JP2017216051A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
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発電セルが積層された燃料電池スタックを備え、前記燃料電池スタックの内部には、冷却媒体を流通させる冷却媒体流路が形成される燃料電池システムに関する。 The present invention includes a fuel cell stack in which a plurality of power generation cells that generate power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas are stacked, and a cooling medium flow path for circulating a cooling medium inside the fuel cell stack The present invention relates to a fuel cell system.
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の面にアノード電極が、他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体(MEA)を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータによって挟持されることにより、発電セル(単位セル)が構成されている。通常、所定数の発電セルが積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池車両(燃料電池電気自動車等)に組み込まれている。 For example, a polymer electrolyte fuel cell has an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) in which an anode electrode is disposed on one surface of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane and a cathode electrode is disposed on the other surface. It has. The electrolyte membrane / electrode structure is sandwiched between separators to constitute a power generation cell (unit cell). Usually, a predetermined number of power generation cells are stacked, for example, incorporated in a fuel cell vehicle (fuel cell electric vehicle or the like) as an in-vehicle fuel cell stack.
燃料電池車両等の電動車両は、例えば、ECE−R100やFMVSS305等の電気安全に関する法規を満たす必要がある。このため、電動パワートレイン全体で、法規要求地絡抵抗を満たすことが求められている。従って、各デバイス(機器)の分担抵抗(各デバイスと燃料電池車両の接地電位であるシャーシGNDとの間の地絡抵抗)の合計が、法規要求地絡抵抗を上回るように設定されている。 An electric vehicle such as a fuel cell vehicle needs to satisfy electric safety regulations such as ECE-R100 and FMVSS305. For this reason, the electric powertrain as a whole is required to satisfy the legally required ground fault resistance. Therefore, the total of the shared resistance of each device (equipment) (the ground fault resistance between each device and the chassis GND that is the ground potential of the fuel cell vehicle) is set to exceed the legally required ground fault resistance.
例えば、燃料電池スタックでは、高電圧系デバイスとして、ガス系、スタック外周系、冷却系等があり、それぞれ分担抵抗が設定されている。冷却系では、ラジエータ、冷媒ポンプ、補機デバイス等がシャーシGNDに接地されている。このため、冷却系の地絡抵抗を分担抵抗以上に確保するために、冷媒導電率管理と、シャーシGNDに接地しているデバイスまでの配管レイアウト(配管径や長さ等)とを適切に設定する必要がある。 For example, in a fuel cell stack, there are a gas system, a stack peripheral system, a cooling system, and the like as high-voltage devices, each of which has a shared resistance. In the cooling system, a radiator, a refrigerant pump, an auxiliary device, and the like are grounded to the chassis GND. For this reason, in order to ensure the ground fault resistance of the cooling system more than the shared resistance, the refrigerant conductivity management and the pipe layout (pipe diameter, length, etc.) to the device grounded to the chassis GND are appropriately set. There is a need to.
この種の冷却系を有する設備として、例えば、特許文献1に開示されている燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムでは、燃料電池の内部における電池内冷媒流路と冷媒冷却機器とを含む第1循環経路に冷媒を循環供給する第1冷媒系と、前記電池内冷媒流路とイオン交換器とを含む第2循環経路に冷媒を循環供給する第2冷媒系とを備えている。そして、第1冷媒系及び第2冷媒系による冷媒循環を制御するにあたり、燃料電池の起動に際し、予め定めた優先期間に亘って前記第2冷媒系による前記燃料電池への冷媒の循環供給を先行して実行している。 As a facility having this type of cooling system, for example, a fuel cell system disclosed in Patent Document 1 is known. In this fuel cell system, a first refrigerant system that circulates and supplies a refrigerant to a first circulation path including an in-cell refrigerant flow path and a refrigerant cooling device inside the fuel cell, the in-battery refrigerant flow path and an ion exchanger, And a second refrigerant system that circulates and supplies the refrigerant to the second circulation path. In controlling the refrigerant circulation by the first refrigerant system and the second refrigerant system, when the fuel cell is started, the refrigerant supply to the fuel cell by the second refrigerant system is preceded over a predetermined priority period. And running.
第2冷媒系の第2循環経路を通過する全ての冷媒は、優先期間の当初から燃料電池の電池内冷媒流路を循環経由した後に、イオン交換器を繰り返し通過してイオンが除去されている。従って、燃料電池の電池内冷媒流路は、優先期間において速やかに低導電率とされた冷媒が循環するため、前記冷媒が介在することで発生する前記燃料電池の絶縁性低下を早期に高い実効性で回避できる、としている。 All of the refrigerant passing through the second circulation path of the second refrigerant system is repeatedly passed through the ion exchanger after passing through the refrigerant flow path in the fuel cell from the beginning of the priority period, and the ions are removed. . Therefore, the refrigerant flow path in the fuel cell quickly circulates the refrigerant having a low conductivity in the priority period, so that the insulation deterioration of the fuel cell that occurs due to the presence of the refrigerant is quickly and highly effective. It can be avoided by sex.
