JP2011171283A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】簡単な構成で、燃料電池スタック内の反応ガス流路から滞留水を容易且つ確実に排出させることを可能にする。
【解決手段】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が傾斜して取り付けられる取り付け部１６とを備える。燃料電池スタック１４は、複数の燃料電池２０を鉛直方向に積層するとともに、酸化剤ガス流路４２と燃料ガス流路４４とが対向流に構成される。燃料電池スタック１４は、車両のフロントボックス内で、燃料ガス流路４４の入口側が、前記燃料ガス流路４４の出口側よりも水平方向に対して上方に配置された状態で、取り付け部１６に対し前記水平方向に対し車長方向後方に向かって下方に傾斜して取り付けられている。
【選択図】図２
【解決手段】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が傾斜して取り付けられる取り付け部１６とを備える。燃料電池スタック１４は、複数の燃料電池２０を鉛直方向に積層するとともに、酸化剤ガス流路４２と燃料ガス流路４４とが対向流に構成される。燃料電池スタック１４は、車両のフロントボックス内で、燃料ガス流路４４の入口側が、前記燃料ガス流路４４の出口側よりも水平方向に対して上方に配置された状態で、取り付け部１６に対し前記水平方向に対し車長方向後方に向かって下方に傾斜して取り付けられている。
【選択図】図２
Description
本発明は、複数の燃料電池が積層される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックが水平方向に対し傾斜して取り付けられる取り付け部とを備える燃料電池システムに関する。
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、一対のセパレータによって挟持した発電ユニットを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数（例えば、数百）の発電ユニットを積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。
上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路（反応ガス流路）と、カソード側電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路（反応ガス流路）とが設けられている。
この場合、上記の燃料ガス流路内には、凝縮水が発生するとともに、上記の酸化剤ガス流路内には、反応による生成水が発生し、それぞれの流路内に滞留水が惹起し易い。このため、燃料ガス流路や酸化剤ガス流路が滞留水によって閉塞され、燃料ガスや酸化剤ガスがアノード側電極やカソード側電極に良好に供給されないおそれがある。
そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池では、図１６に示すように、基準平面ｈに対して傾斜自在である本体ケーシング１の中に、複数セルが積層されたセル集合体２が配置されている。本体ケーシング１の上部側には、各ガス流路に加湿ガスを供給する入口３が配置されるとともに、前記本体ケーシング１の下部側両端部には、前記ガス流路から排出される加湿ガスの第１出口４及び第２出口５が配置されている。
基準平面ｈに対して本体ケーシング１が傾斜した際に、底面６に誘導される水は、第２出口５に流れるとともに、開閉弁７を介して前記本体ケーシング１の外部に排出されている。これにより、ガス流路で過剰水になって滞留することがなく、発電性能の劣化を有効に抑制することができる、としている。
ところで、一般的に、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路とは、それぞれを流通する燃料ガスと酸化剤ガスとが、互いに同一方向に向かう平行流の他、互いに逆方向に向かう対向流に設定される場合がある。対向流が採用される際、燃料ガス流路の出入口と酸化剤ガス流路の出入口とは、互いに反対側に形成されている。具体的には、燃料ガス流路の入口側が酸化剤ガス流路の出口側に形成される一方、前記燃料ガス流路の出口側が前記酸化剤ガス流路の入口側に形成されている。
このため、上記の特許文献１のように、本体ケーシング１を基準平面ｈに対して傾斜させると、燃料ガス流路又は酸化剤ガス流路のいずれかの排水が困難になるという問題がある。
特に、燃料ガス流路では、燃料ガスとして純水素を用いる場合、入口側に連通する供給路と、出口側に連通する排出路とが、エゼクタにより連結されて燃料ガスの循環供給を行う構成が採用されている。この種のシステムでは、循環される燃料ガスの流量が十分でないため、燃料ガス流路に凝縮水が滞留し易い。従って、滞留した凝縮水により流動抵抗が増大し、反応面に十分に燃料ガスが供給されないため、前記燃料ガスのストイキが低下し、発電性能が劣化するという問題がある。
