JP6500866B2 - 燃料電池モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池モジュールに関する。
燃料電池は、燃料電池ケースに収容されて、車両等に搭載される場合がある。また、燃料電池に隣接して、燃料電池用補機を収容する補機室を形成する構成が開示されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2011−204500号公報
燃料電池の燃料として、従来、水素、炭化水素、アルコール等が用いられている。水素は、燃焼範囲(可燃性気体と空気との混合気体における発火可能な可燃性気体の容量%(vol%))の下限が小さいため、燃料電池の燃料として水素を用いる場合には、安全性の確保が重要である。そこで、本発明は、燃料電池および燃料電池用補機を収容するケースを備える燃料電池モジュールの安全性を向上させる技術を提供することを課題とする。
本発明は、上述の課題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。
適用例1:
燃料電池と、
燃料電池用補機と、
前記燃料電池および前記燃料電池用補機を内部に収容するモジュールケースであって、仕切板を介して隣接する、前記燃料電池が収容される第1空間と、前記燃料電池用補機が収容される第2空間と、を有する前記モジュールケースと、
を備える燃料電池モジュールであって、
前記仕切板は、前記第1空間と前記第2空間とを連通する連通孔であって、前記燃料電池と前記仕切板との隙間の幅より小さい辺または径を有する開口形状の前記連通孔を備え、
前記燃料電池モジュールは、さらに、前記連通孔の内壁の少なくとも一部に、前記仕切板の形成材料よりも熱伝導率が高い材料で形成された熱伝導部を備える、燃料電池モジュール。
適用例2:
燃料電池と、
燃料電池用補機と、
前記燃料電池および前記燃料電池用補機を内部に収容するモジュールケースであって、仕切板を介して隣接する、前記燃料電池が収容される第1空間と、前記燃料電池用補機が収容される第2空間と、を有する前記モジュールケースと、
を備え、
前記仕切板は、前記第1空間と前記第2空間とを連通する連通孔であって、前記燃料電池と前記仕切板との隙間の幅より小さい辺または径を有する開口形状の前記連通孔を備え、
前記連通孔の両端の開口端のうち、前記第1空間側の開口端と前記第2空間側の開口端との少なくとも一方は、前記仕切板の他の部位に対して、対応する前記第1空間または前記第2空間側に突出している、
燃料電池モジュール。
適用例3:
燃料電池と、
燃料電池用補機と、
前記燃料電池および前記燃料電池用補機を内部に収容するモジュールケースであって、仕切板を介して隣接する、前記燃料電池が収容される第1空間と、前記燃料電池用補機が収容される第2空間と、を有する前記モジュールケースと、
を備え、
前記仕切板は、前記第1空間と前記第2空間とを連通する連通孔であって、前記燃料電池と前記仕切板との隙間の幅より小さい辺または径を有する開口形状の前記連通孔を備え、
前記燃料電池用補機は、前記燃料電池の出力電圧を昇圧するコンバータを備えるFCパワーコントロールユニットを含み、
前記FCパワーコントロールユニットは、前記仕切板を挟んで前記燃料電池の上に配置されている、燃料電池モジュール。
適用例4:
燃料電池と、
燃料電池用補機と、
前記燃料電池および前記燃料電池用補機を内部に収容するモジュールケースであって、仕切板を介して隣接する、前記燃料電池が収容される第1空間と、前記燃料電池用補機が収容される第2空間と、を有する前記モジュールケースと、
を備え、
前記仕切板は、前記第1空間と前記第2空間とを連通する複数の連通孔であって、それぞれ前記燃料電池と前記仕切板との隙間の幅より小さい辺または径を有する開口形状を有する複数の前記連通孔を備える、
燃料電池モジュール。
適用例5:
燃料電池と、
燃料電池用補機と、
前記燃料電池および前記燃料電池用補機を内部に収容するモジュールケースであって、仕切板を介して隣接する、前記燃料電池が収容される第1空間と、前記燃料電池用補機が収容される第2空間と、を有する前記モジュールケースと、
を備え、
前記仕切板は、前記第1空間と前記第2空間とを連通する連通孔であって、前記燃料電池と前記仕切板との隙間の幅より小さい辺または径を有する開口形状の前記連通孔を備え、
前記連通孔の前記開口形状は、前記連通孔の内面と、前記連通孔を貫通する前記燃料電池の出力端子と、によって画定される、
燃料電池モジュール。
(1)本発明の一形態によれば、燃料電池モジュールが提供される。この燃料電池モジュールは、燃料電池と、燃料電池用補機と、前記燃料電池および前記燃料電池用補機を内部に収容するモジュールケースであって、仕切板を介して隣接する、前記燃料電池が収容される第1空間と、前記燃料電池用補機が収容される第2空間と、を有する前記モジュールケースと、を備え、前記仕切板は、前記第1空間と前記第2空間とを連通する連通孔であって、前記燃料電池と前記仕切板との隙間の幅より小さい辺または径を有する開口形状の前記連通孔を備える。この形態によれば、モジュールケースの仕切板が連通孔を備えるため、第2空間で燃焼波が発生した場合に、第2空間で生じた燃焼波が連通孔を介して第1空間に伝搬するが、第2空間内で発生した燃焼波が連通孔を通過する際に、連通孔の壁面と接触することにより熱を奪われると共に、整流されるため、燃焼速度が遅くなる(燃焼波が弱まる)、もしくは消炎(燃焼が停止)する。そのため、燃料電池が収容される第1空間において、燃焼に伴う圧力増加が抑制され、モジュールケースの破壊が抑制される。また、連通孔の開口形状が、燃料電池と仕切板との隙間の幅より小さい辺または径を有するため、連通孔を通過することにより燃焼速度が弱められた燃焼波が、燃焼速度が増加されることなく、燃料電池と仕切板との隙間を通過することができるため、第1空間における燃焼速度の増加を抑制することができ、燃料電池モジュールの安全性を向上させることができる。
