JP5794382B2 - 車両搭載用セルスタックシステム - Google Patents
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Description
この発明は、車両搭載用セルスタックシステムに関する。
ＪＰ２００７−１５６１５Ａでは、発電セル(単位セル)を積層した燃料電池スタック(セルスタック)が、フロア下に配置される。さらに、ＪＰ２００７−１５６１５Ａでは、回路ケースが、発電セルの積層面に平行な面に配置される。
ところで本件発明者は、キャビンよりも前方のモータールーム(慣習的にはエンジンルームとも称される)に、燃料電池スタックを配置する構造を開発中である。モータールーム(エンジンルーム)は、自由空間が小さい。このような限られた空間に、ＪＰ２００７−１５６１５Ａのような構造の燃料電池スタックを配置しようとすると、発電セルの積層枚数が少なくなるという課題が生じた。
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされた。本発明の目的は、限られた空間を有効的に活用して発電セルの積層枚数を増やすことができる車両搭載用セルスタックシステムを提供することである。
本発明による車両搭載用セルスタックシステムのひとつの態様は、積層された複数の発電セルの両端が集電プレートで挟持されるセルスタックと、前記集電プレートに接続される電気配線と、前記電気配線を介して前記集電プレートに接続されて、前記セルスタックから供給される電力によって動作する電気負荷と、を含む。そして、前記電気配線は、前記集電プレートに対して、セル積層方向以外から接続される。
本発明の実施形態、本発明の利点は、添付された図面とともに以下に詳細に説明される。
図１Ａ及び図１Ｂは、燃料電池スタックを説明する図であり、図１Ａは外観斜視図、図１Ｂは発電セルの構造を示す分解図である。
図１Ａに示されるように、燃料電池スタック１００は、積層された複数の発電セル１０と、集電プレート２０と、を備える。燃料電池スタック１００は、直方体である。この実施形態では、燃料電池スタック１００が、後述のようにスタックケース２００に格納されるタイプを例示して説明する。
発電セル１０は、燃料電池の単位セルである。各発電セル１０は、１ボルト(Ｖ)程度の起電圧を生じる。各発電セル１０の構成の詳細については後述される。
集電プレート２０は、一対であり、積層された複数の発電セル１０の外側にそれぞれ配置される。集電プレート２０は、ガス不透過性の導電性部材、たとえば緻密質カーボンや金属材料などで形成される。
一方の集電プレート２０(図１Ａでは、左手前の集電プレート２０)には、短辺に沿って、アノード供給口２１ａと、アノード排出口２１ｂと、カソード供給口２２ａと、カソード排出口２２ｂと、冷却水供給口２３ａと、冷却水排出口２３ｂとが設けられている。本実施形態では、アノード供給口２１ａ、冷却水供給口２３ａ及びカソード排出口２２ｂは図中右側に設けられる。またカソード供給口２２ａ、冷却水排出口２３ｂ及びアノード排出口２１ｂは図中左側に設けられる。
アノード供給口２１ａにアノードガスとしての水素を供給する方法としては、例えば水素ガスを水素貯蔵装置から直接供給する方法、又は水素を含有する燃料を改質して改質した水素含有ガスを供給する方法などがある。なお、水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどがある。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリンなどがある。また、カソード供給口２２ａに供給するカソードガスとしては、一般的に空気が利用される。
図１Ｂに示されるように、発電セル１０は、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly；ＭＥＡ)１１の両面に、アノードセパレーター(アノードバイポーラープレート)１２ａ及びカソードセパレーター(カソードバイポーラープレート)１２ｂが配置される構造である。
ＭＥＡ１１は、イオン交換膜からなる電解質膜１１１の両面に電極触媒層１１２が形成される。この電極触媒層１１２の上にガス拡散層(Gas Diffusion Layer；ＧＤＬ)１１３が形成される。
電極触媒層１１２は、たとえば白金が担持されたカーボンブラック粒子で形成される。
ＧＤＬ１１３は、十分なガス拡散性及び導電性を有する部材、たとえばカーボン繊維で形成される。
アノード供給口２１ａから供給されたアノードガスは、このＧＤＬ１１３ａを流れてアノード電極触媒層１１２(１１２ａ)と反応し、アノード排出口２１ｂから排出される。
