(57)【要約】【課題】電解質膜を湿潤に保ちつつ燃料電池の排水性を向上する技術を提供する。【解決手段】燃料電池スタック１０に、発電反応によって生じた水分を含むカソード排ガスを膜電極接合体の発電部７１から排出用マニホールド孔Ｍ４へと誘導するための排ガス流路Ｐ４、ＣＰ２に連通するカソード排水孔ＳＣを設ける。通常の発電は、マニホールド孔Ｍ４への流体の流れを制御するための第１のバルブＢＬ１は開き、カソード排水孔ＳＣへの流体の流れを制御するための第２のバルブＢＬ２を閉じる。排水運転時には、第１のバルブＢＬ１を閉じ、第２のバルブＢＬ２を開き、カソード排水孔ＳＣへカソード排ガスが流れるように制御し、排ガス流路Ｐ４、ＣＰ２に発生した滞留水をカソード排水孔ＳＣから排水する。【選択図】図９
2008135335.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
セパレータと膜電極接合体とが積層された燃料電池と、
制御部と、
を備え、
前記燃料電池は、
カソード電極層に酸化ガスを供給するためのカソード供給用マニホールド孔と、
前記カソード電極層からカソード排ガスを排出するためのカソード排出用マニホールド孔と、
前記セパレータに設けられた、前記カソード電極層から前記カソード排出用マニホールド孔へ前記カソード排ガスを誘導するためのカソード排ガス流路と、
前記カソード排ガス流路に連通し、前記カソード排ガス流路の水分を排出するためのカソード排水孔と、
を備え、
重力方向を下と見たときに、前記カソード供給用マニホールド孔が、前記カソード排出用マニホールド孔より下にある状態で使用され、
前記燃料電池システムは、さらに、前記カソード排出用マニホールド孔における前記カソード排ガスの流れを制御する第１のバルブを備え、
前記制御部は、前記第１の排出用バルブを閉じることによって、前記カソード排水孔から前記カソード排ガスを排出するとともに排水を行う、燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
重力方向を下と見たときに、前記カソード排水孔の下端は、前記カソード排ガス流路の下端以下に位置する、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２のいずれかに記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記カソード排水孔の排水の流れを制御するための第２の排出用バルブを備え、
前記制御部は、前記第１の排出用バルブが開くとともに前記第２の排出用バルブを閉じて発電を行う通常運転と、前記第１の排出用バルブを閉じるとともに前記第２の排出用バルブを開いて前記カソード排水孔からの排水を行う排水運転とを行う、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池の排水技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池においては、通常、発電反応において水分が発生し、その水分は排ガスとともに燃料電池の外部へと排出される。燃料電池外部への排水が効率的に行われなければ、燃料電池内の水分が過多となる、いわゆるフラッディングと呼ばれる状態となり、燃料電池の発電効率が低下する。また、低排水性のために運転停止後に燃料電池内に水分が残ってしまうと、燃料電池が例えば氷点下零度以下の低温状態におかれているときに、その残存した水分が凍結して燃料電池の始動が困難となる場合がある。このように燃料電池には排水性の向上が要求されており、そのための種々の技術が提案されてきた（特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−６６２２５
【０００４】
ところで、燃料電池では一般に、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す電解質膜が用いられている。電解質膜が過度に乾燥するとプロトンが十分にカソード電極層へと到達しない、いわゆるドライアップという状態になり、燃料電池の発電効率は低下する。従って、燃料電池の運転継続中には電解質膜を適度な湿度に保つことが要求されてきた。このように燃料電池においては、排水性を向上すると同時に、電解質膜を湿潤に保つ必要があり、これまでそうした要求に対して十分な工夫がなされてこなかったのが現状であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、電解質膜を湿潤に保ちつつ燃料電池の排水性を向上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】
