JP7046863B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、発電セルを複数積層した発電セル積層体の積層方向の端部に絶縁プレートを積層したスタックを収納するスタックケースと、燃料電池用補機を収納する補機ケースとを備える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にアノード電極が配設され、他方にカソード電極が配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備える。電解質膜・電極構造体をセパレータで挟持することにより、発電セルが構成され、複数個の発電セルを積層することにより、発電セル積層体が構成される。この発電セル積層体に、ターミナルプレート、絶縁プレート、エンドプレートをさらに積層すること等により、燃料電池スタックが得られる。

この種の燃料電池スタックを備える燃料電池システムは、例えば、燃料電池車両等（搭載体）の搭載空間に搭載して用いることができる。この場合、特に水素ガスである燃料ガスが積層体等から漏出したとしても、該漏出燃料ガスが車両内の搭載空間等に留まることを抑制する必要がある。そこで、例えば、特許文献１には、積層体を収納するスタックケースの内部に排気ダクトを連通させた燃料電池システムが提案されている。この燃料電池システムでは、スタックケース内の漏出燃料ガスを、排気ダクトを介して車両の外部等の所定の場所に導出することで、スタックケース内を換気して、搭載空間等に漏出燃料ガスが留まることを抑制する。

特許第６１０４８６４号公報

ところで、燃料電池システムでは、燃料ガスのインジェクタ等を含む燃料電池用補機を収納する補機ケースがスタックケースに隣接して設けられることがある。この場合、隔壁で区画されたスタックケース及び補機ケースの両方の内部を換気する必要がある。そこで、例えば、スタックケース及び補機ケースの内部を排気ダクトに連通させるとともに、スタックケースと補機ケースの内部を連通させる換気連通口を隔壁に設ける。これによって、スタックケース及び補機ケースの内部と排気ダクトとを簡単な構成により良好に連通させて換気を行うことが可能になる。

しかしながら、上記のように隔壁に換気連通口を設けると、燃料電池システムの組立時等に換気連通口からスタックケースの内部に比較的小さな導電性の構成部品や、導電性の構成要素から剥離した破片等が異物として侵入する懸念が生じる。これらの異物が、例えば、セル電圧検出用のセル電圧端子や、セパレータ等の発電セル積層体に設けられた導電性部に接触すると、短絡等の原因となる場合がある。このため、燃料電池システムでは、正常な動作を良好に維持するべく、スタックケース内の発電セル積層体に異物が接触することを抑制する必要がある。

本発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、スタックケース内に収納された発電セル積層体に異物が接触することを抑制できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は、発電セルを水平方向に複数積層した発電セル積層体の積層方向の端部に絶縁プレートを積層したスタックを収納するスタックケースと、燃料電池用補機を収納する補機ケースと、を備える燃料電池システムであって、前記積層方向に隣接する前記スタックケース及び前記補機ケースの内部が隔壁により区画され、前記隔壁には、前記スタックケースの内部と前記補機ケースの内部とを連通させる換気連通口が設けられ、前記換気連通口には、前記スタックケースの内部で前記発電セル積層体よりも前記隔壁に近接して設けられた前記絶縁プレートが対向する。

この燃料電池システムでは、例えば、スタックを収納した状態のスタックケースに補機ケースを接合する組付け工程等の際に、換気連通口がスタックケースよりも鉛直方向の上側に配置されることがある。このような場合に重力の作用下に換気連通口からスタックケースの内部に異物が侵入したとしても、該換気連通口には、スタックケースの内部で発電セル積層体よりも隔壁に近接して設けられた絶縁プレートが対向している。このため、侵入した異物は絶縁プレートに接触することとなり、発電セル積層体に到達することを回避できる。

従って、本発明によれば、換気連通口から異物が侵入したとしても、該異物が発電セル積層体に接触することを抑制できる。このため、たとえ、異物が導電性を示すような場合であっても、燃料電池システムに短絡等が生じることを回避でき、燃料電池システムの正常な動作を良好に維持することが可能になる。

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概略斜視図である。 発電セルの分解斜視図である。 スタックケースに収納された第１セパレータの酸化剤ガス流路側の正面図である。 スタックケースに収納された第２セパレータの燃料ガス流路側の正面図である。 ケースユニットの分解斜視図である。 燃料電池システムの製造工程の一部を説明する概略断面図である。 換気連通口との突出部との位置関係を説明する説明図である。

本発明に係る燃料電池システムについて好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の図において、同一又は同様の機能及び効果を奏する構成要素に対しては同一の参照符号を付し、繰り返しの説明を省略する場合がある。

本実施形態では、図１に示すように、燃料電池システム１０が、燃料電池電気自動車である燃料電池車両１２（搭載体）に搭載される場合を例に挙げて説明するが、特にこれに限定されるものではなく、燃料電池システム１０は種々の搭載体（不図示）に搭載して用いることができる。以下では、特に説明しない限り、燃料電池車両１２の運転席に着座した乗員（不図示）から見た方向を基準に、前後方向（矢印Ａ方向）、左右方向（矢印Ｂ方向）、上下方向（矢印Ｃ方向）を説明する。

