JP2010251182A - 燃料電池モジュール及びそれを備えた燃料電池搭載車両 - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換器の良好な性能を維持して電力を効率良く供給することが可能な燃料電池モジュール及びそれを備えた燃料電池搭載車両を提供する。
【解決手段】反応ガスの供給を受けて電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタック１６と、該燃料電池スタック１６の発電電力を変換する電力変換器１７と、これら燃料電池スタック１６と電力変換器１７とを収容するケース１８と、を備えた燃料電池モジュール１２であって、前記ケース１８には、前記電力変換器１７の上面よりも高い位置に開口部が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池スタックと電力変換器とをケース内に収容した燃料電池モジュール及びそれを備えた燃料電池搭載車両に関する。

反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源とする燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックと同一筐体内に、燃料電池スタックの出力電圧を昇圧させるコンバータ（電力変換器）を収める技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−２０７５８２号公報

上記のように、同一筐体内に燃料電池スタックとコンバータとを収容してモジュール化することにより、燃料電池スタックとコンバータとの間にて大電流を流すハーネスやコネクタなどの構造及びシール構造の簡略化を図ることができ、さらに、コンパクト化を図ることができる。

ところが、コンバータは、リアクトルや電流センサあるいはリレーなどを構成部品としており、これらの構成部品は、フェライトから形成された磁石を有しているので、フェライトが反応ガスとして用いられる水素ガスに接触すると、その磁力の低下を招くことがある。このため、燃料電池スタックとコンバータとを同一筐体内に収めると、燃料電池スタックから僅かに漏出する水素ガスが長期にわたってコンバータ側へ流れ、コンバータの性能低下を引き起こすおそれがあった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、電圧変換器の良好な性能を維持して効率良く電力を供給することが可能な燃料電池モジュール及びそれを備えた燃料電池搭載車両を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池モジュールは、反応ガスの供給を受けて電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、該燃料電池スタックの発電電力を変換する電力変換器と、これら燃料電池スタックと電力変換器とを収容するケースと、を備えた燃料電池モジュールであって、前記ケースには、前記電力変換器の上面よりも高い位置に開口部が形成されている。

本発明の燃料電池モジュールによれば、燃料電池スタックでの発電時に、燃料電池スタックから反応ガスとして用いられる水素ガス（燃料ガス）が僅かに漏出したとしても、空気より軽い水素ガスは、燃料電池スタックの上方へ上昇し、ケースの上板に形成された開口部から外部へ排出される。このとき、電力変換器の上面よりも高い位置に開口部が形成されているので、燃料電池スタックから漏出した水素ガスの電力変換器側への流れ込みが抑制される。これにより、水素ガスによる電力変換器の性能低下を抑制して良好な性能を維持することができる。

本発明の燃料電池モジュールにおいて、前記電力変換器は、前記燃料電池スタックよりも低い位置に配置されていても良い。

本発明の燃料電池モジュールにおいて、前記開口部は、前記燃料電池スタックの上方位置に配置されていても良い。

本発明の燃料電池モジュールにおいて、前記開口部に、防水性及び通気性を有する防水膜が設けられていても良い。

本発明の燃料電池モジュールにおいて、前記ケース内には、前記燃料電池スタックと前記電力変換器との間に隔壁が設けられていても良い。

本発明の燃料電池モジュールにおいて、前記開口部に、前記ケース内の空気を外部へ排出するファンが設けられていても良い。

本発明の燃料電池モジュールにおいて、前記ファンは、前記燃料電池スタックから前記電力変換器へ電力を送る配線に並列接続されていても良い。

本発明の燃料電池モジュールにおいて、前記電力変換器は、前記燃料電池からの出力電圧を所定電圧まで昇圧させるコンバータであってもよい。

本発明の燃料電池搭載車両は、上記のいずれかの燃料電池モジュールを車体に搭載している。

この発明の燃料電池搭載車両によれば、水素ガスによる電力変換器の性能低下を抑制して良好な性能を維持することが可能な燃料電池モジュールを搭載しているので、効率良く走行することができる。

