JP5829535B2 - 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燃料電池を備え、複数の前記燃料電池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筐体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、相当に多数の単位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剛性を確保するため、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。

例えば、特許文献１に開示されている燃料電池は、図９に示すように、燃料電池スタック１と、前記燃料電池スタック１の外周面を覆って燃料電池の剛性を確保するとともに、前記燃料電池スタック１を保護する燃料電池筐体２とを備えている。燃料電池筐体２は、燃料電池スタック１の積層方向に平行な軸を有する閉じた筒状の形状を有している。

燃料電池スタック１は、積層された複数の燃料電池セル３をエンドプレート４ａ、４ｂで挟持することによって構成されている。エンドプレート４ａには、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体の供給や排出を行うためのマニホールド５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂ、７ａ及び７ｂが、上下に設けられている。エンドプレート４ａには、左右にモニタ配線用貫通孔８ａ、８ｂが形成されている。

この燃料電池では、例えば、車両（図示せず）への搭載時においては、燃料電池筐体２の閉じた形状による気密性によって、車両の衝突その他の事故によって衝撃を受けても、水素ガスその他の流体の漏洩を効果的に抑制することができる、としている。

特開２００８−７７８６１号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、エンドプレート４ａ、４ｂと燃料電池筐体２との隙間を気密にシールすることが難しい。このため、燃料電池スタック全体を確実に密封することが困難であ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、燃料電池スタックを確実に密封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燃料電池を備え、複数の前記燃料電池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筐体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、燃料電池の積層方向一端に、第１エンドプレートが配設される一方、前記燃料電池の積層方向他端に、前記第１エンドプレートよりも外形寸法の大きな第２エンドプレートが配設されている。

そして、筐体は、一端側に第１開口部を設け、且つ他端側に前記第１開口部よりも開口寸法の大きな第２開口部を設けるとともに、第１エンドプレートの外面側と前記筐体の前記一端側である有底側端部の内面側との間には、該第１開口部を前記筐体内からシールするための第１封止部材が配設されている。一方、第２エンドプレートの内面側と筐体の他端側である開口側端部との間には、前記第２開口部を前記筐体内からシールするための第２封止部材が配設されている。

また、この燃料電池システムでは、筐体の一端側である有底側端部には、第１開口部を形成する壁面が設けられ、第１封止部材は、前記第１開口部を周回して前記壁面に設けられ、第１エンドプレートが密着するシール部材であることが好ましい。

さらに、この燃料電池システムでは、筐体の他端側である開口側端部には、第２開口部を周回して外方に膨出する第２封止部材であるフランジ部が設けられ、第２エンドプレートは、前記フランジ部に密着することが好ましい。

さらにまた、この燃料電池システムでは、第１開口部には、第１エンドプレートから延在する第１集電用端子と、前記第１エンドプレートに連結される第１マウント部材とが露出する一方、第２開口部には、第２エンドプレートに接続される配管用マニホールドと、前記第２エンドプレートに連結される第２マウント部材とが露出することが好ましい。

本発明によれば、燃料電池スタックが、第１エンドプレートを先端にして筐体内に挿入されると、前記第１エンドプレートは、第１封止部材に当接して前記筐体の一端側に設けられている第１開口部を閉塞する。一方、第２エンドプレートは、第２封止部材に当接して筐体の他端側に設けられている第２開口部を閉塞する。

このため、第１エンドプレート及び第２エンドプレートと筐体との間には、複雑なシール構造を用いる必要がなく、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池スタックを確実に密封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が搭載される燃料電池自動車の平面説明図である。 前記燃料電池システムの概略分解斜視説明図である。 前記燃料電池システムの断面側面図である。 前記燃料電池システムを構成する燃料電池の要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池システムの後方からの概略斜視説明図である。 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燃料電池の要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池システムの後方からの概略斜視説明図である。 特許文献１に開示されている燃料電池の概略分解斜視図である。

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、燃料電池自動車１２に搭載される。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１４と、前記燃料電池スタック１４が収容される筐体１６とを備える。

