JP2011086549A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】発電効率を向上することができるとともに、配管の設置スペースを狭くして、配管の軽量・小型化を図ることができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池スタック１１に接合されたエンドプレート１２に対し第１配管ユニット２１及び第２配管ユニット２２を装着する。第１配管ユニット２１の第１取付基板２３に燃料ガス供給配管２４を連結するとともに、第１酸化オフガス導出配管３１及び冷却液導出配管３４を連結する。第２配管ユニット２２の第２取付基板２５に対し酸化ガス供給配管２６及び冷却液供給配管２７を連結するとともに、第１酸化オフガス導出配管３１に連結された導出筒３２に接合される導出配管３３を連結する。前記酸化ガス供給配管２６と冷却液供給配管２７を一体化するとともに、第１酸化オフガス導出配管３１と冷却液導出配管３４を一体化する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、詳しくは発電効率を向上することができるとともに、軽量・小型化を図ることができる燃料電池システムに関するものである。

近年、環境に優しい電気自動車として、固体高分子型の燃料電池システムを搭載したものが開発されつつある。上記の燃料電池システムに用いられる燃料電池は、多数の発電セルを積層して構成されている。各発電セルは、水素イオン伝導性の固体高分子電解質膜の両面に、白金触媒を担持したアノード側及びカソード側のカーボン電極を積層するとともに、両カーボン電極の表面に反応ガスをそれぞれ供給するためのラスカットメタルよりなるガス通路形成部材をそれぞれ積層し、両ガス通路形成部材の表面に平板状のセパレータをそれぞれ積層して構成されている。

前記アノード電極に燃料ガスとして水素ガスが供給され、カソード電極に酸化ガスとして空気（酸素ガス）が供給される。そして、アノード電極側では、水素ガスがイオン化されて固体高分子電解質膜を透過して、カソード電極に移動し、該カソード電極側では水素イオンが酸素と反応して水が生成され、この生成水の一部はカソード電極側から前記固体高分子電解質膜を透過してアノード電極側に浸透水として流入する。アノード電極の電子は外部負荷を通ってカソード電極に移動される。これらの一連の電気化学反応によって電気エネルギーが取り出される。

上述した燃料電池として、特許文献１に開示されたものが提案されている。この燃料電池は、セルモジュールの両端部をエンドプレートによって締結保持した燃料電池スタックをスタックケース内に収容して構成されている。一方のエンドプレート側にはターミナルが設置され、電動機に高電圧が供給される。この特許文献１においては、他方のエンドプレートは、電気絶縁性部材で形成されており、水素ガス、空気及び冷却液がそれぞれ供給及び導出される複数本の配管が独立して接続されているので、配管群の設置スペースが広くなるとともに、軽量・小型化を図ることができないという問題があった。

上記の問題を解消するため、従来、特許文献２に開示された燃料電池システムが提案されている。この燃料電池システムは、内部に複数のマニホールドを備え、一つの面に複数のマニホールドのそれぞれの入口及び出口を備える燃料電池スタックに、樹脂製の一つの部品からなる配管部品が取り付けられている。この配管部品は燃料電池スタックの一つの面と接触する部位を備え、該部位の複数のマニホールドの入口及び出口に対応する位置から該部位を貫通して延びる複数の流体通路、すなわち水素入口通路、水素出口通路、空気入口通路、空気出口通路、冷却液入口通路及び冷却液出口通路を備えている。前記配管部品が燃料電池スタックの一つの面に取り付けられた状態で、複数の流体通路がそれぞれ対応するマニホールドに接続されている。

特開２００５−３３２６７４号公報 特開２００８−１７７１００号公報

ところが、特許文献２に開示された燃料電池システムは、前記配管部品が一つの部品としてユニット化されているので、構造を簡素化することができるが、前述した複数の流体通路を形成する複数の配管は、それぞれ独立して配設されていたので、次のような問題があった。即ち、前記空気入口通路を流れる空気を、前記冷却液入口通路を流れる冷却液によって冷却することができないので、コンプレッサにより前記空気入口通路に供給された空気の温度を低減することができず、このため、水素と酸素の電気化学反応が阻害されて、発電効率を向上することができない。又、複数の配管がそれぞれ所定の間隔をおいて配設されていたので、各配管の設置スペースが広くなり、配管の軽量・小型化を図ることができない。

