JP2017188376A - 燃料電池ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】車両が単セルの積層方向から衝突を受けた場合における衝撃に対して燃料電池スタックから生じる反力によって、ケースが壊れることを防止できる。
【解決手段】車両に搭載される燃料電池ユニットであって、積層された複数の単セルを有する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを収容し、前記単セルの積層方向に貫通した貫通孔を有するスタックケースと、前記貫通孔を挿通して前記燃料電池スタックに押圧力を加えている棒状の押圧部材と、前記押圧力を前記燃料電池スタックに伝えるプレッシャープレートと、前記押圧部材と接触して前記押圧力を加えられている脆弱部と、前記脆弱部と前記プレッシャープレートとを接続して前記押圧力を前記プレッシャープレートに伝えている接続部と、を備え、前記脆弱部と前記プレッシャープレートとの間には、前記積層方向に伸びた空間が形成されている、燃料電池ユニット。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池ユニットに関する。

燃料電池ユニットには、積層して圧縮された複数の単セルを有する燃料電池スタックと、燃料電池スタックを収容するスタックケースと、を備えたものがある。

特開２０１４−２２１６２４号公報

特許文献１の車両用蓄電装置は、車両の後部に搭載され、高電圧部品をケースに収容した車両用蓄電装置である。特許文献１の車両用蓄電装置には、車両が後方向から衝突を受けたときに、ケースが壊れることによって高電圧部品が露出することを防止する構造が設けられている。しかし、燃料電池スタックをスタックケースに収容した燃料電池ユニットが、単セルの積層方向から衝突を受けた場合における直接入力に対して燃料電池スタックから生じる反力によって、ケースが壊れることを防止することについては考慮されていなかった。このような課題を解決するために、燃料電池スタックをスタックケースに収容した燃料電池ユニットについて、単セルの積層方向から衝突を受けた場合にケースが壊れることを防止できる技術が望まれていた。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部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。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池ユニットが提供される。この燃料電池ユニットは、車両に搭載される燃料電池ユニットであって、積層して圧縮された複数の単セルを有する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを収容し、前記単セルの積層方向に貫通した貫通孔であって内側面に雌ねじが形成された前記貫通孔を有するスタックケースと、前記雌ねじと嵌まり合う雄ねじが外側面に形成され、前記貫通孔と嵌まり合いつつ前記貫通孔を挿通して前記燃料電池スタックに押圧力を加えている棒状の押圧部材と、前記燃料電池スタックの端部に配され、前記押圧力を前記燃料電池スタックに伝えるプレッシャープレートと、前記スタックケースの強度よりも強度が低く、前記押圧部材と接触して前記押圧部材から前記押圧力を加えられている脆弱部と、前記脆弱部と前記プレッシャープレートとを接続して前記脆弱部に加えられている前記押圧力を前記プレッシャープレートに伝えている接続部と、を備え、前記脆弱部と前記プレッシャープレートとの間には、前記積層方向に伸びた空間が形成されている。このような態様とすれば、車両が単セルの積層方向から衝突を受けて押圧部材が押されたとき、まず、スタックケースの強度より強度の低い脆弱部が押圧部材に貫通される。このとき、押圧部材による燃料電池スタック側への押圧力は、減衰される。次に、脆弱部が押圧部材に貫通されると、積層されていた複数の単セルにおける圧縮が一旦解除されることによって、燃料電池スタックは積層方向に沿って膨張する。このとき、プレッシャープレートはスタックケースの外側方向に移動する。そして、そのプレッシャープレートが、脆弱部を貫通してきた押圧部材と接触することによって、燃料電池スタックへ直接入力が伝わる。このとき、燃料電池スタックの積層方向における寸法は、衝突前の寸法より長くなっていることから、燃料電池スタックの積層方向における寸法が衝突の前後で変わらない態様と比べて、直接入力に対して燃料電池スタックから生じる反力を軽減することができる。また、脆弱部を貫通した際の押圧部材における押圧力の減衰も、直接入力に対して燃料電池スタックから生じる反力を軽減させることに寄与している。このため、車両が単セルの積層方向から衝突を受けた場合における直接入力に対して燃料電池スタックから生じる反力によって、ケースが壊れることを防止できる。