燃料電池システム１０は、燃料電池車両１２のダッシュボード１４の前方（矢印ＡＦ側）に形成されたフロントルーム（モータルーム）１６内に配設されている。また、燃料電池システム１０では、複数の発電セル１８（図２）が左右方向（矢印Ｂ方向）に積層されてなる発電セル積層体１９と、発電セル積層体１９の積層方向の端部に絶縁プレート２０を積層したスタック２１を収納するスタックケース２２と、燃料電池用補機２４を収納する補機ケース２６とを備える。

以下では、特に説明しない限り、燃料電池システム１０は、燃料電池車両１２に対して、発電セル積層体１９の積層方向が左右方向（矢印Ｂ方向、水平方向）に沿う搭載方向で配置されることとする。しかしながら、特にこれに限定されるものではなく、例えば、燃料電池システム１０は、発電セル積層体１９の積層方向が前後方向（矢印Ａ方向、水平方向）に沿う搭載方向で燃料電池車両１２に搭載されてもよい。

図１に示すように、発電セル積層体１９の積層方向の左端（矢印ＢＬ側端）には、第１ターミナルプレート２８と、絶縁プレート２０として第１絶縁プレート３０が外方に向かって順次積層される。発電セル積層体１９の積層方向の右端（矢印ＢＲ側端）には、第２ターミナルプレート３２と、絶縁プレート２０として第２絶縁プレート３４が外方に向かって順次積層される。つまり、スタック２１は、発電セル積層体１９と、第１ターミナルプレート２８及び第２ターミナルプレート３２と、第１絶縁プレート３０及び第２絶縁プレート３４とが積層されて構成される。なお、第１絶縁プレート３０は積層方向に重ね合わされた複数枚（例えば、２枚）から構成されてもよい。第２絶縁プレート３４についても同様に、積層方向に重ね合わされた複数枚（例えば、２枚）から構成されてもよい。

図２に示すように、発電セル１８は、樹脂枠付きＭＥＡ３６と、該樹脂枠付きＭＥＡ３６を挟持する第１セパレータ３８及び第２セパレータ４０とを有する。第１セパレータ３８及び第２セパレータ４０は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属薄板の断面を波形にプレス成形して構成される。つまり、第１セパレータ３８及び第２セパレータ４０は導電性材料から構成される。第１セパレータ３８と第２セパレータ４０とは、外周を溶接、ろう付け、かしめ等により一体に接合され、接合セパレータ４２を構成する。

第２セパレータ４０の長辺方向（矢印Ａ方向）の後端側（矢印ＡＲ側）の縁部には、さらに後側に突出する複数（本実施形態では６個）のセル電圧端子４６が、上下方向（矢印Ｃ方向）に間隔を置いて設けられている。発電セル積層体１９の各第２セパレータ４０に設けられたセル電圧端子４６を選択的に不図示の電圧検出装置に接続することで、発電時の各発電セル１８又は所定数の発電セル１８のセル電圧を検出することが可能となる。

なお、各第２セパレータ４０に設けられるセル電圧端子４６の個数は１個でもよく、６個以外の複数であってもよい。また、セル電圧端子４６は、第１セパレータ３８に設けられていてもよいし、第１セパレータ３８及び第２セパレータ４０の両方に設けられていてもよい。

樹脂枠付きＭＥＡ３６は、電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）４８と、樹脂枠部材５０とを備える。樹脂枠部材５０は、電解質膜・電極構造体４８の外周に接合されるとともに、該電解質膜・電極構造体４８の外周を周回する。電解質膜・電極構造体４８は、電解質膜５２と、電解質膜５２の一方（矢印ＢＲ側）の面に設けられたアノード電極５４と、電解質膜５２の他方（矢印ＢＬ側）の面に設けられたカソード電極５６とを有する。

電解質膜５２は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜等の固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）であり、アノード電極５４及びカソード電極５６に挟持される。なお、電解質膜５２は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用することもできる。

何れも不図示ではあるが、アノード電極５４は、電解質膜５２の一方（矢印ＢＲ側）の面に接合されるアノード電極触媒層と、該アノード電極触媒層に積層されるアノードガス拡散層とを有する。カソード電極５６は、電解質膜５２の他方（矢印ＢＬ側）の面に接合されるカソード電極触媒層と、該カソード電極触媒層に積層されるカソードガス拡散層とを有する。

アノード電極触媒層は、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、イオン導電性高分子バインダとともにアノードガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される。カソード電極触媒層は、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、イオン導電性高分子バインダとともにカソードガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される。

カソードガス拡散層及びアノードガス拡散層は、カーボンペーパ又はカーボンクロス等の導電性多孔質シートから形成される。カソード電極触媒層とカソードガス拡散層との間、及びアノード電極触媒層とアノードガス拡散層との間の少なくとも一方に、多孔質層（不図示）を設けてもよい。

