JP5378068B2 - 燃料電池スタックの取り付け構造 - Google Patents

Description

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが重力方向に積層される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層されるとともに、積層方向両端には、上側エンドプレート及び下側エンドプレートが配設される燃料電池スタックを車両に取り付けるための燃料電池スタックの取り付け構造に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した単位セルを備えている。この燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

この種の燃料電池スタックは、定置用の他、燃料電池自動車等の車両への搭載が考慮されている。例えば、特許文献１に開示されている車両搭載型燃料電池の支持構造が知られている。

この支持構造では、図７に示すように、燃料電池１の組み立て体は、単セルの積層体であるセルスタック２と、前記セルスタック２の上端及び下端に配設される上部締め付け板３ａ及び下部締め付け板３ｂと、前記セルスタック２の周側面に配設されたマニホールド４とからなり、車体の床面に配置されたベース架台５上に配置されている。

ベース架台５には、燃料電池１の周壁２箇所に振り分けて補強板６ａ、６ｂの一端（下端）が固定されるとともに、前記補強板６ａ、６ｂの他端（上端）は、上部締め付け板３ａに結合されている。

補強板６ａ、６ｂの上部には、弾性変形可能なベンド部７ａ、７ｂが湾曲形成されており、車体側から燃料電池１に加わる荷重等による変形が緩和される、としている。

特開平５−８２１５３号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、燃料電池１が平板状の補強板６ａ、６ｂによりベース架台５に支持されているため、この補強板６ａ、６ｂの剛性が低下し易い。

しかも、補強板６ａ、６ｂの上部には、弾性変形可能なベンド部７ａ、７ｂが湾曲形成されている。従って、車両に比較的大きな外部荷重が付与された際には、前記燃料電池１を強固に保持することができないという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、燃料電池スタックを車両に対して強固且つ確実に固定するとともに、スペースの有効利用を図ることが可能な燃料電池スタックの取り付け構造を提供することを目的とする。

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが重力方向に積層される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層されるとともに、積層方向両端には、上側エンドプレート及び下側エンドプレートが配設される燃料電池スタックを車両に取り付けるための燃料電池スタックの取り付け構造に関するものである。

この取り付け構造は、下側エンドプレートの下方には、反応ガス及び冷却媒体の配管が設けられるとともに、前記下側エンドプレートを車両側フレーム部材に固定する下側マウント部材と、上側エンドプレートを前記車両側フレーム部材に固定する上側マウント部材とを備えている。そして、上側マウント部材は、燃料電池スタック及び車両側フレーム部材の間に、燃料電池用補器類を配設するための開口部を設けるとともに、前記開口部は、上側エンドプレートから下側エンドプレートに向かって間隙が広がっている。

また、上側マウント部材と下側マウント部材とは、一体に架け渡される連結部材を介して、互いの間隔を保持した状態で固定されることが好ましい。

さらに、上側マウント部材は、車両側フレーム部材と一体に形成されることが好ましい。

本発明によれば、下側エンドプレートが下側マウント部材を介して車両用フレーム部材に固定される一方、上側エンドプレートが上側マウント部材を介して前記車両用フレーム部材に固定されている。このため、燃料電池スタックは、車両用フレーム部材に対して強固且つ確実に固定される。

しかも、上側マウント部材には、燃料電池スタックとの間に燃料電池用補器類を配設するための開口部が設けられている。これにより、燃料電池スタックの側面と上側マウント部材とのスペースを有効に利用することができ、車両内のスペース効率が良好に向上するとともに、燃料電池システム全体のコンパクト化が容易に図られる。

本発明の第１の実施形態に係る取り付け構造が適用される燃料電池スタックを組み込む燃料電池システムの概略構成説明図である。 前記燃料電池スタック及び前記取り付け構造の概略斜視説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタック及び前記取り付け構造の側面説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る取り付け構造の要部分解斜視説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る取り付け構造の要部分解斜視説明図である。 特許文献１の支持構造の斜視説明図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る取り付け構造が適用される燃料電池スタック１０を組み込む燃料電池システム１２は、図示しない燃料電池車両に搭載される。

