CN102396094A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

在燃料电池系统(1000)中，具有：气体排出流路(M2、252)，在层叠体(10)的层叠方向上延伸，一端位于燃料电池组(100)内，另一端位于燃料电池组外；水排出流路(M3、254)，在比气体排出流路(M2、252)低的位置贯通层叠体(10)的至少一部分；气体排出流路(M2、252)和水排出流路(M3、254)在燃料电池组(100)内至少经由一个连通部(Mco)连通，气体排出流路(M2、254)在连通部(Mco)的下游侧具有截面积比周围的流路的截面积小的狭小流路(251)，水排出流路(M3、254)的下游侧端部(R1)与狭小流路(251)连接。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及燃料电池系统。
背景技术
以往，为了从连通孔(也称为“歧管”)内除去通过燃料电池的电极反应生成的反应生成水或因结露等生成的水(下面，将这些水单称为“水”)，已知在连通孔内配置用于排出水的多孔质吸水管体的技术(例如，专利文献1)。
但是，有时因水的产生量而难以从多孔质吸水管体充分地除去水。结果，有时容易因水使连通孔缩小或堵塞，妨碍反应气体的流动而降低发电性能。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开2001-118596号公报；
专利文献2：JP特开2005-116499号公报；
专利文献3：JP特开2005-259422号公报；
专利文献4：JP特开2006-147503号公报；
专利文献5：JP特开平11-111316号公报。
发明内容
发明要解决的问题
因而，本发明的目的在于提供减少因水使连通孔缩小或堵塞的情况的技术。
用于解决问题的手段
本发明是为了解决上述的问题的至少一部分而提出的，能够作为以下的方式或适用例实现。
[适用例1]一种燃料电池系统，包括燃料电池组，该燃料电池组具有夹介隔板层叠多个膜电极接合体而成的层叠体、及从两侧夹着所述层叠多个膜电极接合体而成的层叠体的1对端板，所述燃料电池系统包括：气体排出流路，用于排出反应气体，并且沿着所述层叠体的层叠方向延伸，一端位于所述燃料电池组内，另一端位于所述燃料电池组外；和水排出流路，在所述燃料电池组的设置状态下设置于比所述气体排出流路低的位置，并贯通所述层叠体的至少一部分，所述气体排出流路和所述水排出流路在所述燃料电池组内经由至少一个连通部连通，所述气体排出流路在所述连通部的下游侧具有截面积比周围的流路小的狭小流路，所述水排出流路的下游侧端部与所述狭小流路相连接。
根据适用例1记载的燃料电池系统，反应气体通过狭小流路时，在狭小流路中流动的反应气体的压力比在狭小流路以外的气体排出流路中流动的反应气体的压力低。结果，水排出流路内的水被吸引至狭小流路，能够高效地将该水导向下游侧引导。另外，与气体排出流路连通的水排出流路配置在低于气体排出流路的位置，因而气体排出流路内的水的一部分通过连通部流入水排出流路。由此，能够减少因水使位于燃料电池组内的气体排出流路缩小或堵塞的情况。
[适用例2]在适用例1所述的燃料电池系统中，所述狭小流路形成于位于所述燃料电池组外的所述气体排出流路。
适用例2记载的燃料电池系统，在位于燃料电池组外的气体排出流路上形成狭小流路，该狭小流路连接有水排出流路的下游侧端部。由此，经由连通部流入水排出流路的水被高效地对向燃料电池组外引导，从而能够进一步减少因水使位于燃料电池组内的气体排出流路缩小或堵塞的情况。
[适用例3]在适用例2所述的燃料电池系统中，位于所述燃料电池组外的所述气体排出流路具有能够使流路截面积变化的流路截面可变机构，所述狭小流路由所述流路截面可变机构形成。
根据适用例3记载的燃料电池系统，能够通过流路截面可变机构容易地形成狭小流路。
[适用例4]在适用例1所述的燃料电池系统中，所述狭小流路形成于位于所述燃料电池组内的所述气体排出流路。
根据适用例4记载的燃料电池系统，因为不需要将水排出流路延伸到燃料电池组外，所以能够进一步降低成本。
[适用例5]在适用例4所述的燃料电池系统中，所述燃料电池组在所述层叠体的层叠方向上具有：1对端子板，分别配置于所述层叠多个膜电极接合体而成的层叠体与所述1对端板之间；和1对绝缘体，分别配置于所述1对端子板和位于所述1对端子板的外侧的所述1对端板之间，在位于所述层叠多个膜电极接合体而成的层叠体的两侧的所述1对端板、所述1对端子板以及所述1对绝缘体中的、在所述水排出流路中流动的所述反应气体的流动方向上位于下游侧的下游侧端板、下游侧端子板以及下游侧绝缘体中的至少任一个中形成有所述狭小流路。
根据适用例5记载的燃料电池系统，在燃料电池组中的、在水排出流路中流动的所述反应气体的流动方向上位于层叠多个膜电极接合体而成的层叠体的下游侧的部分形成狭小流路，由此能够将水排出流路中的水顺畅地引导到燃料电池组外。
[适用例6]在适用例5所述的燃料电池系统中，所述下游侧绝缘体由树脂成形，所述狭小流路形成于所述下游侧绝缘体。
根据适用例6记载的燃料电池系统，能够容易地形成狭小流路。例如，通过使用能够形成狭小流路那样的模具对树脂进行注塑成形，能够容易地成形具有狭小流路的下游侧绝缘体。
[适用例7]在适用例1～适用例6中任一项所述的燃料电池系统中，在所述燃料电池组内，所述水排出流路的流路截面积比所述气体排出流路的流路截面积小。
