(57)【要約】【課題】  複数列の燃料電池積層体で構成される燃料電池において、車両搭載時における締結構造の簡略化を図ると共に、流路構成部品の共通化による部品点数の削減及び軽量化を実現する車両搭載型燃料電池を提供する。【解決手段】  燃料ガスと酸化剤ガスの反応により電力を発生する単位電池としての燃料電池単セルを所定数積層してなる燃料電池積層体２と、所定間隔を置いて積層配置される各燃料電池積層体２の一側面に固定された、全積層体共通の第１エンドプレート３と、各燃料電池積層体２の他側面にそれぞれ積層体毎に固定された第２エンドプレートと、第２エンドプレートの外側に配置され、各第２エンドプレートを積層方向へ押圧して前記燃料電池積層体２の全長を調整する弾性部材を備えた全積層体共通のプレッシャープレート６と、第１エンドプレート３とプレッシャープレート６の一部に形成された車両搭載部２３とを備える。【選択図】      図１
2006040753.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスの反応により電力を発生する単位電池としての燃料電池単セルを所定数積層してなる燃料電池積層体と、
所定間隔を置いて積層配置される前記各燃料電池積層体の一側面に固定された、全積層体共通の第１エンドプレートと、
前記各燃料電池積層体の他側面にそれぞれ積層体毎に固定された第２エンドプレートと、
前記第２エンドプレートの外側に配置され、各第２エンドプレートを積層方向へ押圧して前記燃料電池積層体の全長を調整する弾性部材を備えた全積層体共通のプレッシャープレートと、
前記第１エンドプレートと前記プレッシャープレートの一部に形成された車両搭載部とを備えた
ことを特徴とする車両搭載型燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の車両搭載型燃料電池であって、
少なくとも前記第１エンドプレート又は前記プレッシャープレートの何れかに、前記燃料電池単セルとの間において少なくとも燃料ガス、酸化剤ガスの供給排出を行う流路が形成された
ことを特徴とする車両搭載型燃料電池。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の車両搭載型燃料電池であって、
前記燃料電池積層体及び前記弾性部材を、両端を開放した筒状の絶縁ケース内に収納させ、該絶縁ケースの一端部を前記第１エンドプレートに密着させてシールさせると共に、該絶縁ケースの他端部を前記プレッシャープレートに密着させてシールさせた
ことを特徴とする車両搭載型燃料電池。
【請求項４】
少なくとも請求項１から請求項３の何れか一つに記載の車両搭載型燃料電池であって、
前記第１エンドプレートと前記プレッシャープレート間に亘って補強部材を複数取り付けた
ことを特徴とする車両搭載型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両搭載型燃料電池に関し、特に車両への搭載性を考慮し、安全かつ耐久性に優れた状態で車載し、かつ小型化及び軽量化を実現した車両搭載型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料が有するエネルギを直接電気エネルギに変換する装置であり、電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうち陽極に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方の陰極に酸素を含有する酸化剤ガスを供給し、これら一対の電極の電解質膜側の表面で生じる下記電気化学反応を利用して電極から電気エネルギを取り出すように構成されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
陽極反応：Ｈ２  →  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−                       ・・・（１）
陰極反応：２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−  ＋  （１／２）Ｏ２  →  Ｈ２Ｏ  ・・・（２）
陽極に供給する燃料ガスは、水素貯蔵装置から直接供給する方法、水素を含有する燃料を改質し、その改質した水素含有ガスを供給する方法が知られている。水素を含有する燃料としては、例えば天然ガス、メタノール、ガソリン等が挙げられる。陰極に供給する燃料ガスとしては、一般的に空気が利用されている。
【０００４】
かかる燃料電池を車両に搭載するにあたっては、当該燃料電池を保護し、安全かつ耐久性に優れた状態で取り付け、かつ限られた空間の中で燃料電池の反応部容積を大きくとること、すなわち高実装密度化が要求される。その際、燃料電池に含有されている水の量や温度変化により、該燃料電池が積層方向に伸縮することを考慮する必要がある。
