JP5354026B2

JP5354026B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5354026B2
Application number: JP2011550335A
Authority: JP
Inventors: 裕堀田; 道太郎糸賀; 誠武山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-07-12
Filing date: 2011-07-12
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2031-07-12
Also published as: DE112011105442B4; DE112011105442T5; JPWO2013008315A1; WO2013008315A1; CA2836554A1; CN103563151B; CN103563151A; US9172100B2; US20130017470A1; CA2836554C

Description

本発明は燃料電池システムに関し、特に冷却水流路の構造に関する。

燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池において、燃料電池スタックのセル積層方向の端部にはエンドプレートが設けられ、このエンドプレートからの放熱により端部に温度が生じる。そして、この温度差によりセル内で結露が発生し、端部セル流路内に水が溜り発電性能が低下する問題がある。

下記の特許文献１には、複数のセルを挟んで締結する一対のプレッシャプレートの少なくとも一方に、冷却剤を通流してプレッシャプレートを保温する冷却剤流路を形成することが開示されている。

特開２００１−６８１４１号公報

プレッシャプレートあるいはエンドプレート内に冷却剤流路を形成してプレッシャプレートあるいはエンドプレートを保温することは端部セル内の結露を防止する点で有効であるが、プレッシャプレートあるいはエンドプレート内を通流した冷却剤はラジエータ等の放熱器に供給される必要があるから、ラジエータまでの経路も考慮してプレッシャプレートあるいはエンドプレート内に冷却剤流路を形成する必要がある。上記従来技術ではこのような観点からの検討がされておらず、ラジエータの搭載位置によっては冷却剤流路が冗長となり、システム全体の配管長が増大してしまう。

また、プレッシャプレートあるいはエンドプレート内に冷却剤流路を形成する場合、冷却剤の導電率によってはプレッシャプレートあるいはエンドプレートが高電圧のスタックと同電位となるため、プレッシャプレートあるいはエンドプレートをスタックケースで覆い、かつ、ハイブリッド自動車や電気自動車等の電動車両に搭載する際には、車両のフレームとスタックケースとの間で絶縁を確保する必要があり、システムのサイズが増大化する。

本発明の目的は、セル内の結露を防止するとともに、システムをコンパクト化できる燃料電池システムを提供することにある。

本発明の燃料電池システムは、複数のセルを積層してなる燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの積層方向端部に設けられるターミナルと、前記ターミナルに隣接するスタックマニホールドと、前記スタックマニホールドに隣接するエンドプレートとを備え、前記スタックマニホールドの前記ターミナルに対向する面には、溝が形成され、前記溝と前記ターミナルと前記エンドプレートとで前記燃料電池スタック内を通流して前記燃料電池スタックの外部を循環する冷却水の流路が形成され、前記流路は、前記燃料電池スタックが車両に搭載される場合に車両後方側から車両前方側に向けて前記冷却水が流れるように形成されることを特徴とする。

本発明の１つの実施形態では、冷却水流路の下流側端部は、前記スタックマニホールド及び前記エンドプレートを貫通して前記エンドプレートに形成された冷却水出口に接続され、前記冷却水は前記エンドプレートに接触することなくエンドプレート外に排水される。

また、本発明の他の実施形態では、前記スタックマニホールドの前記ターミナルに対向する面には、前記溝に沿ってリブが形成される。

また、本発明の他の実施形態では、前記スタックマニホールドには、カソードガス入口及びカソードガス出口が形成され、前記カソードガス入口及び前記カソードガス出口の少なくともいずれかにカソードガスの流量を調整するリブが形成される。

また、本発明の他の実施形態では、前記スタックマニホールドの端部であって、冷却水流路の上流端部と同じかあるいはそれよりも高い位置に、前記冷却水に含まれるエアを排気するための穴が形成される。

また、本発明の他の実施形態では、前記エンドプレートには、前記冷却水を外部に排水するための冷却水出口と、カソードガス入口と、カソードガス出口が形成され、前記冷却水出口、カソード入口、カソード出口は、前記燃料電池スタックが車両に搭載される場合に車両前方側に偏在して形成される。

また、本発明の他の実施形態では、前記システムは、車両に搭載される場合に前記エンドプレートを車両のフレームに電気的に接続することで搭載される。なお、エンドプレートを車両のフレームに電気に接続するとは、エンドプレートを車両のフレームに直接固定する場合の他、エンドプレートを非絶縁部材（例えばスタックフレーム等）を介して車両のフレームに固定する場合も含まれる。

