JP2014216096A - 車載用燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】構成の簡素化及び小型化を容易に図るとともに、燃料電池スタックを良好に保温することを可能にする。
【解決手段】車載用燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１４と、前記燃料電池スタック１４を収容するケーシング１６と、前記ケーシング１６よりも前進方向前方に配置されるラジエータ１７とを備える。ケーシング１６の内周と燃料電池１８の外周との間には、送風用空間部７８が形成されるとともに、前記ケーシング１６には、ラジエータ１７を通過した外部空気を前記送風用空間部７８に導入する空気取り入れ口８２ａ、８２ｂが形成される。
【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複数の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収容して車両に搭載されるケーシングと、を備える車載用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一方側にアノード電極が、前記電解質膜の他方側にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・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。

この燃料電池スタックでは、外部への放熱により他の発電セルに比べて温度低下が惹起され易い発電セルが存在している。例えば、積層方向端部に配置されている発電セル（以下、端部セルともいう）は、この発電セルに隣接するターミナルプレートやエンドプレート等からの放熱が多く、上記の温度低下が顕著になっている。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池発電装置が知られている。燃料電池発電装置は、燃料電池単セルが複数積層されたスタック部と、このスタック部の両末端に配置された一対の集電板と、この集電板の外周に配置された端部材とを有する燃料電池スタックが、内側に断熱材が固定されたケーシングで包囲されて構成されている。

そして、断熱材のスタック部側の表面と、スタック部の表面との間に、燃料電池スタックから延設された、絶縁性材料からなる接触防止部材が、同一面上に２箇所以上設けられ、断熱材は、同一面上に配置された接触防止部材間の長さよりも、同一方向により長くされている。

特開２００８−１３０２６１号公報

上記の燃料電池発電装置では、ケーシングの内側に断熱材が固定されており、前記ケーシングで燃料電池スタック全体が包囲されている。このため、構造が複雑化するとともに、装置全体が大型化するという問題がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、構成の簡素化及び小型化を容易に図るとともに、燃料電池スタックを良好に保温することが可能な車載用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複数の燃料電池が積層されるとともに、冷却媒体が循環される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを収容して車両に搭載されるケーシングと、前記ケーシングよりも前進方向前方に配置され、前記冷却媒体を外部空気と熱交換するラジエータと、を備える車載用燃料電池システムに関するものである。

この車載用燃料電池システムでは、ケーシングの内周と燃料電池の外周との間には、送風用空間部が形成されるとともに、前記ケーシングには、ラジエータを通過した外部空気を前記送風用空間部に導入する空気取り入れ口が形成されている。

また、この車載用燃料電池システムでは、燃料電池は、車両の車幅方向に積層されるとともに、ケーシングは、前進方向前方の下部に空気取り入れ口を有する一方、前進方向後方の上部に空気排出口を有することが好ましい。

さらに、この車載用燃料電池システムでは、ケーシングの前進方向前方の下部には、車幅方向の中央側に複数個の空気取り入れ口が形成される一方、前記ケーシングの前進方向後方の上部には、前記車幅方向の両端側にそれぞれ１以上の空気排出口が形成されることが好ましい。

さらにまた、この車載用燃料電池システムでは、ケーシングの前記前進方向前方の内部には、前記送風用空間部を分割する仕切り部が形成されることが好ましい。

本発明によれば、ラジエータには、燃料電池スタックを循環して暖まった冷却媒体が供給されており、外部空気は、前記ラジエータで前記冷却媒体と熱交換して昇温されている。そして、昇温された外部空気は、空気取り入れ口からケーシング内の送風用空間部に導入されるため、燃料電池スタックを保温することができる。従って、ケーシング内に断熱材を配設する必要がなく、構成の簡素化及び小型化を容易に図るとともに、燃料電池スタックを良好に保温することが可能になる。

