(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池及び振動発生部品を備え、振動発生部品の設置スペースを節減しながら燃料電池の耐久性を確保することが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池１０と、振動発生部品と、燃料電池１０と振動発生部品とを接続する接続手段と、を備え、振動発生部品を接続手段により燃料電池に支持させるように構成した燃料電池システムである。接続手段は、振動発生部品に取り付けられた剛性部材１６ａ・１６ｂと、剛性部材１６ａ・１６ｂと燃料電池１０とを接続する可動式接続部材２５と、を有する。【選択図】図３
2008147137.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、振動発生部品と、前記燃料電池と前記振動発生部品とを接続する接続手段と、を備える燃料電池システムであって、
前記接続手段は、前記振動発生部品に取り付けられた剛性部材と、前記剛性部材と前記燃料電池とを接続する可動式接続部材と、を有するものであり、
前記振動発生部品が前記燃料電池によって支持されるように構成されてなる、
燃料電池システム。
【請求項２】
前記振動発生部品及び前記接続手段は、前記燃料電池とともにスタックケース内に収容されるものである、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記振動発生部品は、水素ポンプであり、
前記剛性部材は、前記水素ポンプと前記燃料電池との間で水素ガスを移送する配管である、
請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記可動式接続部材は、ボールジョイントである、
請求項１から３の何れか一項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池及び振動発生部品を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムでは、多数の単電池（セル）が一方向に積層されてなる燃料電池（スタック）に、例えば、水素ガス等の燃料ガスの供給系の部品、燃料ガスの循環系の部品、空気等の酸化ガスの供給系の部品等が、配管や配線等の接続部材を介して接続されている。このように燃料電池に接続される各種部品が、作動持に振動を発生する振動発生部品である場合には、振動による騒音を低減したり振動が車体や他の部材に伝達したりことを抑制する必要がある。
【０００３】
このため、現在においては、振動発生部品の振動を抑制するための技術が種々提案されている。例えば、振動発生部品である燃料ポンプの振動による騒音を防止して車体に装着するための燃料ポンプのマウント構造等が提案されている（特許文献１参照。）。かかる技術においては、緩衝部材を介してポンプベースを車体に設置固定するとともに、ポンプベースに緩衝部材を介してポンプ本体を固定することにより、ポンプ本体に生じる振動が伝達されたり、騒音が生じたりすることを防止している。
【特許文献１】特開２００４−１６２６７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に記載されたような従来の技術を採用すると、振動発生部品を設置するための設置スペースや緩衝部材が必要となるため、システム全体の小型化を図ることが困難であった。
【０００５】
ところで、近年においては、燃料電池で生じる水の漏洩を防止したり、燃料電池を塵埃等から保護したりする目的で、密閉されたスタックケース内に燃料電池を収容する技術が採用されている。燃料電池システム全体の小型化を図るために、仮に、スタックケースの内部に燃料電池ととともに振動発生部品を収容し、燃料電池に対して振動発生部品を剛に接続すると、振動発生部品の振動が燃料電池に伝達されてしまうため、燃料電池の耐久性が低下するおそれがある。
【０００６】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池及び振動発生部品を備える燃料電池システムにおいて、振動発生部品の設置スペースを節減しながら燃料電池の耐久性を確保することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、振動発生部品と、燃料電池と振動発生部品とを接続する接続手段と、を備える燃料電池システムであって、接続手段は、振動発生部品に取り付けられた剛性部材と、剛性部材と燃料電池とを接続する可動式接続部材と、を有するものであり、振動発生部品が燃料電池によって支持されるように構成されてなるものである。
