(57)【要約】【課題】燃料電池システムにおける燃料電池スタックの短絡を抑制することのできる技術を提供する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料ガスを用いた電気化学反応によって発電を行なう燃料電池スタックと、燃料電池スタックの電気化学反応によって生成された生成水と燃料電池スタックから排出される排出ガスとが通る絶縁性の第１の経路部材と、第１の経路部材に接続された導電性の第２の経路部材と、第１の経路部材と第２の経路部材との接続箇所に配置されており、第１の経路部材の内壁及び第２の経路部材の内壁よりも内側へ突出した絶縁性の突出部材とを備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料ガスを用いた電気化学反応によって発電を行なう燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの前記電気化学反応によって生成された生成水と前記燃料電池スタックから排出される排出ガスとが通る絶縁性の第１の経路部材と、
前記第１の経路部材に接続された導電性の第２の経路部材と、
前記第１の経路部材と前記第２の経路部材との接続箇所に配置されており、前記第１の経路部材の内壁及び前記第２の経路部材の内壁よりも内側へ突出した絶縁性の突出部材と
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記突出部材は、前記第１の経路部材と前記第２の経路部材とに挟持されている燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記突出部材は、前記第１の経路部材と前記第２の経路部材との間における気密を保つためのシール部材と一体に構成されている燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記突出部材は、弾性体によって形成されている燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記突出部材の先端部は、ひだ状に形成されている燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記突出部材は、前記排出ガスが前記第１の経路部材から前記第２の経路部材へ向かって流れる流線が描く曲線の外側に形成されている燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記排出ガスは、前記燃料電池スタックから排出される排出水素ガスであり、
前記第１の経路部材は、前記生成水と前記排出水素ガスとを分離する気液分離装置に含まれる部材である
燃料電池システム。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池システムであって
前記第２の経路部材は、前記気液分離装置から前記排出水素ガスを吸い上げるポンプに含まれる部材である燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池システムを搭載した車両が実用化されつつある。燃料電池システムは、一般的に、水素と酸素との電気化学反応によって発電を行なう燃料電池スタックの他、燃料電池スタックの電気化学反応によって生成された生成水と燃料電池スタックから排出された排出水素ガスとを分離する気液分離装置や、生成水と分離された排出水素ガスを再び燃料電池スタックに供給するための循環ポンプ等を有している。
【０００３】
燃料電池システムにおける循環ポンプは、金属製の部材で形成されている場合が多く、一方、気液分離装置は、軽量化のため、樹脂等の部材で形成されている場合が多い。従来、燃料電池システムに関する技術としては、例えば、特許文献１に開示されたものが知られている。
【０００４】
燃料電池システムの多くの場合では、燃料電池スタックと絶縁性の気液分離装置とが接続され、気液分離装置の経路を構成する部材の下流側には、循環ポンプの経路を構成する部材が接続されている。この導電性の循環ポンプは、車両のフレーム等のグランドに接続された状況となる場合がある。
【０００５】
このような燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの高電圧部位（例えば、燃料電池スタックを構成するセパレータ内の流路）と循環ポンプとが生成水を介して導通すると、燃料電池スタックが短絡してしまうといった問題があった。
【０００６】
