JP5354942B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
本発明は、複数の発電セルが積層される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタック内に反応ガスを導入するとともに、前記燃料電池スタックから排出される使用済み反応ガスを前記燃料電池スタックに戻すエゼクタが設けられ、前記燃料電池スタックの一方のエンドプレートに連結される反応ガス供給機構とを備え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（電解質）の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
ところで、燃料電池では、水素ガス等の燃料ガスがアノード側電極に供給されるとともに、発電に使用されない未反応の燃料ガスを含む燃料オフガスが、前記燃料電池から排出されている。従って、経済性を考慮し、燃料ガスの有効利用を図るため、燃料オフガスを、燃料ガスとしてアノード側電極に再度供給することが行われている。
例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムは、図６に示すように、水素供給装置１から燃料電池２（複数の発電セル２ａの積層体）に水素を供給するための水素供給経路３と、前記燃料電池２から排出されるオフガスを前記水素供給経路３に合流させ、前記燃料電池２に再循環させるオフガス循環経路４と、オフガスを前記オフガス循環経路４に循環させるとともに、オフガスの循環量を制御可能であり、さらにオフガスを主供給水素に混合するエジェクタポンプ５と、前記エジェクタポンプ５の吐出圧を検出する圧力センサ６とを設けている。
ところで、エジェクタポンプ５が燃料電池２の近傍に配置される際、前記エジェクタポンプ５から前記燃料電池２の水素供給連通孔内には、水素が高圧で吐出されている。このため、水素供給連通孔内には、静圧分布が発生し易い。これにより、燃料電池２内では、特に水素入口側に位置する発電セル２ａに対して水素が十分に供給されず、発電性能が低下するという問題がある。
本発明はこの種の要請に対応してなされたものであり、燃料電池スタック内に積層されている各発電セルに対し、反応ガスを均一且つ確実に分配供給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。
本発明に係る燃料電池システムは、複数の発電セルが積層されるとともに、積層方向に沿って少なくとも燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを供給する反応ガス供給連通孔が設けられる燃料電池スタックと、前記反応ガス供給連通孔に前記反応ガスを導入するとともに、前記燃料電池スタックから排出される使用済み反応ガスを前記反応ガス供給連通孔に戻すエゼクタが、前記燃料電池スタックの一方のエンドプレートの外方に設けられ、前記一方のエンドプレートに連結される反応ガス供給機構とを備えている。
燃料電池スタックは、一方のエンドプレートに隣接して配置される絶縁プレートを有し、前記絶縁プレートには、前記一方のエンドプレートに設けられた樹脂製筒部を介してエゼクタと反応ガス供給連通孔とを連通する連通部位に、反応ガスを整流するための整流部が設けられている。
また、反応ガス供給連通孔は、横長開孔形状を有し、整流部は、前記横長開孔形状の底部に沿った開口部と、前記開口部の上方に配置される複数の孔部とを設けることが好ましい。
さらに、反応ガスは、燃料ガスであるとともに、反応ガス供給連通孔は、燃料ガス供給連通孔であることが好ましい。
本発明によれば、エゼクタから燃料電池スタックの反応ガス供給連通孔に反応ガスが吐出される際、絶縁プレートに設けられている整流部の作用下に、前記反応ガスが整流されている。
このため、反応ガスの流速が低下するとともに、反応ガス供給連通孔内での静圧分布が改善される。これにより、燃料電池スタック内に積層されている各発電セルに対し、反応ガスを均一且つ確実に分配供給することが可能になり、発電性能及び起動性が有効に向上する。しかも、通常の絶縁プレートに整流機能を付加しており、部品点数を有効に削減することができる。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１０の概略構成図である。
