JP6852647B2

JP6852647B2 - 燃料電池モジュール

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Publication number: JP6852647B2
Application number: JP2017203803A
Authority: JP
Inventors: 敦神山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-10-20
Filing date: 2017-10-20
Publication date: 2021-03-31
Anticipated expiration: 2037-10-20
Also published as: DE102018120601A1; US20190123365A1; CN109698370B; US10797328B2; DE102018120601B4; JP2019079625A; CN109698370A

Description

本発明は、燃料電池モジュールに関する。

従来から、空気等の酸化ガスと水素等の燃料ガスとの反応ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池（燃料電池スタック）を備えた燃料電池システムが知られている。

ところで、この種の燃料電池システムでは、一般に、燃料電池の運転終了後に、燃料電池システムの各部を制御して、燃料電池に残留する水分や、燃料電池システムの配管・弁等に付着している水分を低減させるための掃気処理（パージ処理）が実行される。これにより、燃料電池を搭載した燃料電池車両において、燃料電池内部の水分量を低減させ、低温環境下においても良好な始動性を確保するようにしている。

しかしながら、上記のような掃気処理（パージ処理）を行っても、掃気残り、燃料電池（燃料電池スタック）からの残水、結露水等により、当該燃料電池システム内に水分が残留する場合がある。

図６に、前記燃料電池システムの燃料ガス供給系１３０の循環流路１３６に備えられた気液分離器１３７と循環ポンプ（水素ポンプ）１３８との間の連結構成の一例を示す。

図６に示すように、循環流路１３６では、通常、気液分離器１３７に上向きに突設された略円筒状のポート部１３７ａが循環ポンプ１３８に下向きに開口せしめられたハウジング部１３８ａに内挿されるとともに、その連結部分、詳しくは、ポート部１３７ａの外周とハウジング部１３８ａの内周との間にシール部材としてのＯリング１４１が介装されて、気液分離器１３７と循環ポンプ１３８とを繋ぐ流路が画成されている（例えば、下記特許文献１等も参照）。そのため、前記循環流路１３６における気液分離器１３７と循環ポンプ１３８との連結部分、つまり、気液分離器１３７側のポート部１３７ａと循環ポンプ１３８側のハウジン部１３８ａとの間（特に、その間に設けられたＯリング１４１の上側）は、水分が溜まりやすい傾向にある。

特開２００５−３５３４０２号公報

ところで、前記した連結部分に溜まった液体（基本的には水）は氷点下の外気で冷やされて凍結するとともに、作動時には乾き、このような湿潤を車両寿命内で繰り返すことになる。燃料電池のアノード電極から排出される燃料ガス（燃料オフガス）は、水分と燃料電池からの不純物を含み得るため、前記の湿潤を繰り返すことにより、前記連結部分において液体が次第に凝縮されてpHが次第に低下し（つまり、酸性が強くなり）、その連結部分に錆が発生して、リーク（漏れ）が生じるおそれがある。また、凍結した液体（氷）が次第に成長することにより、シール性が低下するおそれもある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、システム内で溜まった液体（水）によるシール性の低下を抑制することのできる燃料電池モジュールを提供することにある。

前記課題を解決すべく、本発明による燃料電池モジュールは、燃料電池から排出された燃料オフガスを前記燃料電池に還流させる循環流路に気液分離器と循環ポンプとが備えられ、前記気液分離器に上向きに突設された筒状のポート部が前記循環ポンプに下向きに開口せしめられたハウジング部に内挿されて前記気液分離器と前記循環ポンプとの間で燃料オフガスが流通する流路が画成された燃料電池モジュールであって、前記ポート部には、外周から内周にかけて排出溝ないし排出穴が設けられるとともに、前記排出溝の底部ないし排出穴は、内側に行くに従って低くなるように傾斜していることを特徴としている。

前記ポート部は円筒状を有し、前記排出溝ないし排出穴は前記ポート部の半径方向に沿って設けられていることが好ましい。

前記ポート部と前記ハウジング部との間に形成された収容空間に、その間をシールするシール部材が介装されるとともに、前記排出溝ないし排出穴は、前記ポート部の外周における前記収容空間より上側から前記ポート部の内周にかけて配設されていることが好ましい。

