燃料電池システム
【課題】燃料電池スタック内の各発電セルに反応ガスを均一且つ確実に分配供給するとともに、前記燃料電池スタック内に結露水が導入されることを阻止可能にする。
【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１４とエゼクタ５０との間に介装される流路ブロック９０を備える。流路ブロック９０は、ディフューザ１００が挿入される入口１２０ａと燃料ガス供給連通孔７６ａに連通する出口１２０ｂとを有し、略９０°ずつ２回屈曲する屈曲連結流路１２０を設ける。ディフューザ１００の噴射通路１１６の先方には、内壁面１２６が設けられており、前記噴射通路１１６と燃料ガス供給連通孔７６ａとは、積層方向に対して互いに位置をずらして配置される。
【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１４とエゼクタ５０との間に介装される流路ブロック９０を備える。流路ブロック９０は、ディフューザ１００が挿入される入口１２０ａと燃料ガス供給連通孔７６ａに連通する出口１２０ｂとを有し、略９０°ずつ２回屈曲する屈曲連結流路１２０を設ける。ディフューザ１００の噴射通路１１６の先方には、内壁面１２６が設けられており、前記噴射通路１１６と燃料ガス供給連通孔７６ａとは、積層方向に対して互いに位置をずらして配置される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の発電セルが積層される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタック内に反応ガスを導入するとともに、前記燃料電池スタックから排出される使用済み反応ガスを前記燃料電池スタックに戻すエゼクタとを備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
ところで、燃料電池では、水素ガス等の燃料ガスがアノード側電極に供給されるとともに、発電に使用されない未反応の燃料ガスを含む燃料オフガスが、前記燃料電池から排出されている。従って、経済性を考慮して燃料ガスの有効利用を図るため、燃料オフガスを、燃料ガスとしてアノード側電極に再度供給することが行われている。
【０００４】
例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムは、図１２に示すように、水素供給装置１から燃料電池２（複数の発電セル２ａの積層体）に水素を供給するための水素供給経路３と、前記燃料電池２から排出されるオフガスを前記水素供給経路３に合流させ、前記燃料電池２に再循環させるオフガス循環経路４と、オフガスを前記オフガス循環経路４に循環させるとともに、オフガスの循環量を制御可能であり、さらにオフガスを主供給水素に混合するエジェクタポンプ５と、前記エジェクタポンプ５の吐出圧を検出する圧力センサ６とを設けている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−９５５２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、エジェクタポンプ５が燃料電池２の近傍に配置される際、前記エジェクタポンプ５から前記燃料電池２の水素供給連通孔内には、水素が高圧で吐出されるため、前記水素供給連通孔内に静圧分布が発生し易い。これにより、燃料電池２内では、特に水素入口側に位置する発電セル２ａに対して水素が十分に供給されず、発電性能が低下するという問題がある。
【０００７】
さらに、オフガス中には、燃料電池２の発電反応により生成される水が含まれており、温度低下によって水蒸気が凝縮して水滴が発生し易い。この水滴が燃料電池２内に導入されると、前記燃料電池２の発電性能を安定的に維持することが困難になるという問題がある。しかも、水蒸気は、水素の流れに乗ってオフガス循環経路４を循環するため、燃料電池２内への結露水の混入防止を図ることができないという問題がある。
【０００８】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、燃料電池スタック内に積層されている各発電セルに対し、反応ガスを均一且つ確実に分配供給するとともに、前記燃料電池スタック内に結露水が導入されることを可及的に阻止することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、複数の発電セルが水平方向に積層され、積層方向端部にエンドプレートが配設されるとともに、積層方向に沿って少なくとも燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを供給する反応ガス供給連通孔が設けられる燃料電池スタックと、前記エンドプレートに装着され、反応ガス噴出口から前記反応ガス供給連通孔に前記反応ガスを導入するとともに、前記燃料電池スタックから排出される使用済み反応ガスを、未使用の前記反応ガスに混合するために前記反応ガス噴出口に戻すエゼクタとを備える燃料電池システムに関するものである。
【００１０】
この燃料電池システムでは、エゼクタの反応ガス噴出口とエンドプレートの反応ガス供給連通孔とが、積層方向に対して互いに位置をずらして配置されている。
【００１１】
また、エゼクタの反応ガス噴出口は、エンドプレートの反応ガス供給連通孔より下方に配置されることが好ましい。
【００１２】
さらに、エゼクタの反応ガス噴出口の先端部下方には、水排出口が設けられることが好ましい。
【００１３】
さらにまた、エゼクタの反応ガス噴出口の前方には、上方向に向かってエンドプレートの反応ガス供給連通孔に連通する流路を形成するための内壁面が、反応ガスの噴出方向に直交し且つ上下方向に延在して設けられることが好ましい。
【００１４】
また、内壁面には、反応ガス噴出口より上方に位置し且つエンドプレート側から流路に突出する突起部が形成されることが好ましい。
【００１５】
さらに、内壁面には、エゼクタの反応ガス噴出口の前方に位置して凹部が形成されることが好ましい。
【００１６】
さらにまた、エンドプレートとエゼクタとの間には、流路ブロックが介装されるとともに、前記流路ブロックは、反応ガス噴出口に連通する入口及び反応ガス供給連通孔に連通する出口を有した屈曲連結流路を備えることが好ましい。
【００１７】
また、エンドプレートには、反応ガス噴出口に連通する入口及び反応ガス供給連通孔に連通する出口を有した屈曲連結流路が設けられることが好ましい。
【００１８】
さらに、エンドプレートには、エゼクタを装着するための樹脂製ジョイント部材が連結されることが好ましい。
【００１９】
さらにまた、本発明に係る燃料電池システムでは、エゼクタの反応ガス噴出口とエンドプレートの反応ガス供給連通孔とを繋ぐ屈曲連結流路を設け、前記屈曲連結流路は、下方にＶ字状に屈曲する屈曲部分を有している。
【００２０】
また、エンドプレートとエゼクタとの間には、流路ブロックが介装されるとともに、前記流路ブロックは、反応ガス噴出口に連通する入口及び反応ガス供給連通孔に連通する出口を有した屈曲連結流路を備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、エゼクタの反応ガス噴出口からエンドプレートの反応ガス供給連通孔に反応ガスが噴射される際、前記反応ガス噴出口と前記反応ガス供給連通孔との相対的な位置ずれによって、前記反応ガスの流速が低下されるとともに、前記反応ガス中の水分が結露水となって除去される。
【００２２】
このため、反応ガスの流速が低下することにより反応ガス供給連通孔内での静圧分布が改善される一方、燃料電池スタック内に結露水が導入されることを可及的に阻止することができる。これにより、燃料電池スタック内に積層されている各発電セルに対し、反応ガスを均一且つ確実に分配供給するとともに、前記燃料電池スタックの発電性能を安定的に維持することが可能になる。
【００２３】
また、本発明によれば、エゼクタの反応ガス噴出口とエンドプレートの反応ガス供給連通孔とを繋ぐ屈曲連結流路は、下方にＶ字状に屈曲する屈曲部分を有している。従って、反応ガスは、屈曲連結流路の屈曲部分で整流されるとともに、結露水が除去される。このため、燃料電池スタック内に積層されている各発電セルに対し、反応ガスを均一且つ確実に分配供給するとともに、前記燃料電池スタックの発電性能を安定的に維持することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】前記燃料電池スタックを構成する発電セルの分解斜視説明図である。
【図３】前記燃料電池システムの要部断面説明図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図５】前記燃料電池システムの要部断面説明図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムの要部断面説明図である。
【図７】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システムの要部断面説明図である。
【図８】本発明の第５の実施形態に係る燃料電池システムの要部断面説明図である。
【図９】本発明の第６の実施形態に係る燃料電池システムの要部断面説明図である。
