燃料電池スタック
【課題】燃料電池積層体内のガス排出マニホールドを通って流出してきた水をエンドプレートで阻害することなく簡易な構成で確実にスタック外に排出する。
【解決手段】燃料電池スタックは、複数の燃料電池セルを積層した燃料電池積層体３８と、燃料電池積層体３８の積層方向少なくとも一端に設けられるエンドプレート３６ａと、燃料電池積層体３８の積層方向に貫通形成されたガス排出マニホールド５４ｂと、エンドプレート３６ａに貫通形成されてガス排出マニホールド５４ｂに連通するガス排出通路４４ｂと、を備える。ガス排出マニホールド５４ｂはガス排出方向下流側に向かって下り勾配となる第１の傾斜角θ１を有し、ガス排出通路４４ｂはガス排出方向下流側に向かって下り勾配となる第２の傾斜角θ２を有し、第２の傾斜角θ２は第１の傾斜角θ１よりも大きく設定されている。
【解決手段】燃料電池スタックは、複数の燃料電池セルを積層した燃料電池積層体３８と、燃料電池積層体３８の積層方向少なくとも一端に設けられるエンドプレート３６ａと、燃料電池積層体３８の積層方向に貫通形成されたガス排出マニホールド５４ｂと、エンドプレート３６ａに貫通形成されてガス排出マニホールド５４ｂに連通するガス排出通路４４ｂと、を備える。ガス排出マニホールド５４ｂはガス排出方向下流側に向かって下り勾配となる第１の傾斜角θ１を有し、ガス排出通路４４ｂはガス排出方向下流側に向かって下り勾配となる第２の傾斜角θ２を有し、第２の傾斜角θ２は第１の傾斜角θ１よりも大きく設定されている。
【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り、特に、燃料電池スタックの排水を良好にする技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年のエネルギ分野では、自然環境に優しく且つ高効率のエネルギ変換装置として燃料電池が注目されている。図６は、一般的な燃料電池スタック１００の構成を示す一部模式断面図である。図６に示すように、一般的な燃料電池スタック１００は、複数の燃料電池セル７０を積層した燃料電池積層体７２と、燃料電池積層体７２の積層方向両端に設けられるエンドプレート７４ａ，７４ｂと、エンドプレート７４ａ，７４ｂを貫通し、燃料電池積層体７２に接続されるガス供給管７６およびガス排出管７８とを有する。ガス供給管７６内部のガス供給通路７６ａは、燃料電池積層体７２の積層方向に貫通形成されたガス供給マニホールド８０に接続されて連通し、ガス排出管７８内部のガス排出通路７８ａは、燃料電池積層体７２の積層方向に貫通形成されたガス排出マニホールド８２に接続されて連通する。
【０００３】
燃料電池セル７０の燃料極側に供給される燃料ガスを水素ガス、酸化極側に供給される酸化剤ガスを酸素ガスとした場合、燃料電池セル７０の発電時に、燃料極側では、水素イオン及び電子にする反応が行われ、水素イオンは燃料電池セル７０の電解質膜を通り、電子は外部回路を通じて酸化極側に到達する。酸化極側では、水素イオン、電子および酸素ガスが反応して水分を生成する反応が行われる。
【０００４】
燃料電池セル７０に供給される酸化剤ガスは、燃料電池セル７０の電解質膜にイオン伝導性を付与するため、燃料電池スタックに備えられる加湿器により加湿される。しかし、燃料電池積層体７２に供給される酸化剤ガスの温度は、発電時の燃料電池積層体７２の温度より低いため、酸化剤ガス中に含まれる水分が凝縮して液水が生じる場合がある。また、各燃料電池セル７０における電気化学反応によって生成された水も凝縮して液水となる場合がある。これらの液水（単に「水」という、以下に同じ。）は、廃酸化剤ガスに随伴してガス排出マニホールド８２に流入し、その後、ガス排出マニホールド８２およびガス排出通路７８ａを介してシステム外に排出される。
【０００５】
この場合、燃料電池スタック１００では、水が燃料電池積層体７０からシステム外に良好に排出されることが望まれる。それは、ガス排出マニホールド８２内に水が溜まると、燃料電池積層体７２からの廃酸化剤ガスの廃移出を阻害する要因となって発電性能低下を来たす可能性があり、また、環境温度の低下によってガス排出マニホールド８２に溜まった水が凍った場合にはマニホールドが閉塞してしまうおそれがあるからである。
【０００６】
例えば、特許文献１には、燃料電池積層体内のガス排出マニホールドの下面をエンドプレート接続部まで排気方向下流側に向けて下り傾斜に形成した燃料電池スタックが開示されている。この燃料電池スタックでは、ガス排出マニホールドに接続するエンドプレートの貫通穴が水平方向に形成されており、エンドプレートに接続されるガス排出配管に水溜り部をエンドプレートに近接して設け、ガス排出マニホールド内を流れて排出されてきた水をその水溜り部に一旦溜めてから、電磁弁の開放により下方に排水するようにしている。
【０００７】
また、特許文献２には、燃料電池スタックのエンドプレートに接続される酸化剤ガス配管に下り傾斜をつけることで、燃料電池スタックからの排水性を向上させることが記載されている。
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−１７８７９１号公報
【特許文献２】特開２００４−１３４１３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、特許文献１の燃料電池では、燃料電池積層体内のガス排出マニホールドに接続するエンドプレートの貫通穴の下面が水平方向に沿って形成されているため、例えばこの燃料電池を搭載した車両が坂道で停車または駐車したときに燃料電池積層体内のガス排気マニホールドの下面が水平状態になった場合、エンドプレートの貫通穴によって構成されるガス排出通路は上り傾斜状態になる。そうすると、燃料電池積層体のガス排出マニホールドとエンドプレートの貫通穴との境界部に水が溜まることができ、その溜まった水がガス排出マニホールド内へと逆流することが考えられる。
【００１０】
また、特許文献２の燃料電池では、エンドプレートに接続される酸化剤ガス配管に下り傾斜をつけてはいるものの、燃料電池積層体内のガス排出マニホールドとこれに接続されるエンドプレートの貫通穴との関係については何ら考慮されていないため、特許文献１について上述したのと同様に、燃料電池積層体のガス排出マニホールドとエンドプレートの貫通穴との境界部に溜まった水がガス排出マニホールド内へと逆流することが考えられる。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、燃料電池積層体内のガス排出マニホールドを通って流出してきた水をエンドプレートで阻害することなく簡易な構成で確実に燃料電池スタック外に排出することができる燃料電池スタックを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る燃料電池スタックは、複数の燃料電池セルを積層した燃料電池積層体と、燃料電池積層体の積層方向両端に設けられるエンドプレートと、燃料電池積層体の積層方向に貫通形成されたガス供給マニホールドと、燃料電池積層体の積層方向に貫通形成されたガス排出マニホールドと、前記エンドプレートに貫通形成されてガス排出マニホールドに連通するガス排出通路と、を備え、ガス排出マニホールドは水平方向に対してガス排出方向下流側に向かって下り勾配となる第１の傾斜角を有し、ガス排出通路は水平方向に対してガス排出方向下流側に向かって下り勾配となる第２の傾斜角を有し、第２の傾斜角は第１の傾斜角よりも大きく設定されていることを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る燃料電池スタックにおいて、ガス排出通路の下面は、エンドプレートの厚み方向両端面間で直線状に形成されていることが好ましい。