ところで、燃料電池車両では、特に高温環境下に長時間放置されると、冷媒導電率が上昇してしまう。すなわち、放置中には、冷媒が流通しないため、イオン交換器によるイオン除去が行われず、冷媒導電率が上昇して冷媒系内での電気抵抗が低下するおそれがある。冷媒導電率の上昇は、特にラジエータや金属セパレータ等の金属部材との接液により惹起されている。従って、高温放置等の最悪条件において、燃料電池スタックとシャーシGNDとの間の地絡抵抗が減少し、所望の分担地絡抵抗を確保することができないおそれがある。 By the way, in a fuel cell vehicle, when left in a high temperature environment for a long time, the refrigerant conductivity increases. In other words, since the refrigerant does not circulate during standing, ion removal by the ion exchanger is not performed, and the refrigerant conductivity may increase and the electric resistance in the refrigerant system may be reduced. The increase in the refrigerant conductivity is particularly caused by liquid contact with a metal member such as a radiator or a metal separator. Therefore, the ground fault resistance between the fuel cell stack and the chassis GND decreases under the worst condition such as leaving at a high temperature, and there is a possibility that a desired shared ground fault resistance cannot be ensured.
そこで、例えば、冷媒配管長を長尺化することが考えられる。しかしながら、燃料電池システムが収容されるスペース、例えば、モータルーム内では、長尺な配管が絡まり合ってしまい、メンテナンス性が低下するという問題がある。 Therefore, for example, it is conceivable to lengthen the refrigerant pipe length. However, in a space in which the fuel cell system is accommodated, for example, in a motor room, there is a problem that long pipes are entangled and the maintainability is lowered.
しかも、衝突等の外部荷重が付与されると、冷媒配管が、密集配置されている各種デバイスと干渉し易くなり、前記冷媒配管が破損する場合がある。その際、活電部である燃料電池スタックから冷媒配管の破損部位までの地絡抵抗が、所望の分担地絡抵抗を下回ってしまい、液絡が発生するおそれがある。 In addition, when an external load such as a collision is applied, the refrigerant pipe is likely to interfere with various devices that are densely arranged, and the refrigerant pipe may be damaged. At that time, the ground fault resistance from the fuel cell stack, which is the live part, to the damaged part of the refrigerant pipe is lower than the desired shared ground fault resistance, and there is a possibility that a liquid junction occurs.
本発明は、この種の課題を解決するものであり、冷媒配管の地絡抵抗を確保して液絡を抑制するとともに、配管レイアウトの自由度を有効に向上させ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。 The present invention solves this type of problem, and provides a fuel cell system that can ensure ground fault resistance of refrigerant piping and suppress liquid junction, and can effectively improve the degree of freedom of piping layout. The purpose is to provide.
本発明に係る燃料電池システムは、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発電セルが積層された燃料電池スタックを備え、前記燃料電池スタックの内部には、冷却媒体を流通させる冷却媒体流路が形成されている。 A fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell stack in which a plurality of power generation cells that generate power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas are stacked, and a cooling medium is circulated inside the fuel cell stack. A cooling medium flow path is formed.
この燃料電池システムは、内部に湾曲形状又は屈曲形状を有する第1ラビリンス流路が設けられた冷却媒体流路構成部材を備えている。そして、冷却媒体流路構成部材には、燃料電池スタックの冷却媒体流路に接続される流通口が設けられている。燃料電池スタックは、発電セルの積層方向端部にエンドプレートを配置し、少なくとも一方の前記エンドプレートには、第1ラビリンス流路と冷却媒体流路とを連ねるために、湾曲形状又は屈曲形状を有する第2ラビリンス流路が設けられている。 The fuel cell system includes a cooling medium flow path component having a first labyrinth flow path having a curved shape or a bent shape. The cooling medium flow path component is provided with a circulation port connected to the cooling medium flow path of the fuel cell stack. The fuel cell stack has an end plate disposed at an end portion in the stacking direction of the power generation cells, and at least one of the end plates has a curved shape or a bent shape in order to connect the first labyrinth channel and the cooling medium channel. A second labyrinth flow path is provided.
