JP7207338B2 - 燃料電池システムの流路構造 - Google Patents

Description

本開示は、燃料電池システムの流路構造に関する。

特許文献１には、燃料電池システムにおいて、水素オフガスと水素ガスとを混合させて燃料電池スタックへ供給するための技術が開示されている。この技術では、水素オフガス配管壁に水素ガスが到達する前に、水素オフガスと水素ガスとが混じり合うように、水素オフガス管から噴出される水素ガスの流れる方向を調整している。その結果、水素オフガス中の水が水素オフガスよりも低温の水素ガスにより冷やされて凍結することを抑制している。

特開２００７－２８０６９６号公報

しかし、特許文献１とは異なる新規な構造により、水素オフガス中の水が凍結することをより抑制可能な技術が求められていた。

本開示は、上述の課題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。

（１）本開示の第１の形態によれば、水素ガス供給源から供給される水素ガスと水素ポンプから供給される水素オフガスとを燃料電池スタックへ供給するための、燃料電池システムにおける流路構造が提供される。この流路構造は、前記水素ガス供給源と接続された水素ガス管と、前記水素ポンプと接続された水素オフガス管と、前記水素オフガス管と前記燃料電池スタックとを接続し、前記水素ガス管の先端部が内部に導入され、前記水素ガス管からの水素ガスと前記水素オフガス管からの水素オフガスとの混合ガスを前記燃料電池スタックへ供給する供給管と、前記供給管の中心軸に沿って前記供給管内に配置され、前記水素ガス管からの水素ガスを前記供給管内に導出する導出管であって、前記供給管の内壁と前記中心軸との間に位置する第１壁と、前記第１壁と接続され前記第１壁と前記中心軸との間に位置する第２壁と、前記第１壁と前記第２壁とで囲まれる第１領域と、を備え、前記内壁と前記第１壁との間の第２領域と前記第２壁の前記中心軸側の第３領域とが連通するように構成された、導出管と、第１領域と前記水素ガス管の先端部とを連通して接続する複数の接続部と、を備える。
この形態によれば、水素ポンプから供給される水素オフガスは、供給管の内壁と導出管の第１壁との間の第２領域と、導出管の第２壁の中心軸側の第３領域と、を流れるので、導出管の第１壁と第２壁とで囲われた第１領域を流れる水素ガスの温度を、第２領域及び第３領域を流れる水素オフガスにより上昇させることができる。そのため、水素オフガスよりも低温の水素ガスと、水分を含み水素ガスよりも高温の水素オフガスとが混合した場合に、水素オフガス中の水が凍結することを抑制することができる。また、導出管と水素ガス管の先端部とを接続する複数の接続部を有するので、接続部が１つである場合と比較して、導出管の第１領域における水素ガスの流速差を小さくすることができる。そのため、接続部が１つである場合と比較して、燃料電池スタックに到達する水素ガスと水素オフガスとの混合ガス中の水素ガス濃度差を小さくすることができる。
（２）上記第１の形態において、前記導出管は複数に分かれた前記第１領域を有し、かつ、前記第２領域と前記第３領域とが複数に分かれた前記第１領域の間を介して複数の箇所で連通するように構成されており、前記複数の接続部は、複数に分かれた前記第１領域のそれぞれと前記水素ガス管の先端部とを接続してもよい。
この形態によれば、第２壁の中心軸側の第３領域に、複数の箇所から水素オフガスを流入させることができる。そのため、第１領域を流通する水素ガスの温度をより上昇させることができるので、水素オフガスよりも低温の水素ガスと、水分を含み水素ガスよりも高温の水素オフガスとが混合した場合に、水素オフガス中の水が凍結することをより抑制することができる。
（３）本開示の第２の形態によれば、水素ガス供給源から供給される水素ガスと水素ポンプから供給される水素オフガスとを燃料電池スタックへ供給するための、燃料電池システムにおける流路構造が提供される。この流路構造は、前記水素ガス供給源と接続された水素ガス管と、前記水素ポンプと接続された水素オフガス管と、前記水素オフガス管と前記燃料電池スタックとを接続し、前記水素ガス管の先端部が内部に導入され、前記水素ガス管からの水素ガスと前記水素オフガス管からの水素オフガスとの混合ガスを前記燃料電池スタックへ供給する供給管と、前記供給管の中心軸に沿って前記供給管内に配置され、前記水素ガス管の先端部に接続されて前記水素ガス管からの水素ガスを前記供給管内に導出する導出管であって、前記供給管の内壁と前記中心軸との間に位置する第１壁と、前記第１壁と接続され前記第１壁と前記中心軸との間に位置する第２壁と、前記第１壁と前記第２壁とで囲まれる第１領域と、を備え、前記内壁と前記第１壁との間の第２領域と前記第２壁の前記中心軸側の第３領域とが連通するように構成された、導出管と、第１領域と前記水素ガス管の先端部とを連通して接続する接続部と、を備え、前記導出管は、前記接続部の設けられた位置に対応する前記導出管の先端部の位置において、前記第１壁と前記第２壁の少なくとも一方の前記中心軸に沿った長さが前記接続部の設けられていない位置よりも短く形成されている。
この形態によれば、水素ポンプから供給される水素オフガスは、供給管の内壁と導出管の第１壁との間の第２領域と、第２壁の中心軸側の第３領域とを流れるので、導出管の第１壁と第２壁とで囲われた第１領域を流れる水素ガスの温度を、第２領域及び第３領域を流れる水素オフガスにより上昇させることができる。そのため、水素オフガスよりも低温の水素ガスと、水分を含み水素ガスよりも高温の水素オフガスとが混合した場合に、水素オフガス中の水が凍結することを抑制することができる。また、導出管の先端部は、導出管の接続部の設けられた位置において、第１壁と第２壁の少なくとも一方の長さが接続部の設けられていない位置よりも短く形成されているので、水素オフガス管に導出される水素ガスの流速が、接続部の設けられた位置で他の位置よりも大きくなることを抑制することができる。そのため、導出管の第１領域における水素ガスの流速差を小さくすることができるので、燃料電池スタックに到達する水素ガスと水素オフガスとの混合ガス中の水素ガス濃度差を小さくすることができる。
（４）上記第２の形態において、前記接続部は、前記中心軸に対し、少なくとも前記水素オフガス管から前記供給管への水素オフガスの流入箇所とは反対側において、前記第１領域と前記水素ガス管の先端部とを連通して接続し、前記導出管は、少なくとも前記流入箇所とは反対側の前記接続部の設けられた位置に対応する前記導出管の先端部の位置において、前記第１壁と前記第２壁の少なくとも一方の前記中心軸に沿った長さが前記接続部の設けられていない位置よりも短く形成されていてもよい。
この形態によれば、水素オフガスの流入箇所に近い側において第１壁と第２壁の少なくとも一方の長さを短く形成する場合と比較して、水素オフガスが、壁の短く形成された箇所から第１領域内へ流入することを抑制することができる。そのため、第１領域における水素ガスの流れが水素オフガスによって妨げられることを抑制することができる。
（５）上記第２の形態において、前記第１領域と前記水素ガス管の先端部とは複数の前記接続部により接続されていてもよい。
この形態によれば、接続部が１つである場合と比較して、導出管の第１領域内の水素ガスの流速差を小さくすることができる。そのため、接続部が１つである場合と比較して、燃料電池スタックに到達する水素ガスと水素オフガスとの混合ガス中の水素ガス濃度差を小さくすることができる。

