(57)【要約】【課題】生成水の逆流または滞留を抑制可能な技術を提供する。【解決手段】燃料電池システムであって、水素が流入する水素供給口と、水素オフガスが排出される水素排出口と、を備える燃料電池スタックと、水素供給口と水素排出口とに繋がる水素循環流路と、水素循環流路に設けられ、水素オフガスが流入する水素入口と、水素オフガスが流出する水素出口とを備える循環系補機と、を備え、水素出口は、水素供給口よりも重力方向で下側の位置、および、水素入口は、水素排出口よりも重力方向で下側の位置のうち少なくともいずれか一方の位置関係を満たす。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
水素が流入する水素供給口と、水素オフガスが排出される水素排出口と、を備える燃料電池スタックと、
前記水素供給口と前記水素排出口とに繋がる水素循環流路と、
前記水素循環流路に設けられ、前記水素オフガスが流入する水素入口と、前記水素オフガスが流出する水素出口とを備える循環系補機と、を備え、
前記水素出口は、前記水素供給口よりも重力方向で下側の位置、および、前記水素入口は、前記水素排出口よりも重力方向で下側の位置、のうち少なくともいずれか一方の位置関係を満たす、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、
前記循環系補機は、前記水素排出口から流入した前記水素オフガスを前記水素供給口に圧送するための水素ポンプを含み、
前記水素ポンプの水素出口が前記水素供給口よりも重力方向で下側に配置されている、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、
前記循環系補機は、前記水素排出口から流入した前記水素オフガスから生成水を分離するための気液分離器を含み、
前記気液分離器の水素入口が前記水素排出口よりも重力方向で下側に配置されている、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、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムとして、水素ガスを有効利用するために、燃料電池スタックから排出された水素オフガスを再び燃料電池スタックに供給する水素循環系流路に循環系補機を有する物が知られている。循環系補機には、例えば特許文献１に記載されているように、水素ポンプや気液分離器が含まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１６４０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
循環系補機の水素入口や水素出口と、燃料電池スタックの水素排出口や水素供給口の位置関係に起因して、生成水が、水素循環流路内で滞留して水素循環流路が閉塞する場合や、循環系補機から燃料電池スタックに逆流する場合がある。滞留や逆流した生成水は、発電能力の低下や凍結の原因になるおそれがある。そのため、生成水の逆流または滞留を抑制可能な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】
（１）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、燃料電池システムであって、水素が流入する水素供給口と、水素オフガスが排出される水素排出口と、を備える燃料電池スタックと；前記水素供給口と前記水素排出口とに繋がる水素循環流路と；前記水素循環流路に設けられ、前記水素オフガスが流入する水素入口と、前記水素オフガスが流出する水素出口とを備える循環系補機と、を備え；前記水素出口は、前記水素供給口よりも重力方向で下側の位置、および、前記水素入口は、前記水素排出口よりも重力方向で下側の位置、のうち少なくともいずれか一方の位置関係を満たす。この形態の燃料電池システムによれば、循環系補機の水素出口が燃料電池スタックの水素供給口よりも下側の位置、および、循環系補機の水素入口が燃料電池スタックの水素排出口よりも下側の位置、のうち少なくともいずれか一方の位置関係を満たすように配置されているため、生成水が循環系補機から燃料電池スタックへ逆流することや、生成水が水素循環流路に滞留して、水素循環流路が閉塞することを抑制できる。
【０００７】
（２）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記循環系補機は、前記水素排出口から流入した前記水素オフガスを前記水素供給口に圧送するための水素ポンプを含み；前記水素ポンプの水素出口が前記水素供給口よりも重力方向で下側に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、水素ポンプから燃料電池スタックに生成水が逆流することを抑制できる。