上記目的を達成するために、本発明は、燃料電池システムであって、セパレータと膜電極接合体とが積層された燃料電池と、制御部とを備え、前記燃料電池は、カソード電極層に酸化ガスを供給するためのカソード供給用マニホールド孔と、前記カソード電極層からカソード排ガスを排出するためのカソード排出用マニホールド孔と、前記セパレータに設けられた、前記カソード電極層から前記カソード排出用マニホールド孔へ前記カソード排ガスを誘導するためのカソード排ガス流路と、前記カソード排ガス流路に連通し、前記カソード排ガス流路の水分を排出するためのカソード排水孔とを備え、重力方向を下と見たときに、前記カソード供給用マニホールド孔が、前記カソード排出用マニホールド孔より下にある状態で使用され、前記燃料電池システムは、さらに、前記カソード排出用マニホールド孔における前記カソード排ガスの流れを制御する第１のバルブを備え、前記制御部は、前記第１の排出用バルブを閉じることによって、前記カソード排水孔から前記カソード排ガスを排出するとともに排水を行うことを特徴とする。
【０００７】
この構成によれば、重力方向と逆方向に酸化ガスが流れるので、カソード電極層の水分が過度に排出されることを抑制して電解質膜を湿潤に保つことができる。また、カソード排ガス流路に滞留してしまった水分（滞留水）をカソード排水孔から排出することができ、燃料電池の排水性が向上する。
【０００８】
重力方向を下と見たときに、前記カソード排水孔の下端は、前記カソード排ガス流路の下端以下に位置するものとしても良い。
【０００９】
この構成によれば、滞留水を重力に逆らうことなくカソード排水孔へと誘導できるため、排水性を向上することができる。
【００１０】
上記燃料電池システムは、さらに、前記カソード排水孔の排水の流れを制御するための第２の排出用バルブを備え、前記制御部は、前記第１の排出用バルブが開くとともに前記第２の排出用バルブを閉じて発電を行う通常運転と、前記第１の排出用バルブを閉じるとともに前記第２の排出用バルブを開いて前記カソード排水孔からの排水を行う排水運転とを行うものとしても良い。
【００１１】
この構成によれば、カソード排ガスの流れをカソード排出用マニホールド孔へ流れる場合と、カソード排水孔へと流れる場合とに分けることができる。従って、排水を誘導するのに用いられるカソード排ガスの圧力が分散することを抑制でき、排水性を向上することができる。
【００１２】
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、その燃料電池を備えた燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
Ａ．燃料電池システムの構成：
図１は本発明の一実施例として燃料電池システムの構成を示すブロック図である。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、水素系統２０と、空気系統３０と、冷媒系統４０と、排水用配管５０と、制御部６０とを備えている。燃料電池スタック１０は、燃料ガスと酸化ガスとの供給を受けて、その電気化学反応（燃料電池反応）によって発電する固体高分子型燃料電池である。なお、燃料電池スタック１０としては、固体高分子型燃料電池でなくとも良く、任意の種々のタイプの燃料電池に本発明を適用することが可能である。
【００１４】
水素系統２０は、水素供給配管２１を介して、燃料電池スタック１０のアノード電極層に燃料ガス（水素）を供給する。また、水素系統２０は、水素排出配管２２を介して、反応に供されることのなかった水素を含むアノード排ガスを燃料電池スタック１０から排出させる機能を担う。水素系統２０には、例えば水素を貯蔵する水素タンク（図示せず）が設けられているものとしても良いし、改質機（図示せず）などが設けられているものとしても良い。また、水素系統２０は、アノード排ガス中の水素が再び水素供給配管２１に循環する構成であるとしても良い。
