JP2009277384A - Fuel cell system and ion exchange device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池に用いられる冷却媒体内のイオンを除去する技術に関する。 The present invention relates to a technique for removing ions in a cooling medium used in a fuel cell.
従来より、固体高分子電解質膜を一対のセパレータで挟んだ構成のセルモジュールを複数積層した構成を有する燃料電池では、各セルモジュールの温度を制御するために燃料電池内に冷却媒体が流通されている。セパレータが金属製の場合、冷却媒体にイオンが溶け出して冷却媒体の導電率が上昇するおそれがある。そこで、冷却媒体中のイオンを除去して導電率を低下させるために、冷却媒体の流通路上にイオン交換装置(フィルタ)を配置する燃料電池システムが提案されている(下記特許文献1参照)。
Conventionally, in a fuel cell having a configuration in which a plurality of cell modules each having a configuration in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between a pair of separators, a cooling medium is circulated in the fuel cell in order to control the temperature of each cell module. Yes. When the separator is made of metal, ions may dissolve into the cooling medium and the conductivity of the cooling medium may increase. Therefore, a fuel cell system has been proposed in which an ion exchange device (filter) is disposed on the flow path of the cooling medium in order to remove the ions in the cooling medium and lower the conductivity (see
従来の燃料電池システムでは、イオン交換装置は燃料電池とは別体として構成されていたため、各セルモジュールからイオン交換装置までの間の冷却経路は長い。それゆえ、イオン交換装置とその他の部分とで大きなイオン濃度差が生じ、冷却媒体のイオン濃度が所定の濃度(定常状態の濃度)に達するまでに各セルモジュールからイオンが冷却媒体に溶出するという問題があった。また、燃料電池とイオン交換装置とは互いに別体として構成されているため、それぞれに配置スペースを要して空間利用効率が低くなるという問題があった。 In the conventional fuel cell system, since the ion exchange device is configured separately from the fuel cell, the cooling path from each cell module to the ion exchange device is long. Therefore, a large ion concentration difference occurs between the ion exchange device and other parts, and ions are eluted from each cell module into the cooling medium until the cooling medium ion concentration reaches a predetermined concentration (steady state concentration). There was a problem. Further, since the fuel cell and the ion exchange device are configured separately from each other, there is a problem in that the space utilization efficiency is low because an arrangement space is required for each.
本発明は、イオン交換装置を備える燃料電池システムにおいて、空間利用効率を高めると共に、各セルモジュールから冷却媒体に多量のイオンが溶出することを抑制可能な技術を提供することを目的とする。 It is an object of the present invention to provide a technology capable of improving space utilization efficiency and suppressing elution of a large amount of ions from each cell module to a cooling medium in a fuel cell system including an ion exchange device.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
[適用例1]燃料電池システムであって、積層された複数のセルモジュールと、前記複数のセルモジュールの積層体の両端に配置された一対の板状のエンドプレートと、各セルモジュールに前記冷却媒体を供給するための冷却媒体供給マニホールドと、各セルモジュールから前記冷却媒体を排出するための冷却媒体排出マニホールドと、を有する燃料電池と、前記一対のエンドプレートのうち一方のエンドプレートの外側面と当接する端面と、前記冷却媒体供給マニホールドと前記冷却媒体排出マニホールドとを繋ぎ、イオン交換体を有する冷却媒体のバイパス流路と、を有するイオン交換装置と、を備える、燃料電池システム。 Application Example 1 A fuel cell system, in which a plurality of stacked cell modules, a pair of plate-like end plates disposed at both ends of a stacked body of the plurality of cell modules, and the cooling to each cell module A fuel cell having a cooling medium supply manifold for supplying a medium, a cooling medium discharge manifold for discharging the cooling medium from each cell module, and an outer surface of one end plate of the pair of end plates And an ion exchange device having a cooling medium bypass passage connecting the cooling medium supply manifold and the cooling medium discharge manifold and having an ion exchanger.
適用例1の燃料電池システムでは、イオン交換装置は、燃料電池に当接して配置できるので、空間利用効率を高めることができる。また、イオン交換装置を燃料電池に当接して配置するので、各セルモジュールから近い位置にイオン交換体を配置することができる。したがって、各セルモジュールからイオン交換装置までの間に存在する冷却媒体を少量とすることができる。それゆえ、各セルモジュールからイオン交換装置までの間において、イオン濃度の定常値を下げることができ、導電率の悪化を抑制することができる。また、イオン交換装置はエンドプレートの外側面と当接するので、エンドプレートの内側(燃料電池の内部)に配置する構成に比べて配置スペースの制限が少ない。したがって、イオン交換装置を大型化することができ、イオン除去性能を向上させることができる。また、エンドプレートの内側(燃料電池の内部)にイオン交換装置を配置する構成に比べて、イオン交換体の交換等のメンテナンス作業を容易に行うことができる。また、イオン交換装置はバイパス流路を有するので、イオン交換体を冷却媒体供給マニホールド又は冷却媒体排出マニホールドと直列となるように配置して、すべての冷却媒体がイオン交換体を透過する構成に比べて、冷却媒体の流通を過剰に阻害することを抑制することができる。 In the fuel cell system of Application Example 1, since the ion exchange device can be disposed in contact with the fuel cell, space utilization efficiency can be improved. Further, since the ion exchange device is disposed in contact with the fuel cell, the ion exchanger can be disposed at a position close to each cell module. Therefore, a small amount of cooling medium exists between each cell module and the ion exchange device. Therefore, the steady value of the ion concentration can be lowered between each cell module and the ion exchange device, and deterioration of conductivity can be suppressed. Further, since the ion exchange device abuts on the outer surface of the end plate, the arrangement space is less limited as compared with a configuration arranged inside the end plate (inside the fuel cell). Therefore, the ion exchange device can be increased in size, and the ion removal performance can be improved. In addition, maintenance work such as replacement of the ion exchanger can be easily performed as compared with the configuration in which the ion exchange device is disposed inside the end plate (inside the fuel cell). In addition, since the ion exchange device has a bypass flow path, the ion exchanger is arranged in series with the cooling medium supply manifold or the cooling medium discharge manifold, so that all the cooling media permeate the ion exchanger. Thus, it is possible to suppress excessive inhibition of the flow of the cooling medium.
