(57)【要約】      （修正有）【課題】簡単かつ低コストな構成で、燃料電池のガス流路内の滞留水を排出することができる燃料電池の排水装置の提供。【解決手段】燃料電池８０のカソード側又はアノード側のガス排出側と連通する密閉型の第１の貯水部１１１と、第２の貯水部１１２と、第１の貯水部１１１と第２の貯水部１１２２とを接続し、第１の貯水部１１１内の端部１１３ａより第２の貯水部１１２内の端部１１３ｂが低位置に配置されている排水配管１１３と、第１の貯水部１１１から第２の貯水部１１２へ第１の貯水部１１１内の水をサイフォン原理により移動させることにより、第１の貯水部１１１内へガス流路８１ｃ、８２ｃ内の水を排水する、連通配管１５５，開閉弁１１４，開閉制御部１１８、開放口１１７を備えた、燃料電池の排水装置１１０。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のカソード側又はアノード側のガス流路と連通する密閉型の第１の貯水部と、
第２の貯水部と、
前記第１の貯水部と前記第２の貯水部とを接続し、前記第１の貯水部内の開放端より前記第２の貯水部内の開放端が低位置に配置されている排水配管と、
前記第１の貯水部から前記第２の貯水部へ前記第１の貯水部内の水をサイフォン原理により移動させることにより、前記第１の貯水部内へ前記ガス流路内の水を排水するサイフォン駆動ユニットとを備えた、燃料電池の排水装置。
【請求項２】
前記サイフォン駆動ユニットは、
前記第１の貯水部の空間部分と前記第２の貯水部の空間部分とを連通する、開閉弁を有する連通配管と、
前記第２の貯水部に設けられた、逆流防止弁を有する開放口と、
前記開閉弁の開閉を制御する開閉制御部とを備え、
前記開閉制御部が、前記第１の貯水部内に少なくとも所定量の水が貯水されると前記開閉弁を閉止し、第１の貯水部内の水が前記排水配管を介して前記第２の貯水部に導入されると前記開放弁を開放することにより、前記第１の貯水部と前記第２の貯水部との間にサイフォン機構が形成される、請求項１に記載の燃料電池の排水装置。
【請求項３】
前記第１の貯水部又は前記第２の貯水部は、その表面に放熱用フィンを有する、請求項１に記載の燃料電池の排水装置。
【請求項４】
酸化剤ガスが通過するアノード、燃料ガスが通過するカソード、及び前記アノードと前記カソードの間に配置される高分子電解質膜を有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟持するように配置される一対のセパレータと、前記一対のセパレータの内面に設けられた、前記膜電極接合体に反応ガスを供給するための一対のガス流路とを有する燃料電池と、
前記ガス流路に接続された排水ユニットとして、請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池の排水装置を備えた、燃料電池システム。
【請求項５】
前記排水ユニットは、前記アノード側と前記カソード側にそれぞれ設けられている、請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記排水ユニットは、前記燃料電池のアノード側の前記酸化剤の入口側から出口側までの経路及び前記燃料電池のカソード側の前記酸化剤の入口側から出口側までの経路の少なくとも一方に、複数個設けられている、請求項４に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池のガス流路内の水を排出する燃料電池の排水装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質膜を用いた燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気などの酸素を含有する酸化剤ガスとを、電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させる。
【０００３】
図６は、固体高分子電解質型燃料電池の構造を説明するための概略断面図である。図６に示すように、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１１の両面に、白金系の金属触媒を炭素粉末に担持させて得られる触媒体と、水素イオン伝導性高分子電解質との混合物で触媒層１２が形成される。
【０００４】
