JP4886406B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

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積層する単位セルが、複数積層される燃料電池スタック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）を採用している。この電解質膜の両側に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・電極構造体が、セパレータによって挟持された単位セルを備えている。通常、単位セルを複数積層することにより燃料電池スタックが構成されている。

ところで、燃料電池スタックでは、各単位セルが所望の発電性能を有しているか否かを検出する必要がある。このため、一般的に、セパレータに設けられたセル電圧端子を電圧検出装置に接続して、発電時の各単位セル毎又は所定数の単位セル毎のセル電圧を検出する作業が行われている。

例えば、特許文献１では、複数のセル電圧モニターが燃料電池に取り付けられており、各セル電圧モニターは、燃料電池に固定される１つのハウジングとそのハウジングで保持された１以上の端子を有し、各セル電圧モニターの１つ以上の端子は、そのセル電圧モニターのハウジング内で端子同士互いに並列に且つ燃料電池のセル積層方向に列状に配置されている。

この場合、図１０に示すように、複数のセル１が積層された燃料電池スタック２では、各セル電圧モニター３に１つづつ設けられた複数のハウジング４が、前記燃料電池スタック２の側面に千鳥状に配置されている。

特開２００４−７９１９２号公報（図４、図５）

通常、燃料電池スタック２は、発電性能及びシール性を確保するために、セル１の積層方向に所望の締め付け荷重を付与する必要がある。このため、燃料電池スタック２の積層方向に延在するタイロッドにより締め付け荷重を付与する構成の他、前記燃料電池スタック２をケーシング（容器を含む）内に収容する構成が採用されている。

例えば、図１１に示すように、燃料電池スタック２をケーシング５内に収容しようとすると、このケーシング５を構成する少なくとも１つの側部プレート６には、各セル電圧モニター３のハウジング４及び導線７を外部に露呈させるために、積層方向（矢印Ａ方向）に延在する開口部８を設ける必要がある。

その際、ケーシング５内の燃料電池スタック２には、締め付け荷重が付与されており、前記ケーシング５には、矢印Ａ方向に比較的大きな荷重がかかっている。従って、側部プレート６に形成される開口部８の開口断面積を大きく設定すると、この側部プレート６の強度が低下して破損するおそれがある。

特に、開口部８の積層方向端部を形成する壁部６ａの寸法Ｌ（開口部８の積層方向端面位置とケーシング５のヒンジ部９との距離）が小さいと、側部プレート６の強度が低下してしまう。これにより、側部プレート６を所望の強度に維持するために、寸法Ｌを相当に大きな距離に設定しなければならず、ケーシング５全体が積層方向に長尺化するという問題がある。

なお、開口部８の開口断面積を可及的に小さく設定することが考えられる。しかしながら、複数のセル１の積層誤差や熱膨張による積層方向の延びにより、例えば、導線７が開口部８を形成する壁部端面に干渉して断線し易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、ケーシング全体の強度を確保するとともに、燃料電池システム全体の小型化を図ることができ、しかもハーネスの損傷を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。

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積層する単位セルが、複数積層される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを収容するケーシングと、各単位セル毎又は複数の単位セル毎に設けられるセル電圧端子と、前記ケーシングの外部に配設される電圧測定装置と、
所定数の前記セル電圧端子毎に接続される複数のコネクタと、複数の前記コネクタから前記単位セルの積層方向に交差し且つ前記ケーシングの側面方向に取り出され、前記電圧測定装置に接続される複数のハーネスとを備える燃料電池システムに関するものである。

そして、ケーシングには、セル電圧端子に対応して複数のハーネスを外部に取り出すための開口部が積層方向に延在して形成され、前記開口部の前記積層方向両端部を形成する壁部には、該積層方向両端部に配置される端部コネクタの外形形状の一部分を覆うコネクタ収容部が設けられるとともに、前記端部コネクタには、該端部コネクタの中央位置から隣接するコネクタ側にオフセットした位置に、前記ハーネスの取り出し部が設けられている。

また、ケーシングは、燃料電池スタックの積層方向両端に配置されるエンドプレートと、前記燃料電池スタックの側部に配置され、少なくとも１つに開口部が形成される複数の側部プレートと、前記エンドプレートと前記側部プレートとを連結するヒンジ構造とを設けることが好ましい。

