特開 2024-132404 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024132404

(43)【公開日】2024-10-01

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20240920BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023043148

(22)【出願日】2023-03-17

(71)【出願人】

【識別番号】000241500

【氏名又は名称】トヨタ紡織株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(72)【発明者】

【氏名】永田 達也

(72)【発明者】

【氏名】平田 和之

(72)【発明者】

【氏名】柿沼 優杜

【テーマコード（参考）】

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H127BA02

5H127BA22

5H127BB02

5H127BB12

5H127BB37

5H127EE02

5H127EE29

(57)【要約】

【課題】外部からのエネルギーを必要とすることなく、キャニスターの加熱と燃料電池スタックの冷却との両方を効率的に行うことができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システム１１は、燃料ガスが充填されたキャニスター２９を収容する金属製のキャニスターホルダ１３と、燃料電池スタック１２とを備える。燃料電池スタック１２は、複数の単セル１６を水平方向に積層してなる積層体１７と、積層体１７を単セル１６の積層方向Ｘの両側から挟む一対の金属製のエンドプレート１８とを有する。キャニスターホルダ１３は、幅方向Ｙにおいて燃料電池スタック１２と隣合う位置に配置され、且つ積層方向Ｘの長さが燃料電池スタック１２よりも短くなるように構成される。キャニスターホルダ１３と一対のエンドプレート１８とは、キャニスターホルダ１３と一対のエンドプレート１８との間で熱交換を行う金属製の熱交換部材１４を介して接触する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料ガスが充填されたキャニスターを収容した状態で保持する金属製のキャニスターホルダと、前記キャニスターから供給される前記燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されることによって発電を行う燃料電池スタックとを備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックは、複数の単セルを水平方向に積層してなる積層体と、前記積層体を前記単セルの積層方向の両側から挟む一対の金属製のエンドプレートとを有し、
前記キャニスターホルダは、前記積層方向及び鉛直方向の両方と直交する方向において前記燃料電池スタックと隣合う位置に配置されるとともに、前記積層方向の長さが前記燃料電池スタックよりも短くなるように構成され、
前記キャニスターホルダと一対の前記エンドプレートとは、前記キャニスターホルダと一対の前記エンドプレートとの間で熱交換を行う金属製の熱交換部材を介して接触していることを特徴とする燃料電池システム。

【請求項2】

前記熱交換部材における前記積層体と対向する部位には、凹部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

前記酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに供給するポンプを備え、
前記キャニスターホルダは、前記熱交換部材における前記積層方向の一端側の位置に接触し、
前記ポンプは、前記キャニスターホルダにおける前記積層方向の他端側の面に接触し、且つ前記積層方向及び前記鉛直方向の両方と直交する方向において前記熱交換部材と対向して配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

前記熱交換部材は、アルミニウム製であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、燃料電池システムとして、例えば特許文献１に示す小型燃料電池電源が知られている。こうした燃料電池システムは、燃料電池に水素を供給する水素吸蔵合金を充填したボンベを収容した筐体と、燃料電池を収容した電源本体とを備えている。筐体は、電源本体に対して着脱自在に構成されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平６－６０８９４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、上述のような燃料電池システムでは、ボンベ内の水素を連続して燃料電池へ供給すると、ボンベ内からの水素の放出に伴う吸熱反応によってボンベが冷却される。このため、ボンベ内から燃料電池へ供給される水素の流量が減少してしまう。一方、燃料電池で連続的に発電を行うと、燃料電池が発熱する。このため、燃料電池による発電効率が低下してしまう。

【0005】

したがって、水素が充填されたボンベの加熱と燃料電池の冷却との両方を効率的に行うことができる燃料電池システムが望まれている。

【課題を解決するための手段】

【0006】

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決する燃料電池システムは、燃料ガスが充填されたキャニスターを収容した状態で保持する金属製のキャニスターホルダと、前記キャニスターから供給される前記燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されることによって発電を行う燃料電池スタックとを備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池スタックは、複数の単セルを水平方向に積層してなる積層体と、前記積層体を前記単セルの積層方向の両側から挟む一対の金属製のエンドプレートとを有し、前記キャニスターホルダは、前記積層方向及び鉛直方向の両方と直交する方向において前記燃料電池スタックと隣合う位置に配置されるとともに、前記積層方向の長さが前記燃料電池スタックよりも短くなるように構成され、前記キャニスターホルダと一対の前記エンドプレートとは、前記キャニスターホルダと一対の前記エンドプレートとの間で熱交換を行う金属製の熱交換部材を介して接触していることを特徴とする燃料電池システム。

