JP7046852B2 - 燃料電池モジュール及びエンドプレート - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池モジュール及びエンドプレートに関する。

従来より、燃料電池車両に搭載される燃料電池モジュールが提案されている。例えば、特許文献１は、複数の単位セルから成る積層体の両端にターミナルプレート、インシュレータ及びエンドプレートをそれぞれ取り付けた燃料電池スタックを開示する。この燃料電池スタックでは、エンドプレート（補強板）間にテンションプレートを架け渡して締結による張力を発生させる構造の燃料電池モジュール（燃料電池スタック）を開示する。この燃料電池スタックでは、単位セルの一部を側方からテンションプレートで支持することで衝撃による単位セルの位置ずれを防ぐことを開示する。

特開２００８－２３４９８５号公報

燃料電池モジュールを燃料電池車両のフロントルームに搭載する場合には、フロントルーム内に搭載されたラジエータ等の他の機器を介した衝撃的な荷重の入力も想定される。そのため、他の機器を介した荷重の入力が発生しても、燃料電池スタックを覆うスタックケースが損傷を受けにくい構造が求められる。

そこで、本発明は、燃料電池車両のフロントルームに搭載した場合に、荷重が入力されてもスタックケースが損傷を受けにくい燃料電池モジュール及びエンドプレートを提供することを目的とする。

本発明の一観点は、燃料電池車両のフロントルームに搭載される燃料電池モジュールであって、複数の発電セルが積層された燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを挟持する一対のエンドプレートと、前記一対のエンドプレートの間に筒状に設けられ、前記燃料電池スタックを収容するスタックケースと、を備え、前記スタックケースは前記燃料電池車両の進行方向側に正面を有し、少なくとも一方の前記エンドプレートには、前記スタックケースの正面の少なくとも一部を覆う屈曲部が形成されている、燃料電池モジュールにある。

本発明の別の一観点は、複数の発電セルが積層された燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを収容するとともに、搭載車両の進行方向側に正面を有するスタックケースと、を備えた燃料電池モジュールのエンドプレートであって、前記スタックケース及び前記燃料電池スタックを挟持するとともに、前記スタックケースの前記正面の少なくとも一部を覆う屈曲部が形成されている、エンドプレートにある。

上記観点の燃料電池モジュール及びエンドプレートによれば、剛性の高いエンドプレートに着目し、そのエンドプレートに荷重を受け流す構造としている。すなわち、前方から後方に向けた荷重の入力が発生した場合であっても、エンドプレートの燃料電池車両の進行方向側に設けた屈曲部で荷重をエンドプレート側に受け流すことができる。その結果、スタックケースへの荷重の入力が抑制され、スタックケースが損傷を受けにくくなる。

本発明の実施形態に係る燃料電池車両の斜視図である。 図１の燃料電池モジュールの分解斜視図である。 図３Ａは、図１の燃料電池モジュールの平面図であり、図３Ｂは図１の燃料電池モジュールを車両進行方向前側から見て示す正面図である。 図１の燃料電池車両のフロントルームへの燃料電池モジュールの搭載レイアウトの一例を示す平面図である。 実施形態に係る燃料電池モジュールの作用を示す説明図である。

図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池車両１０は、燃料電池モジュール１１を備える。燃料電池車両１０は、例えば、燃料電池電気自動車である。燃料電池車両１０は、さらにＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｕｎｉｔ）や、燃料電池モジュール１１で発電した電力を電源として動作する走行用モータ等の電装品を備える。

燃料電池車両１０は、ダッシュボード１６の前方（矢印Ａｆ方向）に形成されたフロントルーム１８（モータルーム）内に、燃料電池モジュール１１を搭載する。燃料電池モジュール１１は、複数の発電セルが車幅方向（矢印Ｂ方向）に積層されてなる燃料電池スタック１２ｓｔと、燃料電池スタック１２ｓｔを覆うスタックケース２６とを有する。

発電セルは、電解質膜（例えば固体高分子電解質膜）の両面にそれぞれアノード電極及びカソード電極が配置されて構成された電解質・電極構造体と、この電解質・電極構造体の両側に接合されたセパレータとを有する。アノード電極と一方のセパレータとの間に燃料ガス流路が形成され、カソード電極と他方のセパレータとの間に酸化剤ガス流路が形成される。

