JP5332201B2

JP5332201B2 - 燃料電池ユニットおよび燃料電池

Info

Publication number: JP5332201B2
Application number: JP2007339697A
Authority: JP
Inventors: 誠武山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-12-28
Filing date: 2007-12-28
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2027-12-28
Also published as: JP2009163909A

Description

本発明は、燃料電池を備える燃料電池ユニット、または、燃料電池に関する。

燃料電池と、燃料電池ケースと、電気配線が配設される所定の装置とを備え、燃料電池ケースに、燃料電池および所定の装置が収納される燃料電池ユニットが知られている（下記特許文献１参照）。このような燃料電池ユニットでは、燃料電池と燃料電池ケースとは、例えば、所定の弾性部材（マウントなど）を介して接続される。所定の装置としては、燃料電池セルの状態を検出するためのセルモニタ基板、所定の制御回路、または、所定のリレー回路などが挙げられる。

特開２００７−１４１６３６号公報

ところで、上述のような燃料電池ユニットにおいて、例えば、振動などの外力を受けると、上記所定の装置と燃料電池ケースとが相対的に動くおそれがあり、その結果、上記所定の装置に配設される電気配線が、燃料電池ケースにぶつかり擦れてしまうおそれがあった。そうすると、上記所定の装置の電気配線が、破損してしまうおそれがあった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、燃料電池ユニットに燃料電池に固定される所定の装置における電気配線が破損することを抑制する技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、例えば、以下の形態として実現可能である。燃料電池ユニットであって、複数の燃料電池セルと、前記燃料電池セルを挟持するための剛性プレートと、を備える燃料電池と、前記燃料電池に固定された所定の装置と、前記所定の装置と前記燃料電池とを接続する電気配線と、少なくとも、前記燃料電池および前記所定の装置を収納するケースであって、前記燃料電池と接続される燃料電池ケースと、前記電気配線と前記燃料電池ケースとの間に配置され、前記電気配線を保護する保護シートと、を備え、前記所定の装置は、前記複数の燃料電池セルの積層方向と平行な面に設置され、前記保護シートは、絶縁材料で構成され、前記剛性プレートの前記燃料電池ケースと対向する面に載置されて、前記対向する面の全てを絶縁保護すると共に、前記対向する面から前記電気配線と前記燃料電池ケースとの間にかけて延伸した一端が、前記電気配線を保護することを特徴とする。本発明は、そのほか、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

[適用例１]
燃料電池を備えた燃料電池ユニットであって、前記燃料電池に固定された所定の装置と、前記所定の装置と前記燃料電池とを接続する電気配線と、少なくとも、前記燃料電池および前記所定の装置を収納するケースであって、前記燃料電池と接続される燃料電池ケースと、前記電気配線と前記燃料電池ケースとの間に配置され、前記電気配線を保護する保護シートと、を備えることを要旨とする。なお、上記において、「所定の装置が燃料電池に固定される」とあるが、この場合、所定の装置が、燃料電池に固定される他の装置を介して、燃料電池と固定される場合も含む概念である。

上記構成の燃料電池ユニットによれば、電気配線が、燃料電池ケースに接触することを抑制することができ、電気配線が破損することを抑制することができる。

[適用例２]
適用例１に記載の燃料電池ユニットにおいて、前記保護シートは、前記燃料電池ケースよりも柔らかい材料で構成されていることを特徴とする燃料電池ユニット。このようにすれば、電気配線が破損することを抑制することができる。

[適用例３]
適用例１または適用例２に記載の燃料電池ユニットにおいて、前記保護シートは、絶縁材料で構成されていることを特徴とする燃料電池ユニット。このようにすれば、例えば、電気配線の短絡を抑制することができる。

[適用例４]
適用例３に記載の燃料電池ユニットにおいて、前記燃料電池は、複数の燃料電池セルと、前記燃料電池セルを挟持するための剛性プレートと、を備え、前記保護シートは、前記剛性プレートに固定され、前記剛性プレートを絶縁保護することを特徴とする燃料電池ユニット。このようにすれば、保護シートによって、剛性プレートを絶縁保護することができる。