前記排出溝ないし排出穴は、前記ポート部の周方向に沿って複数個設けられていることが好ましい。

前記循環ポンプの前記ハウジング部が金属製であり、前記気液分離器の前記ポート部が樹脂製であることが好ましい。

本発明によれば、前記ポート部と前記ハウジング部との間に付着した液体（水）は、その自重等によって、排出溝ないし排出穴からポート部内（気液分離器側）へ排出されるため、前記ポート部と前記ハウジング部との間に液体（水）が溜まりにくくなるとともに、その連結部分における錆の発生を抑制できるので、シール性を確保することが可能となる。

また、前記ポート部と前記ハウジング部との間に付着した液体（水）を排出するための排出溝ないし排出穴は、シール部材を収容する収容空間と連通しないため、当該シール部材に液体（水）が付着することを抑制でき、これによっても、シール性の低下を抑制することができる。

本発明による燃料電池モジュールを含む燃料電池システムのシステム構成図である。本発明による燃料電池モジュールを含む燃料電池システムの主要部分を示す要部側面図である。図２の燃料電池モジュールにおける気液分離器と循環ポンプとの連結部分を示し、（Ａ）は要部拡大断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘ矢視線に従う断面図である。図２の燃料電池モジュールにおける気液分離器と循環ポンプとの連結部分の他例を示す要部拡大断面図である。図２の燃料電池モジュールにおける気液分離器と循環ポンプとの連結部分の更なる他例を示す要部拡大断面図である。燃料電池システムにおける気液分離器と循環ポンプとの連結部分の従来例を示す要部拡大断面図である。

以下、本発明の構成を図面に示す実施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。

まず、本発明による燃料電池を備えた燃料電池システムのシステム構成を、図１を用いて概説する。

図１に示される燃料電池システム１は、例えば、単位セルである燃料電池セルを複数個積層させて構成された燃料電池（燃料電池スタック）１０と、燃料電池１０に空気等の酸化ガスを供給する酸化ガス供給系２０と、燃料電池１０に水素等の燃料ガスを供給する燃料ガス供給系３０とを備えている。

例えば、固体高分子型燃料電池１０の燃料電池セルは、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側触媒層（アノード電極）およびカソード側触媒層（カソード電極）とからなる膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を備えている。ＭＥＡの両側には、燃料ガスもしくは酸化ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するためのガス拡散層（ＧＤＬ：Gas Diffusion Layer）が形成されている。ＧＤＬが両側に配置された膜電極接合体は、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly）と称され、ＭＥＧＡは、一対のセパレータにより挟持されている。ここで、ＭＥＧＡが燃料電池の発電部であり、ガス拡散層がない場合には、ＭＥＡが燃料電池の発電部となる。

酸化ガス供給系２０は、例えば、燃料電池１０（のカソード電極）に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給流路（配管）２５と、燃料電池１０に供給され、各燃料電池セルで電気化学反応に供された後の酸化オフガスを燃料電池１０から排出する酸化ガス排出流路（配管）２９と、酸化ガス供給流路２５を介して供給される酸化ガスを燃料電池１０を介さずに（バイパスして）酸化ガス排出流路２９へと流通させるバイパス流路２６とを有する。酸化ガス供給系２０の各流路は、例えば、ゴムホースや金属製のパイプ等によって構成することができる。

酸化ガス供給流路２５には、上流側から、エアクリーナ２１、エアコンプレッサ（ターボコンプレッサ）（以下、単にコンプレッサと称する）２２、インタクーラ２３等が備えられ、酸化ガス排出流路２９には、マフラ２８等が備えられている。なお、酸化ガス供給流路２５（のエアクリーナ２１）には、例えば、図示を省略する大気圧センサ、エアフローメータ等が設けられる。

酸化ガス供給流路２５において、エアクリーナ２１は、大気中から取り込む酸化ガス（空気等）中の塵埃を除去する。

コンプレッサ２２は、前記エアクリーナ２１を介して導入された酸化ガスを圧縮し、圧縮された酸化ガスをインタクーラ２３へ圧送する。

インタクーラ２３は、コンプレッサ２２から圧送されて導入された酸化ガスを通過させるときに、例えば冷媒との熱交換によって冷却し、燃料電池１０（のカソード電極）に供給する。