また、この燃料電池システムでは、冷却媒体流路構成部材は、燃料電池スタックの底部に接して配置されるとともに、第1ラビリンス流路と第2ラビリンス流路とが直接接続されていることが好ましい。 In this fuel cell system, it is preferable that the cooling medium flow path component is disposed in contact with the bottom of the fuel cell stack, and the first labyrinth flow path and the second labyrinth flow path are directly connected. .
本発明によれば、冷却媒体流路構成部材には、第1ラビリンス流路が設けられるとともに、前記冷却媒体流路構成部材は、燃料電池スタックの冷却媒体流路に接続されている。しかも、エンドプレートには、第1ラビリンス流路と冷却媒体流路とを連ねる第2ラビリンス流路が設けられている。 According to the present invention, the cooling medium flow path component is provided with the first labyrinth flow path, and the cooling medium flow path component is connected to the cooling medium flow path of the fuel cell stack. In addition, the end plate is provided with a second labyrinth channel that connects the first labyrinth channel and the cooling medium channel.
従って、長尺流路である第1ラビリンス流路及び第2ラビリンス流路が設けられるため、冷却媒体流路系の導電抵抗を増加させることができ、法規により要求される分担地絡抵抗を満たす沿面距離を確保することが可能になる。これにより、冷媒配管の地絡抵抗を確保して液絡を抑制するとともに、配管レイアウトの自由度を有効に向上させることが可能になる。 Therefore, since the first labyrinth flow path and the second labyrinth flow path, which are long flow paths, are provided, the conductive resistance of the cooling medium flow path system can be increased, and the shared ground fault resistance required by law is satisfied. It is possible to secure a creepage distance. As a result, it is possible to secure ground fault resistance of the refrigerant piping and suppress liquid junction, and to effectively improve the degree of freedom of piping layout.
図1に示すように、本発明の第1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12に搭載される。燃料電池システム10は、燃料電池スタック14を備え、前記燃料電池スタック14は、燃料電池車両12のモータルーム(フロントボックス)16内に配置される。
As shown in FIG. 1, the
モータルーム16には、走行用モータ18及びPDU(Power Drive Unit)20が配設される。PDU20は、燃料電池車両12全体のシステム管理を行うとともに、バッテリー(図示せず)及び燃料電池の直流電力を三相交流の電力に変換して走行用モータ18に伝達する機能を有する。
In the
燃料電池スタック14は、上部に接して電圧制御ユニット(VCU)(Voltage Control Unit)22が載置される一方、下部(底部)に接して冷却媒体流路構成部材24が配置され、これらがケーシング26により一体に覆われる。電圧制御ユニット22は、燃料電池スタック14の出力を制御する機能を有しており、ケーシング26の外部に配置されてもよい。冷却媒体流路構成部材24は、冷却媒体供給装置27を構成しており、その説明は後述する。
In the
図2及び図3に示すように、燃料電池スタック14は、複数の発電セル28が車両幅方向(矢印A方向)に積層される。図3に示すように、発電セル28の積層方向一端には、第1ターミナルプレート30a、第1絶縁プレート32a及び第1エンドプレート34aが、外方に向かって、順次、配設される。発電セル28の積層方向他端には、第2ターミナルプレート30b、第2絶縁プレート32b及び第2エンドプレート34bが、外方に向かって、順次、配設される。第1ターミナルプレート30aと第2ターミナルプレート30bとは、各上辺に上方に突出する端子部30atと端子部30btとを設ける。
As shown in FIGS. 2 and 3, in the
第1絶縁プレート32a及び第2絶縁プレート32bは、電気絶縁性を有する樹脂材で構成される。第1エンドプレート34a及び第2エンドプレート34bは、電気絶縁性を有する樹脂材で構成されているが、例えば、アルミニウム母材に樹脂コートを施してもよい。第1エンドプレート34aと第2エンドプレート34bの各辺間には、連結バー36の両端がねじ38により固定され、複数の積層された発電セル28に積層方向(矢印A方向)の締め付け荷重を付与する。
