(57)【要約】【課題】水素循環用ポンプや気液分離器に衝撃が加わった際の燃料電池スタックの損傷を防止できると共に、水素ガス循環流路における排水効率を上昇する。【解決手段】燃料電池セルの積層体と水素入口と水素出口と空気入口と空気出口とを有する燃料電池スタックと、水素供給流路と、水素出口から水素供給流路の合流点までを接続する水素循環流路と、水素循環流路に設けられ水素出口からの水素オフガスを水素供給流路側に圧送する水素ポンプと、水素循環流路に設けられる気液分離器とを備える。スタックは、水素入口は水素出口より上側に位置し、空気入口は空気出口より上側に位置し、水素入口と水素出口とを結ぶ方向と空気入口と空気出口とを結ぶ方向とが交差する構成である。水素ポンプの上端はスタックの下端より下側に位置する。気液分離器が水素循環流路に設けられる位置は、水素循環流路の最も下側の部位である。【選択図】図２
2018073564.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、
複数の燃料電池セルが積層方向に積層された積層体と、水素ガス入口と、水素ガス出口と、空気入口と、空気出口と、を有する燃料電池スタックと、
水素ガスを供給する水素ガス供給装置から前記水素ガス入口までを接続する水素ガス供給流路と、
前記水素ガス出口から前記水素ガス供給流路の合流点までを接続する水素ガス循環流路と、
前記水素ガス循環流路の途中に設けられ、前記水素ガス出口から排出される水素オフガスを前記水素ガス供給流路側に圧送する水素循環用ポンプと、
前記水素ガス循環流路の途中に設けられ、前記水素オフガスから水分を分離する気液分離器と、
を備え、
前記燃料電池スタックは、
前記積層方向からの平面視において、前記水素ガス入口は前記水素ガス出口より上側に位置し、前記空気入口は前記空気出口より上側に位置し、前記水素ガス入口と前記水素ガス出口とを結ぶ方向と前記空気入口と前記空気出口とを結ぶ方向とが交差する構成であり、
前記水素循環用ポンプの上端は、前記燃料電池スタックの下端より下側に位置し、
前記気液分離器が前記水素ガス循環流路に設けられる位置は、前記水素ガス循環流路の最も下側の部位である、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、
前記気液分離器は、前記水素オフガスから水分を分離して貯水する貯水部を有し、
前記貯水部の上端は、前記気液分離器における前記水素ガス循環流路との接続位置よりも下側に位置する、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記水素ガス出口と前記空気出口とを結ぶ方向において、前記水素循環用ポンプおよび前記気液分離器は、前記水素ガス出口よりも前記空気出口に近い側にそれぞれ配置された、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記水素ガス入口、前記合流点、前記水素循環用ポンプ、および前記気液分離器は、予め定められた平面視において上下方向に並ぶように配置された、燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記水素ガス供給流路における前記合流点より下流側の部分は、前記水素ガス循環流路における前記水素循環用ポンプより下流側の部分よりも短い、燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の燃料電池システムを備える、車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムおよび車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタックを備える燃料電池システムには、燃料電池スタックに水素ガスを循環させる水素ガス循環系統と、燃料電池スタックに酸化剤ガス（例えば、空気）を供給する酸化剤ガス供給系統とが備えられている。水素ガス循環系には、比較的寸法が大きい水素ポンプと気液分離器とが含まれている。このため、コンパクト化の要請から、水素ポンプと気液分離器とが、燃料電池スタックの積層方向からの平面視で、各機器の外形線が燃料電池スタックのエンドプレートの外形線内に収まる位置に配設された燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−１２３４５７号公報