本開示は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、流路構造を備える燃料電池システム、燃料電池車両、車両に搭載される燃料電池システムの制御方法等の形態で実現することができる。

燃料電池システムの概略構成を示す図。 水素ガスと水素オフガスとの合流部の流路構造の拡大図。 合流部における水素ガス及び水素オフガスの流路を示す模式図。 図２に示す合流部のＩＶ矢視図。 図４のＶ－Ｖ断面図。 第２実施形態における合流部の流路構造を示す図。 図６のＶＩＩ－ＶＩＩ断面図。 第３実施形態における合流部の流路構造を示す図。 図８のＩＸ－ＩＸ断面図。 第４実施形態における合流部の流路構造を示す図。 図１０のＸＩ－ＸＩ断面図。 第５実施形態における合流部の流路構造を示す図。 図１２のＸＩＩＩ－ＸＩＩＩ断面図。 第６実施形態における合流部の流路構造を示す図。 第７実施形態における合流部の流路構造を示す図。 第８実施形態における合流部の流路構造を示す図。 第９実施形態における合流部の流路構造を示す図。 第１０実施形態における合流部の流路構造を示す図。 第１１実施形態における合流部の流路構造を示す図。 参考例の導出管の先端部におけるガス流速の解析結果を示す図。 第１実施形態の導出管の先端部におけるガス流速の解析結果を示す図。 第５実施形態の導出管の先端部におけるガス流速の解析結果を示す図。

・第１実施形態
図１は、本開示の一実施形態としての燃料電池システム１００の概略構成を示す図である。本実施形態において、燃料電池システム１００は、車両に搭載され、運転車からの要求に応じて車両の動力となる電力を出力する。

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、アノードガスとしての水素ガスを供給する水素ガス供給系２０とを備える。図示は省略するが、燃料電池システム１００は、更に、燃料電池スタック１０に空気を供給するためのコンプレッサ、カソードガス配管等を含むカソードガス供給系と、これらの供給系及び燃料電池システム１００の各部を制御する制御装置とを備える。

燃料電池スタック１０は、複数のセル１１が積層されて構成されている。各セル１１は、電解質膜の両面に電極を配置した膜電極接合体と、膜電極接合体の両面に配置されたセパレータとを有し、水素ガスと空気との供給を受けて発電する。

水素ガス供給系２０は、水素ガスタンク２１と、インジェクタ２２と、気液分離器２３と、水素ポンプ２４と、水素ガス管３０と、水素オフガス管４０と、供給管４２と、図２以降に詳細を示す導出管５０とを備える。

水素ガスタンク２１は、約７０ＭＰａの高圧の水素ガスを貯蔵する。水素ガスタンク２１から減圧弁を経て供給される水素ガスの温度は、例えばマイナス４０度である。水素ガス管３０は、水素ガスタンク２１と後述する導出管５０とに接続された配管である。水素ガス管３０の先端部は、供給管４２内に導入されている。水素ガス管３０にはインジェクタ２２が設けられている。インジェクタ２２は、水素ガスタンク２１から供給される水素ガスを下流に向けて噴出する。水素ガスタンク２１、インジェクタ２２を「水素ガス供給源」とも呼ぶ。

