特開 2024-126788 燃料電池スタック

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024126788

(43)【公開日】2024-09-20

(54)【発明の名称】燃料電池スタック

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/2483 20160101AFI20240912BHJP

   H01M 8/2465 20160101ALI20240912BHJP

   H01M 8/10 20160101ALI20240912BHJP

【ＦＩ】

H01M8/2483

H01M8/2465

H01M8/10 101

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023035424

(22)【出願日】2023-03-08

(71)【出願人】

【識別番号】000005326

【氏名又は名称】本田技研工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100154380

【弁理士】

【氏名又は名称】西村 隆一

(74)【代理人】

【識別番号】100081972

【弁理士】

【氏名又は名称】吉田 豊

(72)【発明者】

【氏名】南雲 健司

(72)【発明者】

【氏名】田中 直樹

(72)【発明者】

【氏名】梅澤 健輔

(72)【発明者】

【氏名】新井 郁矢

【テーマコード（参考）】

5H126

【Ｆターム（参考）】

5H126AA22

5H126AA23

5H126BB06

5H126DD05

5H126EE07

5H126EE11

5H126FF06

5H126JJ02

(57)【要約】

【課題】反応ガスの流れに伴う燃料電池スタックの排水性を高める。
【解決手段】燃料電池スタック１００には、複数の発電セルに導かれた反応ガスを排出するようにセル積層体を前後方向に貫通する反応排ガス流路ＰＡ６が設けられる。燃料電池スタックは、反応排ガス流路ＰＡ６に配置され、流路ＰＡ６の上流側および下流側にそれぞれ連通する前端開口７１ａおよび後端開口７２ａを有する連通管７を備える。反応排ガス流路ＰＡ６は、流路ＰＡ６の出口に向かうに従い流路面積が徐々に縮小する縮径部を有し、後端開口７２ａは、縮径部の小径側の端部と流路ＰＡ６の出口との間で反応排ガス流路ＰＡ６に連通する。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電解質膜を有する複数の発電セルを所定方向に積層してなるセル積層体を備えるとともに、前記複数の発電セルに導かれた反応ガスを排出するように前記セル積層体を前記所定方向に貫通する排ガス流路が設けられた燃料電池スタックであって、
前記排ガス流路に配置され、前記排ガス流路の上流側および下流側にそれぞれ連通する第１開口および第２開口が設けられた連通管をさらに備え、
前記排ガス流路は、前記排ガス流路の出口に向かうに従い流路面積が徐々に縮小する縮径部を有し、
前記第２開口は、前記縮径部の小径側の端部と前記排ガス流路の出口との間で前記排ガス流路に連通することを特徴とする燃料電池スタック。

【請求項2】

請求項１に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記排ガス流路は、前記縮径部の小径側の端部に連なり、前記排ガス流路の出口に向かうに従い流路面積が徐々に拡大する拡径部を有し、
前記第２開口は、前記拡径部に連通することを特徴とする燃料電池スタック。

【請求項3】

請求項１または２に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記縮径部に面して、前記排ガス流路の底面から上方に膨出され、前記連通管の端部を支持する管支持部をさらに備え、
前記連通管は、前記管支持部を前記所定方向に貫通して設けられることを特徴とする燃料電池スタック。

【請求項4】

請求項３に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記管支持部には、前記第２開口が前記縮径部の小径側の端部に連通するように、前記排ガス流路の出口側の端面から前記排ガス流路の上流側に向けて切り欠きが延設されることを特徴とする燃料電池スタック。

【請求項5】

請求項４に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記管支持部の頂部には、前記排ガス流路の出口に向かうに従い前記連通管に徐々に接近するように斜めに延在する溝が設けられ、
前記切り欠きは、前記溝に連通するように形成されることを特徴とする燃料電池スタック。

【請求項6】

請求項４に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記切り欠きは、前記排ガス流路の出口に向かうに従い前記切り欠きの幅が徐々に小さくなるように設けられることを特徴とする燃料電池スタック。

【請求項7】

請求項１または２に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記縮径部は、前記排ガス流路の出口に向かうに従い流路面積が第１減少率で徐々に減少する断面略円形状の第１縮径部と、前記第１縮径部の小径側の端部から前記排ガス流路の出口に向かうに従い流路面積が前記第１減少率よりも小さい第２減少率で徐々に減少する断面略円形状の第２縮径部と、を有することを特徴とする燃料電池スタック。

【請求項8】

請求項１または２に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記セル積層体の前記所定方向における外側に配置されたインシュレータをさらに備え、
前記縮径部は、前記インシュレータに設けられることを特徴とする燃料電池スタック。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池スタックに関する。

【背景技術】

【0002】

従来より、燃料ガスの排出流路内に管を配置し、管を介して燃料ガス排出流路内に滞留した水を排出するようにした燃料電池スタックが知られている（例えば特許文献１参照）。特許文献１記載の燃料電池スタックでは、水の流入口および流出口となる管の一端側および他端側の開口端がそれぞれ燃料ガス排出流路に連通するとともに、他端側の側開口端は一端側の開口端よりも流路面積が小さい箇所に連通する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第６６４５７６５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、上記特許文献１記載のように、水の流出口となる管の開口端を燃料ガス排出流路の流路面積が小さい箇所に単に連通する構成では、燃料電池スタックの排水性能を十分に高めることができない。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の一態様は、電解質膜を有する複数の発電セルを所定方向に積層してなるセル積層体を備えるとともに、複数の発電セルに導かれた反応ガスを排出するようにセル積層体を所定方向に貫通する排ガス流路が設けられた燃料電池スタックであって、排ガス流路に配置され、排ガス流路の上流側および下流側にそれぞれ連通する第１開口および第２開口が設けられた連通管をさらに備える。排ガス流路は、排ガス流路の出口に向かうに従い流路面積が徐々に縮小する縮径部を有し、第２開口は、縮径部の小径側の端部と排ガス流路の出口との間で排ガス流路に連通する。

【発明の効果】

【0006】

本発明によれば、反応ガスの流れに伴い燃料電池スタックから水を良好に排出することができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの全体構成を概略的に示す斜視図。

【図2】図１の燃料電池スタックに含まれる電極アッセンブリの概略構成を示す斜視図。

【図3】図１の燃料ガス排出周路に沿った燃料電池スタックの要部構成を示す断面図。

【図4A】本発明の実施形態に係る燃料電池スタックに含まれる前支持部の構成を示す図３の要部拡大図。

【図4B】図４Ａの矢視IVＢ図。

【図5A】本発明の実施形態に係る燃料電池スタックに含まれる後支持部の構成を示す図３の要部拡大図。

【図5B】図５Ａの矢視VＢ図。

【図6】図２の電極アッセンブリを構成するフレームの要部拡大図。

【図7】本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの動作の一例を示す図。

【図8A】本発明の実施形態に係る燃料電池スタックに含まれる後支持部の他の例を示す図。

【図8B】図８Ａの矢視IIIVＢ図。

【図9A】図８Ａの切り欠きの他の例を示す図。

【図9B】図８Ａの切り欠きのさらに別の例を示す図。

【図10】連通管を介した排水動作の一例を示す図。

【図11A】本発明の実施形態に係る燃料電池スタックに含まれる連通管の入口部の構成の一例を模式的に示す図。

【図11B】図１１Ａの変形例を示す図。

【図11C】図１１Ａのさらなる変形例を示す図。

【図12A】図１１ＣのIIX-IIX線に沿った断面図。

【図12B】図１２Ａの変形例を示す図。

【図12C】図１２Ａの他の変形例を示す図。

【図12D】図１２Ａのさらなる他の変形例を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、図１～図１２Ｄを参照して本発明の実施形態について説明する。本発明の実施形態に係る燃料電池スタックは、燃料電池の構成要素である。燃料電池は、例えば車両に搭載され、車両駆動用の電力を発生することができる。まず、燃料電池スタックの全体構成を概略的に説明する。

【0009】

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１００の全体構成を概略的に示す斜視図である。以下では、便宜上、図示のように互いに直交する三軸方向を、前後方向、左右方向および上下方向と定義し、この定義に従い各部の構成を説明する。これらの方向は、車両の前後方向、左右方向および上下方向と同一であるとは限らない。例えば図１の前後方向は、車両の前後方向であってもよく、左右方向であってもよく、上下方向であってもよい。

【0010】

図１に示すように、燃料電池スタック１００は、複数の発電セル１を前後方向に積層して構成されたセル積層体１０１と、セル積層体１０１の前後両端部に配置されたエンドユニット１０２とを有し、全体が略直方体形状を呈する。セル積層体１０１の左右方向の長さは、上下方向の長さよりも長い。図１には、便宜上、単一の発電セル１が示される。発電セル１は、電解質膜と電極とを含む接合体を有する電極アッセンブリ２と、電極アッセンブリ２の前後両側に配置され、電極アッセンブリ２を挟持するセパレータ３，３と、を有する。電極アッセンブリ２とセパレータ３とは、前後方向に交互に配置される。

