JP6681929B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、スタックケースの換気構造を備えた燃料電池システムに関する。
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漏出した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換気用ダクト(排気ダクト)を接続し、スタックケース内から当該換気用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
特許文献1では、スタックケースに換気用ダクトを接続していたが、スタックケースに隣接して、例えば水素系補機(インジェクタ等)を収容する補機ケースを接合する構成を採用した場合、車両レイアウトの自由度が制限される可能性がある。また、補機ケース内の換気性能を確保する必要もある。
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、燃料電池システムが車両に搭載される場合のレイアウトの自由度を向上させることが可能であるとともに、補機ケース内の換気性能を向上させることが可能な燃料電池システム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、燃料電池用補機を収納する補機ケースとを備え、前記補機ケースは、前記スタックケースの水平方向に隣接して前記スタックケースに接合された燃料電池システムであって、前記スタックケースの内部空間と前記補機ケースの内部空間とを区画する壁部の鉛直方向上部には、前記スタックケースの前記内部空間と前記補機ケースの前記内部空間とを互いに連通させる換気用連通孔が設けられ、前記スタックケースの鉛直方向上部と前記補機ケースの鉛直方向上部には、それぞれ換気用ダクトが接続されている。
前記補機ケースの前記鉛直方向上部において、前記スタックケースと接続される側とは反対側の角部に、前記換気用ダクトが接続されていることが好ましい。
前記補機ケースの前記鉛直方向上部における2つの前記角部に、前記換気用ダクトが接続されていることが好ましい。
前記スタックケースの前記鉛直方向上部において、前記補機ケースと接続される側とは反対側の角部に、前記換気用ダクトが接続されていることが好ましい。
前記スタックケースの前記鉛直方向上部における2つの前記角部に、前記換気用ダクトが接続されていることが好ましい。
前記スタックケースに接続された前記換気用ダクトと、前記補機ケースに接続された前記換気用ダクトとは、相互に接続されていることが好ましい。
前記スタックケースに接続された前記換気用ダクトと、前記補機ケースに接続された前記換気用ダクトとは、平面視で、前記スタックケースと前記補機ケースとの接続方向に対して垂直な方向の一方側において、相互に接続されていることが好ましい。
前記補機ケースの一部は、前記燃料電池スタックに積層方向の締付荷重を付与するエンドプレートを兼ねていることが好ましい。
前記換気用連通孔は、少なくとも前記補機ケースの上部両端に設けられていることが好ましい。
前記スタックケースと前記補機ケースとからなるケースユニットは平面視で四角形状であり、前記換気用ダクトは、平面視で前記ケースユニットの4つの角部に接続されていることが好ましい。
本発明の燃料電池システムによれば、スタックケースの内部空間と補機ケースの内部空間とを区画する壁部の鉛直方向上部には、スタックケースの内部空間と補機ケースの内部空間とを互いに連通させる換気用連通孔が設けられ、スタックケースの鉛直方向上部と補機ケースの鉛直方向上部には、それぞれ換気用ダクトが接続されている。これにより、燃料電池システムが車両に搭載される場合のレイアウトの自由度が向上するとともに、補機ケース内の換気性能を向上させることが可能となる。
本発明の実施形態に係る燃料電池システムを備えた燃料電池車両の斜視図である。 発電セルの分解斜視図である。 ケースユニットの分解斜視図である。
図1に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池システム10を備えた燃料電池車両11は、例えば、燃料電池電気自動車である。以下の説明において、上方(上部)とは、鉛直方向の上方(上部)を意味する。燃料電池車両11において、燃料電池スタック12を収納したスタックケース14が、ダッシュボード16の前方(矢印Af方向)に形成されたフロントルーム(モータルーム)18内に配設されている。
