(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行うセルを複数有するスタック本体を有する燃料電池と、
燃料供給源から前記スタック本体に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給系と、
前記スタック本体から排出された燃料オフガスを前記スタック本体に再供給する燃料オフガス循環系と、
を備えており、
前記燃料オフガス循環系は、前記燃料オフガス及び前記燃料ガスを含む混合燃料ガスが、前記スタック本体が設置されたマニホールドの裏面に沿って流れるように形成された混合燃料ガス流路と、前記混合燃料ガス流路が形成された面の反対面側である前記マニホールドの外面側に配置され、且つ、前記燃料オフガスと前記燃料ガスとが合流して前記混合燃料ガスが得られる合流部と、を有し、
前記混合燃料ガス流路は、前記マニホールドと、該マニホールドに隣接して配置され、前記スタック本体で発電した電気を取り出すためのターミナルとの間に画成される、燃料電池システム。
【請求項２】
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行うセルを複数有するスタック本体を有する燃料電池と、
燃料供給源から前記スタック本体に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給系と、
前記スタック本体から排出された燃料オフガスを前記スタック本体に再供給する燃料オフガス循環系と、
を備えており、
前記燃料オフガス循環系は、前記燃料オフガス及び前記燃料ガスを含む混合燃料ガスが、前記スタック本体が設置されたマニホールドの裏面に沿って流れるように形成された混合燃料ガス流路と、前記混合燃料ガス流路が形成された面の反対面側である前記マニホールドの外面側に配置され、且つ、前記燃料オフガスと前記燃料ガスとが合流して前記混合燃料ガスが得られる合流部と、を有し、
前記混合燃料ガス流路は、前記マニホールドに設けられ、且つ、前記スタック本体に供給された冷媒が該スタック本体から排出される冷媒出口流路と、前記マニホールドに設けられ、且つ、前記スタック本体に供給された前記酸化ガスが該スタック本体から排出される酸化ガス出口流路と、の間に形成される、
燃料電池システム。
【請求項３】
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行うセルを複数有するスタック本体を有する燃料電池と、
燃料供給源から前記スタック本体に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給系と、
前記スタック本体から排出された燃料オフガスを前記スタック本体に再供給する燃料オフガス循環系と、
を備えており、
前記燃料オフガス循環系は、前記燃料オフガス及び前記燃料ガスを含む混合燃料ガスが、前記スタック本体が設置されたマニホールドの裏面に沿って流れるように形成された混合燃料ガス流路と、前記混合燃料ガス流路が形成された面の反対面側である前記マニホールドの外面側に配置され、且つ、前記燃料オフガスと前記燃料ガスとが合流して前記混合燃料ガスが得られる合流部と、を有し、
前記燃料オフガス循環系は、前記燃料オフガスを循環させるポンプを有しており、
前記合流部は、前記ポンプのポンプ室出口よりも下流に設けられている、
燃料電池システム。
【請求項４】
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行うセルを複数有するスタック本体を有する燃料電池と、
燃料供給源から前記スタック本体に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給系と、
前記スタック本体から排出された燃料オフガスを前記スタック本体に再供給する燃料オフガス循環系と、
を備えており、
前記燃料オフガス循環系は、前記燃料オフガス及び前記燃料ガスを含む混合燃料ガスが、前記スタック本体が設置されたマニホールドの裏面に沿って流れるように形成された混合燃料ガス流路と、前記混合燃料ガス流路が形成された面の反対面側である前記マニホールドの外面側に配置され、且つ、前記燃料オフガスと前記燃料ガスとが合流して前記混合燃料ガスが得られる合流部と、を有し、
前記燃料オフガス循環系は、前記燃料オフガスを循環させるポンプを有しており、
前記合流部は、前記ポンプのポンプ室出口よりも下流に設けられ、
前記ポンプは、前記マニホールドに直接接続されている、燃料電池システム。
【請求項５】
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行うセルを複数有するスタック本体を有する燃料電池と、
燃料供給源から前記スタック本体に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給系と、
前記スタック本体から排出された燃料オフガスを前記スタック本体に再供給する燃料オフガス循環系と、
を備えており、
前記燃料オフガス循環系は、前記燃料オフガス及び前記燃料ガスを含む混合燃料ガスが、前記スタック本体が設置されたマニホールドの裏面に沿って流れるように形成された混合燃料ガス流路と、前記混合燃料ガス流路が形成された面の反対面側である前記マニホールドの外面側に配置され、且つ、前記燃料オフガスと前記燃料ガスとが合流して前記混合燃料ガスが得られる合流部と、を有し、