現在、高分子電解質膜１１としては、パーフルオロカーボンスルホン酸からなる高分子電解質膜（例えば、米国Ｄｕ  Ｐｏｎｔ社製のＮａｆｉｏｎ膜など）が一般的に使用されている。そして、前記触媒層１２の外面には、通気性及び電子伝導性を併せ持つ、例えば撥水処理を施したカーボンペーパーでガス拡散層１３が形成される。この触媒層１２とガス拡散層１３とを合わせて電極１４と呼ぶ。
【０００５】
次に、供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの外部へのリーク防止や、前記２種類のガスが混合することを防止するため、電極の周囲には高分子電解質膜を挟んでガスシール材やガスケットが配置される。このシール材やガスケットは、電極及び高分子電解質膜と一体化してあらかじめ組み立てられ、これらすべてを組み合わせたものをＭＥＡ（電解質膜電極接合体）１５と呼ぶ。
【０００６】
図７に示すように、ＭＥＡ１５の外側には、ＭＥＡ１５を機械的に固定するための導電性セパレータ板１６が配置される。セパレータ板１６のＭＥＡ１５と接触する部分には、電極の面に反応ガスを供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るための反応ガス流路１７が形成され、アノード側に形成される反応ガス流路１７は後述するアノード側ガス流路８２ｃとなり、カソード側に形成される反応ガス流路１７はカソード側ガス流路８１ｃとなる。反応ガス流路１７はセパレータ板１６と別に設けることもできるが、セパレータ板１６の表面に溝を設けて反応ガス流路１７を形成する方式が一般的である。又、この反応ガス流路１７は反応ガスの入口から出口までを屈曲しながら設けられる。
【０００７】
このように、一対のセパレータ板１６でＭＥＡ１５を固定し、片側のガス流路に燃料ガスを供給し、他方のガス流路に酸化剤ガスを供給することで、数十から数百ｍＡ／ｃｍ２の実用電流密度通電時において一つの単電池で０．７〜０．８Ｖ程度の起電力を発生させることができる。なお、セパレータ板１６のＭＥＡと対向しない面には冷却水流路１８を設け、冷却水を循環させる。
【０００８】
ＭＥＡ１５を一対のセパレータ板１６で固定して得られるものを単電池と呼ぶ。通常、燃料電池を電源として使うときは、数ボルトから数百ボルトの電圧が必要とされるため、実際には、単電池を必要とする個数（一例として１０〜２００個）だけ直列接続となるよう積層し、積層体を集電板及び絶縁板を介して端板で挟み、締結ボルトで両端から固定した構成とする。なお、冷却水流路１８は、１〜３セル毎に冷却水用の流路を設ける構成としてもよい。
【０００９】
積層体としての燃料電池の反応ガス流路１７にガスを供給するためには、ガスを供給する配管を、使用するセパレータ板１６の枚数に対応する数に分岐し、その分岐先を直接セパレータ上の溝につなぎ込む配管治具が必要となる。この治具をマニホールドと呼び、特に上記のようなガスを供給するための配管から直接つなぎ込むタイプのマニホールドを外部マニホールドと呼ぶ。又、このマニホールドには、構造をより簡単にした内部マニホールドと呼ぶ形式のものがある。内部マニホールドとは、ガス流路を形成したセパレータ板に、貫通した孔を設け、ガス流路の出入り口をこの孔まで通し、この孔から直接ガスをガス流路に供給するものである。
【００１０】
以上のような構成を有する燃料電池を利用した発電システムの構成を図８に示す。図８に示すように、燃料電池８０のカソード側のマニホールドに接続されたカソード側ガス流路入口８１ａから酸化剤ガスを供給し、又燃料電池８０のアノード側のマニホールドに接続されたアノード側ガス流路入口８２ａから水素リッチな燃料ガスを供給することで発電し、所定の負荷８６に電力を供給する。なお、図８に示す例では、酸化剤ガスとしてブロワ８３で吸入した外気を導入し、燃料ガスの供給源として、メタン等の原料ガス及び水蒸気とから改質反応により水素リッチガスを生成する改質装置８４を用いた。燃料電池８０にて、カソード側ガス流路８１ｃを通過した酸化剤ガスはカソード側ガス流路出口８１ｂから大気中に排出され、アノード側ガス流路８２ｃを通過した燃料ガスはアノード側ガス流路出口８２ｂから改質装置８４を加熱するバーナ８５に供給される。
【００１１】
ところで、燃料電池８０の発電時において、特にカソード側ではＭＥＡ１５の電極１４の部位にて生成した生成水が反応ガス流路１７に滞留することが多くなり、又アノード側ではカソード側からの逆拡散水、及び加湿ガスが冷却することにより発生する凝集水が反応ガス流路１７に滞留することが多くなる。
【００１２】