本発明の形態は、車両の前部に搭載された燃料電池ユニットに限るものではなく、例えば、電力を動力源とする船舶に搭載された燃料電池ユニットなどの種々の形態に適用することも可能である。また、本発明は、前述の形態に何ら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内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。

本発明の実施形態における燃料電池ユニットを示した説明図である。 衝突による直接入力を受けた際における燃料電池ユニットの様子を示した説明図である。 衝突による直接入力を受けた際における燃料電池ユニットの様子を示した説明図である。 第２実施形態における燃料電池ユニットを示した説明図である。

Ａ．第１実施形態：
図１は、本発明の実施形態における燃料電池ユニット１０を示した説明図である。図１には、相互に直交するＸＹＺ軸が図示されている。図１のＸＹＺ軸は、他の図のＸＹＺ軸に対応する。燃料電池ユニット１０は、モーターで駆動する車両の電源として搭載される。燃料電池ユニット１０は、スタックケース１００と、燃料電池スタック１２０と、第１の集電板１３０と、第２の集電板１４０と、プレッシャープレート１５０と、エンドプレート１６０と、板状部材１７０と、荷重調整ネジ１８０ａと、荷重調整ネジ１８０ｂと、締結ボルト１９０ａと、締結ボルト１９０ｂとを備える。

スタックケース１００は、Ｙ軸方向の＋側に開口部１０２を有する箱状の部材である。本実施形態では、スタックケース１００は、直方体である。スタックケース１００は、燃料電池スタック１２０を収容する。スタックケース１００を形成する面のうちＹ軸方向の−側における面１０４には、Ｙ軸方向に沿って貫通した貫通孔１１４ａおよび１１４ｂが設けられている。貫通孔１１４ａは、貫通孔１１４ｂよりＺ軸方向の＋側に配されている。貫通孔１１４ａの内側面には、雌ねじ２１４ａが形成されている。貫通孔１１４ｂの内側面には、雌ねじ２１４ｂが形成されている。

スタックケース１００を形成する面のうちＺ軸方向の＋側における面１０６には、Ｙ軸方向の＋側における端部からＹ軸方向に沿って伸びた穴１１６が設けられている。穴１１６の内側面において、Ｙ軸方向の−側には雌ねじ２１６ａが形成されており、Ｙ軸方向の＋側には雌ねじ２１６ｂが形成されている。雌ねじ２１６ｂの有効径は、雌ねじ２１６ａより小さく形成されている。

スタックケース１００を形成する面のうちＺ軸方向の−側における面１０８には、Ｙ軸方向の＋側における端部からＹ軸方向に沿って伸びた穴１１８が設けられている。穴１１８の内側面において、穴１１８における雌ねじ２１６ａおよび雌ねじ２１６ｂと同様に、雌ねじ２１８ａおよび雌ねじ２１８ｂが形成されている。

燃料電池スタック１２０は、反応ガスの電気化学反応によって発電する複数の単セル１２２を有する。単セル１２２は、Ｙ軸方向に沿って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、単セル１２２の積層方向は、Ｙ軸方向である。本実施形態では、燃料電池スタック１２０は、水素ガスおよ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１２０におけるＹ軸方向の長さは、圧縮荷重を加えられて締結された状態において、長さＬ１である。燃料電池スタック１２０におけるＹ軸方向の長さは、圧縮荷重を加えられていない状態においては、スタックケース１００のＹ軸方向における長さより長い。

第１の集電板１３０は、燃料電池スタック１２０のＹ軸方向の−側における端面に接して配されている。第２の集電板１４０は、燃料電池スタック１２０のＹ軸方向の＋側における端面に接して配されている。第１の集電板１３０および第２の集電板１４０は、燃料電池スタック１２０が生成した電力を集める。

本実施形態では、第１の集電板１３０および第２の集電板１４０は、主としてアルミニウムから構成されている。他の実施形態では、第１の集電板１３０および第２の集電板１４０は、銅から構成されていてもよい。

