JP2006221855A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は燃料電池に関し、スタックケースの大型化を招くことなくスタックケース内に生じた液体を確実に捕集できるようにする。
【解決手段】 スタックケースの底面２０に、スタックケース内に生じた液体を捕集する溝２２を設ける。好ましくは、溝２２の一部に他の部分よりも溝深さの深い液溜め部２４を設け、捕集した液体を液溜め部２４に集めるようにする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、燃料電池に関し、詳しくは、燃料電池スタックを収納するスタックケースの構造に関する。

電気自動車等の移動体の駆動用電源として、水素を燃料として発電する燃料電池スタックが知られている。燃料電池スタックは、複数のセルを積層し、その両側からボルト等で締結することによって構成されている。このような構成のため、路面からの衝撃や衝突による衝撃が燃料電池スタックに加わった場合には、一瞬、セルを締結する締結力が燃料電池スタック内部の圧力よりも下がることで、燃料電池スタック内部の液体、つまり、冷媒液流路を流れる冷媒液や反応ガス流路内に溜まっている生成水が燃料電池スタックの外に漏れる可能性がある。

通常、燃料電池スタックは、スタックケースに収納された状態で移動体に搭載されている。スタックケースは内部の保温や外部からの水や泥等の浸入防止のために密閉されているため、燃料電池スタックから漏れ出た液体はスタックケース内に溜まることになる。しかし、通電性の高い液体がスタックケース内に溜まってしまうと、燃料電池スタックの高電圧部における絶縁抵抗が低下し、短絡や漏電のおそれが生じてしまう。

上記のような問題の発生を防止するためには、燃料電池スタック内の液体を捕集することが有効である。例えば、特許文献１には、スタックケースの底面を傾斜させることで液体を捕集する技術が開示されている。また、特許文献１には、スタックケースの底面に撥水シートを敷くとともにファンにより風を送り、ファンの風下側に液体を捕集する技術も開示されている。
特開２００２−１６４０７０号公報 特開平７−２８２８３４号公報

しかしながら、上記従来技術のようにスタックケースの底面を傾斜させる場合には、ケース内容量を不要に増加させることになり、スタックケースの外形の大型化を招いてしまう。また、ファンの風力によって液体を捕集する場合には、ファンを設置する分のスペースをスタックケース内に余分に設ける必要があり、この場合もスタックケースの外形の大型化を招いてしまう。車両等の移動体への搭載性の観点からは、スタックケースの外形は可能な限り小型にしたい。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、スタックケースの大型化を招くことなくスタックケース内に生じた液体を確実に捕集できるようにした燃料電池を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを収納するスタックケースとを備える燃料電池において、
前記スタックケースの底面に、前記スタックケース内に生じた液体を捕集する溝が設けられていることを特徴としている。

第２の発明は、第１の発明において、前記溝の一部に他の部分よりも溝深さの深い液溜め部が設けられていることを特徴としている。

第３の発明は、第２の発明において、前記液溜め部内の液体を検出する検出手段が設けられていることを特徴としている。

第４の発明は、第３の発明において、前記検出手段は前記スタックケースの外に設けられていることを特徴としている。

第５の発明は、第１乃至第４の何れか１つの発明において、前記スタックケースの底板に形成された凹凸形状によって前記溝が構成されていることを特徴としている。

第１の発明によれば、スタックケース内に生じた液体はスタックケースの底面に設けられた溝によって捕集することができる。このため、スタックケースの底面を傾斜させる場合のようなスタックケース外形の大型化を招くことがない。

また、第２の発明によれば、スタックケース内に生じた液体を液溜め部に集めることができる。第３の発明によれば、液溜め部に集められる液体を検出することで、燃料電池スタックからの液漏れ等、スタックケース内での液体の発生を確実に検知することができる。第４の発明によれば、検出手段を高温高湿度雰囲気のスタックケース外に配置することで、検出手段の故障や劣化を防止することができる。

第５の発明によれば、スタックケースの底板に形成された凹凸形状によってスタックケースの剛性を高めることができ、スタックケース内に配置される燃料電池スタックに捩り等が生じることを防止することができる。しかも、凹凸形状はプレス成形等で簡単に形成できるので、スタックケースの底面に溝を簡単に設けることができる。

