JP4910707B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に関する。さらに詳述すると、本発明は、スタックケース内に収容される燃料電池の構造の改良に関する。

一般に、燃料電池（例えば高分子電解質形燃料電池）は電解質をセパレータで挟んだセルを複数積層することによって構成されている。このようにセルが積層されることによって構成されるセル積層体（セルスタック）には、その積層方向両端にエンドプレートが設けられ、さらに、例えばリレーやバスバー（導電板）といった高電圧部品が設けられているものがある（例えば、特許文献１参照）。また、このようなセル積層体は、例えば樹脂等からなるスタックケースに収容され、出力ケーブルを通じて外部の装置（例えばＰＣＵなど）に接続されている。
特開２００２−３６２１６５号公報

しかしながら、上述したような燃料電池においては、リレー等を配置するために、エンドプレート間を締結する締結部材（例えばテンションプレート）を配置する部位に制限が生じるおそれがある。

そこで、本発明は、エンドプレート間の締結部材等を配置する部位に制限が生じないようにリレー等を配置することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。

かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。例えばリレーアッセンブリ上のリレーは燃料電池からの電流を遮断する装置であるが、このリレーの他にも端子台や漏電検出器などをエンドプレートの外側面上に直に締結する構造の場合には組付け部品点数が多くなってしまう。また、上述したエンドプレートは一般に金属材料で形成されているため、リレー等の高電圧部品との接触を避けるばかりでなく、必要な絶縁距離を確保する必要も生じる。さらに、いわゆるサービスプラグ（出力ケーブルと燃料電池スタックとを電気的に遮断する電流遮断器として機能するもので、例えば燃料電池スタックの保守や点検を行う際に利用される）の端子接続用の孔をスタックケースに設けることが必要であり、さらには当該孔を塞ぐカバーも必要になる。

このような種々の点に着目してさらに検討を重ねた本発明者は、かかる課題の解決に結び付く新たな知見を得るに至った。本発明はかかる知見に基づくもので、セルが積層されてなるセル積層体がスタックケース内に収容される構造の燃料電池において、リレーアッセンブリを前記スタックケースの内側に設けていることを特徴とするものである。

このような燃料電池においては、リレーアッセンブリをスタックケースの内側に設けていることから、セル積層体の端部に設けられているエンドプレートに対して当該リレーアッセンブリを設ける必要がない。このため、当該エンドプレートに設置される他部材の自由度が向上するから、エンドプレート間の締結部材を配置する部位において当該締結部材等の配置に関する制限を低減させることが可能である。また、あらかじめモジュール化しているから組付け部品の点数が少なく、組付けに要する手間を少なくすることができる。

加えて、例えば金属材料からなるエンドプレートに対してリレーアッセンブリを設ける必要がないから、高電圧部品（リレー等）に必要な絶縁距離を確保しやすい。つまり、一般に、セル積層体の積層方向両端にエンドプレート（材質は例えばアルミニウムやＳＵＳ）が設けられ、当該エンドプレートの近傍に高電圧部品が取り付けられている従来構造の場合、僅かながらもエンドプレートが電位をもっていることからその近傍に高電圧部品を取り付けるとしても絶縁のための距離をおいて取り付ける必要が生じている。実際、エンドプレートとの間にスペースを設けて絶縁を確保しているものがあるが、その分だけ省スペース化を図るうえでは不利となっている。この点、本発明にかかる燃料電池においては必要な絶縁距離が確保しやすい分だけ小型化にも有利である。

このような燃料電池においては、前記リレーアッセンブリとサービルプラグとが一体化されていることが好ましい。こうした場合、リレーアッセンブリ（リレー）とサービスプラグ本体とを接続するためのケーブルを不要とすることができるから、燃料電池の小型化が可能となる。

