JP5518496B2

JP5518496B2 - 燃料電池スタックおよび燃料電池自動車

Info

Publication number: JP5518496B2
Application number: JP2010004193A
Authority: JP
Inventors: 君春水崎; 敏明有吉
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2010-01-12
Filing date: 2010-01-12
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2030-01-12
Also published as: JP2011146160A

Description

この発明は、燃料電池スタックおよび燃料電池自動車に関するものである。

従来の一般的な燃料電池スタックは、単位セルが複数積層されるとともに、互いに電気的に直列接続されてなる燃料電池積層体が１組のエンドプレートの間に介装され、かつ、該１組のエンドプレート同士がタイロッド等の締結部材で締結されることにより構成されており、この締結により、燃料電池積層体および１組のエンドプレートが加圧保持されている。そして、この燃料電池積層体を筐体内に収容した状態で、所望の位置に設置される（例えば、特許文献１参照）。

単位セルは、固体高分子電解質膜の両側にアノード電極とカソード電極が設けられて構成された膜電極構造体と、この膜電極構造体を挟持する１対のセパレータとを備えている。セパレータにおいてアノード電極に対向する面には、アノード電極に燃料ガス（例えば、水素ガス）を供給・排出するための第１ガス流路が設けられており、セパレータにおいてカソード電極に対向する面には、カソード電極に酸化剤ガス（例えば、空気）を供給・排出するための第２ガス流路が設けられている。

このように構成された燃料電池スタックを運転するに際しては、アノード電極に供給された水素ガスがアノード電極を構成する電極触媒層上で電離し、その結果、水素イオンおよび電子が生成する。このうち、水素イオンは電解質膜を介してカソード電極側へと移動する。この間、電子は外部回路に取り出され、直流の電気工ネルギとして利用された後、カソード電極に至る。

カソード電極には空気が供給されているため、カソード電極において、水素イオン、電子および空気中の酸素が反応して水が生成する。

この種の燃料電池スタックは、例えば、自動車の車体などに搭載される。この場合、上述した電気化学反応により発生した電気エネルギでモータを駆動することにより、化学的エネルギを機械的エネルギに変換し、これにより自動車が走行できる。このように燃料電池スタックを駆動源として走行する自動車、いわゆる燃料電池自動車は、温暖化の原因となるＣＯ_２や、大気汚染物質となるＮＯｘあるいはＳＯｘ、炭化水素ガスなどが排出されないことから、環境保護に対して大きく貢献することができるものとして着目されている。

ところで、燃料電池スタックを燃料電池自動車の車体に搭載する場合、従来は左右のフロントシートの間に搭載されていた。具体的には、燃料電池自動車には車体前部から車体後部に亘りフロアパネルが配され、このフロアパネルには、左右のフロントシート、リヤシート間に、上方に膨出するフロアトンネルが車体前後方向に沿って形成され、さらに、フロアトンネルにおける左右のフロントシート間には、車体前後方向に延出し、更に上方に膨出するセンターコンソールが形成され、このセンターコンソールに燃料電池スタックが収納されている。

このように、燃料電池スタックが左右のフロントシートの間に搭載されると、車室の容量を小さくしてしまうため、車室の容量を確保するために車幅を大きくする必要がある。したがって、車体が大型化してしまうという問題がある。

そこで、この問題を解消するために、燃料電池スタックを車体前方のモータルーム（ガソリン自動車のエンジンルームに相当）に搭載する技術が検討されている。

特開２００３−１２３８２８号公報

ここで、燃料電池スタックをモータルームに搭載すると、これまで以上に衝突安全性を考慮する必要がある。特に、燃料電池積層体を収容した筐体が変形することによって、燃料電池積層体がダメージを受けるのを防止する必要がある。つまり、筐体の強度を向上させる必要がある
しかしながら、燃料電池積層体とセル電圧を監視するセル電圧検出装置（ＥＣＵ）との間には配線が接続されているため、該配線を通過させるための開口部を筐体に形成する必要があり、筐体の強度を向上させるには限界があった。