The 1st insulating
図4に示すように、発電セル28は、矢印B方向に長尺な長方形状を有する。発電セル28は、電解質膜・電極構造体40と、前記電解質膜・電極構造体40を挟持するカソードセパレータ42及びアノードセパレータ44とを備える。カソードセパレータ42及びアノードセパレータ44は、横長(又は縦長)の長方形状を有する。カソードセパレータ42及びアノードセパレータ44は、金属セパレータ又はカーボンセパレータにより構成される。
As shown in FIG. 4, the
発電セル28の長辺方向(矢印B方向)の一端縁部には、それぞれ積層方向である矢印A方向に個別に連通して、酸化剤ガス供給連通孔46a及び燃料ガス排出連通孔48bが設けられる。酸化剤ガス供給連通孔46aは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する一方、燃料ガス排出連通孔48bは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。
An oxidant gas
発電セル28の長辺方向の他端縁部には、それぞれ積層方向である矢印A方向に個別に連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔48aと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔46bとが設けられる。
The other end edge of the
発電セル28の短辺方向(矢印C方向)の一方側(鉛直方向上方側)には、一対の冷却媒体供給連通孔50aが設けられる。冷却媒体供給連通孔50aは、冷却媒体を供給するために、矢印A方向にそれぞれ個別に連通している。発電セル28の短辺方向の他方側(鉛直方向下方側)には、一対の冷却媒体排出連通孔50bが設けられる。冷却媒体排出連通孔50bは、冷却媒体を排出するために、矢印A方向にそれぞれ個別に連通している。
A pair of cooling medium
電解質膜・電極構造体40は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜52と、前記固体高分子電解質膜52を挟持するカソード電極54及びアノード電極56とを備える。固体高分子電解質膜52は、陽イオン交換膜であり、フッ素系電解質の他、HC(炭化水素)系電解質を使用してもよい。
The electrolyte membrane /
カソード電極54及びアノード電極56は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層(図示せず)を有する。白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子は、ガス拡散層の表面に一様に塗布されることにより、電極触媒層(図示せず)が形成される。電極触媒層は、固体高分子電解質膜52の両面に形成される。
The
カソードセパレータ42の電解質膜・電極構造体40に向かう面42aには、酸化剤ガス供給連通孔46aと酸化剤ガス排出連通孔46bとを連通する酸化剤ガス流路58が形成される。酸化剤ガス流路58は、矢印B方向に延在する複数本の波状流路溝(又は直線状流路溝)により形成される。
An oxidant
アノードセパレータ44の電解質膜・電極構造体40に向かう面44aには、燃料ガス供給連通孔48aと燃料ガス排出連通孔48bとを連通する燃料ガス流路60が形成される。燃料ガス流路60は、矢印B方向に延在する複数本の波状流路溝(又は直線状流路溝)により形成される。
A fuel
互いに隣接するアノードセパレータ44の面44bとカソードセパレータ42の面42bとの間には、一対の冷却媒体供給連通孔50aと一対の冷却媒体排出連通孔50bとに連通する冷却媒体流路62が形成される。冷却媒体流路62は、鉛直方向に延在しており、電解質膜・電極構造体40の電極範囲に亘って上方から下方に冷却媒体を流通させる。
A cooling
カソードセパレータ42の面42a、42bには、このカソードセパレータ42の外周端縁部を周回して第1シール部材64が一体成形される。アノードセパレータ44の面44a、44bには、このアノードセパレータ44の外周端縁部を周回して第2シール部材66が一体成形される。
A
第1シール部材64及び第2シール部材66としては、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。
As the
図3に示すように、第1絶縁プレート32a及び第1エンドプレート34aには、酸化剤ガス供給連通孔46a、燃料ガス排出連通孔48b、燃料ガス供給連通孔48a及び酸化剤ガス排出連通孔46bが形成される。第2絶縁プレート32b及び第2エンドプレート34bには、一対の冷却媒体供給連通孔50a及び一対の冷却媒体排出連通孔50bが形成される。
As shown in FIG. 3, the first insulating
第1エンドプレート34aには、酸化剤ガス入口マニホールド68a、酸化剤ガス出口マニホールド68b、燃料ガス入口マニホールド70a及び燃料ガス出口マニホールド70bが設けられる。酸化剤ガス入口マニホールド68aと酸化剤ガス出口マニホールド68bとは、酸化剤ガス供給連通孔46aと酸化剤ガス排出連通孔46bとに連通する。燃料ガス入口マニホールド70aと燃料ガス出口マニホールド70bとは、燃料ガス供給連通孔48aと燃料ガス排出連通孔48bとに連通する。
The
