JP6443685B2 - Fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell.
例えば固体高分子型燃料電池は、電解質膜の両方にアノード電極とカソード電極とが配設された膜電極構造体（ＭＥＡ）を備える。この膜電極構造体を一対のセパレータによって挟持した発電セルを所定数積層することにより燃料電池スタックが構成され、この燃料電池スタックは、例えば燃料電池車両に使用されている。 For example, a polymer electrolyte fuel cell includes a membrane electrode structure (MEA) in which an anode electrode and a cathode electrode are disposed on both electrolyte membranes. A fuel cell stack is configured by stacking a predetermined number of power generation cells sandwiching the membrane electrode structure between a pair of separators, and this fuel cell stack is used in, for example, a fuel cell vehicle.
この種の燃料電池車両では、通常、燃料電池スタックは、制御デバイスとともに燃料電池スタックケース（以下、単にケースとも称する）に収納された状態で搭載されている。このようにケースに覆われた燃料電池スタックにあっては、燃料電池スタックに供給された水素のうち、反応に寄与しなかった未反応水素が、燃料電池スタックから漏洩してケース内に滞留するおそれがある。 In this type of fuel cell vehicle, the fuel cell stack is usually mounted in a state of being housed in a fuel cell stack case (hereinafter also simply referred to as a case) together with a control device. In the fuel cell stack covered with the case in this way, unreacted hydrogen that has not contributed to the reaction out of the hydrogen supplied to the fuel cell stack leaks from the fuel cell stack and stays in the case. There is a fear.
このような問題を解決するため、例えば下記特許文献１では、ケース内に触媒燃焼用の貴金属を設け、燃料電池スタックから漏洩した水素を触媒燃焼により水に変換する技術が提案されている。下記特許文献１によれば、燃料電池スタックからケース内に漏洩した水素を触媒燃焼により水に変換することで、ケース内に漏洩した水素の滞留を防止できる、とされている。 In order to solve such a problem, for example, Patent Document 1 below proposes a technique in which a noble metal for catalytic combustion is provided in a case and hydrogen leaked from the fuel cell stack is converted to water by catalytic combustion. According to Patent Document 1 described below, hydrogen leaked into the case from the fuel cell stack is converted to water by catalytic combustion, thereby preventing the leakage of hydrogen leaked into the case.
上記特許文献１にあっては、ケース内に漏洩した水素に対して触媒燃焼を用いた対策が施されているものの、触媒燃焼で処理しきれない（もしくは触媒燃焼がうまく働かない）場合、ケース内に漏洩した水素に引火したときにケース内全体の水素が燃焼してしまうおそれがあった。 In the above-mentioned Patent Document 1, although measures using catalytic combustion are taken against hydrogen leaking into the case, the case cannot be treated by catalytic combustion (or catalytic combustion does not work well). There was a risk that the hydrogen in the entire case would burn when ignited by the leaked hydrogen.
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ケース内に漏洩した水素に引火した場合であっても、ケース内の水素が全体的に燃焼することを抑制できる燃料電池を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and its purpose is a fuel capable of suppressing the entire combustion of hydrogen in the case even when the hydrogen leaked into the case is ignited. To provide a battery.
上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池は、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを収容するケースとを有する燃料電池であって、前記燃料電池スタックと前記ケースとの間に形成される隙間を調整する隙間調整部材が、前記燃料電池スタック又は前記ケースの少なくとも一方に１又は複数箇所設けられ、前記隙間調整部材によって調整された隙間は、前記燃料電池スタックから前記ケース内に流出した水素が燃焼しても消炎する消炎距離以下となっており、前記隙間調整部材の外周に曲面部を有する構成と、前記燃料電池スタックの角部に面する前記ケースの内周面が曲面である構成、又は、全体として直方体形状をなす前記燃料電池スタックの角部とそれに面する前記ケースの内周面との隙間が少なくとも前記消炎距離よりも大きい構成とを備える。 In order to solve the above problems, a fuel cell according to the present invention is a fuel cell having a fuel cell stack and a case for housing the fuel cell stack, and is formed between the fuel cell stack and the case. One or a plurality of gap adjusting members for adjusting the gap to be adjusted are provided in at least one of the fuel cell stack or the case, and the gap adjusted by the gap adjusting member flows into the case from the fuel cell stack. The flame extinction distance is less than the extinguishing distance that extinguishes even when hydrogen burns, and the inner peripheral surface of the case facing the corner portion of the fuel cell stack is a curved surface with a configuration having a curved surface portion on the outer periphery of the gap adjusting member The gap between the corner portion of the fuel cell stack having a rectangular parallelepiped shape as a whole and the inner peripheral surface of the case facing it is at least the flame extinguishing distance. And a configuration is also large.
