JP2021018850A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成によりドレン内の滞留水を円滑に排出することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１０Ａの燃料電池スタック１２には、第１燃料ガス排出連通孔４６ｂ１に連通して燃料排ガスを導出する第１ガス導出路７６と、第２燃料ガス排出連通孔４６ｂ２に連通して燃料排ガスを導出する第２ガス導出路７８とが設けられる。第１ガス導出路７６には、第１燃料ガス排出連通孔４６ｂ１の流路断面積よりも小さい流路断面積を有する第１縮小流路部１０６が設けられ、第２ガス導出路７８には、第２燃料ガス排出連通孔４６ｂ２の流路断面積よりも小さい流路断面積を有する第２縮小流路部１０８が設けられている。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、発電セルが複数積層されたセル積層体を有する燃料電池スタックを備える。発電セルには、発電面に沿って反応ガスを流す反応ガス流路が形成されている。セル積層体には、反応ガス流路から導かれた反応排ガスを排出するための排出連通孔が発電セルの積層方向に貫通形成されている。排出連通孔には、発電セルの発電時に発生した生成水が反応ガス流路から排出連通孔に導かれて滞留水として存在する場合がある。また、排出連通孔内には、凝縮水が滞留水として存在することもある。

例えば、特許文献１には、排出連通孔内の滞留水を排出するためのドレン（排水流路）が積層体に貫通形成された構成が開示されている。ドレン内の滞留水は、ドレンと排出連通孔との接続部に設けられたベンチュリ構造によって燃料電池スタックの外部に吸い出される。

特開２０１２−２２６８９６号公報

本発明は、上記の従来技術に関連してなされたものであり、簡易な構成によりドレン内の滞留水を円滑に排出することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の一態様は、発電面に沿って反応ガスを流す反応ガス流路が形成された発電セルが複数積層されたセル積層体を有する燃料電池スタックを備え、前記セル積層体には、前記反応ガス流路から導かれた反応排ガスを排出するための排出連通孔と、前記排出連通孔に連通して前記排出連通孔内の滞留水を排出するためのドレンと、が前記発電セルの積層方向に沿って貫通形成された燃料電池システムであって、前記排出連通孔は、複数設けられ、前記燃料電池スタックには、複数の前記排出連通孔に連通して前記反応排ガスを導出する複数のガス導出路が設けられ、前記複数のガス導出路のそれぞれには、複数の前記排出連通孔の流路断面積よりも小さい流路断面積を有する縮小流路部が設けられている、燃料電池システムである。

本発明の他の態様は、発電面に沿って反応ガスを流す反応ガス流路が形成された発電セルが複数積層されたセル積層体を有する燃料電池スタックを備え、前記セル積層体には、前記反応ガス流路から導かれた反応排ガスを排出するための排出連通孔と、前記排出連通孔に連通して滞留水を排出するためのドレンと、が前記発電セルの積層方向に沿って貫通形成された燃料電池システムであって、前記排出連通孔から導かれた前記反応排ガスを気液分離する気液分離部と、前記気液分離部により分離された液状水を排出するための排水路と、前記排水路を開放及び閉塞するための排水弁と、前記ドレン内の前記滞留水を前記排水路のうち前記排水弁よりも上流側に導く水導出路と、を備え、前記排水路には、前記排水弁によって前記排水路が開放された際に、前記ドレン内の前記滞留水が前記水導出路を介して前記排水路に導かれるような差圧を発生させる縮小流路部が設けられている、燃料電池システムである。

本発明の一態様によれば、複数の縮小流路部によって複数の排出連通孔内の反応排ガスの圧力を高めることができるため、ドレン内の滞留水を排出連通孔内の反応排ガスによって押し出すことができる。これにより、簡易な構成によりドレン内の滞留水を円滑に排出することができる。

本発明の他の態様によれば、排水弁によって排水路が開放された際に、縮小流路部により差圧が発生するため、ドレン内の滞留水を排水路に導くことができる。よって、簡易な構成によりドレン内の滞留水を円滑に排出することができる。

本発明の第１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の発電セルの分解斜視図である。 図１の燃料電池システムの一部断面図である。 図１の燃料電池システムの排水動作説明図である。 本発明の第２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５の燃料電池システムの排水動作説明図である。 本発明の第３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７の燃料電池システムの排水動作説明図である。

以下、本発明に係る燃料電池システムについて好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１０Ａは、例えば、図示しない燃料電池電気自動車に搭載されるものである。ただし、燃料電池システム１０Ａは、定置型としても用いることができる。

図１に示すように、燃料電池システム１０Ａは、燃料電池スタック１２と、燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１４とを備える。なお、図示は省略するが、燃料電池システム１０Ａは、燃料電池スタック１２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、燃料電池スタック１２に冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置とを備える。

燃料電池スタック１２は、複数の発電セル１６が水平方向（矢印Ａ方向）に積層されてなるセル積層体１８を備える。セル積層体１８の積層方向一端には、ターミナルプレート２０ａ、インシュレータ２２ａ及びエンドプレート２４ａが外方に向かって順次配設される。セル積層体１８の積層方向他端には、ターミナルプレート２０ｂ、インシュレータ２２ｂ及びエンドプレート２４ｂが外方に向かって順次配設される。

図２に示すように、発電セル１６は、樹脂枠付きＭＥＡ２６が、第１セパレータ２８及び第２セパレータ３０により挟持される。第１セパレータ２８及び第２セパレータ３０は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、或いはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属薄板の断面を波形にプレス成形して構成される。互いに隣接する第１セパレータ２８と第２セパレータ３０とは、外周を溶接、ろう付け、かしめ等により一体に接合されて接合セパレータ３１を形成する。

