JP2007095491A

JP2007095491A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2007095491A
Application number: JP2005283429A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Tamura; 義宏田村; Chikayuki Takada; 慎之高田; Kenji Kato; 憲二加藤; Yoshiaki Nakamura; 佳朗中村
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2005-09-29
Filing date: 2005-09-29
Publication date: 2007-04-12

Abstract

【課題】空気の流量分布が偏ることを補正して、燃料電池の出力低下を抑制しつつ寿命の延長を図ると共に、水の回収能率を向上させることができる燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】本願発明の燃料電池システム１によれば、空気供給路１３の第１曲部１３ａに生じる空気の流量分布の偏りを補正する第１整流手段３１を備えているので、燃料電池スタック１１に流入される空気の流量分布の偏りを補正して、燃料電池の出力低下を抑制しつつ寿命の延長を図ることができる。また、空気排出路１５の第２曲部１５ａに生じる空気の流量分布の偏りを補正する第２整流手段３２を備えているので、熱交換装置１４に流入される空気の流量分布の偏りを補正して、水の回収能率の向上を図ることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、空気の流量分布が偏ることを補正して、燃料電池の出力低下を抑制しつつ寿命の延長を図ると共に、水の回収能率を向上させることができる燃料電池システムに関するものである。

一般に、燃料電池を搭載した車両（以下、「燃料電池搭載車両」と称す）においては、積層型の燃料電池スタックによって発生させられた電力を駆動モータに供給し、その駆動モータを駆動することによってトルクを発生させる。

そのために、特開２００４−２８８４９６号公報（特許文献１）に記載されるように、燃料電池搭載車両に車載燃料電池システム（燃料電池システム）が配設され、その車載燃料電池システムは、空気を供給するための空気供給ファンユニットと、その空気供給ファンユニットから空気が供給される燃料電池スタックと、その燃料電池スタックから排出された空気中の水分を凝縮させる凝縮器ユニット（熱交換装置）とを主に備えて構成される。

そして、空気供給ファンユニットにより導入された空気が空気導入ダクト（空気供給路）を介して燃料電池スタックに供給され、空気中の酸素と燃料タンクから供給された水素とが反応させられて水が生成されると共に、反応に伴って電流が発生する。

また、反応により生成した水は、空気極の表面や電解質膜の表面等から熱を奪って水蒸気となり、燃料電池スタックから排出される空気と共に排気導入ダクト（空気排出路）を介して凝縮器ユニットに供給され、その凝縮器ユニットにより水蒸気が水に凝縮されて回収される。
特開２００４−２８８４９６号公報（図２など）

ここで、燃料電池システム４０１を自動車等の車両に搭載する場合には、図７に示すように、空気供給路４１３及び空気排出路４１５を略Ｌ字状に形成することで、燃料電池システム４０１全体の高さ方向寸法（図７上下方向寸法）を小さくして、車内スペースを確保している。

しかしながら、空気供給路４１３及び空気排出路４１５を略Ｌ字状に形成した場合には、図７中の矢印に示すように、空気供給路４１３及び空気排出路４１５内の空気の流量分布が外側コーナー部４１３ａ２，４１５ａ２側（図７左側）へ偏り、その結果、燃料電池スタック４１１及び凝縮器ユニット４１４に供給される空気の流量分布が不均一となる。

燃料電池スタック４１１に供給される空気の流量分布が不均一になると、空気極の表面に供給される空気の分布が不均一となるため、空気極表面の内の空気濃度の低い箇所においてカソード反応が十分に進行せず、その分、燃料電池スタック４１１の出力が低下する。

更に、空気極に均一に空気が供給されないため、カソード反応が不均一に進行し、その結果、反応熱による熱分布が不均一となり、燃料電池が破壊される危険性が生じる。

また、凝縮器ユニット４１４に供給される空気の流量分布が不均一になると、水蒸気が凝縮器ユニット４１４内のフィンの一部に偏って供給されるため、フィン全体に均一に供給される場合と比較して水蒸気の凝縮能率が低下して、水の回収能率が低下する。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、空気の流量分布が偏ることを補正して、燃料電池の出力低下を抑制しつつ寿命の延長を図ると共に、水の回収能率を向上させることができる燃料電池システムを提供することを目的としている。

この目的を達成するために、請求項１記載の燃料電池システムは、複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックと、その燃料電池スタックに空気を供給するための空気供給路とを備えるものであり、前記空気供給路は、その内部を流通する空気の流れ方向が屈曲する第１曲部を備えて構成されるものであり、前記燃料電池スタックと前記第１曲部との間に配設される第１整流手段を備え、その第１整流手段が前記燃料電池スタックに流入される空気の流量分布の偏りを補正する。

請求項２記載の燃料電池システムは、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックから流出される空気を排出するための空気排出路と、その空気排出路から排出される空気の熱交換を行う熱交換装置を備え、前記空気排出路は、その内部を流通する空気の流れ方向が屈曲する第２曲部を備えて構成されるものであり、前記熱交換装置と前記第２曲部との間に配設される第２整流手段を備え、その第２整流手段が前記熱交換装置に流入される空気の流量分布の偏りを補正する。

請求項３記載の燃料電池システムは、複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックと、その燃料電池スタックから流出される空気を排出するための空気排出路と、その空気排出路から排出される空気の熱交換を行う熱交換装置とを備えるものであり、前記空気排出路は、その内部を流通する空気の流れ方向が屈曲する第２曲部を備えて構成されるものであり、前記熱交換装置と前記第２曲部との間に配設される第２整流手段を備え、その第２整流手段が前記熱交換装置に流入される空気の流量分布の偏りを補正する。

請求項４記載の燃料電池システムは、請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記第１又は第２整流手段は、多数の孔を有する網目部材を備え、その網目部材は、前記燃料電池スタックの上部全面に形成されたスタック空気取入口又は前記熱交換装置の下部全面に形成された凝縮器空気取入口を覆うように配置されている。