【０００８】
（３）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記循環系補機は、前記水素排出口から流入した前記水素オフガスから生成水を分離するための気液分離器を含み；前記気液分離器の水素入口が前記水素排出口よりも重力方向で下側に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、気液分離器から燃料電池スタックに生成水が逆流することを抑制できる。
【０００９】
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、燃料電池システムを備える発電装置、燃料電池システムを備える車両等の態様で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池スタックと水素循環系補機の位置関係を示した説明図である。
【図３】燃料電池車両の概略構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
Ａ．第１実施形態：
図１は、本発明の一実施形態における燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、気液分離器２０と、水素ポンプ３０と、水素循環流路４０と、を備える。本実施形態において、燃料電池システム１００は、燃料電池車両５００に搭載される。燃料電池車両５００は、燃料電池スタック１０を電力源として搭載し、動力源であるモータ（図示せず）が駆動することにより、タイヤ（図示せず）が駆動される。
【００１２】
燃料電池スタック１０は、固体高分子形燃料電池であり、水素供給管１１からインジェクタ５０を介して水素ガスの供給を受けると共に、空気供給系（図示せず）から空気の供給を受けて発電する。インジェクタ５０は、制御装置（図示せず）によって設定された駆動周期や開弁時間に応じて、弁体が電磁的に駆動する電磁駆動式の開閉弁である。燃料電池スタック１０は、水素供給管１１から水素が流入する水素供給口１０ｉｎと、第１水素配管１２に水素オフガスを排出する水素排出口１０ｏｕｔとを備える。
【００１３】
水素供給口１０ｉｎと水素排出口１０ｏｕｔとに繋がり、第１水素配管１２と、第２水素配管１３と、第３水素配管１４とで構成される流路のことを、水素循環流路４０という。水素循環流路４０は、燃料電池スタック１０の水素オフガスを燃料電池スタック１０に循環させるための流路である。水素循環流路４０には、水素の循環を補助する機構である気液分離器２０と水素ポンプ３０とが、循環系補機として設けられている。
【００１４】
第１水素配管１２は、燃料電池スタック１０の水素排出口１０ｏｕｔと気液分離器２０とを接続する配管である。第１水素配管１２は、発電反応に用いられることのなかった水素ガスや、窒素ガスや生成水などの不純物を含む水素オフガスを気液分離器２０へと誘導する。
【００１５】
気液分離器２０は、水素循環流路４０の第１水素配管１２と第２水素配管１３との間に接続されている。気液分離器２０は、第１水素配管１２が接続され水素オフガスが流入する気液入口２０ｉｎと、第２水素配管１３が接続され水素を排出する気液出口２０ｏｕｔとを備える。気液分離器２０は、燃料電池スタック１０の水素排出口１０ｏｕｔから流入した水素オフガスから生成水を分離して内部に貯水する。気液分離器２０の下部には、排気排水弁２１が設けられている。
【００１６】
排気排水弁２１は、気液分離器２０に貯水された生成水の排水と、気液分離器２０内の水素オフガスの排気と、を行う電磁弁である。燃料電池システム１００の運転中は、通常、排気排水弁２１は閉じられており、制御装置（図示せず）からの制御信号に応じて開閉する。本実施形態では、排気排水弁２１は、水素オフガス配管２２に接続されており、排気排水弁２１によって排出された生成水および水素オフガスは、水素オフガス配管２２を通じて外部へ排出される。
【００１７】
第２水素配管１３は、気液分離器２０の気液出口２０ｏｕｔと水素ポンプ３０とを接続する配管である。第２水素配管１３は、気液分離器２０によって生成水が分離された水素オフガスを水素ポンプ３０へと誘導する。
【００１８】
水素ポンプ３０は、水素循環流路４０の第２水素配管１３と第３水素配管１４との間に接続されている。水素ポンプ３０は、制御装置（図示せず）からの制御信号に応じて駆動される。水素ポンプ３０は、燃料電池スタック１０の水素排出口１０ｏｕｔから流入した水素オフガスを水素供給口１０ｉｎに圧送するためのポンプである。本実施形態では、水素ポンプ３０は、気液分離器２０によって生成水が分離された水素オフガスを、第３水素配管１４を通じて、水素供給口１０ｉｎに圧送する。水素ポンプ３０は第２水素配管１３から水素オフガスが流入するポンプ入口３０ｉｎと、第３水素配管１４に水素オフガスが流出するポンプ出口３０ｏｕｔとを備える。