そこで、本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、燃料電池積層体を収容する筐体の強度を向上させることができる燃料電池スタックおよび燃料電池自動車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、電解質膜（例えば、実施形態における電解質膜４２）の両側にアノード電極（例えば、実施形態におけるアノード電極４３）とカソード電極（例えば、実施形態におけるカソード電極４４）を配し、さらにその外側にセパレータ（例えば、実施形態におけるセパレータ４８ａ，４８ｂ）を配してなる燃料電池セル（例えば、実施形態における単位セル４１）を上下方向に複数積層した燃料電池積層体（例えば、実施形態における燃料電池積層体４０）と、該燃料電池積層体を覆う第１筐体（例えば、実施形態におけるエンクロージャ６０）と、前記燃料電池セルのセル電圧を検出するセル電圧検出装置（例えば、実施形態におけるＥＣＵ３０）と、を備えた燃料電池スタック（例えば、実施形態における燃料電池スタック２０）において、前記燃料電池セルには、セル電圧を検出する配線（例えば、実施形態における配線７０）が設けられ、前記第１筐体の側面（例えば、実施形態における側面６０ａ）には前記配線を通過させるための開口部（例えば、実施形態における開口部７１）が、前記燃料電池積層体の積層方向に沿って形成され、前記開口部は、前記配線が接続される前記セル電圧検出装置が収納された第２筐体（例えば、実施形態におけるＥＣＵケース８０）によって覆われ、前記開口部に対向する前記第２筐体の開口面には、内フランジ部（例えば、実施形態における内フランジ部８２）が形成されていることを特徴としている。

請求項２に記載した発明は、前記配線は、前記燃料電池セルと前記セル電圧検出装置との間で弛みを有する略Ｕ字状に架設されていることを特徴としている。

請求項３に記載した発明は、前記第１筐体内に、複数の前記燃料電池積層体が並列して配置され、前記第１筐体の側面の同一面に、前記複数の燃料電池積層体に対応した複数の前記開口部が形成されていることを特徴としている。

請求項４に記載した発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池スタックが、車両前方の電動機（例えば、実施形態における駆動モータ１２）が配される電動機室（例えば、実施形態におけるモータルーム１０）内に設置されるとともに、前記開口部が車両後方側に位置するように設置されていることを特徴としている。

請求項１に記載した発明によれば、燃料電池積層体が収容された第１筐体に形成された開口部を塞ぐように、セル電圧検出装置が収容された第２筐体を配置したため、第１筐体の強度を向上させることができる。また、第１筐体の開口部に面するようにセル電圧検出装置を配することができるため、配線の取り回しを容易にすることができる。

請求項２に記載した発明によれば、配線とセル電圧検出装置とを接続する際に、配線の長さに余裕があるため、容易に接続することができる。また、配線接続後に燃料電池積層体やセル電圧検出装置の位置が移動することがあっても、配線の長さに余裕があるため、配線が切断されるのを防止することができる。

請求項３に記載した発明によれば、第１筐体内に燃料電池積層体が複数収容されているため、燃料電池スタックの出力値を向上することができる。

請求項４に記載した発明によれば、燃料電池スタックを車両前方の電動機室内に設置することにより、車室の容積を確保し易くなる。したがって、従来と同様の車幅を有する燃料電池自動車の場合は車室の容積を大きく確保することができ、車室の容積を従来と同様の大きさだけ確保したい場合は燃料電池自動車の車幅を小さくすることができる。つまり、燃料電池自動車の車両サイズの自由度を向上することができる。また、第１筐体の開口部が車両後方側に位置するように設置したため、セル電圧検出装置が衝突によりダメージを受けるのを抑制することができる。

