JP2006210277A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池システムにおける発電手段を始めとする各補器類のレイアウトの自由度を高める。
【解決手段】 車両床下のシステムフレーム１上に、燃料である水素および酸化剤である空気の供給をそれぞれ受けて発電する発電手段３を搭載する。発電手段３の車両前方側のシステムフレーム１上に、発電手段３に水素を供給する水素供給手段７と、発電手段３に空気を供給する空気供給手段９と、冷却媒体を循環させることによって、発電手段３，水素供給手段７および空気供給手段９をそれぞれ冷却する冷却手段５とをそれぞれ搭載配置する。冷却手段５は、水素供給手段と７空気供給手段９との間に配置する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料である水素および酸化剤である空気の供給をそれぞれ受けて発電する発電手段と、この発電手段に水素および空気をそれぞれ供給する水素供給手段および空気供給手段とをそれぞれ備えた燃料電池システムに関する。

燃料電池システムを搭載する車両において、限られた車両スペースに効率よく発電手段や、その他補器類をレイアウトする必要がある。そのために、例えば下記特許文献１，２に記載されているように、発電手段を中心に各補器類を車両前後に分割して配置する方法が提案されている。
特開２００３−１５１６０５号公報 特開２００４−１６８１０１号公報

ところで、システム構成を簡素化するために、水素や空気などの各流体や各補器類の温調を、発電手段を冷却する冷却水で行うことが考えられる。このとき、上記した従来の技術に示されるような発電手段を中心とする配置方法では、発電手段の車両前後方向両側に接続するための配管が必要となるため、システム全体のレイアウトの自由度が著しく低下する。

そこで、本発明は、燃料電池システムにおける各機器のレイアウトの自由度を高めることを目的としている。

本発明は、燃料である水素および酸化剤である空気の供給をそれぞれ受けて発電する発電手段と、この発電手段に前記水素を供給する水素供給手段と、前記発電手段に前記空気を供給する空気供給手段とをそれぞれ備えた燃料電池システムにおいて、前記水素供給手段および前記空気供給手段を、冷却媒体を循環させることによって冷却する冷却手段を設け、この冷却手段を、前記水素供給手段と前記空気供給手段との間に配置したことを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、冷却媒体を循環させて冷却を行う冷却手段を、水素供給手段と空気供給手段との間に配置することで、冷却媒体が流通する配管を必要最低限の長さとすることができ、例えば決められた車両に燃料電池システムを搭載する場合の各機器のレイアウト自由度が向上する。

また、冷却媒体を循環させる冷却手段を中央に、その両側に、排気する必要がある空気および水素の各供給手段を配置しているため、水素および空気の各排出配管のレイアウトが有利となる。

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、本発明の一実施形態に係わる燃料電池システムを車両に搭載した状態を示す簡略化した平面図である。なお、図１中で矢印ＦＲで示す方向が車両前方である。

車両床下の図示しない車体骨格部材に、燃料電池システムを搭載するシステムフレーム１を取り付け、このシステムフレーム１上の車両後方側には、燃料電池スタックで構成される発電手段３を、例えばボルトなどを用いて締結固定して配置する。発電手段３の一方側である車両前方側のシステムフレーム１上には、発電手段３の補器類として、車幅方向中央に冷却手段５を、その左右両側に水素供給手段７および空気供給手段９をそれぞれ配置する。

上記したシステムフレーム１の車両後方側の図示しない車体骨格部材には、図示しない取付ブラケットを介して水素タンクなどからなる水素貯蔵手段１３を配置し、水素貯蔵手段１３と水素供給手段７とは、水素ガス配管１５によって互いに接続する。
また、水素供給手段７には水素排出配管１７を接続し、この水素排出配管１７を経て、後述する水素循環手段７ｂによって循環している水素のうちの一部をシステム外部に排出する。一方、空気供給手段９には空気排出配管１９を接続し、発電手段３で使用した排空気をシステム外部に排出する。

上記した冷却手段５は、特に図示していないが、ポンプなどからなる冷却水圧送手段、フィルタなどからなる異物除去手段、ラジエータなどからなる放熱手段などを有して冷却媒体が循環する閉回路を形成し、主に発電手段３の温調に用いる。冷却媒体は、一般的には、エチレングリコールと水との混合物を使用するが、例えば純水などの他の媒体を使用してもよい。

水素貯蔵手段１３は、水素タンクや減圧弁などから構成し、燃料である水素ガスは水素貯蔵手段１３から前記した水素ガス配管１５を介して水素供給手段７へ供給する。また、別の方法として、メタノールや天然ガスといった炭化水素系物質を改質して生成される水素リッチなガスを使用することもある。しかし、現在では３５ＭＰａに圧縮した水素を貯蔵した水素タンクを使用することが一般的であり、本実施形態においても、水素タンクの使用を前提に進めるが、もちろん改質ガスによる場合でも適用できる。また、圧縮した水素を貯蔵した水素タンクを使用する場合においても、該水素タンク内の圧力に関係なく本発明は適用することができる。

