JP4528387B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される単位燃料電池セルが、セパレータを介して水平方向に複数個積層された燃料電池スタックを備える車載用燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設して構成された単位燃料電池セルを、セパレータによって挟持することにより構成されている。この固体高分子型燃料電池は、通常、単位燃料電池セルおよびセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この種の燃料電池スタックにおいて、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、水素ガスは、触媒電極上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、酸素ガスあるいは空気が供給されているために、このカソード側電極において、前記水素イオン、前記電子および酸素ガスが反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、上記の燃料電池スタックを車両等に搭載して使用する場合、所望の電力を得るために相当に多数の単位燃料電池セルが必要となる。その際、相当数の単位燃料電池セルを積層して単一の燃料電池スタックを構成しようとすると、前記単位燃料電池セルの積層方向の長さが相当に長尺化し、燃料ガスを各単位燃料電池セルに対して均等に供給することができない等の不具合が生じてしまう。そこで、複数の燃料電池スタックを互いに平行に配列し、前記燃料電池スタック同士を電気的に直列に接続して構成される燃料電池システムが採用されている。
【０００５】
この種の燃料電池システムでは、互いに平行に配列された燃料電池スタック同士を電気的に直列に接続する際、その接続構造を簡素化するために種々の工夫がなされている。例えば、特開平８−１７１９２６号公報では、互いに並列される燃料電池スタックのそれぞれの積層端の電気極性を異なる極性にし、一方の積層端には係合凸部が形成された端子板が設けられるとともに、他方の積層端には前記係合凸部に係合可能な係合凹部が形成された端子板が設置されている。
【０００６】
このため、各端子板の係合凸部と係合凹部とを係合させるだけで、互いに並列されている燃料電池スタック同士を電子的に直列に接続することができるとともに、前記端子板の厚さ分だけ互いに積層方向にスライド可能となっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術では、一方の端子板に設けられた係合凸部と他方の端子板に設けられた係合凹部とを係合させることにより、前記端子板の厚さ分だけ積層方向にのみスライド可能であるため、特に燃料電池システムを車両等に搭載することが困難なものとなっている。
【０００８】
すなわち、車両等では、走行時の振動、加速度の変化、あるいは停止と起動の繰り返し等により、燃料電池システムに種々の方向に対して揺れが発生し易い。このため、互いに並列されている燃料電池スタックの相対的な位置ずれが発生してしまい、各燃料電池スタックの積層端に設置されている端子板に応力が作用するという問題が指摘されている。
【０００９】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、互いに平行に配置される燃料電池スタックに振動等が生じた際に、前記燃料電池スタック同士の接続部位に応力が作用することを、簡単な構成で確実に阻止することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池システムでは、第１および第２燃料電池スタックが互いに並列に配列された状態で、互いに隣接する端部電極の正極と負極の方向が逆向きに設定されており、前記第１および第２燃料電池スタックの同一側の一端部鉛直面に、一方が正極で他方が負極である第１および第２電力取り出し端子が設けられている。第１および第２燃料電池スタックの同一側の他端部鉛直面の内方には、第１および第２導電プレートが組み込まれており、前記第１および第２導電プレートに設けられ、前記第１および第２燃料電池スタックの上側または下側にかつ互いに近接して延在する第１および第２接続板部が、可撓性接続体を介して電気的に接続されている。
【００１１】
このように、第１および第２燃料電池スタックの同一側に設けられる第１および第２導電プレートから第１および第２接続板部が互いに近接して延在している。このため、第１および第２接続板部を接続する可撓性接続体を有効に短尺化することができ、電力損失の低減を容易に図ることができる。
【００１２】
しかも、第１および第２接続板部が可撓性接続体を介して電気的に接続されている。従って、特に車両等の振動によって第１および第２燃料電池スタックに相対的な位置ずれが発生した際にも、可撓性接続体が容易に変形するため、電気接続部位に応力が発生することを確実に阻止することが可能になる。
【００１３】
また、第１および第２接続板部は、第１および第２燃料電池スタックの上側または下側に配置されている。このため、例えば、第１および第２燃料電池スタックの上部側に物品が接触して漏電するおそれがある際には、前記第１および第２燃料電池スタックの下側に第１および第２接続板部を設けることにより、漏電の発生を有効に阻止することができる。
【００１４】
さらにまた、第１および第２燃料電池スタックの下側または上側のスペースを有効利用することができるとともに、前記第１および第２燃料電池スタックの下側または上側に突出部分が存在することがなく、周辺機器のレイアウトの自由度が向上する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０の概略斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池システム１０の側面説明図である。
【００１６】
燃料電池システム１０は、水平方向（矢印Ａ方向）に沿って互いに平行に配列される第１燃料電池スタック１２と第２燃料電池スタック１４とを備える。第１および第２燃料電池スタック１２、１４の同一側の一端部鉛直面を構成する第１エンドプレート１６、１８には、正極である第１電力取り出し端子２０および負極である第２電力取り出し端子２２が設けられる。
【００１７】
第１および第２燃料電池スタック１２、１４の同一側の他端部鉛直面である第２エンドプレート２４、２６側には、前記第１および第２燃料電池スタック１２、１４に対して燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体の供給と排出を行うための配管機構２８が組み込まれる。第１および第２燃料電池スタック１２、１４は、取り付け機構３０を介して車両を構成する取り付けプレート３１に固定される。
【００１８】
第１燃料電池スタック１２は、図３および図４に示すように、単位燃料電池セル３２と、この単位燃料電池セル３２を挟持する第１および第２セパレータ３４、３６とを備え、これらが複数組だけ水平方向（矢印Ａ方向）に積層されている。第１燃料電池スタック１２は、全体として直方体状を有しており、短辺方向（矢印Ｂ方向）が重力方向に指向するとともに、長辺方向（矢印Ｃ方向）が水平方向に指向して配置される。
【００１９】
単位燃料電池セル３２は、固体高分子電解質膜３８と、この電解質膜３８を挟んで配設されるカソード側電極４０およびアノード側電極４２とを有するとともに、前記カソード側電極４０および前記アノード側電極４２には、例えば、多孔質層である多孔質カーボンペーパ等からなる第１および第２ガス拡散層４４、４６が配設される。
【００２０】
単位燃料電池セル３２の両側には、第１および第２ガスケット４８、５０が設けられ、前記第１ガスケット４８は、カソード側電極４０および第１ガス拡散層４４を収納するための大きな開口部５２を有する一方、前記第２ガスケット５０は、アノード側電極４２および第２ガス拡散層４６を収納するための大きな開口部５４を有する。単位燃料電池セル３２と第１および第２ガスケット４８、５０とが、第１および第２セパレータ３４、３６によって挟持される。
【００２１】
第１セパレータ３４は、カソード側電極４０に対向する面３４ａおよび反対側の面３４ｂが長方形状に設定されており、例えば、長辺５５ａが水平方向に指向するとともに、短辺５５ｂが重力方向に指向して配置される。