【0007】

一般に、キャニスター内の燃料ガスを連続して燃料電池スタックへ供給すると、キャニスター内からの燃料ガスの放出に伴う吸熱反応によってキャニスターが冷却されるので、キャニスター内から燃料電池スタックへ供給される燃料ガスの流量が減少する。一方、燃料電池スタックで連続的に発電を行うと、積層体が発熱するので、積層体による発電効率が低下する。この点、上記構成によれば、キャニスターホルダにおける積層方向の長さが燃料電池スタックよりも短くても、キャニスターホルダと燃料電池スタックの一対のエンドプレートとが熱交換部材を介して熱交換される。これにより、キャニスターホルダを介してキャニスターが加熱されるとともに、一対のエンドプレートを介して積層体が冷却される。したがって、外部からのエネルギーを必要とすることなく、キャニスターの加熱と燃料電池スタックの冷却との両方を効率的に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】一実施形態における燃料電池システムの正面模式図である。

【図2】図１の斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、燃料電池システムの一実施形態を図面に従って説明する。
＜燃料電池システム１１＞
図１及び図２に示すように、燃料電池システム１１は、燃料電池スタック１２と、キャニスターホルダ１３と、熱交換部材１４と、ポンプ１５とを備えている。

【0010】

＜燃料電池スタック１２＞
図１及び図２に示すように、燃料電池スタック１２は、発電を行う矩形板状をなす単セル１６を水平方向に複数積層してなる積層体１７と、積層体１７を単セル１６の積層方向Ｘの両側から挟む一対の矩形板状をなす金属製のエンドプレート１８とを備えている。

【0011】

単セル１６は、中央部の矩形状の開口部に膜電極接合体（図示略）を支持した合成樹脂製の支持枠（図示略）と、膜電極接合体を支持した状態の支持枠を挟む一対の金属製のセパレータ（図示略）とを有している。単セル１６は、膜電極接合体における積層方向Ｘの一方側（アノード側）の部分に燃料ガスが供給され且つ他方側（カソード側）の部分に酸化剤ガスが供給されると、燃料ガス及び酸化剤ガスの膜電極接合体での電気化学反応に基づき発電を行う。つまり、燃料電池スタック１２は、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されることによって発電を行う。本実施形態では、燃料ガスが水素であるとともに、酸化剤ガスが空気である。

【0012】

エンドプレート１８は、例えばアルミニウムなどの金属によって構成される。エンドプレート１８の大きさは、単セル１６よりも一回り大きくなるように設定されている。一対のエンドプレート１８は、外縁部同士を複数のボルト（図示略）及び複数のナット（図示略）によって互いに締結することにより、積層体１７を積層方向Ｘにおいて圧縮するように押圧している。

【0013】

一方のエンドプレート１８には、燃料ガス供給孔１９、燃料ガス排出孔２０、酸化剤ガス供給孔２１、酸化剤ガス排出孔２２、冷却媒体供給孔２３、及び冷却媒体排出孔２４が形成されている。燃料ガス供給孔１９は、積層体１７に燃料ガスを供給するための孔である。燃料ガス排出孔２０は、積層体１７から余分な燃料ガスを排出するための孔である。酸化剤ガス供給孔２１は、積層体１７に酸化剤ガスを供給するための孔である。

【0014】

酸化剤ガス排出孔２２は、積層体１７から余分な酸化剤ガス及び発電で生成された水を排出するための孔である。冷却媒体供給孔２３は、積層体１７に冷却媒体を供給するための孔である。冷却媒体排出孔２４は、積層体１７を冷却することによって温められた冷却媒体を排出するための孔である。

【0015】

積層体１７と一対のエンドプレート１８との間には、矩形板状をなすとともに絶縁性を有した一対の絶縁プレート２５がそれぞれ配置されている。絶縁プレート２５は、例えば合成樹脂によって構成される。絶縁プレート２５の大きさは、エンドプレート１８とほぼ同じになるように設定されている。

【0016】

積層体１７と一対の絶縁プレート２５との間には、矩形板状をなすとともに集電を行う一対のターミナルプレート２６がそれぞれ配置されている。ターミナルプレート２６の大きさは、単セル１６とほぼ同じになるように設定されている。ターミナルプレート２６は、上端に端子２７を有している。

