JP2007087678A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルが複数積層された積層体の積層方向両端に、エンドプレートが配設される燃料電池スタックと、前記発電セルによる発電電力を前記燃料電池スタックの外部に取り出すための出力端子部に接続されるとともに、一方のエンドプレートに装着されるコンタクタとを備える燃料電池システムに関する。 The present invention provides a fuel cell stack in which end plates are disposed at both ends in a stacking direction of a stacked body in which a plurality of power generating cells each having an electrolyte / electrode structure and a separator are stacked, and power generated by the power generating cell The present invention relates to a fuel cell system including a contactor that is connected to an output terminal for taking out from the battery stack and attached to one end plate.
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。 For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure (electrolyte / electrode structure) in which an anode side electrode and a cathode side electrode are disposed on both sides of an electrolyte membrane (electrolyte) made of a polymer ion exchange membrane, respectively. ) Is held by a separator. This type of fuel cell is normally used as a fuel cell stack by stacking a predetermined number of power generation cells.
この種の燃料電池スタックでは、通常、発電セルが複数積層された積層体の積層方向両端に、ターミナルプレート、絶縁プレート及びエンドプレートが配設されている。ターミナルプレートは、積層体からの発電電力を外部に取り出すために出力端子部を備えており、この出力端子部は、コンタクタ(又はリレー)に接続されてモータ等の外部負荷に電力の供給制御(ON/OFF制御)を行っている。 In this type of fuel cell stack, normally, a terminal plate, an insulating plate, and an end plate are disposed at both ends in the stacking direction of a stacked body in which a plurality of power generation cells are stacked. The terminal plate is provided with an output terminal portion for taking out the generated power from the laminate, and this output terminal portion is connected to a contactor (or relay) to control power supply to an external load such as a motor ( ON / OFF control).
例えば、特許文献1に開示された燃料電池の車両搭載構造では、図6に示すように、燃料電池モジュール1が車両前方部のエンジンルーム内に配置されている。燃料電池モジュール1を構成する燃料電池スタック2では、それぞれ板状の単電池3の積層体である第1のスタック4aと第2のスタック4bとが、並列載置されるとともに、金属のエンドプレート5a、5bによって前記スタック4a、4bが積層方向(車幅方向)に締め付けられている。
For example, in the fuel cell mounting structure disclosed in
スタック4aに積層される正極側の電極5aと、スタック4b側に積層される負極側の電極6aとは、それぞれ端子7を設けており、前記端子7は、フレキシブルバスバー8を介してリレー9に電気的に接続されている。
The
上記の従来技術では、エンドプレート5aにリレー9が取り付けられるとともに、このリレー9と端子7とは、フレキシブルバスバー8を介して接続されている。このため、燃料電池モジュール1は、部品数が増加するとともに、前記燃料電池モジュール1全体の軽量化が達成されないという問題がある。
In the above prior art, the
本発明はこの種の問題を解決するものであり、部品の兼用化を図ることによって部品数を有効に削減するとともに、軽量化が容易に遂行可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention solves this type of problem, and an object thereof is to provide a fuel cell system in which the number of parts can be effectively reduced and the weight can be easily reduced by sharing parts. .
本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルを設け、前記発電セルが複数積層された積層体の積層方向両端に、エンドプレートが配設される燃料電池スタックと、前記発電セルによる発電電力を前記燃料電池スタックの外部に取り出すための出力端子部に接続されるとともに、一方のエンドプレートに装着されるコンタクタとを備えている。 The present invention provides a power generation cell having an electrolyte / electrode structure in which a pair of electrodes are provided on both sides of an electrolyte and a separator, and end plates are arranged at both ends in the stacking direction of the stacked body in which a plurality of the power generation cells are stacked. And a contactor that is connected to an output terminal for taking out the power generated by the power generation cell to the outside of the fuel cell stack and is attached to one end plate.
コンタクタは、少なくとも一面が開放されたコンタクタボックスを有するとともに、前記コンタクタボックスは、一方のエンドプレートに取り付けられた状態で、前記一面が前記一方のエンドプレートにより閉塞されている。 The contactor includes a contactor box having at least one surface opened, and the one surface is closed by the one end plate in a state where the contactor box is attached to the one end plate.
また、燃料電池スタックは、積層体の側部を覆うパネル部材を備え、エンドプレートと前記パネル部材とにより前記積層体を収容保持するケーシングが構成されることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the fuel cell stack includes a panel member that covers a side portion of the laminate, and a casing that accommodates and holds the laminate is configured by the end plate and the panel member.
