JP6674367B2 - 車載用燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、複数の発電セルが積層された積層体をスタックケース内に収納するとともに、スタックケース内を換気する換気機構を設けた車載用燃料電池スタックに関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面にアノード電極が、他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備える。電解質膜・電極構造体は、セパレータによって挟持されることにより、発電セル（単位セル）が構成されている。通常、所定の数の発電セルを積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池車両に搭載されている。

車載用燃料電池スタックでは、所定の数の発電セルが積層された積層体を、スタックケース内に収納する構成が採用されている。この場合、スタックケース内で、積層体の隙間等から水素ガスが漏れ出ることが想定される。このため、積層体をスタックケース内に収納した場合には、スタックケース内で漏出した水素ガスが蓄積される。そこで、水素ガスの濃度が一定濃度以下となるように、外部からスタックケース内に空気を導入してスタックケース内を換気する換気機構を設けることが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００４−１８６０２９号公報

ところで、換気機構は、スタックケースの内外を連通する空気導入口及び流路を有するため、外部から換気機構の当該空気導入口及び流路を介して、水、塵埃、泥、小石等の空気以外の異物がスタックケース内へと侵入するおそれがある。

本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、空気以外の異物がスタックケース内へと入り込むことを可及的に抑制することが可能な車載用燃料電池スタックを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する発電セルが、複数積層された積層体を備え、前記積層体がスタックケース内に収納された車載用燃料電池スタックであって、前記スタックケース内に開口する換気開口部を介して前記スタックケース内の換気を行う換気機構を備え、前記換気機構は、外部から換気用の空気を導入する空気導入口と、前記空気導入口と前記換気開口部とを連通する内部流路とが形成されたインレット部材を有し、前記内部流路は、ラビリンス流路を有し、前記ラビリンス流路は、重力方向に沿って円筒状に形成されることを特徴とする。

前記換気開口部は、前記スタックケースの下部に設けられることが好ましい。

前記換気機構は、一端が前記換気開口部に接続され他端が前記インレット部材に接続されたチューブ部材を有することが好ましい。

前記インレット部材は前記車載用燃料電池スタックが搭載される車両のアンダーカバーに配置され、前記空気導入口は車両下面に開口することが好ましい。

前記ラビリンス流路の流路断面積は、流路全長に亘って、前記チューブ部材の流路断面積以上であることが好ましい。

前記空気導入口は、下方に向けて開口し、前記インレット部材は、前記ラビリンス流路を形成する少なくとも１つの障壁板を有し、前記少なくとも１つの障壁板の内周部又は外周部は、下方に向けて傾斜又は突出することが好ましい。

前記空気導入口は、下方に向けて開口し、前記インレット部材は、前記ラビリンス流路を形成する複数の障壁部を有し、前記複数の障壁部は、前記空気導入口に対向して該空気導入口の上方に配置された第１障壁部と、前記第１障壁部の上方で前記第１障壁部に対向する位置で開口する開口部が形成された第２障壁部とを有することが好ましい。

前記空気導入口は、下方に向けて開口し、前記インレット部材には、前記空気導入口の周囲に、前記内部流路と前記インレット部材の外部とを連通する複数のドレイン孔が設けられることが好ましい。

前記空気導入口には、メッシュ部材が設けられることが好ましい。

本発明の車載用燃料電池スタックでは、スタックケース内の換気を行う換気機構を備え、換気機構のインレット部材にはラビリンス流路が設けられる。このため、スタックケース内を良好に換気し、スタックケース内の水素ガス濃度を一定濃度以下にすることができる。また、燃料電池車両の走行時等に、インレット部材に向かって水、塵埃、泥、小石等の異物が飛散しても、当該異物は、ラビリンス流路によって換気開口側へ侵入することが阻まれる。従って、異物が換気開口部を介してスタックケース内に入り込むことを可及的に抑制することができる。

本発明の実施形態に係る車載用燃料電池スタックが搭載される燃料電池車両の前方部分の概略斜視説明図である。 燃料電池スタックの分解斜視説明図である。 インレット部材の斜視断面図である。 少水量時のインレット部材の作用説明図である。 大水量時のインレット部材の作用説明図である。 インレット部材内の水位について、時間と水位の関係を水量別に示すグラフである。 空気導入口にメッシュ部材が設けられた構成の下方からの斜視説明図である。

