(57)【要約】【課題】アノード極側から送出される水蒸気による燃料ガスインジェクタの腐食を抑制する。【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により電力を発生する燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック内に形成された燃料ガス通路３０の入口に連結された燃料ガス供給管３１と、燃料ガス供給管内に配置され、燃料電池スタックへ燃料ガスを供給する燃料ガスインジェクタ３５と、燃料ガスインジェクタの下流側の燃料ガス供給管である下流側燃料ガス供給管３１ａの内部に配置された多孔質部材７０と、を備えている。【選択図】図２
2016110697.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタック内に形成された燃料ガス通路の入口に連結された燃料ガス供給管と、
前記燃料ガス供給管内に配置され、前記燃料電池スタックへ燃料ガスを供給する燃料ガスインジェクタと、
前記燃料ガスインジェクタの下流側の前記燃料ガス供給管である下流側燃料ガス供給管の内部に配置された多孔質部材と、
を備える、
燃料電池システム。
【請求項２】
前記多孔質部材は、前記燃料ガス供給管の内壁に沿って円筒状に形成される、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記多孔質部材は、前記多孔質部材の下流端が前記燃料ガス通路の入口に隣接して配置され、前記多孔質部材の上流端が前記燃料ガスインジェクタから離間して配置される、
請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記多孔質部材の上流側の部分を前記燃料ガス供給管の外部から冷却媒体で冷却する冷却構造を更に備える、
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池スタック内に形成された冷却水通路の入口に連結された冷却水供給管と、
前記燃料電池スタック内に形成された冷却水通路の出口に連結された冷却水排出管と、
前記冷却水供給管内又は前記冷却水排出管内に配置された冷却水ポンプと、
前記冷却水供給管と前記冷却水排出管との間に配置されたラジエータと、
を更に備え、
前記冷却媒体は、前記冷却水供給管内の冷却水である、
請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池スタック内に形成された冷却水通路の入口に連結された冷却水供給管と、
前記燃料電池スタック内に形成された冷却水通路の出口に連結された冷却水排出管と、
前記冷却水供給管内又は前記冷却水排出管内に配置された冷却水ポンプと、
前記冷却水供給管と前記冷却水排出管との間に配置されたラジエータと、
前記ラジエータに空気を吹き付けるクーリングファンと、
を更に備え、
前記冷却媒体は、前記クーリングファンから吹き付けられる空気である、
請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記多孔質部材の下流側の部分を前記燃料ガス供給管の外部から熱媒体で加熱する加熱構造を更に備える、
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池スタック内に形成された酸化剤ガス通路の入口に連結された酸化剤ガス供給管と、
前記酸化剤ガス供給管内に配置され、前記酸化剤ガス供給管へ酸化剤ガスを圧送するコンプレッサと、
を更に備え、
前記熱媒体は、前記コンプレッサよりも下流側の前記酸化剤ガス供給管内の酸化剤ガスである、
請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池スタック内に形成された冷却水通路の入口に連結された冷却水供給管と、
前記燃料電池スタック内に形成された冷却水通路の出口に連結された冷却水排出管と、
前記冷却水供給管内又は前記冷却水排出管内に配置された冷却水ポンプと、
前記冷却水供給管と前記冷却水排出管との間に配置されたラジエータと、
を更に備え、
前記熱媒体は、前記冷却水排出管の冷却水である、
請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記下流側燃料ガス供給管は、上流側の部分の高さ位置が下流側の部分の高さ位置よりも高くなるように形成される