燃料電池スタック１４は、複数の燃料電池１８が、立位姿勢で燃料電池自動車１２の走行方向（矢印Ａ方向）に交差する車両幅方向（矢印Ｂ方向）に積層される。

図１〜図３に示すように、複数の燃料電池１８の積層方向一端には、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。燃料電池１８の積層方向他端には、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。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が延在する一方、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とともに、前記第２エンドプレート２４ｂは、前記第１エンドプレート２４ａよりも外形寸法が大きく設定される。なお、第１エンドプレート２４ａ及び第２エンドプレート２４ｂは、正方形状又は長方形状を有していてもよい。

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３０により固定され、複数の積層された燃料電池１８に積層方向（矢印Ｂ方向）の締め付け荷重を付与する。

連結バー２８は、図１に示すように、第２エンドプレート２４ｂ側の端部に、外方に立ち上がる壁面２８ａを介して突出部２８ｂが一体に設けられる。突出部２８ｂは、第２エンドプレート２４ｂの各辺に形成された凹部３２に嵌合するとともに、前記突出部２８ｂの外面は、前記第２エンドプレート２４ｂの各辺と同一面上に且つ隙間なく配置される。壁面２８ａは、第２エンドプレート２４ｂの内側端面２４ｂｓと同一平面上に配置される。

連結バー２８の第１エンドプレート２４ａ側の端部は、図１及び図２に示すように、前記第１エンドプレート２４ａの各辺に形成された凹部３４に嵌合する。連結バー２８の外面は、第１エンドプレート２４ａの各辺と同一面上に且つ隙間なく配置される。

図４に示すように、燃料電池１８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４０が、第１セパレータ４２及び第２セパレータ４４に挟持される。第１セパレータ４２及び第２セパレータ４４は、例えば、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やカーボンセパレータにより構成される。

燃料電池１８の矢印Ａ方向（図４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入口連通孔４６ａ、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４８ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

燃料電池１８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入口連通孔４８ａ、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４６ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

燃料電池１８の矢印Ｃ方向の上端縁部には、冷却媒体を供給するための一対の冷却媒体入口連通孔５０ａが設けられるとともに、前記燃料電池１８の矢印Ｃ方向の下端縁部には、前記冷却媒体を排出するための一対の冷却媒体出口連通孔５０ｂが設けられる。

第１セパレータ４２の電解質膜・電極構造体４０に向かう面４２ａには、酸化剤ガス入口連通孔４６ａと酸化剤ガス出口連通孔４６ｂとに連通する酸化剤ガス流路５２が設けられる。

第２セパレータ４４の電解質膜・電極構造体４０に向かう面４４ａには、燃料ガス入口連通孔４８ａと燃料ガス出口連通孔４８ｂとに連通する燃料ガス流路５４が設けられる。

互いに隣接する燃料電池１８を構成する第１セパレータ４２の面４２ｂと、第２セパレータ４４の面４４ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔５０ａと冷却媒体出口連通孔５０ｂとを連通する冷却媒体流路５６が設けられる。

第１セパレータ４２及び第２セパレータ４４には、それぞれシール部材５８、６０が、一体的又は個別に設けられる。シール部材５８、６０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。

電解質膜・電極構造体４０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６２と、前記固体高分子電解質膜６２を挟持するカソード電極６４及びアノード電極６６とを備える。

カソード電極６４及びアノード電極６６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６２の両面に形成されている。

図２及び図３に示すように、筐体１６は、単一の成形部品であり、挿入される燃料電池スタック１４の形状に対応して、例えば、各角部に屈曲部位１６ａが設けられる。屈曲部位１６ａは、筐体１６全体の強度を向上させる機能を有し、前記筐体１６を良好に薄肉化且つ軽量化させることができる。

図１〜図３に示すように、筐体１６は、一端側に第１開口部７０ａを設け、且つ他端側に前記第１開口部７０ａよりも開口寸法の大きな第２開口部７０ｂを設ける。筐体１６は、一端側である有底側端部１６ｂには、第１開口部７０ａが設けられるとともに、他端側である開口側端部には、第２開口部７０ｂを形成するフランジ部７２が設けられる。

筐体１６の有底側端部１６ｂの内面側には、第１開口部７０ａを形成する壁面１６ｂｓが設けられる。壁面１６ｂｓには、第１開口部７０ａを周回して燃料電池スタック１４の第１エンドプレート２４ａが密着し、前記第１開口部７０ａと筐体１６の内部とを遮断するシール部材（第１封止部材）７４が配設される。

