(57)【要約】【課題】燃料電池スタックを複数備える燃料電池システムに関し、反応ガスの配管内における不要な反応を抑制しつつ、スタック内の反応ガスの置換を確実に行う。【解決手段】電気的に直列に接続された２つのＦＣスタック１０ａ，１０ｂを備え、各ＦＣスタックは、単位セル４０の積層方向に貫通して設けられ、各単位セル４０の反応ガス流路の上流側末端に連通している供給用マニホールド２４と、各単位セル４０の反応ガス流路の下流側末端に連通している排気用マニホールド２８と、各ＦＣスタックにおける積層方向の両端面のうち、スタック間で互いに等電位となる等電位面に設けられ、排気用マニホールド２８に連通する排気配管２６と、等電位面とは反対側の端面である対向面に設けられ、供給用マニホールドに２４連通する供給配管２２と、を有し、各ＦＣスタックの排気配管２６は、スタック外において互いに合流している。【選択図】図１
2009158139.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスの供給を受けて発電を行う単位セルを複数積層してなる、電気的に直列に接続された２つのスタックを備え、
前記各スタックは、
前記単位セルの積層方向に貫通して設けられ、前記各単位セルの反応ガス流路の上流側末端に連通している供給用マニホールドと、
前記単位セルの積層方向に貫通して設けられ、前記各単位セルの反応ガス流路の下流側末端に連通している排気用マニホールドと、
前記各スタックにおける積層方向の両端面のうち、前記スタック間で互いに等電位となる等電位面に設けられ、前記排気用マニホールドに連通する排気配管と、
前記等電位面とは反対側の端面である対向面に設けられ、前記供給用マニホールドに連通する供給配管と、を有し、
前記各スタックの前記排気配管は、前記スタック外において互いに合流していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記各スタックの前記供給配管は、前記スタック外において互いに合流していることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記反応ガスは、前記単位セルのアノードに供給される燃料ガスであることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記反応ガスは、前記単位セルのカソードに供給される酸化ガスであることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムに関し、特に、複数枚の燃料電池セルを積層してなる燃料電池スタックを複数備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、複数枚の燃料電池セル（以下、「単位セル」と称す）が積層された燃料電池スタックとして使用される。単位セル自体も平面状の部材の積層体であり、電解質膜をその両側から電極で挟んで構成された膜電極接合体（ＭＥＡ;Membrane Electrode Assembly）を有し、該ＭＥＡをその両側からセパレータで挟むことで構成されている。
【０００３】
このような燃料電池においては、例えば、車載用として使用される場合には、高出力を得るために多数の単位セルを積層する必要がある。そこで、従来、例えば、特開２００５−５１９６号公報には、２つの燃料電池スタックを互いに平行にかつ極性を反転して配列された燃料電池システムが開示されている。このシステムによれば、２つの燃料電池スタックの互いに隣接する一端側の各エンドプレートには、マニホールド配管部として、燃料ガス入口連通孔間、酸化剤ガス入口連通孔間、冷却媒体入口連通孔間、燃料ガス出口連通孔間、酸化剤ガス出口連通孔間、および冷却媒体出口連通孔間を連通する各配管が２つの燃料電池スタックに対称に設けられている。
【０００４】
上記従来の燃料電池システムによれば、燃料ガスおよび酸化剤ガスを２つの燃料電池スタックに均等に分配することができるので、所望の発電性能を発揮することができる。また、マニホールド配管部の接続構造が簡素化されるので、省スペース化を容易に図ることができる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−５１９６号公報
【特許文献２】特開２００６−３０２７０７号公報