燃料電池システム１０は、図示しない燃料電池車両に搭載されており、燃料電池スタック１４と、前記燃料電池スタック１４に冷却媒体を供給するための冷却媒体供給機構１６と、前記燃料電池スタック１４に酸化剤ガス（反応ガス）を供給するための酸化剤ガス供給機構１８と、前記燃料電池スタック１４に燃料ガス（反応ガス）を供給するための燃料ガス供給機構２０とを備える。
冷却媒体供給機構１６は、ラジエータ２４を備える。このラジエータ２４には、冷媒用ポンプ２６を介して冷却媒体供給配管２８と、冷却媒体排出配管３０とが接続される。
酸化剤ガス供給機構１８は、冷媒用ポンプ２６に近接して配置される空気用ポンプ３２を備える。この空気用ポンプ３２に一端が接続される空気供給配管３４は、加湿器３６に他端が接続されるとともに、この加湿器３６には、加湿空気供給配管３８を介して燃料電池スタック１４が接続される。燃料電池スタック１４と加湿器３６とには、使用済みの酸化剤ガス（以下、オフガスという）を加湿流体として供給するためのオフガス供給配管４０が接続される。加湿器３６では、オフガス供給配管４０を介して供給されたオフガスの排出側に、背圧弁４２が配設される。
燃料ガス供給機構２０は、燃料ガスとして水素ガスが貯留される燃料ガスタンク４４を備える。この燃料ガスタンク４４には、燃料ガスパイプ４５の一端が接続され、前記燃料ガスパイプ４５は、遮断弁４６、レギュレータ４８及びエゼクタ５０を介して燃料電池スタック１４に接続される。
燃料電池スタック１４には、使用済みの燃料ガスが排出される排出燃料ガス配管５２が接続される。この排出燃料ガス配管５２は、リターン配管５４を介してエゼクタ５０に接続されるとともに、一部がパージ弁５６に連通する。
燃料電池スタック１４は、複数の発電セル６０が水平方向（図２中、矢印Ａ方向）に積層されるとともに、積層方向の両端には、ターミナルプレート５８ａ、５８ｂ及び絶縁プレート５９ａ、５９ｂを介して金属製エンドプレート６２ａ、６２ｂが配設される（図１参照）。燃料電池スタック１４は、例えば、エンドプレート６２ａ、６２ｂを端板とするケーシング（図示せず）、又は前記エンドプレート６２ａ、６２ｂ間を締結するタイロッド（図示せず）を備える。
ターミナルプレート５８ａ、５８ｂに電力取り出し端子６３ａ、６３ｂが設けられており、前記電力取り出し端子６３ａ、６３ｂは、エンドプレート６２ａ、６２ｂから積層方向外方に突出し、図示しない走行用モータや補機類に接続される。
図２に示すように、各発電セル６０は、電解質膜・電極構造体６６と、前記電解質膜・電極構造体６６を挟持する第１及び第２セパレータ６８、７０とを備えるとともに、縦長に構成される。なお、第１及び第２セパレータ６８、７０は、カーボンセパレータ又は金属セパレータで構成される。
発電セル６０の長辺方向（矢印Ｃ方向）の一端縁部（上端縁部）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔７２ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔（反応ガス供給連通孔）７６ａが設けられる。
発電セル６０の長辺方向の他端縁部（下端縁部）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔７２ｂ及び燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔７６ｂが設けられる。
発電セル６０の短辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔７４ａが設けられるとともに、前記発電セル６０の短辺方向の他端縁部には、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔７４ｂが設けられる。冷却媒体供給連通孔７４ａ及び冷却媒体排出連通孔７４ｂは、縦長形状に設定される。
電解質膜・電極構造体６６は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜７８と、前記固体高分子電解質膜７８を挟持するアノード側電極８０及びカソード側電極８２とを備える。
第１セパレータ６８の電解質膜・電極構造体６６に向かう面６８ａには、燃料ガス供給連通孔７６ａと燃料ガス排出連通孔７６ｂとを連通する燃料ガス流路８４が形成される。この燃料ガス流路８４は、例えば、矢印Ｃ方向に延在する溝部により構成される。第１セパレータ６８の面６８ａとは反対の面６８ｂには、冷却媒体供給連通孔７４ａと冷却媒体排出連通孔７４ｂとを連通する冷却媒体流路８６が形成される。この冷却媒体流路８６は、矢印Ｂ方向に延在する溝部により構成される。