(2)上記形態の燃料電池モジュールにおいて、前記連通孔の内壁の少なくとも一部に、前記仕切板の形成材料よりも熱伝導率が高い材料で形成された熱伝導部を備えてもよい。このようにすると、第2空間で生じた燃焼波が連通孔を通過する際に、燃焼波が接触する壁面の面積が大きくなり、さらに多くの熱が奪われるため、さらに燃焼速度が遅くなるか消炎する。そのため、さらに、燃料電池モジュールの安全性が向上される。
(3)上記形態の燃料電池モジュールにおいて、前記連通孔の深さは、前記仕切板の板厚より長くてもよい。連通孔の深さが深いほど、第2空間で生じた燃焼波が連通孔を通過する際に、燃焼波が接触する壁面の面積が大きくなるため、多くの熱を逃すことができるため、燃焼速度をより低下させることができる。連通孔の深さを仕切板の板厚より長くすることにより、仕切板を比較的薄く形成して、モジュールケースを軽量化しつつ、第2空間で発生した燃焼波の燃焼速度を低下させて、第1空間に導くことができる。
なお、本発明は、上述の燃料電池モジュールの態様の他、種々の態様で実現することが可能である。例えば、燃料電池が収容される燃料電池ケース、燃料電池モジュールを備えた燃料電池システム、燃料電池モジュールを搭載した移動体等の形態で実現することができる。
本発明の第1実施形態としての燃料電池モジュールの概略構成を示す説明図である。 上板を示す概略平面図である。 燃焼波の流れを示す説明図である。 第2実施形態の燃料電池モジュールの第1熱伝導部および第2熱伝導部を示す概略平面図である。 第2実施形態における第1連通孔の近傍を拡大し断面視して示す説明図である。 第3実施形態における第1連通孔の近傍を拡大し断面視して示す説明図である。 第4実施形態における第1連通孔の近傍を拡大し断面視して示す説明図である。 第5実施形態の燃料電池モジュールの上板を示す概略平面図である。 第6実施形態の燃料電池モジュールの上板を示す概略平面図である。 第7実施形態の燃料電池モジュールの上板を示す概略平面図である。 第7実施形態の燃料電池モジュールの概略構成を示す説明図である。 第1側板を示す概略平面図である。
A.第1実施形態:
図1は、本発明の第1実施形態としての燃料電池モジュール100の概略構成を示す説明図である。図1には、相互に直交するXYZ軸が図示されており、燃料電池モジュール100のXZ平面による概略断面が図示されている。本明細書では、図1に示すZ軸方向を「上下方向」と定義し、Z軸+(プラス)側を「上」、Z軸−(マイナス)側を「下」とも呼ぶ。燃料電池モジュール100は、燃料電池10と、FCパワーコントロールユニット(以下、「FCPC」と呼ぶ)30と、モジュールケース70と、を備える。燃料電池10およびFCPC30は、モジュールケース70に固定されているが、図1では固定具の図示を省略している。
燃料電池10は、固体高分子型燃料電池であり、燃料ガスとしての水素と、酸化剤ガスとしての空気中の酸素が、電気化学反応を起こすことによって起電力を得るものである。燃料電池10は、板状の単位電池(不図示)を、X軸方向に複数積層して成るスタック構造を成す。以下、X軸方向を、「積層方向」とも呼ぶ。後に詳述するように、燃料電池10は、単位電池(不図示)が複数積層された積層体である第1セルスタック、第2セルスタックを有し、第1セルスタックと第2セルスタックは、Y軸方向(積層方向と垂直な方向)に並列配置されている。燃料電池10は、単位電池の積層方向(X軸方向)に圧縮荷重が加えられ、単位電池の積層状態が維持されている。燃料電池10としては、固体高分子型燃料電池に限らず、燃料ガスとして水素を用いる他の種々のタイプの燃料電池を採用してもよい。
FCPC30は、FCコンバータとポンプインバータが一体化された、燃料電池用補機の1つである。FCコンバータは、燃料電池10の出力電圧を駆動モータ(不図示)の駆動に適した高電圧に昇圧するDC−DCコンバータであり、燃料電池10の出力端子と接続されている。ポンプインバータは、二次電池(不図示)と接続され、二次電池からの直流を交流に変換し、水素ポンプ(不図示)とウォーターポンプ(不図示)とに供給することによって、これらのポンプを駆動する。
モジュールケース70は、内部に燃料電池10およびFCPC30を収容するケースであり、燃料電池ケース20と、燃料電池ケース20の上に配置され、燃料電池ケース20に固定されたFCPCケース40と、を備える。本実施形態において、モジュールケース70は、アルミニウム(Al)によって形成されている。なお、燃料電池ケース20を形成する材料は、アルミニウムに限定されず、例えば、ステンレス鋼、鋼等、他の金属材料を用いてもよい。
FCPCケース40は、上板42と、4枚の側板43と、を備え、下側が開口した筐体である。上板42は、X軸マイナス側の端に、開口形状が矩形状の貫通孔420と、貫通孔420を塞ぐ水素換気膜422を備える。水素換気膜422は、水素は通すが、塵や埃は通さない素材で作られている。FCPCケース40内の水素の一部は、水素換気膜422を介して燃料電池モジュール100外に逃される。FCPCケース40を、開口を下に向けて、燃料電池ケース20上に配置し、FCPCケース40を燃料電池ケース20に固定すると、FCPC30が収容される第2空間S2が形成される。
本実施形態において、FCPC30は、FCPCケース40の上板42と隙間を空けて、支持部材(不図示)を介して上板42に固定されている。FCPC30をFCPCケース40に収容して(固定して)、FCPCケース40を燃料電池ケース20上に固定すると、FCPC30と燃料電池ケース20との間に隙間が形成される。
