JP5806951B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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、前記燃料電池スタックを内部に収容するケーシングと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の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

この種の燃料電池スタックでは、特に車載用として使用される際、相当に多数の発電セルを積層する必要がある。従って、燃料電池スタック全体の安全を確保するため、例えば、前記燃料電池スタックを筐体内に収容する構成が採用されている。

特許文献１に開示されている燃料電池システムは、図５に示すように、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燃料電池１と、少なくとも前記燃料電池１を収容するケース２と、ケース上部内壁に設けられ、燃料ガス漏れを検知するガス検知センサ３と、前記燃料電池１のアノードに燃料ガスを供給するアノード供給配管４ａと、アノードから不純物を含んだ燃料ガスを排出するアノード排出配管４ｂと、前記アノード排出配管４ｂを開閉するパージ弁５ａと、前記燃料電池１のカソードに酸化剤ガスとしての空気を供給するコンプレッサ等の酸化剤ガス供給装置６と、前記酸化剤ガス供給装置６の出口とカソード入口を接続するカソード供給配管７ａと、前記カソード供給配管７ａに一端が接続されるとともに、他端が前記ケース２内に開口するバイパス配管７ｂと、前記バイパス配管７ｂを開閉するバイパス開閉弁５ｂと、前記燃料電池１のカソードから酸化剤ガスを排出するカソード排出配管７ｃと、前記カソード排出配管７ｃから排出される酸化剤ガスの圧力及び流量を制御することによりカソード圧力を調整するカソード圧力調整弁５ｃと、前記ガス検知センサ３の検知信号に基づいて前記バイパス開閉弁５ｂの開閉制御を行う制御装置８とを備えている。

そこで、制御装置８は、パージ弁５ａからアノードガスをパージするとき、或いはガス検知センサ３が既定値以上の燃料ガス濃度を検出した場合に、バイパス開閉弁５ｂを開くとともに、酸化剤ガス供給装置６の供給量を増加させて、ケース２内部を換気している。

特開２００６−３２２０５号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、ケース２内を換気するための構造が相当に複雑化している。このため、燃料電池システム全体が大型化するとともに、製造コストが高騰するという問題がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池スタックが収容されるケーシング内の換気を良好に遂行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発電セルを備え、複数の前記発電セルが積層されるとともに、少なくとも前記酸化剤ガスを前記発電セルの積層方向に流通させる酸化剤ガス供給連通孔及び酸化剤ガス排出連通孔が形成される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを内部に収容するケーシングとを備える燃料電池システムに関するものである。

この燃料電池システムでは、燃料電池スタックは、少なくとも発電セルの積層方向一端に配設される端部セルを備えるとともに、前記端部セルには、酸化剤ガス供給連通孔から内部の流路に供給される酸化剤ガスを、ケーシング内に排出するための開口部が形成される一方、前記ケーシングには、該ケーシング内に排出された前記酸化剤ガスを外部に放出するための孔部が設けられている。

また、この燃料電池システムでは、発電セル及び端部セルは、水平方向に積層され、前記端部セルは、酸化剤ガス排出連通孔と内部の流路との間を閉塞する一方、前記流路を囲繞するシール部材の重力方向下方の部位を切り欠くことにより、開口部を形成することが好ましい。

さらに、この燃料電池スタックでは、開口部は、酸化剤ガス排出連通孔よりも重力方向下方に配置されることが好ましい。

本発明によれば、端部セル内の流路に供給された酸化剤ガスは、開口部を通ってケーシング内に排出されている。このため、ケーシング内には、換気用酸化剤ガスが供給され、水素濃度の上昇を良好に抑制することができる。しかも、ケーシング内には、換気用配管等が不要になる。

従って、ケーシングの外形寸法は、燃料電池スタックの外形寸法に可及的に近似させることが可能になり、前記ケーシングが良好に小型化される。これにより、簡単且つコンパクトな構成で、ケーシング内の換気を良好に遂行することが可能になる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの分解斜視説明図である。 前記燃料電池システムの側面説明図である。 前記燃料電池システムを構成する発電セルの要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池システムを構成する端部セルの要部分解斜視説明図である。 特許文献１に開示されている燃料電池システムの概略構成説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０は、例えば、燃料電池自動車（図示せず）に搭載される。燃料電池システム１０は、複数の発電セル１２が立位姿勢で水平方向（矢印Ｂ方向）に積層された燃料電池スタック１４と、前記燃料電池スタック１４が収容されるケーシング１６とを備える。