水素オフガス管４０は、燃料電池スタック１０のアノード側における、ガス出口１２と、供給管４２とに接続された配管である。水素オフガス管４０には、ガス出口１２側から、気液分離器２３と、水素ポンプ２４とが設けられている。水素オフガス管４０のうち、水素ポンプ２４と供給管４２とを接続する配管を「水素オフガス管４１」とも呼ぶ。気液分離器２３は、ガス出口１２から排出された水素オフガス中の水を分離して貯留する。気液分離器２３内の貯留水は、気液分離器２３の下方に設けられた排気排水弁２５が開かれた場合に、排気排水弁２５に接続された排出管２６から排出される。水素ポンプ２４は、ガス出口１２から排出された水素オフガスを供給管４２を介して燃料電池スタック１０に戻す。ガス出口１２から排出される水素オフガスの温度は、例えば約８０度である。

供給管４２は、水素オフガス管４０と燃料電池スタック１０のアノード側におけるガス入口１３とに接続された配管である。供給管４２内には、水素ガス管３０の先端部が位置している。

図１において破線で囲まれた箇所は、水素ガスタンク２１及びインジェクタ２２から供給されて水素ガス管３０を流れる水素ガスと、水素ポンプ２４から供給されて水素オフガス管４１を流れる水素オフガスとが合流する箇所である。当該箇所を、「合流部７０」とも呼ぶ。また、水素ガスと水素オフガスとが混合されたガスを、「混合ガス」とも呼ぶ。混合ガスは、供給管４２からガス入口１３を介して、燃料電池スタック１０へ供給される。

図２は、合流部７０の流路構造の拡大図である。図２では、水素ガス管３０及び導出管５０の構造を分かり易く示すために、水素オフガス管４１及び供給管４２を二点鎖線で示している。図３は、合流部７０における水素ガス及び水素オフガスの流路を示す模式図である。図４は、図２に示す合流部７０のＩＶ矢視図である。図５は、図４のＶ－Ｖ断面図である。以下、図２から図５を用いて、合流部７０において水素ガスと水素オフガスとを混合するための流路構造について説明する。

図２に示すように、合流部７０には、水素ガス管３０と、水素オフガス管４１と、供給管４２と、供給管４２内に配置された導出管５０とが位置する。水素ガス管３０は供給管４２の内壁４３を貫通しており、その先端部３２が供給管４２内に導入されている。水素ガス管３０の先端部３２と導出管５０とは、接続部６１、６２において連通して接続されている。

導出管５０は、先端部５５が燃料電池スタック１０側に配置され、供給管４２の中心軸ＡＸに沿って供給管４２内に配置されている。図２では、紙面左側が燃料電池スタック１０側である。中心軸ＡＸは、供給管４２の内径の中心を通る軸である。導出管５０は、供給管４２の内壁４３と中心軸ＡＸとの間に位置する第１壁５１と、第１壁５１と中心軸ＡＸとの間に位置し第１壁５１と接続された第２壁５２と、を備える。中心軸ＡＸに直交する方向に導出管５０を切断した切断面において、第１壁５１は内壁４３と中心軸ＡＸとの間に位置し、第２壁５２は第１壁５１と中心軸ＡＸとの間に位置する。本実施形態では、図２のＩＶ矢視（図４参照）に示すように、先端部５５側からみた導出管５０の形状は略Ｃ字形状である。導出管５０の形状は、供給管４２の内壁４３を向く外側管と、外側管に接続され中心軸ＡＸ側を向く内側管とで構成される二重管に対し、二重管の内部と外部とを連通する開口部５８が中心軸ＡＸに沿って設けられた形状でもある。導出管５０の先端部５５に対して燃料電池スタック１０と反対側の部位（以下、後端部５６）は、図２から図５に示すように、２つの接続部６１、６２によって、水素ガス管３０の先端部３２と接続されている。本実施形態において、水素ガス管３０の先端部３２は、供給管４２に導入されて接続部６１において導出管５０と接続され、かつ、接続部６２まで達している。

導出管５０は、第１壁５１と第２壁５２とで囲まれる第１領域１を備える。また、導出管５０は、内壁４３と第１壁５１との間の第２領域２と、第２壁５２の中心軸ＡＸ側の領域の第３領域３と、が連通するように、第１壁５１及び第２壁５２が構成されている。本実施形態では、第２領域２と第３領域３とは、導出管５０の開口部５８を介して連通している（図４参照）。

第１領域１には、接続部６１、６２から水素ガスが流入する。第１領域１に流入した水素ガスは、導出管５０の先端部５５から供給管４２内へ導出される。第２領域２及び第３領域３には、水素ポンプ２４から水素オフガス管４１を介して供給された水素オフガスが流通する。第１領域１を流れる水素ガスと、第２領域２及び第３領域３を流れる水素オフガスとは、合流部７０において合流して混合され、燃料電池スタック１０側へ向けて流れる。

