JP2011204501A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、発電セル内に凝縮水が浸入することを可及的に阻止することを可能にする。
【解決手段】燃料電池システム１０は、複数の発電セル１４が電極面を水平面にして重力方向に積層される燃料電池スタック１２と、前記燃料電池スタック１２の外方で燃料ガスを循環させる水素循環路８８を備える水素供給装置６４とを備える。水素供給装置６４は、水素循環路８８を構成し重力方向に延在する垂直配管部８８ａに配置されるエゼクタ８６と、前記エゼクタ８６の吸入口１００の下方に位置して前記垂直配管部８８ａに配置され、重力上方向に流通する燃料ガス中の水分を除去するために、燃料ガス流通路内に突出する邪魔板１０４とを設けている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極を配設した電解質・電極構造体とセパレータとが積層される発電セルを備える燃料電池スタックと、反応ガスを前記燃料電池スタックに循環供給する反応ガス供給装置とを備える燃料電池システムに関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜（電解質）の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した単位セル（発電セル）を備えている。

この種の燃料電池は、通常、車載用として使用される際、所望の発電力を得るために、所定数（例えば、数十〜数百）の単位セルを積層した燃料電池スタックとして使用されている。その際、燃料電池スタックは、一般的に、セパレータの面内に電極面に沿って反応ガスを流す反応ガス流路と、前記反応ガス流路に連通し、単位セルの積層方向に貫通する反応ガス連通孔とを設ける、所謂、内部マニホールドを採用している。

燃料電池スタックでは、反応に使用されずに排出される反応ガス、例えば、燃料ガスを、新たな燃料ガスに混在させて燃料ガス流路（反応ガス流路）に循環供給するため、エゼクタが使用されている。未使用の燃料ガスを再利用することにより、前記燃料ガスを効率的且つ経済的に使用することができるからである。

例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムでは、図７に示すように、水素供給源１から燃料供給路２を介して燃料電池３の水素供給口に水素が供給されている。燃料電池３で消費されなかった水素は、水素オフガスとして水素循環路４に排出されるとともに、前記水素循環路４と燃料供給路２との合流部には、エゼクタ５が介装されている。

エゼクタ５は、水素供給源１から新たな水素が流入される主流口５ａと、水素循環路４に接続されて燃料電池３から排出される水素オフガスが吸引される吸引部５ｂと、空気供給路２に接続されて新たな水素と水素オフガスの混合ガスを燃料電池３側へ吐出する吐出部５ｃとを備えている。エゼクタ５内には、吸引部５ｂ、混合部６及びディフューザ部７の内壁面に、フッ素樹脂からなる皮膜８が形成されている。

これにより、湿度の高い水素オフガスが流動するエゼクタ５の内部領域、すなわち、吸引部５ｂ、混合部６及びディフューザ部７の内壁面に、皮膜８が形成されている。このため、内壁面に水滴の付着が抑制される、としている。

特開２００６−２９４３４７号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、エゼクタ５から排出される水滴（水分）は、燃料電池３内に流通している。このため、水滴が燃料ガス供給連通孔から発電面方向に延在する燃料ガス流路に流通し、これらを閉塞するおそれがある。これにより、燃料電池３の発電性能が低下し、効率的な発電が遂行されないという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、発電セル内に凝縮水が浸入することを可及的に阻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。

本発明は、電解質の両側に一対の電極を配設した電解質・電極構造体とセパレータとが積層される発電セルを備え、複数の前記発電セルが電極面を水平面にして重力方向に積層されるとともに、反応ガスを電極面方向に沿って流通させる反応ガス流路と、前記反応ガス流路に連通し、前記反応ガスを前記セパレータの積層方向に沿って重力方向下方に流通させる反応ガス供給連通孔及び反応ガス排出連通孔とが形成される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの外方で前記反応ガス排出連通孔の出口と前記反応ガス供給連通孔の入口とを接続する循環配管を備え、前記反応ガスを前記反応ガス流路に循環供給する反応ガス供給装置とを備える燃料電池システムに関するものである。

