JP7136014B2 - 燃料電池ユニット - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池ユニットに関する。

燃料電池スタックの出力電力を変換するためにコンバータなどの電力変換器が用いられている。例えば、燃料電池スタックを収容するスタックケースと電力変換器を収容する電力変換器ケースとを結合させ、スタックケース及び電極変換器ケース内で燃料電池スタックと電力変換器をバスバーで電気的に接続した燃料電池ユニットが知られている（例えば、特許文献１）。

特開２０１７－０７３１９９号公報

特許文献１では、スタックケースの側壁は底壁に対して垂直に設けられている。スタックケースの製造性を考慮すると、スタックケースの側壁を底壁に対して傾かせて抜き勾配を形成することが望ましい。しかしながら、スタックケースの側壁を底壁に対して傾かせた場合、燃料電池ユニットが大型化する恐れがある。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、燃料電池ユニットの大型化を抑制することを目的とする。

本発明は、複数の単セルが第１方向に積層されたセル積層体と、前記第１方向で前記セル積層体の両端に配置された第１及び第２ターミナルと、を含む燃料電池スタックと、前記第１ターミナルを挟んで前記セル積層体と反対側に位置するエンドプレートと、前記燃料電池スタックの出力電力を変換する電力変換器と、前記燃料電池スタックを収容するスタックケースと、前記電力変換器を収容し、前記スタックケースに固定された電力変換器ケースと、前記スタックケース内及び前記電力変換器ケース内で前記第１及び第２ターミナルそれぞれと前記電力変換器とを電気的に接続する第１及び第２バスバーと、を備え、前記第１及び第２ターミナルは、前記セル積層体から突出し、前記第１及び第２バスバーが接続する突出部を有し、前記スタックケースは、前記燃料電池スタックが前記スタックケース内に収容されるように前記エンドプレートが固定された、内側に第１開口を有する枠形状のフランジと、前記第１方向で前記エンドプレートとの間に前記燃料電池スタックを挟む第１底壁と、前記燃料電池スタックと前記電力変換器の間に位置し、前記第１及び第２ターミナルと前記第１及び第２バスバーとの接続を許容する第２開口を有し、前記フランジと前記第１底壁の間を接続する第１側壁と、前記第１方向に直交する第２方向で前記第１側壁との間に前記燃料電池スタックを挟み、前記フランジと前記第１底壁の間を接続する第２側壁と、を有し、前記第１側壁は、前記第１側壁と前記第２側壁との間隔が前記第１底壁側よりも前記フランジ側で大きくなるように前記第１底壁に対して傾いていて、前記第１側壁と前記第１底壁で形成される前記燃料電池スタック側の角度は、前記第２側壁と前記第１底壁で形成される前記燃料電池スタック側の角度よりも大きく、前記第１側壁は、前記第１方向と前記第２方向とに直交する第３方向で前記第２ターミナルの前記突出部に重なっている、燃料電池ユニットである。

上記構成において、前記第２側壁と前記第１底壁で形成される前記燃料電池スタック側の角度は直角である構成とすることができる。

上記構成において、前記電力変換器ケースは、前記第２方向で前記第１側壁との間に前記電力変換器を挟む第２底壁を有し、前記電力変換器を構成する複数の構成部品のうち前記第１側壁側の端部が前記第２底壁から最も離れた第１構成部品は、前記第１方向での前記フランジと前記第１底壁の中間よりも前記第１底壁側に位置する構成とすることができる。

上記構成において、前記複数の構成部品は、前記第１構成部品と、前記第１側壁側の端部と前記第２底壁との間の距離が前記第１構成部品よりも短い第２構成部品と、前記第１側壁側の端部と前記第２底壁との間の距離が前記第２構成部品よりも短い第３構成部品を含み、前記フランジ側から前記第３構成部品、前記第２構成部品、前記第１構成部品の順に並んでいる構成とすることができる。

上記構成において、前記電力変換器を構成する複数の構成部品のうちの１つの構成部品の前記第１側壁側の端部は、前記第１方向で前記第１側壁に重なっている構成とすることができる。

上記構成において、前記電力変換器ケースは、前記第２方向に沿った第３側壁を有し、前記第３側壁に外部機器が前記電力変換器に電気的に接続するための開口を有する構成とすることができる。

上記構成において、前記フランジは、前記エンドプレートが固定される平面と、前記平面の端から連続した外周面と、を有し、前記フランジの前記外周面は、前記第１方向における一端から他端にわたって平坦となっていて、前記電力変換器ケースは、前記フランジの前記外周面に固定されている構成とすることができる。

上記構成において、前記第２方向における前記スタックケースの高さは、前記フランジが設けられている箇所で最大となっている構成とすることができる。

上記構成において、前記第２方向における前記第１開口の長さは、前記第２方向における前記燃料電池スタックの長さよりも長い構成とすることができる。

上記構成において、前記第２方向での、前記第２開口の前記フランジ側の端における前記第１側壁と前記第２側壁の間隔は、前記第２方向における前記燃料電池スタックの長さよりも大きい構成とすることができる。

本発明によれば、燃料電池ユニットの大型化を抑制することができる。

図１は、実施例１に係る燃料電池ユニットを示す断面図である。 図２は、実施例１に係る燃料電池ユニットの分解斜視図である。 図３は、実施例１に係る燃料電池ユニットの回路構成を示す図である。 図４（ａ）から図４（ｄ）は、実施例１に係る燃料電池ユニットの製造方法を示す図である。 図５は、比較例１に係る燃料電池ユニットを示す断面図である。 図６は、比較例２に係る燃料電池ユニットを示す断面図である。 図７は、スタックケースの断面図である。 図８は、実施例２に係る燃料電池ユニットを示す断面図である。 図９（ａ）は、実施例３に係る燃料電池ユニットを示す断面図、図９（ｂ）は、コンバータケース内に収容された昇圧コンバータの構成部品の一部を示す断面図である。 図１０は、実施例４に係る燃料電池ユニットを示す断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

