JP5551451B2

JP5551451B2 - 燃料電池スタックおよび燃料電池自動車

Info

Publication number: JP5551451B2
Application number: JP2010004194A
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: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2030-01-12
Also published as: JP2011146161A

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、セル積層体および１組のエンドプレートが加圧保持されている（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、直流の電気エ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

しかしながら、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、燃料電池スタックを構成している各セルが正常に発電しているかを確認するとともに、セル電圧に基づいて燃料ガスおよび酸化剤ガスの流量制御を行ったり、異常電圧の際にモータに制限をかけたりするために、セル電圧を監視するセル電圧検出装置（ＥＣＵ）が燃料電池スタックの直近に配されるが、このセル電圧検出装置が衝突によりダメージを受ける虞がある。

そこで、本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、セル電圧検出装置を保護す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、前記燃料電池積層体の積層方向両端部に設けられた一対のエンドプレート（例えば、実施形態におけるエンドプレート７２，７３）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、前記一対のエンドプレートにおける少なくともいずれか一方のエンドプレートの前記燃料電池積層体の反対側に形成され、前記セル電圧検出装置が配設された凹部（例えば、実施形態における凹部７７）と、前記エンドプレートに取り付けられ、前記燃料電池積層体の反対側から前記凹部を覆う蓋部材（例えば、実施形態における蓋部材６４）と、を備え、前記凹部は、前記セル電圧検出装置の側面（例えば、実施形態における側面３０ａ）が露出しないように深さが設定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、前記燃料電池積層体および前記セル電圧検出装置を覆う枠体（例えば、実施形態における枠体６０）がさらに設けられ、前記枠体には、前記蓋部材を露出させる開口部（例えば、実施形態における開口部６３）が形成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、請求項１または請求項２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、セル電圧検出装置の側面をエンドプレートで覆うことで、側方からの耐衝撃性を向上することができる。したがって、セル電圧検出装置を保護することができる。

また、セル電圧検出装置をエンドプレートの凹部内に配置するだけで、車両に衝撃荷重が加わってもセル電圧検出装置を保護することができる。

請求項２に記載した発明によれば、セル電圧検出装置の耐衝撃性をさらに向上することができる。したがって、セル電圧検出装置をより確実に保護することができる。

請求項３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。

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燃料電池スタックの概略断面図である。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。

次に、本発明の実施形態を図１〜図６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（ＰＥＭＦＣ）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５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を囲うように形成された枠体６０と、燃料電池積層体４０の上方に設置されたＥＣＵ３０と、を備えている。

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。

図６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。

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６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６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６において左右下縁からセル電圧検出用の出力端子５６が延設されている。

図３〜図５に戻り、燃料電池積層体４０において、その両最外端（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７１ａ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。つまり、燃料電池積層体４０の下側に水素含有ガスおよび酸素含有ガスが流通する配管（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。

さらに、燃料電池スタック２０には、その周囲を覆うように枠体６０が設けられている。枠体６０は平面視矩形状の中空柱状に形成されている。枠体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。一方、枠体６０の上端には、該枠体６０の強度を向上するための内フランジ部６２が形成されている。内フランジ部６２のさらに内側には開口部６３が形成されている。また、開口部６３を覆うように蓋部材６４が取り付け可能に構成されている。蓋部材６４は、上側エンドプレート７２の周縁部にビス（不図示）などを用いて連接できるようにフランジ部６５が形成されている。さらに、蓋部材６４には、ＥＣＵ３０から延出する各種配線（不図示）を通過させるための開口部６６が形成されている。

ここで、上側エンドプレート７２は、鉄などの金属で形成された厚さを持った板状部材であり、燃料電池積層体４０の上方に配される。上側エンドプレート７２は、平面視略矩形状に形成されており、その略四隅には下側エンドプレート７３と締結するためのボルト８１を挿通させる貫通孔７５が形成されている。また、上側エンドプレート７２の上面７２ａには、ＥＣＵ３０を配設可能な凹部７７が形成されている。凹部７７は、ＥＣＵ３０を配設したときに、ＥＣＵ３０の側面３０ａが露出しないように深さが設定されている。つまり、ＥＣＵ３０の側面３０ａが上側エンドプレート７２に覆われている。なお、上側エンドプレート７２には、セパレータ４８ａ，４８ｂに形成されたセル電圧検出用の出力端子５６に接続されるケーブル（不図示）が挿通する貫通孔（不図示）が形成されており、該ケーブルがＥＣＵ３０に接続されている。

また、下側エンドプレート７３は、上側エンドプレート７２と同じく鉄などの金属で形成された厚さを持った板状部材であり、燃料電池積層体４０の下方に配される。下側エンドプレート７３は、平面視略矩形状に形成されており、その略四隅には上側エンドプレート７２と締結するためのボルト８１を挿通させる貫通孔７６が形成されている。また、下側エンドプレート７３の上面７３ａには枠体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。

さらに、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に供給される水素含有ガス、酸素含有ガスおよび冷却水は、燃料電池スタック２０の下方に接続された配管（不図示）から供給されるように構成されている。

上述のように構成された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、上側エンドプレート７２と下側エンドプレート７３とをボルト８１、ナット８２を用いて四隅を締結することにより燃料電池積層体４０を支持固定することができる。

そして、上側エンドプレート７２を覆うように蓋部材６４を取り付け、さらに、燃料電池積層体４０の周囲を覆うように枠体６０を下側エンドプレート７３に取り付けると、燃料電池スタック２０が得られ、該燃料電池スタック２０が燃料電池自動車１のモータルーム１０に設置される。

本実施形態によれば、ＥＣＵ３０の側面３０ａを上側エンドプレート７２で覆うことで、側方からの耐衝撃性を向上することができる。したがって、ＥＣＵ３０を保護することができる。

また、上側エンドプレート７２に凹部７７を設け、凹部７７にＥＣＵ３０を配置するように構成したため、簡易な構成でＥＣＵ３０を保護することができる。

さらに、燃料電池積層体４０およびＥＣＵ３０を囲うように枠体６０を設けたため、ＥＣＵ３０の耐衝撃性をさらに向上することができる。

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、燃料電池自動車の車両サイズの自由度を向上することができる。

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、上側エンドプレートに凹部を形成し、凹部内にＥＣＵを配置した場合の説明をしたが、上側エンドプレートを上下２つの部材に分割し、該２つの部材を当接したときにＥＣＵが収容される空間を形成するようにそれぞれに凹部を形成するように構成してもよい。
さらに、本実施形態では、上側エンドプレートに凹部を形成した場合の説明をしたが、下側エンドプレートに凹部を形成し、その凹部内にＥＣＵを配置してもよい。

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）３０ａ…側面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…枠体７２…上側エンドプレート（エンドプレート）７３…下側エンドプレート（エンドプレート）７７…凹部

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複数積層した燃料電池積層体と、
前記燃料電池積層体の積層方向両端部に設けられた一対のエンドプレートと、
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、
前記一対のエンドプレートにおける少なくともいずれか一方のエンドプレートの前記燃料電池積層体の反対側に形成され、前記セル電圧検出装置が配設された凹部と、
前記エンドプレートに取り付けられ、前記燃料電池積層体の反対側から前記凹部を覆う蓋部材と、を備え、
前記凹部は、前記セル電圧検出装置の側面が露出しないように深さが設定されていることを特徴とする燃料電池スタック。
前記燃料電池積層体および前記セル電圧検出装置を覆う枠体がさらに設けられ、
前記枠体には、前記蓋部材を露出させる開口部が形成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。
請求項１または請求項２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ていることを特徴とする燃料電池自動車。