JP7234275B2

JP7234275B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP7234275B2
Application number: JP2021024782A
Authority: JP
Inventors: 秀晴内藤; 貴史田倉
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2021-02-19
Filing date: 2021-02-19
Publication date: 2023-03-07
Anticipated expiration: 2041-02-19
Also published as: JP2022126924A; JP2022189906A; CN115020776A; US20220271321A1

Description

本発明は、燃料電池スタックをスタックケースに収納した状態で車両に搭載される燃料電池システムに関する。

燃料電池スタックを車両に搭載する場合、例えば、特許文献１に記載されるように、該燃料電池スタックをスタックケース内に収納する構成が広汎に採用されている。車両を走行させるべく燃料電池スタックを発電させる際には、スタックケース内の燃料電池スタックに対し、水素ガスと圧縮空気が供給される。このような環境下では、燃料電池スタックから水素ガスが漏洩することが想定される。この場合、水素ガスがスタックケース内に蓄積される。

そこで、スタックケース内の水素ガスの濃度が所定の閾値を下回るように、外部からスタックケース内に空気（大気）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に記載されたスタックケースでは、その図１に示されるように、燃料電池スタックを構成する単位セルの積層方向端部を覆う壁面に換気カバーが設けられる。

特開２０１５－７６１５２号公報（特に図１～図４参照）

この種のスタックケースにおいて、剛性を確保しつつ、換気効率を一層向上させることが要請されている。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、十分な剛性を有するとともに換気効率に優れるスタックケースを備える燃料電池システムを提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明の一実施形態によれば、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、車両に搭載される燃料電池システムであって、
前記スタックケースは、前記車両の進行方向前方に臨む前端面を有し、
前記前端面の下部に、前記スタックケースの内部に進入する空気が通過するための流入孔が形成され、
前記前端面の上部に、前記スタックケースの内部から進出する空気が通過するための流出孔が形成され、
前記流出孔の開口面積が前記流入孔の開口面積に比して大である燃料電池システムが提供される。

ここで、開口面積は、流入孔又は流出孔が１個であるときには当該１個の孔の開口面積を指す。一方、流入孔又は流出孔が複数個であるときには、開口面積は、複数個の孔の開口面積の総和である。従って、例えば、流出孔が１個であり且つ流入孔が複数個であるときには、１個の流出孔の開口面積が、複数個の流入孔の総開口面積よりも大に設定される。

本発明によれば、スタックケースの、車両の進行方向前方に臨む前端面、すなわち、車両が走行した際の大気の流れで生じる走行風の進行方向下流側に流入孔を形成している。従って、流入孔の開口面積を小さく設定した場合であっても、走行風をスタックケース内に効率よく取り込むことができる。これにより、換気効率の向上が図られる。しかも、流入孔の開口面積が小さい分、スタックケースの剛性が十分なものとなる。以上のような理由から、換気効率に優れ且つ十分な剛性を示すスタックケースを含んだ燃料電池システムを構築することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムを備えた車両の要部概略斜視図である。燃料電池スタックを構成する単位セルの概略分解斜視図である。燃料電池スタックを収納するスタックケースの全体概略斜視図である。スタックケースに形成された流入孔を覆う第１カバー部材と、流出孔を覆う第２カバー部材とを示す要部分解斜視図である。押さえ部材とフィルタ材が組み合わされた状態の概略縦断面図である。第１カバー部材とスタックケースによって形成された、流入孔側のクランク通路（クランク形状のラビリンス流路）である。第２カバー部材とスタックケースによって形成された、流出孔側のクランク通路（クランク形状のラビリンス流路）である。

以下、本発明に係る燃料電池システムにつき好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明における「左（方）」、「右（方）」、「前（方）」、「後（方）」「下（方）」及び「上（方）」は、車両の運転席に着座したユーザの左側、右側、前側、後側、下側及び上側を表す。さらに、車幅方向は左右方向、車長方向は前後方向、車高方向は上下方向と同義である。