請求項１乃至９のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【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】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、燃料電池スタック内に形成された燃料ガス通路の入口に連結された燃料ガス供給管と、燃料ガス供給管内に配置され、燃料電池スタックへ燃料ガスを供給する燃料ガスインジェクタと、を備える燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
燃料電池システムでは、燃料電池スタックの運転中に生成する生成水がカソード極側からだけでなくアノード極側からも水蒸気として排出される。そのような水蒸気は、燃料ガス通路の出口から排出され、燃料ガス通路の出口に連結されたアノードオフガス管へ流れ込む。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３１７５９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、燃料電池システムでは、アノード極側から排出される水蒸気は燃料ガス通路の出口から排出されるだけでなく入口からも拡散により流出し得る。特に、燃料ガスインジェクタから燃料ガスが供給されていないときには、燃料ガスの流れがほとんどない。そのため、燃料ガス通路の入口から流出した水蒸気は燃料ガス供給管内を拡散して、燃料ガスインジェクタに達することがあり、燃料ガスインジェクタを腐食させるおそれがある。アノード極側から流出する水蒸気による燃料ガスインジェクタの腐食を抑制することが可能な技術が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によれば、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタック内に形成された燃料ガス通路の入口に連結された燃料ガス供給管と、前記燃料ガス供給管内に配置され、前記燃料電池スタックへ燃料ガスを供給する燃料ガスインジェクタと、前記燃料ガスインジェクタの下流側の前記燃料ガス供給管である下流側燃料ガス供給管の内部に配置された多孔質部材と、を備える、燃料電池システムが提供される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明により、アノード極側から流出する水蒸気による燃料ガスインジェクタの腐食を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施例の燃料電池システムの構成例を示す概略図である。
【図２】燃料ガス供給管付近の構成例を示す概略図である。
【図３】多孔質部材と水分との関係を説明する概略図である。
【図４】燃料ガス供給管付近の構成例を示す概略図である。
【図５】別の実施例の燃料電池システムの構成例を示す概略図である。
【図６】燃料ガス供給管付近の構成例を示す概略図である。
【図７】更に別の実施例の燃料電池システムの構成例を示す概略図である。
【図８】更に別の実施例の燃料電池システムの構成例を示す概略図である。
【図９】燃料ガス供給管付近の構成例を示す概略図である。
【図１０】更に別の実施例の燃料電池システムの構成例を示す概略図である。
【図１１】更に他の実施例の燃料ガス供給管付近の構成例を示す概略図である。
【図１２】更に他の実施例の燃料ガス供給管付近の構成例を示す概略図である。
【図１３】多孔質部材と水分との関係を説明する概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施例の燃料電池システムＡについて説明する。図１は、実施例の燃料電池システムＡの構成例を示す概略図である。燃料電池システムＡは燃料電池スタック１０を備える。燃料電池スタック１０は複数の燃料電池単セルが積層方向に互いに積層された積層体を備える。各燃料電池単セルは膜電極接合体２０を含む。膜電極接合体２０は膜状の電解質と、電解質の一側に形成されたアノード極と、電解質の他側に形成されたカソード極とを備える。
【００１０】
