JP2008016402A

JP2008016402A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2008016402A
Application number: JP2006188848A
Authority: JP
Inventors: Yasunobu Jufuku; 康信寿福
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-07-10
Filing date: 2006-07-10
Publication date: 2008-01-24
Anticipated expiration: 2026-07-10
Also published as: JP5288225B2

Abstract

【課題】燃料電池スタックと燃料ガス循環系構成部品とを連通する流路の配管長を短縮することができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】エンドプレート４１に固定され燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池スタック１０Ａと、燃料電池スタック１０Ａに燃料ガスを供給する燃料ガス供給系構成部品３１，３３と、燃料電池スタック１０Ａから排出された燃料オフガスを再び燃料電池スタック１０Ａに供給する燃料ガス循環系構成部品３２，３４，３５，３６，３７とを備えた燃料電池システムであって、燃料ガス循環系構成部品３２，３４，３５，３６，３７をエンドプレート４１に固定した。
【選択図】図３

Description

本発明は、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。

近年、燃料ガスと酸化ガス（以下、これらを反応ガスという。）との電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源とした燃料電池システムが注目されている。このような燃料電池システムに用いられる燃料電池は、単セルを複数積層した燃料電池スタックとして構成されており、このような燃料電池スタックはエンドプレートに固定されて保持されている。

そして、このような燃料電池システムには、燃料ガスを有効利用するために燃料電池スタックから排出された燃料オフガスを再び燃料電池スタックに供給する燃料ガス循環系を有するものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−２４３５０５号公報

上記のように、燃料ガス循環系を有する燃料電池システムにおいては、燃料ガス循環系に、例えば循環ポンプや、気液分離器あるいは排出弁等の燃料ガス循環系構成部品が必要であるが、燃料電池スタックと燃料ガス循環系構成部品とを連通する流路の配管長が長いと、熱効率やポンプ効率が低下してしまう。

そこで、本発明は、燃料電池スタックと燃料ガス循環系構成部品とを連通する流路の配管長を短縮することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行うセルが複数積層されてなり、前記セルの積層方向両端部に配置された一対のエンドプレートに狭持された燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給系構成部品と、前記燃料電池スタックから排出された燃料オフガスを再び該燃料電池スタックに供給する燃料ガス循環系構成部品と、を備えた燃料電池システムであって、前記燃料ガス循環系構成部品が前記エンドプレートの一方に固定されているものである。

かかる構成とすることによって、燃料電池スタックを固定するエンドプレートに、燃料ガス循環系構成部品が固定されるため、燃料電池スタックと燃料ガス循環系構成部品とを連通する流路の配管長を短縮することができる。

この場合、前記燃料ガス循環系構成部品として、前記燃料電池スタックから排出された燃料オフガスを吸引して該燃料電池スタックに吐出する循環電動ポンプを採用することができる。

また、前記燃料ガス循環系構成部品として、前記燃料電池スタックから排出された燃料オフガスの気液を分離する気液分離器を採用することができる。

さらに、前記燃料ガス循環系構成部品として、前記燃料電池スタックから排出された燃料オフガスを外部に排気する排気弁を採用することができる。

また、前記循環電動ポンプの下方に電気部品を配置しても良い。

かかる構成とすることによって、燃料電池スタックの結露が電気部品に接触することを抑制可能である。

加えて、前記循環電動ポンプが、電動で回転する電動モータ部と、該電動モータ部の駆動力で回転して燃料オフガスを吸引及び吐出するポンプロータ部とを有している場合に、前記電動モータ部に対して前記ポンプロータ部を前記エンドプレートの中央側に配置しても良い。

かかる構成とすることによって、重量バランスを取ることができ、循環電動ポンプの振動を抑制することが可能となる。

さらに、前記燃料電池スタック及び前記燃料ガス循環系構成部品を収納するスタックケースを有している場合に、該スタックケースと前記燃料ガス循環系構成部品との間に所定の絶縁距離を確保しても良い。

本発明によれば、燃料電池スタックと燃料ガス循環系構成部品とを連通する流路の配管長を短縮することができ、その結果、熱効率及びポンプ効率を向上可能となる。

次に、本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を図面を参照しつつ説明する。なお、参照する図面においては、図示の都合上、当該燃料電池システムの構成要素のうち、配管あるいは配管部と称している構成要素の図示を簡略化している。

図１は、燃料電池システム１のシステム構成図である。この燃料電池システム１は、燃料電池自動車の車載発電システムや船舶、航空機、電車あるいは歩行ロボット等のあらゆる移動体用の発電システム、さらには、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システム等に適用可能であるが、具体的には自動車用となっている。

