JP2009129545A - 燃料電池システムの短絡防止構造 - Google Patents

Abstract

【課題】大型化や、反応ガス及び排出ガスの流量を制限することなく、短絡による電力の損失を抑制できる、燃料電池システムの短絡防止構造を提供することを課題とする。
【解決手段】金属材料からなるガス配管のカソードガス供給管４ｂの屈曲部４ｂ１に、樹脂などの電気的絶縁材料からなる管状の遮断管２６を内接し、屈曲したカソードガス供給管４ｂに遮断管２６の端部を突出させる。そして、突出した遮断管２６の端部が、カソードガスとともに通流する水を堰き止めるように堰止め部２６ａを形成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、車両等に使用される燃料電池システムの短絡防止構造に関する。

車両等に使用される燃料電池システムのスタックは、固体高分子電解質膜からなる電解質の両側にアノード極とカソード極が設けられ、各電極にアノードガスやカソードガスなどの反応ガスを供給するガス流路、及び反応ガスの電気化学反応による発電過程で発生する、アノードオフガスやカソードオフガスなどの排出ガスを排出するためのガス流路が設けられるセルを多数積層して構成される。

スタックのアノード極には、水素供給源から、ガス配管を経由して反応ガスであるアノードガス（水素）が供給され、カソード極には、酸素供給源から、ガス配管を経由してカソード極に反応ガスであるカソードガス（酸素）が供給される。そして、スタックに供給されたアノードガス及びカソードガスは、それぞれアノードガスの供給口及びカソードガスの供給口からスタックに取り込まれ、スタックのアノード極及びカソード極にそれぞれ形成されるガス流路を通流し電気化学反応によって発電する。すなわち、アノード極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜からなる電解質を通過してカソード極まで移動して、カソード極で、カソードガスに含まれる酸素と電気化学反応を起こして発電する。

そして、カソード極には排出ガスであるカソードオフガス（電気化学反応により生成される生成水を含む）が発生し、アノード極には排出ガスであるアノードオフガスが発生する。発生した排出ガスは、スタックのアノード極に形成されるアノードオフガスの排出口、及びカソード極に形成されるカソードガスの排出口からガス配管を介して、スタックの外部に排出される。

このように構成されるスタックを含む燃料電池システムに形成されるガス配管は、金属材料で形成されて電気的に接地され、ガス配管への帯電を防止している。そして、ガス配管とスタックは、例えば樹脂など電気的絶縁材料からなるジョイント（樹脂ジョイント）等で接続され、スタックとガス配管の間が電気的に絶縁されている。
しかしながら、例えば水素供給源及び酸素供給源がスタックに供給する反応ガスや、アノード極及びカソード極で発生する排出ガスに含まれる水蒸気が凝結して液化すると、液化した水及び前記生成水が反応ガス及び排出ガスとともに通流して、スタックの内部に備わるセルなどの高電圧部とガス配管が水によって短絡することがある。
スタックとガス配管が短絡すると、スタックで発電される電力の一部がガス配管を介して放電され、電力の損失となる。

このような短絡による電力の損失を抑制するため、例えば水がつながる液絡部分の断面積を小さくして液絡部分の抵抗を大きくすることが考えられる。
液絡部分の断面積を小さくする技術として、スタックと燃料電池の間の管路を長くする構造（例えば、特許文献１参照）や、管路にオリフィスを設けて流路面積を小さくする構造（例えば、特許文献２参照）などが公知の技術である。
特開２００２−１１７８８４号公報（段落０００５参照） 特開２００５−３３７５３９号公報（段落００３１、図３参照）

しかしながら、管路を長くすると、燃料電池システムが大型化してしまうという問題がある。また、オリフィスによって供給管の流路面積を小さくすると、スタックに供給する反応ガスやスタックから排出される排出ガスの流量が制限されるという問題がある。

