JP4720148B2 - Fuel cell device - Google Patents
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Description
本発明は、酸化ガスとして導入した外気を燃料ガスと反応させて発電する燃料電池スタックがケース内に収納された燃料電池装置に係り、特に自動車用などの高電圧の燃料電池スタックがケース内に収容された燃料電池装置に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell device in which a fuel cell stack for generating electric power by reacting outside air introduced as an oxidizing gas with a fuel gas is housed in a case, and in particular, a high voltage fuel cell stack for automobiles or the like is placed in the case The present invention relates to a contained fuel cell device.
従来、高分子電解質膜を使用した燃料電池では、電解質膜を挟んだ両側で燃料ガス或いは酸化ガスがイオン化し、そのイオンが電解質膜を透過して電気化学的な反応を生じるものであるから、電解質膜を挟んで燃料ガスと酸化ガスが存在していれば、両者の電気化学的な反応が継続する。 Conventionally, in a fuel cell using a polymer electrolyte membrane, fuel gas or oxidizing gas is ionized on both sides of the electrolyte membrane, and the ions pass through the electrolyte membrane to cause an electrochemical reaction. If fuel gas and oxidizing gas are present with the electrolyte membrane in between, the electrochemical reaction between the two continues.
このため、燃料電池には、燃料ガスと酸化ガスを導入するためのガス供給装置が必要となる。一方、燃料電池によって十分な出力を得るには、高分子電解質膜で構成される単位セルを複数個直列に接続する必要があり、複数の単位セルをセパレータを挟んで積層して構成された燃料電池スタックが用いられている。燃料電池スタックの各単位セルに酸化ガスを供給するために、単位セル毎にガス導入口が開口し、その開口部の反対側には、ガスが排出されるガス導出口が設けられている。このガス導入口と導出口は、燃料電池スタックの上面と下面の略全面に多数配列されている。 For this reason, the fuel cell requires a gas supply device for introducing the fuel gas and the oxidizing gas. On the other hand, in order to obtain a sufficient output by the fuel cell, it is necessary to connect a plurality of unit cells composed of polymer electrolyte membranes in series, and a fuel constructed by laminating a plurality of unit cells with a separator interposed therebetween. A battery stack is used. In order to supply the oxidizing gas to each unit cell of the fuel cell stack, a gas inlet is opened for each unit cell, and a gas outlet for discharging gas is provided on the opposite side of the opening. A large number of gas inlets and outlets are arranged on substantially the entire upper and lower surfaces of the fuel cell stack.
また、燃料電池スタックは自動車用途などでは場合により400V以上の電圧を持つため、周辺部に導通しないよう絶縁する必要がある。また、燃料電池における発電反応により水が発生するため、この水による材料の腐食を防ぐ必要がある。
以上のような燃料電池スタックでは、多数のガス導入口に酸化ガスを分配供給するためのマニホールドが、燃料電池スタックの上面に被せられ、生成水を回収するためのトレーが、燃料電池スタックの下面に設けられ、さらに、生成された電力を取り出すための電極や、他の装置の絶縁をするための絶縁処置が施される。
In the fuel cell stack as described above, a manifold for distributing and supplying oxidizing gas to a large number of gas inlets is placed on the upper surface of the fuel cell stack, and a tray for collecting generated water is provided on the lower surface of the fuel cell stack. In addition, an electrode for taking out the generated electric power and an insulation treatment for insulating other devices are applied.
従来では、燃料電池スタックの上下に空気供給マニホールドと排気ダクトを取り付けていた。積層されたモジュールの上下は十分な平面が得られず、その部分のシールを行うためには、ある程度の凹凸をシールできる液状ガスケットを使用しなければならない。また、液状ガスケットでシールをすると、ガスケットが硬化するまで次工程に進めることができない。
さらに、燃料電池スタックに空気供給マニホールドと排気ダクトとをそれぞれ別個に取り付ける必要があり、組立てに手間がかかるほか、それぞれ別個に気密施工をする必要があった。
In the past, air supply manifolds and exhaust ducts were installed above and below the fuel cell stack. A sufficient flat surface cannot be obtained at the top and bottom of the stacked modules, and in order to seal the portions, a liquid gasket capable of sealing a certain degree of unevenness must be used. In addition, when sealing with a liquid gasket, it is not possible to proceed to the next process until the gasket is cured.