【特許文献２】特開２０１５−１５９００５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、特許文献１に記載された燃料電池システムでは、水素ポンプや気液分離器に燃料電池スタックの積層方向からの衝撃が加わった際に、水素ポンプや気液分離器と燃料電池スタックとが衝突して、燃料電池スタックが破損する虞があった。このため、水素ポンプや気液分離器を燃料電池スタックから離して配置することが考えられるが、水素ガス循環系統における排水効率については十分な工夫がなされていないのが実情であった。このため、燃料電池システムにおいて、水素ポンプや気液分離器に衝撃が加わった際の燃料電池スタックの破損の防止と、水素ガス循環系統における排水効率の上昇とを両立することのできる技術が望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、複数の燃料電池セルが積層方向に積層された積層体と、水素ガス入口と、水素ガス出口と、空気入口と、空気出口と、を有する燃料電池スタックと；水素ガスを供給する水素ガス供給装置から前記水素ガス入口までを接続する水素ガス供給流路と；前記水素ガス出口から前記水素ガス供給流路の合流点までを接続する水素ガス循環流路と；前記水素ガス循環流路の途中に設けられ、前記水素ガス出口から排出される水素オフガスを前記水素ガス供給流路側に圧送する水素循環用ポンプと；前記水素ガス循環流路の途中に設けられ、前記水素オフガスから水分を分離する気液分離器と；を備える。前記燃料電池スタックは、前記積層方向からの平面視において、前記水素ガス入口は前記水素ガス出口より上側に位置し、前記水素ガス入口と前記水素ガス出口とを結ぶ方向と前記空気入口と前記空気出口とを結ぶ方向とが交差する構成である。前記水素循環用ポンプの上端は、前記燃料電池スタックの下端より下側に位置する。前記気液分離器が前記水素ガス循環流路に設けられる位置は、前記水素ガス循環流路の最も下側の部位である。
【０００７】
この形態の燃料電池システムによれば、気液分離器が水素ガス循環流路に設けられる位置が、水素ガス循環流路の最も下側の部位であることから、気液分離器は水素循環用ポンプよりも下側に位置する。このため、水素循環用ポンプの上端と気液分離器の上端とは、共に、燃料電池スタックよりも下側に位置することになり、水素循環用ポンプや気液分離器に上下方向に垂直な方向の衝撃が加わった際に、水素循環用ポンプや気液分離器が燃料電池スタックに衝突することを抑制できる。また、気液分離器は水素ガス循環流路の最も下側の部位に設けられていることから、燃料電池スタックの水素ガス出口から排出された水素オフガスに含まれる水分は、気液分離器に流れ落ち、水素ガス循環流路に溜まることがない。したがって、この形態の燃料電池システムによれば、水素循環用ポンプや気液分離器に衝撃が加わった際の燃料電池スタックの損傷を防止できると共に、水素ガス循環流路における排水効率を上昇できる。
【０００８】
前記形態の燃料電池システムにおいて、前記気液分離器は、前記水素オフガスから水分を分離して貯水する貯水部を有し、前記貯水部の上端は、前記気液分離器における前記水素ガス循環流路との接続位置よりも下側に位置していてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、気液分離器の貯水部を水素ガス循環流路のいずれの位置よりも確実に下側に位置させることができる。このため、水素ガス循環流路における排水効率を確実に上昇できる。
【０００９】
前記形態の燃料電池システムにおいて、前記水素ガス出口と前記空気出口とを結ぶ方向において、前記水素循環用ポンプおよび前記気液分離器は、前記水素ガス出口よりも前記空気出口に近い側にそれぞれ配置されていてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、空気出口に連結されたカソードオフガス用配管に、気液分離器から排出された水分を合流させるに際し、その気液分離器から合流点までの配管の長さを短くすることができる。
【００１０】
前記形態の燃料電池システムにおいて、前記水素ガス入口、前記合流点、前記水素循環用ポンプ、および前記気液分離器は、予め定められた平面視において上下方向に並ぶように配置されてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、水素循環用ポンプと気液分離器との間の配管に付着した水が重力で垂直下方に落下するので、燃料電池システムの停止時に水が残ることによって、水素ガス循環流路が閉塞することを抑制できる。
【００１１】
前記形態の燃料電池システムにおいて、前記水素ガス供給流路における前記合流点より下流側の部分は、前記水素ガス循環流路における前記水素循環用ポンプより下流側の部分よりも短くしてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、水素ガス供給流路に対する水素ガス循環流路の合流点を水素ガス入口の近くとすることができることから、水素ガス循環流路における圧力損失、および凍結閉塞を抑制することができる。
【００１２】
本発明の他の形態によれば、車両が提供される。この車両は、上記形態の燃料電池システムが備えられる。この形態の車両によれば、水素循環用ポンプや気液分離器に衝撃が加わった際の燃料電池スタックの損傷を防止できると共に、水素ガス循環流路における排水効率を上昇できる。
【００１３】
