JP2019125498A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】異物の除去性能を向上しつつ、圧損の増大を抑制することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１は、発電部と該発電部を挟持する一対のセパレータとを有する燃料電池セルが複数積層される燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０にガスを供給するガス供給経路２５，３５と、ガス供給経路２５，３５内に配置される網状のフィルタ２４，３２と、を備える。フィルタ２４は、その網目の最大幅が燃料電池セルのセパレータ同士の最小間隔以下、且つその圧損が酸化ガス供給経路２５の全体圧損の２％以下となるように形成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来、このような分野の技術として、燃料電池セルが複数積層される燃料電池スタックと、燃料電池スタックに水素ガス又は酸化ガスを供給するガス供給経路とを備える燃料電池システムが知られている。燃料電池セルは、電解質膜、その電解質膜の両側に配置された一対の電極、及びその電極の外側に配置されたガス拡散層等からなる発電部と、該発電部を挟む一対のセパレータ（すなわち、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータ）とを有する。

このように構成された燃料電池システムでは、燃料電池スタックの上流製造工程、或いは燃料電池スタックの輸送時又は車両への組み付け時に付着した埃や金属粉末などの異物がガス中に混入し、ガスの流れによって燃料電池スタックの内部に侵入する可能性がある。燃料電池スタックの内部に侵入した異物は、更にアノード側セパレータとカソード側セパレータとの間に侵入し、セパレータ同士の短絡を起こす可能性がある。

この問題を解決するために、種々な技術が提案されている。例えば下記特許文献１に記載の燃料電池システムでは、ガス供給経路のガス流れが当たる部位の経路壁にフィルタを設置することで、異物を除去しつつ、フィルタの設置によって生じる圧損を抑制している。

特開２００５−２６８００３号公報

しかし、上述の燃料電池システムでは、フィルタはガス供給経路のガス流れが当たる部位の経路壁に設けられるため、ガス流れが当たる部位から離れる場所の異物を除去し難く、異物の除去性能に改善の余地がある。

本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、異物の除去性能を向上しつつ、圧損の増大を抑制することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池システムは、発電部と該発電部を挟持する一対のセパレータとを有する燃料電池セルが複数積層される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックにガスを供給するガス供給経路と、前記ガス供給経路内に配置される網状のフィルタと、を備え、前記フィルタは、その網目の最大幅が前記燃料電池セルの前記セパレータ同士の最小間隔以下、且つ、その圧損が前記ガス供給経路の全体圧損の２％以下となるようにされていることを特徴としている。

本発明に係る燃料電池システムでは、フィルタはその網目の最大幅が燃料電池セルのセパレータ同士の最小間隔以下、且つ、その圧損がガス供給経路の全体圧損の２％以下となるようにされているので、ガスに混入された異物を除去しつつ、圧損の増大を抑制することができる。加えて、フィルタはガス供給経路内に配置されるので、ガス供給経路のガス流れが当たる部位の経路壁にフィルタを設置した従来の場合と比べて、ガスに混入された異物を捕捉できる範囲が広くなり、異物の除去性能を向上することができる。その結果、燃料電池スタックへの異物侵入を阻止でき、異物によるセパレータ同士の短絡を防止することができる。

本発明に係る燃料電池システムにおいて、前記フィルタは、ガスの流れ方向に沿って縮幅されていることが好ましい。このようにすれば、限られた空間内においてフィルタの異物を捕捉する有効面積を確保できるとともに、圧損の低減を図ることができる。

本発明によれば、異物の除去性能を向上しつつ、圧損の増大を抑制することができる。

実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 フィルタが酸化ガス供給経路内に配置される例を説明するための部分分解斜視図である。 フィルタを示す部分断面図である。 小径円板部側から見たフィルタの側面図である。 フィルタの網目を示す拡大図である。 図４のＣ部分の拡大図である。 図６のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 樹脂継手を示す斜視図である。 図８のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。 網目の開口距離と圧損との関係（ガス最大流量時）を示すグラフである。

以下、図面を参照して本発明に係る燃料電池システムの実施形態について説明する。以下の実施形態において燃料電池システムを車両に搭載して車両の駆動源とした例を挙げて説明するが、本発明の燃料電池システムは、船舶、航空機、電車等の駆動源や、建物の発電設備としても良い。

図１は実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。本実施形態の燃料電池システム１は、主に、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０に空気等の酸化ガスを供給する酸化ガス供給系２０と、燃料電池スタック１０に水素等の燃料ガスを供給する燃料ガス供給系３０とを備えている。