In addition, it is necessary to separately attach an air supply manifold and an exhaust duct to the fuel cell stack, which takes time for assembly and requires airtight construction separately.
この発明は、燃料電池スタックの絶縁、気密等の施工を容易とするケースを備える燃料電池装置を提供することを目的とする。 It is an object of the present invention to provide a fuel cell device including a case that facilitates construction such as insulation and airtightness of the fuel cell stack.
以上のような問題を解決する本発明は、以下のような構成を有する。
(1) 上面に形成された外気導入口から酸化ガスとして導入した外気を燃料ガスと反応させて発電させ、下面に形成された外気導出口から排出する燃料電池スタックと、該燃料電池スタックを収容するケースとを備えた燃料電池装置において、
前記ケースは、
前記燃料電池スタックを収納するための開口を有する箱部材と、
該箱部材の前記開口に固定されて閉塞するための蓋部材と、
前記外気導入口を囲むように外縁形状が内壁に沿った枠状に形成され、前記燃料電池スタックと前記蓋部材内面との間に介挿されてシールする絶縁材料からなり、前記燃料電池スタックと共に前記箱部材に挿入して前記蓋部材を固定することで前記外気導入口に接続してマニホールドを形成する第1の絶縁部材と、
前記外気導出口を囲むように外縁形状が内壁に沿った枠状に形成され、前記燃料電池スタックと前記箱部材底部との間に介挿されてシールする絶縁材料からなり、前記燃料電池スタックと共に前記箱部材に挿入することで前記外気導出口に接続して排気ダクトを形成する第2の絶縁部材と、を備えたことを特徴とする燃料電池装置。
The present invention for solving the above problems has the following configuration.
(1) A fuel cell stack that reacts with fuel gas to generate power by reacting with outside gas introduced from the outside air inlet formed on the upper surface and discharges it from the outside air outlet formed on the lower surface, and accommodates the fuel cell stack A fuel cell device comprising a case for
The case is
A box member having an opening for accommodating the fuel cell stack ;
A lid member fixed to the opening of the box member and closed ;
The outside air introduction outer edge to surround the opening is formed in a frame shape along the inner wall, said fuel cell stack and the interposed between the cover member inner surface Ri Do from the sealing insulating material, the fuel cell stack And a first insulating member that is inserted into the box member and fixed to the lid member to form a manifold connected to the outside air introduction port ,
Wherein formed in a frame shape outer edge shape along the inner wall so as to surround the external air outlet port, wherein the fuel cell stack and Ri Do an insulating material interposed in sealing between the box member base, wherein the fuel cell stack And a second insulating member that is inserted into the box member to connect to the outside air outlet and forms an exhaust duct .
(2)蓋部材には、外気流路が一体として設けられ、箱部材には排気流路が一体として設けられている上記(1)に記載の燃料電池スタックのケース。
(3)前記燃料電池スタックが水平に配置されるとともに、前記マニホールド内において、冷却水が燃料電池スタックへミスト状に供給される上記(1)又は(2)に記載の燃料電池装置。
(4)前記第1の絶縁部材及び前記第2の絶縁部材は、弾性材料により構成されている上記(1)〜(3)のいずれか1に記載の燃料電池装置。
( 2 ) The fuel cell stack case according to ( 1 ), wherein the lid member is integrally provided with an outside air flow path, and the box member is integrally provided with an exhaust flow path.
(3) The fuel cell device according to (1) or (2), wherein the fuel cell stack is arranged horizontally and cooling water is supplied to the fuel cell stack in a mist form in the manifold.
(4) The fuel cell device according to any one of (1) to (3), wherein the first insulating member and the second insulating member are made of an elastic material.
