JP2021028884A - 燃料電池ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックを収容したケースの剛性を確保し、出力電力を確保しつつ小型化された燃料電池ユニットを提供する。【解決手段】燃料電池ユニット１において、第２フランジ部７８ａ、７８ｂは、複数の第１ケース１０ａ、１０ｂの第２方向に沿って並んだ複数のリブ１８３、１８４、１８５、１８６のうち、一端及び他端に位置するリブの少なくとも一方から離間して、少なくとも一方を除いた複数のリブの何れかに固定されている。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池ユニットに関する。

燃料電池スタックと、燃料電池スタックの電力を変換する電力変換器とを一体化する場合、燃料電池スタックと電力変換器とを電気的に接続しつつ、燃料電池スタックを収容したケースに、電力変換器を収容したケースを固定する場合がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１７−０７３１９９号公報

燃料電池スタックを収容したケースには、燃料電池スタックと電力変換器とを電気的に接続する導電部材を逃がすための開口部が設けられている。ここで、燃料電池スタックは、複数の単セルが積層された積層体を有している。この積層体では、単セル同士の導通性を良好にする等のために、ケースにより積層方向に圧縮荷重が付与されている。このため、この圧縮荷重は、燃料電池スタックを収容するケースには引張荷重として作用し、換言すれば、このケースは積層体に付与された圧縮荷重を保持する機能を有している。このため、ケースの剛性が高いことが望まれる。しかしながら、上述したようにこのようなケースは開口部を設けられているため、剛性が低下する可能性がある。ケースの剛性が低下すると、積層体に十分な圧縮荷重を付与することができない可能性がある。

また、出力電力を確保するためには、単セルの積層枚数を増やすことが考えられる。単セルの積層枚数が増大すると、積層体全体の重量が増大し、積層方向に交差する方向で外部から衝撃などが加わった場合には、単セル同士の位置がずれやすくなる場合がある。このような位置ずれを防ぐためにも積層体に十分な圧縮荷重を付与することが望ましいが、ケースの剛性が低下すると、上述したように積層体に十分な圧縮荷重を付与することができない可能性がある。このため、一つの燃料電池スタックでの単セルの積層枚数を増大させるのではなく、複数の燃料電池スタックと電力変換器とを一体化することが考えられる。この場合、複数の燃料電池スタックをそれぞれ収容したケースに、電力変換器を収容したケースを固定すると、装置全体で大型化する可能性がある。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、燃料電池スタックを収容したケースの剛性を確保し、出力電力を確保しつつ小型化された燃料電池ユニットを提供することを目的とする。

上記目的は、複数の燃料電池スタックと、複数の前記燃料電池スタックをそれぞれ収容した複数の第１ケースと、複数の前記燃料電池スタックの電力を変換する電力変換器と、前記電力変換器を収容すると共に複数の前記第１ケースに固定された第２ケースと、複数の前記第１ケースと前記第２ケース内で、複数の前記燃料電池スタックと前記電力変換器を電気的に接続する導電部材ユニットと、を備えた燃料電池ユニットにおいて、前記燃料電池スタックは、第１方向に沿って積層された複数の単セルを含む積層体を含み、前記積層体は、前記第１ケースにより前記第１方向に沿って圧縮荷重が付与されており、複数の前記第１ケースのそれぞれは、前記第２ケースに対向する壁部と、前記壁部から前記第２ケースに向けて突出した第１フランジ部と、前記第１フランジ部に包囲されるように前記壁部に形成された第１開口部と、を含み、前記第２ケースは、複数の前記第１ケースの前記第１開口部を包囲するように複数の前記第１ケースの前記第１フランジ部に固定された第２フランジ部と、前記第２フランジ部に包囲されるように形成されて複数の前記第１開口部に連通した第２開口部と、を含み、前記導電部材ユニットは、複数の前記第１開口部のそれぞれから前記第２開口部を介して前記第２ケース内に延びており、複数の前記第１フランジ部のそれぞれは、前記第１方向に沿って延び前記第１方向に交差する第２方向に沿って並設された少なくとも３つのリブを含み、複数の前記第１ケースのそれぞれに設けられた複数の前記リブが、前記第１方向に沿って延び前記第２方向に沿って並ぶように、複数の前記第１ケースは配置されており、前記第２ケースの前記第２方向での長さは、複数の前記第１ケース全体の前記第２方向での長さよりも短く、前記第２フランジ部は、複数の前記第１ケースの前記第２方向に沿って並んだ複数の前記リブのうち、一端及び他端に位置する前記リブの少なくとも一方から離間して、前記少なくとも一方を除いた複数の前記リブの何れかに固定されている、燃料電池ユニットによって達成できる。

前記第２フランジ部は、複数の前記第１ケースの前記第２方向に沿って並んだ複数の前記リブのうち、一端及び他端に位置する前記リブの双方から離間して、前記双方を除いた複数の前記リブの何れかに固定されていてもよい。

前記第２フランジ部は、複数の前記第１ケースの少なくとも一つにおいて前記第１開口部に最も近い前記リブに固定されていてもよい。

前記積層体、複数の前記単セルを挟持すると共に互いに前記第１方向に沿って離れた第１及び第２ターミナルプレートを含み、前記第１開口部は、前記第２方向よりも前記第１方向に長い形状であり、前記導電部材ユニットは、前記第１開口部を介して前記第１及び第２ターミナルプレートにそれぞれ接続された第１及び第２導電部材を含んでもよい。

前記第２ケースは、複数の前記第１ケースの前記第１フランジ部のそれぞれに固定された複数の前記第２フランジ部と、複数の前記第２フランジ部のそれぞれに包囲された複数の前記第２開口部と、を含んでもよい。

前記第２ケースは、桶状の本体部と、前記本体部に固定された蓋部と、を含み、前記本体部は、第３フランジ部と、前記第３フランジ部に包囲された第３開口部と、を含み、前記蓋部は、複数の前記第２フランジ部と、複数の前記第２開口部と、前記第３フランジ部に固定された第４フランジ部と、前記第４フランジ部に包囲された第４開口部と、を含み、前記第３及び第４フランジ部のそれぞれは、前記第２フランジ部よりも大きくてもよい。

