JP5363754B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、例えば燃料電池スタックを樹脂製の中間ジョイントを介して補機と接続する燃料電池システムに関する。

燃料電池システムでは、燃料電池スタックと加湿ユニット（補機）とを、燃料ガスや酸化剤ガスなどが流通する複数の配管を介して接続することが行われている（特許文献１参照）。ところで、燃料電池システムでは、発電により水が生成されて燃料電池スタックと補機との間を流通するが、このとき生成水を介して燃料電池スタックと補機とが接続された場合、燃料電池スタックが補機を介して液絡（いわゆる短絡に相当する現象）するという問題があった。そこで、このような液絡を防止するために、燃料電池スタックと補機とを樹脂製の中間ジョイントで接続する技術が提案されている（特許文献２参照）。
特開２００１−２１６９８３号公報（段落００１８〜００２３、図２） 特開２００７−６４３６７号公報（段落００１９、図１）

しかしながら、中間ジョイントが液絡防止用として樹脂を用いているため、仮に衝突時に燃料電池スタックと補機とが過大に相対変位した場合、中間ジョイントが応力過大で破損して燃料漏れが発生するという問題がある。また、中間ジョイントの許容変位を拡大するには、中間ジョイントの長さをより長くする必要があるため、燃料電池システムが大型化する問題がある。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、簡便な構造にて燃料漏れに対する信頼性を確保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。

請求項１に係る発明は、電気的絶縁の必要なシステムを接続する流路と、前記流路同士を連結する樹脂製の中間ジョイントと、を有する燃料電池システムにおいて、前記中間ジョイントは、前記各流路にそれぞれオーリングを介して連結され、前記中間ジョイントとは別に、それぞれのシステムに形成された嵌合穴に嵌合して前記中間ジョイントを補強するノックピン部材が設けられ、前記ノックピン部材が、流路方向に対して、前記流路の対向位置における製造誤差を吸収するのに必要な最小角度と前記中間ジョイントの破損が抑制できる最大角度との間で傾斜するように、それぞれの前記嵌合穴と前記ノックピン部材との間のクリアランスが設定されていることを特徴とする。

これによれば、システム間に変位抑制部材を嵌合するようにして設けることにより、システム間において相対的変位が生じたとしても、中間ジョイントが過大に変位するのを防止できる。つまり、中間ジョイントが破損する手前で変位抑制部材によってシステム間の相対的な変位が規制されるので、中間ジョイントの破損を防止できる。よって、中間ジョイントの破損による燃料漏れを防止できる。なお、電気的絶縁の必要なシステムとは、例えば燃料電池自動車であれば、車体に対して電気的絶縁（耐電圧）が必要なシステムを意味している。

請求項２に係る発明は、前記ノックピン部材は、前記中間ジョイントの中心から当該中間ジョイントの直径の３倍以内に配置されていることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、電気的絶縁の必要なシステムを接続する流路と、前記流路同士を連結する樹脂製の中間ジョイントと、を有する燃料電池システムにおいて、前記中間ジョイントは、前記各流路にそれぞれオーリングを介して連結され、前記中間ジョイントを覆い、それぞれのシステムに形成された嵌合穴に嵌合する管状部材を備え、前記管状部材が、流路方向に対して、前記流路の対向位置における製造誤差を吸収するのに必要な最小角度と前記中間ジョイントの破損が抑制できる最大角度との間で傾斜するように、それぞれの前記嵌合穴と前記管状部材との間のクリアランスが設定されていることを特徴とする。

これによれば、システム間に変位抑制部材として中間ジョイントの周囲に二重管構造となるような管状の部材を設けることにより、中間ジョイントが過大に変位するのを防止でき、中間ジョイントの破損を防止できる。よって、中間ジョイントの破損による燃料漏れを防止できる。

本発明によれば、簡便な構造にて燃料漏れに対する信頼性を確保することができる燃料電池システムを提供できる。

図１は本実施形態における燃料電池スタックと補機との接続構造を示す分解斜視図、図２は燃料電池スタックと補機を車両に搭載した状態を示す透視側面図、図３は燃料電池スタックと補機との関係を示すブロック図、図４は燃料電池スタックと補機との連結後の構造を拡大して示す縦断面図、図５は変位抑制部材の許容がたを求めるための図である。なお、本実施形態では、車両（燃料電池自動車）に搭載した場合を例に挙げて説明するが、これに限定されるものではなく、船舶や航空機用の駆動電源、定置式の家庭用や業務用の電源などあらゆるものに適用できる。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、補機４０とを有し、燃料電池スタック１０と補機４０とが、中間ジョイント５０Ａとノックピン部材６０を介して接続されて構成されている。