【0011】

セパレータ３は、断面が波板状の前後一対の金属製の薄板を有し、これら薄板の外周同士を接合して一体に構成される。セパレータ３には耐腐食性に優れた導電性の材料が用いられ、例えばチタン、チタン合金、ステンレス等を用いることができる。セパレータ３の内部には、冷却媒体が流れる冷却流路が形成され、冷却媒体の流れにより発電セル１の発電面が冷却される。冷却媒体としては例えば水を用いることができる。電極アッセンブリ２に対向するセパレータ３の表面（前面および後面）は、電極アッセンブリ２の接合体との間にガス流路を形成するようにプレス成形などによって凹凸状に構成される。

【0012】

電極アッセンブリ２の前側のセパレータ３は、例えばアノード側のセパレータ（アノードセパレータ）であり、アノードセパレータ３と電極アッセンブリ２の接合体との間に、燃料ガスが流れるアノード流路が形成される。電極アッセンブリ２の後側のセパレータ３は、例えばカソード側のセパレータ（カソードセパレータ）であり、カソードセパレータ３と電極アッセンブリ２の接合体との間に、酸化剤ガスが流れるカソード流路が形成される。燃料ガスとしては例えば水素ガスを、酸化剤ガスとしては例えば空気を用いることができる。燃料ガスと酸化剤ガスとを区別せずに、これらを反応ガスと呼ぶこともある。

【0013】

図２は、電極アッセンブリ２の概略構成を示す斜視図である。図２に示すように、電極アッセンブリ２は、略矩形状の接合体２０と、接合体２０を支持するフレーム２１と、を有する。接合体２０は膜電極接合体（いわゆるＭＥＡ；Membrane Electrode Assembly）であり、電解質膜と、電解質膜の前面に設けられたアノード電極と、電解質膜の後面に設けられたカソード電極とを有する。

【0014】

電解質膜は、例えば固体高分子電解質膜であり、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜を用いることができる。フッ素系電解質に限らず、炭化水素系電解質を用いることもできる。

【0015】

アノード電極は、電解質膜の前面に形成され、電極反応の反応場となる電極触媒層であり、該電極触媒層の前面には反応ガスを拡散して供給するガス拡散層が設けられる。カソード電極は、電解質膜の後面に形成され、電極反応の反応場となる電極触媒層であり、該電極触媒層の後面には反応ガスを拡散して供給するガス拡散層が設けられる。電極触媒層には、燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素の電気化学反応を促進する触媒金属、プロトン伝導性を有する電解質、および電子伝導性を有するカーボン粒子等が含まれる。ガス拡散層は、ガス透過性を有する導電性部材、例えばカーボン多孔質体により構成される。

【0016】

アノード電極では、アノード流路およびガス拡散層を介して供給された燃料ガス（水素）が、触媒の作用によってイオン化され、電解質膜を通過してカソード電極側へ移動する。このとき生じた電子は、外部回路を通過し、電気エネルギとして取り出される。カソード電極では、カソード流路およびガス拡散層を介して供給された酸化剤ガス（酸素）と、アノード電極から導かれた水素イオンおよびアノード電極から移動した電子とが反応し、水が生成される。生成された水は、電解質膜に適度な湿度を与え、余剰な水は電極アッセンブリ２の外部へ排出される。

【0017】

フレーム２１は、略矩形状を呈する薄板であり、絶縁性を有する樹脂やゴム等により構成される。フレーム２１の中央部には、略矩形状の開口部２１ａが設けられ、開口部２１ａの全体を覆うように接合体２０が設けられる。フレーム２１の開口部２１ａの左側には、フレーム２１を前後方向に貫通する３つの貫通孔２１１～２１３が上下方向に並んで開口され、開口部２１ａの右側には、フレーム２１を前後方向に貫通する３つの貫通孔２１４～２１６が上下方向に並んで開口される。

【0018】

図１に示すように、電極アッセンブリ２の前後のセパレータ３には、フレーム２１の貫通孔２１１～２１６に対応する位置に、セパレータ３を前後方向に貫通する貫通孔３１１～３１６がそれぞれ開口される。貫通孔３１１～３１６は、フレーム２１の貫通孔２１１～２１６にそれぞれ連通する。これら互いに連通する貫通孔２１１～２１６，３１１～３１６の集合により、セル積層体１０１を貫通して前後方向に延在する流路ＰＡ１～ＰＡ６（便宜上、矢印で示す）が形成される。流路ＰＡ１～ＰＡ６は、マニホールドと呼ばれることもある。流路ＰＡ１～ＰＡ６は、燃料電池スタック１００の外部のマニホールドに接続される。

【0019】

貫通孔２１１，３１１を介して前方に延びる流路ＰＡ１（実線矢印）は、燃料ガス供給流路である。貫通孔２１６，３１６を介して後方に延びる流路ＰＡ６（実線矢印）は、燃料ガス排出流路である。燃料ガス供給流路ＰＡ１および燃料ガス排出流路ＰＡ６は、接合体２０の前面に対向するアノード流路と連通し、実線矢印に示すように、燃料ガス供給流路ＰＡ１と燃料ガス排出流路ＰＡ６とを介して、アノード流路を左右方向に燃料ガスが流れる。アノード流路と他の流路ＰＡ２～ＰＡ５との連通は、図示しないシール部を介して遮断される。燃料ガス排出流路ＰＡ６を流れる燃料ガスは、アノード電極で一部が使用された後の燃料ガスであり、これを燃料排ガスと呼ぶことがある。

【0020】

貫通孔２１４，３１４を介して前方に延びる流路ＰＡ４（点線矢印）は、酸化剤ガス供給流路である。貫通孔２１３，３１３を介して後方に延びる流路ＰＡ３（点線矢印）は、酸化剤ガス排出流路である。酸化剤ガス供給流路ＰＡ４および酸化剤ガス排出流路ＰＡ３は、接合体２０の後面に対向するカソード流路と連通し、点線矢印に示すように、酸化剤ガス供給流路ＰＡ４と酸化剤ガス排出流路ＰＡ３とを介して、カソード流路を左右方向に酸化剤ガスが流れる。カソード流路と他の流路ＰＡ１，ＰＡ２，ＰＡ５，ＰＡ６との連通は、図示しないシール部を介して遮断される。酸化剤ガス排出流路ＰＡ３を流れる酸化剤ガスは、カソード電極で一部が使用された後の酸化剤ガスであり、これを酸化剤排ガスと呼ぶことがある。燃料排ガスと酸化剤排ガスとを区別せずに、これらを反応排ガスと呼ぶこともある。

【0021】

貫通孔２１５，３１５を介して前方に延びる流路ＰＡ５（一点鎖線矢印）は、冷却媒体供給流路である。貫通孔２１２，３１２を介して後方に延びる流路ＰＡ２（一点鎖線矢印）は、冷却媒体排出流路である。冷却媒体供給流路ＰＡ５および冷却媒体排出流路ＰＡ２は、セパレータ３の内部の冷却流路と連通しており、冷却媒体供給流路ＰＡ５と冷却媒体排出流路ＰＡ２とを介して、冷却流路を冷却媒体が流れる。冷却流路と他の流路ＰＡ１，ＰＡ３，ＰＡ４，ＰＡ６との連通は、図示しないシール部を介して遮断される。

【0022】

セル積層体１０１の前後両側に配置されたエンドユニット１０２は、それぞれターミナルプレート４と、絶縁プレート５と、エンドプレート６とを有する。なお、前側のエンドユニット１０２をドライ側エンドユニット、後側のエンドユニット１０２をウェット側エンドユニットと呼ぶこともある。前後一対のターミナルプレート４，４は、セル積層体１０１を挟んでその前後両側に配置される。前後一対の絶縁プレート５，５は、ターミナルプレート４，４を挟んでその前後両側に配置される。前後一対のエンドプレート６，６は、絶縁プレート５，５を挟んでその前後両側に配置される。

【0023】

ターミナルプレート４は、金属製の略矩形状の板状部材であり、セル積層体１０１で電気化学反応により生成された電力を取り出すための端子部を有する。絶縁プレート５は、非導電性を有する樹脂製またはゴム製の略矩形状の板状部材であり、ターミナルプレート４とエンドプレート６とを電気的に絶縁する。エンドプレート６は、金属製または高強度に構成された樹脂製の板状部材であり、エンドプレート６には、例えば前後のエンドプレート６，６同士を連結する前後方向細長の連結部材がボルトにより固定される。燃料電池スタック１００は、連結部材を介してエンドプレート６，６により前後方向に押圧された状態で、保持される。セル積層体１０１を包囲するケースを連結部材として用いてよく、ケースの前端面および後端面にそれぞれエンドプレート６，６が固定されてもよい。