これらの生成水、凝集水等からなる滞留水は、各ガス流路の出口であるカソード側ガス流路出口８１ｂ及びアノード側ガス流路出口８２ｂからスムーズに排出された場合には問題ないが、燃料電池の長期運転によりＭＥＡ１５の構成部材の劣化や、セパレータ板１６の表面状態の変質等の原因により滞留水の排出が滞った場合には、反応ガス流路１７が閉塞されることによって酸化剤ガス、燃料ガスの供給量が低下し、電池特性が大幅に低下してしまうという問題が生じていた。
【００１３】
このような問題を解決する技術として、図９に示すような構成が知られている（例えば特許文献１を参照）。図９は、燃料電池８０のアノード側の反応ガス流路１７の滞留水を排出する構成図である。図９に示すように、カソード側ガス流路出口８１ｂからバーナ８５に至る配管上に、制御弁９１及びその下流に排気ガス吸引用の水素吸引ポンプ９２を設け、負荷８６の状態に基づき制御ユニット９３が制御弁９１及び水素吸引ポンプ９２の動作を制御するようにしている。
【００１４】
このようなシステムにおいては、制御ユニット９３が負荷８６の状態から燃料電池８０のアノード内に滞留水があると判断した場合は、水素吸引ポンプの吸引力を通常時より大きくすることにより、燃料電池８０から滞留水を吸引する。このとき、制御ユニットは制御弁９１の開度を通常時より小さくすることにより、制御弁９１の圧力損失を増加させ、カソード側ガス流路出口８１ｂから排出される水素ガスの流量の変化を抑えるようにしている。これにより、滞留水の吸引により燃料電池８０に供給される燃料ガスの流量が変動しないようにしている。
【００１５】
なお、上記の構成ではカソード側ガス流路の滞留水を排出する構成としたが、酸化剤ガスが排出されるカソード側ガス流路出口８１ｂに同様の吸引ポンプ、制御弁を設けた構成としてもよく、アノード側の反応ガス流路１７の滞留水を排出することができる。
【特許文献１】特開２００１−３０７７５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
従来の技術は以上のようなものであったが、以下のような課題があった。すなわち、別途外部電力により動作する水素吸引ポンプを設けなければならないため、システム全体の構成が複雑化し、製造及び動作のためのコストが余計に必要となっていた。
【００１７】
本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、簡単かつ低コストな構成、運用で、燃料電池のガス流路内の滞留水を排出することが可能な燃料電池の排水装置及びそれを用いた燃料電池システム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】
【００１８】
上記の目的を達成するために、第１の本発明は、燃料電池のカソード側又はアノード側のガス流路と連通する密閉型の第１の貯水部と、
第２の貯水部と、
前記第１の貯水部と前記第２の貯水部とを接続し、前記第１の貯水部内の開放端より前記第２の貯水部内の開放端が低位置に配置されている排水配管と、
前記第１の貯水部から前記第２の貯水部へ前記第１の貯水部内の水をサイフォン原理により移動させることにより、前記第１の貯水部内へ前記ガス流路内の水を排水するサイフォン駆動ユニットとを備えた、燃料電池の排水装置である。
【００１９】
また、第２の本発明は、前記サイフォン駆動ユニットは、
前記第１の貯水部の空間部分と前記第２の貯水部の空間部分とを連通する、開閉弁を有する連通配管と、
前記第２の貯水部に設けられた、逆流防止弁を有する開放口と、
前記開閉弁の開閉を制御する開閉制御部とを備え、
前記開閉制御部が、前記第１の貯水部内に少なくとも所定量の水が貯水されると前記開閉弁を閉止し、第１の貯水部内の水が前記排水配管を介して前記第２の貯水部に導入されると前記開放弁を開放することにより、前記第１の貯水部と前記第２の貯水部との間にサイフォン機構が形成される、第１の本発明の燃料電池の排水装置である。
【００２０】
また、第３の本発明は、前記第１の貯水部又は前記第２の貯水部は、その表面に放熱用フィンを有する、第１の本発明の燃料電池の排水装置である。
【００２１】
また、第４の本発明は、酸化剤ガスが通過するアノード、燃料ガスが通過するカソード、及び前記アノードと前記カソードの間に配置される高分子電解質膜を有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟持するように配置される一対のセパレータと、前記一対のセパレータの内面に設けられた、前記膜電極接合体に反応ガスを供給するための一対のガス流路とを有する燃料電池と、