燃料電池スタック12は、複数の発電セル20(図2参照)が車両幅方向(矢印B方向)に積層されてなるセル積層体20asを備える。セル積層体20as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及び第1絶縁プレート24aが外方に向かって順次配設される。セル積層体20as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及び第2絶縁プレート24bが外方に向かって順次配設される。燃料電池スタック12は、後述するスタックケース14の右サイドパネル78と補機ケース72の第1ケース部材88との間にスペーサ(図示せず)を介して挟持され、積層方向に締付荷重が付与されている。
図2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。第1セパレータ34及び第2セパレータ36には、シール部材50、52に代えて、樹脂枠部材33に向かって突出したビードシールがプレス成形により設けられてもよい。
図1に示すように、燃料電池システム10は、燃料電池スタック12を収納するスタックケース14と、燃料電池用補機70を収納する補機ケース72とを備える。スタックケース14と補機ケース72とにより、ケースユニット74が構成されている。スタックケース14と補機ケース72とからなるケースユニット74は平面視で四角形状(長辺が車両幅方向に沿って延在する長方形状)である。
図3に示すように、スタックケース14は、平面視で四角形状のケース本体76を有する。ケース本体76は、左側(矢印BL方向側)に形成された四角形状の左開口部76aと、右側(矢印BR方向側)に形成された四角形状の右開口部76bと、後側(矢印Ar方向側)に形成された四角形状の後方開口部76cとを有し、箱型に構成されている。
ケース本体76の上部(図示例では、ケース本体76の鉛直方向の上面76s)の、補機ケース72が接合される側とは反対側の2つの角部には、スタックケース14を外部に連通する孔部76hが形成されている。孔部76hは、ケース本体76の上記2つの角部のうちいずれか一方のみに設けられていてもよい。孔部76hは、スタックケース14の鉛直方向の上面76s以外の側面の上部に設けられていてもよい。
スタックケース14は、さらに、ケース本体76の右開口部76bを閉じる右サイドパネル78と、ケース本体76の後方開口部76cを閉じる後方サイドパネル80とを備える。右サイドパネル78は、四角形状のパネルであり、ケース本体76の右端にボルト82により接合される。右サイドパネル78は、燃料電池スタック12(図1)に積層方向の締付荷重を付与する一方のエンドプレートを兼ねている。ケース本体76と右サイドパネル78との間には、弾性材料からなるシール部材81が、ケース本体76と右サイドパネル78との接合面の全周に亘って配置される。
後方サイドパネル80は、四角形状のパネルであり、ケース本体76の後端にボルト82により接合される。ケース本体76と後方サイドパネル80との間には、弾性材料からなるシール部材83が、ケース本体76と後方サイドパネル80との接合面の全周に亘って配置される。なお、後方サイドパネル80は、ケース本体76とは別部品ではなく、ケース本体76と一体であってもよい。
図1に示すように、補機ケース72は、燃料電池用補機70を保護するための保護ケースであり、スタックケース14の水平方向に隣接してスタックケース14に接合されている。補機ケース72内には、燃料電池用補機70として、水素系補機(水素ガス供給デバイス)71が収納されている。水素系補機71は、インジェクタ84、イジェクタ85、水素ポンプ86、バルブ類(図示せず)等を有する。補機ケース72は、スタックケース14に隣接して設けられた凹形状の第1ケース部材88と、第1ケース部材88に接合された凹形状の第2ケース部材90とを有する。第1ケース部材88と第2ケース部材90とにより、水素系補機71を収納する収納空間73が形成されている。
図3に示すように、第1ケース部材88は、ケース本体76に接合される壁部92(凹形状の第1ケース部材88の底壁部)を有する。第1ケース部材88は、ケース本体76の左端にボルト82により接合される。ケース本体76と第1ケース部材88との間には、弾性材料からなるシール部材79が、ケース本体76と第1ケース部材88との接合面の全周に亘って配置される。第1ケース部材88(補機ケース72の一部)は、燃料電池スタック12(図1)に積層方向の締付荷重を付与する他方のエンドプレートを兼ねている。
