JP5274818B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルを設け、前記発電セルが複数積層された積層体の積層方向両端にエンドプレートが配設されるとともに、各エンドプレートから外方に突出して電力取り出し端子が設けられる燃料電池スタックを備える燃料電池システムに関する。

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（電解質）の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

この種の燃料電池スタックでは、通常、発電セルが複数積層された積層体の積層方向両端に、ターミナルプレート、絶縁プレート及びエンドプレートが配設されている。ターミナルプレートは、積層体からの発電電力を外部に取り出すために電力取り出し端子を備えており、この電力取り出し端子は、コンタクタ（又はリレー）に接続されてモータ等の外部負荷に対して電力の供給制御（ＯＮ／ＯＦＦ制御）を行っている。

例えば、特許文献１に開示された燃料電池の端子装置では、図１０に示すように、単位セル１とバイポーラプレート２とが交互に積層されるとともに、積層方向両端には、それぞれハーフプレート２ａ、ターミナルプレート３及び絶縁板４を介装してエンドプレート５が配置されている。

ターミナルプレート３には、極柱（電力取り出し端子）６が電気的に接続され、この極柱６が絶縁板４及びエンドプレート５を貫通して外部に突出している。極柱６は、絶縁スリーブ７に挿入されるとともに、ナット８を介して固定されている。極柱６には、高電圧ケーブル９が接続され、このケーブル９が図示しないコンタクタ等に接続されている。

実開昭６１−７８６８号公報（第２図）

ところで、レイアウト上の要請から、コンタクタ等の機器が燃料電池スタックの積層方向一端側に配置される場合がある。その際、各エンドプレート５から外方に突出する極柱６に接続されているケーブル９は、積層方向一端側に引き出される必要がある。

このため、積層方向他端側の極柱６に接続されているケーブル９は、略１８０°湾曲されて積層方向一端側に折り返されることになる。従って、ケーブル９は、エンドプレート５の端面から矢印Ａ方向に比較的大きな距離Ｈだけ突出してしまう。

これにより、燃料電池スタック全体を収容するためのスペースが相当に拡大してしまう。このため、特に、車載用として狭小なスペースに収容することができず、しかもレイアウトの自由度が低下するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、燃料電池スタックの積層方向外方にケーブルが突出することを良好に阻止し、省スペース化及びレイアウトの自由度を向上させ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。

本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルを設け、前記発電セルが複数積層された積層体の積層方向両端にエンドプレートが配設されるとともに、各エンドプレートから外方に突出して電力取り出し端子が設けられる燃料電池スタックを備える燃料電池システムに関するものである。

この燃料電池システムでは、一方の電力取り出し端子に一端が電気的に接続され、前記電力取り出し端子と交差するエンドプレート面方向に屈曲して延在する導電部材と、前記導電部材の他端に電気的に接続され、他方の電力取り出し端子側に延在するケーブルとを備えている。

また、導電部材は、ケーシングに収容されるとともに、前記ケーシングは、エンドプレートに対して回転することを阻止するための回り止め機構を有することが好ましい。さらに、ケーシングは、電気絶縁部材で構成されることが好ましく、前記ケーシングの表面側には、導電性材料の層が設けられることが好ましい。さらにまた、導電部材は、バスバーで構成されることが好ましい。

また、ケーブルに設けられるシールド線に接続される導電性ブラケットを備え、前記導電性ブラケットは、前記エンドプレートを介してアースされることが好ましい。

さらに、燃料電池スタックは、車両に搭載されるとともに、前記燃料電池スタックの走行方向前方には、電力取り出し端子に電気的に接続されるデバイスが配置されることが好ましい。

本発明によれば、電力取り出し端子に接続される導電部材は、エンドプレート面方向に屈曲して延在するため、前記エンドプレートから積層方向外方にケーブル等の部材が湾曲して突出することがない。これにより、エンドプレートから積層方向外方に部材が大きく突出することを良好に阻止することができ、燃料電池システム全体の配置用スペースの狭小化が容易に図られるとともに、レイアウトの自由度を向上させることが可能になる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１０が搭載される車両１２の一部平面説明図である。

燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１４を備え、前記燃料電池スタック１４が車両１２の車長方向（矢印Ｌ方向）略中央部に位置して配置される。燃料電池スタック１４の走行方向（矢印Ｌ１方向）前方には、前記燃料電池スタック１４の発生電力の供給をＯＮ／ＯＦＦ制御するコンタクタ等を有するデバイス１５が配置される。

図２に示すように、燃料電池スタック１４は、複数の発電セル１６が水平方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体１８を設ける。積層体１８の積層方向（矢印Ａ方向）の一端には、ターミナルプレート２０ａ、絶縁プレート２２ａ及びエンドプレート２４ａが外方に向かって配設される。積層体１８の積層方向の他端には、ターミナルプレート２０ｂ、絶縁プレート２２ｂ及びエンドプレート２４ｂが外方に向かって配設される。

燃料電池スタック１４は、鉛直方向（矢印Ｃ方向）に長尺（縦長）な四角形に構成される金属製のエンドプレート２４ａ、２４ｂを端板として含むケーシング２６を備えている。このケーシング２６は、エンドプレート２４ａ、２４ｂにヒンジ構造を介して固定される４枚の側板２８を有する（図２及び図３参照）。

図４に示すように、各発電セル１６は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）３０と、前記電解質膜・電極構造体３０を挟持する薄板波形状の第１及び第２金属セパレータ３２、３４とを備え、これらが縦長に構成される。なお、第１及び第２金属セパレータ３２、３４に代替して、例えば、カーボンセパレータを使用してもよい。

発電セル１６の矢印Ｃ方向の一端縁部には、矢印Ａ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供給連通孔３６ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔３８ａが設けられる。発電セル１６の矢印Ｃ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔３８ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔３６ｂが設けられる。

発電セル１６の矢印Ｂ方向の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔４０ａが設けられるとともに、前記発電セル１６の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔４０ｂが設けられる。

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４２と、前記固体高分子電解質膜４２を挟持するアノード側電極４４及びカソード側電極４６とを備える。

第１金属セパレータ３２の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３２ａには、燃料ガス供給連通孔３８ａと燃料ガス排出連通孔３８ｂとを連通する燃料ガス流路４８が形成される。この燃料ガス流路４８は、例えば、矢印Ｃ方向に延在する溝部により構成される。第１金属セパレータ３２の面３２ｂには、冷却媒体供給連通孔４０ａと冷却媒体排出連通孔４０ｂとを連通する冷却媒体流路５０が形成される。この冷却媒体流路５０は、矢印Ｂ方向に延在する溝部により構成される。

第２金属セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３４ａには、例えば、矢印Ｃ方向に延在する溝部からなる酸化剤ガス流路５２が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路５２は、酸化剤ガス供給連通孔３６ａと酸化剤ガス排出連通孔３６ｂとに連通する。第２金属セパレータ３４の面３４ｂには、第１金属セパレータ３２の面３２ｂと重なり合って冷却媒体流路５０が一体的に形成される。第１金属セパレータ３２の面３２ａ、３２ｂ及び第２金属セパレータ３４の面３４ａ、３４ｂには、図示しないが、シール部材が一体成形される。

図２に示すように、ターミナルプレート２０ａの面内中央から上方に所定距離だけ離間する位置には、積層方向外方に延在して第１電力取り出し端子５４ａが設けられる。第１電力取り出し端子５４ａは、絶縁性筒状部５６に挿入された状態で、絶縁プレート２２ａ及びエンドプレート２４ａの孔部５８ａを貫通して外部に突出する。第１電力取り出し端子５４ａには、ボルト６０を介して略Ｌ字状の導電板６２が固定される。

図３に示すように、ターミナルプレート２０ｂの面内中央から上方に所定距離だけ離間する位置には、積層方向外方に延在して第２電力取り出し端子５４ｂが設けられる。

図３及び図５に示すように、第２電力取り出し端子５４ｂには、略円柱状の電極部材６４が外装されており、この電極部材６４の小径側先端部には、円柱外周面の両側部を切り欠いて平坦係止面６６が形成される。第２電力取り出し端子５４ｂには、導電部材、例えば、バスバー６８の一端が電気的に接続されるとともに、前記バスバー６８は、前記第２電力取り出し端子５４ｂと交差するエンドプレート面方向に屈曲して延在する。

