(57)【要約】【課題】ケースの底面のコーナー部を破壊されにくくする。【解決手段】燃料電池システムは、複数の単セルが積層された燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを収納するケースと、前記ケースの鉛直方向上部に固定される燃料電池用パワーコントロールユニットと、を備え、前記ケースの鉛直方向下部の底面には、複数の貫通孔が形成されており、前記複数の貫通孔には、前記ケース内の圧力を解放する第１タイトプラグが圧入された第１圧力解放部と、前記第１タイトプラグよりも低い圧力で前記ケース内の圧力を解放する第２タイトプラグが圧入された第２圧力解放部とが設けられており、前記第１圧力解放部は、前記底面のうちの前記底面の長手方向の端部から予め定められた範囲内の領域である第１領域に設けられ、前記第２圧力解放部は、前記底面のうち前記第１領域を除いた第２領域に設けられている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両に搭載される燃料電池システムであって、
複数の単セルが積層された燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックを収納するケースと、
前記ケースの鉛直方向上部に固定される燃料電池用パワーコントロールユニットと、
を備え、
前記ケースの鉛直方向下部の底面には、複数の貫通孔が形成されており、
前記複数の貫通孔には、前記ケース内の圧力を解放する第１タイトプラグが圧入された第１圧力解放部と、前記第１タイトプラグよりも低い圧力で前記ケース内の圧力を解放する第２タイトプラグが圧入された第２圧力解放部とが設けられており、
前記第１圧力解放部は、前記底面のうちの前記底面の長手方向の端部から予め定められた範囲内の領域である第１領域に設けられ、前記第２圧力解放部は、前記底面のうち前記第１領域を除いた第２領域に設けられている、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧力解放孔が燃料電池ケースの側面に設けられた燃料電池ケースが知られている（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１４０１６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
単セルを積層した燃料電池スタックが車両に搭載される場合には、単セルの積層方向の前後にエンドプレートとマニホールドが配置され、ケースに入れられる。また、ケースの上部に燃料電池が発電した直流電力を交流電力に変換する燃料電池用パワーコントロールユニット（ＦＣＰＣ）が配置、固定される場合がある。例えば、衝突時の異常燃焼によりケースの内圧が高まったときには、ケースのＦＣＰＣが配置された面と対向する底面のコーナー部付近に最大の応力がかかる。その場合、ケースのコーナー部が破壊される。ケースのコーナー部が破壊されると、ケースの側面と底面とが大きく開くように破壊され、ケースの外部のものがケース内の燃料電池スタックの高電圧部分に接触するおそれがある。したがって、ケースの内圧が高くなってもケースの底面のコーナー部が破壊されない構成が要望されている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題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。
【０００６】
