JP2008147134A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】複数の部材を接合して構成した配管（ガス流路）を備える燃料電池システムにおいて、配管の接合部の腐食を抑制する。
【解決手段】複数の流路形成用部材（配管部材３８Ａ及び希釈器４０）が接合されてなり燃料電池１０から排出されるガスを流通させるガス流路と、複数の流路形成用部材の接合面５５、６５の間をシールするシール手段と、を備える燃料電池システム１である。シール手段は、複数の流路形成用部材の接合面５５、６５の間に介在されて接合面５５、６５同士を非接触状態に維持するシールシート７１を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池に対して供給及び／又は排出されるガスを流通させるガス流路を備える燃料電池システムに関する。

燃料電池を構成する多数の単電池（セル）には、電解質膜を介してアノードとカソードとが設けられている。そして、燃料電池を備える燃料電池システムにおいては、アノード側に水素ガス等の燃料ガスを供給し、カソード側に空気等の酸化ガスを供給して電気化学反応を起こすことにより発電を行う。この際、発電時に過剰に供給された酸化ガス及び燃料ガスや、発電時に生成されたオフガスや水分等の不純物が、燃料電池から排出される。

このような不純物は、燃料電池に接続された燃料オフガス流路を経由して排出されるが、アノード側の不純物には、アノード側で燃料から生じた水素イオンや、イオン交換膜と接触して生じたイオン等が含まれるため、水素イオン濃度が高くなり酸性を帯びる。従って、燃料オフガス流路を形成する配管が金属からなる場合には、酸性を帯びた液が供給され、さらに直接又は間接に接続される燃料電池からの微弱な電流を受けたり異種金属が接触したりする結果、腐食が起こり易い。

近年においては、このような配管の腐食を抑制するために、継手配管の内面の少なくとも一部を、白金元素である金属又は合金により被覆する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。かかる技術は、腐食され難い金属である白金成分で配管内面を被覆することにより酸による腐食を抑制するとともに、微弱な電流を白金の触媒作用により消費して電食を抑制するものである。
特開２００２−３５２８３０号公報

ところで、配管を構成する各部材の接合部においては、Ｏリング等のシール部材を介在させて、各部材の接合面を対向させ当接させた状態で固定している。

しかし、現実的には、対向する接合面間に僅かな間隙が形成されることが多く、この接合面間に液が浸入して滞留するという事態が起こり得る。しかも、接合面を当接状態で配置するため、装着時に傷等が形成されたり、稼働中の振動により傷が形成されたりする場合がある。接合面に傷が生じると、浸入した液がより滞留し易くなり、腐食を生じ易くなる。このため、酸性を帯びた液が流通する燃料オフガス流路においては、接合部に腐食が生じ易いという問題があった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、複数の部材を接合して構成した配管（ガス流路）を備える燃料電池システムにおいて、配管の接合部の腐食を抑制することを目的とする。

前記目的を達成するべく、本発明に係る燃料電池システムは、複数の流路形成用部材が接合されてなり燃料電池に対して供給及び／又は排出されるガスを流通させるガス流路と、複数の流路形成用部材の接合面の間をシールするシール手段と、を備える燃料電池システムであって、シール手段は、複数の流路形成用部材の接合面の間に介在されて接合面同士を非接触状態に維持するシールシートを有するものである。

かかる構成を採用すると、シールシートが複数の流路形成用部材の接合面に密着しているため、ガス流路（例えば、燃料電池から排出される燃料オフガスを流通させる燃料オフガス流路）を流通するガスに含まれる液が接合面間に浸入して付着することを抑制することができる。また、シールシートにより複数の流路形成用部材の接合面が非接触状態に維持されるため、使用中に接合面同士が当接して接合面が損傷することを抑制することができる。従って、ガス流路を形成する配管の接合部の腐食を抑制することが可能となる。

前記燃料電池システムにおいて、複数の流路形成用部材の接合面全面を覆うシールシートを採用することが好ましい。

また、前記燃料電池システムにおいて、複数の流路形成用部材の接合面に設けられた開口の周囲に配置されるシールリングを有するシール手段を採用することができる。かかる場合、複数の流路形成用部材の一方の接合面に形成された溝に嵌合されてシールシートと密着するシールリングを採用することができる。