【００１４】
また、本発明に係る燃料電池スタックは、エンドプレートに接続されガス排出通路に連通するガス排出配管をさらに含み、ガス排出配管は水平方向に対してガス排出方向下流側に向かって下り勾配となる第３の傾斜角を有し、第３の傾斜角は第２の傾斜角よりも大きく設定されていることが好ましい。
【００１５】
また、本発明に係る燃料電池スタックにおいて、ガス排出通路の内面は親水性材料により形成またはコーティングされていることが好ましい。
【００１６】
さらに、本発明に係る燃料電池スタックにおいて、燃料電池積層体のガス排出マニホールドとエンドプレートのガス排出通路との接続部で、ガス排出マニホールドの下面より下方にガス排出通路の下面が位置するように段差を設けてもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る燃料電池スタックによれば、ガス排出マニホールドは水平方向に対してガス排出方向下流側に向かって下り勾配となる第１の傾斜角を有し、ガス排出通路は水平方向に対してガス排出方向下流側に向かって下り勾配となる第２の傾斜角を有し、第２の傾斜角は第１の傾斜角よりも大きく設定されていることで、例えば燃料電池スタックを搭載した車両が坂道で停車または駐車したときに燃料電池積層体内のガス排気マニホールドの下面が水平状態になったときでも、エンドプレートのガス排出通路を下り勾配状態に維持することができる。これにより、燃料電池積層体のガス排出マニホールドを排出されてきた水が、ガス排出マニホールドとガス排出通路との境界部またはその近傍に溜まることなく確実にガス排出通路に流れて排出されることができ、ガス排出マニホールド内への逆流を簡易な構成で抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、本発明に係る燃料電池スタックの実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様当のあわせて適宜変更することができる。
【００１９】
図１は、本発明の一実施形態である燃料電池スタック１０を含む燃料電池システム１の概略構成を示すブロック図である。燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０、電圧変換器１２、インバータ１４、モータ１６、平滑コンデンサ１８、加湿器２０、希釈器２２、燃料ガス供給部２４、酸化剤ガス供給部２６、および冷媒循環部２８を含んで構成される。
【００２０】
燃料電池スタック１０は、燃料ガスである例えば水素と酸化剤ガスである例えば酸素との電解質膜を介しての電気化学反応によって発電し、直流電圧を電圧変換器１２へ出力する。電圧変換器１２は、燃料電池スタック１０から供給される直流電圧を必要に応じて昇圧し、昇圧後の高圧直流電圧を平滑コンデンサ１８を介してインバータ１４へ供給する。インバータ１４は、電圧変換器１２から供給される高圧直流電圧を三相交流電圧に変換して、例えば三相同期型交流モータ１６に印加する。インバータ１４からの電圧印加によって回転するモータ１６の駆動力は、例えば自動車等の車両の車輪駆動に用いられる。
【００２１】
燃料電池スタック１０には、燃料ガス供給部２４から燃料ガスとして水素が供給される。燃料ガス供給部２４は、例えば高圧水素タンクで構成されることができる。一方、酸化ガスとしての酸素を含む空気は、大気中から酸化剤ガス供給部２６によって取り込まれ、加湿器２０を介して燃料電池スタック１０へ供給される。燃料電池スタック１０内での電気化学反応促進のため、空気は加湿器２０を通過する際に十分に加湿される。
【００２２】
燃料電池スタック１０内で酸素との電気化学反応に供された後の廃水素ガスは、燃料電池スタック１０から希釈器２２へと送られる。一方、燃料電池スタック１０内で水素との電気化学反応に供された後の廃空気は、上記の電気化学反応によって生成された水と一緒に燃料電池スタック１０から排出され、加湿器２０を介して希釈器２２へ送られる。加湿器２０では、内蔵する多孔質体によって廃空気中に含まれる生成水を回収して供給用空気の加湿に再利用される。希釈器２２では、廃水素ガスが廃空気によって十分に混合希釈され、その後システム外へ排気される。なお、廃水素ガスは、未使用の高濃度水素を含んでいるため、燃料電池スタック１０に循環供給されてもよい。
【００２３】
冷媒循環部２８は、電気化学反応によって昇温する燃料電池スタック１０を冷却するために、冷却媒体としての例えばＬＬＣ(Long Life Coolant)を燃料電池スタック１０内で循環させるものである。
【００２４】
図２は燃料電池スタック１０の斜視図、図３は燃料電池スタック１０の一方側端部の側面図である。図３（図４，５でも同様）において、紙面上方が鉛直方向上側であり、紙面下方が鉛直方向下側になる。燃料電池スタック１０は、図示しない板金製のスタックケース内に収容されて、自動車等に搭載または設置されることができる。
【００２５】
燃料電池スタック１０は、アノード側電極、電解質膜およびカソード側電極をセパレータによって狭持してなる燃料電池セル３０を複数積層して直列接続することによって構成されるセル積層体（燃料電池積層体）３８を含む。セル積層体３８は、矢印Ｂで示す積層方向の両端に設けられた、それぞれ一対の集電板３２ａ，３２ｂおよび絶縁板３４ａ，３４ｂおよびエンドプレート３６ａ，３６ｂで狭持されている。セル積層体３８を構成する複数の燃料電池セル３０で発電された電力は、上記一対の集電板３２ａ，３２ｂから出力される。
【００２６】
例えばステンレス板で形成される各エンドプレート３６ａ，３６ｂは、上部および下部において、それぞれ２本の帯状部材４０によって連結されており、これらの帯状部材４０によってエンドプレート３６ａ，３６ｂに対してセル積層体３８を挟持するための引っ張り力が付与されている。各帯状部材の端部は、エンドプレート３６ａ，３６ｂにねじ止め等の適当な固定手段によって固定される。
【００２７】
エンドプレート３６ａ，３６ｂのうち一方のエンドプレート３６ａは、集電板３２ａおよび絶縁板３４ａを介してセル積層体３８に対向する積層体対向面３７ａとその反対側のシステム部品取付面３７ｂとを有する。エンドプレート３６ａは、台形状側面を有しており、システム部品取付面３７ｂを鉛直方向に沿って配置されたときに積層体対向面３７ａが若干斜め上方に向くようにシステム部品取付面３７ｂに対する所定の傾斜角θ１を持って形成されている。
【００２８】
また、エンドプレート３６ａは、その厚み方向すなわち両端面３７ａ，３７ｂ間にそれぞれ貫通形成された穴からなる、燃料ガス供給通路４２ａ、酸化剤ガス供給通路４４ａ、冷却媒体供給通路４６ａ、燃料ガス排出通路４２ｂ、酸化剤ガス排出通路４４ｂおよび冷却媒体排出通路４６ｂを有する。各通路４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂ，４６ａ，４６ｂは、エンドプレート３６ａの横方向両側に、それぞれ３つずつ縦並びで形成されている。
【００２９】