燃料電池スタック１０は、複数の単セルを積層してなるセルスタックであり、固体高分子電解質型燃料電池を構成する。図示しないが、燃料電池セルは、例えばイオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側触媒層（アノード電極）およびカソード側触媒層（カソード電極）とからなる膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を有する。更に、燃料電池セルは、ＭＥＡを挟持する一対のセパレータ（すなわち、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータ）を有する。

また、ＭＥＡの両側には、燃料ガスもしくは酸化ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するためのガス拡散層（ＧＤＬ：Gas Diffusion Layer）が更に形成される場合がある。このとき、ＧＤＬが両側に配置された膜電極接合体は、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly）と称される。ＭＥＧＡは、更に上述のアノード側セパレータ及びカソード側セパレータによって挟持されている。そして、ガス拡散層を有するＭＥＧＡの場合、該ＭＥＧＡは燃料電池セルの発電部になる。一方、ガス拡散層を有さないＭＥＧＡの場合、該ＭＥＡが燃料電池セルの発電部になる。

酸化ガス供給系２０は、例えば、燃料電池スタック１０のカソード電極に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給経路２５と、燃料電池スタック１０に供給され、各燃料電池セルで電気化学反応に供された後の酸化オフガスを燃料電池スタック１０から排出する酸化ガス排出経路２９と、酸化ガス供給経路２５を介して供給される酸化ガスを燃料電池スタック１０を介さずにバイパスして酸化ガス排出経路２９へと流通させるバイパス経路２６とを有する。酸化ガス供給経路２５、酸化ガス排出経路２９及びバイパス経路２６は、例えばホース、配管、パイプ及び継手部材等によってそれぞれ構成されている。

酸化ガス供給経路２５には、上流側から、エアクリーナ２１、エアコンプレッサ２２、インタクーラ２３等が備えられている。一方、酸化ガス排出経路２９には、マフラ２８等が備えられている。なお、酸化ガス供給経路２５のエアクリーナ２１には、例えば、図示しない大気圧センサ、エアフローメータ等が設けられている。

エアクリーナ２１は、外部から取り込まれた空気中の塵埃を除去する。エアコンプレッサ２２は、エアクリーナ２１を介して導入された酸化ガスを圧縮し、圧縮された酸化ガスをインタクーラ２３に供給する。インタクーラ２３は、エアコンプレッサ２２から供給された酸化ガスを通過させるときに、例えば冷媒との熱交換によって酸化ガスを冷却し、更に燃料電池スタック１０のカソード電極に供給する。

また、酸化ガス供給経路２５には、インタクーラ２３と燃料電池スタック１０との間の酸化ガスの流れを遮断するための入口弁２５Ｖが設けられている。入口弁２５Ｖは、例えば、インタクーラ２３から燃料電池スタック１０へ向かう酸化ガスの流れによって開弁して酸化ガスを流すとともに、燃料電池スタック１０からインタクーラ２３へ向かう酸化ガスの流れによって閉弁して酸化ガスの流れを遮断する逆止弁である。

また、酸化ガス供給経路２５において、インタクーラ２３と入口弁２５Ｖとの間には、酸化ガス供給経路２５を流れる空気中の異物を捕捉するためのフィルタ２４が設けられている。図１に示すように、このフィルタ２４は、酸化ガス供給経路２５とバイパス経路２６との分岐点から入口弁２５Ｖの入口までの間に配置されている。

バイパス経路２６は、一端が酸化ガス供給経路２５のインタクーラ２３の下流側に接続され、他端が酸化ガス排出経路２９に接続されている。言い換えれば、バイパス経路２６は、酸化ガス供給経路２５のインタクーラ２３の下流側から、酸化ガス排出経路２９に向けて分岐接続されている。バイパス経路２６には、エアコンプレッサ２２によって供給され、インタクーラ２３によって冷却されて排出された酸化ガスが、燃料電池スタック１０をバイパスして酸化ガス排出経路２９へ向けて流れる。このバイパス経路２６には、酸化ガス排出経路２９へ向けて流れる酸化ガスを遮断して当該バイパス経路２６を流れる酸化ガスの流量を調整するためのバイパス弁２６Ｖが設けられている。

酸化ガス排出経路２９において、マフラ２８は、酸化ガス排出経路２９に流れる酸化オフガス（すなわち、排出ガス）を、例えば、気相と液相とに分離して外部に排出する。また、酸化ガス排出経路２９には、燃料電池スタック１０に供給される酸化ガスの背圧を調整するための調圧弁２９Ｖが設けられる。調圧弁２９Ｖの下流側には、バイパス経路２６が接続されている。

