JP2005190727A

JP2005190727A - 燃料電池車

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Publication number: JP2005190727A
Application number: JP2003427797A
Authority: JP
Inventors: Koji Okazaki; 幸治岡崎
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-12-24
Filing date: 2003-12-24
Publication date: 2005-07-14
Anticipated expiration: 2023-12-24
Also published as: EP1700734A4; JP4394946B2; EP1700734A1; EP1700734B1; WO2005061259A1; DE602004022987D1; US20070154757A1

Abstract

【課題】固体高分子電解質型燃料電池の省スペース化を図って燃料電池車の機器配置レイアウトの自由度を高めるとともに、該固体高分子電解質型燃料電池において液絡や地絡が起こることを回避する。
【解決手段】固体高分子電解質型燃料電池１０のスタック１２は、スタック収容ケース１４内で有機溶媒等の液体冷媒に浸漬され、この状態で運転される。これに伴って発生した熱量によって温度が上昇したスタック１２は、液体冷媒によって冷却される。スタック１２を冷却した液体冷媒は気化し、凝縮器１６によって凝縮されてスタック収容ケース１４に戻る。凝縮器１６は、供給ルーバー２０６から導入された外気が接触することによって冷却される。外気は、排気ファン２２２によって効率よく排気ルーバー２０８を介して排出される。
【選択図】図８

Description

本発明は、固体高分子電解質型燃料電池が搭載された燃料電池車に関する。

近年における環境保護への関心の高まりから、自動車の動力源を内燃機関から燃料電池に代替する試みが盛んになされている（例えば、特許文献１参照）。燃料電池を搭載した自動車は、一般に、燃料電池車と指称されている。

燃料電池の１種である固体高分子電解質型燃料電池の電解質・電極接合体は、固体高分子、例えば、パーフルオロスルホン酸ポリマー膜が電解質としてアノード側電極とカソード側電極との間に介装されて構成される。この電解質・電極接合体が１対のセパレータで挟持されることによって単位発電セルが構成され、さらに、この単位発電セルが複数個積層されることによってスタックが構成される。スタックの各端部には集電プレートがそれぞれ配設され、一方の集電プレートが各単位発電セルのアノード側電極と電気的に接続されるとともに、残余の一方の集電プレートが各単位発電セルのカソード側電極と電気的に接続される。

ここで、スタックは、前記単位発電セルの他に金属製の冷却用プレートを含めて構成されるのが一般的である。冷却用プレートは、単位発電セルが２〜３個積層される毎に１枚の割合で介在され、場合によっては、単位発電セル同士の間に介在されることもある。

冷却用プレートには、冷媒を流通させるための冷媒通路が設けられている。この冷媒通路には、固体高分子電解質型燃料電池が運転される際、スタックに連結された冷媒供給・排出システムを介して冷媒が流通される。これにより、スタックの運転温度が８０〜９０℃に維持される。その一方で、各単位発電セルにて発生した電子は、前記集電プレートから取り出され、外部に接続された負荷を付勢するための電気エネルギとなる。

特開２００３−１１８３９６号公報

ところで、このようにスタックの内部に冷媒を流通させた場合、この冷媒が水等の導電性のものであると、該冷媒中に電気が流れることが懸念される。このような事態が生じると、冷媒供給・排出システムにまで電気が流れ、その結果、地絡や液絡が発生して固体高分子電解質型燃料電池の出力が低下し、燃料電池車を走行させることが困難となる。

そこで、冷媒を流通させる冷媒通路に絶縁性皮膜を設けることが想起される。しかしながら、冷媒通路は開口面積が小さい上、屈曲部が存在することもあり、絶縁性皮膜を設けることは困難である。

また、この種の固体高分子電解質型燃料電池においては、スタックに冷媒供給・排出システムを連結する必要がある。例えば、上記特許文献１では、車体の客室下方に設置された燃料電池に対し、車体前部のボンネット部に設置された燃料電池冷却用ラジエータが冷却水管路を介して連結されている。このため、燃料電池を車体に設置するのに大きなスペースが必要となるとともに、燃料電池車の重量増加を引き起こしてしまう。しかも、燃料電池車における各機構・部材の配置位置、すなわち、機器配置レイアウトが制限されてしまうという不具合がある。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、液絡や地絡が発生することを回避可能であり、且つ機器配置レイアウトの自由度が向上した燃料電池車を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、単位発電セルが複数個積層されて形成されたスタックと、前記スタックを収容するスタック収容ケースと、前記スタック収容ケースに設置された凝縮器とを具備する固体高分子電解質型燃料電池が車体に搭載された燃料電池車であって、
前記固体高分子電解質型燃料電池は、前記単位発電セルがアノード側電極とカソード側電極との間に固体高分子電解質が介在された電解質・電極接合体と、前記電解質・電極接合体を挟持する第１セパレータ及び第２セパレータとを有し、且つ前記スタックが前記スタック収容ケース中で電気絶縁性の液体冷媒に浸漬されることによって冷却されるものであり、
前記スタック収容ケースが車体の客室下方に設置され、
前記車体に設けられた空気導入口から導入された空気を前記凝縮器に接触させることによって、前記スタックを冷却することに伴って前記スタック収容ケースから気化した前記液体冷媒を凝縮することを特徴とする。