さらに、ヒンジ構造は、エンドプレートの端部に設けられる第１円筒部と、側部プレートの端部に設けられ、前記第１円筒部と交互且つ同軸に配置される第２円筒部と、前記第１円筒部及び前記第２円筒部に一体に挿入されるピン部材とを備えることが好ましい。

さらにまた、互いに隣り合うコネクタは、線対称の位置にハーネスの取り出し部をオフセットして設けることが好ましい。

また、セル電圧端子は、前記単位セルの側部に設けられるとともに、前記セル電圧端子に接続されるコネクタは、ハーネスが取り出し部から上方に向かって取り出されることが好ましい。

本発明では、開口部の積層方向両端部を形成する壁部に設けられているコネクタ収容部が、端部コネクタの外形形状の一部分を覆うとともに、ハーネスの取り出し部が、前記端部コネクタの中央位置から隣接するコネクタ側にオフセットした位置に設けられている。

このため、開口部の積層方向両端部の位置を積層方向内方にずらして設定することができ、単位セルの積層誤差や熱膨張による積層方向の延びに対応して開口面積を広げる必要がない。これにより、ケーシングは、所望の強度を保持し得る幅寸法を有することができ、ケーシング全体の強度を確保するとともに、前記ケーシング全体の小型化が容易に図られる。しかも、ハーネスは、開口部を形成する壁部端面に干渉して損傷することを確実に阻止することが可能になる。

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の概略斜視図であり、図２は、前記燃料電池システム１０の一部分解斜視説明図である。

燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２を備え、この燃料電池スタック１２がケーシング１４内に収容される。燃料電池スタック１２は、複数の単位セル１６が水平方向（矢印Ａ方向）に積層されるとともに、積層方向の両端には、ターミナルプレート１８ａ、１８ｂ及び絶縁プレート２０ａ、２０ｂを介して、ケーシング１４を構成する金属製エンドプレート２２ａ、２２ｂが配設される。

図３に示すように、各単位セル１６は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）２６と、前記電解質膜・電極構造体２６を挟持する薄板波形状の第１及び第２金属セパレータ２８、３０とを備えるとともに、縦長に構成される。第１及び第２金属セパレータ２８、３０は、波形状に加工されることにより、ばね特性を有している。なお、第１及び第２金属セパレータ２８、３０に代替して、例えば、カーボンセパレータを使用してもよい。

単位セル１６の長辺方向（矢印Ｃ方向）の一端縁部（上端縁部）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔３２ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３４ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔３６ａが設けられる。

単位セル１６の長辺方向の他端縁部（下端縁部）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔３６ｂ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３４ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔３２ｂが設けられる。

電解質膜・電極構造体２６は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３８と、前記固体高分子電解質膜３８を挟持するアノード側電極４０及びカソード側電極４２とを備える。

第１金属セパレータ２８の電解質膜・電極構造体２６に向かう面には、燃料ガス供給連通孔３６ａと燃料ガス排出連通孔３６ｂとを連通する燃料ガス流路４４が形成される。この燃料ガス流路４４は、例えば、矢印Ｃ方向に延在する溝部により構成される。

第２金属セパレータ３０の電解質膜・電極構造体２６に向かう面には、例えば、矢印Ｃ方向に延在する溝部からなる酸化剤ガス流路４６が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路４６は、酸化剤ガス供給連通孔３２ａと酸化剤ガス排出連通孔３２ｂとに連通する。第２金属セパレータ３０の他方の面には、第１金属セパレータ２８と重なり合って冷却媒体流路４８が一体的に形成される。図示しないが、第１及び第２金属セパレータ２８、３０には、所望の形状に設定されるシール部材が一体成形される。

単位セル１６の少なくとも外周部の１辺（一方の長辺）には、凹部５０が形成される。凹部５０は、矢印Ａ方向に連通しており、例えば、第２金属セパレータ３０には、前記凹部５０に収容されてセル電圧端子５２が設けられる。

