JP2014154425A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】積層された電解質膜の表裏に一対のプレートを配置して挟持する燃料電池スタックを使用するとともに、大型化を抑制しつつ、積層セルの撓みを押さえ込むことが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】積層された発電セル１０の積層方向の両端に一対のプレート１２１が配置された燃料電池スタック１００と、燃料電池スタック１００から排出されたアノードオフガスが流入するバッファータンク４００と、を備え、バッファータンク４００は、積層された発電セルの積層面に配置すると共に、両プレート１２１と連結する。
【選択図】図６

Description

この発明は、燃料電池システムに関する。

特許文献１の燃料電池システムは、燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスを貯留するバッファータンクを備える。

特開２００９−０２６５２５号公報

ところで、本件発明者らは、単セルを複数積層すると共に積層したセルの積層方向の両端にプレートを配置して、当該プレートにより積層セルを挟持する構造の燃料電池スタックを開発中である。しかしながら、このような構造では、燃料電池スタック内部のガス圧の上昇によって、積層されたセルの一部に負担がかかり、両端のプレートを起点として積層セルが弓状に撓んでしまう可能性がある。これを防止するには、燃料電池スタックを筐体により、積層セルを強固に固定することで撓みを押さえ込む必要がある。しかしながら、このようにしては、大きな筐体を必要とするため、燃料電池スタックのアッセンブリーが大型化してしまう。

これに対して、発明者らは、バッファータンクに着目し、これを利用することで、無闇に大型化しない燃料電池システムを開発するに至ったのである。

すなわち、本発明の目的は、積層された電解質膜の表裏に一対のプレートを配置して挟持する燃料電池スタックを使用するとともに、大型化を抑制しつつ、積層セルの撓みを押さえ込むことが可能な燃料電池システムを提供することである。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。

本発明による燃料電池システムのひとつの態様は、積層された発電セルの積層方向の両端に一対のプレートが配置された燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスが流入するバッファータンクと、を備える。そして、前記バッファータンクは、前記積層された発電セルの積層面に配置すると共に、前記両プレートと連結することを特徴とする。

この態様によれば、バッファータンクを、積層された電解質膜の側面に並んで配置し、一対のプレートに連結するので、積層された電解質膜の表裏に一対のプレートを配置して挟持する燃料電池スタックを用いても、大型化するのを抑制しつつ、上記の撓みを抑制できる。

本発明の実施形態、本発明の利点は、添付された図面とともに以下に詳細に説明される。

図１は、本発明の一実施形態によるアノードガス脈動供給システムの概略構成図である。 図２は、燃料電池スタックを説明する図である。 図３は、燃料電池スタックにおける電解質膜の反応を説明する模式図である。 図４は、燃料電池スタックの一例を示す斜視図である。 図５は、燃料電池システムの全体を示す斜視図である。 図６は、第１実施形態のポイントとなる部分を示す図である。 図７は、本発明による燃料電池システムの第２実施形態を示す図である。 図８は、本発明による燃料電池システムの第３実施形態を示す図である。

（第１実施形態）
はじめに実施形態の理解を容易にするために、本発明による燃料電池システムを用いるアノードガス脈動供給システムについて説明する。

図１は、本発明の一実施形態によるアノードガス脈動供給システムの概略構成図である。

アノードガス脈動供給システム１は、燃料電池システム１００と、カソードガス給排装置３と、アノードガス給排装置４と、スタック冷却装置６と、コントローラー７と、を備える。

燃料電池システム１００には、複数枚の発電セル１０が積層されている。燃料電池システム１００は、アノードガス及びカソードガスが供給されて、車両の駆動に必要な電力(たとえばモーターを駆動するために必要な電力)を発電する。