第1ケース部材88の壁部92は、スタックケース14の内部空間と補機ケース72の内部空間とを区画する。壁部92の上部には、スタックケース14の内部空間と補機ケース72の内部空間とを互いに連通させる複数の換気用連通孔94が設けられている。換気用連通孔94は、壁部92を厚さ方向(矢印B方向)に貫通する孔であり、ケース本体76の左開口部76aに臨む。上記のシール部材79は、換気用連通孔94よりも外側に配置される。
複数の換気用連通孔94は、スタックケース14と補機ケース72との接合方向(矢印B方向)に対して垂直な水平方向(矢印A方向)に間隔を置いて配置されている。換気用連通孔94は、少なくとも補機ケース72の上部両側(スタックケース14と補機ケース72との接合方向に対して垂直な水平方向の両側)に設けられている。
第1ケース部材88の壁部92には、燃料電池スタック12に設けられた酸化剤ガス入口連通孔46a、酸化剤ガス出口連通孔46b、燃料ガス入口連通孔48a、燃料ガス出口連通孔48b、冷却媒体入口連通孔60a及び冷却媒体出口連通孔60b(図2)にそれぞれ接続される接続配管(図示せず)を通すための配管用開口部96a、96bが形成されている。
第2ケース部材90は、第1ケース部材88を閉じるカバー部材であり、第1ケース部材88にボルト82により接合される。補機ケース72の上部(図示例では鉛直方向の上面72s)の、スタックケース14が接合される側とは反対側の2つの角部には、補機ケース72を外部に連通する孔部72hが形成されている。具体的に、孔部72hは、第2ケース部材90の上部の2つの角部に形成されている。孔部72hは、第2ケース部材90の上部の2つの角部のうちいずれか一方のみに設けられていてもよい。孔部72hは、第2ケース部材90の鉛直方向の上面72s以外の側面の上部に設けられていてもよい。
図1に示すように、燃料電池システム10は、ケースユニット74(スタックケース14及び補機ケース72)から燃料ガスを排出するための排気装置98を備える。図3に示すように、外部からスタックケース14内に空気を導入してスタックケース14内を換気するために、スタックケース14には換気用空気導入孔99が設けられている。換気用空気導入孔99は、スタックケース14の下部(図示例では、右サイドパネル78の下部及び後方サイドパネル80の下部)に複数設けられている。また、補機ケース72の下部(図示例では、第1ケース部材88の下部及び第2ケース部材90の下部)にも換気用空気導入孔99が設けられている。
図1において、排気装置98は、ケースユニット74に接続された換気用ダクト100a、100bを有する。換気用ダクト100a、100bは、平面視でケースユニット74の4つの角部に接続されている。具体的に、排気装置98は、スタックケース14に接続された第1換気用ダクト100aと、補機ケース72に接続された第2換気用ダクト100bとを有する。
第1換気用ダクト100aは、スタックケース14に設けられた孔部76hに接続されている。従って、第1換気用ダクト100aは、スタックケース14の上部において、補機ケース72と接続される側とは反対側の2つの角部に接続されている。第1換気用ダクト100aは、スタックケース14の2つの孔部76hに接続された2つの接続管部102a、102bと、2つの接続管部102a、102bが合流した合流管部102cとを有する。合流管部102cは、右側フェンダー部108Rに設けられた右側排気口110Rに接続されている。
第2換気用ダクト100bは、補機ケース72に設けられた孔部72hに接続されている。従って、第2換気用ダクト100bは、補機ケース72の上部において、スタックケース14と接続される側とは反対側の2つの角部に接続されている。第2換気用ダクト100bは、補機ケース72の2つの孔部72hに接続された2つの接続管部104a、104bと、2つの接続管部104a、104bが合流した合流管部104cとを有する。合流管部104cは、左側フェンダー部108Lに設けられた左側排気口110Lに接続されている。
第1換気用ダクト100aと第2換気用ダクト100bとは、連結配管112を介して相互に接続されている。連結配管112は、第1換気用ダクト100aの前方側の接続管部102aと、第2換気用ダクト100bの前方側の接続管部104aとに接続されている。従って、第1換気用ダクト100aと、第2換気用ダクト100bとは、平面視で、スタックケース14と補機ケース72との接続方向に対して垂直な方向(矢印A方向)の一方側(前方側)において、相互に接続されている。連結配管112は、第1換気用ダクト100aの後方側の接続管部102bと、第2換気用ダクト100bの後方側の接続管部104bとに接続されてもよい。
