JP6696794B2

JP6696794B2 - 燃料電池ユニット

Info

Publication number: JP6696794B2
Application number: JP2016035238A
Authority: JP
Inventors: 片野　剛司; 剛司片野; 広之関根
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-02-26
Filing date: 2016-02-26
Publication date: 2020-05-20
Anticipated expiration: 2036-02-26
Also published as: CA2958391C; DE102017103186A1; CN107134583B; CA2958391A1; JP2017152286A; US10892508B2; US20170250435A1; CN107134583A; KR20170101129A; KR102150914B1

Description

本発明は、燃料電池ユニットに関する。

燃料電池ユニットには、積層された複数の単セルを有する燃料電池スタックを収容するスタックケースと、燃料電池スタックが生成した電力が供給される高電圧部品を収容する部品ケースと、を備えたものがある。

特開２０１４−０８６１７１号公報

特許文献１の燃料電池ユニットでは、スタックケースの重力方向上側に部品ケースを配置している。このような燃料電池ユニットにおいて、スタックケースと部品ケースとの一体化を考えた場合、燃料電池ユニットの軽量化およびサイズの縮小化を考慮して、部品ケースを開口して、その開口をスタックケースの面で閉じる態様が考えられる。しかし、このような場合、高電圧部品をどこに配置するかについては十分に考慮されていなかった。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池ユニットが提供される。この燃料電池ユニットは、積層された複数の単セルを有する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを内側に収容するスタックケースと、前記燃料電池スタックで生成された電力が供給される高電圧部品を内側に収容する部品ケースと、を備え、前記部品ケースは、前記スタックケースのうち前記単セルの積層方向に平行な面によって閉じられる開口部を有し、前記高電圧部品は、前記部品ケースを形成している面のうち、前記開口部と向かい合う対向面と、前記対向面から前記スタックケースに向けて延びた面と、のいずれかの内側を向いた面に固定される。このような態様とすれば、スタックケースを形成する面のうち単セルの積層方向に平行な面の外側に高電圧部品を固定された態様と比べて、燃料電池スタックが発電することによって生じる燃料電池スタックの膨張および収縮の影響が、高電圧部品に及ぶことを抑制できる。言い換えると、燃料電池スタックが発電する際には、単セルが積層方向に膨張および収縮することによって、燃料電池スタックが積層方向において膨張および収縮する。燃料電池スタックの積層方向における膨張および収縮によってスタックケースにも積層方向における膨張および収縮が生じる。このため、スタックケースを形成する面のうち単セルの積層方向に平行な面の外側に高電圧部品が固定されている場合、固定に悪影響が及ぶことがある。本発明の一形態では、燃料電池スタックの膨張および収縮によるそのような悪影響が、高電圧部品に及ぶことを抑制できる。このため、例えば、スタックケースを形成する面のうち単セルの積層方向に平行な面の外側に高電圧部品を固定された態様と比べて、高電圧部品の固定が緩むことを抑制できる。

（２）上記形態における燃料電池ユニットにおいて、前記高電圧部品は、前記部品ケースを形成している面のうち前記対向面に固定されてもよい。このような態様とすれば、部品ケースを形成している面のうち対向面とは異なる面に高電圧部品が固定された態様と比べて、燃料電池スタックが発電することによって生じる燃料電池スタックの膨張および収縮の影響が、高電圧部品に及ぶことをより一層抑制できる。部品ケースを形成している面のうち対向面とは異なる面はスタックケースと直接接続されていることに対して、対向面はスタックケースと直接接続されていない。そのため、このような態様とすれば、燃料電池スタックが発電することによって生じる燃料電池スタックの膨張および収縮の影響を、高電圧部品に及びにくくすることができる。

（３）上記形態における燃料電池ユニットにおいて、前記部品ケースは、複数の前記高電圧部品を収容し、複数の前記高電圧部品は、前記部品ケースを形成している面のうち前記対向面において、前記対向面に沿って並んだ位置に固定されてもよい。このような態様とすれば、高電圧部品が対向面と直交する方向に重ねられた態様と比べて、部品ケースの対向面と直交する方向における燃料電池ユニットの長さを短くすることができる。また、高電圧部品が対向面と直交する方向に重ねられた態様と比べて、高電圧部品が保守される際の利便性が向上する。

本発明の形態は、燃料電池ユニットに限るものではなく、例えば、電力を動力源とする船舶などに搭載された燃料電池ユニットや、家庭用燃料電池ユニットなどの種々の形態に適用することも可能である。また、本発明は、前述の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。

