JP2022132828A - 燃料電池モジュールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックと、燃料電池スタックを駆動する複数の補機と、をフレームに効率よく取付けることができる燃料電池モジュールの製造方法を提供する。【解決手段】燃料電池スタック１Ａと、燃料電池スタックを駆動する複数の補機と、複数の補機を取付けるフレーム１０と、を備えた、燃料電池モジュール１を製造する。この製造方法では、フレームの対向する一対の上梁１１Ｃ、１３Ｃ同士をわたすように、一対の上梁１１Ｃ、１３Ｃに対して着脱自在となる中間梁材１５を準備する。次に、中間梁材１５に、複数の補機のうち特定の補機であるウォーターポンプ４２を取付けたサブアッシー１６を作製する。さらに、ウォーターポンプ４２を除く複数の補機を取付けたフレーム１０に、ウォーターポンプ４２が吊下げられるように、サブアッシー１６の中間梁材１５を一対の上梁１１Ｃ、１３Ｃに取付ける。【選択図】図７

Description

本発明は、燃料電池モジュールの製造方法に関し、特に、燃料電池スタックに冷却水を供給するウォーターポンプを備える燃料電池モジュールの製造方法に関する。

従来、この種の燃料電池システムとして、たとえば、特許文献１には、燃料電池スタックに冷却水を圧送するウォーターポンプを備える燃料電池システムがある。

特開２０２０－８７７２６号公報

しかしながら、前記特許文献１に記載の燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックと、燃料電池スタックを駆動するための複数の補機とを、フレームに取付けることにより、燃料電池モジュールを製造しようすることが想定される。しかしながら、フレームにこれらの機器を効率良く取付けることは、容易ではない。

このような点を鑑みて、本発明として、燃料電池スタックと、燃料電池スタックを駆動する複数の補機と、をフレームに効率よく取付けることができる燃料電池モジュールの製造方法を提供する。

前記課題を解決すべく、本発明に係る燃料電池モジュールの製造方法は、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを駆動する複数の補機と、前記複数の補機を取付けるフレームと、を備えた燃料電池モジュールの製造方法であって、前記フレームの対向する一対の上梁同士をわたすように、前記一対の上梁に対して着脱自在となる中間梁材を準備する工程と、前記中間梁材に、前記複数の補機のうち特定の補機を取付けたサブアッシーを作製する工程と、前記特定の補機を除く前記複数の補機を取付けた前記フレームに、前記特定の補機が吊下げられるように、前記サブアッシーの前記中間梁材を前記一対の上梁に取付ける工程と、を少なくとも含むことを特徴としている。

このように構成された燃料電池モジュールの製造方法では、たとえば、特定の補機をフレームに取付ける際、フレームの対向する一対の上梁同士をわたすように、一対の上梁に対して着脱自在となる中間梁材を準備する。次に、中間梁材に、複数の補機のうち特定の補機を取付けたサブアッシーを作製する。

特定の補機をフレームに取付ける際には、作業者は、サブアッシーの中間梁材を把持して、特定の補機を除く複数の補機を取付けたフレームに、特定の補機が吊下げられるように、サブアッシーの中間梁材を一対の上梁に取付ける。これにより、特定の補機を、フレームの所定の位置に配置することができる。このように、本発明によれば、作業スペースの確保が難しいフレーム内において、特定の補機をフレームに直接取付けることなく、中間梁材を介して、特定の補機をフレームに取付けるため、特定の補機の取付け作業が容易となる。

好ましい態様としては、前記フレームは、前記一対の上梁同士をわたすように、前記一対の上梁に対して固定された固定梁を備え、前記サブアッシーを作製する工程において、前記固定梁に固定されるブラケットを介して、前記中間梁材に前記特定の補機を取付け、前記一対の上梁に取付ける工程において、前記固定梁に前記ブラケットを取付ける。

この構成によれば、フレームは、一対の上梁同士をわたすように、一対の上梁に対して固定された固定梁を備え、この固定梁を中間梁材と並んでフレームに配置することができる。ここで、サブアッシーを作製する工程では、ブラケットを介して、中間梁材に特定の補機を取付け、一対の上梁に取付ける工程では、固定梁にブラケットを取付けるとともに、サブアッシーの中間梁材を一対の上梁に取付けることができる。これにより、ブラケットを介して特定の補機を安定した姿勢で、フレームに取付けることができるため、サブアッシーの取付け作業が容易となる。