カソードガス給排装置３は、カソードガス供給通路３１と、フィルター３２と、カソードコンプレッサー３３と、カソードガス排出通路３６と、を備える。

カソードガス供給通路３１は、燃料電池システム１００に供給するカソードガスが流れる通路である。

フィルター３２は、カソードガスとしての空気(外気)から異物を取り除く。フィルター３２を通過したカソードガスが、カソードガス供給通路３１を流れる。

カソードガス供給通路３１の途中に、カソードコンプレッサー３３が配置される。

カソードガス排出通路３６は、燃料電池システム１００から排出されるカソードオフガスが流れる通路である。カソードガス排出通路３６は、燃料電池システム１００のカソード排出口２２ｂに接続されるとともに、下流端が大気に開放する。

アノードガス給排装置４は、高圧タンク４１と、アノードガス供給通路４２と、調圧弁４３と、アノードガス排出通路４５と、パージ通路４６と、パージ弁４７と、バッファータンク４００と、を備える。

高圧タンク４１は、燃料電池システム１００に供給するアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。

アノードガス供給通路４２は、高圧タンク４１のアノードガスを燃料電池システム１００に供給するための通路である。アノードガス供給通路４２は、高圧タンク４１と、燃料電池システム１００のアノード供給口２１ａと、に接続される。

調圧弁４３は、アノードガス供給通路４２に設けられる。調圧弁４３は、高圧タンク４１から排出されたアノードガスを所望の圧力に調節する。調圧弁４３は、連続的又は段階的に開度が調節される電磁弁である。調圧弁４３の開度は、コントローラー７によって制御される。

アノードガス排出通路４５は、燃料電池システム１００のアノード排出口２１ｂと、バッファータンク４００と、に接続される。アノードガス排出通路４５には、電極反応に使用されなかった余剰のアノードガスと、カソード側からアノード側へ透過してきた窒素や水蒸気などの不活性ガスと、の混合ガス（以下「アノードオフガス」という）が流れる。

バッファータンク４００は、アノードガス排出通路４５を流れたアノードオフガスを一旦蓄える。燃料電池システム１００の内部のアノード圧が低下すれば、バッファータンク４００のアノードガスが逆流して燃料電池システム１００に供給される。

パージ通路４６は、アノードガス排出通路４５と、カソードガス排出通路３６と、に接続される。

パージ弁４７は、パージ通路４６に設けられる。パージ弁４７は、全開又は全閉に調節される電磁弁である。パージ弁４７は、コントローラー７によって制御される。パージ弁４７が開かれると、バッファータンク４００のアノードオフガスが、パージ通路４６を流れて、カソードガス排出通路３６のカソードオフガスと混合して外気へ排出される。このように、アノードオフガスをカソードオフガスに混合させて外気に排出することで、外気排出ガス中のアノードガス濃度が可燃濃度よりも低くしている。

またバッファータンク４００のアノードオフガスを外気へ排出することで、バッファータンク４００内のアノードガス濃度を調節する。バッファータンク４００内のアノードガス濃度(水素濃度)が低すぎると、アノードガスを脈動供給する運転において電極反応に使用されるアノードガスが不足する。このようになっては、発電効率が低下するとともに、燃料電池が劣化するおそれがある。一方で、バッファータンク４００内のアノードガス濃度(水素濃度)が高すぎると、パージ通路４６を介してアノードオフガス中の不活性ガスとともに外気へ排出されるアノードガスの量が多くなるので、燃費が悪化する。そこで、バッファータンク４００内のアノードガス濃度が、発電効率及び燃費を考慮して適切な値になるように、パージ弁４７が開閉される。

スタック冷却装置６は、燃料電池システム１００を冷却し、燃料電池システム１００を発電に適した温度に保つ装置である。スタック冷却装置６は、冷却水循環通路６１と、ラジエーター６２と、バイパス通路６３と、三方弁６４と、循環ポンプ６５と、ＰＴＣ(Positive Temperature Coefficient)ヒーター６６と、を備える。

冷却水循環通路６１は、燃料電池システム１００を冷却するための冷却水が循環する通路である。冷却水循環通路６１は、燃料電池システム１００の冷却水供給口２３ａと冷却水排出口２３ｂとに接続される。以下では、冷却水循環通路６１のうち、冷却水排出口２３ｂ側を上流側、冷却水供給口２３ａ側を下流側として説明する。