本発明の実施形態に係る車載用燃料電池システムが搭載された燃料電池電気自動車の概略平面説明図である。 前記車載用燃料電池システムの概略斜視説明図である。 前記車載用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説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの一部断面平面図である。 前記燃料電池スタックの断面側面図である。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る車載用燃料電池システム１０は、燃料電池電気自動車（燃料電池車両）１２のフロントボックス（所謂、モータルーム）１２ｆに収容される。車載用燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１４と、前記燃料電池スタック１４を収容するケーシング１６と、前記ケーシング１６よりも前進方向（矢印Ａｆ方向）前方に配置され、後述する冷却媒体を外部空気と熱交換するラジエータ１７とを備える（図１及び図２参照）。

燃料電池スタック１４は、図３に示すように、複数の横長形状の燃料電池１８が立位姿勢で燃料電池電気自動車１２の車長方向（車両進行方向）（矢印Ａ方向）に交差する車幅方向（矢印Ｂ方向）に積層される。

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。第１エンドプレート２４ａ及び第２エンドプレート２４ｂは、燃料電池１８、第１絶縁プレート２２ａ及び第２絶縁プレート２２ｂの外形寸法よりも大きな外形寸法に設定される。

図４に示すように、燃料電池１８は、電解質膜・電極構造体２６と、前記電解質膜・電極構造体２６を挟持する第１金属セパレータ２８及び第２金属セパレータ３０とを備える。第１金属セパレータ２８及び第２金属セパレータ３０は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板により構成される。第１金属セパレータ２８及び第２金属セパレータ３０は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。なお、第１金属セパレータ２８及び第２金属セパレータ３０に代えて、例えば、カーボンセパレータを使用してもよい。

電解質膜・電極構造体２６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３２と、前記固体高分子電解質膜３２を挟持するアノード電極３４及びカソード電極３６とを備える。固体高分子電解質膜３２は、アノード電極３４及びカソード電極３６よりも大きな片面寸法を有している。

アノード電極３４とカソード電極３６とは、同一の片面寸法に設定される（図４参照）。なお、電解質膜・電極構造体２６は、アノード電極３４とカソード電極３６とが互いに異なる平面寸法に設定される、所謂、段差ＭＥＡを構成してもよい。

アノード電極３４及びカソード電極３６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、例えば、固体高分子電解質膜３２の両面に形成されている。

燃料電池１８の矢印Ａ方向（図４中、矢印Ｂ方向に交差する水平方向）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、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔３８ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔４０ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔４２ｂ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供給連通孔４２ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔４０ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔３８ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

第１金属セパレータ２８の電解質膜・電極構造体２６に向かう面２８ａには、例えば、矢印Ａ方向に延在する燃料ガス流路４４が形成される。燃料ガス流路４４は、燃料ガス供給連通孔４２ａと燃料ガス排出連通孔４２ｂとに連通する。

第２金属セパレータ３０の電解質膜・電極構造体２６に向かう面３０ａには、例えば、矢印Ａ方向に延在する酸化剤ガス流路４６が設けられる。酸化剤ガス流路４６は、酸化剤ガス供給連通孔３８ａと酸化剤ガス排出連通孔３８ｂとに連通する。酸化剤ガス流路４６と燃料ガス流路４４とは、互いに対向流（酸化剤ガスの流れ方向と燃料ガスの流れ方向とが逆方向）に構成される。

互いに隣接する第１金属セパレータ２８の面２８ｂと第２金属セパレータ３０の面３０ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔４０ａと冷却媒体排出連通孔４０ｂとに連通する冷却媒体流路４８が形成される。冷却媒体流路４８は、燃料ガス流路４４の裏面形状と酸化剤ガス流路４６の裏面形状とが重なり合って形成される。

第１金属セパレータ２８の面２８ａ、２８ｂには、この第１金属セパレータ２８の外周端部を周回して、第１シール部材５０が一体化される。第２金属セパレータ３０の面３０ａ、３０ｂには、この第２金属セパレータ３０の外周端部を周回して、第２シール部材５２が一体化される。

第１シール部材５０及び第２シール部材５２には、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が用いられる。

