JP4910365B2 - 燃料電池スタック、燃料電池システムおよび同システムを搭載する移動体 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタック、燃料電池システムおよび同システムを搭載する移動体に関する。

近年、燃料電池車のひとつとして、燃料電池スタックのセル積層方向の一端面に高電圧リレーを設け、他端面に冷却媒体の流路や反応ガス流路を接続したものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池自動車のように燃料電池スタックに高電圧リレーを一体に設けることの利点としては、燃料電池スタックの出力端子から高電圧リレーまでの距離が短くなるので、リレー遮断時に高電圧状態となる部位がその分だけ少なくなるということがある。
特開２００２−３６７６６６号公報

しかしながら、従来構造のスタックの場合、セル積層方向の端面が小さくなれば、反応ガスの配管（例えば、水素供給配管及び排出配管、酸化剤供給配管及び排出配管）や冷媒配管、スタック荷重機構など、燃料電池の発電を行うために必要な部品を狭いスペースの中で効率よく配置または接続することが困難になる。特に高電圧リレーはそのリレーが扱う電力の大きさから小型化に限界があるため、配置することは困難である。また、リレーがスタックに接続する配管等の他の部品やスタック周辺の他の部品と干渉する可能性がある。

そこで、本発明は、さらなる小型化の実現を可能とする構造の燃料電池スタック、燃料電池システムおよび同システムを搭載する移動体を提供することを目的とする。

本発明にかかる請求項１に記載の発明は、複数のセルが積層されたスタック本体と、前記スタック本体の周囲を囲むフレームと、前記フレームの両端部にそれぞれ固定され、前記フレームの内側に空間を画成するエンドプレートと、前記スタック本体に設けられた電力出力端子に接続されたリレーと、を備える燃料電池スタックであって、前記リレーは、前記スタック本体の上方または下方に設けられていることを特徴としている。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池スタックにおいて、前記リレーは、前記フレームの外側の上面または下面、もしくは前記フレームの内側の天井面または底面に配置されていることを特徴としている。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の燃料電池スタックにおいて、前記スタック本体のセル積層方向の少なくとも一端部に反応ガスを供給する反応ガス供給装置を備えることを特徴としている。

リレーの配置に特徴を有する本発明にかかる燃料電池スタックは、スタック側面に配置されていた従前の構造に対して以下のような点で特徴的である。すなわち、燃料電池スタックに対してガス配管や冷媒配管などの接続をする場合、あるいはこれらを燃料電池スタックの周囲に配置する場合において従来構造の場合よりも有利となりうるから、燃料電池スタックのさらなる小型化を実現しやすくなるという利点がある。また、当該燃料電池スタックを含む燃料電池システム、あるいはこれが搭載される移動体についてはますますの小型化・高密度化が進む状況下では、電気系と液体系とを分離した構造をとりつつ、密度の高い狭小スペースに当該リレーを配置しなければならない状況ないしは要請が生じる可能性が十分にあるが、本発明によればこのような状況に対応し、かかる要請に応えることが可能になる。また、小型化・高密度化がさらに進む場合、当該燃料電池スタックとその周囲に配置される配管等の他部材とが例えば振動時に干渉しあう事態も起こりうるが、スタック自体の小型化および配管等の接続や配置の容易化を図った本発明によればこのような事態を抑制することも可能である。また、さらなる小型化・高密度化の実現はデッドスペースの有効利用にもつながる。

また、請求項４に記載の燃料電池システムは、上記の燃料電池スタックと、前記スタック本体に反応ガスを供給する反応ガス供給装置とを備えることを特徴としている。

さらに、請求項５に記載の移動体は、上記の燃料電池システムと、前記スタック本体から電力の供給を受けて当該移動体の移動推進力を発生させるモータと、前記スタック本体に前記リレーを介して接続され、前記スタック本体が発生した電力の前記モータへの供給を制御する電力制御機器とを備えることを特徴としている。

