(57)【要約】【課題】水素ガス供給流路とオフガス循環流路との合流部に氷の塊が形成されにくい燃料電池システムを実現する。【解決手段】燃料電池システム１ａは、燃料電池１０ａに水素ガスを供給する水素ガス供給流路３０ａと、水素ガス供給流路３０ａに合流し、燃料電池１０ａから排気された残留ガスを水素ガス供給流路３０ａに循環させるオフガス循環流路５０ａと、を備えている。また、水素ガス供給流路３０ａとオフガス循環流路５０ａとの合流角度は、水素ガス供給流路３０ａの入口側（又は出口側）から見て９０度より小さい。【選択図】図１
2008171705.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給流路と、
前記反応ガス供給流路に合流し、前記燃料電池から排気されたオフガスを前記反応ガス供給流路に循環させるオフガス循環流路と、
を備えた燃料電池システムであって、
前記反応ガス供給流路と前記オフガス循環流路との合流角度が９０度より小さいことを特徴とす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、
前記反応ガス供給流路と前記オフガス循環流路との合流部を取り囲む面に水分をはじくよう撥水処理が施されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料電池システムであって、
前記反応ガス供給流路と前記オフガス循環流路との合流部は、前記オフガス循環流路の開口面と対向するよう凸状の膨らみを有していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムであって、
前記凸状の膨らみの開口面は、前記オフガス循環流路の開口面に比べて面積が広いことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記反応ガス供給流路と前記オフガス循環流路との合流部を形成する管は、前記反応ガス及びオフガスを供給する管が前記反応ガス及びオフガスを排出する管よりも重力方向の上側に設置されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記反応ガス供給流路及び前記オフガス循環流路を形成する管のうち少なくとも１箇所が重力方向下側にＶ字状になっていることを特徴とす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、電気自動車などに搭載される燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車の動力源として燃料電池システムが注目されている。この燃料電池システムは、水素タンクから燃料電池の水素極に供給された水素ガスが水素イオン化する際に水素極から酸素極に移動する電子を外部回路によって直流電流として取り出すシステムである（特許文献１〜３）。
【０００３】
一般的な燃料電池システムの構成を図８に示す。図８に示す燃料電池システム１ｇは、燃料電池１０ｇと、この燃料電池１０ｇに水素ガスを供給する水素ガス供給流路３０ｇと、燃料電池１０ｇから排気されたオフガス（残留水素）を水素ガス供給流路３０ｇに循環させるオフガス循環流路５０ｇと、を備えている。
【０００４】
水素ガス供給流路３０ｇは、管３１ｇ，バルブ３３ｇ，管３５ｇ及び３７ｇを備えている。また、オフガス循環流路５０ｇは、管５１ｇ，気液分離器５２ｇ，管５３ｇ及び５４ｇ，水素循環ポンプ５５ｇ，モータ５７ｇ，管５８を備えている。
【０００５】
なお、オフガス循環流路５０ｇ（の管５８ａ）は、水素ガス供給流路３０ｇ（の管３５ａ及び３７ａ）と、合流部７０ｇにより合流している。さらに、燃料電池１０ｇは、酸素極へ酸素を供給するための管９１ｇと、酸素極からのオフガスの排気及び水の排水を行う管９３ｇと、を備えている。
【０００６】
次に、図８に示す燃料電池システム１ｇの動作について説明する。管３１ｇの入口側にある水素タンク（図示せず）から供給された水素ガスは、水素ガス供給路３０ｇを介して燃料電池１０ｇの水素極に供給される。供給された水素ガスは、前述した水素極にて水素イオン化し電子を放出する。
【０００７】
放出された電子は、酸素極に供給され、電解質膜を介して供給された水素イオンと、管９１ｇを介して供給された酸素と、に結合し、水が生成される。また、生成された水は管９３ｇを介して排水される。燃料電池システム１ｇでは、このときの水素極から酸素極に移動する電子を外部回路（図示せず）により直流電流として取り出す。
【０００８】