以下、本発明に係る車載用燃料電池スタックについて好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る車載用燃料電池スタック１０（以下、「燃料電池スタック１０」という）は、例えば、燃料電池電気自動車等の燃料電池車両１２に搭載される。燃料電池車両１２は、前輪１１Ｆ及び後輪（図示せず）を備えた車両本体１２ａを有する。

車両本体１２ａの前輪１１Ｆ側には、燃料電池スタック１０を搭載するフロントボックス（モータルーム）１４が、ダッシュボード１６の前方に形成される。なお、燃料電池スタック１０は、フロントボックス１４の他、床下やトランクリッド等に搭載することができる。

図２に示すように、燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１８が積層された積層体１９と、積層体１９を収納するスタックケース２０とを備える。複数の発電セル１８は、発電面を立位姿勢にして水平方向である車両幅方向（矢印Ｂ方向）に積層される。発電セル１８の積層方向一端には、第１ターミナルプレート２２ａ、第１絶縁プレート２４ａ及び第１エンドプレート２６ａが、外方に向かって、順次、配設される。

発電セル１８の積層方向他端には、第２ターミナルプレート２２ｂ、第２絶縁プレート２４ｂ及び第２エンドプレート２６ｂが、外方に向かって、順次、配設される。燃料電池スタック１０の車両幅方向両端には、第１エンドプレート２６ａと第２エンドプレート２６ｂとが配置される。

なお、第１エンドプレート２６ａは、直方体状のスタックケース２０の１つの壁部を構成しており、第２エンドプレート２６ｂは、スタックケース２０の第１エンドプレート２６ａと反対側の壁部を構成する。燃料電池スタック１０は、第１エンドプレート２６ａ及び第２エンドプレート２６ｂに設けられた図示しないマウント部材を介して、車両フレームに固定される。

各発電セル１８は、固体高分子電解質膜等の電解質膜を一対の電極（アノード電極及びカソード電極）により挟持してなる電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）と、この電解質膜・電極構造体の両側に積層された金属製又はカーボン製のセパレータとを有する。なお、各発電セル１８は、２枚の電解質膜・電極構造体と、３枚のセパレータとを交互に積層した構成であってもよい。

発電セル１８の矢印Ａ方向の一端縁部には、それぞれ積層方向（矢印Ｂ方向）に個別に連通して、酸化剤ガス入口連通孔、冷却媒体入口連通孔及び燃料ガス出口連通孔が、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

酸化剤ガス入口連通孔は、発電セル１８内のカソード電極側に形成された酸化剤ガス流路に、酸化剤ガス（例えば、酸素含有ガス）を供給する。冷却媒体入口連通孔は、隣接する発電セル１８間に形成された冷却媒体に、冷却媒体（例えば、水）を供給する。燃料ガス出口連通孔は、燃料ガス（例えば、水素含有ガス）を排出する。

発電セル１８の矢印Ａ方向の他端縁部には、それぞれ矢印Ｂ方向に個別に連通して、燃料ガス入口連通孔、冷却媒体出口連通孔及び酸化剤ガス出口連通孔が、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。燃料ガス入口連通孔は、発電セル１８内のアノード電極側に形成された燃料ガス流路に、燃料ガスを供給する。冷却媒体出口連通孔は、冷却媒体流路と連通しており、冷却媒体を排出する。酸化剤ガス出口連通孔は、酸化剤ガス流路と連通しており、酸化剤ガスを排出する。

第１エンドプレート２６ａの一方の対角位置には、酸化剤ガス入口連通孔に連通する酸化剤ガス供給マニホールド３０ａと、酸化剤ガス出口連通孔に連通する酸化剤ガス排出マニホールド３０ｂとが設けられる。第１エンドプレート２６ａの他方の対角位置には、燃料ガス入口連通孔に連通する燃料ガス供給マニホールド３２ａと、燃料ガス出口連通孔に連通する燃料ガス排出マニホールド３２ｂとが設けられる。

第２エンドプレート２６ｂには、冷却媒体入口連通孔に連通する冷却媒体供給マニホールド３３ａと、冷却媒体出口連通孔に連通する冷却媒体排出マニホールド３３ｂとが設けられる。