【００２２】
第１セパレータ３４の短辺５５ｂ側の両端縁部上部側には、酸素ガスまたは空気である酸化剤ガスを通過させるための酸化剤ガス入口５６ａと、水素ガス等の燃料ガスを通過させるための燃料ガス入口５８ａとが、上下方向に長尺形状を有して設けられる。第１セパレータ３４の短辺５５ｂ側の両端縁部下部側には、酸化剤ガス出口５６ｂと燃料ガス出口５８ｂとが、酸化剤ガス入口５６ａおよび燃料ガス入口５８ａと対角位置になるようにかつ上下方向に長尺形状を有して設けられている。
【００２３】
第１セパレータ３４の長辺５５ａの下端部には、矢印Ｃ方向に長尺な４つの冷却媒体入口６０ａ〜６０ｄが設けられるとともに、この第１セパレータ３４の長辺５５ａ側の上部には、同様に、矢印Ｃ方向に長尺な４つの冷却媒体出口６０ｅ〜６０ｈが設けられる。冷却媒体入口６０ａ〜６０ｄには、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体が供給される。第１セパレータ３４の面３４ａには、酸化剤ガス入口５６ａに連通する１０本のそれぞれ独立した第１酸化剤ガス流路溝６２が、水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって設けられる。第１酸化剤ガス流路溝６２が２本ずつ第２酸化剤ガス流路溝６５に合流し、５本のそれぞれ独立した前記第２酸化剤ガス流路溝６５が酸化剤ガス出口５６ｂに連通する。第１セパレータ３４には、タイロッド挿通用の孔部６３が６箇所に形成されている。
【００２４】
第２セパレータ３６は長方形状に形成されており、この第２セパレータ３６の短辺６４ｂ側の両端縁部上部側には、酸化剤ガス入口６６ａおよび燃料ガス入口６８ａが貫通形成されるとともに、その両端縁部下部側には、酸化剤ガス出口６６ｂおよび燃料ガス出口６８ｂが、前記酸化剤ガス入口６６ａおよび前記燃料ガス入口６８ａと対角位置になるように貫通形成されている。
【００２５】
第２セパレータ３６の長辺６４ａ側の下部には、矢印Ｃ方向に長尺な４つの冷却媒体入口７０ａ〜７０ｄが貫通形成され、この長辺６４ａ側の上部には、冷却媒体出口７０ｅ〜７０ｈが、同様に、矢印Ｃ方向に長尺に貫通形成される。
【００２６】
図５に示すように、第２セパレータ３６の面３６ａには、燃料ガス入口６８ａに連通して１０本の第１燃料ガス流路溝７２が形成され、この第１燃料ガス流路溝７２が５本の第２燃料ガス流路溝７３に連通し、前記第２燃料ガス流路溝７３が燃料ガス出口６８ｂに連通する。
【００２７】
図６に示すように、第２セパレータ３６の面３６ａとは反対側の面３６ｂには、冷却媒体入口７０ａ〜７０ｄと冷却媒体出口７０ｅ〜７０ｈにそれぞれ個別に連通する冷却媒体流路７４ａ〜７４ｄが重力方向に向かって設けられる。冷却媒体流路７４ａ〜７４ｄは、冷却媒体入口７０ａ〜７０ｄと冷却媒体出口７０ｅ〜７０ｈに連通するそれぞれ９本の第１流路溝７６ａ、７６ｂを備えるとともに、前記第１流路溝７６ａ、７６ｂ間には、それぞれ２本の第２流路溝７８が互いに重力方向に平行しかつ所定間隔ずつ離間して設けられる。第２セパレータ３６には、第１セパレータ３４と同様に、タイロッド挿通用の孔部６３が６箇所に設けられている。
【００２８】
図７に示すように、所定数だけ積層された単位燃料電池セル３２の積層方向両端には、ターミナルプレートである端子板８０と第１導電プレート８２とが配設される。端子板８０には、絶縁板８４を介して第１エンドプレート１６が積層されるとともに、この端子板８０に第１電力取り出し端子２０が装着される。
【００２９】
図８に示すように、第１電力取り出し端子２０は、円柱状の大径部８６の両端に小径なねじ部８８ａ、８８ｂを設けている。このねじ部８８ａは、端子板８０に形成された孔部９０を通って第１セパレータ３４の酸化剤ガス入口５６ａ内に突出し、前記ねじ部８８ａにナット部材９２が螺着される。大径部８６の肩部には、端子板８０との間のシール性を向上させるためにシール部材９４が介装されるとともに、前記大径部８６の外周と第１エンドプレート１６に形成された孔部９６との間に絶縁リング９８が介装される。
【００３０】
図９に示すように、第１導電プレート８２は、第２セパレータ３６とほぼ同一形状、すなわち、長方形状に設定されており、短辺側の両端縁部には、酸化剤ガス入口１００ａ、燃料ガス入口１０２ａおよび酸化剤ガス出口１００ｂ、燃料ガス出口１０２ｂが互いに対角位置に設けられている。第１導電プレート８２の長辺側下部および上部には、それぞれ４つの冷却媒体入口１０４ａ〜１０４ｄと冷却媒体出口１０４ｅ〜１０４ｈが設けられるとともに、タイロッド挿通用の孔部６３が６箇所に形成されている。
【００３１】
第１導電プレート８２には、第１燃料電池スタック１２の下側にかつ第２燃料電池スタック１４に近接して延在する第１接続板部１０６が設けられる。第１接続板部１０６には、下方に突出して２本のボルト部１０８ａ、１０８ｂが設けられ、このボルト部１０８ａ、１０８ｂおよび第１導電プレート８２は、導電性を有する材料、例えば、ＳＵＳや銅等で構成されている。図７に示すように、第１導電プレート８２には、絶縁板１１０、蓋板１１２およびシール部材１１４を介して第２エンドプレート２４が積層される。
【００３２】
図１０および図１１に示すように、第２エンドプレート２４は長方形状に構成されており、その短辺側の両端縁部上部側には、酸化剤ガス入口１２０ａと燃料ガス入口１２２ａとが貫通形成されるとともに、その短辺側の両端縁部下部側には、酸化剤ガス出口１２０ｂと燃料ガス出口１２２ｂとが前記酸化剤ガス入口１２０ａおよび前記燃料ガス入口１２２ａと対角位置になるように設けられる。
【００３３】
第１エンドプレート２４の内側の面２４ａには、第２セパレータ３６の冷却媒体入口７０ａ〜７０ｄに連通する第１冷却媒体流路溝１２４ａ〜１２４ｄと、前記第２セパレータ３６の冷却媒体出口７０ｅ〜７０ｈに連通する第２冷却媒体流路溝１２４ｅ〜１２４ｈが、水平方向に長尺でかつ所定の深さを有して形成される。第１冷却媒体流路溝１２４ａ〜１２４ｄは、それぞれ１２本の第１溝部１２６ａの端部に連通する。第１溝部１２６ａは、互いに平行に上方に延在した後、それぞれ２本ずつ合流して第２溝部１２６ｂが設けられ、前記第２溝部１２６ｂがそれぞれ２本ずつ第３溝部１２６ｃに合流して冷却媒体供給口１２８に連通する。
【００３４】
第２冷却媒体流路溝１２４ｅ〜１２４ｈは、同様にそれぞれ１２本の第１溝部１３０ａに連通し、前記第１溝部１３０ａが鉛直下方向に延在して第２溝部１３０ｂに２本ずつ合流する。第２溝部１３０ｂは、２本ずつ第３溝部１３０ｃに合流して冷却媒体排出口１３２に連通する。冷却媒体供給口１２８および冷却媒体排出口１３２には、図１０に示すように、供給管路１３４と排出管路１３６が連結されており、この供給管路１３４およびこの排出管路１３６が、第１燃料電池スタック１２の外方に所定の長さだけ突出している。第２エンドプレート２４には、タイロッド挿通用の孔部６３が６箇所に形成されている。
【００３５】
図７に示すように、第１燃料電池スタック１２は、締め付け機構１４０を介して積層方向（矢印Ａ方向）に一体的に締め付け固定される。締め付け機構１４０は、第１エンドプレート１６の外面側に設けられる液体チャンバ１４２と、この液体チャンバ１４２内に封入される非圧縮性の面圧付与用液体、例えば、シリコンオイル１４４と、第２エンドプレート２４の外面側に設けられ、前記第２エンドプレート２４を前記第１エンドプレート１６側に押圧するために水平方向に所定間隔ずつ離間して配置される３つの皿ばね１４６ａ〜１４６ｃとを備える。
【００３６】
液体チャンバ１４２を挟んで第１エンドプレート１６に対向してバックアッププレート１４８が配設され、このバックアッププレート１４８とアルミニウムまたはステンレススチールの薄板１５０との間に液体チャンバ１４２が構成される。皿ばね１４６ａ〜１４６ｃは、第２エンドプレート２４の面内に略等間隔ずつ離間して配置されるとともに、取り付け板１５２により支持される。取り付け板１５２から第１燃料電池スタック１２を貫通してバックアッププレート１４８に６本のタイロッド１５４が挿入される。タイロッド１５４の端部にナット１５６がねじ込まれることにより、第１燃料電池スタック１２が一体的に保持される。
【００３７】
図２および図１２に示すように、取り付け機構３０は、第１エンドプレート１６の下部側に一体的に設けられるブラケット部１６０ａ、１６０ｂと、第２エンドプレート２４の下部側にねじ止めされるマワントブラケット１６２ａ、１６２ｂとを備える。ブラケット部１６０ａ、１６０ｂには、第１燃料電池スタック１２の積層方向（矢印Ａ方向）に長尺な長孔１６４ａ、１６４ｂが形成される一方、マウントブラケット１６２ａ、１６２ｂに孔部１６６ａ、１６６ｂが形成される。
