JP6674485B2 - 排気装置 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池スタックを収容するスタックケースから燃料ガスを含む排気ガスを排出するための排気装置に関する。
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にアノード電極が、他方にカソード電極が、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、発電セルが構成されている。この燃料電池は、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。
燃料電池車両では、特に燃料ガスである水素が、燃料電池スタックを搭載する空間内に漏出するおそれがある。このため、燃料電池スタックから水素が漏出した場合、水素を外部に効率よく排出することを目的として、例えば、特許文献1に開示されている燃料電池車両が提案されている。特許文献1は、燃料電池スタックを収容するスタックケースに排気ダクトを接続し、スタックケース内から当該排気ダクトを介して車外へと水素を排出する構成を採用している。
特開2015−193370号公報
スタックケース内と車外とは、排気ダクトを介して空間的に連通している。このため、外部の水や異物等がスタックケース内へと入り込むことが懸念される。
本発明は、上述した従来技術に鑑みてなされたものであり、スタックケース内への水や異物の混入を効果的に防止することができる排気装置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、発電セルが複数積層されてなる燃料電池スタックを収容するスタックケースから排気ガスを排出するための排気装置であって、前記スタックケース及び車両の排気口に連通した排気ダクトと、前記排気ダクトに設けられ、フィルタを収容したフィルタケースと、を備え、前記フィルタケース内には、複数個所で流路が屈曲した屈曲排気流路が設けられている。
前記フィルタケースは、排気ガスの入口及び出口を有するとともに、水平方向に延在した形状を有し、前記フィルタケースの長手方向の一端側に、前記入口及び前記出口が設けられていることが好ましい。
前記フィルタケースは、排気ガスの入口及び出口を有し、前記排気ダクトは、前記スタックケースと前記フィルタケースの前記入口とに接続された第1配管と、前記フィルタケースの前記出口に接続された第2配管とを有し、前記第1配管又は前記第2配管は、前記フィルタケースに対して傾斜して接続されていることが好ましい。
前記フィルタケースは、上部ケースと、前記上部ケースに接合された下部ケースとを有する。
前記上部ケースと前記下部ケースの間に前記フィルタが装着され、前記上部ケース及び前記下部ケースのいずれか一方に排気ガスの入口が設けられ、他方に排気ガスの出口が設けられている。
前記下部ケースの底部に下方に延びるドレイン配管が接続されていることが好ましい。
前記燃料電池スタックは、車載用燃料電池スタックであり、前記排気装置は、前記スタックケースの車幅方向両側に配置されていることが好ましい。
本発明に係る排気装置によれば、排気ダクトに設けられたフィルタケース内に、複数個所で流路が屈曲した屈曲排気流路が設けられている。このため、排気口から水や異物が流入しても、水や異物はフィルタケース内の屈曲排気流路により、スタックケース側へ流れることが抑制される。これにより、排気ダクトにフィルタを設けるだけの構成と比較して、スタックケース内への水や異物の混入を効果的に防止することができる。
本発明の実施形態に係る排気装置を備えた燃料電池車両の斜視図である。 燃料電池スタックの分解斜視図である。 発電セルの分解斜視図である。 他の構成例に係るフィルタケースの構造を説明する斜視図である。
図1に示すように、燃料電池車両10は、例えば、燃料電池電気自動車である。燃料電池車両10は、燃料電池スタック12が収容されたスタックケース14をダッシュボード16の前方に形成されたフロントルーム(モータルーム)18内に配設する。
図2に示すように、燃料電池スタック12は、複数の発電セル20が車両幅方向(矢印B方向)に積層される。発電セル20の積層方向一端(矢印BL方向側)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20の積層方向他端(矢印BR側)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12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。
