本発明は、スタックケースの換気機構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換気用空気流路を有するため、外部から換気機構の当該換気用空気流路を介して、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入り込むおそれがある。

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、換気用空気流入孔を介して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防止す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、燃料電池スタックを収納するスタックケースとを備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池スタックの外周と前記スタックケースの内周との間には隙間が形成され、前記スタックケースの鉛直方向下部には、前記隙間に連通した換気用空気流入孔が設けられ、前記スタックケースの鉛直方向上部には、前記隙間に連通した換気用空気排出孔が設けられ、前記換気用空気流入孔には、液体不透過性で且つ気体透過性のフィルタ本体を有するフィルタ装置が配置されている。

前記フィルタ本体は、樹脂又はセラミックスの多孔質膜からなることが好ましい。

前記フィルタ装置は、前記フィルタ本体の外周を保持する保持枠部材を有し、前記保持枠部材は、前記換気用空気流入孔に嵌合する係合部を有することが好ましい。

前記換気用空気流入孔は、前記スタックケースの側面の鉛直方向下部に水平方向に並列して複数個設けられていることが好ましい。

前記燃料電池システムは、車両に搭載されており、前記換気用空気流入孔は、前記スタックケースの車両後方側の端部を構成する側面、又は前記スタックケースの車両幅方向の端部を構成する側面に設けられていることが好ましい。

前記スタックケースに隣接して接合された補機ケースを備え、前記補機ケースの鉛直方向下部には、前記補機ケースの内外を連通する換気用空気流入孔が設けられ、前記補機ケースの前記換気用空気流入孔には、液体不透過性で且つ気体透過性のフィルタ本体を有するフィルタ装置が配置されていることが好ましい。

本発明の燃料電池スタックによれば、換気用空気流入孔を介して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防止することが可能である。

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。

ケースユニットを車両後方側から見た斜視図である。

ケースユニットの分解斜視図である。

図5Aは、フィルタ装置の構造説明図である。図5Bは、他の構成に係るフィルタ装置の構造説明図である。

ケースユニットを下方側から見た斜視図である。

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。下方(下部)とは、鉛直方向の下方(下部)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方向側)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及び図3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。スタックケース14内において、燃料電池スタック12の外周とスタックケース14の内周との間には隙間Sが形成されている。

図4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(換気用空気排出孔)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4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(換気用空気排出孔)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。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。

図4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の下部には、燃料電池スタック12の外周とスタックケース14の内周との間に形成された隙間S(図1)に連通した換気用空気流入孔120が設けられている。スタックケース14の下部とは、スタックケース14の鉛直方向高さの中央よりも下方の部分を意味する。換気用空気流入孔120は、スタックケース14の車両幅方向(矢印B方向)の端部を構成する側面と、スタックケース14の車両後方側(矢印Ar方向側)の端部を構成する側面とに設けられている。

本実施形態では、具体的に、換気用空気流入孔120は、右サイドパネル78の下部と後方サイドパネル80の下部とに複数個ずつ設けられている。

右サイドパネル78において、換気用空気流入孔120は、車両前後方向である水平方向(矢印A方向)に並列して複数個設けられている。右サイドパネル78に設けられた複数個の換気用空気流入孔120の鉛直方向位置(高さ)は、同じでもよく、異なっていてもよい。

後方サイドパネル80において、換気用空気流入孔120は、車両幅方向である水平方向に並列して複数個設けられている。後方サイドパネル80に設けられた複数個の換気用空気流入孔120の鉛直方向位置(高さ)は、同じでもよく、異なっていてもよい。

複数個の換気用空気流入孔120にはそれぞれ、フィルタ装置122が配置されている。従って、燃料電池システム10は、スタックケース14の下部に複数個のフィルタ装置122を備える。

図5Aに示すように、各フィルタ装置122は、フィルタ本体124と、フィルタ本体124の外周を保持する保持枠部材126とを備える。フィルタ本体124は、液体不透過性で且つ気体透過性を有する。従って、フィルタ本体124は、水分の透過を阻止するが空気の透過を許容する機能を有する。フィルタ本体124は、樹脂(例えば、四フッ化エチレン等)又はセラミックスの多孔質膜からなることが好ましい。フィルタ本体124は、円盤状に形成されている。フィルタ本体124は、他の形状(楕円状、四角形状等)を有していてもよい。

