層と、この触媒層の表面に接合されたガス拡散層とを備えている。本実施例では、電解質膜として、ナフィオン（登録商標）等の固体高分子膜を用いるものとした。電解質膜として、固体酸化物等、他の電解質膜を用いるものとしてもよい。各セパレータには、アノードに供給すべき燃料ガスとしての水素の流路や、カソードに供給すべき酸化剤ガスとしての空気の流路や、冷却水の流路が形成されている。なお、燃料電池モジュール４０の積層数は、燃料電池スタック１００に要求される出力に応じて任意に設定可能である。
【００２０】
燃料電池スタック１００は、一端から、エンドプレート１０ａ、絶縁板２０ａ、集電板３０ａ、複数の燃料電池モジュール４０、集電板３０ｂ、絶縁板２０ｂ、エンドプレート１０ｂの順に積層することによって構成されている。これらには、燃料電池スタック１００内に、水素や、空気や、冷却水を流すための供給口や、排出口が設けられている。また、燃料電池スタック１００内部には、水素や、空気や、冷却水を、それぞれ各燃料電池モジュール４０に分配して供給するための供給マニホールド（水素供給マニホールド、空気供給マニホールド、冷却水供給マニホールド）や、各燃料電池モジュール４０のアノードおよびカソードからそれぞれ排出されるアノードオフガスおよびカソードオフガスや、冷却水を集合させて燃料電池スタック１００の外部に排出するための排出マニホールド（排気ガス排出マニホールド、冷却水排出マニホールド）が形成されている。なお、本実施例の燃料電池スタック１００では、後述するように、排気ガス排出マニホールドは、その主流路に、アノードオフガス、および、カソードオフガスの双方が流れるように形成されている。
【００２１】
エンドプレート１０ａ，１０ｂは、剛性を確保するため、鋼等の金属によって形成されている。絶縁板２０ａ，２０ｂは、ゴムや、樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。集電板３０ａ，３０ｂは、緻密質カーボンや、銅板などのガス不透過な導電性部材によって形成されている。集電板３０ａ，３０ｂには、それぞれ図示しない出力端子が設けられており、燃料電池スタック１００で発電した電力を出力可能となっている。
【００２２】
なお、図示は省略しているが、燃料電池スタック１００は、スタック構造のいずれかの箇所における接触抵抗の増加等による電池性能の低下を抑制したり、ガスの漏洩を抑制したりするために、スタック構造の積層方向に、所定の締結荷重が加えられた状態で、締結部材によって締結されている。
【００２３】
燃料電池スタック１００のアノードには、配管５３を介して、高圧水素を貯蔵した水素タンク５０から、燃料ガスとしての水素が供給される。水素タンク５０の代わりに、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素リッチなガスを生成し、アノードに供給するものとしてもよい。
【００２４】
水素タンク５０に貯蔵された高圧水素は、水素タンク５０の出口に設けられたシャットバルブ５１、レギュレータ５２によって圧力、および、供給量が調整されて、水素供給マニホールドを介して、各燃料電池モジュール４０のアノードに供給される。各燃料電池モジュール４０から排出されるアノードオフガスは、排気ガス排出マニホールドに接続された排出配管６２を介して、燃料電池スタック１００の外部に排出することができる。
【００２５】
燃料電池スタック１００のカソードには、配管６１を介して、コンプレッサ６０によって圧縮された圧縮空気が、酸素を含有した酸化剤ガスとして供給される。そして、この圧縮空気は、配管６１に接続された空気供給マニホールドを介して、各燃料電池モジュール４０のカソードに供給される。各燃料電池モジュール４０のカソードから排出されるカソードオフガスは、排気ガス排出マニホールドに接続された排出配管６２を介して、燃料電池スタック１００の外部に排出される。排出配管６２からは、カソードオフガス、および、アノードオフガスとともに、燃料電池スタック１００のカソードで、水素と酸素との電気化学反応によって生成された生成水、および、カソードから、電解質膜を介して、アノード側に透過した生成水も排出される。
【００２６】