筐体１６のフランジ部７２は、燃料電池スタック１４の第２エンドプレート２４ｂが密着して第２開口部７０ｂと前記筐体１６内とを遮断する第２封止部材を構成する。なお、フランジ部７２には、必要に応じてシール部材を配置してもよい。

図２に示すように、第２エンドプレート２４ｂには、酸化剤ガス入口連通孔４６ａ、酸化剤ガス出口連通孔４６ｂ、燃料ガス入口連通孔４８ａ、燃料ガス出口連通孔４８ｂ、一対の冷却媒体入口連通孔５０ａ及び一対の冷却媒体出口連通孔５０ｂに連通する酸化剤ガス供給マニホールド７６ａ、酸化剤ガス排出マニホールド７６ｂ、燃料ガス供給マニホールド７８ａ、燃料ガス排出マニホールド７８ｂ、一対の冷却媒体供給マニホールド８０ａ及び一対の冷却媒体排出マニホールド８０ｂが取り付けられる。一対の冷却媒体供給マニホールド８０ａは、合流して単一の供給配管構造になる一方、一対の冷却媒体排出マニホールド８０ｂは、同様に合流して単一の排出配管構造になる。

図５に示すように、筐体１６の第１開口部７０ａには、燃料電池スタック１４の第１出力端子２６ａが配置されて外部に延在するとともに、前記燃料電池スタック１４の第１エンドプレート２４ａに一端が固定される一対のマウント部材８２ａ、８２ａが配置される。マウント部材８２ａ、８２ａは、第１開口部７０ａから外部に露呈し、各他端は、車体フレーム８４に固定される。なお、第１開口部７０ａは、少なくとも第１出力端子２６ａが外部に露呈し得る開口面積に設定されていればよい。

図２に示すように、第２エンドプレート２４ｂには、一対のマウント部材８２ｂ、８２ｂの一端が固定されるとともに、前記マウント部材８２ｂ、８２ｂの他端は、車体フレーム８４に固定される。

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２及び図４に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド７６ａから酸化剤ガス入口連通孔４６ａ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７８ａから燃料ガス入口連通孔４８ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給マニホールド８０ａから一対の冷却媒体入口連通孔５０ａ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４に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔４６ａから第１セパレータ４２の酸化剤ガス流路５２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４０を構成するカソード電極６４に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔４８ａから第２セパレータ４４の燃料ガス流路５４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４０を構成するアノード電極６６に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体４０では、カソード電極６４に供給される酸化剤ガスと、アノード電極６６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６４に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔４６ｂ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７６ｂから排出される（図２参照）。一方、アノード電極６６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４８ｂ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７８ｂから排出される。

また、一対の冷却媒体入口連通孔５０ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ４２及び第２セパレータ４４間の冷却媒体流路５６に導入された後、矢印Ｃ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体４０を冷却した後、一対の冷却媒体出口連通孔５０ｂを流通して冷却媒体排出マニホールド８０ｂから排出される。

この場合、第１の実施形態では、燃料電池スタック１４を構成する第２エンドプレート２４ｂは、第１エンドプレート２４ａよりも外形寸法が大きく設定されている。そして、図２に示すように、燃料電池スタック１４が、第１エンドプレート２４ａを先端にして筐体１６内に挿入されると、前記第１エンドプレート２４ａは、シール部材（第１封止部材）７４に当接して前記筐体１６の一端側に設けられている第１開口部７０ａを閉塞する。

一方、第１エンドプレート２４ａよりも外形寸法が大きな第２エンドプレート２４ｂは、筐体１６のフランジ部（第２封止部材）７２に当接し、前記筐体１６の他端側に設けられている第２開口部７０ｂを閉塞する。

このため、第１エンドプレート２４ａ及び第２エンドプレート２４ｂと筐体１６との間には、複雑なシール構造を用いる必要がない。従って、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池スタック１４を筐体１６の内部に確実に密封することが可能になるという効果が得られる。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム９０の概略分解斜視説明図である。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、その詳細な説明は省略する。