第２セパレータ７０の電解質膜・電極構造体６６に向かう面７０ａには、例えば、矢印Ｃ方向に延在する溝部からなる酸化剤ガス流路８８が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路８８は、酸化剤ガス供給連通孔７２ａと酸化剤ガス排出連通孔７２ｂとに連通する。第２セパレータ７０の面７０ａとは反対の面７０ｂには、第１セパレータ６８の面６８ｂと重なり合って冷却媒体流路８６が一体的に形成される。図示しないが、第１及び第２セパレータ６８、７０には、必要に応じてシール部材が設けられる。
図３に示すように、エンドプレート６２ｂには、樹脂製マニホールド部材９０が装着される。このマニホールド部材９０は、燃料ガス供給連通孔７６ａに連通し、前記燃料ガス供給連通孔７６ａの形状に対応する横長形状（横長開孔形状）通路９１ａを設ける非円形状筒部９２ａと、エンドプレート６２ｂの外方に突出し、円形状通路９１ｂを設ける円形状筒部９２ｂとを一体に有する。
エゼクタ５０は、本体部９４と筒状部９６とを備え、前記本体部９４には、ノズル９８及びディフューザ１００が収容される。本体部９４には、オフガス通路１０４が形成される。ノズル９８は、燃料ガスパイプ４５に連通する燃料ガス通路１０６を設け、この燃料ガス通路１０６は、前記ノズル９８の先端に設けられる噴射口１１０からディフューザ１００内に開放される。
オフガス通路１０４には、リターン配管５４が連通するとともに、ディフューザ１００の外周に形成される孔部１１２を介して吸引室１１４に連通する。吸引室１１４は、先端側に向かって縮径した後、流れ方向下流に向かって連続的に拡径する吐出通路１１６に連通する。
筒状部９６の先端と、マニホールド部材９０の円形状筒部９２ｂとを連結する連結部位には、中間ジョイント１２０が配置される。中間ジョイント１２０は、円筒状部材であり、大径部１２２と小径部１２４とを一体的に有する。
大径部１２２及び小径部１２４には、それぞれ周溝１２６ａ、１２６ｂが形成される。大径部１２２は、周溝１２６ａにＯリング１２８ａを配設してエゼクタ５０の筒状部９６に嵌合する一方、小径部１２４は、周溝１２６ｂにＯリング１２８ｂを配設してマニホールド部材９０の円形状筒部９２ｂに嵌合する。
図３及び図４に示すように、絶縁プレート５９ｂには、エゼクタ５０と燃料ガス供給連通孔７６ａとを連通する連通部位に、燃料ガスを整流するための整流部１３０が設けられる。整流部１３０は、横長形状を有する燃料ガス供給連通孔７６ａの底部に沿った開口部１３２と、前記開口部１３２の上方に配置される複数の孔部１３４とを設ける。開口部１３２は、実質的に燃料ガス供給連通孔７６ａと燃料ガス流路８４とのブリッジ部に対応して設定される。
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。
先ず、図１に示すように、酸化剤ガス供給機構１８を構成する空気用ポンプ３２が駆動され、酸化剤ガスである外部空気が吸引されて空気供給配管３４に導入される。この空気は、空気供給配管３４から加湿器３６内に導入され、加湿空気供給配管３８に供給される。
その際、オフガス供給配管４０には、後述するように、反応に使用された酸化剤ガスであるオフガスが供給されている。このため、使用前の空気には、オフガス中に含まれる水分が移動し、この使用前の空気が加湿される。加湿された空気は、加湿空気供給配管３８からエンドプレート６２ｂを通って燃料電池スタック１４内の酸化剤ガス供給連通孔７２ａに供給される。
一方、燃料ガス供給機構２０では、遮断弁４６の開放作用下に、燃料ガスタンク４４内の燃料ガス（水素ガス）がレギュレータ４８で降圧された後、エゼクタ５０からエンドプレート６２ｂを通って燃料電池スタック１４内の燃料ガス供給連通孔７６ａに導入される。
さらに、冷却媒体供給機構１６では、冷媒用ポンプ２６の作用下に、冷却媒体供給配管２８からエンドプレート６２ａを通って燃料電池スタック１４内の冷却媒体供給連通孔７４ａに冷却媒体が導入される。
図２に示すように、燃料電池スタック１４内の各発電セル６０に供給された空気は、酸化剤ガス供給連通孔７２ａから第２セパレータ７０の酸化剤ガス流路８８に導入され、電解質膜・電極構造体６６のカソード側電極８２に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔７６ａから第１セパレータ６８の燃料ガス流路８４に導入され、電解質膜・電極構造体６６のアノード側電極８０に沿って移動する。
