JP5182540B2 - 燃料電池用ケース - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池を内部に収容する燃料電池用ケースに関するものである。

スタック構造の燃料電池は、塵埃や水などから保護するべく、密閉構造の燃料電池用ケースに収容されて例えば車室床などに搭載される。ところが、バルブの異常や経年劣化等によって、燃料電池内から水素や酸化剤がリークする場合があり、燃料電池用ケース内が過剰な圧力状態となる場合がある。このような事情を考慮して、特許文献１に記載の燃料電池用ケースでは、その内圧が所定圧以上となったときに、圧力をケース外に逃がす圧力開放部が設けられている。
特開２００２−３６７６４７号公報（第３頁および第３図）

このような従来の燃料電池用ケースでは、内圧が増大しても圧力開放部が開放動作するため、ケース自体の破壊を抑制することができる。しかしながら、ケース自体について薄肉化や軽量化を図ると、これに伴いケース自体の強度が低下する。このため、内圧が異常上昇した場合には、圧力開放部が開放動作する前にケース自体が破壊されるおそれがある。特に、燃料電池用ケースを複数のケース構成部材を接合して組立てている場合には、その接合部に変形や損傷をもたらすおそれがある。

本発明は、内圧が増大した場合の変形や損傷を適切に抑制することができる燃料電池用ケースを提供することをその目的としている。

本発明の燃料電池用ケースは、複数のケース構成部材を接合して組立てられ、内部に燃
料電池を収容する燃料電池用ケースであって、複数のケース構成部材の各々は、前記ケー
ス構成部材の周縁部に周方向に亘って形成され、接合面を有するフランジ部と、フランジ
部の周縁部を周方向に亘って折り曲げて形成された折曲げ部と、を備え、フランジ部同士を互いに接合された折曲げ部同士は、互いに下方に折り曲げられ、かつ、周方向に亘って互いに接触するように構成されている、を備えたものである。

この構成によれば、複数のケース構成部材が互いのフランジ部の接合面を介して接合され、組み立てられた燃料電池用ケースは、その内部に燃料電池を収容可能となる。フランジ部の縁部を折り曲げて折曲げ部が形成されているため、各ケース構成部材の断面二次モーメントが大きくなり、各ケース構成部材の強度が向上し得る。これにより、簡易な構成で燃料電池用ケースの剛性を全体として高めることができ、燃料電池からリークしたガスに起因して燃料電池用ケースの内圧が増大しても、フランジ部を含むケース構成部材の変形や損傷を適切に抑制することが可能となる。この種の折曲げ部をフランジ部に設ける構成は、ケース構成部材を薄肉化するのに好適である。

また、フランジ部がケース構成部材の周縁部に周方向に亘って設けられているため、接合面の面積（接触面積）を十分にとることができる。更に、フランジ部に対応して折曲げ部は、フランジ部の周縁部を周方向に亘って折り曲げて形成されているため、フランジ部の一部分に折曲げ部を形成する場合に比べて、ケース構成部材の強度をより一層向上することができる。また更に、折曲げ部の折り曲げ方向を互いに下方とすることで、水や埃などの異物がフランジ部に溜まらないようにすることが可能となる。また、フランジ部の接合面と同様に、折曲げ部同士を接触させることも可能となる。

これらの場合、複数のケース構成部材の互いに接合されるフランジ部同士は、ねじ締結により接合されていることが、好ましい。

この構成によれば、ケース構成部材同士の接合を十分な強度で簡易になすことができる。また、ねじ締結であるため、フランジ部同士をリベットや溶接等で接合する場合に比べて、互いに接合されたケース構成部材同士を簡易に分離することができ、燃料電池の取り出しなどを必要に応じて容易に行うことができる。
なお、ねじ締結される箇所は、必要耐圧強度を確保可能に複数箇所であることが好ましく、しかもほぼ等間隔であることが好ましい。

これらの場合、複数のケース構成部材は、二分割構造の二つのケース構成部材からなることが、好ましい。

この構成によれば、燃料電池用ケースを単純化することができる。

本発明の燃料電池用ケースによれば、内圧が増大した場合の変形や損傷を適切に抑制することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池用ケースについて説明する。この燃料電池用ケースは、そのケース構成部材の薄肉化や軽量化を図りつつ、ケース構成部材の強度を確保したものである。ここでは、燃料電池用ケースを燃料電池自動車に設置した例について説明する。