【図１０】本発明の第７の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図１１】本発明の第８の実施形態に係る燃料電池システムの要部断面説明図である。
【図１２】特許文献１に開示されている燃料電池システムの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１０の概略構成図である。
【００２６】
燃料電池システム１０は、図示しない燃料電池車両に搭載されており、燃料電池スタック１４と、前記燃料電池スタック１４に冷却媒体を供給するための冷却媒体供給機構１６と、前記燃料電池スタック１４に酸化剤ガス（反応ガス）を供給するための酸化剤ガス供給機構１８と、前記燃料電池スタック１４に燃料ガス（反応ガス）を供給するための燃料ガス供給機構２０とを備える。
【００２７】
冷却媒体供給機構１６は、ラジエータ２４を備える。このラジエータ２４には、冷媒用ポンプ２６を介して冷却媒体供給配管２８と、冷却媒体排出配管３０とが接続される。
【００２８】
酸化剤ガス供給機構１８は、冷媒用ポンプ２６に近接して配置される空気用ポンプ３２を備える。この空気用ポンプ３２に一端が接続される空気供給配管３４は、加湿器３６に他端が接続されるとともに、この加湿器３６には、加湿空気供給配管３８を介して燃料電池スタック１４が接続される。燃料電池スタック１４と加湿器３６とには、使用済みの酸化剤ガス（以下、オフガスという）を加湿流体として供給するためのオフガス供給配管４０が接続される。加湿器３６では、オフガス供給配管４０を介して供給されたオフガスの排出側に、背圧弁４２が配設される。
【００２９】
燃料ガス供給機構２０は、燃料ガスとして水素ガスが貯留される燃料ガスタンク４４を備える。この燃料ガスタンク４４には、燃料ガスパイプ４５の一端が接続され、前記燃料ガスパイプ４５は、遮断弁４６、レギュレータ４８及びエゼクタ５０を介して燃料電池スタック１４に接続される。
【００３０】
燃料電池スタック１４には、使用済みの燃料ガスが排出される排出燃料ガス配管５２が接続される。この排出燃料ガス配管５２は、リターン配管５４を介してエゼクタ５０に接続されるとともに、一部がパージ弁５６を介して希釈ボックス５８に連通する。希釈ボックス５８には、例えば、燃料電池スタック１４から排出される使用済みの酸化剤ガスが希釈エアとして導入される。
【００３１】
燃料電池スタック１４は、複数の発電セル６０が水平方向（図２中、矢印Ａ方向）に積層されるとともに、積層方向の両端には、図示しないが、ターミナルプレート及び絶縁プレートを介してエンドプレート６２ａ、６２ｂが配設される（図１参照）。燃料電池スタック１４は、例えば、エンドプレート６２ａ、６２ｂを端板とするケーシング（図示せず）、又は前記エンドプレート６２ａ、６２ｂ間を締結するタイロッド（図示せず）を備える。
【００３２】
ターミナルプレートに電力取り出し端子６３ａ、６３ｂが設けられており、エンドプレート６２ａ、６２ｂから積層方向外方に前記電力取り出し端子６３ａ、６３ｂが突出する。電力取り出し端子６３ａ、６３ｂは、図示しない走行用モータや補機類に接続される。
【００３３】
図２に示すように、各発電セル６０は、電解質膜・電極構造体６６と、前記電解質膜・電極構造体６６を挟持する第１及び第２セパレータ６８、７０とを備えるとともに、縦長に構成される。なお、第１及び第２セパレータ６８、７０は、カーボンセパレータ又は金属セパレータで構成される。
【００３４】
発電セル６０の長辺方向（矢印Ｃ方向）の一端縁部（上端縁部）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔（反応ガス供給連通孔）７２ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔（反応ガス供給連通孔）７６ａが設けられる。
【００３５】
発電セル６０の長辺方向の他端縁部（下端縁部）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔７２ｂ及び燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔７６ｂが設けられる。
【００３６】
発電セル６０の短辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔７４ａが設けられるとともに、前記発電セル６０の短辺方向の他端縁部には、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔７４ｂが設けられる。冷却媒体供給連通孔７４ａ及び冷却媒体排出連通孔７４ｂは、縦長形状に設定される。
【００３７】
電解質膜・電極構造体６６は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜７８と、前記固体高分子電解質膜７８を挟持するアノード側電極８０及びカソード側電極８２とを備える。
【００３８】
第１セパレータ６８の電解質膜・電極構造体６６に向かう面６８ａには、燃料ガス供給連通孔７６ａと燃料ガス排出連通孔７６ｂとを連通する燃料ガス流路８４が形成される。この燃料ガス流路８４は、例えば、矢印Ｃ方向に延在する溝部により構成される。第１セパレータ６８の面６８ａとは反対の面６８ｂには、冷却媒体供給連通孔７４ａと冷却媒体排出連通孔７４ｂとを連通する冷却媒体流路８６が形成される。この冷却媒体流路８６は、矢印Ｂ方向に延在する溝部により構成される。
【００３９】
第２セパレータ７０の電解質膜・電極構造体６６に向かう面７０ａには、例えば、矢印Ｃ方向に延在する溝部からなる酸化剤ガス流路８８が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路８８は、酸化剤ガス供給連通孔７２ａと酸化剤ガス排出連通孔７２ｂとに連通する。第２セパレータ７０の面７０ａとは反対の面７０ｂには、第１セパレータ６８の面６８ｂと重なり合って冷却媒体流路８６が一体的に形成される。図示しないが、第１及び第２セパレータ６８、７０には、必要に応じてシール部材が設けられる。
【００４０】
図３に示すように、エンドプレート６２ｂには、マニホールド部材である流路ブロック９０を介してエゼクタ５０が装着される。エゼクタ５０は、筒状の本体部９４を備え、前記本体部９４には、ノズル９８及びディフューザ１００が収容される。本体部９４には、オフガス通路１０４が形成される。ノズル９８は、燃料ガスパイプ４５に連通する燃料ガス通路１０６を設け、この燃料ガス通路１０６は、前記ノズル９８の先端に設けられる噴射口１１０からディフューザ１００内に開放される。
【００４１】
オフガス通路１０４は、リターン配管５４に連通するとともに、ディフューザ１００の外周に形成される孔部１１２を介して吸引室１１４に連通する。吸引室１１４は、先端側に向かって縮径した後、流れ方向下流に向かって連続的に拡径する噴射通路（反応ガス噴出口）１１６に連通する。
【００４２】
ディフューザ１００の先端は、本体部９４の端部から突出し、流路ブロック９０に設けられる屈曲連結流路１２０の入口１２０ａに挿入される。屈曲連結流路１２０は、水平方向に略９０゜ずつ２回屈曲しており、出口１２０ｂがエンドプレート６２ｂの燃料ガス供給連通孔７６ａに連通する。ディフューザ１００の先端と入口１２０ａとの間、及び出口１２０ｂとエンドプレート６２ｂの燃料ガス供給連通孔７６ａとの間には、それぞれシール部材１２４ａ、１２４ｂが介装される。
【００４３】
エゼクタ５０の噴射通路１１６は、屈曲連結流路１２０の入口１２０ａに連通する一方、エンドプレート６２ｂの燃料ガス供給連通孔７６ａは、前記屈曲連結流路１２０の出口１２０ｂに連通する。すなわち、エゼクタ５０の噴射通路１１６とエンドプレート６２ｂの燃料ガス供給連通孔７６ａとは、積層方向（矢印Ａ方向）に対して互いに位置をずらして配置される。
【００４４】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
【００４５】
先ず、図１に示すように、酸化剤ガス供給機構１８を構成する空気用ポンプ３２が駆動され、酸化剤ガスである外部空気が吸引されて空気供給配管３４に導入される。この空気は、空気供給配管３４から加湿器３６内に導入された後、加湿空気供給配管３８に供給される。
【００４６】
その際、オフガス供給配管４０には、後述するように、反応に使用された酸化剤ガスであるオフガスが供給されている。このため、使用前の空気には、オフガス中に含まれる水分が移動し、この使用前の空気が加湿される。加湿された空気は、加湿空気供給配管３８からエンドプレート６２ｂを通って燃料電池スタック１４内の酸化剤ガス供給連通孔７２ａに供給される。
【００４７】
一方、燃料ガス供給機構２０では、遮断弁４６の開放作用下に、燃料ガスタンク４４内の燃料ガス（水素ガス）がレギュレータ４８で降圧された後、エゼクタ５０からエンドプレート６２ｂを通って燃料電池スタック１４内の燃料ガス供給連通孔７６ａに導入される。
【００４８】
さらに、冷却媒体供給機構１６では、冷媒用ポンプ２６の作用下に、冷却媒体供給配管２８からエンドプレート６２ａを通って燃料電池スタック１４内の冷却媒体供給連通孔７４ａに冷却媒体が導入される。
【００４９】
