JP4140210B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に関し、詳しくは、単電池を複数積層してなる複数列の燃料電池スタックを有する燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の燃料電池としては、２列の燃料電池スタックを直列に接続してなるものが提案されている（例えば、特開２００１−７６７５１号公報など）。この燃料電池では、両端にエンドプレートが配置されて保持された燃料電池スタックを２列に並べて配置し、一方のエンドプレート側から燃料ガスや酸化ガス，冷却媒体の給排を行なっている。各燃料電池スタックは、連結部材により連結されており、それぞれが取り付け金具により車両に取り付けることができるようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうした燃料電池では、各燃料電池スタックが別体として構成されることにより、連結部材により連結しても各スタックに若干の移動や変形が生じる場合があった。この若干の移動や変形は、燃料ガスや酸化ガス，冷却媒体を給排する配管や電気系の配線などのスタックへの取り付け固定の安定性や取り付け精度を低下させてしまう。また、燃料電池の車両への安定した搭載を考えると、燃料電池スタック毎に車両に取り付けなければならず、取り付け工数も多くなってしまう。
【０００４】
本発明の燃料電池は、複数列の燃料電池スタックを一体として取り扱うことができるようにすることを目的の一つとする。また、本発明の燃料電池は、各燃料電池スタックに流体を給排する配管などの取り付け固定の安定性と取り付け精度の向上を図ることを目的の一つとする。さらに、本発明の燃料電池は、車両への取り付け工数を少なくすることを目的の一つとする。あるいは、本発明の燃料電池は、燃料電池スタックに取り付けられたセンサの信号線の断線を防止することを目的の一つとする。
【０００５】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の燃料電池は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００６】
本発明の燃料電池は、
単電池を複数積層してなる複数列の燃料電池スタックを有する燃料電池であって、
前記複数列の燃料電池スタックの両端部に複数列にまたがるよう配置され、該複数列の燃料電池スタックを保持する一対の端部保持部材を備えることを要旨とする。
【０００７】
この本発明の燃料電池では、複数列の燃料電池スタックの両端を複数列にまたがるように配置された一対の端部保持部材により保持するから、複数列の燃料電池スタックを一体のものとして取り扱うことができる。したがって、一対の端部保持部材に各燃料電池スタックに流体を給排する配管などを取り付けるものとすれば、取り付け固定の安定性や取り付け精度の向上を図ることができる。また、複数列の燃料電池スタックを一体のものとして扱うことができるから、燃料電池を車両へ搭載する場合、その取り付け工数を少なくすることができる。なお、一対の端部保持部材は、例えば一対の板状部材として形成することができる。
【０００８】
こうした本発明の燃料電池において、前記一対の端部保持部材は、車両に搭載用の取り付け部が設けられてなるものとすることもできる。こうすれば、一対の端部保持部材により燃料電池を車両へ取り付けることができる。
【０００９】
また、本発明の燃料電池において、前記一対の端部保持部材の一方側から前記複数列の燃料電池スタックに流体を給排する流体給排手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、一方の端部保持部材におけるシールの構成を考慮するだけで全体の高いシール性を確保することができる。この態様の本発明の燃料電池において、前記流体給排手段は、一方の電極側に供給する第１の燃料を給排する第１燃料給排手段と、他方の電極側に供給する第２の燃料を給排する第２燃料給排手段と、前記燃料電池スタックを冷却する冷却媒体を給排する冷却媒体給排手段とを備えるものとすることもできる。
【００１０】
こうした流体給排手段を備える態様の本発明の燃料電池において、絶縁性材料により所定の厚みの板状部材として形成され前記一対の端部保持部材の一方と前記複数列の燃料電池スタックとの間に配置された絶縁部材を備えるものとすることもできる。こうすれば、燃料電池に短絡回路が構成されたときの短絡電流を小さくすることができる。この態様の本発明の燃料電池において、前記流体給排手段は、水を給排する水給排手段を備え、前記所定の厚みは、前記燃料電池スタックに取り付けられたセンサの信号線と前記絶縁部材に設けられた水給排用の通路の水とを短絡回路の一部に含んで燃料電池が短絡したときに前記信号線に流れる電流が該信号線を断線させない範囲内の電流値となる厚みであるものとすることもできる。こうすれば、信号線の断線を防止することができる。なお、「所定の厚み」は、３ｍｍ以上の厚みとすることもできる。