一方、燃料ガス供給系３０は、例えば、水素等の高圧の燃料ガスを貯留する水素タンク等の燃料ガス供給源３１と、燃料ガス供給源３１からの燃料ガスを燃料電池スタック１０のアノード電極へ供給する燃料ガス供給経路３５と、燃料電池スタック１０から排出された燃料オフガス（未消費の燃料ガス）を燃料ガス供給経路３５に還流させる循環経路３６と、循環経路３６に分岐接続されて循環経路３６内の燃料オフガスを外部へ排出する燃料ガス排出経路３９とを有する。燃料ガス供給経路３５、循環経路３６及び燃料ガス排出経路３９は、例えばホース、配管、パイプ及び継手部材等によってそれぞれ構成されている。

燃料ガス供給経路３５には、例えば、燃料ガスの圧力を測定する圧力計（図示せず）等が設けられるとともに、燃料ガス供給経路３５を開閉して燃料電池スタック１０へ向けて流れる燃料ガスを遮断するための遮断弁３５Ｖと、燃料ガス供給経路３５を流れる燃料ガスの圧力を調整するためのレギュレータ３４と、調圧された燃料ガスを燃料電池スタック１０へ向けて供給するためのインジェクタ３３とが設けられる。遮断弁３５Ｖを開くと、燃料ガス供給源３１に貯留された高圧の燃料ガスが燃料ガス供給源３１から燃料ガス供給経路３５に流出し、レギュレータ３４やインジェクタ３３により調圧（ここでは減圧）されて、燃料電池スタック１０のアノード電極に供給される。

また、燃料ガス供給経路３５において、インジェクタ３３の下流側には、燃料ガス供給経路３５を流れる燃料ガス中の異物を捕捉するためのフィルタ３２が設けられている。図１に示すように、このフィルタ３２は、燃料ガス供給経路３５と循環経路３６との合流点から燃料電池スタック１０までの間に配置されている。

循環経路３６には、上流側（すなわち、燃料電池スタック１０側）から、気液分離器３７、水素循環ポンプ３８等が備えられている。気液分離器３７は、循環経路３６を流れる燃料ガス（水素等）に含まれる生成水を気液分離して貯留する。この気液分離器３７から分岐して、燃料ガス排出経路３９が設けられている。水素循環ポンプ３８は、気液分離器３７で気液分離した燃料オフガスを供給して燃料ガス供給経路３５へ循環させる。

燃料ガス排出経路３９には、燃料ガス排出経路３９を開閉して、気液分離器３７で分離した生成水と燃料電池スタック１０から排出された燃料オフガスの一部を排出するためのパージ弁３９Ｖが設けられている。燃料ガス排出経路３９のパージ弁３９Ｖの開閉調整を経て排出される燃料オフガスは、酸化ガス排出経路２９を流れる酸化オフガスと混合され、マフラ２８を介して外部に排出される。

上記構成を有する燃料電池システム１は、酸化ガス供給系２０によって燃料電池スタック１０のカソード電極に供給された空気等の酸化ガスと、燃料ガス供給系３０によって燃料電池スタック１０のアノード電極に供給された水素等の燃料ガスとの電気化学反応によって発電を行う。

以下、図２を参照して酸化ガス供給経路２５内に配置されたフィルタ２４の構造及びその設置構造を説明するが、燃料ガス供給経路３５内に配置されたフィルタ３２は、フィルタ２４と同じであるので、それに関する説明を省略する。

図２はフィルタが酸化ガス供給経路内に配置される例を説明するための部分分解斜視図である。図２に示すように、フィルタ２４は、例えば酸化ガスの流れ方向に沿って縮幅するように形成されている。このフィルタ２４は、樹脂継手４２の内部に挿入されるとともに、樹脂継手４２の端部に設けられた被係止部（後述する）４２５と係止することで該樹脂継手４２に固定支持されている。

樹脂継手４２の一端部（ここでは、被係止部４２５が設けられる端部４２ａ）は、樹脂製の配管４１に内挿された状態で金属製のクリップ４３によって該配管４１と接続されている。樹脂継手４２の他端は、フランジ部（後述する）４２２を有するように形成されており、上述の入口弁２５Ｖと接続されている。

一方、配管４１は、例えば樹脂材料によって形成されている。配管４１の一端部は、上述の樹脂継手４２と接続されるとともに、クリップ４３を介して該樹脂継手４２と固定されている。配管４１の他端部は、インタクーラ２３と接続されるとともに、クリップ４３を介して該インタクーラ２３と固定されている。ここで、配管４１及び樹脂継手４２は、上述した酸化ガス供給経路２５の一部を構成している。

