JP5879239B2 - 車載用燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が車幅方向に沿って積層されるとともに、積層方向両端にエンドプレートが配設される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを内部に収容する筐体と、を備える車載用燃料電池システムに関する。

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、それぞれアノード電極及びカソード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発電セルを備えている。この燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、例えば、車載用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では、特に車載用として使用される際、相当に多数の発電セルが積層されている。従って、燃料電池スタック全体の剛性を確保するため、前記燃料電池スタックを筐体内に収容する構成が採用されている。例えば、特許文献１に開示されている燃料電池装置では、箱状のケース（筐体）内に、複数の燃料電池スタックが格納されている。

特許第４６４５０９２号公報

ところで、この種の筐体では、製造コストを抑制するために、複数の部品（例えば、プレート）に分割して構成する場合がある。その際、各部品同士は、ボルトにより締結されている。

しかしながら、車載用燃料電池スタックでは、外部から衝撃荷重が付与されるおそれがある。このため、ボルトに剪断力が付与され、前記ボルトが損傷を受けるおそれがある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、外部荷重を確実に受けることができ、燃料電池スタックを良好に保護することが可能な車載用燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が車幅方向に沿って積層されるとともに、積層方向両端にエンドプレートが配設される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを内部に収容する筐体と、を備える車載用燃料電池システムに関するものである。

この車載用燃料電池システムでは、筐体は、車幅方向両端の２辺がエンドプレートにより構成され、車長方向両端の２辺が前方Ｌ型側板及び後方Ｌ型側板により構成され、車高方向両端の２辺が上側平板及び下側平板により構成されている。そして、車長方向から外部荷重が付与された際、下側平板の車長方向両端の２辺の端面は、前方Ｌ型側板及び後方Ｌ型側板の車長方向の各端面と当接し、上側平板の車長方向両端の２辺のうちの１辺の端面は、前方Ｌ型側板の車長方向の側面又は後方Ｌ型側板の車長方向の側面と当接している。

また、この車載用燃料電池システムでは、上側平板と後方Ｌ型側板又は前方Ｌ型側板とは、アングル部材により連結されることが好ましい。

さらに、この車載用燃料電池システムでは、アングル部材は、上側平板と後方Ｌ型側板とを連結するものであり、前記上側平板の車長方向後方側端部に連結される水平部と、前記後方Ｌ型側板の上方側端部に連結される鉛直部と、を一体に有することが好ましい。

本発明によれば、筐体の車長方向両端の２辺は、前方Ｌ型側板及び後方Ｌ型側板により構成されるとともに、車高方向両端の２辺は、上側平板及び下側平板により構成されている。このため、筐体の各辺同士を強固に接触させることができる。

従って、特に、車長方向前方から外部荷重が付与された際、前記筐体自体で前記外部荷重を確実に受けることが可能になる。筐体自体にロードパス（荷重伝達経路）が構成されるからである。これにより、簡単且つコンパクトな構成で、外部荷重を確実に受けることができ、燃料電池スタックを良好に保護することが可能になる。

本発明の実施形態に係る車載用燃料電池システムが搭載された燃料電池電気自動車の概略平面説明図である。 前記車載用燃料電池システムの一部分解斜視説明図である。 前記車載用燃料電池システムを構成する燃料電池の要部分解斜視説明図である。 前記車載用燃料電池システムを構成する筐体の概略断面側面図である。 前記筐体の動作説明図である。 前記筐体の動作説明図である。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る車載用燃料電池システム１０は、燃料電池電気自動車（燃料電池車両）１２のフロントボックス（所謂、モータルーム）１２ｆに収容される。車載用燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１４と、前記燃料電池スタック１４を内部に収容する筐体１６とを備える。

燃料電池スタック１４は、図２に示すように、複数の燃料電池１８が立位姿勢で燃料電池電気自動車１２の車長方向（走行方向）（矢印Ａ方向）に交差する車幅方向（矢印Ｂ方向）に積層される。燃料電池１８の積層方向一端には、第１ターミナルプレート２０ａ、第１絶縁プレート２２ａ及び第１エンドプレート２４ａが、外方に向かって順次配設される。燃料電池１８の積層方向他端には、第２ターミナルプレート２０ｂ、第２絶縁プレート２２ｂ及び第２エンドプレート２４ｂが、外方に向かって順次配設される。