そして、反応ガス供給装置は、循環配管を構成し重力方向に延在する垂直配管部に配置されるエゼクタと、前記エゼクタの吸入口の下流に位置して前記垂直配管部内の反応ガス流通路に配置され、重力上方向に流通する反応ガス中の水分を除去するために、前記反応ガス流通路の内方に突出する邪魔部材とを設けている。

また、邪魔部材は、垂直配管部の内周面全周にわたって周回して形成されることが好ましい。

さらに、邪魔部材は、垂直配管部内の開口径を縮径させた状態で、エゼクタの吸入口に連通する縮径通路部を有することが好ましい。

さらにまた、この燃料電池スタックは、邪魔部材の下流には、気液分離器が配設されることが好ましい。

また、反応ガスは、燃料ガスであることが好ましい。

本発明によれば、循環配管を構成し重力方向に延在する垂直配管部には、反応ガス排出連通孔の出口から反応ガス供給連通孔の入口に向かって、すなわち、重力方向下方から上方に向かって、反応ガスが流通している。このため、反応ガス排出連通孔の出口から排出された反応ガスは、邪魔部材によって水分が除去された後、エゼクタの導入口に導入されている。従って、水分が除去された反応ガスは、エゼクタの導出口から新たな反応ガスに混在して、反応ガス供給連通孔の入口に供給されている。

従って、循環配管を構成し重力方向に延在する垂直配管部に沿って、下方から上方に流通する反応ガスは、水分（結露水）が自重によって除去されるとともに、邪魔部材によって前記水分がさらに除去されている。これにより、簡単な構成で、発電セル内に凝縮水が浸入することを可及的に阻止することが可能になり、発電機能の向上が容易に図られる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 前記燃料電池システムを構成する発電セルの分解斜視説明図である。 前記燃料電池システムの要部断面説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの要部断面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムの要部断面説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システムの要部断面説明図である。 特許文献１に開示されている燃料電池システムの説明図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１０は、例えば、車載用として構成されており、燃料電池スタック１２を備える。

燃料電池スタック１２は、複数の発電セル（単位セル）１４が、電極面を水平面にして重力方向（矢印Ａ方向）に積層される。発電セル１４の積層方向（矢印Ａ方向）の一端（上端）には、ターミナルプレート１６ａ、絶縁プレート１８ａ及びエンドプレート２０ａが上方に向かって配設される。発電セル１４の積層方向の他端（下端）には、ターミナルプレート１６ｂ、絶縁プレート１８ｂ及びエンドプレート２０ｂが下方に向かって配設される。

エンドプレート２０ａ、２０ｂには、複数の連結バー２１の両端が固定されており、前記エンドプレート２０ａ、２０ｂ間には、積層方向に締め付け荷重が付与される。なお、エンドプレート２０ａ、２０ｂ間に、図示しないタイロッドを介して積層方向に締め付け荷重を付与してもよく、また、ボックス状のケーシングを介して積層方向に締め付け荷重を付与してもよい。

図２に示すように、各発電セル１４は、電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）２２と、前記電解質膜・電極構造体２２を挟持する第１金属セパレータ２４及び第２金属セパレータ２６とを備える。

第１金属セパレータ２４及び第２金属セパレータ２６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した縦長形状の金属板により構成される。第１及び第２金属セパレータ２４、２６は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波板状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。なお、第１金属セパレータ２４及び第２金属セパレータ２６に代えて、例えば、カーボンセパレータ（図示せず）を用いてもよい。

発電セル１４の矢印Ｂ方向（水平方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔（反応ガス供給連通孔）２８ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３０ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔（反応ガス排出連通孔）３２ｂが設けられる。

発電セル１４の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔（反応ガス供給連通孔）３２ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３０ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔（反応ガス排出連通孔）２８ｂが設けられる。

酸化剤ガス供給連通孔２８ａ、酸化剤ガス排出連通孔２８ｂ、冷却媒体供給連通孔３０ａ、冷却媒体排出連通孔３０ｂ、燃料ガス供給連通孔３２ａ及び燃料ガス排出連通孔３２ｂは、それぞれ酸化剤ガス、冷却媒体及び燃料ガスの流れ方向が重力方向下方に設定される。

