JP2017168276A

JP2017168276A - 燃料電池ケース

Info

Publication number: JP2017168276A
Application number: JP2016051895A
Authority: JP
Inventors: 一哉村田; Kazuya Murata
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-03-16
Filing date: 2016-03-16
Publication date: 2017-09-21
Anticipated expiration: 2036-03-16
Also published as: JP6699262B2

Abstract

【課題】燃料電池ケース内の水素濃度を効率的に低下させることができる。【解決手段】積層された複数の単セルを有する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの重力方向上側に配されるコンバータと、を収容するとともに、車両に搭載される燃料電池ケースであって、前記燃料電池ケースは、積層方向の一方にある第１の面が、積層方向の他方にある第２の面より重力方向上側に位置するよう傾斜した状態で前記車両に搭載され、前記第１の面において前記燃料電池スタックの端部と向かい合う位置に形成され、水素を透過できる第１の水素透過部と、前記第１の面において前記第１の水素透過部より重力方向上側に形成され、水素を透過できる第２の水素透過部と、前記第２の面において、前記燃料電池スタックの端部と向かい合う位置より重力方向上側に形成され、水素を透過できる第３の水素透過部と、を備える燃料電池ケース。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池ケースに関する。

燃料電池スタックを車両に搭載する場合、燃料電池ケースに収容されて搭載されるものがある。そのような燃料電池ケースには、燃料電池スタックから水素が漏れた場合に、燃料電池ケース内の水素濃度を低下させるために、水素を燃料電池ケースの外側に透過させる水素透過部を備えるものが知られている（特許文献１）。

特開２００２−３６７６４７号公報

特許文献１の燃料電池ケースでは、燃料電池ケースの重力方向上側に水素透過部を配置している。水平方向において制限のある空間に燃料電池スタックとコンバータとを配置しようとした場合、燃料電池スタックの重力方向上側にコンバータを配するとともに燃料電池スタックおよびコンバータを燃料電池ケース内に収容することが考えられる。しかし、このような燃料電池ケースにおいては、燃料電池スタックの重力方向上側にコンバータが配されていることから、燃料電池ケースの重力方向上側に水素透過部を配置するだけでは、燃料電池ケース内の水素濃度を効率的に低下できない場合が考えられる。このため、燃料電池スタックおよびコンバータを収容した燃料電池ケースにおいて、燃料電池スタックから水素が漏れた場合に燃料電池ケース内の水素濃度を効率的に低下させることができる水素透過部の配置が要望されていた。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池ケースが提供される。この燃料電池ケースは、積層された複数の単セルを有する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの重力方向上側に配され、前記燃料電池スタックから出力される電圧を制御できるコンバータとを収容するとともに、車両に搭載される燃料電池ケースであって、前記燃料電池ケースは、前記燃料電池ケースを形成する面のうち前記単セルの積層方向の一方の側にある第１の面が、前記燃料電池ケースを形成する面のうち前記単セルの積層方向の他方の側にある第２の面より重力方向上側に位置するよう前記車両の前後方向から重力方向において傾斜した状態で前記車両に搭載され、前記第１の面において前記一方の側における前記燃料電池スタックの端部と向かい合う位置に形成され、水素を透過できる第１の水素透過部と、前記第１の面において、前記第１の水素透過部より重力方向上側に形成され、水素を透過できる第２の水素透過部と、前記第２の面において、前記他方の側における前記燃料電池スタックの端部と向かい合う位置より重力方向上側に形成され、水素を透過できる第３の水素透過部と、を備える。このような態様とすれば、水素は空気より軽いことから、燃料電池ケースの内側において重力方向上側に集まりやすい傾向にあるため、第２の水素透過部および第３の水素透過部によって効率的に換気できる。また、燃料電池ケースの内部構造によっては、燃料電池スタックから漏れた水素のうち、燃料電池ケースの内側においてコンバータが収容されている空間まで上昇せずに、燃料電池ケースの内側において燃料電池スタックが収容されている空間に留まるものがある。このような水素は、第１の面が第２の面より重力方向上側に位置するよう車両に搭載されている本発明の燃料電池ケースにおいて、燃料電池ケースの内側において燃料電池スタックが収容されている空間のうち、第１の面の周辺に集まりやすい。このため、第１の面に形成されている第１の水素透過部によって効率的に換気できる。本発明における第１の水素透過部、第２の水素透過部および第３の水素透過部の配置をとることによって、燃料電池スタックおよびコンバータを収容した燃料電池ケースにおいて、燃料電池スタックから水素が漏れた場合に燃料電池ケース内の水素濃度を効率的に低下させることができる。

本発明の形態は、燃料電池ケースに限るものではなく、例えば、燃料電池ケースの換気装置や、燃料電池スタックにおける換気方法などの種々の形態に適用することも可能である。また、本発明は、前述の形態に何ら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内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。