カソード供給口２２ａから供給されたカソードガスは、このＧＤＬ１１３ｂを流れてカソード電極触媒層１１２(１１２ｂ)と反応し、カソード排出口２２ｂから排出される。
アノードセパレーター１２ａは、ＧＤＬ１１３ａ及びシール１４ａを介してＭＥＡ１１の片面(図１Ｂの裏面)に重ねられる。カソードセパレーター１２ｂは、ＧＤＬ１１３ｂ及びシール１４ｂを介してＭＥＡ１１の片面(図１Ｂの表面)に重ねられる。シール１４(１４ａ，１４ｂ)は、たとえばシリコーンゴム、エチレンプロピレンゴム(ethylene propylene diene monomer；ＥＰＤＭ)、フッ素ゴムなどのゴム状弾性材である。アノードセパレーター１２ａ及びカソードセパレーター１２ｂは、たとえばステンレスなどの金属製のセパレーター基体がプレス成型されて、一方の面に反応ガス流路が形成され、その反対面に反応ガス流路と交互に並ぶように冷却水流路が形成される。図１Ｂに示すようにアノードセパレーター１２ａ及びカソードセパレーター１２ｂが重ねられて、冷却水流路が形成される。
ＭＥＡ１１、アノードセパレーター１２ａ及びカソードセパレーター１２ｂには、それぞれ孔２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂが形成されており、これらが重ねられて、アノード供給口(アノード供給マニホールド)２１ａ、アノード排出口(アノード排出マニホールド)２１ｂ、カソード供給口(カソード供給マニホールド)２２ａ、カソード排出口(カソード排出マニホールド)２２ｂ、冷却水供給口(冷却水供給マニホールド)２３ａ及び冷却水排出口(冷却水排出マニホールド)２３ｂが形成される。
なお図示は省略されるが、集電プレート２０には、発電セル１０が発電した電力を取り出すためのハーネス３０が接続される。
図２は、燃料電池スタックを格納したスタックケースの外観を示す図である。
スタックケース２００は、直方体である。スタックケース２００は、前壁２１０と、側壁２２０，２３０と、後壁２４０と、上壁２５０と、底壁２６０と、の６面で形成される。前壁２１０及び後壁２４０は、発電セル１０の面(積層面)に平行である。側壁２２０，２３０は、発電セル１０の面(積層面)と直角をなすとともに、発電セル１０の短辺に平行である。換言すれば、側壁２２０，２３０は、発電セル１０の長辺と直角をなす。上壁２５０及び底壁２６０は、発電セル１０の面(積層面)と直角をなすとともに、発電セル１０の長辺に平行である。換言すれば、上壁２５０及び底壁２６０は、発電セル１０の短辺と直角をなす。
上壁２５０には、孔２０１が形成されている。この孔２０１には、集電プレート２０に接続されて、発電セル１０が発電した電力を取り出すハーネス３０が挿通される。燃料電池スタック全体で発電する電流は大きいので、ハーネス３０も太径であり、剛性が高い。
また上壁２５０には、角孔２０２が形成されている。この角孔２０２には、後述のように、セルボルテージモニターの端子が差し込まれる。
図３は、スタックケースの上にＣＶＭケースを重ねた状態を示す図である。
ＣＶＭケース３００は、スタックケース２００の上に重ねられている。ＣＶＭケース３００は、発電セル１０のそれぞれの電圧をモニターリング(監視)するセルボルテージモニター(Cell Voltage Monitor;CVM)を格納する。セルボルテージモニターの端子が、スタックケース２００の上壁２５０に形成された角孔２０２に差し込まれて、発電セル１０のそれぞれに接続される。ＣＶＭケース３００には、ハーネス３０が挿通されるスペース３１０が設けられる。このハーネス挿通スペース３１０は、図４に示されるように、隔壁３１１で囲まれて、セルボルテージモニターから隔離される。なお本実施形態では、ハーネス挿通スペース３１０は、長円形状であるが、これは一例に過ぎず他の形状であってもよい。
図５は、ＣＶＭケースの上にさらにＰＤＭケースを重ねた状態を示す図である。
ＰＤＭケース４００は、ＣＶＭケース３００の上に重ねられている。ＰＤＭケース４００は、システムの発電電力をマネジメントするパワーデリバリーモジュール(Power Delivery Module;PDM)を格納する。またＰＤＭケース４００には、図６に示されるように、リレー回路５００が格納されている。ＰＤＭケース４００の底壁には、孔４０１が形成されている。この孔４０１には、ハーネス３０が挿通される。そしてハーネス３０は、このリレー回路５００を介して駆動モーターや空気供給コンプレッサーに接続される。電流を遮断すべき事態が生じたときには、このリレー回路５００が開放する。ＰＤＭケース４００は、ＣＶＭケース３００に固設される。具体的には、たとえばＰＤＭケース４００は、ＣＶＭケース３００にボルト止めされる。ＰＤＭケース４００は、ＣＶＭケース３００に直接接面されてもよいが、あいだにガスケットが挟まれてもよい。そのように構成されれば、密着性が増して、水分などの異物の侵入が防止される。