また、本発明にかかる燃料電池において、前記リレーアッセンブリは、リレーおよび前記サービスプラグが組み付けられる樹脂プレートを備えているものとなっている。

さらに、前記リレーと前記サービスプラグとが前記樹脂プレート上にてバスで電気的に接続されていることが好ましい。こうした場合、当該リレーとサービスプラグを接続するために用いていたケーブルを不要とすることができるから、少なくとも当該ケーブルの分だけ小型化さらには軽量化を図ることが可能となる。しかも、従来のようにリレーとサービスプラグをケーブルで接続するとすれば当該ケーブルの長さをばらつきのないように揃えなければならないが、本発明の場合にはこのような手間がないという点でも好適である。

また、本発明にかかる燃料電池においては、前記スタックケースに、前記サービスプラグを少なくともその一部がケース外に突出した状態で設置するためのサービスプラグ設置孔が形成されている。こうした場合、スタックケースの内部（セル積層体）と外部（例えばＰＣＵ）とを当該サービスプラグを介して電気的に接続することができる。しかも、この場合には従来のような端子接続用の孔が必要ないし、当該孔を塞ぐためのカバーも必要ない。

本発明によれば、エンドプレート間の締結部材等を配置する部位に制限が生じないようにリレー等を配置することが可能となる。

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。

図１〜図４に本発明にかかる燃料電池の実施形態を示す。本実施形態の燃料電池１はセル積層体３がスタックケース１１内に収容される構造であり、尚かつリレーアッセンブリ１２がスタックケース１１の内側に設けられているというものである。以下においてはまず燃料電池１を構成するセル積層体３等の構成について説明し、その後、上述のように形成されたリレーアッセンブリ１２およびその取付構造について説明することとする。

図１、図２に本実施形態における燃料電池１の概略構成を示す。なお、このような燃料電池１は、例えば燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムにおいて利用可能なものであるがこれに限られることはなく、各種移動体（例えば船舶や飛行機など）やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システム、さらには定置の発電システムにおいても利用することが可能である。

燃料電池１は、複数のセル（以下、発電セルともいう）２が積層されてなるセル積層体（セルスタック）３を備えているもので、当該セル積層体３の両端に位置する端セル２の積層方向外側には、出力端子５ａ付のターミナルプレート５、インシュレータ（絶縁プレート）６およびエンドプレート７がさらに設けられている。セル積層体３に対しては、両エンドプレート７をつなぐように架け渡されたテンションプレート８によって積層方向への所定の圧縮力が加えられている。さらに、セル積層体３の一端側のエンドプレート７とインシュレータ６との間にはプレッシャプレート９とばね機構９ａとが設けられており、発電セル２に作用する荷重の変動が吸収されるようになっている。

発電セル２は、イオン交換膜からなる電解質膜およびこれを両面から挟んだ一対の電極からなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ；Membrane Electrode Assembly）と、この膜−電極アッセンブリを外側から挟持する一対のセパレータと、で構成されている。セパレータは例えば金属を基材とする導通体であり、各電極に空気等の酸化ガスおよび水素ガス等の燃料ガスを供給するための流体流路を有し、互いに隣接する発電セル２に供給される異種流体の混合を遮断する役割を果たす。かかる構成により、発電セル２の膜−電極アッセンブリ内において電気化学反応が生じて起電力が得られることとなる。なお、この電気化学反応は発熱反応であることから、セパレータには燃料電池冷却用の冷媒（例えば冷却水）を流すための流体流路が設けられている。

さらに、当該セパレータの例えば両端には、酸化ガス、燃料ガス、冷媒のそれぞれをセル積層方向に流すためのマニホールド（酸化ガスマニホールド、燃料ガスマニホールド、冷媒マニホールド）が形成されている（図示せず）。本実施形態の燃料電池１において、各流体（酸化ガス、燃料ガス、冷媒）は当該燃料電池１の一端にあるエンドプレート７に設けられた各流体供給用の配管（図示せず）から入口側の各マニホールドに供給され、各セル２のセパレータに設けられた各流体流路を流れる。さらに、各流体は出口側の各マニホールドから燃料電池１の他端にあるエンドプレート７に設けられた各流体排出用の配管（図示せず）へと排出される。