以下、図１乃至図５を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施の形態としての燃料電池の構成を示す側面断面図である。本実施形態では、本発明の燃料電池は電気自動車の駆動用電源として構成されている。この燃料電池では、燃料電池スタック４０を収納するスタックケースは、ハット型のアッパケース１０と、プレート型のロアケース２０の２つのピースから構成されている。ロアケース２０上にはセルの積層方向を横にして燃料電池スタック４０が配置され、燃料電池スタック４０を上から覆うようにアッパケース１０が被せられている。アッパケース１０、ロアケース２０ともに、少なくともその内面は絶縁材（例えばポリエチレン）でコーティングされている。アッパケース１０の鍔部とロアケース２０の縁部との間には、スタックケース内部への水や泥の浸入を防止するためのガスケット５０が挟み込まれている。アッパケース１０のハット型形状は、アルミニウム等のプレス深絞りによって成形することができる。

燃料電池スタック４０は、ロアケース２０上にインシュレータマウント６０を介して配置されている。燃料電池スタック４０のセル積層方向の両端にはエンドプレート４４が取り付けられている。インシュレータマウント６０は、このエンドプレート４４とロアケース２０の上面との間に挟まれている。燃料電池スタック４０のエンドプレート４４には、冷媒液や反応ガスを供給したり排出したりするための複数のパイプ４６が接続されている。パイプ４６はロアケース２０を貫通してスタックケースの外部へ延びている。ロアケース２０のパイプ４６が貫通している部分にはガスケット等のシールが施されている。

ロアケース２０は、ボデーメンバ３０を介して図示しない車両フレーム（或いはサブフレーム）に取り付けられている。ボデーメンバ３０は、ロアケース２０の剛性を補強するための補強部材も兼ねている。ボデーメンバ３０と車両フレームとは溶接され、ロアケース２０とボデーメンバ３０とはボルト３４で締結されている。このボルト３４はインシュレータマウント６０を通って燃料電池スタック４０のエンドプレート４４まで延びており、エンドプレート４４とインシュレータマウント６０をロアケース２０に締結している。

アッパケース１０とロアケース２０とは、ボルト等の取り外し可能な締結具によって締結される。燃料電池スタック４０の点検や部品交換等の際には、ロアケース２０からアッパケース１０を取り外すことで、燃料電池スタック４０の両端部や上面を露出させることができる。燃料電池スタック４０の端部には前述のようにパイプ４６等が接続され、上面にはセルの発電状況を示すセルモニタ４２が搭載されている。これらメンテナンス箇所が剥き出しになることで、燃料電池スタック４０を車両に搭載したままの状態で点検作業や部品交換作業を行うことが可能になる。

図２は、アッパケース１０を外した状態での燃料電池の上面図であり、図３は、さらに燃料電池スタック４０を外した状態での燃料電池の上面図、つまり、ロアケース２０の上面図である。図３中ではパイプ４６を通す貫通穴は省略している。ロアケース２０の上面には、図３に示すように、格子状に縦横それぞれ複数列の溝２２が形成されている。図４は、図３のＸ−Ｘ断面図であるが、この図に示すように、ロアケース２０の下面には溝２２に沿ってリブ２６が形成されている。リブ２６を形成することで、ロアケース２０の肉厚を略一定にすることができ、溝２２への応力集中を緩和するとともにロアケース２０の曲げ強度を向上させることができる。また、ロアケース２０の中央部には、円形で溝２２よりも深さの深い凹部（液溜め部）２４が形成されており、縦横それぞれ何本かの溝２２はこの凹部２４に連通している。なお、溝２２、リブ２６及び凹部２４は、アルミニウムやマグネシウムのダイキャストを含む鋳物や、金属板材のプレス成形等によって成形することができる。