燃料電池スタック１２ｓｔの発電セルは、鉛直方向（矢印Ｃ方向）に積層されてもよい。燃料電池スタック１２ｓｔの積層方向一端（矢印ＢＲ方向）には、第１ターミナルプレート２２ａ及び第１絶縁プレート２４ａが外方に向かって順次配設されている。燃料電池スタック１２ｓｔの積層方向他端（矢印ＢＬ方向）には、第２ターミナルプレート２２ｂ及び第２絶縁プレート２４ｂが外方に向かって順次配設されている。

燃料電池モジュール１１は、平面視で長辺が車幅方向（矢印Ｂ方向）に沿って延在する幅広な略四角形状に形成されている。燃料電池モジュール１１は、燃料電池スタック１２ｓｔを収容するメインケース１４と、燃料電池用補機を収容する補機ケース１５とを備える。メインケース１４及び補機ケース１５には、不図示のマウント部が設けられており、そのマウント部が車体フレーム１０Ｆの右側フロントサイド部材１０Ｆａ及び左側フロントサイド部材１０Ｆｂに固定されている。

図２に示すように、メインケース１４は、平面視で四角形状のスタックケース２６を有する。スタックケース２６は、運転席側から見て左側（矢印ＢＬ方向側）に形成された四角形状の左開口部２６ａと、運転席側から見て右側（矢印ＢＲ方向側）に形成された四角形状の右開口部２６ｂとを有し、断面が矩形の筒状に形成されている。スタックケース２６は、鋳造又は押出成形で一体的に成形されたものであってもよい。また、スタックケース２６は、複数部材を溶接又はねじ止め等の方法で接合して形成したものであってもよい。

メインケース１４は、さらに、スタックケース２６の右開口部２６ｂを閉じる第１エンドプレート２８と、スタックケース２６の後方開口部２６ｃを閉じる後方パネル２７とを備える。第１エンドプレート２８は、四角形状のパネルであり、スタックケース２６の右端にボルト３８（連結部材）により固定されている。

第１エンドプレート２８は、燃料電池スタック１２ｓｔに積層方向の締付荷重を付与する一方のエンドプレートを兼ねている。スタックケース２６と第１エンドプレート２８との間には、弾性材料からなるシール部材４０が、スタックケース２６と第１エンドプレート２８との接合面の全周に亘って配置されている。

第１エンドプレート２８の進行方向前側の端部は、スタックケース２６よりも前方（矢印Ａｆ方向）に突出するとともに、発電セルの積層方向に屈曲して延び出た第１屈曲部３０が形成されている。図３Ａに示すように、第１屈曲部３０は、平面視して第１エンドプレート２８からＬ字型に屈曲して延び出ており、スタックケース２６の進行方向前側の正面２６ｄの一部を覆っている。図３Ｂに示すように、第１屈曲部３０は、一定の幅Ｗ１（矢印Ｂ方向の長さ）で第１エンドプレート２８から延び出ており、第１エンドプレート２８の下端部か上端部の範囲において一定の幅Ｗ１でスタックケース２６の一端側（矢印ＢＲ方向側）を覆うように形成されている。この幅Ｗ１は、インシュレータ、ターミナルプレート、端部ダミーセル及び端部発電セルの幅を覆う程度の幅に設定すると好適である。

図３Ａに示すように、第１屈曲部３０の厚さＴ１（矢印Ａｆ方向の突出長さ）は、補機ケース１５とスタックケース２６の進行方向前側の段差と同程度とすることができる。なお、第１屈曲部３０の厚さＴ１は、荷重の入力に対して十分な剛性を発揮できる範囲で、適宜増減させてもよい。また、スタックケース２６への荷重の入力を防ぐべく、第１屈曲部３０とスタックケース２６との間には、間隙３０ａが設けられていることが好ましい。

第１エンドプレート２８の進行方向後方側（矢印Ａｒ方向側）の端部は、スタックケース２６よりも後方（矢印Ａｒ方向側）に幅Ｔ３だけ突出している。また、後述する補機ケース１５の進行方向後方側の端部は、スタックケース２６よりも後方に幅Ｔ４だけ突出している。これにより、燃料電池モジュール１１をフロントルーム１８内に搭載した際に、スタックケース２６の後方に配置される部材との間に、幅Ｔ３～Ｔ４に相当する間隙が生まれる。このように構成することにより、衝撃的な荷重が入力される（通過する）部材からスタックケース２６が離間し、スタックケース２６への荷重の入力が防がれる。

第１エンドプレート２８は、燃料電池スタック１２ｓｔ及びスタックケース２６を保護する機能を実現するのに十分な強度・剛性をもたせるために、金属材料（例えば、アルミ合金、鉄合金）又は高強度樹脂材料等によって構成される。また、第１屈曲部３０は、第１エンドプレート２８を鋳造等の方法で形成する際に一体的に形成されたものであってよい。また、第１屈曲部３０は、板状部材を第１エンドプレート２８に溶接等の方法で接合したものであってもよい。