セル積層体３８には、燃料ガスおよび酸化剤ガスを各燃料電池セル３０のアノード側電極およびカソード側電極に供給するために、セル積層体３８を積層方向に貫通して形成される燃料ガス供給マニホールド５２ａおよび酸化剤ガス供給マニホールド５４ａが設けられている。燃料ガス供給マニホールド５２ａおよび酸化剤ガス供給マニホールド５４ａは、集電板３２ａおよび絶縁板３４ａに形成された貫通穴を介して、エンドプレート３６ａの燃料ガス供給通路４２ａおよび酸化剤ガス供給通路４４ａにそれぞれ連通している。
【００３０】
また、セル積層体３８には、廃燃料ガスおよび廃酸化剤ガスを各燃料電池セル３０のアノード側電極およびカソード側電極から排出するために、セル積層方向に貫通して形成される燃料ガス排出マニホールド５２ｂおよび酸化剤ガス排出マニホールド５４ｂが設けられている。燃料ガス排出マニホールド５２ｂおよび酸化剤ガス排出マニホールド５４ｂは、集電板３２ａおよび絶縁板３４ａに形成された貫通穴を介して、エンドプレート３６ａの燃料ガス排出通路４２ｂおよび酸化剤ガス排出通路４４ｂにそれぞれ連通している。
【００３１】
さらに、セル積層体３８には、燃料電池セル３０の電気化学反応に伴う発熱による温度上昇を抑制するため、燃料電池スタック１０の外部から冷却媒体を各燃料電池セル３０内に流しているが、この冷却媒体の供給および排出を行うための冷却媒体供給マニホールド５６ａおよび冷却媒体排出マニホールド５６ｂも、セル積層体３８を積層方向に貫通して形成されている。冷却媒体供給マニホールド５６ａおよび冷却媒体排出マニホールド５６ｂは、集電板３２ａおよび絶縁板３４ａに形成された貫通穴を介して、エンドプレート３６ａの冷却媒体供給通路４６ａおよび冷却媒体排出通路４６ｂにそれぞれ連通している。なお、図２における黒い太矢印は燃料ガスの流れ方向、白い太矢印は酸化剤ガスの流れ方向、斜線の太矢印は冷却媒体の流れ方向をそれぞれ示している。
【００３２】
エンドプレート３６ａのシステム部品取付面３７ｂには、各通路４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂ，４６ａ，４６ｂにそれぞれ対応して６本の配管５８が取り付けられている。各配管５８は、樹脂製または金属製のものを用いることができ、端部に一体に設けられたフランジ部５９をねじ留め等されることでエンドプレート３６ａに固定される。また、エンドプレート３６ａのシステム部品取付面３７ｂの略中央部には、ポンプ４８がねじ留め等の方法で取り付けられる。これらの配管５８やポンプ４８等がシステム部品を構成する。
【００３３】
なお、図２に示すように、本実施形態では、エンドプレート３６ａの左右両側に各通路４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂ，４６ａ，４６ｂを３つずつ縦に並べて形成してあるが、各通路の配列はこれに限定されるものではなく、燃料電池スタック１０内部での燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体の各マニホールド５２ａ，５２ｂ，５４ａ，５４ｂ，５６ａ，５６ｂの設計に応じて適宜変更可能であり、例えば冷却媒体用のマニホールド５６ａ，５６ｂおよび通路４６ａ，４６ｂをセル積層体３８およびエンドプレート３６ａの上下に形成してもよい。また、各マニホールド５２ａ，５２ｂ，５４ａ，５４ｂ，５６ａ，５６ｂは、燃料電池セル３０の積層方向に関してセル積層体３８を貫通していればよく、必ずしも直線状に形成されていなくてもよいし、あるいは、積層方向（矢印Ｂ方向）に対して傾斜して設けられてもよい。
【００３４】
配管５８を介してエンドプレート３６ａの燃料ガス供給通路４２ａから燃料ガス供給マニホールド５２ａに供給された燃料ガスである水素は、積層された各燃料電池セル３０内で、アノード側電極の表面（発電面）に沿って側方（図２における右側から左側）へ流れる。アノード側電極は触媒を含んで構成され、アノード側電極の表面に沿って流れる間に、水素の一部は触媒により活性化されることで電子を放出して水素イオンとなり、電解質膜を透過してカソード側電極へ移動する。この水素のイオン化によって放出される電子が、燃料電池セル３０で発電される電力となる。燃料電池セル３０で発電に供されなかった（すなわちイオン化されなかった）水素は、燃料ガス排出マニホールド５２ｂを経由して、エンドプレート３６ａの燃料ガス排出通路４２ｂから配管５８を介して燃料電池スタック１０外に排出される。
【００３５】
また、配管５８を介してエンドプレート３６ａの酸化剤ガス供給通路４４ａから酸化剤ガス供給マニホールド５４ａに供給された酸化剤ガスである酸素を含む空気は、積層された各燃料電池セル３０内で、カソード側電極の表面に沿って側方（図２における左側から右側）へ流れる。カソード側電極は触媒を含んで構成され、カソード側電極の表面に沿って流れる間に、空気中の酸素の一部は触媒により活性化されて酸素イオンとなり、電解質膜を透過してカソード側電極から移動してきた水素イオンと化学反応して、水が生成される。燃料電池セル３０内のカソード側電極に沿って流れた空気は、反応生成水と共に、酸化剤ガス排出マニホールド５４ｂを経由して、エンドプレート３６ａの酸化剤ガス排出通路４４ｂから配管５８を介して燃料電池スタック１０外に排出される。
【００３６】
さらに、配管５８を介してエンドプレート３６ｂの冷却媒体供給通路４６ａから冷却媒体供給マニホールド５６ａに供給された冷却媒体は、積層された各燃料電池セル３０間に形成されている流路を側方（図２における左側から右側）へ流れ、内部の電気化学反応により生じる発熱で昇温する燃料電池セル３０を冷却する。その後、冷却水は、冷却媒体排出マニホールド５６ｂを経由してエンドプレート３６ａの冷却媒体排出通路４６ｂから配管５８を介して燃料電池スタック１０外へ排出される。
【００３７】
図４は、燃料電池スタック１０におけるセル積層体３８内のマニホールド、エンドプレート３６ａ内ガス通路、および配管５８の傾斜関係を酸化剤ガス排出用のものを代表例として示す部分断面図である。上述したように、エンドプレート３６ａは、積層体対向面３７ａがシステム部品取付面３７ｂに対して傾斜角θ１を有するように形成されている。したがって、エンドプレート３６ａのシステム部品取付面３７ｂが鉛直方向に沿うように燃料電池スタック１０が設置されたとき、積層体対向面３７ａ上に絶縁板３４ａおよび集電板３２ａを介して取り付けられるセル積層体３８内においてセル積層方向に沿って貫通形成されている酸化剤ガス排出マニホールド５４ｂの下面は、水平方向に対して傾斜角θ１をもってガス排出方向（矢印Ｃ方向）下流側に向かって下り勾配になっている。これにより、廃酸化ガス中に含まれる水が下り傾斜の排出マニホールド５４ｂの下面６０に沿って流れることで、セル積層体３８から排水され易くなる。
【００３８】
酸化剤ガス排出マニホールド５４ｂに接続されるエンドプレート３６ａの酸化剤ガス排出通路４４ｂの下面６２もまた、ガス排出方向下流側に向かって下り勾配となるよう水平方向に対する傾斜角θ２を有しているが、この傾斜角θ２は酸化剤ガス排出マニホールド５４ｂの傾斜角θ１よりも大きく設定されている。また、この構成では、酸化剤ガス排出マニホールド５４ｂからエンドプレート３６ａの酸化剤ガス排出通路４４ｂの出口（システム部品取付面３７ｂ上の開口部）に至るまでの流路下面が、総じてまたは全体を通して下り勾配をなすようにしてある。このようにすることで、例えば燃料電池スタック１０を搭載した車両が坂道で停車または駐車したときにセル積層体３８内の酸化剤ガス排出マニホールド５４ｂの下面６０が水平状態になったときでも、エンドプレート３６ａの酸化剤ガス排出通路４４ｂの下面６２を下り勾配状態に維持することができる。これにより、セル積層体３８の酸化剤ガス排出マニホールド５４ｂを排出されてきた水が、酸化剤ガス排出マニホールド５４ｂと酸化剤ガス排出通路４４ｂとの境界部または接続部６４またはその近傍に溜まることなく確実に酸化剤ガス排出通路４４ｂに流れて配管５８を介して排水されることができ、酸化剤ガス排出マニホールド５４ｂ内への逆流を簡易な構成で抑制することができる。
