特許 7609607 燃料電池スタックケース

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-12-23

(45)【発行日】2025-01-07

(54)【発明の名称】燃料電池スタックケース

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/2475 20160101AFI20241224BHJP

   H01M 8/248 20160101ALI20241224BHJP

   H01M 8/2465 20160101ALI20241224BHJP

【ＦＩ】

H01M8/2475

H01M8/248

H01M8/2465

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020187425

(22)【出願日】2020-11-10

(65)【公開番号】P2022076830

(43)【公開日】2022-05-20

【審査請求日】2023-10-10

(73)【特許権者】

【識別番号】000005348

【氏名又は名称】株式会社ＳＵＢＡＲＵ

(74)【代理人】

【識別番号】110000419

【氏名又は名称】弁理士法人太田特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】布川 拓未

【審査官】守安 太郎

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－１１４４７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２２－０６６７４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０７１９８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１７０６５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１８８３７６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池スタックを収容可能な凹状ケース本体と、
前記凹状ケース本体の開口部を閉塞するフタ部と、を備えた燃料電池スタックのスタックケースであって、
前記燃料電池スタックに所定の圧力を付与する一対のエンドプレートの一方が前記凹状ケース本体の底部を構成すると共に、前記一対のエンドプレートの他方が前記フタ部を構成し、
前記フタ部は、前記凹状ケース本体の開口部を閉塞する上面板と周壁を備えた凹状体であり、
前記凹状ケース本体の側面と前記周壁の側面とが接触することで、前記凹状ケース本体の内部を封止する接触部を形成している、燃料電池スタックケース。

【請求項2】

前記フタ部と、前記凹状ケース本体との間には所定の間隙が形成され、
前記間隙には前記圧力を調整可能な第１圧力調整部材が配置されて、前記フタ部と前記凹状ケース本体とが連結されてなる、請求項１に記載の燃料電池スタックケース。

【請求項3】

前記フタ部と前記凹状ケース本体との間に、前記第１圧力調整部材とは異なる第２圧力調整部材が設けられてなる、請求項１又は２に記載の燃料電池スタックケース。

【請求項4】

前記凹状ケース本体の側面には、当該側面から突出するとともに前記第１圧力調整部材が挿入される挿入孔が形成された環状突起部が設けられ、
前記フタ部の周壁と、前記環状突起部と、を積層方向に関して拘束する拘束部材を更に有する、請求項１～３のいずれか一項に記載の燃料電池スタックケース。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、水素と酸素を燃料とする燃料電池車に搭載される燃料電池スタックケースに関する。

【背景技術】

【0002】

現代社会において移動手段として例えば自動車は不可欠であり、日常において様々な車両が路上を移動している。近年では、鉛蓄電池やリチウムイオン電池に対して代替可能な新たな電池として、環境に対する負荷が比較的小さい燃料電池が注目されてきている。

【0003】

かような燃料電池は、燃料電池ユニットとして車両に搭載される。例えば特許文献１に例示されるように、この燃料電池ユニットには、圧縮力が付与されつつ複数の単位セルが積層された燃料電池スタックと、この燃料電池スタックを収容する燃料電池スタックケースを備えたものが知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１７－１８８３７６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上述した特許文献に限らず現在の技術では市場のニーズを適切に満たしているとは言えず以下に述べる課題が存在する。
すなわち上記した燃料電池ユニットにおいて、燃料電池スタックは、一対のエンドプレートによって挟持されてボルトなどを介して所望の圧力が付与されるように締結されている。かようなエンドプレートは、上記した圧力を付与可能な程度の強度と剛性が必要であることから重量が嵩んでしまう。

【0006】

一方、車両用燃料電池においては衝突安全性を確保するため上記した燃料電池スタックケースが必須となるが、十分な強度を持たせようとした場合には当該燃料電池スタックケース自体も重量増となりがちである。この点、例えば上記した特許文献１では、一対のエンドプレートのうちの一方をケースと兼用していることから、その分だけ軽量化は果たせるものの、高い省燃費性能を実現するには未だに改善の余地は大きい。

