JP2009295511A

JP2009295511A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2009295511A
Application number: JP2008149782A
Authority: JP
Inventors: Goji Katano; 剛司片野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-06-06
Filing date: 2008-06-06
Publication date: 2009-12-17
Anticipated expiration: 2028-06-06
Also published as: JP5332324B2

Abstract

【課題】ガスを送り出すポンプを効率良く放熱させることが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】ケース５１内に収容された燃料電池１０の燃料電池スタック６３と、ケース５１内の水素を検出する水素ディテクタ５４と、燃料電池スタック６３のエンドプレート６２に固定された水素ポンプ３９とを備えた燃料電池システムにおいて、水素ポンプ３９と燃料電池スタック６３のエンドプレート６２との間に介在された熱伝性媒体８２と、この熱伝性媒体８２を水素ポンプ３９と燃料電池スタック６３のエンドプレート６２との間に保持させるシール部材８１とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、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開発されている。このような燃料電池システムには、燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路に、燃料電池から排出された燃料オフガスを燃料オフガス循環路を介して戻すことで、燃料オフガスに含まれる燃料ガス成分を有効利用するものがあり、燃料オフガス循環路には、燃料オフガスを吸引して送り出す燃料オフガス循環ポンプが設けられることになる。
そして、この循環ポンプを燃料電池スタックのエンドプレートに取り付けることが行われている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−１６４０２号公報

上記のように、燃料電池スタックのエンドプレートに燃料オフガス循環用のポンプを取り付けると、ポンプにて発生した熱を燃料電池スタック側へ伝達させて放熱効果を得ることができる。
しかし、単に燃料電池スタックのエンドプレートにポンプを取り付けただけでは、ポンプの熱がエンドプレートに伝わり難い。
特に、低温対策のために、燃料系の配管とともに燃料電池をケース内に収容した構造では、ポンプの放熱が良好に行われないという問題があった。
この場合、ポンプとエンドプレートとの間に熱を伝達させるシリコングリースなどの熱伝性媒体を塗布することが考えられるが、熱伝性媒体が熱で揮発すると、ケース内の水素を検出する水素漏れ検出用の水素ディテクタに揮発物が付着し、水素ディテクタの精度低下を招くおそれがある。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、ガスを送り出すポンプを効率良く放熱させつつ、水素ディテクタなどのガスディテクタの汚染を防止することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

前記目的を達成する本発明は、ケース内に収容された燃料電池スタックと、前記ケース内の燃料ガスを検出するガスディテクタと、前記燃料電池スタックに固定されたポンプとを有する燃料電池システムであって、前記ポンプと前記燃料電池スタックとの間に介在された熱伝性媒体と、この熱伝性媒体を前記ポンプと前記燃料電池スタックとの間に保持させる保持部材とを有することを特徴とする。

かかる構成によれば、ケース内に設けられた燃料電池スタックに、熱伝性媒体を介してポンプが固定されているので、ポンプの熱を熱伝性媒体によって良好に燃料電池スタックへ放出させ、ポンプを効率良く放熱させることができ、ポンプの性能を長期にわたって良好な状態に維持することができる。
また、熱伝性媒体の揮発ガスがガスディテクタに影響を与えるものであっても、熱伝性媒体が保持部材によってポンプと燃料電池スタックとの間に保持された状態に維持されるので、熱伝性媒体の揮発によるガスディテクタの汚染を防止することができる。

前記燃料電池システムにおいて、前記保持部材は、前記ポンプと前記燃料電池スタックの間の前記熱伝性媒体の周囲に配されたシール部材であってもよい。

かかる構成によれば、熱伝性媒体の周囲に配されたシール部材によって熱伝性媒体を良好に保持することができる。

前記燃料電池システムにおいて、前記シール部材は、前記ポンプあるいは前記燃料電池スタックのいずれか一方に形成された溝部に嵌合されて装着されていてもよい。

前記熱伝性媒体は、前記ポンプ又は前記燃料電池スタックのうちの前記シール部材の装着側に設けられていてもよい。

かかる構成によれば、熱伝性媒体が、ポンプあるいは燃料電池スタックのシール部材の装着側に設けられているので、シール部材と同じ部材に熱伝性媒体を設けた状態でポンプを燃料電池スタックへ固定することができる。これにより、燃料電池スタックへのポンプの固定時に、シール部材に熱伝性媒体が付着するような不具合を抑制することができ、良好なシール性を確保することができる。

