JP7041611B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、補機ケースを備えた燃料電池システムに関する。

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の面にアノード電極が、他方の面にカソード電極が、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（単位セル）が構成されている。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。

車載用燃料電池スタックでは、所定の数の発電セルが積層された積層体を、スタックケース内に収納する構成が採用されている。例えば、特許文献１の燃料電池システムでは、スタックケースにエンドプレートが固定され、このエンドプレートには補機類が取り付けられ、エンドプレートと別個に形成された補機ケース（補機カバー）がエンドプレートに取り付けられる。

特開２０１３－４３５２号公報

特許文献１の燃料電池システムでは、エンドプレートに補機ケースを取り付ける構造であるため、部品点数の増大を招くとともに、構造が複雑になるという問題がある。

そこで、本発明は、補機ケースの構造が比較的簡易であるとともに組立てがしやすい燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の一態様は、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを収納するスタックケースと、前記スタックケースに接合され、燃料電池用補機を収納した補機ケースと、を備え、前記補機ケースは、前記燃料電池スタックに積層方向の締付荷重を付与するエンドプレート部を一体に有する、燃料電池システムである。

本発明の燃料電池システムによれば、補機ケースは、燃料電池スタックに積層方向の締付荷重を付与するエンドプレート部を一体に有するため、構造の合理化によりシール界面やフランジの削減が図られるとともに、コスト及び重量の低減を図りやすい。また、補機ケースの構造が比較的簡易であるため、組立てがしやすい。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムを備えた燃料電池車両の斜視図である。 ケースユニットの分解斜視図である。 補機ケースの構成説明図である。 図３に示した矢印Ｘ方向から第１ケース部材を見た図である。 燃料電池システムの概略図である。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０を備えた燃料電池車両１１は、例えば、燃料電池電気自動車である。以下の説明において、上方（上部）とは、鉛直方向の上方（上部）を意味する。燃料電池車両１１において、燃料電池スタック１２を収納したスタックケース１４が、ダッシュボード１６の前方（矢印Ａｆ方向）に形成されたフロントルーム（モータルーム）１８内に配設されている。

燃料電池スタック１２は、複数の発電セルが車両幅方向（矢印Ｂ方向）に積層されてなるセル積層体２０ａｓを備える。各発電セルは、アノード電極及びカソード電極を有し、アノード電極と一方のセパレータとの間に燃料ガス流路が形成され、カソード電極と他方のセパレータとの間に酸化剤ガス流路が形成されている。燃料電池スタック１２には、燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガス入口連通孔と、燃料ガスを排出する燃料ガス出口連通孔と、酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス入口連通孔と、酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔と、冷却媒体を供給する冷却媒体入口連通孔と、冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔とが、燃料電池スタック１２の積層方向に沿って形成されている。

セル積層体２０ａｓの積層方向一端（矢印ＢＬ方向側）には、第１ターミナルプレート２２ａ及び第１絶縁プレート２４ａが外方に向かって順次配設される。セル積層体２０ａｓの積層方向他端（矢印ＢＲ側）には、第２ターミナルプレート２２ｂ及び第２絶縁プレート２４ｂが外方に向かって順次配設される。燃料電池スタック１２は、後述するスタックケース１４の右サイドパネル７８と補機ケース１５の第１ケース部材８８との間にスペーサ（図示せず）を介して挟持され、積層方向に締付荷重が付与されている。

燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２を収納するスタックケース１４と、燃料電池用補機７０を収納する補機ケース１５とを備える。スタックケース１４と補機ケース１５とにより、ケースユニット１３が構成されている。スタックケース１４と補機ケース１５とからなるケースユニット１３は平面視で四角形状（長辺が車両幅方向に沿って延在する長方形状）である。

図２に示すように、スタックケース１４は、平面視で四角形状のケース本体７６を有する。ケース本体７６は、左側（矢印ＢＬ方向側）に形成された四角形状の左開口部７６ａと、右側（矢印ＢＲ方向側）に形成された四角形状の右開口部７６ｂと、後側（矢印Ａｒ方向側）に形成された四角形状の後方開口部７６ｃとを有し、箱型に構成されている。

ケース本体７６の上部（図示例では、ケース本体７６の鉛直方向の上面７６ｓ）の、補機ケース１５が接合される側とは反対側の２つの角部には、スタックケース１４を外部に連通する孔部１４ｈが形成されている。孔部１４ｈは、ケース本体７６の上記２つの角部のうちいずれか一方のみに設けられていてもよい。孔部１４ｈは、スタックケース１４の鉛直方向の上面７６ｓ以外の側面の上部に設けられていてもよい。

スタックケース１４は、さらに、ケース本体７６の右開口部７６ｂを閉じる右サイドパネル７８と、ケース本体７６の後方開口部７６ｃを閉じる後方サイドパネル８０とを備える。右サイドパネル７８は、四角形状のパネルであり、ケース本体７６の右端にボルト８２により接合される。右サイドパネル７８は、燃料電池スタック１２（図１）に積層方向の締付荷重を付与する一方のエンドプレートを兼ねている。ケース本体７６と右サイドパネル７８との間には、弾性材料からなるシール部材８１が、ケース本体７６と右サイドパネル７８との接合面の全周に亘って配置される。

