JP2017216051A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒配管の地絡抵抗を確保して液絡を抑制するとともに、配管レイアウトの自由度を向上させることを可能にする。【解決手段】燃料電池システム１０は、複数の発電セル２８が積層された燃料電池スタック１４を備える。燃料電池スタック１４の下部には、冷却媒体流路構成部材２４が配置される。冷却媒体流路構成部材２４の内部には、スタック外供給ラビリンス流路９０が形成される一方、第１エンドプレート３４ａの内部には、スタック内供給ラビリンス流路７２が形成される。スタック外供給ラビリンス流路９０とスタック内供給ラビリンス流路７２とは、入口孔部９６ａを介して接続される。【選択図】図３

Description

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複数の発電セルが積層された燃料電池スタックを備え、前記燃料電池スタックの内部には、冷却媒体を流通させる冷却媒体流路が形成される燃料電池システムに関する。

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一方の面にアノード電極が、他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータによって挟持されることにより、発電セル（単位セル）が構成されている。通常、所定数の発電セルが積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池車両（燃料電池電気自動車等）に組み込まれている。

燃料電池車両等の電動車両は、例えば、ＥＣＥ−Ｒ１００やＦＭＶＳＳ３０５等の電気安全に関する法規を満たす必要がある。このため、電動パワートレイン全体で、法規要求地絡抵抗を満たすことが求められている。従って、各デバイス（機器）の分担抵抗（各デバイスと燃料電池車両の接地電位であるシャーシＧＮＤとの間の地絡抵抗）の合計が、法規要求地絡抵抗を上回るように設定されている。

例えば、燃料電池スタックでは、高電圧系デバイスとして、ガス系、スタック外周系、冷却系等があり、それぞれ分担抵抗が設定されている。冷却系では、ラジエータ、冷媒ポンプ、補機デバイス等がシャーシＧＮＤに接地されている。このため、冷却系の地絡抵抗を分担抵抗以上に確保するために、冷媒導電率管理と、シャーシＧＮＤに接地しているデバイスまでの配管レイアウト（配管径や長さ等）とを適切に設定する必要がある。

この種の冷却系を有する設備として、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムでは、燃料電池の内部における電池内冷媒流路と冷媒冷却機器とを含む第１循環経路に冷媒を循環供給する第１冷媒系と、前記電池内冷媒流路とイオン交換器とを含む第２循環経路に冷媒を循環供給する第２冷媒系とを備えている。そして、第１冷媒系及び第２冷媒系による冷媒循環を制御するにあたり、燃料電池の起動に際し、予め定めた優先期間に亘って前記第２冷媒系による前記燃料電池への冷媒の循環供給を先行して実行している。

第２冷媒系の第２循環経路を通過する全ての冷媒は、優先期間の当初から燃料電池の電池内冷媒流路を循環経由した後に、イオン交換器を繰り返し通過してイオンが除去されている。従って、燃料電池の電池内冷媒流路は、優先期間において速やかに低導電率とされた冷媒が循環するため、前記冷媒が介在することで発生する前記燃料電池の絶縁性低下を早期に高い実効性で回避できる、としている。

特開２０１４−１５７８３２号公報

ところで、燃料電池車両では、特に高温環境下に長時間放置されると、冷媒導電率が上昇してしまう。すなわち、放置中には、冷媒が流通しないため、イオン交換器によるイオン除去が行われず、冷媒導電率が上昇して冷媒系内での電気抵抗が低下するおそれがある。冷媒導電率の上昇は、特にラジエータや金属セパレータ等の金属部材との接液により惹起されている。従って、高温放置等の最悪条件において、燃料電池スタックとシャーシＧＮＤとの間の地絡抵抗が減少し、所望の分担地絡抵抗を確保することができないおそれがある。

そこで、例えば、冷媒配管長を長尺化することが考えられる。しかしながら、燃料電池システムが収容されるスペース、例えば、モータルーム内では、長尺な配管が絡まり合ってしまい、メンテナンス性が低下するという問題がある。

