JP2006059652A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】簡単な構成で、電気的絶縁性に優れ、且つ温度変化に対する寸法変化を阻止することを可能にする。
【解決手段】燃料電池スタックの配管接続部46に設けられる筒状部50aに接続される配管部材60aを備える。配管部材60aは、電気絶縁樹脂製配管本体80と、前記配管本体80の一端に設けられ且つ筒状部50aに連結される第1連結部82aとを有する。第1連結部82aの内周には、配管本体80よりも線膨張係数の低いスリーブ部材90が装着されている。
【選択図】図5

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持する発電セルを設け、少なくとも反応ガス又は冷却媒体を流す流路が形成されるとともに、前記流路に連通する配管接続部を設けた燃料電池と、前記配管接続部に装着される配管部材とを備える燃料電池システムに関する。
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(電解質)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対設した電解質膜・電極構造体を、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。
この燃料電池において、アノード側電極には、燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス(以下、水素含有ガスともいう)が供給される一方、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気(以下、酸素含有ガスともいう)が供給されている。アノード側電極に供給された燃料ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。
上記の燃料電池では、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体を流すために、種々の配管構造が採用されている。例えば、特許文献1に開示されている燃料電池の冷却装置では、図8に示すように、単セル1と冷却板2とを組み合せたセルスタック3を備えている。このセルスタック3の周側面には、冷媒ヘッダ兼用の燃料ガス供給用マニホールド4a及び燃料ガス排出用マニホールド4bと、酸化剤ガス供給用マニホールド5a及び酸化剤ガス排出用マニホールド5bとが配設されている。
燃料ガス供給用マニホールド4aには、入口中空部6aが設けられ、前記入口中空部6aに分岐管継手7aを介して冷媒チューブ8の一端が接続されている。冷媒チューブ8は、冷却板2に設けられている凹溝(図示せず)に嵌合して配管され、セルスタック3の側部で分岐管継手7bを介して出口中空部6bに接続されている。
冷媒チューブ8は、電気絶縁性を有する可撓性チューブであり、例えば、フッ素樹脂(電解質のリン酸に対する耐腐食が高い)で構成されている。これにより、単セル1間に電気的な短絡回路が形成されることを有効に阻止することができる、としている。
特開平5−82142号公報(図1)
しかしながら、上記の特許文献1では、冷媒チューブ8がフッ素樹脂で形成されるため、例えば、金属製配管に比べて変形し易く、耐久性が低下するという問題がある。しかも、温度変化に対する軸径の変化が惹起し、運転環境によっては所望のシール性を維持することができないという問題がある。また、度重なる軸径の変化により経時劣化が惹起されるおそれがある。
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、電気的絶縁性に優れるとともに、温度変化に対する寸法変化及び経時劣化を良好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。
本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持する発電セルを設け、少なくとも反応ガス又は冷却媒体を流す流路が形成されるとともに、前記流路に連通する配管接続部を設けた燃料電池と、前記配管接続部に装着される配管部材とを備える燃料電池システムである。
配管部材は、電気絶縁樹脂製配管本体と、前記電気絶縁樹脂製配管本体に設けられ且つ配管接続部に連結される連結部とを有するとともに、前記連結部の内周、外周又は内部には、前記電気絶縁樹脂製配管本体よりも線膨張係数の低い補強部材が設けられている。
また、配管部材は、電気絶縁樹脂製配管本体と、前記電気絶縁樹脂製配管本体に設けられ且つ配管接続部に連結される連結部とを有するとともに、前記連結部の内周、外周又は内部には、前記電気絶縁樹脂製配管本体よりもヤング率の高い補強部材が設けられている。
さらに、燃料電池は、複数の発電セルを積層した積層体を備えるとともに、前記積層体の積層方向に貫通して流路が形成され、前記積層体を挟持する一対のエンドプレートを有し、少なくとも一方のエンドプレートには、配管接続部が設けられることが好ましい。
本発明によれば、燃料電池の配管接続部に連結される連結部に補強部材が設けられるため、前記連結部は温度変化に対する寸法変化が良好に抑制される。従って、配管部材の連結部は、簡単な構成で、温度変化によるシール性の低下の防止及び耐久性の向上を図ることが可能になる。しかも、配管部材は、電気絶縁樹脂製配管本体を備えており、所望の電気的絶縁性を確保することができる。
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の概略斜視図である。