後方サイドパネル８０は、四角形状のパネルであり、ケース本体７６の後端にボルト８２により接合される。ケース本体７６と後方サイドパネル８０との間には、弾性材料からなるシール部材８３が、ケース本体７６と後方サイドパネル８０との接合面の全周に亘って配置される。なお、後方サイドパネル８０は、ケース本体７６とは別部品ではなく、ケース本体７６と一体であってもよい。

図１に示すように、補機ケース１５は、燃料電池用補機７０を保護するための保護ケースであり、スタックケース１４の水平方向に隣接してスタックケース１４に接合されている。補機ケース１５内には、燃料電池用補機７０として、燃料ガス系デバイス７０Ａ及び酸化剤ガス系デバイス７０Ｂが収納されている。燃料ガス系デバイス７０Ａ及び酸化剤ガス系デバイス７０Ｂは、補機ケース１５内で水平方向に隣接して配置されている。

補機ケース１５内に収納されている燃料ガス系デバイス７０Ａは、インジェクタ３２、エジェクタ３４、水素ポンプ４２、バルブ類（図示せず）等である。補機ケース１５内に収納されている酸化剤ガス系デバイス７０Ｂは、エアポンプ４８、加湿器５０等である。燃料ガス系デバイス７０Ａは、燃料電池スタック１２と酸化剤ガス系デバイス７０Ｂとの間に配置されている。

補機ケース１５は、スタックケース１４に隣接して設けられた凹形状の第１ケース部材８８と、第１ケース部材８８に接合された凹形状の第２ケース部材９０とを有し、第１ケース部材８８内に燃料電池用補機７０の少なくとも一部が収納されている。

本実施形態では、第１ケース部材８８に、主要な燃料ガス系デバイス７０Ａが収納されており、第２ケース部材９０に、主要な酸化剤ガス系デバイス７０Ｂが収納されている。第１ケース部材８８及び第２ケース部材９０は、燃料ガス系デバイス７０Ａを外部荷重から保護する機能を実現するのに十分な強度・剛性をもたせるために金属材料（例えば、アルミ合金）により構成されている。なお、酸化剤ガス系デバイス７０Ｂが収納される第２ケース部材９０は、金属材料に限らず、樹脂材料やゴム材により構成されてもよい。

図２及び図３に示すように、スタックケース１４と第２ケース部材９０との間に第１ケース部材８８が配置されている。第１ケース部材８８は、ケース本体７６の左端に複数のボルト８２ａ（第１締結部材）により接合される。複数のボルト８２ａは、第１ケース部材８８において周壁部８８ｂよりも内方に設けられた複数のボルト挿通孔８８ｈに、第１ケース部材８８の内側からそれぞれ挿通されている。複数のボルト８２ａは、周壁部８８ｂよりも内方で、ケース本体７６の第１ケース部材８８側の端部に設けられた複数のネジ穴８３ａにそれぞれ螺合している。ケース本体７６と第１ケース部材８８との間には、弾性材料からなるシール部材７９が、ケース本体７６と第１ケース部材８８との接合面の全周に亘って配置される。これにより、ケース本体７６と第１ケース部材８８との間に気密シールが形成されている。

シール部材７９は、ケース本体７６と第１ケース部材８８とを固定する複数のボルト８２ａ（及び複数のボルト挿通孔８８ｈ）の外方に配置されている。従って、シール部材７９は、複数のボルト８２ａを囲んでいる。シール部材７９は、ケース本体７６の第１ケース部材８８に対向する端面に設けられたシール収納溝７９ｒに収納されている。なお、シール収納溝７９ｒは、第１ケース部材８８のケース本体７６に対向する端面に設けられてもよい。

第１ケース部材８８は、燃料電池スタック１２に積層方向の締付荷重を付与するエンドプレート部８８ａを一体に有する。エンドプレート部８８ａは、凹形状の第１ケース部材８８の底壁部である。すなわち、第１ケース部材８８の一部が、燃料電池スタック１２（図１）に積層方向の締付荷重を付与する他方のエンドプレートを兼ねている。第１ケース部材８８は、例えば、鋳造により成形されている。第１ケース部材８８の底壁部であるエンドプレート部８８ａは、平坦形状である。エンドプレート部８８ａは、第１絶縁プレート２４ａに直接当接する。

図３に示すように、第１ケース部材８８は、スタックケース１４に接合された上記エンドプレート部８８ａと、エンドプレート部８８ａの周縁部８８ａｅ全周からエンドプレート部８８ａの厚さ方向（スタックケース１４から離れる方向）（矢印ＢＬ方向）に延出した周壁部（第１周壁部）８８ｂとを有する。エンドプレート部８８ａと周壁部８８ｂとは、別々の部品を接合したものではなく、連続した一体の第１ケース部材８８を構成している。エンドプレート部８８ａと周壁部８８ｂとは、溶接により一体に構成したものでもよい。