燃料電池１０ｇの水素極にてイオン化しなかった残留水素は、オフガス循環流路５０ｇの管５１ｇに排気される。排気された残留水素は、オフガス循環流路５０ｇを介して水素ガス供給流路３０ｇに循環する（なお、オフガス循環流路５０ｇは、モータ５７ｇにより駆動された水素循環ポンプ５５ｇによって残留水素を水素ガス供給流路３０ｇに循環する）。
【０００９】
また、燃料電池１０ｇから排気された残留水素は、燃料電池１ｇ内部の電解質膜により加湿されているため、ガス流路内等で結露が発生しないよう気液分離器５２ｇにより水分が取り除かれてから循環される（また、気液分離器５２ｇでは、水分が管５３ｇから排水され、水分が取り除かれた残留水素が管５４ｇから排気される）。
【００１０】
【特許文献１】特開２００２−７５４２１号公報
【特許文献２】特開２００５−７９００６号公報
【特許文献３】特開２００５−２４９２５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、水素タンクから供給される水素ガスは、断熱膨張効果により非常に低温な状態で供給される。一方、オフガス循環流路を介して循環される残留水素は、（気液分離器により気液分離されているものの）水分を含んでいる。
【００１２】
したがって、電気自動車に搭載された燃料電池システムでは、（外気温が低くなると特に、）水素ガス供給流路と、オフガス循環流路と、の合流部を取り囲む面に氷の塊が形成されることがある。
【００１３】
このように、水素ガス供給流路とオフガス循環流路との合流部に氷の塊が形成されてしまうと、合流部が閉塞される。また、合流部の閉塞により、ガスの流れが悪くなり燃料電池システム全体の発電効率を低下させてしまったり、合流部及びその周辺のガス流路を形成する管を圧損させてしまったりすることもある。
【００１４】
したがって、水素ガス供給流路とオフガス循環流路との合流部に氷の塊が形成されにくい燃料電池システムの実現が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給流路と、前記反応ガス供給流路に合流し、前記燃料電池から排気されたオフガスを前記反応ガス供給流路に循環させるオフガス循環流路と、を備えた燃料電池システムであって、前記反応ガス供給流路と前記オフガス循環流路との合流角度が９０度より小さいことを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の燃料電池システムでは、前記反応ガス供給流路と前記オフガス循環流路との合流部を取り囲む面に水分をはじくよう撥水処理が施されていることが望ましい。
【００１７】
また、本発明の燃料電池システムでは、前記反応ガス供給流路と前記オフガス循環流路との合流部は、前記オフガス循環流路の開口面と対向するよう凸状の膨らみを有していることが望ましい。
【００１８】
また、本発明の燃料電池システムでは、前記凸状の膨らみの開口面は、前記オフガス循環流路の開口面に比べて面積が広いことが望ましい。
【００１９】
また、本発明の燃料電池システムでは、前記反応ガス供給流路と前記オフガス循環流路との合流部を形成する管は、前記反応ガス及びオフガスを供給する管が前記反応ガス及びオフガスを排出する管よりも重力方向の上側に設置されていることが望ましい。
【００２０】
また、本発明の燃料電池システムでは、前記反応ガス供給流路及び前記オフガス循環流路を形成する管のうち少なくとも１箇所が重力方向下側にＶ字状になっていることが望ましい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、水素ガス供給流路とオフガス循環流路との合流部に氷の塊が形成されにくい燃料電池システムを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本実施形態に係る燃料電池システムについて、図面を用いて詳細に説明する。ここで、本実施形態に示す燃料電池システムは、電気自動車に搭載されているものとする。なお、従来の燃料電池システムと同じ若しくは同様の構成には同様の符号で説明する。
【００２３】
図１は、本実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す図である。図２〜７は、第１〜６の実施形態に係る燃料電池システムにおける合流部及びその周辺の管の構成を表す図である。
【００２４】
「第１の実施形態」
まず、図１に示す燃料電池システム１ａの構成について説明する。図１に示す燃料電池システム１ａは、従来の燃料電池システムと同様に、燃料電池１０ａと、この燃料電池１０ａに水素ガスを供給する水素ガス供給流路３０ａと、燃料電池１０ａから排気されたガスを水素ガス供給流路３０ａに循環させるオフガス循環流路５０ａと、を備えている。
