JP7219784B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給に基づき発電を行う発電セルが複数積層された燃料電池スタックを有している。また、燃料電池システムには、燃料電池スタックに供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの調整を行う補機や、燃料電池スタックの冷媒供給用の配管等も含まれる。これらの補機や配管をコンパクトに配置するべく、燃料電池スタックの一端部のエンドプレートに隣接して補機ケースを設け、その補機ケース内に配管と一部の補機を収容することが行われている。

従来の燃料電池システムにおいて、補機ケースの内部には、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷媒の給排用の配管とともに、インジェクタや加湿器等の補機が収容されている。この場合、一部の配管は、屈曲する流路を一体的な塊状に形成したブロック状の配管部材として構成される場合もある（例えば、特許文献１）。

特開２０２０－０５３２３４号公報

しかしながら、限られた補機ケースの内部空間において、加湿器やインジェクタ等の嵩張る構造物を回避しながら配管を配置する必要がある。そのため、ブロック状の配管では、レイアウトの自由度が低く、嵩張る構造物との干渉を回避しようとすると、かえって大型化する場合がある。

そこで、本発明は、嵩張る構造物との干渉を回避しながら配管類をコンパクトに配置できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

以下の開示の一観点は、一対のエンドプレートを有する燃料電池スタックと、一方の前記エンドプレートの複数個所に貫通形成され、燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷媒を通過させる複数の貫通孔と、前記貫通孔が形成されたエンドプレートに隣接して設けられた補機ケースと、前記貫通孔に接続され、前記燃料電池スタックから排出される酸化剤排出ガスを流通させるカソード排出配管と、前記貫通孔に接続され、前記燃料電池スタックから排出される冷媒を流通させる冷媒排出配管と、を備え、前記補機ケースは、前記エンドプレートに最も隣接した層状の第１レイヤと、前記第１レイヤの外側に設けられた層状の第２レイヤと、前記第２レイヤの外側に設けられた第３レイヤと、を有し、前記冷媒排出配管は、前記第１レイヤ内に配置され、前記カソード排出配管は、前記冷媒排出配管を挟む複数の前記貫通孔にそれぞれ接続され、前記第１レイヤを厚さ方向に貫通する複数の第１貫通部と、前記第２レイヤに設けられ、前記冷媒排出配管の外側を跨ぐように前記第２レイヤの層方向に延び、複数の前記第１貫通部を連通させる第１連通部と、を有する、燃料電池システムにある。

上記観点の燃料電池システムによれば、嵩張る構造物との干渉を回避しながら配管類を適切にレイアウトできる。

実施形態に係る燃料電池システムを示す分解斜視図である。 図１の発電セルの構成を示す分解斜視図である。 補機ケースの内部のレイヤ構造を示す説明図である。 補機ケースの冷媒排出配管、カソード排出配管及び加湿器の配置を示す正面図である。 図４のＶ－Ｖ線に沿って第１レイヤの配置を示す説明図である。 図４のＶＩ－ＶＩ線に沿って第２レイヤの配置を示す説明図である。 第３レイヤの配置を示す説明図である。

以下、本発明について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１に示すように、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１０は、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給に伴い発電を行うとともに、冷媒の供給に伴い温度が調整される複数の発電セル１２を有する燃料電池スタック１１を備える。燃料電池システム１０は、複数の発電セル１２を積層した状態で内部に収容するスタックケース１４を備える。この燃料電池システム１０は、例えば、図示しない燃料電池車両のモータルームに搭載される。

複数の発電セル１２は、燃料電池システム１０を燃料電池車両に搭載した状態で、電極面を立位姿勢にして車長方向（矢印Ａ方向）に直交する車幅方向（矢印Ｂ方向）に沿って積層された積層体１６として構成される。なお、複数の発電セル１２は重力方向（矢印Ｃ方向）に積層されていてもよい。

また、積層体１６の積層方向（矢印Ｂ方向）の両端には、図示しないターミナルプレート、インシュレータが外方に向かって順に配置される。ターミナルプレートは、発電セル１２から電力を取り出す金属製の板部材であり、図示しない電力取出端子を積層体１６の所定位置から突出させている。インシュレータは、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）やフェノール樹脂等の絶縁性材料により形成される。

図２に示すように、発電セル１２は、樹脂枠付きＭＥＡ２４が、２つのセパレータ（以下、それぞれ「第１セパレータ２６」、「第２セパレータ２８」ともいう）により挟持される。第１及び第２セパレータ２６、２８は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、或いはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属薄板の断面を波形にプレス成形して構成される。第１セパレータ２６と第２セパレータ２８は、その外周同士が溶接、ろう付け、かしめ等により接合され、一体的な接合セパレータに構成される。

樹脂枠付きＭＥＡ２４は、電解質膜・電極構造体３０（以下、「ＭＥＡ３０」という）と、ＭＥＡ３０の外周部に接合され当該外周部を周回する樹脂枠部材３２とを備える。ＭＥＡ３０は、電解質膜３４と、電解質膜３４の一方の面に設けられたアノード電極３６と、電解質膜３４の他方の面に設けられたカソード電極３８とを有する。なお、ＭＥＡ３０は、樹脂枠部材３２を用いることなく、電解質膜３４を外方に突出させてもよい。また、外方に突出した電解質膜３４の両側に枠形状の樹脂製フィルムを設けてもよい。