本発明によれば、燃料電池スタックのさらなる小型化を実現することが可能であり、しかも、ガス配管や冷媒配管などの接続、あるいは配置といった面でも有利となる。

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。

図１〜図４に本発明の一実施形態を示す。本実施形態の燃料電池スタック１は、図２に示すように、基本単位であるセル２が複数積層されたスタック本体３と、スタック本体３を内側に収容するフレーム５とを備えている。また、本実施形態のフレーム５は、押し出し成形された金属製の筒状体であり、横断面（長手方向に垂直な断面）の形状が矩形をなしている。フレーム５には、後述するように張力が作用するので、その張力に対して十分な耐力を発揮するために、フレーム５の上下、両側の各壁部はいずれも肉厚に形成されている。フレーム５の内面には、絶縁のために樹脂製の被膜（図示略）が形成されている。なお、ここでいうフレーム５の内面とは、フレーム内側の面のみならず当該フレーム５におけるシール部（例えば、ゴム製のシールリングが嵌め込まれる溝１４）の面なども含む意味である。これらシール部にもコーティングすることにより、例えばスタック本体３内にて結露が生じたとしても絶縁状態を保持することが可能となる。

セル２の積層方向に沿うスタック本体３の一端には、ターミナルプレート７が配置され、その外側に絶縁プレート８が配置されている（図２参照）。スタック本体３の他端には、ターミナルプレート７が配置され、その外側に絶縁プレート８が配置され、さらにその外側にはプレッシャプレート９が配置されている。各ターミナルプレート７には、出力端子６が設けられている。

スタック本体３は、セル２の積層方向をフレーム５の長手方向に一致させて、フレーム５の内側に収容されている。スタック本体３とフレーム５の内面との間には、全周にわたって空隙が設けられており、スタック本体３をフレーム５の内側に収め易くなっている。

フレーム５の両端部たとえば両端面には、図２に示すように、フレーム５の内側に空間を画成するエンドプレート１０ａ，１０ｂがそれぞれ固定されている。エンドプレート１０ａ，１０ｂは、フレーム５の断面形状に合致する矩形をなす樹脂製の板状体である。

フレーム５の両端面には、エンドプレート１０ａ，１０ｂを固定するために、複数のねじ穴１２ａが、周方向に沿って間隔を空けて設けられている（図３参照）。各ねじ穴１２ａは、螺入方向をフレーム５の長手方向に一致させて形成されている。一方、エンドプレート１０ａ，１０ｂには、各ねじ穴１２ａに合致するように、複数の貫通孔１２ｂが設けられている（図２、図３参照）。位置が合致するように設けられたねじ穴１２ａおよび貫通孔１２ｂには、それぞれボルトねじ１３が螺着されている。

また、フレーム５の両端面には、各ねじ穴１２ａよりも内側に、フレーム５の周方向に沿って無端状の溝１４が形成されている。溝１４には、ゴム製のシールリング１５が嵌め込まれている。このシールリング１５がエンドプレート１０ａ，１０ｂにそれぞれ密着することにより、フレーム５の一方の端面とエンドプレート１０ａとの間、およびフレーム５の他方の端面とエンドプレート１０ｂとの間がそれぞれ封止されている。

スタック本体３の一方の端面に配置された絶縁プレート８は、一方のエンドプレート１０ａに当接し、スタック本体３の他方の端面に配置されたプレッシャプレート９は、他方のエンドプレート１０ｂから離間している（図２参照）。プレッシャプレート９とエンドプレート１０ｂとの間には、スプリングボックス１１が介装されている。スプリングボックス１１は、プレッシャプレート９をエンドプレート１０ｂから遠ざける方向に付勢力を作用させており、この付勢力によって複数のセル２が締結されている。スプリングボックス１１の付勢力に対する反力は、フレーム５が負担しており、これによってフレーム５には長手方向に張力が作用している。スプリングボックス１１は、熱膨張やクリープ現象によってスタック本体３の積層方向の長さが変動しても、スプリングボックス１１自身が弾性変形することによってその変動を吸収する。なお、エンドプレート１０ｂとスプリングボックス１１との間には、必要に応じてシム（寸法を調整する板）が介装される。

セル２は、詳細な図示は省略するが、イオン交換膜からなる電解質膜を一対の電極で挟んだＭＥＡ（Membrane-Electrode Assembly）と、ＭＥＡを挟む一対のセパレータとを備えている。各セパレータの基材はカーボンまたはメタルから形成されており、導電性を有している。