図１に示すスタック２１には、図２に示すように、該発電セル積層体１９の積層方向（矢印Ｂ方向）に流体を流通させる複数の連通孔として、酸化剤ガス入口連通孔５８ａ及び酸化剤ガス出口連通孔５８ｂと、冷却媒体入口連通孔６０ａ及び冷却媒体出口連通孔６０ｂと、燃料ガス入口連通孔６２ａ及び燃料ガス出口連通孔６２ｂとが設けられている。具体的には、複数の連通孔は、スタック２１の発電セル積層体１９と、第１絶縁プレート３０及び第２絶縁プレート３４を矢印Ｂ方向に連通する。

これらの連通孔のうち、冷却媒体入口連通孔６０ａ及び冷却媒体出口連通孔６０ｂには、発電セル１８を冷却するための、例えば、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が流通する。酸化剤ガス入口連通孔５８ａ及び酸化剤ガス出口連通孔５８ｂには、反応ガスとして、例えば、酸素含有ガス等の酸化剤ガス（例えば、空気）が流通する。燃料ガス入口連通孔６２ａ及び燃料ガス出口連通孔６２ｂには、反応ガスとして、例えば、水素含有ガス等の燃料ガスが流通する。

図２に示すように、発電セル１８のうち接合セパレータ４２及び樹脂枠部材５０の長辺方向（矢印Ａ方向）の後端側（矢印ＡＲ端側）の縁部には、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５８ａ、２つの冷却媒体入口連通孔６０ａ及び２つの燃料ガス出口連通孔６２ｂが設けられる。燃料ガス出口連通孔６２ｂには、各発電セル１８から燃料ガスが排出される。酸化剤ガス入口連通孔５８ａは、各発電セル１８に酸化剤ガスを供給する。冷却媒体入口連通孔６０ａは、各発電セル１８に冷却媒体を供給する。

これらの連通孔は上下方向（矢印Ｃ方向）に配列して設けられる。具体的には、酸化剤ガス入口連通孔５８ａは、上下方向に離間して配置された２つの冷却媒体入口連通孔６０ａの間に配置されている。２つの燃料ガス出口連通孔６２ｂのうち、一方は、上側の冷却媒体入口連通孔６０ａの上方（矢印Ｃ１側）に配置され、他方は、下側の冷却媒体入口連通孔６０ａの下方（矢印Ｃ２側）に配置されている。

発電セル１８のうち、接合セパレータ４２及び樹脂枠部材５０の長辺方向の前端側（矢印ＡＦ端側）の縁部には、積層方向に互いに連通して、燃料ガス入口連通孔６２ａ、２つの冷却媒体出口連通孔６０ｂ及び２つの酸化剤ガス出口連通孔５８ｂが設けられる。燃料ガス入口連通孔６２ａは、各発電セル１８に燃料ガスを供給する。冷却媒体出口連通孔６０ｂには、各発電セル１８から冷却媒体が排出される。酸化剤ガス出口連通孔５８ｂには、各発電セル１８から酸化剤ガスが排出される。

これらの連通孔は上下方向に配列して設けられる。具体的には、燃料ガス入口連通孔６２ａは、上下方向に離間して配置された２つの冷却媒体出口連通孔６０ｂの間に配置されている。２つの酸化剤ガス出口連通孔５８ｂのうち、一方は、上側の冷却媒体出口連通孔６０ｂの上方に配置され、他方は、下側の冷却媒体出口連通孔６０ｂの下方に配置されている。

複数の連通孔の配置は、本実施形態に限定されるものではなく、要求される仕様に応じて、適宜設定すればよい。本実施形態と異なり、一対の冷却媒体入口連通孔６０ａが燃料ガス入口連通孔６２ａの上下方向（矢印Ｃ方向）の両側に設けられ、一対の冷却媒体出口連通孔６０ｂが酸化剤ガス入口連通孔５８ａの上下方向の両側に設けられてもよい。さらに、本実施形態では、燃料ガス出口連通孔６２ｂ、酸化剤ガス出口連通孔５８ｂ、冷却媒体入口連通孔６０ａ、冷却媒体出口連通孔６０ｂのそれぞれを２個ずつ設けたが、それぞれを１個ずつ設けてもよい。

本実施形態では、酸化剤ガス入口連通孔５８ａは、燃料ガス入口連通孔６２ａよりも開口面積が大きい。酸化剤ガス入口連通孔５８ａは、図示のように、例えば六角形状に形成される。酸化剤ガス入口連通孔５８ａは、六角形状以外の形状（四角形状等）に形成されてもよい。一対の酸化剤ガス出口連通孔５８ｂは、図示のように、例えば三角形状に形成される。酸化剤ガス出口連通孔５８ｂの形状は、各角部が丸く形成された三角形状、あるいは、各角部が直線状に面取りされた三角形状（実質的に六角形状）であってもよい。

燃料ガス入口連通孔６２ａは、図示のように、例えば六角形状に形成される。燃料ガス入口連通孔６２ａは、六角形状以外の形状（四角形状等）に形成されてもよい。一対の燃料ガス出口連通孔６２ｂは、図示のように、例えば三角形状に形成される。燃料ガス出口連通孔６２ｂの形状は、各角部が丸く形成された三角形状、あるいは、各角部が直線状に面取りされた三角形状（実質的に六角形状）であってもよい。

