JP5333980B2

JP5333980B2 - 燃料電池及びその車載構造

Info

Publication number: JP5333980B2
Application number: JP2008004794A
Authority: JP
Inventors: 剛司片野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-01-11
Filing date: 2008-01-11
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2028-01-11
Also published as: JP2009170169A

Description

本発明は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池及びその車載構造に関する。

近年、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池が注目されている。このような燃料電池として、単セルが複数積層されたセル積層体の両側に集電板をそれぞれ配置するとともに、これらを両集電板よりも両外側に配置されたエンドプレートで挟持して燃料電池スタックを構成し、さらにこの燃料電池スタックを防水のためスタックケースで覆って構成されるものがある。
この燃料電池は、集電板に導通する両側のエンドプレートが絶縁構造部を介してスタックケースの内面に固定され、このスタックケースが車両側に支持されるようになっている。

また、燃料電池の車載構造として、エンドプレートを合成樹脂製とし、このエンドプレートにおいて燃料電池を車両ボディに取り付ける構造のものがある（例えば特許文献１参照）。
特開２００６−３３１６４８号公報

ところで、上記のような燃料電池を車載するにあたっては、燃料電池を極力小型化及び軽量化する必要がある。

そこで、本発明は、小型化及び軽量化可能な燃料電池及びその車載構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の燃料電池は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行うセルが複数積層されてなるセル積層体および前記セル積層体の積層方向両端部にそれぞれ設けられたエンドプレートを備えて構成される燃料電池スタックと、前記エンドプレートの間に配置され、前記セル積層体を覆うスタックカバーと、前記エンドプレートと前記スタックカバーとの間をシールするためのシール部と、を備え、前記燃料電池スタックの少なくとも積層方向一端側が絶縁性のエンドプレートで支持されるとともに、前記スタックカバーの両端の開口部が、前記シール部及び前記エンドプレートで閉塞されてなるものである。

かかる構成の燃料電池によれば、エンドプレートを絶縁性とし、このエンドプレートでスタックカバーの開口部を閉塞するため、エンドプレートがスタックケースの一部を構成して燃料電池スタックを覆うことになる。よって、外形寸法を小さくすることが可能となり、小型化及び軽量化が可能となる。

また、この燃料電池を、絶縁性のエンドプレートを介して車両側に支持することができる。

かかる構成の燃料電池の車載構造によれば、燃料電池の重量をスタックカバーに負担させるのではなくエンドプレートに負担させるので、スタックカバーの高剛性化及び高強度化の必要性が低くなり、軽量化が可能となる。

この場合、前記燃料電池を、前記絶縁性のエンドプレートを介して、車両のクロスメンバ、センタトンネル、サイドフレーム、サイドシル、燃料ガスを貯蔵するタンクを支持するタンクフレーム、サスペンションメンバ、車両に駆動力を与えるトラクションモータ、あるいは、燃料電池の発電状態を制御する制御ユニットに付設されたヒートシンクに支持させることができる。

かかる構成によれば、車両側の剛性の高い部分でエンドプレートを支持できるため、車両側の支持部の高剛性化及び高強度化の必要性が低くなり、車両側の軽量化が可能となる。

また本発明の燃料電池は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行うセルが複数積層されてなるセル積層体および前記セル積層体の積層方向両端部にそれぞれ設けられたエンドプレートを備えて構成される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを覆うスタックカバーと、を備えた燃料電池を車両に搭載する燃料電池の車載構造であって、前記燃料電池スタックの少なくとも積層方向一端側が絶縁性のエンドプレートで支持されるとともに、前記スタックカバーの開口部が前記絶縁性のエンドプレートで閉塞されてなり、前記燃料電池が、前記絶縁性のエンドプレートを介して、車両側に支持され、前記燃料電池スタックの積層方向他端側を支持するエンドプレートに棒状部材が設けられていると共に、前記棒状部材が前記スタックカバーを貫通して車両側に支持されるものである。

