(57)【要約】【課題】燃料ガス循環系に残存する水が燃料ガス供給系を腐食することを抑制し、かつ、燃料電池システムの高さが高くなることを抑制する技術を提供する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応を行う燃料電池セルを積層する燃料電池スタックと、前記燃料ガスの供給源から前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給系と、前記燃料電池スタックから排出された前記燃料ガスを前記燃料電池スタックへ再び供給する燃料ガス循環系と、を備え、前記燃料ガス供給系の一部であって、前記燃料ガス供給系と前記燃料ガス循環系との合流地点と、前記供給源とをつなぐ配管部材は、前記供給源からの前記燃料ガスの供給方向と前記合流地点への前記燃料ガスの流通方向とが逆向きとなるように湾曲する湾曲部を備える。【選択図】図３
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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、
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応を行う燃料電池セルを積層する燃料電池スタックと、
前記燃料ガスの供給源から前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給系と、
前記燃料ガス供給系の一部であって、前記燃料電池スタックから排出された前記燃料ガスを前記燃料電池スタックへ再び供給する燃料ガス循環系と、を備え、
前記燃料ガス供給系と前記燃料ガス循環系との合流地点と、前記供給源とをつなぐ配管部材は、前記供給源からの前記燃料ガスの供給方向と前記合流地点への前記燃料ガスの流通方向とが逆向きとなるように湾曲する湾曲部を備える、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、
さらに、前記燃料電池スタックの運転に使用される複数の補機を備え、
前記燃料電池セルの積層方向において、前記複数の補機は、前記燃料電池スタックと前記湾曲部との間に設けられている、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記複数の補機は、前記燃料ガス循環系において前記燃料ガスを循環させる燃料ガスポンプを含み、
前記燃料電池セルの積層方向において、前記燃料ガスポンプは、前記配管部材の少なくとも一部と重なる位置に設けられている、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、
前記燃料電池セルの積層方向において、前記燃料ガスポンプの少なくとも一部が、前記複数の補機の中で、最も前記燃料電池スタックと離れた位置に配されている、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】
従来より、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応を行う燃料電池が知られている。また、燃料電池システムにおいて、燃料ガスの供給源から燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給系に加えて、燃料電池の燃費向上のため、燃料電池から排出された燃料ガスを燃料電池へ再び供給する燃料循環系を備える技術が知られている（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２００９−２９８１９６号公報
【特許文献２】特開２００８−１７７１００号公報
【特許文献３】特開２００９−２５９５９３号公報
【特許文献４】特開２０１４−０４０７５２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、燃料ガス循環系に存在する水が燃料ガス供給系に流れ込むことにより、燃料ガス供給系の部品の腐食や凍結による機能不全などが起こる虞があった。特に、燃料電池システムが停止している状態において、燃料ガス循環系と燃料ガス供給系とにおいて燃料ガスは流れていないため、燃料ガス供給系の部品の腐食などが起こる虞があった。
【０００５】
ここで、燃料ガス循環系と燃料ガス供給系との合流地点に対して、燃料ガス供給系の上流を合流地点よりも高くすることによって、水が燃料ガス供給系に流れ込むことを防止する方法が考えられるが、この方法を採用した場合、燃料電池システムの高さが高くなるという課題があった。特に、燃料電池を車両の床下に搭載する場合には、高さの制限が厳しいため、搭載スペースの確保が困難となる場合がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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。
【０００７】
