JP2010212024A

JP2010212024A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2010212024A
Application number: JP2009055412A
Authority: JP
Inventors: Hideharu Naito; 秀晴内藤
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2009-03-09
Filing date: 2009-03-09
Publication date: 2010-09-24
Anticipated expiration: 2029-03-09
Also published as: JP5342901B2

Abstract

【課題】ダイオードを効率的に配置し、スペース効率の悪化を防止することができると共に、電圧監視ユニットの測定精度を向上させることができる燃料電池を提供する。
【解決手段】固体高分子電解質膜の両側面に、アノード、およびカソードを設けた電解質電極構造体と金属製セパレータとを積層してセルを形成し、セルを複数積層して燃料電池スタック３を形成し、金属製セパレータに、電気的に電圧監視ユニット２３とダイオードユニット２４とを接続した燃料電池であって、燃料電池スタック３の他側面３ｂに、セル電圧測定用コネクタ２１（電圧監視ユニット２３）を配置する一方、燃料電池スタック３の一側面３ａに、ダイオードユニット２４を配置した。
【選択図】図２

Description

この発明は、燃料電池に関するものである。

燃料電池には、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟んで膜電極構造体を形成し、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位燃料電池（以下「単位セル」という。）を構成し、この単位セルを複数枚積層して燃料電池スタックとするものが知られている。

この燃料電池では、アノード電極とアノード側セパレータとの間に形成された燃料ガス流路に燃料ガスとして水素ガス（アノードガス）を供給すると共に、カソード電極とカソード側セパレータとの間に形成された酸化ガス流路に酸化ガスとして空気（カソードガス）を供給する。これにより、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが固体高分子電解質膜を透過してカソード電極まで移動し、カソード電極で空気中の酸素と電気化学反応を起こして発電が行われる。

ここで、各セルが正常に動作するか否か、または起電力に異常はないか等をセルの電圧を測定することにより検出する場合がある。このような場合、各セパレータにそれぞれ電圧測定端子を設け、この電圧測定端子と電圧監視ユニット（電圧測定装置）とをリード線を介して接続することで各セパレータに挟まれたセルの発電電圧を測定することができる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−１５１６１３号公報

ところで、燃料電池の起動時など、水素ガスの欠乏時に、セルの電池反転が生じ、このセルによって燃料電池全体の出力性能が低下してしまう場合がある。このため、各セパレータにダイオードを接続してバイパス経路を設けることが検討されている。
バイパス用ダイオードは発熱するので、これを冷却する必要があり、例えばヒートシンク等を設ける分占有スペースが大きくなると共に、重量が増大してしまう。また、バイパス用ダイオードを配置すると、電圧測定端子と共に配置スペースに制約が生じ、かつ電圧監視ユニットが電気的ノイズを受け、電圧監視ユニットの測定精度が低下する虞がある。
しかしながら、上述の従来技術にあっては、バイパス用ダイオードの配置について何ら開示されておらず、バイパス用ダイオードを配置すると燃料電池のスペース効率が悪くなり、かつ電圧監視ユニットの測定精度が低下する虞があるという課題がある。

そこで、この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、ダイオードを効率的に配置し、スペース効率の悪化を防止することができると共に、電圧監視ユニットの測定精度を向上させることができる燃料電池を提供するものである。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、電解質（例えば、実施形態における固体高分子電解質膜５）の両側面に、電極（例えば、実施形態におけるアノード６、カソード７）を設けた電解質電極構造体（例えば、実施形態における電解質電極構造体８）とセパレータ（例えば、実施形態におけるセパレータ９ａ，９ｂ）とを積層してセル（例えば、実施形態におけるセル４）を形成し、該セルを複数積層して燃料電池スタック（例えば、実施形態における燃料電池スタック３）を形成し、前記セパレータに、電気的に電圧監視ユニット（例えば、実施形態における電圧監視ユニット２３）とダイオードユニット（例えば、実施形態におけるダイオードユニット２４）とを接続した燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池１）であって、前記燃料電池スタックの一側面に、前記電圧監視ユニットを配置する一方、前記燃料電池スタックの前記一側面とは異なる他側面に、前記ダイオードユニットを配置したことを特徴とする。
このように構成することで、電圧監視ユニットとダイオードユニットとが互いに干渉することなく、かつ電圧監視ユニットが電気的ノイズの影響を受け難くなる。