このように構成される燃料電池車両11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11の運転時には、燃料電池スタック12に燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体が供給される。図2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から排出される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔46bから排出される。
一方、冷却媒体は、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を介して排出される。
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、又は水素系補機71から補機ケース72内に燃料ガスが漏出した場合、燃料ガスは、排気装置98(第1換気用ダクト100a及び第2換気用ダクト100b)を介して、右側及び左側排気口110R、110Lから車外へと排気される。
この場合、本実施形態に係る燃料電池システム10は、以下の効果を奏する。
本発明の燃料電池システム10によれば、スタックケース14の内部空間と補機ケース72の内部空間とを区画する壁部92の上部には、スタックケース14の内部空間と補機ケース72の内部空間とを互いに連通させる換気用連通孔94が設けられ、スタックケース14の上部と補機ケース72の上部には、それぞれ換気用ダクト100(第1換気用ダクト100a及び第2換気用ダクト100b)が接続されている。これにより、燃料電池システム10が車両に搭載される場合のレイアウトの自由度を向上させることが可能となる。また、補機ケース72内の換気性能を向上させることが可能となる。
スタックケース14の上部において、補機ケース72と接続される側とは反対側の角部に、第1換気用ダクト100aが接続されている。この構成により、補機ケース72側が低くなる角度で燃料電池車両11が傾いた場合でも、第1換気用ダクト100aを介して燃料ガスを効率的に排出することができる。また、スタックケース14の上部における2つの角部に、第1換気用ダクト100aが接続されているため、当該2つの角部の一方が相対的に低くなり、他方が相対的に高くなるように燃料電池車両11が傾いた場合でも、第1換気用ダクト100aを介して燃料ガスを効率的に排出することができる。
補機ケース72の上部において、スタックケース14と接続される側とは反対側の角部に、第2換気用ダクト100bが接続されている。この構成により、スタックケース14側が低くなる角度で燃料電池車両11が傾いた場合でも、第2換気用ダクト100bを介して燃料ガスを効率的に排出することができる。また、補機ケース72の上部における2つの角部に、第2換気用ダクト100bが接続されているため、当該2つの角部の一方が相対的に低くなり、他方が相対的に高くなるように燃料電池車両11が傾いた場合でも、第2換気用ダクト100bを介して燃料ガスを効率的に排出することができる。
スタックケース14に接続された第1換気用ダクト100aと、補機ケース72に接続された第2換気用ダクト100bとは、相互に接続されている。この構成により、燃料ガスを一層効率的に排出することができる。
スタックケース14に接続された第1換気用ダクト100aと、補機ケース72に接続された第2換気用ダクト100bとは、平面視で、スタックケース14と補機ケース72との接続方向に対して垂直な方向(矢印A方向)の一方側(前方側)において、相互に接続されている。この構成により、第1換気用ダクト100aと第2換気用ダクト100bとを繋ぐ連結配管112を短くすることができる。また、スタックケース14の上方に他の機器を配置する場合に、連結配管112を避けた位置に当該他の機器を配置できるため、配置レイアウトの自由度を向上させることができる。
補機ケース72の一部(第1ケース部材88)は、燃料電池スタック12に積層方向の締付荷重を付与するエンドプレートを兼ねている。この構成により、構成の合理化・簡素化が図られる。
換気用連通孔94は、少なくとも補機ケース72の上部両端に設けられている。この構成により、燃料電池車両11が傾いた場合でも、いずれかの換気用連通孔94を介して燃料ガスが補機ケース72内とスタックケース14内との間を移動することができる。従って、燃料ガスを効率的に排出することができる。