図１および図２に示すように、燃料電池用ケースたるスタックケース１は、スタック構造の燃料電池２を内部に収容可能に箱型に形成されている。燃料電池２は、その基本単位となる単セルを多数積層して、いわゆる燃料電池スタックを構成している。燃料電池２としては、リン酸型など複数の種類があるが、ここでは車載や定置用に好適な固体高分子電解質型で構成されている。

燃料電池２には、酸化剤ガスとしての空気が圧力供給されると共に、燃料ガスとしての水素が空気と略同圧で供給される。この空気と水素とにより燃料電池２が発電して、起電力が得られる。また、燃料電池２には、冷媒としての冷却水が供給される。これら各種流体（空気、水素および冷却水）の配管は、スタックケース１外からスタックケース１内へと延在して、燃料電池２の所定箇所に接続されている。このため、スタックケース１には、各種流体の配管に対応する管径の貫通孔（図示省略）が分散して形成されている。燃料電池２は、その周辺の検出機器やサービスプラグなどの高電圧部品などと一緒にスタックケース１に収容されている。

スタックケース１は、上下二分割構造からなり、蓋として機能するアッパケース１０と、アッパケース１０に接合されるロアケース１１と、で構成されている。スタックケース１を構成するケース構成部材、すなわちアッパケース１０およびロアケース１１は、金属や硬質樹脂により形成することができるが、ここでは軽量化や放熱性を考慮してアルミニウムにより形成されている。より詳細には、アッパケース１０およびロアケース１１は、例えば３ｍｍ、好ましくは１ｍｍ程度からなるアルミニウム製の薄板をプレス成形することにより、所定の形状に形成されている。

アッパケース１０は、上壁部２１と、上壁部２１の周縁に沿って垂下するように形成された周壁部２２と、周壁部２２の端部から外方向に張り出したフランジ部２３と、フランジ部２３の縁部を折り曲げて形成された折曲げ部２４と、で一体に構成されている。アッパケース１０は、プレス成形されることでこれらの構成部分（２１，２２，２３，２４）を具備している。

フランジ部２３は、周壁部２２の端部に周方向に亘って形成され、周壁部２２の端部から外側に直角に屈曲して水平方向に延在している。フランジ部２３は、ねじ締結可能な所定の幅を有している。フランジ部２３の下側の端面が、ロアケース１１の後述するフランジ部４３に対面し、これに接触する接合面となっている。

折曲げ部２４は、フランジ部２３の縁部を周方向に亘って下側に折り曲げて形成されている。すなわち、折曲げ部２４は、フランジ部２３の縁部から直角に屈曲して、下方に所定の長さ延在している。フランジ部２３に折曲げ部２４を設けることで、接合部となるフランジ部２３の剛性を高めることができる。また、アッパケース１０としてみれば、折曲げ部２４を設けた分、断面二次モーメントが大きくなり、その強度が向上される。さらに、折曲げ部２４によって、アッパケース１０のプレス成形時に、そのプレス成形された形状を好適に維持することが可能となる。

上壁部２１の上面は、平坦面で形成され、平面視方形に形成されている。もっとも、上壁部２１の上面を平坦面でなくて凹凸面で形成してもよい。周壁部２２には、上記の各種流体の配管を挿通するための図示省略した貫通孔が形成されている。また、周壁部２２の一部には、スタックケース１の内部空間の圧力が所定圧以上になったときに開放する圧力開放部２６が設けられている。

図３に示すように、圧力開放部２６は、アッパケース１０の周壁部２２に形成した開口部３１に作り込まれており、開口部３１の外側表面に位置している。圧力開放部２６は、開口部３１に広く臨むフィルタ３２と、フィルタ３２の周縁部を保持し、開口部３１の外側周縁部に固定された保持枠３３と、保持枠３３の上部に回動可能に支持された平板状の可動扉３４と、を有している。フィルタ３２は、通気性を有すると共に、塵埃や水などの異物を捕捉可能に構成されている。この種のフィルタ３２は、例えばゴアテックス（登録商標：ジャパンゴアテックス（株））などの膜により構成することができる。

