JP2017530507A - 燃料電池スタックのためのケーシング - Google Patents

Abstract

ここに開示された技術は、燃料電池スタック２００のためのケーシング１００に関する。このケーシングは、二つの端板１１０、向かい合って位置する二つの側壁１２０、側方の接続壁１３０及び少なくとも一つの媒体交換エレメント１４０を有している。二つの端板１１０は、燃料電池スタック２００の両端部２１０，２２０に当てるようにして配置されている。向かい合って位置する二つの側壁１２０は、これらの端板１１０を互いにつなげている。側方の接続壁１３０は、向かい合って位置する側壁１２０を互いにつなげている。少なくとも一つの媒体交換エレメント１４０は、媒体接続部Ｍを有している。少なくとも二つの端板１１０は、それぞれ押出加工された支持構体として形成されている。媒体接続部Ｍは、端板１１０を横切るようには貫通されていない。

Description

本発明は、燃料電池スタックのためのケーシングに関する。

特許文献１より、端板を有し、その端板に側板が溶接される燃料電池スタックが公知である。さらに、特許文献２には、丸く膨出した圧力シールドを有する、燃料電池のスタックのための端板が開示されている。

国際公開第０３／０９４２７５号 欧州特許出願公開第１５９７７９０号明細書

本明細書に開示された技術の好適な課題は、既知の解決手段の欠点を少なくし或いは解消することにある。さらに、軽量かつ小容量でありながら燃料電池スタックの個々の燃料電池を確実に締結し且つ若干の長さ公差を確実に調整する比較的コンパクトなケーシングを提供すべき要望がある。さらに、熱的及び／又は電気的な絶縁性がより良好或いは改善されたケーシングを提供すべき要望がある。また、低コストの燃料電池システムを設けるべき要望もある。

本発明の課題は、特許請求項１の対象により解決される。従属請求項は、好ましい実施態様を表す。

本明細書に開示された技術は、燃料電池スタックのためのケーシングに関する。当該ケーシングは、燃料電池スタックの両端部に設けられている二つの端板を有している。さらに、ケーシングは、これらの端板を互いにつなげる、向かい合って位置する二つの側壁を有している。

特に、これらの端板は、互いにつなげられることで、端板の間に配置される燃料電池スタックの燃料電池が締結されるようになっている。本明細書に開示されたケーシングは、さらに、向かい合って位置する側壁を少なくとも部分的に互いにつなげる側方の接続壁を有している。側壁、接続壁及び端板は、互いに接続されており、好ましくはその接続は、流体が漏れないようになっている。

ケーシングは、媒体接続部を持つ少なくとも一つの媒体交換エレメントを有していてもよい。媒体交換エレメントは、一方の又は両方の端板にまとめられていてもよい。さらに、代替的又は付加的に、別体の媒体交換エレメントが、端板と燃料電池スタックとの間に配置されていてもよい。

二つの端板は、それぞれが押出加工された支持構体（Ｔｒａｇｓｔｒｕｋｔｕｒ）として形成されていてもよい。支持構体は、横断面において互いに角をなして配置された複数の壁或いは複数のロッドを有する支持骨格（Ｔｒａｇｗｅｒｋ）であり、これらの壁やロッドが、互いに離間された支持構体の外輪郭をつなぎ合わせている。上下にそのまま積み重なって互いに分離されていない単なる二つの外壁からなる部材に比べると、このような支持構体は、より高い剛性を有する。

本明細書に開示された端板は、それぞれが押出加工された支持構体として形成されていてもよい。押出加工された部材として形成することで、通常は比較的軽くてねじれに強い端板を低コストで製造することができる。

ケーシングは、特に、端板の外側の外輪郭ないし外側の面を横切らないようにして貫入されている媒体接続部を持つ媒体交換エレメントを有していてもよい。このことは、媒体接続部が、端板を貫いてさらなるいくつかの配管へと引き出されているのではなく、ケーシングの側方開口側で引き出されていることを意味する。

特に有利なのは、媒体接続部がケーシングの接続側面（Ａｎｓｃｈｌｕｓｓｓｅｉｔｅ）で引き出されていることである。ケーシングの接続側面は、好ましくは接続壁の向かい側に設けられている。好ましいのは、全ての媒体接続部が接続側面においてのみ引き出されていることである。有利には、接続側面もまた板状の壁部より封鎖されていてもよい。こうして、専ら一面でのみ側方に媒体接続部が引き出されている全面が包囲されたケーシングが明かされる。