また、本発明の燃料電池搭載車両において、前記ケースには、前記車体の走行方向前方側に空気取り入れ口が形成されていても良い。

本発明によれば、電力変換器の良好な性能を維持して効率良く電力を供給することができる。

本実施形態に係る燃料電池モジュールを備えた燃料電池搭載車両の概略構成図である。 変形例を示す燃料電池搭載車両の概略構成図である。 他の変形例を示す燃料電池搭載車両の概略構成図である。 他の変形例を示す燃料電池搭載車両の概略構成図である。

次に、本発明に係る燃料電池モジュール及びそれを備えた燃料電池搭載車両の一実施形態を説明する。

図１に示すように、燃料電池搭載車両１０は、燃料電池モジュール１２を車体１１のフロア下に搭載している。
燃料電池搭載車両１０の車体１１は、そのシート１３の下方にモジュール収容部１４を有しており、このモジュール収容部１４内に、燃料電池モジュール１２を収容している。

この燃料電池モジュール１２は、燃料電池スタック１６とコンバータ（電力変換器）１７とを有し、これら燃料電池スタック１６とコンバータ１７とを共通のケース１８内に収納して当該一つのケース１８によって覆った構造とされている。

燃料電池スタック１６は、燃料ガスである水素ガス（反応ガス）と酸化ガスである空気（反応ガス）との電気化学反応により電力を発生するもので、例えば高分子電解質形燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造となっている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極および燃料極を両側から挟み込むように配置された一対のセパレータを有する構造となっている。

そして、一方のセパレータの水素ガス流路に水素ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に空気が供給され、これらの反応ガスが電気化学反応することで電力が発生する。

コンバータ１７は、燃料電池スタック１６の発電電力を変換する装置であり、例えば、燃料電池スタック１６からの出力電圧を所定電圧まで昇圧して駆動モータ２７に電力を供給する。
これら燃料電池スタック１６とコンバータ１７とは、電力ケーブル（配線）１９によって接続されている。

ケース１８内に収容されたコンバータ１７は、燃料電池スタック１６よりも低い位置に配置されていてもよいが、レイアウトやケース１８の形状や構造上の制約などから、図１に示すように、燃料電池スタック１６の底面とコンバータ１７の底面とが同一面内にあってもよい。

燃料電池モジュール１２を構成するケース１８の上面を構成する上板１８ａは、燃料電池スタック１６側がコンバータ１７側よりも高くなっており、この高くなっている上板１８ａ側の燃料電池スタック１６の上方に開口部２１が形成されている。

つまり、このケース１８の上板１８ａに形成された開口部２１は、燃料電池スタック１６の上方位置に配置され、コンバータ１７の上面よりも高い位置に配置されている。
開口部２１には、通気性及び防水性を有する防水膜２２が設けられ、この防水膜２２によって開口部２１が塞がれている。

車体１１には、さらに駆動モータ２５及びインバータ２６が搭載されている。インバータ２６とコンバータ１７とは、送電ケーブル３１によって接続されている。また、駆動モータ２５とインバータ２６とは、給電ケーブル３２によって接続されている。

駆動モータ２５は、例えば三相交流モータであり、燃料電池搭載車両１０の主動力源を構成する。つまり、この駆動モータ２５の駆動力によって車体１１の車輪３３が回転駆動され、燃料電池搭載車両１０が走行する。インバータ２６は、直流電流を三相交流に変換して駆動モータ２５に供給し、駆動モータ２５を駆動させる。

上記構成からなる燃料電池モジュール１２では、燃料電池スタック１６での発電時に、燃料電池スタック１６から僅かに水素ガスが漏出したとしても、空気より軽い水素ガスは、燃料電池スタック１６の上方へと上昇し、ケース１２の上板１８ａに形成された開口部２１から防水膜２２を介して外部へ排出される。

この燃料電池モジュール１２は、ケース１８におけるコンバータ１７の上面よりも高い位置に開口部２１が形成されているので、燃料電池スタック１６から漏出した水素ガスのコンバータ１７側への流れ込みが抑制される。これにより、水素ガスによるコンバータ１７の性能低下を抑制して良好な性能を維持することが可能になり、仮に僅かな水素ガス漏れが生じたとしても、効率良く電力を供給することができる。