図２に示すように、燃料電池スタック１４内の各発電セル６０に供給された空気は、酸化剤ガス供給連通孔７２ａから第２セパレータ７０の酸化剤ガス流路８８に導入され、電解質膜・電極構造体６６のカソード側電極８２に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔７６ａから第１セパレータ６８の燃料ガス流路８４に導入され、電解質膜・電極構造体６６のアノード側電極８０に沿って移動する。
【００５０】
従って、各電解質膜・電極構造体６６では、カソード側電極８２に供給される空気中の酸素と、アノード側電極８０に供給される燃料ガス（水素）とが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００５１】
次いで、カソード側電極８２に供給されて消費された空気は、酸化剤ガス排出連通孔７２ｂに沿って流動した後、オフガスとしてエンドプレート６２ｂからオフガス供給配管４０に排出される（図１参照）。
【００５２】
同様に、アノード側電極８０に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔７６ｂに排出されて流動し、排出燃料ガスとしてエンドプレート６２ｂから排出燃料ガス配管５２に排出される（図１参照）。排出燃料ガス配管５２に排出された排出燃料ガスは、一部がリターン配管５４を通ってエゼクタ５０の吸引作用下に新たな燃料ガスに混在し、燃料電池スタック１４内に供給される。残余の排出燃料ガスは、パージ弁５６の開放作用下に希釈ボックス５８に導入される。
【００５３】
また、冷却媒体は、図２に示すように、冷却媒体供給連通孔７４ａから第１及び第２セパレータ６８、７０間の冷却媒体流路８６に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体６６を冷却した後、冷却媒体排出連通孔７４ｂを移動してエンドプレート６２ａから冷却媒体排出配管３０に排出される。この冷却媒体は、図１に示すように、ラジエータ２４により冷却された後、冷媒用ポンプ２６の作用下に冷却媒体供給配管２８から燃料電池スタック１４に供給される。
【００５４】
この場合、第１の実施形態では、図３に示すように、燃料ガスパイプ４５からノズル９８の燃料ガス通路１０６に供給される燃料ガスは、前記ノズル９８の先端に設けられている噴射口１１０からディフューザ１００に噴射される。このため、吸引室１１４に負圧が発生し、リターン配管５４からオフガス通路１０４を介してこの吸引室１１４に排出燃料ガスが吸引される。
【００５５】
従って、ノズル９８から噴射された燃料ガスに排出燃料ガスが混合され、この混合された燃料ガスは、ディフューザ１００の噴射通路１１６から流路ブロック９０の屈曲連結流路１２０に向かって吐出される。
【００５６】
その際、屈曲連結流路１２０は、水平方向に略９０゜ずつ２回屈曲している。これにより、入口１２０ａに吐出された燃料ガスは、屈曲連結流路１２０の屈曲部を構成する内壁面１２６により流速が低下した後、出口１２０ｂからエンドプレート６２ｂの燃料ガス供給連通孔７６ａに供給される。しかも、燃料ガスが内壁面１２６に吹き付けられることにより、前記燃料ガス中の水分が結露水となって除去される。
【００５７】
このため、燃料ガスの流速が低下して燃料ガス供給連通孔７６ａ内での静圧分布が改善される一方、燃料電池スタック１４内に結露水が導入されることを可及的に阻止することができる。特に、燃料ガスが最も入り難いエゼクタ５０側の発電セル６０に対して、前記燃料ガスを確実に分配供給することが可能になる。
【００５８】
従って、第１の実施形態では、燃料電池スタック１４内に積層されている各発電セル６０に対し、燃料ガスを均一且つ確実に分配供給するとともに、前記燃料電池スタック１４の発電性能を安定的に維持することが可能になるという効果が得られる。
【００５９】
なお、第１の実施形態では、反応ガスとして燃料電池スタック１４に循環して供給される燃料ガスを用いて説明したが、これに限定されるものではなく、前記反応ガスとして酸化剤ガスを前記燃料電池スタック１４に循環供給する場合にも適用可能である。特に、酸化剤ガスとして純酸素が使用される際には、好適である。また、以下に説明する第２の実施形態以降においても、同様である。
【００６０】
さらにまた、第１の実施形態では、屈曲連結流路１２０が水平方向に略９０°ずつ２回屈曲しているが、これに代えて、入口１２０ａが上方で且つ出口１２０ｂが下方に位置するように上下方向に略９０°ずつ２回屈曲するように構成してもよい。
【００６１】
図４は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム１４０の概略構成図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態以降においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００６２】
燃料電池スタック１４には、燃料ガス排出連通孔７６ｂに気液分離器１４２が連通しており、この気液分離器１４２には、流路ブロック１４４に接続されたドレン流路１４６が接続される。
【００６３】
図５に示すように、流路ブロック１４４は、エンドプレート６２ｂとエゼクタ５０との間に介装されるとともに、屈曲連結流路１４８を設ける。屈曲連結流路１４８の入口１４８ａには、ディフューザ１００の先端が挿入されるとともに、前記屈曲連結流路１４８の出口１４８ｂは、燃料ガス供給連通孔７６ａに連通する。入口１４８ａは、出口１４８ｂよりも下方に配置されており、噴射通路１１６は、燃料ガス供給連通孔７６ａより下方に配置される。
【００６４】
流路ブロック１４４内には、噴射通路１１６の前方に位置し、上方向に向かって燃料ガス供給連通孔７６ａに連通する流路を形成するための内壁面１５０が、前記噴射通路１１６からの燃料ガス噴出方向に直交し且つ上下方向に延在して設けられる。噴射通路１１６の先端下方には、水排出口１５２が設けられ、前記水排出口１５２は、ドレン流路１４６に連通する。
【００６５】
このように構成される第２の実施形態では、図５に示すように、屈曲連結流路１４８は、入口１４８ａが出口１４８ｂよりも下方に配置されるとともに、鉛直上方向に略９０°だけ屈曲している。このため、ディフューザ１００の噴射通路１１６から屈曲連結流路１４８の入口１４８ａに吐出された燃料ガスは、内壁面１５０により流速が低下した後、出口１４８ｂから燃料ガス供給連通孔７６ａに供給される。
【００６６】
従って、燃料ガスの流速が低下し、燃料ガス供給連通孔７６ａ内での静圧分布が改善される一方、内壁面１５０に付着した結露水は、水排出口１５２からドレン流路１４６を介して気液分離器１４２に排出される。これにより、第２の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる他、流路ブロック１４４内に結露水が貯留されることがなく、排水性が一層向上するという利点が得られる。
【００６７】
図６は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システム１６０の要部断面説明図である。
【００６８】
燃料電池システム１６０は、エンドプレート６２ｂとエゼクタ５０との間に介装される流路ブロック１６２を備える。流路ブロック１６２には、第２の実施形態と同様に、鉛直上方向に略９０°だけ屈曲する屈曲連結流路１４８を設けるとともに、内壁面１５０には、噴射通路１１６の前方に位置して凹部１６４が形成される。
【００６９】
このように構成される第３の実施形態では、噴射通路１１６から屈曲連結流路１４８に吐出された燃料ガスは、内壁面１５０の凹部１６４に吹き付けられ、流速が低下するとともに、前記凹部１６４に結露水が付着する。そして、この結露水は、凹部１６４から上方に移動することを確実に阻止され、水排出口１５２を介してドレン流路１４６に確実且つ円滑に排出されるという利点がある。
【００７０】
図７は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システム１７０の要部断面説明図である。
【００７１】
燃料電池システム１７０は、エンドプレート６２ｂとエゼクタ５０との間に介装される流路ブロック１７２を備える。流路ブロック１７２は、上記の第３の実施形態と同様に、内壁面１５０に凹部１６４が形成されるとともに、前記凹部１６４の上方側には、屈曲連結流路１４８側に突出する突起部１７４が設けられる。
【００７２】
これにより、第４の実施形態では、噴射通路１１６から屈曲連結流路１４８に吐出された燃料ガスは、凹部１６４により減速されるとともに、結露水がこの凹部１６４に除去される。その際、特に突起部１７４を介して結露水が燃料ガス供給連通孔７６ａ側に移動することを確実に阻止することができる。
【００７３】
図８は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池システム１８０の要部断面説明図である。
【００７４】
燃料電池システム１８０は、エンドプレート６２ｂとエゼクタ５０との間に介装される流路ブロック１８２を備える。流路ブロック１８２は、内壁面１５０に噴射通路１１６より上方に位置して屈曲連結流路１４８側に突出する突起部１８４が形成される。
【００７５】