さらに、少なくとも一方の出力端子部は、一方のエンドプレートから突出するとともに、コンタクタボックスは、前記一方の出力端子部を覆う囲繞部を設けることが好ましい。 Furthermore, it is preferable that at least one of the output terminal portions protrudes from the one end plate, and the contactor box is provided with a surrounding portion that covers the one output terminal portion.
さらにまた、一方のエンドプレートには、一方の出力端子部を周回して筒状部が設けられるとともに、囲繞部と前記筒状部とは、互いに嵌合してシールを行うシール構造を構成することが好ましい。 Further, the one end plate is provided with a cylindrical portion that circulates around one output terminal portion, and the surrounding portion and the cylindrical portion constitute a seal structure that fits and seals with each other. It is preferable.
また、燃料電池スタックは、発電セルの積層方向に延在して反応ガス及び冷却媒体を流す連通孔が設けられた内部マニホールドを構成し、一方のエンドプレートには、前記冷却媒体の供給口及び排出口が形成されるとともに、コンタクタボックスには、少なくとも前記供給口又は前記排出口に連通して前記コンタクタボックス内部を冷却するための冷却媒体通路が形成されることが好ましい。 The fuel cell stack constitutes an internal manifold that extends in the stacking direction of the power generation cells and is provided with a communication hole through which the reaction gas and the cooling medium flow. One end plate has a supply port for the cooling medium and Preferably, the discharge port is formed, and the contactor box is formed with a cooling medium passage for communicating with at least the supply port or the discharge port to cool the inside of the contactor box.
本発明によれば、コンタクタボックスの開口する一面が、一方のエンドプレートにより閉塞されるため、この一方のエンドプレートは、前記コンタクタボックスの一のパネルとして機能することができる。従って、部品の兼用化が図られて部品数を良好に削減することが可能になるとともに、燃料電池システム全体の軽量化が容易に遂行される。 According to the present invention, since the one surface where the contactor box opens is closed by one end plate, this one end plate can function as one panel of the contactor box. Accordingly, the number of parts can be shared and the number of parts can be reduced favorably, and the weight of the entire fuel cell system can be easily reduced.
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の概略斜視説明図であり、図2は、前記燃料電池システム10の一部分解概略斜視図である。
FIG. 1 is a schematic perspective view of a
燃料電池システム10は、燃料電池スタック12とコンタクタ14とを備える。図2に示すように、燃料電池スタック12は、複数の発電セル16が水平方向(矢印A方向)に積層された積層体18を設ける。
The
積層体18の積層方向(矢印A方向)の一端には、ターミナルプレート20a、絶縁プレート22a及びエンドプレート24aが外方に向かって、順次、配設される。積層体18の積層方向の他端には、ターミナルプレート20b、絶縁プレート22b及びエンドプレート24bが外方に向かって、順次、配設される。燃料電池スタック12は、鉛直方向(矢印C方向)に長尺(縦長)な四角形に構成される金属製エンドプレート24a、24bを端板として含むケーシング26を備えている。
A
各発電セル16は、図示しないが、電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)と、前記電解質膜・電極構造体を挟持する薄板波形状の第1及び第2セパレータとを備える。発電セル16には、酸化剤ガス供給連通孔、酸化剤ガス排出連通孔、燃料ガス供給連通孔、燃料ガス排出連通孔、冷却媒体供給連通孔及び冷却媒体排出連通孔が形成されて内部マニホールドを構成する。 Each of the
図2及び図3に示すように、ターミナルプレート20aの面内中央から上方に所定距離だけ離間する位置には、積層方向外方に延在して正極側端子部56aが一体的に設けられる。端子部56aは、後述する絶縁性筒状部82に挿入された状態で、絶縁プレート22a及びエンドプレート24aの孔部59aを貫通して外部に突出する。
As shown in FIGS. 2 and 3 , a positive electrode
