JP2010232189A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムにおける補機類、配管等を確実に保護し、補機類、配管等から流体が外部に漏れ出すことを確実に抑止する。
【解決手段】本発明の燃料電池システム１０は、水素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１２ａ，１２ｂと、燃料電池スタック１２ａ，１２ｂが固定されたエンドプレート１４と、燃料電池スタック１２ａ，１２ｂに水素ガスを供給するための水素系部品（水素入口弁２０、レギュレータ２２、水素ポンプ２４、気液分離器２６、水素排出弁２８、水素供給管３０、水素排出管３２、分配管３４，３６、連結管３８，４０，４２）と、少なくとも燃料電池スタック１２ａ，１２ｂ及び水素系部品を収納するスタックケース１８と、を備え、水素系部品を集合化してエンドプレート１４に取り付けたものである。
【選択図】図２

Description

この発明は、燃料電池システムに関する。

従来、例えば特開２００２−３６７６３７号公報には、燃料電池において、水素系配管を最も車両内側に配置することにより、水素配管の安全性を向上する技術が開示されている。

特開２００２−３６７６３７号公報 特開２００２−３６２１６４号公報 特開２００２−３６７６６４号公報 特開２００２−３６２４７０号公報 特開２００３−１４６０８７号公報

しかしながら、特開２００２−３６７６３７号公報に開示された技術では、配管の安全性については考慮されているが、水素系の補機類の安全性については補機類の振動抑制、剛性アップ等をスタックケース外で対処することになる。従って、燃料電池を搭載した車両が衝突した場合等においては、燃料電池の周辺に配置された水素系の補機類が衝撃で動き、補機類が損傷を受ける場合がある。また、衝突時等には、各補機類の連結部に歪みが生じ、連結部に亀裂、損傷が発生する場合がある。そして、この結果、水素ガスが外部に漏れ出してしまう虞がある。

燃料電池の周辺には、酸化ガスを供給／排出するための酸素系部品、冷却液を供給／排出するための冷却系部品が配置されている。これらの部品についても、衝突時等に損傷を受けると、酸化ガス、冷却液が漏れ、燃料電池の信頼性が低下する。

この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、燃料電池システムにおける補機類、配管等を確実に保護し、補機類、配管等から流体が外部に漏れ出すことを確実に抑止することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、水素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と、前記燃料電池スタックが固定されたエンドプレートと、前記燃料電池スタックに水素ガスを供給するための水素系部品と、少なくとも前記燃料電池スタック及び前記水素系部品を収納するスタックケースと、を備え、前記水素系部品を集合化して前記エンドプレートに取り付けたことを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、前記水素系部品は、水素ガスを前記燃料電池スタックに送るための補機類、又は配管を含むことを特徴とする。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記水素系部品は支持部材に装着されることで集合化され、前記支持部材が前記エンドプレートに固定されていることを特徴とする。

第４の発明は、第１〜第３の発明のいずれかにおいて、前記燃料電池スタックに酸化ガスを供給するための酸素系部品、又は前記燃料電池スタックに冷却液を供給するための冷却系部品が前記スタックケース内に収納されていることを特徴とする。

第５の発明は、第１〜第４の発明のいずれかにおいて、燃料電池システムは車両に搭載されることを特徴とする。

第１の発明によれば、水素系部品をスタックケース内に収納し、水素系部品を集合化してエンドプレートに取り付けたため、外力により水素系部品が損傷を受けてしまうことを抑止できる。特にエンドプレートは剛性が高いため、外力による衝撃で各水素系部品が相対的に移動することが抑えられるため、各水素系部品又はこれらの連結部が損傷を受けることを確実に抑止できる。従って、燃料電池システム１０の信頼性を高めることが可能となる。

第２の発明によれば、水素ガスを燃料電池スタックに送るための補機類、又は配管が外力により損傷を受けてしまうことを抑止できる。

第３の発明によれば、水素系部品を支持部材に装着して集合化しているため、エンドプレートへの水素系部品の取り付けを容易に行うことが可能となる。また、水素系部品を支持部材に装着した状態で水素系部品のみの機能チェックを行うことも可能となる。従って、組立工程、検査工程の効率を高めることが可能となる。

第４の発明によれば、酸素系部品、又は冷却系部品をスタックケース内に収納したため、外力により酸素系部品、又は冷却系部品が損傷を受けてしまうことを抑止できる。従って、燃料電池システム１０の信頼性を高めることが可能となる。

