JP5280253B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池に関するものである。

燃料電池には、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟んで膜電極構造体を形成し、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位燃料電池（以下「単位セル」という。）を構成し、この単位セルを複数枚積層して燃料電池スタックとするものが知られている。

この燃料電池では、アノード電極とアノード側セパレータとの間に形成された燃料ガス流路に燃料ガスとして水素ガス（アノードガス）を供給すると共に、カソード電極とカソード側セパレータとの間に形成された酸化ガス流路に酸化ガスとして空気（カソードガス）を供給する。これにより、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが固体高分子電解質膜を透過してカソード電極まで移動し、カソード電極で空気中の酸素と電気化学反応を起こして発電が行われる。

ここで、各セルが正常に動作するか否か、または起電力に異常はないか等をセルの電圧を測定することにより検出する場合がある。このような場合、各セパレータにそれぞれ電圧測定端子を設け、この電圧測定端子と電圧監視ユニット（電圧測定装置）とをリード線を介して接続することで各セパレータに挟まれたセルの発電電圧を測定することができる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−１５１６１３号公報

ところで、燃料電池の起動時など、水素ガスの欠乏時に、セルの電池反転が生じ、このセルによって燃料電池全体の出力性能が低下してしまう場合がある。このため、各セパレータにダイオードを接続してバイパス経路を設けることが検討されている。
バイパス用ダイオードは発熱するので、これを冷却する必要があり、例えばヒートシンク等を設け、これらヒートシンクとバイパス用ダイオードとをユニット化（以下、「ダイオードユニット」という場合がある）することが考えられる。この場合、ユニット化した分、設置スペースが大きくなると共に、重量が増大し、セパレータにダイオードユニットを直接取り付けることが困難になると共に、燃料電池のスペース効率が悪化するという課題がある。

そこで、この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、燃料電池スタックに直接ダイオードユニットを取り付けることができ、スペース効率の悪化を防止することができる燃料電池を提供するものである。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、電解質（例えば、第一実施形態における固体高分子電解質膜５）の両側面に、電極（例えば、第一実施形態におけるアノード６、カソード７）を設けた電解質電極構造体（例えば、第一実施形態における電解質電極構造体８）とセパレータ（例えば、実施形態におけるセパレータ９ａ，９ｂ）とを積層してセル（例えば、第一実施形態におけるセル４）を形成し、該セルを複数積層して燃料電池スタック（例えば、第一実施形態における燃料電池スタック３）を形成し、前記セパレータに、電気的にダイオードユニット（例えば、第一実施形態におけるダイオードユニット２４）を接続した燃料電池（例えば、第一実施形態における燃料電池１）であって、前記ダイオードユニットを前記セパレータに接続される複数のコネクタ部（例えば、第一実施形態における接続コネクタ２５）と、少なくとも１つのダイオード（例えば、第一実施形態におけるダイオード３５）を有するユニット本体（例えば、第一実施形態におけるユニット本体２６）とに分割構成し、前記燃料電池スタックに、ブラケット（例えば、第一実施形態におけるブラケット３８）を介して前記ユニット本体を設け、前記コネクタ部と前記ユニット本体とを互いにケーブル（例えば、第一実施形態におけるケーブル２７）を介して接続したことを特徴とする。
このように構成することで、コネクタ部と比較して重量が重いユニット本体をブラケットを介して燃料電池スタックに取り付ける一方、比較的軽量なコネクタ部のみセパレータに取り付けることになるので、セパレータにかかる重量負荷を低減できる。
また、コネクタ部とユニット本体とをケーブルを介して接続することで、例えば、各セルが膨潤するなどしてセルの積層ズレが生じ、各コネクタ部が変位した場合であってもケーブルをコネクタ部に追随させることができる。