前記混合燃料ガス流路は、前記スタック本体の中央部に対応する部位から、前記マニホールドの縁部に設けられた燃料ガス入口流路まで延設され、
前記燃料オフガスを循環させるポンプは、前記マニホールドに直接接続されている、
燃料電池システム。
【請求項６】
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行うセルを複数有するスタック本体を有する燃料電池と、
燃料供給源から前記スタック本体に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給系と、
前記スタック本体から排出された燃料オフガスを前記スタック本体に再供給する燃料オフガス循環系と、
を備えており、
前記燃料オフガス循環系は、前記燃料オフガス及び前記燃料ガスを含む混合燃料ガスが、前記スタック本体が設置されたマニホールドの裏面に沿って流れるように形成された混合燃料ガス流路と、前記混合燃料ガス流路が形成された面の反対面側である前記マニホールドの外面側に配置され、且つ、前記燃料オフガスと前記燃料ガスとが合流して前記混合燃料ガスが得られる合流部と、を有し、
前記燃料オフガス循環系は、前記燃料オフガスを循環させるポンプを有しており、
前記合流部は、前記ポンプのポンプ室出口よりも下流に設けられ、
前記ポンプへの前記燃料オフガスの入口、及び、前記ポンプからの前記混合燃料ガスの
出口が、鉛直線上又は略鉛直線上に配設される、燃料電池システム。
【請求項７】
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行うセルを複数有するスタック本体を有する燃料電池と、
燃料供給源から前記スタック本体に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給系と、
前記スタック本体から排出された燃料オフガスを前記スタック本体に再供給する燃料オフガス循環系と、
を備えており、
前記燃料オフガス循環系は、前記燃料オフガス及び前記燃料ガスを含む混合燃料ガスが、前記スタック本体が設置されたマニホールドの裏面に沿って流れるように形成された混合燃料ガス流路と、前記混合燃料ガス流路が形成された面の反対面側である前記マニホールドの外面側に配置され、且つ、前記燃料オフガスと前記燃料ガスとが合流して前記混合燃料ガスが得られる合流部と、を有し、
前記混合燃料ガス流路は、前記スタック本体の中央部に対応する部位から、前記マニホールドの縁部に設けられた燃料ガス入口流路まで延設され、
前記燃料オフガスを循環させるポンプへの前記燃料オフガスの入口、及び、前記ポンプからの前記混合燃料ガスの出口が、鉛直線上又は略鉛直線上に配設される、燃料電池システム。
【請求項８】
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行うセルを複数有するスタック本体を有する燃料電池と、
燃料供給源から前記スタック本体に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給系と、
前記スタック本体から排出された燃料オフガスを前記スタック本体に再供給する燃料オフガス循環系と、
を備えており、
前記燃料オフガス循環系は、前記燃料オフガス及び前記燃料ガスを含む混合燃料ガスが、前記スタック本体が設置されたマニホールドの裏面に沿って流れるように形成された混合燃料ガス流路と、前記混合燃料ガス流路が形成された面の反対面側である前記マニホールドの外面側に配置され、且つ、前記燃料オフガスと前記燃料ガスとが合流して前記混合燃料ガスが得られる合流部と、を有し、
前記燃料オフガス循環系は、前記燃料オフガスを循環させるポンプを有しており、
前記合流部は、前記ポンプのポンプ室出口よりも下流に設けられ、
前記混合燃料ガス流路は、該混合燃料ガス流路の最下面が、前記ポンプのポンプ室出口
流路の最下面よりも鉛直下方に位置するように形成される、燃料電池システム。
【請求項９】
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行うセルを複数有するスタック本体を有する燃料電池と、
燃料供給源から前記スタック本体に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給系と、
前記スタック本体から排出された燃料オフガスを前記スタック本体に再供給する燃料オフガス循環系と、
を備えており、
前記燃料オフガス循環系は、前記燃料オフガス及び前記燃料ガスを含む混合燃料ガスが、前記スタック本体が設置されたマニホールドの裏面に沿って流れるように形成された混合燃料ガス流路と、前記混合燃料ガス流路が形成された面の反対面側である前記マニホールドの外面側に配置され、且つ、前記燃料オフガスと前記燃料ガスとが合流して前記混合燃料ガスが得られる合流部と、を有し、
前記混合燃料ガス流路は、前記スタック本体の中央部に対応する部位から、前記マニホールドの縁部に設けられた燃料ガス入口流路まで延設され、
前記混合燃料ガス流路は、該混合燃料ガス流路の最下面が、前記燃料オフガスを循環させるポンプのポンプ室出口流路の最下面よりも鉛直下方に位置するように形成される、燃料電池システム。
【請求項１０】
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行うセルを複数有するスタック本体を有する燃料電池と、
