JP2007018856A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】小型の燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システム１において、分配マニホールド３ａ、３ｂが連結するエンドプレート１３ｂに放電抵抗４を収容するボックス５を連結し、かつボックス５を分配マニホールド３ａ、３ｂの間に配設する。
【選択図】 図１

Description

本発明は燃料電池システムに関するものである。

燃料電池システムは、燃料が有するエネルギを直接電気エネルギに変換する装置であり、電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうちアノードに水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方のカソードに酸素を含有する酸化剤ガスを供給し、これら一対の電極の電解質膜側の表面で生じる下記の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギを取り出すものが特許文献１に開示されている。

アノード反応：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-・・・式（１）
カソード反応：２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ・・・式（２）

アノードに供給する燃料ガスは、水素貯蔵装置から直接供給する方法、水素を含有する燃料を改質して改質した水素含有ガスを供給する方法が知られている。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリン等が利用されている。カソードに供給する酸化剤ガスとしては、一般的に空気が利用されている。

こうした燃料電池システムを運転するにあたって、燃料電池システム運転停止後、燃料電池システム劣化防止のため、燃料電池に残った反応ガスを消費させ、燃料電池の電位を下げる必要がある。

このため燃料電池と電気回路上並列に放電抵抗を配置している。放電抵抗は、燃料電池を収める筐体外のリレーＢＯＸに設置されている。
特開平８−１０６９１４号公報

しかし、放電抵抗を筐体外のリレーＢＯＸに配置すると、燃料電池システムが大型になる、といった問題点がある。

本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、放電抵抗を有する燃料電池システムを小型にすることを目的とする。

本発明では、単位セルを積層したスタック部と、スタック部の両端に設けたエンドプレートと、を有する燃料電池と、エンドプレートの１つに対して、エンドプレートの両側において連結し、燃料電池の発電反応で使用する反応ガスと燃料電池を冷却する冷却水とを燃料電池に導入、または燃料電池の発電反応に使用されなかった反応ガスと燃料電池を冷却した冷却水とを燃料電池から排出する一対のマニホールドと、一対のマニホールドの間に配設され、エンドプレートに連結する抵抗ボックスと、抵抗ボックスに収容され燃料電池と電気的に並列に接続し、燃料電池で発電した電力を消費する抵抗と、燃料電池と抵抗ボックスと一対のマニホールドとを収容するケースと、を備える。

本発明によると、燃料電池に反応ガスなどを供給、または燃料電池から発電にしようされなかった反応ガスを排出するマニホールドが連結するエンドプレートに、燃料電池と電気的には並列に接続する抵抗（放電抵抗）を収容する抵抗ボックスを連結する。さらに抵抗ボックスをマニホールド間に配設する。これによって簡易なケースの内部のスペースを有効に利用することができ、燃料電池システムを小型にすることができる。

本発明の第１実施形態の構成を図１、図２を用いて説明する。図１は燃料電池システム１の概略構成図である。図２は燃料電池システム１の電気回路図である。なお、図１、図２においてはケース６を説明のため破線で示す。

この実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２の内部に水素（反応ガス）、空気（反応ガス）、冷却水を導入、または燃料電池スタック２の内部から排出水素、排出空気、冷却水を排出する分配マニホールド（マニホールド）３ａ、３ｂと、燃料電池システム１を停止する際に燃料電池スタック２に残存する水素または空気中の酸素を消費するための放電抵抗（抵抗）４と、放電抵抗４を収容するボックス５と、燃料電池スタック２を収容するケース６と、を備える。

この実施形態において、ケース６の中に複数の燃料電池スタック２配設し、複数の燃料電池スタック２をケース６の中で物理的には並列に配設し、電気的には直列に接続する。

燃料電池スタック２について図３を用いて説明する。図３は燃料電池スタック２の概略構成図である。燃料電池スタック２は例えば固体高分子電解質膜などを有する単位セル（図示せず）を積層して構成されたスタック部１０と、単位セルの積層方向両端に設けた集電板１１ａ、１１ｂと、集電板１１ａ、１１ｂの外側に設けた絶縁プレート１２ａ、１２ｂと、絶縁プレート１２ａ、１２ｂの更に外側に設けたエンドプレート１３ａ、１３ｂと、一方のエンドプレート１３ａの更に外側にスタック部１０の面圧を一定に保つために設けたプレッシャプレート１４と、エンドプレート１３ｂとプレッシャプレート１４とを連結し、燃料電池スタック２をスタッキングするテンションプレート１５と、エンドプレート１３ａとプレッシャプレート１４との間に熱などによるスタック部１０などの変形による面圧の変化を吸収するために例えば皿バネなどの弾性部材１６と、を備える。

