JP2006278166A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 発電手段とこの発電手段に供給する各流体供給手段とを纏めて設け、効率良くこれらを車両スペースに搭載することのできる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 酸化剤である空気を供給する空気供給手段１１と、燃料である水素を貯蔵する水素貯蔵手段と、水素貯蔵手段から取り出した水素ガスを供給する水素供給手段１２と、空気供給手段１１によって供給された空気と前記水素供給手段１２によって供給された水素によって発電する発電手段６と、発電手段６を冷却する冷却水を供給する冷却水供給手段１３とを備える。そして、本発明の燃料電池システムでは、発電手段６の下部に密接するように、空気供給手段１１、水素供給手段１２、冷却水供給手段１３を配設する。このようにすれば、発電手段６と連結させる各流体の配管を廃止することができ、システム全体をコンパクトに一体化することが可能となる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、詳細には、燃料電池スタックに供給する燃料、酸化剤及び冷却水などの各流体供給手段のレイアウト技術に関する。

燃料電池システムを搭載する車両においては、限られた車両スペースに効率良く発電手段や補器類をレイアウトする必要がある。これらを高効率に車両にレイアウトするために、一般的に各コンポーネントを一体化することが行なわれる。

例えば、各流体の分配機能を複数の発電手段で狭持し、該発電手段と各流体の分配機能を一体化する方法などが提案されている（例えば、特許文献１など参照）。
特開２００４−６３８３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、各流体供給手段の配置に関しては明言されておらず、必ずしも車両スペースを効率良く利用しているとは言えない。

そこで、本発明は、発電手段とこの発電手段に供給する各流体供給手段とを纏めて配置し、効率良くこれらを車両スペースに搭載することのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の燃料電池システムは、酸化剤である空気を供給する空気供給手段と、燃料である水素を貯蔵する水素貯蔵手段と、水素貯蔵手段から取り出した水素ガスを供給する水素供給手段と、空気供給手段によって供給された空気と前記水素供給手段によって供給された水素によって発電する発電手段と、発電手段を冷却する冷却水を供給する冷却水供給手段とを備える。

そして、本発明の燃料電池システムでは、車両前方のモータルーム内上方位置に、前記発電手段を配設し、且つ該発電手段の下部に密接するように、前記空気供給手段、水素供給手段、冷却水供給手段を配設している。

本発明によれば、空気供給手段、水素供給手段、冷却水供給手段などの各流体供給手段を発電手段の下部に密接するように配設しているため、発電手段と各流体供給手段ととを連結させる各流体の配管を廃止することができ、システム全体をコンパクトに一体化することが可能となる。

また、本発明によれば、各流体供給手段を発電手段の下部に配設するため、発電手段内で発生した生成水を特別な手段を用いずに効率良く外部へ排出することができ、当該発電手段の水詰まりによる発電量低下などを防ぐことができる。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は本実施の形態の燃料電池システムを車両前方のモータルーム内に配置した例を示す模式図、図２は本実施の形態の燃料電池システムの一構成例を示す斜視図である。

本実施の形態では、本発明を適用した燃料電池システムを、車両前方のモータルーム（エンジンルーム）内に搭載した例である。

車両前方のモータルーム１には、図１に示すように、このモータルーム１を覆うボンネットフッド２と、ダッシュパネル３と、車両前方に配置されるラジエータ４と、後述する発電手段で発電された電力を駆動力とする駆動モータ５とが配置されている。この駆動モータ５の上には、発電手段６と、発電に必要な各流体を制御する各流体供給手段７と、発電手段６にて発電された電力をモニタリングする発電補助手段８とが積層されている。

燃料電池システムを搭載した車両は、例えば車両後方などに搭載された燃料タンク（図示は省略する水素貯蔵手段）から供給された燃料である水素ガスと、車両前方から供給された空気とを発電手段６に供給し、この発電手段６で発電された電力を用いて少なくとも一つの駆動モータ５を駆動し動力とする。図１では、駆動モータ５をモータルーム１内に搭載した前輪駆動車としたが、駆動輪は、例えば後輪駆動（ＦＲＤ）であっても構わないし総輪駆動（４ＷＤ）であっても構わない。

