JP2014044797A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つコンパクトな構成で、外部荷重を確実に受けることができ、各デバイスの損傷を可及的に抑制することを可能にする。
【解決手段】燃料電池システム１０を構成する燃料電池スタック１２の一端には、第１エンドプレート２４ａを設け、前記第１エンドプレート２４ａには、ブロック部材６０を介して燃料ガス系デバイス群６２が配設される。空気導入用電磁弁８０及び燃料ガス排出用電磁弁８２の外形線は、エゼクタ７０、水素ポンプ７２、気液分離器７４、パージ弁７６及び逆止弁７８の外形線よりも、積層方向外方に突出する。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを内部に収容する筐体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の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

燃料電池スタックでは、特に車載用として使用される際、燃料ガス（例えば、水素ガス）系デバイスや酸化剤ガス（例えば、空気）系デバイス等をコンパクト且つ効率的に配置することが望まれている。

例えば、特許文献１に開示されている燃料電池の車載構造では、セルの積層方向の端部がエンドプレートに支持された燃料電池スタックを、前記積層方向を車両左右方向に沿わせて車載し、前記燃料電池スタックからの酸化剤ガスのオフガスを希釈器を介して前記燃料電池スタックよりも車両前後方向後側から排気している。そして、燃料電池スタックから排出される酸化剤ガスのオフガスを案内する複数のエキゾーストマニホールドの合流部が、エンドプレートにおける車両前後方向前側に配置されている。

国際公開第２００９／１５０９２３号パンフレット

しかしながら、上記の特許文献１では、希釈器が車両の外側に配置されているため、外部から荷重が付与される際に、前記希釈器に前記荷重が付与されてしまう。その際、希釈器は、通常、金属薄板製や樹脂製の部材で作成されており、外部荷重（衝撃）を良好に受けることができないおそれがある。従って、燃料ガス系デバイスや酸化剤ガス系デバイス等が損傷を受け易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、簡単且つコンパクトな構成で、外部荷重を確実に受けることができ、各デバイスの損傷を可及的に抑制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、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを内部に収容する筐体と、を備える燃料電池システムに関するものである。

この燃料電池システムでは、燃料電池スタックは、燃料電池の積層方向両端にエンドプレートが配設されるとともに、いずれか一方の前記エンドプレートには、複数の燃料ガス系デバイスが配設されている。

そして、燃料ガス系デバイスである電磁弁の外形線は、他の前記燃料ガス系デバイスの外形線よりも、燃料電池の積層方向外方に突出する位置に設定されている。

また、この燃料電池システムでは、電磁弁は、燃料ガス循環路に空気を導入する空気導入用電磁弁、又は前記燃料ガス循環路から燃料ガスを排出する燃料ガス排出用電磁弁の少なくとも一方であることが好ましい。

さらに、この燃料電池システムでは、空気導入用電磁弁及び燃料ガス排出用電磁弁は、エンドプレートの角部位置に対応して配置されることが好ましい。

さらにまた、この燃料電池システムでは、燃料ガス系デバイスは、ブロック部材に装着されるとともに、前記ブロック部材は、エンドプレートに固定されることが好ましい。

本発明によれば、一方のエンドプレートに配設される燃料ガス系デバイスは、比較的強度が高い電磁弁の外形線が、他の燃料ガス系デバイスの外形線よりも積層方向外方に突出している。従って、外部荷重が付与された際、この外部荷重は、電磁弁からエンドプレートに連なるロードパスに沿って伝達されるため、他の燃料ガス系デバイスに前記外部荷重がかかることがない。これにより、簡単且つコンパクトな構成で、外部荷重を確実に受けることができ、各デバイスの損傷を可及的に抑制することが可能になる。

本発明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燃料電池スタックの一部分解斜視図である。 前記燃料電池システムを構成する燃料電池の要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの一方の端部側の説明図である。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０は、例えば、燃料電池電気自動車等の燃料電池車両（図示せず）に搭載される車載用燃料電池システムを構成する。

燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、前記燃料電池スタック１２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１４と、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１６と、前記燃料電池システム１０全体の制御を行うコントローラ１７とを備える。

燃料電池スタック１２は、図２に示すように、複数の燃料電池１８が水平方向（矢印Ｂ方向）又は重力方向（矢印Ｃ方向）に積層されるとともに、前記燃料電池１８の積層方向一端には、第１ターミナルプレート２０ａ、第１絶縁プレート２２ａ及び第１エンドプレート（一方のエンドプレート）２４ａが、外方に向かって順次配設される。燃料電池１８の積層方向他端には、第２ターミナルプレート２０ｂ、第２絶縁プレート２２ｂ及び第２エンドプレート２４ｂが、外方に向かって順次配設される。

横長形状の第１エンドプレート２４ａの中央部からは、第１ターミナルプレート２０ａに接続された第１電力出力端子２６ａが外方に向かって延在する。横長形状の第２エンドプレート２４ｂの中央部からは、第２ターミナルプレート２０ｂに接続された第２電力出力端子２６ｂが外方に向かって延在する。

第１エンドプレート２４ａと第２エンドプレート２４ｂの各辺間には、連結バー２８の両端がねじ３０により固定され、複数の積層された燃料電池１８に積層方向（矢印Ｂ方向）の締め付け荷重を付与する。

図３に示すように、燃料電池１８は、横長の長方形状を有するとともに、電解質膜・電極構造体３２が、第１セパレータ３４及び第２セパレータ３６に挟持される。第１セパレータ３４及び第２セパレータ３６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、あるいはめっき処理鋼板等の金属セパレータやカーボンセパレータにより構成される。

燃料電池１８の矢印Ａ方向（図３中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ｂ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガス（以下、空気ともいう）を供給するための酸化剤ガス入口連通孔３８ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガス（以下、水素ガスともいう）を排出するための燃料ガス出口連通孔４０ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

燃料電池１８の矢印Ａ方向の他端縁部には、矢印Ｂ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入口連通孔４０ａ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔３８ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

燃料電池１８の矢印Ｃ方向の上端縁部には、冷却媒体を供給するための一対（又は１つ）の冷却媒体入口連通孔４２ａが設けられるとともに、前記燃料電池１８の矢印Ｃ方向の下端縁部には、前記冷却媒体を排出するための一対（又は１つ）の冷却媒体出口連通孔４２ｂが設けられる。

第１セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３４ａには、酸化剤ガス入口連通孔３８ａと酸化剤ガス出口連通孔３８ｂとに連通する酸化剤ガス流路４４が設けられる。

第２セパレータ３６の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３６ａには、燃料ガス入口連通孔４０ａと燃料ガス出口連通孔４０ｂとに連通する燃料ガス流路４６が設けられる。

互いに隣接する燃料電池１８を構成する第１セパレータ３４の面３４ｂと、第２セパレータ３６の面３６ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔４２ａと冷却媒体出口連通孔４２ｂとを連通する冷却媒体流路４８が設けられる。

第１セパレータ３４及び第２セパレータ３６には、それぞれシール部材５０、５２が、一体的又は個別に設けられる。シール部材５０、５２は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、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等の弾性を有するシール部材を使用する。

電解質膜・電極構造体３２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５４と、前記固体高分子電解質膜５４を挟持するカソード電極５６及びアノード電極５８とを備える。

カソード電極５６及びアノード電極５８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て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５４の両面に形成される。

図２に示すように、第１エンドプレート２４ａには、燃料ガス入口連通孔４０ａ及び燃料ガス出口連通孔４０ｂが形成される。第２エンドプレート２４ｂには、図示しないが、酸化剤ガス入口連通孔３８ａ、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂ、冷却媒体入口連通孔４２ａ及び冷却媒体出口連通孔４２ｂが形成される。