本発明の実施形態における燃料電池ケースを示した説明図である。燃料電池ケースを備えた車両の概略を示す説明図である。

Ａ．第１実施形態：
図１は、本発明の実施形態における燃料電池ケース３００を示した説明図である。図１には、相互に直交するＸＹＺ軸が図示されている。図１のＸＹＺ軸は、他の図のＸＹＺ軸に対応する。燃料電池ケース３００は、モーターの電源として車両に搭載される。燃料電池ケース３００は、燃料電池スタック１００と、コンバータ２００とを収容する直方体状の部材である。

燃料電池スタック１００は、コンバータ２００のＺ軸方向の−側に配されている。燃料電池スタック１００は、反応ガスの電気化学反応によって発電する複数の単セル１１０を有する。単セル１１０は、積層方向Ｄに積層された状態で圧縮荷重を加えられつつ締結されている。本実施形態では、単セル１１０の積層方向Ｄは、Ｘ軸方向である。本実施形態では、燃料電池スタック１００は、水素ガスおよび空気の供給を受けて、水素と酸素との電気化学反応によって発電する。

コンバータ２００は、燃料電池スタック１００のＺ軸方向の＋側に配され、燃料電池スタック１００と電気的に接続している。コンバータ２００は、燃料電池スタック１００から出力される電圧を制御できる。

燃料電池ケース３００は、燃料電池スタック１００と、コンバータ２００とを収容する。燃料電池ケース３００は、第１の面３１０と、第２の面３２０とを有する。

第１の面３１０は、燃料電池ケース３００を形成する面のうち、Ｘ軸方向の−側にある面である。第２の面３２０は、燃料電池ケース３００を形成する面のうち、Ｘ軸方向の＋側にある面である。

第１の面３１０は、第１の水素透過部３３０ａと、第２の水素透過部３３０ｂとを有する。第２の面３２０は、第３の水素透過部３３０ｃを有する。尚、以降の説明では、３つの水素透過部の各々を総称する場合には符号「３３０」を使用する。

水素透過部３３０は、水素を透過できる。本実施形態では、水素透過部３３０は、貫通孔の内側に水素透過膜を設けた構成である。水素透過膜は、水素や空気等の気体を透過し、液体の水をほとんど透過させない難透水性材料により形成されている。

第１の水素透過部３３０ａは、第１の面３１０において、燃料電池スタック１００のＸ軸方向の−側における端部と向かい合う位置であって、かつ、第２の水素透過部３３０ｂと比べてＹ軸方向の＋側寄りの位置に形成されている。

「第１の水素透過部３３０ａは、第１の面３１０において、燃料電池スタック１００のＸ軸方向の−側における端部と向かい合う位置に形成されている」とは、第１の水素透過部３３０ａをＸ軸方向の−側から投影したとき、燃料電池スタック１００のＸ軸方向の−側における端部の面に、第１の水素透過部３３０ａの少なくとも一部が投影されることである。

第２の水素透過部３３０ｂは、第１の面３１０において、第１の水素透過部３３０ａよりＺ軸方向の＋側の位置であって、かつ、第１の水素透過部３３０ａと比べて、Ｙ軸方向における中央寄りの位置に形成されている。

第３の水素透過部３３０ｃは、第２の面３２０において、燃料電池スタック１００のＸ軸方向の＋側における端部と向かい合う位置よりＺ軸方向の＋側であって、かつ、Ｙ軸方向における中央寄りの位置に形成されている。

図２は、燃料電池ケース３００を備えた車両４００の概略を示す説明図である。図２では、理解を容易にするために、水素透過部３３０をＹ軸方向の−側から見えるように示した。車両４００は、モーターで駆動する電動車両である。車両４００の前方は、Ｘ軸方向の−側方向からＺ軸方向の−側に傾いた方向Ｆを向いている。図２のＸＹＺ軸におけるＺ軸は、重力方向の下側から上側に向かう座標軸Ｇから、Ｘ軸方向の−側に傾斜した軸である。車両４００において燃料電池ケース３００が搭載されるための空間は、車両４００前方のフード４１０からＺ軸方向の−側における車両４００の内部領域Ｒである。

燃料電池ケース３００は、第１の面３１０が第２の面３２０より重力方向上側に位置するよう車両４００の前後方向から重力方向において傾斜した状態で、車両４００に搭載される。「第１の面３１０が第２の面３２０より重力方向上側に位置する」状態とは、第１の面３１０におけるＺ軸方向の＋側における端部が、第２の面３２０におけるＺ軸方向の＋側における端部より、重力方向上側に位置している状態のことである。

以上説明した実施形態によれば、水素は空気より軽いことから、燃料電池ケース３００の内側において重力方向上側に集まりやすい傾向にあるため、燃料電池スタック１００から水素が漏れた場合に、Ｚ軸方向の＋側の位置に形成された第２の水素透過部３３０ｂおよび第３の水素透過部３３０ｃによって、水素を効率的に換気できる。

