JP2012226896A - 燃料電池システム、および、燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックの内部に形成された排気マニホールドからの凝縮水の排水性を向上させる。
【解決手段】燃料電池スタック１００は、アノードオフガス排出マニホールド１１０と、排水流路１２０と、連通流路１３０と、を備える。排水流路１２０、および、連通流路１３０は、円管形状を有する。そして、排水流路１２０、および、連通流路１３０の流路径ｄは、以下の要件を満たす。
ｄ≦２ｅ；
ｅ＝２κｓｉｎ（θ_E／２）；
ここで、κは、凝縮水の毛管長を示し、θ_Eは、排水流路１２０、および、連通流路１３０の内壁面における凝縮水の接触角を示す。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システム、および、燃料電池スタックに関するものである。

燃料ガス（水素）と酸化剤ガス（酸素）との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池は、一般に、複数の燃料電池セルを積層させた燃料電池スタックの形態で利用される。そして、この燃料電池スタックの内部には、反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）を、複数の燃料電池セルに分配して供給するための供給マニホールドや、複数の燃料電池セルから排出された排出ガスを集合させて燃料電池スタックの外部に排出するための排出マニホールドが形成される。

このような燃料電池スタックにおいて、排出マニホールドには、複数の燃料電池セルから、排出ガスとともに、上記電気化学反応によって生成された生成水等の水も排出される。そして、この水が凝縮した凝縮水が排出マニホールド内に滞留すると、排出ガス、および、反応ガスの流れを阻害する。

そこで、従来、排出マニホールドからの排水性を向上させるための種々の技術が提案されている。例えば、下記特許文献１には、燃料電池スタックの内部に形成された内部マニホールド（排出マニホールド）に、内部マニホールドから上記凝縮水を排水するための排水流路を併設する技術が記載されている。

特開２００７−４２５３８号公報

しかし、上記特許文献１に記載された技術では、内部マニホールド（排出マニホールド）からの凝縮水の排水を行うことは可能ではあるものの、排水流路からの凝縮水の排水性については、改善の余地があった。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池スタックの内部に形成された排気マニホールドからの凝縮水の排水性を向上させることを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
燃料電池システムであって、
複数の燃料電池セルを積層した燃料電池セル積層体を有する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの内部から外部に亘って、前記複数の燃料電池セルの積層方向に貫通するように設けられ、前記複数の燃料電池セルから排出された排出ガスを集合させて、前記燃料電池セル積層体の前記積層方向についての一端から前記燃料電池セル積層体の外部に排出するための排出マニホールドと、
前記燃料電池スタックが設置された状態において、前記排出マニホールドよりも鉛直下方に設けられた排水流路であって、前記積層方向に沿って設けられた排水流路と、
前記排出マニホールドから前記排水流路の一端に連通する連通流路であって、前記複数の燃料電池セルから前記排出ガスとともに前記排出マニホールドに排出された水が凝縮した凝縮水を前記排水流路に流すための連通流路と、
を備え、
前記排水流路は、少なくとも一部において、断面形状における輪郭線上の２点間の距離の最大値ｄ１が、以下の条件１を満たす、
燃料電池システム。
条件１：
ｄ１≦２ｅ；
ｅ＝２κｓｉｎ（θ_E１／２）；
ここで、κは、前記凝縮水の毛管長を示し、θ_E１は、前記排水流路の内壁面における前記凝縮水の接触角を示す。

なお、毛管長とは、表面張力によって固体表面に付着した液体の滴（液滴）が重力の影響を受けて変形するか否かの閾値を表す長さを言う。毛管長κは、以下の式によって表される。
κ＝［γ／（ρ・ｇ）］^1/2；
ここで、γは、液体の表面張力を示し、ρは、液体の密度を示し、ｇは、重力加速度を示す。

適用例１の燃料電池システムでは、燃料電池スタックが設置された状態において、排水流路が排出マニホールドの鉛直下方に備えられており、排出マニホールドと排水流路とが連通流路によって接続されているので、排出マニホールド内の凝縮水は、重力および排出ガスの圧力によって、連通流路を通って、排水流路に流入する。そして、排水流路における上記最大値ｄ１が上記条件１を満たすことによって、排出マニホールドから排水流路に流入した凝縮水が、排水流路を閉塞しやすくすることができる。そして、凝縮水が排水流路を閉塞することによって、排水流路内における凝縮水の流れ方向について、凝縮水を挟んで上流側の圧力と下流側の圧力との差圧を、排水流路が凝縮水によって閉塞されていない場合よりも大きくし、排水流路における凝縮水の流速を増加させることができる。したがって、適用例１の燃料電池システムによって、燃料電池スタックの内部に形成された排出マニホールドからの凝縮水の排水性を向上させることができる。なお、上記条件１におけるｅは、平衡状態（液滴が固体上で静止している状態）において、液滴の半径が毛管長κよりも大きい場合の液滴の厚さを表している。

［適用例２］
適用例１記載の燃料電池システムであって、
前記排水流路は、前記燃料電池スタックの内部に設けられている、
燃料電池システム。

適用例２の燃料電池システムによって、排水流路が燃料電池スタックの外部に設けられる場合と比較して、燃料電池システムのコンパクト化を図ることができる。また、適用例２の燃料電池システムによって、排水流路を燃料電池スタックの外部に設ける場合よりも、燃料電池システムの製造工程を短縮することができる。

［適用例３］
適用例１または２記載の燃料電池システムであって、
前記排水流路の他端は、前記燃料電池セル積層体の外部において、前記排出マニホールドに接続されており、
前記排出マニホールドは、前記排水流路との接続部に、ベンチュリー構造を備える、
燃料電池システム。