そこで、本発明は、大型化や、反応ガス及び排出ガスの流量を制限することなく、短絡による電力の損失を抑制できる、燃料電池システムの短絡防止構造を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、水素供給源、酸素供給源、及び、アノード極とカソード極を有し、前記水素供給源から前記アノード極にアノードガスとして水素が供給され、前記酸素供給源から前記カソード極にカソードガスとして酸素が供給され、前記アノードガスと前記カソードガスとの電気化学反応によって発電が行われ、前記アノード極からアノードオフガスが排出され、前記カソード極からカソードオフガスが排出されるスタック、を備える燃料電池システムとした。そして、前記スタックは、アノードガスの供給口、カソードガスの供給口、アノードオフガスの排出口、及びカソードオフガスの排出口を有し、各供給口、及び各排出口は、前記水素供給源及び前記酸素供給源と前記スタックを接続し、かつ金属材料で形成されて電気的に接地されるガス配管に、電気的絶縁材料からなる絶縁配管を介して接続され、前記絶縁配管には、前記アノードガス、前記カソードガス、前記アノードオフガス、及び前記カソードオフガスの少なくとも１つとともに通流する水を堰き止める堰止め部が形成されることを特徴とした。

請求項１に係る発明によると、スタックのアノードガスの供給口とガス配管を接続する絶縁配管、カソードガスの供給口とガス配管を接続する絶縁配管、アノードオフガスの排出口とガス配管を接続する絶縁配管、カソードオフガスの排出口とガス配管を接続する前記絶縁配管、の少なくとも１つに堰止め部が形成され、アノードガス、カソードガス、アノードオフガス、及びカソードオフガスの流量を制限することなく、アノードガス、アノードオフガス、カソードガス、及びカソードオフガスの少なくとも１つとともに通流する水を堰き止めることができる。

また、請求項２に係る発明は、前記ガス配管の管路が少なくとも１箇所で屈曲して屈曲部を有するとき、前記絶縁配管は、前記屈曲部で、前記ガス配管の管路に内接する管状の遮断管を含み、前記ガス配管の管路の、前記遮断管が内接する側から屈曲した側に、前記遮断管の一端が突出して前記堰止め部を形成することを特徴とした。

請求項２に係る発明によると、屈曲部を有するガス配管においては、ガス配管に内接する遮断管の端部を、遮断管が内接する側から屈曲した側に突出させて堰止め部を形成することで、アノードガス、カソードガス、アノードオフガス、及びカソードオフガスの流量を制限することなく堰止め部を形成することができる。

また、請求項３に係る発明は、前記遮断管は、前記絶縁配管と一体に形成されることを特徴とした。

請求項３に係る発明によると、大型化することなく堰止め部を形成することができる。

また、請求項４に係る発明は、前記堰止め部は、前記スタックと前記ガス配管の間に形成され、前記スタックの側と前記ガス配管の側を連通するドレン孔が形成されることを特徴とした。

請求項４に係る発明によると、スタックとガス配管の間に滞留する水を、ドレン孔によって排出することができる。

本発明によると、大型化や、反応ガス及び排出ガスの流量を制限することなく、短絡による電力の損失を抑制できる、燃料電池システムの短絡防止構造を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の実施形態について、適宜図を用いて詳細に説明する。
図１は、本実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。図１に示すように、燃料電池システム１に備わるスタック２は、アノード極２ａ、カソード極２ｂ、および固体高分子電解質膜からなる電解質２ｃを有して、ＰＥＭ（Polymer Electrolyte Membrane）型の燃料電池を形成し、アノード極２ａに水素供給源３から反応ガスであるアノードガス（水素）が供給され、カソード極２ｂに酸素供給源４から反応ガスであるカソードガス（酸素）が供給され、アノードガスとカソードガスの電気化学反応によって発電される。スタック２が発電する電力は、図示しない走行用のモータや補機等の負荷に供給される。

水素供給源３は、スタック２のアノード極２ａにアノードガスを供給するもので、図示しない高圧水素タンクや減圧弁等から構成されている。
酸素供給源４は、スタック２のカソード極２ｂにカソードガスを供給するもので、本実施形態においては、酸素を含んだ空気を供給するものとして、図示しないエアクリーナや電動コンプレッサ等から構成されている。
冷却システム５は、スタック２が発電に伴って発生した熱を大気中に放出するもので、図示しないラジエタや循環ポンプ等から構成されている。
制御装置６は、図示しないマイクロコンピュータやＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、周辺回路、入出力インタフェース等から構成されており、図示しないセンサによって検出された各種の運転情報に基づき、水素供給源３や、酸素供給源４、冷却システム５等を駆動制御する。