保持枠３３および可動扉３４は、互いに磁力により吸着可能に構成されている。保持枠３３および可動扉３４は、例えば両者ともマグネットを埋め込んで構成することもできるし、一方にはマグネットを埋め込み、他方はマグネットによって吸着される磁性体材料で構成することもできる。例えば、硬質樹脂により形成した保持枠３３にマグネットを埋め込み、可動扉３４を磁性体材料で形成することができる。磁性体材料としては、例えば、鉄、フェライト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼など各種金属、合金等が挙げられる。

可動扉３４は、常時は、磁力により保持枠３３に吸着されており、フィルタ３２に接するように開口部３１を閉塞する。この場合、車両傾斜となっても、可動扉３４は自由に開かないように保持枠３３に磁力により吸着されている。スタックケース１の内圧が所定圧よりも大きくなった場合、可動扉３４は、磁力による吸着力に抗してフィルタ３２から離間するように回動し、開口部３１を開放するように構成されている（図３の仮想線参照。）。すなわち、スタックケース１の内圧と外圧との差が所定の値よりも大きくなると（所定の値に達すると）、圧力開放部２６が開放動作する。

これにより、スタックケース１内のガスがフィルタ３２を介してスタックケース１外に排出され、スタックケース１内の過剰なガスの圧力を逃がすことができる。したがって、スタックケース１内の燃料電池２や、上記の高電圧部品などの各種構成機器の損傷が適切に且つ未然に防止される。スタックケース１の内圧が所定圧以下に低下すると、可動扉３４は、重力および磁力により自動的に回動し、保持枠３３に吸着されて開口部３１を閉塞する。

ここで、圧力開放部２６が開放動作を開始する基準圧となるスタックケース１内の所定圧は、大気圧よりも高い圧力である。後述するように、スタックケース１のアッパケース１０とロアケース１１とは、この基準圧よりも高い圧力に耐える強度で接合されている。

なお、圧力開放部２６をアッパケース１０に設けたが、もちろんロアケース１１に設けてもよい。また、圧力開放部２６の変形例として、フィルタ３２を開口部３１に直接嵌め込み、マグネットを埋め込んだ可動扉３４をスタックケース１に回動可能に支持させて、部品点数を削減してもよい。また、磁力により吸着させる構成に代えて、ねじりコイルバネなどの付勢手段を用い、可動扉３４を保持枠３３等に閉塞状態の位置側に向かって付勢するようにしてもよい。さらに、圧力開放部２６をリリーフ弁で構成し、リリーフ弁をスタックケース１に作り込んでもよい。この場合、リリーフ弁が開放する圧力（リリーフ圧力）を、上記の大気圧よりも高い圧力に設定すればよい。

再び、図１および図２に戻って説明する。
ロアケース１１は、アッパケース１０と同様に、底壁部４１と、底壁部４１の周縁に沿って立ち上がるように形成された周壁部４２と、周壁部４２の端部から外方向に張り出したフランジ部４３と、フランジ部４３の縁部を折り曲げて形成された折曲げ部４４と、で一体に構成されている。ロアケース１１は、プレス成形されることでこれらの構成部分（４１，４２，４３，４４）を具備する。

底壁部４１の外面は、平面視方形の平坦面で形成されている。もっとも、底壁部４１の外面を凹凸面で形成してもよい。スタックケース１は、底壁部４１の外面をブラケット等に支持させ、このブラケット等を車両のフレームに固定することで、車両床下や車室後方などに設置される。底壁部４１の内面は、平坦面で形成され、絶縁体４６を介して燃料電池２の底部を例えば三点で支持可能に構成されている。もっとも、底壁部４１の内面についても凹凸面で形成してもよい。アッパケース１０とロアケース１１とが接合されて組み立てられた状態では、両者の周壁部２２，４２の内面および外面はともに面一になる。

フランジ部４３は、周壁部４２の端部に周方向に亘って形成され、周壁部４２の端部から外側に直角に屈曲して水平方向に延在している。フランジ部４３は、アッパケース１０のフランジ部２３と同程度に、ねじ締結可能な幅を有している。フランジ部４３の上側の端面が、アッパケース１０のフランジ部２３の下側の端面に接触する接合面となっている。すなわち、アッパケース１０およびロアケース１１は、それぞれのフランジ部２３，４３を接合部として互いに接合される。

