JP6137163B2

JP6137163B2 - 燃料電池ユニット

Info

Publication number: JP6137163B2
Application number: JP2014260255A
Authority: JP
Inventors: 道太郎糸賀
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-12-24
Filing date: 2014-12-24
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2034-12-24
Also published as: US20160190632A1; CA2914733C; CN105742543A; JP2016122502A; DE102015120909A1; CA2914733A1; KR20160078249A

Description

本発明は、燃料電池ユニットに関する。

特許文献１には、燃料電池がケースに収容された燃料電池ユニットについて記載されている。このような燃料電池ユニットでは、燃料電池は、複数の単セルを積層方向に積層して成り、積層方向に圧縮する圧縮荷重によって締結されている。その燃料電池を収容するケースは、燃料電池を収容する空間を画定する複数の壁面を有し、これら複数の壁面は、燃料電池の圧縮荷重に対する反力を受ける。特許文献１には、これら複数の壁面のうち燃料電池の積層方向に沿った壁面に積層方向に延びた開口を形成し、この開口を通じてケース内側を換気することについても記載されている。

特許５２９３８１３号公報

特許文献１の燃料電池ユニットでは、ケース内側の換気を実現するために、ケースにおける積層方向に沿った壁面に積層方向に延びた開口が形成されていることから、ケースの強度が低下するという課題があった。そのため、ケースの強度低下を抑制しつつケース内側の換気を実現可能な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。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、積層された複数の単セルを有し、前記単セルは積層方向に圧縮する圧縮荷重によって締結される燃料電池と、前記燃料電池を収容する空間を画定するとともに前記積層方向を向いた壁面を、有するケースであって、前記壁面は、前記圧縮荷重に対する反力を前記積層方向から受け、前記壁面には、前記空間から前記壁面の外側へと貫通する貫通孔が形成された、ケースと、前記貫通孔に嵌まり合い、前記貫通孔において前記空間と前記壁面の外側との間で換気を可能に構成された換気部材と、を備え、前記貫通孔は円形断面を成し、前記貫通孔の内周面には雌ねじが形成され、前記換気部材は円筒形を成し、前記換気部材の外周面には、前記雌ねじに嵌まり合う雄ねじが形成されている。

（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、積層された複数の単セルを有し、前記単セルは積層方向に圧縮する圧縮荷重によって締結される燃料電池と；前記燃料電池を収容する空間を画定するとともに前記積層方向を向いた壁面を、有するケースであって、前記壁面は、前記圧縮荷重に対する反力を前記積層方向から受け、前記壁面には、前記空間から前記壁面の外側へと貫通する貫通孔が形成された、ケースと；前記貫通孔に嵌まり合い、前記貫通孔において前記空間と前記壁面の外側との間で換気を可能に構成された換気部材と；を備える。この形態によれば、ケースの壁面のうち積層方向を向いた壁面は、積層方向に沿った壁面と比較して十分に補強されていることに加え、積層方向を向いた壁面に形成された貫通孔に換気部材が嵌まり合うため、ケースの強度低下を抑制しつつケース内側の換気を実現できる。また、換気部材が嵌まる貫通孔は、貫通方向に直交する方向に加わる応力に対する強度より貫通方向に加わる応力に対する強度の方が強いため、換気部材が嵌まる貫通孔を積層方向に沿った壁面に設ける場合より、積層方向を向いた壁面に設ける場合の方が強度低下を抑制できる。

（２）上記形態の燃料電池ユニットにおいて、前記貫通孔は円形断面を成し、前記貫通孔の内周面には雌ねじが形成され；前記換気部材は円筒形を成し、前記換気部材の外周面には、前記雌ねじに嵌まり合う雄ねじが形成されていてもよい。この形態によれば、換気部材を壁面に固定するための構造（ボルト取付穴など）を換気部材に別途設ける必要がないため、換気部材が壁面の外側に突出する長さを抑制できる。その結果、燃料電池ユニットの小型化を図ることができる。また、貫通孔の形状が比較的に応力を抑制可能な円形断面であり、その貫通孔に円筒形の換気部材が嵌まり合うため、ケースの強度低下を一層抑制できる。

