JP2010010011A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、セル電圧端子に接続されるケーブルの損傷を良好且つ確実に抑制することを可能にする。
【解決手段】燃料電池スタック１０は、複数の単位セル２２が積層された積層体２４を備え、前記積層体２４がケーシング３２内に収容される。ケーシング３２を構成する側板７４ａは、プレート部８０ａ、８０ｂに分割されるとともに、互いに開口部８２を形成する。単位セル２２に設けられるセル電圧端子６８にコネクタ９４が接続され、このコネクタ９４のケーブル９８の一部には、保護部材１０４が設けられる。外部荷重によりプレート部８０ｂが変形する際、開口部８２を形成するエッジ部が保護部材１０４に接触するように、前記保護部材１０４の長さ及びケーブル９８の弛み長さが設定される。
【選択図】図５

Description

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単位セルが複数積層された積層体を箱状ケーシング内に収容するとともに、車両内に配置される燃料電池スタックに関する。

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）を採用している。この電解質膜の両側に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・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより、単位セルが構成されている。

通常、燃料電池は、所望の発電力を得るために、所定数（例えば、数十〜数百）の単位セルを積層した燃料電池スタックとして使用されている。この種の燃料電池スタックでは、各単位セルが所望の発電性能を有しているか否かを検出する必要がある。このため、通常、セパレータに設けられたセル電圧端子を電圧検出装置（セル電圧モニタ）に接続して、発電時の各単位セル毎のセル電圧を検出する作業が行われている。

例えば、特許文献１では、図１０に示すように、燃料電池１にセル電圧モニタ２が取り付けられている。セル電圧モニタ２の各端子（図示せず）は、金属板３に接触されており、燃料電池１の電位を検出している。

燃料電池１には、樹脂フレーム４が設けられており、この樹脂フレーム４には、セル電圧モニタ２を前記燃料電池１から抜け止めするための抜け止め部５が設けられている。セル電圧モニタ２の端子には、導線６が接続されており、この導線６は、図示しないコントローラ等に接続されている。

特開２００４−８７１６３号公報

ところで、燃料電池スタックでは、複数の単位セルが積層された積層体を箱状ケーシング内に収容した状態で、燃料電池車両に搭載する車載用燃料電池スタックとして使用される場合がある。その際、上記のセル電圧モニタ２では、導線６がケーシングに設けられた開口部を通って外部に取り出されている。

従って、燃料電池車両に外部荷重が付与されてケーシングに変形が惹起されると、開口部を形成するエッジが導線６に接触し易い。これにより、例えば、導線６の被覆が損傷するという問題がある。

本発明はこの種の課題を解決するものであり、簡単な構成で、セル電圧端子に接続されるケーブルの損傷を良好且つ確実に抑制することが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。

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単位セルが複数積層された積層体を箱状ケーシング内に収容するとともに、車両内に配置される燃料電池スタックに関するものである。

ケーシングの少なくとも一の面には、各単位セル毎又は複数の単位セル毎にセル電圧を検出するために、前記単位セルに設けられたセル電圧端子に対応して開口部が形成されるとともに、前記セル電圧端子に接続されるケーブルには、前記ケーブルを保護するための保護部材が設けられている。

そして、燃料電池スタックに外部荷重が付与された際、ケーシングが車両の内壁に当接するまで変形した状態で、開口部を形成するエッジ部が保護部材に接触するように、前記保護部材の長さ及び前記ケーブルの弛み長さが設定されている。

また、ケーブルは、ケーシングが前記変形した状態よりも大きく変形した際に、集中的に切断される破断部位を設けることが好ましい。

さらに、本発明では、ケーシングの少なくとも一の面には、各単位セル毎又は複数の単位セル毎にセル電圧を検出するために、前記単位セルに設けられたセル電圧端子に対応して開口部が形成されるとともに、前記セル電圧端子に接続されるケーブルには、前記ケーブルを保護するための保護部材が設けられている。

そして、ケーシングには、前記ケーシングとケーブルとの間に開口部側に突出して設けられ、燃料電池スタックに外部荷重が付与されて前記ケーシングが変形した際に、前記ケーブルが前記開口部を形成するエッジ部に接触することを阻止する保護シートが設けられている。