燃料供給源から前記スタック本体に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給系と、
前記スタック本体から排出された燃料オフガスを前記スタック本体に再供給する燃料オフガス循環系と、
を備えており、
前記燃料オフガス循環系は、前記燃料オフガス及び前記燃料ガスを含む混合燃料ガスが、前記スタック本体が設置されたマニホールドの裏面に沿って流れるように形成された混合燃料ガス流路と、前記混合燃料ガス流路が形成された面の反対面側である前記マニホールドの外面側に配置され、且つ、前記燃料オフガスと前記燃料ガスとが合流して前記混合燃料ガスが得られる合流部と、を有し、
前記混合燃料ガス流路は、前記スタック本体の中央部に対応する部位から、前記マニホールドの縁部に設けられた燃料ガス入口流路まで延設され、
前記混合燃料ガス流路は、該混合燃料ガス流路の最下面が、前記スタック本体へ前記混合燃料ガスを供給するために前記マニホールドに設けられた混合燃料ガス入口流路の最下面よりも鉛直下方に位置するように形成される、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】
近年、燃料ガス（アノードガス）と酸化ガス（カソードガス）との電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギー源とした燃料電池システムが注目されている。かかる燃料電池システムに用いられる燃料電池として、例えば、単セルが複数積層された燃料電池スタックを有しており、且つ、その燃料電池スタックが、セル積層方向の両端に配置されたエンドプレートによって挟持されたものが知られている。
【０００３】
また、このような燃料電池システムには、水素ガス等の燃料ガスを有効利用するべく、燃料電池スタックから排出された燃料オフガス（水素オフガス）を、燃料電池スタックに戻入して再供給する燃料ガス循環系（循環路）を備えるものがある。例えば、本出願人は、燃料オフガスに含まれる水分が燃料オフガスと新たに供給される燃料ガスとの合流部において凍結してしまうことを防止し、且つ、燃料オフガス循環路に補機類を容易に配置することを企図して、その合流部、及び燃料オフガス循環路の一部を、エンドプレートに設けた燃料電池システムを、特許文献１等に提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１７１６５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、燃料電池システムは、一般に、燃料電池スタックの本体及び補機類の発熱量が、例えば内燃機関システム等に比して大きいため、高い冷却能力が要求される。かかる要求を満たすには、燃料電池スタックで発生した熱の交換効率を可能な限り高めることが望ましい。これに対し、特許文献１記載の燃料電池システムでは、燃料オフガスと新たな燃料ガスの合流部がマニホールド内に設けられているので、既に加温された比較的高温の燃料オフガスが、燃料電池スタックにおいて発生した熱によって更に加熱されることとなり、熱交換効率が十分に高いとは言い難い。
【０００６】
また、特許文献１記載の燃料電池システムの構成では、燃料オフガスと新たな燃料ガスの合流部から燃料電池スタックまでの距離が短くなってしまうので、もし燃料オフガスに含まれる水分がその合流部において凍結して氷が生成されてしまった場合、その氷が燃料電池スタック内に混入してしまうことが懸念され得る。
【０００７】
そこで、本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、循環供給される燃料オフガスと新たな燃料ガスを燃料電池のスタック本体に供給するときの熱交換効率を向上させることができ、また、燃料オフガス中の水分が仮に凍結して氷が生じてしまったとしても、その氷が燃料電池スタック内に流入してしまうことを防止することができる燃料電池システムを提供すること目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行うセルを複数有するスタック本体を有する燃料電池と、燃料供給源からスタック本体に燃料ガスを供給する燃料ガス供給系と、スタック本体から排出された燃料オフガスをスタック本体に再供給する燃料オフガス循環系とを備えており、その燃料ガスオフ循環系は、燃料オフガス及び燃料ガスを含む混合燃料ガスが、スタック本体に設置された略板状をなすマニホールドの内面方向に沿って流れるように形成された混合燃料ガス流路と、マニホールドの一面側（例えば、マニホールドの外面側：混合燃料ガス流路が形成された面の反対面側）に配置され、且つ、燃料オフガスと燃料ガスとが合流して混合燃料ガスが得られる合流部とを有する。
【０００９】
このように構成された燃料電池システムでは、スタック本体から排出された燃料オフガスは、合流部において、新たに供給される燃料ガスと混合され、それによって得られる混合燃料ガスが、混合燃料ガス流路内に流入し、マニホールドの内面方向に沿って流れ、スタック本体に挿通される。この際、比較的高温の燃料オフガスと比較的低温の燃料ガスが混合されるので、合流部で生じる混合燃料ガスの温度は、燃料オフガスの温度よりも低下する。そして、その混合燃料ガスがマニホールド内を流れることにより、燃料ガスと合流する前の燃料オフガスがマニホールド内を流通するよりも、スタック本体で生じる熱量をより多く奪うことができる。その結果、熱交換効率が高められ、燃料オフガスに含まれる水分が凍結することを、従来に比してより抑止することができる。