請求項1に記載の発明によれば、燃料電池スタックをケースで覆うことで、外部からの衝撃等の保護ができる。ケースは空気供給マニホールドと排気ダクトを兼用しているため、別途マニホールド等を用意する必要がない。スペーサによってケースと燃料電池スタックとの絶縁が確保され、燃料電池スタックと周囲との物 理的及び電気的接触が、ケースによって抑制される。ケースは、箱部材と蓋部材とによって分割され、箱部材に燃料電池スタックを収納し、さらに蓋部材で覆い隠す構成とすることによって、ケースの装着が容易となる。また、箱部材と蓋部材を別個に製造することにより、より複雑な形状に作り上げることが可能となる。例えば、蓋部材は、マニホールドを一体に構成することが可能となり、箱部材は、排気ダクトを一体化することができる。さらに、絶縁部材により燃料電池スタックを上下から挟む構成となっているので、優れた絶縁性と、嫌水部品への十分な防水性が得られる。 According to the first aspect of the invention, the fuel cell stack is covered with the case, so that it is possible to protect external impacts and the like. Since the case serves both as an air supply manifold and an exhaust duct, it is not necessary to prepare a separate manifold. The spacer ensures insulation between the case and the fuel cell stack, and physical and electrical contact between the fuel cell stack and the surroundings is suppressed by the case. The case is divided into a box member and a lid member, and the fuel cell stack is accommodated in the box member and further covered with the lid member, thereby facilitating the mounting of the case. Further, by manufacturing the box member and the lid member separately, it is possible to make a more complicated shape. For example, the lid member can integrally form the manifold, and the box member can integrate the exhaust duct. Further, since the fuel cell stack is sandwiched from above and below by the insulating member, excellent insulating properties and sufficient waterproofness to water-repellent parts can be obtained.
請求項2に記載の発明によれば、さらに、蓋部材には、外気流路にマニホールドに連続させて構成することができ、箱部材には、排気流路を排気ダクトに一体化 して作ることができる。このようにすることで、例えば、外気供給系統や排気系統との接続が容易な構成とすることができる。
請求項3に記載の発明によれば、冷却水をマニホールド内でミスト状に供給することで、燃料電池全体を均一に冷却することができる。燃料電池スタックをケース1内に収容する場合、水分を嫌う電気ケーブルとの接点・端子もケース内に配置されることになるため、端子の収容部分のシールを十分に行う必要があるが、第1及び第2の絶縁部材により燃料電池スタックを上下から挟むように構成することで、優れた絶縁性と、 嫌水部品への十分な防水性が得られる。
請求項4に記載の発明によれば、絶縁部材が弾性を有する場合には、ケースに燃料電池スタックを収容した状態で、絶縁部材が圧縮変形した状態とすることにより、燃料電池スタックの表面の凹凸に応じて絶縁部材が変形し、絶縁部材と燃料電池スタック5の密着性が増す。これにより、マニホールドと燃料電池スタックの外気導入口との間の気密性が一層向上し、ミストからの嫌水部品の隔離も一層確実なものとなる。
According to the second aspect of the present invention, the lid member can be configured to be continuous with the manifold in the outside air flow path, and the box member is formed by integrating the exhaust flow path with the exhaust duct. be able to. By doing in this way, it can be set as the structure with easy connection with an external air supply system or an exhaust system, for example.