本発明によれば、燃料電池スタックを冷却済の冷却水をスタックマニホールド内に通流させるので、端部セルの温度低下を抑制して端部セルの結露による発電性能低下を抑制できる。また、スタックマニホールド内の冷却水流路は、車両後方から車両前方に向けて形成されているので、車両前方に搭載されるラジエータまでの配管長が短縮化され、システムがコンパクト化される。また、本発明によれば、冷却水とエンドプレートが直接接触していないため、エンドプレートの絶縁性が確保される。このため、エンドプレートを用いて燃料電池システムを車両のフレームに電気的に接続することができ、システムがコンパクト化される。

実施形態における燃料電池システムの外観斜視図である。実施形態における燃料電池システムの平面図である。図２のＡ−Ａ断面図である。図２のＢ−Ｂ断面図である。実施形態におけるスタックマニホールドの外観斜視図である。実施形態におけるスタックマニホールドの外観斜視図である。実施形態の端部セル温度の時間変化を示すグラフ図である。実施形態における燃料電池システムの配管系説明図である。実施形態における燃料電池システムの車両搭載説明図である。従来システムの車両搭載説明図である。他の実施形態における燃料電池システムの外観斜視図である。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。

図１に、本実施形態における燃料電池システムの外観斜視図を示す。燃料電池システムは、単セルを複数個積層して構成される燃料電池スタック１０と、各セルで発電した電力を集電する集電板あるいはターミナル１２と、スタックマニホールド１４と、エンドプレート１６とを備える。燃料電池スタック１０及び一方のエンドプレートとスタックケースとは一体化され、燃料電池スタックの他方側のスタックケースは開放端となっており、この開放端側にスタックマニホールド１４及びエンドプレート１６が配設される。

燃料電池スタック１０の外観は略直方体形状をなし、長手方向がハイブリッド自動車や電気自動車等の電動車両の左右方向あるいは車幅方向に沿うように搭載される。従って、燃料電池スタック１０の短手方向が電動車両の前後方向に沿うように搭載される。図において、燃料電池スタック１０との関係において、車両の前方方向より車両上方方向を矢印で示す。

スタックマニホールド１４は、ターミナル１２とエンドプレート１６との間に配設され、車両上下方向に沿って３個の冷却水入口２２を備える。図示しないラジエータは車両前方に設けられ、ラジエータからの冷却水はスタックマニホールド１４に形成されたこれらの冷却水入口２２から燃料電池スタックのセルに供給される。

エンドプレート１６には、カソードガス入口１８、カソードガス出口２０、冷却水出口２４、アノードガス入口２６、アノードガス出口２８が設けられる。カソードガス１８は、車両前方方向及びこれと反対側の車両後方方向に合計２個設けられているが、車両前方方向に１個のみ設けてもよい。カソードガス入口１８、カソード側出口２０、冷却水出口２４、アノードガス入口２６は全てエンドプレート１６の車両前方側に偏在して設けられる。一方、エンドプレート１６の車両後方側には、アノードガス出口２８が設けられる。このように、エンドプレート１６の車両前方側にガスあるいは冷却水の入口／出口を偏在させているのは、水素ポンプや気液分離器、インジェクタ等の補機類をエンドプレート１６に取り付ける際の取付スペースを確保するためである。水素ポンプ等の補機類は、エンドプレート１６の車両後方側に取り付けることで、システム全体のコンパクト化が可能となる。

一方、冷却水は、スタックマニホールド１４の冷却水入口２２から供給され、燃料電池スタック１０のセルを通流してスタックマニホールド１４に達し、スタックマニホールド１４内の冷却水流路を流れて冷却水出口２４から排出される。

図２に、燃料電池スタック１０をエンドプレート１６側から見た平面図を示す。冷却水の流れに着目すると、冷却水はスタックマニホールド１４の冷却水入口２２から入って図中紙面表面側から紙面裏面側に向けて燃料電池スタック１０内に供給され、各セルを通過して各セルを冷却した後、図中紙面裏面側から紙面表面側に向けてセル貫通マニホールド内を流れ、出口２３からスタックマニホールド１４に流入する。すなわち、セル貫通マニホールドは、出口２３に接続されており、セル冷却済の冷却水は、セル貫通マニホールドを通流して出口２３から排出される。スタックマニホールド１４の裏面側、すなわちターミナル１２側には溝及びリブ２５が形成され、スタックマニホールド１４内の溝とターミナル１２とでスタックマニホールド内冷却水流路を構成する。出口２３からスタックマニホールド１４に流入した冷却水、すなわちセルを冷却済で熱を有する冷却水は、スタックマニホールド内冷却水流路を図中矢印方向、すなわち車両後方から車両前方に向けて流れ、冷却水出口２４からスタックマニホールド１４及びエンドプレート１６外に排出される。