また、酸化ガス供給流路２５には、インタクーラ２３と燃料電池１０との間の酸化ガスの流れを遮断するための入口弁２５Ｖが設けられている。なお、入口弁２５Ｖは、インタクーラ２３から燃料電池１０へ向かう酸化ガスの流れによって開弁して酸化ガスを流し、燃料電池１０からインタクーラ２３へ向かう酸化ガスの流れによって閉弁して酸化ガスの流れを遮断する逆止弁であってもよい。

バイパス流路２６は、一端が酸化ガス供給流路２５（のインタクーラ２３もしくはその下流側）に接続され、他端が酸化ガス排出流路２９に接続されている。言い換えれば、酸化ガス供給流路２５（のインタクーラ２３もしくはその下流側）から、酸化ガス排出流路２９に向けて、バイパス流路２６が分岐接続されている。バイパス流路２６には、コンプレッサ２２によって圧送され、インタクーラ２３によって冷却されて排出された酸化ガスが、燃料電池１０をバイパスして酸化ガス排出流路２９へ向けて流れる。このバイパス流路２６には、酸化ガス排出流路２９へ向けて流れる酸化ガスを遮断して当該バイパス流路２６を流れる酸化ガスの流量を調整するためのバイパス弁２６Ｖが設けられている。

酸化ガス排出流路２９において、マフラ２８は、酸化ガス排出流路２９に流れる酸化オフガス（排出ガス）を、例えば、気相と液相とに分離して外部に排出する。

また、酸化ガス排出流路２９には、燃料電池１０に供給される酸化ガスの背圧を調整するための調圧弁２９Ｖが設けられる。調圧弁２９Ｖの下流側に、前記したバイパス流路２６が接続されている。

一方、燃料ガス供給系３０は、例えば、水素等の高圧の燃料ガスを貯留する水素タンク等の燃料ガス供給源３１と、燃料ガス供給源３１からの燃料ガスを燃料電池１０（のアノード電極）へ供給する燃料ガス供給流路（配管）３５と、燃料電池１０から排出された燃料オフガス（未消費の燃料ガス）を燃料ガス供給流路３５に還流させる循環流路３６と、循環流路３６に分岐接続されて循環流路３６内の燃料オフガスを外部へ排出（大気放出）する燃料ガス排出流路（配管）３９とを有する。燃料ガス供給系３０の各流路は、例えば、ゴムホースや金属製のパイプ等によって構成することができる。

燃料ガス供給流路３５には、例えば、燃料ガスの圧力を測定する圧力計（不図示）等が設けられるとともに、燃料ガス供給流路３５を開閉して燃料電池１０へ向けて流れる燃料ガスを遮断するための遮断弁３５Ｖと、燃料ガス供給流路３５を流れる燃料ガスの圧力を調整（減圧）するためのレギュレータ３４と、調圧された燃料ガスを燃料電池１０へ向けて供給するためのインジェクタ３３とが設けられる。遮断弁３５Ｖを開くと、燃料ガス供給源３１に貯留された高圧の燃料ガスが燃料ガス供給源３１から燃料ガス供給流路３５に流出し、レギュレータ３４やインジェクタ３３により調圧（減圧）されて、燃料電池１０（のアノード電極）に供給される。

循環流路３６には、上流側（燃料電池１０側）から、気液分離器３７、循環ポンプ（水素ポンプともいう）３８等が備えられている。

気液分離器３７は、循環流路３６に流れる燃料ガス（水素等）に含まれる生成水を気液分離して貯留する。この気液分離器３７から分岐して、燃料ガス排出流路３９が設けられている。

循環ポンプ３８は、気液分離器３７で気液分離した燃料オフガスを圧送して燃料ガス供給流路３５へ循環させる。

燃料ガス排出流路３９には、燃料ガス排出流路３９を開閉して、気液分離器３７で分離した生成水と燃料電池１０から排出された燃料オフガスの一部を排出するためのパージ弁３９Ｖが設けられる。