請求項５記載の燃料電池システムは、請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記第１又は第２整流手段は、前記燃料電池スタックの上部全面に形成されたスタック空気取入口の断面又は前記熱交換装置の下部全面に形成された凝縮器空気取入口の断面に沿って並設される複数の整流板を備え、隣り合う前記整流板同士の離間寸法は、不等間隔に設定されると共に、その離間寸法が前記第１又は第２曲部の内側コーナー部側へ向けて大きくなるように設定されている。

請求項６記載の燃料電池システムは、請求項１から３又は５のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記第１又は第２整流手段は、前記燃料電池スタックの上部全面に形成されたスタック空気取入口の断面又は前記熱交換装置の下部全面に形成された凝縮器空気取入口の断面に対して略垂直に配置される１又は複数の垂直板と、その垂直板の前記空気取入口と離間する側の端部に連設される傾斜板とを備え、前記傾斜板は、前記第１又は第２曲部の内側コーナー部側へ向けて傾斜を有して構成されている。

請求項１記載の燃料電池システムによれば、燃料電池スタックに空気を供給するための空気供給路は、その内部を流通する空気の流れ方向が屈曲する第１曲部を備えているので、空気供給路の納めるスペースを小型化して、その分、燃料電池システム全体の小型化を図ることができるという効果がある。

更に、第１曲部と燃料電池スタックとの間に配設される第１整流手段が第１曲部により生じる空気の流量分布の偏りを補正する、即ち、燃料電池スタックに流入される空気の流量分布の偏りを補正するので、燃料電池の空気極の表面全体における空気濃度を均一化して、空気極の表面全体で均一にカソード反応を進行させることができる。

これにより、カソード反応が十分に進行しない箇所をなくすことができるので、その分、燃料電池スタックの出力が低下することを抑制することができるという効果がある。

更に、カソード反応を均一に進行させることができるので、反応熱の熱分布を均一化して、燃料電池が破壊されることを防止でき、その結果、燃料電池スタックの寿命の向上を図ることができるという効果がある。

請求項２記載の燃料電池システムによれば、請求項１記載の燃料電池システムの奏する効果に加え、燃料電池スタックから流出される空気を排出するための空気排出路は、その内部を流通する空気の流れ方向が屈曲する第２曲部を備えているので、空気排出路の納めるスペースを小型化して、その分、燃料電池システム全体の小型化を図ることができるという効果がある。

更に、第２曲部と熱交換装置との間に配設される第２整流手段が熱交換装置に流入される空気の流量分布の偏りを補正するので、熱交換装置内の全体に空気を供給することができる。

ここで、カソード反応により生成した水は、空気極の表面や電解質膜の表面等から熱を奪って水蒸気となり、燃料電池スタックから流出される空気と共に空気排出路を介して熱交換装置に供給され、その熱交換装置により水蒸気が水に凝縮されて回収される。

そして、熱交換装置内の全体に空気を供給することで、熱交換装置内の空気の流量分布が偏る場合と比較して、水蒸気の凝縮能率を向上させて、水の回収能率を向上させることができるという効果がある。

請求項３記載の燃料電池システムによれば、燃料電池スタックから流出される空気を排出するための空気排出路は、その内部を流通する空気の流れ方向が屈曲する第２曲部を備えているので、空気排出路の納めるスペースを小型化して、その分、燃料電池システム全体の小型化を図ることができるという効果がある。

更に、第２曲部と熱交換装置との間に配設される第２整流手段が第２曲部により生じる空気の流量分布の偏りを補正する、即ち、熱交換装置に流入される空気の流量分布の偏りを補正するので、熱交換装置内の全体に空気を供給することができる。

請求項４記載の燃料電池システムによれば、請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システムの奏する効果に加え、第１又は第２整流手段は、多数の孔を有する網目部材を備え、その網目部材が燃料電池スタックの上部全面に形成されたスタック空気取入口又は熱交換装置の下部全面に形成された凝縮器空気取入口を覆うように配置されているので、第１又は第２曲部から流出される空気が網目部材の孔により分断され、その結果、空気の流れが撹拌される。

これにより、スタック空気取入口又は凝縮器空気取入口に流入される空気の流量分布の偏りが補正されて、燃料電池スタック又は熱交換装置に流入される空気の流量分布の偏りを補正することができるという効果がある。

請求項５記載の燃料電池システムによれば、請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システムの奏する効果に加え、第１又は第２整流手段は、燃料電池スタックの上部全面に形成されたスタック空気取入口の断面又は熱交換装置の下部全面に形成された凝縮器空気取入口の断面に沿って並設される複数の整流板を備えているので、第１又は第２曲部から流出される空気の流れが整流板に沿って変化する。

その結果、スタック空気取入口又は凝縮器空気取入口に流入される空気の流量分布の偏りが補正されて、燃料電池スタック又は熱交換装置に流入される空気の流量分布の偏りを補正することができるという効果がある。

更に、隣り合う整流板同士の離間寸法は、不等間隔に設定されると共に第１又は第２曲部の内側コーナー部側へ向けて大きくなるように設定されているので、外側コーナー部側の空気の流れが制限され、その結果、外側コーナー部側の空気の流量分布が減少し、その分、内側コーナー部側の空気の流量分布が増大する。

ここで、第１又は第２曲部から流出される空気の流量分布は、外側へ向かうに従い増大する傾向にあるが、整流板により外側の流量は減少し内側は増大することで流量分布の偏りを正確に補正することができるという効果がある。

請求項６記載の燃料電池システムによれば、請求項１から３又は５のいずれかに記載の燃料電池システムの奏する効果に加え、第１又は第２整流手段は、燃料電池スタックの上部全面に形成されたスタック空気取入口の断面又は熱交換装置の下部全面に形成された凝縮器空気取入口の断面に対して略垂直に配置される１又は複数の垂直板と、その垂直板のスタック空気取入口又は凝縮器空気取入口と離間する側の端部に連設される傾斜板とを備え、その傾斜板が第１又は第２曲部の内側コーナー部へ向けて傾斜を有して構成されているので、外側コーナー部側へ流れる空気が制限され、その結果、外側コーナー部側の空気の流量分布が減少し、その分、内側コーナー部側の空気の流量分布が増大する。