バスバー６８は、ケーシング７０に収容される。ケーシング７０は、電気絶縁部材、例えば、樹脂系材料で形成されており、バスバー６８を収容する長尺な矩形状本体部７２と、前記矩形状本体部７２の両端に設けられる第１円筒連結部７４ａ及び第２円筒連結部７４ｂとを有する。矩形状本体部７２には、第１円筒連結部７４ａ側に近接して膨出部７６が設けられ、この膨出部７６に孔部７８が形成される。この孔部７８から挿入されるボルト８０は、エンドプレート２４ｂに形成されたねじ孔８２に螺合することにより、矩形状本体部７２が前記エンドプレート２４ｂに固定される。

第１円筒連結部７４ａには、電極部材６４を嵌合するための孔部８４が形成される。この孔部８４は、電極部材６４の平坦係止面６６に対応する開口形状に設定されることにより、ケーシング７０の回り止め機構が構成される。図５に示すように、第１円筒連結部７４ａは、エンドプレート２４ａに形成された孔部８６に挿入されるとともに、第２電力取り出し端子５４ｂは、バスバー６８に形成された孔部８８を貫通してその先端にナット９０が螺合される。

バスバー６８の他端は、第２円筒連結部７４ｂ内でボルト９２を介して高電圧ケーブル９４に固定される。第２円筒連結部７４ｂは、エンドプレート２４ｂの下部側に配置される（図３参照）。この第２円筒連結部７４ｂに連結された高電圧ケーブル９４は、燃料電池スタック１４の側方に沿ってエンドプレート２４ａ側に延在し、デバイス１５に電気的に接続される。図５に示すように、第１円筒連結部７４ａ及び第２円筒連結部７４ｂの開口端側には、絶縁性キャップ９６が装着される。

図２に示すように、エンドプレート２４ａには、矢印Ｃ方向に延在してそれぞれ冷却媒体入口マニホールド１００ａと、冷却媒体出口マニホールド１００ｂとが装着される。冷却媒体入口マニホールド１００ａは、冷却媒体供給連通孔４０ａに連通する一方、冷却媒体出口マニホールド１００ｂは、冷却媒体排出連通孔４０ｂに連通する。冷却媒体入口マニホールド１００ａ及び冷却媒体出口マニホールド１００ｂは、図示しないが、車体前方に配置されたラジエータ（熱交換器）に連通している。

図３に示すように、エンドプレート２４ｂの上部側には、酸化剤ガス供給連通孔３６ａに連通する酸化剤ガス入口マニホールド１０２ａと、燃料ガス供給連通孔３８ａに連通する燃料ガス入口マニホールド１０４ａとが設けられる。エンドプレート２４ｂの下部側には、酸化剤ガス排出連通孔３６ｂに連通する酸化剤ガス出口マニホールド１０２ｂと、燃料ガス排出連通孔３８ｂに連通する燃料ガス出口マニホールド１０４ｂとが設けられる。

図２及び図３に示すように、エンドプレート２４ａ、２４ｂの下側には、マウントブラケット１０６がボルト１０８を介して固定される。各マウントブラケット１０６は、ボルト１１０を介して車両１２に固定される。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。

燃料電池スタック１４では、先ず、図３に示すように、エンドプレート２４ｂの酸化剤ガス入口マニホールド１０２ａから酸化剤ガス供給連通孔３６ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口マニホールド１０４ａから燃料ガス供給連通孔３８ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。一方、エンドプレート２４ａの冷却媒体入口マニホールド１００ａから冷却媒体供給連通孔４０ａに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。

このため、積層体１８では、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数の発電セル１６に対して、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体が矢印Ａ方向に供給される。図４に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔３６ａから第２金属セパレータ３４の酸化剤ガス流路５２に導入され、電解質膜・電極構造体３０のカソード側電極４６に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３８ａから第１金属セパレータ３２の燃料ガス流路４８に導入され、電解質膜・電極構造体３０のアノード側電極４４に沿って移動する。

従って、各電解質膜・電極構造体３０では、カソード側電極４６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４４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。

次いで、カソード側電極４６に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔３６ｂに沿って流動した後、エンドプレート２４ｂの酸化剤ガス出口マニホールド１０２ｂから外部に排出される（図３参照）。同様に、アノード側電極４４に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔３８ｂに排出されて流動し、エンドプレート２４ｂの燃料ガス出口マニホールド１０４ｂからから外部に排出される。