セル電圧端子５２は、電解質膜・電極構造体２６で発生する電圧を検出するものであり、第２金属セパレータ３０に一体的に設けられるとともに、金属表面が外部に露呈している。なお、セル電圧端子５２は、各単位セル１６毎に、あるいは複数の単位セル１６毎（例えば、２つの単位セル１６毎）に設けることができる。

図２に示すように、ケーシング１４は、端板であるエンドプレート２２ａ、２２ｂと、積層された単位セル１６の側部に配置される４枚の側部プレート５４ａ〜５４ｄと、前記エンドプレート２２ａ、２２ｂと前記側部プレート５４ａ〜５４ｄとを連結するヒンジ構造５６と、前記側部プレート５４ａ〜５４ｄの互いに近接する端部同士をボルト５８により連結するアングル部材６０ａ〜６０ｄとを備える。

ヒンジ構造５６は、エンドプレート２２ａ、２２ｂの上下各辺に設けられる第１円筒部（ボス部）６２ａ、６２ｂと、側部プレート５４ａ〜５４ｄの長手方向両端に設けられ、前記第１円筒部６２ａ、６２ｂと交互且つ同軸に配置される第２円筒部（ボス部）６４ａ〜６４ｄと、前記第１円筒部６２ａ、６２ｂ及び前記第２円筒部６４ａ〜６４ｄに一体に挿入されるそれぞれ長さの異なるピン部材６６ａ、６６ｂとを備える。

側部プレート５４ａには、燃料電池スタック１２に設けられているセル電圧端子５２に対応して積層方向（矢印Ａ方向）に延在する開口部６８が形成される。この開口部６８には、後述するように、特別な工夫が施されている。

図１に示すように、燃料電池スタック１２には、所定数のセル電圧端子５２毎にコネクタ７０ａ、７０ｂが交互に接続されるとともに、積層方向両端部には、端部コネクタ７０ｅが配置される。図４に示すように、側部プレート５４ａは、開口部６８の積層方向両端部を形成する壁部に、端部コネクタ７０ｅの外形形状の一部分（幅寸法ｔ）を覆うコネクタ収容部７２を設ける。コネクタ７０ａ、７０ｂ及び端部コネクタ７０ｅは、セル電圧端子５２に接続された状態で、表面位置が側部プレート５４ａの内面位置よりも燃料電池スタック１２の内方に配置される（図５参照）。

端部コネクタ７０ｅの積層方向の中央位置から隣接するコネクタ７０ｂ側に距離ｓだけオフセットした位置に、ハーネス７４の取り出し部７４ａが設けられる。端部コネクタ７０ｅ間に配列される複数のコネクタ７０ａ、７０ｂは、隣り合うコネクタ７０ａ、７０ｂ同士が線対称の位置にハーネス７４の取り出し部７４ａをオフセットして設けている。

図１に示すように、複数のハーネス７４は、連結ハーネス７６を介して電圧測定装置７８に接続される。電圧測定装置７８は、ケーシング１４の外部、例えば、側部プレート５４ｂ上に配置される。この電圧測定装置７８は、例えば、セル電圧モニターを備え、各単位セル１６毎又は所定数の前記単位セル１６毎の電位を検出する。

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。

先ず、燃料電池システム１０では、図１に示すように、エンドプレート２２ａの酸化剤ガス供給連通孔３２ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔３６ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔３４ａに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。このため、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数の単位セル１６に対し、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体が、それぞれ矢印Ａ方向に供給される。

図３に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔３２ａから第２金属セパレータ３０の酸化剤ガス流路４６に導入され、電解質膜・電極構造体２６のカソード側電極４２に沿って矢印Ｃ方向に移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３６ａから第１金属セパレータ２８の燃料ガス流路４４に導入され、電解質膜・電極構造体２６のアノード側電極４０に沿って矢印Ｃ方向に移動する。

従って、各電解質膜・電極構造体２６では、カソード側電極４２に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４０に供給される燃料ガスとが、図示しない電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。

次いで、カソード側電極４２に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔３２ｂから外部に排出される。同様に、アノード側電極４０に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔３６ｂから外部に排出される。

また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔３４ａから第１及び第２金属セパレータ２８、３０間の冷却媒体流路４８に導入された後、矢印Ｃ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２６を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３４ｂから排出される。

