JP2010218993A

JP2010218993A - 燃料電池搭載車両用排水システムおよび燃料電池搭載車両

Info

Publication number: JP2010218993A
Application number: JP2009067268A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Shibata; 敏博柴田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-03-19
Filing date: 2009-03-19
Publication date: 2010-09-30

Abstract

【課題】車両に搭載される燃料電池スタックから発生する生成水の排水性と、浸水路走行中の排気管出口からの逆流防止とを両立させる燃料電池搭載車両用排気システムを提供する。
【解決手段】車両に搭載される、燃料電池の単セルを積層したセル積層体を含む燃料電池スタック１２と、燃料電池スタックの排気口１４から排出される排気ガスを車両の外部へ排出するための排気管１８と、を備え、ガス排出口は、浸水路高さよりも高い位置に配置される燃料電池搭載車両用排気システムである。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池スタックを搭載する燃料電池搭載車両用の排水システムおよび燃料電池搭載車両に関する。

環境問題や資源問題への対策の一つとして、酸素や空気などの酸化ガスと、水素やメタンなどの還元性ガス（燃料ガス）あるいはメタノールなどの液体燃料などとを原料として電気化学反応により化学エネルギーを電気エネルギーに変換して発電する燃料電池が注目されている。この燃料電池は、発電に使用される原料のガスや液体燃料が豊富に存在すること、また、その発電原理より排出される物質が水であることなどにより、クリーンなエネルギー源として様々な検討がされている。

燃料電池の単セルは、電解質膜の一方の面に燃料極（アノード触媒層）と、もう一方の面に空気極（カソード触媒層）とが電解質膜を挟んで対向するように設けられた膜電極接合体（ＭＥＡ：ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）をメタルセパレータなどのセパレータで挟んだものから形成される。複数の単セルは積層されてセル積層体とされ、セル積層体のセル積層方向両端には、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートが順に配置され、固定されて燃料電池スタックが構成される。

燃料電池の発電時には、燃料極に供給する原料を水素ガス、空気極に供給する原料を空気とした場合、燃料極において、水素ガスから水素イオンと電子とが発生する。電子は外部端子から外部回路を通じて空気極に到達する。空気極において、供給される空気中の酸素と、電解質膜を通過した水素イオンと、外部回路を通じて空気極に到達した電子により、水（生成水）が生成する。このように燃料極および空気極において化学反応が起こり、電荷が発生して電池として機能することになる。

燃料電池のカソード側では水が生成されるため、燃料電池のカソード側から排出される排気ガス（以下、「カソードオフガス」ともいう。）は多くの生成水を含む。燃料電池から排出されたカソードオフガスの中の生成水は、燃料電池から排出されるときは、排気温度が燃料電池の温度とほぼ同じであり、高温であるため、水蒸気として存在しているものの、排気管内を移動するうちに、冷却され、一部は液体の水（以下、「凝縮水」ともいう。）となり、この凝縮水が排気管内を逆流する場合がある。そうすると、逆流した凝縮水が、燃料電池の排気口から燃料電池内へ流入することによって、燃料電池の排気口が逆流した凝縮水で塞がれてガスの流れが阻害され、結果として発電不良に陥るおそれがある。

例えば、特許文献１には、排気管内の凝縮水が逆流して燃料電池内に流入するのを防止して、燃料電池の良好な発電を確保するために、車両に搭載された燃料電池から排出される排気ガスを、車両の外部へ排出するための排気管であって、一方を閉塞端、他方を開口端とする管状をなし、側面に開口部を備える第１の管部と、開口部に接続され、燃料電池から排出された排気ガスを、第１の管部に導入するための第２の管部と、を備え、開口部は、閉塞端から所定の距離離れた位置に形成されていると共に、第１の管部は、車両内において配置される際には、閉塞端が開口端より前側に位置するように配置される燃料電池搭載車両用排気管、および、その燃料電池搭載車両用排気管が配設されている燃料電池搭載車両が記載されている。