このように、本実施形態では、セル貫通マニホールドに接続される出口２３から冷却水を外部に排出するのではなく、出口２３と異なる位置に冷却水出口２４を設け、出口２３と冷却水出口２４間をスタックマニホールド内冷却水流路で接続する。スタックマニホールド内冷却水流路は、スタックマニホールド１４内を車両後方から車両前方に向けて形成され、車両前方側に偏在して設けられた冷却水出口２４から排出されるので、セル冷却済の冷却水でスタックマニホールド１４及びエンドプレート１６を保温することができ、端部セルの結露を有効に防止できる。さらに、スタックマニホールド１４及びエンドプレート１６から排出された冷却水を車両前方のラジエータに供給するための配管も短くて済む。

図３に、図２のＡ−Ａ断面図を示す、また、図４に、図２のＢ−Ｂ断面図を示す。燃料電池スタック１０の一方側はエンドプレートあるいはプレッシャプレートとスタックケースとが一体的に形成され、他方側にスタックマニホールド１４及びエンドプレート１６が配設される。ターミナル１２とエンドプレート１６との間のスタックマニホールド１４には上下方向に複数の溝が形成され、この溝をターミナル１２の表面で覆うことでスタックマニホールド内冷却水流路３０が構成される。スタックマニホールド１４内の溝は、スタックマニホールド１４のターミナル１２側の面に形成され、エンドプレート１６側の面には形成されない。従って、スタックマニホールド内冷却水流路３０は、ターミナル１２に接触するもののエンドプレート１６には接触しておらず、冷却水の導電性によらずエンドプレート１６は絶縁性が維持される。

また、図４に示されるように、カソードガス入口１８、カソードガス出口２０及び冷却水出口２４にはそれぞれ樹脂配管３２が接続される。スタックマニホールド内冷却水流路３０の下流側端部、すなわち車両前方側の端部は、スタックマニホールド１４及びエンドプレート１６を貫通して冷却水出口２４に接続され、樹脂配管３２を経てラジエータに排水される。従って、スタックマニホールド１４内を流れる冷却水は、エンドプレート１６に接触することなく樹脂配管３２からラジエータに供給される。なお、図４から分かるように、冷却水出口２４だけでなく、カソードガス入口１８及びカソードガス出口２０もエンドプレート１６と直接接触しない構成となっている。

図５及び図６に、スタックマニホールド１４の外観斜視図を示す。図５は、スタックマニホールド１４を表面側、すなわちエンドプレート１６側から見た斜視図である。図６は、スタックマニホールド１４を裏面側、すなわちターミナル１２側から見た斜視図である。

スタックマニホールド１４には、カソードガス入口１８、カソードガス出口２０、冷却水入口２２、冷却水出口２４、アノードガス入口２６及びアノードガス出口２８が設けられる。スタックマニホールド１４の出口２３の近傍、すなわちスタックマニホールド内冷却水流路の上流側端部の近傍には、冷却水エア抜き用の穴３４が形成され、冷却水に含まれるエアはこの穴３４から外部に排出される。なお、穴３４は、より詳細には、出口２３の上面位置、つまりセル貫通マニホールドの上面位置と同じ高さか、あるいはこれよりも高い位置に形成される。

また、図６に示すように、スタックマニホールド１４のターミナル１２に対向する面には車両後方から車両前方に向けて溝及びリブ２５が形成され、この溝とリブ２５並びにターミナル１２とでスタックマニホールド内冷却水流路３０が構成される。溝は複数個、例えば図に示すように上下に５個形成され、それぞれの溝はリブ２５で区分けされて車両後方から車両前方に向けて延在する。複数の溝の端部は全て冷却水出口２４に接続される。リブ２５は、溝を規定するとともに、エンドプレート１６を燃料電池スタック１０にボルト固定して燃料電池スタック１０を締結する際の締結荷重を受ける機能を有する。

