JP4888755B2

JP4888755B2 - 燃料電池用ケース

Info

Publication number: JP4888755B2
Application number: JP2005008713A
Authority: JP
Inventors: 秀幸田中
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-01-17
Filing date: 2005-01-17
Publication date: 2012-02-29
Anticipated expiration: 2025-01-17
Also published as: JP2006196386A

Description

本発明は、燃料電池スタックを内部に収容する燃料電池用ケースに関するものである。

単セルを積層してなるスタック構造の燃料電池（以下、燃料電池スタックと称する。）は、そのセル積層方向の両端にエンドプレートを配している（例えば、特許文献１参照。）。エンドプレートには、流体配管の接続部や単セルの締結部などが配される。また、エンドプレートには、センサやバルブ等の補機部品がボルトなどにより固定されている。
また、燃料電池スタックは、塵埃や水などから保護されるべく、密閉構造の燃料電池用ケースの内部に収容され、例えば車両に搭載される場合には、乗員室の前方や車室床などに搭載される。特許文献１に記載の燃料電池用ケースは、上方を開口した凹状容器と、凹状容器に対する蓋部材と、の上下二分割構造で構成されている。凹状容器と蓋部材とは、接合部となるそれぞれのフランジ部をボルトにより締結され、内部に燃料電池スタックを収容する空間が構成されている。
特開２００２−３６２１６４号公報（第３頁〜第５頁、第１５図等）

しかし、このような従来の燃料電池用ケースでは、燃料電池スタックの補機部品等のメンテナンスをし難い場合があった。例えば、凹状容器の深さが深いと、蓋部材を取り外しても、エンドプレートに設けたボルトなどが十分に露出せず、ボルトへのアクセスのために燃料電池スタックを凹状容器から取り出さなければならなかった。

もっとも、かかる不具合を解消するために、補機部品やボルトの配置位置を変更することも考えられるが、限界がある。また、凹状容器でない平板上に凹状の蓋部材を被せることも考えられる。しかし、平板の強度を確保するために剛性を高める構造が必要となり、重量増加などを招いてしまう。

本発明は、ケース部材の剛性を適切に確保しつつ、燃料電池スタックのメンテナンス性を高めることができる燃料電池用ケースを提供することをその目的としている。

本発明の燃料電池用ケースは、単セルを積層してなる燃料電池スタックを、上部ケース部材と下部ケース部材とを接合して組み立てられた内部に収容する燃料電池用ケースであって、前記下部ケース部材は、底壁部と、当該底壁部の周縁に沿って立ち上がるように形成された周壁部と、当該周壁部の上端部から外方向に張り出したフランジ部とを有し、前記下部ケース部材における周壁部の前記燃料電池スタックを収容する深さには、セル積層方向において深い部分と浅い部分とが存在し、前記セル積層方向の一方の側に対応する部分から他方の側に対応する部分にかけて、徐々に浅くなるようにして前記深い部分と前記浅い部分とが形成され、前記燃料電池スタックには、前記セル積層方向の一端側にのみ流体配管が設けられ、前記下部ケース部材の前記セル積層方向の他方の側を構成する前記周壁部の側壁部であって、前記浅い部分のうち最も浅い部分を構成する側壁部が、前記流体配管が設けられた前記燃料電池スタックの一端側に対応し、前記上部ケース部材は、前記下部ケース部材と同一の構成を有し、前記上部ケース部材における浅い部分が前記下部ケース部材における深い部分と、前記上部ケース部材における深い部分が前記下部ケース部材における浅い部分とそれぞれ対向するように接合されるものである。

この構成によれば、上部ケース部材を下部ケース部材から取り外した際、燃料電池スタックは、下部ケース部材の浅い部分に臨む部分については広く外部に露出する。これにより、下部ケース部材から燃料電池スタックを取り出さなくとも、この浅い部分から燃料電池スタックにアクセスすることができるため、その点検などがし易くなる。特に、浅い部分に対応して燃料電池スタックに補機部品やその締結部品等を配置すると、これらのメンテナンス性を高めることができる。
また、下部ケース部材の構成として、浅い部分のみならず深い部分をも設けたことで、下部ケース部材について高い剛性を確保することができる。さらに、上部ケース部材および下部ケース部材が浅い部分と深い部分とを有する構造であるので、例えばプレス加工による成形性を高めることができる。また、例えば上部ケース部材および下部ケース部材を一対の同じ構造とすれば、部品点数の削減や製造コストの低下となる。

