JPWO2010119658A1

JPWO2010119658A1 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JPWO2010119658A1
Application number: JP2011509206A
Authority: JP
Inventors: 孝直外村; 博則能登
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-04-15
Filing date: 2010-04-12
Publication date: 2012-10-22
Anticipated expiration: 2030-04-12
Also published as: CA2758869C; CN102396094A; CN102396094B; US8574788B2; WO2010119658A1; US20120040259A1; DE112010001631B4; JP5287981B2; CA2758869A1; DE112010001631T5

Abstract

燃料電池システム１０００であって、積層体１０の積層方向に伸び、一端が燃料電池スタック１００内に位置し、他端が燃料電池スタック外に位置するガス排出流路Ｍ２，２５２と、ガス排出流路Ｍ２，２５２よりも低い位置で、積層体１０の少なくとも一部を貫通する水排出流路Ｍ３，２５４と、を備え、ガス排出流路Ｍ２，２５２と水排出流路Ｍ３，２５４は、燃料電池スタック１００内で少なくとも一つの連通部Ｍｃｏを介して連通し、ガス排出流路Ｍ２，２５４は、連通部Ｍｃｏより下流側において周囲の流路よりも断面積の小さい狭小流路２５１を有し、水排出流路Ｍ３，２５４の下流側端部Ｒ１は、狭小流路２５１に接続されている。

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来、燃料電池の電極反応により生成した反応生成水や結露等により生じた水（以下、これらを単に「水」ともいう。）を連通孔（「マニホールド」ともいう。）内から取り除く為に、連通孔内に水を排出するための多孔質吸水管体を配置する技術が知られている（例えば、特許文献１）。

しかしながら、水の発生量によっては、多孔質吸水管体により水を十分に取り除く事が困難な場合があった。その結果、水により連通孔が縮小又は閉塞され易くなり、反応ガスの流れが妨げられて発電性能が低下する場合があった。

特開２００１−１１８５９６号公報特開２００５−１１６４９９号公報特開２００５−２５９４２２号公報特開２００６−１４７５０３号公報特開平１１−１１１３１６号公報

従って本発明は、水により連通孔が縮小又は閉塞することを低減する技術を提供することを目的とする。

本発明は、上記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、以下の形態または適用例として実現することができる。

［適用例１］膜電極接合体を、セパレータを介在させて複数積層した積層体と、前記複数積層した積層体を両側から挟む１対のエンドプレートと、を有する燃料電池スタックを備える燃料電池システムであって、反応ガスを排出するためのガス排出流路であって、前記積層体の積層方向に伸び、一端が前記燃料電池スタック内に位置し、他端が前記燃料電池スタック外に位置するガス排出流路と、前記燃料電池スタックの設置状態において前記ガス排出流路よりも低い位置に設けられ、前記積層体の少なくとも一部を貫通する水排出流路と、を備え、前記ガス排出流路と前記水排出流路は、前記燃料電池スタック内で少なくとも一つの連通部を介して連通し、前記ガス排出流路は、前記連通部より下流側において周囲の流路よりも断面積の小さい狭小流路を有し、前記水排出流路の下流側端部は、前記狭小流路に接続されている、燃料電池システム。
適用例１に記載の燃料電池システムによれば、反応ガスが狭小流路を通過すると、狭小流路中を流れる反応ガスの圧力は、狭小流路以外のガス排出流路を流れる反応ガスの圧力よりも低くなる。この結果、水排出流路内の水が狭小流路に吸引され、この水を効率良く下流側へ導くことができる。また、ガス排出流路に連通した水排出流路がガス排出流路よりも低い位置に配置されていることから、ガス排出流路内の水の一部は、連通部を通って水排出流路へと流入する。よって、水により燃料電池スタック内に位置するガス排出流路が縮小又は閉塞することを低減することができる。

［適用例２］適用例１に記載の燃料電池システムであって、前記狭小流路は、前記燃料電池スタック外に位置する前記ガス排出流路に形成されている、燃料電池システム。
適用例２に記載の燃料電池システムは、燃料電池スタック外に位置するガス排出流路に狭小流路が形成され、その狭小流路に水排出流路の下流側端部が接続されている。よって、連通部を介して水排出流路に流入した水は効率良く燃料電池スタック外へと導かれ、水による燃料電池スタック内に位置するガス排出流路の縮小又は閉塞をより低減することができる。

［適用例３］適用例２に記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池スタック外に位置する前記ガス排出流路は、流路断面積を可変できる流路断面可変機構を有し、前記狭小流路は、前記流路断面可変機構により形成されている、燃料電池システム。
適用例３に記載の燃料電池システムによれば、流路断面可変機構により、狭小流路を容易に形成させることができる。

［適用例４］適用例１に記載の燃料電池システムであって、前記狭小流路は、前記燃料電池スタック内に位置する前記ガス排出流路に形成されている、燃料電池システム。
適用例４に記載の燃料電池システムによれば、さらに、水排出流路を燃料電池スタック外まで伸ばす必要がないため、コストを低減することができる。

［適用例５］適用例４に記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池スタックは、前記積層体の積層方向について、前記複数積層した積層体と前記１対のエンドプレートとの間にそれぞれ配置される１対のターミナルプレートと、前記１対のターミナルプレートと前記１対のターミナルプレートよりも外側に位置する前記１対のエンドプレートとの間にそれぞれ配置される１対のインシュレータと、を有し、前記複数積層した積層体の両側に位置する前記１対のエンドプレート、前記１対のターミナルプレート、及び、前記１対のインシュレータのうち、前記水排出流路中を流れる前記反応ガスの流れ方向について下流側に位置する、下流側エンドプレート、下流側ターミナルプレート、及び、下流側インシュレータの少なくともいずれか１つに前記狭小流路は形成されている、燃料電池システム。
適用例５に記載の燃料電池システムによれば、燃料電池スタックのうち、水排出流路中を流れる前記反応ガスの流れ方向について複数積層した積層体よりも下流側に位置する部分に狭小流路を形成することで、水排出流路の水を燃料電池スタック外にスムーズに導くことができる。

［適用例６］適用例５に記載の燃料電池システムであって、前記下流側インシュレータは樹脂により成形され、前記狭小流路は、前記下流側インシュレータに形成されている、燃料電池システム。
適用例６に記載の燃料電池システムによれば、狭小流路を容易に形成することができる。例えば、狭小流路が形成できるような型を用いて樹脂を射出成形することで、狭小流路を有する下流側インシュレータを容易に成形することができる。

［適用例７］適用例１乃至適用例６のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池スタック内において、前記水排出流路の流路断面積は前記ガス排出流路の流路断面積よりも小さい、燃料電池システム。
適用例７に記載の燃料電池システムによれば、前記水排出流路の流路断面積は、前記ガス排出流路の流路断面積よりも小さいことから、水により水排出流路内の反応ガスの流れが遮断されやすくなる。反応ガスの流れが遮断されると、水排出流路内において水の上流側よりも狭小流路に接続された下流側の反応ガスの圧力の方が低いために、差圧により水をよりスムーズに下流側へと移動させることができる。

［適用例８］適用例１乃至適用例７のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、前記連通部は、少なくとも前記ガス排出流路と前記水排出流路の上流側端部を連通するように形成されている、燃料電池システム。
適用例８に記載の燃料電池システムによれば、ガス排出流路と水排出流路の上流側端部に水が存在している場合であっても、連通部を介して水を水排出流路にスムーズに流入させることができる。また、燃料電池スタックが傾斜し、燃料電池スタック内のガス排出流路の一端側（ガス上流側）が他端側（ガス下流側）よりも低くなった場合であっても、水は連通部を介して水排出流路へ流入する。これにより、水による燃料電池スタック内に位置するガス排出流路の縮小又は閉塞を低減することができる。