一対の冷却媒体入口連通孔６０ａ及び一対の冷却媒体出口連通孔６０ｂは、例えば三角形状に形成される。一対の冷却媒体入口連通孔６０ａ及び一対の冷却媒体出口連通孔６０ｂの各々は、三角形状の頂点が酸化剤ガス流路６６側及び燃料ガス流路６７側を向くように形成されている。一対の冷却媒体入口連通孔６０ａ及び一対の冷却媒体出口連通孔６０ｂの形状は、各角部が丸く形成された三角形状、あるいは、各角部が直線状に面取りされた三角形状（実質的に六角形状）であってもよい。なお、各連通孔の形状は特に限定されるものではなく、円形状や他の多角形状等であってもよい。

図３に示すように、第１セパレータ３８の樹脂枠付きＭＥＡ３６（図２）に向かう側（矢印ＢＲ側）の面３８ａには、例えば、前後方向（矢印Ａ方向）に延在する酸化剤ガス流路６６が設けられる。酸化剤ガス流路６６は、酸化剤ガス入口連通孔５８ａ及び２つの酸化剤ガス出口連通孔５８ｂに連通する。

酸化剤ガス入口連通孔５８ａと酸化剤ガス流路６６との間には、プレス成形により、樹脂枠付きＭＥＡ３６に向かって突出した複数個のエンボス部を有する入口バッファ部６８ａが設けられる。酸化剤ガス出口連通孔５８ｂと酸化剤ガス流路６６との間には、プレス成形により、樹脂枠付きＭＥＡ３６に向かって突出した複数個のエンボス部を有する出口バッファ部６８ｂが設けられる。

第１セパレータ３８の面３８ａには、プレス成形により、複数のメタルビードシール７０が樹脂枠付きＭＥＡ３６（図２）に向かって一体に膨出成形される。メタルビードシール７０に代えて、弾性材料からなる凸状弾性シールが設けられてもよい。複数のメタルビードシール７０は、外側ビード部７０ａと、内側ビード部７０ｂと、複数の連通孔ビード部７０ｃとを有する。外側ビード部７０ａは、面３８ａの外周縁部を周回する。内側ビード部７０ｂは、酸化剤ガス流路６６、酸化剤ガス入口連通孔５８ａ及び２つの酸化剤ガス出口連通孔５８ｂの外周を周回し且つこれらを連通させる。

複数の連通孔ビード部７０ｃは、燃料ガス入口連通孔６２ａ、２つの燃料ガス出口連通孔６２ｂ、２つの冷却媒体入口連通孔６０ａ及び２つの冷却媒体出口連通孔６０ｂをそれぞれ周回する。なお、外側ビード部７０ａは、必要に応じて設ければよく、不要にすることもできる。

図４に示すように、第２セパレータ４０の樹脂枠付きＭＥＡ３６（図２）に向かう側（矢印ＢＬ側）の面４０ｂには、例えば、前後方向（矢印Ａ方向）に延在する燃料ガス流路６７が形成される。燃料ガス流路６７は、燃料ガス入口連通孔６２ａ及び２つの燃料ガス出口連通孔６２ｂに連通する。

燃料ガス入口連通孔６２ａと燃料ガス流路６７との間には、プレス成形により、樹脂枠付きＭＥＡ３６（図２）に向かって突出した複数個のエンボス部を有する入口バッファ部７２ａが設けられる。燃料ガス出口連通孔６２ｂと燃料ガス流路６７との間には、プレス成形により、樹脂枠付きＭＥＡ３６に向かって突出した複数個のエンボス部を有する出口バッファ部７２ｂが設けられる。

第２セパレータ４０の面４０ｂには、プレス成形により、複数のメタルビードシール７４が、樹脂枠付きＭＥＡ３６（図２）に向かって膨出成形される。当該メタルビードシール７４に代えて、弾性材料からなる凸状弾性シールが設けられてもよい。複数のメタルビードシール７４は、外側ビード部７４ａと、内側ビード部７４ｂと、複数の連通孔ビード部７４ｃとを有する。外側ビード部７４ａは、面４０ｂの外周縁部を周回する。内側ビード部７４ｂは、外側ビード部７４ａよりも内側で、燃料ガス流路６７、燃料ガス入口連通孔６２ａ及び２つの燃料ガス出口連通孔６２ｂの外周を周回し且つこれらを連通させる。

複数の連通孔ビード部７４ｃは、酸化剤ガス入口連通孔５８ａ、２つの酸化剤ガス出口連通孔５８ｂ、２つの冷却媒体入口連通孔６０ａ及び２つの冷却媒体出口連通孔６０ｂをそれぞれ周回する。なお、外側ビード部７４ａは、必要に応じて設ければよく、不要にすることもできる。

図２において、溶接又はロウ付けにより互いに接合される第１セパレータ３８の矢印ＢＬ側の面３８ｂと第２セパレータ４０の矢印ＢＲ側の面４０ａとの間には、冷却媒体入口連通孔６０ａと冷却媒体出口連通孔６０ｂとに連通する冷却媒体流路７６が形成される。冷却媒体流路７６は、酸化剤ガス流路６６が形成された第１セパレータ３８の裏面形状と、燃料ガス流路６７が形成された第２セパレータ４０の裏面形状とが重なり合って形成される。

