JP2007087739A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】複数の燃料電池スタックに均等に流体を分配して省スペースを実現することのできる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】本発明の燃料電池システム１は、燃料電池単セルを垂直方向に積層して構成した複数の燃料電池スタック２Ａ、２Ｂと、複数の燃料電池スタック２Ａ、２Ｂへ流体を均等に分配するマニホールド３と、燃料電池スタック２Ａ、２Ｂを固定するための支持構造部材４とを備え、支持構造部材４内にマニホールド３に対して流体を供給及び排出するための流路を設け、燃料電池スタック２Ａ、２Ｂの下方のみにマニホールド３を設置したことによって省スペースを実現したことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池スタックを複数備えた燃料電池システムに係り、特に複数の燃料電池スタックに均等に流体を分配して省スペースを実現する燃料電池システムに関する。

一般に、燃料電池システムは、水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、燃料ガスのもつ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置であり、その発電理論上、発電に伴って燃料電池セル内に生成水が発生する。燃料電池システムが円滑な発電を続けるためには、この生成水を速やかにシステム外に排出し、十分な燃料ガス及び酸化剤ガスを燃料電池に供給する必要がある。

また、限られた空間内で高電圧を発電する必要がある場合には、一般的に２個以上の複数の燃料電池スタックを設置することが考えられ、この場合には燃料ガス及び酸化剤ガスを複数の燃料電池スタックに均等に分配する必要がある。

このような機能を満たすマニホールドを備えた燃料電池装置の従来例として、例えば特開２００５-７１７６５号公報（特許文献１）が開示されている。

この従来例では、垂直方向に燃料電池セルを積層させた燃料電池スタックが２つ設置され、燃料電池スタックの上下にマニホールドを設けて燃料ガスや酸化剤ガスを供給及び排出するようにしていた。
特開２００５-７１７６５号公報

上述した燃料電池装置のように上下にマニホールドを設けると、定置式燃料電池のように比較的設置スペースに余裕がある場合には、マニホールドの構造が簡素化されて燃料ガス及び酸化剤ガスの流れがスムーズになるという効果が期待できる。

しかしながら、例えば自動車など限られた狭いスペースに高電圧・高出力の燃料電池を必要とする場合には、上下にマニホールドを設置すると、このマニホールドの分だけセル積層枚数が減少し、燃料電池で発電される電圧・出力が低下してしまうという問題点があった。したがって、限られた空間内でセルの積層枚数を減少させることなく、燃料ガスや酸化剤ガスを供給するためのマニホールドを設置するということは大きな課題であった。

上述した課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応により反応させて発電する燃料電池単セルを垂直方向に積層して構成した燃料電池スタックを複数備えた燃料電池システムであって、前記複数の燃料電池スタックへ流体を均等に分配するマニホールドを、前記複数の燃料電池スタックの下方のみに設置したことを特徴とする。

本発明に係る燃料電池システムでは、複数の燃料電池スタックへ流体を均等に分配するマニホールドを、燃料電池スタックの下方のみに設置したので、限られた空間内で燃料電池単セルの積層枚数を低減させることがなく、自動車など限られた狭いスペースに高電圧・高出力の燃料電池を設置することができる。

以下、本発明に係わる燃料電池システムの実施例を図面を参照しながら説明する。

以下、本発明の実施例１を図面に基づいて説明する。図１は本実施例に係る燃料電池システムの構成を示す斜視図である。

図１に示すように、本実施例の燃料電池システム１は、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて電気化学反応により発電する燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２に燃料ガスや酸化剤ガス、冷却水などの流体を供給及び排出するマニホールド３と、燃料電池スタック２を車体などに固定するための支持構造部材４と、燃料電池スタック２に燃料ガスを供給する燃料供給装置５と、燃料電池スタック２に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給装置６と、燃料電池スタック２に冷却水を供給する冷却水供給装置７と、燃料電池スタック２で生成された水を排水流路８に排水する排水装置（排水手段）９とを備えている。

燃料電池スタック２は、複数の燃料電池スタック２Ａ、２Ｂから構成され、各燃料電池スタック２Ａ、２Ｂは燃料電池単セルとセパレータとを垂直方向に積層して形成されている。そして、燃料電池単セルは電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成されている。

このような構成の燃料電池スタック２では、アノードに燃料ガスである水素ガスが供給され、カソードに酸化剤ガスである空気が供給されて以下に示す電気化学反応によって発電が行われている。