また、水素を強制的に循環させるポンプを設けたシステムでは、ポンプの能力を上げることにより対応することも考えられる。しかしながら、水素ガスの密度が小さいため、ポンプの負荷が著しく高くなり、システム全体の効率が大幅に低下するという問題がある。
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、燃料電池スタック内の反応ガス流路から滞留水を容易且つ確実に排出させることが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックが取り付けられる取り付け部とを備えている。
燃料電池スタックは、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層され、一方の電極と一方のセパレータとの間には、電極面に沿って燃料ガスを流通させる燃料ガス流路が形成され、且つ他方の電極と他方のセパレータとの間には、電極面に沿って酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス流路が形成されるとともに、前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路とが対向流を構成する燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層されている。
そして、取り付け部は、車両のフロントボックス内に設けられ、燃料ガス流路の入口側が前記燃料ガス流路の出口側よりも水平方向に対して上方に配置された状態で、燃料電池スタックが、前記水平方向に対し車長方向（進行方向）後方に向かって下方に傾斜して車両に取り付けられている。
また、酸化剤ガス流路は、入口側が出口側よりも水平方向に対して下方に配置され、前記入口側には、燃料電池の積層方向に貫通して排水用連通孔が形成されるとともに、前記排水用連通孔は、燃料電池スタックの外部に延在するドレン配管に連通することが好ましい。
さらに、この燃料電池システムは、ドレン配管には、開閉弁が配設されることが好ましい。
さらにまた、この燃料電池システムは、排水用連通孔に滞留する凝縮水量を検出する検出手段を備えることが好ましい。
また、複数の燃料電池は、電極面の面方向を水平方向に沿わせた状態で鉛直方向に積層されることが好ましい。
さらに、複数の燃料電池は、電極面の面方向を鉛直方向に沿わせた状態で水平方向に積層されることが好ましい。
さらにまた、燃料ガス流路は、複数の波形状流路溝を有するとともに、前記波形状流路溝の中心線に沿う全ての燃料ガス流れ方向は、水平方向から下方に傾斜することが好ましい。
本発明によれば、燃料電池スタックは、燃料ガス流路の入口側が、前記燃料ガス流路の出口側よりも水平方向に対して上方に配置された状態で、取り付け部に対し傾斜して取り付けられている。このため、燃料ガス流路内の凝縮水は、前記燃料ガス流路の傾斜に沿って入口側から出口側に円滑且つ確実に排水され、前記燃料ガス流路に滞留水が存在することがない。これにより、燃料ガスのストイキが低下することがなく、良好な発電が維持される。
一方、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガス、例えば、空気の流量は、燃料ガス流路を流通する燃料ガスの流量よりも多く且つガスの粘度及び密度が高いため、前記酸化剤ガス流路の両端（入口側と出口側）の圧力差が大きくなっている。従って、酸化剤ガス流路の入口側が、前記酸化剤ガス流路の出口側よりも下方に配置されていても、圧力差を利用して前記酸化剤ガス流路内の生成水は、入口側から出口側に円滑且つ確実に排水される。このため、酸化剤ガス流路に滞留水が存在することがなく、酸化剤ガスのストイキを維持して良好な発電が遂行される。
しかも、燃料電池スタックは、車両のフロントボックス内に水平方向に対し車長方向後方に向かって下方に傾斜して設けられている。従って、フロントボックス内では、周辺機器をコンパクト且つ効率的にレイアウトすることができる。
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１０は、燃料電池自動車１２に組み込まれる。
燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１４と、ブラケット（図示せず）を介して車体に固定されるとともに、前記燃料電池スタック１４が傾斜して取り付けられる取り付け部１６とを備える。燃料電池スタック１４は、燃料電池自動車１２のフロントボックス１８内に収容されるとともに、取り付け部１６は、前記フロントボックス１８内に構成される。
図２に示すように、燃料電池スタック１４は、複数の燃料電池２０を備えるとともに、複数の前記燃料電池２０は、電極面の面方向を水平方向に沿わせた状態で鉛直方向に積層される。複数の燃料電池２０は、矢印Ａ方向（鉛直方向）に傾斜するとともに、前記燃料電池２０の積層方向下端には、ターミナルプレート２２ａ、絶縁プレート２４ａ及びエンドプレート２６ａが配設される。燃料電池２０の積層方向上端には、ターミナルプレート２２ｂ、絶縁プレート２４ｂ及びエンドプレート２６ｂが配設される。