ここに開示されたケーシングは、比較的軽くてねじれ強度が高い上に、機械的な影響から燃料電池を保護することができる。ケーシングは、比較的流体が漏れない（ｆｌｕｉｄｄｉｃｈｔ）ことが好ましい。

好ましくは、向かい合って位置する側壁及び／又は側方の接続壁もまた支持構体を有している。有利には、側壁及び／又は側方の接続壁の支持構体の外壁部は、両端板の外壁部ほどには互いに離されていない。換言すれば、端板は、側壁及び／又は側方の接続壁の支持構体に比べてねじり強度が高い支持構体を有しており、これにより、側壁と接続壁の軽量化を実現することができる。

媒体エレメント（Ｍｅｄｉｅｎｅｌｅｍｅｎｔ）が別体に形成されている場合、媒体エレメントは、有利には略平板として形成されている。この平板は、端板から加えられる面圧を、均等に燃料電池スタック或いは幾つかの他の構成要素に伝えるのに適している。

好ましくは、これら端板の間に絶縁シートと集電器（Ｓｔｒｏｍａｂｎｅｈｍｅｒ）が配置されている。例えば、絶縁シートが、媒体接続エレメントないし媒体交換エレメント内に組み入れられていてもよいし、或いはこのエレメントが絶縁シートとして機能するのでもよい。さらに、好ましくは、端板、向かい合って位置する側壁及び／又は側方の接続壁内の少なくとも一つの支持構体は、少なくとも一つの外からアクセス可能な凹部ないし少なくとも一つの外からアクセス可能な貫通部を有している。凹部ないし貫通部は、燃料電池システムの少なくとも一つのシステム構成要素を収容するように形成されている。

システム構成要素は、例えば、燃料電池システムを動かすために必要なパーツ（部品）（Ｂａｕｔｅｉｌ）である。この種のシステム構成要素は、例えば、燃料電池の高電圧領域に設けられている構成要素である。例えば、この種のシステム構成要素は、バランスオブプラントコンポーネント（ＢｏＰ−Ｋｏｍｐｏｎｅｎｔｅｎ）を含む。この種の要素は、例えば、循環ポンプＨ２或いはセル電圧モニタである。

好ましくは、端板、向かい合って位置する側壁及び／又は側方の接続壁の支持構体は、少なくとも一つの媒体流路を有している。媒体流路は、好ましくは、燃料電池スタックと、ケーシングに付設している少なくとも一つの流体配管（Ｆｌｕｉｄｌｅｉｔｕｎｇ）との間で流体が流れる（Ｆｌｕｉｄｖｅｒｂｉｎｄｕｎｇ）ように形成されている。例えば、媒体流路は、燃料電池への燃料（例えば水素）と酸化剤（例えば空気中の酸素（Ｌｕｆｔｓａｕｅｒｓｔｏｆｆ））の供給を保証することができる。さらに、例えば、媒体流路を通して、冷却流体を流入及び排出することができる。媒体流路は、種々の端板や側壁の種々の支持構体内に設けられていてもよい。

この種のシステム構成要素及び／又はこの種の媒体流路を押出加工プロファイル（Ｓｔｒａｎｇｐｒｅｓｓｐｒｏｆｉｌｅ）に統合することで、比較的安価に製造できる比較的強くて軽い構成要素を有するコンパクトなシステム構成が可能となる。

少なくとも一つの端板は、横断面で凸の或いは外方に向かって丸く膨らんだ（丸みを帯びた）外輪郭を有していてもよい。外輪郭は、燃料電池スタックを締結している間、変形するように寸法決めされていてもよい。とりわけ、外輪郭は、溶接工程の間に既に変形した状態にすることができ、とりわけこれにより、両方の端板間にある隣接する部品に、外輪郭が少なくとも部分的に平たく着設するようにしてもよい。隣接する部品は、例えば絶縁シートや絶縁プレート、媒体交換エレメント、燃料電池スタック等々である。内側の外輪郭の（好ましくは２次元アーチ（２Ｄ−Ｗｏｅｌｂｕｎｇ）としての）このキャンバリング（Ｂｏｍｂｉｅｒｕｎｇ）ないし凸状の構造により、燃料電池スタックを締結する締結力は、少なくとも領域的に、好ましくは全着設面に亘って均一に付与される。従って、特に好ましくも、端板のキャンバリングにより、略均質の押圧力を燃料電池スタックに及ぼすことができる。押圧力は、燃料電池スタックに直接的に、或いは、例えば板状に形成された媒体交換エレメントを介して間接的に、付与することができる。押出加工プロファイルに代えて、ダイカスト法で製造された端板も考えられよう。もっとも、そのような板は、押出加工された端板ほどには安価に製造できないであろう。