【００１１】
また、流体給排手段を備える態様の本発明の燃料電池において、前記一対の端部保持部材の他方側の内側に配置され、前記複数列の燃料電池スタックの各々に積層方向の圧力を作用させる圧力作用部材を備えるものとすることもできる。こうすれば、燃料電池スタックの内部抵抗を小さくするための圧力を作用させることができる。また、圧力作用部材は流体給排手段による流体の燃料電池スタックへの給排と逆側に配置されるから、流体給排手段による流体の給排の高い安定性と高い取り付け性を確保することができる。この態様の本発明の燃料電池において、前記圧力作用部材は複数の皿バネであるものとすることもできる。
【００１２】
本発明の燃料電池において、導電性材料により板状に形成され、前記隣接する燃料電池スタックの端部の前記端部保持部材の内側に該隣接する燃料電池スタックにまたがるよう配置され、該隣接する燃料電池スタックを電気的に直列接続する直列接続部材を備えるものとすることもできる。こうすれば、簡易な構成で複数の燃料電池スタックを直列に接続することができる。
【００１３】
流体給排手段と直列接続部材とを備える態様の本発明の燃料電池において、前記複数列の燃料電池スタックは２列の燃料電池スタックであり、前記直列接続部材は前記一対の端部保持部材の一方側に取り付けられてなるものとすることもできる。こうすれば、端部保持部材の他方側、即ち流体給排手段による流体の給排をしない端部保持部材側から電力の取り出しを行なうことができる。したがって、電気配線の配置の自由度を高くすることができる。この態様の本発明の燃料電池において、前記一対の端部保持部材の他方側に配置されて電力を供給可能な正負一対の出力端子を備えるものとすることもできる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は本発明の一実施例である燃料電池２０の概略を示す概略平面図であり、図２は図１の燃料電池２０におけるＡ−Ａ断面を示す断面図である。実施例の燃料電池２０は、図示するように、単電池２１を複数積層してなる２列の燃料電池スタック２２ａ，２２ｂと、この２列の燃料電池スタック２２ａ，２２ｂの両端に２列にまたがるよう配置された一対のエンドプレート２４，２６と、この一対のエンドプレート２４，２６を２列の燃料電池スタック２２ａ，２２ｂの上面および下面で差し渡す４枚のテンションプレート２８ａ，２８ｂ，２９ａ，２９ｂと、２列の燃料電池スタック２２ａ，２２ｂへ燃料としての水素や酸化剤としての空気，冷却水を給排する燃料等給排配管４０と、２列の燃料電池スタック２２ａ，２２ｂに積層方向の圧力を作用させる圧力作用機構５０とを備える。
【００１５】
２列の燃料電池スタック２２ａ，２２ｂは、エンドプレート２４と同様に２列の燃料電池スタック２２ａ，２２ｂにまたがるようにエンドプレート２４側の端部に配置された板状のターミナルプレート３２により電気的に直列接続されており、燃料電池スタック２２ａのエンドプレート２６側の端部に設けられたプラス側の出力端子３８と同じく燃料電池スタック２２ｂのエンドプレート２６側の端部に設けられたマイナス側の出力端子３９とから電力を取り出すことができるようになっている。
【００１６】
エンドプレート２４とターミナルプレート３２との間には、絶縁性材料（例えば樹脂）により形成された板状のインシュレータ３４が配置されており、エンドプレート２４とターミナルプレート３２とを絶縁している。エンドプレート２４とターミナルプレート３２とインシュレータ３４には、２列の燃料電池スタック２２ａ，２２ｂへ水素や空気，冷却水を供給するための計６個の供給孔と、２列の燃料電池スタック２２ａ，２２ｂから水素や空気，冷却水を排出するための計６個の排出孔とが形成されている。図示しないが、２列の燃料電池スタック２２ａ，２２ｂには、それぞれ積層方向に貫通する６個の流路が形成されており、各流路のエンドプレート２４側の位置はエンドプレート２４やターミナルプレート３２，インシュレータ３４に形成された計１２個の孔（６個の供給孔と６個の排出孔）に連結されている。したがって、燃料等給排配管４０をエンドプレート２４の６個の供給孔と６個の排出孔とに接続し、水素や空気，冷却水を供給することにより２列の燃料電池スタック２２ａ，２２ｂは発電し、燃料電池２０から電力を取り出すことができるようになる。
【００１７】