［適用例９］適用例１乃至適用例７のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、前記連通部は１つであり、前記連通部は前記排出ガス流路と前記水排出流路の上流側端部とを連通するように形成されている、燃料電池システム。
適用例９に記載の燃料電池システムによれば、水排出流路は上流側端部から狭小流路に接続されている下流側端部までの間において、排出ガス流路と連通していない。これにより、水排出流路中を上流側から下流側に向かって流れる水の進行を、排出ガス流路を流れるガスにより阻害される可能性が低減される。よって、連通部が水排出流路の上流側端部から下流側端部までの間に複数形成されている場合に比べ、水排出流路の水をよりスムーズに下流側へと移動させるができる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システム、燃料電池システムを搭載した車両（移動体）等の態様で実現することができる。

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。積層体１０の概略構成を示す説明図である。シール一体型膜電極接合体６０の構成を説明するための図である。アノードプレート４２の構成を説明するための図である。カソードプレート４６の構成を説明するための図である。中間プレート４４の構成を説明するための図である。連通部Ｍｃｏを形成するアノードプレート４２ｅの構成を説明するための図である。連通部Ｍｃｏを形成するカソードプレート４６ｅの構成を説明するための図である。連通部Ｍｃｏを形成する中間プレート４４ｅの構成を説明するための図である。燃料電池スタック１００の部分断面図である。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。狭小流路２５１ａ付近を示す部分断面図である。アノードプレート４２ｆの構成を説明するための図である。カソードプレート４６ｆの構成を説明するための図である。中間プレート４４ｆの構成を説明するための図である。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。バルブ２５６付近を説明するための図である。本発明の第４実施例としての燃料電池システム１０００ｃの概略構成を示す説明図である。図１８の燃料電池スタック１００ｃが傾斜した状態を示す図である。第２変形例及び第３変形例を説明するための図である。

次に、本発明の実施の形態を以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．第４実施例：
Ｅ．変形例：

Ａ．第１実施例：
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、例えば車両に搭載され、車両の動力源として使用することができる。燃料電池システム１０００は、主に燃料電池スタック１００と燃料ガス供給部としての水素タンク２１０と、酸化ガス供給部としてのエアポンプ２３４と、冷却媒体供給部としてのラジエータ５５０及びポンプ５４０と、を備えている。燃料電池システム１０００は、さらに、反応ガス（燃料ガスと酸化ガス）や冷却媒体を燃料電池スタック１００へ供給するための配管２０４，２３６，５７０と、燃料電池スタック１００から反応ガスや水や冷却媒体を排出するための配管２４２、２５２，２５４，５７１と、を備えている。

本実施例の燃料電池スタック１００は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池を採用している。燃料電池スタック１００は、複数の積層体１０と、エンドプレートＥＰと、テンションプレートＴＳと、インシュレータＩＳと、ターミナルプレートＴＭと、を備えている。複数の積層体１０は、膜電極接合体及びシールガスケットを一体的に備えるユニットと、セパレータによって構成されている。この積層体１０の詳細構造は後述する。複数の積層体１０は、インシュレータＩＳ及びターミナルプレートＴＭを挟んで、２枚のエンドプレートＥＰによって挟持される。すなわち、複数の積層体の両側を１対のターミナルプレートＴＭと、１対のインシュレータＩＳと、１対のエンドプレートＥＰとが、積層体１０の積層方向について内側から外側に向かってこの順番で配置されている。また、テンションプレートＴＳがボルトＢＴによって各エンドプレートＥＰに結合されている。

ターミナルプレートＴＭは、後述する積層体１０の発電部で発生した電気を図示しない出力端子から取り出す集電板である。ターミナルプレートＴＭは、種々の導電性部材を用いて形成することができる。本実施例では、ターミナルプレートＴＭは板状の銅製部材を用いている。インシュレータＩＳは、ターミナルプレートＴＭとエンドプレートＥＰとを絶縁するための部材である。インシュレータＩＳは、種々の絶縁性部材を用いて形成することができる。本実施例では、板状に射出成形されたガラスエポキシ樹脂を用いている。エンドプレートＥＰは、複数の積層体１０を積層方向の両端から加圧するための部材である。エンドプレートＥＰは、耐食性、剛性を備えた種々の金属部材で形成することができる。本実施例では、エンドプレートＥＰは板状のステンレス鋼を用いている。

また、燃料電池スタック１００の内部には、積層体１０の積層方向に沿って形成された複数のマニホールドＭ１〜Ｍ７（砂地のハッチングで示す）を備えている。マニホールドＭ１は燃料ガスとしての水素ガスを供給するための燃料ガス供給マニホールドであり、マニホールドＭ２は、水素ガスを排出するための燃料ガス排出マニホールドである。マニホールドＭ３は、反応生成水や結露等により生じた水を排出するための水排出マニホールドである。水排出マニホールドＭ３は、燃料電池スタック１００が車両等へ設置された状態において、燃料ガス排出マニホールドＭ２よりも低い位置に形成されている。マニホールドＭ４は、酸化ガスとしての空気を供給するための酸化ガス供給マニホールドであり、マニホールドＭ５は、空気を排出するための酸化ガス排出マニホールドである。マニホールドＭ６は、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給マニホールドであり、マニホールドＭ７は、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出マニホールドである。

燃料ガス供給マニホールドＭ１には、高圧水素を貯蔵した水素タンク２１０から水素ガスが燃料ガス供給配管２０４を介して供給される。燃料ガス供給配管２０４には、水素ガスの供給を調整するためのバルブ２２０が配置されている。燃料電池スタック１００の内部に供給された水素ガスは、後述する燃料電池スタック１００の膜電極接合体のアノードに供給され、電気化学反応による発電に供される。なお、水素タンク２１０の代わりに、アルコール、炭化水素などを原料とする改質反応によって水素ガスを生成してもよい。

燃料ガス排出マニホールドＭ２には、燃料ガス排出配管２５２が接続されており、アノードから排出された水素ガスが、燃料ガス排出マニホールドＭ２及び燃料ガス排出配管２５２を介して大気中へ放出される。また、燃料ガス排出配管２５２には、周囲の流路よりも流路断面積の小さい狭小流路２５１が設けられている。本実施例の狭小流路２５１はベンチュリー形状を有している。なお、水素ガスをスムーズに排出するために、燃料ガス排出マニホールドＭ２及び燃料ガス排出配管２５２の流路断面積は、狭小流路２５１を除いて略一定であることが好ましい。

水排出マニホールドＭ３には、水排出配管２５４が接続されており、水排出配管２５４の一端側Ｒ１（「下流側端部Ｒ１」とも言う。）は狭小流路２５１に接続されている。また、連通部Ｍｃｏは、燃料ガス排出マニホールドＭ２と水排出マニホールドＭ３の上流側端部を連通させている。なお、燃料ガス排出マニホールドＭ２と燃料ガス排出配管２５２が請求項に記載のガス排出流路に相当し、水排出マニホールドＭ３と水排出配管２５４が請求項に記載の水排出流路に相当する。上流側及び下流側は、対象とする流路中を流れる流体（燃料ガスや空気や水）の流れ方向を基準にしている。

酸化ガス供給マニホールドＭ４には、エアポンプ２３４から酸化ガス供給配管２３６を介して空気が供給される。酸化ガス供給マニホールドＭ４を介して燃料電池スタック１００の内部に供給された空気は、後述する燃料電池スタック１００の膜電極接合体のカソードに供給され、電気化学反応による発電に供される。

酸化ガス排出マニホールドＭ５には、酸化ガス排出配管２４２が接続されており、カソードから排出された空気が、酸化ガス排出マニホールドＭ５及び酸化ガス排出配管２４２を介して大気中へと放出される。なお、空気をスムーズに排出するために、酸化ガス排出マニホールドＭ５及び酸化ガス排出配管２４２の流路断面積は、略一定であることが好ましい。

冷却媒体供給マニホールドＭ６には、ラジエータ５５０から冷却媒体供給配管５７０を介して、冷却媒体としての冷却水が燃料電池スタック１００に供給される。なお、冷却媒体としては、水だけでなく、エチレングリコール等の不凍液や空気等を用いることができる。

冷却媒体排出マニホールドＭ７には、冷却媒体排出配管５７１が接続されており、燃料電池スタック１００の内部を通過した冷却水が、冷却媒体排出マニホールドＭ７及び冷却媒体排出配管５７１を介して、ラジエータ５５０に送られ、再び燃料電池スタック１００に供給される。冷却媒体排出配管５７１には循環のための循環ポンプ５４０が設置されている。