スタックケース２０は、前方サイドパネル２０Ｆｒ、後方サイドパネル２０Ｒｒ、アッパーパネル２０Ｕｐ及びローワーパネル２０Ｌｗを備えるとともに、上述した第１エンドプレート２６ａ及び第２エンドプレート２６ｂを備える。各パネルは、第１エンドプレート２６ａ及び第２エンドプレート２６ｂに対して、ねじ３４により固定される。また、隣接するパネル同士は、ねじ３４により相互固定される。

アッパーパネル２０Ｕｐには、一方の対角位置にスタックケース２０内を外部に連通する排気用開口部３６ａ、３６ｂが形成され、他方の対角位置にスタックケース２０内を外部に連通する排気用開口部３６ｃ、３６ｄが形成される。排気用開口部３６ａ、３６ｃは、スタックケース２０の前方側（矢印Ａｆ方向）両側部に設けられ、燃料ガス入口連通孔の鉛直方向上方に配置される。

図１において、排気用開口部３６ａ、３６ｄには、排気ダクト３８ａ、３８ｄが接続される。排気ダクト３８ａ、３８ｄは、右側排気ダクト４０Ｒで合流する。右側排気ダクト４０Ｒの出口は、車両本体１２ａの右側フェンダー部４２Ｒに開口する。排気用開口部３６ｂ、３６ｃには、排気ダクト３８ｂ、３８ｃが接続される。排気ダクト３８ｂ、３８ｃは、左側排気ダクト４０Ｌで合流する。左側排気ダクト４０Ｌの出口は、車両本体１２ａの左側フェンダー部４２Ｌに開口する。

図２に示すように、スタックケース２０の下部であるローワーパネル２０Ｌｗには、スタックケース２０の内外を連通する換気開口部４４が設けられる。換気開口部４４は、ローワーパネル２０Ｌｗを厚さ方向（上下方向）に貫通する孔部である。図２では、換気開口部４４は、ローワーパネル２０Ｌｗの車両前方側に設けられている。なお、換気開口部４４は、ローワーパネル２０Ｌｗの車両後方側に設けられてもよく、ローワーパネル２０Ｌｗの車両前後方向中央側に設けられてもよい。

図２において、換気開口部４４は、車両幅方向の一方側（左側）及び他方側（右側）にそれぞれ設けられる。なお、換気開口部４４は、車両幅方向の中央側に設けられてもよい。換気開口部４４は、３つ以上設けられてもよく、あるいは、１つだけ設けられてもよい。

図１に示すように、燃料電池スタック１０は、さらに、スタックケース２０内の換気を行う換気機構５０を備える。換気機構５０は、スタックケース２０内に開口する換気開口部４４を有する。換気開口部４４は、上述したように、スタックケース２０の下部を構成するローワーパネル２０Ｌｗに設けられており、換気機構５０は、当該換気開口部４４を介してスタックケース２０内の換気を行う。

本実施形態では、換気機構５０は、外部からの空気の導入部を構成するインレット部材５２と、スタックケース２０とインレット部材５２とを接続するチューブ部材５４とを備える。燃料電池スタック１０において、換気機構５０は、複数設けられることが好ましい。図１において、２つの換気機構５０が車幅方向（左右方向）（矢印Ｂ方向）に間隔をおいて配置されている。複数の換気機構５０は、車両前後方向に間隔を置いて配置されてもよい。換気機構５０は、１つだけ配置されてもよい。

図１において、インレット部材５２は、スタックケース２０よりも車両前方側（矢印Ａｆ方向側）に配置される。なお、インレット部材５２は、スタックケース２０よりも車両後方側（矢印Ａｂ方向側）に配置されてもよく、あるいは、インレット部材５２は、車両前後方向において、スタックケース２０と重なる位置に配置されてもよい。

図１に示すように、インレット部材５２は、スタックケース２０の下方に配置されたアンダーカバー１２ｂに取り付けられる。アンダーカバー１２ｂは、フロントボックス１４の下部を覆う部材であって、燃料電池車両１２の図示しない車体フレームに固定される。インレット部材５２は、スタックケース２０の下面よりも下方に配置される。