電解質膜３４は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）が適用される。なお、電解質膜３４は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用することができる。

第１セパレータ２６は、酸化剤ガス（例えば、酸素を含むエア）を流動させる酸化剤ガス流路４０を、樹脂枠付きＭＥＡ２４のカソード電極３８に対向する面２６ａに備える（図２中では、便宜的に、ＭＥＡ３０のカソード電極３８上に酸化剤ガスの流動方向を示す）。酸化剤ガス流路４０は、第１セパレータ２６の矢印Ａ方向（水平方向）に延在する複数本の凸部間に形成された直線状流路溝又は波状流路溝によって構成される。

第２セパレータ２８は、燃料ガス（例えば、水素含有ガス）を流動させる燃料ガス流路４２を、樹脂枠付きＭＥＡ２４のアノード電極３６に対向する面２８ａに備える。燃料ガス流路４２は、第２セパレータ２８の矢印Ａ方向に延在する複数本の凸部間に形成された直線状流路溝又は波状流路溝によって構成される。

互いに接合される第１セパレータ２６の面２６ｂと第２セパレータ２８の面２８ｂとの間には、冷媒（例えば、水）を流動させる冷媒流路４４が設けられる。冷媒流路４４は、酸化剤ガス流路４０が形成された第１セパレータ２６の裏面形状と、燃料ガス流路４２が形成された第２セパレータ２８の裏面形状とが重なり合って形成される。

また、発電セル１２の長辺方向である矢印Ａ方向の両側部（矢印Ａｒ側及び矢印Ａｆ側）には、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷媒を、発電セル１２の積層方向に沿って独立的に流動させる複数の連通孔４６が設けられている。

矢印Ａｒ（燃料電池システム１０の後方）側に設けられる複数の連通孔４６は、第２連通孔である酸化剤ガス入口連通孔４８ａと、第１連通孔である２つの燃料ガス出口連通孔５０ｂと、第３連通孔である２つの冷媒入口連通孔５２ａと、を含む。相互の連通孔４６は上下方向に沿って概ね並んでいる。酸化剤ガス入口連通孔４８ａ、２つの冷媒入口連通孔５２ａ及び２つの燃料ガス出口連通孔５０ｂは、発電セル１２を積層方向に貫通している。

酸化剤ガス入口連通孔４８ａは、矢印Ｃ方向に５つ並ぶ連通孔４６の中間位置に形成されている。２つの冷媒入口連通孔５２ａは、酸化剤ガス入口連通孔４８ａの上下に隣接して、この酸化剤ガス入口連通孔４８ａを間に挟む位置に形成されている。２つの燃料ガス出口連通孔５０ｂは、上側の冷媒入口連通孔５２ａよりも上側位置と、下側の冷媒入口連通孔５２ａよりも下側位置とに配置され、酸化剤ガス入口連通孔４８ａ及び２つの冷媒入口連通孔５２ａを間に挟んでいる。

矢印Ａｆ（燃料電池システム１０の前方）側に設けられる複数の連通孔４６は、第２連通孔である２つの酸化剤ガス出口連通孔４８ｂ、第１連通孔である燃料ガス入口連通孔５０ａ、第３連通孔である２つの冷媒出口連通孔５２ｂを含む。相互の連通孔４６は矢印Ｃ方向に概ね並んでいる。２つの酸化剤ガス出口連通孔４８ｂ、燃料ガス入口連通孔５０ａ、２つの冷媒出口連通孔５２ｂは、それぞれ発電セル１２を積層方向に貫通している。

燃料ガス入口連通孔５０ａは、矢印Ｃ方向に５つ並ぶ連通孔４６の中間位置に形成されている。２つの冷媒出口連通孔５２ｂは、燃料ガス入口連通孔５０ａの上下に隣接して、この燃料ガス入口連通孔５０ａを間に挟む位置に形成されている。２つの酸化剤ガス出口連通孔４８ｂは、上側の冷媒出口連通孔５２ｂよりも上側位置と、下側の冷媒出口連通孔５２ｂよりも下側位置とに配置され、燃料ガス入口連通孔５０ａ及び２つの冷媒出口連通孔５２ｂを間に挟んでいる。

また本実施形態において、酸化剤ガス入口連通孔４８ａ及び燃料ガス入口連通孔５０ａは、特に限定されないが、例えば、六角形状に形成されている。さらに燃料ガス入口連通孔５０ａの流路断面積は、酸化剤ガス入口連通孔４８ａの流路断面積よりも小さくてもよい。一方、酸化剤ガス出口連通孔４８ｂ、燃料ガス出口連通孔５０ｂ、冷媒入口連通孔５２ａ及び冷媒出口連通孔５２ｂは、特に限定されないが、例えば、三角形状に形成されている。

酸化剤ガス流路４０は、酸化剤ガス入口連通孔４８ａ及び２つの酸化剤ガス出口連通孔４８ｂに流体的に連通する。酸化剤ガス流路４０は、酸化剤ガス入口連通孔４８ａから酸化剤ガスが供給されることで、この酸化剤ガスを矢印Ａ方向に沿って流動させ、２つの酸化剤ガス出口連通孔４８ｂに酸化剤ガスを排出する。２つの酸化剤ガス出口連通孔４８ｂは、例えば、三角形状の一辺（底辺）が酸化剤ガス流路４０に向くように配置される。