図２に示すように、後方パネル２７は、四角形状のパネルであり、スタックケース２６の後端にボルト３８により接合される。スタックケース２６と後方パネル２７との間には、弾性材料からなるシール部材４２が、スタックケース２６と後方パネル２７との接合面の全周に亘って配置される。なお、後方パネル２７は、スタックケース２６とは別部品ではなく、スタックケース２６と一体であってもよい。

図１に示すように、補機ケース１５は、燃料電池用補機を保護するための保護ケースであり、スタックケース２６の水平方向に隣接してスタックケース２６の左開口部２６ａを閉じるように接合されている。補機ケース１５内には、燃料電池用補機として、例えば、酸化剤ガス系デバイス及び燃料ガス系デバイスが収容されている。酸化剤ガス系デバイスは、例えば、エアポンプや加湿器等である。燃料ガス系デバイスは、例えば、インジェクタ、エジェクタ及び水素ポンプ等である。

補機ケース１５は、スタックケース２６に隣接して設けられた凹形状の第１ケース部材３２と、第１ケース部材３２に接合された凹形状の第２ケース部材３６とを有している。第１ケース部材３２には、主に燃料ガス系デバイスが収容され、第２ケース部材３６には主に酸化剤ガス系デバイスが収容される。第１ケース部材３２及び第２ケース部材３６は、燃料電池用補機及びスタックケース２６を保護する機能を実現するのに十分な強度・剛性をもたせるために、金属材料（例えば、アルミ合金、鉄合金）又は高強度樹脂材料等により構成されている。

図２に示すように、スタックケース２６と第２ケース部材３６との間に第１ケース部材３２が配置されている。第１ケース部材３２は、スタックケース２６の左端にボルト３８（連結部材）により接合される。スタックケース２６と第１ケース部材３２との間には、弾性材料からなるシール部材４１が、スタックケース２６と第１ケース部材３２との接合面の全周に亘って配置されている。これにより、スタックケース２６と第１ケース部材３２との間に気密シールが形成されている。

第１ケース部材３２は、燃料電池スタック１２ｓｔに積層方向の締付荷重を付与する第２エンドプレート３２ａを一体に有する。第２エンドプレート３２ａは、凹形状の第１ケース部材３２の底壁部である。すなわち、第１ケース部材３２の一部が、燃料電池スタック１２ｓｔに積層方向の締付荷重を付与する他方のエンドプレートを兼ねている。第１ケース部材３２は、例えば、鋳造により形成されている。

第１ケース部材３２は、スタックケース２６に接合された上記の第２エンドプレート３２ａと、第２エンドプレート３２ａの周縁部全周から第２エンドプレート３２ａの厚さ方向であってスタックケース２６から離れる方向（矢印ＢＬ方向）に延出した周壁部３２ｂと、第１ケース部材３２の開口部と反対方向に延び出た第２屈曲部３４とを有する。

図３Ａに示すように、第１ケース部材３２の第２屈曲部３４は、第１ケース部材３２からＬ字型に屈曲して延び出てスタックケース２６の車両進行方向前側の正面２６ｄの一部を覆っている。図３Ｂに示すように、第２屈曲部３４は、車幅方向（矢印Ｂ方向）に一定の幅Ｗ２で上下方向（矢印Ｃ方向）に延びて形成されている。この第２屈曲部３４の幅Ｗ２は、スタックケース２６と第２エンドプレート３２ａとを連結するボルト３８（連結部材）の延在する範囲よりも広い範囲を覆うように形成することが好ましい。また、幅Ｗ２は、インシュレータ、ターミナルプレート、端部ダミーセル及び端部発電セルの幅を覆う程度の幅に設定すると好適である。これにより、スタックケース２６の端部付近への荷重の入力を防ぐことができる。

また、第２屈曲部３４の燃料電池車両１０の進行方向前側への突出長さ（厚さ）Ｔ２は、第１ケース部材３２とスタックケース２６との段差と同じである。すなわち、第２屈曲部３４の進行方向前側の端面と周壁部３２ｂの進行方向前側の端面とは面一に形成されている。また、第２屈曲部３４の厚さＴ２は、第１屈曲部３０の厚さＴ１と同じである。また、スタックケース２６への荷重の入力を防ぐべく、第２屈曲部３４とスタックケース２６との間には、間隙３４ａが設けられていることが好ましい。