アノード（燃料極） ：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- （１）
カソード（酸化剤極）：２Ｈ+＋２ｅ-＋(1/2)Ｏ2→Ｈ2Ｏ （２）
本実施例の燃料電池システム１では、燃料電池として固体高分子タイプの燃料電池を用いている。固体高分子タイプの燃料電池は、電解質として固体高分子膜を用いたものであり、高エネルギー密度化、低コスト化、軽量化等の点で優れている。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。各燃料電池単セルでは、１Ｖ程度の電圧を発電するため、一般に使用する場合には燃料電池単セルをカーボンや金属でできたセパレータで挟んで複数積層することによって燃料電池スタックを形成し、所望の電圧を得るようにしている。コージェネレーション用などの定置式燃料電池システムの場合には、比較的設置空間に余裕があるため、セルの積層枚数を増やすことが容易である。一方、設置空間が狭く定置式に比べ配設自由度の低い車両に燃料電池システムを搭載する場合には、燃料電池スタックを複数個電気的に直列に接続し、セルの積層枚数を増加させた場合と同じ効果を得るようにすることが一般的に行なわれている。

マニホールド３は、燃料供給装置５、酸化剤供給装置６、冷却水供給装置７から供給される各流体を燃料電池スタック２Ａ及び２Ｂへ等分配する機能を有し、樹脂または金属によって形成され、燃料電池スタック２の下面にＯリングやガスケットなどのシール材料を介してボルトなどによって固定されている。

支持構造部材４は、マニホールド３の下方に設置され、樹脂または金属によって構成され、固定点１０で車体などに固定されている。そして、支持構造部材４は燃料電池スタック２、水素供給装置５、酸化剤供給装置６、冷却水供給装置７を車体に固定するための支持部材になっている。また、支持構造部材４の内部には燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水を流すための流路が形成され、燃料供給装置５、酸化剤供給装置６、冷却水供給装置７とＯリングやガスケットといったシール材料を介して接続されている。

水素供給装置５は、水素供給系を構成している各装置から供給された水素ガスを燃料電池スタック２に供給している。この水素供給系としては、例えば水素を貯蔵する高圧水素タンクや、水素供給通路、可変バルブ、水素排気通路、水素希釈装置等がある。この水素供給系において、水素供給源である高圧水素タンクから取り出された水素は、可変バルブなどで流量や圧力が調整された上で、水素供給通路を通じて燃料電池の燃料極へと供給される。また、燃料電池の燃料極から排出されたアノード排ガスは、水素排気通路を通って水素希釈装置で水素濃度が十分に希釈された上で、システム外部に排出される。なお、水素供給系の構成は上述の例に限定されるものではなく、従来公知の構成であれば何れも採用可能である。例えば、燃料電池での発電で消費されなかった余剰の水素をポンプやエゼクタを用いて循環させて、燃料電池の燃料極に再度供給する水素循環型の構成を採用してもよく、この場合には水素の利用効率を高めながら燃料電池での発電を効率的に行なうことが可能となる。

酸化剤供給装置６は、空気供給系を構成している各装置によって供給された空気を燃料電池スタック２に供給している。この空気供給系としては、例えば空気を圧縮して燃料電池へ供給する圧縮機や、空気冷却装置、空気供給通路、加湿器、空気排気通路、可変バルブ等がある。この空気供給系において、大気を圧縮機で圧縮することによって供給された空気は、可変バルブなどで流量や圧力が調整され、空気冷却装置や加湿器によって適切な温度・湿度に調整されて燃料電池の酸化剤極へ供給される。また、燃料電池の酸化剤極から排出された排出ガスは空気排気通路を介して、システム外部へ排出される。

冷却水供給装置７は、冷却系を構成している各装置によって供給された冷却水を燃料電池スタック２に供給している。この冷却系では、例えばエチレングリコールと水を混ぜた冷却水をポンプや放熱装置、フィルタ等を介して、循環させている。また、冷却系は燃料電池以外の例えば水素系のポンプや空気系の圧縮機などの熱を発する装置の冷却手段として使用することもできる。

排水装置９は、燃料電池スタック２から排出された燃料ガスや酸化剤ガスに混入した生成水を、排水流路８を通じてシステム外部へ排水している。

次に、マニホールド３の構造を図２に基づいて説明する。マニホールド３は、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水の各流体ごとに層をなして構成されている。ただし、図２では図を簡潔にするために任意の１流体のマニホールドのみを示しているが、他流体についても同様の構造とすることができる。

図２に示すように、支持構造部材４からマニホールド３へ供給された流体は、マニホールド３の領域２０に流入してマニホールド３内を流れ、内部マニホールド２１Ａ、２１Ｂへ分配されて燃料電池スタック２Ａ、２Ｂ内へ供給される。

一方、燃料電池スタック２Ａ、２Ｂから流出する流体は、内部マニホールド２２Ａ、２２Ｂを通じてマニホールド３の領域２３へ排出され、そこから支持構造部材４へ排出される。

