図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池 システムの構成の一例を示す模式側面図であ る。図2は、本発明の実施形態に係る燃料電� �システムの一部模式斜視図である。図1,2に� �すように、燃料電池システム1は、燃料電池� ��ル10が複数積層された燃料電池積層体12と、 燃料電池積層体12の積層方向両端に設けられ� ��エンドプレートとしての金属板14及び絶縁� �16と、カソードガス導入管18と、カソードガ� ��排出管20と、アノードガス導入管22と、アノ ードガス排出管24と、加湿器(A)26と、加湿器B( 不図示)と、締め付け具28とを有する。燃料電 池積層体12は、燃料電池セル10を20個積層した ものであるが、燃料電池セル10の積層数は、� ��なくとも1個以上であればよい。

 エンドプレートは、必ずしも金属板14及� �絶縁板16である必要はなく、絶縁コートされ た金属板であってもよい。金属板14は、プレ� ��シャープレートであれば特に制限されるも� ��ではなく、例えば、アルミ板、ステンレス� ��等が用いられ、絶縁板16は、例えば、フェ� �ール樹脂、ポリフェニレンサルファイド等� �樹脂板等が用いられるが、上記これらに限� �されるものではない。

 締め付け具28は、締め付けボルト30、固定 台32を備える。固定台32に燃料電池積層体12を 設置し、締め付けボルト30の締め付けにより� ��燃料電池積層体12に所定の締め付け圧が掛� �り、各燃料電池セル10が固定される。

 加湿器(A)26は、カソードガス導入管18及び カソードガス排出管20に接続され、不図示の� ��湿器Bは、アノードガス導入管22及びアノー� ��ガス排出管24に接続されている。

 本実施形態に用いられる加湿器は、燃料� ��池積層体12に供給されるアノードガス、カ� �ードガスの加湿を行うものであれば、加熱� �式、超音波方式、気化方式、バブラ方式、� �蒸気交換方式等種々の方式を採用すること� �できる。本実施形態では、湿潤ガス(燃料電� ��積層体12から排出される反応ガス)に含有し� ��いる水分を水蒸気交換膜により吸水し乾燥� ��ス(燃料電池積層体12へ供給される反応ガス) に水分を供給する水蒸気交換方式加湿器を例 として説明する。水蒸気交換膜は、湿潤ガス から水分を吸水し、乾燥ガスに水分を供給さ せるものである。

 図3(A),(B)は、本発明の実施形態に係る燃� �電池システムの一部模式断面図である。図3( A),(B)に示すように、燃料電池積層体12は、積� ��方向に貫通形成されたカソードガス供給マ� ��ホールド34、カソードガス排出マニホール� �36、アノードガス供給マニホールド38、アノ� ��ドガス排出マニホールド40を有する。

 図3(A),(B)に示すように、カソードガス導� �管18、カソードガス排出管20、アノードガス� ��入管22及びアノードガス排出管24は、エンド プレート(金属板14及び絶縁板16)を貫通して、 燃料電池積層体12に接続されている。

 カソードガス導入管18内部のカソードガ� �導入部18aは、燃料電池積層体12のカソードガ ス供給マニホールド34と連通し、カソードガ� ��排出管20内部のカソードガス排出部20aは、� �ソードガス排出マニホールド36と連通してい る。アノードガス導入管22内部のアノードガ� ��導入部22aは、アノードガス供給マニホール� ��38と連通し、アノードガス排出管24内部のア ノードガス排出部24aは、アノードガス排出マ ニホールド40と連通している。

 各導入管及び排出管の構成等は必ずしも� ��記に限定されるものではない。図4(A),(B)は� �本発明の他の実施形態に係る燃料電池シス� �ムの一部模式断面図である。図4(A),(B)に示す ように、カソードガス導入管18、カソードガ� ��排出管20、アノードガス導入管22及びアノー ドガス排出管24はエンドプレート(金属板14及� ��絶縁板16)に接続されている。このような場� ��、カソードガス供給マニホールド34と連通� �るカソードガス導入部18a、カソードガス排� �マニホールド36と連通するカソードガス排出 部20a、アノードガス供給マニホールド38と連� ��するアノードガス導入部22a、アノードガス� ��出マニホールド40と連通するアノードガス� �出部24aが、エンドプレートに直接形成され� �。