これらの場合、下部ケース部材のセル積層方向の一方の側を構成する周壁部の側壁部であって、深い部分のうち最も深い部分を構成する側壁部が、燃料電池スタックの単セルの締結部側に対応していることが、好ましい。

一般に、燃料電池スタックは、セル積層方向において流体配管の接続部側にバルブや継手などの補機部品が配置される。これらの補機部品は、メンテナンスの頻度が高い。よって、上記のような構成とすることで、浅い部分をメンテナンスの頻度が高い側に対応させることができ、メンテナンス性をより一層高めることができる。

これらの場合、上部ケース部材と下部ケース部材とが接合される接合部分は、上部ケース部材および下部ケース部材の周方向に亘って設けられ、且つ接合部分は、同一の平面内にあることが、好ましい。

この構成によれば、接合部分がこれらケース部材の周方向に設けられているため、接合のための面積を十分にとることができる。また、接合部分が同一の平面内にあるため、斜め見切りとなるような構造となる。これは、例えばプレス加工による成形性が良好となる点で有用となる。

これらの場合、上部ケース部材は、一の部材または分割構造の複数の部材で構成されていることが、好ましい。

この構成によれば、上部ケース部材を一部材で構成した場合には、その構造を単純化することができる。また、上部ケース部材の複数の部材は、例えば、上部の蓋部材と、蓋部材と下部ケース部材との間に設けられる中間部材と、で構成すればよい。

本発明の燃料電池用ケースによれば、ケース部材の剛性を適切に確保しつつ、燃料電池スタックのメンテナンス性を高めることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池用ケースについて説明する。

＜第１実施形態＞
図１に示すように、燃料電池スタック１は、燃料電池の基本単位となる単セル２を多数積層したスタック本体３を有している。燃料電池スタック１は、スタック本体３の両端に位置する単セル２の外側に、順次、カバープレート５、出力端子付きのターミナルプレート６、絶縁プレート７およびエンドプレート８，９を積層して構成されている。

燃料電池としては、リン酸型など複数の種類があるが、ここでは車載や定置用に好適な固体高分子電解質型で構成されている。単セル２は、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）を一対のセパレータで挟持して構成されている。単セル２は、酸化剤ガス（空気）および燃料ガス（水素）の供給を受けて発電し、これにより起電力が得られる。

スタック本体３の一端側のエンドプレート８と絶縁プレート７との間には、プレッシャプレート１１及びばね機構１２からなる締結部１３が設けられている。締結部１３により、セル積層方向に所定の圧縮力がかかり、単セル２にかかる荷重の変動が吸収される。スタック本体３の他端側のエンドプレート９には、いずれも図示省略したが、スタック本体３内に各種流体（酸化剤ガス、燃料ガス、冷媒）を供給する流体配管の接続部と、セル積層方向にスタック本体３内を通流した各種流体をスタック本体３外に排出する流体配管の接続部と、が設けられている。

このように、燃料電池スタック１は、セル積層方向の一方の側が単セル２の締結部１３側に対応し、セル積層方向の他方の側が流体配管の接続部側に対応している。そして、燃料電池スタック１は、その周辺の検出機器やサービスプラグなどの高電圧部品などと一緒にスタックケース２０に収容されている。

図２は、スタックケース２０の分解斜視図であり、図３は、燃料電池スタック１を内部に収容したスタックケース２０の断面図である。なお、図３では、セル積層方向が分かる程度に燃料電池スタック１の構成を簡略化している。

スタックケース２０（燃料電池用ケース）は、上下二分割構造からなり、上方開口されたロアケース２１（下部ケース部材）と、ロアケース２１に対して蓋として機能するアッパケース２２（上部ケース部材）と、で構成されている。スタックケース２０は、ロアケース２１とアッパケース２２とを接合して箱型に組み立てられる。そして、この組み立てられたケース内部に、セル積層方向が水平方向（ケースの深さ方向に直交する方向）となるように燃料電池スタック１が収容される。

