JP6508170B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

アノードガスとしての水素ガスとカソードガスとしての酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムが知られている。車載用などの燃料電池システムでは、燃料電池が埃などの異物や水に曝されることを防止するとともに、メンテナンス時などに誤って燃料電池に手が触れることを防止する必要がある。特許文献１には、内部に燃料電池を収容するケースをさらに備える燃料電池システムが記載されている。

特開２０１６−０９６０６４号公報

特許文献１に記載された燃料電池システムにおいて、衝突などの異常発生時に、燃料電池から洩れ出た水素が燃焼して燃料電池を収容するケースの内圧が上昇した場合に、ケースにおける意図しない箇所が破損することが考えられる。ここで、ケースにおける意図しない箇所とは、例えば、メンテナンス時の安全性を確保する意味で燃料電池の外部への露出を避けなければならない箇所や、ケースが破損して破片が飛散するのを避けなけなければならない箇所などである。

このような、ケースの意図しない箇所の破損を防止するため、ケースの特定箇所において、十分に大きな圧抜き用開口を予め形成しておくことも考えられる。しかしながら、車両に搭載する燃料電池システムにおいて、ケースにこのような十分に大きな圧抜き用開口を予め形成すると、ケースの強度が不足し、車両の走行時における振動によりケースが壊れやすくなるなどの問題がある。

本発明は、以上の背景に鑑みなされたものであり、燃料電池を収容するケースにおいて、耐久性を損なうことなく、異常発生時の水素の燃焼により意図しない箇所が破損するのを防止することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、水素ガスと酸化ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、前記燃料電池を内部に収容するケースと、を備える燃料電池システムであって、前記ケースの特定の面において、前記ケースの内圧が所定の圧力よりも上昇した場合に所定の形状の圧抜き用開口が形成されるように、前記ケースの他の箇所よりも強度的に脆弱な箇所が前記所定の形状の輪郭に沿って設けられたものである。
ケースの内圧が所定の圧力よりも上昇した場合には、脆弱な箇所を結ぶライン上に亀裂が生じて当該ラインが１つの繋がった切り欠きになる。これにより、ケースの特定の面に所定の形状の圧抜き用開口が形成されるので、異常発生時の水素の燃焼により意図しない箇所が破損するのを防止することができる。また、ケースの特定の面には、圧抜き用開口と比べて総面積がずっと小さい脆弱な箇所を設けるだけなので、ケースの強度が大幅に低下することはない。このため、車両の走行時における振動などに対するケースの耐久性が損なわれることはない。

さらに、前記特定の面は、前記ケースの面のうち、前記ケースの外側に配置された構造物と近接した面である。
ケースの面のうち、ケースの外側に配置された構造物と近接した面を特定の面とし、当該特定の面に上記脆弱な箇所を設けると、ケースの内圧が所定の圧力よりも上昇した場合に当該特定の面に所定の形状の圧抜き用開口が形成される。当該特定の面には、ケースの外側に配置された構造物が近接しているので、人の手が届き難い。このため、当該特定の面に所定の形状の圧抜き用開口が形成されても、誤って高電圧部品である燃料電池に手が触れる危険性は極めて少なく、十分に安全性を確保することができる。

さらに、前記ケースの特定の面において、前記ケースの内圧が所定の圧力よりも上昇した場合に矩形の圧抜き用開口が形成されるように、前記脆弱な箇所が前記矩形の三辺に沿って設けられたものである。
ケースの特定の面に形成されるべき圧抜き用開口の形状を矩形とし、ケースの特定の面において、脆弱な箇所が矩形の三辺に沿って形成されると、ケースの内圧が所定の圧力より上昇したときに、脆弱な箇所を結ぶラインに沿ってきちんと亀裂が生じる確率が高くなる。すなわち、ケースの特定の面において、脆弱な箇所が矩形の三辺に沿って形成されると、ケースの内圧が所定の圧力より上昇したときに、設計した通りの位置および形状（矩形）に圧抜き用開口が形成されるようにすることができる。