この場合、第１の実施形態では、図４に示すように、側部プレート５４ａは、端部コネクタ７０ｅの外形形状の一部分を覆うコネクタ収容部７２を設ける一方、前記端部コネクタ７０ｅには、その中央位置から隣接するコネクタ７０ｂ側に距離ｓだけオフセットした位置に、ハーネス７４の取り出し部７４ａが設けられている。

このため、側部プレート５４ａでは、開口部６８の積層方向両端部の位置を積層方向内方に幅寸法ｔだけずらして設定することができ、単位セル１６の積層誤差や熱膨張による積層方向の延びに対応して前記開口部６８の開口面積を該積層方向に広げる必要がない。

これにより、ケーシング１４は、所望の強度を確保し得る幅寸法（寸法Ｌ０）を有することができ、前記ケーシング１４全体をコンパクトに構成した状態で、該ケーシング１４の強度を良好に確保することが可能になる。しかも、ハーネス７４は、開口部６８を形成する壁部端面に干渉して損傷することを確実に阻止することができるという効果が得られる。

また、ケーシング１４を構成するエンドプレート２２ａ、２２ｂと側部プレート５４ａとがヒンジ構造５６により連結されている。従って、開口部６８の積層方向両端部に近接してヒンジ構造５６が設置されている。ここで、第１の実施形態では、端部コネクタ７０ｅの一部分を覆ってコネクタ収容部７２が設けられており、実質的に開口部６８の積層方向両端部とヒンジ構造５６との間には、比較的長尺な幅寸法Ｌ０を確保することができる。

このため、側部プレート５４ａは、積層方向への引っ張り力に対する強度を維持することが可能になるとともに、局所的な負荷（例えば、燃料電池スタック１２の積層による負荷等）に対して適正な位置にヒンジ構造５６を設けることができる。これにより、ヒンジ構造５６の設置自由度が向上し、燃料電池スタック１２の面圧を一定にして発電効率を向上させることが可能になるという利点がある。

さらにまた、互いに隣り合うコネクタ７０ａ、７０ｂは、線対称の位置にハーネス７４の取り出し部７４ａをオフセットして設けている。従って、コネクタ７０ａ、７０ｂを着脱する際に、前記コネクタ７０ａ、７０ｂを容易且つ確実に把持することができ、作業性が良好に向上するという効果がある。しかも、コネクタ７０ａ、７０ｂ及び端部コネクタ７０ｅを含み、全体として二種類のコネクタを用いるだけでよく、コネクタ製作コストが容易に削減される。

さらに、燃料電池スタック１２は、セル電圧端子５２が、前記燃料電池スタック１２の側部に設けられるとともに、前記セル電圧端子５２に接続されるコネクタ７０ａ、７０ｂ及び端部コネクタ７０ｅは、上方に向かってハーネス７４が取り出されている。従って、ハーネス７４は、水による短絡を可及的に阻止することが可能になる。

なお、端部コネクタ７０ｅでは、側部プレート５４ａのコネクタ収容部７２により覆われる幅寸法ｔが、前記端部コネクタ７０ｅの全幅寸法の半分以下に設定されることが好ましい。ハーネス７４と側部プレート５４ａとの干渉を確実に防止するためである。

また、第１の実施形態では、コネクタ７０ａ、７０ｂ及び端部コネクタ７０ｅの取り出し部７４ａは、前記コネクタ７０ａ、７０ｂ及び前記端部コネクタ７０ｅの矢印Ｃ方向一端部（上端部）に設けられているが、これに限定されるものではない。例えば、図６に示すように、コネクタ７０ａ、７０ｂ及び端部コネクタ７０ｅの開口部６８に臨む表面部に、取り出し部７４ａを設けることもできる。

図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム８０の概略斜視図である。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８０は、燃料電池スタック８２をケーシング８４内に収容して構成される。燃料電池スタック８２を構成する各単位セル８６は、図８に示すように、電解質膜・電極構造体８８を第１及び第２金属セパレータ９０、９２により挟持している。単位セル８６では、例えば、第２金属セパレータ９２の側部（一方の長辺）に外方に突出してセル電圧端子５２が設けられる。