第1エンドプレート26a及び第2エンドプレート26bは、発電セル20、第1絶縁プレート24a及び第2絶縁プレート24bの外形寸法よりも大きな外形寸法に設定される。第1ターミナルプレート22aは、第1絶縁プレート24aの内部の凹部に収容される一方、第2ターミナルプレート22bは、第2絶縁プレート24bの内部の凹部に収容されてもよい。
横長形状の第1エンドプレート26aの中央部からは、第1ターミナルプレート22aに接続された第1電力出力端子28aが外方に向かって延在する。横長形状の第2エンドプレート26bの中央部からは、第2ターミナルプレート22bに接続された第2電力出力端子28bが外方に向かって延在する。第1エンドプレート26aと第2エンドプレート26bの各角部は、積層方向に延在するタイロッド30により固定され、積層方向に締め付け荷重が付与される。
図3に示すように、発電セル20は、電解質膜・電極構造体32と、電解質膜・電極構造体32を両側から挟持する第1セパレータ34及び第2セパレータ36とを有する。電解質膜・電極構造体32は、電解質膜40と、電解質膜40を挟持するカソード電極42及びアノード電極44とを備える。電解質膜・電極構造体32の外周部には、フィルム状の樹脂枠部材33が全周に亘って設けられている。第1セパレータ34及び第2セパレータ36は、金属セパレータ又はカーボンセパレータにより構成される。
発電セル20の矢印A方向の一端縁部には、積層方向(矢印B方向)に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔46a、冷却媒体入口連通孔60a及び燃料ガス出口連通孔48b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46aは、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60aは、冷却媒体を供給する一方、燃料ガス出口連通孔48bは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。
発電セル20の矢印A方向の他端縁部には、矢印B方向に互いに連通して、燃料ガスを供給する燃料ガス入口連通孔48a、冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔60b及び酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔46bが、矢印C方向に配列して設けられる。
第1セパレータ34の電解質膜・電極構造体32に向かう面には、酸化剤ガス入口連通孔46aと酸化剤ガス出口連通孔46bとに連通する酸化剤ガス流路62が設けられる。第2セパレータ36の電解質膜・電極構造体32に向かう面には、燃料ガス入口連通孔48aと燃料ガス出口連通孔48bとに連通する燃料ガス流路64が設けられる。
互いに隣接し発電セル20を構成する第1セパレータ34と第2セパレータ36との間には、冷却媒体入口連通孔60aと冷却媒体出口連通孔60bとを連通する冷却媒体流路66が設けられる。第1セパレータ34と第2セパレータ36とには、それぞれ樹脂枠部材33に当接するシール部材50、52が、一体的又は個別に設けられる。
図2に示すように、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46aに連通する酸化剤ガス供給マニホールド68aと、酸化剤ガス出口連通孔46bに連通する酸化剤ガス排出マニホールド68b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48aに連通する燃料ガス供給マニホールド70aと、燃料ガス出口連通孔48bに連通する燃料ガス排出マニホールド70bとが設けられる。
図示は省略するが、第2エンドプレート26bには、冷却媒体入口連通孔60aに連通する冷却媒体供給マニホールドと、冷却媒体出口連通孔60bに連通する冷却媒体排出マニホールドとが設けられる。