燃料電池スタック１４は、複数の発電セル１２の積層方向一端に、第１ターミナルプレート２０ａ、第１絶縁プレート２２ａ及び第１エンドプレート２４ａが外方に向かって順次配設される。発電セル１２の積層方向他端には、端部セル１８、第２ターミナルプレート２０ｂ、第２絶縁プレート２２ｂ及び第２エンドプレート２４ｂが外方に向かって順次配設される。なお、端部セル１８は、複数設けてもよく、また、第１エンドプレート２４ａ側に配置してもよい。

第１エンドプレート２４ａの中央部からは、第１ターミナルプレート２０ａに接続された第１出力端子２６ａが延在する。第２エンドプレート２４ｂの中央部からは、第２ターミナルプレート２０ｂに接続された第２出力端子２６ｂが延在する。第１エンドプレート２４ａ及び第２エンドプレート２４ｂは、各角部を切り欠いた横長の略長方形状を有するが、これに限定されるものではなく、例えば、長方形状や正方形状等を有していてもよい。

図１に示すように、第１エンドプレート２４ａと第２エンドプレート２４ｂの各辺間には、連結バー２８の両端がねじ２９により固定され、複数の積層された発電セル１２に積層方向（矢印Ｂ方向）の締め付け荷重を付与する。

図３に示すように、発電セル１２は、横長の長方形状を有するとともに、電解質膜・電極構造体３０が、第１セパレータ３２及び第２セパレータ３４に挟持される。第１セパレータ３２及び第２セパレータ３４は、例えば、カーボンセパレータにより構成されるが、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、あるいはめっき処理鋼板等の金属セパレータにより構成されてもよい。

発電セル１２の矢印Ａ方向（図３中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ｂ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供給連通孔３６ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３８ａ、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排出連通孔４０ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

発電セル１２の矢印Ａ方向の他端縁部には、矢印Ｂ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供給連通孔４０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３８ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔３６ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

第１セパレータ３２の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３２ａには、酸化剤ガス供給連通孔３６ａと酸化剤ガス排出連通孔３６ｂとに連通する酸化剤ガス流路４２が設けられる。

第２セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３４ａには、燃料ガス供給連通孔４０ａと燃料ガス排出連通孔４０ｂとに連通する燃料ガス流路４４が設けられる。

互いに隣接する発電セル１２を構成する第１セパレータ３２の面３２ｂと、第２セパレータ３４の面３４ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔３８ａと冷却媒体排出連通孔３８ｂとを連通する冷却媒体流路４６が設けられる。

第１セパレータ３２には、第１シール部材４８が一体的又は個別に設けられる。第２セパレータ３４には、第２シール部材５０が一体的又は個別に設けられる。第１シール部材４８及び第２シール部材５０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。

第１シール部材４８は、面３２ａ、３２ｂ上に均一な厚さを有して成形される平面シール部４８ａと、前記平面シール部４８ａから突出し、酸化剤ガス流路４２を酸化剤ガス供給連通孔３６ａ及び酸化剤ガス排出連通孔３６ｂに連通させる凸状シール部４８ｂとを有する。

第２シール部材５０は、面３４ａ、３４ｂ上に均一な厚さを有して成形される平面シール部５０ａと、前記平面シール部５０ａから突出し、燃料ガス流路４４を燃料ガス供給連通孔４０ａ及び燃料ガス排出連通孔４０ｂに連通させる凸状シール部５０ｂと、前記平面シール部５０ａから突出し、冷却媒体流路４６を冷却媒体供給連通孔３８ａ及び冷却媒体排出連通孔３８ｂに連通させる凸状シール部５０ｃとを有する。

電解質膜・電極構造体３０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。

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て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５２の両面に形成されている。

図４に示すように、端部セル１８は、発電セル１２と同一の厚み及び同一の形状を有しており、ダミー電極構造体６０と、前記ダミー電極構造体６０を挟持する第１セパレータ６２及び第２セパレータ３４とを備える。

ダミー電極構造体６０は、固体高分子電解質膜５２と同一の厚み及び同一の形状を有する金属プレート６４と、前記金属プレート６４を挟持するカソード側カーボンペーパ６６及びアノード側カーボンペーパ６８とを備える。カソード側カーボンペーパ６６は、カソード電極５４を構成するガス拡散層に対応する一方、アノード側カーボンペーパ６８は、アノード電極５６を構成するガス拡散層に対応する。