第１エンドプレート２４ａの外側の面（燃料電池１８の積層体側とは反対の面）には、ブロック部材６０を介して燃料ガス系デバイス群（複数の燃料ガス系デバイス）６２の一部が配設される。ブロック部材６０に取り付けられる燃料ガス系デバイス群６２は、少なくとも後述するエゼクタ７０、水素ポンプ７２、気液分離器（タンク）７４、パージ弁７６、逆止弁７８、空気導入用電磁弁８０及び燃料ガス排出用電磁弁８２を備える。

ブロック部材６０の内部には、図示しないが、所定のデバイスに燃料ガスの供給や排出を行うための流路６４が形成される。ブロック部材６０には、燃料ガス入口連通孔４０ａと燃料ガス出口連通孔４０ｂとに連結される配管部６６ａ、６６ｂが一体又は別体に設けられる。ブロック部材６０は、第１エンドプレート２４ａにねじ止め等により固定される。

図４に示すように、空気導入用電磁弁８０及び燃料ガス排出用電磁弁８２の外形線ＯＬ１は、他の燃料ガス系デバイス群６２であるエゼクタ７０、水素ポンプ７２、気液分離器７４、パージ弁７６及び逆止弁７８の外形線ＯＬ２よりも、燃料電池１８の積層方向外方に距離Ｓだけ突出する位置に設定される。なお、外形線ＯＬ２は、各デバイスの異なる外形線の中、最も積層方向の外方に位置する外形線を表している。また、空気導入用電磁弁８０の外形線ＯＬ１と燃料ガス排出用電磁弁８２の外形線ＯＬ１とは、略同一位置であることが好ましい。

図２に示すように、燃料電池スタック１２は、筐体８４内に収容される。筐体８４は、長さ方向（矢印Ｂ方向）に沿って分割面を有する複数、例えば、２つの分割部材８６ａ、８６ｂを有する。分割部材８６ａ、８６ｂは、例えば、アルミニウム製板材をプレス成形した部材、鋼板（ステンレス鋼板）をプレス成形した部材等により構成される。

分割部材８６ａの長さ方向に延在する端部には、それぞれ外方に突出するフランジ部８８ａ、８８ａが設けられ、各フランジ部８８ａには、孔部９０ａが所定間隔ずつ離間して設けられる。分割部材８６ｂは、分割部材８６ａと同様に、長さ方向に延在する各端部に、外方に突出するフランジ部８８ｂ、８８ｂが設けられ、各フランジ部８８ｂには、孔部９０ａと同軸上に配置される複数の孔部９０ｂが形成される。孔部９０ａ、９０ｂには、ボルト９２が一体に挿入され、前記ボルト９２にナット９４が螺合することにより、分割部材８６ａ、８６ｂ同士が一体に接合される。

第１エンドプレート２４ａ側には、図４に示すように、前記第１エンドプレート２４ａに取り付けられた燃料ガス系デバイス群６２を覆ってカバーするカバー部材９６が取り付けられる。略平坦な形状を有するカバー部材９６の内面は、空気導入用電磁弁８０及び燃料ガス排出用電磁弁８２と僅かな隙間Ｓ１を形成する。

図１に示すように、酸化剤ガス供給装置１４は、大気からの空気を圧縮して供給するエアポンプ１００を備え、前記エアポンプ１００が空気供給流路１０２に配設される。空気供給流路１０２には、供給ガス（供給空気）と排出ガス（排出空気）との間で水分と熱を交換する加湿器１０４が配設されるとともに、前記空気供給流路１０２は、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔３８ａに連通する。

酸化剤ガス供給装置１４は、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂに連通する空気排出流路１０６を備える。空気排出流路１０６は、加湿器１０４の加湿媒体通路（図示せず）に連通する。この空気排出流路１０６には、エアポンプ１００から空気供給流路１０２を通って燃料電池スタック１２に供給される空気の圧力を調整するための開度調整可能な背圧制御弁１０８が設けられる。空気排出流路１０６は、希釈ボックス１１０に連通する。