より好ましい態様としては、前記一対の上梁に取付ける工程の後、前記フレームの上部に、前記燃料電池スタックを取付ける。この構成によれば、特定の補機をフレームの一対の上梁に吊下げて取付けたあと、燃料電池スタックをフレームの上部に取付けるため、燃料電池スタックの取付け作業が簡易にできる。フレーム内に複数の補機を収容することができるため、燃料電池モジュールのスペース効率を高め、モジュールの小型化を図ることができる。

本発明によれば、燃料電池スタックと、燃料電池スタックを駆動する複数の補機と、をフレームに効率よく取付けることができる。

本発明に係る燃料電池モジュールの製造方法を実施するための燃料電池モジュールの斜視図である。 図１の燃料電池モジュールを構成する燃料電池システムの概略系統図である。 図１に示す燃料電池モジュールを別方向から視た斜視図である。 図１に示す燃料電池モジュールを別方向から視た斜視図である。 図１に示す燃料電池モジュールを別方向から視た斜視図である。 図１に示す燃料電池モジュールの製造方法のフロー図である。 図１に示すフレームの上部の分解状態の斜視図である。 図１に示すフレームの上部の斜視図である。 図１に示す燃料電池モジュールから燃料電池スタックを外した状態のフレーム上部を示す斜視図である。

以下、本発明に係る燃料電池モジュールの製造方法の一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。先ず、本実施形態に係る燃料電池モジュールの製造方法を実施するための燃料電池モジュールについて説明する。図１は、燃料電池モジュールの斜視図である。

燃料電池モジュール１は、図１に示すように、燃料電池スタック１Ａと、燃料電池スタック１Ａを駆動させる複数の補機（後述する）と、燃料電池スタック１Ａおよび複数の補機を取付けるフレーム１０と、を備える。フレーム１０は、複数の補機のうち、特定の補機、たとえば小型で重量の大きいウォーターポンプなどの補機を内部空間に収容するとともに、この特定の補機を上部等に取付けるものである。フレーム１０の詳細については後述する。

ここで、本実施形態の製造方法を実施するための燃料電池モジュール１を備える燃料電池システム１００について、図２を参照して説明する。図２は、燃料電池モジュール１を含む燃料電池システムの概略系統図である。図２に示すように、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１Ａを含む燃料電池モジュール１、および水素タンク等の他の機器等から構成される。

燃料電池スタック１Ａの燃料電池セルは、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側触媒層（アノード電極）およびカソード側触媒層（カソード電極）とからなる膜電極接合体（ＭＥＡ）を備えている。ＭＥＡの両側には、燃料ガスである水素ガス、酸化剤ガスであるエアを供給するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するためのガス拡散層（ＧＤＬ）が形成されている。ＧＤＬが両側に配置された膜電極接合体は、ＭＥＧＡと称され、ＭＥＧＡは、一対のセパレータにより挟持されている。ここで、ＭＥＧＡが燃料電池の発電部であり、ガス拡散層がない場合には、ＭＥＡが燃料電池の発電部となる。

燃料電池スタック１Ａは、これを駆動する複数の補機に接続されており、図２に示すように、これらの補機は、エア供給系２０、水素ガス供給系３０、冷却系４０、および制御系５０を構成している。複数の補機のうち、後述するいくつかの補機は、フレーム１０内に収容されるように、フレーム１０に取付けられている。

エア供給系２０は、燃料電池スタック１Ａを構成する各セルのカソード電極にエアを供給し、各燃料電池セルで電気化学反応に供された後のオフガスを燃料電池スタック１Ａから排出するものである。エア供給系２０には、燃料電池スタック１Ａの上流側から、エアクリーナ２１、エアコンプレッサ２２、およびインタクーラ２３等が設けられ、燃料電池スタック１Ａの下流側には、マフラ２８等が設けられている。