図3及び図5に示すように、第1エンドプレート34aの内部には、L字状の屈曲形状(又は湾曲形状)を有するスタック内供給ラビリンス流路(第2ラビリンス流路)72が形成される。スタック内供給ラビリンス流路72は、L字状に限定されず、第1エンドプレート34aの内部を蛇行する形状を有していてもよい。第1エンドプレート34aを金属材料で構成する場合、スタック内供給ラビリンス流路72の内面は樹脂のコーティングを施すのが好ましい。スタック内供給ラビリンス流路72の鉛直方向下端には、第1エンドプレート34aの底面から下方に開放される供給口72aが設けられる。スタック内供給ラビリンス流路72の水平方向に延在する上方部位は、燃料電池スタック14内の一対の冷却媒体供給連通孔50aに連通し、各冷却媒体流路62につながる。
As shown in FIGS. 3 and 5, an in-stack supply labyrinth flow path (second labyrinth flow path) 72 having an L-shaped bent shape (or curved shape) is formed inside the
図6に示すように、第2エンドプレート34bの内部には、排出室74が形成される。排出室74には、複数枚の板状部76が互いに千鳥状に配置されることにより、折り返し部を有して蛇行するスタック内排出ラビリンス流路(第2ラビリンス流路)78が形成される。折り返し部は、屈曲形状又は湾曲形状を形成するのが好ましい。
As shown in FIG. 6, a
スタック内排出ラビリンス流路78は、水平方向に蛇行しながら上方に向かっており、上端から鉛直下方向に延在するとともに、鉛直方向下端には、第2エンドプレート34bの底面から下方に開放される排出口78aが設けられる。スタック内排出ラビリンス流路78の水平方向に延在する最下端部位は、燃料電池スタック14内の一対の冷却媒体排出連通孔50bに連通し、各冷却媒体流路62につながる。
The in-stack discharge
燃料電池スタック14では、第1エンドプレート34aに最も隣接する発電セル28が、カソード電極54を前記第1エンドプレート34aに向けて配置される。燃料電池スタック14では、第2エンドプレート34bに最も隣接する発電セル28が、アノード電極56を前記第2エンドプレート34bに向けて配置される。
In the
図3に示すように、冷却媒体流路構成部材24は、電気絶縁性を有する絶縁部材で形成されており、筐体部80と蓋体部82とを備える。筐体部80は、上部が開放されるとともに、内部には、仕切り板84を介して供給室86aと排出室86bとが分離形成される。
As shown in FIG. 3, the cooling medium flow
図3及び図7に示すように、供給室86aには、複数枚の板部材88が互いに千鳥状に配置されることにより、折り返し部を有して蛇行するスタック外供給ラビリンス流路(第1ラビリンス流路)90が形成される。排出室86bには、複数枚の板部材92が互いに千鳥状に配置されることにより、折り返し部を有して蛇行するスタック外排出ラビリンス流路(第1ラビリンス流路)94が形成される。
As shown in FIGS. 3 and 7, a plurality of
図3に示すように、蓋体部82には、スタック外供給ラビリンス流路90の出口側と第1エンドプレート34aのスタック内供給ラビリンス流路72の供給口72aとを連結する入口孔部96aが形成される。蓋体部82には、スタック外排出ラビリンス流路94の入口側と第2エンドプレート34bのスタック内排出ラビリンス流路78の排出口78aとを連結する出口孔部96bが形成される。
As shown in FIG. 3, the
筐体部80の正面には、スタック外供給ラビリンス流路90の入口側に連結される供給配管98aの一端と、スタック外排出ラビリンス流路94の出口側に連結される排出配管98bの一端とが、接続される。
On the front surface of the
筐体部80の正面には、イオン交換器100が配設される。供給配管98aとイオン交換器100の入口側とは、入口孔部(機器用流通口)102aを介して連結する。排出配管98bとイオン交換器100の出口側とは、出口孔部(機器用流通口)102bを介して連結する。
An
図2に示すように、供給配管98aの他端は、ラジエータ104の出口側に連通する一方、排出配管98bの他端は、前記ラジエータ104の入口側に連通する。供給配管98aの途上には、冷媒循環用の冷媒ポンプ106及び三方弁108が配置されるとともに、前記三方弁108と排出配管98bとは、バイパスライン110により接続される。排出配管98bには、循環ライン112を介して補機デバイス(エアコン系等)114が接続される。ラジエータ104、冷媒ポンプ106及び補機デバイス114は、燃料電池車両12の接地電位であるシャーシGND(図示せず)に電気的に接続される。排出配管98bの途上には三方弁107が配置されるとともに、前記三方弁107に循環ライン112が接続される。補機デバイス114に冷媒が不要なときは、三方弁107を切り換えて、ラジエータ104側に冷媒をバイパスする。
As shown in FIG. 2, the other end of the
燃料電池スタック14には、図示しないが、燃料ガス(例えば、水素ガス)を供給する燃料ガス供給装置と、酸化剤ガス(例えば、空気)を供給する酸化剤ガス供給装置とが設けられる。
Although not shown, the
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。
The operation of the
図3に示すように、酸化剤ガス供給装置(図示せず)から第1エンドプレート34aの酸化剤ガス入口マニホールド68aから酸化剤ガス供給連通孔46aには、酸素含有ガス、例えば、空気が供給される。一方、燃料ガス供給装置(図示せず)から燃料電池スタック14を構成する第1エンドプレート34aの燃料ガス入口マニホールド70aから燃料ガス供給連通孔48aには、水素含有ガス、例えば、水素ガスが供給される。