水素供給手段７は、水素ガス配管１５を経て供給される水素ガスを、発電手段３の運転に好適な所定の圧力へ調整する水素調圧手段７ａを有する。また、発電手段３が加湿した水素ガスを必要とする場合、例えば発電手段３から排出された水素ガスに含まれる水によって中空糸膜などを用いて加湿する機能も果たす。

さらに、水素供給手段７は、発電手段３で使用されずに余剰した水素ガスを循環して再度発電手段３へ送る、水素循環手段７ｂを有する。水素循環手段７ｂは一般に、エゼクタ（ジェットポンプ）や、容積式または遠心式など各種類のポンプを使用する方法が知られている。

図２は、発電手段３と水素供給手段７との関係の詳細を示した模式図である。水素供給手段７の水素循環手段７ｂは、水素調圧手段７ａよりも発電手段３から離れた位置に配置する。水素循環手段７ｂと発電手段３の水素出口３ａとは、水素排出循環配管２１で接続し、水素循環手段７ｂと発電手段３の水素入口３ｂとは、水素流入循環配管２３で接続する。

空気供給手段９は、例えば大気中の空気を圧送する図示しない空気圧縮手段から供給される圧縮空気の温度を調整する空気温調機能や、発電手段３に供給する空気の圧力を好適な圧力に調整する機能を有する。また、必要であれば加湿器によって空気を加湿する機能も有する。

ところで、前述の通り、発電手段３へ供給する水素または空気の温調装置を設ける場合、システム構成を簡潔にするために、温冷媒として冷却手段５から供給する冷却水を使用し、例えば熱交換器にて熱交換することが考えられる。

そのため、冷却手段５をシステムフレーム１の車幅方向中央寄りに配置し、この冷却手段５の車幅方向両側に水素供給手段７，空気供給手段９をそれぞれ近接して配置する。これにより、冷却手段５と、水素供給手段７および空気供給手段９とをそれぞれ接続する配管を可能な限り短くすることができ、車両に燃料電池システムを搭載する場合の各機器のレイアウト自由度が向上する。

一般に冷却水は、必要であれば、閉回路内に設定した図示しない熱交換器（ラジエータ）によって大気に放熱して冷却されて循環するため、排水を考慮する必要はない。一方、前述したように、空気は発電手段３で使用した排空気を、空気排出配管１９を介してシステム外へ排出する必要があり、また水素は水素循環手段７ｂによって循環している水素のうちの一部を、水素排出配管１７を介してシステム外へ排出する必要がある。

このとき、図１に示す通り、水素供給手段７および空気供給手段９をシステムフレーム１の両側に配置することにより、水素排出配管１７および空気排出配管１９のレイアウトが有利となり、これら各配管１７および１９の長さも短縮できて、質量の低減に寄与することができる。

また、発電手段３の任意の一方側に、冷却手段５，水素供給手段７および空気供給手段９からなる補器類をまとめて配置するため、例えば熱交換のための各補器類間の配管接続が容易となり、各補器類から発電手段３への配管接続も容易となる。

上記した水素供給手段７の水素循環手段７ｂは、発電手段３に供給する水素を調圧する水素調圧手段７ａより、発電手段３から離れた位置に配置しているので、例えば水素循環手段７ｂに容積式または遠心式のポンプを使用した場合、接続する配管２１，２３を長くすることができ、ポンプの振動によって発生するる発電手段３と水素循環手段７ｂとの相対移動を吸収することができ、配管２１，２３の破損を未然に防ぐことができる。

一般にポンプなどの揺動物を接続する配管は、ベローズ構造などを持ったフレキシブルな配管を使用したり、簡便には該配管をゴムホースとすることも考えられる。しかし、配管２１，２３は水素を流通させるため、何らかの原因によって強度的に劣るベローズ部やゴムが破損した場合、水素がシステム外へ大量に放出されることになる。

これを、防止するために、図２に示す通り、水素循環手段７ｂを発電手段３から離して配置し、配管２１および２３の長さをできるだけを長く取ることによって、水素循環手段７ｂの揺動による配管２１，２３の破損を防止することができる。

また、水素循環手段７ｂを含む水素供給手段７を冷却手段５に近接して配置することにより、水素循環手段７ｂを温調（冷却）する必要がある場合、冷却手段５から供給される冷却水を用いて、容易に水素循環手段７ｂを温調（冷却）することができる。