前記ガス流路に接続された排水ユニットとして、第１から第３のいずれかの本発明の燃料電池の排水装置を備えた、燃料電池システムである。
【００２２】
また、第５の本発明は、前記排水ユニットは、前記アノード側と前記カソード側にそれぞれ設けられている、第４の本発明の燃料電池システムである。
【００２３】
また、第６の本発明は、前記排水ユニットは、前記燃料電池のアノード側の前記酸化剤の入口側から出口側までの経路及び前記燃料電池のカソード側の前記酸化剤の入口側から出口側までの経路の少なくとも一方に、複数個設けられている、第４の本発明の燃料電池システムである。
【発明の効果】
【００２４】
以上のような本発明によれば、簡単かつ低コストな構成で、燃料電池のガス流路内の滞留水を排出することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
【００２６】
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態の燃料電池システムの構成図である。図１において、図８と同一又は相当部には、同一符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００２７】
本発明の実施の形態による燃料電池システム１００は、排水ユニットとして、燃料電池８０のカソード側ガス流路出口８１ｂに接続された、サイフォン原理を利用した排水装置１１０を備えたことを特徴とする。
【００２８】
図１に示すように、排水装置１１０は、カソード側ガス流路出口８１ｂに直接接続される第１の貯水部１１１と、第１の貯水部１１１より低位置に配置された第２の貯水部１１２と、第１の貯水部１１１と前記第２の貯水部１１２とを接続するＵ字湾曲した排水配管１１３及び連通配管１１５と、第２の貯水部１１２に設けられた開放口１１７とを備える。連通配管１１５の途中には開閉弁１１４が設けられており、開閉制御部１１８の制御により開閉が制御される。又開放口１１７には逆流防止弁１１６が設けられている。
【００２９】
次に、図２は、排水装置１１０の詳細な構成を示す図である。図２において図１と同一又は相当部には、同一符号を付した。
【００３０】
第１の貯水部１１１内にはカソード側ガス流路出口８１ｂと接続するための接続管１１１ａ、排水配管１１３の端部１１３ａ及び連通配管１１５の端部１１５ａが設けられており、他に外部空間との連通箇所を有さない密閉型の容器となっている。排水配管１１３の端部１１３ａは、第１の貯水部１１１の底面と所定の微小距離ｈだけ離間して配置されている。又、連通配管１１５の端部１１５ａは、第１の貯水部１１１の上方に配置されている。又、カソード側ガス流路出口８１ｂは鉛直方向下側に設けられるものとし、したがってカソード側ガス流路から排出される気体や水は図中下方向に放出又は滴下される。
【００３１】
第２の貯水部１１２内には開放口１１７、排水配管１１３の端部１１３ｂ及び連通配管１１５の端部１１５ｂが設けられており、他に外部空間との連通箇所を有さない。排水配管１１３の端部１１３ａの配置場所は、第１の貯水部１１１内の端部１１３ａよりも低位置に配置されるようにすれば、任意の箇所であってよい。又、連通配管１１５の端部１１５ｂは、第２の貯水部１１２の上方に配置されている。又、開放口１１７内の逆流防止弁１１６は、第２の貯水部１１２内から外部へ向かう気体の流れを許し、外部から第２の貯水部１１２内へ向かう気体の流れを遮断する機構を有する。
【００３２】
以上の構成とすることにより、第１の貯水部１１１及び第２の貯水部１１２のそれぞれの内部空間は、燃料電池８０内の各単電池の反応ガス流路１７と排水配管１１３及び連通配管１１５によって連通しており、それぞれ等圧となっている。
【００３３】
なお、上記の構成において、排水装置１１０は本発明の燃料電池の排水装置に相当し、第１の貯水部１１１は本発明の第１の貯水部に相当する。又第２の貯水部１１２は本発明の第２の貯水部に相当する。又排水配管１１３は本発明の排水配管に相当し、端部１１３ａは第１の貯水部内の開放端に相当し、端部１１３ｂは第２の貯水部内の開放端に相当する。又連通配管１１５は本発明の連通配管１１５に相当し、開閉弁１１４は本発明の開閉弁に相当し、開閉制御部１１８は本発明の開閉制御部に相当する。又開放口１１７は本発明の開放口に相当し、逆流防止弁１１６は本発明の逆流防止弁に相当する。
【００３４】
