JP2019106234A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】圧抜き機構の飛散を抑制することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム1は、燃料電池スタック2を収容するスタック収容部4aと高電圧部品3を収容する高電圧部品収容部4bとを有する収容ケース4と、高電圧部品収容部4bに設けられる前側圧抜き機構5a,左側圧抜き機構5b,後側圧抜き機構5c,右側圧抜き機構5d及び上側圧抜き機構5eと、高電圧部品収容部4bの外側に配置される補機10と、を備える。各圧抜き機構は、補機10との間に隙間を有するように補機10と対向する位置に配置されており、補機10よりも剛性が低い。【選択図】図1

Description

本発明は、燃料電池スタックを有する燃料電池システムに関する。
従来、このような分野の技術として、例えば特許文献1に記載のように車両に搭載された燃料電池システムが知られている。この特許文献に記載の燃料電池システムでは、車両前側のフロントルームに燃料電池スタックと昇圧コンバータやインバータ等の補機とが搭載されており、燃料電池スタック、昇圧コンバータ及びインバータは下からこの順に積層されている。
特開2017−74819号公報
このような構造を有する燃料電池システムでは、燃料電池スタックを収容するスタックケースと昇圧コンバータ等を収容する高電圧部品ケースとの間の仕切り部材を無くし、これらのケースを一体化することで部品点数の削減が検討されている。しかしながら、スタックケースと高電圧部品ケースとを一体化すると、スタックケースと高電圧部品ケースとの間で気体が流通する状態になってしまい、万一何らかの原因で燃料電池スタックから水素が漏れた場合に、漏れた水素が高電圧部品ケースの上方に溜まる可能性がある。水素の溜まりによる不都合を防止するために、例えば高電圧部品ケースに圧抜き機構を設け、所定の圧力を超えるときに圧抜き機構を変形させて圧力を逃がすことが考えられるが、フロントルームを覆うボンネットを開いた状態で圧抜き機構が変形した場合に、変形した圧抜き機構が飛散する問題が新たに生じる。
本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、圧抜き機構の飛散を抑制することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池スタックを有する燃料電池システムであって、前記燃料電池スタックを収容するスタック収容部と、前記燃料電池スタックと接続される高電圧部品を収容し、前記スタック収容部の上方に配置されるとともに前記スタック収容部との間で気体が流通可能な高電圧部品収容部と、を有する収容ケースと、前記収容ケースの前記高電圧部品収容部に設けられるとともに、前記高電圧部品収容部よりも剛性の低い材料で形成される圧抜き機構と、前記収容ケースの前記高電圧部品収容部の外側に配置される補機と、を備え、前記圧抜き機構は、前記補機との間に隙間を有するように前記補機と対向する位置に配置されており、前記補機よりも剛性が低いことを特徴としている。
本発明に係る燃料電池システムでは、収容ケースの高電圧部品収容部に圧抜き機構が設けられるので、仮に高電圧部品収容部の内部で水素の溜まりによって不都合が発生した場合、高電圧部品収容部よりも圧抜き機構の方が先に変形することで、高電圧部品収容部の内部の圧力を外部に逃がすことができ、高電圧部品収容部の変形や破損を防止することができる。また、圧抜き機構は補機との間に隙間を有するように補機と対向する位置に配置されており、補機よりも剛性が低いので、補機を利用して圧抜き機構の飛散を抑制することができる。しかも、このように圧抜き機構の飛散を抑制する部材として補機を流用するので、部品の増加を防止することができる。
