(57)【要約】【課題】製造コストを抑制しつつ、積層体とケースとを緩衝部材によって固定することが可能な燃料電池装置を提供する。【解決手段】燃料電池装置は、複数の燃料電池セルが積層された積層体と、積層体が収容されたケースと、積層体の少なくとも一部とケースの内面との間に配置された緩衝部材と、緩衝部材と金属線を介して接続され緩衝部材に電流又は電圧を印加する電源装置と、を備える。緩衝部材は、袋体と、袋体に収容された熱硬化性樹脂と、袋体に収容された酢酸ナトリウム又はチオ硫酸ナトリウムと、を有する。【選択図】図１
2018078036.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池装置であって、
複数の燃料電池セルが積層された積層体と、
前記積層体が収容されたケースと、
前記積層体の少なくとも一部と前記ケースの内面との間に配置された緩衝部材と、
前記緩衝部材と金属線を介して接続され前記緩衝部材に電流又は電圧を印加する電源装置と、を備え、
前記緩衝部材は、袋体と、前記袋体に収容された熱硬化性樹脂と、前記袋体に収容された酢酸ナトリウム又はチオ硫酸ナトリウムと、を有する、
燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の燃料電池セルが積層された積層体と、積層体の側面を覆うケースと、の間に、樹脂からなる部材が配置された燃料電池装置が知られている（例えば、特許文献１）。積層体とケースとの間に配置される樹脂からなる部材は、例えば、積層された各燃料電池セルの形状のばらつきや、外部からの振動・衝撃を吸収する緩衝部材として用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−１３９５９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
緩衝部材によって積層体とケースとを固定するためには、積層体とケースとの間に緩衝部材が配置された燃料電池装置が組み立てられた後に、燃料電池装置全体を加熱して樹脂を硬化させることが考えられる。しかし、燃料電池装置全体の加熱は、燃料電池装置を製造する設備にかかるコストの増加を招くおそれがあった。そのため、製造コストを抑制しつつ、積層体とケースとを緩衝部材によって固定することが可能な燃料電池装置が望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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。
【０００６】
本発明の一形態によれば、燃料電池装置が提供される。この燃料電池装置は、複数の燃料電池セルが積層された積層体と；前記積層体が収容されたケースと；前記積層体の少なくとも一部と前記ケースの内面との間に配置された緩衝部材と、前記緩衝部材と金属線を介して接続され前記緩衝部材に電流又は電圧を印加する電源装置と、を備え；前記緩衝部材は、袋体と、前記袋体に収容された熱硬化性樹脂と、前記袋体に収容された酢酸ナトリウム又はチオ硫酸ナトリウムと、を有する。この形態の燃料電池装置によれば、緩衝部材に電源装置によって電流又は電圧が印加されることにより、袋体に収容された酢酸ナトリウム又はチオ硫酸ナトリウムが凝固熱を発生するので、燃料電池装置全体を加熱しなくとも熱硬化性樹脂を硬化させることができる。そのため、燃料電池装置の製造コストを抑制しつつ、積層体とケースとを緩衝部材によって固定することができる。
【０００７】
本発明は、上述した燃料電池装置以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池装置の製造方法等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態における燃料電池装置の概略構成を示す断面模式図。
【図２】図１における２−２断面図。
【図３】緩衝部材の内部の状態を示す斜視図。
【図４】燃料電池装置の製造方法を示す工程図。
【図５】配置工程の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
Ａ．実施形態：
Ａ１．燃料電池の構成：
図１は、本発明の一実施形態における燃料電池装置１０の概略構成を示す断面模式図である。図２は、図１における２−２断面図である。図１及び図２には、相互に直交するＸＹＺ軸が図示されている。燃料電池装置１０は、ケース１００と、燃料電池スタック１１０と、緩衝部材１８０と、電源装置１９０と、を備える。本実施形態では、燃料電池装置１０は、更に、集電板１２０、１２２と、インシュレータ１３０、１３２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、を備える。