好ましくは、燃料電池スタックの燃料電池が締結されている或いは締結されるように、向かい合って位置する側壁と端板とが互いに溶接されている。好ましくは、同じように、側方の接続壁が端板に溶接されている。

好ましくは、向かい合って位置する側壁と側方の接続壁とが一体的に及び／又はＵ字状に形成されている。そのように予め形状が与えられた半製品は、例えばＵ字状に変形された薄板を有していてもよい。そのような半製品によれば、製造をさらに簡易化でき、より漏れのないケーシングにすることができる。好ましくは、端板、向かい合って位置する側壁及び／又は側方の接続壁の少なくとも一つの支持構体は、接合部分へと移行するように形成されている。そのように移行してく形状は、支持構体の外壁が接合部分へと重なり合っていくように延在し且つ接合部分で互いに接合し合うことを意味する。そのような構造により、特に良好に溶接することができる。

好ましくは、ケーシングを製造する方法は、次のステップを有する：
−プレス内で燃料電池スタックを用意し、
−プレス内で燃料電池スタックを締結し、
−少なくとも向かい合って位置する二つの側壁を二つの端板に溶接し、このとき端板は、燃料電池スタックの上端及び下端に配置されており、側壁は、燃料電池スタックの側方に配置されている。

換言すると、燃料電池スタックを持つケーシングを製造する方法に関し、以下のステップを有する：
−燃料電池スタックの両端部に当てるように配置されており且つ支持構体を有する二つの押出加工された端板、
組み立てられた状態で端板を互いにつなげる、向かい合って位置する二つの側壁、
向かい合って位置する側壁を互いにつなげる側方の接続壁及び
燃料電池スタック
を用意し、
−端板（１１０）により燃料電池スタックを締結し、さらに、
−向かい合って位置する二つの側壁を側方の端板に溶接する。

溶接が済めば、プレス工具のプレス力を弱めることができ、締結された燃料電池スタックと一緒にケーシングを取り出すことができる。プレス加工力を減らしていく際に、好ましくも、燃料電池上に平面的な力が働くように端板の内側の丸く膨らんだ外輪郭が変形する。本発明による方法は、さらに、少なくとも一つのアクセス可能な凹部或いはアクセス可能な支持構体貫通部内において、燃料電池システムの少なくとも一つのシステム構成要素を取り付ける次のステップを有していてもよい。

本明細書に開示された技術を図に基づいてより詳細に述べる。
図は、単に説明の目的で用いられ、従って、特許請求の構成を限定するために参照されるべきではない。

燃料電池スタック２００とともに燃料電池ケーシング１００を概略的に示す斜視図である。 端板１１０の概略的な横断面図である。 端板１１０の概略的な横断面図である。 媒体交換エレメント１４０の斜視図である。 絶縁プレート１７０の斜視図である。 側壁１２０と側方の接続壁１３０の斜視図である。 側壁１２０と側方の接続壁１３０の斜視図である。 側壁１２０と側方の接続壁１３０の斜視図である。

図１は、本明細書に開示されたケーシング１００の斜視図を示す。端板１１０は、ここでは、燃料電池スタック２００の頭部手前、すなわち燃料電池スタック２００の端部２１０，２２０に配置されている。端板１１０は、ここでは、複数の構成要素、すなわち燃料電池スタック２００、媒体接続部Ｍを持つ媒体交換エレメント１４０及び絶縁プレート１７０を有する全体を締結する。ここで見えるのは、一つの集電器１８０だけである。しかし、二つの集電器１８０が、接続側面１６０において燃料電池スタック２００から引き出されている。両方の端板１１０は、向かい合って位置する側壁１２０及び側方の接続壁１３０とそれぞれ溶接されている。

この場合、形状結合と摩擦結合が存在するといえる。端板１１０は、本実施例において押出加工プロファイルとして形成されている。代替的又は付加的に、例えばアルミフォーム（Ａｌｕｍｉｎｉｕｍｓｃｈａｕ）を用いた多層プレート或いはダイカストプロファイルを使用することもできる。このような多層プレートは、例えば、同じく両方の外側層１１２，１１４が互いに離間されているサンドイッチ構造である。ダイカスト法は、比較的高い製造コストを伴うが、部材を成形する際に成形の自由度が増す。