樹脂枠付きＭＥＡ２６は、電解質膜・電極構造体（以下、「ＭＥＡ２６ａ」という）と、ＭＥＡ２６ａの外周部に接合されるとともに該外周部を周回する樹脂枠部材３２（樹脂枠部、樹脂フィルム）とを備える。ＭＥＡ２６ａは、電解質膜３４と、電解質膜３４の一方の面に設けられたアノード電極３６と、電解質膜３４の他方の面に設けられたカソード電極３８とを有する。

電解質膜３４は、例えば、固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）である。固体高分子電解質膜は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である。電解質膜３４は、アノード電極３６及びカソード電極３８に挟持される。電解質膜３４は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用することができる。

詳細は図示しないが、アノード電極３６は、電解質膜３４の一方の面に接合される第１電極触媒層と、当該第１電極触媒層に積層される第１ガス拡散層とを有する。カソード電極３８は、電解質膜３４の他方の面に接合される第２電極触媒層と、当該第２電極触媒層に積層される第２ガス拡散層とを有する。樹脂枠部材３２は、ＭＥＡ２６ａの発電面４０の外周側に設けられている。

樹脂枠付きＭＥＡ２６は、樹脂枠部材３２を用いることなく、電解質膜３４を外方に突出させるように形成してもよい。また、樹脂枠付きＭＥＡ２６は、外方に突出した電解質膜３４の両側に枠形状のフィルムを設けるように形成してもよい。

発電セル１６の長辺方向の一端縁部（矢印Ｂ１方向の縁部）には、酸化剤ガス供給連通孔４２ａ、２つの冷却媒体排出連通孔４４ｂ及び２つの燃料ガス排出連通孔４６ｂが設けられる。酸化剤ガス供給連通孔４２ａ、２つの冷却媒体排出連通孔４４ｂ及び２つの燃料ガス排出連通孔４６ｂは、それぞれ、セル積層体１８を積層方向に貫通している。酸化剤ガス供給連通孔４２ａ、２つの冷却媒体排出連通孔４４ｂ及び２つの燃料ガス排出連通孔４６ｂは上下方向（長方形状の発電セル１６の短辺に沿った方向）に配列して設けられる。

酸化剤ガス供給連通孔４２ａは、上下方向に離間して配置された２つの冷却媒体排出連通孔４４ｂの間に配置されている。燃料ガス排出連通孔４６ｂは、第１燃料ガス排出連通孔４６ｂ１と、第２燃料ガス排出連通孔４６ｂ２とを有する。第１燃料ガス排出連通孔４６ｂ１は、上側の冷却媒体排出連通孔４４ｂの上方に配置されている。第２燃料ガス排出連通孔４６ｂ２は、下側の冷却媒体排出連通孔４４ｂの下方に配置されている。

発電セル１６の長辺方向の他端縁部（矢印Ｂ２方向の縁部）には、燃料ガス供給連通孔４６ａ、２つの冷却媒体供給連通孔４４ａ及び２つの酸化剤ガス排出連通孔４２ｂが設けられる。

燃料ガス供給連通孔４６ａ、２つの冷却媒体供給連通孔４４ａ及び２つの酸化剤ガス排出連通孔４２ｂは、それぞれ、セル積層体１８を積層方向に貫通している。燃料ガス供給連通孔４６ａ、２つの冷却媒体供給連通孔４４ａ及び２つの酸化剤ガス排出連通孔４２ｂは、上下方向（長方形状の発電セル１６の短辺に沿った方向）に配列して設けられる。

燃料ガス供給連通孔４６ａは、上下方向に離間して配置された２つの冷却媒体供給連通孔４４ａの間に配置されている。酸化剤ガス排出連通孔４２ｂは、第１酸化剤ガス排出連通孔４２ｂ１と、第２酸化剤ガス排出連通孔４２ｂ２とを有する。第１酸化剤ガス排出連通孔４２ｂ１は、上側の冷却媒体供給連通孔４４ａの上方に配置されている。第２酸化剤ガス排出連通孔４２ｂ２は、下側の冷却媒体供給連通孔４４ａの下方に配置されている。

燃料ガス供給連通孔４６ａは、一方の反応ガスである燃料ガスを供給する。燃料ガスとしては、例えば、水素含有ガス等が用いられる。酸化剤ガス供給連通孔４２ａは、他方の反応ガスである酸化剤ガスを供給する。酸化剤ガスとしては、例えば、酸素含有ガス等が用いられる。

燃料ガス排出連通孔４６ｂは、一方の反応排ガスである燃料排ガスを排出する。酸化剤ガス排出連通孔４２ｂは、他方の反応排ガスである酸化剤排ガスを排出する。冷却媒体供給連通孔４４ａは、冷却媒体を供給する。冷却媒体としては、純水、エチレングリコール、オイル等が用いられる。冷却媒体排出連通孔４４ｂは、冷却媒体を排出する。

酸化剤ガス供給連通孔４２ａ、酸化剤ガス排出連通孔４２ｂ、燃料ガス供給連通孔４６ａ及び燃料ガス排出連通孔４６ｂの配置、形状及び大きさは、本実施形態に限定されるものではなく、要求される仕様に応じて、適宜設定すればよい。

第１セパレータ２８の樹脂枠付きＭＥＡ２６に向かう表面２８ａには、発電面４０に沿って矢印Ｂ方向（水平方向）に燃料ガスを流通させる燃料ガス流路４８（反応ガス流路）が設けられる。燃料ガス流路４８は、燃料ガス供給連通孔４６ａ及び２つの燃料ガス排出連通孔４６ｂに流体的に連通する。第１セパレータ２８の表面２８ａには、流体（燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体）の漏れを防止する第１シール部５０が設けられている。

