JP2009158217A

JP2009158217A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2009158217A
Application number: JP2007333406A
Authority: JP
Inventors: Goji Katano; 剛司片野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-12-26
Filing date: 2007-12-26
Publication date: 2009-07-16
Anticipated expiration: 2027-12-26
Also published as: JP5104290B2

Abstract

【課題】大型化やイオン交換器の短命化を招くことなく、良好な冷却効率及び絶縁性が確保された燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池２０とラジエータＣ２との間が冷却路７３によって接続され、ポンプＣ１によって燃料電池２０とラジエータＣ２との間に冷却水が循環される燃料電池システム１であって、冷却路７３は、絶縁された燃料電池側配管部７３Ａと、接地されたラジエータ側配管部７３Ｂとからなり、ラジエータ側配管部７３Ｂは燃料電池側配管部７３Ａより大径とされている。
【選択図】図１

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する燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、燃料電池のアノードに燃料タンクから高圧の燃料ガスを供給するとともに、カソードに酸化ガスとしての空気を加圧供給し、これら燃料ガスと酸化ガスとを電気化学反応させ、起電力を発生させるものである。

この種の燃料電池システムでは、燃料電池に冷却水を循環させ、電気化学反応に伴う発熱を除去する冷却系が設けられている。この冷却系を流通する冷却水に配管からの金属イオンが溶出すると、当該冷却水の導電率が上昇してしまうため、その配管途中に絶縁スペーサを介在させたり、あるいは配管自体を絶縁性材料で形成することにより、燃料電池の絶縁を図ることが行われている（例えば、特許文献１，２参照）。
特開平８−３１４３８号公報特開２００６−５９６５２号公報

ところで、冷却系にて、燃料電池の絶縁抵抗値の低下を抑制するには、イオン交換器によるイオン交換量を増加させて冷却水の導電率を低下させることが考えられるが、この場合、イオン交換器の短命化を招いてしまう。
さらに、絶縁配管の長尺化あるいは配管径の小径化によって絶縁抵抗の低下抑制を図ることも考えられるが、配管の長尺化による装置の大型化や配管径の小径での圧損の増加による冷却効率の低下を招いてしまう。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、大型化やイオン交換器の短命化を招くことなく、良好な冷却効率及び絶縁性を確保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している。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、反応ガスの供給を受けて電気化学反応により発電する燃料電池と熱交換器との間が配管によって接続され、ポンプによって前記燃料電池と前記熱交換器との間に冷却媒体を循環させる冷却系を備えた燃料電池システムであって、前記配管は、絶縁された燃料電池側配管部と、接地された熱交換器側配管部とを備えてなり、前記熱交換器側配管部は前記燃料電池側配管部より大径である。

この構成の燃料電池システムによれば、燃料電池と熱交換器との間の冷却媒体用の配管が、絶縁された燃料電池側配管部と、接地された熱交換器側配管部とを備えてなると共に、熱交換器側配管部が燃料電池側配管部より大径とされているので、小径の燃料電池側配管部にて良好に絶縁を確保しつつ、熱交換器側では、圧力損失を極力抑えることができる。
つまり、配管の長尺化による大型化やイオン交換器の短命化を招くことなく、良好な冷却効率及び絶縁性を確保することができる。

また、前記配管には、前記熱交換器と並列にバイパス配管が接続され、このバイパス配管との分岐点よりも前記熱交換器側が、前記燃料電池側配管部よりも大径の前記熱交換器側配管部とされていても良い。
この構成によれば、ポンプの設計値となる所定の流量の確保が必要な熱交換器側での圧損を抑えることができる。

また、前記配管には、前記熱交換器と並列にバイパス配管が接続され、このバイパス配管との合流点よりも前記熱交換器側が、前記燃料電池側配管部よりも大径の前記熱交換器側配管部とされていても良い。
この構成によれば、ポンプの設計値となる所定の流量の確保が必要な熱交換器側での圧損を抑えることができる。

また、前記燃料電池側配管部と前記熱交換器側配管部との間における径の変換部にて接地されていても良い。
この構成によれば、径の変換部にて容易に接地することができ、取り付けの簡易化を図ることができる。

本発明の燃料電池システムによれば、大型化やイオン交換器の短命化を招くことなく、良好な冷却効率及び絶縁性を確保することができる。

まず、本発明に係る配管継手および配管構造体が適用された燃料電池システムの全体構成を説明する。この燃料電池システムは燃料電池車両の車載発電システムであるが、車両搭載用の燃料電池システム以外にも、船舶，航空機，電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体用の燃料電池システムや、例えば燃料電池が建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用の燃料電池システムへの適用も可能である。

