(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−０９３４３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【発明の効果】
【００１０】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本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】図１のＡ−Ａ線を含むｘｚ平面における断面図である。
【図３Ａ】燃料電池スタックとケースとの隙間を変更した形状で実施した流れ計算の一例を示す図である。
【図３Ｂ】燃料電池スタックとケースとの隙間を変更した形状で実施した流れ計算の一例を示す図である。
【図３Ｃ】燃料電池スタックとケースとの隙間を変更した形状で実施した流れ計算の一例を示す図である。
【図３Ｄ】燃料電池スタックとケースとの隙間を変更した形状で実施した流れ計算の一例を示す図である。
【図３Ｅ】燃料電池スタックとケースとの隙間を変更した形状で実施した流れ計算の一例を示す図である。
【図３Ｆ】燃料電池スタックとケースとの隙間を変更した形状で実施した流れ計算の一例を示す図である。
【図３Ｇ】燃料電池スタックとケースとの隙間を変更した形状で実施した流れ計算の一例を示す図である。
【図３Ｈ】燃料電池スタックとケースとの隙間を変更した形状で実施した流れ計算の一例を示す図である。
【図４】燃料電池スタックとケースとの隙間を変更した形状で流れ計算を実施した結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【符号の説明】
【００４２】
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
【図１】
0006443685.tif 000002
【図２】
0006443685.tif 000003
【図３Ａ】
0006443685.tif 000004
【図３Ｂ】
0006443685.tif 000005
【図３Ｃ】
0006443685.tif 000006
【図３Ｄ】
0006443685.tif 000007
【図３Ｅ】
0006443685.tif 000008
【図３Ｆ】
0006443685.tif 000009
【図３Ｇ】
0006443685.tif 000010
【図３Ｈ】
0006443685.tif 000011
【図４】
0006443685.tif 000012