(57)【要約】【課題】  重量増加、断熱材の吸水、水滴落下、局部的破損の何れか少なくとも１つを生じにくい燃料電池のスタックケースの提供。【解決手段】（１）上壁を有し、該上壁の、燃料電池スタックを収容した場合に燃料電池スタックの上方に位置する部分が壁内に中空部４２を有する中空壁４１から構成されているスタックケース４０。（２）燃料電池スタックを収容した場合に電子・電気機器に近接する部分が壁内に中空部４２を有する中空壁４１から構成されている（１）のスタックケース。（３）第１のケース４３と該第１のケースの外側に位置し第１のケースとの間に中空部を形成する第２のケース４４とを含む。（４）中空部４２が大気圧より減圧されている。（５）中空部４２から見て内側の部材４３と外側の部材４４との材質を互いに異ならせた。（６）中空部４２から見て内側の部材４３の材質が樹脂であり、外側の部材４４の材質が金属である。【選択図】        図２
2007005198.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックを収容するスタックケースであって、上壁を有し、該上壁の、燃料電池スタックを収容した場合に燃料電池スタックの上方に位置する部分が壁内に中空部を有する中空壁から構成されているスタックケース。
【請求項２】
燃料電池スタックを収容するスタックケースであって、燃料電池スタックには電子・電気機器が取付けられており、前記スタックケースの、燃料電池スタックを収容した場合に前記電子・電気機器に近接する部分が壁内に中空部を有する中空壁から構成されている請求項１記載のスタックケース。
【請求項３】
前記スタックケースが第１のケースと該第１のケースの外側に位置し第１のケースとの間に中空部を形成する第２のケースとを含む請求項１または請求項２記載のスタックケース。
【請求項４】
前記中空部が大気圧より減圧されている請求項１〜請求項３の何れか一項に記載のスタックケース。
【請求項５】
前記中空部から見て内側の部材と外側の部材との材質を互いに異ならせた請求項１〜請求項４の何れか一項に記載のスタックケース。
【請求項６】
前記中空部から見て内側の部材の材質が樹脂であり、外側の部材の材質が金属である請求項１〜請求項５の何れか一項に記載のスタックケース。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックを内部に収容するスタックケースに関する。
【背景技術】
【０００２】
特開２００４−０８７３６２号公報は、燃料電池スタックを収容するケーシング本体とその外側にケーシング本体に密着して設けられた断熱材層とからなる収容装置を開示している。断熱材層があるため、放熱が抑制され、燃料電池運転中のケーシング本体内の結露を抑制することができる。
【特許文献１】特開２００４−０８７３６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ケーシング本体の外面に断熱材層を形成してケーシング本体内の結露を抑制する方法には以下の課題があった。
（イ）効果的な断熱効果を得ようとすると断熱材層が厚くなり、断熱材層の重量が加算されるため、車両重量増加とそれによる燃費の悪化を招く。
（ロ）燃料電池設置スペース（車両内コンパートメント）へのグリル、床下からの水、雪等の侵入により、断熱材層が吸水、氷結することにより、重量増加と、断熱性低下を生じ、ケーシング本体内の結露の抑制効果が低下していく。
（ハ）とくにケーシング本体の天井壁の内面に結露すると、燃料電池運転中の熱を受けて水滴となり、下方にある電子機器（たとえば、セルモニタ等）、電気機器（たとえば、高電圧配線）上に落下すると、電圧誤認定による燃料電池の運転停止、走行不能や、高電圧の電気的短絡が生じるおそれがある。
（ニ）断熱材層は通常強度が低いため飛び石などを受けると局部的に破損し、長期的な結露防止効果は期待できない。
【０００４】
本発明の目的は、上記した課題（重量増加、断熱材の吸水、水滴落下、局部的破損の何れか少なくとも１つ）を生じにくい燃料電池のスタックケースを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決する、そして上記目的を達成する、本発明は、つぎのとおりである。
（１）  燃料電池スタックを収容するスタックケースであって、上壁を有し、該上壁の、燃料電池スタックを収容した場合に燃料電池スタックの上方に位置する部分が壁内に中空部を有する中空壁から構成されているスタックケース。
この場合、「壁」は、必ずしもその面が重力方向と平行に設けられるものではなく、重力方向と交差（たとえば、直交）する方向に設けられる構成も含む。
