JP2022152442A

JP2022152442A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2022152442A
Application number: JP2021055220A
Authority: JP
Inventors: 尚紀山野; Hisanori Yamano; 正野村; Tadashi Nomura
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2021-03-29
Filing date: 2021-03-29
Publication date: 2022-10-12
Anticipated expiration: 2041-03-29
Also published as: US11695148B2; CN115149032A; US20220311040A1; JP7329556B2

Abstract

【課題】複数の燃料電池スタックを備える燃料電池システムにおいて、簡易な構成で冷却水内に空気の滞留が起こり難く、かつ各燃料電池スタックに対する冷却水の流量を均一化できる燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】冷媒が流通する冷媒流路が設けられた複数の燃料電池スタックを有する燃料電池システムであって、複数の燃料電池スタックは水平方向に並置され、冷媒流路に冷媒を分配して供給する供給管路と、冷媒流路を流通した冷媒を集合させて排出する排出管路と、を有し、供給管路及び排出管路は、重力方向において、複数の燃料電池スタックの冷媒流路の形成範囲内に設けられる、燃料電池システム。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来、燃料電池を用いた燃料電池システムが知られている。燃料電池システムは、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造を有する燃料電池スタックにより構成される。燃料電池スタックのアノード電極に反応ガスとしての水素ガスを供給し、カソード電極に反応ガスとしての酸素を含む空気を供給すると、電気化学反応により発電が行われる。

燃料電池には、上記に加えて冷却水が流通する循環経路が設けられる。冷却水は、燃料電池のセパレータ間に供給され、燃料電池を冷却することで温度が上昇するが、熱交換器で熱交換することにより冷却されて、再び、燃料電池に供給される。循環経路を有する燃料電池システムにおいて、循環経路内に空気が残ることによる供給水量の不足、冷却水の供給に要するエネルギー効率の低下等の問題がある。そこで、循環経路のうち、相対的に高い位置の配管部に、上端が空気排出容器と接続された分岐管を接続する燃料電池システムの構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３－１２３８０５号公報

特許文献１に開示された燃料電池システムは、循環経路に相対的に高い位置を設け、更に循環経路に空気排出容器を接続するものであるため、管路の構成が複雑になるばかりでなく、大きな燃料電池システムの設置スペースが必要になるという問題がある。また、複数の燃料電池スタックを有する燃料電池システムにおいて、各燃料電池スタックに供給される冷却水の流量にバラつきが生じないように、どのように循環経路を構成するかについては検討されていないのが現状であった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、複数の燃料電池スタックを備える燃料電池システムにおいて、簡易な構成で冷却水内に空気の滞留が起こり難く、かつ各燃料電池スタックに対する冷却水の流量を均一化できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

（１）本発明は、冷媒が流通する冷媒流路が設けられた複数の燃料電池スタックを有する燃料電池システムであって、複数の前記燃料電池スタックは水平方向に並置され、前記冷媒流路に前記冷媒を分配して供給する供給管路と、前記冷媒流路を流通した前記冷媒を集合させて排出する排出管路と、を有し、前記供給管路及び前記排出管路は、重力方向において、複数の前記燃料電池スタックの前記冷媒流路の形成範囲内に設けられる、燃料電池システムに関する。

（１）の発明によれば、複数の燃料電池スタックを備える燃料電池システムにおいて、簡易な構成で冷却水内に空気の滞留が起こり難く、かつ各燃料電池スタックに対する冷却水の流量を均一化できる燃料電池システムを提供できる。

（２）前記供給管路は、上流側から下流側にかけて、水平方向に対して下方に傾斜し、前記排出管路は、上流側から下流側にかけて、水平方向に対して上方に傾斜する、（１）に記載の燃料電池システム。

（２）の発明によれば、供給管路及び排出管路内に空気の滞留が起こり難い燃料電池システムを提供できる。

（３）前記供給管路及び前記排出管路は、並置される複数の前記燃料電池スタックの一端側から他端側へと延びる流路であり、前記排出管路は、前記供給管路よりも複数の前記燃料電池スタックに近接して設けられる、（１）又は（２）に記載の燃料電池システム。

（３）の発明によれば、メンテナンス時等における安全性の高い燃料電池システムを提供できる。

（４）前記冷媒流路と前記供給管路とを接続する供給側接続部と、前記冷媒流路と前記排出管路とを接続する排出側接続部と、を有し、前記供給側接続部及び前記排出側接続部のうち、少なくとも一方は、着脱自在な接続部である、（１）から（３）のいずれかに記載の燃料電池システム。