かかる構成によれば、燃料電池スタックを両持ちの状態にて安定的に車両側に支持することができる。

また、前記エンドプレートが、導電性のコア部材に非導電性の表面処理を施して形成されている場合に、前記コア部材を車両側に非絶縁状態で支持するようにしても良い。

かかる構成によれば、エンドプレートのコア部材と車両側とを等電位でグラウンドとすることができる。

また本発明の燃料電池は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行うセルが複数積層されてなるセル積層体および前記セル積層体の積層方向両端部にそれぞれ設けられたエンドプレートを備えて構成される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを覆うスタックカバーと、を備えた燃料電池を車両に搭載する燃料電池の車載構造であって、前記燃料電池スタックの少なくとも積層方向一端側が絶縁性のエンドプレートで支持されるとともに、前記スタックカバーの開口部が前記絶縁性のエンドプレートで閉塞されてなり、前記燃料電池が、前記絶縁性のエンドプレートを介して、車両側に支持され、前記絶縁性のエンドプレートは、導電性のコア部材に非導電性の表面処理を施して形成されており、前記コア部材が車両側に非絶縁状態で支持され、前記スタックカバーに前記コア部材と導通する導電層を設けてなるものである。

かかる構成によれば、スタックカバー及びエンドプレートを車両側の電位とすることができ、電気ノイズシールドの能力を高めることができる。

本発明によれば、小型化及び軽量化可能な燃料電池及びその車載構造を提供することができる。

本発明に係る燃料電池及びその車載構造の第１実施形態を、図１〜図４を参照しつつ説明する。

燃料電池１は、図１に示すように、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行う基本単位のセル２が複数積層されたセル積層体３と、セル２の積層方向におけるセル積層体３の一端に配置された集電板としてのターミナルプレート４と、ターミナルプレート４のセル積層体３とは反対側に配置された絶縁性のエンドプレート５と、セル２の積層方向におけるセル積層体３の他端に配置された集電板としてのターミナルプレート６と、ターミナルプレート６のセル積層体３とは反対側に配置された絶縁性のエンドプレート７と、２枚のエンドプレート５，７同士を連結させる図示略の複数のテンションプレートとを主体として構成された燃料電池スタック９を備えている。
すなわち、燃料電池スタック９は、セル積層体３が２枚のエンドプレート５，７に挟持された状態で支持されてなる。ここで、エンドプレート５，７は、全体が絶縁性の合成樹脂材料からなり、あるいは導電性の部材を絶縁性の合成樹脂材料で被覆して構成されている。

燃料電池スタック９には、一方のエンドプレート５のセル積層体３とは反対側に、燃料ガスおよび酸化ガスをセル積層体３に供給するためのシステム構成部品８が取り付けられている。
システム構成部品８には、例えば、燃料ガスタンクからの燃料ガスを燃料電池スタック９に供給する燃料供給配管の一部と、燃料電池スタック９から排出された燃料オフガスを前記燃料供給配管に戻す循環配管と、燃料供給配管に設けられて燃料ガスの圧力を調整するレギュレータと、循環配管に設けられた循環ポンプおよび気液分離器と、気液分離器に接続されて燃料オフガスを外部にパージする排出配管と、排出配管に設けられた排出弁と、が含まれる。

そして、第１実施形態において、燃料電池スタック９には、両端が開口する筒状をなす絶縁性のスタックカバー１０が、２枚のエンドプレート５，７間にセル積層体３を覆うように配置されている。このスタックカバー１０は一端の開口部１１が、隙間をシールするためのシール部１２を介してエンドプレート５に取り付けられており、他端の開口部１３が、隙間をシールするためのシール部１４を介してエンドプレート７に取り付けられている。
これにより、スタックカバー１０は両側の開口部１１，１３がシール部１２，１４及びエンドプレート５，７で閉塞されることになり、これらスタックカバー１０、シール部１２，１４及びエンドプレート５，７で、燃料電池スタック９を防水するためのスタックケース１５が構成されている。

また、燃料電池スタック９には、一端が開口する有底筒状をなすカバー１６がエンドプレート５のスタックカバー１０とは反対側に、システム構成部品８を覆うように配置されている。このカバー１６は、その開口部１７がシール部１８を介してエンドプレート５に取り付けられており、これにより、開口部１７がエンドプレート５及びシール部１８で閉塞されている。