根据适用例7记载的燃料电池系统，因为所述水排出流路的流路截面积比所述气体排出流路的流路截面积小，所以易于通过水切断水排出流路内的反应气体的气流。当反应气体的气流被切断时，在水排出流路内，与水的上游侧的狭小流路连接的下游侧的反应气体的压力低，因而能够借助差压使水更顺畅地向下游侧移动。
[适用例8]在适用例1～适用例7中任一项所述的燃料电池系统中，所述连通部形成为至少使所述气体排出流路和所述水排出流路的上游侧端部连通。
根据适用例8记载的燃料电池系统，即使在气体排出流路和水排出流路的上游侧端部存在水的情况下，也能够经由连通部使水顺畅地流入水排出流路。另外，即使在燃料电池组倾斜而燃料电池组内的气体排出流路的一端侧(气体上游侧)比另一端侧(气体下游侧)低的情况下，水也经由连通部向水排出流路流入。由此，能够减少因水使位于燃料电池组内的气体排出流路缩小或堵塞的情况。
[适用例9]在适用例1～适用例7中任一项所述的燃料电池系统中，所述连通部为1个，所述连通部形成为使所述排出气体流路和所述水排出流路的上游侧端部连通。
根据适用例9记载的燃料电池系统，水排出流路在从上游侧端部到与狭小流路连接的下游侧端部之间不与排出气体流路连通。由此，能够降低因在排出气体流路流动的气体阻碍在水排出流路中从上游侧向下游侧流动的水的行进的可能性。由此，与连通部在从水排出流路的上游侧端部到下游侧端部之间形成多个的情况相比，能够使水排出流路中的水更顺畅地向下游侧移动。
此外，本发明能够以各种方式实现，例如能够以燃料电池系统、搭载有燃料电池系统的车辆(移动体)等方式实现。
附图说明
图1是表示作为本发明的第1实施例的燃料电池系统1000的概略结构的说明图。
图2是表示层叠体10的概略结构的说明图。
图3是用于说明密封一体型膜电极接合体60的结构的图。
图4是用于说明阳极板42的结构的图。
图5是用于说明阴极板46的结构的图。
图6是用于说明中间板44的结构的图。
图7是用于说明形成连通部Mco的阳极板42e的结构的图。
图8是用于说明形成连通部Mco的阴极板46e的结构的图。
图9是用于说明形成连通部Mco的中间板44e的结构的图。
图10是燃料电池组100的局部剖视图。
图11是表示作为本发明的第2实施例的燃料电池系统1000a的概略结构的说明图。
图12是表示狭小流路251a附近的局部剖视图。
图13是用于说明阳极板42f的结构的图。
图14是用于说明阴极板46f的结构的图。
图15是用于说明中间板44f的结构的图。
图16是表示作为本发明的第3实施例的燃料电池系统1000b的概略结构的说明图。
图17是用于说明阀256附近的图。
图18是表示作为本发明的第4实施例的燃料电池系统1000c的概略结构的说明图。
图19是表示图18的燃料电池组100c倾斜了的状态的图。
图20是用于说明第2变形例和第3变形例的图。
具体实施方式
下面，按照以下顺序说明本发明的实施方式。
A.第1实施例：
B.第2实施例：
C.第3实施例：
D.第4实施例：
E.变形例：
A.第1实施例：
图1是表示作为本发明的第1实施例的燃料电池系统1000的概略结构的说明图。该燃料电池系统1000例如能够搭载于车辆，作为车辆的动力源使用。燃料电池系统1000主要具有燃料电池组100、作为燃料气体供给部的氢罐210、作为氧化气体供给部的气泵234、以及作为冷却介质供给部的热交换器550和泵540。燃料电池系统1000还具有用于将反应气体(燃料气体和氧化气体)、冷却介质向燃料电池组100供给的配管204、236、570、和用于从燃料电池组100排出反应气体、水和冷却介质的配管242、252、254、571。
本实施例的燃料电池组100采用比较小型且发电效率优异的固体高分子型燃料电池。燃料电池组100具有多个层叠体10、端板EP、张紧板TS、绝缘体IS、端子板TM。多个层叠体10由一体具有膜电极接合体及密封垫圈的单元和隔板构成。该层叠体10的详细结构后面说明。多个层叠体10隔着绝缘体IS及端子板TM被2张端板EP夹持。即，在多个层叠体的两侧，在层叠体10的层叠方向上从内侧朝向外侧依次配置有1对端子板TM、1对绝缘体IS、1对端板EP。另外，张紧板TS通过螺栓BT与各端板EP相结合。
端子板TM是从未图示的输出端子取出通过后述的层叠体10的发电部产生的电的集电板。端子板TM能够使用各种导电构件形成。在本实施例中，端子板TM使用板状的铜制构件。绝缘体IS是用于使端子板TM和端板EP绝缘的构件。绝缘体IS能够使用各种绝缘构件形成。在本实施例中，使用注塑成形为板状的玻璃环氧树脂。端板EP是用于从层叠方向的两端对多个层叠体10进行加压的构件。端板EP能够由具有耐腐蚀性、刚性的各种金属构件形成。在本实施例中，端板EP使用板状的不锈钢。
另外，在燃料电池组100的内部具有沿着层叠体10的层叠方向形成的多个歧管M1～M7(用点状阴影线表示)。歧管M1是用于供给作为燃料气体的氢气的燃料气体供给歧管，歧管M2是用于排出氢气的燃料气体排出歧管。歧管M3是用于排出反应生成水和因结露等产生的水的水排出歧管。水排出歧管M3在燃料电池组100设置于车辆等的状态下在比燃料气体排出歧管M2低的位置形成。歧管M4是用于供给作为氧化气体的空气的氧化气体供给歧管，歧管M5是用于排出空气的氧化气体排出歧管。歧管M6是用于供给冷却介质的冷却介质供给歧管，歧管M7是用于排出冷却介质的冷却介质排出歧管。