燃料ガス流路４２は、燃料ガス入口連通孔５０ａ及び２つの燃料ガス出口連通孔５０ｂに流体的に連通する。燃料ガス流路４２は、燃料ガス入口連通孔５０ａから燃料ガスが供給されることで、この燃料ガスを矢印Ａ方向（酸化剤ガスと反対方向）に沿って流動させ、２つの燃料ガス出口連通孔５０ｂに燃料ガスを排出する。２つの燃料ガス出口連通孔５０ｂは、例えば、三角形状の一辺（底辺）が燃料ガス流路４２に向くように配置されている。

冷媒流路４４は、２つの冷媒入口連通孔５２ａ及び２つの冷媒出口連通孔５２ｂに流体的に連通する。冷媒流路４４は、２つの冷媒入口連通孔５２ａから冷媒が供給されることで、この冷媒を矢印Ａ方向（燃料ガスと同方向）に沿って流動させ、２つの冷媒出口連通孔５２ｂに冷媒を排出する。２つの冷媒入口連通孔５２ａ及び２つの冷媒出口連通孔５２ｂは、例えば、三角形状の一頂部が共に冷媒流路４４に向くように配置される。

なお、酸化剤ガス連通孔４８（酸化剤ガス入口連通孔４８ａ、酸化剤ガス出口連通孔４８ｂ）、燃料ガス連通孔５０（燃料ガス入口連通孔５０ａ、燃料ガス出口連通孔５０ｂ）、冷媒連通孔５２（冷媒入口連通孔５２ａ、冷媒出口連通孔５２ｂ）の配置位置、数、形状は、上記に限定されない。各連通孔４６は、要求される仕様に応じて適宜設計されればよい。

第１及び第２セパレータ２６、２８の表面には、例えば、プレス成形により複数のメタルビードシール（シール部材５４）が樹脂枠付きＭＥＡ２４に向かって一体成形される。シール部材５４は、メタルビードシールに代えて、弾性材料からなる凸状弾性シールが適用されてもよい。

また、発電セル１２には、燃料電池システム１０の運転時（発電時）にカソード電極３８側で生じた生成水を排出する第１ドレン５６が設けられている。第１ドレン５６は、第１及び第２セパレータ２６、２８、樹脂枠部材３２が重なる位置に貫通形成されている。第１ドレン５６は、積層体１６の端部（例えば、インシュレータ）に設けられた図示しない第１連結流路を介して、酸化剤ガス出口連通孔４８ｂに連通している。

さらに、発電セル１２には、燃料電池システム１０の運転時（発電時）にアノード電極３６側で生じた生成水を排出するための第２ドレン５８が設けられている。第２ドレン５８は、第１及び第２セパレータ２６、２８、樹脂枠部材３２が重なる位置に貫通形成されている。第２ドレン５８は、積層体１６の端部（例えば、インシュレータ）に設けられた図示しない第２連結流路を介して、燃料ガス出口連通孔５０ｂに連通している。

図１に戻り、複数の発電セル１２を収容するスタックケース１４は、面状に延在して全面を覆う壁部１８を前面、上面及び底面に有する。その一方で、スタックケース１４の後面及び左右両側の側面は、スタックケース１４の内部空間１４ａに連通する窓２０ａを有する窓枠２０（フレーム状）として形成されている。

積層体１６の積層方向の一端側（矢印Ｂｒ側）に設けられる図示しないターミナルプレート及び絶縁プレートは、発電セル１２とともにスタックケース１４内に収容される。スタックケース１４の矢印Ｂ方向一端側には、スタックケース１４の窓２０ａを閉塞する側壁６０が、シール部材６１を挟んで取り付けられる。この側壁６０は、発電セル１２の積層方向に締付荷重を付与する一方のエンドプレートを構成する。なお、スタックケース１４の後面にも、窓２０ａを閉塞する後壁６２が、シール部材６１を挟んで取り付けられる。

積層体１６の積層方向の他端側（矢印Ｂｌ側）に設けられる図示しないターミナルプレート及び絶縁プレートは、発電セル１２とともにスタックケース１４内に収容される。そして、発電セル１２の積層方向他端側のスタックケース１４の側面には、窓２０ａを閉塞するように、シール部材６１を挟んで補機ケース６４が取り付けられる。

補機ケース６４は、配管及び補機類を収容及び保護するための保護筐体であり、スタックケース１４の水平方向に固定される。図３に示すように、配管及び補機類は、燃料電池システム１０の補機６６（デバイス）や配管６７を含み、流体である燃料ガス、酸化剤ガス、冷媒を流動させる。補機ケース６４は、スタックケース１４にねじ止めされる凹形状の第１ケース部材６８と、第１ケース部材６８に接合される凹形状の第２ケース部材７０とを有し、これらの部材の内部に、配管及び補機類を収納する収納空間６４ａが形成される。