【００１０】
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燃料電池セル１１２を有する。燃料電池セル１１２は、膜電極接合体と膜電極接合体を挟む一対のガス拡散層と、一対のガス拡散層を挟む一対のセパレータとで形成されている。燃料電池セル１１２は、積層方向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、燃料電池セル１１２の積層方向は、Ｘ軸方向である。本実施形態では、燃料電池スタック１１０は、水素ガス及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。燃料電池スタック１１０を「積層体」とも呼ぶ。
【００１１】
ケース１００は、＋Ｘ軸方向側に開口部１０２を有する箱状の部材である。ケース１００を形成する面のうち−Ｘ軸方向側の面１０４には、貫通孔１０３、１０６が設けられている。ケース１００は、金属によって形成されており、例えば鋼やアルミニウム等で形成されている。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。本実施形態では、ケース１００のＸ軸方向に沿った内面には、絶縁板１０５が接触して配置されている。絶縁板１０５は、ケース１００と、燃料電池スタック１１０とを絶縁するための部材である。
【００１２】
集電板１２０は、燃料電池スタック１１０の−Ｘ軸方向側の端面に接して配置されている。集電板１２２は、燃料電池スタック１１０の＋Ｘ軸方向側の端面に接して配置されている。集電板１２０、１２２は、燃料電池スタック１１０によって発生された電力を集める導電性の板状部材である。本実施形態では、集電板１２０、１２２は、アルミニウムから形成されている。集電板１２０、１２２は、銅、チタン、緻密質カーボンや鋼板等他の導電性材料から形成されていてもよい。
【００１３】
プレッシャープレート１４０は、集電板１２０の−Ｘ軸方向側に配置されている。エンドプレート１５０は、集電板１２２の＋Ｘ軸方向側に配置されている。エンドプレート１５０は、ケース１００の開口部１０２を塞ぐ位置に配置されている。プレッシャープレート１４０と集電板１２０との間には、インシュレータ１３０が配置されている。また、エンドプレート１５０と集電板１２２との間には、インシュレータ１３２が配置されている。インシュレータ１３０、１３２は、ゴムや樹脂等の絶縁性部材によって形成された板状部材である。プレッシャープレート１４０及びエンドプレート１５０は、燃料電池スタック１１０をＸ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及びエンドプレート１５０は、アルミニウムから形成されている。他の実施形態では、プレッシャープレート１４０及びエンドプレート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形成によって形成されていてもよい。
【００１４】
荷重調整ネジ１６０は、ケース１００の貫通孔１０６を＋Ｘ軸方向側に挿通して、プレッシャープレート１４０を＋Ｘ軸方向側に押圧している。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及びエンドプレート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。荷重調整ネジ１６０は、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。
【００１５】
緩衝部材１８０は、図２に示すように、袋体１８２と、袋体１８２に収容された熱硬化性樹脂１８４と、袋体１８２に収容された酢酸ナトリウム１８３と、を有する。緩衝部材１８０は、燃料電池スタック１１０の少なくとも一部とケース１００の内面との間に配置されている。緩衝部材１８０は、積層された各燃料電池セル１１２の形状のばらつきや、燃料電池スタック１１０に与えられる外部からの振動・衝撃を吸収する。本実施形態では、図２に示すように、燃料電池装置１０は、４つの緩衝部材１８０を備える。４つの緩衝部材１８０は、燃料電池スタック１１０の４つの角部１１０ｃを覆うように、燃料電池スタック１１０の側面とケース１００の内面（絶縁板１０５）との間に配置されている。本実施形態では、熱硬化性樹脂１８４及び酢酸ナトリウム１８３は、燃料電池スタック１１０のＸ軸方向に沿う側面と、ケース１００の内面に接する絶縁板１０５と、に接するように袋体１８２内に収容されている。また、本実施形態では、図１に示すように、緩衝部材１８０はＸ軸方向に沿って延びる形状を有する。