図１は、実施例１に係る燃料電池ユニットを示す断面図である。図２は、実施例１に係る燃料電池ユニットの分解斜視図である。図１では、奥行き方向にある一部の部材をハッチングを付さずに図示している（図４（ｂ）から図１０においても同じ）。図１及び図２のように、実施例１の燃料電池ユニット１００は、燃料電池スタック１０と、エンドプレート１６と、昇圧コンバータ２０と、スタックケース４０と、コンバータケース５０と、バスバー６０及び６１と、を備える。昇圧コンバータ２０は、特許請求の範囲における電力変換器の一例である。コンバータケース５０は、特許請求の範囲における電力変換器ケースの一例である。

燃料電池スタック１０は、複数の単セル１１がＸ方向に積層されたセル積層体１２と、ターミナル１３ａ及び１３ｂと、インシュレータ１４ａ及び１４ｂと、プレッシャプレート１５と、で構成されている。ターミナル１３ａ及び１３ｂは、Ｘ方向でセル積層体１２の両端に配置され、セル積層体１２よりも突出した突出部１７ａ及び１７ｂを有する。

エンドプレート１６は、ターミナル１３ａ及びインシュレータ１４ａを挟んでセル積層体１２と反対側に位置している。燃料電池スタック１０は、エンドプレート１６の主面上に、インシュレータ１４ａ、ターミナル１３ａ、セル積層体１２、ターミナル１３ｂ、インシュレータ１４ｂ、及びプレッシャプレート１５がこの順に積層されている。エンドプレート１６は、スタックケース４０のフランジ４２にボルト７１で締結固定されている。フランジ４２の内側は開口４１となっていて、エンドプレート１６がスタックケース４０のフランジ４２に固定されることで、エンドプレート１６上に設けられた燃料電池スタック１０はスタックケース４０内に収容されている。

ターミナル１３ａ及び１３ｂは、例えば銅、アルミニウム、又はこれらを含む合金等の金属、若しくは緻密性カーボン等の導電性材料で形成されたプレートであり、単セル１１が発電した電力を取り出すために設けられている。インシュレータ１４ａ及び１４ｂは、例えばゴム又は樹脂等の絶縁性材料で形成されたプレートであり、ターミナル１３ａ及び１３ｂと、インシュレータ１４ａ及び１４ｂよりも外側に位置するプレッシャプレート１５及びエンドプレート１６と、の間の絶縁を取るために設けられている。プレッシャプレート１５は、例えばステンレス鋼又はアルミニウム合金等の金属材料のような剛性の高い材料で形成され、後述するばね７０によってセル積層体１２に圧縮荷重を付与するために設けられている。エンドプレート１６は、例えばステンレス鋼又はアルミニウム合金等の金属材料のような剛性の高い材料で形成されている。

スタックケース４０は、Ｘ方向の一方側に、上述した内側に開口４１を有する枠形状のフランジ４２を有する。スタックケース４０は、Ｘ方向の他方側であり、燃料電池スタック１０を挟んでエンドプレート１６と反対側に底壁４３を有する。スタックケース４０は、フランジ４２と底壁４３との間を接続する複数の側壁４４～４７を有する。スタックケース４０は、例えばアルミニウム合金等の金属材料のような剛性の高い材料で形成されている。

スタックケース４０の底壁４３とプレッシャプレート１５との間にばね７０が圧縮された状態で（ばね７０のＸ方向の長さがばね７０に荷重がかかっていない状態よりも短くなるように）設けられている。これにより、ばね７０の反力によってセル積層体１２には積層方向に圧縮荷重が付与される。ばね７０が備わることで、セル積層体１２に掛かる圧縮荷重が一定の範囲内に収まり易くなり、発電性能及びシール性能が良好となる。なお、ばね７０が設けられていない場合でもよい。この場合、セル積層体１２が積層方向に圧縮された状態でエンドプレート１６がスタックケース４０のフランジ４２に締結固定されることで、エンドプレート１６上に積層された燃料電池スタック１０にはエンドプレート１６とスタックケース４０の底壁４３とによって圧縮荷重が付与される。

単セル１１は、反応ガスとして水素（アノードガス）と空気（カソードガス）の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。単セル１１は、電解質膜の両面に電極を配置した発電体である膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持する一対のセパレータと、を備える。電解質膜は、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂材料又は炭化水素系樹脂材料で形成された固体高分子膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。電極は、カーボン担体と、スルホン酸基を有する固体高分子であって湿潤状態で良好なプロトン伝導性を有するアイオノマーと、を含んで構成されている。カーボン担体には、発電反応を促進させるための触媒（例えば白金又は白金－コバルト合金など）が担持されている。各単セルには、反応ガスを流すためのマニホールドが設けられている。マニホールドを流れる反応ガスは、各単セルに設けられたガス流路を介して、各単セルの発電領域に供給される。なお、単セル１１は固体高分子形燃料電池以外の燃料電池であってもよい。

マニホールドとして、水素供給マニホールド８０、水素排出マニホールド８１、空気供給マニホールド８２、空気排出マニホールド８３、冷媒供給マニホールド８４、及び冷媒排出マニホールド８５を備える。

昇圧コンバータ２０は、コンバータケース５０内に収容されている。コンバータケース５０は、例えばアルミニウム合金等の金属材料のような剛性の高い材料で形成されている。コンバータケース５０は底壁５３と側壁５４～５７を有する。コンバータケース５０の底壁５３に対向する面はバスバー６０及び６１が通過可能となるように開口している。コンバータケース５０は、側壁５４～５７がボルトによってスタックケース４０のフランジ４２、底壁４３、及び側壁４６、４７に締結固定されている。スタックケース４０とコンバータケース５０とエンドプレート１６が締結された筐体内に燃料電池スタック１０及び昇圧コンバータ２０が収容されて外部と隔離されている。