第５の発明によれば、燃料電池を搭載した車両が衝突した場合であっても、水素系部品が損傷を受けてしまうことを抑止できる。

本発明の一実施形態にかかる燃料電池システムを示す平面図である。 燃料電池システムの構成を詳細に示す模式図である。 図１に示す矢印Ａ方向から燃料電池システムのスタックケースの内部を見た状態を示す模式図である。

以下、図面に基づいてこの発明の一実施形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施形態にかかる燃料電池システム１０を示す平面図である。燃料電池システム１０は、主として燃料電池自動車などに搭載されるものである。燃料電池システム１０は燃料電池１２を備えている。燃料電池１２は、２つの燃料電池スタック１２ａ，１２ｂと、燃料電池スタック１２ａ，１２ｂの端部に配置されたエンドプレート１４を備えている。

本実施形態において、燃料電池スタック１２ａ，１２ｂは、固体高分子分離膜を備えた固体高分子型の燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であり、電解質膜、アノード、カソード、およびセパレータとから構成されるセルを複数積層して構成される。アノード、カソードの間には、水素ガスおよび酸化ガスの流路が形成されている。電解質膜は、フッ素系の固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。アノードおよびカソードは、共に炭素繊維を織成したカーボンクロスにより形成されている。セパレータは、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンなどガス不透過の導電性部材により形成されている。

２つの燃料電池スタック１２ａ，１２ｂは、エンドプレート１４に固定されている。エンドプレート１４には、燃料電池スタック１２ａ，１２ｂに水素ガス、酸化ガスを供給する供給部と、燃料電池スタック１２ａ，１２ｂから反応後のガスを排出する排出部が設けられている。また、エンドプレート１４には、燃料電池スタック１２ａ，１２ｂ内を循環する冷却液の供給部、排出部が設けられている。

エンドプレート１４には、ブラケット（支持部材）１６が装着されている。ブラケット１６は板材等から成り、ボルト等によりエンドプレート１４に固定されている。そして、図１に模式的に示すように、ブラケット１６には水素系部品が装着されている。

燃料電池１２の周囲はスタックケース１８によって囲まれている。燃料電池１２、エンドプレート１４、ブラケット１６、および水素系部品など、燃料電池１２の周辺の構成部材は、スタックケース１８の内部に収納されている。

図２は、燃料電池システム１０の構成を詳細に示す模式図であって、特にブラケット１６に装着された水素系部品の構成を詳細に示している。

図２に示すように、ブラケット１６上には水素系部品が装着されている。水素系部品は、水素入口弁２０、レギュレータ２２、水素ポンプ２４、気液分離器２６、水素排出弁２８などの補機類、およびこれらに接続された配管（水素供給管３０、水素排出管３２、分配管３４，３６、連結管３８，４０，４２）を含むものである。このように、本実施形態では、水素系部品をブラケット１６上に装着することでモジュール化し、水素系部品をスタックケース１８内に収納している。

図２に示すように、スタックケース１８の外側から水素供給管３０が導入されている。水素供給管３０は、スタックケース１８の外側に配置された水素タンク（図１、図２において不図示）と接続されている。

水素供給管３０は、水素入口弁２０、およびレギュレータ２２を介して分配管３４と接続されている。分配管３４は燃料電池１２内に導入されている。水素タンク内の水素ガスは、水素供給管３０から水素入口弁２０、レギュレータ２２へ送られ、更に分配管３４を通って燃料電池１２の内部へ供給される。

燃料電池１２内に送られた水素ガスは燃料電池１２内で反応し、反応後のガスは分配管３６から排出される。分配管３６は気液分離器２６と接続されている。気液分離器２６では、反応後のガス中から水分を分離する。分離された水分は、連結管４２を通って水素排出弁２８に送られる。

水素排出弁２８は所定のタイミングで開かれる。水素排出弁２８が開かれると、水素排出弁２８内の水分および反応後の水素ガスの一部が水素排出管３２に送られ、これらの水分およびガスはスタックケース１８の外部に排出される。水素排出管３２はスタックケース１８の外部において排出ガス処理装置（図１、図２において不図示）と接続されている。水素排出管３２から排出されたガス、水分は、排出ガス処理装置において希釈等の所定の処理が行われ、外部に排出される。

気液分離器２６で水分が分離された後のガスは、連結管３８から水素ポンプ２４へ送られる。水素ポンプ２４は、気液分離器２６から送られたガスを連結管４０から分配管３４へ送る。このように、本実施形態のシステムは、燃料電池１２から排出された反応後の水素ガスを再び燃料電池１２に送るアノードガス循環系を備えており、燃料電池１２で反応しなかった未反応の水素ガスを燃料電池１２内へ再度送ることで、供給した水素ガスを確実に反応させるようにしている。