燃料電池システム10は、例えば、自動車等の車両に搭載されており、配管構造12に接続される燃料電池スタック14を備える。この燃料電池スタック14は、複数の発電セル16が矢印A方向に積層された積層体18を備え、前記積層体18の積層方向両端には、エンドプレート20a、20bが配置される。エンドプレート20a、20bは、図示しない締め付けボルトにより積層方向(矢印A方向)に締め付けられる。
図2に示すように、各発電セル16は、電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)22と、前記電解質膜・電極構造体22を挟持する薄板波形状の第1及び第2金属セパレータ24、26とを備える。
発電セル16の長辺方向(図2中、矢印B方向)の一端縁部には、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(流路)28a、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔(流路)30a、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔(流路)32bが設けられる。
発電セル16の長辺方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔(流路)32a、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔(流路)30b、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔(流路)28bが設けられる。
電解質膜・電極構造体22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34と、前記固体高分子電解質膜34を挟持するアノード側電極36及びカソード側電極38とを備える。
アノード側電極36及びカソード側電極38は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層(図示せず)と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されることにより形成される電極触媒層(図示せず)とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜34の両面側に形成される。
第1金属セパレータ24は、電解質膜・電極構造体22に向かう面に燃料ガス供給連通孔32aと燃料ガス排出連通孔32bとを連通する燃料ガス流路40を設ける。第1金属セパレータ24は、反対の面に冷却媒体供給連通孔30aと冷却媒体排出連通孔30bとを連通する冷却媒体流路42を設ける。
第2金属セパレータ26は、電解質膜・電極構造体22に向かう面に酸化剤ガス流路44を設けるとともに、この酸化剤ガス流路44は、酸化剤ガス供給連通孔28aと酸化剤ガス排出連通孔28bとに連通する。第2金属セパレータ26は、反対の面に第1金属セパレータ24と重なり合って冷却媒体流路42が一体的に形成される。
燃料ガス流路40、冷却媒体流路42及び酸化剤ガス流路44は、例えば、矢印B方向に延在する複数本の溝部により構成される。第1及び第2金属セパレータ24、26の面の周縁部には、図示しないシール部材が一体成形される。
エンドプレート20aには、配管接続部46、48が積層体18とは反対の面に個別に、あるいは一体的に設けられる。配管接続部46には、接続用筒状部50a、52a及び54bが、矢印A方向に膨出形成されるとともに、前記筒状部50a、52a及び54bには、酸化剤ガス供給連通孔28a、冷却媒体供給連通孔30a及び燃料ガス排出連通孔32bに連通する孔部51a、53a及び55bが形成される。筒状部50a、52a及び54bの端部には、孔部51a、53a及び55bに平行してそれぞれねじ穴58が設けられる。
配管接続部48は、燃料ガス供給連通孔32a、冷却媒体排出連通孔30b及び酸化剤ガス排出連通孔28bに連通する孔部55a、53b及び51bが形成された接続用筒状部54a、52b及び50bが矢印A方向に膨出形成される。筒状部54a、52b及び50bの端部には、孔部55a、53b及び51bに平行してそれぞれねじ穴58が形成される。
配管構造12は、筒状部50a、50bに装着される配管部材60a、60bと、筒状部52a、52bに装着される配管部材62a、62bと、筒状部54a、54bに装着される配管部材64a、64bとを備える。
図3に示すように、配管部材60a、60bは、酸化剤ガス供給部66を構成している。酸化剤ガス供給部66は、空気を圧縮して供給するためのスーパーチャージャ(又はポンプ)68を設けるともに、このスーパーチャージャ68は、加湿器70に接続される。加湿器70は、図示していないが、水透過性膜や中空糸膜等を用いており、前記加湿器70に配管部材60a、60bが接続されて、前記配管部材60bを流れる使用済みの空気(オフガス)よって前記配管部材60aを流れる反応前の空気が加湿される。
図4に示すように、配管部材64a、64bは、燃料ガス供給部72を構成する。燃料ガス供給部72は、水素タンク74を備え、この水素タンク74の出口側には、該水素タンク74から供給される水素ガスを所定の圧力に減圧するためのレギュレータ76が配設され、このレギュレータ76の下流にはエゼクタ78が配設される。エゼクタ78には配管部材64a、64bが接続され、この配管部材64bは、使用済みの燃料ガス(オフガス)を配管部材64aに戻して燃料ガスの再使用を図る水素循環流路を構成している。