アッパケース１０のフランジ部２３とロアケース１１のフランジ部４３とは、互いの接合面が周方向に亘って当接している。そして、この当接状態のフランジ部２３，４３同士は、ねじ締結により接合されている。より詳細には、各フランジ部２３，４３には、所定位置にボルト穴が形成されており、フランジ部２３，４３同士は、バネ座金５１を介してボルト５２およびナット５３により締結されて、互いの接合面が強密着している。これにより、スタックケース１の内部空間は、略気密に密閉されている。

バネ座金５１、ボルト５２およびナット５３からなる締結手段５５は、複数が分散してスタックケース１に設けられている。このため、フランジ部２３，４３同士は、複数の締結手段５５により複数箇所を分散して締結されている。好ましくは、複数の締結手段５５は、スタックケース１の周方向に亘ってほぼ等間隔に設けられ、その個数は、スタックケース１の内圧に対して必要耐圧強度を有する程度に設定される。

このように、フランジ部２３，４３同士の接合にねじ締結による締結手段５５を用いたことで、フランジ部２３，４３同士の接合を十分な強度で簡易になすことができる。締結手段５５を三部品構成としたが、もちろんこれに限るものではなく、例えばロアケース１１にナット５３が一体構成されていてもよい。また、リベットによる締結手段のほか、接着剤や溶接等による固着手段を用いても、フランジ部２３，４３同士を適切に接合することができる。ただし、これらの他の接合方法では、フランジ部２３，４３同士の分離がし難くなり、燃料電池２自体を点検する場合などの利便性が悪い。上記のように、ねじ締結による接合方法を用いることで、フランジ部２３，４３同士の分離を簡易に行うことができ、スタックケース１の分割を簡易に且つ迅速に行い得る。

折曲げ部４４は、フランジ部４３の縁部を周方向に亘って下側に折り曲げて形成されている。すなわち、折曲げ部４４は、フランジ部４３の縁部から直角に屈曲して、下方に延在している。フランジ部４３に折曲げ部４４を設けることで、接合部となるフランジ部４３の剛性を高めることができる。また、ロアケース１１としてみれば、折曲げ部４４を設けた分、断面二次モーメントが大きくなり、その強度が向上される。さらに、折曲げ部４４によって、ロアケース１１のプレス成形時に、そのプレス成形された形状を好適に維持することが可能となる。

アッパケース１０の折曲げ部２４とロアケース１１の折曲げ部４４とは、周方向に亘って接触しているが、もちろん両者の間に僅かにクリアランスがあってもよい。また、アッパケース１０の折曲げ部２４とロアケース１１の折曲げ部４４とは、略同程度の長さ延在しているが、もちろん一方が他方よりも長く延在すように構成してもよい。

以上のように、本実施形態のスタックケース１によれば、アッパケース１０およびロアケース１１の各フランジ部２３，４３に折曲げ部２４，４４を設けたため、各フランジ部２３，４３の剛性が高まる。これにより、燃料電池２からリークしたガスに起因してスタックケース１の内圧が急上昇したとしても、フランジ部２３，４３の変形を好適に抑制することができる。フランジ部２３，４３の変形が抑制されることで、フランジ部２３，４３のボルト穴の変形を抑制することができ、もってボルト５２の抜けを抑制することができる。また、フランジ部２３，４３に折曲げ部２４，４４を設けたため、スタックケース１の強度を向上しつつ、アッパケース１０およびロアケース１１の薄肉化や軽量化を図るのに好適となる。

また、フランジ部２３，４３同士を締結手段５５により締結しているため、スタックケース１の内圧に対するスタックケース１の強度を適切に確保することができる。特に、フランジ部２３，４３同士は、折曲げ部２４，４４の構造と締結手段５５とが協働して、圧力開放部２６が開放動作を開始する基準圧よりも高い圧力に耐える程度で接合されることが好ましい。こうすることで、例えばスタックケース１の内圧が急激に基準圧以上に上昇し、圧力開放部２６の開放動作が遅れた場合にも、各フランジ部２３，４３の変形を抑制することができるなど、スタックケース１の損傷を適切に抑制することができる。