横長形状の第１エンドプレート２４ａの中央部からは、第１ターミナルプレート２０ａに接続された第１電力出力端子２６ａが外方に向かって延在する。横長形状の第２エンドプレート２４ｂの中央部からは、第２ターミナルプレート２０ｂに接続された第２電力出力端子２６ｂが外方に向かって延在する。

第１エンドプレート２４ａと第２エンドプレート２４ｂの各辺間には、連結バー２８の両端がねじ３０により固定され、複数の積層された燃料電池１８に積層方向（矢印Ｂ方向）の締め付け荷重を付与する。

図３に示すように、燃料電池１８は、電解質膜・電極構造体３２と、前記電解質膜・電極構造体３２を挟持する第１金属セパレータ３４及び第２金属セパレータ３６とを備える。

第１金属セパレータ３４及び第２金属セパレータ３６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板により構成される。第１金属セパレータ３４及び第２金属セパレータ３６は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。なお、第１金属セパレータ３４及び第２金属セパレータ３６に代えて、例えば、カーボンセパレータを使用してもよい。

第１金属セパレータ３４及び第２金属セパレータ３６は、横長形状を有するとともに、長辺が水平方向（矢印Ａ方向）に延在し且つ短辺が重力方向（矢印Ｃ方向）に延在するように構成される。なお、短辺が水平方向に延在し且つ長辺が重力方向に延在するように構成してもよい。

燃料電池１８の長辺方向（矢印Ａ方向）の一端縁部には、矢印Ｂ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供給連通孔３８ａと、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供給連通孔４０ａとが設けられる。

燃料電池１８の長辺方向の他端縁部には、矢印Ｂ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排出連通孔４０ｂと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔３８ｂとが設けられる。

燃料電池１８の短辺方向（矢印Ｃ方向）の両端縁部一方側には、すなわち、酸化剤ガス供給連通孔３８ａ及び燃料ガス供給連通孔４０ａ側には、矢印Ｂ方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するための２つの冷却媒体供給連通孔４２ａが、対向する辺に設けられる。燃料電池１８の短辺方向の両端縁部他方側には、すなわち、燃料ガス排出連通孔４０ｂ及び酸化剤ガス排出連通孔３８ｂ側には、矢印Ｂ方向に互いに連通して、冷却媒体を排出するための２つの冷却媒体排出連通孔４２ｂが、対向する辺に設けられる。

電解質膜・電極構造体３２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４４と、前記固体高分子電解質膜４４を挟持するカソード電極４６及びアノード電極４８とを備える。

カソード電極４６及びアノード電極４８は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）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（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜４４の両面に形成される。

第１金属セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３４ａには、酸化剤ガス供給連通孔３８ａと酸化剤ガス排出連通孔３８ｂとを連通する酸化剤ガス流路５０が形成される。酸化剤ガス流路５０は、矢印Ａ方向に延在する複数本の波状流路溝により形成される。

第２金属セパレータ３６の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３６ａには、燃料ガス供給連通孔４０ａと燃料ガス排出連通孔４０ｂとを連通する燃料ガス流路５２が形成される。燃料ガス流路５２は、矢印Ａ方向に延在する複数本の波状流路溝により形成される。

第２金属セパレータ３６の面３６ｂと隣接する第１金属セパレータ３４の面３４ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔４２ａ、４２ａと冷却媒体排出連通孔４２ｂ、４２ｂとに連通する冷却媒体流路５４が形成される。この冷却媒体流路５４は、電解質膜・電極構造体３２の電極範囲にわたって冷却媒体を流通させる。

第１金属セパレータ３４の面３４ａ、３４ｂには、この第１金属セパレータ３４の外周端縁部を周回して第１シール部材５６が一体成形される。第２金属セパレータ３６の面３６ａ、３６ｂには、この第２金属セパレータ３６の外周端縁部を周回して第２シール部材５８が一体成形される。

第１シール部材５６及び第２シール部材５８としては、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、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等の弾性を有するシール部材が用いられる。