【０００８】
かかる構成によれば、振動発生部品が燃料電池によって支持されるので、振動発生部品を車体に固定するための支持構造が不要となる。従って、振動発生部品の設置スペースを節減することができる。また、振動発生部品に取り付けられた剛性部材と燃料電池との間には可動式接続部材が介在されているので、振動発生部品及び剛性部材の振動を可動式接続部材の変位・変向により緩和することができる。その結果、振動発生部品から燃料電池に伝達される振動を緩和することができ、振動による燃料電池の劣化を抑制して、耐久性を確保することが可能となる。
【０００９】
前記燃料電池システムにおいて、振動発生部品及び接続手段を、燃料電池とともにスタックケース内に収容することができる。
【００１０】
このようにすれば、振動発生部品がスタックケース内に収容されるため、振動発生部品から生じる騒音を低減することが可能となる。その際、振動発生部品が燃料電池に支持されているため、スタックケース内に収容していても、スタックケース内に滞留する水に接触し難く、振動発生部品の漏電対策を簡略化でき、また、振動発生部品の劣化を抑制することが可能となる。
【００１１】
また、前記燃料電池システムにおいて、水素ポンプを振動発生部品として採用するとともに、水素ポンプと燃料電池との間で水素ガスを移送する配管を剛性部材として採用することができる。
【００１２】
このようにすれば、水素ガスを移送するための配管を短くすることができるので、移送時の圧力損失の低減や応答性の向上を実現させることができるとともに、水素ガスの循環のための構成を小型化することが可能となる。
【００１３】
また、前記燃料電池システムにおいて、ボールジョイントを可動式接続部材として採用することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、燃料電池及び振動発生部品を備える燃料電池システムにおいて、振動発生部品の設置スペースを節減しながら燃料電池の耐久性を確保することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図１〜図３を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。
【００１６】
本実施形態に係る燃料電池システムは、車両に設けられたものであり、図１に示すように、燃料電池１０に燃料ガスとしての水素ガスを給排するための水素ガス系１と、酸化ガスを給排するための酸化ガス系２と、水素ガス及び酸化ガスにより燃料電池１０で発電された電力を伝達するための電力伝達系３と、燃料電池１０を冷却するための冷却水系４とが設けられ、各系１〜４を構成する各種振動発生部品が各々直接又は間接に燃料電池１０に接続されている。
【００１７】
燃料電池１０は、図２に示すように、筐体からなるスタックケース２０内に設置されている。燃料電池１０は、一方向に積層された多数の単電池（セル）１１を有し、集電プレート等を介して最外層にエンドプレート１３が配置された状態で、図示していない締結具により強固に接合固定されている。各単電池１１は、例えば高分子電解質膜を挟んで両側に触媒層、拡散層及びセパレータが配置された積層構造を有している。
【００１８】
燃料電池１０には、その積層方向に連続するように各単電池１１及びエンドプレート１３を貫通して供給用マニホールド１４ａが設けられており、供給用マニホールド１４ａを通して、水素ガス系１からの水素ガスと酸化ガス系２からの酸化ガスが各単電池１１に別々に供給されることにより、単電池１１毎に発電が行われるようになっている。また、燃料電池１０には、その積層方向に連続するように各単電池１１及びエンドプレート１３を貫通して排出用マニホールド１４ｂが設けられており、排出用マニホールド１４ｂを通して各単電池１１から余剰ガス及び生成水等を含むオフガスが、燃料電池１０の外部に排出されるようになっている。
【００１９】
水素ガス系１及び酸化ガス系２では、各ガスを各供給用マニホールド１４ａに供給するために、剛性部材としての供給用配管１６ａが接続部１７ａによりエンドプレート１３に接続されている。また、各排出用マニホールド１４ｂからの余剰ガスや水を系外へ排出するために、剛性部材としての排出用配管１６ｂが接続部１７ｂによりエンドプレート１３に接続されている。
【００２０】
水素ガス系１の排出用配管１６ｂには、燃料電池１０からのオフガスを気液分離するための気液分離器１８が設けられており、気液分離器１８により分離された水は燃料電池システムの外へ排出され、分離された余剰ガスである水素ガスが循環路１９に供給されるように構成されている。循環路１９には、振動発生部品としての水素ポンプ２１が設けられている。水素ポンプ２１は、気液分離器１９で分離された水素ガスを加圧して、混合部２２から水素ガスの供給用配管１６ａに供給する。