なお、上述した本実施形態では、燃料電池スタック12の積層方向が車両幅方向(矢印B方向)を向くように燃料電池システム10が燃料電池車両11に搭載されているが、これとは異なり、燃料電池スタック12の積層方向が車両前後方向(矢印A方向)を向くように燃料電池システム10が燃料電池車両11に搭載されてもよい。上述した本実施形態では、スタックケース14が右側に配置され、補機ケース72が左側に配置されるように、燃料電池システム10が燃料電池車両11に搭載されているが、これとは異なり、スタックケース14が左側に配置され、補機ケース72が右側に配置されるように、燃料電池システム10が燃料電池車両11に搭載されてもよい。
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…燃料電池システム
11…燃料電池車両
12…燃料電池スタック
14…スタックケース
72…補機ケース
100…換気用ダクト

Claims (10)

  1. 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、燃料電池用補機を収納する補機ケースとを備え、前記補機ケースは、前記スタックケースの水平方向に隣接して前記スタックケースに接合された燃料電池システムであって、
    前記スタックケースの内部空間と前記補機ケースの内部空間とを区画する壁部の鉛直方向上部には、前記スタックケースの前記内部空間と前記補機ケースの前記内部空間とを互いに連通させる換気用連通孔が設けられ、
    前記スタックケースの鉛直方向上部と前記補機ケースの鉛直方向上部には、それぞれ換気用ダクトが接続されている、
    ことを特徴とする燃料電池システム。
  2. 請求項1記載の燃料電池システムにおいて、
    前記補機ケースの前記鉛直方向上部において、前記スタックケースと接続される側とは反対側の角部に、前記換気用ダクトが接続されている、
    ことを特徴とする燃料電池システム。
  3. 請求項2記載の燃料電池システムにおいて、
    前記補機ケースの前記鉛直方向上部における2つの前記角部に、前記換気用ダクトが接続されている、
    ことを特徴とする燃料電池システム。
  4. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記スタックケースの前記鉛直方向上部において、前記補機ケースと接続される側とは反対側の角部に、前記換気用ダクトが接続されている、
    ことを特徴とする燃料電池システム。
  5. 請求項4記載の燃料電池システムにおいて、
    前記スタックケースの前記鉛直方向上部における2つの前記角部に、前記換気用ダクトが接続されている、
    ことを特徴とする燃料電池システム。
  6. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記スタックケースに接続された前記換気用ダクトと、前記補機ケースに接続された前記換気用ダクトとは、相互に接続されている、
    ことを特徴とする燃料電池システム。
  7. 請求項6記載の燃料電池システムにおいて、
    前記スタックケースに接続された前記換気用ダクトと、前記補機ケースに接続された前記換気用ダクトとは、平面視で、前記スタックケースと前記補機ケースとの接続方向に対して垂直な方向の一方側において、相互に接続されている、
    ことを特徴とする燃料電池システム。
  8. 請求項1〜7のいずれか1項に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記補機ケースの一部は、前記燃料電池スタックに積層方向の締付荷重を付与するエンドプレートを兼ねている、
    ことを特徴とする燃料電池システム。
  9. 請求項1〜8のいずれか1項に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記換気用連通孔は、少なくとも前記補機ケースの上部両端に設けられている、
    ことを特徴とする燃料電池システム。
  10. 請求項1〜9のいずれか1項に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記スタックケースと前記補機ケースとからなるケースユニットは平面視で四角形状であり、
    前記換気用ダクトは、平面視で前記ケースユニットの4つの角部に接続されている、
    ことを特徴とする燃料電池システム。
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