ケーシング８４を構成する側部プレート９４には、開口部６８が形成されるとともに、矢印Ｃ方向の断面が波状に形成される（図７及び図９参照）。側部プレート９４では、開口部６８を形成する壁面位置が、セル電圧端子５２に装着されるコネクタ７０ａ、７０ｂ及び端部コネクタ７０ｅの表面位置よりも外方に突出している。この開口部６８の積層方向両端部に端部コネクタ７０ｅの外形形状の一部分を覆うコネクタ収容部７２を設けるためである。

このように構成される第２の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの概略斜視図である。 前記燃料電池システムの一部分解斜視説明図である。 燃料電池スタックを構成する単位セルの分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの一部拡大説明図である。 前記燃料電池スタックの、図４中、Ｖ−Ｖ線断面図である。 ハーネスの取り出し部の変形例を示す前記燃料電池スタックの一部拡大説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの概略斜視図である。 電池スタックを構成する単位セルの分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの線断面図である。 特許文献１の複数のセル電圧モニターが燃料電池に取り付けられた状態の説明図である。 前記特許文献１の構成をケーシングに収容した状態の説明図である。

符号の説明

１０、８０…燃料電池システム １２、８２…燃料電池スタック
１４、８４…ケーシング １６、８６…単位セル
２２ａ、２２ｂ…エンドプレート ２６、８８…電解質膜・電極構造体
２８、３０、９０、９２…金属セパレータ
３２ａ…酸化剤ガス供給連通孔 ３２ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
３４ａ…冷却媒体供給連通孔 ３４ｂ…冷却媒体排出連通孔
３６ａ…燃料ガス供給連通孔 ３６ｂ…燃料ガス排出連通孔
３８…固体高分子電解質膜 ４０…アノード側電極
４２…カソード側電極 ５０…凹部
５２…セル電圧端子 ５４ａ〜５４ｄ、９４…側部プレート
５６…ヒンジ構造 ６２ａ、６２ｂ、６４ａ〜６４ｄ…円筒部
６６ａ、６６ｂ…ピン部材 ６８…開口部
７０ａ、７０ｂ…コネクタ ７０ｅ…端部コネクタ
７２…コネクタ収容部 ７４…ハーネス
７４ａ…取り出し部 ７８…電圧測定装置

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積層する単位セルが、複数積層される燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックを収容するケーシングと、
   各単位セル毎又は複数の単位セル毎に設けられるセル電圧端子と、
   前記ケーシングの外部に配設される電圧測定装置と、
   所定数の前記セル電圧端子毎に接続される複数のコネクタと、
   複数の前記コネクタから前記単位セルの積層方向に交差し且つ前記ケーシングの側面方向に取り出され、前記電圧測定装置に接続される複数のハーネスと、
   を備える燃料電池システムにおいて、
   前記ケーシングには、前記セル電圧端子に対応して複数の前記ハーネスを外部に取り出すための開口部が前記積層方向に延在して形成され、
   前記開口部の前記積層方向両端部を形成する壁部には、該積層方向両端部に配置される端部コネクタの外形形状の一部分を覆うコネクタ収容部が設けられるとともに、
   前記端部コネクタには、該端部コネクタの中央位置から隣接する前記コネクタ側にオフセットした位置に、前記ハーネスの取り出し部が設けら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、前記ケーシングは、前記燃料電池スタックの積層方向両端に配置されるエンドプレートと、
   前記燃料電池スタックの側部に配置され、少なくとも１つに前記開口部が形成される複数の側部プレートと、
   前記エンドプレートと前記側部プレートとを連結するヒンジ構造と、
   を設けることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２記載の燃料電池システムにおいて、前記ヒンジ構造は、前記エンドプレートの端部に設けられる第１円筒部と、
   前記側部プレートの端部に設けられ、前記第１円筒部と交互且つ同軸に配置される第２円筒部と、
   前記第１円筒部及び前記第２円筒部に一体に挿入されるピン部材と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、互いに隣り合う前記コネクタは、線対称の位置に前記ハーネスの取り出し部をオフセットして設け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、前記セル電圧端子は、前記単位セルの側部に設けられるとともに、
   前記セル電圧端子に接続される前記コネクタは、前記ハーネスが前記取り出し部から上方に向かって取り出されることを特徴とする燃料電池システム。

Images