燃料電池ケース20は、上板22と、4枚の側板23と、下板25と、を備え、燃料電池10を収容する第1空間S1を形成する直方体の筐体である。燃料電池10は、支持部材(不図示)を介して、燃料電池ケース20に固定されている。燃料電池ケース20の上板22と燃料電池10との間には、幅cの隙間が形成され、燃料電池ケース20の下板25と燃料電池10との間にも隙間が形成されている。燃料電池10と上板22との隙間の幅cは、例えば、燃料電池モジュール100が車載された場合に、車の運転に伴い振動しても、燃料電池10が上板22に当たらないこと、車の衝突時に燃料電池10が壊れないこと等を考慮して定められている。
図2は、上板22を示す概略平面図である。図2は、上板22を、第2空間S2(図1)側から見た概略平面図を示しており、燃料電池10の配置位置を、破線で図示している。上板22は、4つの第1連通孔244を有する第1孔部24と、3つの第2連通孔262を有する第2孔部26と、第1端子用連通孔246と、第2端子用連通孔248と、を有する。図1に示すように、モジュールケース70において、燃料電池10が収容される第1空間S1と、FCPC30が収容される第2空間S2とは、上板22を介して隣接しており、上記の複数の連通孔は、第1空間S1と第2空間S2とを連通する。第1空間S1の気体と第2空間S2の気体は、上記の複数の連通孔を介して互いに往来する。本実施形態における上板22を、「仕切板」とも呼ぶ。
第1端子用連通孔246は、開口形状が矩形状であって、燃料電池10の第1出力端子16に対応する位置に形成されている。第2端子用連通孔248は、第1端子用連通孔246と同様の開口形状を有し、燃料電池10の第2出力端子18に対応する位置に形成されている。上述の通り、燃料電池10は、第1セルスタック11と、第1セルスタック11と同様の構成を有し、第1セルスタック11と並列配置された第2セルスタック12と、を備える(図2)。第1セルスタック11と第2セルスタック12とは単位電池の極性が互いに反対向きに積層されており、X軸マイナス側の端部が、互いに電気的に接続されている。これにより両セルスタック11,12は一つの単位電池直列接続体を構成し、所望の高電圧が得られる。燃料電池10の第1出力端子16および第2出力端子18は、燃料電池10においてX軸プラス側の端(換言すると、積層方向の端部)に配置されている。なお、図2において、第1出力端子16および第2出力端子18は、それぞれ、第1端子用連通孔246および第2端子用連通孔248と明確に区別するために、斜線ハッチングを付して示している。また、図2において、燃料電池10が有するエンドプレート、集電板、絶縁板等の記載は省略している。
第1端子用連通孔246には、燃料電池10の第1出力端子16が貫通され、第2端子用連通孔248には、燃料電池10の第2出力端子18が貫通される。FCPC30と燃料電池10とは、FCPCケース40内の第2空間S2において、ケーブルを介して接続されている。
第1孔部24は、第1端子用連通孔246と第2端子用連通孔248との間に配置されている。第1連通孔244は、スリット(開口形状が、長辺に対して短辺が極短い矩形状)であって(図2)、短辺の長さaが、燃料電池10と上板22との隙間の幅c(図1)よりも短い。4つの第1連通孔244は、各第1連通孔244の長辺が隣り合うように、燃料電池10の積層方向(X軸方向)に整列されている。
第2孔部26は、第1孔部24に対して燃料電池10の積層方向後方(X軸方向マイナス側)に配置されている。第2連通孔262も、スリットであって(図2)、短辺の長さbが、燃料電池10と上板22との隙間の幅c(図1)よりも短い。3つの第2連通孔262は、各第2連通孔262の長辺が隣り合うように、燃料電池10の積層方向(X軸方向)に整列されている。本実施形態において、第1連通孔244の短辺の長さaと第2連通孔262の短辺の長さbとは互いに等しい(a=b)。本実施形態において、短辺の長さa,bは、約0.5〜1.5mmであり、燃料電池10と上板22との隙間の幅cは、約2.0〜3.0mmである。
燃料電池モジュール100を形成する場合には、例えば、燃料電池10が収容された燃料電池ケース20の上板22上に、FCPC30が収容されたFCPCケース40を固定する(ねじ留め等)。この際、FCPC30と燃料電池10とをケーブルを介して接続する。
上記の通り、燃料電池10には燃料ガスとしての水素が供給される。水素が、水素供給用配管と燃料電池10との接続部や、燃料電池10から漏洩した場合には、主に、第1孔部24,第2孔部26を介して、漏洩水素の一部が第2空間S2に流れ込む。FCPCケース40は水素換気膜422を備えるため、第2空間S2の水素の少なくとも一部は、燃料電池モジュール100外に逃がすことができる。すなわち、本実施形態の燃料電池モジュール100によれば、第1孔部24,第2孔部26を備えることにより、第1空間S1の水素濃度を低減することができる。
図3は、燃焼波の流れを示す説明図である。図3では、図1におけるX部を拡大して図示しており、燃焼波を矢印で示している。FCPC30は、リアクトル、ダイオード、スイッチ、平滑コンデンサ等を有し、全体的に凸凹した形状を有する(図1では、FCPCの形状を矩形状に簡略化して図示している)。そのため、仮に、第2空間S2において、着火して燃焼波が生じた場合には、乱れが生じて乱流燃焼となり、燃焼速度(火炎伝播の速度)が速くなるおそれがある。本実施形態の燃料電池モジュール100によれば、モジュールケース70の燃料電池ケース20の上板22(仕切板)が第1連通孔244および第2連通孔262を有するため、第2空間S2において生じた乱流を含む燃焼波は、第1連通孔244および第2連通孔262を通過する際に、第1連通孔244および第2連通孔262の内壁面によって熱を奪われると共に、整流されて第1空間S1に流入する。その結果、燃焼速度が遅くなる(燃焼波が弱まる)、もしくは消炎(燃焼が停止)する。