【0007】

本発明は、上記した課題を一例に鑑みて為されたものであり、部品点数を削減して軽量化を図りつつ十分な強度も確保可能な燃料電池スタックケースを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するために、本発明の一実施形態における燃料電池スタックケースは、（１）燃料電池スタックを収容可能な凹状ケース本体と、前記凹状ケース本体の開口部を閉塞するフタ部と、を備えた燃料電池スタックのスタックケースであって、前記燃料電池スタックに所定の圧力を付与する一対のエンドプレートの一方が前記凹状ケース本体の底部を構成すると共に、前記一対のエンドプレートの他方が前記フタ部を構成し、前記フタ部は、前記凹状ケース本体の開口部を閉塞する上面板と周壁を備えた凹状体であり、前記凹状ケース本体の側面と前記周壁の側面とが接触することで、前記凹状ケース本体の内部を封止する接触部を形成している。

【0009】

なお、上記した（１）に記載の燃料電池スタックケースにおいては、（２）前記フタ部と、前記凹状ケース本体との間には所定の間隙が形成され、前記間隙には前記圧力を調整可能な第１圧力調整部材が配置されて、前記フタ部と前記凹状ケース本体とが連結されてなることが好ましい。

【0010】

また、上記した（１）又は（２）に記載の燃料電池スタックケースにおいては、（３）前記フタ部と前記凹状ケース本体との間に、前記第１圧力調整部材とは異なる第２圧力調整部材が設けられてなることが好ましい。

【0012】

また、上記した（１）～（３）のいずれかに記載の燃料電池スタックケースにおいては、（４）前記凹状ケース本体の側面には、当該側面から突出するとともに前記第１圧力調整部材が挿入される挿入孔が形成された環状突起部が設けられ、前記フタ部の周壁と、前記環状突起部と、を積層方向に関して拘束する拘束部材を更に有することが好ましい。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、車両に搭載される燃料電池ユニットにおいて、部品点数を削減して軽量化を図りつつ十分な強度も確保することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】実施形態における燃料電池スタックケースの外観を示した斜視図である。

【図2】実施形態における燃料電池スタックケースのうち凹状ケース本体の構造を示した斜視図である。

【図3】実施形態における燃料電池スタックケースのうちフタ部の構造を示した斜視図である。

【図4】本実施形態の圧力調整部材によって所定の圧力が付与された状態を示す燃料電池スタックケースの斜視図である。

【図5】ある実施形態に係る燃料電池スタックケースの断面を模式的に示した上面図および外観の側面図である。

【図6】変形例１における燃料電池スタックケースの外観を示した斜視図である。

【図7】変形例２における燃料電池スタックケースの外観を示した斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

次に本発明を実施するための好適な実施形態について説明する。また、以下で詳述する以外の構成については、上記した特許文献を含む公知の燃料電池ユニットや燃料電池ユニットを搭載する車両における要素技術やその構成を適宜補完してもよい。

【0016】

また、以下では、燃料電池スタックケースに収容された燃料電池ユニットにおける単セルの積層方向をＺ方向とし、単セルの面方向をそれぞれＸ方向およびＹ方向として便宜的に設定した。しかしながらこれら方向の定義は一例であって、本発明の趣旨を過度に限定するものではない。

【0017】

＜燃料電池スタックケース１００＞
図１に、本実施形態に係る燃料電池スタックケース１００の外観を示す。この燃料電池スタックケース１００は、例えば燃料電池ユニットを搭載するモータ駆動の車両に搭載される。燃料電池ユニットは、一例として、以下で詳述する燃料電池スタックケース１００と、燃料電池スタックＣＳと、を少なくとも含んで構成されている。

【0018】

燃料電池スタックＣＳは、酸素ガスおよび水素ガスの電気化学反応によって発電する複数の単セルを備えている。かような単セルは、上記したＺ軸方向に沿って積層されて当該積層方向（Ｚ方向）に平行な所定の圧力（圧縮荷重）が加わった状態で締結されている。