加湿装置７は、スタック２のアノードガス供給管３ａ、３ｂと、カソードガス供給管４ａ、４ｂにそれぞれ設置されている。アノードガス供給管３ａ、３ｂに設置される加湿装置７には、スタック２（アノード極２ａ）からのアノードオフガス導入配管３ｃと、アノードオフガスを希釈装置等の処理機器に導くアノードオフガス排出配管７ａとが接続されている。そして、スタック２から排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス導入配管３ｃを介して加湿装置７に回収され、再循環させない場合はアノードオフガス排出配管７ａを介して図示しない希釈装置等の処理機器に導入され、必要な処理が施される。
また、カソードガス供給管４ａ、４ｂに設置される加湿装置７には、スタック２（カソード極２ｂ）からのカソードオフガス導入配管４ｃと、カソードオフガスを車外に排出するカソードオフガス排出配管７ｂとが接続されている。そして、スタック２から排出されるカソードオフガスは、カソードオフガス導入配管４ｃを介して加湿装置７に回収され、カソードオフガス排出配管７ｂを介して車外に排気される。

このように構成される燃料電池システム１においてスタック２は、酸素供給源４から、加湿装置７、及びカソードガス供給管４ａ、４ｂを介してカソード極２ｂに供給されるカソードガスを、カソードガスの供給口２０ｂから取り込むとともに、水素供給源３から、加湿装置７、及びアノードガス供給管３ａ、３ｂを介してアノード極２ａに供給されるアノードガスを、アノードガスの供給口２０ａから取り込む。そして、アノードガスとカソードガスの電気化学反応によって発電する。
なお、アノード極２ａとカソード極２ｂは、構造が同等であることから、以下、カソード極２ｂを例にして説明する。

図２の（ａ）は、本実施形態に係るスタックのカソード極のスタック構造を示す概略図である。
カソード極２ｂは、例えばゴムで被覆された支持体２３に固定される、複数のセル２２が積層されて形成されたスタック構造からなり、複数のセル２２を貫通するようにガス流路２４が形成される。ガス流路２４は、酸素供給源４から加湿装置７を経由して供給されるカソードガスが流入するカソードガスの供給口２０ｂに連続して形成されるカソードガス供給路２４ａと、カソードオフガスの排出口２１ｂに連続して形成され、カソードオフガスを加湿装置７に排出するカソードオフガス排出路２４ｂとから構成される。

また、カソードガスの供給口２０ｂに接続されるカソードガス供給管４ｂ、及びカソードオフガスの排出口２１ｂに接続されるカソードオフガス導入配管４ｃは、例えばアルミ合金などの金属材料からなるヘッド４ｄに形成され、スタック２とヘッド４ｄとを接続することで、カソードガスの供給口２０ｂとカソードガス供給管４ｂ、及びカソードオフガスの排出口２１ｂとカソードオフガス導入配管４ｃが連通する。
なお、図１に示すアノード極２ａが、図２の（ａ）に示すカソード極２ｂの図中手前側に、カソード極２ｂと並行して、固体高分子電解質膜からなる電解質２ｃ（図１参照）を介して設置され、ヘッド４ｄには、アノード極２ａに形成されるアノードガスの供給口２０ａ（図１参照）に接続されるアノードガス供給管３ｂ（図１参照）、及びアノードオフガスが排出されるアノードオフガスの排出口２１ａ（図１参照）に接続されるアノードオフガス導入配管３ｃ（図１参照）が形成されている。

このように、アノードガス供給管３ｂ、アノードオフガス導入配管３ｃ、カソードガス供給管４ｂ、及びカソードオフガス導入配管４ｃが、金属材料からなるヘッド４ｄに形成されることで、アノードガス供給管３ｂ、アノードオフガス導入配管３ｃ、カソードガス供給管４ｂ、及びカソードオフガス導入配管４ｃが金属材料からなるガス配管に相当する。

さらに、アノード極２ａ（図１参照）には、図示はしないがカソード極２ｂと略同様の配置形態に、アノードガス供給路とアノードオフガス排出路が形成される。

スタック２のカソード極２ｂにおいて、カソードガスの供給口２０ｂとカソードオフガスの排出口２１ｂが上下方向に配置される場合、例えば上側に配置されるカソードガスの供給口２０ｂにカソードガスを供給するカソードガス供給管４ｂは、カソードガスの供給口２０ｂから下方に屈曲して、屈曲部４ｂ１が形成される。