ケーシング26は、図1及び図2に示すように、端板であるエンドプレート24a、24bと、積層体18の側部に配置される4枚のパネル部材60a〜60dと、前記パネル部材60a〜60dの互いに近接する端部同士を連結するアングル部材62a〜62dと、前記エンドプレート24a、24bと前記パネル部材60a〜60dとを連結するそれぞれ長さの異なる連結ピン64a、64bとを備える。パネル部材60a〜60dは、薄板金属製プレートで構成される。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
エンドプレート24a、24bの上下各辺には、それぞれ円筒状第1連結部66a、66bが突出形成されるとともに、両側の各辺には、それぞれ第1連結部66a、66bが突出形成される。
Cylindrical
積層体18の矢印B方向両側に配置されるパネル部材60a、60cの長手方向(矢印A方向)両端には、第2連結部70a、70bが形成される。積層体18の上下両側に配置されるパネル部材60b、60dの長手方向両端には、第2連結部72a、72bが形成される。
Second connecting
パネル部材60a、60cの各第2連結部70a、70b間には、エンドプレート24a、24bの両側の各辺の第1連結部66a、66bが配置されるとともに、これらに長尺な連結ピン64aが一体的に挿入されて、前記パネル部材60a、60cが前記エンドプレート24a、24bに取り付けられる。
Between the
同様に、パネル部材60b、60dの第2連結部72a、72bがエンドプレート24a、24bの上辺及び下辺の第1連結部66a、66bと交互に配置されるとともに、これらに短尺な連結ピン64bが一体的に挿入されて、前記パネル部材60b、60dが前記エンドプレート24a、24bに取り付けられる。
Similarly, the second connecting
アングル部材62a〜62dは、締結ボルト78を介してパネル部材60a〜60dに固定され、ケーシング26が構成される。
The
図2に示すように、エンドプレート24aには、矢印C方向に延在してそれぞれ冷却媒体入口マニホールド80aと、冷却媒体出口マニホールド80bとが装着される。冷却媒体入口マニホールド80aは、冷却媒体供給連通孔に連通する一方、冷却媒体出口マニホールド80bは、冷却媒体排出連通孔に連通する。冷却媒体入口マニホールド80a及び冷却媒体出口マニホールド80bは、図示しないが、車体前方に配置されたラジエータ(熱交換器)に連通している。
As shown in FIG. 2, a cooling
冷却媒体入口マニホールド80aと冷却媒体出口マニホールド80bとの間には、端子部56aが突出するとともに、エンドプレート24aには、この端子部56aを周回して絶縁性筒状部82が配設される。図2及び図3に示すように、端子部56aには、ボルト84を介して略L字状の導電板86が固定される。
A
エンドプレート24aの下側には、マウントブラケット90がボルト92を介して固定される。このマウントブラケット90は、ボルト94を介して自動車車体の取り付け部96にねじ止めされる(図3参照)。
A
エンドプレート24bにも、同様にマウントブラケット90が取り付けられ、このマウントブラケット90が取り付け部96に固定される。エンドプレート24b側には、図示していないが、負極側端子部が設けられ、この端子部は、ケーシング26に沿ってエンドプレート24a側に引出された後、端子98に接続される。
Similarly, a
コンタクタ14は、金属製コンタクタボックス100を有する。図4に示すように、このコンタクタボックス100は、一面102が開放されており、前記コンタクタボックス100がエンドプレート24aに取り付けられた状態で、前記一面102が前記エンドプレート24aにより閉塞される。すなわち、エンドプレート24aは、コンタクタボックス100の1つのパネルを構成し、部品の兼用を図っている。
The
コンタクタボックス100は、端子部56aを覆う囲繞部104を設けるとともに、この囲繞部104と筒状部82とは、互いに嵌合してシールを行うシール構造106を構成する。
The
シール構造106は、筒状部82の外周に形成された周溝108に配設されるOリング110を備える。囲繞部104には、内周面112が形成されるとともに、この内周面112は、筒状部82を嵌合してOリング110が摺接される。なお、図示しないが、内周面112側に周溝を形成してこの周溝にOリング110を嵌挿し、筒状部82の外周を前記Oリング110に嵌合するように構成してもよい。
The
図3に示すように、端子部56aに固定された導電板86は、囲繞部104内に挿入されるとともに、前記導電板86の先端部は、ボルト114を介して接続台116に電気的に接続される。この接続台116は、第1端子118aに接続される。燃料電池スタック12の端子98は、コンタクタボックス100に固定される導電板120を介して第2端子118bに接続される。第1及び第2端子118a、118bは、図示しない走行用モータに接続されており、コンタクタ14の開閉動作によってこのモータへの発電電力の供給制御が行われる。
As shown in FIG. 3 , the
コンタクタボックス100の側部には、取り付け部122a、122bが膨出形成される。取り付け部122a、122bには、ボルト124が挿入されるとともに、前記ボルト124が取り付け部96にねじ込まれることにより、前記コンタクタボックス100が前記取り付け部96に固定される。
At the side of the
コンタクタボックス100は、囲繞部104の上方側にボルト126が挿入される。このボルト126は、エンドプレート24aの上部側に形成されたねじ孔127にねじ込まれることにより、囲繞部104と前記エンドプレート24aとが固定される。コンタクタボックス100の下部側にボルト128が挿入され、このボルト128がマウントブラケット90にねじ込まれることにより、前記コンタクタボックス100と前記マウントブラケット90とが固定される。
In the
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。
The operation of the
この場合、第1の実施形態では、コンタクタボックス100の一面102が開口されている。そして、このコンタクタボックス100がエンドプレート24aにねじ止め固定されることにより、前記コンタクタボックス100の一面102が前記エンドプレート24aにより閉塞されている。
In this case, in the first embodiment, one