エアクリーナ２１は、大気中から取込むエア中の塵埃を除去する。エアコンプレッサ２２は、エアクリーナ２１を介して導入されたエアを圧縮し、圧縮されたエアをインタクーラ２３へ圧送する。インタクーラ２３は、エアコンプレッサ２２から圧送されて導入されたエアを通過させるときに、例えば冷媒との熱交換によって冷却し、燃料電池スタック１Ａ（のカソード電極）に供給する。本実施形態の燃料電池モジュール１では、燃料電池スタック１Ａの補機として、エアコンプレッサ２２およびインタクーラ２３が、フレーム１０に固定されている。

水素ガス供給系３０は、燃料電池スタック１Ａを構成する各セルのアノード電極に水素ガスを供給し、各燃料電池セルで電気化学反応に供された後のオフガスを燃料電池スタック１Ａから排出するものである。水素ガス供給系３０は、燃料電池スタック１Ａの上流側から、水素ガス供給源３１、および水素ガス供給装置３３を備え、燃料電池スタック１Ａの下流側には、気液分離器３７を備えている。水素ガス供給系３０は、気液分離器３７を通過した水素ガスを上流側に循環させる水素ガスポンプ３８を備えている。

水素ガス供給装置３３は、燃料電池スタック１Ａに水素ガスを供給するインジェクタ等を備えている。気液分離器３７は、オフガスに含まれる生成水を分離し、生成水を分離した水素ガスは水素ガスポンプ３８に送られ、生成水はマフラ２８に送られる。水素ガスポンプ３８は、気液分離器３７で分離された水素ガスを圧送して、水素ガス供給流路へ循環させる。本実施形態の燃料電池モジュール１では、燃料電池スタック１Ａの補機として、水素ガスポンプ３８等が、フレーム１０内に搭載されている。

冷却系４０は、燃料電池スタック１Ａを冷却する冷却水が循環している循環系である。なお、冷却系４０の冷却水を、後述するコンバータ５４等が集約された高電圧機器や、エアコンプレッサ２２のモータ等を冷却する別の冷却系に供給して、補機の一部を冷却するように、冷却経路を設けてもよい。

冷却系４０は、循環系であり、ウォーターポンプ４２、熱交換器４３、三方弁（ロータリバルブ）４５、イオン交換器４７、および供給タンク４８が設けられている。ウォーターポンプ４２は、熱交換器４３で冷却された冷却水を燃料電池スタック１Ａに圧送する。熱交換器４３は、燃料電池スタック１Ａから排出される冷却水を冷却する。イオン交換器４７は、燃料電池スタック１Ａを冷却する冷却水からイオンを除去する機能を有しており、バイパス通路に設けられている。三方弁４５は、燃料電池スタック１Ａから排出された冷却水を、熱交換器４３またはイオン交換器４７に分流する。供給タンク４８は、冷却系４０に補給用の冷却水を収容しており、冷却水の不足時に、冷却系４０に補給用の冷却水が供給される。本実施形態では、燃料電池スタック１Ａの補機として、ウォーターポンプ４２および三方弁４５等が、フレーム１０内に固定されている。

エア供給系２０、水素ガス供給系３０、冷却系４０の各機器（補機等）は、可撓性を有した配管７で接続されており、バルブを介して、これらを流れる流体の流量、圧力等が制御されている。なお、図１では、複数の配管のうち、一部の配管７が示されている。

制御系５０は、燃料電池スタック１Ａの駆動等を制御するものである。制御系５０は、制御装置５１、ＰＣＵ５３、コンバータ５４を備えており、中継ボックス５５を介して、バッテリまたは負荷などの外部機器５２に電力が供給可能となっている。制御装置５１は、上述したバルブ、後述するＰＣＵ（パワーコントロールユニット）５３を制御する。外部機器５２の１つであるバッテリは、燃料電池スタック１Ａで発電された電力を蓄電する。ＰＣＵ５３は、制御装置５１の制御に応じて中継ボックス５５を介して外部機器５２に電力を供給する。コンバータ５４は、高電圧機器に含まれており、燃料電池スタック１Ａの出力電圧を昇圧して、ＰＣＵ５３に電力を供給する。これらの補機は、ケーブル６を介して電気的に接続されている。なお、図１では、複数のケーブルのうち、一部のケーブル６が示されている。