ここで、第１又は第２曲部から流出される空気の流量分布は、外側コーナー部側へ向かうに従い増大するため、上述したように、外側コーナー部側の空気の流量分布が減少し、かつ、内側コーナー部側の空気の流量分布が増大することで、燃料電池スタック又は熱交換装置に流入される空気の流量分布の偏りを補正することができるという効果がある。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１実施の形態における燃料電池システム１が搭載される車両１０の模式平面図であり、図２は、本発明の第１実施の形態における燃料電池システム１が搭載される車両１０の模式側面図である。なお、図１及び図２の矢印ＦＷＤは車両１０の前進方向を示す。また、図２では、理解を容易とするために、車輪８及びサイドメンバー９Ｌ，９Ｒが点線で図示されている。

図１に示すように、車両１０は、車両１０に搭載される燃料電池システム１と、その燃料電池システム１に供給する水素ガスを貯蔵する燃料貯蔵手段２と、その燃料貯蔵手段２に貯蔵される水素ガスを燃料電池スタック１１に供給する燃料供給用補機類ユニット３と、空気供給路１３へ水を供給するための水供給用補機類ユニット４と、燃料貯蔵手段２の車両１０底面側（図１紙面奥側）に配設される２次電池５と、その２次電池５の進行方向後方側（図１右側）に配設される駆動装置制御ユニット６と、空気排出路１５の車両１０底面側に配設される補機類用２次電池７と、４本の車輪８とを主に備えて構成されている。

燃料電池システム１は、複数の燃料電池が積層される燃料電池スタック１１と、その燃料電池スタック１１に空気を供給する空気供給ファンユニット１２と、その空気供給ファンユニット１２と燃料電池スタック１１とを連通する空気供給路１３と、燃料電池スタック１１から排出された空気中の水分を凝縮する凝縮器ユニット１４と、その凝縮器ユニット１４と燃料電池スタック１１とを連通する空気排出路１５とを備えて構成されている。

燃料電池スタック１１は、車両１０の動力源として使用されるものであり、車両１０の上面視（図１紙面垂直方向視）において略中央に配置されつつ、車両フレーム９の右側及び左側サイドメンバー９Ｒ，９Ｌの間に取付ブラケット９ａを介して取り付け固定されている。

なお、本実施の形態における燃料電池は、固体高分子膜型燃料電池で構成されているが、必ずしもこれに限られるものではなく、例えば、アルカリ水溶液型（ＡＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）、直接型メタノール（ＤＭＦＣ）等で構成しても良い。

また、取付ブラケット９ａと車両フレーム９との間、又は、燃料電池スタック１１と取付ブラケット９ａとの間には、樹脂等の電気的に絶縁性の材料から成る絶縁部材（図示せず）が介在し、車両フレーム９と燃料電池スタック１１とが電気的に絶縁された状態となっている。そのため、燃料電池スタック１１の出力が車両フレーム９を流れることがない。

また、燃料電池スタック１１の幅方向寸法（図１上下方向寸法）は、左側及び右側サイドメンバー９Ｌ，９Ｒ同士の離間寸法と略同等に設定され、燃料電池スタック１１の幅方向（図１上下方向）における中心が車両１０の車幅方向（図１上下方向）の中心と略同一とされている。

即ち、燃料電池スタック１１が前輪８ＦＲ，８ＦＬの車軸と後輪８ＲＲ，８ＲＬの車軸との間に配設されるので、車両１０の重心位置付近に重量物が集中し、重心回りの慣性モーメントが低減され、車両１０の旋回性能が向上する。

空気供給ファンユニット１２は、燃料電池スタック１１に酸化剤としての常圧の空気を供給するための酸化剤供給源であり、燃料電池スタック１１の車両１０後方（図１右方）に配置される。

また、空気供給ファンユニット１２は、羽根車として遠心式の多翼ファン（図示せず）を備えており、その多翼ファンの回転により空気供給路１３へ常圧の空気を吐出する。

なお、空気供給ファンユニット１２の車両１０上方側（図１紙面手前側）には、エアフィルタ１２ａが配設され、空気供給ファンユニット１２に吸引される空気中の塵埃、汚染物質、有害成分等が除去される。

空気供給路１３は、空気供給ファンユニット１２から吐出される空気を燃料電池スタック１１へ供給するための空気流路であり、その供給口１３ｃ（図２参照）の開口面積が燃料電池スタック１１の上部全面に形成されるスタック空気取入口１１ａ（図２参照）の開口面積と略同等に設定されている。

なお、空気供給路１３内には、水を噴射する水供給ノズル（図示せず）が配設されており、その水供給ノズルから噴射される水が空気供給ファンユニット１２から吐出される空気により燃料電池スタック１１に供給されて、燃料電池の固体高分子膜を湿潤させる。

凝縮器ユニット１４は、燃料電池スタック１１から排出された空気中の水分を凝縮して分離するためのものであり、進行方向前方（図１左方）に配置されることで、走行風により冷却される。

そして、分離された水分が配水管（図示せず）を介して水供給用補機類ユニット４内の水タンクに回収されると共に、水分が分離された空気が凝縮器ユニット１４の上部全面に形成される排気口１４ａから大気中に放出される。なお、水タンクに回収された水は、上述した水供給ノズルに供給されて、固体高分子膜を湿潤するために再利用される。

空気排出路１５は、燃料電池スタック１１から排出される空気を凝縮器ユニット１４へ供給するための空気流路であり、その排出口１５ｃ（図３参照）が凝縮器ユニット１４の下方に配置されると共に、開口面積が凝縮器ユニット１４の下部全面に形成される凝縮器空気取入口１４ｂの開口面積と略同等に設定されている。

燃料貯蔵手段２は、複数、例えば４本の水素ガスボンベで構成される貯蔵容器であり、車両１０後方に配置されて車両フレーム９に着脱可能に支持される。

なお、本実施の形態における燃料貯蔵手段２は、水素を格納した水素ガスボンベで構成されているが、水素吸蔵合金を格納した容器や、デカリンのような水素吸蔵液体を格納した容器で構成しても良い。