この形態によれば、水素ポンプ２４から供給される水素オフガスは、供給管４２の内壁４３と導出管５０の第１壁５１との間の第２領域２と、第２壁５２の中心軸ＡＸ側の第３領域３とを流れる。そのため、導出管５０の第１壁５１と第２壁５２とで囲われた第１領域１を流れる水素ガスの温度を、第２領域２及び第３領域３を流れる水素オフガスにより上昇させることができる。したがって、水素オフガスよりも低温の水素ガスと、水分を含み水素ガスよりも高温の水素オフガスとが混合した場合に、水素オフガス中の水が凍結することを抑制することができるという第１の効果を奏する。

また、この形態によれば、導出管５０と水素ガス管３０の先端部３２とを接続する複数の接続部６１、６２を有するので、接続部６１が１つである場合と比較して、中心軸ＡＸを中心とする周方向および径方向における第１領域１の水素ガスの流速差を小さくすることができる。そのため、接続部が１つである場合と比較して、燃料電池スタック１０に到達する水素ガスと水素オフガスとの混合ガスの、中心軸ＡＸを中心とする周方向および径方向における水素ガス濃度差を小さくすることができる。したがって、燃料電池スタック１０の備える複数のセル１１に到達する混合ガスの水素ガス濃度差を小さくすることができるので、水素ガス濃度が所望の濃度よりも低いセル１１において耐久性が低下することを抑制できる。その結果、複数のセル１１の耐久性がばらつくことを抑制することができるという第２の効果を奏する。

・第２実施形態
図６は第２実施形態における合流部７０ａの流路構造を示す図である。図７は図６のＶＩＩ－ＶＩＩ断面図である。図６は第１実施形態の図４に対応しており、図７は第１実施形態の図５に対応している。第２実施形態の合流部７０ａでは、図６に示すように、燃料電池スタック１０側からみた導出管５０ａの形状が、第１壁５１ａと第２壁５２ａとで構成される渦巻き状である点において、第１実施形態と異なる。第１実施形態と同様に、導出管５０ａは、複数の接続部６１ａ、６２ａによって水素ガス管３０の先端部３２と接続されている。また、第１実施形態と同様に、導出管５０ａは、第１壁５１ａと、第１壁５１ａに接続され第１壁５１ａと中心軸ＡＸとの間に位置する第２壁５２ａと、で囲まれる第１領域１を形成するように構成されている。また、導出管５０ａは、内壁４３と第１壁５１ａとの間の第２領域２と、第２壁５２ａの中心軸ＡＸ側の第３領域３とが、開口部５８ａにおいて連通するように構成されている。この形態によっても、第１実施形態と同様の効果を奏する。

・第３実施形態
図８は第３実施形態における合流部７０ｂの流路構造を示す図である。図９は図８のＩＸ－ＩＸ断面図である。図８は第１実施形態の図４に対応しており、図９は第１実施形態の図５に対応している。第３実施形態の合流部７０ｂでは、導出管５０ｂが、複数に分かれた第１領域１ｂ１、１ｂ２を形成し、かつ、第２領域２と第３領域３とが複数に分かれた第１領域１ｂ１、１ｂ２の間を介して複数の箇所で連通するように構成されている点と、複数の接続部６１ｂ、６２ｂが複数の第１領域１ｂ１、１ｂ２のそれぞれと水素ガス管３０とを接続する点とにおいて、第１実施形態と異なる。

本実施形態では、導出管５０ｂは、供給管４２の内壁４３のうち、水素ガス管３０の上流側を向く第１壁５１ｂ１と第１壁５１ｂ１に接続する第２壁５２ｂ１とを備える。また、導出管５０ｂは、供給管４２の内壁４３のうち、水素オフガス管４０の上流側を向く第１壁５１ｂ２と第１壁５１ｂ２に接続する第２壁５２ｂ２とを備える。第１壁５１ｂ１と第２壁５２ｂ１は第１領域１ｂ１を形成する。第１領域１ｂ１は、接続部６１ｂにより水素ガス管３０の先端部３２と接続されている。第１壁５１ｂ２と第２壁５２ｂ２とは第１領域１ｂ２を形成する。第１領域１ｂ２は、接続部６２ｂにより水素ガス管３０の先端部３２と接続されている。導出管５０ｂは、供給管４２の内壁４３を向く外側管と、外側管に接続され中心軸ＡＸ側を向く内側管とで構成される二重管に対し、二重管の内部と外部とを連通する２つの開口部５８ｂ１、５８ｂ２が設けられた形状でもある。第２壁５２ｂ１、５２ｂ２の中心軸ＡＸ側の第３領域３は、開口部５８ｂ１、５８ｂ２を介して、第１壁５１ｂ１、５１ｂ２と内壁４３との間の第２領域２と連通する。

本実施形態では、導出管５０ｂは、更に、第２壁５２ｂ１、５２ｂ２の径方向内側に、管５３ｂを備える。管５３ｂの後端部は、接続部６３ｂにより水素ガス管３０と接続されている。

この形態によれば、第１実施形態と同様の第１、第２の効果を奏する。更に、導出管５０ｂは複数の第１領域１ｂ１、１ｂ２を有し、かつ、導出管５０ｂは、第２領域２と第３領域３とが複数に分かれた第１領域１ｂ１、１ｂ２の間を介して複数の開口部５８ｂ１、５８ｂ２で連通するように構成されており、接続部６１、６２は複数の第１領域１ｂ１、１ｂ２のそれぞれと水素ガス管３０とを接続する。そのため、導出管５０ｂの第２壁５２ｂ１、５２ｂ２の径方向内側に形成される第３領域３に、複数の開口部５８ｂ１、５８ｂ２から水素オフガスを流入させることができる。したがって、第１領域１ｂ１、１ｂ２を流通する水素ガスの温度をより上昇させることができるので、比較的低温の水素ガスと比較的高温の水素オフガスとが合流して水素オフガス中の水が凍結することを、より抑制することができるという、第３の効果を奏する。

