JP2010125962A - On-vehicle fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数の発電セルが積層されるとともに、積層方向端部からの正面視で縦長形状を有する燃料電池を備え、車両に搭載される車載用燃料電池システムに関する。 The present invention relates to an in-vehicle fuel cell system that is mounted on a vehicle, in which a plurality of power generation cells are stacked and includes a fuel cell having a vertically long shape when viewed from the front in the stacking direction.
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体(MEA)を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。 For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) in which an anode side electrode and a cathode side electrode are disposed on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane is sandwiched by separators. It has a power generation cell. This type of fuel cell is normally used as a fuel cell stack by stacking a predetermined number of power generation cells.
この種の燃料電池スタックは、近年、内燃機関に代えて自動車等の車両に搭載されることにより、燃料電池車両を構成している。例えば、特許文献1に開示されている燃料電池車両は、図5に示すように、燃料電池ユニット1が、有底のサブフレーム2に搭載されるとともに、前記サブフレーム2は、車体のキャビン3の下側に配置し得るように、車体フロア4の投影平面の範囲に収まる寸法で平面矩形に形成されている。 In recent years, this type of fuel cell stack constitutes a fuel cell vehicle by being mounted on a vehicle such as an automobile instead of an internal combustion engine. For example, in a fuel cell vehicle disclosed in Patent Document 1, as shown in FIG. 5, the fuel cell unit 1 is mounted on a bottomed subframe 2, and the subframe 2 includes a cabin 3 of a vehicle body. It is formed in a flat rectangular shape with a size that fits within the range of the projection plane of the vehicle body floor 4 so that it can be disposed below the vehicle.
車体フロア4の下側には、サブフレーム2の後方部位に、燃料電池ユニット1に供給する水素を貯留するための燃料タンク5、5がクランプベルト(図示せず)等により搭載支持されている。 Under the vehicle body floor 4, fuel tanks 5, 5 for storing hydrogen to be supplied to the fuel cell unit 1 are mounted and supported by a clamp belt (not shown) or the like at a rear portion of the subframe 2. .
ところで、上記の特許文献1では、サブフレーム2上に燃料電池ユニット1が搭載される一方、燃料タンク5、5は、前記燃料電池ユニット1から後方に離間して配置されている。このため、燃料電池ユニット1と燃料タンク5、5とを繋ぐ水素供給配管が長尺化し、水素の保有量が増加するとともに、継手の数が多くなるという問題がある。 By the way, in the above-mentioned Patent Document 1, the fuel cell unit 1 is mounted on the subframe 2, while the fuel tanks 5, 5 are spaced apart from the fuel cell unit 1 in the rear. For this reason, there is a problem that the hydrogen supply piping connecting the fuel cell unit 1 and the fuel tanks 5 and 5 becomes long, the amount of hydrogen retained increases, and the number of joints increases.
しかも、燃料電池ユニット1と燃料タンク5、5とは、それぞれ異なる区画に搭載されている。従って、燃料電池ユニット1と燃料タンク5、5とに、それぞれ個別に水素センサを装備する必要がある。しかしながら、水素センサは、相当に高価であり、しかも多くの電力を消費するため、経済的ではないという問題がある。 Moreover, the fuel cell unit 1 and the fuel tanks 5 and 5 are mounted in different sections. Therefore, it is necessary to equip the fuel cell unit 1 and the fuel tanks 5 and 5 with hydrogen sensors individually. However, the hydrogen sensor is considerably expensive and consumes a large amount of electric power, so that there is a problem that it is not economical.
さらに、燃料電池ユニット1と燃料タンク5、5とが、別区画に配置される場合、水素漏れ対策として2台の換気システム(換気ファン)が必要になる。これにより、経済的ではないという問題がある。 Furthermore, when the fuel cell unit 1 and the fuel tanks 5 and 5 are arranged in separate sections, two ventilation systems (ventilation fans) are required as a measure against hydrogen leakage. This has the problem that it is not economical.