従って、第５の実施形態では、噴射通路１１６から屈曲連結流路１４８に吐出された燃料ガスは、内壁面１５０により減速されるとともに、この内壁面１５０に結露水が付着する。その際、結露水が上方に移動することを突起部１８４により確実に阻止することができ、燃料ガス供給連通孔７６ａに結露水が導入されることを確実に阻止することが可能になる。
【００７６】
図９は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池システム１９０の要部断面説明図である。
【００７７】
燃料電池システム１９０は、エンドプレート６２ｂとエゼクタ５０との間に介装される流路ブロック１９２を備える。流路ブロック１９２には、噴射通路１１６と燃料ガス供給連通孔７６ａとを繋ぐ屈曲連結流路１９４を備える。この屈曲連結流路１９４は、下方にＶ字状に屈曲するとともに、入口１９４ａにディフューザ１００が挿入される一方、出口１９４ｂに燃料ガス供給連通孔７６ａが連通する。屈曲連結流路１９４のＶ字状の下端部側には、水排出口１５２を介してドレン流路１４６が連通する。
【００７８】
このように構成される第６の実施形態では、噴射通路１１６から屈曲連結流路１９４に吐出された燃料ガスは、この屈曲連結流路１９４の形状に沿って移動することにより流速が低下するとともに、水分が結露水として除去される。このため、燃料電池スタック１４内の各発電セル６０に燃料ガスを均一且つ確実に分配供給するとともに、結露水の浸入を阻止して発電性能を安定的に維持することが可能になる。
【００７９】
図１０は、本発明の第７の実施形態に係る燃料電池システム２００の概略構成図である。
【００８０】
燃料電池システム２００は、ドレン流路１４６に接続されるドレン弁２０２を備え、前記ドレン弁２０２の出口側が希釈ボックス５８に接続される。従って、第７の実施形態では、ドレン流路１４６に排出される結露水は、ドレン弁２０２の切り換え作用下に希釈ボックス５８に排出される。
【００８１】
図１１は、本発明の第８の実施形態に係る燃料電池システム２１０の要部断面説明図である。
【００８２】
燃料電池システム２１０は、エンドプレート６２ｂに代えてエンドプレート２１２を備える。エンドプレート２１２には、エゼクタ５０の噴射通路１１６に連通する入口２１４ａ及び燃料ガス供給連通孔７６ａに連通する出口２１４ｂを有した屈曲連結流路２１４が設けられる。この屈曲連結流路２１４には、噴射通路１１６の前方に位置して凹部１６４が形成されるとともに、前記凹部１６４の上方側には噴射通路１１６側に突出する突起部１７４が設けられる。
【００８３】
エンドプレート２１２には、エゼクタ５０を装着するための樹脂製ジョイント部材２１６が連結される。
【００８４】
このように構成される第８の実施形態では、エゼクタ５０が樹脂製ジョイント部材２１６を介してエンドプレート２１２に直接装着されている。このため、燃料電池システム２１０全体の軽量化及びコストの削減が容易に図られるという効果が得られる。
【００８５】
さらに、エンドプレート２１２には、屈曲連結流路２１４が形成されるとともに、この屈曲連結流路２１４に突起部１７４が設けられている。従って、部品点数の削減及び製造コストの削減が可能になり、しかも組み立て工数の低減も図られる。
【００８６】
さらにまた、エゼクタ５０とエンドプレート２１２とは、樹脂製ジョイント部材２１６を介して連結されている。これにより、樹脂製ジョイント部材２１６自体が傾くことによって、エゼクタ５０とエンドプレート２１２との相対位置合わせが容易になり、装着性が向上する。
【００８７】
なお、第８の実施形態では、図示しないが、樹脂製ジョイント部材２１６は、水排出口を介してドレン流路に連通するように構成してもよい（第２の実施形態参照）。
【符号の説明】
【００８８】
１０、１４０、１６０、１７０、１８０、１９０、２００、２１０…燃料電池システム
１４…燃料電池スタック １６…冷却媒体供給機構
１８…酸化剤ガス供給機構 ２０…燃料ガス供給機構
２８…冷却媒体供給配管 ３０…冷却媒体排出配管
３４…空気供給配管 ３６…加湿器
３８…加湿空気供給配管 ４０…オフガス供給配管
４４…燃料ガスタンク ４５…燃料ガスパイプ
５０…エゼクタ ５２…排出燃料ガス配管
５４…リターン配管 ６０…発電セル
６２ａ、６２ｂ、２１２…エンドプレート
６６…電解質膜・電極構造体 ６８、７０…セパレータ
７２ａ…酸化剤ガス供給連通孔 ７２ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
７４ａ…冷却媒体供給連通孔 ７４ｂ…冷却媒体排出連通孔
７６ａ…燃料ガス供給連通孔 ７６ｂ…燃料ガス排出連通孔
７８…固体高分子電解質膜 ８０…アノード側電極
８２…カソード側電極 ８４…燃料ガス流路
８６…冷却媒体流路 ８８…酸化剤ガス流路
９０、１４４、１６２、１７２、１８２、１９２…流路ブロック
９４…本体部 ９８…ノズル
１００…ディフューザ １０４…オフガス通路
１１６…噴射通路
１２０、１４８、１９４、２１４…屈曲連結流路
１２０ａ、１４８ａ、１９４ａ、２１４ａ…入口
１２０ｂ、１４８ｂ、１９４ｂ、２１４ｂ…出口
１２６、１５０…内壁面 １４２…気液分離器
１４６…ドレン流路 １５２…水排出口
１６４…凹部 １７４、１８４…突起部
２０２…ドレン弁 ２１６…樹脂製ジョイント部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の発電セルが積層される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタック内に反応ガスを導入するとともに、前記燃料電池スタックから排出される使用済み反応ガスを前記燃料電池スタックに戻すエゼクタとを備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
ところで、燃料電池では、水素ガス等の燃料ガスがアノード側電極に供給されるとともに、発電に使用されない未反応の燃料ガスを含む燃料オフガスが、前記燃料電池から排出されている。従って、経済性を考慮して燃料ガスの有効利用を図るため、燃料オフガスを、燃料ガスとしてアノード側電極に再度供給することが行われている。
【０００４】
例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムは、図１２に示すように、水素供給装置１から燃料電池２（複数の発電セル２ａの積層体）に水素を供給するための水素供給経路３と、前記燃料電池２から排出されるオフガスを前記水素供給経路３に合流させ、前記燃料電池２に再循環させるオフガス循環経路４と、オフガスを前記オフガス循環経路４に循環させるとともに、オフガスの循環量を制御可能であり、さらにオフガスを主供給水素に混合するエジェクタポンプ５と、前記エジェクタポンプ５の吐出圧を検出する圧力センサ６とを設けている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−９５５２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、エジェクタポンプ５が燃料電池２の近傍に配置される際、前記エジェクタポンプ５から前記燃料電池２の水素供給連通孔内には、水素が高圧で吐出されるため、前記水素供給連通孔内に静圧分布が発生し易い。これにより、燃料電池２内では、特に水素入口側に位置する発電セル２ａに対して水素が十分に供給されず、発電性能が低下するという問題がある。
【０００７】
さらに、オフガス中には、燃料電池２の発電反応により生成される水が含まれており、温度低下によって水蒸気が凝縮して水滴が発生し易い。この水滴が燃料電池２内に導入されると、前記燃料電池２の発電性能を安定的に維持することが困難になるという問題がある。しかも、水蒸気は、水素の流れに乗ってオフガス循環経路４を循環するため、燃料電池２内への結露水の混入防止を図ることができないという問題がある。
【０００８】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、燃料電池スタック内に積層されている各発電セルに対し、反応ガスを均一且つ確実に分配供給するとともに、前記燃料電池スタック内に結露水が導入されることを可及的に阻止することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、複数の発電セルが水平方向に積層され、積層方向端部にエンドプレートが配設されるとともに、積層方向に沿って少なくとも燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを供給する反応ガス供給連通孔が設けられる燃料電池スタックと、前記エンドプレートに装着され、反応ガス噴出口から前記反応ガス供給連通孔に前記反応ガスを導入するとともに、前記燃料電池スタックから排出される使用済み反応ガスを、未使用の前記反応ガスに混合するために前記反応ガス噴出口に戻すエゼクタとを備える燃料電池システムに関するものである。
【００１０】
この燃料電池システムでは、エゼクタの反応ガス噴出口とエンドプレートの反応ガス供給連通孔とが、積層方向に対して互いに位置をずらして配置されている。
【００１１】
また、エゼクタの反応ガス噴出口は、エンドプレートの反応ガス供給連通孔より下方に配置されることが好ましい。
【００１２】
さらに、エゼクタの反応ガス噴出口の先端部下方には、水排出口が設けられることが好ましい。
【００１３】
