JP5947779B2

JP5947779B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP5947779B2
Application number: JP2013233204A
Authority: JP
Inventors: 誠武山; 浩司久米
Original assignee: Toyota Boshoku Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Boshoku Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-11-11
Filing date: 2013-11-11
Publication date: 2016-07-06
Anticipated expiration: 2033-11-11
Also published as: KR101897374B1; JP2015095322A; US10305134B2; CN105706286A; CN105706286B; US20160254564A1; KR20160065964A; DE112014005136B4; DE112014005136T5; WO2015068350A1

Description

本発明は、燃料電池に関する。

燃料電池は、発電単位となる燃料電池セルを複数積層したスタック構造とされ、燃料電池セルへの燃料ガス供給を、スタック一端のエンドプレートに装着されたインジェクターから行う手法が提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２０１２−１５６０３３号公報

この特許文献で提案されたガス供給手法によれば、燃料電池回りでの燃料ガス供給配管系の集約を図ることができるものの、次のような課題が指摘されるに到った。燃料電池は、発電システムと云った固定構造物に組み込み設置されて発電源とされる他、例えば車両に搭載されて駆動電力源として多用されつつある。燃料電池の車両搭載には、その搭載位置に特段の制限はないものの、車室の静寂性確保の観点から、発電運転中の騒音低減を図ることが望ましい。燃料電池を構成する燃料電池セルでは、供給された燃料ガスの燃料と酸化剤ガス（例えば、空気）の酸素との電気化学反応が進行するとはいえ、セル構成部材の機械的な振動は起き得ず、振動に起因したセル自体の騒音はさほど問題とならない。ところが、エンドプレートに装着されたインジェクターは、燃料電池の発電運転中にガス噴出を繰り返し継続する都合上、振動源となり得、インジェクターのみならずエンドプレートの振動を引き起こして異音を発しかねないことが危惧される。固定構造物に組み込み設置された燃料電池であっても同様である。上記の特許文献では、エンドプレートに装着されたインジェクターが振動源となり得るという事態を全く想定していないことから、燃料電池の発電運転中の騒音低減を図ることが要請されるに到った。この他、騒音低減を図る上でのコスト低減や、燃料電池或いはその製造コストの低減等を可能とすることも要請されている。

上記した課題の少なくとも一部を達成するために、本発明は、以下の形態として実施することができる。
燃料電池であって、
発電単位となる燃料電池セルを複数積層したスタック構造のセルスタックと、
該セルスタックの一端に装着されるエンドプレートと、
該エンドプレートの一方の側に装着され、前記燃料電池セルに用いられる燃料ガスを噴出するインジェクターと、
該インジェクターから噴出された燃料ガスを前記セルスタックに導くよう前記エンドプレートの他方の側に備えられた通路と、
前記他方の側において前記通路に対応する箇所の前記エンドプレートのプレート面に装着された吸音材とを備え、
該吸音材は、前記プレート面に立設された凸部が入り込む挿入部を備え、
前記エンドプレートは、前記凸部が前記吸音材の前記挿入部に入り込んだ状態で、前記吸音材を前記凸部に固定している。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池が提供される。この燃料電池は、発電単位となる燃料電池セルを複数積層したスタック構造のセルスタックと、該セルスタックの一端に装着されるエンドプレートと、該エンドプレートに装着され、前記燃料電池セルに用いられる燃料ガスを噴出するインジェクターと、該インジェクターから噴出された燃料ガスを前記セルスタックに導くよう前記エンドプレートに備えられた通路と、該通路に対応する箇所の前記エンドプレートのプレート面に装着された吸音材とを備える。そして、この吸音材は、前記プレート面に立設された凸部が入り込む挿入部を備え、前記エンドプレートは、前記凸部が前記吸音材の前記挿入部に入り込んだ状態で、前記吸音材を前記凸部に固定している。上記形態の燃料電池によれば、吸音材を、インジェクターから噴出された燃料ガスの通路に対応する箇所に備えるので、ガス噴出に伴ってインジェクターに或いはこれが装着されたエンドプレートに振動が起きても、この振動に起因した騒音を低減できる。しかも、騒音低減に寄与する吸音材を、挿入部にエンドプレートの凸部を入り込ませて凸部に固定すればよいので、上記形態の燃料電池によれば、エンドプレートへの吸音材固定のための構造の簡略化や省スペース化、或いは、構造の簡略化に伴うコスト低減を図ることができる。また、上記形態の燃料電池によれば、インジェクター装着済みの既存のエンドプレートを上記形態の燃料電池が有するエンドプレートに置き換えればよいので、燃料電池の製造コストの低減が可能となる。