このように、水排出マニホールドＭ３が連通部Ｍｃｏを介して燃料ガス排出マニホールドＭ２と連通しているので、燃料ガス排出マニホールドＭ２内の水の一部は、連通部Ｍｃｏを介して水排出マニホールドＭ３に流入する。従って、水により燃料ガス排出マニホールドＭ２が縮小又は閉塞することを低減することができる。また、狭小流路２５１内では周囲の燃料ガス排出配管２５２内よりも圧力が低下する。すなわち、狭小流路２５１内の圧力は、燃料電池スタック１００の上流側に位置する連通部Ｍｃｏ近傍の圧力よりも低くなる。従って、水排出マニホールドＭ３内及び水排出配管２５４内の水が、狭小流路２５１を介して狭小流路２５１に導かれ、効率良く燃料電池スタック１００外へ排出される。なお、連通部Ｍｃｏは必ずしも燃料ガス排出マニホールドＭ２と水排出マニホールドＭ３の上流側端部を連通するように形成させる必要はなく、燃料ガス排出マニホールドＭ２と水排出マニホールドＭ３の任意の位置を連通させるように燃料電池スタック１００内の任意の位置に形成させることができる。また、連通部Ｍｃｏは複数個形成させても良い。複数個の連通部Ｍｃｏを形成することで、燃料ガス排出マニホールドＭ２内の水がより水排出マニホールドＭ３へと流入し、水による燃料ガス排出マニホールドＭ２の縮小又は閉塞をより低減することができる。

図２は、積層体１０の概略構成を示す説明図である。積層体１０は、シール一体型膜電極接合体６０とその両側に配置されたセパレータ４０によって構成されている。シール一体型膜電極接合体６０は、膜電極接合体５０と、膜電極接合体５０の両面に形成されたガス流路体５６，５８と、膜電極接合体５０及びガス流路体５６，５８の外周を囲んで形成されているシールガスケット６２と、を備えている。ここで、膜電極接合体５０及びガス流路体５６，５８からなる部材をＭＥＧＡ５９（ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＧａｓＤｉｆｆｕｓｉｏｎＬａｙｅｒＡｓｓｅｍｂｌｙ）と呼ぶ。

膜電極接合体５０は、電解質膜５１と、電解質膜５１の両面に形成されたアノード電極層５２と、カソード電極層５４と、を備えている。電解質膜５１は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質で形成されている。このような電解質としては、例えばナフィオン（デュポン社の登録商標）を用いることができる。２つの電極層５２，５４は、ガス透過性を有するとともに導電性の良好な材料（例えば、カーボンペーパー）で形成され、供給された反応ガス（水素ガス又は空気）を電解質膜５１の面全体に行き渡らせるためのガス拡散層の役割を担う。また、２つの電極層５２，５４と電解質膜５１との間には、電極反応を促進するための触媒が担持された触媒層（図示せず）が形成されている。触媒としては、例えば白金（Ｐｔ）を採用することができる。カソードガス流路体５６及びアノードガス流路体５８は、２つの電極層５２，５４全体に反応ガスを行き渡らせるためのガス流路の機能を有する。ガス流路体５６，５８は、カーボンや焼結金属などの導電性を有する材料で形成される。

シールガスケット６２は、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴムなどの弾性を有する絶縁性樹脂材料からなり、ＭＥＧＡ５９の外周に射出成形されることで形成される。また、シールガスケット６２の厚み方向に突起部が形成されており、この突起部は、シールガスケット６２を挟むセパレータ４０に接することで、積層方向の所定の締結力を受け変形する。その結果、突起部は、マニホールドＭ１〜Ｍ７を流れる流体（反応ガスや冷却水や水）の漏れを抑制するシールラインＳＬを形成する。図２では、マニホールドＭ１，Ｍ２，Ｍ３を流れる水素ガスや水をシールラインＳＬによりシールしている図を示している。

セパレータ４０は、３つの金属製の薄板を積層することで形成されている。金属製の薄板としては、例えば、チタン、チタン合金、ステンレス鋼等の金属材料を用いることができる。セパレータ４０は、具体的には、アノードガス流路体５８と接するアノードプレート４２と、カソードガス流路体５６と接するカソードプレート４６と、両プレートの中間に挟まれ、主に冷却水の流路となる中間プレート４４とを備えている。なお、各プレート４２，４４，４６の詳細構造については後述する。

図３は、シール一体型膜電極接合体６０の構成を説明するための図である。図３はシール一体型膜電極接合体６０を積層体１０の積層方向から見た図であり、アノード側の面を示している。燃料電池スタック１００の車両等の移動体への設置状態では、図３における上下方向が鉛直方向となり、下方向が鉛直下方向となる。なお、シール一体型膜電極接合体６０のカソード側の面は、アノード側の面と同様の構成あるため図示は省略する。

シール一体型膜電極接合体６０は外形が略長方形の部材であり、中央には発電部２１が設けられている。発電部２１の外周に設けられたシールガスケット６２は、複数の貫通孔Ｈ１ａ〜Ｈ７ａを備えている。これらの貫通孔Ｈ１ａ〜Ｈ７ａは、積層体１０として積層した際に、マニホールドＭ１〜Ｍ７（図１）の一部を構成する。貫通孔Ｈ１ａには、燃料ガス供給配管２０４を介して供給された水素ガスが通過し、貫通孔Ｈ２ａには、アノードから排出された水素ガスが通過する。貫通孔Ｈ３ａには、水排出マニホールドＭ３内に流入してきた水ＧＷが通過する。貫通孔Ｈ４ａには、エアポンプ２３４から酸化ガス供給配管２３６を介して供給された空気が通過し、貫通孔Ｈ５ａには、カソードから排出された空気が通過する。貫通孔Ｈ６ａには、ラジエータ５５０から冷却媒体供給配管５７０を介して供給された冷却水が通過し、貫通孔Ｈ７ａには、冷却に供された冷却水が通過する。

シールガスケット６２において、貫通孔Ｈ１ａは左上に形成され、貫通孔Ｈ２ａは右下に形成されている。また、貫通孔Ｈ３ａは貫通孔Ｈ２ａよりも下の位置に形成されている。言い換えれば、シール一体型膜電極接合体６０が燃料電池スタック１００として車両等に搭載された場合には、貫通孔Ｈ３ａは貫通孔Ｈ２ａよりも低い位置に配置される。さらに、貫通孔Ｈ３ａの開口面積は、貫通孔Ｈ２ａの開口面積よりも小さい構成となっている。貫通孔Ｈ４ａは、シールガスケット６２の上辺に沿って形成され、貫通孔Ｈ５ａはシールガスケット６２の下辺に沿って形成されている。貫通孔Ｈ６ａは、シールガスケット６２の左辺に沿って形成され、貫通孔Ｈ７ａはシールガスケット６２の右辺に沿って形成されている。なお、貫通孔Ｈ１ａ〜Ｈ７ａの形状及び配置はこれに限定されるものではなく、他の形状・配置であっても良い。但し、貫通孔Ｈ３ａは貫通孔Ｈ２ａよりも下に形成されていることが好ましい。

図４は、アノードプレート４２の構成を説明するための図である。図４には燃料電池スタック１００を構成した際に、シール一体型膜電極接合体６０の発電部２１と重なる発電領域２１ａと、シールガスケット６２のシールラインＳＬと接する接触部位Ｓａとを破線で示している。アノードプレート４２の外形は、シール一体型膜電極接合体６０の外形と略同一形状の長方形である。アノードプレート４２は、貫通孔Ｈ１ｂ〜Ｈ７ｂを備えている。貫通孔Ｈ１ｂ〜Ｈ７ｂは、シール一体型膜電極接合体６０に形成された貫通孔Ｈ１ａ〜Ｈ７ａと略同一形状及び略同一開口面積であり、また、燃料電池スタック１００を構成した際に、マニホールドＭ１〜Ｍ７を形成するように配置されている。アノードプレート４２はさらに、水素ガス流入孔Ｐ１と水素ガス流出孔Ｐ２とを備えている。水素ガス流入孔Ｐ１は、貫通孔Ｈ１ｂの近傍であって、発電領域２１ａ内に複数形成されている。水素ガス流出孔Ｐ２は、貫通孔Ｈ２ｂの近傍であって、発電領域２１ａ内に複数形成されている。水素ガス流入孔Ｐ１及び水素ガス流出孔Ｐ２を介して、シール一体型膜電極接合体６０のアノードへの水素ガスの供給や、アノードを通過した水素ガスの排出が行われる。