【0019】

なお、本発明に好適な車両としては、燃料電池ユニットを搭載可能な構造体であれば特に制限はなく、例えば四輪自動車の他に二輪や三輪の自動車、車輪を有する航空機、住宅やオフィス向けの定置用電源などの蓄電装置などが例示できる。
また、燃料電池スタックＣＳの構成としては、複数の単セルが積層されたスタック構成である限りにおいて特に制限はなく、例えば特許文献１を始めとした公知の燃料電池スタックの構成が適用できる。

【0020】

図１～３から理解されるとおり、本実施形態の燃料電池スタックケース１００は、凹状ケース本体１０と、フタ部２０と、を含んで構成されている。そして本実施形態では、図１などに示すように、燃料電池スタックケース１００は、燃料電池スタックＣＳを収容する。したがって、本実施形態の燃料電池スタックケース１００は、燃料電池スタックＣＳの外形にあわせるように、直方体となっていることが好ましい。

【0021】

そしてこの燃料電池スタックケース１００では、燃料電池スタックＣＳに所定の圧力を付与する一対のエンドプレートＥＰ１及びＥＰ２の一方（ＥＰ１）が凹状ケース本体１０の底部を構成すると共に、一対のエンドプレートの他方（ＥＰ２）がフタ部２０を構成する点に主とした特徴がある。

【0022】

凹状ケース本体１０は、上記した燃料電池スタックＣＳを収容可能な箱状の部材である。かような凹状ケース本体１０の材質としては、例えばアルミニウムまたはアルミニウムと合成樹脂の複合体などが適用できる。なお凹状ケース本体１０の材質としては、ケースとしての仕様を満たす限りにおいて上記に限られず、例えばチタンやＣＦＲＰなど他の公知の素材を適用してもよい。

【0023】

図２に示すように、本実施形態における凹状ケース本体１０は、底面板１１、側面板１２及び環状突起部１３を含んで構成されている。
底面板１１は、収容される燃料電池スタックＣＳの積層方向端部と対向して配置される。上述のとおり底面板１１は、燃料電池スタックＣＳを収容するケースとしての機能の他、この燃料電池スタックＣＳに上記所定の圧力を付与する一対のエンドプレートの一方としての機能も兼備する。

【0024】

なお底面板１１のＺ方向から見た平面視の形状は、本実施形態では六角形状であるが、燃料電池スタックＣＳの収容エリアＣＡに燃料電池スタックＣＳが収容可能な限りにおいて特に制限はなく、例えば上記平面視の形状が四角形状であってもよい。

【0025】

側面板１２は、上記した底面板１１の周縁からＺ方向に沿って立設された側壁部材である。本実施形態では、合計５つの側面板１２が底面板１１の周縁から立設されることで、この側面板１２の内面１２ｂで囲まれた収容エリアＣＡが形成されるとともに、底面板１１から側面板１２が立設されない領域で挿入開口部１０ｂが形成される。一例として、燃料電池スタックＣＳは、この挿入開口部１０ｂを介して収容エリアＣＡに収容されてもよい。

【0026】

また、同図に示すように、凹状ケース本体１０のうち底面板１１とは反対側の端部は開口部１０ａが形成されており、この開口部１０ａを形成する側面板１２の端面１２ｃに対して後述するフタ部２０をカバーすることで、上述した箱状の燃料電池スタックケース１００が実現される。

【0027】

また本実施形態の凹状ケース本体１０では、この側面板１２の外面１２ａのうち上記した開口端面に近い側に環状突起部１３が設けられている。そして図１などから理解されるように、環状突起部１３は、側面板１２の外面１２ａから面方向（Ｚ方向と直交する方向）へ突出するように形成されている。