断熱セル４は例えば２枚のセパレータとシール部材とで断熱層が形成されているもので、発電に伴い生じる熱が大気等に放熱されるのを抑える役割を果たす。すなわち、一般に、セル積層体３の端部は大気との熱交換により温度が低くなりやすいことから、当該セル積層体３の端部に断熱層を形成することによって熱交換（放熱）を抑えることが行われている。このような断熱層としては、例えば、発電セル２におけるものと同様の一対のセパレータに、膜−電極アッセンブリの代わりとして導電板などの断熱部材１０を挟み込んだ構成のものがある（図２参照）。この場合に用いられる断熱部材１０は断熱性に優れるほど好適であり、具体的には例えば導電性多孔質シートなどが用いられる。

なお、シール部材には、隣接する部材（例えばセパレータ）との物理的な密着により流体を封止する弾性体（ガスケット）や、隣接する部材との化学的な結合により接着する接着剤などを用いることができる。例えば本実施形態ではシール部材として弾性により物理的にシールする部材を採用しているが、この代わりに上述した接着剤のような化学結合によってシールする部材を採用することもできる。ただし具体例がこのようなものに特に限定されることはなく、これ以外にも例えばシーラントと呼ばれるシール部材はもちろんのこと、ゲル状の封止材や液状パッキンなどを用いることも可能である。

ターミナルプレート５は集電板として機能する部材であり、例えば鉄、ステンレス、銅、アルミニウム等の金属で板状に形成されている。ターミナルプレート５のうち断熱セル４側の表面には、めっき処理等の表面処理が施されており、かかる表面処理により断熱セル４との接触抵抗が確保されている。めっきとしては、金、銀、アルミ、ニッケル、亜鉛、すず等を挙げることができ、例えば本実施形態では導電性、加工性および低廉性を勘案してすずめっき処理を施している。

インシュレータ６は、ターミナルプレート５とエンドプレート７とを電気的に絶縁する機能を果たす部材である。このような機能を果たすため、かかるインシュレータ６は例えばポリカーボネートなどの樹脂材料により板状に形成されている。また、インシュレータ６の材料として耐熱性に優れるエンジニアリングプラスチックを採用した場合には堅牢性の面でも有利であるし、また燃料電池１の軽量化を図るうえでも好適である。

エンドプレート７は、ターミナルプレート５と同様、各種金属（鉄、ステンレス、銅、アルミニウム等）で板状に形成されている。例えば本実施形態では銅を用いてこのエンドプレート７を形成しているがこれは一例に過ぎず、他の金属で形成されていても構わない。

続いて、スタックケース１１およびリレーアッセンブリ１２について説明する（図３、図４参照）。

スタックケース１１はセル積層体３を収容するためのケースである。スタックケース１１の具体的な構造が特に限定されることはないが、例えば本実施形態のスタックケース１１は、セル積層体３を収容後、上部蓋を閉める構造となっている（図４参照）。

リレーアッセンブリ１２は燃料電池１における高電圧部品の一つである。例えば本実施形態のリレーアッセンブリ１２は、リレーアッセンブリ樹脂プレート１３および当該樹脂プレート１３上に配置されたリレー１４、バスバー（導電板）１５、サービスプラグ１６、さらには図示していない端子台や漏電検出器などで構成されている（図３、図４参照）。サービスプラグ１６は、出力ケーブル１８を介してＰＣＵ（Power Control Unit）１９に接続されている（図４参照）。ＰＣＵ１９は、例えば燃料電池１とトラクションモータ（図示省略）との間に配置されるインバータやＤＣ‐ＤＣコンバータ等を備えている。

リレーアッセンブリ樹脂プレート１３は絶縁性樹脂からなる基板である。本実施形態ではこのような樹脂板を採用することによってリレーアッセンブリ１２における絶縁性と軽量化とを図っている。