エンドプレート２６ａ、２６ｂには、複数本の連結バー２８の両端が固定されており、前記エンドプレート２６ａ、２６ｂ間に所定の締め付け荷重が付与される。
図３に示すように、燃料電池２０は、電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）３０が、第１及び第２金属セパレータ３２、３４に挟持される。第１及び第２金属セパレータ３２、３４は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した縦長形状の金属板により構成される。
第１及び第２金属セパレータ３２、３４は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波板状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。なお、第１及び第２金属セパレータ３２、３４に代えて、例えば、第１及び第２カーボンセパレータ（図示せず）を採用してもよい。
燃料電池２０の矢印Ｂ方向（車長方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ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入口連通孔３６ａと、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出口連通孔３８ｂとが設けられる。
燃料電池２０の矢印Ｂ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入口連通孔３８ａと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔３６ｂとが設けられる。
燃料電池２０の矢印Ｃ方向（車幅方向）両端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔４０ａと、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔４０ｂとが設けられる。
第１金属セパレータ３２の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３２ａには、酸化剤ガス入口連通孔３６ａと酸化剤ガス出口連通孔３６ｂとに連通する酸化剤ガス流路４２が設けられる。酸化剤ガス流路４２は、例えば、サーペンタインガス流路のように途上で屈曲することがなく、矢印Ｂ方向の一方向にのみ延在する複数本の波形状流路溝４２ａを有するとともに、上流及び下流には、入口バッファ部４３ａ及び出口バッファ部４３ｂが設けられる。
第２金属セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３４ａには、燃料ガス入口連通孔３８ａと燃料ガス出口連通孔３８ｂとに連通する燃料ガス流路４４が設けられる。燃料ガス流路４４は、同様に、途上で屈曲することがなく、矢印Ｂ方向の一方向にのみ延在する複数本の波形状流路溝４２ａを有するとともに、上流及び下流には、入口バッファ部４５ａ及び出口バッファ部４５ｂが設けられる。燃料ガス流路４４と酸化剤ガス流路４２とは、それぞれの流れ方向が逆方向に設定される対向流を構成する。具体的には、燃料ガス流路４４と酸化剤ガス流路４２とは、それぞれの流路延在方向（流路溝の伸びる方向）が略平行であり且つそれぞれの流路内部を流通するガス流れ方向が逆方向である。なお、波形状流路溝４２ａ、４４ａに代えて、直線流路溝を採用してもよい。
互いに隣接する燃料電池２０を構成する第１金属セパレータ３２の面３２ｂと、第２金属セパレータ３４の面３４ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔４０ａと冷却媒体出口連通孔４０ｂとを連通する冷却媒体流路４６が設けられる。冷却媒体流路４６は、第１金属セパレータ３２の酸化剤ガス流路４２の裏面形状と第２金属セパレータ３４の燃料ガス流路４４の裏面形状とが重なり合って構成される。
第１金属セパレータ３２の面３２ａ、３２ｂには、第１シール部材４８が、一体的又は個別に設けられるとともに、第２金属セパレータ３４の面３４ａ、３４ｂには、第２シール部材５０が、一体的に又は個別に設けられる。
第１及び第２シール部材４８、５０は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。
電解質膜・電極構造体３０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５２と、前記固体高分子電解質膜５２を挟持するカソード側電極５４及びアノード側電極５６とを備える。
カソード側電極５４及びアノード側電極５６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜５２の両面に形成されている。