このように、スタックを冷媒に浸漬して冷却することにより、スタックに冷媒を流通させる必要がなくなる。従って、スタックに冷媒通路を設ける必要も、冷媒通路に絶縁性皮膜を設ける必要もない。このため、固体高分子電解質型燃料電池の構成を著しく簡素化することができる。これに伴って固体高分子電解質型燃料電池の小型化及び軽量化を図ることができ、結局、該固体高分子電解質型燃料電池の設置スペースを小さくすることができるので、燃料電池車における機器配置レイアウトの自由度が向上する。

また、冷媒として絶縁性の液体を使用することにより、冷媒への電気伝導、ひいては液絡や地絡が起こることを回避することができるので、固体高分子電解質型燃料電池の発電性能が低下することもない。

凝縮器の表面及びスタック収容ケースの内表面の少なくともいずれか一方には、皮膜を設けることが好ましい。これにより、凝縮器やスタック収容ケースが金属から構成されている場合でも、これらから金属粉が液体冷媒に混入することを回避することができ、液体冷媒の絶縁性を確保することができる。皮膜の好適な例としては、フッ素系樹脂が挙げられる。

スタックには、液体冷媒を該スタックの内部に流入させるための溝が設けられた部材を含めることが好ましい。これによりスタックの内部を冷却することができるようになるので、スタックの冷却効率が向上する。

さらに、スタック収容ケースの内表面に、スタックに指向して突出するとともに液体冷媒の液面から露呈した複数個の突出部を設けることが好ましい。これにより、該固体高分子電解質型燃料電池を自動車に搭載した場合において車体が傾いた場合でも液体冷媒が突出部で堰止される。このため、スタックが液体冷媒から露呈することが回避されるので、スタックの冷却効率が低下することを回避することができる。

そして、凝縮器に凝縮した液体冷媒を捕集する捕集部を設け、且つ前記捕集部からスタック収容ケースに液体冷媒を戻す循環機構を設けることが好ましい。この循環機構の作用により、凝縮した液体冷媒を効率よくスタック収容ケースに戻すことができる。

液体冷媒としては、核沸騰状態で沸騰させて気化するものを選定することが好ましい。膜沸騰状態で沸騰させると、スタックが蒸気膜で覆われて液体冷媒との接触面積が小さくなるので、スタックの冷却効率が低下することが懸念される。確実に核沸騰を起こさせるには、液体冷媒として、沸点がスタックの運転温度に比して１０〜２５℃低いものを使用することが好ましい。

いずれの場合においても、空気導入口から導入された空気を車体から排出することを支援する排気支援機構を設けることが好ましい。導入から排出までの時間が短くなることによって、空気と凝縮器との間における熱伝達の効率が向上するので凝縮器を効率よく冷却することができ、ひいては、気化した液体冷媒を効率よく凝縮させることができる。

本発明によれば、スタックを絶縁性の液体冷媒中に浸漬するようにしたので、スタックに冷媒を流通させるための冷媒通路を設ける必要がなく、冷媒を供給・排出するための配管をスタックに連結する必要もない。このため、固体高分子電解質型燃料電池の小型化及び軽量化を図ることができ、設置スペースを小さくすることができる。従って、燃料電池車における機器配置レイアウトの自由度が向上する。

また、スタックを絶縁性の液体冷媒中に浸漬することによって固体高分子電解質型燃料電池を効率よく冷却させることができるとともに、絶縁性の液体冷媒を使用することによって液絡や地絡が起こることを回避することができる。

以下、本発明に係る燃料電池車につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

本実施の形態に係る燃料電池車の概略全体斜視図を図１に示す。この燃料電池車２００の車体２０２を構成するアンダーパネル２０４には、客室２０５の下方に固体高分子電解質型燃料電池１０が位置決め固定されている。また、アンダーパネル２０４において、該固体高分子電解質型燃料電池１０の車体前部側には供給ルーバー２０６が設けられており、車体後部側には排気ルーバー２０８が設けられている。供給ルーバー２０６、固体高分子電解質型燃料電池１０及び排気ルーバー２０８は、アンダーパネル２０４に位置決め固定されたフード２１０によって覆われている。