本発明は、上記従来の技術に存する問題点を解消して、発電効率を向上することができるとともに、酸化ガス供給配管及び冷却液供給配管の設置スペースを狭くして、軽量・小型化を図ることができる燃料電池システムを提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、燃料電池の燃料極の入口及び出口にそれぞれ燃料ガス供給配管及び燃料オフガス配管を接続し、酸化剤極の入口及び出口にそれぞれ酸化ガス供給配管及び酸化オフガス配管を接続し、前記燃料電池内の冷却用ジャケットの入口及び出口にそれぞれ冷却液供給配管及び冷却液導出配管を接続した燃料電池システムにおいて、前記酸化ガス供給配管と冷却液供給配管とを一体化して、酸化ガス通路と冷却液通路とを一枚の隔壁により区画したことを要旨とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記酸化オフガス配管と冷却液導出配管とを一体化し、酸化オフガス通路と冷却液導出通路とを一枚の隔壁により区画したことを要旨とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２において、前記燃料オフガス配管には、燃料オフガス中に含まれる燃料ガスを分離するための分離器が設けられ、該分離器により分離された燃料ガスは、ポンプ及び配管により前記燃料ガス供給配管に導かれ、前記分離器には、該分離器から導出された燃料オフガスに含まれる燃料ガスを希釈するための希釈器が設けられ、該希釈器のハウジングと前記酸化オフガス配管とは一体化され、前記希釈器の希釈室と、酸化オフガス配管の酸化オフガス通路とは、一枚の隔壁によって区画されていることを要旨とする。

（作用）
この発明は、酸化ガス供給配管と冷却液供給配管とが一体化され、酸化ガス通路と冷却液通路とが一枚の隔壁により区画されているので、冷却液供給配管の冷却液供給通路を通る冷却液によって、酸化ガス供給配管の酸化ガス供給通路を通る酸化ガスが適正な温度に冷却される。このため、燃料電池スタック内に供給された酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応が適正に行われ、発電効率が向上する。又、酸化ガス供給通路と冷却液供給通路とが一枚の隔壁により区画されているので、両供給配管の設置スペースを低減し、燃料電池の配管を軽量・小型化することができる。

本発明によれば、発電効率を向上することができるとともに、酸化ガス供給配管及び冷却液供給配管の設置スペースを狭くして、燃料電池の配管の軽量・小型化を図ることができる。

この発明の燃料電池システムを具体化した一実施形態を示す要部の斜視図。 燃料電池スタック及びエンドプレートの斜視図。 第１配管ユニット及び第２配管ユニットの裏側から見た斜視図。 燃料電池の第１配管ユニット及び第２配管ユニットの正面図。 第１配管ユニット、第２配管ユニット及びポンプの分離正面図。 図４の１−１線断面図。 図４の２−２線断面図。 図４の３−３線断面図。 図４の４−４線断面図。 図４の５−５線断面図。 図４の６−６線断面図。 図４の７−７線断面図。 図４の８−８線断面図。 この発明の燃料電池システムの別の実施形態を示す要部の正面図。

以下、本発明を自動車の燃料電池システムとして具体化した一実施形態を図１〜図１３に従って説明する。
この実施形態の燃料電池システムは、燃料電池スタック１１を有している。この燃料電池スタック１１は、多数の発電セル（図示略）を積層して構成されている。各発電セルの燃料極に燃料ガスとして水素ガスが供給され、酸化剤極に酸化ガスとして空気（酸素ガス）が供給される。そして、水素ガスと酸素の電気化学反応によって電気エネルギーが取り出される。この電気化学反応に際して、水が生成される。

図２に示すように、前記燃料電池スタック１１の一端面には絶縁材よりなるエンドプレート１２が図示しないボルトにより接合固定されている。このエンドプレート１２の図示左側上部には、燃料ガス入口１３が形成され、図示右側下部には燃料オフガス出口１４が形成されている。前記エンドプレート１２の下部には水平方向に延びる酸化ガス入口１５が形成され、エンドプレート１２の上部には水平方向に延びる酸化オフガス出口１６が形成されている。前記エンドプレート１２の図示左側下部には燃料電池スタック１１の内部に形成された冷却用ジャケットに連なる冷却液入口１７が形成され、エンドプレート１２の図示右側上部には冷却液出口１８が形成されている。