請求項２に記載した発明は、前記一側面と前記他側面とが互いに対向した位置に存在していることを特徴とする。
このように構成することで、電圧監視ユニットとダイオードユニットとの離間距離を大きく確保することができる。

請求項１に記載した発明によれば、電圧監視ユニットとダイオードユニットとが互いに干渉することなく、かつ電圧監視ユニットが電気的ノイズの影響を受け難くなる。このため、燃料電池のスペース効率の悪化を防止することができると共に、電圧監視ユニットの測定精度を向上させることが可能になる。

請求項２に記載した発明によれば、電圧監視ユニットとダイオードユニットとの離間距離を大きく確保することができるので、より確実に電圧監視ユニットの測定精度を向上させることが可能になる。

本発明の実施形態における燃料電池の斜視図である。本発明の実施形態における燃料電池の正面図である。図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。本発明の実施形態における燃料電池のセルの縦断面図である。本発明の実施形態における燃料電池スタックの概略構成図である。本発明の実施形態におけるダイオードユニットの斜視図である。本発明の実施形態におけるダイオードユニットの概略構成図である。

（燃料電池）
次に、この発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１〜図３に示すように、燃料電池１は、例えば、燃料電池車両（不図示）のセンターコンソール２内に収納されており、燃料電池スタック３を有している。
センターコンソール２は、車両の左右に配置されているフロントシート（不図示）間に車両の前後方向に沿って延出し、さらに上方に向かって膨出形成されたものである。すなわち、センターコンソール２は、上壁２ａと、この上壁２ａの左右幅方向から下方に向かって延出する一対の側壁２ｂ，２ｂとを有している。一対の側壁２ｂ，２ｂは、下方に向かうに従って徐々に末広がりとなるように傾斜している。

燃料電池スタック３は、板状に形成された単位燃料電池（以下、「セル」という）４を多数積層して電気的に直列接続されたものである。燃料電池スタック３の両側には、不図示のインシュレータを介して一対のエンドプレート６１ａ，６１ｂが配置されている。つまり、多数のセル４は、その積層方向の両端部においてインシュレータ（不図示）を間に挟んでエンドプレート６１ａ，６１ｂにより挟持されている。

図３、図４に示すように、セル４は、固体高分子電解質膜５をアノード６とカソード７とで両側から挟み込んでなる電解質電極構造体８と、この電解質電極構造体８の厚さ方向両面に配置され電解質電極構造体８を挟持する一対の波板状の金属製セパレータ９ａ，９ｂとで構成されている。固体高分子電解質膜５は、例えば、ペルフルオロスルホン酸ポリマー（登録商標「ナフィオン」）等の固体ポリマーイオン交換膜等で構成されている。
このようなセル４を、隣り合う金属セパレータ９ａ，９ｂ同士における凸部６１ａ，６１ｂ同士を突き合わせ、凹部６２ａ，６２ｂ同士を対向させるようにして複数積層し、燃料電池スタック３が構成される。

金属セパレータ９ａ，９ｂに対向する凹部６２ａ，６２ｂ間の空間は、冷却液が供給される冷却液通路１２として構成される。また、金属セパレータ９ａの凸部６１ａの裏側の凹部６３とアノード６との間の空間は、燃料ガスとしての水素ガス（アノードガス）が流通するアノードガス通路１０として構成される。さらに、金属セパレータ９ｂの凸部６１ｂの裏側の凹部６４とカソード７との間の空間は、酸化ガスとして酸素を含む空気（カソードガス）が流通するカソードガス通路１１として構成される。

アノードガス通路１０は、燃料電池スタック３に形成されたアノードガスマニホールド１３に連通している。アノードガスマニホールド１３は、アノードガス通路１０にアノードガスを導入するためのものである。
また、カソードガス通路１１は、燃料電池スタック３に形成されたカソードガスマニホールド１４に連通している。カソードガスマニホールド１４は、カソードガス通路１１にカソードガスを導入するためのものである。さらに、冷却液通路１２は、燃料電池スタック３に形成された冷却液導入マニホールド１５に連通している。冷却液導入マニホールド１５は、冷却液通路１２に冷却液を導入するためのものである。

