JP6064304B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池セル積層体（燃料電池スタック）やスタックケース等で構成される燃料電池システムは、例えば燃料電池車（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）に搭載される車載発電システムとして利用されている（例えば特許文献１参照）。燃料電池スタックには、燃料ガス・酸化ガス・冷却水の供給・排出配管がそれぞれ接続され、各配管はスタックケースの外部に接続するためにスタックケースを貫通している。

特開２０１０−２３８５６８号公報

しかしながら、配管のスタックケース貫通部には、ケースの防水性を確保するため、グロメット、防水用フランジなどのスペースを確保する必要がある。そのため、スタックケースの貫通部を有する面の寸法が大きくなり、即ちスタックケースの体格が大きくなる。特に、スタックケースの一つの面に複数の配管を貫通させた場合にはこの課題が顕著である。スタックケースの体格が大きいと、車両衝突時等、スタックケースがボデー部位等に干渉しやすく、燃料電池スタックが損傷するおそれがある。

そこで、本発明は、スタックケースの寸法、即ちスタックケースの体格を十分に低減しうる構造とした燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の燃料電池システムは、燃料電池セル積層体の端部にエンドプレートを配置してなる燃料電池スタックと、少なくとも燃料電池セル積層体を収容するスタックケースと、を有する燃料電池システムであって、
燃料電池に供給または燃料電池から排出される流体の流路がエンドプレートの内部を連通しており、
内部を該流体流路が連通している当該流路付きエンドプレートは、セル積層方向に対し垂直な方向の少なくとも一方向において、スタックケースよりも外側に突出しており、
流路付きエンドプレートの該突出部に流体が出入りする流体出入口が設けられ、
該流体出入口に流体配管が接続されていることを特徴とするものである。

この燃料電池システムにおいては、エンドプレートがセル積層方向に対し垂直な方向の少なくとも一方向においてスタックケースよりも外側に突出するように形成されており、該エンドプレートの内部には、流体流路（例えば冷却水流路）が連通している。つまり、この燃料電池システムによれば、エンドプレートに形成された流路を通じて燃料電池スタックに流体を供給することができるから、従来システムのように配管がスタックケースを貫通する必要がないし、したがって貫通部における防水用フランジやグロメットがスタックケース上に大きなスペースを要していたという問題を排除し、そのぶん、スタックケースの体格を低減させることが可能となる。

この燃料電池において、エンドプレートの燃料電池セル積層体が配置されている反対の面には補機類が配置されており、前記流体配管はエンドプレートの燃料電池セル積層体側から接続されていてもよい。この場合、補機類に接続される配管に干渉せずに、流体配管をエンドプレートに接続することができる。

また、エンドプレートの流体配管が接続された反対の面には流体流路拡張部材が設けられており、エンドプレートおよび流体流路拡張部材にて流体流路が形成されていてもよい。こうした場合、流路が形成される部分のみ拡張することができるため、エンドプレートを厚くすることなく流体流路スペースを確保でき、スタックケースの体格をさらに低減することが可能となる。

かかる燃料電池システムにおいては、流体出入口に対し、流体配管がセル積層方向に沿って接続されていることが好ましい。こうした場合、流体出入口と流体配管との間におけるシール構造を、シール面をＷ方向に垂直なあるいは垂直に近い面として形成することができる。

本発明によれば、スタックケースの寸法、即ちスタックケースの体格を十分に低減しうる構造とすることができる。

本発明の一実施形態における燃料電池システムの構成例を示す図である。 燃料電池システムを構成する燃料電池の一部を示す斜視図である。 燃料電池の一部を示す別角度からの斜視図である。 燃料電池の正面図（ＦＲ方向前方からみた図）である。 図４のＶ−Ｖ線における部分構造を示す図である。 図５中の丸囲み部分を拡大して示す図である。 本発明の特徴を分かりやすく示す燃料電池の概略図である。 従来の燃料電池の構造例を参考として示す図である。 従来の燃料電池の構造の一部を参考として示す斜視図である。

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。以下では、一例として、燃料電池車に搭載されることが予定された燃料電池またはこれを含む燃料電池システムに本発明を適用した場合を例示して説明するが、適用範囲がこのような例に限られることはない。