なお、本実施形態における第1連通孔244の深さt2は、上板22の板厚t1と同一である。第2連通孔262の深さも同様に上板22の板厚t1と同一である(図1)。ここで、第1連通孔244の短辺の長さaおよび第2連通孔262の短辺の長さbが、燃料電池10と上板22との隙間の幅cよりも短いため、第1連通孔244および第2連通孔262を通過することにより整流され、燃焼速度が低下した燃焼波が、ほぼその状態で燃料電池10と上板22との隙間に侵入することができ、隙間に流入する燃焼波の燃焼速度の増加を抑制することができる。これに対し、例えば、第1連通孔244の短辺の長さaおよび第2連通孔262の短辺の長さbが、燃料電池10と上板22との隙間の幅cよりも長い場合には、燃料電池10と上板22との隙間に燃焼波が侵入する際に圧力が高くなるため、反応速度が増して熱の発生速度が増し、燃焼速度が増加すると考えられる。すなわち、本実施形態の燃料電池モジュール100によれば、モジュールケース70の上板22が、第1連通孔244および第2連通孔262を備え、それらの連通孔の短辺の長さa,bが燃料電池10と上板22との隙間の幅cよりも短いため、仮にFCPCケース40内(第2空間S2)で着火が生じたとしても、燃焼波が整流され、燃焼速度が低下されて燃料電池ケース20内(第1空間S1)に侵入し、さらに、燃焼波が燃料電池10と上板22との隙間に侵入する際の燃焼速度の増加を抑制することができる。その結果、燃焼に伴う圧力増加が抑制され、燃料電池ケース20の破壊が抑制され、燃料電池モジュール100の安全性が向上される。
B.第2実施形態:
図4は、第2実施形態の燃料電池モジュールの第1熱伝導部245および第2熱伝導部264を示す概略平面図である。第2実施形態の燃料電池モジュールの構成は、第1熱伝導部245,第2熱伝導部264以外の構成は第1実施形態の燃料電池モジュール100と同様であるため、第1熱伝導部245および第2熱伝導部264について説明し、第1実施形態の燃料電池モジュール100と同一の構成には同一の符号を付して、その説明を省略する。
第2実施形態の燃料電池モジュールでは、上板22の4つの第1連通孔244それぞれの内壁と、それぞれの連通孔の開口端の周辺(上板22の上面F1および下面F2)に、第1熱伝導部245が形成されている。同様に、3つの第2連通孔262それぞれの内壁、およびそれぞれの連通孔の開口端の周辺(上板22の上面F1および下面F2)に、第2熱伝導部264が形成されている。第1熱伝導部245および第2熱伝導部264は、上板22より熱伝導率の高い材料によって形成されている。本実施形態では、第1熱伝導部245および第2熱伝導部264の形成材料として、上板22より熱伝導率が高いアルミニウム(Al)を用いているが、これに限定されず、例えば、銅(Cu)、金(Au),銀(Ag)等、他の金属を用いてもよい。第1熱伝導部245および第2熱伝導部264は、例えば、第1連通孔244および第2連通孔262の表面にメッキ加工により形成することができる。
図5は、第2実施形態における第1連通孔244の近傍を拡大し断面視して示す説明図である。図5では、図3に対応する箇所を図示しており、図3と同様に燃焼波を矢印で示している。第2実施形態では、第2空間S2で発生した燃焼波が第1連通孔244を通過する際に、第1熱伝導部245に接触する。第1熱伝導部245は、上板22の形成材料(Al)より熱伝導率が高い材料(Al)で形成されているため、第2空間S2で生じた燃焼波が第1連通孔244を通過する際に、第1実施形態よりも多くの熱が奪われる。そのため、燃焼波は、第1連通孔244を通過することにより、その燃焼速度が第1実施形態よりさらに遅くなって、第1空間に侵入する。燃焼波が第2熱伝導部264を通過する際にも同様に、第1実施形態よりも多くの熱が奪われる。そのため、第1実施形態より、さらに、燃料電池モジュールの安全性が向上される。
C.第3実施形態:
図6は、第3実施形態における第1連通孔244Bの近傍を拡大し断面視して示す説明図である。第3実施形態の燃料電池モジュールの構成は、第1連通孔244Bの形状が第2実施形態と異なる以外は、第2実施形態と同様であるため、第1連通孔244Bについて説明し、第2実施形態の燃料電池モジュールと同一の構成には同一の符号を付して、その説明を省略する。
本実施形態において、第1連通孔244Bの深さt2Bは、上板22Bの板厚t1より長い。詳しくは、第1連通孔244Bの開口端T1(図6において、破線で図示)は、上板22Bの上面F1より第2空間S2側に突出している。第1連通孔244Bの第2空間S2側の開口端T1と、上板22Bの上面F1とは、斜面222で接続されており、その接続角度θhは、本実施形態では約150°である。接続角度θhは、本実施形態に限定されず、例えば、170°,160°,135°等適宜鈍角に設定可能である。
本実施形態の燃料電池モジュールによれば、第1連通孔244Bの深さt2Bは、上板22Bの板厚t1より長いため、第2空間S2で生じた燃焼波が第1連通孔244Bを通過する際に、燃焼波が接触する壁面の面積が第2実施形態よりも大きくなり、第2実施形態よりも多くの熱が奪われる。そのため、第2空間S2で発生した燃焼波は、その燃焼速度が第2実施形態よりさらに遅くなって、第1空間に侵入する。上板22Bの板厚t1は、第2実施形態の上板22の板厚t1と同一であるため、第2実施形態のモジュールケースと比較して、モジュールケースの重量の増加を抑制しつつ、第2空間S2で発生した燃焼波の燃焼速度を低下させて、第1空間S1に導くことができる。
D.第4実施形態:
図7は、第4実施形態における第1連通孔244Cの近傍を拡大し断面視して示す説明図である。第4実施形態の燃料電池モジュールの構成は、第1連通孔244Cの形状が第3実施形態と異なる以外は、第3実施形態と同様であるため、第1連通孔244Cについて説明し、第3実施形態の燃料電池モジュールと同一の構成には同一の符号を付して、その説明を省略する。