本発明では、燃料電池スタック又はケースの少なくとも一方に１又は複数箇所設けられた隙間調整部材によって調整された隙間は、ケース内に流出した水素が燃焼しても消炎する消炎距離以下となっている。このため、燃料電池スタックとケースとの間に形成される隙間にたとえ水素が漏洩して着火したとしても、水素が燃焼しても消炎する消炎距離以下の隙間によって着火後の燃焼波を消炎させることができる。また本発明では、隙間調整部材の外周に曲面部を有する構成を備えているので、隙間内を流れる燃焼波の伝播をより滑らかにすることができ、燃焼波の流れの乱れを抑えることができる。また本発明では、燃料電池スタックの角部に面するケースの内周面が曲面である構成、又は、全体として直方体形状をなす燃料電池スタックの角部とそれに面するケースの内周面との隙間が少なくとも消炎距離よりも大きい構成を備える。これにより、角部における燃焼波の伝播をより滑らかにすることができ、燃焼波の流れの乱れを抑えることができる。その結果、燃焼波の速度の急激な上昇が抑えられ、たとえケース内に漏洩した水素に引火しても、燃焼水素が消炎する距離以下の隙間によって仕切られた外の空間まで燃焼波が伝搬することを抑えることができ、ケース内に漏洩した水素が全体的に燃焼してしまうことを抑制することができる。 In the present invention, the gap adjusted by one or a plurality of gap adjusting members provided in at least one of the fuel cell stack or the case is equal to or shorter than the extinguishing distance that extinguishes even if hydrogen flowing out in the case burns. . For this reason, even if hydrogen leaks into the gap formed between the fuel cell stack and the case and ignites, the combustion wave after ignition is extinguished by a gap less than the extinguishing distance that extinguishes even if hydrogen burns. be able to. Further, in the present invention, since the structure having the curved surface portion is provided on the outer periphery of the gap adjusting member, the propagation of the combustion wave flowing through the gap can be made smoother and the disturbance of the combustion wave flow can be suppressed. . In the present invention, the inner peripheral surface of the case facing the corner portion of the fuel cell stack is a curved surface, or the corner portion of the fuel cell stack having a rectangular parallelepiped shape as a whole and the inner peripheral surface of the case facing the same. The gap is at least larger than the flame extinguishing distance. Thereby, propagation of the combustion wave in a corner | angular part can be made smoother, and the disorder of the flow of a combustion wave can be suppressed. As a result, the rapid increase in the velocity of the combustion wave is suppressed, and even if the hydrogen leaked into the case is ignited, the combustion wave propagates to the outside space partitioned by a gap less than the distance at which the combustion hydrogen extinguishes This can be suppressed, and the entire hydrogen leaked into the case can be suppressed from burning.
本発明によれば、ケース内に漏洩した水素に引火した場合であっても、ケース内の水素が全体的に燃焼することを抑制できる燃料電池を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, even if it is a case where the hydrogen which leaked in the case ignites, the fuel cell which can suppress that the hydrogen in a case combusts entirely can be provided.
以下添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。なお、以下の実施形態はあくまでも好適な適用例であって、本発明の適用範囲がこれに限定されるものではない。同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また、図面中、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。さらに、図面の寸法比率は、図示の比率に限定されるものではない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. In addition, the following embodiment is a suitable application example to the last, Comprising: The application range of this invention is not limited to this. The same reference numerals are assigned to the same elements, and duplicate descriptions are omitted. In the drawings, positional relationships such as up, down, left, and right are based on the positional relationships shown in the drawings unless otherwise specified. Furthermore, the dimensional ratios in the drawings are not limited to the illustrated ratios.
まず、本発明の実施形態に係る燃料電池の構成について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池を模式的に示す概略斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ線を含むｘｚ平面における断面図である。 First, the configuration of the fuel cell according to the embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic perspective view schematically showing a fuel cell according to an embodiment of the present invention. 2 is a cross-sectional view in the xz plane including the AA line of FIG.
なお、図１において、燃料電池スタック２０の軸方向（単位燃料電池（図示略）が複数枚積層される積層方向）をｙ方向とし、ｙ方向に直交する単位燃料電池の幅方向をｘ方向とし、ｙ方向及びｘ方向の双方向に直交する方向をｚ方向とする。 In FIG. 1, the axial direction of the fuel cell stack 20 (stacking direction in which a plurality of unit fuel cells (not shown) are stacked) is defined as the y direction, and the width direction of the unit fuel cells perpendicular to the y direction is defined as the x direction. The direction perpendicular to both the y direction and the x direction is defined as the z direction.