図５は、カソードプレート４６の構成を説明するための図である。図５には、図４と同様に、発電領域２１ａや接触部位Ｓａを破線で示している。カソードプレート４６の外形は、シール一体型膜電極接合体６０と略同一形状の長方形である。カソードプレート４６は、貫通孔Ｈ１ｃ〜Ｈ７ｃを備えている。貫通孔Ｈ１ｃ〜Ｈ７ｃは、シール一体型膜電極接合体６０に形成された貫通孔Ｈ１ａ〜Ｈ７ａと略同一形状及び略同一開口面積であり、また、燃料電池スタック１００を構成した際に、マニホールドＭ１〜Ｍ７を形成するように配置されている。カソードプレート４６はさらに、空気流入孔Ｐ３と空気流出孔Ｐ４とを備えている。空気流入孔Ｐ３は、貫通孔Ｈ４ｃの近傍であって、発電領域２１ａ内に形成されている。空気流出孔Ｐ４は、貫通孔Ｈ５ｃの近傍であって、発電領域２１ａ内に形成されている。空気流入孔Ｐ３及び空気流出孔Ｐ４を介して、シール一体型膜電極接合体６０のカソードへの空気の供給や、カソードを通過した空気の排出が行われる。

図６は、中間プレート４４の構成を説明するための図である。図６には、図４及び図５と同様に発電領域２１ａを破線で示している。中間プレートの外形は、シール一体型膜電極接合体６０と略同一形状の長方形である。また、中間プレート４４は、貫通孔Ｈ１ｄ〜Ｈ５ｄを備えている。貫通孔Ｈ１ｄ〜Ｈ５ｄは、シール一体型膜電極接合体６０に形成された貫通孔Ｈ１ａ〜Ｈ５ａと略同一形状及び略同一開口面積であり、また、燃料電池スタック１００を構成した際に、マニホールドＭ１〜Ｍ５を形成するように配置されている。また、中間プレート４４は、連通孔Ｑ１〜Ｑ４を備えている。連通孔Ｑ１〜Ｑ４の一端はそれぞれ貫通孔Ｈ１ｄ〜Ｈ５ｄと連通し、他端は、セパレータ４０を構成した際に水素ガス流入孔Ｐ１、水素ガス流出孔Ｐ２、空気流入孔Ｐ３、空気流出孔Ｐ４と連通するように構成されている。さらに、中間プレート４４は、左右に伸びる複数の貫通孔ＷＰを備えている。貫通孔ＷＰは、他のプレート４２，４６に挟持された際に、２つのプレート４２，４６に備えられた貫通孔Ｈ６ｂ，Ｈ７ｂ，Ｈ６ｃ，Ｈ７ｃと連通するように形成されている。従って、燃料電池スタック１００の外部から冷却媒体供給マニホールドＭ６に供給された冷却水は、貫通孔Ｈ６ｄを積層体１０の積層方向に通過する際に一部が分岐して、図６の矢印が示すように中間プレート４４を通過して発電によって生じた熱を伴って冷却媒体排出マニホールドＭ７へと至る。

図７〜図９は、連通部Ｍｃｏを形成する各プレート４２ｅ，４４ｅ，４６ｅの構成を説明するための図である。上述した各プレート４２，４４，４６との違いは、連通孔Ｉｂ，Ｉｃ，Ｉｄを設けた点であり、その他の構成は各プレート４２，４４，４６の構成と同一であることから同一符号を付すと共に説明は省略する。連通孔Ｉｂ（図７）の一端は貫通孔Ｈ２ｂに接続され、他端は貫通孔Ｈ３ｂに接続されている。連通孔Ｉｃ（図８）の一端は貫通孔Ｈ２ｃに接続され、他端は貫通孔Ｈ３ｃに接続されている。連通孔Ｉｄ（図９）の一端は貫通孔Ｈ２ｄに接続され、他端は貫通孔Ｈ３ｄに接続されている。各プレート４２ｅ，４４ｅ，４６ｅを積層することで、連通孔Ｉｂ，Ｉｃ，Ｉｄが連通部Ｍｃｏを形成し、燃料ガス排出マニホールドＭ２と水排出マニホールドＭ３を連通させる。この連通部Ｍｃｏが設けられたセパレータを連通部形成用セパレータ４０ｅと呼ぶものとする。

図１０は、燃料電池スタック１００の部分断面図である。図１０は、シール一体型膜電極接合体６０及びセパレータ４０，４０ｅを積層し、燃料電池スタック１００を作製した場合において、図３のＡ−Ａ断面に相当する断面を示している。また、ここでは説明の容易のために一部を省略して示している。

燃料ガス供給マニホールドＭ１に供給された水素ガスの一部は、連通孔Ｑ１と水素ガス流入孔Ｐ１を通りアノードガス流路体５８へと至る。一方、アノードから排出された水素ガスは水素ガス流出孔Ｐ２と連通孔Ｑ２を通り燃料ガス排出マニホールドＭ２へと至り、燃料ガス排出配管２５２（図１）を介して大気中へ放出される。また、アノードから排出された水素ガスの一部は、連通部Ｍｃｏを介して水排出マニホールドＭ３に流入する。さらに、燃料ガス排出マニホールドＭ２内の水ＧＷの一部は連通部Ｍｃｏを介して水排出マニホールドＭ３へと流入する。

このように、水排出マニホールドＭ３が連通部Ｍｃｏを介して燃料ガス排出マニホールドＭ２と連通しているので、燃料ガス排出マニホールドＭ２内の水ＧＷの一部は、連通部Ｍｃｏを介して水排出マニホールドＭ３に流入する。よって、水ＧＷにより燃料ガス排出マニホールドＭ２が縮小又は閉塞することを低減することができる。また、水排出マニホールドＭ３の下流側端部Ｒ１は、狭小流路２５１に接続されているので（図１）、水排出マニホールドＭ３に流入した水ＧＷを、効率良く燃料電池スタック１００外へ排出することができる。特に、本実施例では、連通部Ｍｃｏは１つのみであり、連通部Ｍｃｏは燃料ガス排出マニホールドＭ２の上流側端部と水排出マニホールドＭ３の上流側端部とを連通させている。すなわち、水排出マニホールドＭ３と水排出配管２５４とにより構成される水排出流路は、上流側端部と狭小流路２５１以外の部分においては、燃料ガス排出マニホールドＭ２と燃料ガス排出配管２５２とにより構成されるガス排出流路と連通していない。これにより、水排出マニホールドＭ３の上流側から下流側へ向かって流れる水の進行を、アノードから排出された水素ガス（「水素排ガス」ともいう。）により阻害される可能性を低減できる。よって、水排出マニホールドＭ３内の水をスムーズに狭小流路２５１まで導くことができる。