エンドプレート部８８ａの上部は、スタックケース１４の上面よりも上方に突出している。エンドプレート部８８ａの下部は、スタックケース１４の下面よりも下方に突出している。従って、補機ケース１５の鉛直方向の外形寸法は、スタックケース１４の鉛直方向の外形寸法よりも大きい。補機ケース１５の内部の鉛直方向の寸法は、スタックケース１４の内部の鉛直方向の寸法よりも大きい。第１ケース部材８８のエンドプレート部８８ａは、スタックケース１４の内部空間と補機ケース１５の内部空間とを区画する。周壁部８８ｂの突端（第２ケース部材９０側の端部）には外方に突出した第１フランジ部８８ｃが設けられている。第１フランジ部８８ｃは、第１ケース部材８８の開口部８８ｄを囲む。

図２に示すように、エンドプレート部８８ａの上部には、スタックケース１４の内部空間と補機ケース１５の内部空間とを互いに連通させる複数の換気用連通孔９４が設けられている。換気用連通孔９４は、エンドプレート部８８ａを厚さ方向（矢印Ｂ方向）に貫通する孔であり、ケース本体７６の左開口部７６ａに臨む。上記のシール部材７９は、換気用連通孔９４よりも外側に配置される。

複数の換気用連通孔９４は、スタックケース１４と補機ケース１５との接合方向（矢印Ｂ方向）に対して垂直な水平方向（矢印Ａ方向）に間隔を置いて配置されている。換気用連通孔９４は、少なくとも補機ケース１５の上部両側（スタックケース１４と補機ケース１５との接合方向に対して垂直な水平方向の両側）に設けられている。

第１ケース部材８８のエンドプレート部８８ａには、燃料電池スタック１２に設けられた酸化剤ガス入口連通孔、酸化剤ガス出口連通孔、燃料ガス入口連通孔、燃料ガス出口連通孔、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔にそれぞれ接続される接続配管（図示せず）を通すための配管用開口部９６ａ、９６ｂが形成されている。

図３に示すように、第２ケース部材９０は、第１ケース部材８８を閉じるカバー部材であり、第１ケース部材８８にボルト８２により接合される。第２ケース部材９０の積層方向（矢印Ｂ方向）に沿った外形寸法は、第１ケース部材８８の積層方向に沿った外形寸法よりも大きい。第２ケース部材９０は、燃料電池スタック１２から離れる方向（矢印ＢＬ方向）に凹んだ凹形状を有する。具体的に、第２ケース部材９０は、第１ケース部材８８のエンドプレート部８８ａに対向するとともに凹形状の底部を構成するケース壁部９０ａと、ケース壁部９０ａから第１ケース部材８８側（スタックケース１４側）に向かって延出する周壁部（第２周壁部）９０ｂとを有する。

周壁部９０ｂの突端（第１ケース部材８８側の端部）には外方に突出した第２フランジ部９０ｃが設けられている。第２フランジ部９０ｃは、第２ケース部材９０の開口部９０ｄを囲む。第２ケース部材９０は、第１ケース部材８８に複数のボルト８２ｂ（第２締結部材）により接合される。複数のボルト８２ｂは、第１ケース部材８８の第２ケース部材側９０の端部に設けられた複数のネジ穴８３ｂにそれぞれ螺合している。第１ケース部材８８の第１フランジ部８８ｃと第２ケース部材９０の第２フランジ部９０ｃとの間には、弾性材料からなるシール部材９３が、第１ケース部材８８と第２ケース部材９０との接合面の全周に亘って配置される。これにより、第１フランジ部８８ｃと第２フランジ部９０ｃとの間に気密シールが形成されている。

シール部材９３は、第１ケース部材８８と第２ケース部材９０とを固定する複数のボルト８２ｂの内方に配置されている。従って、シール部材９３は、複数のボルト８２ｂに囲まれている。シール部材９３は、第１ケース部材８８の第２ケース部材９０に対向する端面に設けられたシール収納溝９３ｒに収納されている。なお、シール収納溝９３ｒは、第２ケース部材９０の第１ケース部材８８に対向する端面に設けられてもよい。

第１ケース部材８８と第２ケース部材９０とを固定する複数のボルト８２ｂは、ケース本体７６と第１ケース部材８８とを固定する複数のボルト８２ａよりも外方に配置されている。

第２ケース部材９０側から第１ケース部材８８をケース本体７６側に向かって（図３の矢印Ｘ方向に）見た場合、図４に示すように、第１ケース部材８８と第２ケース部材９０とを固定する複数のボルト８２ｂ（及び複数のネジ穴８３ｂ）は、ケース本体７６と第１ケース部材８８とを固定する複数のボルト８２ａ（及び複数のネジ穴８３ａ）に対して、交互に配置されている。従って、複数のボルト８２ａと複数のボルト８２ｂとは、第１ケース部材８８の外周部（周壁部８８ｂ）に沿って千鳥状（ジグザグ）に配置されている。