このように、マニホールド３は燃料電池スタック２に対する各流体の流入及び流出を同一の層で処理できるように構成されている。したがって、燃料電池スタック２の積層方向の両端（積層方向が上下である場合には燃料電池スタック２の上下）にマニホールド３を設置する必要がなく、片方の端のみにマニホールドを設置すればよいので、マニホールドを減らすことができた分だけより多くの燃料電池単セルを積層することができる。

次に、支持構造部材４の構造を図３に基づいて説明する。図３は支持構造部材４を水平な平面で断面化したものであり、図２の破線Ａと図３の破線Ａは同じ位置を表しており、具体的には燃料電池スタック２Ａ、２Ｂが設置されている位置の中間位置を示している。

図３に示すように、支持構造部材４内には各流体を分配するための流路が形成されており、燃料供給装置５から供給された燃料ガスは燃料支持構造部材入口３１を通じて支持構造部材４内に流入し、マニホールド燃料入口４１を通じてマニホールド３へ供給される。燃料電池スタック２から排出された燃料ガスはマニホールド燃料出口４２を通じて支持構造部材４内に流入し、燃料支持構造部材出口３２から排出される。

また、酸化剤供給装置６から供給された酸化剤ガスは酸化剤支持構造部材入口３３を通じて支持構造部材４内に流入し、マニホールド酸化剤入口４３を通じてマニホールド３へ供給される。燃料電池スタック２から排出された酸化剤ガスはマニホールド酸化剤出口４４を通じて支持構造部材４内に流入し、酸化剤支持構造部材出口３４から排出される。

さらに、冷却水供給装置７から供給された冷却水は冷却水支持構造部材入口３５を通じて支持構造部材４内に流入し、マニホールド冷却水入口４５を通じてマニホールド３へ供給される。燃料電池スタック２から排出された冷却水はマニホールド冷却水出口４６を通じて支持構造部材４内に流入し、冷却水支持構造部材出口３６から排出される。

このように支持構造部材４では、各供給装置から流入した流体を燃料電池スタック２Ａ、２Ｂが設置されている位置の中央である破線Ａの位置まで導入し、そこからマニホールド３へ供給するようにしている。

この破線Ａの位置は燃料電池スタック２Ａ、２Ｂの中間の位置になるので、内部マニホールド２１Ａ、２１Ｂまでの距離が等しくなり、図２のマニホールド３に示すように対称な流路を設けることによって容易に２つの燃料電池スタック２Ａ、２Ｂに対して流体を均等に分配することが可能となる。

次に、排水装置９によって行なわれるマニホールド３からの排水を説明する。

燃料電池では
２Ｈ２ ＋ Ｏ２ → ２Ｈ２Ｏ
の電気化学反応によって発電を行なうため、運転中に燃料電池スタック２から排出される燃料ガス及び酸化剤ガスには生成水が混入している。この生成水は燃料電池スタック２の下方に配設されているマニホールド３に流入するが、燃料電池システムの運転中にはガス流動によってマニホールド３の下流に排出することができる。

そこで、排水装置９は、マニホールド３内に設置された水位センサ(図示せず)によって検出された水位に基づいて流路の開閉を制御してマニホールド３内に溜まった水を排水流路８から外部へ排水している。この排水流路８は、例えば空気排気管へ接続してもよいし、地上へ垂れ流しても構わない。

一方、燃料電池システムの停止直後には燃料電池スタック２内に残留した生成水がマニホールド３の外へ排出される前にガス流動が停止する場合が考えられ、この場合にはマニホールド３内に生成水が貯留されてしまうことになる。貯留された生成水は外気温度が氷点下になった場合などには、マニホールド３内で凍結してしまい、次回のシステム起動時に凍結した生成水をヒータなどで加熱して解凍してから起動する必要が生じ、起動時間の延長や消費電力の増大という問題が生じる。

そこで、本実施例の燃料電池システム１では、排水装置９がシステムの停止直後の所定時間か、あるいはシステムが停止している間、常時流路を開放しておくことによって、マニホールド３内と大気とを連通させて、システム停止時における生成水の滞留や凝縮水の発生を抑え、次回のシステムの起動を速やかに行えるようにし、消費電力を節約できるようにしている。

このように、本実施例の燃料電池システム１では、複数の燃料電池スタック２へ流体を均等に分配するマニホールド３を、燃料電池スタック２の下方のみに設置したので、限られた空間内で燃料電池単セルの積層枚数を増やすことができ、自動車など限られた狭いスペースに高電圧・高出力の燃料電池を設置することができる（請求項１の効果）。