なお、このような問題は、燃料電池システムの気液分離装置と、気液分離装置に接続された循環ポンプとの関係に限らず、一般に、生成水と排出ガスとが通る絶縁性の経路部材と、この経路部材に接続された導電性の経路部材とが存在する場合に共通する問題であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−８４５９０号公報
【特許文献２】特開２００５−１１７９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池システムにおける燃料電池スタックの短絡を抑制することのできる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために、以下の形態または適用例を取ることが可能である。
【００１０】
[適用例１]
燃料電池システムであって、
燃料ガスを用いた電気化学反応によって発電を行なう燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの前記電気化学反応によって生成された生成水と前記燃料電池スタックから排出される排出ガスとが通る絶縁性の第１の経路部材と、
前記第１の経路部材に接続された導電性の第２の経路部材と、
前記第１の経路部材と前記第２の経路部材との接続箇所に配置されており、前記第１の経路部材の内壁及び前記第２の経路部材の内壁よりも内側へ突出した絶縁性の突出部材と
を備える燃料電池システム。
【００１１】
適用例１の燃料電池システムによれば、突出部材によって生成水の連続性を分断することができるので、燃料電池スタックが生成水を介して短絡するのを抑制することができる。
【００１２】
[適用例２]
適用例１に記載の燃料電池システムであって、
前記突出部材は、前記第１の経路部材と前記第２の経路部材とに挟持されている燃料電池システム。
【００１３】
適用例２の燃料電池システムによれば、突出部材を確実に固定することができる。
【００１４】
[適用例３]
適用例２に記載の燃料電池システムであって、
前記突出部材は、前記第１の経路部材と前記第２の経路部材との間における気密を保つためのシール部材と一体に構成されている燃料電池システム。
【００１５】
適用例３の燃料電池システムによれば、突出部材とシール部材とが一体に構成されているため、部品点数を低減することができる。
【００１６】
[適用例４]
適用例１ないし３のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記突出部材は、弾性体によって形成されている燃料電池システム。
【００１７】
適用例４の燃料電池システムによれば、経路部材の内部における圧力損失を低減することができる。
【００１８】
[適用例５]
適用例１ないし４のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記突出部材の先端部は、ひだ状に形成されている燃料電池システム。
【００１９】
適用例５の燃料電池システムによれば、生成水の連続性を効果的に分断することができる。
【００２０】
[適用例６]
適用例１ないし５のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記突出部材は、前記排出ガスが前記第１の経路部材から前記第２の経路部材へ向かって流れる流線が描く曲線の外側に形成されている燃料電池システム。
【００２１】
生成水は、流線が描く曲線の外側部分の経路部材に沿って流れる傾向にある。したがって、適用例５の燃料電池システムによれば、生成水の連続性を効果的に分断することができる。
【００２２】
[適用例７]
適用例１ないし６のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記排出ガスは、前記燃料電池スタックから排出される排出水素ガスであり、
前記第１の経路部材は、前記生成水と前記排出水素ガスとを分離する気液分離装置に含まれる部材である
燃料電池システム。
【００２３】
[適用例８]
適用例７に記載の燃料電池システムであって
前記第２の経路部材は、前記気液分離装置から前記排出水素ガスを吸い上げるポンプに含まれる部材である燃料電池システム。
【００２４】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、燃料電池システムにおける短絡の発生を抑制する方法等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池システムの構成を概略的に示す説明図である。
【図２】燃料電池スタック１００と燃料電池スタック１００に接続された周辺装置を模式的に示す説明図である。