スタック本体３には、各セル２内のＭＥＡに酸化ガスを供給する酸化ガスマニホールドと、同じく各セル２内のＭＥＡに燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素ガスマニホールドと、ＭＥＡにおける酸化ガスと水素ガスとの電気化学反応によって発生する熱を回収する冷媒マニホールドとが、入口側、出口側に分かれて設けられている（ただし、これらマニホールドの図示は省略）。

スタック本体３の一端に配置されたエンドプレート１０ａには、入口側の各マニホールドに連通しスタック本体３に各種の流体を供給する流体配管１６ａ，１６ｂ，１６ｅと、出口側の各マニホールドに連通しスタック本体３を流通した各種の流体を排出する流体配管１６ｃ，１６ｄ，１６ｆとが接続されている。本実施形態における流体配管１６ａ〜１６ｆは、いずれも樹脂製である。エンドプレート１０ａには、流体配管１６ａ〜１６ｆを挿通される６つの貫通孔が、３つずつ２列に並んで形成されており、各貫通孔と各流体配管１６ａ〜１６ｆとの隙間には、例えばＯリングからなるシール部材１７ａ〜１７ｆ（ただし図２においては１７ａ〜１７ｃのみ図示）がそれぞれ配設されている。

フレーム５の一方の側壁部５ｂには、フレーム５の長手方向に延在する長孔５ｄが、上下に分かれて２つ形成されている（図１参照）。上下に分かれた各長孔５ｄには、水素透過膜１８が張設されている。長孔５ｄと水素透過膜１８との隙間には、シール部材（図示略）が配設されている。水素透過膜１８は、水は透過せずに水素のみを透過し、フレーム５の内側の空間の水素濃度を一定に保つ。また、フレーム５の内側の空間の上部には、水素濃度センサ（図示略）が設けられている。フレーム５の上壁部５ｃには、水素濃度センサに接続された配線を通す貫通孔（図示略）が設けられている。水素濃度センサは、フレーム５の内側の空間の水素濃度を常時監視する。上壁部５ｃの貫通孔と水素濃度センサの配線との間には、シール部材（図示略）が配設されている。

フレーム５の上壁部５ｃの外面には、他方の側壁部５ａに寄せて、高電圧リレー２５を収容する高電圧ケース２０が配設されている。高電圧ケース２０は、ひとつの面が開放された直方体状の金属製の筺体である。高電圧ケース２０の開放された面の周囲には、外側に張り出すフランジ２１が形成されている。フランジ２１には、ボルトねじ２２を通すための複数の貫通孔が間隔を空けて形成されている。一方、フレーム５の上壁部５ｃには、これら複数の貫通孔に合致するように、複数のねじ穴が設けられている。これら複数のねじ穴は、上壁部５ｃの厚さ方向に向けて形成されているが、貫通はしていない。合致させた貫通孔およびねじ穴には、それぞれボルトねじ２２が螺着されており、これによって上壁部５ｃに高電圧ケース２０が固定されている。フレーム５の上壁部５ｃとフランジ２１との間には、シール部材２３が隙間なく配設されている（図２参照）。

フレーム５に取り付けられた高電圧ケース２０の内側には、高電圧リレー２５が内蔵されており、高電圧ケース２０に覆われたフレーム５の上壁部５ｃには、スタック本体３の積層方向の一端に設けられた出力端子６（＋端子）に接続された出力ケーブルＣａと、スタック本体３の積層方向の他端に設けられた出力端子６（−端子）に接続された出力ケーブルＣｂとを挿通する貫通孔５ｅが形成されている（図２参照）。貫通孔５ｅに挿通された出力ケーブルＣａ，Ｃｂは、上述の高電圧リレー２５に接続されている。

高電圧ケース２０には、高電圧リレー２５に接続されて燃料電池スタック１の外に引き出される出力ケーブルＣａ’，Ｃｂ’を挿通する貫通孔２６が形成されている（図２参照）。貫通孔２６と出力ケーブルＣａ’，Ｃｂ’との間には、両者の隙間を封止するシール部材２７が配設されている。出力ケーブルＣａ’，Ｃｂ’は、ＤＣ／ＤＣコンバータ、インバータ、エアコンプレッサ用インバータ、水素ポンプ用インバータ、クーラントポンプ用インバータ等の電力制御機器（図示略）に接続される。