本発明によれば、複数の部材を接合して構成した配管（ガス流路）を備える燃料電池システムにおいて、配管の接合部の腐食を抑制することが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。本実施形態においては、本発明を燃料電池車両の車載発電システムに適用した例について説明することとする。

まず、図１を用いて、燃料電池システム１の構成について説明する。

本実施形態に係る燃料電池システム１は、図１に示すように、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池１０と、燃料電池１０に対して酸化ガスとしての空気を供給・排出する酸化ガス配管系２と、燃料電池１０に対して燃料ガスとしての水素ガスを供給・排出する水素ガス配管系３と、を備えている。

燃料電池１０は、固体高分子型電解質膜を介してアノード及びカソードが配置された単電池を所要数積層して構成したスタック構造を有している。燃料電池１０の内部には、単電池に酸化ガス及び水素ガスを供給する反応ガス流路が設けられるとともに、単電池から酸化オフガス及び水素オフガスを排出するためのオフガス流路が設けられている。燃料電池１０により発生した電力は、ＰＣＵ（Power Control Unit）１１に供給される。ＰＣＵ１１は、燃料電池１０とトラクションモータ１２との間に配置されるインバータやＤＣ‐ＤＣコンバータ等を備えている。

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）を燃料電池１０に供給する空気供給流路２１と、燃料電池１０から排出された酸化オフガスを加湿器２０に導く空気排出流路２２と、加湿器２０から外部に酸化オフガスを導くための排気流路２３と、を備えている。空気供給流路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。酸化ガス配管系２では、空気排出流路２２及び排気流路２３を構成する配管を通して酸化オフガスが移送される。

水素ガス配管系３は、高圧（例えば７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留した水素タンク３０と、水素タンク３０の水素ガスを燃料電池１０に供給するための水素供給流路３１と、燃料電池１０から水素オフガスを排出するための水素排気流路３２ａ及び水素オフガスを水素供給流路３１に戻すための水素返送流路３２ｂを含む循環流路３２と、を備えている。なお、水素タンク３０に代えて、水素吸蔵合金を有するタンクを採用してもよい。また、水素タンク３０に代えて、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、を採用することもできる。

水素供給流路３１には、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遮断弁３３と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ３４と、ガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁式の開閉弁３５と、が設けられている。レギュレータ３４は、その上流側圧力（一次圧）を、予め設定した二次圧に調圧する装置である。開閉弁３５は、制御装置４により駆動されるように構成されている。

循環流路３２には、気液分離器３６及び排気排水弁３７を介して、排出流路３８が接続されている。気液分離器３６は、水素オフガスから水分を分離するものである。排気排水弁３７は、制御装置４からの指令によって作動することにより、気液分離器３６で分離した水分と、循環流路３２内の不純物を含む水素オフガスと、を外部に排出（パージ）するものである。また、循環流路３２には、循環流路３２内の水素オフガスを加圧して水素供給流路３１側へ送り出す水素ポンプ３９が設けられている。なお、排気排水弁３７及び排出流路３８を介して排出される水素オフガスは、希釈器４０によって希釈されて排気流路２３内の酸化オフガスと合流するようになっている。

水素ガス配管系３では、燃料電池１０から排出されるガスが、水素排気流路３２ａ及び水素返送流路３２ｂを形成する配管と、水素供給流路３１を形成する配管と、を経由して循環される。また、燃料電池１０から排出される不純物（水素オフガスや生成水）は、水素排気流路３２ａを形成する配管と、気液分離器３６と、排気排水弁３７と、排出流路３８を形成する配管と、希釈器４０と、を経由して外部に排出される。

次に、図２を用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１の配管の接合構造について説明する。本実施形態においては、気液分離器３６で分離された水素オフガス成分を排出するための排出流路３８を形成する配管部材３８Ａと、希釈器４０と、の接続構造を例に説明する。

図２は、水素ガス配管系３の排出流路３８を形成する配管部材３８Ａと希釈器４０との接続部位を示す。排出流路３８を形成する配管部材３８Ａは、ステンレス鋼等の金属から形成され、内部に移送流路５１が形成された管状体５２を有するとともに、移送流路５１の端部開口５３の周囲に円形のフランジ部５４を有している。一方、希釈器４０は、排出流路３８とは異なる金属から形成され、図示しない希釈器本体の内部から連続する移送流路６１が形成された管状部６２を有するとともに、移送流路６１の端部開口６３の周囲に円形のフランジ部６４を有している。配管部材３８Ａ及び希釈器４０は、本発明における複数の流路形成用部材の一実施形態に相当するものである。