第１ケース部材８８の周壁部８８ｂ及び第１フランジ部８８ｃの内面において、互いに隣接するネジ穴８３ｂの間には、第１ケース部材８８の外周面に向かって窪む凹部８５（切欠き）が設けられている。従って、第１ケース部材８８の内面には、第１ケース部材８８の内周部に沿って複数の凹部８５が間隔を置いて設けられている。複数の凹部８５に対向する位置に、複数のボルト８２ａ及びネジ穴８３ａが配置されている。

図２に示すように、補機ケース１５の上部（図示例では鉛直方向の上面７２ｓ）の、スタックケース１４が接合される側とは反対側の２つの角部には、補機ケース１５を外部に連通する孔部１５ｈが形成されている。具体的に、孔部１５ｈは、第２ケース部材９０の上部の２つの角部に形成されている。孔部１５ｈは、第２ケース部材９０の上部の２つの角部のうちいずれか一方のみに設けられていてもよい。孔部１５ｈは、第２ケース部材９０の鉛直方向の上面７２ｓ以外の側面の上部に設けられていてもよい。

図１に示すように、燃料電池システム１０は、ケースユニット１３（スタックケース１４及び補機ケース１５）から燃料ガスを排出するための排気装置９８を備える。図２に示すように、外部からスタックケース１４内に空気を導入してスタックケース１４内を換気するために、スタックケース１４には換気用空気導入孔９９が設けられている。換気用空気導入孔９９は、スタックケース１４の下部（図示例では、右サイドパネル７８の下部及び後方サイドパネル８０の下部）に複数設けられている。また、補機ケース１５の下部（図示例では、第１ケース部材８８の下部及び第２ケース部材９０の下部）にも換気用空気導入孔９９が設けられている。

図１において、ケースユニット１３の上部には排気装置９８が接続されており、燃料電池スタック１２又は燃料電池用補機７０（燃料ガス系デバイス７０Ａ及び酸化剤ガス系デバイス７０Ｂ）から燃料ガスが漏出した場合に、燃料ガスが排気装置９８を介して車外に排出されるようになっている。排気装置９８は、ケースユニット１３に接続された換気用ダクト１００を有する。換気用ダクト１００は、平面視でケースユニット１３の４つの角部に接続されている。具体的に、排気装置９８は、スタックケース１４に接続された換気用ダクト１００（以下、「第１換気用ダクト１００ａ」という）と、補機ケース１５に接続された換気用ダクト１００（以下、「第２換気用ダクト１００ｂ」という）とを有する。

第１換気用ダクト１００ａは、スタックケース１４に設けられた孔部１４ｈに接続されている。従って、第１換気用ダクト１００ａは、スタックケース１４の上部において、補機ケース１５と接続される側とは反対側の２つの角部に接続されている。第１換気用ダクト１００ａは、スタックケース１４の２つの孔部１４ｈに接続された２つの接続管部１０２ａ、１０２ｂと、２つの接続管部１０２ａ、１０２ｂが合流した合流管部１０２ｃとを有する。合流管部１０２ｃは、右側フェンダー部１０８Ｒに設けられた右側排気口１１０Ｒに接続されている。

第２換気用ダクト１００ｂは、補機ケース１５に設けられた孔部１５ｈに接続されている。従って、第２換気用ダクト１００ｂは、補機ケース１５の上部において、スタックケース１４と接続される側とは反対側の２つの角部に接続されている。第２換気用ダクト１００ｂは、補機ケース１５の２つの孔部１５ｈに接続された２つの接続管部１０４ａ、１０４ｂと、２つの接続管部１０４ａ、１０４ｂが合流した合流管部１０４ｃとを有する。合流管部１０４ｃは、左側フェンダー部１０８Ｌに設けられた左側排気口１１０Ｌに接続されている。

第１換気用ダクト１００ａと第２換気用ダクト１００ｂとは、連結配管１１２を介して相互に接続されている。連結配管１１２は、第１換気用ダクト１００ａの前方側の接続管部１０２ａと、第２換気用ダクト１００ｂの前方側の接続管部１０４ａとに接続されている。従って、第１換気用ダクト１００ａと、第２換気用ダクト１００ｂとは、平面視で、スタックケース１４と補機ケース１５との接続方向に対して垂直な方向（矢印Ａ方向）の一方側（前方側）において、相互に接続されている。連結配管１１２は、第１換気用ダクト１００ａの後方側の接続管部１０２ｂと、第２換気用ダクト１００ｂの後方側の接続管部１０４ｂとに接続されてもよい。連結配管１１２は、第１換気用ダクト１００ａの接続管部１０２ａと接続管部１０２ｂとの間の中間管部１０２ｄと、第２換気用ダクト１００ｂの接続管部１０４ａと接続管部１０４ｂとの間の中間管部１０４ｄとに接続されてもよい。