【００１５】
空気系統３０は、空気供給配管３１を介して、燃料電池スタック１０のカソード電極層に酸化ガス（高圧空気）を供給する。また、空気系統３０は、空気排出配管３２を介して、反応に供されることのなかった酸素を含むカソード排ガスを燃料電池スタック１０から排出させる機能を担う。空気排出配管３２にはバルブＢＬ１が設けられている。このバルブＢＬ１は、開閉動作によって空気排出配管３２のカソード排ガスの流れを制御することができる。
【００１６】
なお、空気系統３０には、空気供給配管３１と接続する高圧空気を供給するためのエアコンプレッサ（図示せず）が設けられているものとしても良いし、酸素タンク（図示せず）が設けられているものとしても良い。また、空気系統３０は、空気排出配管３２のカソード排ガスが再び空気供給配管３１に循環する構成であるとしても良いし、そのまま外部へと排出される構成であっても良い。
【００１７】
冷媒系統４０は、冷媒流入配管４１を介して、燃料電池スタック１０内に設けられた冷媒流路（図示せず）に、例えば水などの冷媒を流入させる。冷媒は、燃料電池スタック１０を冷却するとともに、冷媒流出配管４２を介して冷媒系統４０へと循環する。
【００１８】
排水用配管５０は、燃料電池スタック１０の後述するカソード排水孔と接続しており、カソード電極層で発生した水分の燃料電池スタック１０の外部への排出を担う。排水用配管５０にはバルブＢＬ２が設けられている。このバルブＢＬ２は、開閉動作によって排水の流れを制御することができる。
【００１９】
制御部６０は、２つのバルブＢＬ１、ＢＬ２の開閉動作を制御している。なお、制御部６０は、外部負荷からの出力要求に従って、上述した各構成部に指令を出して燃料電池システム１００全体を制御しているものとしても良い。
【００２０】
Ｂ．燃料電池スタックの構成：
図２（Ａ）は、燃料電池スタック１０の構成を説明するための概略図である。なお、図に示す矢印Ｇは、重力方向を示している。以後、本明細書中において、「上」、「下」、「高さ」など、上下方向を示す記述については、重力方向を下方として見ているものとする。
【００２１】
燃料電池スタック１０は、複数のシール一体型膜電極接合体７０（後述）がセパレータＳＰ（後述）によって挟持された状態で積層された積層体１１を備えている。積層体１１は、締結部材１３によって荷重を受けて、２枚のエンドプレート１２に挟持されている。なお、燃料電池スタック１０は、図に示すように、重力方向に対して積層体１１の積層方向が水平となる状態で燃料電池システム１００に配置されて発電を行う。
【００２２】
図２（Ｂ）は、積層体１１を構成する任意のシール一体型膜電極接合体７０と、それを挟持する２つのセパレータＳＰを示す概略図である。セパレータＳＰは、アノードプレートＳＰａ及びカソードプレートＳＰｃを備え、また、それらに挟持された中間プレートＳＰｉを備える３層式セパレータである。アノードプレートＳＰａは、シール一体型膜電極接合体７０のアノード電極層側に接し、カソードプレートＳＰｃは、シール一体型膜電極接合体７０のカソード電極層側に接している。なお、３枚のプレートＳＰａ、ＳＰｉ、ＳＰｃは、導電性を有する金属やカーボンによって構成することができる。
【００２３】
図３は、シール一体型膜電極接合体７０を示す概略図である。なお、図３には、図２と同様に重力方向を矢印Ｇによって示してある。シール一体型膜電極接合体７０は、燃料電池反応が行われる発電部７１と、それを囲む外周枠であるシール枠部７２とを有する略長方形の部材である。シール枠部７２には、水素、空気、冷媒などの供給及び排出を行うための貫通孔であるマニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６が設けられている。具体的には以下の構成となる。
【００２４】
マニホールド孔Ｍ１は水素の供給を担い、マニホールド孔Ｍ２はアノード排ガスの排出を担う。マニホールド孔Ｍ５、Ｍ６はそれぞれ、冷媒の供給、排出を担う。水素供給用マニホールド孔Ｍ１及び冷媒供給用マニホールド孔Ｍ５は、水素排出用マニホールド孔Ｍ２及び冷媒排出用マニホールド孔Ｍ６と、発電部７１を挟んで対向する位置に、シール一体型膜電極接合体７０の短辺に沿って設けられている。なお、マニホールド孔Ｍ１、Ｍ２、Ｍ５、Ｍ６は、他の構成・配置であっても良い。
