JP2013004352A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムの部品点数、小型化を図るとともに、補機類のメンテナスを容易化する。
【解決手段】燃料電池スタック１１０の両端のエンドプレートのうち、一方はスタックケースと一体化し、他方のエンドプレート１１７はスタックケースと別個に設ける。エンドプレート１１７には水素ポンプ１１８や気液分離器１２４等の補機が取り付けられ、スタックケースにボルト締めされる。補機類はエンドプレート１１７に取り付けられる補機カバー１３６で被覆される。補機のメンテナンス時には、補機カバー１３６を取り外して行う。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システムに関し、特に燃料電池スタックの収納構造に関する。

燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池において、燃料電池スタックの端部に設けられたエンドプレートに水素ポンプ等の補機類を取り付け、燃料電池スタックを収納するとともにこれらの補機類をカバーするスタックケースを設ける構成が提案されている。

下記の特許文献１には、燃料電池スタック及び配管の一部を収納するスタックケースを備える燃料電池システムが開示されている。図２に、この従来技術の燃料電池システムの構成を示す。燃料電池スタック１００は、複数の単セル１０を積層して構成され、その両端部にそれぞれ比較的剛性の高い金属製のエンドプレート２０，３０が配置される。エンドプレート２０の表面には配管５０，６０が取り付けられるとともに、水素ポンプ４０が取り付けられる。水素ポンプ４０は、燃料ガスとしての水素を燃料電池スタック１００に供給するための水素供給配管に、各単セル１０のアノードから排出されるアノードオフガスに含まれる水素を流して再利用するための循環ポンプである。水素ポンプ４０には、配管５０，６０よりも突出するようにブロック８０が設けられる。そして、燃料電池スタック１００、ポンプ４０、配管５０、６０、ブロック８０を覆うようにスタックケース７０が設けられる。車両の衝突等によりスタックケース７０が破線で示すように変形した場合であっても、ブロック８０により配管５０，６０の破損が防止される。

特開２０１０−２３８５６８号公報

ところで、燃料電池スタックをスタックケースに収納するのではなく、燃料電池スタックとスタックケースとを一体化し、これにより部品点数の削減及び小型化を達成することも考えられるが、スタックケースと一体化したエンドプレートに取り付けられた水素ポンプ等の補機類のメンテナンスを行うためにはスタックケース自体を取り外す必要があり、この場合にはスタックケースと燃料電池スタックとが一体化されていると燃料電池スタックを構成するセルの積層体が外部に露出してしまうためセルの信頼性確保が困難となる。

また、燃料電池スタックとスタックケースが一体化しているため、燃料電池スタックと補機類等を同時に組み付ける必要があり、燃料電池スタックの組み付けと補機類の組み付けとを別々の工程で行う「外段取り」（言い換えれば、別ラインを用いたサブアセンブリ化）が困難であり、生産性が低下する懸念がある。

さらに、エンドプレートとスタックケースが一体化しているため、エンドプレートの加工性、すなわち燃料電池スタックとの接触面の加工性が低下してしまう懸念もある。

本発明の目的は、部品点数の削減や小型化を図りつつ、エンドプレートに取り付けられ得た補機のメンテナンスも容易な燃料電池システムを提供することにある。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池スタックの一方端のエンドプレートはスタックケースと一体化され、前記燃料電池スタックの他方端のエンドプレートは前記スタックケースと別個に形成されて前記スタックケースに固定され、前記他方端のエンドプレートに補機が取り付けられることを特徴とする。

本発明では、燃料電池スタックの両端、すなわちセル積層方向の両端に設けられたエンドプレートのうち、一方はスタックケースと一体化されて部品点数の削減及び小型化が図られる。また、他方のエンドプレートはスタックケースと一体化されず別個に形成されてスタックケースに固定される。スタックケースと別個に形成されたエンドプレートに補機が取り付けられるので、補機の組み付けは燃料電池スタックの組み付けと別工程で行い得る。また、他方のエンドプレートはスタックケースと別個に形成されるため、補機のメンテナンスが容易であり、かつ、エンドプレートの加工の容易性、及びスタックケースの加工の容易性が確保される。

本発明によれば、部品点数の削減や小型化を図りつつ、エンドプレートに取り付けられ得た補機のメンテナンスを容易化できる。

実施形態における燃料電池システムの分解斜視図である。 従来の燃料電池システムの構成図である。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。