図３は、図１に示す矢印Ａ方向から燃料電池システム１０のスタックケース１８の内部を見た状態を示す模式図である。図３に示すように、ブラケット１６はエンドプレート１４と平行に配置された板状の部材からなり、ブラケット６はエンドプレート１４の面方向に延在している。そして、図２では水素系部品の配置状態を模式的に示しているが、実際の配置では、図３に示すように、水素系部品はブラケット１６の面上に配置されている。従って、図１に示すように、エンドプレート１４の厚み方向における水素系部品のスペースを最小限に抑えることができ、スタックケース１８の小型化を図ることが可能である。

図３に示すように、分配管３４の燃料電池１２側の端部は、エンドプレート１４に設けられた２箇所の水素供給部４４と接続されている。分配管３４に送られた水素ガスは、２箇所の水素供給部４４から燃料電池１２の内部に供給される。また、分配管３６の燃料電池１２側の端部は、エンドプレート１４に設けられた２箇所の水素排出部４６と接続されている。燃料電池１２から排出された反応後のガスは、水素排出部４６から分配管３６へ排出される。

なお、図１〜図３では図示を省略するが、ブラケット１６の近傍には、燃料電池１２内に酸化ガスを供給／排出するための酸素系部品、冷却液を供給／排出するための冷却系部品が設けられている。酸素系部品、冷却系部品は、酸化ガスまたは冷却液を供給するためのポンプ、調圧弁などを含むものである。図１〜図３では、水素系部品のみをブラケット１６上に装着しているが、ブラケット１６上には酸素系部品、冷却系部品を装着しても良い。

このように構成された本実施形態の燃料電池システム１０では、水素系部品をブラケット１６に装着して、スタックケース１８内に収納しているため、例えば車両衝突時などにスタックケース１８により水素系部品を保護することができ、水素系部品に対する信頼性を高めることができる。

燃料電池システム１０が燃料電池自動車などの車両に搭載される場合、燃料電池システム１０は、通常、車両のエンコパ（ボンネット）内に収納される。このとき、水素系部品がエンコパ内で剥き出しの状態で配置されていると、燃料電池システム１０を搭載した車両等が衝突等により損傷を受けた場合に、衝突による衝撃、またはエンコパ内の他の部品（例えば、ラジエター、冷却ファン、トランスミッションなど）が水素系部品と衝突することで、水素系部品が損傷を受ける場合がある。この場合、水素タンク内の高圧の水素ガスが水素系部品に供給されているため、水素系部品が損傷を受けると水素ガスが漏れ出すことが想定される。

本実施形態によれば、水素系部品はスタックケース１８内に収納されており、水素ガスの入口と出口のみがスタックケース１８の外に配置されているため、燃料電池システム１０を搭載した車両等が衝突により損傷を受けた場合であっても、水素系部品をスタックケース１８によって保護することができる。従って、衝突等によりスタックケース１８が衝撃を受けた場合、あるいはスタックケース１８の外側に他の部品が衝突したり、他の部品が飛散した場合であっても、水素系部品を確実に保護することができる。

また、水素系部品をブラケット１６に装着し、ブラケット１６を剛性の高いエンドプレート１４に固定しているため、衝突等により水素系部品に衝撃が加わった場合であってもブラケット１６、エンドプレート１４に歪みが生じることがない。従って、衝突時等においても、ブラケット１６に固定された各水素系部品の連結部に偏荷重が作用することがなく、水素系部品の連結部に亀裂、破損が生じてしまうことを確実に抑止できる。更に、ブラケット１６によりエンドプレート１４の剛性を更に高めることが可能となるため、エンドプレート１４を軽量化できるといった副次的効果が得られる。

更に、スタックケース１６への水素供給管３０、水素排出管３２の挿入位置を車両進行方向の後方に配置するなどして、車両衝突時に水素供給管３０、水素排出管３２が他の部品等から損傷を受けにくい位置としておくことで、スタックケース１８の外部における水素供給管３０、水素排出管３２の亀裂、損傷の発生を抑止できる。

従って、車両衝突時等においても水素系部品が損傷を受けることを抑止でき、水素ガスの漏れが生じることを確実に抑止できる。これにより、衝突時の信頼性を高めることが可能である。また、水素系部品をスタックケース１８内に収納することにより、ユーザが水素系部品に直接手を触れることがないため、誤った操作、点検等による故障等の発生を確実に回避できる。