燃料供給用補機類ユニット３は、燃料貯蔵手段２に貯蔵した水素ガスを燃料電池スタック１１に供給するための燃料供給管路、燃料圧力調整弁、燃料供給電磁弁、逆止弁、圧力センサ等の補機類を備えるものであり、燃料電池スタック１１の車両１０後方側（図１右側）に配置されている。

そして、燃料としての水素ガスは、燃料貯蔵手段２から燃料供給用補機類ユニット３を介して燃料電池スタック１１の各燃料電池に供給される。この場合、各燃料電池に供給される水素ガスがあらかじめ設定された一定の圧力に維持されるように、圧力センサで燃料供給管路内の水素ガスの圧力をモニターしながら、燃料圧力調整弁を調整して、水素ガスを燃料貯蔵手段２から供給する。

なお、本実施の形態において、燃料電池から排出される水素ガスは、燃料回収管路（図示せず）を介して回収され、再度、燃料電池に供給するように構成されているが、燃料電池から排出される水素ガスと酸素とを結合させることで、水として大気中に排出しても良い。

水供給用補機類ユニット４は、空気供給路１３へ水を供給するための水供給管路、電磁弁、流量調整弁、水タンク、水供給ポンプ等の補機類を備えるものであり、燃料電池スタック１１の車両１０後方側（図１右側）に配置されている。

これにより、上述したように、固体高分子膜を湿潤させることができると共に、凝縮器ユニット１４から分離された水分を水タンクに回収して、再度、固体高分子膜を湿潤させることができる。

２次電池５は、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等のいわゆるバッテリ（蓄電池）であり、燃料供給用及び水供給用補機類ユニット３，４の車両１０後方側（図１右側）、かつ、右側及び左側サイドメンバー９Ｒ，９Ｌ同士の間に配設される。

駆動装置制御ユニット６は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算手段、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備えて構成され、駆動モータ（図示せず）等の駆動装置の動作を制御する。

補機類用２次電池７は、補機類用の蓄電手段であり、空気排出路１５の車両１０底面側に配設されている。なお、本実施の形態における補機類用２次電池７は、バッテリで構成されているが、キャパシタで構成しても良い。

車輪８は、進行方向前方（図１左方）に位置する左右の前輪８ＦＬ，８ＦＲと、進行方向後方（図１右方）に位置する左右の後輪８ＲＬ，８ＲＲとの４輪を備え、それら車輪８は、サスペンション機構を介し右側及び左側サイドメンバー９Ｒ，９Ｌとクロスメンバー９Ｃとに取り付けられている。

車両フレーム９は、車両１０の側面側（図１上下側）に位置する右側及び左側サイドメンバー９Ｒ，９Ｌと、それら右側及び左側サイドメンバー９Ｒ，９Ｌを連結する複数のクロスメンバー９Ｃを備え、それら右側及び左側サイドメンバー９Ｒ，９Ｌ、クロスメンバー９Ｃは、鋼、アルミニウム合金、ＦＲＰ、カーボン複合材等の高強度の材質で構成されている。

図２に示すように、底板９ｂは、右側及び左側サイドメンバー９Ｒ，９Ｌの下側（図２下側）に取り付けられて車両１０の底面を覆う板状部材であり、右側及び左側サイドメンバー９Ｒ，９Ｌと同様の材質で構成されている。

空気供給路１３は、略直角な第１曲部１３ａが形成され、車両１０の側面方向視（図２紙面垂直方向視）において略Ｌ字状に構成されている。また、空気供給路１３の供給口１３ｃが燃料電池スタック１１の上部全面に形成されるスタック空気取入口１１ａ全体を覆うように構成されている。なお、詳細については後述する（図３参照）。

同様に、空気排出路１５は、略直角な第２曲部１５ａが形成され、車両１０の側面方向視において略Ｌ字状に構成されている。また、空気排出路１５の排出口１５ｃが凝縮器ユニット１４の下部全面に形成される凝縮器空気取入口１４ｂ全体を覆うように構成されている。なお、詳細については後述する（図３参照）。

次に、図３を参照して、燃料電池システム１について説明する。図３は、燃料電池システム１の模式断面図である。なお、図３の矢印ＦＷＤは車両１０の前進方向を示す。また、図３では、空気排出路１５の進行方向長さの図示が省略されている。

図３に示すように、空気供給路１３は、略直角な第１曲部１３ａを有する略Ｌ字状に形成されるものであり、燃料電池スタック１１に空気を供給するための空気供給室１３ｂの進行方向寸法（図３左右方向寸法）Ｗ１がスタック空気取入口１１ａの進行方向寸法と略同等に設定されている。

また、空気供給路１３内には、複数の孔を有する網目部材３１が内側コーナー部１３ａ１と空気供給室１３ｂの進行方向前方側（図３左側）壁面との間に介設されており、その網目部材３１は、スタック空気取入口１１ａ断面と略平行に配置されている。

同様に、空気排出路１５は、略直角な第２曲部１５ａを有する略Ｌ字状に形成されるものであり、凝縮器ユニット１４に空気を排出するための空気排出室１５ｂの進行方向寸法Ｗ２が凝縮器空気取入口１４ｂの進行方向寸法と略同等に設定されている。

また、空気排出路１５内には、複数の孔を有する網目部材３２が内側コーナー部１５ａ１と空気排出室１５ｂの進行方向前方側壁面との間に介設されており、その網目部材３２は、凝縮器空気取入口１４ｂ断面と略平行に配置されている。

ここで、燃料電池スタック１１の出力は、燃料電池スタック１１に供給される空気量に依存するため、供給口１３ｃの進行方向寸法Ｗ１を大きくすることが望ましく、一方、車両１０の車内スペースを確保するために燃料電池システム１全体の高さ方向寸法（図３上下方向寸法）を小さくすることが望ましい。

かかる要望を満たすために、空気供給路１３は、第１曲部１３ａの空気流出側が空気流入側と比較して幅広の略Ｌ字状に形成される。

一方、凝縮器ユニット１４は、車両１０走行時の走行風により冷却されるものであり、凝縮器ユニット１４の水回収能率を向上させるために、凝縮器ユニット１４の表面積を大きくすることが望ましく、一方、車高（車両１０の高さ）を低くするために凝縮器ユニット１４の高さ寸法Ｈ１を小さくすることが望ましい。