As shown in FIG. 3, an oxygen-containing gas, for example, air is supplied from an oxidant gas supply device (not shown) from the oxidant
このため、図4に示すように、空気は、酸化剤ガス供給連通孔46aからカソードセパレータ42の酸化剤ガス流路58に導入される。空気は、酸化剤ガス流路58に沿って矢印B方向に流動し、電解質膜・電極構造体40のカソード電極54に供給される。
Therefore, as shown in FIG. 4, air is introduced into the oxidant
一方、水素ガスは、燃料ガス供給連通孔48aからアノードセパレータ44の燃料ガス流路60に供給される。水素ガスは、燃料ガス流路60に沿って矢印B方向に流動し、電解質膜・電極構造体40のアノード電極56に供給される。
On the other hand, the hydrogen gas is supplied to the
従って、電解質膜・電極構造体40では、カソード電極54に供給される空気中の酸素と、アノード電極56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て発電が行われる。
Therefore, in the electrolyte membrane /
次いで、電解質膜・電極構造体40のカソード電極54に供給されて一部が消費された空気は、酸化剤ガス排出連通孔46bに沿って矢印A方向に排出される。一方、電解質膜・電極構造体40のアノード電極56に供給されて一部が消費された水素ガスは、燃料ガス排出連通孔48bに沿って矢印A方向に排出される。図3に示すように、空気は、酸化剤ガス出口マニホールド68bから排出されるとともに、水素ガスは、燃料ガス出口マニホールド70bから排出される。
Next, the air that is partially consumed by being supplied to the
また、図2に示すように、冷却媒体供給装置27では、冷媒ポンプ106の作用下に、供給配管98aに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。冷却媒体は、冷却媒体流路構成部材24のスタック外供給ラビリンス流路90に沿って蛇行するように流動した後、第1エンドプレート34aの供給口72aからスタック内供給ラビリンス流路72に供給される。
As shown in FIG. 2, in the cooling
冷却媒体は、図5に示すように、スタック内供給ラビリンス流路72に沿ってL字状に流動した後、燃料電池スタック14内の一対の冷却媒体供給連通孔50aに供給される。図4に示すように、一対の冷却媒体供給連通孔50aに供給された冷却媒体は、互いに隣接するカソードセパレータ42及びアノードセパレータ44間の冷却媒体流路62に導入される。冷却媒体は、上方から下方に向かって冷却媒体流路62を流動することにより、電解質膜・電極構造体40を冷却する。冷却媒体は、下方に設けられている一対の冷却媒体排出連通孔50bに排出され、矢印A方向に沿って流動する。
As shown in FIG. 5, the cooling medium flows in an L shape along the in-stack supply
冷却媒体は、各発電セル28を冷却した後、第2エンドプレート34bのスタック内排出ラビリンス流路78の下部側に導入される。図6に示すように、スタック内排出ラビリンス流路78は、第2エンドプレート34bの面内を蛇行しており、冷却媒体は、前記スタック内排出ラビリンス流路78に沿って蛇行しながら、下方から上方に向かって流動する。そして、冷却媒体は、スタック内排出ラビリンス流路78の上方端部から鉛直方向下方に流動し、排出口78aからスタック外排出ラビリンス流路94に排出される(図3及び図7参照)。
The cooling medium is introduced into the lower side of the in-stack discharge
スタック外排出ラビリンス流路94を蛇行しながら流通した冷却媒体は、排出配管98bに排出される。図2に示すように、冷却媒体は、ラジエータ104に導入されて冷却される一方、一部が循環ライン112を介して補機デバイス114の温度調整を行う。また、冷却媒体の温度が比較的低温であれば、前記冷却媒体は、ラジエータ104をバイパスしてバイパスライン110を流通する。
The cooling medium flowing while meandering through the out-stack discharge
冷却媒体供給装置27では、燃料電池スタック14が長期間放置された後、始動される際に、冷却媒体が前記燃料電池スタック14をバイパスしてイオン交換器100に供給される。このため、冷却媒体に混在するイオンが除去されて冷媒導電率を減少させることができる。
In the cooling
この場合、第1の実施形態では、図2、図3及び図7に示すように、冷却媒体流路構成部材24には、蛇行する長尺なスタック外供給ラビリンス流路90及びスタック外排出ラビリンス流路94が設けられている。しかも、図5に示すように、第1エンドプレート34aには、スタック外供給ラビリンス流路90と冷却媒体流路62とを連ねるスタック内供給ラビリンス流路72が設けられている。さらに、図6に示すように、第2エンドプレート34bには、スタック外排出ラビリンス流路94と冷却媒体流路62とを連ねるスタック内排出ラビリンス流路78が設けられている。
In this case, in the first embodiment, as shown in FIGS. 2, 3, and 7, the cooling medium flow