しかも、衝突等の外部荷重が付与されると、冷媒配管が、密集配置されている各種デバイスと干渉し易くなり、前記冷媒配管が破損する場合がある。その際、活電部である燃料電池スタックから冷媒配管の破損部位までの地絡抵抗が、所望の分担地絡抵抗を下回ってしまい、液絡が発生するおそれがある。

本発明は、この種の課題を解決するものであり、冷媒配管の地絡抵抗を確保して液絡を抑制するとともに、配管レイアウトの自由度を有効に向上させ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。

本発明に係る燃料電池システムは、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複数の発電セルが積層された燃料電池スタックを備え、前記燃料電池スタックの内部には、冷却媒体を流通させる冷却媒体流路が形成されている。

この燃料電池システムは、内部に湾曲形状又は屈曲形状を有する第１ラビリンス流路が設けられた冷却媒体流路構成部材を備えている。そして、冷却媒体流路構成部材には、燃料電池スタックの冷却媒体流路に接続される流通口が設けられている。燃料電池スタックは、発電セルの積層方向端部にエンドプレートを配置し、少なくとも一方の前記エンドプレートには、第１ラビリンス流路と冷却媒体流路とを連ねるために、湾曲形状又は屈曲形状を有する第２ラビリンス流路が設けられている。

また、この燃料電池システムでは、冷却媒体流路構成部材は、燃料電池スタックの底部に接して配置されるとともに、第１ラビリンス流路と第２ラビリンス流路とが直接接続されていることが好ましい。

本発明によれば、冷却媒体流路構成部材には、第１ラビリンス流路が設けられるとともに、前記冷却媒体流路構成部材は、燃料電池スタックの冷却媒体流路に接続されている。しかも、エンドプレートには、第１ラビリンス流路と冷却媒体流路とを連ねる第２ラビリンス流路が設けられている。

従って、長尺流路である第１ラビリンス流路及び第２ラビリンス流路が設けられるため、冷却媒体流路系の導電抵抗を増加させることができ、法規により要求される分担地絡抵抗を満たす沿面距離を確保することが可能になる。これにより、冷媒配管の地絡抵抗を確保して液絡を抑制するとともに、配管レイアウトの自由度を有効に向上させることが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムが適用される燃料電池車両の前方部分の概略説明図である。 前記燃料電池システムの要部説明図である。 前記燃料電池システムの要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池システムを構成する発電セルの分解斜視図である。 前記燃料電池システムを構成する第１エンドプレートの一部断面正面図である。 前記燃料電池システムを構成する第２エンドプレートの断面正面図である。 前記燃料電池システムを構成する冷却媒体流路構成部材の平面説明図である。 前記燃料電池システムにおいて、供給配管及び排出配管が破損した際の説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池システムを構成する第１エンドプレートの断面正面図である。 前記燃料電池システムを構成する冷却媒体流路構成部材の第１筐体部の平面説明図である。 前記冷却媒体流路構成部材の第２筐体部の平面説明図である。

図１に示すように、本発明の第１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１２に搭載される。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１４を備え、前記燃料電池スタック１４は、燃料電池車両１２のモータルーム（フロントボックス）１６内に配置される。

モータルーム１６には、走行用モータ１８及びＰＤＵ（Power Drive Unit）２０が配設される。ＰＤＵ２０は、燃料電池車両１２全体のシステム管理を行うとともに、バッテリー（図示せず）及び燃料電池の直流電力を三相交流の電力に変換して走行用モータ１８に伝達する機能を有する。

燃料電池スタック１４は、上部に接して電圧制御ユニット（ＶＣＵ）（Voltage Control Unit）２２が載置される一方、下部（底部）に接して冷却媒体流路構成部材２４が配置され、これらがケーシング２６により一体に覆われる。電圧制御ユニット２２は、燃料電池スタック１４の出力を制御する機能を有しており、ケーシング２６の外部に配置されてもよい。冷却媒体流路構成部材２４は、冷却媒体供給装置２７を構成しており、その説明は後述する。