燃料電池システム１００は、燃料ガスと酸化ガスを電気化学反応させて発電するセル（図示省略）と、該セルを積層してなるセルスタック（図示省略）と、燃料ガスおよび酸化ガスの供給流量を制御する制御手段としての制御装置７００と、を備えたシステムとして構成されている。以下においては、まず燃料電池システム１００の全体構成について説明し、その後、燃料電池１のスタックケース３のＷ寸（車両に搭載された状態での左右方向の寸法）を十分に低減させるための構成例を説明する（図２等参照）。

図１に本実施形態における燃料電池システム１００の概略構成を示す。図示するように、燃料電池システム１００は、燃料電池１と、酸化ガスとしての空気（酸素）を燃料電池１に供給する酸化ガス給排系（以下、酸化ガス配管系ともいう）３００と、燃料ガスとしての水素を燃料電池１に供給する燃料ガス給排系（以下、燃料ガス配管系ともいう）４００と、燃料電池１に冷媒を供給して燃料電池１を冷却する冷媒配管系５００と、システムの電力を充放電する電力系６００と、システム全体を統括制御する制御装置７００と、を備えている。

燃料電池１は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数のセル（単セル）を積層したスタック構造となっている。各セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極および燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータ２０を有している。一方のセパレータ２０の燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータ２０の酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池１は電力を発生する。

酸化ガス配管系３００は、燃料電池１に供給される酸化ガスが流れる供給路１１１と、燃料電池１から排出された酸化オフガスが流れる排出路１１２と、を有している。供給路１１１には、フィルタ１１３を介して酸化ガスを取り込むコンプレッサ１１４と、コンプレッサ１１４により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器１１５と、が設けられている。排出路１１２を流れる酸化オフガスは、背圧調整弁１１６を通って加湿器１１５で水分交換に供された後、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。コンプレッサ１１４は、モータ１１４ａの駆動により大気中の酸化ガスを取り込む。

燃料ガス配管系４００は、水素供給源１２１と、水素供給源１２１から燃料電池１に供給される水素ガスが流れる供給路１２２と、燃料電池１から排出された水素オフガス（燃料オフガス）を供給路１２２の合流点Ａに戻すための循環路１２３と、循環路１２３内の水素オフガスを供給路１２２に圧送するポンプ１２４と、循環路１２３に分岐接続された排出路１２５と、を有している。

水素供給源１２１は、例えば高圧タンクや水素吸蔵合金などで構成され、例えば３５ＭＰａ又は７０ＭＰａの水素ガスを貯留可能に構成されている。水素供給源１２１の元弁１２６を開くと、供給路１２２に水素ガスが流出する。水素ガスは、調圧弁１２７その他の減圧弁により、最終的に例えば２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池１に供給される。

供給路１２２の合流点Ａの上流側には、遮断弁１２８、および供給路１２２内の水素ガスの圧力を検出する圧力センサ１２９が設けられている。水素ガスの循環系は、供給路１２２の合流点Ａの下流側流路と、燃料電池１のセパレータに形成される燃料ガス流路と、循環路１２３とを順番に連通することで構成されている。水素ポンプ１２４は、モータ１２４ａの駆動により、循環系内の水素ガスを燃料電池１に循環供給する。符号１３０は、燃料電池１あるいは水素ガスの温度を検出する温度センサである。

循環路１２３には、水素オフガス（燃料オフガス）の圧力を検出する圧力センサ１３２が設けられている。また、排出路１２５には、遮断弁であるパージ弁１３３が設けられている。パージ弁１３３が燃料電池システム１００の稼動時に適宜開弁することで、水素オフガス中の不純物が水素オフガスと共に図示省略した水素希釈器に排出される。パージ弁１３３の開弁により、循環路１２３内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素濃度が上がる。

冷媒配管系５００は、燃料電池１内の冷却流路に連通する冷媒循環流路１４１と、冷媒循環流路１４１に設けられた冷却ポンプ１４２と、燃料電池１から排出される冷媒を冷却するラジエータ１４３と、ラジエータ１４３をバイパスするバイパス流路１４４と、ラジエータ１４３及びバイパス流路１４４への冷却水の通流を設定する三方弁（切替え弁）１４５と、を有している。冷却ポンプ１４２は、モータ１４２ａの駆動により、冷媒循環流路１４１内の冷媒を燃料電池１に循環供給する。

電力系６００は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１６１、バッテリー（蓄電手段）１６２、トラクションインバータ１６３、トラクションモータ１６４、及び各種の補機インバータ１６５，１６６，１６７を備えている。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１６１は、直流の電圧変換器であり、バッテリー１６２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ１６３側に出力する機能と、燃料電池１又はトラクションモータ１６４から入力された直流電圧を調整してバッテリー１６２に出力する機能と、を有する。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１６１のこれらの機能により、バッテリー１６２の充放電が実現される。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１６１により、燃料電池１の出力電圧が制御される。

