JP2005032685A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 例えば車両等に搭載する場合の搭載スペースの増大を最小限に抑え、性能向上と搭載性向上との両立を実現する。
【解決手段】 燃料電池スタック１に空気を供給するための空気供給手段３の各構成部品、具体的には、例えばコンプレッサ５、冷却器６、加湿器７、水分離器９、圧力制御弁１０、及び空気排気配管１１を、少なくとも冷却水供給手段の各構成部品と比較して、燃料電池スタック１に近い位置にて互いに近接した状態で配置する。空気供給手段３では、燃料電池スタック１の出力増大に伴う空気流量増大によって配管を太くする必要があり、例えば曲げ部における曲率半径Ｒも大きくなる。この最もスペースを必要とする空気供給手段３のレイアウトを、冷却水供給手段等、他の流体供給手段よりも優先させることで、配管長の低減効果が大きくなり、搭載性が向上する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水素及び空気の供給により発電を行う燃料電池システムに関するものであり、性能向上と搭載性向上とを両立し得るシステムレイアウトの改良に関するものである。

近年の環境問題、特に自動車の排出ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題等に対する対策として、クリーンな排気及び高エネルギ効率を可能とする燃料電池技術が注目を浴びている。燃料電池は、燃料となる水素あるいは水素リッチな改質ガス及び空気を、電解質・電極触媒複合体に供給し、電気化学反応を起こし、化学エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換システムである。中でも、固体高分子膜を電解質として用いた固体高分子電解質型燃料電池は、低コストでコンパクト化が容易であり、しかも高い出力密度を有することから、自動車等の移動体用電源としての用途が期待されている。

ところで、燃料電池システムを車両に搭載する場合、例えば、燃料電池システムを車両の床下に搭載する場合においては、スペースの制限が厳しい中で、性能向上と搭載性向上の両立が求められる。そこで、燃料電池システムにおいて、各流体供給システムをユニット化し、これらのユニットを組み合わせて燃料電池システムを構成することが提案されている（例えば、特許文献１等を参照。）。
特開平５−２１０８４号公報

しかしながら、前記特許文献１記載の技術では、各ユニットの配置や各種流体の配管等について、何れを優先的に配置して車両搭載用の燃料電池システムのシステムレイアウトを決定するかについては何ら考慮されておらず、特に燃料電池スタックの出力増大等で供給空気量を増大し空気配管径が増大する状況にあって、燃料電池システムの搭載スペースを増大させずに性能向上を図るには、その効果は必ずしも十分とは言えない。

燃料電池システムにおいては、燃料電池スタックの発電のために空気を供給する必要があるが、特に車両搭載用の燃料電池システムでは、車両を十分な性能で走行させるために、燃料電池スタックの発電要求量は増大傾向にあり、それに伴って供給空気量も増大させる必要がある。しかしながら、空気流量を増大させるためには、例えば空気配管のサイズを大きくする必要があり、その結果、システムレイアウトが悪化することになる。

燃料電池システムを搭載する車両において、特許文献１記載の発明のように各流体の部品を一体化することは、燃料電池システムを小型化する上で有効であり、車載性向上にはなるが、出力増大要望により空気配管のサイズを大きくする必要がある場合には、燃料電池システム全体の小型化には繋がらない。また、径の大きな配管の接続は、作業性も悪化傾向となる。

本発明は、以上のような実情に鑑みて提案されたものであり、燃料電池スタックの出力増大等で供給空気量が増大し空気配管が大径化する状況においても、搭載スペースの増大を最小限に抑えることができ、性能向上と搭載性向上とを両立することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池スタックと、空気供給手段及び冷却水供給手段を含む複数の流体供給手段を備えた燃料電池システムにおいて、空気供給手段を構成する各部品同士が、少なくとも冷却水供給手段を構成する部品同士と比較して、より好ましくは他の全ての流体供給手段を構成する部品同士と比較して、燃料電池スタックに近い位置にて互いに近接配置されていることを特徴とする。