プレッシャープレート１５０は、第１の集電板１３０のＹ軸方向の−側に接して配されている。エンドプレート１６０は、第２の集電板１４０のＹ軸方向の＋側に接して配されている。エンドプレート１６０は、スタックケース１００の開口部１０２を塞ぐ位置に配されている。プレッシャープレート１５０およびエンドプレート１６０は、燃料電池スタック１２０をＹ軸方向の両端から加圧するための部材である。

エンドプレート１６０をＹ軸方向に沿って貫通した貫通孔１６６ａは、エンドプレート１６０がスタックケース１００の開口部１０２を塞ぐ位置に配されている状態において、穴１１６と対向する位置に形成されている。エンドプレート１６０をＹ軸方向に沿って貫通した貫通孔１６６ｂは、穴１１６に対する貫通孔１６６ａと同様に、穴１１８と対向する位置に形成されている。

本実施形態では、プレッシャープレート１５０およびエンドプレート１６０は、主としてアルミニウムおよび樹脂から構成されている。他の実施形態では、プレッシャープレート１５０およびエンドプレート１６０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構成によって形成されていてもよい。

板状部材１７０は、Ｙ軸方向の−側からプレッシャープレート１５０に接して配されている。板状部材１７０は、脆弱部１７２ａと、脆弱部１７２ｂと、接続部１７４とを有する。

脆弱部１７２ａおよび脆弱部１７２ｂは、ＸＺ平面に沿った平面状部分であって、スタックケース１００の強度よりも強度が低く形成されている。尚、以降の説明では、２つの脆弱部の各々を総称する場合には符号「１７２」を使用する。ここでいう「脆弱部１７２は、スタックケース１００の強度よりも強度が低く形成されている」とは、Ｙ軸方向の−側から直接入力を受けて荷重調整ネジ１８０がＹ軸方向の＋側に押された場合に、スタックケース１００よりも先に脆弱部１７２に破壊が生じるよう形成されているということである。または、スタックケース１００は破壊されずに、脆弱部１７２のみ破壊されるということでもある。

本実施形態では、脆弱部１７２は、Ｙ軸方向における厚さを調整することによって、スタックケース１００の強度よりも強度が低く形成されている。他の実施形態では、脆弱部１７２は、スタックケース１００を形成している材質より脆い材質を用いて形成されていることによって、スタックケース１００の強度よりも強度が低く形成されていてもよい。

脆弱部１７２ａは、荷重調整ネジ１８０ａと接触して荷重調整ネジ１８０ａからＹ軸方向の＋側向きの押圧力を加えられている。脆弱部１７２ｂおよび荷重調整ネジ１８０ｂは、脆弱部１７２ａおよび荷重調整ネジ１８０ａと同様の構成を備える。尚、以降の説明では、２つの荷重調整ネジの各々を総称する場合には符号「１８０」を使用する。

接続部１７４は、脆弱部１７２からＹ軸方向の＋側におけるＸＺ平面に沿った平面状部分１７４ｐと、その平面状部分１７４ｐからＹ軸方向の−側に伸びて脆弱部１７２と接続した接続面部分１７４ｃとから構成される。接続面部分１７４ｃは、Ｙ軸方向において脆弱部１７２の外縁からさらに＋側に突出して、荷重調整ネジ１８０を受け入れる窪みを形成している。接続部１７４は、脆弱部１７２とプレッシャープレート１５０とを接続している。接続部１７４は、脆弱部１７２が荷重調整ネジ１８０から加えられているＹ軸方向の＋側向きの押圧力を、接続面部分１７４ｃから平面状部分１７４ｐを介して、プレッシャープレート１５０に伝えている。接続部１７４は、課題を解決するための手段における接続部に相当する。

脆弱部１７２ａとプレッシャープレート１５０との間には、Ｙ軸方向に伸びた空間Ｓａが形成されている。脆弱部１７２ｂとプレッシャープレート１５０との間には、Ｙ軸方向に伸びた空間Ｓｂが形成されている。空間Ｓａおよび空間Ｓｂは、プレッシャープレート１５０と、脆弱部１７２と、接続部１７４における接続面部分１７４ｃとに囲まれた空間である。