図２に示すように、第１エンドプレート２４ａには、酸化剤ガス供給連通孔３８ａ、酸化剤ガス排出連通孔３８ｂ、燃料ガス供給連通孔４０ａ及び燃料ガス排出連通孔４０ｂに連通する酸化剤ガス供給マニホールド６０ａ、酸化剤ガス排出マニホールド６０ｂ、燃料ガス供給マニホールド６２ａ及び燃料ガス排出マニホールド６２ｂが取り付けられる。

第２エンドプレート２４ｂには、図示しないが、冷却媒体供給連通孔４２ａ及び冷却媒体排出連通孔４２ｂに連通する冷却媒体供給マニホールド及び冷却媒体排出マニホールドが取り付けられる。

筐体１６は、車幅方向（矢印Ｂ方向）両端の２辺が第１エンドプレート２４ａ及び第２エンドプレート２４ｂにより構成される。図２及び図４に示すように、筐体１６の車長方向（矢印Ａ方向）両端の２辺は、前方Ｌ型側板６６及び後方Ｌ型側板６８により構成されるとともに、前記筐体１６の車高方向（矢印Ｃ方向）両端の２辺は、上側平板７０及び下側平板７２により構成される。

前方Ｌ型側板６６及び後方Ｌ型側板６８は、例えば、押し出し成形される一方、上側平板７０及び下側平板７２は、例えば、プレス成形される。なお、前方Ｌ型側板６６及び後方Ｌ型側板６８は、例えば、鋳造により製造される一方、上側平板７０及び下側平板７２は、例えば、機械加工されてもよい。

図４に示すように、前方Ｌ型側板６６は、車高方向に延在する鉛直部６６ａと、前記鉛直部６６ａの下端に一体成形され、車長方向後方（矢印Ａｂ方向）に延在する水平部６６ｂとを有する。鉛直部６６ａには、前記鉛直部６６ａの上端から下方に所定の長さだけ離間した位置に、水平方向に膨出する水平膨出部６６ａｈが設けられる。水平部６６ｂの開放側先端には、上方に屈曲する段差部６６ｂｄが設けられる。鉛直部６６ａと水平部６６ｂとの境界部位には、内側にＲ（湾曲面）を形成することが好ましい。外部からの衝撃荷重による応力の集中を抑制するためである。

後方Ｌ型側板６８は、車高方向に延在する鉛直部６８ａと、前記鉛直部６８ａの下端に一体成形され、車長方向前方（矢印Ａｆ方向）に延在する水平部６８ｂとを有する。鉛直部６８ａの上方端面（上方側端部）６８ａｅには、内面側から前記上方端面６８ａｅの上方に膨出する内側膨出部６８ａｉが設けられる。水平部６８ｂの開放側先端には、上方に屈曲する段差部６８ｂｄが設けられる。鉛直部６８ａと水平部６８ｂとの境界部位には、内側にＲ（湾曲面）を形成することが好ましい。

上側平板７０の一端は、前方Ｌ型側板６６の鉛直部６６ａの内側垂直面から離間した状態で、前記前方Ｌ型側板６６の水平膨出部６６ａｈに載置されるとともに、矢印Ａｂ方向に延在する。上側平板７０の他端には、下方に屈曲する段差部（車長方向後方側端部）７０ａを設けるとともに、前記段差部７０ａは、内側膨出部６８ａｉ上に隙間を有している。下側平板７２は、上側平板７０よりも短尺に構成されるとともに、矢印Ａ方向の両端は、段差部６６ｂｄ、６８ｂｄの鉛直面との間に隙間を有して配置される。下側平板７２は、段差部６６ｂｄ、６８ｂｄに密着してボルト７６により固定される。

上側平板７０と後方Ｌ型側板６８とは、アングル部材７４により連結される。アングル部材７４は、断面略Ｌ形状を有し、後方Ｌ型側板６８の上方端面６８ａｅに接合される鉛直部７４ａと、上側平板７０の段差部７０ａに配設される水平部７４ｂとを一体に有する。アングル部材７４の内側鉛直面は、上側平板７０の他端の端面から離間して隙間を形成する。

上側平板７０は、一端が前方Ｌ型側板６６の水平膨出部６６ａｈに載置されて密着しボルト７６により固定される一方、段差部７０ａの上面がアングル部材７４の水平部７４ｂに密着しボルト７６により固定される。アングル部材７４の鉛直部７４ａは、後方Ｌ型側板６８の内側膨出部６８ａｉの上方端面６８ａｅに密着しボルト７６により固定される。