【００３８】
長孔１６４ａ、１６４ｂおよび孔部１６６ａ、１６６ｂには、それぞれゴムマウント１６８が配置される。ゴムマウント１６８は、上下にねじ部１７０ａ、１７０ｂが設けられており、上部に突出する前記ねじ部１７０ａにカラー１７２が配置されてこのカラー１７２がここから長孔１６４ａ、１６４ｂに挿入されるとともに、該ねじ部１７０ａにナット１７４が螺合される。マウントブラケット１６２ａ、１６２ｂ側では、ゴムマウント１６８のねじ部１７０ａが孔部１６６ａ、１６６ｂに挿入されてその先端部にナット１７４が螺合される。ゴムマウント１６８の下部側に突出するねじ部１７０ｂは、取り付けプレート３１に挿入されてナット１７６が螺合されることにより、第１燃料電池スタック１２を車両等に固定する。
【００３９】
図１３に示すように、第２燃料電池スタック１４は、上述した第１燃料電池スタック１２とは対称的に構成されるとともに、電解質膜３８に対してカソード側電極４０とアノード側電極４２とが逆側に配置されており、第１エンドプレート１８側に負極である第２電力取り出し端子２２が設けられる（図１４参照）。第２燃料電池スタック１４は、基本的には第１燃料電池スタック１２と同様に構成されており、同一の構成要素には同一の参照符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００４０】
図１５に示すように、第２燃料電池スタック１４は、第２導電プレート１８０を備えており、この第２導電プレート１８０には、前記第２燃料電池スタック１４の下側に延在しかつ第１燃料電池スタック１２に設けられている第１導電プレート８２の第１接続板部１０６に近接する第２接続板部１８２を設けている。第１および第２接続板部１０６、１８２には、それぞれ一対のボルト部１０８ａ、１０８ｂと１８４ａ、１８４ｂとが設けられている。
【００４１】
ボルト部１０８ａと１８４ａおよびボルト部１０８ｂと１８４ｂには、それぞれ可撓性接続体、例えば、撚り線１８６ａ、１８６ｂが接続される。撚り線１８６ａ、１８６ｂは、多数の細線状の導線を網状に撚ることにより構成されており、それぞれゴムカバー１８８ａ、１８８ｂにより覆われている。なお、所望の可撓性を有するものであれば、撚り線１８６ａ、１８６ｂに代替して、ケーブル等の接続体を使用してもよい。
【００４２】
図１３に示すように、第１および第２燃料電池スタック１２、１４を構成する第２エンドプレート２４、２６には、それぞれ燃料ガス入口１２２ａと酸化剤ガス出口１２０ｂとが互いに近接する位置に配置されており、この第２エンドプレート２４、２６に配管機構２８が組み込まれる。
【００４３】
図１および図１６に示すように、配管機構２８は、互いに並設される第１および第２燃料電池スタック１２、１４を構成する第２エンドプレート２４、２６の各燃料ガス入口１２２ａを覆って前記第２エンドプレート２４、２６に一体的に固定される第１ブラケット１９０を備える。この第１ブラケット１９０には、各燃料ガス入口１２２ａにそれぞれ連通する燃料ガス供給管１９２ａ、１９２ｂが設けられ、前記燃料ガス供給管１９２ａ、１９２ｂが合流して燃料ガス供給口１９４に連通する。
【００４４】
第２エンドプレート２４、２６には、各酸化剤ガス出口１２０ｂを覆って第２ブラケット１９６が固定される。この第２ブラケット１９６に設けられ酸化剤ガス出口１２０ｂにそれぞれ連通する酸化剤ガス排出管１９８ａ、１９８ｂの先端部が、酸化剤ガス排出口２００に一体的に連通する。
【００４５】
第２エンドプレート２４、２６には、それぞれの酸化剤ガス入口１２０ａおよび燃料ガス出口１２２ｂを覆って第３および第４ブラケット２０２、２０４が固定される。第３および第４ブラケット２０２、２０４には、酸化剤ガス入口１２０ａに連通する酸化剤ガス供給管２０６の両端が連通するとともに、この酸化剤ガス供給管２０６の途上に酸化剤ガス供給口２０８が設けられる。第３および第４ブラケット２０２、２０４には、燃料ガス出口１２２ｂに連通する燃料ガス排出管２１０の両端が連通し、この燃料ガス排出管２１０の途上に燃料ガス排出口２１２が設けられる。
【００４６】
第２エンドプレート２４、２６に設けられている各供給管路１３４に冷却媒体供給管２１４の両端が連結され、この冷却媒体供給管２１４に冷却媒体供給口２１６が設けられる。第２エンドプレート２４、２６に設けられている各排出管路１３６に冷却媒体排出管２１８が連結されるとともに、この冷却媒体排出管２１８に冷却媒体排出口２２０が設けられる。
【００４７】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
【００４８】
図１に示すように、燃料電池システム１０には、燃料ガス供給口１９４から燃料ガス（例えば、炭化水素を改質した水素を含むガス）が供給されるとともに、酸化剤ガス供給口２０８に酸化剤ガスとして空気または酸素ガス（以下、単に空気という）が供給される。さらに、冷却媒体供給口２１６に冷却媒体が供給される。
【００４９】
燃料ガス供給口１９４に供給された燃料ガスは、燃料ガス供給管１９２ａ、１９２ｂを通って第１および第２燃料電池スタック１２、１４を構成する第２エンドプレート２４、２６の各燃料ガス入口１２２ａに送られ、さらに第２セパレータ３６の各燃料ガス入口６８ａから第１燃料ガス流路溝７２に導入される。図５に示すように、第１燃料ガス流路溝７２に供給された燃料ガスは、第２セパレータ３６の面３６ａに沿って水平方向に蛇行しながら重力方向に移動する。
【００５０】
その際、燃料ガス中の水素ガスは、第２ガス拡散層４６を通って単位燃料電池セル３２のアノード側電極４２に供給される。そして、未使用の燃料ガスは、第１燃料ガス流路溝７２に沿って移動しながらアノード側電極４２に供給される一方、未使用の燃料ガスが第２燃料ガス流路溝７３を介して燃料ガス出口６８ｂから排出される。この未使用の燃料ガスは、第２エンドプレート２４、２６の各燃料ガス出口１２２ｂを通って燃料ガス排出管２１０に導入され、燃料ガス排出口２１２を介して燃料電池システム１０から排出される。
【００５１】
一方、酸化剤ガス供給口２０８に供給された空気は、酸化剤ガス供給管２０６を介して第２エンドプレート２４、２６に設けられた各酸化剤ガス入口１２０ａに送られ、さらに第１および第２燃料電池スタック１２、１４内に組み込まれた第１セパレータ３４の酸化剤ガス入口５６ａに供給される（図３参照）。第１セパレータ３４では、酸化剤ガス入口５６ａに供給された空気が面３４ａ内の第１酸化剤ガス流路溝６２に導入され、この第１酸化剤ガス流路溝６２に沿って水平方向に蛇行しながら重力方向に移動する。
【００５２】
その際、空気中の酸素ガスは、第１ガス拡散層４４からカソード側電極４０に供給される一方、未使用の空気が第２酸化剤ガス流路溝６５を介して酸化剤ガス出口５６ｂから排出される。この酸化剤ガス出口５６ｂに排出された空気は、第２エンドプレート２４、２６に設けられた酸化剤ガス出口１２０ｂから酸化剤ガス排出管１９８ａ、１９８ｂを介して酸化剤ガス排出口２００より排出される（図１参照）。
【００５３】
これにより、第１および第２燃料電池スタック１２、１４で発電が行われ、それぞれ特性の異なる第１および第２電力取り出し端子２０、２２間に接続される負荷、例えば、図示しないモータに電力が供給されることになる。
【００５４】
また、第１および第２燃料電池スタック１２、１４内は、冷却媒体により有効に冷却される。すなわち、冷却媒体供給口２１６に供給された冷却媒体は、冷却媒体供給管２１４から第２エンドプレート２４、２６に設けられている供給管路１３４に導入される。この冷却媒体は、図１１に示すように、第２エンドプレート２４、２６の冷却媒体供給口１２８に導入され、複数の第２溝部１２６ｂから第１溝部１２６ａを通って第１冷却媒体流路溝１２４ａ〜１２４ｄに送られる。
【００５５】
第１冷却媒体流路溝１２４ａ〜１２４ｄに導入された冷却媒体は、第２セパレータ３６の下部側に形成された冷却媒体入口７０ａ〜７０ｄに導入され、図６に示すように、前記冷却媒体入口７０ａ〜７０ｄに連通する冷却媒体流路７４ａ〜７４ｄを下方から上方に向かって移動する。冷却媒体流路７４ａ〜７４ｄを通って各単位燃料電池セル３２を冷却した冷却媒体は、冷却媒体出口７０ｅ〜７０ｈを通って第２エンドプレート２４、２６の第２冷却媒体流路溝１２４ｅ〜１２４ｈに導入される（図１１参照）。この第２冷却媒体流路溝１２４ｅ〜１２４ｈに導入された冷却媒体は、第１溝部１３０ａから第２溝部１３０ｂを介して冷却媒体排出口１３２に送られ、排出管路１３６から冷却媒体排出管２１８を通って冷却媒体排出口２２０より排出される。