さらにまた、エゼクタの反応ガス噴出口の前方には、上方向に向かってエンドプレートの反応ガス供給連通孔に連通する流路を形成するための内壁面が、反応ガスの噴出方向に直交し且つ上下方向に延在して設けられることが好ましい。
【００１４】
また、内壁面には、反応ガス噴出口より上方に位置し且つエンドプレート側から流路に突出する突起部が形成されることが好ましい。
【００１５】
さらに、内壁面には、エゼクタの反応ガス噴出口の前方に位置して凹部が形成されることが好ましい。
【００１６】
さらにまた、エンドプレートとエゼクタとの間には、流路ブロックが介装されるとともに、前記流路ブロックは、反応ガス噴出口に連通する入口及び反応ガス供給連通孔に連通する出口を有した屈曲連結流路を備えることが好ましい。
【００１７】
また、エンドプレートには、反応ガス噴出口に連通する入口及び反応ガス供給連通孔に連通する出口を有した屈曲連結流路が設けられることが好ましい。
【００１８】
さらに、エンドプレートには、エゼクタを装着するための樹脂製ジョイント部材が連結されることが好ましい。
【００１９】
さらにまた、本発明に係る燃料電池システムでは、エゼクタの反応ガス噴出口とエンドプレートの反応ガス供給連通孔とを繋ぐ屈曲連結流路を設け、前記屈曲連結流路は、下方にＶ字状に屈曲する屈曲部分を有している。
【００２０】
また、エンドプレートとエゼクタとの間には、流路ブロックが介装されるとともに、前記流路ブロックは、反応ガス噴出口に連通する入口及び反応ガス供給連通孔に連通する出口を有した屈曲連結流路を備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、エゼクタの反応ガス噴出口からエンドプレートの反応ガス供給連通孔に反応ガスが噴射される際、前記反応ガス噴出口と前記反応ガス供給連通孔との相対的な位置ずれによって、前記反応ガスの流速が低下されるとともに、前記反応ガス中の水分が結露水となって除去される。
【００２２】
このため、反応ガスの流速が低下することにより反応ガス供給連通孔内での静圧分布が改善される一方、燃料電池スタック内に結露水が導入されることを可及的に阻止することができる。これにより、燃料電池スタック内に積層されている各発電セルに対し、反応ガスを均一且つ確実に分配供給するとともに、前記燃料電池スタックの発電性能を安定的に維持することが可能になる。
【００２３】
また、本発明によれば、エゼクタの反応ガス噴出口とエンドプレートの反応ガス供給連通孔とを繋ぐ屈曲連結流路は、下方にＶ字状に屈曲する屈曲部分を有している。従って、反応ガスは、屈曲連結流路の屈曲部分で整流されるとともに、結露水が除去される。このため、燃料電池スタック内に積層されている各発電セルに対し、反応ガスを均一且つ確実に分配供給するとともに、前記燃料電池スタックの発電性能を安定的に維持することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】前記燃料電池スタックを構成する発電セルの分解斜視説明図である。
【図３】前記燃料電池システムの要部断面説明図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図５】前記燃料電池システムの要部断面説明図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムの要部断面説明図である。
【図７】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システムの要部断面説明図である。
【図８】本発明の第５の実施形態に係る燃料電池システムの要部断面説明図である。
【図９】本発明の第６の実施形態に係る燃料電池システムの要部断面説明図である。
【図１０】本発明の第７の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図１１】本発明の第８の実施形態に係る燃料電池システムの要部断面説明図である。
【図１２】特許文献１に開示されている燃料電池システムの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１０の概略構成図である。
【００２６】
燃料電池システム１０は、図示しない燃料電池車両に搭載されており、燃料電池スタック１４と、前記燃料電池スタック１４に冷却媒体を供給するための冷却媒体供給機構１６と、前記燃料電池スタック１４に酸化剤ガス（反応ガス）を供給するための酸化剤ガス供給機構１８と、前記燃料電池スタック１４に燃料ガス（反応ガス）を供給するための燃料ガス供給機構２０とを備える。
【００２７】
冷却媒体供給機構１６は、ラジエータ２４を備える。このラジエータ２４には、冷媒用ポンプ２６を介して冷却媒体供給配管２８と、冷却媒体排出配管３０とが接続される。
【００２８】
酸化剤ガス供給機構１８は、冷媒用ポンプ２６に近接して配置される空気用ポンプ３２を備える。この空気用ポンプ３２に一端が接続される空気供給配管３４は、加湿器３６に他端が接続されるとともに、この加湿器３６には、加湿空気供給配管３８を介して燃料電池スタック１４が接続される。燃料電池スタック１４と加湿器３６とには、使用済みの酸化剤ガス（以下、オフガスという）を加湿流体として供給するためのオフガス供給配管４０が接続される。加湿器３６では、オフガス供給配管４０を介して供給されたオフガスの排出側に、背圧弁４２が配設される。
【００２９】
燃料ガス供給機構２０は、燃料ガスとして水素ガスが貯留される燃料ガスタンク４４を備える。この燃料ガスタンク４４には、燃料ガスパイプ４５の一端が接続され、前記燃料ガスパイプ４５は、遮断弁４６、レギュレータ４８及びエゼクタ５０を介して燃料電池スタック１４に接続される。
【００３０】
燃料電池スタック１４には、使用済みの燃料ガスが排出される排出燃料ガス配管５２が接続される。この排出燃料ガス配管５２は、リターン配管５４を介してエゼクタ５０に接続されるとともに、一部がパージ弁５６を介して希釈ボックス５８に連通する。希釈ボックス５８には、例えば、燃料電池スタック１４から排出される使用済みの酸化剤ガスが希釈エアとして導入される。
【００３１】
燃料電池スタック１４は、複数の発電セル６０が水平方向（図２中、矢印Ａ方向）に積層されるとともに、積層方向の両端には、図示しないが、ターミナルプレート及び絶縁プレートを介してエンドプレート６２ａ、６２ｂが配設される（図１参照）。燃料電池スタック１４は、例えば、エンドプレート６２ａ、６２ｂを端板とするケーシング（図示せず）、又は前記エンドプレート６２ａ、６２ｂ間を締結するタイロッド（図示せず）を備える。
【００３２】
ターミナルプレートに電力取り出し端子６３ａ、６３ｂが設けられており、エンドプレート６２ａ、６２ｂから積層方向外方に前記電力取り出し端子６３ａ、６３ｂが突出する。電力取り出し端子６３ａ、６３ｂは、図示しない走行用モータや補機類に接続される。
【００３３】
図２に示すように、各発電セル６０は、電解質膜・電極構造体６６と、前記電解質膜・電極構造体６６を挟持する第１及び第２セパレータ６８、７０とを備えるとともに、縦長に構成される。なお、第１及び第２セパレータ６８、７０は、カーボンセパレータ又は金属セパレータで構成される。
【００３４】
発電セル６０の長辺方向（矢印Ｃ方向）の一端縁部（上端縁部）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔（反応ガス供給連通孔）７２ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔（反応ガス供給連通孔）７６ａが設けられる。
【００３５】
発電セル６０の長辺方向の他端縁部（下端縁部）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔７２ｂ及び燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔７６ｂが設けられる。
【００３６】
発電セル６０の短辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔７４ａが設けられるとともに、前記発電セル６０の短辺方向の他端縁部には、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔７４ｂが設けられる。冷却媒体供給連通孔７４ａ及び冷却媒体排出連通孔７４ｂは、縦長形状に設定される。
【００３７】
電解質膜・電極構造体６６は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜７８と、前記固体高分子電解質膜７８を挟持するアノード側電極８０及びカソード側電極８２とを備える。
【００３８】
第１セパレータ６８の電解質膜・電極構造体６６に向かう面６８ａには、燃料ガス供給連通孔７６ａと燃料ガス排出連通孔７６ｂとを連通する燃料ガス流路８４が形成される。この燃料ガス流路８４は、例えば、矢印Ｃ方向に延在する溝部により構成される。第１セパレータ６８の面６８ａとは反対の面６８ｂには、冷却媒体供給連通孔７４ａと冷却媒体排出連通孔７４ｂとを連通する冷却媒体流路８６が形成される。この冷却媒体流路８６は、矢印Ｂ方向に延在する溝部により構成される。
【００３９】