以上のような構成を有する本発明の実施の形態の排水装置１１０は、第１の貯水部１１１内に所定量の水を滞留させ、その滞留した水を第１の貯水部１１１から第２の貯水部１１２へをサイフォン原理により移動させることにより、第１の貯水部１１１内における移動した水の体積分の変動によって生じる吸引力で、燃料電池８０内から第１の貯水部内へカソード側ガス流路水を吸引排水するようにしたものである。以下、説明する。
【００３５】
第１の貯水部１１１及び第２の貯水部１１２内が空の状態を初期状態として、燃料電池システム１００を通常運転させた場合、ブロワ８３からカソード側ガス流路入口８１ａを介して燃料電池８０に導入された酸化剤ガスは一部は発電に用いられ、反応に用いられなかった余剰ガスがカソード側ガス流路出口８１ｂから第１の貯水部１１１、排水配管１１３及び連通配管１１５、及び第２の貯水部１１２をこの順に通過し、開放口１１７から外部に放出される。
【００３６】
ここで、燃料電池システム１００が発電動作を継続した状態において、カソード側ガス流路出口８１ｂから排出される余剰ガスに含まれる水分を第１の貯水部１１１内に凝結させることにより蓄積水を生成する。
【００３７】
以下、第１の貯水部１１１内にて蓄積水が生成される状態の一例を説明する。燃料電池システム１００において、燃料電池８０を冷却する冷却水の温度を、燃料電池への入口側の温度が７０℃、出口側の温度が７４℃の冷却水温度となるように冷却水を循環させ、さらに改質装置８４側で、アノード側の利用率を７０％、露点が７０℃となるように加湿した水素と二酸化炭素を供給し、又ブロワ８３側で、カソード側の利用率を４５％、露点が６８℃となるように加湿した空気を供給し、さらに０．３Ａ／ｃｍ２の条件で連続発電を行った場合において、燃料電池８０を構成する単電池の電極面積が１００ｃｍ２、個数が６０セルとすると、電流密度と電極面積より１秒間に生成される水の量は９．３×１０−３ｍｏｌ／ｓ（１０．２ｃｃ／ｍｉｎ）となる。
【００３８】
このとき、生成水がカソード側のみで生成し、生成水がアノード側へ移動しないと仮定すると、カソード側ガス流路入口８１ａに存在する水蒸気は、カソード側ガス流路入口８１ａで加湿されて入ってきた水と生成水とを足し合わせたものとなる。又、カソード側ガス流路出口８１ｂに存在する空気（排出ガス）は、カソード側ガス流路入口８１ａから入った空気から燃料電池８０にて発電に消費された酸素分を引いたものとなり、カソード側ガス流路出口８１ｂでの水蒸気分圧は２５５．９ｍｍＨｇ（２４．５ｃｃ／ｍｉｎ）となる。このときの露点は７２．１℃であり、カソード側ガス流路入口８１ａからカソード側ガス流路出口８１ｂまでの間に、露点が６８℃から７２．１℃まで徐々に変化すると考えられる。
【００３９】
このときのカソード側ガス流路出口８１ｂの環境温度を３０℃と考えると、水蒸気分圧３１．８ｍｍＨｇ（１．９ｃｃ／ｍｉｎ）を差し引いた値（２２．６ｃｃ／ｍｉｎ）に生成水を足し合わせた量の水（３２．８ｃｃ／ｍｉｎ）が、第１の貯水部１１１内で結露し、蓄積水として蓄積されることになる。
【００４０】
燃料電池システム１００が動作を継続すると、上述のように第１の貯水部１１１内には蓄積水が蓄積され続けることとなる。このとき、蓄積水の水位が高さｈを超えると、端部１１３ａから排水配管１１３の内部に蓄積水が侵入し、排水配管１１３を介した第１の貯水部１１１及び第２の貯水部１１２との連通状態は破れるが、連通配管１１５を介して連通状態が確保されているため、第１の貯水部１１１及び第２の貯水部１１２のそれぞれの内部空間は等圧状態が保たれている。
【００４１】
次に、開閉制御部１１８は、第１の貯水部１１１内の蓄積水が、後述する所定量に達したと判断した場合、開閉弁１１４を制御して、これを閉止する。開閉弁１１４が閉止されると、第１の貯水部１１１と第２の貯水部１１２とは、排水配管１１３を介してのみ連通する状態となる一方、接続管１１１ａからは燃料電池８０のアノード側の余剰ガスが供給される。この余剰ガスの圧力により、第１の貯水部１１１内の蓄積水は排水配管１１３内に押し出され、第２の貯水部１１２へ移動することとなる。
【００４２】
さらに開閉弁１１４の開放状態を継続し、第１の貯水部１１１内のおける蓄積水の水位が高さｈ以上を保ったまま、第１の貯水部１１１から排水配管１１３内を移動する水の水位が、排水配管１１３の頂上部分Ａを超えたとき、開閉制御部１１８の制御により開閉弁１１４を再び開放する。
【００４３】