【００５６】
この場合、本実施形態では、第１および第２燃料電池スタック１２、１４がそれぞれ積層方向（矢印Ａ方向）に平行に配置されるとともに、互いに隣接する端部電極の正極と負極の方向が逆向きに設定されている。すなわち、第１および第２燃料電池スタック１２、１４では、単位燃料電池セル３２を構成するカソード側電極４０、電解質膜３８およびアノード側電極４２の配列順序が逆向きに設定されている。このため、それぞれ同一側の第１エンドプレート１６、１８からは、正極である第１電力取り出し端子２０と、負極である第２電力取り出し端子２２とが設けられており、前記第１および第２電力取り出し端子２０、２２にモータ等の図示しない負荷が容易に接続される。
【００５７】
また、第２エンドプレート２４、２６側には、それぞれ第１および第２導電プレート８２、１８０が組み込まれており、前記第１および第２導電プレート８２、１８０には、第１および第２燃料電池スタック１２、１４の下側にかつ互いに近接して延在する第１および第２接続板部１０６、１８２が設けられている（図１５参照）。従って、第１および第２接続板部１０６、１８２を電気的に接続するための長尺な導電部材が不要となり、短尺な撚り線１８６ａ、１８６ｂを介して簡単に接続することができ、電力損失を有効に低減し得るという効果がある。
【００５８】
さらに、第１および第２接続板部１０６、１８２が、可撓性接続体である撚り線１８６ａ、１８６ｂを介して接続されるため、特に燃料電池システム１０が車両等に搭載された状態で好適に使用される。すなわち、車両等には路面からの振動や加減速度の変更等によって種々の方向に揺れが発生し易く、燃料電池システム１０にこの揺れが伝わって第１および第２燃料電池スタック１２、１４の相対的な位置がずれ易い。
【００５９】
ここで、第１および第２導電プレート８２、１８０を電気的に接続するために可撓性接続体である撚り線１８６ａ、１８６ｂが設けられており、第１および第２燃料電池スタック１２、１４同士が互いに位置ずれを惹起しても、前記撚り線１８６ａ、１８６ｂが容易に変形するために前記第１および第２導電プレート８２、１８０に無理な力がかかることがない。これにより、第１および第２導電プレート８２、１８０の接続部位に発生する不具合を、簡単な構成で可及的に阻止することができるという効果が得られる。また、撚り線１８６ａ、１８６ｂには、ゴムカバー１８８ａ、１８８ｂが装着されており、前記撚り線１８６ａ、１８６ｂを有効に保護することが可能になる。
【００６０】
さらにまた、本実施形態では、第１および第２導電プレート８２、１８０に、第１および第２燃料電池スタック１２、１４の下側に延在して第１および第２接続板部１０６、１８２が設けられている。このため、燃料電池システム１０が、図１に示すような姿勢で車両等に搭載されると、第１および第２接続板部１０６、１８２に物品が接触することがなく、漏電の発生を有効に阻止することができるという利点がある。
【００６１】
しかも、燃料電池スタック１０の上部側には接続端子等の突出部が存在することがなく、この上部側のスペースを有効に活用することが可能になる。これにより、特にレイアウトの自由度が向上するという効果がある。
【００６２】
なお、燃料電池システム１０の上部側に物品が存在しない場合や、この燃料電池システム１０の下部側にスペースを確保したい場合には、第１および第２接続板部１０６、１８２をそれぞれ第１および第２燃料電池スタック１２、１４の上側に設けてもよい。
【００６３】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池システムでは、互いに隣接する端部電極の正極と負極の方向が逆向きに設定される第１および第２燃料電池スタックに、同一側に位置して第１および第２導電プレートが組み込まれるとともに、前記第１および第２導電プレートから互いに近接して設けられる第１および第２接続板部が可撓性接続板部を介して電気的に接続される。このため、車両等の振動によって第１および第２燃料電池スタックに相対的な位置ずれが惹起しても、電気接続部位に応力が作用することがない。しかも、可撓性接続体が大幅に短尺化されるため、電力損失を有効に低減することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池システムの側面説明図である。
【図３】前記燃料電池システムを構成する燃料電池スタックの要部分解斜視図である。
【図４】前記燃料電池スタックの要部縦断面説明図である。
【図５】前記燃料電池スタックを構成する第２セパレータの一方の面の正面説明図である。
【図６】前記第２セパレータの他方の面の正面説明図である。
【図７】前記燃料電池スタックの概略縦断面説明図である。
【図８】前記燃料電池スタックを構成する電力取り出し端子の接続構造を示す説明図である。
【図９】前記燃料電池スタックを構成する導電プレートの斜視説明図である。
【図１０】前記燃料電池スタック内の流体の流れを示す流路説明図である。
【図１１】前記燃料電池スタックを構成する第２エンドプレートの内方側の面の正面説明図である。
【図１２】前記燃料電池スタックの平面説明図である。
【図１３】前記燃料電池システムの配管機構を省略した正面説明図である。
【図１４】前記燃料電池システムの背面説明図である。
【図１５】前記燃料電池システムの下側を示す斜視説明図である。
【図１６】前記燃料電池システムの正面説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池システム １２、１４…燃料電池スタック
１６、１８、２４、２６…エンドプレート
２０、２２…電力取り出し端子 ２８…配管機構
３０…取り付け機構 ３２…単位燃料電池セル
３４、３６…セパレータ ３８…電解質膜
４０…カソード側電極 ４２…アノード側電極
５６ａ、６６ａ、１００ａ、１２０ａ…酸化剤ガス入口
５６ｂ、６６ｂ、１００ｂ、１２０ｂ…酸化剤ガス出口
５８ａ、６８ａ、１０２ａ、１２２ａ…燃料ガス入口
５８ｂ、６８ｂ、１０２ｂ、１２２ｂ…燃料ガス出口
６０ａ〜６０ｄ、７０ａ〜７０ｄ、１０４ａ〜１０４ｄ…冷却媒体入口
６０ｅ〜６０ｈ、７０ｅ〜７０ｈ、１０４ｅ〜１０４ｈ…冷却媒体出口
６２、６５…酸化剤ガス流路溝 ７２、７３…燃料ガス流路溝
７４ａ〜７４ｄ…冷却媒体流路 ８０…端子板
８２、１８０…導電プレート １０６、１８２…接続板部
１２４ａ〜１２４ｈ…冷却媒体流路溝
１３４…供給管路 １３６…排出管路
１４０…締め付け機構 １４２…液体チャンバ
１４６ａ〜１４６ｃ…皿ばね １６０ａ、１６０ｂ…ブラケット部
１６２ａ、１６２ｂ…マウントブラケット
１６８…ゴムマウント １８６ａ、１８６ｂ…撚り線
１８８ａ、１８８ｂ…ゴムカバー
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される単位燃料電池セルが、セパレータを介して水平方向に複数個積層された燃料電池スタックを備える車載用燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設して構成された単位燃料電池セルを、セパレータによって挟持することにより構成されている。この固体高分子型燃料電池は、通常、単位燃料電池セルおよびセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この種の燃料電池スタックにおいて、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、水素ガスは、触媒電極上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、酸素ガスあるいは空気が供給されているために、このカソード側電極において、前記水素イオン、前記電子および酸素ガスが反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、上記の燃料電池スタックを車両等に搭載して使用する場合、所望の電力を得るために相当に多数の単位燃料電池セルが必要となる。その際、相当数の単位燃料電池セルを積層して単一の燃料電池スタックを構成しようとすると、前記単位燃料電池セルの積層方向の長さが相当に長尺化し、燃料ガスを各単位燃料電池セルに対して均等に供給することができない等の不具合が生じてしまう。そこで、複数の燃料電池スタックを互いに平行に配列し、前記燃料電池スタック同士を電気的に直列に接続して構成される燃料電池システムが採用されている。