空気供給手段に関しては、燃料電池スタックの出力増大に伴う空気流量増大を考慮して、他の流体供給手段と比較しても配管の太さを最も太くする必要があり、その結果、例えば曲げ部における曲率半径Ｒも大きくなる。したがって、最もスペースを必要とする空気供給手段の各部品同士を冷却水供給手段等、他の流体供給手段の部品同士よりも燃料電池スタックに近い位置にて互いに近接配置することで、配管低減効率が大きくなり、他の流体供給手段の配管を低減するよりもレイアウト性を向上する上で有利である。

また、空気供給手段における流路内容積が低減されるために、コンプレッサ等で圧縮して燃料電池スタックまで供給される空気の圧損も低減され、コンプレッサの負荷が低減される。その結果、運転負荷の低減による燃料電池システムの発電効率の向上が実現されるとともに、要求空気圧と流量に対する制御レスポンスが向上する。

本発明によれば、燃料電池スタックの出力増大等で供給空気量が増大し空気配管が大径化する状況においても、レイアウト性を向上して搭載スペースの増大を最小限に抑えることができる。また、併せて軽量化も実現することができる。さらに、本発明によれば、空気供給手段の配管容積を低減することができるので、空気供給手段内の温度差を低減することができ、少ない温度センサで系内の空気温度を把握することができる。

さらにまた、本発明によれば、空気供給手段の空気供給器（例えばコンプレッサ）の負荷を低減することができ、要求空気圧と流量に対する制御レスポンスを向上することができるので、スペース制限が厳しい中でも性能向上を図ることができ、燃料電池スタックの発電状態の変更、すなわち燃料電池スタックの負荷の変動時でも制御性に優れる。

以下、本発明を適用した燃料電池システムについて、図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態の燃料電池システムの要部構成を示すものである。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、発電を行う燃料電池スタック１を備える。燃料電池スタック１は、水素が供給される燃料極と酸素（空気）が供給される空気極とが電解質・電極触媒複合体を挟んで重ね合わされた発電セルが多段積層された構造を有し、電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換するものである。各発電セルの燃料極では、水素が供給されることで水素イオンと電子とが解離し、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させて、空気極側にそれぞれ移動する。また、空気極では、供給された空気中の酸素と前記水素イオン及び電子が反応して水が生成され、外部に排出される。

燃料電池スタック１の電解質としては、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質が用いられる。固体高分子電解質は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。

前記燃料電池スタック１においては、燃料となる水素や酸化剤である空気を燃料極や空気極に供給する必要があり、燃料電池システムには、そのための機構として、水素供給手段２及び空気供給手段３が設けられている。

水素供給手段２は、詳細な図示は省略するが、例えば、水素タンク、圧力制御弁、水素供給配管、エゼクタ、水素排気配管及び水素循環配管を備えて構成される。そして、水素供給源である水素タンクから供給される水素ガスを、圧力制御弁で減圧し、水素供給配管及びエゼクタを通して燃料電池スタック１の燃料極に送り込む。燃料電池スタック１では供給された水素ガスが全て消費されるわけではなく、残った水素ガス（燃料電池スタック１の燃料極から排出される水素ガス）は、水素循環配管を通ってエゼクタにより循環され、新たに水素タンクから供給される水素ガスと混合されて、再び燃料電池スタック１の燃料極に供給される。エゼクタは、水素供給配管を流れる水素ガスの流体エネルギを利用して、水素循環配管内を流れる水素ガスを循環させる。

一方、空気供給手段３は、空気取り込み口である空気吸入配管４、外気を吸入し燃料電池スタック１の空気極に空気を圧送するためのコンプレッサ（空気供給器）５、燃料電池スタック１の空気極に供給される空気を冷却する冷却器６、供給される空気を加湿する加湿器７、供給される空気の温度を検出する温度センサ８、燃料電池スタック１から排出される空気中の水分を分離除去する水分離器９、供給される空気の圧力を所望の圧力に制御する圧力制御弁１０、及び空気排気配管１１を備えて構成される。そして、前記コンプレッサ５の駆動により空気吸入配管４から取り込まれた空気を、冷却器６及び加湿器７を介して燃料電池スタック１の空気極に送り込む。燃料電池スタック１で消費されなかった酸素及び空気中の他の成分は、水分離器９によって水分除去され上で空気排気配管１１から排出される。

