JP2012028078A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】各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。
【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の表面にケース２１を装着する。ケース２１の半円筒部２１ａの内部に隔壁５１、５２、５３を設け、燃料ガス供給通路３２、冷却水排出通路３５、冷却液供給通路３７及び酸化ガス供給通路４３を区画形成する。各通路の共通の隔壁５１〜５３によって、各通路内の圧力が打ち消しあい、半円筒部２１ａによって通路内の圧力が分散され、耐圧性能が向上する。
【選択図】図８

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、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、各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、燃料電池のエンドプレートに形成された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、前記エンドプレートに接合された配管用ケースの内部に燃料ガス供給通路、酸化オフガス通路、酸化ガス供給通路、酸化オフガス通路、冷却液供給通路及び冷却水排出通路の少なくとも二つの通路を共通の隔壁によって区画するとともに、区画された通路の外側壁を弧状に膨出させ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、前記配管用ケース内の燃料ガス供給通路、燃料オフガス通路、酸化ガス供給通路、酸化オフガス通路、冷却液供給通路及び冷却液排出通路は、複数の隔壁によって区画されていることを要旨とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２において、前記冷却液供給通路と酸化ガス供給通路とが隔壁によって区画されていることを要旨とする。
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項において、前記配管用ケースは、半円筒部と、該半円筒部の両端に一体に成形された第１及び第２端板とによって構成されていることを要旨とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項において、前記配管用ケースは、四角環状に一体成形され、前記燃料ガス供給通路と酸化オフガス通路が隔壁によって区画され、冷却液供給通路と酸化ガス供給通路とが隔壁によって区画され、燃料ガス供給通路と冷却液供給通路とが隔壁によって区画され、酸化オフガス通路、冷却水排出通路及び燃料オフガス排出通路が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、各配管用ケースの内部に複数の通路が共通の隔壁により区画されているので、各通路内の圧力が打ち消し合い、耐圧性能を向上することができ、各配管用ケースの設置スペースを低減し、燃料電池の配管用ケースを軽量・小型化することができる。又、この発明は、隔壁により区画された各通路の外側壁が弧状に膨出されているので、各通路内の流体の圧力が分散され、この点からも耐圧性能を向上することができ、燃料電池の配管用ケースを軽量・小型化することができる。

本発明によれば、各配管用ケース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。

この発明の燃料電池システムを具体化した第１の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。 燃料電池スタックの正面図。 図３の４−４線断面図。 図３の５−５線断面図。 図３の６−６線断面図。 図３の７−７線断面図。 図３の８−８線断面図。 図３の９−９線断面図。 図３の１０−１０線断面図。 図３の１１−１１線断面図。 この発明の燃料電池システムの第２の実施形態を示す部分正面図。 図１２の１３−１３線断面図。 図１２の１４−１４線断面図。 図１２の１５−１５線断面図。 図１２の１６−１６線断面図。 図１２の１７−１７線断面図。 この発明の燃料電池システムの第３の実施形態を示す正面図。 図１８の１９−１９線断面図。 この発明の燃料電池システムの第４の実施形態を示す部分正面図。 図２０の２１−２１線断面図。 この発明の燃料電池システムの第５の実施形態を示す部分正面図。 図２２の２３−２３線断面図。 この発明の燃料電池システムの第６の実施形態を示す部分正面図。 図２４の２５−２５線断面図。

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第１の実施形態を図１〜図１１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は、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３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、１つの配管用ケース２１が取り外し可能に装着されている。この配管用ケース２１は、半円筒部２１ａと、該半円筒部２１ａの両端にそれぞれ一体に成形された第１端板２１ｂ及び第２端板２１ｃと、前記半円筒部２１ａ及び両端板２１ｂ，２１ｃの端縁に一体に成形されたフランジ部２１ｄとを備えている。このフランジ部２１ｄが前記エンドプレート１２の表面に接触された状態で、図示しないボルトによりエンドプレート１２に締め付け固定されている。