図１は、本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１２（車両）の要部概略斜視図である。該燃料電池車両１２の前方にはフロントルーム１４が設けられるとともに、該フロントルーム１４内に、燃料電池スタック１６を収納したスタックケース１８が配設される。スタックケース１８には、図示しない燃料電池用補機を収納する補機ケース１９が隣接する。これら燃料電池用補機及び補機ケース１９も、燃料電池システム１０を構成する。フロントルーム１４内には、図示しない車両駆動用のモータ等も配設される。

燃料電池スタック１６は、単位セル２０（図２参照）が車幅方向に沿って複数個積層されることで構成されたセル積層体２１を備える。セル積層体２１の積層方向一端（車幅方向左端）には、第１ターミナルプレート２２ａ、第１絶縁プレート２４ａ、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。また、セル積層体２１の積層方向他端（車幅方向右端）には、第２ターミナルプレート２２ｂ、第２絶縁プレート２４ｂ、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。

単位セル２０につき、図２を参照して説明する。単位セル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、金属材又は炭素材から構成される。

単位セル２０の車長方向前端部には、積層方向（車幅方向）に沿って個別に延在する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が形成される。これら連通孔４６ａ、６０ａ、４８ｂは、車高方向上方から下方に向かってこの順序で並ぶ。酸化剤ガス入口連通孔４６ａには、カソード電極４２に供給される酸化剤ガス（例えば、圧縮空気等の酸素含有ガス）が流通する。また、冷却媒体入口連通孔６０ａには、セル積層体２１を冷却する冷却媒体が流通し、燃料ガス出口連通孔４８ｂには、アノード電極４４に供給される燃料ガス（例えば、水素ガス等の水素含有ガス）が流通する。

単位セル２０の車長方向後端部には、積層方向（車幅方向）に沿って個別に延在する燃料ガス入口連通孔４８ａ、冷却媒体出口連通孔６０ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔４６ｂが、車高方向上方から下方に向かってこの順序で並ぶように形成される。燃料ガス入口連通孔４８ａには、アノード電極４４に供給される燃料ガスが流通し、酸化剤ガス出口連通孔４６ｂには、カソード電極４２から排出された酸化剤ガスが流通する。また、冷却媒体出口連通孔６０ｂには、セル積層体２１を冷却した冷却媒体が流通する。

第１セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３２に臨む面には、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。一方、第２セパレータ３６の電解質膜・電極構造体３２に臨む面には、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。

互いに隣接し単位セル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に当接し、弾性を有するゴム材からなるシール部材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って一体に設けられてもよい。

燃料電池スタック１６は、上記したように構成されるセル積層体２１の積層方向左端部に第１ターミナルプレート２２ａ、第１絶縁プレート２４ａ、第１エンドプレート２６ａが配設されるとともに、積層方向右端部に第２ターミナルプレート２２ｂ、第２絶縁プレート２４ｂ、第２エンドプレート２６ｂが配設されることで構成される。この中の第１エンドプレート２６ａ及び第２エンドプレート２６ｂは、図３に示すように、締結ボルト７０を介してスタックケース１８に連結される。

スタックケース１８は、単位セル２０が車幅方向に沿って積層されることに対応し、車幅方向に沿って長尺であり、且つ車長方向に沿う切断面が略矩形状をなす枠形状物である。スタックケース１８は、下方を臨む底壁部７２、前方を臨む前壁部７４（前端面）、上方を臨む天井壁部７６を有する一方、車幅方向両端が開口した開放端となっている。第１エンドプレート２６ａはスタックケース１８の左端開口を閉塞する左サイドパネルを兼ねるとともに、補機ケース１９の一部を兼ねる。また、第２エンドプレート２６ｂは、スタックケース１８の右端開口を閉塞する右サイドパネルを兼ねる。