（２）上記形態の燃料電池において、前記エンドプレートは、前記吸音材の装着箇所に、前記吸音材を位置決めする位置決め部を有するようにできる。こうすれば、吸音材が不用意に動いたりしないので、騒音低減効果を持続できる。こうした位置決め部は、吸音材装着箇所において、吸音材の周壁に干渉する突起や凸条といった態様で、容易にエンドプレートのプレート面に形成できる。

（３）上記したいずれかの形態の燃料電池において、前記吸音材は、前記凸部に凸部頂上面から螺合するネジを用いて前記凸部に固定されているようにできる。こうすれば、吸音材を容易に固定できると共に、その交換も簡便となる。

（４）上記したいずれかの形態の燃料電池において、前記エンドプレートは、前記通路を形成するエンドプレートカバーを備え、前記プレート面は、前記エンドプレートカバーの外表面であるようにできる。こうすれば、吸音材をエンドプレートカバーに予め固定でき、吸音材固定済みのエンドプレートカバーをエンドプレートに固定するだけでよい。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池のエンドプレートや、燃料電池セルを複数積層したスタック構造のセルスタック、或いはセルスタックや燃料電池の製造方法、燃料電池の吸音構造としての形態で実現することができる。

本発明の実施形態としての車両１０の構成を概略的に示す説明図である。車両底面の側から見た燃料電池１００の概略構成を示す概略斜視図である。セル前端側のエンドプレート１７０Ｆをセルスタック１０２Ｓへの装着面の側から見た概略斜視図である。吸音材２１０の装着前のエンドプレート１７０Ｆを装着面の側から見た概略斜視図である。エンドプレート１７０Ｆを装着面の側から平面視して示す説明図である。インジェクターブロック１８０の装着前のエンドプレート１７０Ｆをプレート外表面の側から平面視して示す説明図である。エンドプレート１７０Ｆを図５における７−７線に沿って断面視した拡大概略端面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づき説明する。図１は本発明の実施形態としての車両１０の構成を概略的に示す説明図である。本実施形態の車両１０は、燃料電池１００と、第１ガスタンク１１１と、第２ガスタンク１１２とを備える。燃料電池１００は、車室２０を区画するアンダーボディー１１の下方側、即ち車室２０の床下の前輪ＦＷと後輪ＲＷとの間の車室床下領域４０に横置き搭載され、水素ガスと酸化ガスとの供給とを受けて発電する。その発電電力は、図示しないモーターに伝達され、車両１０の駆動力として用いられる。

第１ガスタンク１１１と第２ガスタンク１１２の両ガスタンクは、車両幅方向に延びるよう、アンダーボディー１１の下方に横置き搭載され、車両前後方向においては、燃料電池１００より後輪ＲＷの側に搭載され、水素ガスを貯留する。第２ガスタンク１１２は、向かい合う後輪ＲＷの間において、後輪ＲＷの車軸と干渉しないよう横置き搭載されている。第１ガスタンク１１１は、燃料電池１００と第２ガスタンク１１２との中間位置に横置き搭載され、燃料電池１００とは、水素第１供給管１２１にて接続されている。第１ガスタンク１１１と第２ガスタンク１１２との間には、開閉バルブ１２３を介在させて水素第２供給管１２２が配設されている。水素第１供給管１２１と水素第２供給管１２２は、開閉バルブ１２３を含めてガス供給系を構成し、タンク付属の図示しない口金バルブと開閉バルブ１２３の制御装置（図示略）による駆動制御下で、第１ガスタンク１１１と第２ガスタンク１１２の両ガスタンクから、水素ガスを燃料電池１００に供給する。