前記燃料電池システムにおいて、前記ポンプは、モータ部と、このモータ部によって駆動されて流体を送り出すポンプ部とを備え、前記モータ部と前記燃料電池スタックとが固定されていてもよい。

かかる構成によれば、発熱するモータ部を燃料電池スタックへ固定することができ、燃料電池スタックへの放熱効率を高めることができる。

前記燃料電池システムにおいて、前記ポンプのポンプ部と前記燃料電池スタックとを位置決めする位置決め手段を備えていてもよい。

かかる構成によれば、ポンプ部を高精度に位置決めした状態にてポンプを燃料電池スタックに固定することができ、精度が要求されるポンプ部への配管の接続を良好に行うことができる。

本発明によれば、ガスを送り出すポンプを効率良く放熱させつつ、ガスディテクタの汚染を防止することが可能な燃料電池システムを提供することができる。

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について説明する。

まず、図１を用いて、燃料電池１０を用いた発電システムである燃料電池システム１の構成について説明する。

燃料電池システム１は、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池１０を備えるとともに、燃料電池１０に酸化ガスとしての空気を供給する酸化ガス配管系２、燃料電池１０に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス配管系３、燃料電池１０を冷却する冷却系４等を備えている。

酸化ガス配管系２は、図示略の加湿器により加湿された空気を燃料電池１０に供給する空気供給流路２０と、燃料電池１０から排出された空気のオフガスを希釈器２１に導く空気排出流路２２と、希釈器２１から車外に空気の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２０には、空気を燃料電池１０に圧送するエアコンプレッサ２４と、空気供給流路２０を開閉する入口弁２５とが設けられている。空気排出流路２２には空気圧を調整するエア調圧弁２６と、空気排出流路２２を開閉する出口弁２７とが設けられている。

水素ガス配管系３は、高圧の水素ガスを貯留した燃料供給源である水素タンク（燃料ガス供給源）３０から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から排出された水素ガスのオフガスを水素供給流路３１に戻すための循環流路３２とを備えている。

水素供給流路３１には、循環流路３２の合流位置よりも上流側に水素タンク３０からの水素ガスの供給を制御するインジェクタ３３が設けられている。インジェクタ３３は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。

循環流路３２には、気液分離器３６および排気排水弁（排気弁）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、水素ガスのオフガスから水分を回収するものである。排気排水弁３７は、気液分離器３６で回収した水分と、循環流路３２内の不純物を含む水素ガスの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、燃料電池１０から排出された循環流路３２内の水素ガスのオフガスを加圧して水素供給流路３１側へ送り出して燃料電池１０に戻す水素ポンプ（循環ポンプ）３９が設けられている。この水素ポンプ３９は、後述すように燃料電池１０のケース内に設けられている。なお、排気排水弁３７および排出流路３８を介して排出される水素ガスのオフガスは、希釈器２１によって空気排出流路２２の空気のオフガスと合流して希釈されるようになっている。

上記した燃料電池システム１の通常運転時においては、水素タンク３０からインジェクタ３３で制御されて水素ガスが水素供給流路３１を介して燃料電池１０の燃料極に供給されるとともに、エアコンプレッサ２４の駆動により空気が空気供給流路２０を介して燃料電池１０の酸化極に供給されることにより、発電が行われる。そして、水素ガスの燃料電池１０から排出されたオフガスが、水素ポンプ３９の駆動により、気液分離器３６で水分が除去されてから水素供給流路３１に導入され、水素タンク３０側の水素ガスと適宜混合されて再び燃料電池１０に供給される。