本発明では、保護部材の長さ及びケーブルの弛み長さが設定されているため、外部荷重の付与によりケーシングが変形しても、前記ケーシングの開口部を形成するエッジ部が前記ケーブルに接触することがない。このため、簡単な構成で、セル電圧端子に接続されるケーブルの損傷を良好且つ確実に抑制することが可能になる。

また、本発明では、ケーシングに開口部側に突出して保護シートが設けられている。従って、外部荷重の付与によりケーシングが変形しても、開口部を形成するエッジ部がケーブルに接触することがない。これにより、簡単な構成で、セル電圧端子に接続されるケーブルの損傷を良好且つ確実に抑制することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０が搭載される燃料電池車両１２の一部側面説明図である。

燃料電池車両１２は、車室１６内に左右のフロントシート（運転席及び助手席）１８ａ、１８ｂ間に位置して、センターコンソール１４が設けられるとともに、前記センターコンソール１４は、前記燃料電池車両１２の車長方向（矢印Ｌ方向）に延在する。このセンターコンソール１４内に、燃料電池スタック１０が収容される。

図２に示すように、燃料電池スタック１０は、複数の単位セル２２が水平方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体２４を備える。積層体２４の積層方向（矢印Ａ方向）一端には、ターミナルプレート２６ａ、絶縁プレート２８ａ及びエンドプレート３０ａが外方に向かって、順次、配設される。

積層体２４の積層方向他端には、ターミナルプレート２６ｂ、絶縁プレート２８ｂ及びエンドプレート３０ｂが外方に向かって、順次、配設される。燃料電池スタック１０は、縦長の長方形状に構成されるエンドプレート３０ａ、３０ｂを端板として含む箱状のケーシング３２により一体的に保持される。エンドプレート３０ａ、３０ｂは、例えば、アルミニウム板で形成される。

図３に示すように、各単位セル２２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）４０と、前記電解質膜・電極構造体４０を挟持する薄板波形状の第１及び第２金属セパレータ４２、４４とを備える。なお、第１及び第２金属セパレータ４２、４４に代えて、カーボンセパレータを用いてもよい。

単位セル２２の長辺方向（図３中、矢印Ｃ方向）の一端縁部（上端縁部）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔４６ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔４８ａが設けられる。

単位セル２２の長辺方向の他端縁部（下端縁部）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔４８ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔４６ｂが設けられる。

単位セル２２の短辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔５０ａが設けられるとともに、前記単位セル２２の短辺方向の他端縁部には、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔５０ｂが設けられる。

電解質膜・電極構造体４０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜５２と、前記固体高分子電解質膜５２を挟持するアノード側電極５４及びカソード側電極５６とを備える。

アノード側電極５４及びカソード側電極５６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜５２の両面に形成される。

第１金属セパレータ４２の電解質膜・電極構造体４０に向かう面４２ａには、燃料ガス供給連通孔４８ａと燃料ガス排出連通孔４８ｂとを連通する燃料ガス流路５８が矢印Ｃ方向に沿って形成される。第１金属セパレータ４２の面４２ｂには、冷却媒体供給連通孔５０ａと冷却媒体排出連通孔５０ｂとを連通する冷却媒体流路６０が矢印Ｂ方向に沿って形成される。

第２金属セパレータ４４の電解質膜・電極構造体４０に向かう面４４ａには、矢印Ｃ方向に沿って酸化剤ガス流路６２が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路６２は、酸化剤ガス供給連通孔４６ａと酸化剤ガス排出連通孔４６ｂとに連通する。第２金属セパレータ４４の面４４ｂには、第１金属セパレータ４２の面４２ｂと重なり合って冷却媒体流路６０が一体的に形成される。

第１金属セパレータ４２の面４２ａ、４２ｂには、この第１金属セパレータ４２の外周端縁部を周回して第１シール部材６４ａが一体成形される。第２金属セパレータ４４の面４４ａ、４４ｂには、この第２金属セパレータ４４の外周端縁部を周回して第２シール部材６４ｂが一体成形される。

単位セル２２の短辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、凹部６６が形成されるとともに、例えば、第１金属セパレータ４２には、前記凹部６６に配置されてセル電圧端子６８が装着される。