図２及び図３に示すように、燃料電池スタック１４は、複数の発電セル２８が車両幅方向（矢印Ａ方向）に積層される。図３に示すように、発電セル２８の積層方向一端には、第１ターミナルプレート３０ａ、第１絶縁プレート３２ａ及び第１エンドプレート３４ａが、外方に向かって、順次、配設される。発電セル２８の積層方向他端には、第２ターミナルプレート３０ｂ、第２絶縁プレート３２ｂ及び第２エンドプレート３４ｂが、外方に向かって、順次、配設される。第１ターミナルプレート３０ａと第２ターミナルプレート３０ｂとは、各上辺に上方に突出する端子部３０ａｔと端子部３０ｂｔとを設ける。

第１絶縁プレート３２ａ及び第２絶縁プレート３２ｂは、電気絶縁性を有する樹脂材で構成される。第１エンドプレート３４ａ及び第２エンドプレート３４ｂは、電気絶縁性を有する樹脂材で構成されているが、例えば、アルミニウム母材に樹脂コートを施してもよい。第１エンドプレート３４ａと第２エンドプレート３４ｂの各辺間には、連結バー３６の両端がねじ３８により固定され、複数の積層された発電セル２８に積層方向（矢印Ａ方向）の締め付け荷重を付与する。

図４に示すように、発電セル２８は、矢印Ｂ方向に長尺な長方形状を有する。発電セル２８は、電解質膜・電極構造体４０と、前記電解質膜・電極構造体４０を挟持するカソードセパレータ４２及びアノードセパレータ４４とを備える。カソードセパレータ４２及びアノードセパレータ４４は、横長（又は縦長）の長方形状を有する。カソードセパレータ４２及びアノードセパレータ４４は、金属セパレータ又はカーボンセパレータにより構成される。

発電セル２８の長辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、それぞれ積層方向である矢印Ａ方向に個別に連通して、酸化剤ガス供給連通孔４６ａ及び燃料ガス排出連通孔４８ｂが設けられる。酸化剤ガス供給連通孔４６ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する一方、燃料ガス排出連通孔４８ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。

発電セル２８の長辺方向の他端縁部には、それぞれ積層方向である矢印Ａ方向に個別に連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔４８ａと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔４６ｂとが設けられる。

発電セル２８の短辺方向（矢印Ｃ方向）の一方側（鉛直方向上方側）には、一対の冷却媒体供給連通孔５０ａが設けられる。冷却媒体供給連通孔５０ａは、冷却媒体を供給するために、矢印Ａ方向にそれぞれ個別に連通している。発電セル２８の短辺方向の他方側（鉛直方向下方側）には、一対の冷却媒体排出連通孔５０ｂが設けられる。冷却媒体排出連通孔５０ｂは、冷却媒体を排出するために、矢印Ａ方向にそれぞれ個別に連通している。

電解質膜・電極構造体４０は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜５２と、前記固体高分子電解質膜５２を挟持するカソード電極５４及びアノード電極５６とを備える。固体高分子電解質膜５２は、陽イオン交換膜であり、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用してもよい。

カソード電極５４及びアノード電極５６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）を有する。白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子は、ガス拡散層の表面に一様に塗布されることにより、電極触媒層（図示せず）が形成される。電極触媒層は、固体高分子電解質膜５２の両面に形成される。

カソードセパレータ４２の電解質膜・電極構造体４０に向かう面４２ａには、酸化剤ガス供給連通孔４６ａと酸化剤ガス排出連通孔４６ｂとを連通する酸化剤ガス流路５８が形成される。酸化剤ガス流路５８は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の波状流路溝（又は直線状流路溝）により形成される。

アノードセパレータ４４の電解質膜・電極構造体４０に向かう面４４ａには、燃料ガス供給連通孔４８ａと燃料ガス排出連通孔４８ｂとを連通する燃料ガス流路６０が形成される。燃料ガス流路６０は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の波状流路溝（又は直線状流路溝）により形成される。

互いに隣接するアノードセパレータ４４の面４４ｂとカソードセパレータ４２の面４２ｂとの間には、一対の冷却媒体供給連通孔５０ａと一対の冷却媒体排出連通孔５０ｂとに連通する冷却媒体流路６２が形成される。冷却媒体流路６２は、鉛直方向に延在しており、電解質膜・電極構造体４０の電極範囲に亘って上方から下方に冷却媒体を流通させる。