先ず、固体高分子電解質型燃料電池１０の構成につき説明する。この固体高分子電解質型燃料電池１０は、その概略全体斜視図である図２に示すように、スタック１２と、該スタック１２を収容する金属製のスタック収容ケース１４と、該スタック収容ケース１４の開口上部に配設された凝縮器１６とを有する。

図３に示すように、スタック１２は、単位発電セル１８と、該単位発電セル１８に隣接して配設された冷却用プレート２０を有する。このうち、単位発電セル１８は、図４に示すように、アノード側電極２２とカソード側電極２４との間にパーフルオロスルホン酸ポリマーからなる固体高分子電解質膜２６が介装された電解質・電極接合体（以下、ＭＥＡともいう）２８を有し、該ＭＥＡ２８は、ポリテトラフルオロエチレン樹脂（ＰＴＦＥ）製のガスケット３０の開口部３２に保持されている。

ＭＥＡ２８は、１対のセパレータ３４、３６で挟持されており、アノード側電極２２に当接するセパレータ３４には、燃料ガスとしての水素を流通させる第１ガス通路３８が設けられている。一方、カソード側電極２４に当接するセパレータ３６には、酸素を含有する酸化剤ガスとしての空気を流通させる第２ガス通路４０が設けられている。

また、冷却用プレート２０には、セパレータ３４に指向して突出し且つセパレータ３６から離間する方向に陥没した第１凸部４２と、セパレータ３６に指向して突出し且つセパレータ３４から離間する方向に陥没した第２凸部４４とが連続的に設けられており（図４参照）、これにより、スタック１２の一側面から他側面、すなわち、図３における矢印Ａ方向に指向する波形部が形成されている。このため、冷却用プレート２０は、図４に示すように、両端部を除き、第１凸部４２の各頂部でのみセパレータ３４と当接する一方、第２凸部４４の各頂部でのみセパレータ３６と当接する。このため、第１凸部４２とセパレータ３６との間、及び第２凸部４４とセパレータ３４との間に、それぞれ、間隙が形成される。

なお、冷却用プレート２０の端部とセパレータ３４又はセパレータ３６との間には、空気や水素が漏出することを防止するためのスペーサ４６が介装されている。

以上の構成において、ガスケット３０、セパレータ３４、３６、冷却用プレート２０及びスペーサ４６の図３における左下隅角部、右下隅角部、左上隅角部、右上隅角部には、それぞれ、空気を排出するための第２ガス排出通路４８、水素を排出するための第１ガス排出通路５０、水素を供給するための第１ガス供給通路５２、空気を供給するための第２ガス供給通路５４が設けられている。勿論、第１ガス供給通路５２及び第１ガス排出通路５０は前記第１ガス通路３８に連通しており、第２ガス供給通路５４及び第２ガス排出通路４８は前記第２ガス通路４０に連通している。

上記した単位発電セル１８及び冷却用プレート２０が交互に積層され、さらに、タブ部５６を有する集電プレート５８、６０、絶縁シート（図示せず）、及びエンドプレート６２、６４が各端部にそれぞれ配設され、エンドプレート６２側には、さらにバックアッププレート６６が配設される。エンドプレート６４とバックアッププレート６６とが図５に示すタイロッド６８を介して緊締されることにより、スタック１２が形成される。なお、スタック１２の上端面及び下端面には、該スタック１２がタイロッド６８に干渉することを回避するための凹部７０が設けられている。

このうち、集電プレート６０は各単位発電セル１８のアノード側電極２２に電気的に接続されており、且つ集電プレート５８はカソード側電極２４に電気的に接続されている。

また、エンドプレート６２の図３における左下隅角部、右下隅角部、左上隅角部、右上隅角部には、それぞれ、空気を排出する第２ガス排出口７２、水素を排出する第１ガス排出口７４、水素を供給する第１ガス供給口７６、空気を供給する第２ガス供給口７８が設けられている。第２ガス排出口７２、第１ガス排出口７４、第１ガス供給口７６、第２ガス供給口７８が、第２ガス排出通路４８、第１ガス排出通路５０、第１ガス供給通路５２、第２ガス供給通路５４にそれぞれ連通していることはいうまでもない。さらに、エンドプレート６２、６４の下方には、単位発電セル１８の積層方向（図３における矢印Ｂ方向）に沿って２個のステー部８０が突出形成されている。