【００１０】
また、合流部で得られた混合燃料ガスは、その合流部を通過した後、マニホールドの内面方向に沿って流れるので、混合燃料ガス流路の距離を大きく（長く）し易くなる。したがって、もし仮に混合燃料ガス流路において、燃料オフガス中の水分に由来する氷が生じたとしても、混合燃料ガスがスタック本体に到達するまでの間に、その氷を溶融させ易くなる。
【００１１】
より具体的には、混合燃料ガス流路が、マニホールドと、それに隣接して配置されたターミナルとの間に画成されるようにしてもよい。このようにすれば、混合燃料ガス流路を、配管状に且つ面方向に延在させるように形成し易くなるので、混合燃料ガス流路を流通する混合燃料ガスが、スタック本体で生じた熱によって更に且つより直接的に加熱され易くなる。また、マニホールド（例えばスタックマニホールド）及びターミナル間の温度がセル温度に近く（高く）なっていることから、混合燃料ガスに含まれる燃料オフガス由来の水分の凍結をより確実に防止することができる。なお、「ターミナル」とは、例えばスタックの端部に設置され、スタックで発電した電気を外部へ取り出すための電気的な接続と、集電のためにセルと接触し且つセルと同等又は略同等の広さの平面部を有する部材を示す。
【００１２】
この場合、混合燃料ガス流路を、マニホールドに設けられ、且つ、スタック本体に供給された冷媒がスタック本体から排出される冷媒出口流路と、マニホールドに設けられ、且つ、スタック本体に供給された酸化ガスがスタック本体から排出される酸化ガス出口流路との間に形成するように構成しても好適である。このような構成においては、冷媒出口及び酸化ガス出口の温度が、スタック本体からの排熱によって他部位よりも高温になる傾向にあるので、混合燃料ガスに含まれる水分の凍結防止効果が更に高められる。
【００１３】
さらに、合流部をマニホールドの近傍に設けるようにしても、混合燃料ガスに含まれる燃料オフガス由来の水分の凍結をより確実に防止することができる。
【００１４】
また、燃料オフガス循環系は、燃料オフガスを循環させるポンプを有しており、合流部が、そのポンプのハウジング内且つポンプ室出口よりも下流に設けられていてもよい。この場合、燃料オフガス循環用のポンプのモータ部からの伝熱により、混合燃料ガスに含まれる燃料オフガス由来の水分の凍結防止効果が一層高められる。
【００１５】
さらに、混合燃料ガス流路は、スタック本体の中央部に対応する部位から、マニホールドの縁部に設けられた燃料ガス入口流路まで延設されていても好適である。なお、スタック本体は、単数（いわゆる１スタック構造）でも複数（例えば２スタック構造）でもよく、スタック本体が一列に連設された所要数のセルから構成されている場合（つまり単数の場合）には、「スタック本体の中央部」を「セルの中央部」と読み替えてもよい。通常、セルやスタック本体の対向領域、特に、セルやスタック本体の中央部の対向領域は外周部に比して高温になるので、混合燃料ガスをスタック本体の中央部に対応する部位から、そのスタック本体へ導入することにより、混合燃料ガスに含まれる燃料オフガス由来の水分の凍結防止効果が更に一層高められる。
【００１６】
またさらに、燃料オフガス循環用のポンプが、マニホールドに直接（配管等を介さずに）接続されている構成を採用することができる。このようにすれば、ポンプとマニホールド間に配管等の接続部材又は中継部材を設ける必要がないので、組み付け性を大幅に向上させることができる。
【００１７】
さらにまた、ポンプへの燃料オフガスの入口、及び、ポンプからの混合燃料ガスの出口が、鉛直線上又は略鉛直線上に配設されるとより好ましい。具体的には、例えば、マニホールドに設置するポンプのモータ軸を水平に配置し、燃料オフガスのポンプ室入口及びポンプ室出口を鉛直方向上下に設ける構成が挙げられる。この場合、ポンプ室入口及びポンプ室出口の上下関係は特に制限されないが、燃料オフガスの流通性を考慮すると、ポンプ室入口を下側に配置し、且つ、ポンプ室出口を上側に配置することが好ましい。このようにすれば、ポンプ内における燃料オフガスの流路に、燃料オフガス中の水蒸気が凝結して生成した水分が溜まってしまうことを効果的に抑止することができ、ポンプ停止後のポンプ室内からの排水性が高められる。
【００１８】
より具体的には、混合燃料ガス流路は、その最下面が、ポンプのポンプ室出口流路の最下面よりも鉛直下方に位置するように形成されてもよい。
【００１９】
或いは、混合燃料ガス流路は、その最下面が、スタック本体へ混合燃料ガスを供給するためにマニホールドに設けられた混合燃料ガス入口流路の最下面よりも鉛直下方に位置するように形成されてもよい。このように構成すれば、混合燃料ガス流路からポンプのポンプ室内、及び、スタック本体のセルへの液滴（水滴）の侵入を抑止することが可能となる。
【発明の効果】
【００２０】
以上のことから、本発明によれば、燃料オフガスと新たな燃料ガスとを混合して燃料電池のスタック本体に供給する際の熱交換効率を格段に向上させることができるとともに、燃料オフガス中の水分が仮に凍結して氷が生じてしまった場合でも、その氷がスタック本体内に流入してしまうことをより確実に防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明による燃料電池システムの好適な一実施形態を示すシステム構成図である。