燃料ガス供給装置１６は、高圧水素を貯留する水素タンク１１２を備え、この水素タンク１１２は、水素供給流路１１４を介して燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔４０ａに連通する。この水素供給流路１１４には、遮断弁１１６、エゼクタ７０及びバイパス流路１１７の一端が設けられる。バイパス流路１１７の他端は、空気供給流路１０２の途上で且つ加湿器１０４の上流に接続されるとともに、前記バイパス流路１１７には、空気導入用電磁弁８０が配設される。

エゼクタ７０は、水素タンク１１２から供給される水素ガスを、水素供給流路１１４を通って燃料電池スタック１２に供給するとともに、燃料電池スタック１２で使用されなかった未使用の水素ガスを含む排ガスを、水素循環路１１８から吸引して、再度、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスとして供給する。

燃料ガス出口連通孔４０ｂには、オフガス流路１２０が連通する。オフガス流路１２０の途上には、水素循環路１１８が連通するとともに、前記水素循環路１１８には、逆止弁７８が配設される。オフガス流路１２０の上流側には、気液分離器７４及び水素ポンプ７２が配設されるとともに、前記水素循環路１１８の分岐部位の下流には、燃料ガス排出用電磁弁８２が配設される。オフガス流路１２０は、空気排出流路１０６の途上に接続される。

気液分離器７４には、パージ弁７６が接続される。パージ弁７６は、パージ流路１２２を介して希釈ボックス１１０に接続される。

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、燃料電池システム１０の運転時には、酸化剤ガス供給装置１４を構成するエアポンプ１００を介して、空気供給流路１０２に空気が送られる。この空気は、加湿器１０４を通って加湿された後、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔３８ａに供給される。

このため、図３に示すように、空気は、酸化剤ガス入口連通孔３８ａから第１セパレータ３４の酸化剤ガス流路４４に導入される。酸化剤ガスは、矢印Ａ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体３２を構成するカソード電極５６に供給される。

一方、図１に示すように、燃料ガス供給装置１６では、遮断弁１１６が開放されることにより水素タンク１１２から導出された水素ガスは、減圧弁（図示せず）により減圧された後、水素供給流路１１４に供給される。この水素ガスは、水素供給流路１１４を通って燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔４０ａに供給される。

図３に示すように、水素ガスは、燃料ガス入口連通孔４０ａから第２セパレータ３６の燃料ガス流路４６に導入される。この水素ガスは、矢印Ａ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体３２を構成するアノード電極５８に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体３２では、カソード電極５６に供給される空気と、アノード電極５８に供給される水素ガスとが、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。

使用済みの空気は、図１に示すように、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂから空気排出流路１０６に排出される。この排出された空気は、加湿器１０４に送られることによって新たに供給される空気を加湿した後、背圧制御弁１０８を介して希釈ボックス１１０に導入される。

使用済みの水素ガスは、燃料ガス出口連通孔４０ｂからオフガス流路１２０に排出され、気液分離器７４に導入される。気液分離器７４で液状水が除去された水素ガスは、水素循環路１１８を介してエゼクタ７０に吸引され、燃料ガスとして、再度、燃料電池スタック１２に供給される。

また、図３に示すように、冷却媒体供給装置（図示せず）から一対の冷却媒体入口連通孔４２ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ３４及び第２セパレータ３６間の冷却媒体流路４８に導入された後、矢印Ｃ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体３２を冷却した後、一対の冷却媒体出口連通孔４２ｂを流通して冷却媒体循環系に排出される。

一方、燃料電池スタック１２のアノード側流路を空気によりパージする際には、空気導入用電磁弁８０及び燃料ガス排出用電磁弁８２が開度制御される。このため、エアポンプ１００を介して空気供給流路１０２に送られた空気は、バイパス流路１１７を通って水素供給流路１１４に供給される。この空気は、燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔４０ａに供給され、燃料ガス流路４６を通って水素ガスを排出するとともに、希釈ボックス１１０に導入される。