【００１６】
図３は、緩衝部材１８０の内部の状態を示す斜視図である。図３には、図１に示す緩衝部材１８０のうち、＋Ｚ軸方向側に配置された緩衝部材１８０が、袋体１８２を透過した状態で示されている。本実施形態では、袋体１８２はその内部が２つに分離されており、袋体１８２は、Ｘ軸方向に延びる第１袋体１８２ａ及び第２袋体１８２ｂを備える。第１袋体１８２ａ内には酢酸ナトリウム１８３が収容されており、第２袋体１８２ｂ内には熱硬化性樹脂１８４が収容されている。袋体１８２は、例えば、１５０℃以上の耐熱性を有する樹脂から形成される。耐熱性とは、力を受けない状態で、変形変質せずにその機能を保つことが可能な温度である。袋体１８２は、例えば、ポリアミド系合成繊維、ナイロン、ポリプロピレン等により形成される。本実施形態では、袋体１８２は、絶縁板１０５に接着剤によって接着されている。
【００１７】
袋体１８２内には、金属線１８１が配置されている。金属線１８１は、袋体１８２内から袋体１８２外へ延び、ケース１００の貫通孔１０６を挿通して後述する電源装置１９０と接続されている（図１）。袋体１８２外の金属線１８１は、絶縁性の部材により被覆されている。本実施形態では、金属線１８１は、袋体１８２の第１袋体１８２ａ内に配置されている。
【００１８】
袋体１８２に収容された熱硬化性樹脂１８４は、熱が加えられることによって硬化する性質を持つ樹脂であり、例えば、エポキシ樹脂や、エチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）等により形成される。本実施形態では、熱硬化性樹脂１８４は、エポキシ樹脂である。図１〜図３に示す緩衝部材１８０において、熱硬化性樹脂１８４は、硬化されている。袋体１８２内に収容された酢酸ナトリウム１８３は、例えば、酢酸ナトリウム三水和物である。酢酸ナトリウム三水和物は、融点が５８℃の物質であるため、常温では固体であるが、融点を超える高温の液体状態から温度が下がる場合、５８℃を下まわっても固体にならず、過冷却状態になりやすい。過冷却状態の液体は、例えば、衝撃が加えられることにより液体から固体に相転移し、凝固熱を発する。本実施形態では、緩衝部材１８０における酢酸ナトリウム１８３と熱硬化性樹脂１８４との体積比は、１：１である。
【００１９】
電源装置１９０は、緩衝部材１８０と金属線１８１を介して接続されている。電源装置１９０は、緩衝部材１８０に電流又は電圧を印加する装置である。電源装置１９０は、例えば図示しない制御装置からの指令を受けて出力電圧を変化可能であり、金属線１８１を介して緩衝部材１８０に電圧を印加可能である。また、電源装置１９０は、金属線１８１を介して緩衝部材１８０に電流を供給可能である。電源装置１９０は、例えば、緩衝部材１８０に２〜５Ｖの電圧を印加する。電源装置１９０は、例えば、緩衝部材１８０に２０〜１００ｍＡの電流を供給する。
【００２０】
Ａ２．燃料電池装置の製造方法：
図４は、燃料電池装置１０の製造方法を示す工程図である。燃料電池装置１０の製造では、まず、燃料電池スタック１１０の少なくとも一部とケース１００の内面との間に、液状の熱硬化性樹脂１８４と過冷却状態の酢酸ナトリウム１８３を含む緩衝部材１８０ａが配置される配置工程が行われる（Ｓ１０）。
【００２１】
図５は、配置工程の一例を示す図である。本実施形態では、配置工程において、袋体１８２の第１袋体１８２ａに過冷却状態の酢酸ナトリウム１８３が収容され、第２袋体１８２ｂに液状の熱硬化性樹脂１８４が収容された緩衝部材１８０ａがケース１００の内面に接する絶縁板１０５に接着剤によって接着される。本実施形態では、緩衝部材１８０ａは、燃料電池スタック１１０がケース１００内に挿入されたときに燃料電池スタック１１０の４つの角部１１０ｃに位置するように、ケース１００と燃料電池スタック１１０との間に配置される。また、本実施形態では、金属線１８１は袋体１８２内に予め配置されており、金属線１８１はケース１００内から貫通孔１０３を貫通してケース１００外へと挿通される。本実施形態では、配置工程において、燃料電池スタック１１０が図示しない加圧シャフトによってプレッシャープレート１４０側から押圧され、ケース１００が＋Ｘ軸方向に移動されて、緩衝部材１８０ａが接着されたケース１００内に燃料電池スタック１１０が挿入される。ケース１００は、緩衝部材１８０の酢酸ナトリウム１８３に過度な衝撃が加わらないように＋Ｘ軸方向へ移動され、配置工程では、酢酸ナトリウム１８３の過冷却状態が維持される。貫通孔１０６からは、荷重調整ネジ１６０がプレッシャープレート１４０に接触するまでねじ込まれる。こうすることにより、ケース１００と燃料電池スタック１１０との間に液状の熱硬化性樹脂１８４と過冷却状態の酢酸ナトリウム１８３とを含む緩衝部材１８０ａが配置された燃料電池１０ａを得ることができる。