適用例３の燃料電池システムでは、上記ベンチュリー構造により、排出ガスの流れを絞ることによって、排出マニホールドの排水流路との接続部における排出ガスの流速を、排出マニホールドの他の部位における排出ガスの流速よりも増加させ、排出マニホールドの排水流路との接続部における圧力を、排出ガスの流速が低い部位における圧力よりも低くすることができる（ベンチュリー効果）。したがって、排水流路内における凝縮水の流れ方向について、凝縮水を挟んで上流側の圧力と下流側の圧力との差圧を大きくし、排水流路内における凝縮水の流速をさらに増加させることができる。

［適用例４］
適用例１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記排水流路の内壁面に、撥水処理が施されている、
燃料電池システム。

適用例４の燃料電池システムでは、排水流路の内壁面における凝縮水の接触角を大きくすることができる。したがって、排水流路における上記最大値ｄ１を、比較的大きな値とし、単位時間当たりの排水可能量を増加させることができる。

［適用例５］
燃料電池システムであって、
複数の燃料電池セルを積層した燃料電池セル積層体を有する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの内部から外部に亘って、前記複数の燃料電池セルの積層方向に貫通するように設けられ、前記複数の燃料電池セルから排出された排出ガスを集合させて、前記燃料電池セル積層体の前記積層方向についての一端から前記燃料電池セル積層体の外部に排出するための排出マニホールドと、
前記燃料電池スタックが設置された状態において、前記排出マニホールドよりも鉛直下方に設けられた排水流路であって、前記積層方向に沿って設けられた排水流路と、
前記排出マニホールドから前記排水流路の一端に連通する連通流路であって、前記複数の燃料電池セルから前記排出ガスとともに前記排出マニホールドに排出された水が凝縮した凝縮水を前記排水流路に流すための連通流路と、
を備え、
前記連通流路は、少なくとも前記排出マニホールドとの接続部において、断面形状における輪郭線上の２点間の距離の最大値ｄ２が、以下の条件２を満たす、
燃料電池システム。
条件２：
ｄ２≦２ｅ；
ｅ＝２κｓｉｎ（θ_E２／２）；
ここで、κは、前記凝縮水の毛管長を示し、θ_E２は、前記連通流路の内壁面における前記凝縮水の接触角を示す。

適用例５の燃料電池システムでは、燃料電池スタックが設置された状態において、排水流路が排出マニホールドの鉛直下方に備えられており、排出マニホールドと排水流路とが連通流路によって接続されているので、排出マニホールド内の凝縮水は、重力および排出ガスの圧力によって、連通流路を通って、排水流路に流入する。そして、連通流路における上記最大値ｄ２が上記条件２を満たすことによって、排出マニホールドから連通流路に流入する凝縮水が、排出マニホールドとの接続部、すなわち、連通流路の入口を閉塞しやすくすることができる。このため、連通流路に流入する凝縮水に排気ガスの気泡が混入して、凝縮水の流れを阻害することを防止することができる。したがって、排出マニホールドからの凝縮水の排水性を、向上させることができる。

［適用例６］
適用例５記載の燃料電池システムであって、
前記連通流路の内壁面に、撥水処理が施されている、
燃料電池システム。

適用例６の燃料電池システムでは、連通流路の内壁面における凝縮水の接触角を大きくすることができる。したがって、連通流路における上記最大値ｄ２を、比較的大きな値とし、単位時間当たりの排水可能量を増加させることができる。

本発明は、上述した燃料電池システムとしての構成の他、上述した燃料電池システムにおける構成要件を一体的に備える燃料電池スタックの発明として構成することもできる。

［適用例７］
燃料電池スタックであって、
複数の燃料電池セルを積層した燃料電池セル積層体と、
前記複数の燃料電池セルの積層方向に貫通するように設けられ、前記複数の燃料電池セルから排出された排出ガスを集合させて、前記燃料電池セル積層体の前記積層方向についての一端から前記燃料電池セル積層体の外部に排出するための排出マニホールドと、
前記複数の燃料電池セルの積層方向に貫通するように設けられ、前記燃料電池スタックが設置された状態において、前記排出マニホールドよりも鉛直下方に設けられた排水流路と、
前記排出マニホールドから前記排水流路の一端に連通する連通流路であって、前記複数の燃料電池セルから前記排出ガスとともに前記排出マニホールドに排出された水が凝縮した凝縮水を前記排水流路に流すための連通流路と、
を備え、
前記排水流路は、少なくとも一部において、断面形状における輪郭線上の２点間の距離の最大値ｄ１が、以下の条件１を満たす、
燃料電池スタック。
条件１：
ｄ１≦２ｅ；
ｅ＝２κｓｉｎ（θ_E１／２）；
ここで、κは、前記凝縮水の毛管長を示し、θ_E１は、前記排水流路の内壁面における前記凝縮水の接触角を示す。

［適用例８］
適用例７記載の燃料電池スタックであって、
前記排水流路の他端は、前記燃料電池セル積層体の外部において、前記排出マニホールドに接続されており、
前記排出マニホールドは、前記排水流路との接続部に、ベンチュリー構造を備える、
燃料電池スタック。