从贮存有高压氢的氢罐210经由燃料气体供给配管204向燃料气体供给歧管M1供给氢气。在燃料气体供给配管204上配置有用于调整氢气的供给的阀220。供给至燃料电池组100的内部的氢气，被供给至后述的燃料电池组100的膜电极接合体的阳极，供利用电化学反应进行的发电。此外，可以取代氢罐210，通过以乙醇、烃等为原料的改性反应生成氢气。
在燃料气体排出歧管M2上连接有燃料气体排出配管252，从阳极排出的氢气经由燃料气体排出歧管M2及燃料气体排出配管252向大气中排放。另外，在燃料气体排出配管252上设置有流路截面积比周围的流路的截面积小的狭小流路251。本实施例的狭小流路251具有文丘里(Venturi)形状。此外，为了顺畅地排出氢气，优选燃料气体排出歧管M2及燃料气体排出配管252的流路截面积除了狭小流路251之外大致恒定。
在水排出歧管M3上连接有水排出配管254，水排出配管254的一端侧R1(也称为“下游侧端部R1”)连接于狭小流路251。另外，连通部Mco使燃料气体排出歧管M2与水排出歧管M3的上游侧端部连通。此外，燃料气体排出歧管M2和燃料气体排出配管252相当于权利要求中记载的气体排出流路，水排出歧管M3和水排出配管2542相当于权利要求中记载的水排出流路。上游侧及下游侧以在作为对象的流路中流动的流体(燃料气体、空气、水)的流动方向为基准。
从气泵234经由氧化气体供给配管236向氧化气体供给歧管M4供给空气。经由氧化气体供给歧管M4供给至燃料电池组100的内部的空气供给至后述的燃料电池组100的膜电极接合体的阴极，供利用电化学反应进行的发电。
在氧化气体排出歧管M5上连接有氧化气体排出配管242，从阴极排出的空气经由氧化气体排出歧管M5及氧化气体排出配管242向大气中排放。此外，为了顺畅地排出空气，优选氧化气体排出歧管M5及氧化气体排出配管242的流路截面积大致恒定。
在冷却介质供给歧管M6中，从热交换器550经由冷却介质供给配管570向燃料电池组100供给作为冷却介质的冷却水。此外，作为冷却介质不仅能够使用水，还能够使用乙二醇等不冻液和空气等。
在冷却介质排出歧管M7上连接有冷却介质排出配管571，通过燃料电池组100的内部的冷却水经由冷却介质排出歧管M7及冷却介质排出配管571被运送至热交换器550，再向燃料电池组100供给。在冷却介质排出配管571上设置有用于循环的循环泵540。
这样，因为水排出歧管M3经由连通部Mco与燃料气体排出歧管M2连通，所以燃料气体排出歧管M2内的水的一部分经由连通部Mco流入水排出歧管M3。因而，能够减少燃料气体排出歧管M2因水而缩小或堵塞的情况。另外，在狭小流路251内，压力比周围的燃料气体排出配管252内的压力低。即，狭小流路251内的压力比位于燃料电池组100的上游侧的连通部Mco附近的压力低。因而，水排出歧管M3内及水排出配管254内的水经由狭小流路251被引导至狭小流路251，而被高效地向燃料电池组100外排出。此外，连通部Mco不一定需要形成为使燃料气体排出歧管M2与水排出歧管M3的上游侧端部连通，而能够形成于燃料电池组100内的任意位置，以使燃料气体排出歧管M2与水排出歧管M3的任意位置连通。另外，连通部Mco也可以形成多个。通过形成多个连通部Mco，燃料气体排出歧管M2内的水更多地流入水排出歧管M3，能够进一步减少因水使燃料气体排出歧管M2缩小或堵塞的情况。
图2是表示层叠体10的概略结构的说明图。层叠体10由密封一体型膜电极接合体60和配置于其两侧的隔板40构成。密封一体型膜电极接合体60具有膜电极接合体50、形成于膜电极接合体50的两面的气体流路体56、58和密封垫圈62，其中，密封垫圈62包围膜电极接合体50及气体流路体56、58的外周而形成。在此，将由膜电极接合体50及气体流路体56、58形成的构件称为MEGA59(MembraneElectrode Gas Diffusion Layer Assembly：膜电极气体扩散层组)。
膜电极接合体50具有电解质膜51、形成于电解质膜51的两面的阳极电极层52和阴极电极层54。电解质膜51由具有质子传导性的固体高分子电解质形成。作为这样的电解质例如能够使用纳纷(nafion)(杜邦公司的注册商标)。2个电极层52、54由具有透气性且导电性良好的材料(例如，碳纸)形成，起到用于将供给来的反应气体(氢气或空气)遍及电解质膜51的整个面的气体扩散层的作用。另外，在2个电极层52、54与电解质膜51之间形成有催化剂层(未图示)，该催化剂层担持有用于促进电极反应的催化剂。作为催化剂例如能够采用白金(Pt)。阴极气体流路体56及阳极气体流路体58具有用于使反应气体遍及2个电极层52、54整体的气体流路的功能。气体流路体56、58由碳和烧结金属等具有导电性的材料形成。
密封垫圈62由硅橡胶、丁基橡胶、氟橡胶等具有弹性的绝缘性树脂材料形成，通过注塑成形形成于MEGA59的外周。另外，在密封垫圈62的厚度方向上形成有突起部，该突起部通过与隔着密封垫圈62的隔板40接触，而受到层叠方向上的规定的紧固力而变形。结果，突起部形成抑制在歧管M1～M7中流动的流体(反应气体、冷却水、水)的泄漏的密封带SL。在图2中，示出了通过密封带SL密封在歧管M1、M2、M3中流动的氢气、水的图。
隔板40通过层叠3个金属制的薄板而形成。作为金属制的薄板，能够使用例如钛、钛合金、不锈钢等金属材料。隔板40具体地说，具有与阳极气体流路体58接触的阳极板42、与阴极气体流路体56接触的阴极板46、和被夹于两板的中间而主要成为冷却水的流路的中间板44。此外，各板42、44、46的详细结构如后所述。