本発明によれば、燃料電池を収容するケースにおいて、耐久性を損なうことなく、異常発生時の水素の燃焼により意図しない箇所が破損するのを防止することができる。

車両のエンジンフード内において、本実施の形態にかかる燃料電池システムが配置された状態の一例を示す模式図である。 図１の矢印Ａから見た矢視図である。 本実施の形態に係る燃料電池ケースの外観を示す斜視図である。 図３に示す燃料電池ケースの内圧が所定の圧力よりも上昇した場合に、特定の面としての下面において、所定の形状としての矩形の圧抜き用開口がどのように形成されるかについて説明する模式図である。 図３に示す燃料電池ケースの特定の面としての下面に、所定の形状としての矩形の圧抜き用開口が形成された状態を示す模式図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態１について説明する。
まず、図１を参照して本実施形態における燃料電池システム１の構成について説明する。図１は、車両１０のエンジンフード１３内において、本実施の形態にかかる燃料電池システム１が配置された状態の一例を示す模式図である。図２は、図１の矢印Ａから見た矢視図である。ここで、Ｘ軸正方向は車両１０の前方を示し、Ｙ軸正方向は車両１０の上方を示し、Ｚ軸正方向は車両１０の右方を示す。図１および図２に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池２と、燃料電池ケース３と、を備えている。

燃料電池２は、カソードガスとしての水素ガスとアノードガスとしての酸化ガス（空気）との電気化学反応により電力を発生する。燃料電池２は、単セルを積層することにより構成されている。

燃料電池ケース３は、燃料電池２を内部に収容する。燃料電池ケース３は、例えば、前面３ａ、後面３ｂ、右面３ｃ、左面３ｄ、上面３ｅ、下面３ｆの６面からなる筐体である。燃料電池ケース３は、例えば、絶縁性を有するゴム材料や合成樹脂材料等で表面が被覆された鉄合金やアルミニウム合金等の金属材料、ＡＢＳ樹脂等の樹脂材料で形成されている。燃料電池ケース３は、車両１０のエンジンフード内において、前面３ａがＸ軸正方向、上面３ｅがＹ軸正方向、右面３ｃがＺ軸正方向を向くように、ボルト等によりフレーム１４上に固定配置されている。

図１および図２に示す車両１０のエンジンフード１３内における燃料電池システム１の配置の一例では、燃料電池ケース３の前面３ａはラジエータ１１と近接し、後面３ｂは車室形成メンバ１２と近接し、右面３ｃは補機部品４と近接し、下面３ｆはフレーム１４と近接している。すなわち、燃料電池ケース３の面のうち、前面３ａ、後面３ｂ、右面３ｃおよび下面３ｆが燃料電池ケース３の外側に配置された構造物と近接している。ここで、補機部品４とは、エアコンプレッサ、水素ポンプ、パワーコントロールユニット（ＰＣＵ）などの燃料電池を運転するために必要な部品である。これに対し、燃料電池ケース３の左面３ｄおよび上面３ｅには、構造物が近接していない。ここで、「近接」しているとは、人の手が入らない程度の間隔（０．５ｍｍから５０ｍｍ程度の間隔）をあけて接近していることを意味する。

燃料電池ケース３における、燃料電池ケース３の外側に配置された構造物に近接した面には人の手が届き難い。このような人の手が届き難い面に所定の形状の圧抜き用開口が形成されても、メンテナンスの際などに誤って高電圧部品である燃料電池に手が触れる危険性は少ない。そこで、燃料電池ケース３の外側に配置された構造物に近接した面のうちのいずれかの面を、燃料電池ケース３の内圧が所定の圧力よりも上昇した場合に所定の形状の圧抜き用開口が形成されるべき特定の面とするのが好ましい。なお、所定の圧力については、燃料電池２から洩れ出た水素が燃焼したときの燃料電池ケース３の内圧の上昇についての実験結果やシミュレーション結果などに基づいて決定する。所定の圧力は、例えば０．２ＭＰａ以上のある値とする。

図３は、燃料電池ケース３の外観を示す斜視図である。ここで、所定の形状の圧抜き用開口６が形成されるべき特定の面は下面３ｆであるとする。また、圧抜き用開口６の所定の形状は矩形であるとする。図３に示すように、特定の面としての下面３ｆにおいて、脆弱箇所５（５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ、５ｇ、５ｈ、５ｉ、５ｊ）が、形成されるべき圧抜き用開口６の所定の形状の輪郭に沿って設けられている。すなわち、特定の面としての下面３ｆにおいて、複数の脆弱箇所５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ、５ｇ、５ｈ、５ｉ、５ｊが、形成されるべき圧抜き用開口６の所定の形状としての矩形の三辺に沿って並んで設けられている。

