JP5508915B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極を配設した電解質・電極構造体とセパレータとが配設される複数の発電セルを設け、複数の前記発電セルが積層される燃料電池スタックを備える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（電解質）の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した単位セル（発電セル）を備えている。

この種の燃料電池は、通常、車載用として使用される際、所望の発電力を得るために、所定数（例えば、数十〜数百）の単位セルを積層した燃料電池スタックとして使用されている。その際、燃料電池スタックは、一般的に、セパレータの面内に発電面に沿って反応ガスを流す反応ガス流路と、前記反応ガス流路に連通し、単位セルの積層方向に貫通する反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔とを設ける、所謂、内部マニホールドを採用している。

燃料電池スタックは、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給装置と、酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給装置と、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給装置とに接続されて燃料電池システムを構成している。燃料電池システムは、例えば、特許文献１に開示されているように、車両等の移動体に搭載されている。

この燃料電池システムは、図６に示すように、燃料電池１に水素ガスを供給する水素ガス供給系２と、酸化剤ガスである空気を供給する空気供給系（図示せず）と、前記燃料電池１を冷却する冷却系３と、これらの系の制御部４とを備えている。

水素ガス供給系２は、複数の水素タンク５を備えている。そして、この水素タンク５から燃料電池１に向かって、元弁ＳＶ１、水素ガス供給路６、常圧弁ＲＧ等が設けられる一方、前記燃料電池１の出口側には、水素ポンプ７、パージ弁ＳＶ２等が接続されている。

特開２００６−３３１８９９号公報

上記の特許文献１では、燃料電池１が自動車８の前輪側に配置される一方、水素タンク５が、この自動車８の後輪側に配列されている。そして、燃料電池１と水素タンク５との間には、車体床下に沿って各種補機が配列されている。

しかしながら、補機の中、特に元弁ＳＶ１、常圧弁ＲＧ及びパージ弁ＳＶ２等のバルブ類は、寒冷地において凍結するおそれがある。このため、バルブ類の凍結時に、温水やヒータ等を用いて前記バルブ類を解凍する必要があり、構成が複雑化するとともに、経済的ではないという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、バルブ類を含む補機の凍結を確実に抑制す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。

本発明に係る燃料電池システムは、電解質の両側に一対の電極を配設した電解質・電極構造体とセパレータとが積層されるとともに、反応ガスを前記セパレータの積層方向に流通させる反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔が形成される発電セルを備え、複数の前記発電セルが積層される燃料電池スタックと、前記発電セルの積層方向両端に配設されるエンドプレートと、前記エンドプレート間を締結する連結バーと、少なくとも前記反応ガス出口連通孔である酸化剤ガス出口連通孔が設けられ、前記積層方向に延在する前記燃料電池スタックの一辺側に、前記一辺側及び各エンドプレートの該一辺側の各端部を覆って設けられるケーシング部材とを備え、前記ケーシング部材内には、少なくとも燃料電池用補機を構成するバルブ類が、前記一辺側の前記連結バーに取り付けられた状態で収容されている。

また、この燃料電池システムは、発電セルが冷却媒体を積層方向に流通させる冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔を形成するとともに、一辺側には、酸化剤ガス出口連通孔に並列して前記冷却媒体出口連通孔が設けられることが好ましい。

さらに、この燃料電池システムは、ケーシング部材が断熱部材を備えることが好ましい。

本発明によれば、燃料電池スタックにおいて、特に酸化剤ガス出口連通孔周辺の温度は、他の部位に比べて高温になり易く、前記酸化剤ガス出口連通孔が設けられる一辺側を覆ってケーシング部材が設けられている。このため、ケーシング部材の内部は、燃料電池スタックからの授熱により良好に保温され、前記ケーシング部材内に配設されている少なくともバルブ類は、凍結することを良好に抑制される。

従って、凍結したバルブ類を解凍するために、専用の温水供給装置やヒータ装置等が不要になる。これにより、簡単且つ経済的な構成で、バルブ類を含む補機の凍結を確実に抑制することが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 燃料電池スタックを構成する発電セルの分解斜視説明図である。 前記燃料電池システムの要部斜視説明図である。 前記燃料電池システムの要部断面側面図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの概略説明図である。 特許文献１に開示されている燃料電池システムが自動車に搭載された状態の説明図である。

