(57)【特許請求の範囲】
【請求項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燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックを内部に収容する筐体と、
を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックは、前記燃料電池の積層方向一端に、第１エンドプレートが配設されるとともに、
前記燃料電池の積層方向他端に、第２エンドプレートが配設され、且つ、前記第２エンドプレートの前記燃料電池スタックとは反対側には、燃料ガス系デバイスが配設され、
前記筐体は、前記燃料電池スタックを収容して前記第２エンドプレートの一端に固定される第１筐体部と、
前記燃料ガス系デバイスを収容して前記第２エンドプレートの他端に固定される第２筐体部と、
を備えるとともに、
前記第２エンドプレートには、前記第１筐体部と前記第２筐体部とを互いに連通するための貫通孔が形成され、
前記第１筐体部には、第１換気口が設けられる一方、前記第２筐体部には、第２換気口が設けられることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、入口側換気口である前記第２換気口又は前記第１換気口の開口断面積は、前記貫通孔の開口断面積よりも小さく設定されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、前記第２エンドプレートは、前記第１エンドプレートよりも外形寸法が大きく設定されるとともに、
前記第２エンドプレートの一端と前記第１筐体部との間には、第１シール部材が介装される一方、前記第２エンドプレートの他端と前記第２筐体部との間には、第２シール部材が介装され、
前記第１シール部材と前記第２シール部材とは、前記第２エンドプレートを挟んで積層方向に同一位置に配置されることを特徴とす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燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを内部に収容する筐体とを備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
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。この種の燃料電池は、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。
【０００３】
燃料電池スタックでは、特に車載用として使用される際、相当に多数の発電セルを積層する必要がある。従って、燃料電池スタック全体の剛性を確保するため、前記燃料電池スタックを筐体内に収容する構成が採用されている。
【０００４】
その際、筐体内には、水素濃度を一定値以下に維持するため、換気装置が設けられている。例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムでは、図６に示すように、燃料電池スタック１が格納された筐体２内を換気するための筐体換気手段３が設けられている。
【０００５】
筐体換気手段３は、分岐配管４を通って供給される空気供給装置５からの送風空気の一部と、走行風導入配管６を通って供給される燃料電池自動車の走行風とを、換気切替部７にて適宜切り替えられながら、筐体２内に導入している。これにより、筐体２内における水素濃度の上昇を確実に防止することできる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１８６０２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記の特許文献１では、換気切替部７を備える筐体換気手段３を設けており、燃料電池システム全体の構成が複雑化且つ大型化するとともに、経済的ではないという問題がある。
【０００８】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、筐体内の換気を良好に遂行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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを内部に収容する筐体とを備える燃料電池システムに関するものである。
【００１０】
この燃料電池システムでは、燃料電池スタックは、燃料電池の積層方向一端に、第１エンドプレートが配設されるとともに、前記燃料電池の積層方向他端に、第２エンドプレートが配設され、且つ、前記第２エンドプレートの前記燃料電池スタックとは反対側には、燃料ガス系デバイスが配設されている。
【００１１】
筐体は、燃料電池スタックを収容して第２エンドプレートの一端に固定される第１筐体部と、燃料ガス系デバイスを収容して前記第２エンドプレートの他端に固定される第２筐体部とを備えている。そして、第２エンドプレートには、第１筐体部と第２筐体部とを互いに連通するための貫通孔が形成され、前記第１筐体部には、第１換気口が設けられる一方、前記第２筐体部には、第２換気口が設けられている。
【００１２】
また、この燃料電池システムでは、入口側換気口である第２換気口又は第１換気口の開口断面積は、貫通孔の開口断面積よりも小さく設定されることが好ましい。
【００１３】
さらに、この燃料電池システムでは、第２エンドプレートは、第１エンドプレートよりも外形寸法が大きく設定されるとともに、前記第２エンドプレートの一端と第１筐体部との間には、第１シール部材が介装される一方、前記第２エンドプレートの他端と第２筐体部との間には、第２シール部材が介装され、前記第１シール部材と前記第２シール部材とは、前記第２エンドプレートを挟んで積層方向に同一位置に配置されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、燃料電池スタックが第１筐体部内に収容される一方、燃料ガス系デバイスが第２筐体内に収容された状態で、前記第１筐体部と前記第２筐体部とは、第２エンドプレートに形成された貫通孔を介して互いに連通している。このため、第１筐体部と第２筐体部とに、それぞれ個別の換気機構を設ける必要がなく、筐体内には、単一の換気ラインを形成するだけでよい。
