(57)【要約】【課題】水素ガスを合流させることで水素オフガス内の液水を凍結させてしまうことなく、燃料電池スタックへ均一な濃度の水素を供給することが可能な、燃料電池システムにおける流路構造を提供する。【解決手段】本発明に係る燃料電池システムにおける流路構造は、燃料タンクから導入される水素ガスと、水素ポンプから導入される水素オフガスと、を合流させて燃料電池スタック側に導出するための流路構造である。この流路構造は、水素ガスを流通させる水素ガス流路と、水素オフガスを流通させる水素オフガス流路と、を少なくとも備える。水素ガス流路は、水素オフガス流路内に位置するように配置された、円筒形状の水素ガスの流通領域をもつ先端部２０を有する。水素オフガス流路は、水素オフガスの流通領域として、円管状の内壁（配管１２の内壁）と先端部２０の外壁とで形成される第１流通領域と、先端部２０の内側に形成される第２流通領域と、を有する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料タンクから導入される水素ガスと、水素ポンプから導入される水素オフガスと、を合流させて燃料電池スタック側に導出するための、燃料電池システムにおける流路構造であって、
水素ガスを流通させる水素ガス流路と、水素オフガスを流通させる水素オフガス流路と、を少なくとも備え、
前記水素ガス流路は、前記水素オフガス流路内に位置するように配置された、円筒形状の水素ガスの流通領域をもつ先端部を有し、
前記水素オフガス流路は、水素オフガスの流通領域として、円管状の内壁と前記先端部の外壁とで形成される第１流通領域と、前記先端部の内側に形成される第２流通領域と、を有する、
燃料電池システムにおける流路構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムにおける流路構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、水素オフガスの配管内に水素ガスを噴出させる燃料電池システムが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２８０６９６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、特許文献１に記載の技術では、水素タンクから出た水素ガスの温度が低い（約−３０℃）ため、水素オフガス内の液水を凍結させてしまう可能性がある。また、水素オフガスと水素ガスは濃度が異なる。よって、特許文献１に記載の技術を用いて、水素ガスを局所に集中して噴出させた場合、燃料電池スタックに供給される水素ガスに水素濃度が濃い部分と薄い部分とが発生してしまい、燃料電池セルの劣化が発生する虞がある。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、水素ガスを合流させることで水素オフガス内の液水を凍結させてしまうことなく、燃料電池スタックへ均一な濃度の水素を供給することが可能な、燃料電池システムにおける流路構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するための本発明の一態様に係る燃料電池システムにおける流路構造は、燃料タンクから導入される水素ガスと、水素ポンプから導入される水素オフガスと、を合流させて燃料電池スタック側に導出するための、燃料電池システムにおける流路構造であって、水素ガスを流通させる水素ガス流路と、水素オフガスを流通させる水素オフガス流路と、を少なくとも備え、前記水素ガス流路は、前記水素オフガス流路内に位置するように配置された、円筒形状の水素ガスの流通領域をもつ先端部を有し、前記水素オフガス流路は、水素オフガスの流通領域として、円管状の内壁と前記先端部の外壁とで形成される第１流通領域と、前記先端部の内側に形成される第２流通領域と、を有する、ものである。
【０００７】
この一態様に係る燃料電池システムにおける流路構造では、水素オフガスが、水素ガス流路の先端部の外壁と水素オフガス流路の円管状の内壁との間と、上記先端部の内側を流れる。よって、この一態様に係る燃料電池システムにおける流路構造によれば、水素ガスを合流させることで水素オフガス内の液水を凍結させてしまうことなく、燃料電池スタックへ均一な濃度の水素を供給することが可能になる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、水素ガスを合流させることで水素オフガス内の液水を凍結させてしまうことなく、燃料電池スタックへ均一な濃度の水素を供給することが可能な、燃料電池システムにおける流路構造を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムにおける流路構造の一例を示す概略図である。
【図２】図１の流路構造における合流部分の一断面例を示す模式図である。
【図３】図２の合流部分の斜視図である。
【図４】図３の合流部分におけるＩＶ方向から見た図である。
【図５】図４の合流部分のＶ−Ｖ断面図である。