端板に組み込まれている動作部３００は、詳細には示されていない。端板１１０、向かい合って位置する側壁１２０及び／又は側方の接続壁１３０は、好ましくはアルミニウムから作製されている。プラスチックが絶縁及び／又はシーリング材料として使用されることが好ましい。

端板１１０は、好ましくは、少なくとも内側或いは下側１１２にキャンバリングが施され或いは凸に形成されている（図２、３を参照）。好ましくは、端板１１０は、横断面においてのみ丸みを帯びており、長手（押出加工）方向には丸みを帯びていない。端板１１０をこのように造形することで、押出加工法での製造が容易になる。締結力は、概ね接合部分の溶接継目を介して長手方向面（ｇｅｓａｍｔｅ Ｌａｅｎｇｓｓｅｉｔｅ）全体にわたって端板１１０に面で平たく加えられるので、こういった２次元的な丸みは、端板１１０間に配置された部品１４０，２００，１７０上に締結力を平たく伝えるのにも適している。縁の部分で引っ張るようにすることで、端板１１０が圧力負荷を受けて曲げられる（ｄｕｒｃｈｇｅｂｏｇｅｎ）。曲げが入る部分は、施されたキャンバリングの部分にまさに対応しているので、これにより端板１１０は、平らになり、加えられた押圧力を均質に隣接する部品に伝えることができる。隣接する部品は、例えば、媒体交換プレート１４０や絶縁プレート１７０である。

媒体交換プレート１４０の代わりに、一方ないし両方の端板１１０内に媒体供給部Ｍが設けられていてもよい。このために例えば、押出加工プロファイル内に設けられた流路１５５が、押出加工方向に対して横方向に穿設され或いは削出されるのでもよい。代替的に、端板１１０は、ダイカスト法で作製されるのでもよい。

図２，３は、端板１１０を横切る横断面図を示す。ここでは、例えば、アクセス可能な凹部ないし貫通部１５０が示されており、これらの中にシステム構成要素３００が組み込まれている。さらに、媒体流路１５５が示されている。これは、流体を不図示の流体配管から燃料電池スタック２００の構成要素に向けて送るのに適している。この場合、追加のシール材が、例えば流体と端板１１０との間に設けられていてもよい（例えば、プラスチック挿入体）。外輪郭１１２，１１４は、少なくとも中ほどの部分で支持構体により互いに離間されている。側方の端部に向かって、外輪郭１１２，１１４は互いに収束する。ここで示された端板１１０の中ほどの部分で隔たりが大きくされていることで、部品１１０の剛性が高まる。架構ないし支持骨格ないし支持構体は、多くの画成された領域（ａｕｓｇｅｓｐａｒｔｅ Ｂｅｒｅｉｃｈｅ）１５０，１５５を壁部の間に有しているので、端板１１０の重さは比較的少ない。同時に、この組み立てスペース１５０が、システム構成要素３００、例えばＢｏＰコンポーネント３００のために利用される。媒体接続部１５５は、端板１１０を横切るようには貫通されていない。このことは、外輪郭１１４、つまり燃料電池スタック２００とは反対の側に設けられている輪郭が、媒体接続部１５５によって途切れることがないことを意味する。別の表現をすると、丸みを帯びた外輪郭１１４は、途切れた状態にないということである。こういった部品１１０は、比較的軽量でありながらも特に高い剛性を有している。図２には、燃料電池スタック２００のいくつかの接続部に媒体流路１５５を接続するいくつかの削り出し部（Ａｕｓｆｒａｅｓｕｎｇ）は示されていない。

図４は、別体の媒体交換エレメント１４０の板状の形態を示す。全ての媒体接続部Ｍは、一方の側に向かうように形成されている。ケーシング１００のこういった形態によれば、ケーシング１００を車両に取り付けたり取り外したりすることが簡単になる。図５は、板状の絶縁体１７０を示す。

図６は、向かい合って位置する側壁１２０と側方の接続壁１３０を示す。三つの構成要素１２０，１３０は、ここでは、Ｕ字状の半製品としてまとめられている。好ましくは、これら構成要素は、アルミニウムやマグネシウムから作られている。ここで示された実施例は、例えば一枚の板材から折り加工で作製されるのでもよい。代替的に、三枚の別々の板がつなぎ合わされるのでもよいであろう。

図７は、同様にＵ字状の半製品を示す。この場合、向かい合って位置する側壁１２０は、前側のエッジにちょっとした折り曲げ部ないし折り目を有している。こういった折り曲げ部により、部品をさらに補強し、車両への取り付けが容易になる。それ以外では、Ｕ字状の半製品は、図６におけるものと同じに形成されていてもよい。