まず、本実施形態における燃料電池システムの全体構成について説明する。本実施形態の燃料電池システムは、複数の単セルを積層し、積層方向の両端部にエンドプレートを配置した燃料電池スタックを有し、一対のエンドプレートの一方はスタックケースと一体化して構成され、エンドプレートの他方は、スタックケースと別個に構成される。スタックケースと別個に形成されるエンドプレートには、水素ポンプは配管等の補機類が取り付けられ、補機類は補機カバーで被覆される。スタックケースに着目すると、スタックケースの一方側はエンドプレートと一体化されており、その反対側は開放端となっており、この開放端にエンドプレートが配置される。スタックケースと別個のエンドプレートは、スタックケースにボルト締めで固定される。ボルトは、単セルの積層方向に締結される。

このように、スタックケースの一方はエンドプレート（あるいはプレッシャプレート）と一体化されているので、部品点数の削減及び小型化が達成される。その一方で、スタックケースの反対側（セルの積層方向に沿った反対側）ではスタックケースと別個にエンドプレートがボルト締めで固定され、このエンドプレートに補機類が取り付けられる構成であるため、補機類のメンテナンスの際には、補機カバーを取り外すだけで補機類を露出させることができ、スタックケースを取り外す必要がない。また、補機類が取り付けられるエンドプレートはスタックケースと別個に設けられるため、燃料電池スタックの組み付けと補機類の組み付けを別個に行うことができる（外段取り：あるいは別ラインを用いたサブアセンブリ化）。さらに、補機類は取り付けられるエンドプレートはスタックケースと別個に設けられるため、エンドプレートのセルに当接する面の加工性を確保でき、エンドプレート内に水素ガスを通流させるための流路を形成する等の加工も容易となる。

次に、本実施形態における燃料電池システムの構成を具体的に説明する。

図１に、本実施形態の燃料電池システムの分解斜視図を示す。燃料電池スタック１１０の一方の端部のエンドプレートはスタックケースと一体化され、他方の端部はスタックケースが開放端になっている。スタックケースの開放端には、各セルで生じた電力を集めるための集電板もしくはターミナル１１１が設けられ、エンドプレートカバー１１２を介してエンドプレート１１７がボルト締めで燃料電池スタック１１０のスタックケースに固定される。エンドプレートカバー１１２は樹脂製で、エンドプレート１１７はアルミニウム等の金属製である。エンドプレートカバー１１２は、エンドプレート１１７の裏面側（セル側）を被覆するもので、エンドプレート１１７の裏面側に設けられたオープンチャネルの水素ガス流路を被覆する。エンドプレートカバー１１２にはスタックマニホールド１１４が取り付けられ、スタックマニホールド１１４には燃料電池スタック１１０に冷却水を供給するための冷却入口配管１１６が接続される。

エンドプレート１１７の表面側には複数の穴及び開口部が形成され、対応する穴を用いて水素ポンプ１１８が取り付けられる。また、水素供給配管１２０、冷却水出口配管１２２、気液分離器１２４、水素インジェクタアッシー１２６がそれぞれ対応する穴あるいは開口部に取り付けられる。水素インジェクタアッシー１２６の近傍には圧力センサ１２８及びリリーフ弁１３０が取り付けられる。また、エンドプレート１１７の対応する開口部にはバルブアッシー１３２が取り付けられる。バルブアッシー１３２の一端には空気入口配管１３４が接続され、酸化ガスとしての空気が供給される。また、バルブアッシー１３２の他端からは燃料電池スタック１１０からの空気が排気される。

エンドプレート１１７に取り付けられた水素ポンプ１１８や気液分離器１２４、バルブアッシー１３２、水素供給配管１２０等の補機類は、エンドプレート１１７に取り付けられる補機カバー１３６で被覆される。