【図６】図２〜図５の合流部分における配管入口での水素ガスの圧力の一例を比較例との比較により説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムにおける流路構造について、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る燃料電池システムにおける流路構造の一例を示す概略図で、図２は、図１の流路構造における合流部分の一断面例を示す模式図である。また、図３は、図２の合流部分の斜視図で、図４は、図３の合流部分におけるＩＶ方向から見た図で、図５は、図４の合流部分のＶ−Ｖ断面図である。
【００１１】
図１に示すように、本実施形態に係る流路構造は、燃料タンクから導入される水素ガスと、水素ポンプから導入される水素オフガスと、を合流させて燃料電池スタック１０側に導出するための流路構造（配管構造）であり、その合流部分に特徴を有する。つまり、本実施形態に係る流路構造は、燃料電池システムのガス合流部における流路構造である。
【００１２】
そのため、本実施形態に係る流路構造は、水素ガスを流通させる水素ガス流路と、水素オフガスを流通させる水素オフガス流路と、を少なくとも備える。燃料電池システムの稼働時においては、水素ガス流路には水素ガスが流通することになり、水素オフガス流路には水素オフガスが流通することになる。
【００１３】
図１で例示するように、上記水素ガス流路は、水素ガスを導入する配管１３と、ガス合流部における配管１２と、燃料電池スタック１０側に混合ガスを導出させるガス導出部における配管１１と、を有することができる。合流により混合されたガスは、配管１１により燃料電池スタック１０に導入されることになる。
【００１４】
また、図１で例示するように、上記水素オフガス流路は、水素オフガスを導入する配管１４と、ガス合流部における配管１２と、ガス導出部における配管１１と、を有することができる。このように、水素ガスと水素オフガスは、混合ガスとして、配管１２及び配管１１内を流通することができる。
【００１５】
特に、本実施形態における水素ガス流路は、水素オフガス流路内に位置するように配置された先端部を有し、この先端部は、円筒形状の流通領域（水素ガスの流通領域）をもつ。この先端部は、図２及び図３において、先端部２０として例示したものである。なお、便宜上、図２では各配管の厚みを表現していない。
【００１６】
図３で例示する先端部２０は、中間層配管２１の内壁と内側配管２２の外壁（周囲）とで形成されている部分である。このように、水素ガス流路の先端は、水素ガスが流通する領域が円筒形状となるように形成される。そして、先端部２０は、水素オフガス流路の一部である配管１２の内壁と中間層配管２１の外壁（周囲）で形成される流路内に位置するように配置される。また、図３及び図５に示すように、先端部２０の中間層配管２１には、配管１３から水素ガスを導入する入口である中間層配管入口２４が形成されている。
【００１７】
先端部２０は、配管１２を外側配管とした三重管を構成する要素となる。この三重管は、配管１２、中間層配管２１、及び内側配管２２で構成されることになる。このように、本実施形態に係る流路構造では、配管１２内に二重管を配設することで、三重管を有する構造としている。
【００１８】
そして、水素オフガス流路は、水素オフガスの流通領域として、円管状の内壁（円筒形状の配管１２の内壁）と先端部２０の外壁（中間層配管２１の周囲）とで形成される第１流通領域と、先端部２０の内側に形成される第２流通領域と、を有することになる。ここで、第２流路領域が形成される先端部２０の内側は、内側配管２２の内壁で形成される領域を指す。
【００１９】
つまり、水素オフガス流路は、配管１２内における水素オフガスが水素ガス流路の円筒状の周囲（先端部２０の周囲）と、円筒状の内側配管２２の内側と、を流れるように形成されている。内側配管２２の内側に水素オフガスを流すために、図３及び図４に示すように、先端部２０には内側配管入口２３が形成されている。
【００２０】
このような構造により、水素ガスは、配管１３から供給され、中間層配管入口２４に導入され、中心を空洞とした円筒形状の流通領域を流通し、水素オフガスと合流することになる。一方で、水素オフガスは、配管１４から供給される。そして、水素オフガスは、水素ガス流路の先端部２０の外壁と水素オフガス流路の円管状の内壁（配管１２の内壁）との間を流通すると共に、内側配管入口２３に導入されて先端部２０の内側（上記の空洞の部分）を流通し、水素ガスと合流することになる。水素ガスと水素オフガスとの合流地点は、配管１１の入口又は配管１１より手前（上流側）であればよい。
【００２１】
このように、本実施形態における三重管は、三重管の内側配管と外側配管に水素オフガス、中間層配管に水素ガスが流れる構造（水素オフガスが水素ガスを、壁面を隔てて内側と外側から挟み込むような構造）となっている。特に、図２〜図５で例示したように、三重管は、水素ガスと水素オフガスが並行に流れるような構造を有することが好ましい。
【００２２】