請求項２に記載した発明は、前記ユニット本体は、複数の前記ダイオードを有し、前記ユニット本体と前記複数のコネクタ部は、互いに前記ダイオードユニットの同一面上であって、かつ前記コネクタ部の配列方向に前記ダイオードの配列方向が沿うように各々配置されていることを特徴とする。
このように構成することで、複数のダイオードをユニット化する分、ダイオードユニットの燃料電池スタックへの取り付け作業性を向上させることができる。
また、コネクタ部とダイオードユニットとを互いに近接配置できるので、ケーブル長さを短く設定することが可能になる。

請求項３に記載した発明は、前記ブラケットは、前記燃料電池スタックに設けられ複数の前記セルの積層状態を保持するための締結バー（例えば、第二実施形態における締結バー４８）であることを特徴とする。
このように構成することで、ダイオードユニットを取り付けるための部品点数の増加を抑制することができる。

請求項１に記載した発明によれば、コネクタ部と比較して重量が重いユニット本体をブラケットを介して燃料電池スタックに取り付ける一方、比較的軽量なコネクタ部のみセパレータに取り付けることになるので、セパレータにかかる重量負荷を低減できる。このため、燃料電池スタックに直接ダイオードユニットを取り付けることが可能になり、燃料電池のスペース効率の悪化も防止できる。
また、コネクタ部とユニット本体とをケーブルを介して接続することで、例えば、各セルが膨潤するなどしてセルの積層ズレが生じ、各コネクタ部が変位した場合であってもケーブルをコネクタ部に追随させることができる。このため、セルの積層ズレを許容でき、ダイオードユニットの損傷を防止することができる。

請求項２に記載した発明によれば、複数のダイオードをユニット化する分、ダイオードユニットの燃料電池スタックへの取り付け作業性を向上させることができる。
また、コネクタ部とダイオードユニットとを互いに近接配置できるので、ケーブル長さを短く設定することが可能になる。このため、ケーブル長さを短く設定する分、ケーブルの発熱を抑制することができると共に、電気的ノイズの影響を受け難くすることができる。これに加え、ケーブルの材料コストを低減することが可能になる。

請求項３に記載した発明によれば、ダイオードユニットを取り付けるための部品点数の増加を抑制することができる。このため、製造コストの低減化を図ることが可能になる。

本発明の第一実施形態における燃料電池の斜視図である。 本発明の第一実施形態における燃料電池の正面図である。 図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 本発明の第一実施形態における燃料電池のセルの縦断面図である。 本発明の第一実施形態における燃料電池スタックの概略構成図である。 本発明の第一実施形態におけるダイオードユニットの斜視図である。 本発明の第一実施形態におけるダイオードユニットの概略構成図である。 本発明の第二実施形態における燃料電池の斜視図である。

（第一実施形態）
次に、この発明の第一実施形態を図面に基づいて説明する。
（燃料電池）
図１〜図３に示すように、燃料電池１は、例えば、燃料電池車両（不図示）のセンターコンソール２内に収納されており、燃料電池スタック３を有している。
センターコンソール２は、車両の左右に配置されているフロントシート（不図示）間に車両の前後方向に沿って延出し、さらに上方に向かって膨出形成されたものである。すなわち、センターコンソール２は、上壁２ａと、この上壁２ａの左右幅方向から下方に向かって延出する一対の側壁２ｂ，２ｂとを有している。一対の側壁２ｂ，２ｂは、下方に向かうに従って徐々に末広がりとなるように傾斜している。

燃料電池スタック３は、板状に形成された単位燃料電池（以下、「セル」という）４を多数積層して電気的に直列接続されたものである。燃料電池スタック３の両側には、不図示のインシュレータを介して一対のエンドプレート６１ａ，６１ｂが配置されている。つまり、多数のセル４は、その積層方向の両端部においてインシュレータ（不図示）を間に挟んでエンドプレート６１ａ，６１ｂにより挟持されている。