[適用例2]適用例1に記載の燃料電池システムにおいて、前記イオン交換装置は、前記端面から突出して形成され、前記冷却媒体供給マニホールドに挿入される供給側挿入部と、前記端面から突出して形成され、前記冷却媒体排出マニホールドに挿入される排出側挿入部と、を備える、燃料電池システム。 Application Example 2 In the fuel cell system according to Application Example 1, the ion exchange device is formed so as to protrude from the end surface, and is inserted into the cooling medium supply manifold and protrudes from the end surface. A fuel cell system comprising: a discharge side insertion portion formed and inserted into the cooling medium discharge manifold.
このようにすることで、イオン交換装置を燃料電池に当接して配置する際に、供給側挿入部を冷却媒体供給マニホールドに挿入し、また、排出側挿入部を冷却媒体排出マニホールドに挿入することができる。したがって、イオン交換装置と燃料電池との接続部分の強度を向上させることができる。また、イオン交換装置と燃料電池との接続部分から冷却媒体が漏れ出ることを抑制することができる。 In this way, when the ion exchange device is placed in contact with the fuel cell, the supply side insertion portion is inserted into the cooling medium supply manifold, and the discharge side insertion portion is inserted into the cooling medium discharge manifold. Can do. Therefore, the strength of the connection portion between the ion exchange device and the fuel cell can be improved. Moreover, it is possible to prevent the cooling medium from leaking from the connection portion between the ion exchange device and the fuel cell.
[適用例3]適用例2に記載の燃料電池システムにおいて、前記供給側挿入部と前記排出側挿入部とは、いずれも表面が絶縁部材で覆われている、燃料電池システム。 Application Example 3 In the fuel cell system according to Application Example 2, in the fuel cell system, the surfaces of the supply side insertion portion and the discharge side insertion portion are both covered with an insulating member.
このようにすることで、冷却媒体内のイオンの量が増えて冷却媒体の導電率が上昇した場合であっても、燃料電池における絶縁を確保することができ、冷却媒体を介して燃料電池の正極及び負極が短絡することを抑制することができる。 In this way, even in the case where the amount of ions in the cooling medium increases and the conductivity of the cooling medium increases, insulation in the fuel cell can be ensured, and the fuel cell can be secured via the cooling medium. It is possible to suppress a short circuit between the positive electrode and the negative electrode.
[適用例4]適用例1ないし適用例3のいずれか一例に記載の燃料電池システムにおいて、前記イオン交換装置は、前記端面において、気密性を保つためのシール部材を有する、燃料電池システム。 Application Example 4 In the fuel cell system according to any one of Application Examples 1 to 3, the ion exchange device includes a seal member for maintaining airtightness at the end face.
このようにすることで、イオン交換体のメンテナンス等によりイオン交換装置を交換することでシール部材も併せて取り替えることができ、燃料電池システムのメンテナンス作業を簡略化することができる。 By doing in this way, a seal member can also be replaced | exchanged by exchanging an ion exchange apparatus by the maintenance etc. of an ion exchanger, and the maintenance operation | work of a fuel cell system can be simplified.
[適用例5]燃料電池に供給される冷却媒体用のイオン交換装置であって、前記燃料電池は、積層された複数のセルモジュールと、前記複数のセルモジュールの積層体の両端に配置された一対の板状のエンドプレートと、各セルモジュールに前記冷却媒体を供給するための冷却媒体供給マニホールドと、各セルモジュールから前記冷却媒体を排出するための冷却媒体排出マニホールドと、を有し、前記イオン交換装置は、前記一対のエンドプレートのうち一方のエンドプレートの外側面と当接可能な端面と、前記冷却媒体供給マニホールドと前記冷却媒体排出マニホールドとを繋ぐことができ、イオン交換体を有する冷却媒体のバイパス流路と、を備える、イオン交換装置。 Application Example 5 An ion exchange device for a cooling medium supplied to a fuel cell, wherein the fuel cell is disposed at both ends of a plurality of stacked cell modules and a stack of the plurality of cell modules. A pair of plate-shaped end plates, a cooling medium supply manifold for supplying the cooling medium to each cell module, and a cooling medium discharge manifold for discharging the cooling medium from each cell module, The ion exchange device can connect an end surface that can contact an outer surface of one end plate of the pair of end plates, the cooling medium supply manifold, and the cooling medium discharge manifold, and has an ion exchanger. An ion exchange device comprising: a bypass flow path for a cooling medium.