【０００５】
車載を考えた場合、レイアウト上の制約等により燃料電池を複数列構成とするシステムがとられるのが一般的である。その際、複数列に配置される燃料電池は、ケース内に配置し、さらに燃料電池にガス及び冷媒等の流体を分配する手段として、一体マニホールドとする方法（例えば、特許文献２参照）や個別に分配ラインを設定する方法（例えば、特許文献３参照）が検討されている。
【特許文献１】特開平８−１０６９１４号公報（第２頁から第４頁、第１図）
【特許文献２】特開２００１−１１０４３９号公報（第８頁及び第９頁、第３図及び第４図）
【特許文献３】特開２００２−３６７６６４号公報（第３頁及び第４頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、燃料電池をケース内に収納させた場合、燃料電池とケースを固定する固定部品やケースを車両に固定する車載用部品などが多数必要となり、締結構造部品などの部品点数増加（コスト増）及び重量増となる。また、燃料電池に要求される各機能部品、例えば燃料ガスや酸化剤ガス或いは冷却水などを供給するための流路が形成されたそれぞれの分配マニホールドや防水のための防水部品などが必要となることから、同様に部品点数増加及び重量増となる。
【０００７】
そこで、本発明は、上記の課題を解決すべくなされたものであり、特に、複数列の燃料電池積層体で構成される燃料電池において、車両搭載時における締結構造の簡略化を図ると共に、流路構成部品の共通化による部品点数の削減及び軽量化を実現する車両搭載型燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の車両搭載型燃料電池は、単位電池としての燃料電池単セルを所定数積層してなる燃料電池積層体と、所定間隔を置いて積層配置される前記各燃料電池積層体の一側面に固定された、全積層体共通の第１エンドプレートと、各燃料電池積層体の他側面にそれぞれ積層体毎に固定された第２エンドプレートと、第２エンドプレートの外側に配置され、各第２エンドプレートを積層方向へ押圧して前記燃料電池積層体の全長を調整する弾性部材を備えた全積層体共通のプレッシャープレートと、第１エンドプレートとプレッシャープレートの一部に形成された車両搭載部とを備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、所定間隔を置いて積層配置した複数個の燃料電池積層体の両端に設けたエンドプレートとプレッシャープレートの一部に車両搭載部を形成したので、ケースを介在させることなく、直接車両に固定させることができる。そのため、燃料電池積層体を車両に搭載させるための車両搭載用の締結構造を簡素化できると共に部品点数の削減を図ることができ、しかも軽量化も実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１１】
図１は本実施の形態の車両搭載型燃料電池の斜視図、図２は本実施の形態の車両搭載型燃料電池の要部拡大断面図である。
【００１２】
本実施の形態の車両搭載型燃料電池は、図１及び図２に示すように、主として燃料電池単セル１を所定数積層してなる燃料電池積層体２と、この燃料電池積層体２の複数個（本実施の形態では３つ）を所定間隔を置いて上下に積層し、それら各燃料電池積層体２の一側面に固定される全積層体共通の第１エンドプレート３と、各燃料電池積層体２の他側面にそれぞれ積層体毎に固定された第２エンドプレート４と、この第２エンドプレート４の外側に配置され、各第２エンドプレート４を燃料電池単セル１の積層方向へ押圧して前記燃料電池積層体２の全長を調整する弾性部材５を備えた全積層体共通のプレッシャープレート６とを有している。
【００１３】
燃料電池積層体２は、図２に示すように、起電力を生じる単位電池としての燃料電池単セル１を所定数だけ積層し、その積層体の両端に、各燃料電池単セル１で発電した電力を集める集電板７と、該集電板７に対する電気的絶縁を図る絶縁板８とを配置した構成とされている。
【００１４】
燃料電池単セル５は、固体高分子電解質膜と、この固体高分子電解質膜を挟んでその両側に設けられるアノードガス拡散層（燃料極）及びカソードガス拡散層（空気極）とからなる膜電極接合体（MEA:membrane electrode assembly）と、燃料ガス及び酸化剤ガス並び冷却水などを流通させる流路を形成したセパレータとの積層体として構成され、燃料極と空気極に供給した燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する。
【００１５】
第１エンドプレート３は、図１に示すように、上下方向に所定間隔を置いて積層された燃料電池積層体２の全積層体共通のプレートとして形成され、前記燃料電池積層体２の一側面に固定されている。かかる第１エンドプレート３は、例えば長手方向両端が傾斜した平面視略台形状をなし、絶縁性の樹脂材料によって形成されている。