図１及び図２に示すように、燃料電池１は、燃料電池スタック２０と、当該燃料電池スタック２０を全周に渡って配置される隙間調整部材２１と、ケース１０とを備える。 As shown in FIGS. 1 and 2, the fuel cell 1 includes a fuel cell stack 20, a gap adjusting member 21 that is disposed over the entire circumference of the fuel cell stack 20, and a case 10.
ケース１０は、燃料電池スタック２０及び隙間調整部材２１を収容する容器であり、燃料電池１が例えば燃料電池車両に使用されるときには、ケース１０は燃料電池車両の例えば床下に搭載される。 The case 10 is a container that accommodates the fuel cell stack 20 and the gap adjusting member 21. When the fuel cell 1 is used in, for example, a fuel cell vehicle, the case 10 is mounted, for example, under the floor of the fuel cell vehicle.
燃料電池スタック２０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、全体として略直方体形状をなしている。各発電セルは、燃料ガスタンク（図示せず）から供給される燃料ガスと、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。 The fuel cell stack 20 is a cell stack in which a plurality of fuel cell cells (power generation cells) are stacked, and has a substantially rectangular parallelepiped shape as a whole. Each power generation cell generates power using fuel gas supplied from a fuel gas tank (not shown) and air supplied as oxidant gas. In the present embodiment, hydrogen gas is employed as the fuel gas.
ところで、図２に示すように、燃料電池スタック２０と当該燃料電池スタック２０を覆うケース１０との間には隙間Ｓが形成されている。この隙間Ｓには、燃料電池スタック２０に供給された水素のうち反応に寄与しなかった未反応水素が漏洩することがある。隙間Ｓ内に漏洩した水素に着火した場合には、燃焼が燃料電池全体に広がる虞がある。 By the way, as shown in FIG. 2, a gap S is formed between the fuel cell stack 20 and the case 10 covering the fuel cell stack 20. In the gap S, unreacted hydrogen that has not contributed to the reaction among the hydrogen supplied to the fuel cell stack 20 may leak. When hydrogen leaked into the gap S is ignited, there is a possibility that combustion spreads over the entire fuel cell.
そこで本発明者らは、例えケース１０内に漏洩した水素に着火した場合であっても、ケース１０内の水素が全体的に燃焼することを抑えられる隙間Ｓの構造について研究を行った。その結果、隙間Ｓの大きさと、ケース１０内に漏洩した水素に着火したときの燃焼波の伝播との関係に関して、次のようなことが判明した。 Therefore, the present inventors have studied the structure of the gap S that can prevent the hydrogen in the case 10 from combusting as a whole even if the hydrogen leaked into the case 10 is ignited. As a result, the following has been found regarding the relationship between the size of the gap S and the propagation of combustion waves when hydrogen leaked into the case 10 is ignited.
具体的には、燃料電池スタック２０とケース１０との間に形成される隙間Ｓが例えば２５ｍｍ均一の場合、ケース１０内に水素が漏洩して着火したときに、着火後の燃焼波が消炎せずに維持され、燃焼波の速度が急激に上昇する。 Specifically, when the gap S formed between the fuel cell stack 20 and the case 10 is uniform, for example, 25 mm, when the hydrogen leaks into the case 10 and ignites, the combustion wave after ignition is extinguished. The speed of the combustion wave increases rapidly.
一方で、隙間Ｓを例えば９ｍｍ均一にした場合には、ケース１０内に水素が漏洩して着火したときに、着火後の燃焼波が消炎せずに維持される場合と、着火後の燃焼波が消炎する場合がある。つまり、燃焼波の伝播に関して不安定な状態となる。このため、このような隙間にした場合には、燃焼が全体に広がる可能性があることから、隙間Ｓの構造を更に改善する必要があった。 On the other hand, when the gap S is made uniform, for example, 9 mm, when hydrogen leaks into the case 10 and ignites, the combustion wave after ignition is maintained without extinguishing, and the combustion wave after ignition May extinguish. That is, the state becomes unstable with respect to propagation of the combustion wave. For this reason, in the case of such a gap, there is a possibility that the combustion may spread over the entire area, so that the structure of the gap S has to be further improved.
隙間Ｓの構造について更に改善した結果、隙間Ｓを５ｍｍ以下に設定した場合には、ケース１０内に漏洩した水素に着火した場合であっても、着火後の燃焼波が維持されず消炎するということが判明した。 As a result of further improving the structure of the gap S, when the gap S is set to 5 mm or less, even if the hydrogen leaked into the case 10 is ignited, the combustion wave after ignition is not maintained and the flame is extinguished. It has been found.