图3是用于说明密封一体型膜电极接合体60的结构的图。图3是从层叠体10的层叠方向观察密封一体型膜电极接合体60所看到的图，示出了阳极侧的面。在燃料电池组100设置于车辆等移动体的设置状态下，图3中的上下方向作为铅垂方向，下方成为铅垂下方。此外，密封一体型膜电极接合体60的阴极侧的面与阳极侧的面具有同样的构成，因而省略图示。
密封一体型膜电极接合体60是外形呈大致长方形的构件，在中央设有发电部21。在发电部21的外周所设的密封垫圈62具有多个贯通孔H1a～H7a。这些贯通孔H1a～H7a在层叠形成层叠体10时，构成歧管M1～M7(图1)的一部分。在贯通孔H1a中通过经由燃料气体供给配管204供给来的氢气，在贯通孔H2a中通过从阳极排出的氢气。在贯通孔H3a中通过向水排出歧管M3内流入的水GW。在贯通孔H4a中通过从气泵234经由氧化气体供给配管236供给来的空气，在贯通孔H5a中通过从阴极排出的空气。在贯通孔H6a中通过从热交换器550经由冷却介质供给配管570供给的冷却水，在贯通孔H7a中通过供冷却的冷却水。
针对密封垫圈62来说，贯通孔H1a形成于左上，贯通孔H2a形成于右下。另外，贯通孔H3a形成在贯通孔H2a下方的位置。换言之，在密封一体型膜电极接合体60作为燃料电池组100搭载于车辆等的情况下，贯通孔H3a配置在低于贯通孔H2a的位置。而且，贯通孔H3a的开口面积小于贯通孔H2a的开口面积。贯通孔H4a沿着密封垫圈62的上边形成，贯通孔H5a沿着密封垫圈62的下边形成。贯通孔H6a沿着密封垫圈62的左边形成，贯通孔H7a沿着密封垫圈62的右边形成。此外，贯通孔H1a～H7a的形状及配置不限于此，也可以是其他的形状、配置。但是，优选贯通孔H3a形成于贯通孔H2a的下方。
图4是用于说明阳极板42的结构的图。在图4中，构成燃料电池组100时，与密封一体型膜电极接合体60的发电部21重叠的发电区域21a和与密封垫圈62的密封带SL接触的接触部位Sa用虚线表示。阳极板42的外形是与密封一体型膜电极接合体60大致相同形状的长方形。阳极板42具有贯通孔H1b～H7b。贯通孔H1b～H7b具有与密封一体型膜电极接合体60上形成的贯通孔H1a～H7a大致相同的形状及开口面积，另外，构成了燃料电池组100时，贯通孔H1b～H7b配置成形成歧管M1～M7。阳极板42还具有氢气流入孔P1和氢气流出孔P2。氢气流入孔P1位于贯通孔H1b的附近，在发电区域21a内形成有多个。氢气流出孔P2位于贯通孔H2b的附近，在发电区域21a内形成有多个。经由氢气流入孔P1及氢气流出孔P2向密封一体型膜电极接合体60的阳极供给氢气及排出通过了阳极的氢气。
图5是用于说明阴极板46的结构的图。在图5中，与图4同样，用虚线表示发电区域21a和接触部位Sa。阴极板46的外形是与密封一体型膜电极接合体60大致相同形状的长方形。阴极板46具有贯通孔H1c～H7c。贯通孔H1c～H7c具有与形成于密封一体型膜电极接合体60的贯通孔H1a～H7a大致相同的形状及开口面积，另外，构成了燃料电池组100时，贯通孔H1c～H7c配置成形成歧管M1～M7。阴极板46还具有空气流入孔P3和空气流出孔P4。空气流入孔P3位于贯通孔H4c的附近，形成于发电区域21a内。空气流出孔P4位于贯通孔H5c的附近，形成于发电区域21a内。经由空气流入孔P3及空气流出孔P4向密封一体型膜电极接合体60的阴极供给空气及排出通过了阴极的空气。
图6是用于说明中间板44的结构的图。在图6中，与图4及图5同样，用虚线表示发电区域21a。中间板的外形是与密封一体型膜电极接合体60大致相同形状的长方形。另外，中间板44具有贯通孔H1d～H5d。贯通孔H1d～H5d具有与形成于密封一体型膜电极接合体60的贯通孔H1a～H5a大致相同的形状及开口面积，另外，构成了燃料电池组100时，贯通孔H1d～H5d配置成形成歧管M1～M5。另外，中间板44具有连通孔Q1～Q4。连通孔Q1～Q4的一端分别与贯通孔H1d～H5d连通，另一端在构成了隔板40时与氢气流入孔P1、氢气流出孔P2、空气流入孔P3、空气流出孔P4连通。而且，中间板44具有向左右延伸的多个贯通孔WP。贯通孔WP形成为，在被其他的板42、46夹持时，与2个板42、46所具有的贯通孔H6b、H7b、H6c、H7c连通。因而，从燃料电池组100的外部供给至冷却介质供给歧管M6的冷却水在层叠体10的层叠方向上通过贯通孔H6d时，一部分分支，如图6的箭头所示，通过中间板44随着因发电产生的热到达冷却介质排出歧管M7。
图7～图9是用于说明形成连通部Mco的各板42e、44e、46e的结构的图。与上述的各板42、44、46的不同点在于设置有连通孔Ib、Ic、Id，其他的结构与各板42、44、46的结构相同，因而标注同一符号且省略说明。连通孔Ib(图7)的一端与贯通孔H2b连接，另一端与贯通孔H3b连接。连通孔Ic(图8)的一端与贯通孔H2c连接，另一端与贯通孔H3c连接。连通孔Id(图9)的一端与贯通孔H2d连接，另一端与贯通孔H3d连接。通过层叠各板42e、44e、46e，连通孔Ib、Ic、Id形成连通部Mco，使燃料气体排出歧管M2与水排出歧管M3连通。将设置有该连通部Mco的隔板称为连通部形成用隔板40e。