フレーム５の外側の上面、すなわち上壁部５ｃの外面には、他方の側壁部５ｂに寄せて、後述するセルモニタ（図示略）を収容するセルモニタケース３０が配設されている。セルモニタケース３０は、ひとつの面が開放された直方体状の金属製の筺体である。セルモニタケース３０の開放された面の周囲には、外側に張り出すフランジ３１が形成されている。フランジ３１には、ボルトねじ３２を通すための複数の貫通孔が間隔を空けて形成されている。一方、フレーム５の上壁部５ｃには、これら複数の貫通孔に合致するように、複数のねじ穴が設けられている。これら複数のねじ穴は、上壁部５ｃの厚さ方向に向けて形成されているが、貫通はしていない。合致させた貫通孔およびねじ穴には、それぞれボルトねじ３２が螺着されており、これによって上壁部５ｃにセルモニタケース３０が固定されている。フレーム５の上壁部５ｃとフランジ３１との間にも、シール部材（図示略）が隙間なく配設されている。

図示しないが、フレーム５に取り付けられたセルモニタケース３０の内側には、セルモニタを構成する基板が内蔵されており、セルモニタケース３０に覆われたフレーム５の上壁部５ｃには、セルモニタの端子を通す貫通孔が設けられている。この貫通孔とセルモニタの端子との間には、シール部材が配設されており、セルモニタケース３０の内側の空間とフレーム５の内側の空間とは隔絶されている。セルモニタの基板は、温度や湿度の変化に影響を受け易いが、これら２つの空間が隔絶されることにより、フレーム５の内側の空間の温度や湿度が変化しても、セルモニタケース３０の内側の空間にはそのような状態の変化が及び難く、セルモニタの基板が健全に保たれる。

セルモニタケース３０には、セルモニタの基板に接続された配線を挿通する貫通孔が形成されている。この貫通孔とセルモニタの配線との間には、両者の隙間を封止するシール部材が配設されている。

なお、高電圧ケース２０とセルモニタケース３０とを別個に設けたのは、いずれの部材もノイズを発することから、ノイズによる影響を互いに避けるためである。

フレーム５に固定されたエンドプレート１０ａ，１０ｂの下縁には、車体と燃料電池スタック１との間に介在して燃料電池スタック１を支持するマウント４０が設けられている。マウント４０は、エンドプレート１０ａの下縁の中央にひとつ、エンドプレート１０ｂの下縁に２つ、合計３つ設けられている。

燃料電池スタック１は、スタック本体３に酸化ガスおよび水素ガスといった反応ガスを供給する反応ガス供給装置、およびスタック本体３に冷媒を供給する冷媒供給装置とともに、燃料電池システムを構成している。そして、この燃料電池システムは、スタック本体３から電力の供給を受けて車両の移動推進力を発生させる駆動モータや反応ガス供給装置、冷媒供給装置で使用されるポンプを駆動するモータ、およびスタック本体３に高電圧リレー２５を介して接続され、スタック本体３が発生した電力の上記モータへの供給を制御する電力制御機器とともに、移動体としての車体４１に搭載される。

上記のように構成された燃料電池スタック１は、図４に示すように、車体４１の車室前方に設けられたスタック収容空間（または収容室Ｒ）に、セルモニタケース３０および高電圧ケース２０が取り付けられた面を上に向け、セルモニタケース３０を車体４１の前側、高電圧ケース２０を車体４１の後側に配置し、３つのマウント４０を介して固定される。

上記のように構成された燃料電池スタック１は、車体４１に、高電圧リレー２５が取り付けられた面を上にして取り付けられているので、高電圧リレー２５は周囲の他の部品との干渉が回避されるので破損が抑制される。このように、高電圧リレー２５が破損し難いので、燃料電池がショートする危険を回避することができる。