ここで、脆弱箇所５は、燃料電池ケース３の他の箇所よりも強度的に脆弱な箇所であり、具体的には、穴もしくは他の箇所より板厚が薄い凹部である。なお、脆弱箇所５を穴とした場合、燃料電池ケース３の内部に埃などの異物や水が侵入するのを防止するため、難燃性、耐候性を備えた樹脂などで形成された薄膜により穴を塞ぐ必要がある。また、脆弱箇所５を凹部とした場合、図３に示すように脆弱箇所５を複数（脆弱箇所５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ、５ｇ、５ｈ、５ｉ、５ｊ）に分離する必要はなく、単数であってもよい。すなわち、脆弱箇所５を凹部とした場合、特定の面には、形成されるべき圧抜き用開口の所定の形状の輪郭に沿って連続的に延びる単数の脆弱箇所５が設けられていてもよい。

図４は、図３に示す燃料電池ケース３の内圧が所定の圧力よりも上昇した場合に、特定の面としての下面３ｆにおいて、所定の形状としての矩形の圧抜き用開口６がどのように形成されるかについて説明する模式図である。ここで、脆弱箇所５は他の箇所より板厚が薄い凹部であるとする。図４に示すように、燃料電池ケース３の内圧が所定の圧力よりも上昇した場合に、まず脆弱箇所５を結ぶラインＬ１の中央部分である、脆弱箇所５ａと脆弱箇所５ｆの間（破線Ｐ１で示す部分）に亀裂が生じる。続いて、矢印Ｋ１および矢印Ｋ３の方へと亀裂が伝播し、さらに、矢印Ｋ２および矢印Ｋ４の方へと亀裂が伝播する。このように、燃料電池ケース３の内圧が所定の圧力よりも上昇した場合に、脆弱箇所５を結ぶラインＬ１の中央部分を起点として亀裂が伝播することにより、ラインＬ１が１つの繋がった切り欠きになる。

脆弱箇所５が穴である場合にも、脆弱箇所５が凹部である場合と同様に圧抜き用開口６が形成される。すなわち、燃料電池ケース３の内圧が所定の圧力よりも上昇した場合、まず、脆弱箇所５ａと脆弱箇所５ｆの間に亀裂が生じて、脆弱箇所５ａと脆弱箇所５ｆが繋がる。そして、脆弱箇所５ａと脆弱箇所５ｂの間、脆弱箇所５ｂと脆弱箇所５ｃの間、脆弱箇所５ｃと脆弱箇所５ｄの間、脆弱箇所５ｄと脆弱箇所５ｅの間、と順次、亀裂が生じる。同様に、脆弱箇所５ｆと脆弱箇所５ｇの間、脆弱箇所５ｇと脆弱箇所５ｈの間、脆弱箇所５ｈと脆弱箇所５ｉの間、脆弱箇所５ｉと脆弱箇所５ｊの間、と順次、亀裂が生じる。このように、燃料電池ケース３の内圧が所定の圧力よりも上昇した場合に、ラインＬ１が１つの繋がった切り欠きになる。

図５は、図３に示す燃料電池ケース３の特定の面としての下面３ｆに、所定の形状としての矩形の圧抜き用開口６が形成された状態を示す模式図である。図５に示すように、特定の面である下面３ｆにおいて、脆弱箇所５を結ぶラインＬ１が１つの繋がった切り欠きになると、破片７が二点鎖線Ｌ２で燃料電池ケース３の外側に折れ曲がり、下面３ｆには、所定の形状としての矩形の圧抜き用開口６が形成される。

上述したように、本実施の形態では、燃料電池ケース３の特定の面には、圧抜き用開口６と比べて総面積がずっと小さい脆弱箇所５を設けるだけなので、燃料電池ケース３の強度が大幅に低下することはない。このため、車両の走行時における振動などに対する燃料電池ケース３の耐久性が損なわれることはない。また、燃料電池ケース３の内圧が所定の圧力よりも上昇した場合に、脆弱箇所５を結ぶライン上に亀裂が生じて当該ラインが１つの繋がった切り欠きになる。これにより、燃料電池ケース３の特定の面に所定の形状の圧抜き用開口が形成されるため、異常発生時の水素の燃焼により意図しない箇所が破損するのを防止することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

