JPWO2013183598A1 - 燃料電池スタックにおけるガス出口領域の水切り構造 - Google Patents

Abstract

発電反応に用いられた反応ガスを排出する反応ガス排出連通孔が設けられた積層体と、積層体の積層方向の一端部に配置されるとともに反応ガス排出連通孔に連通する反応ガス出口が設けられたエンドプレートとを備える燃料電池スタックにおけるガス出口領域の水切り構造であって、反応ガス出口に連結され、反応ガス排出流れ方向下流側の先端部が下方に向け開口する出口配管（１２０）を有し、出口配管（１２０）内に、反応ガス排出流れ方向上流側に向く先細形状をなし、反応ガスとともに排出される液体の連続流を分断する傘状凸部（１４２，１４４，１４６）が設けられる。

Description

この発明は、燃料電池スタックにおけるガス出口領域の水切り構造に関する。
本願は、２０１２年６月４日に出願された日本国特願２０１２−１２６９６０号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

従来、燃料電池スタックにおいて生成される生成水を介して燃料電池スタックの活電部と外部の低電気抵抗部材（金属部材など）とが電気的に短絡（液絡）することを防止するために、燃料電池スタックの、特に反応ガス出口まわりの各部材を含んだガス出口領域での短絡対策が考えられている。例えば、燃料電池スタックの反応ガス排出連通孔に接続された排出配管を電気絶縁性部材で形成した燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、この燃料電池システムによれば、排出配管を長尺に形成して絶縁抵抗を増大させると、排出配管の強度が低下する虞があるとともに、排出配管の取り回しが煩雑化し、配管構造が大型化してしまうという問題が生じる。

このような問題に対して、従来、例えば、燃料電池スタックの燃料ガス排出連通孔に接続された出口配管の先端を内部に収容し、この出口配管の先端から排出される生成水を貯留する水捕集タンクを備える燃料電池スタックが知られている（例えば、特許文献２参照）。
この燃料電池スタックでは、出口配管の先端から滴下して水捕集タンクに貯留される生成水の最高水位が出口配管の先端から所定距離だけ鉛直方向下方に離間するように構成されることによって、生成水による導電経路が遮断されている。

日本国特開２００５−３３２６７４号公報 日本国特開２０１０−３６０３号公報

上記従来技術に係る燃料電池スタックによれば、出口配管から反応ガスと共に排出される生成水の排出方向は、鉛直方向下方に限らず、反応ガスの流速に応じて変化する。
例えば、反応ガスの流速が小さい場合には生成水は鉛直方向下方に滴下されることに対して、反応ガスの流速が中程度になると生成水は出口配管の延在方向に排出され、さらに反応ガスの流速が大きくなると生成水は出口配管の径方向の外周側に向かい排出される。
これにより、出口配管の先端から各種の方向において水捕集タンクの内壁面まで所望の空間距離を確保する必要が有り、水捕集タンク及び水捕集タンクを収容するハウジングが大型化するという問題が生じる。

本発明に係る態様は上記事情に鑑みてなされたもので、構成が大型化することを防止しつつ、燃料電池スタックから排出される液体によって、燃料電池スタックの活電部と外部の低電気抵抗部材との間に導電経路が形成されることを防止することが可能な燃料電池スタックにおけるガス出口領域の水切り構造を提供することを目的としている。

本発明は、上記課題を解決して係る目的を達成するために、以下の態様を採用した。
（１）本発明に係る一態様の燃料電池スタックにおけるガス出口領域の水切り構造は、複数の発電セルが積層され、前記発電セルでの発電反応に用いられた反応ガスを排出する反応ガス排出連通孔が設けられた積層体と、前記積層体の積層方向の一端部に配置されるとともに前記反応ガス排出連通孔に連通する反応ガス出口が設けられたエンドプレートと、を備える燃料電池スタックにおいて、前記反応ガス出口に連結され、反応ガス排出流れ方向下流側の先端部が下方に向け開口する出口配管と；前記出口配管内に、反応ガス排出流れ方向上流側に向く先細形状をなし、反応ガスとともに排出される液体の連続流を分断する少なくとも一つの傘状凸部と、が設けられる。

（２）上記（１）の態様において、前記出口配管内に、前記傘状凸部が複数、千鳥状に配置されてもよい。

（３）上記（２）の態様において、前記傘状凸部は、前記出口配管の上流方向に凸状に形成されるとともに、前記出口配管の径方向内側に向けて凸状に形成されてもよい。

（４）上記（２）又は（３）の態様において、千鳥状に配置された上流側の傘状凸部と下流側の傘状凸部との間には、前記出口配管の略径方向に沿う壁部を有する排出液体ガイド部が設けられてもよい。

（５）上記（２）乃至（４）のいずれか１つの態様において、前記傘状凸部の下端が接する前記出口配管の開口部のうち、前記傘状凸部の一方の下端と他方の下端との間にある部分が、前記傘状凸部の先細形状部に向けて切り欠かれて形成されてもよい。

（６）上記（２）乃至（５）のいずれか１つの態様において、前記傘状凸部の下端が、前記出口配管の径方向に対して傾斜していてもよい。

（７）上記（１）乃至（６）のいずれか１つの態様において、前記出口配管から排出される液体を受容するキャッチタンクを備え、前記出口配管は、前記キャッチタンク内に前記先端部を突出させており、前記キャッチタンクの内側面および内底面のそれぞれとの間に所定の間隔を有してもよい。

（８）上記（１）乃至（７）のいずれか１つの態様において、前記傘状凸部は、反応ガス排出流れ方向上流側の先細形状部の角度が、９０度近傍であってもよい。

（９）上記（１）乃至（８）のいずれか１つの態様において、前記出口配管の前記先端部がテーパ形状に形成されてもよい。

上記（１）の態様によれば、出口配管内に、反応ガス排出流れ方向上流側に向く先細形状をなして設けられた少なくとも一つの傘状凸部が、反応ガスとともに排出される液体の連続流を分断することになり、しかも、出口配管の先端部が下方に向け開口していることから、分断された液体を、反応ガスの流速に拘わらず安定的に下方に排出することができる。よって、出口配管と外部の低電気抵抗部材との距離を長大化させることなく、この液体を介して燃料電池スタックの活電部と外部の低電気抵抗部材とが電気的に短絡することを防止することができる。しかも、出口配管内の傘状凸部で液体の連続流を分断する構成であるため、液体の連続流を分断する構成が大型化してしまうこともない。したがって、構成が大型化することを防止しつつ、燃料電池スタックから排出される液体によって燃料電池スタックの活電部と外部の低電気抵抗部材との間に導電経路が形成されることを防止することが可能となる。