そして、バックアッププレート６６は、エンドプレート６２に設けられた第２ガス排出口７２、第１ガス排出口７４、第１ガス供給口７６及び第２ガス供給口７８を閉塞しない形状に形成されている。

図２に示すように、スタック収容ケース１４は直方体形状であり、上部が開口している。このスタック収容ケース１４の底面には、ゴム製支持スペーサ８２が４箇所に設置されているとともに、エンドプレート６２、６４に設けられた各ステー部８０を通されたボルト８６を螺合するための図示しないボルト穴が設けられている。

スタック１２がゴム製支持スペーサ８２上に載置された後、ボルト８６が前記ボルト穴に螺合されることによって、スタック１２が位置決め固定される。その結果、スタック１２の底面が、各ステー部８０及びゴム製支持スペーサ８２の厚み分だけスタック収容ケース１４から離間し、これによりスタック１２の底面とスタック収容ケース１４との間に間隙が形成される。なお、上記したように、集電プレート５８、６０とエンドプレート６２、６４との間に絶縁シートが介装されているので、エンドプレート６２、６４とスタック収容ケース１４との間に短絡が生じることはない。

また、スタック収容ケース１４の内壁面には板部材８８が立設されており、各板部材８８は、スタック１２の各側面に指向して突出する方向に延在している。このため、スタック１２は、板部材８８の先端部に囲繞されるようにして、スタック収容ケース１４の略中央部に収容される。

図２から諒解されるように、スタック収容ケース１４の一側面には５個の貫通孔が設けられており、このうち、４方の隅角部に設けられた各貫通孔には、第２ガス排出口７２、第１ガス排出口７４、第１ガス供給口７６、第２ガス供給口７８にそれぞれ接続された第２ガス排出管９０、第１ガス排出管９２、第１ガス供給管９４、第２ガス供給管９６が通されている。また、該一側面の略中央部に設けられた貫通孔には、後述する冷媒循環ポンプ９８からの吐出管１００が通されている。勿論、全管９０、９２、９４、９６、１００と全貫通孔との間にはゴムパッキン１０１が介装され、これによりスタック収容ケース１４の内部に貯留された冷媒が漏洩することが阻止されている。

第２ガス排出管９０、第１ガス排出管９２、第１ガス供給管９４及び第２ガス供給管９６の外周壁面には、ＰＴＦＥ等からなる絶縁性皮膜を設けることが好ましい。これにより、スタック収容ケース１４に貯留された冷媒に仮に金属粉等が混入して冷媒に電気伝導性が生じた場合であっても、冷媒と各管とが短絡することを回避することができる。

また、図６に示すように、前記一側面に対向する側面には２個の長尺な貫通孔が設けられており、各貫通孔からは、ターミナルケーブル１０２、１０４がそれぞれ突出している。ターミナルケーブル１０２、１０４は、それぞれ、集電プレート５８、６０の各タブ部５６、５６にボルト１０６を介して接続されている。上記と同様に、ターミナルケーブル１０２、１０４と貫通孔との間にはゴムパッキン１０１が介装されており、これにより冷媒が漏洩することが阻止されるとともに、ターミナルケーブル１０２、１０４からスタック収容ケース１４に電気伝導が起こることが阻止される。

このように構成されたスタック収容ケース１４の内壁面及び板部材８８には、ＰＴＦＥからなる皮膜が設けられている。

スタック収容ケース１４には、冷媒としての絶縁性有機溶媒１０８が貯留される。換言すれば、スタック１２は、スタック収容ケース１４の内部で有機溶媒１０８中に浸漬される。

この場合、有機溶媒１０８としては、スタック１２の運転温度よりも低沸点であるものが選定される。具体的には、メタノールやエタノール等の低級アルコール、又は、パーフルオロカーボンや代替フロン等のフッ素化合物系溶媒が挙げられる。

特に、有機溶媒１０８は、核沸騰状態で沸騰し得るもの、すなわち、発泡点を核として気泡が発生する形態で沸騰が起こるものであることが好ましい。いわゆる膜沸騰が生じるものであると、スタック１２全体が蒸気膜で覆われて有機溶媒１０８との接触面積が小さくなるので、スタック１２の冷却効率が低下することが懸念される。