ところが、燃料電池スタック２０とケース１０との間に形成される隙間Ｓを全て５ｍｍ以下とすることは、燃料電池スタック２０の外周面に沿ってケース１０の内周面を製造する必要があるため、必ずしも現実的ではない。このため、隙間Ｓを全て５ｍｍ以下とするのではなく、５ｍｍ以下の隙間Ｓをどのように設置すれば（５ｍｍ以下の隙間Ｓを一部のみに設置しても）着火後の燃焼波を消炎させることが可能であるか、検証をした。例えば２５ｍｍの隙間Ｓの一部に５ｍｍ以下の隙間Ｓを設けた場合、２５ｍｍの部分から５ｍｍ以下の部分に隙間Ｓの大きさが変化することによって、隙間Ｓ内を流れる燃焼波の乱れが発生して燃焼波の速度の急激な上昇を招くおそれがあることから、どのように５ｍｍ以下の隙間Ｓを設ければ、着火後の燃焼波の乱れが抑えられるか、検証をした。 However, if the gaps S formed between the fuel cell stack 20 and the case 10 are all 5 mm or less, it is necessary to manufacture the inner peripheral surface of the case 10 along the outer peripheral surface of the fuel cell stack 20. Not necessarily realistic. For this reason, not all the gaps S are set to 5 mm or less, but how to install the gaps S of 5 mm or less (even if the gaps S of 5 mm or less are installed only in part), the combustion wave after ignition is extinguished. It was verified that it was possible to make it possible. For example, when a gap S of 5 mm or less is provided in a part of the gap S of 25 mm, the size of the gap S changes from a portion of 25 mm to a portion of 5 mm or less, thereby disturbing combustion waves flowing in the gap S. In view of this, the speed of the combustion wave may be rapidly increased. Thus, it was verified whether the turbulence of the combustion wave after ignition can be suppressed by providing a gap S of 5 mm or less.
その結果、着火する可能性のある部位（図２の点Ｆ）の隙間が、ケース１０内に流出した水素が燃焼しても消炎する消炎距離Ｄ以下（以下、単に「消炎距離Ｄ」とも称する）となっており、また、当該部位以外の隙間Ｓが、所定間隔で消炎距離Ｄ以下となっていれば、着火後の燃焼波が消炎することを本発明者らは見出した。 As a result, the gap between the parts that may ignite (point F in FIG. 2) is equal to or less than the extinguishing distance D that extinguishes even when hydrogen flowing out into the case 10 burns (hereinafter also simply referred to as “extinguishing distance D”). In addition, the inventors have found that the combustion wave after ignition is extinguished if the gap S other than the part is equal to or less than the extinguishing distance D at a predetermined interval.
具体的には、本実施形態では、図２に示すように、燃料電池スタック２０とケース１０との間に形成される隙間Ｓが、所定間隔でケース１０内に流出した水素が燃焼しても消炎する消炎距離Ｄ以下となるように隙間調整部材２１を配置している。言い換えれば、図２に示すように、隙間Ｓが、ケース１０内に流出した水素が燃焼しても消炎する消炎距離Ｄ以下の領域Ｔによって複数の空間に仕切られるように、隙間調整部材２１を配置している。 Specifically, in this embodiment, as shown in FIG. 2, even if the gap S formed between the fuel cell stack 20 and the case 10 burns out of the hydrogen flowing out into the case 10 at a predetermined interval. The gap adjusting member 21 is arranged so as to be equal to or less than the extinguishing distance D to extinguish. In other words, as shown in FIG. 2, the gap adjustment member 21 is partitioned so that the gap S is divided into a plurality of spaces by a region T having a flame extinguishing distance D or less that extinguishes even when hydrogen flowing into the case 10 burns. It is arranged.
なお、本実施形態では、消炎距離Ｄは５ｍｍ以下に設定されるが、この消炎距離Ｄの大きさを、ケース１０の材質に応じて変えることが好ましい。ケースの材質が例えば材質が例えばＳＵＳである場合には、消炎距離Ｄは５ｍｍ以下に設定され、ケース１０の材質が例えば樹脂である場合には、消炎距離Ｄは０.５ｍｍ以下に設定されることが好ましい。 In the present embodiment, the extinguishing distance D is set to 5 mm or less, but it is preferable to change the magnitude of the extinguishing distance D according to the material of the case 10. When the material of the case is, for example, SUS, the flame extinguishing distance D is set to 5 mm or less, and when the material of the case 10 is, for example, resin, the flame extinguishing distance D is set to 0.5 mm or less. It is preferable.
また本実施形態では、隙間調整部材２１は、燃料電池スタックの幅方向（図２のｘ方向）に略同じ間隔ｄで設けられていることが好ましい。この略同じ間隔とは、一定間隔であることに限定されず、一定間隔±３０％までのずれは許容出来るものとする。
例えば○○ｍｍ程度の誤差のような、実質的に同じであることも含まれる。図２に示すように、３個の隙間調整部材２１が、燃料電池スタック２０の全周に渡って配置される場合には、断面視で、燃料電池スタック２０の幅方向における両端部に２個、燃料電池スタック２０の中央部に１個配置されることが好適である。
In the present embodiment, the gap adjusting members 21 are preferably provided at substantially the same distance d in the width direction of the fuel cell stack (x direction in FIG. 2). This substantially the same interval is not limited to a constant interval, and a deviation up to ± 30% can be allowed.
