JP5348606B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタックを備えた燃料電池システムに関する。

近年、燃料ガスと酸化ガス（以下、これらを反応ガスという。）との電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源とした燃料電池システムが注目されている。このような燃料電池システムに用いられる燃料電池は、例えば、単セルを複数積層した燃料電池スタックが、そのセル積層方向両端をエンドプレートで挟持された構成となっている。

また、このような燃料電池システムには、燃料ガスを有効利用するために燃料電池スタックから排出された燃料オフガスを再び燃料電池スタックに供給する燃料ガス循環系を有するものがあり、その燃料オフガスを循環させるための循環電動ポンプをエンドプレートに固定する等している（例えば、特許文献１参照）。さらに、循環電動ポンプには、車両衝突時等の衝撃から端子台等を保護するべくカバー等の保護部品が取り付けられている。
特開２００８−１６４０２号公報

しかしながら、このような保護部品の取り付けにより、重量の増大を招き、また、保護部品の取り付けスペースが必要であった。あるいは、衝突等の際に他の物体が進入（あるいは侵入）し難い部位に端子台等を設置しようとすれば、設置場所が限られるという問題もあった。

そこで、本発明は、高強度な保護部品を取り付けることなく、ポンプの端子台などの要保護部材を外部からの衝撃から保護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。

上記目的を達成するため、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行うセルが複数積層されてなり、セルの積層方向両端部に配置された一対のエンドプレートに挟持された燃料電池スタックと、エンドプレートのセル積層方向外側に配置されたポンプと、外力からの保護を要する要保護部材と、を備え、要保護部材は、燃料電池スタックのセルの積層方向におけるポンプのエンドプレートと反対側の外周よりもエンドプレート側に配置されているものである。

かかる構成の燃料電池システムの場合、要保護部材が、セルの積層方向におけるポンプのエンドプレートと反対側の外周よりもエンドプレート側に配置されているので、外部からの衝撃が加わるような場合に、その衝撃が剛性の高いポンプによって受け止められる。したがって、別個の高強度な保護部品を用いることなく要保護部材を保護することができる。

この場合、要保護部材は、例えばポンプに動力線を接続する端子台である。

かかる燃料電池システムにおいてポンプとエンドプレートとの間に隙間がある場合、要保護部材は、当該隙間の大きさの分だけさらにエンドプレート寄りに配置されていることも好ましい。このようにポンプとエンドプレートとの間に隙間があると、外部から衝撃が加わった際、当該ポンプがエンドプレートに接触するまで動く可能性がある。この点、本発明においてはこのようなポンプの動きにも配慮し、当該隙間分だけあらかじめ要保護部材をエンドプレート寄りに配置しておくから、ポンプに動きがあったとしても当該要保護部材を衝撃から十分保護することが可能である。

また、要保護部材は、ポンプのエンドプレートと反対側の外周からエンドプレート側への寸法が、ポンプとエンドプレートとの隙間よりも大きくされていても良い。

かかる構成とすることによって、要保護部材は、ポンプのエンドプレートと反対側の外周からエンドプレート側への寸法が、ポンプとエンドプレートとの隙間よりも大きくされているので、外部からの衝撃によってポンプがエンドプレート側に変位しても、その衝撃をポンプによって受け止めさせて要保護部材を衝撃から保護することができる。また、ポンプの変位が許容されるため、ポンプの取り付け剛性を低減させることができ、取り付け構造の簡略化を図ることができる。

ポンプは、例えば水素オフガスの循環ポンプである。

本発明によれば、別個の高強度な保護部品を取り付けることなく、ポンプの端子台などの要保護部材を外部からの衝撃から保護することができる。

次に、本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を図面を参照しつつ説明する。なお、参照する図面においては、図示の都合上、当該燃料電池システムの構成要素のうち、配管あるいは配管部と称している構成要素の図示を簡略化している。

図１は、燃料電池システム１のシステム構成図である。この燃料電池システム１は、燃料電池自動車の車載発電システムや船舶、航空機、電車あるいは歩行ロボット等のあらゆる移動体用の発電システム、さらには、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等に適用可能であるが、具体的には自動車用となっている。

燃料電池システム１は、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電気化学反応により発電して電力を発生する複数（例えば二つ）の燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂを備えるとともに、これら燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂへの酸化ガスとしての空気のガス供給を調整するカソード系の酸化ガス配管系２と、燃料ガスとしての水素ガスのガス供給を調整するアノード系の燃料ガス配管系３とを備えている。