燃料電池スタック12は、平面視矩形状、例えば、平面視長方形状のスタックケース14内に収納される。スタックケース14は、前方サイドパネル14Fr、後方サイドパネル14Rr、アッパーパネル14Up、ローワーパネル14Lw、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。スタックケース14を構成する各部品は、互いに固定されるとともに、第1エンドプレート26a及び第2エンドプレート26bに対して固定される。アッパーパネル14Upの四隅部には、スタックケース14内を外部に連通する開口部72a、72b、72c、72dが形成される。
図1に示すように、この燃料電池車両10は、スタックケース14から排気ガスを排出するための排気装置74を備える。排気装置74は、スタックケース14の車幅方向両側に配置されている。従って、この燃料電池車両10は、2つの排気装置74(74R、74L)を備える。
右側の排気装置74Rは、スタックケース14及び右側排気口90Rに連通した排気ダクト76Rと、排気ダクト76Rに設けられ、フィルタ80を収容したフィルタケース78Rとを備え、フィルタケース78R内には、複数個所で流路が屈曲した屈曲排気流路82が設けられている。右側の排気ダクト76Rは、スタックケース14とフィルタケース78Rの第1ポート78a(排気ガスの入口)とに接続された第1配管84と、フィルタケース78Rの第2ポート78b(排気ガスの出口)に接続された第2配管86とを有する。
右側の排気ダクト76Rの第1配管84は、アッパーパネル14Upの右側に設けられた2つの開口部72a、72bに接続されている。第1配管84は、2つの開口部72a、72bに接続された2つの接続管部84a、84bと、2つの接続管部84a、84bが合流してフィルタケース78Rの第1ポート78aに接続された合流管部84cとを有する。右側の排気ダクト76Rの第2配管86は、一端がフィルタケース78Rの第2ポート78bに接続され、他端が右側フェンダー部88Rに設けられた右側排気口90Rに接続されている。第1配管84(の合流管部84c)は、フィルタケース78Rに対して傾斜して接続されている。第1配管84と同じく第2配管86が、フィルタケース78Rに対して傾斜して接続されている。第1配管84と第2配管86の一方のみが、フィルタケース78Rに対して傾斜して接続されていてもよい。
フィルタケース78Rは、水平方向に延在した形状を有する。フィルタケース78Rは、平面視で長方形状を有する。フィルタケース78Rの長手方向は、車両前後方向(矢印A方向)に沿っている。フィルタケース78Rの長手方向は、車幅方向(矢印B方向)に沿ってもよく、車幅方向に対して傾斜していてもよい。フィルタケース78Rは、平面視で長方形状以外の形状であってもよく、例えば、正方形状や他の多角形状、円形状、楕円形状(幾何学的な楕円に限られない)、長円形状等であってもよい。
フィルタケース78Rの長手方向の一端側に、フィルタケース78Rの第1ポート78a及び第2ポート78bが設けられている。従って、第1配管84及び第2配管86は、フィルタケース78Rの長手方向の一端側に接続されている。なお、第1配管84及び第2配管86は、一方がフィルタケース78Rの長手方向の一端側に接続され、他方がフィルタケース78Rの長手方向の他端側に接続されていてもよい。
フィルタケース78Rは、上部ケース92と、上部ケース92に接合された下部ケース94とを有する。下部ケース94にフィルタ80が装着されている。上部ケース92に第1ポート78aが設けられている。従って、第1配管84は上部ケース92に接続されている。下部ケース94に第2ポート78bが設けられている。従って、第2配管86は下部ケース94に接続されている。なお、上部ケース92に第2配管86が接続され、下部ケース94に第1配管84が接続されていてもよい。
フィルタケース78Rの底部(下部ケース94の底部)には、ドレイン孔96が形成されており、当該ドレイン孔96に、ドレイン配管98の一端が接続されている。ドレイン配管98は、フィルタケース78R内に流入した水を車外へと排出するための配管である。ドレイン配管98の他端は、例えば、右側の前輪を覆うホイールハウスの内側に配置されている。
