JP2013254624A - 車両用燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】車両用燃料電池システムの燃料電池スタックに適正な圧力の燃料ガスを供給できる構造を提供する。
【解決手段】燃料ガス容器３から燃料電池スタック２ヘ燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路上に、上流側から順に一次減圧弁５と二次減圧弁６とを配置した車両用燃料電池システム１において、二次減圧弁を燃料電池スタックに固定する。更に、燃料ガス供給経路４の一次減圧弁より上流側に第１遮断弁２３を配置し、二次減圧弁の燃料ガス入口側に第２遮断弁２９を取り付け、燃料電池スタックの運転停止操作時に第２遮断弁を第１遮断弁より先に閉じる。
【選択図】図１

Description

この発明は車両用燃料電池システムに係り、特に、車両に搭載した燃料電池スタックに供給する燃料ガスの圧力低下の回避を図った車両用燃料電池システムに関する。

車両用燃料電池システムには、水冷式のものと空冷式のものがある。空冷式の燃料電池システムは、水冷式の燃料電池システムと比べて構造が簡素なため、小型車への搭載に適合している。
従来の車両用燃料電池システムには、燃料ガス容器から燃料ガスの水素を燃料電池に供給する燃料ガス供給配管部と、燃料電池の生成水を溜める容器と、燃料電池の生成水を容器に導く排出管部と、容器内の生成水を排出する排出弁とを、前記容器内に収納し、システムの小型化を図ったものがある。（特開２００８−１３０３２９号公報）
また、従来の車両用燃料電池システムには、燃料電池などのガス消費機器に接続されるガス配管に燃料ガスの流通を遮断する遮断弁を配設し、ガス消費機器を停止する際に、遮断弁を閉弁させて遮断弁の上流側と下流側との圧力差が所定値になるまでガス配管内の燃料ガスをガス消費機器に消費させた後、ガス消費機器を停止させることで、遮断弁のシール性を向上させたもの。（特開２００６−１５６３２０号公報）

特開２００８−１３０３２９号公報 特開２００６−１５６３２０号公報

ところで、小型車に燃料電池システムを搭載する場合、走行用モータ、燃料ガス容器、燃料電池スタックなどをレイアウトするスペースに制限があり、燃料電池スタックと燃料ガス容器の両者を近接して搭載することは難しい問題がある。燃料電池スタックと燃料ガス容器とが離れてレイアウトされている場合、両者を連結する燃料ガス供給経路が長くなることで圧力損失が生じる。
水冷式の燃料電池システムは、燃料電池スタックに供給する燃料ガスの圧力が、少なくとも１００ｋＰａ（ｇａｇｅ）以上であるため、燃料電池スタックに供給する燃料ガスの圧力への、燃料ガス供給経路内で生じる圧力損失の影響は少ない。
しかし、空冷式の燃料電池システムの場合、燃料電池スタックに供給する燃料ガスの圧力が非常に低く、大気圧とほぼ同程度である。そのため、燃料電池スタックと燃料ガス容器とを連結する燃料ガス供給経路が長くなることで圧力損失が生じた場合、燃料ガスを必要な圧力で燃料電池スタックに供給することができないことがある。

この発明は、車両用燃料電池システムの燃料電池スタックに適正な圧力の燃料ガスを供給できる構造にすることを目的とする。

この発明は、燃料ガス容器から燃料電池スタックヘ燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路上に、上流側から順に一次減圧弁と二次減圧弁とを配置した車両用燃料電池システムにおいて、前記二次減圧弁を前記燃料電池スタックに固定したことを特徴とする。

この発明は、二次減圧弁を燃料電池スタックに取り付けたため、二次減圧弁から燃料電池スタックに到る燃料ガス供給経路の通路長さを短縮できる。このため、燃料ガス供給経路の二次減圧弁より下流側の部分にて生じる圧力損失によって、燃料電池スタックに供給する燃料ガスの圧力が低下されることを回避できる。
よって、この発明では、運転中の燃料電池スタックに対して、燃料ガスを適正な圧力で供給できる。また、二次減圧弁を予め燃料電池スタックに組み付けた状態で車両に着脱できるため、二次減圧弁と燃料ガス供給経路の組み付け性が向上するとともに、メンテナンス性が向上する。

図１は車両用燃料電池システムの燃料ガス供給系を示す図である。（実施例） 図２は車両に搭載した車両用燃料電池システムのレイアウトを示す図である。（実施例） 図３は空冷式の車両用燃料電池システムのブロック図である。（実施例）