（２）  燃料電池スタックを収容するスタックケースであって、燃料電池スタックには電子・電気機器が取付けられており、前記スタックケースの、燃料電池スタックを収容した場合に前記電子・電気機器に近接する部分が壁内に中空部を有する中空壁から構成されている（１）記載のスタックケース。
（３）  前記スタックケースが第１のケースと該第１のケースの外側に位置し第１のケースとの間に中空部を形成する第２のケースとを含む（１）または（２）記載のスタックケース。
（４）  前記中空部が大気圧より減圧されている（１）〜（３）の何れかに記載のスタックケース。
この場合、減圧は、スタックケースが予め減圧されてからその減圧雰囲気が封止により維持されたものであることが望ましい。
（５）  前記中空部から見て内側の部材と外側の部材との材質を互いに異ならせた（１）〜（４）の何れかに記載のスタックケース。
（６）  前記中空部から見て内側の部材の材質が樹脂であり、外側の部材の材質が金属である（１）〜（５）の何れかに記載のスタックケース。
【発明の効果】
【０００６】
上記（１）〜（３）の何れのスタックケースにおいても、スタックケースの壁の少なくとも一部に中空部を設けるため、中空部が空気断熱層となって働き、スタック周辺の水分を含んだ空気を急激に冷却させないことで、スタックケース内空気中水分の凝縮による結露を防止または抑制することができる。また、断熱材を設ける場合に比べて軽量化でき、かつ断熱材による吸水がないので断熱材の吸水による重量アップや断熱性低下もない。断熱材がないため、飛び石などによる断熱材層の局部的損傷もない。また、中空部による断熱性向上により、冷間始動後のスタック発熱を外部に放出しにくくする効果もあるため、暖機性も向上する。
上記（１）のスタックケースによれば、上壁に中空部を設けたので、上壁に結露した水分が下方にある電子機器（たとえば、セルモニタ等）、電気機器（たとえば、高電圧配線）上に落下することを防止、または抑制することができる。
上記（２）のスタックケースによれば、スタックケースの、燃料電池スタックを収容した場合に電子・電気機器に近接する部分を中空壁から構成したので、電子・電気機器に近接するスタックケース部位に結露した水分がその近傍にある電子機器（たとえば、セルモニタ等）、電気機器（たとえば、高電圧配線）に飛散することを防止、または抑制することができる。
上記（３）のスタックケースによれば、スタックケースを第１のケースと第１のケースとの間に中空部を形成する第２のケースとから構成したので、ケース壁の全面が二重壁であり、ケースのどの部位の結露をも抑制できる。さらに、二重ケース化により、水素ガス洩れ時に対しても、二重シールとなることで安全性の向上を望むことができる。
上記（４）のスタックケースによれば、中空部が大気圧よりも減圧されているので、中空部の断熱効果が高まり、スタックケース内空気中水分の凝縮による結露を、減圧しない場合に比べてより一層、防止または抑制することができる。                            上記（５）のスタックケースによれば、中空部から見て内側の部材と外側の部材との材質を互いに異ならせたので、それぞれの部材に要求される条件を満足させることが容易になる。
上記（６）のスタックケースによれば、中空部から見て内側の部材の材質を樹脂とし、外側の部材の材質を金属としたので、外側の部材で強度を満足させ、内側の部材で電気絶縁性を満足させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下に、本発明のスタックケースを、図１〜図５を参照して説明する。
本発明のスタックケースに収容されるスタックを構成する燃料電池１０は、たとえば固体高分子電解質型燃料電池である。ただし、燃料電池は、固体高分子電解質型燃料電池１０に限るものではない。
燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
【０００８】
固体高分子電解質型燃料電池（セル）１０は、図３〜図５に示すように、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８との積層体からなる。
膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層１３、１６が設けられる。
膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねてセルモジュール１９を構成し、セルモジュール１９を積層してセル積層体（モジュール積層体でもある）とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、両端のエンドプレート２２をセル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）にボルト・ナット２５にて固定し、一端のエンドプレートに設けた調整ネジにてその内側に設けたバネを介してセル積層体にセル積層方向の締結荷重をかけ、燃料電池スタック２３を構成する。