燃料電池システム１は、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電気化学反応により発電して電力を発生する、複数具体的には二つの燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂを備えるとともに、これら燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂへの酸化ガスとしての空気のガス供給を調整するカソード系の酸化ガス配管系２と、燃料ガスとしての水素ガスのガス供給を調整するアノード系の燃料ガス配管系３とを備えている。

酸化ガス配管系２は、加湿器２０により加湿された酸化ガス（空気）を分岐した二系統の配管２１Ａ，２１Ｂを介して二つの燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂそれぞれに供給する空気供給配管２１と、これら燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂから二系統の配管２２Ａ，２２Ｂを介して排出された酸化オフガスを合流後に加湿器２０に導く空気排出配管２２と、加湿器２０から外部に酸化オフガスを導くための排出配管２３とを備えている。空気供給配管２１には、大気中の酸化ガスを取り込んで加湿器２０に圧送するコンプレッサ２４が設けられている。

燃料ガス配管系３は、高圧の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク３０と、水素タンク３０の水素ガスを配管３１ａと配管３１ａが分岐部３１ｂで分岐した二系統の配管３１Ａ，３１Ｂとを介して二つの燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂに供給するための燃料供給配管（燃料ガス供給系構成部品）３１と、燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂから二系統の配管３２Ａ，３２Ｂを介して排出された燃料ガスのオフガスとしての水素オフガスを合流部３２ａでの合流後の配管３２ｂで燃料供給流路３１の分岐前の合流部３２ｃに戻す循環配管（燃料ガス循環系構成部品）３２と、を備えている。

燃料供給配管３１には、燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂに燃料ガスを供給するために、水素タンク３０からの水素ガスの供給を遮断又は許容するとともに許容時に水素ガスの圧力を調整する遮断弁付レギュレータ（燃料ガス供給系構成部品）３３が配管３１ａに設けられている。

循環配管３２には、燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂから排出された水素オフガスを再び燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂに供給するために、気液分離器（燃料ガス循環系構成部品）３４が配管３２ｂに設けられている。この気液分離器３４は、燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂから排出された水素オフガスの気液を分離するもので、具体的には水素オフガスから水分を回収するものである。

この気液分離器３４には、排出配管（燃料ガス循環系構成部品）３５が接続されており、この排出配管３５には、排出弁（燃料ガス循環系構成部品、排気弁）３６が設けられている。この排出弁３６は、図示略の制御装置からの指令によって作動することにより、気液分離器３４で回収した水分と、循環流路３２内の不純物を含む水素オフガスとを排出配管３５を介して外部に排出（パージ）するものである。

循環配管３２には、燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂから排出された循環配管３２内の水素オフガスを吸引し加圧して燃料供給配管３１側へ吐出することで、燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂから排出されるガスの循環を調整する循環電動ポンプ（燃料ガス循環系構成部品）３７が設けられている。

燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂは、図２に示すように、反応ガスの供給を受けて電気化学反応により発電する単セル４０を所要数積層して構成されるもので、互いに単セル４０の積層方向を平行にして並設された状態で、これらに共通で積層方向両端部に配置された一対のエンドプレート４１，４２で挟持されている。なお、これらエンドプレート４１，４２は図示略のテンションプレートで互いに連結されている。

このようにエンドプレート４１，４２で挟持された燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂは、スタックケース４３に収納される。このようにスタックケース４３に収納された状態で燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂは、互いに水平方向に並ぶ姿勢で車体に設置されることになり、以下、この設置時の姿勢で説明する。

上記した一対のエンドプレート４１，４２は、複数の燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂに共通であるため横方向に長い略長方形状をなしており、一方のエンドプレート４１に、図３に示すように、燃料ガス循環系構成部品である、循環配管３２、循環電動ポンプ３７、気液分離器３４、排出弁３６及び排出配管３５が配置されており、また、燃料ガス供給系構成部品である遮断弁付レギュレータ３３も配置されている。

具体的には、まず、エンドプレート４１には循環電動ポンプ３７が取り付けられている。この循環電動ポンプ３７は給電を受けて回転駆動力を発生させる電動モータ部５０と、この電動モータ部５０の駆動力で回転してガスを吸引し吐出するポンプロータ部５１とを有しており、これら電動モータ部５０とポンプロータ部５１とが互いの回転軸線方向を一致させてこの方向に並設されることで、この回転軸線方向に長い形状をなしている。

この循環電動ポンプ３７は、その長さがエンドプレート４１の長さの略半分程度となっており、その長さ方向をエンドプレート４１の長さ方向に沿わせ、しかも電動モータ部５０が長さ方向の一端側に位置し電動モータ部５０よりも重量が重く振動が大きいポンプロータ部５１がエンドプレート４１の中央側に位置するように配置されている。