第１金属セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２２側の面２４ａには、例えば、矢印Ｂ方向（電極面方向）に延在する酸化剤ガス流路３６が設けられる。酸化剤ガス流路３６は、酸化剤ガス供給連通孔２８ａ及び酸化剤ガス排出連通孔２８ｂに連通する。第１金属セパレータ２４の面２４ａとは反対の面２４ｂには、冷却媒体流路３８が形成される。冷却媒体流路３８は、冷却媒体供給連通孔３０ａ及び冷却媒体排出連通孔３０ｂに連通する。

第２金属セパレータ２６の電解質膜・電極構造体２２側の面２６ａには、燃料ガス供給連通孔３２ａと燃料ガス排出連通孔３２ｂとに連通し、矢印Ｂ方向（電極面方向）に延在する燃料ガス流路４０が形成される。第２金属セパレータ２６の面２６ａとは反対の面２６ｂには、第１金属セパレータ２４の面２４ｂと重なり合うことにより、冷却媒体供給連通孔３０ａと冷却媒体排出連通孔３０ｂとに連通する冷却媒体流路３８が形成される。

第１金属セパレータ２４は、金属薄板上に第１シール部材４２が一体に射出成形されるとともに、第２金属セパレータ２６は、金属薄板上に第２シール部材４４が一体に射出成形される。

第１及び第２シール部材４２、４４は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。

電解質膜・電極構造体２２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜（電解質）５２と、前記固体高分子電解質膜５２を挟持するカソード側電極５４及びアノード側電極５６とを備える。

カソード側電極５４及びアノード側電極５６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されることにより形成される電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜５２の両面に形成されている。

図１に示すように、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２に、酸化剤ガスである空気を供給するための空気供給装置６０と、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給装置６２と、燃料ガスである水素ガスを供給するための水素供給装置（反応ガス供給装置）６４とを備える。

空気供給装置６０は、エアポンプ６６を備え、このエアポンプ６６が接続される空気供給路６８は、加湿器７０を介装して燃料電池スタック１２の酸化剤ガス供給連通孔２８ａに連通する。

空気供給装置６０は、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス排出連通孔２８ｂに連通する空気排出路７２を有するとともに、前記空気排出路７２は、加湿器７０を介装して車外に延在する。加湿器７０は、空気排出路７２に排出される使用済みの加湿空気と、空気供給路６８に導入される新たな空気との間で、水交換を行うことにより、この新たな空気を加湿する。

冷却媒体供給装置６２は、ラジエータ７４を備える。ラジエータ７４には、冷却媒体循環路７６が接続され、前記冷却媒体循環路７６は、燃料電池スタック１２の冷却媒体供給連通孔３０ａ及び冷却媒体排出連通孔３０ｂに両端が接続される。この冷却媒体循環路７６には、冷媒ポンプ７８が介装される。

水素供給装置６４は、高圧水素を貯留する水素タンク８０を備え、この水素タンク８０が水素供給路８２に配置される。水素供給路８２は、燃料電池スタック１２の燃料ガス供給連通孔３２ａに連通するとともに、減圧弁８４及びエゼクタ８６を配設する。

水素供給装置６４は、燃料電池スタック１２の燃料ガス排出連通孔３２ｂに連通する水素循環路（循環配管）８８を備え、前記水素循環路８８は、気液分離器９０を介装してエゼクタ８６に連通する。エゼクタ８６は、水素循環路８８を構成し重力方向に延在する垂直配管部８８ａに配置される。

図３に示すように、エゼクタ８６は、導入口９２ａが下方に向かい且つ導出口９２ｂが上方に向かって配置される。エゼクタ８６は、導入口９２ａから上方に向かって、ノズル部９４、ディフューザ部９６を有するとともに、前記ノズル部９４には、吸入室９８を介して吸入口１００が連通する。

吸入口１００は、水素循環路８８の垂直配管部８８ａに連通するとともに、前記垂直配管部８８ａには、重力上方向に流通する水素ガス中の水分を除去するために、水素ガス流通路（反応ガス流通路）１０２内に突出する邪魔板（邪魔部材）１０４が配置される。邪魔板１０４は、下方に向かって縮径する略円錐状を有し、吸入口１００に近接して配置される。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。