リレー１４は燃料電池１からの電流を必要に応じて遮断する装置である。本実施形態のリレー１４は、高電圧ケーブル１７によってセル積層体（セルスタック）３と接続されている（図４参照）。さらに、リレー１４とサービスプラグ１６とがバスバー１５によって接続されている。

サービスプラグ１６は例えば燃料電池１の保守や点検を実施する際に出力ケーブル１８およびＰＣＵ１９とセル積層体（セルスタック）３とを電気的に遮断することができる遮断器として機能するものである。例えば本実施形態のサービスプラグ１６は、サービス提供者などが当該サービスプラグ１６の本体部からプラグ１６ａを外すことによって電気的に遮断した状態とすることが可能となっている（図３参照）。

ここで、本実施形態の燃料電池１においては、上述したリレーアッセンブリ１２がスタックケース１１の内側に設けられる構造となっている（図３、図４参照）。具体的には、スタックケース１１の内側の面（側面）に対してリレーアッセンブリ樹脂プレート１３が例えばビスやフックなど係脱可能な装置によって取り付けられている。この場合、リレーアッセンブリ樹脂プレート１３は、高電圧部品（リレー１４、バスバー１５など）が外側を向くように配置されて取り付けられている（図３参照）。

また、本実施形態においては、上述したスタックケース１１の側部に、サービスプラグ１６の本体部が貫通した状態で設置されるためのサービスプラグ設置孔１１ａをあらかじめ形成するようにしている（図３等参照）。サービスプラグ１６は、その本体部のうち例えば半分程度がケース外側の突出した状態で設置され、サービス提供者が当該サービスプラグ１６のプラグ１６ａをケース外側から操作可能な状態となる（図３参照）。また、スタックケース１１内に収容されているセル積層体３で生じた電力は、このサービスプラグ１６や出力ケーブル１８を介してケース外のＰＣＵ１９へと送られる。

以上のような構造の本実施形態の燃料電池１においては、リレーアッセンブリ１２をスタックケース１１の内側に設けていることから、エンドプレート７に設置される他部材の自由度が向上する。すなわち、従来の場合、リレー１４のほか端子台や漏電検出器などを当該エンドプレート７の外面に直に締結していたため部品点数が多く、しかも各部品は別々であるため個別にボルト等を使って組み付けていたため組付けに手間を要していたが、本実施形態の場合にはあらかじめモジュール化した部品（リレーアッセンブリ１２）を利用しているため部品点数が少なく、しかも当該リレーアッセンブリ１２をスタックケース１１内に組み付ければよいから組付けに要する手間も少ない。

加えて、従来の燃料電池１の場合には、エンドプレート７にリレーが組み付けられた状態のセル積層体３をスタックケース１１に組み込むようにして収容していたのに対し、本実施形態の場合にはリレーアセンブリ（リレー１４を含む）１２をあらかじめスタックケース１１に組み付けておき、その後でセル積層体３を当該スタックケース１１に組み込むことができるというように異なる工程で燃料電池１を組み立てることが可能である。しかも、本実施形態の場合にはセル積層体３にリレー１４等が組み付けられていないためその分だけスタックケース１１への組み込み作業が簡便なこともある。

また、高電圧部品の一つであるエンドプレート７は一般には金属製であることから、当該エンドプレート７にリレー等を締結する場合には接触を避けるのみならず必要な絶縁距離を確保する必要があった。この点、本実施形態の燃料電池１の場合には、リレー１４や漏電検出器（図示省略）が組み付けられる板（リレーアッセンブリ樹脂プレート１３）が樹脂性であり、当該リレーアッセンブリ樹脂プレート１３が従来における端子台と同様に機能しうるため従来における端子台を省略することが可能となっている。