スタックケース１８の後端には、枠部７８が設けられる。該枠部７８に形成される後端開口７９には、バックパネル８０（図１参照）が設けられる。

図１及び図３に示すように、スタックケース１８の前壁部７４の右下端近傍には、複数個の流入孔８２が形成される。すなわち、この場合、流入孔８２はスタックケース１８の車幅方向右下方に偏倚している。図示の例では、例えば、６個の流入孔８２が形成され、その中の３個が下列として左方に向かうように並列している。また、残余の３個は、その直上で上列として左方に向かうように並列している。すなわち、６個の流入孔８２は、車高方向に沿って２列となり、且つ車幅方向に沿って３個が１列として並ぶように配置されている。なお、各流入孔８２の車高方向寸法及び車幅方向寸法は互いに同一である。このため、各流入孔８２の開口面積も互いに同一である。

スタックケース１８の前壁部７４において、天井壁部７６の近傍には、複数個の流出孔８４が形成される。図示の例では、例えば、１６個の流出孔８４が形成され、その中の８個が下列として右端近傍から左端近傍に至るまで車幅方向に沿って並列している。また、残余の８個は、その直上において上列として右端近傍から左端近傍に至るまで車幅方向に沿って並列している。すなわち、１６個の流出孔８４は、車高方向に沿って２列となり、且つ車幅方向に沿って８個が１列として並ぶように配置されている。

なお、各流出孔８４の車高方向寸法及び車幅方向寸法は互いに同一である。このため、各流出孔８４の開口面積も互いに同一である。そして、１６個の流出孔８４の開口面積の総和は、６個の流入孔８２の開口面積の総和よりも大きく設定されている。１個の流出孔８４の開口面積は、１個の流入孔８２の開口面積と同一であってもよいし、異なっていてもよい。

スタックケース１８の車幅方向端面である右縁面及び左縁面には、スタックケース１８に対して第１エンドプレート２６ａ、第２エンドプレート２６ｂを、締結ボルト７０を介して連結するための連結孔であるボルト孔８６が形成される。図３では、車高方向に沿って延在する前壁部７４の左縁面に４個のボルト孔８６を形成した態様を例示している。特に図示はしていないが、右縁面においても同様に４個のボルト孔８６が形成されている。以下、説明の便宜上、前壁部７４の左縁面の４個のボルト孔８６を下方から第１左ボルト孔～第４左ボルト孔、右縁面の４個のボルト孔を下方から第１右ボルト孔～第４右ボルト孔と指称し、各々の参照符号を８６Ｌａ～８６Ｌｄ、８６Ｒａ～８６Ｒｄとする。

第１左ボルト孔８６Ｌａと第１右ボルト孔８６Ｒａの上下方向の高さ位置は、略同一に設定される。同様に、第２左ボルト孔８６Ｌｂ～第４左ボルト孔８６Ｌｄのそれぞれと、第２右ボルト孔８６Ｒｂ～第４右ボルト孔８６Ｒｄのそれぞれとの高さ位置も略同一である。そして、第１左ボルト孔８６Ｌａ及び第１右ボルト孔８６Ｒａの高さ位置は、下列の流入孔８２よりも下方に位置する。一方、第２左ボルト孔８６Ｌｂ及び第２右ボルト孔８６Ｒｂの高さ位置は、上列の流入孔８２よりも上方である。このため、全ての流入孔８２は、第１左ボルト孔８６Ｌａ及び第１右ボルト孔８６Ｒａと、これらボルト孔８６Ｌａ、８６Ｒａよりも高位置である第２左ボルト孔８６Ｌｂ及び第２右ボルト孔８６Ｒｂとの間に位置する。

また、第３左ボルト孔８６Ｌｃ及び第３右ボルト孔８６Ｒｃの高さ位置は、下列の流出孔８４よりも下方に位置する。その一方で、第４左ボルト孔８６Ｌｄ及び第４右ボルト孔８６Ｒｄの高さ位置は、上列の流出孔８４よりも上方である。このため、全ての流出孔８４は、第３左ボルト孔８６Ｌｃ及び第３右ボルト孔８６Ｒｃと、これらボルト孔８６Ｌｃ、８６Ｒｃよりも高位置である第４左ボルト孔８６Ｌｄ及び第４右ボルト孔８６Ｒｄとの間に位置する。