このような構成において、燃料ガスとしての水素ガスの流れについて説明する。図示しない水素タンクからの高圧水素ガスは、レギュレータ及び配管を介してエンドプレート１１７の一側面に形成された流入口からエンドプレート１１７内に流入する。エンドプレート１１７内に流入した高圧水素ガスは、次に水素インジェクタアッシー１２６に供給される。水素インジェクタアッシー１２６は、複数の水素インジェクタから構成され、それぞれ並列に動作して高圧水素ガスの流量や圧力を調整する。より具体的には、エンドプレート１１７に流入した水素ガスは、分配管を介して複数の流路に分配され、各流路に水素インジェクタアッシー１２６の複数のインジェクタが設けられて高圧水素ガスを並列的に減圧する。水素インジェクタアッシー１２６で減圧された低圧水素ガスの圧力は、水素インジェクタアッシー１２６の近傍に取り付けられた圧力センサで検出され、図示しない制御装置に検出された圧力が供給される。制御装置は、検出された圧力が所望の圧力となるように水素インジェクタアッシー１２６の各インジェクタの動作を制御する。インジェクタの構成及び機能は公知であるが、簡単に説明すると、インジェクタには弁体が設けられ、ソレノイドへの通電により弁体が駆動され、内部流路の開口状態が変更される。ソレノイドが非通電状態では、弁体はスプリングによる付勢力により弁体に対向する弁座に当接して内部流路を閉塞する。ソレノイドが通常状態となると、弁体はスプリングによる付勢力に抗して移動して弁座から離間し、内部流路が開状態となる。ソレノイドは制御装置からの制御信号により通電され、インジェクタのガス噴射時間及びガス噴射時期が制御されることにより、水素ガスの流量及び圧力が高精度に制御される。

水素インジェクタアッシー１２６からの低圧水素ガスは、エンドプレート１１７内に形成された流路を通り、さらに水素供給配管１２０を通って再びエンドプレート１１７内に流入し、燃料電池スタック１１０に供給される。燃料電池スタック１１０からのオフガスは、気液分離器１２４に供給される、気液分離器１２４は、オフガスから水分を分離し、オフガスの一部を水素ポンプ１１８に供給する。水素ポンプ１１８はオフガスから分離された水素ガスを水素供給管１２０に循環供給する。一方、水分及び不純物を含むオフガスは、気液分離器１２４に設けられた図示しないパージ弁を介して排気管に排出される。

また、酸化ガスとしての空気は、空気入口配管１３４からバルブアッシー１３２に供給され、バルブアッシー１３２からエンドプレート１１７を通って燃料電池スタック１１０に供給される。また、冷却水は、冷却入口配管１１６からスタックマニホールド１１４に供給され、スタックマニホールド１１４から燃料電池スタック１１０に供給される。燃料電池スタック１１０を冷却した後の冷却水は、冷却水出口配管１２２から外部に排出される。

以上のように、本実施形態では、水素ポンプ１１８や気液分離器１２４等の補機類が取り付けられる側のエンドプレート１１７は燃料電池スタック１１０のスタックケースとは別個に設けられ、エンドプレート１１７はスタックケースにボルト締めで固定される構成であるから、補機類をメンテナンスする際には補機カバー１３６を取り外すだけでよく、スタックケースまでとり外す必要はない。従って、補機類をメンテナンスする際にスタックケースまで取り外して燃料電池スタック１１０のセルを露出させ、セルの信頼性を低下させることがない。

また、本実施形態では、エンドプレート１１７は燃料電池スタッカ１１０と一体化されておらず別個であるため、燃料電池スタッカ１１０の組み付けと、エンドプレート１１７への補機類の組み付けを別工程で行い、その後に補機類が取り付けられたエンドプレート１１７を燃料電池スタック１１０に固定すればよいので、生産性が向上する。

また、エンドプレート１１７のセルに当接する面の加工も容易であるため、上記のようにエンドプレート内に高圧水素ガス及び低圧水素ガスの流路を形成して配管系をコンパクト化することも可能である。

さらに、エンドプレート１１７とスタックケースとが別個であるため、エンドプレート１１７に当接するスタックケースの部位、すなわちスタックケースの角部の形状に自由度が生じ、比較的大きな曲率を形成してスタックケースの角部の応力を緩和することも可能である。

１１０ 燃料電池スタック、１１１ ターミナル、１１２ エンドプレートカバー、１１４ スタックマニホールド、１１６ 冷却入口配管、１１７ エンドプレート、１１８ 水素ポンプ、１２０ 水素供給配管、１２２ 冷却水出口配管、１２４ 気液分離器、１２６ 水素インジェクタアッシー、１２８ 圧力センサ、１３０ リリーフ弁、１３２ バルブアッシー、１３４ 空気入口配管、１３６ 補機カバー。

Claims (3)

1. 燃料電池スタックの一方端のエンドプレートはスタックケースと一体化され、
   前記燃料電池スタックの他方端のエンドプレートは前記スタックケースと別個に形成されて前記スタックケースに固定され、
   前記他方端のエンドプレートに補機が取り付けられる
   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、
   前記エンドプレートに取り付けられ、前記補機を覆う補機カバー
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１，２のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
   前記補機は、水素ポンプ、気液分離器、及びインジェクタを含むことを特徴とする燃料電池システム。

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