【００２５】
マニホールド孔Ｍ３は空気の供給を担い、マニホールド孔Ｍ４はカソード排ガスの排出を担う。酸素供給用マニホールド孔Ｍ３は、酸素排出用マニホールド孔Ｍ４と発電部７１を挟んで対向する位置に、シール一体型膜電極接合体７０の長辺に沿って、それぞれ３個ずつ設けられている。なお、酸素用マニホールド孔Ｍ３、Ｍ４は、少なくとも１個ずつ設けられていれば良い。ただし、酸素供給用マニホールド孔Ｍ３は、燃料電池スタック１０の使用時には、酸素排出用マニホールド孔Ｍ４より下になるように設けられている。従って、供給された高圧空気は発電部７１において、重力方向とは逆の方向、即ち、下から上へと流れる。
【００２６】
シール枠部７２には、マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６に加えて、カソード排水孔ＳＣが貫通孔として設けられている。カソード排水孔ＳＣは、上述した水素排出用マニホールド孔Ｍ２、冷媒排出用マニホールド孔Ｍ６と並列に、シール一体型膜電極接合体７０の短辺に沿って設けられている。
【００２７】
マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６及びカソード排水孔ＳＣは、燃料電池スタック１０として組み付けられたときに、燃料電池スタック１０のエンドプレート１２（図２）のうちのいずれか一方に設けられた接続部を介して、図１で説明した各配管と接続する。具体的には、水素供給用マニホールド孔Ｍ１は水素供給配管２１と接続し、水素排出用マニホールド孔Ｍ２は水素排出配管２２と接続する。酸素供給用マニホールド孔Ｍ３は空気供給配管３１と接続し、酸素排出用マニホールド孔Ｍ４は空気排出配管３２と接続する。冷媒供給用マニホールド孔Ｍ５は冷媒流入配管４１と接続し、冷媒排出用マニホールド孔Ｍ６は冷媒流出配管４２と接続する。カソード排水孔ＳＣは、排水用配管５０と接続する。
【００２８】
図４は、図３に示す４−４切断におけるシール一体型膜電極接合体７０の断面を示す断面図である。発電部７１には、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す性質を有する電解質膜７３が含まれる。電解質膜７３は、アノード電極層７４ａとカソード電極層７４ｃとで挟持されて膜電極接合体（ＭＥＡ）を構成する。２つの電極層７４ａ、７４ｃにはそれぞれ燃料電池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）が設けられている。触媒としては、例えば白金（Ｐｔ）を採用することができる。
【００２９】
２つの電極層７４ａ、７４ｃの電解質膜７３と接しない外面には、水素及び空気を２つの電極層７４ａ、７４ｃの全体に行き渡らせるためのガス拡散層７５が設けられている。ガス拡散層７５としては、カーボンや、焼結金属などの多孔体で構成することができる。
【００３０】
電解質膜７３は、２つの電極層７４ａ、７４ｃの外周縁から突出した部位である外周端部７３ｅを有している。外周端部７３ｅは、発電部７１の外周に成型されたシール枠部７２によって保持されており、これによって、燃料電池の発電の際に水素が反応に供されることなくカソード側に移動してしまうクロスリークの発生の可能性が低減されている。なお、シール枠部７２はシリコンゴムなどの絶縁性シール部材で構成することができる。また、シール枠部７２の表面には、流体をシールするためのシールラインが設けられているものとしても良い。
【００３１】
図５は、アノードプレートＳＰａの構成を示す概略図である。なお、図５には、燃料電池スタック１０を構成した際に、シール一体型膜電極接合体７０の発電部７１と重なる領域である発電部領域７１ａを破線で示してある。また、図５には、図２と同様に重力方向を矢印Ｇによって示してある。
【００３２】