図２は車両底面の側から見た燃料電池１００の概略構成を示す概略斜視図である。燃料電池１００は、燃料電池セルたるユニットセル１０２をＺ方向（以下、「積層方向」とも呼ぶ）に複数積層したスタック状のセルスタック１０２Ｓを備え、当該スタックを、一対のエンドプレート１７０Ｆ，１７０Ｅで挟持する。そして、燃料電池１００は、セル中央下端や各セルコーナー部において、図示しない締結ボルトにてセル積層方向に締結され、こうして締結されたまま、電池ケース１０３に収容されて、既述したようにアンダーボディー１１の下方に横置き搭載される。

この燃料電池１００は、前端側のエンドプレート１７０Ｆとセルスタック１０２Ｓとの間に、前端側の絶縁板１６５Ｆを介在させて前端側のターミナルプレート１６０Ｆを有する。燃料電池１００は、後端側のエンドプレート１７０Ｅとセルスタック１０２Ｓとの間にも、同様に、後端側の絶縁板１６５Ｅを介在させて後端側のターミナルプレート１６０Ｅを有する。ユニットセル１０２で構成されるセルスタック１０２Ｓと、ターミナルプレート１６０Ｆ，１６０Ｅおよび絶縁板１６５Ｆ，１６５Ｅは、それぞれ、略矩形状の外形を有するプレート構造を有しており、長辺がＸ方向（水平方向）で短辺がＹ方向（垂直方向，鉛直方向）に沿うように配置されている。

前端側における絶縁板１６５Ｆとターミナルプレート１６０Ｆは、燃料ガス供給孔１７２ＩＮおよび燃料ガス排出孔１７２ＯＴと、複数の酸化剤ガス供給孔１７４ＩＮおよび酸化剤ガス排出孔１７４ＯＴと、複数の冷却水供給孔１７６ＩＮおよび冷却水排出孔１７６ＯＴとを有する。これらの給排孔は、各ユニットセル１０２の対応する位置に設けられているそれぞれの孔（不図示）と連結して、それぞれに対応するガス或いは冷却水の給排マニホールドを構成する。その一方、後端側におけるエンドプレート１７０Ｅと絶縁板１６５Ｅとターミナルプレート１６０Ｅには、これらの給排孔は設けられていない。これは、反応ガス（燃料ガス，酸化剤ガス）および冷却水を前端側のエンドプレート１７０Ｆからそれぞれのユニットセル１０２に対して供給マニホールドを介して供給しつつ、それぞれのユニットセル１０２からの排出ガスおよび排出水を前端側のエンドプレート１７０Ｆから外部に対して排出マニホールドを介して排出するタイプの燃料電池であることによる。ただし、これに限定されるものではなく、例えば、前端側のエンドプレート１７０Ｆから反応ガスおよび冷却水を供給し、後端側のエンドプレート１７０Ｅから排出ガスおよび排出水が外部へ排出されるタイプ等の種々のタイプとすることができる。

複数の酸化剤ガス供給孔１７４ＩＮは、前端側のエンドプレート１７０Ｆの下端の外縁部にＸ方向（長辺方向）に沿って配置されており、複数の酸化剤ガス排出孔１７４ＯＴは、上端の外縁部にＸ方向に沿って配置されている。燃料ガス供給孔１７２ＩＮは、前端側のエンドプレート１７０Ｆの右端の外縁部のＹ方向（短辺方向）の上端部に配置されており、燃料ガス排出孔１７２ＯＴは、左端の外縁部のＹ方向の下端部に配置されている。複数の冷却水供給孔１７６ＩＮは、酸化剤ガス供給孔１７４ＩＮの下側にＹ方向に沿って配置されており、複数の冷却水排出孔１７６ＯＴは、酸化剤ガス排出孔１７４ＯＴの上側にＹ方向に沿って配置されている。

前端側のターミナルプレート１６０Ｆおよび後端側のターミナルプレート１６０Ｅは、各ユニットセル１０２の発電電力の集電板であり、図示しない端子から集電した電力を外部へ出力する。