また、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１の固体高分子電解質膜に水分を供給するための機構として、加湿手段が設けられている。この加湿手段は、上述した空気供給手段３に組み込まれた加湿器７を用いて、燃料電池スタック１に供給する空気を加湿することで固体高分子電解質膜に水分を供給するものであり、加湿器７の他、前記水分離器９により回収された水を貯留する水タンク１２と、この水タンク１２に貯留された水を汲み上げる加湿水ポンプ１３、加湿水ポンプ１３により汲み上げられた水を加湿水として加湿器７に供給するための通路となる水循環経路１４を備えて構成される。

さらに、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１を冷却するための機構として、冷却水供給手段が設けられている。固体高分子電解質型の燃料電池スタック１は、適正な作動温度が８０℃程度と比較的低く、過熱時には冷却することが必要である。冷却水供給手段は、冷却水を循環させながら燃料電池スタック１に供給する冷却水循環配管１５及び冷却水ポンプ１６を有し、冷却水ポンプ１６の駆動によって冷却水循環配管１５を循環する冷却水により、先ず、空気供給手段３に組み込まれた冷却器６において燃料電池スタック１に供給される空気を冷却し、さらには燃料電池スタック１を冷却してこれを最適な温度に維持する。冷却水循環配管１５内にはラジエータ１７が設けられており、燃料電池スタック１の冷却により加熱された冷却水は、ここで冷却される。

以上の構成の燃料電池システムにおいて、本実施形態では、空気供給手段３のレイアウトを冷却水供給手段のレイアウトよりも優先し、空気供給手段３を構成する各部品同士を、燃料電池スタック１に近い位置にて互いに近接した状態に配置している。すなわち、空気供給手段３を構成するコンプレッサ５、冷却器６、加湿器７、水分離器９、圧力制御弁１０、及び空気排気配管１１を冷却水供給手段の各構成部品間よりも近接して配置し、これらを燃料電池スタック１の近傍でほぼ真っ直ぐに並ぶように、直列に接続している。このため、冷却水供給手段の冷却液循環配管１５に阻害されることなく、空気供給手段３の空気配管の長さを極力短くすることができる。

このように、空気供給手段３を冷却水供給手段に優先して近接配置することにより、空気以外の流体の配管中で最も太い冷却水配管による空気配管への阻害を低減することができ、燃料電池システムの小型化を図ることができる。

なお、空気供給手段３は、前記冷却水供給手段ばかりでなく、水素供給手段２等、他の流体供給手段の中で最も燃料電池スタック１に近接して配置することが好ましい。これにより、燃料電池システムのより一層の小型化が可能である。

空気供給手段３では、燃料電池スタック１の出力増大に伴って空気流量を増大する必要があり、配管が大径化するとともに、曲げる場合に曲率半径Ｒも大きくなる。したがって、空気供給手段３の配管を短くすれば、他の配管よりも近接配置による配管低減効果が大きく、他の流体用配管を低減するよりもレイアウト性（搭載性）を向上することができ、軽量化にも繋がる。

また、空気供給手段３の流路内容積を低減できるため、コンプレッサ５等で圧縮して燃料電池スタック１まで供給する空気の圧損を低減することができ、コンプレッサ５の運転負荷の低減によって、燃料電池システムの発電効率を向上することができる。さらに、要求空気圧と流量に対する制御レスポンスが向上することで、燃料電池スタック１の発電変化に容易に対応することができる。

