JP2015182719A - 燃料電池車両 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、燃料電池スタックから漏出した燃料ガスを、容易且つ確実に車外に排出させることを可能にする。
【解決手段】燃料電池車両１０を構成する燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池２０を積層するとともに、積層方向一端側の第１エンドプレート２６ａには、燃料ガス入口連通孔４２ａと燃料ガス出口連通孔４２ｂとが形成される。第１エンドプレート２６ａには、燃料ガス入口連通孔４２ａに連通する燃料ガス供給配管６６ａのみを囲繞する供給側カバー部材７６ａが設けられる。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数の燃料電池が積層された燃料電池スタックを備える燃料電池車両に関する。

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）を備えている。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自動車が提案されている。

この燃料電池自動車は、乗員居室の前方に燃料電池を搭載する閉空間を配置している。そして、必要に応じて、閉空間の上部には、第１開口部が設けられるとともに、走行時に負圧が発生する位置には、第２開口部が設けられ、前記閉空間内に燃料電池システムから漏洩した水素を排出している。

従って、閉空間の上部に開口部を設けた場合には、特に車両停止状態において、閉空間内で燃料電池システムから漏出した水素を確実に車外に換気できる、としている。また、開口部を負圧の発生位置に設けた場合には、走行時に燃料電池システムから漏洩した水素を閉空間から排出することができる、としている。

特開２００４−０４０９５０号公報

上記の特許文献１では、閉空間の上部に開口部が設けられている。このため、車両が前後に傾斜した際や、左右に傾斜した際に、水素が閉空間に残るおそれがある。従って、漏出した水素を確実に車外に換気することができないという問題がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、燃料電池スタックから漏出した燃料ガスを、容易且つ確実に車外に排出させることが可能な燃料電池車両を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池車両は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層されて積層方向両端にエンドプレートが配設された燃料電池スタックを備えている。一方のエンドプレートには、積層方向に貫通して燃料ガスを流通させる燃料ガス入口連通孔及び燃料ガス出口連通孔が形成されている。

一方のエンドプレートには、燃料ガス入口連通孔に連通する燃料ガス供給配管と、燃料ガス出口連通孔に連通する燃料ガス排出配管と、前記燃料ガス供給配管のみを囲繞する供給側カバー部材とが設けられている。そして、供給側カバー部材には、燃料電池車両の外部に開放される供給側ダクトホースが接続されている。

また、一方のエンドプレートには、燃料ガス出口連通孔のみを囲繞する排出側カバー部材が設けられるとともに、前記排出側カバー部材には、前記燃料電池車両の外部に開放される排出側ダクトホースが接続されることが好ましい。

さらに、燃料電池スタックの周囲を覆うとともに、供給側カバー部材とは個別に構成されるスタックケースを備えることが好ましい。

本発明によれば、一方のエンドプレートには、燃料ガス供給配管のみを囲繞して供給側カバー部材が設けられている。このため、燃料ガス供給配管から漏れた燃料ガスは、供給側カバー部材内に収容されて車両内に漏洩することがない。さらに、供給側カバー部材には、供給側ダクトホースが接続されており、前記供給側カバー部材内の燃料ガスは、前記供給側ダクトホースを通って燃料電池車両の外部に排出されている。

従って、簡単な構成で、燃料電池スタックから漏出した燃料ガスを、容易且つ確実に車外に排出させることが可能になる。これにより、燃料電池スタックから漏れた燃料ガスが車両内部に滞留することを確実に阻止することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池車両の前方部分の概略斜視説明図である。 前記燃料電池車両を構成する燃料電池スタックを収納するスタックケースの分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の要部分解斜視図である。 前記燃料電池スタックを構成する第１エンドプレート側の要部分解斜視説明図である。