電気自動車に搭載される燃料電池では、路面からの衝撃等の入力によって燃料電池スタック４０のセル締結力が瞬間的に緩み、反応ガス流路内の生成水や冷媒液流路内の冷媒液が漏れ出る場合がある。また、燃料電池スタック４０の運転中、スタックケース内の温度は高温になるため、スタックケースの内面に結露が生じる場合がある。燃料電池スタック４０から漏れ出た液体や、スタックケースの内面で結露した水は底面であるロアケース２０上に滴下し、ロアケース２０の上面に形成された溝２２によって捕集される。溝２２に捕集された液体は、車両走行時の振動や平面方向のＧによって溝２２内を移動し、やがて中央の凹部２４に流れ込むようになっている。凹部２４にはその中央部に排出穴２４ａが形成されている。この排出穴２４ａには、ロアケース２０の直下に配置されたドレーン容器７０が接続されている。ドレーン容器７０の底には、スタックケース内からの液体の排出は許容する一方、スタックケース外からの水や泥の浸入は防止する逆止弁７２が備えられている。凹部２４に流れ込んだ液体はドレーン容器７０に溜まり、逆止弁７２から液滴となってスタックケース外に排出される。

また、ドレーン容器７０には、液面検出器７４と抵抗測定器７６とが設けられている。液面検出器７４は、ドレーン容器７０内に溜まった液体の液面高さが所定の高さになったときに信号を出力するセンサである。逆止弁７２から排出される液滴の最大流量は、スタックケース内での結露水の生成量よりも大きい値に設定されている。したがって、燃料電池スタック４０に異常がない場合には、ドレーン容器７０内の液面が液面検出器７４の検出高さまで上昇することはない。しかし、燃料電池スタック４０の反応ガス流路から生成水が漏れ出た場合や、冷媒液流路から冷媒液が漏れ出た場合には、ドレーン容器７０内に流入する液体の流入量が排出量を上回り、液面高さは液面検出器７４の検出高さまで上昇する。したがって、液面検出器７４により液面の検出を行うことで、燃料電池スタック４０からの液体の漏出を検知することができる。

抵抗測定器７６は、ドレーン容器７０内に溜まった液体の電気抵抗値を計測するセンサである。抵抗値は液体の組成によって変化する。例えば、液体が水のみの場合と冷媒液が含まれる場合とでは、抵抗値には差が生じる。一般に、冷媒液はエチレングリコールを主成分とするが、エチレングリコールは絶縁性が高く、その抵抗値は水のそれに比較して極めて大きいからである。したがって、抵抗測定器７６によってドレーン容器７０内の液体の抵抗値を計測することで、その液体に冷媒液が含まれているか否か判定することができる。

上記の液面検出器７４と抵抗測定器７６は、ともにＥＣＵ（Electronic Control Unit）８０に接続されている。ＥＣＵ８０は、液面検出器７４と抵抗測定器７６からそれぞれ送信される情報に基づいて、燃料電池スタック４０からの液体の漏れを判定している。図５のフローチャートは、液体の漏れを判定するためにＥＣＵ８０が実行するルーチンを示している。

図５に示すルーチンの最初のステップ１００では、液面検出器７４によって液面が検出されたか否か、すなわち、液面高さが液面検出器７４の検出高さに達したか否か判定される。液面検出器７４から検出信号が出力されていない場合には、燃料電池スタック４０からの液体の漏れは無いと判断することができる。逆に、液面検出器７４によって液面が検出された場合には、燃料電池スタック４０から何等かの液体が漏れ出たものと判断することができる。この場合の次のステップ１０２では、抵抗測定器７６によって計測される抵抗値が所定の基準値以上か否か判定される。基準値は水の抵抗値よりも大きい値に設定されている。

ステップ１０２の判定の結果、計測された抵抗値が基準値よりも小さい場合には、燃料電池スタック４０から漏れ出た液体は反応ガス流路内の生成水であると判断することができる。この場合、ＥＣＵ８０は生成水が漏れ出していることを運転者に知らせるための警告信号を出力する（ステップ１０４）。一方、計測された抵抗値が基準値以上の場合には、燃料電池スタック４０から漏れ出た液体は冷媒液流路を流れる冷媒液であると判断することができる。この場合、ＥＣＵ８０は冷媒液が漏れ出していることを運転者に知らせるための警告信号を出力する（ステップ１０６）。警告信号は、車室内の図示しない警告装置に入力され、警告装置はランプの点灯や音声等で運転者に異常を知らせるようになっている。