本発明の実施形態における燃料電池ユニットを示した説明図である。参考例１における燃料電池ユニットを示した説明図である。変形例における燃料電池ユニットを示した説明図である。変形例における燃料電池ユニットを示した説明図である。

Ａ．第１実施形態：
図１は、本発明の実施形態における燃料電池ユニット１０を示した説明図である。図１には、相互に直交するＸＹＺ軸が図示されている。図１のＸＹＺ軸は、他の図のＸＹＺ軸に対応する。燃料電池ユニット１０は、モーターで駆動する車両の電源として搭載される。燃料電池ユニット１０は、スタックケース１００と、燃料電池スタック１１０と、第１の集電板１２０と、第２の集電板１３０と、プレッシャープレート１４０と、エンドプレート１５０と、荷重調整ネジ１６０と、部品ケース２００と、高電圧部品２１０ａと、高電圧部品２１０ｂとを備える。燃料電池ユニット１０の概形は、スタックケース１００に部品ケース２００が取り付けられて一体化された概形である。

スタックケース１００は、部品ケース２００のＺ軸方向の−側に配されている。スタックケース１００は、Ｙ軸方向の＋側に開口部１０２を有する箱状の部材である。本実施形態では、スタックケース１００は、直方体である。スタックケース１００を形成する面のうちＹ軸方向の−側における面１０４には、２つの貫通孔１０６が設けられている。スタックケース１００の内側には、燃料電池スタック１１０が収容されている。

燃料電池スタック１１０は、反応ガスの電気化学反応によって発電する複数の単セル１１２を有する。単セル１１２は、積層方向Ｄに積層された状態で圧縮荷重を加えられつつ締結されている。本実施形態では、単セル１１２の積層方向Ｄは、Ｙ軸方向である。本実施形態では、燃料電池スタック１１０は、水素ガスおよび空気の供給を受けて、水素と酸素との電気化学反応によって発電する。

第１の集電板１２０は、燃料電池スタック１１０のＹ軸方向の−側における端面に接して配されている。第２の集電板１３０は、燃料電池スタック１１０のＹ軸方向の＋側における端面に接して配されている。第１の集電板１２０および第２の集電板１３０は、燃料電池スタック１１０が生成した電力を集める。

本実施形態では、第１の集電板１２０および第２の集電板１３０は、主としてアルミニウムから構成されている。他の実施形態では、第１の集電板１２０および第２の集電板１３０は、銅から構成されていてもよい。

プレッシャープレート１４０は、第１の集電板１２０のＹ軸方向の−側に接して配されている。エンドプレート１５０は、第２の集電板１３０のＹ軸方向の＋側に接して配されている。エンドプレート１５０は、スタックケース１００の開口部１０２を塞ぐ位置に配されている。プレッシャープレート１４０およびエンドプレート１５０は、燃料電池スタック１１０をＹ軸方向の両端から加圧するための部材である。

本実施形態では、プレッシャープレート１４０およびエンドプレート１５０は、主としてアルミニウムおよび樹脂から構成されている。他の実施形態では、プレッシャープレート１４０およびエンドプレート１５０は、耐食性、剛性を備えた種々の金属部材あるいは金属と樹脂を組み合わせた構成によって形成されていてもよい。

荷重調整ネジ１６０は、スタックケース１００の貫通孔１０６をＹ軸方向の＋側に挿通して、プレッシャープレート１４０をＹ軸方向の＋側に押圧している。すなわち、荷重調整ネジ１６０が燃料電池スタック１１０に対して押圧することによって、プレッシャープレート１４０およびエンドプレート１５０は、燃料電池スタック１１０に対して圧縮荷重を加えている。スタックケース１００は、プレッシャープレート１４０およびエンドプレート１５０を介して燃料電池スタック１１０への圧縮荷重に対する反力を受けている。荷重調整ネジ１６０は、スタックケース１００内に突出した先端部の長さを調整されることによって、プレッシャープレート１４０を押圧する力を調整できる。

燃料電池スタック１１０が発電することによって、燃料電池スタック１１０には、膨張および収縮が生じることがある。すなわち、燃料電池スタック１１０が発電する際には、単セル１１２が積層方向Ｄに膨張および収縮することによって、燃料電池スタック１１０が積層方向Ｄにおいて膨張および収縮する。スタックケース１００は、プレッシャープレート１４０およびエンドプレート１５０を介して燃料電池スタック１１０への圧縮荷重に対する反力を受けているため、燃料電池スタック１１０に膨張および収縮が生じた場合には、スタックケース１００にも積層方向Ｄにおいて膨張および収縮が生じることがある。