スタックケース４０の複数の側壁４４～４７のうちの側壁４４は、燃料電池スタック１０と昇圧コンバータ２０との間に位置している。側壁４４は、バスバー６０及び６１とターミナル１３ａ及び１３ｂとの接続を許容する開口４８を有する。すなわち、開口４８を介してバスバー６０及び６１とターミナル１３ａ及び１３ｂが接続している。側壁４４は、セル積層体１２に付与される圧縮荷重を維持するための締結部材の役割を担うために設けられている。側壁４５は、燃料電池スタック１０を挟んで側壁４４と反対側に位置している。すなわち、側壁４５は、Ｘ方向に直交するＹ方向で側壁４４との間に燃料電池スタック１０を挟んでいる。側壁４６及び４７は、側壁４４及び４５に交差し、フランジ４２と底壁４３と側壁４５に接続している。側壁４５～４７は、開口が設けられてなく、スタックケース４０内に収容された燃料電池スタック１０全体を覆っている。

昇圧コンバータ２０は、リアクトル２１、電流センサ２２、インテリジェントパワーモジュール（ＩＰＭ：Intelligent Power Module）２３、コンデンサ２４、端子台２５及び２６、並びに導電部材（例えばバスバー又はケーブル）３１～３５で構成されている。電流センサ２２とＩＰＭ２３とコンデンサ２４は基板２７上に設けられている。リアクトル２１は、コイル外周面が放熱シート２８を介して冷却槽２９に接触している。このように、昇圧コンバータ２０は、基板２７、放熱シート２８、及び冷却槽２９を構成部品として含んでいてもよい。冷却槽２９の内部には、冷却槽２９の温度を所定温度範囲内に維持するための冷媒が循環している。これにより、リアクトル２１が冷却される。なお、放熱シート２８を配置する代わりに、リアクトル２１と冷却槽２９との間に絶縁性の放熱性樹脂材料が塗布または充填されていてもよい。ＩＰＭ２３の内部には、冷媒が流れる冷媒通路３０が設けられている。これにより、ＩＰＭ２３が冷却される。なお、昇圧コンバータ２０は、温度センサを備えていてもよい。

リアクトル２１と電流センサ２２は導電部材３２によって電気的に接続されている。電流センサ２２とＩＰＭ２３は導電部材３３によって電気的に接続されている。ＩＰＭ２３とコンデンサ２４は導電部材３４によって電気的に接続されている。リアクトル２１に電気的に接続する導電部材３１が端子台２６に固定され、コンデンサ２４に電気的に接続する導電部材３５が端子台２５に固定されている。導電部材３１～３５は、例えば銅、アルミニウム、又はこれらを含む合金等の電気抵抗率の小さい金属を含んで形成されている。

バスバー６０は、一端側が燃料電池スタック１０のターミナル１３ａの突出部１７ａにボルトで固定されることで電気的に接続され、他端側が端子台２５で導電部材３５にボルト７２で固定されることで電気的に接続されている。バスバー６１は、一端側が燃料電池スタック１０のターミナル１３ｂの突出部１７ｂにボルトで固定されることで電気的に接続され、他端側が端子台２６で導電部材３１にボルト７２で固定されることで電気的に接続されている。バスバー６０及び６１は、例えば銅、アルミニウム、又はこれらを含む合金等の電気抵抗率の小さい金属で形成され、スタックケース４０及びコンバータケース５０を含む筐体内に配置されている。燃料電池スタック１０と昇圧コンバータ２０は、バスバー６０及び６１によって電気的に接続されている。

昇圧コンバータ２０は燃料電池スタック１０の出力電力を昇圧する。昇圧された電力はコンバータケース５０の側壁５６に設けられた開口５８から外部に取り出される。すなわち、開口５８は、外部機器が昇圧コンバータ２０の出力コネクタに接続することを可能とするために設けられている。

図３は、実施例１に係る燃料電池ユニットの回路構成を示す図である。図３のように、昇圧コンバータ２０は、リアクトル２１ａ及び２１ｂと、電流センサ２２ａ及び２２ｂと、スイッチング素子３６ａとダイオード３７ａを備えるＩＰＭ２３ａ及びスイッチング素子３６ｂとダイオード３７ｂを備えるＩＰＭ２３ｂと、コンデンサ２４と、を備える。リアクトル２１ａと電流センサ２２ａとダイオード３７ａ、及び、リアクトル２１ｂと電流センサ２２ｂとダイオード３７ｂは、それぞれ直列に接続されている。また、直列に接続されたこれらの部品は互いに並列に接続されている。このような並列回路とすることで、リアクトル２１ａ及び２１ｂ、ＩＰＭ２３ａ及び２３ｂのそれぞれを流れる電流値を小さくして発熱を抑制することができる。なお、並列回路となっていない場合でもよい。

電流センサ２２ａ、２２ｂは、リアクトル２１ａ、２１ｂに上流側又は下流側で接続されている。電流センサ２２ａ、２２ｂで検出された値に応じてスイッチング素子３６ａ、３６ｂが開閉制御されて、燃料電池スタック１０からの出力電圧が昇圧される。スイッチング素子３６ａ、３６ｂを開閉するデューティー比を制御することにより、昇圧コンバータ２０における入力電圧に対する出力電圧の比である昇圧比を制御するとともに、リアクトル２１ａ、２１ｂを流れる電流値を均一にできる。

昇圧コンバータ２０は、燃料電池スタック１０の出力電圧を昇圧し、コンバータケース５０の開口５８を介して昇圧コンバータ２０の出力コネクタに接続された外部機器８６に出力する。外部機器８６は、例えば車両を駆動するモータ用のインバータ、燃料電池を駆動するための補機（例えばエアコンプレッサ又は冷却水ポンプ等）のインバータ、車両の空調用補機のインバータ等である。