上記（２）から（６）の場合、出口配管内に、傘状凸部が複数、千鳥状に配置されているため、反応ガスとともに排出される液体を多く分流させることができ、液体の連続流を良好に分断することができる。したがって、燃料電池スタックから排出される液体を介して燃料電池スタックの活電部と外部の低電気抵抗部材とが電気的に短絡することを、より一層防止することができる。

上記（７）の場合、出口配管が先端部をキャッチタンク内に突出させていることから、上記した傘状凸部により液体の連続流を分断すること、及び出口配管の先端部が下方に向け開口していることによる効果で、この出口配管の先端部とキャッチタンクの内側面及び内底面のそれぞれとの距離を長大化させることなく、液体を介して燃料電池スタックの活電部とキャッチタンクとが電気的に短絡することを防止することができる。したがって、キャッチタンクの大型化を抑制することができる。

上記（８）の場合、傘状凸部の反応ガス排出流れ方向上流側の先細形状部の角度が９０度近傍であることから、燃料電池スタックから排出される液体が傘状凸部を出口配管の径方向内側に越えるオーバーフロー、の発生を抑制して良好に分流させることができる。また、分流された液体が、傘状凸部を反応ガス排出流れ方向下流側に越えてから再合流することも抑制できる。したがって、燃料電池スタックから排出される液体を介して燃料電池スタックの活電部と外部の低電気抵抗部材とが電気的に短絡することを、より一層防止することができる。

上記（９）の場合、出口配管の反応ガス排出流れ方向下流側の先端部がテーパ形状に形成されているため、燃料電池スタックから排出される液体がこの先端部の位置で合流して再び連続流となることを抑制できる。したがって、燃料電池スタックから排出される液体を介して燃料電池スタックの活電部と外部の低電気抵抗部材とが電気的に短絡することを、より一層防止することができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックにおけるガス出口領域の水切り構造を採用した燃料電池システムの概略構成図である。 前記燃料電池スタックを構成する発電セルの分解斜視図である。 前記燃料電池スタックを加湿器側から見た斜視図である。 前記加湿器及び前記燃料電池スタックの斜視図である。 前記燃料電池スタック、出口配管及びキャッチタンクの断面図である。 前記出口配管の下部円筒状部の位置の内周面の展開図である。 前記出口配管の下部円筒状部の位置の内周面の変形例の一例を示す展開図である。 前記出口配管の下部円筒状部の位置の内周面の変形例の一例を示す展開図である。 傘状凸部１４２の変形例の斜視図である。 前記出口配管の下部円筒状部の位置の内周面の変形例の一例を示す一部拡大図である。 図１０における排出液体ガイド部１４８の一例を示す斜視図である。 図１０における排出液体ガイド部１４８の一例を示す斜視図である。 図１０における排出液体ガイド部１４８の一例を示す斜視図である。 前記出口配管の下部円筒状部の下端の変形例の一例を示す斜視図である。 前記出口配管の下部円筒状部の下端の変形例の一例を示す斜視図である。 図１３Ａの側面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックにおけるガス出口領域の水切り構造について添付図面を参照しつつ説明する。

図１は、本実施形態に係る燃料電池スタック１０におけるガス出口領域の水切り構造を用いた燃料電池システム１２の概略構成図である。

燃料電池システム１２は、図示しない燃料電池車両に搭載されるものであり、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０に冷却媒体を供給するための冷却媒体供給機構１６と、燃料電池スタック１０に酸化剤ガス（反応ガス）を供給するための酸化剤ガス供給機構１８と、燃料電池スタック１０に燃料ガス（反応ガス）を供給するための燃料ガス供給機構２０とを備えている。

冷却媒体供給機構１６は、ラジエータ２４を備えている。このラジエータ２４には、一方で冷媒用ポンプ２６を介して冷却媒体供給配管２８が接続され、他方で冷却媒体排出配管３０が接続されている。

酸化剤ガス供給機構１８は、空気用ポンプ３２を備えており、この空気用ポンプ３２には空気供給配管３４の一端が接続されている。この空気供給配管３４の他端は、加湿器３６に接続されており、この加湿器３６は、加湿空気供給配管３８を介して燃料電池スタック１０に接続されている。

燃料電池スタック１０と加湿器３６とには、生成水を含んだ使用済みの酸化剤ガス（以下、オフガスという）を加湿流体として供給するためのオフガス供給配管４０が接続されている。加湿器３６では、オフガス供給配管４０を介して供給されたオフガスの排出側に、背圧弁４２が配設されている。

燃料ガス供給機構２０は、燃料ガスとして水素ガスが貯留される燃料ガスタンク４４を備えている。この燃料ガスタンク４４には、燃料ガスパイプ４５の一端が接続され、この燃料ガスパイプ４５には、遮断弁４６、レギュレータ４８及びエゼクタ５０を介して燃料ガス供給配管５１が接続されている。この燃料ガス供給配管５１が燃料電池スタック１０に接続されている。

燃料電池スタック１０には、使用済みの燃料ガスが排出される排出燃料ガス配管５２が、キャッチタンク５３を介して接続されている。この排出燃料ガス配管５２は、リターン配管５４を介してエゼクタ５０に接続され、燃料ガス循環系（反応ガス循環系）を構成するとともに、一部がパージ弁５６に連通している。