 また、エンドプレートに形成されたカソ� ��ドガス導入部18aはカソードガス導入管18の� �ソードガス導入部18aと、エンドプレートに� �成されたカソードガス排出部20aはカソード� �ス排出管20のカソードガス排出部20aと連通し 、エンドプレートに形成されたアノードガス 導入部22aはアノードガス導入管22のアノード� ��ス導入部22aと、エンドプレートに形成され� ��アノードガス排出部24aはアノードガス排出� ��24のアノードガス排出部24aと連通する。

 図5は、図3(A)の点線枠Rにおける燃料電池� ��ステムの一部模式断面図である。図5に示す ように、エンドプレート(金属板14及び絶縁板 16)内のカソードガス導入部18aは、カソードガ ス供給マニホールド34に面する側(図5に示す� �線A)からカソードガス導入部18aを通るカソー ドガスの上流側に向かって(図5に示す矢印B)� �るように傾斜している。エンドプレート内� �カソードガス導入部18aの傾斜とは、カソー� �ガス導入部18aの上面及び下面(側面も)がカソ ードガス供給マニホールド34に面する側から� ��ソードガスの上流側に向かって下るように� ��斜していることを意味する。エンドプレー� ��内のアノードガス導入部22aも同様である。

 本実施形態では、エンドプレート内のカ� ��ードガス導入部18a又はアノードガス導入部2 2aのうち少なくともいずれか一方が、ガス供� ��マニホールドに面する側からガス導入部を� ��る反応ガスの上流側に向かって下るように� ��斜していればよい。しかし、カソードガス� ��して空気が使用される場合、反応効率の点� ��、空気は、アノードガス(例えば、水素等)� �り多く燃料電池積層体12に供給される。その ため、カソードガス導入部18aに流れるカソー ドガスの流速は、アノードガス導入部22aに流 れるアノードガスの流速より早い。したがっ て、カソードガス導入部18aに凝縮水が発生す ると、流速の早いカソードガスに流され、燃 料電池積層体12内に流入し易い。したがって� ��エンドプレート内のカソードガス導入部18a� ��、ガス供給マニホールドに面する側からガ� ��導入部を通る反応ガスの上流側に向かって� ��るように傾斜していることが好ましい。

 図6は、図3(A)の点線枠Rにおける燃料電池� ��ステムの他の一例を示す一部模式断面図で� ��る。エンドプレート内のカソードガス導入� ��18aは、カソードガス供給マニホールド34に� �する側からカソードガス導入部18aを通るカ� �ードガスの上流側に向かって下るように傾� �していれば、図6に示すように、例えば、エ� ��ドプレート内のカソードガス導入部18aの一� ��に平坦部を有していてもよい。エンドプレ� ��ト内のアノードガス導入部22aも同様である� ��

 上記これらの構成によって、反応ガスが� ��エンドプレート内のガス導入部を通る際に� ��放熱等の影響を受けることによって、エン� ��プレート内のガス導入部に凝縮水が発生し� ��も、燃料電池積層体12内に流入することを� �制することができる。

 また、カソードガス導入部18aの傾斜は、� ��削、金型等により形成することができる。� ��た、図5,6に示すように、エンドプレート内� ��カソードガス導入管18(エンドプレート内の� ��ソードガス排出管20、アノードガス導入管22 、アノードガス排出管24も同様)の外部形状は 、燃料電池積層体12に接続する際の位置決め� ��容易にすることができる点で、エンドプレ� ��トの端部から燃料電池積層体12に向かって� �が細くなるような段差が形成されているこ� �が好ましい。アノードガス導入管22、カソー ドガス排出管20、アノードガス排出管24も同� �である。このような段差は、研削、金型等� �より形成される。ガス導入管、ガス排出管� �嵌挿されるエンドプレートも同様に、研削� �金型等により段差が形成される。

 本実施形態では、エンドプレート内のガ� ��導入部が、上記のように傾斜していれば、� ��ンドプレート以外のガス導入部は、必ずし� ��傾斜等する必要はないが、凝縮した水滴が� ��下するように垂直方向下方に形成されるこ� ��が好ましい。