ロアケース２１およびアッパケース２２は、金属や硬質樹脂により形成することができるが、ここでは軽量化や放熱性を考慮してアルミニウムにより形成されている。より詳細には、ロアケース２１およびアッパケース２２は、例えば３ｍｍ、好ましくは１ｍｍ程度からなるアルミニウム製の薄板をプレス成形することにより、所定の形状に形成されている。

ロアケース２１は、底壁部３１と、底壁部３１の周縁に沿って立ち上がるように形成された周壁部３２と、周壁部３２の上端部から外方向に張り出したフランジ部３３と、で一体に構成されている。ロアケース２１は、プレス成形されることでこれらの構成部分（３１，３２，３３）を具備する。底壁部３１の内面には、燃料電池スタック１の底部を支持する絶縁体のマウント３５が設けられている。スタックケース２０は、底壁部３１の外面をブラケット等に支持させ、例えばこのブラケット等を車両のフレームに固定することで、車両床下や車室前方などに設置される。

フランジ部３３は、周壁部３２の上端部に周方向に亘って形成され、周壁部３２の上端部から外側に屈曲して延在している。フランジ部３３は、ねじ締結可能な所定の幅を有している。フランジ部３３の上端面が、アッパケース２２の後述するフランジ部５３に対面し、これに接触する接合面となっている。なお、フランジ部３３の縁部を周方向に亘って折り曲げてなる折曲げ部を更に設けることで、フランジ部３３の剛性を高めることができ、ロアケース２１としても強度を向上することができる。

周壁部３２は、前後および左右の四つの側壁部からなる。周壁部３２は、燃料電池スタック１のセル積層方向において高さが異なっている。すなわち、周壁部３２のセル積層方向上に位置する二つの側壁部は、一方の側壁部の深さ（底壁部３１からの高さ）が深く、他方の側壁部の深さ（底壁部３１からの高さ）が浅くなっている。

これを詳述するに、周壁部３２および底壁部３１からなる凹状部４０は、燃料電池スタック１の下側部分を収容する所定の深さを有しており、凹状部４０は、セル積層方向の一方の側に対応する部分から他方の側に対応する部分にかけて、徐々に浅くなるように形成されている。この場合、凹状部４０の最も深い部分４１は、燃料電池スタック１の単セル２の締結部１３側に対応し、凹状部４０の最も浅い部分４２は、燃料電池スタック１の流体配管の接続部側に対応している。なお、最も浅い部分４２側のセル積層方向上の側壁部は、フランジ部３３と直角に連なっているが、鈍角に連なってもよい。

アッパケース２２は、ロアケース２１と対となるように、ロアケース２１と全く同じ構成部分で構成されている。アッパケース２２は、上壁部５１と、上壁部５１の周縁に沿って垂下するように形成された周壁部５２と、周壁部５２の下端部から外方向に張り出したフランジ部５３と、で一体に構成されている。アッパケース２２は、プレス成形されることでこれらの構成部分（５１，５２，５３）を具備する。

なおもちろん、アッパケース２２をロアケース２１と全く同じ構成としないようにしてもよい。また、図示省略したが、アッパケース２２の内側（スタックケース２０の内部）には、燃料電池スタック１の駆動に関わる制御を行うための回路基板などが設けられている。さらに、周壁部５２には、スタック本体３内に供される各種流体（酸化剤ガス、燃料ガス、冷媒）の流体配管を挿通するための貫通孔が形成されているが、ここでは図示省略している。これらの流体配管は、スタックケース２０外からスタックケース２０内へと延在している。

フランジ部５３は、周壁部５２の下端部に周方向に亘って形成され、周壁部５２の下端部から外側に屈曲して延在している。フランジ部５３は、ロアケース２１のフランジ部３３と同程度に、ねじ締結可能な所定の幅を有している。フランジ部５３の下端面が、ロアケース２１のフランジ部３３の上端面に周方向に亘って接触する接合面となって、ロアケース２１およびアッパケース２２が互いに接合される。この接合状態のフランジ部３３，５３同士は、バネ座金６１を介してボルト６２およびナット６３により締結されて、互いの接合面が強密着している。