燃料電池システム１２は、燃料電池スタック１０と、前記燃料電池スタック１０に燃料ガス（反応ガス）を供給するための燃料ガス供給機構１４と、前記燃料電池スタック１０に酸化剤ガス（反応ガス）を供給するための酸化剤ガス供給機構１６と、前記燃料電池スタック１０に冷却媒体を供給するための冷却媒体供給機構（図示せず）とを備える。

燃料ガス供給機構１４は、燃料ガスとして水素ガスが貯留される燃料タンク（水素タンク）１８を備える。この燃料タンク１８には、燃料ガス供給配管２０の一端が接続され、前記燃料ガス供給配管２０の他端は、遮断弁２１及びエゼクタ２２を介して燃料電池スタック１０の後述する燃料ガス入口連通孔５８ａに接続される。

燃料ガス供給機構１４は、使用済みの燃料ガスを排出するための排出燃料ガス配管２４を備える。この排出燃料ガス配管２４は、リターン配管２６を介してエゼクタ２２に接続されるとともに、希釈器２８を介して外部に開放可能である。

酸化剤ガス供給機構１６は、空気供給配管３０を備え、この空気供給配管３０には、燃料電池スタック１０の後述する酸化剤ガス入口連通孔５６ａに向かって、膜加湿器３２、コンプレッサ３４及び熱交換器３６の順に配置される。

膜加湿器３２は、供給前の酸化剤ガスと前記燃料電池スタック１０から排出される排出酸化剤ガスとの間で、水交換を行う。コンプレッサ３４は、膜加湿器３２を通過した酸化剤ガスを、燃料電池スタック１０に向かって圧送する。熱交換器３６は、コンプレッサ３４から圧送された酸化剤ガスを、燃料電池スタック１０に適した温度に調整する。

酸化剤ガス供給機構１６は、使用済みの酸化剤ガスを排出するための排出酸化剤ガス配管３８を備える。この排出酸化剤ガス配管３８は、膜加湿器３２に接続される。膜加湿器３２は、例えば、中空糸膜型加湿器を採用することができる。

図２に示すように、燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池４２が矢印Ａ方向（鉛直方向）に積層される。燃料電池４２の積層方向下端（一端）には、第１ターミナルプレート４４ａ、第１絶縁プレート４６ａ及び第１エンドプレート（下側エンドプレート）４８ａが積層される一方、積層方向上端（他端）には、第２ターミナルプレート４４ｂ、第２絶縁プレート４６ｂ及び第２エンドプレート（上側エンドプレート）４８ｂが積層される。

図３に示すように、燃料電池４２は、電解質膜・電極構造体５０が、第１及び第２セパレータ５２、５４に挟持される。第１及び第２セパレータ５２、５４は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、あるいはめっき処理鋼板等の金属セパレータやカーボンセパレータにより構成される。

燃料電池４２の矢印Ｂ方向（図３中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔５６ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔５８ａが、矢印Ｃ方向（水平方向）に配列して設けられる。

燃料電池４２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔５８ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔５６ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

燃料電池４２の矢印Ｃ方向の両端縁部には、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔６０ａ、及び前記冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔６０ｂが設けられる。

第１セパレータ５２の電解質膜・電極構造体５０に向かう面５２ａには、酸化剤ガス入口連通孔５６ａと酸化剤ガス出口連通孔５６ｂとに連通する酸化剤ガス流路６２が設けられる。第２セパレータ５４の電解質膜・電極構造体５０に向かう面５４ａには、燃料ガス入口連通孔５８ａと燃料ガス出口連通孔５８ｂとに連通する燃料ガス流路６４が設けられる。

互いに隣接する燃料電池４２を構成する第１セパレータ５２の面５２ｂと、第２セパレータ５４の面５４ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔６０ａと冷却媒体出口連通孔６０ｂとを連通する冷却媒体流路６６が設けられる。

第１セパレータ５２の面５２ａ、５２ｂには、第１シール部材６８が、一体的又は個別に設けられるとともに、第２セパレータ５４の面５４ａ、５４ｂには、第２シール部材７０が、一体的に又は個別に設けられる。