（４）の発明によれば、燃料電池システムのメンテナンス性を向上できる。

（５）前記冷媒を冷却する熱交換器と、前記供給管路の上流側端部と前記排出管路の下流側端部とを接続する接続部と、を有し、前記接続部は、前記熱交換器内に設けられる、（１）に記載の燃料電池システム。

（５）の発明によれば、冷媒内の各燃料電池スタックの消費電力の差に基づく溶出イオンの差を均一化し、各燃料電池スタックの耐久性を均一化することで、耐久性の高い燃料電池システム１が得られる。

（６）水平方向に並置される複数の前記燃料電池スタック、前記供給管路、及び前記排出管路により構成される、電力供給システムを複数有し、複数の前記電力供給システムは、重力方向に並設され、複数の前記電力供給システムの前記接続部同士を互いに連結する連結流路が設けられる、（５）に記載の燃料電池システム。

（６）の発明によれば、複数の電力供給システムの間においても、（５）と同様の効果が得られ、燃料電池システムの耐久性を向上できる。

（７）前記燃料電池スタックにおける、前記供給側接続部及び前記排出側接続部が配置される一端側の面と対向する他端側の面に、前記冷媒内に滞留する気体を前記燃料電池スタック外に排出する排出口が設けられ、前記排出口は、重力方向で前記供給側接続部及び前記排出側接続部よりも上方に設けられる、（４）に記載の燃料電池システム。

（７）の発明によれば、燃料電池スタック内の冷媒から空気を好ましく除去できる。

（８）前記冷媒流路に前記冷媒を補水する補水口が設けられ、前記補水口は、重力方向で最も上方に配置される前記電力供給システムの、前記供給管路又は前記排出管路の最上部に設けられる、（６）に記載の燃料電池システム。

（８）の発明によれば、１箇所からの冷媒の補水により、供給管路及び排出管路内に滞留した空気を排出し、かつ冷媒を燃料電池システム内に供給できる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの概略を示す側面図である。一実施形態に係る燃料電池システムの概略を示す上面図である。一実施形態に係る電力供給システムの概略を示す側面図である。一実施形態に係る燃料電池スタックの概略を示す概念図である。一実施形態に係る燃料電池スタックの構成を示す分解斜視図である。一実施形態に係る燃料電池スタックの構成を示す側面図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。本発明は、以下の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の目的の範囲内において、適宜変更を加えて実施することができる。

＜燃料電池システム＞
図１は、本実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す側面図である。燃料電池システム１は、電力供給システムＧ１及びＧ２を有する発電部１０と、電力供給システムＧ１及びＧ２に供給される冷却水を熱交換することで冷却する熱交換器２０と、を有する。燃料電池システム１は、定置型のシステムであり、例えば非常用電源として用いることができる。

（発電部）
発電部１０は、複数の電力供給システムＧ１及びＧ２と、これらを収容するコンテナ１１と、を有する。本実施形態において、複数の電力供給システムを、Ｇ１及びＧ２の２つとして以下に説明するが、複数の電力供給システムは、３つ以上の電力供給システムであってもよい。

（電力供給システム）
電力供給システムＧ１及びＧ２は、重力方向に併設される。本実施形態において、電力供給システムＧ１は、電力供給システムＧ２よりも重力方向で上方に設置される電力供給システムである。電力供給システムＧ１及びＧ２は、それぞれ複数の燃料電池スタックＳ１～Ｓ５、及びＳ６～Ｓ１０を有して構成される。各電力供給システムを構成する燃料電池スタックの数は、上記に特に限定されない。電力供給システムＧ１及びＧ２における、各燃料電池スタックＳ１～Ｓ５、及びＳ６～Ｓ１０は、それぞれ水平方向に並置される。各燃料電池スタックは、例えば、コンテナ１１内に設けられる棚等に載置される。各燃料電池スタックは、水平維持手段の上に載置されていてもよい。更に、コンテナ１１は、免振装置上に載置されていてもよい。これにより、各燃料電池スタックの載置状態を水平に維持することができる。

電力供給システムＧ１及びＧ２は、燃料電池スタック内の冷媒流路に流通する冷媒を分配して供給する供給管路と、冷媒流路を流通した冷媒を集合させて排出する排出管路と、を有する。図１に示すように、電力供給システムＧ１は、供給管路Ｌ１１及び排出管路Ｌ２１を有し、電力供給システムＧ２は供給管路Ｌ１２及び排出管路Ｌ２２を有する。以下、電力供給システムＧ１の供給管路Ｌ１１及び排出管路Ｌ２１を例に挙げて説明するが、同様の構成を電力供給システムＧ２に対しても適用できる。

