JP2007165280A - 車両用燃料電池の共用分配機構 - Google Patents

Abstract

【課題】車両の加速、減速、傾動などを考慮した諸条件で、スタックからの排水を容易にするための車両用燃料電池の共用分配機構を提供する。
【解決手段】本発明は、車両用燃料電池の共用分配機構に関するもので、前記共用分配機構のスタックには、空気供給部及び排出部である第１のモジュール及び第２のモジュールが下部に配置され、水素供給部及び排出部である第３のモジュール及び第４のモジュールが上部に配置されることを特徴とする。これは、車両の加速、減速、及び傾動（ｔｉｌｔｉｎｇ）などを考慮した諸条件で、スタックからの流体の排出が均一に行われ得るようにするためのものである。
【選択図】図１０

Description

本発明は、車両の運転状態を考慮した車両用燃料電池の共用分配機構に関し、より詳細には、車両の加速、減速、傾動（ｔｉｌｔｉｎｇ）などを考慮した諸条件で、スタックからの水排出を容易にするための車両用燃料電池の共用分配機構に関する。

公知のように、燃料電池は、燃料の電気化学反応により、反応物の化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する発電装置であり、環境調和性に優れており且つ高い発電効率が見込まれる装置である。

燃料電池は、電気化学的反応のために、水素、空気が、外部から供給される必要があり、使用後に残る気体は、外部に排出される。

また、発熱反応にて触媒区域で発生する熱と分離板のジュール（Ｊｏｕｌｅ）熱とに起因するスタックの加熱を防止するために、冷却水のラインが別途に構成される。

一般的に、モーターなどの駆動装置に必要となる電圧を供給するために、４００枚規模の分離板を積層することをスタック（Ｓｔａｃｋ）と呼び、整備性の向上のために、殆どのスタックは、１００枚規模のサブスタック（Ｓｕｂ−Ｓｔａｃｋ）に分けて構成する。

それぞれのサブスタックは、空気の入出口、水素の入出口、及び、冷却水の入出口の６つのポートを持つ必要があり、４つのサブスタックを結合して、最終スタックアッセイを作り出す場合、全部で２４のポートが構成されなければならない。

これらの各々を個別の配管を用いて構成する場合、その作業性は、著しく低下し、また、継ぎ目からの漏水が生じる恐れもある。このために、殆どのスタックは、ブロック状の内部を掘り出して、流体の通路として用いる分配機構を用いる。

しかし、上述のような分配機構は、サブスタック単位のモジュールの個数と配置とによって各々異なる設計を必要とする。常圧型運転条件及び水排出などを考慮した共用分配機構の設計は、公知ではない。
特開２００６−１４７５０３号公報

上記問題点を解決するための本発明の目的は、サブスタック４つに必要な２４のポートを外部と最適な条件で連結し、車両の加速、減速、傾動などを考慮した諸条件で、スタックからの排水を容易にするための車両用燃料電池の共用分配機構を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明は、車両の加速、減速、及び傾動にかかわらず、スタックからの流体の排出が均一に行われるようにするための車両用燃料電池の共用分配機構において、前記共用分配機構のスタックには、空気供給部及び排出部である第１のモジュール及び第２のモジュールが、下部に配置され、水素供給部及び排出部である第３のモジュール及び第４のモジュールが、上部に配置されることを特徴とする。

前記スタック内の空気及び水素供給ラインは、Ι字状からなり、流体供給が、前記Ι字状の中心部で行われるようにすることを特徴とする。

前記スタックは、４つのサブスタックを備え、前記サブスタックには、各々６つのポートが備え、車両の傾動時に、始動止めを防止するためのドレーンが備えられることを特徴とする。

前記空気供給部及び排出部と水素供給部及び排出部との配管が、相互に重ならないように構成され、前記水素供給部と空気供給部とは、直線部と曲線部とからなることを特徴とする。

前記スタック内の水素供給流路及び空気供給流路のいずれか一方は、Ι字状に形成され、他方は、菱形状に形成されることを特徴とする。

本発明に係る車両用燃料電池の共用分配機構を用いると、車両の加速、減速、及び傾動などを考慮した諸条件で、スタックからの流体の排出が均一に行われるようにすることで、最適な運転状態を保持することができるという効果を有する。

以下、本発明に係る車両用燃料電池の共用分配機構の好適な実施例を、添付の図面を参照して説明する。

図１は、本発明に係る車両用燃料電池の共用分配機構を示す図であり、図２は、本発明に係る車両用燃料電池の共用分配機構に流体が供給される様子を示す図であり、図３は、本発明に係る車両用燃料電池の共用分配機構に形成された空気及び水素の入出口を示す図であり、図４は、本発明に係る車両用燃料電池の共用分配機構にドレーンが備えられた状態を示す図である。