かかる要望を満たすために、排出口１５ｃの進行方向寸法Ｗ２は大きく設定され、その結果、空気排出路１５は、第２曲部１５ａの空気流出側が空気流入側と比較して幅広の略Ｌ字状に形成される。

しかしながら、上述したように、第１及び第２曲部１３ａ，１５ａの空気流出側を空気流入側と比較して幅広の略Ｌ字状に形成した場合では、空気供給ファンユニット１２及び燃料電池スタック１１から流出される空気の大部分が外側コーナー部１３ａ２，１５ａ２に沿って流れるため、空気供給室１３ｂ及び空気排出室１５ｂにおいて、内側コーナー部１３ａ１，１５ａ１側（図３右側）の空気の流量分布が外側コーナー部１３ａ２，１５ａ２側（図３左側）の空気の流量分布と比較して少なくなってしまう。

そこで、網目部材３１，３２を配設することで、網目部材３１，３２が第１及び第２曲部１３ａ，１５ａから流出される空気の流れを均等に分断して、空気の流れを撹拌することができる。

これにより、空気供給室１３ｂ及び空気排出室１５ｂにおける空気の流量分布を補正して、空気の流量分布を均一化することができる。

このように、空気供給室１３ｂ内の空気の流量分布が均一化されることで、燃料電池スタック１１に供給される空気を均一化することができるので、空気極の表面全体における空気濃度を均一化して、空気極の表面全体で均一にカソード反応を進行させることができる。

その結果、カソード反応が十分に進行しない箇所をなくすことができるので、その分、燃料電池スタック１１の出力が低下することを抑制することができる。

また、空気極の表面全体で均一にカソード反応が進行するので、反応熱の熱分布を均一化することができる。その結果、熱分布の不均一により、燃料電池スタック１１が破壊されることを防止して、燃料電池スタック１１の寿命の向上を図ることができる。

更に、常圧型の空気供給装置である空気供給ファンユニット１２を用いた場合においても空気供給室１３ｂ内の空気の流量分布を均一化することができるので、スーパーチャージャー等の複雑で大型の空気加圧装置が不要となる。

その結果、燃料電池システム１全体の大きさを小型化することができるので、その分、車内スペースを確保することができる。

また、燃料電池スタック１１及び空気供給路１３の空気加圧装置に耐え得る強度が不要となり、燃料電池スタック１１及び空気供給路１３の製造コストの低減を図ることができる。

一方、空気排出室１５ｂ内の空気の流量分布が均一化されることで、凝縮器ユニット１４内のフィンに供給される空気を均一化することができるので、凝縮器ユニット１４内の空気の流量分布が偏る場合と比較して、空気中の水蒸気の凝縮能率を向上させて、水分の回収能率を向上させることができる。

また、内側コーナー部１３ａ１，１５ａ１が略円弧状に湾曲して構成されているので、空気供給ファンユニット１２及び燃料電池スタック１１から流出される空気が内側コーナー部１３ａ１，１５ａ１の湾曲面に沿って流れる。

その結果、内側コーナー部１３ａ１，１５ａ１が直角で構成される場合と比較して、空気の剥離を防止できるので、空気供給室１３ｂ及び空気排出室１５ｂにおける内側コーナー部１３ａ１，１５ａ１側（図３右側）の空気の流量分布を大きくして、空気供給室１３ｂ及び空気排出室１５ｂ内の空気の流量分布を均一化することができる。

なお、網目部材３１，３２の孔の開口寸法は、特に限定されるものでなく、供給口１３ｃ及び排出口１５ｃの進行方向寸法Ｗ１，Ｗ２に応じて種々に変更されるものである。

また、本実施の形態における網目部材３１，３２は、全ての孔の開口寸法が均等に設定されているが、必ずしもこれに限られるものではなく、例えば、孔の開口寸法を内側コーナー部１３ａ１，１５ａ１側（図３右側）へ向かうに従い漸次大きくなるように構成しても良い。

これにより、空気の流量分布が大きい外側コーナー部１３ａ２，１５ａ２側（図３左側）の空気を細かく分断することができるので、空気の流れを均一に撹拌して、空気供給室１３ｂ及び空気排出室１５ｂ内の空気の流量分布をより均一化することができる。

また、本実施の形態における網目部材３１，３２は、内側コーナー部１３ａ１，１５ａ１と空気供給室１３ｂ及び空気排出室１５ｂの進行方向前方側壁面との間に介設されているが、より供給口１３ｃ及び排出口１５ｃ側（図３下側）に配置しても良く、また、内側コーナー部１３ａ１，１５ａ１と外側コーナー部１３ａ２，１５ａ２との間に介設しても良い。

次いで、図４を参照して第２実施の形態について説明する。第１実施の形態では、空気供給路１３及び空気排出路１５内に網目部材３１，３２が配設されていたのに対し、第２実施の形態では、第１及び凝縮器空気取入口１１ａ，１４ｂの断面に対して略垂直な複数の整流板１３１，１３２が配設されている。なお、上述した第１実施の形態と同一の部分には、同一の符号を付して、その説明は省略する。

図４は、本発明の第２実施の形態における燃料電池システム１０１の模式断面図である。なお、図４の矢印ＦＷＤは車両１０の前進方向を示す。また、図４では、空気排出路１５の進行方向長さの図示が省略されている。

図４に示すように、空気供給室１３ｂ内には、複数の整流板１３１がスタック空気取入口１１ａの断面に対して略平行に並設されており、その各整流板１３１は、空気供給室１３ｂの車幅方向（図４紙面垂直方向）両端側に固定されつつスタック空気取入口１１ａの断面に対して略垂直に配置されている。

また、各整流板１３１同士の対向距離寸法は、内側コーナー部１３ａ１側（図４右側）へ向かうに従い漸次大きくなるように設定されている。

なお、最も進行方向前方側（図４左側）に位置する整流板１３１と空気供給室１３ｂの進行方向前方側壁面との離間寸法は、各整流板１３１同士の対向距離寸法と比較して最も小さく設定され、一方、最も進行方向後方側（図４右側）に位置する整流板１３１と空気供給室１３ｂの進行方向後方側壁面との離間寸法は、各整流板１３１同士の対向距離寸法と比較して最も大きく設定されている。