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、図示しない燃料電池車両に搭載される。

燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、前記燃料電池スタック１２に冷却媒体を供給するための冷却媒体供給装置１６と、前記燃料電池スタック１２に酸化剤ガス（反応ガス）を供給するための酸化剤ガス供給装置１８と、前記燃料電池スタック１２に燃料ガス（反応ガス）を供給するための燃料ガス供給装置２０と、これらを制御する制御部２２とを備える。

冷却媒体供給装置１６は、ラジエータ２４を備える。このラジエータ２４には、冷媒用ポンプ２６を介して冷却媒体供給配管２８及び冷却媒体排出配管３０が接続される。

酸化剤ガス供給装置１８は、空気用ポンプ３２を備え、この空気用ポンプ３２に一端が接続される空気供給配管３４は、加湿器３６に他端が接続されるとともに、この加湿器３６には、加湿空気供給配管３８を介して燃料電池スタック１２が接続される。

加湿器３６には、使用済みの生成水を含んだ酸化剤ガス（以下、オフガスともいう）を燃料電池スタック１２から加湿流体として供給するためのオフガス流入路４０が設けられる。加湿器３６では、オフガス流入路４０を介して供給されたオフガスの排出側に、背圧弁４２が配設される。

燃料ガス供給装置２０は、燃料ガスとして水素ガスが貯留される燃料ガスタンク（燃料タンク）４４を備える。この燃料ガスタンク４４には、燃料ガス供給配管４５の一端が接続され、前記燃料ガス供給配管４５には、遮断弁４６及びエゼクタ５０が接続されるとともに、前記エゼクタ５０が燃料電池スタック１２に接続される。

燃料電池スタック１２には、使用済みの燃料ガスを排出するための排出燃料ガス配管５２が接続される。この排出燃料ガス配管５２は、気液分離器５３に接続されるとともに、前記気液分離器５３により分離された気体、すなわち、燃料ガスは、リターン配管５４を介してエゼクタ５０に戻される。気液分離器５３により分離された液体成分、すなわち、水は、ドレイン弁５５から希釈器５６に排出される。

希釈器５６には、リターン配管５４から分離するパージ流路５４ａがパージ弁５７を介して接続されるとともに、オフガス流入路４０から分岐する希釈流路４１を介して希釈用エアが供給可能である。

燃料電池スタック１２は、複数の発電セル５８が電極面を水平面にして鉛直方向（矢印Ａ方向）に積層される。図２に示すように、各発電セル５８は、電解質膜・電極構造体６０と、前記電解質膜・電極構造体６０を挟持する第１及び第２セパレータ６２、６４とを備える。なお、第１及び第２セパレータ６２、６４は、カーボンセパレータ又は金属セパレータで構成される。

発電セル５８の長辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、矢印Ａ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入口連通孔（反応ガス入口連通孔）６６ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔６８ａ、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出口連通孔（反応ガス出口連通孔）７０ｂが設けられる。

発電セル５８の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ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入口連通孔（反応ガス入口連通孔）７０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔６８ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔（反応ガス出口連通孔）６６ｂが設けられる。

電解質膜・電極構造体６０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（電解質）７１と、前記固体高分子電解質膜７１を挟持するカソード側電極７２及びアノード側電極７３とを備える。

カソード側電極７２及びアノード側電極７３は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されることにより形成される電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜７１の両面に形成されている。

第１セパレータ６２の電解質膜・電極構造体６０に向かう面６２ａには、酸化剤ガス入口連通孔６６ａと酸化剤ガス出口連通孔６６ｂとに連通する酸化剤ガス流路７４が設けられる。酸化剤ガス流路７４は、例えば、矢印Ｂ方向に延在する溝部により構成される。第１セパレータ６２の面６２ａとは反対の面６２ｂには、冷却媒体入口連通孔６８ａと冷却媒体出口連通孔６８ｂとを連通する冷却媒体流路７６の一部が形成される。

