JP4798328B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

電気化学反応による発電方式を用いた燃料電池は、高効率と優れた環境特性を有することから脚光を浴びている。燃料電池としては、種々のタイプのものが開発されており、それらのなかでは、電解質の散逸・保持等の問題がなく、常温で起動し且つ起動時間が極めて早い等の利点を有する固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cells ）が特に注目され、自動車用途（燃料電池自動車用）にも採用されている。

燃料電池自動車等に搭載されるＰＥＦＣは、一般に、ポリエチレン等で形成された固体高分子電解質膜が二枚のガス拡散電極で挟持された状態で一体に接合されたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）とセパレータから成るセルが少なくとも１つ以上積層されたスタックを備えている。こうして構成された燃料電池スタックは、各ＭＥＡでの起電力が積算されて例えば４００Ｖといった高電圧を発生するので、車両ボディ等との絶縁が必要とされる。

絶縁を担保するための方法としては、例えば、燃料電池スタックに接続される燃料ガス（水素ガス）、酸化ガス（酸素又は空気）、及び冷却液（水等）の供給配管として金属製配管を用い、その配管長を適宜の長さとして絶縁抵抗として機能させる方法が挙げられる。これは、例えば、燃料電池スタックが２ユニット直流接続され、その中間電位が車両のボディアースに接地される構成において採用されている。また、特許文献１には、燃料電池システムの冷却系配管のうち冷却主管と分岐管とをＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）等の耐食性の高い電気絶縁材料で構成したものが記載されている。
特開平４−１２９１７３号公報

しかし、上記前者の従来方法では、配管を流れる冷却水や燃料電池で生成された生成水の成分が経時的に変化したり劣化したりしてそれらの導電率が増大すると、燃料電池システム全体の絶縁抵抗が低下してしまうおそれがある。

一方、特許文献１に記載された上記後者の従来システムは、冷却系配管のうち、冷却主管及び分岐管のみが絶縁性材料で形成されており、燃料電池スタックに埋め込まれた冷却板に配管され且つ分岐管と接続される接続管は、例えばステンレス性パイプ等の金属材料で形成されている。このように、冷却系配管と燃料電池スタックとの接続部位が金属等の導電性部材で形成されるとすれば、そこからの漏電があり得る。

そこで、本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、簡易な構成によって優れた絶縁性を維持でき、これにより漏電を十分に抑制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。

上記課題を解決するために、本発明による燃料電池システムは、複数の燃料電池セルが積層されて成る燃料電池スタックが筐体に収容されて成る燃料電池と、燃料電池スタックから筐体の外部へ延設されており、流体が流通し、且つ、電気絶縁性部材で形成された配管とを備える。

このように構成された燃料電池システムにおいては、流体としての燃料ガス、酸化ガス、及び冷却液が燃料電池スタックへ供給される。燃料ガスは、通常、燃料電池スタック内で一部が消費された後、残部が一旦外部へ排出され、再び循環使用される。また、酸化ガスとしては、通常空気が用いられ、燃料電池スタック内で一部が消費された後、外部へ排出される。さらに、冷却液は、燃料電池スタック内を流通した後、一旦外部へ排出され、通常、熱交換器を通して再び燃料電池スタック内へ供給される。

これら流体の供給配管及び排出配管は、燃料電池スタックから筐体（スタックケース）の外部へ延設されている部分が電気絶縁性部材で形成されている。したがって、冷却液の経時劣化によって導電率が増大したとしても、燃料電池スタックと外部（具体的には、例えば、燃料電池システムが設けられた車両や機器等のボディアース）との絶縁が確実に担保される。また、燃料電池スタックと配管との接続部位も含めて配管の全てが電気絶縁性部材から成っているので、従来方法で懸念されるようなかかる接続部位からの漏電のおそれもない。

また、燃料電池スタックが、絶縁抵抗を有するマウント部材を介して筐体に保持されたものであると好ましい。

このようにすれば、燃料電池システムが設けられた車両や機器等のボディアースに筐体が接続されていても、その筐体ひいてはボディアースと燃料電池スタックにおける高電圧との絶縁を担保できる。

より具体的には、燃料電池スタックは、複数の燃料電池セルがエンドプレート間に保持されるように構成されたものであり、上記配管がそのエンドプレートに接続されたものであるとより好ましい。