アノードプレートＳＰａには、シール一体型膜電極接合体７０と同様に貫通孔であるマニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６及びカソード排水孔ＳＣが設けられている。水素供給用マニホールド孔Ｍ１の近傍には貫通孔である水素流入孔Ｐ１が設けられおり、水素排出用マニホールド孔Ｍ２の近傍には、貫通孔である水素流出孔Ｐ２が設けられている。水素流入孔Ｐ１及び水素流出孔Ｐ２は、発電部領域７１ａ内に設けられており、水素流入孔Ｐ１及び水素流出孔Ｐ２を介して、シール一体型膜電極接合体７０のガス拡散層７５への水素の供給・排出が行われる。具体的な水素の流れについては後述する。なお、アノードプレートＳＰａとしては、他の構成を有していても良い。
【００３３】
図６は、カソードプレートＳＰｃの構成を示す概略図である。図４は、水素流入孔Ｐ１及び水素流出孔Ｐ２に替えて、酸素流入孔Ｐ３及び酸素流出孔Ｐ４が設けられている点以外は、図５のアノードプレートＳＰａと同じである。
【００３４】
酸素流入孔Ｐ３及び酸素流出孔Ｐ４はそれぞれ、酸素供給用マニホールド孔Ｍ３及び酸素排出用マニホールド孔Ｍ４と並列に設けられた貫通孔であり、それぞれ１つずつ設けられている。酸素流入孔Ｐ３及び酸素流出孔Ｐ４は、発電部領域７１ａ内に設けられており、酸素流入孔Ｐ３及び酸素流出孔Ｐ４を介して、シール一体型膜電極接合体７０のガス拡散層７５への酸素を含む空気の供給・排出が行われる。具体的な空気の流れについては後述する。なお、カソードプレートＳＰｃとしては、他の構成を有していても良い。
【００３５】
図７は、中間プレートＳＰｉの構成を示す概略図である。図７は、以下に説明する相違点以外は、図５及び図６と同じである。中間プレートＳＰｉには、他のプレートＳＰａ、ＳＰｃと同様に貫通孔であるマニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６及びカソード排水孔ＳＣが設けられている。また、中間プレートＳＰｉには、アノードプレートＳＰａと同様に、水素流入孔Ｐ１及び水素流出孔Ｐ２が設けられており、さらに、カソードプレートＳＰｃと同様に、酸素流入孔Ｐ３及び酸素流出孔Ｐ４が設けられている。なお、中間プレートＳＰｉのカソード排水孔ＳＣと酸素流出孔Ｐ４とは連通している。
【００３６】
中間プレートＳＰｉには、２つのアノード流路ＡＰ１、ＡＰ２が中間プレートＳＰｉを貫通して設けられている。第１のアノード流路ＡＰ１は、水素供給用マニホールド孔Ｍ１と水素流入孔Ｐ１とを連通し、第２のアノード流路ＡＰ２は、水素排出用マニホールド孔Ｍ２と水素流出孔Ｐ２とを連通している。また、中間プレートＳＰｉには、２つのカソード流路ＣＰ１、ＣＰ２が中間プレートＳＰｉを貫通して設けられている。第１のカソード流路ＣＰ１は、酸素供給用マニホールド孔Ｍ３と酸素流入孔Ｐ３とを連通し、第２のカソード流路ＣＰ２は、酸素排出用マニホールド孔Ｍ４と酸素流出孔Ｐ４とを連通している。さらに、中間プレートＳＰｉには、２つの冷媒用マニホールド孔Ｍ５、Ｍ６を連通する冷媒流路ＷＰが中間プレートＳＰｉを貫通して設けられている。冷媒流路ＷＰは、冷媒が発電部領域７１ａの全体を冷却できるように設けられていることが好ましい。
【００３７】
図８（Ａ）〜（Ｅ）は、燃料電池スタック１０の発電時におけるセパレータＳＰ中の各流体の流れを説明するための説明図である。図８（Ａ）〜（Ｅ）は、セパレータＳＰとして組み付けられた際の図７に示す各切断部位における断面図を示している。
【００３８】
図８（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ、図７に示す８Ａ−８Ａ切断及び８Ｂ−８Ｂ切断における断面図であり、セパレータＳＰにおける水素の流れを示している。図１で説明した水素系統２０から水素供給配管２１を介してマニホールド孔Ｍ１へ供給された水素の一部は、図８（Ａ）の矢印に示すように、中間プレートＳＰｉに設けられた第１のアノード流路ＡＰ１へと流入する。その後、水素は、水素流入孔Ｐ１を介してシール一体型膜電極接合体７０のアノード電極側のガス拡散層７５（図４）へと至り、燃料電池反応に供される。
【００３９】
燃料電池反応に供されることのなかった水素を含むアノード排ガスは、図８（Ｂ）の矢印に示すように、水素流出孔Ｐ２から第２のアノード流路ＡＰ２を経て水素排出用マニホールド孔Ｍ２へと至る。アノード排ガスは、さらに、水素排出用マニホールド孔Ｍ２から水素排出配管２２（図１）へと排出される。
【００４０】