荷重調整ネジ１８０ａは、棒状部材であって、外側面に雄ねじが形成されている。荷重調整ネジ１８０ａは、貫通孔１１４ａの内側面に形成された雌ねじ２１４ａと嵌まり合いつつＹ軸方向の＋側に挿通して、脆弱部１７２ａと接触することによってＹ軸方向の＋側向きの押圧力を脆弱部１７２ａに加えている。

荷重調整ネジ１８０ｂは、棒状部材であって、外側面に雄ねじが形成されている。荷重調整ネジ１８０ｂは、貫通孔１１４ｂの内側面に形成された雌ねじ２１４ｂと嵌まり合いつつＹ軸方向の＋側に挿通して、脆弱部１７２ｂと接触することによってＹ軸方向の＋側向きの押圧力を脆弱部１７２ｂに加えている。

荷重調整ネジ１８０は、スタックケース１００内に突出した部分の長さを調整されることによって、脆弱部１７２を押圧する力を調整できる。荷重調整ネジ１８０は、課題を解決するための手段における押圧部に相当する。

荷重調整ネジ１８０の押圧によって板状部材１７０を介してＹ軸方向の＋側に押圧されたプレッシャープレート１５０は、エンドプレート１６０とともに燃料電池スタック１２０を挟んで燃料電池スタック１２０に圧縮荷重を加えている。

締結ボルト１９０ａは、棒状部材であって、先端側に雄ねじが形成されている。エンドプレート１６０をＹ軸方向に沿って貫通した貫通孔１６６ａを挿通した締結ボルト１９０ａは、穴１１６の内側面においてＹ軸方向の−側に形成された雌ねじ２１６ａと嵌まり合うことによって、エンドプレート１６０をスタックケース１００に締結している。尚、この状態において、締結ボルト１９０ａは、穴１１６の内側面においてＹ軸方向の＋側に形成された雌ねじ２１６ｂと嵌まり合う位置に雄ねじを形成されていないため、締結ボルト１９０ａのうち雄ねじが形成された先端側においてのみ、スタックケース１００に嵌まっている。

締結ボルト１９０ｂは、棒状部材であって、先端側に雄ねじが形成されている。エンドプレート１６０をＹ軸方向に沿って貫通した貫通孔１６６ｂを挿通した締結ボルト１９０ｂは、穴１１８の内側面においてＹ軸方向の−側に形成された雌ねじ２１８ａと嵌まり合うことによって、エンドプレート１６０をスタックケース１００に締結している。尚、この状態において、締結ボルト１９０ｂは、穴１１８の内側面においてＹ軸方向の＋側に形成された雌ねじ２１８ｂと嵌まり合う位置に雄ねじを形成されていないため、締結ボルト１９０ｂのうち雄ねじが形成された先端側においてのみ、スタックケース１００に嵌まっている。

締結ボルト１９０ａおよび締結ボルト１９０ｂと嵌まり合っている状態において、雌ねじ２１６ａおよび雌ねじ２１８ａは、面１０４にＹ軸方向の−側から所定の強さ以上の直接入力を受けると、スタックケース１００内を伝わってくる応力に応じて締結ボルト１９０ａおよび締結ボルト１９０ｂが雌ねじ２１６ａおよび雌ねじ２１８ａから外れようとする動きによって、破壊が生じやすい構造に形成されている。

図２は、Ｙ軸方向の−側から衝突による直接入力を受けた際における燃料電池ユニット１０の様子を示した説明図である。図２では、理解を容易にするために、説明を行う部分の符号のみを図示した。

燃料電池ユニット１０において、Ｙ軸方向の−側から衝突による直接入力を受けると、荷重調整ネジ１８０は、Ｙ軸方向の＋側へ押されることによってスタックケース１００の強度より強度の低い脆弱部１７２を貫通する。このとき、荷重調整ネジ１８０によるＹ軸方向の＋側への押圧力は、減衰される。