（１）本発明の一形態によれば、車両に搭載される燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、複数の単セルが積層された燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを収納するケースと、前記ケースの鉛直方向上部に固定される燃料電池用パワーコントロールユニットと、を備える。前記ケースの鉛直方向下部の底面には、複数の貫通孔が形成されており、前記複数の貫通孔には、前記ケース内の圧力を解放する第１タイトプラグが圧入された第１圧力解放部と、前記第１タイトプラグよりも低い圧力で前記ケース内の圧力を解放する第２タイトプラグが圧入された第２圧力解放部とが設けられており、前記第１圧力解放部は、前記底面のうちの前記底面の長手方向の端部から予め定められた範囲内の領域である第１領域に設けられ、前記第２圧力解放部は、前記底面のうち前記第１領域を除いた第２領域に設けられている。
ケースの上部に燃料電池用パワーコントロールユニットが配置され、燃料電池用パワーコントロールユニッで拘束されているケースの場合、ケースの内部に圧力が上がってケースが破壊される場合には、燃料電池用パワーコントロールユニットと反対側の底面のコーナー部が破壊されやすい。この形態によれば、ケース内部の圧力が高くなったときには、ケースの底面のコーナー部が破壊される前に第２領域の第２圧力解放部が解放されてケースの内部の圧力が抜けるため、ケースの底面のコーナー部が破壊されにくい。
【０００７】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムの他、燃料電池スタック用ケース、燃料電池車両等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】燃料電池スタックと燃料電池用パワーコントロールユニットとケースとを示す説明図。
【図２】ケースの底面を示す説明図。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面を示す説明図。
【図４】変形例１の第１圧力解放部と第２圧力解放部とを比較して示す説明図。
【図５】変形例２の第１圧力解放部と第２圧力解放部とを比較して示す説明図。
【図６】変形例３の第１圧力解放部と第２圧力解放部とを比較して示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
・第１実施形態：
図１は、燃料電池スタックと燃料電池用パワーコントロールユニットとケースとを示す説明図である。燃料電池システム１０は、車両に搭載されるシステムであり、燃料電池スタック２００と、ケース１００と、燃料電池用パワーコントロールユニット３００（「ＦＣＰＣ３００」と呼ぶ。）と、を備える。燃料電池スタック２００は、複数の単セル２１０と、集電板２２０と、絶縁板２３０と、スタックマニホールド２４０と、エンドプレート２５０と、を備える。複数の単セル２１０は積層されており、その積層方向の両端に集電板２２０が配置されている。集電板２２０の積層方向外側には、絶縁板２３０が配置され、さらにその積層方向外側の一方の端部にスタックマニホールド２４０が配置され、他方の端部にエンドプレート２５０が配置されている。スタックマニホールド２４０側からみれば、燃料電池スタック２００の各部材は、スタックマニホールド２４０−絶縁板２３０−集電板２２０−複数の単セル２１０−集電板２２０−絶縁板２３０−エンドプレート２５０の順に並んでいる。集電板２２０は、単セル２１０の積層体から電力を取り出すために用いられる。絶縁板２３０は、単セル２１０の積層体をケースから絶縁するために用いられる。スタックマニホールド２４０は、単セル２１０の積層体に反応ガスおよび冷却媒体を供給するための流路と、単セル２１０の積層体に反応ガスおよび冷却媒体を排出するための流路とが形成されている。エンドプレート２５０は、単セル２１０に所定の締結力を加えると共に、単セル２１０に供給される反応ガスや冷媒を燃料電池スタック２００のスタックマニホールド２４０と反対側からリークしないようにする。燃料電池スタック２００がケース１００に挿入された後、スタックマニホールド２４０は、ケース１００に固定される。
【００１０】