图10是燃料电池组100的局部剖视图。图10示出了在将密封一体型膜电极接合体60及隔板40、40e层叠而制作了燃料电池组100时相当于图3的A-A截面的截面。另外，在此为了易于说明而将一部分省略。
供给至燃料气体供给歧管M1的氢气的一部分通过连通孔Q1和氢气流入孔P1，到达阳极气体流路体58。另一方面，从阳极排出的氢气通过氢气流出孔P2和连通孔Q2，到达燃料气体排出歧管M2，经由燃料气体排出配管252(图1)向大气中排放。另外，从阳极排出的氢气的一部分经由连通部Mco流入水排出歧管M3。而且，燃料气体排出歧管M2内的水GW的一部分经由连通部Mco流入水排出歧管M3。
这样，因为水排出歧管M3经由连通部Mco与燃料气体排出歧管M2连通，所以燃料气体排出歧管M2内的水GW的一部分经由连通部Mco流入水排出歧管M3。由此，能够减少因水GW缩小或堵塞燃料气体排出歧管M2的情况。另外，水排出歧管M3的下游侧端部R1与狭小流路251连接(图1)，因而能够使流入水排出歧管M3的水GW高效地向燃料电池组100外排出。尤其是，在本实施例中，连通部Mco仅为1个，连通部Mco使燃料气体排出歧管M2的上游侧端部与水排出歧管M3的上游侧端部连通。即，由水排出歧管M3和水排出配管254构成的水排出流路在除了上游侧端部和狭小流路251以外的部分不与由燃料气体排出歧管M2和燃料气体排出配管252构成的气体排出流路连通。由此，能够降低由从阳极排出的氢气(也称为“氢废气”)阻碍从水排出歧管M3的上游侧向下游侧流动的水的行进的可能性。由此，能够将水排出歧管M3内的水顺畅地引导到狭小流路251。
而且，贯通孔H3a、H3b、H3c、H3d(图3～图6)的开口面积比贯通孔H2a、H2b、H2c、H2d的开口面积小，因而层叠各构件40、40e、60而形成时的在层叠体10的层叠方向上延伸的水排出歧管M3的流路截面积比燃料气体排出歧管M2的流路截面积小。由此，容易由流入水排出歧管M3的水GW而切断水排出歧管M3的流路。即，水排出歧管M3内的水GW易于形成水柱状。水排出歧管M3的流路被切断了时，能够借助隔着水GW的上游侧流路和下游侧流路的压力差，更顺畅地将水GW向燃料电池组100外排出。尤其是，在本实施例中，因为使水排出歧管M3与燃料气体排出歧管M2连通的连通部Mco只有1个，所以能够将隔着水GW的上游侧流路和下游侧流路的压力的大小关系维持恒定。即，在水GW在水排出歧管M3中从上游侧向下游侧行进时，来自燃料气体排出歧管M2的氢废气不会流入位于水GW的下游侧的水排出歧管M3的流路内。因此，能够维持隔着水GW的下游侧流路的压力低于上游侧流路的压力的状态，从而借助压力差将水GW顺畅地引导到狭小流路251。此外，为了将水GW顺畅地向燃料电池组100外排出，优选对水排出歧管M3及水排出配管254的流路面实施防水处理。此外，关于存在于燃料气体排出歧管M2的水GW，通过燃料气体排出歧管M2被朝向狭小流路251吸引，向燃料电池组100的外部排出。
B.第2实施例：
图11是表示作为本发明的第2实施例的燃料电池系统1000a的概略结构的说明图。与第1实施例的不同点在于，狭小流路251a形成在燃料电池组100a内所设的燃料气体排出歧管M2a的中途。另外，由于水排出歧管M3a的下游侧端部R1与狭小流路251a相连接的关系，而没有设置水排出配管254(图1)。其他结构与第1实施例同样，因而对于同样的结构用同一符号表示，并省略说明。另外，在图1中，为了易于说明，省略了表示层叠体10a的纵线。水排出歧管M3a的下游侧端部R1由设于后述的隔板的连接路形成。由此，经由连通部Mco流入水排出歧管M3a的水被高效地引导到连通部Mco的下游侧。另外，不需要设置水排出配管254，能够降低成本。此外，狭小流路251a的形成位置只要位于连通部Mco的下游侧即可，没有特别限定，但若设层叠体10a的层叠方向上的长度为L，则优选位于从燃料气体排出歧管M2a的下游侧端部开始的L/3的范围内。而且，更优选狭小流路251a在燃料气体排出歧管M2a内形成在连接有燃料气体排出配管252的一侧(即，下游侧)的端子板TM、绝缘体IS、端板EP中的任一个的范围内。这是因为，由此能够将流入水排出歧管M3a的水顺畅地向燃料电池组100a外引导。
图12是表示狭小流路251a附近的局部剖视图。此外，图12示出了相当于第1实施例的图3的A-A截面的截面。狭小流路用隔板40f通过将厚度大于构成其他隔板40的板的3个金属制的板42f、44f、46f层叠而形成。狭小流路用隔板40f具有狭小流路251a和连接路R1。构成狭小流路用隔板40f的阳极板42f不具有构成水排出歧管M3a的贯通孔，以使水排出歧管M3a形成一端。在狭小流路251a内，氢气的压力比周围的燃料气体排出歧管M2a的压力低。由此，在水排出歧管M3a内，向与狭小流路251a连接一侧流动的氢气的流速增大，能够通过氢气的流动向下游侧引导水排出歧管M3a中的水GW。此外，狭小流路用隔板40f使用厚度比形成其他隔板40的板42、44、46大的板形成，但不特别限定于此，可以使用具有与其他隔板40相同的厚度的板，任一个板42f、44f、46f也可以具有大于形成其他隔板40的板42、44、46的厚度的厚度。
