JP6295920B2 - 燃料電池のエンドプレート - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池本体からの排気をハウジング内に導入して水と分離する気液分離器を備える燃料電池のエンドプレートに関する。

燃料電池装置は、複数のセルを積層することにより形成された燃料電池本体と、燃料電池本体をセルの積層方向において挟持する一対のエンドプレートとを有する燃料電池スタックを備えている（例えば特許文献１参照）。

特許文献１に記載の燃料電池スタックには、燃料電池本体に対して燃料ガス（例えば水素）や酸化剤ガス（例えば空気）を供給する供給通路がそれぞれ形成されている。また、燃料電池スタックには、燃料電池本体からの燃料ガスや酸化剤ガスを排出する排出通路がそれぞれ形成されている。燃料ガスの排出通路には、燃料電池本体からの燃料ガス（以下、排気と称する。）をハウジング内に導入して水と分離する気液分離器が設けられている。この気液分離器は、配管を介してエンドプレートの外側面に連結されている。なお、気液分離器において分離された水は、排水弁を通じてハウジング外の希釈ボックスに排出される。

特開２０１４―４４７９７号公報

ところで、特許文献１においては、気液分離器がエンドプレートの外側に露出しているため、燃料電池装置の運転が停止され、外気温が氷点下になると、排気に含まれる水蒸気が凝縮し、その凝縮水が凍結することで排水弁が固着することがある。その結果、燃料電池装置の運転を再開する際に、排水弁の固着によってハウジング外に水を排出することができなくなるおそれがある。

本発明の目的は、凝縮水の凍結によってハウジング外に水を排出する排水弁が早期に固着することを抑制することができる燃料電池のエンドプレートを提供することにある。

上記目的を達成するための燃料電池のエンドプレートは、燃料電池本体の一端に設けられる。エンドプレートは、金属材料により形成されたプレート本体と、前記燃料電池本体からの排気をハウジング内に導入して水と分離し、その分離された水を前記ハウジング外に排出する気液分離器と、を備え、前記ハウジングは樹脂材料によって形成され、前記プレート本体に当接されている。

同構成によれば、気液分離器のハウジングがプレート本体に当接されているため、燃料電池本体の熱がハウジングに効果的に伝えられる。このため、ハウジングが外気によって冷やされにくくなる。従って、燃料電池装置の運転が停止された後、ハウジングの温度低下が緩やかになり、排気に含まれる水蒸気が早期に凝縮して凝縮水となること、ひいてはその凝縮水が早期に凍結することが抑制される。

本発明によれば、凝縮水の凍結によってハウジング外に水を排出する排水弁が早期に固着することを抑制することができる。

一実施形態に係る燃料電池のエンドプレートにおける気液分離器を中心とした斜視図。 同実施形態に係る気液分離器のケースを内側から視た図。 同実施形態に係る気液分離器のキャップを内側から視た図。 同実施形態に係る気液分離器の断面図。 図４の５−５線に沿った断面図。 同実施形態に係る燃料電池のエンドプレートの正面図。 同実施形態に係る燃料電池のエンドプレートの背面図。

以下、図１〜図７を参照して、一実施形態について説明する。なお、図１〜図４、図６及び図７における上下方向が鉛直方向の上下方向に対応している。
図１に示すように、燃料電池装置は、車両に搭載されるものであり、複数のセル（図示略）を積層することにより形成された固体高分子形の燃料電池本体９１と、燃料電池本体９１をセルの積層方向において挟持する一対のエンドプレート１０とを備えた燃料電池スタック９０を備えている。なお、同図においては、燃料電池本体９１の一端に設けられたエンドプレート１０のみを燃料電池本体９１から離間して示している。

以降においては、このエンドプレート１０を中心とした燃料ガスの循環構造について説明する。なお、本実施形態では、燃料ガスとして水素が用いられている。
図１、図２、図５、及び図６に示すように、エンドプレート１０は、例えばアルミニウムなどの金属材料により形成されたプレート本体１１を有しており、同プレート本体１１にはその厚さ方向に貫通する複数の貫通孔１４が形成されている。