第２セパレータ６４の電解質膜・電極構造体６０に向かう面６４ａには、燃料ガス入口連通孔７０ａと燃料ガス出口連通孔７０ｂとを連通する燃料ガス流路７８が形成される。この燃料ガス流路７８は、例えば、矢印Ｂ方向に延在する溝部により構成される。第２セパレータ６４の面６４ａとは反対の面６４ｂには、第１セパレータ６２の面６２ｂと重なり合って冷却媒体流路７６が一体的に形成される。第１及び第２セパレータ６２、６４には、第１及び第２シール部材８０、８２が一体又は個別に設けられる。

第１及び第２シール部材８０、８２は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、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を使用する。

図１及び図３に示すように、燃料電池スタック１２は、発電セル５８の積層方向下端に、ターミナルプレート８４ａ、絶縁プレート８６ａ及びエンドプレート８８ａが配設される。発電セル５８の積層方向上端に、ターミナルプレート８４ｂ、絶縁プレート８６ｂ及びエンドプレート８８ｂが配設される。

エンドプレート８８ａ、８８ｂには、複数本の連結バー９０の両端が、ボルト９２を介して固定されており、前記エンドプレート８８ａ、８８ｂ間に所定の締め付け荷重が付与される。

図１に示すように、エンドプレート８８ａには、配管マニホールド部９３が装着される。この配管マニホールド部９３は、酸化剤ガス入口連通孔６６ａ、燃料ガス入口連通孔７０ａ、冷却媒体入口連通孔６８ａ、酸化剤ガス出口連通孔６６ｂ、燃料ガス出口連通孔７０ｂ及び冷却媒体出口連通孔６８ｂに、それぞれ連通する複数の独立したマニホールド部材（図示せず）を備える。

図３及び図４に示すように、燃料電池スタック１２の少なくとも酸化剤ガス出口連通孔６６ｂが設けられる。第１の実施形態では、前記酸化剤ガス出口連通孔６６ｂ及び冷却媒体出口連通孔６８ｂが設けられる一辺１２ａ側に、前記一辺１２ａ側を覆ってケーシング部材９４が配設される。

ケーシング部材９４は、エンドプレート８８ａ（又は配管マニホールド部９３）、８８ｂに接合される下板９６ａ及び上板９６ｂと、燃料電池スタック１２の矢印Ｃ方向両側部（短辺側壁部）に配置される側板９８ａ、９８ｂと、一辺１２ａに対向する裏板１００とを備える。下板９６ａ、上板９６ｂ、側板９８ａ、９８ｂ及び裏板１００は、断熱材で構成され、互いに接合されることにより、一端側が開口する筐状を形成する。ケーシング部材９４は、開口側に燃料電池スタック１２の一辺１２ａ側を所定長さだけ収容し、前記燃料電池スタック１２に固定される。

ケーシング部材９４内には、室１０２が形成され、この室１０２には、燃料電池用補機、特に、バルブ類が収容される。バルブ類は、例えば、背圧弁４２、エゼクタ５０、ドレイン弁５５及びパージ弁５７を含み、これらが連結バー９０に直接固定される。ケーシング部材９４内あるいは側方には、気液分離器５３が配置される。

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。

先ず、図１に示すように、酸化剤ガス供給装置１８を構成する空気用ポンプ３２が駆動され、酸化剤ガスである外部空気が吸引されて空気供給配管３４に導入される。この空気は、空気供給配管３４から加湿器３６内に導入されて加湿された後、加湿空気供給配管３８に供給される。加湿された空気は、加湿空気供給配管３８から配管マニホールド部９３を通って燃料電池スタック１２内の酸化剤ガス入口連通孔６６ａに供給される。

一方、燃料ガス供給装置２０では、遮断弁４６の開放作用下に、燃料ガスタンク４４内の燃料ガス（水素ガス）が、エゼクタ５０を通って配管マニホールド部９３から燃料電池スタック１２内の燃料ガス入口連通孔７０ａに導入される。

さらに、冷却媒体供給装置１６では、冷媒用ポンプ２６の作用下に、冷却媒体が冷却媒体供給配管２８から配管マニホールド部９３を通って燃料電池スタック１２内の冷却媒体入口連通孔６８ａに冷却媒体が導入される。

図２に示すように、燃料電池スタック１２内の各発電セル５８に供給された空気は、酸化剤ガス入口連通孔６６ａから第１セパレータ６２の酸化剤ガス流路７４に導入され、電解質膜・電極構造体６０のカソード側電極７２に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔７０ａから第２セパレータ６４の燃料ガス流路７８に導入され、電解質膜・電極構造体６０のアノード側電極７３に沿って移動する。