確実に核沸騰状態で沸騰させるべく、有機溶媒１０８は、沸点がスタック１２の運転温度に比して１０〜２５℃低いものを選定することが好ましい。スタック１２の運転温度から沸点を差し引いた値が１０℃未満のものであると、核沸騰が生じ難い。また、スタック１２の運転温度から沸点を差し引いた値が２５℃よりも大きいものであると、膜沸騰で沸騰する傾向が大きくなる。スタック１２の運転温度から沸点を差し引いた値が１１〜２３℃の範囲内である有機溶媒１０８を選定することがより好ましい。

例えば、スタック１２の運転温度を８０℃とする場合、好適な有機溶媒１０８としてはノベックＨＦＥ−７１００（住友３Ｍ社製の商品名、組成式はＣ₄Ｆ₉ＯＣＨ₃、沸点６１℃）が挙げられる。また、スタック１２の運転温度を９０℃とする場合、ノベックＨＦＥ−７２００（住友３Ｍ社製の商品名、組成式はＣ₄Ｆ₉ＯＣ₂Ｈ₅、沸点７６℃）が好適である。

上記したように、スタック収容ケース１４の開口上部には、前記凝縮器１６がボルト１１０によって位置決め固定される（図２参照）。この凝縮器１６は、図２の矢印Ａ方向に延在するフィンが設けられたフィン部１１２と、該フィン部１１２の一端部に膨出して設けられて垂直方向に案内フィン１１４が設けられた案内部１１６と、該案内部１１６の下端部に配設された捕集部１１８とを有する。これらのうち、少なくともフィン部１１２及び案内部１１６には、ＰＴＦＥからなる皮膜が設けられている。

図７に示すように、フィン部１１２のフィンの高さは、案内部１１６から離間するにつれて若干上昇する。換言すれば、フィンは、スタック収容ケース１４の第１ガス供給口７６及び第２ガス供給口７８側端部に連結された端部から、案内部１１６に接近するに連れて低くなるように若干傾斜している。また、捕集部１１８の一端面に設けられたドレン窓１２０には、冷媒循環ポンプ９８に至る吸入管１２２が連結される（図２参照）。

冷媒循環ポンプ９８は、スタック１２を冷却することに伴って気化した後、凝縮器１６で凝縮した有機溶媒１０８をスタック収容ケース１４に戻すための循環機構を構成し、上記したように、冷媒循環ポンプ９８からの吐出管１００は、スタック収容ケース１４の一端面に設けられた貫通孔に通されている。

吸入管１２２及び吐出管１００としては、その内周壁にライニング加工が予め施されているものが好ましい。また、少なくとも吐出管１００の外周壁には、上記した理由から、絶縁性皮膜を設けることが好ましい。

上記のように構成された固体高分子電解質型燃料電池１０は、図８に示すように、スタック１２の積層方向（矢印Ｂ方向）が車体２０２の長手方向と垂直に交わるようにアンダーパネル２０４に設置されている。

各々３列で形成された供給ルーバー２０６及び排気ルーバー２０８の開口部には傾斜した邪魔板２１２ａ、２１２ｂがそれぞれ設けられている。

フード２１０は、供給ルーバー２０６を覆う第１誘引ダクト部２１４、固体高分子電解質型燃料電池１０を覆う平坦部２１６、排気ルーバー２０８を覆う第２誘引ダクト部２１８を有する（図１及び図９参照）。このうち、第１誘引ダクト部２１４は、凝縮器１６の案内部１１６に接近するにつれて高くなるように傾斜しており、一方、第２誘引ダクト部２１８は、固体高分子電解質型燃料電池１０から離間するにつれて低くなるように傾斜している。

また、固体高分子電解質型燃料電池１０と排気ルーバー２０８との間には支持プレート２２０がアンダーパネル２０４に立設されており、従って、フード２１０の内部では、平坦部２１６と第２誘引ダクト部２１８とが支持プレート２２０によって区分されている。

該支持プレート２２０には、複数個の貫通孔が設けられている。そして、各貫通孔には、排気ファン２２２が設置されている。すなわち、平坦部２１６内の空気は、排気ファン２２２によって吸引されて第２誘引ダクト部２１８側に排出される。

本実施の形態に係る燃料電池車２００に搭載された固体高分子電解質型燃料電池１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、その作用効果につきスタック１２の冷却方法との関係で説明する。

先ず、固体高分子電解質型燃料電池１０を構成する際、スタック収容ケース１４の底面に設置されたゴム製支持スペーサ８２上にスタック１２を載置し、ボルト８６を介してエンドプレート６２、６４の各ステー部８０をスタック収容ケース１４の底面に連結する（図５〜図７参照）。これにより、スタック収容ケース１４に収容されたスタック１２が位置決め固定される。