インレット部材５２は、アンダーカバー１２ｂを貫通して固定される。このため、インレット部材５２の下部（下面）は、アンダーカバー１２ｂの下面に露出しており、燃料電池車両１２が走行する路面に対向する。インレット部材５２の上部は、フロントボックス１４内に露出する。

図３に示すように、インレット部材５２には、空気導入口５６と、内部流路５８とが形成される。具体的に、インレット部材５２は、導入口形成部材６０と、第１の流路形成部材６２と、第２の流路形成部材６４と、第３の流路形成部材６６と、２つのシール部材６８ａ、６８ｂとを備える。空気導入口５６は、導入口形成部材６０に形成される。内部流路５８は、導入口形成部材６０、第１の流路形成部材６２、第２の流路形成部材６４及び第３の流路形成部材６６により形成される。

導入口形成部材６０、第１の流路形成部材６２、第２の流路形成部材６４及び第３の流路形成部材６６は、上下方向に積層されて接続される。第１の流路形成部材６２は、中空状部材であり、導入口形成部材６０の上部に接続される。第２の流路形成部材６４は、板状部材であり、第１の流路形成部材６２の上部に重ねられ、第１の流路形成部材６２と第３の流路形成部材６６との間に挟持される。

第３の流路形成部材６６は、中空状部材であり、第２の流路形成部材６４の上部に重ねられる。第３の流路形成部材６６は、複数のねじ６８により、第１の流路形成部材６２に固定される。２つのシール部材６８ａ、６８ｂは、断面が中空でリング状に形成され、導入口形成部材６０に設けられたフランジ６０ａと、第１の流路形成部材６２に設けられたフランジ６２ａとの間に保持される。２つのシール部材６８ａ、６８ｂ間に、アンダーカバー１２ｂが挟持される。

空気導入口５６は、外部から換気用の空気を導入する流路であり、本実施形態では円形開口である。なお、空気導入口５６は、非円形開口、例えば、楕円状開口、矩形状開口等であってもよい。インレット部材５２は、空気導入口５６を下方に向けて配置される。従って、空気導入口５６は、燃料電池車両１２が走行する路面に対向する。

空気導入口５６の周囲には、内部流路５８とインレット部材５２の外部とを連通する複数のドレイン孔７０が設けられる。複数のドレイン孔７０は、チャンバ５８ａの底部を形成する壁部５７を上下方向に貫通する孔部である。複数のドレイン孔７０は、導入口形成部材６０に形成される。複数のドレイン孔７０は、壁部５７の上面及び下面で開口する。

導入口形成部材６０には、複数のドレイン孔７０の下方（真下）で、隙間Ｇを介して複数のドレイン孔７０と対向するリング状の張出し部７２が設けられる。張出し部７２は、空気導入口５６を囲む筒状周壁部７４の下部から径方向外方に突出する。

内部流路５８は、空気導入口５６に隣接した円筒状のチャンバ５８ａと、チャンバ５８ａを経由した空気をチューブ部材５４へと供給する接続流路５８ｂとを有する。図３において、チャンバ５８ａは、空気導入口５６の鉛直上方（直上）に位置する。チャンバ５８ａは、導入口形成部材６０の上部、第１の流路形成部材６２及び第３の流路形成部材６６の下部により形成される。

チャンバ５８ａの内径Ｄ１は、空気導入口５６の内径Ｄ２よりも大きい。チャンバ５８ａの内径Ｄ１は、チューブ部材５４の内径Ｄ３よりも大きい。チャンバ５８ａは、空気導入口５６から水が浸入した際の水貯め（バッファ）として機能する。チャンバ５８ａの高さは、例えば、空気導入口５６の内径Ｄ２よりも大きいことが好ましい。なお、チャンバ５８ａの高さは、空気導入口５６の内径以下であってもよい。

接続流路５８ｂは、チャンバ５８ａとチューブ部材５４内の流路５４ａとを連通する。接続流路５８ｂの内径は、チューブ部材５４の内径Ｄ３と略等しい。接続流路５８ｂは、チャンバ５８ａの鉛直上方（直上）に位置する。接続流路５８ｂは、第３の流路形成部材６６の上部に設けられた接続筒部６６ａに形成される。空気導入口５６、チャンバ５８ａ及び接続流路５８ｂは、鉛直方向に同軸上に配置される。