【0024】

後側のエンドユニット１０２には、エンドユニット１０２を前後方向に貫通する複数の貫通孔１０２ａ～１０２ｆが開口される。なお、貫通孔１０２ａ～１０２ｆは、それぞれターミナルプレート４を貫通する貫通孔、絶縁プレート５を貫通する貫通孔およびエンドプレート６を貫通する貫通孔を含むが、図１では、便宜上、これらをまとめて貫通孔１０２ａ～１０２ｆとして示す。貫通孔１０２ａは、燃料ガス供給流路ＰＡ１の延長線上に開口され、燃料ガス供給流路ＰＡ１に連通する。貫通孔１０２ｂは、冷却媒体排出流路ＰＡ２の延長線上に開口され、冷却媒体排出流路ＰＡ２に連通する。貫通孔１０２ｃは、酸化剤ガス排出流路ＰＡ３の延長線上に開口され、酸化剤ガス排出流路ＰＡ３に連通する。貫通孔１０２ｄは、酸化剤ガス供給流路ＰＡ４の延長線上に開口され、酸化剤ガス供給流路ＰＡ４に連通する。貫通孔１０２ｅは、冷却媒体供給流路ＰＡ５の延長線上に開口され、冷却媒体供給流路ＰＡ５に連通する。貫通孔１０２ｆは、燃料ガス排出流路ＰＡ６の延長線上に開口され、燃料ガス排出流路ＰＡ６に連通する。

【0025】

より詳しくは、貫通孔１０２ａには、エジェクタ、インジェクタなどを介して、高圧の燃料ガスが貯留された燃料ガスタンクが接続され、燃料ガスタンク内の燃料ガスが貫通孔１０２ａを介して燃料電池スタック１００に供給される。貫通孔１０２ｆには、気液分離機が接続され、貫通孔１０２ｆを介して排出された燃料ガス（燃料排ガス）は、気液分離機で燃料ガスと水とに分離される。分離された燃料ガスは、エジェクタを介して吸い込まれ、燃料電池スタック１００に再び供給される。分離された水は、ドレン流路を介して外部に排出される。

【0026】

貫通孔１０２ｄには、酸化剤ガス供給用のコンプレッサが接続され、コンプレッサで圧縮された酸化剤ガスが貫通孔１０２ｄを介して燃料電池スタック１００に供給される。貫通孔１０２ｃからは、酸化剤ガス（酸化剤排ガス）が外部に流出する。貫通孔１０２ｅには、冷却媒体供給用のポンプが接続され、貫通孔１０２ｅを介して燃料電池スタック１００に冷却媒体が供給される。貫通孔１０２ｂからは冷却媒体が排出される。排出された冷却媒体は、ラジエータでの熱交換により冷却され、貫通孔１０２ｅを介して再び燃料電池スタック１００に供給される。

【0027】

以上が燃料電池スタック１００の概略構成である。燃料電池スタック１００は略ボックス状のケースに収納され、車両に搭載される。

【0028】

なお、燃料電池スタック１００の左側に設けられた流路ＰＡ１～ＰＡ３のうち、酸化剤ガスを排出する流路ＰＡ３は、他の流路ＰＡ１，ＰＡ２よりも下方に設けられる。燃料電池スタック１００の右側に設けられた流路ＰＡ４～ＰＡ６のうち、燃料ガスを排出する流路ＰＡ６は、他の流路ＰＡ４，ＰＡ５よりも下方に設けられる。換言すると、反応排ガス用の流路ＰＡ３，ＰＡ６は、燃料電池スタック１００の最下部に設けられる。

【0029】

ところで、カソード電極では、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。この水は、カソード流路を介して酸化剤ガス排出流路ＰＡ３に流れ、酸化剤排ガスとともに排出されるが、酸化剤ガス排出流路ＰＡ３内で滞留するおそれがある。一方、アノード電極では、電解質膜を介したカソード電極側からの拡散により水が発生する。この水は、アノード流路を介して燃料ガス排出流路ＰＡ６に流れ、燃料排ガスとともに排出されるが、燃料ガス排出流路ＰＡ６内で滞留するおそれがある。酸化剤ガス排出流路ＰＡ３と燃料ガス排出流路ＰＡ６をまとめて反応排ガス流路と呼ぶ。最下部の反応排ガス流路ＰＡ３，ＰＡ６には、結露により生じた水も滞留するおそれがある。

【0030】

このように反応排ガス流路ＰＡ６，ＰＡ３に水が滞留すると、反応排ガスの流れが妨げられて発電性能が低下するおそれがある。このため、反応排ガス流路ＰＡ３，ＰＡ６内の滞留水を速やかに燃料電池スタック１００の外部に排出する必要があり、燃料電池スタック１００の排水性能を高めることが好ましい。本実施形態では、以下のようにして排水性能の向上を図る。

【0031】

酸化剤ガス排出流路ＰＡ３と燃料ガス排出流路ＰＡ６の構成は実質的に同一である。このため、以下では、燃料ガス排出流路ＰＡ６に着目して反応排ガス流路ＰＡ３，ＰＡ６の構成を説明する。図３は、燃料ガス排出流路ＰＡ６に沿った燃料電池スタック１００の要部構成を示す断面図である。

【0032】

図３では、発電セル１の個別の図示を省略する。また、図３では、前後のエンドユニット１０２の構成を区別するために、前側のエンドユニット１０２をターミナルプレート４０、絶縁プレート５０およびエンドプレート６０で表し、後側のエンドユニット１０２をターミナルプレート４１、絶縁プレート５１およびエンドプレート６１で表す。

【0033】

図３に示すように、燃料ガス排出流路ＰＡ６は、前側のエンドユニット１０２の貫通孔１０２ａ、セル積層体１０１の貫通孔２１６，３１６、および前側のエンドユニット１０２の貫通孔１０２ａを介して前後方向に延在する。したがって、エンドユニット１０２とセル積層体１０１は、燃料ガス排出流路ＰＡ６を形成し、流路形成部を構成する。前側のエンドユニット１０２の貫通孔１０２ａは、ターミナルプレート４０の貫通孔４０ａと、絶縁プレート５１の貫通孔５０ａとを含む。なお、燃料ガス排出流路ＰＡ６の前端は、エンドプレート６０により閉塞される。後側のエンドユニット１０２の貫通孔１０２ａは、ターミナルプレート４１の貫通孔４１ａと、絶縁プレート５１の貫通孔５１ａと、エンドプレート６１の貫通孔６１ａとを含む。

【0034】

燃料ガス排出流路ＰＡ６には、流路底面に沿って連通管７が設置される。連通管７は、前端面７１および後端面７２にそれぞれ開口（前端開口７１ａ，後端開口７２ａ）が設けられた断面略円筒形状の細長の管部材であり、セル積層体１０１を貫通して前後方向に直線状に延在する。連通管７の前端開口７１ａは、前側のエンドユニット１０２の貫通孔１０２ａの内部空間ＳＰ１、より詳しくは、絶縁プレート５０の貫通孔５０ａの内側に位置する。連通管７の後端開口７２ａは、後側のエンドユニット１０２の貫通孔１０２ａの内部空間ＳＰ２、より詳しくは、絶縁プレート５１の貫通孔５１ａの内側に位置する。このため、連通管７を介して前側のエンドユニット１０２の内部空間ＳＰ１と後側のエンドユニット１０２の内部空間ＳＰ２とが連通する。

【0035】

連通管７は、樹脂、ゴム、ガラスなどを構成材として形成される。但し、燃料電池スタック１００に振動や温度変化が生じることを考慮すると、連通管７は、可撓性を有する樹脂やゴムによって構成されることが好ましい。連通管７には、前後のエンドユニット１０２，１０２の内部空間ＳＰ１，ＳＰ２の圧力差に応じて、前端開口７１ａから後端開口７２ａに水が流れる。このため、連通管７の断面積は、燃料ガス排出流路ＰＡ６の断面積より十分に小さいものの、所定量以上の水の流れを可能とするように設定される。

【0036】

連通管７の前端部は、前側のエンドユニット１０２に設けられた前支持部２０１により支持され、連通管７の後端部は、後側のエンドユニット１０２に設けられた後支持部２０２により支持される。