第１ケース部材６８は、ボルトによりスタックケース１４に接合され、スタックケース１４の内部空間１４ａと補機ケース６４の収納空間６４ａとを区画する取付壁部７２を有する。取付壁部７２は、発電セル１２の積層体１６に積層方向の締付荷重を付与するエンドプレートとしての機能を有している。

図１に戻り、取付壁部７２は、発電セル１２の複数の連通孔４６（酸化剤ガス連通孔４８、燃料ガス連通孔５０、冷媒連通孔５２）にそれぞれ連通する複数の貫通孔７４を有する。なお、取付壁部７２には、矢印Ａｒ側及び矢印Ａｆ側に上下方向に延在する一対の長孔を有し、後記の配管及び補機類から一対の長孔を貫通し、各連通孔４６に対応する管を突出させた構成でもよい。

複数の貫通孔７４は、取付壁部７２を厚さ方向に貫通形成されている。各貫通孔７４は、酸化剤ガス入口連通孔４８ａに連通する酸化剤ガス導入用貫通孔７６ａと、２つの酸化剤ガス出口連通孔４８ｂに各々連通する２つの酸化剤ガス導出用貫通孔７６ｂと、燃料ガス入口連通孔５０ａに連通する燃料ガス導入用貫通孔７８ａと、２つの燃料ガス出口連通孔５０ｂに各々連通する２つの燃料ガス導出用貫通孔７８ｂと、２つの冷媒入口連通孔５２ａに各々連通する２つの冷媒導入用貫通孔８０ａと、２つの冷媒出口連通孔５２ｂに各々連通する２つの冷媒導出用貫通孔８０ｂと、を含む。また図示は省略するが、貫通孔７４の内壁には、ガスケットが取り付けられ、ガスケットは、外側（矢印Ｂｌ側）において正円形状に形成され、内側（矢印Ｂｒ側）に向かって各連通孔４６の形状に応じた形に徐々に変化するように構成されている。なお貫通孔７４の内壁自体の形状が徐々に変化する構成でもよい。

図３に示すように、補機ケース６４の収納空間６４ａには、燃料電池システム１０の補機６６及び配管６７を含む配管及び補機類が収納されている。この収納空間６４ａは、燃料電池システム１０から外側（矢印Ｂｌ方向）に向かって順に第１レイヤ８４、第２レイヤ８６、第３レイヤ８８に分けられる。

図３に示すように、第１レイヤ８４は、第１ケース部材６８の取付壁部７２に最も近い位置に設けられている。第１レイヤ８４は、隣接する取付壁部７２（エンドプレート）の面方向に平行な層状の領域である。第１レイヤ８４は、取付壁部７２から、後述するカソード排出配管９０の第１連通部９２よりも内側までの範囲（第１連通部９２を含まない）の領域である。第２レイヤ８６は、第１レイヤ８４の矢印Ｂｌ側（外側）に隣接する層状の領域である。第２レイヤ８６は、第１連通部９２を含み、かつ加湿器９４よりも内側の範囲（加湿器９４を含まない）の領域である。第３レイヤ８８は、第２レイヤ８６の矢印Ｂｌ側（外側）に隣接する層状の領域である。第３レイヤ８８は、加湿器９４から第２ケース部材７０の内端面７０ａまでの範囲の領域である。

図５に示すように、第１レイヤ８４には、矢印Ａｆ側に、カソード排出配管９０の第１貫通部９１と、冷媒排出配管９６と、燃料ガス供給配管９８とが設けられている。また、第１レイヤ８４の矢印Ａｒ側には、アノード排出配管１００の第２貫通部１０１と、冷媒供給配管１０４と、カソード供給配管１０６と、燃料排出ガス用の気液分離器１０８の一部が設けられている。

カソード排出配管９０の第１貫通部９１は２つ設けられており、それぞれ酸化剤ガス導出用貫通孔７６ｂ（図１参照）に接続されている。一方の第１貫通部９１は、矢印Ｃｕ側（設置状態の上側）の端部付近に配置され、他方の第１貫通部９１は、矢印Ｃｄ側（設置状態の下側）の端部付近に設けられている。これらの第１貫通部９１は、冷媒排出配管９６を矢印Ｃ方向（設置状態の上下方向）から挟むように配置されている。各々の第１貫通部９１は、取付壁部７２の主面に対して垂直な方向（第１レイヤ８４の厚さ方向）に延在しており、第１レイヤ８４を厚さ方向に貫通している。

冷媒排出配管９６は、２つ設けられている。２つの冷媒排出配管９６は、燃料ガス供給配管９８の矢印Ｃ方向の両側に隣接して配置されている。各々の冷媒排出配管９６は、取付壁部７２に対して垂直な方向に延びる垂直部９６ａと、垂直部９６ａから屈曲して層内方向に沿って延びる層内配管部９６ｂとを有しており、冷媒排出配管９６は矢印Ｃ方向から見て、Ｌ字型に屈曲している。垂直部９６ａは、それぞれ冷媒導入用貫通孔８０ａに接続されている。層内配管部９６ｂは、矢印Ａｆ方向に延び、第１ケース部材６８を貫通している。層内配管部９６ｂの先端には、冷媒をラジエーターに導く図示しないホースが接続される。