さらにまた、空気供給手段３の配管容積を低減することで、空気供給手段３の系内の温度差が低減でき、少ない温度センサでも系内の空気温度を把握し易いという利点もある。

一方、他の流体供給手段の中で、冷却水供給手段における冷却水が最も圧力制御性への余裕があることから、空気配管の低減の影響で長さが増大する配管を冷却水配管とすることで、燃料電池システム全体から見て、性能への影響を最小限に抑えることができる。

また、燃料電池スタック１を冷却するための冷却水は、燃料電池スタック１だけでなく、燃料電池システム内の他の部品との熱交換をする場合も多く、冷却水配管の極端な低減は、他の流体の流路を増大させる要因になりかねず、この点からも、冷却水供給手段の各構成部品よりも空気供給手段３の各構成部品を近接配置することが有利である。

（第２の実施形態）
本実施形態の燃料電池システムの構成は、上述した第１の実施形態の燃料電池システムの構成と基本的には同じであるので、ここではその説明は省略する。

本実施形態では、図２に示すように、空気供給手段３を構成する部品、ここでは冷却器６、加湿器７、水分離器９、圧力制御弁１０をユニット化してフランジ等で直接接続し、一体化できるレイアウトとしている。これにより、燃料電池システム内で最短位置に空気供給手段３の部品を配置することができる。

したがって、例えば各部品、例えば冷却器６と加湿器７、加湿７と燃料電池スタック１、燃料電池スタック１と水分離器９、水分離器９と圧力制御弁１０を繋ぐ配管を省略することができる。前記配管をゴムホースとしていた場合、これらを省略することでゴムホースの膨張による空気圧力制御性の低下を解消することができ、燃料電池スタック１の発電変化に対応することができる。また、第１の実施形態に比べて、より一層の配管系の短縮化が可能であり、搭載性向上、及び軽量化をさらに進めることができる。

（第３の実施形態）
本実施形態の燃料電池システムの構成も、上述した第１の実施形態の燃料電池システムの構成と基本的には同じであるが、図３に示すように、燃料電池スタック１への供給流体（空気、水素、冷却水）の接続部が１カ所に集中している点が第１の実施形態の燃料電池システムと異なる。

本実施形態では、空気供給手段３のメイン流路において、燃料電池スタック１の直前に接続される加湿器７、あるいは燃料電池スタック１の直後に接続される水分離器９は、少なくとも冷却水供給手段の燃料電池スタック１に接続される直前あるいは直後の部品よりも燃料電池スタック１に近接して配置されており、より好ましくは、他の流体供給手段の燃料電池スタック１に接続される直前あるいは直後の部品よりも燃料電池スタック１に近接して配置されている。

このような構成の本実施形態の燃料電池システムでは、上述した各実施形態と同様に、空気供給手段３の空気配管の長さを低減することができるので、空気圧損の低減、圧力制御性の向上、温度把握向上を実現することができる。

また、燃料電池スタック１に接続する配管の中で、最もスペースを必要とする空気供給手段３の配管を、他の流体供給手段の部品や配管に阻害されることなく優先して配置しているので、他の流体供給手段の部品を燃料電池スタック１に近接配置する場合よりもレイアウト性を向上することができる。

さらに、冷却水供給手段に関して言えば、燃料電池スタック１の冷却水は燃料電池スタック１内部の強電部位と接触している場合が多く、燃料電池スタック１に出入りする冷却水配管を短くしないことで、冷却水を通じての燃料電池スタック１外部への電位の伝達を低減することができ、燃料電池スタック１の発電効率の低下を防止することができる。

（第４の実施形態）
本実施形態では、燃料電池スタック１に供給する空気への加湿を、燃料電池スタック１からの排空気を利用して行う点が、上述した第３の実施形態の燃料電池システムと異なる。

すなわち、本実施形態の燃料電池システムでは、図４に示すように、空気供給手段３の加湿器７として中空糸や多孔質プレートを用いた水分離型の加湿装置を用い、水分離器９や水タンク１２、加湿水ポンプ１３、水循環経路１４は省略している。また、燃料電池スタック１における空気排出口は、加湿器７に接続され、加湿器７の排出口に圧力制御弁１０及び空気排気配管１１が接続されている。