ラジエーター６２は、冷却水循環通路６１に設けられる。ラジエーター６２は、燃料電池システム１００から排出された冷却水を冷却する。

バイパス通路６３は、冷却水がラジエーター６２をバイパスできるようにする。バイパス通路６３は、冷却水循環通路６１と三方弁６４とに接続される。

三方弁６４は、ラジエーター６２よりも下流側の冷却水循環通路６１に設けられる。三方弁６４は、冷却水の温度に応じて冷却水の循環経路を切り替える。具体的には、冷却水の温度が高ければ、三方弁６４は、冷却水がラジエーター６２を流れるように切り替える。冷却水の温度が低ければ、三方弁６４は、冷却水がバイパス通路６３を流れるように切り替える。

循環ポンプ６５は、三方弁６４よりも下流側の冷却水循環通路６１に設けられる。循環ポンプ６５は、冷却水を循環させる。

ＰＴＣヒーター６６は、バイパス通路６３に設けられる。ＰＴＣヒーター６６は、燃料電池システム１００の暖機時に通電されて、冷却水の温度を上昇させる。

コントローラー７は、調圧弁４３を周期的に開閉し、アノード圧を周期的に増減圧させる。このように圧力を変動させる運転が脈動供給運転といわれる。またコントローラー７は、バッファータンク４００内のアノードガス濃度を所望の濃度に保つように、パージ弁３８の開度を調節してバッファータンク４００から排出するアノードオフガスの流量を調節する。

脈動供給運転を行うことで、電解質膜１１１を介してカソード側からアノード側に透過してきた窒素等の不純ガスを、バッファータンク４００に押し込むことができる。この結果、不純ガスがアノード流路内に蓄積されて電極反応が阻害されることを抑制でき、安定した発電を実施できる。

図２は、燃料電池スタックを説明する図であり、図２(Ａ)は外観斜視図、図２(Ｂ)は発電セルの構造を示す分解図である。

図２(Ａ)に示されるように、燃料電池スタックは、積層された複数の発電セル１０と、集電プレート２０と、を備える。燃料電池スタックは、直方体である。

発電セル１０は、燃料電池の単位セルである。各発電セル１０は、１ボルト(Ｖ)程度の起電圧を生じる。各発電セル１０の構成の詳細については後述される。

集電プレート２０は、一対であり、積層された複数の発電セル１０の外側にそれぞれ配置される。集電プレート２０は、ガス不透過性の導電性部材、たとえば緻密質カーボンや金属材料などで形成される。

一方の集電プレート２０(図２(Ａ)では、左手前の集電プレート２０)には、短辺に沿って、アノード供給口２１ａと、アノード排出口２１ｂと、カソード供給口２２ａと、カソード排出口２２ｂと、冷却水供給口２３ａと、冷却水排出口２３ｂとが設けられている。本実施形態では、アノード供給口２１ａ、冷却水供給口２３ａ及びカソード排出口２２ｂは図中右側に設けられる。またカソード供給口２２ａ、冷却水排出口２３ｂ及びアノード排出口２１ｂは図中左側に設けられる。

アノード供給口２１ａにアノードガスとしての水素を供給する方法としては、例えば水素ガスを水素貯蔵装置から直接供給する方法、又は水素を含有する燃料を改質して改質した水素含有ガスを供給する方法などがある。なお、水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどがある。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリンなどがある。また、カソード供給口２２ａに供給するカソードガスとしては、一般的に空気が利用される。

図２(Ｂ)に示されるように、発電セル１０は、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly；ＭＥＡ)１１の両面に、アノードセパレーター(アノードバイポーラープレート)１２ａ及びカソードセパレーター(カソードバイポーラープレート)１２ｂが配置される構造である。

ＭＥＡ１１は、イオン交換膜からなる電解質膜１１１の両面に電極触媒層１１２が形成される。この電極触媒層１１２の上にガス拡散層(Gas Diffusion Layer；ＧＤＬ)１１３が形成される。