このような構成のスタックケース１８は、例えば、押出成形によって一体の単一部材として作製することができる。又は、底壁部７２、前壁部７４、天井壁部７６、枠部７８を部材として個別に作製した後にこれらの部材を接合するようにしてもよい。

図４に示すように、前壁部７４には、流入孔８２及び流出孔８４を個別に覆う第１カバー部材９０、第２カバー部材９２が位置決め固定される。第１カバー部材９０につき先ず説明すると、前壁部７４には、全ての流入孔８２が含まれるようにして第１トラック状凹部９４が形成される。この第１トラック状凹部９４には、第１ガスケット９６が保持される。また、第１ガスケット９６の枠内には第１フィルタ材９８、第１押さえ部材１００が挿入される。第１押さえ部材１００が前方に配置され、第１フィルタ材９８が後方に配置される。

ここで、第１フィルタ材９８は、図５に示すように、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）からなるフィルタ本体１０２が、不織布からなる支持材１０４（支持部材）に支持されることで構成されている。フィルタ本体１０２が前方の第１押さえ部材１００に臨み、支持材１０４が後方のスタックケース１８に臨む。その一方で、第１押さえ部材１００の後面には、第１フィルタ材９８の一部を収容するための収容凹部１０６が形成される。すなわち、第１フィルタ材９８は、フィルタ本体１０２の前部が収容凹部１０６に収容されるとともに、該フィルタ本体１０２の前面の外縁近傍が、収容凹部１０６の、前記外縁近傍に当接する壁部に、溶着や接着により接合される。

第１押さえ部材１００には、車幅方向に沿って並列する３個の第１通気口１０８が形成される。１個の第１通気口１０８は、車高方向に沿って並列する２個の流入孔８２に重なる。従って、第１フィルタ材９８の、流入孔８２を覆った部位には、第１通気口１０８が重なる。

第１カバー部材９０は、第１本体部１１０と、該第１本体部１１０の前面から下方又は上方に突出するように設けられた複数個の脚部１１２とを有する。図６に示すように、第１本体部１１０の後面には、該後面から前面に向かって陥没した第１段部１１４が形成される。また、第１本体部１１０の後面には、前面から第１段部１１４に向かって貫通する第１通気用連通孔１１６が形成される。第１通気用連通孔１１６は横方向（車幅方向）に沿って延在する形状を有し、第１本体部１１０の高さ方向の中央よりも上方寄りに配置される。

第１押さえ部材１００の第１通気口１０８近傍の縁部は、その一部が第１通気用連通孔１１６に重なるとともに、残部が第１段部１１４に対向する。このため、第１押さえ部材１００と第１段部１１４の間にクリアランスが形成される。このクリアランスが、流通路としての進入路１１８となる。第１押さえ部材１００の、第１通気用連通孔１１６に重なった部分は、換気用の空気（大気）である走行風を進入路１１８に向かって方向変換する進路変更部としての役割を果たす。

そして、第１通気用連通孔１１６、進入路１１８、第１通気口１０８により、クランク形状のラビリンス流路が形成される。結局、スタックケース１８の下部内部に、ラビリンス流路（第１通気用連通孔１１６、進入路１１８、第１通気口１０８）、第１フィルタ材９８の目、流入孔８２を介して大気が流入する。換言すれば、スタックケース１８の下部内部は大気に連通する。

複数個の脚部１１２の各々には、ネジ挿通孔１２０が形成される。このネジ挿通孔１２０に通された連結ネジ１２２の胴体部が、前壁部７４に形成された螺合孔１２４に螺合されることにより、第１カバー部材９０がスタックケース１８に位置決め固定される。また、第１フィルタ材９８、第１押さえ部材１００が、第１ガスケット９６の枠内に挿入された状態で、第１トラック状凹部９４に収容される。