本発明は、装置（システム）、車両以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池システムを搭載する船舶、飛行機などの車両以外の移動体、燃料電池システムの制御方法、その制御方法を実現するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した一時的な記録媒体等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態における燃料電池システムの流路構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池スタックに対する水素ガス供給排出部の主要部品のレイアウトを示す斜視図である。
【図３】燃料電池スタックに対する水素ガス供給排出部の主要部品のレイアウトを示す側面図である。
【図４】水素循環用ポンプの内部構成とレイアウトを示す説明図である。
【図５】変形例３を示す説明図である。
【図６】変形例４を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
Ａ．全体構成：
図１は、本発明の一実施形態における燃料電池システム１０の流路構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、車両に搭載され、運転者からの要求に応じて、駆動力として用いられる電力を出力する。車両は、例えば、四輪自動車である。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック２０と、空気供給排出部３０と、水素ガス供給排出部５０と、冷媒循環部７０と、を備える。
【００１６】
燃料電池スタック２０は、燃料ガス（水素ガス）と酸化剤ガス（空気）との電気化学反応によって発電するユニットであり、複数の燃料電池セルを積層して形成される。各燃料電池セルは、それぞれが単体でも発電可能な発電要素であり、電解質膜の両面に電極（カソード、アノード）を配置した発電体である膜電極接合体と、膜電極接合体の両側に配置されるセパレータと、を備える。電解質膜は、内部に水分を包含した湿潤状態のときに良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜によって構成される。燃料電池スタック２０は、数々の型を適用可能であるが、本実施形態では、固体高分子型を用いるものとした。
【００１７】
空気供給排出部３０は、燃料電池スタック２０に酸化剤ガスとしての空気を供給する機能と、燃料電池スタック２０のカソード側から排出される排水とカソードオフガスとを燃料電池システム１０の外部に排出する機能と、を有する。
【００１８】
空気供給排出部３０は、燃料電池スタック２０の上流側に、空気供給用配管３１と、エアクリーナ３２と、エアコンプレッサ３３と、過給により上昇した吸気温度を低下するインタクーラ３４と、分流弁３５と、空気分流用配管３７と、を備える。
【００１９】
空気供給用配管３１は、燃料電池スタック２０のカソード側の入口Ａｉｎに接続されている配管である。空気供給用配管３１において外部の空気を取り込む吸気口側から下流に向かって、エアクリーナ３２、エアコンプレッサ３３、インタクーラ３４、分流弁３５が、この順に設けられている。
【００２０】
エアクリーナ３２は、空気供給用配管３１における吸気口側に設けられ、取り入れた空気を清浄する。エアコンプレッサ３３は、空気を取り込んで、圧縮した空気を燃料電池スタックのカソード側に供給する。インタクーラ３４は、エアコンプレッサ３３により上昇した吸気温度を低下する。
【００２１】
分流弁３５は、インタクーラ３４と燃料電池スタック２０との間に設けられ、エアコンプレッサ３３によって圧縮されインタクーラ３４によって冷却された空気を、燃料電池スタック２０側と、空気分流用配管３７を介して後述するカソードオフガス用配管４１側とに分流する。
【００２２】
空気供給排出部３０は、燃料電池スタック２０の下流側に、カソードオフガス用配管４１と、調圧弁４３と、マフラー４６と、を備える。カソードオフガス用配管４１は、燃料電池スタック２０のカソード側の出口Ａｏｔに接続されている配管であり、生成水およびカソードオフガスを燃料電池システム１０の外部へと排出可能である。
【００２３】
調圧弁４３は、カソードオフガス用配管４１に備えられ、カソードオフガスの圧力（燃料電池スタック２０のカソード側の背圧）を調整する。カソードオフガス用配管４１における調圧弁４３とマフラー４６との間に、空気分流用配管３７の分流先のポートが接続されている。
【００２４】
水素ガス供給排出部５０は、燃料電池スタック２０に水素ガスを供給する機能と、燃料電池スタック２０から排出されるアノードオフガス（水素オフガス）を燃料電池システム１０の外部に排出する機能と、燃料電池システム１０内において循環させる機能と、を有する。
【００２５】
水素ガス供給排出部５０は、燃料電池スタック２０の上流側に、水素ガス供給配管５１と、水素タンク５２と、を備える。水素タンク５２には、燃料電池スタック２０に供給するための高圧水素が充填されている。水素タンク５２は、水素ガス供給配管５１を介して燃料電池スタック２０のアノード側の入口Ｈｉｎに接続されている。
【００２６】