アングル部材７４では、鉛直部７４ａ及び水平部７４ｂに、それぞれ鉛直方向及び水平方向（矢印Ａ方向）に長尺なボルト挿入用長円７８ａ、７８ｂ（図２参照）が形成される。筐体１６の鉛直方向及び水平方向の寸法誤差を吸収するためである。

図２に示すように、前方Ｌ型側板６６、後方Ｌ型側板６８、上側平板７０及び下側平板７２では、積層方向両端側が平坦状に構成され、複数のボルト７６を介して第１エンドプレート２４ａ及び第２エンドプレート２４ｂが固定される。

このように構成される車載用燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。

先ず、図２に示すように、第１エンドプレート２４ａの酸化剤ガス供給マニホールド６０ａから酸化剤ガス供給連通孔３８ａには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。第１エンドプレート２４ａの燃料ガス供給マニホールド６２ａから燃料ガス供給連通孔４０ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、第２エンドプレート２４ｂでは、冷却媒体供給マニホールド（図示せず）から一対の冷却媒体供給連通孔４２ａには、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

このため、図３に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔３８ａから第１金属セパレータ３４の酸化剤ガス流路５０に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路５０に沿って矢印Ａ方向に移動し、電解質膜・電極構造体３２のカソード電極４６に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔４０ａから第２金属セパレータ３６の燃料ガス流路５２に供給される。燃料ガスは、燃料ガス流路５２に沿って矢印Ａ方向に移動し、電解質膜・電極構造体３２のアノード電極４８に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体３２では、カソード電極４６に供給される酸化剤ガスと、アノード電極４８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て発電が行われる。

次いで、電解質膜・電極構造体３２のカソード電極４６に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔３８ｂに沿って矢印Ｂ方向に排出される。一方、電解質膜・電極構造体３２のアノード電極４８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔４０ｂに沿って矢印Ｂ方向に排出される。

また、一対の冷却媒体供給連通孔４２ａに供給された冷却媒体は、第１金属セパレータ３４及び第２金属セパレータ３６間の冷却媒体流路５４に導入される。冷却媒体は、一旦矢印Ｃ方向内方に沿って流動した後、矢印Ａ方向に移動して電解質膜・電極構造体３２を冷却する。この冷却媒体は、矢印Ｃ方向外方に移動した後、一対の冷却媒体排出連通孔４２ｂに沿って矢印Ｂ方向に排出される。

この場合、本実施形態では、図２及び図４に示すように、筐体１６は、車幅方向両端の２辺が第１エンドプレート２４ａ及び第２エンドプレート２４ｂにより構成されている。筐体１６の車長方向両端の２辺は、前方Ｌ型側板６６及び後方Ｌ型側板６８により構成されるとともに、前記筐体１６の車高方向両端の２辺は、上側平板７０及び下側平板７２により構成されている。これにより、図４に示すように、上側平板７０及び下側平板７２には、連結部品との間に隙間が設けられるため、部品自体の製造誤差や組立時の誤差を有効に吸収することができ、筐体１６全体として良好な寸法精度を得ることが可能になる。

その際、上側平板７０の一方の端部は、前方Ｌ型側板６６の水平膨出部６６ａｈに対向して密着し、段差部７０ａの端部は、アングル部材７４の水平部７４ｂの端面に対向して密着し、これらをボルト７６により固定している。

さらに、下側平板７２の一方の端面は、前方Ｌ型側板６６を構成する水平部６６ｂの段差部６６ｂｄに対向して密着するとともに、前記下側平板７２の他方の端面は、後方Ｌ型側板６８を構成する水平部６８ｂの段差部６８ｂｄに対向して密着し、これらをボルト７６により固定している。このため、筐体１６の各辺同士を強固に接合させることができる。

従って、図５に示すように、特に、車長方向前方から外部荷重Ｆが付与された際、前記外部荷重Ｆは、筐体１６自体、具体的には、前方Ｌ型側板６６から上側平板７０及び下側平板７２を介して後方Ｌ型側板６８に至るロードパスに沿って伝達される。この外部荷重Ｆは、筐体１６から、例えば、燃料電池電気自動車１２内のパネル板８０により受けられる。