そして、この燃料電池モジュール１２を搭載した燃料電池搭載車両１０によれば、水素ガスによるコンバータ１７の性能低下を抑制して良好な性能を維持することが可能な燃料電池モジュール１２を搭載しているので、効率良く走行することができる。

また、本実施形態の燃料電池搭載車両１０においては、ケース１８の開口部２１に防水性及び通気性を有する防水膜２２が設けられているので、例えば、雨天時の走行中などであっても開口部２１からケース１８内への水の侵入を抑制することができる。

次に、上記実施形態の変形例について説明する。
図２に示す燃料電池モジュール１２Ａでは、ケース１８内における燃料電池スタック１６とコンバータ１７との間に、隔壁４０が設けられている。

この隔壁４０は、ケース１８内に収納された燃料電池スタック１６やコンバータ１７を保護するための躯体の一部として機能するものではないから、躯体としての強度は不要である。この隔壁４０としては、水素ガスなどの気体の透過性が低い金属板、あるいは水素ガスを捕捉して水とするような触媒機能を有する薄膜を用いるのが好ましい。

なお、この隔壁４０は、燃料電池スタック１６とコンバータ１７とを接続する電力ケーブル１９に対しては絶縁されている。
また、隔壁４０は、ケース１８内を完全に二分するものである必要は必ずしもなく、例えば隔壁４０の下端がケース１８の底面に接しておらず、それら下端と底面との間に所定の隙間が形成されていてもよい。

このような隔壁４０を設けた燃料電池モジュール１２Ａによれば、燃料電池スタック１６から漏出した水素ガスのコンバータ１７側への流れ込みを隔壁４０によってさらに良好に抑制することができ、水素ガスによるコンバータ１７の性能低下をより良好に抑制して高い性能を維持することができる。

図３に示す燃料電池モジュール１２Ｂでは、ケース１８の開口部２１に、ケース１８内の空気を外部へ排出する電動ファン（ファン）４１が設けられている。この電動ファン４１は、例えば補機バッテリ(不図示)から給電を受けて駆動する。また、ケース１８内には、上板１８ａの裏面に、水素センサ４２が設けられている。

さらに、ケース１８には、車体１１の走行方向前方側に、空気取り入れ口４３が形成されている。この空気取り入れ口４３にも、通気性及び防水性を有する防水膜４４が設けられ、この防水膜４４によって空気取り入れ口４３が塞がれている。

このような燃料電池モジュール１２Ｂでは、水素センサ４２によって水素ガスが検出されると、電動ファン４１が駆動され、これにより、ケース１８内の空気が電動ファン４１によって外部へ送り出される。このとき、ケース１８内には、空気取り入れ口４３から外気が流入することとなる。

このように、上記の燃料電池モジュール１２Ｂによれば、燃料電池スタック１６から漏出した水素ガスを電動ファン４１によって強制的に外部へ送り出すことが可能になるので、コンバータ１７側への水素ガスの流れ込みを一層良好に抑制することができ、水素ガスによるコンバータ１７の性能低下を良好に抑制して高い性能を維持することができる。

また、ケース１８に形成した空気取り入れ口４３は、車体１１の走行方向前方側に設けられているので、燃料電池搭載車両１０が走行する際には、空気取り入れ口４３からケース１８内に外気が積極的に流入し、ケース１８内の空気が開口部２１から送り出されることとなる。つまり、走行時に空気取り入れ口４３から流入する外気によってケース１８内の空気を開口部２１から送り出すことができるので、燃料電池スタック１６から漏出した水素ガスを、より効率的に外部へ放出することができる。

なお、空気取り入れ口４３にも、防水性及び通気性を有する防水膜４４が設けられているので、例えば、雨天時の走行中などであっても空気取り入れ口４３からケース１８内への水の侵入を抑制することができる。

図４に示す燃料電池モジュール１２Ｃは、水素センサ４２を設けず、電動ファン４１の配線ケーブル４１ａを燃料電池スタック１６の電力ケーブル１９に並列に接続し、電力ケーブル１９から電動ファン４１に直接給電される構造としたものである。