酸化ガス配管系２は、加湿器２０により加湿された酸化ガス（空気）を分岐した二系統の配管２１Ａ，２１Ｂを介して二つの燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂそれぞれに供給する空気供給配管２１と、これら燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂから二系統の配管２２Ａ，２２Ｂを介して排出された酸化オフガスを合流後に加湿器２０に導く空気排出配管２２と、加湿器２０から外部に酸化オフガスを導くための排出配管２３とを備えている。空気供給配管２１には、大気中の酸化ガスを取り込んで加湿器２０に圧送するコンプレッサ２４が設けられている。

燃料ガス配管系３は、高圧の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク３０と、水素タンク３０の水素ガスを配管３１ａと配管３１ａが分岐部３１ｂで分岐した二系統の配管３１Ａ，３１Ｂとを介して二つの燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂに供給するための燃料供給配管３１と、燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂから二系統の配管３２Ａ，３２Ｂを介して排出された燃料ガスのオフガスとしての水素オフガスを合流部３２ａでの合流後の配管３２ｂで燃料供給流路３１の分岐前の合流部３２ｃに戻す循環配管３２と、を備えている。

燃料供給配管３１には、燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂに燃料ガスを供給するために、水素タンク３０からの水素ガスの供給を遮断又は許容するとともに許容時に水素ガスの圧力を調整する遮断弁付レギュレータ３３が配管３１ａに設けられている。

循環配管３２には、燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂから排出された水素オフガス（燃料ガス）を再び燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂに供給するために、気液分離器３４が配管３２ｂに設けられている。この気液分離器３４は、燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂから排出された水素オフガスの気液を分離するもので、具体的には水素オフガスから水分を回収するものである。

この気液分離器３４には、排出配管３５が接続されており、この排出配管３５には、排出弁３６が設けられている。この排出弁３６は、図示略の制御装置からの指令によって作動することにより、気液分離器３４で回収した水分と、循環流路３２内の不純物を含む水素オフガスとを排出配管３５を介して外部に排出（パージ）するものである。

循環配管３２には、燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂから排出された循環配管３２内の水素オフガスを吸引し加圧して燃料供給配管３１側へ吐出することで、燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂから排出されるガスの循環を調整する循環電動ポンプ（ポンプ）３７が設けられている。

燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂは、図２に示すように、反応ガスの供給を受けて電気化学反応により発電する単セル４０を所要数積層して構成されるもので、互いに単セル４０の積層方向を平行にして並設された状態で、これらに共通で積層方向両端部に配置された一対のエンドプレート４１，４２で挟持されている。なお、これらエンドプレート４１，４２は図示略のテンションプレートで互いに連結されている。

このようにエンドプレート４１，４２で挟持された燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂは、スタックケース４３に収納される。このようにスタックケース４３に収納された状態で燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂは、互いに水平方向に並ぶ姿勢で車体に設置されることになり、以下、この設置時の姿勢で説明する。

上記した一対のエンドプレート４１，４２は、複数の燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂに共通であるため横方向に長い略長方形状をなしており、一方のエンドプレート４１に、図３に示すように、循環配管３２、循環電動ポンプ３７、気液分離器３４、排出弁３６及び排出配管３５が配置されており、また、燃料ガス供給系構成部品である遮断弁付レギュレータ３３も配置されている。

具体的には、まず、エンドプレート４１には循環電動ポンプ３７が取り付けられている。この循環電動ポンプ３７は給電を受けて回転駆動力を発生させる電動モータ部５０と、この電動モータ部５０の駆動力で回転してガスを吸引し吐出するポンプロータ部５１とを有しており、これら電動モータ部５０とポンプロータ部５１とが互いの回転軸線方向を一致させてこの方向に並設されることで、この回転軸線方向に長い形状をなしている。

この循環電動ポンプ３７には、給電用の３相あるいは２相の動力線が接続される端子台（要保護部材）５９を備えている。ターミナル部として機能するこの端子台５９は、循環電動ポンプ３７を構成する電動モータ部５０の周面の一部にて、側方へ突出するように設けられている。この端子台５９は、燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂの単セル４０の積層方向における循環電動ポンプ３７のエンドプレート４１と反対側の外周よりもエンドプレート４１側に配置され、循環電動ポンプ３７のエンドプレート４１と反対側の外周から突出しないようにされている。

循環電動ポンプ３７には、ポンプロータ部５１側に上下二箇所の取付座部５３，５４が設けられ、電動モータ部５０側に取付座部５５が設けられ、これら取付座部５３〜５５によってエンドプレート４１にボルト止めされている。そして、これら取付座部５３〜５５によってエンドプレート４１に取り付けられた循環電動ポンプ３７は、エンドプレート４１との間に隙間Ｇが形成されている。