本発明はこの種の問題を解決するものであり、燃料電池と水素タンクとを繋ぐ水素配管長を可及的に短尺化するとともに、水素センサの設置数を削減することができ、経済的な車載用燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention solves this type of problem, shortens the length of the hydrogen pipe connecting the fuel cell and the hydrogen tank as much as possible, reduces the number of hydrogen sensors installed, and is economical. An object is to provide an in-vehicle fuel cell system.
本発明は、複数の発電セルが積層されるとともに、積層方向端部からの正面視で縦長形状を有する燃料電池を備え、車両に搭載される車載用燃料電池システムに関するものである。 The present invention relates to an in-vehicle fuel cell system that is mounted on a vehicle, in which a plurality of power generation cells are stacked and a fuel cell having a vertically long shape when viewed from the front in the stacking direction.
この車載用燃料電池システムは、車両の車長方向後部側に水素タンクが配置されるとともに、燃料電池は、前記水素タンクの直前に、積層方向が車幅方向に指向し且つ上部側が前記水素タンク側に傾斜した状態で配置されている。 In this in-vehicle fuel cell system, a hydrogen tank is disposed on the rear side in the vehicle length direction of the vehicle, and the fuel cell has a stacking direction in the vehicle width direction and an upper side on the hydrogen tank immediately before the hydrogen tank. It is arranged in a state inclined to the side.
また、燃料電池及び水素タンクは、同一のフレームに一体に載置されることが好ましい。 Further, it is preferable that the fuel cell and the hydrogen tank are integrally mounted on the same frame.
さらに、燃料電池及び水素タンクは、同一の区画内に収容されることが好ましい。 Further, the fuel cell and the hydrogen tank are preferably accommodated in the same compartment.
本発明によれば、燃料電池が、水素タンクの直前に傾斜して配置されているため、前記燃料電池と前記水素タンクとを良好に近接して配置することができる。従って、燃料電池と水素タンクとを繋ぐ水素配管長は、可及的に短尺化されるとともに、比較的高価な水素センサの設置数及び排気システムの設置数を有効に削減することが可能になり、経済的である。 According to the present invention, since the fuel cell is inclined and disposed immediately before the hydrogen tank, the fuel cell and the hydrogen tank can be disposed in close proximity to each other. Therefore, the length of the hydrogen pipe connecting the fuel cell and the hydrogen tank is shortened as much as possible, and the number of relatively expensive hydrogen sensors and exhaust systems can be effectively reduced. Is economical.
しかも、燃料電池は、傾斜して配置されるため、前記燃料電池の収容スペースを削減することができる。さらに、燃料電池からの排水性の向上を容易に図ることが可能になる。 In addition, since the fuel cell is disposed at an inclination, the storage space for the fuel cell can be reduced. Furthermore, it becomes possible to easily improve drainage from the fuel cell.
図1は、本発明の実施形態に係る車載用燃料電池システム10が搭載される燃料電池車両12の概略側面説明図であり、図2は、前記燃料電池システム10を主体にした前記燃料電池車両12の一部平面説明図であり、図3は、前記燃料電池システム10の概略構成説明図である。
FIG. 1 is a schematic side view of a
なお、図3では、説明のために、後述する各構成要素の配置位置が、実際の配置位置とは異なる位置に記載されている。実際の配置位置は、図1及び図2に示されている。 In FIG. 3, for the sake of explanation, the arrangement positions of the constituent elements described later are shown at positions different from the actual arrangement positions. The actual arrangement position is shown in FIG. 1 and FIG.