燃料電池２０には、酸化剤ガス流路４２の入口側である入口バッファ部４３ａに、積層方向に貫通して排水用連通孔５８が形成される。排水用連通孔５８は、固体高分子電解質膜５２及び第２金属セパレータ３４に設けられるとともに、前記第２金属セパレータ３４の両面には、前記排水用連通孔５８を周回してシール部５０ａが設けられる。
図２に示すように、エンドプレート２６ａには、配管マニホールド部６０が装着される。この配管マニホールド部は、酸化剤ガス入口連通孔３６ａ、燃料ガス入口連通孔３８ａ、冷却媒体入口連通孔４０ａ、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂ、燃料ガス出口連通孔３８ｂ及び冷却媒体出口連通孔４０ｂに、それぞれ連通する複数の独立したマニホールド部材を備える。なお、図２では、各マニホールド部材の詳細な記載は省略している。
燃料電池スタック１４には、酸化剤ガスである空気を供給するための空気供給装置６２と、燃料ガスである水素ガスを供給するための水素供給装置６４と、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給装置６６とが接続される。
空気供給装置６２は、エアポンプ６８を備え、このエアポンプ６８が接続される空気供給路７０は、加湿器７２を介装して燃料電池スタック１４の酸化剤ガス入口連通孔３６ａに連通する。
空気供給装置６２は、燃料電池スタック１４の酸化剤ガス出口連通孔３６ｂに連通する空気排出路７４を有するとともに、前記空気排出路７４は、加湿器７２を介装して車外に延在する。加湿器７２は、空気排出路７４に排出される使用済みの加湿空気と、空気供給路７０に導入される新たな空気との間で、水交換を行うことにより、この新たな空気を加湿する。
水素供給装置６４は、高圧水素を貯留する水素タンク７６を備え、この水素タンク７６が水素供給路７８に配置される。水素供給路７８は、燃料電池スタック１４の燃料ガス入口連通孔３８ａに連通するとともに、減圧弁８０及びエゼクタ８２を配設する。エゼクタ８２の吸引口には、水素排出路８４が連通するとともに、前記水素排出路８４は、気液分離器８６を介装して燃料電池スタック１４の燃料ガス出口連通孔３８ｂに連通する。
冷却媒体供給装置６６は、ラジエータ８８を備える。ラジエータ８８には、冷却媒体循環路９０が接続され、前記冷却媒体循環路９０は、燃料電池スタック１４の冷却媒体入口連通孔４０ａ及び冷却媒体出口連通孔４０ｂに両端が接続される。この冷却媒体循環路９０には、冷媒ポンプ９２が介装される。
燃料電池スタック１４には、排水用連通孔５８に連通して外部に延在するドレン配管９４が接続される。このドレン配管９４には、電磁弁（開閉弁）９６が配置される。
燃料電池システム１０は、ＥＣＵ９８により制御されるとともに、このＥＣＵ９８には、車体に作用する加減速度を検出するためのＧセンサ１００、車体の傾斜角度を検出するための傾斜角センサ１０２及び燃料電池スタック１４の雰囲気温度（又は外気温度）を検出するための温度センサ１０４が接続される。
空気供給装置６２には、酸化剤ガス入口連通孔３６ａと酸化剤ガス出口連通孔３６ｂとの圧力差を検出するための差圧センサ１０６、前記酸化剤ガス入口連通孔３６ａの温度を検出するための温度センサ１０８及び排水用連通孔５８の水位を検出するための水位レベルセンサ１１０が、必要に応じて設けられる。差圧センサ１０６、温度センサ１０８及び水位レベルセンサ１１０は、ＥＣＵ９８に接続される。
Ｇセンサ１００は、燃料電池スタック１４の近傍に位置して車体に固定される。このＧセンサ１００の設置方向は、加減速度検出方向が燃料ガス流路４４における燃料ガスの流れ方向に平行な方向に設定される。
なお、燃料ガスの流れ方向は、燃料電池自動車１２の前後方向（車長方向）（図１中、矢印Ｂ方向）であるため、Ｇセンサ１００に代えて、車速センサからのデータに基づいて、ＥＣＵ９８内でＧを計算してもよい。また、ブレーキやアクセルの踏み込み量に基づいて、Ｇを判断してもよい。
傾斜角センサ１０２は、例えば、振り子式（ホール素子、抵抗式、機械式、ジャイロ、カーナビ）等が用いられ、車体に固定されるとともに、設置方向は、回転面が燃料ガス流路４４の燃料ガス流れ方向と平行に設定される。
水位レベルセンサ１１０は、例えば、フロート式（光学式、機械式）等が用いられ、燃料電池スタック１４の内部、配管マニホールド部６０、ドレン配管９４又は前記ドレン配管９４に連通する孔部等に設定される。
燃料電池スタック１４は、図１及び図２に示すように、燃料電池自動車１２の車長方向（進行方向）後方（矢印Ｂ１方向）に向かって水平基準線Ｈから下方向（重力方向）に角度α°だけ傾斜して設置される。角度α°は、４°〜９０°の範囲内、好ましくは、２０°〜８０°の範囲内、より好ましくは、３０°〜７０°の範囲内に設定される。
図１に示すように、燃料電池自動車１２内では、フロントボックス１８内に、燃料電池スタック１４の他、ラジエータ８８、エアポンプ６８、各種補機（加湿器７２等を含む）１１１、走行用モータ１１２及びエアコン１１４等が配設される。走行用モータ１１２は、燃料電池スタック１４から出力される電力によって駆動される。