図１及び図５に示すように、スタックケース２２及び補機ケース２６は、左右方向（矢印Ｂ方向）に隣接するように接合されてケースユニット７８を構成している。ケースユニット７８は平面視で矩形状であり、その長辺が車両幅方向（発電セル積層体１９の積層方向、矢印Ｂ方向）に沿って延在する。

図５に示すように、スタックケース２２は、発電セル積層体１９の外周面を覆う周壁ケース８０と、前後方向（矢印Ａ方向）を長手方向とする矩形板状のエンドプレート８２とを含んで形成される。周壁ケース８０は、平面視で矩形状のケース本体８４と、後方パネル８６とを有する。ケース本体８４は、左側（矢印ＢＬ側）に形成された矩形状の左開口部８８と、右側（矢印ＢＲ側）に形成された矩形状の右開口部９０と、後側（矢印ＡＲ側）に形成された矩形状の後方開口部９２とを有する箱型である。

後方パネル８６は、後方開口部９２を閉塞するようにケース本体８４にボルト９４により接合される。ケース本体８４と後方パネル８６との間には、後方開口部９２の外周に沿って、弾性材料からなるシール部材９６が介装されている。なお、後方パネル８６は、ケース本体８４と別部品ではなく、ケース本体８４と一体に構成されてもよい。

エンドプレート８２は、右開口部９０を閉塞するようにケース本体８４にボルト９４により接合されることで、ケース本体８４内のスタック２１の右端部（矢印ＢＲ側端部）に設けられた第２絶縁プレート３４（図１参照）に臨む。ケース本体８４とエンドプレート８２との間には、右開口部９０の外周に沿って、弾性材料からなるシール部材９６が介装されている。

図１に示すように、補機ケース２６は、燃料電池用補機２４を収納して保護する保護ケースである。補機ケース２６内には、燃料電池用補機２４として、酸化剤ガス系デバイス９８及び燃料ガス系デバイス１００が収納されている。酸化剤ガス系デバイス９８は、エアポンプ１０２、加湿器１０４等である。燃料ガス系デバイス１００は、インジェクタ１０６、エジェクタ１０８、水素ポンプ１１０、バルブ類（不図示）等である。

補機ケース２６は、具体的には、図５に示すように、一端が開口し、その開口周縁部にフランジ１１２ａ、１１４ａがそれぞれ設けられた箱型の第１ケース部材１１２及び第２ケース部材１１４を有する。第１ケース部材１１２と第２ケース部材１１４は互いのフランジ１１２ａ、１１４ａ同士がボルト止めされることによって一体化される。このようにして一体化された第１ケース部材１１２と第２ケース部材１１４との間に、燃料電池用補機２４（図１参照）を収納する補機収納空間１１６が形成されている。

第１ケース部材１１２の右端（矢印ＢＲ側端）には、左開口部８８を閉塞する隔壁１１８が設けられ、該隔壁１１８がケース本体８４の左端（矢印ＢＬ側端）にボルト９４により接合される。補機ケース２６の隔壁１１８は、スタックケース２２のエンドプレートの機能も兼ね備える。このため、隔壁１１８は、ケース本体８４内のスタック２１の左端部（矢印ＢＬ側端部）に設けられた第１絶縁プレート３０（図１参照）に臨み、エンドプレート８２との間でスタック２１に積層方向の締付荷重を付与する。

また、ケースユニット７８では、隔壁１１８よりも右側にスタック２１を収納するスタック収納空間１１９が形成され、隔壁１１８よりも左側に補機収納空間１１６が形成される。すなわち、左右方向（積層方向、矢印Ｂ方向、水平方向）に隣接するスタックケース２２及び補機ケース２６が隔壁１１８により区画される。

図５に示すように、隔壁１１８は、スタック２１に設けられた各連通孔に対向する位置に、該連通孔にそれぞれ接続される接続配管（図示せず）を通すための複数の配管用開口部１２４が形成されている。接続配管を介して各連通孔に酸化剤ガス及び燃料ガスである反応ガスや、冷却媒体を給排することが可能となる。また、隔壁１１８の外周側と、ケース本体８４との間には、左開口部８８の外周に沿って、弾性材料からなるシール部材９６が介装されている。

図５～図７に示すように、隔壁１１８には、スタックケース２２の内部のスタック収納空間１１９と、補機ケース２６の内部の補機収納空間１１６とを連通する換気連通口１２２が設けられる。本実施形態では、図５に示すように、換気連通口１２２は、搭載方向とした補機ケース２６の上部側（矢印Ｃ１側）で、積層方向に直交する方向（前後方向、矢印Ａ方向）の両端部と、該補機ケース２６の下部側（矢印Ｃ２側）で積層方向に直交する方向の両端部とにそれぞれ設けられている。