（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、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応を行う燃料電池セルを積層する燃料電池スタックと、前記燃料ガスの供給源から前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給系と、前記燃料電池スタックから排出された前記燃料ガスを前記燃料電池スタックへ再び供給する燃料ガス循環系と、を備え、前記燃料ガス供給系の一部であって、前記燃料ガス供給系と前記燃料ガス循環系との合流地点と、前記供給源とをつなぐ配管部材は、前記供給源からの前記燃料ガスの供給方向と前記合流地点への前記燃料ガスの流通方向とが逆向きとなるように湾曲する湾曲部を備える。この形態によれば、湾曲部を設けることにより、燃料ガス循環系に残存する水が燃料ガス供給系に流れ込むことを抑制し、燃料ガス供給系部品の腐食を抑制できる。また、湾曲部は、供給源からの燃料ガスの供給方向と合流地点への燃料ガスの流通方向とが逆向きとなるように湾曲しているため、燃料電池システムの高さが高くなることを抑制できる。
【０００８】
（２）上記形態の燃料電池システムは、さらに、前記燃料電池スタックの運転に使用される複数の補機を備え、前記燃料電池セルの積層方向において、前記複数の補機は、前記燃料電池スタックと前記湾曲部との間に設けられているとしてもよい。この形態によれば、湾曲部と燃料電池との空間を有効に利用できる。
【０００９】
（３）上記形態の燃料電池システムは、前記複数の補機は、前記燃料ガス循環系において前記燃料ガスを循環させる燃料ガスポンプを含み、前記燃料電池セルの積層方向において、前記燃料ガスポンプは、前記配管部材の少なくとも一部と重なる位置に設けられているとしてもよい。この形態によれば、燃料電池セルの積層方向であって燃料電池スタックに向かう方向から、隣接する他の部材が配管部材へ衝突してきた場合、配管部材が完全に分断される前に、隣接する他の部材は燃料ガスポンプと衝突する。このため、配管が分断される虞を低減できる。
【００１０】
（４）上記形態の燃料電池システムは、前記燃料電池セルの積層方向において、前記燃料ガスポンプの少なくとも一部が、前記複数の補機の中で、最も前記燃料電池スタックと離れた位置に配されているとしてもよい。この形態によれば、燃料電池セルの積層方向であって燃料電池スタックに向かう方向から、隣接する他の部材が燃料電池システムへ衝突してきた場合、燃料ガスポンプが他の補機よりも先に衝突する。このため、燃料ガスポンプ以外の補機を守ることができる。
【００１１】
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、燃料電池ケースの製造方法や、製造方法を実現するための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】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に用いる燃料電池システム１０の分解斜視図。
【図２】複数の補機２００や配管部材３００などがマニホールド１３０に接続された状態を示す模式図。
【図３】車両上方（Ｙ軸正方向）から配管部材３００を見た模式図。
【図４】車両右方（Ｚ軸正方向）から配管部材３００を見た模式図。
【図５】配管部材３００を車両左方（Ｘ軸負方向）から見た模式図。
【図６】配管部材３００を車両右方（Ｘ軸正方向）から見た模式図。
【図７】変形例１における配管部材を説明するための模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
Ａ．実施形態：
図１は、本発明の一実施形態に用いる燃料電池システム１０の分解斜視図である。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１００と、スタックカバー１１０と、集電板１２０と、マニホールド１３０と、複数の補機２００と、配管部材３００と、補機カバー４００とを備える。
【００１４】
燃料電池システム１０は、車両に搭載されている。本実施形態において、燃料電池システム１０は、運転者を収容する車室の下に設けられている。図１において、Ｘ軸正方向は車両前方を示し、Ｙ軸正方向は車両上方を示し、Ｚ軸正方向は車両右方を示す。ＸＹＺ軸は、図１以降の図においても同じである。
【００１５】
燃料電池スタック１００は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応を行なう燃料電池セルを積層している。本実施形態において、燃料電池セルの積層方向は、車両左右方向（Ｚ軸方向）である。本実施形態において、燃料ガスとして水素ガスを用い、酸化剤ガスとして酸素ガスを用いる。
【００１６】
スタックカバー１１０は、燃料電池スタック１００を覆うカバーである。集電板１２０は、燃料電池の各セルで生じた電力を集める集電板であり、燃料電池スタック１００の車両右方（Ｚ軸正方向）に設けられている。
【００１７】
マニホールド１３０は、燃料ガスと、酸化剤ガスと、燃料電池スタックを冷却する冷却水との流路を形成している。また、マニホールド１３０は、スタックカバー１１０内の絶縁性を確保する機能や、燃料電池セル同士を圧縮する機能を備える。マニホールド１３０は、集電板１２０の車両右方（Ｚ軸正方向）に設けられている。マニホールド１３０の車両右方（Ｚ軸正方向）側の面には、複数の孔及び開口部が設けられている。