配管部材３８Ａ及び希釈器４０の各フランジ部５４、６４には、対向する平面状の接合面５５、６５が設けられている。配管部材３８Ａのフランジ部５４の接合面５５には、端部開口５３（及び接合面５５の端部開口５３に隣接する部位）を囲むように環状にシールリング溝５６が形成されている。接合面５５と接合面６５との間には、弾性材料からなるシールシート７１が配置されており、シールリング溝５６には、同じく弾性材料からなるシールリング７２が嵌合されている。シールシート７１及びシールリング７２により、本発明のシール手段の一実施形態が構成される。

配管部材３８Ａ及び希釈器４０の各フランジ部５４、６４は、シールシート７１及びシールリング７２を介在させた状態で、締結バンド等の締結部材７５により、互いに押圧されるように締結されている。締結状態では、シールシート７１が配管部材３８Ａ及び希釈器４０の接合面５５、６５の間に介設されることにより、各接合面５５、６５が非接触状態に維持されている。

シールシート７１は、配管部材３８Ａ及び希釈器４０の各移送流路５１、６１の各端部開口５３、６３の周囲を囲むとともに、各端部開口５３、６３に隣接する部位を含む接合面５５、６５の全面を覆う一定厚の円板形状を呈し、中央に各端部開口５３、６３と同等の径を有する貫通孔７４を備えている。シールシート７１と接合面６５との間及びシールシート７１と接合面５５との間は、配管部材３８Ａ及び希釈器４０の各フランジ部５４、６４が相互に近接する方向に押圧されることにより、それぞれ全面において密着している。また、配管部材３８Ａ及び希釈器４０の各フランジ部５４、６４が相互に近接する方向に押圧されることにより、配管部材３８Ａの接合面５５側に配置されたシールリング７２とシールシート７１との間が密着している。

シールリング７２は、配管部材３８Ａ及び希釈器４０によって形成される各移送流路５１、６１の各端部開口５３、６３（及び各端部開口５３、６３に隣接する部位）よりも大きい内径を有するとともに、少なくともシールシート７１の外径より小さい外径を有するリング形状を呈している。シールリング７２としては、Ｏリング（断面形状がＯ型のもの）やＶリング（断面形状がＶ型のもの）を使用することができる。

シールシート７１及びシールリング７２を構成する弾性材料としては、燃料電池システムの稼働時における最高到達温度に対して十分な耐熱性を有するとともに、オフガス成分に対して十分な耐酸性を有する材料を用いるのが好ましい。シールシート７１及びシールリング７２は、同一の弾性材料から形成されていてもよく、異なる材料から形成されていてもよい。

以上説明した燃料電池システム１においては、シールシート７１が配管部材３８Ａ及び希釈器４０の各接合面５５、６５に密着しているため、燃料電池１０から排出される燃料オフガスに含まれる液が接合面５５、６５間に浸入して付着することを抑制することができる。また、シールシート７１により配管部材３８Ａ及び希釈器４０の各接合面５５、６５が非接触状態に維持されるため、使用中に接合面５５、６５同士が当接して接合面５５、６５が損傷することを抑制することができる。従って、配管の接合部の腐食を抑制することが可能となる。

なお、以上の実施形態においては、配管部材３８Ａ及び希釈器４０の接合部に本発明を適用した例を示したが、他の接合部（燃料電池１０に対して供給及び／又は排出されるガスを流通させるガス流路を形成する配管の接合部）にも本発明を適用することができる。

例えば、図３に示すように、燃料電池１０のエンドプレート８０と、水素ガス配管系３の排出流路３８を形成する配管部材３８Ａと、の接合部に本発明を適用することができる。燃料電池１０の内部には、図示していない水素オフガスの移送流路が設けられており、エンドプレート８０には燃料電池１０の内部から連続する移送流路８１が設けられた接続用ボス部８２が設けられている。一方、配管部材３８Ａは、内部に移送流路５１が形成された管状体５２を有するとともに、移送流路５１の端部開口５３の周囲に円形のフランジ部５４を有している。エンドプレート８０及び配管部材３８Ａは、本発明における複数の流路形成用部材の一実施形態に相当するものである。

