JP6117738B2 - 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とともに、積層方向両端部にエンドプレートが配設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。

燃料電池スタックでは、特に車載用燃料電池スタックとして使用される際、燃料ガス（例えば、水素ガス）系デバイスや酸化剤ガス（例えば、空気）系デバイス等をコンパクト且つ効率的に配置することが望まれている。その際、車両衝突時に、燃料ガス系デバイスを優先して保護する必要がある。

このため、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池の配管構造が知られている。この配管構造は、スタックをケースに収めて車両に搭載している。ケース内では、スタックに接続される燃料ガス配管、酸化ガス配管、冷媒配管が配置されている。そして、燃料ガス配管は、入側燃料ガス配管及び出側燃料ガス配管が酸化ガス配管及び冷媒配管よりもセル積層方向にスタック側に配置して、最もスタック側に配置している。

上記の配管構造では、燃料電池スタックの一端側にあるエンドプレートには、冷媒をスタック内の冷媒マニホールドに供給・排出する冷媒配管と、反応ガスをスタック内のガスマニホールドに供給・排出するガス配管とが接続されている。ガス配管は、燃料ガスをスタック内の燃料ガスマニホールドに供給・排出する燃料ガス配管と、酸化ガスをスタック内の酸化ガスマニホールドに供給・排出する酸化ガス配管とを有している。そして、燃料ガス配管、酸化ガス配管及び冷媒配管のうち、前記燃料ガス配管が、最も車両内側に配置されている。

特許第３６７１８６４号公報

ところで、上記の燃料電池スタックは、ケース内に収容されており、一方のエンドプレートに装着された燃料ガス配管、酸化ガス配管及び冷媒配管は、前記ケースにより覆われている。しかしながら、車両衝突によりケースに大きな外部負荷（荷重）が作用すると、前記ケースがエンドプレート側に変形する場合がある。その際、変形したケースは、冷媒配管及び酸化ガス配管に損傷を与え、さらに燃料ガス配管の損傷が惹起されるおそれがある。

そこで、ケース自体の剛性を向上させる工夫が考えられる。しかしながら、ケース自体が肉厚化して重量物になるとともに、大型化してしまう。これにより、ケースの取り扱い作業性が低下するとともに、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、軽量且つコンパクトな構成で、外部荷重を確実に受けることができ、特に燃料ガス系デバイスの損傷を可及的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とともに、積層方向両端部にエンドプレートが配設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ものである。

この燃料電池システムでは、いずれか一方のエンドプレートには、複数の燃料ガス系デバイスが配設され、一端が開放する箱形状を有するカバー部材が前記燃料ガス系デバイスを覆うように設けられている。そして、一方のエンドプレートには、積層方向外方に突出し、先端部でカバー部材を支持する支持棒体が設けられ、前記カバー部材の開口側の外周端部が前記一方のエンドプレートに固定されている。

また、この燃料電池システムでは、複数本の支持棒体が設けられるとともに、前記支持棒体の先端部には、ねじ部が設けられ、前記ねじ部と該ねじ部に螺合するナット部とによりカバー部材が固定されることが好ましい。

さらに、この燃料電池システムでは、燃料ガス系デバイスには、支持棒体を挿通させる貫通孔が形成されることが好ましい。

さらにまた、この燃料電池システムでは、エンドプレート間に連結され、積層された複数の燃料電池に積層方向に締め付け荷重を付与する連結バーを備え、前記エンドプレートの前記連結バーの端部近傍には、支持棒体が配置されることが好ましい。

本発明によれば、燃料ガス系デバイスを覆うカバー部材は、一方のエンドプレートに積層方向に突出して設けられる支持棒体の先端部に支持されている。このため、カバー部材に外部荷重が付与された際、前記外部荷重は、支持棒体によりエンドプレート側に伝達される。

従って、カバー部材が変形することを良好に抑制することが可能になり、軽量且つコンパクトな構成で、外部荷重を確実に受けることができる。これにより、特に燃料ガス系デバイスの損傷を可及的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が搭載される燃料電池車両の概略全体構成を模式的に示した説明図である。 前記燃料電池システムの概略構成説明図である。 前記燃料電池システムを構成する燃料電池スタックの一部分解斜視図である。 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。 前記燃料電池スタックの一方の端部側の説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムを構成する燃料電池スタックの一部分解斜視図である。 前記燃料電池スタックの一方の端部側の説明図である。