図７Ａ及び図７Ｂは車両搭載用セルスタックシステムの車載状態を説明する図であり、図７Ａは側面図、図７Ｂは平面図である。
燃料電池スタック１００は、キャビンよりも前方に位置する空間(エンジンルーム)に取り付けられる。なお燃料電池車両には、内燃エンジンが搭載されないが、エンジン車両の内燃エンジンが搭載される前方空間が、慣習的にエンジンルームと呼ばれている。燃料電池スタック１００の発電セル１０は、車両９００の幅方向に並べられる。換言すれば、発電セル１０の積層面は、車両９００の前後方向及び上下方向に平行である、そして上述のように、発電セル１０が発電した電力を取り出すハーネス３０は、発電セル１０の面(積層面)と直角をなすとともに、発電セル１０の長辺に平行な上壁２５０の孔２０１を挿通する。そしてハーネス３０は、ＣＶＭケース３００のハーネス挿通スペース３１０を挿通し、ＰＤＭケース４００に格納されたリレー回路５００に接続される。このような構成になっているので、リレー回路５００は、発電セル１０に並ばない。したがって、燃料電池スタック１００がエンジンルームのような限られた空間に配置される場合であっても、発電セル１０が並ぶ枚数を多く確保することができる。
本実施形態によれば、発電セルを格納するスタックケースの外壁のうち、発電セルの積層面と直角をなす外壁２５０に孔２０１が形成されており、その孔２０１にハーネス３０が挿通される。このハーネス３０は、上述の通り太径であり、剛性が高い。このような高剛性なハーネス３０の延長方向にリレー回路５００が配置される。このように構成されるので、リレー回路５００は、発電セル１０に並ばない。仮にハーネスの剛性が低ければ、スタックケースの外壁に形成される孔の位置とは無関係にリレー回路５００を配置できるが、実際にはハーネス３０が高剛性である。したがって、スタックケースの外壁に形成される孔の位置とは無関係にリレー回路５００を配置することは現実的ではない。本実施形態では、上述のように構成することで、リレー回路５００が、発電セル１０に並ばなくなる。この結果、燃料電池スタック１００がエンジンルームのような限られた空間に配置される場合であっても搭載性が向上し、発電セル１０が並ぶ枚数を多く確保することができる。そのため燃料電池スタックの出力を高めることができる。
またスタックケースに、ＣＶＭケース３００が重ねられる。そしてＣＶＭケース３００に、ＰＤＭケース４００が重ねられる。そしてＣＶＭケース３００には、隔壁で囲まれて、セルボルテージモニターから隔離されたハーネス挿通スペース３１０が設けられており、そのスペース３１０にハーネス３０が挿通される。セルボルテージモニターは、発電セルそれぞれの電圧をモニターリングする。各発電セルの電圧は１ボルト程度と小さい。したがって、ノイズがあると、正確な電圧を検出できない可能性がある。これに対して、本実施形態によれば、ハーネス３０が、隔壁で囲まれて、セルボルテージモニターから隔離されたスペース３１０に挿通されるので、セルボルテージモニターへの悪影響が防止される。
またハーネス３０が、ＣＶＭケース３００のスペース３１０に挿通されるので、ハーネス３０を保護するための新たな構造が不要であり、構造を簡素化できる。
さらに、パワーデリバリーモジュールは重量が重いので、パワーデリバリーモジュールを格納したＰＤＭケース４００も重くなる。これに対して、ＣＶＭケース３００に隔壁が設けられることで、ＣＶＭケース３００の強度も向上させられる。
そしてＰＤＭケース４００は、ＣＶＭケース３００に固設(たとえばボルト止め)されるが、あいだにガスケットが挟まれれば、密着性が増して、水分などの異物の侵入が防止される。
さらに、リレー回路５００は、ＰＤＭケース４００に格納される。したがって、リレー回路５００を格納するための新たなケースが不要である。またＰＤＭケース４００は、パワーデリバリーモジュールを格納しているが、このパワーデリバリーモジュールには、大きな電流が流される。このようなパワーデリバリーモジュールは、ノイズの影響を受けにくく、リレー回路５００が存在しても、システムの発電電力を正確にマネジメントできる。またＰＤＭケース４００はサイズが大きいので、リレー回路５００を格納するための十分なスペースが確保される。
また孔２０１は、上壁２５０に形成されている。仮に孔２０１が、下壁２６０に形成されて、ＣＶＭケース３００及びＰＤＭケース４００がスタックケース２００の下に重ねられても、発電セル１０が並ぶ枚数を多く確保することは可能である。しかしながら、燃料電池スタックで生じた水分がＣＶＭケース３００に浸入する可能性がある。これに対して本実施形態では、孔２０１が上壁２５０に形成されて、ＣＶＭケース３００及びＰＤＭケース４００がスタックケース２００の上に重ねられるので、燃料電池スタックで水分が生じても、ＣＶＭケース３００に浸入することが防止される。