この場合、本実施形態では、図２に示すように、第１エンドプレート２４ａの外側の面には、ブロック部材６０を介して燃料ガス系デバイス群６２が配設されている。具体的には、エゼクタ７０、水素ポンプ７２、気液分離器７４、パージ弁７６、逆止弁７８、空気導入用電磁弁８０及び燃料ガス排出用電磁弁８２が、ブロック部材６０に取り付けられている。

そして、図４に示すように、空気導入用電磁弁８０及び燃料ガス排出用電磁弁８２の外形線ＯＬ１は、エゼクタ７０、水素ポンプ７２、気液分離器７４、パージ弁７６及び逆止弁７８の外形線ＯＬ２よりも、燃料電池１８の積層方向外方に距離Ｓだけ突出する位置に設定されている。

このように、第１エンドプレート２４ａには、比較的強度が高い空気導入用電磁弁８０及び燃料ガス排出用電磁弁８２が、燃料電池１８の積層方向外方に突出して配置されている。従って、燃料電池スタック１２に外部荷重が付与された際、この外部荷重は、空気導入用電磁弁８０及び燃料ガス排出用電磁弁８２から第１エンドプレート２４ａに連なる、さらに連結バー２８を介して第２エンドプレート２４ｂに連なるロードパスに沿って伝達される。

これにより、エゼクタ７０、水素ポンプ７２、気液分離器７４、パージ弁７６及び逆止弁７８には、直接、外部荷重が付与されることがない。このため、簡単且つコンパクトな構成で、外部荷重を確実に受けることができ、各デバイスの損傷を可及的に抑制することが可能になるという効果が得られる。

１０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
１４…酸化剤ガス供給装置 １６…燃料ガス供給装置
１７…コントローラ １８…燃料電池
２４ａ、２４ｂ…エンドプレート ３２…電解質膜・電極構造体
３４、３６…セパレータ ３８ａ…酸化剤ガス入口連通孔
３８ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ４０ａ…燃料ガス入口連通孔
４０ｂ…燃料ガス出口連通孔 ４２ａ…冷却媒体入口連通孔
４２ｂ…冷却媒体出口連通孔 ４４…酸化剤ガス流路
４６…燃料ガス流路 ４８…冷却媒体流路
５４…固体高分子電解質膜 ５６…カソード電極
５８…アノード電極 ６０…ブロック部材
６２…燃料ガス系デバイス群 ７０…エゼクタ
７２…水素ポンプ ７４…気液分離器
７６…パージ弁 ７８…逆止弁
８０…空気導入用電磁弁 ８２…燃料ガス排出用電磁弁
８４…筐体 ９６…カバー部材
１００…エアポンプ １０４…加湿器
１１０…希釈ボックス １１２…水素タンク

Claims (4)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックを内部に収容する筐体と、
   を備える燃料電池システムであって、
   前記燃料電池スタックは、前記燃料電池の積層方向両端にエンドプレートが配設されるとともに、
   いずれか一方の前記エンドプレートには、複数の燃料ガス系デバイスが配設され、
   前記燃料ガス系デバイスである電磁弁の外形線は、他の前記燃料ガス系デバイスの外形線よりも、前記燃料電池の積層方向外方に突出する位置に設定さ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、前記電磁弁は、燃料ガス循環路に空気を導入する空気導入用電磁弁、又は前記燃料ガス循環路から前記燃料ガスを排出する燃料ガス排出用電磁弁の少なくとも一方であることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２記載の燃料電池システムにおいて、前記空気導入用電磁弁及び前記燃料ガス排出用電磁弁は、前記エンドプレートの角部位置に対応して配置され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、前記燃料ガス系デバイスは、ブロック部材に装着されるとともに、前記ブロック部材は、前記エンドプレートに固定されることを特徴とする燃料電池システム。

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