【００１８】
複数の補機２００は、燃料電池スタック１００の運転に使用される補機であり、補機カバー４００により覆われている。複数の補機２００は、インジェクタ２１０と、分配用配管２２０と、圧力センサ２３０と、リリーフ弁２４０と、燃料ガスポンプ２５０と、気液分離器２６０と、パージ弁２７０と、ワイヤーハーネス２８０と、を含む。
【００１９】
複数のインジェクタ２１０（２１０Ａ，２１０Ｂ，２１０Ｃ）は、それぞれ並列に、一端をマニホールド１３０の対応する孔に接続されており、多端を分配用配管２２０に接続されている。分配用配管２２０についても、一端をマニホールド１３０の対応する孔に接続されており、他端を複数のインジェクタ２１０に接続されている。圧力センサ２３０とリリーフ弁２４０については、インジェクタ２１０の近傍に設けられており、マニホールド１３０の対応する孔と接続されている。燃料ガスポンプ２５０は、マニホールド１３０と接続されており、燃料ガスを循環させる。ワイヤーハーネス２８０は、燃料ガスポンプ２５０へ電力を供給する電線を備える。気液分離器２６０は、マニホールド１３０と接続されており、燃料電池スタック１００を循環した燃料ガスから水を取り除く機能を備える。パージ弁２７０は、気液分離器２６０に接続されており、気液分離器２６０により取り除かれた水を排出する機能を備える。
【００２０】
燃料ガスの流れについて、以下に説明する。図示しない燃料ガスの供給源から供給された燃料ガスは、レギュレータ及び配管を介して、マニホールド１３０に供給される。マニホールド１３０内に流入した高圧の燃料ガスは、分配用配管２２０を通った後、マニホールド１３０に並列に接続されたインジェクタ２１０を通ることによって、減圧される。インジェクタ２１０により減圧された燃料ガスは、圧力センサ２３０により圧力が計測される。なお、インジェクタ２１０による減圧が不十分であった場合、燃料ガスはリリーフ弁２４０より排出される。
【００２１】
インジェクタ２１０により排出された低圧の燃料ガスは、マニホールド１３０内に形成された流路を通り、マニホールド１３０と接続された配管部材３００を通って、燃料ガスポンプ２５０に供給される。燃料ガスポンプ２５０に供給された燃料ガスは、マニホールド１３０を通って、燃料電池スタック１００に供給される。燃料電池スタック１００を通った燃料ガスは、気液分離器２６０を通過することにより水分を分離された後、燃料ガスポンプ２５０に再び供給される。なお、水分及び不純物を含む燃料ガスは、気液分離器２６０に設けられたパージ弁２７０を介して排気管に排出される。
【００２２】
本明細書において、燃料ガスの供給源から燃料電池スタック１００に燃料ガスを供給する系を燃料ガス供給系と呼び、燃料電池スタック１００から排出された燃料ガスを燃料電池スタックへ再び供給する系を燃料ガス循環系と呼ぶ。燃料ガス供給系の部品としては、インジェクタ２１０、分配用配管２２０、圧力センサ２３０、リリーフ弁２４０、配管部材３００が挙げられる。つまり、配管部材３００は、燃料ガス供給系の一部である。燃料ガス循環系の部品としては、燃料ガスポンプ２５０、気液分離器２６０、パージ弁２７０が挙げられる。燃料ガス供給系と燃料ガス循環系との合流地点は、燃料ガスポンプ２５０内に存在する。
【００２３】
図２は、複数の補機２００や配管部材３００などがマニホールド１３０に接続された状態を示す模式図である。図２においては、複数の補機２００と配管部材３００に加え、酸化剤ガスの配管や冷却水の配管も図示している。
【００２４】
図２からもわかるように、配管部材３００は、供給源からの燃料ガスの供給方向と、合流地点への燃料ガスの流通方向とが逆向きとなるように湾曲する湾曲部３１０（３１０ａ、３１０ｂ）を備える。供給源からの燃料ガスの供給方向と、合流地点への燃料ガスの流通方向とが逆向きとなるとは、供給方向に対して流通方向が１８０°異なる場合から供給方向に対して流通方向が２７０°異なる場合を含む。
【００２５】
図３は、車両上方（Ｙ軸正方向）から配管部材３００を見た模式図を示す。燃料ガス供給系と燃料ガス循環系との合流地点を、地点Ｐとし、燃料ガスが流れる方向を方向Ｄとする。この図から、配管部材３００は湾曲部３１０を設けることにより、燃料ガス循環系に残存する水が燃料ガス供給系に流れ込むことを抑制し、燃料ガス供給系部品の腐食を抑制できることがわかる。特に、燃料電池システムが停止しているとき、換言すると、燃料ガスが流れていないときにおいて、顕著である。その理由を以下に説明する。
【００２６】
地点Ｐに水が存在すると仮定する。燃料電池システム１０を搭載する車両が右方に対して左方が上がっている場所に停止されている場合、地点Ｐに存在する水は、湾曲部３１０ｂまで移動するがそれよりも方向Ｄの上流側までは移動しない。また、燃料電池システム１０を搭載する車両が水平な場所もしくは前方または後方のどちらか一方が上がるように傾いている場所に停止されている場合、地点Ｐに存在する水は、移動しにくい。そして、燃料電池システム１０を搭載する車両が右方に対して左方が上がっている場所に停止されている場合、地点Ｐに存在する水は、方向Ｄの下流側に移動する。以上のように、配管部材３００に湾曲部３１０を設けることにより、地点Ｐより燃料ガス供給系の上流に移動することを抑制することができる。この結果、燃料ガス循環系に残存する水が燃料ガス供給系を腐食することを抑制できる。燃料電池システム１０が氷点下となるような場合、センサなどに付着した水が凍結することにより、センサなどの機能の不具合が生じる。しかし、センサなどは地点Ｐより燃料ガス供給系の上流に設けられており、湾曲部３１０を設けることにより、このようなことについても抑制できる。