For example, it includes substantially the same error such as an error of about OOmm. As shown in FIG. 2, when the three gap adjusting members 21 are arranged over the entire circumference of the fuel cell stack 20, two are provided at both end portions in the width direction of the fuel cell stack 20 in a cross-sectional view. It is preferable that one is disposed at the center of the fuel cell stack 20.
なお、図２では、隙間調整部材２１が間隔ｄで３箇所設けられた例が示されているが、隙間調整部材２１の幅の大きさを変更して１箇所設ける構成としても良く。また、所定の間隔で隙間調整部材２１を４箇所以上設ける構成としても良く、隙間調整部材２１の個数は限定されるものではない。隙間調整部材２１が燃料電池スタック２０の全周に渡って４箇所配置される場合には、燃料電池スタック２０の幅方向（図２のｘ方向）における両端部に隙間調整部材２１を２箇所配置し、各々の隙間調整部材２１の間隔が略同じになるように、他の隙間調整部材２１を２個配置することが好ましい。 2 shows an example in which the gap adjusting member 21 is provided at three places with a distance d, but the width of the gap adjusting member 21 may be changed to be provided at one place. Further, four or more gap adjusting members 21 may be provided at a predetermined interval, and the number of the gap adjusting members 21 is not limited. When four gap adjusting members 21 are arranged over the entire circumference of the fuel cell stack 20, two gap adjusting members 21 are arranged at both ends in the width direction of the fuel cell stack 20 (x direction in FIG. 2). Then, it is preferable to arrange two other gap adjusting members 21 so that the gaps between the gap adjusting members 21 are substantially the same.
また本実施形態では、ケース１０内に漏洩した水素に着火した場合に、隙間Ｓ内を通る水素と空気との混合ガスの流れを乱さないように、隙間調整部材２１を滑らかな形状とすることが好ましい。具体的には、隙間調整部材２１の外周に曲面部を有する構成、すなわち隙間調整部材２１の角部に面取りｒ（後述する図３Ｂ、図３Ｃ、図３Ｅ、図３Ｆ参照）が施されている構成であることが好ましい。 Further, in the present embodiment, when the hydrogen leaked into the case 10 is ignited, the gap adjusting member 21 has a smooth shape so as not to disturb the flow of the mixed gas of hydrogen and air passing through the gap S. Is preferred. Specifically, a configuration having a curved surface portion on the outer periphery of the gap adjusting member 21, that is, a chamfer r (see FIGS. 3B, 3C, 3E, and 3F to be described later) is applied to a corner portion of the gap adjusting member 21. A configuration is preferred.
また本実施形態では、燃料電池スタック２０の角部に面するケース１０の内周面が曲面である構成、すなわち、ケース１０の角部に面取りＲ（後述する図３Ｃ、図３Ｆ参照）が施されていることが好ましい。また本実施形態では、全体として直方体形状をなす燃料電池スタック２０の角部とそれに面するケース１０の内周面との隙間（角部隙間Ｓａ）が少なくとも消炎距離Ｄよりも大きい構成（後述する図３Ｄ、図３Ｅ、図３Ｆ参照）を備えることが好ましい。このような、ケース１０の角部の面取りＲ及び角部隙間Ｓａを設ける利点について以下に詳述する。 In the present embodiment, the inner peripheral surface of the case 10 facing the corner of the fuel cell stack 20 is a curved surface, that is, the corner of the case 10 is chamfered (see FIGS. 3C and 3F described later). It is preferable that In the present embodiment, the gap (corner gap Sa) between the corner of the fuel cell stack 20 having a rectangular parallelepiped shape as a whole and the inner peripheral surface of the case 10 facing it is at least larger than the flame extinguishing distance D (described later). 3D, 3E, and 3F) are preferably provided. The advantages of providing such corner chamfer R and corner gap Sa will be described in detail below.
ケース１０内に漏洩した水素に着火（例えば図２の点Ｆで着火）した場合には、着火後の燃焼波は隙間Ｓ内を同心円状に広がり、燃料電池スタック２０とケース１０との隙間Ｓの角部（図２の点線円Ｐ）で直角に曲がって燃焼波は伝播していく。このように燃焼波が直角に曲がることで乱れが発生する結果、燃焼速度が急激に上昇する可能性がある。 When the hydrogen leaked into the case 10 is ignited (for example, ignited at the point F in FIG. 2), the combustion wave after ignition spreads concentrically in the gap S, and the gap S between the fuel cell stack 20 and the case 10. The combustion wave propagates by turning at a right angle at the corner (dotted circle P in FIG. 2). As a result of the turbulence caused by the combustion wave being bent at a right angle in this way, the combustion speed may increase rapidly.