図１及び図２のように、スタックケース４０の側壁４５は底壁４３に対して垂直に設けられている。すなわち、側壁４５と底壁４３とで形成される燃料電池スタック１０側の角度θ１は９０°となっている。一方、側壁４４は底壁４３に対して斜めに傾いて設けられている。例えば、側壁４４と底壁４３とで形成される燃料電池スタック１０側の角度θ２は、９０°よりも大きい９６°程度となっている。言い換えると、側壁４４をエンドプレート１６まで延ばしたと仮想したときの側壁４４とエンドプレート１６とで形成される燃料電池スタック１０側の角度θ３は８４°程度となっている。このように、角度θ２は角度θ１よりも大きく、側壁４４は、側壁４４と側壁４５とのＹ方向における間隔Ｈが底壁４３側よりもフランジ４２側で大きくなるように底壁４３に対して傾いている。なお、側壁４６、４７も底壁４３に対して斜めに傾いて設けられており、例えば、側壁４６、４７と底壁４３とで形成される燃料電池スタック１０側の角度は９３°である。

ターミナル１３ａ及び１３ｂのうちのスタックケース４０の底壁４３側に位置するターミナル１３ｂは、突出部１７ｂがスタックケース４０の側壁４４に設けられた開口４８内に進入し、Ｘ方向とＹ方向とに直交するＺ方向において側壁４４と重なっている。ターミナル１３ｂの突出部１７ｂは、側壁４４の傾斜角度に応じて、側壁４４の昇圧コンバータ２０側の面よりも昇圧コンバータ２０側に突出していてもよい。

一方、スタックケース４０のフランジ４２側に位置するターミナル１３ａは、突出部１７ａが開口４８内に進入してなく、側壁４４よりも燃料電池スタック１０側に位置している。なお、ターミナル１３ａの突出部１７ａは、側壁４４の傾斜角度に応じて、開口４８内に進入していてもよい。

図４（ａ）から図４（ｄ）は、実施例１に係る燃料電池ユニットの製造方法を示す図である。図４（ａ）のように、スタックケース４０を準備する。スタックケース４０は、鋳造法又はダイキャスト法を用い、鋳型をフランジ４２側から抜くことで形成される。このような方法でスタックケース４０を製造することで、製造コストを低く抑えることができる。

図４（ｂ）のように、エンドプレート１６上にインシュレータ１４ａ、ターミナル１３ａ、セル積層体１２、ターミナル１３ｂ、インシュレータ１４ｂ、プレッシャプレート１５、及びばね７０を積層した後、この積層物を開口４１からスタックケース４０内に収容する。その後、エンドプレート１６をスタックケース４０のフランジ４２にボルト７１で締結固定する。

図４（ｃ）のように、バスバー６０の一方の端部をターミナル１３ａの突出部１７ａにボルトで締結固定する。バスバー６１の一方の端部をターミナル１３ｂの突出部１７ｂにボルトで締結固定する。

図４（ｄ）のように、昇圧コンバータ２０が収容されたコンバータケース５０をスタックケース４０に固定する。その後、コンバータケース５０の側壁５４、５５に設けられた開口５９（図２参照）から、バスバー６０の他方の端部を昇圧コンバータ２０の導電部材３５にボルト７２で締結固定し、バスバー６１の他方の端部を昇圧コンバータ２０の導電部材３１にボルト７２で締結固定する。バスバー６０、６１を導電部材３１、３５に締結固定した後、蓋などを用いて開口５９を閉じる。

図５は、比較例１に係る燃料電池ユニットを示す断面図である。図５のように、比較例１の燃料電池ユニット１０００では、スタックケース４０の側壁４４が底壁４３に対して垂直に設けられている。図示していないが、側壁４６及び４７も底壁４３に対して垂直に設けられている。ターミナル１３ｂの突出部１７ｂは、側壁４４に設けられた開口４８内に進入せずに、側壁４４よりも燃料電池スタック１０側に位置している。その他の構成は、実施例１の燃料電池ユニット１００と同じであるため説明を省略する。

比較例１では、ターミナル１３ａ及び１３ｂは両方とも突出部１７ａ及び１７ｂが側壁４４よりも燃料電池スタック１０側に位置している。これは、図４（ｂ）で説明した工程、すなわちエンドプレート１６上にセル積層体１２、ターミナル１３ａ及び１３ｂ等が積層された状態でこの積層物を開口４１からスタックケース４０内に収容する工程を容易に行えるようにするためである。

比較例１によれば、スタックケース４０の側壁４４～４７の全てが底壁４３に対して垂直に設けられている。このため、鋳造法又はダイキャスト法を用いてスタックケース４０を形成する場合に、鋳型をフランジ４２側から抜くことが難しい。

図６は、比較例２に係る燃料電池ユニットを示す断面図である。図６のように、比較例２の燃料電池ユニット１１００では、スタックケース４０の側壁４４、４５が共に底壁４３に対して同じ角度で傾いて設けられている。すなわち、角度θ１と角度θ２が同じ大きさになっている。ターミナル１３ｂの突出部１７ｂは、側壁４４に設けられた開口４８内に進入せずに、側壁４４よりも燃料電池スタック１０側に位置している。その他の構成は、実施例１の燃料電池ユニット１００と同じであるため説明を省略する。

比較例２によれば、スタックケース４０の側壁４４、４５が底壁４３に対して同じ角度で傾いている。このため、鋳造法又はダイキャスト法を用いてスタックケース４０を形成する場合に、側壁４４、４５が抜き勾配となって鋳型をフランジ４２側から容易に抜くことができ、スタックケース４０の製造性が向上する。このように、鋳型をフランジ４２側から容易に抜くことを可能とするために、一般的には、側壁４４、４５の両方を底壁４３に対して同じ角度で傾ける。また、エンドプレート１６上にセル積層体１２、ターミナル１３ａ及び１３ｂ等が積層された状態でこの積層物を開口４１からスタックケース４０内に収容するために、比較例１と同様に、ターミナル１３ａ及び１３ｂは両方とも突出部１７ａ及び１７ｂが側壁４４よりも燃料電池スタック１０側に位置している。しかしながら、比較例２の燃料電池ユニット１１００では、体格が大きくなってしまう。