ここで、循環電動ポンプ３７の端子台５９は、燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂの単セル４０の積層方向における循環電動ポンプ３７のエンドプレート４１と反対側の外周から寸法Ｌだけエンドプレート４１側に変位した位置に配置されている。そして、この循環電動ポンプ３７の外周から端子台５９までの寸法Ｌは、循環電動ポンプ３７とエンドプレート４１との隙間Ｇよりも大きくされている。

また、ポンプロータ部５１には、外部からガスを吸引する吸引口５６が下部に下方に向いて設けられ、外部へガスを吐出する吐出口５７が上部に上方を向いて設けられている。

循環電動ポンプ３７の円筒状の電動モータ部５０の外周面には、その構成部品であるモータ温度検出用サーミスタ５８が電動モータ部５０の最もエンドプレート４１から離間する端部位置よりも下側に取り付けられている。

エンドプレート４１の循環電動ポンプ３７の下側には、電気部品である遮断弁付レギュレータ３３が取り付けられている。この遮断弁付レギュレータ３３は、ガスの通過を遮断し又は許容する遮断弁部６０と、この遮断弁部６０を通過後のガスの圧力を調整するレギュレータ部６１とが並設されており、これら遮断弁部６０及びレギュレータ部６１の並設方向に長い形状をなしている。

遮断弁付レギュレータ３３は、遮断弁部６０を外側にレギュレータ部６１を内側にした状態でエンドプレート４１に取り付けられており、外部からガスが導入される導入口６２が遮断弁部６０の下部に下方に向いて設けられ、遮断弁部６０及びレギュレータ部６１を通過したガスを外部に導出させる導出口６３がレギュレータ部６１の上部に上方に向いて設けられている。さらに、遮断弁部６０及びレギュレータ部６１にはそれぞれ電気接続用のコネクタ部６４，６５が設けられている。

この遮断弁付レギュレータ３３は、全体として電動モータ部５０の最もエンドプレート４１から離間する端部位置よりもエンドプレート４１側に配置されており、その結果、遮断弁付レギュレータ３３の電気接続用のコネクタ部６４，６５も電動モータ部５０で上側が覆われている。

エンドプレート４１の循環電動ポンプ３７のポンプロータ部５１の下側には、気液分離器（要保護部材）３４が、エンドプレート４１の長さ方向において遮断弁付レギュレータ３３と並設されて取り付けられている。この気液分離器３４は、外部からガスが導入される導入口６７が、遮断弁付レギュレータ３３とは反対側の側部にこの方向に向いて設けられ、外部にガスを導出する導出口６８が、遮断弁付レギュレータ３３側の側部にこの方向に向いて設けられている。

気液分離器３４の遮断弁付レギュレータ３３とは反対の側方であってエンドプレート４１の長さ方向の略中央位置には、燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂから排出された水素オフガスを導く図１に示す配管３２Ａ，３２Ｂの合流後の出口部６９が設けられており、この出口部６９には、気液分離器３４側の側部に気液分離器３４側に向いて水素オフガスを導出する導出口６６が設けられている。

エンドプレート４１の気液分離器３４の直下位置には、排出弁３６が取り付けられている。この排出弁３６は、気液分離器３４に上部で接続されており、気液分離器３４から水分及び水素オフガスをパージする際に外部にガスを排出する排出口７０が、下部に下方に向いて設けられている。これら気液分離器３４及び排出弁３６も、ポンプロータ部５１の最もエンドプレート４１から離間する端部位置よりもエンドプレート４１側に配置されており、ポンプロータ部５１で上側が覆われている。

エンドプレート４１の長さ方向の両端部の上端位置には燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂに個別に水素ガスを供給するための供給口７１Ａ，７１Ｂが設けられている。

そして、燃料供給配管３１の分岐前の配管３１ａのうち水素タンク３０と遮断弁付レギュレータ３３とを結ぶ配管部８０が、遮断弁付レギュレータ３３の導入口６２に接続され、配管３１ａのうち遮断弁付レギュレータ３３と合流部３２ｃとを結ぶ配管部８１が、遮断弁付レギュレータ３３の導出口６３及び合流部３２ｃに接続されている。さらに、合流部３２ｃと分岐部３１ｂとが配管３１ａの配管部８２で連結されている。

さらに、分岐部３１ｂと燃料電池スタック１０Ａとを結ぶ配管３１Ａが、分岐部３１ｂと供給口７１Ａとに接続され、分岐部３１ｂと燃料電池スタック１０Ｂとを結ぶ配管３１Ｂが、分岐部３１ｂと供給口７１Ｂとに接続されている。ここで、水素ガスを均等に分配できるように配管３１Ａと配管３１Ｂとが均等な長さとされ、その結果、分岐部３１ｂは、エンドプレート４１の長さ方向の略中央に配置されている。