・第４実施形態
図１０は第４実施形態における合流部７０ｃの流路構造を示す図である。図１１は図１０のＸＩ－ＸＩ断面図である。図１０は第３実施形態の図８に対応しており、図１１は第３実施形態の図９に対応している。第４実施形態の導出管５０ｃは、開口部５８ｂ１付近において、第１領域１ｂ２が中心軸ＡＸ側を向いて屈折した構造を有する。同様に、開口部５８ｂ２付近において、第１領域１ｂ１が中心軸ＡＸ側を向いて屈折した構造を有する。合流部７０ｃのその他の流路構造は、第３実施形態と同様であるため説明を省略する。この形態においても、第３実施形態と同様の効果を奏する。

・第５実施形態
図１２は第５実施形態における合流部７０ｄの流路構造を示す図である。図１２は第１実施形態の図４に対応している。図１３は図１２のＸＩＩＩ－ＸＩＩＩ断面図である。図１３では、導出管５０ｄの先端部５５ｄの構造を主に示しており、その他の構造は簡略化あるいは省略されている。図１２において破線で囲まれた位置Ｒ１、Ｒ２は、それぞれ、接続部６１、６２が設けられた位置に対応する、先端部５５ｄにおける位置を示している。位置Ｒ１は、接続部６１から、中心軸ＡＸと平行に先端部５５ｄ側へ移動した位置である。位置Ｒ２は、接続部６２から、中心軸ＡＸと平行に先端部５５ｄ側へ移動した位置である。径方向において、先端部５５ｄの位置Ｒ１と後端部５６の接続部６１の設けられた位置とは、略同じ位置である。同様に、径方向において、先端部５５ｄの位置Ｒ２と後端部５６の接続部６２の設けられた位置とは、略同じ位置である。

本実施形態では、導出管５０ｄの先端部５５ｄは、位置Ｒ１において、第１壁５１の中心軸ＡＸに沿った長さが、接続部６１の設けられていない位置よりも短く形成されている。導出管５０ｄは、先端部５５ｄの位置Ｒ１において、第１壁５１に、他の部位よりも中心軸ＡＸに沿った壁の長さが短くなるように形成された段差部６５ｄを備えている。本実施形態では、図１２に示すように、段差部６５ｄは、接続部６１、６２のうち、中心軸ＡＸに対し、供給管４２への水素オフガスの流入箇所４５とは反対側の位置Ｒ１に設けられている。合流部７０ｄのその他の流路構造は、第１実施形態と同様であるため説明を省略する。

図１２の中段右部において、水素ガス管３０における水素ガスの流れを、太い矢印で示す。図１３の下段右部において、水素ガス管３０における水素ガスの流れを、太い矢印で示す。接続部６１は、水素ガス管３０からの水素ガスが導出管５０ｄ内に直接流入する箇所である。そのため、接続部６１、６２の設けられた位置では、導出管５０ｄの先端部５５ｄにおいて、供給管４２に導出される水素ガスの流速が、接続部６１の設けられていない位置に比べて大きくなる場合がある。そのため、中心軸ＡＸを中心とする周方向における第１領域１の水素ガスの流速差が大きくなる場合がある。この形態によれば、導出管５０ｄの先端部５５ｄは、位置Ｒ１において、第１壁５１と第２壁５２の少なくとも一方の長さが接続部６１の設けられていない位置よりも短く形成されているので、供給管４２に導出される水素ガスの流速が、接続部６１の設けられた位置Ｒ１で、他の位置よりも大きくなることを抑制することができる。そのため、導出管５０ｄの中心軸ＡＸを中心とする周方向における第１領域１の水素ガスの流速差を小さくすることができるので、燃料電池スタック１０に到達する水素ガスと水素オフガスとの混合ガス中の水素ガス濃度差を小さくすることができる。したがって、燃料電池スタック１０の備える複数のセル１１に到達する混合ガスの水素ガス濃度差を小さくすることができるので、水素ガス濃度が所望の濃度よりも低いセル１１において耐久性が低下することを抑制できる。その結果、複数のセル１１の耐久性がばらつくことを抑制することができるという第４の効果を奏する。

導出管５０ｄの先端部５５ｄにおいて、第１壁５１と第２壁５２の少なくとも一方の長さが短く形成された場合には、壁の短く形成された箇所から水素オフガスが第１領域１に流入する可能性がある。この形態によれば、中心軸ＡＸに対し、供給管４２への水素オフガスの流入箇所４５とは反対側の位置Ｒ１において、第１壁５１と第２壁５２の少なくとも一方の長さが接続部６１の設けられていない位置よりも短く形成されている。そのため、水素オフガスの流入箇所４５に近い側、つまり、中心軸ＡＸに対し位置Ｒ１とは反対側の位置Ｒ２において、第１壁５１と第２壁５２の少なくとも一方の長さを短く形成する場合と比較して、水素オフガスが、壁の短く形成された箇所から第１領域１内へ流入することを抑制することができる。そのため、第１領域１における水素ガスの流れが水素オフガスによって妨げられることを抑制することができるという、第５の効果を奏する。