図３、図４に示すように、セル４は、固体高分子電解質膜５をアノード６とカソード７とで両側から挟み込んでなる電解質電極構造体８と、この電解質電極構造体８の厚さ方向両面に配置され電解質電極構造体８を挟持する一対の波板状の金属製セパレータ９ａ，９ｂとで構成されている。固体高分子電解質膜５は、例えば、ペルフルオロスルホン酸ポリマー（登録商標「ナフィオン」）等の固体ポリマーイオン交換膜等で構成されている。
このようなセル４を、隣り合う金属セパレータ９ａ，９ｂ同士における凸部６１ａ，６１ｂ同士を突き合わせ、凹部６２ａ，６２ｂ同士を対向させるようにして複数積層し、燃料電池スタック３が構成される。

金属セパレータ９ａ，９ｂに対向する凹部６２ａ，６２ｂ間の空間は、冷却液が供給される冷却液通路１２として構成される。また、金属セパレータ９ａの凸部６１ａの裏側の凹部６３とアノード６との間の空間は、燃料ガスとしての水素ガス（アノードガス）が流通するアノードガス通路１０として構成される。さらに、金属セパレータ９ｂの凸部６１ｂの裏側の凹部６４とカソード７との間の空間は、酸化ガスとして酸素を含む空気（カソードガス）が流通するカソードガス通路１１として構成される。

アノードガス通路１０は、燃料電池スタック３に形成されたアノードガスマニホールド１３に連通している。アノードガスマニホールド１３は、アノードガス通路１０にアノードガスを導入するためのものである。
また、カソードガス通路１１は、燃料電池スタック３に形成されたカソードガスマニホールド１４に連通している。カソードガスマニホールド１４は、カソードガス通路１１にカソードガスを導入するためのものである。さらに、冷却液通路１２は、燃料電池スタック３に形成された冷却液導入マニホールド１５に連通している。冷却液導入マニホールド１５は、冷却液通路１２に冷却液を導入するためのものである。

そして、アノード６で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜５を透過してカソード７まで移動し、カソード７で酸素と電気化学反応を起こして発電する。
この発電に伴う発熱により燃料電池１が所定温度を越えないように、冷却液通路１２を流れる冷却液で熱を奪い冷却するようになっている。
この他に、燃料電池スタック３には、アノード６から発電に使用されなかったアノードオフガスを排出するためのアノードオフガスマニホールド１６、カソード７から発電に使用されなかったカソードオフガスを排出するためのカソードオフガスマニホールド１７、および冷却液を排出する冷却液排出マニホールド１８がそれぞれ形成されている。

ここで、図３、図５に示すように、各セル４の一対の金属製セパレータ９ａ，９ｂには、ダイオードユニット用端子１９とセル電圧測定用端子２０とが設けられている。ダイオードユニット用端子１９は、燃料電池スタック３の左右幅方向の一側面３ａであって、かつ上下方向略中央に配置されている。

（ダイオードユニット）
図１、図２、図６、図７に示すように、ダイオードユニット用端子１９には、複数のダイオードユニット２４が接続されている。なお、本実施形態では３つのダイオードユニット２４を図示する。
ダイオードユニット２４は、セル４のダイオードユニット用端子１９に接続される複数の接続コネクタ２５と、ユニット本体２６と、各接続コネクタ２５とに跨るように配線され両者２５，２６を接続するケーブル２７とで構成されている。
各ダイオードユニット２４は、燃料電池スタック３の長手方向に沿って並設されており、隣接するユニット本体２６同士がハーネス３７を介して接続されている。

ここで、以下の説明において、各ダイオードユニット２４は同じ構造を有しているので、１つのダイオードユニット２４についてのみ詳細に説明する。
接続コネクタ２５は、ダイオードユニット用端子１９に着脱可能な筐体２８と、筐体２８内に配置されている基板２９とを有している。基板２９には、ダイオードユニット用端子１９とケーブル２７の一端が接続されており、これらダイオードユニット用端子１９とケーブル２７とを電気的に接続するパターン（不図示）が形成されている。