また、アッパケース１０の折曲げ部２４とロアケース１１の折曲げ部４４とは、折り曲げ方向が同一方向の下方であるため、ユーザの手が外部から触れにくいようになっている。例えば、車両に設置されたスタックケース１のまわりに他の機器が配置されていても、ユーザは、各折曲げ部２４，４４に邪魔されることなく他の機器にアクセスすることが可能となる。また、フランジ部２３の上側の端面に埃や水等の異物を滞留させなくて済むと共に、ボルト５２の締付けを作業性良く行うことが可能となる。なお、フランジ部２３，４３に対する折曲げ部２４，４４の折り曲げ角度は、上記のように９０度でなくてもよく、鋭角または鈍角であってもよい。

次に、図４を参照して、折曲げ部２４，４４の他の変形例について説明する。なお、図４は、締結手段５５を省略して示している。

図４（ａ）に示すように、アッパケース１０の折曲げ部２４は、フランジ部２３の縁部を周方向に亘って上側に直角に折り曲げて形成されている。ロアケース１１の折曲げ部４４は、上記同様に、フランジ部４３の縁部を周方向に亘って下側に直角に折り曲げて形成されている。すなわち、アッパケース１０の折曲げ部２４とロアケース１１の折曲げ部４４とは、折り曲げ方向が反対方向となっている。

図４（ｂ）では、アッパケース１０およびロアケース１１の折曲げ部２４，４４の折り曲げ方向を、全体として、上記実施形態の下方向から上方向に変更した例を示している。その他の点は、上記と同様である。例えば、折曲げ部２４，４４同士は、周方向に亘って互いに接触していてもよいし、両者の間に僅かにクリアランスがあってもよい。また、折曲げ部２４，４４同士が延在する長さは、任意である。これら図４（ａ）および（ｂ）の場合についても、フランジ部２３，４３に対する折曲げ部２４，４４の折り曲げ角度は、上記のように９０度でなくてもよく、鋭角または鈍角であってもよい。

図４（ｃ）では、アッパケース１０の折曲げ部２４は、フランジ部２３の縁部を周方向に亘って上側に折り曲げ、さらに端部がフランジ部２３の上側の端面に接するように、フランジ部２３の縁部から１８０度折り返されて形成されている。同様に、ロアケース１１の折曲げ部４４は、フランジ部４３の縁部を周方向に亘って下側に折り曲げ、さらに端部がフランジ部４３の下側の端面に接するように、フランジ部４３の縁部から１８０度折り返されて形成されている。

以上のような図４（ａ）〜（ｃ）に示す折曲げ部２４，４４であっても、フランジ部２３，４３の剛性を高めることができ、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。また、図４（ａ）および（ｂ）の折曲げ部２４，４４であれば、図４（ｃ）の折曲げ部２４，４４に比べて、プレス成形時の工程を簡略化することができる点で有用である。

次に、図５を参照して、圧力開放部２６の他の実施形態について説明する。
図５に示すように、圧力開放部２６は、アッパケース１０の周壁部２２に形成した開口部３１に嵌装されたグロメット７０で構成されている。グロメット７０は、ゴムなどの弾性体でカップ状に形成されている。グロメット７０は、その軸心部にワイヤーハーネス８０を挿通させるための挿通孔７１が形成されている。ワイヤーハーネス８０の一端側は、スタックケース１内の燃料電池２のほか、スタックケース１内の高電圧部品や検出機器などと接続されている。ワイヤーハーネス８０の他端側は、スタックケース１外の負荷やＥＣＵに接続されている。

グロメット７０は、開口部３１の周縁部に装着された大径部７２と、大径部７２に連なり縮径して内周面でワイヤーハーネス８０を保持する小径部７３と、で一体成形されている。グロメット７０は、常時は開口部３１を閉塞しており、スタックケース１の内圧が上記の所定圧よりも高くなったときに開口部３１から離脱する。これにより、開口部３１がワイヤーハーネス８０を挿通したまま開放され（圧力開放部２６が開放動作し）、スタックケース１内の過剰なガスの圧力を逃がすことができる。