バッテリー１６２は、バッテリーセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリーコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。トラクションインバータ１６３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ１６４に供給する。トラクションモータ１６４は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム１００が搭載される例えば車両の主動力源を構成する。

補機インバータ１６５，１６６，１６７は、それぞれ、対応するモータ１１４ａ，１２４ａ，１４２ａの駆動を制御する電動機制御装置である。補機インバータ１６５，１６６，１６７は、直流電流を三相交流に変換して、それぞれ、モータ１１４ａ，１２４ａ，１４２ａに供給する。補機インバータ１６５，１６６，１６７は、例えばパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御装置７００からの制御指令に従って燃料電池１又はバッテリー１６２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、各モータ１１４ａ，１２４ａ，１４２ａで発生する回転トルクを制御する。

制御装置７００は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、ポンプ１２４の解凍制御など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。制御装置７００は、ガス系統（３００，４００）や冷媒配管系５００に用いられる各種の圧力センサや温度センサ、外気温センサなどの検出信号を入力し、各構成要素に制御信号を出力する。

セルモニタ８００は、セルにおける電圧（セル電圧）を測定して発電状況（例えば発電中におけるセル電圧の変動など）を測定するために用いられる電圧センサである（図１参照）。セルモニタ８００による測定結果に基づけば、当該燃料電池１のセル電圧を監視することができる。

続いて、燃料電池１のスタックケース３のＷ寸（車両に搭載された状態での左右方向の寸法）を十分に低減しうるようにするための構成例を説明する（図２等参照）。なお、以下においては、燃料電池車における車両前方方向をＦＲ方向、左右方向をＷ方向という（図８参照）。

まず、従来の構成を挙げつつ、この構成の概略を説明する。一般に、燃料電池車の衝突時などにおいて、ロッカー等のボデー部位が燃料電池スタック２に当たってしまうと当該燃料電池スタック２がダメージを受けるおそれがある。このようなおそれがあることの理由としては、従来構造のスタックケースは、当該燃料電池スタック２の前方側（ＦＲ方向）に配置される配管との接続部における防水シール構造（フランジ）がＷ方向に大きなスペースを必要としているため、このような構造や配置がＷ寸を大きくさせていることが挙げられる（参考として示す図８、図９参照）。

これに対し、本実施形態では、スタックマニホールド金属部（エンドプレート２２）に形成された流路を通じて燃料電池スタック２に流体を供給する構造としている。すなわち、車両衝突時に燃料電池スタック２に作用する外力を軽減させるとすれば、燃料電池スタック２のＷ寸を低減させる必要があるところ、本実施形態では、ラジエータ１４３からの冷媒循環流路１４１がスタックケース３を貫通して燃料電池スタック２に接続する構造とはせず、当該冷媒循環流路１４１を、スタックマニホールド金属部（エンドプレート２２）と接続する構造へと変更している。こうすることで、スタックケース３を配管が貫通する際に必要となるグロメットを廃止し、当該スタックケースのＷ寸を十分に低減することを可能としている。

以下、この構造についてより詳細に説明する（図２等参照）。

燃料電池システム１００（または該燃料電池システム１００を構成する燃料電池１）は、セル積層体２１（図７参照）の端部にエンドプレート２２を配置してなる燃料電池スタック２、セル積層体２１を収容するスタックケース３等を有している。エンドプレート２２の燃料電池セルが配置されている反対の面（別言すれば、エンドプレート２２を挟んで燃料電池スタック２の反対側またはセル積層体２１の反対側）には、水素ポンプ、気液分離器、排気排水弁といった補機類（図示省略）と、該補機類を覆う補機カバー１１が設けられている（図２、図３等参照）。

エンドプレート２２は、その一部がセル積層方向に対し垂直な方向の少なくとも一方向へ向け、スタックケース３よりも外側に突出した突出部２２ａとなるように形成されている。具体例を示すと、本実施形態においては、エンドプレート２２の一部をＦＲ方向（前方）に延ばした形状として突出部２２ａとし、さらに、突出部２２ａのＷ方向内側（すなわち、Ｗ方向の中心寄りの側）に冷媒の一例としての冷却水（以下においては、冷却水である場合について説明する）の入口である冷却水入口４が形成されている。この冷却水入口４には、冷却水の入口配管（冷却水入口配管）１４０が接続される（図７等参照）。