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、燃料電池電気自動車等の燃料電池車両１２に搭載される車載用燃料電池システムを構成する。燃料電池システム１０では、燃料電池スタック１４が前輪１６ｆ、１６ｆの近傍のモータルーム１８内に配設される。後輪１６ｒ、１６ｒ間には、後述する水素タンク９０が配設される。

図２に示すように、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に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置２０とを備える。燃料電池システム１０は、図示しないが、さらに燃料電池スタック１４に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料電池スタック１４に冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置とを備える。

図３に示すように、燃料電池スタック１４は、複数の燃料電池２２が水平方向（矢印Ｂ方向）又は重力方向（矢印Ｃ方向）に積層される。燃料電池２２の積層方向一端には、第１ターミナルプレート２４ａ、第１絶縁プレート２６ａ及び第１エンドプレート（一方のエンドプレート）２８ａが、外方に向かって順次配設される。燃料電池２２の積層方向他端には、第２ターミナルプレート２４ｂ、第２絶縁プレート２６ｂ及び第２エンドプレート２８ｂが、外方に向かって順次配設される。燃料電池スタック１４は、車幅方向（矢印Ｂ方向）に燃料電池２２が積層され、車幅方向両端に第１エンドプレート２８ａと第２エンドプレート２８ｂとを備える。

横長形状の第１エンドプレート２８ａの中央部からは、第１ターミナルプレート２４ａに接続された第１電力出力端子３０ａが外方に向かって延在する。横長形状の第２エンドプレート２８ｂの中央部からは、第２ターミナルプレート２４ｂに接続された第２電力出力端子３０ｂが外方に向かって延在する。第１エンドプレート２８ａと第２エンドプレート２８ｂの各辺間には、連結バー３２の両端が複数のねじ３４により固定され、複数の積層された燃料電池２２に積層方向（矢印Ｂ方向）の締め付け荷重を付与する。

図４に示すように、燃料電池２２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３６が、第１セパレータ３８及び第２セパレータ４０に挟持される。第１セパレータ３８及び第２セパレータ４０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２２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、酸化剤ガス入口連通孔４２ａ及び燃料ガス出口連通孔４４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。酸化剤ガス入口連通孔４２ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガス（以下、空気ともいう）を供給する一方、燃料ガス出口連通孔４４ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガス（以下、水素ガスともいう）を排出する。

燃料電池２２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４４ａ、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４２ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

燃料電池２２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（又は１つ）の冷却媒体入口連通孔４６ａが設けられる。燃料電池２２の矢印Ｃ方向の下端縁部には、冷却媒体を排出するための一対（又は１つ）の冷却媒体出口連通孔４６ｂが設けられる。

第１セパレータ３８の電解質膜・電極構造体３６に向かう面３８ａには、酸化剤ガス入口連通孔４２ａと酸化剤ガス出口連通孔４２ｂとに連通する酸化剤ガス流路４８が設けられる。

第２セパレータ４０の電解質膜・電極構造体３６に向かう面４０ａには、燃料ガス入口連通孔４４ａと燃料ガス出口連通孔４４ｂとに連通する燃料ガス流路５０が設けられる。

互いに隣接する燃料電池２２を構成する第１セパレータ３８の面３８ｂと、第２セパレータ４０の面４０ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔４６ａと冷却媒体出口連通孔４６ｂとを連通する冷却媒体流路５２が設けられる。

第１セパレータ３８と第２セパレータ４０とには、シール部材５４とシール部材５６とが、一体的又は個別に設けられる。シール部材５４、５６は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、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等の弾性を有するシール部材を使用する。

電解質膜・電極構造体３６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５８と、前記固体高分子電解質膜５８を挟持するカソード電極６０及びアノード電極６２とを備える。固体高分子電解質膜５８は、カソード電極６０及びアノード電極６２よりも大きな平面寸法に設定されているが、これに限定されるものではない。