第１及び第２シール部材６８、７０は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。

電解質膜・電極構造体５０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜７２と、前記固体高分子電解質膜７２を挟持するカソード側電極７４及びアノード側電極７６とを備える。

カソード側電極７４及びアノード側電極７６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜７２の両面に形成されている。

図２に示すように、第１及び第２エンドプレート４８ａ、４８ｂ間には、複数本の連結部材８０が架け渡され、前記第１及び第２エンドプレート４８ａ、４８ｂ間の距離が一定に保持される。連結部材８０は、例えば、アルミニウム製の長尺な板状を有し、燃料電池スタック１０の長辺側に２本ずつで、且つ、前記燃料電池スタック１０の短辺側に１本ずつ配設される。連結部材８０は、第１及び第２エンドプレート４８ａ、４８ｂの側部にねじ８２を介して固定される。

第１エンドプレート４８ａには、酸化剤ガス入口連通孔５６ａ、燃料ガス入口連通孔５８ａ、冷却媒体入口連通孔６０ａ、酸化剤ガス出口連通孔５６ｂ、燃料ガス出口連通孔５８ｂ及び冷却媒体出口連通孔６０ｂにそれぞれ連通し、外部に延在する複数のマニホールドからなるマニホールド群８３が設けられる。

図２及び図４に示すように、燃料電池システム１２は、燃料電池スタック１０を車両に取り付けるための第１の実施形態に係る取り付け構造８４を備える。車両内には、車両走行方向（矢印Ｂ方向）に延在して車両側フレーム部材８６が配設される。

取り付け構造８４は、燃料電池スタック１０の第１エンドプレート４８ａを車両側フレーム部材８６に固定する、例えば、左右２つずつの下側マウント部材８８と、第２エンドプレート４８ｂを前記車両側フレーム部材８６に固定する上側マウント部材９０とを備える。

下側マウント部材８８は、車両側フレーム部材８６を構成する一対のサブフレーム８６ａ、８６ｂにねじ９２を介して固定される固定部８８ａと、前記固定部８８ａから鉛直方向に膨出する取り付け部８８ｂとを有する断面略Ｌ字状を有する。取り付け部８８ｂには、ねじ９２が挿入され、前記ねじ９２が第１エンドプレート４８ａの側部に形成されたねじ孔９４にねじ込まれることにより、前記第１エンドプレート４８ａがサブフレーム８６ａ、８６ｂに固定される。

上側マウント部材９０は、サブフレーム８６ａ、８６ｂから一体に分岐形成されるアーム部９０ａ、９０ｂを有し、前記アーム部９０ａ、９０ｂの上部側は、連結部９０ｃを介して一体に固定される。

アーム部９０ａ、９０ｂの上端部は、第２エンドプレート４８ｂの上面部に配置される。アーム部９０ａ、９０ｂに挿入されるねじ９６は、第２エンドプレート４８ｂの上面部に形成されるねじ孔９８に螺合することにより、前記アーム部９０ａ、９０ｂが前記第２エンドプレート４８ｂに固定される。

上側マウント部材９０は、燃料電池スタック１０の車両走行方向後方側の側面部との間に、開口部１００を設ける。開口部１００には、燃料電池用補器類、例えば、遮断弁２１及びエゼクタ２２が収容されるとともに、膜加湿器３２は、一部が前記開口部１００に収容された状態で、アーム部９０ａ、９０ｂ間に延在して配置される（図４参照）。

このように構成される燃料電池システム１２の動作について、以下に説明する。

図１に示すように、酸化剤ガス供給機構１６を構成するコンプレッサ３４が駆動され、酸化剤ガスである外部空気が吸引されて空気供給配管３０に導入される。この空気は、空気供給配管３０から膜加湿器３２内に導入され、中空糸膜（図示せず）を通ってコンプレッサ３４に吸引される。

その際、排出酸化剤ガス配管３８を介して膜加湿器３２内には、後述するように、反応に使用された酸化剤ガスである排出酸化剤ガスが供給されている。このため、使用前の空気には、排出酸化剤ガス中に含まれる水分が移動し、この使用前の空気が加湿される。加湿された空気は、コンプレッサ３４から熱交換器３６に供給されて温度が低下された後、第１エンドプレート４８ａを通って燃料電池スタック１０内の酸化剤ガス入口連通孔５６ａに供給される。