燃料ガス供給配管９８は、矢印Ｃ方向の中央付近に１つ設けられている。燃料ガス供給配管９８は、第１レイヤ８４において取付壁部７２の主面に対して垂直な方向（第１レイヤ８４の厚さ方向）に延在しており、第１レイヤ８４を厚さ方向に貫通している。

アノード排出配管１００の第２貫通部１０１は２つ設けられており、それぞれ燃料ガス導出用貫通孔７８ｂ（図１参照）に接続されている。２つの第２貫通部１０１は、矢印Ｃ方向のＣｕ側（設置状態の上側）及びＣｄ側（設置状態の下側）の端部付近にそれぞれ設けられている。第２貫通部１０１は、取付壁部７２の主面に対して垂直な方向（第１レイヤ８４の厚さ方向）に延在しており、第１レイヤ８４を厚さ方向に貫通している。

冷媒供給配管１０４は、２つ設けられている。２つの冷媒供給配管１０４は、カソード供給配管１０６の矢印Ｃ方向の両側に隣接して配置されている。第１レイヤ８４において、冷媒供給配管１０４は、第１レイヤ８４の厚さ方向に延在して第１レイヤ８４を厚さ方向に貫通している。

気液分離器１０８は、箱型の部材であり、図６にも示すように、第１レイヤ８４と第２レイヤ８６とに配置されている。図５に示すように、気液分離器１０８は、設置状態において下側となる矢印Ｃｄ側の第２貫通部１０１に隣接して設けられている。気液分離器１０８は、燃料排出ガス中の水分を分離するべく、屈曲した流路１０８ａを内部に有している。

図６に示すように、第２レイヤ８６には、カソード排出配管９０の第１連通部９２と、燃料ガス供給配管９８と、アノード排出配管１００の第２連通部１０２と、冷媒供給配管１０４の第３連通部１１０及び第３貫通部１１２と、カソード供給配管１０６と、気液分離器１０８とインジェクタ１１４とが配置されている。

第２レイヤ８６において、第１連通部９２は、第２レイヤ８６の層内方向（取付壁部７２の主面に平行な方向）に沿って矢印Ｃ方向に延びる。第１連通部９２は、冷媒排出配管９６の外側を跨ぐように配置され、矢印Ｃｄ側の第１貫通部９１と、矢印Ｃｕ側の第１貫通部９１とを繋ぐ。矢印Ｃｕ側（設置状態において上側）の第１貫通部９１は、第２レイヤ８６の層方向に垂直な方向に延在し、第２レイヤ８６を厚さ方向に貫通する。

燃料ガス供給配管９８は、第２レイヤ８６において層内方向に沿うように屈曲しており、インジェクタ１１４に接続されている。アノード排出配管１００は、第２レイヤ８６に、２つの第２貫通部１０１を繋ぐ第２連通部１０２を有している。第２連通部１０２の一端は矢印Ｃｕ側の第２貫通部１０１に接続されている。第２連通部１０２は、カソード供給配管１０６を迂回するようにして、斜めに延び、その他端が気液分離器１０８の入口１０８ｂに接続されている。気液分離器１０８の矢印Ｃｄ側の端部には液排出部１０８ｃが設けられており、液排出部１０８ｃは矢印Ｃｄ側の第２貫通部１０１に連通する。すなわち、第２連通部１０２は気液分離器１０８を介して、２つの第２貫通部１０１を接続している。矢印Ｃｄ側の第２貫通部１０１は、第２レイヤ８６の層方向に垂直な方向に延びており、第２レイヤ８６を厚さ方向に貫通している。気液分離器１０８で分離された液相を多く含む流体は矢印Ｃｄ側の第２貫通部１０１を通じて排出される。

気液分離器１０８の矢印Ｃｕ側には、気相出口１０８ｄが設けられている。気相出口１０８ｄからは、燃料排出ガスから液相成分が除去された気相成分の燃料ガスが流出する。気相出口１０８ｄには、第２レイヤ８６に沿って延びる連通配管１１６が接続されている。連通配管１１６は、逆止弁１１８を介してインジェクタ１１４の循環ポート１１４ａに接続されている。気相出口１０８ｄからの燃料ガスは、インジェクタ１１４を介して、燃料ガス供給配管９８に導入される。インジェクタ１１４には、図示しない燃料ガスチューブが接続されており、燃料ガス供給系統からの燃料ガスが導入される。

２つの冷媒供給配管１０４は、第２レイヤ８６に設けられた第３連通部１１０によって連通している。第３連通部１１０は、第２レイヤ８６の層内方向に沿って矢印Ｃ方向に延びている。図示の例のように、第３連通部１１０はカソード供給配管１０６を迂回するように屈曲してもよい。第３連通部１１０からは、第３貫通部１１２が第２レイヤ８６に垂直な方向に延び出ている。第３貫通部１１２は、第３連通部１１０に連通するとともに、第３レイヤ８８に延びている。

カソード供給配管１０６は、第２レイヤ８６に垂直な方向に延在して厚さ方向に貫通する。

図７に示すように、第３レイヤ８８には、主に加湿器９４、封止弁１２０、及び排気配管合流部１２２が配置されている。加湿器９４は、第３レイヤ８８において、設置状態において上側（矢印Ｃｕ側）に寄せて配置されている。加湿器９４は、図４に示すように円筒状の筐体９４ａを有している。図７に示すように、筐体９４ａは、その中心軸が第３レイヤ８８に沿って矢印Ａ方向に揃う向きで配置されている。