電極触媒層１１２は、たとえば白金が担持されたカーボンブラック粒子で形成される。

ＧＤＬ１１３は、十分なガス拡散性及び導電性を有する部材、たとえばカーボン繊維で形成される。

アノード供給口２１ａから供給されたアノードガスは、このＧＤＬ１１３ａを流れてアノード電極触媒層１１２(１１２ａ)と反応し、アノード排出口２１ｂから排出される。

カソード供給口２２ａから供給されたカソードガスは、このＧＤＬ１１３ｂを流れてカソード電極触媒層１１２(１１２ｂ)と反応し、カソード排出口２２ｂから排出される。

アノードセパレーター１２ａは、ＧＤＬ１１３ａ及びシール１４ａを介してＭＥＡ１１の片面(図２(Ｂ)の裏面)に重ねられる。カソードセパレーター１２ｂは、ＧＤＬ１１３ｂ及びシール１４ｂを介してＭＥＡ１１の片面(図２(Ｂ)の表面)に重ねられる。シール１４(１４ａ，１４ｂ)は、たとえばシリコーンゴム、エチレンプロピレンゴム(ethylene propylene diene monomer；ＥＰＤＭ)、フッ素ゴムなどのゴム状弾性材である。アノードセパレーター１２ａ及びカソードセパレーター１２ｂは、たとえばステンレスなどの金属製のセパレーター基体がプレス成型されて、一方の面に反応ガス流路が形成され、その反対面に反応ガス流路と交互に並ぶように冷却水流路が形成される。図２(Ｂ)に示すようにアノードセパレーター１２ａ及びカソードセパレーター１２ｂが重ねられて、冷却水流路が形成される。

ＭＥＡ１１、アノードセパレーター１２ａ及びカソードセパレーター１２ｂには、それぞれ孔２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂが形成されており、これらが重ねられて、アノード供給口(アノード供給マニホールド)２１ａ、アノード排出口(アノード排出マニホールド)２１ｂ、カソード供給口(カソード供給マニホールド)２２ａ、カソード排出口(カソード排出マニホールド)２２ｂ、冷却水供給口(冷却水供給マニホールド)２３ａ及び冷却水排出口(冷却水排出マニホールド)２３ｂが形成される。

なお図２では、表側の集電プレート２０に、アノード供給口２１ａ、アノード排出口２１ｂ、カソード供給口２２ａ、カソード排出口２２ｂ、冷却水供給口２３ａ、冷却水排出口２３ｂが設けられている場合を例示したが、これには限られない。たとえば、アノード排出口２１ｂ、カソード排出口２２ｂ、冷却水排出口２３ｂが、裏側の集電プレート２０に設けられてもよい。図１のアノードガス脈動供給システムでは、そのようなタイプが用いられる。

図３は、燃料電池スタックにおける電解質膜の反応を説明する模式図である。

燃料電池スタック１００は、反応ガス(カソードガスＯ₂、アノードガスＨ₂)が供給されて発電する。燃料電池スタック１００は、電解質膜の両面にカソード電極触媒層及びアノード電極触媒層が形成された膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly；ＭＥＡ)が数百枚積層されて構成される。そのうちの１枚のＭＥＡが図３(Ａ)に示される。ここではＭＥＡにカソードガスが供給されて(カソードイン)、対角側から排出されながら(カソードアウト)、アノードガスが供給されて(アノードイン)、対角側から排出される(アノードアウト)、という例が示されている。

各膜電極接合体(ＭＥＡ)は、カソード電極触媒層及びアノード電極触媒層において以下の反応が、負荷に応じて進行して発電する。

図３(Ｂ)に示すように、反応ガス(カソードガスＯ₂)がカソード流路を流れるにつれて上式(1-1)の反応が進行し、水蒸気が生成される。するとカソード流路の下流側では相対湿度が高くなる。この結果、カソード側とアノード側との相対湿度差が大きくなる。この相対湿度差をドライビングフォースとして、水が逆拡散しアノード上流側が加湿される。この水分がさらにＭＥＡからアノード流路に蒸発してアノード流路を流れる反応ガス(アノードガスＨ₂)を加湿する。そしてアノード下流側に運ばれてアノード下流のＭＥＡを加湿する。