同様に、空気排出室１５ｂ内には、複数の整流板１３２が凝縮器空気取入口１４ｂの断面に対して略平行に並設されており、その各整流板１３２は、空気排出室１５ｂの車幅方向両端側に固定されつつ凝縮器空気取入口１４ｂの断面に対して略垂直に配置されている。

また、各整流板１３２同士の対向距離寸法は、内側コーナー部１５ａ１側（図４右側）へ向かうに従い漸次大きくなるように設定されている。

なお、最も進行方向前方側に位置する整流板１３２と空気排出室１５ｂの進行方向前方側壁面との離間寸法は、各整流板１３２同士の対向距離寸法と比較して最も小さく設定され、一方、最も進行方向後方側に位置する整流板１３２と空気排出室１５ｂの進行方向後方側壁面との離間寸法は、各整流板１３２同士の対向距離寸法と比較して最も大きく設定されている。

上述したように、各整流板１３１，１３２が第１及び凝縮器空気取入口１１ａ，１４ｂの断面に対して略垂直に配置されているので、空気供給ファンユニット１２及び燃料電池スタック１１から外側コーナー部１３ａ２，１５ａ２へ向けて流出される空気の流れが整流板１３１，１３２に沿いつつ第１及び凝縮器空気取入口１１ａ，１４ｂの断面に対して略垂直に変化して、空気供給室１３ｂ及び空気排出室１５ｂにおける空気の流量分布を補正することができる、即ち、空気の流量分布を均一化することができる。

更に、各整流板１３１，１３２同士の対向距離寸法が内側コーナー部１３ａ１，１５ａ１側へ向かうに従い漸次大きくなるように設定されているので、外側コーナー部１３ａ２，１５ａ２側（図４左側）の空気の流れが制限され、その結果、外側コーナー部１３ａ２，１５ａ２側の空気の流量分布が減少し、かつ、内側コーナー部１３ａ１，１５ａ１側の空気の流量分布が増大する。

ここで、第１又は第２曲部１３ａ，１５ａから流出される空気の流量分布は、外側コーナー部１３ａ２，１５ａ２側へ向かうに従い増大するため、上述したように、外側コーナー部１３ａ２，１５ａ２側の空気の流量分布が減少し、かつ、内側コーナー部１３ａ１，１５ａ１側の空気の流量分布が増大することで、空気供給室１３ｂ及び空気排出室１５ｂにおける空気の流量分布をより均一化することができる。

その結果、燃料電池システム１０１全体の大きさを小型化することができるので、その分、車内スペースを確保することができる。

なお、本実施の形態における整流板１３１は、その上端部が内側コーナー部１３ａ１の上端部と略同一の高さに設定されると共に、整流板１３２は、その下端部が内側コーナー部１５ａ１の下端部と略同一の高さに設定されているが、必ずしもこれに限られるものではなく、整流板１３１の上端部が内側コーナー部１３ａ１の上端よりも上方に位置すると共に、整流板１３２の下端部が内側コーナー部１５ａ１の下端部よりも下方に位置するように構成しても良い。

ただし、外側コーナー部１３ａ２，１５ａ２へ向かう空気流路を確保するために、整流板１３１の上端部と空気供給路１３の車両１０上方側（図４上側）壁面との間、及び、整流板１３２の下端部と空気排出路１５の車両１０底面側（図４下側）壁面との間には所定の隙間を確保することが望ましい。

また、本実施の形態のおける整流板１３１は９枚で構成されると共に、整流板１３２は６枚で構成されているが、必ずしもこれに限られるものではなく、供給口１３ｃ及び排出口１５ｃの進行方向寸法Ｗ１，Ｗ２に応じて種々に変更されるものである。

次いで、図５を参照して第３実施の形態について説明する。第１実施の形態では、空気供給路１３及び空気排出路１５内に網目部材３１，３２が配設されていたのに対し、第３実施の形態では、断面略くの字状の整流板２３１，２３２が配設されている。なお、上記各実施の形態と同一の部分には、同一の符号を付して、その説明は省略する。

図５は、本発明の第３実施の形態における燃料電池システム２０１の模式断面図である。なお、図５の矢印ＦＷＤは車両１０の前進方向を示す。また、図５では、空気排出路１５の進行方向長さの図示が省略されている。

図５に示すように、整流板２３１は、供給口１３ｃの車両１０の進行方向（図５左右方向）略中央に配置されつつスタック空気取入口１１ａの断面に対して略垂直に配設される垂直板２３１ａと、その垂直板２３１ａのスタック空気取入口１１ａと離間する側（図５上側）の端部に連設されつつ内側コーナー部１３ａ１側（図５右側）へ向けて傾斜を有する傾斜板２３１ｂとを備えて構成されている。

垂直板２３１ａは、その上端部が内側コーナー部１３ａ１の上端と略同一の高さに設定されると共に、その下端部が供給口１３ｃと所定の距離を隔てて配設されている。

傾斜板２３１ｂは、その上端部が空気供給路１３の車両１０上方側（図５上側）壁面と所定の距離を隔てて配設されている。また、本実施の形態では、傾斜板２３１ｂと垂直板２３１ａとがなす傾斜角θ１は、１３５度に設定されている。

整流板２３２は、排出口１５ｃの車両１０の進行方向略中央に配置されつつ凝縮器空気取入口１４ｂの断面に対して略垂直に配設される垂直板２３２ａと、その垂直板２３２ａの凝縮器空気取入口１４ｂと離間する側（図５下側）の端部に連設されつつ内側コーナー部１５ａ１側（図５右側）へ向けて傾斜を有する傾斜板２３２ｂとを備えて構成されている。