【００１６】
この第１エンドプレート３には、図２に示すように、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却水などを各燃料電池積層体２に分配させるための供給流路９（９Ａ，９Ｂ，９Ｃ）と、各燃料電池積層体２から漏れる水素を換気する換気流路１０とが形成されている。例えば、燃料ガスが流通する流路を供給流路９Ａ、酸化剤ガスが流通する流路を供給流路９Ｂ、冷却水が流通する流路を供給流路９Ｃとする。
【００１７】
そして、この第１エンドプレート３には、前記各供給流路９Ａ，９Ｂ，９Ｃの出入口を一括して設け、外部配管と接続させる第１アダプタ部１１と、換気流路１０の排出口を設け、外部排気管と接続させる第２アダプタ１２とが形成されている。
【００１８】
第２エンドプレート４は、各燃料電池積層体２の他側面にそれぞれ積層体毎に固定されている。この第２エンドプレート４は、燃料電池積層体２に対して均一に面圧を与える役目をし、前記第１エンドプレート３と同様に絶縁性の樹脂材料によって形成されている。
【００１９】
プレッシャープレート６は、図１及び図２に示すように、第２エンドプレート４の外側に配置され、各第２エンドプレート４を燃料電池単セル１の積層方向へ押圧して燃料電池積層体２の全長を調整する弾性部材５を備えた全積層体共通のプレートとして形成されている。かかるプレッシャープレート６は、第１エンドプレート３と同様、長手方向両端を傾斜させた平面視略台形状をなし、絶縁性の樹脂材料によって形成されている。
【００２０】
このプレッシャープレート６には、燃料電池積層体２から出る水素ガスを外部へと排出させるための換気流路１３が形成されている。かかる換気流路１３は、各燃料電池積層体２とそれぞれ対応して設けられており、それぞれの燃料電池積層体２から出る水素ガスを排出させる。
【００２１】
また、プレッシャープレート６には、各燃料電池積層体２の全長にばらつきが生じないようにするために、前記第２エンドプレート４を第１エンドプレート３側へ押圧する弾性部材５が設けられている。この弾性部材５は、プレッシャープレート６に形成された弾性部材収容孔部１６に収容配置されると共に、燃料電池積層体２と対向する面から突出したガイド部１７によってその先端側部がガイドされている。
【００２２】
なお、弾性部材５には、例えば非線形バネなどの非線形弾性体が使用される。非線形弾性体を使用すれば、一定荷重の下で任意のバネ変位量を選択することができるため、一定荷重で且つ燃料電池積層体２の全長を調整することが可能となる。
【００２３】
そして、この弾性部材５は、プレッシャープレート６に設けられた荷重調整部材１４によってその長さが可変させられることにより、前記燃料電池積層体２へ荷重を与える。荷重調整部材１４は、プレッシャープレート６の板厚方向に貫通して螺合するねじ調整部１４Ａと、このねじ調整部１４Ａの先端に弾性部材５を固定させる装着部材１４Ｂとを有しており、このねじ調整部１４Ａをねじ込むことで前記弾性部材５の長さを可変させて前記燃料電池積層体２へ与える荷重を調整する。
【００２４】
前記ねじ調整部１４Ａをねじ込めば、弾性部材５の全長が短くなり弾発力が強まって前記燃料電池積層体２を付勢する力が増大し、ねじ調整部１４Ｂを緩めれば、弾性部材５の全長が次第に長くなり弾発力が弱まって前記燃料電池積層体２を付勢する力が弱まる。このように、弾性部材５によって燃料電池積層体２に燃料電池単セル５の積層方向への荷重を与えれば、燃料電池単セル５を構成するセパレータ間の接触抵抗値を所定値に確保することができ、当該燃料電池積層体２において出力を損なうことがない。
【００２５】
なお、この荷重調整部材１４は、内部に水が進入しないようにするための防水カバー１９で覆われている。
【００２６】
そして、この車両搭載型燃料電池においては、燃料電池積層体２及び弾性部材５を、絶縁ケース１５内に収納させている。絶縁ケース１５は、両端を開放した筒状の絶縁部材からなる。かかる絶縁ケース１５は、一端部を第１エンドプレート３に密着させてシールさせると共に、他端部をプレッシャープレート６に形成されたガイド部１７の外周縁部に密着させてシールさせている。具体的には、絶縁ケース１５の両端部には、それぞれ第１エンドプレート３及びプレッシャープレート６との間をシールするためのシール部材１８が設けられている。このように、少なくとも燃料電池積層体２を絶縁ケース１５にて覆ったことで、当該燃料電池積層体２の絶縁性及び防水性を確保することができる。
【００２７】
このように、絶縁ケース１５内に収納された燃料電池積層体２で発電した電流を取り出すには、絶縁部材で被覆されたバスバー２０にて各燃料電池積層体２の集電部より電流を外部に取り出す。なお、このバスバー２０の取り付け部分には、絶縁ケース１５内部へ水が進入しないようにするための防水機能を持たせたグロメット（図示は省略する）を取り付けている。