上記反応によって効率よく発電するには、電解質膜が適度な湿潤状態であることが必要である。電解質膜中の水分が少なく電解質膜の湿潤度が小さすぎれば上記反応が促進されない。反対に、電解質膜中の水分が多すぎれば、余剰の水分が反応ガス流路に溢れてしまって、ガスの流れが阻害される。このような場合も上記反応が促進されない。したがって電解質膜が適度な湿潤状態であることで、効率よく発電される。

図４は燃料電池スタックの一例を示す斜視図であり、図４(Ａ)は分解状態を示し、図４(Ｂ)はアッセンブリー状態を示す。

燃料電池スタック１００は、所定枚数の発電セル１０の周囲を締結プレート１２２及び補強プレート１２３で挟んだ構造である。

発電セル１０は、ＭＥＡモジュール１１の裏表両面にセパレーター１２(アノードセパレーター１２ａ，カソードセパレーター１２ｂ)が配置された構造である。

発電セル１０の積層方向(押圧方向)の両端には、一対の集電プレート２１が配置される。そして一方の集電プレート２１(図２(Ａ)では奥の集電プレート２１)にスペーサー２１が配置される。さらにこの両外側にはエンドプレート１２１が配置される。エンドプレート１２１は金属製又は樹脂製である。そして発電セル１０の周囲に、薄板製の締結プレート１２２及び補強プレート１２３が配置される。

そして、エンドプレート１２１、締結プレート１２２及び補強プレート１２３がボルト１２４で締結される。

このようにして、図２(Ｂ)に示すような燃料電池スタック１００が構成される。なお、ボルト１２４の本数及びボルト穴の位置は一例である。

このように、発電セル１０は、周囲が、薄板製の締結プレート１２２及び補強プレート１２３で囲われているだけなので、燃料電池スタック内部のガス圧の上昇によって、燃料電池スタックに弓状の撓み変形が生じる可能性がある。これを防止するために、発明者らは、燃料電池スタックの側面に並ぶようにバッファータンクを配置するとともに、そのバッファータンクで、エンドプレートの位置を固定するようにしたのである。以下に、具体的な内容を説明する。

図５は、燃料電池システムの全体を示す斜視図である。なお図５(Ａ)及び図５(Ｂ)で前後が示される。

燃料電池スタック１００は、アンダーフレーム２０１に載置される。このアンダーフレーム２０１の前には、フロントフレーム２０２がボルト止めされる。またアンダーフレーム２０１の後には、リアフレーム２０３がボルト止めされる。燃料電池スタック１００のエンドプレート１２１は、フロントフレーム２０２及びリアフレーム２０３に当接している。

燃料電池スタック１００の上面には、ＣＶＭ(Cell Voltage Monitor)を格納するＣＶＭケース３００が重ねられる。ＣＶＭは、発電セル１０のそれぞれの電圧をモニターリング(監視)する。ＣＶＭケース３００は、フロントフレーム２０２及びリアフレーム２０３にボルト止めされる。

そして、図５(Ｂ)に示されるように、バッファータンク４００が燃料電池スタック１００の側面に並ぶように配置される。そして、バッファータンク４００が、アンダーフレーム２０１及びＣＶＭケース３００にボルト止めされる。

バッファータンク４００の左右には、パージバルブ４１０が取り付けられる。フロントフレーム２０２及びリアフレーム２０３には、アノードオフガスを排出する排出口がそれぞれ形成されている。配管４２０は、その排出口及びパージバルブ４１０に接続される。

次に、図６を参照して本実施形態のポイントを説明する。

本実施形態では、バッファータンク４００は、燃料電池スタック１００の側面に並べられて配置される。特に、燃料電池スタック１００のアノード排出マニホールド側の側面に並んで配置される。