【００１５】
これにより、簡単且つコンパクトな構成で、筐体内の換気を良好に遂行することが可能になるとともに、経済的である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略分解斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池システムの断面側面図である。
【図３】前記燃料電池システムの、図２中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】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。
【図５】前記燃料電池システムの後方からの概略斜視説明図である。
【図６】特許文献１に開示されている燃料電池システムの概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１及び図２に示すように、本発明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（図示せず）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は、燃料電池スタック１２と、前記燃料電池スタック１２を内部に収容する筐体１４とを備える。
【００１８】
燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池１６が水平方向（矢印Ｂ方向）又は重力方向（矢印Ｃ方向）に積層されるとともに、前記燃料電池１６の積層方向一端には、第１ターミナルプレート２０ａ、第１絶縁プレート２２ａ及び第１エンドプレート２４ａが、外方に向かって順次配設される。燃料電池１６の積層方向他端には、第２ターミナルプレート２０ｂ、第２絶縁プレート２２ｂ及び第２エンドプレート２４ｂが、外方に向かって順次配設される。
【００１９】
第１エンドプレート２４ａの中央部からは、第１ターミナルプレート２０ａに接続された第１出力端子２６ａが外方に向かって延在する。第２エンドプレート２４ｂの中央部からは、第２ターミナルプレート２０ｂに接続された第２出力端子２６ｂが外方に向かって延在する。
【００２０】
第１エンドプレート２４ａと第２エンドプレート２４ｂの各辺間には、連結バー２８の両端がねじ３０により固定され、複数の積層された燃料電池１６に積層方向（矢印Ｂ方向）の締め付け荷重を付与する。
【００２１】
図４に示すように、燃料電池１６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３２が、第１セパレータ３４及び第２セパレータ３６に挟持される。第１セパレータ３４及び第２セパレータ３６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。
【００２２】
燃料電池１６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、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔３８ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔４０ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２３】
燃料電池１６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４０ａ、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３８ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２４】
燃料電池１６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の冷却媒体入口連通孔４２ａが設けられるとともに、前記燃料電池１６の矢印Ｃ方向の下端縁部には、前記冷却媒体を排出するための一対の冷却媒体出口連通孔４２ｂが設けられる。
【００２５】
第１セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３４ａには、酸化剤ガス入口連通孔３８ａと酸化剤ガス出口連通孔３８ｂとに連通する酸化剤ガス流路４４が設けられる。
【００２６】
第２セパレータ３６の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３６ａには、燃料ガス入口連通孔４０ａと燃料ガス出口連通孔４０ｂとに連通する燃料ガス流路４６が設けられる。
【００２７】
互いに隣接する燃料電池１６を構成する第１セパレータ３４の面３４ｂと、第２セパレータ３６の面３６ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔４２ａと冷却媒体出口連通孔４２ｂとを連通する冷却媒体流路４８が設けられる。
【００２８】
第１セパレータ３４及び第２セパレータ３６には、それぞれシール部材５０、５２が、一体的又は個別に設けられる。シール部材５０、５２は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、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を使用する。
【００２９】
電解質膜・電極構造体３２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５４と、前記固体高分子電解質膜５４を挟持するカソード電極５６及びアノード電極５８とを備える。