燃料電池スタック１０は、複数の発電セル６０が車長方向である水平方向（図２及び図３中、矢印Ａ方向）に積層される積層体６１を有しており、積層体６１の積層方向の両端部には、図示しないターミナルプレート及び絶縁プレートを介して、金属製エンドプレート６２ａ，６２ｂが配設されている（図１参照）。エンドプレート６２ａ，６２ｂから積層方向外方に電力取り出し端子６３ａ，６３ｂが突出し、これら電力取り出し端子６３ａ，６３ｂは、図示しない車両走行用モータや補機類に接続される。

図２に示すように、各発電セル６０は、電解質膜・電極構造体６６と、電解質膜・電極構造体６６を挟持する第１セパレータ６８及び第２セパレータ７０とを備えるとともに、縦長に構成されている。なお、第１セパレータ６８及び第２セパレータ７０は、カーボンセパレータ又は金属セパレータで構成されている。

発電セル６０の長辺方向（矢印Ｃ方向）の一端縁部（上端縁部）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、発電セル６０での発電反応に用いられる反応ガスである酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔７２ａと、発電セル６０での発電反応に用いられる反応ガスである燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔７６ａとが設けられている。

発電セル６０の長辺方向の他端縁部（下端縁部）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、発電セル６０での発電反応に用いられた反応ガスである酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔７２ｂと、発電セル６０での発電反応に用いられた反応ガスである燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔（反応ガス排出連通孔）７６ｂとが設けられている。

発電セル６０の短辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔７４ａが設けられるとともに、発電セル６０の短辺方向の他端縁部には、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔７４ｂが設けられている。冷却媒体供給連通孔７４ａ及び冷却媒体排出連通孔７４ｂは、縦長形状に設定されている。

電解質膜・電極構造体６６は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜７８と、前記固体高分子電解質膜７８を挟持するアノード側電極８０及びカソード側電極８２とを備えている。

第１セパレータ６８の電解質膜・電極構造体６６に向かう面６８ａには、燃料ガス供給連通孔７６ａと燃料ガス排出連通孔７６ｂとを連通する燃料ガス流路８４が形成されている。この燃料ガス流路８４は、例えば、矢印Ｃ方向に延在する溝部により構成されている。第１セパレータ６８の面６８ａとは反対の面６８ｂには、冷却媒体供給連通孔７４ａと冷却媒体排出連通孔７４ｂとを連通する冷却媒体流路８６が形成されている。

第２セパレータ７０の電解質膜・電極構造体６６に向かう面７０ａには、例えば、矢印Ｃ方向に延在する溝部からなる酸化剤ガス流路８８が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路８８は、酸化剤ガス供給連通孔７２ａと酸化剤ガス排出連通孔７２ｂとに連通している。第２セパレータ７０の面７０ａとは反対の面７０ｂには、第１セパレータ６８の面６８ｂと重なり合って冷却媒体流路８６が一体的に形成されている。図示しないが、第１セパレータ６８及び第２セパレータ７０には、必要に応じてシール部材が設けられている。

燃料電池スタック１０は、例えば、エンドプレート６２ａ，６２ｂを端板とする図３に示すケーシング８９を備えている。なお、ケーシング８９に代えて、エンドプレート６２ａ，６２ｂ間を図示しないタイロッドで連結して構成してもよい。

図１に示すように、エンドプレート６２ａには、冷却媒体入口マニホールド９６ａと、冷却媒体出口マニホールド９６ｂとが設けられている。冷却媒体入口マニホールド９６ａは、冷却媒体供給連通孔７４ａに連通する一方、冷却媒体出口マニホールド９６ｂは、冷却媒体排出連通孔７４ｂに連通している。冷却媒体入口マニホールド９６ａ及び冷却媒体出口マニホールド９６ｂは、冷却媒体供給配管２８及び冷却媒体排出配管３０を介してラジエータ２４に連通している。

図３に示すように、エンドプレート６２ｂには、図１に示す酸化剤ガス供給連通孔７２ａに連通する酸化剤ガス入口マニホールド９８ａ、図１に示す燃料ガス供給連通孔７６ａに連通する燃料ガス入口マニホールド１００ａ、図１に示す酸化剤ガス排出連通孔７２ｂに連通する酸化剤ガス出口マニホールド９８ｂ、及び図１に示す燃料ガス排出連通孔７６ｂに連通しエンドプレート６２ｂにおける燃料ガスの出口となる燃料ガス出口マニホールド（反応ガス出口）１００ｂが設けられている。

図４に示すように、燃料電池スタック１０のエンドプレート６２ｂには、加湿器３６が固定されている。加湿器３６のケーシングは、例えば、鋳造成形されており、エンドプレート６２ｂに接するフランジ部１０６に複数のボルト１０８が挿入される。ボルト１０８がエンドプレート６２ｂに螺合することにより、加湿器３６がエンドプレート６２ｂに直接固定されている。

加湿器３６内には、第１加湿部１１０ａ及び第２加湿部１１０ｂが上下に配列して収容されている。第１加湿部１１０ａ及び第２加湿部１１０ｂは、空気供給配管３４と加湿空気供給配管３８とに接続されている。第１加湿部１１０ａ及び第２加湿部１１０ｂは、例えば、中空糸膜型加湿構造を採用することができる。加湿器３６には、燃料ガス供給機構２０を構成する各補機類、例えば、遮断弁４６、レギュレータ４８、エゼクタ５０及び背圧弁４２が一体化されている。

図３及び図５に示すように、燃料ガス出口マニホールド１００ｂには、出口配管１２０が連結されており、この出口配管１２０の燃料ガス排出流れ方向下流側の先端となる先端部１２０ａが、図５に示すように、下方に向け開口してキャッチタンク５３に連結されている。キャッチタンク５３は、出口配管１２０から燃料ガスとともに排出される生成水（液体）を含む水分を受容するものである。本実施形態の水切り構造は、これら出口配管１２０およびキャッチタンク５３により構成されている。

