JP2006128013A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックの絶縁、気密等の施工を容易とするケースを備えた燃料電池装置を提供する。
【解決手段】燃料電池スタック５をケース１内に収容する。ケース１は、箱部材２と蓋部材３で構成される。蓋部材３には、空気マニホールド３２が一体形成されており、箱部材２には、排気流路２４が形成されている。また、ケース１内では、燃料電池スタック５とケース1の間に介挿された、樹脂製の介挿部材２５、３３は、ケース１と燃料電池スタック５との間の電気的な絶縁や、嫌水性部品の防水作用を発揮する。
【選択図】図１

Description

本発明は、酸化ガスとして導入した外気を燃料ガスと反応させて発電する燃料電池スタックがケース内に収納された燃料電池装置に係り、特に自動車用などの高電圧の燃料電池スタックがケース内に収容された燃料電池装置に関するものである。

従来、高分子電解質膜を使用した燃料電池では、電解質膜を挟んだ両側で燃料ガス或いは酸化ガスがイオン化し、そのイオンが電解質膜を透過して電気化学的な反応を生じるものであるから、電解質膜を挟んで燃料ガスと酸化ガスが存在していれば、両者の電気化学的な反応が継続する。

このため、燃料電池には、燃料ガスと酸化ガスを導入するためのガス供給装置が必要となる。一方、燃料電池によって十分な出力を得るには、高分子電解質膜で構成される単位セルを複数個直列に接続する必要があり、複数の単位セルをセパレータを挟んで積層して構成された燃料電池スタックが用いられている。燃料電池スタックの各単位セルに酸化ガスを供給するために、単位セル毎にガス導入口が開口し、その開口部の反対側には、ガスが排出されるガス導出口が設けられている。このガス導入口と導出口は、燃料電池スタックの上面と下面の略全面に多数配列されている。

また、燃料電池スタックは自動車用途などでは場合により４００Ｖ以上の電圧を持つため、周辺部に導通しないよう絶縁する必要がある。また、燃料電池における発電反応により水が発生するため、この水による材料の腐食を防ぐ必要がある。
以上のような燃料電池スタックでは、多数のガス導入口に酸化ガスを分配供給するためのマニホールドが、燃料電池スタックの上面に被せられ、生成水を回収するためのトレーが、燃料電池スタックの下面に設けられ、さらに、生成された電力を取り出すための電極や、他の装置の絶縁をするための絶縁処置が施される。
特開２００１−３１３０６１号。

従来では、燃料電池スタックの上下に空気供給マニホールドと排気ダクトを取り付けていた。積層されたモジュールの上下は十分な平面が得られず、その部分のシールを行うためには、ある程度の凹凸をシールできる液状ガスケットを使用しなければならない。また、液状ガスケットでシールをすると、ガスケットが硬化するまで次工程に進めることができない。
さらに、燃料電池スタックに空気供給マニホールドと排気ダクトとをそれぞれ別個に取り付ける必要があり、組立てに手間がかかるほか、それぞれ別個に気密施工をする必要があった。

この発明は、燃料電池スタックの絶縁、気密等の施工を容易とするケースを備える燃料電池装置を提供することを目的とする。

以上のような問題を解決する本発明は、以下のような構成を有する。
（１） 外気を酸化ガスとして導入して発電する燃料電池スタックを収納するケースであって、
ケースは、収納された燃料電池スタックの上面に設けられている複数の外気導入口を覆うマニホールドと、底面に設けられ、燃料電池スタックの下面に設けられた複数の外気導出口からの排気を集約する排気ダクトとを一体として有し、
ケース内には、燃料電池スタックとケース内壁との間に、絶縁材料で構成される介挿部材が介挿されることを特徴とする燃料電池スタックのケース。

（２） ケースは、燃料電池スタックの外気導出口を収容する箱部材と、燃料電池スタックの外気導入口を覆う蓋部材とを備えている上記（１）に記載の燃料電池スタックのケース。

（３） 蓋部材には、外気流路が一体として設けられ、箱部材には排気流路が一体として設けられている上記（２）に記載の燃料電池スタックのケース。

請求項１に記載の発明によれば、燃料電池スタックをケースで覆うことで、外部からの衝撃等の保護ができる。ケースは空気供給マニホールドと排気ダクトを兼用しているため、別途マニホールド等を用意する必要がない。スペーサによってケースと燃料電池スタックとの絶縁が確保され、燃料電池スタックと周囲との物理的及び電気的接触が、ケースによって抑制される。