本発明に係る燃料電池システムにおいて、前記高電圧部品収容部には、前記補機の台座が設けられており、前記台座は、平面視において前記圧抜き機構を取り囲むように配置されていることが好ましい。このようすれば、圧抜き機構を取り囲むように圧抜き機構の周囲に補機を配置することができるので、補機を利用して圧抜き機構の横方向への飛散を抑制することができる。
本発明に係る燃料電池システムにおいて、前記補機に用いられるワイヤハーネスが、平面視において前記圧抜き機構を取り囲むように配置されていることが好ましい。このようにすれば、圧抜き機構の周囲に配置されたワイヤハーネスを利用して圧抜き機構の横方向への飛散を抑制することができる。
本発明に係る燃料電池システムにおいて、前記圧抜き機構は、水素透過膜を有する水素換気口であることが好ましい。このようにすれば、圧抜き機構が水素換気口の機能を兼ねることにより、部品点数の増加を防止することができる。
本発明によれば、圧抜き機構の飛散を抑制することができる。
実施形態に係る燃料電池システムを示す概略平面図である。 実施形態に係る燃料電池システムを示す部分模式正面図である。 高電圧部品収容部の天井部に設けられた上側圧抜き機構と水加熱ヒータとを示す平面図である。 高電圧部品収容部の天井部に設けられた上側圧抜き機構と水加熱ヒータとを示す側面図である。
以下、図面を参照して本発明に係る燃料電池システムの実施形態について説明する。各図において矢印FR、矢印RH、矢印UPは、車両の前側、車両の右側、車両の上側をそれぞれ示す。また、以下の実施形態において燃料電池システムを車両に搭載して車両の駆動源とした例を挙げて説明するが、本発明の燃料電池システムは、船舶、航空機、電車等の駆動源や、建物の発電設備としても良い。
図1は実施形態に係る燃料電池システムを示す概略平面図であり、図2は実施形態に係る燃料電池システムを示す部分模式正面図である。図2において、収容ケースの内部に収容された燃料電池スタック及び高電圧部品の位置を表すために収容ケースを断面図で示しており、また、パワーコントロールユニット、ロータリバルブ、水素ガス供給ユニット及び水加熱ヒータ以外の補機を省略している。本実施形態の燃料電池システム1は、車両のフロントルーム9の略中央の位置に搭載された収容ケース4と、収容ケース4を取り囲むように該収容ケース4の外側に配置された補機10と、を主に備えている。
収容ケース4は、例えば金属材料により形成された略直方体形状の筐体であり、下部に配置されて燃料電池スタック2を収容するスタック収容部4aと、スタック収容部4aの上方に配置されて高電圧部品3を収容する高電圧部品収容部4bとを有する。スタック収容部4aと高電圧部品収容部4bとは、例えばそれぞれ開口部及びフランジ部を有する略直方体形状の筐体を呈しており、内部に燃料電池スタック2又は高電圧部品3を固定する固定部が設けられている。収容ケース4は、スタック収容部4aを構成する筐体と高電圧部品収容部4bを構成する筐体とを開口部同士が向き合うように突き合わせた状態で、フランジ部40a,40bをボルト41とナット42の締結によって一体的に形成されている(図2参照)。なお、スタック収容部4aと高電圧部品収容部4bとの間は、気体が流通可能な状態となっている。
燃料電池スタック2は、複数の単セルを積層してなるセルスタックであり、固体高分子電解質型燃料電池を構成する。図示しないが、単セルは、高分子電解質膜がアノード電極及びカソード電極により挟持されてなる膜/電極接合体と、該膜/電極接合体を両側から挟み込む一対のセパレータとを有する。一方、高電圧部品3は、例えば燃料電池スタック2の電力を昇圧するための昇圧コンバータであり、燃料電池スタック2と電気的に接続されている。
補機10には、フロントルーム9の内部に配置されたパワーコントロールユニット11、外部給電部12、エアダクト13、EVリザーバタンク14、FCリザーバタンク15、イオン交換器16、リレーボックス17、バッテリ18、ロータリバルブ19、水素ガス供給ユニット20、水加熱ヒータ21、ワイヤハーネス22及び三方弁23等が含まれている。