【0037】

図４Ａは、前支持部２０１の構成を示す、図３の要部拡大図であり、図４Ｂは、図４Ａの矢視IVＢ図（前方から見た図）である。図４Ａ，図４Ｂに示すように、絶縁プレート５０の貫通孔５０ａの底面には、その後端部から前後方向中間部において、上方に膨出した膨出部５２が設けられる。なお、図４Ａでは、膨出部５２が後方に突出する突出部を有し、突出部がターミナルプレート４０の貫通孔４０ａの内部に位置する。このため、絶縁プレート５０は、一部が前後方向に長尺に構成され、この長尺部で連通管７の前端部が支持される。

【0038】

膨出部５２には、その前端面５２５から後端面５２６にかけて、前後方向に延在する軸線ＣＬ０を中心にして断面円形状の貫通孔５２０が開口される。貫通孔５２０は、軸線ＣＬ０に対して垂直に上下方向に延在する境界面５２７を境にして、境界面５２７の後方のテーパ部５２１と境界面５２７の前方のストレート部５２２とを含む。

【0039】

テーパ部５２１は、膨出部５２の後端面５２６から境界面５２７にかけて断面積が徐々に小さくなるように先細状に形成される。つまり、円錐台の空間を内部に有するように形成される。ストレート部５２２は、膨出部５２の前端面５２５から境界面５２７にかけて一定ないし略一定の断面積のまま直線状に形成される。ストレート部５２２の断面積はテーパ部５２１の前端の断面積よりも小さい。テーパ部５２１の軸線ＣＬ０に対するなす角は、数度程度（例えば２～３°ないし４～５°）であり、テーパ部５２１の前後方向長さはストレート部５２２の前後方向長さよりも長い。なお、テーパ部５２１の後端角部には、連通管７の挿入が容易となるように面取り部が設けられる。

【0040】

連通管７の外周面の径は、前端面（境界面５２７）のテーパ部５２１の径よりも大きく、かつ、後端面５２６のテーパ部５２１の径よりも小さい。なお、連通管７の内周面の径は、ストレート部５２２の径よりも小さい。これにより、膨出部５２の後方から貫通孔５２０に連通管７が挿入されると、連通管７の前端の外周角部はテーパ部５２１の周面に当接し、連通管７の中心線ＣＬ１が軸線ＣＬ０に一致する。その結果、連通管７の前端部がテーパ部５２１により位置決めされた状態で、連通管７の前端部を絶縁プレート５０から支持することができる。連通管７の動きはテーパ部５２１により規制されるため、連通管７の位置ずれを防止することもできる。連通管７が前支持部２０１により支持された状態では、連通管７の前端開口７１ａは、貫通孔５２０を介してエンドユニット１０２の内部空間ＳＰ１、より詳しくは膨出部５２の前方の内部空間ＳＰ１に連通する。

【0041】

図５Ａは、後支持部２０２の構成を示す図３の要部拡大図であり、図５Ｂは、図５Ａの矢視VＢ図（後方かた見た図）である。図５Ａ，図５Ｂに示すように、絶縁プレート５１の貫通孔５１ａの底面には、前側の絶縁プレート５０と同様に、上方に膨出した膨出部５３が前後方向にわたって設けられる。膨出部５３の頂部５３４（上端部）は、ターミナルプレート４１の貫通孔４１ａの周面を後方に延長した仮想延長線Ｌ１に沿って前後方向に延在する。なお、膨出部５３は、絶縁プレート５１の内周面の最下部からやや右方にずれた位置から膨出しているが（図５Ｂ）、この程度のずれは、連通管７を介した排水性能に悪影響を与えるものではない。

【0042】

膨出部５３には、その前端面５３５から後端面５３６にかけて、軸線ＣＬ０を中心にして断面円形状の貫通孔５３０が開口される。貫通孔５３０は、軸線ＣＬ０に対して垂直に上下方向に延在する境界面５３７を境にして、境界面５３７の前方のテーパ部５３１と境界面５３７の後方のストレート部５３２とを含む。なお、絶縁プレート５１は、後方に突出する突出部を有し、突出部がエンドプレート６１の貫通孔６１ａの内部に位置する。このため、絶縁プレート５１は、一部が前後方向に長尺に構成され、この長尺部で連通管７の後端部が支持される。

【0043】

テーパ部５３１は、膨出部５３の前端面５３５から境界面５３７にかけて断面積が徐々に小さくなるように先細状に形成される。つまり、円錐台の空間を内部に有するように形成される。ストレート部５３２は、膨出部５３の後端面５３６から境界面５３７にかけて一定ないし略一定の断面積のまま直線状に形成される。ストレート部５３２の断面積はテーパ部５３１の後端の断面積よりも小さい。テーパ部５３１の軸線ＣＬ０に対するなす角は、数度程度（例えば２～３°ないし４～５°）であり、テーパ部５３１の前後方向長さはストレート部５３２の前後方向長さよりも長い。

【0044】

ターミナルプレート４１には、燃料ガス排出流路ＰＡ６を構成する貫通孔４１ａの下方に、略円形状の貫通孔４１ｂが開口され、貫通孔４１ｂに連通管７が挿通される。連通管７の外周面の径は、後端面（境界面５３７）のテーパ部５３１の径よりも大きく、かつ、前端面５３５のテーパ部５３１の径よりも小さい。これにより、膨出部５３の前方から貫通孔５３０に連通管７が挿入されると、連通管７の後端の外周角部はテーパ部５３１の周面に当接し、連通管７の中心線ＣＬ１が軸線ＣＬ０に一致する。その結果、連通管７の後端部がテーパ部５３１により位置決めされた状態で、連通管７の後端部を絶縁プレート５１から支持することができる。連通管７の動きはテーパ部５３１により規制されるため、連通管７の位置ずれを防止することもできる。連通管７が後支持部２０２により支持された状態では、連通管７の後端開口７２ａは、貫通孔５３０を介してエンドユニット１０２の内部空間ＳＰ２、より詳しくは膨出部５３の後方の内部空間ＳＰ２に連通する。

【0045】

連通管７は、前後のエンドユニット１０２により支持されるだけでなく、セル積層体１０１に含まれる電極アッセンブリ２のフレーム２１によっても支持される。図６は、燃料ガス排出用のフレーム２１の貫通孔２１６（図２）の構成を示す正面図（前方から見た部）である。図２の貫通孔２１６の形状をより詳細に示したのが図６であり、図２と図６とでは、貫通孔２１６の形状が異なる。図６に示すように、フレーム２１の貫通孔２１６の底面には、上方に向けて突出する左右一対の突出部２１７，２１８が設けられる。突出部２１７，２１８は、貫通孔２１６の底面に沿って略円筒形状の空間ＳＰ３を形成するように円弧状に形成される。

【0046】

空間ＳＰ３には、セル積層体１０１の前方または後方から連通管７が挿入される。なお、空間ＳＰ３の径は、連通管７を容易に挿入可能となるように連通管７の外径よりもやや大きい。これにより、連通管７の前後方向中間部が突出部２１７，２１８により位置決めされ、連通管７をより安定して支持できる。但し、連通管７の前後両端部はテーパ部５２１，５３１により位置決めされるため、突出部２１７，２１８は、テーパ部５２１，５３１による位置決めを損なわない程度の緩やかな位置決めを行うように設けられる。したがって、突出部２１７，２１８の精度をそれほど高める必要はない。

【0047】

突出部２１７，２１８は、連通管７の中間部を支持する中間支持部２０３を構成する。中間支持部２０３は、セル積層体１０１に含まれる全てのフレーム２１に設けてもよく、一部のフレーム２１に設けてもよい。突出部２１７，２１８の先端部を互いに接続して中間支持部２０３を正面視で略円形状に形成してもよい。連通管７の材質にも依存するが、連通管７の剛性が高く、連通管７を前支持部２０１と後支持部２０２とで強固に支持できる場合、中間支持部２０３を省略してもよい。

【0048】

本実施形態では、反応排ガス流路ＰＡ３，ＰＡ６に溜まった水が連通管７を介して後方に流れ、エンドユニット１０２の貫通孔１０２ａから外部に排出される。つまり、貫通孔５２０、連通管７および貫通孔５３０が排水用流路を構成する。このような水の流れは、連通管７の前端開口７１ａに連通する内部空間ＳＰ１の圧力Ｐ１が、後端開口７２ａに連通する内部空間ＳＰ２の圧力Ｐ２よりも大きい場合に発生する。そして、内部空間ＳＰ１，ＳＰ２の圧力差ΔＰ（＝Ｐ１－Ｐ２）が大きいほど水の流れが促進され、排水能力が向上する。本実施形態では、排水能力が向上するようにガス排出流路ＰＡ１１，Ａ１２を構成しており、以下、この点について説明する。