図５に示すように、燃料電池車両１１は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池スタック１２を有する燃料電池システム１０と、燃料電池システム１０から流出したカソード排ガスを車両外部へと排出する排気管６０とを備える。燃料電池車両１１はさらに、燃料電池システム１０の発電や燃料電池車両１１の走行を制御するＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｕｎｉｔ）６２や、燃料電池システム１０で発電した電力を電源として動作する走行用モータ等の電装品を備える。

燃料電池システム１０は、さらに、燃料電池スタック１２に燃料ガス（例えば、水素ガス）を供給する燃料ガス供給装置２５と、燃料電池スタック１２に酸化剤ガスである空気を供給する酸化剤ガス供給装置２６と備える。図示は省略するが、燃料電池システム１０はさらに、エネルギ貯蔵装置であるバッテリと、燃料電池スタック１２に冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置とを備える。

燃料電池スタック１２を構成する各発電セルは、電解質膜（例えば、固体高分子電解質膜）の両面にそれぞれアノード電極及びカソード電極が配置されて構成された電解質膜・電極構造体と、この電解質膜・電極構造体を両側から挟持する一対のセパレータとを有する。

燃料ガス供給装置２５は、高圧の燃料ガス（高圧水素）を貯留する燃料ガスタンク２８と、燃料ガスを燃料電池スタック１２へと導く燃料ガス供給ライン３０と、燃料ガス供給ライン３０に設けられたインジェクタ３２と、インジェクタ３２よりも下流側に設けられたエジェクタ３４とを有する。燃料ガス供給ライン３０は、燃料電池スタック１２の燃料ガス入口２０ａに接続されている。インジェクタ３２とエジェクタ３４とにより燃料ガス噴射装置が構成されている。

燃料電池スタック１２の燃料ガス出口２０ｂには、燃料ガス排出ライン３６が接続されている。燃料ガス排出ライン３６は、燃料電池スタック１２のアノードで少なくとも一部が使用された燃料ガスであるアノード排ガス（燃料オフガス）を、燃料電池スタック１２から導出する。燃料ガス排出ライン３６には、循環ライン４０が連結されている。循環ライン４０は、アノード排ガスをエジェクタ３４に導く。循環ライン４０には、水素ポンプ４２（循環ポンプ）が設けられている。なお、水素ポンプ４２は設けられなくてもよい。

燃料ガス排出ライン３６には、気液分離器３８が設けられる。気液分離器３８の液体排出口３８ｂには、接続ライン３７が接続されている。接続ライン３７には、ＥＣＵ６２によって開閉制御される排水バルブ３９が設けられている。

酸化剤ガス供給装置２６は、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口２０ｃに接続された酸化剤ガス供給ライン４４と、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス出口２０ｄに接続された酸化剤ガス排出ライン４６と、燃料電池スタック１２に向けて空気を送給するエアポンプ４８と、燃料電池スタック１２に供給する空気を加湿する加湿器５０とを有する。

エアポンプ４８は、空気を圧縮するコンプレッサ４８ａと、コンプレッサ４８ａを回転駆動するモータ４８ｂと、コンプレッサ４８ａに連結されたエキスパンダ４８ｃ（回生機構）とを有する。エアポンプ４８は、ＥＣＵ６２により制御される。コンプレッサ４８ａは、酸化剤ガス供給ライン４４に設けられている。酸化剤ガス供給ライン４４において、コンプレッサ４８ａよりも上流側にはエアクリーナ５２が設けられている。空気は、エアクリーナ５２を介してコンプレッサ４８ａに導入される。

エキスパンダ４８ｃは、酸化剤ガス排出ライン４６に設けられている。エキスパンダ４８ｃのインペラは、連結シャフト４８ｄを介して、コンプレッサ４８ａのインペラに連結されている。コンプレッサ４８ａのインペラと、連結シャフト４８ｄと、エキスパンダ４８ｃのインペラとは、回転軸ａを中心に一体に回転する。エキスパンダ４８ｃのインペラにはカソード排ガスが導入されて、カソード排ガスから流体エネルギを回生する。回生エネルギは、コンプレッサ４８ａを回転させるための駆動力の一部を賄う。

加湿器５０は、水分が透過可能な多数の中空糸膜を有し、中空糸膜によって、燃料電池スタック１２に向かう空気と、燃料電池スタック１２から排出された多湿のカソード排ガスとの間で水分交換させて、燃料電池スタック１２に向かう空気を加湿する。

酸化剤ガス供給ライン４４において、加湿器５０と燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口２０ｃとの間に、気液分離器５４が設けられている。気液分離器５４に接続ライン３７が接続されている。気液分離器５４の液体排出口５４ａにはドレイン管５５の一端が接続されている。ドレイン管５５の他端は排気管６０に接続されている。ドレイン管５５にはオリフィス５６が設けられている。なお、気液分離器５４は設けられなくてもよい。気液分離器５４が設けられない場合、接続ライン３７は酸化剤ガス供給ライン４４に直接接続されてもよい。