本実施の形態においては、モータルーム１内に燃料電池システムを搭載する車両において、モータルーム１内上方位置に発電手段６を配設し、該発電手段６の下部に密接するように、排水手段を含む各流体供給手段７と、電力分配手段及び電力変換手段９が配設されている。

このように、各流体供給手段７を発電手段６の下部に密接して配設させることで、各流体を発電手段６へ供給するための各種配管が不要となり、レイアウト性の向上が望める。また、発電手段６が発電することによって生成された生成水は、当該発電手段６内に貯留することなく、各流体供給手段７を構成する手段のうち排水手段へと流出させることができる。そのため、本実施の形態では、発電手段６内の各流体流路の水詰まりなどによる性能低下などを事前に防止することができる。

なお、各流体供給手段７内へ生成水を貯留させることも考えられるが、各流体供給手段７に予め生成水を貯留する構造（貯水手段など）を設けておき、開閉弁などを介して定期的に大気へ放出するなどの簡便な手段にて、前記発電手段６への水の貯留を防止する方法などが考えられる。

また、ボンネットフッド２は一般的に任意のキャンバ（反り）を有しており、一方、発電手段６は、一般的に直方体もしくは立方体形状を有しているため、これらボンネットフッド２と発電手段６との間には、略三角形状の空間が形成される（余剰する）。その空間に、発電手段６の電圧をモニタする電圧監視手段などの発電補助手段８が配設される。そのため、発電手段６と発電補助手段８は密接して配設されるから、当該発電手段６と発電補助手段８とを、特別な配管やハーネスなどを必要とせずに接続することが可能となる。

そして、本実施の形態では、図２に示すように、前記発電手段６を発電ケース１０に収容させ、その発電手段６の下部に密接するように、空気供給手段１１と水素供給手段１２と冷却水供給手段１３とを配設させている。

発電手段６は、複数のセル積層体（図示は省略する）に水素供給手段１２から供給される燃料である水素と、空気供給手段１１から供給される酸化剤である空気とを高分子電解質膜を介して反応させることで起電力を発生する。車両に用いる場合は、高出力が求められるため、セル（燃料電池単セル）を数百枚積層することによって、必要な出力を得ている。

なお、燃料電池システムでは、燃料は水素以外にも、炭化水素物質を改質して水素リッチなガスを生成し、該水素リッチなガスを燃料として使用することもできる。

発電手段６は、上方が開口された発電ケース１０内にすっぽり収まるように収容されている。そして、この発電ケース１０は、前記した発電補助手段８をガスケットなどのシール部材を介してその上に締結させることで、その内部に収容させた発電手段６を密閉させている。本実施の形態では、発電補助手段８を発電ケース１０の蓋として利用することで部品点数の削減を図っている。

なお、上記例では、上方に配設した発電補助手段８を発電ケース１０の蓋として利用したが、発電ケース１０の任意の方向から取り付けられて当該発電ケース１０内が密閉されていれば、蓋の構造はこれに限定されない。

そして、この発電ケース１０の内部には、図２に示すように、発電手段６の車両幅方向中心位置であって車両前後方向にその長手方向を一致させるようにしてマニフォールド１４が設けられている。かかるマニフォールド１４は、発電ケース１０に対して一体的に形成されており、左右に分割された発電手段６、６に対して水素、酸素、冷却水などの各流体を均等に分配する機能を有する。そして、発電手段６は、マニフォールド１４の存在しない反対側の面からボルトやスプリングなどで当該マニフォールド１４に押し付けられて把持されている。