【０００５】
この種の燃料電池システムでは、互いに平行に配列された燃料電池スタック同士を電気的に直列に接続する際、その接続構造を簡素化するために種々の工夫がなされている。例えば、特開平８−１７１９２６号公報では、互いに並列される燃料電池スタックのそれぞれの積層端の電気極性を異なる極性にし、一方の積層端には係合凸部が形成された端子板が設けられるとともに、他方の積層端には前記係合凸部に係合可能な係合凹部が形成された端子板が設置されている。
【０００６】
このため、各端子板の係合凸部と係合凹部とを係合させるだけで、互いに並列されている燃料電池スタック同士を電子的に直列に接続することができるとともに、前記端子板の厚さ分だけ互いに積層方向にスライド可能となっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術では、一方の端子板に設けられた係合凸部と他方の端子板に設けられた係合凹部とを係合させることにより、前記端子板の厚さ分だけ積層方向にのみスライド可能であるため、特に燃料電池システムを車両等に搭載することが困難なものとなっている。
【０００８】
すなわち、車両等では、走行時の振動、加速度の変化、あるいは停止と起動の繰り返し等により、燃料電池システムに種々の方向に対して揺れが発生し易い。このため、互いに並列されている燃料電池スタックの相対的な位置ずれが発生してしまい、各燃料電池スタックの積層端に設置されている端子板に応力が作用するという問題が指摘されている。
【０００９】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、互いに平行に配置される燃料電池スタックに振動等が生じた際に、前記燃料電池スタック同士の接続部位に応力が作用することを、簡単な構成で確実に阻止することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池システムでは、第１および第２燃料電池スタックが互いに並列に配列された状態で、互いに隣接する端部電極の正極と負極の方向が逆向きに設定されており、前記第１および第２燃料電池スタックの同一側の一端部鉛直面に、一方が正極で他方が負極である第１および第２電力取り出し端子が設けられている。第１および第２燃料電池スタックの同一側の他端部鉛直面の内方には、第１および第２導電プレートが組み込まれており、前記第１および第２導電プレートに設けられ、前記第１および第２燃料電池スタックの上側または下側にかつ互いに近接して延在する第１および第２接続板部が、可撓性接続体を介して電気的に接続されている。
【００１１】
このように、第１および第２燃料電池スタックの同一側に設けられる第１および第２導電プレートから第１および第２接続板部が互いに近接して延在している。このため、第１および第２接続板部を接続する可撓性接続体を有効に短尺化することができ、電力損失の低減を容易に図ることができる。
【００１２】
しかも、第１および第２接続板部が可撓性接続体を介して電気的に接続されている。従って、特に車両等の振動によって第１および第２燃料電池スタックに相対的な位置ずれが発生した際にも、可撓性接続体が容易に変形するため、電気接続部位に応力が発生することを確実に阻止することが可能になる。
【００１３】
また、第１および第２接続板部は、第１および第２燃料電池スタックの上側または下側に配置されている。このため、例えば、第１および第２燃料電池スタックの上部側に物品が接触して漏電するおそれがある際には、前記第１および第２燃料電池スタックの下側に第１および第２接続板部を設けることにより、漏電の発生を有効に阻止することができる。
【００１４】
さらにまた、第１および第２燃料電池スタックの下側または上側のスペースを有効利用することができるとともに、前記第１および第２燃料電池スタックの下側または上側に突出部分が存在することがなく、周辺機器のレイアウトの自由度が向上する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０の概略斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池システム１０の側面説明図である。
【００１６】
燃料電池システム１０は、水平方向（矢印Ａ方向）に沿って互いに平行に配列される第１燃料電池スタック１２と第２燃料電池スタック１４とを備える。第１および第２燃料電池スタック１２、１４の同一側の一端部鉛直面を構成する第１エンドプレート１６、１８には、正極である第１電力取り出し端子２０および負極である第２電力取り出し端子２２が設けられる。
【００１７】
第１および第２燃料電池スタック１２、１４の同一側の他端部鉛直面である第２エンドプレート２４、２６側には、前記第１および第２燃料電池スタック１２、１４に対して燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体の供給と排出を行うための配管機構２８が組み込まれる。第１および第２燃料電池スタック１２、１４は、取り付け機構３０を介して車両を構成する取り付けプレート３１に固定される。
【００１８】
第１燃料電池スタック１２は、図３および図４に示すように、単位燃料電池セル３２と、この単位燃料電池セル３２を挟持する第１および第２セパレータ３４、３６とを備え、これらが複数組だけ水平方向（矢印Ａ方向）に積層されている。第１燃料電池スタック１２は、全体として直方体状を有しており、短辺方向（矢印Ｂ方向）が重力方向に指向するとともに、長辺方向（矢印Ｃ方向）が水平方向に指向して配置される。
【００１９】
単位燃料電池セル３２は、固体高分子電解質膜３８と、この電解質膜３８を挟んで配設されるカソード側電極４０およびアノード側電極４２とを有するとともに、前記カソード側電極４０および前記アノード側電極４２には、例えば、多孔質層である多孔質カーボンペーパ等からなる第１および第２ガス拡散層４４、４６が配設される。
【００２０】
単位燃料電池セル３２の両側には、第１および第２ガスケット４８、５０が設けられ、前記第１ガスケット４８は、カソード側電極４０および第１ガス拡散層４４を収納するための大きな開口部５２を有する一方、前記第２ガスケット５０は、アノード側電極４２および第２ガス拡散層４６を収納するための大きな開口部５４を有する。単位燃料電池セル３２と第１および第２ガスケット４８、５０とが、第１および第２セパレータ３４、３６によって挟持される。
【００２１】
第１セパレータ３４は、カソード側電極４０に対向する面３４ａおよび反対側の面３４ｂが長方形状に設定されており、例えば、長辺５５ａが水平方向に指向するとともに、短辺５５ｂが重力方向に指向して配置される。
【００２２】
第１セパレータ３４の短辺５５ｂ側の両端縁部上部側には、酸素ガスまたは空気である酸化剤ガスを通過させるための酸化剤ガス入口５６ａと、水素ガス等の燃料ガスを通過させるための燃料ガス入口５８ａとが、上下方向に長尺形状を有して設けられる。第１セパレータ３４の短辺５５ｂ側の両端縁部下部側には、酸化剤ガス出口５６ｂと燃料ガス出口５８ｂとが、酸化剤ガス入口５６ａおよび燃料ガス入口５８ａと対角位置になるようにかつ上下方向に長尺形状を有して設けられている。
【００２３】
第１セパレータ３４の長辺５５ａの下端部には、矢印Ｃ方向に長尺な４つの冷却媒体入口６０ａ〜６０ｄが設けられるとともに、この第１セパレータ３４の長辺５５ａ側の上部には、同様に、矢印Ｃ方向に長尺な４つの冷却媒体出口６０ｅ〜６０ｈが設けられる。冷却媒体入口６０ａ〜６０ｄには、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体が供給される。第１セパレータ３４の面３４ａには、酸化剤ガス入口５６ａに連通する１０本のそれぞれ独立した第１酸化剤ガス流路溝６２が、水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって設けられる。第１酸化剤ガス流路溝６２が２本ずつ第２酸化剤ガス流路溝６５に合流し、５本のそれぞれ独立した前記第２酸化剤ガス流路溝６５が酸化剤ガス出口５６ｂに連通する。第１セパレータ３４には、タイロッド挿通用の孔部６３が６箇所に形成されている。