第２カバー部材９２についても上記と同様である。すなわち、前壁部７４には、全ての流出孔８４が含まれるようにして第２トラック状凹部１３０が形成される（図４参照）。この第２トラック状凹部１３０に、第２ガスケット１３２が保持される。また、第２ガスケット１３２の枠内に第２フィルタ材１３４及び第２押さえ部材１３６が、後方から前方に向かってこの順序で挿入される。

図７に示すように、第２フィルタ材１３４も、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）からなり且つ前方の第２押さえ部材１３６に臨むフィルタ本体１０２と、不織布からなり且つ後方のスタックケース１８に臨む支持材１０４（支持部材）とを有する。この構成や、フィルタ本体１０２が第２押さえ部材１３６の収容凹部１０６の後面に溶着される点等は第１フィルタ材９８と同様である。従って、第２フィルタ材１３４については図５を援用するに留め、別個の図示及び詳細な説明は省略する。

第２押さえ部材１３６には、車幅方向に沿って並列する８個の第２通気口１３８が形成される。１個の第２通気口１３８は、車高方向に沿って並列する２個の流出孔８４に重なる。勿論、第２通気口１３８には、第２フィルタ材１３４の一部が露呈している。このため、全ての流出孔８４が第２フィルタ材１３４で覆われる。

第２カバー部材９２は、第２本体部１４０と、該第２本体部１４０の下縁部から下方、又は上縁部から上方に突出するように設けられた複数個のタブ部１４２とを有する。図７に示すように、第２本体部１４０の後面には、該後面から前面に向かって陥没する第２段部１４４が形成される。また、第２本体部１４０には、前面から第２段部１４４に向かって貫通する第２通気用連通孔１４６が形成される。第２通気用連通孔１４６は横方向（車幅方向）に沿って延在する形状を有し、第２本体部１４０の高さ方向の中央よりも上方寄りに配置される。

第２押さえ部材１３６の第２通気口１３８近傍の縁部は、その一部が第２通気用連通孔１４６に重なるとともに、残部が第２段部１４４に対向する。これにより、第２押さえ部材１３６と第２段部１４４の間にクリアランス、すなわち、流通路としての進出路１４８が形成される。第２押さえ部材１３６の、第２通気用連通孔１４６に重なった部分は、走行風を進出路１４８から第２通気用連通孔１４６に向かって方向変換する進路変更部となる。

そして、第２通気口１３８、進出路１４８、第２通気用連通孔１４６により、クランク形状のラビリンス流路が形成される。すなわち、スタックケース１８の上部内部から、流出孔８４、第２フィルタ材１３４の目、ラビリンス流路（第２通気口１３８、進出路１４８、第２通気用連通孔１４６）を介して内部の走行風が排出される。換言すれば、スタックケース１８の上部内部もまた、大気に連通している。

複数個のタブ部１４２にも、ネジ挿通孔１２０がそれぞれ形成される。このネジ挿通孔１２０に通された連結ネジ１２２の胴体部は、前壁部７４に形成された螺合孔１２４に螺合される。これにより、第２カバー部材９２がスタックケース１８に位置決め固定される。また、第２フィルタ材１３４、第２押さえ部材１３６が、第２ガスケット１３２の枠内に挿入された状態で第２トラック状凹部１３０に収容される。

なお、例えば、第１押さえ部材１００及び第２押さえ部材１３６に係合用ピン部を設けるとともに第１カバー部材９０及び第２カバー部材９２に係合孔を形成し、係合用ピン部を係合孔に係合するようにしてもよい。この場合、第１押さえ部材１００及び第２押さえ部材１３６を、第１カバー部材９０、第２カバー部材９２に位置決め固定することができる。これにより、進入路１１８及び進出路１４８を確実にクランク形状のラビリンス流路として形成することができる。

燃料電池スタック１６の前面は、スタックケース１８の前壁部７４の後面から若干離間する。このため、燃料電池スタック１６の前面と、前壁部７４の後面との間に間隙が形成される。走行風は、この間隙を流通することが可能である。