[適用例５]
適用例１ないし適用例４のいずれかに記載の燃料電池ユニットにおいて、前記所定の装置は、前記電気配線を介して前記燃料電池と接続されることを特徴とする燃料電池ユニット。

このようにすれば、保護シートと、電気配線とは、燃料電池の動きに合わせて、ほぼ一緒に動くので、電気配線が、保護シートによって擦れることを抑制することができ、電気配線が破損することをより抑制することができる。

[適用例６]
適用例５に記載の燃料電池ユニットにおいて、前記燃料電池は、複数の燃料電池セルを備え、前記所定の装置は、各燃料電池セルの状態を検出するためのセルモニタ基板を含むことを特徴とする燃料電池ユニット。このようにすれば、セルモニタ基板に接続される電気配線の破損を抑制することができる。

[適用例７]
適用例１ないし適用例５のいずれかに記載の燃料電池ユニットにおいて、前記所定の装置は、ポンプ、弁、所定のセンサ、所定の制御回路、または、所定のリレー回路のいずれかを含むことを特徴とする燃料電池ユニット。

[適用例８]
燃料電池であって、
前記燃料電池に固定される所定の装置から伸びる電気配線と、前記燃料電池および前記所定の装置を収納する燃料電池ケースとの間に配置され、前記電気配線を保護する保護シートが固定されることを特徴とする燃料電池。

上記構成の燃料電池によれば、電気配線が、燃料電池ケースに接触することを抑制することができ、電気配線が破損することを抑制することができる。

なお、本発明は、上記した燃料電池ユニットや燃料電池などの他、燃料電池システムや保護シートなど、他の装置発明の態様として実現することも可能である。また、装置発明に限られることなく、燃料電池ユニットの製造方法などの方法発明としての態様で実現することも可能である。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき次の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池ユニットＦＣＵの概略断面構成を示す図である。図２は、図１の燃料電池ユニットＦＣＵにおけるＡ−Ａ断面を上から見た図である。本実施例の燃料電池ユニットＦＣＵは、図１、図２に示すように、主に、燃料電池１００と、燃料電池ケースＫＳと、燃料電池用補機部材ＨＫと、セルモニタ基板ＣＭと、保護シートＨＳと、マウントＭＴと、を備えている。

燃料電池１００は、燃料ガスとしての水素と酸化ガスとしての空気とを用いて発電を行う固体高分子型の燃料電池であり、図１、図２に示すように一端からエンドプレートＥＰ１、インシュレータＩＳ、ターミナルＴＭ、複数の燃料電池セルＣＬ、ターミナルＴＭ、インシュレータＩＳ、エンドプレートＥＰ２の順に積層され、テンションプレートＴＰ１，ＴＰ２によって締結されて構成されるスタック構造となっている。これら各部材は、板状部材であり、これら部材の側面のうち、厚さ方向に平行な面を端面とも呼ぶ。また、これら部材のうち、テンションプレートＴＰ１，ＴＰ２以外の部材において、それらを積層する方向を積層方向とも呼び、積層方向に垂直な方向であって、上記板状部材の側面に沿った方向を面方向とも呼ぶ。さらに、インシュレータＩＳ、ターミナルＴＭ、複数の燃料電池セルＣＬから成る積層体を積層体ＣＳとも呼ぶ。なお、図１に示すように、ｘ、ｙ、ｚ方向を規定する。

エンドプレートＥＰ１，ＥＰ２は、テンションプレートＴＰ１，ＴＰ２と接合されることにより、積層方向の締結力（押圧力）を維持するための剛性プレートである。ターミナルＴＭは、外部出力端子（図示せず）を有する集電用の板である。インシュレータＩＳは、ターミナルＴＭとエンドプレートＥＰ１，ＥＰ２との間を絶縁するための絶縁用の板である。