図１及び図４に示すように前記燃料電池スタック１１のエンドプレート１２には、上下一対の第１及び第２配管ユニット２１，２２が図示しないボルトにより取り外し可能に装着されている。図５に示すように、前記第１及び第２配管ユニット２１，２２は、それぞれ別体で構成されている。前記第１配管ユニット２１は、図１に示すように、第１取付基板２３に、燃料ガス供給配管２４、第１酸化オフガス導出配管３１及び冷却液導出配管３４を一体化して構成されている。前記燃料ガス供給配管２４の大半は、前記エンドプレート１２と冷却液導出配管３４との間を通るように配設されている。前記第２配管ユニット２２は、第２取付基板２５に、酸化ガス供給配管２６、冷却液供給配管２７、第２酸化オフガス導出配管３３、水素分離器４１及び希釈器４８を一体化して構成されている。前記第１配管ユニット２１と第２配管ユニット２２との間には、継手３６とポンプ４５とが介在されている。そこで、まず前記第１及び第２配管ユニット２１，２２の構成を以下に詳細に説明する。

前記第１配管ユニット２１の第１取付基板２３には、図３に示すように、前記エンドプレート１２の燃料ガス入口１３、酸化オフガス出口１６及び冷却液出口１８とそれぞれ連通する入口孔２３ａ、出口孔２３ｂ，２３ｃが形成されている。

前記第１取付基板２３には、図１に示すように、前記入口孔２３ａ、即ち燃料ガス入口１３と連通するように燃料ガス供給配管２４の先端部が一体に連結され、該燃料ガス供給配管２４によって燃料ガスを燃料電池スタック１１内の燃料極に供給するようになっている。

前記第１取付基板２３には、図１，３，６に示すように、前記出口孔２３ｂ、即ち酸化オフガス出口１６と連通する偏平状の第１酸化オフガス導出配管３１が一体に連結されている。図１０に示すように、この第１酸化オフガス導出配管３１の下側壁には、導出筒３２が一体に下向きに突出されている。

前記第１酸化オフガス導出配管３１には、図１，６に示すように、前記第１取付基板２３の出口孔２３ｃ、即ち冷却液出口１８と連通する冷却液導出配管３４が一体に連結されている。前記酸化オフガス導出配管３１の酸化オフガス導出通路３１ａと、冷却液導出配管３４の冷却液導出通路３４ａは、一枚の隔壁３５によって区画されている。

前記第２配管ユニット２２の第２取付基板２５には、図３に示すように、前記エンドプレート１２の酸化ガス入口１５、冷却液入口１７及び燃料オフガス出口１４とそれぞれ連通する入口孔２５ａ，２５ｂ、出口孔２５ｃが形成されている。

前記第２取付基板２５には図７及び図８に示すように、前記入口孔２５ａ、即ち酸化ガス入口１５と連通するように酸化ガス供給配管２６の先端部が一体に連結されている。前記第２取付基板２５には、前記入口孔２５ｂ、即ち冷却液入口１７と連通するように冷却液供給配管２７の先端が一体に連結されている。図７に示すように、前記酸化ガス供給配管２６と冷却液供給配管２７とは一体に成形され、酸化ガス供給配管２６の酸化ガス供給通路２６ａと冷却液供給配管２７の冷却液供給通路２７ａとは、一枚の隔壁２８によって区画されている。

図１，８に示すように、前記第２配管ユニット２２側の前記酸化ガス供給配管２６の外側面には第２酸化オフガス導出配管３３が一体に連結され、図１０に示すように該導出配管３３の一端は上向きに突出されている。そして、前記導出筒３２及び第２酸化オフガス導出配管３３の突出端部は、継手３６によって連結されている。

図７，８に示すように、前記第２配管ユニット２２の第２取付基板２５には、前記出口孔２５ｃ、即ち燃料オフガス出口１４と連通するように水素分離器４１が一体に成形され、該水素分離器４１の分離室４３内には燃料オフガスから水素を分離するための構成（図示略）が設けられている。該水素分離器４１の分離室４３の水素ガスの出口４４（図１２参照）には、図４に示すようにポンプ４５（図５参照）が接続され、該ポンプ４５の吐出口（図示略）は、配管４６を介して前記燃料ガス供給配管２４の途中（図１１参照）に接続されている。図８，１２に示すように、前記水素分離器４１には、その分離室４３の燃料オフガスの出口４７側に位置するように希釈器４８が一体に形成されている。この希釈器４８の希釈室４９には複数枚の蛇行板５０が交互に配設されている。前記希釈室４９の下流側には連通孔５１が形成され、該連通孔５１によって前記希釈室４９は前記導出配管３３の第２酸化オフガス導出通路３３ａに連通されている。