本実施形態において、第1連通孔244Cの深さt2Cは、上板22Cの板厚t1より長い。また、第1連通孔244Cの深さt2Cは、第3実施形態の第1連通孔244Bの深さt2Bより深い(長い)。すなわち、第1連通孔244Cの第2空間S2側(上側)の開口端T1(図7において、破線で図示)は、上板22Cの上面F1より第2空間S2側(上側)に突出しており、第1連通孔244Cの第1空間S1側(下側)の開口端T2(図7において、破線で図示)は、上板22Cの下面F2より第1空間S1側(下側)に突出している。第1連通孔244Cの第2空間S2側の開口端T1と、上板22Cの上面F1とは、斜面で接続されており、その接続角度θhは、本実施形態では約150°である。同様に、第1連通孔244Cの第1空間S1側の開口端T2と、上板22Cの下面F2とは、斜面で接続されており、その接続角度θhは、本実施形態では約150°である。接続角度θhは、本実施形態に限定されず、例えば、170°,160°,135°等適宜鈍角に設定可能である。また、第2空間S2側の接続角度と第1空間S1側の接続角度は、異なってもよい。
本実施形態の燃料電池モジュールによれば、第1連通孔244Cの深さt2Cは、第3実施形態よりさらに長いため、第2空間S2で生じた燃焼波が第1連通孔244Cを通過する際に、燃焼波が接触する壁面の面積が第3実施形態よりも大きくなり、第3実施形態よりも多くの熱が奪われる。そのため、第2空間S2で発生した燃焼波は、その燃焼速度がさらに遅くなって、第1空間S1に侵入する。また、第1連通孔244Cは、自身の開口端が上板22Cの上面F1および下面F2の両面に対して突出しているため、上板22Cの一方の面側に対してのみ突出させて同じ深さの連通孔を形成する場合と比較して、第1空間S1または第2空間S2への突出長さを短くすることができる。通常、燃焼波が生じた場合、燃焼波が生じた空間の凹凸が大きいと、乱流が生じやすく、燃焼速度が速くなりやすい。本実施形態では、第1連通孔244Cの長さを第3実施形態より長くしているものの、第2空間S2側に伸ばすのではなく、第1空間S1側に伸ばしているため、第2空間S2における燃焼速度の増加を抑制することができる。また、第1連通孔244Cの第1空間S1への突出量(長さ)および第2空間S2への突出量(長さ)を小さくできるため、燃料電池10およびFCPC30の配置への影響を抑えつつ、第1連通孔244Cの深さを確保できる。
E.第5実施形態:
図8は、第5実施形態の燃料電池モジュールの上板22Dを示す概略平面図である。第5実施形態の燃料電池モジュールの構成は、上板22D以外の構成は第1実施形態の燃料電池モジュール100と同様であるため、上板22Dについて説明し、第1実施形態の燃料電池モジュール100と同一の構成には同一の符号を付して、その説明を省略する。
本実施形態の上板22Dは、第1実施形態の上板22における第1孔部24に代えて第1孔部24Dを、第2孔部26に代えて第2孔部26Dを備える。第1孔部24Dは、8行×4列の格子状に配置された32個の第1連通孔244Dを備える。第1連通孔244Dは、開口形状が一辺が長さaの正方形であって、長さaが、燃料電池10と上板22Dとの隙間の幅c(図1)よりも短い。ここで、長さaは、第1実施形態における第1連通孔244の短辺の長さaと等しい。
第2孔部26Dは、11行×3列の格子状に配置された33個の第2連通孔262Dを備える。第2連通孔262Dは、開口形状が一辺が長さbの正方形であって、長さbが、燃料電池10と上板22Dとの隙間の幅c(図1)よりも短い。本実施形態において、長さaと長さbは等しいが、異なっていてもよい。なお、「正方形」は、製造時等に生じる若干の歪み等を含む。
本実施形態の燃料電池モジュールによれば、一辺の長さが燃料電池10と上板22Dとの隙間の幅c(図1)よりも短い正方形の開口形状を有する第1連通孔244Dおよび第2連通孔262Dを多数備えるため、第2空間で発生した燃焼波が、第1連通孔244Dおよび第2連通孔262Dを通過する際に、焼波が接触する壁面の面積がより大きくなり、奪われる熱量が増加する。また、第1連通孔244Dおよび第2連通孔262Dによる整流効果が向上する。その結果、第2空間S2にて発生した燃焼波の燃焼速度をより低下させて第1空間S1に侵入させることができる。
F:第6実施形態:
図9は、第6実施形態の燃料電池モジュールの上板22Eを示す概略平面図である。第6実施形態の燃料電池モジュールの構成は、上板22E以外の構成は第1実施形態の燃料電池モジュール100と同様であるため、上板22Eについて説明し、第1実施形態の燃料電池モジュール100と同一の構成には同一の符号を付して、その説明を省略する。
本実施形態の上板22Dは、第1実施形態の上板22における第1孔部24に代えて第1孔部24Eを、第2孔部26に代えて第2孔部26Eを備える。第1孔部24Eは、5×3列に配置された15個の第1連通孔244Eを備える。第1連通孔244Eは、開口形状が直径の長さRaの真円形状であって、長さRaが、燃料電池10と上板22Eとの隙間の幅c(図1)よりも短い。ここで、長さRaは、第1実施形態における第1連通孔244の短辺の長さaと等しい。なお、「真円形」は、製造時等に生じる若干の歪み等を含む。
第2孔部26Eは、7行×2列に配置された14個の第2連通孔262Eを備える。第2連通孔262Eは、開口形状が直径の長さRbの真円形状であって、長さRbが、燃料電池10と上板22Eとの隙間の幅c(図1)よりも短い。ここで、長さRbは、長さRaよりも長い。本実施形態において、長さRaと長さRbは異なっているが、同一でもよい。