また、発電ケース１０には、マニフォールド１４と同様形状をした接続構造体１５が設けられている。かかる接続構造体１５は、マニフォールド１４の下側であって発電ケース１０の底面から下方向に延伸するように設けられている。この接続構造体１５は、発電ケース１０の底面に対してガスケット等を介してボルトなどで締結されてもよいし、或いは、発電ケース１０と一体構造のものであっても構わない。本実施の形態では、接続構造体１５を発電ケース１０に対して一体的に形成しており、部品点数の削減を図っている。

前記接続構造体１５は、前記したマニフォールド１４と同様、分割された各発電手段６、６に対して各流体を均等に分配する機能の一部を有している。具体的には、この接続構造体１５は、空気供給手段１１から供給される空気、水素供給手段１２から供給される水素、冷却水供給手段１３から供給される冷却水を、それぞれマニフォールド１４を介して各発電手段６、６に対して均等に分配するための各流路（図示は省略する）を有している。

前記した発電ケース１０、マニフォールド１４及び接続構造体１５は、一般的に防錆処理が施された鉄（ステンレスなど）やアルミなどの金属材料から構成されるが、樹脂やＣＦＲＰ（強化繊維としてカーボンを使用した繊維強化プラスチック素材）などの材料で形成してもよい。これらを繊維強化プラスチック素材で形成した場合、金属を用いた場合に比べ軽量化を図ることができ、車両性能の向上を期待することができる。

前記冷却水供給手段１３は、発電ケース１０内に収容された発電手段６を冷却する冷却水の供給を行う役目をする。かかる冷却水供給手段１３は、冷却水を圧送する冷却水圧送手段（例えばポンプ）や、冷却水温度によって冷却水温調手段（例えばラジエータ４）へ冷却水を流したりバイパスしたりさせる冷却水流路制御手段（例えばサーモスタット）を有している。

前記水素供給手段１２は、発電ケース１０内に収容された発電手段６に燃料である水素を供給する役目をする。かかる水素供給手段１２は、水素調圧手段を有し、別に配設された燃料タンクからの高圧燃料を所定の圧力へ調整して発電手段６へ供給する。また、発電手段６では全ての燃料は反応に使用されないため、余剰の水素は水素循環手段（例えばポンプ）で循環し利用される。

前記空気供給手段１１は、発電ケース１０内に収容された発電手段６に酸化剤ガスである空気を供給する役目をする。かかる空気供給手段１１は、空気冷却手段や空気加湿手段、空気圧力調整手段を有し、同一空間であるモータルーム１内に配設された空気圧送手段（例えばコンプレッサ）からの高圧高温の空気を運転に適切なように冷却・加湿・調圧して発電手段６に供給する。発電手段６から排出された空気は、排気手段を介して大気へ放出される。

本実施の形態では、空気供給手段１１、水素供給手段１２、冷却水供給手段１３を配設する順序を、車両前方から車両後方に向けて冷却水供給手段１３、空気供給手段１１、水素供給手段１２の順に配置させている。換言すれば、車両前方に冷却水供給手段１３、後方に水素供給手段１２を配設し、これら冷却水供給手段１３と水素供給手段１２の間に空気供給手段１１を配設させている。

前記冷却水供給手段１３は、一般的に走行風が当たり易く冷却水の温調性能に優れる車両最前方に冷却水温調手段（ラジエータ４）が配置されることから、このラジエータ４との接続性を考慮して車両前方に配置させている。また、水素供給手段１２は、一般的には車両後方に燃料タンクが配設されることから、該燃料タンクとの接続性を考慮して車両後方に配置させている。

そして、このように配置される空気供給手段１１、水素供給手段１２及び冷却水供給手段１３は、図３に示すように、接続構造体１５に対してシール部材１６を介して、接続フランジ部１７をそれぞれの流路孔１８に一致させて固定ボルト１９にて固定される。