図３に示すように、第１ターミナルプレート２０ａ及び第２ターミナルプレート２０ｂの略中央には、積層方向外方に延在する端子部５８ａ及び５８ｂが設けられる。端子部５８ａは、絶縁性筒体６０に挿入されて、第１絶縁プレート２２ａの孔部６２ａ及び第１エンドプレート２４ａの孔部６４ａを貫通して前記第１エンドプレート２４ａの外部に突出する。端子部５８ｂは、絶縁性筒体６０に挿入されて、第２絶縁プレート２２ｂの孔部６２ｂ及び第２エンドプレート２４ｂの孔部６４ｂを貫通して前記第２エンドプレート２４ｂの外部に突出する。

第１絶縁プレート２２ａ及び第２絶縁プレート２２ｂは、絶縁性材料、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）やフェノール樹脂等で形成されている。第１絶縁プレート２２ａは、中央部に矩形状の凹部６６ａが設けられるとともに、前記凹部６６ａの略中央に孔部６２ａが連通する。凹部６６ａには、第１ターミナルプレート２０ａが収容され、前記第１ターミナルプレート２０ａの端子部５８ａが絶縁性筒体６０を介装して孔部６２ａに挿入される。

第２絶縁プレート２２ｂは、中央部に矩形状の凹部６６ｂが設けられるとともに、前記凹部６６ｂの略中央に孔部６２ｂが連通する。凹部６６ｂには、第２ターミナルプレート２０ｂが収容され、前記第２ターミナルプレート２０ｂの端子部５８ｂが絶縁性筒体６０を介装して孔部６２ｂに挿入される。

第１絶縁プレート２２ａ及び第１エンドプレート２４ａには、酸化剤ガス供給連通孔３８ａ、酸化剤ガス排出連通孔３８ｂ、燃料ガス供給連通孔４２ａ及び燃料ガス排出連通孔４２ｂが形成される。第２絶縁プレート２２ｂ及び第２エンドプレート２４ｂには、冷却媒体供給連通孔４０ａ及び冷却媒体排出連通孔４０ｂが形成される。なお、第１エンドプレート２４ａ側と第２エンドプレート２４ｂ側とに、それぞれ任意の連通孔を振り分けて設けることもできる。

図１に示すように、第２エンドプレート２４ｂの冷却媒体供給連通孔４０ａには、冷却媒体導入配管６７ａの一端が接続されるとともに、前記第２エンドプレート２４ｂの冷却媒体排出連通孔４０ｂには、冷却媒体導出配管６７ｂの一端が接続される。冷却媒体導入配管６７ａの他端と冷却媒体導出配管６７ｂの他端とは、ラジエータ１７の入口と出口とに接続されるとともに、前記冷却媒体導入配管６７ａ又は前記冷却媒体導出配管６７ｂには、図示しない循環ポンプが配設される。

第１エンドプレート２４ａの酸化剤ガス供給連通孔３８ａ及び酸化剤ガス排出連通孔３８ｂは、図示しない酸化剤ガス供給装置に接続される。第１エンドプレート２４ａの燃料ガス供給連通孔４２ａ及び燃料ガス排出連通孔４２ｂは、図示しない燃料ガス供給装置に接続される。

図１及び図２に示すように、ケーシング１６は、車幅方向（矢印Ｂ方向）両端の２辺が第１エンドプレート２４ａ及び第２エンドプレート２４ｂにより構成される。ケーシング１６の車長方向（矢印Ａ方向）両端の２辺は、前方サイドプレート（前進方向前方のプレート）６８及び後方サイドプレート（前進方向後方のプレート）７０により構成される。ケーシング１６の車高方向（矢印Ｃ方向）両端の２辺は、アッパープレート７２及びダウンプレート７４により構成される。