第２セパレータ３０の樹脂枠付きＭＥＡ２６に向かう表面３０ａには、発電面４０に沿って矢印Ｂ方向（水平方向）に酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス流路５２（反応ガス流路）が設けられる。酸化剤ガス流路５２は、酸化剤ガス供給連通孔４２ａ及び２つの酸化剤ガス排出連通孔４２ｂに流体的に連通する。第２セパレータ３０の表面３０ａには、流体（燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体）の漏れを防止する第２シール部５４が設けられている。

互いに接合される第１セパレータ２８の裏面２８ｂと第２セパレータ３０の裏面３０ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔４４ａと２つの冷却媒体排出連通孔４４ｂとに流体的に連通する冷却媒体流路５６が形成される。冷却媒体流路５６は、燃料ガス流路４８が形成された第１セパレータ２８の裏面形状と酸化剤ガス流路５２が形成された第２セパレータ３０の裏面形状とが重なり合って形成される。

図３に示すように、第１燃料ガス排出連通孔４６ｂ１と第２燃料ガス排出連通孔４６ｂ２とは、エンドプレート２４ｂとは反対側の端部（奥側端部）で第１連結流路６０により互いに連結されている。第１連結流路６０は、第１燃料ガス排出連通孔４６ｂ１における燃料排ガスの流通方向とは反対側の端部と第２燃料ガス排出連通孔４６ｂ２における燃料排ガスの流通方向とは反対側の端部とを互いに連結する。第１連結流路６０は、インシュレータ２２ａ内で上下方向に延在している。

第１連結流路６０は、第２連結流路６２を介してドレン６４に連通している。ドレン６４は、燃料ガス排出連通孔４６ｂ内の滞留水を排出するための流路である。ドレン６４は、第２燃料ガス排出連通孔４６ｂ２よりも下方に位置している。ドレン６４は、セル積層体１８を積層方向に貫通している。

第１連結流路６０及び第２連結流路６２は、ターミナルプレート２０ａ（図１参照）又はエンドプレート２４ａに設けられてもよい。また、第１連結流路６０及び第２連結流路６２は、エンドプレート２４ａの外部に配設された連結流路部材に設けられてもよい。

図２に示すように、燃料電池スタック１２には、酸化剤ガス排出連通孔４２ｂ内の滞留水を排出するためのドレン６６が形成されている。ドレン６６は、上述したドレン６４と同様に形成されている。

図１に示すように、燃料ガス供給装置１４は、図示しない燃料ガスタンク内の燃料ガスを燃料電池スタック１２の燃料ガス供給連通孔４６ａに導く燃料ガス供給路７０を有する。燃料ガス供給路７０には、インジェクタ装置７２及びエジェクタ７４が直列に配設されている。インジェクタ装置７２は、燃料ガス供給路７０を流れる燃料ガスの流量を調整可能な図示しない燃料噴射弁を有する。インジェクタ装置７２は、互いに並列に設けられた複数の燃料噴射弁を有してもよい。

エジェクタ７４は、インジェクタ装置７２から導かれた燃料ガスを利用して後述する循環流路８２から導かれた燃料排ガスを吸い込み、燃料ガスに混合して下流側に吐出するものである。

図３に示すように、燃料電池システム１０Ａは、第１ガス導出路７６、第２ガス導出路７８、気液分離装置８０、循環流路８２及び排水機構８４をさらに備える。

第１ガス導出路７６は、第１燃料ガス排出連通孔４６ｂ１に連通して第１燃料ガス排出連通孔４６ｂ１を流通する燃料排ガスを排出する。第１ガス導出路７６は、第１導出孔８６と第１接続流路８８とを含む。第１導出孔８６は、インシュレータ２２ｂ及びエンドプレート２４ｂを積層方向に貫通している。第１導出孔８６は、第１燃料ガス排出連通孔４６ｂ１に隣接している。第１接続流路８８は、エンドプレート２４ｂと気液分離装置８０とを互いに接続する配管によって形成されている。第１接続流路８８は、第１導出孔８６から導かれた燃料排ガスを気液分離装置８０に導く。

第２ガス導出路７８は、第２燃料ガス排出連通孔４６ｂ２に連通して第２燃料ガス排出連通孔４６ｂ２を流通する燃料排ガスを排出する。第２ガス導出路７８は、第２導出孔９０と第２接続流路９２とを含む。第２導出孔９０は、インシュレータ２２ｂ及びエンドプレート２４ｂを積層方向に貫通している。第２導出孔９０は、第２燃料ガス排出連通孔４６ｂ２に隣接している。第２接続流路９２は、エンドプレート２４ｂと気液分離装置８０とを互いに接続する配管によって形成されている。第２接続流路９２は、第２導出孔９０から導かれた燃料排ガスを気液分離装置８０に導く。

気液分離装置８０は、気液分離部９４（気液分離本体）と貯水部９６とを含む。気液分離部９４には、第１接続流路８８及び第２接続流路９２が連結している。気液分離部９４は、第１接続流路８８及び第２接続流路９２から導かれた燃料排ガスを気液分離する。貯水部９６内には、気液分離部９４で燃料排ガスから分離された液状水が貯留される。循環流路８２は、気液分離部９４で分離された燃料排ガスをエジェクタ７４（図１参照）に導く。