本発明によれば、燃料電池スタックを収容したケースの剛性を確保し、出力電力を確保しつつ小型化された燃料電池ユニットを提供できる。

図１は、燃料電池ユニットの斜視図である。 図２は、燃料電池ユニットの分解斜視図である。 図３は、燃料電池ユニットの断面図である。 図４は、燃料電池ユニットの断面図である。 図５は、燃料電池ユニットの外観斜視図である。 図６は、燃料電池ユニットの分解斜視図である。

［燃料電池ユニット１の概略構成］
図１は、燃料電池ユニット１の斜視図である。図２は、燃料電池ユニット１の分解斜視図である。図３及び図４は、燃料電池ユニット１の断面図である。燃料電池ユニット１は、２つのスタックケース１０ａ及び１０ｂと、スタックケース１０ａ及び１０ｂにそれぞれ収容された燃料電池スタック１００ａ及び１００ｂと、燃料電池スタック１００ａ及び１００ｂに電気的に接続された昇圧コンバータ５００と、昇圧コンバータ５００を収容したコンバータケース４０とを備える。コンバータケース４０は、詳しくは後述するが本体部５０及び蓋部７０を含む。尚、図には、互いに直交するＸ方向、Ｙ方向、及びＺ方向を記載している。Ｚ方向は、スタックケース１０ａ及び１０ｂが並んだ方向の一例である。Ｘ方向は、詳しくは後述するが、燃料電池スタック１００ａ及び１００ｂのそれぞれの単セル１０６が積層されている方向の一例である。２つのスタックケース１０ａ及び１０ｂとコンバータケース４０とは、Ｚ方向に重なっている。図３は、ＸＹ平面に平行な燃料電池ユニット１の断面を示している。図４は、ＹＺ平面に平行な燃料電池ユニット１の断面を示している。尚、図３及び図４において、昇圧コンバータ５００を点線のみにより簡易的に示している。

スタックケース１０ａ及び１０ｂは同一の部材であるが、便宜上、異なる符号を付している。また、燃料電池スタック１００ａ及び１００ｂも同一の部材であるが、便宜上、異なる符号を付している。コンバータケース４０に収容された昇圧コンバータ５００は、燃料電池スタック１００ａ及び１００ｂの出力電圧を昇圧して、外部機器へ出力する。昇圧コンバータ５００は、燃料電池スタック１００ａ及び１００ｂの出力電力を変換する電力変換器の一例である。ここで、電力変換器は昇圧コンバータに限定されず、降圧コンバータ、昇圧と降圧のいずれも可能な昇降圧コンバータ、直流電力を交流電力に変換するインバータの何れでもよい。燃料電池ユニット１は、このように２つの燃料電池スタック１００ａ及び１００ｂを備えているため、出力電力が確保されている。

［スタックケース１０ａ及び１０ｂの概略構成］
スタックケース１０ａは、例えばアルミニウム合金等の金属材料のような剛性の高い材料で形成されている。スタックケース１０ａは、側壁部１１、１３、及び１４、上壁部１５、及び底壁部１６を含む。側壁部１１は、ＹＺ平面に平行である。側壁部１３及び１４は、互いにＺ方向に離れておりＸＹ平面に略平行である。上壁部１５及び底壁部１６は、互いにＹ方向に離れており、底壁部１６はＸＺ平面に平行であるが、上壁部１５は詳しくは後述するがＸＺ平面に対して傾斜している。スタックケース１０ａは、側壁部１１と−Ｘ方向に対向する位置には壁部は設けられておらずに開口が形成されているが、その開口を塞ぐように、後述するエンドプレート１２ａが不図示のボルトによりスタックケース１０ａに固定されている。エンドプレート１２ａは、側壁部１１と同様にＹＺ平面に平行である。上壁部１５は、実際には、上壁部１５のエンドプレート１２ａ側の端部でのＹ方向の高さ位置が、上壁部１５の側壁部１１側の端部でのＹ方向の高さ位置よりも高くなるように、ＸＺ平面に対して傾斜しているが、これに限定されない。

同様に、スタックケース１０ｂは、側壁部１１、１３、及び１４、上壁部１５、及び底壁部１６を含み、スタックケース１０ｂにはエンドプレート１２ａが固定されている。図１、図２、及び図４に示すように、スタックケース１０ａの側壁部１４とスタックケース１０ｂの側壁部１３とが対向して、スタックケース１０ａ及び１０ｂのそれぞれに固定されたエンドプレート１２ａが同一方向を向いた状態で、スタックケース１０ａ及び１０ｂとコンバータケース４０とは互いに固定されている。スタックケース１０ａ及び１０ｂは、複数の第１ケースの一例である。

［フランジ部１８の詳細構成］
スタックケース１０ａ及び１０ｂのそれぞれの上壁部１５には、フランジ部１８が設けられている。フランジ部１８は、上壁部１５から＋Ｙ方向に所定の突出高さを有しており、換言すればコンバータケース４０側に突出している。フランジ部１８の上端面は、ＸＺ平面に平行である。フランジ部１８は、横リブ１８１及び１８２、外側縦リブ１８３及び１８４、及び内側縦リブ１８５及び１８６を含む。横リブ１８１及び１８２は、互いにＸ方向に離れてＺ方向に沿って延びている。外側縦リブ１８３及び１８４は、互いにＺ方向に離れてＸ方向に沿って延びている。外側縦リブ１８３は、横リブ１８１の一端と横リブ１８２の一端で連続している。外側縦リブ１８４は、横リブ１８１の他端と横リブ１８２の他端で連続している。横リブ１８１、横リブ１８２、外側縦リブ１８３、及び外側縦リブ１８４は、それぞれ、側壁部１１、エンドプレート１２ａ、側壁部１３、及び側壁部１４の近傍に設けられている。