部品ケース２００は、スタックケース１００のＺ軸方向の＋側に配されている。部品ケース２００は、Ｚ軸方向の−側に開口部２０２を有する箱状の部材である。本実施形態では、部品ケース２００は、直方体である。開口部２０２は、スタックケース１００を形成する面のうちＺ軸方向の＋側の面１０８によって閉じられる位置に配されている。面１０８は、単セル１１２の積層方向Ｄと平行な面である。ここでいう平行とは、積層方向Ｄと厳密に平行であるだけでなく、ほぼ平行な状態も含まれる。

また、部品ケース２００を形成する面のうちＺ軸方向の＋側における面２０８には、２つの貫通孔２０６が設けられている。貫通孔２０６には、部品ケース２００に収容される高電圧部品２１０ａが他の部品と接続するための導線２１４ａを挿出されるための貫通孔である。

高電圧部品２１０ａおよび高電圧部品２１０ｂは、部品ケース２００のＺ軸方向の＋側における面２０８の内側における面に固定されている。本発明における「面に固定されている」とは、面に対して直接固定されていることだけではなく、他の部品を介して面に間接的に固定されていることも含む。本実施形態では、高電圧部品２１０ａおよび高電圧部品２１０ｂは、面２０８の内側における面に直接固定されている。

高電圧部品２１０ａおよび高電圧部品２１０ｂは、面２０８に沿って並んだ位置に固定されている。高電圧部品２１０ａおよび高電圧部品２１０ｂには、燃料電池スタック１１０が生成した電力が供給される。本実施形態では、高電圧部品２１０ａは、燃料電池スタック１１０から供給された電力を調整するコンバータである。本実施形態では、高電圧部品２１０ｂは、燃料電池スタック１１０を含んだ回路において電気的な接続を遮断できるサービスプラグである。尚、以降の説明では、２つの高電圧部品の各々を総称する場合には符号「２１０」を使用する。

高電圧部品２１０は面２０８に沿って並んだ位置に固定されているため、高電圧部品２１０がＺ軸方向に沿って重ねられて固定されている態様と比べて、燃料電池ユニット１０のＺ軸方向における長さを短くすることができる。また、高電圧部品２１０がＺ軸方向に沿って重ねられた態様と比べて、高電圧部品２１０が保守される際の利便性が向上する。例えば、高電圧部品２１０を保守する際、作業者が高電圧部品２１０のそれぞれに触りやすくなる。

以上説明した実施形態によれば、スタックケース１００を形成する面（例えば面１０８）の外側に高電圧部品を固定された態様と比べて、燃料電池スタック１１０が発電することによって生じる燃料電池スタック１１０の膨張および収縮の影響が、高電圧部品２１０に及ぶことを抑制できる。このため、例えば、スタックケース１００を形成する面１０８の外側に高電圧部品２１０を固定された態様と比べて、高電圧部品２１０の固定が緩むことを抑制できる。言い換えると、燃料電池スタック１１０が発電する際には、単セル１１２が積層方向Ｄに膨張および収縮することによって、燃料電池スタック１１０が積層方向Ｄにおいて膨張および収縮する。燃料電池スタック１１０の積層方向Ｄにおける膨張および収縮によってスタックケース１００にも積層方向Ｄにおける膨張および収縮が生じる。このため、スタックケース１００を形成する面のうち単セルの積層方向に平行な面である面１０８の外側に高電圧部品が固定されている場合、固定に悪影響が及ぶことがある。以上説明した実施形態では、燃料電池スタック１１０の膨張および収縮によるそのような悪影響が、高電圧部品２１０に及ぶことを抑制できる。

また、燃料電池スタック１１０を交換する際に、部品ケース２００を取り外すことによって高電圧部品２１０も取り外すことができることから、新しい燃料電池スタック１１０を収容したスタックケース１００に、部品ケース２００を取り付けることによって、高電圧部品２１０を移植できる。すなわち、スタックケース１００を形成する面１０８の外側に高電圧部品２１０を固定された態様と比べて、スタックケース１００から高電圧部品２１０を取り外すことに要する時間を省ける。よって、燃料電池スタック１１０を交換する作業を効率化できる。