従って、各電解質膜・電極構造体６０では、カソード側電極７２に供給される空気中の酸素と、アノード側電極７３に供給される燃料ガス（水素）とが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。

次いで、カソード側電極７２に供給されて消費された空気は、酸化剤ガス出口連通孔６６ｂに沿って流動した後、オフガスとしてエンドプレート８８ｂからオフガス流入路４０に排出される（図１参照）。

その際、カソード側電極７２で発電により生成される生成水は、酸化剤ガス出口連通孔６６ｂに導入される。酸化剤ガス出口連通孔６６ｂでは、エンドプレート８８ｂ側に導入された生成水が、オフガスの流れに伴ってオフガス流入路４０に排出される。

一方、アノード側電極７３に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔７０ｂに排出されて流動し、排出燃料ガスとしてエンドプレート８８ｂから排出燃料ガス配管５２に排出される（図１参照）。排出燃料ガス配管５２に排出された排出燃料ガスは、気液分離器５３により気体成分と液体成分とに分離される。

気体成分（燃料ガス）は、リターン配管５４を通って、エゼクタ５０の吸引作用下に燃料ガス供給配管４５に戻される。この気体成分は、新たな燃料ガスに混在して、燃料ガス供給配管４５から燃料電池スタック１２内に供給される。液体成分（水）は、ドレイン弁５５の開放作用下に希釈器５６に送られる。

また、冷却媒体は、図２に示すように、冷却媒体入口連通孔６８ａから第１及び第２セパレータ６２、６４間の冷却媒体流路７６に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体６０を冷却した後、冷却媒体出口連通孔６８ｂを移動してエンドプレート８８ａから冷却媒体排出配管３０に排出される。この冷却媒体は、図１に示すように、ラジエータ２４により冷却された後、冷媒用ポンプ２６の作用下に冷却媒体供給配管２８から燃料電池スタック１２に供給される。

この場合、運転中の燃料電池スタック１２では、特に酸化剤ガス出口連通孔６６ｂの周辺が他の部位に比べて高温になり易く、前記酸化剤ガス出口連通孔６６ｂが設けられている一辺１２ａ側からの放熱量が多くなっている。

そこで、第１の実施形態では、燃料電池スタック１２の一辺１２ａ側を覆ってケーシング部材９４が設けられている。ケーシング部材９４は、全体として断熱部材で構成されており、前記ケーシング部材９４の内部に形成される室１０２は、燃料電池スタック１２からの授熱により比較的高温に保温されている。

従って、室１０２には、燃料電池用補機を構成する少なくともバルブ類、具体的には、背圧弁４２、エゼクタ５０、ドレイン弁５５及びパージ弁５７等が収容されることにより、例えば、氷点下の環境であっても、前記バルブ類が凍結することを良好に抑制することができる。このため、凍結したバルブ類を解凍するために、専用の温水供給装置やヒータ装置等を用いる必要がない。

これにより、簡単且つ経済的な構成で、バルブ類を含む燃料電池用補機の凍結を確実に抑制することが可能になるという効果が得られる。

さらに、バルブ類は、図４に示すように、エンドプレート８８ａ、８８ｂ同士を締結するための連結バー９０に、直接、取り付けられている。従って、バルブ類を取り付けるための専用支持機構が不要になり、構成の簡素化及び経済性の向上が容易に図られる。

さらにまた、バルブ類は、燃料電池スタック１２において、一辺１２ａ側の下部側に配置することが好ましい。バルブ類は、最も高温となる酸化剤ガス出口連通孔６６ｂの下流側からの授熱が可能になり、前記バルブ類の保温効果が一層向上するからである。

また、ケーシング部材９４は、エンドプレート８８ａ、８８ｂの端部を覆って、一辺１２ａ側に取り付けられている。このため、エンドプレート８８ａ、８８ｂから放出される熱を、室１０２に効果的に取り込むことができ、熱効率が良好に向上するという利点がある。