燃料電池スタック２３はスタックケース４０に収容される。燃料電池スタック２３はセル積層方向（モジュール積層方向）を水平方向に向けた状態でスタックケース４０に収容され、燃料電池スタック２３のセル積層方向（モジュール積層方向）を水平方向に向けた状態でかつスタックケース４０の収容した状態で、設置される、あるいは車両に搭載される。スタックケース４０は密閉状態にある。ただし、配管、ホース、ワイヤハーネス、動力線はケース４０の壁を挿通しており、挿通部はグロメット等によりシールされ、ケース４０内は外部と気密に遮断される。
【０００９】
セパレータ１８には、発電領域において、アノード１４に燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路２７が形成されており、カソード１７に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路２８が形成されている。また、セパレータ１８には冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６も形成されている。セパレータ１８には、非発電領域において、燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１、冷媒マニホールド２９が形成されている。燃料ガスマニホールド３０は燃料ガス流路２７と連通しており、酸化ガスマニホールド３１は酸化ガス流路２８と連通しており、冷媒マニホールド２９は冷媒流路２６と連通している。
燃料ガス、酸化ガス、冷媒は、セル内において互いにシールされている。各セルモジュール１９のＭＥＡを挟む２つのセパレータ１８間は、第１のシール部材３２（たとえば、接着剤シール）によってシールされており、隣接するセルモジュール１９同士の間は、第２のシール部材３３（たとえば、ガスケットシール）によってシールされている。
【００１０】
各セル１０（１セルモジュールの場合は、セル１０はセルモジュール１９と同じになる）の、アノード１４側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子に変換する電離反応が行われ、水素イオンは電解質膜１１中をカソード１７側に移動し、カソード１７側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水が生成され、次式にしたがって発電が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- 
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
【００１１】
セパレータ１８は、カーボンセパレータ、メタルセパレータ、メタルセパレータと樹脂フレームとの組合せ、等の何れかからなるが、図示例では、セパレータ１８がカーボンセパレータの場合を示している。ただし、セパレータ１８はカーボンセパレータに限るものではない。
【００１２】
燃料電池スタック２３において、各セル１０の、電解質膜１１を挟んで対向する２つのセパレータ１８間の電位差は、最大、たとえば約１ボルトであり、隣接するセル１０の互いに接触する２つのセパレータ１８間の電位差は、互いに導通しているので０ボルトである。
燃料電池スタック２３において、セル１０を２００個積層すると、スタック両端のターミナル２０間の電位差は約２００ボルトとなり、それを並列に２列配置して、電気的には直列接続すると（１つのスタックの総プラスをもう一つのスタックの総マイナスに接続すると）、２列のスタックの総プラスと総マイナス間の電位差は約４００ボルトとなり、車両で必要な電圧をとることができる。
スタック２３、各セル１０で正規の電位差が生じていることを確認するために、燃料電池スタック２３の各セル１０に、または複数のセル毎に、セル電圧モニタ用コネクタが装着される。セル電圧モニタ用コネクタは、たとえば、燃料電池スタック２３の上面位置に配置される。セル電圧モニタ用コネクタに接続されたワイヤハーネスは、束ねられてスタックケース４０のたとえば上壁に設けられた第１の穴を挿通してスタックケース４０外へと導かれる。また、スタック２３の両側端部のターミナル２０に接続された動力線もスタックケース４０のたとえば側壁に設けられた第２の穴を挿通してスタックケース４０外へと導かれる。
