JP2012195176A

JP2012195176A - 燃料電池システム

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Publication number: JP2012195176A
Application number: JP2011058667A
Authority: JP
Inventors: Goji Katano; 剛司片野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-03-17
Filing date: 2011-03-17
Publication date: 2012-10-11
Anticipated expiration: 2031-03-17
Also published as: WO2012123794A1; JP5736871B2; CN103430367A; EP2686899A1; CN103430367B; EP2686899B1; US9166235B2; US20140011109A1

Abstract

【課題】燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックを構成するエンドプレートに一体化されたリリーフ弁の誤動作を抑制する。
【解決手段】燃料電池スタックを構成するエンドプレート１５０ｂの一方の表面には、エンドプレート１５０ｂの内部に形成された水素流路１５２内に水素を噴射するための４つのインジェクタ４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄが一体的に設けられる。また、エンドプレート１５０ｂの他方の表面には、水素流路１５２内の過圧を防止するためのリリーフ弁５０が一体的に設けられる。そして、リリーフ弁５０は、４つのインジェクタ４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄの噴射軸ＡＸａ，ＡＸｂ，ＡＸｃ，ＡＸｄとずれた軸ＡＸｅ上に配置される。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。

燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池は、一般に、燃料電池セルを複数積層してなる燃料電池スタックの形態で利用される。そして、燃料電池スタックにおいて、複数の燃料電池セルの積層方向についての両端部には、それぞれ、エンドプレートが配置される。

このような燃料電池スタックを備える燃料電池システムでは、燃料電池スタックに燃料ガスや酸化剤ガスや冷却媒体を流すための複数の配管が接続される。そして、これらの配管構造は、接続作業性の向上や、燃料電池システムの小型化の観点から、コンパクトに構成することが求められる。そこで、従来、燃料電池スタックに接続される配管の一部を一体化する技術が提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。

特開２０１０−５５８６７号公報

ところで、燃料電池スタックに接続される配管構造をコンパクトに構成する態様としては、エンドプレートの内部に、エンドプレートの表面に沿って平行な方向に燃料ガスを流すための燃料ガス流路を形成し、この燃料ガス流路内に燃料ガスを噴射するインジェクタと、燃料ガス流路内の過圧を防止するためのリリーフ弁とをエンドプレートに一体化する態様が考えられる。さらに、この態様について、エンドプレートの一方の表面にインジェクタを配置し、エンドプレートの他方の表面にリリーフ弁を配置する構成が考えられる。しかし、エンドプレートを上述した構成とすると、インジェクタとリリーフ弁との位置関係によっては、インジェクタから噴射された燃料ガスの動圧によって、リリーフ弁が誤動作する場合がある。

本発明は、上述の課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いて、燃料電池スタックを構成するエンドプレートに一体化されたリリーフ弁の誤動作を抑制することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
燃料電池システムであって、
複数の燃料電池セルを積層したセル積層体の積層方向についての両端部にそれぞれエンドプレートが配置された燃料電池スタックと、
前記エンドプレートの内部に形成され、前記エンドプレートの表面に沿って平行な方向に燃料ガスを流すための燃料ガス流路と、
前記エンドプレートの一方の表面に一体的に設けられ、前記燃料ガス流路内に燃料ガスを噴射するためのインジェクタと、
前記エンドプレートの他方の表面に一体的に設けられ、前記燃料ガス流路内の過圧を防止するためのリリーフ弁と、
を備え、
前記リリーフ弁は、前記インジェクタの噴射軸とずれた位置に配置されている、
燃料電池システム。

適用例１の燃料電池システムでは、燃料電池スタックを構成するエンドプレートの両面において、リリーフ弁がインジェクタの噴射軸とずれた位置に配置されるので、インジェクタから噴射された燃料ガスは、リリーフ弁の受圧面に直接的に衝突しない。したがって、インジェクタから噴射された燃料ガスの動圧によるリリーフ弁の誤動作を抑制することができる。

［適用例２］
適用例１記載の燃料電池システムであって、
前記燃料ガス流路は、前記エンドプレートの表面に沿って設けられた溝部と、該溝部を覆う蓋部材とからなる、
燃料電池システム。