内側縦リブ１８５及び１８６は、外側縦リブ１８３及び１８４の間で、外側縦リブ１８３及び１８４と同様にＸ方向に沿って延び、横リブ１８１及び１８２に連続している。内側縦リブ１８５及び１８６は、横リブ１８１及び横リブ１８２を介して外側縦リブ１８３及び１８４に連続している。外側縦リブ１８３、内側縦リブ１８５、内側縦リブ１８６、及び外側縦リブ１８４は、＋Ｚ方向の順に並んでいる。これらの横リブ１８１等の各リブは、上壁部１５から所定の突出高さを有して上壁部１５上で所定方向に延び、延びた方向に直交する方向での厚みが、延びた方向の長さよりも小さい形状である。スタックケース１０ａ及び１０ｂは、それぞれのフランジ部１８の外側縦リブ１８３及び１８４、及び内側縦リブ１８５及び１８６がＸ方向に沿って延び、Ｚ方向に並設されるようにして配置されている。フランジ部１８は、第１フランジ部の一例である。

フランジ部１８は、内側面から内側に突出した突部が周方向に略等距離間隔で複数設けられている内向きフランジである。各突部には、不図示の雌ネジ孔が形成されている。詳細には、横リブ１８１及び１８２と外側縦リブ１８３及び１８４とのそれぞれには、内側面から内側に突出した突部が複数設けられており、内側縦リブ１８５及び１８６にも、内側縦リブ１８５及び１８６と横リブ１８１及び１８２とにより囲まれる領域の内側面から内側縦リブ１８５及び１８６の内側に突出した突部が複数設けられている。

上壁部１５には、フランジ部１８に包囲されるように、詳細には、内側縦リブ１８５及び１８６の間で開口部１５ａが設けられている。開口部１５ａは、Ｚ方向よりもＸ方向に大きく形成されている。図２では、開口部１５ａから、燃料電池スタック１００ａの一部を構成するターミナルプレート１０１と複数の単セル１０６とが露出している。開口部１５ａは、第１開口部の一例である。尚、単セル１０６が開口部１５ａから直接露出しないように、単セル１０６と開口部１５ａとの間に絶縁シート等を備えてもよい。

［燃料電池スタック１００ａ及び１００ｂの概略構成］
図３に示すように、燃料電池スタック１００ａは、複数の板状の部材が積層された積層体１０７を含む。具体的には、積層体１０７は、Ｘ方向に積層された複数の単セル１０６と、これらの複数の単セル１０６の一端側に配置され複数の単セル１０６側から順に積層されたターミナルプレート１０１とインシュレータ１０３とプレッシャプレート１０５と、複数の単セル１０６の他端側に配置され複数の単セル１０６側から順に積層されたターミナルプレート１０２とインシュレータ１０４とエンドプレート１２ａとを含む。プレッシャプレート１０５は、側壁部１１との間に配置されたバネ１０９によってエンドプレート１２ａ側に付勢されており、エンドプレート１２ａはスタックケース１０ａに固定されているため、積層体１０７はＸ方向の圧縮荷重が付与されている。従って、積層体１０７は、バネ１０９を介してスタックケース１０ａによりＸ方向で圧縮荷重が付与されている。

単セル１０６は、酸化剤ガスとして酸素を含む空気と燃料ガスとして水素ガスの供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。単セル１０６は、電解質膜の両面に電極を配置した発電体である膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持する一対のセパレータと、を備える。電解質膜は、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂材料又は炭化水素系樹脂材料で形成された固体高分子膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。電極は、カーボン担体と、スルホン酸基を有する固体高分子であって湿潤状態で良好なプロトン伝導性を有するアイオノマーと、を含んで構成されている。カーボン担体には、発電反応を促進させるための触媒（例えば白金又は白金−コバルト合金など）が担持されている。セパレータは、ガス遮断性及び導電性を有する材料によって形成され、プレス成形されたステンレス鋼や、チタンやチタン合金といった金属によって形成される薄板状部材である。

ターミナルプレート１０１及び１０２は、例えば銅、アルミニウム、又はこれらを含む合金等の金属、若しくは緻密性カーボン等の導電性材料で形成されたプレートである。インシュレータ１０３及び１０４は、例えばゴム又は樹脂等の絶縁性材料で形成されたプレートである。エンドプレート１２ａ及びプレッシャプレート１０５は、例えばステンレス鋼又はアルミニウム合金等の金属材料のような剛性の高い材料で形成されている。エンドプレート１２ａには、燃料電池スタック１００ａに酸化剤ガス、燃料ガス、及び冷却水をそれぞれ供給及び排出するための供給孔及び排出孔が形成されている。これらの供給孔及び排出孔には、それぞれ供給管及び排出管が接続される。

燃料電池ユニット１では、スタックケース１０ａ及び１０ｂの何れのエンドプレート１２ａも同じ側に配置されているため、エンドプレート１２ａに接続される、酸化剤ガス、燃料ガス、及び冷却水をそれぞれ供給及び排出する供給管及び排出管を、燃料電池ユニット１に対して同一側に集約できる。このため、燃料電池ユニット１の搭載性が向上している。

図３に示すように、燃料電池スタック１００ａのターミナルプレート１０１及び１０２のそれぞれには、複数の単セルから＋Ｙ方向に突出して開口部１５ａから露出した突起部が形成されている。また、燃料電池スタック１００ａ及び１００ｂのそれぞれの複数の単セル１０６は、図２、図３、及び図４に示すように、ターミナルプレート１０１及び１０２と、中継バスバー１１１と、接続バスバー１１２及び１１３とにより昇圧コンバータ５００に電気的に接続されている。中継バスバー１１１と接続バスバー１１２及び１１３とは、例えば銅、アルミニウム、又はこれらを含む合金等の電気抵抗率の小さい金属製であり、即ち導電性を有している。中継バスバー１１１と接続バスバー１１２及び１１３は、導電部材ユニットの一例である。

中継バスバー１１１の一端は、燃料電池スタック１００ａのターミナルプレート１０２の突起部に接続されている。中継バスバー１１１は、このターミナルプレート１０２側から、スタックケース１０ａの開口部１５ａと後述する蓋部７０の開口部７８１ａとを介して蓋部７０の底壁部７３上をスタックケース１０ａ側からスタックケース１０ｂ側に延びている。中継バスバー１１１の他端は、後述する蓋部７０の開口部７８１ｂとスタックケース１０ｂの開口部１５ａを介して、燃料電池スタック１００ｂのターミナルプレート１０１の突起部に接続されている。このように、中継バスバー１１１により燃料電池スタック１００ａ及び１００ｂのそれぞれの複数の単セル１０６同士が電気的に直列に接続される。