燃料電池自動車１２の後部側には、水素タンク７６が配置されるとともに、この水素タンク７６の前方には、バッテリ１１６が配置される。バッテリ１１６は、補機１１１、エアコン１１４の他、走行用モータ１１２に電力を供給可能であるとともに、燃料電池スタック１４からの電力により充電される。
走行用モータ１１２は、燃料電池スタック１４の下方に配置されるとともに、前記走行用モータ１１２の前後に近接してエアポンプ６８と各種補機１１１とが配置される。エアポンプ６８の上方近傍には、エアコン１１４が配置され、前記エアポンプ６８及び前記エアコン１１４の前方近傍には、ラジエータ８８が配置される。
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。
先ず、燃料電池自動車１２の図示しないイグニッションスイッチがオンされると、バッテリ１１６から補機１１１等に電力が供給され、燃料電池スタック１４の運転が開始される。
図２に示すように、空気供給装置６２では、エアポンプ６８の駆動作用下に空気供給路７０に導出された圧縮空気は、加湿器７２で加湿された後、燃料電池スタック１４の酸化剤ガス入口連通孔３６ａに供給される。
水素供給装置６４では、水素タンク７６に貯留されている高圧水素が、減圧弁８０を介して減圧されて水素供給路７８に送られる。燃料ガス（水素ガス）は、エゼクタ８２のノズル部から噴出されるとともに、後述する使用済みの燃料ガスを吸引して、燃料電池スタック１４の燃料ガス入口連通孔３８ａに供給される。
一方、冷却媒体供給装置６６では、冷媒ポンプ９２の作用下に、冷却媒体循環路９０から燃料電池スタック１４の冷却媒体入口連通孔４０ａに冷却媒体が供給される。
このため、図３に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３６ａから第１金属セパレータ３２の酸化剤ガス流路４２に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４２に沿って矢印Ｂ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体３０を構成するカソード側電極５４に供給される。
一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３８ａから第２金属セパレータ３４の燃料ガス流路４４に導入される。この燃料ガスは、燃料ガス流路４４に沿って矢印Ｂ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体３０を構成するアノード側電極５６に供給される。
従って、電解質膜・電極構造体３０では、カソード側電極５４に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極５６に供給される燃料ガスとが、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。
次いで、カソード側電極５４に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂに沿って矢印Ａ方向に移動し、空気排出路７４に排出される（図２参照）。この酸化剤ガスは、加湿器７２で新たな酸化剤ガスを加湿した後、車外に排出される。
一方、アノード側電極５６に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３８ｂに沿って矢印Ａ方向に移動し、水素排出路８４に排出される（図２参照）。この燃料ガスは、エゼクタ８２の吸引作用下に、新たな燃料ガスに混在して水素供給路７８に導入され、燃料ガスとして燃料電池スタック１４に供給される。
また、冷却媒体入口連通孔４０ａに供給された冷却媒体（純水やエチレングリコール、オイル等）は、図３に示すように、第１及び第２金属セパレータ３２、３４間の冷却媒体流路４６に導入され、矢印Ｃ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体３０を冷却した後、冷却媒体出口連通孔４０ｂに排出される。冷却媒体は、図２に示すように、冷却媒体循環路９０に戻されてラジエータ８８で冷却された後、燃料電池スタック１４に循環供給される。
この場合、第１の実施形態では、図１及び図２に示すように、燃料電池スタック１４は、車長方向後方（矢印Ｂ１方向）に向かって水平基準線Ｈから下方向に角度α°だけ傾斜している。その際、燃料ガス流路４４の入口側（燃料ガス入口連通孔３８ａ側）は、前記燃料ガス流路４４の出口側（燃料ガス出口連通孔３８ｂ側）よりも水平方向に対して上方に配置されている。
このため、燃料ガス流路４４に残存する凝縮水は、この燃料ガス流路４４の傾斜に沿って入口側から出口側に円滑且つ確実に排水され、前記燃料ガス流路４４に滞留水が残存することがない。
具体的には、図４に示すように、燃料ガス流路４４が水平方向に平行に配置される場合、燃料ガスのストイキを低下させると、セル電圧を安定して保持できる時間が著しく短くなり、発電安定性が低下する。これに対し、第１の実施形態では、燃料ガス流路４４が、入口側から出口側に向かって下方に３０°傾斜することにより、燃料ガスのストイキを低下させても、セル電圧を安定して保持できる時間が短くなることを抑制することができ、良好な発電が維持されるという効果が得られる。