第１セパレータ６２は、発電セル１２を構成する第１セパレータ３２と略同一であり、共通に使用することができる。第１セパレータ６２は、酸化剤ガス流路４２に代えて流路４２ａを有するとともに、前記流路４２ａは、平面状に構成される。なお、流路４２ａは、酸化剤ガス流路４２と同様に複数の溝部を有していてもよい。

第１セパレータ６２には、第１シール部材４８が設けられる。第１シール部材４８は、平面シール部４８ａから突出し、流路４２ａと酸化剤ガス排出連通孔３６ｂとを遮断する凸状シール部４８ｃを有する。凸状シール部４８ｂは、流路４２ａを囲繞するとともに、前記凸状シール部４８ｂの重力方向下方の部位を、例えば、２カ所（１カ所又は３カ所以上でもよい）だけ切り欠くことにより、開口部（溝部）６９ａ、６９ｂが形成される。開口部６９ａ、６９ｂは、流路４２ａをケーシング１６の内部に開放するとともに、酸化剤ガス排出連通孔３６ｂよりも重力方向下方に配置される。

図１に示すように、ケーシング１６は、長さ方向（矢印Ｂ方向）に沿って、分割面を有する複数、例えば、２つの分割部材７０ａ、７０ｂを有する。分割面は、発電セル１２の長辺側に設けられているが、これに限定されるものではなく、前記発電セル１２の短辺側に設けてもよい。

分割部材７０ａ、７０ｂは、例えば、アルミニウム製板材をプレス成形した部材、鋼板（ステンレス鋼板）をプレス成形した部材等により構成され、互いに接合された状態で、筒形状、特に、燃料電池スタック１４の外形形状に対応する多角筒形状を有する。

分割部材７０ａの長さ方向に延在する端部には、それぞれ外方に突出するフランジ部７２ａ、７２ａが設けられ、前記フランジ部７２ａは、分割面を構成する。各フランジ部７２ａには、孔部７４ａが所定間隔ずつ離間して設けられる。

分割部材７０ｂは、分割部材７０ａと同様に、長さ方向に延在する各端部に、外方に突出するフランジ部７２ｂ、７２ｂが設けられ、前記フランジ部７２ｂにより分割面が構成される。

各フランジ部７２ｂには、孔部７４ａと同軸上に配置される複数の孔部７４ｂが形成される。それぞれ同軸上に配置される孔部７４ａ、７４ｂには、ボルト７６が一体に挿入され、前記ボルト７６にナット７７が螺合することにより、分割部材７０ａ、７０ｂ同士が一体に接合される。

図２に示すように、ケーシング１６の下部には、必要に応じて排水用配管７８が設けられる。ケーシング１６の上部には、排出された酸化剤ガス（カソードオフガス）を外部に放出するための孔部７９が設けられる（図１及び図２参照）。

図１に示すように、第１エンドプレート２４ａには、酸化剤ガス供給連通孔３６ａ、酸化剤ガス排出連通孔３６ｂ、燃料ガス供給連通孔４０ａ及び燃料ガス排出連通孔４０ｂに連通する酸化剤ガス供給マニホールド８０ａ、酸化剤ガス排出マニホールド８０ｂ、燃料ガス供給マニホールド８２ａ及び燃料ガス排出マニホールド８２ｂが取り付けられる。

図２に示すように、第２エンドプレート２４ｂには、冷却媒体供給連通孔３８ａ及び冷却媒体排出連通孔３８ｂに連通する冷却媒体供給マニホールド８８ａ及び冷却媒体排出マニホールド８８ｂが取り付けられる。

なお、上記の構成に代えて、第１エンドプレート２４ａには、全てのマニホールド（酸化剤ガス供給マニホールド８０ａ、酸化剤ガス排出マニホールド８０ｂ、燃料ガス供給マニホールド８２ａ、燃料ガス排出マニホールド８２ｂ、冷却媒体供給マニホールド８８ａ及び冷却媒体排出マニホールド８８ｂ）を設けてもよい。

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及び図３に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド８０ａから酸化剤ガス供給連通孔３６ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給マニホールド８２ａから燃料ガス供給連通孔４０ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、図２及び図３に示すように、冷却媒体供給マニホールド８８ａから冷却媒体供給連通孔３８ａ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。