【特許文献３】特開２００３−３４６８７０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、上記従来の燃料電池システムにおいては、マニホールド配管部が装着された一端側に電気的に接続される直列接続部を備えている。このため、２つの燃料電池スタックにおけるマニホールド配管部の間には電位差が発生せず、マニホールド配管部内が液絡した場合であっても、金属部品の電食等の不要な反応を有効に阻止することができる。
【０００７】
ここで、燃料電池の発電が停止されて放置状態となると、スタック外から窒素（Ｎ２）等が透過してくる場合がある。また、クロスリークしたガスが触媒において直接反応し、窒素（Ｎ２）等がスタック内に充満する場合がある。また、放置状態で不要な反応が起きることを回避するため、発電の停止中にあえてスタック内を窒素等の不活性ガスで置換する場合もある。このため、システムの起動時には、アノード側に充満した不純ガスを燃料ガスに速やかに置換する必要がある。
【０００８】
しかしながら、上記従来の燃料電池システムでは、マニホールド配管部がすべて燃料電池スタックにおける一端側に設けられている。このため、置換用に供給された燃料ガスは、当該配管部に近い単位セルに多量に供給され、配管部からの距離が遠い奥側の単位セルには燃料ガスが十分に行き渡らないことが想定される。このような場合、所望の発電性能を発揮できない上に、燃料ガスが不足している単位セルでは、燃料電池の劣化反応が進行してしまうおそれがあった。
【０００９】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、反応ガスの配管内における不要な反応を抑制しつつ、スタック内の反応ガスの置換を確実に行うことのできる燃料電池システム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】
【００１０】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
反応ガスの供給を受けて発電を行う単位セルを複数積層してなる、電気的に直列に接続された２つのスタックを備え、
前記各スタックは、
前記単位セルの積層方向に貫通して設けられ、前記各単位セルの反応ガス流路の上流側末端に連通している供給用マニホールドと、
前記単位セルの積層方向に貫通して設けられ、前記各単位セルの反応ガス流路の下流側末端に連通している排気用マニホールドと、
前記各スタックにおける積層方向の両端面のうち、前記スタック間で互いに等電位となる等電位面に設けられ、前記排気用マニホールドに連通する排気配管と、
前記等電位面とは反対側の端面である対向面に設けられ、前記供給用マニホールドに連通する供給配管と、を有し、
前記各スタックの前記排気配管は、前記スタック外において互いに合流していることを特徴とする。
【００１１】
第２の発明は、第１の発明において、
前記各スタックの前記供給配管は、前記スタック外において互いに合流していることを特徴とする。
【００１２】
第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記反応ガスは、前記単位セルのアノードに供給される燃料ガスであることを特徴とする。
【００１３】
第４の発明は、第１または第２の発明において、
前記反応ガスは、前記単位セルのカソードに供給される酸化ガスであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
第１の発明によれば、電気的に直列に接続された２つの燃料電池スタックにおいて、単位セルの積層方向の両端面のうち、電気的に接続されている等電位面に排気用マニホールドに連通する排気配管がそれぞれ設けられ、且つ、これらの排気配管がスタック外において互いに合流している。このため、本発明によれば、両スタックの等電位面が、排気配管に排出されたスタック内の生成水や逆拡散水により液絡した場合であっても、当該水分が電気分解反応を起こし、水素や酸素が発生する事態を効果的に防止することができる。また、等電位面とは反対側の対向面に供給用マニホールドに連通する供給配管がそれぞれ設けられているので、システム起動時における反応ガスのガス置換性を飛躍的に向上させることができる。
【００１５】