図5に示すように、配管部材60aは、電気絶縁樹脂製配管本体80と、この配管本体80の一端部に設けられ且つ配管接続部46の筒状部50aに連結される第1連結部82aと、前記配管本体80の他端部に設けられ、加湿器70に連結される第2連結部82bとを有する。
第1連結部82aには、フランジ部84が設けられるとともに、このフランジ部84に形成される孔部86と筒状部50aに形成されるねじ穴58とに止めねじ88が挿入され、前記第1連結部82aが前記配管接続部46に固定される。第1連結部82aの内周には、スリーブ部材90が装着される。このスリーブ部材90の内周面90aと第1連結部82aの内周面92とは、略同一直径に設定される。
スリーブ部材90は、配管本体80よりも線膨張係数の低い材料で構成される。配管本体80は、例えば、フッ素系樹脂で形成されており、その線膨張係数は、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)で10-4/℃程度である。
スリーブ部材90は、金属、例えば、ステンレス鋼(SUS)やチタン等が使用される。ステンレス鋼の線膨張係数は、1.7×10-5/℃程度であり、チタンの線膨張係数は、8.8×10-6/℃程度である。なお、スリーブ部材90は、配管本体80よりも線膨張係数の低い樹脂で構成してもよく、例えば、線膨張係数が10-5/℃程度のFRP樹脂を用いてもよい。
第2連結部82bの内周には、同様に補強部材としてスリーブ部材94が装着されている。このスリーブ部材94は、上記のスリーブ部材90と同様に構成されている。
配管部材60bは、上記の配管部材60aと同様に構成される一方、配管部材62a、62b、64a及び64bは、少なくとも配管接続部46、48に連結される連結部の内周に、金属製あるいはFRP樹脂製等のスリーブ(図示せず)が装着されている。なお、配管部材62a、62bは、図示しない冷却媒体循環系を構成しており、ポンプ等によって前記配管部材62bから排出された冷却媒体を前記配管部材62aに循環供給する。
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。
先ず、図3に示すように、酸化剤ガス供給部66において、スーパーチャージャ68を介して圧縮された空気が加湿器70に供給される。この加湿器70には、燃料電池スタック14の発電に使用された反応済みの空気であるオフガスが配管部材60bを介して供給され、このオフガスから使用前の空気に加湿が行われる。そして、加湿された空気は、配管部材60aを通って燃料電池スタック14の酸化剤ガス供給連通孔28aに供給される。
一方、図4に示すように、燃料ガス供給部72において、水素タンク74から供給される燃料ガスは、レギュレータ76を介して所定の圧力に減圧される。さらに、燃料ガスは、エゼクタ78から配管部材64aを通って燃料電池スタック14の燃料ガス供給連通孔32aに供給される。
図2に示すように、燃料電池スタック14内では、酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給連通孔28aから第2金属セパレータ26の酸化剤ガス流路44に導入され、電解質膜・電極構造体22のカソード側電極38に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔32aから第1金属セパレータ24の燃料ガス流路40に導入され、電解質膜・電極構造体22のアノード側電極36に沿って移動する。
従って、各電解質膜・電極構造体22では、カソード側電極38に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極36に供給される燃料ガスとが、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。
次いで、カソード側電極38に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔28bに沿って流動した後、エンドプレート20aに連結された配管部材60bに排出される。同様に、アノード側電極36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32bに排出されて流動し、エンドプレート20aに連結された配管部材64bに排出される。
また、冷却媒体は、配管部材62aから燃料電池スタック14内の冷却媒体供給連通孔30aに供給される。冷却媒体は、第1及び第2金属セパレータ24、26間の冷却媒体流路42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22を冷却した後、冷却媒体排出連通孔30bを移動してエンドプレート20aに連結された配管部材62bに排出され、循環使用される。
この場合、第1の実施形態では、配管部材60aが電気絶縁樹脂製の配管本体80を設けることにより、前記配管部材60aは、所望の電気的絶縁性を確保することができる。しかも、配管本体80に設けられ、燃料電池スタック14の配管接続部46の筒状部50aに連結される第1連結部82aには、その内周に補強部材としてスリーブ部材90が装着されている。
通常、燃料電池システム10では、発電セル16の作動温度が80℃程度である一方、寒冷地で使用される際には、マイナス30℃以下の低温となる場合がある。このため、配管部材60aには、比較的大きな温度変化が発生し易い。
そこで、第1の実施形態では、スリーブ部材90が、配管本体80よりも線膨張係数の低い金属やFRP樹脂等で構成されており、第1連結部82aの寸法変化が良好に抑制される。従って、第1連結部82aは、簡単な構成で、温度変化によるシール性の低下を防止するとともに、耐久性の向上を図ることが可能になるという効果が得られる。なお、他の配管部材60b、62a、62b、64a及び64bにおいても、上記の配管部材60aと同様の効果が得られる。