これにより、循環電動ポンプ３７は、エンドプレート４１の長さ方向の一側に偏って配置されることになり、しかも上側にも若干偏って配置されている。循環電動ポンプ３７は、重量が重いポンプロータ部５１をエンドプレート４１の中央側に配置することで、エンドプレート４１における中央側に重心を近づけている。

ここで、循環電動ポンプ３７には、重量の重いポンプロータ部５１側に上下二箇所の取付座部５３，５４が設けられ、重量の軽い電動モータ部５０側には下部一箇所の取付座部５５が設けられ、これら三箇所の取付座部５３〜５５によって三点止めでエンドプレート４１にボルト止めされている。また、ポンプロータ部５１には、外部からガスを吸引する吸引口５６が下部に下方に向いて設けられ、外部へガスを吐出する吐出口５７が上部に上方に向いて設けられている。

循環電動ポンプ３７の円筒状の電動モータ部５０の外周面には、その構成部品であるモータ温度検出用サーミスタ５８が電動モータ部５０の最もエンドプレート４１から離間する端部位置よりも下側に取り付けられている。

エンドプレート４１の循環電動ポンプ３７の下側には、電気部品である遮断弁付レギュレータ３３が取り付けられている。この遮断弁付レギュレータ３３は、ガスの通過を遮断し又は許容する遮断弁部６０と、この遮断弁部６０を通過後のガスの圧力を調整するレギュレータ部６１とが並設されており、これら遮断弁部６０及びレギュレータ部６１の並設方向に長い形状をなしている。

この遮断弁付レギュレータ３３は、その長さが循環電動ポンプ３７の電動モータ部５０の長さより若干短くなっており、その長さ方向をエンドプレート４１の長さ方向に沿わせ、しかも電動モータ部５０と互いの長さ方向の位置を合わせるようにして、エンドプレート４１の長さ方向の一側に偏って配置されている。

しかも、遮断弁付レギュレータ３３は、遮断弁部６０を外側にレギュレータ部６１を内側にした状態でエンドプレート４１に取り付けられており、外部からガスが導入される導入口６２が遮断弁部６０の下部に下方に向いて設けられ、遮断弁部６０及びレギュレータ部６１を通過したガスを外部に導出させる導出口６３がレギュレータ部６１の上部に上方に向いて設けられている。さらに、遮断弁部６０及びレギュレータ部６１にはそれぞれ電気接続用のコネクタ部６４，６５が設けられている、

この遮断弁付レギュレータ３３は、全体として電動モータ部５０の最もエンドプレート４１から離間する端部位置よりもエンドプレート４１側に配置されており、その結果、遮断弁付レギュレータ３３の電気接続用のコネクタ部６４，６５も電動モータ部５０で上側が覆われている。

エンドプレート４１の循環電動ポンプ３７のポンプロータ部５１の下側には、気液分離器３４が、エンドプレート４１の長さ方向において遮断弁付レギュレータ３３と並設されて取り付けられている。この気液分離器３４は、外部からガスが導入される導入口６７が、遮断弁付レギュレータ３３とは反対側の側部にこの方向に向いて設けられ、外部にガスを導出する導出口６８が、遮断弁付レギュレータ３３側の側部にこの方向に向いて設けられている。

気液分離器３４の遮断弁付レギュレータ３３とは反対の側方であってエンドプレート４１の長さ方向の略中央位置には、燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂから排出された水素オフガスを導く図１に示す配管３２Ａ，３２Ｂの合流後の出口部６９が設けられており、この出口部６９には、気液分離器３４側の側部に気液分離器３４側に向いて水素オフガスを導出する導出口６６が設けられている。

エンドプレート４１の気液分離器３４の直下位置には、排出弁３６が取り付けられている。この排出弁３６は、気液分離器３４に上部で接続されており、気液分離器３４から水分及び水素オフガスをパージする際に外部にガスを排出する排出口７０が、下部に下方に向いて設けられている。これら気液分離器３４及び排出弁３６も、ポンプロータ部５１の最もエンドプレート４１から離間する端部位置よりもエンドプレート４１側に配置されており、ポンプロータ部５１で上側が覆われている。

エンドプレート４１の長さ方向の両端部の上端位置には燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂに個別に水素ガスを供給するための供給口７１Ａ，７１Ｂが設けられている。