エンドプレート１３ｂはスタック部１０へ水素を導入する水素導入口１７ａと、スタック部１０へ空気を導入する空気導入口１８ａと、スタック部１０を冷却する冷却水を導入する冷却水導入口１９ａと、を備える。また、スタック部１０による発電反応に使用されなかった水素を排出する水素排出口１７ｂと、スタック部１０による発電反応に使用されなかった空気を排出する空気排出口１８ｂと、スタック部１０を冷却した冷却水を排出する冷却水排出口１９ｂと、を備える。

分配マニホールド３ａは、エンドプレート１３ｂに連結し、燃料電池スタック２に水素を導入する水素導入マニホールド２０ａと、燃料電池スタック２に空気を導入する空気導入マニホールド２１ａと、燃料電池スタック２に冷却水を導入する冷却水導入マニホールド２２ａと、を備える。

水素導入マニホールド２０ａは燃料電池システム１の外部より供給された水素を水素導入口１７ａを介して各燃料電池スタック２に分配して供給する。空気導入マニホールド２１ａと冷却水導入マニホールド２２ａも同様に空気、冷却水を空気導入口１８ａ、冷却水導入口１９ａを介して各燃料電池スタック２に分配して供給する。

分配マニホールド３ｂは、エンドプレート１３ｂに連結する。つまり、分配マニホールド３ａ、３ｂは燃料電池スタック２の同一のエンドプレート１３ｂに連結する。分配マニホールド３ｂは、燃料電池スタック２から発電反応に使用されなかった排出水素を排出する水素排出マニホールド２０ｂと、燃料電池スタック２から発電反応に使用されなかった排出空気を排出する空気排出マニホールド２１ｂと、燃料電池スタック２を冷却した冷却水を排出する冷却水排出マニホールド２２ｂと、を備える。なお、分配マニホールド３ａ、３ｂは、エンドプレート１３ｂの両側に設け、分配マニホールド３ａ、３ｂ間には所定の間隔を設ける。

水素排出マニホールド２０ｂは各燃料電池スタック２における発電反応に使用されずに水素排出口１７ｂを介して排出された排出水素を合流させ、燃料電池システム１の外部へ排出する。空気排出マニホールド２１ｂは各燃料電池スタック２の発電反応に使用されずに空気排出口１８ｂを介して排出された排出空気を合流させ、燃料電池システム１の外部へ排出する。冷却水排出マニホールド２２ｂは各燃料電池スタック２を冷却し冷却水排出口１９ｂを介して排出された冷却水を合流させ燃料電池システム１の外部へ排出する。

なお、この実施形態では分配マニホールド３ａに水素導入マニホールド２０ａと空気導入マニホールド２１ａと冷却水導入マニホールド２２ａとを設け、分配マニホールド３ｂに水素排出マニホールド２０ｂと空気排出マニホールド２１ｂと冷却水排出マニホールド２２ｂとを設けたが、これらの組み合わせに限られることはなく、燃料電池スタック２の水素流路、空気流路、冷却水流路（何れも図示せず）の形状などによって変更することが可能である。

ボックス５は、熱伝導性が大きい金属製の筐体であり、分配マニホールド３ａ、３ｂが連結するエンドプレート１３ｂに連結し、分配マニホールド３ａ、３ｂの間に配設する。つまり、ボックス５はエンドプレート１３ｂに連結し、燃料電池スタック２と分配マニホールド３ａ、３ｂとケース６とによって形成されるケース６内の空間に配設する。分配マニホールド３ａ、３ｂの間にボックス５を配設することで、燃料電池システム１を小型にすることができる。