燃料電池システム10は、燃料電池スタック14と、前記燃料電池スタック14に冷却媒体を供給するための冷却媒体供給機構16と、前記燃料電池スタック14に酸化剤ガス(例えば、空気)を供給するための酸化剤ガス供給機構18と、前記燃料電池スタック14に燃料ガス(例えば、水素ガス)を供給するための燃料ガス供給機構20とを備える。
The
燃料電池車両12内には、隔壁部材22を介してキャビン22a、第1区画22b及び第2区画22cが形成される。第1区画22bは、車長方向前部側に形成される一方、第2区画22cは、車長方向後部側(後輪近傍)に形成される。
In the
冷却媒体供給機構16は、燃料電池車両12の進行方向前側(矢印L1方向)に、すなわち、第1区画22bに配置されるラジエータ24を備える。このラジエータ24には、冷媒用ポンプ26を介して冷却媒体供給配管28と、冷却媒体排出配管30とが接続される。
The cooling
酸化剤ガス供給機構18は、冷媒用ポンプ26に近接して配置される空気用ポンプ32を備える。この空気用ポンプ32に一端が接続される空気供給配管34は、加湿器(例えば、中空糸膜型)36に他端が接続されるとともに、この加湿器36は、燃料電池スタック14に接続される。
The oxidant
加湿器36には、燃料電池スタック14から使用済みの酸化剤ガス(以下、オフガスという)が加湿流体として供給される。加湿器36には、オフガス供給配管40が接続されるとともに、前記オフガス供給配管40には、背圧弁42が配設される(図3参照)。
A used oxidant gas (hereinafter referred to as off-gas) is supplied from the
燃料ガス供給機構20は、燃料ガスとして水素ガスが貯留される水素ガスタンク(水素タンク)44を備える。この水素ガスタンク44には、燃料ガス供給配管(水素配管)45の一端が接続され、前記燃料ガス供給配管45の他端が、遮断弁46、レギュレータ48及びエゼクタ50を介して燃料電池スタック14に接続される。
The fuel
燃料電池スタック14には、使用済みの燃料ガスが排出される排出燃料ガス配管52が接続される。この排出燃料ガス配管52は、リターン配管54を介してエゼクタ50に接続されるとともに、下流部がパージ弁56に連通する。
An exhaust
図2に示すように、燃料電池スタック14は、複数の発電セル60が車幅方向である水平方向(矢印W方向)に積層されるとともに、積層方向の両端には、図示しないが、ターミナルプレート及び絶縁プレートを介してエンドプレート62a、62bが配設される。
As shown in FIG. 2, the
燃料電池スタック14は、鉛直方向(矢印C方向)に長尺(縦長)な四角形に構成されるエンドプレート62a、62bを端板として含むケーシング(図示せず)を備えている。燃料電池スタック14は、積層方向端部であるエンドプレート62a、62bからの正面視で縦長形状を有する。エンドプレート62bには、加湿器36が装着されることにより、前記加湿器36は、燃料電池スタック14に一体化される。
The
図4に示すように、各発電セル60は、電解質膜・電極構造体66と、前記電解質膜・電極構造体66を挟持する薄板波形状の第1及び第2金属セパレータ68、70とを備えるとともに、縦長に構成される。なお、第1及び第2金属セパレータ68、70に代替して、例えば、カーボンセパレータを使用してもよい。
As shown in FIG. 4, each
発電セル60の短辺方向(矢印B方向)の一端縁部には、矢印A方向(矢印W方向)に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔72a、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔74a、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔76bが設けられる。
One end edge of the
発電セル60の短辺方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔76a、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔74b、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔72bが設けられる。冷却媒体供給連通孔74a及び冷却媒体排出連通孔74bは、縦長形状に設定される。
The other end edge of the
電解質膜・電極構造体66は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜78と、前記固体高分子電解質膜78を挟持するアノード側電極80及びカソード側電極82とを備える。
The electrolyte membrane /
第1金属セパレータ68の電解質膜・電極構造体66に向かう面68aには、燃料ガス供給連通孔76aと燃料ガス排出連通孔76bとを連通し、矢印C方向に延在する燃料ガス流路84が形成される。第1金属セパレータ68の面68bには、冷却媒体供給連通孔74aと冷却媒体排出連通孔74bとを連通する冷却媒体流路86が形成される。
The
第2金属セパレータ70の電解質膜・電極構造体66に向かう面70aには、例えば、矢印C方向に延在する酸化剤ガス流路88が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路88は、酸化剤ガス供給連通孔72aと酸化剤ガス排出連通孔72bとに連通する。第2金属セパレータ70の面70bには、第1金属セパレータ68の面68bと重なり合って冷却媒体流路86が一体的に形成される。図示しないが、第1及び第2金属セパレータ68、70には、必要に応じてシール部材が一体成形される。