左側の排気装置74Lは、スタックケース14及び左側排気口90Lに連通した排気ダクト76Lと、排気ダクト76Lに設けられ、フィルタ80を収容したフィルタケース78Lとを備え、フィルタケース78L内には、複数個所で流路が屈曲した屈曲排気流路82が設けられている。左側の排気ダクト76Lは、スタックケース14とフィルタケース78Lの第1ポート78aとに接続された第1配管100と、フィルタケース78Lの第2ポート78bに接続された第2配管102とを有する。
左側の排気ダクト76Lの第1配管100は、アッパーパネル14Upの左側に設けられた2つの開口部72c、72dに接続されている。第1配管100は、2つの開口部72c、72dに接続された2つの接続管部100a、100bと、2つの接続管部100a、100bが合流してフィルタケース78Lの第1ポート78aに接続された合流管部100cとを有する。左側の排気ダクト76Lの第1配管100は、連結配管104を介して、右側の排気ダクト76Rの第1配管84と連通している。
左側の排気ダクト76Lの第2配管102は、一端がフィルタケース78Lの第2ポート78bに接続され、他端が左側フェンダー部88Lに設けられた左側排気口90Lに接続されている。第1配管100は、フィルタケース78Lに対して傾斜して接続されている。第1配管100と同じく第2配管102が、フィルタケース78Lに対して傾斜して接続されている。第1配管100と第2配管102の一方のみが、フィルタケース78Lに対して傾斜して接続されていてもよい。
フィルタケース78Lは、水平方向に延在した形状を有する。フィルタケース78Lの長手方向は、車幅方向(矢印B方向)に沿っている。フィルタケース78Lの長手方向は、車両前後方向(矢印A方向)に沿ってもよく、車両前後方向に対して傾斜していてもよい。フィルタケース78Lは、平面視で長方形状以外の形状であってもよく、例えば、正方形状や他の多角形状、円形状、楕円形状(幾何学的な楕円に限られない)、長円形状等であってもよい。
左側の排気装置74Lのフィルタケース78Lと、右側の排気装置74Rのフィルタケース78Rとは、長手方向が異なって配置されている。なお、左側の排気装置74Lのフィルタケース78Lと、右側の排気装置74のフィルタケース78Rとは、長手方向が同じに配置されてもよい。
フィルタケース78Lの長手方向の一端側に、フィルタケース78Lの第1ポート78a及び第2ポート78bが設けられている。従って、第1配管100及び第2配管102は、フィルタケース78Lの長手方向の一端側に接続されている。なお、第1配管100及び第2配管102は、一方がフィルタケース78Lの長手方向の一端側に接続され、他方がフィルタケース78Lの長手方向の他端側に接続されていてもよい。
フィルタケース78Lは、上部ケース106と、上部ケース106に接合された下部ケース108とを有する。下部ケース108にフィルタ80が装着されている。上部ケース106に第1ポート78aが設けられている。従って、第1配管100は上部ケース106に接続されている。下部ケース108に第2ポート78bが設けられている。従って、第2配管102は下部ケース108に接続されている。なお、上部ケース106に第2配管102が接続され、下部ケース108に第1配管100が接続されていてもよい。
フィルタケース78Lの底部(下部ケース108の底部)には、ドレイン孔110が形成されており、当該ドレイン孔110に、ドレイン配管112の一端が接続されている。ドレイン配管112は、フィルタケース78L内に流入した水を車外へと排出するための配管である。ドレイン配管112の他端は、例えば、左側の前輪を覆うホイールハウスの内側に配置されている。
なお、連結配管104はなくてもよい。アッパーパネル14Upの右側には1つのみ開口部(開口部72a、72bのいずれか一方、あるいは他の位置に設けられた開口部)が設けられ、第1配管100には1つの接続管部のみ設けられていてもよい。アッパーパネル14Upの左側には1つのみ開口部(開口部72c、72dのいずれか一方、あるいは他の位置に設けられた開口部)が設けられ、第1配管100には1つの接続管部のみ設けられていてもよい。スタックケース14に隣接して補機ケース(例えば、燃料ガス供給・排気系デバイスや酸化剤ガス供給・排気系デバイスを収容するケース)が接続され、当該補機ケースに、第1配管84又は第1配管100が接続されていてもよい。
フィルタケース78R、78Lに代えて図4に示す構成のフィルタケース78Mが用いられてもよい。