図1に示すように、パワーコントロールユニット11、外部給電部12及びエアダクト13は、高電圧部品収容部4bの右側において、車両の後側から前側に向かって順に配置されている。パワーコントロールユニット11は、燃料電池システム1を構成する各部へ送電する電力等を制御するものである。外部給電部12は、燃料電池スタック2および図示しない二次電池から外部負荷に電力を供給するためのものである。エアダクト13は、燃料電池スタック2に供給する外気を取り入れるための構造である。
EVリザーバタンク14、FCリザーバタンク15及びイオン交換器16は、高電圧部品収容部4bの前側において車両の右側から左側に向かって順に配置されている。EVリザーバタンク14はバッテリ18の発熱を冷却するための冷却液を貯留するタンクであり、FCリザーバタンク15は燃料電池の発熱を冷却するための冷却液を貯留するタンクである。イオン交換器16は燃料電池を冷却する冷却液中に含まれるイオンを除去する装置である。
リレーボックス17、バッテリ18及びロータリバルブ19は、高電圧部品収容部4bの左側において車両の前側から後側に向かって順に配置されている。リレーボックス17には、燃料電池スタック2やバッテリ18等から駆動用モータ(図示せず)や各種電気部品に供給される電力の供給制御(ON/OFF制御)を行うリレーが集約されている。バッテリ18は、各補機を駆動するための電源である。ロータリバルブ19は、例えば冷却液の各循環経路における冷却液の流量を調整するための弁装置である。
図2に示すように、水素ガス供給ユニット20及び水加熱ヒータ21は、高電圧部品収容部4bの上側に配置されている。水素ガス供給ユニット20は水加熱ヒータ21の右側に位置している。また、高電圧部品収容部4bの後側には、各補機10の接続に用いられた複数本のワイヤハーネス22と、三方弁23が配置されている。ワイヤハーネス22は、車両の左右方向に沿って延設されている。
また、本実施形態の燃料電池システム1は、高電圧部品収容部4bに設けられるとともに、該高電圧部品収容部4bよりも剛性の低い材料で形成された圧抜き機構を複数(ここでは、5つ)備えている。図1に示すように、5つの圧抜き機構(すなわち、前側圧抜き機構5a,左側圧抜き機構5b,後側圧抜き機構5c,右側圧抜き機構5d及び上側圧抜き機構5e)は、高電圧部品収容部4bの前後左右の側壁及び天井部に1箇所ずつ設けられている。
具体的には、高電圧部品収容部4bの前側壁には前側圧抜き機構5aが設けられている。前側圧抜き機構5aは、例えばその前側に配置されたEVリザーバタンク14、FCリザーバタンク15及びイオン交換器16との間にそれぞれ隙間を有するように、EVリザーバタンク14、FCリザーバタンク15及びイオン交換器16と対向する位置に配置されている。なお、前側圧抜き機構5aは必ずしもEVリザーバタンク14、FCリザーバタンク15及びイオン交換器16の全てと対向する位置に配置される必要がなく、EVリザーバタンク14、FCリザーバタンク15及びイオン交換器16の少なくとも一方と対向する位置に配置されれば良い。例えば、前側圧抜き機構5aはイオン交換器16と対向する位置のみに配置されても良い。
高電圧部品収容部4bの左側壁には、左側圧抜き機構5bが設けられている。左側圧抜き機構5bは、例えばその左側に配置されたバッテリ18及びロータリバルブ19との間にそれぞれ隙間を有するように、バッテリ18及びロータリバルブ19と対向する位置に配置されている。なお、左側圧抜き機構5bは必ずしもバッテリ18及びロータリバルブ19の双方と対向する位置に配置される必要がなく、バッテリ18及びロータリバルブ19のいずれか一方と対向する位置に配置されても良い。また、図1に示すように、左側圧抜き機構5bは、高電圧部品収容部4bの角部に隣接したリレーボックス17と対向する位置に配置されていないが、例えばリレーボックス17が高電圧部品収容部4bの左側壁に近接した場合に、該左側圧抜き機構5bは更にリレーボックス17と対向する位置に配置されても良い。