（３）上記形態の燃料電池ユニットにおいて、前記貫通孔は、前記ケースの外部から前記貫通孔を通じて前記燃料電池を前記積層方向に押圧可能な位置に形成されていてもよい。この形態によれば、燃料電池ユニットの製造時に燃料電池を押圧するための貫通孔をケースに別途設ける必要がないため、燃料電池ユニットの製造コストを抑制できる。

（４）上記形態の燃料電池ユニットにおいて、前記換気部材には、前記換気部材が前記貫通孔に嵌まり合った状態で前記壁面の外側に向けて突出する把手が形成されていてもよい。この形態によれば、作業者は把手を掴んで換気部材を貫通孔に嵌め合わすことができるため、換気部材を容易に組み付けることができる。

本発明の形態は、燃料電池ユニットに限るものではなく、例えば、燃料電池ユニットを搭載した車両、燃料電池ユニットを製造する方法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。

車両の概略構成を示す説明図である。車両の断面形状を示す断面図である。燃料電池ユニットのケースの外観構成を示す斜視図である。ケースの分解斜視図である。貫通孔に嵌まり合った換気部材の断面を示す説明図である。他の実施形態における換気部材を示す説明図である。他の実施形態における換気部材を示す説明図である。他の実施形態における換気部材を示す説明図である。

図１は、車両１０の概略構成を示す説明図である。図２は、車両１０の断面形状を示す断面図である。図２には、図１の矢視Ｆ２−Ｆ２から見た車両１０の断面が示されている。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軸におけるＸ軸は、車両１０を後方から見た場合に車両１０の左側から車両１０の右側に向かう座標軸である。図１のＸＹＺ軸におけるＹ軸は、車両１０の前方から後方に向かう座標軸である。図１のＸＹＺ軸におけるＺ軸は、重力方向の下方から上方に向かう座標軸である。図１のＸＹＺ軸は、他の図におけるＸＹＺ軸に対応する。

車両１０は、車体１２と、燃料電池ユニット２００とを備える。車両１０は、燃料電池ユニット２００で生成した電力を用いて走行する。車両１０の車体１２は、車両１０の外殻を構成する。車体１２には、座席２０，２２，２４、並びに、車輪３２，３４，３６，３８が設けられている。

座席２０，２２，２４は、乗客が着席可能に構成されている。座席２０は、車体１２の右側（＋Ｘ軸方向側）に位置する。座席２２は、車体１２の左側（−Ｘ軸方向側）に位置する。座席２４は、座席２０および座席２２より後方（＋Ｙ軸方向側）に位置する。

車輪３２，３４，３６，３８は、燃料電池ユニット２００で生成された電力を用いて駆動される。他の実施形態では、車両１０の駆動輪は、前方に位置する車輪３２，３４のみであってもよいし、後方に位置する車輪３６，３８のみであってもよい。

車両１０の車体１２は、薄板を成型した床部４４を備える。本実施形態では、床部４４には、突出部４６が形成されている。突出部４６は、床部４４の部位のうち、重力方向上側（＋Ｚ軸方向側）に突出するとともに車両１０の前方から後方へと延びた部位である。

床部４４の重力方向下側（−Ｚ軸方向側）には、燃料電池ユニット２００が設けられている。本実施形態では、燃料電池ユニット２００は、４つの車輪３２，３４，３６，３８の中央に位置する。本実施形態では、燃料電池ユニット２００は、座席２０，２２の重力方向下側（−Ｚ軸方向側）に位置する。本実施形態では、燃料電池ユニット２００は、突出部４６の重力方向下側（−Ｚ軸方向側）に位置する。