スタック２は、セル２２などの高電圧部を備えていることから、アルミ合金などの金属材料で形成されるヘッド４ｄと電気的に絶縁するため、スタック２とヘッド４ｄは、カソードガスの供給口２０ｂとカソードガス供給管４ｂ、及びカソードオフガスの排出口２１ｂとカソードオフガス導入配管４ｃを連通する開口部２９ａが形成され、高電圧部であるスタック２との間に図示しない絶縁プレートを介在して固定される金属製のエンドプレート２９、該エンドプレート２９に形成される開口部２９ａに嵌合する通気路３０ａが形成されるマニホールド（以下、樹脂マニホールドと称する）３０及びジョイント（以下、樹脂ジョイントと称する）２５を介して接続されている。
樹脂マニホールド３０及び樹脂ジョイント２５は、例えば樹脂など電気的絶縁材料からなり絶縁配管を形成する部材である。さらに、本実施形態においては、絶縁配管として遮断管２６が備わる。遮断管２６の詳細は後記する。

このように構成されるスタック２のカソード極２ｂにおいて、燃料電池システム１（図１参照）の停止などによって、カソードガス供給路２４ａやカソードガス供給管４ｂのカソードガス温度が低下すると、カソードガスに含まれる水蒸気が凝結して液化し、図２の（ａ）に示すように、例えばカソードガス供給路２４ａ、及びカソードガス供給管４ｂに滞留水Ｗとして滞留する。さらに、燃料電池システム１の停止時間が長くなると滞留水Ｗは増える。
このような滞留水Ｗが滞留した状態で、従来、燃料電池システム１が動作すると、カソードガス供給管４ｂの滞留水Ｗが、酸素供給源４から供給されるカソードガスとともに通流し、カソードガスの供給口２０ｂに運ばれる。このとき、カソードガスの供給口２０ｂにおいて、樹脂ジョイント２５に滞留水Ｗが滞留していると、カソードガス供給管４ｂから運ばれた滞留水Ｗと、樹脂ジョイント２５に滞留している滞留水Ｗとが連結（液絡）する。すなわち、樹脂ジョイント２５や樹脂マニホールド３０よりもスタック２側の高電圧部と、カソードガス供給管４ｂが形成されるヘッド４ｄとが、滞留水Ｗを介して接続されることになる。

そして、樹脂ジョイント２５の滞留水Ｗが、カソード極２ｂのセル２２と接するように、カソードガス供給路２４ａに滞留していると、セル２２とヘッド４ｄとが、滞留水Ｗを介して接続されることになる。
このように、滞留水Ｗが存在する状態で燃料電池システム１（図１参照）が動作すると、カソード極２ｂのセル２２とヘッド４ｄとが接続される。

また、スタック２による発電時間が長いほど、滞留水Ｗの導電率が増加することがわかっている。図２の（ｂ）は、発電時間とカソード極の滞留水の導電率の関係を示すグラフである。図２の（ｂ）に示すように、スタック２による発電時間が長くなると、カソード極２ｂ側に滞留する滞留水Ｗの導電率が増加する。すなわち、スタック２の発電時間が長くなるとカソード極２ｂに滞留する滞留水Ｗの導電率が上昇し抵抗が小さくなる。
カソード極２ｂのセル２２とヘッド４ｄを接続する滞留水Ｗの抵抗が小さくなると、セル２２とヘッド４ｄが滞留水Ｗを介して短絡する。
すなわち、従来において、例えば長時間の停止後に、スタック２で長時間の発電をすると、カソード極２ｂのセル２２とヘッド４ｄが短絡することになる。

そして、セル２２とヘッド４ｄが短絡すると、スタック２で発電された電力の一部がセル２２からヘッド４ｄに流れて放電してしまうため、電力の損失となる。

そこで、本実施形態においては、遮断管２６を備え、滞留水Ｗによる短絡を発生しない構造を有する構成とした。図３の（ａ）は、図２の（ａ）におけるＡ部拡大図であって、本実施形態に係る、カソードガスの供給口とカソードガス供給管の接続部を示す図である。図３の（ａ）に示すように、カソードガスの供給口２０ｂにはエンドプレート２９が接続され、エンドプレート２９と、カソードガス供給管４ｂを形成するヘッド４ｄとが、樹脂マニホールド３０及び樹脂ジョイント２５を介して接続されている。本実施形態においては、樹脂ジョイント２５に連続するように、遮断管２６を備える構造とした。