前方サイドプレート６８、後方サイドプレート７０、アッパープレート７２及びダウンプレート７４は、板状を有し、例えば、押し出し成形や鋳造、又は機械加工等により形成される。前方サイドプレート６８、後方サイドプレート７０、アッパープレート７２及びダウンプレート７４は、第１エンドプレート２４ａ及び第２エンドプレート２４ｂに対して（互いに）、必要に応じてねじ７６により固定される。前方サイドプレート６８、後方サイドプレート７０、アッパープレート７２及びダウンプレート７４により、燃料電池スタック１４の締め付け荷重を負担する。

図２、図５及び図６に示すように、ケーシング１６の内周と燃料電池スタック１４の外周との間には、送風用空間部７８が形成される。燃料電池スタック１４では、第１エンドプレート２４ａ及び第２エンドプレート２４ｂが燃料電池１８の外形寸法よりも大きな外形寸法に設定されており、積層された前記燃料電池１８の外周とケーシング１６の内周との間には、周回する隙間である送風用空間部７８が形成される。

ケーシング１６の前進方向前方である前方サイドプレート６８は、内面（燃料電池スタック１４側の面）の長辺方向（矢印Ｂ方向）の中央部に、仕切り部８０が鉛直方向に延在して設けられる。仕切り部８０は、前方サイドプレート６８の幅方向（矢印Ｃ方向）の全体に亘って延在して燃料電池１８側に膨出形成され、送風用空間部７８を分割する。仕切り部８０は、前方サイドプレート６８と一体で形成してもよく、又は、前記前方サイドプレート６８に別体を接合してもよい。

前方サイドプレート６８の下部には、車幅方向の中央側に仕切り部８０を挟んで、複数個、例えば、２個（２個に限定されない）の空気取り入れ口８２ａ、８２ｂが形成される。空気取り入れ口８２ａ、８２ｂは、矩形状を有するが、円形状等の種々の形状に設定することができる。

ケーシング１６の上部であるアッパープレート７２には、車長方向後方に位置し、長手方向（車幅方向）外方寄りにそれぞれ１個（又は２個以上）の空気排出口８４ａ、８４ｂが形成される。空気排出口８４ａ、８４ｂは、矩形状（又は円形状等）を有し、ケーシング１６の上部後方側に配置される。送風用空間部７８は、入口側が２個の空気取り入れ口８２ａ、８２ｂに連通する一方、出口側が２個の空気排出口８４ａ、８４ｂに連通する。

このように構成される車載用燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。

先ず、図２及び図３に示すように、第１エンドプレート２４ａの酸化剤ガス供給連通孔３８ａには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。第１エンドプレート２４ａの燃料ガス供給連通孔４２ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、第２エンドプレート２４ｂでは、冷却媒体供給連通孔４０ａには、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

このため、図４に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔３８ａから第２金属セパレータ３０の酸化剤ガス流路４６に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４６に沿って矢印Ａ方向に移動し、電解質膜・電極構造体２６のカソード電極３６に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔４２ａから第１金属セパレータ２８の燃料ガス流路４４に供給される。燃料ガスは、燃料ガス流路４４に沿って矢印Ａ方向に移動し、電解質膜・電極構造体２６のアノード電極３４に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体２６では、カソード電極３６に供給される酸化剤ガスと、アノード電極３４に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。

次いで、電解質膜・電極構造体２６のカソード電極３６に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔３８ｂに沿って矢印Ｂ方向に排出される。一方、電解質膜・電極構造体２６のアノード電極３４に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔４２ｂに沿って矢印Ｂ方向に排出される。

また、一対の冷却媒体供給連通孔４０ａに供給された冷却媒体は、第１金属セパレータ２８及び第２金属セパレータ３０間の冷却媒体流路４８に導入される。冷却媒体は、矢印Ａ方向に移動して電解質膜・電極構造体２６を冷却した後、冷却媒体排出連通孔４０ｂに沿って矢印Ｂ方向に排出される。

各電解質膜・電極構造体２６を冷却することにより暖まった冷却媒体は、図１に示すように、冷却媒体導出配管６７ｂに導出されてラジエータ１７に供給される。燃料電池電気自動車１２は、矢印Ａｆ方向に走行しており、ラジエータ１７では、外部空気により冷却媒体が冷却される。換言すると、冷却媒体は、加熱流体として外部空気を加温（熱交換）する。