加湿器９４は、筐体９４ａの内部に円筒状の中空糸モジュール９４ｂと、中空糸モジュール９４ｂの中心軸に沿って延びる中央孔９４ｃとを備える。中空糸モジュール９４ｂは、複数本の中空糸を有している。中空糸モジュール９４ｂは、中央孔９４ｃと連通した中空糸の外側空間を流れる流体と中空糸の内側空間を流れる流体との間で水分の交換を行う。

中空糸モジュール９４ｂの各中空糸の内側空間は、矢印Ａｆ側の第１入口ポート１２４と、矢印Ａｒ側の第１出口ポート１２６とに連通する。第１入口ポート１２４には、酸化剤ガス導入管１２５が接続されている。酸化剤ガス導入管１２５は、図示しないエアポンプから供給される酸化剤ガスを第１入口ポート１２４に導入する流路を構成する。第１出口ポート１２６にはカソード供給配管１０６が接続されている。加湿器９４の第１出口ポート１２６は、層方向に垂直な方向から見て、酸化剤ガス導入用貫通孔７６ａと重なる位置に配置されている。

中央孔９４ｃは、中空糸の外側空間に連通している。中央孔９４ｃは矢印Ａｆ側に開口した第２入口ポート１２８となっている。中央孔９４ｃの第２入口ポート１２８には、カソード排出配管９０の第１貫通部９１が接続されている。加湿器９４の中央孔９４ｃの端部は、層方向に垂直な方向から見て、一方の第１貫通部９１（酸化剤ガス導出用貫通孔７６ｂ）と重なる位置に配置されている。

筐体９４ａの矢印Ｃｄ側の側部には、中空糸の外側空間を流通した酸化剤排出ガスの出口となる第２出口ポート１３０が設けられている。筐体９４ａの第２出口ポート１３０には封止弁１２０が矢印Ｃｕ方向に延び出るようにして取り付けられている。封止弁１２０は、図４に示すように、第３レイヤ８８の層内方向に沿う向きで配置され、図７に示すように、封止弁１２０は、第１連通部９２と並行に配置されている。封止弁１２０は、カソード排出配管９０の酸化剤排出ガスの流通を阻止可能な遮断弁を備えている。封止弁１２０の出口には、排気配管合流部１２２の一端が接続されている。

排気配管合流部１２２は、第３レイヤ８８の層方向に延びて形成されている。排気配管合流部１２２は、層方向に垂直な方向から見て、Ｙ字状に形成されており、第１分岐配管１２２ａが封止弁１２０の出口に接続され、第２分岐配管１２２ｂがアノード排出配管１００の矢印Ｃｄ側の第２貫通部１０１に接続されている。第１分岐配管１２２ａ及び第２分岐配管１２２ｂは、合流部１２２ｃで合流する。合流部１２２ｃの矢印Ｃｄ側には、排気口１２２ｄが設けられている。排気口１２２ｄは、補機ケース６４の下端部（矢印Ｃｄ方向の端部）を貫通して外部に延び出る。

本実施形態の燃料電池システム１０は、以上のように構成され、以下その作用について説明する。

燃料電池システム１０において、燃料ガスは、図６に示すインジェクタ１１４の駆動下に燃料ガス供給配管９８に供給される。燃料ガス供給配管９８の燃料ガスは、図１に示す燃料ガス導入用貫通孔７８ａを介して図２に示す燃料ガス入口連通孔５０ａに流入する。

また、２つの燃料ガス出口連通孔５０ｂからは、燃料排出ガス（アノードオフガス）が流出する。燃料排出ガスは、図１に示す２つの燃料ガス導出用貫通孔７８ｂを介して、図５の第１レイヤ８４のアノード排出配管１００に排出される。アノード排出配管１００の燃料排出ガスは、図６に示すように第２レイヤ８６の気液分離器１０８で、液相成分と気相成分とに分離される。分離された気相成分は、インジェクタ１１４を通じて燃料ガス供給配管９８に還流される。気液分離器１０８の液相成分を多く含む燃料排出ガスは、矢印Ｃｄ側の第２貫通部１０１を通じて、第３レイヤ８８の排気配管合流部１２２に排出される。

酸化剤ガスは、図７の酸化剤ガス導入管１２５から流入し、加湿器９４によって加湿され、カソード供給配管１０６に導入される。カソード供給配管１０６の酸化剤ガスは、図１の酸化剤ガス導入用貫通孔７６ａを介して図２に示す酸化剤ガス入口連通孔４８ａに流入する。

２つの酸化剤ガス出口連通孔４８ｂからは、酸化剤排出ガス（カソードオフガス）が流出する。酸化剤排出ガスは、図１に示す２つの酸化剤ガス導出用貫通孔７６ｂを介して、図５の第１レイヤ８４のカソード排出配管９０の第１貫通部９１に排出される。第１貫通部９１の酸化剤排出ガスは、第２レイヤ８６の第１連通部９２を通じて合流し、矢印Ｃｕ側（設置状態の上側）の第１貫通部９１を介して図７に示す第３レイヤ８８の加湿器９４の第２入口ポート１２８に導入される。