前記燃料電池スタック１０は、車両を駆動させる電力を発生させるものであり、固体高分子からなる電解質膜を、触媒を含むアノードとカソードとで挟み、さらにその外側を一対の導電性のセパレータで挟んで構成した単セル１０Ａを複数厚み方向に積層した構造を有している、また、燃料電池スタック１０は、単セル１０Ａが電気的に直列に接続されて高電圧を発生するように構成されている。

また、燃料電池スタック１０は、単セル１０Ａの積層方向の両端部（図１では片側のみ図示）に金属製のエンドプレート１６を有している。このエンドプレート１６は、燃料ガス（アノードガス）として水素が導入される配管１６ａ、酸化剤ガス（カソードガス）としての空気が導入される配管１６ｂ、アノードオフガスが導出される配管１６ｃ、カソードオフガスが導出される配管１６ｄがエンドプレート１６を貫通して形成されている。また、エンドプレート１６には、配管１６ａ〜１６ｄが開口する同一面上に、後記するノックピン部材６０が嵌合する複数の嵌合穴１６ｓが所定の深さで形成されている。なお、本実施形態では、嵌合穴１６ｓが車幅方向の両端部に上下に間隔を開けて２個ずつ形成されているが、嵌合穴１６ｓの位置や個数は本実施形態に限定されるものではない。

なお、図示していないが、末端の単セル１０Ａのセパレータとエンドプレート１６とは、絶縁層を介して積層されて、エンドプレート１６とセパレータとが電気的に導通しないように構成されている。さらに、エンドプレート１６の配管１６ａ〜１６ｄの内壁全体が樹脂でモールドされて、生成水を介してセパレータとエンドプレート１６とが電気的に導通しないように構成されている。また、露出する金属部品であるエンドプレート１６および補機４０のボディ４１は、ボディアースされている。

前記補機４０は、金属製のボディ４１を有し、ボディ４１のエンドプレート１６と対向する面に、水素が導出される配管４１ａ、空気が導出される配管４１ｂ、アノードオフガスが導入される配管４１ｃ、およびカソードオフガスが導入される配管４１ｄが形成されている。また、補機４０のボディ４１には、前記嵌合穴１６ｓと対向する位置に嵌合穴４１ｓが形成されている。

図２に示すように、本実施形態の燃料電池スタック１０および補機４０は、車両Ｖの前後方向に並べて配置され、燃料電池スタック１０が前方にその後方に補機４０が位置するように接続され、車両Ｖのフロアパネル２に形成されたセンターコンソール２ａ内に配置されている。

図３に示すように、燃料電池スタック１０の補機４０は、例えば、アノード系として、エゼクタ２１、気液分離器２２、パージ弁２３、ドレイン弁２４、カソード系として、加湿器２５、背圧弁２６、希釈器２７が含まれ、アノード配管ａ１〜ａ７、カソード配管ｃ１〜ｃ４を介して接続されて構成されている。

エゼクタ２１は、アノード配管ａ２，ａ３を介して燃料電池スタック１０から排出された未反応の水素を戻し、再びアノード配管ａ１を介して燃料電池スタック１０のアノードの入口に供給して再循環させる真空ポンプの一種である。

気液分離器２２は、燃料電池スタック１０から排出された水と、水素とを分離する機能を有し、排出された水を貯留するタンクを有している。なお、燃料電池スタック１０から排出される水とは、例えば燃料電池スタック１０のカソードから電解質膜を介してアノードに透過してきた水である。

パージ弁２３は、アノード配管ａ４を介してアノード配管ａ３と接続され、開弁することにより、アノードの循環経路（アノード配管ａ１〜ａ３、流路１０ａ）に蓄積した不純物を排出する機能を有する。なお、開弁するタイミングは、例えば、定期的であってもよく、あるいは燃料電池スタック１０のセル電圧が所定値を下回ったときであってもよい。セル電圧とは、単セル１０Ａごとの電圧（起電力）を意味している。