適用例5のイオン交換装置は、燃料電池に当接して配置できるので、空間利用効率を高めることができる。また、このイオン交換装置は燃料電池に当接して配置できるので、各セルモジュールから近い位置にイオン交換体を配置することができる。したがって、イオン交換装置を燃料電池に当接して配置した場合に、各セルモジュールからイオン交換装置までの間に存在する冷却媒体の定常イオン濃度を小さくすることができる。それゆえ、絶縁抵抗値を小さくすることができる。また、イオン交換装置はバイパス流路を有するので、イオン交換装置を燃料電池に当接して配置した場合に、すべての冷却媒体がイオン交換体を透過する構成に比べて、冷却媒体の流通を過剰に阻害することを抑制することができる。 Since the ion exchange device of Application Example 5 can be disposed in contact with the fuel cell, space utilization efficiency can be improved. Moreover, since this ion exchange apparatus can be disposed in contact with the fuel cell, the ion exchanger can be disposed at a position close to each cell module. Therefore, when the ion exchange device is disposed in contact with the fuel cell, the steady ion concentration of the cooling medium existing between each cell module and the ion exchange device can be reduced. Therefore, the insulation resistance value can be reduced. In addition, since the ion exchange device has a bypass flow path, when the ion exchange device is placed in contact with the fuel cell, the circulation of the cooling medium is excessive compared to the configuration in which all the cooling medium passes through the ion exchanger. Can be inhibited.
以下、本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
A.第1の実施例:
B.第2の実施例:
C.第3の実施例:
D.変形例:
Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in the following order based on examples.
A. First embodiment:
B. Second embodiment:
C. Third embodiment:
D. Variations:
A.第1の実施例:
図1は、本発明の一実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム1000は、燃料電池100と、イオン交換装置200と、水素タンク500と、ラジエータ400と、循環ポンプP1と、エアコンプレッサP2と、を備えている。この燃料電池システム1000は、固体高分子形燃料電池システムであり、据え置いて用いたり、電気自動車(図示省略)に搭載して用いたりすることができる。
A. First embodiment:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system as an embodiment of the present invention. The
燃料電池100は、複数のセルモジュール20を積層した積層体10と、一対のエンドプレート30a,30bと、2枚のテンションプレート31a,31bと、ボルト32と、2つのインシュレータ33a,33bと、正極ターミナルプレート34aと、負極ターミナルプレート34bと、を備えている。セルモジュール20は、例えば、シール一体型の膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)を1対のセパレータ(図示省略)で挟持して構成することができる。このセパレータとしては、例えば、SUS(ステンレス)やチタン合金等の金属やカーボンなどの導電性部材から成る薄板を用いることができる。積層体10は、燃料電池100の両端にそれぞれ配置されているインシュレータ33a,33bとターミナルプレート34a,34bとエンドプレート30a,30bとによって挟持されている。各セルモジュール20は、2枚のテンションプレート31a,31bがボルト32で各エンドプレート30a,30bに結合されることによって、積層方向に所定の押圧力で締結されている。正極ターミナルプレート34aは、積層体10全体としての正極を形成する。同様に、負極ターミナルプレート34bは、積層体10全体としての負極を形成する。
The
イオン交換装置200は、エンドプレート30aの外側面に当接して配置されている。このイオン交換装置200は、燃料電池100に供給される冷却媒体中のイオンを吸着する。具体的には、イオン交換装置200は、各セルモジュール20を構成する部材(セパレータやシール一体型MEA)から冷却媒体に溶出するイオンを吸着する。
The
ラジエータ400は、冷却媒体供給路302と冷却媒体排出路304とを介して燃料電池100と接続されており、燃料電池100において高温となった冷却媒体から熱を奪う。冷却媒体排出路304には、冷却媒体を循環させるための循環ポンプP1が配置されている。なお、循環ポンプP1の配置位置としては、冷却媒体排出路304に代えて、冷却媒体供給路302とすることもできる。ここで、前述のイオン交換装置200には、冷却媒体供給路302と冷却媒体排出路304とが接続されている。このイオン交換装置200と燃料電池100とラジエータ400と循環ポンプP1と冷却媒体供給路302と冷却媒体排出路304とで、冷却媒体循環路310が形成されている。また、イオン交換装置200は、冷却媒体循環路310の一部を形成すると共に、冷却媒体供給路302から冷却媒体排出路304へのバイパス280を形成する。
The