また、適宜のタイミングで排気排水弁３７が開弁させられると、気液分離器３６で回収した水分と、循環流路３２内の不純物を含む水素ガスのオフガスとが希釈器２１に導入される。すると、希釈器２１では、水分と水素ガスのオフガスを、燃料電池１０から空気排出流路２２を介して排出された空気のオフガスを混合することで希釈した後、排気流路２３を介して車外に排気する。

冷却系４は、燃料電池１０に冷却水を循環させる冷却流路４０を有している。冷却流路４０には、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ４１、および冷却水を加圧して循環させる冷却水ポンプ４２が設けられている。

図２に示すように、燃料電池１０は、ケース５１内に収容されている。このケース５１は、下部ケース５２と上部ケース５３とからなる上下半割り構造であり、下部ケース５２のフランジ部５２ａと上部ケース５３のフランジ部５３ａとが互いに接合されている。
また、ケース５１には、その上部ケース５３に、水素漏れ検出用の水素ディテクタ５４が取り付けられており、この水素ディテクタ５４は、ケース５１内の水素を検出する。

燃料電池１０は、反応ガスの供給を受けて発電するセル６１を所要数積層し、この積層方向の両端部がエンドプレート６２で支持された燃料電池スタック６３を有している。

図３に示すように、一方のエンドプレート６２には、循環ポンプである水素ポンプ３９が取り付けられている。
水素ポンプ３９は、気液二相流体用の圧縮機であって、モータ部７１と、このモータ部７１に一体的に並設されてモータ部７１により駆動されるポンプ部７２とを有している。

そして、この水素ポンプ３９には、ポンプ部７２の接続部７２ａ，７２ｂに、循環流路３２の配管が接続され、モータ部７１によりポンプ部７２が駆動されることにより、燃料電池１０のアノード側から水素オフガスを吸引し、圧縮して水素供給流路３１に送り出す。

この水素ポンプ３９のポンプ部７２には、位置決め孔（位置決め手段）７７が形成されており、この位置決め孔７７には、図４にも示すように、エンドプレート６２に設けられた位置決めピン（位置決め手段）７８が嵌合される。
また、この水素ポンプ３９のモータ部７１は、両側部へ突出するステー７３を有している。これらステー７３には、ボルト挿通孔７４が形成されている。また、エンドプレート６２には、エンドプレート６２の位置決めピン７８をポンプ部７２の位置決め孔７７に嵌合させた状態にて、ステー７３のボルト挿通孔７４と合致するボルト孔７６が形成されている。

そして、エンドプレート６２の位置決めピン７８をポンプ部７２の位置決め孔７７に嵌合させ、ステー７３のボルト挿通孔７４とボルト孔７６とを合致させた状態にて、ボルト挿通孔７４に固定ボルト７５を挿入し、当該固定ボルト７５をエンドプレート６２のボルト孔７６にねじ込むことにより、水素ポンプ３９はエンドプレート６２に位置決めされて固定される。

エンドプレート６２と水素ポンプ３９のモータ部７１との間（接触面）には、環状のＯリングからなるシール部材８１が配設されている。
また、このシール部材８１の内周側には、シリコングリースからなる熱伝性媒体８２が塗布されており、エンドプレート６２と水素ポンプ３９のモータ部７１とが、熱伝性媒体８２を介して互いに密着されている。

本実施の形態では、エンドプレート６２に、環状の溝部８３が形成されており、その溝部８２にシール部材８１が嵌合されている。熱伝性媒体８２は、そのシール部材８１が装着されたエンドプレート６２に塗布されている。つまり、熱伝性媒体８２は、シール部材８１が装着された部材に塗布されている。

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、ケース５１内に設けられた燃料電池スタック６３のエンドプレート６２に、熱伝性媒体８２を介して水素ポンプ３９が固定されているので、水素ポンプ３９の熱を熱伝性媒体８２によって良好に燃料電池スタック６３側に放出させ、水素ポンプ３９を効率良く放熱させることができる。よって、水素ポンプ３９の性能を長期にわたって良好な状態に維持することができる。