本実施形態では、燃料電池スタック１における空気供給口と空気排出口とが近接した位置に設けられており、加湿器７は、燃料電池スタック１のこれら空気供給口及び空気排出口が設けられた位置に近接して配置している。このように水分離型の加湿装置よりなる加湿器７と燃料電池スタック１との距離を近づけて配管長さを低減することで、供給される空気の燃料電池スタック１までの温度低下を防止することができ、加湿した水分の凝縮を低減することができる。したがって、燃料電池スタック１の加湿性を最適化することができ、燃料電池スタック１内での加湿不足や水詰まりを防止することができる。

また、上述した各実施形態と同様、空気供給手段３の空気配管の長さを低減することができるので、空気圧損の低減、圧力制御性の向上、温度把握向上を実現することができる。

（第５の実施形態）
本実施形態の燃料電池システムは、上述した第１の実施形態の燃料電池システムの構成と基本的には同じであるが、図５に示すように、空気供給器であるコンプレッサ５の上流側の空気取り込み口である空気吸入配管４の長さが短く設定されている。

本実施形態のように空気吸入配管４の長さを短く設定することで、負圧側配管の圧力損失を低減することができ、コンプレッサ５の効率向上という効果を更に高めることができる。また、負圧で使用される空気吸入配管４は、吸気抵抗低減のために空気供給手段３のコンプレッサ５下流側の供給配管よりさらに配管径を大きくするのが一般的であり、その配管長さの低減により、より一層のレイアウト性の向上を図ることができる。

第１の実施形態の燃料電池システムの構成を示す図である。 第２の実施形態の燃料電池システムの構成を示す図である。 第３の実施形態の燃料電池システムの構成を示す図である。 第４の実施形態の燃料電池システムの構成を示す図である。 第５の実施形態の燃料電池システムの構成を示す図である。

符号の説明

１ 燃料電池スタック
２ 水素供給手段
３ 空気供給手段
４ 空気吸入配管
５ コンプレッサ
６ 冷却器
７ 加湿器
９ 水分離器
１０ 圧力制御弁
１１ 空気排気配管
１５ 冷却液循環配管
１６ 冷却液ポンプ
１７ ラジエータ

Claims (6)

1. 燃料電池スタックと、空気供給手段及び冷却水供給手段を含む複数の流体供給手段を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記空気供給手段を構成する各部品同士が、少なくとも前記冷却水供給手段を構成する部品同士と比較して、前記燃料電池スタックに近い位置にて互いに近接配置されていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記空気供給手段を構成する各部品同士が、他の全ての流体供給手段を構成する部品同士と比較して、最も近接した状態で配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記空気供給手段を構成する各部品のうちの少なくとも一部が直接接続され、一体化されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記複数の流体供給手段の前記燃料電池スタックへの接続部が１カ所に集中して設けられ、
   前記空気供給手段を構成する各部品のうちで前記燃料電池スタックの直前又は直後に接続される部品が、少なくとも前記冷却水供給手段を構成する各部品のうちで前記燃料電池スタックの直前又は直後に接続される部品と比較して、前記燃料電池スタックに近接して配置されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の燃料電池システム。
5. 前記空気供給手段を構成する各部品のうちで前記燃料電池スタックの直前又は直後に接続される部品が、他の全ての流体供給手段を構成する部品のうちで前記燃料電池スタックの直前又は直後に接続される部品と比較して、前記燃料電池スタックに最も近接して配置されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記空気供給手段は、前記燃料電池スタックからの排空気中の水分を取り込んで前記燃料電池スタックに供給する空気の加湿を行う加湿器を備え、
   前記燃料電池スタックにおける空気供給口と空気排出口とが近接した位置に設けられていると共に、前記加湿器が前記燃料電池スタックに近接して配置されていることを特徴とする請求項４又は５に記載の燃料電池システム。

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