カソードセパレータ４２の面４２ａ、４２ｂには、このカソードセパレータ４２の外周端縁部を周回して第１シール部材６４が一体成形される。アノードセパレータ４４の面４４ａ、４４ｂには、このアノードセパレータ４４の外周端縁部を周回して第２シール部材６６が一体成形される。

第１シール部材６４及び第２シール部材６６としては、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、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等の弾性を有するシール部材が用いられる。

図３に示すように、第１絶縁プレート３２ａ及び第１エンドプレート３４ａには、酸化剤ガス供給連通孔４６ａ、燃料ガス排出連通孔４８ｂ、燃料ガス供給連通孔４８ａ及び酸化剤ガス排出連通孔４６ｂが形成される。第２絶縁プレート３２ｂ及び第２エンドプレート３４ｂには、一対の冷却媒体供給連通孔５０ａ及び一対の冷却媒体排出連通孔５０ｂが形成される。

第１エンドプレート３４ａには、酸化剤ガス入口マニホールド６８ａ、酸化剤ガス出口マニホールド６８ｂ、燃料ガス入口マニホールド７０ａ及び燃料ガス出口マニホールド７０ｂが設けられる。酸化剤ガス入口マニホールド６８ａと酸化剤ガス出口マニホールド６８ｂとは、酸化剤ガス供給連通孔４６ａと酸化剤ガス排出連通孔４６ｂとに連通する。燃料ガス入口マニホールド７０ａと燃料ガス出口マニホールド７０ｂとは、燃料ガス供給連通孔４８ａと燃料ガス排出連通孔４８ｂとに連通する。

図３及び図５に示すように、第１エンドプレート３４ａの内部には、Ｌ字状の屈曲形状（又は湾曲形状）を有するスタック内供給ラビリンス流路（第２ラビリンス流路）７２が形成される。スタック内供給ラビリンス流路７２は、Ｌ字状に限定されず、第１エンドプレート３４ａの内部を蛇行する形状を有していてもよい。第１エンドプレート３４ａを金属材料で構成する場合、スタック内供給ラビリンス流路７２の内面は樹脂のコーティングを施すのが好ましい。スタック内供給ラビリンス流路７２の鉛直方向下端には、第１エンドプレート３４ａの底面から下方に開放される供給口７２ａが設けられる。スタック内供給ラビリンス流路７２の水平方向に延在する上方部位は、燃料電池スタック１４内の一対の冷却媒体供給連通孔５０ａに連通し、各冷却媒体流路６２につながる。

図６に示すように、第２エンドプレート３４ｂの内部には、排出室７４が形成される。排出室７４には、複数枚の板状部７６が互いに千鳥状に配置されることにより、折り返し部を有して蛇行するスタック内排出ラビリンス流路（第２ラビリンス流路）７８が形成される。折り返し部は、屈曲形状又は湾曲形状を形成するのが好ましい。

スタック内排出ラビリンス流路７８は、水平方向に蛇行しながら上方に向かっており、上端から鉛直下方向に延在するとともに、鉛直方向下端には、第２エンドプレート３４ｂの底面から下方に開放される排出口７８ａが設けられる。スタック内排出ラビリンス流路７８の水平方向に延在する最下端部位は、燃料電池スタック１４内の一対の冷却媒体排出連通孔５０ｂに連通し、各冷却媒体流路６２につながる。

燃料電池スタック１４では、第１エンドプレート３４ａに最も隣接する発電セル２８が、カソード電極５４を前記第１エンドプレート３４ａに向けて配置される。燃料電池スタック１４では、第２エンドプレート３４ｂに最も隣接する発電セル２８が、アノード電極５６を前記第２エンドプレート３４ｂに向けて配置される。

図３に示すように、冷却媒体流路構成部材２４は、電気絶縁性を有する絶縁部材で形成されており、筐体部８０と蓋体部８２とを備える。筐体部８０は、上部が開放されるとともに、内部には、仕切り板８４を介して供給室８６ａと排出室８６ｂとが分離形成される。