燃料ガス排出流路３９のパージ弁３９Ｖの開閉調整を経て排出される燃料オフガスは、酸化ガス排出流路２９を流れる酸化オフガスと混合され、マフラ２８を介して外部に大気放出される。

上記構成を有する燃料電池システム１は、酸化ガス供給系２０によって燃料電池１０（のカソード電極）に供給された空気等の酸化ガスと、燃料ガス供給系３０によって燃料電池１０（のアノード電極）に供給された水素等の燃料ガスとの電気化学反応によって発電を行う。

図２は、本発明による燃料電池モジュールを含む燃料電池システムの主要部分を側面視した図である。

以下、本発明の特徴部分である、気液分離器３７と循環ポンプ３８との連結（接続）構成について重点的に説明する。

図示実施形態の燃料電池システム１における燃料電池モジュール２は、主に、燃料電池（燃料電池スタック）１０と、燃料ガス供給系３０（の循環流路３６）に配備された気液分離器３７および循環ポンプ３８と、を含んで構成される。

燃料電池１０は、例えば車両前部に配置固定された燃料電池スタックフレーム（以下、単にスタックフレームと称する）１１上にボルト等の締結具（不図示）によって締結されて搭載されている。

一方、気液分離器３７および循環ポンプ３８は、前記スタックフレーム１１の下方に縦並びで配設されている。詳しくは、スタックフレーム１１の下面にアルミ等の金属製の循環ポンプ３８がボルト等の締結具３８Ｂを介して組み付けられ、その循環ポンプ３８の下部に樹脂製の気液分離器３７がボルト等の締結具３７Ｂを介して組み付けられている。

図３（Ａ）を参照すればよく分かるように、気液分離器３７と循環ポンプ３８との間を連通する流路（燃料オフガスが流通する流路）を画成すべく、下側に配置された気液分離器３７には、気液分離後の燃料オフガスが通る内部流路（内腔）を持つ略円筒状のポート部３７ａが上向きに突設されており、上側に配置された循環ポンプ３８には、前記略円筒状のポート部３７ａを収容する大きさの横断面略円形のハウジング部３８ａが下向きに開口せしめられている。また、前記ポート部３７ａの外周に、上向きの段丘面からなる段差部（外周段差部）３７ｂが設けられており、前記ハウジング部３８ａの内周に、下向きの段丘面からなる段差部（内周段差部）３８ｂが設けられている。

前記気液分離器３７に設けられたポート部３７ａが循環ポンプ３８に開口せしめられたハウジング部３８ａに内挿されるとともに、ポート部３７ａの外周に形成された段差部３７ｂとハウジング部３８ａの内周に形成された段差部３８ｂとで画成される（円環状の）収容空間４０に、その間をシール（封止）するシール部材としてのＯリング４１が（圧縮状態で）介装されて、気液分離器３７と循環ポンプ３８とを繋ぐ流路が画成されている。

なお、図示例では、ハウジング部３８ａに対してポート部３７ａをスムースに挿入し得るように、ポート部３７ａの上端外縁がテーパ状に面取りされている（言い換えれば、ポート部３７ａの上端外縁に、テーパ面からなる面取り部３７ｔが設けられている）。

また、本例では、前記ポート部３７ａと前記ハウジング部３８ａとの間に付着した液体（水）を排出すべく、前記気液分離器３７におけるポート部３７ａの上部（段差部３７ｂより上側の小径上部）に、外周から内周にかけてスリット状の排出溝３７ｃが設けられるとともに、この排出溝３７ｃの底部（底面）３７ｄは、内側に行くに従って次第に低くなるように傾斜している。つまり、前記排出溝３７ｃは、ポート部３７ａの外周における前記収容空間４０より上側からポート部３７ａの内周にかけて傾斜して配設されている。言い換えれば、前記収容空間４０（に収容されたＯリング４１）は、前記排出溝３７ｃの外端より下側に設けられている。

本例では、排出溝３７ｃの底部（底面）３７ｄの傾斜角が３０°程度に設定されており、これにより、燃料電池（燃料電池スタック）１０がある程度傾斜（例えば１５°程度傾斜）している場合でも、ポート部３７ａとハウジング部３８ａとの間に付着した液体（水）を効果的に下方に排出することができる。