燃料電池スタック１００は、上述した電気化学反応によって発熱するため、燃料電池スタック１００には、燃料電池スタック１００を冷却するための冷却水も供給される。この冷却水は、ポンプ７０によって、配管７２を流れ、ラジエータ７１によって冷却されて、燃料電池スタック１００に供給される。
【００２７】
燃料電池システム１０００の運転は、制御ユニット８０によって制御される。制御ユニット８０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、例えば、各種バルブや、ポンプの駆動等、システムの運転を制御する。
【００２８】
Ａ２．燃料電池モジュールの構成：
図２は、燃料電池スタック１００を構成する燃料電池モジュール４０の概略構成を示す説明図である。ここでは、燃料電池モジュール４０の断面構造を示した。
【００２９】
燃料電池モジュール４０は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）の周囲にシールガスケット４１０を一体的に形成したシールガスケット一体型ＭＥＡ４１の両面に、それぞれ、カソード側金属多孔体４４ｃ、および、アノード側金属多孔体４４ａを積層させ、これらを、カソード側セパレータ４２、および、アノード側セパレータ４３によって挟持することによって構成されている。本実施例では、シールガスケット４１０として、シリコーンゴムを用いるものとした。また、カソード側金属多孔体４４ｃ、および、アノード側金属多孔体４４ａとして、発泡金属を用いるものとした。カソード側金属多孔体４４ｃ、および、アノード側金属多孔体４４ａは、ＭＥＡの表面に沿って空気、または、水素を流す流路を構成するとともに、ＭＥＡのカソードとカソード側セパレータ４２との導電性、および、ＭＥＡのアノードとアノード側セパレータ４３との導電性を確保可能なものであればよく、発泡金属の代わりに、例えば、エキスパンドメタルを用いるものとしてもよい。
【００３０】
ＭＥＡは、図示するように、電解質膜４１１ｍの一方の面に、カソード４１１ｃとして、カソード側触媒層４１１ｃｃと、カソード側ガス拡散層４１１ｃｄとをこの順に接合し、他方の面に、アノード４１１ａとして、アノード側触媒層４１１ａｃと、アノード側ガス拡散層４１１ａｄとをこの順に接合したものである。カソード側ガス拡散層４１１ｃｄ、および、アノード側ガス拡散層４１１ａｄとしては、例えば、カーボンクロスや、カーボンペーパ等を適用可能である。
【００３１】
シールガスケット４１０には、空気供給マニホールドの主流路を構成する空気供給用貫通孔４１２ｉや、排気ガス排出マニホールドの主流路を構成する排気ガス排出用貫通孔４１２ｏや、図示しない水素供給マニホールドの主流路を構成する水素供給用貫通孔や、冷却水供給マニホールドの主流路を構成する冷却水供給用貫通孔や、冷却水排出マニホールドの主流路を構成する冷却水排出用貫通孔が形成されている。シールガスケット４１０における上述した各貫通孔の配置や、形状等は、任意に設定可能であり、これらについての詳細な説明は省略する。
【００３２】
なお、シールガスケット４１０における上述した各貫通孔、および、ＭＥＡの周囲には、シールガスケット４１０の両面にライン状の突起部を形成することによって、シールラインＳＬがそれぞれ形成されている。このシールラインＳＬによって、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１と後述するカソード側セパレータ４２とアノード側セパレータ４３とを積層したときに、上述した各貫通孔内を流れる水素や、空気や、冷却水、および、ＭＥＡの表面を流れる水素や、空気等の外部へ漏洩を抑制することができる。
【００３３】
また、本実施例では、カソード側セパレータ４２、および、アノード側セパレータ４３は、複数の貫通孔が形成された３枚の平板を重ね合わせてホットプレス接合することによって作製されている。本実施例では、カソード側セパレータ４２、および、アノード側セパレータ４３を構成する平板として、ステンレス鋼を用いるものとした。カソード側セパレータ４２、および、アノード側セパレータ４３を構成する平板として、ステンレス鋼の代わりに、チタンやアルミニウム等、他の金属製の平板を用いるものとしてもよい。
【００３４】
