JP6104864B2 - 燃料電池スタック及び燃料電池車両 - Google Patents

Description

本発明は、複数の燃料電池が積層された積層体の積層方向両端に矩形状のエンドプレートが配設される燃料電池スタック及び前記燃料電池スタックが搭載され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、筐体内に漏出した燃料ガスを、容易且つ確実に排出させることが可能な燃料電池スタック及び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スタックは、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た積層体の積層方向両端に矩形状のエンドプレートが配設されている。燃料電池スタックは、一対のエンドプレート間に、各辺同士を繋いでサイドプレートが設けられた筐体を備えている。そして、エンドプレートの重力方向上部には、筐体の内部と積層体との間に形成される空間に繋がる開口部が設けられている。

また、この燃料電池スタックでは、エンドプレートの重力方向上方には、側方向に突出する突起部が設けられるとともに、前記突起部には、開口部が形成されることが好ましい。

さらに、本発明に係る燃料電池車両では、燃料電池スタックがフロントルーム内に搭載されている。エンドプレートの重力方向上部には、筐体の内部と積層体との間に形成される空間に繋がる開口部が設けられている。開口部には、排気用配管が接続されている。そして、排気用配管は、フロントルームを構成する車体部材の側方に接続され、燃料電池スタックの内部空間と燃料電池車両の外部との間を連通させている。

本発明によれば、エンドプレートの重力方向上部には、筐体の内部と積層体との間に形成される空間に繋がる開口部が設けられている。このため、筐体内を上昇する燃料ガスは、エンドプレートに形成されている開口部から燃料電池スタックの外部に排出されている。

従って、筐体内に燃料ガスが滞留することがなく、簡単な構成で、前記筐体内に漏出した燃料ガスを、燃料電池スタックの外部に容易且つ確実に排出させることが可能になる。

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。 前記燃料電池車両の概略平面説明図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する筐体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の、図１中、Ｖ−Ｖ線断面図である。 前記筐体の要部斜視説明図である。

図１及び図２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では、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１２を構成する筐体１４が、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内に配設される。

図３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）に積層された燃料電池積層体２０Ｍを備える。燃料電池積層体２０Ｍ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エンドプレート２６ａ及び第２エンドプレート２６ｂの重力方向（矢印Ｃ方向）上部には、一方の角部に対応して側方向（矢印Ａ方向）に突出する突起部２６ａｔ、２６ｂｔが設けられる。突起部２６ａｔ、２６ｂｔには、開口部２７ａ、２７ｂが形成される。突起部２６ａｔ、２６ｂｔは、第１エンドプレート２６ａ及び第２エンドプレート２６ｂの重力方向の最上部に設けられることが好ましい。

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の略中央部（中央から偏心してもよい）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の略中央部（中央から偏心してもよい）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と第２エンドプレート２６ｂとの各辺間には、それぞれ各辺の略中央位置に対応して一定の長さを有する連結バー３０が配置される。連結バー３０の両端は、ねじ３１により固定され、燃料電池積層体２０Ｍに積層方向（矢印Ｂ方向）の締め付け荷重を付与する。

図４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、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。

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、燃料ガス入口連通孔４２ａ、冷却媒体出口連通孔４０ｂ及び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。燃料ガス入口連通孔４２ａは、燃料ガスを供給し、冷却媒体出口連通孔４０ｂは、冷却媒体を排出し、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂは、酸化剤ガスを排出する。

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、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、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。

互いに隣接し、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、第１シール部材５０と第２シール部材５２とが、一体的又は個別に設けられる。

第１シール部材５０及び第２シール部材５２としては、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール部材が用いられる。

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３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、酸化剤ガス入口連通孔３８ａに連通する酸化剤ガス供給マニホールド６０ａと、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂに連通する酸化剤ガス排出マニホールド６０ｂとが設けられる。第１エンドプレート２６ａの他方の対角位置には、燃料ガス入口連通孔４２ａに連通孔する燃料ガス供給マニホールド６２ａと、燃料ガス出口連通孔４２ｂに連通する燃料ガス排出マニホールド６２ｂとが設けられる。好ましくは、突起部２６ａｔに対応する角部には、燃料ガス供給マニホールド６２ａが設けられる。

図２に示すように、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６４ａ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６４ｂとが設けられる。

図３に示すように、燃料電池スタック１２は、平面視矩形状、例えば、平面視長方形状の筐体１４内に収納される。図１、図３及び図５に示すように、筐体１４は、第１エンドプレート２６ａ及び第２エンドプレート２６ｂの各辺同士を繋ぐサイドプレートである前方サイドパネル６６、後方サイドパネル６８、アッパーパネル７０及びローワーパネル７２を備える。筐体１４を構成する各サイドプレートは、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７４を通ってねじ穴７６に螺合するねじ７８により固定される。

なお、サイドプレートは、４枚に限定されるものではなく、例えば、２枚であってもよい。断面Ｌ字状の２枚のサイドプレートや１枚の平板プレートと１枚のコ字状プレートとの組み合わせでもよい。サイドプレートの内部に燃料電池スタック１２を収容する空間が形成されていればよい。

筐体１４の後方側面を構成する後方サイドパネル６８は、重力方向上部に肉厚部６８ｔを有し、前記肉厚部６８ｔは、長手方向（矢印Ｂ方向）に延在する。図３及び図６に示すように、肉厚部６８ｔには、平坦面６８ｓ側（燃料電池積層体２０Ｍ側の面）に長手方向両端からそれぞれ内方に所定の長さＬに亘って且つ所定の深さＤを有して窪み部（凹部）８０が形成される。