The
図1及び図2に示すように、第2区画22cには、サブフレーム90が設けられており、前記サブフレーム90には、燃料電池スタック14及び加湿器36と水素ガスタンク44とが一体に載置される。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
燃料電池スタック14は、水素ガスタンク44の直前に、積層方向が車幅方向(矢印W方向)に指向し、且つ、上部側が前記水素ガスタンク44側に傾斜した状態で、サブフレーム90上に配置される。各発電セル60では、酸化剤ガス排出連通孔72bが下方に配置されることにより、この酸化剤ガス排出連通孔72bからの排水性の向上が図られる(図1参照)。
The
燃料電池スタック14の傾斜角度は、例えば、キャビン22a内の後部座席92の背もたれ部の角度に対応して設定される。第2区画22cには、例えば、燃料電池スタック14の上部に位置して水素センサ94が配設される。
The inclination angle of the
なお、本実施形態では、図3に示すように、酸化剤ガス供給機構18を構成する空気供給配管34と燃料ガス供給機構20を構成するエゼクタ50の下流側との間にパージバルブ(図示せず)を介装した分岐配管を設け、燃料電池スタック14の燃料ガス流路系内に残存する燃料ガスを排気(パージ)するように構成してもよい。
In this embodiment, as shown in FIG. 3, a purge valve (not shown) is provided between the
このように構成される燃料電池システム10の動作について、以下に説明する。
The operation of the
先ず、図3に示すように、酸化剤ガス供給機構18を構成する空気用ポンプ32が駆動され、酸化剤ガスである外部空気が吸引されて、空気供給配管34に導入される。この空気は、空気供給配管34から加湿器36内に導入され、後述するように、反応に使用された酸化剤ガスであるオフガスにより加湿される。加湿された空気は、エンドプレート62bを通って燃料電池スタック14内の酸化剤ガス供給連通孔72aに供給される。
First, as shown in FIG. 3, the
一方、燃料ガス供給機構20では、遮断弁46の開放作用下に、水素ガスタンク44内の燃料ガス(水素ガス)がレギュレータ48で降圧された後、エゼクタ50を通って燃料ガス供給配管45からエンドプレート62bを通って燃料電池スタック14内の燃料ガス供給連通孔76aに導入される。
On the other hand, in the fuel
さらに、冷却媒体供給機構16では、冷媒用ポンプ26の作用下に、冷却媒体供給配管28からエンドプレート62aを通って燃料電池スタック14内の冷却媒体供給連通孔74aに冷却媒体が導入される。
Further, in the cooling
図4に示すように、燃料電池スタック14内の発電セル60に供給された空気は、酸化剤ガス供給連通孔72aから第2金属セパレータ70の酸化剤ガス流路88に導入され、電解質膜・電極構造体66のカソード側電極82に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔76aから第1金属セパレータ68の燃料ガス流路84に導入され、電解質膜・電極構造体66のアノード側電極80に沿って移動する。
As shown in FIG. 4, the air supplied to the
従って、各電解質膜・電極構造体66では、カソード側電極82に供給される空気中の酸素と、アノード側電極80に供給される燃料ガス(水素)とが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
Therefore, in each electrolyte membrane /
次いで、カソード側電極82に供給されて消費された空気は、酸化剤ガス排出連通孔72bに沿って流動した後、オフガスとしてエンドプレート62bから加湿器36に排出される(図3参照)。
Next, the air consumed by being supplied to the
同様に、アノード側電極80に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔76bに排出されて流動し、排出燃料ガスとしてエンドプレート62bから排出燃料ガス配管52に排出される。排出燃料ガス配管52に排出された排出燃料ガスは、一部がリターン配管54を通ってエゼクタ50の吸引作用下に燃料ガス供給配管45に戻される。この排出燃料ガスは、新たな燃料ガスに混在して燃料ガス導入配管45aから燃料電池スタック14内に供給される。残余の排出燃料ガスは、パージ弁56の開放作用下に排出される。
Similarly, the fuel gas consumed by being supplied to the
また、冷却媒体は、図4に示すように、冷却媒体供給連通孔74aから第1及び第2金属セパレータ68、70間の冷却媒体流路86に導入された後、矢印B方向に沿って流動する。冷却媒体は、電解質膜・電極構造体66を冷却した後、冷却媒体排出連通孔74bを移動してエンドプレート62aから冷却媒体排出配管30に排出される。この冷却媒体は、ラジエータ24により冷却された後、冷媒用ポンプ26の作用下に冷却媒体供給配管28から燃料電池スタック14に供給される。