特に図示はしていないが、第１エンドプレート２６ａ、第２エンドプレート２６ｂがスタックケース１８に取り付けられた燃料電池スタック１６には、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２参照）にそれぞれ接続される接続配管が設けられる。このようにして、燃料電池システム１０の要部が構成されている。

フロントルーム１４において、スタックケース１８の前方には、ラジエタやファン等の図示しない補機類が収納される。これらの補機も、燃料電池システム１０を構成する。フロントルーム１４内には、燃料電池車両１２の前部に設けられたフロントグリル１５０等から走行風として大気が進入するが、スタックケース１８の上部に向かって進行する走行風は、これらの機器に遮られる。従って、スタックケース１８の上部に比して下部に一層多くの走行風が到達する。

本実施形態に係る燃料電池システム１０の要部は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、その作用効果につき説明する。

先ず、スタックケース１８では、第１左ボルト孔８６Ｌａ及び第１右ボルト孔８６Ｒａと、これらのボルト孔８６Ｌａ、８６Ｒａよりも高位置である第２左ボルト孔８６Ｌｂ及び第２右ボルト孔８６Ｒｂとの間に、全ての流入孔８２が位置する。同様に、第３左ボルト孔８６Ｌｃ及び第３右ボルト孔８６Ｒｃと、これらのボルト孔８６Ｌｃ、８６Ｒｃよりも高位置である第４左ボルト孔８６Ｌｄ及び第４右ボルト孔８６Ｒｄとの間に、全ての流出孔８４が位置する（図３参照）。このように、第１左ボルト孔８６Ｌａ～第４左ボルト孔８６Ｌｄ、第１右ボルト孔８６Ｒａ～第４右ボルト孔８６Ｒｄは流入孔８２及び流出孔８４の側部に形成されていない。このため、流入孔８２及び流出孔８４が前壁部７４に集中して形成されているにも拘わらず、スタックケース１８の剛性が十分なものとなる。

また、走行風（空気）をスタックケース１８内に取り入れるための流入孔８２が、スタックケース１８の前壁部７４（前端面）に形成されている。スタックケース１８の前壁部７４は、フロントルーム１４内において、走行風の進行方向の下流側である。このため、流入孔８２の開口面積を小さく設定した場合であっても、走行風が流入孔８２を通過してスタックケース１８の内部に進入することが容易である。このように、スタックケース１８の前壁部７４に流入孔８２を形成したことから、流入孔８２の開口面積を小さく設定することが可能となる。

そして、流入孔８２の開口面積の総和が小さい分、スタックケース１８の前壁部７４の剛性が大きくなる。従って、この場合、スタックケース１８の強度を確保することが容易であるという利点もある。

また、流入孔８２の開口面積の総和を小さく設定し得ることから、流入孔８２を、図３に示すように車幅方向右端に集中して形成することができる。勿論、これとは逆に、流入孔８２を車幅方向左端に集中させるようにしてもよい。換言すれば、流入孔８２を車幅方向右端又は左端のいずれかに偏倚させることができる。このため、流入孔８２が形成されていない左端又は右端の前方に何らかの機器を配設することが可能となる。すなわち、本実施形態によれば、フロントルーム１４内における機器の配置レイアウトの自由度が向上する。

ところで、図１に示す燃料電池車両１２の運転時には、燃料電池スタック１６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。この燃料ガスは、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に供給される燃料ガス中の水素と、カソード電極４２に供給される酸化剤ガス中の酸素とが、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。

そして、燃料電池車両１２が走行することに伴い、フロントグリル１５０等からフロントルーム１４内に大気が走行風として進入する。走行風は、燃料電池車両１２の前方から後方に向かって進行する。この過程で、スタックケース１８の上部に向かう走行風は、ラジエタやファン等の燃料電池システム１０の補機類に遮られる。従って、スタックケース１８の上部に走行風が到達することや、走行風が流出孔８４からスタックケース１８の内部に進入することが回避される。その一方で、走行風の一部は、ラジエタやファン等の燃料電池システム１０の補機類に遮られることなく、スタックケース１８の下部に到達する。