図８に示すように、前記酸化ガス供給配管２６、導出配管３３及び希釈器４８は、一体的に成形され、前記酸化ガス供給配管２６の酸化ガス供給通路２６ａと、前記希釈器４８の希釈室４９は、一枚の隔壁５２によって区画され、第２酸化オフガス導出通路３３ａと希釈室４９も一枚の隔壁５３によって区画されている。

この実施形態では、前記水素分離器４１及び希釈器４８が第２取付基板２５の出口孔２５ｃ（燃料オフガス出口１４）に接続される燃料オフガス配管としての機能を兼用している。

上述した第１及び第２配管ユニット２１，２２は、ポンプ４５及び配管４６を除いて、合成樹脂によりそれぞれ一体に成形するのが望ましいが、成形上困難な例えば燃料ガス供給配管２４は、単独で別途成形して接続され、その他、水素分離器４１及び希釈器４８等も別体で成形して、連結されている。

次に、前記のように構成された燃料電池システムの動作について説明する。
図１及び図４において、図示しない水素ガスタンクから前記燃料ガス供給配管２４に供給された水素ガスは、前記第１取付基板２３に形成された入口孔２３ａ及びエンドプレート１２に形成された燃料ガス入口１３を通して燃料電池スタック１１のアノード側の燃料極に供給される。一方、図示しないコンプレッサから前記酸化ガス供給配管２６の酸化ガス供給通路２６ａに供給された空気は、第２取付基板２５の入口孔２５ａ及びエンドプレート１２の酸化ガス入口１５を通して、燃料電池スタック１１のカソード側の酸化剤極に供給される。さらに、図示しないポンプにより前記冷却液供給配管２７の冷却液供給通路２７ａに供給された冷却液は、第２取付基板２５の入口孔２５ｂ及びエンドプレート１２の冷却液入口１７を通して燃料電池スタック１１の冷却用ジャケットに供給される。前記燃料電池スタック１１の燃料極に供給された水素ガスと酸化剤極に供給された空気に含まれる酸素とは、電気化学的に反応して発電が行われ、図示しない電極端子から発電された電力が蓄電されて例えば自動車の走行用モータに供給される。

発電に用いられた水素ガスは、燃料オフガスとなって図１３に示すエンドプレート１２の燃料オフガス出口１４及び第２取付基板２５の出口孔２５ｃから前記分離室４３に供給される。該分離室４３内において燃料オフガスに含まれる燃料ガスが分離され、該燃料ガスは図４に示す前記ポンプ４５によって配管４６から前記燃料ガス供給配管２４に供給され、再利用される。又、分離室４３内において大半の燃料ガスを分離された燃料オフガスは、図８に示す出口４７から希釈器４８の希釈室４９に導かれ、該希釈室４９の蛇行板５０の蛇行通路を流れる間に、燃料オフガス中に含まれる水素ガスが希釈される。この希釈された燃料オフガスは、前記連通孔５１から前記導出配管３３の第２酸化オフガス導出通路３３ａに流入し、該第２酸化オフガス導出通路３３ａを流れる酸化オフガスによってさらに希釈されて、導出配管３３から外部に排出される。

一方、燃料電池スタック１１内の冷却用ジャケットにおいて、発電に生じた熱を冷却するために用いられた冷却液は、図６に示す前記エンドプレート１２に形成された冷却液出口１８から取付基板２３に形成された出口孔２３ｃを通して冷却液導出配管３４の冷却液導出通路３４ａ内に導出され、再び図示しない循環用のポンプによって熱交換器に導かれて、該熱交換器により冷却された後、前記冷却液供給配管２７の冷却液供給通路２７ａに供給される。

次に、前記のように構成された燃料電池システムの効果について説明する。
（１）上記実施形態では、図７に示すように、前記酸化ガス供給配管２６と冷却液供給配管２７を一体化し、酸化ガス供給通路２６ａと冷却液供給通路２７ａとを一枚の隔壁２８によって区画した。従って、コンプレッサによって断熱圧縮されて酸化ガス供給通路２６ａを通る高温の空気が冷却液供給通路２７ａを通る低温の冷却液によって効果的に冷却される。このため、燃料電池スタック１１内の発電効率を向上することができる。又、酸化ガス供給配管２６と冷却液供給配管２７との間隔を無くして、両配管２６，２７の設置スペースを低減できるため、第２配管ユニット２２の軽量・小型化を図ることができる。