そこで、本実施形態では、ケース１０の角部に面取りＲ（図３Ｃ、図３Ｆ参照）を設けることで、燃焼波を滑らかに伝播させて流れの乱れの発生を抑えている。また、角部隙間Ｓａ（図３Ｄ、図３Ｅ、図３Ｆ参照）を大きくすることで、燃焼波を滑らかに伝播させて流れの乱れの発生を抑えている。後述するように、本実施形態では、ケース１０の角部に面取りＲを付与すること、角部隙間Ｓａを大きくすることの一方を設けても良く、両方を設けても良い。 Therefore, in the present embodiment, the chamfer R (see FIGS. 3C and 3F) is provided at the corner of the case 10 to smoothly propagate the combustion wave and suppress the occurrence of the flow turbulence. Further, by increasing the corner gap Sa (see FIGS. 3D, 3E, and 3F), the combustion wave is smoothly propagated to suppress the occurrence of the flow disturbance. As will be described later, in this embodiment, one of chamfering R on the corner of the case 10 or increasing the corner gap Sa may be provided, or both may be provided.
以上説明した、隙間調整部材２１を設置した燃料電池１について、燃料電池スタック２０とケース１０との間の隙間Ｓを変更した形状で流れ計算を実施し、最も乱れを抑制できる構造の検証を行った。 For the fuel cell 1 having the gap adjusting member 21 described above, the flow calculation is performed in a shape in which the gap S between the fuel cell stack 20 and the case 10 is changed, and the structure that can suppress the most disturbance is verified. It was.
図３は、燃料電池スタック２０とケース１０との間の隙間Ｓを変更した６種類の形状（形状Ａ〜Ｆ）における、隙間Ｓ内を混合ガスが進行している状態を説明するための図である。図３に示す矢印ＦＬは、例えばターミナル等で着火し、１００ｍ／ｓで水素と空気との混合ガスが進行する場合の、流れの方向を示している。 FIG. 3 is a diagram for explaining a state in which the mixed gas advances in the gap S in six types of shapes (shapes A to F) in which the gap S between the fuel cell stack 20 and the case 10 is changed. It is. An arrow FL shown in FIG. 3 indicates the direction of flow when, for example, ignition is performed at a terminal or the like, and a mixed gas of hydrogen and air advances at 100 m / s.
図３Ａは、形状Ａにおける、隙間Ｓ内を流れる混合ガスの乱流運動エネルギーコンター及び速度コンターを示す図である。図３Ｂは、形状Ｂにおける、隙間Ｓ内を流れる混合ガスの乱流運動エネルギーコンター及び速度コンターを示す図である。図３Ｃは、形状Ｃにおける、隙間Ｓ内を流れる混合ガスの乱流運動エネルギーコンター及び速度コンターを示す図である。図３Ｄは、形状Ｄにおける、隙間Ｓ内を流れる混合ガスの乱流運動エネルギーコンター及び速度コンターを示す図である。図３Ｅは、形状Ｅにおける、隙間Ｓ内を流れる混合ガスの乱流運動エネルギーコンター及び速度コンターを示す図である。図３Ｆは、形状Ｆにおける、隙間Ｓ内を流れる混合ガスの乱流運動エネルギーコンター及び速度コンターを示す図である。図３Ｇは、形状Ｇにおける、隙間Ｓ内を流れる混合ガスの乱流運動エネルギーコンター及び速度コンターを示す図である。図３Ｈは、形状Ｈにおける、隙間Ｓ内を流れる混合ガスの乱流運動エネルギーコンター及び速度コンターを示す図である。図４は、８種類の形状Ａ〜Ｈにおける、流れ計算（乱流運動エネルギー最大値、速度最大値）の結果を示す図である。 3A is a diagram showing a turbulent kinetic energy contour and a velocity contour of a mixed gas flowing in the gap S in the shape A. FIG. FIG. 3B is a diagram illustrating a turbulent kinetic energy contour and a velocity contour of the mixed gas flowing in the gap S in the shape B. FIG. 3C is a diagram showing a turbulent kinetic energy contour and a velocity contour of the mixed gas flowing in the gap S in the shape C. FIG. 3D is a diagram showing a turbulent kinetic energy contour and a velocity contour of the mixed gas flowing in the gap S in the shape D. 3E is a diagram showing a turbulent kinetic energy contour and a velocity contour of the mixed gas flowing in the gap S in the shape E. FIG. FIG. 3F is a diagram showing a turbulent kinetic energy contour and a velocity contour of the mixed gas flowing in the gap S in the shape F. 3G is a diagram showing a turbulent kinetic energy contour and a velocity contour of the mixed gas flowing in the gap S in the shape G. FIG. 3H is a diagram showing a turbulent kinetic energy contour and a velocity contour of the mixed gas flowing in the gap S in the shape H. FIG. FIG. 4 is a diagram showing the results of flow calculation (maximum turbulent kinetic energy value, maximum velocity value) in eight types of shapes A to H.