車両１０の燃料電池ユニット２００は、燃料電池スタック２１０を収納した装置である。燃料電池スタック２１０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を積層して成り、積層方向に圧縮する圧縮荷重によって締結されている。本実施形態では、積層方向は、Ｘ軸方向である。本実施形態では、燃料電池スタック２１０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。

図２に示すように、燃料電池ユニット２００は、燃料電池スタック２１０の他、ケース２２０と、ロアカバー２２１と、絶縁板２２２と、スタックマニホールド２３０と、絶縁板２３２と、エンドプレート２４０と、補機２５０と、補機カバー２５２とを備える。

燃料電池ユニット２００のケース２２０は、箱状を成す導体である。ケース２２０の内側には、燃料電池スタック２１０が収容される。燃料電池ユニット２００のロアカバー２２１は、板状を成す導体である。ロアカバー２２１は、ケース２２０の開口部に取り付けられ、ケース２２０の内側に燃料電池スタック２１０を密閉する。

燃料電池ユニット２００の絶縁板２２２は、燃料電池スタック２１０とエンドプレート２４０との間を電気的に絶縁する。燃料電池ユニット２００の絶縁板２３２は、燃料電池スタック２１０とスタックマニホールド２３０との間を電気的に絶縁する。燃料電池ユニット２００のエンドプレート２４０は、絶縁板２２２を介して燃料電池スタック２１０をケース２２０の内側に保持する。

燃料電池ユニット２００のスタックマニホールド２３０は、板状を成す導体である。スタックマニホールド２３０には、燃料電池スタック２１０へ反応ガスおよび冷却媒体を流通させる種々の流路が形成されている。スタックマニホールド２３０は、ケース２２０に取り付けられている。

燃料電池ユニット２００の補機２５０は、燃料電池スタック２１０に水素および空気を供給する。本実施形態では、補機２５０は、スタックマニホールド２３０に取り付けられている。燃料電池ユニット２００の補機カバー２５２は、補機２５０を覆う導体である。本実施形態では、補機カバー２５２は、スタックマニホールド２３０に取り付けられている。

図３は、燃料電池ユニット２００のケース２２０の外観構成を示す斜視図である。図４は、ケース２２０の分解斜視図である。ケース２２０は、燃料電池スタック２１０を収容する空間を画定する壁面として、壁面２２４と、壁面２２６と、壁面２２７と、壁面２２９とを有する。

ケース２２０の壁面２２４は、積層方向に沿った壁面であり、本実施形態では、ＸＹ平面に沿った壁面である。壁面２２４は、壁面２２６と壁面２２７との間を繋ぐ。ケース２２０の壁面２２６および壁面２２７は、積層方向に沿った壁面であり、本実施形態では、相互に対向するＸＺ平面に沿った壁面である。ケース２２０の壁面２２９は、積層方向を向いた壁面であり、本実施形態では、ＹＺ平面に沿った壁面である。本実施形態では、壁面２２９は、壁面２２４，２２６，２２７の各−Ｘ軸方向側に繋がる。壁面２２４，２２６，２２７，２２９は、燃料電池スタック２１０を積層方向に圧縮する圧縮荷重に対する反力を受ける。本実施形態では、積層方向を向いた壁面２２９には、十分な強度を確保するためにリブ２７２が形成されている。

壁面２２９には、燃料電池スタック２１０を収容する空間から壁面２２９の外側へと貫通する貫通孔２７０が形成されている。本実施形態では、貫通孔２７０の断面形状は、円形である。他の実施形態では、貫通孔２７０の断面形状は、多角形、楕円および扇形などの円形以外の形であってもよい。本実施形態では、貫通孔２７０は、ケース２２０の外部から貫通孔２７０を通じて燃料電池スタック２１０を積層方向に押圧可能な位置に形成されている。本実施形態では、壁面２２９には、３つの貫通孔２７０が形成されている。壁面２２９における貫通孔２７０の数は、１つでも２つでもよいし、４つ以上でもよい。