ここで、上述した燃料電池スタック１Ａ、ウォーターポンプ４２などの小型で重量の大きい特定の補機を含む複数の補機を取付けるフレーム１０について、図１、図３から図９を参照して詳細に説明する。フレーム１０に取付ける複数の補機は、上述したように、エアコンプレッサ２２、インタクーラ２３、水素ガス供給装置３３、水素ガスポンプ３８、ウォーターポンプ４２、三方弁４５、ＰＣＵ５３、高電圧機器、中継ボックス５５等であり、これらの複数の補機は、フレーム１０内に収容されている。しかしながら、これらの補機に限定されるものではなく、エアクリーナ２１、熱交換器４３、その他のバルブ等がさらに取付けされていてもよい。

フレーム１０は、基本的には金属製の溝型鋼材やアングル材、パイプ材、板材等で構成され、溶接や連結ボルトで接合あるいは連結されている。本実施形態では、図１等において、フレーム１０のＡ方向から視た側面は、下梁１１Ａ、柱１１Ｂ、上梁１１Ｃ、および柱１１Ｄで形成され、斜材１１Ｅ等で補強されている。下梁１１Ａに対して、上梁１１Ｃは平行でなく、右上がりに傾斜した状態で、柱１１Ｂおよび柱１１Ｄ等に連結されている。これらの部材は、その周辺に取付けられる補機の形状や、連結ボルト等に合わせて幅広の部位が形成されている。

フレーム１０のＢ方向から視た側面は、図３等に示されるように、下梁１２Ａ、柱１２Ｂ、上梁１２Ｃ、および柱１１Ｂで形成され、斜材１２Ｅ等で補強されている。フレーム１０のＣ方向から視た側面は、図４等に示されるように、下梁１３Ａ、柱１３Ｂ、上梁１３Ｃ、および柱１２Ｂで形成され、斜材１３Ｅで補強されている。フレーム１０のＤ方向から視た側面は、図１等に示されるように、側板（エンドプレート）１４Ａ、柱１１Ｄ、上梁１４Ｃ、および柱１３Ｂ（図４参照）で形成されている。側板１４Ａは、大小の直径の配管、ケーブル等が貫通するための貫通孔が形成されている。各側面を構成する部材は、それぞれボルト等で連結されているが、溶接等で接合したものでもよい。

本実施形態では、フレーム１０は、下梁１１Ａ、下梁１２Ａ、下梁１３Ａと、側板１４Ａで下部１０ａを形成し、上梁１１Ｃ、上梁１２Ｃ、上梁１３Ｃと、側板１４Ａで上部１０ｂを形成している。フレーム１０の下部１０ａには、複数の補機のうちいくつかの補機が、直接的または間接的に取付けられている。フレーム１０の上部１０ｂには、燃料電池スタック１Ａが、上部１０ｂに載置するように取付けられている。このようにして、フレーム１０内に配置された複数の補機と、フレーム１０の上部１０ｂに載置された燃料電池スタック１Ａとは、配管７やケーブル６等で接続されることで、複数の補機で燃料電池スタック１Ａを駆動させることができる。

前記した燃料電池モジュール１によれば、燃料電池スタック１Ａにエア供給系２０からエアガスが供給され、水素ガス供給系３０から水素ガスが供給され、燃料電池スタック１Ａ内のＭＥＧＡまたはＭＥＡの発電部での電気化学反応によって発電される。発電された電力は、中継ボックス５５を介して外部機器５２に供給される。また、燃料電池スタック１Ａは、冷却系４０で冷却され所定の温度範囲に制御される。このようにして、図２に示される燃料電池スタック１Ａは、複数の補機で駆動され、発電した電力は、中継ボックス５５を介して外部機器５２に提供される。