図３及び図７に示すように、供給室８６ａには、複数枚の板部材８８が互いに千鳥状に配置されることにより、折り返し部を有して蛇行するスタック外供給ラビリンス流路（第１ラビリンス流路）９０が形成される。排出室８６ｂには、複数枚の板部材９２が互いに千鳥状に配置されることにより、折り返し部を有して蛇行するスタック外排出ラビリンス流路（第１ラビリンス流路）９４が形成される。

図３に示すように、蓋体部８２には、スタック外供給ラビリンス流路９０の出口側と第１エンドプレート３４ａのスタック内供給ラビリンス流路７２の供給口７２ａとを連結する入口孔部９６ａが形成される。蓋体部８２には、スタック外排出ラビリンス流路９４の入口側と第２エンドプレート３４ｂのスタック内排出ラビリンス流路７８の排出口７８ａとを連結する出口孔部９６ｂが形成される。

筐体部８０の正面には、スタック外供給ラビリンス流路９０の入口側に連結される供給配管９８ａの一端と、スタック外排出ラビリンス流路９４の出口側に連結される排出配管９８ｂの一端とが、接続される。

筐体部８０の正面には、イオン交換器１００が配設される。供給配管９８ａとイオン交換器１００の入口側とは、入口孔部（機器用流通口）１０２ａを介して連結する。排出配管９８ｂとイオン交換器１００の出口側とは、出口孔部（機器用流通口）１０２ｂを介して連結する。

図２に示すように、供給配管９８ａの他端は、ラジエータ１０４の出口側に連通する一方、排出配管９８ｂの他端は、前記ラジエータ１０４の入口側に連通する。供給配管９８ａの途上には、冷媒循環用の冷媒ポンプ１０６及び三方弁１０８が配置されるとともに、前記三方弁１０８と排出配管９８ｂとは、バイパスライン１１０により接続される。排出配管９８ｂには、循環ライン１１２を介して補機デバイス（エアコン系等）１１４が接続される。ラジエータ１０４、冷媒ポンプ１０６及び補機デバイス１１４は、燃料電池車両１２の接地電位であるシャーシＧＮＤ（図示せず）に電気的に接続される。排出配管９８ｂの途上には三方弁１０７が配置されるとともに、前記三方弁１０７に循環ライン１１２が接続される。補機デバイス１１４に冷媒が不要なときは、三方弁１０７を切り換えて、ラジエータ１０４側に冷媒をバイパスする。

燃料電池スタック１４には、図示しないが、燃料ガス（例えば、水素ガス）を供給する燃料ガス供給装置と、酸化剤ガス（例えば、空気）を供給する酸化剤ガス供給装置とが設けられる。

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。

図３に示すように、酸化剤ガス供給装置（図示せず）から第１エンドプレート３４ａの酸化剤ガス入口マニホールド６８ａから酸化剤ガス供給連通孔４６ａには、酸素含有ガス、例えば、空気が供給される。一方、燃料ガス供給装置（図示せず）から燃料電池スタック１４を構成する第１エンドプレート３４ａの燃料ガス入口マニホールド７０ａから燃料ガス供給連通孔４８ａには、水素含有ガス、例えば、水素ガスが供給される。

このため、図４に示すように、空気は、酸化剤ガス供給連通孔４６ａからカソードセパレータ４２の酸化剤ガス流路５８に導入される。空気は、酸化剤ガス流路５８に沿って矢印Ｂ方向に流動し、電解質膜・電極構造体４０のカソード電極５４に供給される。

一方、水素ガスは、燃料ガス供給連通孔４８ａからアノードセパレータ４４の燃料ガス流路６０に供給される。水素ガスは、燃料ガス流路６０に沿って矢印Ｂ方向に流動し、電解質膜・電極構造体４０のアノード電極５６に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体４０では、カソード電極５４に供給される空気中の酸素と、アノード電極５６に供給される水素ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。

次いで、電解質膜・電極構造体４０のカソード電極５４に供給されて一部が消費された空気は、酸化剤ガス排出連通孔４６ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。一方、電解質膜・電極構造体４０のアノード電極５６に供給されて一部が消費された水素ガスは、燃料ガス排出連通孔４８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。図３に示すように、空気は、酸化剤ガス出口マニホールド６８ｂから排出されるとともに、水素ガスは、燃料ガス出口マニホールド７０ｂから排出される。