図１に示すように、燃料電池スタック９０には、燃料電池本体９１からの燃料ガス（以下、排気と称する。）を排出する排出通路８１、及び排出通路８１からの排気を水と分離する気液分離器２０が設けられている。また、燃料電池スタック９０には、気液分離器２０とポンプ７０とを接続する接続通路８３、及びポンプ７０と燃料電池本体９１とを接続して気液分離器２０からの排気を燃料電池本体９１に戻す戻し通路８５が設けられている。

次に、気液分離器２０の構成について説明する。
図１、図４及び図５に示すように、気液分離器２０のハウジング２１は、いずれも硬質樹脂材料によって形成されたケース３０と、ケース３０の開口３１を覆うキャップ４０とを備えている。

図１、図２及び図５に示すように、ケース３０は、プレート本体１１の貫通孔１４に埋設されており、インサート成形によってプレート本体１１と一体形成されている。図２、図４及び図５に示すように、エンドプレート１０の外側面、すなわち正面には、ケース３０の開口３１が形成されており、同開口３１の周縁にはフランジ３２が形成されている。ケース３０には、エンドプレート１０を貫通するとともに前記排出通路８１に接続される排気入口３５がフランジ３２の内周縁と隣り合って形成されている。

図２、図４及び図５に示すように、ケース３０には、キャップ４０に対向する対向面３３と、同対向面３３からキャップ４０に向けて延びる正面視略Ｕ字状の延設部３４とが形成されている。延設部３４には、エンドプレート１０を貫通するとともに前記接続通路８３に接続される排気出口３６が形成されている。

図２に示すように、プレート本体１１には、フランジ３２を囲むようにシート面１２が形成されており、同シート面１２には複数の雌ねじ孔１３ａ〜１３ｄが互いに間隔をおいて形成されている。

図４及び図５に示すように、排気入口３５には、排出通路８１を通じてハウジング２１内に流入する異物を捕捉するフィルタ６０が同ハウジング２１の内側から内挿されている。

図５に示すように、フィルタ６０は、排気入口３５に挿通される円筒状の基部６１と、同基部６１の先端に設けられ、メッシュ状の部位を有する濾過部６５とを備えている。基部６１及び濾過部６５は樹脂材料によって形成されている。基部６１の外周面には環状溝６２が形成されており、環状溝６２にはＯリング６６が外嵌されている。このＯリング６６によって基部６１の外周面と排気入口３５の内周面との間がシールされている。基部６１の先端外周面には、環状の拡径部６３が形成されている。

図３及び図５に示すように、キャップ４０の開口４１の周縁にはフランジ４２が形成されている。フランジ４２における前記雌ねじ孔１３ａ〜１３ｄに対応する位置には、ボルト孔４６ａ〜４６ｄが形成されている。

図１及び図４に示すように、キャップ４０には、排気から分離された水をハウジング２１外へ排出する排水出口４５が形成されている。また、キャップ４０には、排水出口４５を開閉する排水弁５０が設けられている。排水弁５０は、図示しない駆動部によって弁体５１を図４の左右方向に変位させることによって排水出口４５を開閉する。

キャップ４０のボルト孔４６ａ〜４６ｄにそれぞれボルト２２を挿通し、同ボルト２２をそれぞれプレート本体１１の雌ねじ孔１３ａ〜１３ｄに螺入することにより、図１に示すようにキャップ４０がプレート本体１１に締結される。なお、ケース３０のフランジ３２及びプレート本体１１のシート面１２とキャップ４０のフランジ４２との間には、シール部材（図示略）が介設される。

図３及び図４に示すように、キャップ４０のフランジ４２の内周縁には、３つの規制突部４４ａ〜４４ｃが互いに間隔をおいて形成されている。これら規制突部４４ａ〜４４ｃはキャップ４０の底面まで延びている。図５に示すように、規制突部４４ａはフィルタ６０の拡径部６３の端面６４に当接されている。なお、他の２つの規制突部４４ｂ，４４ｃも前記規制突部４４ａと同様にしてフィルタ６０の前記端面６４に当接されている（図４参照）。すなわち、これら規制突部４４ａ〜４４ｃの端面は、排気入口３５に対するフィルタ６０の挿通方向（図５の上下方向）においてフィルタ６０の拡径部６３の端面６４に対向しており、排気入口３５からフィルタ６０が抜けようとすることが規制突部４４ａ〜４４ｃによって規制されている。