出口配管１２０は、水平に延在する姿勢で燃料ガス出口マニホールド１００ｂに嵌合されてエンドプレート６２ｂに連結される連結円筒状部１３０と、連結円筒状部１３０の燃料ガス排出流れ方向下流側（燃料電池スタック１０とは反対側）にあって連結円筒状部１３０から離れるほど下方に位置するように湾曲する湾曲筒状部１３２と、湾曲筒状部１３２の連結円筒状部１３０とは反対側にあって鉛直方向に延在するとともに下端が上記した先端部１２０ａとなる下部円筒状部１３４とを有している。つまり、出口配管１２０は、燃料ガス排出流れ方向上流側から順に、連結円筒状部１３０、湾曲筒状部１３２、下部円筒状部１３４を有するＬ字状をなしており、燃料ガスと、生成水を含む水分とを、下部円筒状部１３４から鉛直方向（重力方向）に排出するようになっている。

出口配管１２０の下部円筒状部１３４の先端部１２０ａは、キャッチタンク５３の室１２２内に上部から下方に向け突出しており、キャッチタンク５３の室１２２を形成する内側面１３６及び内底面１３８のそれぞれとの間に所定の間隔を有している。言い換えれば、出口配管１２０はキャッチタンク５３の内側面１３６及び内底面１３８から離間している。なお、キャッチタンク５３には、室１２２内の内底面１３８側に溜まった生成水を内底面１３８から外部に排出するための図示しないドレン管と、水捕集後の燃料ガスを内側面１３６から排出する図１に示す排出燃料ガス配管５２が連結されている。

そして、図６に展開図を示すように、出口配管１２０の下部円筒状部１３４の位置の内周面１４０には、内周面１４０から下部円筒状部１３４の径方向内方（図６における紙面手前側）に突出する複数種類（本実施形態では三種類）の傘状凸部１４２，１４４，１４６が形成されている。これら傘状凸部１４２，１４４，１４６は、それぞれが、燃料ガスとともに排出される生成水を下部円筒状部１３４の周方向（図６における左右方向）に分流させるものであり、種類別に下部円筒状部１３４の軸方向（図６における上下方向）、言い換えれば燃料ガスの排出方向に複数段に分けられて配置されている。

下部円筒状部１３４の燃料ガス排出流れ方向下流端となる下端部には、一段目として、下部円筒状部１３４の周方向の長さ及び軸方向の長さが他段のものよりも小さい傘状凸部１４２が複数、下部円筒状部１３４の軸方向の位置を合わせて周方向に等間隔で形成されている。傘状凸部１４２は、その燃料ガス排出流れ方向上流端となる上端に、下部円筒状部１３４の径方向に沿う頂辺部１５０を有しており、この頂辺部１５０から下部円筒状部１３４の周方向の両側に、先側ほど燃料ガス排出流れ方向下流側である下側に位置するように傾斜して延出する平面状の一対の傾斜面１５２，１５２を有している。

傘状凸部１４２の燃料ガス排出流れ方向下流側となる下部には、下部円筒状部１３４の周方向の中央に、燃料ガス排出流れ方向上流側となる上方に向けて凹む切欠部１５４が形成されている。切欠部１５４は、一方が一対の傾斜面１５２，１５２の一方と平行をなし他方が一対の傾斜面１５２，１５２の他方と平行をなす一対の傾斜面１５６，１５６によって形成されている。傘状凸部１４２の燃料ガス排出流れ方向下流側となる下端には、切欠部１５４の両側に、下部円筒状部１３４の軸直交方向に沿う一対の下端面１５８，１５８が、下部円筒状部１３４の軸方向の位置を合わせて設けられている。傘状凸部１４２は、下部円筒状部１３４の径方向における内側の内端面１６０が内周面１４０から一定高さで突出している。

よって、傘状凸部１４２は、燃料ガス排出流れ方向上流側に向く先細形状をなしており、本実施形態では逆Ｖ字状をなしている。傘状凸部１４２は、燃料ガス排出流れ方向上流側の傾斜面１５２，１５２のなす角度、言い換えれば、傾斜面１５２，１５２を有する先細形状部１６２の角度が、９０度近傍、本実施形態では９０度となっている。

下部円筒状部１３４の燃料ガス排出流れ方向中間部には、二段目として、下部円筒状部１３４の周方向の長さ及び軸方向の長さが傘状凸部１４２よりも長い傘状凸部１４４が、傘状凸部１４２から下部円筒状部１３４の軸方向に離間して形成されている。傘状凸部１４４は、その燃料ガス排出流れ方向上流端となる上端に、下部円筒状部１３４の径方向に沿う頂辺部１７０を有しており、この頂辺部１７０から下部円筒状部１３４の周方向の両側に、先側ほど燃料ガス排出流れ方向下流側となる下側に位置するように傾斜して延出する平面状の一対の傾斜面１７２，１７２を有している。

また、傘状凸部１４４の燃料ガス排出流れ方向下流側となる下部には、下部円筒状部１３４の周方向の中間部に、燃料ガス排出流れ方向上流側となる上方に向けて凹む二カ所の切欠部１７４，１７４が下部円筒状部１３４の周方向に並んで形成されている。切欠部１７４，１７４は、いずれも、一方が一対の傾斜面１７２，１７２の一方と平行をなし他方が一対の傾斜面１７２，１７２の他方と平行をなす一対の傾斜面１７６，１７６によって形成されている。傘状凸部１４４の燃料ガス排出流れ方向下流側となる下端には、切欠部１７４，１７４の両外側に、下部円筒状部１３４の軸直交方向に沿う一対の下端面１７８，１７８が、下部円筒状部１３４の軸方向の位置を合わせて設けられている。傘状凸部１４４は、下部円筒状部１３４の径方向における内側の内端面１８０が内周面１４０から一定高さで突出している。

よって、傘状凸部１４４も、燃料ガス排出流れ方向上流側に向く先細形状をなしている。傘状凸部１４４も、燃料ガス排出流れ方向上流側の傾斜面１７２，１７２のなす角度、言い換えれば、傾斜面１７２，１７２を有する先細形状部１８２の角度が、９０度近傍、本実施形態では９０度となっている。なお、傘状凸部１４４は、図５に示すように、下部円筒状部１３４の周方向における最もエンドプレート６２ｂ側となる位置に形成されている。図６に示すように、下部円筒状部１３４の周方向において、傘状凸部１４４の両端位置のそれぞれの若干外側に、隣り合う二カ所の傘状凸部１４２，１４２の頂辺部１５０，１５０が配置されている。