また、高電圧部品収容部4bの後側壁には、後側圧抜き機構5cが設けられている。後側圧抜き機構5cは、例えばその後側に配置されたワイヤハーネス22及び三方弁23との間にそれぞれ隙間を有するように、ワイヤハーネス22及び三方弁23と対向する位置に配置されている。ワイヤハーネス22は、高電圧部品収容部4bと三方弁23との間に配置され、車両の左右方向に延設されている。
また、高電圧部品収容部4bの右側壁には、右側圧抜き機構5dが設けられている。右側圧抜き機構5dは、例えばその右側に配置されたパワーコントロールユニット11及び外部給電部12との間にそれぞれ隙間を有するように、パワーコントロールユニット11及び外部給電部12と対向する位置に配置されている。なお、右側圧抜き機構5dは必ずしもパワーコントロールユニット11及び外部給電部12の双方と対向する位置に配置される必要がなく、パワーコントロールユニット11及び外部給電部12のいずれか一方と対向する位置に配置されても良い。また、図1に示すように、右側圧抜き機構5dは、高電圧部品収容部4bの角部に隣接したエアダクト13と対向する位置に配置されていないが、例えばエアダクト13が高電圧部品収容部4bの右側壁に近接した場合に、該右側圧抜き機構5dは更にエアダクト13と対向する位置に配置されても良い。
更に、高電圧部品収容部4bの天井部には、上側圧抜き機構5eが設けられている。上側圧抜き機構5eは、水素ガス供給ユニット20及び水加熱ヒータ21との間にそれぞれ隙間を有するように、水素ガス供給ユニット20及び水加熱ヒータ21と対向する位置に配置されている。なお、上側圧抜き機構5eは必ずしも水素ガス供給ユニット20及び水加熱ヒータ21の双方と対向する位置に配置される必要がなく、水素ガス供給ユニット20及び水加熱ヒータ21のいずれか一方と対向する位置に配置されても良い。
ここで、水加熱ヒータ21を挙げて水加熱ヒータ21の設置構造、水加熱ヒータ21と上側圧抜き機構5eとの位置関係を説明するが、水素ガス供給ユニット20の設置構造及びに上側圧抜き機構5eとの位置関係については、水加熱ヒータ21と同様であるので、その重複説明を省略する。
図3は高電圧部品収容部の天井部に設けられた上側圧抜き機構と水加熱ヒータとを示す平面図であり、図4は高電圧部品収容部の天井部に設けられた上側圧抜き機構と水加熱ヒータとを示す側面図である。図3及び図4に示すように、高電圧部品収容部4bの天井部の外壁(すなわち、天井部の上表面)には、水加熱ヒータ用台座211が4つ設けられている。これらの水加熱ヒータ用台座211は、例えば内部にネジ穴が設けられた鉄製のブロックであって、水加熱ヒータ21のフランジ部21a(後述する)の四隅に対応する位置に配置されるとともに、溶接等で高電圧部品収容部4bの天井部と固定されている。
一方、水加熱ヒータ21は、その底面が上側圧抜き機構5eから所定距離で離れた状態(換言すれば、上側圧抜き機構5eとの間に隙間を有するように)、上側圧抜き機構5eの上側に配置されている。水加熱ヒータ21は、その底部に設けられたフランジ部21aが水加熱ヒータ用台座211の上に載置された状態でボルト212により水加熱ヒータ用台座211と固定されている。
本実施形態において、前側圧抜き機構5a、左側圧抜き機構5b、後側圧抜き機構5c、右側圧抜き機構5d及び上側圧抜き機構5eは、それぞれ水素透過膜を有する水素換気口であり、高電圧部品収容部4bの前後左右の側壁又は天井部の所定位置に設けられた開口部に水素透過膜を取り付けることにより形成されている。水素透過膜は、水素の透過を許容しつつ、水や塵埃等の透過を阻止する素材で作られている。そして、これらの圧抜き機構は、それぞれ高電圧部品収容部4bよりも剛性の低い、且つ各補機10よりも剛性の低い材料によって形成されている。
本実施形態の燃料電池システム1では、高電圧部品収容部4bの前後左右の側壁及び天井部に圧抜き機構(前側圧抜き機構5a,左側圧抜き機構5b,後側圧抜き機構5c,右側圧抜き機構5d及び上側圧抜き機構5e)がそれぞれ設けられており、これらの圧抜き機構が高電圧部品収容部4bよりも剛性の低い材料によって形成されている。このため、仮に高電圧部品収容部4bの内部で水素の溜まりによって不都合が発生した場合、高電圧部品収容部4bよりも圧抜き機構の方が先に変形し、高電圧部品収容部4bの内部の圧力を外部に逃がすことができるので、高電圧部品収容部4bの変形や破損等を防止することができる。