このため、図３に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔３６ａから第１セパレータ３２の酸化剤ガス流路４２に導入される。酸化剤ガスは、矢印Ａ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体３０を構成するカソード電極５４に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔４０ａから第２セパレータ３４の燃料ガス流路４４に導入される。この燃料ガスは、矢印Ａ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体３０を構成するアノード電極５６に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体３０では、カソード電極５４に供給される酸化剤ガスと、アノード電極５６に供給される燃料ガスとが、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、カソード電極５４に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔３６ｂに沿って矢印Ｂ方向に流通し、酸化剤ガス排出マニホールド８０ｂから排出される（図１参照）。一方、アノード電極５６に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔４０ｂに沿って矢印Ｂ方向に流通し、燃料ガス排出マニホールド８２ｂから排出される。

また、冷却媒体供給連通孔３８ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ３２及び第２セパレータ３４間の冷却媒体流路４６に導入された後、矢印Ａ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体３０を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３８ｂを流通し、冷却媒体排出マニホールド８８ｂから排出される（図２参照）。

この場合、本実施形態では、図４に示すように、端部セル１８を構成する第１セパレータ６２は、第１シール部材４８の凸状シール部４８ｃにより、流路４２ａと酸化剤ガス排出連通孔３６ｂとが遮断されている。さらに、第１シール部材４８の凸状シール部４８ｂの重力方向下方の部位には、開口部６９ａ、６９ｂが形成されている。

このため、端部セル１８の酸化剤ガス供給連通孔３６ａに供給された酸化剤ガスは、酸素が消費されて窒素濃度が高まった状態で、酸化剤ガス排出連通孔３６ｂに排出され、その一部が前記端部セル１８内の流路４２ａに導入された後、前記流路４２ａの下部側に設けられている開口部６９ａ、６９ｂを通ってケーシング１６の内部に排出される（図２参照）。

従って、ケーシング１６内には、換気用酸化剤ガスが供給され、前記ケーシング１６内での水素濃度の上昇を良好に抑制することができる。しかも、ケーシング１６内には、換気用配管等が不要になるとともに、結露水は、開口部６９ａ、６９ｂを通ってケーシング１６内に排出された後、排水用配管７８から外部に排出される。

これにより、ケーシング１６の外形寸法は、燃料電池スタック１４の外形寸法に可及的に近似させることが可能になり、前記ケーシング１６が良好に小型化される。このため、燃料電池システム１０は、簡単且つコンパクトな構成で、ケーシング１６内の換気を良好に遂行することが可能になるという効果が得られる。

１０…燃料電池システム １２…発電セル
１４…燃料電池スタック １６…ケーシング
２４ａ、２４ｂ…エンドプレート ３０…電解質膜・電極構造体
３２、３４、６２…セパレータ ３６ａ…酸化剤ガス供給連通孔
３６ｂ…酸化剤ガス排出連通孔 ３８ａ…冷却媒体供給連通孔
３８ｂ…冷却媒体排出連通孔 ４０ａ…燃料ガス供給連通孔
４０ｂ…燃料ガス排出連通孔 ４２…酸化剤ガス流路
４２ａ…流路 ４４…燃料ガス流路
４６…冷却媒体流路 ４８、５０…シール部材
５２…固体高分子電解質膜 ５４…カソード電極
５６…アノード電極 ６９ａ、６９ｂ…開口部

Claims (3)

1. 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発電セルを備え、複数の前記発電セルが積層されるとともに、少なくとも前記酸化剤ガスを前記発電セルの積層方向に流通させる酸化剤ガス供給連通孔及び酸化剤ガス排出連通孔が形成される燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックを内部に収容するケーシングと、
   を備える燃料電池システムであって、
   前記燃料電池スタックは、少なくとも前記発電セルの積層方向一端に配設される端部セルを備えるとともに、
   前記端部セルには、前記酸化剤ガス供給連通孔から内部の流路に供給される前記酸化剤ガスを、前記ケーシング内に排出するための開口部が形成される一方、
   前記ケーシングには、該ケーシング内に排出された前記酸化剤ガスを外部に放出するための孔部が設けら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、前記発電セル及び前記端部セルは、水平方向に積層され、
   前記端部セルは、前記酸化剤ガス排出連通孔と内部の前記流路との間を閉塞する一方、
   前記流路を囲繞するシール部材の重力方向下方の部位を切り欠くことにより、前記開口部を形成することを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２記載の燃料電池システムにおいて、前記開口部は、前記酸化剤ガス排出連通孔よりも重力方向下方に配置されることを特徴とする燃料電池システム。

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