図１及び図３に示すように前記配管用ケース２１の第２端板２１ｃには、燃料ガス供給配管２２が突設されている。同じく第２端板２１ｃには、燃料オフガス配管２３が突設されている。第１端板２１ｂには、酸化ガス供給配管２４が突設されている。前記第２端板２１ｃには、酸化オフガス配管２５が突設されている。前記第１端板２１ｂには、冷却液供給配管２６が突設されている。同じく第１端板２１ｂには、冷却液排出配管２７が突設されている。

次に、図４〜図１１に基づいて、ケース２１内の各種の通路について説明する。
図４に示すように、前記ケース２１の上部の内部には、前記燃料ガス供給配管２２から燃料ガス入口１３に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給通路３２と前記酸化オフガス出口１６に連通する酸化オフガス通路３３とが隔壁３１によって区画形成されている。

図５に示すように、前記ケース２１の中間上部の内部には、前記冷却液出口１８から排出された冷却液を、前記冷却液排出配管２７に導くための冷却水排出通路３５と、前記酸化オフガス通路３３とが隔壁３４によって区画形成されている。ケース２１の中間上部の内部には、前記冷却液入口１７に連通する冷却液供給通路３７と、前記酸化オフガス通路３３とが隔壁３６によって区画形成されている。

図６に示すように、前記ケース２１の中間下部の内部には、前記酸化ガス供給配管２４から酸化ガスを前記酸化ガス入口１５に供給するための酸化ガス供給通路４３と、前記酸化オフガス出口１６に連通された酸化オフガス通路４４と、前記冷却液出口１８に連通された冷却水排出通路３５とがそれぞれ隔壁４１，４２によって区画形成されている。

図７に示すように、前記ケース２１の下部の内部には、前記酸化オフガス通路３３と、前記冷却液供給通路３７とが隔壁４５によって区画されている。又、前記酸化ガス供給通路４３と、前記燃料オフガス出口１４から排出された燃料オフガスを前記燃料オフガス配管２３に排出するための燃料オフガス排出通路４８とが隔壁４６，４７によって、区画形成されている。

図８に示すように、前記ケース２１の図示左部の内部には、前記冷却液供給通路３７と、前記燃料ガス供給通路３２、前記冷却水排出通路３５及び酸化ガス供給通路４３とが隔壁５１，５２，５３によって、区画形成されている。

図９に示すように、前記ケース２１の図示左中間部の内部には、酸化オフガス通路３３と、燃料ガス供給通路３２、冷却水排出通路３５及び酸化ガス供給通路４３とが隔壁５１〜５５によって、区画形成されている。

図１０に示すように、前記ケース２１の内部の図示右中間部には、酸化オフガス通路３３と、燃料ガス供給通路３２及び冷却水排出通路３５とが隔壁５１，５２，５４によって区画形成されている。又、隔壁６１，６２によって前記酸化ガス供給通路４３が区画形成されている。

図１１に示すように、前記ケース２１の図示右部の内部には、前記冷却水排出通路３５と、燃料ガス供給通路３２、酸化オフガス通路３３及び燃料オフガス排出通路４８とが隔壁５１、５４、６２、６３、６４によって区画形成されている。

次に、前記のように構成された燃料電池システムの作用について説明する。
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２２に供給された水素ガスは、図４に示す燃料ガス供給通路３２及びエンドプレート１２の燃料ガス入口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図６に示す前記酸化ガス供給配管２４に供給された空気は、酸化ガス供給通路４３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２６に供給された冷却液は、ケース２１内の冷却液供給通路３７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７及び図１１に示すエンドプレート１２の燃料オフガス出口１４及びケース２１内の燃料オフガス排出通路４８及び燃料オフガス配管２３から外部に排出される。なお、燃料オフガスに含まれる燃料ガスは図示しない分離装置によって分離されて、前記燃料ガス供給配管２２に供給され、再利用される。

発電に用いられた酸化ガスは、酸化オフガスとなって、図４、図７及び図９に示すエンドプレート１２の酸化オフガス出口１６、酸化オフガス通路３３及び酸化オフガス配管２５を通して外部に排出される。