また、図７に示すように、本実施形態では、矢印Ｃ１側及び矢印ＡＲ側に設けられた換気連通口１２２（以下、換気連通口１２２ａともいう）は、最上部に設けられた燃料ガス出口連通孔６２ｂの矢印ＡＲ側の外周に略沿う湾曲状であり、矢印Ａ方向に間隔を置いて２個設けられている。

矢印Ｃ１側及び矢印ＡＦ側に設けられた換気連通口１２２（以下、換気連通口１２２ｂともいう）は、最上部に設けられた酸化剤ガス出口連通孔５８ｂの矢印ＡＦ側の外周に略沿う湾曲状であり、矢印Ａ方向に間隔を置いて２個設けられている。

矢印Ｃ２側及び矢印ＡＲ側に設けられた換気連通口１２２（以下、換気連通口１２２ｃともいう）は、最下部に設けられた燃料ガス出口連通孔６２ｂの矢印ＡＲ側の外周に略沿う湾曲状であり、矢印Ａ方向に間隔を置いて２個設けられている。

矢印Ｃ２側及び矢印ＡＦ側に設けられた換気連通口１２２（以下、換気連通口１２２ｄともいう）は、最下部に設けられた酸化剤ガス出口連通孔５８ｂの矢印ＡＦ側の外周に略沿う湾曲状であり、矢印Ａ方向に間隔を置いて２個設けられている。

なお、隔壁１１８には、換気連通口１２２ａ～１２２ｄの少なくとも一つが設けられていればよい。また、各換気連通口１２２の形状や個数も特に限定されるものではない。各換気連通口１２２の個数は１個でも２個以外の複数個でもよく、各換気連通口１２２の形状は、例えば、円形状や多角形状等であってもよい。

図７に示すように、これらの換気連通口１２２のそれぞれには、スタックケース２２の内部で発電セル積層体１９よりも隔壁１１８に近接して設けられた第１絶縁プレート３０が対向する。第１絶縁プレート３０の四隅には、該第１絶縁プレート３０の外周から面方向（矢印Ａ方向）外側に突出して各換気連通口１２２に対向する突出部３０ａが設けられている。

本実施形態では、第１絶縁プレート３０の突出部３０ａ及びその近傍に、換気連通口１２２に対向する部分３０ｂが設けられている。第１絶縁プレート３０の部分３０ｂは、換気連通口１２２の全領域を覆う範囲に設けられている。なお、第１絶縁プレート３０に設けられる突出部３０ａの個数や配置は、換気連通口１２２の個数や配置に応じて適宜調整することができる。

また、図６及び図７に示すように、第１絶縁プレート３０には、各換気連通口１２２側（矢印ＢＬ側）に向かって突出するリブ部３０ｃが、該第１絶縁プレート３０の換気連通口１２２に対向する部分３０ｂを取り囲むように設けられている。換言すると、第１絶縁プレート３０の各換気連通口１２２に対向する部分３０ｂは、各換気連通口１２２から離間する方向に窪む凹部３０ｄの内部に形成されている。

図１及び図５に示すように、ケースユニット７８のうち、周壁ケース８０の上壁８０ａには、左右方向（矢印Ｂ方向）において、補機ケース２６が設けられた側と反対側（右端側、矢印ＢＲ側）の端部における前後方向（矢印Ａ方向）の両端側に周壁貫通孔１２６がそれぞれ貫通形成されている。つまり、周壁ケース８０の上壁８０ａの右側の角部に周壁貫通孔１２６がそれぞれ設けられている。図１に示すように、周壁貫通孔１２６のそれぞれには、排気ダクト１２８が接続され、これによって、スタック収納空間１１９の内部が排気ダクト１２８の内部と連通する。

また、補機ケース２６の第２ケース部材１１４の上壁１１４ｂには、前後方向（矢印Ａ方向）の両端側に補機ケース貫通孔１３０がそれぞれ貫通形成されている。つまり、第２ケース部材１１４の上壁１１４ｂの左側の角部に補機ケース貫通孔１３０がそれぞれ設けられている。図１に示すように、補機ケース貫通孔１３０のそれぞれにも、排気ダクト１２８が接続され、これによって、補機収納空間１１６の内部が排気ダクト１２８の内部と連通する。

また、ケースユニット７８では、エンドプレート８２の下部と、後方パネル８６の下部と、補機ケース２６の側壁の下部とのそれぞれに貫通形成された換気用貫通孔１３２を介して、該ケースユニット７８の内部（スタック収納空間１１９及び補機収納空間１１６）に空気を流入させることが可能になっている。なお、図１では、換気用貫通孔１３２の図示を省略している。

排気ダクト１２８の左端（矢印ＢＬ側端部）は、燃料電池車両１２の左側フェンダー部１３４に設けられた左側排気口１３６に接続される。また、排気ダクト１２８の右端（矢印ＢＲ側端部）は、燃料電池車両１２の右側フェンダー部１３８に設けられた右側排気口１４０に接続される。つまり、排気ダクト１２８は、左側排気口１３６及び右側排気口１４０を介して、燃料電池車両１２の外部に連通する。