適用例２の燃料電池システムによって、その内部に上記燃料ガス流路を有するエンドプレートを、複雑な加工技術を用いることなく、鋳造によって、比較的容易に製造することができる。

［適用例３］
適用例２記載の燃料電池システムであって、
前記溝部は、前記エンドプレートの前記セル積層体側の面に形成されている、
燃料電池システム。

適用例３の燃料電池システムでは、エンドプレートのセル積層体側に生じるデッドスペースを、上記蓋部材の組付作業用の工具を挿入するスペースとして、有効に利用することができる。

［適用例４］
適用例２または３記載の燃料電池システムであって、
前記蓋部材は、前記リリーフ弁のボディと一体化されている、
燃料電池システム。

適用例４の燃料電池システムでは、上記蓋部材がリリーフ弁のボディを兼ねることによって、部品点数を減少させることができる。したがって、燃料電池システムの組付工数を減少させることができる。

［適用例５］
適用例１ないし４のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記インジェクタは、複数備えられており、
前記燃料電池システムは、さらに、
前記エンドプレートの内部に形成され、前記燃料ガス流路内を流れる燃料ガスよりも高圧の高圧燃料ガスを流すための高圧燃料ガス流路であって、
前記エンドプレートの側面に設けられ、前記高圧燃料ガスが導入される導入口と、
前記エンドプレートの前記一方の表面に設けられ、前記高圧燃料ガスが排出される排出口と、
を有する高圧燃料ガス流路と、
前記排出口から排出された前記高圧燃料ガスを、前記複数のインジェクタの一次側に供給するための高圧燃料ガス配管と、
を備えており、
前記エンドプレートの前記一方の表面において、前記排出口と前記複数のインジェクタとは、直線上に並べて配置されている、
燃料電池システム。

適用例５の燃料電池システムによって、上記高圧燃料ガス配管を、比較的製造が簡易なストレート配管とすることができる。

［適用例６］
適用例５記載の燃料電池システムであって、
前記エンドプレートの前記一方の表面において、前記排出口は、前記排出口と前記複数のインジェクタとの配置方向についての最も端に配置されている、
燃料電池システム。

適用例６の燃料電池システムによって、上記燃料ガス流路において、上記複数のインジェクタが設けられた部位を、曲がった形状とすることなく、上記燃料ガス流路と上記高圧燃料ガス流路との干渉を防止することができる。

本発明は、上述の燃料電池システムとしての構成の他、インジェクタとリリーフ弁とを一体的に備えるエンドプレートの発明、このエンドプレートを備える燃料電池スタックの発明として構成することもできる。

本発明の一実施例としての燃料電池システムを備える車両１０の要部構成を示す説明図である。本実施例の燃料電池システムの要部構成を示す説明図である。エンドプレート１５０ｂの要部構成を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．車両：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システムを備える車両１０の要部構成を示す説明図である。この車両１０は、いわゆる電気自動車（燃料電池自動車）であり、電源として、燃料電池スタック１００や、図示しないバッテリを含む燃料電池システムを備えている。そして、車両１０は、燃料電池スタック１００によって発電される電力や、バッテリから出力される電力によって、図示しないモータを駆動し、その動力によって、車輪を回転させて走行する。燃料電池スタック１００によって発電された電力は、バッテリに蓄電することも可能である。

本実施例では、車両１０において、燃料電池スタック１００は、図示しないスタックケースに収納され、座席シート下の床１２の下部に、燃料電池セルの積層方向が車両１０の左右方向（図示したｚ方向）となるように設置されている。そして、床１２の下面において、燃料電池スタック１００の前方および後方には、車両１０の左右方向（図示したｚ方向）に亘って、側突時の燃料電池スタック１００の損傷を抑制するための補強材１４がそれぞれ設けられている。そして、燃料電池スタック１００の下方側面（後述するエンドプレート１５０ｂの下方側面）には、車両１０の後部に設置された水素タンクから燃料ガスとしての水素を供給するための水素供給配管２０が接続されている。燃料電池スタック１００の下方側面に水素供給配管２０を接続する構成とすることによって、水素供給配管２０と補強材１４とが干渉しないようにするための水素供給配管２０の曲げ加工を省略することができる。