【００３９】
エンドプレート３６ａの酸化剤ガス排出通路４４ｂに接続される配管５８内の下面６８もまた、ガス排出方向下流側に向かって下り勾配となるよう水平方向に対する傾斜角θ３を有しているが、この傾斜角θ３は酸化剤ガス排出通路４４ｂの下面６２の傾斜角θ２よりもさらに大きく設定されている。このようにすることで、燃料電池スタック１０からの排水性をより良好で確実なものにできる。また、配管５８に水溜り部や電磁弁を設ける場合に比べて配管構成が簡易になり、コストも安くなる。
【００４０】
ここでは、酸化剤ガス排出用のマニホールド５４ｂ、排出通路４４ｂおよび配管５８を例にそれぞれの傾斜関係を説明したが、燃料ガス排出用のマニホールド５２ｂ、排出通路４２ｂおよび配管５８についても同様の傾斜関係をもたせてある。また、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給用のマニホールド５２ａ,５４ａ、供給通路４２ａ，４４ａおよび配管５８についても、加湿水分の凝縮水等が含まれる場合があるため、上述した傾斜関係をもつように構成されるのが望ましい。
【００４１】
なお、図３では、冷却媒体の供給および排出用のマニホールド５６ａ，５６ｂ、通路４６ａ，４６ｂ、および配管５８についても上述した傾斜関係にあるように示されているが、これはガス用マニホールド等との配置関係からこのように構成するのが好ましいというのが理由であって、必ずしも上述したような傾斜関係を満たさなくてもよい。
【００４２】
エンドプレート３６ａの各ガス排出通路４２ｂ,４４ｂ等を構成する貫通穴は、切削、打ち抜き、成型等の加工方法によって形成されるが、通路内の下面はエンドプレート３６ａの両端面３７ａ，３７ｂ間で直線状に形成されるのが好ましい。これは、切削等の加工が容易であるとともに、水が配管５８に向けて流れ落ちるのを円滑にするためである。
【００４３】
また、ガス排出通路４２ｂ,４４ｂの少なくとも下面を含む内面は、親水性材料で形成されているのが好ましい。これは、排出マニホールド５２ｂ,５４ｂから通路４２ｂ,４４ｂ内に流入した水に上記親水性によって推進力を付与することができ、その結果、例えば配管５８が撥水性を有する材料からなる場合にも配管５８に水が導入され易くなる利点がある。この場合、通路４２ｂ,４４ｂの内面に、親水性材料（例えば、金）でコーティングを施してもよいし、あるいは、エンドプレート３６ａ自体を親水性材料（例えばシリカ、酸化チタン等の金属酸化物）で形成してもよい。
【００４４】
ところで、上記実施形態では、ガス排出マニホールド５２ｂ,５４ｂ、ガス排出通路４２ｂ,４４ｂ、および配管５８内の流路をそれぞれ段差なく接続しているが、図５に示すように、上述した各傾斜角θ１，θ２，θ３間の大小関係を満たしながら、各接続部６４，６５において下流側の流路下面が下方に位置するように段差ｄをそれぞれ設けてもよい。このようにすることで、製造公差や組み付け時ばらつき等によって各接続部６４，６５において逆段差が形成されて排水抵抗部となってしまうのを防止できる。
【００４５】
なお、上記実施形態の燃料電池スタック１０では、一方のエンドプレート３６ａが台形状側面を有する板状部材で構成されているが、これに限定されるものではなく、本発明におけるエンドプレートは一定厚みの板状部材で構成されてもよい。
【００４６】
また、上述した燃料電池スタック１０では、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体の出入りを同一エンドプレートから行うようにしているが、本発明は、一方（または上方側）のエンドプレートから燃料ガス等を供給して他方（または下方側）のエンドプレートから排出するタイプの燃料電池スタックにも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の一実施形態の燃料電池スタックを含む燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】燃料電池スタックの斜視図である。
【図３】燃料電池スタックの一方側端部の側面図である。
【図４】燃料電池スタックにおける酸化剤ガス排出用のマニホールド、エンドプレート内ガス通路および配管の傾斜関係を示す部分断面図である。
【図５】図４の変形例を示す図である。
【図６】従来の燃料電池スタックの一例を示す図である。
【符号の説明】
【００４８】
１ 燃料電池システム、１０ 燃料電池スタック、１２ 電圧変換器、１４ インバータ、１６ モータ、１８ 平滑コンデンサ、２０ 加湿器、２２ 希釈器、２４ 燃料ガス供給部、２６ 酸化剤ガス供給部、２８ 冷媒循環部、３０ 燃料電池セル、３２ａ，３２ｂ 集電板、３４ａ，３４ｂ 絶縁板、３６ａ，３６ｂ エンドプレート、３７ａ 積層体対向面、３７ｂ システム部品取付面、３８ セル積層体、４０ 帯状部材、４２ａ 燃料ガス供給通路、４２ｂ 燃料ガス排出通路、４４ａ 酸化剤ガス供給通路、４４ｂ 酸化剤ガス排出通路、４６ａ 冷却媒体供給通路、４６ｂ 冷却媒体排出通路、４８ ポンプ、５８ 配管、５９ フランジ部、６０ 下面、６２ 下面、６２ 境界部または接続部、６５ 接続部、６８ 下面、ｄ 段差、θ１，θ２，θ３ 傾斜角。
【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り、特に、燃料電池スタックの排水を良好にする技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年のエネルギ分野では、自然環境に優しく且つ高効率のエネルギ変換装置として燃料電池が注目されている。図６は、一般的な燃料電池スタック１００の構成を示す一部模式断面図である。図６に示すように、一般的な燃料電池スタック１００は、複数の燃料電池セル７０を積層した燃料電池積層体７２と、燃料電池積層体７２の積層方向両端に設けられるエンドプレート７４ａ，７４ｂと、エンドプレート７４ａ，７４ｂを貫通し、燃料電池積層体７２に接続されるガス供給管７６およびガス排出管７８とを有する。ガス供給管７６内部のガス供給通路７６ａは、燃料電池積層体７２の積層方向に貫通形成されたガス供給マニホールド８０に接続されて連通し、ガス排出管７８内部のガス排出通路７８ａは、燃料電池積層体７２の積層方向に貫通形成されたガス排出マニホールド８２に接続されて連通する。
【０００３】
燃料電池セル７０の燃料極側に供給される燃料ガスを水素ガス、酸化極側に供給される酸化剤ガスを酸素ガスとした場合、燃料電池セル７０の発電時に、燃料極側では、水素イオン及び電子にする反応が行われ、水素イオンは燃料電池セル７０の電解質膜を通り、電子は外部回路を通じて酸化極側に到達する。酸化極側では、水素イオン、電子および酸素ガスが反応して水分を生成する反応が行われる。
【０００４】