【0049】

図５Ａに示すように、絶縁プレート５１の貫通孔５１ａは、前後方向に延在する軸線ＣＬ２を中心として形成される。この貫通孔５１ａは、前端から後端にかけて順番に設けられた、入口部５１１と、テーパ部５１２と、絞り部５１３と、出口部５１４とを含む。

【0050】

入口部５１１は、軸線ＣＬ２を中心として略円筒形状に形成される。テーパ部５１２は、入口部５１１から絞り部５１３にかけて軸線ＣＬ２に対する所定角度で徐々に縮径するように形成される。絞り部５１３は、テーパ部５１２から出口部５１４にかけて軸線ＣＬ２に対する所定角度で徐々に縮径するように、より詳しくは、テーパ部５１２よりも緩やかな所定角度で徐々に縮径するように形成される。換言すると、テーパ部５１２は、第１減少率で流路面積が徐々に減少し、絞り部５１３は、第１減少率よりも小さい第２減少率で流路面積が徐々に減少する。

【0051】

貫通孔５１ａの面積は、絞り部５１３の後端部の領域ＡＲで最小となる。絞り部５１３の最小面積は、例えば入口部５１１の面積の１／４以下ないし１／５以下である。出口部５１４は、絞り部５１３から後方にかけて軸線ＣＬ２に対する所定角度で徐々に拡径するように、より詳しくは傾斜角が絞り部５１３の傾斜角よりも大きく、かつ、テーパ部５１２の傾斜角よりも小さくなるように形成される。入口部５１１とテーパ部５１２とは凹曲面状に滑らかに接続され、テーパ部５１２と絞り部５１３および絞り部５１３と出口部５１４は、それぞれ凸曲面状に滑らかに接続される。

【0052】

図５Ａに示すように、膨出部５３の前端面５３５は、テーパ部５１２の後端部と前後方向同一ないしほぼ同一位置から、テーパ部５１２と同一ないしほぼ同一の傾斜角度で前方かつ下方にかけて傾斜する。このため、図５Ａに示すような軸線ＣＬ０とＣＬ２とを含む所定断面において、前端面５３５は、テーパ部５１２の周面と軸線ＣＬ２に対しほぼ対称に設けられる。前端面５３５には貫通孔５３０（テーパ部５３１）が開口され、連通管７が挿入される。

【0053】

膨出部５３の頂部５３４は、軸線ＣＬ２から絞り部５１３の周面までの距離とほぼ同一距離だけ軸線ＣＬ２から離れて、絞り部５１３の前後方向長さとほぼ同一長さだけ前後方向に延在する。このため、軸線ＣＬ０とＣＬ２とを含む所定断面において、頂部５３４は、絞り部５１３と軸線ＣＬ２に対しほぼ対称に設けられる。

【0054】

膨出部５３の後端面５３６は、出口部５１４の前端部と前後方向同一ないしほぼ同一位置から、出口部５１４と同一ないしほぼ同一の傾斜角度で後方かつ下方にかけて傾斜する。このため、軸線ＣＬ０とＣＬ２とを含む所定断面において、後端面５３６は、出口部５１４の周面と軸線ＣＬ２に対しほぼ対称に設けられる。後端面５３６には貫通孔５３０（ストレート部５３２）が開口される。このため、連通管７は、領域ＡＲの下流かつ近傍で燃料ガス排出流路ＰＡ６に連通する。

【0055】

燃料電池スタック１００の組立は、例えば以下のようにして行われる。まず、組立台上に、ドライ側エンドユニット１０２を水平にしてセットする。次いで、セパレータ３と電極アッセンブリ２を、上下方向に延在するガイドロッド等により位置決めしながら、所定枚数だけ交互に積層する。次いで、セル積層体１０１の貫通孔２１３，３１３および２１６、３１６にそれぞれ上方から連通管７を挿入する。このとき、連通管７の先端（下端）の角部は、ドライ側エンドユニット１０２のテーパ部５２１の周面に全周にわたって当接する。これにより連通管７が位置決めされ、エンドユニット１０２（絶縁プレート５０）の貫通孔５２０の軸線ＣＬ０の位置と連通管７の中心線ＣＬ１の位置とが一致する。

【0056】

次いで、ウェット側エンドユニット１０２を積層する。次いで、シリンダ等を用いてウェット側エンドユニット１０２を上方から加圧して、積層体の全体を圧縮する。そして、ドライ側のエンドプレート６０とウェット側のエンドプレート６１とをボルトにより連結プレートなどに締結し、燃料電池スタック１００の組立を完了する。

【0057】

この場合、加圧工程においてウェット側エンドユニット１０２（絶縁プレート５１）が降下すると、貫通孔５３０のテーパ部５３１の周面が連通管７の上端に接近し、テーパ部５３１の内側に連通管７が配置される。このため、連通管７を損傷することなく、簡易な工程で、連通管７を内部に組み込んだ燃料電池スタック１００の組立が可能である。なお、燃料電池スタック１００の組立が完了した状態では、連通管７に圧縮力が作用しないように、連通管７の一端部とテーパ部５２１または５３１の周面との間に前後方向に隙間が存在することがある。

【0058】

本実施形態に係る燃料電池スタック１００の主要な動作を説明する。図７は、反応排ガス流路ＰＡ３，ＰＡ６における反応排ガスおよび排水の流れを模式的に示す図である。本実施形態では、反応排ガス流路ＰＡ３，ＰＡ６が、後側の絶縁プレート５１の貫通孔５１ａ内で流路面積が徐々に減少するように、すなわち入口部５１１からテーパ部５１２および絞り部５１３にかけて面積が徐々に減少するように構成される。このため、流路面積が最小となる領域ＡＲの近傍で反応排ガスの流速が最大になるとともに、ベンチュリ効果により圧力が最小となる。

【0059】

図７に示すように、連通管７の後端開口７２ａは、領域ＡＲの下流ではあるが、領域ＡＲの近傍で、流路ＰＡ３，ＰＡ６の内部空間ＳＰ２に連通する。このため、連通管７の前端開口７１ａに連通する流路ＰＡ３，ＰＡ６の内部空間ＳＰ１の圧力と内部空間ＳＰ２の圧力との圧力差ΔＰが増大する。その結果、図７に矢印で示すように、流路ＰＡ３，ＰＡ６の水が前端開口７１ａから連通管７に流入し、連通管７の内部を通って後端開口７２ａから流出する。流出した水は、反応排ガスの流れに沿って燃料電池スタック１００から排出される。このように本実施形態では、反応排ガス流路ＰＡ３，ＰＡ６に、流路面積が徐々に小さくなるような絞り部５１３を設けるので、連通管７の入口と出口の圧力差ΔＰが大きくなって、排水性能を高めることができる。

【0060】

連通管７の後端開口７２ａは、流路面積が最小となる領域ＡＲの下流であり、流路面積が徐々に拡大する出口部５１４に連通する。軸線ＣＬ２よりも下方における出口部５１４の周面は、後方かつ下方に傾斜しており、出口部５１４では、その傾斜面に沿って水が下方に流れる。このため、後端開口７２ａから後方への水の流れが促進され、排水性能がより高まる。

【0061】

連通管７は、前後両端部がそれぞれテーパ部５２１，５３１を介して、前支持部２０１および後支持部２０２により支持される。したがって、連通管７に反応排ガスの流体力が作用して連通管７が後方に押動されると、連通管７の後端面７２の角部がテーパ部５３１の周面に当接する。これにより、連通管７が貫通孔５３０の内部で位置決めされる。すなわち、連通管７は、貫通孔５３０の軸線ＣＬ０と連通管７の中心線ＣＬ１とが一致した状態で保持され、連通管７の後端開口７２ａがシール状態となって連通管７の内部と貫通孔５３０とが連通する。これにより、車両の振動が連通管７に作用した場合であっても、連通管７は位置ずれすることなく、安定した排水性を確保できる。

【0062】

本実施形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
（１）燃料電池スタック１００は、電解質膜を有する複数の発電セル１を前後方向に積層してなるセル積層体１０１を備えるとともに、複数の発電セル１に導かれた反応ガスを排出するようにセル積層体１０１を前後方向に貫通する反応排ガス流路ＰＡ３，ＰＡ６が設けられる（図１）。この燃料電池スタック１００は、反応排ガス流路ＰＡ３，ＰＡ６に配置され、反応排ガス流路ＰＡ３，ＰＡ６の上流側の内部空間ＳＰ１および下流側の内部空間ＳＰ２にそれぞれ連通する前端開口７１ａおよび後端開口７２ａを有する連通管７をさらに備える（図３）。反応排ガス流路ＰＡ３，ＰＡ６は、反応排ガス流路ＰＡ３，ＰＡ６の出口（出口部５１４の後端）に向かうに従い流路面積が徐々に縮小する縮径部、すなわちテーパ部５１２および絞り部５１３を有する（図５Ａ）。連通管７の後端開口７２ａは、絞り部５１３の小径側の端部（後端部）と流路出口（出口部５１４の後端）との間で反応排ガス流路ＰＡ３，ＰＡ６に連通する（図５Ａ）。