そして、燃料電池スタック９とスタックケース１５とを備えて構成される燃料電池１が、セル積層体３の両側に配置された絶縁性のエンドプレート５，７を介して、車両側に支持されている。つまり、システム構成部品８が取り付けられた一方のエンドプレート５が例えば同一面方向に配置された支持部材２０を介して車両側の支持部２１に支持され、他方のエンドプレート７が例えばセル２の積層方向に沿って配置された支持部材２２を介して車両側の支持部２３に支持されている。

ここで、車両側の支持部２１，２３としては、図２に示す車体フロア２５において車幅方向に延設された補強用の閉断面構造のクロスメンバ２６、車体フロア２５の車幅方向の中央において車体前後方向に延設された、図示略の後輪駆動ドライブシャフトの配設用の開断面構造のセンタトンネル２７、車体フロア２５の車幅方向の両側で車体前後方向に延設された補強用の閉断面構造のサイドフレーム２８またはサイドシル２９等のフロア高剛性部や、図示略の燃料ガスタンクを支持するために車幅方向に延設された高剛性の閉断面構造のタンクフレーム３０、車輪を支持するために車幅方向に延設された高剛性のサスペンションメンバ３２、前輪駆動用の図３に示すドライブシャフト３３を有するトラクションモータ３４の高剛性のケース３５、及び、燃料電池１の発電状態を制御するための図４に示すパワーコントロールユニット（制御ユニット）３６に付設された、冷媒ＬＬＣが流通する高剛性の冷却用ヒートシンク３７の中から適宜のものが選択される。なお、パワーコントロールユニット３６用のヒートシンク３７に支持する場合、車両のクラッシャブルゾーンではないゾーンに配置することになる。

以上に述べた第１実施形態によれば、燃料電池１が、エンドプレート５，７を絶縁性とし、これらのエンドプレート５，７でスタックカバー１０の両側の開口部１１，１３を閉塞するため、エンドプレート５，７がスタックケース１５の一部を構成して燃料電池スタック３を覆って防水を行うことになる。よって、外形寸法を小さくすることが可能となり、小型化及び軽量化が可能となる。

また、この燃料電池１が、エンドプレート５，７を介して車両側に支持されるため、スタックカバー１０にて燃料電池スタック９の重量を負担する必要がなくなってスタックカバー１０の高剛性化及び高強度化の必要性が低くなり、この点でも軽量化が可能となる。

また、燃料電池１のエンドプレート５，７が、クロスメンバ２６、センタトンネル２７、サイドフレーム２８、サイドシル２９、タンクフレーム３０、サスペンションメンバ３２、トラクションモータ３４、パワーコントロールユニット３６用のヒートシンク３７のいずれかに支持されるため、車両側の剛性の高い部分にエンドプレート５，７を支持でき、車両側の支持部２１，２３の高剛性化及び高強度化の必要性が低くなり、車両側の軽量化が可能となる。

しかも、燃料電池１をセル積層体３の積層方向両側に配置されたエンドプレート５，７を介した両持ち状態で安定的に車両側に支持することができる。

本発明に係る燃料電池及びその車載構造の第２実施形態を、主に図５を参照しつつ第１実施形態との相違部分を中心に説明する。

第２実施形態において、燃料電池１Ａは、そのスタックカバー１０Ａが、一端に開口部１１を有する有底筒状をなしており、一方のエンドプレート５にセル積層体３及び他方のエンドプレート７を覆うように配置されている。このスタックカバー１０Ａも、その開口部１１がシール部１２を介してエンドプレート５に取り付けられており、これにより、開口部１１がエンドプレート５で閉塞されている。これらスタックカバー１０Ａ、シール部１２及びエンドプレート５でスタックケース１５Ａが構成されている。

そして、スタックカバー１０Ａで覆われている他方のエンドプレート７にセル２の積層方向に沿って延出する丸棒等の棒状部材４０が設けられており、この棒状部材４０がスタックカバー１０Ａの底部の挿通穴４１を貫通している。スタックカバー１０Ａの挿通穴４１と棒状部材４０との間にも、これらの隙間をシールするシール部４２が設けられている。