従って、エンドプレート24aは、コンタクタボックス100の1つのパネルとして機能することができる。これにより、部品の兼用化が図られて部品数を良好に削減することが可能になるとともに、燃料電池システム10全体の軽量化が容易に遂行されるという効果が得られる。
Therefore, the
さらに、端子部56aは、エンドプレート24aから外方に突出するとともに、コンタクタボックス100は、前記端子部56aを覆う囲繞部104を設けている。このため、端子部56aの防水性を向上させることができるとともに、囲繞部104及びエンドプレート24aが金属材料で構成されることによって、電磁波の遮蔽性能を向上させることが可能になる。
Further, the
さらにまた、エンドプレート24aには、端子部56aを周回して筒状部82が配設されるとともに、前記筒状部82とコンタクタボックス100の囲繞部104とは、互いに嵌合してシールを行うシール構造106を構成している。従って、端子部56aとコンタクタ14との接続構造は、エンドプレート24aの比較的小さな領域内に収容することができる。特に、エンドプレート24aに冷却媒体入口マニホールド80a及び冷却媒体出口マニホールド80bが取り付けられることにより、コンタクタ14の取り付けスペースが狭小な場合にも、有効な接続状態を有することが可能になるという利点がある。
Furthermore, the
また、燃料電池スタック12は、マウントブラケット90を介して車体側の取り付け部96に固定されている。一方、コンタクタボックス100は、取り付け部96に固定されるとともに、エンドプレート24aの上部側に位置して囲繞部104が前記エンドプレート24aにねじ止め固定されている。これにより、燃料電池スタック12は、下部側をマウントブラケット90に固定されるとともに、上部側をコンタクタボックス100に支持され、前記燃料電池スタック12全体を強固且つ安定して保持することが可能になる。
The
さらに、コンタクタ14は、金属製のコンタクタボックス100を有し、このコンタクタボックス100内には、端子部56a及び端子98等が収容されている。このため、コンタクタボックス100による電磁波のシール性の向上及び防水性の向上が容易に図られる。
Further, the
しかも、端子部56aとコンタクタ14の接続台116とは、略L字状の導電板86により電気的に接続されている。これにより、端子部56aからコンタクタ14間の高電圧線の距離を有効に短尺化することができ、電磁波の発生を良好に低減し得るという利点がある。
Moreover, the
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140の一部分解概略斜視図である。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。
FIG. 5 is a partially exploded schematic perspective view of a
燃料電池システム140は、燃料電池スタック12のエンドプレート24aに取り付けられるコンタクタ142を備える。このコンタクタ142は、金属製のコンタクタボックス144を有するとともに、前記コンタクタボックス144は、矢印B方向両側に突出して通路部146a、146bを一体成形する。
The
通路部146aは、燃料電池スタック12の冷却媒体入口マニホールド80aに連通する入口通路148aを設ける一方、通路部146bは、冷却媒体出口マニホールド80bに連通する出口通路148bを設ける。なお、入口通路148a及び出口通路148bは、図示しない車体の前方に配置されたラジエータに連通している。
The
このように構成される第2の実施形態では、冷却媒体は、先ず、コンタクタボックス144の入口通路148aを通ってこのコンタクタボックス144内を冷却する。さらに、冷却媒体は、冷却媒体入口マニホールド80aを介して燃料電池スタック12内に供給される。そして、この燃料電池スタック12の冷却に使用された冷却媒体は、冷却媒体出口マニホールド80bから出口通路148bを通ってコンタクタボックス144の内部を冷却している。
In the second embodiment configured as described above, the cooling medium first cools the inside of the
これにより、入口通路148a及び出口通路148bを流動する冷却媒体は、コンタクタ142の発熱部品等と熱交換を行っている。このため、コンタクタ142は、簡単な構成で必要以上に発熱することを良好に防止することができるという効果が得られる。
As a result, the cooling medium flowing in the
なお、コンタクタボックス144では、例えば、入口通路148aを備えた通路部146aのみを設けてもよく、あるいは、出口通路148bを設けた通路部146bのみを設けてもよい。
In the
また、第1及び第2の実施形態では、燃料電池スタック12の正極側の端子部56aにコンタクタ14、142が接続されているが、これに限定されるものではない。例えば、端子部56a側に代えて燃料電池スタック12の負極側の端子部56bに上記のコンタクタ14、142を設けてもよく、あるいは、両側の端子部56a、56bに、それぞれコンタクタ(図示せず)を設けてもよい。
In the first and second embodiments, the
10、140…燃料電池システム 12…燃料電池スタック
14、142…コンタクタ 16…発電セル
18…積層体 20a、20b…ターミナルプレート
22a、22b…絶縁プレート 24a、24b…エンドプレート
26…ケーシング 60a〜60d…パネル部材
62a〜62d…アングル部材 64a、64b…連結ピン
78…締結ボルト 80a…冷却媒体入口マニホールド
80b…冷却媒体出口マニホールド 82…筒状部
86…導電板 90…マウントブラケット
96…取り付け部 100、144…コンタクタボックス
102…一面 104…囲繞部
106…シール構造 110…Oリング
112…内周面 118a、118b…端子
146a、146b…通路部 148a…入口通路
148b…出口通路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10,140 ...