以下、図３〜図７を参照してフィルタ２４の構造等を説明する。

フィルタ２４は、先端が尖がったコーン形状を呈しており、樹脂製の枠体２４１と、該枠体２４１に張設された金属製の網状部材２４２とを有する。網状部材２４２は、例えば溶着などで枠体２４１と一体化されている。

枠体２４１は、比較的に大きく形成された円環状の大径環状部２４１ａと、大径環状部２４１ａと同軸上に離れて配置されるとともに比較的に小さく形成された小径円板部２４１ｂと、大径環状部２４１ａと小径円板部２４１ｂとの間に架け渡されるとともに大径環状部２４１ａ及び小径円板部２４１ｂを連結する一対のフレーム部２４１ｃとを有する。大径環状部２４１ａ、小径円板部２４１ｂ及びフレーム部２４１ｃは、樹脂材料によって一体的に形成されている。

フィルタ２４は、その網目の最大幅が燃料電池セルのセパレータ同士の最小間隔以下、且つ、その圧損が酸化ガス供給経路２５の全体圧損の２％以下になるように形成されている。本実施形態では、フィルタ２４の網状部材２４２の網目の最大幅は、燃料電池セルのセパレータ同士の最小間隔と同じになるように設定されている。具体的には、網状部材２４２の網目は、それぞれ矩形状を呈している（図５参照）。このため、各網目の最大幅は矩形状の対角線の幅Ｌとなる。

本実施形態の燃料電池スタック１０において、各燃料電池セルの積層方向におけるセパレータ同士の最小間隔（すなわち、アノード側セパレータとカソード側セパレータとの最小間隔）が０．２ｍｍである。従って、フィルタ２４の網目の最大幅（対角線の幅Ｌ）は、０．２ｍｍと設定されている。この場合、図５に示す網目の開口距離は０．１４１ｍｍとなる。なお、網状部材２４２の網目の最大幅は、必ずしもセパレータ同士の最小間隔と同じである必要がなく、上述したようにセパレータ同士の最小間隔以下であれば良い。また、好ましくは、網状部材２４２の網目の最大幅は燃料電池セルのセパレータ同士の最小間隔以下、セパレータ同士の最小間隔の２／３以上である。

図１０は網目の開口距離と圧損との関係（ガス最大流量時）を示すグラフである。フィルタ２４の異物除去性能を高めるために、網目の開口距離を小さく（言い換えれば、フィルタ２４の網目を細かく）した方が良い。しかしながら、図１０に示すように、網目の開口距離が小さくなるにつれ、フィルタ２４を通過するガスへの抵抗が大きくなるので、圧損が増大する。圧損が大きくなると、規定のガス流量を流すことができないので、燃料電池セルの発電性能の低下を招く。

異物除去性能を確保しつつ圧損の低減を図るために、フィルタ２４は、その圧損が酸化ガス供給経路２５の全体圧損の２％以下になるように形成されており、酸化ガス供給経路２５の全体圧損の１％以下になるように形成されることが好ましい。例えば、酸化ガス供給経路２５の全体圧損が１０ｋＰａであった場合、フィルタ２４の圧損は２００Ｐａ以下と設定されており、更に１００Ｐａ以下と設定されるのが好ましい。

また、フィルタ２４には、樹脂継手４２の被係止部４２５と係止可能な係止爪部２４３が２つ設けられている。係止爪部２４３は、大径環状部２４１ａと連結されるとともに、小径円板部２４１ｂ側に向かって延びる一対の可撓爪２４４，２４５からなる。

図６及び図７に示すように、可撓爪２４４と可撓爪２４５とは、間に隙間を有するように離れて配置されている。可撓爪２４４は、大径環状部２４１ａに固定された基部２４４ａと、該基部２４４ａと連結されるとともに小径円板部２４１ｂ側に延設される延設端部２４４ｂとを有する。延設端部２４４ｂは、基部２４４ａとの間に段差部を有するように基部２４４ａから外側に拡幅しつつ、更に小径円板部２４１ｂ側に行くにつれて縮幅するようにテーパ状に形成されている。可撓爪２４５は、可撓爪２４４と同じ構造を有するため、その説明を省略する。

上述の構造を有する係止爪部２４３は、例えば一定の可撓性を有する樹脂材料によって形成されており、枠体２４１と一体化とされている。

以下、図８及び図９を参照して樹脂継手４２の構造を説明する。図８は樹脂継手を示す斜視図であり、図９は図８のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。

樹脂継手４２は、円管状の継手本体４２１と、継手本体４２１と一体的に形成されるとともに該継手本体４２１の外周から張り出す菱形状のフランジ部４２２とを有する。そして、継手本体４２１の中心軸Ｌ１は、フランジ部４２２の中心軸Ｌ２に対して所定の角度αで傾斜している。