【００１９】
第３水素配管１４は、水素ポンプ３０のポンプ出口３０ｏｕｔと燃料電池スタック１０の水素供給口１０ｉｎとを接続する配管である。第３水素配管１４は、水素ポンプ３０によって送出された水素オフガスを燃料電池スタック１０へ誘導する。本実施形態では、上述した循環系補機（気液分離器２０および水素ポンプ３０）、および水素循環流路４０により燃料電池スタック１０から排出された水素オフガスを循環させて、再び燃料電池スタック１０に供給することにより、水素の利用効率を向上させている。
【００２０】
図２は、燃料電池スタック１０と水素循環系補機の位置関係を示した説明図である。図２において、下側が重力方向での下側にあたる。位置ａ〜ｉは、それぞれ重力方向における位置を示している。水素オフガス配管２２の位置ａは、排気排水弁２１の位置ｂよりも下であり、位置ｂは、気液分離器２０に貯水された生成水の液面の位置ｃよりも下である。気液入口２０ｉｎの位置ｄおよび気液出口２０ｏｕｔの位置ｅは、貯水された生成水が滞留・逆流しないよう、液面の位置ｃの上限よりも上に配置されている。
【００２１】
位置ｅは、燃料電池スタック１０の水素排出口１０ｏｕｔの位置ｆよりも下であり、位置ｆは、ポンプ入口３０ｉｎの位置ｇよりも下である。位置ｇは、ポンプ出口３０ｏｕｔの位置ｈよりも下であり、位置ｈは水素供給口１０ｉｎの位置ｉよりも下である。なお、第１水素配管１２、第２水素配管１３、第３水素配管１４については、それぞれ、水素排出口１０ｏｕｔから気液入口２０ｉｎ、ポンプ入口３０ｉｎから気液出口２０ｏｕｔ、水素供給口１０ｉｎからポンプ出口３０ｏｕｔ、に向けて鉛直または下方に傾斜するように配置されている。また、第１水素配管１２は気液入口２０ｉｎよりも、第２水素配管１３は気液出口２０ｏｕｔよりも、第３水素配管１４はポンプ出口３０ｏｕｔよりも、下側に位置する箇所がないように形成されている。
【００２２】
以上で説明した本実施形態では、循環系補機の水素出口である水素ポンプ３０のポンプ出口３０ｏｕｔは燃料電池スタック１０の水素供給口１０ｉｎよりも下側に配置されており、循環系補機の水素入口である気液分離器２０の気液入口２０ｉｎは燃料電池スタック１０の水素排出口１０ｏｕｔよりも下側に配置されている。従って、生成水が循環系補機から燃料電池スタック１０へ逆流することや、生成水が水素循環流路４０に滞留して水素循環流路４０が閉塞することを抑制出来る。
【００２３】
また、本実施形態の燃料電池システム１００では、水素ポンプ３０の水素出口であるポンプ出口３０ｏｕｔが、燃料電池スタック１０の水素供給口１０ｉｎよりも下側に配置されているため、水素ポンプ３０から燃料電池スタック１０に生成水が逆流することを抑制できる。また、気液分離器２０の水素入口である気液入口２０ｉｎが、燃料電池スタック１０の水素排出口１０ｏｕｔよりも下側に配置されているため、気液分離器２０から燃料電池スタック１０に生成水が逆流することを抑制できる。
【００２４】
なお、本実施形態では、位置ｈが位置ｉよりも下側、すなわち、循環系補機の水素出口であるポンプ出口３０ｏｕｔが水素供給口１０ｉｎよりも下側の位置、および、位置ｄが位置ｆよりも下側、すなわち、循環系補機の水素入口である気液入口２０ｉｎが水素排出口１０ｏｕｔよりも下側の位置、という位置関係のうち少なくともいずれか一方の位置関係を満たしていればよい。いずれか一方の位置関係を満たせば、水素ポンプ３０から燃料電池スタック１０への生成水の逆流、および、気液分離器２０から燃料電池スタック１０への生成水の逆流の少なくともいずれか一方を抑制することができる。
【００２５】
Ｂ．第２実施形態：
図３は、燃料電池車両５００の概略構成を示す説明図である。図３は、燃料電池車両５００のフロントルーム４００内を示している。図３において、左側が燃料電池車両５００の前方側にあたり、下側が重力方向での下側にあたる。燃料電池車両５００は、燃料電池システム１００と、スタックフレーム２００と、サスペンションメンバー３００とを備える。燃料電池車両５００は、ダッシュパネル４１０によって、フロントルーム４００と客室４２０とが隔てられている。
【００２６】
燃料電池スタック１０は、スタックフレーム２００上に搭載されている。スタックフレーム２００は、燃料電池スタック１０を下方から支持する金属部材である。スタックフレーム２００は、下方が、サスペンションメンバー３００に固定される。サスペンションメンバー３００は、サスペンションリンク類を支持するフレーム部材である。
【００２７】