垂直板２３２ａは、その下端部が内側コーナー部１５ａ１の下端と略同一の高さに設定されると共に、その上端部が排出口１５ｃと所定の距離を隔てて配設されている。

傾斜板２３２ｂは、その下端部が空気排出路１５の車両１０底面側（図５下側）壁面と所定の距離を隔てて配設されている。また、本実施の形態では、傾斜板２３２ｂと垂直板２３２ａとがなす傾斜角θ２は、１３５度に設定されている。

上述したように、整流板２３１，２３２は、内側コーナー部１３ａ１，１５ａ１へ向けて傾斜する傾斜板２３１ｂ，２３２ｂを備えて構成されているので、その傾斜板２３１ｂ，２３２ｂが外側コーナー部１３ａ２，１５ａ２側（図５左側）へ流れる空気の流量を制限する。

そして、空気の流れを垂直板２３１ａ，２３２ａに沿いつつ第１及び凝縮器空気取入口１１ａ，１４ｂの断面に対して略垂直に変化させて、空気供給室１３ｂ及び空気排出室１５ｂにおける空気の流量分布を補正することができる、即ち、空気の流量分布を均一化することができる。

その結果、燃料電池システム２０１全体の大きさを小型化することができるので、その分、車内スペースを確保することができる。

なお、本実施の形態における整流板２３１，２３２の傾斜角θ１，θ２は、１３５度に設定されているが、必ずしもこれに限られるものではなく、９０度より大きくかつ１８０度より小さい範囲内で種々に変更されるものであり、更に好ましくは、１００度以上かつ１７０度以下の範囲内で種々に変更されるものである。

ここで、傾斜角θ１，θ２が９０度以下に設定された場合では、外側コーナー部１３ａ２，１５ａ２側（図５左側）へ流れる空気の流量を減少させることができず、空気供給室１３ｂ及び空気排出室１５ｂ内の空気の流量分布の均一化を図れない。

一方、傾斜角θ１，θ２が１８０度に設定された場合では、傾斜板２３１ｂ，２３２ｂが外側コーナー部１３ａ２，１５ａ２側へ流れる空気を遮断して、外側コーナー部１３ａ２，１５ａ２側へ流れる空気の流量が極端に減少し、空気供給室１３ｂ及び空気排出室１５ｂ内の空気の流量分布の均一化を図れない。

更に、傾斜角θ１，θ２が１８０度より大きく設定された場合では、傾斜板２３１ｂ，２３２ｂが外側コーナー部１３ａ２，１５ａ２側へ傾斜を有するため、外側コーナー部１３ａ２，１５ａ２側へ流れる空気が増大し、空気供給室１３ｂ及び空気排出室１５ｂ内の空気の流量分布の均一化が図れない。

以上のことから、空気供給室１３ｂ及び空気排出室１５ｂ内の空気の流量分布を均一化するために、整流板２３１，２３２の傾斜角θ１，θ２を９０度より大きくかつ１８０度より小さい範囲内に設定することが望ましい。

また、本実施の形態における整流板２３１，２３２は１枚で構成されているが、必ずしもこれに限られるものではなく、第１及び凝縮器空気取入口１１ａ，１４ｂの断面と略平行に複数並設しても良い。

なお、整流板２３１，２３２を複数並設する場合には、傾斜角θ１，θ２を外側コーナー部１３ａ２，１５ａ２側から内側コーナー部１３ａ１，１５ａ１側へ向かうに従い漸次大きくなるように設定することが望ましい。

これにより、内側コーナー部１３ａ１，１５ａ１側に配置される傾斜板２３１ｂ，２３２ｂは、外側コーナー部１３ａ２，１５ａ２側に配置される傾斜板２３１ｂ，２３２ｂと比較して、空気を取り込む量が多くなり、空気供給室１３ｂ及び空気排出室１５ｂ内の空気の流量分布をより均一化することができる。

次いで、図６を参照して第４実施の形態について説明する。第１実施の形態では、空気供給路１３及び空気排出路１５内に網目部材３１，３２が配設されていたのに対し、第４実施の形態では、略円弧状の整流板３３１，３３２が配設されている。なお、上記各実施の形態と同一の部分には、同一の符号を付して、その説明は省略する。

図６は、本発明の第４実施の形態における燃料電池システム３０１の模式断面図である。なお、図６の矢印ＦＷＤは車両１０の前進方向を示す。また、図６では、空気排出路１５の進行方向長さの図示が省略されている。

図６に示すように、整流板３３１は、供給口１３ｃの進行方向（図６左右方向）略中央に配置されつつスタック空気取入口１１ａの断面に対して略垂直に配設される垂直板３３１ａと、その垂直板３３１ａのスタック空気取入口１１ａと離間する側（図６上側）の端部に連設されつつ内側コーナー部１３ａ１側（図６右側）へ湾入される略円弧状の湾曲板３３１ｂとを備えて構成されている。

垂直板３３１ａは、その上端部が内側コーナー部１３ａ１の上端よりも供給口１３ｃ側（図６下側）に配置されると共に、その下端部が供給口１３ｃと所定の距離を隔てて配設されている。

湾曲板３３１ｂは、その一端が垂直板３３１ａの上端部に連設されると共に、他端が空気供給路１３の車両１０上方側（図６上側）壁面と所定の距離を隔てて配設されている。

整流板３３２は、排出口１５ｃの進行方向略中央に配置されつつ凝縮器空気取入口１４ｂの断面に対して略垂直に配設される垂直板３３２ａと、その垂直板３３２ａの凝縮器空気取入口１４ｂと離間する側（図６下側）の端部に連設されつつ内側コーナー部１５ａ１側（図６右側）へ湾入される略円弧状の湾曲板３３２ｂとを備えて構成されている。

垂直板３３２ａは、その下端部が内側コーナー部１５ａ１の下端よりも排出口１５ｃ側（図６上側）に配置されると共に、その上端部が排出口１５ｃと所定の距離を隔てて配設されている。

湾曲板３３２ｂは、その一端が垂直板３３２ａの下端部に連設されると共に、他端が空気排出路１５の車両１０底面側（図６下側）壁面と所定の距離を隔てて配設されている。

上述したように、整流板３３１，３３２は、内側コーナー部１３ａ１，１５ａ１側へ向けて湾入される湾曲板３３１ｂ，３３２ｂを備えて構成されているので、その湾曲板３３１ｂ，３３２ｂが外側コーナー部１３ａ２，１５ａ２側（図６左側）へ流れる空気の流量を制限する。