【0017】

上記孔１９～２４が形成されたエンドプレート１８側に位置する一方の絶縁プレート２５及び一方のターミナルプレート２６における上記孔１９～２４と積層方向Ｘで対応する位置には、それぞれ貫通孔（図示略）が形成されている。積層体１７における上記孔１９～２４と積層方向Ｘで対応する位置には、それぞれ積層方向Ｘに延びる流路（図示略）が形成されている。

【0018】

＜キャニスターホルダ１３＞
図１及び図２に示すように、キャニスターホルダ１３は、鉛直方向Ｚに延びる直方体状をなしている。キャニスターホルダ１３は、例えばアルミニウムなどの金属によって構成される。キャニスターホルダ１３は、その上面に開口する収容部２８を有している。キャニスターホルダ１３は、燃料ガスが充填されたキャニスター２９を収容部２８に収容した状態で保持する。キャニスター２９を収容部２８に収容した状態では、キャニスター２９の上端部が収容部２８の開口から突出する。キャニスターホルダ１３は、例えばアルミニウムなどの金属によって構成されている。

【0019】

キャニスターホルダ１３は、積層方向Ｘ及び鉛直方向Ｚの両方と直交する方向である幅方向Ｙにおいて燃料電池スタック１２と隣合う位置に配置されるとともに、積層方向Ｘの長さが燃料電池スタック１２よりも短くなるように構成されている。キャニスターホルダ１３は、鉛直方向Ｚにおける長さが燃料電池スタック１２の鉛直方向Ｚにおける長さよりも長くなっている。すなわち、キャニスターホルダ１３の上端の高さは、燃料電池スタック１２の上端の高さよりも高くなっている。

【0020】

キャニスター２９は、可撓性のチューブ（図示略）によって燃料ガス供給孔１９と連結されるとともに、内部に充填された燃料ガス（水素）を燃料ガス供給孔１９から燃料電池スタック１２に対して供給する。

【0021】

＜熱交換部材１４＞
図１及び図２に示すように、熱交換部材１４は、矩形板状をなすとともに、キャニスターホルダ１３と燃料電池スタック１２との間に配置されている。熱交換部材１４は、金属（本例では、アルミニウム）によって構成されている。熱交換部材１４は、鉛直方向Ｚにおける長さがキャニスターホルダ１３の鉛直方向Ｚにおける長さとほぼ同じになっている。熱交換部材１４は、積層方向Ｘにおける長さが燃料電池スタック１２の積層方向Ｘにおける長さとほぼ同じになっている。

【0022】

熱交換部材１４は、燃料電池スタック１２のエンドプレート１８に対してボルト（図示略）によって固定されている。熱交換部材１４は、キャニスターホルダ１３に対してボルト（図示略）によって固定されている。したがって、燃料電池スタック１２のエンドプレート１８とキャニスターホルダ１３とは、熱交換部材１４を介して連結されている。

【0023】

すなわち、キャニスターホルダ１３と一対のエンドプレート１８とは、熱交換部材１４を介して接触している。つまり、熱交換部材１４は、キャニスターホルダ１３と一対のエンドプレート１８との両方と接触することにより、キャニスターホルダ１３と一対のエンドプレート１８との間で熱交換を行う。

【0024】

熱交換部材１４における積層体１７と幅方向Ｙにおいて対向する部位、すなわち熱交換部材１４の燃料電池スタック１２側の面における積層方向Ｘの中央部には、鉛直方向Ｚの全体にわたって延びる凹部３０が形成されている。このため、熱交換部材１４と積層体１７との間には、十分な隙間が形成される。熱交換部材１４の燃料電池スタック１２側の面における積層方向Ｘの両端部は、一対のエンドプレート１８とそれぞれ接触している。

【0025】

熱交換部材１４のキャニスターホルダ１３側の面における積層方向Ｘの一端側の位置には、キャニスターホルダ１３が接触している。熱交換部材１４の積層方向Ｘの一端面３１は、キャニスターホルダ１３の積層方向Ｘの一端面３２とほぼ面一になっている。熱交換部材１４の積層方向Ｘの一端面３１は、燃料電池スタック１２の積層方向Ｘの一端面３３とほぼ面一になっている。

【0026】

＜ポンプ１５＞
図１及び図２に示すように、ポンプ１５は、キャニスターホルダ１３における積層方向Ｘの他端側の面３４に接触している。ポンプ１５は、幅方向Ｙにおいて熱交換部材１４における積層方向Ｘの他端側の部分３５と対向して配置されている。すなわち、ポンプ１５は、熱交換部材１４におけるキャニスターホルダ１３よりも積層方向Ｘの他端側に突出した部分３５と幅方向Ｙにおいて対向している。ポンプ１５は、熱交換部材１４と接触していない。