次に、該スタック収容ケース１４の一端面に設けられた貫通孔に第２ガス排出管９０、第１ガス排出管９２、第１ガス供給管９４、第２ガス供給管９６、吐出管１００をそれぞれ通し（図２参照）、各管９０、９２、９４、９６、１００を第２ガス排出口７２、第１ガス排出口７４、第１ガス供給口７６、第２ガス供給口７８、冷媒循環ポンプ９８にそれぞれ接続する。その一方で、前記一端面に対向する端面の貫通孔にターミナルケーブル１０２、１０４を通し、各ターミナルケーブル１０２、１０４を集電プレート５８、６０の各タブ部５６、５６に連結する。

次に、スタック収容ケース１４にノベックＨＦＥ−７１００やノベックＨＦＥ−７２００等の絶縁性有機溶媒１０８を貯留する。この際、スタック収容ケース１４の内壁面や板部材８８にはＰＴＦＥの皮膜が設けられているので、スタック収容ケース１４や板部材８８から有機溶媒１０８に金属粉が混入することが回避される。

上記したように、スタック１２には冷却用プレート２０が含まれており、該冷却用プレート２０の第１凸部４２とセパレータ３６との間、及び第２凸部４４とセパレータ３４との間には、間隙がそれぞれ存在する（図４参照）。従って、スタック収容ケース１４に有機溶媒１０８が貯留される際、有機溶媒１０８は、スタック１２の内部に流入する。

有機溶媒１０８の量は、液面の高さがスタック１２の上端面に比して高い位置になる程度とすれば十分である（図６及び図７参照）。

次に、ボルト１１０を介して凝縮器１６をスタック収容ケース１４の開口上部に位置決め固定し（図２参照）、吸入管１２２を凝縮器１６の捕集部１１８と冷媒循環ポンプ９８とに橋架すれば、固体高分子電解質型燃料電池１０が構成されるに至る。

このように、本実施の形態によれば、スタック１２内に冷媒を流通させるための冷媒通路を設ける必要がない。必然的に、冷媒通路に絶縁性皮膜を設ける必要もない。このため、スタック１２を作製することが著しく容易となる。

また、冷媒を流通させるための配管や冷媒供給源を設置する必要がないので、固体高分子電解質型燃料電池１０の構成を簡素なものとすることができる。このため、固体高分子電解質型燃料電池１０の設置スペースを小さくすることができるので、燃料電池車２００における機器配置レイアウトの自由度が向上する。しかも、固体高分子電解質型燃料電池１０の重量を小さくすることができるので、燃料電池車２００の重量を小さくすることができるという利点がある。

固体高分子電解質型燃料電池１０は、車体２０２のアンダーパネル２０４上の供給ルーバー２０６と排気ルーバー２０８との間に配置されて該アンダーパネル２０４に位置決め固定される（図８参照）。その後、供給ルーバー２０６、固体高分子電解質型燃料電池１０及び排気ルーバー２０８を覆うようにフード２１０が設置される（図１及び図９参照）。

固体高分子電解質型燃料電池１０を運転するに際しては、図示しない水素供給源、例えば、水素ガスボンベ等から第１ガス供給管９４に水素を供給するとともに、図示しない空気供給源、例えば、コンプレッサ等から第２ガス供給管９６に空気を供給する。水素は、第１ガス供給口７６及び第１ガス通路３８を介してアノード側電極２２に到達し、一方、空気は、第２ガス供給口７８及び第２ガス通路４０を介してカソード側電極２４に到達する。アノード側電極２２では水素の電離反応が起こり、これに伴って生じた電子が集電プレート６０から外部へと取り出され、ターミナルケーブル１０２、１０４に電気的に接続された燃料電池車２００の走行機関を付勢する電気エネルギとして利用される。これにより、燃料電池車２００が走行を開始する。

燃料電池車２００の走行に伴い、供給ルーバー２０６から外気が導入される。供給ルーバー２０６の邪魔板２１２ａ及び第１誘引ダクト部２１４が固体高分子電解質型燃料電池１０に接近するにつれて高くなるように傾斜しているため、外気は、該固体高分子電解質型燃料電池１０を構成する凝縮器１６に速やかに到達する。凝縮器１６に到達した外気は、排気ファン２２２の作用下に第２誘引ダクト部２１８側へ排気され、その後、排気ルーバー２０８から外部へ排出される。このことから諒解されるように、排気ファン２２２は、外気を車体２０２の外部に排出することを支援する排気支援機構である。