さらに、貫通孔Ｈ３ａ，Ｈ３ｂ，Ｈ３ｃ，Ｈ３ｄ（図３〜図６）の開口面積は、貫通孔Ｈ２ａ，Ｈ２ｂ，Ｈ２ｃ，Ｈ２ｄの開口面積よりも小さいので、各部材４０，４０ｅ，６０を積層して形成した場合の、積層体１０の積層方向に伸びる水排出マニホールドＭ３の流路断面積は、燃料ガス排出マニホールドＭ２の流路断面積よりも小さい。よって、水排出マニホールドＭ３に流入した水ＧＷにより、水排出マニホールドＭ３の流路が遮断しやすくなる。すなわち、水排出マニホールドＭ３内の水ＧＷが水柱状になりやすい。水排出マニホールドＭ３の流路が遮断した場合は、水ＧＷを挟む上流側流路と下流側流路の圧力差により、水ＧＷを燃料電池スタック１００外へとよりスムーズに排出することができる。特に、本実施例では、水排出マニホールドＭ３と燃料ガス排出マニホールドＭ２とを連通させる連通部Ｍｃｏが１つしかないため、水ＧＷを挟む上流側流路と下流側流路の圧力の大小関係を一定に維持することができる。すなわち、水排出マニホールドＭ３を上流側から下流側へと水ＧＷが進行している場合において、水ＧＷより下流側に位置する水排出マニホールドＭ３の流路内に燃料ガス排出マニホールドＭ２からの水素排ガスが流入することが無い。このため、水ＧＷを挟む下流側流路の圧力が上流側流路の圧力よりも低い状態を維持し、圧力差により水ＧＷをスムーズに狭小流路２５１まで導くことができる。なお、水ＧＷをスムーズに燃料電池スタック１００外へ排出させるために、水排出マニホールドＭ３及び水排出配管２５４の流路面には撥水処理を施すことが好ましい。なお、燃料ガス排出マニホールドＭ２に存在する水ＧＷについても、燃料ガス排出マニホールドＭ２を通って狭小流路２５１に向かって吸引され、燃料電池スタック１００の外部へと排出される。

Ｂ．第２実施例：
図１１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。第１実施例との違いは、狭小流路２５１ａが、燃料電池スタック１００ａ内に設けられた燃料ガス排出マニホールドＭ２ａの途中に形成されている点である。また、水排出マニホールドＭ３ａの下流側端部Ｒ１が狭小流路２５１ａに接続されている関係により、水排出配管２５４（図１）は備えていない。その他の構成については、第１実施例と同様の構成であるため、同様の構成については、同一符号で示すと共に説明を省略する。また、図１１では、説明の容易のために積層体１０ａを示した縦線は省略している。水排出マニホールドＭ３ａの下流側端部Ｒ１は、後述するセパレータに設けられた接続路により形成されている。これにより、連通部Ｍｃｏを介して水排出マニホールドＭ３ａに流入した水は、効率良く連通部Ｍｃｏよりも下流側に導かれる。また、水排出配管２５４を設ける必要がなく、コストを低減することができる。なお、狭小流路２５１ａの形成位置は連通部Ｍｃｏよりも下流側であれば特に限定されないが、積層体１０ａの積層方向の長さをＬとすると、燃料ガス排出マニホールドＭ２ａの下流側端部からＬ／３の範囲内であることが好ましい。さらに、狭小流路２５１ａは、燃料ガス排出マニホールドＭ２ａの内、燃料ガス排出配管２５２が接続されている側（すなわち、下流側）のターミナルプレートＴＭ、インシュレータＩＳ、エンドプレートＥＰのいずれかの範囲内に形成することがさらに好ましい。これにより水排出マニホールドＭ３ａに流入した水を、燃料電池スタック１００ａ外へとスムーズに導くことができるからである。

図１２は、狭小流路２５１ａ付近を示す部分断面図である。なお、図１２は、第１実施例の図３のＡ−Ａ断面に相当する断面を示している。狭小流路用セパレータ４０ｆは、他のセパレータ４０を構成する板よりも厚みの大きい３つの金属製の板４２ｆ、４４ｆ、４６ｆを積層することで形成されている。狭小流路用セパレータ４０ｆは、狭小流路２５１ａと接続路Ｒ１とを備えている。狭小流路用セパレータ４０ｆを構成するアノードプレート４２ｆは、水排出マニホールドＭ３ａが一端を形成するように、水排出マニホールドＭ３ａを構成する貫通孔を備えていない。狭小流路２５１ａ内では周囲の燃料ガス排出マニホールドＭ２ａよりも水素ガスの圧力が低下する。よって、水排出マニホールドＭ３ａ内において、狭小流路２５１ａへ接続された側へ向かう水素ガスの流速が増大し、水排出マニホールドＭ３ａの水ＧＷは、水素ガスの流れにより下流側へと導くことができる。なお、狭小流路用セパレータ４０ｆは、他のセパレータ４０を形成する板４２，４４，４６よりも厚みの大きい板を用いて形成したが、特にこれに限定されるものではなく、他のセパレータ４０と同一の厚みを有する板を用いても良いし、いずれか一つの板４２ｆ，４４ｆ，４６ｆが他のセパレータ４０を形成する板４２，４４，４６よりも大きい厚みを有しても良い。

図１３は、アノードプレート４２ｆの構成を説明するための図である。図１３は、２つの面のうち、中間プレート４４ｆに接する面を示している。貫通孔Ｈ２ｂｓの開口面積（詳細には中間プレート４４ｆに接する側の貫通孔Ｈ２ｂｓの開口面積）は、３つのプレート４２ｆ、４４ｆ、４６ｆを積層させた時に狭小流路２５１ａを形成させるために、他のアノードプレート４２（図４）の貫通孔Ｈ２ｂの開口面積よりも小さくなっている。また、図１２に示すように、貫通孔Ｈ２ｂｓは厚さ方向においてテーパー形状を有している。さらに、アノードプレート４２ｆは、水排出マニホールドＭ３ａの一端を形成させるために、水が通過する貫通孔Ｈ３ｂ（図４）を備えていない。その他の構成については、他のアノードプレート４２と同様の構成であることから同一符号を付すと共に説明を省略する。

図１４は、カソードプレート４６ｆの構成を説明するための図である。図１４は、２つの面のうち、中間プレート４４ｆに接する面を示している。貫通孔Ｈ２ｃｓの開口面積（詳細には中間プレート４４ｆに接する側の貫通孔Ｈ２ｃｓの開口面積）は、他のカソードプレート４６（図５）の貫通孔Ｈ２ｃの開口面積よりも小さくなっている。また、図１２に示すように、貫通孔Ｈ２ｃｓは厚さ方向においてテーパー形状を有している。その他の構成については、他のカソードプレート４６と同様の構成であることから同一符号を付すと共に説明を省略する。

図１５は、中間プレート４４ｆの構成を説明するための図である。貫通孔Ｈ２ｄｓの開口面積は、他の中間プレート４４（図６）の貫通孔Ｈ２ｄの開口面積よりも小さくなっている。また、中間プレート４４ｆは、水排出マニホールドＭ３ａを構成する貫通孔Ｈ３ｄと燃料ガス排出マニホールドＭ２ａを構成する貫通孔Ｈ２ｄを接続する接続路Ｒ１（すなわち、水排出マニホールドＭ３ａの下流側端部Ｒ１）を備えている。その他の構成については、他の中間プレート４４と同様の構成であることから同一符号を付すと共に説明を省略する。

各プレート４２ｆ、４４ｆ、４６ｆを積層した場合に、狭小流路２５１ａを形成するように、各プレート４２ｆ，４４ｆ，４６ｆに形成された貫通孔Ｈ２ｂｓ，Ｈ２ｃｓ，Ｈ２ｄｓは略同一位置に配置されている。このように、各プレート４２ｆ，４４ｆ，４６ｆを積層することで、容易に狭小流路２５１ａと水排出マニホールドＭ３ａの下流側端部である接続路Ｒ１を形成することができる。また、第２実施例は、第１実施例と同様に、燃料ガス排出マニホールドＭ２の水ＧＷの一部が水排出マニホールドＭ３ａに流入するため、水ＧＷにより燃料ガス排出マニホールドＭ２の縮小又は閉塞することを低減することができる。また、第１実施例と同様に、水排出マニホールドＭ３ａの水ＧＷを狭小流路２５１ａに移動させると共に、狭小流路２５１ａに到達した水ＧＷを燃料電池スタック１００ａ外へと排出することができる。

Ｃ．第３実施例：
図１６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。上記第１実施例との違いは、狭小流路が流路断面積を可変できるバルブ２５６により形成されている点である。その他の構成については、第１実施例と同様の構成であるため、同様の構成については、同一符号で示すと共に説明を省略する。ここで、水排出配管２５４ｂの下流側端部Ｒ１は、バルブ２５６に接続されている。

