JP2005129386A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池の出力増大などで吸入空気量が増大し、吸入空気配管のサイズが大きくなる状況においても、車両床下におけるシステムの搭載性を向上させ、性能向上と搭載性向上の両立を可能とする。
【解決手段】 車両の床下に設けた燃料電池システム支持構造体３上に燃料電池１を搭載し、燃料電池１の前方に加湿器１５および燃焼器１７を車幅方向に直列に配置する。加湿器１５のさらに前方には燃料電池１から出た冷却水を、モータルーム５内の圧縮機７から送られる吸入空気によって冷却する熱交換器２５を配置する。熱交換器２５を通過後の吸入空気は、加湿器１５を通過することで、燃料電池１からの排出空気から水分を受けて加湿され、燃料電池１に供給される。加湿器１５を通過する排出空気は、燃焼器１７にて燃焼し、燃焼後の排気は熱交換器１７ａで冷却されて車両側方から外部に排出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池を車両の床下に搭載する燃料電池システムに関する。

燃料電池を車両の床下に搭載する燃料電池車両が、下記特許文献１に記載されている。このような燃料電池車両を、電気モータによって充分な性能で走行させるために、燃料電池の発電要求量は増大傾向にあり、燃料電池への供給空気量も増大させる必要がある。
特開２００１−７１７５３号公報

しかしながら、燃料電池への供給空気量を増大させるには、外部空気を吸入する吸入空気配管のサイズを大きくする必要があり、燃料電池システムを車両床下に配置するようなスペース制限の厳しい中での搭載性が悪化し、性能向上と搭載性向上の両立が困難なものとなっている。

そこで、本発明は、燃料電池の出力増大などで吸入空気量が増大し、吸入空気配管のサイズが大きくなる状況においても、車両床下におけるシステムの搭載性を向上させ、性能向上と搭載性向上の両立を可能とするものである。

本発明は、車両の床下に燃料電池を搭載し、前記燃料電池からの排出空気を流通させる複数の排出空気系部品を、前記燃料電池の車両前方にて車幅方向に直列に配置し、この複数の排出空気系部品のうち前記燃料電池からの排出空気中の水分を利用して燃料電池への吸入空気を加湿する加湿器を、前記直列に配置した複数の排出空気系部品の上流側端部に配置し、前記吸入空気を、前記加湿器に対して車両前方から供給することを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、吸入空気を加湿器に対して車両前方から導入し、その後方の燃料電池に供給できるので、燃料電池への吸入空気の取込性が向上して圧力損失を低減でき、燃料電池の性能向上に寄与することができる。

また、加湿器を含む複数の排出空気系部品を車幅方向に直列に配置することで、燃料電池からの排出空気をシステム外部に排出しやすくなり、システム内部への排気熱の影響を低減できる。

さらに、排出空気中の水分を吸入空気側へ移動させる加湿器を、複数の排出空気系部品の上流側端部に配置することで、吸入空気側および排出空気側の流れを互いに交差させて加湿性能を向上させながら、燃料電池への配管接続が容易となり、床下におけるシステムの搭載性を向上できる。

以上より、燃料電池の出力増大などで吸入空気量が増大し、吸入空気配管のサイズが大きくなる状況においても、車両床下におけるシステムの搭載性を向上させ、性能向上と搭載性向上の両立を可能とする。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態の燃料電池システムに係わる車両床下の搭載構造を示す平面図である。車両の床下には、燃料電池１を載置して支持する燃料電池システム支持構造体３を設けてあり、この燃料電池システム支持構造体３の矢印ＦＲで示す車両前部には、燃料電池１を電力源として駆動する図示しない車両駆動用モータを収容するモータルーム５を備えている。

モータルーム５には、圧縮機７を配置しており、圧縮機７は、車両前方から吸気配管９を通して導入する空気を圧縮し、圧縮後の空気を圧縮空気供給配管１１によって後方の燃料電池１に供給する。この供給した空気と図示しない燃料タンクから供給される水素とによって燃料電池１が発電する。

燃料電池１の車両前方の燃料電池システム支持構造体３上には、空気系モジュール１３を配置している。空気系モジュール１３は、燃料電池１からの排出空気を流通させる複数の排出空気系部品としての加湿器１５および燃焼器１７を直列に配置している。燃焼器１７は、排出空気下流側に燃焼後の排気を冷却する熱交換器１７ａを、加湿器１５と反対側に備えている。ここで加湿器１５は、車幅方向右側の端部、すなわち直列に配置した複数の排出空気系部品の上流側端部、に配置している。

燃料電池１の車幅方向右側の端部における加湿器１５側の端面には流体接続部１９を設ける。この流体接続部１９の空気排出口１９ａと加湿器１５の車幅方向右側の側部とを排気管２１で接続し、流体接続部１９の空気吸入口１９ｂと加湿器１５の車両後端側とを前記吸気管１１に連通する吸気管２２で接続する。

空気系モジュール１３は、上記した排出空気系部品のほかに、加湿器１５の車両前方に配置してある熱交換器２５を備えている。熱交換器２５は、燃料電池１の流体接続部１９から冷却水配管２７を経て排出される冷却水を、圧縮空気供給配管１１を流れてくる吸入空気によって冷却する。