先ず、図１に示すように、空気供給装置６０では、エアポンプ６６の駆動作用下に、空気供給路６８に導出された圧縮空気は、加湿器７０で加湿された後、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス供給連通孔２８ａに供給される。

水素供給装置６４では、水素タンク８０に貯留されている高圧水素が、減圧弁８４を介して減圧されて水素供給路８２に送られる。燃料ガス（水素ガス）は、エゼクタ８６のノズル部９４から噴出されるとともに、後述する使用済みの燃料ガスを吸引して、燃料電池スタック１２の燃料ガス供給連通孔３２ａに供給される。

一方、冷却媒体供給装置６２では、冷媒ポンプ７８の作用下に、冷却媒体循環路７６から燃料電池スタック１２の冷却媒体供給連通孔３０ａに冷却媒体が供給される。

このため、図２に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔２８ａから第１金属セパレータ２４の酸化剤ガス流路３６に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路３６に沿って矢印Ｂ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体２２を構成するカソード側電極５４に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３２ａから第２金属セパレータ２６の燃料ガス流路４０に導入される。この燃料ガスは、燃料ガス流路４０に沿って矢印Ｂ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体２２を構成するアノード側電極５６に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体２２では、カソード側電極５４に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極５６に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。

次いで、カソード側電極５４に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔２８ｂに沿って重力方向下方に移動し、空気排出路７２に排出される（図１参照）。この酸化剤ガスは、加湿器７０で新たな酸化剤ガスを加湿した後、車外に排出される。

一方、アノード側電極５６に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔３２ｂに沿って重力方向下方に移動し、水素循環路８８に排出される。図３に示すように、燃料ガスは、エゼクタ８６の吸引作用下に、吸入口１００から吸入室９８に吸入される。このため、燃料ガスは、新たな燃料ガスに混在して水素供給路８２に導入され、燃料ガスとして燃料電池スタック１２に供給される（図１参照）。

また、冷却媒体供給連通孔３０ａに供給された冷却媒体（純水やエチレングリコール、オイル等）は、図２に示すように、第１及び第２金属セパレータ２４、２６間の冷却媒体流路３８に導入され、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２２を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３０ｂに排出される。冷却媒体は、図１に示すように、冷却媒体循環路７６に戻されてラジエータ７４で冷却された後、燃料電池スタック１２に循環供給される。

この場合、第１の実施形態では、水素循環路８８を構成し重力方向に延在する垂直配管部８８ａに、エゼクタ８６が配置されるとともに、前記エゼクタ８６の吸入口１００の下流に位置し、前記垂直配管部８８ａに邪魔板１０４が設けられている（図３参照）。

従って、燃料電池スタック１２の燃料ガス排出連通孔３２ｂに排出される燃料ガスは、垂直配管部８８ａに沿って重力方向下方から上方に向かって流通し、邪魔板１０４に吹付けられる。このため、燃料ガスに伴って鉛直上方向に移動する凝縮水（結露水）は、邪魔板１０４に阻止されて吸入口１００側に移動することができない。これにより、結露水は、自重によって垂直配管部８８ａを下方向に流動し、気液分離器９０により捕捉される。

邪魔板１０４を通過した燃料ガスは、凝縮水が除去されて吸入口１００から吸入され、ディフューザ部９６で新たな燃料ガスに混在した後、水素供給路８２を通って燃料電池スタック１２の燃料ガス供給連通孔３２ａに供給される。

これにより、簡単な構成で、燃料電池スタック１２内に凝縮水が浸入することを可及的に阻止することが可能になり、各燃料ガス流路４０が閉塞されることを防止し、発電機能の向上が容易に図られるという効果が得られる。

図４は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム１２０の要部断面説明図である。

なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態以降においても、その詳細な説明は省略する。

燃料電池システム１２０では、エゼクタ８６の吸入口１００の下流に位置して垂直配管部８８ａには、邪魔板（邪魔部材）１２２が設けられる。この邪魔板１２２は、リング状に構成されており、重力上方向に流通する燃料ガス中の水分を除去する機能を有する。

従って、第２の実施形態では、簡単な構成で、発電セル１４内に凝縮水が浸入することを可及的に阻止することが可能になり、発電性能の向上が図られる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図５は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システム１３０の要部断面説明図である。