図4において、上部ケース92Mの下部外周に全周に亘って設けられたフランジ部114と、下部ケース94Mの上部外周に全周に亘って設けられたフランジ部116とがボルト118(締結部品)により相互に固定されている。2つのフランジ部114、116の間には弾性材料からなるシール部材120が全周に亘って配置されている。上部ケース92Mは、下部ケース94Mの上方開口部を覆う基部121と、基部121から下部ケース94よりも水平方向に張り出した張出部122と、張出部122から部分的に水平方向に突出した突出部124とを有する。突出部124に、第2配管86が接続された第2ポート78bが設けられている。
ドレイン配管98が接続されたドレイン孔96は、フィルタ80の下方に対向して、下部ケース94Mの底面に設けられている。
フィルタ80により、フィルタケース78M内の空間が、鉛直方向に分割され、第1室79aと第2室79bとに仕切られている。フィルタ80は、下部ケース94Mの上部に配置されている。フィルタ80とてしは、例えば、スポンジ状の多孔質体、不織布等が挙げられる。フィルタ80は、気体(水素ガス等)は通すが、液体(水等)は通さない構造であるのがよい。
上記のように、フィルタケース78M内には、複数個所で流路が屈曲した屈曲排気流路82が設けられている。具体的には、屈曲排気流路82は、第2ポート78b(外気側)から第1ポート78a(スタックケース14側)へと流路を辿った際(仮想線の矢印F参照)に、流路が複数回屈曲するように形成されている。図4では、第2ポート78bから第1ポート78aに至る間に、屈曲部P1〜P4の4箇所で流路が屈曲している。屈曲部P1〜P4ではそれぞれ直角に流路が屈曲している。排気ガス(スタックケース14内から漏出した微量の水素ガスを含む空気)は、第1配管84から上部ケース92M内へと導入され、フィルタ80を下方に通過して下部ケース94M内へと入り、第2配管86へと流れる。なお、上記構成と異なり、第1配管84が下部ケース94Mに接続され、第2配管86が上部ケース92Mに接続され、水素ガスを含む空気がフィルタ80を上方に通過してもよい。
各屈曲部P1〜P4(あるいは少なくとも1つの屈曲部)での屈曲角度は、直角(90°)に限らず、90°より小さい角度であってもよく、90°より大きい角度であってもよい。各屈曲部P1〜P4(あるいは少なくとも1つの屈曲部)での屈曲角度は、180°であってもよい。なお、屈曲排気流路82の流路の屈曲回数は、2回以上あればよい。
フィルタ80は、屈曲排気流路82内に配置されている。すなわち、フィルタ80は、屈曲排気流路82の両端に位置する屈曲部(図4では、屈曲部P1とP4)の間のいずれかの箇所に配置されている。なお、フィルタ80は、フィルタケース78M内で、屈曲排気流路82の外側に配置されていてもよい。
このように構成される燃料電池車両10の動作について、以下に説明する。
図1に示す燃料電池車両10の運転時には、燃料ガス供給マニホールド70aから燃料ガス入口連通孔48aに燃料ガスが供給される。一方、酸化剤ガス供給マニホールド68aから酸化剤ガス入口連通孔46aに酸化剤ガスが供給される。
図3に示すように、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔48aから第2セパレータ36の燃料ガス流路64に導入される。この水素ガスは、電解質膜・電極構造体32を構成するアノード電極44に沿って供給される。
酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔46aから第1セパレータ34の酸化剤ガス流路62に導入される。酸化剤ガスは、電解質膜・電極構造体32を構成するカソード電極42に沿って供給される。
従って、電解質膜・電極構造体32では、アノード電極44に供給される水素ガスと、カソード電極42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48bから燃料ガス排出マニホールド70bに排出される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔46bから酸化剤ガス排出マニホールド68bに排出される。
また、冷却媒体は、冷却媒体供給マニホールドから冷却媒体入口連通孔60aに供給され、第1セパレータ34及び第2セパレータ36間の冷却媒体流路66に導入される。冷却媒体は、電解質膜・電極構造体32を冷却した後、冷却媒体出口連通孔60bを流通して冷却媒体排出マニホールドに排出される。