このように構成された燃料電池モジュール１では、複数の補機は、フレーム１０に取付けられて一体化しており、モジュール自体の小型化のために、クリアランスの少ない状態で取付けられており、組み立て性の向上やスペース効率を高めるための工夫がなされている。ここで、フレーム１０内に複数の補機を取付ける場合、いくつかの補機はフレーム１０の下部１０ａに比較的に簡単に取付けることができる。しかしながら、フレーム１０の上部１０ｂに、少なくとも１つの補機を吊下げた状態で、取付けようとした場合、フレーム１０内の作業スペースが確保し難いため、その取付け作業は簡単ではない。そこで、本実施形態の製造方法では、このような場合でも、以下に示す工程により、組み立て性を向上でき、容易に製造することができる。

以下に、燃料電池モジュール１の製造方法について説明する。図６に示すように、本実施形態では、準備工程Ｓ１において、中間梁材１５およびブラケット１７を準備する。図７に示すように、中間梁材１５は、フレーム１０の対向する一対の上梁１１Ｃ、１３Ｃ同士をわたすように、一対の上梁１１Ｃ、１３Ｃに対して着脱自在となる部材である。なお、図７は、中間梁材１５にブラケット１７を介してウォーターポンプ４２を取付けたサブアッシー１６の状態を示している。中間梁材１５の両端には、上梁１１Ｃ、１３Ｃの締結孔１３ｄに位置合わせして、ボルトで固定する固定孔１５ａが形成されている。

本実施形態では、上梁１１Ｃ、１３Ｃの締結孔１３ｄには、フレーム１０の内部側にウエルドナット（図示せず）が固着されており、固定孔１５ａおよび締結孔１３ｄにボルトを挿通したのち、ボルトをウエルドナットに螺着することで、中間梁材１５を取付けることができる。

図７に示すように、準備するブラケット１７は、平面視で三角形状に形成され、先端の突出部には締結孔１７ａが形成され、底辺部分が後述するように中間梁材１５に片持ち状態にボルト等で固定される部分となる。

次に、図６に示すように、サブアッシー作製工程Ｓ２を行う。この工程では、図７に示すように、中間梁材１５に、複数の補機のうち特定の補機であるウォーターポンプ４２を、ブラケット１７を介して取付けることにより、サブアッシー１６を作製する。本実施形態では、中間梁材１５にブラケット１７をボルトで片持ち状態に固定し、ブラケット１７の下方にウォーターポンプ４２を吊下げた状態で固定する。

次に、図６に示すように、サブアッシー取付け工程Ｓ３を行う。ここで、フレーム１０は、図７等に示すように、外枠の一部である一対の上梁１１Ｃ、１３Ｃ同士をわたすように、一対の上梁１１Ｃと上梁１３Ｃに固定された固定梁１８を、さらに備えている。固定梁１８は、中間梁材１５をフレーム１０に取付けた状態で、中間梁材１５と並んで配置される。本実施形態では、固定梁１８には、ブラケット１７の締結孔１７ａと締結される長孔状の固定孔１８ａが形成されている。

本実施形態では、特定の補機であるウォーターポンプ４２を除く複数の補機を取付けたフレーム１０に、ウォーターポンプ４２が吊下げられるように、サブアッシー１６の中間梁材１５を一対の上梁１１Ｃ、１３Ｃに取付ける。具体的には、上梁１１Ｃと上梁１３Ｃは対向する一対の上梁であり、中間梁材１５が上梁１１Ｃ、上梁１３Ｃ同士をわたすように、上梁１１Ｃと上梁１３Ｃに着脱自在にボルトで取付ける。なお、この工程より前に、フレーム１０内において、ウォーターポンプ４２を除く複数の補機をフレーム１０に取付けておく。

より具体的には、作業者は、サブアッシー１６の中間梁材１５を把持し、対向する一対の上梁１１Ｃ、１３Ｃの上方からフレーム１０にサブアッシー１６を配置する。このとき、中間梁材１５の固定孔１５ａと上梁１１Ｃ、１３Ｃの締結孔１３ｄとを位置合わせし、ブラケット１７の先端を固定梁１８に潜り込ませ、ブラケット１７の締結孔１７ａと、固定梁１８の長孔状の固定孔１８ａとが対向するように位置合わせする。