実施例１によれば、図１及び図２のように、側壁４４は、側壁４４と側壁４５との間隔が底壁４３側よりもフランジ４２側で大きくなるように底壁４３に対して傾いている。これにより、スタックケース４０を鋳造法又はダイキャスト法を用いて形成する場合に、開口４１から側壁４４と側壁４５との間の鋳型を抜くことができ、スタックケース４０の製造性を向上させることができる。また、側壁４４と側壁４５との間隔が底壁４３側よりもフランジ４２側で大きいことで、エンドプレート１６上に設けた燃料電池スタック１０をスタックケース４０の開口４１からスタックケース４０内に収容することが容易にできる。また、図１のように、側壁４４と底壁４３で形成される燃料電池スタック１０側の角度θ２は、側壁４５と底壁４３で形成される燃料電池スタック１０側の角度θ１よりも大きくなっている。これにより、側壁４５は側壁４４よりも底壁４３に対する傾きが小さいことから、側壁４５に起因する燃料電池ユニット１００の大型化を抑制できる。更に、図１及び図２のように、スタックケース４０の側壁４４は、Ｚ方向でターミナル１３ｂの突出部１７ｂと重なっている。図４で示した製造方法において、スタックケース４０内に燃料電池スタック１０を収容するためにスタックケース４０をスライドさせたときに、ターミナル１３ｂの突出部１７ｂとスタックケース４０の側壁４４とが干渉しないようにする必要がある。スタックケース４０の側壁４４は開口４８を備えるため、Ｚ方向でスタックケース４０の側壁４４がターミナル１３ｂの突出部１７ｂと重なるように配置されていても、スタックケース４０のスライド軌跡上でターミナル１３ｂの突出部１７ｂとスタックケース４０の側壁４４とが干渉することが抑制される。側壁４４が底壁４３に対して傾いた場合でも、側壁４４がＺ方向でターミナル１３ｂの突出部１７ｂと重なることで、側壁４４が傾くことによる燃料電池ユニット１００のＹ方向の寸法増大と、ターミナル１３ｂの突出部１７ｂによる燃料電池ユニット１００のＹ方向の寸法増大と、を共用することができ、スタックケース４０のＹ方向の寸法増大を抑制し、燃料電池ユニット１００の大型化を抑制できる。なお、ターミナル１３ｂの突出部１７ｂにバスバー６１を取り付けるためにナットが用いられ、ナットとセル積層体１２との間は所定の隙間を確保する必要があるため、ターミナル１３ｂの突出部１７ｂの高さを低くすることは難しい。燃料電池ユニット１００の大型化が抑制されることで、燃料電池ユニット１００を車両等に搭載するときの搭載性が向上する。

図２のように、Ｙ方向に沿ったコンバータケース５０の側壁５６に、外部機器が昇圧コンバータ２０に電気的に接続するための開口５８が設けられている。外部機器に大電流を流すため、開口５８に大きなサイズのコネクタを接続する必要があり、Ｙ方向においてコンバータケース５０は長くなり易い。したがって、スタックケース４０のＹ方向の長さ寸法を小さくすることにより、燃料電池ユニット１００のＹ方向の高さが大きくなることを抑制することが好ましい。燃料電池ユニット１００のＹ方向の高さが大きくなることを抑制するため、側壁４４と底壁４３で形成される角度θ２を側壁４５と底壁４３で形成される角度θ１よりも大きくし、側壁４４をＺ方向でターミナル１３ｂの突出部１７ｂと重ならせることが好ましい。

図１のように、スタックケース４０のフランジ４２は、エンドプレート１６が固定される平面７５と、平面７５の端から連続した外周面７６と、を有する。フランジ４２の外周面７６は、Ｘ方向における一端から他端にわたって平坦となっている。コンバータケース５０は、フランジ４２の外周面７６に固定される。例えば、フランジ４２の外周面７６に段差が形成され、外周面７６のうちの段差の上側に位置する面又は下側に位置する面にコンバータケース５０が固定される場合、コンバータケース５０を固定できる面積が小さくなり、昇圧コンバータ２０の構成部品をコンバータケース５０内に収容することが難しい場合がある。しかしながら、フランジ４２の外周面７６がＸ方向における一端から他端にわたって平坦であることで、Ｘ方向におけるフランジ４２の長さ全体を利用してコンバータケース５０をスタックケース４０に固定できる。よって、コンバータケース５０内の多くの部品及び大きな部品を配置することが可能となる。

図１のように、Ｙ方向におけるスタックケース４０の最大高さは、Ｙ方向における開口４１の長さＬ１と、Ｙ方向で開口４１の両側に位置するフランジ４２のＹ方向の長さＬ２と、の和であることが好ましい。言い換えると、Ｙ方向におけるスタックケース４０の高さは、フランジ４２が設けられている箇所で最大となることが好ましい。これにより、Ｙ方向におけるスタックケース４０の高さを必要最低限の高さに抑えることができ、スタックケース４０の大型化を抑制できる。スタックケース４０の大型化が抑制されることで、燃料電池ユニット１００の大型化を抑制できる。また、スタックケース４０の大型化が抑制されることで、スタックケース４０を製造する製造設備の大型化を抑制できるため、設備費を低く抑えることができる。なお、エンドプレート１６とフランジ４２を間にガスケットを挟んで結合する場合、フランジ４２のＹ方向の長さは、ガスケット溝のＹ方向の長さとガスケット溝の両側の平坦面のＹ方向の長さとボルト座面のＹ方向の長さとの合計となる。液状ガスケットを使用する場合では、液状ガスケットを塗布する平坦面のＹ方向の長さとボルト座面のＹ方向の長さとの合計となる。