そして、アノード６で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜５を透過してカソード７まで移動し、カソード７で酸素と電気化学反応を起こして発電する。
この発電に伴う発熱により燃料電池１が所定温度を越えないように、冷却液通路１２を流れる冷却液で熱を奪い冷却するようになっている。
この他に、燃料電池スタック３には、アノード６から発電に使用されなかったアノードオフガスを排出するためのアノードオフガスマニホールド１６、カソード７から発電に使用されなかったカソードオフガスを排出するためのカソードオフガスマニホールド１７、および冷却液を排出する冷却液排出マニホールド１８がそれぞれ形成されている。

ここで、図３、図５に示すように、各セル４の一対の金属製セパレータ９ａ，９ｂには、ダイオードユニット用端子１９とセル電圧測定用端子２０とが設けられている。そして、ダイオードユニット用端子１９は、燃料電池スタック３の左右幅方向の一側面３ａであって、かつ上下方向略中央に配置され、セル電圧測定用端子２０は、燃料電池スタック３の左右幅方向の他側面３ｂであって、かつ上下方向略中央に配置されている。すなわち、ダイオードユニット用端子１９とセル電圧測定用端子２０は、互いに対向配置した状態になっている。

（電圧監視ユニット）
図２、図５に示すように、所定間隔を開けて存在するセル電圧測定用端子２０には、それぞれセル電圧測定用コネクタ（セルＶコネクタ）２１が接続されている。このセル電圧測定用コネクタ２１には、ケーブル２２を介して電圧監視ユニット２３が接続されている。電圧監視ユニット２３は、各セル４が正常に動作するか否か、または起電力に異常はないか等をセル４の電圧を測定することにより検出するためのものである。電圧監視ユニット２３は、セル電圧測定用コネクタ２１が配置されている燃料電池スタック３の他側面３ｂであって、セル電圧測定用コネクタ２１よりもやや下方（図２における下側）に配置されている。すなわち、所定間隔をあけて接続されたセル電圧測定用端子２０間を複数のセル４で構成された１つのセル群４１とし、このセル群４１が正常に動作するか否か、または起電力に異常はないか等を電圧監視ユニット２３によって検出している。

（ダイオードユニット）
図１、図２、図６、図７に示すように、ダイオードユニット用端子１９には、複数のダイオードユニット２４が接続されている。なお、本実施形態では３つのダイオードユニット２４を図示する。
ダイオードユニット２４は、セル４のダイオードユニット用端子１９に接続される複数の接続コネクタ２５と、ユニット本体２６と、各接続コネクタ２５とに跨るように配線され両者２５，２６を接続するケーブル２７とで構成されている。
各ダイオードユニット２４は、燃料電池スタック３の長手方向に沿って並設されており、隣接するユニット本体２６同士がハーネス３７を介して接続されている。

ここで、以下の説明において、各ダイオードユニット２４は同じ構造を有しているので、１つのダイオードユニット２４についてのみ詳細に説明する。
接続コネクタ２５は、ダイオードユニット用端子１９に着脱可能な筐体２８と、筐体２８内に配置されている基板２９とを有している。基板２９には、ダイオードユニット用端子１９とケーブル２７の一端が接続されており、これらダイオードユニット用端子１９とケーブル２７とを電気的に接続するパターン（不図示）が形成されている。

また、基板２９には、ダイオードユニット用端子１９とケーブル２７との間であってパターン上に過電流を防止するためのヒューズ３６（図７参照）が実装されている。すなわち、ダイオードユニット用端子１９とケーブル２７は、互いにヒューズ３６を介して接続された状態になっている。
このように構成された各接続コネクタ２５は、それぞれ所定間隔をあけて存在するダイオードユニット用端子１９に接続されている。

各ユニット本体２６には、それぞれ隣接する複数（本実施形態では３つ）の接続コネクタ２５が接続されている。ユニット本体２６は、燃料電池スタック３の長手方向に沿って長くなるように形成された略長方形状の筐体３０と、筐体３０内に配置されている基板３１とを有している。
筐体３０は、燃料電池スタック３の一側面３ａであってダイオードユニット用端子１９よりもやや下方（図１、図２における下側）に配置されている。燃料電池スタック３の筐体３０に対応する箇所には、ブラケット３８がボルト３９によって締結固定されており、このブラケット３８に筐体３０が固定されている。
筐体３０には、燃料電池スタック３との合わせ面とは反対側の面に、ヒートシンク３３が設けられている。ヒートシンク３３の長手方向に複数並設されているフィン３４は、この長手方向が上下方向に沿うように形成されている。