本実施形態のエンドプレート１７０Ｆは、プレート外表面に後述のインジェクターブロック１８０を装着して備え、セルスタック１０２Ｓとの間でガスや冷却水の通過を図る各種通路を、図２における紙面奥側のプレート裏面に有する。こうした通路には、インジェクターブロック１８０の後述のインジェクター１８０ａ〜１８０ｃから噴出された燃料ガスをセルスタック１０２Ｓの燃料ガス供給孔１７２ＩＮに導く燃料ガス供給通路（図示略、他の通路も同様）の他、酸化剤ガス供給孔１７４ＩＮに酸化剤ガス（例えば、空気）を導く酸化剤ガス供給通路、酸化剤ガス排出孔１７４ＯＴから排出された余剰の酸化剤ガスをセル外に導く酸化剤ガス排出通路、燃料ガス排出孔１７２ＯＴから排出された余剰の燃料ガスをセル外に導く燃料ガス排出通路、冷却水供給孔１７６ＩＮに冷却水を導く冷却水供給通路、冷却水排出孔１７６ＯＴから排出された冷却水をセル外に導く冷却水排出通路が含まれる。

図３はセル前端側のエンドプレート１７０Ｆをセルスタック１０２Ｓへの装着面の側から見た概略斜視図、図４は吸音材２１０の装着前のエンドプレート１７０Ｆを装着面の側から見た概略斜視図、図５はエンドプレート１７０Ｆを装着面の側から平面視して示す説明図、図６はインジェクターブロック１８０の装着前のエンドプレート１７０Ｆをプレート外表面の側から平面視して示す説明図、図７はエンドプレート１７０Ｆを図５における７−７線に沿って断面視した拡大概略端面図である。

図示するように、エンドプレート１７０Ｆは、セルスタック１０２Ｓへの装着面の側に、エンドプレートカバー２００と、セル連結部１７０Ｆｃとを有し、エンドプレートカバー２００に吸音材２１０を装着して備える。セル連結部１７０Ｆｃは、上記したセルスタック１０２Ｓの外郭形状に倣って凸とされ、その内部において、上記した燃料ガス供給通路等の各通路を備える。エンドプレートカバー２００は、アルミ等の軽金属或いは耐熱性樹脂の型成形品であり、セル連結部１７０Ｆｃの外側のプレート面に装着され、インジェクターブロック１８０のインジェクター１８０ａ〜１８０ｃとエンドプレート１７０Ｆを挟んで相対する位置に配設されている。この様子は、図６〜図７に概略的に示されており、エンドプレートカバー２００は、インジェクターブロック１８０のインジェクター１８０ａ〜１８０ｃからの噴出ガスを受け入れるガス導入孔１８１ＩＮに対向し、これら導入孔からエンドプレート１７０Ｆのセル連結部１７０Ｆｃにおける燃料ガス供給通路に達するガス導入通路２０２を形成する。このガス導入通路２０２は、図４と図７において、隆起したカバー内通路として示されており、ガス導入孔１８１ＩＮに噴出された燃料ガスを合流させて、エンドプレート１７０Ｆのセル連結部１７０Ｆｃの燃料ガス供給通路に導く。ガス導入通路２０２に続く燃料ガス供給通路は、セル連結部１７０Ｆｃにおいて延びて燃料ガス供給孔１７２ＩＮに気密に接続される。