図３は燃料電池スタック２２ａのエンドプレート２６側の圧力作用機構５０を中心に拡大して示す拡大説明図である。図示するように、圧力作用機構５０は、燃料電池スタック２２ａの端部に配置された板状のインシュレータ３６とエンドプレート２６との間に配置されており、インシュレータ３６を介して燃料電池スタック２２ａに積層方向に圧力を作用させる圧力作用プレート５１と、圧力作用プレート５１に力を作用させる第１皿バネ５２と、第１皿バネ５２の反対側の力を受け止める力受止部材５３と、力受止部材５３の力を受け止めると共に燃料電池スタック２２ａの圧力を調節するスクリュー部材５４と、スクリュー部材５４の力を受け止めるストッパ５５と、ストッパ５５とエンドプレート２６とに介在する第２皿バネ５６とにより構成されている。なお、こうした圧力作用機構５０は、燃料電池スタック２２ｂにも取り付けられている。
【００１８】
図２に示すように、エンドプレート２４の下部の中央の１箇所とエンドプレート２６の下部の両サイドの２箇所には、取り付け金具６２〜６６が取り付けられており、この３点で燃料電池２０を車両に取り付けることができるようになっている。なお、実施例では、３個の取り付け金具６２〜６６により車両に取り付けるものとしたが、ゴムマウントにより車両にマウントするものとしてもよいのは勿論である。
【００１９】
以上説明した実施例の燃料電池２０によれば、一対のエンドプレート２４，２６を２列の燃料電池スタック２２ａ，２２ｂの両端を２列にまたがるように配置して２列の燃料電池スタック２２ａ，２２ｂを保持するから、２列の燃料電池スタック２２ａ，２２ｂを一体のものとして取り扱うことができる。この結果、燃料等給排配管４０の取り付け固定の安定性や取り付け精度の向上を図ることができる。このように２列の燃料電池スタック２２ａ，２２ｂを一体のものとして扱うことができるから、一対のエンドプレート２４，２６の３点に設けられた取り付け金具６２〜６６により燃料電池２０を車両へ取り付けることができる。したがって、燃料電池スタック毎に車両に取り付けるものに比して、その取り付け工数を少なくすることができる。
【００２０】
実施例の燃料電池２０によれば、エンドプレート２４側にターミナルプレート３２を配置して２列の燃料電池スタック２２ａ，２２ｂを直列接続すると共にエンドプレート２４側に燃料等給排配管４０を取り付けるものとしたから、水素や空気，冷却水を同電位部に給排することができる。この結果、異なる電位の部位に水を供給することにより生じ得る水の加水分解を防止することができると共に電気的なロスを小さくすることができる。こうした配置により燃料電池２０の出力端子３８，３９は、燃料等給排配管４０と反対側のエンドプレート２６側に取り付けられるから、電力用の配線の設計の自由度を高くすることができる。
【００２１】
実施例の燃料電池２０によれば、エンドプレート２４側に燃料等給排配管４０を取り付けると共に反対側のエンドプレート２６側に圧力作用機構５０を取り付けるものとしたから、燃料等給排配管４０の取り付けに対して２列の燃料電池スタック２２ａ，２２ｂへ作用させる圧力の調整などによるスタックの変位を考慮する必要がない。この結果、燃料等給排配管４０の取り付け性を向上させることができると共に簡易な構成で水素や空気，冷却水のシール性を確保することができる。
【００２２】
図４は、燃料電池スタック２２ａに形成されている冷却水の流路のエンドプレート２４近傍の部位の拡大断面図である。前述したように、燃料電池スタック２２ａのエンドプレート２４側の端部には、ターミナルプレート３２とインシュレータ３４とがエンドプレート２４との間に配置されている。インシュレータ３４は、燃料電池スタック２２ａに取り付けられたセンサの信号線（例えば単電池の電圧を検出するための信号線）とインシュレータ３４の流路３４ａにおける水とを短絡回路の一部に含んで短絡したときに、信号線に流れる電流が信号線を断線させない範囲内の電流値となる厚みαに形成されている。図５は、短絡回路を電気的に説明する回路図である。燃料電池スタック２２ａは、通常、エンドプレート２６側に配置されたインシュレータ３６により絶縁されている。いま、燃料電池スタック２２ａがスタックに取り付けられた信号線とテンションプレート２８ａとインシュレータ３４の流路３４ａの冷却水とにより短絡したときを考える。このとき、信号線に流れる電流は、インシュレータ３４の流路３４ａの冷却水の抵抗値によって定まる。この抵抗値は、流路３４ａの長さ、即ちインシュレータ３４の厚みαによって定まる。実施例の燃料電池２０では、実験などに基づいてインシュレータ３４を３ｍｍ以上の厚さで形成することにより、短絡電流による信号線の断線を防止している。なお、インシュレータ３４の厚みαは、用いる信号線の材質や断面積，冷却水の性状などによって定まるものである。