【図３】気液分離装置２３０と水素循環ポンプ２５０との接続箇所を拡大して示す説明図である。
【図４】燃料電池スタック１００が車両に搭載される場合におけるレイアウトの一例を示す説明図である。
【図５】変形例１における突出部材２４０ａを示す説明図である。
【図６】変形例２における突出部材２４０ｂを示す説明図である。
【図７】変形例３における突出部材２４０ｃを示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。
【００２７】
Ａ．実施例：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システムの構成を概略的に示す説明図である。燃料電池システム１０００は、水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行うシステムであり、燃料電池スタック１００と、空気供給システム１５０と、燃料供給システム２００と、を備えている。なお、本実施例では、燃料電池車両用の燃料電池システム１０００を例に用いているが、本発明は定置用の燃料電池システムといった他の燃料電池システムにも適用可能である。
【００２８】
燃料電池スタック１００は、複数のセル（図示せず）を重ね合わせた積層体１１０と、該積層体１１０を挟持する２つのエンドプレートＥＰとによって構成されている。セルは、セパレータと、水素極（以下「アノード」と呼ぶ）と、電解質膜と、酸素極（以下「カソード」と呼ぶ）と、セパレータとをこの順に重ね合わせることによって形成される。セルは、例えばセパレータに設けられた溝を介して供給される水素と空気に含まれる酸素との電気化学反応により発電を行う。なお、本実施例では、固体高分子型の燃料電池が用いられている。
【００２９】
空気供給システム１５０は、燃料電池スタック１００に空気を供給するためのシステムであり、フィルタ１５２と、コンプレッサ１５４と、これらの機器を接続する空気供給路１５６と、を含んでいる。外部からフィルタ１５２を通して取り込まれた空気は、コンプレッサ１５４により圧縮され、燃料電池スタック１００を構成している複数のセルのそれぞれのカソードに供給される。なお、燃料電池スタック１００内を経た空気は、外部へと排出される。
【００３０】
燃料供給システム２００は、燃料電池スタック１００に燃料ガスとしての水素ガスを供給するためのシステムであり、水素タンク２０２と、減圧弁２０６と、これらの機器を接続する燃料供給路２０８と、を含んでいる。水素タンク２０２内に貯留された水素ガスは、減圧弁２０６により所定の圧力に減圧された後、燃料電池スタック１００を構成している複数のセルのそれぞれのアノードに供給される。
【００３１】
燃料供給システム２００は、さらに、燃料電池スタック１００内を経た後に燃料電池スタック２１０から排出された水素ガス（以下「排出水素ガス」とも呼ぶ）を再び燃料電池スタック１００へと供給するために、気液分離装置２３０と、水素循環ポンプ２５０と、循環路２７０と、パージ弁２８０とを含んでいる。
【００３２】
気液分離装置２３０は、燃料電池スタック１００における電気化学反応によって生成された生成水と排出水素ガスとを分離する装置である。気液分離装置２３０によって生成水から分離された排出水素ガスは、水素循環ポンプ２５０によって循環路２７０に導入され、再び燃料電池スタック１００へと供給される。一方、気液分離装置２３０によって排出水素ガスから分離された生成水は、パージ弁２８０を介して、外部へと排出される。なお、水素循環ポンプ２５０は、通常、金属などの導電性の部材（本実施例ではステンレス鋼）で形成されている。
【００３３】
図２は、燃料電池スタック１００と燃料電池スタック１００に接続された周辺装置を模式的に示す説明図である。なお、この図２では、燃料電池を設置した際の水平方向を矢印Ｌで示し、鉛直方向を矢印Ｈで示している。以下で説明する図面においても同様である。燃料電池スタック１００は、支持部材１０２,１０４に支持されている。燃料電池スタック１００のエンドプレートＥＰ側には、気液分離装置２３０と水素循環ポンプ２５０とが配置されている。水素循環ポンプ２５０に接続された循環路２７０は、エンドプレートＥＰに接続されており、気液分離装置２３０を通過した排出水素ガスは、水素循環ポンプ２５０によって再び燃料電池スタック１００に供給される。
【００３４】
図３（Ａ）は、気液分離装置２３０と水素循環ポンプ２５０との接続箇所を拡大して示す説明図である。図３（Ｂ）は、気液分離装置２３０の内部を図３（Ａ）の矢印Ｙの方向から示す説明図である。図３（Ａ）には、気液分離装置２３０の一部として、排出水素ガスから分離された生成水を貯留する生成水貯留部２３２と、生成水から分離された排出水素ガスの通り道であって略鉛直方向に延びた円筒状の経路部２３４と、水素循環ポンプ２５０と接続するためのフランジ部２３６とが示されている。この気液分離装置２３０は、樹脂等の絶縁性の部材（本実施例ではナイロン系の樹脂）で形成されている。