この場合、本実施形態では、図２、図５及び図６に示すように、冷却媒体と熱交換して昇温された外部空気は、一対の空気取り入れ口８２ａ、８２ｂからケーシング１６内の送風用空間部７８に導入される。送風用空間部７８に導入された外部空気は、燃料電池スタック１４の略中央部から仕切り部８０によって左右（矢印Ｂ方向両側）に均等に流通した後、前記燃料電池スタック１４の積層方向両端側を通って一対の空気排出口８４ａ、８４ｂから外方に排出される。

外部空気は、前方サイドプレート６８の内方からアッパープレート７２の外部に流通する。その際、図６に示すように、外部空気は、燃料電池スタック１４の上方及び下方を流通することにより前記燃料電池スタック１４の外周全体を流通する。

このため、燃料電池スタック１４では、特に温度低下が惹起され易い積層方向両端側の燃料電池１８を加温することができるとともに、積層方向全体に亘って所望の温度状態に保温することが可能になる。従って、ケーシング１６内に断熱材を配設する必要がなく、構成の簡素化及び小型化を容易に図るとともに、燃料電池スタック１４を良好に保温することができるという効果が得られる。

１０…車載用燃料電池システム １２…燃料電池電気自動車
１２ｆ…フロントボックス １４…燃料電池スタック
１６…ケーシング １７…ラジエータ
１８…燃料電池 ２４ａ、２４ｂ…エンドプレート
２６…電解質膜・電極構造体 ２８、３０…金属セパレータ
３２…固体高分子電解質膜 ３４…アノード電極
３６…カソード電極 ３８ａ…酸化剤ガス供給連通孔
３８ｂ…酸化剤ガス排出連通孔 ４０ａ…冷却媒体供給連通孔
４０ｂ…冷却媒体排出連通孔 ４２ａ…燃料ガス供給連通孔
４２ｂ…燃料ガス排出連通孔 ４４…燃料ガス流路
４６…酸化剤ガス流路 ４８…冷却媒体流路
６７ａ…冷却媒体導入配管 ６７ｂ…冷却媒体導出配管
６８…前方サイドプレート ７０…後方サイドプレート
７２…アッパープレート ７４…ダウンプレート
７８…送風用空間部 ８０…仕切り部
８２ａ、８２ｂ…空気取り入れ口 ８４ａ、８４ｂ…空気排出口

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複数の燃料電池が積層されるとともに、冷却媒体が循環される燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックを収容して車両に搭載されるケーシングと、
   前記ケーシングよりも前進方向前方に配置され、前記冷却媒体を外部空気と熱交換するラジエータと、
   を備える車載用燃料電池システムであって、
   前記ケーシングの内周と前記燃料電池の外周との間には、送風用空間部が形成されるとともに、
   前記ケーシングには、前記ラジエータを通過した前記外部空気を前記送風用空間部に導入する空気取り入れ口が形成されることを特徴とする車載用燃料電池システム。
2. 請求項１記載の車載用燃料電池システムにおいて、前記燃料電池は、前記車両の車幅方向に積層されるとともに、
   前記ケーシングは、前記前進方向前方の下部に前記空気取り入れ口を有する一方、前進方向後方の上部に空気排出口を有することを特徴とする車載用燃料電池システム。
3. 請求項２記載の車載用燃料電池システムにおいて、前記ケーシングの前記前進方向前方の下部には、前記車幅方向の中央側に複数個の前記空気取り入れ口が形成される一方、
   前記ケーシングの前記前進方向後方の上部には、前記車幅方向の両端側にそれぞれ１以上の前記空気排出口が形成されることを特徴とする車載用燃料電池システム。
4. 請求項３記載の車載用燃料電池システムにおいて、前記ケーシングの前記前進方向前方の内部には、前記送風用空間部を分割する仕切り部が形成されることを特徴とする車載用燃料電池システム。

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