また、図２に示すように、冷却媒体供給装置２７では、冷媒ポンプ１０６の作用下に、供給配管９８ａ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。冷却媒体は、冷却媒体流路構成部材２４のスタック外供給ラビリンス流路９０に沿って蛇行するように流動した後、第１エンドプレート３４ａの供給口７２ａからスタック内供給ラビリンス流路７２に供給される。

冷却媒体は、図５に示すように、スタック内供給ラビリンス流路７２に沿ってＬ字状に流動した後、燃料電池スタック１４内の一対の冷却媒体供給連通孔５０ａに供給される。図４に示すように、一対の冷却媒体供給連通孔５０ａに供給された冷却媒体は、互いに隣接するカソードセパレータ４２及びアノードセパレータ４４間の冷却媒体流路６２に導入される。冷却媒体は、上方から下方に向かって冷却媒体流路６２を流動することにより、電解質膜・電極構造体４０を冷却する。冷却媒体は、下方に設けられている一対の冷却媒体排出連通孔５０ｂに排出され、矢印Ａ方向に沿って流動する。

冷却媒体は、各発電セル２８を冷却した後、第２エンドプレート３４ｂのスタック内排出ラビリンス流路７８の下部側に導入される。図６に示すように、スタック内排出ラビリンス流路７８は、第２エンドプレート３４ｂの面内を蛇行しており、冷却媒体は、前記スタック内排出ラビリンス流路７８に沿って蛇行しながら、下方から上方に向かって流動する。そして、冷却媒体は、スタック内排出ラビリンス流路７８の上方端部から鉛直方向下方に流動し、排出口７８ａからスタック外排出ラビリンス流路９４に排出される（図３及び図７参照）。

スタック外排出ラビリンス流路９４を蛇行しながら流通した冷却媒体は、排出配管９８ｂに排出される。図２に示すように、冷却媒体は、ラジエータ１０４に導入されて冷却される一方、一部が循環ライン１１２を介して補機デバイス１１４の温度調整を行う。また、冷却媒体の温度が比較的低温であれば、前記冷却媒体は、ラジエータ１０４をバイパスしてバイパスライン１１０を流通する。

冷却媒体供給装置２７では、燃料電池スタック１４が長期間放置された後、始動される際に、冷却媒体が前記燃料電池スタック１４をバイパスしてイオン交換器１００に供給される。このため、冷却媒体に混在するイオンが除去されて冷媒導電率を減少させることができる。

この場合、第１の実施形態では、図２、図３及び図７に示すように、冷却媒体流路構成部材２４には、蛇行する長尺なスタック外供給ラビリンス流路９０及びスタック外排出ラビリンス流路９４が設けられている。しかも、図５に示すように、第１エンドプレート３４ａには、スタック外供給ラビリンス流路９０と冷却媒体流路６２とを連ねるスタック内供給ラビリンス流路７２が設けられている。さらに、図６に示すように、第２エンドプレート３４ｂには、スタック外排出ラビリンス流路９４と冷却媒体流路６２とを連ねるスタック内排出ラビリンス流路７８が設けられている。

上記のように、長尺流路であるスタック外供給ラビリンス流路９０及びスタック内供給ラビリンス流路７２と、スタック外排出ラビリンス流路９４及びスタック内排出ラビリンス流路７８と、が設けられている。従って、法規により要求される分担地絡抵抗を満たす沿面距離を確保することができる。ここで、冷媒系地絡抵抗＝（１／冷媒導電率）×（配管長／配管断面積）の関係を有している。配管断面積は、円形流路形状又は楕円流路形状の断面積である。

そして、スタック外供給ラビリンス流路９０及びスタック内供給ラビリンス流路７２と、スタック外排出ラビリンス流路９４及びスタック内排出ラビリンス流路７８と、のそれぞれの長さ（配管長）が相当に長尺化されている。これにより、冷媒系地絡抵抗は、高く設定され、所望の分担地絡抵抗を上回ることができる。