このため、発電セル積層体１９や燃料電池用補機２４等から漏洩燃料ガスが生じた場合、該漏洩燃料ガスは、スタック収納空間１１９、補機収納空間１１６、排気ダクト１２８を介して燃料電池車両１２の外部に排出されるようになっている。

上記のように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。燃料電池車両１２では、その運転時等に燃料電池システム１０による発電が行われる。この場合、上記の接続配管を介してスタック２１の燃料ガス入口連通孔６２ａ（図２）に燃料ガスが供給され、酸化剤ガス入口連通孔５８ａ（図２）に酸化剤ガスが供給され、冷却媒体入口連通孔６０ａ（図２）に冷却媒体が供給される。

酸化剤ガスは、図２及び図３に示すように、酸化剤ガス入口連通孔５８ａから第１セパレータ３８の酸化剤ガス流路６６に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路６６に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体４８のカソード電極５６に供給される。

一方、燃料ガスは、図２及び図４に示すように、燃料ガス入口連通孔６２ａから第２セパレータ４０の燃料ガス流路６７に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路６７に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体４８のアノード電極５４に供給される。

発電セル積層体１９の各電解質膜・電極構造体４８では、カソード電極５６に供給される酸化剤ガスと、アノード電極５４に供給される燃料ガスとが、カソード電極触媒層及びアノード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。この電力を利用して燃料電池車両１２が走行すること等が可能となる。

図２に示すように、カソード電極５６に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔５８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード電極５４に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔６２ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体入口連通孔６０ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ３８と第２セパレータ４０との間に形成された冷却媒体流路７６に導入され、矢印Ｂ方向に流通することで、電解質膜・電極構造体４８等を冷却する。その後、冷却媒体出口連通孔６０ｂから矢印Ａ方向に排出される。

図１及び図５に示すように、スタック収納空間１１９内で発電セル積層体１９（スタック２１）から漏洩燃料ガスが生じた場合、該漏洩燃料ガスの一部は、周壁ケース８０の上壁８０ａに設けられた周壁貫通孔１２６を介して排気ダクト１２８に流入する。また、スタック収納空間１１９内の漏洩燃料ガスの残部は、隔壁１１８に設けられた換気連通口１２２を通過して補機収納空間１１６へと流入した後、第２ケース部材１１４の上壁１１４ｂに設けられた補機ケース貫通孔１３０を介して排気ダクト１２８に流入する。

さらに、補機収納空間１１６内で燃料電池用補機２４から漏洩燃料ガスが生じた場合、該漏洩燃料ガスは、補機ケース貫通孔１３０を介して排気ダクト１２８に流入する。なお、例えば、燃料電池車両１２の傾斜時等には、補機収納空間１１６内の漏洩燃料ガスは、隔壁１１８に設けられた換気連通口１２２を通過してスタック収納空間１１９へと流入した後、周壁貫通孔１２６を介して排気ダクト１２８に流入してもよい。

その結果、スタックケース２２及び補機ケース２６の内部（スタック収納空間１１９及び補機収納空間１１６）の漏洩燃料ガスを排気ダクト１２８によって燃料電池車両１２の外部に導出して、スタックケース２２及び補機ケース２６の内部を換気することが可能となる。

上記の燃料電池システム１０は、スタックケース２２に補機ケース２６を接合する組付け工程を経て製造される。この組付け工程では、図６に示すように、補機ケース２６が接合される前のスタックケース２２にスタック２１を収納する。この際、スタック２１の第１絶縁プレート３０側が鉛直方向の上側に配置されるように（スタック２１の積層方向が鉛直方向に沿うように）、スタック２１の向きを調整する。

この状態で、スタックケース２２の左開口部８８を隔壁１１８によって覆うように、スタックケース２２に第１ケース部材１１２を積層し、互いをボルト止め等によって接合する。つまり、組付け工程では、スタックケース２２のスタック収納空間１１９に臨む換気連通口１２２が、スタックケース２２よりも鉛直方向の上側に配置される。

このため、重力の作用下に換気連通口１２２を介してスタックケース２２内に異物が侵入する懸念がある。異物としては、ボルト９４等の比較的小さな部品や、ボルト止め時にスタックケース２２等から剥離した剥離片（切粉）等が挙げられる。つまり、異物は導電性を有することがある。

本実施形態に係る燃料電池システム１０では、上記の通り、スタックケース２２の内部で発電セル積層体１９よりも隔壁１１８に近接して設けられた第１絶縁プレート３０が各換気連通口１２２に対向している。このため、たとえ、重力の作用下に換気連通口１２２からスタックケース２２の内部に異物が侵入したとしても、該異物は第１絶縁プレート３０に接触するため、発電セル積層体１９に到達することが回避される。

これによって、異物がセル電圧端子４６や第１セパレータ３８及び第２セパレータ４０等の発電セル積層体１９に設けられた導電性部に接触することを抑制できるため、異物を原因として燃料電池システム１０に短絡が生じること等を効果的に抑制することが可能となる。その結果、燃料電池システム１０の正常な動作を良好に維持することができる。

上記の実施形態に係る燃料電池システム１０では、絶縁プレート２０（第１絶縁プレート３０）に、該絶縁プレート２０の外周から面方向外側に突出して換気連通口１２２に対向する突出部３０ａが設けられていることとした。