カソードガス入口１８には、入口を車両前後方向に分割するように上下方向にリブ１８ａが形成される。また、カソードガス出口２０には、出口を上下方向に分割するとともに車両前後方向に分割する２つのリブ２０ａ、２０ｂが形成される。カソードガス入口１８から供給されたカソードガスはセル貫通マニホールドを介して各セルに供給され、各セルからのオフガスはセル貫通マニホールドを介してカソードガス出口２０から排出されるが、入口及び出口にそれぞれリブ１８ａ、２０ａ、２０ｂを設けることで、カソードガスの流れを調整し、セル貫通マニホールド内のカソードガスの流れを均一化あるいは所望の流量配分に制御できる。

図７に、本実施形態における端部セル温度の時間変化を示す。また、比較のため、スタックマニホールド１４内に冷却水流路を形成しない場合の端部セル温度の時間変化も併せて示す。図において、グラフａは実施形態であり、グラフｂは比較例である。比較例では、端部セルの温度は一旦上昇した後、エンドプレート１６からの放熱により徐々に低下していく。これに対し、本実施形態ではセル冷却済の冷却水をスタックマニホールド１４内に通流させてエンドプレート１６を保温しているので、端部セルの温度は相対的に高い温度を維持する。本実施形態では、エンドプレート１６を保温することで端部セルの温度低下を抑制し、端部セルの温度低下による結露が防止される。従って、端部セルの発電性能が維持される。

図８に、本実施形態における配管系の構成を示す。冷却水出口２４から排出された冷却水は、排水配管１００を通って車両前方のラジエータ６０に供給される。また、スタックマニホールド１４の車両後方側の上部に設けられたエア抜き用穴３４から排出されたエアは、エア配管２００を通って排気される。配管２００は、合流点Ｐで配管１００と合流する。本実施形態において、合流点Ｐは、セル出口貫通マニホールドの上面の高さ位置３００よりも高い位置に設定される。冷却水のセル出口貫通マニホールドの上面、すなわち図２における出口２３の上面は、燃料電池スタックのセル面の上面と等しく設定されており、このため、エア抜け性を考慮すると、燃料電池スタックから排水される冷却水の位置は、セル出口貫通マニホールドの上面より高い位置に設定する必要があるが、エア抜き用の穴３４をセル出口貫通マニホールドの上面の高さ位置と等しいかあるいはそれよりも高い位置に形成し、かつ、エア抜き用の配管２００をセル出口貫通マニホールドの高さ位置３００よりも高い位置で排水配管１００に合流させることで、冷却水出口２４を出口貫通マニホールドの高さ位置３００よりも低い位置に形成することができる。

また、本実施形態では、冷却水をスタックマニホールド１４内に通流してエンドプレート１６を保温するものの、冷却水はエンドプレート１６に直接接触しないため、エンドプレート１６を絶縁状態に維持できる。このため、燃料電池システムを車両に搭載する場合の構成も簡易化される。

図９に、本実施形態の燃料電池システムを電動車両に搭載する場合の構成を示す。燃料電池システムは、例えば車両のフロアパネル下に搭載される。エンドプレート１６は絶縁状態にあるため、エンドプレート１６を車両のスタックフレーム５８に直接固定することができる。スタックフレーム５８は車両のフレームに固定される。言い換えれば、エンドプレート１６は、絶縁状態にあるため、車両のフレームにそのまま（別途絶縁材を介することなく）電気的に接続される。エンドドレープ１６を車両の図において、エンドプレート１６に補機５０が取り付けられている状態を示す。補機５０はスタックケースとは別個の補機カバー５２で覆われ、補機カバー５２はエンドプレート１６に取り付けられる。

一方、図１０には、エンドプレート１６の絶縁が確保されておらず、エンドプレート１６が燃料電池スタック１０と同電位の場合の構成を示す、エンドプレート１６が燃料電池スタック１０と同電位であるため、燃料電池スタック１０、エンドプレート１６、補機５０を全てスタックケース１１内に収納する必要がある。そして、冷却水出口等は金属配管５２を介して樹脂配管５４に接続し、スタックケース１１を車両のスタックフレーム５８に固定する。また、スタックケース１１とエンドプレート１６との間の絶縁を確保するために、エンドプレート１６を絶縁マウント５６で支持する。