更に、この形態によれば、水素オフガス管４１から供給される水素オフガスは、供給管４２の内壁４３と導出管５０ｄの第１壁５１との間の第２領域２と、導出管５０ｄの内側の第３領域３とを流れるので、導出管５０ｄの第１壁５１と第２壁５２とで囲われた導出管５０ｄ内部の第１領域１を流れる水素ガスの温度を、第２領域２及び第３領域３を流れる水素オフガスにより上昇させることができる。そのため、第１実施形態で説明した第１の効果と同様の効果を奏する。

また、この形態によれば、導出管５０ｄの後端部５６と水素ガス管３０とを接続する複数の接続部６１、６２を有するので、接続部が１つである場合と比較して、第１領域１内の水素ガスの流速差を、小さくすることができる。そのため、第１実施形態で説明した第２の効果と同様の効果を奏する。

・第６実施形態
図１４は第６実施形態における合流部７０ｅの流路構造を示す図である。図１４は、第５実施形態の図１３が合流部７０ｄの流路構造を示す向きとは、中心軸ＡＸを中心として１８０°異なる向きから、合流部７０ｅの流路構造を示している。このため、図１４において除去されている供給管４２の部位は、図１３において除去されている供給管４２の部位とは、異なる。参考のために、図１２において、図１３が合流部７０ｅを示している方向に相当する方向を、ＸＩＶ－ＸＩＶの破線を使用して示す。図１４の上段左部において、水素ガス管３０における水素ガスの流れを、太い矢印で示す。本実施形態では、導出管５０ｅの先端部５５ｅは、接続部６１の設けられた位置Ｒ１において、第２壁５２の中心軸ＡＸに沿った長さが、接続部６１の設けられていない位置よりも短くなるように形成されている。導出管５０ｅは、先端部５５ｅの位置Ｒ１において、第２壁５２に、他の部位よりも軸方向における壁の長さが短くなるように形成された段差部６５ｅを備えている。合流部７０ｅのその他の流路構造は、第５実施形態と同様であるため説明を省略する。この形態によれば、上述の第５実施形態の第１、第２、第４の効果と同様の効果を奏する。

・第７実施形態
図１５は第７実施形態における合流部７０ｆの流路構造を示す図である。図１５は第５実施形態の図１３に対応している。本実施形態では、導出管５０ｆの先端部５５ｆは、接続部６１の設けられた位置Ｒ１において、第１壁５１及び第２壁５２の中心軸ＡＸに沿った長さが、接続部６１の設けられていない位置よりも短くなるように形成されている。導出管５０ｆは、先端部５５ｆの位置Ｒ１において、第１壁５１及び第２壁５２に、他の部位よりも軸方向における壁の長さが短くなるように形成された段差部６５ｆを備えている。合流部７０ｆのその他の流路構造は、第５実施形態と同様であるため説明を省略する。この形態によれば、上述の第５実施形態と同様の効果を奏する。

・第８実施形態
図１６は第８実施形態における合流部７０ｇの流路構造を示す図である。図１６は第５実施形態の図１３に対応している。本実施形態では、導出管５０ｇの先端部５５ｇは、接続部６１の設けられた位置Ｒ１において、第１壁５１及び第２壁５２の中心軸ＡＸに沿った長さが、接続部６１の設けられていない位置から開口部５８に向けて次第に短くなるように形成された段差部６５ｇを有する。合流部７０ｇのその他の流路構造は、第５実施形態と同様であるため説明を省略する。この形態によれば、上述の第５実施形態と同様の効果を奏する。

・第９実施形態
図１７は第９実施形態における合流部７０ｈの流路構造を示す図である。図１７は第５実施形態の図１３に対応している。本実施形態では、導出管５０ｈの先端部５５ｈは、接続部６１の設けられた位置Ｒ１において、第１壁５１の中心軸ＡＸに沿った長さが、接続部６１の設けられていない位置よりも短くなるように形成された複数の段差部６５ｈを有する。合流部７０ｈのその他の流路構造は、第５実施形態と同様であるため説明を省略する。この形態によれば、上述の第５実施形態と同様の効果を奏する。

・第１０実施形態
図１８は第１０実施形態における合流部７０ｉの流路構造を示す図である。図１８は第６実施形態の図１４に対応している。本実施形態では、導出管５０ｉの先端部５５ｉは、接続部６１の設けられた位置Ｒ１において、第２壁５２の中心軸ＡＸに沿った長さが、接続部６１の設けられていない位置よりも短くなるように形成された複数の段差部６５ｉを有する。合流部７０ｉのその他の流路構造は、第６実施形態と同様であるため説明を省略する。この形態によれば、上述の第６実施形態と同様の効果を奏する。

・第１１実施形態
図１９は第１１実施形態における合流部７０ｊの流路構造を示す図である。図１９は第６実施形態の図１４に対応している。本実施形態では、導出管５０ｊの先端部５５ｊは、接続部６１の設けられた位置Ｒ１において、第１壁５１及び第２壁５２の中心軸ＡＸに沿った長さが、接続部６２の設けられていない位置よりも短くなるように形成された複数の段差部６５ｊを有する。合流部７０ｊのその他の流路構造は、第１０実施形態と同様であるため説明を省略する。この形態によれば、上述の第１０実施形態と同様の効果を奏する。