図３の（ａ）に示すように、エンドプレート２９は、カソード極２ｂにおいては開口部２９ａを介して、スタック２のカソードガス供給路２４ａに形成されるカソードガスの供給口２０ｂとカソードガス供給管４ｂを連通する機能を有する。そして、例えば、スタック２のカソードガスの供給口２０ｂの径がカソードガス供給管４ｂの管径より小さい場合、エンドプレート２９の開口部２９ａは、カソードガスの供給口２０ｂと略等しい管径から、カソードガス供給管４ｂの管径と略等しい管径まで拡径するように形成される。
さらに開口部２９ａには、通気路３０ａが形成される樹脂マニホールド３０が嵌合している。そして開口部２９ａが拡径する場合、樹脂マニホールド３０の通気路３０ａは、カソードガスの供給口２０ｂと略等しい管径の小径部３０ｂが、テーパ面３０ｃを介して、カソードガス供給管４ｂの管径と略等しい大径部３０ｄに拡径される。
エンドプレート２９は、接続面２９ｂがヘッド４ｄと対向するように配置され、樹脂マニホールド３０は、大径部３０ｄの周囲に形成される管状の接続部３０ｆが、接続面２９ｂに突出するように固定される。
そして、樹脂ジョイント２５が、カソードガス供給管４ｂと接続部３０ｆに内接するように備わって、樹脂マニホールド３０とヘッド４ｄとが接続される。

なお、樹脂マニホールド３０の通気路３０ａの形状は、カソードオフガス排出路２４ｂ（図２の（ａ）参照）、及び図示しないアノードガス供給路やアノードオフガス排出路においても同等とする。

また、図２の（ａ）に示すように、スタック２のカソードガス供給路２４ａとカソードオフガス排出路２４ｂとが上下に配置される場合、カソードガス供給管４ｂは、樹脂マニホールド３０と接続する側から下方に屈曲する屈曲部４ｂ１を有して形成される。
そして本実施形態においては、屈曲部４ｂ１に、例えば樹脂など電気的絶縁材料からなる管状の遮断管２６を、カソードガス供給管４ｂに内接して固定する。そして、遮断管２６の端部が、遮断管２６が内接する側から屈曲した側に向かって突出し、堰止め部２６ａを形成する。

遮断管２６の形状は限定するものではないが、カソードガス供給管４ｂに内接する管状の部材とすればよい。
図３の（ｂ）は、カソードガス供給管に遮断管が固定される状態を断面で示した概略図である。図３の（ｂ）に示すように遮断管２６は、カソードガス供給管４ｂに内接する管状の部材とし、その端部が、下方に屈曲するカソードガス供給管４ｂに向かって、屈曲部４ｂ１から突出するように固定され、突出した遮断管２６の端部によって堰止め部２６ａが形成される。

そして、遮断管２６の、樹脂マニホールド３０側には、管状に形成される樹脂ジョイント２５が、カソードガス供給管４ｂに内接するように固定される。このとき、樹脂ジョイント２５の一端はヘッド４ｄから突出して、この突出した部分が、樹脂マニホールド３０の接続部３０ｆに内接して、樹脂マニホールド３０とヘッド４ｄとが接続される構成とする。樹脂ジョイント２５と樹脂マニホールド３０の接続部３０ｆ、及び樹脂ジョイント２５とカソードガス供給管４ｂは、例えば接着剤によって固定すればよいが、固定方法は限定されるものではない。
なお、遮断管２６を樹脂ジョイント２５と別の部材としたことで、例えば樹脂ジョイント２５が内接する箇所と遮断管２６が内接する箇所で、カソードガス供給管４ｂの管径が異なる場合にも、遮断管２６を内接して堰止め部２６ａを形成することができるが、図３の（ａ）に示すように、屈曲部４ｂ１が樹脂ジョイント２５の延長方向に形成され、カソードガス供給管４ｂの管径が同じ場合、遮断管２６を樹脂ジョイント２５と一体に形成してもよい。