一方の窪み部８０には、第１エンドプレート２６ａの突起部２６ａｔが配置され、他方の窪み部８０には、第２エンドプレート２６ｂの突起部２６ｂｔ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の各厚さｔは、各窪み部８０の長さＬよりも短尺に構成される。第１エンドプレート２６ａと第２エンドプレート２６ｂとが各窪み部８０に配置された状態で、前記窪み部８０には、隙間８０ｓが形成される（図６参照）。

各隙間８０ｓは、燃料電池積層体２０Ｍと筐体１４の内壁面との間に形成される空間８２（図５参照）に連通するとともに、前記空間８２は、各突起部２６ａｔ、２６ｂｔの開口部２７ａ、２７ｂに連通する。図６に示すように、窪み部８０の深さＤは、突起部２６ａｔ、２６ｂｔの突出長さ以上に設定される。なお、肉厚部６８ｔは、後方サイドパネル６８とは別部材として構成し、前記後方サイドパネル６８にねじ止めや固着により接合してもよい。

図３に示すように、開口部２７ａ、２７ｂには、排気ダクト（排気用配管）８４ａ、８４ｂの一端部が接続される。図１及び図２に示すように、排気ダクト８４ａは、筐体１４の側部から突出した後、燃料電池車両１０の車幅方向一方（矢印ＢＬ方向）から上方側に延在し、車両排気口８６ａ（車体部材）に接続される。車両排気口８６ａは、フロントルーム１８の外部に連通する。

排気ダクト８４ｂは、筐体１４の側部から突出した後、燃料電池車両１０の車幅方向他方（矢印ＢＲ方向）から上方側に延在し、車両排気口（車体部材）８６ｂに接続される。車両排気口８６ｂは、フロントルーム１８の外部に連通する。燃料電池スタック１２は、第１エンドプレート２６ａ及び第２エンドプレート２６ｂに設けられた図示しないマウント部材を介して車両フレームに固定される。

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３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６２ａ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４に示すように、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔４２ａから第１セパレータ３４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２セパレータ３６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３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６２ｂ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、図２に示すように、第２エンドプレート２６ｂの冷却媒体供給マニホールド６４ａから冷却媒体入口連通孔４０ａに供給される。図４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６４ｂに排出される。

この場合、本実施形態では、図３に示すように、第１エンドプレート２６ａの突起部２６ａｔと第２エンドプレート２６ｂの突起部２６ｂｔとに、筐体１４の内部と燃料電池積層体２０Ｍとの間に形成される空間８２に繋がる開口部２７ａ、２７ｂが設けられている。具体的には、各突起部２６ａｔ、２６ｂｔは、後方サイドパネル６８の肉厚部６８ｔに形成された各窪み部８０が配置されるとともに、前記窪み部８０は、隙間８０ｓを介して空間８２に連通している（図６参照）。

このため、筐体１４内を上昇する燃料ガスを含む気体（以下、排出気体ともいう）は、空間８２の上部側に移動し、隙間８０ｓを通って開口部２７ａ、２７ｂに導入される。排出気体は、開口部２７ａ、２７ｂに連なる排気ダクト８４ａ、８４ｂを介して燃料電池スタック１２の外部に排出されている。従って、筐体１４内に燃料ガスが滞留することがなく、簡単な構成で、前記筐体１４内に漏出した燃料ガスを、容易且つ確実に排出させることが可能になるという効果が得られる。

その際、排気ダクト８４ａ、８４ｂの他端は、車両排気口８６ａ、８６ｂを介して外部に開放されている。これにより、燃料電池スタック１２から漏出する燃料ガスは、燃料電池車両１０の外部に容易且つ確実に排出され、例えば、フロントルーム１８に前記燃料ガスが滞留することを可及的に抑制することができるという利点がある。

さらに、燃料電池スタック１２には、積層方向（矢印Ｂ方向）両側に排気ダクト８４ａ、８４ｂが設けられている。このため、燃料電池車両１０が左右方向一方（車両右側が下方）に傾いた際には、漏洩する燃料ガスは、一方の排気ダクト８４ａから確実に排出される。同様に、燃料電池車両１０が左右方向他方（車両左側が下方）に傾いた際には、漏洩する燃料ガスは、他方の排気ダクト８４ｂから確実に排出される。

１０…燃料電池車両 １２…燃料電池スタック
１４…筐体 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
６６…前方サイドパネル ６８…後方サイドパネル
６８ｔ…肉厚部 ７０…アッパーパネル
７２…ローワーパネル ８０…窪み部
８０ｓ…隙間 ８２…空間
８４ａ、８４ｂ…排気ダクト ８６ａ、８６ｂ…車両排気口

Claims (2)

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た積層体の積層方向両端に矩形状のエンドプレートが配設されるとともに、一対の前記エンドプレート間に、各辺同士を繋いでサイドプレートが設けられた筐体を備える燃料電池スタックであって、
   前記エンドプレートの重力方向上部には、前記筐体の内部と前記積層体との間に形成される空間に繋がる開口部が設けられ、
   前記エンドプレートの重力方向上方には、側方向に突出する突起部が設けられるとともに、
   前記突起部には、前記開口部が形成されることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 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た積層体の積層方向両端に矩形状のエンドプレートが配設されるとともに、一対の前記エンドプレート間には、各辺同士を繋いでサイドプレートが設けられた筐体を備える燃料電池スタックがフロントルーム内に搭載される燃料電池車両であって、
   前記エンドプレートの重力方向上部には、前記筐体の内部と前記積層体との間に形成される空間に繋がる開口部が設けられるとともに、
   前記開口部には、排気用配管が接続され、且つ、前記排気用配管は、前記フロントルームを構成する車体部材の側方に接続され、前記燃料電池スタックの内部空間と前記燃料電池車両の外部との間を連通させることを特徴とする燃料電池車両。

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