一方、酸化剤ガス流路４２では、入口側（酸化剤ガス入口連通孔３６ａ側）が出口側（酸化剤ガス出口連通孔３６ｂ側）よりも水平方向に対して下方に配置されている。ここで、酸化剤ガス流路４２に流通される酸化剤ガスの流量は、燃料ガス流路４４に流通される燃料ガスの流量に比べて多量となり、且つガスの粘度及び密度が高いため、前記酸化剤ガス流路４２の流路両端の圧力差が大きくなっている。
従って、酸化剤ガス流路４２の入口側が、出口側よりも下方に配置されていても、圧力差を利用して、前記酸化剤ガス流路４２内の生成水を入口側から出口側に円滑且つ確実に排水される。すなわち、図５に示すように、酸化剤ガス流路４２は、入口側が出口側に対して下方に３０°傾斜していても、水平方向に配置されている構成と同様のストイキを維持することができ、良好な発電が遂行される。
しかも、酸化剤ガス流路４２では、燃料電池システム１０の停止時に流路内の凝縮水を除去するために、多量の空気を前記流路内に流通させるパージ処理が行われている。パージ処理後、停止中、出口側に残留する凝縮水の一部は、時間をかけて少しずつ酸化剤ガス流路４２の傾斜に沿って入口側に戻される。これにより、停止中において、酸化剤ガス流路４２の入口側は、ドライ雰囲気からウエット雰囲気に移行して固体高分子電解質膜５２が適度な水分を保持できるため、燃料電池スタック１４の起動直後に、良好な発電性能を維持することが可能になるという利点がある。
その上、燃料ガス流路４４の燃料ガス流れ方向と、酸化剤ガス流路４２の酸化剤ガス流れ方向とは、対向流（逆方向）に設定されている。従って、酸化剤ガス流路４２の入口側に、燃料ガス流路４４の出口側の凝縮水が移動し易く、この酸化剤ガス流路４２の入口側から良好に加湿状態が維持される。これにより、空気供給装置６２では、加湿器７２を廃止又は小型化できるという効果がある。
さらにまた、第１の実施形態では、燃料電池スタック１４は、車長方向後方に向かって後部側が下方に傾斜して配置されている。このため、燃料電池自動車１２に発進時の加速度（Ｇ）が発生すると、燃料電池スタック１４には、車長方向後方（矢印Ｂ１方向）に向かうＧが作用する。これにより、燃料電池スタック１４内の燃料ガス流路４４では、加速度によってこの燃料ガス流路４４内に存在する凝縮水の排水が促進され、良好な排水処理が遂行される。
さらにまた、第１の実施形態では、図２及び図３に示すように、酸化剤ガス流路４２の入口側には、入口バッファ部４３ａに対応して排水用連通孔５８が形成されるとともに、前記排水用連通孔５８は、燃料電池スタック１４の外部に延在するドレン配管９４に連通している。このドレン配管９４には、電磁弁９６が配設されている。
そして、水位レベルセンサ１１０は、酸化剤ガス流路４２の入口側に存在する凝縮水の水位レベルを検出し、この検出された水位レベルが設定レベル以上であると判断された際に、ＥＣＵ９８は、電磁弁９６を開放させる。従って、排水用連通孔５８に滞留する凝縮水は、ドレン配管９４から良好に排出される。
また、ＥＣＵ９８には、Ｇセンサ１００、傾斜角センサ１０２及び差圧センサ１０６が接続されている。従って、Ｇセンサ１００、傾斜角センサ１０２又は差圧センサ１０６の少なくともいずれかにより、排水性に影響を与える値が所定の時間だけ継続して検出された際には、燃料電池スタック１４の出力電圧が低下する前に、酸化剤ガスのストイキを所定時間だけ増量させ、又は負荷を増加することにより、安定した運転を維持することができる。
次いで、ドレン配管９４に配置されている電磁弁９６の開放制御について、以下に説明する。
先ず、電磁弁９６を開放させるための水位判定手段として、水位レベルセンサ１１０、差圧センサ１０６又は燃料電池２０の電位センサ（図示せず）の少なくとも１つを用いている。
次いで、水位レベルセンサ１１０により所定水位以上の凝縮水、差圧センサ１０６により所定値以上の差圧、又は、電位センサにより所定値以下の電位、の少なくともいずれかが検出されると、ＥＣＵ９８は、排水用連通孔５８に許容量以上の凝縮水が存在していると判断し、電磁弁９６を所定の時間だけ開放させる。
一方、電磁弁９６の開放制御を、上記の各種センサを使用することなく、行うこともできる。これを、図６に示すフローチャートに沿って以下に説明する。
予め、実験によって外気温（又は周辺温度や冷媒温度）と運転負荷とにおける凝縮水の蓄積量のマップが、図７に示すように得られている。また、図８には、運転負荷と不安定蓄積量との関係が、不安定性テーブルとして設定されている。
そこで、先ず、前回の処理で、電磁弁９６が開放されたか否かが判断され、この電磁弁９６が開放されたと判断されると（ステップＳ１中、ＹＥＳ）、ステップＳ２に進んで、積算タイマがリセットされ、運転持続時間の積算値が０に変更される（ステップＳ３）。