・第１領域１における水素ガスの流速の解析
図２０から図２２は、燃料電池システム１００に上述の実施形態における流路構造を適用した場合の効果を説明するための、ガス流速（速度（ｍ/ｓ））のＣＡＥ解析結果を示す図である。図２０には、１つの接続部６１により水素ガス管３０と接続された導出管５０ｒの先端部５５ｒを含む合流部７０ｒが示されている。図２０に示す位置Ｒ１は、接続部６１に対応する先端部５５ｒの位置である。図２１は、第１実施形態の図４に対応しており、２つの接続部６１、６２により水素ガス管３０と接続された導出管５０の先端部５５を含む合流部７０が示されている。図２１に示す位置Ｒ１、Ｒ２は、それぞれ接続部６１、６２に対応する先端部５５の位置である。図２０、図２１における点Ｐｒ、Ｐ１は、それぞれ、導出管５０ｒ、５０の第１領域１におけるガス流速の最も大きい箇所を示している。図２０と図２１を比較すると、複数の接続部６１、６２を有する場合（図２１参照）には、接続部６１が１つである場合（図２０参照）と比べて、最大流速値と最小流速値の差が小さかった。また、図２１に示す第１領域１では、図２０の第１領域１に比べて、水素ガスの最大流速値が、約１６％低下していた。このことから、複数の接続部を有する場合には、接続部が１つである場合と比較して、第１領域１内の水素ガスの流速差を小さくすることができるという、上述の第２の効果を奏することが示された。

図２２は、第５実施形態の図１３に対応しており、２つの接続部６１、６２により水素ガス管３０と接続された導出管５０ｄの先端部５５ｄを含む合流部７０ｄが示されている。図２２に示す位置Ｒ１、Ｒ２は、それぞれ接続部６１、６２に対応する先端部５５ｄの位置である。図２２に示す導出管５０ｄの先端部５５ｄは、接続部６１に対応する位置Ｒ１において、第１壁５１の中心軸ＡＸに沿った長さが、接続部６１の設けられていない位置よりも短く形成された段差部６５ｄを備えている。図２２における点Ｐ２は、導出管５０ｄの第１領域１における流速の最も大きい箇所を示している。図２２では、段差部６５ｄの設けられた先端部５５ｄの位置Ｒ１における流速が、位置Ｒ２に比べて小さかった。また、図２０と比べると、図２２では、最大流速値と最小流速値の差が小さかった。このことから、接続部６１の設けられた位置Ｒ１において、第１壁５１と第２壁５２の少なくとも一方の中心軸ＡＸに沿った長さを接続部６１の設けられていない位置よりも短くすることで、接続部６１の設けられた位置Ｒ１における水素ガスの流速を小さくすることができ、その結果、水素ガスの流速差を小さくすることができるという、第４の効果を奏することが示された。

なお、図２０における導出管５０ｒの第１領域１と図２２における導出管５０ｄの第１領域１とにおける流速を比較すると、導出管５０ｄでは、第１領域１における最大流速値が約６％低下していた。

・他の実施形態
上述の第１～第４実施形態では、導出管５０～５０ｃは水素ガス管３０と２つの接続部６１、６２、６１ａ、６２ａにより接続されている。これに対し、第１～第４実施形態における接続部の数は複数であればよく、３つ以上であってもよい。また、水素ガス管３０は、接続部６１、６１ａにおいて導出管５０～５０ｃと接続され、かつ、接続部６２、６２ａに至るように延びれば、上述の第１～第４実施形態で示した形状に限られない。

上述の第５～第１１実施形態では、導出管５０ｄ～５０ｊは水素ガス管３０と複数の接続部６１、６２により接続されている。これに対し、上述の第５～第１１実施形態では、導出管５０ｄ～５０ｊは、水素ガス管３０と１つの接続部により接続されていてもよい。この形態によっても、段差部６５ｄ～６５ｊにより、中心軸ＡＸを中心とする周方向における第１領域１の水素ガスの濃度差を小さくするという、上述の第４の効果を奏する。

上述の第５～第１１実施形態では、導出管５０ｄ～５０ｊは、接続部６１、６２の設けられた位置Ｒ１、Ｒ２のそれぞれにおいて、先端部５５ｄ～５５ｊの第１壁５１と第２壁５２の少なくとも一方が短くなるように形成されていてもよい。

上述の第３、第４実施形態における、複数の第１領域１ｂ１、１ｂ２を有する導出管５０ｂ、５０ｃは、接続部６１ｂ、６２ｂの設けられた位置に、第５～第１１実施形態で説明した段差部６５ｄ～６５ｊを備えていてもよい。

上述の各実施形態において、燃料電池システム１００は車両に搭載されているが、１００は車両に限らず、船舶、電車、ロボット等の移動体に搭載されてもよいし、定置されるものであってもよい。

本開示は、上述の実施形態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、他の実施形態中の技術的特徴は、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。