カソード側セパレータ４２には、シールガスケット４１０における空気供給用貫通孔４１２ｉ、および、排気ガス排出用貫通孔４１２ｏに対応する位置に、空気供給用マニホールドの主流路を構成する空気供給用貫通孔４２２ｉ、および、排気ガス排出マニホールドの主流路を構成する排気ガス排出用貫通孔４２２ｏがそれぞれ形成されている。また、シールガスケット４１０における水素供給用貫通孔や、冷却水供給口貫通孔や、冷却水排出用貫通孔に対応する位置に、水素供給マニホールドの主流路を構成する水素供給用貫通孔や、冷却水供給マニホールドの主流路を構成する冷却水供給用貫通孔や、冷却水排出マニホールドの主流路を構成する冷却水排出用貫通孔が形成されている。
【００３５】
また、カソード側セパレータ４２には、空気供給用貫通孔４２２ｉからカソード側金属多孔体４４ｃの上端部に空気を分岐して供給するための連通流路４２２ｉｐ、および、空気供給口４２ａｉや、カソード側金属多孔体４４ｃの下端部から排気ガス排出用貫通孔４２２ｏにカソードオフガスを排出するためのカソードオフガス排出口４２ａｏ、および、連通流路４２２ｏｐが形成されている。カソードオフガス排出口４２ａｏ、および、連通流路４２２ｏｐは、本発明におけるカソードオフガス排出流路に相当する。
【００３６】
また、カソード側セパレータ４２の内部には、冷却水供給用貫通孔から冷却水排出用貫通孔に冷却水を流すための冷却水流路４２ｗが形成されている。
【００３７】
アノード側セパレータ４３には、シールガスケット４１０における空気供給用貫通孔４１２ｉ、および、排気ガス排出用貫通孔４１２ｏに対応する位置に、空気供給用マニホールドの主流路を構成する空気供給用貫通孔４３２ｉ、および、排気ガス排出マニホールドの主流路を構成する排気ガス排出用貫通孔４３２ｏがそれぞれ形成されている。また、シールガスケット４１０における水素供給用貫通孔や、冷却水供給口貫通孔や、冷却水排出用貫通孔に対応する位置に、水素供給マニホールドの主流路を構成する水素供給用貫通孔や、冷却水供給マニホールドの主流路を構成する冷却水供給用貫通孔や、冷却水排出マニホールドの主流路を構成する冷却水排出用貫通孔が形成されている。
【００３８】
また、図示は一部省略しているが、アノード側セパレータ４３には、水素供給用貫通孔からアノード側金属多孔体４４ａの上端部に水素を分岐して供給するための連通流路、および、水素供給口４３ｈｉや、アノード側金属多孔体４４ａの下端部から排気ガス排出用貫通孔４３２ｏにアノードオフガスを排出するためのアノードオフガス排出口４３ｈｏ、および、連通流路４３２ｏｐが形成されている。アノードオフガス排出口４３ｈｏ、および、連通流路４３２ｏｐは、本発明におけるアノードオフガス排出流路に相当する。
【００３９】
また、アノード側セパレータ４３の内部には、冷却水供給用貫通孔から冷却水排出用貫通孔に冷却水を流すための冷却水流路４３ｗが形成されている。
【００４０】
なお、ＭＥＡのカソード側触媒層４１１ｃｃでは、発電時に、水素と酸素との電気化学反応によって、生成水が生成される。そして、この生成水は、電解質膜４１１ｍを介して、アノード４１１ａ側にも透過する。また、ＭＥＡにおいて、生成水が過剰に滞留するとフラッディングが生じるため、生成水を速やかに排出する必要がある。そこで、本実施例では、アノード側セパレータ４３における排気ガス排出用貫通孔４３２ｏと、連通流路４３２ｏｐとの合流部に、ベンチュリ構造が設けられている。すなわち、図示するように、排気ガス排出用貫通孔４３２ｏにおける連通流路４３２ｏｐとの合流部には、絞りが設けられている。こうすることによって、排気ガス排出用貫通孔４３２ｏを流れるガスの流速によって、連通流路４３２ｏｐ、および、アノード側金属多孔体４４ａを介して、ＭＥＡのアノード４１１ａからアノードオフガスとともに、アノード４１１ａ側に透過した生成水を吸引することができる。
【００４１】
以上説明した第１実施例の燃料電池スタック１００によれば、燃料電池モジュール４０における排気ガス排出マニホールド、具体的には、アノード側セパレータ４３における排気ガス排出用貫通孔４３２ｏと、連通流路４３２ｏｐとの合流部に、アノードオフガスを吸引するためのベンチュリ構造を備えるので、アノード４１１ａからアノードオフガスとともに生成水を吸引することができる。したがって、ＭＥＡのアノード４１１ａからの生成水の排水性を向上させることができる。