【００３０】
カソード電極５６及びアノード電極５８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、固体高分子電解質膜５４の両面に形成されている。
【００３１】
図１及び図２に示すように、第２エンドプレート２４ｂは、第１エンドプレート２４ａよりも大きな表面積（外形寸法）を有している。第２エンドプレート２４ｂには、図１及び図３に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３８ａ、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂ、燃料ガス入口連通孔４０ａ及び燃料ガス出口連通孔４０ｂに連通する酸化剤ガス供給マニホールド６０ａ、酸化剤ガス排出マニホールド６０ｂ、燃料ガス供給マニホールド６２ａ及び燃料ガス排出マニホールド６２ｂが取り付けられる。
【００３２】
第２エンドプレート２４ｂには、積層方向に対して燃料電池スタック１２の下部よりも下方に離間した位置に貫通孔６４が形成される。貫通孔６４は、後述するように、筐体１４を構成する第１筐体部７０ａと第２筐体部７０ｂとを連通する。なお、貫通孔６４は、燃料電池スタック１２の下方に限定されるものではなく、前記燃料電池スタック１２から離間した位置に設けられていればよい。例えば、第２エンドプレート２４ｂの上方向や左右方向に燃料電池スタック１２から離間して設けることもできる。
【００３３】
図２及び図５に示すように、第１エンドプレート２４ａには、一対の冷却媒体入口連通孔４２ａ及び一対の冷却媒体出口連通孔４２ｂに一体に連通する冷却媒体供給マニホールド６６ａ及び冷却媒体排出マニホールド６６ｂが取り付けられる。
【００３４】
第２エンドプレート２４ｂには、燃料電池スタック１２とは反対側に、燃料ガス供給マニホールド６２ａ及び燃料ガス排出マニホールド６２ｂに接続されて燃料ガス系デバイス６８が取り付けられる（図１〜図３参照）。
【００３５】
燃料ガス系デバイス６８は、少なくともエゼクタ６８ａ、水素ポンプ６８ｂ、気液分離タンク６８ｃ、パージ弁、掃気弁又は水素熱交換器のいずれかを備え、第２エンドプレート２４ｂに直接取り付けられる。
【００３６】
ここで、エゼクタ６８ａは、燃料ガス出口連通孔４０ｂから排出された排出燃料ガスを吸引して、再度、燃料ガスとして燃料ガス入口連通孔４０ａに供給する機能を有する。気液分離タンク６８ｃは、排出燃料ガス中に含まれる液状水分を除去する機能を有するとともに、パージ弁は、燃料ガス循環系に存在する不純物を系外に排出する機能を有する。掃気弁は、燃料ガス流路４６を掃気する機能を有し、水素ポンプ６８ｂは、前記燃料ガス流路４６に燃料ガスを供給（圧送）する機能を有する。水素熱交換器は、燃料ガス流路４６に供給される前の燃料ガスを予め加温する機能を有する。
【００３７】
図１、図２及び図５に示すように、筐体１４は、燃料電池スタック１２を収容して第２エンドプレート２４ｂの一端に固定される第１筐体部７０ａと、燃料ガス系デバイス６８を収容して前記第２エンドプレート２４ｂの他端に固定される第２筐体部７０ｂとを備える。
【００３８】
図５に示すように、第１筐体部７０ａの有底側端部には、第１出力端子２６ａが、シール部材７２ａを介装して外部に露出するとともに、冷却媒体供給マニホールド６６ａ及び冷却媒体排出マニホールド６６ｂが、シール部材７４ａ、７４ｂを介装して外部に露出する。
【００３９】
第１筐体部７０ａの開口側端部には、フランジ部７６ａが設けられる。図１及び図２に示すように、フランジ部７６ａと第２エンドプレート２４ｂの一端との間には、第１シール部材７８ａが介装されるとともに、前記フランジ部７６ａに挿入される複数のねじ８０は、前記第２エンドプレート２４ｂの各ねじ穴８２ａに螺合する。第１筐体部７０ａの下部には、第１換気口８４ａが設けられる。なお、第１換気口８４ａは、第１筐体部７０ａの下部に限定されるものではなく、前記第１筐体部７０ａの任意の位置に設けることができる。
【００４０】
図１に示すように、第２筐体部７０ｂの有底側端部には、第２出力端子２６ｂが、シール部材７２ｂを介装して外部に露出するとともに、酸化剤ガス供給マニホールド６０ａ及び酸化剤ガス排出マニホールド６０ｂが、シール部材８６ａ、８６ｂを介装して外部に露出する。第２筐体部７０ｂの有底側端部には、燃料ガス系デバイス６８に接続された燃料ガス供給配管８８ａ及び燃料ガス排出配管８８ｂが、シール部材９０ａ、９０ｂを介装して外部に露呈する。
【００４１】
第２筐体部７０ｂの側部には、第２換気口８４ｂが一体に設けられる。第２換気口８４ｂは、例えば、入口側換気口を構成しており、図２に示すように、エアポンプ９２に接続される。第１換気口８４ａは、例えば、出口側換気口を構成する。
【００４２】
第１換気口８４ａの開口径Ｄ１は、第２換気口８４ｂの開口径Ｄ２よりも大きく設定され（Ｄ２≦Ｄ１）、貫通孔６４の開口径Ｄ３は、前記第２換気口８４ｂの開口径Ｄ２よりも大きく設定される（Ｄ２≦Ｄ３）。開口径Ｄ１は、好ましくは、開口径Ｄ３よりも大きく設定される（Ｄ３≦Ｄ１）。なお、第１換気口８４ａが入口側換気口を構成する一方、第２換気口８４ｂが出口側換気口を構成してもよい。その際、開口径の関係は、上記とは逆に設定される。
【００４３】
第２筐体部７０ｂの開口側端部には、フランジ部７６ｂが設けられる。フランジ部７６ｂと第２エンドプレート２４ｂの他端との間には、第２シール部材７８ｂが介装されるとともに、前記フランジ部７６ｂに挿入される複数のねじ８０は、前記第２エンドプレート２４ｂの各ねじ穴８２ｂに螺合する。第１シール部材７８ａと第２シール部材７８ｂとは、第２エンドプレート２４ｂを挟んで積層方向に同一位置に配置される。
【００４４】
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。
【００４５】