図１に示される燃料電池システム１において、酸化ガス（反応ガス）としての空気（外気）は、空気供給路７１を介して燃料電池２０の空気供給口に供給される。空気供給路７１には、空気から微粒子を除去するエアフィルタＡ１、空気を加圧するコンプレッサＡ３、及び空気に所要の水分を加える加湿器Ａ２１が設けられている。エアフィルタＡ１には、空気流量を検出する図示省略のエアフローメータ（流量計）が設けられている。コンプレッサＡ３は、モータによって駆動される。このモータは、後述の制御部５０によって駆動制御される。

燃料電池２０から排出される空気オフガス（酸化オフガス）は、排気路７２を経て外部に放出される。排気路７２には、圧力調整弁Ａ４、及び加湿器Ａ２１が設けられている。圧力調整弁Ａ４は、燃料電池２０への供給空気圧を設定する調圧（減圧）器として機能する。制御部５０は、コンプレッサＡ３を駆動するモータの回転数及び圧力調整弁Ａ４の開度面積を調整することによって、燃料電池２０への供給空気圧や供給空気流量を設定する。

燃料ガス（反応ガス）としての水素ガスは、水素供給源３０から水素供給路７４を介して燃料電池２０の水素供給口に供給される。水素供給源３０は、例えば高圧水素タンクが該当するが、いわゆる燃料改質器や水素吸蔵合金等であっても良い。

水素供給路７４には、水素供給源３０から水素を供給しあるいは供給を停止する遮断弁Ｈ１００、燃料電池２０への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁Ｈ９、及び燃料電池２０の水素供給口と水素供給路７４間を開閉する遮断弁Ｈ２１が設けられている。水素調圧弁Ｈ９としては、例えば機械式の減圧を行う調圧弁を使用できるが、パルスモータで弁の開度がリニアあるいは連続的に調整される弁であっても良い。

燃料電池２０で消費されなかった水素ガスは、水素オフガス（燃料ガスのオフガス）として水素循環路７５に排出され、水素供給路７４の水素調圧弁Ｈ９の下流側に戻される。水素循環路７５には、水素オフガスから水分を回収する気液分離装置Ｈ４２、回収した生成水を水素循環路７５外の図示しないタンク等に回収する排水弁Ｈ４１、及び水素オフガスを加圧する水素ポンプＨ５０が設けられている。

遮断弁Ｈ２１は、燃料電池２０のアノード側を閉鎖する。水素ポンプＨ５０は、制御部５０によって動作が制御される。水素オフガスは、水素供給路７４で水素ガスと合流し、燃料電池２０に供給されて再利用される。遮断弁Ｈ２１は、制御部５０からの信号で駆動される。

水素循環路７５は、排出制御弁Ｈ５１を介して、パージ流路７６によって加湿器Ａ２１の下流側の排気路７２に接続されている。排出制御弁Ｈ５１は、電磁式の遮断弁であり、制御部５０からの指令によって作動することにより、水素オフガスは燃料電池２０から排出された空気オフガスとともに外部へ排出（パージ）される。このパージ動作を間欠的に行うことによって、水素ガス中の不純物濃度が増加することによるセル電圧の低下を防止することができる。

燃料電池２０の冷却水出入口には、冷却水を循環させる冷却路７３が設けられている。冷却路７３には、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）Ｃ２、及び冷却水を加圧して循環させるポンプＣ１が設けられている。また、ラジエータＣ２には、モータによって回転駆動される冷却ファンＣ１３が設けられている。

また、ラジエータＣ２を回避するように、ラジエータＣ２と並列に冷却路７３にバイパス接続されたバイパス配管７４が設けられ、バイパス配管７４と冷却路７３との合流位置には、ロータリ式の三方弁Ｃ１４が設けられている。
そして、本実施形態の冷却系１００は、冷却路７３、ラジエータＣ２、ポンプＣ１、冷却ファンＣ１３、バイパス配管７４、三方弁Ｃ１４、及び後述するイオン交換器Ｃ１５を備えて構成されている。

この冷却系１００を構成する冷却路７３は、燃料電池２０からバイパス配管７４の接続点までが燃料電池側配管部７３Ａとされ、ラジエータＣ２からバイパス配管７４の接続点までがラジエータ側配管部７３Ｂとされており、これら燃料電池側配管部７３Ａとラジエータ側配管部７３Ｂとが接続されている。なお、燃料電池側配管部７３Ａには、イオン交換器Ｃ１５が接続されている。