そして、燃料供給配管３１の分岐前の配管３１ａのうち水素タンク３０と遮断弁付レギュレータ３３とを結ぶ配管部８０が、遮断弁付レギュレータ３３の導入口６２に接続され、配管３１ａのうち遮断弁付レギュレータ３３と合流部３２ｃとを結ぶ配管部８１が、遮断弁付レギュレータ３３の導出口６３及び合流部３２ｃに接続されている。さらに、合流部３２ｃと分岐部３１ｂとが配管３１ａの配管部８２で連結されている。

さらに、分岐部３１ｂと燃料電池スタック１０Ａとを結ぶ配管３１Ａが、分岐部３１ｂと供給口７１Ａとに接続され、分岐部３１ｂと燃料電池スタック１０Ｂとを結ぶ配管３１Ｂが、分岐部３１ｂと供給口７１Ｂとに接続されている。ここで、水素ガスを均等に分配できるように配管３１Ａと配管３１Ｂとが均等な長さとされ、その結果、分岐部３１ｂは、エンドプレート４１の長さ方向の略中央に配置されている。

また、循環配管３２の合流後の配管３２ｂのうち出口部６９と気液分離器３４とを結ぶ配管部８３が、出口部６９の導出口６６と気液分離器３４の導入口６７とに接続されており、配管３２ｂのうち気液分離器３４と循環電動ポンプ３７とを結ぶ配管部８４が、気液分離器３４の導出口６８と循環電動ポンプ３７の吸引口５６とに接続されている。

さらに、配管３２ｂのうち循環電動ポンプ３７と燃料供給配管３１とを結ぶ配管部８５が循環電動ポンプ３７の吐出口５７と合流部３２ｃとに接続されている。さらに、排出弁３６の排出口７０に排出配管３５が接続されている。

以上により、水素タンク３０から供給された水素ガスは、配管部８０から、遮断弁付レギュレータ３３、配管部８１、合流部３２ｃ、及び配管部８２を介して分岐部３１ｂに導入され、分岐部３１ｂで配管３１Ａ，３１Ｂに分流されて燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂに分配される。

また、燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂからの水素オフガスは、出口部６９から配管部８３、気液分離器３４、配管部８４、循環電動ポンプ３７、及び配管部８５を介して合流部３２ｃに導入され、水素タンク３０から供給された水素ガスと合流して、配管部８２を介して分岐部３１ｂに導入されて再び燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂに分配される。

ここで、遮断弁付レギュレータ３３、循環電動ポンプ３７、気液分離器３４、排出弁３６及び配管部８０〜８５は、予めエンドプレート４１に取り付けられてモジュール化されることになり、その後、燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂ及びエンドプレート４２等に組み付けられる。

また、遮断弁付レギュレータ３３、循環電動ポンプ３７、気液分離器３４及び排出弁３６は、スタックケース４３内に収納されることになるが、これらのうち、循環電動ポンプ３７のポンプロータ部５１におけるエンドプレート４１とは反対の端面５１ａが、最もエンドプレート４１から離間することになり、このポンプロータ部５１の端面５１ａと、スタックケース４３との間には所定の絶縁距離Ｘが確保されている。言い換えれば、この絶縁距離Ｘよりもスタックケース４３との隙間が小さくならないように各部品を配置している。

なお、循環電動ポンプ３７においてモータ温度検出用サーミスタ５８を略円筒状の電動モータ部５０の最もエンドプレート４１から離間する端部位置よりも下側に取り付けることで、このモータ温度検出用サーミスタ５８をエンドプレート４１に近づけることができ、モータ温度検出用サーミスタ５８とスタックケース４３との距離も確保している。

以上に述べた燃料電池システム１によれば、燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂを固定するエンドプレート４１に、燃料ガス循環系構成部品である、循環電動ポンプ３７、気液分離器３４及び排出弁３６が固定されるため、燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂへの燃料供給配管３１と循環電動ポンプ３７とを連通する配管部８５の配管長を短縮することができ、また、燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂの出口側と気液分離器３４とを連通する配管部８３の配管長を短縮することができる。

しかも、循環電動ポンプ３７のポンプロータ部５１をエンドプレート４１の中央側に設けることで、同じくエンドプレート４１の中央側に設けられた分岐点３１ｂと吐出口５７とを近づけることができ、その結果、配管部８５の長さをさらに短縮することができる。

以上のように配管長を短くすることで、圧損を下げることができ、熱効率及びポンプ効率を向上可能となるため、循環電動ポンプ３７の消費動力を低減することができる。また、配管長を短縮することで全体の熱容量を低減できるため、配管凍結を抑制することができる。

さらに、配管長を短縮することで、システム停止時に残留する水素量を低減できるため、燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂでのクロスリーク量を低減することができる。加えて、配管長を短縮することで、配管内水素量を低減できるため、システム起動時の水素の押し込み量が少なくて済み、加圧時間を短縮することができる。

