JP4140210B2 - 燃料電池 - Google Patents
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Description
【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)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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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