图13是用于说明阳极板42f的结构的图。图13示出了2个面中的与中间板44f接触的面。为了在将3个板42f、44f、46f层叠了时形成狭小流路251a，贯通孔H2bs的开口面积(详细地为，与中间板44f接触一侧的贯通孔H2bs的开口面积)小于其他阳极板42(图4)的贯通孔H2b的开口面积。另外，如图12所示，贯通孔H2bs在厚度方向具有锥形。而且，阳极板42f因为形成水排出歧管M3a的一端，而没有设置水通过的贯通孔H3b(图4)。关于其他的结构，因为是与其他的阳极板42同样的结构，所以标注同一符号并省略说明。
图14是用于说明阴极板46f的结构的图。图14示出了2个面中的与中间板44f接触的面。贯通孔H2cs的开口面积(详细地为，与中间板44f接触一侧的贯通孔H2cs的开口面积)比其他阴极板46(图5)的贯通孔H2c的开口面积小。另外，如图12所示贯通孔H2cs在厚度方向具有锥形。关于其他的结构，因为是与其他阴极板46同样的结构，所以标注同一符号并省略说明。
图15是用于说明中间板44f的结构的图。贯通孔H2ds的开口面积比其他中间板44(图6)的贯通孔H2d的开口面积小。另外，中间板44f具有将构成水排出歧管M3a的贯通孔H3d和构成燃料气体排出歧管M2a的贯通孔H2d连接的连接路R1(即，水排出歧管M3a的下游侧端部R1)。关于其他结构，因为是与其他中间板44同样的结构，所以标注同一符号并省略说明。
在将各板42f、44f、46f层叠了时，为了形成狭小流路251a，形成于各板42f、44f、46f的贯通孔H2bs、H2cs、H2ds配置在大致同一位置。这样，通过层叠各板42f、44f、46f，能够容易地形成狭小流路251a和作为水排出歧管M3a的下游侧端部的连接路R1。另外，第2实施例与第1实施例同样，燃料气体排出歧管M2中的水GW的一部分流入水排出歧管M3a，因而能够减少因水GW缩小或堵塞燃料气体排出歧管M2的情况。另外，与第1实施例同样，能够使水排出歧管M3a中的水GW向狭小流路251a移动，并且将到达狭小流路251a的水GW向燃料电池组100a外排出。
C.第3实施例：
图16是表示作为本发明的第3实施例的燃料电池系统1000b的概略结构的说明图。与上述第1实施例的不同点在于，狭小流路由能够使流路截面积可变的阀256形成。关于其他的结构，因为是与第1实施例同样的结构，所以关于同样的结构，标注同一符号且省略说明。在此，水排出配管254b的下游侧端部R1连接于阀256。
图17是用于说明阀256附近的图。阀256是闸阀，具有阀芯280、阀杆282、和用于使阀芯280、阀杆282移动的驱动机构284。阀芯280经由阀杆282相对于氢气流路垂直(上下)地移动，由此能够使流路截面积可变。水排出配管254b的下游侧端部R1连接于阀芯280的开关部。由此，通过阀芯280的开关，能够使阀芯280所在位置的流路截面积比周围的流路截面积小，因而能够容易地形成狭小流路251b。由此，流入水排出歧管M3的水GW被顺畅地向氢气的下游侧引导，从而能够向燃料电池组100b外排出。另外，与第1实施例同样，能够减少因水GW缩小或堵塞燃料气体排出歧管M2的情况。
D.第4实施例：
图18是表示作为本发明的第4实施例的燃料电池系统1000c的概略结构的说明图。与第1实施例的不同点在于形成狭小流路251c的位置和形成连通部Mco的位置。另外，与上述第2实施例同样，没有设置第1实施例的燃料电池系统1000所具有的水排出配管254(图1)。其他结构是与第1实施例同样的结构，关于同样的结构，用同一符号表示且省略说明。此外，图18为了易于理解，省略在说明中不需要的结构(例如，图1所示的氢罐210和氧化气体供给歧管M4等)的图示，主要图示说明所需要的结构(燃料气体排出歧管M2和水排出歧管M3等)。
如图18所示，在1对端子板TM和1对绝缘体IS中的、在水排出歧管M3流动的流体(水及氢气)的流动方向上，经过位于下游侧的端子板TM(下面，也称为“下游侧端子板TM”)和位于下游侧的绝缘体IS(下面，也称为“下游侧绝缘体IS”)形成有狭小流路251c。另外，水排出歧管M3的下游侧端部R1与狭小流路251c的部分中的形成于下游侧绝缘体IS的部分相连接(连通)。更具体地说，在板状的下游侧绝缘体IS的板面(表面)上，通过从狭小流路251c贯通形成的部分向铅垂下方形成槽，而形成水排出流路M3的下游侧端部R1。
连通部Mco形成于1对端子板TM中的、位于上游侧的端子板TM(下面也称为“上游侧端子板TM”)。更具体地说，为了使在层叠体10中形成的燃料气体排出歧管M2的上游侧端部和水排出歧管M3的上游侧端部连通，通过在板状的上游侧端子板TM的板面(表面)形成槽，而形成连通部Mco。在此，优选连通部Mco设定为不通过毛细管现象使燃料气体排出歧管M2和水排出歧管M3中的水GW吸入连通部Mco而滞留于连通部Mco中那样的大小。例如，优选在将水排出歧管M3形成为直径3mm左右的圆柱状、将连通部Mco形成为四棱柱状的情况下，将连通部Mco的底面的一边的长度设置为3mm左右。
这样在第4实施例的燃料电系统1000c中，通过在位于燃料电池组100c的层叠体10的下游侧的部分形成狭小流路251c，能够将水排出流路M3及燃料气体排出歧管M2中的水更顺畅地引导到燃料电池组100c外。另外，不需要设置水排出配管254(图1)，能够与第2实施例同样地降低成本。另外，因为在由玻璃环氧树脂成形的下游侧绝缘体IS上设置有狭小流路251c的一部分和水排出歧管M3的下游侧端部R1，所以能够容易地形成狭小流路251c的一部分和下游侧端部R1。例如，通过注塑成形，能够容易地制作具有狭小流路251c的一部分和下游侧端部R1的下游侧绝缘体IS。