燃料電池スタック２３に接続される燃料ガス配管、酸化ガス配管、冷媒配管も、スタックケース４０のたとえば側壁に設けられた第３の穴を挿通してスタックケース４０外へと導かれる。
【００１３】
図１、図２に示すように、スタックケース４０は、矩形状箱体であり、壁の少なくとも一部は中空部４２を有する中空壁４１となっている。少なくとも一部の中空壁構造はつぎの（イ）、（ロ）、（ハ）の何れであってもよい。ただし、つぎの（イ）、（ロ）、（ハ）は互いに重複するかもしれない。
【００１４】
（イ）スタックケース４０は、上壁を有し、該上壁の、燃料電池スタックを収容した場合に燃料電池スタックの上方に位置する部分（上壁の一部でもよいし、あるいは上壁の全部でもよい）が壁内に中空部４２を有する中空壁４１から構成されている。中空部４２は望ましくは密閉中空部である。スタックケース４０の上壁の内面（スタック対向面）とスタック２３の上面との間には、間隔がある。中空壁４１の内側の部材４３と外側の部材４４との間には間隔があり、その間隔が中空部４２を構成する。
【００１５】
（ロ）スタックケース４０は、スタック２３がスタックケース４０内に収容された場合に、スタックケース４０のうち燃料電池スタックに取り付けられた電子機器（セル電圧モニタ用コネクタ等）、電気機器（高電圧の動力配線等）に近接する部分が壁内に中空部４２を有する中空壁から構成されている。電子機器がスタック２３の上部にある場合は、スタックケース４０のうち電子機器に近接する部分はスタックケース４０の上壁であり、電気機器が高電圧の動力配線である場合は、スタックケース４０のうち電気機器に近接する部分はスタックケース４０の側壁（エンドプレートに対向するケース壁）である。スタックケース４０のうち燃料電池スタックに取り付けられた電子機器（セル電圧モニタ用コネクタ等）、電気機器（高電圧の動力配線等）に近接する部分の壁の内面（スタック対向面）とスタック２３との間には、間隔がある。
【００１６】
（ハ）スタックケース４０は、第１のケース４３と該第１のケース４３の外側に位置し第１のケース４３との間に中空部４２を形成する第２のケース４４とを含んでいてもよい。第１のケース４３と第２のケース４４との間には間隔があり、その間隔の部分が中空部４２を構成する。なお、第１のケース４３と第２のケース４４との間の間隔は、図示略のスペーサなどにより維持される。
この構成によって、スタックケース４０は全面二重壁構成となる。このスタックケース全面二重壁構成をとることにより、上記の、上壁の中空壁構成も、側壁の中空壁構成も、自ずと満足される。
また、第１のケース４３の内面（スタック対向面）とスタック２３との間にも、間隔がある。
【００１７】
第１のケース４３の内外面、第２のケース４４の内外面には断熱材は取り付けられていない。また、中空部４２には断熱材は挿入されていない。
スタックケース４０の壁の中空部４２の圧力は大気圧であってもよいし、あるいは、大気圧より減圧されていてもよい。中空部４２の圧力が大気圧より減圧される場合は、中空部４２は密閉中空部からなる。この場合、減圧は、スタックケースが予め減圧されてからその減圧雰囲気が封止により維持されたものであることが望ましい。すなわち、停止時のみケースを真空ポンプで真空にするものではないことが望ましい。
また、スタックケース４０の壁の中空部４２から見て内側の部材４３（壁が二重壁の場合は第１のケース４３）と外側の部材４４（壁が二重壁の場合は第２のケース４４）との材質を互いに異ならせてもよい。
たとえば、中空部４２から見て内側の部材４３（壁が二重壁の場合は第１のケース４３）の材質が樹脂であり、外側の部材４４（壁が二重壁の場合は第２のケース４４）の材質が金属（たとえば、スチール、アルミ合金等）である。樹脂は金属に比べて熱伝導性が低く、金属に比べて断熱性が高い。また、樹脂は電気絶縁物である。金属（たとえば、スチール、アルミ合金等）は、樹脂に比べて強度が高く、飛び石などを受けても破損しにくい。
また、スタックケース４０は、燃料電池スタック２３を収容するケースだけでなく、加湿器等の燃料電池の発電に利用される機器をスタック２３と共に収容するケースにも適用可能である。
【００１８】
つぎに、本発明のスタックケースの作用・効果を説明する。
上記（イ）、（ロ）、（ハ）のの何れのスタックケース４０においても、スタックケース４０の壁の少なくとも一部に中空部４２を設けるため、中空部４２が空気断熱層となって働き、スタック２３周辺でスタックケース４０内の水分を含んだ空気を急激に冷却させないことで、スタックケース４０内空気中水分の凝縮による結露を防止または抑制することができる。