図２に示すように、ターミナルプレート２６ａ、２６ｂの面内中央から積層方向外方に延在して第１及び第２電力取り出し端子７０ａ、７０ｂが設けられる。第１電力取り出し端子７０ａは、絶縁プレート２８ａ及びエンドプレート３０ａを貫通して外部に突出する一方、第２電力取り出し端子７０ｂは、絶縁プレート２８ｂ及びエンドプレート３０ｂを貫通して外部に突出する。第１及び第２電力取り出し端子７０ａ、７０ｂには、例えば、車両走行用モータ等の負荷が接続される。

ケーシング３２は、端板であるエンドプレート３０ａ、３０ｂと、積層体２４の側部に配置される複数の側板７４ａ〜７４ｄと、前記側板７４ａ〜７４ｄの互いに近接する端部同士をねじ７５を介して連結するアングル部材７６と、前記エンドプレート３０ａ、３０ｂと前記側板７４ａ〜７４ｄとを連結するヒンジ機構７８とを備える。

側板７４ａ〜７４ｄは、薄板金属製プレートで構成されるとともに、少なくとも前記側板７４ａは、上下（矢印Ｃ方向）に２分割されて互いに離間して配置される一対のプレート部８０ａ、８０ｂを有する。プレート部８０ａ、８０ｂ間には、開口部８２が形成されるとともに、前記開口部８２を周回してエッジ部８２ａが設けられる。

ヒンジ機構７８は、エンドプレート３０ａ、３０ｂに設けられる第１ヒンジ部８４ａ、８４ｂと、側板７４ａ〜７４ｄに設けられる第２ヒンジ部８６と、前記第１ヒンジ部８４ａ、８４ｂと第２ヒンジ部８６とが交互に配置された状態で挿入される連結ピン８８ａ、８８ｂとを備える。

エンドプレート３０ａの上部側には、酸化剤ガス供給連通孔４６ａに連通する酸化剤ガス入口マニホールド９０ａと、燃料ガス供給連通孔４８ａに連通する燃料ガス入口マニホールド９２ａとが設けられる。エンドプレート３０ａの下部側には、酸化剤ガス排出連通孔４６ｂに連通する酸化剤ガス出口マニホールド９０ｂと、燃料ガス排出連通孔４８ｂに連通する燃料ガス出口マニホールド９２ｂとが設けられる。

エンドプレート３０ｂには、図示しないが、矢印Ｃ方向に延在してそれぞれ冷却媒体供給連通孔５０ａに連通する冷却媒体入口マニホールドと、冷却媒体排出連通孔５０ｂに連通する冷却媒体出口マニホールドとが設けられる。

図４に示すように、所定数のセル電圧端子６８毎にコネクタ９４が装着される。コネクタ９４は、各セル電圧端子６８に接続される接続端子部９６を備え、前記接続端子部９６は、ケーブル（ハーネス）９８の一端にはんだ部１００を介して連結される（図５参照）。コネクタ９４には、コネクタカバー１０２が装着されており、前記コネクタカバー１０２の端部及びケーブル９８の一部は、例えば、熱収縮チューブ等の保護部材１０４により固定される。

コネクタカバー１０２及びケーブル９８は、開口部８２から側板７４ａの外方に露出しており、前記ケーブル９８は、前記側板７４ａを構成するプレート部８０ｂに沿って上方に延在し、取り付け部材１０６を介して前記プレート部８０ｂに固定されるとともに、弛み部１０８が形成される。

第１の実施形態では、図６に示すように、燃料電池スタック１０に外部荷重が付与された際、ケーシング３２を構成するプレート部８０ｂがセンターコンソール１４の内壁に当接するまで変形した状態で、開口部８２を形成するエッジ部８２ａが保護部材１０４に接触するように、前記保護部材１０４の長さＬ及びケーブル９８の弛み部１０８の長さが設定される。

さらに、第１の実施形態では、センターコンソール１４にも変形が生じて、プレート部８０ｂがさらに変形した際に、ケーブル９８がはんだ部１００で集中的に切断されるように構成される。

このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。

先ず、燃料電池スタック１０では、図２に示すように、エンドプレート３０ａの酸化剤ガス入口マニホールド９０ａから酸化剤ガス供給連通孔４６ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口マニホールド９２ａから燃料ガス供給連通孔４８ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。一方、エンドプレート３０ｂの冷却媒体入口マニホールドから冷却媒体供給連通孔５０ａに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。

このため、積層体２４では、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数の単位セル２２に対し、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体が矢印Ａ方向に供給される。

図３に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔４６ａから第２金属セパレータ４４の酸化剤ガス流路６２に導入され、電解質膜・電極構造体４０のカソード側電極５６に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔４８ａから第１金属セパレータ４２の燃料ガス流路５８に導入され、電解質膜・電極構造体４０のアノード側電極５４に沿って移動する。

従って、各電解質膜・電極構造体４０では、カソード側電極５６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極５４に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。

次いで、カソード側電極５６に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔４６ｂに沿って流動した後、エンドプレート３０ａの酸化剤ガス出口マニホールド９０ｂから外部に排出される。同様に、アノード側電極５４に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔４８ｂに沿って流動した後、エンドプレート３０ａの燃料ガス出口マニホールド９２ｂから外部に排出される。

また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔５０ａから第１及び第２金属セパレータ４２、４４間の冷却媒体流路６０に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体４０を冷却した後、冷却媒体排出連通孔５０ｂを移動してエンドプレート３０ｂの冷却媒体出口マニホールドから排出される。

この場合、第１の実施形態では、図５に示すように、所定数のセル電圧端子６８に接続されるコネクタ９４は、コネクタカバー１０２の端部及びケーブル９８の一部に保護部材１０４が設けられるとともに、この保護部材１０４の長さＬと前記ケーブル９８の弛み部１０８の長さとが、予め設定されている。

このため、図６に示すように、燃料電池スタック１０に外部荷重が付与される際、ケーシング３２を構成するプレート部８０ｂがセンターコンソール１４の内壁に当接するまで変形した状態に至ることがある。その際、ケーブル９８は、センターコンソール１４の内壁とプレート部８０ｂの開口部８２を構成するエッジ部とに挟持されるものの、前記ケーブル９８を周回保護している保護部材１０４が前記開口部８２を形成する前記エッジ部に接触している。

従って、ケーブル９８が損傷してこのケーブル９８とプレート部８０ｂとが電気的に接続されることがない。これにより、簡単な構成で、ケーブル９８の損傷を良好且つ確実に抑制することが可能になるという効果が得られる。

次いで、プレート部８０ｂは、センターコンソール１４の内壁に当接した後、積層体２４側に復帰する（図７参照）。ここで、ケーブル９８は、予め弛み部１０８の長さが設定されているため、プレート部８０ｂの変形時に弛みのない状態に引き延ばされている。従って、プレート部８０ｂが積層体２４側に復帰する際に、ケーブル９８が開口部８２側に巻き込まれることがなく、前記ケーブル９８の損傷が可及的に抑制されるという利点がある。

また、第１の実施形態では、外部荷重が比較的大きく、センターコンソール１４が、図６中、実線の位置から二点鎖線の位置に変形すると、プレート部８０ｂの変形状態は、図６の位置からさらに大きくなる。その際、ケーブル９８は、所定の引っ張り状態からさらに引張されるため、はんだ部１００で集中的に破断することができる。これにより、ケーブル９８への通電が停止され、前記ケーブル９８の短絡が阻止されるとともに、高電圧部の絶縁距離を確保することが可能になる。

図８は、本発明の第の実施形態に係る燃料電池スタック１２０の要部断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック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。

この第２の実施形態では、ケーシング３２を構成するプレート部８０ｂの表面に、このプレート部８０ｂとケーブル９８との間に開口部８２側に突出して保護シート１２２が設けられる。保護シート１２２は、例えば、ガラスクロス入りのシリコンゴム又はＥＰＤＭ（エチレン・プロピレンゴム）等で構成される。保護シート１２２が、エッジ部８２ａに当たって破損することを阻止するためである。保護シート１２２は、開口部８２内に所定の距離Ｔだけ突出するとともに、保護部材１０４から距離ｄだけ離間する（Ｔ≧ｄ）。保護シート１２２の端部が捲れて保護部材１０４とプレート部８０ｂとの間に進入することを阻止するためである。