また、エンドプレート２２は、その内部に、冷媒循環流路（以下、冷却水循環流路ともいう）１４１の一部を構成する内部流路１４１Ａが形成された、いわばマニホールド一体型の流路付きエンドプレートとして形成されている。このようにエンドプレート２２の内部を連通した状態の内部流路１４１Ａは、冷却水循環流路１４１から冷却水入口配管１４０を経た冷却水を燃料電池１へと供給する。

なお、本実施形態のエンドプレート２２は、スタックマニホールド（セル積層体２１に形成される、燃料ガス、酸化ガスあるいは冷却水用のマニホールド）の金属部を形成している（図６等参照）。また、本実施形態のスタックマニホールドは金属部の他に樹脂部を有している。図中では、スタックマニホールドのこの樹脂部を符号Ｒで表している（図６等参照）。なお、燃料電池１を正面（ＦＲ方向前方）からみた場合においてスタックマニホールドが形成される領域（スタックマニホールド領域）を、図２中に符号Ａを付して示している。

冷却水入口配管１４０は、冷却水循環流路１４１と、エンドプレート２２に形成された内部流路１４１Ａとの接続部分に配置される配管であり、スタックケース３の外側において冷却水入口４に接続される。この冷却水入口配管１４０と内部流路１４１Ａとの接続部分はフランジ形状とされている（図６等参照）。本実施形態では、エンドプレート２２の内部流路１４１Ａへの入口部分にフランジ部２２ｆを形成し、このフランジ部２２ｆと、冷却水入口配管１４０のフランジ部（防水用フランジ）１４０ｆとを接合する構成としている（図６参照）。

エンドプレート２２のフランジ部２２ｆと冷却水入口配管１４０のフランジ部１４０ｆとの間にはシール部材が設けられている。本実施形態では、内側（内部流路１４１Ａに近い側）に配置された冷却水シール部材１２と、その外側に配置され、外部からの水等の浸入を防ぐ浸水防止シール部材１３の二重シール構造としている（図６等参照）。一般に、このような配管接続部分ないしは防水シール構造の部分に外部から水が付着した場合、高電圧の冷却水を絶縁する能力が必要であり、このためには一重のシールでは足りず、二重のシールが必要な場合が多い。本実施形態では、この点を加味し、二重構造である冷却水シール部材１２と浸水防止シール部材１３との間に所要の絶縁距離を設けている。

また、本実施形態では、エンドプレート２２のＷ方向外側面に配置される冷却水出口配管１４９の一部を冷却水入口配管１４０としている。より詳細に説明すると、エンドプレート２２が薄く、内部流路１４１Ａの流路幅が十分でないことから、本実施形態では冷却水出口配管１４９を構成する冷却水出口マニホールド部材で補機側に流路を広げている（図６等参照）。要は、本実施形態では、内部流路１４１Ａの流路幅を確保するべく、冷却水出口マニホールドによって冷却水入口マニホールドの一部を構成している（図６等参照）。この構成において、冷却水出口マニホールド部材の隔壁（図６において符号１４８Ｂで示す）のうちエンドプレート２２よりもはみ出した部分は、いわば流体流路拡張部材として機能している。このような構成とした場合、流体流路が形成される部分のみ流体流路拡張部材を用いて拡張することができるため、エンドプレート２２を厚くすることなく流体流路スペースを確保でき、スタックケース３のＷ寸をさらに低減しやすくなって有利である。なお、図中において、このようにして広げられた内部流路１４１Ａの拡張幅を符号ｗで示している（図６参照）。

また、各図において、符号１５１はエア入口配管、符号１５２は冷却水出口配管１４９およびエア入口配管１５１の周囲に形成された防水用フランジ部を示す（図２等参照）。

以上のように構成された本実施形態の燃料電池１（あるいはこれを含む燃料電池システム１００）には以下のような利点がある。まず、二重シール構造を構成するフランジ部（エンドプレート２２のフランジ部２２ｆ、冷却水入口配管のフランジ部１４０ｆ）が、従来はＷ方向にスペース（フランジスペース）を大きく占める態様で構成されていたのに対し（図９参照）、本実施形態では燃料電池車の上下方向、前後方向のスペースを大きく占める態様で構成されていることから（図２等参照）、Ｗ方向のスペースを大幅に低減してスタックケース３の体格を小さくするのに有利である。特に、本実施形態の場合には、冷却水入口配管１４０の接続先を、従来のようにスタックケース３に設けるのではなく、エンドプレート２２に設けることとし、尚かつ、エンドプレート２２に形成された冷却水入口４に対して冷却水入口配管１４０をセル積層方向に沿ってＷ方向から接続する構成としたことから、シール面をＷ方向に垂直な（あるいは垂直に近い）面として形成することを可能としている。ここまでの説明から明らかなように、このようにシール構造を構成することはＷ方向のスペースを低減してスタックケース３の体格を小さくするうえで有用である。