一方、前回の処理で、電磁弁９６が開放されていない際には（ステップＳ１中、ＮＯ）、ステップＳ４に進んで、図７の凝縮水蓄積量マップに基づいて、各負荷と温度とにおける凝縮水蓄積量Δｙが検索される。次に、ステップＳ５に進んで、運転持続時間の積算による凝縮水蓄積量の積算値ｙが積算されるとともに、図８の不安定性テーブルに基づいて、各負荷における不安定蓄積量ｙｌが検索される（ステップＳ６）。さらに、ステップＳ７に進んで、積算値ｙが不安定蓄積量ｙｌを超えると判断されると（ステップＳ７中、ＹＥＳ）、ステップＳ８に進んで、電磁弁９６が所定の時間だけ開放される。
これにより、センサ類を用いずに、電磁弁９６の開放制御が確実に行われるため、ドレン配管９４からの排水処理が簡単且つ経済的に遂行される。
さらにまた、第１の実施形態では、図９に示すように、燃料電池スタック１４が車長方向後方に向かって後端側が下方にα°だけ傾斜している。このため、燃料電池スタック１４の周囲には、スペースＳ１、Ｓ２、Ｓ３及びＳ４が設けられる。
スペースＳ１は、スタック前方領域であり、空気供給系のデバイスである加湿器７２や電磁弁９６等を配置することができる。スペースＳ２は、スタック前方上方領域であり、例えば、ボンネットとのクリアランスを確保するためのクラッシュスペースとして機能する。
さらに、スペースＳ３は、スタック後方上部側領域であり、電装系デバイス、例えば、ＥＣＵ９８等が収容される。スペースＳ４は、スタック後方下部側領域であり、水素系デバイス、例えば、気液分離器８６やエゼクタ８２等を収容することができる。これにより、燃料電池自動車１２のフロントボックス１８内では、周辺機器をコンパクト且つ効率的にレイアウトすることが可能になるという効果が得られる。
図１０は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム１２０が組み込まれる燃料電池自動車１２の概略説明図である。
なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
燃料電池システム１２０は、燃料電池スタック１２２を備え、この燃料電池スタック１２２は、複数の燃料電池２０が、電極面の面方向を鉛直方向（矢印Ａ方向）に沿わせた状態で水平方向に積層される（図１０及び図１１参照）。
図１２に示すように、燃料電池２０は、第１金属セパレータ３２、電解質膜・電極構造体３０及び第２金属セパレータ３４が、鉛直姿勢で矢印Ｃ方向（車幅方向）に積層される。複数の燃料電池２０は、矢印Ｂ方向（車長方向）の一端縁部が鉛直下方向に傾斜することにより、燃料ガス入口連通孔３８ａが重力方向の最上位に配置される一方、燃料ガス出口連通孔３８ｂが重力方向の最下位に配置される。
第２の実施形態では、燃料電池２０の排水用連通孔５８は、幅方向（短尺方向）で重力方向下方側に設けられる。
各燃料電池２０では、図１３に示すように、燃料ガス流路４４を構成する波形状流路溝４４ａの中心線に沿う全ての燃料ガス流れ方向Ｆ１、Ｆ２が、水平基準線Ｈ（水平方向）から下方に０°を超える角度以上（角度β１°、β２°）傾斜した状態で、前記燃料電池２０が前記水平基準線Ｈに対し角度α１°だけ傾斜する。具体的には、角度α１°は、２０°〜９０°の範囲内、好ましくは、３５°〜８０°の範囲内、より好ましくは、４５°〜７０°の範囲内に設定される。なお、酸化剤ガス流路４２は、酸化剤ガス流れ方向が燃料ガス流れ方向と対向流を構成するが、上記の燃料ガス流路４４と同一の角度に設定される。
図１４に示すように、燃料電池スタック１２２は、長辺の後端側が車長方向後方（矢印Ｂ１方向）に向かって下方に傾斜するため、前記燃料電池スタック１２２の周囲には、スペースＳ１１、Ｓ１２、Ｓ１３及びＳ１４が設けられる。
スペースＳ１１は、スタック前方領域であり、空気供給系のデバイスである加湿器７２や電磁弁９６等を配置することができる。スペースＳ１２は、スタック前方上方領域であり、例えば、ボンネットとのクリアランスを確保するためのクラッシュスペースとして機能する。
さらに、スペースＳ１３は、スタック後方上部側領域であり、電装系デバイス、例えば、ＥＣＵ９８等が収容される。スペースＳ１４は、スタック後方下部側領域であり、水素系デバイス、例えば、気液分離器８６やエゼクタ８２等を収容することができる。
なお、波形状流路溝４２ａ、４４ａは、図３及び図１２に示すように、連続する湾曲形状を有しているが、これに限定されるものではなく、種々の形状に設定することができる。例えば、図１５に示すように、直線部を挟んで交互に異なる方向に屈曲する直線（正面視、台形状の連続）により、波形状流路溝４２ａ、４４ａを構成してもよい。また、真っ直ぐな直線状流路溝で構成してもよい。
この第２の実施形態では、燃料ガス入口連通孔３８ａが重力方向の最上位に配置される一方、燃料ガス出口連通孔３８ｂが重力方向の最下位に配置されている。従って、燃料ガス流路４４に残存する凝縮水は、この燃料ガス流路４４の傾斜に沿って入口側から出口側に円滑且つ確実に排水され、排水性が一層向上するという効果が得られる。
しかも、燃料電池自動車１２のフロントボックス１８内では、周辺機器をコンパクト且つ効率的にレイアウトすることが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
１０、１２０…燃料電池システム １２…燃料電池自動車
１４、１２２…燃料電池スタック １６…取り付け部