更に具体的には、配管が、少なくとも一方端側にフランジ部を有しており、そのフランジ部がエンドプレートと当接した状態で接続されたものであると好適である。この場合の具体的な接続方法としては、フランジ部の周方向に貫通孔が複数形成されており、エンドプレートにおけるフランジ部との当接面に雌ねじが設けられており、フランジ部が、ボルト等の雄ねじと、エンドプレートの雌ねじとの螺合によって接合された形態を例示できる。

本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池スタックと接続される配管を、燃料電池スタックから延在する部分も含めて電気絶縁性部材で形成したので、複雑な構造を有する特段の防御システムを別途構築せず、極めて簡易な構成によって絶縁性を高く維持し漏電を抑制することができる。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、同一要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。また、図面の寸法比率は、図示の比率に限られるものではない。

図１は、本発明による燃料電池システムの好適な一実施形態を模式的に示す透視平面図であり、図２は、図１におけるII−II線に沿う模式断面図である。燃料電池システム１は、例えば、燃料電池自動車等に搭載される車載システムであり、セルモジュール１３ａ，１３ｂがエンドプレート１１，１２間に締結保持されるように並設された燃料電池スタック１３が、スタックケース１４（筐体）内に収容されて成る燃料電池１０を備えている。

セルモジュール１３ａ，１３ｂは、ＭＥＡと炭素材料や金属材料で形成された複数のセパレータとから成る燃料電池セルが複数積層されたものであり、エンドプレート１２側にそれぞれターミナル１５ａ，１５ｂが設置されると共に、エンドプレート１１において直流接続されている。これにより、燃料電池１０が発電すると、ターミナル１５ａ，１５ｂの一方が基準電位（例えば０Ｖ）とされ、他方が高電位（例えば４００Ｖ）となり、エンドプレート１１がそれらの中間電位（例えば２００Ｖ）となる。また、ターミナル１５ａ，１５ｂには、図示しないインバータ等を介してモータ等の電動機Ｍ（負荷）が接続されている。

また、図２に示すように、燃料電池スタック１３は、台座２０，２１間に挟持されたマウント部材２２を介してスタックケース１４の底壁に設置・保持されている。マウント部材２２は、電気絶縁性部材で形成されており、接地されたスタックケース１４と燃料電池スタック１３との間に設けられた絶縁抵抗として機能する。

さらに、エンドプレート１１には、加湿された水素ガス、加湿された空気、及び冷却液のそれぞれの供給配管２，４，６、及びそれぞれの排出配管３，５，７が接続されている。これらの配管２〜７は、電気絶縁性部材で形成されている。この電気絶縁性部材の材料としては、一般に用いられる絶縁性材料であれば特に制限されず、例えば、樹脂、セラミックス等が挙げられ、それらの種類も特に制限されない。また、樹脂を用いる場合、配管強度及び剛性を高める観点から、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）を用いても好ましい。さらに、水素ガスの供給配管２及び排出配管３としては、外部への水素の漏出を可能な限り抑える観点から、ガス透過性が低いものが好ましく、例えば、ポリアミド系樹脂が挙げられ、配管の表面にアルミニウム等の金属から成るコーティング層を設けてもよく、配管を二重管にしてもよい。

ここで、図３は、エンドプレート１１と各配管２〜７との接続部位を拡大して示す模式断面図であり、具体的には、一例として図２における一点鎖線の円内の要部を示す図である。同図において、冷却液の排出配管７は、エンドプレート１１と当接するフランジ部９０と直管部９１とを有している。フランジ部９０におけるエンドプレート１１との当接面には、ＯリングＲが嵌着される環状溝９２が形成されている。また、フランジ部９０には貫通孔９３が複数形成されており、それらに対向するエンドプレート１１の外壁面にはねじ孔１１１（雌ねじ）が複数形成されている。そして、ボルトＢ（雄ねじ）が貫通孔９３を挿通しねじ孔１１１に螺合することにより、冷却液の排出配管７がエンドプレート１１と接続され、ＯリングＲによって封止されている。

なお、他の配管２〜６とエンドプレート１１との接続も、図３に示す排出配管７とエンドプレート１１との接続形態と同様に行われる。また、配管２〜７には、適宜、ポンプ、弁、熱交換器、その他の機器等が設けられ、それらは適宜の接地電位に接続されるが、図１及び図２においては、図示を簡略化すべく配管２〜７が直接接地されるように図示した。ただし、それらの機器のみではなく、それらに加えて図示のように配管２〜７を直接接地しても構わない。