水素ガス供給配管５１には、さらに、開閉弁５３と、レギュレータ５４と、水素供給装置５５とが、この順序で、上流側（水素タンク５２側）から設けられている。開閉弁５３は、水素タンク５２から水素供給装置５５への水素の流入を調整する。レギュレータ５４は、水素供給装置５５の上流側における水素の圧力を調整するための減圧弁である。水素供給装置５５は、例えば、電磁駆動式の開閉弁であるインジェクタによって構成される。水素ガス供給配管５１における水素供給装置５５からアノード側の入口Ｈｉｎまでが、本発明の一形態における「水素ガス供給流路」に相当する。
【００２７】
水素ガス供給排出部５０は、燃料電池スタック２０の下流側に、アノードオフガス用配管６１と、気液分離器６２と、水素ガス循環配管６３と、水素循環用ポンプ６４と、アノード排水用配管６５と、排水弁６６と、を備える。
【００２８】
アノードオフガス用配管６１は、燃料電池スタック２０のアノード側の出口Ｈｏｔと気液分離器６２とを接続する配管である。
【００２９】
気液分離器６２は、水素ガス循環配管６３と、アノード排水用配管６５とに接続されている。アノードオフガス用配管６１を介して気液分離器６２に流入したアノードオフガスは、気液分離器６２によって気体成分と水分とに分離される。気液分離器６２内において、アノードオフガスの気体成分は水素ガス循環配管６３へと誘導され、水分は貯水部６２ａに一旦、貯水され、貯水部６２ａからアノード排水用配管６５へと誘導される。
【００３０】
水素ガス循環配管６３は、水素ガス供給配管５１の水素供給装置５５より下流側の箇所（以下、「合流点」と呼ぶ）Ｐ１に接続されている。水素ガス循環配管６３には、水素循環用ポンプ６４が設けられている。水素循環用ポンプ６４は、気液分離器６２において分離された気体成分に含まれる水素を水素ガス供給配管５１へと送り出す循環ポンプとして機能する。アノードオフガス用配管６１と水素ガス循環配管６３とによって、本発明の一形態における「水素ガス循環流路」が構成される。
【００３１】
アノード排水用配管６５には排水弁６６が設けられている。排水弁６６は、通常、閉じており、予め設定された所定の排水タイミングや、アノードオフガス中の不活性ガスの排出タイミングで開く。アノード排水用配管６５の下流端は、アノード側の排水とアノードオフガスとを、カソード側の排水とカソードオフガスとに混合して排出可能なように、カソードオフガス用配管４１に合流されている。
【００３２】
冷媒循環部７０は、冷媒用配管７１と、ラジエータ７２と、冷媒循環用ポンプ７４と、を備える。冷媒用配管７１は、燃料電池スタック２０を冷却するための冷媒を循環させるための配管であり、上流側配管７１ａと、下流側配管７１ｂと、で構成される。上流側配管７１ａは、燃料電池スタック２０内の冷媒流路の出口Ｃｏｔとラジエータ７２の入口とを接続する。下流側配管７１ｂは、燃料電池スタック２０内の冷媒流路の入口Ｃｉｎとラジエータ７２の出口とを接続する。
【００３３】
ラジエータ７２は、外気を取り込むファンを有し、冷媒用配管７１の冷媒と外気との間で熱交換させることにより、冷媒を冷却する。冷媒循環用ポンプ７４は、下流側配管７１ｂに設けられている。冷媒は、冷媒循環用ポンプ７４の駆動力によって冷媒用配管７１内を流れる。
【００３４】
空気供給排出部３０、水素ガス供給排出部５０、および冷媒循環部７０の前述した構成部品は、マイクロコンピュータによって構成される制御部（図示せず）によって制御される。その結果、燃料電池スタック２０への水素ガスや空気の供給制御、燃料電池スタック２０からの排水制御、燃料電池スタック２０で発生した排熱の冷却制御がなされる。
【００３５】
以上のように構成された燃料電池スタック２０の主要部分、すなわち、燃料電池スタック２０と、水素供給装置５５や、気液分離器６２、水素循環用ポンプ６４等の補機部品とは、車両のエンジンルーム内に設けられている。「エンジンルーム」とは、従来のエンジン車において、エンジンが搭載される空間のことであるが、燃料電池システム１０を搭載する車両においても同様の空間を備えており、これを便宜的にエンジンルームと呼ぶ。本願の発明者は、燃料電池スタック２０と上記補機部品とをエンジンルーム内に設けるために、各部品のレイアウトをいろいろ検討し、下記のレイアウトを考えた。
【００３６】
Ｂ．レイアウト：
図２および図３は、燃料電池スタック２０に対する水素ガス供給排出部５０の主要部品のレイアウトを示す図である。図２は斜視図であり、図３は側面図である。図２および図３に示すように、燃料電池スタック２０は、車両に対して、燃料電池セル１２０の積層方向（以下、単に「積層方向」と呼ぶ）Ｌが、車両の前後方向（前方向ＦＲおよび後方向ＲＲ）に対して所定の角度θだけ、前方向ＦＲが上向きとなる方向に傾斜して配置されている。
【００３７】
図２に示すように、燃料電池スタック２０は、積層方向Ｌからの平面視において、矩形状となっている。この平面視において、矩形の一辺側の方向が車両の左右方向（左方向ＬＨおよび右方向ＲＨ）と一致するように、燃料電池スタック２０は、車両に搭載される。図中の「ＵＰＲ」および「ＬＯＲ」は、車両の上下方向である。上下方向ＵＰＲ，ＬＯＲは、車両が水平面に駐車されたときに、鉛直方向と一致する。上下方向ＵＰＲ，ＬＯＲと、左右方向ＬＨ,ＲＨと、前後方向ＦＲ，ＲＲとは、互いに直交する。