図８（Ｃ）、（Ｄ）はそれぞれ、図７に示す８Ｃ−８Ｃ切断及び８Ｄ−８Ｄ切断における断面図であり、セパレータＳＰにおける冷媒の流れを示している。図１で説明した冷媒系統４０から冷媒流入配管４１を介して冷媒供給用マニホールド孔Ｍ５へ供給された冷媒の一部は、図８（Ｃ）の矢印に示すように、中間プレートＳＰｉに設けられた冷媒流路ＷＰへと流入する。その後、発電の際に発生した熱を伴った冷媒は、図８（Ｄ）の矢印に示すように、冷媒流路ＷＰを経て冷媒排出用マニホールド孔Ｍ６へと至り、冷媒流出配管４２（図１）へと排出される。
【００４１】
図８（Ｅ）は、図７に示す８Ｅ−８Ｅ切断における断面図であり、セパレータＳＰにおける空気の流れを示している。なお、図８（Ｅ）の矢印Ｇは、セパレータＳＰが実際に燃料電池スタック１０として使用される際の重力方向を示している。図１で説明した空気系統３０から空気供給配管３１を介して酸素供給用マニホールド孔Ｍ３へ供給された空気の一部は、図６（Ｃ）の矢印に示すように、中間プレートＳＰｉに設けられた第１のカソード流路ＣＰ１へと流入する。その後、空気は、酸素流入孔Ｐ３を介してシール一体型膜電極接合体７０のカソード電極側のガス拡散層７５（図４）へと至り、燃料電池反応に供される。
【００４２】
燃料電池反応に供されることのなかった酸素を含むカソード排ガスは、酸素流出孔Ｐ４から第２のカソード流路ＣＰ２を経て酸素排出用マニホールド孔Ｍ４へと至る。その際に、燃料電池反応で発生した水分もともにマニホールド孔Ｍ４へと運ばれ、その水分を含むカソード排ガスは、さらに、酸素排出用マニホールド孔Ｍ４から空気排出配管３２（図１）へと排出される。なお、カソード電極側の発電部７１から酸素排出用マニホールド孔Ｍ４へと至るカソード排ガスの経路のうち、セパレータＳＰに設けられた酸素流出孔Ｐ４と第２のカソード流路ＣＰ２とを含む経路を「セパレータＳＰのカソード排ガス流路」と呼ぶ。
【００４３】
ここで、カソード電極層に供給される空気を重力方向とは逆方向に流れるようにしている理由を説明する。上述したように、燃料電池スタック１０に用いられている電解質膜７３（図４）は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す。従って、燃料電池スタック１０の運転時には、シール一体型膜電極接合体７０の発電部７１（図３）は、湿潤状態に保たれていることが好ましい。そのため、空気系統３０において空気は加湿されて供給されることが好ましい。
【００４４】
一方、空気は以下の理由のために高圧で供給される。第１の理由は、発電効率を向上するためであり、第２の理由は、上述したように反応によって発生した水分をその圧力によって燃料電池スタック１０の外部へと排出するためである。従って、もし仮に空気を重力方向と同じ方向に流れるように構成した場合、シール一体型膜電極接合体７０の発電部７１の水分が過度に排出されてしまい、いわゆるドライアップと呼ばれる状態となる可能性がある。ここで、「ドライアップ」とは、電解質膜の水分が不足するためにプロトンが十分にカソード電極側に移動することができず、発電効率が低下する現象を言う。即ち、発電部７１における空気の流れを重力方向とは逆にすることによって、発電部７１を湿潤状態に保ちつつ、高圧空気によってカソード電極層の余分な水分を排出することができる。
【００４５】
しかし、重力方向に逆らって排水を行うため、図８（Ｅ）の破線で示した部位ＰＤにおいて、水分の一部が酸素排出用マニホールド孔Ｍ４へと至ることができず、溜まってしまう可能性がある。この溜まってしまった水（滞留水）が、燃料電池の運転停止後も燃料電池内に残っていると、例えば、燃料電池が氷点下以下の低温状態にある場合などには凍結してしまい、燃料電池の始動が困難となるおそれがある。また、この滞留水が、セパレータＳＰの腐食などの劣化の原因となるおそれもある。そこで、本実施例では、この滞留水をカソード排水孔ＳＣから排水用配管５０（図１）を経て燃料電池スタック１０の外部へと排出する。
【００４６】
Ｃ．燃料電池システムの動作機構：
図９（Ａ）、（Ｂ）は、カソード排水孔ＳＣからの滞留水の排水機構を説明するための説明図である。図９（Ａ）、（Ｂ）は、燃料電池スタック１０の運転時におけるセパレータＳＰの図７に示した破線領域９に示す部位を拡大した図である。なお、説明のため、アノードプレートＳＰａの図示は省略してある。