図８は、Ｕ字状の半製品の他の実施形態を示す。この場合、少なくとも向かい合って位置する側壁１２０は、補強された形状を有している。補強のために、ここでは、向かい合って位置する側壁１２０内にそれぞれ支持構体が設けられている。補強は、燃料電池スタック２００に働く捩れの負荷を軽減するのに役立つ。ケーシング１００を保持するために、端板１１０上ないし向かい合って位置する側壁１２０上に支持点が面的に分散配置されていてもよい。代替的及び／又は付加的に、折り曲げられた部分（図７参照）に保持点が設けられていてもよい。

本発明のこれまでの記載は、分かり易くする目的のためだけに用いられるのであって、本発明を限定することを目的とするのではない。本発明の枠内では、本発明の範囲や本発明に等価なものを放棄することなく、様々な変更及び修正が可能である。

Claims (10)

1. 燃料電池スタック（２００）のためのケーシング（１００）であって、
   −燃料電池スタック（２００）の両端部（２１０，２２０）に配置されている二つの端板（１１０）、
   −端板（１１０）を互いにつなげる、向かい合って位置する二つの側壁（１２０）、
   −向かい合って位置する側壁（１２０）を互いにつなげる側方の接続壁（１３０）、
   −媒体接続部（Ｍ）を持つ少なくとも一つの媒体交換エレメント（１４０）
   を有するケーシング（１００）において、
   −少なくとも、二つの端板（１１０）が、それぞれ押出加工された支持構体として形成されており、媒体接続部（Ｍ）が、当該端板（１１０）を横切るようには貫通されていないことを特徴とするケーシング。
2. 媒体接続部（Ｍ）は、接続側面（１６０）において当該ケーシング（１００）から引き出されており、接続側面（１６０）は、接続壁（１３０）の向かい側に設けられている請求項１に記載のケーシング（１００）。
3. 向かい合って位置する側壁（１２０）及び／又は側方の接続壁（１３０）も支持構体を有している請求項１又は２に記載のケーシング（１００）。
4. 支持構体は、少なくとも一つのアクセス可能な凹部及び／又は貫通部（１５０）を有し、この凹部及び／又は貫通部（１５０）は、少なくとも一つの燃料電池システムのシステム構成要素（３００）を収容するように形成されている先行請求項のいずれか一項に記載のケーシング（１００）。
5. 支持構体は、少なくとも一つの媒体流路（１５５）を有し、媒体流路（１５５）は、燃料電池スタック（２００）と、ケーシング（１００）に付設している少なくとも一つの流体配管との間を連通させるように形成されている先行請求項のいずれか一項に記載のケーシング（１００）。
6. 少なくとも一つの端板（１１０）は、横断面において凸の外輪郭（１１２）を有し、当該外輪郭は、燃料電池スタック（２００）を締結している間、変形することで、隣接する部品に、外輪郭（１１２）が少なくとも部分的に平たく着設するように寸法決めされている先行請求項のいずれか一項に記載のケーシング（１００）。
7. 向かい合って位置する側壁（１２０）と端板（１１０）とは、燃料電池スタックの燃料電池（２００）が締結状態となるように互いに溶接されている先行請求項のいずれか一項に記載のケーシング（１００）。
8. 向かい合って位置する側壁（１２０）及び側方の接続壁（１３０）は、一体的かつ横断面においてＵ字状に形成されている先行請求項のいずれか一項に記載のケーシング（１００）。
9. 端板（１１０）、向かい合って位置する側壁（１２０）及び／又は側方の接続壁（１３０）の支持構体は、接合部分に向かって延出ないし延在している先行請求項のいずれか一項に記載のケーシング（１００）。
10. −一つの燃料電池スタック（２００）、
    燃料電池スタックの両端部（２００）に当てるように配置されており且つ支持構体を有する押出加工された二つの端板（１１０）、
    組み立てられた状態で端板（１１０）を互いにつなげる、向かい合って位置する二つの側壁（１２０）、
    向かい合って位置する側壁（１２０）を互いにつなげる側方の接続壁（１３０）、
    を用意し、
    −燃料電池スタック（２００）を締結し、
    −向かい合って位置する二つの側壁（１２０） を側方の端板（１１０）に溶接する
    ステップを有する先行請求項のいずれか一項に記載のケーシングを製造する方法（１００）。

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