燃料電池（燃料電池スタック）を例えばフロアパネルの下方に配置した場合、燃料電池スタック、燃料電池スタックの排気口に接続された調圧バルブなどのバルブ類やハーネス類などの補機類は車両の低い位置にあるため、例えば、燃料電池を搭載した車両が水に覆われた道路など（以下、「浸水路」ともいう。）を走行した際、排気管の出口から水が逆流して、燃料電池スタック、調圧バルブなどの補機類が水没して、機能の不具合が発生することがある。そのため、図４に示すように、燃料電池用ケース５０に収容された燃料電池スタック５２の排気口５４に調圧バルブ５６を介して接続された排気管５８に浸水路高さよりも高い位置となる部分を設定して、排気管５８の出口６０からの水の逆流を防いでいた。

特開２００８−１１２６７９号公報

しかし、排気管５８に浸水路高さよりも高い位置となる部分を設定すると、燃料電池スタック５２で生成する生成水の排水性が悪化する場合がある。水の逆流を防ぐために排気口５４と浸水路高さよりも高い位置となる部分（排気管５８の一番高い部分）との高さ方向の距離を大きくすると（例えば、２００ｍｍ程度）、排水するのに余分なエネルギーが必要となってしまう。また、生成水の排水性が悪化して、排気管５８内に水が滞留すると、絶縁抵抗値は水の断面積に反比例するため、水が滞留するほど絶縁抵抗値が低下してしまう。また、排気管５８内に水が滞留すると、滞留した水を排出するために、例えば空気を流すが、流す空気の流量がある程度必要なため、空気流量による気流音が発生したり、排気管５８の出口６０から勢いよく排水されてしまう。さらに、排気管５８内に水が滞留すると、燃料電池搭載車両は、エンジン搭載車両に比べて排気管５８での空気温度が低い（例えば、６０℃程度）ため、低温環境下では排気管５８内に滞留した水が凍結して、経路を閉塞するおそれがある。

本発明は、車両に搭載される燃料電池スタックから発生する生成水の排水性と、浸水路走行中の排気管出口からの逆流防止とを両立させる燃料電池搭載車両用排気システムおよび燃料電池搭載車両である。

本発明は、車両に搭載される、燃料電池の単セルを積層したセル積層体を含む燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの排気口から排出される排気ガスを車両の外部へ排出するための排気管と、を備え、前記排気口は、浸水路高さよりも高い位置に配置される燃料電池搭載車両用排気システムである。

また、本発明は、燃料電池の単セルを積層したセル積層体を含む燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの排気口から排出される排気ガスを車両の外部へ排出するための排気管と、を備え、前記排気口は、浸水路高さよりも高い位置に配置される燃料電池搭載車両である。

本発明では、燃料電池スタックの排気口を、浸水路高さよりも高い位置に配置することにより、車両に搭載される燃料電池スタックから発生する生成水の排水性と、浸水路走行中の排気管出口からの逆流防止とを両立させる燃料電池搭載車両用排気システムおよび燃料電池搭載車両を提供することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池搭載車両用排気システムの一例を示す概略構成図である。本発明の実施形態に係る燃料電池搭載車両用排気システムの他の例を示す概略構成図である。本発明の実施形態に係る燃料電池搭載車両用排気システムの他の例を示す概略構成図である。従来の燃料電池搭載車両用排気システムの一例を示す概略構成図である。

本発明の実施の形態について以下説明する。本実施形態は本発明を実施する一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池搭載車両用排気システムの一例を示す概略構成図である。本実施形態に係る燃料電池搭載車両用排気システム１は、燃料電池用ケース１０に収容された燃料電池スタック１２と、燃料電池スタック１２の排気口１４に調圧バルブ１６を介して接続された排気管１８とを備え、排気口１４は、浸水路高さよりも高い位置に配置される。

燃料電池用ケース１０に収容された燃料電池スタック１２は、例えば、車両の前部座席の床下などに配置される。排気管１８は、一方が燃料電池スタック１２の排気口１４に接続され、床下を車両後方へ排気ガスを案内するように、車両後方に向かって延びる。車両後側の排気管１８の出口２０から、カソードオフガスなどが排出される。排気管１８の車両後方部分には、排気ガス中の水分を分離して車外へ排出するための気液分離装置や、マフラなどが配置される。

燃料電池システムは、通常、燃料電池の単セルを積層したセル積層体を含む燃料電池スタック１２と、酸化剤ガスとしての空気などを燃料電池スタック１２のカソード側に供給して、燃料電池スタック１２から排出された排気ガスなどを大気へ排出する空気給排系と、燃料ガスとしての水素などを燃料電池スタック１２のアノード側に供給して、燃料電池スタック１２から排出された未反応の水素などを大気へ排出する水素給排系と、を備える。