また、循環電動ポンプ３７の下方に電気部品である遮断弁付レギュレータ３３を配置するため、燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂの結露が遮断弁付レギュレータ３３の電気的接続を行うためのコネクタ部６４，６５に接触することを抑制でき、電気的ショートの発生を抑制することができる。

加えて、循環電動ポンプ３７が、電動で回転する電動モータ部５０と、電動モータ部５０の駆動力で回転して燃料オフガスを吸引及び吐出するポンプロータ部５１とを有しており、電動モータ部５０に対してポンプロータ部５１をエンドプレート４１の中央側に配置しているため、重量バランスを取ることができ、循環電動ポンプ３７の振動を抑制することができる。

また、循環電動ポンプ３７のポンプロータ部５１の下部に吸引口５６を設け、上部に吐出口５７を設けるとともに、吸引口５６の下方に気液分離器３４を設けているため、循環電動ポンプ３７及び配管部８４に水を滞留させずに、気液分離器３４へ落下させることができる。これにより、凍結による配管閉塞を防止することができる。

さらに、循環電動ポンプ３７をエンドプレート４１に取り付ける際に、重量が重くしかも振動が大きいポンプロータ部５１側を二箇所の取付座部５３，５４でボルト止めし、重量が軽く振動も小さい電動モータ部５０側を一箇所の取付座部５５でボルト止めするため、部品点数が低減して効率良く固定することができる。

なお、上記のように循環電動ポンプ３７を取り付けるバンク搭載時に対し、左右逆に循環電動ポンプ３７を取り付ける逆のバンク搭載時においても、循環電動ポンプ３７のポンプロータ部５１がエンドプレート４１の中央側に位置するように配置する等、上記に対して、循環電動ポンプ３７、遮断弁付レギュレータ３３、循環電動ポンプ３７、気液分離器３４及び排出弁３６等をすべて鏡面対称に構成する。

また、遮断弁付レギュレータ３３を、上流側のガス状態（流量、圧力、温度、モル濃度等）を調整して下流側に供給するインジェクタに換えても良い。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。本発明の一実施形態に係る燃料電池システムのスタックケース及びその内部の平面図である。本発明の一実施形態に係る燃料電池システムのエンドプレート及び燃料ガス循環系構成部品等を示すもので、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。

符号の説明

１…燃料電池システム、３…燃料ガス供給系、１０Ａ，１０Ｂ…燃料電池スタック、３１…燃料供給配管（燃料ガス供給系構成部品）、３２…循環配管（燃料ガス循環系構成部品）、３３…遮断弁付レギュレータ（燃料ガス供給系構成部品、電気部品）、３４…気液分離器（燃料ガス循環系構成部品）、３５…排出配管（燃料ガス循環系構成部品）、３６…排出弁（燃料ガス循環系構成部品、排気弁）、３７…循環電動ポンプ（燃料ガス循環系構成部品）、４１…エンドプレート、５０…電動モータ部、５１…ポンプロータ部。

Claims

燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行うセルが複数積層されてなり、前記セルの積層方向両端部に配置された一対のエンドプレートに狭持された燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給系構成部品と、
前記燃料電池スタックから排出された燃料オフガスを再び該燃料電池スタックに供給する燃料ガス循環系構成部品と、を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料ガス循環系構成部品が前記エンドプレートの一方に固定されている燃料電池システム。
前記燃料ガス循環系構成部品は、前記燃料電池スタックから排出された燃料オフガスを吸引して該燃料電池スタックに吐出する循環電動ポンプである請求項１に記載の燃料電池システム。
前記燃料ガス循環系構成部品は、前記燃料電池スタックから排出された燃料オフガスの気液を分離する気液分離器である請求項１に記載の燃料電池システム。
前記燃料ガス循環系構成部品は、前記燃料電池スタックから排出された燃料オフガスを外部に排気する排気弁である請求項１に記載の燃料電池システム。
前記循環電動ポンプの下方に電気部品が配置されている請求項２に記載の燃料電池システム。
前記循環電動ポンプは、電動で回転する電動モータ部と、該電動モータ部の駆動力で回転して燃料オフガスを吸引及び吐出するポンプロータ部とを有しており、前記電動モータ部に対して前記ポンプロータ部が前記エンドプレートの中央側に配置されている請求項２に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池スタック及び前記燃料ガス循環系構成部品を収納するスタックケースを有し、該スタックケースと前記燃料ガス循環系構成部品との間に所定の絶縁距離が確保されている請求項１に記載の燃料電池システム。