燃料電池単セルのアノード極は一側に隣接する他の燃料電池単セルのカソード極に、カソード極は他側に隣接する更に他の燃料電池単セルのアノード極にそれぞれ電気的に接続される。燃料電池単セルの積層体の一方の端のアノード極と他方の端のカソード極とは燃料電池スタック１０の電極を構成する。燃料電池スタック１０の電極は、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータを介してインバータに電気的に接続され、インバータは車両等のモータジェネレータに電気的に接続される。また、別の実施例では、燃料電池システムＡは、バッテリのような蓄電器を備える。これらの電気的な構成については、図示を省略している。
【００１１】
また、燃料電池単セル内には、アノード極に燃料ガスである水素ガスを供給するための水素ガス流通路と、カソード極に酸化剤ガスである空気を供給する空気流通路と、燃料電池単セルに冷却水を供給するための冷却水流通路とがそれぞれ形成される。複数の燃料電池単セルの水素ガス流通路が並列接続され、複数の燃料電池単セルの空気流通路が並列接続され、複数の燃料電池単セルの冷却水流通路が並列接続されることにより、燃料電池スタック１０には燃料ガス通路３０、酸化剤ガス通路４０及び冷却水通路５０がそれぞれ形成される。
【００１２】
燃料ガス通路３０の入口である燃料ガス供給口には燃料ガス供給管３１が連結され、燃料ガス供給管３１は燃料ガス源である水素タンク３２に連結される。燃料ガス供給管３１内には上流側から順に、遮断弁３３と、燃料ガス供給管３１内の水素ガスの圧力を調整するレギュレータ３４と、水素ガスを噴射する燃料ガスインジェクタ３５と、が配置される。図１に示される実施例では、燃料ガスインジェクタ３５は、ニードル弁を備え、水素ガスを間欠的に噴射する。一方、燃料ガス通路３０の出口である燃料ガス排出口には、燃料ガス通路３０から流出するガス、すなわちアノードオフガスが流通するアノードオフガス管３６が連結される。アノードオフガス管３６の上流側の上流側アノードオフガス管３６ａ内にはアノードオフガスを一時的に貯蔵するバッファタンク３７が配置され、アノードオフガス管３６の下流側の下流側アノードオフガス管３６ｂ内にはアノードオフガスの排気を制御する排気制御弁３８が配置される。遮断弁３３が開弁され、燃料ガスインジェクタ３５が開弁されると、水素タンク３２内の水素ガスが、レギュレータ３４で調圧され、燃料ガスインジェクタ３５で流量を調節されて、燃料ガス供給管３１を介して燃料電池スタック１０内の燃料ガス通路３０内に供給される。したがって、水素タンク３２、レギュレータ３４及び燃料ガスインジェクタ３５は燃料電池スタック１０へ水素ガス（燃料ガス）を供給する燃料ガス供給装置と見ることができる。一方、遮断弁３３が閉弁されるか、又は、燃料ガスインジェクタ３５が閉弁されると、燃料ガス供給管３１への水素ガスの供給が停止される。図示しない別の実施例では、上流側アノードオフガス管３６ａが省略され、燃料ガス排出口にはバッファタンク３７が直接連結される。この場合、バッファタンク３７は上流側アノードオフガス管３６ａと見ることができる。図示しない更に別の実施例では、アノードオフガス管３６内のバッファタンク３７が省略される。
【００１３】
図１に示される実施例では、燃料ガス供給管３１の圧力が例えば燃料電池システムＡの負荷に応じて定まる目標圧力に維持されるように燃料ガス供給管３１に水素ガスが供給される。言い換えると、排気制御弁３８が閉弁されているときには、燃料電池スタック１０で消費された分の水素ガスが補充されるように燃料ガス供給管３１に水素ガスが供給される。
【００１４】
これに対し、例えば、排気制御弁３８が開弁されると、燃料電池スタック１０の燃料ガス通路３０及びバッファタンク３７が、燃料ガス供給管３１に供給される水素ガスによって掃気される。このとき燃料ガス通路３０及びバッファタンク３７から流出するアノードオフガス、すなわちパージガスは排気制御弁３８から排出される。
【００１５】
このように、図１に示される実施例の燃料電池システムＡは、燃料ガス通路３０の出口である燃料ガス排出口と燃料ガス供給管３１とが分離され、水素ガスを含むアノードオフガスが燃料ガス供給管３１へ循環しないシステム、すなわち燃料ガス非循環式の燃料電池システムということができる。
【００１６】