燃料電池のセルは、通常、一対のセパレータで、触媒層および拡散層を含むアノード、電解質膜、触媒層および拡散層を含むカソードをこの順序に挟んだ構造となっている。燃料電池としては、固体高分子型燃料電池に限らず、固体酸化物型燃料電池など、種々の燃料電池を適用することができる。

空気給排系では、酸化剤ガスとしての空気が、エアポンプなどから空気供給管２２を介して、供給口２４から燃料電池スタック１２に供給される。供給された空気は、空気供給マニホールドを通って、各単セルの酸化剤ガス流路に分配され、各単セルのカソードに供給される。そして、カソードで反応した後の残りの空気（カソードオフガス）は、空気排出マニホールドを通って、排気口１４から排出される。カソードでは、電極反応により、水（生成水）が生成されるため、カソードオフガスには通常、生成水が水蒸気の状態で含まれている。カソードオフガスは、排気管１８を介して、気液分離装置などに導入され、気液分離装置により気液分離される。分離された液体である生成水は、バッファタンクなどに貯留され、適時、大気中へ放出される。一方、分離された気体であるカソードオフガスは、マフラが備える希釈器などに導入され、後述する燃料電池スタック１２から排出された水素を希釈するための希釈用ガスとして使用されて、大気中に放出される。なお、排気管１８には、調圧バルブ１６が設けられている。

空気給排系には、通常、バイパスバルブ２６を介して、バイパス管２８が設けられている。バイパス管２８は、空気供給管２２の途中と排気管１８の途中との間に接続されている。図１の燃料電池搭載車両用排気システム１では、バイパスバルブ２６、バイパス管２８、ハーネス類などの補機類は、燃料電池用ケース１０に収容されている。

ここで、本明細書において、「補機類」とは、バルブ類、ハーネス類、希釈器、気液分離器などを含む機能部品のことをいう。

一方、水素給排系では、燃料ガスとしての水素が、水素タンクなどから図示しない水素供給管を介して、燃料電池スタック１２に供給される。供給された水素は、水素供給マニホールドを通って、各単セルの燃料ガス流路に分配され、各単セルのアノードに供給される。そして、アノードで反応した後の残りの水素（以下、「アノードオフガス」ともいう。）は、水素排出マニホールドを通って、排出される。燃料電池スタック１２から排出されたアノードオフガスは、排気管を介して、マフラが備える希釈器などに導入され、上記したカソードオフガスによって希釈されて大気中に放出される。

燃料電池スタック１２の各単セルにおいて、例えば、アノードに供給する燃料ガスを水素ガス、カソードに供給する酸化剤ガスを空気として運転した場合、アノードの触媒層において、
２Ｈ_２ → ４Ｈ^＋＋４ｅ⁻
で示される反応式（水素酸化反応）を経て、水素ガス（Ｈ_２）から水素イオン（Ｈ^＋）と電子（ｅ⁻）とが発生する。電子（ｅ⁻）は拡散層から外部回路を通り、カソードの拡散層から触媒層に到達する。触媒層において、供給される空気中の酸素（Ｏ_２）と、電解質膜を通過した水素イオン（Ｈ^＋）と、外部回路を通じて触媒層に到達した電子（ｅ⁻）により、
４Ｈ^＋＋Ｏ_２＋４ｅ⁻ → ２Ｈ_２Ｏ
で示される反応式（酸素還元反応）を経て、水が生成する。このようにアノードおよびカソードにおいて化学反応が起こり、電荷が発生して電池として機能することになる。そして、一連の反応において排出される成分は水であるので、クリーンな電池が構成されることになる。

図１の燃料電池搭載車両用排気システム１では、排気口１４の位置を浸水路高さより高い位置に設定することにより、燃料電池スタック１２から発生する生成水の排水性と浸水路走行中の逆流防止とを両立することができる。

ここで、本明細書において、「浸水路高さ」とは、水深（車両のタイヤ接地部からの水の高さ）のことをいう。「浸水路高さ」は、通常、２００ｍｍ〜５００ｍｍの範囲である。また、「浸水路高さより高い位置」とは、燃料電池スタックの排気口の開口部の最も低い部分の位置が「浸水路高さ」より高ければよく、特に制限はないが、例えば、燃料電池スタックの排気口の開口部の最も低い部分の位置が「浸水路高さ」より、５０ｍｍ程度高い位置であることが好ましい。

