JP2019075282A - 燃料電池モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】例えば悪路走行時などにおいて、外部から作用する振動が大きくなる場合であっても、コンプレッサの揺動を確実に抑えることができ、もって、高いＮＶ性能ないし信頼性を得ることのできる燃料電池モジュールを提供する。【解決手段】スタックフレーム１１にコンプレッサ２２とインタクーラ２３とが連結されるとともに、コンプレッサ２２とインタクーラ２３とが剛結されて連結される。【選択図】図２

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において、燃料電池に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給流路には、上流側から、エアクリーナ、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ことがある）、インタクーラ等が備えられ、コンプレッサは、エアクリーナ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へ圧送するようになっている。コンプレッサは、一般に、酸素等を含む酸化ガスを燃料電池へ圧送するための圧縮室を備え、圧縮室に、酸化ガスを圧縮するインペラが配置され、圧縮室に隣接した位置に、インペラを回転駆動するモータが配置され、モータは、モータ室に収容されている。燃料電池に酸化ガスを供給する際にコンプレッサを駆動させると、インペラを駆動回転させるモータは、高回転で回転するため、必然的に、コンプレッサ本体に振動が発生する。
そこで、通常は、コンプレッサが取り付けられる締結体（フレーム等）への振動を遮断するため、締結体との間にゴムマウントが必要となるが、コンプレッサはゴムマウントを介して固定されることになるため、前記コンプレッサ自体が揺動しやすくなる。
このような問題に対し、例えば、下記特許文献１には、揺動吸収機能と剛性とを確保するため、エアコンプレッサとインタクーラ等の他の周辺機器とをゴムホースで接続するとともに、ゴムホースの外周に部分的に金属板を巻回することが提案されている。また、下記特許文献２には、前記エアコンプレッサから発生する振動に起因する騒音の発生を防止するため、エアコンプレッサと他の周辺機器とを接続する配管の一部を高剛性のスチールパイプなどとすることが提案されている。
特開２０１０−２１２１２１号公報 特開２００２−３７３６８７号公報
しかし、例えば前記燃料電池システムを搭載した車両の悪路走行時などにおいては、前述のようなコンプレッサ自体から発生する振動に加えて、外部からの振動も作用することになる。そのため、上記特許文献１、２等に所載の従来技術では、外部からの振動によってはコンプレッサが大きく揺動してしまう場合がある。
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、例えば悪路走行時などにおいて、外部から作用する振動が大きくなる場合であっても、コンプレッサの揺動を確実に抑えることができ、もって、高いＮＶ性能ないし信頼性を得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、燃料電池スタックフレームに搭載された燃料電池と、前記燃料電池に酸化ガスを圧送するエアコンプレッサと、該エアコンプレッサから圧送された酸化ガスを冷却するインタクーラと、を備える燃料電池モジュールであって、前記燃料電池スタックフレームに前記エアコンプレッサと前記インタクーラとが連結されるとともに、前記エアコンプレッサと前記インタクーラとが剛結されて連結されていることを特徴としている。
前記エアコンプレッサまたは前記インタクーラを前記燃料電池スタックフレームに固定するためのブラケットを有し、前記ブラケットと前記エアコンプレッサまたは前記インタクーラとの間に、弾性部材が介装されていることが好ましい。
前記エアコンプレッサと前記インタクーラとの連結部分が、前記エアコンプレッサと前記インタクーラとを繋ぐ接続流路において重力方向の最下点となるように配置されていることが好ましい。