このとき、排水配管１１３内が第１の貯水部１１１の蓄積水と隙間無く満たされ、第２の貯水部１１２へ水が移動する状態で、第１の貯水部１１１の内部と第２の貯水部１１２の内部とが再び等圧となることから、第１の貯水部１１１と第２の貯水部１１２との間にサイフォン機構が形成され、第１の貯水部１１１内の蓄積水は、排水配管１１３を介して第２の貯水部１１２へ絶え間なく供給されることとなる。以上の動作において、連通配管１１５，開放口１１７，開閉弁１１４及び開閉制御部１１８は、本発明のサイフォン駆動ユニットを構成することになる。
【００４４】
一方、第１の貯水部１１１においては、蓄積水の移動により水位が低下し、容積が増大するため内部が減圧が生ずる。第１の貯水部１１１の内部空間と第２の貯水部１１２の内部空間との間は連通配管１１５によって連通しているが、第２の貯水部１１２において開放口１１７は逆流防止弁１１６により外気の流入が阻止されるため、この減圧は接続管１１１ａ側、すなわちカソード側ガス流路出口８１ｂへの吸引力として現れることになる。
【００４５】
ここで、サイフォンの挙動は、流体力学において、流線に沿って移動する流体の挙動を表すベルヌーイの定理の定式（式１）：
（数１）
ｖ２／２＋ｇｙ+Ｐ／ρ＝ｃｏｎｓｔａｎｔ・・・・（式１）
に基づく。ｖ：流線に沿った流速、ｇ:重力加速度、ｙ：高さ、Ｐ：圧力、ρ：流体密度を示している。
【００４６】
本実施の形態においては、Ｐはカソード側ガス流路出口８１ｂからの本来的な（燃料電池システムの通常動作に基づく）圧力損失、ｙは排水配管１１３の端部１１３ｂから１１３ａまでの高さである、ρに関し、流体は水であるため１．０とする。
【００４７】
今ｙ＝７０ｃｍとすると、１００ｍｍＨ２Ｏ＝９．８ｋＰａであることから、吸引力は６．９ｋＰａとなる。カソード側ガス流路出口８１ｂの、通常動作時における圧力損失は約４．０ｋＰａであるため、（式１）から求められた値を加算した１０．９ｋＰａがトータルの吸引力となる。
【００４８】
このようにして、燃料電池システムの動作の本来的な圧力損失に加算した吸引力がカソード側ガス流路出口８１ｂから加えられることにより、燃料電池８０のカソード側の反応ガス流路１７の滞留水は、第１の貯水部１１１内に排出される。
【００４９】
第１の貯水部１１１内における貯水量は、燃料電池８０から吸引、供給される蓄積水と排水配管１１３により第２の貯水部１１２へ移動される水とで変化するが、第２の貯水部１１２へ移動する水量のほうが大きい。したがって、水位が低下して図２中高さｈまで達して端部１１３ａが内部空間に対する開放端となったとき、ここから排水配管１１３内にガスが侵入し、サイフォン機構が破れ、第１の貯水部１１１への水の移動が停止し、これにより吸引も停止し、排水動作が完了する。
【００５０】
なお、上記の説明において、開閉制御部１１８による開閉弁１１４の閉止の判断は、第１の貯水部１１１内の蓄積水が所定量に達したとき、としたが、この所定量は、第１の貯水部１１１内の水がサイフォン原理に基づき排水配管１１３内を移動するのに最低必要な量である。サイフォンが継続するためには、少なくとも（１）第１の貯水部１１１内にて、排水配管１１３の端部１１３ａが水面内にあること、及び（２）サイフォン動作の開始時以後、第１の貯水部１１１内及び排水配管１１３内が部分が移動する水で連通していること、であるから、必要な所定量をＶとすると、
（数２）
Ｖ＝ｄ×Ｓ      （式２）
を満たすような水位ｄに達したときとなる。ただし（式２）においてＳは第１の貯水部１１１の内部底面積であり、ｄは、
（数３）
ｄ×Ｓ≧（排水配管１１３の容積）（式３）
を満たすような値であることが必要である。
【００５１】
なお、水位ｄの判断は、第１の貯水部１１１内に水位計を設けて、開閉制御部１１８はこの水位計から水位を取得して、これが予めメモリされた値としてのｄに達したか否かに基づき開閉弁１１４の閉止の判断を行うようにしてもよいが、燃料電池システム１００の運転スケジュールに基づき、水位ｄ以上となったことが十分判断できる時点を計算して、定期的又は不定期に閉止の判断を行うようにしてもよい。
【００５２】
又、サイフォン駆動を行わせるため開閉制御部１１８による開閉弁１１４の再開放の判断は、上述したように、上記（１）（２）の条件が実現可能となるとして、開閉弁１１４の閉止後、排水配管１１３内内の水位が上昇して、最高点Ａに達した時点であるが、この時間は、カソード側ガス流路８１ｃからの余剰ガスの排出速度、したがって燃料電池システム１００の運転スケジュール及び排水配管１１３の内部寸法に基づき定量的に求めることができる。又、サイフォン駆動は（１）（２）の条件が成立した後は任意の時間に行わせることができるため、上記時点より遅く再開放の制御を行ってもよい。例えば第１の貯水部１１１から移動した水が第２の貯水部１１２へ完全に移動し始めたことを確認するのに十分な余裕をとってもよい。