本発明の実施形態における燃料電池自動車の概略側面図である。本発明の実施形態における燃料電池自動車の概略正面図である。本発明の実施形態における燃料電池スタックの分解斜視図（１）である。本発明の実施形態における燃料電池スタックの分解斜視図（２）である。本発明の実施形態における単位セルの分解斜視図である。本発明の実施形態におけるＥＣＵケースおよびＥＣＵの斜視図である。本発明の実施形態における燃料電池スタックの概略垂直断面図である。本発明の実施形態における燃料電池スタックの部分水平断面図（エンクロージャとＥＣＵケースとの接続前の状態）である。

次に、本発明の実施形態を図１〜図８に基づいて説明する。本実施形態では、本発明に係る燃料電池スタックを燃料電池自動車に採用した場合の説明を行う。
なお、本実施形態における各装置の取付方向や位置を示す定義は、車両進行方向を前方とし、車両進行方向に向かって右方向及び左方向を定義するものとする。

図１、図２に示すように、本実施形態の燃料電池自動車１は、水素と酸素との電気化学反応によって発電を行う燃料電池スタック２０を車体前方のモータルーム（電動機室）１０に搭載するもので、燃料電池により生じた電力で駆動モータ（電動機）１２を駆動して走行する。燃料電池は、単位燃料電池セル（燃料電池セル）を多数積層してなる周知の固体高分子膜型燃料電池（ＰＥＦＣ）であり、そのアノード側に燃料ガスとして水素ガスを供給し、カソード側に酸化剤ガスとして酸素を含む空気を供給することで、電気化学反応により電力を生成するとともに水を生成する。

本実施形態の燃料電池自動車１は、車体前方にモータルーム１０が形成されている。モータルーム１０には、燃料電池スタック２０と、該燃料電池スタック２０に空気を供給するコンプレッサ１１と、走行用の駆動モータ１２と、が配置されている。具体的には、車両右側に燃料電池スタック２０が配置され、車両左側に駆動モータ１２およびコンプレッサ１１が配置されている。なお、燃料電池スタック２０には、該燃料電池スタック２０の出力を管理するセル電圧検出装置（以下、ＥＣＵという。）３０が搭載されている（後に詳述する。）。また、車体後部には、燃料電池スタック２０の燃料である水素を貯留する水素タンク１７および蓄電池１８が配置されている。

図３、図４に示すように、燃料電池スタック２０は、単位セル（燃料電池セル）４１を上下方向（下方が重力方向）に複数積層した燃料電池積層体４０と、該燃料電池積層体４０などを囲うように形成されたエンクロージャ（第１筐体）６０と、燃料電池積層体４０の車両後方側に設置されたＥＣＵ３０と、を備えている。本実施形態では、エンクロージャ６０内に燃料電池積層体４０が２つ並列配置されており、それぞれの燃料電池積層体４０にＥＣＵ３０が個別に設けられている。

燃料電池積層体４０は、所定数の単位セル４１が互いに電気的に直列に接続されるとともに、上下方向に積層されて構成されている。そして、２つの燃料電池積層体４０，４０は、水平方向に並列、好ましくは並行して配置されている。

図５に示すように、単位セル４１は、電解質膜４２の両側にアノード電極４３とカソード電極４４を配してなる電極膜構造体４５を備えている。電解質膜４２はパーフルオロスルホン酸の薄膜に水を含浸させたものなどのような水素イオン導電体が選定される。

アノード電極４３およびカソード電極４４は、カーボンクロスなどからなるガス拡散層（不図示）と、白金合金が表面に坦持された多孔質カーボン粒子がガス拡散層の表面に一様に塗布されてなる電極触媒層（不図示）とをそれぞれ有し、電極触媒層同士が電解質膜４２を介して対向するように電解質膜４２に接合されている。電解質膜４２は額縁状シール部材４６の開口部に収容保持されており、カソード電極４４またはアノード電極４３はガスケット４７ａ，４７ｂの開口部にそれぞれ収容保持されている。単位セル４１は、これらガスケット４７ａ，４７ｂと電極膜構造体４５を保持する額縁状シール部材４６とが１対のセパレータ４８ａ，４８ｂで挟持されることによって構成される。セパレータ４８ａ，４８ｂは、例えば、金属導板を波板状にプレス成形したり、カーボン粒子と樹脂材料の混合物を射出成形して形成する。