また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔４０ａから第１及び第２金属セパレータ３２、３４間の冷却媒体流路５０に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体３０を冷却した後、冷却媒体排出連通孔４０ｂを移動してエンドプレート２４ａの冷却媒体出口マニホールド１００ｂから排出される。

この場合、第１の実施形態では、図５に示すように、第２電力取り出し端子５４ｂにバスバー６８の一端が電気的に接続されている。このバスバー６８は、第２電力取り出し端子５４ｂに対してエンドプレート２４ｂの面方向に略９０°屈曲して延在するとともに、前記バスバー６８の他端には、高電圧ケーブル９４が接続されている。

このため、例えば、第２電力取り出し端子５４ｂに高電圧ケーブル９４を直接接続し、この高電圧ケーブル９４をエンドプレート２４ａ側に引き出す構成に比べ、前記エンドプレート２４ｂから積層方向外方に突出する距離を可及的に短尺化することができる。高電圧ケーブル９４では、エンドプレート２４ｂ側からエンドプレート２４ａ側に折り返すために大きく湾曲するＲが必要となるからである。

従って、バスバー６８を用いることにより、エンドプレート２４ｂの端面から積層方向外方に高電圧ケーブル９４等の部材が大きく突出することを良好に阻止することができ、燃料電池スタック１４全体の積層方向の配置用スペースが大幅に狭小化されるという効果が得られる。しかも、燃料電池システム１０全体を車両１２の狭小なスペースに良好に配置することができるとともに、レイアウトの自由度を向上させることが可能になる。

また、バスバー６８を収容するケーシング７０では、第１円筒連結部７４ａの孔部８４と電極部材６４とに、平坦係止面６６を有する回り止め機構が構成されている。これにより、バスバー６８を第２電力取り出し端子５４ｂに取り付ける際や、高電圧ケーブル９４を前記バスバー６８に接続する際に、前記バスバー６８が不要に回転することを確実に阻止することができる。

さらに、回り止め機構を介して第２電力取り出し端子５４ｂとバスバー６８との相対取り付け角度が、容易且つ確実に決定される。このため、第２円筒連結部７４ｂをエンドプレート２４ｂの下部側に配置させることが可能になり、高電圧ケーブル９４は、燃料電池スタック１４の側方下部側に沿ってエンドプレート２４ａ側に引き出すことができる。

また、ケーシング７０は、ボルト８０が孔部７８からエンドプレート２４ｂのねじ孔８２に挿入されることにより、前記エンドプレート２４ｂに対して容易且つ確実に固定される。

なお、第１の実施形態では、導電部材としてバスバー６８を用いているが、これに限定されるものではなく、例えば、第２電力取り出し端子５４ｂに連結部材を介してケーブル（図示せず）の一端を前記第２電力取り出し端子５４ｂと直交する方向に延在して固定してもよい。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムを構成する燃料電池スタック１２０の一部断面図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０を構成する燃料電池スタック１４と同様の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３及び第４の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

燃料電池スタック１２０は、バスバー６８を収容するケーシング１２２を備える。ケーシング１２２は、電気絶縁部材、例えば、樹脂系材料で形成されるとともに、このケーシング１２２の表面には、例えば、金属コーティングにより金属層（導電性材料の層）１２４が形成される。金属コーティングとしては、真空蒸着、塗装又はめっき処理等が挙げられる。金属層１２４は、例えば、１０μｍ程度の厚さの金属箔で構成される。

金属材料としては、銅、鉄、ニッケル等が採用される一方、金属材料以外の材料として、シールド機能を有する導電性の材料、例えば、導電性セラミックスや導電性ガラス等が使用可能である。

このように構成される第２の実施形態では、バスバー６８を収容する樹脂系材料製のケーシング１２２の表面に金属層１２４が形成されるため、電磁波シールドが確実に行われる。しかも、ケーシング１２２の表面に金属層１２４を設けるだけでよく、燃料電池スタック１２０全体の軽量化及び省スペース化が可能になるという効果が得られる。

図７は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムを構成する燃料電池スタック１３０の一部断面図である。

燃料電池スタック１３０は、バスバー６８を収容するケーシング７０を囲繞して金属カバー（金属層）１３２が配置される。この金属カバー１３２は、例えば、薄肉状の金属板により構成される。