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、複数の燃料電池２０が車両幅方向（矢印Ｂ方向）に積層される。燃料電池２０の積層方向一端には、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（一方のエンドプレート）２６ａが、外方に向かって順次配設される。燃料電池２０の積層方向他端には、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、燃料電池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の各角部と第２エンドプレート２６ｂの各角部とは、積層方向に延在するタイロッド３０により固定され、積層された燃料電池２０には、前記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、燃料電池２０は、電解質膜・電極構造体３２が、第１セパレータ３４及び第２セパレータ３６に挟持される。第１セパレータ３４及び第２セパレータ３６は、断面波形状にプレス加工された金属セパレータ又は溝加工されたカーボンセパレータにより構成される。

燃料電池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３８ａ、冷却媒体入口連通孔４０ａ及び燃料ガス出口連通孔４２ｂ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３８ａ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４０ａは、冷却媒体を供給する一方、燃料ガス出口連通孔４２ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。

燃料電池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４２ａ、冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔４０ｂ及び酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔３８ｂ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３８ａと酸化剤ガス出口連通孔３８ｂとに連通する酸化剤ガス流路４４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４２ａと燃料ガス出口連通孔４２ｂとに連通する燃料ガス流路４６が設けられる。

互いに隣接する燃料電池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４０ａと冷却媒体出口連通孔４０ｂとを連通する冷却媒体流路４８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、シール部材５０とシール部材５２とが、一体的又は個別に設けられる。

電解質膜・電極構造体３２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜５４と、前記固体高分子電解質膜５４を挟持するカソード電極５６及びアノード電極５８とを備える。カソード電極５６及びアノード電極５８は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜５４の両面に形成される。

図１及び図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、酸化剤ガス供給マニホールド６０ａと酸化剤ガス排出マニホールド６０ｂとがねじ止めされる。酸化剤ガス供給マニホールド６０ａは、酸化剤ガス入口連通孔３８ａに連通するとともに、前記酸化剤ガス供給マニホールド６０ａに酸化剤ガス供給配管６２ａが接続される。酸化剤ガス排出マニホールド６０ｂは、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂに連通するとともに、前記酸化剤ガス排出マニホールド６０ｂに酸化剤ガス排出配管６２ｂが接続される。

第１エンドプレート２６ａの他方の対角位置には、燃料ガス供給マニホールド６４ａと燃料ガス排出マニホールド６４ｂとがねじ止めされる。燃料ガス供給マニホールド６４ａは、燃料ガス入口連通孔４２ａに連通するとともに、前記燃料ガス供給マニホールド６４ａに燃料ガス供給配管６６ａが接続される。燃料ガス排出マニホールド６４ｂは、燃料ガス出口連通孔４２ｂに連通するとともに、前記燃料ガス排出マニホールド６４ｂに燃料ガス排出配管６６ｂが接続される。

図４に示すように、第１エンドプレート２６ａには、燃料ガス入口連通孔４２ａの両側にねじ穴６８が形成され、ねじ７０が燃料ガス供給マニホールド６４ａを貫通して前記ねじ穴６８に螺合される。燃料ガス供給マニホールド６４ａの先端外周に外装される燃料ガス供給配管６６ａは、バンド部材７２により固定される。

第１エンドプレート２６ａには、燃料ガス供給マニホールド６４ａを周回してメタルリング（面シール）７４ａが固定される。メタルリング７４ａには、燃料ガス供給配管６６ａのみ（燃料ガス供給マニホールド６４ａを含む）を囲繞して供給側カバー部材７６ａが固定される。なお、メタルリング７４ａに代えて、ゴム製のＯリングやガスケットを用いてもよい。

メタルリング７４ａの外周縁部には、複数個のねじ穴７８が形成される一方、供給側カバー部材７６ａの外周フランジ部には、前記ねじ穴７８に対応して複数個の孔部８０が形成される。各孔部８０に挿入されるねじ８２の先端は、ねじ穴７８に螺合され、供給側カバー部材７６ａがメタルリング７４ａにねじ止めされる。なお、メタルリング７４ａを用いずに、供給側カバー部材７６ａを第１エンドプレート２６ａに直接固定してもよい。