【0028】

また、環状突起部１３には、後述する第１圧力調整部材３０が挿入される挿入孔（ネジ孔１３ａ～１３ｄ）が形成されている。なお本実施形態では、上記した５つの側面板１２の一部に環状突起部１３が設けられているが、すべての側面板１２に設けられていてもよいし、上記した挿入孔を形成する必要がある領域だけに設置する態様であってもよい。また、本実施形態では５つの側面板１２は一体で形成されているが、この形態に限られずそれぞれ独立して底面板１１から立設するように形成されていてもよい。

【0029】

フタ部２０は、前記した凹状ケース本体１０の開口部１０ａを閉塞する機能を有して構成された凹状体の部材である。図３に示すように、本実施形態におけるフタ部２０は、上面板２１及び周壁２２を少なくとも含んで構成されている。かようなフタ部２０の材質としては、例えばアルミニウムなど上記した凹状ケース本体１０と同様の材質とすることができる。なお本実施形態のフタ部２０は、凹状ケース本体１０とは異なる材質で構成されていてもよい。

【0030】

図５から理解されるとおり、このフタ部２０が凹状ケース本体１０に装着された状態において、凹状ケース本体１０の側面（外面１２ａ）と周壁２２の側面（内面２２ｂ）とが接触することで、凹状ケース本体１０の周囲を封止する接触部Ｃｐが形成されている。本実施形態の燃料電池スタックケース１００においては、この接触部Ｃｐを備えることで、例えばこの重なりの部分で強度を向上させることや、防水シールを設置する箇所としても機能させることが可能となっている。

【0031】

上面板２１は、上記した積層方向に関して底面板１１とは反対側の端部において燃料電池スタックＣＳの積層方向端部と対向して配置される。この上面板２１は、燃料電池スタックＣＳを収容するケースとしての機能の他、この燃料電池スタックＣＳに上記所定の圧力を付与する一対のエンドプレートの他方としての機能も兼備する。換言すれば、図４もあわせて参照して、本実施形態における底面板１１と上面板２１は、燃料電池スタックＣＳに所定の圧力を付与する一対のエンドプレートとしても機能している。

【0032】

なお本実施形態の上面板２１は、上記した底面板１１のＺ方向から見た平面視の形状と同じ形状となるように六角形状となっている。しかしながらこの形態には限定されず、例えば底面板１１の形状と同様にしてもよいし、あるいは底面板１１の形状とは独立して上記平面視の形状が四角形状などであってもよい。

【0033】

周壁２２は、図１及び図３などに示すように、上記した上面板２１の周縁からＺ方向に沿って立設された側壁部材である。かような周壁２２は、上面板２１と一体として成形されることが好ましい。本実施形態では、凹状ケース本体１０の形状と対応するように、合計５つの周壁２２が上面板２１の周縁から立設されている。

【0034】

したがって、フタ部２０が凹状ケース本体１０に装着された際には、上面板２１から周壁２２が立設されない領域が上記した挿入開口部１０ｂと連続することになる。これにより、例えばメンテナンス時などでフタ部２０が凹状ケース本体１０と装着された状態で挿入開口部１０ｂを介して収容エリアＣＡから燃料電池スタックＣＳを一時的に取り外すことなども可能となっている。

【0035】

なお図３に示すように、本実施形態のフタ部２０は、内側段部２３をさらに含んで構成されていてもよい。この内側段部２３は、フタ部２０が凹状ケース本体１０に装着された際に凹状ケース本体１０における側面板１２の端面１２ｃと対向する部位である。なお内側段部２３は必須ではなく、適宜省略してもよい。

【0036】

なお本実施形態においては、この内側段部２３は上記した接触部Ｃｐとは異なるシールポイントとして機能させることが可能である。例えば本実施形態の燃料電池スタックケースが挿入開口部１０ｂを閉塞するカバー部材（不図示）をさらに備える場合においては、側面板１２の端面１２ｃとフタ部２０の内側段部２３とが密着することでより密封性を向上させることが可能となる。