【００２４】
第２セパレータ３６は長方形状に形成されており、この第２セパレータ３６の短辺６４ｂ側の両端縁部上部側には、酸化剤ガス入口６６ａおよび燃料ガス入口６８ａが貫通形成されるとともに、その両端縁部下部側には、酸化剤ガス出口６６ｂおよび燃料ガス出口６８ｂが、前記酸化剤ガス入口６６ａおよび前記燃料ガス入口６８ａと対角位置になるように貫通形成されている。
【００２５】
第２セパレータ３６の長辺６４ａ側の下部には、矢印Ｃ方向に長尺な４つの冷却媒体入口７０ａ〜７０ｄが貫通形成され、この長辺６４ａ側の上部には、冷却媒体出口７０ｅ〜７０ｈが、同様に、矢印Ｃ方向に長尺に貫通形成される。
【００２６】
図５に示すように、第２セパレータ３６の面３６ａには、燃料ガス入口６８ａに連通して１０本の第１燃料ガス流路溝７２が形成され、この第１燃料ガス流路溝７２が５本の第２燃料ガス流路溝７３に連通し、前記第２燃料ガス流路溝７３が燃料ガス出口６８ｂに連通する。
【００２７】
図６に示すように、第２セパレータ３６の面３６ａとは反対側の面３６ｂには、冷却媒体入口７０ａ〜７０ｄと冷却媒体出口７０ｅ〜７０ｈにそれぞれ個別に連通する冷却媒体流路７４ａ〜７４ｄが重力方向に向かって設けられる。冷却媒体流路７４ａ〜７４ｄは、冷却媒体入口７０ａ〜７０ｄと冷却媒体出口７０ｅ〜７０ｈに連通するそれぞれ９本の第１流路溝７６ａ、７６ｂを備えるとともに、前記第１流路溝７６ａ、７６ｂ間には、それぞれ２本の第２流路溝７８が互いに重力方向に平行しかつ所定間隔ずつ離間して設けられる。第２セパレータ３６には、第１セパレータ３４と同様に、タイロッド挿通用の孔部６３が６箇所に設けられている。
【００２８】
図７に示すように、所定数だけ積層された単位燃料電池セル３２の積層方向両端には、ターミナルプレートである端子板８０と第１導電プレート８２とが配設される。端子板８０には、絶縁板８４を介して第１エンドプレート１６が積層されるとともに、この端子板８０に第１電力取り出し端子２０が装着される。
【００２９】
図８に示すように、第１電力取り出し端子２０は、円柱状の大径部８６の両端に小径なねじ部８８ａ、８８ｂを設けている。このねじ部８８ａは、端子板８０に形成された孔部９０を通って第１セパレータ３４の酸化剤ガス入口５６ａ内に突出し、前記ねじ部８８ａにナット部材９２が螺着される。大径部８６の肩部には、端子板８０との間のシール性を向上させるためにシール部材９４が介装されるとともに、前記大径部８６の外周と第１エンドプレート１６に形成された孔部９６との間に絶縁リング９８が介装される。
【００３０】
図９に示すように、第１導電プレート８２は、第２セパレータ３６とほぼ同一形状、すなわち、長方形状に設定されており、短辺側の両端縁部には、酸化剤ガス入口１００ａ、燃料ガス入口１０２ａおよび酸化剤ガス出口１００ｂ、燃料ガス出口１０２ｂが互いに対角位置に設けられている。第１導電プレート８２の長辺側下部および上部には、それぞれ４つの冷却媒体入口１０４ａ〜１０４ｄと冷却媒体出口１０４ｅ〜１０４ｈが設けられるとともに、タイロッド挿通用の孔部６３が６箇所に形成されている。
【００３１】
第１導電プレート８２には、第１燃料電池スタック１２の下側にかつ第２燃料電池スタック１４に近接して延在する第１接続板部１０６が設けられる。第１接続板部１０６には、下方に突出して２本のボルト部１０８ａ、１０８ｂが設けられ、このボルト部１０８ａ、１０８ｂおよび第１導電プレート８２は、導電性を有する材料、例えば、ＳＵＳや銅等で構成されている。図７に示すように、第１導電プレート８２には、絶縁板１１０、蓋板１１２およびシール部材１１４を介して第２エンドプレート２４が積層される。
【００３２】
図１０および図１１に示すように、第２エンドプレート２４は長方形状に構成されており、その短辺側の両端縁部上部側には、酸化剤ガス入口１２０ａと燃料ガス入口１２２ａとが貫通形成されるとともに、その短辺側の両端縁部下部側には、酸化剤ガス出口１２０ｂと燃料ガス出口１２２ｂとが前記酸化剤ガス入口１２０ａおよび前記燃料ガス入口１２２ａと対角位置になるように設けられる。
【００３３】
第１エンドプレート２４の内側の面２４ａには、第２セパレータ３６の冷却媒体入口７０ａ〜７０ｄに連通する第１冷却媒体流路溝１２４ａ〜１２４ｄと、前記第２セパレータ３６の冷却媒体出口７０ｅ〜７０ｈに連通する第２冷却媒体流路溝１２４ｅ〜１２４ｈが、水平方向に長尺でかつ所定の深さを有して形成される。第１冷却媒体流路溝１２４ａ〜１２４ｄは、それぞれ１２本の第１溝部１２６ａの端部に連通する。第１溝部１２６ａは、互いに平行に上方に延在した後、それぞれ２本ずつ合流して第２溝部１２６ｂが設けられ、前記第２溝部１２６ｂがそれぞれ２本ずつ第３溝部１２６ｃに合流して冷却媒体供給口１２８に連通する。
【００３４】
第２冷却媒体流路溝１２４ｅ〜１２４ｈは、同様にそれぞれ１２本の第１溝部１３０ａに連通し、前記第１溝部１３０ａが鉛直下方向に延在して第２溝部１３０ｂに２本ずつ合流する。第２溝部１３０ｂは、２本ずつ第３溝部１３０ｃに合流して冷却媒体排出口１３２に連通する。冷却媒体供給口１２８および冷却媒体排出口１３２には、図１０に示すように、供給管路１３４と排出管路１３６が連結されており、この供給管路１３４およびこの排出管路１３６が、第１燃料電池スタック１２の外方に所定の長さだけ突出している。第２エンドプレート２４には、タイロッド挿通用の孔部６３が６箇所に形成されている。
【００３５】
図７に示すように、第１燃料電池スタック１２は、締め付け機構１４０を介して積層方向（矢印Ａ方向）に一体的に締め付け固定される。締め付け機構１４０は、第１エンドプレート１６の外面側に設けられる液体チャンバ１４２と、この液体チャンバ１４２内に封入される非圧縮性の面圧付与用液体、例えば、シリコンオイル１４４と、第２エンドプレート２４の外面側に設けられ、前記第２エンドプレート２４を前記第１エンドプレート１６側に押圧するために水平方向に所定間隔ずつ離間して配置される３つの皿ばね１４６ａ〜１４６ｃとを備える。
【００３６】
液体チャンバ１４２を挟んで第１エンドプレート１６に対向してバックアッププレート１４８が配設され、このバックアッププレート１４８とアルミニウムまたはステンレススチールの薄板１５０との間に液体チャンバ１４２が構成される。皿ばね１４６ａ〜１４６ｃは、第２エンドプレート２４の面内に略等間隔ずつ離間して配置されるとともに、取り付け板１５２により支持される。取り付け板１５２から第１燃料電池スタック１２を貫通してバックアッププレート１４８に６本のタイロッド１５４が挿入される。タイロッド１５４の端部にナット１５６がねじ込まれることにより、第１燃料電池スタック１２が一体的に保持される。
【００３７】
図２および図１２に示すように、取り付け機構３０は、第１エンドプレート１６の下部側に一体的に設けられるブラケット部１６０ａ、１６０ｂと、第２エンドプレート２４の下部側にねじ止めされるマワントブラケット１６２ａ、１６２ｂとを備える。ブラケット部１６０ａ、１６０ｂには、第１燃料電池スタック１２の積層方向（矢印Ａ方向）に長尺な長孔１６４ａ、１６４ｂが形成される一方、マウントブラケット１６２ａ、１６２ｂに孔部１６６ａ、１６６ｂが形成される。
【００３８】
長孔１６４ａ、１６４ｂおよび孔部１６６ａ、１６６ｂには、それぞれゴムマウント１６８が配置される。ゴムマウント１６８は、上下にねじ部１７０ａ、１７０ｂが設けられており、上部に突出する前記ねじ部１７０ａにカラー１７２が配置されてこのカラー１７２がここから長孔１６４ａ、１６４ｂに挿入されるとともに、該ねじ部１７０ａにナット１７４が螺合される。マウントブラケット１６２ａ、１６２ｂ側では、ゴムマウント１６８のねじ部１７０ａが孔部１６６ａ、１６６ｂに挿入されてその先端部にナット１７４が螺合される。ゴムマウント１６８の下部側に突出するねじ部１７０ｂは、取り付けプレート３１に挿入されてナット１７６が螺合されることにより、第１燃料電池スタック１２を車両等に固定する。
【００３９】
図１３に示すように、第２燃料電池スタック１４は、上述した第１燃料電池スタック１２とは対称的に構成されるとともに、電解質膜３８に対してカソード側電極４０とアノード側電極４２とが逆側に配置されており、第１エンドプレート１８側に負極である第２電力取り出し端子２２が設けられる（図１４参照）。第２燃料電池スタック１４は、基本的には第１燃料電池スタック１２と同様に構成されており、同一の構成要素には同一の参照符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００４０】