また、燃料電池システム１を配置した場合に、重力方向下向きに位置するボックス５の面がケース６と接するようにボックス５を配設する。重力方向下向きに位置するボックス５の面がケース６と接することにより、ケース６の内部で水蒸気が凝縮し、ケース６内部に液水が溜まった場合でも、放電抵抗４によって生じた熱により温まったボックス５によって液水を蒸発させることができ、ケース６の腐食などによるケース６の劣化を抑制することができる。また、ボックス５の外壁面には防錆処理を施しており、これによって液水によるボックス５の腐食を防止することができる。

放電抵抗４は、ボックス５内に収容され、燃料電池スタック２と電気的には並列に接続する。放電抵抗４を分配マニホールド３ａと分配マニホールド３ｂとの間に配設するので、例えば氷点下起動時に放電抵抗４で生じる熱によって分配マニホールド３ａ、３ｂを加熱し、分配マニホールド３ａ、３ｂで凍結した水を素早く解凍することができる。なお、放電抵抗４は分配マニホールド３ａ、３ｂで水の凍結が生じ易い箇所の近傍に配設することが望ましい。また、放電抵抗４を分配マニホールド３ａ、３ｂの内部に設けても良い。

ケース６は、燃料電池スタック２と分配マニホールド３ａ、３ｂとボックス５とを収容し、外部から燃料電池スタック２の内部へ塵などが入らないようにする。また、分配マニホールド３ａ、３ｂの水素導入マニホールド２０ａなどと連結する配管が通る貫通孔（図示せず）と、ケース６の内部の換気のために換気口（図示せず）を設ける。

以上の構成によって、燃料電池システムを小型にすることができ、氷点下起動時などに分配マニホールド３ａ、３ｂ内で凍結した水を素早く解凍することができる。

燃料電池システム１の停止時には燃料電池スタック２の内部に水素や空気が残留するが、燃料電池スタック２の内部に水素や空気を残留させた状態で、長時間放置すると、例えば燃料電池スタック２のアノードに空気が混入し、燃料電池スタック２を劣化させるおそれがある。

そのため燃料電池システム１の停止時には燃料電池スタック２と電気的に並列に接続する放電抵抗４によって燃料電池スタック２の内部に残った水素と空気中の酸素を消費した後に燃料電池システム１を停止させる。これによって燃料電池スタック２の劣化を抑制することができる。この実施形態では分配マニホールド３ａ、３ｂの間であり、分配マニホールド３ａ、３ｂが連結するエンドプレート１３ｂに放電抵抗４を収容するボックス５を連結することで、燃料電池システム１を小型にすることができる。

本発明の第１実施形態の効果について説明する。

この実施形態では、放電抵抗４を収容するボックス５を燃料電池スタック２のエンドプレート１３ｂに連結し、分配マニホールド３ａ、３ｂの間に配設することで、簡易な構成のケース６内のスペースを有効に利用することができ、燃料電池システム１を小型にすることができる。

放電抵抗４を分配マニホールド３ａ、３ｂの間に設けることで、例えば氷点下起動時には、放電抵抗４に電流を流して生じた熱によって分配マニホールド３ａ、３ｂ内で凍結した水を解凍し、燃料電池システム１を素早く起動させることができる。また、通常の運転時に分配マニホールド３ａ、３ｂの温度を比較的高い温度に保つことができ、分配マニホールド３ａ、３ｂでの水素、空気、または排出水素、排出空気中の水蒸気の凝縮を抑制し、分配マニホールド３ａ、３ｂにおけるフラッディングを抑制することができる。

放電抵抗４を収容するボックス５の重力方向下向きに位置する面をケース６と当接させることで、ケース６の内部で水蒸気が凝縮しケース６内に溜まった液水を放電抵抗４によって生じる熱によって蒸発させることができ、ケース６の腐食を抑制することができる。

次に本発明の第２実形態について図４を用いて説明する。図４はこの実施形態の電気回路図である。この実施形態では燃料電池スタック２と放電抵抗４との間に電気的な接続を選択的に切り替えるスイッチ（切替手段）７を備える。また、スイッチ７を制御するコントローラ（切替制御手段）３０を備える。その他の構成については第１実施形態と同じ構成なので、ここでの説明は省略する。

この実施形態では例えばケース６の壁面温度、または分配マニホールド３ａ、３ｂ内の温度を温度センサ（図示しない）によって検出し、温度センサによって検出した温度に基づいて、スイッチ７のＯＮ／ＯＦＦを切り替えて、燃料電池スタック２と放電抵抗４との電気的な接続状態を切り替える。