本実施形態の燃料電池モジュールによれば、直径の長さが燃料電池10と上板22Eとの隙間の幅c(図1)よりも短い真円形の開口形状を有する第1連通孔244Eおよび第2連通孔262Eを多数備えるため、第5実施形態と同様に、第2空間S2にて発生した燃焼波の燃焼速度をより低下させて第1空間S1に侵入させることができる。
G:第7実施形態:
図10は、第7実施形態の燃料電池モジュールの上板22Fを示す概略平面図である。第7実施形態の燃料電池モジュールの構成は、上板22F以外の構成は第1実施形態の燃料電池モジュール100と同様であるため、上板22Fについて説明し、第1実施形態の燃料電池モジュール100と同一の構成には同一の符号を付して、その説明を省略する。
本実施形態の上板22Fは、第1実施形態の上板22における第1孔部24および第2孔部26を備えない。本実施形態の上板22Fでは、第1端子用連通孔246Fと第1出力端子16との隙間の幅が長さaであり、同様に、第2端子用連通孔248Fと第2出力端子18との隙間の幅が長さaである。ここで、長さaは、第1実施形態における第1連通孔244の短辺の長さaと等しい。すなわち、第1端子用連通孔246Fに燃料電池10の第1出力端子16が貫通され、第2端子用連通孔248Fに燃料電池10の第2出力端子18が貫通されることにより、幅が長さaの枠状の連通孔が形成される。長さaは、燃料電池10と上板22Fとの隙間の幅c(図1)より短いため、このようにしても、第2空間S2にて発生した燃焼波の燃焼速度を低下させて第1空間S1に侵入させることができる。
H:第8実施形態:
図11は、第8実施形態の燃料電池モジュール100Gの概略構成を示す説明図である。図11には、図1と同様に、燃料電池モジュール100GのXZ平面による概略断面が図示されている。本明細書では、図11に示すX軸方向を「左右方向」と定義し、X軸+(プラス)側を「左」、X軸−(マイナス)側を「右」とも呼ぶ。燃料電池モジュール100Gは、燃料電池10と、水素ポンプ50と、モジュールケース70Gと、を備える。燃料電池10および水素ポンプ50は、モジュールケース70Gに固定されているが、図11では固定具の図示を省略している。本実施形態の燃料電池モジュール100Gにおいて、燃料電池10の構成は、第1実施形態と同様であるため、その説明を省略する。
水素ポンプ50は、配管(不図示)を介して燃料電池10と接続されると共に、ポンプインバータ(不図示)を介して二次電池(不図示)と接続される。水素ポンプ50は、ポンプインバータから交流電力が供給されて駆動され、燃料電池10から排出されるアノード排ガス中の水素を、燃料電池10に供給する。なお、図11および後述する図12において、水素ポンプ50と燃料電池10とを接続する配管、配管が貫通する貫通孔の図示を省略している。
モジュールケース70Gは、内部に燃料電池10および水素ポンプ50が収容されるケースであり、燃料電池ケース20Gと、水素ポンプケース60と、を備える。水素ポンプケース60は、燃料電池ケース20Gの左側(X軸プラス側)に配置されている。換言すると、水素ポンプケース60は、燃料電池ケース20Gの側面に接触して配置されている。
水素ポンプケース60は、上板62と、3枚の側板63と、下板65と、を備え、右側が開口した筐体である。水素ポンプケース60を、開口を燃料電池ケース20Gの左側の側面に接触させて固定すると、水素ポンプ50が収容される第2空間S2が形成される。本実施形態において、水素ポンプ50は、支持部材(不図示)を介して、水素ポンプケース60の側板63に固定されている。水素ポンプ50を水素ポンプケース60に収容して(固定して)、水素ポンプケース60を燃料電池ケース20Gに固定すると、水素ポンプ50と燃料電池ケース20Gとの間に隙間が形成される。
燃料電池ケース20Gは、上板22Gと、4枚の側板(3枚の側板23と、1枚の第1側板23G)と、下板25と、を備え、燃料電池10を収容する第1空間S1を形成する直方体の筐体である。本実施形態では、4枚の側板のうち、水素ポンプケース60と接触する側面を構成する側板であって、第1孔部24G有する側板を「第1側板23G」と呼ぶ。
図12は、第1側板23Gを示す概略平面図である。図12は、第1側板23Gを、第2空間S2(図11)側から見た概略平面図を示している。第1側板23Gは、4つの第1連通孔244Gを有する第1孔部24Gを有する。図11に示すように、モジュールケース70Gにおいて、燃料電池10が収容される第1空間S1と、水素ポンプ50が収容される第2空間S2とは、第1側板23Gを介して隣接しており、第1連通孔244Gは、第1空間S1と第2空間S2とを連通する。第1空間S1の気体と第2空間S2の気体は、上記の複数の連通孔を介して互いに往来する。本実施形態における第1側板23Gを、「仕切板」とも呼ぶ。
第1孔部24Gは、第1側板23Gの板面(YZ面)の略中央に配置されており、水素ポンプ50と対応する位置に配置されている。第1連通孔244Gは、スリット(開口形状が、長辺に対して短辺が極短い矩形状)であって(図12)、短辺の長さfが、燃料電池10と第1側板23Gとの隙間の幅e(図11)よりも短い。4つの第1連通孔244Gは、各第1連通孔244Gの長辺が下板25と平行に(Y軸と平行に)、かつ互いの長辺が隣り合うように整列されている。本実施形態において、短辺の長さfは、約0.5〜1.5mmであり、燃料電池10と第1側板23Gとの隙間の幅eは、約2.0〜3.0mmである。燃料電池10と第1側板23Gとの隙間の幅fは、第1実施形態と同様に、例えば、燃料電池モジュール100Gが車載された場合に、車の運転に伴い振動しても、燃料電池10が第1側板23Gに当たらないこと、車の衝突時に燃料電池10が壊れないこと等を考慮して定められている。