図１５に示すように、第２燃料電池スタック１４は、第２導電プレート１８０を備えており、この第２導電プレート１８０には、前記第２燃料電池スタック１４の下側に延在しかつ第１燃料電池スタック１２に設けられている第１導電プレート８２の第１接続板部１０６に近接する第２接続板部１８２を設けている。第１および第２接続板部１０６、１８２には、それぞれ一対のボルト部１０８ａ、１０８ｂと１８４ａ、１８４ｂとが設けられている。
【００４１】
ボルト部１０８ａと１８４ａおよびボルト部１０８ｂと１８４ｂには、それぞれ可撓性接続体、例えば、撚り線１８６ａ、１８６ｂが接続される。撚り線１８６ａ、１８６ｂは、多数の細線状の導線を網状に撚ることにより構成されており、それぞれゴムカバー１８８ａ、１８８ｂにより覆われている。なお、所望の可撓性を有するものであれば、撚り線１８６ａ、１８６ｂに代替して、ケーブル等の接続体を使用してもよい。
【００４２】
図１３に示すように、第１および第２燃料電池スタック１２、１４を構成する第２エンドプレート２４、２６には、それぞれ燃料ガス入口１２２ａと酸化剤ガス出口１２０ｂとが互いに近接する位置に配置されており、この第２エンドプレート２４、２６に配管機構２８が組み込まれる。
【００４３】
図１および図１６に示すように、配管機構２８は、互いに並設される第１および第２燃料電池スタック１２、１４を構成する第２エンドプレート２４、２６の各燃料ガス入口１２２ａを覆って前記第２エンドプレート２４、２６に一体的に固定される第１ブラケット１９０を備える。この第１ブラケット１９０には、各燃料ガス入口１２２ａにそれぞれ連通する燃料ガス供給管１９２ａ、１９２ｂが設けられ、前記燃料ガス供給管１９２ａ、１９２ｂが合流して燃料ガス供給口１９４に連通する。
【００４４】
第２エンドプレート２４、２６には、各酸化剤ガス出口１２０ｂを覆って第２ブラケット１９６が固定される。この第２ブラケット１９６に設けられ酸化剤ガス出口１２０ｂにそれぞれ連通する酸化剤ガス排出管１９８ａ、１９８ｂの先端部が、酸化剤ガス排出口２００に一体的に連通する。
【００４５】
第２エンドプレート２４、２６には、それぞれの酸化剤ガス入口１２０ａおよび燃料ガス出口１２２ｂを覆って第３および第４ブラケット２０２、２０４が固定される。第３および第４ブラケット２０２、２０４には、酸化剤ガス入口１２０ａに連通する酸化剤ガス供給管２０６の両端が連通するとともに、この酸化剤ガス供給管２０６の途上に酸化剤ガス供給口２０８が設けられる。第３および第４ブラケット２０２、２０４には、燃料ガス出口１２２ｂに連通する燃料ガス排出管２１０の両端が連通し、この燃料ガス排出管２１０の途上に燃料ガス排出口２１２が設けられる。
【００４６】
第２エンドプレート２４、２６に設けられている各供給管路１３４に冷却媒体供給管２１４の両端が連結され、この冷却媒体供給管２１４に冷却媒体供給口２１６が設けられる。第２エンドプレート２４、２６に設けられている各排出管路１３６に冷却媒体排出管２１８が連結されるとともに、この冷却媒体排出管２１８に冷却媒体排出口２２０が設けられる。
【００４７】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
【００４８】
図１に示すように、燃料電池システム１０には、燃料ガス供給口１９４から燃料ガス（例えば、炭化水素を改質した水素を含むガス）が供給されるとともに、酸化剤ガス供給口２０８に酸化剤ガスとして空気または酸素ガス（以下、単に空気という）が供給される。さらに、冷却媒体供給口２１６に冷却媒体が供給される。
【００４９】
燃料ガス供給口１９４に供給された燃料ガスは、燃料ガス供給管１９２ａ、１９２ｂを通って第１および第２燃料電池スタック１２、１４を構成する第２エンドプレート２４、２６の各燃料ガス入口１２２ａに送られ、さらに第２セパレータ３６の各燃料ガス入口６８ａから第１燃料ガス流路溝７２に導入される。図５に示すように、第１燃料ガス流路溝７２に供給された燃料ガスは、第２セパレータ３６の面３６ａに沿って水平方向に蛇行しながら重力方向に移動する。
【００５０】
その際、燃料ガス中の水素ガスは、第２ガス拡散層４６を通って単位燃料電池セル３２のアノード側電極４２に供給される。そして、未使用の燃料ガスは、第１燃料ガス流路溝７２に沿って移動しながらアノード側電極４２に供給される一方、未使用の燃料ガスが第２燃料ガス流路溝７３を介して燃料ガス出口６８ｂから排出される。この未使用の燃料ガスは、第２エンドプレート２４、２６の各燃料ガス出口１２２ｂを通って燃料ガス排出管２１０に導入され、燃料ガス排出口２１２を介して燃料電池システム１０から排出される。
【００５１】
一方、酸化剤ガス供給口２０８に供給された空気は、酸化剤ガス供給管２０６を介して第２エンドプレート２４、２６に設けられた各酸化剤ガス入口１２０ａに送られ、さらに第１および第２燃料電池スタック１２、１４内に組み込まれた第１セパレータ３４の酸化剤ガス入口５６ａに供給される（図３参照）。第１セパレータ３４では、酸化剤ガス入口５６ａに供給された空気が面３４ａ内の第１酸化剤ガス流路溝６２に導入され、この第１酸化剤ガス流路溝６２に沿って水平方向に蛇行しながら重力方向に移動する。
【００５２】
その際、空気中の酸素ガスは、第１ガス拡散層４４からカソード側電極４０に供給される一方、未使用の空気が第２酸化剤ガス流路溝６５を介して酸化剤ガス出口５６ｂから排出される。この酸化剤ガス出口５６ｂに排出された空気は、第２エンドプレート２４、２６に設けられた酸化剤ガス出口１２０ｂから酸化剤ガス排出管１９８ａ、１９８ｂを介して酸化剤ガス排出口２００より排出される（図１参照）。
【００５３】
これにより、第１および第２燃料電池スタック１２、１４で発電が行われ、それぞれ特性の異なる第１および第２電力取り出し端子２０、２２間に接続される負荷、例えば、図示しないモータに電力が供給されることになる。
【００５４】
また、第１および第２燃料電池スタック１２、１４内は、冷却媒体により有効に冷却される。すなわち、冷却媒体供給口２１６に供給された冷却媒体は、冷却媒体供給管２１４から第２エンドプレート２４、２６に設けられている供給管路１３４に導入される。この冷却媒体は、図１１に示すように、第２エンドプレート２４、２６の冷却媒体供給口１２８に導入され、複数の第２溝部１２６ｂから第１溝部１２６ａを通って第１冷却媒体流路溝１２４ａ〜１２４ｄに送られる。
【００５５】
第１冷却媒体流路溝１２４ａ〜１２４ｄに導入された冷却媒体は、第２セパレータ３６の下部側に形成された冷却媒体入口７０ａ〜７０ｄに導入され、図６に示すように、前記冷却媒体入口７０ａ〜７０ｄに連通する冷却媒体流路７４ａ〜７４ｄを下方から上方に向かって移動する。冷却媒体流路７４ａ〜７４ｄを通って各単位燃料電池セル３２を冷却した冷却媒体は、冷却媒体出口７０ｅ〜７０ｈを通って第２エンドプレート２４、２６の第２冷却媒体流路溝１２４ｅ〜１２４ｈに導入される（図１１参照）。この第２冷却媒体流路溝１２４ｅ〜１２４ｈに導入された冷却媒体は、第１溝部１３０ａから第２溝部１３０ｂを介して冷却媒体排出口１３２に送られ、排出管路１３６から冷却媒体排出管２１８を通って冷却媒体排出口２２０より排出される。
【００５６】
この場合、本実施形態では、第１および第２燃料電池スタック１２、１４がそれぞれ積層方向（矢印Ａ方向）に平行に配置されるとともに、互いに隣接する端部電極の正極と負極の方向が逆向きに設定されている。すなわち、第１および第２燃料電池スタック１２、１４では、単位燃料電池セル３２を構成するカソード側電極４０、電解質膜３８およびアノード側電極４２の配列順序が逆向きに設定されている。このため、それぞれ同一側の第１エンドプレート１６、１８からは、正極である第１電力取り出し端子２０と、負極である第２電力取り出し端子２２とが設けられており、前記第１および第２電力取り出し端子２０、２２にモータ等の図示しない負荷が容易に接続される。
【００５７】
また、第２エンドプレート２４、２６側には、それぞれ第１および第２導電プレート８２、１８０が組み込まれており、前記第１および第２導電プレート８２、１８０には、第１および第２燃料電池スタック１２、１４の下側にかつ互いに近接して延在する第１および第２接続板部１０６、１８２が設けられている（図１５参照）。従って、第１および第２接続板部１０６、１８２を電気的に接続するための長尺な導電部材が不要となり、短尺な撚り線１８６ａ、１８６ｂを介して簡単に接続することができ、電力損失を有効に低減し得るという効果がある。