カソード電極６０及びアノード電極６２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、例えば、固体高分子電解質膜５８の両面に形成される。

図３に示すように、第１エンドプレート２８ａには、酸化剤ガス入口連通孔４２ａ、酸化剤ガス出口連通孔４２ｂ、燃料ガス入口連通孔４４ａ及び燃料ガス出口連通孔４４ｂが形成される。第２エンドプレート２８ｂには、図示しないが、冷却媒体入口連通孔４６ａ及び冷却媒体出口連通孔４６ｂが形成される。

第１エンドプレート２８ａの外側の面（燃料電池２２の積層体側とは反対の面）には、ブロック部材６４を介して燃料ガス系デバイス群（複数の燃料ガス系デバイス）６６の一部が配設される。ブロック部材６４に取り付けられる燃料ガス系デバイス群６６は、少なくとも後述するエゼクタ９６、水素ポンプ１０６、気液分離器（タンク）１０４、パージ弁１０８及び逆止弁１０２のいずれかを備える。なお、燃料ガス系デバイス群６６は、図示しないが、例えば、インジェクタを備えてもよい。

ブロック部材６４の内部には、図示しないが、所定のデバイスに燃料ガスの供給や排出を行うための流路６８が形成される。ブロック部材６４には、燃料ガス入口連通孔４４ａと燃料ガス出口連通孔４４ｂとに連結される配管部７０ａ、７０ｂが一体又は別体に設けられる。ブロック部材６４は、第１エンドプレート２８ａにねじ止め等により固定される。

第１エンドプレート２８ａには、燃料ガス系デバイス群６６を覆ってカバー部材７２が設けられる。カバー部材７２は、一端が開放される箱形状を有し、開口側の外周縁部には、複数の孔部７４が形成される。第１エンドプレート２８ａの４辺には、それぞれ所定数の、すなわち、孔部７４に対応するねじ穴７６が形成される。ねじ７８は、孔部７４に挿入されて先端部がねじ穴７６に螺合することにより、カバー部材７２が第１エンドプレート２８ａに固定される（図３及び図５参照）。

第１エンドプレート２８ａには、積層方向外方に突出し、先端部でカバー部材７２を支持する支持棒体８０が設けられる。支持棒体８０は、第１エンドプレート２８ａの変形量が大きな部位、すなわち、第１エンドプレート２８ａを積層方向から見て、連結バー３２から離間する部位に２本以上、例えば、４本配置される。図５に示すように、各支持棒体８０の一端部には、小径なねじ部８０ｔが設けられ、前記ねじ部８０ｔは、第１エンドプレート２８ａのプレート面に形成されたねじ穴７６ａに螺合する。各支持棒体８０の他端部には、肩部８０ｓが設けられるとともに、前記肩部８０ｓを介して小径なねじ部８０ａが形成される。

カバー部材７２には、支持棒体８０に対応して４つの孔部８２が形成される。ブロック部材６４には、必要に応じて、支持棒体８０に対応して４つの孔部（貫通孔）８４が形成される。各支持棒体８０のねじ部８０ａは、ブロック部材６４の孔部８４及びカバー部材７２の底部の孔部８２を貫通して外部に突出し、ワッシャ８３を介してナット８６が螺合される（図５参照）。

図２に示すように、燃料ガス供給装置２０は、高圧水素を貯留する水素タンク９０を備える。水素タンク９０は、水素供給流路９２を介して燃料電池スタック１４の燃料ガス入口連通孔４４ａに連通する。水素供給流路９２には、減圧弁９３、遮断弁９４、エゼクタ９６及び水素循環路９８が設けられる。

エゼクタ９６は、水素タンク９０から供給される水素ガスを、水素供給流路９２を通って燃料電池スタック１４に供給する。エゼクタ９６は、燃料電池スタック１４で使用されなかった未使用の水素ガスを含む排ガスを、水素循環路９８から吸引して、再度、前記燃料電池スタック１４に燃料ガスとして供給する。

燃料ガス出口連通孔４４ｂには、オフガス流路１００が連通する。オフガス流路１００の途上には、水素循環路９８が連通するとともに、前記水素循環路９８には、逆止弁１０２が配設される。オフガス流路１００の上流側には、気液分離器１０４及び水素ポンプ１０６が配設されるとともに、前記気液分離器１０４には、パージ弁１０８が接続される。