以下、図面に基づいて、この発明の実施例を説明する。

図１〜図３は、この発明の実施例を示すものである。図３において、１は車両用燃料電池システムである。この車両用燃料電池システム１は、空気を反応ガス兼冷媒として使用する空冷式の燃料電池システムであり、水冷式の燃料電池システムと比べて燃料電池スタックに供給する燃料ガス（水素ガス）と空気（酸化ガス）の圧力が低い。
車両用燃料電池システム１は、セルと呼ばれる最小構成単位を多数積層した燃料電池スタック２を備えている。車両用燃料電池システム１は、燃料ガス容器３に貯蔵した高圧の燃料ガス（圧縮水素ガス）を燃料ガス供給経路４に取り出し、減圧弁、ここでは一次減圧弁５、二次減圧弁６により減圧した後に燃料電池システム２のアノード吸気部７に導入する。一方、車両用燃料電池システム１は、水冷式の燃料電池システムのように高圧圧縮コンプレッサを有さず、フィルタ８を通してカソード吸気経路９に吸気した空気を反応ガス兼冷媒とし、この空気を低圧のブロアファン１０によって燃料電池スタック２のカソード吸気部１１に供給する。
燃料電池スタック２のカソード吸気部１１に供給された空気は、燃料ガスとの反応ガスとして燃料電池スタック２内に多数積層したセルにおける発電反応に供するのみでなく、燃料電池スタック２の廃熱を奪って冷却する役割を有している。燃料ガスとの反応後の空気及び燃料電池スタックを冷却後の空気は、燃料電池スタック２のカソード排気部１２からカソード排気経路１３に排気され、外気に放出される。
燃料電池スタック２のアノード排気部１４からアノード排気経路１５に排気されたアノード排気は、パージ弁１６を介してカソード排気経路１３の途中でカソード排気に合流される。アノード排気に含まれる燃料ガスのパージを行う際には、排気される燃料ガスをカソード側排気により可燃下限濃度以下に希釈して外気に放出する。

前記車両用燃料電池システム１は、図１に示すように、燃料ガス容器３から燃料電池スタック２へ燃料ガス供給経路４で燃料ガスを供給する。燃料ガス容器３は、圧力センサ１７と温度センサ１８とを備えている。燃料ガス供給経路４には、燃料ガス容器３から燃料電池スタック２へ向かって順に、容器元弁ユニット１９と一次減圧弁ユニット２０と二次減圧弁ユニット２１とを配置している。
前記容器元弁ユニット１９は、燃料ガス容器３に固定され、燃料ガス容器３の取出口２２から燃料ガス供給経路４に取り出される燃料ガスを遮断する第１遮断弁２３を備えている。また、容器元弁ユニット１９は、燃料ガス容器３の充填口２４から燃料ガスを充填する燃料ガス充填経路２５を備えている。燃料ガス充填経路２５には、逆止弁２６と容器安全弁２７とを備えている。
前記一次減圧弁ユニット２０は、容器元弁ユニット１９に隣接して燃料ガス容器３に固定され、燃料ガス供給経路４に取り出された燃料ガスを濾過するフィルタ２８と、前記一次減圧弁５とを備えている。前記二次減圧弁ユニット２１は、燃料電池スタック２に固定され、燃料ガス供給経路４に取り出された燃料ガスを遮断する第２遮断弁２９と、前記二次減圧弁６とを備えている。
前記第１遮断弁２３は、燃料ガス供給経路４の一次減圧弁５より上流側に配置している。前記第２遮断弁２９は、二次減圧弁６の燃料ガス入口側であって直上流に取り付けている。車両用燃料電池システム１は、燃料ガス供給経路４上に上流側から順に一次減圧弁５と二次減圧弁６とを配置し、制御装置３０によって、燃料電池スタック２の運転停止操作時に第２遮断弁２９を第１遮断弁２３より先に閉じるようにしている。
前記二次減圧弁６は、燃料電池スタック２に固定されている。二次減圧弁６は、燃料ガスを大気圧に近い圧力に減圧し、燃料電池スタック２のアノード吸気部７に供給する。燃料電池スタック２は、大気圧に近い空気を反応ガス兼冷媒として使用する。