図１の燃料電池搭載車両用排気システム１では、燃料電池用ケース１０に収容されない部品がほぼ排気管１８のみとなるため、組み付け性が向上し、製造工程を削減することができる。

また、防水された燃料電池用ケース１０内に、バルブ類やハーネス類などの補機類が収容されるため、耐食性が向上し、コネクタ類などの防水対策などを施さなくてもよい。

また、バイパス管２８を燃料電池用ケース１０に収容するので、迂回することなく、最短経路を通すことができるため、バイバス管２８の経路長を短縮することができる。

また、燃料電池スタック１２の排気口１４、調圧バルブ１６などの補機類が浸水路高さより高い位置にあるため、図４のように排気管１８に浸水路高さよりも高い位置となる部分を設定しなくてもよく、排気管１８の経路長の短縮が可能である。また、排気管１８の経路の自由度が増す。

また、燃料電池スタック１２の排気口１４から排気管１８までの高低差（例えば、２００ｍｍ程度）を確保することにより、排気管１８内を流れる水が滞留しにくくなり、高い絶縁抵抗値を確保することができる。

さらに、排気管１８内を流れる水が滞留しにくくなり、空気流量による気流音が発生したり、排気管１８の出口２０から勢いよく排水されてしまうことを抑制することができる。

図２は、本発明の実施形態に係る燃料電池搭載車両用排気システムの他の例を示す概略構成図である。図２に示す燃料電池搭載車両用排気システム１では、排気口１４を浸水路高さよりも高い位置に配置することにより、燃料電池スタック１２から発生する生成水の排水性と浸水路走行中の逆流防止とを両立することができる。また、図２の燃料電池搭載車両用排気システム１では、バイパスバルブ２６、バイパス管２８、ハーネス類などの補機類は燃料電池用ケース１０に収容されていないが、バイパスバルブ２６、バイパス管２８、ハーネス類などの補機類を浸水路高さより高い位置に設定することにより、コネクタ類などの防水対策などを施さなくてもよい。

図３は、本発明の実施形態に係る燃料電池搭載車両用排気システムの他の例を示す概略構成図である。図３に示す燃料電池搭載車両用排気システム１では、排気口１４を浸水路高さよりも高い位置に配置することにより、燃料電池スタック１２から発生する生成水の排水性と浸水路走行中の逆流防止とを両立することができる。また、図３の燃料電池搭載車両用排気システム１では、バイパスバルブ２６、バイパス管２８、ハーネス類などの補機類を燃料電池用ケース１０に収容し、さらに、排気管１８の高さを浸水路高さよりも高い位置に配置している。

図３の燃料電池搭載車両用排気システム１では、燃料電池用ケース１０に収容されない部品が排気管１８のみとなるため、組み付け性が向上し、製造工程を削減することができる。

さらに、排気管１８の高さを浸水路高さよりも高い位置に配置することにより、浸水路走行中の出口２０からの排気管１８への水の侵入を防止することができる。

本実施形態において、図１〜図３に示す燃料電池搭載車両用排気システムの構成は、一例であって、燃料電池スタックの排気口が浸水路高さよりも高い位置に配置される構成であればよく、特に制限はない。

本実施形態に係る燃料電池搭載車両は、上記燃料電池搭載車両用排気システムを搭載するものであればよく、特に制限はない。

１燃料電池搭載車両用排気システム、１０，５０燃料電池用ケース、１２，５２燃料電池スタック、１４，５４排気口、１６，５６調圧バルブ、１８，５８排気管、２０，６０出口、２２空気供給管、２４供給口、２６バイパスバルブ、２８バイパス管。

Claims

車両に搭載される、燃料電池の単セルを積層したセル積層体を含む燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの排気口から排出される排気ガスを車両の外部へ排出するための排気管と、
を備え、
前記排気口は、浸水路高さよりも高い位置に配置されることを特徴とする燃料電池搭載車両用排気システム。
燃料電池の単セルを積層したセル積層体を含む燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの排気口から排出される排気ガスを車両の外部へ排出するための排気管と、
を備え、
前記排気口は、浸水路高さよりも高い位置に配置されることを特徴とする燃料電池搭載車両。