JP4821126B2 - Fuel cell - Google Patents
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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。 The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a structure of a stack case that houses a fuel cell stack.
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。 2. Description of the Related Art A fuel cell stack that generates power using hydrogen as a fuel is known as a power source for driving a moving body such as an electric vehicle. The fuel cell stack is configured by stacking a plurality of cells and fastening them from both sides with bolts or the like. Due to such a configuration, when an impact from a road surface or an impact due to a collision is applied to the fuel cell stack, the fastening force for fastening the cell is momentarily reduced below the pressure inside the fuel cell stack. There is a possibility that the internal liquid, that is, the refrigerant liquid flowing in the refrigerant liquid flow path or the generated water accumulated in the reaction gas flow path will leak out of the fuel cell stack.
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。 Usually, the fuel cell stack is mounted on the moving body while being housed in a stack case. Since the stack case is sealed to keep the inside warm and prevent intrusion of water and mud from the outside, the liquid leaked from the fuel cell stack is accumulated in the stack case. However, when a highly conductive liquid accumulates in the stack case, the insulation resistance at the high voltage portion of the fuel cell stack is lowered, and there is a risk of short circuit or leakage.
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。
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。 However, when the bottom surface of the stack case is inclined as in the above prior art, the capacity in the case is unnecessarily increased, resulting in an increase in the size of the stack case. In addition, when liquid is collected by the wind power of the fan, it is necessary to provide an extra space in the stack case for installing the fan. In this case as well, the outer shape of the stack case is increased. From the viewpoint of ease of mounting on a moving body such as a vehicle, the outer shape of the stack case should be as small as possible.
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。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a fuel cell capable of reliably collecting the liquid generated in the stack case without causing an increase in the size of the stack case. With the goal.
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。
In order to achieve the above object, a first invention provides a fuel cell comprising a fuel cell stack and a stack case that houses the fuel cell stack.
The bottom surface of the stack case is provided with a groove for collecting the liquid generated in the stack case.
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。 According to a second invention, in the first invention, a part of the groove is provided with a liquid reservoir portion having a groove depth deeper than that of the other part.
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。 A third invention is characterized in that, in the second invention, a detecting means for detecting the liquid in the liquid reservoir is provided.
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。 A fourth invention is characterized in that, in the third invention, the detection means is provided outside the stack case.
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。 A fifth invention is characterized in that, in any one of the first to fourth inventions, the groove is constituted by an uneven shape formed on a bottom plate of the stack case.
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。 According to the first aspect, the liquid generated in the stack case can be collected by the groove provided on the bottom surface of the stack case. For this reason, the enlargement of a stack case external shape like the case where the bottom face of a stack case is inclined is not caused.
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。 Further, according to the second invention, the liquid generated in the stack case can be collected in the liquid reservoir. According to the third aspect, by detecting the liquid collected in the liquid reservoir, it is possible to reliably detect the generation of liquid in the stack case, such as liquid leakage from the fuel cell stack. According to the fourth invention, it is possible to prevent failure and deterioration of the detection means by arranging the detection means outside the stack case in a high temperature and high humidity atmosphere.
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。 According to the fifth invention, the unevenness formed on the bottom plate of the stack case can increase the rigidity of the stack case, and can prevent the fuel cell stack disposed in the stack case from being twisted or the like. it can. In addition, since the uneven shape can be easily formed by press molding or the like, a groove can be easily provided on the bottom surface of the stack case.
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。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is a side sectional view showing a configuration of a fuel cell as an embodiment of the present invention. In this embodiment, the fuel cell of the present invention is configured as a power source for driving an electric vehicle. In this fuel cell, the stack case for storing the
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。
The
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。
The
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。
The
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。
FIG. 2 is a top view of the fuel cell with the
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。
In a fuel cell mounted on an electric vehicle, the cell fastening force of the
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。
Further, the
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。
The
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。
Both the
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。
In the
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。
As a result of the determination in
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。
As described above, the fuel cell according to this embodiment has the following characteristics. The first feature is that a
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。
The second feature is that the leakage of the liquid from the
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。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, the following modifications may be made.
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。
In the above embodiment, the
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。
Moreover, in the said embodiment, although the
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。 In the above embodiment, the present invention is applied to a fuel cell of an electric vehicle. However, the present invention can be applied not only to a fuel cell for a moving body but also to a stationary fuel cell.
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
10
Claims (1)
前記スタックケースの底板の上面には前記スタックケース内に生じた液体を捕集する溝が格子状に縦横複数列形成され、前記スタックケースの底板の下面には前記溝に沿ってリブが形成されていることを特徴とする燃料電池。 In a fuel cell for a moving body comprising a fuel cell stack and a stack case for storing the fuel cell stack,
Grooves for collecting the liquid generated in the stack case are formed in a plurality of rows and columns on the upper surface of the bottom plate of the stack case, and ribs are formed along the grooves on the lower surface of the bottom plate of the stack case. A fuel cell characterized by comprising:
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