【００３５】
さらに、図３（Ａ）には、水素循環ポンプ２５０の一部として、気液分離装置２３０のフランジ部２３６と接続するためのフランジ部２５２と、排出水素ガスの通り道であって略鉛直方向に延びた円筒状の経路部２５４とが示されている。
【００３６】
気液分離装置２３０のフランジ部２３６は、締結ボルト１３０によって、水素循環ポンプ２５０のフランジ部２５２と締結されている。水素循環ポンプ２５０のフランジ部２５２には、環状の溝部２５６が形成されており、その溝部２５６には、環状のシール部材２５５が配置されている。このシール部材２５５は、いわゆるＯリングであり、気液分離装置２３０の経路部１１２と水素循環ポンプ２５０の経路部２５４との間における気密を確保している。シール部材２５５は、ガス不透性と弾力性と耐熱性とを有する材料、例えば、ゴムなどの弾性部材よって形成される。具体的には、エチレン・プロピレン系ゴム、シリコン系ゴム、ブチルゴム、アクリルゴム、天然ゴム、フッ素系ゴム、エチレン・プロピレン系ゴム、スチレン系エラストマー、フッ素系エラストマーなどが用いられる。本実施例では、シール部材２５５は、エチレン・プロピレン系ゴムで形成されている。
【００３７】
生成水から分離された排出水素ガスは、水素循環ポンプ２５０の吸引作用によって、生成水貯留部２３２の上方を通過し、さらに経路部２３４及び経路部２５４を通って略鉛直方向に導入される。この排出水素ガスの流れは、図３（Ａ）の流線ＳＬとして示されている。
【００３８】
本実施例では、気液分離装置２３０の経路部２３４と水素循環ポンプ２５０の経路部２５４との接続箇所には、経路部２３４及び経路部２５４の内壁よりも内側へ突出した絶縁性の突出部材２４０が配置されている。水素循環ポンプ２５０の吸引作用によって経路部２３４の壁面を伝った生成水は、突出部材２４０によって遮られ、経路部２５４の壁面を伝うことが抑制されるとともに、その連続性も分断される。すなわち、生成水貯留部２３２に貯留された生成水が、水素循環ポンプ２５０の吸引作用によって経路部２３４の壁面を伝わり、水素循環ポンプ２５０の経路部２５４と気液分離装置２３０の経路部２３４との接続部分まで連続性を保ったまま達することを抑制することができる。この結果、本実施例によれば、燃料電池スタック１００が、生成水を介して水素循環ポンプ２５０と導通することを抑制することができる。
【００３９】
また、導電性の部材で形成された水素循環ポンプ２５０は、直接又は他の部材を介してグランド（例えば車両のフレーム）に接続されることがある。このような場合においても、気液分離装置２３０の経路部２３４と水素循環ポンプ２５０の経路部２５４との接続箇所には、経路部２３４及び経路部２５４の内壁よりも内側へ突出した絶縁性の突出部材２４０が配置されているため、燃料電池スタック１００が、生成水を介して短絡するのを抑制することができる。
【００４０】
この突出部材２４０は、本実施例のように、気液分離装置２３０の経路部２３４と水素循環ポンプ２５０の経路部２５４とに挟持されていることが好ましい。こうすれば、突出部材２４０を、排出水素ガスや生成水の流れに抵抗可能なように確実に固定することができる。
【００４１】
また、本実施例のように、突出部材２４０は、シール部材２５５と一体に構成されていることが好ましい。こうすれば、部品点数を低減することができる。なお、突出部材２４０は、シール部材２５５と同様の弾性部材によって形成されていることが好ましい。こうすれば、経路部２３４,２５４の内部における圧力損失を低減することができる。
【００４２】
さらに、図３（Ｂ）に示すように、突出部材２４０の先端部は、ひだ状に形成されていることが好ましい。こうすれば、突出部材２４０の先端部における水切り性能が向上し、生成水の連続性を効果的に分断することができる。
【００４３】
また、本実施例のように、突出部材２４０は、経路部２３４の内壁のうち、流線ＳＬが描く曲線の外側部分に設けられていることが好ましい。この理由について説明する。水素循環ポンプ２５０によって巻き上げられた生成水は、流線ＳＬが描く曲線の外側部分における経路部２３４の内壁を伝うことが多い。したがって、経路部２３４の内壁のうち、流線ＳＬが描く曲線の外側部分に突出部材２４０が設けられていれば、生成水による燃料電池スタック１００の短絡を効果的に抑制することができる。ただし、突出部材２４０は、経路部２３４の内壁のうち、流線ＳＬが描く曲線の内側部分に形成されていてもよく、また、経路部２３４の内壁の径方向を一周するように形成されていてもよい。このようにしても、燃料電池スタック１００の短絡を抑制することができる。