第２の発明によれば、電気的に直列に接続された２つの燃料電池スタックにおいて、単位セルの積層方向の両端面のうち、電気的に接続されている等電位面に排気用マニホールドに連通する排気配管がそれぞれ設けられ、且つ、これらの排気配管がスタック外において互いに合流している。このため、本発明によれば、両スタックの等電位面が、排気配管に排出されたスタック内の生成水や逆拡散水により液絡した場合であっても、当該水分が電気分解反応を起こし、水素や酸素が発生する事態を効果的に防止することができる。また、等電位面とは反対側の対向面に供給用マニホールドに連通する供給配管がそれぞれ設けられているので、システム起動時における反応ガスのガス置換性を飛躍的に向上させることができる。また、各スタックに設けられている供給配管は、スタック外において互いに合流している。反応ガスの供給配管は、スタック内の生成水や逆拡散水が排出されることはない。このため、本発明によれば、各スタックの供給配管が上流で合流していても、各スタックの対向面が液絡する事態を抑制することができるので、当該供給配管内で水の電気分解が進行する事態を効果的に抑制することができる。
【００１６】
第３の発明によれば、燃料ガスの配管構造に上述した発明を適用することができる。すなわち、システムが起動時に、燃料ガスが不足している単位セルが存在すると、所望の発電性能を発揮することができない。また、燃料ガスが不足している単位セルにおいて電極等の腐食反応が進行し、燃料電池が劣化してしまう。このため、本発明によれば、システムの起動時における燃料ガスのガス置換性を向上させることで、燃料電池の劣化を効果的に抑制することができる。
【００１７】
第４の発明によれば、酸化ガスの配管構造に上述した発明を適用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１９】
実施の形態．
［実施の形態の構成］
図１は、本発明の実施の形態１の燃料電池システムの構成を説明するための図である。図１に示すとおり、燃料電池システムは、２つの燃料電池スタック（以下、「ＦＣスタック」とも称する）１０ａ，１０ｂを備えている。ＦＣスタック１０ａ，１０ｂは、固体高分子分離膜を備えた固体高分子型の燃料電池であり、主として燃料電池自動車などに搭載されるものである。ＦＣスタック１０ａ，１０ｂは、電気的に直列に接続されて平行に配置されている。尚、図１は、各ＦＣスタック１０ａ，１０ｂの断面を表しており、図中の鎖線は燃料ガスの供給および排出の通路をイメージ化して表している。
【００２０】
各ＦＣスタック１０ａ，１０ｂは複数枚の単位セル４０を積層されて構成されている。各単位セル４０は、図示しないプロトン伝導性の電解質膜の両側をアノードおよびカソードで挟まれ、更にその両側を反応ガス流路、および導電性のセパレータによって挟まれて構成されている。ＦＣスタック１０ａ，１０ｂ構造に関しては詳細を後述する。
【００２１】
ＦＣスタック１０ａ，１０ｂにおける単位セル４０の積層方向の一端面には、集電板としての第１ターミナル１２、絶縁板としてのインシュレータ１４、を挟んで第１エンドプレート１６が配置されている。また、反対側の端面には、第２ターミナル１８、インシュレータ１４を挟んで第２エンドプレート２０が配置されている。ＦＣスタック１０ａにおける第２ターミナル１８とＦＣスタック１０ｂにおける第２ターミナル１８とは、電気的に直列に接続されている。このため、ＦＣスタック１０ａにおける第１ターミナル１２は、ＦＣスタック１０ａおよびＦＣスタック１０ｂから構成される燃料電池の総プラス極に、ＦＣスタック１０ｂにおける第１ターミナル１２は当該燃料電池における総マイナス極に、それぞれ相当している。また、ＦＣスタック１０ａ，１０ｂにおける第２ターミナル１８は、総プラス極と総マイナス極との中間の電位において等電位となっている。
【００２２】
ＦＣスタック１０ａ，１０ｂにおける第１エンドプレート１６の外側には、燃料ガス供給用の絶縁配管としての供給配管２２がそれぞれ接続されている。各ＦＣスタックの供給配管２２は上流で合流し、図示しない燃料ガス供給源に接続されている。各供給配管２２は、各ＦＣスタック１０ａ，１０ｂの第１エンドプレート１６において、後述する供給用マニホールド２４に接続されている。
【００２３】
ＦＣスタック１０ａ，１０ｂにおける第２エンドプレート２０の外側には、燃料ガス排気用の絶縁配管としての排気配管２６がそれぞれ接続されている。各ＦＣスタックの排気配管２６は下流で合流し、図示しない希釈器に接続されている。各排気配管２６は、各ＦＣスタック１０ａ，１０ｂのエンドプレート２０において、後述する排気用マニホールド２８に接続されている。