上記のように、長尺流路であるスタック外供給ラビリンス流路90及びスタック内供給ラビリンス流路72と、スタック外排出ラビリンス流路94及びスタック内排出ラビリンス流路78と、が設けられている。従って、法規により要求される分担地絡抵抗を満たす沿面距離を確保することができる。ここで、冷媒系地絡抵抗=(1/冷媒導電率)×(配管長/配管断面積)の関係を有している。配管断面積は、円形流路形状又は楕円流路形状の断面積である。
As described above, the out-stack
そして、スタック外供給ラビリンス流路90及びスタック内供給ラビリンス流路72と、スタック外排出ラビリンス流路94及びスタック内排出ラビリンス流路78と、のそれぞれの長さ(配管長)が相当に長尺化されている。これにより、冷媒系地絡抵抗は、高く設定され、所望の分担地絡抵抗を上回ることができる。
The lengths (pipe lengths) of the out-stack
さらに、衝突等により燃料電池車両12に外部荷重が付与されると、図8に示すように、供給配管98a又は排出配管98bの少なくともいずれかが破損する場合がある。その際、供給配管98aと活電部である燃料電池スタック14とは、長尺流路であるスタック外供給ラビリンス流路90及びスタック内供給ラビリンス流路72により連結されている。一方、排出配管98bと燃料電池スタック14とは、長尺流路であるスタック外排出ラビリンス流路94及びスタック内排出ラビリンス流路78により連結されている。
Furthermore, when an external load is applied to the
このため、燃料電池スタック14から冷媒配管破損部位までの地絡抵抗は、所望の分担地絡抵抗を上回る値に確保することができる。従って、冷媒配管の地絡抵抗を確保して液絡を抑制するとともに、配管レイアウトの自由度を有効に向上させることが可能になるという効果が得られる。
For this reason, the ground fault resistance from the
さらにまた、冷却媒体流路構成部材24は、燃料電池スタック14の下部に接して配置されるとともに、スタック外供給ラビリンス流路90とスタック内供給ラビリンス流路72とが直接接続されている。同様に、スタック外排出ラビリンス流路94とスタック内排出ラビリンス流路78とが直接接続されている。
Furthermore, the cooling medium
これにより、冷却媒体流路構成部材24と第1エンドプレート34aとの間には、冷却媒体マニホールドを配設する必要がなく、構成が簡素化されて経済的であるという効果が得られるとともに、燃料電池スタック14の端部セル(積層方向端部に配置される発電セル28)を保温する機能を有することができる。
Thereby, there is no need to dispose a cooling medium manifold between the cooling medium
また、第2エンドプレート34bに最も隣接する発電セル28は、アノード電極56を前記第2エンドプレート34bに向けて配置されている。アノード電極56は、発熱量が少ないため、前記アノード電極56側が第2エンドプレート34bに配置される端部の発電セル28では、他の発電セル28に比べて温度環境が低下し、滞留水の発生による発電安定性が劣化し易い。
The
このため、第2エンドプレート34bに長尺なスタック内排出ラビリンス流路78を設け、発電時の排熱により昇温された冷却媒体を前記スタック内排出ラビリンス流路78に流すことで、端部の発電セル28の発電安定性を向上させることが可能になる。
For this reason, the
図9は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池システム120の要部分解斜視説明図である。なお、第1の実施形態に係る燃料電池システム10と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
FIG. 9 is an exploded perspective view of a main part of a
燃料電池システム120は、燃料電池スタック122と、前記燃料電池スタック122の下部に接して配置される冷却媒体流路構成部材124とを備える。燃料電池スタック122は、発電セル28の積層方向一端に配置される第1エンドプレート126aと、前記発電セル28の積層方向他端に配置される第2エンドプレート126bとを設ける。
The
図10に示すように、第1エンドプレート126aには、スタック内供給ラビリンス流路72及びスタック内排出ラビリンス流路78が形成される。第2エンドプレート126bには、ラビリンス流路が設けられていない。
As shown in FIG. 10, an in-stack
図9に示すように、冷却媒体流路構成部材124は、電気絶縁性を有する絶縁部材で形成されており、第1筐体部128、第2筐体部130及び蓋体部132を備え、これらが上下方向に積層される。蓋体部132の長手方向一端側には、入口孔部96a及び出口孔部96bが形成される。
As shown in FIG. 9, the cooling medium
最下位に配置される第1筐体部128は、上部が開放されるとともに、内部には、排出室86bが形成される。図9及び図11に示すように、排出室86bには、複数枚の板部材134が車幅方向に向かって互いに千鳥状に配置されることにより、折り返し部を有して蛇行するスタック外排出ラビリンス流路(第1ラビリンス流路)136が形成される。折り返し部は、屈曲形状又は湾曲形状を形成するのが好ましい。
The
第1筐体部128上に配置される第2筐体部130は、上部が開放されるとともに、内部には、供給室86aが形成される。供給室86aの1つの角部には、出口孔部96bの下方に位置し、前記出口孔部96bに連通する開口部138が、前記供給室86aから遮断されて形成される。図9及び図12に示すように、供給室86aには、複数枚の板部材140が車長方向に向かって互いに千鳥状に配置されることにより、折り返し部を有して蛇行するスタック外供給ラビリンス流路(第1ラビリンス流路)142が形成される。折り返し部は、屈曲形状又は湾曲形状を形成するのが好ましい。