［供給管路および排出管路］
供給管路Ｌ１１及び排出管路Ｌ２１は、並置される複数の燃料電池スタックＳ１～Ｓ５の一端側から他端側へと延びる流路である。即ち、供給管路Ｌ１１及び排出管路Ｌ２１は、並置される複数の燃料電池スタックの、同一の一面に沿って配置される。供給管路Ｌ１１及び排出管路Ｌ２１は、図２に示すように、重力方向であるＺ方向において、複数の燃料電池スタックＳ１～Ｓ５の冷媒流路の形成範囲内であるＬａ内に配置される。これにより、燃料電池スタック内に空気が滞留することを抑制できると共に、各燃料電池スタックに供給される冷媒の流量を均一化できる。

図３に示す流路Ｌｘ、Ｌｙ、Ｌｚは、供給管路Ｌ１１及び排出管路Ｌ２１が配置され得る箇所を示す。供給管路Ｌ１１及び排出管路Ｌ２１が配置される箇所は、Ｌｘが最も好ましく、Ｌｙが次に好ましく、Ｌｚがその次に好ましい。供給管路Ｌ１１及び排出管路Ｌ２１を、冷媒流路の形成範囲Ｌａのうち、重力方向で中央よりも上方に配置することで、燃料電池スタック内に空気が滞留することを抑制できる。また、供給管路Ｌ１１及び排出管路Ｌ２１は、図３に示すように、燃料電池スタックＳ５側から燃料電池スタックＳ１側にかけて、下方に任意の角度θの傾斜を有していることが好ましい。これにより、供給管路及び排出管路内に空気が滞留することを抑制できる。

供給管路Ｌ１１は、図２に示すように、上流側である燃料電池スタックＳ５側から、下流側である燃料電池スタックＳ１側に向けて延びる流路であり、供給管路Ｌ１１内に設けられたポンプＰにより、各燃料電池スタックに対して冷媒が供給される。供給管路Ｌ１１は、各燃料電池スタックに対して分岐するトーナメント構造を有する。供給管路Ｌ１１の上流側は、後述する熱交換器２０内で、排出管路Ｌ２１と連通している。供給管路Ｌ１１の任意の箇所には、気液分離器１２が設けられていてもよい。気液分離器１２は、供給管路Ｌ１１に流入した空気を外部に排出する機能を有する。気液分離器１２は、複数の燃料電池スタックのうち、最初に起動する燃料電池スタックの上流側に設けることが好ましく、各燃料電池スタックの後述する供給側接続部Ｃ１近傍にそれぞれ設けられていてもよいし、熱交換器２０に最も近接する燃料電池スタックの上流側に設けられていてもよい。

排出管路Ｌ２１は、図２に示すように、上流側である燃料電池スタックＳ１側から、下流側である燃料電池スタックＳ５側に向けて延びる流路であり、各燃料電池スタック内を流通した冷媒が排出される流路である。排出管路Ｌ２１は、各燃料電池スタックから分岐するトーナメント構造を有する。排出管路Ｌ２１の下流側は、後述する熱交換器２０内で、供給管路Ｌ１１と連通している。供給管路Ｌ１１又は排出管路Ｌ２１内の任意の箇所には、イオン交換器Ｉが設けられていてもよい。イオン交換器Ｉは、図２に示す配置以外に、供給管路Ｌ１１内に例えば１つ設けられていてもよい。

排出管路Ｌ２１は、図２に示すように、供給管路Ｌ１１よりも各燃料電池スタックに近接する位置に設けられる。排出管路Ｌ２１を流通する冷媒は、供給管路Ｌ１１を流通する冷媒よりも温度が高いため、上記構成により、排出管路Ｌ２１を人が触れにくい位置に配置して、燃料電池システム１のメンテナンス時等における安全性を向上させることができる。また、排出管路Ｌ２１は、各燃料電池スタックにおける熱交換器２０側の接続箇所に接続される。これにより、排出管路Ｌ２１の流路長さを短くすることができ、燃料電池システム１の安全性をより向上できる。

供給管路Ｌ１１と各燃料電池スタックの冷媒流路とを接続する供給側接続部Ｃ１、及び、排出管路Ｌ２１と各燃料電池スタックの冷媒流路とを接続する排出側接続部Ｃ２のうち、少なくとも一方は、着脱自在な接続部であることが好ましい。これにより、供給管路Ｌ１１及び排出管路Ｌ２１から、各燃料電池スタックを着脱することが可能となり、燃料電池システム１のメンテナンス性を向上できる。上記着脱自在な接続部としては、例えば、クイックコネクタ等の着脱容易な接続部が挙げられる。