图19是表示图18的燃料电池组100c倾斜了的状态的图。具体地说，是表示因车辆倾斜而所搭载的燃料电池组100c倾斜成燃料气体排出歧管M2和水排出歧管M3的下游侧比上游侧低的状态的图。此外，水GW的量为了便于说明而比图18所示的量多。
在图19所示的倾斜状态下，如本实施例那样，为了将燃料气体排出歧管M2的上游侧端部和水排出歧管M3的上游侧端部连通而形成有连通部Mco后，水GW能够经由连通部Mco流入水排出歧管M3。由此，能够减少燃料气体排出歧管M2内滞留的水GW的量，从而减少燃料气体排出歧管M2缩小或堵塞的情况。另外，因为狭小流路251c中的流速比其他部分的流速大，所以根据伯努利(Bernoulli)定律，狭小流路251c的压力低于狭小流路251c的上游侧部分的压力。由此，在燃料气体排出歧管M2的狭小流路251c的下游侧部分、及水排出歧管M3的狭小流路251c的下游侧部分滞留的水GW被向狭小流路251c吸引。由此，能够使燃料气体排出歧管M2及水排出歧管M3中的水GW向燃料电池组100c外部顺畅地排出。
E.变形例：
此外，上述实施例的结构要素中的除了独立权利要求中记载的要素以外的要素是附加要素，可适当省略。另外，不限于本发明的上述实施例和实施方式，能够在不脱离其宗旨的范围内在各种方式中实施，例如也能够进行如下的变形。
E-1.第1变形例：
在上述实施例中，作为氢废气用的水排出流路的水排出歧管M3、M3a经由连通部Mco与燃料气体排出歧管M2、M2a连通，但同样地，可以在低于氧化气体排出歧管M5的位置设置氧化废气用的水排出歧管，使该水排出歧管经由连通部与氧化气体排出歧管M5连通。这种情况下，在构成燃料电池组100、100a、100b的各构件(密封一体型膜电极接合体60、隔板40等)中，在比构成氧化气体排出歧管M5的贯通孔H5a等低的位置设置用于形成水排出歧管的贯通孔即可。另外，也可以设置2个水排出流路(水排出歧管)，使燃料气体排出歧管M2、M2a和氧化气体排出歧管M5分别连通。如果这样，则能够减少因水缩小或堵塞氧化气体排出歧管M5的情况。
E-2.第2变形例及第3变形例：
图20是用于说明第2变形例及第3变形例的图。图20(A)是表示第2变形例的图，示出了作为第2变形例的密封一体型膜电极接合体60a的贯通孔H2a附近。图20(B)是表示第3变形例的图，示出了作为第3变形例的燃料电池组100d的连通部Mco附近。在上述第1～第3实施例中，连通部Mco由连通部形成用隔板40e的连通孔Ib、Ic、Id(图7～图9)形成，但是也可以取代该结构，如图20(A)所示，由使设置于密封一体型膜电极接合体60a的贯通孔H2a、H3a连通的连通孔Ia形成。另外，如图20(B)所示，与第4实施例同样，也可以在上游侧的端子板TM形成孔(槽)，将该孔作为连通部Mco。而且，构成该连通部Mco的孔也可以到达绝缘体IS和端板EP。
E-3.第4变形例：
在上述第2实施例中，由狭小流路用隔板40f形成狭小流路251a(图11)。另外，在上述第4实施例中，经过下游侧的端子板TM和下游侧的绝缘体IS形成狭小流路251c(图18)。也可以取代该结构，在2张端子板TM、绝缘体IS、端板EP中的、燃料气体排出配管252(图11)一侧(下游侧)的端子板TM、绝缘体IS、端板EP的至少任一个上设置狭小流路。由此，因为流入水排出歧管M3a的水GW被引导到设置于更下游侧的狭小流路，而能够将水GW向燃料电池组100a外顺畅地排出。此外，尤其优选狭小流路设置于下游侧的绝缘体IS。由此，下游侧的绝缘体IS由树脂成形，所以能够容易地形成狭小流路。另外，通常，树脂具有对水的耐腐食性，所以通过在下游侧的绝缘体IS等具有对水的耐腐食性的部分设置狭小流路，能够长期稳定地维持狭小流路的形状(流路截面积)，而能够使燃料气体排出歧管M2和水排出歧管M3中所存在的水向燃料电池组外顺畅地移动。
E-4.第5变形例：
在上述第3实施例中，作为能够使流路截面积可变的机构使用闸阀，但也可以使用其他的机构。例如，能够使用球阀、球形阀、可变阻尼孔等。
E-5.第6变形例：
在上述实施例中，氢气经由燃料气体排出歧管M2及燃料气体排出配管252向大气中排放，但也可以将水分离之后再次将氢气供给至燃料气体供给歧管M1。
E-6.第7变形例：
在上述实施例中，以对用于使反应气体遍及发电体21的气体流路体56、58从气体供给歧管M1、M4经由隔板40内部供给反应气体的结构的燃料电池组为例进行了说明，但是隔板40的结构不是特别限于这样的结构。例如，也可以在隔板的表面设置凹部(槽部)，从气体供给歧管M1、M4经由凹部将反应气体供给至气体流路体56、58。另外，也可以不设置气体流路体56、68，而经由设置于隔板的表面的凹部将反应气体供给至发电体21(详细的为电极层52、54)。
E-7.第8变形例：
在上述第1、第2、第4实施例中，狭小流路251、251a、251c(图1、图11、图18)的流路截面积采用了从位于狭小流路251、251a、251c的周围的流路的流路截面积开始逐渐减小的形状(所谓的文丘里形状)，但是狭小流路251、251a、251c的形状不是特别限定于这样的形状。即，狭小流路251、251a、251c只要具有比周围的流路的流路截面积小的流路截面积即可。例如，对于周围的流路和狭小流路251、251a、251c来说，流路截面积也可以阶梯状地变化。这样，通过在狭小流路251、251a、251c中流速增大而使压力比其他部分的压力低。由此，位于狭小流路251、251a、251c的上游侧的水GW被吸引，而能够使燃料电池组内的水GW向燃料电池组外排出。