The
第1筐体部128の正面には、スタック外排出ラビリンス流路136の出口側に連結される排出配管98bの一端が接続される。第2筐体部130の正面には、スタック外供給ラビリンス流路142の入口側に連結される供給配管98aの一端が接続される。第1筐体部128の正面と第2筐体部130の正面とには、イオン交換器100が配設される。イオン交換器100は、スタック外供給ラビリンス流路142とスタック外排出ラビリンス流路136とに連結される。
One end of a
このように構成される第2の実施形態では、第1筐体部128には、複数枚の板部材134が互いに千鳥状に配置されてスタック外排出ラビリンス流路136が形成されている。一方、第2筐体部130には、複数枚の板部材140が互いに千鳥状に配置されてスタック外供給ラビリンス流路142が形成されている。従って、それぞれ長尺なスタック外排出ラビリンス流路136及びスタック外供給ラビリンス流路142が上下に設けられている。
In the second embodiment configured as described above, the
そして、スタック外排出ラビリンス流路136とスタック内排出ラビリンス流路78とが接続されるとともに、スタック外供給ラビリンス流路142とスタック内供給ラビリンス流路72とが接続されている。これにより、第2の実施形態では、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。
The out-stack discharge
10、120…燃料電池システム 12…燃料電池車両
14、122…燃料電池スタック 16…モータルーム
18…走行用モータ 22…電圧制御ユニット
24、124…冷却媒体流路構成部材 26…ケーシング
28…発電セル
34a、34b、126a、126b…エンドプレート
40…電解質膜・電極構造体 42…カソードセパレータ
44…アノードセパレータ 46a…酸化剤ガス供給連通孔
46b…酸化剤ガス排出連通孔 48a…燃料ガス供給連通孔
48b…燃料ガス排出連通孔 50a…冷却媒体供給連通孔
50b…冷却媒体排出連通孔 58…酸化剤ガス流路
60…燃料ガス流路 62…冷却媒体流路
72…スタック内供給ラビリンス流路 72a…供給口
78…スタック内排出ラビリンス流路 78a…排出口
80、128、130…筐体部 82、132…蓋体部
86a…供給室 86b…排出室
90、142…スタック外供給ラビリンス流路
94、136…スタック外排出ラビリンス流路
96a…入口孔部 96b…出口孔部
98a…供給配管 98b…排出配管
100…イオン交換器 104…ラジエータ
106…冷媒ポンプ 107、108…三方弁
114…補機デバイス
DESCRIPTION OF
Claims (2)
内部に湾曲形状又は屈曲形状を有する第1ラビリンス流路が設けられた冷却媒体流路構成部材を備え、
前記冷却媒体流路構成部材には、前記燃料電池スタックの前記冷却媒体流路に接続される流通口が設けられるとともに、
前記燃料電池スタックは、前記発電セルの積層方向端部にエンドプレートを配置し、少なくとも一方の前記エンドプレートには、前記第1ラビリンス流路と前記冷却媒体流路とを連ねるために、湾曲形状又は屈曲形状を有する第2ラビリンス流路が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell stack in which a plurality of power generation cells that generate power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas is stacked, and a cooling medium flow path for circulating a cooling medium is formed inside the fuel cell stack. A fuel cell system,
A cooling medium flow path component provided with a first labyrinth flow path having a curved shape or a bent shape inside;
The cooling medium flow path component is provided with a circulation port connected to the cooling medium flow path of the fuel cell stack,
The fuel cell stack has an end plate disposed at an end portion in the stacking direction of the power generation cells, and at least one of the end plates has a curved shape so as to connect the first labyrinth flow path and the cooling medium flow path. Or the 2nd labyrinth flow path which has a bending shape is provided, The fuel cell system characterized by the above-mentioned.
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