また、酸化剤ガス通路４０の入口には酸化剤ガス供給管４１が連結され、酸化剤ガス供給管４１は空気源である大気４２に連結される。酸化剤ガス供給管４１内には上流側から順に、エアクリーナ４３と、空気を圧送する空気供給器ないしコンプレッサ４４と、コンプレッサ４４から燃料電池スタック１０に送られる空気を冷却するためのインタークーラ４５と、が配置される。一方、酸化剤ガス通路４０の出口にはカソードオフガス管４６が連結される。カソードオフガス管４６内にはカソードオフガス管４６内を流れるカソードオフガスの量又は燃料電池スタック１０の酸化剤ガス通路４０内の圧力を制御するカソードオフガス制御弁４７が配置される。更に、インタークーラ４５下流の酸化剤ガス供給管４１に酸化剤ガスバイパス管４９の入口が連結され、酸化剤ガスバイパス管４９の出口がカソードオフガス制御弁４７下流のカソードオフガス管４６に連結される。酸化剤ガスバイパス管４９内には、酸化剤ガスバイパス制御弁４８が配置される。酸化剤ガスバイパス制御弁４８は、燃料電池スタック１０を迂回して酸化剤ガス供給管４１からカソードオフガス管４６へ流れる空気の流量を制御する。図１に示される燃料電池システムＡでは酸化剤ガスバイパス制御弁４８は三方弁から形成される。コンプレッサ４４が駆動され、酸化剤ガスバイパス制御弁４８が、酸化剤ガスバイパス制御弁４８よりも上流側の酸化剤ガス供給管４１に、酸化剤ガスバイパス制御弁４８よりも下流側の酸化剤ガス供給管４１を連通すると、空気が酸化剤ガス供給管４１を介して燃料電池スタック１０内の酸化剤ガス通路４０内に供給される。したがって、コンプレッサ４４は、燃料電池スタック１０に空気（酸化剤ガス）を供給する酸化剤ガス供給装置と見ることができる。このとき酸化剤ガス通路４０から流出するガス、すなわちカソードオフガスはカソードオフガス管４６内に流入する。また、酸化剤ガスバイパス制御弁４８が酸化剤ガスバイパス制御弁４８よりも上流側の酸化剤ガス供給管４１に酸化剤ガスバイパス管４９を連通すると、コンプレッサ４４から吐出された空気の一部又は全部が酸化剤ガスバイパス管４９を介してカソードオフガス管４６に供給される。
【００１７】
酸化剤ガスバイパス管４９の出口下流のカソードオフガス管４６内には希釈器８２が設けられる。この希釈器８２には下流側アノードオフガス管３６ｂの出口が連結される。希釈器８２では、希釈器８２から大気に排出されるガス中の水素ガス濃度が許容値以下になるように、アノードオフガスに含まれる水素ガスがカソードオフガスにより希釈される。なお、希釈器８２に流入するカソードオフガスには、酸化剤ガスバイパス管４９からの酸化剤ガスも含まれる。
【００１８】
また、冷却水通路５０の入口には冷却水供給管５１の一端が連結され、冷却水供給管５１の出口には冷却水排出管５９の一端が連結される。冷却水供給管５１の他端と冷却水排出管５９の他端とにラジエータ５３が連結される。冷却水供給管５１内には冷却水を圧送する冷却水ポンプ５２が配置される。冷却水排出管５９と、ラジエータ５３と冷却水ポンプ５２間の冷却水供給管５１とはラジエータバイパス管５４により互いに連結される。また、ラジエータバイパス管５４内を流れる冷却水流量を制御するラジエータバイパス制御弁５５が設けられる。図１に示される燃料電池システムＡではラジエータバイパス制御弁５５は三方弁から形成され、ラジエータバイパス管５４の入口に配置される。冷却水ポンプ５２が駆動されると、冷却水ポンプ５２から吐出された冷却水は冷却水供給管５１を介して燃料電池スタック１０内の冷却水通路５０内に流入し、次いで冷却水通路５０を通って冷却水排出管５９内に流入し、ラジエータ５３又はラジエータバイパス管５４を介して冷却水ポンプ５２に戻る。
【００１９】
電子制御ユニット６０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス６１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）６２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）６３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）６４、入力ポート６５及び出力ポート６６を具備する。燃料電池システムＡ内の出力センサ、圧力センサ、温度センサ（図示せず）などの出力信号は対応するＡＤ変換器６７を介して入力ポート６５に入力される。一方、出力ポート６６は対応する駆動回路６８を介してＤＣ／ＤＣコンバータ、インバータ及びモータジェネレータのような駆動機器（図示されず）、遮断弁３３、レギュレータ３４、燃料ガスインジェクタ３５、排気制御弁３８、コンプレッサ４４、カソードオフガス制御弁４７、酸化剤ガスバイパス制御弁４８、冷却水ポンプ５２、ラジエータバイパス制御弁５５に電気的に接続される。
【００２０】
燃料電池スタック１０に水素ガス及び空気が供給されると、燃料電池スタック１０では水素と酸素とによる電気化学反応により電気エネルギが発生される。この電気エネルギは例えば車両等のモータジェネレータに供給される。