図４は、燃料電池システムが動作したときの滞留水の状態を示す図であって、（ａ）は、カソードガス供給管の滞留水が堰止め部で堰き止められる状態を示す図、（ｂ）は、カソードガス供給管の滞留水が樹脂ジョイントの滞留水と液絡する状態を示す図である。図４の（ａ）に示すように、本実施形態に係る遮断管２６をカソードガス供給管４ｂに備えて堰止め部２６ａを形成する場合、酸素供給源４（図１参照）から加湿装置７（図１参照）を介してカソードガス供給管４ｂに導入されるカソードガスとともに、カソードガス供給管４ｂの滞留水Ｗが通流するが、滞留水Ｗは堰止め部２６ａによって堰き止められ、樹脂ジョイント２５の滞留水Ｗと液絡することがない。したがって、カソード極２ｂのセル２２と、ヘッド４ｄとが滞留水Ｗを介して接続することがなく、滞留水Ｗによる短絡が発生しない。

また、例えばカソードガス供給管４ｂの滞留水Ｗが多く、樹脂ジョイント２５の滞留水Ｗと液絡する場合であっても、図４の（ｂ）に示すように、堰止め部２６ａによって液絡部分が絞られ、滞留水Ｗの断面積が小さくなることから、滞留水Ｗの抵抗を大きくすることができる。したがって、滞留水Ｗによる短絡が発生した場合であっても、セル２２からヘッド４ｄに流れる電力は小さく、損失を抑制できる。

＜変形例１＞
以上、本発明の実施形態について説明をしたが、本発明はその要旨を変更しない範囲において設計変更できる。
図５は、樹脂マニホールドに形成される堰止め部を示す図であって、（ａ）は、変形例１に係る、カソードガスの供給口とカソードガス供給管の接続部を示す断面図、（ｂ）は、遮断部を示す樹脂マニホールドの断面斜視図である。
図５の（ａ）に示すように、変形例１においては、図４の（ａ）に示す遮断管２６を備えず、樹脂マニホールド３０に遮断部３１を形成する。樹脂マニホールド３０は、カソード極２ｂのカソードガスの供給口２０ｂとカソードガス供給管４ｂとを連通する、例えば断面が円形の通気路３０ａを有する。そして、カソードガスの供給口２０ｂの径がカソードガス供給管４ｂの管径より小さい場合、通気路３０ａは、テーパ面３０ｃを介してカソードガスの供給口２０ｂ側の小径部３０ｂをカソードガス供給管４ｂ側の大径部３０ｄに拡径している。
変形例１は、樹脂マニホールド３０のテーパ面３０ｃに、小径部３０ｂから大径部３０ｄの方向に向けて突出する遮断部３１を形成し、遮断部３１で堰止め部３１ａを形成する。

遮断部３１の形状は限定するものではないが、例えば図５の（ｂ）に示すように、テーパ面３０ｃの上方で、大径部３０ｄの側に向かって小径部３０ｂを延長するように遮断部３１を形成する。そして、遮断部３１とテーパ面３０ｃとで堰止め部３１ａを形成することができる

このように堰止め部３１ａが形成されると、図５の（ａ）に示すように、カソードガス供給管４ｂを通流するカソードガスとともに通流する、カソードガス供給管４ｂの滞留水Ｗは堰止め部３１ａによって堰き止められ、樹脂マニホールド３０の滞留水Ｗと液絡することがない。したがって、カソード極２ｂのセル２２とヘッド４ｄとの間に、滞留水Ｗによる短絡が発生することがない。
なお、図示はしないが、カソードガス供給管４ｂの滞留水Ｗが多く、カソードガス供給管４ｂの滞留水Ｗと樹脂マニホールド３０の滞留水Ｗが液絡する場合であっても、堰止め部３１ａによって液絡部分の断面積が小さくなることから、滞留水Ｗの抵抗を大きくすることができる。したがって、短絡が発生した場合であっても、セル２２からヘッド４ｄに流れる電力は小さく、損失を抑制できる。