一方、燃料ガス供給機構１４では、遮断弁２１の開放作用下に、燃料タンク１８内の燃料ガス（水素ガス）が、エゼクタ２２を通って第１エンドプレート４８ａから燃料電池スタック１０内の燃料ガス入口連通孔５８ａに導入される。さらに、図示しない冷却媒体供給機構の作用下に、第１エンドプレート４８ａを通って燃料電池スタック１０内の冷却媒体入口連通孔６０ａに冷却媒体が導入される。

図３に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔５６ａから第１セパレータ５２の酸化剤ガス流路６２に導入される。酸化剤ガスは、矢印Ｂ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体５０を構成するカソード側電極７４に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔５８ａから第２セパレータ５４の燃料ガス流路６４に導入される。この燃料ガスは、矢印Ｂ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体５０を構成するアノード側電極７６に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体５０では、カソード側電極７４に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極７６に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。

次いで、カソード側電極７４に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔５６ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。一方、アノード側電極７６に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔５８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体入口連通孔６０ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２セパレータ５２、５４間の冷却媒体流路６６に導入された後、矢印Ｃ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体５０を冷却した後、冷却媒体出口連通孔６０ｂから排出される。

この場合、第１の実施形態では、図２及び図４に示すように、燃料電池スタック１０を構成する第１エンドプレート４８ａが、下側マウント部材８８を介して車両側フレーム部材８６の各サブフレーム８６ａ、８６ｂに固定される一方、第２エンドプレート４８ｂが、上側マウント部材９０を介して前記サブフレーム８６ａ、８６ｂに固定されている。このため、燃料電池スタック１０は、車両側フレーム部材８６に対して強固且つ確実に固定される。

しかも、上側マウント部材９０には、燃料電池スタック１０の車両走行方向後方側に、燃料電池用補器類を配設するための開口部１００が設けられている。具体的には、図４に示すように、燃料電池スタック１０と上側マウント部材９０との間には、遮断弁２１及びエゼクタ２２が収容されるとともに、膜加湿器３２の一部が配置されている。

従って、燃料電池スタック１０の側面部と上側マウント部材９０との間のスペース（開口部１００）を有効に利用することができ、車両内のスペース効率が良好に向上するとともに、燃料電池システム１２全体のコンパクト化が容易に図られるという効果が得られる。

特に、燃料電池スタック１０では、第１エンドプレート４８ａ及び第２エンドプレート４８ｂ間に架け渡された複数本の連結部材８０を介し、前記第１エンドプレート４８ａと前記第２エンドプレート４８ｂとの距離が一定に保持されている。これにより、上側マウント部材９０は、車両側フレーム部材８６から一体に且つ十分な剛性及び強度を有して成形することが可能になる。第１エンドプレート４８ａと第２エンドプレート４８ｂとの距離が変動することがなく、上側マウント部材９０を前記第２エンドプレート４８ｂに強固に固定することができるからである。

このため、車両に比較的大きな荷重（衝撃）が付与されても、上側マウント部材９０の変形を確実に阻止し、前記上側マウント部材９０と下側マウント部材８８とにより燃料電池スタック１０を確実に保持することができるという利点がある。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る取り付け構造１１０の要部分解斜視説明図である。

なお、第１の実施形態に係る取り付け構造８４及び燃料電池スタック１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

取り付け構造１１０を構成する上側マウント部材１１２は、左右一対のアーム部１１２ａ、１１２ｂを備え、前記アーム部１１２ａ、１１２ｂの上端部同士が連結部１１４を介して一体に連結される。

連結部１１４には、一対の孔部１１６が形成されるとともに、燃料電池スタック１０を構成する第２エンドプレート４８ｂの側部には、一対のねじ孔９８ａが形成される。第２エンドプレート４８ｂの端面に上側マウント部材１１２の連結部１１４が重ね合わされた状態で、ねじ９６ａが孔部１１６を通ってねじ孔９８ａに螺合されることにより、第２エンドプレート４８ｂに上側マウント部材１１２が取り付けられる。