接続用ボス部８２の頂部には、配管部材３８Ａのフランジ部５４と対向する平面状の接合面８５が設けられるとともに、略中央部に移送流路８１の端部開口８３が設けられている。接続用ボス部８２の接合面８５には、端部開口８３（及び端部開口８３に隣接する部位）を囲むように環状にシールリング溝８６が設けられている。また、接続用ボス部８２の外周囲には、雄ネジ部が設けられている。一方、配管部材３８Ａのフランジ部５４には、接続用ボス部８２の接合面８５と対向する平面状の接合面５５が設けられている。

接続用ボス部８２の接合面８５のシールリング溝８６にシールリング７２を嵌合し、接続用ボス部８２の接合面８５及びシールリング７２と配管部材３８Ａの接合面５５との間にシールシート７１を介在させる。そして、配管部材３８Ａに装着されている袋ナット９０の雌ネジ部を接続用ボス部８２の雄ネジ部に螺合することにより、配管部材３８Ａのフランジ部５４の接合面５５を接続用ボス部８２の接合面８５側に押圧した状態で、接続用ボス部８２と配管部材３８Ａとを接合する。

このように構成した接合部においても、シールシート７１が接続用ボス部８２及び配管部材３８Ａの各接合面８５、５５に密着しているため、燃料電池１０から排出される燃料オフガスに含まれる液が接合面８５、５５間に浸入して付着することを抑制することができる。また、シールシート７１により接続用ボス部８２及び配管部材３８Ａの各接合面８５、５５が非接触状態に維持されるため、使用中に接合面８５、５５同士が当接して接合面８５、５５が損傷することを抑制することができる。従って、接合部の腐食を抑制することが可能となる。

また、以上の実施形態においては、移送流路５１、６１、８１に対して略直交する方向に設けられた接合面５５、６５、８５を採用した例を示したが、接合面は、移送流路に対して直交するものでなくてもよく、互いに近接配置されてシールシートを挟持しシールシートに密着するものであればよい。例えば、（移送流路に対しては直交しない）互いに対向するテーパ面からなる接合面を採用することができる。

また、以上の実施形態においては、一定厚のドーナツ型のシールシート７１について説明したが、各接合面５５、６５、８５と密着可能な厚さや形状を有していれば、シールシートの厚さや形状は特に限定されることはない。

また、以上の実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、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に適用してもよい。

本発明の実施形態係る燃料電池システムの構成図である。 図１に示した燃料電池システムの水素ガス配管系の排出流路と希釈器との接続部位を示す拡大図である。 図１に示した燃料電池システムの変形例であって、燃料電池と水素ガス配管系の排出流路との接続部位を示す拡大図である。

符号の説明

１…燃料電池システム、１０…燃料電池、３８Ａ…配管部材（流路形成用部材）、４０…希釈器（流路形成用部材）、５１・６１・８１…移送流路（燃料オフガス流路）、５３・６３・８３…開口、５５・６５・８５…接合面、５６・８６…シールリング溝、７１…シールシート（シール手段）、７２…シールリング（シール手段）、８０…エンドプレート（流路形成用部材）。

Claims (4)

1. 複数の流路形成用部材が接合されてなり燃料電池に対して供給及び／又は排出されるガスを流通させるガス流路と、前記複数の流路形成用部材の接合面の間をシールするシール手段と、を備える燃料電池システムであって、
   前記シール手段は、前記複数の流路形成用部材の接合面の間に介在されて前記接合面同士を非接触状態に維持するシールシートを有するものである、
   燃料電池システム。
2. 前記シールシートは、前記複数の流路形成用部材の接合面全面を覆うものである、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記シール手段は、前記複数の流路形成用部材の接合面に設けられた開口の周囲に配置されるシールリングを有し、
   前記シールリングは、前記複数の流路形成用部材の一方の接合面に形成された溝に嵌合されて前記シールシートと密着するものである、
   請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記ガス流路は、前記燃料電池から排出される燃料オフガスを流通させる燃料オフガス流路である、
   請求項１から３の何れか一項に記載の燃料電池システム。

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