According to the invention described in
According to the fourth aspect of the present invention, when the insulating member has elasticity, the insulating member is compressed and deformed in a state where the fuel cell stack is accommodated in the case. The insulating member is deformed according to the unevenness, and the adhesion between the insulating member and the
次にこの発明の好適実施形態について説明する。この実施形態は、電気自動車に搭載される燃料電池装置である。図1は、この発明の燃料電池スタック5とそのケース1を備えた燃料電池装置を示す断面側面図、図2は燃料電池スタック5を構成するセパレータ4の平面図、図3は、燃料電池スタック5の上面に設けられた外気導入口941の拡大図、図4は、燃料電池装置の断面正面図である。ケース1内に収納される燃料電池スタック5は、高分子電解質膜を燃料極と酸化極で挟んで構成された単位セル(図示せず)と、表裏面にそれぞれ燃料ガス流路と、酸化ガス流路を形成するための凸状部を有するセパレータ4とを交互に積層した積層体を有する。このようにして構成された積層体の両端には、電極板と、さらのその外側に剛体板52a、52bが重ねられ、両端の剛体板52a、52bは、締着手段であるネジにより、締め付けられ、積層体を積層方向に圧縮して、燃料電池スタック5が構成されている。
Next, a preferred embodiment of the present invention will be described. This embodiment is a fuel cell device mounted on an electric vehicle. FIG. 1 is a sectional side view showing a
図2は、酸化ガス流路が形成されている側の面を示す、セパレータ4の平面図である。セパレータ4の表面には、鉛直方向に形成されたと凸状部42が、複数配置され、凸状部42の間には、溝40が形成されている。凸状部42の頂点部421が単位セルの酸化極に接触することによって、溝40と酸化極とによって、酸化ガスの流通するガス流路43が構成される。セパレータ4と単位セルとの間には、枠9が介挿され、枠9の内窓91内に、凸状部42が収容され、内窓91の該縁部に形成された段部92の内側に、単位セルの酸化極が収容される。内窓91の内壁と、溝40及び酸化極の表面によって、酸化ガス室が構成される。
FIG. 2 is a plan view of the
枠9の裏側には、外気導入路94と外気導出路95が形成され、これらは、酸化ガス室に連通している。外気導入路94は両端に傾斜942が設けられ、外気導入口941が広げられており、外気導出路95は両端に傾斜952が設けられ、外気導出口951が広げられている。このような、外気導入口941、外気導出口951は、セパレータ4の端部に沿って形成されることとなり、縦長の(スリット状の)開口となり、積層されるセパレータ4の数と同数の外気導入口941、外気導出口951が、燃料電池スタック5の上下面に、配列される。
An outside
ガス流路40の内壁は、親水化処理が施されている。以上のように、外気導入口941と外気導出口951は、燃料電池スタック5の上下面において、それぞれ対向する位置に設けられている。
The inner wall of the
図5は、ケース1の平面図、図6は、蓋部材を取り除いた状態おけるケース1の平面図である。本発明のケース1は、箱形状の箱部材2と、箱部材2の開口部21に覆い被される蓋部材3とを有している。このケース1内には、燃料電池スタック5が収納されている。
FIG. 5 is a plan view of the
ケース1は、箱部材2と、箱部材2の開口部21を塞ぐ蓋部材3とを備えている。箱部材2の内側空間は、燃料電池スタック5を収容するための収容部22となっており、図4に示されているように、箱部材2の底部23には、対向する端辺に段部231、231が形成されている。この段部231、231上に燃料電池スタック5が載置される。載置される燃料電池スタック5は、配置姿勢が水平となるように、ケース1内に保持される。図1中において、X軸方向が水平方向、Y軸方向が鉛直方向である。
The
この段部231、231の形成されない端辺の一方には、排気流路24が接続されている。段部231の高さは、排気流路24が接続されている側へ向けて、漸増するように構成されており、この結果、箱部材2の底面232は、排気流路24へ向けて、下方へ傾斜する構成となっている。この傾斜により、燃料電池スタック5に噴射された噴水(ミスト)の内、外気導出口951から排出された水を回収することが容易となる。
排気流路24は、下流方向へ向けて流路幅が漸減する構成となっており、箱部材2との接続部分241の幅よりも、排出口242の幅が狭くなるように構成されている。また、排出口242は、接続部分241よりも高い位置に配置されている。
An
The
段部231、231と、これに載置される燃料電池スタック5の間には、介挿部材が設けられている。介挿部材25は、絶縁性を有する材料、例えば樹脂等で構成されている。介挿部材25は、燃料電池スタック5の下面を囲むように、枠状に形成され、形状は、箱部材2の内壁に沿った矩形状となっている。この介挿部材25によって、箱部材2と燃料電池スタック5の直接的な接触が防止され、電気的な接触も防止される。
An insertion member is provided between the
箱部材2の底面232と、燃料電池スタック5の下面に設けられた複数の外気導出口951との間に形成された隙間によって排気ダクト26が構成され、この排気ダクトは、排気流路24に接続される。