このように、本実施の形態においては、排気ファン２２２が設置されているため、燃料電池車２００が走行する際に外気がフード２１０内を速やかに流通して排出される。このため、凝縮器１６が外気によって効率よく冷却される。

固体高分子電解質型燃料電池１０の運転が続行されている間、プロトンは、固体高分子電解質膜２６中を移動してカソード側電極２４に到達し、該カソード側電極２４に供給された空気中の酸素と、ターミナルケーブル１０４を介してカソード側電極２４に到達した電子と反応し、水分を生成する。

未反応の水素は、第１ガス通路３８から第１ガス排出口７４を経由して第１ガス排出管９２から排出される。また、カソード側電極２４で生成した水分、未反応の酸素、空気中の窒素は、第２ガス通路４０から第２ガス排出口７２を経由して第２ガス排出管９０から排出される。

このようにして発電が生じても、スタック１２を支持するゴム製支持スペーサ８２が絶縁体であり、且つスタック１２とスタック収容ケース１４との間に間隙が存在し、この間隙に絶縁性の有機溶媒１０８が存在する。また、スタック収容ケース１４の内壁面には、ＰＴＦＥからなる絶縁性の皮膜が形成されている。このため、液絡や地絡が発生することはない。

上記した電池反応が生じることにより、スタック１２の温度が８０〜９０℃に上昇する。上記したように、有機溶媒１０８の沸点がスタック１２の運転温度に比して低いため、有機溶媒１０８が沸騰して気化し始める。この際の潜熱によってスタック１２から熱量が奪われ、このためにスタック１２が冷却される。

この沸騰の際、有機溶媒１０８が核沸騰を起こすものであると、スタック１２の外表面で連続的に気泡が発生する。この気泡は、スタック１２から速やかに離脱した後、有機溶媒１０８中を迅速に上昇する。従って、スタック１２の外表面が気泡で覆われることがない。このため、スタック１２が効率よく冷却される。

しかも、本実施の形態においては、スタック１２の内部に有機溶媒１０８が流入している。このため、スタック１２の内部においても熱量が迅速に奪われるので、スタック１２を一層効率よく冷却することができる。

気化した有機溶媒１０８は、蒸気として液面からさらに上昇し、外気によって冷却される凝縮器１６のフィン部１１２に到達する。そして、フィン部１１２のフィンで冷却されることによって凝縮し、液滴となる。フード２１０内で外気が速やかに流通することによって凝縮器１６が効率よく冷却されるので、気化した有機溶媒１０８を効率よく凝縮させることができる。

液滴の一部は、フィン部１１２からスタック収容ケース１４に滴下する。また、滴下しない分は、フィンが案内部１１６に接近するに連れて低くなるように傾斜しているため、フィンに沿って案内部１１６側に指向して流動する。案内部１１６に到達した液滴は、案内フィン１１４に沿って捕集部１１８に捕集され、冷媒循環ポンプ９８の作用下に、吸入管１２２及び吐出管１００を経由してスタック収容ケース１４に戻される。また、フィン部１１２で凝集することなく案内部１１６に到達した蒸気は、案内フィン１１４によって凝縮され、上記と同様の経路でスタック収容ケース１４に戻される。

この際、凝縮器１６におけるフィン部１１２及び案内部１１６にＰＴＦＥの皮膜が設けられているため、フィンや案内フィン１１４から液滴に金属粉が混入することが回避される。

また、仮に金属粉が有機溶媒１０８に混入した場合であっても、第２ガス排出管９０、第１ガス排出管９２、第１ガス供給管９４、第２ガス供給管９６及び吐出管１００の外周壁面に絶縁性皮膜が形成されている場合には、液絡を回避することができる。

すなわち、本実施の形態によれば、固体高分子電解質型燃料電池１０の省スペース化を図ることができるとともに、固体高分子電解質型燃料電池１０を効率よく冷却させることができる。さらに、液絡や地絡が起こることを確実に回避することができる。

ここで、燃料電池車２００がカーブを走行する際や凹凸路面を走行する際に車体２０２が傾いた場合、スタック収容ケース１４に貯留された有機溶媒１０８が板部材８８に堰止される。このため、スタック１２が有機溶媒１０８から露呈することを回避することができるので、該スタック１２を確実に冷却することができる。

そして、固体高分子電解質型燃料電池１０を客室２０５の下方に配置するようにしているので、仮に車体２０２の前部が破損したとしても、固体高分子電解質型燃料電池１０がともに破損することを回避することができる。