【００４７】
図９（Ａ）は、燃料電池システム１００が通常運転を行っている状態を示している。ここで、「通常運転」とは、上記した流体の流れにより燃料電池スタック１０が発電を行う運転のことを言う。具体的には、図１で説明した空気排出配管３２に設けられた第１のバルブＢＬ１が開かれ、排水用配管５０に設けられた第２のバルブＢＬ２が閉じられた状態で、燃料電池スタック１０の発電が行われる。
【００４８】
これによって、図９（Ａ）の矢印に示すように、カソード排ガスはカソード排水孔ＳＣへ流れることが抑制され、酸素排出用マニホールド孔Ｍ４へと流れる。従って、この通常運転時には、上記したように、セパレータＳＰの酸素流出孔Ｐ４の底面Ｐ４ｂに、滞留水が溜まりやすい状態であるといえる。
【００４９】
図９（Ｂ）は、燃料電池システム１００が排水運転を行っている状態を示している。ここで、「排水運転」とは、主にカソード電極に発生した水分や滞留水を高圧空気によって燃料電池スタック１０の外部へ排出することを目的として行われる運転のことを言う。具体的には、図１で説明した空気排出配管３２に設けられた第１のバルブＢＬ１が閉じられ、排水用配管５０に設けられた第２のバルブＢＬ２が開かれた状態で、燃料電池スタック１０に空気系統３０から高圧空気が供給される。
【００５０】
酸素排出用マニホールド孔Ｍ４の流路が閉じられているため、図９（Ｂ）に示すように、排水のために送られた高圧空気は酸素排出用マニホールド孔Ｍ４へと流れることが抑制され、連通するカソード排水孔ＳＣへと流れる。従って、この排水運転時には、カソード電極側の水分及びセパレータＳＰの酸素流出孔Ｐ４の底面Ｐ４ｂに溜まった滞留水がカソード排水孔ＳＣから燃料電池スタック１０の外部へと排出される。
【００５１】
この排水運転は、燃料電池システム１００が運転を停止するときに行われるものとしても良いし、燃料電池システム１００の運転中に制御部６０の判断によって適宜（例えば、一定時間間隔ごとに）行われるものとしても良い。また、この排水運転を行っている間にも、水素系統２０から燃料電池スタック１０に水素が供給されることによって発電が行われるものとしても良い。
【００５２】
このように本実施例の構成によれば、燃料電池システム１００が通常発電を行っている間は、燃料電池スタック１０の電解質膜７３の湿潤状態を良好に保ちつつ、燃料電池反応によって発生した水分の排水を行うことができる。また、通常発電時に排水しきれなかった滞留水などをカソード排水孔ＳＣから排水することによって、燃料電池スタック１０の排水性を向上している。
【００５３】
Ｄ.カソード排水孔の他の構成例：
カソード排水孔ＳＣは、次のような構成や配置によっても実現することができる。図１０は、カソード排水孔ＳＣの他の構成例を説明するための概略図である。図１０は、カソード排水孔ＳＣの構成が異なる点と、カソード排水孔ＳＣの構成の変更にともなってマニホールド孔の位置などの構成が若干異なる点以外は、ほぼ図７と同じである。なお、図１０には、セパレータＳＰの中間プレートＳＰｉ２のみを図示しているが、カソード排水孔ＳＣは、他のプレートＳＰａ、ＳＰｃ及びシール一体型膜電極接合体７０に対しても同様に設けられる。
【００５４】
図７と図１０とを比較すると、図１０の中間プレートＳＰｉ２には、カソード排水孔ＳＣが、図７に示された位置よりも上方に設けられている。このような構成としてもカソード排水孔ＳＣは上述した排水機能を実現できる。ただし、この場合、カソード排水孔ＳＣの底面ＳＣｂが、酸素流出孔Ｐ４の底面Ｐ４ｂと同じ位置となるように設けられていることが好ましい。即ち、カソード排水孔ＳＣの下端は、酸素流出孔Ｐ４（カソード排ガス流路）の下端以下に位置するように設けることが好ましい。
【００５５】
このような構成とすることによって、排水運転時には、滞留水は重力に逆らうことなくカソード排水孔ＳＣへと移動することとなるため、燃料電池スタック１０の排水性を向上することができる。なお、酸素流出孔Ｐ４の底面Ｐ４ｂがカソード排水孔ＳＣに向かって傾斜するような構成とすれば、滞留水には、その自重によってカソード排水孔ＳＣへと移動する方向に力が働くため、さらに排水性を向上することが可能である。
【００５６】