下部円筒状部１３４の燃料ガス排出流れ方向上流側となる上側には、三段目として、下部円筒状部１３４の周方向の長さ及び軸方向の長さが傘状凸部１４４よりも長い傘状凸部１４６が複数、下部円筒状部１３４の軸方向の位置を合わせて周方向に間隔をあけて形成されている。傘状凸部１４６は、その燃料ガス排出流れ方向上流端となる上端に、下部円筒状部１３４の径方向に沿う頂辺部１９０を有しており、この頂辺部１９０から下部円筒状部１３４の周方向の両側に、先側ほど燃料ガス排出流れ方向下流側となる下側に位置するように傾斜して延出する平面状の傾斜面１９２，１９４を有している。一方の傾斜面１９２は他方の傾斜面１９４よりも短くなっている。

また、傘状凸部１４６の燃料ガス排出流れ方向下流側となる下部には、下部円筒状部１３４の周方向の中間部に、燃料ガス排出流れ方向上流側となる上方に向けて凹む切欠部１９６が形成されている。切欠部１９６は、短い傾斜面１９２と平行をなす短い傾斜面１９８と長い傾斜面１９４と平行をなす長い傾斜面２００とによって形成されている。傘状凸部１４６の燃料ガス排出流れ方向下流側には、切欠部１９６の両側に、下部円筒状部１３４の軸直交方向に沿う端面２０２及び端面２０４が、下部円筒状部１３４の軸方向の位置をずらして設けられている。傘状凸部１４６は、下部円筒状部１３４の径方向における内側の内端面２０６が内周面１４０から一定高さで突出している。

よって、傘状凸部１４６も、燃料ガス排出流れ方向上流側に向く先細形状をなしている。傘状凸部１４６も、燃料ガス排出流れ方向上流側の傾斜面１９２，１９４のなす角度、言い換えれば、傾斜面１９２，１９４を有する先細形状部２０８の角度が、９０度近傍、本実施形態では９０度となっている。このような傘状凸部１４６が、傘状凸部１４４の頂辺部１７０を中心として、下部円筒状部１３４の周方向両側の等間隔の位置に、それぞれ短い傾斜面１９２を傘状凸部１４４側に配置して、複数対設けられている。下部円筒状部１３４の周方向において、最も傘状凸部１４４に近い一対の傘状凸部１４６，１４６の最小間隔が傘状凸部１４４の長さよりも短くなっている。また、下部円筒状部１３４の周方向において、これら傘状凸部１４６，１４６の両外端位置のそれぞれの若干外側に、傘状凸部１４４に最も近い二カ所の傘状凸部１４２，１４２のそれぞれの外側に隣り合う二カ所の傘状凸部１４２，１４２の頂辺部１５０，１５０が配置されている。

以上により、出口配管１２０内となる内周面１４０に、複数の傘状凸部１４２、傘状凸部１４４及び複数の傘状凸部１４６が、下部円筒状部１３４の周方向あるいは軸方向に位置をずらして千鳥状に配置されている。

図５に示すように、出口配管１２０の先端部１２０ａはテーパ形状に形成されている。
つまり、下部円筒状部１３４の先端部１２０ａの外周部に、先端側ほど小径となるテーパ面２１０が形成されている。よって、先端部１２０ａは先端側ほど径方向に薄肉となっている。

以上の出口配管１２０は、電気絶縁材（例えば、アクリル等の樹脂材）又は内面に樹脂コートが施された金属部材で構成されている。

このように構成される燃料電池システム１２の動作について、以下に説明する。

まず、図１に示すように、酸化剤ガス供給機構１８を構成する空気用ポンプ３２が駆動され、酸化剤ガスである外部空気が吸引されて空気供給配管３４に導入される。この空気は、空気供給配管３４から加湿器３６内に導入され、第１加湿部１１０ａ及び第２加湿部１１０ｂを通って加湿空気供給配管３８に供給される（図４参照）。

その際、オフガス供給配管４０には、後述するように、反応に使用された酸化剤ガスであるオフガスが供給されている。このため、使用前の空気には、加湿器３６の水透過膜（図示せず）を介してオフガス中に含まれる水分が移動し、この使用前の空気が加湿される。加湿された空気は、加湿空気供給配管３８からエンドプレート６２ｂを通って燃料電池スタック１０内の酸化剤ガス供給連通孔７２ａに供給される。

一方、燃料ガス供給機構２０では、遮断弁４６の開放作用下に、燃料ガスタンク４４内の燃料ガス（水素ガス）がレギュレータ４８で降圧された後、エゼクタ５０を通って燃料ガス供給配管５１からエンドプレート６２ｂを通って燃料電池スタック１０内の燃料ガス供給連通孔７６ａに導入される。

さらに、冷却媒体供給機構１６では、冷媒用ポンプ２６の作用下に、冷却媒体供給配管２８からエンドプレート６２ａを通って燃料電池スタック１０内の冷却媒体供給連通孔７４ａに冷却媒体が導入される。

図２に示すように、燃料電池スタック１０内の発電セル６０に供給された空気は、酸化剤ガス供給連通孔７２ａから第２セパレータ７０の酸化剤ガス流路８８に導入され、電解質膜・電極構造体６６のカソード側電極８２に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔７６ａから第１セパレータ６８の燃料ガス流路８４に導入され、電解質膜・電極構造体６６のアノード側電極８０に沿って移動する。

したがって、各電解質膜・電極構造体６６では、カソード側電極８２に供給される空気中の酸素と、アノード側電極８０に供給される燃料ガス（水素）とが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。

次いで、カソード側電極８２に供給されて消費された空気は、酸化剤ガス排出連通孔７２ｂに沿って流動した後、オフガスとしてエンドプレート６２ｂからオフガス供給配管４０に排出される（図１参照）。