燃料電池システム９０は、燃料電池スタック９２を備えるとともに、前記燃料電池スタック９２は、複数の燃料電池９４が矢印Ｂ方向に積層される。図７に示すように、燃料電池９４は、酸化剤ガス及び燃料ガスの供給方向と冷却媒体の供給方向とが逆方向に設定されるとともに、前記酸化剤ガス及び前記燃料ガスの排出方向と前記冷却媒体の排出方向とが逆方向に設定される。

図６に示すように、燃料電池スタック９２の両端には、第１エンドプレート９６ａ及び第２エンドプレート９６ｂが配設される。第２エンドプレート９６ｂには、酸化剤ガス入口連通孔４６ａ、酸化剤ガス出口連通孔４６ｂ、燃料ガス入口連通孔４８ａ及び燃料ガス出口連通孔４８ｂに連通する酸化剤ガス供給マニホールド７６ａ、酸化剤ガス排出マニホールド７６ｂ、燃料ガス供給マニホールド７８ａ及び燃料ガス排出マニホールド７８ｂが取り付けられる。

図８に示すように、第１エンドプレート９６ａには、一対の冷却媒体入口連通孔５０ａ及び一対の冷却媒体出口連通孔５０ｂに連通する一対の冷却媒体供給マニホールド８０ａ及び一対の冷却媒体排出マニホールド８０ｂが取り付けられる。

このように構成される第２の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、９０…燃料電池システム １２…燃料電池自動車
１４、９２…燃料電池スタック １６…筐体
１８、９４…燃料電池 ２４ａ、２４ｂ、９６ａ、９６ｂ…エンドプレート
２６ａ、２６ｂ…出力端子 ２８…連結バー
４０…電解質膜・電極構造体 ４２、４４…セパレータ
４６ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ４６ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
４８ａ…燃料ガス入口連通孔 ４８ｂ…燃料ガス出口連通孔
５０ａ…冷却媒体入口連通孔 ５０ｂ…冷却媒体出口連通孔
５２…酸化剤ガス流路 ５４…燃料ガス流路
５６…冷却媒体流路 ５８、６０、７４…シール部材
６２…固体高分子電解質膜 ６４…カソード電極
６６…アノード電極 ７０ａ、７０ｂ…開口部
７２…フランジ部 ７６ａ…酸化剤ガス供給マニホールド
７６ｂ…酸化剤ガス排出マニホールド ７８ａ…燃料ガス供給マニホールド
７８ｂ…燃料ガス排出マニホールド ８０ａ…冷却媒体供給マニホールド
８０ｂ…冷却媒体排出マニホールド ８２ａ、８２ｂ…マウント部材
８４…車体フレーム

Claims (4)

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燃料電池を備え、複数の前記燃料電池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筐体と、
   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、前記燃料電池の積層方向一端に、第１エンドプレートが配設される一方、前記燃料電池の積層方向他端に、前記第１エンドプレートよりも外形寸法の大きな第２エンドプレートが配設され、
   前記筐体は、一端側に第１開口部を設け、且つ他端側に前記第１開口部よりも開口寸法の大きな第２開口部を設けるとともに、
   前記第１エンドプレートの外面側と前記筐体の前記一端側である有底側端部の内面側との間には、該第１開口部を前記筐体内からシールするための第１封止部材が配設され、
   前記第２エンドプレートの内面側と前記筐体の前記他端側である開口側端部との間には、該第２開口部を前記筐体内からシールするための第２封止部材が配設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、前記筐体の前記一端側である前記有底側端部には、前記第１開口部を形成する壁面が設けられ、
   前記第１封止部材は、前記第１開口部を周回して前記壁面に設けられ、前記第１エンドプレートが密着するシール部材であ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、前記筐体の前記他端側である前記開口側端部には、前記第２開口部を周回して外方に膨出する前記第２封止部材であるフランジ部が設けられ、
   前記第２エンドプレートは、前記フランジ部に密着することを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記第１開口部には、前記第１エンドプレートから延在する第１集電用端子と、前記第１エンドプレートに連結される第１マウント部材とが露出する一方、
   前記第２開口部には、前記第２エンドプレートに接続される配管用マニホールドと、前記第２エンドプレートに連結される第２マウント部材とが露出することを特徴とする燃料電池システム。

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