請求項２に記載の発明によれば、ケースは、箱部材と蓋部材とによって分割され、箱部材に燃料電池スタックを収納し、さらに蓋部材で覆い隠す構成とすることによって、ケースの装着が容易となる。また、箱部材と蓋部材を別個に製造することにより、より複雑な形状に作り上げることが可能となる。例えば、蓋部材は、マニホールドを一体に構成することが可能となり、箱部材は、排気ダクトを一体化することができる。

請求項３に記載の発明によれば、さらに、蓋部材には、外気流路にマニホールドに連続させて構成することができ、箱部材には、排気流路を排気ダクトに一体化して作ることができる。このようにすることで、例えば、外気供給系統や排気系統との接続が容易な構成とすることができる。

次にこの発明の好適実施形態について説明する。この実施形態は、電気自動車に搭載される燃料電池装置である。図１は、この発明の燃料電池スタック５とそのケース１を備えた燃料電池装置を示す断面側面図、図２は燃料電池スタック５を構成するセパレータ４の平面図、図３は、燃料電池スタック５の上面に設けられた外気導入口９４１の拡大図、図４は、燃料電池装置の断面正面図である。ケース１内に収納される燃料電池スタック５は、高分子電解質膜を燃料極と酸化極で挟んで構成された単位セル（図示せず）と、表裏面にそれぞれ燃料ガス流路と、酸化ガス流路を形成するための凸状部を有するセパレータ４とを交互に積層した積層体を有する。このようにして構成された積層体の両端には、電極板と、さらのその外側に剛体板５２ａ、５２ｂが重ねられ、両端の剛体板５２ａ、５２ｂは、締着手段であるネジにより、締め付けられ、積層体を積層方向に圧縮して、燃料電池スタック５が構成されている。

図２は、酸化ガス流路が形成されている側の面を示す、セパレータ４の平面図である。セパレータ４の表面には、鉛直方向に形成されたと凸状部４２が、複数配置され、凸状部４２の間には、溝４０が形成されている。凸状部４２の頂点部４２１が単位セルの酸化極に接触することによって、溝４０と酸化極とによって、酸化ガスの流通するガス流路４３が構成される。セパレータ４と単位セルとの間には、枠９が介挿され、枠９の内窓９１内に、凸状部４２が収容され、内窓９１の該縁部に形成された段部９２の内側に、単位セルの酸化極が収容される。内窓９１の内壁と、溝４０及び酸化極の表面によって、酸化ガス室が構成される。

枠９の裏側には、外気導入路９４と外気導出路９５が形成され、これらは、酸化ガス室に連通している。外気導入路９４は両端に傾斜９４２が設けられ、外気導入口９４１が広げられており、外気導出路９５は両端に傾斜９５２が設けられ、外気導出口９５１が広げられている。このような、外気導入口９４１、外気導出口９５１は、セパレータ４の端部に沿って形成されることとなり、縦長の（スリット状の）開口となり、積層されるセパレータ４の数と同数の外気導入口９４１、外気導出口９５１が、燃料電池スタック５の上下面に、配列される。

ガス流路４０の内壁は、親水化処理が施されている。以上のように、外気導入口９４１と外気導出口９５１は、燃料電池スタック５の上下面において、それぞれ対向する位置に設けられている。

図５は、ケース１の平面図、図６は、蓋部材を取り除いた状態おけるケース１の平面図である。本発明のケース１は、箱形状の箱部材２と、箱部材２の開口部２１に覆い被される蓋部材３とを有している。このケース１内には、燃料電池スタック５が収納されている。

ケース１は、箱部材２と、箱部材２の開口部２１を塞ぐ蓋部材３とを備えている。箱部材２の内側空間は、燃料電池スタック５を収容するための収容部２２となっており、図４に示されているように、箱部材２の底部２３には、対向する端辺に段部２３１、２３１が形成されている。この段部２３１、２３１上に燃料電池スタック５が載置される。載置される燃料電池スタック５は、配置姿勢が水平となるように、ケース１内に保持される。図１中において、Ｘ軸方向が水平方向、Ｙ軸方向が鉛直方向である。