第２実施形態においても、燃料電池１Ａは、エンドプレート５と、エンドプレート７に固定された棒状部材４０とにおいて車両側に支持される。

以上に述べた第２実施形態によっても、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

次に、本発明に係る燃料電池及びその車載構造の第３実施形態を、図６及び図７を参照しつつ第１実施形態との相違部分を中心に説明する。

第３実施形態において、燃料電池１Ｂは、エンドプレート７Ｂが導電性を有する板状のコア部材４５に非導電性の表面処理を施して形成されており、表面の非導電層４６において燃料電池スタック３に接触する一方、コア部材４５を介することで車両側に非絶縁状態で支持されている。つまり、導電性のコア部材４５が導電性の締結部材４７を介して導電性の支持部材４８に連結され、この支持部材４８を介して車両側の導電性の支持部２３Ｂに支持されている。なお、符号４９は燃料ガス、燃料オフガス、酸化ガス、酸化オフガス、冷媒のいずれかが流通する流通孔である。

また、筒状のスタックカバー１０Ｂが導電性の締結部材５０を介してエンドプレート７Ｂに連結されている。このスタックカバー１０Ｂには、締結部材５０を介してエンドプレート７Ｂのコア部材４５と導通する図７に示す導電層５１が設けられている。このスタックカバー１０Ｂは、導電層５１の内側に、燃料電池スタック３との空間距離を短くするための樹脂製の絶縁層５２が設けられており、導電層５１の外側に、導電層５１が導通してしまったときのフェールセーフのための樹脂製の絶縁層５３が設けられている。
なお、図示は略すが、反対のエンドプレート側も同様の構造になっている。

以上に述べた第３実施形態によっても、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。その上、エンドプレート７Ｂのコア部材４５と車両側とを等電位でグラウンドとすることができる。

また、スタックカバー１０Ｂに導電層５１が設けられているため、スタックカバー１０Ｂ、エンドプレート７Ｂ及び反対側の図示略のエンドプレートからなるスタックケース（エンクロージャ）の全体を車両側の電位とすることができ、電気ノイズシールドの能力を高めることができる。

次に、本発明に係る燃料電池及びその車載構造の第４実施形態を、図８を参照しつつ第１実施形態との相違部分を中心に説明する。

第４実施形態において、燃料電池１Ｃは、複数（図８では２つ）のセル積層体３Ｃ，３Ｃが並設されることにより、個々の積層長が短くされており、これらセル積層体３Ｃ，３Ｃのそれぞれの一端が、システム構成部品８が取り付けられるエンドプレート５Ｃに共通で固定されている。また、これらセル積層体３Ｃ，３Ｃの他端は、個別のエンドプレート７Ｃ，７Ｃに固定されている。
そして、スタックカバー１０Ｃが、一端に開口部１１Ｃを有する有底筒状をなしており、一方のエンドプレート５Ｃにセル積層体３Ｃ，３Ｃ及び他方のエンドプレート７Ｃ，７Ｃを覆うように配置されている。これにより、開口部１１Ｃがシール部１２Ｃを介してエンドプレート５Ｃで閉塞されており、これらでスタックケース１５Ｃが構成されている。

この場合、一方のエンドプレート５Ｃが車両側に取り付けられることになり、このエンドプレート５Ｃの片持ちによって燃料電池１Ｃが車両側に支持されることになる。
つまり、本実施形態の燃料電池１Ｃは、例えば図１に示す実施形態と比較して、同じセル数であれば、セル積層体３Ｃ，３Ｃ（図８）の積層長が短くなるので、車両側への片持ちでの安定的な支持に一層適した形態となっている。

本発明に係る燃料電池及びその車載構造の第１実施形態を示す断面図である。同燃料電池の車載位置を説明するための車体フロアの平面図である。同燃料電池の車載位置を説明するためのトラクションモータの側面図である。同燃料電池の車載位置を説明するためのヒートシンク等を示す側面図である。本発明に係る燃料電池及びその車載構造の第２実施形態を示す断面図である。本発明に係る燃料電池及びその車載構造の第３実施形態を示す断面図である。本発明に係る燃料電池及びその車載構造の第３実施形態のスタックカバーを示す断面図である。本発明に係る燃料電池及びその車載構造の第４実施形態を示す断面図である。