上記実施の形態では、燃料電池ケースにおいて、燃料電池ケースの外側に配置された構造物と近接している面は、前面、後面、右面および下面であったが、これに限るものではない。車両のエンジンフード内における各部品の配置のさせ方如何によって、燃料電池ケースにおいて、どの面が燃料電池ケースの外側に配置された構造物と近接するのかが変わる。また、燃料電池ケースの外側に配置された構造物と近接している面のうちの、どの面を、脆弱箇所を設ける特定の面とするかについても、設計上の都合により、適宜、選択することができる。

上記実施の形態では、燃料電池ケースの内圧が所定の圧力よりも上昇した場合に特定の面に形成されるべき圧抜き用開口の所定の形状を矩形としたが、これに限るものではない。圧抜き用開口の所定の形状は、例えば、三角形や円形であってもよい。上述したように、圧抜き用開口の所定の形状が矩形である場合には、燃料電池ケースの特定の面において、脆弱箇所は、例えば矩形の三辺に沿って設けられる。これと同様に、圧抜き用開口の所定の形状が三角形である場合には、燃料電池ケースの特定の面において、脆弱箇所は、例えば三角形の二辺に沿って設けられる。圧抜き用開口の所定の形状が円形である場合には、燃料電池ケースの特定の面において、脆弱箇所は、例えば円形の円弧に沿って設けられる。

しかしながら、発明者らによる鋭意研究により、燃料電池ケースの特定の面において、形成されるべき圧抜き用開口の所定の形状が矩形とし、脆弱箇所が矩形の三辺に沿って設けられると、脆弱箇所を結ぶラインに沿ってきちんと亀裂が生じ、設計したとおりの位置および形状（矩形）に圧抜き用開口が形成される確率が高くなることが分かった。このため、燃料電池ケースの特定の面において、形成されるべき圧抜き用開口の所定の形状が矩形とし、脆弱箇所が矩形の三辺に沿って設けられるのが好ましい。

上記実施の形態では、燃料電池ケースの特定の面において、脆弱箇所を結ぶラインが、形成されるべき圧抜き用開口の所定の形状の輪郭の一部分であるように脆弱箇所を設けた。すなわち、上述したように、燃料電池ケースの特定の面において、形成されるべき圧抜き用開口の所定の形状が矩形である場合、脆弱箇所を矩形の三辺に沿って設けた。これに対し、燃料電池ケースの特定の面において、脆弱箇所を結ぶラインが、形成される圧抜き用開口の所定の形状の輪郭の全周であるように脆弱箇所を設けてもよい。すなわち、燃料電池ケースの特定の面において、形成されるべき圧抜き用開口の所定の形状が矩形である場合、矩形の全ての辺（四辺）に沿って設けてもよい。

しかしながら、燃料電池ケースの特定の面において、脆弱箇所を結ぶラインが、形成されるべき圧抜き用開口の所定の形状の輪郭の一部分であるように脆弱箇所を設ける方が、燃料電池ケースの内圧が所定の圧力よりも上昇して圧抜き用開口が形成される際に破片の飛び散りを防止できるのでより好ましい。

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３ 燃料電池ケース
３ａ 前面
３ｂ 後面
３ｃ 右面
３ｄ 左面
３ｅ 上面
３ｆ 下面
４ 補機部品
５、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ、５ｇ、５ｈ、５ｉ、５ｊ 脆弱箇所
６ 圧抜き用開口
７ 破片
１０ 車両
１１ ラジエータ
１２ 車室形成メンバ
１３ エンジンフード

Claims (2)

1. 水素ガスと酸化ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、前記燃料電池を内部に収容するケースと、を備える燃料電池システムであって、
   前記ケースの特定の面において、前記ケースの内圧が所定の圧力よりも上昇した場合に所定の形状の圧抜き用開口が形成されるように、前記ケースの他の箇所よりも強度的に脆弱な箇所が前記所定の形状の輪郭に沿って設けられ、
   前記特定の面は、前記ケースの面のうち、前記ケースの外側に配置された構造物と近接した面である、燃料電池システム。
2. 前記ケースの特定の面において、前記ケースの内圧が所定の圧力よりも上昇した場合に矩形の圧抜き用開口が形成されるように、前記脆弱な箇所が前記矩形の三辺に沿って設けられた、請求項１に記載の燃料電池システム。

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