【図２】燃料電池スタックの構成を概略的に示す平面図である。
【図３】スタックマニホールドの表面に循環電動ポンプが設置された状態を示す正面図である。
【図４】スタックマニホールドの表面のみ（図３に示す状態から循環電動ポンプを取り外した状態の表面）を示す正面図である。
【図５】図３に示すＶ−Ｖ線における循環電動ポンプのポンプロータ部の概略部分断面図である。
【図６】図３に示すＶＩ−ＶＩ線における循環電動ポンプのポンプロータ部の概略部分断面図である。
【図７】スタックマニホールドの裏面を示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、以下の実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をその実施の形態のみに限定する趣旨ではない。また、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな変形が可能である。
【００２３】
図１は、本発明による燃料電池システムの好適な一実施形態を示すシステム構成図である。同図に示す燃料電池システム１は、燃料電池自動車等の車両における車載発電システムや、船舶、航空機、電車、或いは歩行ロボット等のあらゆる移動体用の発電システム、さらには、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システム等に適用可能なものであり、ここでは、具体的に自動車用途のものとして説明する。
【００２４】
燃料電池システム１は、酸化ガス及び燃料ガスの供給を受けて電気化学反応により発電して電力を発生する単セルが所要数積層されてなる例えば１つの燃料電池スタック１０（スタック本体）を有する燃料電池を備える。また、燃料電池システム１には、それらの燃料電池スタック１０への酸化ガスとしての空気のガス供給を調整するカソード系の酸化ガス供給系２と、燃料ガスとしての水素ガスのガス供給を調整するアノード系の燃料ガス供給系３と、燃料電池スタック１０を冷却するための冷媒供給系４が設けられている。
【００２５】
酸化ガス供給系２は、加湿器２０、空気供給配管２１、空気排出配管２２、及び排出配管２３を有している。これらのうち、空気供給配管２１は、加湿器２０により加湿された空気を燃料電池スタック１０へ供給するためのものである。この空気供給配管２１には、大気中の空気を取り込んで加湿器２０に圧送するコンプレッサ２４が設けられている。また、空気排出配管２２は、燃料電池スタック１０から排出された空気オフガス（酸化オフガス）を加湿器２０に導くためのものである。さらに、排出配管２３は、加湿器２０からの空気オフガスを外部へ導出するためのものである。
【００２６】
一方、燃料ガス供給系３は、高圧の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク３０、燃料供給配管３１、及び循環配管３２を有している。これらのうち、燃料供給配管３１は、水素タンク３０からの水素ガスを燃料電池スタック１０へ供給するためのものである。また、燃料供給配管３１には、水素タンク３０からの水素ガスの供給を遮断又は許容するとともに、許容時に水素ガスの圧力を調整する遮断弁付レギュレータ３３が設けられている。
【００２７】
さらに、循環配管３２は、燃料電池スタック１０から排出された水素オフガス（燃料オフガス）を、配管３２ｂを通して燃料供給配管３１における合流部３２ｃに戻入するためのものである。このように、燃料電池システム１では、合流部３２ｃにおいて、水素オフガスと、水素タンク３０からの水素ガスとが混合され、そこで得られた混合水素ガス（混合燃料ガス）が、燃料供給配管３１を通って燃料電池スタック１０に供給されるように構成されている。
【００２８】
また、循環配管３２の配管３２ｂには、燃料電池スタック１０から排出された水素オフガスを再び燃料電池スタック１０へ供給するための気液分離器３４が設けられている。この気液分離器３４は、燃料電池スタック１０から排出された水素オフガスを気液分離するためのものであり、これにより、水素オフガスに含まれる水分の一部又は大部分が回収されるようになっている。
【００２９】
また、気液分離器３４に接続された排出配管３５には、排出弁３６が設けられている。この排出弁３６は、図示しない制御装置からの指令によって作動し、気液分離器３４で回収した水分、及び、循環配管３２内の不純物を含む水素オフガスを、排出配管３５を通して外部に排出（パージ）するためのものである。
【００３０】
さらに、循環配管３２には、燃料電池スタック１０から排出された循環配管３２内の水素オフガスを吸引且つ加圧して燃料供給配管３１側へ吐出することにより、燃料電池スタック１０から排出される水素オフガスの循環を調整する循環電動ポンプ３７（ポンプ）が設けられている。このように、循環電動ポンプ３７は、燃料オフガス循環用のポンプとして機能する。
【００３１】
以上説明したように、燃料ガス供給系３のうち、水素タンク３０、遮断弁付レギュレータ３３、排出配管３５、及び排出弁３６を除く部分から、燃料オフガス循環系が構成される。
【００３２】