なお、第２屈曲部３４の厚さＴ２は、第２屈曲部３４が荷重の入力に対して十分な剛性を発揮する範囲で適宜変更してもよい。また、第２屈曲部３４は、鋳造時に第２エンドプレート３２ａと一体的に形成したものであってもよいし、板状部材を第２エンドプレート３２ａに溶接等の方法で接合したものであってもよい。

第２ケース部材３６は、不図示のボルトにより第１ケース部材３２に固定される。第１ケース部材３２と第２ケース部材３６との間には、弾性材料よりなるシール部材４３が、第１ケース部材３２と第２ケース部材３６の接合面の全周に亘って配置されている。このシール部材４３により、第１ケース部材３２と第２ケース部材３６とが気密にシールされる。

燃料電池モジュール１１は、以上のように構成され、以下、図４及び図５を参照しつつ、燃料電池モジュール１１の搭載レイアウト例とともに、その作用について説明する。

図４に示すように、燃料電池車両１０のフロントルーム１８に搭載される。燃料電池車両１０のフロントルーム１８には、燃料電池モジュール１１以外にも様々な部材が搭載されるが、大型で剛性の高い部品として、ラジエータ５０が搭載されている。ラジエータ５０は、燃料電池モジュール１１から発生する熱を放出するために設けられており、燃料電池モジュール１１の車両進行方向前側（矢印Ａｆ方向側）に配置される。すなわち、燃料電池モジュール１１は、ラジエータ５０とダッシュボード１６との間に搭載される。

図５に示すように、燃料電池車両１０に進行方向前側からの荷重の入力が発生すると、ラジエータ５０に荷重が作用し、ラジエータ５０が後方（矢印Ａｒ方向）に移動する場合がある。そして、ラジエータ５０を介して、燃料電池モジュール１１に荷重が入力される。

本実施形態の燃料電池モジュール１１では、スタックケース２６の車両進行方向前側の面の一部が第１屈曲部３０及び第２屈曲部３４で覆われている。そのため、ラジエータ５０等の大型で剛性の高い部品がスタックケース２６に接触するのを防止できる。また、第１屈曲部３０及び第２屈曲部３４は、スタックケース２６のボルト３８の設置範囲よりも広い範囲を覆っているため、ボルト３８付近への荷重の入力による損傷を防ぐことができる。

燃料電池モジュール１１に入力される荷重は、図中の矢印に示すように、剛性の高い第１エンドプレート２８（エンドプレート）及び第２エンドプレート３２ａを通じて、ダッシュボード１６側に受け流すことができ、スタックケース２６が損傷を受けにくくなる。

以上の本実施形態の燃料電池モジュール１１、燃料電池車両１０及びエンドプレート（第１エンドプレート２８及び第１ケース部材３２）は、以下の効果を奏する。

本実施形態の燃料電池モジュール１１は、燃料電池スタック１２ｓｔを挟持する一対のエンドプレート２８、３２ａの各々に、スタックケース２６の車両進行方向前側の正面２６ｄの少なくとも一部を覆う屈曲部３０、３４が形成されている。この構成により、スタックケース２６に対する荷重の入力を抑制することができ、スタックケース２６が損傷を受けにくくなる。

燃料電池モジュール１１において、第１エンドプレート２８の第１屈曲部３０は第２エンドプレート３２ａに向けて延び、第２エンドプレート３２ａの第２屈曲部３４は、第１エンドプレート２８に向けて延び、かつ、第１屈曲部３０と第２屈曲部３４とは車幅方向に離間していてもよい。この構成により、スタックケース２６を覆うように第１屈曲部３０と第２屈曲部３４とが配置されるため、スタックケース２６を効果的に保護できる。

燃料電池モジュール１１において、第２エンドプレート３２ａは、隣接する第１ケース部材３２と一体的に形成されており、第１ケース部材３２の開口部と反対側に第２屈曲部３４が延在していてもよい。これにより、構造が簡素化されるとともに部品点数を削減できる。

燃料電池モジュール１１において、第１屈曲部３０の厚さＴ１と、第２屈曲部３４の厚さＴ２とが同じであってもよい。これにより、燃料電池車両１０のフロントルーム１８内において、ラジエータ５０等の部材からの荷重を第１屈曲部３０及び第２屈曲部３４に良好に分散することができる。