燃料電池セル７０に供給される酸化剤ガスは、燃料電池セル７０の電解質膜にイオン伝導性を付与するため、燃料電池スタックに備えられる加湿器により加湿される。しかし、燃料電池積層体７２に供給される酸化剤ガスの温度は、発電時の燃料電池積層体７２の温度より低いため、酸化剤ガス中に含まれる水分が凝縮して液水が生じる場合がある。また、各燃料電池セル７０における電気化学反応によって生成された水も凝縮して液水となる場合がある。これらの液水（単に「水」という、以下に同じ。）は、廃酸化剤ガスに随伴してガス排出マニホールド８２に流入し、その後、ガス排出マニホールド８２およびガス排出通路７８ａを介してシステム外に排出される。
【０００５】
この場合、燃料電池スタック１００では、水が燃料電池積層体７０からシステム外に良好に排出されることが望まれる。それは、ガス排出マニホールド８２内に水が溜まると、燃料電池積層体７２からの廃酸化剤ガスの廃移出を阻害する要因となって発電性能低下を来たす可能性があり、また、環境温度の低下によってガス排出マニホールド８２に溜まった水が凍った場合にはマニホールドが閉塞してしまうおそれがあるからである。
【０００６】
例えば、特許文献１には、燃料電池積層体内のガス排出マニホールドの下面をエンドプレート接続部まで排気方向下流側に向けて下り傾斜に形成した燃料電池スタックが開示されている。この燃料電池スタックでは、ガス排出マニホールドに接続するエンドプレートの貫通穴が水平方向に形成されており、エンドプレートに接続されるガス排出配管に水溜り部をエンドプレートに近接して設け、ガス排出マニホールド内を流れて排出されてきた水をその水溜り部に一旦溜めてから、電磁弁の開放により下方に排水するようにしている。
【０００７】
また、特許文献２には、燃料電池スタックのエンドプレートに接続される酸化剤ガス配管に下り傾斜をつけることで、燃料電池スタックからの排水性を向上させることが記載されている。
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−１７８７９１号公報
【特許文献２】特開２００４−１３４１３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、特許文献１の燃料電池では、燃料電池積層体内のガス排出マニホールドに接続するエンドプレートの貫通穴の下面が水平方向に沿って形成されているため、例えばこの燃料電池を搭載した車両が坂道で停車または駐車したときに燃料電池積層体内のガス排気マニホールドの下面が水平状態になった場合、エンドプレートの貫通穴によって構成されるガス排出通路は上り傾斜状態になる。そうすると、燃料電池積層体のガス排出マニホールドとエンドプレートの貫通穴との境界部に水が溜まることができ、その溜まった水がガス排出マニホールド内へと逆流することが考えられる。
【００１０】
また、特許文献２の燃料電池では、エンドプレートに接続される酸化剤ガス配管に下り傾斜をつけてはいるものの、燃料電池積層体内のガス排出マニホールドとこれに接続されるエンドプレートの貫通穴との関係については何ら考慮されていないため、特許文献１について上述したのと同様に、燃料電池積層体のガス排出マニホールドとエンドプレートの貫通穴との境界部に溜まった水がガス排出マニホールド内へと逆流することが考えられる。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、燃料電池積層体内のガス排出マニホールドを通って流出してきた水をエンドプレートで阻害することなく簡易な構成で確実に燃料電池スタック外に排出することができる燃料電池スタックを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る燃料電池スタックは、複数の燃料電池セルを積層した燃料電池積層体と、燃料電池積層体の積層方向両端に設けられるエンドプレートと、燃料電池積層体の積層方向に貫通形成されたガス供給マニホールドと、燃料電池積層体の積層方向に貫通形成されたガス排出マニホールドと、前記エンドプレートに貫通形成されてガス排出マニホールドに連通するガス排出通路と、を備え、ガス排出マニホールドは水平方向に対してガス排出方向下流側に向かって下り勾配となる第１の傾斜角を有し、ガス排出通路は水平方向に対してガス排出方向下流側に向かって下り勾配となる第２の傾斜角を有し、第２の傾斜角は第１の傾斜角よりも大きく設定されていることを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る燃料電池スタックにおいて、ガス排出通路の下面は、エンドプレートの厚み方向両端面間で直線状に形成されていることが好ましい。
【００１４】
また、本発明に係る燃料電池スタックは、エンドプレートに接続されガス排出通路に連通するガス排出配管をさらに含み、ガス排出配管は水平方向に対してガス排出方向下流側に向かって下り勾配となる第３の傾斜角を有し、第３の傾斜角は第２の傾斜角よりも大きく設定されていることが好ましい。
【００１５】
また、本発明に係る燃料電池スタックにおいて、ガス排出通路の内面は親水性材料により形成またはコーティングされていることが好ましい。
【００１６】
さらに、本発明に係る燃料電池スタックにおいて、燃料電池積層体のガス排出マニホールドとエンドプレートのガス排出通路との接続部で、ガス排出マニホールドの下面より下方にガス排出通路の下面が位置するように段差を設けてもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る燃料電池スタックによれば、ガス排出マニホールドは水平方向に対してガス排出方向下流側に向かって下り勾配となる第１の傾斜角を有し、ガス排出通路は水平方向に対してガス排出方向下流側に向かって下り勾配となる第２の傾斜角を有し、第２の傾斜角は第１の傾斜角よりも大きく設定されていることで、例えば燃料電池スタックを搭載した車両が坂道で停車または駐車したときに燃料電池積層体内のガス排気マニホールドの下面が水平状態になったときでも、エンドプレートのガス排出通路を下り勾配状態に維持することができる。これにより、燃料電池積層体のガス排出マニホールドを排出されてきた水が、ガス排出マニホールドとガス排出通路との境界部またはその近傍に溜まることなく確実にガス排出通路に流れて排出されることができ、ガス排出マニホールド内への逆流を簡易な構成で抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、本発明に係る燃料電池スタックの実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様当のあわせて適宜変更することができる。
【００１９】
図１は、本発明の一実施形態である燃料電池スタック１０を含む燃料電池システム１の概略構成を示すブロック図である。燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０、電圧変換器１２、インバータ１４、モータ１６、平滑コンデンサ１８、加湿器２０、希釈器２２、燃料ガス供給部２４、酸化剤ガス供給部２６、および冷媒循環部２８を含んで構成される。
【００２０】
燃料電池スタック１０は、燃料ガスである例えば水素と酸化剤ガスである例えば酸素との電解質膜を介しての電気化学反応によって発電し、直流電圧を電圧変換器１２へ出力する。電圧変換器１２は、燃料電池スタック１０から供給される直流電圧を必要に応じて昇圧し、昇圧後の高圧直流電圧を平滑コンデンサ１８を介してインバータ１４へ供給する。インバータ１４は、電圧変換器１２から供給される高圧直流電圧を三相交流電圧に変換して、例えば三相同期型交流モータ１６に印加する。インバータ１４からの電圧印加によって回転するモータ１６の駆動力は、例えば自動車等の車両の車輪駆動に用いられる。