次に、ポンプ７０、接続通路８３及び戻し通路８５の構成について説明する。
図６に示すように、ポンプ７０は、駆動部（図示略）を有するポンプ本体７１、ポンプ本体７１に排気を導入する導入孔７３を有する導入部７２、及びポンプ本体７１からの排気を導出する導出孔７５を有する導出部７４を備えている。導入部７２及び導出部７４はいずれも硬質樹脂材料によって形成されている。導入部７２及び導出部７４は、プレート本体１１の貫通孔１４にそれぞれ埋設されており、インサート成形によってプレート本体１１と一体形成されている。エンドプレート１０の外側面には、導入部７２及び導出部７４の開口が形成されており、これら開口の周縁には、ケース３０のフランジ３２と同様なフランジが形成されている。ポンプ本体７１はボルト（図示略）によりプレート本体１１に締結される。

図７に示すように、エンドプレート１０の内側面、すなわち背面には、前記ケース３０の排気出口３６と、ポンプ７０の導入孔７３とを接続する接続通路８３が形成されている。接続通路８３は、硬質樹脂材料によって形成されており、インサート成形によってプレート本体１１と一体形成されている。接続通路８３の底面８４は導入孔７３に向けて、すなわちポンプ７０に向けて登りの傾斜面とされている。また、この底面８４には、排気出口３６に向けて、すなわち気液分離器２０のハウジング２１に向けて水が移動することを規制する凸部８４１が形成されている。

また、エンドプレート１０の内側面には、導出孔７５を通じてポンプ７０から吐出された排気を燃料電池本体９１の端面に開口する燃料ガスの供給通路９２に向けて戻す戻し通路８５が形成されている。戻し通路８５は、硬質樹脂材料によって形成されており、インサート成形によってプレート本体１１と一体形成されている。戻し通路８５の底面８６には、導出孔７５に向けて、すなわちポンプ７０に向けて水が移動することを規制する凸部８６１が形成されている。

接続通路８３及び戻し通路８５はいずれも同図の紙面手前側に向けて開口しているが、これらの開口部はエンドプレート１０の内側面に隣接する燃料電池本体９１の端面によって閉塞される。

次に、本実施形態の作用について説明する。
気液分離器２０においては、ハウジング２１がエンドプレート１０のプレート本体１１に当接されていることから、燃料電池本体９１の熱がハウジング２１に効果的に伝えられる。このため、ハウジング２１が外気によって冷やされにくくなる。従って、燃料電池装置の運転が停止された後、ハウジング２１の温度低下が緩やかになり、排気に含まれる水蒸気が早期に凝縮して凝縮水となること、ひいてはその凝縮水が早期に凍結することが抑制される。よって、凝縮水の凍結によって排水弁５０が早期に固着することを抑制することができる。

また、上記構成によれば、燃料電池装置の運転が再開された後、燃料電池本体９１の熱がハウジング２１に効果的に伝えられるため、ハウジング２１の温度上昇が促進される。このため、凝縮水の凍結により排水弁５０が固着している状態から当該固着が解消された正常な状態に早期に復帰することができる。

以上説明した本実施形態に係る燃料電池のエンドプレートによれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）気液分離器２０のハウジング２１がエンドプレート１０のプレート本体１１に当接されている。

こうした構成によれば、燃料電池本体９１の熱がハウジング２１に効果的に伝えられるため、ハウジング２１が外気によって冷やされにくくなる。従って、燃料電池装置の運転が停止された後、ハウジング２１の温度低下が緩やかになり、排気に含まれる水蒸気が早期に凝縮して凝縮水となること、ひいてはその凝縮水が早期に凍結することが抑制される。よって、凝縮水の凍結によって排水弁５０が早期に固着することを抑制することができる。