［適用例９］
適用例７または８記載の燃料電池スタックであって、
前記排水流路の内壁面に、撥水処理が施されている、
燃料電池スタック。

［適用例１０］
燃料電池スタックであって、
複数の燃料電池セルを積層した燃料電池セル積層体と、
前記複数の燃料電池セルの積層方向に貫通するように設けられ、前記複数の燃料電池セルから排出された排出ガスを集合させて、前記燃料電池セル積層体の前記積層方向についての一端から前記燃料電池セル積層体の外部に排出するための排出マニホールドと、
前記複数の燃料電池セルの積層方向に貫通するように設けられ、前記燃料電池スタックが設置された状態において、前記排出マニホールドよりも鉛直下方に設けられた排水流路と、
前記排出マニホールドから前記排水流路の一端に連通する連通流路であって、前記複数の燃料電池セルから前記排出ガスとともに前記排出マニホールドに排出された水が凝縮した凝縮水を前記排水流路に流すための連通流路と、
を備え、
前記連通流路は、少なくとも前記排出マニホールドとの接続部において、断面形状における輪郭線上の２点間の距離の最大値ｄ２が、以下の条件２を満たす、
燃料電池スタック。
条件２：
ｄ２≦２ｅ；
ｅ＝２κｓｉｎ（θ_E２／２）；
ここで、κは、前記凝縮水の毛管長を示し、θ_E２は、前記連通流路の内壁面における前記凝縮水の接触角を示す。

［適用例１１］
適用例１０記載の燃料電池スタックであって、
前記連通流路の内壁面に、撥水処理が施されている、
燃料電池スタック。

これらの燃料電池スタックによって、先に説明した燃料電池システムと同様の効果を奏することができる。

本発明の第１実施例としての燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。 第１実施例の燃料電池スタック１００の要部構成を示す説明図である。 燃料電池スタック１００からの凝縮水の排水の様子を示す説明図である。 排水流路１２０、および、連通流路１３０の流路径の設計方法を示す説明図である。 水（凝縮水）が円管内を塞ぐ要件を満たす場合の接触角θＥと円管の直径ｄとの関係を示す説明図である。 本発明の第２実施例としての燃料電池システム１０００Ａの概略構成を示す説明図である。 第２実施例の燃料電池スタック１００Ａの要部構成を示す説明図である。 本発明の第３実施例としての燃料電池システム１０００Ｂの概略構成を示す説明図である。 第３実施例の燃料電池スタック１００Ｂの要部構成を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム１０００は、燃料電池スタック１００を備えている。

燃料電池スタック１００は、水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池セルを、複数積層させた燃料電池セル積層体４０を有している。燃料電池セル積層体４０における燃料電池セルの積層数は、燃料電池スタック１００に要求される出力に応じて任意に設定可能である。なお、燃料電池セルとしては、周知の種々の燃料電池セルを適用可能であり、本明細書では、燃料電池セルについての詳細な説明は省略する。

燃料電池スタック１００は、一端から、エンドプレート１０ａ、絶縁板２０ａ、集電板３０ａ、燃料電池セル積層体４０、集電板３０ｂ、絶縁板２０ｂ、エンドプレート１０ｂの順に積層することによって構成されている。これらには、燃料電池スタック１００内に、水素や、空気や、冷却水を流すための供給口や、排出口が設けられている。また、燃料電池スタック１００の内部には、水素や、空気や、冷却水を、それぞれ、各燃料電池セルに分配して供給するための供給マニホールド（水素供給マニホールド、空気供給マニホールド、冷却水供給マニホールド）や、各燃料電池セルのアノードおよびカソードからそれぞれ排出されるアノードオフガスおよびカソードオフガスや、冷却水を集合させて燃料電池スタック１００の外部に排出するための排出マニホールド（アノードオフガス排出マニホールド、カソードオフガス排出マニホールド、冷却水排出マニホールド）が形成されている。

エンドプレート１０ａ，１０ｂは、剛性を確保するため、金属によって形成されている。絶縁板２０ａ，２０ｂは、ゴムや、樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。集電板３０ａ，３０ｂは、緻密質カーボンや、銅板などのガス不透過な導電性部材によって形成されている。集電板３０ａ，３０ｂには、それぞれ図示しない出力端子が設けられており、燃料電池スタック１００で発電した電力を出力可能となっている。

なお、図示は省略しているが、燃料電池スタック１００は、接触抵抗の増加等による電池性能の低下を抑制したり、ガスの漏洩を抑制したりするために、複数の燃料電池セルの積層方向に、所定の締結荷重が加えられた状態で、締結部材によって締結されている。

燃料電池スタック１００のアノードには、配管５３を介して、高圧水素を貯蔵した水素タンク５０から、燃料ガスとしての水素が供給される。水素タンク５０の代わりに、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素リッチなガスを生成し、アノードに供給するものとしてもよい。

水素タンク５０に貯蔵された高圧水素は、水素タンク５０の出口に設けられたシャットバルブ５１、レギュレータ５２によって圧力、および、供給量が調整されて、水素供給マニホールドを介して、各燃料電池セルのアノードに供給される。各燃料電池セルから排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス排出マニホールドに接続された排出配管５４を介して、燃料電池スタック１００の外部に排出することができる。

燃料電池スタック１００のカソードには、配管６１を介して、エアコンプレッサ６０によって圧縮された圧縮空気が、酸素を含有した酸化剤ガスとして供給される。そして、この圧縮空気は、配管６１に接続された空気供給マニホールドを介して、各燃料電池セルのカソードに供給される。各燃料電池セルのカソードから排出されるカソードオフガスは、カソードオフガス排出マニホールドに接続された排出配管６２を介して、燃料電池スタック１００の外部に排出される。排出配管６２からは、カソードオフガスとともに、燃料電池スタック１００のカソードで、水素と酸素との電気化学反応によって生成された生成水も排出される。

燃料電池スタック１００は、上述した電気化学反応によって発熱するため、燃料電池スタック１００には、燃料電池スタック１００を冷却するための冷却水も供給される。この冷却水は、ポンプ７０によって、配管７２を流れ、ラジエータ７１によって冷却されて、燃料電池スタック１００に供給される。