このようにして、位置合わせした状態で、中間梁材１５の固定孔１５ａと各上梁１１Ｃ、１３Ｃの締結孔１３ｄとにボルトを挿通し、中間梁材１５と各上梁１１Ｃ、１３Ｃを固定する。同様に、ブラケット１７の締結孔１７ａと、固定梁１８の長孔状の固定孔１８ａとにボルトを挿通し、ブラケット１７と固定梁１８とを固定する。

サブアッシー１６は、ウォーターポンプ４２を吊下げた状態で一体化されているため、突出している中間梁材１５を用いて取付け作業を行うことができる。このため、ウォーターポンプ４２を単体の取付け作業に比べて、作業効率が良い。さらに、サブアッシー１６の中間梁材１５を一対の上梁１１Ｃ、１３Ｃに取付けた状態で、ウォーターポンプ４２を、フレーム１０の所定の位置に配置することができる。ブラケット１７の先端と固定梁１８とを固定することで、片持ち状態のブラケット１７の両端が支持されるため、ウォーターポンプ４２の姿勢が安定する。これにより、サブアッシー１６の取付け作業が容易となる。

なお、中間梁材１５は、上梁１１Ｃ、１３Ｃに着脱自在に取付けられているため、ウォーターポンプ４２の点検時などには、ウォーターポンプ４２をサブアッシー１６とともにフレーム１０から容易に取出すことができる。

最後に、図６に示すように、スタック取付け工程Ｓ４を行う。この工程では、図９に示す状態から、フレーム１０の上部１０ｂに、燃料電池スタック１Ａ等を取付ける。その後、フレーム１０内に配置された複数の補機と、フレーム１０の上部１０ｂに載置された燃料電池スタック１Ａを、配管７やケーブル６等で接続し、図１に示す燃料電池モジュール１を得ることができる。

このようにして、ウォーターポンプ４２をフレーム１０の一対の上梁１１Ｃ、１３Ｃに吊下げて取付けたあと、燃料電池スタック１Ａをフレーム１０の上部１０ｂに取付けるため、燃料電池スタックの取付け作業が簡易にできる。フレーム１０内に複数の補機を収容することができるため、燃料電池モジュール１のスペース効率を高め、モジュールの小型化を図ることができる。

以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態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精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

たとえば、一対の上梁に取付ける工程の後、フレームの上部に、燃料電池スタックを取付ける例を示したが、燃料電池スタックはフレームの上部でなく、横方向に並べて取付けるようにしてもよい。小型で重量の大きい補機としてウォーターポンプの例を示したが、これに限られるものでなく、他の複数の補機に適用することができる。

この他にも、本実施形態では、ブラケットを介して、中間梁材にウォーターポンプを取付けたが、ウォーターポンプの姿勢が安定するのであれば、ウォーターポンプを中間梁材に直接取付けてもよい。

１：燃料電池モジュール、１Ａ：燃料電池スタック、１０：フレーム、１１Ｃ、１３Ｃ：一対の上梁、１５：中間梁材、１６：サブアッシー、１７：ブラケット、１８：固定梁、４２：ウォーターポンプ（特定の補機）

Claims (3)

1. 燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを駆動する複数の補機と、前記複数の補機を取付けるフレームと、を備えた燃料電池モジュールの製造方法であって、
   前記フレームの対向する一対の上梁同士をわたすように、前記一対の上梁に対して着脱自在となる中間梁材を準備する工程と、
   前記中間梁材に、前記複数の補機のうち特定の補機を取付けたサブアッシーを作製する工程と、
   前記特定の補機を除く前記複数の補機を取付けた前記フレームに、前記特定の補機が吊下げられるように、前記サブアッシーの前記中間梁材を前記一対の上梁に取付ける工程と、を少なくとも含む燃料電池モジュールの製造方法。
2. 前記フレームは、前記一対の上梁同士をわたすように、前記一対の上梁に対して固定された固定梁を備え、
   前記サブアッシーを作製する工程において、前記固定梁に固定されるブラケットを介して、前記中間梁材に前記特定の補機を取付け、
   前記一対の上梁に取付ける工程において、前記固定梁に前記ブラケットを取付けることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュールの製造方法。
3. 前記一対の上梁に取付ける工程の後、前記フレームの上部に、前記燃料電池スタックを取付けることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池モジュールの製造方法。

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