このように構成される第２の実施形態では、燃料電池スタック１２０に外部荷重が付与されると、図９に示すように、プレート部８０ｂは、センターコンソール１４の内壁側に変形する。その際、プレート部８０ｂの表面に設けられている保護シート１２２は、プレート部８０ｂの開口部８２を形成するエッジ部を覆っており、ケーブル９８が前記エッジ部に直接接触することがない。

これにより、簡単な構成で、ケーブル９８の損傷を良好且つ確実に抑制することができ、前記ケーブル９８の短絡が防止される等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、第１及び第２の実施形態では、燃料電池スタック１０、１２０は、車室１６内のセンターコンソール１４に配置されているが、これに限定されるものではない。例えば、燃料電池車両１２の前部（ボンネット部）やこの燃料電池車両１２の床下部等にも収容することができる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックが搭載される燃料電池車両の一部側面説明図である。 前記燃料電池スタックの斜視説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する単位セルの分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックを構成するセル電圧端子とコネクタとの接続状態を示す斜視図である。 前記セル電圧端子と前記コネクタとの接続状態を示す要部断面図である。 前記燃料電池スタックを構成するケーシングが変形した状態の説明図である。 変形した前記ケーシングが復帰した状態の説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの要部断面説明図である。 前記燃料電池スタックを構成するケーシングが変形した状態の説明図である。 従来技術の取り付け構造の説明図である。

符号の説明

１０、１２０…燃料電池スタック １２…燃料電池車両
１４…センターコンソール １８ａ、１８ｂ…フロントシート
２２…単位セル ２４…積層体
３０ａ、３０ｂ…エンドプレート ３２…ケーシング
４０…電解質膜・電極構造体 ４２、４４…金属セパレータ
５２…固体高分子電解質膜 ５４…アノード側電極
５６…カソード側電極 ５８…燃料ガス流路
６０…冷却媒体流路 ６２…酸化剤ガス流路
６８…セル電圧端子 ７４ａ〜７４ｄ…側板
７６…アングル部材 ７８…ヒンジ構造
９４…コネクタ ９６…接続端子部
９８…ケーブル １００…はんだ部
１０２…コネクタカバー １０４…保護部材
１０８…弛み部 １２２…保護シート

Claims (3)

1. 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単位セルが複数積層された積層体を箱状ケーシング内に収容するとともに、車両内に配置される燃料電池スタックであって、
   前記ケーシングの少なくとも一の面には、各単位セル毎又は複数の単位セル毎にセル電圧を検出するために、前記単位セルに設けられたセル電圧端子に対応して開口部が形成されるとともに、
   前記セル電圧端子に接続されるケーブルには、前記ケーブルを保護するための保護部材が設けられ、
   前記燃料電池スタックに外部荷重が付与された際、前記ケーシングが前記車両の内壁に当接するまで変形した状態で、前記開口部を形成するエッジ部が前記保護部材に接触するように、前記保護部材の長さ及び前記ケーブルの弛み長さを設定することを特徴とする燃料電池スタック。
2. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記ケーブルは、前記ケーシングが前記変形した状態よりも大きく変形した際に、集中的に切断される破断部位を設けることを特徴とする燃料電池スタック。
3. 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単位セルが複数積層された積層体を箱状ケーシング内に収容するとともに、車両内に配置される燃料電池スタックであって、
   前記ケーシングの少なくとも一の面には、各単位セル毎又は複数の単位セル毎にセル電圧を検出するために、前記単位セルに設けられたセル電圧端子に対応して開口部が形成されるとともに、
   前記セル電圧端子に接続されるケーブルには、前記ケーブルを保護するための保護部材が設けられ、
   前記ケーシングには、前記ケーシングと前記ケーブルとの間に前記開口部側に突出して設けられ、前記燃料電池スタックに外部荷重が付与されて前記ケーシングが変形した際に、前記ケーブルが前記開口部を形成するエッジ部に接触することを阻止する保護シートが設けられることを特徴とする燃料電池スタック。

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