燃料電池モジュール１１において、第１屈曲部３０の厚さＴ１と、第２屈曲部３４の厚さＴ２は、スタックケース２６と第１ケース部材３２との段差と同じであってもよい。

燃料電池モジュール１１において、第１屈曲部３０及び第２屈曲部３４は、車両進行方向前側から見て、上下方向に一定の幅Ｗ１、Ｗ２の帯状に形成されていてもよい。この構成により、スタックケース２６の両端を第１屈曲部３０及び第２屈曲部３４とで確実に覆うことができるため、スタックケース２６が損傷を受けにくくなる。

燃料電池モジュール１１において、第１エンドプレート２８及び第２エンドプレート３２ａは、燃料電池車両１０の進行方向の剛性がスタックケース２６の剛性よりも高い。これにより、スタックケース２６への荷重の入力を防ぐことができ、スタックケース２６を保護することができる。

本実施形態の燃料電池車両１０は、フロントルーム１８に燃料電池モジュール１１を搭載する。この構成により、燃料電池車両１０の進行方向前側から燃料電池モジュール１１に荷重の入力が発生した場合でも、スタックケース２６が損傷を受けにくくなる。

本実施形態のエンドプレート２８、３２ａは、複数の発電セルが積層された燃料電池スタック１２ｓｔと、燃料電池スタック１２ｓｔを収容するスタックケース２６と、を備えた燃料電池モジュール１１のエンドプレート２８、３２ａであって、スタックケース２６及び燃料電池スタック１２ｓｔを挟持するとともに、スタックケース２６の正面２６ｄの少なくとも一部を覆う屈曲部３０、３４が形成されている。このように構成されたエンドプレート２８、３２ａを用いることにより、スタックケース２６が損傷を受けにくくなる。

上記において、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は前記実施形態に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において、種々の改変が可能なことは言うまでもない。

１０…燃料電池車両 １１…燃料電池モジュール
１２ｓｔ…燃料電池スタック １４…メインケース
１５…補機ケース ２６…スタックケース
２８…第１エンドプレート ３０…第１屈曲部
３２…第１ケース部材 ３２ａ…第２エンドプレート
３４…第２屈曲部 ３６…第２ケース部材

Claims (9)

1. 燃料電池車両のフロントルームに搭載される燃料電池モジュールであって、
   複数の発電セルが積層された燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックを挟持する一対のエンドプレートと、
   前記一対のエンドプレートの間に筒状に設けられ、前記燃料電池スタックを収容するスタックケースと、を備え、
   前記スタックケースは前記燃料電池車両の進行方向側に正面を有し、
   少なくとも一方の前記エンドプレートには、前記スタックケースの正面の少なくとも一部を覆う屈曲部が形成されている、
   燃料電池モジュール。
2. 請求項１記載の燃料電池モジュールであって、一方のエンドプレートの屈曲部は他方のエンドプレートに向けて延び、前記他方のエンドプレートの屈曲部は、前記一方のエンドプレートに向けて延び、かつ、前記一方のエンドプレートの屈曲部と前記他方のエンドプレートの屈曲部とは車幅方向に離間している、燃料電池モジュール。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池モジュールであって、前記一対のエンドプレートの一方は、隣接する補機ケースと一体的に形成されており、前記補機ケースの開口部と反対側に屈曲部が延在している、燃料電池モジュール。
4. 請求項３記載の燃料電池モジュールであって、前記一方のエンドプレートの屈曲部の厚さと、前記他方のエンドプレートの屈曲部の厚さとが同じである、燃料電池モジュール。
5. 請求項４記載の燃料電池モジュールであって、前記一方のエンドプレートの屈曲部の厚さと、前記他方のエンドプレートの屈曲部の厚さは、前記スタックケースと前記補機ケースとの段差と同じである、燃料電池モジュール。
6. 請求項１～５のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールであって、前記屈曲部は、前記エンドプレートと前記スタックケースとを締結するボルトの設置範囲よりも広い範囲で前記スタックケースを覆う、燃料電池モジュール。
7. 請求項１～６のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールであって、前記一対のエンドプレートは、前記進行方向の反対側において前記スタックケースよりも突出している、燃料電池モジュール。
8. 請求項１～７のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールであって、前記エンドプレートの前記進行方向の剛性が前記スタックケースの進行方向の剛性よりも高い、燃料電池モジュール。
9. 複数の発電セルが積層された燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを収容するとともに、燃料電池車両の進行方向側に正面を有するスタックケースと、を備えた燃料電池モジュールのエンドプレートであって、
   前記スタックケース及び前記燃料電池スタックを挟持するとともに、
   前記スタックケースの前記正面の少なくとも一部を覆う屈曲部が形成されている、
   エンドプレート。

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