これにより、スタックケース２０の内部空間６６は、略気密に密閉されている。ねじ締結による接合方法を用いることで、フランジ部３３，５３同士の分離を簡易に行うことができ、スタックケース２０の分割を簡易に且つ迅速に行い得る。なお、フランジ部５３にも、上記同様に折曲げ部を設けてもよい。また、フランジ部３３とフランジ部５３との間に、Ｏリングなどのシールを介在させてもよい。

周壁部５２は、上記の周壁部３２と同様に、前後および左右の四つの側壁部からなり、セル積層方向において高さが異なっている。すなわち、周壁部５２のセル積層方向上に位置する二つの側壁部は、一方の側壁部の深さ（上壁部５１からの高さ）が深く、他方の側壁部の深さ（上壁部５１からの高さ）が浅くなっている。そして、周壁部５２および上壁部５１からなる凹状部７０は、燃料電池スタック１の上側部分を収容する所定の深さを有して、ロアケース２１側の凹状部４０に対応して相補的形状に形成されている。

すなわち、凹状部７０の最も浅い部分７１は、ロアケース２１側の凹状部４０の最も深い部分４１側に対応し、凹状部７０の最も深い部分７２は、凹状部４０の最も浅い部分４２側に対応している。そして、ロアケース２１とアッパケース２２とを接合した状態では、上壁部５１の上面は、傾斜することなく水平に位置するようになっている。また、この接合状態では、両者の周壁部３２，５２の内面および外面はともに面一になる。なお、最も浅い部分７１側のセル積層方向上の側壁部は、フランジ部５３と直角に連なっているが、鈍角に連なってもよい。

本実施形態では、二つの凹状部４０，７０の深さを上記のように構成したことにより、ロアケース２１およびアッパケース２２の接合部分８０は、セル積層方向の一方の側から他方の側にかけて徐々に高さレベルが低くなる。この接合部分８０の高さレベルは、図３に示す中央の一点鎖線Ｌ１に示すように、水平方向に対し傾斜しており、接合部分８０の低位側と高位側とは、同一の平面内にある。すなわち、ロアケース２１とアッパケース２２との見切りは、斜めに設定されている。

また、下側の一点鎖線Ｌ２は、Ｌ１に平行な線で、ロアケース２１の最も深い部分４１側の角部を通る。上側の一点鎖線Ｌ３は、Ｌ１に平行な線で、アッパケース２２の最も深い部分７２側の角部を通る。上記のとおり、ロアケース２１とアッパケース２２とを同一の構成としたので、Ｌ１とＬ２との間の距離と、好ましくはＬ１とＬ３との間の距離とは、等しくなっている。なおもちろん、Ｌ１とＬ２との間の距離（深さ）、とＬ１とＬ３との間の距離（深さ）とは等しくなくてもよい。

ここで、燃料電池スタック１とスタックケース２０との関係について簡単に説明する。マウント３５上の燃料電池スタック１は、スタックケース２０のケース内壁と所定の間隙を存している。燃料電池スタック１の流体配管の接続部側は、ロアケース２１およびアッパケース２２の接合部分８０の低位側、すなわちロアケース２１の浅い部分４２に位置している。一方、燃料電池スタック１の単セル２の締結部１３側は、接合部分８０の高位側、すなわちロアケース２１の深い部分４１に位置している。

そして、アッパケース２２をロアケース２１から取り外した状態では、ロアケース２１内の燃料電池スタック１は、接合部分８０の低位側に位置する部分が高位側に位置する部分よりも広く上方に露出する。燃料電池スタック１のエンドプレート８，９には、補機部品９１が締結ボルト９２により固定されており、アッパケース２２を取り外した状態では、この締結ボルト９２へのアクセスが可能となる。

ここで、補機部品９１とは、燃料電池スタック１に付随する部品であり、例えばバルブや継手などの各種流体の配管系要素のほか、センサや高電圧部品等を含む。締結ボルト９２は、接合部分８０の高さレベル（Ｌ１）よりも高い位置に設定されて二つのエンドプレート８，９に取り付けられており、アッパケース２２を取り外した際にロアケース２１の上方へと露出する。