内部流路５８は、チャンバ５８ａ内にラビリンス流路７８を有する。ラビリンス流路７８とは、例えば円筒の通路内を蛇行して流通する流路をいうが、蛇行の仕方は特に限定されない。ラビリンス流路７８は、重量方向（鉛直方向）に沿って円筒状に形成される。インレット部材５２は、ラビリンス流路７８を形成する少なくとも１つの障壁板８０（障壁部）を有する。本実施形態では、インレット部材５２は、複数の障壁板８０を有する。具体的に、複数の障壁板８０は、空気導入口５６に対向して該空気導入口５６の上方（直上）に配置された第１障壁板８０ａ（第１障壁部）と、第１障壁板８０ａの上方（直上）で第１障壁板８０ａに対向する位置で開口する開口部８０ｂ１が形成された第２障壁板８０ｂ（第２障壁部）とを有する。

第１障壁板８０ａは、第１の流路形成部材６２に、複数の支持部８１を介して一体に設けられる。従って、第１障壁板８０ａの外周部は、チャンバ５８ａを形成する内周面５８ａｓから内方に離間している。複数の支持部８１は、周方向に間隔を置いて設けられる。第１障壁板８０ａは、円盤状に形成される。

第１障壁板８０ａの外径は、空気導入口５６の内径よりも大きい。第１障壁板８０ａの外周部は、下方に湾曲しつつ突出するリング状突出部８０ａ１を有する。なお、空気導入口５６に対向する第１障壁部の形態としては、第１障壁板８０ａのような板状の形態に限らず、より厚みのあるブロック状の形態であってもよい。

第２障壁板８０ｂは、第２の流路形成部材６４の内周部を構成する。第２障壁板８０ｂは、チャンバ５８ａを形成する内周面５８ａｓから内方に突出している。第２障壁板８０ｂに形成された開口部８０ｂ１の内径は、第１障壁板８０ａの外径よりも小さい。第１障壁板８０ａの中心と開口部８０ｂ１の中心は、鉛直方向の同一直線上に位置する。従って、鉛直下方から見て、第１障壁板８０ａは、開口部８０ｂ１の全体を覆っている。

第２障壁板８０ｂの内周部は、開口部８０ｂ１の中心に向かって下方に傾斜する傾斜部８０ｂ２を有する。傾斜部８０ｂ２の傾斜は、直線状の傾斜、湾曲状の傾斜のいずれでもよい。なお、開口部８０ｂ１を有する第２障壁部の形態としては、第２障壁板８０ｂのような板状の形態に限らず、より厚みのあるブロック状の形態であってもよい。

インレット部材５２には、ラビリンス流路７８が設けられることに伴って第１〜第５狭窄流路７８ａ〜７８ｅが形成される。第１狭窄流路７８ａは、空気導入口５６によって構成される流路である。第２狭窄流路７８ｂは、第１障壁板８０ａの外周部（リング状突出部８０ａ１）とチャンバ５８ａの底部を構成する壁部５７の上面との間に形成された鉛直方向に流路幅Ｗ１を有するリング状の流路である。

第３狭窄流路７８ｃは、第１障壁板８０ａの外端と、チャンバ５８ａを形成する内周面５８ａｓとの間に形成された水平方向に流路幅Ｗ２を有する流路である。第３狭窄流路７８ｃは、複数の支持部８１によって周方向に分割された複数の流路要素７８ｃｅからなる。

第４狭窄流路７８ｄは、第１障壁板８０ａの外周部と第２障壁板８０ｂの内端との間に形成された鉛直方向に流路幅Ｗ３を有するリング状の流路である。第５狭窄流路７８ｅは、第２障壁板８０ｂの開口部８０ｂ１によって構成される流路である。

第１〜第５狭窄流路７８ａ〜７８ｅの各流路は、チューブ部材５４の流路断面積以上の流路断面積を有する。従って、ラビリンス流路７８の流路断面積は、流路全長に亘って、チューブ部材５４の流路断面積以上となっている。なお、第３狭窄流路７８ｃについては、複数の流路要素７８ｃｅの流路断面積の合計が、第３狭窄流路７８ｃの流路断面積である。第１〜第５狭窄流路７８ａ〜７８ｅの各流路断面積は、例えば、チューブ部材５４の流路断面積の１００〜１７０％であることが好ましい。