燃料電池100には、上述した冷却媒体の他、電気化学反応に用いられる反応ガスが供給される。具体的には、水素タンク500から、燃料ガス供給路322を介して燃料ガスとしての水素ガスが供給される。燃料電池100から排出されたアノード側のオフガス(電気化学反応に用いられなかった水素ガス)は、燃料ガス排出路324を介して再び燃料ガス供給路322に戻され、燃料電池100に供給される。また、燃料電池100には、エアコンプレッサP2によって、酸化剤ガスとしての空気が酸化剤ガス供給路312を介して供給される。燃料電池100から排出されたカソード側オフガス(電気化学反応に用いられなかった空気)は、酸化剤ガス排出路314を介して大気中に放出される。
In addition to the above-described cooling medium, the
図2は、図1に示す燃料電池100及びイオン交換装置200の詳細構成を示す説明図である。燃料電池100は、反応ガス(水素ガス及び空気)及び冷却媒体を流通するための6つのマニホールドを備えている。具体的には、図2において左方下段に冷却媒体供給マニホールド102aを備えている。また、左方中段に酸化剤ガス供給マニホールド103aを、左方上段に燃料ガス供給マニホールド104aを、右方上段に冷却媒体排出マニホールド102bを、右方中段に酸化剤ガス排出マニホールド103bを、右方下段に燃料ガス排出マニホールド104bを、それぞれ備えている。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a detailed configuration of the
これらの6つのマニホールド102a,103a,104a,102b,103b,104bは、いずれも燃料電池100を積層方向に貫通して形成されている。エンドプレート30aは、これら6つのマニホールドに該当する位置に各マニホールドの一部を形成する貫通孔(図示省略)を備えている。同様に、インシュレータ33aと、正極ターミナルプレート34aと、各セルモジュール20とは、それぞれ、6つのマニホールドに該当する位置に各マニホールドの一部を形成する貫通孔(図示省略)を備えている。
These six
イオン交換装置200は、積層方向に所定の厚みを有する板状部210と、第1供給側挿入部222と、第2供給側挿入部224と、第1排出側挿入部242と、第2排出側挿入部244と、を備えている。板状部210は、中空構造を有しており、内部にイオン交換体(図示省略)を備えている。各挿入部222,224,242,244は、いずれも中空の筒状構造を有している。板状部210及び各挿入部222,224,242,244は、SUS等の金属を加工して製造することができる。なお、板状部210及び各挿入部222,224,242,244の表面は、絶縁部材で覆われている。絶縁部材としては、例えば、ゴムや合成樹脂等を採用することができる。
The
第1供給側挿入部222は、板状部210の左下部分において+Z方向に突出して配置されている。第2供給側挿入部224は、板状部210の左下部分において−Z方向に突出して配置されている。これらの第1供給側挿入部222と第2供給側挿入部224とは、互いに板状部210を挟んで中空部分が一直線となるように配置されている。なお、第1供給側挿入部222と第2供給側挿入部224とで挟まれた板状部210の内側部分は、中空部223となっている。第1排出側挿入部242は、板状部210の右上部分において+Z方向に突出して配置されている。第2排出側挿入部244は、板状部210の右上部分において−Z方向に突出して配置されている。これら第1排出側挿入部242と第2排出側挿入部244とは、互いに板状部210を挟んで中空部分が一直線となるように配置されている。なお、第1排出側挿入部242と第2排出側挿入部244とで挟まれた板状部210の内側部分は、中空部243となっている。
The first supply
イオン交換装置200は、板状部210の+Z方向の端面S200がエンドプレート30aの外側面S100に当接するように配置される。このとき、第1供給側挿入部222は、燃料電池100の冷却媒体供給マニホールド102aに挿入される。また、第1排出側挿入部242は、燃料電池100の冷却媒体排出マニホールド102bに挿入される。また、第2供給側挿入部224は冷却媒体供給路302(図1)を構成する配管(図示省略)に、第2排出側挿入部244(図2)は冷却媒体排出路304(図1)を構成する配管(図示省略)に、それぞれ挿入される。したがって、ラジエータ400(図1)から冷却媒体供給路302を通ってきた冷却媒体は、イオン交換装置200(図2)において、第2供給側挿入部224と中空部223と第1供給側挿入部222とをこの順序で通って、燃料電池100の冷却媒体供給マニホールド102aに流入する。また、燃料電池100の冷却媒体排出マニホールド102bから排出される冷却媒体は、イオン交換装置200において、第1排出側挿入部242と中空部243と第2排出側挿入部244とをこの順序で通って、冷却媒体排出路304(図1)へと流入する。このような冷却媒体の流れとは別に、イオン交換装置200において、冷却媒体のバイパスが形成されている。
The
図3は、燃料電池100に接続されたイオン交換装置200を示す平面図である。図3の例では、板状部210の内部に配置されているイオン交換体250を便宜上示している。板状部210の中空部分には、イオン交換体250が充填されている。イオン交換体250としては、例えば、陽イオン(カチオン)交換樹脂を用いることができる。なお、冷却媒体供給マニホールド102aとの接合部分(図2における中空部223)と、冷却媒体排出マニホールド102bとの接合部分(図2における中空部243)とには、イオン交換体250は充填されていない。図3からも分かるように、冷却媒体供給マニホールド102a及び冷却媒体排出マニホールド102b以外の4つのマニホールド103a,104a,103b,104bは、イオン交換装置200を通過していない。
FIG. 3 is a plan view showing the
冷却媒体供給マニホールド102aに供給される冷却媒体のうち、一部の冷却媒体は、イオン交換装置200の内部の中空部223(図2)において、イオン交換体250に流入する。なお、イオン交換体250の圧力損失は、同じ流量を流した場合の燃料電池100における圧力損失よりも十分に大きいため、少量の冷却媒体がイオン交換体250に流入して残りの多量の冷却媒体は燃料電池100に供給される。イオン交換体250に流入した冷却媒体は、イオン交換体250を通って冷却媒体排出マニホールド102bに向かう。すなわち、イオン交換体250には、冷却媒体のバイパス280が形成される。冷却媒体がバイパス280を通過する際に、冷却媒体中のイオンはイオン交換体250によって吸着される。イオンが除去された後の冷却媒体は、中空部243(図2)においてイオン交換装置200から排出され、冷却媒体排出路304(図1)へと排出される。このように、イオン交換装置200では、燃料電池100に供給される冷却媒体のうちの一部の冷却媒体をイオン交換体250内をバイパスさせることで、冷却媒体中のイオンを除去している。