８種類の形状Ａ〜Ｈを比較して示す図４の表によれば、形状Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｈでは、全体として直方体形状をなす燃料電池スタック２０の角部とそれに面するケース１０の内周面との隙間Ｓが少なくとも消炎距離Ｄよりも大きい構成（角部隙間Ｓａ）を備えているのに対し、形状Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｇでは、このような構成（角部隙間Ｓａ）を備えていない。言い換えれば、形状Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｈでは、角部隙間Ｓａを大きくしているのに対し、形状Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｇでは、角部隙間を小さくしている。なお、本実施形態における、角部隙間Ｓａを大きくする（消炎距離Ｄよりも大きい構成）とは、断面積における角部隙間２００ｍｍ2以上、且つ、隙間の縦横比０．５以上を意味するのに対し、角部隙間を小さくするとは、角部隙間２００ｍｍ2未満もしくは隙間の縦横比０．５未満を意味する。 According to the table of FIG. 4 showing the comparison of the eight types of shapes A to H, in the shapes D, E, F, and H, the corners of the fuel cell stack 20 having a rectangular parallelepiped shape as a whole and the case 10 facing it. While the gap S with the inner peripheral surface has a configuration (corner gap Sa) that is at least larger than the flame extinguishing distance D, in the shapes A, B, C, and G, such a configuration (corner gap Sa) is provided. Not equipped. In other words, in the shapes D, E, F, and H, the corner gap Sa is increased, whereas in the shapes A, B, C, and G, the corner gap is reduced. In the present embodiment, increasing the corner gap Sa (configuration greater than the flame extinguishing distance D) means that the corner gap in the cross-sectional area is 200 mm 2 or more and the gap has an aspect ratio of 0.5 or more. On the other hand, reducing the corner gap means that the corner gap is less than 200 mm 2 or the aspect ratio of the gap is less than 0.5.
また、形状Ｂ、Ｃ、Ｅ、Ｆでは、隙間調整部材２１ｂ、２１ｃ、２１ｅ、２１ｆに面取りｒを付与しているのに対し、形状Ａ、Ｄ、Ｇ、Ｈでは、隙間調整部材２１ａ、２１ｄ、２１ｇ、２１ｈに面取りｒを付与していない。 In the shapes B, C, E, and F, the gap adjusting members 21b, 21c, 21e, and 21f are chamfered r, whereas in the shapes A, D, G, and H, the gap adjusting members 21a, 21d are provided. 21g and 21h are not chamfered.
また、形状Ｃ、Ｆ、Ｇ、Ｈでは、ケース１０の角部に面取りＲを付与しているのに対し、形状Ａ、Ｂ、Ｄ、Ｅでは、ケース１０の角部に面取りＲを付与していない。 Further, in the shapes C, F, G, and H, the chamfer R is given to the corner portion of the case 10, whereas in the shapes A, B, D, and E, the chamfer R is given to the corner portion of the case 10. Not.
以上の８種類の形状Ａ〜Ｈの流れ計算を実施した結果、図４に示すように、形状Ａ、Ｂ、Ｄ、Ｇ、Ｈでは、少なくとも乱流運動エネルギー最大値が比較的大きい計算結果（乱流運動エネルギー最大値は１０００以上）が確認された。これに対し、形状Ｃ、Ｅ、Ｆでは、乱流運動エネルギー最大値と速度最大値とが大幅に抑えられた計算結果が確認された。これは、隙間調整部材２１に面取りｒを付与することに加え、ケース１０の角部近傍に設けられる角部隙間Ｓａを大きくする、又は、ケース１０の角部に面取りＲを付与すると、隙間Ｓ内を流れる燃焼波を滑らかに伝播させることができる結果、燃焼波の速度の急激な上昇を抑えられることを示している。なお、ケース１０の角部に付与される面取りＲを１０ｍｍ程度とすると、角部隙間Ｓａにおいて燃焼波を滑らかに伝播させることができ、好適である。また、隙間調整部材２１に付与される面取りｒを１０ｍｍ程度とすると、燃焼波を滑らかに伝播させることができ、好適である。 As a result of performing the flow calculation of the above eight shapes A to H, as shown in FIG. 4, at least the maximum turbulent kinetic energy maximum value is calculated for the shapes A, B, D, G, and H ( The maximum value of turbulent kinetic energy was 1000 or more). On the other hand, in the shapes C, E, and F, the calculation results in which the maximum turbulent kinetic energy value and the maximum velocity value were significantly suppressed were confirmed. This is because when the chamfer r is provided to the gap adjusting member 21 and the corner gap Sa provided in the vicinity of the corner of the case 10 is increased or the chamfer R is provided to the corner of the case 10, the gap S As a result of the smooth propagation of the combustion wave flowing inside, it is shown that a rapid increase in the speed of the combustion wave can be suppressed. In addition, if the chamfer R given to the corner of the case 10 is about 10 mm, the combustion wave can be smoothly propagated in the corner gap Sa, which is preferable. Further, if the chamfer r applied to the gap adjusting member 21 is about 10 mm, the combustion wave can be propagated smoothly, which is preferable.