【0063】

このように反応排ガス流路ＰＡ３，ＰＡ６の流路面積を徐々に縮小することにより、連通管７の後端開口７２ａの近傍の内部空間ＳＰ２の圧力Ｐ２が、ベンチュリ効果によって減少する。特に、入口部５１１から出口部５１４にかけて流路ＰＡ３，ＰＡ６が段差なく滑らかに形成されるので、圧力損失が小さく、内部空間ＳＰ２の圧力を効率よく減少できる。これにより、連通管７の前後の圧力差ΔＰが大きくなり、連通管７を介して水を良好に排出することができる。

【0064】

（２）反応排ガス流路ＰＡ３，ＰＡ６は、絞り部５１３の小径側の端部に連なり、流路出口側に向かうに従い流路面積が徐々に拡大する出口部５１４を有する（図５Ａ）。後端開口７２ａは、出口部５１４に連通する（図５Ａ）。これにより、連通管７から流出した水が出口部５１４の傾斜した周面を介して下方に流れ、燃料電池スタック１００からの排水を促進することができる。

【0065】

（３）燃料電池スタック１００は、反応排ガス流路ＰＡ３，ＰＡ６の底面から上方に膨出され、連通管７の後端部を支持する膨出部５３をさらに備える（図５Ａ）。連通管７は、膨出部５３を前後方向に貫通して設けられる（図５Ａ）。これにより、連通管７を支持する膨出部５３を絞り部５１３の一部として機能させることができ、膨出部５３を設けたことによりガス流れに悪影響を与えることを抑制できる。連通管７の支持も容易である。

【0066】

（４）反応排ガス流路ＰＡ３，ＰＡ６の縮径部は、流路出口に向かうに従い流路面積が第１減少率で徐々に減少する断面略円形状のテーパ部５１２と、テーパ部５１２の小径側の端部から流路出口に向かうに従い流路面積が第１減少率よりも小さい第２減少率で徐々に減少する断面略円形状の絞り部５１３と、を有する（図５Ａ）。これにより、最小絞りの領域ＡＲにかけてガス流れの剥離を良好に抑えることができ、内部空間ＳＰ２の圧力を良好に低下させることができる。

【0067】

（５）燃料電池スタック１００は、セル積層体１０１の前後方向の両端部にそれぞれ配置された絶縁プレート５０，５１をさらに備える（図４Ａ，図５Ａ）。縮径部（テーパ部５１２、絞り部５１３）は、絶縁プレート５１に設けられる（図５Ａ）。これにより滑らかな曲面を有する縮径部を、樹脂成型等により容易に形成することができる。

【0068】

（６）上述したのとは別の観点として、燃料電池スタック１００は、セル積層体１０１の前後方向の外側に配置されたエンドユニット１０２と、反応排ガス流路ＰＡ３，ＰＡ６に配置され、反応排ガス流路ＰＡ３，ＰＡ６の上流側および下流側にそれぞれ連通する前端開口７１ａおよび後端開口７２ａが前端面７１おより後端面７２にそれぞれ設けられた連通管７と、を備える（図１，図３）。エンドユニット１０２は、連通管７の前端部および後端部をそれぞれ支持する前支持部２０１および後支持部２０２を有する（図３）。前支持部２０１は、連通管７の前端部を包囲して連通管７の内部空間と反応排ガス流路ＰＡ３，ＰＡ６の上流側とを連通するように軸線ＣＬ０を中心に筒状に形成されて、内部に軸線ＣＬ０に沿った貫通孔５２０が設けられる（図４Ａ）。後支持部２０２は、連通管７の後端部を包囲して連通管７の内部空間と反応排ガス流路ＰＡ３，ＰＡ６の下流側とを連通するように軸線ＣＬ０を中心に筒状に形成されて、内部に軸線ＣＬ２に沿った貫通孔５３０が設けられる（図５Ａ）。貫通孔５２０および貫通孔５３０は、連通管７の挿入時に前端面７１の外周面側の縁部（角部）および後端面７２の外周面側の縁部（角部）がそれぞれ周方向全周にわたって当接可能なように、軸線ＣＬ０を中心にテーパ状に形成されたテーパ部５２１，５３１をそれぞれ有する（図４Ａ，図５Ａ）。

【0069】

これにより、反応排ガスの流体力により連通管７の端部の外周面の一部がテーパ部５２１，５３１の周面に当接し、貫通孔５２０、５３０の軸線ＣＬ０と連通管７の中心線ＣＬ１とが一致した状態で、連通管７が保持される。これにより、車両の振動があった場合や反応排ガスによる流体力が変化した場合であっても、連通管７のがたつきや位置ずれを防止することができ、連通管７を介して良好な排水を実現することができる。すなわち、仮に連通管７の中心線ＣＬ１の位置が軸線ＣＬ０からがずれると、連通管７の後端開口７２ａの断面積が実質的に減少するおそれがあり、安定した排水性能を確保することが困難である。この点、本実施形態では、軸線ＣＬ０から中心線ＣＬ１の位置がずれることが抑制され、安定した排水性能が得られる。

【0070】

（７）貫通孔５２０および貫通孔５３０は、それぞれテーパ部５２１，５３１の小径側の端部、すなわちテーパ部５２１の前端部およびテーパ部５３１の後端部に連なり、軸線ＣＬ０に沿ってストレート状に形成されたストレート部５２２，５３２をさらに含む（図４Ａ，図５Ａ）。これによりストレート部５２２を介して連通管７にスムーズに水を流入させることができるとともに、ストレート部５３２を介して燃料電池スタック１００からスムーズに水を流出させることができる。

【0071】

以上では、連通管７の後端開口７２ａが、絞り部５１３の最小絞りとなる領域ＡＲの後方、すなわち最小絞りよりも反応排ガス流路ＰＡ３，ＰＡ６の下流で、流路ＡＲ３，ＡＲ６に連通する（図５Ａ）。但し、連通管７の前後の圧力差ΔＰが大きいほど、連通管７内を水が流れやすく、排水性能が高まる点を考慮すると、後端開口７２ａが反応排ガス流路ＰＡ３，ＰＡ６に連通する位置は、流路ＰＡ３，ＰＡ６内の圧力が最も低くなる領域ＡＲに近い方が好ましい。この点を考慮して、後支持部２０２を以下のように構成するようにしてもよい。

【0072】

図８Ａは、後支持部２０２の他の例（図５Ａの変形例）を示す図であり、図８Ｂは、図８Ａの矢視VIIIＢ図（後方から見た図）である。なお、図８Ａでは、図５Ａの燃料ガス排出流路ＰＡ６に代えて、反応排ガス流路ＰＡ３，ＰＡ６が示される。図８Ａ，図８Ｂに示すように、膨出部５３の頂部５３４には、貫通孔５３０の中心の軸線ＣＬ０に向けて径方向に膨出部５３を貫通する切り欠き５３８が設けられる。切り欠き５３８は、図８Ｂに示すように、軸線ＣＬ０，ＣＬ２を結ぶ仮想線Ｌ２に対し対称に設けられるとともに、互いに対向する切り欠き５３８の左右一対の対向面は、仮想線Ｌ２と略平行に延在する。したがって、切り欠き５３８の左右方向の幅Ｗは、径方向にわたって一定である。

【0073】

切り欠き５３８は、膨出部の前端面５３５から後端面５３６にかけて幅Ｗを一定としたまま延在する。切り欠き５３８を設けることにより、連通管７の後端開口７２ａが切り欠き５３８を介して反応排ガス流路ＰＡ３，ＰＡ６の領域ＡＲに連通する。これにより後端開口７２ａの圧力が、より低下するため、連通管７の入口と出口の圧力差ΔＰが大きくなり、排水性能を一層向上することができる。

【0074】

切り欠き５３８の幅Ｗは、前後方向にかけて一定であってもよいが、変化させてもよい。例えば、切り欠き５３８の後方にかけて幅Ｗが徐々に小さくなるようにしてもよい。これにより、反応排ガスの流速が徐々に速くなるため、連通管７からの水の排出をより促進することができる。