また、本例では、前記排出溝３７ｃは、略円筒状のポート部３７ａの周方向に沿って等角度間隔に複数個（図示例では、９０°間隔で４個）設けられている（図３（Ｂ）参照）。

このような構成を有する本実施形態の燃料電池モジュール２では、前記ポート部３７ａと前記ハウジング部３８ａとの間に付着した液体（水）は、その自重等によって、排出溝３７ｃからポート部３７ａ内（気液分離器３７側）へ排出されるため、前記ポート部３７ａと前記ハウジング部３８ａとの間に液体（水）が溜まりにくくなるとともに、その連結部分における錆の発生を抑制できるので、シール性を確保することが可能となる。

また、前記ポート部３７ａと前記ハウジング部３８ａとの間に付着した液体（水）を排出するための排出溝３７ｃは、Ｏリング４１を収容する収容空間４０と連通しないため、当該Ｏリング４１に液体（水）が付着することを抑制でき、これによっても、シール性の低下を抑制することができる。

なお、上記実施形態では、ポート部３７ａに設けられる排出溝３７ｃが、ポート部３７ａの半径方向に沿って設けられているが、前記排出溝３７ｃを螺旋溝（ポート部３７ａの半径方向に沿わない溝）等で構成してもよいことは勿論である。また、ポート部３７ａに設けられる排出溝３７ｃの数も、図示例に限られないことは当然である。

また、上記実施形態では、前記ポート部３７ａと前記ハウジング部３８ａとの間に付着した液体（水）を排出するため、ポート部３７ａの上部に上側が開放した排出溝３７ｃを形成したが、例えば、ポート部３７ａの上部に、外周から内周にかけて内側に行くに従って低くなるように傾斜した排出穴（貫通孔）を形成し、その排出穴を介して前記ポート部３７ａと前記ハウジング部３８ａとの間に付着した液体（水）をポート部３７ａ内（気液分離器３７側）へ排出するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、ポート部３７ａの外周に形成された段差部３７ｂ（上向きの段丘面）とハウジング部３８ａの内周に形成された段差部３８ｂ（上向きの段丘面）とで画成される収容空間４０に、シール部材としてのＯリング４１を装着したが、例えば、図４、５に示すように、ポート部３７ａの外周に形成された環状溝３７Ａやハウジング部３８ａの内周に形成された環状溝３８ＡにＯリング４１を装着してもよいことは当然である。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態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ける設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１…燃料電池システム、２…燃料電池モジュール、１０…燃料電池（燃料電池スタック）、３７…気液分離器、３７ａ…ポート部、３７ｂ…段差部、３７ｃ…排出溝、３７ｄ…排出溝の底部、３８…循環ポンプ、３８ａ…ハウジング部、３８ｂ…段差部、４０…収容空間、４１…Ｏリング（シール部材）

Claims

燃料電池から排出された燃料オフガスを前記燃料電池に還流させる循環流路に気液分離器と循環ポンプとが備えられ、前記気液分離器に上向きに突設された筒状のポート部が前記循環ポンプに下向きに開口せしめられたハウジング部に内挿されて前記気液分離器と前記循環ポンプとの間で燃料オフガスが流通する流路が画成された燃料電池モジュールであって、
前記ポート部には、外周から内周にかけて排出溝ないし排出穴が設けられるとともに、前記排出溝の底部ないし排出穴は、内側に行くに従って低くなるように傾斜している、燃料電池モジュール。
前記ポート部は円筒状を有し、前記排出溝ないし排出穴は前記ポート部の半径方向に沿って設けられている、請求項１に記載の燃料電池モジュール。
前記ポート部と前記ハウジング部との間に形成された収容空間に、その間をシールするシール部材が介装されるとともに、
前記排出溝ないし排出穴は、前記ポート部の外周における前記収容空間より上側から前記ポート部の内周にかけて配設されている、請求項１または２に記載の燃料電池モジュール。
前記排出溝ないし排出穴は、前記ポート部の周方向に沿って複数個設けられている、請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
前記循環ポンプの前記ハウジング部が金属製であり、前記気液分離器の前記ポート部が樹脂製である、請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。