そして、空気が湾曲板３３１ｂ，３３２ｂに沿いつつ第１及び凝縮器空気取入口１１ａ，１４ｂの断面に対して略垂直に変化して、空気供給室１３ｂ及び空気排出室１５ｂにおける空気の流量分布を補正することができる、即ち、空気の流量分布を均一化することができる。

その結果、燃料電池システム３０１全体の大きさを小型化することができるので、その分、車内スペースを確保することができる。

なお、本実施の形態における整流板３３１，３３２は一枚で構成されているが、必ずしもこれに限られるものではなく、第１及び凝縮器空気取入口１１ａ，１４ｂの断面と略平行に複数並設しても良い。

なお、整流板３３１，３３２を複数並設する場合には、湾曲板３３１ｂ，３３２ｂの円弧半径を外側コーナー部１３ａ２，１５ａ２側から内側コーナー部１３ａ１，１５ａ１側へ向かうに従い漸次大きくなるように設定することが望ましい。

これにより、内側コーナー部１３ａ１，１５ａ１側に配置される湾曲板３３１ｂ，３３２ｂは、外側コーナー部１３ａ２，１５ａ２側に配置される湾曲板３３１ｂ，３３２ｂと比較して、空気を取り込む量が多くなり、空気供給室１３ｂ及び空気排出室１５ｂ内の空気の流量分布をより均一化することができる。

以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記各実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。

例えば、本実施の形態における外側コーナー部１３ａ２，１５ａ２は、略直角で構成されているが、必ずしもこれに限られるものではなく、内側コーナー部１３ａ１，１５ａ１と同様に湾曲して構成しても良い。

これにより、空気供給ファンユニット１２及び燃料電池スタック１１から排出される空気が外側コーナー部１３ａ２，１５ａ２の湾曲面に沿いつつ流れることで、外側コーナー部１３ａ２，１５ａ２が略直角で構成される場合と比較して、空気供給室１３ｂ及び空気排出室１５ｂへ向かう空気の流れをスムーズにすることができる。

本発明の第１実施の形態における燃料電池システムが搭載される車両の模式平面図である。本発明の第１実施の形態における燃料電池システムが搭載される車両の模式側面図である。燃料電池システムの模式断面図である。本発明の第２実施の形態における燃料電池システムの模式断面図である。本発明の第３実施の形態における燃料電池システムの模式断面図である。本発明の第４実施の形態における燃料電池システムの模式断面図である。従来の燃料電池システムの模式断面図である。

符号の説明

１，１０１，２０１，３０１燃料電池システム
１１燃料電池スタック
１１ａスタック空気取入口
１３空気供給路
１３ａ第１曲部
１３ｂ空気供給室（空気供給路の一部）
１４凝縮器ユニット（熱交換装置）
１４ｂ凝縮器空気取入口
１５空気排出路
１５ａ第２曲部
１５ｂ空気排出室（空気排出路の一部）
３１網目部材（第１整流手段、網目部材）
３２網目部材（第２整流手段、網目部材）
１３１整流板（第１整流手段、整流板）
１３２整流板（第２整流手段、整流板）
２３１，３３１整流板（第１整流手段）
２３１ａ垂直板
２３１ｂ傾斜板
２３２，３３２整流板（第２整流手段）
２３２ａ垂直板
２３２ｂ傾斜板

Claims

複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックと、その燃料電池スタックに空気を供給するための空気供給路とを備える燃料電池システムにおいて、
前記空気供給路は、その内部を流通する空気の流れ方向が屈曲する第１曲部を備えて構成されるものであり、
前記燃料電池スタックと前記第１曲部との間に配設される第１整流手段を備え、
その第１整流手段が前記燃料電池スタックに流入される空気の流量分布の偏りを補正することを特徴とする燃料電池システム。
前記燃料電池スタックから流出される空気を排出するための空気排出路と、その空気排出路から排出される空気の熱交換を行う熱交換装置を備え、
前記空気排出路は、その内部を流通する空気の流れ方向が屈曲する第２曲部を備えて構成されるものであり、
前記熱交換装置と前記第２曲部との間に配設される第２整流手段を備え、
その第２整流手段が前記熱交換装置に流入される空気の流量分布の偏りを補正することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックと、その燃料電池スタックから流出される空気を排出するための空気排出路と、その空気排出路から排出される空気の熱交換を行う熱交換装置とを備える燃料電池システムにおいて、
前記空気排出路は、その内部を流通する空気の流れ方向が屈曲する第２曲部を備えて構成されるものであり、
前記熱交換装置と前記第２曲部との間に配設される第２整流手段を備え、
その第２整流手段が前記熱交換装置に流入される空気の流量分布の偏りを補正することを特徴とする燃料電池システム。
前記第１又は第２整流手段は、多数の孔を有する網目部材を備え、
その網目部材は、前記燃料電池スタックの上部全面に形成されたスタック空気取入口又は前記熱交換装置の下部全面に形成された凝縮器空気取入口を覆うように配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。
前記第１又は第２整流手段は、前記燃料電池スタックの上部全面に形成されたスタック空気取入口の断面又は前記熱交換装置の下部全面に形成された凝縮器空気取入口の断面に沿って並設される複数の整流板を備え、
隣り合う前記整流板同士の離間寸法は、不等間隔に設定されると共に、
その離間寸法が前記第１又は第２曲部の内側コーナー部側へ向けて大きくなるように設定されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。
前記第１又は第２整流手段は、前記燃料電池スタックの上部全面に形成されたスタック空気取入口の断面又は前記熱交換装置の下部全面に形成された凝縮器空気取入口の断面に対して略垂直に配置される１又は複数の垂直板と、その垂直板の前記空気取入口と離間する側の端部に連設される傾斜板とを備え、
前記傾斜板は、前記第１又は第２曲部の内側コーナー部側へ向けて傾斜を有して構成されていることを特徴とする請求項１から３又は５のいずれかに記載の燃料電池システム。