スタックケース１８の下部に到達した走行風は、第１カバー部材９０に形成された第１通気用連通孔１１６に進入する（図４参照）。ここで、流入孔８２、第１通気口１０８及び第１通気用連通孔１１６の全てが、スタックケース１８の前壁部７４に設けられている。従って、フロントルーム１４内を前方から後方に向かって進行する走行風が、効率よく第１通気用連通孔１１６を経て進入路１１８に進入する。このように、流入孔８２、第１通気口１０８及び第１通気用連通孔１１６をスタックケース１８の前壁部７４に設けることにより、流入孔８２の開口面積の総和を小さくした場合であっても、走行風をスタックケース１８内に取り入れることが容易となる。

第１通気用連通孔１１６に進入した走行風は、上記したように、第１カバー部材９０の、第１通気用連通孔１１６に重なった部位によって、進入路１１８に向かって屈曲するように進路を変更する。走行風は、さらに屈曲するように進路を変更し、進入路１１８から第１通気口１０８に向かう。このように、第１通気用連通孔１１６に進入した走行風は、第１通気口１０８を経て流入孔８２に到達するまでに２回の進路変更を行う必要がある。上記したように、第１通気用連通孔１１６から第１通気口１０８を経て流入孔８２に至るまでの経路が、クランク形状のラビリンス流路となっているからである。

走行風に砂粒や粉塵等の異物が同伴されている場合、このような異物が上記のラビリンス流路に沿って進路を変更しながら進行することは困難である。従って、異物が第１フィルタ材９８に到達することも困難である。仮に異物が第１フィルタ材９８に到達したとしても、この場合、第１フィルタ材９８では、ＰＴＦＥからなるフィルタ本体１０２が前方に臨む。粉塵等は、ＰＴＦＥに対して付着し難い。以上のような理由が相俟って、第１フィルタ材９８が短期間で目詰まりを起こすことが回避される。

第１通気口１０８、流入孔８２をこの順序で通過してスタックケース１８の内部に進入した走行風は、燃料電池スタック１６を冷却する役割も担う。すなわち、燃料電池スタック１６は、走行風によっても冷却される。なお、上記したように、異物が第１フィルタ材９８に到達したり、第１フィルタ材９８を通過したりすることは困難である。従って、スタックケース１８の内部に異物が進入することが回避される。

スタックケース１８の前壁部７４には、上部に形成された流出孔８４以外、スタックケース１８の内部を大気に開放する開口や孔は形成されていない。このため、走行風は、燃料電池スタック１６の前面と、スタックケース１８の前壁部７４の後面との間を上昇して流出孔８４に向かう。燃料電池スタック１６からスタックケース１８内に燃料ガスが漏出した場合、燃料ガス中の水素の比重が空気よりも小であることから、水素もスタックケース１８内を上昇するとともに、走行風に合流する。

走行風は、流出孔８４を介して第２フィルタ材１３４に到達する。なお、異物が第２フィルタ材１３４に到達することは困難であるので、第２フィルタ材１３４の目詰まりを抑制するべくＰＴＦＥからなるフィルタ本体１０２を流出孔８４側に向ける必要は特にないが、そのようにしても差し支えはない。

走行風は、さらに、第２フィルタ材１３４の目を通過し、第２通気口１３８から流出する。この際、走行風は、第２カバー部材９２の後面に形成された第２段部１４４によって遮られ、進出路１４８に向かって屈曲するように進路を変更する。走行風は、さらに屈曲するように進路を変更して第２通気用連通孔１４６に到達し、その後、該第２通気用連通孔１４６からスタックケース１８の外部に排気される。そして、燃料ガスが漏洩している場合、フロントルーム１４に、走行風によって希釈された燃料ガスが排出される。

流出孔８４の開口面積の総和は、流入孔８２の開口面積の総和に比して大きく設定されている。このため、流出孔８４をスタックケース１８の前壁部７４に設けた場合であっても、スタックケース１８内を上昇した走行風が効率よく流出孔８４を介してスタックケース１８の外部に排出される。すなわち、スタックケース１８内の換気がなされる。