以上のように、本実施形態のスタックケース２０によれば、燃料電池スタック１をその補機部品９１などと一緒に適切に収容することができると共に、補機部品９１の点検・調整のためにアッパケース２２を取り外すだけで、補機部品９１の締結ボルト９２にアクセスすることができる。これにより、ロアケース２１から燃料電池スタック１を取り出すことなく、工具９４により締結ボルト９２の取外しや調整を行うことができる。したがって、補機部品９１のメンテナンス性を高めることができると共に、補機部品９１の組付けの自由度も高めることができる。

特に、燃料電池スタック１においては、単セル２の締結部１３側に比べて流体配管の接続部側にバルブ等の補機部品９１が多く配置される。このため、流体配管の接続部側の方が、メンテナンスの頻度が高くなる。上記のように、流体配管の接続部側をロアケース２１の浅い部分４２（接合部分８０の低位側）としたため、メンテナンス性をより一層高めることができる。また、締結部品（９２）のメンテナンス用の作業穴などをスタックケース２０に設けなくても済む。

また、ロアケース２１およびアッパケース２２の構成として、浅い部分４２，７１を単に設けたのではなく、深い部分４１，７２と一緒に設けたため、これらロアケース２１およびアッパケース２２について高い剛性を適切に確保することができる。さらに、ロアケース２１およびアッパケース２２が対の同一構成であるため、部品点数の削減や製造コストの低下させる上で有用となる。

図４は、ロアケース２１（アッパケース２２）のプレス加工の成形性について説明する説明図である。
同図（ａ）に示す従来のプレス加工に際しては、ロアケース２１´の深さが全体に均一に深くなるように、薄板を深絞り加工する必要がある。これに対し、同図（ｂ）に示す本実施形態のロアケース２１をプレス加工する場合には、ロアケース２１の深い部分４１が局所的（部分的）になるように、薄板を深絞り加工すればよい。このため、本実施形態のロアケース２１の構成とすることで、ロアケース２１の深絞り加工による成形性が良好となる。また、ケース成形のし易さは、ロアケース２１とアッパケース２２とも同じとなる。なお、プレス加工以外の工法、例えば鋳造や溶接によりスタックケース２０を構成するようにしてもよい。

なお、上記の説明では、ロアケース２１とアッパケース２２との見切りを斜めに設定したが、もちろん水平に設定してもよい。すなわち、ロアケース２１のフランジ部３３は、周壁部３２の下端部から外側に直角に屈曲して延在し、アッパケース２２のフランジ部５３は、周壁部５２の上端部から外側に直角に屈曲して延在してもよい。また、スタックケース１の内部に収容される燃料電池スタック１の数は一つに限られず、複数の燃料電池スタック１を並置してもよい。

さらに、ロアケース２１の凹状部４０の上記構成に代えて、凹状部４０は、セル積層方向の一方の側から他方の側にかけて段状に浅くなってもよい。このような構成となると、ロアケース２１の四辺からなるフランジ部３３は、セル積層方向の一方の辺が高位に設定され、セル積層方向の他方の辺が低位に設定され、さらに、これらの対辺を結ぶように、セル積層方向に沿って延びる二辺は、それぞれ段差を有して構成される。

＜第２実施形態＞
次に、図５を参照して、第２実施形態に係るスタックケース２０について相違点を中心に説明する。第１実施形態との相違点は、アッパケース２２を二分割構造の部材で構成したことである。第１実施形態と共通する部分については、同一の符号を付してその説明を省略する。

アッパケース２２は、上部の蓋ケース１０１と、蓋ケース１０１とロアケース２１との間に設けられる中間ケース１０２と、の上下二分割構造で構成されている。中間ケース１０２は、上方および下方が開口した筒状に構成されている。中間ケース１０２は、下側のフランジ部１１１をロアケース２１のフランジ部３３に接合され、上側のフランジ部１１２を蓋ケース１０１のフランジ部１２１に接合される。

中間ケース１０２およびロアケース２１の接合部分１３０（フランジ部１１１，３３同士）は、セル積層方向の一方の側から他方の側にかけて徐々に高さレベルＬ１が底壁部３１に対して低くなる。蓋ケース１０１は、浅皿状に僅かに凹部を有しているが、平板で構成することもできる。