筐体３０内に配置されている基板３１には、接続コネクタ２５の個数に対応する複数（本実施形態では３つ）のダイオード３５が筐体の長手方向に沿って実装されている。基板３１には、各ダイオード３５を直列に接続するパターン４４が形成されている。隣接する３つの接続コネクタ２５から延びているケーブル２７の他端は、それぞれ対応するダイオード３５近傍に形成されているパターン４４に接続されている。

また、パターン４４の長手方向両端には、それぞれ隣接するユニット本体２６同士を接続するハーネス３７の一端が接続されている。ユニット本体２６の長手方向両端側には、ハーネス３７を挿通するための挿通孔４７が形成されている。この挿通孔４７を介してハーネス３７が隣接するユニット本体２６の基板３１，３１同士を電気的に接続している。
このような構成のもと、接続コネクタ２５が接続されているダイオードユニット用端子１９間を複数のセル４で構成された１つのセル群４２とし、各々セル群４２は、ヒューズ３６とダイオード３５とが直列接続された閉回路を形成した状態になっている（図７参照）。

（作用）
ここで、図２に示すように、燃料電池車両（不図示）のセンターコンソール２の側壁２ｂ，２ｂは、下方に向かうに従って徐々に末広がりとなるように傾斜している。このため、センターコンソール２内に収納された燃料電池スタック３と側壁２ｂ，２ｂとの間の空隙Ｋは、下方に向かうに従って大きくなる。とりわけ、空隙Ｋの上下方向略中央は（図２における２点鎖線部分）、センターコンソール２を大型化することなく効率的にセル電圧測定用コネクタ２１やダイオードユニット２４を配置可能な大きさに設定される。

燃料電池スタック３には、一側面３ａの上下方向略中央にダイオードユニット２４が設けられ、他側面３ｂの上下方向略中央に接続コネクタ２５が設けられているので、それぞれダイオードユニット２４、および接続コネクタ２５は、空隙Ｋ（図２における２点鎖線部分）を有効活用して配置された状態になっている。
なお、ダイオードユニット２４、および接続コネクタ２５が配置されている箇所よりも下方の空間には、センターコンソール２を大型化することなく、例えば、燃料電池スタック３に冷却液を導入するための冷却液配管やアノードガス、およびカソードガスを導入するためのガス配管を配索することも可能である。

このような構成のもと、燃料電池１の起動時など、アノードガスの欠乏時に、電池反転が生じるセル４がある。ここで、ダイオードユニット２４が接続されている各セル群４２は、ヒューズ３６とダイオード３５とが直列接続された閉回路を形成している。このため、電池反転が生じたセル４が存在するセル群４２は、ダイオードユニット２４によってバイパスされる。すなわち、ダイオードユニット２４のヒューズ３６とダイオード３５の直列回路は、各セル群４２での電池反転を防止する反転抑制回路５１として機能している。よって、燃料電池１は、電池反転が生じたセル群４２を省いただけの出力を確保することができる。
なお、電池反転が生じたセル４をバイパスしない場合にあっては、この電池反転が生じたセル４の影響が燃料電池１全体に及び、燃料電池１の出力性能が著しく低下してしまう虞がある。

また、ダイオード３５が実装されている基板３１で発生する熱は、ダイオードユニット２４の筐体３０、およびヒートシンク３３を介して放熱される。ここで、ヒートシンク３３の複数のフィン３４は、上下方向に沿うように形成されているので、筐体３０が温められることにより生じる上昇気流が各フィン３４間をスムーズに通過することができる。このため、より効率的に基板３１を放熱させることが可能になり、ダイオードユニット２４の所望の性能を確実に確保することができる。

一方、セル電圧測定用コネクタ２１が接続されているセル群４１は、電圧監視ユニット２３によって正常に動作するか否か、または起電力に異常はないか等が検出される。このとき、セル電圧測定用コネクタ２１とダイオードユニット２４とが互いに燃料電池スタック３を挟んで両側で対向配置された状態になっているので、電圧監視ユニット２３がダイオードユニット２４から発生する電気的ノイズの影響を受け難い。