【００２８】
そして、この車両搭載型燃料電池では、第１エンドプレート３とプレッシャープレート６間に亘って補強部材２１を複数取り付けている。補強部材２１は、第１エンドプレート３とプレッシャープレート６の上下端面にそれぞれ両端を固定させ、これら第１エンドプレート３とプレッシャープレート６間を連結させている。本実施の形態では、３本の補強部材２１を積層構造とされた燃料電池積層体２の上下にそれぞれ取り付けた。これら補強部材２１を取り付けることで、車両搭載型燃料電池自体の機械的強度を大幅に高めることができる。
【００２９】
また、補強部材２１は、第１エンドプレート３に形成された供給流路９や換気流路１０などの流路を避けた位置や、車載時の最適剛性保持を加味した位置に配置することが好ましい。例えば、供給流路９及び換気流路１０が形成された部位を外した位置に補強部材２１を固定すれば、第１エンドプレート３及びプレッシャープレート６の機械的強度を確保することができる。
【００３０】
また、図１のように、車両搭載型燃料電池を車両フレーム２２に搭載した場合、車両フレーム２２自体が燃料電池スタック積層体の機械的強度部品（つまり、車両フレーム２２自体が補強部材２１）となるため、この車両フレーム２２に近い側の補強部材２１を取り外して軽量化を図ることができる。すなわち、車両搭載型燃料電池を車両フレーム２２に搭載した後、該車両フレーム２２に近い補強部材２１を取り外し、中央の補強部材２１を１本残すようにする。このようにすれば、より一層部品点数を削減することができると共に軽量化にもなり、さらに車載レイアウトの自由度を高めることができる。
【００３１】
また、この車両搭載型燃料電池では、第１エンドプレート３とプレッシャープレート６の一部に、車両である車両フレーム２２への固定部となる車両搭載部２３を形成している。かかる車両搭載部２３は、台形状をなす第１エンドプレート３及びプレッシャープレート６の底辺両端部分に形成されており、固定ボルト２４にて車両フレーム２２に固定するためのボルト取付部２５を有している。このボルト取付部２５に固定ボルト２４を取り付けて車両フレーム２２に固定することで、直接、車両搭載型燃料電池を車両に搭載させることができる。
【００３２】
本実施の形態によれば、積層構造とする燃料電池積層体２の両端に設けた第１エンドプレート３とプレッシャープレート６の一部を、車両フレーム２２に固定するための車両搭載部２３としているので、車両搭載型燃料電池自体を直接、車両フレーム２２に固定することができ、車両搭載用の締結構造を簡素化できると共に、その締結部品点数を削減でき、しかも軽量化を実現することができる。
【００３３】
また、本実施の形態によれば、少なくとも第１エンドプレート３又はプレッシャープレート６の何れかに、燃料電池単セル５との間に燃料ガス、酸化剤ガスの供給排出を行う供給流路９及び換気流路１０を形成したので、車両搭載型燃料電池自体の部品点数の削減を図れると共に、組立ての簡素化及び軽量化を実現できる。
【００３４】
また、本実施の形態によれば、少なくとも燃料電池積層体２を筒状の絶縁ケース１５内に収納させ、該絶縁ケース１５の一端部を第１エンドプレート３に密着させてシールさせると共に、該絶縁ケース１５の他端部をプレッシャープレート６に密着させてシールさせたので、燃料電池積層体２を水や塵埃などから保護することができる上、軽量化も図れる。
【００３５】
また、本実施の形態によれば、第１エンドプレート３とプレッシャープレート６間に亘って補強部材２１を設けたので、車両搭載型燃料電池自体の機械的強度を高めることができる。さらに、本実施の形態によれば、車両搭載型燃料電池を車両に搭載した後に、強度上過剰となった車両用フレーム２２に近い側の補強部材２１を取り外すことで、軽量化を図ることができると共に、第１エンドプレート３に形成された供給流路９及び換気流路１０等を避けた位置に前記補強部材２１を選択して配置することができ、レイアウトの自由度を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本実施の形態の車両搭載型燃料電池の斜視図である。
【図２】本実施の形態の車両搭載型燃料電池の要部拡大断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１…燃料電池単セル
２…燃料電池積層体
３…第１エンドプレート
４…第２エンドプレート
５…弾性部材
６…プレッシャープレート
９…供給流路
１０…換気流路
１４…荷重調整部材
１５…絶縁ケース
２１…補強部材
２２…車両フレーム（車両）
２３…車両搭載部
【図１】
2006040753.tif 000003
【図２】
2006040753.tif 000004