【００２１】
ところで、上述されたように、燃料電池システムＡでは、燃料電池システムＡの運転中に、アノード極側から排出された水蒸気が燃料ガス通路３０の入口から流出して、燃料ガス供給管３１内を拡散して行き、燃料ガスインジェクタ３５に達することがあり、燃料ガスインジェクタ３５を腐食させるおそれがある。そこで、本実施例では、図２に示すように、燃料ガスインジェクタ３５の下流側の燃料ガス供給管３１である下流側燃料ガス供給管３１ａの内部に多孔質部材７０が配置される。それにより、下流側燃料ガス供給管３１ａの内部を燃料ガスインジェクタ３５へ拡散する水蒸気が多孔質部材７０に接触して凝縮され、凝縮水が毛管現象により燃料ガス通路３０の入口へ戻され、したがって、水蒸気が燃料ガスインジェクタ３５に到達することが抑制され、燃料ガスインジェクタ３５の腐食が抑制される。以下詳細に説明する。
【００２２】
多孔質部材７０は下流側燃料ガス供給管３１ａの内壁に沿って略円筒状に形成されている。多孔質部材７０の内部には、下流側燃料ガス供給管３１ａの流路方向に沿って多孔質部材７０の下流端から上流端まで延びる空洞領域７１が形成されている。空洞領域７１には主に水素ガスや水蒸気が流通し、多孔質部材７０の空洞領域７１以外の部分、すなわち多孔質部分には主に凝縮水が流通する。図２に示す実施例では、多孔質部材７０が円筒状に形成されており、空洞領域７１は円筒内部の円柱状の空間である。空洞領域７１を形成することで、燃料ガスインジェクタ３５から燃料ガス通路３０の入口へ送出される水素ガスの流路抵抗を低くできる。多孔質部材７０の下流端は燃料ガス通路３０の入口３０ａに隣接して配置される。燃料ガス通路３０の入口３０ａのできるだけ近くまで凝縮水を移動させるためである。多孔質部材７０の上流端は燃料ガスインジェクタ３５から離間して配置される。多孔質部材７０の上流端が燃料ガスインジェクタ３５と接すると、多孔質部材７０内の凝縮水が燃料ガスインジェクタ３５に到達するおそれがあるからである。図示しない別の実施例では、多孔質部材７０内部には空洞領域７１が形成されない。水蒸気をより確実に凝縮させるためである。図示しない更に別の実施例では、多孔質部材７０内部には空洞領域７１が形成されず、かつ、多孔質部材７０が例えば円柱形状の場合にはその円柱の中心軸付近では細孔径が大きく、周辺では細孔径が小さい。それにより、空洞領域７１を形成しなくても、燃料ガスインジェクタ３５から燃料ガス通路３０の入口へ送出される水素ガスの流路抵抗を低くできる。図示しない更に別の実施例では、多孔質部材７０の下流端は燃料ガス通路３０の入口３０ａから離間して配置される。
【００２３】
多孔質部材７０の細孔の大きさや数は水素ガスが透過可能で、水分が毛管現象を起こすことができれば、特に制限はない。多孔質部材７０の材料としては、ニッケル、アルミニウム、ニッケルクロムのような金属、アルミナ、シリカ、ジルコニアのようなセラミックス、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレンのような樹脂、及び、これらの組み合わせが挙げられる。その中でも、金属が好ましい。熱伝導率が高く、水蒸気が凝縮水に変化するときに放出される凝縮熱を下流側燃料ガス供給管３１ａへ迅速に逃がすことができるからである。具体的には、例えば、住友電気工業株式会社製の多孔質金属体セルメット（登録商標）が挙げられる。
【００２４】
多孔質部材７０では、燃料電池スタック１０に近い側、すなわち下流側の部分Ｅ１は燃料電池スタック１０の熱で比較的高温であり、燃料電池スタック１０に遠い側、すなわち上流側の部分Ｅ２は熱源が近くに無いため比較的低温である。したがって、燃料ガス供給管３１内の水分（多孔質部材７０内の水分を含む）は、下流側の部分Ｅ１では水蒸気になり易く、上流の部分Ｅ２では凝縮水になり易い。
【００２５】