同様に、アノード側電極８０に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔７６ｂに排出されて流動し、排出燃料ガスとしてエンドプレート６２ｂからキャッチタンク５３を通って排出燃料ガス配管５２に排出される（図１参照）。排出燃料ガス配管５２に排出された排出燃料ガスは、一部がリターン配管５４を通ってエゼクタ５０の吸引作用下に燃料ガス供給配管５１に戻される。

排出燃料ガスは、新たな燃料ガスに混在して燃料ガス供給配管５１から燃料電池スタック１０内に供給される。残余の排出燃料ガスは、パージ弁５６の開放作用下に排出される。

ここで、アノード側電極８０では、生成水が逆拡散しており、この生成水が燃料ガスとともに燃料ガス排出連通孔７６ｂに排出されることになる。図５に示すように、燃料ガス排出連通孔７６ｂでは、エンドプレート６２ｂ側に導入された生成水が、排出燃料ガスの流れに沿って出口配管１２０を通ってキャッチタンク５３に送られる。したがって、生成水は、出口配管１２０の先端部１２０ａからキャッチタンク５３に滴下してキャッチタンク５３の室１２２内に貯留（捕集）される。

なお、出口配管１２０を流れる際に、生成水は、基本的には、重力により連結円筒状部１３０の下部を通るため、内周面１４０を伝って下部円筒状部１３４の位置の、図６に示す傘状凸部１４４に最も近い一対の傘状凸部１４６，１４６に向けてその多くが流れることになる。内周面１４０を伝ってこれら傘状凸部１４６，１４６に流れた生成水は、内周面１４０を伝いつつ頂辺部１９０，１９０のそれぞれによって分流された後、例えば、一部は、内周面１４０を伝いつつ、対向する短い傾斜面１９２，１９２を伝って流れ、その後、傘状凸部１４４の頂辺部１７０に当たって下部円筒状部１３４の周方向に分流されて傾斜面１７２，１７２をそれぞれ伝って流れることになる。そして、傾斜面１７２を伝って流れる生成水が、その後、内周面１４０を伝いつつ、傘状凸部１４２の頂辺部１５０に当たって下部円筒状部１３４の周方向両側に分流されて傾斜面１５２，１５２をそれぞれ伝って流れた後、鉛直下方に向けて、先端部１２０ａから排出される。

また、残りの一部は、内周面１４０を伝いつつ、傘状凸部１４６の長い傾斜面１９４を伝って流れ、長い傾斜面１９４の下端部と下部円筒状部１３４の周方向の位置が近い傘状凸部１４２の頂辺部１５０に当たって下部円筒状部１３４の周方向両側に分流され傾斜面１５２，１５２をそれぞれ伝って流れた後、鉛直下方に向けて、先端部１２０ａから排出される。他の傘状凸部１４２の頂辺部１５０に当たった生成水も、内周面１４０を伝いつつ、下部円筒状部１３４の周方向両側に分流され傾斜面１５２，１５２をそれぞれ伝って流れた後、鉛直下方に向けて、先端部１２０ａから排出される。

以上のようにして、燃料ガスとともに出口配管１２０から排出される生成水を、千鳥状に配置された傘状凸部１４２，１４４，１４６が、下部円筒状部１３４の周方向に分流させてから先端部１２０ａより排出させることになり、その結果、例え、連続流として流れることが可能な量の生成水が出口配管１２０を流れることになっても、下部円筒状部１３４の周方向に複数分流、分散させてそれぞれの支流の水量を減らし、その結果、各支流は、連続流として流れることが可能な量とはならずに分断される。つまり、傘状凸部１４２，１４４，１４６が、燃料ガスとともに排出される生成水の連続流を分断する。

なお、下部円筒状部１３４の周方向における傘状凸部１４２の切欠部１５４の長さは、一対の傾斜面１５２，１５２で分流させた生成水同士が傘状凸部１４２の下端面１５８，１５８の位置で再び合流することがないように生成水の発生量を基に設定されている。また、下部円筒状部１３４の周方向に隣り合う傘状凸部１４２，１４２の間隔は、それぞれの対面する傾斜面１５２，１５２で流れる生成水同士が合流することがないように生成水の発生量を基に設定されている。

冷却媒体は、図２に示すように、冷却媒体供給連通孔７４ａから第１セパレータ６８及び第２セパレータ７０間の冷却媒体流路８６に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体６６を冷却した後、冷却媒体排出連通孔７４ｂを移動して図１に示すエンドプレート６２ａの冷却媒体出口マニホールド９６ｂから冷却媒体排出配管３０に排出される。この冷却媒体は、ラジエータ２４により冷却された後、冷媒用ポンプ２６の作用下に冷却媒体供給配管２８から燃料電池スタック１０に供給される。

以上に述べた本実施形態によれば、出口配管１２０内に、燃料ガス排出流れ方向上流側に向く先細形状をなして設けられた傘状凸部１４２，１４４，１４６が、燃料ガスとともに排出される生成水の連続流を分断することになり、しかも、出口配管１２０の先端部１２０ａが下方に向け開口していることから、分断された生成水を、燃料ガスの流速に拘わらず安定的に下方に排出することができる。よって、出口配管１２０のキャッチタンク５３内に突出する先端部１２０ａとキャッチタンク５３の内側面１３６および内底面１３８との距離を長大化させることなく、生成水を介して燃料電池スタック１０の活電部である発電セル６０と外部の低電気抵抗部材であって電気的にグラウンドとなるキャッチタンク５３とが電気的に短絡することを防止することができる。よって、キャッチタンク５３の大型化を抑制することができる。しかも、出口配管１２０内の傘状凸部１４２，１４４，１４６で生成水の連続流を分断する構成であるため、生成水の連続流を分断する構成が大型化してしまうこともない。したがって、構成が大型化することを防止しつつ、燃料電池スタック１０から排出される生成水によって燃料電池スタック１０の発電セル６０とキャッチタンク５３との間に導電経路が形成されることを防止することが可能となる。