発電セル１０は、反応流路を確保するために、長辺はできるだけ長いことが望ましい。またセル内の流れのバラツキを抑えるために、短辺はできるだけ短いことが望ましい。これに対して本実施形態では、孔２０１が、発電セル１０の短辺と直角をなす壁、換言すれば発電セル１０の長辺と平行な壁に形成されて、ハーネス３０が挿通されて、ＣＶＭケース３００及びＰＤＭケース４００がスタックケース２００の長辺に重ねられる。したがって前述のような、望ましい構成を実現できるのである。
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
たとえば、上記では、燃料電池スタック(セルスタック)１００が、スタックケース２００に格納されるタイプを例示して説明したが、これには限られない。燃料電池スタック(セルスタック)１００が、スタックケース２００に格納されないタイプであってもよい。
またハーネス３０は、上述のように集電プレート２０に接続されるが、ハーネス３０を集電プレート２０に別体で構成しても、集電プレート２０に延長部分を形成してそれをハーネス３０に代用してもよい。すなわちハーネス３０を集電プレート２０に一体構成してもよい。このようにすれば構成が簡素化されて厚さを薄くできるので、さらに発電セルの積層枚数を増やすことができる。
本願は、２０１２年３月１３日に日本国特許庁に出願された特願２０１２−５６１３８に基づく優先権を主張し、これらの出願の全ての内容は参照によって本明細書に組み込まれる。
Claims (9)
- 積層された複数の発電セルの両端が集電プレートで挟持されるセルスタックと、
前記集電プレートに接続される電気配線と、
前記電気配線を介して前記集電プレートに接続されて、前記セルスタックから供給される電力によって動作する電気負荷と、
前記セルスタックに重ねられ、前記発電セルそれぞれの電圧をモニターリングするセルボルテージモニターを格納するＣＶＭケースと、を含み、
前記電気配線は、前記集電プレートに対して、セル積層方向以外から接続され、
前記ＣＶＭケースには、隔壁で囲まれて、セルボルテージモニターから隔離された電気配線挿通スペースが形成される、
車両搭載用セルスタックシステム。 - 請求項１に記載の車両搭載用セルスタックシステムにおいて、
前記ＣＶＭケースに重ねられ、システムの発電電力をマネジメントするパワーデリバリーモジュールを格納するＰＤＭケースをさらに含む、
車両搭載用セルスタックシステム。 - 請求項２に記載の車両搭載用セルスタックシステムにおいて、
前記ＣＶＭケースと前記ＰＤＭケースとの間に挟まれるガスケットをさらに含み、
前記ＰＤＭケースは、前記ＣＶＭケースに固設される、
車両搭載用セルスタックシステム。 - 請求項２又は請求項３に記載の車両搭載用セルスタックシステムにおいて、
前記ＰＤＭケースに格納される電力遮断リレーをさらに含み、
前記電気配線は、前記電力遮断リレーを介して電気負荷に接続される、
車両搭載用セルスタックシステム。 - 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の車両搭載用セルスタックシステムにおいて、
前記発電セルの積層面は、車両の前後方向及び上下方向に平行である、
車両搭載用セルスタックシステム。 - 請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の車両搭載用セルスタックシステムにおいて、
前記電気配線は、前記集電プレートに対して、上方から接続される、
車両搭載用セルスタックシステム。 - 請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の車両搭載用セルスタックシステムにおいて、
前記電気配線は、前記発電セルの長辺と直角をなす方向から接続される、
車両搭載用セルスタックシステム。 - 請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の車両搭載用セルスタックシステムにおいて、
前記電気配線は、前記集電プレートに一体形成される、
車両搭載用セルスタックシステム。 - 請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の車両搭載用セルスタックシステムにおいて、
前記セルスタックは、キャビンよりも前方の空間であるエンジンルームに収納される、
車両搭載用セルスタックシステム。
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