これらセパレータ４８ａ，４８ｂにおけるアノード電極４３に対向する面には、アノード電極４３に水素含有ガスを供給・排出するための第１ガス流路４９が設けられている。同様に、カソード電極４４に対向する面には、カソード電極４４に酸素含有ガスを供給・排出するための第２ガス流路５０が設けられている。

また、セパレータ４８ａ，４８ｂ、ガスケット４７ａ，４７ｂおよび額縁状シール部材４６には、図５において右下隅角部に水素含有ガスを通過させるための第１ガス入口通路５１が設けられており、かつ、その対角位置には、未反応の水素含有ガスを通過させるための第１ガス出口通路５２が設けられている。同様に、図５において左下隅角部には酸素含有ガスを通過させるための第２ガス入口通路５３が設けられており、その対角位置には、未反応の酸素含有ガスを通過させるための第２ガス出口通路５４が設けられている。第１ガス入口通路５１および第１ガス出口通路５２はいずれも第１ガス流路４９に連通しており、一方、第２ガス入口通路５３および第２ガス出口通路５４はいずれも第２ガス流路５０に連通している。

また、セパレータ４８ａ，４８ｂ、ガスケット４７ａ，４７ｂおよび額縁状シール部材４６には、第１ガス入口通路５１と第２ガス出口通路５４との間、および、第２ガス入口通路５３と第１ガス出口通路５２との間に、冷却水通路５５ａ，５５ｂがそれぞれ設けられている。また、セパレータ４８ａ，４８ｂは、図５において左右下縁からセル電圧検出用の出力端子５６が一体で延設されている。

図３、図４に戻り、燃料電池積層体４０において、単位セル４１の積層方向における両最外端（上下端）に位置する単位セル４１，４１には、集電用電極７０ａ，７０ｂがそれぞれ電気的に接続されている。また、集電用電極７０ａの外側（上側）には、漏電防止用の絶縁プレート７１ａを介して上側エンドプレート７２が配置されており、集電用電極７０ｂの外側（下側）には、漏電防止用の絶縁プレート７１ｂを介して下側エンドプレート７３が配置されている。

さらに、積層方向下側の集電用電極７０ｂおよび絶縁プレート７１ｂには、第１ガス入口通路５１、第１ガス出口通路５２、第２ガス入口通路５３、第２ガス出口通路５４および冷却水通路５５ａ，５５ｂがそれぞれ形成されている。

上側エンドプレート７２および下側エンドプレート７３は、鉄やアルミニウムなどの金属で形成された厚さを持った板状部材であり、上側エンドプレート７２と下側エンドプレート７３との間に燃料電池積層体４０を挟持して支持固定するように構成されている。

なお、下側エンドプレート７３は、２つの燃料電池積層体４０，４０に対して共通に使用されるエンドプレートとして構成されている。また、下側エンドプレート７３の上面７３ａにはエンクロージャ６０のフランジ部６１と連接させるためのネジ穴（不図示）が適宜形成されている。

また、下側エンドプレート７３には、第１ガス入口通路５１、第１ガス出口通路５２、第２ガス入□通路５３、第２ガス出口通路５４、および冷却水通路５５ａ，５５ｂが形成されている。つまり、燃料電池積層体４０の下側に水素含有ガス、酸素含有ガスおよび冷却水が流通する配管（不図示）が接続される。

そして、第１および第２ガス入口通路５１，５３には水素含有ガス供給源、酸素含有ガス供給源（ともに不図示）がそれぞれ連結され、第１および第２ガス出口通路５２，５４にはガス回収機構（図示せず）がそれぞれ連結される。さらに、冷却水通路５５ａには冷却水供給源（不図示）が連結され、冷却水通路５５ｂには冷却水回収機構（不図示）が連結される。