以上のように本実施形態では、燃料電池スタック２０とケース１０との間に形成される隙間Ｓを調整する隙間調整部材２１が燃料電池スタック２０又はケース１０の少なくとも一方に１又は複数箇所設けられ、隙間調整部材２１によって調整された隙間Ｓは、燃料電池スタック２０からケース１０内に流出した水素が燃焼しても消炎する消炎距離Ｄ以下となっており、隙間調整部材２１の外周に曲面部を有する構成と、燃料電池スタック２０の角部に面するケース１０の内周面が曲面である構成、又は、全体として直方体形状をなす燃料電池スタック２０の角部とそれに面するケース１０の内周面との隙間Ｓが少なくとも消炎距離Ｄよりも大きい構成とを備える。 As described above, in the present embodiment, one or a plurality of gap adjusting members 21 for adjusting the gap S formed between the fuel cell stack 20 and the case 10 are provided in at least one of the fuel cell stack 20 or the case 10. The gap S adjusted by the gap adjusting member 21 is equal to or less than the extinguishing distance D that extinguishes even if hydrogen flowing out from the fuel cell stack 20 into the case 10 burns, and a curved surface portion is formed on the outer periphery of the gap adjusting member 21. And a configuration in which the inner peripheral surface of the case 10 facing the corner of the fuel cell stack 20 is a curved surface, or a corner of the fuel cell stack 20 having a rectangular parallelepiped shape as a whole and the inside of the case 10 facing the corner The clearance gap S with a surrounding surface is provided with the structure larger than the flame extinguishing distance D at least.
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。 The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to these specific examples. In other words, those specific examples that have been appropriately modified by those skilled in the art are also included in the scope of the present invention as long as they have the characteristics of the present invention. Each element included in each of the specific examples described above and their arrangement, material, condition, shape, size, and the like are not limited to those illustrated, and can be appropriately changed.
１：燃料電池
１０：ケース
２０：燃料電池スタック
２１：隙間調整部材
Ｄ：消炎距離
Ｒ、ｒ：面取り
Ｓ：隙間
Ｓａ：角部隙間
1: Fuel cell 10: Case 20: Fuel cell stack 21: Gap adjusting member D: Flame extinguishing distance R, r: Chamfer S: Gap Sa: Corner gap
Claims (1)
前記燃料電池スタックと前記ケースとの間に形成される隙間を調整する隙間調整部材が、前記燃料電池スタック又は前記ケースの少なくとも一方に１又は複数箇所設けられ、
前記隙間調整部材によって調整された隙間は、０より大きく、且つ、前記燃料電池スタックから前記ケース内に流出した水素が燃焼しても消炎する消炎距離以下となっており、
前記隙間調整部材の外周に曲面部を有する構成と、
前記燃料電池スタックの角部に面する前記ケースの内周面が曲面である構成、又は、全体として直方体形状をなす前記燃料電池スタックの角部とそれに面する前記ケースの内周面との隙間が少なくとも前記消炎距離よりも大きい構成とを備える燃料電池。
A fuel cell having a fuel cell stack and a case for housing the fuel cell stack,
A gap adjusting member for adjusting a gap formed between the fuel cell stack and the case is provided at one or a plurality of locations in at least one of the fuel cell stack or the case,
The gap adjusted by the gap adjusting member is greater than 0 and less than or equal to the extinguishing distance that extinguishes even if hydrogen flowing out of the fuel cell stack into the case burns,
A configuration having a curved surface portion on the outer periphery of the gap adjusting member;
The inner peripheral surface of the case facing the corner of the fuel cell stack is a curved surface, or the gap between the corner of the fuel cell stack that has a rectangular parallelepiped shape as a whole and the inner peripheral surface of the case facing it A fuel cell comprising: a configuration in which at least the flame extinguishing distance is greater.
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