An
一方、図5に示されているように、蓋部材3は、箱部材2の開口部21に対応して、同じ大きさの蓋本体31と、蓋本体31の内側に形成された空間により構成された空気マニホールド32とを有している。蓋本体31は、開口部21を覆う大きさで、開口部21と同一の形状に構成され、開口部21を塞ぐ。蓋本体31の開口周端には、外側にフランジ36が形成され、また箱部材2の開口部21の周端外側にもフランジ271が形成されている。これらのフランジ36、271を重ね合わせることにより、開口部21が塞がれ、ケース1が組み立てられる。フランジ36とフランジ271には、それぞれ対向する位置に孔361が形成され、ボルト等により締着固定される構成となっている。
On the other hand, as shown in FIG. 5, the
組み立てられたケース1内では、蓋部材3と燃料電池スタック5の間に、介挿部材32が介挿される。図6に示されているように、介挿部材33は、燃料電池スタック5の上面に複数設けられた外気導入口941を囲むように、枠状に形成され、外縁形状は、蓋本体31の内壁に沿った矩形状となっている。この介挿部材33によって、蓋部材3と燃料電池スタック5の直接的な接触が防止され、電気的な接触も防止される。また、外部から流入した外気を、他に逃がさずに、外気導入口941へ導く作用を有する。
In the assembled
空気マニホールド32は、一端が外気導入路34に接続されている。図1及び図5に示されているように、外気導入路34は、一端の接続部341が空気マニホールド32に接続され、他端は外気取入口342となっており、外気取入口342から空気マニホールド32へ向けて、流路の幅か漸増する構成となっている。
One end of the
外気導入路34から空気マニホールド32へ続く外気流路は、外気取入口342から、燃料電池スタック5の各外気導入口941へ、外気が直線的に流れることができるように(外気流路内を流れる気体の流線が直線又は直線に近くなるように)、構成されている。即ち、外気取入口342から空気マニホールド32へ続く天板は、平板であり、図1に示されているように、側面視で直線となっている。
The outside air flow path that continues from the outside
このような構成において、外気導入路34から導入された酸化ガスとしての空気は、外気導入口941から、酸化ガス室に流入し、さらに外気導出口951から、ケース1内の排気ダクト26に流出する。さらに、排気ダクト26の空気は、排気流路24を通って、排出口242から排出される。
In such a configuration, the air as the oxidizing gas introduced from the outside
なお、この実施形態において、燃料電池スタック5とケース1の側壁27との間に形成される隙間220に、例えば発泡ウレタン樹脂等を充填してもよい。この場合には、一層のシール性能を発揮することができ、取り入れた外気の漏れ防止や、生成水や直噴水の漏れなどが一層確実に防止できる。さらに、ケース1内での、燃料電池スタック5の位置決めも、より確実に可能となる。
In this embodiment, the
以上のような本発明の構成によれば、セパレータ4や枠体9等を積層することにより構成される燃料電池スタック5は、上下面に十分な平面を得られない。そのため、上下面のシールを行うためには、ある程度の凹凸をシールできる液状ガスケットを使用しなければならない。本発明のケース1によれば、ケースにより、燃料電池スタック5全体が覆われているので、上下面を直接シールする必要がない。また、箱部材2と蓋部材3とのシール構造は、フランジ271とフランジ36の平面同士のシールとなるため、平面を必要とするゴムパッキンやOリング等のシール材37の使用が可能となり、シール構造の多様化が図られる。
According to the configuration of the present invention as described above, the
また、このケース構造では、燃料電池スタック5を挟んで一方(図1中、右側)に外気取入口342、他方(図1中、左側)に排出口242が配置される。これにより、ケース1内における空気の流れにムラが生じにくくなり、外気と共に冷却水を供給するタイプの燃料電池システムに適用することで、冷却水を空気マニホールド32内で均一に分散させて供給でき、燃料電池全体を均一に冷却することができる。加えて、スリット状の外気導入口941の長辺が、外気取入口342から流入する外気の流れに平行となるように(外気の流れに沿うように)配置されているので、外気が滑らかに各外気導入口941へ流入でき、圧損の発生を抑制できる。
In this case structure, the
さらに、外気取入口342は燃料電池スタック5の外気導入口941よりも上方に配置されているので、直噴水のケース1外への流出を抑制できる。また排出口242は燃料電池スタック5の外気導出口951よりも上方に配置されるので、排ガス中の水(ミスト)のケース1外への流出を低減できると共に排出口242に設けられる凝縮器から落下した凝集水をケース1内で回収できる。
Furthermore, since the
燃料電池スタック5をケース1内に収容する場合、水分を嫌う電気ケーブルとの接点・端子もケース1内に配置されることになるため、端子の収容部分のシールを十分に行う必要があるが、ウレタンを介して樹脂性の介挿部材25、33により燃料電池スタック5を上下から挟むように構成することで、優れた絶縁性と、嫌水部品への十分な防水性が得られる。
When the
また、介挿部材25、33が弾性を有する場合には、ケース1に燃料電池スタック5を収容した状態で、介挿部材25、33が圧縮変形した状態とすることにより、燃料電池スタック5の表面の凹凸に応じて介挿部材25、33が変形し、介挿部材25、33と燃料電池スタック5との密着性が増す。これにより、空気マニホールド32と燃料電池スタック5の外気導入口941との間の気密性が一層向上し、ミストからの嫌水部品の隔離も一層確実なものとなる。