他方、冷媒供給系４は、各燃料電池スタック１０内の冷却流路に連通する冷媒配管４１を有している。この冷媒配管４１には、冷媒（例えば冷却水）を循環させるための冷却ポンプ４２、及び、燃料電池スタック１０から排出される冷媒を冷却するラジエータ４３が設けられている。また、冷却ポンプ４２とラジエータ４３との間には、そのラジエータ４３をバイパスするバイパス配管４４が接続されており、その接続部位には、ラジエータ４３及びバイパス配管４４への冷媒の通流を調節する切替弁４５が設置されている。
【００３３】
ここで、図２は、燃料電池スタック１０の構成を概略的に示す平面図（上面図）である。同図に示す如く、燃料電池スタック１０は、それぞれ、発電単位である単セル１１を所要数積層して構成されるものであり、単セル１１の積層方向を平行にして並設された状態で、その積層方向の両端部に配置された長尺板形状をなす一対のエンドプレート１２，１３で挟持されている。なお、これらのエンドプレート１２，１３は、図示しないテンションプレート等により互いに連結されている。
【００３４】
このようにしてエンドプレート１２，１３で挟持された燃料電池スタック１０は、例えば、スタックケース１４に収納され、その状態で、燃料電池スタック１０が水平方向に載置された姿勢で自動車の車両本体に設置される。以下、特に断らない限り、燃料電池スタック１０がそのように設置されたときの姿勢を基準に説明する。すなわち、例えば、図２、及び、後述する図３乃至図７において、図示Ｘ軸は、燃料電池スタック１０が設置される水平方向を示し、Ｙ軸は、複数の単セル１１が並設される水平方向を示し、Ｚ軸は、それらに垂直な方向すなわち鉛直方向を示す。
【００３５】
また、一方のエンドプレート１２と、燃料電池スタック１０との間には、略板形状をなすスタックマニホールド６（マニホールド）が設けられている。このスタックマニホールド６には、先述した燃料ガス供給系３（前述したとおり、その一部が燃料オフガス循環系を兼ねる。）の構成部品のうち、循環配管３２の一部、遮断弁付レギュレータ３３、気液分離器３４、排出配管３５、排出弁３６、及び循環電動ポンプ３７が適宜の配置で取り付けられている（なお、図２においては、これらのうち循環電動ポンプ３７のみ図示した。）。
【００３６】
循環電動ポンプ３７は、給電を受けて回転駆動力を発生させる電動モータ部５０と、この電動モータ部５０の駆動力で回転して水素オフガスを吸引し吐出するポンプロータ部５１とを有しており、これら電動モータ部５０とポンプロータ部５１とが互いの回転軸線方向を一致させてこの方向に並設されることで、この回転軸線方向に長い形状をなしている。
【００３７】
次に、図３は、スタックマニホールド６の表面６ａに循環電動ポンプ３７が設置された状態を示す正面図であり、図４は、スタックマニホールド６の表面６ａのみ（言わば、図３に示す状態から循環電動ポンプ３７を取り外した状態の表面６ａ）を示す正面図である。
【００３８】
図３に示すとおり、循環電動ポンプ３７は、スタックマニホールド６の表面６ａに、配管等の接続部材又は中継部材を介さずに直接接続されている。また、循環電動ポンプ３７のポンプロータ部５１の側壁には、水素ガスタンク３０から供給される水素ガスの導入口５２が設けられている。
【００３９】
さらに、図４に示す如く、スタックマニホールド６には、循環電動ポンプ３７のポンプロータ部５１に対応する位置に、水素オフガスを燃料電池スタック１０からポンプロータ部５１へ導入するための導入口６１ａと、ポンプロータ部５１で水素オフガスと新たに供給される水素ガスが混合されることによって得られる混合水素ガス（混合燃料ガス）を燃料電池スタック１０へ導出するための導出口６１ｂが形成されている。そして、循環電動ポンプ３７のポンプロータ部５１には、それらの導入口６１ａ及び導出口６１ｂに対応する位置に、ポンプ室入口５３ａ（ポンプへの燃料オフガスの入口）、及び、ポンプ室出口５３ｂ（ポンプからの混合燃料ガスの出口）が設けられている（それぞれ図４に矢印で示す。）。
【００４０】
ここで、導入口６１ａ及び導出口６１ｂ、延いてはポンプ室入口５１ａ及びポンプ室出口５１ｂは、鉛直線上又は略鉛直線上に配設される。図４では、鉛直線である一点鎖線Ｖｚに沿って、ポンプ室入口５１ａ及び導入口６１ａが下側に、且つ、ポンプ室出口５１ｂ及び導出口６１ｂが上側に設けられた態様を例示した。
【００４１】
ここで、図５は、図３に示すＶ−Ｖ線における循環電動ポンプ３７のポンプロータ部５１の概略部分断面図であり、図６は、図３に示すＶＩ−ＶＩ線における循環電動ポンプ３７のポンプロータ部５１の概略部分断面図である。さらに、図７は、スタックマニホールド６の裏面６ｂを示す正面図である。
【００４２】
図５に示すとおり、スタックマニホールド６に固定されたポンプロータ部５１ｃには、水素ガスタンク３０から供給された水素ガスＧ１（燃料ガス）と、ポンプロータ部５１ｃにおけるポンプ室５４を介してポンプ室出口５３ｂから導出された水素オフガスＧ２（燃料オフガス）とが、それぞれ個別に流入する。それらの水素ガスＧ１と水素オフガスＧ２は、ポンプ室出口５３ｂよりも下流側で合流して混合され、混合水素ガスＧ３（混合燃料ガス）が得られる。
【００４３】
すなわち、図１で説明した合流部３２ｃが、循環電動ポンプ３７のポンプロータ部５１のハウジング内（ポンプ室５４の内部）で、且つ、ポンプ室出口５３ｂよりも下流で、且つ、スタックマニホールド６の近傍に設けられている。そして、その合流部３２ｃを有する循環電動ポンプ３７が、スタックマニホールド６の外面側（表面６ａ側；後述する混合燃料ガス流路Ｒｋが形成された裏面６ｂの反対面側）に配置されている。
【００４４】