【００４２】
Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．燃料電池システムの構成：
第２実施例の燃料電池システムの構成は、第１実施例の燃料電池システム１０００の構成とほぼ同じである。したがって、第２実施例の燃料電池システムの構成についての図示、および、説明は省略する。ただし、第２実施例の燃料電池システムでは、第１実施例における燃料電池スタック１００の代わりに、燃料電池スタック１００Ａ（図示省略）を備えており、この燃料電池スタック１００Ａは、第１実施例における燃料電池モジュール４０とは内部構造が異なる燃料電池モジュール４０Ａを備えている。以下、第２実施例における燃料電池モジュール４０Ａについて説明する。
【００４３】
Ｂ２．燃料電池モジュールの構成：
図３は、燃料電池スタック１００Ａを構成する燃料電池モジュール４０Ａの概略構成を示す説明図である。ここでは、燃料電池モジュール４０Ａの断面構造を示した。
【００４４】
燃料電池モジュール４０Ａは、第１実施例における燃料電池モジュール４０と同様に、シールガスケット一体型ＭＥＡ４１の両面に、それぞれ、カソード側金属多孔体４４ｃ、および、アノード側金属多孔体４４ａを積層させ、これらをセパレータ４２Ａによって挟持することによって構成されている。
【００４５】
そして、セパレータ４２Ａは、第１実施例におけるカソード側セパレータ４２、および、アノード側セパレータ４３と同様に、複数の貫通孔が形成された３枚の平板を重ねてホットプレス接合することによって作製されている。
【００４６】
そして、セパレータ４２Ａには、シールガスケット４１０における空気供給用貫通孔４１２ｉ、および、排気ガス排出用貫通孔４１２ｏに対応する位置に、空気供給用マニホールドの主流路を構成する空気供給用貫通孔４２２ｉ、および、排気ガス排出マニホールドの主流路を構成する排気ガス排出用貫通孔４２２ｏがそれぞれ形成されている。また、シールガスケット４１０における水素供給用貫通孔や、冷却水供給口貫通孔や、冷却水排出用貫通孔に対応する位置に、水素供給マニホールドの主流路を構成する水素供給用貫通孔や、冷却水供給マニホールドの主流路を構成する冷却水供給用貫通孔や、冷却水排出マニホールドの主流路を構成する冷却水排出用貫通孔が形成されている。
【００４７】
また、セパレータ４２Ａには、空気供給用貫通孔４２２ｉからカソード側金属多孔体４４ｃの上端部に空気を分岐して供給するための連通流路４２２ｉｐ、および、空気供給口４２ａｉや、カソード側金属多孔体４４ｃの下端部から排気ガス排出用貫通孔４２２ｏにカソードオフガスを排出するためのカソードオフガス排出口４２ａｏ、および、連通流路４２２ｏｐが形成されている。カソードオフガス排出口４２ａｏ、および、連通流路４２２ｏｐは、本発明におけるカソードオフガス排出流路に相当する。
【００４８】
また、図示は一部省略しているが、セパレータ４２Ａには、水素供給用貫通孔から、隣接する燃料電池モジュール４０Ａのアノード側金属多孔体４４ａの上端部に水素を分岐して供給するための連通流路、および、水素供給口４２ｈｉや、隣接する燃料電池モジュール４０Ａのアノード側金属多孔体４４ａの下端部から排気ガス排出用貫通孔４２２ｏにアノードオフガスを排出するためのアノードオフガス排出口４２ｈｏが形成されている。そして、このアノードオフガス排出口４２ｈｏは、連通流路４２２ｏｐの途中に連通するように形成されている。アノードオフガス排出口４２ｈｏは、本発明におけるアノードオフガス排出流路に相当する。
【００４９】
また、セパレータ４２Ａの内部には、冷却水供給用貫通孔から冷却水排出用貫通孔に冷却水を流すための冷却水流路４２ｗが形成されている。
【００５０】
なお、本実施例におけるセパレータ４２Ａでは、連通流路４２２ｏｐと、アノードオフガス排出口４２ｈｏとの合流部にベンチュリ構造が設けられている。すなわち、図示するように、連通流路４２２ｏｐにおけるアノードオフガス排出口４２ｈｏとの合流部に、絞りが設けられている。こうすることによって、連通流路４２２ｏｐを流れるカソードオフガスの流速によって、アノードオフガス排出口４２ｈｏ、および、アノード側金属多孔体４４ａを介して、ＭＥＡのアノード４１１ａからアノードオフガスとともに、カソード側触媒層４１１ｃｃから、電解質膜４１１ｍを介して、アノード４１１ａ側に透過した生成水を吸引することができる。