【００２３】
以上説明した実施例の燃料電池２０によれば、燃料等給排配管４０が取り付けられるエンドプレート２４側に絶縁性材料によりスタックに取り付けられたセンサなどの信号線によって定まる所定の厚みの板状部材として形成されたインシュレータ３４を配置することにより、信号線を回路の一部として短絡しても信号線が破断するのを防止することができる。
【００２４】
実施例の燃料電池２０では、２列の燃料電池スタック２２ａ，２２ｂの両端に２列にまたがるように一対のエンドプレート２４，２６を配置するものとしたが、４列や６列などの複数列の燃料電池スタックの両端に複数列にまたがるよう一対のエンドプレートを配置するものとしてもよい。
【００２５】
実施例の燃料電池２０では、燃料電池２０を車両に搭載するものとして説明したが、燃料電池２０を車両に搭載しないものとしても差し支えない。
【００２６】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である燃料電池２０の概略を示す概略平面図である。
【図２】図１の燃料電池２０におけるＡ−Ａ断面を示す断面図である。
【図３】燃料電池スタック２２ａのエンドプレート２６側の圧力作用機構５０を中心に拡大して示す拡大説明図である。
【図４】燃料電池スタック２２ａに形成されている冷却水の流路のエンドプレート２４近傍の部位の拡大断面図である。
【図５】短絡回路を電気的に説明する回路図である。
【符号の説明】
２０ 燃料電池、２１ 単電池、２２ａ，２２ｂ 燃料電池スタック、２４，２６ エンドプレート、２８ａ，２８ｂ，２９ａ，２９ｂ テンションプレート、３２ ターミナルプレート、３４，３６ インシュレータ、３４ａ 流路、３８，３９ 出力端子、４０ 燃料等給排配管、５０ 圧力作用機構、５１ 圧力作用プレート、５２ 第１皿バネ、５３ 力受止部材、５４ スクリュー部材、５５ ストッパ、５６ 第２皿バネ、６２〜６４ 取り付け金具。

Claims (9)

1. 単電池を複数積層してなる複数列の燃料電池スタックを有する燃料電池であって、
   前記複数列の燃料電池スタックの両端部に複数列にまたがるよう配置され、該複数列の燃料電池スタックを保持する一対の端部保持部材と、
   前記一対の端部保持部材の一方側から前記複数列の燃料電池スタックに流体を給排する流体給排手段と、
   導電性材料により板状に形成され、前記複数列の燃料電池スタックの前記流体給排手段側の端部保持部材の内側に前記複数列の燃料電池スタックのうち隣接する燃料電池スタックにまたがるよう配置されて該隣接する燃料電池スタックを電気的に直列接続すると共に前記複数列の燃料電池スタックへの前記流体供給手段による流体の給排を同電位とする直列接続部材と、
   絶縁性材料により所定の厚みの板状部材として形成され、前記一対の端部保持部材の一方と前記複数列の燃料電池スタックとの間に配置された絶縁部材と、
   前記流体給排手段は、水を給排する水給排手段と、
   を備え、
   前記所定の厚みは、前記燃料電池スタックに取り付けられたセンサの信号線と前記絶縁部材に設けられた水給排用の通路の水とを短絡回路の一部に含んで燃料電池が短絡したときに、前記信号線に流れる電流が該信号線を断線させない範囲内の電流値となる厚みである、
   燃料電池。
2. 前記一対の端部保持部材は一対の板状部材である請求項１記載の燃料電池。
3. 前記一対の端部保持部材は、車両に搭載用の取り付け部が設けられてなる請求項１または２記載の燃料電池。
4. 前記流体給排手段は、一方の電極側に供給する第１の燃料を給排する第１燃料給排手段と、他方の電極側に供給する第２の燃料を給排する第２燃料給排手段と、前記燃料電池スタックを冷却する冷却媒体を給排する冷却媒体給排手段とを備える請求項１ないし３いずれか記載の燃料電池。
5. 前記所定の厚みは、３ｍｍ以上の厚みである請求項１ないし４いずれか記載の燃料電池。
6. 前記一対の端部保持部材の他方側の内側に配置され、前記複数列の燃料電池スタックの各々に積層方向の圧力を作用させる圧力作用部材を備える請求項１ないし５いずれか記載の燃料電池。
7. 前記圧力作用部材は複数の皿バネである請求項６記載の燃料電池。
8. 前記一対の端部保持部材の他方側に配置されて電力を供給可能な正負一対の出力端子を備える請求項１ないし７いずれか記載の燃料電池。
9. 前記複数列の燃料電池スタックは、２列の燃料電池スタックである請求項１ないし８いずれか記載の燃料電池。

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