燃料電池システム１０００の運転は、制御ユニット８０によって制御される。制御ユニット８０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、タイマなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、例えば、各種バルブや、ポンプの駆動等、システムの運転を制御する。

Ａ２．燃料電池スタックの要部構成：
図２は、第１実施例の燃料電池スタック１００の要部構成を示す説明図である。図示するように、燃料電池スタック１００の内部には、アノードオフガス排出マニホールド１１０と、排水流路１２０と、連通流路１３０と、が形成されている。

アノードオフガス排出マニホールド１１０は、燃料電池スタック１００の内部から外部に亘って、複数の燃料電池セルの積層方向に貫通するように設けられている。このアノードオフガス排出マニホールド１１０は、複数の燃料電池セルから排出されたアノードオフガスを集合させて、燃料電池セル積層体４０の一方の端部から燃料電池セル積層体４０の外部に排出するためのものである。アノードオフガス排出マニホールド１１０の一方の端部には、排出配管５４が接続されている。

アノードオフガス排出マニホールド１１０には、複数の燃料電池セルから、アノードオフガスとともに、発電によって生成された生成水等の水も排出される。そして、この水の一部は、燃料電池セル内、あるいは、アノードオフガス排出マニホールド１１０内で凝縮して凝縮水となる。そして、この凝縮水がアノードオフガス排出マニホールド１１０内に滞留すると、アノードオフガス、および、水素の流れを阻害する。そこで、本実施例の燃料電池スタック１００では、アノードオフガス排出マニホールド１１０内の凝縮水を排水するために、排水流路１２０、および、連通流路１３０を設けている。

排水流路１２０は、燃料電池スタック１００が設置された状態において、アノードオフガス排出マニホールド１１０よりも鉛直下方に、複数の燃料電池セルの積層方向に沿って設けられている。また、連通流路１３０は、アノードオフガス排出マニホールド１１０の排出配管５４が接続される側とは反対側の端部１１０ａから排水流路１２０の一方の端部１２０ａに連通するように形成されている。この連通流路１３０は、アノードオフガス排出マニホールド１１０内の凝縮水を排水流路１２０に流すための流路である。なお、本実施例では、排水流路１２０、および、連通流路１３０の内壁面には、それぞれ、撥水処理が施されている。そして、排水流路１２０の内壁面、および、連通流路１３０の内壁面において、凝縮水の接触角は、同じであるものとする。

排水流路１２０の他方の端部１２０ｂは、燃料電池セル積層体４０の外部であって、燃料電池スタック１００の内部、具体的には、絶縁板２０ｂおよび集電板３０ｂにおいて、アノードオフガス排出マニホールド１１０に接続されている。そして、このアノードオフガス排出マニホールド１１０における排水流路１２０との接続部には、流路断面積を狭窄する狭窄部１１２が形成されている。すなわち、アノードオフガス排出マニホールド１１０は、排水流路１２０との接続部に、ベンチュリー構造を備えている。

上述した燃料電池スタック１００において、アノードオフガス排出マニホールド１１０内の凝縮水は、以下に説明するように排出される。

Ａ３．燃料電池スタックからの排水：
図３は、燃料電池スタック１００からの凝縮水の排水の様子を示す説明図である。なお、本実施例の燃料電池システム１０００では、燃料電池スタック１００は、図示するように、エンドプレート１０ａ側が、エンドプレート１０ｂ側よりも低くなるように傾けた状態で設置されている。換言すれば、燃料電池スタック１００は、連通流路１３０側が、狭窄部１１２側、すなわち、アノードオフガス排出マニホールド１１０と１２０排水流路１２０との接続部側よりも低くなるように傾けた状態で設置されている。

アノードオフガス排出マニホールド１１０内の凝縮水Ｗは、重力およびアノードオフガスの圧力によって、連通流路１３０を通って、排水流路１２０に流入し、排水流路１２０を閉塞する。そして、この凝縮水Ｗは、アノードオフガス排出マニホールド１１０における連通流路１３０側の圧力Ｐ３と、アノードオフガス排出マニホールド１１０と排水流路１２０との接続部側の圧力Ｐ１との差圧（Ｐ３−Ｐ１）によって、排水流路１２０内を流れる。そして、この凝縮水Ｗは、アノードオフガス排出マニホールド１１０との接続部に到達し、アノードオフガスの流れによって、アノードオフガス排出マニホールド１１０内に吸引されて、アノードオフガスとともに、排出配管５４に排出される。

なお、本実施例の燃料電池スタック１００では、アノードオフガス排出マニホールド１１０は、先に説明したように、排水流路１２０との接続部にベンチュリー構造を備えている。したがって、アノードオフガス排出マニホールド１１０の排水流路１２０との接続部における圧力Ｐ１は、ベンチュリー効果によって、アノードオフガスの流れ方向についての上流側の圧力Ｐ２や圧力Ｐ３よりも十分に低くなっている。

本実施例の燃料電池スタック１００において、排水流路１２０、および、連通流路１３０は、円管形状であるものとした。そして、これらの流路径は、以下に説明する設計方法によって設計されている。

Ａ４．排水流路、および、連通流路の流路径の設計方法：
図４は、排水流路１２０、および、連通流路１３０の流路径の設計方法を示す説明図である。

図４（ａ）に示したように、一般に、平衡状態（液滴が固体上で静止している状態）において、液滴（本実施例では、凝縮水の液滴）の半径が毛管長κよりも大きい場合には、液滴の厚さｅは、以下の式によって表される。

