JP2018129166A - 燃料電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】換気膜の破断が遅れて、燃料電池ケース内の部品が損傷することを防ぐ。【解決手段】燃料電池モジュールは、燃料電池と、前記燃料電池を収容するとともに、換気用の貫通孔を有する燃料電池ケースと、前記貫通孔を覆う換気膜と；前記換気膜の外側に、前記換気膜に対して隙間を開けて配置され、前記換気膜に向かう刃部と、を備える。【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池モジュールに関する。

従来、燃料電池を収容する燃料電池ケースにおいて、換気用の開口部を設け、この開口部に水の浸入を防止する換気膜を配置した構成が提案されている（特許文献１）。

特開２０１５−０７６１５２号公報

前記従来の技術では、燃料電池内で水素燃焼が発生し、燃料電池ケース内の圧力が上がり過ぎた場合に、圧力によって換気膜が破断されることで、燃料電池内の異常な圧力上昇が防止される。しかしながら、前記従来の技術では、換気膜が破断されるまで、ある程度の時間が必要であり、その間に燃料電池ケース内の部品が損傷する虞があった。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態は、燃料電池モジュールである。この燃料電池モジュールは；燃料電池と；前記燃料電池を収容するとともに、換気用の貫通孔を有する燃料電池ケースと；前記貫通孔を覆う換気膜と；前記換気膜の外側に、前記換気膜に対して隙間を開けて配置され、前記換気膜に向かう刃部と；を備えることを特徴としている。この燃料電池モジュールによれば、燃料電池ケース内で圧力が上昇した際に、換気膜が内側から外側へ押圧され外側へ膨らむ。この際に刃部に換気膜が接触し、換気膜が素早く破断されるため、燃料電池ケース内の圧力を素早く逃すことができる。したがって、本発明の一形態の燃料電池モジュールによれば、燃料電池ケース内の圧力が上昇し過ぎて、燃料電池ケース内の部品が損傷することを抑制できるという効果を奏する。

本発明の一実施形態としての燃料電池モジュールの全体構成を示す説明図である。 換気カバーの平面図である。 図２における１−１線矢視端面図である。 羽板の詳しい形状と、羽板と換気膜との位置関係を示す説明図である。 燃料電池ケースの側面に取り付けられた換気カバーを示す端面図である。 本実施形態の作用効果を示す説明図である。

図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池モジュール１００の全体構成を示す説明図である。燃料電池モジュール１００は、燃料電池スタック８０と、燃料電池スタック８０を収容する燃料電池ケース１０と、を備える。燃料電池モジュール１００は、車両の床下に搭載される。

燃料電池スタック８０は、燃料電池のセル（発電セル）が複数、積層されたセル積層体であり、例えば固体高分子型のものである。各発電セルは、車両が搭載する燃料ガスタンク（図示せず）から供給される燃料ガスと、車両の周囲から酸化剤ガスとして供給される空気とを用いて発電する。本実施形態においては、燃料ガスとして水素ガスを採用する。

燃料電池ケース１０は、大まかには直方体の形状を有しており、直方体の長手方向と複数の発電セルの積層方向Ｘが一致するように、燃料電池スタック８０を収容する。燃料電池ケース１０は、金属（例えば、アルミニウム）製の鋳造品である。

燃料電池ケース１０は、車両の車体に連結されたスタックフレーム（図示省略）上に固定される。燃料電池ケース１０とスタックフレームとの間の固定は、本実施形態では、マウント部１２によってなされている。

燃料電池ケース１０の有する四方の側面のうちの積層方向Ｘに垂直な一方の側面１０ａには、３つの換気カバー２０、３０、４０が取り付けられている。なお、この側面１０ａは、車両の上下方向Ｙに沿うように立設された壁体である。各換気カバー２０〜４０は、燃料電池ケース１０に形成された後述する換気用の貫通孔を覆う。