本実施形態において、気液分離器２０、排気排水弁２１、および水素ポンプ３０は、燃料電池スタック１０とダッシュパネル４１０との間の空間Ａではなく、スタックフレーム２００とサスペンションメンバー３００との間に配置されている。スタックフレーム２００の下部には、これらの部品を配置するための切り欠き２１０が設けられている。そのため、本実施形態において、燃料電池スタック１０と循環系補機の位置関係は、燃料電池スタック１０の下側に水素ポンプ３０が配置され、水素ポンプ３０の下側に気液分離器２０が配置さることになる。従って、水素ポンプ３０の水素出口であるポンプ出口は、燃料電池スタック１０の水素供給口よりも下側に配置され、気液分離器２０の水素入口である気液入口は、燃料電池スタック１０の水素排出口よりも下側に配置されることになる。この結果、本実施形態においても、第１実施形態と同様に、循環系補機から燃料電池スタック１０に生成水が逆流することを抑制できる。
【００２８】
また、本実施形態の燃料電池車両５００によれば、循環系補機である気液分離器２０および水素ポンプ３０が燃料電池スタック１０の下側に設置されるため、燃料電池車両５００の重心が下がり、燃料電池車両５００の操縦安定性が向上する。
【００２９】
さらに、本実施形態では、剛性の高い部品である気液分離器２０および水素ポンプ３０が、燃料電池スタック１０とダッシュパネル４１０との間の空間Ａではなく、燃料電池スタック１０の下側に配置されているため、燃料電池車両５００が正面衝突した場合でも、燃料電池スタック１０の燃料電池車両５００の前後方向における移動量が確保され、燃料電池スタック１０に加わる荷重を小さくすることができる。また、気液分離器２０および水素ポンプ３０が、ダッシュパネル４１０を押して車室へ侵入することを抑制することができる。
【００３０】
Ｃ．変形例：
＜第１変形例＞
上記実施形態において、燃料電池システム１００は循環系補機として気液分離器２０と水素ポンプ３０とを備えている。これに対して、燃料電池システム１００は、循環系補機として、気液分離器２０および水素ポンプ３０のいずれか一方のみを備えていてもよい。また、燃料電池システム１００は、気液分離器２０および水素ポンプ３０に替えて、循環系補機として、水素の循環を補助する別の機構を備えていてもよい。
【００３１】
＜第２変形例＞
上記第１実施形態において、水素ポンプ３０は、水素排出口１０ｏｕｔよりも上側で、かつ、水素供給口１０ｉｎよりも下側に配置されている。これに対して、水素ポンプ３０を水素供給口１０ｉｎよりも上側に配置してもよい。ただし、車両重心が高くなるため、燃料電池車両５００の操縦安定性が低下するため、水素ポンプは水素供給口１０ｉｎよりも下側の方が好ましい。
【００３２】
＜第３変形例＞
上記実施形態において、気液分離器２０は気液入口２０ｉｎが気液出口２０ｏｕｔよりも下側に配置されている。これに対して、気液入口２０ｉｎが気液出口２０ｏｕｔよりも上側もしくは同等の位置関係になるように配置されていてもよい。
【００３３】
＜第４変形例＞
上記実施形態において、水素ポンプ３０はポンプ入口３０ｉｎがポンプ出口３０ｏｕｔよりも下側に配置されている。これに対して、ポンプ入口３０ｉｎがポンプ出口３０ｏｕｔよりも上側もしくは同等の位置関係になるように配置されていてもよい。
【００３４】
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、上述した課題を解決するために、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、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜削除することが可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１０…燃料電池スタック
１０ｉｎ…水素供給口
１０ｏｕｔ…水素排出口
１１…水素供給管
１２…第１水素配管
１３…第２水素配管
１４…第３水素配管
２０…気液分離器
２０ｉｎ…気液入口
２０ｏｕｔ…気液出口
２１…排気排水弁
２２…水素オフガス配管
３０…水素ポンプ
３０ｉｎ…ポンプ入口
３０ｏｕｔ…ポンプ出口
４０…水素循環流路
５０…インジェクタ
１００…燃料電池システム
２００…スタックフレーム
２１０…切り欠き
３００…サスペンションメンバー
４００…フロントルーム
４１０…ダッシュパネル
４２０…客室
５００…燃料電池車両
Ａ…空間
ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ、ｉ…位置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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