【００４４】
図４は、燃料電池スタック１００が車両に搭載される場合におけるレイアウトの一例を示す説明図である。図４に示すように、燃料電池スタック１００は、例えば車両の座席４００の床下部分に配置することが可能である。ただし、燃料電池スタック１００は、車両のボンネット内や、座席以外の他の床下部分に配置することとしてもよい。
【００４５】
なお、本実施例によれば、燃料電池スタック１００の生成水による短絡を抑制することができるため、経路部２３４及び経路部２５４の長さを短くすることも可能である。したがって、燃料電池システム１０００を小型・軽量化することができる。
【００４６】
Ｂ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００４７】
Ｂ１．変形例１：
図５は、変形例１における突出部材２４０ａを示す説明図である。上記実施例では、突出部材２４０の先端部には、複数の突起が形成されており、ひだ状となっていたが、図６（Ｂ）に示すように、突出部材２４０ａの先端部には、単一の突起が形成されていてもよい。このようにしても、燃料電池スタック１００が生成水を介して短絡するのを抑制することが可能である。すなわち、突出部材２４０の先端部における突起の数は、生成水の連続性を効果的に分断できれば、任意の数に設定することができる。
【００４８】
Ｂ２．変形例２：
図６は、変形例２における突出部材２４０ｂを示す説明図である。上記実施例では、突出部材２４０の先端部には、複数の突起が形成されており、ひだ状となっていたが、図６（Ｂ）に示すように、突出部材２４０ｂの先端部には、突起が形成されていなくてもよい。このようにしても、燃料電池スタック１００が生成水を介して短絡するのを抑制することが可能である。ただし、実施例のように、突出部材２４０の先端部をひだ状にしておけば、効果的に生成水の連続性を分断することができる。
【００４９】
Ｂ３．変形例３：
図７は、変形例３における突出部材２４０ｃを示す説明図である。上記実施例では、突出部材２４０は、シール部材２５５と一体に形成されていたが、図７（Ａ）に示すように、突出部材２４０ｃは、シール部材２５５と別部材として構成されていてもよい。このようにしても、燃料電池スタック１００が生成水を介して短絡するのを抑制することが可能である。
【００５０】
Ｂ４．変形例４：
突出部材２４０は、その先端部が斜め下向き方向に垂れた形状となっていてもよい。こうすれば、水素循環ポンプ２５０が停止して鉛直下向き方向に生成水が流れる（逆流する）場合であっても、生成水が突出部材２４０の上方部分に溜まることなく、鉛直下向き方向に流れることになる。すなわち、突出部２４０の上方部分に溜まった生成水が凍ったとしても、その凍った生成水が水素循環ポンプ２５０内に吸い込まれ、水素循環ポンプ２５０に不具合が発生するといったことを抑制することができる。
【００５１】
Ｂ５．変形例５：
上記実施例及び変形例では、気液分離装置２３０と水素循環ポンプ２５０との接続箇所を例にとって説明したが、本発明は、燃料電池システムにおいて、生成水と排出ガスとが通る絶縁性の第１の経路部材と、第１の経路部材に接続された導電性の第２の経路部材とに対して適用することができる。例えば、第２の経路部材は、排出ガスの圧力を検出する圧力センサ等に含まれる導電性の経路部材であってもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１００…燃料電池スタック
１０２…支持部材
１１０…積層体
１１２…経路部
１３０…締結ボルト
１５０…空気供給システム
１５２…フィルタ
１５４…コンプレッサ
１５６…空気供給路
２００…燃料供給システム
２０２…水素タンク
２０６…減圧弁
２０８…燃料供給路
２１０…燃料電池スタック
２３０…気液分離装置
２３２…生成水貯留部
２３４…経路部
２３６…フランジ部
２４０…突出部材
２４０ａ…突出部材
２４０ｂ…突出部材
２４０ｃ…突出部材
２５０…水素循環ポンプ
２５２…フランジ部
２５４…経路部
２５５…シール部材
２５６…溝部
２７０…循環路
２８０…パージ弁
４００…座席
１０００…燃料電池システム
ＳＬ…流線
ＥＰ…エンドプレート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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