なお、図示は省略しているが、車両１０の床１２の下部や、居室の前方や後方の、居室外の空間には、それぞれ、燃料電池システムを構成する各種構成部品（例えば、水素タンクや、エアコンプレッサや、ラジエータや、各種配管等）や、車輪を回転させるためのモータや、その他の機能部品等が配置されている。

Ｂ．燃料電池システム：
図２は、本実施例の燃料電池システムの要部構成を示す説明図である。燃料電池システムは、燃料電池スタック１００を備えている。そして、燃料電池スタック１００は、図示するように、一端から、エンドプレート１５０ａ、絶縁板１４０ａ、集電板１３０ａ、断熱性能を有する断熱セル１２０ａ、複数の燃料電池セルを積層したセル積層体１１０、断熱セル１２０ｂ、集電板１３０ｂ、絶縁板１４０ｂ、エンドプレート１５０ｂの順に積層することによって構成されている。燃料電池スタック１００において、断熱セル１２０ａ，１２０ｂを省略するようにしてもよい。セル積層体１１０において、燃料電池セルの積層数は、燃料電池スタック１００に要求される出力に応じて任意に設定可能である。

エンドプレート１５０ａ，１５０ｂは、剛性を確保するため、金属によって形成されている。絶縁板１４０ａ，１４０ｂは、ゴムや、樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。集電板１３０ａ，１３０ｂは、緻密質カーボンや、銅板などのガス不透過な導電性部材によって形成されている。集電板１３０ａ，１３０ｂには、それぞれ図示しない出力端子が設けられており、燃料電池スタック１００で発電した電力を出力可能となっている。燃料電池スタック１００において、セル積層体１１０の下側には、各燃料電池セルにおける発電状態（例えば、セル電圧）を監視するためのセルモニタ６０が接続されている。

そして、本実施例の燃料電池スタック１００では、後述するように、エンドプレート１５０ｂの内部に、エンドプレート１５０ｂの表面に沿って平行な方向に燃料ガスとしての水素を流すための水素流路が形成されている。そして、エンドプレート１５０ｂには、水素流路内に水素を噴射するための４つのインジェクタ４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄや、４つのインジェクタ４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄの一次側に水素を供給するための高圧水素配管３０や、水素流路内の過圧を防止するためのリリーフ弁５０が一体的に接続されている。以下、これらの接続構造について、詳しく説明する。

Ｃ．エンドプレート：
図３は、エンドプレート１５０ｂの要部構成を示す説明図である。図３（ａ）に、エンドプレート１５０ｂをセル積層体１１０側（図示した−ｚ側）から見たときの右下部の平面図を示した。また、図３（ｂ）に、エンドプレート１５０ｂの図３（ａ）に示した部分を側面側（図示したｘ側）から見たときの概略断面図を示した。

図示するように、エンドプレート１５０ｂのセル積層体１１０側の面には、溝部１５２ｄが形成されている。そして、この溝部１５２ｄは、リリーフ弁５０を含む蓋部材５２によって覆われている。溝部１５２ｄがリリーフ弁５０を含む蓋部材５２によって覆われることによって、エンドプレート１５０ｂの内部には、エンドプレート１５０ｂの表面に沿って平行な方向に水素を流すための水素流路１５２が形成されている。なお、本実施例では、蓋部材５２は、リリーフ弁５０のボディと一体化されているものとした。

また、エンドプレート１５０ｂの下部の内部には、エンドプレート１５０ｂの表面に沿って平行な方向（図示した−ｘ方向）に、水素流路１５２内を流れる水素よりも高圧の高圧水素を流すための高圧水素流路１５４が形成されている。この高圧水素流路１５４は、高圧水素が導入される導入口１５４ｉと、高圧水素が排出される排出口１５４ｏとを有している。そして、導入口１５４ｉは、エンドプレート１５０ｂの側面に設けられている。また、排出口１５４ｏは、エンドプレート１５０ｂの、セル積層体１１０とは反対側（図示したｚ側）の表面に設けられている。導入口１５４ｉには、水素供給配管２０（図１参照）が接続される。