このようにして得られた混合水素ガスＧ３は、図６に示すように、ポンプ室５４の側壁に設けられたポンプ室出口５３ｂからＹ方向に延びるポンプ室出口流路Ｒｄ内を流通し、一旦流下した後、スタックマニホールド６の導出口６１ｂから混合燃料ガス流路Ｒｋへ導入される。ここで、混合燃料ガス流路Ｒｋ及びポンプ室出口流路Ｒｄは、図示一点鎖線Ｈｋで示す混合燃料ガス流路Ｒｋの最下面が、図示一点鎖線Ｈｄで示すポンプ室出口流路Ｒｄの最下面よりも鉛直下方に位置するように形成される。
【００４５】
次に、図７に示す如く、導出口６１ｂからスタックマニホールド６の裏面６ｂ（内面；燃料電池スタック１０と対向する面）側へ導入された混合燃料ガスＧ３は、スタックマニホールド６の裏面６ｂと、そのスタックマニホールド６に隣接するように配置された燃料電池スタック１０のターミナル（図示せず）との間に画成された混合燃料ガス流路Ｒｋを、スタックマニホールド６に沿って例えば水平方向（図示Ｘ方向）に流通する。このように、混合燃料ガス流路Ｒｋは、燃料電池スタック１０に設置された略板状をなすスタックマニホールド６の内面方向（裏面６ｂにおけるＸ方向）に沿って混合燃料ガスＧ３が流れるように形成されている。
【００４６】
また、混合燃料ガス流路Ｒｋは、その終端において、スタックマニホールド６の縁部に開口形成された混合燃料ガス入口流路６２に連通しており、混合水素ガスＧ３は、その混合燃料ガス入口流路６２の開口から燃料電池スタック１０内へ供給される。このように、混合燃料ガス流路Ｒｋは、燃料電池スタック１０の中央部に対応する部位（スタックマニホールド６の導出口６１ｂ）から、スタックマニホールド６の縁部に設けられた混合燃料ガス入口流路６２まで延設されている。また、混合燃料ガス流路Ｒｋ及び混合燃料ガス入口流路６２は、図６及び図７において一点鎖線Ｈｋで示す混合燃料ガス流路Ｒｋの最下面が、図７において一点鎖線Ｈ６２で示す混合燃料ガス入口流路６２の最下面よりも鉛直下方に位置するように形成される。
【００４７】
加えて、スタックマニホールド６には、冷媒供給系４によって燃料電池スタック１０に冷媒を供給するための冷媒出口流路６４ａ、その冷媒が燃料電池スタック１０から排出される冷媒出口流路６４ｂ、酸化ガス供給系２によって燃料電池スタック１０に酸化ガスを供給するための酸化ガス入口流路６６ａ、及び、その酸化ガスが燃料電池スタック１０から排出される酸化ガス出口流路６６ｂが、開口形成されている。そして、図７に示す如く、混合燃料ガス流路Ｒｋは、スタックマニホールド６において、それらの冷媒出口流路６４ｂと酸化ガス出口流路６６ｂとの間に設けられている。
【００４８】
このように構成された燃料電池システム１によれば、上述したとおり、燃料電池スタック１０から排出された水素オフガスＧ２が、合流部３２ｃにおいて、水素ガスタンク３０から新たに供給される水素ガスＧ１と混合されて、混合燃料ガスＧ３が得られる。この混合燃料ガスＧ３は、混合燃料ガス流路Ｒｋ内に流入し、スタックマニホールド６の内面方向に沿って流れ、燃料電池スタック１０に挿通される。その際、比較的高温の水素オフガスＧ２と比較的低温の水素ガスＧ１が混合されるので、合流部３２ｃで生成する混合水素ガスＧ３の温度は、水素オフガスＧ２の温度より低下する。
【００４９】
このように水素オフガスＧ２と水素ガスＧ１が混合された比較的低温の混合水素ガスＧ３がスタックマニホールド６内を流通することにより、水素ガスＧ１と合流する前の水素オフガスＧ２がスタックマニホールド６内を流通する場合に比して、燃料電池スタック１０で生じる熱量をより多く奪うことができる。その結果、熱交換効率が高められ、水素オフガスＧ２に含まれる水分が凍結することを効果的に抑止することが可能となる。
【００５０】
また、循環電動ポンプ３７のポンプロータ部５１内の合流部３２ｃで得られた混合水素ガスＧ３は、その合流部３２ｃを通過した後、スタックマニホールド６の内面方向に沿って流れるので、混合水素ガス流路Ｒｋの距離を十分に大きく（長く）確保することが可能となる。これにより、もし仮に混合水素ガス流路Ｒｋにおいて、水素オフガスＧ２中の水分に由来する氷が生じたとしても、混合水素ガスＧ３が燃料電池スタック１０に到達するまでの間に、その氷を溶融させ易くなる利点がある。
【００５１】
また、混合水素ガス流路Ｒｋが、スタックマニホールド６と、それに隣接して配置されたターミナルとの間に画成されており、配管状に且つ面方向に延在するので、混合水素ガス流路Ｒｋを流通する混合水素ガスＧ３が、燃料電池スタック１０で生じた熱によって更に且つより直接的に加熱され易くなり、熱交換効率を更に向上させることができる。しかも、燃料電池システム１の運転中は、スタックマニホールド６及びターミナル間の温度が、単セル１１の温度に近い高温になっているので、混合水素ガスＧ３に含まれる水素オフガスＧ２由来の水分の凍結をより確実に防止することができる。
【００５２】
さらに、混合燃料ガス流路Ｒｋが、冷媒出口流路６４ｂと酸化ガス出口流路６６ｂとの間に設けられており、スタックマニホールド６における冷媒出口流路６４ｂの開口部及び酸化ガス出口流路６６ｂの開口部の温度は、燃料電池スタック１０からの排熱によって他の部位よりも高温になる傾向にあるので、混合水素ガスＧ２に含まれる水分の凍結防止効果を更に一層高めることができる。
【００５３】