前記車両用燃料電池システム１は、図２に示すように、車両３１に搭載される。車両３１は、後輪３２間のリアフロアパネル３３上にリアシート３４を配置し、リアシート３４後方のリアフロアパネル３３上に荷室３５を設けている。車両用燃料電池システム１は、燃料電池スタック２を荷室３５のリアフロアパネル３３下側に搭載し、燃料ガス容器３をリアシート３４が配置されたリアフロアパネル３３下側に搭載している。
燃料ガス容器３内の燃料ガスは、容器元弁ユニット１９の第１遮断弁２３を通過し、一次減圧弁ユニット２０の一次減圧弁５で減圧され、燃料ガス供給経路４に取り出される。燃料ガスは、燃料ガス供給経路４を通り、燃料電池スタック２と一体化されている二次減圧弁ユニット２１の二次減圧弁６で大気圧とほぼ同程度まで減圧され、連結管３６により燃料電池スタック２のアノード吸気部７に供給される。
前記燃料ガス容器３の周辺は、燃料ガス容器３、第１遮断弁２３、一次減圧弁５を１つのかご型フレーム３７により一体化され、車両３１に取り付けている。前記燃料電池スタック２の周辺は、燃料電池スタック２、二次減圧弁６を１つのかご型フレーム３８により一体化され、車両３１に取り付けている。

燃料電池スタック２に供給される燃料ガスに着目すると、空冷式の車両用燃料電池システム１の場合、燃料ガスの圧力は非常に低く、大気圧とほぼ同程度である。そのため、燃料電池スタック２と燃料ガス容器３とが離れている場合、燃料電池スタック２と燃料ガス容器３とを接続する燃料ガス供給経路４が長くなり、圧力損失が生じて燃料ガスが要求される圧力で燃料電池スタック２に供給されないことが問題となる。
空冷式の車両用燃料電池システム１において、燃料ガスは一次減圧弁５、二次減圧弁６を通して、２段階で減圧されることが一般的である。圧力損失により燃料ガスの圧力が低下する問題を解決するために、この発明の車両用燃料電池システム１は、燃料電池スタック２に二次減圧弁６を一体化して車両３１に搭載している。二次減圧弁６の搭載位置は、一次減圧弁５の直後、燃料電池スタック２の直前が考えられるが、圧力損失を考慮して、図２に示すように、燃料電池スタック２に二次減圧弁６を一体化して搭載している。
このように、車両用燃料電池システム１は、二次減圧弁６を燃料電池スタック２に固定したため、二次減圧弁６から燃料電池スタック２に到る燃料ガス供給経路４の通路長さを短縮することができる。このため、燃料ガス供給経路４の二次減圧弁６より下流側の部分にて生じる圧力損失によって、燃料電池スタック２に供給する燃料ガスの圧力が低下されることを回避できる。
よって、この車両用燃料電池システム１は、運転中の燃料電池ユニット２に対して、燃料ガスを適正な圧力で供給できる。また、この車両用燃料電池システム１では、二次減圧弁６を予め燃料電池スタック２に組み付けた状態で車両３１に着脱できるため、二次減圧弁６と燃料ガス供給経路の組み付け性が向上するとともに、メンテナンス性が向上する。

この車両用燃料電池システム１は、燃料ガス容器３から燃料電池スタック２までを、１本の燃料ガス供給経路４で接続している。車両３１の停止など、なんらかの制御で車両用燃料電池システム１を停止する場合、燃料ガス容器３の第１遮断弁２３は閉じられことになるが、第１遮断弁２３の閉じられた直後は高い圧力の燃料ガスが燃料ガス供給経路４に残留しており、二次減圧弁６への入力圧力が低下するまでは燃料電池スタック２に燃料ガスが供給される。一方、空冷式の燃料電池システムの場合は空気も常に供給されているため、燃料電池スタック２は開回路電圧（外部に負荷を取らない状態での電位差）で維持されることになる。
車両用燃料電池システム１は、起動と停止を繰り返し行うと、開回路電圧の状態が長く続き、燃料電池スタック２の寿命低下を促進するほか、高電圧が維持されて安全性が低下する。また、燃料ガス供給経路４中の残存した燃料ガスの消費は、本来制御上では必要のないものであるため、無駄な燃料ガスの消費が増え、車両３１の航続距離が短くなる問題がある。
これらを考慮すると、第２遮断弁２９と二次減圧弁６との間の距離が短いほうが良いので、この車両用燃料電池システム１では、二次減圧弁６の燃料ガス入口側に第２遮断弁２９を取り付けている。また、この車両用燃料電池システム１では、燃料ガス供給経路４の一次減圧弁５より上流側に第１遮断弁２３を配置し、燃料電池スタック２の運転停止操作時に第２遮断弁２９を第１遮断弁２３より先に閉じるようにしている。
これにより、この車両用燃料電池システム１は、燃料ガス供給経路４のうち第２遮断弁２９より下流側の空間の容積を減少させることができ、二次減圧弁６と第２遮断弁２９の間の配管を短縮し、部品点数を少なくできる。そして、燃料電池スタック２の運転停止操作時に第２遮断弁２９を第１遮断弁２３より先に閉じるようにしたため、第２遮断弁２９の遮断後に燃料電池スタック２に供給される燃料ガスの量を減少させて、発電が長く継続することが防止できる。
このため、運転停止操作後の燃料電池スタック２に余分な燃料ガスが供給され、燃料ガスが無駄に消費されることを回避できる。また、運転停止操作後に発電が継続して燃料電池スタック２が長い時間高電圧に維持されることが防止できるため、安全性が向上する。
さらに、燃料電池スタック２の運転停止後、燃料ガスが燃料ガス供給経路４の一次減圧弁５と第２遮断弁２９とに挟まれる部分に封入され、この部分の内圧が所定圧力に維持される。このため、燃料電池スタック２を次に起動する際、燃料ガス供給経路４の一次減圧弁５と第２遮断弁２９とに挟まれる部分の内圧が極度に変化（加圧、減圧を繰り返す）することを防止でき、一次減圧弁５と第２遮断弁２９とに挟まれる部分に配置される配管やシール部品類の耐久性を向上できる。