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５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からケース２１内の冷却水排出通路３５及び冷却液排出配管２７を通して外部に排出され、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２６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）第１の実施形態では、図４〜図１１に示すように、前記ケース２１の内部に共通の隔壁によって、燃料ガス供給通路３２、酸化オフガス通路３３、冷却液供給通路３７、冷却水排出通路３５、酸化ガス供給通路４３、酸化オフガス通路４４及び燃料オフガス排出通路４８を区画形成した。このため、各通路の設置スペースを低減して、配管用ケース２１の軽量・小型化を図ることができる。

（２）第１の実施形態では、図１及び図８〜図１１に示すように、ケース２１に弧状に膨出された半円筒部２１ａを形成した。このため、燃料ガス供給通路３２及び酸化ガス供給通路４３に供給される高圧の燃料ガスの圧力及び酸化ガスの圧力に対する耐圧性能を向上することができ、この点からも配管用ケースの軽量・小型化を図ることができる。

（３）第１の実施形態では、図６〜図８に示すように、隔壁３６，４１，５２によって、冷却液供給通路３７と酸化ガス供給通路４３を区画した。このため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４３を通る高温の空気が冷却液供給通路３７を通る低温の冷却液によって効果的に冷却される。従って、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。
（第２の実施形態）
次に、この発明を具体化した第２の実施形態を図１２〜図１７に基づいて説明する。なお、以下に示す各実施形態において、第１の実施形態と同様な機能を有する部材については、同一の符号を付して構成の説明を省略する。

この実施形態においては、前記エンドプレート１２に対し、前記燃料ガス入口１３、燃料オフガス出口１４、酸化ガス入口１５、酸化オフガス出口１６、冷却液入口１７及び冷却液出口１８に共通の配管用ケース６５が取り外し可能に装着されている。前記ケース６５は図１２に示すように、正面から見て四角環状に形成されている。

図１３に示すように、前記ケース６５は前記酸化オフガス通路３３と対応する円弧状部６５ａを備えている。ケース６５の内部には、酸化オフガス通路３３と、前記燃料ガス供給通路３２とが円筒状の隔壁６６によって区画形成されている。図１４に示すように、前記ケース６５には前記酸化ガス供給通路４３と対応する円弧状部６５ｂが成形されている。ケース６５の内部には、酸化ガス供給通路４３と、前記冷却液供給通路３７及び燃料オフガス排出通路４８とが隔壁６７，６８によって区画形成されている。図１５に示すように、前記ケース６５には冷却液供給通路３７を形成する円弧状部６５ｃが成形されている。ケース６５の内部には、冷却液供給通路３７と、前記燃料ガス供給通路３２とが隔壁６９によって区画形成されている。

図１７に示すように、ケース６５には前記酸化オフガス通路３３及び冷却水排出通路３５を形成する円弧状部６５ｄが形成されている。ケース６５の内部には、冷却水排出通路３５と、前記酸化オフガス通路３３がと隔壁７０によって区画形成されている。又、前記ケース６５の内部には、冷却水排出通路３５と燃料オフガス排出通路４８とが隔壁７０ａによって区画形成されている。

上記の第２の実施形態においても、配管用ケース６５の内部に各通路３２，３３，３５，３７，４３，４８が共通の隔壁６６，６７，６８，６９，７０，７０ａによって区画されているので、各通路の設置スペースを低減して、配管用ケース２１の軽量・小型化を図ることができる。

又、第２の実施形態では、配管用ケース６５に円弧状部６５ａ〜６５ｄが形成されている。このため、酸化オフガス通路３３、酸化ガス供給通路４３、冷却液供給通路３７及び冷却水排出通路３５、燃料オフガス排出通路４８等に供給される高圧の燃料ガスの圧力及び酸化ガスの圧力に対する耐圧性能を向上することができ、この点からも配管用ケース６５の軽量・小型化を図ることができる。

さらに、この第２の実施形態では、配管用ケース６５が一つの部品に形成されるとともに、その内側が空洞になっているので、エンドプレート１２に対する配管用ケース６５の脱着を容易に行うことができるとともに、ケースを軽量化することができる。
（第３の実施形態）
図１８に示すように、この実施形態においては、エンドプレート１２の前記燃料ガス入口１３及び冷却液入口１７と対応するように、ケース７１が取り外し可能に装着されている。前記エンドプレート１２の酸化ガス入口１５と対応するようにケース７３が装着され、酸化オフガス出口１６と対応するようにケース７４が装着され、燃料オフガス出口１４と対応するように燃料オフガス配管２３が装着され、冷却液出口１８と対応するようにケース７５が装着されている。図１９に示すように、前記ケース７１は、円弧状部７１ａを備え、ケース７１の内部には、隔壁７２によって、燃料ガス供給通路３２と冷却液供給通路３７とが区画形成されている。

