JP4669361B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルが複数積層された積層体の積層方向両端に、エンドプレートが配設される燃料電池スタックと、前記発電セルによる発電電力を前記燃料電池スタックの外部に取り出すための出力端子部に接続されるとともに、一方のエンドプレートに装着されるコンタクタとを備える燃料電池システムに関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜（電解質）の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを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。

この種の燃料電池スタックでは、通常、発電セルが複数積層された積層体の積層方向両端に、ターミナルプレート、絶縁プレート及びエンドプレートが配設されている。ターミナルプレートは、積層体からの発電電力を外部に取り出すために出力端子部を備えており、この出力端子部は、コンタクタ（又はリレー）に接続されてモータ等の外部負荷に電力の供給制御（ＯＮ／ＯＦＦ制御）を行っている。

例えば、特許文献１に開示された燃料電池の車両搭載構造では、図６に示すように、燃料電池モジュール１が車両前方部のエンジンルーム内に配置されている。燃料電池モジュール１を構成する燃料電池スタック２では、それぞれ板状の単電池３の積層体である第１のスタック４ａと第２のスタック４ｂとが、並列載置されるとともに、金属のエンドプレート５ａ、５ｂによって前記スタック４ａ、４ｂが積層方向（車幅方向）に締め付けられている。

スタック４ａに積層される正極側の電極５ａと、スタック４ｂ側に積層される負極側の電極６ａとは、それぞれ端子７を設けており、前記端子７は、フレキシブルバスバー８を介してリレー９に電気的に接続されている。

特開２００２−３６２１６５号公報（図１）

上記の従来技術では、エンドプレート５ａにリレー９が取り付けられるとともに、このリレー９と端子７とは、フレキシブルバスバー８を介して接続されている。このため、燃料電池モジュール１は、部品数が増加するとともに、前記燃料電池モジュール１全体の軽量化が達成されないという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、部品の兼用化を図ることによって部品数を有効に削減するとともに、軽量化が容易に遂行可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルを設け、前記発電セルが複数積層された積層体の積層方向両端に、エンドプレートが配設される燃料電池スタックと、前記発電セルによる発電電力を前記燃料電池スタックの外部負荷に供給制御するための出力端子部に接続されるとともに、一方のエンドプレートに装着されるコンタクタとを備えている。

コンタクタは、少なくとも一面が開放されたコンタクタボックスを有するとともに、前記コンタクタボックスは、一方のエンドプレートに取り付けられた状態で、前記一面が前記一方のエンドプレートにより閉塞されている。

また、燃料電池スタックは、積層体の側部を覆うパネル部材を備え、エンドプレートと前記パネル部材とにより前記積層体を収容保持するケーシングが構成されることが好ましい。

さらに、少なくとも一方の出力端子部は、一方のエンドプレートから突出するとともに、コンタクタボックスは、前記一方の出力端子部を覆う囲繞部を設けることが好ましい。

さらにまた、一方のエンドプレートには、一方の出力端子部を周回して筒状部が設けられるとともに、囲繞部と前記筒状部とは、互いに嵌合してシールを行うシール構造を構成することが好ましい。

また、燃料電池スタックは、発電セルの積層方向に延在して反応ガス及び冷却媒体を流す連通孔が設けられた内部マニホールドを構成し、一方のエンドプレートには、前記冷却媒体の供給口及び排出口が形成されるとともに、コンタクタボックスには、少なくとも前記供給口又は前記排出口に連通して前記コンタクタボックス内部を冷却するための冷却媒体通路が形成されることが好ましい。

本発明によれば、コンタクタボックスの開口する一面が、一方のエンドプレートにより閉塞されるため、この一方のエンドプレートは、前記コンタクタボックスの一のパネルとして機能することができる。従って、部品の兼用化が図られて部品数を良好に削減することが可能になるとともに、燃料電池システム全体の軽量化が容易に遂行される。