またさらに、水素ガスＧ１と水素オフガスＧ２の合流部３２ｃが、循環電動ポンプ３７のポンプロータ部５１のハウジング内（ポンプ室５４の内部）且つポンプ室出口５３ｂよりも下流に設けられているので、ポンプロータ部５１のハウジングに、循環電動ポンプ３７の電動モータ部５０からの熱が伝導することにより、混合水素ガスＧ３に含まれる水素オフガスＧ２由来の水分の凍結防止効果をより一層高めることができる。加えて、水素ガスＧ１と水素オフガスＧ２の合流部３２ｃが、スタックマニホールド６の近傍に設けられていることによっても、混合水素ガスＧ３に含まれる燃料オフガスＧ２由来の水分の凍結をより確実に防止することができる。
【００５４】
また、混合燃料ガス流路Ｒｋが、燃料電池スタック１０の中央部に対応する部位（スタックマニホールド６の導出口６１ａ）から、混合燃料ガス入口流路６２まで延設されているので、混合水素ガスＧ３が、比較的高温である単セル１１や燃料電池スタック１０の対向領域、特に、単セル１１や燃料電池スタック１０の中央部の対向領域から、燃料電池スタック１０内へ導入される。よって、混合水素ガスＧ３に含まれる水素オフガスＧ２由来の水分の凍結防止効果を殊更に高めることができる。
【００５５】
さらに、循環電動ポンプ３７が、スタックマニホールド６の表面６ａに、配管等の接続部材又は中継部材を介さずに直接接続されているので、循環電動ポンプ３７のスタックマニホールド６への組み付け性を大幅に向上させることができ、その結果、構造の簡略化と工数の低減により経済性を向上させることもできる。
【００５６】
またさらに、ポンプ室入口５１ａ及びポンプ室出口５１ｂが、鉛直線上又は略鉛直線上に配設されているので、循環電動ポンプ３７内における水素オフガスＧ２の流路に、水素オフガスＧ２中の水蒸気が凝結して生成した水分が滞留してしまうことを効果的に抑止することができる。これにより、循環電動ポンプ３７停止後において、ポンプロータ部５１のポンプ室５４内からの排水性を高めることができる。
【００５７】
さらにまた、混合燃料ガス流路Ｒｋ及び混合燃料ガス入口流路６２は、混合燃料ガス流路Ｒｋの最下面（図６及び図７における一点鎖線Ｈｋ）が、混合燃料ガス入口流路６２の最下面（図７における一点鎖線Ｈ６２）よりも鉛直下方に位置するように構成されているので、混合燃料ガス流路Ｒｋから循環電動ポンプ３７のポンプロータ部５１のポンプ室５４内への、及び、燃料電池スタック１０の各単セル１１への液滴（水滴）の侵入を有効に抑止することができる。
【００５８】
なお、上述したとおり、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない限度において様々な変形が可能である。例えば、ポンプ室入口５１ａ及びポンプ室出口５１ｂの上下関係は特に制限されないが、燃料オフガスの流通性を考慮すると、図４に示す如く、ポンプ室入口５１ａを下側に配置し、且つ、ポンプ室出口５１ｂを上側に配置することが好ましい。また、燃料電池スタックは単一でもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
以上説明したとおり、本発明は、燃料オフガスと新たな燃料ガスとを混合して燃料電池のスタック本体に供給する際の熱交換効率を格段に向上させることができるとともに、燃料オフガス中の水分が仮に凍結して氷が生じてしまった場合でも、その氷がスタック本体内に流入してしまうことをより確実に防止することが可能となるので、燃料電池全般、燃料電池を備える車両、機器、システム、設備等、及び、それらの製造に広く且つ有効に利用することができる。
【符号の説明】
【００６０】
１：燃料電池システム
２：酸化ガス供給系
３：燃料ガス供給系（一部が燃料オフガス循環系を兼ねる）
４：冷媒供給系
６：スタックマニホールド（マニホールド）
６ａ：スタックマニホールド６の表面
６ｂ：スタックマニホールド６の裏面
１０：燃料電池スタック（スタック本体）
１１：単セル（セル）
１２，１３：エンドプレート
１４：スタックケース
２０：加湿器
２１：空気供給配管
２２：空気排出配管
２３：排出配管
２４：コンプレッサ
３０：水素タンク（燃料供給源）
３１：燃料供給配管
３２：循環配管
３２ｂ：配管
３２ｃ：合流部
３３：遮断弁付レギュレータ
３４：気液分離器
３５：排出配管
３６：排出弁
３７：循環電動ポンプ（ポンプ）
４１：冷媒配管
４２：冷却ポンプ
４３：ラジエータ
４４：バイパス配管
４５：切替弁
５０：電動モータ部
５１：ポンプロータ部
５２：導入口５２
５３ａ：ポンプ室入口（ポンプへの燃料オフガスの入口）
５３ｂ：ポンプ室出口（ポンプからの混合燃料ガスの出口）
５４：ポンプ室
６１ａ：導入口
６１ｂ：導出口
６２：混合燃料ガス入口流路
６４ａ：冷媒入口流路
６４ｂ：冷媒出口流路
６６ａ：酸化ガス入口流路
６６ｂ：酸化ガス出口流路
Ｇ１：水素ガス（燃料ガス）
Ｇ２：水素オフガス（燃料オフガス）
Ｇ３：混合水素ガス（混合燃料ガス）
Ｈｄ：ポンプ室出口流路Ｒｄの最下面
Ｈｋ：混合燃料ガス流路Ｒｋの最下面
Ｈ６２：混合燃料ガス入口流路６２の最下面
Ｒｄ：ポンプ室出口流路
Ｒｋ：混合燃料ガス流路
【図１】
0005733578.tif 000002
【図２】
0005733578.tif 000003
【図３】
0005733578.tif 000004
【図４】
0005733578.tif 000005
【図５】
0005733578.tif 000006
【図６】
0005733578.tif 000007
【図７】
0005733578.tif 000008