従って、各電解質膜・電極構造体６６では、カソード側電極８２に供給される空気中の酸素と、アノード側電極８０に供給される燃料ガス（水素）とが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
次いで、カソード側電極８２に供給されて消費された空気は、酸化剤ガス排出連通孔７２ｂに沿って流動した後、オフガスとしてエンドプレート６２ｂからオフガス供給配管４０に排出される（図１参照）。このオフガスは、加湿用ガスとして加湿器３６に供給される。
同様に、アノード側電極８０に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔７６ｂに排出されて流動し、排出燃料ガスとしてエンドプレート６２ｂから排出燃料ガス配管５２に排出される（図１参照）。排出燃料ガス配管５２に排出された排出燃料ガスは、一部がリターン配管５４を通ってエゼクタ５０の吸引作用下に新たな燃料ガスに混在し、燃料電池スタック１４内に供給される。残余の排出燃料ガスは、パージ弁５６の開放作用下に排出される。
また、冷却媒体は、図２に示すように、冷却媒体供給連通孔７４ａから第１及び第２セパレータ６８、７０間の冷却媒体流路８６に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体６６を冷却した後、冷却媒体排出連通孔７４ｂを移動してエンドプレート６２ａから冷却媒体排出配管３０に排出される。この冷却媒体は、図１に示すように、ラジエータ２４により冷却された後、冷媒用ポンプ２６の作用下に冷却媒体供給配管２８から燃料電池スタック１４に供給される。
この場合、第１の実施形態では、図３に示すように、燃料ガスパイプ４５からノズル９８の燃料ガス通路１０６に供給される燃料ガスは、前記ノズル９８の先端に設けられている噴射口１１０からディフューザ１００に噴射される。このため、吸引室１１４に負圧が発生し、リターン配管５４からオフガス通路１０４を介してこの吸引室１１４に排出燃料ガスが吸引される。
従って、ノズル９８から噴射された燃料ガスに排出燃料ガスが混合され、この混合された燃料ガスは、ディフューザ１００の吐出通路１１６から燃料ガス供給連通孔７６ａに向かって吐出される。
その際、絶縁プレート５９ｂには、エゼクタ５０と燃料ガス供給連通孔７６ａとを連通する連通部位に、燃料ガスを整流するための整流部１３０が設けられている。この整流部１３０は、図４に示すように、下方側の横長形状の開口部１３２と、前記開口部１３２の上方に配置される複数の孔部１３４とを設けている。下方側は、所謂、ブリッジ部に近接するため、多くの燃料ガスを供給する必要がある一方、上方側は、前記燃料ガスを流さないことが好ましいが、圧損が大きくなり過ぎないように、孔部１３４を設けている。
このため、吐出通路１１６から吐出される燃料ガスは、開口部１３２を通過することにより燃料ガス流路８４に円滑且つ確実に供給され易くなるとともに、複数の孔部１３４を通過することにより整流された後、燃料ガス供給連通孔７６ａに供給される。
これにより、比較的高速で吐出通路１１６から吐出される燃料ガスは、整流部１３０の整流作用下に流速が低下し、燃料ガス供給連通孔７６ａ内での静圧分布が改善される。従って、燃料電池スタック１４を構成する複数の発電セル６０に対し、燃料ガスを均一且つ確実に分配供給することが可能になり、発電性能及び起動性を有効に向上させることができるという効果が得られる。
しかも、絶縁プレート５９ｂに整流機能を付加しており、部品点数の増加を有効に阻止することが可能になる。
なお、整流部１３０では、孔部１３４の開口直径及び個数を、燃料ガス供給連通孔７６ａの形状等に沿って種々設定することができる。また、開口部１３２の形状は、横長形状の他、例えば、燃料ガスの流れ難い部位に対応して一部が幅広な異形状に設定してもよい。
また、第１の実施形態では、反応ガスとして燃料電池スタック１４に循環して供給される燃料ガスを用いて説明したが、これに限定されるものではなく、前記反応ガスとして酸化剤ガスを前記燃料電池スタック１４に循環供給する場合にも適用可能である。特に、酸化剤ガスとして純酸素が使用される際には、好適である。
図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムを構成する整流部１４０の要部説明図である。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。