18 ...
26 ...
62a-62d ...
78 ...
80b ... Cooling
86 ...
96 ... Mounting
106 ...
112 ... Inner
146a, 146b ...
148b ... Exit passage
Claims (5)
前記発電セルによる発電電力を前記燃料電池スタックの外部に取り出すための出力端子部に接続されるとともに、一方のエンドプレートに装着されるコンタクタと、
を備え、
前記コンタクタは、少なくとも一面が開放されたコンタクタボックスを有するとともに、
前記コンタクタボックスは、前記一方のエンドプレートに取り付けられた状態で、前記一面が前記一方のエンドプレートにより閉塞されることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell in which a power generation cell having an electrolyte / electrode structure in which a pair of electrodes are provided on both sides of an electrolyte and a separator is provided, and end plates are disposed at both ends in the stacking direction of the stacked body in which a plurality of the power generation cells are stacked Stack,
A contactor connected to an output terminal for taking out the power generated by the power generation cell to the outside of the fuel cell stack, and attached to one end plate;
With
The contactor has a contactor box having at least one surface opened,
The contactor box is attached to the one end plate, and the one surface is closed by the one end plate.
前記エンドプレートと前記パネル部材とにより前記積層体を収容保持するケーシングが構成されることを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel cell stack includes a panel member that covers a side portion of the stacked body,
The fuel cell system, wherein the end plate and the panel member constitute a casing for accommodating and holding the laminate.
前記コンタクタボックスは、前記一方の出力端子部を覆う囲繞部を設けることを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein at least one output terminal portion protrudes from the one end plate,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the contactor box is provided with a surrounding portion that covers the one output terminal portion.
前記囲繞部と前記筒状部とは、互いに嵌合してシールを行うシール構造を構成することを特徴とする燃料電池システム。 4. The fuel cell system according to claim 3, wherein the one end plate is provided with a cylindrical portion around the one output terminal portion, and
The fuel cell system, wherein the surrounding portion and the cylindrical portion constitute a seal structure that fits and seals with each other.
前記一方のエンドプレートには、前記冷却媒体の供給口及び排出口が形成されるとともに、
前記コンタクタボックスには、少なくとも前記供給口又は前記排出口に連通して前記コンタクタボックス内部を冷却するための冷却媒体通路が形成されることを特徴とする燃料電池システム。 5. The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel cell stack is provided with a communication hole that extends in a stacking direction of the power generation cells and allows a reaction gas and a cooling medium to flow therethrough. Configure
The one end plate has a supply port and a discharge port for the cooling medium, and
The fuel cell system, wherein the contactor box is formed with a cooling medium passage for communicating with at least the supply port or the discharge port to cool the inside of the contactor box.
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