ドレイン弁２４は、気液分離器２２とアノード配管ａ６を介して接続され、開弁することにより、気液分離器２２に貯留された水を排出する機能を有する。なお、開弁するタイミングは、例えば、図示しない水位センサの検出値が所定値を超えたときである。

加湿器２５は、図示しないエアコンプレッサから取り込まれた圧縮空気を加湿する機能を有し、複数の中空糸膜が束ねられて金属製のケースに収容されて構成されている。加湿された圧縮空気は、カソード配管ｃ１を介して燃料電池スタック１０のカソードに供給される。なお、加湿器２５は、燃料電池スタック１０のカソードの出口とカソード配管ｃ２を介して接続されており、燃料電池スタック１０から排出されたカソードオフガスを利用して、圧縮空気を加湿するようになっている。

背圧弁２６は、カソード配管ｃ３を介して加湿器２５と接続され、カソード圧を調節する機能を有する。

希釈器２７は、アノード配管ａ５を介してパージ弁２３と接続され、アノード配管ａ７を介してドレイン弁２４と接続され、カソード配管ｃ４を介して背圧弁２６と接続され、パージ処理時にパージ弁２３から排出された水素を、カソードオフガスで希釈して水素を所定水素濃度以下にして排出する機能を有する。

よって、図１に示すように、アノード配管ａ１の先端（下流端）が配管４１ａとなり、カソード配管ｃ１の先端（下流端）が配管４１ｂとなり、アノード配管ａ２の基端(上流端)が配管４１ｃとなり、カソード配管ｃ２の基端（上流端）が配管４１ｄとなっている。

図１に示すように、中間ジョイント５０Ａは、樹脂製の円筒体５１の両端の外周面に、周方向に沿って溝５１ａが形成され、各溝５１ａにゴムなどの弾性材料で形成されたオーリング５２，５２が嵌められて構成されている。

また、中間ジョイント５０Ａは、一端が燃料電池スタック１０のエンドプレート１６の配管１６ａ〜１６ｄに嵌合して、他端が補機４０の配管４１ａ〜４１ｄに嵌合している。これによって、例えば、補機４０の配管４１ａから供給される水素は、外部に漏れることなく燃料電池スタック１０の配管１６ａに供給され、燃料電池スタック１０の配管１６ｃから排出されるアノードオフガスに含まれる水素は、外部に漏れることなく補機４０の配管４１ｃに排出される。また、中間ジョイント５０Ａは、非導電性の樹脂で形成されているので、生成水を介して、単セル１０Ａと補機４０のボディ４１とが液絡（短絡）するのを防止できる。

また、両端にオーリング５２，５２を備えた中間ジョイント５０Ａを用いることにより、燃料電池スタック１０と補機４０とに形成された複数の配管同士を容易に連結することができる。つまり、両端がオーリング５２を介して嵌合しているので、配管１６ａ〜１６ｄと配管４１ａ〜４１ｄとが対向する穴の位置が製造誤差や組立誤差によって若干ずれていたとしても、中間ジョイント５０Ａが若干傾くことによって、前記誤差を吸収することが可能になる。

図１に示すように、ノックピン部材６０は、例えば金属などの剛体により円柱状に形成され、その一端が燃料電池スタック１０のエンドプレート１６に形成された嵌合穴１６ｓに嵌合し、他端が補機４０に形成された嵌合穴４１ｓに嵌合している。

図４に示すように、ノックピン部材６０は、エンドプレート１６の嵌合穴１６ｓと、補機４０の嵌合穴４１ｓとにそれぞれ嵌合したときに、クリアランスＣＬが形成されるように、嵌合穴１６ｓ，４１ｓの内径とノックピン部材６０の直径とが設定されている。このクリアランスＣＬは、中間ジョイント５０Ａを介して燃料電池スタック１０と補機４０とを接続するときの配管１６ａ〜１６ｄと配管４１ａ〜４１ｄとの誤差（公差）を吸収することができ、かつ、中間ジョイント５０Ａを破損させることがないように設定される隙間である。すなわち、クリアランスＣＬを大きく設定することにより、中間ジョイント５０Ａの傾斜角度を大きく設定でき、クリアランスＣＬを小さく設定することにより、中間ジョイント５０Ａの傾斜角度を小さく設定できる。なお、クリアランスＣＬの設定値については図５を参照して後記する。