さらに、衝突等により燃料電池車両１２に外部荷重が付与されると、図８に示すように、供給配管９８ａ又は排出配管９８ｂの少なくともいずれかが破損する場合がある。その際、供給配管９８ａと活電部である燃料電池スタック１４とは、長尺流路であるスタック外供給ラビリンス流路９０及びスタック内供給ラビリンス流路７２により連結されている。一方、排出配管９８ｂと燃料電池スタック１４とは、長尺流路であるスタック外排出ラビリンス流路９４及びスタック内排出ラビリンス流路７８により連結されている。

このため、燃料電池スタック１４から冷媒配管破損部位までの地絡抵抗は、所望の分担地絡抵抗を上回る値に確保することができる。従って、冷媒配管の地絡抵抗を確保して液絡を抑制するとともに、配管レイアウトの自由度を有効に向上させることが可能になるという効果が得られる。

さらにまた、冷却媒体流路構成部材２４は、燃料電池スタック１４の下部に接して配置されるとともに、スタック外供給ラビリンス流路９０とスタック内供給ラビリンス流路７２とが直接接続されている。同様に、スタック外排出ラビリンス流路９４とスタック内排出ラビリンス流路７８とが直接接続されている。

これにより、冷却媒体流路構成部材２４と第１エンドプレート３４ａとの間には、冷却媒体マニホールドを配設する必要がなく、構成が簡素化されて経済的であるという効果が得られるとともに、燃料電池スタック１４の端部セル（積層方向端部に配置される発電セル２８）を保温する機能を有することができる。

また、第２エンドプレート３４ｂに最も隣接する発電セル２８は、アノード電極５６を前記第２エンドプレート３４ｂに向けて配置されている。アノード電極５６は、発熱量が少ないため、前記アノード電極５６側が第２エンドプレート３４ｂに配置される端部の発電セル２８では、他の発電セル２８に比べて温度環境が低下し、滞留水の発生による発電安定性が劣化し易い。

このため、第２エンドプレート３４ｂに長尺なスタック内排出ラビリンス流路７８を設け、発電時の排熱により昇温された冷却媒体を前記スタック内排出ラビリンス流路７８に流すことで、端部の発電セル２８の発電安定性を向上させることが可能になる。

図９は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム１２０の要部分解斜視説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

燃料電池システム１２０は、燃料電池スタック１２２と、前記燃料電池スタック１２２の下部に接して配置される冷却媒体流路構成部材１２４とを備える。燃料電池スタック１２２は、発電セル２８の積層方向一端に配置される第１エンドプレート１２６ａと、前記発電セル２８の積層方向他端に配置される第２エンドプレート１２６ｂとを設ける。

図１０に示すように、第１エンドプレート１２６ａには、スタック内供給ラビリンス流路７２及びスタック内排出ラビリンス流路７８が形成される。第２エンドプレート１２６ｂには、ラビリンス流路が設けられていない。

図９に示すように、冷却媒体流路構成部材１２４は、電気絶縁性を有する絶縁部材で形成されており、第１筐体部１２８、第２筐体部１３０及び蓋体部１３２を備え、これらが上下方向に積層される。蓋体部１３２の長手方向一端側には、入口孔部９６ａ及び出口孔部９６ｂが形成される。

最下位に配置される第１筐体部１２８は、上部が開放されるとともに、内部には、排出室８６ｂが形成される。図９及び図１１に示すように、排出室８６ｂには、複数枚の板部材１３４が車幅方向に向かって互いに千鳥状に配置されることにより、折り返し部を有して蛇行するスタック外排出ラビリンス流路（第１ラビリンス流路）１３６が形成される。折り返し部は、屈曲形状又は湾曲形状を形成するのが好ましい。

