JP2006059652A

JP2006059652A - 燃料電池システム

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Publication number: JP2006059652A
Application number: JP2004239883A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Sato; 雅彦佐藤; Takayuki Nishiyama; 隆之西山
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-08-19
Filing date: 2004-08-19
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2024-08-19
Also published as: JP4630601B2

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

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。
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。
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。