壁面２２９の貫通孔２７０には、換気部材３００が設けられている。換気部材３００は、貫通孔２７０に嵌まり合う円筒形を成し、燃料電池ユニット２００が収容された空間と壁面２２９の外側との間で換気を可能に構成されている。

図５は、貫通孔２７０に嵌まり合った換気部材３００の断面を示す説明図である。換気部材３００は、枠体３１０と、フィルタ３４０と、ガスケット４１０とを備える。

換気部材３００の枠体３１０は、貫通孔２７０に嵌まり合う円筒形を成し、換気部材３００の外殻を構成する。本実施形態では、貫通孔２７０の内周面には雌ねじ２７４が形成され、枠体３１０の外周面には、雌ねじ２７４に嵌まり合う雄ねじ３１４が形成されている。貫通孔２７０の雌ねじ２７４と枠体３１０の雄ねじ３１４とが互いに嵌まり合うことによって、換気部材３００は、貫通孔２７０に固定される。本実施形態では、雌ねじ２７４は、貫通孔２７０の内周面の一部に形成され、雄ねじ３１４は、枠体３１０の外周面の一部に形成されている。

本実施形態では、枠体３１０の外周面には、ガスケット４１０が嵌まる溝３２０が形成されている。本実施形態では、ガスケット４１０は、弾性を有するゴム（例えば、シリコーンゴム、フッ素ゴムなど）から成り、貫通孔２７０の内周面と枠体３１０の外周面との間を密閉する。

本実施形態では、枠体３１０の内側には、間隔を空けて複数の板を配置したルーバ３３０が形成されている。本実施形態では、ルーバ３３０は、換気部材３００が貫通孔２７０に嵌まり合った状態で壁面２２９の外側に向けて突出した部位である。本実施形態では、ルーバ３３０の内側には、フィルタ３４０が設けられている。フィルタ３４０は、気体の透過を許容し、液体の透過を阻止する。

以上説明した実施形態によれば、ケース２２０の壁面のうち積層方向を向いた壁面２２９は、積層方向に沿った壁面２２４，２２６，２２７と比較してリブ２７２によって十分に補強されていることに加え、積層方向を向いた壁面２２９に形成された貫通孔２７０に換気部材３００が嵌まり合うため、ケース２２０の強度低下を抑制しつつケース２２０の内側の換気を実現できる。また、換気部材３００が嵌まる貫通孔２７０は、貫通方向に直交する方向に加わる応力に対する強度より貫通方向に加わる応力に対する強度の方が強いため、換気部材３００が嵌まる貫通孔２７０を積層方向に沿った壁面に設ける場合より、積層方向を向いた壁面に設ける場合の方が強度低下を抑制できる。

また、換気部材３００を壁面２２９に固定するための構造（ボルト取付穴など）を換気部材３００に別途設ける必要がないため、換気部材３００が壁面２２９の外側に突出する長さを抑制できる。その結果、燃料電池ユニット２００の小型化を図ることができる。また、貫通孔２７０の形状が比較的に応力を抑制可能な円形断面であり、その貫通孔２７０に円筒形の換気部材３００が嵌まり合うため、ケース２２０の強度低下を一層抑制できる。

また、燃料電池ユニット２００の製造時に燃料電池スタック２１０を押圧するための貫通孔２７０をケース２２０に別途設ける必要がないため、燃料電池ユニット２００の製造コストを抑制できる。

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。

図６は、他の実施形態における換気部材３００ａを示す説明図である。換気部材３００ａは、枠体３１０に把手３３０ａが形成されている点を除き、上述の実施形態における換気部材３００の構成と同様である。換気部材３００ａの把手３３０ａは、換気部材３００ａが貫通孔２７０に嵌まり合った状態で壁面２２９の外側に向けて突出する部位である。この実施形態によれば、上述した実施形態と同様に、ケース２２０の強度低下を抑制しつつケース２２０の内側の換気を実現できる。また、作業者は把手３３０ａを掴んで換気部材３００ａを貫通孔２７０に嵌め合わすことができるため、換気部材３００ａをケース２２０に容易に組み付けることができる。