符号の説明

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…燃料電池、３，３Ｃ…セル積層体、５，５Ｃ，７，７Ｂ，７Ｃ…エンドプレート、９…燃料電池スタック、１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…スタックカバー、１１，１１Ｃ…開口部、２６…クロスメンバ、２７…センタトンネル、２８…サイドフレーム、サイドシル２９、３０…タンクフレーム、３２…サスペンションメンバ、３４…トラクションモータ、３６…パワーコントロールユニット（制御ユニット）、３７…ヒートシンク、４０…棒状部材、４５…コア部材、５１…導電層。

Claims

燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行うセルが複数積層されてなるセル積層体および前記セル積層体の積層方向両端部にそれぞれ設けられたエンドプレートを備えて構成される燃料電池スタックと、前記エンドプレートの間に配置され、前記セル積層体を覆うスタックカバーと、前記エンドプレートと前記スタックカバーとの間をシールするためのシール部と、を備え、
前記燃料電池スタックの少なくとも積層方向一端側が絶縁性のエンドプレートで支持されるとともに、前記スタックカバーの両端の開口部が前記シール部及び前記絶縁性のエンドプレートで閉塞されてなる燃料電池。
燃料電池を車両に搭載する燃料電池の車載構造であって、
請求項１記載の燃料電池が、前記絶縁性のエンドプレートを介して、車両側に支持される燃料電池の車載構造。
前記燃料電池が、前記絶縁性のエンドプレートを介して、前記車両のクロスメンバに支持される請求項２に記載の燃料電池の車載構造。
前記燃料電池が、前記絶縁性のエンドプレートを介して、前記車両のセンタトンネルに支持される請求項２に記載の燃料電池の車載構造。
前記燃料電池が、前記絶縁性のエンドプレートを介して、前記車両のサイドフレームまたはサイドシルに支持される請求項２に記載の燃料電池の車載構造。
前記燃料電池が、前記絶縁性のエンドプレートを介して、前記燃料ガスを貯蔵するタンクを支持する前記車両のタンクフレームに支持される請求項２に記載の燃料電池の車載構造。
前記燃料電池が、前記絶縁性のエンドプレートを介して、前記車両のサスペンションメンバに支持される請求項２に記載の燃料電池の車載構造。
前記燃料電池が、前記絶縁性のエンドプレートを介して、前記車両に駆動力を与えるトラクションモータに支持される請求項２に記載の燃料電池の車載構造。
前記燃料電池が、前記絶縁性のエンドプレートを介して、当該燃料電池の発電状態を制御する制御ユニットに付設されたヒートシンクに支持される請求項２に記載の燃料電池の車載構造。
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行うセルが複数積層されてなるセル積層体および前記セル積層体の積層方向両端部にそれぞれ設けられたエンドプレートを備えて構成される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを覆うスタックカバーと、を備えた燃料電池を車両に搭載する燃料電池の車載構造であって、
前記燃料電池スタックの少なくとも積層方向一端側が絶縁性のエンドプレートで支持されるとともに、前記スタックカバーの開口部が前記絶縁性のエンドプレートで閉塞されてなり、
前記燃料電池が、前記絶縁性のエンドプレートを介して、車両側に支持され、
前記燃料電池スタックの積層方向他端側を支持するエンドプレートに棒状部材が設けられていると共に、前記棒状部材が前記スタックカバーを貫通して車両側に支持される燃料電池の車載構造。
前記絶縁性のエンドプレートは、導電性のコア部材に非導電性の表面処理を施して形成されており、前記コア部材が車両側に非絶縁状態で支持される請求項２に記載の燃料電池の車載構造。
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行うセルが複数積層されてなるセル積層体および前記セル積層体の積層方向両端部にそれぞれ設けられたエンドプレートを備えて構成される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを覆うスタックカバーと、を備えた燃料電池を車両に搭載する燃料電池の車載構造であって、
前記燃料電池スタックの少なくとも積層方向一端側が絶縁性のエンドプレートで支持されるとともに、前記スタックカバーの開口部が前記絶縁性のエンドプレートで閉塞されてなり、
前記燃料電池が、前記絶縁性のエンドプレートを介して、車両側に支持され、
前記絶縁性のエンドプレートは、導電性のコア部材に非導電性の表面処理を施して形成されており、前記コア部材が車両側に非絶縁状態で支持され、
前記スタックカバーに前記コア部材と導通する導電層を設けてなる燃料電池の車載構造。