供給管路Ｌ１１又は排出管路Ｌ２１の最上部には、補水口３が設けられることが好ましい。供給管路Ｌ１１及び排出管路Ｌ２１を循環する水等の冷媒は、燃料電池システム１の使用の継続に伴い量が減少し、補給の必要が生じるが、上記構成を有する補水口３を設けることで、供給管路Ｌ１１及び排出管路Ｌ２１に滞留する空気を脱気しつつ冷媒を供給することができる。補水口３は、供給管路Ｌ１１又は排出管路Ｌ２１の最上部に設けられるものであればよく、その他の構成は特に制限されない。補水口３と供給管路Ｌ１１又は排出管路Ｌ２１との間には、イオン交換器Ｉが設けられていてもよい。

［燃料電池スタック］
燃料電池システム１に用いられる燃料電池スタックの構成について、図４～図６を用いて以下に説明する。以下の説明では、燃料電池スタックＳ１を例に挙げて説明するが、同様の構成を他の燃料電池スタックに対しても適用できる。

図４は、燃料電池スタックＳ１の概要を示す概念図である。燃料電池スタックＳ１は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造を有する。各燃料電池セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）１４を一対のセパレータ１４１で挟持して構成される。膜電極構造体１４は、例えば、アノード電極（陰極）及びカソード電極（陽極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。アノード電極側に形成されたアノード流路ｙ１に水素が供給され、カソード電極側に形成されたカソード流路ｙ２に酸素を含んだ空気が供給されると、これらの電気化学反応により発電する。

燃料電池スタックＳ１内には、冷媒流路１３が形成される。冷媒流路１３内を冷媒が循環することで、熱交換により燃料電池スタックＳ１が冷却され、燃料電池スタックＳ１を保護するために定められた上限温度を上回らないように構成されている。供給管路Ｌ１１及び排出管路Ｌ２１は、重力方向であるＺ方向において、燃料電池スタックＳ１の冷媒流路１３の形成範囲内であるＬａ内に配置される。

燃料電池スタックＳ１の構成としては、特に限定されないが、例えば、図５に示すように、膜電極構造体１４を有する発電ユニットと、断熱構造１５と、インシュレータ１６と、シールプレート１６１と、スペーサー１７と、エンドプレート１８と、ブリージング１９と、を有する。燃料電池スタックＳ１の内部には、冷媒流路１３が矢印ｙ３の方向に流通する。

燃料電池スタックＳ１における、供給管路Ｌ１１及び排出管路Ｌ２１が配置される側の一端側の面には、冷媒流路１３と連通するマニホールドｍ１及びマニホールドｍ２が設けられる。マニホールドｍ１は、供給側接続部Ｃ１を介して供給管路Ｌ１１と接続される。マニホールドｍ２は、排出側接続部Ｃ２を介して排出管路Ｌ２１と接続される。

燃料電池スタックＳ１における、上記一端側の面と対向する他端側の面には、排出口ｍ３及び排出口ｍ４を有するブリージング１９が設けられる。ブリージング１９は、冷媒流路１３を流通する冷媒内に滞留する空気等の気体を、排出口ｍ３及び排出口ｍ４を介して燃料電池スタックＳ１の外部に排出する機能を有する。排出口ｍ３及び排出口ｍ４は、リザーブタンク（図示せず）に接続される。排出口ｍ３及び排出口ｍ４は、図６に示すように、重力方向であるＺ方向において、マニホールドｍ１及びマニホールドｍ２よりも上方に設けられる。これにより、燃料電池スタックＳ１の内部に滞留する気体を排出口ｍ３及び排出口ｍ４を介して効率よく外部に排出できる。

（熱交換器）
熱交換器２０は、供給管路及び排出管路を流通する冷媒を冷却するために用いられる装置である。熱交換器２０としては、特に制限されるものではなく、例えば、クーリングタワー、ラジエータ、ヒータコア、オイルクーラ、チラー等が挙げられる。本実施形態において、熱交換器２０は、図２に示すような開放式のクーリングタワーである。図２に示すように、熱交換器２０は、本体部２１と、滴下配管２２と、循環流路Ｌ４と、ファンＦと、を備える。