また、第１実施形態では、高電圧部品２１０は面２０８に固定されている。このため、部品ケース２００を形成している面のうち面２０８とは異なる面に高電圧部品２１０が固定されている態様と比べて、燃料電池スタック１１０が発電することによって生じる燃料電池スタック１１０の膨張および収縮の影響が、高電圧部品２１０に及ぶことをより一層抑制できる。部品ケース２００を形成している面のうち面２０８と異なる面はスタックケース１００と直接接続されていることに対して、面２０８はスタックケース１００と直接接続されていない。そのため、第１実施形態のような態様とすれば、燃料電池スタック１１０が発電することによって生じる燃料電池スタック１１０の膨張および収縮の影響を、高電圧部品２１０に及びにくくすることができる。

Ｂ．参考例１：
図２は、参考例１における燃料電池ユニット１０ａを示した説明図である。燃料電池ユニット１０ａは、高電圧部品２１０ａおよび高電圧部品２１０ｂが面１０８においてＺ軸方向の＋側に固定されている点を除き、燃料電池ユニット１０と同じである。

参考例１では、高電圧部品２１０ａおよび高電圧部品２１０ｂが、面１０８においてＺ軸方向の＋側に固定されている。燃料電池スタック１１０が発電したとき、単セル１１２が積層方向Ｄに膨張および収縮することによって、燃料電池スタック１１０が積層方向Ｄにおいて膨張および収縮する場合がある。燃料電池スタック１１０の膨張および収縮の影響によってスタックケース１００に生じる積層方向Ｄにおける膨張および収縮の影響が、高電圧部品２１０に及ぶ場合がある。例えば、燃料電池スタック１１０が発電することによって生じる燃料電池スタック１１０の膨張および収縮によって、高電圧部品２１０の固定が緩むことがある。このため、高電圧部品２１０を固定するボルトの軸力増加が必要となり、燃料電池ユニットにおける質量の増加にもつながることがある。

これに対して、第１実施形態は、部品ケース２００のＺ軸方向の＋側における面２０８の内側に固定されているため（図１を参照）、燃料電池スタック１１０が発電することによって生じる燃料電池スタック１１０の膨張および収縮の影響が、高電圧部品２１０に及ぶことを抑制できる。

また、参考例１では、高電圧部品２１０ａが面１０８においてＺ軸方向の＋側に固定されているため、燃料電池ユニット１０ａの製造工程でスタックケース１００に部品ケース２００が取り付けられる際、部品ケース２００の貫通孔２０６に導線２１４ａを通しながらスタックケース１００に部品ケース２００を取り付ける必要がある。

これに対して、第１実施形態によれば、スタックケース１００に部品ケース２００が取り付けられる際、部品ケース２００の貫通孔２０６に導線２１４ａを予め通した状態で、部品ケース２００をスタックケース１００に取り付けることができる。このため、スタックケース１００に部品ケース２００が取り付けられる際、部品ケース２００の内側から外側に導線２１４ａを挿出させる際の作業が煩雑になることを防止できる。

Ｃ．変形例：
図３は、変形例における燃料電池ユニット１０ｂを示した説明図である。燃料電池ユニット１０ｂは、面２０８に固定された高電圧部品２１０ａのＺ軸方向の−側に高電圧部品２１０ｂが重ねられて固定されている点を除き、燃料電池ユニット１０と同様である。

変形例では、高電圧部品２１０ａおよび高電圧部品２１０ｂがＺ軸方向に沿って重ねられて固定されているため、燃料電池ユニット１０のＺ軸方向における長さが長くなる傾向にある。また、高電圧部品２１０ａおよび高電圧部品２１０ｂがＺ軸方向に沿って重ねられて固定されているため、第１実施形態と比べて、高電圧部品２１０が保守される際の作業が煩雑になる。例えば、高電圧部品２１０ａと接触している高電圧部品２１０ｂの部分に対して作業者が作業を行おうとした場合、高電圧部品２１０ｂから高電圧部品２１０ａを外す必要がある。

これに対して、第１実施形態は、高電圧部品２１０は面２０８に沿って並んだ位置に固定されているため、燃料電池ユニット１０のＺ軸方向における長さを短くすることができる。また、高電圧部品２１０への接触が容易であることから、高電圧部品２１０が保守される際の利便性が高い。