また、燃料電池スタック１００から水素が漏れた場合に、燃料電池ケース３００の内側においてコンバータ２００が収容されている空間まで上昇せずに、燃料電池ケース３００の内側において燃料電池スタック１００が収容されている空間に留まる場合がある。例えば、燃料電池スタック１００とコンバータ２００とを燃料電池ケース３００に収容したことで燃料電池ケース３００の内部構造が複雑化したことによって、燃料電池ケース３００の内側においてコンバータ２００が収容されている空間まで水素が上昇できない場合が考えられる。このような場合は、第１の面３１０が第２の面３２０より重力方向上側に位置するよう車両４００に搭載される燃料電池ケース３００において、燃料電池ケース３００の内側において燃料電池スタック１００が収容されている空間のうち、第１の面３１０の周辺に集まりやすい。このため、第１の面３１０に形成されている第１の水素透過部３３０ａによって効率的に換気できる。

上記した実施形態における水素透過部３３０の配置をとることによって、燃料電池スタック１００およびコンバータ２００を収容した燃料電池ケース３００において、燃料電池スタック１００から水素が漏れた場合に燃料電池ケース３００内の水素濃度を効率的に低下させることができる。

また、内部領域Ｒにおける車両４００の前後方向の長さに制限がある条件下において、燃料電池スタックとコンバータとを内部領域Ｒに配置しようとした場合、燃料電池スタックとコンバータとを車両４００の前後方向に配置した形態と比べて、燃料電池ケース３００では、燃料電池スタック１００の重力方向上側にコンバータ２００を配置しているため、内部領域Ｒに配置しやすい。

また、車両４００が方向Ｆから衝突した場合、単セルの積層方向がＹ軸方向である燃料電池を搭載している形態と比べて、燃料電池ケース３００では、方向ＦからＺ軸方向の＋側に傾いた方向である積層方向Ｄにおいて単セル１１０が積層しているため、単セル１１０における損傷を抑制できる。

また、車両４００において、燃料電池スタック１００における発電によって生成された生成水の排出口が車両４００の後方向に設けられている場合、車両４００が下り坂を走行しているとき、生成水が車両４００の前方向に溜まりやすいことから、生成水を十分に排出できない。しかし、燃料電池ケース３００では、第１の面３１０が第２の面３２０より重力方向上側に位置するよう車両４００の前後方向から重力方向において傾斜した状態で、車両４００に搭載されている。このため、燃料電池スタック１００における発電によって生成された生成水が、車両４００の後方向側に流れやすいため、生成水を効率よく排出できる。

Ｂ．変形例：
第１実施形態では、水素透過部３３０は、貫通孔の内側に水素透過膜を設けた構成であったが、本発明はこれに限られない。例えば、水素透過部３３０は、水素透過膜を有する円筒形の枠体が貫通孔の内側に嵌まる構成であってもよい。

第１実施形態では、第１の水素透過部３３０ａは、Ｙ軸方向の＋側寄りの位置に形成され、第２の水素透過部３３０ｂは、Ｙ軸方向における中央寄りの位置に形成されていたが、本発明はこれに限られない。第１の水素透過部３３０ａと第２の水素透過部３３０ｂとは、Ｙ軸方向において、＋側寄りの位置、−側寄りの位置および中央寄りの位置のうちいずれかの位置に、それぞれ形成されていてもよい。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例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、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部また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。

１００…燃料電池スタック
１１０…単セル
２００…コンバータ
３００…燃料電池ケース
３１０…第１の面
３２０…第２の面
３３０…水素透過部
３３０ａ…第１の水素透過部
３３０ｂ…第２の水素透過部
３３０ｃ…第３の水素透過部
４００…車両
４１０…フード
Ｄ…積層方向
Ｆ…方向
Ｇ…座標軸
Ｒ…内部領域

Claims

積層された複数の単セルを有する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの重力方向上側に配され、前記燃料電池スタックから出力される電圧を制御できるコンバータと、を収容するとともに、車両に搭載される燃料電池ケースであって、
前記燃料電池ケースは、前記燃料電池ケースを形成する面のうち前記単セルの積層方向の一方の側にある第１の面が、前記燃料電池ケースを形成する面のうち前記単セルの積層方向の他方の側にある第２の面より重力方向上側に位置するよう前記車両の前後方向から重力方向において傾斜した状態で前記車両に搭載され、
前記第１の面において前記一方の側における前記燃料電池スタックの端部と向かい合う位置に形成され、水素を透過できる第１の水素透過部と、
前記第１の面において、前記第１の水素透過部より重力方向上側に形成され、水素を透過できる第２の水素透過部と、
前記第２の面において、前記他方の側における前記燃料電池スタックの端部と向かい合う位置より重力方向上側に形成され、水素を透過できる第３の水素透過部と、を備える燃料電池ケース。