図１において、チューブ部材５４は、フロントボックス１４内に配置される。チューブ部材５４としては、例えば、ホース（フレキシブルなチューブ）が用いられる。チューブ部材５４の一端は、換気開口部４４に気密及び液密に接続される。チューブ部材５４の他端は、インレット部材５２に気密及び液密に接続される。チューブ部材５４の他端は、チューブ部材５４の一端よりも下方に位置する。

このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。

燃料電池スタック１０の運転時には、第１エンドプレート２６ａの燃料ガス供給マニホールド３２ａから燃料ガス入口連通孔に燃料ガスが供給される。燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔を介して発電セル１８内の燃料ガス流路に導入される。これにより、水素ガスは、電解質膜・電極構造体を構成するアノード電極に供給される。

一方、第１エンドプレート２６ａの酸化剤ガス供給マニホールド３０ａから酸化剤ガス入口連通孔に酸化剤ガスが供給される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔を介して発電セル１８内の酸化剤ガス流路に導入される。これにより、酸化剤ガスは、電解質膜・電極構造体を構成するカソード電極に供給される。

従って、発電セル１８の電解質膜・電極構造体では、アノード電極に供給される水素ガスと、カソード電極に供給される空気とが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。

燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔を介して第１エンドプレート２６ａの燃料ガス排出マニホールド３２ｂに排出される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔を介して第１エンドプレート２６ａの酸化剤ガス排出マニホールド３０ｂに排出される。

冷却媒体は、第２エンドプレート２６ｂの冷却媒体供給マニホールド３３ａから冷却媒体入口連通孔に供給される。冷却媒体は、隣接する発電セル１８間の冷却媒体流路に導入される。冷却媒体は、電解質膜・電極構造体を冷却した後、冷却媒体出口連通孔を流通して冷却媒体排出マニホールド３３ｂに排出される。

この場合、本実施形態では、スタックケース２０内に開口する換気開口部４４を介してスタックケース２０内の換気を行う換気機構５０が設けられる。図３のように、換気機構５０は、外部から換気用の空気を導入する空気導入口５６と、空気導入口５６と換気開口部４４とを連通する内部流路５８とが形成されたインレット部材５２を有する。

このため、空気導入口５６から導入された空気は、内部流路５８を介してスタックケース２０側へと供給される。従って、スタックケース２０内を良好に換気し、スタックケース２０内の水素ガス濃度を一定濃度以下に保持することができる。この場合、空気導入口５６から導入された空気は、第１障壁板８０ａの下方で外方に流動した後、第１障壁板８０ａの外周部とチャンバ５８ａを形成する内周面５８ａｓとの間を上方に流れる。そして、空気は、第１障壁板８０ａと第２障壁板８０ｂとの間を内方に流動した後、第２障壁板８０ｂの開口部８０ｂ１を介して上方に流れ、チューブ部材５４へと流入する。

内部流路５８は、ラビリンス流路７８を有する。このため、燃料電池車両の走行時等に、インレット部材５２に向かって水、塵埃、泥、小石等の異物が飛散しても、当該異物は、ラビリンス流路７８によって換気開口部４４側へと進むことが抑制される。従って、異物が換気開口部４４を介してスタックケース２０内に入り込むことを可及的に抑制することができる。

本実施形態では、換気機構５０は、一端が換気開口部４４に接続され他端がインレット部材５２に接続されたチューブ部材５４を有する。このため、インレット部材５２の配置レイアウトの自由度を向上させることができる。

本実施形態では、インレット部材５２は燃料電池スタック１０が搭載される車両のアンダーカバー１２ｂに配置され、空気導入口５６は車両下面（車両本体１２ａの下面）に開口する。このため、外気を良好に導入できるとともに、燃料電池スタック１０が配置されるスペース内（フロントボックス１４等）に水素ガスが漏れることを防止することができる。

本実施形態では、ラビリンス流路７８の流路断面積は、その流路全長に亘って、チューブ部材５４の流路断面積以上である。具体的には、第１〜第５狭窄流路７８ａ〜７８ｅの各流路は、チューブ部材５４の流路断面積以上の流路断面積を有する。これにより、空気導入口５６側からチューブ部材５４側へと空気を良好に流通させることができる。従って、ラビリンス流路７８を設けることに伴う換気能力の低下を防止することができる。