【００２１】
燃料電池スタック１０には、燃料ガス供給部２４から燃料ガスとして水素が供給される。燃料ガス供給部２４は、例えば高圧水素タンクで構成されることができる。一方、酸化ガスとしての酸素を含む空気は、大気中から酸化剤ガス供給部２６によって取り込まれ、加湿器２０を介して燃料電池スタック１０へ供給される。燃料電池スタック１０内での電気化学反応促進のため、空気は加湿器２０を通過する際に十分に加湿される。
【００２２】
燃料電池スタック１０内で酸素との電気化学反応に供された後の廃水素ガスは、燃料電池スタック１０から希釈器２２へと送られる。一方、燃料電池スタック１０内で水素との電気化学反応に供された後の廃空気は、上記の電気化学反応によって生成された水と一緒に燃料電池スタック１０から排出され、加湿器２０を介して希釈器２２へ送られる。加湿器２０では、内蔵する多孔質体によって廃空気中に含まれる生成水を回収して供給用空気の加湿に再利用される。希釈器２２では、廃水素ガスが廃空気によって十分に混合希釈され、その後システム外へ排気される。なお、廃水素ガスは、未使用の高濃度水素を含んでいるため、燃料電池スタック１０に循環供給されてもよい。
【００２３】
冷媒循環部２８は、電気化学反応によって昇温する燃料電池スタック１０を冷却するために、冷却媒体としての例えばＬＬＣ(Long Life Coolant)を燃料電池スタック１０内で循環させるものである。
【００２４】
図２は燃料電池スタック１０の斜視図、図３は燃料電池スタック１０の一方側端部の側面図である。図３（図４，５でも同様）において、紙面上方が鉛直方向上側であり、紙面下方が鉛直方向下側になる。燃料電池スタック１０は、図示しない板金製のスタックケース内に収容されて、自動車等に搭載または設置されることができる。
【００２５】
燃料電池スタック１０は、アノード側電極、電解質膜およびカソード側電極をセパレータによって狭持してなる燃料電池セル３０を複数積層して直列接続することによって構成されるセル積層体（燃料電池積層体）３８を含む。セル積層体３８は、矢印Ｂで示す積層方向の両端に設けられた、それぞれ一対の集電板３２ａ，３２ｂおよび絶縁板３４ａ，３４ｂおよびエンドプレート３６ａ，３６ｂで狭持されている。セル積層体３８を構成する複数の燃料電池セル３０で発電された電力は、上記一対の集電板３２ａ，３２ｂから出力される。
【００２６】
例えばステンレス板で形成される各エンドプレート３６ａ，３６ｂは、上部および下部において、それぞれ２本の帯状部材４０によって連結されており、これらの帯状部材４０によってエンドプレート３６ａ，３６ｂに対してセル積層体３８を挟持するための引っ張り力が付与されている。各帯状部材の端部は、エンドプレート３６ａ，３６ｂにねじ止め等の適当な固定手段によって固定される。
【００２７】
エンドプレート３６ａ，３６ｂのうち一方のエンドプレート３６ａは、集電板３２ａおよび絶縁板３４ａを介してセル積層体３８に対向する積層体対向面３７ａとその反対側のシステム部品取付面３７ｂとを有する。エンドプレート３６ａは、台形状側面を有しており、システム部品取付面３７ｂを鉛直方向に沿って配置されたときに積層体対向面３７ａが若干斜め上方に向くようにシステム部品取付面３７ｂに対する所定の傾斜角θ１を持って形成されている。
【００２８】
また、エンドプレート３６ａは、その厚み方向すなわち両端面３７ａ，３７ｂ間にそれぞれ貫通形成された穴からなる、燃料ガス供給通路４２ａ、酸化剤ガス供給通路４４ａ、冷却媒体供給通路４６ａ、燃料ガス排出通路４２ｂ、酸化剤ガス排出通路４４ｂおよび冷却媒体排出通路４６ｂを有する。各通路４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂ，４６ａ，４６ｂは、エンドプレート３６ａの横方向両側に、それぞれ３つずつ縦並びで形成されている。
【００２９】
セル積層体３８には、燃料ガスおよび酸化剤ガスを各燃料電池セル３０のアノード側電極およびカソード側電極に供給するために、セル積層体３８を積層方向に貫通して形成される燃料ガス供給マニホールド５２ａおよび酸化剤ガス供給マニホールド５４ａが設けられている。燃料ガス供給マニホールド５２ａおよび酸化剤ガス供給マニホールド５４ａは、集電板３２ａおよび絶縁板３４ａに形成された貫通穴を介して、エンドプレート３６ａの燃料ガス供給通路４２ａおよび酸化剤ガス供給通路４４ａにそれぞれ連通している。
【００３０】
また、セル積層体３８には、廃燃料ガスおよび廃酸化剤ガスを各燃料電池セル３０のアノード側電極およびカソード側電極から排出するために、セル積層方向に貫通して形成される燃料ガス排出マニホールド５２ｂおよび酸化剤ガス排出マニホールド５４ｂが設けられている。燃料ガス排出マニホールド５２ｂおよび酸化剤ガス排出マニホールド５４ｂは、集電板３２ａおよび絶縁板３４ａに形成された貫通穴を介して、エンドプレート３６ａの燃料ガス排出通路４２ｂおよび酸化剤ガス排出通路４４ｂにそれぞれ連通している。
【００３１】
さらに、セル積層体３８には、燃料電池セル３０の電気化学反応に伴う発熱による温度上昇を抑制するため、燃料電池スタック１０の外部から冷却媒体を各燃料電池セル３０内に流しているが、この冷却媒体の供給および排出を行うための冷却媒体供給マニホールド５６ａおよび冷却媒体排出マニホールド５６ｂも、セル積層体３８を積層方向に貫通して形成されている。冷却媒体供給マニホールド５６ａおよび冷却媒体排出マニホールド５６ｂは、集電板３２ａおよび絶縁板３４ａに形成された貫通穴を介して、エンドプレート３６ａの冷却媒体供給通路４６ａおよび冷却媒体排出通路４６ｂにそれぞれ連通している。なお、図２における黒い太矢印は燃料ガスの流れ方向、白い太矢印は酸化剤ガスの流れ方向、斜線の太矢印は冷却媒体の流れ方向をそれぞれ示している。
【００３２】
エンドプレート３６ａのシステム部品取付面３７ｂには、各通路４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂ，４６ａ，４６ｂにそれぞれ対応して６本の配管５８が取り付けられている。各配管５８は、樹脂製または金属製のものを用いることができ、端部に一体に設けられたフランジ部５９をねじ留め等されることでエンドプレート３６ａに固定される。また、エンドプレート３６ａのシステム部品取付面３７ｂの略中央部には、ポンプ４８がねじ留め等の方法で取り付けられる。これらの配管５８やポンプ４８等がシステム部品を構成する。
【００３３】
なお、図２に示すように、本実施形態では、エンドプレート３６ａの左右両側に各通路４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂ，４６ａ，４６ｂを３つずつ縦に並べて形成してあるが、各通路の配列はこれに限定されるものではなく、燃料電池スタック１０内部での燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体の各マニホールド５２ａ，５２ｂ，５４ａ，５４ｂ，５６ａ，５６ｂの設計に応じて適宜変更可能であり、例えば冷却媒体用のマニホールド５６ａ，５６ｂおよび通路４６ａ，４６ｂをセル積層体３８およびエンドプレート３６ａの上下に形成してもよい。また、各マニホールド５２ａ，５２ｂ，５４ａ，５４ｂ，５６ａ，５６ｂは、燃料電池セル３０の積層方向に関してセル積層体３８を貫通していればよく、必ずしも直線状に形成されていなくてもよいし、あるいは、積層方向（矢印Ｂ方向）に対して傾斜して設けられてもよい。