エンドプレートカバー２００は、セル連結部１７０Ｆｃの外側のプレート面とほぼ平行とされた吸音材着座面２０３を備え、当該着座面をセル連結部１７０Ｆｃの側のコーナーにおいて隆起壁２０４にて取り囲む。吸音材着座面２０３は、エンドプレートカバー２００が形成したガス導入通路２０２（図７参照）の壁面（天井壁面）を構成し当該通路の経路と重なって、より詳しくは、ガス導入通路２０２に含まれる噴出燃料ガスの合流・通過箇所に重なって形成されている。吸音材２１０は、発泡ウレタン等の軽量な多孔質材であり、消音機能を発揮し、吸音材着座面２０３に両面テープ等にて接着・装着される。隆起壁２０４は、吸音材２１０の外郭コーナー部のコーナー形状に倣って吸音材着座面２０３から突出し、吸音材着座面２０３に装着された吸音材２１０の外周壁と接触する。この他、エンドプレートカバー２００は、吸音材着座面２０３に凸状柱２０５を有する。この凸状柱２０５は、吸音材着座面２０３から突出し、吸音材２１０が備える貫通孔２１１に入り込む。吸音材２１０は、凸状柱２０５が貫通孔２１１に入り込んだ状態で、図７に示すように、座金Ｗを介してタッピングスクリュウネジＴＳにて、吸音材着座面２０３に隙なく押圧固定されている。

本実施形態の燃料電池１００は、発電単位となるユニットセル１０２を複数積層したスタック構造のセルスタック１０２Ｓの一端の側にエンドプレート１７０Ｆを装着して備え、車室２０を区画するアンダーボディー１１の下方の車室床下領域４０に横置き搭載される。こうして車両１０に搭載された本実施形態の燃料電池１００は、エンドプレート１７０Ｆに、吸音材２１０を装着済みのエンドプレートカバー２００とインジェクターブロック１８０とを有し、吸音材２１０を、エンドプレートカバー２００を介して、インジェクターブロック１８０のインジェクター１８０ａ〜１８０ｃとエンドプレート１７０Ｆを挟んで相対する位置に位置させる。その上で、本実施形態の燃料電池１００は、吸音材２１０を、インジェクター１８０ａ〜１８０ｃからの噴出ガスを合流させてセル連結部１７０Ｆｃにおける燃料ガス供給通路に導くエンドプレートカバー２００のガス導入通路２０２に重ねて配置させている。このため、インジェクター１８０ａ〜１８０ｃからの燃料ガスの噴出に伴ってそれぞれのインジェクターに、或いはこれらが装着されたエンドプレート１７０Ｆに振動が起きても、本実施形態の燃料電池１００によれば、この振動に起因した騒音を、噴出ガスのガス導入通路２０２に重なった吸音材２１０により低減できる。しかも、騒音低減に寄与する吸音材２１０を、エンドプレートカバー２００の吸音材着座面２０３から突出した凸状柱２０５が吸音材２１０の貫通孔２１１に入り込んだ状態で、凸状柱２０５に固定するに過ぎない。よって、本実施形態の燃料電池１００によれば、エンドプレート１７０Ｆへの吸音材２１０の固定構造を簡略化できると共に、その省スペース化や、構造簡略化に伴うコスト低減を図ることができる。また、本実施形態の燃料電池１００によれば、インジェクターブロック１８０を装着済みの既存のエンドプレートを、吸音材２１０を上記の様に装着済みのエンドプレート１７０Ｆに置き換えればよいので、燃料電池１００の製造コスト、延いては車両１０の製造コストを低減できる。

本実施形態の燃料電池１００は、エンドプレート１７０Ｆのエンドプレートカバー２００に、詳しくはその吸音材着座面２０３に吸音材２１０を装着するに当たり、隆起壁２０４を吸音材２１０の外郭形状に倣うように吸音材着座面２０３から突出させ、この隆起壁２０４を吸音材２１０の外周壁と接触させる。よって、本実施形態の燃料電池１００によれば、吸音材着座面２０３に装着した吸音材２１０を隆起壁２０４にて位置決めするので、燃料電池１００の発電運転中に吸音材２１０が不用意に動いたりしないようにでき、騒音低減効果を持続できる。

本実施形態の燃料電池１００は、エンドプレートカバー２００の吸音材着座面２０３に装着した吸音材２１０を、吸音材着座面２０３から突出した凸状柱２０５に、その凸部頂上面から螺合するタッピングスクリュウネジＴＳと座金Ｗを用いて固定した。よって、本実施形態の燃料電池１００によれば、吸音材２１０を容易に吸音材着座面２０３に固定できると共に、簡便に交換できる。