上述したように、本実施形態に係る流路構造では、水素オフガスが水素オフガスは水素ガスの周囲と空洞部分とを、つまり水素ガス流路の先端部２０の外壁と水素オフガス流路の円管状の内壁との間と先端部２０の内側とを、流れる。従って、水素オフガス流路の表面と水素ガス流路の表面とが中間層配管２１及び内側配管２２を介して接触して熱伝導が可能になり、水素オフガス流路と水素ガス流路との接触面積を大きくすることができる。これにより、本実施形態に係る流路構造では、水素ガスの温度をなるべく０℃以上にもっていくことができる。つまり、本実施形態では、水素ガスが流入する配管の内側と外側を水素オフガスで挟み込むことで、熱交換する表面積が大きくなり、水素オフガスにより水素ガスを温め、配管温度が氷点突破しやすくなる。
【００２３】
よって、本実施形態に係る流路構造によれば、水素ガスを合流させることで水素オフガス内の液水を凍結させてしまうことがなく、液水の凍結による配管の閉塞を防止することができる。
【００２４】
さらに、本実施形態に係る流路構造によれば、先端部２０の構造により水素ガスが集中して噴出されないため、燃料電池スタック１０に供給される水素ガスの水素濃度をなるべく均一にすることができる。つまり、二重管に比べて三重管の方が配管内の水素濃度を均一にし易く、燃料電池スタック１０における各セルに均一な濃度の水素を供給することができる。そして、本実施形態に係る流路構造によれば、このような均一の濃度の水素を燃料電池スタックに供給することで、燃料電池スタックにおけるセルの劣化を抑えることが可能になる。
【００２５】
以上のように、本実施形態に係る流路構造は、液水の凍結による配管の閉塞を防止し、水素ガスと水素オフガスを均一の水素濃度に混合させてから燃料電池スタック１０に供給することができる。また、水素ガスと水素オフガスが並行に流れるように三重管を構成することで、水素ガスと水素オフガスを並行流にし、液水の滞留及び逆流を防ぐことができる。
【００２６】
（実施例）
図６は、合流部分における配管１１への入口での水素ガスの圧力の一例を比較例との比較により説明するための図である。図６には、本実施形態における入口圧力を計測した結果のグラフ３０と、本実施形態のような三重管を使用しない比較例における入口圧力を計測した結果のグラフ４０と、を示している。なお、ここでは、外気温は−３０℃として試験している。
【００２７】
比較例においては、グラフ４０の領域Ｕで示すように、配管（配管１１に相当する配管）の入口における水素ガスの圧力は時間経過に伴って上昇した。これは、比較例においては、合流領域に水分の凍結が生じ、これにより配管が閉塞されていることを示している。これに対し、本実施形態では、配管１１の入口における水素ガスの圧力の上昇が見られず、配管が凍結閉塞していないことを示している。
【００２８】
（代替例）
以上において、本実施形態に係る燃料電池システムにおける流路構造の一例について説明したが、図２〜図５は本実施形態に係る流路構造の一例に過ぎず、合流部分の形状をはじめとするその構造は適宜変更が可能である。例えば、本実施形態に係る流路構造では、必ずしも三重管の外側配管と内側配管がつながっていなくてもよい。また、本実施形態に係る流路構造では、配管内の二重管を設置する位置は問わない。また、本実施形態に係る流路構造では、水素ガスと水素オフガスの流入口の角度及び位置は問わない。また、合流前の水素ガス流路を形成する円筒、合流前の水素オフガス流路を形成する円筒、及び合流部分における水素ガス流路の先端部の円筒について、それらの径の比率は例示したものに限らない。
【００２９】
以上に、本実施形態について説明したが、上記実施形態は、以下の特徴を有する。
即ち、上記実施形態に係る燃料電池システムにおける流路構造は、燃料タンクから導入される水素ガスと、水素ポンプから導入される水素オフガスと、を合流させて燃料電池スタック側に導出するための流路構造である。そして、この流路構造は、水素ガスを流通させる水素ガス流路と、水素オフガスを流通させる水素オフガス流路と、を少なくとも備える。水素ガス流路は、水素オフガス流路内に位置するように配置された、円筒形状の水素ガスの流通領域をもつ先端部２０を有する。水素オフガス流路は、水素オフガスの流通領域として、円管状の内壁（配管１２の内壁）と先端部２０の外壁とで形成される第１流通領域と、先端部２０の内側に形成される第２流通領域と、を有する。
【００３０】
以上の流路構造では、水素オフガスが、水素ガス流路の先端部２０の外壁と水素オフガス流路の円管状の内壁との間と、先端部２０の内側と、を流れる。よって、以上の流路構造によれば、水素ガスを合流させることで水素オフガス内の液水を凍結させてしまうことなく、燃料電池スタックへ均一な濃度の水素を供給できる。
【符号の説明】
【００３１】
１０  燃料電池スタック
１１、１３、１４  配管
１２  配管（外側配管）
２０  先端部
２１  中間層配管
２２  内側配管
２３  内側配管入口
２４  中間層配管入口
【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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