以上のようにして組み立てられた燃料電池システム２０は、図４に示すように、発電ケース１０と一体とされた支持構造２１（マウント部材）を有し、その支持構造２１を車体に取り付けて固定される。車体への固定点は、例えば車体メンバ２２上や前輪懸架装置の上部（ストラット・ハウジング）、または前輪懸架装置の構造体（サスペンションメンバ）などとされる。

本実施の形態によれば、空気供給手段１１、水素供給手段１２、冷却水供給手段１３などの各流体供給手段７を発電手段６の下部に密接するように配設したので、発電手段６と各流体供給手段７とを連結させる各流体の配管を廃止することができ、システム全体をコンパクトに一体化することが可能となる。

また、本実施の形態によれば、各流体供給手段７を発電手段６の下部に配設するため、発電手段６内で発生した生成水を特別な手段を用いずに効率良く外部へ排出することができ、当該発電手段６の水詰まりによる発電量低下などを防ぐことができる。

また、本実施の形態によれば、水素供給手段１２をモータルーム最後方に配設することができ、車両衝突時に該水素供給手段１２へ前方から加わる衝突エネルギの伝達を緩和することができ、該水素供給手段１２の破損を防止することができる。

また、冷却水供給手段１３は、一般的に車両前方に配設されるラジエータ４を有し、外気と熱交換をすることによって、冷却水温度の調整を行っている。かかるラジエータ４は、燃料電池システム本体とは別に搭載することとなるが、冷却水供給手段１３をモータルーム前方へ配設することにより、ラジエータ４と冷却水供給手段１３との接続が容易になる。

また、本実施の形態によれば、水素供給手段１２をモータルーム後方に配設しているので、車両後方に配置される水素貯蔵手段との接続が容易になる。例えば、これら水素供給手段１２と燃料タンクである水素貯蔵手段との接続配管を短縮することができると共にその配管の取り回しが容易になる。

また、本実施の形態によれば、発電手段６と各流体供給手段１１、１２、１３との接続を、発電手段６の下部から一体的に下方向へ延伸した接続構造体１５へ集中して接続させているので、発電手段６へ各流体を分配する手段を１箇所とすることができ、発電手段６内の充填効率を向上することができる。

ここで定義する充填効率とは、発電ケース１０内の空間容積に対する、実際に発電手段６が占める容積（基本的に発電手段６の容積が大きいほど大出力の発電が可能）の割合をいう。かかる充填効率は、所定の発電ケース１０容積での発電効率の一つの目安となります。本実施例では、接続構造体１５と一体となったマニフォールド１４を一つ設けているが、例えば、該マニフォールド１４を、車両幅方向外側に１個づつ設けた場合、発電ケース１０内に占める発電手段６の容積は小さくなり、充填効率＝発電効率の低下、となる。

また、本実施の形態によれば、発電手段６と各流体供給手段１１、１２、１３を接続する接続構造体１５を発電ケース１０と一体的に形成しているため、部品点数を削減することができると共に、特別にシール面を設けることなく各流体の漏洩を防止することができる。

また、本実施の形態によれば、接続構造体１５の内部に発電手段６に対して各流体を均等に分配する機能（分配手段）を設けているため、発電手段６内に特別に分配機能を設ける必要がなく必要十分な流体分配機能が得られる。これにより、発電ケース１０内の充填効率を上げることができ、発電手段６の出力向上が望める。

また、本実施の形態によれば、発電ケース１０を、各流体供給手段１１、１２、１３を含めたシステム全体を車両へ搭載する支持構造体２２とするため、特別な支持構造を有することなく燃料電池システムを車両へ確実に搭載することができる。

また、本実施の形態によれば、発電手段６の下部に各流体供給手段１１、１２、１３と同様、電力分配手段及び電力変換手段９を配設するため、発電手段６から電力分配手段や電力変換手段へ該発電手段６内で電気的に接続することができるため、一般に配設される高電圧配線を省略することができる。