【００２１】
水素ガス系１の気液分離器１８、混合部２２及び水素ポンプ２１を含む循環路１９や、気液分離器１８及び混合部２２からエンドプレート１３までの間の供給用配管１６ａ及び排出用配管１６ｂは、全てスタックケース２０の内部に配置されている。また、気液分離器１８、混合部２２及び水素ポンプ２１を含む循環路１９は何れも剛性を有しており、互いに相対変位不能に構成されている。そして、供給用配管１６ａ及び排出用配管１６ｂは、気液分離器１８、混合部２２及び水素ポンプ２１を含む循環路１９を支持するのに十分な剛性を有する部材により形成されている。
【００２２】
供給用配管１６ａ（排出用配管１６ｂ）と、燃料電池１０のエンドプレート１３と、の間に配置された接続部１７ａ（１７ｂ）は、図３に示すように、可動式接続部材としてのボールジョイント２５と、弾性体２６と、を有している。
【００２３】
ボールジョイント２５は、一端側に、供給用配管１６ａ（排出用配管１６ｂ）と気密に螺合可能な配管側連結筒部２７を備え、他端側に、パッキン部材２８を挟んでエンドプレート１３の外表面に固着可能なフランジ状の接合部２９と、接合部２９から突出するエンドプレート側連結筒部３１と、を備えている。また、ボールジョイント２５は、配管側連結筒部２７及びエンドプレート側連結筒部３１との間に自在可動部３３を備えている。
【００２４】
自在可動部３３は、エンドプレート側連結筒部３１の端部外周に気密に接合されたボール部３５と、ボール部３５のボール表面３５ａと気密に離脱不能に連結されてボール表面３５ａに沿って変位・変向可能に配管側連結筒部２７に設けられた受け部３７と、を備えている。受け部３７の内表面には、ボール表面３５ａと摺動可能な状態で気密に接触するボール受け面３７ａが設けられており、ボール表面３５ａとボール受け面３７ａとの間の気密性がパッキン部材３８により確保されている。
【００２５】
ボールジョイント２５では、接合部２９がエンドプレート１３に固定されることにより、エンドプレート側連結筒部３１の端部のボール部３５がエンドプレート１３に対して変位（変向）不能に配置されており、ボール部３５に対して受け部３７が摺動することにより、配管側連結筒部２７がボール部３５周囲で変位・変向可能となっている。このため、配管側連結筒部２７に接合されている供給用配管１６ａ（排出用配管１６ｂ）がエンドプレート１３に対して変位・変向可能となっている。
【００２６】
弾性体２６は、ボールジョイント２５の自在可動部３３と、燃料電池１０のエンドプレート１３と、の間に上下一対とされて介設されている。弾性体２６は、ボールジョイント２５の自在可動部３３及び配管側連結筒部２７を介して、供給用配管１６ａ（排出用配管１６ｂ）及びこれに接続された水素ポンプ２１等を燃料電池１０のエンドプレート１３に支持させる。また、弾性体２６は、水素ポンプ２１が振動することにより供給用配管１６ａ（排出用配管１６ｂ）及びこれに接続された配管側連結部材２７等が振動した場合に、その振動を減衰させる機能をも果たす。
【００２７】
燃料電池システムの稼働中には、水素ポンプ２１が作動されており、排出用マニホールド１４ｂから排出されて排出用配管１６ｂにより移送される水素オフガスが気液分離器１８により気液分離され、余剰水素ガスが循環路１９に供給され、水素ポンプ２１により加圧されて、混合部２２から供給用配管１６ａに導入され、再び、供給用マニホールド１４ａに供給されて、発電に利用される。なお、本実施形態における供給用配管１６ａ（排出用配管１６ｂ）と、ボールジョイント２５と、により本発明における接続手段の一実施形態が構成されることとなる。
【００２８】
以上説明した実施形態に係る燃料電池システムにおいては、振動発生部品である水素ポンプ２１が燃料電池１０によって支持されるので、水素ポンプ２１を車体に固定するための支持構造が不要となる。従って、水素ポンプ２１の設置スペースを節減することができる。また、水素ポンプ２１に取り付けられた供給用配管１６ａ（排出用配管１６ｂ）と燃料電池１０との間には可動式接続部材としてのボールジョイント２５が介在されているので、水素ポンプ２１の振動をボールジョイント２５の微細な変位により緩和することができる。その結果、水素ポンプ２１から燃料電池１０に伝達される振動を緩和でき、振動による燃料電池１０の劣化を抑制して、耐久性を確保することが可能となる。
【００２９】