図１は、本発明の第１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の一部分解概略斜視図である。

燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２とコンタクタ１４とを備える。図２に示すように、燃料電池スタック１２は、複数の発電セル１６が水平方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体１８を設ける。

積層体１８の積層方向（矢印Ａ方向）の一端には、ターミナルプレート２０ａ、絶縁プレート２２ａ及びエンドプレート２４ａが外方に向かって、順次、配設される。積層体１８の積層方向の他端には、ターミナルプレート２０ｂ、絶縁プレート２２ｂ及びエンドプレート２４ｂが外方に向かって、順次、配設される。燃料電池スタック１２は、鉛直方向（矢印Ｃ方向）に長尺（縦長）な四角形に構成される金属製エンドプレート２４ａ、２４ｂを端板として含むケーシング２６を備えている。

各発電セル１６は、図示しないが、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）と、前記電解質膜・電極構造体を挟持する薄板波形状の第１及び第２セパレータとを備える。発電セル１６には、酸化剤ガス供給連通孔、酸化剤ガス排出連通孔、燃料ガス供給連通孔、燃料ガス排出連通孔、冷却媒体供給連通孔及び冷却媒体排出連通孔が形成されて内部マニホールドを構成する。

図２及び図３に示すように、ターミナルプレート２０ａの面内中央から上方に所定距離だけ離間する位置には、積層方向外方に延在して正極側端子部５６ａが一体的に設けられる。端子部５６ａは、後述する絶縁性筒状部８２に挿入された状態で、絶縁プレート２２ａ及びエンドプレート２４ａの孔部５９ａを貫通して外部に突出する。

ケーシング２６は、図１及び図２に示すように、端板であるエンドプレート２４ａ、２４ｂと、積層体１８の側部に配置される４枚のパネル部材６０ａ〜６０ｄと、前記パネル部材６０ａ〜６０ｄの互いに近接する端部同士を連結するアングル部材６２ａ〜６２ｄと、前記エンドプレート２４ａ、２４ｂと前記パネル部材６０ａ〜６０ｄとを連結するそれぞれ長さの異なる連結ピン６４ａ、６４ｂとを備える。パネル部材６０ａ〜６０ｄは、薄板金属製プレートで構成される。

エンドプレート２４ａ、２４ｂの上下各辺には、それぞれ円筒状第１連結部６６ａ、６６ｂが突出形成されるとともに、両側の各辺には、それぞれ第１連結部６６ａ、６６ｂが突出形成される。

積層体１８の矢印Ｂ方向両側に配置されるパネル部材６０ａ、６０ｃの長手方向（矢印Ａ方向）両端には、第２連結部７０ａ、７０ｂが形成される。積層体１８の上下両側に配置されるパネル部材６０ｂ、６０ｄの長手方向両端には、第２連結部７２ａ、７２ｂが形成される。

パネル部材６０ａ、６０ｃの各第２連結部７０ａ、７０ｂ間には、エンドプレート２４ａ、２４ｂの両側の各辺の第１連結部６６ａ、６６ｂが配置されるとともに、これらに長尺な連結ピン６４ａが一体的に挿入されて、前記パネル部材６０ａ、６０ｃが前記エンドプレート２４ａ、２４ｂに取り付けられる。

同様に、パネル部材６０ｂ、６０ｄの第２連結部７２ａ、７２ｂがエンドプレート２４ａ、２４ｂの上辺及び下辺の第１連結部６６ａ、６６ｂと交互に配置されるとともに、これらに短尺な連結ピン６４ｂが一体的に挿入されて、前記パネル部材６０ｂ、６０ｄが前記エンドプレート２４ａ、２４ｂに取り付けられる。