しかも、本実施形態のごとき構成によれば、エンドプレート２２のＷ方向の厚みを厚くすることなく冷却水循環流路１４１を形成して流路スペースを確保することが可能である。つまりは、流体流路用のスペースを確保しつつＷ寸を低減してスタックケース３の体格を小さくできるという点で有利である。

加えて、本実施形態では、スタックケース３を貫通させることなく冷却水入口配管１４０を配管している。一般に、冷却水入口配管１４０がスタックケース３を貫通して燃料電池スタック２と接続する構成とすればそのぶんスタックケース３のＷ寸が大きくなりうるが、本実施形態のごとく貫通させないように構成することはＷ寸を低減してスタックケース３の体格を小さくするうえで有利となる。

また、本実施形態では、スタックマニホールド金属部（エンドプレート２２）と配管フランジ（フランジ部１４０ｆ）間のシールを二重シール構造とすることで、外部から水がかかった場合等にスタック絶縁抵抗が低下するのを回避できるようにしている。しかも、本実施形態では、このような二重シール構造において、外側のシールは防水用である浸水防止シール部材１３、内側のシールは冷却水用である冷却水シール部材１２からなる二重構造とし、尚かつ両者間に所要の絶縁距離を設けることで、高電圧の冷却水と外部の水が電気的に導通することの防止を図っている。

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば本実施形態においては、エンドプレート２２の突出部２２ａに対して冷却水入口配管１４０（ないしは冷却水入口４）をＷ方向から接続した形態を示したが、この他、冷却水出口配管１４９（ないしは冷却水出口５）を突出部２２ａに対してＷ方向から接続することによってもスタックケース３のＷ寸の低減を図ることが可能である。

また、上述した実施形態では冷媒が冷却水である場合について説明したが、冷却水は燃料電池１に対して給排される流体の一例にすぎず、これ他の流体であってもよいことはいうまでもない。

本発明は、電解質膜の両面に電極が配置された膜−電極接合体と、該膜−電極接合体を挟持する一対のセパレータと、を有する燃料電池セルが複数積層されてなる燃料電池に適用して好適なものである。

１…燃料電池
２…燃料電池スタック
３…スタックケース
４，５…冷却水入口、冷却水出口（流体出入口）
２１…セル積層体（燃料電池セル積層体）
２２…エンドプレート
２２ａ…（エンドプレートの）突出部
２２ｆ…（エンドプレートに形成された）フランジ部
１００…燃料電池システム
１４０…冷却水入口配管（流体配管）
１４０ｆ…（冷却水入口配管に形成された）フランジ部
１４１…冷却水（冷媒）循環流路（流体流路）
１４１Ａ…内部流路（流体流路）
１４８Ｂ…冷却水出口マニホールドの隔壁（流体流路拡張部材）

Claims (4)

1. 燃料電池を構成する燃料電池セル積層体の端部にエンドプレートを配置してなる燃料電池スタックと、少なくとも前記燃料電池セル積層体を収容するスタックケースと、を有する燃料電池システムであって、
   前記燃料電池に供給され、または該燃料電池から排出される流体の流路が前記エンドプレートの内部を連通しており、
   該流体流路が内部を連通している当該流路付きエンドプレートは、セル積層方向に対し垂直な方向の少なくとも一方向において、前記スタックケースよりも外側に突出しており、
   前記流路付きエンドプレートの該突出部に前記流体が出入りする流体出入口が設けられ、
   該流体出入口に流体配管が接続されていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記エンドプレートの前記燃料電池セル積層体が配置されている反対の面には補機類が配置されており、前記流体配管は前記エンドプレートの前記燃料電池セル積層体側から接続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. 前記エンドプレートの前記流体配管が接続された反対の面には流体流路拡張部材が設けられており、前記エンドプレートおよび前記流体流路拡張部材にて前記流体流路が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記流体出入口に対し、前記流体配管が前記セル積層方向に沿って接続されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

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