【００５３】
以上のように、本実施の形態では、燃料電池のカソード側ガス流路出口８１ｂから排出される余剰ガスに含まれる水分を、第１の貯水部１１１の内部で凝結して滞留させた後、滞留した水をサイフォン原理により移動させることにより第１の貯水部１１１内を減圧して吸引力を生じさせることで燃料電池８０内の滞留水を吸引することができる。外部動力制御されるのは開閉弁１１４のみであり、吸引力をサイフォン原理に基づき得るようにしていることから、従来例に比して簡単且つ低コストな構成、運用で、燃料電池のガス流路内の滞留水を排出することができる。
【００５４】
なお、上記の構成においては、カソード側ガス流路８１ｃ側に排水装置１１０を設けた例を説明したが、アノード側ガス流路８２ｃ側に排水装置を設けた構成としてもよい。カソード側ガス流路８１ｃ側及びアノード側ガス流路８２ｃ側の両方に排水装置を設けた例を図３に示す。
【００５５】
アノード側ガス流路８２ｃ側に接続された排水装置２１０は排水装置１１０と同一構成を有し、第１の貯水部１１１〜開閉制御部２１８の各部と対応した第１の貯水部２１１、第２の貯水部２１２、排水配管２１３、連通配管２１５、開閉弁２１４、開放口２１７及び、開閉制御部２１８を備え、基本的にはカソード側と同様の制御、動作を行うことにより、燃料電池８０内のアノード側の反応ガス流路１７の滞留水を、第１の貯水部２１１内へ吸引することができる。
【００５６】
なお、第１の貯水部２１１内における蓄積水の蓄積の条件は、カソード側とは異なり、以下のようになる。すなわち、上述したカソード側の場合と同一条件で燃料電池システムを動作させる場合、生成水がカソード側で生成し、生成水がアノード側へ移動しないと仮定すると、アノード側ガス流路出口８２ｂに存在する水素と二酸化炭素の混合ガスは、アノード側ガス流路入口８２ａから入った燃料ガスのうち、燃料電池８０にて発電に消費された水素を引いたものとなり、アノード側ガス流路出口８２ｂでの水蒸気分圧は２９６．８ｍｍＨｇ（８．４ｃｃ／ｍｉｎ）となる。このときの露点は７５．６℃であり、アノード側ガス流路入口８２ａからアノード側ガス流路出口８２ｂまでの間に露点が７０℃から７５．６℃まで徐々に変化すると考えられる。
【００５７】
このときのアノード側ガス流路出口８２ｂの環境温度を３０℃と考えると、水蒸気分圧は３１．８ｃｃ／ｍｉｎ（０．５ｃｃ／ｍｉｎ）を差し引いた値（７．９ｃｃ／ｍｉｎ）が、第１の貯水部２１１内で結露し、蓄積水として蓄積されることになる。
【００５８】
又、第１の貯水部２１１内におけるサイフォン原理による水の移動に基づく吸引力は、上記（式１）に基づき、アノード側ガス流路出口８２ｂの圧力損失が６．０ｋＰａであるため、１２．９ｋＰａがトータルの吸引力となる。
【００５９】
なお、上記の構成においては、第２の貯水部１１２は第１の貯水部１１１より低位置に配置されるものとしたが、第１の貯水部１１１と第２の貯水部１１２との間のサイフォンによる水の移動は、排水配管１１３の端部１１３ｂが端部１１３ｂよりも低位置にあり、端部１１３ｂと端部１１３ｂの間に、両者の位置よりも高い位置を水が通過するような湾曲点を有すればよい。したがって、外部からみて第１の貯水部１１１と第２の貯水部１１２とは等しい高さに配置してもよいが、第２の貯水部１１２は、第１の貯水部１１１の蓄積水をさらに貯水するタンクの役割を果たすので、容量を大きくとるためには、第１の貯水部１１２より低位置に配置するほうが望ましい。
【００６０】
又、連通配管１１５の端部１１５ａは第１の貯水部１１１の天井部分、又端部１１５ｂは第２の貯水部１１２の天井部分にそれぞれ設けるものとして説明を行ったが、連通配管は、第１の貯水部１１１と第２の貯水部１１２とを、その内圧がを同一に保たれるよう状態な状態で接続されていればよい。したがって第１の貯水部１１１の蓄積水、及び第２の貯水部１１２の貯水の水位によらず、常に内部空間が確保されるような場所に端部１１５ａ、１１５ｂをそれぞれ配置するようにする。
【００６１】
又、第１の貯水部１１１は内部で余剰ガス内の水分を凝結させるため、内部の冷却に適した構造を有することが望ましい。冷却水を周囲に循環させる構成を有してもよいが、装置の簡単化の点から、図４に示すように、筐体周囲に放熱用のフィン４００を設けるようにしてもよい。図中においては第１の貯水部１１１の配置面と平行にフィン４００を配置したが、フィン４００の方向は燃料電池システムにおける外気の流通方向を考慮して任意にしてもよい。又形状等によって限定されないことは、言うまでもない。さらに同様の構成を第２の貯水部１１２において用いてもよい。