ｅ＝２κｓｉｎ（θ_E／２）；

ここで、κは、液滴の毛管長［ｍ］を示し、θ_Eは、固体表面における液滴の接触角［度］を示している。なお、毛管長κは、以下の式によって表される。

κ＝［γ／（ρ・ｇ）］^1/2；

ここで、γは、液滴の表面張力［Ｎ／ｍ］を示し、ρは、液滴の密度［ｋｇ／ｍ³］を示し、ｇは、重力加速度（ｇ＝９．８［ｍ／ｓ²］）を示している。

そして、図４（ｂ）に示したように、円管内、すなわち、排水流路１２０内、および、連通流路１３０内を液滴が塞ぐ要件は、円管の直径ｄ、すなわち、排水流路１２０、および、連通流路１３０の流路径ｄが２ｅ以下となることである（ｄ≦２ｅ）。そこで、本実施例の燃料電池スタック１００では、排水流路１２０、および、連通流路１３０の流路径ｄを、２ｅ以下としている。なお、毛管長κの値は、流体の種類によって定まり、水の毛管長κは、約２．８（ｍｍ）である。

図５は、水（凝縮水）が円管内を塞ぐ要件を満たす場合の接触角θ_Eと円管の直径ｄとの関係を示す説明図である。図５から分かるように、例えば、排水流路１２０、および、連通流路１３０内における凝縮水の接触角が１００度である場合には、排水流路１２０、および、連通流路１３０の流路径ｄは、約３（ｍｍ）以下に設計される。

以上説明した第１実施例の燃料電池システム１０００では、燃料電池スタック１００が設置された状態において、排水流路１２０がアノードオフガス排出マニホールド１１０の鉛直下方に備えられており、アノードオフガス排出マニホールド１１０と排水流路１２０とが連通流路１３０によって接続されているので、アノードオフガス排出マニホールド１１０内の凝縮水は、重力およびアノードオフガスの圧力によって、連通流路１３０を通って、排水流路１２０に流入する。そして、排水流路１２０の流路径ｄが図４に示した要件（ｄ≦２ｅ）を満たすことによって、アノードオフガス排出マニホールド１１０から排水流路１２０に流入した凝縮水が、排水流路１２０を閉塞しやすくすることができる。そして、凝縮水が排水流路１２０を閉塞することによって、排水流路１２０内における凝縮水の流れ方向について、凝縮水を挟んで上流側の圧力Ｐ３と下流側の圧力Ｐ１との差圧（Ｐ３−Ｐ１）を、排水流路１２０が凝縮水によって閉塞されていない場合よりも大きくし、排水流路１２０における凝縮水の流速を増加させることができる。したがって、第１実施例の燃料電池システム１０００によって、燃料電池スタック１００の内部に形成されたアノードオフガス排出マニホールド１１０からの凝縮水の排水性を向上させることができる。

また、第１実施例の燃料電池システム１０００では、排水流路１２０が、燃料電池スタック１００の内部に設けられているので、排水流路１２０が燃料電池スタック１００の外部に設けられる場合と比較して、燃料電池システム１０００のコンパクト化を図ることができる。また、第１実施例の燃料電池システム１０００では、排水流路１２０を燃料電池スタック１００の外部に設ける場合よりも、燃料電池システム１０００の製造工程を短縮することができる。

また、第１実施例の燃料電池システム１０００では、集電板３０ｂおよび絶縁板２０ｂに、予め、排水流路の１２０ｂ端部１２０ｂとアノードオフガス排出マニホールド１１０とを接続する流体流路を形成する構造を形成しておき、燃料電池スタック１００の製造時に、アノードオフガス排出マニホールド１１０と排水流路１２０とを接続することができるので、燃料電池システム１０００のコンパクト化を図ることができる。

また、第１実施例の燃料電池システム１０００では、アノードオフガス排出マニホールド１１０は、排水流路１２０との接続部に、ベンチュリー構造を備えるので、アノードオフガス排出マニホールド１１０の排水流路１２０との接続部におけるアノードオフガスの流速を、アノードオフガス排出マニホールド１１０の他の部位における増加させ、アノードオフガス排出マニホールド１１０の排水流路１２０との接続部における圧力を、アノードオフガスの流速が低い部位における圧力よりも低くすることができる（ベンチュリー効果）。したがって、排水流路１２０内における凝縮水の流れ方向について、凝縮水を挟んで上流側の圧力Ｐ３と下流側の圧力Ｐ１との差圧（Ｐ３−Ｐ１）を大きくし、排水流路１２０内における凝縮水の流速をさらに増加させることができる。

また、第１実施例の燃料電池システム１０００では、排水流路１２０の内壁面に、撥水処理が施されているので、排水流路１２０の内壁面における凝縮水の接触角を大きくすることができる。したがって、排水流路１２０の流路径ｄを、比較的大きな値とし、単位時間当たりの排水可能量を増加させることができる。

また、第１実施例の燃料電池システム１０００では、連通流路１３０の流路径ｄが図４に示した要件（ｄ≦２ｅ）を満たすことによって、アノードオフガス排出マニホールド１１０から連通流路１３０に流入する凝縮水が、アノードオフガス排出マニホールド１１０との接続部、すなわち、連通流路１３０の入口を閉塞しやすくすることができる。このため、連通流路１３０に流入する凝縮水にアノードオフガスの気泡が混入して、凝縮水の流れを阻害することを防止することができる。したがって、アノードオフガス排出マニホールド１１０からの凝縮水の排水性を、さらに向上させることができる。

また、第１実施例の燃料電池システム１０００では、連通流路１３０の内壁面に、撥水処理が施されているので、連通流路１３０の内壁面における凝縮水の接触角を大きくすることができる。したがって、連通流路１３０の流路径ｄを、比較的大きな値とし、単位時間当たりの排水可能量をさらに増加させることができる。