第１実施形態では、高電圧部品２１０ａおよび高電圧部品２１０ｂは、面２０８に沿って並んだ位置に固定されていたが、本発明はこれに限られない。例えば、高電圧部品２１０ａおよび高電圧部品２１０ｂは、部品ケース２００を形成する面のうち、部品ケース２００のＹ軸方向の＋側および−側における面と、部品ケース２００のＸ軸方向の＋側および−側における面と、のいずれかの面において、それぞれ異なる面に固定されていてもよい。ただし、燃料電池スタック１１０が発電することによって生じる燃料電池スタックの膨張および収縮の影響の及びにくさを考慮すると、高電圧部品２１０ａおよび高電圧部品２１０ｂは、部品ケース２００のＹ軸方向の＋側および−側における面に固定されているのが好ましい。

第１実施形態では、スタックケース１００および部品ケース２００は、直方体であったが、本発明はこれに限られない。例えば、スタックケース１００および部品ケース２００は、直方体とは異なり、曲面を含んだ容器状の部材であってもよい。

第１実施形態では、部品ケース２００は、Ｚ軸方向の−側に開口部２０２を有していたが、本発明はこれに限られない。例えば、部品ケース２００は、Ｚ軸方向の−側にも面を有し、その面の一部が開口した開口部２０２を有していてもよい。

図４は、変形例における燃料電池ユニット１０ｃを示した説明図である。第１実施形態では、高電圧部品２１０ａとしてのコンバータ、高電圧部品２１０ｂとしてのサービスプラグが部品ケース２００に収容されていたが、本発明はこれに限られない。例えば、高電圧部品２１０ｃとしてポンプインバータ、高電圧部品２１０ｄとしてリアクトル、高電圧部品２１０ｅとしてリレー等を部品ケース２００に収容していてもよい。図４における燃料電池ユニット１０ｃでは、高電圧部品２１０ｂおよび高電圧部品２１０ｃは、部品ケース２００を形成している面のうちの内側を向いた面２０８に直接固定されており、高電圧部品２１０ｄおよび高電圧部品２１０ｅは、部品ケース２００を形成している面のうちの内側を向いた面に他の部品（図示しない）を介して間接的に固定されている。本発明における「面に固定されている」とは、面に対して直接固定されていることだけではなく、他の部品を介して面に間接的に固定されていることも含む。

第１実施形態では、高電圧部品２１０ａおよび高電圧部品２１０ｂは、面２０８に直接固定されていたが、本発明はこれに限られない。例えば、高電圧部品２１０ａおよび高電圧部品２１０ｂは、面２０８に他の部品を介して間接的に固定されていてもよいし、部品ケース２００を形成している面のうち面２０８とは異なる面に直接固定されていてもよいし間接的に固定されていてもよい。ただし、好ましくは、高電圧部品２１０ａおよび高電圧部品２１０ｂは、面２０８に固定されているのが好ましい。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…燃料電池ユニット
１０ａ…燃料電池ユニット
１０ｂ…燃料電池ユニット
１０ｃ…燃料電池ユニット
１００…スタックケース
１０２…開口部
１０４…面
１０６…貫通孔
１０８…面
１１０…燃料電池スタック
１１２…単セル
１２０…第１の集電板
１３０…第２の集電板
１４０…プレッシャープレート
１５０…エンドプレート
１６０…荷重調整ネジ
２００…部品ケース
２０２…開口部
２０６…貫通孔
２０８…面
２１０…高電圧部品
２１０ａ…高電圧部品
２１０ｂ…高電圧部品
２１０ｃ…高電圧部品
２１０ｄ…高電圧部品
２１０ｅ…高電圧部品
２１４ａ…導線
Ｄ…積層方向

Claims

積層された複数の単セルを有する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックを内側に収容するスタックケースと、
前記燃料電池スタックで生成された電力が供給される高電圧部品を内側に収容する部品ケースと、を備え、
前記部品ケースは、前記スタックケースのうち前記単セルの積層方向に平行な面によって閉じられる開口部を有し、
前記高電圧部品は、前記部品ケースを形成している面のうち、前記開口部と向かい合う対向面と、前記対向面から前記スタックケースに向けて延びた面と、のいずれかの内側を向いた面に固定される、燃料電池ユニット。
請求項１に記載の燃料電池ユニットであって、
前記高電圧部品は、前記部品ケースを形成している面のうち前記対向面に固定される、燃料電池ユニット。
請求項２に記載の燃料電池ユニットであって、
前記部品ケースは、複数の前記高電圧部品を収容し、
複数の前記高電圧部品は、前記部品ケースを形成している面のうち前記対向面において、前記対向面に沿って並んだ位置に固定される、燃料電池ユニット。