ケース１００は、略直方体形状を有しており、燃料電池スタック２００を収納する。ケース１００は、直方体形状の６面のうち５面が一体構造となっており、残る１面に開口部１０４が設けられている。燃料電池スタック２００は、この開口部１０４からケース１００に挿入される。ケース１００の鉛直方向の上部には、フランジ１０２が設けられている。
【００１１】
ＦＣＰＣ３００は、ＦＣコンバータとポンプインバータが一体化された、燃料電池用補機の１つである。ＦＣコンバータは、燃料電池スタック２００からの出力電圧を駆動モータ（不図示）の駆動に適した高電圧に昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータであり、燃料電池スタック２００の集電板２２０と接続されている。ポンプインバータは、二次電池（不図示）と接続され、二次電池からの直流を交流に変換し、水素ポンプ（不図示）とウォーターポンプ（不図示）とに供給することによって、これらのポンプを駆動する。ＦＣＰＣ３００は、鉛直方向の下部にフランジ３０２を有している。ＦＣＰＣ３００は、ケース１００の鉛直方向上部に配置され、ＦＣＰＣ３００のフランジ３０２と、ケース１００のフランジ１０２とが、例えばネジなどで固定される。
【００１２】
ところで、車両の衝突により、燃料電池スタック２００に供給される反応ガス（例えば水素ガス）が燃料電池スタック２００において異常燃焼し、またその燃焼により生じたガスや反応ガスが燃料電池スタック２００から漏れ出して、ケース１００内の圧力が過剰に高まるという問題が生じ得る。ケース１００内の圧力が過剰に高まると、ケース１００が破壊されるおそれがある。第１実施形態のように、ケース１００の上面が固定されている場合、ケース１００の底面のコーナー部においてケース１００が破壊されやすい。ケース１００の底面のコーナー部が破壊されると、さらにケース１００の側面も破壊される場合があり、かかる場合には、燃料電池スタック２００の高電圧部分が露出するおそれがある。そこで、ケースの底面にタイトプラグを配置し、圧力によりタイトプラグを抜くことにより、圧力の上昇によりケースが破壊される前に、ケース１００の内部の圧力上昇を抑制することが好ましい。
【００１３】
図２は、ケース１００の底面１００ｂを示す説明図である。底面１００ｂには、合わせて６個の貫通孔１２０、１２５が開けられている。底面１００ｂの長手方向の長さをＬとしたとき、貫通孔１２０は、底面１００ｂのうちの、底面１００ｂの４つの辺のうちの積層方向の両端の２つの辺からそれぞれy×Ｌ（ｙは、０＜ｙ＜１／２を満たす実数である。）までの間の領域である第１領域１１０に形成され、貫通孔１２５は、底面１００ｂのうちの第１領域１１０を除いた第２領域１１５に形成されている。なお、貫通孔１２０は開口のその中心が第１領域１１０に存在すればよいが、さらに開口の全てが第１領域１１０に存在することが好ましい。また、貫通孔１２５も開口の中心が第２領域１１５に存在すればよいが、さらに開口の全てが第２領域１１５に存在することが好ましい。ここで、ｙの値としては、０＜ｙ＜１／２であるが、１／５＜ｙ＜２／５が好ましく、さらに好ましくは、ｙ＝１／３である。貫通孔１２０にはタイトプラグ１３０が挿入され、貫通孔１２５にはタイトプラグ１３５が挿入されている。タイトプラグ１３０は、ケース１００内部の圧力が第１圧力に達すると貫通孔１２０から抜け、タイトプラグ１３５は、ケース１００内部の圧力が第１圧力よりも低い第２圧力に達すると貫通孔１２０から抜ける。第２圧力は、ケース１００が破壊される圧力よりも小さい圧力である。なお、タイトプラグ１３５が抜けると、ケース１００の圧力が下がるため、ケース１００内の圧力が、第２圧力よりも高い第１圧力に達することはない。貫通孔１２０とタイトプラグ１３０とは、第１圧力解放部１４０を形成し、貫通孔１２５とタイトプラグ１３５とは、第２圧力解放部１４５を形成している。
【００１４】