図1において、燃料電池スタック12からスタックケース14内に燃料ガスが漏出した場合、燃料ガスを含む空気は、排気装置74(排気ダクト76R、76L及びフィルタケース78R、78L)を介して、排気口90R、90Lから車外へと排気される。その際、燃料ガスは、フィルタケース78R、78L内のフィルタ80を通過する。図4に示すフィルタケース78Mの場合も、燃料ガスは同様に流れる。
この場合、本実施形態に係る排気装置74は、以下の効果を奏する。
排気装置74R、74Lによれば、排気ダクト76R、76Lに設けられたフィルタケース78R、78L内に、複数個所で流路が屈曲した屈曲排気流路82(図4も参照)が設けられている。このため、排気口90R、90Lから水や異物が流入しても、水や異物はフィルタケース78R、78L内の屈曲排気流路82により、スタックケース14側へ流れることが抑制される。これにより、排気ダクト76R、76Lにフィルタ80を設けるだけの構成と比較して、スタックケース14内への水や異物の混入を効果的に防止することができる。
例えば、排気口90R、90Lから排気ダクト76R、76Lの第2配管86、102を介してフィルタケース78R、78L内に水が流入した場合でも、水は、フィルタ80により、第1ポート78a側(スタックケース14側)への移動が阻止される。この場合、水は、フィルタケース78R、78Lの底部に接続されたドレイン配管98、112から車外へと排出される。また、排気口90R、90Lから排気ダクト76R、76Lの第2配管86、102を介してフィルタケース78R、78L内に固形状の異物が入り込んできた場合でも、異物は、フィルタ80により、第1ポート78a側(スタックケース14側)への移動が阻止される。排気装置74において図4に示すフィルタケース78Mを用いた場合も、上記と同様の効果が得られる。
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。
12…燃料電池スタック 14…スタックケース
20…発電セル 74、74R、74L…排気装置
76R、76L…排気ダクト 78R、78L、78M…フィルタケース
80…フィルタ 82…屈曲排気流路
98、112…ドレイン配管

Claims (5)

  1. 発電セルが複数積層されてなる燃料電池スタックを収容するスタックケースから排気ガスを排出するための排気装置であって、
    前記スタックケース及び車両の排気口に連通した排気ダクトと、
    前記排気ダクトに設けられ、フィルタを収容したフィルタケースと、を備え、
    前記フィルタケース内には、複数個所で流路が屈曲した屈曲排気流路が設けられ
    前記フィルタケースは、上部ケースと、前記上部ケースに接合された下部ケースとを有し、
    前記上部ケースと前記下部ケースの間に前記フィルタが装着され、
    前記上部ケース及び前記下部ケースのいずれか一方に排気ガスの入口が設けられ、他方に排気ガスの出口が設けられている、
    ことを特徴とする排気装置。
  2. 請求項1記載の排気装置において、
    前記フィルタケースは、水平方向に延在した形状を有し、
    前記フィルタケースの長手方向の一端側に、前記入口及び前記出口が設けられている、
    ことを特徴とする排気装置。
  3. 請求項1記載の排気装置において
    記排気ダクトは、前記スタックケースと前記フィルタケースの前記入口とに接続された第1配管と、前記フィルタケースの前記出口に接続された第2配管とを有し、
    前記第1配管又は前記第2配管は、前記フィルタケースに対して傾斜して接続されている、
    ことを特徴とする排気装置。
  4. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の排気装置において、
    前記下部ケースの底部に下方に延びるドレイン配管が接続されている、
    ことを特徴とする排気装置。
  5. 請求項1〜のいずれか1項に記載の排気装置において、
    前記燃料電池スタックは、車載用燃料電池スタックであり、
    前記排気装置は、前記スタックケースの車幅方向両側に配置されている、
    ことを特徴とする排気装置。
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