前記エアコンプレッサと前記インタクーラとが、各頂点部分で締結された三角形状のフランジを介して連結されており、前記フランジの辺部分が前記燃料電池スタックフレームと対向していることが好ましい。
前記エアコンプレッサと前記インタクーラとの連結部分と、前記エアコンプレッサを前記燃料電池スタックフレームに固定するためのブラケットと前記エアコンプレッサとの連結部分とが、前記エアコンプレッサにおいて反対側に設定されていることが好ましい。
前記エアコンプレッサと前記インタクーラとの連結部分と、前記インタクーラを前記燃料電池スタックフレームに固定するためのブラケットと前記インタクーラとの連結部分とが、前記インタクーラにおいて反対側に設定されていることが好ましい。
本発明によれば、燃料電池スタックフレームにエアコンプレッサとインタクーラとが連結されるとともに、エアコンプレッサとインタクーラとが剛結されて連結されるので、エアコンプレッサとインタクーラと燃料電池スタックフレームとが強固に一体化され、剛性が向上して、エアコンプレッサの揺動を確実に抑えることができる。
また、エアコンプレッサまたはインタクーラを燃料電池スタックフレームに固定するためのブラケットと、エアコンプレッサまたはインタクーラとの間に、弾性部材が介装されるので、エアコンプレッサまたはインタクーラで発生する振動がブラケットに入力される前に弾性部材に吸収され、例えばブラケットとフレームとの間に弾性部材を介装する場合と比べて、ＮＶを抑制できるとともに、ブラケットの耐久性が向上するといった効果もある。
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下面斜視図である。 図２の燃料電池モジュールにおけるコンプレッサとインタクーラとの連結部分を示す要部拡大側面図である。 剛結の定義の説明に供される図。
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モジュールを含む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、コンプレッサ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下面視した図である。
以下、本発明の特徴部分である、コンプレッサ２２およびインタクーラ２３の配置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、酸化ガス供給系２０（の酸化ガス供給流路２５）に配備されたコンプレッサ２２およびインタクーラ２３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、コンプレッサ２２およびインタクーラ２３は、前記スタックフレーム１１の下方に横並びで配設されている。コンプレッサ２２は、概略板状のＡＣＰブラケット２２ａを介してスタックフレーム１１の下面に取り付けられ、インタクーラ２３は、一対の脚状のＩＣブラケット２３ａ、２３ａを介してスタックフレーム１１の下面に取り付けられている。
詳しくは、コンプレッサ２２の上部（に設けられた複数の取付部）にＡＣＰブラケット２２ａの内周部分（に設けられた複数の取付部）が複数本のボルト等の締結具（不図示）を介して取り付けられ、そのＡＣＰブラケット２２ａの外周部分（に設けられた複数の固定部）がスタックフレーム１１の下面（に設けられた複数の固定部）に複数本のボルト等の締結具２２ｃを介して連結固定されている。本例では、コンプレッサ２２で発生する振動がＡＣＰブラケット２２ａを介してスタックフレーム１１等へ伝わるのを遮断するため、ＡＣＰブラケット２２ａ（の取付部）とコンプレッサ２２（の取付部）との間に、振動吸収あるいは防振のための弾性材料からなるリング状のゴムマウント（ゴムブッシュともいう）（弾性部材）２２ｄが介装されている。
また、インタクーラ２３の一側部（コンプレッサ２２に対向する部分とは反対側の部分であって、後述するインタクーラ２３側の接続部２３ｓが設けられる側とは反対側の部分）（に設けられた一対の取付部）に一対のＩＣブラケット２３ａ、２３ａの下端（に設けられた取付部）がボルト等の締結具２３ｂを介して取り付けられ、その一対のＩＣブラケット２３ａ、２３ａの上端（に設けられた固定部）がスタックフレーム１１の下面（に設けられた一対の固定部）にボルト等の締結具２３ｃを介して連結固定されている。本例では、インタクーラ２３で発生する振動がＩＣブラケット２３ａ、２３ａを介してスタックフレーム１１等に伝わるのを遮断するため、ＩＣブラケット２３ａ、２３ａ（の取付部）とインタクーラ２３（の取付部）との間に、振動吸収あるいは防振のための弾性材料からなるリング状のゴムマウント（弾性部材）２３ｄが介装されている。