また、出口配管１２０内に、傘状凸部１４２，１４４，１４６が複数、千鳥状に配置されているため、燃料ガスとともに排出される生成水を多く分流させることができ、生成水の連続流を良好に分断することができる。したがって、燃料電池スタック１０から排出される生成水を介して燃料電池スタック１０の発電セル６０とキャッチタンク５３とが電気的に短絡することを、より一層防止することができる。

また、傘状凸部１４２，１４４，１４６の燃料ガス排出流れ方向上流側の先細形状部１６２，１８２，２０８の角度が９０度近傍であることから、燃料電池スタック１０から排出される生成水が傘状凸部１４２，１４４，１４６を下部円筒状部１３４の径方向内側に越えるオーバーフロー、の発生を抑制して良好に分流させることができる。また、分流された生成水が、傘状凸部１４２，１４４，１４６を燃料ガス排出流れ方向下流側に越えてから再合流することも抑制できる。したがって、燃料電池スタック１０から排出される生成水を介して燃料電池スタック１０の発電セル６０とキャッチタンク５３とが電気的に短絡することを、より一層防止することができる。

水柱を分割する（断面を分割）することは、表面エネルギが増加することであるため、外力を加えない限り自然発生することがないことから、運動する液滴が、傘状凸部１４２，１４４，１４６の先細形状部１６２，１８２，２０８に衝突して破裂することによる分流について検討する。先細形状部１６２，１８２，２０８の角度を鋭角側と鈍角側とで比較して見てみると、内周面１４０を伝って流れる液滴を、鋭角側は分流させやすく、鈍角側は分流させにくい。また、内周面１４０を伝って流れる液滴の流速の垂直ベクトルの減少は、鋭角側が少なく、鈍角側は多いため、鋭角側では、液滴が内端面１６０，１８０，２０６に流れるオーバーフローの懸念はなく、鈍角側ではオーバーフローの懸念が生じる。他方、下端部の水平方向長さは、鋭角側が短く、鈍角側が長いため、分流後の液滴の下端部での再合流は、鋭角側が生じやすく、鈍角側は生じにくい。このような理由を勘案し、先細形状部１６２，１８２，２０８の角度を９０度近傍とする。

すなわち、先細形状部１６２，１８２，２０８の角度が９０度近傍であれば、液滴の分流性、オーバーフローの抑止性および再合流の抑止性のすべてが良好となる。これに対し、さらに鋭角となる６０度近傍であると、液滴の分流性およびオーバーフローの抑止性は良好であるものの、再合流の抑止性があまり良くない。また、鈍角となる１２０度近傍であると、再合流の抑止性は良好であるものの、液滴の分流性があまり良くなく、オーバーフローの抑止性はさらに悪い。よって、先細形状部１６２，１８２，２０８の角度を９０度近傍とする。

しかも、傘状凸部１４２，１４４，１４６のすべての下端部に切欠部１５４，１７４，１９６を設けているため、再合流の抑止性はさらに高くなる。言い換えれば、再合流の抑止性を単に高めるためには、下部円筒状部１３４における周方向（水平方向）の傘状凸部１４２，１４４，１４６の下端部の長さを長くすれば良いが、この長さを長くすると、下部円筒状部１３４の軸方向（上下方向）における長さも長くなり、出口配管１２０の大きさが大きくなってしまうため、好ましくない。表面張力と重力とにより求まる高さ以上に液滴が遡ることはないことから、傘状凸部１４２，１４４，１４６のすべての下端部に切欠部１５４，１７４，１９６を設けることによって、傘状凸部１４２，１４４，１４６の下端部の長さを長くすることなく、再合流の抑止性を高めることができる。

出口配管１２０の先端部１２０ａがテーパ形状に形成されているため、燃料電池スタック１０から排出される生成水がこの先端部１２０ａの位置で合流して再び連続流となることを抑制できる。したがって、燃料電池スタック１０から排出される生成水を介して燃料電池スタック１０の発電セル６０とキャッチタンク５３とが電気的に短絡することを、より一層防止することができる。

つまり、先端部１２０ａがテーパ形状ではなくストレート形状の場合、表面性状が親水（３０度）であると、水は先端部１２０ａの下端面２１２を伝うことになり、鉛直方向下方に落ちにくく合流し易い。このため、一本の水流に対する水量が増える方向に作用する。他方、表面性状が撥水（１３０度）の場合、水は切れやすいものの、鉛直方向下方に落ちにくい。これらに対し、出口配管１２０の先端部１２０ａに例えば４５度の面取り加工によりテーパ面２１０を形成すると、表面性状が親水（３０度）および撥水（１３０度）のいずれの場合であっても、ストレート形状にて発生した下端面２１２を伝って水が合流する状況が生じにくくなり、しかも、鉛直方向下方への落下が可能になる。

なお、以上の傘状凸部１４２，１４４，１４６の千鳥配置は、一例であり、種々の変更が可能である。例えば、図７に示すように、傘状凸部１４４、及び傘状凸部１４４に最も近い二カ所の傘状凸部１４２を上側にずらし、これら二カ所の傘状凸部１４２があった位置に、傘状凸部１４２と同様の形状であって傘状凸部１４２よりも下部円筒状部１３４の周方向の幅が狭い傘状凸部１４２’を四カ所配置する。このようにすれば、傘状凸部１４２’，１４２，１４４，１４６と、その段数を増加させることができ、生成水を分流させる分岐数を増加させることができる。

また、図７に示す傘状凸部１４４、二カ所の傘状凸部１４２、及び四カ所の傘状凸部１４２’の組を、図８に示すように、下部円筒状部１３４の周方向に間隔をあけて複数組設け、下部円筒状部１３４の周方向に隣り合う傘状凸部１４４の間に、傘状凸部１４６に対し、長い二カ所の傾斜面１９４，１９４を有するように変更した傘状凸部１４６’を配置しても良い。

また、以上の傘状凸部１４２の形状や内周面１４０の構造は、一例であり、種々の変更が可能である。
例えば、図９に示すように、傘状凸部１４２の変形例として、出口配管１２０の上流方向に凸状に形成されるとともに、出口配管１２０の径方向内側に向けて凸状（山状）に形成されるよう一対の第２傾斜面１５１，１５１を設けた傘状凸部１４２’’を採用しても良い。