排水機構８４は、水導出路１００、排水路１０２、排水弁１０４、第１縮小流路部１０６及び第２縮小流路部１０８を有する。水導出路１００は、ドレン６４に連通してドレン６４内の滞留水を排出する。水導出路１００は、水導出孔１１０と接続流路１１２とを含む。水導出孔１１０は、インシュレータ２２ｂ及びエンドプレート２４ｂを積層方向に貫通している。水導出孔１１０は、ドレン６４に隣接している。接続流路１１２は、エンドプレート２４ｂと気液分離装置８０とを互いに接続する配管によって形成されている。接続流路１１２は、水導出孔１１０から導かれた滞留水を気液分離装置８０の貯水部９６に導く。

排水路１０２は、貯水部９６の底部に連結されている。排水路１０２は、貯水部９６に貯留された滞留水を含む液状水を外部に排出する。排水弁１０４は、排水路１０２に設けられている。排水弁１０４は、排水路１０２を開放及び閉塞する開閉弁である。

第１縮小流路部１０６は、第１ガス導出路７６の第１接続流路８８に設けられている。第１縮小流路部１０６は、第１接続流路８８の一部が縮径した第１絞り部１１４を有する。第１絞り部１１４の流路断面積は、第１燃料ガス排出連通孔４６ｂ１の流路断面積よりも小さい。

第１縮小流路部１０６は、第１接続流路８８ではなく第１導出孔８６に設けてもよい。すなわち、第１縮小流路部１０６は、インシュレータ２２ｂ又はエンドプレート２４ｂに設けてもよい。第１縮小流路部１０６は、第１燃料ガス排出連通孔４６ｂ１の流路断面積よりも小さい流路断面積を有する配管で第１接続流路８８を形成することにより、第１ガス導出路７６に設けてもよい。

第２縮小流路部１０８は、第２ガス導出路７８の第２接続流路９２に設けられている。第２縮小流路部１０８は、第２接続流路９２の一部が縮径した第２絞り部１１６を有する。第２絞り部１１６の流路断面積は、第２燃料ガス排出連通孔４６ｂ２の流路断面積よりも小さい。

第２縮小流路部１０８は、第２接続流路９２ではなく第２導出孔９０に設けてもよい。すなわち、第２縮小流路部１０８は、インシュレータ２２ｂ又はエンドプレート２４ｂに設けてもよい。第２縮小流路部１０８は、第２燃料ガス排出連通孔４６ｂ２の流路断面積よりも小さい流路断面積を有する配管で第２接続流路９２を形成することにより、第２ガス導出路７８に設けてもよい。

次に、燃料電池システム１０Ａの動作を説明する。

図１において、燃料ガスは、図示しない燃料ガスタンクから燃料ガス供給路７０に供給され、インジェクタ装置７２及びエジェクタ７４を介して燃料電池スタック１２の燃料ガス供給連通孔４６ａに供給される。図２において、燃料ガス供給連通孔４６ａに供給された燃料ガスは、各発電セル１６の燃料ガス流路４８に導入され、発電面４０に沿って流動することによりアノード電極３６に供給される。

一方、酸化剤ガスは、図示しない酸化剤ガス供給装置から燃料電池スタック１２の酸化剤ガス供給連通孔４２ａに供給される。酸化剤ガス供給連通孔４２ａに供給された酸化剤ガスは、各発電セル１６の酸化剤ガス流路５２に導入され、発電面４０に沿って流動することによりカソード電極３８に供給される。

従って、各ＭＥＡ２６ａでは、アノード電極３６に供給された燃料ガスとカソード電極３８に供給された酸化剤ガス中の酸素とが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。この際、カソード電極３８では生成水が発生する。この生成水は、電解質膜３４を浸透してアノード電極３６に到達する。

また、冷却媒体は、図示しない冷却媒体供給装置から燃料電池スタック１２の冷却媒体供給連通孔４４ａに供給される。冷却媒体は、冷却媒体流路５６に沿って流動し、発電セル１６を冷却した後、冷却媒体排出連通孔４４ｂに排出される。

カソード電極３８に供給されて一部が消費された酸化剤ガスは、生成水とともに酸化剤排ガス（反応排ガス）として酸化剤ガス排出連通孔４２ｂ（第１酸化剤ガス排出連通孔４２ｂ１及び第２酸化剤ガス排出連通孔４２ｂ２）に排出される。

アノード電極３６に供給されて一部が消費された燃料ガスは、生成水とともに燃料排ガス（反応排ガス）として燃料ガス排出連通孔４６ｂ（第１燃料ガス排出連通孔４６ｂ１及び第２燃料ガス排出連通孔４６ｂ２）に排出される。

図１において、第１燃料ガス排出連通孔４６ｂ１に導かれた燃料排ガスは、第１ガス導出路７６を介して気液分離部９４に導かれる。第２燃料ガス排出連通孔４６ｂ２に導かれた燃料排ガス（反応排ガス）は、第２ガス導出路７８を介して気液分離部９４に導かれる。気液分離部９４に導かれた燃料排ガスは、気液分離により水分が除去された後、循環流路８２よりエジェクタ７４のベンチュリ効果によって燃料ガス供給路７０に戻される。なお、気液分離部９４で分離された液状水は、貯水部９６に貯留される。

図３に示すように、このような燃料電池スタック１２において、燃料ガス排出連通孔４６ｂ内には、発電時に生成された生成水と凝縮水とが滞留水として存在している。そして、例えば、燃料電池システム１０Ａが図示しない燃料電池電気自動車に搭載されている場合、燃料電池スタック１２の一端（エンドプレート２４ａ側）が他端（エンドプレート２４ｂ側）よりも下方に位置するように傾斜することがある。