先ず、図１に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド６０ａから酸化剤ガス入口連通孔３８ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給配管８８ａから燃料ガス系デバイス６８に供給された水素含有ガス等の燃料ガスは、燃料ガス供給マニホールド６２ａから燃料ガス入口連通孔４０ａに供給される。
【００４６】
さらに、図５に示すように、冷却媒体供給マニホールド６６ａから一対の冷却媒体入口連通孔４２ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
【００４７】
このため、図４に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３８ａから第１セパレータ３４の酸化剤ガス流路４４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３２を構成するカソード電極５６に供給される。
【００４８】
一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔４０ａから第２セパレータ３６の燃料ガス流路４６に導入される。この燃料ガスは、矢印Ａ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体３２を構成するアノード電極５８に供給される。
【００４９】
従って、電解質膜・電極構造体３２では、カソード電極５６に供給される酸化剤ガスと、アノード電極５８に供給される燃料ガスとが、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。
【００５０】
次いで、カソード電極５６に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂに沿って矢印Ｂ方向に流通し、酸化剤ガス排出マニホールド６０ｂから排出される（図１参照）。一方、アノード電極５８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔４０ｂに沿って矢印Ｂ方向に流通し、燃料ガス排出マニホールド６２ｂから燃料ガス系デバイス６８に導入される。燃料ガスは、さらに燃料ガス排出配管８８ｂから排出される。
【００５１】
また、一対の冷却媒体入口連通孔４２ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ３４及び第２セパレータ３６間の冷却媒体流路４８に導入された後、矢印Ｃ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体３２を冷却した後、一対の冷却媒体出口連通孔４２ｂを流通して冷却媒体排出マニホールド６６ｂから排出される（図５参照）。
【００５２】
この場合、本実施形態では、図１及び図２に示すように、第２エンドプレート２４ｂの一端には、第１筐体部７０ａが固定されるとともに、前記第２エンドプレート２４ｂの他端には、第２筐体部７０ｂが固定されている。第１筐体部７０ａ内には、燃料電池スタック１２が収容される一方、第２筐体部７０ｂ内には、燃料ガス系デバイス６８が収容されている。
【００５３】
そして、第１筐体部７０ａと第２筐体部７０ｂとは、第２エンドプレート２４ｂに形成された貫通孔６４を介して互いに連通している。このため、第１筐体部７０ａと第２筐体部７０ｂとに、それぞれ個別の換気機構を設ける必要がない。従って、筐体１４内には、第２換気口８４ｂ、貫通孔６４及び第１換気口８４ａを繋ぐ、単一の換気ラインを設けるだけでよい。
【００５４】
これにより、簡単且つコンパクトな構成で、筐体１４内の換気を良好に遂行することが可能になるとともに、経済的であるという効果が得られる。
【００５５】
さらに、第１換気口８４ａの開口径Ｄ１は、第２換気口８４ｂの開口径Ｄ２よりも大きく設定されるとともに、貫通孔６４の開口径Ｄ３は、前記第２換気口８４ｂの開口径Ｄ２よりも大きく設定されている。
【００５６】
これにより、図２に示すように、エアポンプ９２から第２換気口８４ｂに供給されるエアは、第２筐体部７０ｂ内に導入されて換気を行った後、第２エンドプレート２４ｂの貫通孔６４を通って第１筐体部７０ａ内に円滑に流入することができる。貫通孔６４での圧損が回避されるからである。
【００５７】
さらに、第１筐体部７０ａ内を換気したエアは、圧損を惹起することがなく、第１換気口８４ａから外部に排出される。このため、第１筐体部７０ａ及び第２筐体部７０ｂ内の換気処理が、効率的且つ確実に遂行されるという利点がある。
【符号の説明】
【００５８】
１０…燃料電池システム              １２…燃料電池スタック
１４…筐体                          １６…燃料電池
２４ａ、２４ｂ…エンドプレート      ３２…電解質膜・電極構造体
３４、３６…セパレータ              ３８ａ…酸化剤ガス入口連通孔
３８ｂ…酸化剤ガス出口連通孔        ４０ａ…燃料ガス入口連通孔
４０ｂ…燃料ガス出口連通孔          ４２ａ…冷却媒体入口連通孔
４２ｂ…冷却媒体出口連通孔          ４４…酸化剤ガス流路
４６…燃料ガス流路                  ４８…冷却媒体流路
５０、５２、７２ａ、７２ｂ、７４ａ、７４ｂ、７８ａ、７８ｂ、８６ａ、８６ｂ、９０ａ、９０ｂ…シール部材
５４…固体高分子電解質膜            ５６…カソード電極
５８…アノード電極                  ６０ａ…酸化剤ガス供給マニホールド
６０ｂ…酸化剤ガス排出マニホールド  ６２ａ…燃料ガス供給マニホールド
６２ｂ…燃料ガス排出マニホールド    ６４…貫通孔
６６ａ…冷却媒体供給マニホールド    ６６ｂ…冷却媒体排出マニホールド
６８…燃料ガス系デバイス            ７０ａ、７０ｂ…筐体部
８４ａ、８４ｂ…換気口
【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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