第２セパレータ７０の電解質膜・電極構造体６６に向かう面７０ａには、例えば、矢印Ｃ方向に延在する溝部からなる酸化剤ガス流路８８が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路８８は、酸化剤ガス供給連通孔７２ａと酸化剤ガス排出連通孔７２ｂとに連通する。第２セパレータ７０の面７０ａとは反対の面７０ｂには、第１セパレータ６８の面６８ｂと重なり合って冷却媒体流路８６が一体的に形成される。図示しないが、第１及び第２セパレータ６８、７０には、必要に応じてシール部材が設けられる。
【００４０】
図３に示すように、エンドプレート６２ｂには、マニホールド部材である流路ブロック９０を介してエゼクタ５０が装着される。エゼクタ５０は、筒状の本体部９４を備え、前記本体部９４には、ノズル９８及びディフューザ１００が収容される。本体部９４には、オフガス通路１０４が形成される。ノズル９８は、燃料ガスパイプ４５に連通する燃料ガス通路１０６を設け、この燃料ガス通路１０６は、前記ノズル９８の先端に設けられる噴射口１１０からディフューザ１００内に開放される。
【００４１】
オフガス通路１０４は、リターン配管５４に連通するとともに、ディフューザ１００の外周に形成される孔部１１２を介して吸引室１１４に連通する。吸引室１１４は、先端側に向かって縮径した後、流れ方向下流に向かって連続的に拡径する噴射通路（反応ガス噴出口）１１６に連通する。
【００４２】
ディフューザ１００の先端は、本体部９４の端部から突出し、流路ブロック９０に設けられる屈曲連結流路１２０の入口１２０ａに挿入される。屈曲連結流路１２０は、水平方向に略９０゜ずつ２回屈曲しており、出口１２０ｂがエンドプレート６２ｂの燃料ガス供給連通孔７６ａに連通する。ディフューザ１００の先端と入口１２０ａとの間、及び出口１２０ｂとエンドプレート６２ｂの燃料ガス供給連通孔７６ａとの間には、それぞれシール部材１２４ａ、１２４ｂが介装される。
【００４３】
エゼクタ５０の噴射通路１１６は、屈曲連結流路１２０の入口１２０ａに連通する一方、エンドプレート６２ｂの燃料ガス供給連通孔７６ａは、前記屈曲連結流路１２０の出口１２０ｂに連通する。すなわち、エゼクタ５０の噴射通路１１６とエンドプレート６２ｂの燃料ガス供給連通孔７６ａとは、積層方向（矢印Ａ方向）に対して互いに位置をずらして配置される。
【００４４】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
【００４５】
先ず、図１に示すように、酸化剤ガス供給機構１８を構成する空気用ポンプ３２が駆動され、酸化剤ガスである外部空気が吸引されて空気供給配管３４に導入される。この空気は、空気供給配管３４から加湿器３６内に導入された後、加湿空気供給配管３８に供給される。
【００４６】
その際、オフガス供給配管４０には、後述するように、反応に使用された酸化剤ガスであるオフガスが供給されている。このため、使用前の空気には、オフガス中に含まれる水分が移動し、この使用前の空気が加湿される。加湿された空気は、加湿空気供給配管３８からエンドプレート６２ｂを通って燃料電池スタック１４内の酸化剤ガス供給連通孔７２ａに供給される。
【００４７】
一方、燃料ガス供給機構２０では、遮断弁４６の開放作用下に、燃料ガスタンク４４内の燃料ガス（水素ガス）がレギュレータ４８で降圧された後、エゼクタ５０からエンドプレート６２ｂを通って燃料電池スタック１４内の燃料ガス供給連通孔７６ａに導入される。
【００４８】
さらに、冷却媒体供給機構１６では、冷媒用ポンプ２６の作用下に、冷却媒体供給配管２８からエンドプレート６２ａを通って燃料電池スタック１４内の冷却媒体供給連通孔７４ａに冷却媒体が導入される。
【００４９】
図２に示すように、燃料電池スタック１４内の各発電セル６０に供給された空気は、酸化剤ガス供給連通孔７２ａから第２セパレータ７０の酸化剤ガス流路８８に導入され、電解質膜・電極構造体６６のカソード側電極８２に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔７６ａから第１セパレータ６８の燃料ガス流路８４に導入され、電解質膜・電極構造体６６のアノード側電極８０に沿って移動する。
【００５０】
従って、各電解質膜・電極構造体６６では、カソード側電極８２に供給される空気中の酸素と、アノード側電極８０に供給される燃料ガス（水素）とが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００５１】
次いで、カソード側電極８２に供給されて消費された空気は、酸化剤ガス排出連通孔７２ｂに沿って流動した後、オフガスとしてエンドプレート６２ｂからオフガス供給配管４０に排出される（図１参照）。
【００５２】
同様に、アノード側電極８０に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔７６ｂに排出されて流動し、排出燃料ガスとしてエンドプレート６２ｂから排出燃料ガス配管５２に排出される（図１参照）。排出燃料ガス配管５２に排出された排出燃料ガスは、一部がリターン配管５４を通ってエゼクタ５０の吸引作用下に新たな燃料ガスに混在し、燃料電池スタック１４内に供給される。残余の排出燃料ガスは、パージ弁５６の開放作用下に希釈ボックス５８に導入される。
【００５３】
また、冷却媒体は、図２に示すように、冷却媒体供給連通孔７４ａから第１及び第２セパレータ６８、７０間の冷却媒体流路８６に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体６６を冷却した後、冷却媒体排出連通孔７４ｂを移動してエンドプレート６２ａから冷却媒体排出配管３０に排出される。この冷却媒体は、図１に示すように、ラジエータ２４により冷却された後、冷媒用ポンプ２６の作用下に冷却媒体供給配管２８から燃料電池スタック１４に供給される。
【００５４】
この場合、第１の実施形態では、図３に示すように、燃料ガスパイプ４５からノズル９８の燃料ガス通路１０６に供給される燃料ガスは、前記ノズル９８の先端に設けられている噴射口１１０からディフューザ１００に噴射される。このため、吸引室１１４に負圧が発生し、リターン配管５４からオフガス通路１０４を介してこの吸引室１１４に排出燃料ガスが吸引される。
【００５５】
従って、ノズル９８から噴射された燃料ガスに排出燃料ガスが混合され、この混合された燃料ガスは、ディフューザ１００の噴射通路１１６から流路ブロック９０の屈曲連結流路１２０に向かって吐出される。
【００５６】
その際、屈曲連結流路１２０は、水平方向に略９０゜ずつ２回屈曲している。これにより、入口１２０ａに吐出された燃料ガスは、屈曲連結流路１２０の屈曲部を構成する内壁面１２６により流速が低下した後、出口１２０ｂからエンドプレート６２ｂの燃料ガス供給連通孔７６ａに供給される。しかも、燃料ガスが内壁面１２６に吹き付けられることにより、前記燃料ガス中の水分が結露水となって除去される。
【００５７】
このため、燃料ガスの流速が低下して燃料ガス供給連通孔７６ａ内での静圧分布が改善される一方、燃料電池スタック１４内に結露水が導入されることを可及的に阻止することができる。特に、燃料ガスが最も入り難いエゼクタ５０側の発電セル６０に対して、前記燃料ガスを確実に分配供給することが可能になる。
【００５８】
従って、第１の実施形態では、燃料電池スタック１４内に積層されている各発電セル６０に対し、燃料ガスを均一且つ確実に分配供給するとともに、前記燃料電池スタック１４の発電性能を安定的に維持することが可能になるという効果が得られる。
【００５９】
なお、第１の実施形態では、反応ガスとして燃料電池スタック１４に循環して供給される燃料ガスを用いて説明したが、これに限定されるものではなく、前記反応ガスとして酸化剤ガスを前記燃料電池スタック１４に循環供給する場合にも適用可能である。特に、酸化剤ガスとして純酸素が使用される際には、好適である。また、以下に説明する第２の実施形態以降においても、同様である。
【００６０】
さらにまた、第１の実施形態では、屈曲連結流路１２０が水平方向に略９０°ずつ２回屈曲しているが、これに代えて、入口１２０ａが上方で且つ出口１２０ｂが下方に位置するように上下方向に略９０°ずつ２回屈曲するように構成してもよい。
【００６１】
図４は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム１４０の概略構成図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態以降においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００６２】
燃料電池スタック１４には、燃料ガス排出連通孔７６ｂに気液分離器１４２が連通しており、この気液分離器１４２には、流路ブロック１４４に接続されたドレン流路１４６が接続される。
【００６３】
図５に示すように、流路ブロック１４４は、エンドプレート６２ｂとエゼクタ５０との間に介装されるとともに、屈曲連結流路１４８を設ける。屈曲連結流路１４８の入口１４８ａには、ディフューザ１００の先端が挿入されるとともに、前記屈曲連結流路１４８の出口１４８ｂは、燃料ガス供給連通孔７６ａに連通する。入口１４８ａは、出口１４８ｂよりも下方に配置されており、噴射通路１１６は、燃料ガス供給連通孔７６ａより下方に配置される。
【００６４】