図２は、脆弱部１７２が貫通されたことによって、荷重調整ネジ１８０がＹ軸方向の−側に移動を開始したときの状態を示している。また、脆弱部１７２が貫通されて積層されていた複数の単セル１２２における圧縮が一旦解除されたことによって、燃料電池スタック１２０はＹ軸方向の−側に向けて膨張し始めるとともに、プレッシャープレート１５０もＹ軸方向の−側に移動し始めたときの状態を示している。

また、燃料電池ユニット１０において、Ｙ軸方向の−側から衝突による直接入力を受けると、穴１１６の内側面において、締結ボルト１９０ａがＹ軸方向の−側に押圧されることによって、締結ボルト１９０ａと嵌まり合っていた雌ねじ２１６ａが破壊される。穴１１８の内側面においても、締結ボルト１９０ｂがＹ軸方向の−側に押圧されることによって、締結ボルト１９０ｂと嵌まり合っていた雌ねじ２１８ａが破壊される。図２は、雌ねじ２１６ａおよび雌ねじ２１８ａが破壊されたことによって、締結ボルト１９０ａおよび締結ボルト１９０ｂがＹ軸方向の＋側に移動を開始したときの状態を示している。

図３は、Ｙ軸方向の−側から衝突による直接入力を受けた際における燃料電池ユニット１０の様子を示した説明図である。図３は、図２の状態になってから、さらに変形した燃料電池ユニット１０の様子を示している。図３では、理解を容易にするために、説明を行う部分の符号のみを図示した。

Ｙ軸方向の＋側に移動してきた締結ボルト１９０ａは、穴１１６の内側面においてＹ軸方向の＋側に形成された雌ねじ２１６ｂに引っ掛かることによって、Ｙ軸方向の＋側への移動を停止される。Ｙ軸方向の−側に移動してきた締結ボルト１９０ｂは、穴１１８の内側面においてＹ軸方向の＋側に形成された雌ねじ２１８ｂに引っ掛かることによって、Ｙ軸方向の＋側への移動を停止される。締結ボルト１９０ａおよび締結ボルト１９０ｂが、それぞれ雌ねじ２１６ｂおよび雌ねじ２１８ｂに引っ掛かるまでの間にＹ軸方向の＋側に移動した分だけ、燃料電池スタック１２０はＹ軸方向の＋側に向けて膨張する。

また、脆弱部１７２を貫通してＹ軸方向の＋側に移動してきた荷重調整ネジ１８０は、燃料電池スタック１２０がＹ軸方向の−側に向けて膨張したことによってＹ軸方向の−側に移動してきたプレッシャープレート１５０と接触する。荷重調整ネジ１８０は、プレッシャープレート１５０と接触することによって、Ｙ軸方向の＋側への押圧力を、燃料電池スタック１２０に伝える。

図３の状態における燃料電池スタック１２０のＹ軸方向における長さＬ２は、衝突による直接入力を受けていない状態における長さＬ１より長い。すなわち、燃料電池スタック１２０において、複数の単セル１２２を積層して締結するために加えられていた圧縮荷重は、衝突による直接入力を受けてからは低減される。このため、燃料電池スタック１２０のＹ軸方向における長さが衝突後に変わらない態様と比べて、衝突による直接入力に対して燃料電池スタック１２０から生じる反力を軽減することができる。その結果、反力によってスタックケース１００が壊れることを防止できる。

以上説明した実施形態によれば、Ｙ軸方向の−側から衝突による直接入力を受けて荷重調整ネジ１８０がＹ軸方向の＋側に押されたとき、まず、スタックケース１００の強度より強度の低い脆弱部１７２が荷重調整ネジ１８０に貫通される。このとき、荷重調整ネジ１８０による燃料電池スタック１２０側への押圧力は、減衰される。次に、脆弱部１７２が荷重調整ネジ１８０に貫通されると、積層されていた複数の単セル１２２における圧縮が一旦解除されることによって、燃料電池スタック１２０はＹ軸方向の−側に向けて膨張する。このとき、プレッシャープレート１５０もＹ軸方向の−側に向けて移動する。そして、そのプレッシャープレート１５０が、脆弱部１７２を貫通してきた荷重調整ネジ１８０と接触することによって、燃料電池スタック１２０へ直接入力が伝わる。このとき、燃料電池スタック１２０のＹ軸方向における長さＬ２は、衝突前の長さＬ１より長くなっていることから、燃料電池スタック１２０のＹ軸方向における長さが衝突後に変わらない態様と比べて、直接入力に対して燃料電池スタック１２０から生じる反力を軽減することができる。また、脆弱部１７２を貫通した際の荷重調整ネジ１８０における押圧力の減衰も、直接入力に対して燃料電池スタック１２０から生じる反力を軽減させることに寄与している。このため、Ｙ軸方向の−側から直接入力を受けた場合における直接入力に対して燃料電池スタック１２０から生じる反力によって、スタックケース１００が壊れることを防止できる。