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、燃料電池システム１０の運転時には、図２に示すように、燃料ガス供給装置２０では、遮断弁９４が開放されることにより水素タンク９０から導出された水素ガスは、減圧弁９３により減圧された後、水素供給流路９２に供給される。この水素ガスは、水素供給流路９２を通って燃料電池スタック１４の燃料ガス入口連通孔４４ａに供給される。

図４に示すように、水素ガスは、燃料ガス入口連通孔４４ａから第２セパレータ４０の燃料ガス流路５０に導入される。この水素ガスは、矢印Ａ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体３６を構成するアノード電極６２に供給される。

一方、酸化剤ガス供給装置（図示せず）から供給される酸化剤ガス（空気）は、燃料電池スタック１４の酸化剤ガス入口連通孔４２ａに導入される。この酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔４２ａから第１セパレータ３８の酸化剤ガス流路４８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３６を構成するカソード電極６０に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体３６では、アノード電極６２に供給される水素ガスと、カソード電極６０に供給される空気とが、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。

使用済みの水素ガスは、図２に示すように、燃料ガス出口連通孔４４ｂからオフガス流路１００に排出され、気液分離器１０４に導入される。気液分離器１０４で液状水が除去された水素ガスは、水素循環路９８を介してエゼクタ９６に吸引され、燃料ガスとして、再度、燃料電池スタック１４に供給される。一方、使用済みの空気は、図４に示すように、酸化剤ガス出口連通孔４２ｂから燃料電池スタック１４の外部に排出される。

また、冷却媒体供給装置（図示せず）から一対の冷却媒体入口連通孔４６ａに冷却媒体が供給される。この冷却媒体は、第１セパレータ３８及び第２セパレータ４０間の冷却媒体流路５２に導入された後、矢印Ｃ方向に流通する。冷却媒体は、電解質膜・電極構造体３６を冷却した後、一対の冷却媒体出口連通孔４６ｂを流通して冷却媒体循環系に排出される。

この場合、第１の実施形態では、図３に示すように、第１エンドプレート２８ａの外側の面には、ブロック部材６４を介して燃料ガス系デバイス群６６が配設されている。具体的には、エゼクタ９６、水素ポンプ１０６、気液分離器１０４、パージ弁１０８及び逆止弁１０２が、ブロック部材６４に取り付けられている。

さらに、第１エンドプレート２８ａには、燃料ガス系デバイス群６６を覆ってカバー部材７２が設けられている。そして、第１エンドプレート２８ａには、積層方向外方に突出し、先端部でカバー部材７２を支持する支持棒体８０が螺合されている。すなわち、燃料ガス系デバイス群６６を覆うカバー部材７２は、第１エンドプレート２８ａに積層方向に突出して設けられる支持棒体８０の先端部に支持されている。

このため、図５に示すように、カバー部材７２に外部荷重が付与された際、前記外部荷重は、支持棒体８０により第１エンドプレート２８ａ側に伝達される。さらに、外部荷重は、連結バー３２を介して第２エンドプレート２８ｂ側に伝達される。

従って、カバー部材７２が変形することを良好に抑制することが可能になるとともに、燃料ガス系デバイス群６６、例えば、エゼクタ９６、水素ポンプ１０６、気液分離器１０４、パージ弁１０８及び逆止弁１０２等には、直接、外部荷重が付与されることがない。

しかも、ブロック部材６４には、孔部８４が設けられるとともに、前記孔部８４及びカバー部材７２の孔部８２に支持棒体８０のねじ部８０ａが挿入されている。このため、ブロック部材６４は、支持棒体８０により正確且つ良好に位置決め保持されることができる。

これにより、第１の実施形態では、軽量且つコンパクトな構成で、外部荷重を確実に受けることができ、特に燃料ガス系デバイス群６６の損傷を可及的に抑制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１１０を構成する燃料電池スタック１１２の一部分解斜視図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０を構成する燃料電池スタック１４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。