流路ブロック１４４内には、噴射通路１１６の前方に位置し、上方向に向かって燃料ガス供給連通孔７６ａに連通する流路を形成するための内壁面１５０が、前記噴射通路１１６からの燃料ガス噴出方向に直交し且つ上下方向に延在して設けられる。噴射通路１１６の先端下方には、水排出口１５２が設けられ、前記水排出口１５２は、ドレン流路１４６に連通する。
【００６５】
このように構成される第２の実施形態では、図５に示すように、屈曲連結流路１４８は、入口１４８ａが出口１４８ｂよりも下方に配置されるとともに、鉛直上方向に略９０°だけ屈曲している。このため、ディフューザ１００の噴射通路１１６から屈曲連結流路１４８の入口１４８ａに吐出された燃料ガスは、内壁面１５０により流速が低下した後、出口１４８ｂから燃料ガス供給連通孔７６ａに供給される。
【００６６】
従って、燃料ガスの流速が低下し、燃料ガス供給連通孔７６ａ内での静圧分布が改善される一方、内壁面１５０に付着した結露水は、水排出口１５２からドレン流路１４６を介して気液分離器１４２に排出される。これにより、第２の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる他、流路ブロック１４４内に結露水が貯留されることがなく、排水性が一層向上するという利点が得られる。
【００６７】
図６は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システム１６０の要部断面説明図である。
【００６８】
燃料電池システム１６０は、エンドプレート６２ｂとエゼクタ５０との間に介装される流路ブロック１６２を備える。流路ブロック１６２には、第２の実施形態と同様に、鉛直上方向に略９０°だけ屈曲する屈曲連結流路１４８を設けるとともに、内壁面１５０には、噴射通路１１６の前方に位置して凹部１６４が形成される。
【００６９】
このように構成される第３の実施形態では、噴射通路１１６から屈曲連結流路１４８に吐出された燃料ガスは、内壁面１５０の凹部１６４に吹き付けられ、流速が低下するとともに、前記凹部１６４に結露水が付着する。そして、この結露水は、凹部１６４から上方に移動することを確実に阻止され、水排出口１５２を介してドレン流路１４６に確実且つ円滑に排出されるという利点がある。
【００７０】
図７は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システム１７０の要部断面説明図である。
【００７１】
燃料電池システム１７０は、エンドプレート６２ｂとエゼクタ５０との間に介装される流路ブロック１７２を備える。流路ブロック１７２は、上記の第３の実施形態と同様に、内壁面１５０に凹部１６４が形成されるとともに、前記凹部１６４の上方側には、屈曲連結流路１４８側に突出する突起部１７４が設けられる。
【００７２】
これにより、第４の実施形態では、噴射通路１１６から屈曲連結流路１４８に吐出された燃料ガスは、凹部１６４により減速されるとともに、結露水がこの凹部１６４に除去される。その際、特に突起部１７４を介して結露水が燃料ガス供給連通孔７６ａ側に移動することを確実に阻止することができる。
【００７３】
図８は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池システム１８０の要部断面説明図である。
【００７４】
燃料電池システム１８０は、エンドプレート６２ｂとエゼクタ５０との間に介装される流路ブロック１８２を備える。流路ブロック１８２は、内壁面１５０に噴射通路１１６より上方に位置して屈曲連結流路１４８側に突出する突起部１８４が形成される。
【００７５】
従って、第５の実施形態では、噴射通路１１６から屈曲連結流路１４８に吐出された燃料ガスは、内壁面１５０により減速されるとともに、この内壁面１５０に結露水が付着する。その際、結露水が上方に移動することを突起部１８４により確実に阻止することができ、燃料ガス供給連通孔７６ａに結露水が導入されることを確実に阻止することが可能になる。
【００７６】
図９は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池システム１９０の要部断面説明図である。
【００７７】
燃料電池システム１９０は、エンドプレート６２ｂとエゼクタ５０との間に介装される流路ブロック１９２を備える。流路ブロック１９２には、噴射通路１１６と燃料ガス供給連通孔７６ａとを繋ぐ屈曲連結流路１９４を備える。この屈曲連結流路１９４は、下方にＶ字状に屈曲するとともに、入口１９４ａにディフューザ１００が挿入される一方、出口１９４ｂに燃料ガス供給連通孔７６ａが連通する。屈曲連結流路１９４のＶ字状の下端部側には、水排出口１５２を介してドレン流路１４６が連通する。
【００７８】
このように構成される第６の実施形態では、噴射通路１１６から屈曲連結流路１９４に吐出された燃料ガスは、この屈曲連結流路１９４の形状に沿って移動することにより流速が低下するとともに、水分が結露水として除去される。このため、燃料電池スタック１４内の各発電セル６０に燃料ガスを均一且つ確実に分配供給するとともに、結露水の浸入を阻止して発電性能を安定的に維持することが可能になる。
【００７９】
図１０は、本発明の第７の実施形態に係る燃料電池システム２００の概略構成図である。
【００８０】
燃料電池システム２００は、ドレン流路１４６に接続されるドレン弁２０２を備え、前記ドレン弁２０２の出口側が希釈ボックス５８に接続される。従って、第７の実施形態では、ドレン流路１４６に排出される結露水は、ドレン弁２０２の切り換え作用下に希釈ボックス５８に排出される。
【００８１】
図１１は、本発明の第８の実施形態に係る燃料電池システム２１０の要部断面説明図である。
【００８２】
燃料電池システム２１０は、エンドプレート６２ｂに代えてエンドプレート２１２を備える。エンドプレート２１２には、エゼクタ５０の噴射通路１１６に連通する入口２１４ａ及び燃料ガス供給連通孔７６ａに連通する出口２１４ｂを有した屈曲連結流路２１４が設けられる。この屈曲連結流路２１４には、噴射通路１１６の前方に位置して凹部１６４が形成されるとともに、前記凹部１６４の上方側には噴射通路１１６側に突出する突起部１７４が設けられる。
【００８３】
エンドプレート２１２には、エゼクタ５０を装着するための樹脂製ジョイント部材２１６が連結される。
【００８４】
このように構成される第８の実施形態では、エゼクタ５０が樹脂製ジョイント部材２１６を介してエンドプレート２１２に直接装着されている。このため、燃料電池システム２１０全体の軽量化及びコストの削減が容易に図られるという効果が得られる。
【００８５】
さらに、エンドプレート２１２には、屈曲連結流路２１４が形成されるとともに、この屈曲連結流路２１４に突起部１７４が設けられている。従って、部品点数の削減及び製造コストの削減が可能になり、しかも組み立て工数の低減も図られる。
【００８６】
さらにまた、エゼクタ５０とエンドプレート２１２とは、樹脂製ジョイント部材２１６を介して連結されている。これにより、樹脂製ジョイント部材２１６自体が傾くことによって、エゼクタ５０とエンドプレート２１２との相対位置合わせが容易になり、装着性が向上する。
【００８７】
なお、第８の実施形態では、図示しないが、樹脂製ジョイント部材２１６は、水排出口を介してドレン流路に連通するように構成してもよい（第２の実施形態参照）。
【符号の説明】
【００８８】
１０、１４０、１６０、１７０、１８０、１９０、２００、２１０…燃料電池システム
１４…燃料電池スタック １６…冷却媒体供給機構
１８…酸化剤ガス供給機構 ２０…燃料ガス供給機構
２８…冷却媒体供給配管 ３０…冷却媒体排出配管
３４…空気供給配管 ３６…加湿器
３８…加湿空気供給配管 ４０…オフガス供給配管
４４…燃料ガスタンク ４５…燃料ガスパイプ
５０…エゼクタ ５２…排出燃料ガス配管
５４…リターン配管 ６０…発電セル
６２ａ、６２ｂ、２１２…エンドプレート
６６…電解質膜・電極構造体 ６８、７０…セパレータ
７２ａ…酸化剤ガス供給連通孔 ７２ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
７４ａ…冷却媒体供給連通孔 ７４ｂ…冷却媒体排出連通孔
７６ａ…燃料ガス供給連通孔 ７６ｂ…燃料ガス排出連通孔
７８…固体高分子電解質膜 ８０…アノード側電極
８２…カソード側電極 ８４…燃料ガス流路
８６…冷却媒体流路 ８８…酸化剤ガス流路
９０、１４４、１６２、１７２、１８２、１９２…流路ブロック
９４…本体部 ９８…ノズル
１００…ディフューザ １０４…オフガス通路
１１６…噴射通路
１２０、１４８、１９４、２１４…屈曲連結流路
１２０ａ、１４８ａ、１９４ａ、２１４ａ…入口
１２０ｂ、１４８ｂ、１９４ｂ、２１４ｂ…出口
１２６、１５０…内壁面 １４２…気液分離器
１４６…ドレン流路 １５２…水排出口
１６４…凹部 １７４、１８４…突起部
２０２…ドレン弁 ２１６…樹脂製ジョイント部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の発電セルが水平方向に積層され、積層方向端部にエンドプレートが配設されるとともに、積層方向に沿って少なくとも燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを供給する反応ガス供給連通孔が設けられる燃料電池スタックと、