図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面を示す説明図である。第１実施形態では、貫通孔１２０の内径２×ｒ１と、貫通孔１２５の内径２×ｒ２とは同じ大きさである。しかし、タイトプラグ１３０の外径２×ｒ３は、タイトプラグ１３５の外径２×ｒ４よりも大きい。貫通孔１２０とタイトプラグ１３０との圧入代ｄ１は、ｒ３−ｒ１となり、貫通孔１２５とタイトプラグ１３５との圧入代ｄ２は、ｒ４−ｒ２（＝ｒ４−ｒ１）となり、圧入代ｄ１＞圧入代ｄ２となる。タイトプラグ１３０、１３５は、ケース１００の内側から外側に圧入される。圧入代が大きい程、タイトプラグを圧入するときの抵抗が大きく、また、ケース１００内の圧力によってタイトプラグが抜けるときの抵抗も大きい。したがって、ケース１００の内部の圧力が上昇したときには、第２領域１１５（図２）の第２圧力解放部１４５のタイトプラグ１３５が先に抜ける。なお、タイトプラグ１３５が抜けると、ケース１００の圧力が下がるため、タイトプラグ１３０が抜けることは無い。また、タイトプラグ１３５が抜けるときの圧力は、ケース１００が破壊されるときに圧力よりも低いので、ケース１００が破壊されることはない。
【００１５】
以上、第１実施形態によれば、ケース１００の内部の圧力が高まったときには、ケース１００、特にケース１００の底面１００ｂのコーナー部が破壊される前に、第２圧力解放部１４５のタイトプラグ１３５が抜けて第２圧力解放部が解放されるため、ケース１００、特にケース１００の底面１００ｂのコーナー部が破壊されることがない。
【００１６】
図３に示す実施形態では、底面１００ｂは、第１圧力解放部１４０を４個、第２圧力解放部１４５を２個、の合わせて６個を有しているが、第１圧力解放部１４０を第１領域１１０に設け、第２圧力解放部１４５を第２領域１１５に設ければ、それらの数は任意である。
【００１７】
上記実施形態では、圧力解放部１４０、１４５の構成として、第２圧力解放部１４５のタイトプラグ１３５を第１圧力解放部１４０のタイトプラグ１３０よりも抜けやすくするために、タイトプラグ１３０、１３５を貫通孔１２０、１２５に圧入するときに圧入代を変えるように構成したが、以下の変形例に示す構成を採用しても良い。
【００１８】
・変形例１：
図４は、変形例１の第１圧力解放部と第２圧力解放部とを比較して示す説明図である。変形例１では、圧力解放部１４０、１４５の構成として、貫通孔１２０、１２５の大きさ及びタイトプラグ１３０、１３５の大きさを変える構成を採用している。貫通孔１２５は、貫通孔１２０よりも内径が大きく、タイトプラグ１３５は、タイトプラグ１３０よりも外径が大きい。貫通孔１２０の内側の半径及びタイトプラグ１３０外側の半径をｒ１とし、貫通孔１２５の内側の半径及びタイトプラグ１３５の外側の半径をｒ２とすると、ｒ１＜ｒ２である。なお、厳密には、圧入代があるため、タイトプラグの外側の半径の方が、貫通孔の内側の半径よりもわずかに大きいが、ほぼ同じとする。ケース１００の内部の圧力をＰ、底面の厚さをｄ、摩擦係数をμとすると、とすると、圧力によってタイトプラグ１３０にかかる力は、π×ｒ１２×Ｐであり、タイトプラグ１３５にかかる力はπ×ｒ２２×Ｐである。一方、タイトプラグ１３０を抜かせないようにする抵抗力は、２πｒ１μｄであり、タイトプラグ１３５を抜かせないようにする抵抗力は、２×π×ｒ２×μ×ｄである。したがって、タイトプラグ１３０、１３５を抜こうとする力Ｆ１、Ｆ２は、以下の式（１）、式（２）のように表される
Ｆ１＝π×ｒ１２×Ｐ−２×π×ｒ１×μ×ｄ＝π×ｒ１×（Ｐ×ｒ１−２×μ×ｄ）  …（１）
Ｆ２＝π×ｒ２×２×Ｐ−２×π×ｒ２×μ×ｄ＝π×ｒ２×（Ｐ×ｒ２−２×μ×ｄ）  …（２）
なお、Ｆ１、Ｆ２は正の値であり、ｒ１＜ｒ２なので、式（１）の右辺第１項（π×ｒ１）よりも式（２）の右辺第１項（π×ｒ２）が大きく、式（１）の右辺第２項（Ｐ×ｒ１−２×μ×ｄ）よりも式（２）の右辺第２項（Ｐ×ｒ２−２×μ×ｄ）が大きい。したがって、タイトプラグ１３５を抜こうとする力Ｆ２は、タイトプラグ１３０を抜こうとする力Ｆ１よりも大きく、タイトプラグ１３５の方が抜けやすい。このように、タイトプラグの抜けやすさを調整するために、貫通孔１２０、１２５の大きさ及びタイトプラグ１３０、１３５の大きさを変えてもよい。