図１のように、Ｙ方向における開口４１の長さＬ１は、Ｙ方向における燃料電池スタック１０の長さＬ３よりも長い。これにより、エンドプレート１６上にセル積層体１２、ターミナル１３ａ及び１３ｂ等が積層された燃料電池スタック１０を開口４１からスタックケース４０内に収容することができる。

図７は、スタックケースの断面図である。図７は、側壁４４に設けられた開口４８での断面を示している。図７のように、Ｙ方向での、開口４８のフランジ４２側の端における側壁４４と側壁４５の間隔Ｈ１は、Ｙ方向における燃料電池スタック１０の長さＬ３（図１参照）よりも大きい。これにより、エンドプレート１６上に設けられた燃料電池スタック１０を開口４１からスタックケース４０内に真っ直ぐに組み付けることが可能となる。このため、燃料電池スタック１０のスタックケース４０内への収容をスムーズに行うことが可能となる。

図８は、実施例２に係る燃料電池ユニットを示す断面図である。図８のように、実施例２の燃料電池ユニット２００では、スタックケース４０の側壁４４が底壁４３に対して傾いていることに加え、側壁４５も底壁４３に対して傾いている。例えば、側壁４５と底壁４３で形成される燃料電池スタック１０側の角度θ１は９０°よりも大きく、例えば９２°程度となっている。言い換えると、側壁４５をエンドプレート１６まで延ばしたと仮想したときの側壁４５とエンドプレート１６で形成される燃料電池スタック１０側の角度θ４は８８°程度となっている。側壁４６、４７と底壁４３で形成される燃料電池スタック１０側の角度は９３°程度となっている。側壁４４と底壁４３で形成される燃料電池スタック１０側の角度θ２は９４°程度となっている。言い換えると、側壁４４をエンドプレート１６まで延ばしたと仮想したときの側壁４４とエンドプレート１６で形成される燃料電池スタック１０側の角度θ３は８６°程度となっている。その他の構成は、実施例１と同じであるため説明を省略する。

実施例１では、スタックケース４０の側壁４５は底壁４３に対して垂直になっている場合を例に示した。しかしながら、この場合に限られず、側壁４４と底壁４３で形成される燃料電池スタック１０側の角度θ２が側壁４５と底壁４３で形成される燃料電池スタック１０側の角度θ１よりも大きければ、実施例２のように、側壁４５は底壁４３に対して傾いていてもよい。側壁４４と側壁４５が共に底壁４３に対して傾いていることでスタックケース４０の製造性を更に向上させることができる。一方、スタックケース４０の大型化（高背化）を抑制する点からは、側壁４５と底壁４３で形成される燃料電池スタック１０側の角度θ１は直角であることが好ましい。直角には製造誤差程度に９０°からずれている場合も含まれる。

なお、スタックケース４０が底壁４３側のＹ方向の寸法よりもフランジ４２側のＹ方向の寸法が大きく、かつエンドプレート１６上に設けられた燃料電池スタック１０を開口４１からスタックケース４０内に収容可能であれば、側壁４５と底壁４３で形成される角度θ１は９０°よりも小さい場合でもよい。

図９（ａ）は、実施例３に係る燃料電池ユニットを示す断面図、図９（ｂ）は、コンバータケース内に収容された昇圧コンバータの構成部品の一部を示す断面図である。図９（ａ）及び図９（ｂ）のように、実施例３の燃料電池ユニット３００では、昇圧コンバータ２０を構成するリアクトル２１、電流センサ２２、ＩＰＭ２３、及びコンデンサ２４各々のスタックケース４０の側壁４４側の端部と、コンバータケース５０の底壁５３と、の間の距離Ｌ１～Ｌ４が互いに異なっている。例えば、リアクトル２１の側壁４４側の端部とコンバータケース５０の底壁５３との間の距離Ｌ１は、電流センサ２２の側壁４４側の端部とコンバータケース５０の底壁５３との間の距離Ｌ２よりも長い。電流センサ２２の側壁４４側の端部とコンバータケース５０の底壁５３との間の距離Ｌ２は、ＩＰＭ２３の側壁４４側の端部とコンバータケース５０の底壁５３との間の距離Ｌ３よりも長い。ＩＰＭ２３の側壁４４側の端部とコンバータケース５０の底壁５３との間の距離Ｌ３は、コンデンサ２４の側壁４４側の端部とコンバータケース５０の底壁５３との間の距離Ｌ４よりも長い。すなわち、スタックケース４０の側壁４４側の端部とコンバータケース５０の底壁５３との間の距離は、リアクトル２１が最も長く、電流センサ２２、ＩＰＭ２３、コンデンサ２４の順に短くなっている。

リアクトル２１は、Ｘ方向でのスタックケース４０のフランジ４２と底壁４３の中間に位置する仮想面７３よりも底壁４３側に位置している。例えば、昇圧コンバータ２０を構成するリアクトル２１、電流センサ２２、ＩＰＭ２３、及びコンデンサ２４は、スタックケース４０の側壁４４側の端部とコンバータケース５０の底壁５３との間の距離が短い順にスタックケース４０のフランジ４２側から並んでいる。スタックケース４０の側壁４４側の端部とコンバータケース５０の底壁５３との間の距離が最も長いリアクトル２１は、昇圧コンバータ２０を構成するリアクトル２１、電流センサ２２、ＩＰＭ２３、及びコンデンサ２４のうち最もスタックケース４０の底壁４３側に位置している。

また、リアクトル２１は、スタックケース４０の側壁４４の昇圧コンバータ２０側の面がフランジ４２に接続する部分を通ってＸ方向に平行な仮想面７４よりも側壁４４側に突出している。言い換えると、リアクトル２１のスタックケース４０の側壁４４側の端部は、Ｘ方向で側壁４４と重なっている。その他の構成は、実施例１と同じであるため説明を省略する。