さらに、本実施形態の燃料電池１においては、セル積層体３をスタックケース１１へと組み込む前の段階で、当該スタックケース１１内にてサービスプラグ１６とリレー１４の端子とを接続できるという点でも好適である。すなわち、従来構造の場合であれば、セル積層体３のエンドプレート７に組み付けられていたリレーとサービスプラグの端子とを、例えばスタックケース１１に設けられた孔を通じて締結するしかなく、作業が比較的煩雑であり、しかも当該接続作業後、当該孔をカバーで塞いでボルト締結する等の作業も必要だった。これに対し、本実施形態の燃料電池１によればスタックケース１１内での作業が可能であるから接続等の作業が簡便であり、しかもスタックケース１１の内部と外部とを繋ぐサービスプラグ１６の本体と当該スタックケース１１との間に隙間もないためカバー等の部品も不要だという点で好適である。

加えて、本実施形態の燃料電池１の場合には上述したようにリレーアッセンブリ１２とサービルプラグ１６の本体とを一体化している点でも好適である。すなわち、リレー１４等のみならずサービスプラグ１６自体をも含めてモジュール化し、尚かつ基板（リレーアッセンブリ樹脂プレート１３）上のバスバー１５でこれらを接続しているために、当該リレー１４とサービスプラグ１６間を接続するために従来用いていたケーブルなどを不要とすることができる。したがって、少なくとも当該ケーブルの分だけ小型化さらには軽量化を図りうる。しかも、従来のようにリレー１４とサービスプラグ１６をケーブルで接続するとすれば当該ケーブルの長さをばらつきのないように揃えなければならない（通常のケーブルの寸法公差では組付けができないおそれがある）が、本実施形態によればこのような手間がない。加えて、サービスプラグ１６のケーブルが太い場合（通電容量が大きく放熱性を考慮しなければならない場合など）、スタックケース１１の孔に通し難いためにリレー１４やリレーアッセンブリ１２と接続するのに手間を要するのに対し、本実施形態によればこのような手間がないという点でも好適である。以上について例示して説明すると、従来は２部品（リレーとサービスプラグ）を別個に組み付けなければならず、それぞれを例えば４〜５本の固定ボルトと２本の接続ボルトなどで締め付けなかったのに対し、本実施形態の燃料電池１によればモジュール化した１部品（リレーアッセンブリ１２）のみを組み付けるだけで足り、しかも上述のようなボルトを用いなくて済み（あるいは少ないボルトで済み）、組み付けに要する手間が簡便である。また、以上のように高電圧部品をモジュール化した構造とすれば、部品メーカーが当該高電圧部品（リレーアッセンブリ１２）をあらかじめスタックケース１１に取り付けた状態で納品することも可能となり、最終組立メーカーにおける工程をその分だけ減らすことも可能である。

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに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において種々変形実施可能である。

本実施形態における燃料電池の構造例を示す側面図である。 図１においてIIで示す範囲を拡大して示す断面図である。 スタックケースに取り付けられた状態のリレーアッセンブリを示す平面図である。 スタックケースに取り付けられた状態のリレーアッセンブリを示す正面図である。

符号の説明

１…燃料電池、２…セル、３…セル積層体、１１…スタックケース、１１ａ…サービスプラグ設置孔、１２…リレーアッセンブリ、１４…リレー、１３…リレーアッセンブリ樹脂プレート（樹脂プレート）、１５…バスバー（バス）、１６…サービスプラグ

Claims (4)

1. セルが積層されてなるセル積層体がスタックケース内に収容される構造の燃料電池において、
   リレーアッセンブリを前記スタックケースの内側の面に設けており、
   当該燃料電池の出力ケーブルと燃料電池スタックとを電気的に遮断する電流遮断器として機能するサービスプラグと、前記リレーアッセンブリとが、一体化されている
   ことを特徴とする燃料電池。
2. 前記リレーアッセンブリは、リレーおよび前記サービスプラグが組み付けられる樹脂プレートを備えていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記リレーと前記サービスプラグとが前記樹脂プレート上にてバスで電気的に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記スタックケースに、前記サービスプラグを少なくともその一部がケース外に突出した状態で設置するためのサービスプラグ設置孔が形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池。

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