なお、上記した実施の形態においては、スタック収容ケース１４を金属で構成するようにしているが、樹脂で構成するようにしてもよい。

また、冷媒循環ポンプ９８等の循環機構を設けることは特に必須ではなく、凝縮器のフィンで凝縮し、液滴となった有機溶媒１０８をスタック収容ケース１４に滴下させることによってのみ、スタック１２を冷却することに伴って気化した有機溶媒１０８をスタック収容ケースに戻すようにしてもよい。

さらに、外気を導入させる箇所は車体２０２の下方に特に限定されるものではなく、図１０に示すように、車体２０２の両側面で開口した誘引ダクト部２３０を設けて該両側面から外気を導入するようにしてもよい。又は、図１１に示すように、車体２０２の前面で開口した誘引ダクト部２３２を設けて該前面から外気を導入するようにしてもよい。

本実施の形態に係る燃料電池車の概略全体斜視図である。本実施の形態に係る固体高分子電解質型燃料電池の概略全体斜視図である。図２の固体高分子電解質型燃料電池を構成するスタックの概略全体斜視図である。図３のスタックの平面断面図である。図２の固体高分子電解質型燃料電池の上平面切欠図である。図５のＶＩ−ＶＩ線矢視断面図である。図５のＶＩＩ−ＶＩＩ線矢視断面図である。図２の固体高分子電解質型燃料電池が車体に設置された状態を示す上平面切欠図である。図２の固体高分子電解質型燃料電池が車体に設置された状態を示す一部切欠正面図である。車体の両側面で開口した誘引ダクトを有する燃料電池車の概略全体斜視図である。車体の前面で開口した誘引ダクトを有する燃料電池車の概略全体斜視図である。

符号の説明

１０…固体高分子電解質型燃料電池１２…スタック
１４…スタック収容ケース１６…凝縮器
１８…単位発電セル２０…冷却用プレート
２２…アノード側電極２４…カソード側電極
２６…固体高分子電解質膜２８…電解質・電極接合体
３４、３６…セパレータ４２、４４…凸部
８８…板部材（突出部）９８…冷媒循環ポンプ
１０８…有機溶媒１１２…フィン部
１１４…案内フィン１１６…案内部
１１８…捕集部２００…燃料電池車
２０６…供給ルーバー２０８…排気ルーバー
２１０…フード
２１４、２１８、２３０、２３２…誘引ダクト部
２２２…排気ファン（排気支援機構）

Claims

単位発電セルが複数個積層されて形成されたスタックと、前記スタックを収容するスタック収容ケースと、前記スタック収容ケースに設置された凝縮器とを具備する固体高分子電解質型燃料電池が車体に搭載された燃料電池車であって、
前記固体高分子電解質型燃料電池は、前記単位発電セルがアノード側電極とカソード側電極との間に固体高分子電解質が介在された電解質・電極接合体と、前記電解質・電極接合体を挟持する第１セパレータ及び第２セパレータとを有し、且つ前記スタックが前記スタック収容ケース中で電気絶縁性の液体冷媒に浸漬されることによって冷却されるものであり、
前記スタック収容ケースが車体の客室下方に設置され、
前記車体に設けられた空気導入口から導入された空気を前記凝縮器に接触させることによって、前記スタックを冷却することに伴って前記スタック収容ケースから気化した前記液体冷媒を凝縮することを特徴とする燃料電池車。
請求項１記載の燃料電池車において、前記凝縮器の表面及び前記スタック収容ケースの内表面の少なくともいずれか一方に皮膜が設けられていることを特徴とする燃料電池車。
請求項２記載の燃料電池車において、前記皮膜がフッ素系樹脂からなることを特徴とする燃料電池車。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池車において、前記スタックに、前記液体冷媒を該スタックの内部に流入させるための溝が設けられた部材が含まれていることを特徴とする燃料電池車。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池車において、前記スタック収容ケースの内表面に、前記スタックに指向して突出するとともに液体冷媒の液面から露呈した複数個の突出部が設けられていることを特徴とする燃料電池車。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池車において、前記凝縮器に凝縮した液体冷媒を捕集する捕集部が設けられ、且つ前記捕集部から前記スタック収容ケースに液体冷媒を戻す循環機構を有することを特徴とする燃料電池車。
請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池車において、前記液体冷媒が核沸騰状態で沸騰して気化するものであることを特徴とする燃料電池車。
請求項７記載の燃料電池車において、前記液体冷媒は、沸点が前記スタックの運転温度に比して１０〜２５℃低いものであることを特徴とする燃料電池車。
請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池車において、前記空気導入口から導入された空気を前記車体から排出することを支援する排気支援機構を有することを特徴とする燃料電池車。