燃料電池セルＣＬは、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ‐ＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ：膜電極接合体）（図示せず）と、セパレータ（図示せず）とを交互に積層して構成される。ＭＥＡは、イオン交換膜からなる電解質膜と、この電解質膜の両面にそれぞれ配置されたアノード、カソードと、アノード、カソードに積層される拡散層と、から成る。セパレータには、アノードに燃料ガスとしての水素を、カソードに酸化ガスとしての空気を供給するためのガス流路、および燃料電池冷却用の冷媒を流すための冷媒流路が形成される。

燃料電池用補機部材ＨＫは、燃料電池１００のエンドプレートＥＰ２に固定される。この燃料電池用補機部材ＨＫは、例えば、燃料電池１００が燃料ガス循環型の燃料電池システムに用いられる場合において、燃料電池１００に燃料ガスを循環供給するための循環ポンプや、燃料電池１００に冷媒を給排するための冷媒ポンプや、燃料電池に酸化ガスを供給するためのコンプレッサや、燃料ガスまたは酸化ガスを調圧するための調圧弁や、燃料ガスや酸化ガスを遮断、または、給排するための遮断弁や、燃料電池１００の状態を検出するためのセンサ（温度センサ、圧力センサ、湿度センサ、荷重センサ、圧力センサ、または、電流センサ等）や、弁やポンプなどを制御する制御回路や、燃料電池１００から電力の出力等を切り替えするリレー回路や、燃料ガス、酸化ガス、または、冷媒を給排するための配管などを含む。

テンションプレートＴＰ１，ＴＰ２は、それぞれ、同形状の板状部材であり、積層体ＣＳの側面に対向するように配置されると共に、エンドプレートＥＰ１，ＥＰ２の端面を挟持するように配置され、複数のボルト（図示せず）によって、その端面に接合される。

セルモニタ基板ＣＭは、図１、図２に示すように、各燃料電池セルＣＬのセパレータと電気配線ＫＢを介して接続され、燃料電池セルＣＬのセル電圧を検出するための装置である。このセルモニタ基板ＣＭは、エンドプレートＥＰ１側のテンションプレートＴＰ１上に固定されている。なお、電気配線ＫＢは、積層方向において、エンドプレートＥＰ１より少しはみ出た状態となっている。この電気配線ＫＢは、ゴム状部材で絶縁被覆されている。

燃料電池ケースＫＳは、図１、図２に示すように、燃料電池１００、燃料電池用補機部材ＨＫ、セルモニタ基板ＣＭ、電気配線ＫＢ、および、保護シートＨＳを収納するための略立方体形状のケースである。

マウントＭＴは、ゴムから成る絶縁弾性体である。そして、図１に示すように、燃料電池１００の各エンドプレートＥＰ１，ＥＰ２とマウントＭＴとが、マウントボルトＭＴＢによって、締結され、燃料電池ケースＫＳとマウントＭＴとが、ケースボルトＫＳＢによって、締結される。これにより、燃料電池１００と燃料電池ケースＫＳとは、マウントＭＴを介して接続される。

保護シートＨＳは、絶縁性を有し、燃料電池ケースＫＳより比較的柔らかい材料で形成され、例えば、ゴム、ＰＰ、ＰＥＴなどが用いられる。この保護シートＨＳは、一部が、エンドプレートＥＰ１の絶縁保護ためのエンドプレートＥＰ１に固定されると共に、一部が、面方向（ｙ方向）に伸びるように、燃料電池ケースＫＳとセルモニタ基板ＣＭと接続される電気配線ＫＢとの間に配置されている。

ところで、上述のように、燃料電池１００と燃料電池ケースＫＳとが、弾性体であるマウントＭＴを介して接続されていると、例えば、振動などの外力を受けた場合、燃料電池１００と、燃料電池ケースＫＳとが相対的に動くおそれがあり、すなわち、燃料電池１００のテンションプレートＴＰ１に固定されるセルモニタ基板ＣＭと、燃料電池ケースＫＳとが相対的に動くおそれがあった。そうすると、エンドプレートＥＰ１より積層方向に少しはみ出た電気配線ＫＢと、燃料電池ケースＫＳとが、ぶつかり合い、電気配線ＫＢが擦れてしまい、断線したり、絶縁被覆が破損してしまうおそれがあった。その結果、電気配線ＫＢ同士が、短絡したりするなど不具合が生じるおそれがあった。