アングル部材６２ａ〜６２ｄは、締結ボルト７８を介してパネル部材６０ａ〜６０ｄに固定され、ケーシング２６が構成される。

図２に示すように、エンドプレート２４ａには、矢印Ｃ方向に延在してそれぞれ冷却媒体入口マニホールド８０ａと、冷却媒体出口マニホールド８０ｂとが装着される。冷却媒体入口マニホールド８０ａは、冷却媒体供給連通孔に連通する一方、冷却媒体出口マニホールド８０ｂは、冷却媒体排出連通孔に連通する。冷却媒体入口マニホールド８０ａ及び冷却媒体出口マニホールド８０ｂは、図示しないが、車体前方に配置されたラジエータ（熱交換器）に連通している。

冷却媒体入口マニホールド８０ａと冷却媒体出口マニホールド８０ｂとの間には、端子部５６ａが突出するとともに、エンドプレート２４ａには、この端子部５６ａを周回して絶縁性筒状部８２が配設される。図２及び図３に示すように、端子部５６ａには、ボルト８４を介して略Ｌ字状の導電板８６が固定される。

エンドプレート２４ａの下側には、マウントブラケット９０がボルト９２を介して固定される。このマウントブラケット９０は、ボルト９４を介して自動車車体の取り付け部９６にねじ止めされる（図３参照）。

エンドプレート２４ｂにも、同様にマウントブラケット９０が取り付けられ、このマウントブラケット９０が取り付け部９６に固定される。エンドプレート２４ｂ側には、図示していないが、負極側端子部が設けられ、この端子部は、ケーシング２６に沿ってエンドプレート２４ａ側に引出された後、端子９８に接続される。

コンタクタ１４は、金属製コンタクタボックス１００を有する。図４に示すように、このコンタクタボックス１００は、一面１０２が開放されており、前記コンタクタボックス１００がエンドプレート２４ａに取り付けられた状態で、前記一面１０２が前記エンドプレート２４ａにより閉塞される。すなわち、エンドプレート２４ａは、コンタクタボックス１００の１つのパネルを構成し、部品の兼用を図っている。

コンタクタボックス１００は、端子部５６ａを覆う囲繞部１０４を設けるとともに、この囲繞部１０４と筒状部８２とは、互いに嵌合してシールを行うシール構造１０６を構成する。

シール構造１０６は、筒状部８２の外周に形成された周溝１０８に配設されるＯリング１１０を備える。囲繞部１０４には、内周面１１２が形成されるとともに、この内周面１１２は、筒状部８２を嵌合してＯリング１１０が摺接される。なお、図示しないが、内周面１１２側に周溝を形成してこの周溝にＯリング１１０を嵌挿し、筒状部８２の外周を前記Ｏリング１１０に嵌合するように構成してもよい。

図３に示すように、端子部５６ａに固定された導電板８６は、囲繞部１０４内に挿入されるとともに、前記導電板８６の先端部は、ボルト１１４を介して接続台１１６に電気的に接続される。この接続台１１６は、第１端子１１８ａに接続される。燃料電池スタック１２の端子９８は、コンタクタボックス１００に固定される導電板１２０を介して第２端子１１８ｂに接続される。第１及び第２端子１１８ａ、１１８ｂは、図示しない走行用モータに接続されており、コンタクタ１４の開閉動作によってこのモータへの発電電力の供給制御が行われる。

コンタクタボックス１００の側部には、取り付け部１２２ａ、１２２ｂが膨出形成される。取り付け部１２２ａ、１２２ｂには、ボルト１２４が挿入されるとともに、前記ボルト１２４が取り付け部９６にねじ込まれることにより、前記コンタクタボックス１００が前記取り付け部９６に固定される。

コンタクタボックス１００は、囲繞部１０４の上方側にボルト１２６が挿入される。このボルト１２６は、エンドプレート２４ａの上部側に形成されたねじ孔１２７にねじ込まれることにより、囲繞部１０４と前記エンドプレート２４ａとが固定される。コンタクタボックス１００の下部側にボルト１２８が挿入され、このボルト１２８がマウントブラケット９０にねじ込まれることにより、前記コンタクタボックス１００と前記マウントブラケット９０とが固定される。