排気管６０はエキスパンダ４８ｃの出口４８ｅに接続されている。排気管６０は、エキスパンダ４８ｃの出口４８ｅから延出し、車体底部に沿って、車体後部まで延在している。

次に、上記のように構成された燃料電池システム１０の作用を説明する。

燃料電池システム１０は、通常運転時において、以下のように動作する。図５において、燃料ガス供給装置２５では、燃料ガスタンク２８から燃料ガス供給ライン３０に燃料ガスが供給される。このとき、燃料ガスは、インジェクタ３２によりエジェクタ３４に向けて噴射され、エジェクタ３４を介して、燃料ガス入口２０ａから燃料電池スタック１２内の燃料ガス流路へと導入され、アノードに供給される。

一方、酸化剤ガス供給装置２６では、エアポンプ４８（コンプレッサ４８ａ）の回転作用下に、酸化剤ガス供給ライン４４に酸化剤ガスである空気が送られる。空気は、加湿器５０にて加湿された後、酸化剤ガス入口２０ｃから燃料電池スタック１２内の酸化剤ガス流路に導入され、カソードに供給される。各発電セルでは、アノードに供給される燃料ガスと、カソードに供給される空気中の酸素とが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。

アノードで消費されなかった燃料ガスは、アノード排ガスとして燃料ガス出口２０ｂから燃料ガス排出ライン３６に排出される。気液分離器３８にはアノード排ガスとともにアノードから排出された液水が導入される。アノード排ガスは気液分離器３８にて液水から分離され、気液分離器３８の気体排出口３８ａを介して循環ライン４０へ流入する。気液分離器３８内の液量は、ＥＣＵ６２の指示に基づく排水バルブ３９の開閉により調整される。なお、燃料電池スタック１２の運転停止時に排水バルブ３９は開弁され、気液分離器３８内の液水は、重力により、接続ライン３７を介して、酸化剤ガス供給ライン４４に設けられた気液分離器５４へ排出される。液水は、気液分離器５４からドレイン管５５及び排気管６０を介して車外へと排出される。

アノード排ガスは、燃料ガス排出ライン３６から循環ライン４０を介してエジェクタ３４に導入される。エジェクタ３４に導入されたアノード排ガスは、インジェクタ３２により噴射された燃料ガスと混合されて、燃料電池スタック１２へと供給される。

燃料電池スタック１２の酸化剤ガス出口２０ｄからは、カソードで消費されなかった酸素を含む多湿のカソード排ガスと、カソードでの反応生成物である水とが、酸化剤ガス排出ライン４６へと排出される。カソード排ガスは、加湿器５０にて、燃料電池スタック１２へと向かう空気と水分交換を行った後、エアポンプ４８のエキスパンダ４８ｃに導入される。エキスパンダ４８ｃでは、カソード排ガスからエネルギ回収（回生）を行い、回生エネルギがコンプレッサ４８ａの駆動力の一部となる。カソード排ガス及び水は、エキスパンダ４８ｃから排気管６０へと排出され、排気管６０を介して車外へと放出される。

燃料電池システム１０の運転開始時に、ＥＣＵ６２が温度に基づき燃料電池スタック１２の暖機が必要と判断した場合には、通常運転に先行して暖機運転を行う。暖機運転では、ＥＣＵ６２の指示により、気液分離器３８に接続された接続ライン３７に設けられた排水バルブ３９が開けられる。そして、通常運転と同様に、燃料ガス供給装置２５により燃料電池スタック１２のアノードに燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給装置２６により燃料電池スタック１２のカソードに酸化剤ガスが供給されて、発電が行われる。

排水バルブ３９は開弁しているため、接続ライン３７を介して燃料ガスが酸化剤ガス供給ライン４４に導入される。従って、燃料電池スタック１２のカソードには、酸化剤ガスとともに燃料ガスも供給される。その結果、酸化剤ガスと燃料ガスとにより、カソード触媒で発熱反応（触媒燃焼）が生じる。この発熱反応に伴う熱と上記の発電反応に伴う熱とによって、燃料電池スタック１２が迅速に加熱される。そして、暖機完了温度に到達したと判断された場合には、排水バルブ３９が閉じられて、上述した通常運転に移行する。

この場合、本実施形態に係る燃料電池システム１０は、以下の効果を奏する。

図３に示したように、この燃料電池システム１０によれば、補機ケース１５は、燃料電池スタック１２に積層方向の締付荷重を付与するエンドプレート部８８ａを一体に有するため、構造の合理化が図られる。すなわち、この燃料電池システム１０では、補機ケース１５とエンドプレートとが別々の部品として設けられているのではなく、補機ケース１５の一部が、エンドプレートを兼ねている（エンドプレートが補機ケース１５に統合されている）。このため、構造の合理化によりシール界面やフランジの削減が図られるとともに、コスト及び重量の低減や小型化を図りやすい。また、補機ケース１５の構造が比較的簡易であり、シール界面が少ないため、スタックケース１４に対し、比較的簡単に補機ケース１５を組み付けることができる（組立性が良い）。