また、熱伝性媒体８２がシール部材８１によって水素ポンプ３９と燃料電池スタック６３のエンドプレート６２との間に保持された状態に維持されるので、熱伝性媒体８２の揮発による水素ディテクタ５４の汚染を防止することができる。

また、シール部材８１が燃料電池スタック６３のエンドプレート６２に形成された溝部８３に嵌合されて装着され、熱伝性媒体８２がシール部材８１の装着側であるエンドプレート６２に塗布されているので、熱伝性媒体８２をシール部材８１と同じ部材に塗布した状態で、水素ポンプ３９を燃料電池スタック６３へ固定することができる。これにより、燃料電池スタック６３への水素ポンプ３９の固定時に、シール部材８１に熱伝性媒体８２が付着するような不具合を抑制することができ、良好なシール性を確保することができる。

なお、水素ポンプ３９のモータ部７１に溝部８３を形成してシール部材８１を嵌合させて装着した場合は、熱伝性媒体８２は、シール部材８１の装着側である水素ポンプ３９のモータ部７１に塗布してもよい。

また、水素ポンプ３９を構成するモータ部７１と燃料電池スタック６３のエンドプレート６２とを締結固定したので、発熱するモータ部７１を燃料電池スタック６３のエンドプレート６２へ強固に固定することができ、燃料電池スタック６３のエンドプレート６２への放熱効率を高めることができる。

さらに、配管との接続のために高精度な位置決めを要する水素ポンプ３９のポンプ部７２と燃料電池スタック６３のエンドプレート６２とを位置決めする位置決め手段である位置決め孔７７と位置決めピン７８とを備えているので、ポンプ部７２を高精度に位置決めした状態にて水素ポンプ３９を燃料電池スタック６３のエンドプレート６２に固定することができ、ポンプ部７２への配管の接続を良好に行うことができる。

なお、熱伝性媒体８２としては、シリコングリースに限らず、例えば、フッ素ジェルでも良い。さらに、熱伝性媒体８２としてシリコンシートを介在させても良い。
また、熱伝性媒体８２を保持する保持部材としては、揮発した熱伝性媒体８２を吸着する吸着剤や揮発した熱伝性媒体８２を溜めておくような溜り部であっても良い。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。ケースに収容された燃料電池の概略断面図である。水素ポンプが固定された燃料電池スタックの正面図である。水素ポンプが固定される燃料電池スタックの正面図である。

符号の説明

１燃料電池システム
３９水素ポンプ（ポンプ）
５１ケース
５４水素ディテクタ
６３燃料電池スタック
７１モータ部
７２ポンプ部
７７位置決め孔（位置決め手段）
７８位置決めピン（位置決め手段）
８１シール部材（保持部材）
８２熱伝性媒体
８３溝部。

Claims

ケース内に収容された燃料電池スタックと、前記ケース内の燃料ガスを検出するガスディテクタと、前記燃料電池スタックに固定されたポンプとを有する燃料電池システムであって、
前記ポンプと前記燃料電池スタックとの間に介在された熱伝性媒体と、この熱伝性媒体を前記ポンプと前記燃料電池スタックとの間に保持させる保持部材とを有することを特徴とする、燃料電池システム。
前記保持部材は、前記ポンプと前記燃料電池スタックの間の前記熱伝性媒体の周囲に配されたシール部材であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
前記シール部材は、前記ポンプあるいは前記燃料電池スタックのいずれか一方に形成された溝部に嵌合されて装着されてい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。
前記熱伝性媒体は、前記ポンプ又は前記燃料電池スタックのうちの前記シール部材の装着側に設けられることを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池システム。
前記ポンプは、モータ部と、このモータ部によって駆動されて流体を送り出すポンプ部とを備え、前記モータ部と前記燃料電池スタックとが固定されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。
前記ポンプのポンプ部と前記燃料電池スタックとを位置決めする位置決め手段を備えることを特徴とする、請求項５に記載の燃料電池システム。