A part of the cooling medium supplied to the cooling
図4は、図2に示すA−A断面を示す説明図である。第1供給側挿入部222は、冷却媒体供給マニホールド102aに挿入され、先端部分はインシュレータ33aまで達している。一方、第2供給側挿入部224は、冷却媒体供給路302を構成する配管に挿入されている。イオン交換装置200の端面S200には、第1供給側挿入部222を囲むようにシール部252が配置されている。シール部252としては、例えば、ゴム製のOリングを採用することができる。
FIG. 4 is an explanatory view showing a cross section AA shown in FIG. The first supply
図5は、図2に示すB−B断面を示す説明図である。第1排出側挿入部242は、冷却媒体排出マニホールド102bに挿入され、先端部分は、インシュレータ33aまで達している。一方、第2排出側挿入部244は、冷却媒体排出路304を構成する配管に挿入されている。イオン交換装置200の端面S200には、第1排出側挿入部242を囲むようにシール部254が配置されている。このシール部254は、前述のシール部252と同様な構成とすることができる。図5及び前述の図4の例からも理解できるように、イオン交換装置200は、各セルモジュール20から非常に近い位置に配置される。
FIG. 5 is an explanatory view showing a BB cross section shown in FIG. The first discharge
図6は、板状部210及び各挿入部222,224,242,244を絶縁とすることのメリットを模式的に示す説明図である。図6の例では、燃料電池100は、電気自動車に搭載されて用いられ、エンドプレート30aとボディBdとが金属製の据付部材Brによって接続されることで電気自動車に固定されている。
FIG. 6 is an explanatory diagram schematically showing the merit of insulating the plate-
正極ターミナルプレート34aとエンドプレート30aとの間はインシュレータ33aが配置されており、据付部材Br及びボディBdを介して燃料電池100の正極(正極ターミナルプレート34a)と負極(負極ターミナルプレート34b)とが短絡することを防いでいる。仮に、板状部210及び各挿入部222,224,242,244を絶縁としない場合、冷却媒体中のイオンの量が増えて導電率が上昇すると、正極ターミナルプレート34aとイオン交換装置200とは、冷却媒体を介して導通することとなる。それゆえ、正極ターミナルプレート34aとボディBdとは、第1供給側挿入部222や第1排出側挿入部242を介してボディBdと導通することとなり、正極ターミナルプレート34aと負極ターミナルプレート34bとは短絡してしまう。しかしながら、上述したように、板状部210及び各挿入部222,224,242,244を絶縁としているので、正極ターミナルプレート34aと負極ターミナルプレート34bとが短絡することを抑制することができる。
An
図7(A)は、燃料電池100と循環ポンプP1との位置関係を模式的に示す説明図である。燃料電池システム1000では、図7(A)に示すように、循環ポンプP1は、イオン交換装置200の外側面に近接して配置されている。したがって、循環ポンプP1の上方において、燃料電池システム1000で使用するスペースAR1に隣接して、他の目的で使用可能な空きスペースAR3が生じている。上述したように、燃料電池システム1000では、イオン交換装置200は燃料電池100(エンドプレート30a)に当接している。したがって、イオン交換装置200の外側に循環ポンプP1を配置することで空間利用効率を向上させることができる。なお、循環ポンプP1に限らず、エアコンプレッサP2などの他の任意の補機をイオン交換装置200の外側に配置することで、燃料電池システム1000における空間利用効率を向上させることができる。
FIG. 7A is an explanatory diagram schematically showing the positional relationship between the
図7(B)は、比較例における燃料電池100と循環ポンプP1との位置関係を模式的に示す説明図である。この比較例における燃料電池システムは、イオン交換装置200と燃料電池100との位置関係が異なる点において、上述した燃料電池システム1000と異なり、他の構成は同じである。具体的には、イオン交換装置200は、燃料電池100に隣接して配置されておらず、燃料電池100の外側に循環ポンプP1が配置されており、その外側にイオン交換装置200が配置されている。かかる構成では、図7(A)と同様に、循環ポンプP1の上方に空きスペースAR4が生じているが、スペースAR4の両隣りに燃料電池100及びイオン交換装置200が設置されているため、他の目的で利用し難い。したがって、燃料電池システムで使用するスペースAR2は、スペースAR4を含むこととなり図7(A)に示すスペースAR1よりも大きくなる。したがって、比較例における燃料電池システムでは空間利用効率は低い。
FIG. 7B is an explanatory diagram schematically showing the positional relationship between the