そうすると、第１燃料ガス排出連通孔４６ｂ１内の滞留水は、第１連結流路６０及び第２連結流路６２を介してドレン６４に導かれる。また、第２燃料ガス排出連通孔４６ｂ２内の滞留水は、第２連結流路６２を介してドレン６４に導かれる。この場合、水導出路１００がドレン６４よりも上方に位置することになるため、ドレン６４内の滞留水は、排出し難い状況である。

しかしながら、本実施形態では、第１縮小流路部１０６及び第２縮小流路部１０８によって燃料排ガスの気液分離部９４への流れが絞られているため、燃料ガス排出連通孔４６ｂ内の圧力が比較的高くなる。そのため、燃料電池スタック１２が図３のように傾斜した状況において、燃料電池スタック１２に供給される燃料ガスの供給量が比較的少ない場合であっても、ドレン６４内の滞留水は、燃料排ガスによって水導出路１００を介して貯水部９６まで円滑に押し流される。

この際、図４に示すように、排水弁１０４により排水路１０２を開放する（排水弁１０４を開弁する）と、貯水部９６内の圧力が低下するため、ドレン６４内の滞留水が貯水部９６に一層円滑に導かれる。そして、貯水部９６内の液状水（滞留水を含む）は、排水路１０２に排出される。そのため、滞留水によって燃料ガス排出連通孔４６ｂが閉塞することにより発電性能が低下したり、滞留水が燃料ガス排出連通孔４６ｂ内で凍結することにより燃料電池スタック１２が破損したりすることを効果的に抑えられる。

この場合、本実施形態に係る燃料電池システム１０Ａは、以下の効果を奏する。

燃料電池システム１０Ａにおいて、セル積層体１８には、第１燃料ガス排出連通孔４６ｂ１、第２燃料ガス排出連通孔４６ｂ２及びドレン６４が発電セル１６の積層方向に沿って貫通形成されている。また、燃料電池スタック１２には、第１燃料ガス排出連通孔４６ｂ１に連通して燃料排ガスを排出する第１ガス導出路７６と、第２燃料ガス排出連通孔４６ｂ２に連通して燃料排ガスを導出する第２ガス導出路７８とが設けられている。第１ガス導出路７６には、第１燃料ガス排出連通孔４６ｂ１の流路断面積よりも小さい流路断面積を有する第１縮小流路部１０６が設けられ、第２ガス導出路７８には、第２燃料ガス排出連通孔４６ｂ２の流路断面積よりも小さい流路断面積を有する第２縮小流路部１０８が設けられている。

このような構成によれば、第１縮小流路部１０６及び第２縮小流路部１０８によって燃料ガス排出連通孔４６ｂ内の燃料排ガスの圧力を高めることができるため、ドレン６４内の滞留水を燃料ガス排出連通孔４６ｂ内の燃料排ガスによって押し出すことができる。これにより、簡易な構成により、ドレン６４内の滞留水を円滑に排出することができる。

第１縮小流路部１０６は、第１ガス導出路７６の一部が縮径した第１絞り部１１４を有し、第２縮小流路部１０８は、第２ガス導出路７８の一部が縮径した第２絞り部１１６を有する。

このような構成によれば、簡易な構成により、燃料電池スタック１２から排出される燃料排ガスの流れを絞ることができる。

燃料電池システム１０Ａは、第１ガス導出路７６及び第２ガス導出路７８から導かれた燃料排ガスを気液分離する気液分離部９４と、気液分離部９４で分離された液状水を貯留する貯水部９６と、気液分離部９４で分離された燃料排ガスを燃料電池スタック１２に循環させるための循環流路８２と、ドレン６４から導かれた滞留水を貯水部９６に導く水導出路１００と、貯水部９６内に貯留された液状水及び滞留水を排出するための排水路１０２と、排水路１０２を開放及び閉塞する排水弁１０４とを備える。

このような構成によれば、燃料排ガスから気液分離された液状水と燃料ガス排出連通孔４６ｂ内に滞留していた滞留水とを一緒に排出することができる。また、排水弁１０４により排水路１０２を開放することにより、貯水部９６内の圧力を低下させることができるため、ドレン６４内の滞留水を一層円滑に排出することができる。

本実施形態は、上述した構成に限定されない。燃料ガス排出連通孔４６ｂは、３つ以上であってもよい。この場合、ガス導出路（第１ガス導出路７６等）及び縮小流路部（第１縮小流路部１０６等）は、燃料ガス排出連通孔４６ｂの数に対応した数だけそれぞれ設けられる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム１０Ｂについて説明する。燃料電池システム１０Ｂにおいて、上述した燃料電池システム１０Ａと同一の構成については同一の参照符号を付し、その説明については省略する。

図５に示すように、燃料電池システム１０Ｂでは、気液分離装置８０がエンドプレート２４ｂに直接連結している。そのため、燃料電池システム１０Ｂは、第１導出孔８６からなる第１ガス導出路７６ａと、第２導出孔９０からなる第２ガス導出路７８ａとを有する。また、燃料電池システム１０Ｂは、上述した排水機構８４に代えて排水機構１２０を備える。

排水機構１２０は、排水路１２２、排水弁１０４、水導出路１２４、第１縮小流路部１２６及び第２縮小流路部１２８を有する。

排水路１２２は、気液分離装置８０の貯水部９６内に設けられた第１排水路１３０と、貯水部９６の底部から延出した第２排水路１３２とを含む。具体的には、第１排水路１３０は、貯水部９６を構成する壁部によって形成されている。ただし、第１排水路１３０は、貯水部９６内に設けた配管によって形成されてもよい。第２排水路１３２は、貯水部９６内に貯留された水を外部に排出する。排水弁１０４は、第２排水路１３２に設けられている。排水弁１０４は、第２排水路１３２を開放及び閉塞する開閉弁である。