燃料電池モジュール100Gを形成する場合には、例えば、燃料電池10が収容された燃料電池ケース20Gの第1側板23G側に、水素ポンプ50が収容された水素ポンプケース60を配置し、配管を水素ポンプ50に接続すると共に、水素ポンプケース60を燃料電池ケース20Gの第1側板23Gに固定する。
上記の通り、燃料電池10には燃料ガスとしての水素が供給される。水素が、配管と燃料電池10との接続部や、燃料電池10から漏洩した場合には、主に、第1孔部24Gを介して、漏洩水素の一部が第2空間S2に流れ込む。すなわち、本実施形態の燃料電池モジュール100Gによれば、第1孔部24Gを備えることにより、第1空間S1の水素濃度を低減することができる。
また、水素ポンプ50は、ケーブルを介してポンプインバータと接続されており、第2空間S2に水素が存在する場合に、第2空間S2で着火が生じるおそれがある。仮に、第2空間S2において、着火して燃焼波が生じた場合でも、本実施形態の燃料電池モジュール100Gによれば、モジュールケース70Gの燃料電池ケース20Gの第1側板23Gが第1連通孔244Gを有するため、第2空間S2において生じた燃焼波は、第1連通孔244Gを通過する際に、第1連通孔244Gの内壁面によって熱を奪われると共に、整流されて第1空間S1に流入する。その結果、燃焼速度が遅くなる(燃焼波が弱まる)、もしくは消炎(燃焼が停止)する。なお、本実施形態における第1連通孔244Gの深さは、第1側板23Gの板厚と同一である。(図11)。ここで、第1連通孔244Gの短辺の長さfが、燃料電池10と第1側板23Gとの隙間の幅eよりも短いため、第1連通孔244Gを通過することにより整流され、燃焼速度が低下した燃焼波が、ほぼその状態で燃料電池10と第1側板23Gとの隙間に侵入することができ、隙間に流入する燃焼波の燃焼速度の増加を抑制することができる。これに対し、例えば、第1連通孔244Gの短辺の長さfが、燃料電池10と第1側板23Gとの隙間の幅eよりも長い場合には、燃料電池10と第1側板23Gとの隙間に燃焼波が侵入する際に圧力が高くなるため、反応速度が増して熱の発生速度が増し、燃焼速度が増加すると考えられる。すなわち、本実施形態の燃料電池モジュール100Gによれば、モジュールケース70Gの第1側板23Gが、第1連通孔244Gを備え、第1連通孔244Gの短辺の長さfが燃料電池10と第1側板23Gとの隙間の幅eよりも短いため、仮に水素ポンプケース60内(第2空間S2)で着火が生じたとしても、燃焼波が整流され、燃焼速度が低下されて燃料電池ケース20G内(第1空間S1)に侵入し、さらに、燃焼波が燃料電池10と第1側板23Gとの隙間に侵入する際の燃焼速度の増加を抑制することができる。その結果、燃焼波による燃料電池ケース20Gの破壊が抑制され、燃料電池モジュール100Gの安全性が向上される。
I.変形例:
(1)上記実施形態では、燃料電池用補機として、FCPC30および水素ポンプ50を例示したが、これに限定されず、モジュールケース70は、例えば、エアコンプレッサ、冷却水ポンプ等他の燃料電池用補機を収容してもよい。
(2)上記実施形態において、燃料電池ケース20が仕切板を備える例を示したが、FCPCケース40や水素ポンプケース60等の燃料電池用補機ケースが仕切板を備える構成にしてもよい。
(3)上記実施形態において、第1空間S1と第2空間S2とを連通する連通孔として、スリット、開口形状が正方形状、真円形状を例示したが、第1空間S1と第2空間S2とを連通する連通孔の形状は上記実施形態に限定されない。燃料電池と仕切板との隙間の幅より小さい辺または径を有する開口形状の貫通孔でもよい。例えば、連通孔の開口形状は、長方形状、楕円形状、角丸四角形状等であってもよい。連通孔の開口形状が長方形状の場合には、短辺が燃料電池と仕切板との間の隙間の幅より小さく、連通孔の開口形状が楕円形状の場合には、短径が燃料電池と仕切板との間の隙間の幅より小さくする。このようにすると、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
(4)上記実施形態において、第1空間S1と第2空間S2とを連通する複数の連通孔を備える仕切板を例示したが、第1空間S1と第2空間S2とを連通する連通孔(連通孔の開口形状が、燃料電池と仕切板との隙間の幅より小さい辺または径を有する)を少なくとも1つ備えればよい。
(5)第1空間S1と第2空間S2とを連通する連通孔の幅(短辺)、直径(短径)の長さは、上記実施形態に限定されず、燃料電池と、仕切板との隙間の幅より小さければよい。ただし、連通孔の幅(短辺)、直径(短径)の長さを消炎距離に設定すると、第2空間S2で生じた燃焼波が連通孔を通過する際に消炎する可能性が高いため、好ましい。
(6)上記第1実施形態において、第1連通孔244の短辺の長さaと第2連通孔262の短辺の長さbとは互いに等しい(a=b)例を示したが、互いに異なっていてもよい。第1連通孔244の短辺の長さaと第2連通孔262の短辺の長さbとが異なる場合には、長さaと長さbのいずれか一方を、燃料電池10と上板22との隙間の幅c(図1)よりも短くする。第1連通孔244の短辺の長さaおよび第2連通孔262の短辺の長さbは、いずれも、燃料電池10と上板22との隙間の幅c(図1)よりも短いのがより好ましい。
(7)上記第1実施形態において、FCPCケース40が水素換気膜422を備える例を示したが、水素換気膜422を備えなくてもよい。また、例えば、水素換気膜422に代えて、圧抜き弁を備えてもよい。
(8)上記実施形態において、FCPC30が燃料電池10の上に配置される例、水素ポンプ50が燃料電池10の左側に配置される例を示したが、燃料電池10と燃料電池用補機の配置は上記実施形態に限定されない。すなわち、燃料電池が収容される第1空間と、燃料電池用補機が収容される第2空間との配置は、上記実施形態に限定されない。燃料電池および燃料電池用補機が内部に収容されるモジュールケースにおいて、燃料電池が収容される第1空間と、燃料電池用補機が収容される第2空間とが、仕切板を介して隣接すればよい。例えば、FCPC30が燃料電池10の下に配置されてもよいし、FCPC30と燃料電池10とが横並び(XY平面上)に配置されてもよい。