また、例えば、図６に示すように、千鳥状に配置された上流側の傘状凸部（例えば、傘状凸部１４６）と下流側の傘状凸部（例えば、傘状凸部１４４）との間には、図１０に示すように、出口配管１２０の略径方向に沿う壁部を有する排出液体ガイド部１４８が設けられても良い。
排出液体ガイド部１４８の壁部としては、例えば、図１１Ａに示すような溝１４８Ａ、図１１Ｂに示すようなガイドレール１４８Ｂ、図１１Ｃに示すようなカバー１４８Ｃなどを採用できる。

また、例えば、図１２に示すように、傘状凸部１４２の下端が接する出口配管１２０の開口部のうち、傘状凸部１４２の一方の下端と他方の下端との間にある部分が、傘状凸部１４２の先細形状部に向けて切り欠かれて形成される切欠部１４１を構成しても良い。

また、例えば、図１３Ａ及び１３Ｂに示すように、傘状凸部１４２の下端が、出口配管１２０の径方向に対して傾斜する傾斜部１５３を有していても良い。

また、これらの形状は、適宜に組み合わせることができる。
このようにすれば、反応ガスとともに排出される液体をより良好に分流させる、あるいは分流されたものを再合流させなくすることができ、液体の連続流をより良好に分断することができる。

なお、以上の実施形態においては、車載される燃料電池スタックであり、車体の加減速や、燃料電池スタックの運転条件変化およびこれに伴う燃料ガスの流速変化が激しいため、燃料ガスと共に排出される生成水が、出口配管１２０の下部円筒状部１３４の周方向のすべての位置を流れる可能性がある。このため、生成水の連続流を分断する傘状凸部１４２，１４４，１４６を下部円筒状部１３４の全周にわたって配置している。なお、定置型の燃料電池スタックであって、運転条件およびこれに伴う燃料ガスの流速変化が安定しており、生成水が出口配管１２０の下部円筒状部１３４の周方向の一定位置を流れる場合には、この位置のみに傘状凸部１４２，１４４，１４６を設けても良い。また、生成水の流量によっては、一つのみ傘状凸部を設けることも可能である。つまり、生成水の連続流を分断する少なくとも一つの傘状凸部を設ければ良い。

また、以上の実施形態においては、出口配管１２０の先端部１２０ａが鉛直下方に向け開口する場合を例にとり説明したが、鉛直に近い角度であれば鉛直に対し斜め方向に向けて開口していても良い。

また、以上の実施形態では、燃料ガス排出連通孔７６ｂに連通する燃料ガス出口マニホールド１００ｂに連結される出口配管１２０を例にとり説明したが、これに限定されるものではない。例えば、酸化剤ガス排出連通孔７２ｂに連通する酸化剤ガス出口マニホールド９８ｂとオフガス供給配管４０との間に上記と同様の出口配管およびキャッチタンクを設け、この出口配管に上記構成を適用することも可能である。

１０ 燃料電池スタック
５３ キャッチタンク
６０ 発電セル
６１ 積層体
６２ｂ エンドプレート
７６ｂ 燃料ガス排出連通孔（反応ガス排出連通孔）
１００ｂ 燃料ガス出口マニホールド（反応ガス出口）
１２０ 出口配管
１２０ａ 先端部
１３６ 内側面
１３８ 内底面
１４２，１４２’，１４４，１４６，１４６’ 傘状凸部
１６２，１８２，２０８ 先細形状部

Claims (9)

1. 複数の発電セルが積層され、前記発電セルでの発電反応に用いられた反応ガスを排出する反応ガス排出連通孔が設けられた積層体と；
   前記積層体の積層方向の一端部に配置されるとともに前記反応ガス排出連通孔に連通する反応ガス出口が設けられたエンドプレートと；
   を備える燃料電池スタックにおいて、
   前記反応ガス出口に連結され、反応ガス排出流れ方向下流側の先端部が下方に向け開口する出口配管と；
   前記出口配管内に、反応ガス排出流れ方向上流側に向く先細形状をなし、反応ガスとともに排出される液体の連続流を分断する少なくとも一つの傘状凸部と、
   が設けられる
   ことを特徴とする燃料電池スタックにおけるガス出口領域の水切り構造。
2. 前記出口配管内に、前記傘状凸部が複数、千鳥状に配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタックにおけるガス出口領域の水切り構造。
3. 前記傘状凸部は、前記出口配管の上流方向に凸状に形成されるとともに、前記出口配管の径方向内側に向けて凸状に形成される
   ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池スタックにおけるガス出口領域の水切り構造。
4. 千鳥状に配置された上流側の傘状凸部と下流側の傘状凸部との間には、前記出口配管の略径方向に沿う壁部を有する排出液体ガイド部が設けられる
   ことを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池スタックにおけるガス出口領域の水切り構造。
5. 前記傘状凸部の下端が接する前記出口配管の開口部のうち、前記傘状凸部の一方の下端と他方の下端との間にある部分が、前記傘状凸部の先細形状部に向けて切り欠かれて形成される
   ことを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池スタックにおけるガス出口領域の水切り構造。
6. 前記傘状凸部の下端が、前記出口配管の径方向に対して傾斜している
   ことを特徴とする請求項２乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池スタックにおけるガス出口領域の水切り構造。
7. 前記出口配管から排出される液体を受容するキャッチタンクを備え、
   前記出口配管は、前記キャッチタンク内に前記先端部を突出させており、前記キャッチタンクの内側面および内底面のそれぞれとの間に所定の間隔を有する
   ことを特徴とする請求項１乃至６に記載の燃料電池スタックにおけるガス出口領域の水切り構造。
8. 前記傘状凸部は、反応ガス排出流れ方向上流側の先細形状部の角度が、９０度近傍である
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の燃料電池スタックにおけるガス出口領域の水切り構造。
9. 前記出口配管の前記先端部がテーパ形状に形成されている
   ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の燃料電池スタックにおけるガス出口領域の水切り構造。

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