Further, when the
さらに、ケース1に燃料電池スタック5を収容した状態で、介挿部材25、33の変形量が、さらに弾性変形可能な程度のものであれば、介挿部材25、33は、外部からの衝撃から燃料電池スタック5を保護する緩衝材としても機能する。
なお、ケース1は、アルミニウム等の金属又は、樹脂構成してもよい。
Further, if the amount of deformation of the
The
1:ケース
2:箱部材
21:開口部
22:収容部
23:底部
231:段部
232:底面
24:排気流路
25:介挿部材
3:蓋部材
31:蓋本体
32:空気マニホールド
33:介挿部材
34:外気導入路
342:外気取入口
343:案内面
4:セパレータ
40:溝
42:凸状部
421:頂点部
43:ガス流路
47:内壁
5:燃料電池スタック
941:外気導入口
951:外気導出口
1: Case 2: Box member 21: Opening portion 22: Housing portion 23: Bottom portion 231: Step portion 232: Bottom surface 24: Exhaust flow path 25: Insertion member 3: Lid member 31: Lid body 32: Air manifold 33: Medium Insertion member 34: Outside air introduction path 342: Outside air inlet 343: Guide surface 4: Separator 40: Groove 42: Convex portion 421: Apex portion 43: Gas flow path 47: Inner wall 5: Fuel cell stack 941: Outside air introduction port 951 : Outside air outlet
Claims (4)
前記ケースは、
前記燃料電池スタックを収納するための開口を有する箱部材と、
該箱部材の前記開口に固定されて閉塞するための蓋部材と、
前記外気導入口を囲むように外縁形状が内壁に沿った枠状に形成され、前記燃料電池スタックと前記蓋部材内面との間に介挿されてシールする絶縁材料からなり、前記燃料電池スタックと共に前記箱部材に挿入して前記蓋部材を固定することで前記外気導入口に接続してマニホールドを形成する第1の絶縁部材と、
前記外気導出口を囲むように外縁形状が内壁に沿った枠状に形成され、前記燃料電池スタックと前記箱部材底部との間に介挿されてシールする絶縁材料からなり、前記燃料電池スタックと共に前記箱部材に挿入することで前記外気導出口に接続して排気ダクトを形成する第2の絶縁部材と、を備えたことを特徴とする燃料電池装置。 A fuel cell stack that reacts with the fuel gas to generate power by reacting with the outside gas introduced from the outside air inlet formed on the upper surface and discharges it from the outside air outlet formed on the lower surface; and a case for housing the fuel cell stack; In a fuel cell device comprising:
The case is
A box member having an opening for accommodating the fuel cell stack ;
A lid member fixed to the opening of the box member and closed ;
The outside air introduction outer edge to surround the opening is formed in a frame shape along the inner wall, said fuel cell stack and the interposed between the cover member inner surface Ri Do from the sealing insulating material, the fuel cell stack And a first insulating member that is inserted into the box member and fixed to the lid member to form a manifold connected to the outside air introduction port ,
Wherein formed in a frame shape outer edge shape along the inner wall so as to surround the external air outlet port, wherein the fuel cell stack and Ri Do an insulating material interposed in sealing between the box member base, wherein the fuel cell stack And a second insulating member that is inserted into the box member to connect to the outside air outlet and forms an exhaust duct .
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