なお、水素循環手段７ｂに限らず、水素供給手段７に含まれる他部品や、空気供給手段９に含まれる部品の温調にも容易に対応できる。

また、発電手段３の各流体（水素，空気、冷却水）の出入口に合わせて、各流体の補器類（水素供給手段７，空気供給手段９，冷却手段５）を配置することで、図１に示すように発電手段３と各補器類７，９，５との間に配管用のスペースを大きく必要とせず、システム全体をコンパクト化することができる。この場合、各補器類７，９，５と発電手段３とを接続する配管の短縮を図ることができるが、簡便な例として、各補器類を発電手段３に直接取り付ける方法もある。

なお、図１では、車両左から水素供給手段７，冷却手段５，空気供給手段９の順に配置したが、空気供給手段７および水素供給手段９は冷却手段５の左右任意の位置に配置することができる。

また、図１では、発電手段３の車両前方に各補器類をまとめて配置しているが、各補器類は発電手段３の任意の一方側へ配置することが最適であり、したがってこれら各補器類を、図１のように発電手段３に対して車両前方側に限らず、同後方側や、車幅方向の一方側にまとめて配置しても同様な効果を得ることができる。

また、本実施形態では、車両床下に燃料電池システムを搭載する場合を述べているが、燃料電池システムを、このシステムによって発電した電力により車両を駆動する車両駆動用モータを収容するモータルーム内に搭載することを考えた場合、発電手段３の鉛直方向上下に補器類７，９，５を配置してもよい。

また、図３に模式的に示す様に、発電手段３と各補器類である冷却手段５，水素供給手段７，空気供給手段９とを接続する配管２５，２７，２９に、各流体に混在する虞のある異物を取り除く異物除去手段（フィルタ）３１，３３，３５を設けてもよい。なお、配管２７は、前記図２に示してある配管２１，２３を含む。

一般に、これらの異物除去手段３１，３３，３５は所定の期間使用後、交換が必要となる。交換を行わない場合、最悪の場合各流体の供給不足や詰まりといった影響を受け、正常なシステム運転を継続することができなくなる。

そのため、異物除去手段３１，３３，３５は交換性を考慮した配置が望ましい。そこで、発電手段３と各補器類を接続する配管２５，２７，２９に異物除去手段３１，３３，３５を設け、例えば異物除去手段３１，３３，３５の上下流をフランジ接続とすることによって、発電手段３や各補器類をシステムフレーム１から降ろさずに異物除去手段３１，３３，３５を取り外し、交換することができる。

異物除去手段３１，３３，３５はフランジ接続に限らず、配管２５，２７，２９に異物除去手段用のハウジングを設けて該ハウジング内に配設する、といった方法も考えられる。

また、異物除去手段３１，３３，３５の搭載位置近傍の車体パネルに車室内から開閉可能な開閉部を設ければ、システムフレーム１を車体から降ろさずに車内から異物除去手段３１，３３，３５の交換を行うこともできる。

本発明の一実施形態に係わる燃料電池システムを車両に搭載した状態を示す簡略化した平面図である。 図１における発電手段と水素供給手段との関係の詳細を示した模式図である。 図１における発電手段と各補器類とを接続する配管中に異物除去手段を設けた例を示す模式図である。

符号の説明

３ 発電手段
５ 冷却手段
７ 水素供給手段
７ａ 水素調圧手段
７ｂ 水素循環手段
９ 空気供給手段
２５，２７，２９ 配管
３１，３３，３５ 異物除去手段

Claims (5)

1. 燃料である水素および酸化剤である空気の供給をそれぞれ受けて発電する発電手段と、この発電手段に前記水素を供給する水素供給手段と、前記発電手段に前記空気を供給する空気供給手段とをそれぞれ備えた燃料電池システムにおいて、前記水素供給手段および前記空気供給手段を、冷却媒体を循環させることによって冷却する冷却手段を設け、この冷却手段を、前記水素供給手段と前記空気供給手段との間に配置したことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記発電手段の一方側に、前記水素供給手段，前記空気供給手段および前記冷却手段をまとめて配置した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. 前記水素供給手段は、前記発電手段にて使用されずに排出される水素を循環させる水素循環手段と、前記発電手段に供給する水素を調圧する水素調圧手段とをそれぞれ備え、前記水素循環手段は、前記水素調圧手段よりも前記発電手段から離れた位置に配置したことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記水素供給手段，前記空気供給手段および前記冷却手段を、前記発電手段に設けた水素，空気および冷却媒体の各出入口に合わせて配置したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記発電手段と、前記水素供給手段，前記空気供給手段，前記冷却手段とを接続するそれぞれの配管に、異物除去手段をそれぞれ着脱可能に設けたことを特徴とする１ないし４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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