また、本例では、コンプレッサ２２の下部からインタクーラ２３側に向けて、内部に流路が形成された接続部２２ｓが突設されるとともに、インタクーラ２３の他側部（前記したＩＣブラケット２３ａ、２３ａに対する取付部が設けられる側とは反対側の部分）からコンプレッサ２２側に向けて、内部に流路が形成された接続部２３ｓが突設されており、前記スタックフレーム１１の下方に併設されたコンプレッサ２２とインタクーラ２３とは、前記接続部２２ｓ、２３ｓを介して接続されて連結されている。なお、コンプレッサ２２側の接続部２２ｓとインタクーラ２３側の接続部２３ｓとが接続されることでその内部に形成される接続流路は、前述した酸化ガス供給系の酸化ガス供給流路の一部を構成している（図４参照）。
つまり、本実施形態では、コンプレッサ２２とインタクーラ２３との連結部分（つまり、各接続部２２ｓ、２３ｓのフランジ２２ｔ、２３ｔ）と、ＡＣＰブラケット２２ａとコンプレッサ２３との連結部分とが、コンプレッサ２２において反対側（コンプレッサ２２とインタクーラ２３との連結部分と、コンプレッサ２２の重心位置と、ＡＣＰブラケット２２ａとコンプレッサ２２との連結部分と、を結んだ2直線の角度が90°以上）に設定されている。また、コンプレッサ２２とインタクーラ２３との連結部分と、ＩＣブラケット２３ａとインタクーラ２３との連結部分とが、インタクーラ２３において反対側（コンプレッサ２２とインタクーラ２３との連結部分と、インタクーラ２３の重心位置と、ＩＣブラケット２３ａとインタクーラ２３との連結部分と、を結んだ2直線の角度が90°以上）に設定されている。
詳しくは、図２とともに図３を参照すればよく分かるように、コンプレッサ２２側の接続部２２ｓおよびインタクーラ２３側の接続部２３ｓのそれぞれの先端には、三角形状のフランジ２２ｔ、２３ｔが設けられている。各フランジ２２ｔ、２３ｔは、３つの辺部分のうちの１つの辺部分が上側（つまり、スタックフレーム１１に対向する側）、３つの頂点部分のうちの１つの頂点部分が下側（つまり、スタックフレーム１１に対向する側とは反対側）に位置するように配設されており、各フランジ２２ｔ、２３ｔ同士を当接させるとともに、その各頂点部分（に設けられた締結部）をボルト等の締結具２４によって締結することで、コンプレッサ２２（の接続部２２ｓ）とインタクーラ２３（の接続部２３ｓ）とが剛結されて連結されている。
ここで、「剛結」とは、例えば、図４に示されるように（図４では、インタクーラ２３側を例示）、一端側の接続部２３ｓ（のフランジ２３ｔ）を固定し、他端側を力Ｆで押した際の変形量から算出したばね定数が、0.5kN/mm以上である連結状態をいう。
また、本例では、コンプレッサ２２とインタクーラ２３とを繋ぐ前記接続流路において液体（掃気残り、燃料電池（燃料電池スタック）１０からの残水、結露水等）がコンプレッサ２２やインタクーラ２３に侵入し難くするため、コンプレッサ２２とインタクーラ２３との連結部分（つまり、各接続部２２ｓ、２３ｓのフランジ２２ｔ、２３ｔ）が、前記接続流路において重力方向の最下点となるように配置されている。
このように、本実施形態の燃料電池モジュール２では、スタックフレーム１１にコンプレッサ２２とインタクーラ２３とが連結されるとともに、コンプレッサ２２とインタクーラ２３とが剛結されて連結されるので、コンプレッサ２２とインタクーラ２３とスタックフレーム１１とが強固に一体化され、剛性が向上して、例えば悪路走行時などにおいて、外部から作用する振動が大きくなる場合であっても、コンプレッサ２２の揺動を確実に抑えることができる。また、前記のように剛結することで、共振点をずらすことができるので、耐久性が向上するという効果もある。