以上説明したように、燃料電池システム1000では、イオン交換装置200の主な部材である板状部210は、板状の形状を有するため燃料電池100に当接して配置できる。したがって、燃料電池システム1000における空間利用効率を向上させることができる。それゆえ、燃料電池システムを配置するためのスペースが小さい電気自動車等にも、燃料電池システム1000を配置することが可能となる。また、イオン交換装置200は、エンドプレート30aの外側に当接して配置されるので、各セルモジュール20から非常に近い位置にイオン交換体250を配置することができる。したがって、各セルモジュール20からイオン交換装置200までの間に存在する冷却媒体の定常イオン濃度を小さくすることができ、多量のイオンが冷却媒体に溶出することを抑制することができる。また、イオン交換装置200は、エンドプレート30aの外側に当接するので、エンドプレート30aの内側(燃料電池100の内部)に配置する構成に比べて配置スペースの制限が少ない。したがって、イオン交換装置200を容易に大型化することができ、イオン除去性能を向上させることができる。また、エンドプレート30aの内側(燃料電池100の内部)にイオン交換装置200を配置する構成に比べて、イオン交換体250の交換等のメンテナンス作業を容易に行うことができる。また、イオン交換装置200(イオン交換体250)は、バイパス280によって燃料電池100と並列に接続されるので、冷却媒体供給路302や冷却媒体排出路304に直列に接続する構成に比べて、冷却媒体の流通を過剰に阻害することを抑制することができる。また、イオン交換装置200は、各挿入部222,224,242,244を備えているので、燃料電池100や、冷却媒体供給路302や、冷却媒体排出路304との接続部分の強度を向上させることができる。また、板状部210及び各挿入部222,224,242,244を絶縁としているので、冷却媒体の導電率が高い場合にも燃料電池100における絶縁を確保することができる。また、燃料電池システム1000では、燃料電池100とイオン交換装置200との間の気密性を確保するためのシール部252,254をイオン交換装置200の端面S200に形成している。したがって、イオン交換体250のメンテナンス等によりイオン交換装置200を交換することで、これらシール部252,254も併せて取り替えることができ、メンテナンス作業を簡略化することができる。
As described above, in the
B.第2の実施例:
図8は、第2の実施例における燃料電池100及びイオン交換装置200aの詳細構成を示す説明図である。第2の実施例の燃料電池システムは、イオン交換装置の詳細構成において、第1の実施例の燃料電池システム1000(図1)と異なり、他の構成は第1の実施例と同じである。
B. Second embodiment:
FIG. 8 is an explanatory diagram showing a detailed configuration of the
具体的には、第2の実施例におけるイオン交換装置200aは、第1の実施例のイオン交換装置200(図2)と異なり、4つの挿入部222,224,242,244を備えていない。その他の構成は、イオン交換装置200と同じである。以上の構成を有する第2の実施例の燃料電池システムも、第1の実施例と同様な効果を奏する。
Specifically, unlike the ion exchange apparatus 200 (FIG. 2) of the first embodiment, the
C.第3の実施例:
図9は、第3の実施例における燃料電池100及びイオン交換装置200bの詳細構成を示す説明図である。第3の実施例の燃料電池システムは、イオン交換装置の詳細構成において、第1の実施例の燃料電池システム1000(図1)と異なり、他の構成は第1の実施例と同じである。
C. Third embodiment:
FIG. 9 is an explanatory diagram showing detailed configurations of the
具体的には、第3の実施例のイオン交換装置200bにおいて、板状部210bは、第1の実施例における板状部210(図2)と異なり、X−Y平面の断面は矩形である。また、板状部210bは、上述した各挿入部222,224,242,244に加えて、8つの挿入部を備えている。具体的には、燃料電池100との当接する端面S201において、酸化剤ガス供給マニホールド103aに対応する位置に挿入部232を備えている。また、板状部210bを挟んで挿入部232と反対側に挿入部234を備えている。同様に、端面S201において、燃料ガス供給マニホールド104aに対応する位置に挿入部262を備え、板状部210bを挟んで挿入部262と反対側に挿入部264を備えている。また、端面S201において、燃料ガス排出マニホールド104bに対応する位置に挿入部272を備え、板状部210bを挟んで挿入部272と反対側に挿入部274を備えている。また、端面S201において、酸化剤ガス排出マニホールド103bに対応する位置に挿入部282を備え、板状部210bを挟んで挿入部282と反対側に挿入部284を備えている。
Specifically, in the
上述した各挿入部232,234,262,264,272,274,282,284は、いずれも、挿入部222,224,242,244と同様に、中空の筒状構造を有している。しかし、これらの挿入部232,234,262,264,272,274,282,284において、互いに対応する挿入部の間(板状部210b内部の空間)は、トンネル状となっており板状部210bの内部のイオン交換体250(図示省略)とは繋がっていない。このような構成により、イオン交換装置200bは、挿入部262と挿入部264と板状部210bとからなる流路により、燃料ガス供給路322(図1)と燃料ガス供給マニホールド104a(図9)とを接続している。同様に、イオン交換装置200bは、挿入部232と挿入部234と板状部210bとからなる流路によって酸化剤ガス供給路312と酸化剤ガス供給マニホールド103aとを接続している。また、イオン交換装置200bは、挿入部272と挿入部274と板状部210bとからなる流路により、燃料ガス排出路324(図1)と燃料ガス排出マニホールド104bとを接続している。また、イオン交換装置200bは、挿入部282と挿入部284と板状部210bとからなる流路により、酸化剤ガス排出路314と酸化剤ガス排出マニホールド103bとを接続している。
Each of the
以上の構成を有する第3の実施例の燃料電池システムも、第1の実施例の燃料電池システム1000と同様な効果を奏する。また、板状部210bは、燃料電池100と当接する端面S201が矩形であるので、イオン交換体250(図示省略)の収容スペースを大きく取ることができる。また、イオン交換装置200bの外側面(端面S201と反対側の端面)を広くすることができ、補機(循環ポンプP1等)を取り付けるためのスペースとして広いスペースを確保することができる。また、イオン交換装置200bは、燃料電池100の各マニホールドに挿入する挿入部を備えているので、燃料電池100にしっかり固定することができる。
The fuel cell system of the third embodiment having the above configuration also has the same effect as the