また、循環配管３２の合流後の配管３２ｂのうち出口部６９と気液分離器３４とを結ぶ配管部８３が、出口部６９の導出口６６と気液分離器３４の導入口６７とに接続されており、配管３２ｂのうち気液分離器３４と循環電動ポンプ３７とを結ぶ配管部８４が、気液分離器３４の導出口６８と循環電動ポンプ３７の吸引口５６とに接続されている。

さらに、配管３２ｂのうち循環電動ポンプ３７と燃料供給配管３１とを結ぶ配管部８５が循環電動ポンプ３７の吐出口５７と合流部３２ｃとに接続されている。さらに、排出弁３６の排出口７０に排出配管３５が接続されている。

そして、上記構造において、水素ガスが流される燃料供給配管３１、水素オフガスが流される循環配管３２及び気液分離器３４も、燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂの単セル４０の積層方向における循環電動ポンプ３７のエンドプレート４１と反対側の外周よりもエンドプレート４１側に配置されている。

また、燃料供給配管３１及び循環配管３２は、弾性変形によって単セル４０の積層方向に変位可能とされている。

また、燃料供給配管３１、循環配管３２及び気液分離器３４も、燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂの単セル４０の積層方向における循環電動ポンプ３７のエンドプレート４１と反対側の外周から、循環電動ポンプ３７とエンドプレート４１との隙間Ｇよりも大きい寸法Ｌだけエンドプレート４１側に変位した位置に配置されている。

以上により、水素タンク３０から供給された水素ガスは、配管部８０から、遮断弁付レギュレータ３３、配管部８１、合流部３２ｃ、及び配管部８２を介して分岐部３１ｂに導入され、分岐部３１ｂで配管３１Ａ，３１Ｂに分流されて燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂに分配される。

また、燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂからの水素オフガスは、出口部６９から配管部８３、気液分離器３４、配管部８４、循環電動ポンプ３７、及び配管部８５を介して合流部３２ｃに導入され、水素タンク３０から供給された水素ガスと合流して、配管部８２を介して分岐部３１ｂに導入されて再び燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂに分配される。

ここで、遮断弁付レギュレータ３３、循環電動ポンプ３７、気液分離器３４、排出弁３６及び配管部８０〜８５は、予めエンドプレート４１に取り付けられてモジュール化されることになり、その後、燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂ及びエンドプレート４２等に組み付けられる。

そして、上記燃料電池システム１は、車両に搭載する場合では、例えば、車両の床下にて、単セル４０の積層方向を車両の幅方向に沿うように設置される。このような設置状態において、車両の車幅によって制限されるスペース内にて、単セル４０の積層枚数によって決定する出力電圧を大きくするためには、燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂの寸法を制限されたスペース内にて極力大きくする必要がある。この場合、燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂの端部が車両の側部近傍にまで達することとなる。

すると、燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂは、その端部にて、車両の側方からの衝撃力を受け易くなるが、循環電動ポンプ３７の端子台５９、燃料供給配管３１、循環配管３２及び気液分離器３４は、いずれも燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂの単セル４０の積層方向における循環電動ポンプ３７のエンドプレート４１と反対側の外周よりもエンドプレート４１側に配置されているので、剛性が高い循環電動ポンプ３７が外部からの衝撃を受け止めることとなる。つまり、例えば衝突等の際に他の物体が当該領域に進入してきたとしても、本実施形態の燃料電池システム１においては循環電動ポンプ３７が外部からの荷重を受け、端子台５９を保護して破壊等に至るのを抑える。

これにより、高電圧の電力を供給する動力線が接続される端子台５９、水素ガスや水素オフガスが流される燃料供給配管３１、循環配管３２及び気液分離器３４が、循環電動ポンプ３７によって外部衝撃から保護され、端子台５９における絶縁性、燃料供給配管３１、循環配管３２及び気液分離器３４における気密性が確保される。

特に、循環電動ポンプ３７が外部衝撃によってエンドプレート４１側へ隙間Ｇ分変位したとしても、端子台５９、燃料供給配管３１、循環配管３２及び気液分離器３４における循環電動ポンプ３７のエンドプレート４１と反対側の外周からエンドプレート４１側への寸法Ｌが、循環電動ポンプ３７とエンドプレート４１との隙間Ｇよりも大きくされているので、端子台５９、燃料供給配管３１、循環配管３２へ外部衝撃が加わるのが抑制される。