接続バスバー１１２の一端は、燃料電池スタック１００ｂのターミナルプレート１０２の突起部に接続されている。接続バスバー１１２は、このターミナルプレート１０２側から開口部１５ａ、７８１ｂ、及び５６を介してコンバータケース４０側に延びて、接続バスバー１１２の他端は、昇圧コンバータ５００に接続されている。接続バスバー１１３の一端は、燃料電池スタック１００ａのターミナルプレート１０１の突起部に接続されている。接続バスバー１１３は、このターミナルプレート１０１側から開口部１５ａ、７８１ａ、及び５６を介してコンバータケース４０側に延び、接続バスバー１１３の他端は、昇圧コンバータ５００に接続されている。このように、接続バスバー１１２及び１１３により燃料電池スタック１００ａ及び１００ｂの複数の単セル１０６が昇圧コンバータ５００に電気的に接続される。尚、接続バスバー１１２及び１１３の他端と昇圧コンバータ５００は、バスバーやケーブル等の不図示の導電部材により接続されている。尚、昇圧コンバータ５００は、コンデンサ、インテリジェントパワーモジュール（ＩＰＭ：Intelligent Power Module）、電流センサ、リアクトル等の複数の電子部品から構成される。

［コンバータケース４０の本体部５０の詳細構成］
コンバータケース４０は、本体部５０及び蓋部７０を含む。本体部５０及び蓋部７０は、例えばアルミニウム合金等の金属材料のような剛性の高い材料で形成されている。蓋部７０及び本体部５０は＋Ｙ方向の順に並んでいる。本体部５０は、側壁部５１〜５４、及び上壁部５５を含む。側壁部５１及び５２は、互いにＸ方向に離れておりＹＺ平面に平行である。側壁部５３及び５４は、互いにＺ方向に離れておりＸＹ平面に平行である。上壁部５５は、ＸＺ平面に平行である。側壁部５１及び５２のそれぞれのＺ方向の長さは、側壁部５３及び５４のそれぞれのＸ方向の長さよりも長い。側壁部５１及び５２には、それぞれ、後述するサービスホール５１１及び５２１が形成されている。側壁部５１及び５２のそれぞれのＺ方向の長さは、図１及び図４に示すように、Ｚ方向に並んだスタックケース１０ａ及び１０ｂ全体のＺ方向の長さよりも短い。側壁部５３及び５４のそれぞれのＸ方向の長さは、スタックケース１０ａ及び１０ｂの側壁部１３及び１４のそれぞれのＸ方向の長さと略同じである。

本体部５０には、上壁部５５と平行であって上壁部５５に対向する壁部は設けられておらず、開口部５６が設けられている。本体部５０は、換言すると、上壁部５５を底とした桶状である。開口部５６は、蓋部７０を介してスタックケース１０ａ及び１０ｂに対向する。

本体部５０の開口部５６の周縁には、フランジ部５９が形成されている。換言すれば、フランジ部５９は開口部５６を包囲している。フランジ部５９は、外側面から外側に突出した突部が周方向に略等距離間隔で複数設けられている外向きフランジである。各突部には、不図示のボルト孔が形成されている。フランジ部５９の下端面は、ＸＺ平面に平行である。フランジ部５９は、上述したスタックケース１０ａ及び１０ｂのフランジ部１８のそれぞれと形状が異なっている。従って、スタックケース１０ａ及び１０ｂのフランジ部１８と、本体部５０のフランジ部５９とを直接固定することはできない。コンバータケース４０は、第２ケースの一例である。フランジ部５９は、第３フランジ部の一例である。開口部５６は、第３開口部の一例である。

［コンバータケース４０の蓋部７０の詳細構成］
蓋部７０のＸ方向の長さ及びＺ方向の長さは、それぞれ、本体部５０のＸ方向の長さ及びＺ方向の長さと略同じである。蓋部７０は、周壁部７１、底壁部７３、及びフランジ部７８ａ、７８ｂ、及び７９を含む。周壁部７１は、Ｙ方向に所定の高さを有し、Ｙ方向周りに略矩形枠状に周回している。フランジ部７８ａ、７８ｂ、及び７９は、それぞれ略矩形枠状に形成されている。フランジ部７８ａ、７８ｂ、及び７９の内周縁にはそれぞれ開口部７８１ａ、７８１ｂ、及び７９１が形成されている。周壁部７１は、２つのフランジ部７８ａ及び７８ｂからフランジ部７９にまで連続している。換言すれば、周壁部７１の−Ｙ方向側の端部には２つのフランジ部７８ａ及び７８ｂが形成されている。２つのフランジ部７８ａ及び７８ｂは、形状及び大きさが同じであるが、説明の便宜上異なる符号を付している。フランジ部７８ａ及び７８ｂは、Ｚ方向に互いに離れている。底壁部７３は、隣接したフランジ部７８ａ及び７８ｂの間に形成され、周壁部７１に連続しＸＺ平面に平行に延びている。接続バスバー１１２は、開口部７８１ｂを介して昇圧コンバータ５００に接続されており、接続バスバー１１３は、開口部７８１ａを介して昇圧コンバータ５００に接続されている。フランジ部７８ａ及び７８ｂは、複数の第２フランジ部の一例である。開口部７８１ａ及び７８１ｂは、複数の第２開口部の一例である。フランジ部７９は、第４フランジ部の一例である。開口部７９１は、第４開口部の一例である。底壁部７３は、延在壁部の一例である。

フランジ部７８ａ及び７８ｂは、スタックケース１０ａ及び１０ｂのフランジ部１８と同様に内向きフランジである。フランジ部７９は、本体部５０のフランジ部５９と同様に外向きフランジである。フランジ部７８ａ及び７８ｂの下端面及びフランジ部７９の上端面は、ＸＺ平面に平行である。フランジ部７９は、フランジ部７８ａ及び７８ｂの合計よりも大きく形成されている。即ち、開口部７９１は、開口部７８１ａ及び７８１ｂの合計よりも大きい。フランジ部７９は、本体部５０のフランジ部５９に形状及び大きさが対応しており、フランジ部５９と同様に外向きフランジである。フランジ部７９とフランジ部５９とはボルトにより締結される。このようにして、本体部５０と蓋部７０とが固定される。