また、エンドプレート１５０ｂの、セル積層体１１０とは反対側の表面には、水素流路１５２内に水素を噴射するための４つのインジェクタ４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄが設けられている。これら４つのインジェクタ４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄは、それぞれ、エンドプレート１５０ｂの表面に対して垂直な方向に水素が噴射されるように配置されている。また、４つのインジェクタ４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄは、排出口１５４ｏの上方に、鉛直方向（図示したｙ方向）に並べて配置されている。すなわち、エンドプレート１５０ｂにおいて、排出口１５４ｏと４つインジェクタ４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄとは、直線上に並べて配置されるとともに、排出口１５４ｏは、排出口１５４ｏと４つインジェクタ４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄとの配置方向についての最下方（最も端）に配置されている。

そして、排出口１５４ｏ、および、インジェクタ４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄの一次側には、排出口１５４ｏから排出された高圧水素をインジェクタ４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄの一次側にそれぞれ供給するための高圧水素配管３０が接続されている。なお、本実施例において、４つのインジェクタ４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄを用いているのは、比較的安価な小型のインジェクタを複数用いることによって、水素を安定的かつ低コストで供給することができるからである。

また、リリーフ弁５０は、エンドプレート１５０ｂのセル積層体１１０側の表面において、インジェクタ４０ａの噴射軸ＡＸａ、インジェクタ４０ｂの噴射軸ＡＸｂ、インジェクタ４０ｃの噴射軸ＡＸｃ、インジェクタ４０ｄの噴射軸ＡＸｄとずれた軸ＡＸｅ上に配置されている。なお、水素流路１５２から排出された比較的低圧の水素は、図示しない配管を介して、燃料電池スタック１００の水素供給用マニホールドに供給される。

以上説明した本実施例の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１００を構成するエンドプレート１５０ｂの両面において、リリーフ弁５０がインジェクタ４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄの噴射軸ＡＸａ，ＡＸｂ、ＡＸｃ，ＡＸｄとずれた位置（軸ＡＸｅ上）に配置されるので、インジェクタ４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄから噴射された水素は、リリーフ弁５０の受圧面に直接的に衝突しない。したがって、インジェクタ４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄから噴射された水素の動圧によるリリーフ弁５０の誤動作を抑制することができる。

また、本実施例の燃料電池システムでは、水素流路１５２を、エンドプレート１５０ｂに形成された溝部１５２ｄと蓋部材５２（リリーフ弁５０を含む）とによって構成するので、エンドプレート１５０ｂを、複雑な加工技術を用いることなく、鋳造によって、比較的容易に製造することができる。

また、溝部１５２ｄは、エンドプレート１５０ｂのセル積層体１１０側の面に形成されているので、エンドプレート１５０ｂのセル積層体１１０側に生じるデッドスペースを、蓋部材５２（リリーフ弁５０を含む）の組付作業用の工具を挿入するスペースとして、有効に利用することができる。

また、蓋部材５２は、リリーフ弁５０のボディと一体化されているので、蓋部材５２がリリーフ弁５０のボディを兼ねることによって、部品点数を減少させることができる。したがって、燃料電池システムの組付工数を減少させることができる。

また、本実施例の燃料電池システムでは、エンドプレート１５０ｂの一方の表面において、排出口１５４ｏと４つのインジェクタ４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄとを、直線上に並べて配置するので、高圧水素配管３０を、比較的製造が簡易なストレート配管とすることができる。

また、エンドプレート１５０ｂの一方の表面において、排出口１５４ｏを、排出口１５４ｏと４つのインジェクタ４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄとの配置方向についての最も端（最下方）に配置するので、水素流路１５２において、４つのインジェクタ４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄが設けられた部位を、曲がった形状とすることなく、水素流路１５２と高圧水素流路１５４との干渉を防止することができる。

Ｄ．変形例：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。

Ｄ１．変形例１：
上記実施例では、エンドプレート１５０ｂに４つのインジェクタ４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄが接続されるものとしたが、本発明は、これに限られない。インジェクタの数は、任意に設定可能である。