【0075】

切り欠き５３８の構成は上述したものに限らない。図９Ａ，図９Ｂは、それぞれ切り欠き５３８の他の例を示す図である。図９Ａでは、上方からの切り欠き５３８の一部は、貫通孔まで至らずに有底溝である。切り欠き５３８は、有底溝の底面５３８ａが、膨出部５３の前端面５３５の上端部から前方かつ下方に向けて斜めに延在するように設けられる。有底溝の底面５３８ａは、領域ＡＲの下方で貫通孔５３０と交差する。これにより連通管７の後端開口７２ａが、切り欠き５３８を介して領域ＡＲの下方で反応排ガス流路ＰＡ３，ＰＡ６と連通する。

【0076】

このため、反応排ガスの一部は、反応排ガス流路ＰＡ３，ＰＡ６から、絞り部５１３に面した有底溝に沿って流れるようになる。このとき、連通管７の後端開口７２ａは、貫通孔５３０および切り欠き５３８を介して流路ＰＡ３，ＰＡ６内の圧力が最も低くなる領域ＡＲに連通する。したがって、連通管７の前後の圧力差ΔＰが増大し、排水性能が高まる。

【0077】

有底溝の底面５３８ａは、後方に向かうに従い軸線ＣＬ０に接近するように斜め下方に形成される。有底溝に沿って流れる反応排ガスの流速は速いため、貫通孔５３０の水を、反応排ガスの流れに沿って反応排ガス流路ＰＡ３，ＰＡ６から容易に流出させることができる。なお、溝の幅Ｗは、前後方向にかけて一定であってもよいが、変化させてもよい。例えば、後方にかけて徐々に小さくなるようにしてもよい。

【0078】

図８Ａでは、切り欠き５３８が膨出部５３の前後方向全域にわたって設けられる。これに対し、図９Ｂでは、切り欠き５３８は、膨出部５３の前後方向全域にわたってではなく、膨出部５３の後端面５３６から前方に所定長さにわたって、すなわち、領域ＡＲの下方の、軸線ＣＬ２に垂直な端面５３８ｂにかけて設けられる。これにより、連通管７の後端開口７２ａは、貫通孔５３０および切り欠き５３８を介して流路ＰＡ３，ＰＡ６内の圧力が最も低くなる領域ＡＲに連通するため、排水性能が高まる。

【0079】

本実施形態に係る燃料電池スタック１００は、上述したように後支持部２０２、特に膨出部５３を構成することにより、さらに以下のような作用効果を奏することができる。
（１）膨出部５３には、連通管７の出口の後端開口７２ａが、反応排ガス流路ＰＡ３，ＰＡ６の絞り部５１３の小径側の端部と連通するように、反応排ガス流路ＰＡ３，ＰＡ６の出口側の端面である後端面５３６から反応排ガス流路ＰＡ３，ＰＡ６の上流側である前方に向けて切り欠き５３８が延設される（図８Ａ，図９Ａ，図９Ｂ）。これにより連通管７の後端開口７２ａの圧力が、流路ＰＡ３，ＰＡ６内の最も圧力が低くなる領域ＡＲに連通するようになるため、連通管７の前後の圧力差ΔＰが増大し、排水効果をより高めることができる。

【0080】

（２）切り欠き５３８は、反応排ガス流路ＰＡ３，ＰＡ６に面する膨出部５３の頂部５３４に設けられた有底溝に連通して設けることもできる（図９Ａ）。ここで、有底溝は、反応排ガス流路ＰＡ３，ＰＡ６の出口に向かうに従い溝の底面５３８ａが徐々に連通管７に接近するように、後方かつ下方に斜めに延設される（図９Ａ）。これにより、有底溝と貫通孔５３０とが交差する位置を調整することができる。したがって、連通管７の後端開口７２ａを流路ＡＲ３，ＡＲ６内の領域ＡＲに良好に連通させることができ、後端開口７２ａの圧力を低下させやすい。また、流路ＰＡ３，ＰＡ６内の反応排ガスが、有底溝に沿って連通管７の中心線ＣＬ１に向けて斜め下方に流れるようなるため、反応排ガスが水に衝突して流れ、水の排出効果が高まる。

【0081】

（３）切り欠き５３８は、反応排ガス流路ＰＡ３，ＰＡ６の出口に向かうに従い切り欠き５３８の幅Ｗが徐々に小さくなるように設けられてもよい。これにより、切り欠き５３８に沿った反応排ガスの流速が徐々に速くなるため、連通管７からの水の排出をより促進することができる。

【0082】

本実施形態では、連通管７を介して燃料電池スタック１００の外部に水を排出するが、連通管７の内部でプラグ流れ（栓流とも呼ぶ）が生じると、連通管７を介して水を良好に排出できないおそれがある。例えば図１０に示すように、車両が坂道を走行することにより車両が傾斜して、燃料電池スタック１００が後方にかけて上り勾配の姿勢になると、反応排ガス流路ＰＡ３，ＰＡ６の底面に溜まった水の水面ＳＦが、膨出部５２の前端面５２５の貫通孔５２０の上方に位置し、貫通孔５２０が水に浸される。このとき、連通管７には、連通管７の断面全体を覆うような略円柱形状のプラグ流れＰの態様で水が吸い込まれることがある。この場合、水の塊の重力に抗して連通管７内で水を斜め上方に移動させることは困難であり、排水性が悪化する。以下、この点を考慮した本実施形態の構成について説明する。

【0083】

図１１Ａ～図１１Ｃは、それぞれ連通管７の入口部の構成の一例を模式的に示す図である。なお、図１１Ａ，図１１Ｂでは、連通管７の前端部を支持する前支持部２０１（膨出部５２）の図示を省略し、図１１Ｃでは、前支持部２０１の構成を簡略化して模式的に示す。反応排ガス流路ＰＡ３，ＰＡ６の底部には、膨出部５２に設けられた貫通孔５２０、連通管７、および膨出部５３に設けられた貫通孔５３０によって、前後方向に延在する排水用流路ＰＡ１０（便宜上、矢印で示す）が構成されるが、図１１Ａ～図１１Ｃには、排水用流路ＰＡ１０の入口が主に示される。なお、排水用流路ＰＡ１０の入口とは、反応排ガスの流れに沿った連通管７の前端部までの区間をいい、貫通孔５２０と連通管７の入口とを含む。

【0084】

図１１Ａの例では、連通管７の前端面７１に絞り部７１０が設けられ、連通管７の前端部は、連通管７の内径が前端面７１（前端開口７１ａ）から後方にかけて徐々に拡大するように、テーパ状に形成される。これにより、連通管７の入口で排水用流路Ｐ１０が絞られ、連通管７を流れる反応排ガスの流速が上昇する。その結果、図示のように、連通管７内で水滴ＷＴに分散させることができる。したがって、連通管７内でプラグ流れが生じることを抑制することができ、後方への水の流れが促進される。

【0085】

図１１Ｂの例では、連通管７の前端部の絞り部７１１が前端面７１から後方に所定長さにわたってストレート状に延在する。すなわち、絞り部７１１はストレート状に形成され、絞り部７１１の後方において、連通管７は、連通管７の内径が絞り部７１１の後端から後方にかけて徐々に拡大するようにテーパ状に形成される。この場合も、排水用流路ＰＡ１０が連通管７の入口で絞られて反応排ガスの流速が上昇し、連通管７内でプラグ流れが生じることを抑制することができる。

【0086】

図１１Ｃの例では、図１１Ａ，図１１Ｂの例とは異なり、前支持部２０１（膨出部５２）の貫通孔５２０に、絞り部５２８が設けられる。絞り部５２８は、図４Ａのストレート部５２２よりも小径であり、膨出部５２の前端面５２５から後方にストレート状に延在する。絞り部５２８の後方には、絞り部５２８に連なって後方にかけて内径が徐々に拡大するようにテーパ部５２９が設けられ、テーパ部５２９の後方に連通管７の前端部が挿入される。この場合も、排水用流路ＰＡ１０が連通管７の入口で絞られて反応排ガスの流速が上昇し、連通管７内でプラグ流れが生じることを抑制することができる。特に、図１１Ｃでは、連通管に絞りを設けることなく、膨出部５２の貫通孔５２０の形状を図４Ａのものから変更するだけなので、構成が容易である。

【0087】

連通管７の入口に絞り部を設けることにより加え、水の塊を分断するような分断部を設けることもできる。図１２Ａは、分断部の一例を示す図１１ＣのXII-XII線に沿った断面図である。図１２Ａに示すように、分断部７５は、前端開口７１ａを横断するように前端面７１に装着された略十字状の薄板である。このように連通管７の入口に分断部７５を設けることにより、連通管７に水が流入するとき、分断部７５により水の塊が分断（４分割）され、プラグ流れが生じることを抑制する効果が一層高まる。