フランジ部７８ａには、周方向に略等距離間隔でボルト孔が複数設けられている。フランジ部７８ａの複数のボルト孔の位置と、スタックケース１０ａのフランジ部１８の内側縦リブ１８５及び１８６、内側縦リブ１８５と内側縦リブ１８６との間にある横リブ１８１の一部、内側縦リブ１８５と内側縦リブ１８６との間にある横リブ１８２の一部に設けられた複数の雌ネジ孔の位置とが対応している。フランジ部７８ａとスタックケース１０ａのフランジ部１８とは、ボルトにより締結され、フランジ部７８ａの下端面とフランジ部１８の上端面とが当接して固定される。即ち、フランジ部７８ａは、フランジ部１８の最も外側の周壁を構成する横リブ１８１及び１８２と外側縦リブ１８３及び１８４との全体の形状及び大きさに対応しているわけではなく、内側縦リブ１８５及び１８６と横リブ１８１の一部と横リブ１８２の一部とにより画定される周壁の形状及び大きさに対応している。フランジ部７８ａは、内側縦リブ１８５及び１８６との間に形成された開口部１５ａを包囲するようにしてフランジ部１８に固定されている。フランジ部７８ｂとスタックケース１０ｂのフランジ部１８も同様である。フランジ部７８ａ及び７８ｂがそれぞれスタックケース１０ａ及び１０ｂのフランジ部１８に固定された状態で、底壁部７３はスタックケース１０ａ及び１０ｂの隙間を塞ぐように延びている。

このようにしてスタックケース１０ａ及び１０ｂと蓋部７０と本体部５０とが固定され、燃料電池スタック１００ａ及び１００ｂと昇圧コンバータ５００とが一体化されている。蓋部７０の周壁部７１及び底壁部７３が、フランジ部７８ａ及び７８ｂとフランジ部７９との間に連続しているため、蓋部７０は本体部５０とスタックケース１０ａ及び１０ｂとともに、燃料電池ユニット１全体のケースの外壁部を構成し、これらのケースを一体化して内部を密閉できる。尚、本体部５０及び蓋部７０を一体成型してもよいが、昇圧コンバータ５００の電子部品や中継バスバー１１１等の取付作業性を考慮すると、本体部５０及び蓋部７０は別体で構成されていることが好ましい。尚、互いに固定されるフランジ部の端面の間には、シール性を向上させるためのゴムガスケット又は液状ガスケットを介在させることが好ましい。

［スタックケース１０ａ及び１０ｂの剛性］
図３に示したように、複数の単セル１０６は、Ｘ方向に積層され、エンドプレート１２ａとプレッシャプレート１０５との間でバネ１０９によりＸ方向の圧縮荷重が付与されている。また、エンドプレート１２ａはスタックケース１０ａに固定されており、バネ１０９はプレッシャプレート１０５とスタックケース１０ａの側壁部１１との間に配置されている。従って、複数の単セル１０６はＸ方向に圧縮荷重を受けるが、スタックケース１０ａはＸ方向に引張荷重を受ける。換言すれば、スタックケース１０ａは複数の単セル１０６に付与された圧縮荷重を保持するための部材として機能している。例えば、スタックケース１０ａの剛性が低いと、スタックケース１０ａがＸ方向に伸張して複数の単セル１０６に十分な圧縮荷重を付与することができずに、単セル１０６同士の導電性が悪化する可能性がある。本実施例では、図２に示したように、スタックケース１０ａのフランジ部１８は、Ｘ方向に沿って延びた４つの外側縦リブ１８３及び１８４と内側縦リブ１８５及び１８６を有している。このため、スタックケース１０ａはＸ方向の荷重に対する剛性が確保されており、複数の単セル１０６に十分な圧縮荷重を付与することができる。スタックケース１０ｂについても同様である。

特に、本実施例では、スタックケース１０ａには開口部１５ａが形成されており、開口部１５ａに起因して低下したスタックケース１０ａの剛性を、外側縦リブ１８３及び１８４と内側縦リブ１８５及び１８６とにより補うことができる。開口部１５ａは、図３に示すように、ターミナルプレート１０２及び１０３や中継バスバー１１１及び接続バスバー１１３に干渉しないように、Ｘ方向に長く形成されている。このように開口部１５ａが大きく形成されているため、スタックケース１０ａの剛性が低下しやすい。しかし、上述した外側縦リブ１８３及び１８４と内側縦リブ１８５及び１８６とにより、スタックケース１０ａの剛性が向上し、必要な剛性が確保されている。スタックケース１０ｂについても同様である。

フランジ部７８ａは、スタックケース１０ａのフランジ部１８の外側縦リブ１８３及び１８４と内側縦リブ１８５及び１８６とのうち、開口部１５ａに最も近い位置にある内側縦リブ１８５及び１８６に接続されている。これにより、内側縦リブ１８５及び１８６がフランジ部７８ａに接続されることにより、内側縦リブ１８５及び１８６とフランジ部７８ａとは一体化し、内側縦リブ１８５及び１８６の剛性が更に向上する。このようにスタックケース１０ａの剛性の低下の要因となり得る開口部１５ａの最も近くに位置する内側縦リブ１８５及び１８６の剛性を向上させることができるため、より効果的にスタックケース１０ａの剛性を向上させることができる。

ここで、本実施例において開口部１５ａは、図２及び図３に示すように、上壁部１５の略全体に亘ってＸ方向に延びて形成されている。例えば、剛性を向上させるために、上壁部１５に、ターミナルプレート１０２及び１０３をそれぞれ露出する最小限の大きさの開口部を個別に設けることが考えられる。しかしながらこの場合、燃料電池ユニット１の製造工程において、燃料電池スタック１００ａをスタックケース１０ａに挿入する際の作業性が悪化する可能性がある。具体的には、予め組み立てられた燃料電池スタック１００ａを、スタックケース１０ａ内に＋Ｘ方向に挿入するが、上記のように上壁部１５に最小限の大きさの２つの開口部のみが設けられていた場合には、挿入の際にターミナルプレート１０１の突起部と上壁部１５とが干渉して作業性が悪化する可能性がある。また、スタックケース１０ａは鋳造法又はダイキャスト法により成形されるが、上壁部１５に２つの開口部を設けることは、鋳型の構造をより複雑にし、スタックケース１０ａの製造コストが増大する可能性もある。このため、本実施例では開口部１５ａがＸ方向に沿って延びていることにより、上述した挿入の作業性の向上や製造コストの削減が図られている。