図５に示すように、補機４０の嵌合穴４１ｓを基準として考えると、実線Ａで示す場合の傾斜角度θ１は、配管１６ａ〜１６ｄ（図１参照）と配管４１ａ〜４１ｄ（図１参照）との製造誤差（公差）を吸収するために必要な最小の角度である。破線Ｂで示す場合の傾斜角度θmaxは、中間ジョイント５０Ａが最大で傾斜できる角度であり、この傾斜角度θmaxを超えて変位すると、中間ジョイント５０Ａが破損する角度である。そして、求められた傾斜角度θ１とθmaxとのほぼ中間の傾斜角度θ２が上限の傾斜角度となるようにクリアランスＣＬが設定される。例えば、θ１が０．２°で、θmaxが１°であれば、θ２は、θ１とθmaxのほぼ中間の値である０．５°に設定される。なお、θ２は、θ１とθmaxとの中間の角度に限定されるものではなく、θ２をθmaxにほぼ等しい角度としてもよい。

このようにして、ノックピン部材６０が流路方向に対してθmax（所定角度）以上傾斜するのを抑制することにより、中間ジョイント５０Ａの許容角度（θmax）を超えて傾くことがないので、中間ジョイント５０Ａが破損するのを防止できる。しかも、本実施形態では、θmaxよりも小さい傾斜角度θ２となるようにクリアランスＣＬが設定されるので、中間ジョイント５０Ａのシール性を確実に確保できる。

したがって、前記のようにしてノックピン部材６０と嵌合穴１６ｓ，４１ｓとのクリアランスＣＬを設定することにより、例えば、車両Ｖ（図２参照）に対する側面衝突により、補機４０に側面から衝撃荷重Ｇ（図４参照）が作用して、燃料電池スタック１０と補機４０とが相対的に車幅方向に変位したとしても、ノックピン部材６０が傾斜角度θ２を超えて傾斜することがないので、中間ジョイント５０Ａが破損することがなく、しかも中間ジョイント５０Ａのシール性が損なわれることもない。よって、水素漏れが発生することがないので、燃料漏れに対する信頼性が損なわれることがない。なお、傾斜角度θ２は、燃料電池スタック１０と補機４０とを接続する際に必要な配管１６ａ〜１６ｄと配管４１ａ〜４１ｄとの誤差（公差）を吸収できる傾斜角度θ１より大きいので、燃料電池スタック１０と補機４０とを組み付ける際の組み付け性が損なわれることがない。

また、本実施形態によれば、中間ジョイント５０Ａの長さを長くする必要もなく、オーリング５２の線径を大きくする必要もないので、燃料電池システム１が大型化するのを防止できる。

なお、ノックピン部材６０の位置は、中間ジョイント５０Ａの中心から、中間ジョイント５０Ａの直径Ｒの３倍以内に配置することが好ましく、これにより、側突などによる衝撃荷重Ｇを吸収することが可能になる。

図６（ａ），（ｂ）は変位抑制部材の別の実施形態を示す断面図である。なお、図６では、配管１６ａと配管４１ａとを連結する中間ジョイント５０Ａのみを図示して説明するが、他の配管１６ｂ〜１６ｄ、４１ｂ〜４１ｄについても同様に構成されているものとしてその説明を省略する。図６（ａ）に示すように、この別の実施形態は、中間ジョイント５０Ａの周囲を離れて覆い、配管１６ａと配管４１ａとにそれぞれ嵌合する円筒形状の管状部材７０を設けて２重管構造とした構成である。なお、この別の実施形態についても、管状部材７０と、配管１６ａおよび配管４１ａとのクリアランスは、図５における説明と同様に、中間ジョイント５０Ａと配管１６ａ，４１ａと連結するときに必要な誤差を吸収できる傾斜角度θ１よりも大きく、かつ、中間ジョイント５０Ａが最大で許容できる傾斜角度θmax未満となる傾斜角度θ２に設定される。

また、図６（ｂ）に示すように、中間ジョイント５０Ａの外周面に当接して覆い、配管１６ａと配管４１ａとにそれぞれ嵌合する円筒形状の管状部材８０を設けるようにしてもよい。なお、この場合も、管状部材８０と配管１６ａ，４１ａとのクリアランスは、図５と同様にして設定される。