以上説明したように、本実施形態にかかる燃料電池には、次のような特徴がある。第１の特徴は、スタックケースの底面であるロアケース２０に溝２２が形成され、この溝２２によって結露水等が捕集されることにある。これによれば、従来技術のようにケース底面を傾斜させる場合に比較して、スタックケースの外形が不必要に大型化してしまうことがない。本実施形態にかかる移動体用燃料電池によれば、スタックケースの小型化によって車両への燃料電池の搭載性を向上させることができる。また、溝２２に捕集された結露水等は、排出穴２４ａを通ってスタックケース外に排出されるので、捕集された結露水等がスタックケース内に溢れることはない。

第２の特徴は、燃料電池スタック４０からの液体の漏出を結露水とは区別して検出することができ、しかも、漏れ出た液体が生成水か冷媒液か判別できることにある。これによれば、燃料電池スタック４０の故障を正確に検知することができ、故障内容に応じた対策を的確に採ることが可能になる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に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で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施してもよい。

上記実施の形態では、ロアケース２０に形成する溝２２を格子状にしたが、ロアケース２０上に滴下する結露水等を捕集できるならば溝の形には限定はない。例えば、図６に示すように、複数の環状の溝９２ａを同心に形成し、中央部に溝９２ａよりも深い凹部９４を形成するようにしてもよい。凹部９４には排出穴９４ａを形成する。内外の環状溝９２ａの間、及び凹部９４と環状溝９２ａとの間には、径方向の連絡溝９２ｂを設ける。連絡溝９２ｂと外側の環状溝９２ａとの接続部には逆流防止のためのバッファ部９２ｃを形成する。これによれば、各環状溝９２ａに捕集された結露水は、車両走行時の振動や平面方向のＧによって次第に内側の環状溝９２ａへと移動していき、やがて中央の凹部９４に流れ込むようになっている。

また、上記実施の形態では、燃料電池スタック４０からの液体の漏れを検出するセンサとして液面検出器７４と抵抗測定器７６を備えているが、生成水の漏れのみを検出するのであれば水分検知器や湿度センサでもよい。水分検出器としては、例えば、大鋸屑を固めたもの等の含水機能のある物体に一対の電極を挿し、電極間を流れる微弱電流の電圧値によって判断するものを用いることができる。水分検出器の近傍に水分がある場合、その水分を吸収することで内部の水分密度が変化する。水分密度が変化すれば電極間の抵抗値が変化するので、電圧値も変化することになり、これにより水分の存在とその量が検出される。湿度センサとしては、冷蔵庫や電子レンジ等、一般の家電製品に使用されている電子式の抵抗変化型や静電容量変化型を用いることができる。

また、上記実施の形態では、本発明を電気自動車の燃料電池に適用しているが、本発明は、移動体用の燃料電池のみならず、定置型の燃料電池にも適用することができる。

本発明の実施の形態としての燃料電池の構成を示す側面断面図である。 図１の燃料電池においてアッパケースを外した状態での上面図である。 図１の燃料電池においてアッパケースと燃料電池スタックとを外した状態での上面図である。 ロアケースの断面形状を示す図３のＸ−Ｘ断面図である。 燃料電池スタックからの液体の漏れを判定するためのルーチンを示すフローチャートである。 ロアケースに形成される溝形状の変形例を示す図である。

符号の説明

１０ アッパケース
２０ ロアケース
２２ 溝
２４ 凹部
２４ａ 排出穴
２６ リブ
３０ ボデーメンバ
３４ ボルト
４０ 燃料電池スタック
４２ セルモニタ
４４ エンドプレート
４６ パイプ
５０ ガスケット
６０ インシュレータマウント
７０ ドレーン容器
７２ 逆止弁
７４ 液面検出器
７６ 抵抗測定器
８０ ＥＣＵ

Claims (5)

1. 燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを収納するスタックケースとを備える燃料電池において、
   前記スタックケースの底面に、前記スタックケース内に生じた液体を捕集する溝が設けられていることを特徴とする燃料電池。
2. 前記溝の一部に他の部分よりも溝深さの深い液溜め部が設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 前記液溜め部内の液体を検出する検出手段が設けられていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
4. 前記検出手段は前記スタックケースの外に設けられていることを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
5. 前記スタックケースの底板に形成された凹凸形状によって前記溝が構成されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の燃料電池。

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