水素含有ガス供給源から第１ガス入口通路５１に供給された水素含有ガスは、各単位セル４１の第１ガス流路４９を介してアノード電極４３に供給されて発電に供される。そして、未反応の水素含有ガスは第１ガス流路４９から第１ガス出口通路５２に排出される。

一方、酸素含有ガス供給源から第２ガス入□通路５３に供給された酸素含有ガスは、各単位セル４１の第２ガス流路５０を介してカソード電極４４に供給され、水素イオンおよび電子と反応する。そして、未反応の酸素含有ガスおよび生成水は第２ガス流路５０から第２ガス出口通路５４に排出される。

また、冷却水供給源から冷却水通路５５ａに供給された冷却水は、各単位セル４１の冷却水流路を通って冷却水通路５５ｂに排出される。これにより、発電によって温度上昇する燃料電池スタック２０を冷却し、所定温度を越えないようにする。

このように構成された２つの燃料電池積層体４０，４０は、下側エンドプレート７３上に並行に配されている。このとき、下側エンドプレート７３に形成された各通路と、燃料電池積層体４０に形成された各通路とが、一致する位置に配置する。

続いて、燃料電池積層体４０，４０を覆うようにエンクロージャ６０が設けられている。エンクロージャ６０は、底面側が全面開口された有頂筒状に形成されている。エンクロージャ６０の下端には、フランジ部６１が全周に亘って形成されており、下側エンドプレート７３とビス（不図示）などを用いて連接可能に構成されている。また、エンクロージャ６０の１つの側面６０ａに、単位セル４１のセパレータ４８ａ，４８ｂに形成された出力端子５６と、ＥＣＵ３０との間を接続する配線７０を通過させるための開口部７１が、それぞれの燃料電池積層体４０に対応するように２つ形成されている。なお、開口部７１が形成された側面６０ａが車両後方側を向くように配置される。

図６に示すように、エンクロージャ６０に形成された開口部７１，７１には、ＥＣＵ３０を収容したＥＣＵケース８０が取り付けられる。ＥＣＵケース８０は、開口部７１に対向する面だけが開口された有底筒状に形成されている。開口部７１に対向する開口面８１には、略全周に亘って内フランジ部８２が形成されている。例えば、内フランジ部８２に沿って弾性材料で構成されたシール材などを設けることにより、エンクロージャ６０とＥＣＵケース８０との間のシール性能を向上することができる。

また、ＥＣＵケース８０内に収容されたＥＣＵ３０から配線８３が延設されており、その他端には、セパレータ４８ａ，４８ｂの出力端子５６から延出された配線７０の端部に設けられたソケット７０ａ（図８参照）と接続される接続端子８５が設けられている。また、ＥＣＵケース８０の外側表面８０ａには、ＥＣＵ３０からの信号を燃料電池自動車１のメイン制御装置（不図示）に伝達する配線（不図示）が接続されるソケット部８６が形成されている。

図７、図８に示すように、配線７０は、単位セル４１における開口部７１に対向する辺の隣の辺に形成された出力端子５６とＥＣＵ３０の接続端子８５との間で弛みを有するように架設されている。つまり、配線７０には、Ｕ字部７０ｂが形成されている。このように配線７０を構成することで、該配線７０とＥＣＵ３０とを接続する際に、配線７０の長さに余裕があるため、容易に接続することができる。また、配線接続後に燃料電池積層体４０やＥＣＵ３０の位置がずれることがあっても、配線７０の長さに余裕があるため、配線７０が切断されるのを防止することができる。

さらに、ＥＣＵケース８０は、エンクロージャ６０とビス８８などを用いて連接可能に構成されており、ＥＣＵケース８０およびエンクロージャ６０にはそれぞれビス孔８９，６３が適宜対応する位置に形成されている。