保持枠部材126は、フィルタ本体124を全周に亘って囲む中空筒状の保持部128と、保持部128から突出した係合部130とを有する。スタックケース14と保持部128との間には、弾性材料からなるリング状のシール部材129が配置され、スタックケース14と保持部128との間が気密にシールされている。シール部材129は、係合部130を囲んで、スタックケース14と保持部128との互いに対向する面の間に全周に亘って配置されている。係合部130は、換気用空気流入孔120に嵌合している。係合部130は、周方向に間隔を置いて並列した複数の弾性片130aを有する。弾性片130aの先端にはスタックケース14の内面14sに係合する爪部130bが設けられている。

図5Aに示すフィルタ装置122に代えて、図5Bに示すフィルタ装置122Mが用いられてもよい。フィルタ装置122Mは、スタックケース14の外部で隙間を介して保持部128及びフィルタ本体124に対向する対向壁131を有する。対向壁131は、周方向に互いに間隔を置いて配置された複数の連結部131aを介して保持部128に連結している。当該対向壁131と保持部128との間に、保持部128の外周面にて開口する空気導入通路132bが形成されている。空気導入通路132bは、周方向に間隔を置いて複数形成されている。対向壁131が設けられていることにより、フィルタ本体124への水分や異物の直接的な進入が抑制される。以下において、フィルタ装置122について述べる事項は、フィルタ装置122Mについても同様に適用される。

これらの換気用空気流入孔120及びフィルタ装置122は、スタックケース14の側面(サイドパネル)に代えて、あるいはスタックケース14の側面に加えて、スタックケース14の鉛直方向の下面14k(図4、図6参照)に設けられてもよい。

図6に示すように、補機ケース72の下部には、補機ケース72の内外を連通する換気用空気流入孔132が水平方向に間隔を置いて複数個設けられている。各換気用空気流入孔132に、フィルタ装置122が配置されている。補機ケース72において換気用空気流入孔132は1つだけ設けられてもよい。補機ケース72の下部は、スタックケース14の下面14kよりも下方に突出している。具体的には、補機ケース72のスタックケース14との接合面(壁部92)のうちスタックケース14の下面14kよりも下方の部分92aに、換気用空気流入孔132及びフィルタ装置122が設けられている。

複数個の換気用空気流入孔132及び複数個のフィルタ装置122は、補機ケース72の下部における少なくとも2つの角部に設けられていることが好ましい。フィルタ装置122は、少なくとも部分的にスタックケース14により覆われていてもよい。換気用空気流入孔132及びフィルタ装置122は、補機ケース72の下面72k(第1ケース部材88の下面又は第2ケース部材90の下面)に設けられていてもよい。

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、図4等に示したように、スタックケース14の鉛直方向下部に設けられた換気用空気流入孔120に、液体不透過性で且つ気体透過性のフィルタ本体124を有するフィルタ装置122が配置されているため、スタックケース14内への換気用空気流入孔120を介した水分や異物の入り込みを防止することができる。

換気用空気流入孔120は、スタックケース14の側面の下部に水平方向に並列して複数個設けられている。この構成により、スタックケース14内に必要な量の換気用空気を効率的に導入することができ、換気性能の向上が図られる。

図5Aに示したように、フィルタ装置122は、フィルタ本体124の外周を保持する保持枠部材126を有し、保持枠部材126は、換気用空気流入孔120に嵌合する係合部130を有する。この構成により、換気用空気流入孔120にフィルタ装置122を容易に装着することができ、しかも安定的に配置することができる。

フィルタ本体124が、樹脂又はセラミックスの多孔質膜からなる場合、スタックケース14内への水分や異物の入り込みを一層効果的に防止することができる。

図6に示したように、燃料電池システム10は補機ケース72を備え、補機ケース72の下部に設けられた換気用空気流入孔132には、液体不透過性で且つ気体透過性のフィルタ本体124を有するフィルタ装置122が配置されている。この構成により、補機ケース72内の換気性能を向上させることができるとともに、補機ケース72内への水分や異物の入り込みを防止することができる。

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 120…換気用空気流入孔 122、122M…フィルタ装置 124…フィルタ本体