図6は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池システムを構成する配管部材100の一部断面説明図である。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の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
配管部材100は、電気絶縁樹脂製配管本体102を設け、この配管本体102の一端部には、例えば、筒状部50aに連結される連結部104が設けられる。この連結部104の外周には、配管本体102よりも線膨張係数の低く、且つヤング率の高い補強部材としてスリーブ部材106が装着される。このスリーブ部材106は、スリーブ部材90と同様に構成される。なお、スリーブ部材106は、少なくとも配管本体102よりもヤング率が高ければよい。従って、スリーブ部材106は、配管本体102よりも撓み難く、度重なる温度変化にも寸法変化による経時劣化を良好に抑制することができる。
図7は、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池システムを構成する配管部材110の一部断面説明図である。
配管部材110は、電気絶縁樹脂製配管本体112を備え、この配管本体112の一端部には、例えば、筒状部50aに連結される連結部114が設けられる。連結部114の内部には、配管本体112よりも線膨張係数の低い(及び/又はヤング率の高い)補強部材としてスリーブ部材116が埋設される。このスリーブ部材116は、スリーブ部材90と同様に構成される。
このように構成される第2及び第3の実施形態では、連結部104、114にスリーブ部材106、116が設けられており、第1の実施形態形態と同様の効果が得られる。
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斜視図である。 前記燃料電池システムを構成する燃料電池スタックの要部分解斜視説明図である。 酸化剤ガス供給部の概略説明図である。 燃料ガス供給部の概略説明図である。 前記燃料電池システムを構成する配管部材が配管接続部に連結された状態の一部断面図である。 本発明の第2の実施形態に係る燃料電池システムを構成する配管部材の一部説明図である。 本発明の第3の実施形態に係る燃料電池システムを構成する配管部材の一部説明図である。 特許文献1に開示されている燃料電池の冷却装置の説明図である。
符号の説明
10…燃料電池システム 12…配管構造
14…燃料電池スタック 16…発電セル
18…積層体 20a、20b…エンドプレート
28a…酸化剤ガス供給連通孔 28b…酸化剤ガス排出連通孔
30a…冷却媒体供給連通孔 30b…冷却媒体排出連通孔
32a…燃料ガス供給連通孔 32b…燃料ガス排出連通孔
34…固体高分子電解質膜 36…アノード側電極
38…カソード側電極 40…燃料ガス流路
42…冷却媒体流路 44…酸化剤ガス流路
46、48…配管接続部
50a、50b、52a、52b、54a、54b…筒状部
60a、60b、62a、62b、64a、64b、100、110…配管部材
66…酸化剤ガス供給部 70…加湿器
72…燃料ガス供給部 80、102、112…配管本体
82a、82b、104、114…連結部
90、94、106、116…スリーブ部材

Claims (3)

  1. 電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持する発電セルを設け、少なくとも反応ガス又は冷却媒体を流す流路が形成されるとともに、前記流路に連通する配管接続部を設けた燃料電池と、
    前記配管接続部に装着される配管部材と、
    を備え、
    前記配管部材は、電気絶縁樹脂製配管本体と、
    前記電気絶縁樹脂製配管本体に設けられ且つ前記配管接続部に連結される連結部と、
    を有するとともに、
    前記連結部の内周、外周又は内部には、前記電気絶縁樹脂製配管本体よりも線膨張係数の低い補強部材が設けられることを特徴とする燃料電池システム。
  2. 電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持する発電セルを設け、少なくとも反応ガス又は冷却媒体を流す流路が形成されるとともに、前記流路に連通する配管接続部を設けた燃料電池と、
    前記配管接続部に装着される配管部材と、
    を備え、
    前記配管部材は、電気絶縁樹脂製配管本体と、
    前記電気絶縁樹脂製配管本体に設けられ且つ前記配管接続部に連結される連結部と、
    を有するとともに、
    前記連結部の内周、外周又は内部には、前記電気絶縁樹脂製配管本体よりもヤング率の高い補強部材が設けられることを特徴とする燃料電池システム。
  3. 請求項1又は2記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池は、複数の前記発電セルを積層した積層体を備えるとともに、前記積層体の積層方向に貫通して前記流路が形成され、
    前記積層体を挟持する一対のエンドプレートを有し、少なくとも一方のエンドプレートには、前記配管接続部が設けられることを特徴とする燃料電池システム。
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