特に本実施形態では、補機ケース１５は、スタックケース１４に隣接した第１ケース部材８８と、第１ケース部材８８に接合された第２ケース部材９０とを備える。スタックケース１４と第２ケース部材９０との間に第１ケース部材８８が配置されている。第１ケース部材８８は、スタックケース１４に接合されたエンドプレート部８８ａと、エンドプレート部８８ａの周縁部８８ａｅ全周からエンドプレート部８８ａの厚さ方向で前記第２ケース部材側に延出した周壁部８８ｂとを有する。そして、第１ケース部材８８内に燃料電池用補機７０の少なくとも一部が収納されている。この構成により、燃料電池用補機７０を外部荷重から良好に保護することができる。

エンドプレート部８８ａの周縁部は、第１ケース部材８８の周壁部８８ｂより内方に配置された締結部材（ボルト８２ａ）によりスタックケース１４の端部に接合されている。この構成により、補機ケース１５の内部空間をより大きく確保することができる。すなわち、燃料電池用補機７０の配置スペースを確保しやすい。

スタックケース１４と第１ケース部材８８との間で締結部材（ボルト８２ａ）の外方には全周に亘ってシール部材７９が配置されている。この構成により、補機ケース１５内で燃料ガスが漏れ出た場合でも、燃料ガスが補機ケース１５内からボルト挿通孔８８ｈを介して外部へと漏れることを確実に防止することができる。

エンドプレート部８８ａの周縁部は、第１ケース部材８８の周壁部８８ｂより内方に配置された複数の第１締結部材（ボルト８２ａ）によりスタックケース１４の端部に接合されている。第２ケース部材９０は、複数の第２締結部材（ボルト８２ｂ）により第１ケース部材８８の周壁部８８ｂに接合されている。そして、図４に示したように、複数の第１締結部材（ボルト８２ａ）と複数の第２締結部材（ボルト８２ｂ）とは、第１ケース部材８８の外周部に沿って千鳥状に配置されている。この構成により、ケース本体７６と第１ケース部材８８とを第１締結部材（ボルト８２ａ）により固定する際に、締結用の工具が第１ケース部材８８に干渉しにくいため、組立性を容易に確保することができる。また、上記千鳥状の配置に伴うスペース効率向上により、第１ケース部材８８を備えた補機ケース１５（ひいては燃料電池システム１０）の小型化が図られる。

第１ケース部材８８の周壁部８８ｂ及び第１フランジ部８８ｃの内面において、互いに隣接するネジ穴８３ｂの間には、第１ケース部材８８の外周面に向かって窪む凹部８５が設けられている。この構成により、凹部８５の箇所で周壁部８８ｂ及び第１フランジ部８８ｃの肉厚を薄くすることができ、第１ケース部材８８の軽量化が図られる。また、第１ケース部材８８の内周部は凹部８５の箇所で切り欠かれているため、第１締結部材（ボルト８２ａ）の締結の際に用いる工具（締結工具）が第１ケース部材８８の内周部に干渉することが効果的に防止され、締結工具を回しやすい。さらに、凹部８５が設けられることで、ネジ穴８３ａとネジ穴８３ｂとの中心間距離Ｌを小さくすることができ、第１ケース部材８８を備えた補機ケース１５の小型化が図られる。

特に、燃料電池用補機７０は、燃料ガス系デバイス７０Ａを有し、燃料ガス系デバイス７０Ａは、第１ケース部材８８内に収納されている。この構成により、燃料ガス系デバイス７０Ａを外部荷重から良好に保護することができる。

第２ケース部材９０は、燃料電池スタック１２から離れる方向に凹んだ凹形状を有する。燃料電池用補機７０は、酸化剤ガス系デバイス７０Ｂを有する。そして、酸化剤ガス系デバイス７０Ｂは、第２ケース部材９０内に収納されている。この構成により、酸化剤ガス系デバイス７０Ｂから燃料ガスが漏れ出た場合でも、補機ケース１５の換気機能により燃料ガスを所定領域（車外）へと適切に排出することができる。

なお、上述した本実施形態では、図１において、燃料電池スタック１２の積層方向が車両幅方向（矢印Ｂ方向）を向くように燃料電池システム１０が燃料電池車両１１に搭載されているが、これとは異なり、燃料電池スタック１２の積層方向が車両前後方向（矢印Ａ方向）を向くように燃料電池システム１０が燃料電池車両１１に搭載されてもよい。上述した本実施形態では、スタックケース１４が右側に配置され、補機ケース１５が左側に配置されるように、燃料電池システム１０が燃料電池車両１１に搭載されているが、これとは異なり、スタックケース１４が左側に配置され、補機ケース１５が右側に配置されるように、燃料電池システム１０が燃料電池車両１１に搭載されてもよい。