【００２２】
図４に戻り、次に、金属線１８１を介して電源装置１９０によって、液状の熱硬化性樹脂１８４と過冷却状態の酢酸ナトリウム１８３を含む緩衝部材１８０ａに電流又は電圧が印加される硬化工程が行われる（Ｓ２０）。本実施形態では、配置工程が終了した後、電源装置１９０と燃料電池１０ａの金属線１８１とが接続される。次に、電源装置１９０によって金属線１８１を介して緩衝部材１８０に電流又は電圧が印加される。硬化工程では、電源装置１９０は、例えば、緩衝部材１８０の酢酸ナトリウム１８３に２〜５Ｖの電圧を印加し、又は、緩衝部材１８０の酢酸ナトリウム１８３に２０〜１００ｍＡの電流を供給する。こうすることにより、緩衝部材１８０ａ内の過冷却状態の酢酸ナトリウム１８３に刺激が加わって結晶化し、酢酸ナトリウム１８３から凝固熱が発生する。この凝固熱により、液状の熱硬化性樹脂１８４が硬化して、ケース１００と燃料電池スタック１１０とが固定される。なお、硬化工程は、燃料電池１０ａと電源装置１９０とが例えば車両に搭載された後に、行われてもよい。以上のようにして、燃料電池装置１０が製造される。
【００２３】
以下、緩衝部材１８０を備える燃料電池装置１０の動作について説明する。例えば、車両に搭載された燃料電池装置１０の燃料電池スタック１１０の発電が、車両に搭載される制御装置（ＥＣＵ等）によって開始されると、燃料電池スタック１１０の温度は緩衝部材１８０の酢酸ナトリウム１８３の融点（５８℃）よりも高くなり、結晶化していた酢酸ナトリウム１８３は液状になる（第１状態）。燃料電池スタック１１０の発電が停止されると、燃料電池スタック１１０の温度は次第に低下するが、温度が５８℃を下まわっても、緩衝部材１８０の酢酸ナトリウム１８３は固体にはならず、液体のまま過冷却状態となる（第２状態）。次に、燃料電池スタック１１０の発電が開始される際に、ＥＣＵ等が電源装置１９０に指令を与えることによって緩衝部材１８０に電流又は電圧が印加されると、緩衝部材１８０内の過冷却状態の酢酸ナトリウム１８３が結晶化して凝固熱を発生する（第３状態）。燃料電池スタック１１０の発電が開始された後は、再び燃料電池スタック１１０の温度が高くなることにより、上記第１状態に戻る。すなわち、燃料電池装置１０を備える車両においては、第１状態から第３状態の動作が繰り返され得る。
【００２４】
Ａ３．効果：
以上のような燃料電池装置１０であれば、緩衝部材１８０に電源装置１９０によって電流又は電圧が印加されることにより、袋体１８２に収容された酢酸ナトリウム１８３が凝固熱を発生するので、燃料電池装置１０全体を加熱しなくとも熱硬化性樹脂１８４を硬化させることができる。そのため、燃料電池装置１０の製造コストを抑制しつつ、積層体とケース１００とを緩衝部材１８０によって固定することができる。
【００２５】
また、燃料電池スタック１１０の発電停止後に過冷却状態となった酢酸ナトリウム１８３は、電源装置１９０によって緩衝部材１８０に電流又は電圧が印加されることにより、凝固熱を発生する。そのため、例えば、氷点下において燃料電池スタック１１０を発電させる際に、この凝固熱を、燃料電池スタック１１０の昇温の補助として利用することができるので、燃料電池スタック１１０の昇温にかかる時間や電力を低下させることができる。
【００２６】
Ｂ．変形例
上述の実施形態では、緩衝部材１８０は、燃料電池スタック１１０の４つの角部１１０ｃに位置するように、ケース１００の内面と燃料電池スタック１１０の側面との間に配置されている。これに対し、緩衝部材１８０は、燃料電池スタック１１０の少なくとも一部とケース１００の内面との間に配置されていれば、他の箇所に位置していてもよい。例えば、燃料電池スタック１１０の＋Ｚ軸方向の面とケース１００の内面との間、及び−Ｚ軸方向の面とケース１００の内面との間に配置されてもよいし、燃料電池スタック１１０のＸ軸方向に沿った側面の全面と、ケース１００の内面との間に配置されてもよい。
【００２７】
