(57)【要約】【課題】軽量且つコンパクトな構成で、燃料電池スタックを強固且つ容易に保護することを可能にする。【解決手段】燃料電池システム１０は、複数の燃料電池１８が積層されるとともに、積層方向両端に第１エンドプレート２４ａ及び第２エンドプレート２４ｂが配設される燃料電池スタック１６と、前記燃料電池スタック１６を搭載するための燃料電池フレーム１７とを備える。燃料電池フレーム１７は、車体フレーム１４に固定される。燃料電池フレーム１７は、燃料電池１８の積層方向に延在し、燃料電池スタック１６よりも長尺なバー部材６４ａ、６４ｂを設けるとともに、前記バー部材６４ａ、６４ｂには、一対の第１エンドプレート２４ａ及び第２エンドプレート２４ｂが互いの離間間隔を保持して固定されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を有し、複数の前記燃料電池が積層されるとともに、積層方向両端にエンドプレートが配設される燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックを搭載するためのフレーム部材と、
を備える燃料電池システムであって、
前記フレーム部材は、前記燃料電池の積層方向に延在し、前記燃料電池スタックよりも長尺なバー部材を設けるとともに、
前記バー部材には、一対の前記エンドプレートが互いの離間間隔を保持して固定されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記フレーム部材は、車両側フレームに固定されて車両に搭載されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池システムにおいて、前記フレーム部材は、前記燃料電池スタックの積層方向両外方に配置され、前記車両側フレームに固定される一対の本体部と、
前記本体部に両端が固定されるとともに、矩形状の一対の前記エンドプレートの各２辺同士が固定される一対の前記バー部材と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池システムにおいて、少なくとも一方の前記エンドプレートには、該エンドプレートと前記本体部との間に位置して前記燃料電池に使用される反応ガスを流通させるための燃料電池補機が取り付けられることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を有し、複数の前記燃料電池が積層されるとともに、積層方向両端にエンドプレートが配設される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを搭載するためのフレーム部材とを備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、車載用燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
上記の車載用燃料電池スタックでは、外部からの衝撃や振動等によって、発電セル間にずれが発生するおそれがある。このため、発電セル間のずれを抑制する必要があり、例えば、特許文献１に開示されている移動体が知られている。
【０００４】
この移動体は、図５に示すように、発電積層体１と２つのエンドプレート２ａ、２ｂと複数本の締結部材３とを備える燃料電池スタック４と、該移動体のボディ又はフレームを構成する構造体５ａ、５ｂ、５ｃ及び５ｄと、を備えている。
【０００５】
移動体は、さらに２つのエンドプレート２ａ、２ｂのうちの少なくとも１つと構造体５ａ、５ｂとを連結する第１の連結部６ａと、締結部材３と構造体５ｃ、５ｄとを連結する第２の連結部６ｂ、６ｃと、を備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２９０４７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記の特許文献１では、燃料電池スタック４は、第１の連結部６ａ及び第２の連結部６ｂ、６ｃにより構造体５ａ〜５ｄに固定されている。このため、部品点数が相当に多くなるとともに、燃料電池スタック４を搭載するためのスペースが拡大してしまう。これにより、移動体内のスペース効率が低下するとともに、軽量化が図られないという問題がある。
【０００８】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、軽量且つコンパクトな構成で、燃料電池スタックを強固に保護することが可能な燃料電池システム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】
【０００９】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を有し、複数の前記燃料電池が積層されるとともに、積層方向両端にエンドプレートが配設される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを搭載するためのフレーム部材とを備える燃料電池システムに関するものである。
【００１０】