ここで、上記したように、流出孔８４を経て第２通気口１３８から流出した走行風は、第２通気用連通孔１４６に到達するまでに２回の進路変更を行う必要がある。上記したように、流出孔８４から第２通気口１３８を経て第２通気用連通孔１４６に至るまでの経路が、クランク形状のラビリンス流路となっているからである。従って、何らかの原因によって第２通気用連通孔１４６から第２通気口１３８に向かって走行風が進行しようとした場合においても、第１カバー部材９０側と同様の理由から、異物が流出孔８４を介してスタックケース１８の内部に進入することや、第２フィルタ材１３４が短期間で目詰まりを起こすこと等を有効に抑制することができる。

本発明は上記した実施形態に特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変更が可能である。

例えば、流入孔８２及び流出孔８４の各々の個数を１個としてもよい。この場合、流入孔８２の開口面積を、流出孔８４の開口面積に比して小さく設定すればよい。また、流入孔８２を１個以上形成し且つ流出孔８４を複数個形成する場合において、１個の流入孔８２の開口面積を、１個の流出孔８４の開口面積に比して大きく設定するようにしてもよい。このときには、全ての流入孔８２の開口面積の総和が、全ての流出孔８４の開口面積の総和よりも小さくなるように、流入孔８２及び流出孔８４の個数を設定すればよい。

１０…燃料電池システム１２…燃料電池車両
１６…燃料電池スタック１８…スタックケース
２０…単位セル２６ａ、２６ｂ…エンドプレート
７４…前壁部８２…流入孔
８４…流出孔
８６、８６Ｌａ～８６Ｌｄ、８６Ｒａ～８６Ｒｄ…ボルト孔
９０、９２…カバー部材９６、１３２…ガスケット
９８、１３４…フィルタ材１００、１３６…押さえ部材
１０２…フィルタ本体１０４…支持材
１０８、１３８…通気口１１４、１４４…段部
１１６、１４６…通気用連通孔１１８…進入路
１４８…進出路

Claims

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、車両に搭載される燃料電池システムであって、
前記スタックケースは、前記車両の進行方向前方に臨む前端面を有し、
前記前端面の下部に、前記スタックケースの内部に進入する空気が通過するための流入孔が形成され、
前記前端面の上部に、前記スタックケースの内部から進出する空気が通過するための流出孔が形成され、
前記流出孔の開口面積が前記流入孔の開口面積に比して大であり、
前記流入孔又は前記流出孔を覆うカバー部材が設けられるとともに、前記カバー部材に、前記流入孔又は前記流出孔を大気に連通させる通気用連通孔が形成され、
前記カバー部材と前記スタックケースとの間にフィルタ材が介装され、
前記フィルタ材を押さえる押さえ部材が設けられるとともに、前記押さえ部材が前記通気用連通孔に重なり、且つ前記カバー部材の、前記押さえ部材を臨む端面に、前記押さえ部材から離間する側に向かって陥没する段部が形成され、前記押さえ部材と前記段部の間に流通路が形成される燃料電池システム。
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、車両に搭載される燃料電池システムであって、
前記スタックケースは、前記車両の進行方向前方に臨む前端面を有し、
前記前端面の下部に、前記スタックケースの内部に進入する空気が通過するための流入孔が形成され、
前記前端面の上部に、前記スタックケースの内部から進出する空気が通過するための流出孔が形成され、
前記流出孔の開口面積が前記流入孔の開口面積に比して大であり、
前記スタックケースの車幅方向端面に、前記燃料電池スタックを構成するエンドプレートを該スタックケースに連結するための連結孔が車高方向に沿って複数個形成されるとともに、前記流入孔及び前記流出孔が、低位置に形成された前記連結孔と、該連結孔よりも高位置で且つ該連結孔に隣接する別の前記連結孔との間となる位置に形成されている燃料電池システム。