このように構成される第３の実施形態では、上記の第２の実施形態と同様に、電磁波シールド性能の向上を図るとともに、軽量化及び省スペース化が遂行される。

図８は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システムを構成する燃料電池スタック１４０の概略斜視図である。

燃料電池スタック１４０を構成する高電圧ケーブル１４２は、図９に示すように、芯線１４４の外周に絶縁被覆１４６ａを介してシールド線１４８が設けられる。このシールド線１４８の外周には、絶縁被覆１４６ｂを介して金属筒体１５０が配設され、前記シールド線１４８と前記金属筒体１５０とは、金属ばね１５２を介して電気的に接続される。

金属筒体１５０の外周部には、取付板部１５０ａが形成されるとともに、前記取付板部１５０ａには、導電性ブラケット１５４の一端部が固定具１５６を介して固着される。導電性ブラケット１５４の他端には、接続ピン部材１５８が設けられ、前記接続ピン部材１５８がエンドプレート２４ｂに接続されることにより、前記導電性ブラケット１５４がアース（接地）される。なお、接続ピン部材１５８に代えて、ボルト締めを採用してもよい。

このように構成される第４の実施形態では、高電圧ケーブル１４２の芯線１４４を周回するシールド線１４８が、導電性ブラケット１５４からエンドプレート２４ｂを介して接地されている。このため、高電圧ケーブル１４２からグランド線を取り出す必要がなく、前記高電圧ケーブル１４２のシールド構造が有効に簡素化されるとともに、燃料電池スタック１４０全体の軽量化及び省スペース化が図られるという効果が得られる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムが搭載される車両の一部平面説明図である。 前記燃料電池システムを構成する燃料電池スタックの一方のエンドプレート側の概略斜視図である。 前記燃料電池スタックの他方のエンドプレート側の概略斜視図である。 前記燃料電池スタックを構成する発電セルの分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの図３中、Ｖ−Ｖ線断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムを構成する燃料電池スタックの一部断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムを構成する燃料電池スタックの一部断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システムを構成する燃料電池スタックの概略斜視図である。 高電圧ケーブルの断面説明図である。 従来技術の端子装置の断面説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池システム １２…車両
１４、１２０、１３０、１４０…燃料電池スタック
１５…デバイス １６…発電セル
１８…積層体 ２４ａ、２４ｂ…エンドプレート
２６、７０、１２２…ケーシング ３０…電解質膜・電極構造体
３２、３４…金属セパレータ ５４ａ、５４ｂ…電力取り出し端子
５８ａ、７８、８４、８６、８８…孔部 ６４…電極部材
６６…平坦係止面 ６８…バスバー
７２…矩形状本体部 ７４ａ、７４ｂ…円筒連結部
９４、１４２…高電圧ケーブル １２４…金属層
１３２…金属カバー １４４…芯線
１４８…シールド線 １５０…金属筒体
１５４…導電性ブラケット

Claims (6)

1. 一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルを設け、前記発電セルが複数積層された積層体の積層方向両端にエンドプレートが配設されるとともに、各エンドプレートから前記積層体の積層方向外方に突出して電力取り出し端子が設けられる燃料電池スタックを備える燃料電池システムにおいて、
   一方の前記電力取り出し端子に一端が電気的に接続され、前記電力取り出し端子と交差するエンドプレート面方向に延在する平板状の導電部材と、
   前記導電部材の他端に電気的に接続され、他方の前記電力取り出し端子側に延在するケーブルと、
   を備え、
   前記導電部材は、ケーシングに収容されるとともに、
   前記導電部材の一端側に位置する前記ケーシングの一端には、前記導電部材が前記エンドプレート面方向に沿って前記電力取り出し端子を支点に回転することを阻止するための１つの回り止め機構が設けられることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記ケーシングは、電気絶縁部材で構成されることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２記載の燃料電池システムにおいて、前記ケーシングの表面側には、導電性材料の層が設けられることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記導電部材は、バスバーで構成されることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１、２又は４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記ケーブルに設けられるシールド線に接続される導電性ブラケットを備え、
   前記導電性ブラケットは、前記エンドプレートを介してアースされることを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックは、車両に搭載されるとともに、
   前記燃料電池スタックにおける前記車両の前進方向前方には、前記電力取り出し端子に電気的に接続されるデバイスが配置されることを特徴とする燃料電池システム。

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