この段部２３１、２３１の形成されない端辺の一方には、排気流路２４が接続されている。段部２３１の高さは、排気流路２４が接続されている側へ向けて、漸増するように構成されており、この結果、箱部材２の底面２３２は、排気流路２４へ向けて、下方へ傾斜する構成となっている。この傾斜により、燃料電池スタック５に噴射された噴水（ミスト）の内、外気導出口９５１から排出された水を回収することが容易となる。
排気流路２４は、下流方向へ向けて流路幅が漸減する構成となっており、箱部材２との接続部分２４１の幅よりも、排出口２４２の幅が狭くなるように構成されている。また、排出口２４２は、接続部分２４１よりも高い位置に配置されている。

段部２３１、２３１と、これに載置される燃料電池スタック５の間には、介挿部材が設けられている。介挿部材２５は、絶縁性を有する材料、例えば樹脂等で構成されている。介挿部材２５は、燃料電池スタック５の下面を囲むように、枠状に形成され、形状は、箱部材２の内壁に沿った矩形状となっている。この介挿部材２５によって、箱部材２と燃料電池スタック５の直接的な接触が防止され、電気的な接触も防止される。

箱部材２の底面２３２と、燃料電池スタック５の下面に設けられた複数の外気導出口９５１との間に形成された隙間によって排気ダクト２６が構成され、この排気ダクトは、排気流路２４に接続される。

一方、図５に示されているように、蓋部材３は、箱部材２の開口部２１に対応して、同じ大きさの蓋本体３１と、蓋本体３１の内側に形成された空間により構成された空気マニホールド３２とを有している。蓋本体３１は、開口部２１を覆う大きさで、開口部２１と同一の形状に構成され、開口部２１を塞ぐ。蓋本体３１の開口周端には、外側にフランジ３６が形成され、また箱部材２の開口部２１の周端外側にもフランジ２７１が形成されている。これらのフランジ３６、２７１を重ね合わせることにより、開口部２１が塞がれ、ケース１が組み立てられる。フランジ３６とフランジ２７１には、それぞれ対向する位置に孔３６１が形成され、ボルト等により締着固定される構成となっている。

組み立てられたケース１内では、蓋部材３と燃料電池スタック５の間に、介挿部材３２が介挿される。図６に示されているように、介挿部材３３は、燃料電池スタック５の上面に複数設けられた外気導入口９４１を囲むように、枠状に形成され、外縁形状は、蓋本体３１の内壁に沿った矩形状となっている。この介挿部材３３によって、蓋部材３と燃料電池スタック５の直接的な接触が防止され、電気的な接触も防止される。また、外部から流入した外気を、他に逃がさずに、外気導入口９４１へ導く作用を有する。

空気マニホールド３２は、一端が外気導入路３４に接続されている。図１及び図５に示されているように、外気導入路３４は、一端の接続部３４１が空気マニホールド３２に接続され、他端は外気取入口３４２となっており、外気取入口３４２から空気マニホールド３２へ向けて、流路の幅か漸増する構成となっている。

外気導入路３４から空気マニホールド３２へ続く外気流路は、外気取入口３４２から、燃料電池スタック５の各外気導入口９４１へ、外気が直線的に流れることができるように（外気流路内を流れる気体の流線が直線又は直線に近くなるように）、構成されている。即ち、外気取入口３４２から空気マニホールド３２へ続く天板は、平板であり、図１に示されているように、側面視で直線となっている。

このような構成において、外気導入路３４から導入された酸化ガスとしての空気は、外気導入口９４１から、酸化ガス室に流入し、さらに外気導出口９５１から、ケース１内の排気ダクト２６に流出する。さらに、排気ダクト２６の空気は、排気流路２４を通って、排出口２４２から排出される。

なお、この実施形態において、燃料電池スタック５とケース１の側壁２７との間に形成される隙間２２０に、例えば発泡ウレタン樹脂等を充填してもよい。この場合には、一層のシール性能を発揮することができ、取り入れた外気の漏れ防止や、生成水や直噴水の漏れなどが一層確実に防止できる。さらに、ケース１内での、燃料電池スタック５の位置決めも、より確実に可能となる。

以上のような本発明の構成によれば、セパレータ４や枠体９等を積層することにより構成される燃料電池スタック５は、上下面に十分な平面を得られない。そのため、上下面のシールを行うためには、ある程度の凹凸をシールできる液状ガスケットを使用しなければならない。本発明のケース１によれば、ケースにより、燃料電池スタック５全体が覆われているので、上下面を直接シールする必要がない。また、箱部材２と蓋部材３とのシール構造は、フランジ２７１とフランジ３６の平面同士のシールとなるため、平面を必要とするゴムパッキンやＯリング等のシール材３７の使用が可能となり、シール構造の多様化が図られる。