また、本実施形態の燃料電池システムにおいては、スタック本体３が、フレーム５とエンドプレート１０ａ，１０ｂとによってフレーム５の内部に画成された空間に収容され、さらにフレーム５がスプリングボックス１１の反力を負担する構造部材として機能するので、燃料電池スタック１は従来のものと比較して小型である。

また、スタック本体３を支持するエンドプレート１０ａ，１０ｂ、およびスタック本体３に接続される流体配管１６ａ〜１６ｆがいずれも樹脂製なので、スタック本体３を周囲の部材から電気的に切り離して絶縁することができる。

さらに、高電圧リレー２５を収容した高電圧ケース２０が、スタック収容空間Ｒ内の後側に配置されているので、車体４１のユーザがボンネット（図示略）を開けて作業をする際にも、ユーザが高電圧ケース２０に触れる可能性が低く、安全である。

加えて、フレーム５とエンドプレート１０ａ，１０ｂとの間、エンドプレート１０ａに形成された貫通孔と各流体配管１６ａ〜１６ｆとの間、フレーム５に形成された長孔５ｄと水素透過膜１８との間、フレーム５に形成された貫通孔と水素濃度センサの配線との間、フレーム５の上壁部５ｃとセルモニタケース３０との間、セルモニタケース３０に形成された貫通孔とセルモニタの配線との間、フレーム５の上壁部５ｃと高電圧ケース２０との間、高電圧ケース２０に形成された貫通孔３６と出力ケーブルＣａ’，Ｃｂ’との間、これらすべての箇所にシール部材が配設されているので、燃料電池スタック１の内部を防水することができる。

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、本実施形態では、高電圧リレー２５を収容する高電圧ケース２０を、フレーム５の外側の上面に設けたが、この高電圧ケース２０を、フレーム５の外側の下面、すなわち下壁部の外面に設けてもよい。この部分に高電圧リレー２５を配置しても、上記と同様に、高電圧リレー２５が周囲の他の部品と干渉するのを回避できるので破損を抑制することができる。また、高電圧リレー２５を、フレーム５の内側の天井面または底面に配置しても、上記と同様に、高電圧リレー２５が周囲の他の部品と干渉するのを回避できるので破損を抑制することができる。ただし、水位が高まって車体４１に浸水した場合、高電圧リレー２５が燃料電池スタック１の下側にあると、水没してショートする可能性があるので、高電圧リレー２５は燃料電池スタック１の上側にあるほうが好ましい。

また、本実施形態では、燃料電池システムを自動車等の車体４１に搭載したがこれは好適な一例に過ぎず、本発明の燃料電池システムは、車体４１に限らずその他のあらゆる移動体に搭載することができる。

本発明の燃料電池スタックの実施形態を示す斜視図である。 燃料電池スタックの側断面図である。 燃料電池スタックの要部の分解斜視図である。 燃料電池スタックを車体に搭載した状態を示す概略図である。

符号の説明

１…燃料電池スタック、２…セル、３…スタック本体、５…フレーム、１０ａ，１０ｂ…エンドプレート、２５…高電圧リレー（リレー）

Claims (5)

1. 複数のセルが積層されたスタック本体と、
   前記スタック本体の周囲を囲むフレームと、
   前記フレームの両端部にそれぞれ固定され、前記フレームの内側に空間を画成するエンドプレートと、
   前記スタック本体に設けられた電力出力端子に接続されたリレーと、
   を備える燃料電池スタックであって、
   前記リレーは、前記セルの積層方向が水平方向である場合の前記スタック本体の上方または下方に設けられていることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 前記リレーは、前記フレームの外側の上面または下面、もしくは前記フレームの内側の天井面または底面に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 前記スタック本体のセル積層方向の少なくとも一端部に反応ガスを供給する反応ガス供給装置を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池スタック。
4. 請求項１または２に記載の燃料電池スタックと、
   前記スタック本体に反応ガスを供給する反応ガス供給装置と
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項４記載の燃料電池システムと、
   前記スタック本体から電力の供給を受けて当該移動体の移動推進力を発生させるモータと、
   前記スタック本体に前記リレーを介して接続され、前記スタック本体が発生した電力の前記モータへの供給を制御する電力制御機器と
   を備えることを特徴とする移動体。

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