前記エンドプレートに装着され、反応ガス噴出口から前記反応ガス供給連通孔に前記反応ガスを導入するとともに、前記燃料電池スタックから排出される使用済み反応ガスを、未使用の前記反応ガスに混合するために前記反応ガス噴出口に戻すエゼクタと、
を備える燃料電池システムであって、
前記エゼクタの前記反応ガス噴出口と前記エンドプレートの前記反応ガス供給連通孔とは、前記積層方向に対して互いに位置をずらして配置されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記エゼクタの前記反応ガス噴出口は、前記エンドプレートの前記反応ガス供給連通孔より下方に配置され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記載の燃料電池システムにおいて、前記エゼクタの前記反応ガス噴出口の先端部下方には、水排出口が設けられることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２又は３記載の燃料電池システムにおいて、前記エゼクタの前記反応ガス噴出口の前方には、上方向に向かって前記エンドプレートの前記反応ガス供給連通孔に連通する流路を形成するための内壁面が、前記反応ガスの噴出方向に直交し且つ上下方向に延在して設けられることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池システムにおいて、前記内壁面には、前記反応ガス噴出口より上方に位置し且つ前記エンドプレート側から前記流路に突出する突起部が形成されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項４又は５記載の燃料電池システムにおいて、前記内壁面には、前記エゼクタの前記反応ガス噴出口の前方に位置して凹部が形成されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記エンドプレートと前記エゼクタとの間には、流路ブロックが介装されるとともに、
前記流路ブロックは、前記反応ガス噴出口に連通する入口及び前記反応ガス供給連通孔に連通する出口を有した屈曲連結流路を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記エンドプレートには、前記反応ガス噴出口に連通する入口及び前記反応ガス供給連通孔に連通する出口を有した屈曲連結流路が設けられることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項８記載の燃料電池システムにおいて、前記エンドプレートには、前記エゼクタを装着するための樹脂製ジョイント部材が連結されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
複数の発電セルが水平方向に積層され、積層方向端部にエンドプレートが配設されるとともに、積層方向に沿って少なくとも燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを供給する反応ガス供給連通孔が設けられる燃料電池スタックと、
前記エンドプレートに装着され、反応ガス噴出口から前記反応ガス供給連通孔に前記反応ガスを導入するとともに、前記燃料電池スタックから排出される使用済み反応ガスを、未使用の前記反応ガスに混合するために前記反応ガス噴出口に戻すエゼクタと、
を備える燃料電池システムであって、
前記エゼクタの前記反応ガス噴出口と前記エンドプレートの前記反応ガス供給連通孔とを繋ぐ屈曲連結流路を設け、
前記屈曲連結流路は、下方にＶ字状に屈曲する屈曲部分を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項１０記載の燃料電池システムにおいて、前記エンドプレートと前記エゼクタとの間には、流路ブロックが介装されるとともに、
前記流路ブロックは、前記反応ガス噴出口に連通する入口及び前記反応ガス供給連通孔に連通する出口を有した前記屈曲連結流路を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１】
複数の発電セルが水平方向に積層され、積層方向端部にエンドプレートが配設されるとともに、積層方向に沿って少なくとも燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを供給する反応ガス供給連通孔が設けられる燃料電池スタックと、
前記エンドプレートに装着され、反応ガス噴出口から前記反応ガス供給連通孔に前記反応ガスを導入するとともに、前記燃料電池スタックから排出される使用済み反応ガスを、未使用の前記反応ガスに混合するために前記反応ガス噴出口に戻すエゼクタと、
を備える燃料電池システムであって、
前記エゼクタの前記反応ガス噴出口と前記エンドプレートの前記反応ガス供給連通孔とは、前記積層方向に対して互いに位置をずらして配置されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記エゼクタの前記反応ガス噴出口は、前記エンドプレートの前記反応ガス供給連通孔より下方に配置され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記載の燃料電池システムにおいて、前記エゼクタの前記反応ガス噴出口の先端部下方には、水排出口が設けられることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２又は３記載の燃料電池システムにおいて、前記エゼクタの前記反応ガス噴出口の前方には、上方向に向かって前記エンドプレートの前記反応ガス供給連通孔に連通する流路を形成するための内壁面が、前記反応ガスの噴出方向に直交し且つ上下方向に延在して設けられることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池システムにおいて、前記内壁面には、前記反応ガス噴出口より上方に位置し且つ前記エンドプレート側から前記流路に突出する突起部が形成されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項４又は５記載の燃料電池システムにおいて、前記内壁面には、前記エゼクタの前記反応ガス噴出口の前方に位置して凹部が形成されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記エンドプレートと前記エゼクタとの間には、流路ブロックが介装されるとともに、
前記流路ブロックは、前記反応ガス噴出口に連通する入口及び前記反応ガス供給連通孔に連通する出口を有した屈曲連結流路を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記エンドプレートには、前記反応ガス噴出口に連通する入口及び前記反応ガス供給連通孔に連通する出口を有した屈曲連結流路が設けられることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項８記載の燃料電池システムにおいて、前記エンドプレートには、前記エゼクタを装着するための樹脂製ジョイント部材が連結されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
複数の発電セルが水平方向に積層され、積層方向端部にエンドプレートが配設されるとともに、積層方向に沿って少なくとも燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを供給する反応ガス供給連通孔が設けられる燃料電池スタックと、
前記エンドプレートに装着され、反応ガス噴出口から前記反応ガス供給連通孔に前記反応ガスを導入するとともに、前記燃料電池スタックから排出される使用済み反応ガスを、未使用の前記反応ガスに混合するために前記反応ガス噴出口に戻すエゼクタと、
を備える燃料電池システムであって、
前記エゼクタの前記反応ガス噴出口と前記エンドプレートの前記反応ガス供給連通孔とを繋ぐ屈曲連結流路を設け、
前記屈曲連結流路は、下方にＶ字状に屈曲する屈曲部分を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項１０記載の燃料電池システムにおいて、前記エンドプレートと前記エゼクタとの間には、流路ブロックが介装されるとともに、
前記流路ブロックは、前記反応ガス噴出口に連通する入口及び前記反応ガス供給連通孔に連通する出口を有した前記屈曲連結流路を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１０−１８６７３０（Ｐ２０１０−１８６７３０Ａ）
【公開日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１０６４９１（Ｐ２００９−１０６４９１）
【出願日】平成２１年４月２４日（２００９．４．２４）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月２４日（２００９．４．２４）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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