図６及び図７に示すように、第１エンドプレート２８ａには、各連結バー３２ａの端部近傍（付近）に、矢印Ｂ方向外方に延在して別部品である支持棒体１１４が設けられる。図７に示すように、支持棒体１１４の一端部には、小径なねじ部１１４ｔが設けられ、前記ねじ部１１４ｔは、第１エンドプレート２８ａのプレート面に形成されたねじ穴７６ａに螺合する。支持棒体１１４は、各連結バー３２ａの端部と積層方向から見て重なり部を有することが好ましい。支持棒体１１４は、連結バー３２ａに一体成形されてもよく、又は、別部材の前記支持棒体１１４を前記連結バー３２ａの端部に溶接等により一体化してもよい。各支持棒体１１４の他端部には、肩部１１４ｓが設けられるとともに、前記肩部１１４ｓを介して小径なねじ部１１４ａが形成される。

燃料ガス系デバイス群６６ａは、ブロック部材６４ａを備え、前記ブロック部材６４ａには、支持棒体１１４に対応して、例えば、４つの孔部（貫通孔）８４ａが、前記支持棒体１１４と同軸上に形成される。各支持棒体１１４のねじ部１１４ａは、ブロック部材６４ａの孔部８４ａ及びカバー部材７２ａの底部の孔部８２ａを貫通して外部に突出し、ワッシャ８３を介してナット８６が螺合される。

このように構成される第２の実施形態では、軽量且つコンパクトな構成で、外部荷重を確実に受けることができる。従って、特に燃料ガス系デバイス群６６ａの損傷を可及的に抑制することが可能になる等、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、各支持棒体１１４は、第１エンドプレート２８ａの連結バー３２ａの端部近傍に設けられている。これにより、図７に示すように、カバー部材７２ａに外部荷重が付与された際、前記外部荷重は、各支持棒体１１４から各連結バー３２ａに伝達される。このため、カバー部材７２ａに付与された外部荷重により、第１エンドプレート２８ａが変形することを一層確実に抑制することができるという利点が得られる。

１０、１１０…燃料電池システム １２…燃料電池車両
１４、１１２…燃料電池スタック ２０…燃料ガス供給装置
２２…燃料電池 ２８ａ、２８ｂ…エンドプレート
３６…電解質膜・電極構造体 ３８、４０…セパレータ
４２ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ４２ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
４４ａ…燃料ガス入口連通孔 ４４ｂ…燃料ガス出口連通孔
４６ａ…冷却媒体入口連通孔 ４６ｂ…冷却媒体出口連通孔
４８…酸化剤ガス流路 ５０…燃料ガス流路
５２…冷却媒体流路 ５８…固体高分子電解質膜
６０…カソード電極 ６２…アノード電極
６４、６４ａ…ブロック部材 ６６、６６ａ…燃料ガス系デバイス群
７２、７２ａ…カバー部材 ８０、１１４…支持棒体
８０ａ、１１４ａ…ねじ部 ８４、８４ａ…孔部
９０…水素タンク ９４…遮断弁
９６…エゼクタ １０２…逆止弁
１０４…気液分離器 １０６…水素ポンプ
１０８…パージ弁

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とともに、積層方向両端部にエンドプレートが配設される燃料電池スタックを備える燃料電池システムであって、
   いずれか一方のエンドプレートには、複数の燃料ガス系デバイスが配設され、一端が開放する箱形状を有するカバー部材が前記燃料ガス系デバイスを覆うように設けられるとともに、
   前記一方のエンドプレートには、積層方向外方に突出し、先端部で前記カバー部材を支持する支持棒体が設けられ、
   前記カバー部材の開口側の外周端部が前記一方のエンドプレートに固定されてい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、複数本の前記支持棒体が設けられるとともに、
   該支持棒体の先端部には、ねじ部が設けられ、前記ねじ部と該ねじ部に螺合するナット部とにより前記カバー部材が固定さ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、前記燃料ガス系デバイスには、前記支持棒体を挿通させる貫通孔が形成され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、前記エンドプレート間に連結され、積層された複数の前記燃料電池に積層方向に締め付け荷重を付与する連結バーを備え、
   前記エンドプレートの前記連結バーの端部近傍には、前記支持棒体が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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