本発明は、スタックケース１４を備えない燃料電池システムにも適用可能である。この場合、図示は省略するが、例えば、燃料電池スタック１２の積層方向一端側に配置された補機ケース１５の第１ケース部材８８と、燃料電池スタック１２の積層方向他端側に配置されたエンドプレート部材とが、バー状又はロッド状の複数の連結部材により連結されることで、燃料電池スタック１２に積層方向の締付荷重が付与される。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改変が可能である。

１０…燃料電池システム １１…燃料電池車両
１２…燃料電池スタック １４…スタックケース
１５…補機ケース ３２…インジェクタ
５０…加湿器 ７０…燃料電池用補機
７０Ａ…燃料ガス系デバイス ７０Ｂ…酸化剤ガス系デバイス
８８…第１ケース部材 ８８ａ…エンドプレート部
８８ｂ、９０ｂ…周壁部 ９０…第２ケース部材

Claims (13)

1. 燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックを収納するスタックケースと、
   前記スタックケースに接合され、燃料電池用補機を収納した補機ケースと、を備え、
   前記補機ケースは、前記燃料電池スタックに積層方向の締付荷重を付与するエンドプレート部を一体に有し、
   前記補機ケースは、前記スタックケースに隣接した第１ケース部材と、前記第１ケース部材に接合された第２ケース部材とを備え、
   前記スタックケースと前記第２ケース部材との間に前記第１ケース部材が配置されており、
   前記第１ケース部材は、前記スタックケースに接合された前記エンドプレート部と、前記エンドプレート部の周縁部全周から前記エンドプレート部の厚さ方向で前記第２ケース部材側に延出した周壁部とを有する、燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
   前記第１ケース部材内に前記燃料電池用補機の少なくとも一部が収納されている、燃料電池システム。
3. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
   前記エンドプレート部の前記周縁部は、前記周壁部より内方に配置された締結部材により前記スタックケースの端部に接合されている、燃料電池システム。
4. 請求項３記載の燃料電池システムにおいて、
   前記スタックケースと前記第１ケース部材との間で前記締結部材の外方には全周に亘ってシール部材が配置されている、燃料電池システム。
5. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
   前記エンドプレート部の前記周縁部は、前記周壁部より内方に配置された複数の第１締結部材により前記スタックケースの端部に接合されており、
   前記第２ケース部材は、複数の第２締結部材により前記第１ケース部材の前記周壁部に接合されており、
   前記複数の第１締結部材と前記複数の第２締結部材とは、前記第１ケース部材の外周部に沿って千鳥状に配置されている、燃料電池システム。
6. 請求項２～５のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池用補機は、燃料ガス系デバイスを有し、
   前記燃料ガス系デバイスは、前記第１ケース部材内に収納されている、燃料電池システム。
7. 請求項６記載の燃料電池システムにおいて、
   前記第２ケース部材は、前記燃料電池スタックから離れる方向に凹んだ凹形状を有し、
   前記燃料電池用補機は、酸化剤ガス系デバイスを有し、
   前記酸化剤ガス系デバイスは、前記第２ケース部材内に収納されている、燃料電池システム。
8. 請求項７記載の燃料電池システムにおいて、
   前記補機ケースは、換気用空気導入孔を有する、燃料電池システム。
9. 請求項１～８のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記補機ケースは、前記スタックケースの水平方向に隣接して配置されており、
   前記補機ケースの鉛直方向の外形寸法は、前記スタックケースの鉛直方向の外形寸法よりも大きい、燃料電池システム。
10. 請求項２～７のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記第２ケース部材の前記積層方向に沿った外形寸法は、前記第１ケース部材の前記積層方向に沿った外形寸法よりも大きい、燃料電池システム。
11. 請求項６又は７記載の燃料電池システムにおいて、
    前記燃料ガス系デバイスは、燃料ガスを噴射するインジェクタを有する、燃料電池システム。
12. 請求項７記載の燃料電池システムにおいて、
    前記酸化剤ガス系デバイスは、前記燃料電池スタックに向けて供給する酸化剤ガスを加湿する加湿器を有する、燃料電池システム。
13. 燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタックに隣接して配置され、燃料電池用補機を収納した補機ケースと、を備え、
    前記補機ケースは、前記燃料電池スタックに積層方向の締付荷重を付与するエンドプレート部を一体に有し、
    前記補機ケースは、前記燃料電池スタックに隣接した第１ケース部材と、前記第１ケース部材に接合された第２ケース部材とを備え、
    前記燃料電池スタックと前記第２ケース部材との間に前記第１ケース部材が配置されており、
    前記第１ケース部材は、前記エンドプレート部と、前記エンドプレート部の周縁部全周から前記エンドプレート部の厚さ方向で前記第２ケース部材側に延出した周壁部とを有する、燃料電池システム。

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