E-8.第9变形例：
在上述实施例中，燃料电池系统1000～1000c搭载于车辆，但不特别限定于此。也可以将本发明的燃料电池系统1000～1000c搭载于车辆、船舶等各种移动体，作为各种移动体的动力源使用。另外，也可以将燃料电池系统1000～1000c作为固定型电源使用。
标号说明
10、10a...层叠体
21...发电部
21a...发电区域
40...隔板
40e...连通部形成用隔板
40f...狭小流路用隔板
42、42e、42f...阳极板
44、44e、44f...中间板
46、46e、46f...阴极板
50...膜电极接合体
51...电解质膜
52...阳极电极层
54...阴极电极层
56...阴极气体流路体
58...阳极气体流路体
60、60a...密封一体型膜电极接合体
62...密封垫圈
100、100a、100b、100c、100d...燃料电池组
204...燃料气体供给配管
210...氢罐
220...阀
234...气泵
236...氧化气体供给配管
242...氧化气体排出配管
251、251a、251b...狭小流路
252...燃料气体排出配管
254、254b...水排出配管
256...阀
280...阀芯
282...阀杆
284...驱动机构
540...循环泵
550...热交换器
570...冷却介质供给配管
571...冷却介质排出配管
1000、1000a、1000b、1000c...燃料电池系统
H1a、H1b、H1c、H1d...贯通孔
H2a、H2b、H2c、H2d...贯通孔
H3a、H3b、H3c、H3d...贯通孔
H4a、H4b、H4c、H4d...贯通孔
H5a、H5b、H5c、H5d...贯通孔
H6a、H6b、H6c...贯通孔
H7a、H7b、H7c...贯通孔
H2bs、H2cs、H2ds...贯通孔
Ia、Ib、Ic、Id...连通孔
Mco...连通部
M1...燃料气体供给歧管
M2、M2a...燃料气体排出歧管
M3、M3a...水排出歧管
M4...氧化气体供给歧管
M5...氧化气体排出歧管
M6...冷却介质供给歧管
M7...冷却介质排出歧管
P1...氢气流入孔
P2...氢气流出孔
P3...空气流入孔
P4...空气流出孔
Q1、Q2、Q3、Q4...连通孔
R1...连接路(下游侧端部)
SL...密封带
Sa...接触部位
TM...端子板
EP...端板
WP...贯通孔
IS...绝缘体
TS...张紧板
BT...螺栓
GW...水

Claims (9)

1.一种燃料电池系统，包括燃料电池组，该燃料电池组具有夹介隔板层叠多个膜电极接合体而成的层叠体、及从两侧夹着所述层叠多个膜电极接合体而成的层叠体的1对端板，
所述燃料电池系统包括：
气体排出流路，用于排出反应气体，并且沿着所述层叠体的层叠方向延伸，一端位于所述燃料电池组内，另一端位于所述燃料电池组外；和
水排出流路，在所述燃料电池组的设置状态下设置于比所述气体排出流路低的位置，并贯通所述层叠体的至少一部分，
所述气体排出流路和所述水排出流路在所述燃料电池组内经由至少一个连通部连通，
所述气体排出流路在所述连通部的下游侧具有截面积比周围的流路小的狭小流路，
所述水排出流路的下游侧端部与所述狭小流路相连接。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
所述狭小流路形成于位于所述燃料电池组外的所述气体排出流路。
3.如权利要求2所述的燃料电池系统，其中，
位于所述燃料电池组外的所述气体排出流路具有能够使流路截面积变化的流路截面可变机构，
所述狭小流路由所述流路截面可变机构形成。
4.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
所述狭小流路形成于位于所述燃料电池组内的所述气体排出流路。
5.如权利要求4所述的燃料电池系统，其中，
所述燃料电池组在所述层叠体的层叠方向上具有：
1对端子板，分别配置于所述层叠多个膜电极接合体而成的层叠体与所述1对端板之间；和
1对绝缘体，分别配置于所述1对端子板和位于所述1对端子板的外侧的所述1对端板之间，
在位于所述层叠多个膜电极接合体而成的层叠体的两侧的所述1对端板、所述1对端子板以及所述1对绝缘体中的、在所述水排出流路中流动的所述反应气体的流动方向上位于下游侧的下游侧端板、下游侧端子板以及下游侧绝缘体中的至少任一个中形成有所述狭小流路。
6.如权利要求5所述的燃料电池系统，其中，
所述下游侧绝缘体由树脂成形，
所述狭小流路形成于所述下游侧绝缘体。
7.如权利要求1～6中任一项所述的燃料电池系统，其中，
在所述燃料电池组内，所述水排出流路的流路截面积比所述气体排出流路的流路截面积小。
8.如权利要求1～7中任一项所述的燃料电池系统，其中，
所述连通部形成为至少使所述气体排出流路和所述水排出流路的上游侧端部连通。
9.如权利要求1～7中任一项所述的燃料电池系统，其中，
所述连通部为1个，所述连通部形成为使所述气体排出流路和所述水排出流路的上游侧端部连通。
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