図５（ａ）及び（ｂ）は、本発明に係る車両用燃料電池の共用分配機構において、車両の左右傾動時、共用分配機構のドレーンの変化態様を示す図であり、図５（ｃ）及び（ｄ）は、本発明に係る車両用燃料電池の共用分配機構において、車両の走行及び前後傾動時の共用分配機構のドレーンの変化態様を示す図である。
図６は、本発明に係る車両用燃料電池の共用分配機構の流路の形状を示す図であり、図７は、本発明に係る車両用燃料電池の共用分配機構において、流体分配配管の重なりを避けるための一つの形態を示す図である。

図８は、本発明に係る車両用燃料電池の共用分配機構において、流体分配配管の重なりを避けるための他の形態を示す図であり、図９は、本発明に係る車両用燃料電池の共用分配機構のチャンネルを示す図であり、図１０は、本発明に係る車両用燃料電池の共用分配機構のチャンネルが結合された様子を示す図であり、図１１は、本発明に係る車両用燃料電池の共用分配機構を示す図である。

多くのモジュール型燃料電池スタックは、共用分配機構と呼ばれる部品を用いて流体を供給または回収している。
共用分配機構の空気または水素側は、スタック内部の生成水及び外部の加湿水によって非常に高い相対湿度を保持しており、実際に、多大な凝縮がスタック内部で生じていることが、実験上立証されている。

このような凝縮水が適切に除去されず、スタックに再度入り込む場合、反応気体の供給を妨げ、有効反応地域の面積を減らして、運転に深刻な脅威を招くことがある。
凝縮水の完壁な除去は、現在、燃料電池車の商用化のために必須的な冷始動が可能であるかどうかと関係ある重要な問題である。これは、燃料電池の作動停止後、システム内に水が残って冷却される場合、システムの正常運転を妨げるためである。

共用分配機構は、各々のモジュールに供給される流量を均一に分配する役割を果たすと共に、システム全体の圧力降下を一定のレベル以下に保持する機能を有している。
その理由は、共用分配機構で過大な圧力降下が生じると、上部の空気圧縮機の容量は、更に大きくなる必要が生じ、これは、システムの電力損失の増加と直結するためである。

このような圧力降下の制限条件を満たす共用分配機構は、２ｂａｒ以上の加圧条件で最適化されたスタックの場合、簡単に設計できる。すなわち、流路の幅が狭くなれば、相対的に流動発達及び安定化区間が増えるため、流路を対称的形状にしなくても、簡単にモジュール間分配を維持することができるのである。

しかし、常圧で作動するスタックの場合、共用分配機構は、システム全体の圧力降下に殆ど影響しないように設計する必要があり、この場合、モジュール間分配を均一に維持するには困難を伴う。
したがって、本発明は、常圧型スタックにも適用可能な共用分配機構に関し、車両運転状態を考慮した排水の機能を追加し、これを構成する様々な方法を提供するものである。

本発明では、（１）車両の加速及び減速、（２）車両シャットダウン時、無動力状態で自然に形成されるドレーン、及び（３）傾動などの車両運転状態を考慮する。
まず、（１）車両の加速及び減速を考慮した共用分配機構は図１及び図２に示す通りである。
車両の加速または減速時に、共用分配機構内の流体の慣性から、モジュール別（１、２、３、４）の流量配分が変わる。

モジュールのうち、第１モジュール１及び第２モジュール２が前方に配置され、第３モジュール３及び第４モジュール４が後方に配置される形態では、車両の加速時、第１モジュール１と第２モジュール２には供給不足、第３モジュール３と第４モジュール４には供給過剰が生じ、車両減速時には、第１モジュール１と第２モジュール２に供給過剰、第３モジュール３と第４モジュール４に供給不足が生じる。

しかし、図１に示すように、第１モジュール１及び第２モジュール２が下部に配置され、第３モジュール３及び第４モジュール４が上部に配置され、図２に示すような矢印方向の中間部位に流体が供給される場合、車両の加速または減速にかかわらず、モジュール別（１、２、３、４）流量分配が均一に行われる。

次に、（２）車両のシャットダウン時、無動力状態で自然に形成されるドレーン５を用いた共用分配機構は、図３及び図４に示す通りである。
車両の走行中、空気または水素側で凝縮する水は、空気あるいは水素の慣性から、一緒に排出されてしまうことがある。
しかし、車両がシャットダウンされ、外部の動力が遮断された状態で、スタック内部の水を全て除去するには、重力による自然に形成されたドレーン５の活用が唯一の方法となる。
したがって、本発明では、共用分配機構の流路形状を変えて、無動力時にも排水が可能なドレーン５を設ける。