【００２５】
図１に示す燃料電池システム１ａが従来の燃料電池システムと異なる点は、水素ガス供給流路３０ａとオフガス循環流路５０ａとの合流角度θｊが水素ガス供給流路３０ａの入口側から見て９０度よりも小さい、という点である（なお、後述するように、この合流角度θｊは、水素ガス供給流路３０ａの出口側から見て９０度よりも小さい、という構成にしてもよい）。
【００２６】
図２に合流部７０ａを拡大した構成図を示す。図２に示す合流部７０ａは、前述したように、水素ガス供給流路３０ａの管３５ａ及び３７ａとオフガス循環流路５０ａの管５８ａとの合流角度θｊが水素ガス供給流路３０ａの入口側から見て９０度よりも小さい、という構成になっている。
【００２７】
このため、図２に示す合流部７０ａでは、オフガス循環流路５０ａを形成する管５８の開口面から供給された水素ガスがそれに対向する水素ガス供給流路３０ａを取り囲む面に到達するまでの距離が従来の燃料電池システムにおける合流部に比べて長くなる。
【００２８】
前述したように、合流部７０ａには、オフガス循環流路５０ａから（水分を含む）残留水素が供給されている。図２に示す合流部７０ａでは、管５８の開口面から供給された残留水素に含まれる水分が、それに対向する水素ガス供給流路３０ａを取り囲む面に到達するまでにその距離が長い分だけ分散しやすくなる。このため、図２に示す合流部７０ａは、従来の燃料電池システムにおける合流部よりも結露による水分が溜まりにくくなり氷の塊も形成されにくくなる。
【００２９】
このように、本実施形態に係る燃料電池システムは、従来の燃料電池システムに比べて、その合流部に氷の塊が形成されにくく、合流部が閉塞されることを抑制することができる。
【００３０】
なお、水素ガス供給流路とオフガス循環流路との合流角度は、水素ガス供給流路の入口側（又は出口側）から見て９０度よりも小さければ何度でもよく、オフガスとして排気された残留水素に含まれる水分や水素タンクから供給された水素ガスの温度等に合わせて設計するのが望ましい。
【００３１】
また、本実施形態では、電気自動車に搭載された場合について説明したが、他の低温環境に置かれる負荷であれば何でもよく、例えば、ハイブリッド自動車等に搭載されていてもよいし、（携帯電話やＰＤＡといった）携帯端末等に搭載されていてもよい。
【００３２】
「第２の実施形態」
次に、第２の実施形態に係る燃料電池システムを説明する。なお、前述の実施形態と同じ若しくは同様の構成には同様の符号で説明する。図３は、第２の燃料電池システムにおける水素ガス供給流路とオフガス循環流路との合流部７０ｂの構成を示す図である。
【００３３】
本実施形態における合流部７０ｂが前述した合流部と異なる点は、合流部７０ｂを取り囲む面に水分をはじくよう撥水処理が施されている、という点である。このような撥水処理により、合流部７０ｂには、保護膜７１ｂ、７３ｂ、７５ｂが形成されている。
【００３４】
これにより、オフガス供給路の管７５ａを介して供給された残留水素に含まれる水分は、合流部７０ｂに生成された保護膜７１ｂ、７３ｂ、７５ｂによりはじかれる。したがって、本実施形態に示す合流部７０ｂは、第１の実施形態に示した合流部７０ａよりも氷の塊が形成されにくくなりガス流路が閉塞されることをより抑制することができる。なお、撥水処理としては、フッ素系の撥水材によるコーティングなどがあるが、他の撥水材によるコーティングであってもよい。
【００３５】
「第３の実施形態」
次に、第３の実施形態に係る燃料電池システムを説明する。なお、前述の実施形態と同じ若しくは同様の構成には同様の符号で説明する。図４は、第３の燃料電池システムにおける水素ガス供給流路とオフガス循環流路との合流部７０ｃの構成を示す図である。
【００３６】
本実施形態における合流部７０ｃが前述した合流部と異なる点は、合流部７０ｃが、オフガス循環流路の管７５ｃの開口面と対向するよう凸状の膨らみを有している、という点である。
【００３７】
これにより、非常に低温な環境下において、オフガス循環流路の管７５ｃから供給された残留水素に含まれる水分をはじきれずに氷の塊が形成されたとしても、その氷の塊が凸状の膨らみ内で形成されるため、ガス流路の閉塞を抑制することができる。
【００３８】
「第４の実施形態」
次に、第４の実施形態に係る燃料電池システムを説明する。なお、前述の実施形態と同じ若しくは同様の構成には同様の符号で説明する。図５は、第４の燃料電池システムにおける水素ガス供給流路とオフガス循環流路との合流部７０ｄの構成を示す図である。