［コンバータケース４０の小型化］
図１及び図４に示すように、コンバータケース４０のＺ方向の長さは、Ｚ方向に並んだスタックケース１０ａ及び１０ｂ全体のＺ方向の長さよりも短い。また、コンバータケース４０は、スタックケース１０ａの外側縦リブ１８３及びスタックケース１０ｂの外側縦リブ１８４から離間して、それ以外のスタックケース１０ａ及び１０ｂのそれぞれの内側縦リブ１８５及び１８６に固定されている。換言すれば、コンバータケース４０は、スタックケース１０ａの外側縦リブ１８３よりもスタックケース１０ａの内側に退避しており、スタックケース１０ｂの外側縦リブ１８４よりもスタックケース１０ｂの内側に退避している。このため、燃料電池ユニット１全体での大きさが小型化されている。

尚、コンバータケース４０のＹ方向の大きさも、スタックケース１０ａ及び１０ｂのそれぞれのＹ方向の大きさよりも小さく、コンバータケース４０のＸ方向の大きさは、スタックケース１０ａ及び１０ｂのそれぞれのＸ方向の大きさと略同じであるため、これによっても燃料電池ユニット１全体は小型化されている。スタックケース１０ａの外側縦リブ１８３とスタックケース１０ｂの外側縦リブ１８４とは、スタックケース１０ａ及び１０ｂのそれぞれのフランジ部１８のＺ方向に並んだ外側縦リブ１８３及び１８４と内側縦リブ１８５及び１８６の全てのうち、一端及び他端に位置している。

［スタックケース１０ａの共通化］
図５は、燃料電池ユニット１ａの外観斜視図である。図６は、燃料電池ユニット１ａの分解斜視図である。燃料電池ユニット１ａに関して、上述した燃料電池ユニット１と同一、類似の構成についてはそれぞれ、同一、類似の符号を付することにより重複する説明を省略する。燃料電池ユニット１ａは、上述した燃料電池ユニット１に採用されているスタックケース１０ａと、スタックケース１０ａに収容された燃料電池スタック１００ａと、上述したコンバータケース４０とは異なるコンバータケース５０ａと、コンバータケース５０ａに収容された不図示の昇圧コンバータとを含む。コンバータケース５０ａは、上述したコンバータケース４０よりも小型であり、コンバータケース５０ａに収容された昇圧コンバータも、上述した昇圧コンバータ５００よりも小型である。コンバータケース５０ａに収容された昇圧コンバータは、単一の燃料電池スタック１００ａ用のものであり、上述した昇圧コンバータ５００よりもリアクトル等の部品の体格が小さいためである。燃料電池スタック１００ａの積層体１０７は、ターミナルプレート１０１及び１０２と、接続バスバー１１２及び１１３とにより昇圧コンバータに電気的に接続されている。

コンバータケース５０ａの側壁部５２ａと、側壁部５２ａにＸ方向で離れて平行な不図示の側壁部とは、スタックケース１０ａとＺ方向の大きさが略同じである。また、コンバータケース５０ａの側壁部５３ａと側壁部５３ａにＺ方向に離れて対向して平行な不図示の側壁部とは、スタックケース１０ａとＸ方向の大きさが略同じである。コンバータケース５０ａのフランジ部５９ａは、内向きフランジ部であり、フランジ部１８の横リブ１８１及び１８２と外側縦リブ１８３及び１８４とに直接固定されている。このように、上述した燃料電池ユニット１では使用されなかった外側縦リブ１８３及び１８４を用いることにより、単一のスタックケース１０ａに、単一の燃料電池スタック１００ａ用の昇圧コンバータを収容したコンバータケース５０ａを固定することができる。このように上述した燃料電池ユニット１に用いられたスタックケース１０ａを流用して、燃料電池ユニット１ａにも共通に使用できる。このため、燃料電池スタック１００ａや燃料電池ユニット１ａの製造コストが低下する。尚、上述したように、スタックケース１０ｂについてもスタックケース１０ａと同じ部材であるため、上述した燃料電池ユニット１の製造コストも低下している。

尚、コンバータケース５０ａのフランジ部５９ａは、横リブ１８１及び１８２と外側縦リブ１８３及び１８４に接続されていることに限定されない。例えば、フランジ部５９ａは、スタックケース１０ａの開口部１５ａを包囲するように、横リブ１８１及び１８２と外側縦リブ１８４と内側縦リブ１８５とにより画定される枠状の領域に固定されていてもよいし、横リブ１８１及び１８２と外側縦リブ１８３と内側縦リブ１８６とにより画定される枠状の領域に固定されていてもよい。このようにスタックケース１０ａに、外側縦リブ１８３及び１８４のみならず複数の内側縦リブ１８５及び１８６も設けられているため、大きさが異なる複数のコンバータケースを固定することもできる。

［その他］
図１から図４に示した燃料電池ユニット１のコンバータケース４０は、スタックケース１０ａの外側縦リブ１８３のみを除いて、それ以外のリブの何れかに固定されていてもよい。この場合、コンバータケース４０のフランジ部７８ｂは、スタックケース１０ｂの開口部１５ａを包囲するように、スタックケース１０ｂの、横リブ１８１及び１８２と、外側縦リブ１８４と、外側縦リブ１８３及び内側縦リブ１８５の一方とにより画定される枠状の領域に固定されていてもよい。また、コンバータケース４０はスタックケース１０ｂの外側縦リブ１８４のみを除いて、それ以外のリブの何れかに固定されていてもよい。この場合、コンバータケース４０のフランジ部７８ａは、スタックケース１０ａの開口部１５ａを包囲するように、スタックケース１０ａの、横リブ１８１及び１８２と、外側縦リブ１８３と、外側縦リブ１８４及び内側縦リブ１８６の一方とにより画定される枠状の領域に固定されていてもよい。