また、加湿量が相対的に多い空気入口と出口とを、モジュールの下部に位置させ、空気側から供給及び回収される際に生じ得るあらゆる凝縮水を、ドレーン５を介して回収するようにする。
一方、水素は、車両の上側に位置するほど、漏れ時の広がりに有利であり、車両の安全にも役に立つので、モジュールの上部から供給及び回収されるように配管する。すなわち、以下のような入出口のパターンを保持する。

次に、（３）車両の傾動を考慮した共用分配機構は、以下の通りである。
車両は、傾斜面を登る時や下る時に、傾動する。この場合、スタック１００内の水を除去しないと、傾斜面走行時に、車両がシャットダウンするという非常に危険な状況が生じる。
しかし、図４、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、車両の左右傾動時、共用分配機構を介する自然排水を有効にするためのドレーン５を備え、ドレーン５の傾動角度を車両の傾動設計条件よりも大きく保持することで、スムーズな排水が誘導できる。

また、図５（ｃ）及び（ｄ）に示すように、傾斜路の走行など、車両の前後傾動時にも、同じ形状のドレーン５の仕組みを通じて、共用分配機構の排水の機能を誘導できるようにする。
前記のような共用分配機構の構造のために空気、水素、冷却水の各々のラインは、Ｉ字状を持ち、Ｉ字の中間で流体が供給または回収される。

しかし、上記では、各々のサブスタックが、６つのポートを必要とし、４つのサブスタックからなるスタックアッセイは、合計２４のポートを必要とすることになり、これらを全てＩ字状にする場合、流路の重なりは避けられない。
一方、流体は、分岐時、下部の圧力降下に依存して分岐流量が、自律調節される。

図６に示すように、（ａ）の方向には、より大きな圧力降下が発生するので、（ｂ）の方向に更に多くの流量が流れるようになる。
もちろん、配管の大きさが極めて小さくなれば、長さの僅かな差は無視できる場合もあるが、この場合、多大な圧力損失を必要とする。
したがって、前記のような理由から、共用分配機構の流路は、中央で分岐するようにするのが望ましい。

次いで、本発明に係る燃料電池の共用分配機構内の水素入口、空気入口、水素出口、及び空気出口の４通りの配管を、コンパクトに重なりを防ぐように配置し、均一に分岐する構造にする方法を説明する。
図７に示すように、水素入口８は、１本の供給ラインを介して４つのモジュールに供給され、更に、４つのモジュールから、反応済みの水素が１本の回収ラインを通じて外部に排出される。

同様に、空気入口６は、１本の供給ラインから４つのモジュールに空気を分岐させ、４つのモジュールから、１本の空気出口ラインを通じて空気を外部に排出する。
先ず、分配に一番大きな影響を与える水素及び空気の入口側配管を、以下のように配置する。
空気入口６と水素入口８とは、各々、モジュールの下部と上部とから導入され、分配は、側面で行われているので、配管は、必然的に曲線部１１を有する。
この場合、流体の慣性から、回転半径の外側に流体がより多く供給される。
したがって、直線部１０の部分は、前記のような流体の回転効果を減らすために必須の部分であり、その長さが大きいほど、分配性の向上に役に立つ。

このような配置により、空気と水素とは、第１、第２、第３、及び第４（１、２、３、４）モジュールに、完壁に供給される。
しかし、回収する部分の配管が対称性を失ってしまうと、前記した配管の総延長の差により、分配性が阻害される。
本発明では、空気と水素との入口側の分配性確保のために、スタック１００の所要空間の大部分を使用した。

４つのモジュールから回収された空気または水素は、各々２本の配管で合流し、これらが、更に１本の配管に合流して、外部に排出されるが、上記のような形状を再び繰り返す場合は、その重なりは避けられない。
重なりを避けるために、任意に配管を折り曲げる場合、その分配性は不確実なものとなり、また、スタック内には、そのための空間も存在しない。

上述した図７は、配管のうちの一部を折り曲げて、共用分配機構を構成した場合である。
図に示すように、配管の折曲りにより、第１モジュール１と第２モジュール２との間、そして、第３モジュール３と第４モジュール４との間の分配性が大幅に低下する。
配管の直径を小さくしてこれを克服することもできるが、この場合、圧力降下が非常に大きくなり、常圧型システムには不適合なことが判明した。