従って、上側マウント部材１１２は、燃料電池スタック１０の第２エンドプレート４８ｂの端面に対して強固且つ確実に固定され、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、第１及び第２の実施形態では、上側マウント部材９０、１１２が車両側フレーム部材８６に一体成形されているが、この車両側フレーム部材８６とは個別に構成し、サブフレーム８６ａ、８６ｂに固着してもよい。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様である。

図６は、本発明の第３の実施形態に係る取り付け構造１２０の要部分解斜視説明図である。

取り付け構造１２０を構成する上側マウント部材１２２は、左右一対のアーム部１２２ａ、１２２ｂを備え、前記アーム部１２２ａ、１２２ｂの上部側が連結部１２２ｃを介して一体に連結される。アーム部１２２ａ、１２２ｂの先端部側方には、それぞれ一対の孔部１１６ｂが形成される。

燃料電池スタック１０を構成する第２エンドプレート４８ｂの両側部には、一対のねじ孔９８ｂが形成される。ねじ９６ｂが各アーム部１２２ａ、１２２ｂの孔部１１６ｂに挿入されてねじ孔９８ｂに螺合されることにより、上側マウント部材１２２が第２エンドプレート４８ｂの側部に固定される。これにより、第２エンドプレート４８ｂは、上側マウント部材１２２を介して強固且つ確実に保持され、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

１０…燃料電池スタック １２…燃料電池システム
１４…燃料ガス供給機構 １６…酸化剤ガス供給機構
１８…燃料タンク ２１…遮断弁
２２…エゼクタ ２８…希釈器
３２…膜加湿器 ４２…燃料電池
４８ａ、４８ｂ…エンドプレート ５０…電解質膜・電極構造体
５２、５４…セパレータ ５６ａ…酸化剤ガス入口連通孔
５６ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ５８ａ…燃料ガス入口連通孔
５８ｂ…燃料ガス出口連通孔 ６２…酸化剤ガス流路
６４…燃料ガス流路 ６６…冷却媒体流路
７２…固体高分子電解質膜 ７４…カソード側電極
７６…アノード側電極 ８０…連結部材
８３…マニホールド群 ８４、１１０、１２０…取り付け構造
８６…車両側フレーム部材 ８６ａ、８６ｂ…サブフレーム
８８…下側マウント部材
９０、１１２、１２２…上側マウント部材
１００…開口部

Claims (4)

1. 電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが重力方向に積層される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層されるとともに、積層方向両端には、上側エンドプレート及び下側エンドプレートが配設される燃料電池スタックを車両に取り付けるための燃料電池スタックの取り付け構造であって、
   前記下側エンドプレートの下方には、反応ガス及び冷却媒体の配管が設けられるとともに、
   前記下側エンドプレートを車両側フレーム部材に固定する下側マウント部材と、
   前記上側エンドプレートを前記車両側フレーム部材に固定する上側マウント部材と、
   を備え、
   前記上側マウント部材は、前記燃料電池スタック及び前記車両側フレーム部材の間に、燃料電池用補器類を配設するための開口部を設けるとともに、
   前記開口部は、前記上側エンドプレートから前記下側エンドプレートに向かって間隙が広がることを特徴とする燃料電池スタックの取り付け構造。
2. 請求項１記載の取り付け構造において、前記上側マウント部材と前記下側マウント部材とは、一体に架け渡される連結部材を介して、互いの間隔を保持した状態で固定されることを特徴とする燃料電池スタックの取り付け構造。
3. 請求項１又は２記載の取り付け構造において、前記上側マウント部材は、２本のアーム部を有し、前記車両側フレーム部材と一体に形成されることを特徴とする燃料電池スタックの取り付け構造。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の取り付け構造において、前記車両側フレーム部材は、車両走行方向に沿って延在するとともに、
   前記開口部は、前記燃料電池スタックの前記車両走行方向の後方側に設けられることを特徴とする燃料電池スタックの取り付け構造。

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