さらに、車両用燃料電池システム１は、二次減圧６が燃料ガスを大気圧に近い圧力に減圧する構造である。この場合、燃料電池スタック２に供給される燃料ガスの圧力は、二次減圧弁６下流側の燃料ガス供給経路４の圧力損失の影響が大きくなる。
このため、図２に示すように、二次減圧弁６が燃料電池スタック２の燃料ガス入口側の直近に取り付けられる構造の場合、二次減圧弁６より下流側の部分にて生じる圧力損失によって燃料電池スタック２に供給する燃料ガスの圧力低下を回避できるという、この発明の効果がより顕著になる。
また、この車両用燃料電池システム１は、燃料電池スタック２が大気圧に近い空気を反応ガス兼冷媒として使用する空冷式燃料電池スタックである。
このため、燃料電池スタック２が大気圧に近い空気を反応ガス兼冷媒として使用する空冷式燃料電池スタックに、この発明の構造を適用した場合、この発明の効果がより顕著になる。

この車両用燃料電池システム１は、図２に示すように、燃料ガス容器３の周辺が、燃料ガス容器３、第１遮断弁２３、一次減圧弁５を１つのかご型フレーム３７により一体化され、燃料電池スタック２周辺が、燃料電池スタック２、二次減圧弁６を１つのかご型フレーム３８により一体化されている。
このように、この車両用燃料電池システム１は、一体化部品をあらかじめ作成しておくことで、車両３１への組み付けは２つのかご形フレーム３７、３８を車両３１に搭載後、燃料外供給系路４で連結させるという簡単な工程で済ませることができる。このため、車両３１への組み付けはもとより、メンテナンス性が向上する。
なお、この実施例では、燃料ガスを一次減圧弁５、二次減圧弁６を通して２段階で減圧する車両用燃料電池システム１に適用したが、２段階で減圧する場合に限らず、１段階で減圧する場合にも適用可能が可能である。

この発明は、車両に搭載した燃料電池スタックに供給する燃料ガスの圧力損失の低減を図り、組み付け性、メンテナンス性を向上することができるものであり、空冷式の燃料電池システムだけでなく、水冷式の燃料電池システムにも適用が可能である。

１ 車両用燃料電池システム
２ 燃料電池スタック
３ 燃料ガス容器
４ 燃料ガス供給経路
５ 一次減圧弁
６ 二次減圧弁
１９ 容器元弁ユニット
２０ 一次減圧弁ユニット
２１ 二次減圧弁ユニット
２３ 第１遮断弁
２５ 燃料ガス充填経路
２６ 逆止弁
２７ 容器安全弁
２８ フィルタ
２９ 第２遮断弁
３１ 車両

Claims (4)

1. 燃料ガス容器から燃料電池スタックヘ燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路上に、上流側から順に一次減圧弁と二次減圧弁とを配置した車両用燃料電池システムにおいて、前記二次減圧弁を前記燃料電池スタックに固定したことを特徴とする車両用燃料電池システム。
2. 前記燃料ガス供給経路の前記一次減圧弁より上流側に第１遮断弁を配置し、前記二次減圧弁の燃料ガス入口側に第２遮断弁を取り付け、前記燃料電池スタックの運転停止操作時に前記第２遮断弁を前記第１遮断弁より先に閉じるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の車両用燃料電池システム。
3. 前記二次減圧弁は前記燃料ガスを大気圧に近い圧力に減圧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システム。
4. 前記燃料電池スタックは大気圧に近い空気を反応ガス兼冷媒として使用する空冷式燃料電池スタックであることを特徴とする請求項３に記載の車両用燃料電池システム。

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