本実施形態の燃料電池１００は、インジェクター１８０ａ〜１８０ｃからの噴出ガスを合流させてセル連結部１７０Ｆｃにおける燃料ガス供給通路に導くガス導入通路２０２をエンドプレートカバー２００にて形成し、このガス導入通路２０２をなす吸音材着座面２０３に吸音材２１０を装着させている。よって、本実施形態の燃料電池１００によれば、吸音材２１０をエンドプレートカバー２００に予め固定でき、吸音材固定済みのエンドプレートカバー２００をエンドプレート１７０Ｆに固定するだけでよく、簡便となる。

本発明は、上述の実施形態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の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、或いは、上述の効果の一部又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。

上記した実施形態の燃料電池１００では、エンドプレートカバー２００を介して吸音材２１０をエンドプレート１７０Ｆに装着したが、エンドプレート１７０Ｆ自体がエンドプレートカバー２００のガス導入通路２０２を形成していれば、吸音材２１０をエンドプレート１７０Ｆに直接装着してもよい。

上記した実施形態の燃料電池１００では、貫通孔２１１に凸状柱２０５を入り込ませ、タッピングスクリュウネジＴＳにて吸音材２１０を固定したが、貫通孔２１１に代えて有底の孔を吸音材２１０に設け、この有底孔に凸状柱２０５が入り込んだ状態で、孔の底ごと、タッピングスクリュウネジＴＳにて固定してもよい。

１０…車両
１１…アンダーボディー
２０…車室
４０…車室床下領域
１００…燃料電池
１０２…ユニットセル
１０２Ｓ…セルスタック
１０３…電池ケース
１１１…第１ガスタンク
１１２…第２ガスタンク
１２１…水素第１供給管
１２２…水素第２供給管
１２３…開閉バルブ
１６０Ｅ…ターミナルプレート
１６０Ｆ…ターミナルプレート
１６５Ｅ…絶縁板
１６５Ｆ…絶縁板
１７０Ｅ…エンドプレート
１７０Ｆ…エンドプレート
１７０Ｆｃ…セル連結部
１７２ＩＮ…燃料ガス供給孔
１７２ＯＴ…燃料ガス排出孔
１７４ＩＮ…酸化剤ガス供給孔
１７４ＯＴ…酸化剤ガス排出孔
１７６ＩＮ…冷却水供給孔
１７６ＯＴ…冷却水排出孔
１８０…インジェクターブロック
１８０ａ〜１８０ｃ…インジェクター
１８１ＩＮ…ガス導入孔
２００…エンドプレートカバー
２０２…ガス導入通路
２０３…吸音材着座面
２０４…隆起壁
２０５…凸状柱
２１０…吸音材
２１１…貫通孔
Ｗ…座金
ＴＳ…タッピングスクリュウネジ
ＦＷ…前輪
ＲＷ…後輪

Claims

燃料電池であって、
発電単位となる燃料電池セルを複数積層したスタック構造のセルスタックと、
該セルスタックの一端に装着されるエンドプレートと、
該エンドプレートの一方の側に装着され、前記燃料電池セルに用いられる燃料ガスを噴出するインジェクターと、
該インジェクターから噴出された燃料ガスを前記セルスタックに導くよう前記エンドプレートの他方の側に備えられた通路と、
前記他方の側において前記通路に対応する箇所の前記エンドプレートのプレート面に装着された吸音材とを備え、
該吸音材は、前記プレート面に立設された凸部が入り込む挿入部を備え、
前記エンドプレートは、前記凸部が前記吸音材の前記挿入部に入り込んだ状態で、前記吸音材を前記凸部に固定している
燃料電池。
前記エンドプレートは、前記吸音材の装着箇所に、前記吸音材を位置決めする位置決め部を有する請求項１に記載の燃料電池。
前記吸音材は、前記凸部に凸部頂上面から螺合するネジを用いて前記凸部に固定されている請求項１または請求項２に記載の燃料電池。
前記エンドプレートは、前記通路を形成するエンドプレートカバーを備え、前記プレート面は、前記エンドプレートカバーの外表面である請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池。