また、コンプレッサ２２またはインタクーラ２３をスタックフレーム１１に固定するためのブラケット（ＡＣＰブラケット２２ａまたはＩＣブラケット２３ａ）と、コンプレッサ２２またはインタクーラ２３との間に、ゴムマウント２２ｄ、２３ｄが介装されるので、コンプレッサ２２またはインタクーラ２３で発生する振動がブラケットに入力される前にゴムマウント２２ｄ、２３ｄに吸収され、例えばブラケットとフレームとの間に弾性部材を介装する場合と比べて、ＮＶを抑制できるとともに、ブラケットの耐久性が向上するといった効果もある。
また、本実施形態では、コンプレッサ２２とインタクーラ２３との連結部分が、コンプレッサ２２とインタクーラ２３とを繋ぐ接続流路において重力方向の最下点となるように配置されるので、前記接続流路において当該連結部分に液体（掃気残り、燃料電池（燃料電池スタック）１０からの残水、結露水等）が溜まりやすくなり、インペラが高速回転するコンプレッサ２２や流路が狭いインタクーラ２３に残水しにくくなり、コンプレッサ２２やインタクーラ２３を保護することができる。
また、コンプレッサ２２とインタクーラ２３とが、各頂点部分で締結された三角形状のフランジ２２ｔ、２３ｔを介して連結されており、フランジ２２ｔ、２３ｔの辺部分が上側に配置されたスタックフレーム１１と対向するので、コンプレッサ２２とインタクーラ２３とスタックフレーム１１で囲まれる部分においてスタックフレーム１１に対向する部分に、ボルト等の締結具２４を配置しなくて済むため、作業スペース（例えば、締結具２４のための工具等が侵入する隙間）を確保しやすく、作業性が向上するといった効果もある。
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）、１１…スタックフレーム（燃料電池スタックフレーム）、２２…コンプレッサ（エアコンプレッサ）、２２ａ…ＡＣＰブラケット、２２ｄ…ゴムマウント（弾性部材）、２２ｓ…コンプレッサ側接続部、２２ｔ…コンプレッサ側フランジ、２３…インタクーラ、２３ａ…ＩＣブラケット、２３ｄ…ゴムマウント（弾性部材）、２３ｓ…インタクーラ側接続部、２３ｔ…インタクーラ側フランジ、２４…締結具

Claims (6)

  1. 燃料電池スタックフレームに搭載された燃料電池と、前記燃料電池に酸化ガスを圧送するエアコンプレッサと、該エアコンプレッサから圧送された酸化ガスを冷却するインタクーラと、を備える燃料電池モジュールであって、
    前記燃料電池スタックフレームに前記エアコンプレッサと前記インタクーラとが連結されるとともに、前記エアコンプレッサと前記インタクーラとが剛結されて連結されている、燃料電池モジュール。
  2. 前記エアコンプレッサまたは前記インタクーラを前記燃料電池スタックフレームに固定するためのブラケットを有し、
    前記ブラケットと前記エアコンプレッサまたは前記インタクーラとの間に、弾性部材が介装されている、請求項１に記載の燃料電池モジュール。
  3. 前記エアコンプレッサと前記インタクーラとの連結部分が、前記エアコンプレッサと前記インタクーラとを繋ぐ接続流路において重力方向の最下点となるように配置されている、請求項１または２に記載の燃料電池モジュール。
  4. 前記エアコンプレッサと前記インタクーラとが、各頂点部分で締結された三角形状のフランジを介して連結されており、前記フランジの辺部分が前記燃料電池スタックフレームと対向している、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。
  5. 前記エアコンプレッサと前記インタクーラとの連結部分と、前記エアコンプレッサを前記燃料電池スタックフレームに固定するためのブラケットと前記エアコンプレッサとの連結部分とが、前記エアコンプレッサにおいて反対側に設定されている、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。
  6. 前記エアコンプレッサと前記インタクーラとの連結部分と、前記インタクーラを前記燃料電池スタックフレームに固定するためのブラケットと前記インタクーラとの連結部分とが、前記インタクーラにおいて反対側に設定されている、請求項１から５のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
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