【００３８】
燃料電池スタック２０の積層方向の一端（後方向ＲＲの端部）には第１エンドプレート１１０が設けられており、燃料電池スタック２０の積層方向の他端（前方向ＦＲの端部）には第２エンドプレート１１５（図３）が設けられている。第１エンドプレート１１０と第２エンドプレート１１５との間に、燃料電池セル１２０が複数、積層されている。すなわち、燃料電池スタック２０は、複数の燃料電池セル１２０が積層方向に積層された積層体を、第１エンドプレート１１０と第２エンドプレート１１５とで挟持した構造を有する。
【００３９】
第１エンドプレート１１０には、前述した燃料電池スタック２０のアノード側の入口Ｈｉｎ、アノード側の出口Ｈｏｔ、カソード側の入口Ａｉｎ、カソード側の出口Ａｏｔ、冷媒流路の入口Ｃｉｎ、および冷媒流路の出口Ｃｏｔが設けられている。図２に示すように、本実施形態では、積層方向Ｌからの平面視において、第１エンドプレート１１０の表面の左上隅にアノード側の入口Ｈｉｎが設けられ、その表面の右下隅にアノード側の出口Ｈｏｔが設けられ、その表面の右上隅にカソード側の入口Ａｉｎが設けられ、その表面の左下隅にカソード側の出口Ａｏｔが設けられている。冷媒流路の入口Ｃｉｎと冷媒流路の出口Ｃｏｔは、左側の上下方向の中央と右の上下方向の中央とに設けられている。アノード側の入口Ｈｉｎとアノード側の出口Ｈｏｔとを結ぶ方向と、カソード側の入口Ａｉｎとカソード側の出口Ａｏｔとを結ぶ方向とは交差している。ここで言う「左」、「右」は、左方向ＬＨ、右方向ＲＨであり、「上」、「下」は、上方向ＵＰＲ、下方向ＬＯＲである。
【００４０】
本実施形態では、冷媒流路の入口Ｃｉｎが左側の上下方向の中央に、冷媒流路の出口Ｃｏｔが右側の上下方向の中央に設けられているが、これに換えて、冷媒流路の入口Ｃｉｎが右側の上下方向の中央に、冷媒流路の出口Ｃｏｔが左側の上下方向の中央に設けられた構成としてもよい。
【００４１】
燃料電池セル１２０は、膜電極接合体と一方の側のセパレータとの間に空気の流路（セル内空気流路）を形成し、膜電極接合体と他方の側のセパレータとの間に水素ガスの流路（セル内水素流路）を形成した構成を有する。セル内空気流路およびセル内水素流路は、燃料電池セル１２０の積層方向に垂直な平面に沿うように形成されている。
【００４２】
アノード側の入口Ｈｉｎから供給された水素ガスは、水素ガス供給マニホールド１０１（図１）を介して積層方向に送られ、水素ガス供給マニホールド１０１から各燃料電池セル１２０のセル内水素流路に分配される。各燃料電池セル１２０のセル内水素流路を通過した後の残った水素（アノードオフガス）は、水素ガス排出マニホールド１０２（図１）によって集められ、アノード側の出口Ｈｏｔから燃料電池スタック２０の外側に排出される。カソード側の入口Ａｉｎから供給された空気は、空気供給マニホールド１０３（図１）を介して積層方向に送られ、空気供給マニホールド１０３から各燃料電池セル１２０のセル内空気流路に分配される。各燃料電池セル１２０のセル内空気流路を通過した後の残った空気（カソードオフガス）は、空気排出マニホールド１０４（図１）によって集められ、カソードの出口Ａｏｔから燃料電池スタック２０の外側に排出される。
【００４３】
前述したように、左上隅にアノード側の入口Ｈｉｎが設けられ、右下隅にアノード側の出口Ｈｏｔが設けられ、右上隅にカソード側の入口Ａｉｎが設けられ、左下隅にカソード側の出口Ａｏｔが設けられていることから、燃料電池セル１２０内における水素ガスと空気の流動方向は、互いに対向するクロスフローの関係にある。このため、燃料電池スタック２０は、水素ガスや空気の供給効率が高く、発電性能が高いものとなっている。また、燃料電池スタック２０は、アノード側の入口Ｈｉｎが上側に、アノード側の出口Ｈｏｔが下側に配設されていることから、燃料電池セル１２０内で発生した生成水を排出する排水性能が高いものとなっている。
【００４４】
セル内水素流路を形成するセパレータの膜電極接合体と反対の側には冷媒の流路（セル内冷媒流路）が形成されている。冷媒流路の入口Ｃｉｎ（図１）から供給された冷媒は、冷媒供給マニホールド１０５（図１）を介して積層方向に送られ、冷媒供給マニホールド１０５から各燃料電池セル１２０のセル内冷媒流路に分配される。各燃料電池セル１２０のセル内冷媒流路を通過した冷媒は、冷媒排出マニホールド１０６（図１）によって集められ、冷媒流路の出口Ｃｏｔから燃料電池スタック２０の外側に排出される。
【００４５】
図１を用いて先に説明したように、アノード側の入口Ｈｉｎには、水素ガス供給配管５１が連結されており、水素ガス供給配管５１における予め定められた合流点Ｐ１には、水素ガス循環配管６３が連結されている。図２および図３に示すように、合流点Ｐ１は第１エンドプレート１１０に近い位置であり、水素ガス供給配管５１の合流点Ｐ１より下流側の部分の長さＬ１は、水素ガス循環配管６３の水素循環用ポンプ６４より下流側の部分の長さＬ２よりも短い。合流点Ｐ１が第１エンドプレート１１０に近い位置であることから、水素ガス供給排出部５０における圧力損失、および凍結閉塞を抑制することができる。なお、図１では、長さＬ１は長さＬ２よりも長く描かれているが、これは、図１が構成図であるという都合上、長くなっているだけで、実寸ではＬ１はＬ２よりも短い。