Ｄ２．変形例２：
上記実施例では、エンドプレート１５０ｂにおいて、水素流路１５２は、溝部１５２ｄと蓋部材５２（リリーフ弁５０を含む）とによって形成されるものとしたが、本発明は、これに限られない。鋳造以外の比較的複雑な加工技術を用いて、エンドプレート１５０ｂに水素流路１５２を形成するようにしてもよい。

Ｄ３．変形例３：
上記実施例では、エンドプレート１５０ｂにおいて、溝部１５２ｄは、セル積層体１１０側の面に形成されるものとしたが、本発明は、これに限られない。他の部位に溝部１５２ｄを形成するようにしてもよい。

Ｄ４．変形例４：
上記実施例では、蓋部材５２は、リリーフ弁５０のボディと一体化されているものとしたが、本発明は、これに限られない。リリーフ弁５０と蓋部材５２とを別体としてもよい。

Ｄ５．変形例５：
上記実施例のエンドプレート１５０ｂにおいて、水素流路１５２の形状、および、複数のインジェクタの配置や、高圧水素流路１５４の形状、および、導入口１５４ｉ、排出口１５４ｏの配置は、適宜、変更し得る。本発明は、一般に、燃料電池スタックを構成するエンドプレートの両面において、リリーフ弁がインジェクタの噴射軸とずれた位置に配置されるようにすればよい。

１０…車両
１２…床
１４…補強材
２０…水素供給配管
３０…高圧水素配管
４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄ…インジェクタ
５０…リリーフ弁
５２…蓋部材
６０…セルモニタ
１００…燃料電池スタック
１１０…セル積層体
１２０ａ，１２０ｂ…断熱セル
１３０ａ，１３０ｂ…集電板
１４０ａ，１４０ｂ…絶縁板
１５０ａ，１５０ｂ…エンドプレート
１５２…水素流路
１５２ｄ…溝部
１５４…高圧水素流路
１５４ｉ…導入口
１５４ｏ…排出口
ＡＸａ，ＡＸｂ，ＡＸｃ，ＡＸｄ…噴射軸
ＡＸｅ…軸

Claims

燃料電池システムであって、
複数の燃料電池セルを積層したセル積層体の積層方向についての両端部にそれぞれエンドプレートが配置された燃料電池スタックと、
前記エンドプレートの内部に形成され、前記エンドプレートの表面に沿って平行な方向に燃料ガスを流すための燃料ガス流路と、
前記エンドプレートの一方の表面に一体的に設けられ、前記燃料ガス流路内に燃料ガスを噴射するためのインジェクタと、
前記エンドプレートの他方の表面に一体的に設けられ、前記燃料ガス流路内の過圧を防止するためのリリーフ弁と、
を備え、
前記リリーフ弁は、前記インジェクタの噴射軸とずれた位置に配置されている、
燃料電池システム。
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記燃料ガス流路は、前記エンドプレートの表面に沿って設けられた溝部と、該溝部を覆う蓋部材とからなる、
燃料電池システム。
請求項２記載の燃料電池システムであって、
前記溝部は、前記エンドプレートの前記セル積層体側の面に形成されている、
燃料電池システム。
請求項２または３記載の燃料電池システムであって、
前記蓋部材は、前記リリーフ弁のボディと一体化されている、
燃料電池システム。
請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記インジェクタは、複数備えられており、
前記燃料電池システムは、さらに、
前記エンドプレートの内部に形成され、前記燃料ガス流路内を流れる燃料ガスよりも高圧の高圧燃料ガスを流すための高圧燃料ガス流路であって、
前記エンドプレートの側面に設けられ、前記高圧燃料ガスが導入される導入口と、
前記エンドプレートの前記一方の表面に設けられ、前記高圧燃料ガスが排出される排出口と、
を有する高圧燃料ガス流路と、
前記排出口から排出された前記高圧燃料ガスを、前記複数のインジェクタの一次側に供給するための高圧燃料ガス配管と、
を備えており、
前記エンドプレートの前記一方の表面において、前記排出口と前記複数のインジェクタとは、直線上に並べて配置されている、
燃料電池システム。
請求項５記載の燃料電池システムであって、
前記エンドプレートの前記一方の表面において、前記排出口は、前記排出口と前記複数のインジェクタとの配置方向についての最も端に配置されている、
燃料電池システム。