また、水素系部品をブラケット１６に装着することで、複数の水素系部品をブラケット１６上に一体化（アセンブリ）した状態で取り扱うことができる。従って、燃料電池１２の周辺で複数の水素系部品を個別に組み付ける作業が不要となり、エンドプレート１４にブラケット１６を装着することのみで、燃料電池１２に対して水素系部品を組み付けることが可能となる。従って、燃料電池１２をエンコパ内に搭載した後、複数の水素系部品を搭載するために複雑な配管等の組み付けを行う必要が無くなり、組立工程を簡素にすることが可能となる。更に、水素系部品の機能チェックは、ブラケット１６に水素系部品が組み付けられたアセンブリの状態で行うことができるため、燃料電池１２に水素系部品を組み付ける前であっても、ブラケット１６のアセンブリの状態で水素系部品の機能チェックを行うことができる。従って、本実施形態によれば、水素系部品をブラケット１６に装着してアセンブリとしたことにより、検査工程、組立工程を簡素化することが可能となり、製造コストの低減を図ることができる。

また、ブラケット１６上の比較的狭い範囲に水素系部品が装着されるため、燃料電池１２に対して各水素系部品を個別に取り付けた場合に比べて、水素系部品の各補機類を接続する配管（水素供給管３０、水素排出管３２、分配管３４，３６、連結管３８，４０，４２）の長さを短くすることができる。従って、衝突時において配管に亀裂が生じたり、配管が変形してしまうことを確実に抑えることが可能となる。また、燃料電池１２の停止中に配管内に残存する水素ガス量を最小限に抑えることができ、水素ガスを有効に使用することができる。

更に、スタックケース１８内は燃料電池１２が発生した熱によって保温されるため、水素系部品、酸素系部品、冷却系部品をスタックケース１８内に収納することで、低温時の車両走行中においても、燃料電池１２内から排出された生成水が凍結してしまうことを抑止できる。

なお、上述した構成ではブラケット１６に水素系部品を装着した上で、ブラケット１６をエンドプレート１４に固定しているが、エンドプレート１４上に水素系部品を直接装着して、エンドプレート１４と水素系部品を一体化する構成としても良い。

以上説明したように本実施形態によれば、水素系部品をブラケット１６上に装着して、ブラケット１６を燃料電池１２のエンドプレート１４に固定したため、水素系部品をスタックケース１８内に収納することが可能となる。これにより、水素系部品が燃料電池１２の近傍に剥き出しの状態で配置されることがなく、車両の衝突時等において水素系部品が損傷を受けてしまうことを抑止できる。従って、燃料電池システム１０の信頼性を高めることが可能となる。

また、水素系部品をブラケット１６上に装着して一体化したため、燃料電池１２への水素系部品の組み付けを容易に行うことが可能となる。また、各水素系部品はブラケット１６上で接続され、配管等の連結が終了しているため、ブラケット１６と一体化した状態で、水素系部品のみの機能チェックを容易に行うことが可能となる。これにより、組立工程、検査工程を簡素化することができ、製造コストの低減を図ることも可能となる。

なお、本実施形態では、主として燃料電池自動車などに搭載される燃料電池システム１０を例に挙げて説明したが、据え置きタイプの燃料電池システムなど、他の燃料電池システムに本発明を適用することも勿論可能である。この場合においても、燃料電池システムに外力がかかった場合等において、水素系部品が損傷を受けてしまうことを抑止できる。

１０ 燃料電池システム
１２ 燃料電池
１２ａ，１２ｂ 燃料電池スタック
１４ エンドプレート
１６ ブラケット
１８ スタックケース
２０ 水素入口弁
２２ レギュレータ
２４ 水素ポンプ
２６ 気液分離器
２８ 水素排出弁
３０ 水素供給管
３２ 水素排出管
３４，３６ 分配管
３８，４０，４２ 連結管

Claims (5)

1. 水素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と、
   前記燃料電池スタックが固定されたエンドプレートと、
   前記燃料電池スタックに水素ガスを供給するための水素系部品と、
   少なくとも前記燃料電池スタック及び前記水素系部品を収納するスタックケースと、
   を備え、
   前記水素系部品を集合化して前記エンドプレートに取り付けたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記水素系部品は、水素ガスを前記燃料電池スタックに送るための補機類、又は配管を含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記水素系部品は支持部材に装着されることで集合化され、前記支持部材が前記エンドプレートに固定されていることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池スタックに酸化ガスを供給するための酸素系部品、又は前記燃料電池スタックに冷却液を供給するための冷却系部品が前記スタックケース内に収納されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
5. 車両に搭載され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。

Images