上述の実施形態では、配置工程において、ケース１００の内面に、液状の熱硬化性樹脂１８４と過冷却状態の酢酸ナトリウム１８３を有する緩衝部材１８０ａが接着されている（図４、Ｓ１０、図５）。これに対し、ケース１００の面１０４に緩衝部材１８０を挿入するための貫通孔を設けておき、ケース１００内に燃料電池スタック１１０が挿入された後に、貫通孔からケース１００と燃料電池スタック１１０との間に液状の熱硬化性樹脂１８４と過冷却状態の酢酸ナトリウム１８３を有する緩衝部材１８０ａが挿入されてもよい。
【００２８】
上述の実施形態における配置工程では、液状の熱硬化性樹脂１８４と過冷却状態の酢酸ナトリウム１８３とは、袋体１８２がケース１００の内面に接着された後に、袋体１８２の図示しない注入孔から、袋体１８２内に注入されてもよい。例えば、配置工程では、燃料電池スタック１１０とケース１００の内面との間に少なくとも過冷却状態の１８３が収容されていない袋体１８２を配置しておき、その後、袋体１８２の注入孔から過冷却状態の酢酸ナトリウム１８３を袋体に注入してもよい。
【００２９】
上述の実施形態において、緩衝部材１８０の袋体１８２は第１袋体１８２ａ及び第２袋体１８２ｂを備えており、第１袋体１８２ａ内には酢酸ナトリウム１８３が収容されており、第２袋体１８２ｂ内には熱硬化性樹脂１８４が収容されている。これに対し、緩衝部材１８０の袋体１８２は、第１袋体１８２ａと、第２袋体１８２ｂと、を備えていなくともよい。この場合、酢酸ナトリウム１８３と熱硬化性樹脂１８４とは袋体１８２内で混合されていてもよい。この場合には、液状の熱硬化性樹脂１８４は、酢酸ナトリウム１８３の凝固熱によって硬化した場合に、燃料電池スタック１１０のＸ軸方向に沿う側面とケース１００の内面とに接することが可能な体積割合で、袋体１８２内に収容されていることが好ましい。また、緩衝部材１８０の袋体１８２は、第１袋体１８２ａと第２袋体１８２ｂとに分離して形成されていなくともよく、酢酸ナトリウム１８３が収容された袋体と、熱硬化性樹脂１８４とが収容された袋体と、が接して形成されていてもよい。
【００３０】
上述の実施形態では、袋体１８２内において、熱硬化性樹脂１８４及び酢酸ナトリウム１８３は、燃料電池スタック１１０のＸ軸方向に沿う側面と、ケース１００の内面に接する絶縁板１０５と、に接するように配置されている。これに対し、例えば、酢酸ナトリウム１８３は、少なくともその一部が熱硬化性樹脂１８４に接するように配置されていればよい。
【００３１】
上述の実施形態では、緩衝部材１８０は、袋体１８２と、袋体１８２に収容された熱硬化性樹脂１８４と、袋体１８２に収容された酢酸ナトリウム１８３と、を有する。これに対し、緩衝部材１８０の袋体１８２内には、酢酸ナトリウム１８３に替えて、チオ硫酸ナトリウムが収容されていてもよい。袋体１８２内に収容されたチオ硫酸ナトリウムは、例えば、融点が４８℃のチオ硫酸ナトリウム五水和物である。チオ硫酸ナトリウム五水和物は、融点が４８℃の物質であるため、常温では固体であるが、融点を超える高温の液体状態から温度が下がる場合、４８℃を下まわっても固体にならず、過冷却状態になりやすい。そのため、袋体１８２内に熱硬化性樹脂１８４とチオ硫酸ナトリウムを有する緩衝部材を備える燃料電池装置であっても、上述の実施形態と同様の効果を奏する。なお、緩衝部材１８０の袋体１８２内には、酢酸ナトリウム１８３とチオ硫酸ナトリウムとが、収容されていてもよい。
【００３２】
本発明は、上述の実施形態や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形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、変形例中の技術的特徴は、上述した課題を解決するために、あるいは上述の効果の一部又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。
【符号の説明】
【００３３】
１０…燃料電池装置
１０ａ…燃料電池
１００…ケース
１０２…開口部
１０３、１０６…貫通孔
１０４…面
１０５…絶縁板
１１０…燃料電池スタック
１１０ｃ…角部
１１２…燃料電池セル
１２０、１２２…集電板
１３０、１３２…インシュレータ
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
１８０…緩衝部材
１８０ａ…緩衝部材
１８１…金属線
１８２…袋体
１８２ａ…第１袋体
１８２ｂ…第２袋体
１８３…酢酸ナトリウム
１８４…熱硬化性樹脂
１９０…電源装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2018078036.tif 000006
【図５】
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