供給側カバー部材７６ａは、樹脂成形品又はアルミニウム鋳造物により構成され、略円筒形状を有する。供給側カバー部材７６ａの取り付け側の端部８４ａは、孔部８０を設けるとともに、メタルリング７４ａに気密に当接する。供給側カバー部材７６ａの反対側の端部８６ａは、取り付け側の端部８４ａより小径に構成され、燃料ガス供給配管６６ａの外周を気密に嵌合する。

供給側カバー部材７６ａの外周部には、円筒形状の配管接続部８８ａが膨出形成され、前記配管接続部８８ａには、供給側ダクトホース９０ａの一端がバンド部材９２ａを介して接続される。図１に示すように、供給側ダクトホース９０ａの他端は、燃料電池車両１０の車幅方向一方（矢印ＢＬ方向）に延在し、車両側部の第１車両排気口９４ａに接続される。供給側ダクトホース９０ａは、上方に引き出された後、車幅方向に延在するとともに、好ましくは、前記車幅方向上方に傾斜して延在する。

図２及び図４に示すように、第１エンドプレート２６ａには、燃料ガス排出配管６６ｂのみ（燃料ガス排出マニホールド６４ｂを含む）を囲繞して排出側カバー部材７６ｂがねじ止めされる。なお、燃料ガス供給マニホールド６４ａ側と同一の構成要素には、同一の参照数字にａに代えてｂを付し、その詳細な説明は省略する。

図１に示すように、排出側カバー部材７６ｂに接続された排出側ダクトホース９０ｂの他端は、燃料電池車両１０の車幅方向一方（矢印ＢＬ方向）に延在し、車両側部の第２車両排気口９４ｂに接続される。

第２エンドプレート２６ｂには、冷却媒体入口連通孔４０ａに連通する冷却媒体供給マニホールド（図示せず）と、冷却媒体出口連通孔４０ｂに連通する冷却媒体排出マニホールド（図示せず）とが設けられる。

図２に示すように、燃料電池スタック１２は、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９６、後方サイドパネル９８、アッパーパネル１００、ローワーパネル１０２、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、さらに第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、孔部１０４を通ってねじ穴１０６に螺合するねじ１０８により固定される。スタックケース１４は、燃料電池スタック１２の周囲を覆うとともに、供給側カバー部材７６ａ及び排出側カバー部材７６ｂとは個別に構成される。

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。

先ず、燃料電池車両１０の運転時には、図２及び図４に示すように、第１エンドプレート２６ａの燃料ガス供給マニホールド６４ａから燃料ガス入口連通孔４２ａに燃料ガスが供給される。一方、第１エンドプレート２６ａの酸化剤ガス供給マニホールド６０ａから酸化剤ガス入口連通孔３８ａ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４２ａから第２セパレータ３６の燃料ガス流路４６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５８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３８ａから第１セパレータ３４の酸化剤ガス流路４４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５６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５８に供給される水素ガスと、カソード電極５６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、図２及び図４に示すように、燃料ガス出口連通孔４２ｂから第１エンドプレート２６ａの燃料ガス排出マニホールド６４ｂに排出される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂから第１エンドプレート２６ａの酸化剤ガス排出マニホールド６０ｂに排出される。

また、冷却媒体は、第２エンドプレート２６ｂの冷却媒体供給マニホールド（図示せず）から冷却媒体入口連通孔４０ａに供給される。図３に示すように、冷却媒体は、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４８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４０ｂを流通して冷却媒体排出マニホールド（図示せず）に排出される。

この場合、本実施形態では、図２及び図４に示すように、第１エンドプレート２６ａには、燃料ガス供給配管６６ａのみを囲繞して供給側カバー部材７６ａが設けられている。このため、例えば、燃料ガス供給配管６６ａと燃料ガス供給マニホールド６４ａとの接合部位や第１エンドプレート２６ａと前記燃料ガス供給マニホールド６４ａとの接合部位から漏れた燃料ガスは、供給側カバー部材７６ａ内に確実に収容されて車両内に漏洩することがない。