【００２７】
また、図３からわかるように、燃料電池セルの積層方向（Ｚ軸方向）において、複数の補機２００は、燃料電池スタック１００と配管部材３００の湾曲部３１０との間に設けられている。このようにすることにより、燃料電池スタック１００と湾曲部３１０との空間を有効に利用できる。
【００２８】
図４は、車両右方（Ｚ軸正方向）から配管部材３００を見た模式図を示す。配管部材３００は、略水平面において湾曲しているのがわかる。このため、燃料電池システム１０の高さが高くならずに、燃料ガス循環系に残存する水が燃料ガス供給系を腐食することを抑制できることがわかる。本明細書において、「略水平面」とは、水平面に対して傾きが±１５°以内である面をいう。
【００２９】
図５は、配管部材３００を車両左方（Ｘ軸負方向）から見た模式図である。図５からわかるように、燃料電池セルの積層方向（Ｚ軸方向）において、燃料ガスポンプ２５０は、配管部材３００の少なくとも一部と重なる位置に設けられている。なお、燃料ガスポンプ２５０は、高電力を必要とするため、他の補機と比べて強度を高く設定されている。このようにすることにより、車両右方（Ｚ軸正方向）から、隣接する他の部材が配管部材３００へ衝突してきた場合、配管部材３００が完全に分断される前に、隣接する他の部材は燃料ガスポンプ２５０と衝突する。このため、配管部材３００が分断される虞を抑制できる。
【００３０】
なお、本実施形態において、燃料ガスポンプ２５０のうち、最も燃料電池スタック１００と離れた位置には、端子部が配されている。端子部は、燃料ガスポンプ２５０の他部品よりも強度を高く設定されている。
【００３１】
図３に示すとおり、配管部材３００は、部材３００ａと、部材３００ｂと部材３００ｃとから構成されている。部材３００ｂは弾性体により形成されており、部材３００ａおよび部材３００ｃは金属により形成されている。このため、車両右方（Ｚ軸正方向）から、隣接する他の部材が配管部材３００へ衝突してきた場合、部材３００ｂが弾性変形することによって、配管部材３００が分断される虞をより抑制できる。
【００３２】
また、図５からわかるように、燃料電池セルの積層方向（Ｚ軸方向）において、燃料ガスポンプ２５０の少なくとも一部が、複数の補機の中で、最も燃料電池スタック１００と離れた位置に配されている。燃料電池セルの積層方向（Ｚ軸方向）において、燃料電池スタック１００と燃料ガスポンプ２５０の端子部との間には、インジェクタ２１０、分配用配管２２０、圧力センサ２３０、及びリリーフ弁２４０が配されている。
【００３３】
図６は、配管部材３００を車両右方（Ｘ軸正方向）から見た模式図である。図６からわかるように、燃料電池セルの積層方向（Ｚ軸方向）において、燃料電池スタック１００と燃料ガスポンプ２５０の端子部との間には、気液分離器２６０およびパージ弁２７０が配されている。
【００３４】
このようにすることにより、車両右方（Ｚ軸正方向）から、隣接する他の部材が複数の補機２００へ衝突してきた場合、燃料ガスポンプ２５０が他の補機よりも先に衝突する。このため、燃料ガスポンプ２５０よりも強度が弱い補機を守ることができる。
【００３５】
Ｂ．変形例：
Ｂ１．変形例１：
本実施形態において、配管部材３００の湾曲部３１０ａと湾曲部３１０ｂとの間はまっすぐである。しかし、本発明はこれに限られない。
【００３６】
図７は、変形例１における配管部材を説明するための模式図である。配管部材として、湾曲部３１０ａと湾曲部３１０ｂとの間を線Ｗのように曲げてもよい。曲げた場合の高さを、燃料電池スタック１００の高さよりも小さくすることにより、燃料電池システム１０の高さが高くなることを抑制できる。
【００３７】
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、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】
【００３８】
１０…燃料電池システム
１００…燃料電池スタック
１１０…スタックカバー
１２０…集電板
１３０…マニホールド
２００…補機
２１０…インジェクタ
２２０…分配用配管
２３０…圧力センサ
２４０…リリーフ弁
２５０…燃料ガスポンプ
２６０…気液分離器
２７０…パージ弁
２８０…ワイヤーハーネス
３００…配管部材
３００ａ…部材
３００ｂ…部材
３００ｃ…部材
３１０…湾曲部
３１０ａ…湾曲部
３１０ｂ…湾曲部
４００…補機カバー
Ｐ…地点
Ｄ…方向
【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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