水導出路１２４は、水導出孔１１０と、水導出孔１１０から導かれた滞留水を第１排水路１３０に導く接続流路１３４とを含む。接続流路１３４は、貯水部９６内に設けられている。具体的には、接続流路１３４は、貯水部９６内に設けられた管状部材によって形成されている。ただし、接続流路１３４は、貯水部９６を構成する壁部によって形成されてもよい。接続流路１３４は、排水路１２２のうち排水弁１０４よりも上流側（第１排水路１３０）に合流している。

第１縮小流路部１２６は、第１排水路１３０に設けられている。第１縮小流路部１２６は、排水弁１０４によって第２排水路１３２が開放された際（排水弁１０４が開弁した際）に、ドレン６４内の滞留水が水導出路１２４を介して第１排水路１３０に導かれるような差圧を発生させる。第１縮小流路部１２６は、第１排水路１３０の一部が縮径した第１絞り部１３６を有する。第１絞り部１３６の流路断面積は、第１燃料ガス排出連通孔４６ｂ１（又は第２燃料ガス排出連通孔４６ｂ２）の流路断面積よりも小さい。

第１縮小流路部１２６は、第１燃料ガス排出連通孔４６ｂ１（第２燃料ガス排出連通孔４６ｂ２）の流路断面積よりも小さい流路断面積を有する配管で第１排水路１３０を形成することにより構成してもよい。

第２縮小流路部１２８は、接続流路１３４に設けられている。第２縮小流路部１２８は、接続流路１３４の一部が縮径した第２絞り部１３８を有する。第２絞り部１３８の流路断面積は、ドレン６４の流路断面積よりも小さい。

第２縮小流路部１２８は、ドレン６４の流路断面積よりも小さい流路断面積を有する配管で接続流路１３４を形成することにより構成してもよい。

第１絞り部１３６（第１縮小流路部１２６）の流路径Ｓ１と、第２絞り部１３８（第２縮小流路部１２８）の流路径Ｓ２と、排水弁１０４の流路径Ｓａ（排水弁１０４の開弁時の流路径）とは、排水弁１０４によって流体の流れが制限されないようにするために、Ｓａ＞（Ｓ１＋Ｓ２）になるように設定するのが好ましい。ただし、Ｓ１、Ｓ２及びＳａの大きさは、適宜設定可能である。

このような燃料電池システム１０Ｂでは、図６に示すように、排水弁１０４が開弁されると、排水路１２２のうち第１縮小流路部１２６よりも下流側と水導出路１２４のうち第２縮小流路部１２８よりも下流側との圧力が低下するため、燃料ガス排出連通孔４６ｂ内の燃料排ガスの圧力が相対的に高くなる（差圧が発生する）。この差圧によって、ドレン６４内の滞留水は、水導出路１２４を介して排水路１２２に排出される。

本実施形態において、燃料電池システム１０Ｂは、気液分離部９４により分離された液状水を排出するための排水路１２２と、排水弁１０４と、ドレン６４内の滞留水を排水路１２２のうち排水弁１０４よりも上流側に導く水導出路１２４とを備える。排水路１２２には、排水弁１０４によって排水路１２２が開放された際に、ドレン６４内の滞留水が水導出路１２４を介して排水路１２２に導かれるような差圧を発生させる第１縮小流路部１２６が設けられている。

このような構成によれば、排水弁１０４によって排水路１２２が開放された際に、第１縮小流路部１２６により差圧が発生するため、ドレン６４内の滞留水を排水路１２２に導くことができる。よって、簡易な構成によりドレン６４内の滞留水を円滑に排出することができる。また、図５のように、排水弁１０４により排水路１２２を閉塞した状態（排水弁１０４を閉弁した状態）で、燃料ガス排出連通孔４６ｂから気液分離部９４に導出された燃料排ガスは、第１縮小流路部１２６を通過しない。そのため、燃料排ガスを燃料電池スタック１２に効率的に循環させることができる。

第１縮小流路部１２６は、排水路１２２のうち水導出路１２４との合流部よりも上流側に設けられている。このような構成によれば、排水弁１０４の開弁時にドレン６４内の滞留水を排水路１２２に一層円滑に排出することができる。

水導出路１２４には、ドレン６４の流路断面積よりも小さい流路断面積を有する第２縮小流路部１２８が設けられている。

このような構成によれば、排水弁１０４の開弁時にドレン６４内の滞留水と一緒に排出される燃料排ガスの流量を抑えることができる。

第１縮小流路部１２６は、第１排水路１３０の一部を縮径した第１絞り部１３６を有し、第２縮小流路部１２８は、水導出路１２４の一部を縮径した第２絞り部１３８を有する。

このような構成によれば、第１縮小流路部１２６及び第２縮小流路部１２８を簡易な構成にすることができる。

第１縮小流路部１２６の流路径Ｓ１と、第２縮小流路部１２８の流路径Ｓ２と、排水弁１０４の流路径Ｓａとは、Ｓａ＞（Ｓ１＋Ｓ２）になるように設定されている。

このような構成によれば、排水弁１０４を流れる流体の流量によって第１縮小流路部１２６及び第２縮小流路部１２８のそれぞれを流れる流体の流量が制限されないため、ドレン６４内の滞留水をより円滑に排出することができる。