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。

この場合、第１の実施形態では、コンタクタボックス１００の一面１０２が開口されている。そして、このコンタクタボックス１００がエンドプレート２４ａにねじ止め固定されることにより、前記コンタクタボックス１００の一面１０２が前記エンドプレート２４ａにより閉塞されている。

従って、エンドプレート２４ａは、コンタクタボックス１００の１つのパネルとして機能することができる。これにより、部品の兼用化が図られて部品数を良好に削減することが可能になるとともに、燃料電池システム１０全体の軽量化が容易に遂行されるという効果が得られる。

さらに、端子部５６ａは、エンドプレート２４ａから外方に突出するとともに、コンタクタボックス１００は、前記端子部５６ａを覆う囲繞部１０４を設けている。このため、端子部５６ａの防水性を向上させることができるとともに、囲繞部１０４及びエンドプレート２４ａが金属材料で構成されることによって、電磁波の遮蔽性能を向上させることが可能になる。

さらにまた、エンドプレート２４ａには、端子部５６ａを周回して筒状部８２が配設されるとともに、前記筒状部８２とコンタクタボックス１００の囲繞部１０４とは、互いに嵌合してシールを行うシール構造１０６を構成している。従って、端子部５６ａとコンタクタ１４との接続構造は、エンドプレート２４ａの比較的小さな領域内に収容することができる。特に、エンドプレート２４ａに冷却媒体入口マニホールド８０ａ及び冷却媒体出口マニホールド８０ｂが取り付けられることにより、コンタクタ１４の取り付けスペースが狭小な場合にも、有効な接続状態を有することが可能になるという利点がある。

また、燃料電池スタック１２は、マウントブラケット９０を介して車体側の取り付け部９６に固定されている。一方、コンタクタボックス１００は、取り付け部９６に固定されるとともに、エンドプレート２４ａの上部側に位置して囲繞部１０４が前記エンドプレート２４ａにねじ止め固定されている。これにより、燃料電池スタック１２は、下部側をマウントブラケット９０に固定されるとともに、上部側をコンタクタボックス１００に支持され、前記燃料電池スタック１２全体を強固且つ安定して保持することが可能になる。

さらに、コンタクタ１４は、金属製のコンタクタボックス１００を有し、このコンタクタボックス１００内には、端子部５６ａ及び端子９８等が収容されている。このため、コンタクタボックス１００による電磁波のシール性の向上及び防水性の向上が容易に図られる。

しかも、端子部５６ａとコンタクタ１４の接続台１１６とは、略Ｌ字状の導電板８６により電気的に接続されている。これにより、端子部５６ａからコンタクタ１４間の高電圧線の距離を有効に短尺化することができ、電磁波の発生を良好に低減し得るという利点がある。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム１４０の一部分解概略斜視図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と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。

燃料電池システム１４０は、燃料電池スタック１２のエンドプレート２４ａに取り付けられるコンタクタ１４２を備える。このコンタクタ１４２は、金属製のコンタクタボックス１４４を有するとともに、前記コンタクタボックス１４４は、矢印Ｂ方向両側に突出して通路部１４６ａ、１４６ｂを一体成形する。

通路部１４６ａは、燃料電池スタック１２の冷却媒体入口マニホールド８０ａに連通する入口通路１４８ａを設ける一方、通路部１４６ｂは、冷却媒体出口マニホールド８０ｂに連通する出口通路１４８ｂを設ける。なお、入口通路１４８ａ及び出口通路１４８ｂは、図示しない車体の前方に配置されたラジエータに連通している。

このように構成される第２の実施形態では、冷却媒体は、先ず、コンタクタボックス１４４の入口通路１４８ａを通ってこのコンタクタボックス１４４内を冷却する。さらに、冷却媒体は、冷却媒体入口マニホールド８０ａを介して燃料電池スタック１２内に供給される。そして、この燃料電池スタック１２の冷却に使用された冷却媒体は、冷却媒体出口マニホールド８０ｂから出口通路１４８ｂを通ってコンタクタボックス１４４の内部を冷却している。