燃料電池ユニット１のコンバータケース４０のフランジ部７８ａは、スタックケース１０ａのフランジ部１８の横リブ１８１及び１８２と内側縦リブ１８５及び１８６とにより画定される枠状の領域に固定されるが、これに限定されない。例えば、フランジ部７８ａは、スタックケース１０ａの横リブ１８１及び１８２と外側縦リブ１８４と内側縦リブ１８５とにより画定される枠状の領域に固定されてもよい。同様に、燃料電池ユニット１のコンバータケース４０のフランジ部７８ｂは、スタックケース１０ｂの横リブ１８１及び１８２と外側縦リブ１８３と内側縦リブ１８６とにより画定される枠状の領域に固定されてもよい。

スタックケース１０ａの開口部１５ａは、内側縦リブ１８５と内側縦リブ１８６との間に形成されているが、これに限定されない。燃料電池スタック１００ａ及び１００ｂと昇圧コンバータ５００とを電気的に接続できれば、スタックケース１０ａの開口部１５ａは、例えば外側縦リブ１８４と内側縦リブ１８６との間に形成されていてもよい。この場合には、フランジ部７８ａは、開口部１５ａを包囲するように、横リブ１８１及び１８２と、外側縦リブ１８４と、内側縦リブ１８５又は１８６とにより画定される枠状の領域に固定されていてもよい。同様に、スタックケース１０ｂの開口部１５ａは、例えば外側縦リブ１８３と内側縦リブ１８５との間に形成されていてもよい。この場合、フランジ部７８ｂは、開口部１５ａを包囲するように、横リブ１８１及び１８２と、外側縦リブ１８３と、内側縦リブ１８５又は１８６とにより画定される枠状の領域に固定されていてもよい。

スタックケース１０ａ及び１０ｂは、形状及び大きさが同じ部材であることに限定されない。例えば、上記のようにスタックケース１０ａの開口部１５ａが外側縦リブ１８４と内側縦リブ１８６との間に形成されており、スタックケース１０ｂの開口部１５ａが図２に示したように内側縦リブ１８５と内側縦リブ１８６との間に形成されていてもよいし、上述したように外側縦リブ１８３と内側縦リブ１８５との間に形成されていてもよい。また、図２に示したようにスタックケース１０ａの開口部１５ａが内側縦リブ１８５と内側縦リブ１８６との間に形成されており、スタックケース１０ｂの開口部１５ａが上述したように外側縦リブ１８３と内側縦リブ１８５との間に形成されていてもよい。

フランジ部１８は、Ｘ方向に沿って延びた外側縦リブ１８３及び１８４と内側縦リブ１８５及び１８６との合計４つのリブを含むが、このようなＸ方向に沿って延びたリブは３つ以上含んでいればよい。例えば、スタックケース１０ａのフランジ部１８から内側縦リブ１８６を削除してもよい。この場合、燃料電池ユニット１の蓋部７０のフランジ部７８ａは、スタックケース１０ａのフランジ部１８の、横リブ１８１及び１８２と外側縦リブ１８４と内側縦リブ１８５とにより画定される枠状の領域に固定されていてもよい。同様に、スタックケース１０ｂのフランジ部１８から内側縦リブ１８５を削除してもよい。この場合、燃料電池ユニット１の蓋部７０のフランジ部７８ｂは、スタックケース１０ｂのフランジ部１８の、横リブ１８１及び１８２と外側縦リブ１８３と内側縦リブ１８６とにより画定される枠状の領域に固定されていてもよい。

燃料電池ユニット１では、中継バスバー１１１により燃料電池スタック１００ａ及び１００ｂの間が電気的に直列に接続されていたが、これに限定されない。例えば、２つの燃料電池スタック１００ａ及び１００ｂが接続バスバーにより電気的に並列に電力変換器である昇圧コンバータに接続されていてもよい。

燃料電池ユニット１のコンバータケース４０は、桶状の本体部５０と枠状の蓋部７０とにより構成されるがこれに限定されない。例えば、Ｚ方向で隣接するスタックケース１０ａの外側縦リブ１８４とスタックケース１０ｂの外側縦リブ１８３とが接触して、スタックケース１０ａ及び１０ｂのそれぞれのフランジ部１８全体の上端面が同一のＸＺ平面上に位置して、この上端面と本体部５０のフランジ部５９の下端面を直接固定してもよい。これにより、部品点数を削減することができる。尚、この場合、本体部５０のフランジ部５９は、フランジ部１８に対応するように内向きフランジに変更する必要がある。また、フランジ部５９は、スタックケース１０ａの外側縦リブ１８３及びスタックケース１０ｂの外側縦リブ１８４の双方から退避しており、スタックケース１０ａの外側縦リブ１８４及びスタックケース１０ｂの外側縦リブ１８３には固定されず、スタックケース１０ａの内側縦リブ１８５と、スタックケース１０ｂの内側縦リブ１８６と、スタックケース１０ａ及び１０ｂのそれぞれの横リブ１８１及び１８２とにより画定される枠状の領域に固定されていてもよい。尚、この場合、本体部５０の開口部５６が、第２開口部の一例となる。

スタックケース１０ａは、バネ１０９を介して積層体１０７にＸ方向で圧縮荷重を付与しているが、これに限定されない。例えば、このようなバネ１０９を介さずに、スタックケース１０ａの側壁部１１にプレッシャプレート１０５が直接接触し、エンドプレート１２ａがスタックケース１０ａに固定されることにより、積層体１０７にＸ方向の圧縮荷重を付与した構成であってもよい。また、側壁部１１に螺合量によって側壁部１１からプレッシャプレート１０５への突出量が変わる調整ネジを設けて、この調整ネジによりプレッシャプレート１０５をスタックケース１０ａに固定されたエンドプレート１２ａ側に押圧することにより、積層体１０７にＸ方向の圧縮荷重を付与してもよい。何れの場合も、スタックケース１０ａにより積層体１０７にＸ方向の圧縮荷重が付与されている。