したがって、上述の実施形態によれば、電圧監視ユニット２３による検出精度を向上させることができる。
また、燃料電池スタック３の一側面３ａにダイオードユニット２４を設け、他側面３ｂに接続コネクタ２５、および電圧監視ユニット２３を設けているので、電圧監視ユニット２３（接続コネクタ２５）とダイオードユニット２４とが互いに干渉することがなく、かつ、燃料電池スタック３とセンターコンソール２との間に形成された空間（空隙Ｋ）を有効活用することができる。このため、電圧監視ユニット２３によって精度よく各セル群４１の状態を監視することができると共に、燃料電池１のスペース効率の悪化を防止することができる。

なお、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述の実施形態に種々の変更を加えたものを含む。
また、上述の実施形態では、燃料電池スタック３の一側面３ａにダイオードユニット２４を設け、他側面３ｂに接続コネクタ２５、および電圧監視ユニット２３を設けている場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、ダイオードユニット２４と、接続コネクタ２５、および電圧監視ユニット２３とがそれぞれ燃料電池スタック３の異なる面に配置されていればよい。

例えば、ダイオードユニット２４を燃料電池スタック３の上面３ｃに配置してもよい。この場合、ダイオードユニット用端子１９を燃料電池スタック３の上面３ｃ側に設け、ダイオードユニット２４の接続コネクタ２５、およびユニット本体２６の両者２５，２６とも燃料電池スタック３の上面３ｃに配置してもよい（図２における２点鎖線参照）。また、接続コネクタ２５のみ燃料電池スタック３の一側面３ａに配置する一方、ユニット本体２６のみ燃料電池スタック３の上面３ｃに配置し、両者２５，２６をハーネス２７で接続するようにしてもよい（図２における破線参照）。
さらに、接続コネクタ２５と電圧監視ユニット２３も同一面上に配置しなくてもよく、例えば、燃料電池スタック３の一側面３ａにダイオードユニット２４を配置した場合にあっては、電圧監視ユニット２３を燃料電池スタック３の上面３ｃに配置してもよい。

そして、上述の実施形態では、ダイオードユニット２４、および接続コネクタ２５をそれぞれ燃料電池スタック３の各側面３ａ，３ｂであって上下方向略中央に配置した場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、他の部品のレイアウトに応じて、燃料電池スタック３とセンターコンソール２との間に形成された空間を有効活用して配置すればよい。例えば、ダイオードユニット２４、および接続コネクタ２５をそれぞれ燃料電池スタック３の各側面３ａ，３ｂの下方に配置してもよい。

また、上述の実施形態では、燃料電池スタック３の一側面３ａにブラケット３８を設け、ここにダイオードユニット２４のユニット本体２６をボルト３２によって締結固定した場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、燃料電池スタック３の一側面３ａに直接ユニット本体２６をボルト３２によって締結固定してもよい。また、例えば、燃料電池スタック３に複数のセル４の積層状態を保持するための締結バー等が設けられている場合にあっては、この締結バーにユニット本体２６を取り付けてもよい。

１…燃料電池３…燃料電池スタック３ａ…一側面３ｂ…他側面３ｃ…上面（他側面）４…セル５…固体高分子電解質膜（電解質）６…アノード（電極）７…カソード（電極）８…電解質電極構造体９ａ，９ｂ…金属製セパレータ（セパレータ）１９…ダイオードユニット用端子２０…セル電圧測定用端子２１…セル電圧測定用コネクタ２３…電圧監視ユニット２４…ダイオードユニット２５…接続コネクタ２６…ユニット本体

Claims

電解質の両側面に、電極を設けた電解質電極構造体とセパレータとを積層してセルを形成し、
該セルを複数積層して燃料電池スタックを形成し、
前記セパレータに、電気的に電圧監視ユニットとダイオードユニットとを接続した燃料電池であって、
前記燃料電池スタックの一側面に、前記電圧監視ユニットを配置する一方、
前記燃料電池スタックの前記一側面とは異なる他側面に、前記ダイオードユニットを配置したことを特徴とする燃料電池。
前記一側面と前記他側面とが互いに対向した位置に存在していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。