このように、エンドプレート１６が絶縁されていないと、エンドプレート１６を車両のスタックフレーム５８に接続することができず、スタックケース１１とエンドプレート１６との絶縁を確保した上で、スタックケース１１を介して車両のスタックフレーム５８に固定する必要があるため、部品点数が増大するとともにサイズが増大してしまう。本実施形態によれば、シンプルな構成で絶縁性を確保しつつ車両に搭載でき、かつ、サイズも縮小化できることが理解されよう。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変形が可能である。

例えば、本実施形態では、スタックマニホールド１４の裏面側に溝及びリブ２５を形成し、リブ２５により締結荷重を受ける構成としているが、リブ２５として、円状あるいは楕円状の突起を溝に沿って形成して締結荷重を受ける構成としてもよい。

また、本実施形態において、図４に示すように、冷却水出口２４、カソードガス入口１８、カソードガス出口２０はエンドプレート１６に直接接触しておらずエンドプレート１６の絶縁性を確保しているが、アノードガス入口２６及びアノードガス出口２８についても同様にエンドプレート１６と直接接触しない構成とし、接続配管を樹脂配管とするのが好適である。

また、上記したように、本実施形態では、カソードガス入口１８を図１に示すようにエンドプレート１６の下方側に車両前後方向に沿って２個形成しているが、車両前方方向のみに１個だけ形成してもよい。図１１にこの場合の外観斜視図を示す。水素ポンプや気液分離器等の補機類をエンドプレート１６に取り付けるためのスペースが車両後方側に確保されることが理解されよう。

さらに、本実施形態では、図６に示すようにカソードガス入口１８及びカソードガス出口２０にはそれぞれカソードガスの流量を調整するためのリブ１８ａ、２０ａ、２０ｂが形成されているが、カソードガス入口１８のみ、あるいはカソードガス出口２０のみに流量調整用のリブを形成してもよい。

１０燃料電池スタック、１２ターミナル、１４スタックマニホールド、１６エンドプレート、１８カソードガス入口、２０カソードガス出口、２２冷却水入口、２４冷却水出口、２６アノードガス入口、２８アノードガス出口、３０スタックマニホールド内冷却水流路。

Claims

複数のセルを積層してなる燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの積層方向端部に設けられる板状のターミナルと、
前記ターミナルに隣接するスタックマニホールドと、
前記スタックマニホールドに隣接するエンドプレートと、
を備え、
前記スタックマニホールドは、前記ターミナルと前記エンドプレートの間に配設され、
前記スタックマニホールドの前記ターミナルに対向する面には、溝が形成され、
前記溝と前記ターミナルと前記エンドプレートとで前記燃料電池スタック内を通流して前記燃料電池スタックの外部を循環する冷却水の流路が形成され、
前記流路は、前記燃料電池スタックが車両に搭載された状態で車両後方側からラジエータが設けられる車両前方側に向けて前記冷却水が流れるように形成される
ことを特徴とする燃料電池システム。
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
冷却水流路の下流側端部は、前記スタックマニホールド及び前記エンドプレートを貫通して前記エンドプレートに形成された冷却水出口に接続され、
前記冷却水は前記エンドプレートに接触することなくエンドプレート外に排水されることを特徴とする燃料電池システム。
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記スタックマニホールドの前記ターミナルに対向する面には、前記溝に沿ってリブが形成される
ことを特徴とする燃料電池システム。
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記スタックマニホールドには、カソードガス入口及びカソードガス出口が形成され、
前記カソードガス入口及び前記カソードガス出口の少なくともいずれかにカソードガスの流量を調整するリブが形成される
ことを特徴とする燃料電池システム。
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記スタックマニホールドの端部であって、冷却水流路の上流端部と同じかあるいはそれよりも高い位置に、前記冷却水に含まれるエアを排気するための穴が形成される
ことを特徴とする燃料電池システム。
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記エンドプレートには、前記冷却水を外部に排水するための冷却水出口と、カソードガス入口と、カソードガス出口が形成され、
前記冷却水出口、カソード入口、カソード出口は、前記燃料電池スタックが車両に搭載された状態で車両前方側に偏在して形成される
ことを特徴とする燃料電池システム。
請求項２記載の燃料電池システムにおいて、
前記システムは、車両に搭載された状態で前記エンドプレートが車両のフレームに電気的に接続される
ことを特徴とする燃料電池システム。