図７は燃料電池スタックと補機との別の連結構造を拡大して示す断面図である。図７に示す実施形態は、図１に示す実施形態において、エンドプレート１６に配管１６ｅ、補機４０に配管４１ｅが追加された構成であり、これら配管１６ｅと配管４１ｅとを中間ジョイント５０Ｂとで連結したものである。中間ジョイント５０Ｂは、樹脂製の円筒体の両端にオーリング５４が設けられたものであり、配管１６ｅ，４１ｅにオーリング５４を介して連結されている。ちなみに、この配管１６ｅ，４１ｅは、燃料電池スタック１０のアノード側を流通する水を排出するための流路であり、配管１６ｃと配管４１ｃとを連結する中間ジョイント５０Ａの近傍に設けられている。また、ノックピン部材６１は、配管１６ｃと配管１６ｅとの間に形成された嵌合穴１６ｔと、配管４１ｃと配管４１ｅとの間に形成された嵌合穴４１ｔとにそれぞれ嵌合している。なお、ノックピン部材６１と嵌合穴１６ｔ，４１ｔとのクリアランスは、前記と同様にして設定される。また、アノード側のドレインだけではなく、さらにカソード側のドレインの配管を形成して、同様にして中間ジョイントで連結するようにしてもよい。

なお、本実施形態では、クリアランスＣＬを変更して傾斜角度を設定したが、クリアランスＣＬに限定されるものでなく、ノックピン部材６０，６１の長さＬ（図４参照）を変更して設定してもよい。すなわち、ノックピン部材６０，６１の長さＬを長くすることにより、中間ジョイント５０Ａ，５０Ｂの傾斜角度が大きくなり、長さＬを短くすることにより、傾斜角度が小さくなる。

また、ノックピン部材６０，６１と、図６（ａ），（ｂ）に示す管状部材７０，８０とを組み合わせて構成してもよい。

本実施形態における燃料電池スタックと補機との接続構造を示す分解斜視図である。 燃料電池スタックと補機を車両に搭載した状態を示す透視側面図である。 燃料電池スタックと補機との関係を示すブロック図である。 燃料電池スタックと補機との連結後の構造を拡大して示す縦断面図である。 変位抑制部材の許容がたを求めるための図である。 （ａ），（ｂ）は変位抑制部材の別の実施形態を示す断面図である。 燃料電池スタックと補機との別の連結後の構造を拡大して示す横断面図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池スタック（システム）
１６ エンドプレート
１６ａ〜１６ｅ 配管（流路）
１６ｓ，１６ｔ 嵌合穴
４０ 補機（システム）
４１ａ〜４１ｅ 配管（流路）
４１ｓ，４１ｔ 嵌合穴
５０Ａ，５０Ｂ 中間ジョイント
５２，５４ オーリング
６０，６１ ノックピン部材（変位抑制部材）
７０，８０ 管状部材（変位抑制部材）

Claims (3)

1. 電気的絶縁の必要なシステムを接続する流路と、
   前記流路同士を連結する樹脂製の中間ジョイントと、を有する燃料電池システムにおいて、
   前記中間ジョイントは、前記各流路にそれぞれオーリングを介して連結され、
   前記中間ジョイントとは別に、それぞれのシステムに形成された嵌合穴に嵌合して前記中間ジョイントを補強するノックピン部材が設けられ、
   前記ノックピン部材が、流路方向に対して、前記流路の対向位置における製造誤差を吸収するのに必要な最小角度と前記中間ジョイントの破損が抑制できる最大角度との間で傾斜するように、それぞれの前記嵌合穴と前記ノックピン部材との間のクリアランスが設定されていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記ノックピン部材は、前記中間ジョイントの中心から当該中間ジョイントの直径の３倍以内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 電気的絶縁の必要なシステムを接続する流路と、
   前記流路同士を連結する樹脂製の中間ジョイントと、を有する燃料電池システムにおいて、
   前記中間ジョイントは、前記各流路にそれぞれオーリングを介して連結され、
   前記中間ジョイントを覆い、それぞれのシステムに形成された嵌合穴に嵌合する管状部材を備え、
   前記管状部材が、流路方向に対して、前記流路の対向位置における製造誤差を吸収するのに必要な最小角度と前記中間ジョイントの破損が抑制できる最大角度との間で傾斜するように、それぞれの前記嵌合穴と前記管状部材との間のクリアランスが設定されていることを特徴とする燃料電池システム。

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