これにより、入口通路１４８ａ及び出口通路１４８ｂを流動する冷却媒体は、コンタクタ１４２の発熱部品等と熱交換を行っている。このため、コンタクタ１４２は、簡単な構成で必要以上に発熱することを良好に防止することができるという効果が得られる。

なお、コンタクタボックス１４４では、例えば、入口通路１４８ａを備えた通路部１４６ａのみを設けてもよく、あるいは、出口通路１４８ｂを設けた通路部１４６ｂのみを設けてもよい。

また、第１及び第２の実施形態では、燃料電池スタック１２の正極側の端子部５６ａにコンタクタ１４、１４２が接続されているが、これに限定されるものではない。例えば、端子部５６ａ側に代えて燃料電池スタック１２の負極側の端子部５６ｂに上記のコンタクタ１４、１４２を設けてもよく、あるいは、両側の端子部５６ａ、５６ｂに、それぞれコンタクタ（図示せず）を設けてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの斜視説明図である。 前記燃料電池システムの一部分解概略斜視図である。 前記燃料電池システムの一部拡大断面図である。 前記燃料電池システムを構成するコンタクタの斜視説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの一部分解概略斜視図である。 特許文献１の燃料電池の車両搭載構造の説明図である。

符号の説明

１０、１４０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
１４、１４２…コンタクタ １６…発電セル
１８…積層体 ２０ａ、２０ｂ…ターミナルプレート
２２ａ、２２ｂ…絶縁プレート ２４ａ、２４ｂ…エンドプレート
２６…ケーシング ６０ａ〜６０ｄ…パネル部材
６２ａ〜６２ｄ…アングル部材 ６４ａ、６４ｂ…連結ピン
７８…締結ボルト ８０ａ…冷却媒体入口マニホールド
８０ｂ…冷却媒体出口マニホールド ８２…筒状部
８６…導電板 ９０…マウントブラケット
９６…取り付け部 １００、１４４…コンタクタボックス
１０２…一面 １０４…囲繞部
１０６…シール構造 １１０…Ｏリング
１１２…内周面 １１８ａ、１１８ｂ…端子
１４６ａ、１４６ｂ…通路部 １４８ａ…入口通路
１４８ｂ…出口通路

Claims (5)

1. 一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルを設け、前記発電セルが複数積層された積層体の積層方向両端にエンドプレートが配設される燃料電池スタックと、
   前記発電セルによる発電電力を前記燃料電池スタックの外部負荷に供給制御するための出力端子部に接続されるとともに、一方のエンドプレートに装着されるコンタクタと、
   を備え、
   前記コンタクタは、少なくとも一面が開放されたコンタクタボックスを有するとともに、
   前記コンタクタボックスは、前記一方のエンドプレートに取り付けられた状態で、前記一面が前記一方のエンドプレートにより閉塞されることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックは、前記積層体の側部を覆うパネル部材を備え、
   前記エンドプレートと前記パネル部材とにより前記積層体を収容保持するケーシングが構成されることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、少なくとも一方の出力端子部は、前記一方のエンドプレートから突出するとともに、
   前記コンタクタボックスは、前記一方の出力端子部を覆う囲繞部を設けることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項３記載の燃料電池システムにおいて、前記一方のエンドプレートには、前記一方の出力端子部を周回して筒状部が設けられるとともに、
   前記囲繞部と前記筒状部とは、互いに嵌合してシールを行うシール構造を構成することを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックは、前記発電セルの積層方向に延在して反応ガス及び冷却媒体を流す連通孔が設けられた内部マニホールドを構成し、
   前記一方のエンドプレートには、前記冷却媒体の供給口及び排出口が形成されるとともに、
   前記コンタクタボックスには、少なくとも前記供給口又は前記排出口に連通して前記コンタクタボックス内部を冷却するための冷却媒体通路が形成されることを特徴とする燃料電池システム。

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