そして、スタックケース１のアッパケース１０およびロアケース１１のフランジ部２３，４３同士は、折曲げ部２４，４４の構造と締結手段５５とが協働して、グロメット７０が開口部３１から離脱する最低の圧力（基準圧）よりも高い圧力に耐える強度で接合されている。したがって、圧力開放部２６の開放動作が遅れた場合にも、各フランジ部２３，４３の変形を抑制することができるなど、スタックケース１の破壊を適切に抑制することができる。また、グロメット７０をアッパケース１０の周壁部２２に設けているため、グロメット７０の離脱方向をほぼ水平方向とすることができる。これにより、スタックケース１全体が破裂により破片が飛散する場合に比べて、車両に極力損傷を与えない点で有用となる。なお、グロメット７０をロアケース１１の周壁部４２に設けてもよい。

次に、図６を参照して、圧力開放部２６の他の実施形態について説明する。
図６に示すように、圧力開放部２６は、アッパケース１０の周壁部２２の一部の厚みを他の部位に比べて薄くすることで構成されている。スタックケース１の内圧が上記の所定圧よりも高くなったときに、圧力開放部２６たる薄肉部９０は破裂して開口する（圧力開放部２６が開放動作する）一方、薄肉部９０を除くスタックケース１の他の部位は破裂しないで元の状態を維持する。

そしてこの圧力開放部２６に関連して、スタックケース１のアッパケース１０およびロアケース１１のフランジ部２３，４３同士は、折曲げ部２４，４４の構造と締結手段５５とが協働して、薄肉部９０が破裂する最低の圧力（基準圧）よりも高い圧力に耐える強度で接合されている。本実施形態では、薄肉部９０の破裂が遅れた場合にも、各フランジ部２３，４３の変形を抑制することができる。また、薄肉部９０をアッパケース１０の周壁部２２に設けているため、破裂した薄肉部９０の破片の飛散方向をほぼ水平方向とすることができる。これにより、スタックケース１全体が破裂により破片が飛散する場合に比べて、車両に極力損傷を与えない点で有用となる。

なお、上記したいずれの説明においても、スタックケース１を上下に二分割の構造としたが、もちろん左右に二分割の構造としてもよい。また、スタックケース１は、二分割構造でなくても、複数分割の構造であってもよい。この場合には、スタックケース１は、複数のケース構成部材を接合して組立てられるが、上記同様に、各ケース構成部材にフランジ部や折曲げ部などを設けることができる。また、圧力開放部２６を主としてアッパケース１０の周壁部２２に設けたが、もちろん圧力開放部２６を、アッパケース１０の上壁部２１のほか、ロアケース１１の底壁部４１や周壁部４２に設けるようにしてもよい。

実施形態に係る燃料電池用ケースの外観を示す斜視図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線で切断した断面図である。 圧力開放部を拡大して示す断面図である。 変形例に係る折曲げ部を拡大して示す断面図である。 他の実施形態に係る圧力開放部を拡大して示す断面図である。 他の実施形態に係る圧力開放部を拡大して示す断面図である。

符号の説明

１ スタックケース（燃料電池用ケース）、２ 燃料電池、１０ アッパケース（ケース構成部材）、１１ ロアケース（ケース構成部材）、２２ 周壁部、２３ フランジ部、２４ 折曲げ部、２６ 圧力開放部、３１ 開口部、４２ 周壁部、４３ フランジ部、４４ 折曲げ部、５２ ボルト、５３ ナット、５５ 締結手段、７０ グロメット、８０ ワイヤーハーネス、９０ 薄肉部

Claims (3)

1. 複数のケース構成部材を接合して組立てられ、内部に燃料電池を収容する燃料電池用ケースであって、
   前記複数のケース構成部材の各々は、
   前記ケース構成部材の周縁部に周方向に亘って形成され、接合面を有するフランジ部と、
   前記フランジ部の周縁部を周方向に亘って折り曲げて形成された折曲げ部と、を備え、
   前記フランジ部同士を互いに接合された折曲げ部同士は、互いに下方に折り曲げられ、かつ、前記周方向に亘って互いに接触するように構成されている、燃料電池用ケース。
2. 前記複数のケース構成部材の互いに接合されるフランジ部同士は、ねじ締結により接合されている請求項１に記載の燃料電池用ケース。
3. 前記複数のケース構成部材は、二分割構造の二つのケース構成部材からなる請求項１又は２に記載の燃料電池用ケース。

Images