Further, as shown in FIG. 4, the cooling medium is introduced into the cooling
この場合、本実施形態では、図1に示すように、同一のサブフレーム90上に、水素ガスタンク44と燃料電池スタック14とが近接して配置されている。具体的には、燃料電池スタック14は、水素ガスタンク44の直前に、積層方向が車幅方向に指向し、且つ、上部側が前記水素ガスタンク44側に傾斜した状態で、サブフレーム90に一体化されている。
In this case, in the present embodiment, as shown in FIG. 1, the
このため、燃料電池スタック14と水素ガスタンク44とを良好に近接して配置することができ、前記燃料電池スタック14と前記水素ガスタンク44とを繋ぐ水素配管である燃料ガス供給配管45の配管長を、可及的に短尺化することが可能になる。従って、燃料ガス供給配管45内での水素の保有量を削減するとともに、継手の数が減少し、構成の簡素化を図るとともに、経済的であるという利点が得られる。
For this reason, the
しかも、燃料電池スタック14及び水素ガスタンク44は、同一の第2区画22cに配置されている。これにより、燃料電池スタック14と水素ガスタンク44とが、個別の区画内に配置される構成に比べ、水素センサ94を半減、すなわち、1個に削減することができる。このため、比較的高価な水素センサ94の設置数が削減されて経済的であるという効果がある。その際、換気ファン等の換気システム(図示せず)の削減も図られ、経済的である。
Moreover, the
さらに、燃料電池スタック14は、例えば、キャビン22a内の後部座席92の背もたれ部の傾きに対応して、傾斜して配置されている。従って、キャビン22a内のスペースを有効に保持する一方、燃料電池スタック14及び水素ガスタンク44を収容する第2区画22cの収容スペースを容易に削減することが可能になる。
Furthermore, the
その上、燃料電池スタック14は、酸化剤ガス排出連通孔72bが下方になるように傾斜して配置されている。これにより、特に、生成水が多量に発生する酸化剤ガス排出連通孔72bからの排水性の向上を図ることができるという利点がある。
In addition, the
10…燃料電池システム 12…燃料電池車両
14…燃料電池スタック 16…冷却媒体供給機構
18…酸化剤ガス供給機構 20…燃料ガス供給機構
22…隔壁部材 22a…キャビン
22b、22c…区画 24…ラジエータ
26…冷媒用ポンプ 32…空気用ポンプ
36…加湿器 44…水素ガスタンク
45…燃料ガス供給配管 60…発電セル
62a、62b…エンドプレート 72a…酸化剤ガス供給連通孔
72b…酸化剤ガス排出連通孔 74a…冷却媒体供給連通孔
74b…冷却媒体排出連通孔 76a…燃料ガス供給連通孔
76b…燃料ガス排出連通孔 90…サブフレーム
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記車両の車長方向後部側に水素タンクが配置されるとともに、
前記燃料電池は、前記水素タンクの直前に、前記積層方向が車幅方向に指向し且つ上部側が前記水素タンク側に傾斜した状態で配置されることを特徴とする車載用燃料電池システム。 A plurality of power generation cells are stacked, and includes a fuel cell having a vertically long shape in a front view from the end in the stacking direction.
A hydrogen tank is disposed on the rear side in the vehicle length direction of the vehicle,
The in-vehicle fuel cell system, wherein the fuel cell is disposed immediately before the hydrogen tank, with the stacking direction oriented in the vehicle width direction and the upper side inclined to the hydrogen tank side.
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JP2008302093A JP2010125962A (en) | 2008-11-27 | 2008-11-27 | On-vehicle fuel cell system |
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Cited By (1)
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JP2012232673A (en) * | 2011-05-02 | 2012-11-29 | Suzuki Motor Corp | Fuel cell vehicle |
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2008
- 2008-11-27 JP JP2008302093A patent/JP2010125962A/en not_active Withdrawn
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