Ｂ．第２実施形態：
図４は、第２実施形態における燃料電池ユニット１０ａを示した説明図である。第２実施形態における燃料電池ユニット１０ａは、プレッシャープレート１５０と板状部材１７０とが一体化されている一体化部材１７０ａを備える点を除き、第１実施形態における燃料電池ユニット１０の構成と同様である。燃料電池ユニット１０ａにおいても、Ｙ軸方向の−側から直接入力を受けた際に燃料電池スタック１２０から生じる反力を軽減することができる。その結果、反力によってスタックケース１００が壊れることを防止できる。

Ｃ．変形例：
本実施形態では、雌ねじ２１６ｂの有効径は、雌ねじ２１６ａより小さく形成されるとともに、雌ねじ２１８ｂの有効径は、雌ねじ２１８ａより小さく形成されていることによって、締結ボルト１９０ａおよび締結ボルト１９０ｂにおけるＹ軸方向の＋側への移動を停止させていたが、本発明はこれに限られない。例えば、雌ねじ２１６ｂは、雌ねじ２１６ａよりＹ軸方向に長い範囲で形成されているとともに、雌ねじ２１８ｂは、雌ねじ２１８ａよりＹ軸方向に長い範囲で形成されていることによって、締結ボルト１９０ａおよび締結ボルト１９０ｂにおけるＹ軸方向の＋側への移動を停止させてもよい。

本発明は、上述の実施形態や実施例、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構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、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部また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。

１０…燃料電池ユニット
１０ａ…燃料電池ユニット
１００…スタックケース
１０２…開口部
１０４，１０６，１０８…面
１１４ａ，１１４ｂ…貫通孔
１１６，１１８…穴
１２０…燃料電池スタック
１２２…単セル
１３０…第１の集電板
１４０…第２の集電板
１５０…プレッシャープレート
１６０…エンドプレート
１６６ａ，１６６ｂ…貫通孔
１７０…板状部材
１７０ａ…一体化部材
１７２…脆弱部
１７２ａ，１７２ｂ…脆弱部
１７４…接続部
１８０…荷重調整ネジ
１８０ａ，１８０ｂ…荷重調整ネジ
１９０ｂ，１９０ａ…締結ボルト
Ｓａ，Ｓｂ…空間

Claims (1)

1. 車両に搭載される燃料電池ユニットであって、
   積層して圧縮された複数の単セルを有する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックを収容し、前記単セルの積層方向に貫通した貫通孔であって内側面に雌ねじが形成された前記貫通孔を有するスタックケースと、
   前記雌ねじと嵌まり合う雄ねじが外側面に形成され、前記貫通孔と嵌まり合いつつ前記貫通孔を挿通して前記燃料電池スタックに押圧力を加えている棒状の押圧部材と、
   前記燃料電池スタックの端部に配され、前記押圧力を前記燃料電池スタックに伝えるプレッシャープレートと、
   前記スタックケースの強度よりも強度が低く、前記押圧部材と接触して前記押圧部材から前記押圧力を加えられている脆弱部と、
   前記脆弱部と前記プレッシャープレートとを接続して前記脆弱部に加えられている前記押圧力を前記プレッシャープレートに伝えている接続部と、を備え、
   前記脆弱部と前記プレッシャープレートとの間には、前記積層方向に伸びた空間が形成されている、燃料電池ユニット。

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