また、壁に断熱材を取付ける場合に比べて断熱材が無い分軽量化でき、かつ雨や雪がフロントグリルを通過してフロントコンパートメントに進入してきても、断熱材が設けられていないため、断熱材による吸水がないので、断熱材の吸水による断熱材の重量アップや断熱材の断熱性低下もない。
また、断熱材がないため、車両走行中床下から跳ね上がってくる飛び石などによる断熱材層の局部的損傷もない。
また、本発明では、中空部４２による断熱性向上により、冷間始動後のスタック発熱を外部に放出しにくくする効果もあるため、始動時の暖機性が向上する。
【００１９】
スタックケース４０の上壁に中空部４２を設けた場合（上記（イ）の場合）は、スタックケース４０の上壁への結露を防止または抑制でき、その結果、スタックケース４０の上壁に結露した水分が下方にある、スタック２３に取り付けた電子機器（たとえば、セル電圧モニタ等）、電気機器（たとえば、高電圧配線）上に落下することを防止、または抑制することができる。
スタックケース４０の、燃料電池スタック２３を収容した場合に電子・電気機器（たとえば、セル電圧モニタ、高電圧配線）に近接する部分を中空壁４１から構成した場合（上記（ロ）の場合）は、電子・電気機器に近接するスタックケース部位への結露を防止または抑制でき、電子・電気機器に近接するスタックケース部位に結露した水分がその近傍にある電子機器（たとえば、セルモニタ等）、電気機器（たとえば、高電圧配線）に飛散、または落下することを防止、または抑制することができる。
スタックケース４０を第１のケース４３と第１のケースとの間に中空部４２を形成する第２のケース４４とから構成した場合（上記（ハ）の場合）は、ケース壁の全面が二重壁であり、スタックケース４０のどの部位の結露をも抑制できる。さらに、二重ケース化により、燃料電池からの水素ガス洩れ時に対しても、二重シールとなることで外部に洩れることを防止でき、安全性の向上につながる。
【００２０】
スタックケース４０の壁の中空部４２が大気圧よりも減圧されている場合は、中空部４２の断熱効果が高まり、スタックケース内空気中水分の凝縮によるスタックケース４０の壁への結露を、中空部４２を減圧しない場合（大気圧のままの場合）に比べてより一層、防止または抑制することができる。
【００２１】
スタックケース４０の、中空部４２から見て内側の部材４３（壁が二重壁の場合は第１のケース４３）と外側の部材４４（壁が二重壁の場合は第２のケース４４）との材質を互いに異ならせた場合は、それぞれの部材に要求される条件を満足させることが容易になる。すなわち、中空部４２から見て内側の部材４３は、熱伝導性が低く断熱性が高い材料で、かつ、漏電を防止するために電気絶縁材であることが望ましく、中空部４２から見て外側の部材４４は、飛び石などを受けても破損や変形しないように強度が高い材料であることが望ましいが、それを別々に容易に満足させることができる。
たとえば、中空部４２から見て内側の部材４３の材質を樹脂とし、外側の部材４４の材質を金属とした場合は、外側の部材４４で強度を満足させ、内側の部材４３で電気絶縁性、断熱性を満足させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明のスタックケースの斜視図である。
【図２】図１のスタックケースとその内部に収容された燃料電池スタックの一部の拡大側面図である。
【図３】本発明の燃料電池スタックケースに収容される燃料電池スタックの側面図である。
【図４】図３の燃料電池スタックの一部の拡大断面図である。
【図５】図３の燃料電池スタックのセルの正面図である。
【符号の説明】
【００２３】
１０  （固体高分子電解質型）燃料電池
１１  電解質膜
１３、１６  拡散層
１４  アノード
１７  カソード
１８  セパレータ
１９  セル
２０  ターミナル
２１  インシュレータ
２２  エンドプレート
２３  燃料電池スタック
２４  締結部材（テンションプレート）
２５  ボルト・ナット
２６  冷媒流路（流体流路）
２７  燃料ガス流路（流体流路）
２８  酸化ガス流路（流体流路）
２９  冷媒マニホールド（流体マニホールド）
３０  燃料ガスマニホールド（流体マニホールド）
３１  酸化ガスマニホールド（流体マニホールド）
３２  ガスケット
３３  接着剤
４０  スタックケース
４１  中空壁
４２  中空部
４３  中空部から見て内側の部材（壁が二重壁の場合は第１のケース）
４４  中空部から見て外側の部材（壁が二重壁の場合は第２のケース）
【図１】
2007005198.tif 000003
【図２】
2007005198.tif 000004
【図３】
2007005198.tif 000005
【図４】
2007005198.tif 000006
【図５】
2007005198.tif 000007