この燃料電池システムでは、フレーム部材は、燃料電池の積層方向に延在し、燃料電池スタックよりも長尺なバー部材を設けるとともに、前記バー部材には、一対のエンドプレートが互いの離間間隔を保持して固定されている。
【００１１】
また、この燃料電池システムでは、フレーム部材は、車両側フレームに固定されて車両に搭載されることが好ましい。
【００１２】
さらに、この燃料電池システムでは、フレーム部材は、燃料電池スタックの積層方向両外方に配置され、車両側フレームに固定される一対の本体部と、前記本体部に両端が固定されるとともに、矩形状の一対のエンドプレートの各２辺同士が固定される一対の前記バー部材とを備えることが好ましい。
【００１３】
さらにまた、この燃料電池システムでは、少なくとも一方のエンドプレートには、該エンドプレートと本体部との間に位置して燃料電池に使用される反応ガスを流通させるための燃料電池補機が取り付けられることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、フレーム部材に設けられているバー部材には、一対のエンドプレートが互いの離間間隔を保持して固定されている。このため、バー部材は、エンドプレート間を固定する連結部材としての機能を有することができ、部品点数を良好に削減することが可能になる。これにより、軽量化及びスペース効率の向上が確実に図られるとともに、コンパクトな構成で、燃料電池スタックを強固に保護することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムが燃料電池自動車に搭載された状態の要部斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池システムの要部正面説明図である。
【図３】前記燃料電池システムの要部平面説明図である。
【図４】前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の要部分解斜視図である。
【図５】特許文献１に開示されている移動体の要部平面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１〜図３に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０は、燃料電池車両、例えば、燃料電池自動車１２のフロントボックス（所謂、モータルーム）１３内に収容される。フロントボックス１３には、燃料電池システム１０を搭載するための車体フレーム（車両側フレーム）１４が設けられる。
【００１７】
燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１６と、前記燃料電池スタック１６を搭載して車体フレーム１４に取り付けられる燃料電池フレーム（フレーム部材）１７とを備える。車体フレーム１４は、車両幅方向（矢印Ｈ方向）両側に位置し、互いに車長方向（矢印Ｌ方向）に平行に延在して一組配設される。
【００１８】
燃料電池スタック１６は、複数の燃料電池１８が、立位姿勢で燃料電池自動車１２の車長方向（矢印Ｌ方向）に交差する車幅方向（矢印Ｈ方向）に積層されて構成される。なお、複数の燃料電池１８は、燃料電池自動車１２の高さ方向（矢印Ｔ方向）に積層されて構成されてもよい。
【００１９】
図２及び図３に示すように、複数の燃料電池１８の積層方向一端には、第１ターミナルプレート２０ａ、第１絶縁プレート２２ａ及び第１エンドプレート２４ａが外方に向かって順次配設される。複数の燃料電池１８の積層方向他端には、第２ターミナルプレート２０ｂ、第２絶縁プレート２２ｂ及び第２エンドプレート２４ｂが外方に向かって順次配設される。第１エンドプレート２４ａと第２エンドプレート２４ｂの上下各辺（例えば、長辺）間には、それぞれ連結バー（締結部材）２６の両端がねじ２８により固定される。
【００２０】
図４に示すように、燃料電池１８は、横長の長方形状を有するとともに、電解質膜・電極構造体３０が、第１セパレータ３２及び第２セパレータ３４に挟持される。第１セパレータ３２及び第２セパレータ３４は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、あるいはめっき処理鋼板等の金属セパレータやカーボンセパレータにより構成される。
【００２１】
燃料電池１８の矢印Ｌ方向（図４中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ｈ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔３６ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３８ｂが、矢印Ｔ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２２】
燃料電池１８の矢印Ｌ方向の他端縁部には、矢印Ｈ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔３８ａ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔３６ｂが、矢印Ｔ方向に配列して設けられる。
【００２３】