図１７は、バルブ２５６付近を説明するための図である。バルブ２５６はゲートバルブであり、弁体２８０と弁棒２８２とこれらを移動させるための駆動機構２８４とを備えている。弁体２８０は弁棒２８２を介して水素ガス流路に対して直角（上下）に移動することで、流路断面積を可変できる。水排出配管２５４ｂの下流側端部Ｒ１は、弁体２８０の開閉部に接続されている。これにより、弁体２８０の開閉により、弁体２８０が位置する流路断面積は、周囲の流路断面積よりも小さくできるため、狭小流路２５１ｂを容易に形成することができる。よって、水排出マニホールドＭ３に流入した水ＧＷは、水素ガスの下流側へとスムーズに導かれ、燃料電池スタック１００ｂ外へ排出することができる。また、第１実施例と同様に、水ＧＷによって燃料ガス排出マニホールドＭ２が縮小又は閉塞することを低減することができる。

Ｄ．第４実施例：
図１８は、本発明の第４実施例としての燃料電池システム１０００ｃの概略構成を示す説明図である。第１実施例との違いは、狭小流路２５１ｃが形成されている位置と、連通部Ｍｃｏが形成されている位置である。また、上記第２実施例と同様に、第１実施例の燃料電池システム１０００が備えていた水排出配管２５４（図１）は備えていない。その他の構成については、第１実施例と同様の構成であるため、同様の構成については、同一符号で示すと共に説明を省略する。なお、図１８は、理解の容易のために、説明に不要な構成（例えば、図１に示す水素タンク２１０や酸化ガス供給マニホールドＭ４等）の図示は省略し、説明に必要な構成（燃料ガス排出マニホールドＭ２や水排出マニホールドＭ３等）を主に図示している。

図１８に示すように、１対のターミナルプレートＴＭと、１対のインシュレータＩＳのうち、水排出マニホールドＭ３を流れる流体（水及び水素ガス）の流れ方向について、下流側に位置するターミナルプレートＴＭ（以下、「下流側ターミナルプレートＴＭ」ともいう。）と、下流側に位置するインシュレータＩＳ（以下、「下流側インシュレータＩＳ」ともいう。）に亘って、狭小流路２５１ｃが形成されている。また、水排出マニホールドＭ３の下流側端部Ｒ１は、狭小流路２５１ｃの部分のうち下流側インシュレータＩＳに形成された部分と接続（連通）している。より具体的には、板状の下流側インシュレータＩＳの板面（表面）において、狭小流路２５１ｃが貫通形成された部分から鉛直下方向に向かって溝を形成することで、水排出流路Ｍ３の下流側端部Ｒ１は形成されている。

連通部Ｍｃｏは、１対のターミナルプレートＴＭのうち、上流側に位置するターミナルプレートＴＭ（以下、「上流側ターミナルプレートＴＭ」ともいう。）に形成されている。より具体的には、積層体１０中に形成された燃料ガス排出マニホールドＭ２の上流側端部と水排出マニホールドＭ３の上流側端部とを連通させるように、板状の上流側ターミナルプレートＴＭの板面（表面）に溝を形成することで連通部Ｍｃｏは形成されている。ここで、連通部Ｍｃｏは、毛細管現象により燃料ガス排出マニホールドＭ２や水排出マニホールドＭ３の水ＧＷが連通部Ｍｃｏに吸い込まれ連通部Ｍｃｏ中に滞留しないような、大きさに設定することが好ましい。例えば、水排出マニホールドＭ３を直径３ｍｍ程度の円柱形状とし、連通部Ｍｃｏを四角柱形状とした場合、連通部Ｍｃｏの底面の一辺の長さを３ｍｍ程度とすることが好ましい。

このように第４実施例の燃料電システム１０００ｃでは、燃料電池スタック１００ｃの積層体１０よりも下流側に位置する部分に狭小流路２５１ｃを形成することで、水排出流路Ｍ３及び燃料ガス排出マニホールドＭ２の水を燃料電池スタック１００ｃ外によりスムーズに導くことができる。また、水排出配管２５４（図１）を設ける必要がなく、第２実施例と同様にコストを低減することができる。また、ガラスエポキシ樹脂により成形される下流側インシュレータＩＳに狭小流路２５１ｃの一部分と水排出マニホールドＭ３の下流側端部Ｒ１を設けているため、狭小流路２５１ｃの一部分と下流側端部Ｒ１を容易に形成することができる。例えば、射出成形することで、容易に狭小流路２５１ｃの一部分と下流側端部Ｒ１を備えた下流側インシュレータＩＳを作製することができる。

図１９は、図１８の燃料電池スタック１００ｃが傾斜した状態を示す図である。具体的には、車両の傾斜により搭載されている燃料電池スタック１００ｃが、燃料ガス排出マニホールドＭ２や水排出マニホールドＭ３の下流側が上流側よりも低くなるように傾斜した状態を示す図である。なお、水ＧＷの量は説明のために図１８で示す量よりも多くしている。

図１９で示すような傾斜状態において、本実施例のように燃料ガス排出マニホールドＭ２の上流側端部と水排出マニホールドＭ３の上流側端部とを連通するように連通部Ｍｃｏが形成されていると、水ＧＷは連通部Ｍｃｏを介して水排出マニホールドＭ３に流入することができる。これにより、燃料ガス排出マニホールドＭ２内に滞留する水ＧＷの量を低減し、燃料ガス排出マニホールドＭ２が縮小又は閉塞することを低減することができる。また、狭小流路２５１ｃでは他の部分よりも流速が大きくなるため、ベルヌーイの定理により狭小流路２５１ｃの圧力は、狭小流路２５１ｃより上流側部分の圧力よりも低くなる。これにより、燃料ガス排出マニホールドＭ２の狭小流路２５１ｃよりも下流側部分、及び、水排出マニホールドＭ３の狭小流路２５１ｃよりも下流側部分に滞留する水ＧＷは狭小流路２５１ｃに向かって吸引される。よって、燃料ガス排出マニホールドＭ２及び水排出マニホールドＭ３の水ＧＷを燃料電池スタック１００ｃ外部へとスムーズに排出させることができる。

Ｅ．変形例：
なお、上記実施例における構成要素の中の、特許請求の範囲の独立項に記載した要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、本発明の上記実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｅ−１．第１変形例：
上記実施例では、水素排ガス用の水排出流路としての水排出マニホールドＭ３，Ｍ３ａは、連通部Ｍｃｏを介して燃料ガス排出マニホールドＭ２，Ｍ２ａに連通していたが、同様に、酸化ガス排出マニホールドＭ５よりも低い位置に、酸化排ガス用の水排出マニホールドを設け、この水排出マニホールドを、連通部を介して酸化ガス排出マニホールドＭ５に連通させても良い。この場合、燃料電池スタック１００，１００ａ，１００ｂを構成する各部材（シール一体型膜電極接合体６０、セパレータ４０等）において、酸化ガス排出マニホールドＭ５を構成する貫通孔Ｈ５ａ等よりも低い位置に、水排出マニホールドを形成するための貫通孔を設ければ良い。また、水排出流路（水排出マニホールド）を２つ設け、燃料ガス排出マニホールドＭ２，Ｍ２ａと酸化ガス排出マニホールドＭ５のそれぞれに連通させても良い。このようにすれば、水により酸化ガス排出マニホールドＭ５が縮小又は閉塞することを低減することができる。

Ｅ−２．第２変形例及び第３変形例：
図２０は、第２変形例及び第３変形例を説明するための図である。図２０（Ａ）は第２変形例を示す図であり、第２変形例としてのシール一体型膜電極接合体６０ａの貫通孔Ｈ２ａ付近を示している。図２０（Ｂ）は、第３変形例を示す図であり、第３変形例としての燃料電池スタック１００ｄの連通部Ｍｃｏ付近を示している。上記第１〜第３実施例では、連通部Ｍｃｏは連通部形成用セパレータ４０ｅの連通孔Ｉｂ，Ｉｃ，Ｉｄ（図７〜図９）により形成されていたが、この構成に代えて、図２０（Ａ）に示すように、シール一体型膜電極接合体６０ａに設けられた貫通孔Ｈ２ａ，Ｈ３ａを連通させる連通孔Ｉａにより形成しても良い。また、図２０（Ｂ）に示すように、第４実施例と同様に、上流側のターミナルプレートＴＭに穴（溝）を形成し、この穴を連通部Ｍｃｏとしても良い。さらに、この連通部Ｍｃｏを構成する穴は、インシュレータＩＳやエンドプレートＥＰにまで及んでも良い。