本実施形態によれば、燃料電池積層体４０が収容されたエンクロージャ６０に形成された開口部７１を塞ぐように、ＥＣＵ３０が収容されたＥＣＵケース８０を配置したため、エンクロージャ６０の強度を向上させることができる。また、エンクロージャ６０の開口部７１に面するようにＥＣＵ３０を配することができるため、配線７０の取り回しを容易にすることができる。

また、配線７０とＥＣＵ３０とを接続する際に、配線７０の長さに余裕があるため、容易に接続作業をすることができる。また、配線接続後に燃料電池積層体４０やＥＣＵ３０の位置がずれることがあっても、配線７０の長さに余裕があるため、配線７０が切断されるのを防止することができる。

さらに、エンクロージャ６０内に燃料電池積層体４０が２つ収容されているため、燃料電池スタック２０の出力値を向上することができる。さらに、２つの燃料電池積層体４０を直列に電気接続することにより、出力電圧を高めることができる。

そして、燃料電池スタック２０を車両前方のモータルーム１０内に設置することにより、車室の容積を確保し易くなる。したがって、従来と同様の車幅を有する燃料電池自動車の場合は車室の容積を大きく確保することができ、車室の容積を従来と同様の大きさだけ確保したい場合は燃料電池自動車の車幅を小さくすることができる。つまり、燃料電池自動車１の車両サイズの自由度を向上することができる。

また、エンクロージャ６０の開口部７１が車両後方側に位置するように燃料電池スタック２０をモータルーム１０内に設置したため、ＥＣＵ３０が車両前方の衝突によりダメージを受けるのを抑制することができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な構造や形状などはほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
例えば、本実施形態では、燃料電池スタックをモータルームの車両右側に配置し、駆動モータを車両左側に配置した場合の説明をしたが、配置は逆でもよく、また、前後方向（例えば、燃料電池スタックをモータルームの車両前側、駆動モータを車両後側）に配置してもよい。
また、本実施形態では、燃料電池積層体を２つ並列に配置した場合の説明をしたが、燃料電池積層体は１つだけ配置したものであってもよいし、３つ以上配置したものであってもよい。

１…燃料電池自動車１０…モータルーム（電動機室）１２…駆動モータ（電動機）２０…燃料電池スタック３０…ＥＣＵ（セル電圧検出装置）４０…燃料電池積層体４１…単位セル（燃料電池セル）４２…電解質膜４３…アノード電極４４…カソード電極４８ａ，４８ｂ…セパレータ６０…エンクロージャ（第１筐体）６０ａ…側面７０…配線７１…開口部８０…ＥＣＵケース（第２筐体）

Claims

電解質膜の両側にアノード電極とカソード電極を配し、さらにその外側にセパレータを配してなる燃料電池セルを上下方向に複数積層した燃料電池積層体と、
該燃料電池積層体を覆う第１筐体と、
前記燃料電池セルのセル電圧を検出するセル電圧検出装置と、を備えた燃料電池スタックにおいて、
前記燃料電池セルには、セル電圧を検出する配線が設けられ、
前記第１筐体の側面には前記配線を通過させるための開口部が、前記燃料電池積層体の積層方向に沿って形成され、
前記開口部は、前記配線が接続される前記セル電圧検出装置が収納された第２筐体によって覆われ、
前記開口部に対向する前記第２筐体の開口面には、内フランジ部が形成されていることを特徴とする燃料電池スタック。
前記配線は、前記燃料電池セルと前記セル電圧検出装置との間で弛みを有する略Ｕ字状に架設されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
前記第１筐体内に、複数の前記燃料電池積層体が並列して配置され、
前記第１筐体の側面の同一面に、前記複数の燃料電池積層体に対応した複数の前記開口部が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池スタック。
請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池スタックが、
車両前方の電動機が配される電動機室内に設置されるとともに、前記開口部が車両後方側に位置するように設置されていることを特徴とする燃料電池自動車。