燃料電池１８の矢印Ｔ方向の上端縁部には、冷却媒体を供給するための一対の冷却媒体入口連通孔４０ａが設けられるとともに、前記燃料電池１８の矢印Ｔ方向の下端縁部には、前記冷却媒体を排出するための一対の冷却媒体出口連通孔４０ｂが設けられる。
【００２４】
第１セパレータ３２の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３２ａには、酸化剤ガス入口連通孔３６ａと酸化剤ガス出口連通孔３６ｂとに連通し、矢印Ｌ方向に延在する複数本の酸化剤ガス流路４２が設けられる。
【００２５】
第２セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３４ａには、燃料ガス入口連通孔３８ａと燃料ガス出口連通孔３８ｂとに連通し、矢印Ｌ方向に延在する複数本の燃料ガス流路４４が設けられる。
【００２６】
互いに隣接する燃料電池１８を構成する第１セパレータ３２の面３２ｂと、第２セパレータ３４の面３４ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔４０ａと冷却媒体出口連通孔４０ｂとを連通し、矢印Ｔ方向に延在する複数本の冷却媒体流路４６が設けられる。
【００２７】
第１セパレータ３２及び第２セパレータ３４には、それぞれシール部材４８、５０が、一体的又は個別に設けられる。シール部材４８、５０は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。
【００２８】
電解質膜・電極構造体３０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜５２と、前記固体高分子電解質膜５２を挟持するカソード電極５４及びアノード電極５６とを備える。
【００２９】
カソード電極５４及びアノード電極５６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜５２の両面に形成されている。
【００３０】
図１〜図３に示すように、燃料電池フレーム１７は、燃料電池スタック１６の積層方向外方に配置される一対の角筒状（又は角柱状）の本体部６０を備える。各本体部６０は、車体フレーム１４に設けられたマウント部６２に、例えば、ボルト締めにより固定される。
【００３１】
本体部６０には、板状のバー部材６４ａ、６４ｂの各両端部が溶接等により固着される。バー部材６４ａ、６４ｂは、燃料電池スタック１６の全長（矢印Ｈ方向の寸法）よりも長尺に構成される。バー部材６４ａ、６４ｂには、第２エンドプレート２４ｂの位置に対応して孔部６６がそれぞれ形成される一方、第１エンドプレート２４ａの位置に対応して１以上、例えば、３つの孔部６８ａ、６８ｂ及び６８ｃがそれぞれ形成される。
【００３２】
バー部材６４ａ、６４ｂの孔部６８ａ、６８ｂ及び６８ｃのいずれか、例えば、前記孔部６８ｂにボルト７０が挿入され、前記ボルト７０の先端が、第１エンドプレート２４ａの短辺側部に形成されたねじ穴７２ａに螺合する。バー部材６４ａ、６４ｂの孔部６６には、ボルト７０が挿入されるとともに、前記ボルト７０の先端が、第２エンドプレート２４ｂの短辺側部に形成されたねじ穴７２ｂに螺合する。一対の第１エンドプレート２４ａ及び第２エンドプレート２４ｂは、各２辺（左右両辺）同士がバー部材６４ａ、６４ｂにより互いの離間間隔を保持して固定される。
【００３３】
なお、孔部６８ａ、６８ｂ及び６８ｃは、燃料電池スタック１６の全長の変化に応じて選択されるものであり、１つでもよい。また、孔部６８ａ、６８ｂ及び６８ｃに代えて、矢印Ｈ方向に長尺な長孔を採用することもできる。
【００３４】
第１エンドプレート２４ａには、前記第１エンドプレート２４ａと本体部６０との間に位置して燃料電池補機、例えば、燃料ガス系デバイス７４が取り付けられる。燃料ガス系デバイス７４は、少なくともエゼクタ、気液分離タンク、パージ弁、掃気弁、水素ポンプ又は水素熱交換器のいずれかを備え、筐体７４ａの内部に配設される。
【００３５】
ここで、エゼクタは、燃料ガス出口連通孔３８ｂから排出された排出燃料ガスを吸引して、再度、燃料ガスとして燃料ガス入口連通孔３８ａに供給する機能を有する。気液分離タンクは、排出燃料ガス中に含まれる液状水分を除去する機能を有するとともに、パージ弁は、燃料ガス循環系に存在する不純物を系外に排出する機能を有する。掃気弁は、燃料ガス流路４４を掃気する機能を有し、水素ポンプは、前記燃料ガス流路４４に燃料ガスを供給（圧送）する機能を有する。水素熱交換器は、燃料ガス流路４４に供給される前の燃料ガスを予め加温する機能を有する。
【００３６】
第１エンドプレート２４ａには、酸化剤ガスを供給及び排出するための酸化剤ガスマニホールド（図示せず）が設けられる一方、第２エンドプレート２４ｂには、冷却媒体を供給及び排出するための冷却媒体マニホールド（図示せず）が設けられる。なお、マニホールドは、第１エンドプレート２４ａ側に集中させてもよい。
【００３７】
このように構成される燃料電池自動車１２の動作について、以下に説明する。
【００３８】
図４に示すように、酸素含有ガス等の酸化剤ガスは、燃料電池スタック１６を構成する各燃料電池１８の酸化剤ガス入口連通孔３６ａに供給されるとともに、水素含有ガス等の燃料ガスは、前記燃料電池１８の燃料ガス入口連通孔３８ａに供給される。また、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体は、燃料電池１８の冷却媒体入口連通孔４０ａに供給される。