【００３９】
本実施形態における合流部７０ｄが前述した合流部と異なる点は、前述した凸状の膨らみの開口面が、オフガス循環流路の管７５ｄの開口面に比べて面積が広い、という点である。
【００４０】
これにより、前述したような非常に低温下において、循環流路の管７５ｃから供給された水素ガスに含まれる水分をはじきれずに氷の塊が凸状の膨らみ内で形成されたとしても、形成される氷をより広い範囲に分布させることができ、ガス流路の閉塞をさらに抑制することができる。
【００４１】
なお、凸状の膨らみを重力方向上側に設置した場合は、その膨らみのすそに対向する面に結露による水滴を溜める溜め池を設けてもよい。このような溜め池に溜まった水は、燃料電池システムの起動時のガスの流動により、より下流に吹き飛ばすことができる。
【００４２】
「第５の実施形態」
次に、第５の実施形態に係る燃料電池システムを説明する。なお、前述の実施形態と同じ若しくは同様の構成には同様の符号で説明する。図６は、第５の燃料電池システムにおける水素ガス供給流路とオフガス循環流路との合流部７０ｅの構成を示す図である。
【００４３】
本実施形態における合流部７０ｅが前述した合流部と異なる点は、水素ガス供給流路とオフガス循環流路との合流部７０ｅを形成する管のうち水素ガス及び残留水素を供給する管３５ｅ，５８ｅが、水素ガス及び残留水素を排出する管３７ｅよりも重力方向の上側に設置されている、という点である。
【００４４】
これにより、本実施形態に係る燃料電池システムは、合流部における結露による水滴が下流に流れやすく、前述したような合流部に氷の塊が形成されることによる閉塞をより抑制することができる。
【００４５】
「第６の実施形態」
次に、第６の実施形態に係る燃料電池システムを説明する。図７は、第６の燃料電池システムにおける水素ガス供給流路及びオフガス循環流路を形成する管のうちの管３７ｆである。本実施形態における管３７ｆは、重力方向下側にＶ字状になっている。これにより、本実施形態における管３７ｆは、管内にて結露した水滴を溜めることにより、前述した合流部に氷の塊が形成されることを抑制することができる。なお、このようなＶ字状の管は、管３７ｆだけでなく、より結露を起こし易い部位に適宜設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】第１の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す構成図である。
【図２】第１の実施形態に係る燃料電池システムの水素ガス供給流路とオフガス循環流路との合流部の構成を示す構成図である。
【図３】第２の実施形態に係る燃料電池システムの水素ガス供給流路とオフガス循環流路との合流部の構成を示す構成図である。
【図４】第３の実施形態に係る燃料電池システムの水素ガス供給流路とオフガス循環流路との合流部の構成を示す構成図である。
【図５】第４の実施形態に係る燃料電池システムの水素ガス供給流路とオフガス循環流路との合流部の構成を示す構成図である。
【図６】第５の実施形態に係る燃料電池システムの水素ガス供給流路とオフガス循環流路との合流部の構成を示す構成図である。
【図７】第６の実施形態に係る燃料電池システムの水素ガス供給流路とオフガス循環流路との合流部の構成を示す構成図である。
【図８】従来の燃料電池システムの構成を示す構成図である。
【符号の説明】
【００４７】
１ａ  燃料電池システム、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｇ  燃料電池、３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｇ  水素ガス供給流路、５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄ，５０ｇ  オフガス循環流路、５２ａ，５２ｇ  気液分離器、５５ａ，５５ｇ  水素循環ポンプ、５７ａ，５７ｇ  水素循環モータ。
【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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【図７】
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【図８】
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