また、基板２９には、ダイオードユニット用端子１９とケーブル２７との間であってパターン上に過電流を防止するためのヒューズ３６（図７参照）が実装されている。すなわち、ダイオードユニット用端子１９とケーブル２７は、互いにヒューズ３６を介して接続された状態になっている。
このように構成された各接続コネクタ２５は、それぞれ所定間隔をあけて存在するダイオードユニット用端子１９に接続されている。

各ユニット本体２６には、それぞれ隣接する複数（本実施形態では３つ）の接続コネクタ２５が接続されている。ユニット本体２６は、燃料電池スタック３の長手方向に沿って長くなるように形成された略長方形状の筐体３０と、筐体３０内に配置されている複数の基板３１とを有している。
筐体３０は、燃料電池スタック３の一側面３ａであってダイオードユニット用端子１９よりもやや下方（図１、図２における下側）に配置されている。燃料電池スタック３の筐体３０に対応する箇所には、ブラケット３８がボルトによって締結固定されており、このブラケット３８に筐体３０が固定されている。すなわち、ユニット本体２６は、接続コネクタ２５に近接配置された状態になっている。
筐体３０には、燃料電池スタック３との合わせ面とは反対側の面に、ヒートシンク３３が設けられている。ヒートシンク３３の長手方向に複数並設されているフィン３４は、この長手方向が上下方向に沿うように形成されている。

筐体３０内に配置されている基板３１には、接続コネクタ２５の個数に対応する複数（本実施形態では３つ）のダイオード３５が筐体の長手方向に沿って実装されている。基板３１には、各ダイオード３５を直列に接続するパターン４４が形成されている。隣接する３つの接続コネクタ２５から延びているケーブル２７の他端は、それぞれ対応するダイオード３５近傍に形成されているパターン４４に接続されている。

また、パターン４４の長手方向両端には、それぞれ隣接するユニット本体２６同士を接続するハーネス３７の一端が接続されている。ユニット本体２６の長手方向両端側には、ハーネス３７を挿通するための挿通孔４７が形成されている。この挿通孔４７を介してハーネス３７が隣接するユニット本体２６の基板３１，３１同士を電気的に接続している。
このような構成のもと、接続コネクタ２５が接続されているダイオードユニット用端子１９間を複数のセル４で構成された１つのセル群４２とし、各々セル群４２は、ヒューズ３６とダイオード３５とが直列接続された閉回路を形成した状態になっている（図７参照）。

ここで、燃料電池１を起動すると各セル４が膨潤するなどしてセル４の積層ズレが生じる場合がある。このとき、セル４の積層ズレに伴い、セル４のダイオードユニット用端子１９に接続されている接続コネクタ２５が変位する場合がある。一方、ユニット本体２６はブラケット３８に固定されているので変位し難い。このため、接続コネクタ２５とユニット本体２６との相対位置関係が変化する場合がある。そこで、ケーブル２７の長さは、接続コネクタ２５の変位に追随可能な長さに設定されている。

これに加え、ケーブル２７の長さは、組み立て公差による接続コネクタ２５とユニット本体２６との相対位置関係のズレを許容可能な長さに設定されている。
なお、ケーブル２７の長さは、接続コネクタ２５の変位に追随可能、かつ組み立て公差を許容可能な範囲で出来る限り短く設定することが望ましい。このように構成することで、ケーブル２７の製造コストを低減することができると共に、電気的ノイズの影響を受け難くすることができる。