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システムにおいては、水素ポンプ２１及び接続手段を、燃料電池１０とともにスタックケース２０内に収容するため、水素ポンプ２１から生じる騒音を低減することが可能となる。その際、水素ポンプ２１が燃料電池１０によって支持されているため、スタックケース２０内に収容していても、スタックケース２０内に滞留する水に接触し難く、水素ポンプ２１の漏電対策を簡略化でき、また、水素ポンプ２１の劣化を抑制することが可能となる。
【００３０】
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システムにおいては、水素ポンプ２１と燃料電池１０との間で水素ガスを移送する供給用配管１６ａ及び排出用配管１６ｂを剛性部材として採用しているので、水素ガスを移送するための配管を短くすることができるので、移送時の圧力損失の低減や応答性の向上を実現させることができるとともに、水素ガスの循環のための構成を小型化することが可能となる。
【００３１】
なお、以上の実施形態においては、振動発生部品が「水素ポンプ２１」の場合に本発明を適用した例について説明したが、燃料電池１０に接続されて稼働中に振動を生じる他の振動発生部品にも同様に本発明を適用することができる。
【００３２】
例えば、酸化ガス系２のコンプレッサ４１（振動発生部品）の振動が、供給用配管１６ａ及び排出用配管１６ｂを介して燃料電池１０に伝達される場合には、供給用配管１６ａ及び排出用配管１６ｂと燃料電池１０との間の接続部１７ａ、１７ｂに、前記したボールジョイント２５等を介設することにより、コンプレッサ４１から燃料電池１０に伝達される振動を緩和することが可能となる。
【００３３】
また、電力伝達系３においては、燃料電池１０で発電された電力がインバータ４８を介して駆動モータ４９に接続され、また、燃料電池１０が高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１を介してバッテリ５２に接続されているが、このような電力伝達系３であっても、燃料電池１０と電気的に接続される部位に振動が伝達されるような場合には、その部位に、前記したボールジョイント２５等を設けることにより、燃料電池１０に伝達される振動を緩和することが可能となる。
【００３４】
また、冷却水系４においては、冷却水循環路４４に電動ファン４５（振動発生部品）を備えたラジエータ４６等が設けられているが、冷却水循環路４４を介して電動ファン４５の振動が燃料電池１０に伝達される場合には、冷却水循環路４４と燃料電池１０との間の接続部に、前記したボールジョイント２５等を介設することにより、電動ファン４５から燃料電池１０に伝達される振動を緩和することが可能となる。
【００３５】
また、以上の実施形態においては、可動式接続部材としてボールジョイント２５を採用し、かつ、ボールジョイント２５と燃料電池１０との間に弾性体２６を介設した例について説明したが、燃料電池１０のエンドプレート１３と供給用配管１６ａ（排出用配管１６ｂ）との間に介在されて供給用配管１６ａ（排出用配管１６ｂ）側の重力による荷重を支持可能であり、かつ、振動による繰返し変位・変向を許容することが可能な構成であれば、いかなる構成を採用してもよい。
【００３６】
また、以上の実施形態においては、振動発生部品である水素ポンプ２１を、複数の剛性部材（供給用配管１６ａ及び排出用配管１６ｂ）を介して、燃料電池１０に接続した例を示したが、単一の剛性部材を介して、水素ポンプ２１を燃料電池１０に接続することもできる。
【００３７】
また、以上の実施形態においては、供給用配管１６ａ及び排出用配管１６ｂの双方の接続部１７ａ、１７ｂにボールジョイント２５を設けた例を示したが、接続部１７ａ、１７ｂの一方のみにボールジョイント２５を設けることも可能である。
【００３８】
また、以上の各実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す概略図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムの燃料電池と配管との接続部を示す平面図である。
【図３】図１に示す燃料電池システムの燃料電池と配管との接続部の拡大断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０…燃料電池、１６ａ…供給用配管（剛性部材、接続手段）、１６ｂ…排出用配管（剛性部材、接続手段）、２０…スタックケース、２１…水素ポンプ（振動発生部品）、２５…ボールジョイント（可動式接続部材、接続手段）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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