以上に述べた燃料電池システム１によれば、高電圧の電力を供給する動力線が接続される端子台５９、水素ガスや水素オフガスが流される燃料供給配管３１、循環配管３２及び気液分離機３４などの要保護部材が、単セル４０の積層方向における循環電動ポンプ３７のエンドプレート４１と反対側の外周よりもエンドプレート４１側に配置されているので、外部からの衝撃が加わるような場合に、その衝撃が剛性の高い循環電動ポンプ３７によって受け止められ、あるいは吸収される。したがって、別個の高強度な保護部品を用いることなく端子台５９、燃料供給配管３１、循環配管３２及び気液分離器３４などの要保護部材を保護することができる。このため、従来必要とされていたカバー等の保護部材ないしは強度部材を省略することが可能である。また、これにより、当該燃料電池システム１の開発時ないしは組立時に要する工数（工程数）を減少させることも可能となる。

また、循環電動ポンプ３７が衝撃によって変位しても、弾性変形によって燃料供給配管３１及び循環配管３２が単セル４０の積層方向に変位するので、これら燃料供給配管３１及び循環配管３２が衝撃によって塑性変形するような不具合が抑制される。

特に、端子台５９、燃料供給配管３１、循環配管３２及び気液分離器３４などの要保護部材における循環電動ポンプ３７のエンドプレート４１と反対側の外周からエンドプレート４１側への寸法Ｌが、循環電動ポンプ３７とエンドプレート４１との隙間Ｇよりも大きくされているので、外部からの衝撃によって循環電動ポンプ３７がエンドプレート４１側に変位しても、その衝撃を循環電動ポンプ３７によって受け止めさせて端子台５９、燃料供給配管３１、循環配管３２及び気液分離器３４などの要保護部材を衝撃から保護することができる。

また、この場合、循環電動ポンプ３７の変位が許容されるため、循環電動ポンプ３７の取り付け剛性を低減させることができ、取り付け構造の簡略化を図ることができる。

なお、上記実施形態では、端子台５９を、循環電動ポンプ３７の上方に配置させたが、この端子台５９は、単セル４０の積層方向における循環電動ポンプ３７のエンドプレート４１と反対側の外周よりもエンドプレート４１側に配置されていれば、循環電動ポンプ３７の下方側に配置しても良い。

また、遮断弁付レギュレータ３３を、上流側のガス状態（流量、圧力、温度、モル濃度等）を調整して下流側に供給するインジェクタに換えても良い。

また、上述した実施形態のごとく循環電動ポンプ３７とエンドプレート４１との間に隙間Ｇがある場合、要保護部材を、隙間Ｇが無い場合よりも当該隙間Ｇの大きさの分だけさらにエンドプレート４１寄りに配置することも好ましい。一般に、循環電動ポンプ３７とエンドプレート４１との間に隙間Ｇがあると、外部から衝撃が加わった際、循環電動ポンプ３７がエンドプレート４１に接触するまで動く可能性がある。このような循環電動ポンプ３７の動きを見越しておき、当該隙間Ｇの分だけあらかじめ要保護部材をエンドプレート４１寄りに配置しておけば、循環電動ポンプ３７に隙間Ｇの大きさに相当する動きがあったとしても当該要保護部材を衝撃から十分保護することが可能である。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムのスタックケース及びその内部の平面図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムのエンドプレート及び燃料ガス循環系構成部品等を示すもので、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。

符号の説明

１…燃料電池システム、１０Ａ，１０Ｂ…燃料電池スタック、３７…循環電動ポンプ（ポンプ）、４０…単セル（セル）、４１…エンドプレート、５９…端子台（要保護部材）、Ｇ…隙間、Ｌ…寸法。

Claims (4)

1. 燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行うセルが複数積層されてなり、前記セルの積層方向両端部に配置された一対のエンドプレートに挟持された燃料電池スタックと、
   前記エンドプレートに取り付けられたポンプと、
   外力からの保護を要する要保護部材と、を備え、
   前記要保護部材は、前記燃料電池スタックの前記セルの積層方向における前記ポンプの前記エンドプレートと反対側の外周よりも前記エンドプレート側に配置されており、尚かつ、
   前記要保護部材は、前記ポンプの前記エンドプレートと反対側の外周から前記エンドプレート側への寸法が、前記ポンプと前記エンドプレートとの隙間よりも大きくされている燃料電池システム。
2. 前記要保護部材は、前記ポンプに動力線を接続する端子台である請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記ポンプと前記エンドプレートとの間に隙間がある場合、前記要保護部材は、当該隙間の大きさの分だけさらに前記エンドプレート寄りに配置されている請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記ポンプは、水素オフガスの循環ポンプである請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

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