【００１９】
・変形例２：
図５は、変形例２の第１圧力解放部と第２圧力解放部とを比較して示す説明図である。変形例２では、圧力解放部１４０、１４５の構成として、貫通孔１２０、１２５の大きさ及びタイトプラグ１３０、１３５の大きさは等しいが、貫通孔１２０、１２５が設けられる位置の底面１００ｂの板の厚さを変える構成を採用している。すなわち、貫通孔１２０が設けられる位置の底面１００ｂの厚さＴ１は、貫通孔１２５が設けられる位置の底面１００ｂの厚さｄ２よりも厚い。そのため、タイトプラグ１３０を抜かせないようにする抵抗力は、２×π×ｒ１×μ×ｄ１であり、タイトプラグ１３５を抜かせないようにする抵抗力は、２×π×ｒ２×μ×ｄ２＝２×π×ｒ１×μ×ｄ２×である。ｎあお、圧力によってタイトプラグ１３５にかかる力（π×ｒ２２×Ｐ）は、ｒ１＝ｒ２のため、圧力によってタイトプラグ１３０にかかる力（π×ｒ１２×Ｐ）と等しい。したがって、タイトプラグ１３５の方が、タイトプラグ１３０よりも抜けやすい。このように、タイトプラグの抜けやすさを調整するために、貫通孔が設けられる位置における底面１００ｂの厚さを変えてもよい。
【００２０】
・変形例３：
図６は、変形例３の第１圧力解放部と第２圧力解放部とを比較して示す説明図である。変形例３では、圧力解放部１４０、１４５の構成として、タイトプラグ１３１、１３６の底面１３１ｂ、１３６ｂに溝１３２、１３７を設け、タイトプラグの底面１３１ｂ、１３６ｂの溝１３２、１３７を除いた残り厚さを変える構成を採用している。変形例３では、タイトプラグ１３１の底面１３１ｂにおける溝１３２ｂ部分の底面１３１ｂの残りの厚さＴ１は、タイトプラグ１３６の底面１３６ｂにおける溝１３７部分の底面１３６ｂの残りの厚さＴ２よりも厚い。なお、図６では、タイトプラグ１３１、１３６の底面１３１ｂ、１３６ｂの溝１３２、１３７の残りの厚さの違いを明確にするために、タイトプラグ１３１、１３６の底面１３１ｂ、１３６ｂの厚さを図３〜図５の底面の厚さよりも厚く図示している。
【００２１】
タイトプラグに溝があると、ケース１００の内部に圧力がかかったときには、タイトプラグが抜けるのではなく、先に溝が破れる。溝が破れると、ケース１００の内部の圧力上昇が抑制される。溝の破れ易さは、溝部分の底面の残りの厚さに依存し、溝部分の底面の残りの厚さが薄ほど破れやすい。したがって、変形例３では、タイトプラグ１３６の溝１３７の方が、タイトプラグ１３１の溝１３２よりも破れやすい。このように、タイトプラグの抜けやすさを調整するために、タイトプラグの底面に溝を設け、溝の深さ（溝部分の底面の残りの厚さ）を調整してもよい。
【００２２】
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【符号の説明】
【００２３】
１０…燃料電池システム
１００…ケース
１００ｂ…底面
１０２…フランジ
１０４…開口部
１１０…第１領域
１１５…第２領域
１２０…貫通孔
１２５…貫通孔
１３０…タイトプラグ
１３１…タイトプラグ
１３１ｂ…底面
１３２…溝
１３５…タイトプラグ
１３６…タイトプラグ
１３６ｂ…底面
１３７…溝
１４０…第１圧力解放部
１４５…第２圧力解放部
２００…燃料電池スタック
２１０…単セル
２２０…集電板
２３０…絶縁板
２４０…スタックマニホールド
２５０…エンドプレート
３００…燃料電池用パワーコントロールユニット（ＦＣＰＣ）
３０２…フランジ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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