【００４６】
図２および図３に戻り、図１を用いて先に説明したように、水素ガス供給配管５１の途中には水素供給装置５５が設けられており、水素ガス循環配管６３の途中には水素循環用ポンプ６４が設けられている。水素ガス循環配管６３の合流点Ｐ１とは反対側の端部には、気液分離器６２が連結されている。具体的には、気液分離器６２の有する気体排出口６２ｂに水素ガス循環配管６３が連結されている。
【００４７】
本実施形態では、アノード側の入口Ｈｉｎと、水素ガス供給配管５１における水素ガス循環配管６３の合流点Ｐ１と、水素循環用ポンプ６４と、気液分離器６２とが、車両の前後方向ＦＲ，ＲＲから見た平面視において、上下方向ＵＰＲ，ＬＯＲに並ぶように配置されている。その上、気液分離器６２からアノード側の入口Ｈｉｎまでの管路、具体的には、水素ガス循環配管６３の水素循環用ポンプ６４よりも上流側の部分と、水素ガス循環配管６３の水素循環用ポンプ６４よりも下流側の部分と、水素ガス供給配管５１の合流点Ｐ１より下流側の部分とは、車両の前後方向ＦＲ，ＲＲから見た平面視において、上下方向に直線状に伸びた形状となっている。また、水素ガス循環配管６３の水素循環用ポンプ６４よりも下流側の部分は、第１エンドプレート１１０の表面に平行した形で配置されている（図３参照）。
【００４８】
上記「並ぶように配置」とは、各部の少なくとも一部分が上下方向ＵＰＲ，ＬＯＲの一直線上に位置するように各部を配置することである。本実施形態では、各部の中心位置が上下方向ＵＰＲ，ＬＯＲの一直線上に位置するように配置したが、これに換えて、各部の一部分が上下方向ＵＰＲ，ＬＯＲの一直線上に位置する構成としてもよい。
【００４９】
水素循環用ポンプ６４は、上下方向ＵＰＲ，ＬＯＲにおいて、燃料電池スタック２０の下端２０ａよりも下側（下方向ＬＯＲの側）に位置している。詳しくは、水素循環用ポンプ６４の上端６４ａが、燃料電池スタック２０の下端２０ａよりも下側に位置している。
【００５０】
気液分離器６２は、水素循環用ポンプ６４よりも上流側に配置されていることから、上下方向ＵＰＲ，ＬＯＲにおいて、水素循環用ポンプ６４よりも下側（下方向ＬＯＲの側）に位置している。詳しくは、気液分離器６２の上端６２ｃは、水素循環用ポンプ６４の下端６４ｂよりも下側に位置している。なお、この構成に換えて、気液分離器６２の上端６２ｃは、水素循環用ポンプ６４の下端６４ｂよりも上側に位置する、すなわち、上下方向ＵＰＲ，ＬＯＲにおいて、水素循環用ポンプ６４の一部分と気液分離器６２の一部分とがオーバーラップする構成としてもよい。すなわち、気液分離器６２の容積の中心が水素循環用ポンプ６４の容積の中心よりも下側に位置しておれば、互いの一部分がオーバーラップする構成とすることもできる。
【００５１】
図１を用いて先に説明したように、アノード側の出口Ｈｏｔには、アノードオフガス用配管６１が連結されており、アノードオフガス用配管６１のアノード側の出口Ｈｏｔと反対側の端部には、気液分離器６２が接続されている。具体的には、気液分離器６２の有する流入口６２ｄにアノードオフガス用配管６１が接続されている。
【００５２】
気液分離器６２は、アノードオフガス用配管６１と水素ガス循環配管６３とによって構成される水素ガス循環流路の最も下側の部位に設けられている。具体的には、気液分離器６２が備える貯水部６２ａの上端が、アノードオフガス用配管６１と水素ガス循環配管６３のうちのいずれの部分よりも下側、すなわち下方向ＬＯＲの側に位置するように、気液分離器６２は水素ガス循環流路の途中に設けられている。貯水部６２ａの上端は、気液分離器６２の有する流入口６２ｄと気体排出口６２ｂとよりも下側、すなわち下方向ＬＯＲに位置している。貯水部６２ａは、水分を蓄える部分であり、本実施形態では流入口６２ｄよりも下方向ＬＯＲの側の部分である。
【００５３】
本実施形態では、アノード側の出口Ｈｏｔと気液分離器６２の流入口６２ｄとを結ぶアノードオフガス用配管６１は、両端の連結部分を除いて直線状に伸びた形状であり、アノードオフガス用配管６１の水平方向に対する角度αは、車両放置角度βよりも大きくなるように、燃料電池スタック２０に対する気液分離器６２の位置が定められている。車両放置角度βは、車両を放置したときに一般的に取り得る車体の水平方向に対する角度であり、実験によって予め定められた値である。このため、車両を車両放置角度β内で放置したときに、アノード側の出口Ｈｏｔから気液分離器６２に至るアノードオフガスに含まれる水分は、水平方向から下方向ＬＯＲの側に傾いた方向に流れ、気液分離器６２に貯えられることになる。
【００５４】