＜変形例２＞
図６は、変形例２を示す図であって、（ａ）は、遮断部材を示す断面図、（ｂ）は、遮断部材の構成を示す、樹脂マニホールドの断面斜視図である。また、図７は、遮断部材の変形例を示す図である。
図６の（ａ）に示すように、変形例２においては、例えば樹脂ジョイント２５の内側に、テーパ面３０ｃとの間に空間領域Ｓを形成するように、例えば樹脂など電気的絶縁材料からなる、側面視が略直角三角形の遮断部材２７を備える。
図６の（ａ）に示すように遮断部材２７を備えると、樹脂マニホールド３０の滞留水Ｗは、遮断部材２７とテーパ面３０ｃの間に形成された空間領域Ｓに滞留する。一方、カソードガスとともに通流するカソードガス供給管４ｂの滞留水Ｗは、遮断部材２７で遮断されることから、樹脂マニホールド３０の滞留水Ｗと液絡することがない。したがって、カソード極２ｂのセル２２とヘッド４ｄとの間に、滞留水Ｗによる短絡が発生することがない。すなわち、空間領域Ｓが堰止め部となる。
そして、遮断部材２７の下方には、樹脂マニホールド３０の側からカソードガス供給管４ｂの側に貫通するドレン孔２７ａが形成され、空間領域Ｓに滞留する滞留水Ｗをカソードガス供給管４ｂに排出することができる。
すなわち変形例２において、空間領域Ｓからなる堰止め部は、スタック２とカソードガス供給管４ｂ（ガス配管）の間に形成され、スタック２の側とカソードガス供給管４ｂの側を連通するドレン孔２７ａが形成されることになる。

遮断部材２７の形状は限定するものではないが、例えば図６の（ｂ）に示すように、樹脂ジョイント２５に内接する湾曲面２７ｂを下方に有する、正面視が略半月型の部材であって、湾曲面２７ｂから略垂直に形成される垂直面２７ｃと、垂直面２７ｃの上端部２７ｃ１から湾曲面２７ｂに向かって形成される傾斜面２７ｄを含んでなる。
また、遮断部材２７が樹脂ジョイント２５に内接したとき、上端部２７ｃ１と樹脂ジョイント２５との間は開口し、樹脂ジョイント２５の内側を通流するカソードガスは、上端部２７ｃ１と樹脂ジョイント２５の間、すなわち上端部２７ｃ１の上方を通流するように構成する。
そして、遮断部材２７は樹脂ジョイント２５に内接して固定され、樹脂ジョイント２５が樹脂マニホールド３０に固定されると、垂直面２７ｃとテーパ面３０ｃとで、空間領域Ｓ（図６の（ａ）参照）が形成される。遮断部材２７を樹脂ジョイント２５に固定する方法は限定されるものではなく、例えば接着剤による接着などの方法が考えられる。

さらに、遮断部材２７の下方（樹脂ジョイント２５と内接する側）には、空間領域Ｓ（図６の（ａ）参照）に滞留する滞留水Ｗを排水するためのドレン孔２７ａが形成される。ドレン孔２７ａは、垂直面２７ｃから傾斜面２７ｄに向けて貫通するように形成され、例えば、図６の（ｂ）に示すように、垂直面２７ｃから傾斜面２７ｄに向かって湾曲面２７ｂに形成される溝であればよい。そして、燃料電池システム１（図１参照）が停止したとき、空間領域Ｓに滞留する滞留水Ｗは、ドレン孔２７ａを介してカソードガス供給管４ｂに排水される。

なお、図示はしないが、カソードガス供給管４ｂの滞留水Ｗが多く、カソードガス供給管４ｂの滞留水Ｗと樹脂マニホールド３０の滞留水Ｗが液絡する場合であっても、遮断部材２７の上端部２７ｃ１（図６の（ｂ）参照）によって滞留水Ｗの断面積が小さくなることから、滞留水Ｗの抵抗を大きくすることができる。したがって、滞留水Ｗの液絡による短絡が発生した場合であっても、セル２２からヘッド４ｄに流れる電力は小さく、損失を抑制できる。

変形例２においては、図６の（ｂ）に示すように、樹脂ジョイント２５の内側に遮断部材２７を固定する構成としたが、遮断部材２７を樹脂ジョイント２５と一体に形成する構成であってもよい。
また、例えば樹脂マニホールド３０の大径部３０ｄが、ヘッド４ｄ（図６の（ａ）参照）が接続する側に延びて形成される場合、遮断部材２７は大径部３０ｄに内接するように備わっていてもよい。
さらに、遮断部材２７は、図７の（ａ）に示すように、垂直面２７ｃから傾斜面２７ｄに貫通する貫通孔によって、ドレン孔２７ａを形成してもよいし、図７の（ｂ）に示すように、湾曲面２７ｂの下方を切断するようにドレン孔２７ａを形成してもよい。その他、ドレン孔２７ａは、垂直面２７ｃから傾斜面２７ｄに貫通するように形成されれば、その形状は問わない。