第１筐体部１２８上に配置される第２筐体部１３０は、上部が開放されるとともに、内部には、供給室８６ａが形成される。供給室８６ａの１つの角部には、出口孔部９６ｂの下方に位置し、前記出口孔部９６ｂに連通する開口部１３８が、前記供給室８６ａから遮断されて形成される。図９及び図１２に示すように、供給室８６ａには、複数枚の板部材１４０が車長方向に向かって互いに千鳥状に配置されることにより、折り返し部を有して蛇行するスタック外供給ラビリンス流路（第１ラビリンス流路）１４２が形成される。折り返し部は、屈曲形状又は湾曲形状を形成するのが好ましい。

第１筐体部１２８の正面には、スタック外排出ラビリンス流路１３６の出口側に連結される排出配管９８ｂの一端が接続される。第２筐体部１３０の正面には、スタック外供給ラビリンス流路１４２の入口側に連結される供給配管９８ａの一端が接続される。第１筐体部１２８の正面と第２筐体部１３０の正面とには、イオン交換器１００が配設される。イオン交換器１００は、スタック外供給ラビリンス流路１４２とスタック外排出ラビリンス流路１３６とに連結される。

このように構成される第２の実施形態では、第１筐体部１２８には、複数枚の板部材１３４が互いに千鳥状に配置されてスタック外排出ラビリンス流路１３６が形成されている。一方、第２筐体部１３０には、複数枚の板部材１４０が互いに千鳥状に配置されてスタック外供給ラビリンス流路１４２が形成されている。従って、それぞれ長尺なスタック外排出ラビリンス流路１３６及びスタック外供給ラビリンス流路１４２が上下に設けられている。

そして、スタック外排出ラビリンス流路１３６とスタック内排出ラビリンス流路７８とが接続されるとともに、スタック外供給ラビリンス流路１４２とスタック内供給ラビリンス流路７２とが接続されている。これにより、第２の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、１２０…燃料電池システム １２…燃料電池車両
１４、１２２…燃料電池スタック １６…モータルーム
１８…走行用モータ ２２…電圧制御ユニット
２４、１２４…冷却媒体流路構成部材 ２６…ケーシング
２８…発電セル
３４ａ、３４ｂ、１２６ａ、１２６ｂ…エンドプレート
４０…電解質膜・電極構造体 ４２…カソードセパレータ
４４…アノードセパレータ ４６ａ…酸化剤ガス供給連通孔
４６ｂ…酸化剤ガス排出連通孔 ４８ａ…燃料ガス供給連通孔
４８ｂ…燃料ガス排出連通孔 ５０ａ…冷却媒体供給連通孔
５０ｂ…冷却媒体排出連通孔 ５８…酸化剤ガス流路
６０…燃料ガス流路 ６２…冷却媒体流路
７２…スタック内供給ラビリンス流路 ７２ａ…供給口
７８…スタック内排出ラビリンス流路 ７８ａ…排出口
８０、１２８、１３０…筐体部 ８２、１３２…蓋体部
８６ａ…供給室 ８６ｂ…排出室
９０、１４２…スタック外供給ラビリンス流路
９４、１３６…スタック外排出ラビリンス流路
９６ａ…入口孔部 ９６ｂ…出口孔部
９８ａ…供給配管 ９８ｂ…排出配管
１００…イオン交換器 １０４…ラジエータ
１０６…冷媒ポンプ １０７、１０８…三方弁
１１４…補機デバイス

Claims (2)

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複数の発電セルが積層された燃料電池スタックを備え、前記燃料電池スタックの内部には、冷却媒体を流通させる冷却媒体流路が形成される燃料電池システムであって、
   内部に湾曲形状又は屈曲形状を有する第１ラビリンス流路が設けられた冷却媒体流路構成部材を備え、
   前記冷却媒体流路構成部材には、前記燃料電池スタックの前記冷却媒体流路に接続される流通口が設けられるとともに、
   前記燃料電池スタックは、前記発電セルの積層方向端部にエンドプレートを配置し、少なくとも一方の前記エンドプレートには、前記第１ラビリンス流路と前記冷却媒体流路とを連ねるために、湾曲形状又は屈曲形状を有する第２ラビリンス流路が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムであって、前記冷却媒体流路構成部材は、前記燃料電池スタックの底部に接して配置されるとともに、前記第１ラビリンス流路と前記第２ラビリンス流路とが直接接続されていることを特徴とする燃料電池システム。

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