本体部２１は、熱交換器２０を循環する冷却水Ｗを下方に貯留すると共に、内部に冷却対象である供給管路及び排出管路と、滴下配管２２と、を収容する。図２に示すように、電力供給システムＧ１の供給管路Ｌ１１の上流側端部と、排出管路Ｌ２１の下流側端部とは、本体部２１の内部に配置される接続部Ｌｃ１によって接続される。同様に、電力供給システムＧ２の供給管路Ｌ１２の上流側端部と、排出管路Ｌ２２の下流側端部とは、本体部２１の内部に配置される接続部Ｌｃ２によって接続される。接続部Ｌｃ１及び接続部Ｌｃ２は、特に限定されず、供給管路と排出管路とを、冷媒を流通可能に接続するものであればよい。更に、接続部Ｌｃ１及び接続部Ｌｃ２は、連結流路Ｌ３によって互いに連結される。これにより、複数の電力供給システムＧ１及びＧ２の供給管路及び排出管路を流通する冷媒の流量や温度だけでなく、イオン伝導率を均一化できる。各燃料電池スタックは、消費電力に差が生じる場合があり、溶出するイオン量に差が生じる場合がある。冷却水内のイオン伝導率が高いと、燃料電池スタックの劣化が高まるが、本実施形態の上記構成によれば、各燃料電池スタック内を流れる冷媒のイオン伝導率を均一化できる。これにより、各燃料電池スタックの耐久性が均一化されることで、結果的に燃料電池システム１全体の耐久性を向上できる。

滴下配管２２は、熱交換器２０の上部で水平方向に延在して設けられる。滴下配管２２は、循環流路Ｌ４と接続されており、循環流路Ｌ４から供給される冷却水を、本体部２１の内部で下方に滴下する。滴下配管２２から滴下された冷却水は、図２に示すように、供給管路及び排出管路に接触して熱交換した後、本体部２１の下部に落下する。

循環流路Ｌ４は、排出管路Ｌ２１の冷却に使用された後の温度の高い冷却水Ｗを、熱交換器２０の上部に供給する。循環流路Ｌ４は、例えば図２に示すように、本体部２１の下部から上部に向けて延在して設けられる。

ファンＦは、熱交換器２０の上部に設けられ、回転駆動することにより外気を熱交換器内部に導入する。

以上、本発明に関する実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。

１燃料電池システム
１３冷媒流路
２０熱交換器
３補水口
Ｌ１１、Ｌ１２供給管路
Ｌ２１、Ｌ２２排出管路
Ｃ１供給側接続部
Ｃ２排出側接続部
Ｌｃ１、Ｌｃ２接続部
Ｌ３連結流路
Ｇ１、Ｇ２電力供給システム
Ｓ１～Ｓ１０燃料電池スタック

Claims

冷媒が流通する冷媒流路が設けられた複数の燃料電池スタックを有する燃料電池システムであって、
複数の前記燃料電池スタックは水平方向に並置され、
前記冷媒流路に前記冷媒を分配して供給する供給管路と、
前記冷媒流路を流通した前記冷媒を集合させて排出する排出管路と、を有し、
前記供給管路及び前記排出管路は、重力方向において、複数の前記燃料電池スタックの前記冷媒流路の形成範囲内に設けられる、燃料電池システム。
前記供給管路は、上流側から下流側にかけて、水平方向に対して下方に傾斜し、
前記排出管路は、上流側から下流側にかけて、水平方向に対して上方に傾斜する、請求項１に記載の燃料電池システム。
前記供給管路及び前記排出管路は、並置される複数の前記燃料電池スタックの一端側から他端側へと延びる流路であり、
前記排出管路は、前記供給管路よりも複数の前記燃料電池スタックに近接して設けられる、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
前記冷媒流路と前記供給管路とを接続する供給側接続部と、前記冷媒流路と前記排出管路とを接続する排出側接続部と、を有し、
前記供給側接続部及び前記排出側接続部のうち、少なくとも一方は、着脱自在な接続部である、請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。
前記冷媒を冷却する熱交換器と、
前記供給管路の上流側端部と前記排出管路の下流側端部とを接続する接続部と、を有し、
前記接続部は、前記熱交換器内に設けられる、請求項１に記載の燃料電池システム。
水平方向に並置される複数の前記燃料電池スタック、前記供給管路、及び前記排出管路により構成される、電力供給システムを複数有し、
複数の前記電力供給システムは、重力方向に並設され、
複数の前記電力供給システムの前記接続部同士を互いに連結する連結流路が設けられる、請求項５に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池スタックにおける、前記供給側接続部及び前記排出側接続部が配置される一端側の面と対向する他端側の面に、前記冷媒内に滞留する気体を前記燃料電池スタック外に排出する排出口が設けられ、
前記排出口は、重力方向で前記供給側接続部及び前記排出側接続部よりも上方に設けられる、請求項４に記載の燃料電池システム。
前記冷媒流路に前記冷媒を補水する補水口が設けられ、
前記補水口は、重力方向で最も上方に配置される前記電力供給システムの、前記供給管路又は前記排出管路の最上部に設けられる、請求項６に記載の燃料電池システム。