フランジ部４２２には、ボルトを挿入するための貫通孔４２３が２つ設けられている。また、フランジ部４２２には、入口弁２５Ｖと接続する際に樹脂継手４２を仮固定するとともに樹脂継手４２の回転を防止するための爪部４２４が複数設けられている。そして、樹脂継手４２のフランジ部４２２とは反対側の端部４２ａは、上述した配管４１に内挿できるため、外周壁に段差を有するように外径が少し小さくなっている。この端部４２ａには、フィルタ２４の係止爪部２４３と係止可能な被係止部４２５が２つ設けられている。これらの被係止部４２５は、それぞれ配管４１側に開口した切り欠き部であり、フィルタ２４の係止爪部２４３の配置位置に合わせて設けられている。

そして、フィルタ２４は、その小径円板部２４１ｂがフランジ部４２２側に向くように樹脂継手４２の内部に挿入され、樹脂継手４２の端部４２ａと突き当てた状態で、係止爪部２４３が被係止部４２５と係止することによって樹脂継手４２と固定支持されている。このとき、フィルタ２４の全体はほぼ樹脂継手４２の内部に収容される状態になっている。また、このように樹脂継手４２に固定支持されたフィルタ２４では、燃料電池スタック１０の運転時に酸化ガスの流れによって、係止爪部２４３を被係止部４２５側に押し付ける力（すなわち、係止爪部２４３と被係止部４２５とを係止させる力）が生じるので、フィルタ２４の外れを防止する効果を奏する。

本実施形態の燃料電池システム１では、フィルタ２４はその網目の最大幅が燃料電池セルのセパレータ同士の最小間隔と同じ、且つ、その圧損が酸化ガス供給経路２５の全体圧損の２％以下となるように形成されているので、酸化ガスに混入された異物を除去しつつ、圧損の増大を抑制することができる。加えて、フィルタ２４は酸化ガス供給経路２５内に配置されるので、ガス供給経路のガスの流れが当たる部位の経路壁にフィルタを設置した従来の場合と比べて、異物を捕捉できる範囲が広くなるので、異物の除去性能を向上することができる。その結果、燃料電池スタック１０の上流製造工程、或いは燃料電池スタック１０の輸送時又は車両への組み付け時に付着した異物が燃料電池スタック１０に侵入することを阻止でき、異物によるセパレータ同士の短絡を防止することができる。

また、フィルタ２４は酸化ガスの流れ方向に沿って縮幅したコーン形状に形成されるので、限られた空間内においてフィルタ２４の異物捕捉の有効面積を確保できるとともに、圧損の低減を図ることができる。更に、フィルタ２４は樹脂継手４２の内部に収容するように配置されており、外部に露出しないので、輸送時に周辺のものとぶつかるのを防止でき、損傷の発生を抑制することができる。

なお、燃料ガス供給経路３５に設けられたフィルタ３２は、酸化ガス供給経路２５に設けられたフィルタ２４と同じ構造、且つ同じ設置構造を有するため、フィルタ２４と同じ作用効果を得られる。

上述の実施形態では、フィルタ２４の形状をコーン形状とする例を説明したが、フィルタの形状は必ずしもコーン形状とする必要がなく、例えばガス流れ方向に沿って縮幅されるカップ形状としても良く、或いは板状としても良い。

また、上述の実施形態では、フィルタ２４を樹脂継手４２の内部に設置する例を説明したが、フィルタ２４の設置構造は樹脂継手４２のほか、配管、ホース、パイプ等の部材にも適用される。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池スタック
２０ 酸化ガス供給系
２４，３２ フィルタ
２５ 酸化ガス供給経路
３０ 燃料ガス供給系
３５ 燃料ガス供給経路
４１ 配管
４２ 樹脂継手
４３ クリップ
２４１ 枠体
２４１ａ 大径環状部
２４１ｂ 小径円板部
２４１ｃ フレーム部
２４２ 網状部材
２４３ 係止爪部
２４４，２４５ 可撓爪
４２１ 継手本体
４２２ フランジ部
４２５ 被係止部

Claims (2)

1. 発電部と該発電部を挟持する一対のセパレータとを有する燃料電池セルが複数積層される燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックにガスを供給するガス供給経路と、
   前記ガス供給経路内に配置される網状のフィルタと、
   を備え、
   前記フィルタは、その網目の最大幅が前記燃料電池セルの前記セパレータ同士の最小間隔以下、且つ、その圧損が前記ガス供給経路の全体圧損の２％以下となるようにされていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記フィルタは、ガスの流れ方向に沿って縮幅されている請求項１に記載の燃料電池システム。

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