また、上記構成によれば、燃料電池装置の運転が再開された後、燃料電池本体９１の熱がハウジング２１に効果的に伝えられるため、ハウジング２１の温度上昇が促進される。このため、凝縮水の凍結により排水弁５０が固着している状態から当該固着が解消された正常な状態に早期に復帰することができる。

（２）ハウジング２１は、エンドプレート１０を貫通する排気入口３５が形成され、プレート本体１１と一体形成されたケース３０と、ケース３０の開口３１を覆うとともに、分離された水をハウジング２１外へ排出する排水出口４５が形成されたキャップ４０と、を備えている。

こうした構成によれば、気液分離器のハウジングがエンドプレートとは別に設けられる構成とは異なり、エンドプレートを貫通する排出通路と、気液分離器のハウジングとを配管により接続する必要がなくなる。従って、エンドプレート１０が適用される燃料電池スタック９０の部品点数を削減することができ、その構成を簡易なものとすることができる。

（３）ケース３０は、キャップ４０に対向する対向面３３からキャップ４０に向けて延びる延設部３４を有しており、延設部３４には、エンドプレート１０を貫通する排気出口３６が形成されている。

ハウジング２１内において水と分離された排気は、排気出口３６を通じてポンプ７０に向けて、すなわち燃料電池本体９１に向けて戻される。このとき、上記構成によれば、図５に実線矢印にて示すように、ハウジング２１内の排気がケース３０の対向面３３に衝突しやすくなる。このため、排気に含まれている水が対向面３３によって分離されやすくなる。従って、気液分離器２０の性能を向上させることができる。

（４）エンドプレート１０の背面には、排気出口３６とポンプ７０とを接続する接続通路８３が形成されており、接続通路８３の底面８４がポンプ７０に向けて登りの傾斜面とされている。

ハウジング２１内において水と分離された排気は、ポンプ７０によって吸引されることにより、排気出口３６を通じて接続通路８３内に流入する。この排気には気液分離器２０において分離することができなかった水が含まれている。上記構成によれば、接続通路８３内に流入した水はその底面８４を伝ってポンプ７０に向けて移動しにくくなり、ハウジング２１に向けて流れ落ちやすくなる。このため、燃料電池装置の運転が停止された後にポンプ７０に水が溜まることを抑制することができる。従って、水の凍結によってポンプ７０が固着することを抑制することができる。

（５）接続通路８３の底面８４には、気液分離器２０のハウジング２１に向けて水が移動することを規制する凸部８４１が形成されている。
燃料電池装置の運転が停止された後に、接続通路８３内の水が気液分離器２０のハウジング２１に戻ると、同ハウジング２１内に溜まる水の量が増えることとなる。そのため、ハウジング２１内に溜まった水の凍結によって排水弁５０が固着しやすくなる。

この点、上記構成によれば、接続通路８３内の水がその底面８４を伝ってハウジング２１に向けて移動することが凸部８４１によって規制される。このため、ハウジング２１内に溜まる水の量が増えることを抑制することができ、水の凍結によって排水弁５０が固着することを抑制することができる。

（６）エンドプレート１０の背面には、ポンプ７０から吐出された排気を燃料電池本体９１に向けて戻す戻し通路８５が形成されており、戻し通路８５の底面８６には、ポンプ７０に向けて水が移動することを規制する凸部８６１が形成されている。

ポンプ７０に溜まった水の凍結によってポンプ７０が固着するおそれがある。この点、上記構成によれば、戻し通路８５内の水がその底面８６を伝ってポンプ７０に向けて移動することが凸部８６１によって規制される。このため、ポンプ７０に水が溜まることを抑制することができ、水の凍結によってポンプ７０が固着することを抑制することができる。

（７）接続通路８３及び戻し通路８５がエンドプレート１０のプレート本体１１と一体形成されているため、エンドプレート１０が適用される燃料電池スタック９０の部品点数を削減することができ、その構成を簡易なものとすることができる。

なお、上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。
・戻し通路８５の底面８６に凹部を形成し、同凹部によって気液分離器２０のハウジング２１に向けて水が移動することを規制するようにしてもよい。