図示省略したが、燃料電池スタック１をスタックケース２０の内部に収容した状態では、燃料電池スタック１の流体配管の接続部側は、接合部分１３０の低位側すなわちロアケース２１の浅い部分４２に位置し、燃料電池スタック１の単セル２の締結部１３側は、接合部分１３０の高位側すなわちロアケース２１の深い部分４１に位置するようになっている。そして、中間ケース１０２をロアケース２１から取り外した状態では、ロアケース２１内の燃料電池スタック１に取り付けた補機部品９１の締結ボルト９２が、ロアケース２１の上面（フランジ３３の面）よりも上方に露出するようになっている。

本実施形態のスタックケース２０の構成によっても、アッパケース２２およびロアケース２１の接合部分１３０の高さレベルが、セル積層方向において異なるため、中間ケース１０２をロアケース２１から取り外すだけで、補機部品９１の点検・調整を行うことができる。また、ロアケース２１の剛性を高く維持できる点なども同様である。

なお、アッパケース２２を上下に二分割としたが、三分割など複数分割としても同様である。また、分割方向は上下のみならず、左右への分割であってもよい。さらに、アッパケース２２のみならず、ロアケース２１を分割構造の複数の部材で構成してもよい。

実施形態に係る燃料電池スタックの構成を示す側面図である。第１実施形態に係る燃料電池用ケースの構成を示す分解斜視図である。第１実施形態に係る燃料電池用ケースの構成を示す断面図である。燃料電池用ケースの下部ケース部材について説明する図であり、（ａ）従来の下部ケース部材、（ｂ）実施形態に係る下部ケース部材を示す図である。第２実施形態に係る燃料電池用ケースの構成を示す断面図である。

符号の説明

１燃料電池スタック、２単セル、１３締結部、２０スタックケース（燃料電池用ケース）、２１ロアケース（下部ケース部材）、２２アッパケース（上部ケース部材）、４０凹状部、４１深い部分、４２浅い部分、７０凹状部、７１浅い部分、７２深い部分、８０接合部分、９１補機部品、９２締結ボルト、９４工具、１０１蓋ケース、１０２中間ケース、１３０接合部分

Claims

単セルを積層してなる燃料電池スタックを、上部ケース部材と下部ケース部材とを接合して組み立てられた内部に収容する燃料電池用ケースであって、
前記下部ケース部材は、底壁部と、当該底壁部の周縁に沿って立ち上がるように形成された周壁部と、当該周壁部の上端部から外方向に張り出したフランジ部とを有し、
前記下部ケース部材における周壁部の前記燃料電池スタックを収容する深さには、セル積層方向において深い部分と浅い部分とが存在し、
前記セル積層方向の一方の側に対応する部分から他方の側に対応する部分にかけて、徐々に浅くなるようにして前記深い部分と前記浅い部分とが形成され、
前記燃料電池スタックには、前記セル積層方向の一端側にのみ流体配管が設けられ、
前記下部ケース部材の前記セル積層方向の他方の側を構成する前記周壁部の側壁部であって、前記浅い部分のうち最も浅い部分を構成する側壁部が、前記流体配管が設けられた前記燃料電池スタックの一端側に対応し、
前記上部ケース部材は、前記下部ケース部材と同一の構成を有し、
前記上部ケース部材における浅い部分が前記下部ケース部材における深い部分と、前記上部ケース部材における深い部分が前記下部ケース部材における浅い部分とそれぞれ対向するように接合される、燃料電池用ケース。
前記下部ケース部材の前記セル積層方向の一方の側を構成する前記周壁部の側壁部であって、前記深い部分のうち最も深い部分を構成する側壁部が、前記燃料電池スタックの単セルの締結部側に対応している請求項１に記載の燃料電池用ケース。
前記上部ケース部材と前記下部ケース部材とが接合される接合部分は、前記上部ケース部材及び前記下部ケース部材の周方向に亘って設けられ、
前記接合部分は、同一の平面内にある請求項１又は２に記載の燃料電池用ケース。
前記上部ケース部材は、一の部材または分割構造の複数の部材で構成されている請求項１ないし３のいずれか一項に記載の燃料電池用ケース。