【００５１】
以上説明した第２実施例の燃料電池スタック１００Ａによれば、燃料電池モジュール４０Ａにおける排気ガス排出マニホールド、具体的には、セパレータ４２Ａにおける連通流路４２２ｏｐと、アノードオフガス排出口４２ｈｏとの合流部に、アノードオフガスを吸引するためのベンチュリ構造を備えるので、アノード４１１ａからアノードオフガスとともに生成水を吸引することができる。したがって、ＭＥＡのアノード４１１ａからの生成水の排水性を向上させることができる。
【００５２】
Ｃ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
【００５３】
Ｃ１．変形例１：
上記第１実施例では、燃料電池スタック１００を構成する燃料電池モジュール４０は、カソード側セパレータ４２、および、アノード側セパレータ４３は、別体であるものとしたが、両者を一体化するようにしてもよい。
【００５４】
Ｃ２．変形例２：
上記実施例では、膜電極接合体は、アノード側ガス拡散層４１１ａｄ、および、カソード側ガス拡散層４１１ｃｄを備えるものとしたが、これらのうちの少なくとも一方を省略するようにしてもよい。
【００５５】
Ｃ３．変形例３：
上記実施例では、カソード側セパレータ４２や、アノード側セパレータ４３や、セパレータ４２Ａは、複数の貫通孔が形成された３枚の平板を重ね合わせてホットプレス接合することによって作製され、カソード側金属多孔体４４ｃ、および、アノード側金属多孔体４４ａによって、それぞれ、空気、および、水素の流路を構成するものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、貫通孔、および、溝やリブを形成することによって、マニホールド、および、ガス流路が形成されたセパレータを用いるようにし、カソード側金属多孔体４４ｃや、アノード側金属多孔体４４ａを省略するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池スタック１００を備える燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池スタック１００を構成する燃料電池モジュール４０の概略構成を示す説明図である。
【図３】燃料電池スタック１００Ａを構成する燃料電池モジュール４０Ａの概略構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【００５７】
１０００…燃料電池システム
１００，１００Ａ…燃料電池スタック
１０ａ，１０ｂ…エンドプレート
２０ａ，２０ｂ…絶縁板
３０ａ，３０ｂ…集電板
４０，４０Ａ…燃料電池モジュール
４１…シールガスケット一体型ＭＥＡ
４１０…シールガスケット
４１１ｍ…電解質膜
４１１ａ…アノード
４１１ａｃ…アノード側触媒層
４１１ａｄ…アノード側ガス拡散層
４１１ｃ…カソード
４１１ｃｃ…カソード側触媒層
４１１ｃｄ…カソード側ガス拡散層
４１２ｉ…空気供給用貫通孔
４１２ｏ…排気ガス排出用貫通孔
４２…カソード側セパレータ
４２ａｉ…空気供給口
４２ａｏ…カソードオフガス排出口
４２ｈｉ…水素供給口
４２ｈｏ…アノードオフガス排出口
４２ｗ…冷却水流路
４２２ｉ…空気供給用貫通孔
４２２ｏ…排気ガス排出用貫通孔
４２２ｉｐ…連通流路
４２２ｏｐ…連通流路
４２Ａ…セパレータ
４３…アノード側セパレータ
４３ｈｉ…水素供給口
４３ｈｏ…アノードオフガス排出口
４３ｗ…冷却水流路
４３２ｉ…空気供給用貫通孔
４３２ｏ…排気ガス排出用貫通孔
４３２ｏｐ…連通流路
４４ａ…アノード側金属多孔体
４４ｃ…カソード側金属多孔体
５０…水素タンク
５１…シャットバルブ
５２…レギュレータ
５３…配管
６０…コンプレッサ
６１…配管
６２…排出配管
７０…ポンプ
７１…ラジエータ
７２…配管
８０…制御ユニット
ＳＬ…シールライン
【図１】
2009135062.tif 000003
【図２】
2009135062.tif 000004
【図３】
2009135062.tif 000005