Ｂ．第２実施例：
図６は、本発明の第２実施例としての燃料電池システム１０００Ａの概略構成を示す説明図である。また、図７は、第２実施例の燃料電池スタック１００Ａの要部構成を示す説明図である。

図６に示したように、第２実施例の燃料電池システム１０００Ａは、第１実施例の燃料電池システム１０００における燃料電池スタック１００の代わりに、燃料電池スタック１００Ａを備えている。そして、燃料電池スタック１００Ａの内部に形成された排水流路１２０Ａ（図７参照）の端部１２０Ａｂに、排水配管５５が接続されている。この排水配管５５は、排出配管５４に接続されている。そして、排出配管５４の排水配管５５との接続部には、ベンチュリー機構５６が設けられている。なお、ベンチュリー機構５６において、排出配管５４の絞りは、固定としてもよいし、可変としてもよい。

図７に示したように、第２実施例の燃料電池スタック１００Ａの内部には、アノードオフガス排出マニホールド１１０Ａと、排水流路１２０Ａと、連通流路１３０と、が形成されている。

アノードオフガス排出マニホールド１１０Ａは、燃料電池スタック１００Ａの内部から外部に亘って、複数の燃料電池セルの積層方向に貫通するように設けられている。アノードオフガス排出マニホールド１１０Ａの一方の端部には、排出配管５４が接続されている。なお、本実施例の燃料電池システム１０００Ａは、先に説明したように、燃料電池スタック１００Ａの外部にベンチュリー機構５６を備えているので、アノードオフガス排出マニホールド１１０Ａは、アノードオフガス排出マニホールド１１０における狭窄部１１２（図２参照）を備えていない。

排水流路１２０Ａは、複数の燃料電池セルの積層方向が水平方向となるように燃料電池スタック１００Ａが設置された状態において、アノードオフガス排出マニホールド１１０Ａよりも鉛直下方に、複数の燃料電池セルの積層方向に沿って設けられている。本実施例では、排水流路１２０Ａは、集電板３０ｂ、絶縁板２０ｂ、エンドプレート１０ｂを貫通して形成されており、排水流路１２０Ａの端部１２０Ａｂには、排水配管５５が接続されている。

連通流路１３０は、アノードオフガス排出マニホールド１１０Ａの排出配管５４が接続される側とは反対側の端部１１０Ａａから排水流路１２０Ａの端部１２０Ａａに連通するように形成されている。

以上の説明から分かるように、第２実施例の燃料電池システム１０００Ａでは、アノードオフガス排出マニホールド１１０Ａ、および、排出配管５４が、［課題を解決するための手段］における排出マニホールドに相当する。また、排水流路１２０Ａ、および、排水配管５５が、［課題を解決するための手段］における排水流路に相当する。そして、本実施例では、排水流路１２０Ａ、排水配管５５、および、連通流路１３０の内壁面に、それぞれ、撥水処理が施されている。また、排水流路１２０Ａ、排水配管５５および、連通流路１３０は、円管形状を有しており、これらの流路径ｄの設計方法は、図４に示した第１実施例の排水流路１２０、および、連通流路１３０の設計方法と同じである。

以上説明した第２実施例の燃料電池システム１０００Ａによっても、第１実施例の燃料電池システム１０００と同様に、燃料電池スタック１００Ａの内部に形成されたアノードオフガス排出マニホールド１１０Ａからの凝縮水の排水性を向上させることができる。

Ｃ．第３実施例：
図８は、本発明の第３実施例としての燃料電池システム１０００Ｂの概略構成を示す説明図である。また、図９は、第３実施例の燃料電池スタック１００Ｂの要部構成を示す説明図である。

図８に示したように、第３実施例の燃料電池システム１０００Ｂは、第２実施例の燃料電池システム１０００Ａにおける燃料電池スタック１００Ａの代わりに、燃料電池スタック１００Ｂを備えている。そして、第３実施例の燃料電池システム１０００Ｂでは、第２実施例における排水流路１２０Ａ、および、排水配管５５の代わりに、連通流路１３０Ｂ（図９参照）の端部に、排水配管５５Ｂが接続されている。この排水配管５５Ｂは、排出配管５４に接続されている。そして、第２実施例の燃料電池システム１０００Ａと同様に、排出配管５４の排水配管５５Ｂとの接続部には、ベンチュリー機構５６が設けられている。

図９に示したように、題３実施例の燃料電池スタック１００Ｂの内部には、アノードオフガス排出マニホールド１１０Ｂと、連通流路１３０Ｂと、が形成されている。

アノードオフガス排出マニホールド１１０Ｂは、燃料電池スタック１００Ｂの内部から外部に亘って、複数の燃料電池セルの積層方向に貫通するように設けられている。アノードオフガス排出マニホールド１１０Ｂの一方の端部には、排出配管５４が接続されている。なお、本実施例の燃料電池システム１０００Ｂは、先に説明したように、燃料電池スタック１００Ｂの外部にベンチュリー機構５６を備えているので、アノードオフガス排出マニホールド１１０Ｂは、第２実施例の燃料電池スタック１００Ａにおけるアノードオフガス排出マニホールド１１０Ａと同様に、アノードオフガス排出マニホールド１１０における狭窄部１１２（図２参照）を備えていない。

排水配管５５Ｂは、複数の燃料電池セルの積層方向が水平方向となるように燃料電池スタック１００Ｂが設置された状態において、アノードオフガス排出マニホールド１１０Ｂよりも鉛直下方に、複数の燃料電池セルの積層方向に沿って設けられている。そして、連通流路１３０Ｂは、アノードオフガス排出マニホールド１１０Ｂの端部１１０Ｂａから排水配管５５Ｂの端部に連通するように形成されている。