【0037】

また図４及び図５に示すように、フタ部２０が凹状ケース本体１０に装着された状態において、フタ部２０と凹状ケース本体１０との間には所定の間隙ＧＰが形成される。そして本実施形態では、この間隙ＧＰには上記した所定の圧力を調整可能な第１圧力調整部材３０が配置されてフタ部２０と凹状ケース本体１０とが連結されている。

【0038】

かような圧力調整機能を備えた第１圧力調整部材３０は、本実施形態では４つのねじ部材３１～３４で構成されている。このうちねじ部材３１及び３２の組とねじ部材３３及び３４の組とが、燃料電池スタックＣＳを挟むようにして、それぞれ環状突起部１３のネジ孔１３ａとフタ部２０の周壁２２を接続するように締め込まれる。そしてこの第１圧力調整部材３０によって環状突起部１３と周壁２２との間隔が調整されることで、上記した所定の圧力の強弱を調整することが可能となっている。

【0039】

なお本実施形態では第１圧力調整部材３０の具体例として公知のねじを例示したが、フタ部２０と凹状ケース本体１０との締結態様は上記の形態には限られない。具体的に例えば、ネジ孔１３ａでねじを切らずにボルト＆ナット構造を採用するなど他の公知の締結手段を用してもよい。

【0040】

このように本実施形態では、第１圧力調整部材３０によって、フタ部２０と凹状ケース本体１０とを締結しつつ、一対のエンドプレート（底面板１１及び上面板２１）に必要な上記圧力を発生させることが可能となっている。

【0041】

なお本実施形態の燃料電池スタックケース１００は、一対のエンドプレート（底面板１１及び上面板２１）に必要な上記圧力を発生させる第２圧力調整部材４０をさらに備えていてもよい。かような第２圧力調整部材４０は、図５に示すように、第１圧力調整部材３０とは異なる部材であって、前記したフタ部２０と凹状ケース本体１０との間に設けることができる。

【0042】

一例として本実施形態の第２圧力調整部材４０は、一対のエンドプレート（底面板１１及び上面板２１）に直接的に接続される通しボルトが例示できる。このような第２圧力調整部材４０を燃料電池スタックケース１００が更に備えることで、燃料電池スタックＣＳに付与される上記所定の圧力（圧縮圧力）の値をより正確に管理することが可能となる。

【0043】

なお図示のとおり、本実施形態の第２圧力調整部材４０は２本の通しボルト４１及び４２で構成されているが、１本の通しボルトでもよいし、設置するためのスペースが許容できる限りにおいて３本以上の任意の数だけ通しボルトを設置してもよい。

【0044】

また図５に示すように、本実施形態の燃料電池スタックケース１００は、フタ部２０の周壁２２と環状突起部１３とを積層方向に関して拘束するストッパとしての拘束部材５０を更に有するように構成されていてもよい。この拘束部材５０を備えることで、例えば特許文献１で開示された衝突時の衝撃で第１圧力調整部材３０の機能が損なわれたとしても、燃料電池スタックＣＳの積層方向への膨張によってケースが完全に破壊されてしまうことなどが抑制される。

【0045】

以上説明した本実施形態によれば、燃料電池自動車など燃料電池を搭載して走行可能な車両に適用される燃料電池ユニットにおいて、部品点数を削減して軽量化を図り、燃費性能などに多大な貢献をすることができる。また、本実施形態によれば、単に軽量化するのみに留まらず、燃料電池スタックに必要な所定の圧力（圧縮応力）を付与しながら十分な強度も確保することが可能となっている。

【0046】

なお添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態には限定されない。すなわち当業者であれば上記した実施形態に対して更なる修正を試みることは明らかであり、これらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
以下、一例として上記した実施形態の変形例について説明する。