実施例３によれば、昇圧コンバータ２０を構成する複数の構成部品のうちスタックケース４０の側壁４４側の端部がコンバータケース５０の底壁５３から最も離れたリアクトル２１は、Ｘ方向でのスタックケース４０のフランジ４２と底壁４３の中間よりも底壁４３側に位置している。これにより、リアクトル２１とスタックケース４０の側壁４４との間の隙間をある程度の大きさに確保しつつ、スタックケース４０の側壁４４が底壁４３に対して傾いたことで形成される空間を有効に利用することができる。このため、燃料電池ユニット３００の大型化（高背化）を抑制することができる。スタックケース４０の側壁４４側の端部がコンバータケース５０の底壁５３から最も離れたリアクトル２１は、スタックケース４０のフランジ４２と底壁４３との間をＸ方向で３等分したときに底壁４３側の範囲内に位置することが好ましく、４等分したときに最も底壁４３側の範囲内に位置することがより好ましい。

リアクトル２１とスタックケース４０の側壁４４との間の隙間をある程度の大きさに確保する理由は、リアクトル２１と側壁４４との間で電気的短絡が生じ難いようにするためである。リアクトル２１と側壁４４との間隔は３ｍｍ～７ｍｍ程度確保するようにしてもよい。なお、リアクトル２１以外の構成部品においても、側壁４４との間で電気的短絡が生じ難いように、構成部品と側壁４４との間の隙間をある程度の大きさに確保することが好ましい。また、部品には製造公差があるため、昇圧コンバータ２０の構成部品と側壁４４との間の隙間をある程度の大きさに確保することで、コンバータケース５０をスタックケース４０に組み付けるときに昇圧コンバータ２０の構成部品が側壁４４に接触することを抑制できる。

図９（ａ）のように、リアクトル２１の側壁４４側の端部は、Ｘ方向でスタックケース４０の側壁４４に重なっていてもよい。これにより、スタックケース４０の底壁４３に対して側壁４４が傾くことで形成される空間を有効に利用でき、燃料電池ユニット３００の大型化（高背化）を抑制することができる。実施例３では、スタックケース４０の側壁４４側の端部がコンバータケース５０の底壁５３から最も離れたリアクトル２１がＸ方向で側壁４４に重なっている場合を例に示したがこの場合に限られない。昇圧コンバータ２０を構成する構成部品のうちの他の構成部品の側壁４４側の端部がＸ方向で側壁４４に重なっていてもよい。

図９（ａ）及び図９（ｂ）のように、昇圧コンバータ２０は、スタックケース４０の側壁４４側の端部がコンバータケース５０の底壁５３から最も離れたリアクトル２１と、側壁４４側の端部と底壁５３との間の距離がリアクトル２１よりも短い電流センサ２２と、側壁４４側の端部と底壁５３との間の距離が電流センサ２２よりも短いＩＰＭ２３と、を含む。ＩＰＭ２３、電流センサ２２、リアクトル２１は、スタックケース４０のフランジ４２側からこの順に並んでいてもよい。これにより、昇圧コンバータ２０とスタックケース４０の側壁４４との間の空間を有効に利用できる。

なお、昇圧コンバータ２０を構成する複数の構成部品の少なくとも１つの構成部品において、側壁４４側の端部が側壁４４に沿って傾斜していてもよい。

図１０は、実施例４に係る燃料電池ユニットを示す断面図である。図１０のように、実施例４の燃料電池ユニット４００では、実施例１から実施例３と比べて、昇圧コンバータ２０を構成するリアクトル２１、電流センサ２２、ＩＰＭ２３、及びコンデンサ２４の配置位置が異なっている。実施例４では、スタックケース４０のフランジ４２側から底壁４３側に向かって、リアクトル２１、電流センサ２２、ＩＰＭ２３、コンデンサ２４の順に配置されている。コンデンサ２４は、実施例１から実施例３と比べて、体格が大きくなっている。コンデンサ２４は、昇圧コンバータ２０を構成する複数の構成部品の中で、スタックケース４０の側壁４４側の端部とコンバータケース５０の底壁５３との間の距離が最も長くなっている。コンデンサ２４は、スタックケース４０のフランジ４２と底壁４３との中間に位置する仮想面７３よりも底壁４３側に位置している。また、コンデンサ２４は、スタックケース４０の側壁４４の昇圧コンバータ２０側の面がフランジ４２に接続する箇所を通ってＸ方向に平行な仮想面７４よりも側壁４４側に突出している。言い換えると、コンデンサ２４のスタックケース４０の側壁４４側の端部は、Ｘ方向で側壁４４と重なっている。その他の構成は、実施例１と同じであるため説明を省略する。

実施例４では、昇圧コンバータ２０を構成する複数の構成部品のうち、スタックケース４０の側壁４４側の端部がコンバータケース５０の底壁５３から最も離れた構成部品はコンデンサ２４となっている。この場合、コンデンサ２４の体格が大きいことになる。コンデンサ２４の発熱量はコンデンサ２４の容量に相関があり、コンデンサ２４の体格が大きくなるほど発熱量が小さくなる。よって、実施例４によれば、コンデンサ２４の発熱量を小さくできる。

なお、実施例３、４においても、実施例２と同じように、スタックケース４０の側壁４５は底壁４３に対して傾いていてもよい。

実施例１から実施例４において、燃料電池ユニットは、スタックケース４０の側壁４５側を重力方向下側にして車両等に搭載されてもよいが、その他の向きで車両等に搭載されてもよい。例えば、エンドプレート１６側を重力方向下側にして車両等に搭載されてもよいし、コンバータケース５０の底壁５３側を重力方向下側にして車両等に搭載されてもよい。