【００３４】
配管５８を介してエンドプレート３６ａの燃料ガス供給通路４２ａから燃料ガス供給マニホールド５２ａに供給された燃料ガスである水素は、積層された各燃料電池セル３０内で、アノード側電極の表面（発電面）に沿って側方（図２における右側から左側）へ流れる。アノード側電極は触媒を含んで構成され、アノード側電極の表面に沿って流れる間に、水素の一部は触媒により活性化されることで電子を放出して水素イオンとなり、電解質膜を透過してカソード側電極へ移動する。この水素のイオン化によって放出される電子が、燃料電池セル３０で発電される電力となる。燃料電池セル３０で発電に供されなかった（すなわちイオン化されなかった）水素は、燃料ガス排出マニホールド５２ｂを経由して、エンドプレート３６ａの燃料ガス排出通路４２ｂから配管５８を介して燃料電池スタック１０外に排出される。
【００３５】
また、配管５８を介してエンドプレート３６ａの酸化剤ガス供給通路４４ａから酸化剤ガス供給マニホールド５４ａに供給された酸化剤ガスである酸素を含む空気は、積層された各燃料電池セル３０内で、カソード側電極の表面に沿って側方（図２における左側から右側）へ流れる。カソード側電極は触媒を含んで構成され、カソード側電極の表面に沿って流れる間に、空気中の酸素の一部は触媒により活性化されて酸素イオンとなり、電解質膜を透過してカソード側電極から移動してきた水素イオンと化学反応して、水が生成される。燃料電池セル３０内のカソード側電極に沿って流れた空気は、反応生成水と共に、酸化剤ガス排出マニホールド５４ｂを経由して、エンドプレート３６ａの酸化剤ガス排出通路４４ｂから配管５８を介して燃料電池スタック１０外に排出される。
【００３６】
さらに、配管５８を介してエンドプレート３６ｂの冷却媒体供給通路４６ａから冷却媒体供給マニホールド５６ａに供給された冷却媒体は、積層された各燃料電池セル３０間に形成されている流路を側方（図２における左側から右側）へ流れ、内部の電気化学反応により生じる発熱で昇温する燃料電池セル３０を冷却する。その後、冷却水は、冷却媒体排出マニホールド５６ｂを経由してエンドプレート３６ａの冷却媒体排出通路４６ｂから配管５８を介して燃料電池スタック１０外へ排出される。
【００３７】
図４は、燃料電池スタック１０におけるセル積層体３８内のマニホールド、エンドプレート３６ａ内ガス通路、および配管５８の傾斜関係を酸化剤ガス排出用のものを代表例として示す部分断面図である。上述したように、エンドプレート３６ａは、積層体対向面３７ａがシステム部品取付面３７ｂに対して傾斜角θ１を有するように形成されている。したがって、エンドプレート３６ａのシステム部品取付面３７ｂが鉛直方向に沿うように燃料電池スタック１０が設置されたとき、積層体対向面３７ａ上に絶縁板３４ａおよび集電板３２ａを介して取り付けられるセル積層体３８内においてセル積層方向に沿って貫通形成されている酸化剤ガス排出マニホールド５４ｂの下面は、水平方向に対して傾斜角θ１をもってガス排出方向（矢印Ｃ方向）下流側に向かって下り勾配になっている。これにより、廃酸化ガス中に含まれる水が下り傾斜の排出マニホールド５４ｂの下面６０に沿って流れることで、セル積層体３８から排水され易くなる。
【００３８】
酸化剤ガス排出マニホールド５４ｂに接続されるエンドプレート３６ａの酸化剤ガス排出通路４４ｂの下面６２もまた、ガス排出方向下流側に向かって下り勾配となるよう水平方向に対する傾斜角θ２を有しているが、この傾斜角θ２は酸化剤ガス排出マニホールド５４ｂの傾斜角θ１よりも大きく設定されている。また、この構成では、酸化剤ガス排出マニホールド５４ｂからエンドプレート３６ａの酸化剤ガス排出通路４４ｂの出口（システム部品取付面３７ｂ上の開口部）に至るまでの流路下面が、総じてまたは全体を通して下り勾配をなすようにしてある。このようにすることで、例えば燃料電池スタック１０を搭載した車両が坂道で停車または駐車したときにセル積層体３８内の酸化剤ガス排出マニホールド５４ｂの下面６０が水平状態になったときでも、エンドプレート３６ａの酸化剤ガス排出通路４４ｂの下面６２を下り勾配状態に維持することができる。これにより、セル積層体３８の酸化剤ガス排出マニホールド５４ｂを排出されてきた水が、酸化剤ガス排出マニホールド５４ｂと酸化剤ガス排出通路４４ｂとの境界部または接続部６４またはその近傍に溜まることなく確実に酸化剤ガス排出通路４４ｂに流れて配管５８を介して排水されることができ、酸化剤ガス排出マニホールド５４ｂ内への逆流を簡易な構成で抑制することができる。
【００３９】
エンドプレート３６ａの酸化剤ガス排出通路４４ｂに接続される配管５８内の下面６８もまた、ガス排出方向下流側に向かって下り勾配となるよう水平方向に対する傾斜角θ３を有しているが、この傾斜角θ３は酸化剤ガス排出通路４４ｂの下面６２の傾斜角θ２よりもさらに大きく設定されている。このようにすることで、燃料電池スタック１０からの排水性をより良好で確実なものにできる。また、配管５８に水溜り部や電磁弁を設ける場合に比べて配管構成が簡易になり、コストも安くなる。
【００４０】
ここでは、酸化剤ガス排出用のマニホールド５４ｂ、排出通路４４ｂおよび配管５８を例にそれぞれの傾斜関係を説明したが、燃料ガス排出用のマニホールド５２ｂ、排出通路４２ｂおよび配管５８についても同様の傾斜関係をもたせてある。また、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給用のマニホールド５２ａ,５４ａ、供給通路４２ａ，４４ａおよび配管５８についても、加湿水分の凝縮水等が含まれる場合があるため、上述した傾斜関係をもつように構成されるのが望ましい。
【００４１】
なお、図３では、冷却媒体の供給および排出用のマニホールド５６ａ，５６ｂ、通路４６ａ，４６ｂ、および配管５８についても上述した傾斜関係にあるように示されているが、これはガス用マニホールド等との配置関係からこのように構成するのが好ましいというのが理由であって、必ずしも上述したような傾斜関係を満たさなくてもよい。
【００４２】
エンドプレート３６ａの各ガス排出通路４２ｂ,４４ｂ等を構成する貫通穴は、切削、打ち抜き、成型等の加工方法によって形成されるが、通路内の下面はエンドプレート３６ａの両端面３７ａ，３７ｂ間で直線状に形成されるのが好ましい。これは、切削等の加工が容易であるとともに、水が配管５８に向けて流れ落ちるのを円滑にするためである。
【００４３】
また、ガス排出通路４２ｂ,４４ｂの少なくとも下面を含む内面は、親水性材料で形成されているのが好ましい。これは、排出マニホールド５２ｂ,５４ｂから通路４２ｂ,４４ｂ内に流入した水に上記親水性によって推進力を付与することができ、その結果、例えば配管５８が撥水性を有する材料からなる場合にも配管５８に水が導入され易くなる利点がある。この場合、通路４２ｂ,４４ｂの内面に、親水性材料（例えば、金）でコーティングを施してもよいし、あるいは、エンドプレート３６ａ自体を親水性材料（例えばシリカ、酸化チタン等の金属酸化物）で形成してもよい。
【００４４】