（作用）
このような構成のもと、燃料電池１の起動時など、アノードガスの欠乏時に、電池反転が生じるセル４がある。ここで、ダイオードユニット２４が接続されている各セル群４２は、ヒューズ３６とダイオード３５とが直列接続された閉回路を形成している。このため、電池反転が生じたセル４が存在するセル群４２は、ダイオードユニット２４によってバイパスされる。すなわち、ダイオードユニット２４のヒューズ３６とダイオード３５の直列回路は、各セル群４２での電池反転を防止する反転抑制回路５１として機能している。よって、燃料電池１は、電池反転が生じたセル群４２を省いただけの出力を確保することができる。
なお、電池反転が生じたセル４をバイパスしない場合にあっては、この電池反転が生じたセル４の影響が燃料電池１全体に及び、燃料電池１の出力性能が著しく低下してしまう虞がある。

また、ダイオード３５が実装されている基板３１で発生する熱は、ダイオードユニット２４の筐体３０、およびヒートシンク３３を介して放熱される。ここで、ヒートシンク３３の複数のフィン３４は、上下方向に沿うように形成されているので、筐体３０が温められることにより生じる上昇気流が各フィン３４間をスムーズに通過することができる。このため、より効率的に基板３１を放熱させることが可能になり、ダイオードユニット２４の所望の性能を確実に確保することができる。

したがって、上述の第一実施形態によれば、ダイオードユニット２４を燃料電池スタック３に取り付けるにあたって、ダイオードユニット２４を接続コネクタ２５とユニット本体２６とに分割構成し、接続コネクタ２５をダイオードユニット用端子１９に接続する一方、ユニット本体２６をブラケット３８に固定しているので、荷重負担を分散させることができる。すなわち、接続コネクタ２５は、ダイオードユニット用端子１９に接続するものであるから小型・軽量化が可能である。これに対し、ユニット本体２６は、筐体３０や、この筐体３０内に配置された基板３１、ダイオード３５により構成されているので、接続コネクタ２５と比較して重量が重くなる。この重量の重いユニット本体２６をブラケット３８に固定することで、ダイオードユニット用端子１９には、接続コネクタ２５分の重量負荷しか掛からない。この結果、ダイオードユニット用端子１９により接続コネクタ２５を保持することができる。このため、燃料電池スタック３に直接ダイオードユニット２４を取り付けることが可能になり、燃料電池１のスペース効率の悪化も防止できる。
また、比較的重量の重いユニット本体２６をダイオードユニット用端子１９よりもやや下方に配置している。つまり、燃料電池スタック３の下部にユニット本体２６を配置しているので、燃料電池スタック３全体として重心が低くなる。このため、燃料電池スタック３のバランス安定性を向上させることができる。

さらに、接続コネクタ２５とユニット本体２６とをケーブル２７を介して接続しているので、例えば、各セル４の膨潤時など、セル４の積層ズレが生じた場合において、ケーブル２７を接続コネクタ２５の変位に追随させることができる。このため、セル４の積層ズレを許容でき、ダイオードユニット２４の損傷を防止することができる。

そして、ユニット本体２６の筐体３０内には、複数の基板３１が配置され、これら基板３１にそれぞれダイオード３５が実装されている。このため、ダイオード３５毎に筐体３０を設ける場合と比較してユニット本体２６の取り付け作業を容易に行うことができる。このため、取り付け作業性を向上させることが可能になる。

また、燃料電池スタック３の長手方向に沿って長くなるように形成されたユニット本体２６の筐体３０内に、それぞれダイオード３５が実装された複数の基板３１を並設しているので、結果的に接続コネクタ２５の配列方向にダイオード３５の配列方向が沿うような形になっている。これに加え、ユニット本体２６は、ダイオードユニット用端子１９よりもやや下方に配置されているので、接続コネクタ２５とユニット本体２６とは互いに近接配置された状態になっている。このため、ケーブル２７の長さを短く設定することが可能になり、この分ケーブル２７の発熱を抑制することができると共に、電気的ノイズの影響を受け難くすることができる。また、ケーブル２７の材料コストを低減することが可能になる。