また、このケース構造では、燃料電池スタック５を挟んで一方（図１中、右側）に外気取入口３４２、他方（図１中、左側）に排出口２４２が配置される。これにより、ケース１内における空気の流れにムラが生じにくくなり、外気と共に冷却水を供給するタイプの燃料電池システムに適用することで、冷却水を空気マニホールド３２内で均一に分散させて供給でき、燃料電池全体を均一に冷却することができる。加えて、スリット状の外気導入口９４１の長辺が、外気取入口３４２から流入する外気の流れに平行となるように（外気の流れに沿うように）配置されているので、外気が滑らかに各外気導入口９４１へ流入でき、圧損の発生を抑制できる。

さらに、外気取入口３４２は燃料電池スタック５の外気導入口９４１よりも上方に配置されているので、直噴水のケース１外への流出を抑制できる。また排出口２４２は燃料電池スタック５の外気導出口９５１よりも上方に配置されるので、排ガス中の水（ミスト）のケース１外への流出を低減できると共に排出口２４２に設けられる凝縮器から落下した凝集水をケース１内で回収できる。

燃料電池スタック５をケース１内に収容する場合、水分を嫌う電気ケーブルとの接点・端子もケース１内に配置されることになるため、端子の収容部分のシールを十分に行う必要があるが、ウレタンを介して樹脂性の介挿部材２５、３３により燃料電池スタック５を上下から挟むように構成することで、優れた絶縁性と、嫌水部品への十分な防水性が得られる。

また、介挿部材２５、３３が弾性を有する場合には、ケース１に燃料電池スタック５を収容した状態で、介挿部材２５、３３が圧縮変形した状態とすることにより、燃料電池スタック５の表面の凹凸に応じて介挿部材２５、３３が変形し、介挿部材２５、３３と燃料電池スタック５との密着性が増す。これにより、空気マニホールド３２と燃料電池スタック５の外気導入口９４１との間の気密性が一層向上し、ミストからの嫌水部品の隔離も一層確実なものとなる。

さらに、ケース１に燃料電池スタック５を収容した状態で、介挿部材２５、３３の変形量が、さらに弾性変形可能な程度のものであれば、介挿部材２５、３３は、外部からの衝撃から燃料電池スタック５を保護する緩衝材としても機能する。
なお、ケース１は、アルミニウム等の金属又は、樹脂構成してもよい。

燃料電池スタックのケースを示す断面側面図である。 燃料電池スタックを構成するセパレータの平面図である。 燃料電池スタックの上面に設けられた外気導入口の拡大図である。 ケースの断面正面図である。 ケースの平面図である。 蓋部材を取り除いた状態おけるケースの平面図である。

符号の説明

１：ケース
２：箱部材
２１：開口部
２２：収容部
２３：底部
２３１：段部
２３２：底面
２４：排気流路
２５：介挿部材
３：蓋部材
３１：蓋本体
３２：空気マニホールド
３３：介挿部材
３４：外気導入路
３４２：外気取入口
３４３：案内面
４：セパレータ
４０：溝
４２：凸状部
４２１：頂点部
４３：ガス流路
４７：内壁
５：燃料電池スタック
９４１：外気導入口
９５１：外気導出口

Claims (3)

1. 酸化ガスとして導入した外気を燃料ガスと反応させて発電する燃料電池スタックがケース内に収納された燃料電池装置であって、
   前記ケースは、前記燃料電池スタックの上面に外気を供給するマニホールドと、前記燃料電池スタックの下面からの排気を集約する排気ダクトとを一体に形成し、かつ前記燃料電池スタックとケース内壁との間に介挿される絶縁部材を備えたことを特徴とする燃料電池装置。
2. 前記ケースは、一端面が開口し底面に前記排気ダクトが形成された箱部材と、前記開口を閉塞し前記マニホールドが形成された蓋部材とを備え、前記箱部材と前記蓋部材とはシール面を介して当接している請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 前記蓋部材には、前記マニホールドより上方に外気の取入口を有する外気流路が一体として設けられ、前記箱部材には、前記排気ダクトよりも上方に排出口を有する排気流路が一体として設けられている請求項２に記載の燃料電池装置。

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