【0027】

ポンプ１５は、可撓性のチューブ（図示略）によって酸化剤ガス供給孔２１と連結されるとともに、駆動されることによって酸化剤ガス（空気）を酸化剤ガス供給孔２１から燃料電池スタック１２に対して供給する。

【0028】

＜燃料電池システム１１の作用＞
図１及び図２に示すように、燃料電池システム１１において発電を行う場合には、次のようにする。すなわち、キャニスター２９内に充填された燃料ガス（水素）を燃料ガス供給孔１９から燃料電池スタック１２に対して供給するとともに、ポンプ１５の駆動により酸化剤ガス（空気）を酸化剤ガス供給孔２１から燃料電池スタック１２に対して供給する。これにより、燃料電池スタック１２では、燃料ガス及び酸化剤ガスの積層体１７における膜電極接合体での電気化学反応に基づき発電が行われる。

【0029】

このとき、キャニスター２９内の燃料ガス（水素）を連続して燃料電池スタック１２へ供給していると、キャニスター２９内からの燃料ガスの放出に伴う吸熱反応によってキャニスター２９が冷却される。このため、キャニスター２９内から燃料電池スタック１２へ供給される燃料ガスの流量が減少するという問題がある。一方、燃料電池スタック１２で連続的に発電を行っていると、積層体１７が発熱するので、積層体１７による発電効率が低下するという問題がある。

【0030】

この点、本実施形態の燃料電池システム１１は、キャニスターホルダ１３における積層方向Ｘの長さが燃料電池スタック１２よりも短くても、キャニスターホルダ１３と燃料電池スタック１２の一対のエンドプレート１８とが熱交換部材１４を介して接触している。このため、キャニスターホルダ１３と一対のエンドプレート１８とが熱交換部材１４を介して熱交換される。

【0031】

これにより、キャニスターホルダ１３を介してキャニスター２９が加熱されるとともに、一対のエンドプレート１８を介して積層体１７が冷却される。したがって、外部からのエネルギーを必要とすることなく、キャニスター２９の加熱と燃料電池スタック１２の冷却との両方が効率的に行われる。

【0032】

したがって、キャニスター２９内から燃料電池スタック１２へ供給される燃料ガスの流量が十分に確保されるとともに、燃料電池スタック１２の積層体１７の発熱による温度上昇が抑制される。この結果、燃料電池システム１１としての発電効率が向上する。

【0033】

＜実施形態の効果＞
以上詳述した実施形態によれば、次のような効果が発揮される。
（１）燃料電池システム１１は、燃料ガスが充填されたキャニスター２９を収容した状態で保持する金属製のキャニスターホルダ１３と、キャニスター２９からの燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されることによって発電を行う燃料電池スタック１２とを備える。燃料電池スタック１２は、複数の単セル１６を水平方向に積層してなる積層体１７と、積層体１７を単セル１６の積層方向Ｘの両側から挟む一対の金属製のエンドプレート１８とを有している。キャニスターホルダ１３は、積層方向Ｘ及び鉛直方向Ｚの両方と直交する幅方向Ｙにおいて燃料電池スタック１２と隣合う位置に配置されるとともに、積層方向Ｘの長さが燃料電池スタック１２よりも短くなるように構成される。キャニスターホルダ１３と一対のエンドプレート１８とは、キャニスターホルダ１３と一対のエンドプレート１８との間で熱交換を行う金属製の熱交換部材１４を介して接触している。

【0034】

上記構成によれば、キャニスターホルダ１３における積層方向Ｘの長さが燃料電池スタック１２よりも短くても、キャニスターホルダ１３と燃料電池スタック１２の一対のエンドプレート１８とが熱交換部材１４を介して熱交換される。これにより、キャニスターホルダ１３を介してキャニスター２９が加熱されるとともに、一対のエンドプレート１８を介して積層体１７が冷却される。したがって、外部からのエネルギーを必要とすることなく、キャニスター２９の加熱と燃料電池スタック１２の冷却との両方を効率的に行うことができる。

【0035】

（２）燃料電池システム１１において、熱交換部材１４における積層体１７と対向する部位には、凹部３０が形成されている。
上記構成によれば、凹部３０の形成によって熱交換部材１４が積層体１７に接触することをより確実に回避することができる。