また、図１０には、水素供給用マニホールド孔Ｍ１と同じ側に、酸素流出孔Ｐ４と連通する第２のカソード排水孔ＳＣ２が設けられている。この第２のカソード排水孔ＳＣ２も排水用配管５０（図１）と接続することにより滞留水の排出が可能である。このように、燃料電池スタック１０には、複数のカソード排水孔を設けることも可能である。
【００５７】
Ｅ．変形例：
なお、この発明は上記の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態様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。
【００５８】
Ｅ１．変形例１：
上記実施例において、滞留水は、排水用配管５０から燃料電池スタック１０の外部へと排出されていたが、燃料電池システム１００内で再利用されるものとしても良い。例えば、排水用配管５０が空気系統３０と接続することによって、排出された滞留水が、燃料電池スタック１０に供給される高圧空気の加湿に用いられるものとしても良い。
【００５９】
Ｅ２．変形例２：
上記実施例において、通常運転時には第２のバルブＢＬ２が閉じられていたが、開かれたままであるとしても良い。即ち、排水運転時に第１のバルブが閉じられていれば良い。従って、この場合には、第２のバルブＢＬ２は設けられていなくとも良い。ただし、上記実施例のように、第１及び第２のバルブを交互に開閉して、通常運転と排水運転とを切り替えた方が、排ガスが酸素排出用マニホールド孔Ｍ４へ流れる場合と、カソード排水孔ＳＣへと流れる場合のいずれかに制御することができる。従って、排水を誘導するために用いられる排ガスの圧力が分散することを抑制でき、燃料電池スタック１０の排水性を向上することができる。
【００６０】
Ｅ３．変形例３：
上記実施例において、セパレータＳＰを３層式セパレータとして構成していたが、中間プレートＳＰｉを有さない２層式のセパレータとしても良い。一般には、複数のプレートによって構成される多層式のセパレータとしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】燃料電池システムの概略を示すブロック図である。
【図２】燃料電池スタックの構成を示す概略図である。
【図３】シール一体型膜電極接合体の構成を示す概略図である。
【図４】シール一体型膜電極接合体の構成を示す断面図である。
【図５】セパレータを構成するアノードプレートの構成を示す概略図である。
【図６】セパレータを構成するカソードプレートの構成を示す概略図である。
【図７】セパレータを構成する中間プレートの構成を示す概略図である。
【図８】セパレータ内部の流体の流れを説明するための説明図である。
【図９】燃料電池の排水機構を説明するための説明図である。
【図１０】カソード排水孔の構成例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００６２】
１０…燃料電池スタック
１１…積層体
１２…エンドプレート
１３…締結部材
２０…水素系統
２１…水素供給配管
２２…水素排出配管
３０…空気系統
３１…空気供給配管
３２…空気排出配管
４０…冷媒系統
４１…冷媒流入配管
４２…冷媒流出配管
５０…排水用配管
６０…制御部
７０…シール一体型膜電極接合体
７１…発電部
７１ａ…発電部領域
７２…シール枠部
７３…電解質膜
７３ｅ…外周端部
７４ａ…アノード電極層
７４ｃ…カソード電極層
７５…ガス拡散層
１００…燃料電池システム
ＡＰ１、ＡＰ２…第１及び第２のアノード流路
ＢＬ１、ＢＬ２…第１及び第２のバルブ
ＣＰ１、ＣＰ２…第１及び第２のカソード流路
Ｇ…重力方向
Ｍ１〜Ｍ６…マニホールド孔
Ｐ１…水素流入孔
Ｐ２…水素流出孔
Ｐ３…酸素流入孔
Ｐ４…酸素流出孔
Ｐ４ｂ…酸素流出孔の底面
ＰＤ…排水滞留部位
ＳＣ、ＳＣ２…カソード排水孔
ＳＣｂ…カソード排水孔の底面
ＳＰ…セパレータ
ＳＰａ…アノードプレート
ＳＰｃ…カソードプレート
ＳＰｉ、ＳＰｉ２…中間プレート
ＷＰ…冷媒流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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