なお、バルブ類は、連結バー９０に取り付けられているが、これに変えて、例えば、ケーシング部材９４を構成する裏板１００に、直接、取り付けてもよい。これにより、バルブ類を取り付けるための専用取り付け構造が不要になる等、同様の効果が得られる。

さらに、一辺１２ａ側には、冷却媒体出口連通孔６８ｂが設けられている。冷却媒体出口連通孔６８ｂは、同様に高温になるため、室１０２における保温効果が有効に向上するという効果がある。

図５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、その詳細な説明を省略する。

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の一辺（上辺）１２２ａ側に、前記一辺１２２ａ側を覆って設けられるケーシング部材１２４とを備える。

燃料電池スタック１２２は、複数の発電セル５８が電極面を垂直面として水平方向（矢印Ｂ方向）に積層される。燃料電池スタック１２２は、積層方向両端にエンドプレート１２６ａ、１２６ｂを設けるとともに、前記エンドプレート１２６ａ、１２６ｂの一部を覆ってケーシング部材１２４が取り付けられる。ケーシング部材１２４は、断熱部材で構成され、上記のケーシング部材９４と同様に構成される。ケーシング部材１２４内に形成される室１０２には、バルブ類が連結バー９０に取り付けられて（又は裏板１００に取り付けられて）、収容される。

このように構成される第２の実施形態では、燃料電池スタック１２２の最も温度の高い部位である酸化剤ガス出口連通孔６６ｂが設けられる一辺１２２ａ側に、ケーシング部材１２４が取り付けられるとともに、このケーシング部材１２４の室１０２には、バルブ類が収容されている。従って、バルブ類が凍結することを良好に抑制し、専用の温水供給装置やヒータ装置等が不要になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

しかも、第２の実施形態では、室１０２は、燃料電池スタック１２２の上部側に形成されている。これにより、燃料電池スタック１２２内から上方に放熱される熱によって、室１０２内が一層良好に保温されるため、バルブ類の凍結が可及的に阻止されるという利点がある。

１０、１２０…燃料電池システム １２、１２２…燃料電池スタック
１２ａ、１２２ａ…一辺 １６…冷却媒体供給装置
１８…酸化剤ガス供給装置 ２０…燃料ガス供給装置
３６…加湿器 ４２…背圧弁
４４…燃料ガスタンク ４６…遮断弁
５０…エゼクタ ５３…気液分離機
５５…ドレイン弁 ５６…希釈器
５８…発電セル ６０…電解質・電極構造体
６６ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ６６ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
６８ａ…冷却媒体入口連通孔 ６８ｂ…冷却媒体出口連通孔
７０ａ…燃料ガス入口連通孔 ７０ｂ…燃料ガス出口連通孔
７１…固体高分子電解質膜 ７２…カソード側電極
７３…アノード側電極 ７４…酸化剤ガス流路
７６…冷却媒体流路 ７８…燃料ガス流路
８８ａ、８８ｂ、１２６ａ、１２６ｂ…エンドプレート
９０…連結バー ９４、１２４…ケーシング部材
９６ａ…下板 ９６ｂ…上板
９８ａ、９８ｂ…側板 １００…裏板

Claims (3)

1. 電解質の両側に一対の電極を配設した電解質・電極構造体とセパレータとが積層されるとともに、反応ガスを前記セパレータの積層方向に流通させる反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔が形成される発電セルを備え、複数の前記発電セルが積層される燃料電池スタックと、
   前記発電セルの積層方向両端に配設されるエンドプレートと、
   前記エンドプレート間を締結する連結バーと、
   少なくとも前記反応ガス出口連通孔である酸化剤ガス出口連通孔が設けられ、前記積層方向に延在する前記燃料電池スタックの一辺側に、前記一辺側及び各エンドプレートの該一辺側の各端部を覆って設けられるケーシング部材と、
   を備え、
   前記ケーシング部材内には、少なくとも燃料電池用補機を構成するバルブ類が、前記一辺側の前記連結バーに取り付けられた状態で収容されることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記発電セルは、冷却媒体を前記積層方向に流通させる冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔を形成するとともに、
   前記一辺側には、前記酸化剤ガス出口連通孔に並列して前記冷却媒体出口連通孔が設けられることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、前記ケーシング部材は、断熱部材を備えることを特徴とする燃料電池システム。

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