【0088】

分断部の形状は図１２Ａに示したものに限らない。例えば図１２Ｂに示すように、細長形状の単一の板状の分断部７６を、前端開口７１ａを二分割するように、前端開口７１ａの中央を横断して連通管７の前端面７１に装着するようにしてもよい。図１２Ｃに示すように、細長形状の一対の板状の分断部７７を、前端開口７１ａを三分割するように、連通管７の前端面７１に装着するようにしてもよい。図１２Ｄに示すように分断部７８を構成し、前端開口７１ａをより多くの個数に分割するようにしてもよい。

【0089】

分断部７５～７８を設ける位置は、絞り部５２８（図１１Ｃ）の下流である連通管７の前端面７１とは限らない。例えば膨出部５２の前端面５２５に、すなわち絞り部５２８の上流に、貫通孔５２０を横断するように分断部７５～７８を設けてもよい。絞り部５２８の途中に分断部７５～７８を設けてもよい。

【0090】

上述したように連通管７の入口部を構成することにより、本実施形態はさらに以下のような作用効果を奏することができる。
（１）燃料電池スタック１００は、反応排ガス流路ＰＡ３，ＰＡ６の上流側から下流側にかけて水が流れる排水用流路を形成する流路形成部として、膨出部５２，５３と連通管７とを備える（図３，図４Ａ，図５Ａ）。連通管７には、反応排ガス流路ＰＡ３，ＰＡ６に配置され、反応排ガス流路ＰＡ３，ＰＡ６の上流側および下流側にそれぞれ連通する前端開口７１ａおよび後端開口７２ａが開口される（図３）。流路形成部は、排水用流路ＰＡ１０の入口に絞り部７１０，７１１，５２８を有する（図１１Ａ～図１１Ｃ）。

【0091】

これにより、連通管７の流路面積が連通管７の入口で絞られて、連通管７を流れる反応排ガスの流速が上昇する。その結果、連通管７内で水を分散させ、連通管７内でプラグ流れが生じることを抑制することができ、連通管７内の後方への水の流れが促進される。

【0092】

（２）絞り部７１０，７１１は、連通管７に設けられる（図１１Ａ，図１１Ｂ）。これにより、連通管７の構成を変更するだけで、プラグ流れが生じることを抑制することができる。

【0093】

（３）連通管７は、前端開口７１ａが設けられる前端部と後端開口７２ａが設けられる後端部とを有する（図３）。燃料電池スタック１００は、連通管７の前端部を支持する前支持部２０１（膨出部５２）を備える（図４Ａ，図１１Ｃ）。膨出部５２には、前端開口７１ａに連通する貫通孔５２０が設けられるとともに、貫通孔５２０に絞り部５２８が設けられる（図１１Ａ）。この構成によれば、連通管７を特殊な形状にすることなく、プラグ流れが生じることを抑制できる。

【0094】

（４）燃料電池スタック１００は、排水用流路ＰＡ１０を横断するように排水用流路ＰＡ１０の入口に設けられ、水を分断する分断部７５～７８をさらに備える（図１２Ａ～図１２Ｄ）。これにより、分断部７５～７８により水の塊が分断され、プラグ流れが生じることを一層抑制することができる。

【0095】

（５）分断部７５～７８は、絞り部７１０，７１１，５２８（絞り部の端面または絞り部の内部）に設けることができる。これにより、絞り部７１０，７１１，５２８と分断部７５～７８とによる相乗効果を得ることが可能である。

【0096】

なお、上記実施形態では、第１開口としての前端開口７１ａと、第２開口としての後端開口７２ａと、を有する断面円形の連通管７を、前後のエンドユニット１０２に設けられた前支持部２０１と後支持部２０２とにより支持するようにしたが、反応排ガス流路ＰＡ３，ＰＡ６（排ガス流路）に連通管７を配置する際の連通管７の支持構造は上述したものに限らない。上記実施形態では、インシュレータである絶縁プレート５１に、反応排ガス流路ＰＡ３，ＰＡ６の流路面積が徐々に縮小する縮径部、すなわち第１縮径部としてのテーパ部５１２と、第２縮径部としての絞り部５１３とを設けたが、縮径部の構成は上述したものに限らない。

【0097】

上記実施形態では、絞り部５１３の下流側（後方）で、連通管７の後端開口７２ａが流路ＰＡ３，ＰＡ６の内部空間ＳＰ２に連通するようにしたが、絞り部５１３の小径側の端部（最小絞り）と出口部５１４の端部（流路出口）との間で連通するのであれば、連通管の連通位置は上述したものに限らない。但し、最小絞りに近いほど低圧になる点を考慮すると、最小絞りに近い位置で連通することが好ましい。上記実施形態では、反応排ガス流路ＰＡ３，ＰＡ６の流路面積が出口部５１４で徐々に拡大するようにしたが、拡径部の構成は上述したものに限らない。

【0098】

上記実施形態では、連通管７の内径を、貫通孔５２０，５３０のストレート部５２２，５３２の径よりも小さくしたが、ストレート部と同一径にしてもよく、ストレート部より大径にしてもよい。上記実施形態では、反応排ガス流路ＰＡ３，ＰＡ６の底面から上方に膨出する膨出部５２，５３を設け、膨出部５２，５３により連通管７の端部を支持するようにしたが、管支持部の構成はこれに限らない。したがって、連通管７に連通するような貫通孔５２０，５３０を設けずに、管支持部を構成してもよい。発電セル１が積層される所定方向は、前後方向に限らず、左右方向や上下方向であってもよい。

【0099】

上記実施形態（図８Ａ，図９Ａ，図９Ｂ）では、膨出部５３の頂部５３４に前後方向に切り欠き５３８を設けたが、流路面積が最小となる部位である領域ＡＲに連通するように、膨出部５３の後端面５３６から前方に切り欠き５３８を設けるのであれば、切り欠きの構成はいかなるものでもよい。上記実施形態（図９Ａ）では、膨出部５３の頂部５３４に、後方かつ下方に斜めに有底溝を延設したが、溝を軸線ＣＬ２と平湖に設けてもよく、溝の構成は上述したものに限らない。

【0100】

燃料電池スタック１００内の流路の個数、配置、形状は上述したものに限らない。例えば燃料ガス排出流路ＰＡ６と酸化剤ガス排出流路ＰＡ３とがそれぞれ２個であってもよい。冷却媒体排出流路ＰＡ２と冷却媒体供給流路ＰＡ５とがそれぞれ２個であってもよい。貫通孔２１１～２１６，３１１～３１６，１０２ａ～１０２ｆの形状は矩形状、三角形状、あるいは他の多角形状、円形や楕円形状等、種々の形状とすることができる。流路ＰＡ１～ＰＡ６の断面形状は、各流路ＰＡ１～ＰＡ６を構成する貫通孔２１１～２１６，３１１～３１６，１０２ａ～１０２ｆの形状に応じて定まり、矩形状や円形状とすることができ、他の形状とすることもできる。流路ＰＡ１～ＰＡ６の断面積は、流路ＰＡ１～ＰＡ６を通過するガスや冷却媒体の必要流量に応じて適宜設定される。セル積層体１０１の貫通孔２１１～２１６，３１１～３１６の形状とエンドユニット１０２の貫通孔１０２ａ～１０２ｆの形状が互いに異なってもよい。上記実施形態では、貫通孔２１１～２１３，３１１～３１３，１０２ａ～１０２ｃおよび貫通孔２１４～２１６，３１４～３１６１ａ２ｄ～１０２ｆを、それぞれ左右方向同一位置に上下方向に並べて配置したが、これらを左右方向に位置をずらして配置してもよい。

【0101】

上記実施形態では、燃料電池スタック１００を有する燃料電池を車両に搭載する例を説明したが、燃料電池スタックは、航空機や船舶等の車両以外の移動体、ロボットの他、各種産業機械に搭載することができる。

【0102】

以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、上述した実施形態および変形例により本発明が限定されるものではない。上記実施形態と変形例の１つまたは複数を任意に組み合わせることも可能であり、変形例同士を組み合わせることも可能である。

【0103】

１ 発電セル、７ 連通管、５０，５１ 絶縁プレート、５１ａ 貫通孔、５３ 膨出部、７１ａ 前端開口、７２ａ 後端開口、１００ 燃料電池スタック、１０１ セル積層体、５１２ テーパ部、５１３ 絞り部、５１４ 出口部、５３６ 後端面、５３８ 切り欠き、５３８ａ 底面、ＰＡ３ 酸化剤ガス排出流路、ＰＡ６ 燃料ガス排出流路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5A】

【図5B】

【図6】

【図7】

【図8A】

【図8B】

【図9A】

【図9B】

【図10】

【図11A】

【図11B】

【図11C】

【図12A】

【図12B】

【図12C】

【図12D】