【００２４】
次に、図２を参照して、本実施の形態のＦＣスタック１０ａ，１０ｂの構成について説明する。尚、本実施の形態におけるＦＣスタック１０ａと１０ｂとは同様の構成であるため、ここでは、ＦＣスタック１０ａについてのみ説明することとする。図２は、ＦＣスタック１０ａの一部を積層方向に沿って切断した断面の詳細図を示す。図２に示すとおり、ＦＣスタック１０ａは単位セル４０を複数積層したスタック構造を有している。単位セル４０は、発電体４２、酸化ガスおよび燃料ガスが流れる多孔体流路４４および４６、隣接する発電体４２を隔離するセパレータ４８によって構成されている。発電体４２は、電解質膜を挟んでアノードとカソードが配置された膜電極接合体（ＭＥＡ）５０の外側に、図示しないガス拡散層をシールガスケットで囲んで一体として形成されている。
【００２５】
多孔体流路４４および４６は、ステンレス鋼やチタン、或いはチタン合金などの発砲焼結金属や、金属メッシュなどの内部に多数の細孔を備えた多孔体によって形成されている。多孔体流路４４および４６は所定方向へ反応ガスを流すことを主目的としているため、反応ガスの流れの圧力損失を抑え、排水性を構造させるように、比較的気孔率の大きい多孔体が使用される。当該多孔体流路４４および４６に導入された反応ガスは内部の細孔を通過しＭＥＡ５０のアノードおよびカソードに供給される。
【００２６】
また、図２に示すとおり、単位セル４０には空間が形成されており、これらが単位セル４０の積層方向に延在することにより、燃料ガスの供給用マニホールド２４、および排気用マニホールド２８が形成されている。上述した多孔体流路４６は、上記供給用マニホールド２４と排気用マニホールド２８との間に介在するように設けられている。同様に、ＦＣスタック１０ａには、図示しない酸化ガスの供給用マニホールド、および排出用マニホールドが形成されている。そして、上述した多孔体流路４４は、上記酸化ガスの供給用マニホールドと排出用マニホールドとの間に介在するように設けられている。
【００２７】
［実施の形態１における特徴的動作］
次に、図３乃至図５を参照して、本実施の形態の特徴的動作について説明する。図３は、第２エンドプレート２０に供給配管２２および排気配管２６が接続されている従来の燃料電池システムの燃料ガスの流れを模式的に示す図である。図３に示すとおり、従来の燃料電池システムでは、燃料ガスの供給配管２２と排気配管２６とが同一の第２エンドプレート２０上に配置されている。このような構造によれば、積層された単位セル４０のうち、第２エンドプレート２０に近い単位セル４０に、より多くの燃料ガスが流れてしまうため、第１エンドプレート１６に近い奥側の単位セル４０には、燃料ガスが流れ難くなってしまう。このため、システムの起動時にスタック内に残留している窒素（Ｎ２）等の不純ガスを燃料ガスで置換する場合に、第１エンドプレート１６寄りの奥側の単位セル４０のガス置換が迅速に且つ確実に行われないおそれがある。かかる事態を回避するために、必要十分な燃料ガスを供給することとすると、排気されるオフガスに含まれる水素が増大してしまい、燃費や安全面での問題が生じる。一方において、ガス置換が迅速に行われないと、所望の発電性能を発揮することができないばかりか、水素不足が発生している単位セル４０において、燃料電池の劣化反応が進行してしまうおそれがある。
【００２８】
そこで、各単位セルのガス置換性を均一にするために、供給配管２２と排気配管２６とを、第１エンドプレート１６と第２エンドプレート２０に分けて配置する配管構造が考えられる。図４は、第１エンドプレート１６に排気配管２６が、第２エンドプレート２０に供給配管２２が、それぞれ接続されている燃料電池システムの燃料ガスの流れを模式的に示す図である。具体的には、図４に示すとおり、図３における排気用マニホールド２８の排気口を第１エンドプレート１６に設け、排気配管２６を当該排気口に接続している。このような配管構造の燃料電池システムによれば、燃料ガスをＦＣスタック１０ａ，１０ｂの一端である第２エンドプレート２０から他端の第１エンドプレート１６へ流すことができる。これにより、積層されている複数の単位セル４０に略均一に燃料ガスを供給することができる。
【００２９】