なお、第３〜第６の実施形態も共通の隔壁及びケースが円弧状部である効果は、第１の実施形態の（１）及び（２）の効果と同様であるため、説明を省略する。
（第４の実施形態）
図２０及び図２１に示すように、前記エンドプレート１２の燃料ガス入口１３及び酸化オフガス出口１６に共通するケース７６が取り外し可能に装着されている。前記ケース７６は円弧状部７６ａを備え、ケース７６の内部には、隔壁７７によって、燃料ガス供給通路３２と酸化オフガス通路３３とが区画形成されている。
（第５の実施形態）
図２２及び図２３に示す第５の実施形態においては、エンドプレート１２の表面に対し前記燃料オフガス出口１４と冷却液出口１８に共通のケース８１が取り外し可能に装着されている。前記ケース８１は、円弧状部８１ａを備えている。ケース８１の内部には、隔壁８２によって冷却水排出通路３５と燃料オフガス排出通路４８とが区画形成されている。
（第６の実施形態）
図２４及び図２５に示す第５の実施形態においては、エンドプレート１２の表面に対し、前記燃料オフガス出口１４及び酸化ガス入口１５に共通のケース８３が取り外し可能に装着されている。前記ケース８３は円弧状部８３ａを備えている。前記ケース８３の内部には、隔壁８４によって酸化ガス供給通路４３と燃料オフガス排出通路４８とが区画形成されている。
（変更例）
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。

・図１に示すケース２１の外形を、半球状にしてもよい。
・前記ケース２１を、複数のケース片に分割し、それらをシール材を介して接合するようにしてもよい。

１２…エンドプレート、２１，６５…配管用ケース、２１ａ…半円筒部、２１ｂ…第１端板、２１ｃ…第２端板、２２…燃料ガス供給配管、２３…燃料オフガス配管、２４…酸化ガス供給配管、２５…酸化オフガス配管、２６…冷却液供給配管、３１，３４，３６，４１，４２，４５，４６，４７，５１，５１−５５，５２，５３，５４，６１，６２，６６，６７，６８，６９，７０，７０ａ，７２，７７，８２，８４…隔壁、３２…燃料ガス供給通路、３２，３３，３５，３７，４３，４８…通路、３３，４４…酸化オフガス通路、３５…冷却水排出通路、３７…冷却液供給通路、４３…酸化ガス供給通路、４８…燃料オフガス排出通路。

Claims (5)

1. 燃料電池のエンドプレートに形成された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、
   前記エンドプレートに接合された配管用ケースの内部に燃料ガス供給通路、酸化オフガス通路、酸化ガス供給通路、酸化オフガス通路、冷却液供給通路及び冷却水排出通路の少なくとも二つの通路を共通の隔壁によって区画するとともに、区画された通路の外側壁を弧状に膨出させ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、前記配管用ケース内の燃料ガス供給通路、燃料オフガス通路、酸化ガス供給通路、酸化オフガス通路、冷却液供給通路及び冷却液排出通路は、複数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。
3. 請求項１又は２において、前記冷却液供給通路と酸化ガス供給通路とが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。
4. 請求項１〜３のいずれか一項において、前記配管用ケースは、半円筒部と、該半円筒部の両端に一体に成形された第１及び第２端板とによって構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１〜３のいずれか一項において、前記配管用ケースは、四角環状に一体成形され、前記燃料ガス供給通路と酸化オフガス通路が隔壁によって区画され、冷却液供給通路と酸化ガス供給通路とが隔壁によって区画され、燃料ガス供給通路と冷却液供給通路とが隔壁によって区画され、酸化オフガス通路、冷却水排出通路及び燃料オフガス排出通路が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。

Images