【００３９】
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３６ａから第１セパレータ３２の酸化剤ガス流路４２に導入される。酸化剤ガスは、矢印Ｌ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体３０を構成するカソード電極５４に供給される。
【００４０】
一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３８ａから第２セパレータ３４の燃料ガス流路４４に導入される。この燃料ガスは、矢印Ｌ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体３０を構成するアノード電極５６に供給される。
【００４１】
従って、電解質膜・電極構造体３０では、カソード電極５４に供給される酸化剤ガスと、アノード電極５６に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。これにより、走行モータ（図示せず）に電力が供給されるため、燃料電池自動車１２は、走行可能になる。
【００４２】
また、冷却媒体は、冷却媒体入口連通孔４０ａから第１セパレータ３２と第２セパレータ３４との間に形成された冷却媒体流路４６に導入される。冷却媒体は、矢印Ｔ方向下方（重力方向）に移動しながら、電解質膜・電極構造体３０を冷却する。
【００４３】
次いで、酸化剤ガス流路４２を流通した酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂに排出される。一方、燃料ガス流路４４を流通した燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３８ｂに排出される。また、冷却媒体流路４６を流通した冷却媒体は、電解質膜・電極構造体３０を冷却した後、冷却媒体入口連通孔４０ａに戻される。
【００４４】
この場合、本実施形態では、燃料電池フレーム１７は、一対の本体部６０に両端が固着されたバー部材６４ａ、６４ｂを有するとともに、前記バー部材６４ａ、６４ｂには、一対の第１エンドプレート２４ａ及び第２エンドプレート２４ｂがボルト７０を介して互いの離間間隔を保持して固定されている。
【００４５】
このため、バー部材６４ａ、６４ｂは、第１エンドプレート２４ａ及び第２エンドプレート２４ｂ間を固定する連結部材としての機能を有することができ、部品点数を良好に削減することが可能になる。具体的には、第１エンドプレートエンドプレート２４ａ及び第２エンドプレート２４ｂの左右両辺には、連結バー２６を取り付ける必要がない。これにより、燃料電池システム１０は、軽量化及びスペース効率の向上が確実に図られるとともに、コンパクトな構成で、燃料電池スタック１６を強固に保護することができるという効果が得られる。
【００４６】
さらに、本実施形態では、第１エンドプレート２４ａには、前記第１エンドプレート２４ａと本体部６０との間に位置して燃料電池補機、例えば、燃料ガス系デバイス７４が取り付けられている。従って、燃料電池自動車１２に外部から衝撃や振動等が付与された際、燃料ガス系デバイス７４を容易且つ確実に保護することが可能になる。
【００４７】
さらにまた、本実施形態では、燃料電池スタック１６は、車長方向（矢印Ｌ方向）両端外方をバー部材６４ａ、６４ｂにより保護されるとともに、車幅方向（矢印Ｈ方向）両端外方を本体部６０により保護されている。このため、燃料電池自動車１２に外部荷重が付与されても、燃料電池スタック１６は、燃料電池フレーム１７及び前記燃料電池フレーム１７が固定される車体フレーム１４によって、強固且つ確実に保護されるという利点がある。
【符号の説明】
【００４８】
１０…燃料電池システム              １３…フロントボックス
１４…車体フレーム                  １６…燃料電池スタック
１７…燃料電池フレーム              １８…燃料電池
２４ａ、２４ｂ…エンドプレート      ３０…電解質膜・電極構造体
３２、３４…セパレータ              ３６ａ…酸化剤ガス入口連通孔
３６ｂ…酸化剤ガス出口連通孔        ３８ａ…燃料ガス入口連通孔
３８ｂ…燃料ガス出口連通孔          ４０ａ…冷却媒体入口連通孔
４０ｂ…冷却媒体出口連通孔          ４２…酸化剤ガス流路
４４…燃料ガス流路                  ４６…冷却媒体流路
５２…固体高分子電解質膜            ５４…カソード電極
５６…アノード電極                  ６０…本体部
６２…マウント部                    ６４ａ、６４ｂ…バー部材
６６、６８ａ〜６８ｃ…孔部          ７０…ボルト
７４…燃料ガス系デバイス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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