実施例１から実施例４では、燃料電池スタック１０の出力電力を変換する電力変換器として昇圧コンバータ２０の場合を例に説明したが、その他の場合でもよい。例えば、電力変換器は、降圧コンバータの場合でもよいし、昇圧と降圧のいずれも可能な昇降圧コンバータの場合でもよいし、直流電力を交流電力に変換するインバータの場合でもよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 燃料電池スタック
１１ 単セル
１２ セル積層体
１３ａ、１３ｂ ターミナル
１４ａ、１４ｂ インシュレータ
１５ プレッシャプレート
１６ エンドプレート
１７ａ、１７ｂ 突出部
２０ 昇圧コンバータ
２１～２１ｂ リアクトル
２２～２２ｂ 電流センサ
２３～２３ｂ ＩＰＭ
２４ コンデンサ
２５、２６ 端子台
２７ 基板
２８ 放熱シート
２９ 冷却槽
３１～３５ 導電部材
３６ａ、３６ｂ スイッチング素子
３７ａ、３７ｂ ダイオード
４０ スタックケース
４１ 開口
４２ フランジ
４３ 底壁
４４～４７ 側壁
４８ 開口
５０ コンバータケース
５３ 底壁
５４～５７ 側壁
５８、５９ 開口
６０、６１ バスバー
７３、７４ 仮想面
７５ 平面
７６ 外周面
１００、２００、３００、４００ 燃料電池ユニット

Claims (10)

1. 複数の単セルが第１方向に積層されたセル積層体と、前記第１方向で前記セル積層体の両端に配置された第１及び第２ターミナルと、を含む燃料電池スタックと、
   前記第１ターミナルを挟んで前記セル積層体と反対側に位置するエンドプレートと、
   前記燃料電池スタックの出力電力を変換する電力変換器と、
   前記燃料電池スタックを収容するスタックケースと、
   前記電力変換器を収容し、前記スタックケースに固定された電力変換器ケースと、
   前記スタックケース内及び前記電力変換器ケース内で前記第１及び第２ターミナルそれぞれと前記電力変換器とを電気的に接続する第１及び第２バスバーと、を備え、
   前記第１及び第２ターミナルは、前記セル積層体から突出し、前記第１及び第２バスバーが接続する突出部を有し、
   前記スタックケースは、
   前記燃料電池スタックが前記スタックケース内に収容されるように前記エンドプレートが固定された、内側に第１開口を有する枠形状のフランジと、
   前記第１方向で前記エンドプレートとの間に前記燃料電池スタックを挟む第１底壁と、
   前記燃料電池スタックと前記電力変換器の間に位置し、前記第１及び第２ターミナルと前記第１及び第２バスバーとの接続を許容する第２開口を有し、前記フランジと前記第１底壁の間を接続する第１側壁と、
   前記第１方向に直交する第２方向で前記第１側壁との間に前記燃料電池スタックを挟み、前記フランジと前記第１底壁の間を接続する第２側壁と、を有し、
   前記第１側壁は、前記第１側壁と前記第２側壁との間隔が前記第１底壁側よりも前記フランジ側で大きくなるように前記第１底壁に対して傾いていて、
   前記第１側壁と前記第１底壁で形成される前記燃料電池スタック側の角度は、前記第２側壁と前記第１底壁で形成される前記燃料電池スタック側の角度よりも大きく、
   前記第１側壁は、前記第１方向と前記第２方向とに直交する第３方向で前記第２ターミナルの前記突出部に重なっている、燃料電池ユニット。
2. 前記第２側壁と前記第１底壁で形成される前記燃料電池スタック側の角度は直角である、請求項１記載の燃料電池ユニット。
3. 前記電力変換器ケースは、前記第２方向で前記第１側壁との間に前記電力変換器を挟む第２底壁を有し、
   前記電力変換器を構成する複数の構成部品のうち前記第１側壁側の端部が前記第２底壁から最も離れた第１構成部品は、前記第１方向での前記フランジと前記第１底壁の中間よりも前記第１底壁側に位置する、請求項１または２記載の燃料電池ユニット。
4. 前記複数の構成部品は、前記第１構成部品と、前記第１側壁側の端部と前記第２底壁との間の距離が前記第１構成部品よりも短い第２構成部品と、前記第１側壁側の端部と前記第２底壁との間の距離が前記第２構成部品よりも短い第３構成部品を含み、
   前記フランジ側から前記第３構成部品、前記第２構成部品、前記第１構成部品の順に並んでいる、請求項３記載の燃料電池ユニット。
5. 前記電力変換器を構成する複数の構成部品のうちの１つの構成部品の前記第１側壁側の端部は、前記第１方向で前記第１側壁に重なっている、請求項１から４のいずれか一項記載の燃料電池ユニット。
6. 前記電力変換器ケースは、前記第２方向に沿った第３側壁を有し、前記第３側壁に外部機器が前記電力変換器に電気的に接続するための開口を有する、請求項１から５のいずれか一項記載の燃料電池ユニット。
7. 前記フランジは、前記エンドプレートが固定される平面と、前記平面の端から連続した外周面と、を有し、
   前記フランジの前記外周面は、前記第１方向における一端から他端にわたって平坦となっていて、
   前記電力変換器ケースは、前記フランジの前記外周面に固定されている、請求項１から６のいずれか一項記載の燃料電池ユニット。
8. 前記第２方向における前記スタックケースの高さは、前記フランジが設けられている箇所で最大となっている、請求項１から７のいずれか一項記載の燃料電池ユニット。
9. 前記第２方向における前記第１開口の長さは、前記第２方向における前記燃料電池スタックの長さよりも長い、請求項１から８のいずれか一項記載の燃料電池ユニット。
10. 前記第２方向での、前記第２開口の前記フランジ側の端における前記第１側壁と前記第２側壁の間隔は、前記第２方向における前記燃料電池スタックの長さよりも大きい、請求項１から９のいずれか一項記載の燃料電池ユニット。

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