そして、この燃料電池モジュール１２Ｃでは、電力ケーブル１９側の電圧が電動ファン４１の駆動電圧より高い状態であると、電動ファン４１へ給電され、電動ファン４１が駆動する。

したがって、燃料電池スタック１６が運転している状態では、ほぼ常時、電動ファン４１が駆動することとなり、燃料電池スタック１６から漏出した水素ガスを電動ファン４１によって強制的に外部へ送り出し、コンバータ１７側への水素ガスの流れ込みを良好に抑制することができ、水素ガスによるコンバータ１７の性能低下を良好に抑制して高い性能を維持することができる。

また、燃料電池スタック１６の運転停止後においては、燃料電池スタック１６あるいはコンバータ１７内のコンデンサに残留している電荷によって電力ケーブル１９側の電圧が電動ファン４１の駆動電圧より高い状態が続いている限り、電動ファン４１は継続して駆動する。

ここで、燃料電池スタック１６の運転停止後であっても、停止後しばらくの間は燃料電池スタック１６内に水素ガスが残留している。このため、燃料電池スタック１６内に残留している水素をパージしたり消費する等の処理を行なうことがある。

しかし、上記の燃料電池モジュール１２Ｃでは、燃料電池スタック１６の運転停止後であっても、電力ケーブル１９側の電圧が電動ファン４１の駆動電圧より高い状態が続く限り、電動ファン４１が駆動し続けるので、燃料電池スタック１６内に残留した水素ガスが漏出するおそれがある運転停止直後においても、ケース１８内の空気を電動ファン４１によって強制的に外部へ送り出し、コンバータ１７側への水素ガスの流れ込みを良好に抑制し、水素ガスによるコンバータ１７の性能低下を良好に抑制して高い性能を維持することができる。

また、この燃料電池モジュール１２Ｃでは、燃料電池スタック１６の停止後に、燃料電池スタック１６あるいはコンバータ１７内のコンデンサに残留している電荷を電動ファン４１の駆動によって消費することができ、これにより、燃料電池スタック１６の停止後にメンテナンスを行う際にも、その安全性を一層高めることができる。

１０…燃料電池搭載車両、１１…車体、１２…燃料電池モジュール、１６…燃料電池スタック、１７…コンバータ（電力変換器）、１８…ケース、１９…電力ケーブル（配線）、２１…開口部、２２…防水膜、４０…隔壁、４１…電動ファン（ファン）、４３…空気取り入れ口。

Claims (10)

1. 反応ガスの供給を受けて電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、該燃料電池スタックの発電電力を変換する電力変換器と、これら燃料電池スタックと電力変換器とを収容するケースと、を備えた燃料電池モジュールであって、
   前記ケースには、前記電力変換器の上面よりも高い位置に開口部が形成されている燃料電池モジュール。
2. 請求項１に記載の燃料電池モジュールであって、
   前記電力変換器は、前記燃料電池スタックよりも低い位置に配置されている燃料電池モジュール。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池モジュールであって、
   前記開口部は、前記燃料電池スタックの上方位置に配置されている燃料電池モジュール。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池モジュールであって、
   前記開口部に防水性及び通気性を有する防水膜が設けられている燃料電池モジュール。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池モジュールであって、
   前記ケース内には、前記燃料電池スタックと前記電力変換器との間に隔壁が設けられている燃料電池モジュール。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の燃料電池モジュールであって、
   前記開口部に、前記ケース内の空気を外部へ排出するファンが設けられている燃料電池モジュール。
7. 請求項６に記載の燃料電池モジュールであって、
   前記ファンは、前記燃料電池スタックから前記電力変換器へ電力を送る配線に並列接続されている燃料電池モジュール。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の燃料電池モジュールであって、
   前記電力変換器が前記燃料電池からの出力電圧を所定電圧まで昇圧させるコンバータである燃料電池モジュール。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の燃料電池モジュールを車体に搭載した燃料電池搭載車両。
10. 請求項９に記載の燃料電池搭載車両であって、
    前記ケースにおける前記車体の走行方向前方側に、空気取り入れ口が形成されている燃料電池搭載車両。

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