気液分離器６２の液体排出口６２ｅには、アノード排水用配管６５が連結されている。アノード排水用配管６５の下流端は、カソードオフガス用配管４１に合流されている。カソードオフガス用配管４１は、第１エンドプレート１１０の表面の左下隅に設けられたカソード側の出口Ａｏｔに連結されている。なお、図２においては、カソードオフガス用配管４１に設けられた調圧弁４３（図１）の記載は省略した。
【００５５】
図４は、水素循環用ポンプ６４の内部構成とレイアウトを示す説明図である。水素循環用ポンプ６４は、ポンプ室２０１内に２個のマユ型ロータＲＴを有するルーツ式のポンプである。マユ型ロータＲＴの軸端の駆動ギア（図示せず）にモータ２０２が接続され、モータ２０２によって、２つのマユ型ロータＲＴは互いに反対方向に同期回転するようになっている。吸気口２０３から入った気体は、ポンプ室２０１とマユ型ロータＲＴとの間の空間に閉じ込められ加圧され、最終的に排気口２０４から放出される。吸気口２０３は、ポンプ室２０１の後方側に設けられ、水素ガス循環配管６３の上流側の配管に接続されている（図３参照）。排気口２０４は、ポンプ室２０１の上方側に設けられ、水素ガス循環配管６３の下流側の配管に接続されている（図３参照）。吸気口２０３に続く連通路２０５は、ポンプ室２０１の底面２０１ａと平行に伸びている。
【００５６】
水素循環用ポンプ６４は、車両の前後方向ＦＲ，ＲＲにおいて、モータ２０２が前方向ＦＲに、ポンプ室２０１が後方向ＲＲに設けられている。その上、水素循環用ポンプ６４は、車両の前後方向ＦＲ，ＲＲに対して角度θだけ、前方向ＦＲが上向きとなる方向に傾斜して配置されている。角度θは、燃料電池スタック２０の傾斜角度である所定の角度θと同じ大きさである。なお、本実施形態では同じ大きさとしたが、必ずしも同じ大きさではなく、前方向ＦＲが上向きとなる方向に傾斜する角度であれば、いずれの大きさとすることもできる。
【００５７】
上記のように水素循環用ポンプ６４は傾斜して配置されていることから、吸気口２０３と連通する連通路２０５も、車両の前後方向ＦＲ，ＲＲに対して角度θだけ、前方向ＦＲが上向きとなる方向に傾斜する。このため、ポンプ室２０１内で水が貯まることを抑制することができる。
【００５８】
Ｃ．作用効果：
以上のように構成された本実施形態の燃料電池システム１０によれば、水素循環用ポンプ６４と気液分離器６２は、共に、燃料電池スタック２０の下端２０ａよりも下側、すなわち下方向ＬＯＲの側に位置していることから、水素循環用ポンプ６４や気液分離器６２に車両の前後方向ＦＲ，ＲＲから衝撃が加わった際に、水素循環用ポンプ６４や気液分離器６２が燃料電池スタック２０に衝突することを抑制できる。また、気液分離器６２は、アノードオフガス用配管６１と水素ガス循環配管６３とによって構成される水素ガス循環流路の最も下側の部位に設けられていることから、燃料電池スタック２０のアノード側の出口Ｈｏｔから排出されたアノードオフガスに含まれる水分は、気液分離器６２に流れ落ち、水素ガス循環流路に溜まることがない。したがって、この形態の燃料電池システム１０によれば、水素循環用ポンプ６４や気液分離器６２に衝撃が加わった際の燃料電池スタック２０の損傷を防止できると共に、水素ガス循環流路における排水効率を上昇できる。
【００５９】
本実施形態の燃料電池システム１０によれば、アノード側の入口Ｈｉｎと合流点Ｐ１と水素循環用ポンプ６４と気液分離器６２とが、車両の前後方向ＦＲ，ＲＲから見た平面視において、上下方向ＵＰＲ，ＬＯＲに並ぶように配置されている。このために、水素ガス循環配管６３における水素循環用ポンプ６４と気液分離器６２との間の配管に付着した水が重力で垂直下方に落下するので、燃料電池システム１０の停止時に水が残ることによって、水素ガス循環流路が閉塞することを抑制できる。
【００６０】
本実施形態の燃料電池システム１０によれば、左右方向ＬＨ，ＲＨにおいて、水素循環用ポンプ６４および気液分離器６２は、左方向ＬＨの側、すなわちアノード側の出口Ｈｏｔよりもカソード側の出口Ａｏｔに近い側にそれぞれ配置されている。このために、気液分離器６２の液体排出口６２ｅとカソードオフガス用配管４１とを結ぶアノード排水用配管６５の長さを短くすることができ、アノード排水用配管６５で排水の凍結を抑制できる。なお、アノード側の出口Ｈｏｔと気液分離器６２の流入口６２ｄとを結ぶ配管の長さは長くなるが、燃料電池スタック２０からの生成水によって昇温されることから、凍結を抑制できる。
【００６１】
Ｄ．変形例：
・変形例１：
前記実施形態では、燃料電池スタック２０において、積層方向Ｌからの平面視において、左上隅にアノード側の入口Ｈｉｎが、右下隅にアノード側の出口Ｈｏｔが、第１エンドプレート１１０の表面の右上隅にカソード側の入口Ａｉｎが、左下隅にカソード側の出口Ａｏｔが、それぞれ設けられている。これに対して、前記実施形態の変形例として、左右を入れ替えて、第１エンドプレート１１０の表面の左上隅にカソード側の入口Ａｉｎが、右下隅にカソード側の出口Ａｏｔが、右上隅にアノード側の入口Ｈｉｎが、左下隅にアノード側の出口Ｈｏｔが、それぞれ設けられた構成としてもよい。この場合には、右上隅に設けられたアノード側の入口Ｈｉｎと、合流点Ｐ１と、水素循環用ポンプ６４と、気液分離器６２とが、車両の前後方向ＦＲ，ＲＲから見た平面視において、上下方向ＵＰＲ，ＬＯＲに並ぶように配置される。かかる変形例１の構成によっても、前記実施形態と同様に、水素循環用ポンプ６４や気液分離器６２に衝撃が加わった際の燃料電池スタック２０の損傷を防止できると共に、水素ガス循環流路における排水効率を上昇できる。