 図7は、図3(A)の点線枠Rにおける燃料電池� ��ステムの他の一例を示す一部模式断面図で� ��る。図7に示すように、エンドプレート内の カソードガス導入部底面18bとカソードガス供 給マニホールド底面34aとの境界部に、カソー ドガス供給マニホールド底面34aがエンドプレ ート内のカソードガス導入部底面18bより垂直 方向上方となる段差42aが形成されていること が好ましい。また、図7に示すように、エン� �プレート内のカソードガス導入部上面18cと� �ソードガス供給マニホールド上面34bとの境� �部に、カソードガス供給マニホールド上面34 bがエンドプレート内のカソードガス導入部� �面18cより垂直方向下方となる段差42bが形成� �れていることが好ましい。図7に示すように� ��段差42a,42bが両方形成されていることが好ま しいが、少なくともいずれか一方であっても よい。上記段差は、エンドプレート内のガス 導入部に発生した凝縮水がガス供給マニホー ルド内へ流入することを抑制する防壁となる 。

 本実施形態では、エンドプレート内のカ� ��ードガス導入部18aについて説明したが、図3 (B)に示すエンドプレート内のアノードガス導 入部22aも図5,6において説明した傾斜及び図7� �おいて説明した段差を有することが好まし� �。また、本実施形態におけるエンドプレー� �内のガス導入部の傾斜角度、段差幅は、特� �制限されるものではない。

 図8は、本実施形態で用いられる燃料電池 セルの構成の一例を示す模式断面図である。 図8に示すように、本実施形態で用いられる� �料電池セル10は、膜-電極アッセンブリ44と、 膜-電極アッセンブリ44を介して配置される一 対の燃料電池用セパレータとしてのアノード 極セパレータ46、カソード極セパレータ48と� �備える。膜-電極アッセンブリ44は、電解質� �50と、電解質膜50を挟持するアノード極52及� �カソード極54とを備えている。また、アノー ド極セパレータ46とカソード極セパレータ48� �の間には、燃料電池セパレータ同士を接着� �る接着剤56が設けられている。

 図9(A)は、本実施形態に用いられるアノー ド極セパレータの構成の一例を示す模式平面 図であり、図9(B)は、本実施形態に用いられ� �カソード極セパレータの構成の一例を示す� �式平面図である。

 図9(A),(B)に示すように、アノード極セパ� �ータ46及びカソード極セパレータ48はそれぞ� ��、反応ガス流路としてのアノードガス流路5 8又はカソードガス流路60、カソードガス供給 マニホールド孔62、カソードガス排出マニホ� ��ルド孔64、アノードガス供給マニホールド� �66、アノードガス排出マニホールド孔68を備� ��る。

 燃料電池セル10を積層する際に、隣接す� �アノード極セパレータ46及びカソード極セパ レータ48のカソードガス供給マニホールド孔6 2を重ね合わせ、また、カソードガス排出マ� �ホールド孔64を重ね合わせることにより、図 3(A)に示すような、積層方向に連通したカソ� �ドガス供給マニホールド34、カソードガス排 出マニホールド36がそれぞれ形成される。同� ��に、アノードガス供給マニホールド孔66を� �ね合わせ、また、アノードガス排出マニホ� �ルド孔68を重ね合わせることにより、図3(B)� �示すような、積層方向に連通したアノード� �ス供給マニホールド38、アノードガス排出マ ニホールド40がそれぞれ形成される。

 次に、燃料電池システムの反応ガスの流� ��について説明する。不図示の加湿器Bにより 加湿されたアノードガスは、図3(B)に示すア� �ードガス導入部22aを通り、エンドプレート(� ��属板14、絶縁板16)を介して燃料電池積層体12 のアノードガス供給マニホールド38に導入さ� ��、各燃料電池セル10に供給される。燃料電� �セル10に供給されたアノードガスは、図9(A)� �示すアノードガス供給マニホールド孔66を介 してアノードガス流路58を通り、燃料電池セ� ��10の発電に利用される。発電に利用されな� �ったアノードガスは、アノードガス流路58か ら、アノードガス排出マニホールド孔68を介� ��て、図3(B)に示すアノードガス排出マニホー ルド40、アノードガス排出部24aを通り、不図� ��の加湿器Bに導入される。

 カソードガスも同様に、図1に示す加湿器 (A)26により加湿されたカソードガスが、図3(A) に示すカソードガス導入部18aを通り、エンド プレートを介して燃料電池積層体12のカソー� ��ガス供給マニホールド34に導入され、各燃� �電池セル10に供給される。燃料電池セル10に� ��給されたカソードガスは、図9(B)に示すカソ ードガス供給マニホールド孔62を介してカソ� ��ドガス流路60を通り、燃料電池セル10の発電 に利用される。発電に利用されなかったカソ ードガスは、カソードガス流路60から、カソ� ��ドガス排出マニホールド孔64を介して、図3( A)に示すカソードガス排出マニホールド36、� �ソードガス排出部20aを通り、加湿器(A)26に導 入される。