加湿器９４に導入された酸化剤排出ガスは、中空糸モジュール９４ｂを通過して流入する酸化剤ガスを加湿した後、封止弁１２０を介して排気配管合流部１２２に排出される。

酸化剤排出ガス及び燃料排出ガスは、図７の排気配管合流部１２２において合流され、補機ケース６４の排気口１２２ｄから排出される。

上記の実施形態から把握し得る本発明の技術的思想及び効果について、以下に記載する。

燃料電池システム１０は、一対のエンドプレート（例えば、側壁６０及び取付壁部７２）を有する燃料電池スタック１１と、一方のエンドプレート（例えば、取付壁部７２）の複数個所に貫通形成され、燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷媒を通過させる複数の貫通孔と、貫通孔が形成されたエンドプレートに隣接して設けられた補機ケース６４と、貫通孔（例えば、酸化剤ガス導出用貫通孔７６ｂ）に接続され、燃料電池スタック１１から排出される酸化剤排出ガスを流通させるカソード排出配管９０と、貫通孔（例えば、冷媒導出用貫通孔８０ｂ）に接続され、燃料電池スタック１１から排出される冷媒を流通させる冷媒排出配管９６と、を備え、補機ケース６４は、エンドプレート（例えば、取付壁部７２）に最も隣接した層状の第１レイヤ８４と、第１レイヤ８４の外側に設けられた層状の第２レイヤ８６と、第２レイヤ８６の外側に設けられた第３レイヤ８８と、を有し、冷媒排出配管９６は、第１レイヤ８４内に配置され、カソード排出配管９０は、冷媒排出配管９６を挟む複数の貫通孔（例えば、酸化剤ガス導出用貫通孔７６ｂ）にそれぞれ接続され、第１レイヤ８４を厚さ方向に貫通する複数の第１貫通部９１と、第２レイヤ８６に設けられ、冷媒排出配管９６の外側を跨ぐように第２レイヤ８６の層方向に延び、複数の第１貫通部９１を連通させる第１連通部９２と、を有する。

上記の構成によれば、カソード排出配管９０を、冷媒排出配管９６との干渉を回避しつつ、補機ケース６４の内部に効率よく配置できる。

上記の燃料電池システム１０において、さらに、第３レイヤ８８に配置され、燃料電池システム１０に供給される酸化剤ガスを加湿する加湿器９４を備え、カソード排出配管９０は、いずれかの第１貫通部９１が第２レイヤ８６を厚さ方向に貫通して加湿器９４に接続されてもよい。この構成によれば、カソード排出配管９０を最短経路で加湿器９４に接続することができ、カソード排出配管９０を補機ケース６４の内部に効率よく配置できる。

上記の燃料電池システム１０において、加湿器９４は筒状の筐体９４ａを有し、筐体９４ａの軸は第３レイヤ８８の層内方向に沿っており、第１貫通部９１は、加湿器９４の筐体９４ａの軸方向の一端に接続されてもよい。この場合において、加湿器９４は、設置状態の上側（矢印Ｃｕ側）に寄せて配置されてもよい。この構成によれば、第３レイヤ８８に配管等を配置可能なスペースを大きくとることができる。

上記の燃料電池システム１０において、さらに、加湿器９４の第２出口ポート１３０に接続されて加湿器９４から流出する酸化剤排出ガスの流通を阻止する封止弁１２０を備え、封止弁１２０は、第３レイヤ８８に層内方向に沿って配置され、かつ加湿器９４から第１連通部９２に平行に突出してもよい。この構成によれば、第３レイヤ８８の空きスペースに封止弁１２０を配置できるため、収納空間６４ａの利用効率が高まる。

上記の燃料電池システム１０において、さらに、貫通孔（例えば、燃料ガス導出用貫通孔７８ｂ）に接続され、燃料電池スタック１１から排出される燃料排出ガスを流通させるアノード排出配管１００を備え、アノード排出配管１００は、複数の貫通孔（例えば、燃料ガス導出用貫通孔７８ｂ）にそれぞれ接続され、第１レイヤ８４を厚さ方向に貫通する複数の第２貫通部１０１と、第２レイヤ８６に設けられ第２レイヤ８６の層方向に延びて複数の第２貫通部１０１を連通させる第２連通部１０２と、を有してもよい。この構成によれば、カソード排出配管９０の第１連通部９２と同一の第２レイヤ８６にアノード排出配管１００の第２連通部１０２を設けることができ、層に垂直な厚さ方向についてコンパクト化できる。

上記の燃料電池システム１０において、さらに、第３レイヤ８８に配置され、封止弁１２０から流出する酸化剤排出ガスとアノード排出配管１００から排出される燃料排出ガスとを合流させる排気配管合流部１２２を備え、アノード排出配管１００は、いずれか一つの第２貫通部１０１が第２レイヤ８６を厚さ方向に貫通して排気配管合流部１２２に接続されてもよい。この構成によれば、第３レイヤ８８において、加湿器９４の空きスペースに排気配管合流部１２２を設けることができるため、空きスペースを有効利用でき、配管構造をコンパクト化できる。