図２は換気カバー２０の平面図であり、図３は図２における１−１線矢視端面図である。３つの換気カバー２０〜４０は、同一の形状であることから、その一つである換気カバー２０を代表として説明する。両図に示すように、換気カバー２０は、枠体２２とルーバー２４とを備えた一体成形物であり、樹脂製である。枠体２２は、平面視の外形が大まかに三角形となる形状であり、その中央に断面が円形の開口部２２Ｈを有する。この開口部２２Ｈにルーバー２４が固設されている。

ルーバー２４は、細長い板形状である複数の羽板２４ａを、隙間ｓをあけて平行に組んだものである。本実施形態では、羽板２４ａの数は６枚である。なお、羽板２４ａは複数であれば、いずれの数としてもよい。隣り合う羽板２４ａの隙間ｓは、例えば１ｍｍ〜５ｍｍのいずれかの値とした。５ｍｍ以下としたのは、飛び石等の侵入を防止するためである。

ルーバー２４は、枠体２２の開口部２２Ｈの内側に固設されており、羽板２４ａの角度θは、開口部２２Ｈの気体の流れを阻害せず、かつ異物の侵入を有効に防止するに適した角度となっている。なお、羽板２４ａの角度θは、羽板２４ａの縦幅（短い方の幅）の方向Ｖと水平方向Ｗとのなす角の大きさであり、９０度以下となる側の値として規定される。本実施形態では、羽板２４ａの角度θは例えば２０〜５０度である。

枠体２２の内側における裏側（枠体２２を取り付ける側）の端部には、スリット（溝）２２Ｓが形成されている。スリット２２Ｓは、開口部２２Ｈの周囲に沿うもので、中空円環形状となっている。このスリット２２Ｓの部分に、開口部２２Ｈを覆うように換気膜５０が設けられている。

換気膜５０は、気体の透過を許容し、液体の透過を阻止する防水通気膜として機能する。換気膜５０は、樹脂または金属からなる、職布、不織布、メッシュ、ネットなどである。本実施形態では、換気膜５０はテフロン（登録商標）製である。換気膜５０には、通常時の換気能力が備えられており、その分の圧力は抜ける。また、換気膜５０は、車両使用時の冷熱の繰り返しや振動、浸水の水圧に対し破損しないための強度を備えるが、その強度を超える圧力を受けた場合、破損する。換気膜５０の取り付けは、樹脂製である枠体２２のスリット２２Ｓ部分を熱で溶かすことによって、換気膜５０を枠体２２に溶着する。

図４は、羽板２４ａの詳しい形状と、羽板２４ａと換気膜５０との位置関係を示す説明図である。図中には、互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ方向を規定した。Ｘ方向は図１に示した積層方向と一致し、Ｚ方向は図１に示した上下方向と一致する。換気膜５０の面方向は、Ｙ−Ｚ平面に沿った方向と一致する。羽板２４ａは、換気膜５０の外側、すなわち燃料電池スタック８０が収容される側とは反対の側に配置される。羽板２４ａと換気膜５０との間には、距離ｄの隙間が開けられている。

先に説明したように、羽板２４ａは水平方向（Ｘ−Ｙ平面方向）に対してθだけ傾けて配置されている。羽板２４ａの換気膜５０とは反対の側（−Ｘ方向の側）の端面は、Ｙ−Ｚ平面に沿った平らな形状である。羽板２４ａの換気膜５０側（＋Ｘ方向の側）の端面は、Ｙ−Ｚ平面をＹ軸を中心として角度αだけ図中の左回り傾けて得られる面に沿った平らな形状である。これによって、羽板２４ａの換気膜５０側は、換気膜５０に向かう（すなわち、＋Ｘ方向の側に向かう）角部ＣＲを有する形状となる。角部ＣＲの角度βは鋭角である。角度βは、例えば８０度〜３０度である。この角部ＣＲが「刃部」に相当する。