また、本実施例の燃料電池システム１では、マニホールド３に対して流体を供給及び排出するための流路を支持構造部材４内に設けたので、マニホールド３内の流路を簡潔なものにすることができ、さらにスペースを節約することができるので、燃料電池単セルの積層枚数を増やして高電圧・高出力の燃料電池スタックを設置することができる（請求項２の効果）。

さらに、本実施例の燃料電池システム１では、支持構造部材４からマニホールド３へ流体を供給する位置を、複数の燃料電池スタック２Ａ、２Ｂが設置された位置の中央としたので、マニホールド３内の流路を対称にすることによって２つの燃料電池スタック２Ａ、２Ｂまでの距離が等しくなり、燃料電池スタック２Ａ、２Ｂに対して流体を均等に分配することができる（請求項３の効果）。

また、本実施例の燃料電池システム１では、燃料電池スタック２で生成された水を排出する排水装置９を備えているので、燃料電池スタック２からマニホールド３へ排水された水を大気へ排出することができ、燃料電池スタック２内のみならずマニホールド３内における生成水の貯留を防止することができる（請求項４の効果）。

さらに、本実施例の燃料電池システム１では、排水装置９が燃料電池システム１の停止した直後の所定時間だけ排水するので、マニホールド３に貯留した生成水を排水することができ、システム停止時に生成水によりマニホールド３内が閉塞することを防ぐことができる（請求項６の効果）。

また、本実施例の燃料電池システム１では、排水装置９が燃料電池システム１の停止時には常に排水するので、システム停止時にマニホールド内部を大気と連通させることができ、マニホールド内の凝縮水の発生を抑制することができる
（請求項７の効果）。

次に、本発明の実施例２を図４に基づいて説明する。図４は、本実施例に係る燃料電池システムの構成を示す斜視図である。図４に示すように、本実施例の燃料電池システム４１は、排水装置４２を支持構造部材４に接続し、支持構造部材４内の流路から水を排水するようにしたことが実施例１と異なっている。ただし、その他の構成は実施例１と同一なので、詳しい説明は省略する。

このように、本実施例の燃料電池システム４１では、排水装置４２が支持構造部材４内に設けられた流路から水を排出するようにしたので、燃料電池スタック２から支持構造部材４内の流路やマニホールド３内に排水された水を大気へ排出することができ、これによって燃料電池スタック２のみならずマニホールド３や支持構造部材４内の流路における生成水の貯留を防止することができる（請求項５の効果）。

以上、本発明の燃料電池システムについて、図示した実施例に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。

本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す斜視図である。 本発明の実施例１に係る燃料電池システムのマニホールドの構造を説明するための分解斜視図である。 本発明の実施例１に係る燃料電池システムの支持構造部材の構造を説明するための斜視図である。 本発明の実施例２に係る燃料電池システムの構成を示す斜視図である。

符号の説明

１、４１ 燃料電池システム
２、２Ａ、２Ｂ 燃料電池スタック
３ マニホールド
４ 支持構造部材
５ 燃料供給装置
６ 酸化剤供給装置
７ 冷却水供給装置
８ 排水流路
９、４２ 排水装置（排水手段）
１０ 固定点
２０、２３ 領域
２１Ａ、２１Ｂ、２２Ａ、２２Ｂ 内部マニホールド
３１ 燃料支持構造部材入口
３２ 燃料支持構造部材出口
３３ 酸化剤支持構造部材入口
３４ 酸化剤支持構造部材出口
３５ 冷却水支持構造部材入口
３６ 冷却水支持構造部材出口
４１ マニホールド燃料入口
４２ マニホールド燃料出口
４３ マニホールド酸化剤入口
４４ マニホールド酸化剤出口
４５ マニホールド冷却水入口
４６ マニホールド冷却水出口

Claims (7)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応により反応させて発電する燃料電池単セルを垂直方向に積層して構成した燃料電池スタックを複数備えた燃料電池システムであって、
   前記複数の燃料電池スタックへ流体を均等に分配するマニホールドを、前記複数の燃料電池スタックの下方のみに設置したことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池スタックを固定するための支持構造部材を備え、前記支持構造部材内に、前記マニホールドに対して流体を供給及び排出するための流路を設けた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. 前記支持構造部材から前記マニホールドへ流体を供給する位置は、前記複数の燃料電池スタックが設置された位置の中央であ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. 前記燃料電池スタックで生成された水を排出する排水手段を備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記排水手段は、前記支持構造部材内に設けられた流路から水を排出す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。
6. 前記排水手段は、当該燃料電池システムが停止した直後の所定時間だけ排水することを特徴とする請求項４または５のいずれかに記載の燃料電池システム。
7. 前記排水手段は、当該燃料電池システムの停止時には常に排水することを特徴とする請求項４または５のいずれかに記載の燃料電池システム。
   

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