Ｅ−３．第４変形例：
上記第２実施例では、狭小流路２５１ａを狭小流路用セパレータ４０ｆにより形成した（図１１）。また上記第４実施例では、狭小流路２５１ｃを下流側のターミナルプレートＴＭと下流側のインシュレータＩＳに亘って形成した（図１８）。この構成に代えて、２枚のターミナルプレートＴＭ、インシュレータＩＳ、エンドプレートＥＰのうち燃料ガス排出配管２５２（図１１）側（下流側）のターミナルプレートＴＭ、インシュレータＩＳ、エンドプレートＥＰの少なくともいずれか１つに狭小流路を設けても良い。これにより、水排出マニホールドＭ３ａに流入した水ＧＷが、より下流側に設けられた狭小流路まで導かれることから、水ＧＷを燃料電池スタック１００ａ外へスムーズに排出することができる。なお、特に狭小流路は下流側のインシュレータＩＳに設けることが好ましい。こうすることで。下流側のインシュレータＩＳは樹脂により成形されることから、狭小流路を容易に形成することができる。また、一般に樹脂は、水に対する耐腐食性を有するため、下流側のインシュレータＩＳ等の水に対する耐腐食性を有する部分に狭小流路を設けることで、狭小流路の形状（流路断面積）を長期に亘って安定に維持し、燃料ガス排出マニホールドＭ２や水排出マニホールドＭ３に存在する水を燃料電池スタック外へとスムーズに移動させることができる。

Ｅ−４．第５変形例：
上記第３実施例では、流路断面積を可変できる機構としてゲートバルブを用いたが、他の機構を用いても良い。例えば、ボールバルブやグローブバルブ、可変オリフィス等を用いることができる。

Ｅ−５．第６変形例：
上記実施例では、水素ガスは燃料ガス排出マニホールドＭ２及び燃料ガス排出配管２５２を介して大気中へ放出されたが、水を分離した後に水素ガスを燃料ガス供給マニホールドＭ１に再度供給しても良い。

Ｅ−６．第７変形例：
上記実施例では、反応ガスを発電体２１に行き渡らせるためのガス流路体５６，５８に対し、ガス供給マニホールドＭ１，Ｍ４からセパレータ４０内部を介して反応ガスを供給する構造の燃料電池スタックを例に説明したが、セパレータ４０の構造は特にこれに限定されるものではない。例えば、セパレータの表面に凹部（溝部）を設け、ガス供給マニホールドＭ１，Ｍ４から凹部を介して反応ガスをガス流路体５６，５８に供給しても良い。また、ガス流路体５６，６８を設けずに、セパレータの表面に設けられた凹部を介して反応ガスを発電体２１（詳細には電極層５２，５４）に供給しても良い。

Ｅ−７．第８変形例：
上記第１、第２、第４実施例では狭小流路２５１，２５１ａ，２５１ｃ（図１、図１１、図１８）の流路断面積は、狭小流路２５１，２５１ａ，２５１ｃの周囲に位置する流路の流路断面積から徐々に小さくなるような形状（いわゆる、ベンチュリー形状）を採用したが、狭小流路２５１，２５１ａ，２５１ｃの形状は特にこれに限定されるものではない。すなわち、狭小流路２５１，２５１ａ，２５１ｃは、周囲の流路の流路断面積よりも小さい流路断面積を有すれば良い。例えば、周囲の流路と狭小流路２５１，２５１ａ，２５１ｃとにおいて、ステップ状に流路断面積が変化しても良い。このようにしても、狭小流路２５１，２５１ａ，２５１ｃで流速が増大することで圧力が他の部分よりも低下する。これにより、狭小流路２５１，２５１ａ，２５１ｃよりも上流側に位置する水ＧＷは吸引され、燃料電池スタック内の水ＧＷを燃料電池スタック外へと排出させることができる。

Ｅ−８．第９変形例：
上記実施例では、燃料電池システム１０００〜１０００ｃは車両に搭載されていたが、特にこれに限定されるものではない。車両、船舶等の各種移動体に本発明の燃料電池システム１０００〜１０００ｃを搭載し、各種移動体の動力源として用いても良い。また、燃料電池システム１０００〜１０００ｃを、定置型電源として用いても良い。

１０，１０ａ…積層体
２１…発電部
２１ａ…発電領域
４０…セパレータ
４０ｅ…連通部形成用セパレータ
４０ｆ…狭小流路用セパレータ
４２，４２ｅ，４２ｆ…アノードプレート
４４，４４ｅ，４４ｆ…中間プレート
４６，４６ｅ，４６ｆ…カソードプレート
５０…膜電極接合体
５１…電解質膜
５２…アノード電極層
５４…カソード電極層
５６…カソードガス流路体
５８…アノードガス流路体
６０，６０ａ…シール一体型膜電極接合体
６２…シールガスケット
１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ…燃料電池スタック
２０４…燃料ガス供給配管
２１０…水素タンク
２２０…バルブ
２３４…エアポンプ
２３６…酸化ガス供給配管
２４２…酸化ガス排出配管
２５１，２５１ａ，２５１ｂ…狭小流路
２５２…燃料ガス排出配管
２５４，２５４ｂ…水排出配管
２５６…バルブ
２８０…弁体
２８２…弁棒
２８４…駆動機構
５４０…循環ポンプ
５５０…ラジエータ
５７０…冷却媒体供給配管
５７１…冷却媒体排出配管
１０００，１０００ａ，１０００ｂ，１０００ｃ…燃料電池システム
Ｈ１ａ，Ｈ１ｂ，Ｈ１ｃ，Ｈ１ｄ…貫通孔
Ｈ２ａ，Ｈ２ｂ，Ｈ２ｃ，Ｈ２ｄ…貫通孔
Ｈ３ａ，Ｈ３ｂ，Ｈ３ｃ，Ｈ３ｄ…貫通孔
Ｈ４ａ，Ｈ４ｂ，Ｈ４ｃ，Ｈ４ｄ…貫通孔
Ｈ５ａ，Ｈ５ｂ，Ｈ５ｃ，Ｈ５ｄ…貫通孔
Ｈ６ａ，Ｈ６ｂ，Ｈ６ｃ…貫通孔
Ｈ７ａ，Ｈ７ｂ，Ｈ７ｃ…貫通孔
Ｈ２ｂｓ，Ｈ２ｃｓ，Ｈ２ｄｓ…貫通孔
Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ，Ｉｄ…連通孔
Ｍｃｏ…連通部
Ｍ１…燃料ガス供給マニホールド
Ｍ２，Ｍ２ａ…燃料ガス排出マニホールド
Ｍ３，Ｍ３ａ…水排出マニホールド
Ｍ４…酸化ガス供給マニホールド
Ｍ５…酸化ガス排出マニホールド
Ｍ６…冷却媒体供給マニホールド
Ｍ７…冷却媒体排出マニホールド
Ｐ１…水素ガス流入孔
Ｐ２…水素ガス流出孔
Ｐ３…空気流入孔
Ｐ４…空気流出孔
Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４…連通孔
Ｒ１…接続路（下流側端部）
ＳＬ…シールライン
Ｓａ…接触部位
ＴＭ…ターミナル
ＥＰ…エンドプレート
ＷＰ…貫通孔
ＩＳ…インシュレータ
ＴＳ…テンションプレート
ＢＴ…ボルト
ＧＷ…水