本実施形態では、インレット部材５２は、ラビリンス流路７８を形成する少なくとも１つの障壁板８０を有し、少なくとも１つの障壁板８０の内周部又は外周部（第１障壁板８０ａでは外周部、第２障壁板８０ｂでは内周部）は、下方に向けて傾斜又は突出する。障壁板８０が下方に傾斜又は突出しているため、障壁板８０より上方に水が流入した場合でも、重力によって円滑に下方へ排水することができる。特に、本実施形態では、第２障壁板８０ｂが傾斜部８０ｂ２を有する。この傾斜部８０ｂ２の角度θ（インレット部材５２の軸に対して垂直な面に対する角度）は、車両の傾斜要件（約２０°）でも水が溜まらない角度に設定されている。これにより、第２障壁板８０ｂに水が溜まって凍結等により破損することを防止することができる。

本実施形態では、空気導入口５６は、下方に向けて開口し、インレット部材５２は、ラビリンス流路７８を形成する複数の障壁板８０を有する。そして、複数の障壁板８０は、空気導入口５６に対向して該空気導入口５６の上方に配置された第１障壁板８０ａと、第１障壁板８０ａの上方で第１障壁板８０ａに対向する位置で開口する開口部８０ｂ１が形成された第２障壁板８０ｂとを有する。

このため、例えば、雨天走行時等の少水量時には、図４のように、空気導入口５６からチャンバ５８ａ側へと略垂直方向に飛散する水は、第１障壁板８０ａにより奥側への浸入が阻止される。空気導入口５６から斜め方向にチャンバ５８ａ側へと飛散する水は、チャンバ５８ａを形成する内周面５８ａｓと第１障壁板８０ａとの間を通過するが、第２障壁板８０ｂによって、それよりも奥側への浸入が阻止される。このため、奥側（チューブ部材５４側）への水の浸入を良好に抑制することができる。また、第１障壁板８０ａの外周部には下方に突出するリング状突出部８０ａ１が設けられるため、第１障壁板８０ａよりも上方への水の浸入が阻止されやすい。

本実施形態では、インレット部材５２には、空気導入口５６の周囲に、内部流路５８とインレット部材５２の外部とを連通する複数のドレイン孔７０が設けられる。このため、例えば、高圧洗車時等の大水量時には、図５のように、ドレイン孔７０を介して水がチャンバ５８ａ内から排出されることで、奥側（チューブ部材５４側）への水の浸入が抑制される。すなわち、水は、流入水量Ｖ１＞流出水量Ｖ２の状態によってチャンバ５８ａ内に溜まり、水位（水面Ｌｖの高さ）が上昇する。水位が上昇すると、ドレイン孔７０からの流出量も増加する。このため、流出水量Ｖ２が増加し、流入水量Ｖ１＝流出水量Ｖ２となる水位でバランスする。これにより、インレット部材５２内（内部流路５８）での水位が上昇し過ぎることを抑制することができる。

なお、ドレイン孔７０の鉛直下方には張出し部７２が設けられるため、ドレイン孔７０の下方から鉛直上方に向かって飛散する水は、張出し部７２によって跳ね返される。これにより、ドレイン孔７０を介してチャンバ５８内へと水が浸入することが効果的に防止される。

図６に、ドレイン孔７０の効果（水位調整機能）を確認するための試験結果を示す。流入水量Ｖａ〜Ｖｄの大小関係は、Ｖａ＜Ｖｂ＜Ｖｃ＜ｖｄである。図６に示すように、初期においては、どの水量でもチャンバ５８ａ内の水位は上昇するが、その後においては、流入水量の大小に関わらず、水位はバランスする。

図７に示すように、空気導入口５６には、メッシュ部材８４が設けられてもよい。メッシュ部材８４は、空気導入口５６を覆うように設けられる。メッシュ部材８４は、例えば、導入口形成部材６０と一体成形された部分である。なお、メッシュ部材８４は、導入口形成部材６０に固定された部品であってもよい。