しかも、筐体１６では、部材端面同士がボルト７６の軸力により強固に接合するため、部材間摩擦力により外部荷重Ｆを確実に受ける。その上、ボルト７６は、剪断荷重を受けることがなく、前記ボルト７６の折損等を確実に抑制することが可能になる。

これにより、車載用燃料電池システム１０は、分割された筐体１６を用いるだけでよく、簡単且つコンパクトな構成で、外部荷重Ｆを確実に受けることができ、燃料電池スタック１４を良好に保護することが可能になるという効果が得られる。

また、筐体１６では、図５に示すように、上側平板７０の両端面（鉛直面）と前方Ｌ型側板６６の上部内側垂直面及びアングル部材７４の内側垂直面との間に、隙間が形成されている。さらに、下側平板７２の両端面（鉛直面）と前方Ｌ型側板６６の下部内側垂直面及び後方Ｌ型側板６８の下部内側垂直面との間に、隙間が形成されている。

このため、図６に示すように、部材間の摩擦力を超えた衝撃荷重（外部荷重）Ｆａが加わると、上側平板７０及び下側平板７２が矢印Ａｂ方向に移動する。その際、上側平板７０の端部は、アングル部材７４の内側垂直面に密着する一方、下側平板７２の端部は、後方Ｌ型側板６８の下部内側垂直面に密着する。従って、部材間の摩擦力を超えた衝撃荷重Ｆａは、垂直面（角又は肩）で確実に受けることが可能になる。

１０…車載用燃料電池システム １２…燃料電池電気自動車
１２ｆ…フロントボックス １４…燃料電池スタック
１６…筐体 １８…燃料電池
２４ａ、２４ｂ…エンドプレート ３２…電解質膜・電極構造体
３４、３６…金属セパレータ ３８ａ…酸化剤ガス供給連通孔
３８ｂ…酸化剤ガス排出連通孔 ４０ａ…燃料ガス供給連通孔
４０ｂ…燃料ガス排出連通孔 ４２ａ…冷却媒体供給連通孔
４２ｂ…冷却媒体排出連通孔 ４４…固体高分子電解質膜
４６…カソード電極 ４８…アノード電極
５０…酸化剤ガス流路 ５２…燃料ガス流路
５４…冷却媒体流路 ６６…前方Ｌ型側板
６６ａ、６８ａ、７４ａ…鉛直部 ６６ｂ、６８ｂ、７４ｂ…水平部
６６ｂｄ、６８ｂｄ、７０ａ…段差部 ６８…後方Ｌ型側板
７０…上側平板 ７２…下側平板
７４…アングル部材 ７６…ボルト

Claims (3)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が車幅方向に沿って積層されるとともに、積層方向両端にエンドプレートが配設される燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックを内部に収容する筐体と、
   を備える車載用燃料電池システムであって、
   前記筐体は、車幅方向両端の２辺が前記エンドプレートにより構成され、
   車長方向両端の２辺が前方Ｌ型側板及び後方Ｌ型側板により構成され、
   車高方向両端の２辺が上側平板及び下側平板により構成され、
   車長方向から外部荷重が付与された際、前記下側平板の車長方向両端の２辺の端面は、前記前方Ｌ型側板及び前記後方Ｌ型側板の車長方向の各端面と当接し、前記上側平板の車長方向両端の２辺のうちの１辺の端面は、前記前方Ｌ型側板の車長方向の側面又は前記後方Ｌ型側板の車長方向の側面と当接することを特徴とする車載用燃料電池システム。
2. 請求項１記載の車載用燃料電池システムにおいて、前記上側平板と前記後方Ｌ型側板又は前記前方Ｌ型側板とは、アングル部材により連結されることを特徴とする車載用燃料電池システム。
3. 請求項２記載の車載用燃料電池システムにおいて、前記アングル部材は、前記上側平板と前記後方Ｌ型側板とを連結するものであり、
   前記上側平板の車長方向後方側端部に連結される水平部と、
   前記後方Ｌ型側板の上方側端部に連結される鉛直部と、
   を一体に有することを特徴とする車載用燃料電池システム。

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