このような構造であるので、燃料電池スタック内部のガス圧の上昇して、燃料電池スタック１００に弓状の撓み変形が生じそうになっても、バッファータンク４００が燃料電池スタック１００の側面を押さえる。そのため、燃料電池スタック１００の撓み変形が防止される。燃料電池スタックの弓状の撓み変形を防止するには、燃料電池スタックを筐体に収めることも考えられるが、このようにしては、燃料電池スタックのアッセンブリーが大型化してしまう。本実施形態では、水素ガスが流入するので、万一の場合でも破損しないように高剛性に製造されるバッファータンクを利用することで、そのような筐体を用いることなく、燃料電池スタック１００の撓み変形を防止できるのである。そのような筐体を用いないことで、全体のサイズのコンパクト化や軽量化が図れるのである。また燃料電池スタック１００及びバッファータンクを結ぶ配管４２０の長さが短くなるので、これによってもシステム全体が小型化されるのである。

アノードガスは、燃料電池スタック１００の内部を流れるにつれて発電反応が進行し、水蒸気の含有量が上がる。本実施形態のように、バッファータンク４００が、燃料電池スタック１００のアノード排出マニホールド側の側面に並べられて配置されることで、アノード排出マニホールドが保温され、アノード排出マニホールド内のアノードガスに含有される水蒸気の凝縮が抑制されるため、脈動供給運転の減圧時に液水がアノード排出マニホールド内から発電セル内に逆流してフラッディングが発生することを防止できる。

またフロントフレーム２０２及びリアフレーム２０３には、アノードオフガスを排出する排出口がそれぞれ形成されて、その排出口とバッファータンク４００とが、配管４２０で接続される。このようにしたので、燃料電池スタック１００が傾斜しても、燃料電池スタック１００の内部の液水が、いずれかの排出口から排出され、液水排出性が向上する。これによっても、フラッディングが生じにくくなる。

（第２実施形態）
図７は、本発明による燃料電池システムの第２実施形態を示す図である。

なお以下では前述と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。

第１実施形態では、バッファータンク４００は、燃料電池スタック１００のアノード排出マニホールド側の側面に並んで配置されたが、この第２実施形態では、バッファータンク４００は、燃料電池スタック１００のアノード供給マニホールド側の側面に並んで配置される。

燃料電池スタック１００の側面は、上面や下面に比べて触媒反応エリア(電極触媒層)からの距離があるので、冷えやすい。そこで側面にバッファータンク４００を配置することで、燃料電池スタック１００の保温効果を得やすいのである。

（第３実施形態）
図８は、本発明による燃料電池システムの第３実施形態を示す図である。

この第３実施形態では、バッファータンク４００は、燃料電池スタック１００の下面に並んで配置される。

このような構造であっても、燃料電池スタック内部のガス圧の上昇して、燃料電池スタック１００に弓状の撓み変形が生じそうになっても、バッファータンク４００が燃料電池スタック１００の下面を押さえるので、燃料電池スタック１００の撓み変形が防止される。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

たとえば、上述のように、バッファータンクでエンドプレートの位置を固定するために、バッファータンクが他の部材を介してエンドプレートの位置を固定している。すなわち、バッファータンクがエンドプレートに間接的に連結されている。しかしながらこれは一例であって、バッファータンクがエンドプレートに直接的に連結されてもよい。

また上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。

１０ 発電セル
１００ 燃料電池スタック
１２１ エンドプレート
１２２ 締結プレート
１２３ 補強プレート
２０１ アンダーフレーム
２０２ フロントフレーム
２０３ リアフレーム
３００ ＣＶＭケース
４００ バッファータンク

Claims (4)

1. 積層された発電セルの積層方向の両端に一対のプレートが配置された燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスが流入するバッファータンクと、
   を備え、
   前記バッファータンクは、前記積層された発電セルの積層面に配置すると共に、前記両プレートと連結する、
   燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記バッファータンクは、前記燃料電池スタックのガスマニホールド側の側面に並んで配置される、
   燃料電池システム。
3. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記バッファータンクは、前記燃料電池スタックのアノード排出マニホールド側の側面に並んで配置される、
   燃料電池システム。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池スタックは、アノードオフガスを排出する排出口が、前後のプレートにそれぞれ形成され、
   前記バッファータンクは、前後のプレートに形成された両方の排出口に連通される、
   燃料電池システム。