【００６２】
・変形例２：
前記実施形態では、燃料電池スタック２０と、水素供給装置５５や、気液分離器６２、水素循環用ポンプ６４等の補機部品とが、車両のエンジンルーム内に設けられている。これに対して、前記実施形態の変形例として、車両の床下に燃料電池スタックや補機部品とを配置する構成としてもよい。
【００６３】
・変形例３：
前記実施形態では、水素循環用ポンプ６４は、車両の前後方向ＦＲ，ＲＲに対して傾斜して配置されており、これによって、ポンプ室２０１内の連通路２０５は水平方向に対して傾いたものとなる。これに対して、前記実施形態の変形例として、図５に示すように、車両が水平面に載置されたときに、水素循環用ポンプ３６４そのものは、水平方向（前後方向ＦＲ，ＲＲと左右方向ＬＨ，ＲＨとがなす平面方向）に対して平行に載置され、ポンプ室内に設けられた吸気口２０３に続く連通路３０５が、前後方向ＦＲ，ＲＲに対して角度θだけ、前方向ＦＲが上向きとなる方向に傾斜した構成としてもよい。図５において、前記実施形態と同一のパーツには同一の符号を付け、その説明を省略する。この変形例３によれば、前記実施形態と同様に、ポンプ室３０１内で水が貯まることを抑制することができる。
【００６４】
・変形例４：
また、前記実施形態の変形例として、図６に示すように、車両が水平面に載置されたときに、水素循環用ポンプ４６４そのものは、水平方向（前後方向ＦＲ，ＲＲと左右方向ＬＨ，ＲＨとがなす平面方向）に対して平行に載置され、ポンプ室内に設けられた吸気口４０３は下方向ＬＯＲに開口し、吸気口４０３に続く端面４０５が、水平方向に対して所定の角度θだけ傾いたテーパ形状となった構成としてもよい。図６において、前記実施形態と同一のパーツには同一の符号を付け、その説明を省略する。この変形例４によれば、前記実施形態および変形例３と同様に、ポンプ室４０１内で水が貯まることを抑制することができる。
【００６５】
・変形例５：
また、前記実施形態では、燃料電池システム１０は車両に搭載されていたが、これに換えて、燃料電池システムは船舶、飛行機などの車両以外の移動体に搭載された構成としてもよい。また、燃料電池システムは、必ずしも移動体に搭載された構成である必要はなく、固定位置に設置された構成としてもよい。この場合には、水素循環用ポンプや気液分離器に外側から力が働いて水素循環用ポンプや気液分離器に衝撃が加わった際の燃料電池スタックの損傷を防止できる。固定位置に設置された場合、「上側」、「下側」は、鉛直方向に沿った方向となる。
【００６６】
本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、前述した実施形態および各変形例における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。
【符号の説明】
【００６７】
１０…燃料電池システム
２０…燃料電池スタック
２０ａ…下端
３０…空気供給排出部
３１…空気供給用配管
３２…エアクリーナ
３３…エアコンプレッサ
３４…インタクーラ
３５…分流弁
３７…空気分流用配管
４１…カソードオフガス用配管
４３…調圧弁
４６…マフラー
５０…水素ガス供給排出部
５１…水素ガス供給配管
５２…水素タンク
５３…開閉弁
５４…レギュレータ
５５…水素供給装置
６１…アノードオフガス用配管
６２…気液分離器
６２ａ…貯水部
６２ｂ…気体排出口
６２ｃ…上端
６２ｄ…流入口
６２ｅ…液体排出口
６３…水素ガス循環配管
６４…水素循環用ポンプ
６４ａ…上端
６５…アノード排水用配管
６６…排水弁
７０…冷媒循環部
７１…冷媒用配管
７１ａ…上流側配管
７１ｂ…下流側配管
７２…ラジエータ
７４…冷媒循環用ポンプ
１０１…水素ガス供給マニホールド
１０２…水素ガス排出マニホールド
１０３…空気供給マニホールド
１０４…空気排出マニホールド
１０５…冷媒供給マニホールド
１０６…冷媒排出マニホールド
１１０…第１エンドプレート
１１５…第２エンドプレート
１２０…燃料電池セル
２０１…ポンプ室
２０１ａ…底面
２０２…モータ
２０３…吸気口
２０４…排気口
２０５…連通路
３０５…連通路
３６４…水素循環用ポンプ
４０３…吸気口
４０５…端面
４６４…水素循環用ポンプ
Ａｉｎ…カソード側の入口
Ａｏｔ…カソード側の出口
Ｃｉｎ…入口
Ｃｏｔ…出口
Ｈｉｎ…アノード側の入口
Ｈｏｔ…アノード側の出口
Ｌ…積層方向
ＦＲ…前方向
ＲＲ…後方向
ＬＨ…左方向
ＲＨ…右方向
ＵＰＲ…上方向
ＬＯＲ…下方向
Ｐ１…合流点
ＲＴ…マユ型ロータ
【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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