整流部１４０は、燃料ガス供給連通孔７６ａの底部に沿った開口部１４２と、前記開口部１４２の上方に配置される複数の孔部１４４（孔部１３４よりも大径且つ小数に設定される）とを設ける。開口部１４２は、横長形状の一部に、すなわち、燃料ガスが流れ難い部位（所謂、ブリッジ部の近傍）に対応して高さ方向に大きく開口する幅広部１４２ａを有する。ブリッジ部から反応面内に燃料ガスを流れ易くするためである。
このように構成される第２の実施形態では、燃料電池スタック１４を構成する複数の発電セル６０に対し、燃料ガスを均一且つ確実に分配供給することが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
１０…燃料電池システム １４…燃料電池スタック
１６…冷却媒体供給機構 １８…酸化剤ガス供給機構
２０…燃料ガス供給機構 ４４…燃料ガスタンク
４５…燃料ガスパイプ ５０…エゼクタ
５２…排出燃料ガス配管 ５４…リターン配管
５９ａ、５９ｂ…絶縁プレート ６０…発電セル
６２ａ、６２ｂ…エンドプレート ６６…電解質膜・電極構造体
６８、７０…セパレータ ７２ａ…酸化剤ガス供給連通孔
７２ｂ…酸化剤ガス排出連通孔 ７４ａ…冷却媒体供給連通孔
７４ｂ…冷却媒体排出連通孔 ７６ａ…燃料ガス供給連通孔
７６ｂ…燃料ガス排出連通孔 ７８…固体高分子電解質膜
８０…アノード側電極 ８２…カソード側電極
８４…燃料ガス流路 ８６…冷却媒体流路
８８…酸化剤ガス流路 ９０…マニホールド部材
９４…本体部 ９６…筒状部
９８…ノズル １００…ディフューザ
１０４…オフガス通路 １０６…燃料ガス通路
１１０…噴射口 １１２、１３４、１４４…孔部
１１４…吸引室 １１６…吐出通路
１２０…中間ジョイント １２２…大径部
１２４…小径部 １３０、１４０…整流部
１３２、１４２…開口部 １４２ａ…幅広部
１６…冷却媒体供給機構 １８…酸化剤ガス供給機構
２０…燃料ガス供給機構 ４４…燃料ガスタンク
４５…燃料ガスパイプ ５０…エゼクタ
５２…排出燃料ガス配管 ５４…リターン配管
５９ａ、５９ｂ…絶縁プレート ６０…発電セル
６２ａ、６２ｂ…エンドプレート ６６…電解質膜・電極構造体
６８、７０…セパレータ ７２ａ…酸化剤ガス供給連通孔
７２ｂ…酸化剤ガス排出連通孔 ７４ａ…冷却媒体供給連通孔
７４ｂ…冷却媒体排出連通孔 ７６ａ…燃料ガス供給連通孔
７６ｂ…燃料ガス排出連通孔 ７８…固体高分子電解質膜
８０…アノード側電極 ８２…カソード側電極
８４…燃料ガス流路 ８６…冷却媒体流路
８８…酸化剤ガス流路 ９０…マニホールド部材
９４…本体部 ９６…筒状部
９８…ノズル １００…ディフューザ
１０４…オフガス通路 １０６…燃料ガス通路
１１０…噴射口 １１２、１３４、１４４…孔部
１１４…吸引室 １１６…吐出通路
１２０…中間ジョイント １２２…大径部
１２４…小径部 １３０、１４０…整流部
１３２、１４２…開口部 １４２ａ…幅広部
Claims (3)
- 複数の発電セルが積層されるとともに、積層方向に沿って少なくとも燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを供給する反応ガス供給連通孔が設けられる燃料電池スタックと、
前記反応ガス供給連通孔に前記反応ガスを導入するとともに、前記燃料電池スタックから排出される使用済み反応ガスを前記反応ガス供給連通孔に戻すエゼクタが、前記燃料電池スタックの一方のエンドプレートの外方に設けられ、前記一方のエンドプレートに連結される反応ガス供給機構と、
を備え、
前記燃料電池スタックは、前記一方のエンドプレートに隣接して配置される絶縁プレートを有し、前記絶縁プレートには、前記一方のエンドプレートに設けられた樹脂製筒部を介して前記エゼクタと前記反応ガス供給連通孔とを連通する連通部位に、前記反応ガスを整流するための整流部が設けられることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記反応ガス供給連通孔は、横長開孔形状を有し、
前記整流部は、前記横長開孔形状の底部に沿った開口部と、
前記開口部の上方に配置される複数の孔部と、
を設けることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、前記反応ガスは、燃料ガスであるとともに、
前記反応ガス供給連通孔は、燃料ガス供給連通孔であることを特徴とする燃料電池システム。
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