ところで、上記実施形態では、ガス排出マニホールド５２ｂ,５４ｂ、ガス排出通路４２ｂ,４４ｂ、および配管５８内の流路をそれぞれ段差なく接続しているが、図５に示すように、上述した各傾斜角θ１，θ２，θ３間の大小関係を満たしながら、各接続部６４，６５において下流側の流路下面が下方に位置するように段差ｄをそれぞれ設けてもよい。このようにすることで、製造公差や組み付け時ばらつき等によって各接続部６４，６５において逆段差が形成されて排水抵抗部となってしまうのを防止できる。
【００４５】
なお、上記実施形態の燃料電池スタック１０では、一方のエンドプレート３６ａが台形状側面を有する板状部材で構成されているが、これに限定されるものではなく、本発明におけるエンドプレートは一定厚みの板状部材で構成されてもよい。
【００４６】
また、上述した燃料電池スタック１０では、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体の出入りを同一エンドプレートから行うようにしているが、本発明は、一方（または上方側）のエンドプレートから燃料ガス等を供給して他方（または下方側）のエンドプレートから排出するタイプの燃料電池スタックにも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の一実施形態の燃料電池スタックを含む燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】燃料電池スタックの斜視図である。
【図３】燃料電池スタックの一方側端部の側面図である。
【図４】燃料電池スタックにおける酸化剤ガス排出用のマニホールド、エンドプレート内ガス通路および配管の傾斜関係を示す部分断面図である。
【図５】図４の変形例を示す図である。
【図６】従来の燃料電池スタックの一例を示す図である。
【符号の説明】
【００４８】
１ 燃料電池システム、１０ 燃料電池スタック、１２ 電圧変換器、１４ インバータ、１６ モータ、１８ 平滑コンデンサ、２０ 加湿器、２２ 希釈器、２４ 燃料ガス供給部、２６ 酸化剤ガス供給部、２８ 冷媒循環部、３０ 燃料電池セル、３２ａ，３２ｂ 集電板、３４ａ，３４ｂ 絶縁板、３６ａ，３６ｂ エンドプレート、３７ａ 積層体対向面、３７ｂ システム部品取付面、３８ セル積層体、４０ 帯状部材、４２ａ 燃料ガス供給通路、４２ｂ 燃料ガス排出通路、４４ａ 酸化剤ガス供給通路、４４ｂ 酸化剤ガス排出通路、４６ａ 冷却媒体供給通路、４６ｂ 冷却媒体排出通路、４８ ポンプ、５８ 配管、５９ フランジ部、６０ 下面、６２ 下面、６２ 境界部または接続部、６５ 接続部、６８ 下面、ｄ 段差、θ１，θ２，θ３ 傾斜角。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料電池セルを積層した燃料電池積層体と、前記燃料電池積層体の積層方向両端に設けられるエンドプレートと、前記燃料電池積層体の積層方向に貫通形成されたガス供給マニホールドと、前記燃料電池積層体の積層方向に貫通形成されたガス排出マニホールドと、前記エンドプレートに貫通形成されて前記ガス排出マニホールドに連通するガス排出通路と、を備え、
前記ガス排出マニホールドはガス排出方向下流側に向かって下り勾配となる第１の傾斜角を有し、前記ガス排出通路はガス排出方向下流側に向かって下り勾配となる第２の傾斜角を有し、前記第２の傾斜角は前記第１の傾斜角よりも大きく設定されていることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記ガス排出通路の下面は、エンドプレートの厚み方向両端面間で直線状に形成されてい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または２に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記エンドプレートに接続され前記ガス排出通路に連通するガス排出配管がガス排出方向下流側に向かって下り勾配となる第３の傾斜角を有し、前記第３の傾斜角は前記第２の傾斜角よりも大きく設定されていることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記ガス排出通路の内面が親水性材料により形成またはコーティングされていることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記燃料電池積層体のガス排出マニホールドと前記エンドプレートのガス排出通路との接続部で、ガス排出マニホールドの下面より下方にガス排出通路の下面が位置するように段差を設けたことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項１】
複数の燃料電池セルを積層した燃料電池積層体と、前記燃料電池積層体の積層方向両端に設けられるエンドプレートと、前記燃料電池積層体の積層方向に貫通形成されたガス供給マニホールドと、前記燃料電池積層体の積層方向に貫通形成されたガス排出マニホールドと、前記エンドプレートに貫通形成されて前記ガス排出マニホールドに連通するガス排出通路と、を備え、
前記ガス排出マニホールドはガス排出方向下流側に向かって下り勾配となる第１の傾斜角を有し、前記ガス排出通路はガス排出方向下流側に向かって下り勾配となる第２の傾斜角を有し、前記第２の傾斜角は前記第１の傾斜角よりも大きく設定されていることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記ガス排出通路の下面は、エンドプレートの厚み方向両端面間で直線状に形成されてい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または２に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記エンドプレートに接続され前記ガス排出通路に連通するガス排出配管がガス排出方向下流側に向かって下り勾配となる第３の傾斜角を有し、前記第３の傾斜角は前記第２の傾斜角よりも大きく設定されていることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記ガス排出通路の内面が親水性材料により形成またはコーティングされていることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記燃料電池積層体のガス排出マニホールドと前記エンドプレートのガス排出通路との接続部で、ガス排出マニホールドの下面より下方にガス排出通路の下面が位置するように段差を設けたことを特徴とする燃料電池スタック。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００９−１５８３３８（Ｐ２００９−１５８３３８Ａ）
【公開日】平成２１年７月１６日（２００９．７．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３３６１７５（Ｐ２００７−３３６１７５）
【出願日】平成１９年１２月２７日（２００７．１２．２７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月１６日（２００９．７．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月２７日（２００７．１２．２７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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