図５は、燃料電池ケース１０の側面１０ａに取り付けられた換気カバー２０を示す端面図である。燃料電池ケース１０の前述した側面１０ａには、換気カバー２０の開口部２２Ｈとほぼ同じ形状、サイズの貫通孔１０Ｈが形成されている。この貫通孔１０Ｈと換気カバー２０の開口部２２Ｈとが連結されるように、換気カバー２０は燃料電池ケース１０の側面１０ａに取り付けられている。この取り付けは、換気カバー２０の外周付近の３箇所に設けられた取り付け用孔２８（図２）にボルト（図示せず）を挿入し螺子止めすることで行われる。換気カバー２０の取り付け方向は、換気膜５０が貫通孔１０Ｈの側となる方向である。図中の４２はガスケットである。ガスケット４２によって、換気カバー２０の密封性が高められている。

図６は、本実施形態の作用効果を示す説明図である。燃料電池ケース１０内に収納される燃料電池スタック８０内で水素燃焼が発生した場合に、風圧・圧力が貫通孔１０Ｈを通って換気膜５０に達し、換気膜５０は外側、すなわち羽板２４ａの側（−Ｘ方向の側）に押圧され膨らむ。この際に、図示するように羽板２４ａの角部ＣＲに換気膜５０が接触する。この結果、換気膜５０が破断される。換気膜５０が上記の外側に膨らむ距離は予め実験的にあるいはシミュレーションにより求めてあり、羽板２４ａと換気膜５０との間の隙間の距離ｄは上記膨らむ距離より短く定められている。

羽板が角部ＣＲを有しない従来例の場合には、換気膜は通常時の換気能力を備えており、その分の圧力が抜けるため、換気膜の破断が遅れ、燃料電池ケース内の部品が損傷する虞があった。これに対して、本実施形態の燃料電池モジュール１００によれば、燃料電池ケース１０内で圧力が上昇した際に、上述したように羽板２４ａの角部ＣＲによって換気膜５０が破断されることによって、燃料電池ケース１０内の圧力を素早く逃すことができる。したがって、本実施形態の燃料電池モジュール１００によれば、燃料電池ケース１０内の圧力が上昇し過ぎて、燃料電池ケース１０内の部品が損傷することを抑制できるという効果を奏する。

・変形例１：
前記実施形態では、ルーバー２４を構成する６枚の羽板２４ａのそれぞれに、刃部としての角部ＣＲを備える構成とした。これに換えて、６枚の羽板２４ａのうちの１枚以上の羽板２４ａにだけに角部ＣＲを備える構成としてもよい。

・変形例２：
前記実施形態では、羽板２４ａの尖った角部ＣＲを刃部として構成した。これに換えて、角部は尖っていない形状とし、羽板の換気膜側の端面に、先端の尖った円錐形の針部を設け、この針部を刃部として換気膜を破断させる構成としてもよい。

・変形例３：
前記実施形態では、刃部を形成する部材として羽板２４ａを備える構成とした。これに換えて、羽板を備えず、刃部を備える構成としてもよい。さらに、換気カバーも必ず必要というわけではなく、換気カバーを備えない構成において、刃部を備える構成としてもよい。

・変形例４：
前記実施形態および各変形例では、燃料電池に固体高分子型燃料電池を用いたが、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物形燃料電池等、種々の燃料電池に本発明を適用してもよい。

本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須な物ものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…燃料電池ケース
１０Ｈ…貫通孔
１０ａ…側面
１２…マウント部
２０…換気カバー
２２…枠体
２２Ｈ…開口部
２２Ｓ…スリット
２４…ルーバー
２４ａ…羽板
２８…取り付け用孔
３０，４０…換気カバー
５０…換気膜
８０…燃料電池スタック
１００…燃料電池モジュール
ＣＲ…角部
ｄ…距離

Claims (1)

1. 燃料電池モジュールであって、
   燃料電池と、
   前記燃料電池を収容するとともに、換気用の貫通孔を有する燃料電池ケースと、
   前記貫通孔を覆う換気膜と、
   前記換気膜の外側に、前記換気膜に対して隙間を開けて配置され、前記換気膜に向かう刃部と、
   を備える燃料電池モジュール。

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