そして、上記の冷却系１００では、三方弁Ｃ１４を切り替えることにより、ポンプＣ１で吸引される燃料電池２０からの冷却水を、ラジエータＣ２を介さずにバイパス配管７４を介してそのまま燃料電池２０に戻す状態と、ポンプＣ１で吸引される燃料電池２０からの冷却水を、ラジエータＣ２で冷却して燃料電池２０に戻す状態とに切り替えられる。

燃料電池２０は、水素ガスと空気の供給を受けて電気化学反応により発電する単セルを所要数積層してなる燃料電池スタックとして構成されている。燃料電池２０が発生した電力は、図示しないパワーコントロールユニットに供給される。

パワーコントロールユニットは、車両の駆動モータに電力を供給するインバータと、コンプレッサモータや水素ポンプ用モータなどの各種の補機類に電力を供給するインバータと、二次電池等の蓄電手段への充電や該蓄電手段からのモータ類への電力供給を行うＤＣ−ＤＣコンバータなどが備えられている。

制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイなどの公知構成から成る制御コンピュータシステムによって構成されており、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システム１の各部のセンサ（圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等）から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する。

図２に示すように、冷却系１００におけるラジエータ側配管部７３Ｂは、燃料電池側配管部７３Ａよりも大径とされており、これら燃料電池側配管部７３Ａとラジエータ側配管部７３Ｂとが、継ぎ手管８１によって接続されている。この継ぎ手管８１は、小径の燃料電池側配管部７３Ａに接続可能な小径継ぎ手部８１ａと、大径のラジエータ側配管部７３Ｂに接続可能な大径継ぎ手部８１ｂとを有しており、この継ぎ手管８１は、車体のボディＢに接続されたアース線８２が接続され、接地されている。

以上、説明したように、上記実施形態に係る燃料電池システムによれば、燃料電池２０とラジエータＣ２との間の冷却水用の配管である冷却路７３が、絶縁された燃料電池側配管部７３Ａと、接地されたラジエータ側配管部７３Ｂとからなり、ラジエータ側配管部７３Ｂが燃料電池側配管部７３Ａより大径とされているので、小径の燃料電池側配管部７３Ａにて良好に絶縁を確保しつつ、ラジエータＣ２側では、圧力損失を極力抑えることができる。

つまり、冷却路７３の長尺化による大型化やイオン交換器Ｃ１５の短命化を招くことなく、良好な冷却効率及び絶縁性を確保することができる。

また、冷却路７３には、ラジエータＣ２と並列にバイパス配管７４が接続され、このバイパス配管７４との分岐点及び合流点となる接続点よりもラジエータＣ２側が、燃料電池側配管部７３Ａよりも大径のラジエータ側配管部７３Ｂとされているので、ポンプＣ１の設計値となる所定の流量の確保が必要なラジエータＣ２側での圧損を抑えることができる。

また、燃料電池側配管部７３Ａとラジエータ側配管部７３Ｂとの間における径の変換部である継ぎ手管８１にて接地する構造であるので、車両のボディＢなどへ容易に接地することができ、取り付けの簡易化を図ることができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムを概略的に示すシステム構成図である。燃料電池システムの冷却系の配管構造を示す概略断面図である。

符号の説明

１…燃料電池システム、２０…燃料電池、７３…冷却路（配管）、７３Ａ…燃料電池側配管部、７３Ｂ…ラジエータ側配管部（熱交換器側配管部）、７４…バイパス配管、１００…冷却系、Ｃ１…ポンプ、Ｃ２…ラジエータ（熱交換器）。

Claims

反応ガスの供給を受けて電気化学反応により発電する燃料電池と熱交換器との間が配管によって接続され、ポンプによって前記燃料電池と前記熱交換器との間に冷却媒体を循環させる冷却系を備えた燃料電池システムであって、
前記配管は、絶縁された燃料電池側配管部と、接地された熱交換器側配管部とを備えてなり、前記熱交換器側配管部は前記燃料電池側配管部より大径である燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記配管には、前記熱交換器と並列にバイパス配管が接続され、このバイパス配管との接続点よりも前記熱交換器側が、前記燃料電池側配管部よりも大径の前記熱交換器側配管部とされている燃料電池システム。
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池側配管部と前記熱交換器側配管部との間における径の変換部にて接地されている燃料電池システム。