解析の結果、８０ｋＷ級スタックの定格出力条件で、共用分配機構の空気配管だけで０．１２ｂａｒがかかること確認されており、これは、スタック自体の圧力降下、そして、加湿器及びその他配管での圧力降下を考慮する場合、非常に大きな数値である。
実際に、１．３ｂａｒ未満で作動するスタックの場合、共用分配機構に許容可能な圧力降下は、０．０６ｂａｒ程度に過ぎない。

本発明では、前記問題点を、以下の手法で克服した。
すなわち、図８に示したように、流路の一方は、Ｉ字状を維持し、他方は、これを変形した形状である菱形を採択して、対称性を維持するようにし、流路の重なりを避け、対称形状が維持されるようにすることによって総流路の長さの確保に関係する分配性を得られるようにした。
結果的に、空気出口７と水素出口９側の配管は対称性を確保して配置することで、空気入口６、水素入口８の直線長さの確保及び中央での分岐を達成できるようにするものである。

図９は、分配配管の重なりを防止するための、図８の模式図を用いて設計した共用分配機構のチャンネル部分を示す図である。図１０は、図９の各チャンネル部位を結合して、共用分配機構の空気、水素、冷却水の供給及び回収ラインを構成する方法を示す図である。図１１は、車両に装着可能な燃料電池の共用分配機構を示す図であって、空気入口、水素入口、空気出口、及び水素出口の４通りの配管を、重なりを避けコンパクトに配置し、均一な分岐ができるような構造としたものである。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は前記実施例に限定されず、本発明の属する技術範囲を逸脱しない範囲での全ての変更が含まれる。

本発明に係る車両用燃料電池の共用分配機構を示す図である。 本発明に係る車両用燃料電池の共用分配機構に流体が供給される様子を示す図である。 本発明に係る車両用燃料電池の共用分配機構に形成された空気及び水素の入出口を示す図である。 本発明に係る車両用燃料電池の共用分配機構にドレーンが備えられた状態を示す図である。 （ａ）及び（ｂ）は、本発明に係る車両用燃料電池の共用分配機構において、車両の左右傾動時の共用分配機構のドレーンの変化態様を示す図である。図（ｃ）及び（ｄ）は、本発明に係る車両用燃料電池の共用分配機構において、車両の走行及び前後傾動時の共用分配機構のドレーンの変化態様を示す図である。 本発明に係る車両用燃料電池の共用分配機構の流路の形状を示す図である。 本発明に係る車両用燃料電池の共用分配機構において、流体分配配管の重なりを避けるための一つの形態を示す図である。 本発明に係る車両用燃料電池の共用分配機構において、流体分配配管の重なりを避けるための他の形態を示す図である。 本発明に係る車両用燃料電池の共用分配機構のチャンネルを示す図である。 本発明に係る車両用燃料電池の共用分配機構のチャンネルが結合された様子を示す図である。 本発明に係る車両用燃料電池の共用分配機構を示す図である。

符号の説明

１ 第１のモジュール
２ 第２のモジュール
３ 第３のモジュール
４ 第４のモジュール
５ ドレーン
６ 空気入口
７ 空気出口
８ 水素入口
９ 水素出口
１０ 直線部
１１ 曲線部

Claims (7)

1. 車両の加速、減速、及び傾動にかかわらず、スタックからの流体の排出が均一に行われるようにするための車両用燃料電池の共用分配機構において、
   前記共用分配機構のスタックには、空気供給部及び排出部である第１のモジュール及び第２のモジュールが下部に配置され、水素供給部及び排出部である第３のモジュール及び第４のモジュールが上部に配置されることを特徴とする車両用燃料電池の共用分配機構。
2. 前記スタック内の空気及び水素供給ラインは、Ι字状に形成されるようにし、流体供給が、前記Ι字状の中心部で行われるようにすることを特徴とする請求項１に記載の車両用燃料電池の共用分配機構。
3. 前記スタックは、４つのサブスタックを備え、前記サブスタックには、各々６つのポートが備えられることを特徴とする請求項１に記載の車両用燃料電池の共用分配機構。
4. 前記スタックは、車両の傾動時に、始動止めを防止するためのドレーンが備えられることを特徴とする請求項１に記載の車両用燃料電池の共用分配機構。
5. 前記空気供給部及び排出部と水素供給部及び排出部との配管が相互に重ならないように構成することを特徴とする請求項１に記載の車両用燃料電池の共用分配機構。
6. 前記水素供給部と空気供給部とは、直線部と曲線部とからなることを特徴とする請求項５に記載の車両用燃料電池の共用分配機構。
7. 前記スタック内の水素供給流路及び空気供給流路のいずれか一方は、Ι字状に形成されるようにし、他方は、菱形状に形成されるようにすることを特徴とする請求項１又は５に記載の車両用燃料電池の共用分配機構。