燃料電池スタック１０で発電していないとき、また、燃料電池スタック１０で発電しているときであっても、燃料ガスインジェクタ３５からの水素ガス噴射が停止されているときには、下流側燃料ガス供給管３１ａ内に燃料電池スタック１０に向かう水素ガス流れが存在しない。多孔質部材７０では、図３に示すように、燃料ガスインジェクタ３５から水素ガスが吐出されていないときには、燃料ガス通路３０の入口３０ａから流出した水蒸気ｗ１は下流側燃料ガス供給管３１ａ内の主に空洞領域７１内を燃料ガスインジェクタ３５へ向かって拡散する。水蒸気ｗ１は燃料電池スタック１０から離れるに連れて冷めて行き、やがて温度の低い多孔質部材７０の上流側の部分Ｅ２に接触して、凝縮して凝縮水ｗ２になる。凝縮水ｗ２は多孔質部材７０での毛管現象により、燃料ガス通路３０の入口３０ａ側、すなわち燃料電池スタック１０側へ多孔質部材７０内を移動する。凝縮水ｗ２は燃料電池スタック１０に近づくに連れて温まって行き、やがて温度の高い多孔質部材７０の下流側の部分Ｅ１において、多孔質部材７０から蒸発して再び水蒸気ｗ１となる。ここで、燃料ガスインジェクタ３５から水素ガスが吐出されるときには、水蒸気ｗ１は燃料ガスインジェクタ３５から吐出された水素ガスと共に燃料ガス通路３０の入口３０ａを介して燃料電池スタック１０内に戻される。それにより、水蒸気が燃料ガスインジェクタ３５に到達することが抑制され、したがって燃料ガスインジェクタ３５の腐食が抑制される。一方、燃料ガスインジェクタ３５から水素ガスが吐出されないときには、水蒸気ｗ１は再び主に空洞領域７１内を燃料ガスインジェクタ３５へ向かって拡散し、多孔質部材７０の上流側の部分Ｅ２で再び凝縮して凝縮水ｗ２となり、毛管現象により燃料電池スタック１０側へ移動する。すなわち、燃料ガスインジェクタ３５から水素ガスが吐出されないときでも、水蒸気ｗ１は再び凝縮水ｗ２となり燃料電池スタック１０側へ戻されるので、水蒸気が燃料ガスインジェクタ３５に到達することが抑制され、したがって燃料ガスインジェクタ３５の腐食が抑制される。
【００２６】
図４に示す別の実施例では、多孔質部材７０と燃料ガスインジェクタ３５との間に、燃料ガスインジェクタ３５から燃料電池スタック１０へのみ流れを許容する逆止弁３５ａが挿入される。逆止弁３５ａは、多孔質部材７０で凝縮しなかった水蒸気が燃料ガスインジェクタ３５へ向かって拡散してきた場合に、燃料ガスインジェクタ３５への水蒸気の拡散を遮断して、燃料ガスインジェクタ３５への水蒸気の進入をより確実に抑制できる。
【００２７】
次に、図５及び図６を参照して、別の実施例の燃料電池システムＡについて説明する。図５及び図６に示す燃料電池システムＡは、多孔質部材７０の上流側の部分Ｅ２を下流側燃料ガス供給管３１ａの外部から冷却媒体で冷却する冷却構造７２を更に備えている点で図１に示す燃料電池システムＡと相違する。この場合、冷却媒体は、冷却水供給管５１内の冷却水である。以下、相違点について主に説明する。
【００２８】
図５に示すように、下流側燃料ガス供給管３１ａ周りに冷却水供給管５１が延びている。また、図６に示すように、冷却構造７２は、多孔質部材７０の上流側の部分Ｅ２を含んだ下流側燃料ガス供給管３１ａの外側を、冷却水供給管５１を介して供給される冷却水で冷却することが可能なように形成されている。冷却構造７２は、冷却水供給管５１からの冷却水を低温側の熱媒体とし、下流側燃料ガス供給管３１ａ内の水蒸気を高温側の熱媒体とする熱交換器と見ることができる。
【００２９】
冷却水ポンプ５２が駆動され、冷却水ポンプ５２から吐出された冷却水が冷却水供給管５１を介して冷却構造７２に流入し、次いで冷却構造７２にて多孔質部材７０を冷却し、次いで冷却構造７２から冷却水供給管５１を介して燃料電池スタック１０の冷却水通路５０の入口へ供給される。
【００３０】
この場合にも、図１の実施例の場合と同様の効果を奏することができる。加えて、多孔質部材７０の上流側の部分Ｅ２が冷却水により冷却されてより低温になるので、下流側燃料ガス供給管３１ａを燃料ガスインジェクタ３５へ向かって拡散してくる水蒸気ｗ１をより効率的に凝縮させて凝縮水ｗ２にすることができる。また、冷却水供給管５１を介して冷却構造７２に流入する冷却水は、ラジエータ５３での冷却後、燃料電池スタック１０の冷却に使用されていない比較的低温の冷却水である。そのため、より効率的に多孔質部材７０の上流側の部分Ｅ２を冷却することができる。また、冷却媒体として、燃料電池スタック１０を冷却するための冷却水が用いられるので、新たに冷却媒体を用意する必要がない。
【００３１】
図示しない別の実施例では、冷却水供給管５１から分岐して冷却水供給管５１に戻る分岐管と、分岐管内を流れる冷却水流量を制御する制御弁とを備え、分岐管が下流側燃料ガス供給管３１ａ周りに延びている。
【００３２】
次に、図７を参照して、更に別の実施例の燃料電池システムＡについて説明する。図７に示す燃料電池システムＡは、冷却構造７２がラジエータ５３のクーリングファン５３ａの近傍に設けられている点で図５に示す燃料電池システムＡと相違する。この場合、冷却媒体は、クーリングファン５３ａで吹き付けられる空気である。以下、相違点について主に説明する。