【００６２】
又、図４に示す例においては、放熱用フィンを有する場合の構成について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、定置型燃料電池システムの場合、各貯水部１１１，１１２に、燃料電池８０の排水から得られる熱を再利用できる熱交換の機構を有する構成を有していてもよい。
【００６３】
又、図１、図３の構成においては、排水装置は、カソード側ガス流路出口８１ｂ及びアノード側ガス流路出口８２ｂの一方又は双方に設けた構成としたが、図５に示すように、燃料電池のガス流路の入口側から出口側までの経路内から複数のラインを引き出して、カソード側又はアノード側それぞれのガス流路に対し、２つ以上の排水装置１１０を設けるようにしてもよい。例えば燃料電池８０の１スタックにおいて１〜４セル毎に少なくとも１つの排水装置を設置してもよい。なお、図５においてはカソード側のみの構成としたが、アノード側のみ、又は双方のガス経路に設けてもよいことは言うまでもない。
【００６４】
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、上述の実施の形態の説明においては、図４に示したように放熱用フィンを有する場合の構成について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、本発明の燃料電池システムを定置型燃料電池システムとして採用する場合、本発明の燃料電池システムは、燃料電池の排水から得られる熱を再利用できる熱交換の機構を有する構成を有していてもよい。
【実施例】
【００６５】
以下、本発明の実施例を説明する。
【００６６】
本実施例においてはスタックのカソード側出口を例に挙げる。第１の貯水部１１１の寸法は、底面積を２５ｃｍ×２５ｃｍ、底部から排水配管１１３の端部１１３ａまでの高さｈを１ｃｍ、排水配管１１３の湾曲する最高点（Ａ点）までの高さを２５ｃｍとする。
【００６７】
上記の構成において、開閉制御部１１８が開閉弁１１４を閉開してサイフォン駆動を起こさせるのに必要な周期は、第１の貯水部１１１に蓄積水が約１１．３Ｌ溜まるのに掛かる時間と一致する。燃料電池８０のカソード側ガス流路出口８１ｂからは３２．８ｃｃ／ｍｉｎの排出水が出るため、約５．７時間後に１１．３Ｌの蓄積水が溜まることになり、したがって、開閉制御部１１８は、５．７時間毎に開閉弁１１４を動作させて、第１の貯水部１１１から蓄積水を移動させ、その際の減圧により燃料電池８０内の滞留水を吸水する。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明は、簡単かつ低コストな構成、運用で、燃料電池のガス流路内の滞留水を排出することが可能となり、特に高分子型固体電解質膜を用いた燃料電池、特に定置型コジェネレーションシステムや電気自動車などに応用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の実施の形態による燃料電池システムの構成図である。
【図２】本発明の実施の形態による排水装置の構成図である。
【図３】本発明の実施の形態による燃料電池システムの他の例の構成図である。
【図４】本発明の実施の形態による排水装置の第１の貯水部１１１の他の例の構成図である。
【図５】本発明の実施の形態による燃料電池システムの他の例の構成図である。
【図６】固体高分子電解質型燃料電池のＭＥＡの構造を説明するための概略断面図である。
【図７】固体高分子電解質型燃料電池の単電池の構造を説明するための概略断面図である。
【図８】従来の技術による燃料電池システムの構成図である。
【図９】従来の技術による燃料電池システムの構成図である。
【符号の説明】
【００７０】
１００  燃料電池システム
１１０  排水装置
１１１  第１の貯水部
１１２  第２の貯水部
１１３  排水配管
１１４  開閉弁
１１５  連通配管
１１６  逆流防止弁
１１７  開放口
１１８  開閉制御部
【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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