燃料電池ユニット１は、スタックケース１０ａ及び１０ｂの底壁部１６側が重力方向下側にして車両等に搭載されてもよいが、その他の向きで車両等に搭載されてもよい。例えば、スタックケース１０ａ及び１０ｂのエンドプレート１２ａ側を重力方向下側にして車両等に搭載されてもよい。この場合、燃料電池スタック１００ａ及び１００ｂ内から液水の排出性が向上して、発電中でのフラッディングの発生や発電停止後での燃料電池スタック１００ａ及び１００ｂ内での残水の凍結を防止でき、燃料電池スタック１００ａ及び１００ｂの発電性能の低下を抑制できる。また、本体部５０の上壁部５５側を重力方向下側にして車両等に搭載されてもよい。燃料電池ユニット１ａについても同様である。

燃料電池ユニット１では、２つのスタックケース１０ａ及び１０ｂにコンバータケース４０が固定されているが、これに限定されず、例えば３つ以上のスタックケースに１つのコンバータケースを固定してもよい。この場合、３つ以上のスタックケースが例えばＹ方向に沿って並んだ状態で、これらのスタックケースのＸ方向に沿って延びた複数のリブ領域のうち一端に位置するリブ領域と他端に位置するリブ領域の少なくとも一方から、コンバータケースが退避していればよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ａ、１０ｂ スタックケース（第１ケース）
１００ａ、１００ｂ 燃料電池スタック
１０６ 単セル
１０７ 積層体
１０９ バネ（付勢部材）
１５ 上壁部（壁部）
１５ａ 開口部（第１開口部）
１８ フランジ部（第１フランジ部）
１８３、１８４ 外側縦リブ（リブ）
１８５、１８６ 内側縦リブ（リブ）
４０ コンバータケース（第２ケース）
５０ 本体部
５００ 昇圧コンバータ（電力変換器）
５６ 開口部（第３開口部）
５９ フランジ部（第３フランジ部）
７０ 蓋部
７８ａ、７８ｂ フランジ部（第２フランジ部）
７８１ａ、７８１ｂ 開口部（第２開口部）
７９ フランジ部（第４フランジ部）
１１１ 中継バスバー
１１２、１１３ 接続バスバー

Claims (6)

1. 複数の燃料電池スタックと、
   複数の前記燃料電池スタックをそれぞれ収容した複数の第１ケースと、
   複数の前記燃料電池スタックの電力を変換する電力変換器と、
   前記電力変換器を収容すると共に複数の前記第１ケースに固定された第２ケースと、
   複数の前記第１ケースと前記第２ケース内で、複数の前記燃料電池スタックと前記電力変換器を電気的に接続する導電部材ユニットと、を備えた燃料電池ユニットにおいて、
   前記燃料電池スタックは、第１方向に沿って積層された複数の単セルを含む積層体を含み、
   前記積層体は、前記第１ケースにより前記第１方向に沿って圧縮荷重が付与されており、
   複数の前記第１ケースのそれぞれは、前記第２ケースに対向する壁部と、前記壁部から前記第２ケースに向けて突出した第１フランジ部と、前記第１フランジ部に包囲されるように前記壁部に形成された第１開口部と、を含み、
   前記第２ケースは、複数の前記第１ケースの前記第１開口部を包囲するように複数の前記第１ケースの前記第１フランジ部に固定された第２フランジ部と、前記第２フランジ部に包囲されるように形成されて複数の前記第１開口部に連通した第２開口部と、を含み、
   前記導電部材ユニットは、複数の前記第１開口部のそれぞれから前記第２開口部を介して前記第２ケース内に延びており、
   複数の前記第１フランジ部のそれぞれは、前記第１方向に沿って延び前記第１方向に交差する第２方向に沿って並設された少なくとも３つのリブを含み、
   複数の前記第１ケースのそれぞれに設けられた複数の前記リブが、前記第１方向に沿って延び前記第２方向に沿って並ぶように、複数の前記第１ケースは配置されており、
   前記第２ケースの前記第２方向での長さは、複数の前記第１ケース全体の前記第２方向での長さよりも短く、
   前記第２フランジ部は、複数の前記第１ケースの前記第２方向に沿って並んだ複数の前記リブのうち、一端及び他端に位置する前記リブの少なくとも一方から離間して、前記少なくとも一方を除いた複数の前記リブの何れかに固定されている、燃料電池ユニット。
2. 前記第２フランジ部は、複数の前記第１ケースの前記第２方向に沿って並んだ複数の前記リブのうち、一端及び他端に位置する前記リブの双方から離間して、前記双方を除いた複数の前記リブの何れかに固定されている、請求項１の燃料電池ユニット。
3. 前記第２フランジ部は、複数の前記第１ケースの少なくとも一つにおいて前記第１開口部に最も近い前記リブに固定されている、請求項１又は２の燃料電池ユニット。
4. 前記積層体、複数の前記単セルを挟持すると共に互いに前記第１方向に沿って離れた第１及び第２ターミナルプレートを含み、
   前記第１開口部は、前記第２方向よりも前記第１方向に長い形状であり、
   前記導電部材ユニットは、前記第１開口部を介して前記第１及び第２ターミナルプレートにそれぞれ接続された第１及び第２導電部材を含む、請求項１乃至３の何れかの燃料電池ユニット。
5. 前記第２ケースは、複数の前記第１ケースの前記第１フランジ部のそれぞれに固定された複数の前記第２フランジ部と、複数の前記第２フランジ部のそれぞれに包囲された複数の前記第２開口部と、を含む、請求項１乃至４の何れかの燃料電池ユニット。
6. 前記第２ケースは、桶状の本体部と、前記本体部に固定された蓋部と、を含み、
   前記本体部は、第３フランジ部と、前記第３フランジ部に包囲された第３開口部と、を含み、
   前記蓋部は、複数の前記第２フランジ部と、複数の前記第２開口部と、前記第３フランジ部に固定された第４フランジ部と、前記第４フランジ部に包囲された第４開口部と、を含み、
   前記第３及び第４フランジ部のそれぞれは、前記第２フランジ部よりも大きい、請求項５の燃料電池ユニット。

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