燃料電池システム１３０では、エゼクタ８６の吸入口１００の下流に位置して、邪魔部材１３２が設けられる。この邪魔部材１３２は、垂直配管部８８ａの開口径Ｄ１を開口径Ｄ２に縮径（Ｄ１＞Ｄ２）させた状態で、吸入口１００に連通する縮径通路部１３４を有する。

図６は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システム１４０の要部断面説明図である。

燃料電池システム１４０では、エゼクタ８６の吸入口１００の下流に位置して、邪魔部材１４２が設けられる。この邪魔部材１４２は、鉛直下方向の端部（下端部）に傾斜面（テーパ面）１４４を有するとともに、垂直配管部８８ａの開口径Ｄ１を開口径Ｄ３に縮径（Ｄ１＞Ｄ３）させた状態で、吸入口１００まで延在する縮径通路部１４６を有する。

上記の第３及び第４の実施形態では、それぞれ邪魔部材１３２、１４２に、吸入口１００まで延在する縮径通路部１３４、１４６が設けられている。このため、邪魔部材１３２、１４２を介して燃料ガスから水分を除去するとともに、縮径通路部１３４、１４６に導入されて流速が速くなった燃料ガスを、エゼクタ８６の吸入口１００に送ることができる。

これにより、エゼクタ８６による吸入口１００からの吸入効果が増加し、垂直配管部８８ａから吸入される燃料ガス流量が効率的に増加するという利点が得られる。

１０、１２０、１３０、１４０…燃料電池システム
１２…燃料電池スタック １４…発電セル
２０ａ、２０ｂ…エンドプレート ２１…連結バー
２２…電解質膜・電極構造体 ２４、２６…金属セパレータ
２８ａ…酸化剤ガス供給連通孔 ２８ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
３０ａ…冷却媒体供給連通孔 ３０ｂ…冷却媒体排出連通孔
３２ａ…燃料ガス供給連通孔 ３２ｂ…燃料ガス排出連通孔
３６…酸化剤ガス流路 ３８…冷却媒体流路
４０…燃料ガス流路 ５２…固体高分子電解質膜
５４…カソード側電極 ５６…アノード側電極
６０…空気供給装置 ６２…冷却媒体供給装置
６４…水素供給装置 ８６…エゼクタ
８８…水素循環路 ８８ａ…垂直配管部
９０…気液分離器 ９２ａ…導入口
９２ｂ…導出口 ９４…ノズル部
９６…ディフューザ部 ９８…吸入室
１００…吸入口 １０２…水素ガス流通路
１０４、１２２…邪魔板 １３２、１４２…邪魔部材
１３４、１４６…縮径通路部 １４４…傾斜面

Claims (5)

1. 電解質の両側に一対の電極を配設した電解質・電極構造体とセパレータとが積層される発電セルを備え、複数の前記発電セルが電極面を水平面にして重力方向に積層されるとともに、反応ガスを電極面方向に沿って流通させる反応ガス流路と、前記反応ガス流路に連通し、前記反応ガスを前記セパレータの積層方向に沿って重力方向下方に流通させる反応ガス供給連通孔及び反応ガス排出連通孔とが形成される燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックの外方で前記反応ガス排出連通孔の出口と前記反応ガス供給連通孔の入口とを接続する循環配管を備え、前記反応ガスを前記反応ガス流路に循環供給する反応ガス供給装置と、
   を備える燃料電池システムであって、
   前記反応ガス供給装置は、前記循環配管を構成し重力方向に延在する垂直配管部に配置されるエゼクタと、
   前記エゼクタの吸入口の下流に位置して前記垂直配管部内の反応ガス流通路に配置され、重力上方向に流通する前記反応ガス中の水分を除去するために、前記反応ガス流通路の内方に突出する邪魔部材と、
   を設けることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記邪魔部材は、前記垂直配管部の内周面全周にわたって周回して形成されることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、前記邪魔部材は、前記垂直配管部内の開口径を縮径させた状態で、前記エゼクタの前記吸入口に連通する縮径通路部を有することを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記邪魔部材の下流には、気液分離器が配設されることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記反応ガスは、燃料ガスであることを特徴とする燃料電池システム。

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