 加湿器(A)26,加湿器Bによるアノードガス、 カソードガスの加湿方法の一例を説明する。 燃料電池積層体から排出された水分を含んだ カソードガス(湿潤ガス)が加湿器(A)26に導入� �れる。加湿器(A)26に導入された湿潤ガスは、 加湿器A(26)内の水蒸気交換膜の一方の面に接� ��し、湿潤ガス中の水分が水蒸気交換膜内に� ��水され、蓄えられる。一方で、燃料電池積� ��体に供給されるカソードガス(乾燥ガス)が� �湿器(A)26に導入される。加湿器(A)26に導入さ� ��た乾燥ガスが、水蒸気交換膜のもう一方の� ��に接触することによって、水蒸気交換膜内� ��蓄えられている水分が乾燥ガスに供給され� ��加湿される。アノードガスの加湿も、加湿� ��Bにより、上記と同様に行われる。

 図10(A),(B)は、本発明の他の実施形態に係� ��燃料電池システムの一部模式断面図である� ��凝縮水が燃料電池積層体12内に流入するこ� �を効果的に抑制することができる点で、図10 (A),(B)に示すように、エンドプレート内のカ� �ードガス排出部20a及びアノードガス排出部24 aのうち少なくともいずれか一方は、ガス排� �マニホールドに面する側からガス排出部を� �る反応ガスの下流側に向かって下るように� �斜していることが好ましい。

 図11は、図10(A)の点線枠Rにおける燃料電� �システムの他の一例を示す一部模式断面図� �ある。図11に示すようにカソードガス排出部 20a(アノードガス排出部24aも同様)も、エンド� ��レート内のカソードガス排出部底面20bとカ� ��ードガス排出マニホールド底面36aとの境界� ��に、カソードガス排出マニホールド底面36a� ��エンドプレート内のカソードガス排出部底� ��20bより垂直方向上方となる段差42aが形成さ� ��ていることが好ましい。また、図11に示す� �うに、エンドプレート内のカソードガス排� �部上面20cとカソードガス排出マニホールド� �面36bとの境界部に、カソードガス排出マニ� �ールド上面36bがエンドプレート内のカソー� �ガス排出部上面20cより垂直方向下方となる� �差42bが形成されていることが好ましい。図11 に示すように、段差42a,42bが両方形成されて� �ることが好ましいが、少なくともいずれか� �方であってもよい。

 燃料電池システムのその他の構成につい� ��説明する。本実施形態に用いられる燃料電� ��用セパレータ(アノード極セパレータ46、カ� ��ード極セパレータ48)は、金属系セパレータ� ��カーボン系セパレータ等特に制限されるも� ��ではない。

 本実施形態に用いられる膜-電極アッセン ブリ44を構成する電解質膜50は、電子伝達性� �有さずプロトン伝導性を有するものであれ� �特に制限されるものではない。例えば、パ� �フルオロスルホン酸系の樹脂膜、トリフル� �ロスチレン誘導体の共重合膜、リン酸を含� �させたポリベンズイミダゾール膜、芳香族� �リエーテルケトンスルホン酸膜等が挙げら� �る。

 また、膜-電極アッセンブリ44を構成する� ��ノード極52及びカソード極54はそれぞれ、触 媒層と拡散層とを備える。

 拡散層は反応ガスの拡散性が高い材料で� ��れば特に制限されるものではない。例えば� ��カーボンクロス、カーボンペーパ等の多孔� ��カーボン材料等が挙げられる。

 触媒層は、例えば、白金、ルテニウム等� ��金属触媒を担持したカーボンとパーフルオ� ��スルホン酸系の電解質等とを混合して拡散� ��、又は電解質膜上に成膜したものである。� ��記カーボンとしては、例えば、アセチレン� ��ラック、ファーネスブラック、チャンネル� ��ラック、サーマルブラック等のカーボンブ� ��ック等が用いられる。

 このように、本実施形態に係る燃料電池� ��ステムは、エンドプレート内のガス導入部� ��、ガス供給マニホールドに面する側からガ� ��導入部を通る反応ガスの上流側に向かって� ��るように傾斜していることにより、少なく� ��もガス導入部で発生した凝縮水が燃料電池� ��に流入することを簡易な構成で抑制するこ� ��ができる。