D.変形例:
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
D. Variations:
In addition, elements other than the elements claimed in the independent claims among the constituent elements in each of the above embodiments are additional elements and can be omitted as appropriate. The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
D1.変形例1:
上述した各実施例では、イオン交換体250は、陽イオン(カチオン)交換樹脂から成るものとしたが、これに代えて、特定金属のみを選択的に補足するキレート樹脂を採用することもできる。また、陽イオン交換樹脂に加えて、陰イオン(アニオン)交換樹脂を用いたイオン交換装置をイオン交換装置200,200a,200bと並列に配置することもできる。なお、有機質のイオン交換樹脂に代えて、無機質のイオン交換体を採用することもできる。なお、各セパレータを金属製ではなくカーボン製とすることもでき、この場合、冷媒中に溶出したカーボンを吸着するイオン交換樹脂をイオン交換体250として採用することができる。すなわち、一般には、燃料電池100から冷却媒体中に溶出するイオンを吸着・吸収することができる任意のイオン交換体を、本発明の燃料電池システムにおいて採用することができる。
D1. Modification 1:
In each of the above-described embodiments, the
D2.変形例2:
上述した各実施例では、イオン交換装置200,200a,200bは、表面がすべて絶縁部材で覆われていたが、これに代えて、一部を絶縁部材で覆わない構成とすることもできる。具体的には、例えば、第1の実施例におけるイオン交換装置200(図2)のうち、各挿入部222,224,242,244の表面は絶縁部材で覆い、板状部210の表面は絶縁部材で覆わない構成とすることもできる。この構成においては、端面S200とエンドプレート30aの外側面S100とをシール部252,254でのみ当接させて他の部分は接しないように配置することで、絶縁を確保することができる。また、例えば、第1の実施例における各挿入部222,224,242,244の表面を絶縁部材で覆わないようにすることもできる。この場合であっても、冷却媒体供給マニホールド102aや冷却媒体排出マニホールド102bの内面を絶縁部材で覆うことで、絶縁を確保することができる。
D2. Modification 2:
In each of the embodiments described above, the surfaces of the
D3.変形例3:
上述した第3の実施例では、イオン交換装置200bに形成された各挿入部(冷却媒体が通る挿入部222,224,242,244を除く)は、反応ガス(水素ガス及び空気)の各流路312,314,322,324と、燃料電池100の各マニホールド103a,103b,104a,104bと、を1対1で接続するものであったが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、燃料電池が複数の燃料ガス供給マニホールドを備える構成の場合、イオン交換装置200bを、燃料ガス供給路322から供給される水素ガスをこれらの複数の燃料ガス供給マニホールドに分配するための分配管として機能させることもできる。このようにすることで、イオン交換装置200bとは別に分配管を設ける構成に比べて部品点数を減らすことができ、燃料電池システムの製造コストを抑えることができる。
D3. Modification 3:
In the third embodiment described above, each insertion portion (except for the
D4.変形例4:
上述した第3の実施例では、燃料電池100の備える全てのマニホールド102a,103a,104a,102b,103b,104bに対応して挿入部を備える構成であったが、これに代えて、一部の挿入部を省略する構成とすることもできる。また、第2の実施例と同様に、全ての挿入部を省略する構成とすることもできる。
D4. Modification 4:
In the third embodiment described above, the insertion portion is provided corresponding to all the
D5.変形例5:
上述した各実施例では、シール部252,254は、いずれもイオン交換装置200,200a,200b側に形成されていたが、これに代えて、又は、これに加えて、燃料電池100側に形成することもできる。
D5. Modification 5:
In each of the above-described embodiments, the
10…積層体
20…セルモジュール
30a,30b…エンドプレート
31a,31b…テンションプレート
32…ボルト
33a,33b…インシュレータ
34a…正極ターミナルプレート
34b…負極ターミナルプレート
100…燃料電池
102a…冷却媒体供給マニホールド
102b…冷却媒体排出マニホールド
103a…酸化剤ガス供給マニホールド
103b…酸化剤ガス排出マニホールド
104a…燃料ガス供給マニホールド
104b…燃料ガス排出マニホールド
200,200a,200b…イオン交換装置
210,210b…板状部
222…第1供給側挿入部
223…中空部
224…第2供給側挿入部
242…第1排出側挿入部
243…中空部
244…第2排出側挿入部
250…イオン交換体
252,254…シール部
232,234,262,264,272,274,282,284…挿入部
280…バイパス
302…冷却媒体供給路
304…冷却媒体排出路
310…冷却媒体循環路
312…酸化剤ガス供給路
314…酸化剤ガス排出路
322…燃料ガス供給路
324…燃料ガス排出路
400…ラジエータ
500…水素タンク
1000…燃料電池システム
S200,S201…端面
S100…外側面
P1…循環ポンプ
P2…エアコンプレッサ
Bd…ボディ
Br…据付部材
AR1,AR2,AR3,AR4…スペース
DESCRIPTION OF
Claims (5)