（２）上記実施形態では、図６に示すように、前記第１酸化オフガス導出配管３１と冷却液導出配管３４とを一体化し、酸化オフガス導出通路３１ａと、冷却液導出通路３４ａとの接合部を一枚の隔壁３５によって区画したので、酸化オフガス導出配管３１と冷却液導出配管３４の設置スペースを低減でき、第１配管ユニット２１の軽量・小型化を図ることができる。

（３）上記実施形態では、図８に示すように、前記酸化ガス供給配管２６、導出配管３３及び希釈器４８を一体化し、酸化ガス供給通路２６ａと希釈室４９とを一枚の隔壁５２によって区画し、第２酸化オフガス導出通路３３ａと希釈室４９を一枚の隔壁５３によって区画した。このため、酸化ガス供給配管２６、導出配管３３及び希釈器４８の設置スペースを低減でき、酸化ガス供給配管２６、導出配管３３及び希釈器４８の軽量・小型化を図ることができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・図１４に示すように、前記冷却液供給配管２７により前記ポンプ４５のハウジングを包囲した状態でポンプ４５のハウジングの外表面に冷却液供給配管２７の外周面を接触させる。このことにより、冷却液供給通路２７ａを流れる冷却液によって前記ポンプ４５を冷却できる。この場合には、前記ポンプ４５が冷却されるので、該ポンプ４５によって配管４６から燃料ガス供給配管２４に供給される水素ガスを適正な温度に冷却することができ、発電効率を向上することができる。

・前記第１配管ユニット２１及び第２配管ユニット２２を一体的に構成してもよい。
次に、前記のように構成された実施形態から把握される技術的思想について以下に説明する。

（技術的思想１）請求項３において、前記ポンプのハウジングには、前記冷却液供給配管が接触されていることを特徴とする燃料電池システム。
（技術的思想２）請求項３又は技術的思想１において、第１取付基板には、前記燃料ガス供給配管、第１酸化オフガス配管及び冷却液導出配管が第１配管ユニットとして一体的に連結され、第２取付基板には、前記酸化ガス供給配管、冷却液供給配管、第２酸化オフガス配管、分離器及び希釈器が第２配管ユニットとして一体的に連結され、前記第１酸化オフガス配管及び第２酸化オフガス配管は、継手により連結されるように構成したことを特徴とする燃料電池システム。

１１…燃料電池スタック、１２…エンドプレート、２１…第１配管ユニット、２２…第２配管ユニット、２３…第１取付基板、２４…燃料ガス供給配管、２５…第２取付基板、２６…酸化ガス供給配管、２７…冷却液供給配管、３１…第１酸化オフガス導出配管、３３…導出配管、３４…冷却液導出配管、３５…隔壁、４１…水素分離器、４３…分離室、４５…ポンプ、４６…配管、４８…希釈器、４９…希釈室。

Claims (3)

1. 燃料電池の燃料極の入口及び出口にそれぞれ燃料ガス供給配管及び燃料オフガス配管を接続し、酸化剤極の入口及び出口にそれぞれ酸化ガス供給配管及び酸化オフガス配管を接続し、前記燃料電池内の冷却用ジャケットの入口及び出口にそれぞれ冷却液供給配管及び冷却液導出配管を接続した燃料電池システムにおいて、
   前記酸化ガス供給配管と冷却液供給配管とを一体化して、酸化ガス通路と冷却液通路とを一枚の隔壁により区画したことを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１において、前記酸化オフガス配管と冷却液導出配管とを一体化し、酸化オフガス通路と冷却液導出通路とを一枚の隔壁により区画したことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１又は２において、前記燃料オフガス配管には、燃料オフガス中に含まれる燃料ガスを分離するための分離器が設けられ、該分離器により分離された燃料ガスは、ポンプ及び配管により前記燃料ガス供給配管に導かれ、前記分離器には、該分離器から導出された燃料オフガスに含まれる燃料ガスを希釈するための希釈器が設けられ、該希釈器のハウジングと前記酸化オフガス配管とは一体化され、前記希釈器の希釈室と、酸化オフガス配管の酸化オフガス通路とは、一枚の隔壁によって区画されていることを特徴とする燃料電池システム。

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