一方、本実施例の燃料電池ユニットＦＣＵでは、比較的柔らかい保護シートＨＳが、燃料電池ケースＫＳと、エンドプレートＥＰ１より積層方向に少しはみ出た電気配線ＫＢとの間に設けられているので、その電気配線ＫＢが、燃料電池ケースＫＳに接触することを抑制することができ、電気配線ＫＢが、断線したり、絶縁被覆が破損したりすることを抑制することができる。

また、電気配線ＫＢが接続されたセルモニタ基板ＣＭ、および、保護シートＨＳは、燃料電池１００（エンドプレートＥＰ１）に固定されている。このようにすれば、保護シートＨＳと、セルモニタ基板ＣＭに接続された電気配線ＫＢとは、燃料電池１００の動きに合わせて、ほぼ一緒に動くので、電気配線ＫＢが、保護シートＨＳによって擦れることを抑制することができ、電気配線ＫＢが、断線したり、絶縁被覆が破損したりすることをより抑制することができる。

さらに、保護シートＨＳは、絶縁材料で形成されているので、仮に電気配線ＫＢの絶縁被覆が破損しても、エンドプレートＥＰ１とセルモニタ基板ＣＭとの間が、電気的に接続したり、電気配線ＫＢ同士が短絡したりすることを抑制することができ、燃料電池１００の安全な運転が可能となる。

なお、本実施例において、セルモニタ基板ＣＭは、請求項における所定の装置に該当し、燃料電池ケースＫＳは、請求項における燃料電池ケースに該当し、保護シートＨＳは、請求項における保護シートに該当し、エンドプレートＥＰ１は、請求項における剛性プレートに該当する。

Ｂ．第２実施例：
図３は、本発明の第２実施例における燃料電池ユニットＦＣＵ１の概略断面構成を示す図である。この燃料電池ユニットＦＣＵ１は、第１実施例の燃料電池ユニットＦＣＵとほとんど同様の構成であるが、保護シートＨＳ１が、面方向（ｙ方向）に伸びると共に、積層方向（ｘ方向）にも伸びるように配置されている。この場合、保護シートＨＳ１は、第１実施例の保護シートＨＳと同様、一部が、エンドプレートＥＰ１に固定されている。このようにすれば、エンドプレートＥＰ１より積層方向に少しはみ出た電気配線ＫＢに限らず、面方向（ｙ方向）に伸びる電気配線ＫＢにおいても、燃料電池ケースＫＳに接触することを抑制することができ、その電気配線ＫＢが、断線したり、絶縁被覆が破損したりすることを抑制することができる。

Ｃ．変形例：
なお、上記実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば以下のような変形も可能である。

Ｃ１．変形例１：
上記実施例の燃料電池ユニットＦＣＵにおいて、保護シートＨＳは、燃料電池１００に固定されているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、保護シートＨＳは、燃料電池１００に固定される所定の部材（例えば、燃料電池用補機部材ＨＫ）に固定されてもよい。このようにすれば、保護シートＨＳと、電気配線ＫＢとは、燃料電池１００の動きに合わせて、ほぼ一緒に動くので、電気配線ＫＢが、保護シートＨＳによって擦れることを抑制することができ、電気配線ＫＢが、断線したり、絶縁被覆が破損したりすることをより抑制することができる。