このように構成された燃料電池システム１によれば、燃料電池スタック１３のエンドプレート１１に接続される全ての配管２〜７を電気絶縁性部材で形成したので、配管６，７を流れる冷却液の経時劣化によってその導電率が増大したとしても、燃料電池スタック１３と、配管２〜７に設けられた機器が接続された接地電位及びスタックケース１４が接続された接地電位（例えば、燃料電池システム１が設けられた車両や機器等のボディアース）との絶縁を確実に担保することができる。

また、燃料電池システム１は、配管２〜７を電気絶縁性部材で形成したこと以外は、従来のシステムと略同様に構成されているので、絶縁性を確実ならしめるために、特別に複雑な構造を付加する必要がない。例えば、従来は、放電用のサービスプラグ等を設ける必要があったが、本発明によれば、そのような付属機器が不要とされ、又は縮減できる。

さらに、配管２〜７の主要部分だけではなく、エンドプレート１１との接続部位までも含めて配管の全てが電気絶縁性部材から成っているので、従来方法で懸念されたそのような接続部位からの漏電が生じるおそれがない。

またさらに、燃料電池スタック１３が、絶縁抵抗を有するマウント部材２２を介してスタックケース１４に保持されているので、スタックケース１４及び配管２〜７が、例えば、燃料電池システム１が搭載された車両や機器等のボディアース等に適宜接地されていても、燃料電池スタック１３と、配管２〜７に設けられた機器が接続された接地電位及びスタックケース１４が接続された接地電位（例えば、燃料電池システム１が設けられた車両や機器等のボディアース）との絶縁をやはり確実に担保することができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない限度において様々な変形が可能である。例えば、エンドプレート１１つまり燃料電池１０における中間電位を接地に接続しても構わない。また、図３において、ボルトＢと貫通孔９３及び／又はねじ孔１１１との間に、電気絶縁部材から成る筒状のカラー等の環状具を設けてもよい。さらに、水素ガスの供給配管２及び排出配管３のみならず、他の配管４〜７にも、ガス封止性に優れるコーティング層を設けたり、二重管構造にしたりしてもよい。

本発明による燃料電池システムによれば、燃料電池スタックと接続される配管を、燃料電池スタックとの接続部位を含めて電気絶縁性部材で形成したので、簡易な構成によって、優れた絶縁性を発現・維持でき、漏電を十分に抑制できる。よって、よって、燃料電池自動車、燃料電池発電設備等の燃料電池システムを備える機器、動機、設備等に広く利用することができる。

本発明による燃料電池システムの好適な一実施形態を模式的に示す透視平面図である。図２は、図１におけるII−II線に沿う模式断面図である。 図２は、図１におけるII−II線に沿う模式断面図である。 エンドプレート１１と配管７との接続部位を拡大して示す模式断面図である。

符号の説明

１…燃料電池システム、２，４，６…供給配管、３，５，７…排出配管、１０…燃料電池、１１，１２…エンドプレート、１３ａ，１３ｂ…セルモジュール、１３…燃料電池スタック、１４…スタックケース（筐体）、１５ａ，１５ｂ…ターミナル、２０，２１…台座、２２…マウント部材、９０…フランジ部、９１…直管部、９２…環状溝、９３…貫通孔、１１１…ねじ孔、Ｂ…ボルト、Ｍ…電動機、Ｒ…Ｏリング。

Claims (2)

1. 複数の燃料電池セルが積層されて成る燃料電池スタックが筐体に収容されて成る燃料電池と、
   前記燃料電池スタックから前記筐体の外部へ延設されており、流体が流通し、且つ、電気絶縁性部材で形成された配管と、
   を備え、
   前記燃料電池スタックは、絶縁抵抗を有するマウント部材を介して前記筐体に保持されたものであり、かつ前記複数の燃料電池セルがエンドプレート間に保持されるように構成されたものであり、
   前記配管は、前記エンドプレートに接続されたものである、燃料電池システム。
2. 前記配管は、少なくとも一方端側にフランジ部を有しており、該フランジ部が前記エンドプレートと当接した状態で接続されたものである、
   請求項１記載の燃料電池システム。

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