本実施形態において、第２縮小流路部１２８は、省略されてもよい。この場合であっても、ドレン６４内の滞留水を排水路１２２に円滑に排出することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る燃料電池システム１０Ｃについて説明する。燃料電池システム１０Ｃにおいて、上述した第２実施形態に係る燃料電池システム１０Ｂと同一の構成については同一の参照符号を付し、その説明については省略する。

図７に示すように、燃料電池システム１０Ｃは、排水機構１２０に代えて排水機構１４０が設けられている。排水機構１４０は、第１縮小流路部１２６に代えて縮小流路部１４２を備える。なお、排水機構１４０は、上述した第２縮小流路部１２８を有しない。縮小流路部１４２は、第１排水路１３０のうち接続流路１３４の合流部よりも下流側に設けられている。縮小流路部１４２は、第１排水路１３０の一部が縮径した絞り部１４４を有する。絞り部１４４の流路断面積は、第１燃料ガス排出連通孔４６ｂ１（又は第２燃料ガス排出連通孔４６ｂ２）の流路断面積よりも小さい。

縮小流路部１４２は、ベンチュリ効果によってドレン６４内の滞留水を第１排水路１３０に導くエジェクタとして機能する。つまり、接続流路１３４は、第１排水路１３０のうち縮小流路部１４２の上流側の近傍に合流する。

このような燃料電池システム１０Ｃでは、図８に示すように、排水弁１０４が開弁されると、気液分離部９４から排水路１２２に燃料排ガスが排出される。この際、絞り部１４４を流れる燃料排ガスの流速が増加するため、絞り部１４４の上流側に低い圧力が発生し、ドレン６４内の滞留水が水導出路１２４を介して第１排水路１３０に吸引される。そのため、ドレン６４内の滞留水が円滑に排出される。

本実施形態において、縮小流路部１４２は、ベンチュリ効果によってドレン６４内の滞留水を排水路１２２に導くエジェクタとして機能する。

このような構成によれば、簡易な構成によりドレン６４内の滞留水を円滑に排出することができる。また、排水弁１０４により排水路１２２を閉塞した状態で、燃料ガス排出連通孔４６ｂから気液分離部９４に導出された燃料排ガスは、縮小流路部１４２を通過しない。そのため、燃料排ガスを燃料電池スタック１２に効率的に循環させることができる。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改変が可能である。

燃料電池システム１０Ｂ、１０Ｃにおいて、燃料ガス排出連通孔４６ｂ及び酸化剤ガス排出連通孔４２ｂの数は、１つ又は３つ以上であってもよい。燃料電池システム１０Ａ〜１０Ｃは、酸化剤ガス排出連通孔４２ｂ内に存在する滞留水を排出する排水機構を備えてもよい。この場合、当該排水機構は、上述した排水機構８４、１２０、１４０と同様に構成することができる。

以上の実施形態をまとめると、以下のようになる。

上記の実施形態は、発電面（４０）に沿って反応ガスを流す反応ガス流路（４８、５２）が形成された発電セル（１６）が複数積層されたセル積層体（１８）を有する燃料電池スタック（１２）を備え、前記セル積層体には、前記反応ガス流路から導かれた反応排ガスを排出するための排出連通孔（４２ｂ、４６ｂ）と、前記排出連通孔に連通して前記排出連通孔内の滞留水を排出するためのドレン（６４、６６）と、が前記発電セルの積層方向に沿って貫通形成された燃料電池システム（１０Ａ〜１０Ｃ）であって、前記排出連通孔は、複数設けられ、前記燃料電池スタックには、複数の前記排出連通孔に連通して前記反応排ガスを導出する複数のガス導出路（７６、７８）が設けられ、前記複数のガス導出路のそれぞれには、複数の前記排出連通孔の流路断面積よりも小さい流路断面積を有する縮小流路部（１０６、１０８）が設けられている、燃料電池システムを開示している。

上記の燃料電池システムにおいて、前記縮小流路部は、前記複数のガス導出路のそれぞれの一部が縮径した絞り部（１１４、１１６）を有してもよい。

上記の燃料電池システムにおいて、前記複数のガス導出路から導かれた前記反応排ガスを気液分離する気液分離部（９４）と、前記気液分離部で分離された液状水を貯留する貯水部（９６）と、前記気液分離部で分離された反応排ガスを前記燃料電池スタックに循環させるための循環流路（８２）と、前記ドレンから導かれた前記滞留水を前記貯水部に導く水導出路（１００）と、前記貯水部内に貯留された前記液状水及び前記滞留水を排出するための排水路（１０２）と、前記排水路を開放及び閉塞する排水弁（１０４）と、を備えてもよい。

上記の実施形態は、発電面に沿って反応ガスを流す反応ガス流路が形成された発電セルが複数積層されたセル積層体を有する燃料電池スタックを備え、前記セル積層体には、前記反応ガス流路から導かれた反応排ガスを排出するための排出連通孔と、前記排出連通孔に連通して滞留水を排出するためのドレンと、が前記発電セルの積層方向に沿って貫通形成された燃料電池システムであって、前記排出連通孔から導かれた前記反応排ガスを気液分離する気液分離部と、前記気液分離部により分離された液状水を排出するための排水路（１２２）と、前記排水路を開放及び閉塞するための排水弁と、前記ドレン内の前記滞留水を前記排水路のうち前記排水弁よりも上流側に導く水導出路（１２４）と、を備え、前記排水路には、前記排水弁によって前記排水路が開放された際に、前記ドレン内の前記滞留水が前記水導出路を介して前記排水路に導かれるような差圧を発生させる縮小流路部（１２６、１４２）が設けられている、燃料電池システムを開示している。