そして、前側圧抜き機構5aは、その前側に配置されたFCリザーバタンク15及びイオン交換器16との間に隙間を有するようにFCリザーバタンク15及びイオン交換器16と対向する位置に配置されており、FCリザーバタンク15及びイオン交換器16のいずれよりも剛性が低い。従って、仮に前側圧抜き機構5aが変形し飛散した場合に、FCリザーバタンク15及びイオン交換器16によって前側圧抜き機構5aによる前側への飛散が抑制される。また、前側圧抜き機構5aによる前側への飛散を抑制する部材としてFCリザーバタンク15及びイオン交換器16を流用することで、部品の増加を防止することができる。
左側圧抜き機構5bは、その左側に配置されたバッテリ18及びロータリバルブ19との間に隙間を有するようにバッテリ18及びロータリバルブ19と対向する位置に配置されており、バッテリ18及びロータリバルブ19のいずれよりも剛性が低い。従って、仮に左側圧抜き機構5bが変形し飛散した場合に、バッテリ18及びロータリバルブ19によって左側圧抜き機構5bによる左側への飛散が抑制される。また、左側圧抜き機構5bによる左側への飛散を抑制する部材としてバッテリ18及びロータリバルブ19を流用することで、部品の増加を防止することができる。
後側圧抜き機構5cは、その後側に配置されたワイヤハーネス22及び三方弁23との間に隙間を有するように該ワイヤハーネス22及び三方弁23と対向する位置に配置されており、ワイヤハーネス22及び三方弁23のいずれよりも剛性が低い。従って、仮に後側圧抜き機構5cが変形し飛散した場合に、ワイヤハーネス22及び三方弁23によって後側圧抜き機構5cによる後側への飛散が抑制される。また、後側圧抜き機構5cによる後側への飛散を抑制する部材としてワイヤハーネス22及び三方弁23を流用することで、部品の増加を防止することができる。
右側圧抜き機構5dは、その右側に配置されたパワーコントロールユニット11及び外部給電部12との間に隙間を有するようにパワーコントロールユニット11及び外部給電部12と対向する位置に配置されており、パワーコントロールユニット11及び外部給電部12のいずれよりも剛性が低い。従って、仮に右側圧抜き機構5dが変形し飛散した場合に、パワーコントロールユニット11及び外部給電部12によって右側圧抜き機構5dによる右側への飛散が抑制される。また、右側圧抜き機構5dによる右側への飛散を抑制する部材としてパワーコントロールユニット11及び外部給電部12を流用することで、部品の増加を防止することができる。
上側圧抜き機構5eは、水素ガス供給ユニット20及び水加熱ヒータ21との間に隙間を有するように水素ガス供給ユニット20及び水加熱ヒータ21と対向する位置に配置されており、水素ガス供給ユニット20及び水加熱ヒータ21のいずれよりも剛性が低い。従って、仮に上側圧抜き機構5eが変形し飛散した場合に、水素ガス供給ユニット20及び水加熱ヒータ21によって上側圧抜き機構5eによる上側への飛散が抑制される。また、上側圧抜き機構5eによる上側への飛散を抑制する部材として水素ガス供給ユニット20及び水加熱ヒータ21を流用することで、部品の増加を防止することができる。
更に、前側圧抜き機構5a、左側圧抜き機構5b、後側圧抜き機構5c、右側圧抜き機構5d及び上側圧抜き機構5eは、それぞれ水素透過膜を有する水素換気口である。このように圧抜き機構が水素換気口の機能を兼ねることにより、圧抜き機構の設置に伴う部品点数の増加を防止することができる。
なお、本実施形態において、圧抜き機構として水素透過膜を有する水素換気口の例を挙げて説明したが、圧抜き機構として高電圧部品収容部4bの開口部に取り付けられた防水シート、板金カバー、板金ブラケット、樹脂シート、ゴム栓であっても良く、或いは高電圧部品収容部4bに設けられた切り欠き溝や肉薄部等のような高電圧部品収容部4bの他の部分よりも剛性の低い脆弱部であっても良い。