上記した加湿器１５，燃焼器１７（熱交換器１７ａを含む）および熱交換器２５で構成される空気系モジュール１３は、これらの配置構成が全体でほぼＬ字形状を呈しており、このＬ字形状部によって形成される空間、すなわち燃焼器１７の車両前方で、かつ吸入空気が通過する吸入空気系部品の一部でもある熱交換器２５の側方の燃料電池システム支持構造体３上に、液体供給系部品としての冷却水ポンプ２９およびバルブ類３１を配置する。

また、燃料電池１と空気系モジュール１３との間には、電力遮断装置などを備えるジャンクションボックスや水素圧力調整装置などの他のモジュール３３，３５，３７を配置する。

図２は、加湿器１５の一例を示すもので、図２中で上下両端が開口している円筒状のセンタハウジング３９内に、図２中で上下方向に延長される中空糸４１を複数設け、センタハウジング３９の上下両端に上下のカバー４３，４５を装着する。各カバー４３，４５の互いに対向する側のセンタハウジング３９の外周には内側カバー４７，４９を設ける。互いに隣接するカバー４３，４７は、センタハウジング３９の端部外周に設けた隔壁４９によって内部空間を仕切っている。同様にして下部側の互いに隣接するカバー４５，４９も、図示していないが隔壁によって内部空間を仕切っている。

内側カバー４７，４９で覆われたセンタハウジング３９の端部外周には、貫通孔３９ａ，３９ｂを全周にわたり複数設け、この各貫通孔３９ａ，３９ｂを通して内側カバー４７，４９内とセンタハウジング３９内とを互いに連通する。

また、一方のカバー４３の端面には、燃料電池１からの排出空気を導入する排気導入管５１を接続し、他方のカバー４５の端面には排気排出管５３を接続する。さらに、内側カバー４９には、前記した車両前方からの吸入空気を導入する吸気導入管５５を接続し、内側カバー４７には吸気排出管５７を接続する。

このような加湿器１５においては、燃料電池１からの排出空気を、排気導入管５１からカバー４３内に導入した後、中空糸４１の円筒内に流入させる。一方、車両前方からの吸入空気は、吸気導入管５５から内側カバー４９内に流入して貫通孔３９ｂを経てセンタハウジング３９内に流入し、中空糸４１の円筒外を流れる。

ここで、中空糸４１の円筒内外での水蒸気分圧の差により、中空糸４１の円筒内を通る排出空気中の水蒸気が中空糸膜を透過し、円筒外を通る乾燥した吸入空気を加湿する。加湿後の吸入空気は吸気排出管５７を経て燃料電池１に供給され、一方排出空気は中空糸４１内を通過してカバー４５内に流出した後、排気排出管５３から外部へ排出される。

次に作用を説明する。吸気配管９によって吸入する空気をモータルーム５内の圧縮機７で圧縮し、この圧縮空気を、圧縮空気供給配管１１を経て熱交換器２５に供給する。一方燃料電池１を冷却後の冷却水は、冷却水配管２７を経て熱交換器２５に達し、ここで前記した圧縮機７からの吸入空気と熱交換し、冷却水を冷却する。冷却された冷却水は、図示していないが、排出側の冷却水配管によって流体接続部１９から燃料電池１に戻し循環させる。

熱交換器２５を通過した吸入空気は、その後方の加湿器１５に流入する。一方、燃料電池１からの水分を含む排出空気は、排気管２１を経て加湿器１５に達し、ここで前記した吸入空気を加湿する。加湿後の吸入空気は、吸気管２２を経て燃料電池１に供給され、別途供給される水素と反応して発電がなされる。

加湿器１５を通過後の排出空気は、その側方の燃焼器１７に流入し、図示していないがここに水素を混入させて燃焼させる。このときの燃焼熱は、例えば燃料電池１の暖機運転時に冷却水を熱交換器１７ａを介して加熱する際に利用する。熱交換器１７ａを通過後の排出空気はそのまま車両側方の外部に排出する。

上記した第１の実施形態による燃料電池システムによれば、車両前方からの吸入空気を、燃料電池１の前方に配置した加湿器１５に対して車両前方から導入し、その後方の燃料電池１に流体接続部１９を経て直線的に供給できるので、燃料電池１への吸入空気の取込性が向上して圧力損失を低減させることができ、燃料電池１の性能向上に寄与することができる。

また、燃料電池１からの排出空気も、流体接続部１９からその前方の加湿器１５に供給しやすく、さらに複数の排出空気系部品である加湿器１５および燃焼器１７を車幅方向に直列に配置することで、燃料電池１からの排出空気を、システム側部から外部へ直線的に排出しやすくなる。特に、本実施形態では、排出空気に水素を混入させて燃焼させる燃焼器１７を設けており、燃焼後の排気をシステム外部に排出しやすくすることで、システム内部への排気熱の影響を低減できる。