積層された複数のセルモジュールと、前記複数のセルモジュールの積層体の両端に配置された一対の板状のエンドプレートと、各セルモジュールに前記冷却媒体を供給するための冷却媒体供給マニホールドと、各セルモジュールから前記冷却媒体を排出するための冷却媒体排出マニホールドと、を有する燃料電池と、
前記一対のエンドプレートのうち一方のエンドプレートの外側面と当接する端面と、前記冷却媒体供給マニホールドと前記冷却媒体排出マニホールドとを繋ぎ、イオン交換体を有する冷却媒体のバイパス流路と、を有するイオン交換装置と、
を備える、燃料電池システム。 A fuel cell system,
A plurality of stacked cell modules, a pair of plate-like end plates disposed at both ends of the stacked body of the plurality of cell modules, a cooling medium supply manifold for supplying the cooling medium to each cell module, A cooling medium discharge manifold for discharging the cooling medium from each cell module, and a fuel cell,
An end surface that contacts the outer surface of one end plate of the pair of end plates, a cooling medium bypass passage that connects the cooling medium supply manifold and the cooling medium discharge manifold, and has an ion exchanger. An ion exchange device;
A fuel cell system comprising:
前記イオン交換装置は、
前記端面から突出して形成され、前記冷却媒体供給マニホールドに挿入される供給側挿入部と、
前記端面から突出して形成され、前記冷却媒体排出マニホールドに挿入される排出側挿入部と、
を備える、燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1,
The ion exchange device
A supply-side insertion portion that protrudes from the end face and is inserted into the cooling medium supply manifold;
A discharge side insertion portion that is formed to protrude from the end face and is inserted into the cooling medium discharge manifold;
A fuel cell system comprising:
前記供給側挿入部と前記排出側挿入部とは、いずれも表面が絶縁部材で覆われている、燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 2, wherein
Both the supply side insertion portion and the discharge side insertion portion are fuel cell systems, the surfaces of which are covered with an insulating member.
前記イオン交換装置は、前記端面において、気密性を保つためのシール部材を有する、燃料電池システム。 In the fuel cell system according to any one of claims 1 to 3,
The ion exchange device is a fuel cell system having a seal member for maintaining airtightness at the end face.
前記燃料電池は、積層された複数のセルモジュールと、前記複数のセルモジュールの積層体の両端に配置された一対の板状のエンドプレートと、各セルモジュールに前記冷却媒体を供給するための冷却媒体供給マニホールドと、各セルモジュールから前記冷却媒体を排出するための冷却媒体排出マニホールドと、を有し、
前記イオン交換装置は、
前記一対のエンドプレートのうち一方のエンドプレートの外側面と当接可能な端面と、
前記冷却媒体供給マニホールドと前記冷却媒体排出マニホールドとを繋ぐことができ、イオン交換体を有する冷却媒体のバイパス流路と、
を備える、イオン交換装置。 An ion exchange device for a cooling medium supplied to a fuel cell,
The fuel cell includes a plurality of stacked cell modules, a pair of plate-like end plates disposed at both ends of the stacked body of the plurality of cell modules, and cooling for supplying the cooling medium to each cell module. A medium supply manifold and a cooling medium discharge manifold for discharging the cooling medium from each cell module;
The ion exchange device
An end surface capable of abutting against an outer surface of one end plate of the pair of end plates;
The cooling medium supply manifold and the cooling medium discharge manifold can be connected, and a cooling medium bypass flow path having an ion exchanger;
An ion exchange apparatus comprising:
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