上記の燃料電池システム１０において、第２連通部１０２には、第２レイヤ８６の層内方向に沿って配置され、燃料排出ガス中の水分を分離する気液分離器１０８が設けられてもよい。この構成によれば、第２レイヤ８６の空きスペースを有効利用でき、配管構造をコンパクト化できる。

上記の燃料電池システム１０において、設置状態において、加湿器９４は第３レイヤ８８で鉛直方向上側となる部位に配置され、封止弁１２０及び排気配管合流部１２２は、第３レイヤ８８で加湿器９４の下側に配置され、補機ケース６４の下端部には、排気配管合流部１２２の排出口が設けられてもよい。この構成によれば、排気配管合流部１２２から生成水を排出する際に、重力に従って排出できるため、排出ガスの排圧を必要以上に高める必要がなく、燃料電池システム１０の効率を高めることができる。

上記において、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は上記実施形態に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において、種々の改変が可能なことは言うまでもない。

１０…燃料電池システム １１…燃料電池スタック
６４…補機ケース ８４…第１レイヤ
８６…第２レイヤ ８８…第３レイヤ
９０…カソード排出配管 ９１…第１貫通部
９２…第１連通部 ９４…加湿器
９４ａ…筐体 ９６…冷媒排出配管
１００…アノード排出配管 １０１…第２貫通部
１０２…第２連通部 １０８…気液分離器
１２０…封止弁 １２２…排気配管合流部

Claims (8)

1. 一対のエンドプレートを有する燃料電池スタックと、
   一方の前記エンドプレートの複数個所に貫通形成され、燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷媒を通過させる複数の貫通孔と、
   前記貫通孔が形成された前記エンドプレートに隣接して設けられた補機ケースと、
   前記貫通孔に接続され、前記燃料電池スタックから排出される酸化剤排出ガスを流通させるカソード排出配管と、
   前記貫通孔に接続され、前記燃料電池スタックから排出される冷媒を流通させる冷媒排出配管と、を備え、
   前記補機ケースは、前記エンドプレートに最も隣接した層状の第１レイヤと、前記第１レイヤの外側に設けられた層状の第２レイヤと、前記第２レイヤの外側に設けられた第３レイヤと、を有し、
   前記冷媒排出配管は、前記第１レイヤ内に配置され、
   前記カソード排出配管は、前記冷媒排出配管を挟む複数の前記貫通孔にそれぞれ接続され、前記第１レイヤを厚さ方向に貫通する複数の第１貫通部と、前記第２レイヤに設けられ、前記冷媒排出配管の外側を跨ぐように前記第２レイヤの層方向に延び、複数の前記第１貫通部を連通させる第１連通部と、を有する、燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
   さらに、前記第３レイヤに、供給される前記酸化剤ガスを加湿する加湿器を備え、
   前記カソード排出配管は、いずれかの前記第１貫通部が前記第２レイヤを厚さ方向に貫通して前記加湿器に接続されている、燃料電池システム。
3. 請求項２記載の燃料電池システムであって、
   前記加湿器は筒状の筐体を有し、前記筐体の軸は前記第３レイヤの層内方向に沿っており、
   前記第１貫通部は、前記加湿器の前記筐体の軸方向の一端に接続されている、燃料電池システム。
4. 請求項３記載の燃料電池システムであって、さらに、
   前記加湿器の第２出口ポートに接続されて前記加湿器から流出する酸化剤排出ガスの流通を阻止する封止弁を備え、
   前記封止弁は、前記第３レイヤに層内方向に沿って配置され、かつ前記加湿器から前記第１連通部に平行に突出している、燃料電池システム。
5. 請求項４記載の燃料電池システムであって、さらに、
   前記貫通孔に接続され、前記燃料電池スタックから排出される燃料排出ガスを流通させるアノード排出配管を備え、
   前記アノード排出配管は、複数の前記貫通孔にそれぞれ接続され、前記第１レイヤを厚さ方向に貫通する複数の第２貫通部と、前記第２レイヤに設けられ前記第２レイヤの前記層方向に延びて複数の前記第２貫通部を連通させる第２連通部と、を有する、燃料電池システム。
6. 請求項５記載の燃料電池システムであって、さらに、
   前記第３レイヤに配置され、前記封止弁から流出する酸化剤排出ガスと前記アノード排出配管から排出される燃料排出ガスとを合流させる排気配管合流部を備え、
   前記アノード排出配管は、いずれか一つの前記第２貫通部が前記第２レイヤを厚さ方向に貫通して前記排気配管合流部に接続されている、燃料電池システム。
7. 請求項５又は６記載の燃料電池システムであって、
   前記第２連通部には、前記第２レイヤの層内方向に沿って配置され、前記燃料排出ガス中の水分を分離する気液分離器が設けられている、燃料電池システム。
8. 請求項６記載の燃料電池システムであって、
   設置状態において、前記加湿器は前記第３レイヤで鉛直方向上側となる部位に配置され、前記封止弁及び前記排気配管合流部は、前記第３レイヤで前記加湿器の下側に配置され、
   前記補機ケースの下端部には、前記排気配管合流部の排出口が設けられている、燃料電池システム。

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