このようなメッシュ部材８４が設けられる場合、空気導入口５６に向かって小石等の固形状異物が飛散しても、当該固形状異物はメッシュ部材８４に衝突する。これにより、小石等の固形状異物が空気導入口５６に入り込むことを好適に抑制することができる。

なお、上記では、インレット部材５２は、チューブ部材５４を介してスタックケース２０に接続されるとともに、アンダーカバー１２ｂに配置される例を説明したが、他の箇所にインレット部材５２が配置されてもよい。例えば、インレット部材５２は、スタックケース２０のローワーパネル２０Ｌｗに配置されてもよい。この場合、チューブ部材５４は省略され、例えば、接続筒部６６ａが換気開口部４４に挿入及び固定される。なお、インレット部材５２における２つのフランジ６０ａ、６２ａ間の周壁部５９が換気開口部４４に挿入され、２つのシール部材６８ａ、６８ｂ間にローワーパネル２０Ｌｗが挟持されてもよい。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改変が可能である。

１０…車載用燃料電池スタック １８…発電セル
１９…積層体 ２０…スタックケース
４４…換気開口部 ５０…換気機構
５２…インレット部材 ５４…チューブ部材
５６…空気導入口 ５８…内部流路
５８ａ…チャンバ ７０…ドレイン孔
７８…ラビリンス流路 ８０…障壁板
８０ａ…第１障壁板 ８０ｂ…第２障壁板

Claims (9)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する発電セルが、複数積層された積層体を備え、前記積層体がスタックケース内に収納された車載用燃料電池スタックであって、
   前記スタックケース内に開口する換気開口部を介して前記スタックケース内の換気を行う換気機構を備え、
   前記換気機構は、外部から換気用の空気を導入する空気導入口と、前記空気導入口と前記換気開口部とを連通する内部流路とが形成されたインレット部材を有し、
   前記内部流路は、ラビリンス流路を有し、
   前記ラビリンス流路は、重力方向に沿って円筒状に形成される、
   ことを特徴とする車載用燃料電池スタック。
2. 請求項１記載の車載用燃料電池スタックにおいて、
   前記換気開口部は、前記スタックケースの下部に設けられる、
   ことを特徴とする車載用燃料電池スタック。
3. 請求項２記載の車載用燃料電池スタックにおいて、
   前記換気機構は、一端が前記換気開口部に接続され他端が前記インレット部材に接続されたチューブ部材を有する、
   ことを特徴とする車載用燃料電池スタック。
4. 請求項３記載の車載用燃料電池スタックにおいて、
   前記インレット部材は前記車載用燃料電池スタックが搭載される車両のアンダーカバーに配置され、前記空気導入口は車両下面に開口する、
   ことを特徴とする車載用燃料電池スタック。
5. 請求項３記載の車載用燃料電池スタックにおいて、
   前記ラビリンス流路の流路断面積は、流路全長に亘って、前記チューブ部材の流路断面積以上である、
   ことを特徴とする車載用燃料電池スタック。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の車載用燃料電池スタックにおいて、
   前記空気導入口は、下方に向けて開口し、
   前記インレット部材は、前記ラビリンス流路を形成する少なくとも１つの障壁板を有し、
   前記少なくとも１つの障壁板の内周部又は外周部は、下方に向けて傾斜又は突出する、
   ことを特徴とする車載用燃料電池スタック。
7. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の車載用燃料電池スタックにおいて、
   前記空気導入口は、下方に向けて開口し、
   前記インレット部材は、前記ラビリンス流路を形成する複数の障壁部を有し、
   前記複数の障壁部は、前記空気導入口に対向して該空気導入口の上方に配置された第１障壁部と、前記第１障壁部の上方で前記第１障壁部に対向する位置で開口する開口部が形成された第２障壁部とを有する、
   ことを特徴とする車載用燃料電池スタック。
8. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の車載用燃料電池スタックにおいて、
   前記空気導入口は、下方に向けて開口し、
   前記インレット部材には、前記空気導入口の周囲に、前記内部流路と前記インレット部材の外部とを連通する複数のドレイン孔が設けられる、
   ことを特徴とする車載用燃料電池スタック。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の車載用燃料電池スタックにおいて、
   前記空気導入口には、メッシュ部材が設けられる、
   ことを特徴とする車載用燃料電池スタック。

Images