さらに、排出空気中の水分を吸入空気側へ移動させる加湿器１５を、複数の排出空気系部品の上流側端部に配置することで、吸入空気と排出空気の流れを直交させて加湿性能を向上させながら、燃料電池１の端部に設けた流体接続部１９への配管接続が容易となり、床下におけるシステムの搭載性を向上できる。

また、加湿器１５の車両前方に熱交換器２５を配置して空気系モジュール１３を全体としてL字形状に配置してあり、このＬ字形状部における熱交換器２５の側方の空間に、冷却水ポンプ２９およびバルブ類３１を配置することで、ここのスペースを有効活用できる。

燃料電池１の流体接続部１９と、冷却水を通す部品（冷却水部品２５，冷却水ポンプ２９およびバルブ類３１）との間の距離は、これら相互間に加湿器１５や燃焼器１７を配置することで、長く設定することができる。これにより、燃料電池１から上記した冷却水を通す部品までの冷却水配管２７を長めに確保でき、燃料電池１における高電圧部の外部への電気漏れを低減し、発電効率の低下を防止できる。

圧縮機７を、車両前方のモータルーム５に配置することで、圧損低減のための太い吸気配管９をモータルーム５内だけに設定でき、吸入配管９よりは小径で済む圧縮空気供給配管１１をモータルーム５から床下に接続することで、総合的な配管スペースを低減できる。また、圧縮機７のモータの騒音対策も、モータルーム５に配置してある車両駆動用モータの騒音対策と共用できる。

図３は、本発明の第２の実施形態の燃料電池システムに係わる車両床下の搭載構造を示す平面図である。

この実施形態は、空気系モジュール１３を、第１の実施形態におけるＬ字形状配置に代えて、ほぼＵ字形状となるよう配置する。具体的には、燃焼器１７の前方に熱交換器１７ａを配置してＵ字形状とする。これに伴いバルブ類３１を燃焼器１７の側方に配置する。その他の構成は、第１の実施形態と同様である。

この第２の実施形態は、燃料電池１からの排出空気を、複数の排出空気系部品を通して車両前方へ排出、または前方へ排出後に方向転回する場合に適用するものであり、第１の実施形態におけるＬ字形状配置と合わせ、燃料電池１の車両前方における各種部品の配置形態を最適に設定することができる。

本発明によれば、燃料電池の空気吸入口と空気排出口との少なくとも一方を加湿器側の端部に配置することで、空気系配管の曲げを低減でき圧力損失を抑制できる。

上記した加湿器の車両前方に、燃料電池へ吸入空気を供給する吸入空気系部品を配置することで、吸入空気の流れがスムーズとなり、圧力損失を低減させることができる。また、これら吸入空気系、排出空気系の各部品を互いに近接させてモジュール化させることが容易になる。

排出空気系部品の車両前方でかつ吸入空気系部品の側方の空間に、燃料電池へ液体を供給する液体供給系部品を配置することで、スペース効率が向上する。また、液体供給系部品と燃料電池との間に排出空気系部品が存在することから、燃料電池から水分を扱う液体供給系部品までの配管を長めに確保でき、燃料電池内部の高電圧部の外部への電気漏れを低減し、発電効率の低下を防止できる。

また、吸入空気を圧縮する圧縮機を車両前方のモータルーム内に配置することで、圧損低減のための太い吸気配管をモータルーム内に設置でき、吸気配管よりは小径で済む圧縮後の空気供給配管をモータルームから車両床下に接続するこよで、総合的に配管スペースを低減できる。

本発明の第１の実施形態の燃料電池システムに係わる車両床下の搭載構造を示す平面図である。 図１の燃料電池システムに使用する加湿器の一例を示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態の燃料電池システムに係わる車両床下の搭載構造を示す平面図である。

符号の説明

１ 燃料電池
５ モータルーム
７ 圧縮機（吸入空気系部品）
１５ 加湿器（排出空気系部品）
１７ 燃焼器（排出空気系部品）
１９ａ 空気排出口
１９ｂ 空気吸入口
２５ 熱交換器（吸入空気系部品）
２９ 冷却水ポンプ（液体供給系部品）
３１ バルブ類（液体供給系部品）

Claims (5)

1. 車両の床下に燃料電池を搭載し、前記燃料電池からの排出空気を流通させる複数の排出空気系部品を、前記燃料電池の車両前方にて車幅方向に直列に配置し、この複数の排出空気系部品のうち前記燃料電池からの排出空気中の水分を利用して燃料電池への吸入空気を加湿する加湿器を、前記直列に配置した複数の排出空気系部品の上流側端部に配置し、前記吸入空気を、前記加湿器に対して車両前方から供給することを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の空気吸入口と空気排出口との少なくとも一方を前記加湿器側の端部に配置することを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池システムにおいて、前記加湿器の車両前方に、前記燃料電池へ吸入空気を供給する吸入空気系部品を配置することを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、前記排出空気系部品の車両前方でかつ前記吸入空気系部品の側方に、前記燃料電池へ液体を供給する液体供給系部品を配置することを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項３または４に記載の燃料電池システムにおいて、車両前方のモータルーム内に圧縮機を配置し、この圧縮機で圧縮した空気を前記吸入空気として燃料電池に供給することを特徴とする燃料電池システム。

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