以上の説明から分かるように、第３実施例の燃料電池システム１０００Ｂでは、アノードオフガス排出マニホールド１１０Ｂ、および、排出配管５４が、［課題を解決するための手段］における排出マニホールドに相当する。また、排水配管５５Ｂが、［課題を解決するための手段］における排水流路に相当する。そして、本実施例では、排水配管５５Ｂ、および、連通流路１３０Ｂの内壁面に、それぞれ、撥水処理が施されている。また、排水配管５５Ｂ、および、連通流路１３０Ｂは、円管形状を有しており、これらの流路径ｄの設計方法は、図４に示した第１実施例の排水流路１２０、および、連通流路１３０の設計方法と同じである。

以上説明した第３実施例の燃料電池システム１０００Ｂによっても、第１，２実施例の燃料電池システム１０００，１０００Ａと同様に、燃料電池スタック１００Ｂの内部に形成されたアノードオフガス排出マニホールド１１０Ｂからの凝縮水の排水性を向上させることができる。

Ｄ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。

Ｄ１．変形例１：
例えば、第１実施例の燃料電池システム１０００では、燃料電池スタック１００において、排水流路１２０は、円管形状を有しているものとしたが、本発明は、これに限られない。排水流路１２０が、例えば、四角柱形状を有するようにしてもよい。本発明において、排水流路は、少なくとも一部において、断面形状における輪郭線上の２点間の距離の最大値ｄ１が、ｄ１≦２ｅを満たせばよい。

Ｄ２．変形例２：
例えば、第１実施例の燃料電池システム１０００では、燃料電池スタック１００において、排水流路１２０の内壁面に撥水処理が施されているものとしたが、本発明は、これに限られない。上記撥水処理を省略してもよい。また、排水流路１２０の内壁面を、撥水性を有する部材によって構成するようにしてもよい。

Ｄ３．変形例３：
例えば、第１実施例の燃料電池システム１０００では、燃料電池スタック１００において、連通流路１３０は、円管形状を有しているものとしたが、本発明は、これに限られない。連通流路１３０が、例えば、四角柱形状を有するようにしてもよい。本発明において、連通流路は、少なくとも排出マニホールドとの接続部において、断面形状における輪郭線上の２点間の距離の最大値ｄ２が、ｄ２≦２ｅを満たせばよい。

Ｄ４．変形例４：
例えば、第１実施例の燃料電池システム１０００では、燃料電池スタック１００において、連通流路１３０の内壁面に撥水処理が施されているものとしたが、本発明は、これに限られない。上記撥水処理を省略してもよい。また、連通流路１３０の内壁面を、撥水性を有する部材によって構成するようにしてもよい。

Ｄ５．変形例５：
上記実施例では、排水流路１２０の流路径ｄと、連通流路１３０の流路径ｄとは、同じであるものとしたが、本発明は、これに限られない。排水流路１２０の流路径ｄと、連通流路１３０の流路径ｄとが、異なるようにしてもよい。また、連通流路１３０の流路径ｄは、図４に示した要件（ｄ≦２ｅ）を満たしていなくてもよい。また、連通流路１３０の流路径ｄが、ｄ≦２ｅを満たす場合、排水流路１２０の流路径ｄは、ｄ≦２ｅを満たしていなくてもよい。

Ｄ６．変形例６：
例えば、第１実施例では、連通流路１３０は、アノードオフガス排出マニホールド１１０の端部１１０ａから排水流路１２０の端部１２０ａに連通するように形成されるものとしたが、本発明は、これに限られない。連通流路１３０は、アノードオフガス排出マニホールド１１０から排水流路１２０の一端に連通するように形成されるものとしてもよい。

Ｄ７．変形例７：
上記実施例では、本発明をアノードオフガス排出マニホールド側に適用するものとしたが、本発明は、これに限られない。アノードオフガス排出マニホールド、および、カソードオフガス排出マニホールドの少なくとも一方に適用するようにしてもよい。

１０ａ，１０ｂ…エンドプレート
２０ａ，２０ｂ…絶縁板
３０ａ，３０ｂ…集電板
４０…燃料電池セル積層体
５０…水素タンク
５１…シャットバルブ
５２…レギュレータ
５３…配管
５４…排出配管
５５，５５Ｂ…排水配管
５６…ベンチュリー機構
６０…エアコンプレッサ
６１…配管
６２…排出配管
７０…ポンプ
７１…ラジエータ
７２…配管
８０…制御ユニット
１００，１００Ａ，１００Ｂ…燃料電池スタック
１１０，１１０Ａ，１１０Ｂ…アノードオフガス排出マニホールド
１１２…狭窄部
１２０，１２０Ａ…排水流路
１３０，１３０Ｂ…連通流路
１０００，１０００Ａ，１０００Ｂ…燃料電池システム
ｄ…流路径
Ｗ…凝縮水

Claims (11)