１８…フロントボックス ２０…燃料電池
３０…電解質膜・電極構造体 ３２、３４…セパレータ
３６ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ３６ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
３８ａ…燃料ガス入口連通孔 ３８ｂ…燃料ガス出口連通孔
４０ａ…冷却媒体入口連通孔 ４０ｂ…冷却媒体出口連通孔
４２…酸化剤ガス流路 ４４…燃料ガス流路
４６…冷却媒体流路 ５２…固体高分子電解質膜
５４…カソード側電極 ５６…アノード側電極
５８…排水用連通孔 ６０…配管マニホールド部
６２…空気供給装置 ６４…水素供給装置
６６…冷却媒体供給装置 ６８…エアポンプ
７２…加湿器 ８２…エゼクタ
８８…ラジエータ ９４…ドレン配管
９６…電磁弁 ９８…ＥＣＵ
１００…Ｇセンサ １０２…傾斜角センサ
１０４、１０８…温度センサ １０６…差圧センサ
１１０…水位レベルセンサ １１２…走行用モータ
１４、１２２…燃料電池スタック １６…取り付け部
１８…フロントボックス ２０…燃料電池
３０…電解質膜・電極構造体 ３２、３４…セパレータ
３６ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ３６ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
３８ａ…燃料ガス入口連通孔 ３８ｂ…燃料ガス出口連通孔
４０ａ…冷却媒体入口連通孔 ４０ｂ…冷却媒体出口連通孔
４２…酸化剤ガス流路 ４４…燃料ガス流路
４６…冷却媒体流路 ５２…固体高分子電解質膜
５４…カソード側電極 ５６…アノード側電極
５８…排水用連通孔 ６０…配管マニホールド部
６２…空気供給装置 ６４…水素供給装置
６６…冷却媒体供給装置 ６８…エアポンプ
７２…加湿器 ８２…エゼクタ
８８…ラジエータ ９４…ドレン配管
９６…電磁弁 ９８…ＥＣＵ
１００…Ｇセンサ １０２…傾斜角センサ
１０４、１０８…温度センサ １０６…差圧センサ
１１０…水位レベルセンサ １１２…走行用モータ
Claims (7)
- 電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層され、一方の電極と一方のセパレータとの間には、電極面に沿って燃料ガスを流通させる燃料ガス流路が形成され、且つ他方の電極と他方のセパレータとの間には、電極面に沿って酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス流路が形成されるとともに、前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路とが対向流を構成する燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックと、
車両のフロントボックス内に設けられ、前記燃料ガス流路の入口側が該燃料ガス流路の出口側よりも水平方向に対して上方に配置された状態で、前記燃料電池スタックが、前記水平方向に対し車長方向後方に向かって下方に傾斜して車両に取り付けられる取り付け部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記酸化剤ガス流路は、入口側が出口側よりも水平方向に対して下方に配置され、
前記入口側には、前記燃料電池の積層方向に貫通して排水用連通孔が形成されるとともに、
前記排水用連通孔は、前記燃料電池スタックの外部に延在するドレン配管に連通することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項２記載の燃料電池システムにおいて、前記ドレン配管には、開閉弁が配設されることを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項２又は３記載の燃料電池システムにおいて、前記排水用連通孔に滞留する凝縮水量を検出する検出手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、複数の前記燃料電池は、前記電極面の面方向を水平方向に沿わせた状態で鉛直方向に積層されることを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、複数の前記燃料電池は、前記電極面の面方向を鉛直方向に沿わせた状態で水平方向に積層されることを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項６記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料ガス流路は、複数の波形状流路溝を有するとともに、
前記波形状流路溝の中心線に沿う全ての燃料ガス流れ方向は、水平方向から下方に傾斜することを特徴とする燃料電池システム。
Priority Applications (1)
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