この場合、第１絶縁プレート３０全体の面方向（矢印Ａ方向及び矢印Ｃ方向）の面積を大きくすることなく、突出部３０ａを設ける構成により、スタックケース２２の内部で第１絶縁プレート３０を換気連通口１２２に対向させることが可能となる。このため、第１絶縁プレート３０が大型化することや、その重量が増大することを抑制しつつ、発電セル積層体１９に異物が接触することを効果的に抑制することが可能になる。

なお、第１絶縁プレート３０に突出部３０ａを設けることに代えて、例えば、第１絶縁プレート３０の外周縁部全体をスタックケース２２の内部で換気連通口１２２に対向させることとしてもよい。また、上記の実施形態では、第１絶縁プレート３０の換気連通口１２２に対向する部分３０ｂが、突出部３０ａ及びその近傍に設けられていることとしたが、部分３０ｂは、突出部３０ａにのみ設けられていてもよい。換言すると、第１絶縁プレート３０の突出部３０ａを除く部分は、換気連通口１２２に対向していなくてもよい。

上記の実施形態に係る燃料電池システム１０では、絶縁プレート２０（第１絶縁プレート３０）には、換気連通口１２２に向かって突出するリブ部３０ｃが、換気連通口１２２に対向する部分３０ｂを取り囲む形状に設けられていることとした。

この場合、第１絶縁プレート３０の換気連通口１２２に対向する部分３０ｂに接触した異物が、リブ部３０ｃにより形成された凹部３０ｄの内部に留まり易くなる。このため、組付け後のスタックケース２２及び補機ケース２６を搭載方向とした場合、換言すると、スタック２１の積層方向を水平方向にした場合にも、発電セル積層体１９に異物が接触することを効果的に抑制することが可能となる。

上記の実施形態に係る燃料電池システム１０では、換気連通口１２２（換気連通口１２２ａ又は換気連通口１２２ｂ）は、補機ケース２６の上部側で、積層方向に直交する方向の両端部の少なくとも一方に設けられていることとした。この場合、ケースユニット７８内で漏洩燃料ガスが溜まり易い上側に換気連通口１２２ａ、１２２ｂが設けられるため、換気連通口１２２ａ、１２２ｂから補機ケース２６の内部へと漏洩燃料ガスを効果的に流入させて、排気ダクト１２８へと導くことが可能になる。その結果、スタックケース２２及び補機ケース２６の内部の換気効率を向上させることができる。

上記の実施形態に係る燃料電池システム１０では、換気連通口１２２（換気連通口１２２ｃ又は換気連通口１２２ｄ）は、補機ケース２６の下部側で、積層方向に直交する方向の両端部の少なくとも一方にさらに設けられていることとした。このように隔壁１１８に対する換気連通口１２２の形成箇所を増やすことで、スタックケース２２及び補機ケース２６の内部をより良好に換気することが可能になる。

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。

例えば、上記の実施形態では、スタックケース２２の左端に補機ケース２６を配設したが、スタックケース２２の右端に補機ケース２６を配設してもよい。この場合、絶縁プレート２０のうち、第１絶縁プレート３０に代えて、第２絶縁プレート３４をスタックケース２２の内部で換気連通口１２２に対向させればよい。

１０…燃料電池システム １２…燃料電池車両
１８…発電セル １９…発電セル積層体
２０…絶縁プレート ２１…スタック
２２…スタックケース ２４…燃料電池用補機
２６…補機ケース ３０…第１絶縁プレート
３０ａ…突出部 ３０ｂ…部分
３０ｃ…リブ部 ３０ｄ…凹部
１１８…隔壁 １２２…換気連通口

Claims (5)

1. 発電セルを水平方向に複数積層した発電セル積層体の積層方向の端部に絶縁プレートを積層したスタックを収納するスタックケースと、燃料電池用補機を収納する補機ケースと、を備える燃料電池システムであって、
   前記積層方向に隣接する前記スタックケース及び前記補機ケースの内部が隔壁により区画され、
   前記隔壁には、前記スタックケースの内部と前記補機ケースの内部とを連通させる換気連通口が設けられ、
   前記換気連通口には、前記スタックケースの内部で前記発電セル積層体よりも前記隔壁に近接して設けられた前記絶縁プレートが対向する、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、
   前記絶縁プレートには、該絶縁プレートの外周から面方向外側に突出して前記換気連通口に対向する突出部が設けられている、燃料電池システム。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、
   前記絶縁プレートには、前記換気連通口に向かって突出するリブ部が、前記換気連通口に対向する部分を取り囲む形状に設けられている、燃料電池システム。
4. 請求項１～３の何れか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記換気連通口は、前記補機ケースの上部側で、前記積層方向に直交する方向の両端部の少なくとも一方に設けられている、燃料電池システム。
5. 請求項４記載の燃料電池システムにおいて、
   前記換気連通口は、前記補機ケースの下部側で、前記積層方向に直交する方向の両端部の少なくとも一方にさらに設けられている、燃料電池システム。

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