本発明の第２実施形態の効果について説明する。

この実施形態では燃料電池スタック２と放電抵抗４との電気的な接続状態を選択的に切り替えるスイッチ７を設けることで、放電抵抗４における消費電力を小さくすることができ、燃料電池システム１のエネルギー効率を良くすることができる。

次に本発明の第３実形態について図５を用いて説明する。図５はこの実施形態の電気回路図である。この実施形態では第２実施形態の放電抵抗４を可変抵抗８に変更するものである。また、スイッチ７のＯＮ／ＯＦＦを制御し、可変抵抗８の抵抗値を制御するコントローラ（切替制御手段、抵抗値制御手段）３１を備える。その他の構成については第２実施形態と同じ構成なので、ここでの説明は省略する。

この実施形態では可変抵抗８を設け、例えば燃料電池システム１を停止させる場合には、可変抵抗８の抵抗値を小さくし、燃料電池スタック２の内部に残った水素と空気中の酸素を素早く消費することができる。また、通常の運転時には例えばケース６の壁面温度、または分配マニホールド３ａ、３ｂ内の温度を温度センサ（図示しない）によって検出し、温度センサによって検出した温度に基づいて、可変抵抗８の抵抗値を変更する。

なお、第３実施形態では可変抵抗８とスイッチ７とを設けるが、スイッチ７を設けずに可変抵抗８のみを設けても良い。

本発明の第３実施形態の効果について説明する。

この実施形態では燃料電池スタック２を可変抵抗８と接続し、可変抵抗８の値を変更する。例えば燃料電池システム１を停止させる場合には可変抵抗８の抵抗値を小さくし、可変抵抗８における消費電力を多くすることで、燃料電池スタック２の内部に残った反応ガスを素早く消費することができる。また、通常の運転時には可変抵抗８の抵抗値を大きくすることで、可変抵抗８で消費される電力を小さくすることができ、燃料電池システム１のエネルギー効率を良くすることができる。また、可変抵抗８の発熱量を制御して分配マニホールド３ａ、３ｂの温度を正確に制御することができる。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。

燃料電池システムを搭載した燃料電池車両に利用することができる。

本発明の第１実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。 本発明の第１実施形態の燃料電池システムの電気回路図である。 本発明の第１実施形態の燃料電池スタックの概略構成図である。 本発明の第２実施形態の燃料電池システムの電気回路図である。 本発明の第３実施形態の燃料電池システムの電気回路図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池スタック（燃料電池）
３ａ、３ｂ 分配マニホールド（マニホールド）
４ 放電抵抗（抵抗）
５ ボックス（抵抗ボックス）
６ ケース
７ スイッチ（切替手段）
８ 可変抵抗
１０ スタック部
１１ａ、１１ｂ 集電板
１３ａ、１３ｂ エンドプレート
３０ コントローラ（切替制御手段）
３１ コントローラ（切替制御手段、抵抗値制御手段）

Claims (5)

1. 単位セルを積層したスタック部と、前記スタック部の両端に設けたエンドプレートと、を有する燃料電池と、
   前記エンドプレートの１つに対して、前記エンドプレートの両側において連結し、前記燃料電池の発電反応で使用する反応ガスと前記燃料電池を冷却する冷却水とを前記燃料電池に導入、または前記燃料電池の発電反応に使用されなかった反応ガスと前記燃料電池を冷却した冷却水とを前記燃料電池から排出する一対のマニホールドと、
   前記一対のマニホールドの間に配設され、前記エンドプレートに連結する抵抗ボックスと、
   前記抵抗ボックスに収容され前記燃料電池と電気的に並列に接続し、前記燃料電池で発電した電力を消費する抵抗と、
   前記燃料電池と前記抵抗ボックスと前記一対のマニホールドとを収容するケースと、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池と前記抵抗との電気的な接続を選択的に切り替える切替手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池の温度を検出する温度センサと、
   前記温度センサによって検出した前記燃料電池の温度に基づいて、前記切替手段を制御する切替制御手段と、を備えることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記抵抗は、可変抵抗であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池の温度を検出する温度センサと、
   前記温度センサによって検出した前記燃料電池の温度に基づいて、前記可変抵抗の抵抗値を制御する抵抗値制御手段と、を備えることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。

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