【００３３】
図７に示すように、冷却構造７２はクーリングファン５３ａで吹き付けられる空気を冷却媒体として用いるため、冷却水供給管５１、冷却水排出管５９は冷却構造７２に接続せず、冷却構造７２へ冷却水を供給しない。冷却構造７２は、例えば前後の下流側燃料ガス供給管３１ａを含めてラジエータ５３とクーリングファン５３ａとの間に配置される。冷却構造７２としては、例えば下流側燃料ガス供給管３１ａの外側に形成された熱交換用のフィンやヒートシンクが挙げられる。図示しない別の実施例では、冷却構造７２は無く、単に下流側燃料ガス供給管３１ａの上流側の部分がラジエータ５３とクーリングファン５３ａとの間に配置される。
【００３４】
この場合にも、図５の実施例の場合と同様の効果を奏することができる。
【００３５】
次に、図８及び図９を参照して、更に別の実施例の燃料電池システムＡについて説明する。図８及び図９に示す燃料電池システムＡは、多孔質部材７０の下流側の部分Ｅ１を下流側燃料ガス供給管３１ａの外部から熱媒体で加熱する加熱構造７３を更に備えている点で図１に示す燃料電池システムＡと相違する。この場合、熱媒体は、コンプレッサ４４よりも下流側の酸化剤ガス供給管４１内の酸化剤ガスである。以下、相違点について主に説明する。
【００３６】
図８に示すように、下流側燃料ガス供給管３１ａ周りにコンプレッサ４４下流の酸化剤ガス供給管４１が延びている。また、図９に示すように、加熱構造７３は、多孔質部材７０の下流側の部分Ｅ１を含んだ下流側燃料ガス供給管３１ａの外側を、酸化剤ガス供給管４１を介して供給される空気で加熱することが可能なように形成されている。加熱構造７３は、酸化剤ガス供給管４１からの空気を高温側の熱媒体とし、下流側燃料ガス供給管３１ａ内の凝縮水を低温側の熱媒体とする熱交換器と見ることができる。
【００３７】
コンプレッサ４４が駆動され、昇圧されて高温になった空気がコンプレッサ４４から吐出されると、その空気が酸化剤ガス供給管４１を介して加熱構造７３に流入し、次いで加熱構造７３にて多孔質部材７０を加熱し、次いで加熱構造７３から酸化剤ガス供給管４１を介して燃料電池スタック１０の酸化剤ガス通路４０の入口へ供給される。
【００３８】
この場合にも、図１の実施例の場合と同様の効果を奏することができる。加えて、多孔質部材７０の下流側の部分Ｅ１が高温の空気により加熱されてより高温になるので、下流側燃料ガス供給管３１ａを燃料ガス通路３０の入口３０ａへ向かって移動してくる凝縮水ｗ２をより効率的に蒸発させて水蒸気ｗ１にすることができる。また、熱媒体として、燃料電池スタック１０で発電するための空気が用いられるので、新たに熱媒体を用意する必要がない。
【００３９】
図示しない別の実施例では、コンプレッサ４４下流の酸化剤ガス供給管４１から分岐して酸化剤ガス供給管４１に戻る分岐管と、分岐管内を流れる空気流量を制御する制御弁とを備え、分岐管が下流側燃料ガス供給管３１ａ周りに延びている。
【００４０】
次に、図１０を参照して、更に別の実施例の燃料電池システムＡについて説明する。図１０に示す燃料電池システムＡは、加熱構造７３が燃料電池スタック１０を冷却した直後の冷却水、すなわち燃料電池スタック１０で加熱された冷却水を熱媒体として用いる点で図８に示す燃料電池システムＡと相違する。この場合、熱媒体は、冷却水排出管５９の冷却水である。以下、相違点について主に説明する。
【００４１】
図１０に示すように、下流側燃料ガス供給管３１ａ周りに冷却水排出管５９が延びている。
【００４２】
この場合にも、図８の実施例の場合と同様の効果を奏することができる。
【００４３】
図示しない別の実施例では、冷却水排出管５９から分岐して冷却水排出管５９に戻る分岐管と、分岐管内を流れる冷却水流量を制御する制御弁とを備え、分岐管が下流側燃料ガス供給管３１ａ周りに延びている。
【００４４】
なお、上記の冷却構造７２及び加熱構造７３に関して、図５の冷却構造７２及び図７の冷却構造７２のうちのいずれか一つと、図８の加熱構造７３及び図１０の加熱構造７３のうちのいずれか一つとは同時に実施可能である。例えば、図１１では、図５の冷却構造７２と図８の加熱構造とが組み合わされて同時に実施されている。
【００４５】
次に、図１２及び図１３を参照して、更に別の実施例の燃料電池システムＡについて説明する。図１２及び図１３に示す燃料電池システムＡは、下流側燃料ガス供給管３１ａが、上流側の部分３１ａ２の高さ位置が下流側の部分３１ａ１の高さ位置よりも高くなるように形成される点で図１に示す燃料電池システムＡと相違する。以下、相違点について主に説明する。