【０００１】
技術分野
［０００１］
本発明は、燃料電池システムに関する。
背景技術
［０００２］
従来、燃料電池の電極反応により生成した反応生成水や結露等により生じた水（以下、これらを単に「水」ともいう。）を連通孔（「マニホールド」ともいう。）内から取り除く為に、連通孔内に水を排出するための多孔質吸水管体を配置する技術が知られている（例えば、特許文献１）。
［０００３］
しかしながら、水の発生量によっては、多孔質吸水管体により水を十分に取り除く事が困難な場合があった。その結果、水により連通孔が縮小又は閉塞され易くなり、反応ガスの流れが妨げられて発電性能が低下する場合があった。
先行技術文献
特許文献
［０００４］
特許文献１：特開２００１−１１８５９６号公報
特許文献２：特開２００５−１１６４９９号公報
特許文献３：特開２００５−２５９４２２号公報
特許文献４：特開２００６−１４７５０３号公報
特許文献５：特開平１１−１１１３１６号公報
発明の概要
発明が解決しようとする課題
［０００５］
従って本発明は、水により連通孔が縮小又は閉塞することを低減する技術を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
［０００６］
本発明は、上記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、以下の形態または適用例として実現することができる。
膜電極接合体を、セパレータを介在させて複数積層した積層体と、前記複数積層した積層体を両側から挟む１対のエンドプレートと、を有する燃料電池スタックを備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックは、前記積層体の積層方向について、さらに、
前記複数積層した積層体と前記１対のエンドプレートとの間にそれぞれ配置される１対のターミナルプレートと、
前記１対のターミナルプレートと前記１対のターミナルプレートよりも外側に位置する前記１対のエンドプレートとの間にそれぞれ配置される１対のインシュレータと、を有し、
前記燃料電池システムは、
反応ガスを排出するためのガス排出流路であって、前記積層体の積層方向に伸び、一端が前記燃料電池スタック内に位置し、他端が前記燃料電池スタック外に位置するガス排出流路と、
前記燃料電池スタックの設置状態において前記ガス排出流路よりも低い位置に設けられ、前記積層体の少なくとも一部を貫通する水排出流路と、を備え、
前記ガス排出流路と前記水排出流路は、前記燃料電池スタック内で少なくとも一つの連通部を介して連通し、
前記ガス排出流路は、前記連通部より下流側において形成され周囲の流路よりも断面積の小さい狭小流路であって、前記１対のインシュレータのうち、前記水排出流路中を流れる前記反応ガスの流れ方向について下流側に位置する、樹脂により成形された下流側インシュレータに形成された狭小流路を有し、
前記水排出流路の下流側端部は、前記狭小流路に接続されている、燃料電池システム。

【０００４】
シュレータは樹脂により成形され、前記狭小流路は、前記下流側インシュレータに形成されている、燃料電池システム。
適用例６に記載の燃料電池システムによれば、狭小流路を容易に形成することができる。例えば、狭小流路が形成できるような型を用いて樹脂を射出成形することで、狭小流路を有する下流側インシュレータを容易に成形することができる。
［００１３］
［適用例７］適用例１乃至適用例６のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池スタック内において、前記水排出流路の流路断面積は前記ガス排出流路の流路断面積よりも小さい、燃料電池システム。
適用例７に記載の燃料電池システムによれば、前記水排出流路の流路断面積は、前記ガス排出流路の流路断面積よりも小さいことから、水により水排出流路内の反応ガスの流れが遮断されやすくなる。反応ガスの流れが遮断されると、水排出流路内において水の上流側よりも狭小流路に接続された下流側の反応ガスの圧力の方が低いために、差圧により水をよりスムーズに下流側へと移動させることができる。
［００１４］
［適用例８］適用例１乃至適用例７のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、前記連通部は、少なくとも前記ガス排出流路と前記水排出流路の上流側端部を連通するように形成されている、燃料電池システム。
適用例８に記載の燃料電池システムによれば、ガス排出流路と水排出流路の上流側端部に水が存在している場合であっても、連通部を介して水を水排出流路にスムーズに流入させることができる。また、燃料電池スタックが傾斜し、燃料電池スタック内のガス排出流路の一端側（ガス上流側）が他端側（ガス下流側）よりも低くなった場合であっても、水は連通部を介して水排出流路へ流入する。これにより、水による燃料電池スタック内に位置するガス排出流路の縮小又は閉塞を低減することができる。
［００１５］
［適用例９］適用例１乃至適用例７のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、前記連通部は１つであり、前記連通部は前記ガス排出流路と前記水排出流路の上流側端部とを連通するように形成されている、燃料電池シ

【０００５】
ステム。
適用例９に記載の燃料電池システムによれば、水排出流路は上流側端部から狭小流路に接続されている下流側端部までの間において、ガス排出流路と連通していない。これにより、水排出流路中を上流側から下流側に向かって流れる水の進行を、ガス排出流路を流れるガスにより阻害される可能性が低減される。よって、連通部が水排出流路の上流側端部から下流側端部までの間に複数形成されている場合に比べ、水排出流路の水をよりスムーズに下流側へと移動させるができる。
［００１６］
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システム、燃料電池システムを搭載した車両（移動体）等の態様で実現することができる。
図面の簡単な説明
［００１７］
［図１］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。
［図２］積層体１０の概略構成を示す説明図である。
［図３］シール一体型膜電極接合体６０の構成を説明するための図である。
［図４］アノードプレート４２の構成を説明するための図である。
［図５］カソードプレート４６の構成を説明するための図である。
［図６］中間プレート４４の構成を説明するための図である。
［図７］連通部Ｍｃｏを形成するアノードプレート４２ｅの構成を説明するための図である。
［図８］連通部Ｍｃｏを形成するカソードプレート４６ｅの構成を説明するための図である。
［図９］連通部Ｍｃｏを形成する中間プレート４４ｅの構成を説明するための図である。
［図１０］燃料電池スタック１００の部分断面図である。
［図１１］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。

Claims

膜電極接合体を、セパレータを介在させて複数積層した積層体と、前記複数積層した積層体を両側から挟む１対のエンドプレートと、を有する燃料電池スタックを備える燃料電池システムであって、
反応ガスを排出するためのガス排出流路であって、前記積層体の積層方向に伸び、一端が前記燃料電池スタック内に位置し、他端が前記燃料電池スタック外に位置するガス排出流路と、
前記燃料電池スタックの設置状態において前記ガス排出流路よりも低い位置に設けられ、前記積層体の少なくとも一部を貫通する水排出流路と、を備え、
前記ガス排出流路と前記水排出流路は、前記燃料電池スタック内で少なくとも一つの連通部を介して連通し、
前記ガス排出流路は、前記連通部より下流側において周囲の流路よりも断面積の小さい狭小流路を有し、
前記水排出流路の下流側端部は、前記狭小流路に接続されている、燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記狭小流路は、前記燃料電池スタック外に位置する前記ガス排出流路に形成されている、燃料電池システム。
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタック外に位置する前記ガス排出流路は、流路断面積を可変できる流路断面可変機構を有し、
前記狭小流路は、前記流路断面可変機構により形成されている、燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記狭小流路は、前記燃料電池スタック内に位置する前記ガス排出流路に形成されている、燃料電池システム。
請求項４に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックは、前記積層体の積層方向について、
前記複数積層した積層体と前記１対のエンドプレートとの間にそれぞれ配置される１対のターミナルプレートと、
前記１対のターミナルプレートと前記１対のターミナルプレートよりも外側に位置する前記１対のエンドプレートとの間にそれぞれ配置される１対のインシュレータと、を有し、
前記複数積層した積層体の両側に位置する前記１対のエンドプレート、前記１対のターミナルプレート、及び、前記１対のインシュレータのうち、前記水排出流路中を流れる前記反応ガスの流れ方向について下流側に位置する、下流側エンドプレート、下流側ターミナルプレート、及び、下流側インシュレータの少なくともいずれか１つに前記狭小流路は形成されている、燃料電池システム。
請求項５に記載の燃料電池システムであって、
前記下流側インシュレータは樹脂により成形され、
前記狭小流路は、前記下流側インシュレータに形成されている、燃料電池システム。
請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタック内において、前記水排出流路の流路断面積は前記ガス排出流路の流路断面積よりも小さい、燃料電池システム。
請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記連通部は、少なくとも前記ガス排出流路と前記水排出流路の上流側端部を連通するように形成されている、燃料電池システム。
請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記連通部は１つであり、前記連通部は前記排出ガス流路と前記水排出流路の上流側端部とを連通するように形成されている、燃料電池システム。