しかしながら、排気配管２６を各ＦＣスタック１０ａ，１０ｂの第１エンドプレート１６に接続した場合、スタック内で生成された生成水や逆拡散水が排気配管２６に排出される。このため、ＦＣスタック１０ａ，１０ｂにおける排気配管２６の内部の水分が液絡する事態が発生すると、両ターミナル１２間の電位差分の電圧が当該水分に印加されてしまい、水の電気分解反応により水素と酸素との可燃性の混合ガスが発生してしまうおそれがある。
【００３０】
そこで、本実施の形態では、図１に示すとおり、排気配管２６を第２エンドプレート２０側に配置することとする。図５は、図１に示す本実施の形態の燃料電池システムの燃料ガスの流れを模式的に示している。この図に示すとおり、供給配管２２を第１エンドプレート１６側に、排気配管２６を第２エンドプレート２０側に配置することとすると、排気配管２６の内部の水分がＦＣスタック１０ａ，１０ｂ間を液絡したとしても、ＦＣスタック１０ａのターミナル１８とＦＣスタック１０ｂのターミナル１８との間は等電位であるため、水の電気分解反応はほぼ起こらない。このため、排気配管２６内に水素と酸素との可燃性の混合ガスが発生してしまう事態を効果的に防止することができる。
【００３１】
また、図５に示すとおり、供給配管２２から供給された燃料ガスは、第１エンドプレート１６側から供給用マニホールド２４に導入され、各単位セル４０に供給された後、排気用マニホールド２８を通じて、第２エンドプレート２０側から排気配管２６に排気される。このため、燃料ガスをＦＣスタック１０ａ，１０ｂの一端である第１エンドプレート１６から他端の第２エンドプレート２０へ流すことができる。これにより、積層されている複数の単位セル４０に略均一に燃料ガスを供給することができる。
【００３２】
ところで、上述した実施の形態においては、２つのＦＣスタック１０ａ，１０ｂを電気的に直列に接続した燃料電池システムにおいて、本発明を実行することとしているが、ＦＣスタックの構成はこれに限らない。すなわち、複数のＦＣスタックを更に直列に接続した燃料電池システムにおいて本発明を適用することとしてもよい。
【００３３】
また、上述した実施の形態においては、ＦＣスタック１０ａの供給配管２２とＦＣスタック１０ｂの供給配管２２がスタック外で合流している配管構造の燃料電池システムにおいて、本発明を実行することとしているが、配管構造はこれに限られない。すなわち、各ＦＣスタック１０ａ，１０ｂにおける供給配管２２がスタック外で合流していない配管構造であってもよい。
【００３４】
また、上述した実施の形態においては、燃料電池のアノードに供給される燃料ガスの配管構造について、本発明を実行することとしているが、当該配管構造が適用される反応ガスはこれに限られない。すなわち、燃料電池のカソードに供給される酸化ガスの配管構造について、本発明を適用することとしてもよい。
【００３５】
尚、上述した実施の形態１においては、ＦＣスタック１０ａ，１０ｂが前記第１の発明における「スタック」に、多孔体流路４６が前記第１の発明における「反応ガス流路」に、それぞれ相当している。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施の燃料電池システムの構成を説明するための図である。
【図２】図１に示すＦＣスタック１０ａの一部を積層方向に切断した断面の詳細図である。
【図３】従来の燃料電池システムにおける燃料ガスの流れを説明するための図である。
【図４】従来の燃料電池システムにおける燃料ガスの流れを説明するための図である。
【図５】本発明の実施の燃料電池システムにおける燃料ガスの流れを説明するための図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０ａ，１０ｂ  燃料電池(ＦＣ)スタック
１２  第１ターミナル
１４  インシュレータ
１６  第１エンドプレート
１８  第２ターミナル
２０  第２エンドプレート
２２  供給配管
２４  供給用マニホールド
２６  排気配管
２８  排気用マニホールド
４０  単位セル
４２  発電体
４４，４６  多孔体流路
４８  セパレータ
５０  ＭＥＡ(Membrane Electrode Assembly)
【図１】
2009158139.tif 000003
【図２】
2009158139.tif 000004
【図３】
2009158139.tif 000005
【図４】
2009158139.tif 000006
【図５】
2009158139.tif 000007