なお、上述の第一実施形態では、燃料電池スタック３の一側面３ａに接続コネクタ２５とユニット本体２６とを取り付けた場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、燃料電池スタック３の一側面３ａに接続コネクタ２５を取り付ける一方、燃料電池スタック３の上面３ｂにユニット本体２６を取り付け、これら接続コネクタ２５とユニット本体２６とをハーネス２７で接続してもよい（図２における２点鎖線参照）。ダイオードユニット２４は、接続コネクタ２５とユニット本体２６とに分割構成されているので、このように取り付けることも可能である。このように、燃料電池スタック３の上面３ｂにユニット本体２６を取り付けることもできるのでレイアウト性が向上する。すなわち、例えば、燃料電池車両の仕様に応じてユニット本体２６のレイアウトを変化させることができ、レイアウトのバリエーションを容易に増やすことができる。

（第二実施形態）
次に、この発明の第二実施形態を図８に基づいて説明する。なお、第一実施形態と同一態様には、同一符号を付して説明する。
この第二実施形態において、燃料電池１００は、燃料電池スタック３を有している点、燃料電池スタック３は、セル４を多数積層して電気的に直列接続されたものである点、燃料電池スタック３の両側には、不図示のインシュレータを介して一対のエンドプレート６１ａ，６１ｂが配置され、多数のセル４は、その積層方向の両端部においてインシュレータ（不図示）を間に挟んでエンドプレート６１ａ，６１ｂにより挟持されている点、燃料電池スタック３の一側面３ａにダイオードユニット２４が取り付けられている点等の基本的構成は、前記第一実施形態と同様である。

ここで、第二実施形態の燃料電池１００には、複数のセル４の積層状態を保持するための締結バー４８が一対のエンドプレート６１ａ，６１ｂに跨るように設けられている。すなわち、締結バー４８は、燃料電池スタック３の長手方向に沿うように、かつ燃料電池スタック３の高さ方向（図８における上下方向）略中央に配置され、ボルト４９によって燃料電池スタック３に締結固定されている。そして、締結バー４８にダイオードユニット２４のユニット本体２６がボルト３２によって締結固定されている。つまり、締結バー４８は、複数のセル４の積層状態を保持する役割を有していると共に、ユニット本体２６を燃料電池スタック３に固定するためのブラケットの役割を有している。

したがって、上述の第二実施形態によれば、前述した第一実施形態と同様の効果に加え、ユニット本体２６を固定するためのブラケット３８（図１参照）を削減することができる分、製造コストを低減することが可能になる。

１，１００…燃料電池 ３…燃料電池スタック ３ａ…一側面 ４…セル ５…固体高分子電解質膜（電解質） ６…アノード（電極） ７…カソード（電極） ８…電解質電極構造体 ９ａ，９ｂ…金属製セパレータ（セパレータ） ２４…ダイオードユニット ２５…接続コネクタ（コネクタ部） ２６…ユニット本体 ２７…ケーブル ３５…ダイオード ３８…ブラケット ４８…締結バー

Claims (3)

1. 電解質の両側面に、電極を設けた電解質電極構造体とセパレータとを積層してセルを形成し、
   該セルを複数積層して燃料電池スタックを形成し、
   前記セパレータに、電気的にダイオードユニットを接続した燃料電池であって、
   前記ダイオードユニットを前記セパレータに接続される複数のコネクタ部と、少なくとも１つのダイオードを有するユニット本体とに分割構成し、
   前記燃料電池スタックに、ブラケットを介して前記ユニット本体を設け、
   前記コネクタ部と前記ユニット本体とを互いにケーブルを介して接続したことを特徴とする燃料電池。
2. 前記ユニット本体は、複数の前記ダイオードを有し、
   前記ユニット本体と前記複数のコネクタ部は、互いに前記ダイオードユニットの同一面上であって、かつ前記コネクタ部の配列方向に前記ダイオードの配列方向が沿うように各々配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記ブラケットは、前記燃料電池スタックに設けられ複数の前記セルの積層状態を保持するための締結バーであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池。

Images