【0047】

＜変形例１＞
図６に、本実施形態の変形例１に関する燃料電池スタックケース１１０を示す。
同図から理解されるとおり、本発明の凹状ケース本体１０は、周方向（図６のθｚ周り）に関して連続した枠部１４と、この枠部１４により形成された開口部（縮小された挿入開口部１０ｂ）を備えるように構成されていてもよい。かような開口部を燃料電池スタックケース１１０が更に備えることで、収容された燃料電池に付随する周辺部品（例えば配管、バスバー、リレー、セル電圧測定装置等）へ当該開口部を介してアクセスすることが可能となっている。

【0048】

すなわち上記した実施形態では、底面板１１から側面板１２が立設されない領域で挿入開口部１０ｂが形成されていたが、本変形例１ではこの挿入開口部１０ｂの一部が閉塞されて枠部１４の一部となっている点に主とした特徴がある。さらに図６に示すように、変形例１の燃料電池スタックケース１１０においては、この枠部１４上に環状突起部１３を設けるように構成してもよい。

【0049】

一方でフタ部２０についても、この延長された環状突起部１３および枠部１４に対応して、周壁２２を上記した周方向で連続する環状壁となるように上面板２１から立設することもできる。
これにより、燃料電池スタックケース１１０が枠部１４を備えることで凹状ケース本体１０の剛性を向上させることが可能となっている。

【0050】

また、枠部１４上に環状突起部１３を増設することで、第１圧力調整部材３０を介してフタ部２０の増設された周壁２２と接続させることも可能となる。さらに、枠部１４上に環状突起部１３を増設することで、上記した防水シールを設置する箇所が増加するのでシール性を向上させることが可能となる。

【0051】

＜変形例２＞
図７に、本実施形態の変形例２に関する燃料電池スタックケース１２０を示す。
同図に示すように、燃料電池スタックケース１２０においては、互いに対向する側面板１２の内面１２ｂ同士を接続する中間梁１５を具備していてもよい。これにより、凹状ケース本体１０の剛性を向上させることが可能となっている。

【0052】

なお本変形例２では１本の中間梁１５が例示されているが、当該形態に限定されず、例えば２本以上の複数の中間梁１５を備えていてもよい。
また、同図に示すように、枠部１４の上に必ずしも環状突起部１３を形成する必要はなく、環状突起部１３は適宜省略することができる。この場合、変形例１と同様に、本変形例の枠部１４は、上記した防水シールの設置に必要な面圧を確保できる程度以上の強度があることが好ましい。

【0053】

なお、上記した実施形態、変形例１および変形例２では、すべて凹状ケース本体１０の挿入開口部１０ｂを覆うカバー部材は図示を省略したが、当該挿入開口部１０ｂを覆うカバー部材は公知の種々の材料で構成されていてもよい。この場合、内部の気密性を重視する場合には挿入開口部１０ｂを覆うカバー部材は他の側面（側面板１２）と同じ構成にしてもよいし、更なる軽量化を重視する場合には他の側面板１２に比して薄くしたり材料を変更するなど簡易な仕様としてもよい。

【0054】

また、上記した実施形態や変形例においては、フタ部２０の内側に凹状ケース本体１０が収まる形態を例示したが、この形態には限られず、例えばフタ部２０の外形を凹状ケース本体１０よりも小さくして凹状ケース本体１０の内側にフタ部２０が挿入される形態としてもよい。

【0055】

また、上記した実施形態においては、ストッパとしての拘束部材５０は断面がコの字状の部材を用いて嵌め込む形で周壁２２と環状突起部１３とを積層方向に関して拘束したが、この形態には限られない。すなわち拘束部材５０の他の例として、例えば周壁２２と環状突起部１３の双方に貫通孔を形成するとともに、この貫通孔にボルトを挿入してナットによって締結する構造を採用してもよいし、リベットを用いて周壁２２と環状突起部１３の最大離間距離を設定するようにしてもよい。

【符号の説明】

【0056】

１００ 燃料電池スタックケース
１０ 凹状ケース本体
１１ 底面板
１２ 側面板
１３ 環状突起部
２０ フタ部
２１ 上面板
２２ 周壁
２３ 内側段部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】