１、１ｂ１、１ｂ２…第１領域、２…第２領域、３…第３領域、１０…燃料電池スタック、１１…セル、１２…ガス出口、１３…ガス入口、２０…水素ガス供給系、２１…水素ガスタンク、２２…インジェクタ、２３…気液分離器、２４…水素ポンプ、２５…排気排水弁、２６…排出管、３０…水素ガス管、３２…水素ガス管の先端部、４０、４１…水素オフガス管、４２…供給管、４３…供給管の内壁、４５…流入箇所、５０、５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ、５０ｅ、５０ｆ、５０ｇ、５０ｈ、５０ｉ、５０ｊ…導出管、５０ｒ…参考例の導出管、５１、５１ａ、５１ｂ１、５１ｂ２…第１壁、５２、５２ａ、５２ｂ１、５２ｂ２…第２壁、５３ｂ…管、５５、５５ｄ、５５ｅ、５５ｆ、５５ｇ、５５ｈ、５５ｉ、５５ｊ…導出管の先端部、５５ｒ…参考例の導出管における先端部、５６…導出管の後端部、５８、５８ａ、５８ｂ１、５８ｂ２…開口部、６１、６１ａ、６１ｂ、６２、６２ａ、６２ｂ、６３ｂ…接続部、６５ｄ、６５ｅ、６５ｆ、６５ｇ、６５ｈ、６５ｉ、６５ｊ…段差部、７０、７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄ、７０ｅ、７０ｆ、７０ｇ、７０ｈ、７０ｉ、７０ｊ…合流部、７０ｒ…参考例における合流部、１００…燃料電池システム、ＡＸ…中心軸、Ｒ１、Ｒ２…位置

Claims (5)

1. 水素ガス供給源から供給される水素ガスと水素ポンプから供給される水素オフガスとを燃料電池スタックへ供給するための、燃料電池システムにおける流路構造であって、
   前記水素ガス供給源と接続された水素ガス管と、
   前記水素ポンプと接続された水素オフガス管と、
   前記水素オフガス管と前記燃料電池スタックとを接続し、前記水素ガス管の先端部が内部に導入され、前記水素ガス管からの水素ガスと前記水素オフガス管からの水素オフガスとの混合ガスを前記燃料電池スタックへ供給する供給管と、
   前記供給管の中心軸に沿って前記供給管内に配置され、前記水素ガス管からの水素ガスを前記供給管内に導出する導出管であって、
   前記供給管の内壁と前記中心軸との間に位置する第１壁と、前記第１壁と接続され前記第１壁と前記中心軸との間に位置する第２壁と、前記第１壁と前記第２壁とで囲まれる第１領域と、を備え、前記内壁と前記第１壁との間の第２領域と前記第２壁の前記中心軸側の第３領域とが連通するように構成された、導出管と、
   第１領域と前記水素ガス管の先端部とを連通して接続する複数の接続部と、を備える、
   流路構造。
2. 請求項１に記載の流路構造であって、
   前記導出管は複数に分かれた前記第１領域を有し、かつ、前記第２領域と前記第３領域とが複数に分かれた前記第１領域の間を介して複数の箇所で連通するように構成されており、
   前記複数の接続部は、複数に分かれた前記第１領域のそれぞれと前記水素ガス管の先端部とを接続する、流路構造。
3. 水素ガス供給源から供給される水素ガスと水素ポンプから供給される水素オフガスとを燃料電池スタックへ供給するための、燃料電池システムにおける流路構造であって、
   前記水素ガス供給源と接続された水素ガス管と、
   前記水素ポンプと接続された水素オフガス管と、
   前記水素オフガス管と前記燃料電池スタックとを接続し、前記水素ガス管の先端部が内部に導入され、前記水素ガス管からの水素ガスと前記水素オフガス管からの水素オフガスとの混合ガスを前記燃料電池スタックへ供給する供給管と、
   前記供給管の中心軸に沿って前記供給管内に配置され、前記水素ガス管からの水素ガスを前記供給管内に導出する導出管であって、
   前記供給管の内壁と前記中心軸との間に位置する第１壁と、前記第１壁と接続され前記第１壁と前記中心軸との間に位置する第２壁と、前記第１壁と前記第２壁とで囲まれる第１領域と、を備え、前記内壁と前記第１壁との間の第２領域と前記第２壁の前記中心軸側の第３領域とが連通するように構成された、導出管と、
   第１領域と前記水素ガス管の先端部とを連通して接続する接続部と、を備え、
   前記導出管は、前記接続部の設けられた位置に対応する前記導出管の先端部の位置において、前記第１壁と前記第２壁の少なくとも一方の前記中心軸に沿った長さが前記接続部の設けられていない位置よりも短く形成されている、
   流路構造。
4. 請求項３に記載の流路構造であって、
   前記接続部は、前記中心軸に対し、少なくとも前記水素オフガス管から前記供給管への水素オフガスの流入箇所とは反対側において、前記第１領域と前記水素ガス管の先端部とを連通して接続し、
   前記導出管は、少なくとも前記流入箇所とは反対側の前記接続部の設けられた位置に対応する前記導出管の先端部の位置において、前記第１壁と前記第２壁の少なくとも一方の前記中心軸に沿った長さが前記接続部の設けられていない位置よりも短く形成されている、流路構造。
5. 請求項３又は請求項４に記載の流路構造であって、
   前記第１領域と前記水素ガス管の先端部とは複数の前記接続部により接続されている、流路構造。

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