Ｃ２．変形例２：
上記実施例の燃料電池ユニットＦＣＵにおいて、保護シートＨＳは、セルモニタ基板ＣＭと接続される電気配線ＫＢと燃料電池ケースＫＳとの間に配置されているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、保護シートＨＳを、燃料電池１００に固定すると共に、燃料電池１００に固定される所定の装置（例えば、燃料電池用補機部材ＨＫなど）に接続される電気配線と燃料電池ケースＫＳとの間に配置するようにしてもよい。このようにすれば、この所定の装置と接続される電気配線が、燃料電池ケースＫＳに接触することを抑制することができ、この電気配線が、断線したり、絶縁被覆が破損したりすることを抑制することができる。また、保護シートＨＳと、この電気配線とは、燃料電池１００の動きに合わせて、ほぼ一緒に動くので、この電気配線が、保護シートＨＳによって擦れることを抑制することができ、断線したり、絶縁被覆が破損したりすることをより抑制することができる。

本発明の第１実施例としての燃料電池ユニットＦＣＵの概略断面構成を示す図である。図１の燃料電池ユニットＦＣＵにおけるＡ−Ａ断面を上から見た図である。本発明の第２実施例における燃料電池ユニットＦＣＵ１の概略断面構成を示す図である。

符号の説明

１００…燃料電池
ＦＣＵ，ＦＣＵ１…燃料電池ユニット
ＫＢ…電気配線
ＨＫ…燃料電池用補機部材
ＣＬ…燃料電池セル
ＣＭ…セルモニタ基板
ＴＭ…ターミナル
ＨＳ，ＨＳ１…保護シート
ＩＳ…インシュレータ
ＫＳ…燃料電池ケース
ＣＳ…積層体
ＭＴ…マウント
ＴＰ１，ＴＰ２…テンションプレート
ＥＰ１，ＥＰ２…エンドプレート
ＫＳＢ…ケースボルト
ＭＴＢ…マウントボルト

Claims

燃料電池ユニットであって、
複数の燃料電池セルと、前記燃料電池セルを挟持するための剛性プレートと、を備える燃料電池と、
前記燃料電池に固定された所定の装置と、
前記所定の装置と前記燃料電池とを接続する電気配線と、
少なくとも、前記燃料電池および前記所定の装置を収納するケースであって、前記燃料電池と接続される燃料電池ケースと、
前記電気配線と前記燃料電池ケースとの間に配置され、前記電気配線を保護する保護シートと、
を備え、
前記所定の装置は、前記複数の燃料電池セルの積層方向と平行な面に設置され、
前記保護シートは、
絶縁材料で構成され、前記剛性プレートの前記燃料電池ケースと対向する面に載置されて、前記対向する面の全てを絶縁保護すると共に、
前記対向する面から前記電気配線と前記燃料電池ケースとの間にかけて延伸した一端が、前記電気配線を保護することを特徴とする燃料電池ユニット。
請求項１に記載の燃料電池ユニットにおいて、
前記保護シートは、前記燃料電池ケースよりも柔らかい材料で構成されていることを特徴とする燃料電池ユニット。
請求項１または請求項２に記載の燃料電池ユニットにおいて、
前記所定の装置は、前記電気配線を介して前記燃料電池と接続されることを特徴とする燃料電池ユニット。
請求項３に記載の燃料電池ユニットにおいて、
前記所定の装置は、
各燃料電池セルの状態を検出するためのセルモニタ基板を含むことを特徴とする燃料電池ユニット。
請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池ユニットにおいて、
前記所定の装置は、
所定の制御回路、または、所定のリレー回路のいずれかを含むことを特徴とする燃料電池ユニット。
複数の燃料電池セルと、前記燃料電池セルを挟持するための剛性プレートと、を備える燃料電池であって、
前記燃料電池および所定の装置を収納する燃料電池ケースと、前記複数の燃料電池セルの積層方向と平行な面に設置される所定の装置から伸びる電気配線と、の間に配置され、前記電気配線を保護する保護シートであって、絶縁材料で構成され、前記剛性プレートの前記燃料電池ケースと対向する面に載置されて、前記対向する面の全てを絶縁保護すると共に、前記対向する面から前記電気配線と前記燃料電池ケースとの間にかけて延伸した一端が、前記電気配線を保護する保護シートが固定されることを特徴とする燃料電池。