さらに、供給側カバー部材７６ａには、供給側ダクトホース９０ａの一端が接続されるとともに、前記供給側ダクトホース９０ａの他端は、燃料電池車両１０の車両側部の第１車両排気口９４ａに接続されている（図１参照）。従って、供給側カバー部材７６ａ内の燃料ガスは、供給側ダクトホース９０ａを通って燃料電池車両１０の外部に排出されている。

これにより、簡単な構成で、燃料電池スタック１２から漏出した燃料ガスを、容易且つ確実に燃料電池車両１０の外部に排出させることが可能になる。このため、燃料電池スタック１２から漏れた燃料ガスが車両内部に滞留することを確実に阻止することができるという効果が得られる。

また、本実施形態では、第１エンドプレート２６ａには、燃料ガス排出配管６６ｂのみを囲繞して排出側カバー部材７６ｂが設けられている。従って、例えば、燃料ガス排出配管６６ｂと燃料ガス排出マニホールド６４ｂとの接合部位や第１エンドプレート２６ａと前記燃料ガス排出マニホールド６４ｂとの接合部位から漏れた燃料ガスは、排出側カバー部材７６ｂ内に収容されて車両内に漏洩することがない。これにより、簡単な構成で、燃料電池スタック１２から漏出した燃料ガスを、容易且つ確実に燃料電池車両１０の外部に排出させることが可能になる。

１０…燃料電池車両 １２…燃料電池スタック
１４…スタックケース １８…フロントルーム
２０…燃料電池 ２６ａ、２６ｂ…エンドプレート
３２…電解質膜・電極構造体 ３４、３６…セパレータ
３８ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ３８ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
４０ａ…冷却媒体入口連通孔 ４０ｂ…冷却媒体出口連通孔
４２ａ…燃料ガス入口連通孔 ４２ｂ…燃料ガス出口連通孔
４４…酸化剤ガス流路 ４６…燃料ガス流路
４８…冷却媒体流路 ５４…固体高分子電解質膜
５６…カソード電極 ５８…アノード電極
６０ａ…酸化剤ガス供給マニホールド ６０ｂ…酸化剤ガス排出マニホールド
６２ａ…酸化剤ガス供給配管 ６２ｂ…酸化剤ガス排出配管
６４ａ…燃料ガス供給マニホールド ６４ｂ…燃料ガス排出マニホールド
６６ａ…燃料ガス供給配管 ６６ｂ…燃料ガス排出配管
７４ａ…メタルリング ７６ａ…供給側カバー部材
７６ｂ…排出側カバー部材 ８８ａ…配管接続部
９０ａ…供給側ダクトホース ９０ｂ…排出側ダクトホース
９４ａ、９４ｂ…車両排気口 ９６…前方サイドパネル
９８…後方サイドパネル １００…アッパーパネル
１０２…ローワーパネル

Claims (3)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層されて積層方向両端にエンドプレートが配設されるとともに、一方のエンドプレートには、前記積層方向に貫通して前記燃料ガスを流通させる燃料ガス入口連通孔及び燃料ガス出口連通孔が形成される燃料電池スタックを備える燃料電池車両であって、
   前記一方のエンドプレートには、前記燃料ガス入口連通孔に連通する燃料ガス供給配管と、
   前記燃料ガス出口連通孔に連通する燃料ガス排出配管と、
   前記燃料ガス供給配管のみを囲繞する供給側カバー部材と、
   が設けられるとともに、
   前記供給側カバー部材には、前記燃料電池車両の外部に開放される供給側ダクトホースが接続されることを特徴とする燃料電池車両。
2. 請求項１記載の燃料電池車両において、前記一方のエンドプレートには、前記燃料ガス出口連通孔のみを囲繞する排出側カバー部材が設けられるとともに、
   前記排出側カバー部材には、前記燃料電池車両の外部に開放される排出側ダクトホースが接続されることを特徴とする燃料電池車両。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池車両において、前記燃料電池スタックの周囲を覆うとともに、前記供給側カバー部材とは個別に構成されるスタックケースを備えることを特徴とする燃料電池車両。

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