また、前側圧抜き機構5a、左側圧抜き機構5b、後側圧抜き機構5c、右側圧抜き機構5d及び上側圧抜き機構5eは、必ずしも全て設けられる必要がなく、これらのうち少なくとも一つ設けられれば良い。また、高電圧部品収容部4bの前後左右の側壁及び天井部において圧抜き機構が1箇所ずつ設けられる必要がなく、例えば2箇所ずつ設けられても良い。更に、補機10には、上述した内容のほか、高電圧ケーブル、ワイヤハーネスを固定するためのブラケット、ワイヤハーネスを保護するための樹脂プロテクタ等が含まれても良い。
また、本実施形態において、高電圧部品収容部4bに補機の台座が設けられて良い。例えば、高電圧部品収容部4bの前後左右の外壁には各補機を固定するための台座がそれぞれ設けられており、これらの台座は平面視において圧抜き機構(例えば前側圧抜き機構5a、左側圧抜き機構5b、後側圧抜き機構5c、右側圧抜き機構5d)を取り囲むように配置されている。このようすれば、圧抜き機構を取り囲むように圧抜き機構の周囲に補機を配置することができるので、補機を利用して圧抜き機構の横方向(例えば、前後方向又は/及び左右方向)への飛散を抑制することができる。
また、本実施形態において、補機に用いられるワイヤハーネスが、平面視において圧抜き機構(例えば前側圧抜き機構5a、左側圧抜き機構5b、後側圧抜き機構5c、右側圧抜き機構5d)を取り囲むように配置されても良い。このようにすれば、圧抜き機構の周囲に配置されたワイヤハーネスを利用して圧抜き機構の横方向(例えば、前後方向又は/及び左右方向)への飛散を更に抑制することができる。
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。
1 燃料電池システム
2 燃料電池スタック
3 高電圧部品
4 収容ケース
4a スタック収容部
4b 高電圧部品収容部
5a 前側圧抜き機構
5b 左側圧抜き機構
5c 後側圧抜き機構
5d 右側圧抜き機構
5e 上側圧抜き機構
10 補機
11 パワーコントロールユニット
12 外部給電部
13 エアダクト
14 EVリザーバタンク
15 FCリザーバタンク
16 イオン交換器
17 リレーボックス
18 バッテリ
19 ロータリバルブ
20 水素ガス供給ユニット
21 水加熱ヒータ
22 ワイヤハーネス
23 三方弁

Claims (4)

  1. 燃料電池スタックを有する燃料電池システムであって、
    前記燃料電池スタックを収容するスタック収容部と、前記燃料電池スタックと接続される高電圧部品を収容し、前記スタック収容部の上方に配置されるとともに前記スタック収容部との間で気体が流通可能な高電圧部品収容部と、を有する収容ケースと、
    前記収容ケースの前記高電圧部品収容部に設けられるとともに、前記高電圧部品収容部よりも剛性の低い材料で形成される圧抜き機構と、
    前記収容ケースの前記高電圧部品収容部の外側に配置される補機と、
    を備え、
    前記圧抜き機構は、前記補機との間に隙間を有するように前記補機と対向する位置に配置されており、前記補機よりも剛性が低いことを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記高電圧部品収容部には、前記補機の台座が設けられており、
    前記台座は、平面視において前記圧抜き機構を取り囲むように配置されている請求項1に記載の燃料電池システム。
  3. 前記補機に用いられるワイヤハーネスが、平面視において前記圧抜き機構を取り囲むように配置されている請求項1又は2に記載の燃料電池システム。
  4. 前記圧抜き機構は、水素透過膜を有する水素換気口である請求項1〜3のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
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