(9)上記第2実施形態において、第1熱伝導部245が、4つの第1連通孔244それぞれの内壁と、それぞれの連通孔の開口端の周辺(上板22の上面F1および下面F2)に形成される例を示したが、少なくとも1つの第1連通孔244の内壁の少なくとも一部に第1熱伝導部245が形成されればよい。第2熱伝導部264についても同様である。また、第1連通孔244および第2連通孔262の少なくともいずれか一方の連通孔の内壁に上板22の形成材料より熱伝導率が高い材料で形成された熱伝導部を備えてもよい。
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。
10…燃料電池
11…第1セルスタック
12…第2セルスタック
16…第1出力端子
18…第2出力端子
20,20G…燃料電池ケース
22,22B,22C,22D,22E,22F,22G…上板
23…側板
23G…第1側板
24,24D,24E,24G…第1孔部
26,26D,26E…第2孔部
30…FCPC
40…FCPCケース
42…上板
43…側板
50…水素ポンプ
60…水素ポンプケース
62…上板
63…側板
65…下板
70,70G…モジュールケース
100,100G…燃料電池モジュール
222…斜面
244,244B,244C,244D,244E,244G…第1連通孔
245…第1熱伝導部
246,246F…第1端子用連通孔
248,248F…第2端子用連通孔
262,262D,262E…第2連通孔
264…第2熱伝導部
420…貫通孔
422…水素換気膜
F1…上面
F2…下面
T1,T2…開口端
S1…第1空間
S2…第2空間
a,b,c,e,f…幅(長さ)
Ra,Rb…直径
θh…接続角度
t1…板厚
t2,t2B,t2C…深さ

Claims (5)

  1. 燃料電池と、
    燃料電池用補機と、
    前記燃料電池および前記燃料電池用補機を内部に収容するモジュールケースであって、仕切板を介して隣接する、前記燃料電池が収容される第1空間と、前記燃料電池用補機が収容される第2空間と、を有する前記モジュールケースと、
    を備える燃料電池モジュールであって
    前記仕切板は前記第1空間と前記第2空間とを連通する連通孔であって、前記燃料電池と前記仕切板との隙間の幅より小さい辺または径を有する開口形状の前記連通孔を備え
    前記燃料電池モジュール、さらに、前記連通孔の内壁の少なくとも一部に、前記仕切板の形成材料よりも熱伝導率が高い材料で形成された熱伝導部を備える、燃料電池モジュール。
  2. 燃料電池と、
    燃料電池用補機と、
    前記燃料電池および前記燃料電池用補機を内部に収容するモジュールケースであって、仕切板を介して隣接する、前記燃料電池が収容される第1空間と、前記燃料電池用補機が収容される第2空間と、を有する前記モジュールケースと、
    を備え、
    前記仕切板は前記第1空間と前記第2空間とを連通する連通孔であって、前記燃料電池と前記仕切板との隙間の幅より小さい辺または径を有する開口形状の前記連通孔を備え
    前記連通孔の両端の開口端のうち、前記第1空間側の開口端と前記第2空間側の開口端との少なくとも一方は、前記仕切板の他の部位に対して、対応する前記第1空間または前記第2空間側に突出している、
    燃料電池モジュール。
  3. 燃料電池と、
    燃料電池用補機と、
    前記燃料電池および前記燃料電池用補機を内部に収容するモジュールケースであって、仕切板を介して隣接する、前記燃料電池が収容される第1空間と、前記燃料電池用補機が収容される第2空間と、を有する前記モジュールケースと、
    を備え、
    前記仕切板は前記第1空間と前記第2空間とを連通する連通孔であって、前記燃料電池と前記仕切板との隙間の幅より小さい辺または径を有する開口形状の前記連通孔を備え
    前記燃料電池用補機は、前記燃料電池の出力電圧を昇圧するコンバータを備えるFCパワーコントロールユニットを含み、
    前記FCパワーコントロールユニットは、前記仕切板を挟んで前記燃料電池の上に配置されている、燃料電池モジュール。
  4. 燃料電池と、
    燃料電池用補機と、
    前記燃料電池および前記燃料電池用補機を内部に収容するモジュールケースであって、仕切板を介して隣接する、前記燃料電池が収容される第1空間と、前記燃料電池用補機が収容される第2空間と、を有する前記モジュールケースと、
    を備え、
    前記仕切板は前記第1空間と前記第2空間とを連通する複数の連通孔であって、それぞれ前記燃料電池と前記仕切板との隙間の幅より小さい辺または径を有する開口形状を有する複数の前記連通孔を備える、
    燃料電池モジュール。
  5. 燃料電池と、
    燃料電池用補機と、
    前記燃料電池および前記燃料電池用補機を内部に収容するモジュールケースであって、仕切板を介して隣接する、前記燃料電池が収容される第1空間と、前記燃料電池用補機が収容される第2空間と、を有する前記モジュールケースと、
    を備え、
    前記仕切板は前記第1空間と前記第2空間とを連通する連通孔であって、前記燃料電池と前記仕切板との隙間の幅より小さい辺または径を有する開口形状の前記連通孔を備え
    前記連通孔の前記開口形状は、前記連通孔の内面と、前記連通孔を貫通する前記燃料電池の出力端子と、によって画定される、
    燃料電池モジュール。
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