上記の燃料電池システムにおいて、前記縮小流路部は、前記排水路のうち前記水導出路との合流部よりも上流側に設けられてもよい。

上記の燃料電池システムにおいて、前記縮小流路部は、第１縮小流路部（１２６）であり、前記水導出路には、前記ドレンの流路断面積よりも小さい流路断面積を有する第２縮小流路部（１２８）が設けられてもよい。

上記の燃料電池システムにおいて、前記第１縮小流路部は、前記排水路の一部を縮径した第１絞り部（１３６）を有し、前記第２縮小流路部は、前記水導出路の一部を縮径した第２絞り部（１３８）を有してもよい。

上記の燃料電池システムにおいて、前記第１縮小流路部の流路径Ｓ１と、前記第２縮小流路部の流路径Ｓ２と、前記排水弁の流路径Ｓａとは、Ｓａ＞（Ｓ１＋Ｓ２）になるように設定されてもよい。

上記の燃料電池システムにおいて、前記縮小流路部（１４２）は、ベンチュリ効果によって前記ドレン内の前記滞留水を前記排水路に導くエジェクタとして機能してもよい。

１０Ａ〜１０Ｃ…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
１６…発電セル １８…セル積層体
４０…発電面
４２ｂ…酸化剤ガス排出連通孔（排出連通孔）
４６ｂ…燃料ガス排出連通孔（排出連通孔）
４８…燃料ガス流路（反応ガス流路） ５２…酸化剤ガス流路（反応ガス流路）
６４、６６…ドレン ７６…第１ガス導出路（ガス導出路）
７８…第２ガス導出路（ガス導出路） ８２…循環流路
９４…気液分離部 ９６…貯水部
１００、１２４…水導出路 １０２…排水路
１０４…排水弁
１０６、１２６…第１縮小流路部（縮小流路部）
１０８、１２８…第２縮小流路部（縮小流路部）
１１４、１３６…第１絞り部（絞り部） １１６、１３８…第２絞り部（絞り部）
１４２…縮小流路部

Claims (9)

1. 発電面に沿って反応ガスを流す反応ガス流路が形成された発電セルが複数積層されたセル積層体を有する燃料電池スタックを備え、前記セル積層体には、前記反応ガス流路から導かれた反応排ガスを排出するための排出連通孔と、前記排出連通孔に連通して前記排出連通孔内の滞留水を排出するためのドレンと、が前記発電セルの積層方向に沿って貫通形成された燃料電池システムであって、
   前記排出連通孔は、複数設けられ、
   前記燃料電池スタックには、複数の前記排出連通孔に連通して前記反応排ガスを導出する複数のガス導出路が設けられ、
   前記複数のガス導出路のそれぞれには、複数の前記排出連通孔の流路断面積よりも小さい流路断面積を有する縮小流路部が設けられている、燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
   前記縮小流路部は、前記複数のガス導出路のそれぞれの一部が縮径した絞り部を有する、燃料電池システム。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池システムであって、
   前記複数のガス導出路から導かれた前記反応排ガスを気液分離する気液分離部と、
   前記気液分離部で分離された液状水を貯留する貯水部と、
   前記気液分離部で分離された反応排ガスを前記燃料電池スタックに循環させるための循環流路と、
   前記ドレンから導かれた前記滞留水を前記貯水部に導く水導出路と、
   前記貯水部内に貯留された前記液状水及び前記滞留水を排出するための排水路と、
   前記排水路を開放及び閉塞する排水弁と、を備える、燃料電池システム。
4. 発電面に沿って反応ガスを流す反応ガス流路が形成された発電セルが複数積層されたセル積層体を有する燃料電池スタックを備え、前記セル積層体には、前記反応ガス流路から導かれた反応排ガスを排出するための排出連通孔と、前記排出連通孔に連通して滞留水を排出するためのドレンと、が前記発電セルの積層方向に沿って貫通形成された燃料電池システムであって、
   前記排出連通孔から導かれた前記反応排ガスを気液分離する気液分離部と、
   前記気液分離部により分離された液状水を排出するための排水路と、
   前記排水路を開放及び閉塞するための排水弁と、
   前記ドレン内の前記滞留水を前記排水路のうち前記排水弁よりも上流側に導く水導出路と、を備え、
   前記排水路には、前記排水弁によって前記排水路が開放された際に、前記ドレン内の前記滞留水が前記水導出路を介して前記排水路に導かれるような差圧を発生させる縮小流路部が設けられている、燃料電池システム。
5. 請求項４記載の燃料電池システムであって、
   前記縮小流路部は、前記排水路のうち前記水導出路との合流部よりも上流側に設けられている、燃料電池システム。
6. 請求項５記載の燃料電池システムであって、
   前記縮小流路部は、第１縮小流路部であり、
   前記水導出路には、前記ドレンの流路断面積よりも小さい流路断面積を有する第２縮小流路部が設けられている、燃料電池システム。
7. 請求項６記載の燃料電池システムであって、
   前記第１縮小流路部は、前記排水路の一部を縮径した第１絞り部を有し、
   前記第２縮小流路部は、前記水導出路の一部を縮径した第２絞り部を有する、燃料電池システム。
8. 請求項６又は７に記載の燃料電池システムであって、
   前記第１縮小流路部の流路径Ｓ１と、前記第２縮小流路部の流路径Ｓ２と、前記排水弁の流路径Ｓａとは、Ｓａ＞（Ｓ１＋Ｓ２）になるように設定されている、燃料電池システム。
9. 請求項６記載の燃料電池システムであって、
   前記縮小流路部は、ベンチュリ効果によって前記ドレン内の前記滞留水を前記排水路に導くエジェクタとして機能する、燃料電池システム。
   

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