【００５８】
さらに、第１および第２接続板部１０６、１８２が、可撓性接続体である撚り線１８６ａ、１８６ｂを介して接続されるため、特に燃料電池システム１０が車両等に搭載された状態で好適に使用される。すなわち、車両等には路面からの振動や加減速度の変更等によって種々の方向に揺れが発生し易く、燃料電池システム１０にこの揺れが伝わって第１および第２燃料電池スタック１２、１４の相対的な位置がずれ易い。
【００５９】
ここで、第１および第２導電プレート８２、１８０を電気的に接続するために可撓性接続体である撚り線１８６ａ、１８６ｂが設けられており、第１および第２燃料電池スタック１２、１４同士が互いに位置ずれを惹起しても、前記撚り線１８６ａ、１８６ｂが容易に変形するために前記第１および第２導電プレート８２、１８０に無理な力がかかることがない。これにより、第１および第２導電プレート８２、１８０の接続部位に発生する不具合を、簡単な構成で可及的に阻止することができるという効果が得られる。また、撚り線１８６ａ、１８６ｂには、ゴムカバー１８８ａ、１８８ｂが装着されており、前記撚り線１８６ａ、１８６ｂを有効に保護することが可能になる。
【００６０】
さらにまた、本実施形態では、第１および第２導電プレート８２、１８０に、第１および第２燃料電池スタック１２、１４の下側に延在して第１および第２接続板部１０６、１８２が設けられている。このため、燃料電池システム１０が、図１に示すような姿勢で車両等に搭載されると、第１および第２接続板部１０６、１８２に物品が接触することがなく、漏電の発生を有効に阻止することができるという利点がある。
【００６１】
しかも、燃料電池スタック１０の上部側には接続端子等の突出部が存在することがなく、この上部側のスペースを有効に活用することが可能になる。これにより、特にレイアウトの自由度が向上するという効果がある。
【００６２】
なお、燃料電池システム１０の上部側に物品が存在しない場合や、この燃料電池システム１０の下部側にスペースを確保したい場合には、第１および第２接続板部１０６、１８２をそれぞれ第１および第２燃料電池スタック１２、１４の上側に設けてもよい。
【００６３】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池システムでは、互いに隣接する端部電極の正極と負極の方向が逆向きに設定される第１および第２燃料電池スタックに、同一側に位置して第１および第２導電プレートが組み込まれるとともに、前記第１および第２導電プレートから互いに近接して設けられる第１および第２接続板部が可撓性接続板部を介して電気的に接続される。このため、車両等の振動によって第１および第２燃料電池スタックに相対的な位置ずれが惹起しても、電気接続部位に応力が作用することがない。しかも、可撓性接続体が大幅に短尺化されるため、電力損失を有効に低減することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池システムの側面説明図である。
【図３】前記燃料電池システムを構成する燃料電池スタックの要部分解斜視図である。
【図４】前記燃料電池スタックの要部縦断面説明図である。
【図５】前記燃料電池スタックを構成する第２セパレータの一方の面の正面説明図である。
【図６】前記第２セパレータの他方の面の正面説明図である。
【図７】前記燃料電池スタックの概略縦断面説明図である。
【図８】前記燃料電池スタックを構成する電力取り出し端子の接続構造を示す説明図である。
【図９】前記燃料電池スタックを構成する導電プレートの斜視説明図である。
【図１０】前記燃料電池スタック内の流体の流れを示す流路説明図である。
【図１１】前記燃料電池スタックを構成する第２エンドプレートの内方側の面の正面説明図である。
【図１２】前記燃料電池スタックの平面説明図である。
【図１３】前記燃料電池システムの配管機構を省略した正面説明図である。
【図１４】前記燃料電池システムの背面説明図である。
【図１５】前記燃料電池システムの下側を示す斜視説明図である。
【図１６】前記燃料電池システムの正面説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池システム １２、１４…燃料電池スタック
１６、１８、２４、２６…エンドプレート
２０、２２…電力取り出し端子 ２８…配管機構
３０…取り付け機構 ３２…単位燃料電池セル
３４、３６…セパレータ ３８…電解質膜
４０…カソード側電極 ４２…アノード側電極
５６ａ、６６ａ、１００ａ、１２０ａ…酸化剤ガス入口
５６ｂ、６６ｂ、１００ｂ、１２０ｂ…酸化剤ガス出口
５８ａ、６８ａ、１０２ａ、１２２ａ…燃料ガス入口
５８ｂ、６８ｂ、１０２ｂ、１２２ｂ…燃料ガス出口
６０ａ〜６０ｄ、７０ａ〜７０ｄ、１０４ａ〜１０４ｄ…冷却媒体入口
６０ｅ〜６０ｈ、７０ｅ〜７０ｈ、１０４ｅ〜１０４ｈ…冷却媒体出口
６２、６５…酸化剤ガス流路溝 ７２、７３…燃料ガス流路溝
７４ａ〜７４ｄ…冷却媒体流路 ８０…端子板
８２、１８０…導電プレート １０６、１８２…接続板部
１２４ａ〜１２４ｈ…冷却媒体流路溝
１３４…供給管路 １３６…排出管路
１４０…締め付け機構 １４２…液体チャンバ
１４６ａ〜１４６ｃ…皿ばね １６０ａ、１６０ｂ…ブラケット部
１６２ａ、１６２ｂ…マウントブラケット
１６８…ゴムマウント １８６ａ、１８６ｂ…撚り線
１８８ａ、１８８ｂ…ゴムカバー
Claims (3)
- 固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される単位燃料電池セルが、セパレータを介して水平方向に複数個積層された燃料電池スタックを備える車載用燃料電池システムであって、
積層方向に沿って互いに平行に配列されるとともに、互いに隣接する端部電極の正極と負極の方向が逆向きに設定される第１および第２燃料電池スタックと、
前記第１および第２燃料電池スタックの同一側の一端部鉛直面に設けられ、一方が正極で他方が負極である第１および第２電力取り出し端子と、
前記第１および第２燃料電池スタックの同一側の他端部鉛直面の内方に、前記単位燃料電池セルと絶縁板との間に位置して組み込まれ、該第１および第２燃料電池スタックの上側または下側に突出部分が存在することなく、前記単位燃料電池セルの前記他端部鉛直面から前記一端部鉛直面に向かう積層方向に沿ってかつ互いに近接して延在する第１および第２接続板部を設ける第１および第２導電プレートと、
前記第１および第２接続板部を電気的に接続する可撓性接続体と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 - 固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される単位燃料電池セルが、セパレータを介して水平方向に複数個積層された燃料電池スタックを備える車載用燃料電池システムであって、
積層方向に沿って互いに平行に配列されるとともに、互いに隣接する端部電極の正極と負極の方向が逆向きに設定される第１および第２燃料電池スタックと、
前記第１および第２燃料電池スタックの同一側の一端部鉛直面に設けられ、一方が正極で他方が負極である第１および第２電力取り出し端子と、
前記第１および第２燃料電池スタックの同一側の他端部鉛直面の内方に、前記単位燃料電池セルと絶縁板との間に位置して組み込まれ、該第１および第２燃料電池スタックの上側または下側に突出部分が存在することなく、前記単位燃料電池セルの前記他端部鉛直面から前記一端部鉛直面に向かう積層方向に沿ってかつ互いに近接して延在する第１および第２接続板部を設ける第１および第２導電プレートと、
前記第１および第２接続板部を電気的に接続する可撓性接続体と、
を備え、
前記第１および第２燃料電池スタックは、直方体形状を有し、積層方向正面視で短辺方向が重力方向に向かう一方、積層方向正面視で長辺方向が水平方向に向かって配設されることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項１または２記載の燃料電池システムにおいて、前記可撓性接続体は、複数の線状導線を網状に撚ることにより構成される撚り線を備えることを特徴とする燃料電池システム。
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