【0036】

（３）燃料電池システム１１は、酸化剤ガスを燃料電池スタック１２に供給するポンプ１５を備える。キャニスターホルダ１３は、熱交換部材１４における積層方向Ｘの一端側の位置に接触する。ポンプ１５は、キャニスターホルダ１３における積層方向Ｘの他端側の面３４に接触し、且つ積層方向Ｘ及び鉛直方向Ｚの両方と直交する幅方向Ｙにおいて熱交換部材１４と対向して配置されている。

【0037】

上記構成によれば、キャニスターホルダ１３の積層方向Ｘの長さが燃料電池スタック１２よりも短いことによって形成されるスペースにポンプ１５が配置されるので、当該スペースを有効活用することができる。加えて、ポンプ１５がキャニスターホルダ１３に直接接触しているので、ポンプ１５の駆動によって発生する熱により、キャニスターホルダ１３を介してキャニスター２９を加熱することができる。

【0038】

（４）燃料電池システム１１において、熱交換部材１４は、アルミニウム製である。
上記構成によれば、アルミニウムは、金属の中でも比較的熱伝導性が高く、且つ入手もし易い。このため、熱交換部材１４による熱交換効率を容易に高めることができる。

【0039】

＜変更例＞
上記実施形態は、以下のように変更して実施することができる。また、上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

【0040】

・熱交換部材１４は、例えば銅などのアルミニウム以外の金属によって構成してもよい。
・ポンプ１５は、省略してもよい。この場合、燃料電池システム１１外の装置によって燃料電池スタック１２に酸化剤ガス（空気）が供給される。

【0041】

・ポンプ１５は、キャニスターホルダ１３から離して配置してもよい。
・ポンプ１５は、キャニスターホルダ１３と接触するとともに、幅方向Ｙにおいて熱交換部材１４とでキャニスターホルダ１３を挟むように配置してもよい。

【0042】

・熱交換部材１４において、凹部３０は省略してもよい。
＜付記＞
上記実施形態は、以下の付記に記載する構成を含む。

【0043】

［付記１］燃料ガスが充填されたキャニスターを収容した状態で保持する金属製のキャニスターホルダと、前記キャニスターから供給される前記燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されることによって発電を行う燃料電池スタックとを備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池スタックは、複数の単セルを水平方向に積層してなる積層体と、前記積層体を前記単セルの積層方向の両側から挟む一対の金属製のエンドプレートとを有し、前記キャニスターホルダは、前記積層方向及び鉛直方向の両方と直交する方向において前記燃料電池スタックと隣合う位置に配置されるとともに、前記積層方向の長さが前記燃料電池スタックよりも短くなるように構成され、前記キャニスターホルダと一対の前記エンドプレートとは、前記キャニスターホルダと一対の前記エンドプレートとの間で熱交換を行う金属製の熱交換部材を介して接触していることを特徴とする燃料電池システム。

【0044】

［付記２］前記熱交換部材における前記積層体と対向する部位には、凹部が形成されていることを特徴とする［付記１］に記載の燃料電池システム。
［付記３］前記酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに供給するポンプを備え、前記キャニスターホルダは、前記熱交換部材における前記積層方向の一端側の位置に接触し、前記ポンプは、前記キャニスターホルダにおける前記積層方向の他端側の面に接触し、且つ前記積層方向及び前記鉛直方向の両方と直交する方向において前記熱交換部材と対向して配置されていることを特徴とする［付記１］または［付記２］に記載の燃料電池システム。

【0045】

［付記４］前記熱交換部材は、アルミニウム製であることを特徴とする［付記１］～［付記３］のうちいずれか一つに記載の燃料電池システム。

【符号の説明】

【0046】

１１…燃料電池システム
１２…燃料電池スタック
１３…キャニスターホルダ
１４…熱交換部材
１５…ポンプ
１６…単セル
１７…積層体
１８…エンドプレート
１９…燃料ガス供給孔
２０…燃料ガス排出孔
２１…酸化剤ガス供給孔
２２…酸化剤ガス排出孔
２３…冷却媒体供給孔
２４…冷却媒体排出孔
２５…絶縁プレート
２６…ターミナルプレート
２７…端子
２８…収容部
２９…キャニスター
３０…凹部
３１，３２，３３…一端面
３４…面
３５…部分
Ｘ…積層方向
Ｙ…幅方向
Ｚ…鉛直方向

【図1】

【図2】