図７は、他の実施形態における換気部材３００ｂを示す説明図である。換気部材３００ｂは、枠体３１０ｂにフランジ部３１５ｂが形成されている点、並びに、フランジ部３１５ｂにガスケット４１０ｂが設けられている点を除き、上述の実施形態における換気部材３００の構成と同様である。換気部材３００ｂの枠体３１０ｂは、貫通孔２７０より大きく径方向に突出したフランジ部３１５ｂが−Ｘ軸方向側に形成されている。フランジ部３１５ｂにおいて壁面２２９に対向する部位には、ガスケット４１０ｂが嵌まる溝部３２０ｂが形成されている。ガスケット４１０ｂは、壁面２２９とフランジ部３１５ｂとの間を密閉する。この実施形態によれば、上述した実施形態と同様に、ケース２２０の強度低下を抑制しつつケース２２０の内側の換気を実現できる。

図８は、他の実施形態における換気部材３００ｃを示す説明図である。換気部材３００ｃは、枠体３１０ｃにおける外周面の全域に雄ねじ３１４ｃが形成されている点を除き、上述の実施形態における換気部材３００の構成と同様である。この実施形態によれば、上述した実施形態と同様に、ケース２２０の強度低下を抑制しつつケース２２０の内側の換気を実現できる。また、換気部材３００ｃが壁面２２９の外側に突出する長さをいっそう抑制できる。

他の実施形態では、貫通孔２７０の内周面に形成された窪み部と換気部材３００の外周面に形成された突出部とが、互いに嵌まり合うことによって、換気部材３００が貫通孔２７０に固定されてもよい。

１０…車両
１２…車体
２０，２２，２４…座席
３２，３４，３６，３８…車輪
４４…床部
４６…突出部
２００…燃料電池ユニット
２１０…燃料電池スタック
２２０…ケース
２２１…ロアカバー
２２２…絶縁板
２２４，２２６，２２７，２２９…壁面
２３０…スタックマニホールド
２３２…絶縁板
２４０…エンドプレート
２５０…補機
２５２…補機カバー
２７０…貫通孔
２７２…リブ
２７４…雌ねじ
３００…換気部材
３００ａ，３００ｂ，３００ｃ…換気部材
３１０…枠体
３１０ｂ，３１０ｃ…枠体
３１４…雄ねじ
３１４ｃ…雄ねじ
３１５ｂ…フランジ部
３２０…溝部
３２０ｂ…溝部
３３０…ルーバ
３３０ａ…把手
３４０…濾過膜
４１０…ガスケット

Claims

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し、前記単セルは積層方向に圧縮する圧縮荷重によって締結される燃料電池と、
前記燃料電池を収容する空間を画定するとともに前記積層方向を向いた壁面を、有するケースであって、前記壁面は、前記圧縮荷重に対する反力を前記積層方向から受け、前記壁面には、前記空間から前記壁面の外側へと貫通する貫通孔が形成された、ケースと、
前記貫通孔に嵌まり合い、前記貫通孔において前記空間と前記壁面の外側との間で換気を可能に構成された換気部材と、を備え、
前記貫通孔は円形断面を成し、前記貫通孔の内周面には雌ねじが形成され、
前記換気部材は円筒形を成し、前記換気部材の外周面には、前記雌ねじに嵌まり合う雄ねじが形成されている、燃料電池ユニット。
前記貫通孔は、前記ケースの外部から前記貫通孔を通じて前記燃料電池を前記積層方向に押圧可能な位置に形成されている、請求項１に記載の燃料電池ユニット。
前記換気部材には、前記換気部材が前記貫通孔に嵌まり合った状態で前記壁面の外側に向けて突出する把手が形成されている、請求項１または請求項２に記載の燃料電池ユニット。