以上、本発明について説明したが、本発明の適用はカソード極のカソードガスの供給側に限定されるものではなく、カソード極のカソードオフガスの排出側に適用してもよいし、アノード極に適用してもよい。

本実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 （ａ）は、本実施形態に係るスタックのカソード極のスタック構造を示す概略図、（ｂ）は、発電時間とカソード極の滞留水の導電率の関係を示すグラフである。 （ａ）は、図２の（ａ）におけるＡ部拡大図であって、本実施形態に係る、カソードガスの供給口とカソードガス供給管の接続部を示す図、（ｂ）は、カソードガス供給管に遮断管が固定される状態を断面で示した概略図である。 （ａ）は、カソードガス供給管の滞留水が堰止め部で堰き止められる状態を示す図、（ｂ）は、カソードガス供給管の滞留水が樹脂ジョイントの滞留水と液絡する状態を示す図である。 （ａ）は、変形例１に係る、カソードガスの供給口とカソードガス供給管の接続部を示す断面図、（ｂ）は、遮断部を示す、樹脂マニホールドの断面斜視図である。 （ａ）は、遮断部材を示す断面図、（ｂ）は、遮断部材の構成を示す、樹脂マニホールドの断面斜視図である。 遮断部材の変形例を示す図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
２ スタック
２ａ アノード極
２ｂ カソード極
３ 水素供給源
３ｂ アノードガス供給管（ガス配管）
３ｃ アノードオフガス導入配管（ガス配管）
４ 酸素供給源
４ｂ カソードガス供給管（ガス配管）
４ｂ１ 屈曲部
４ｃ カソードオフガス導入配管（ガス配管）
２０ａ アノードガスの供給口
２０ｂ カソードガスの供給口
２１ａ アノードオフガスの排出口
２１ｂ カソードオフガスの排出口
２５ 樹脂ジョイント（絶縁配管）
２６ 遮断管（絶縁配管）
２６ａ、３１ａ 堰止め部
２７ 遮断部材（絶縁配管）
２７ａ ドレン孔
３０ 樹脂マニホールド（絶縁配管）
Ｓ 空間領域（堰止め部）

Claims (4)

1. 水素供給源、
   酸素供給源、
   及び、アノード極とカソード極を有し、前記水素供給源から前記アノード極にアノードガスとして水素が供給され、前記酸素供給源から前記カソード極にカソードガスとして酸素が供給され、前記アノードガスと前記カソードガスとの電気化学反応によって発電が行われ、前記アノード極からアノードオフガスが排出され、前記カソード極からカソードオフガスが排出されるスタック、を備える燃料電池システムにおいて、
   前記スタックは、アノードガスの供給口、カソードガスの供給口、アノードオフガスの排出口、及びカソードオフガスの排出口を有し、
   各供給口、及び各排出口は、前記水素供給源及び前記酸素供給源と前記スタックを接続し、かつ金属材料で形成されて電気的に接地されるガス配管に、電気的絶縁材料からなる絶縁配管を介して接続され、
   前記絶縁配管には、前記アノードガス、前記カソードガス、前記アノードオフガス、及び前記カソードオフガスの少なくとも１つとともに通流する水を堰き止める堰止め部が形成されることを特徴とする燃料電池システムの短絡防止構造。
2. 前記ガス配管の管路が少なくとも１箇所で屈曲して屈曲部を有するとき、
   前記絶縁配管は、
   前記屈曲部で、前記ガス配管の管路に内接する管状の遮断管を含み、
   前記ガス配管の管路の、前記遮断管が内接する側から屈曲した側に、前記遮断管の一端が突出して前記堰止め部を形成することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの短絡防止構造。
3. 前記遮断管は、前記絶縁配管と一体に形成されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システムの短絡防止構造。
4. 前記堰止め部は、前記スタックと前記ガス配管の間に形成され、前記スタックの側と前記ガス配管の側を連通するドレン孔が形成されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システムの短絡防止構造。

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