以上、本発明を適用した具体的な実施の形態について説明したが、本発明は、上述の実施の形態に制限されることなく種々の変更が可能である。

例えば、図５に示すように、マニフォールド１４を、発電手段６の車両前後方向中央であって車両幅方向にその長手方向が一致するように配置してもよい。この場合、接続構造体１５は、マニフォールド１４と同様、車両前後方向中心位置に発電ケース１０の底面に下方向に延伸するとうに設けられる。また、この場合、空気供給手段１１と冷却水供給手段１３は、車両前方に設けられ、水素供給手段１２は車両後方に設けられる。

また、図６に示すように、各流体供給手段７の接続用軸部２３を接続構造体１５に形成した流路孔１８に挿入し、その接続用軸部２３と流路孔１８とにシール部材２４を設け、さらに、各流体供給手段７を発電ケース１０の底面にボルト２５で固定するようにしてもよい。

また、図示は省略するが、接続構造体１５を発電ケース１０の下部全体に設け、必要な各流体供給手段７に適した穴及び流路を設けておき、各流体供給手段７を該穴に挿入して部品を組付ける方法も考えられる。

本実施の形態の燃料電池システムを車両前方のモータルーム内に配置した例を示す模式図である。 本実施の形態の燃料電池システムの一構成例を示す斜視図である。 各流体供給手段と接続構造体の接続方法の一例を示す要部拡大斜視図である。 燃料電池システムを車両へ搭載した状態を示す平面図である。 燃料電池システムの他の構成例を示す斜視図である。 各流体供給手段と接続構造体の接続方法の他の例を示す要部拡大斜視図である。

符号の説明

１…モータルーム
２…ボンネットフッド
４…ラジエータ（冷却水温調手段）
５…駆動モータ
６…発電手段
７…流体供給手段
８…発電補助手段
９…電力分配手段及び電力変換手段
１０…発電ケース
１１…空気供給手段
１２…水素供給手段
１３…冷却水供給手段
１４…マニフォールド
１５…接続構造体
２０…燃料電池システム
２１…支持構造体
２２…車体メンバ

Claims (7)

1. 酸化剤である空気を供給する空気供給手段と、
   燃料である水素を貯蔵する水素貯蔵手段と、
   前記水素貯蔵手段から取り出した水素ガスを供給する水素供給手段と、
   前記空気供給手段によって供給された空気と前記水素供給手段によって供給された水素によって発電する発電手段と、
   前記発電手段を冷却する冷却水を供給する冷却水供給手段とを備え、
   車両前方のモータルーム内上方位置に、前記発電手段を配設し、且つ該発電手段の下部に密接するように、前記空気供給手段、水素供給手段、冷却水供給手段を配設した
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
   前記空気供給手段、水素供給手段、冷却水供給手段を配設する順序を、
   車両前方から冷却水供給手段、空気供給手段、水素供給手段の順とする
   ことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
   前記空気供給手段、水素供給手段及び冷却水供給手段の各手段と、前記発電手段との接続を、
   前記発電手段の車両幅方向中央または前記発電手段の車両前後方向中央に、
   前記発電手段から下方向に延伸した接続構造体へそれぞれ集中させた
   ことを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項３記載の燃料電池システムであって、
   前記発電手段をケースに収容し、該ケースに前記接続構造体を一体的に形成した
   ことを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項３記載の燃料電池システムであって、
   前記接続構造体内部に、
   前記空気供給手段、水素供給手段、冷却水供給手段から供給される各流体を、
   前記発電手段を構成する複数のセル積層体へ均等に分配する機能を設けた
   ことを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項４記載の燃料電池システムであって、
   前記ケースを、
   システム全体を車両へ搭載する支持構造体とする
   ことを特徴とする燃料電池システム。
7. 少なくとも請求項１から請求項６の何れか一つに記載の燃料電池システムであって、
   前記発電手段の下部に、
   前記発電手段に隣接して電力分配手段及び電力変換手段を配設した
   ことを特徴とする燃料電池システム。

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