1. 燃料電池システムであって、
   複数の燃料電池セルを積層した燃料電池セル積層体を有する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックの内部から外部に亘って、前記複数の燃料電池セルの積層方向に貫通するように設けられ、前記複数の燃料電池セルから排出された排出ガスを集合させて、前記燃料電池セル積層体の前記積層方向についての一端から前記燃料電池セル積層体の外部に排出するための排出マニホールドと、
   前記燃料電池スタックが設置された状態において、前記排出マニホールドよりも鉛直下方に設けられた排水流路であって、前記積層方向に沿って設けられた排水流路と、
   前記排出マニホールドから前記排水流路の一端に連通する連通流路であって、前記複数の燃料電池セルから前記排出ガスとともに前記排出マニホールドに排出された水が凝縮した凝縮水を前記排水流路に流すための連通流路と、
   を備え、
   前記排水流路は、少なくとも一部において、断面形状における輪郭線上の２点間の距離の最大値ｄ１が、以下の条件１を満たす、
   燃料電池システム。
   条件１：
   ｄ１≦２ｅ；
   ｅ＝２κｓｉｎ（θ_E１／２）；
   ここで、κは、前記凝縮水の毛管長を示し、θ_E１は、前記排水流路の内壁面における前記凝縮水の接触角を示す。
2. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
   前記排水流路は、前記燃料電池スタックの内部に設けられている、
   燃料電池システム。
3. 請求項１または２記載の燃料電池システムであって、
   前記排水流路の他端は、前記燃料電池セル積層体の外部において、前記排出マニホールドに接続されており、
   前記排出マニホールドは、前記排水流路との接続部に、ベンチュリー構造を備える、
   燃料電池システム。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
   前記排水流路の内壁面に、撥水処理が施されている、
   燃料電池システム。
5. 燃料電池システムであって、
   複数の燃料電池セルを積層した燃料電池セル積層体を有する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックの内部から外部に亘って、前記複数の燃料電池セルの積層方向に貫通するように設けられ、前記複数の燃料電池セルから排出された排出ガスを集合させて、前記燃料電池セル積層体の前記積層方向についての一端から前記燃料電池セル積層体の外部に排出するための排出マニホールドと、
   前記燃料電池スタックが設置された状態において、前記排出マニホールドよりも鉛直下方に設けられた排水流路であって、前記積層方向に沿って設けられた排水流路と、
   前記排出マニホールドから前記排水流路の一端に連通する連通流路であって、前記複数の燃料電池セルから前記排出ガスとともに前記排出マニホールドに排出された水が凝縮した凝縮水を前記排水流路に流すための連通流路と、
   を備え、
   前記連通流路は、少なくとも前記排出マニホールドとの接続部において、断面形状における輪郭線上の２点間の距離の最大値ｄ２が、以下の条件２を満たす、
   燃料電池システム。
   条件２：
   ｄ２≦２ｅ；
   ｅ＝２κｓｉｎ（θ_E２／２）；
   ここで、κは、前記凝縮水の毛管長を示し、θ_E２は、前記連通流路の内壁面における前記凝縮水の接触角を示す。
6. 請求項５記載の燃料電池システムであって、
   前記連通流路の内壁面に、撥水処理が施されている、
   燃料電池システム。
7. 燃料電池スタックであって、
   複数の燃料電池セルを積層した燃料電池セル積層体と、
   前記複数の燃料電池セルの積層方向に貫通するように設けられ、前記複数の燃料電池セルから排出された排出ガスを集合させて、前記燃料電池セル積層体の前記積層方向についての一端から前記燃料電池セル積層体の外部に排出するための排出マニホールドと、
   前記複数の燃料電池セルの積層方向に貫通するように設けられ、前記燃料電池スタックが設置された状態において、前記排出マニホールドよりも鉛直下方に設けられた排水流路と、
   前記排出マニホールドから前記排水流路の一端に連通する連通流路であって、前記複数の燃料電池セルから前記排出ガスとともに前記排出マニホールドに排出された水が凝縮した凝縮水を前記排水流路に流すための連通流路と、
   を備え、
   前記排水流路は、少なくとも一部において、断面形状における輪郭線上の２点間の距離の最大値ｄ１が、以下の条件１を満たす、
   燃料電池スタック。
   条件１：
   ｄ１≦２ｅ；
   ｅ＝２κｓｉｎ（θ_E１／２）；
   ここで、κは、前記凝縮水の毛管長を示し、θ_E１は、前記排水流路の内壁面における前記凝縮水の接触角を示す。
8. 請求項７記載の燃料電池スタックであって、
   前記排水流路の他端は、前記燃料電池セル積層体の外部において、前記排出マニホールドに接続されており、
   前記排出マニホールドは、前記排水流路との接続部に、ベンチュリー構造を備える、
   燃料電池スタック。
9. 請求項７または８記載の燃料電池スタックであって、
   前記排水流路の内壁面に、撥水処理が施されている、
   燃料電池スタック。
10. 燃料電池スタックであって、
    複数の燃料電池セルを積層した燃料電池セル積層体と、
    前記複数の燃料電池セルの積層方向に貫通するように設けられ、前記複数の燃料電池セルから排出された排出ガスを集合させて、前記燃料電池セル積層体の前記積層方向についての一端から前記燃料電池セル積層体の外部に排出するための排出マニホールドと、
    前記複数の燃料電池セルの積層方向に貫通するように設けられ、前記燃料電池スタックが設置された状態において、前記排出マニホールドよりも鉛直下方に設けられた排水流路と、
    前記排出マニホールドから前記排水流路の一端に連通する連通流路であって、前記複数の燃料電池セルから前記排出ガスとともに前記排出マニホールドに排出された水が凝縮した凝縮水を前記排水流路に流すための連通流路と、
    を備え、
    前記連通流路は、少なくとも前記排出マニホールドとの接続部において、断面形状における輪郭線上の２点間の距離の最大値ｄ２が、以下の条件２を満たす、
    燃料電池スタック。
    条件２：
    ｄ２≦２ｅ；
    ｅ＝２κｓｉｎ（θ_E２／２）；
    ここで、κは、前記凝縮水の毛管長を示し、θ_E２は、前記連通流路の内壁面における前記凝縮水の接触角を示す。
11. 請求項１０記載の燃料電池スタックであって、
    前記連通流路の内壁面に、撥水処理が施されている、
    燃料電池スタック。

Images