・接続通路８３の底面８４に凹部を形成し、同凹部によってポンプ７０に向けて水が移動することを規制するようにしてもよい。
・戻し通路８５や接続通路８３に設けられた凸部８６１，８４１などの規制部を省略することもできる。

・接続通路８３の底面８４を水平面にすることもできる。
・気液分離器２０の排気出口３６を対向面３３のみを貫通するように形成することもできる。

・ケース３０をプレート本体１１とは別体にて形成し、同ケース３０をプレート本体１１に当接させるようにしてもよい。

１０…エンドプレート、１１…プレート本体、１２…シート面、１３ａ〜１３ｄ…雌ねじ孔、１４…貫通孔、２０…気液分離器、２１…ハウジング、２２…ボルト、３０…ケース、３１…開口、３２…フランジ、３３…対向面、３４…延設部、３５…排気入口、３６…排気出口、４０…キャップ、４１…開口、４２…フランジ、４４ａ〜４４ｃ…規制突部、４５…排水出口、４６ａ〜４６ｄ…ボルト孔、５０…排水弁、５１…弁体、６０…フィルタ、６１…基部、６２…環状溝、６３…拡径部、６４…端面、６５…濾過部、６６…Ｏリング、７０…ポンプ、７１…ポンプ本体、７２…導入部、７３…導入孔、７４…導出部、７５…導出孔、８１…排出通路。８３…接続通路、８４…底面、８４１…凸部（規制部）、８５…戻し通路、８６…底面、８６１…突部（規制部）、９０…燃料電池スタック、９１…燃料電池本体、９２…供給通路。

Claims (4)

1. 燃料電池本体の一端に設けられるエンドプレートであって、
   金属材料により形成されたプレート本体と、
   前記燃料電池本体からの排気をハウジング内に導入して水と分離し、その分離された水を前記ハウジング外に排出する気液分離器と、を備え、
   前記ハウジングは樹脂材料によって形成され、前記プレート本体に当接され、
   前記ハウジングは、前記エンドプレートを貫通する排気入口が形成され、前記プレート本体と一体形成されたケースと、前記ケースの開口を覆うとともに、分離された水を前記ハウジング外へ排出する排水出口が形成されたキャップと、を備え、
   前記ケースは、前記キャップに対向する対向面と、同対向面から前記キャップに向けて延びる延設部とを有し、
   前記延設部には、前記エンドプレートを貫通する排気出口が形成されている、
   燃料電池のエンドプレート。
2. 燃料電池本体の一端に設けられるエンドプレートであって、
   金属材料により形成されたプレート本体と、
   前記燃料電池本体からの排気をハウジング内に導入して水と分離し、その分離された水を前記ハウジング外に排出する気液分離器と、を備え、
   前記ハウジングは樹脂材料によって形成され、前記プレート本体に当接され、
   前記ハウジングは、前記エンドプレートを貫通する排気入口が形成され、前記プレート本体と一体形成されたケースと、前記ケースの開口を覆うとともに、分離された水を前記ハウジング外へ排出する排水出口が形成されたキャップと、を備え、
   前記ケースは、前記エンドプレートを貫通する排気出口を有し、
   前記排気出口と、排気を吸引するとともに前記燃料電池本体に向けて吐出するポンプとを接続する接続通路が形成され、
   前記接続通路の底面が前記ポンプに向けて登りの傾斜面とされている、
   燃料電池のエンドプレート。
3. 前記接続通路の底面には、前記ハウジングに向けて水が移動することを規制する規制部が形成されている、
   請求項２に記載の燃料電池のエンドプレート。
4. 前記ケースは、前記エンドプレートを貫通する排気出口を有し、
   前記排気出口と、排気を吸引するとともに前記燃料電池本体に向けて吐出するポンプとを接続する接続通路が形成され、
   前記ポンプから吐出された排気を前記燃料電池本体に向けて戻す戻し通路が形成され、
   前記戻し通路の底面には、前記ポンプに向けて水が移動することを規制する規制部が形成されている、
   請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池のエンドプレート。