【００４６】
図１２を参照すると、下流側燃料ガス供給管３１ａが燃料ガス通路３０の入口３０ａから燃料ガスインジェクタ３５へ向かって延びる延在方向３１ａｓは、水平方向ＨＲに対し傾斜角ＳＡだけ傾斜している。その結果、下流側燃料ガス供給管３１ａにおける下流側の部分３１ａ１が下流側燃料ガス供給管３１ａにおける上流側の部分３１ａ２よりも低くなる。
【００４７】
多孔質部材７０は下流側燃料ガス供給管３１ａの上流側の部分３１ａ２の内壁に沿って略円筒状に形成されている。多孔質部材７０の内部には空洞領域７１が形成されている。多孔質部材７０の下流端は燃料ガス通路３０の入口３０ａから離間して配置され、多孔質部材７０の上流端は燃料ガスインジェクタ３５から離間して配置される。多孔質部材７０には燃料ガスや水蒸気が流通すると共に凝縮水も流通する。図示しない別の実施例では空洞領域７１が形成されない。図示しない更に別の実施例では、多孔質部材７０の下流端は燃料ガス通路３０の入口３０ａに隣接して配置される。
【００４８】
多孔質部材７０は、燃料電池スタック１０から離れているので、比較的低温である。したがって、燃料ガス供給管３１内の水分（多孔質部材７０内の水分を含む）は、凝縮水になり易い。
【００４９】
多孔質部材７０では、図１３に示すように、燃料ガスインジェクタ３５から燃料ガスが吐出されていないときには、燃料ガス通路３０の入口３０ａから流出した水蒸気ｗ１は下流側燃料ガス供給管３１ａ内を燃料ガスインジェクタ３５へ向かって拡散する。水蒸気ｗ１は燃料電池スタック１０から離れるに連れて冷めて行き、やがて下流側燃料ガス供給管３１ａの上流側の部分３１ａ２内に配置された温度の低い多孔質部材７０において、凝縮して凝縮水ｗ２になる。凝縮水ｗ２は多孔質部材７０での毛管現象及び重力により、燃料ガス通路３０の入口３０ａ側、すなわち燃料電池スタック１０側へ多孔質部材７０内、次いで下流側燃料ガス供給管３１ａの内壁上を移動する。凝縮水ｗ２は燃料電池スタック１０に近づくに連れて温まって行き、やがて下流側燃料ガス供給管３１ａの下流側の部分３１ａ１において、下流側燃料ガス供給管３１ａ内壁から蒸発して再び水蒸気ｗ１となる。ここで、燃料ガスインジェクタ３５から燃料ガスが吐出されるときには、水蒸気ｗ１は燃料ガスインジェクタ３５から吐出された燃料ガスと共に燃料ガス通路３０の入口３０ａを介して燃料電池スタック１０内に戻される。それにより、水蒸気が燃料ガスインジェクタ３５に到達することが抑制され、したがって燃料ガスインジェクタ３５の腐食が抑制される。一方、燃料ガスインジェクタ３５から燃料ガスが吐出されないときには、水蒸気ｗ１は再び下流側燃料ガス供給管３１ａ内を燃料ガスインジェクタ３５へ向かって拡散し、多孔質部材７０で再び凝縮して凝縮水ｗ２となり、毛管現象及び重力により燃料電池スタック１０側へ移動する。それにより、燃料ガスインジェクタ３５から燃料ガスが吐出されないときでも、水蒸気ｗ１は凝縮水ｗ２となり燃料電池スタック１０側へ戻されるので、水蒸気が燃料ガスインジェクタ３５に到達することが抑制され、したがって燃料ガスインジェクタ３５の腐食が抑制される。
【００５０】
なお、図１２及び図１３に示す実施例は、上記の各実施例にも適用可能である。
【００５１】
上記各実施例では燃料電池システムＡが、燃料ガス通路３０の出口である燃料ガス排出口と燃料ガス供給管３１とが分離され、水素ガスを含むアノードオフガスが燃料ガス供給管３１へ循環しないシステム、すなわち燃料ガス非循環式の燃料電池システムである。図示しない別の実施例では、燃料電池システムＡは、燃料ガス通路３０の出口である燃料ガス排出口と燃料ガス供給管３１とが連結され、水素ガスを含むアノードオフガスが燃料ガス供給管３１へ循環するシステム、すなわち燃料ガス循環式の燃料電池システムである。言い換えると、上記各実施例は、燃料ガス供給管３１へ循環するシステムへも適用可能である。
【符号の説明】
【００５２】
Ａ    燃料電池システム
１０    燃料電池スタック
３０    燃料ガス通路
３０ａ    燃料ガス通路の入口
３１    燃料ガス供給管
３１ａ    下流側燃料ガス供給管
３５    燃料ガスインジェクタ
７０    多孔質部材
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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