JP2014123457A

JP2014123457A - 燃料電池車

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Publication number: JP2014123457A
Application number: JP2012278306A
Authority: JP
Inventors: Hideharu Naito; 秀晴内藤; Kazunori Fukuma; 一教福間; Seishi Yoshinaga; 成志好永
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2012-12-20
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2014-07-03
Anticipated expiration: 2032-12-20
Also published as: JP5947204B2

Abstract

【課題】燃料電池車において、燃料ガス用配管を可及的に短くする。
【解決手段】燃料電池スタック１２は、燃料電池車１０の車幅方向に沿って積層される。そして、燃料電池スタック１２の一端部に配置された第１エンドプレート２６には、車体前方の上側隅部に燃料ガス供給マニホールド３４が形成されるとともに、車体後方の下側隅部に燃料ガス排出マニホールド３６が形成される。燃料ガス排出マニホールド３６には気液分離器８０が設けられ、該気液分離器８０の導出口に接続された戻し管８１は、水素ポンプ８２を経、イジェクタ８４近傍で水素供給管２０に合流する。気液分離器８０、水素ポンプ８２及びイジェクタ８４は、燃料電池スタック１２の積層方向からの平面視で、各々の外形線が第１エンドプレート２６の外形線内に収まる位置に配設される。
【選択図】図４

Description

本発明は、複数個の単位セルが車幅方向に沿って積層されて構成される燃料電池スタックを搭載した燃料電池車に関する。

燃料電池スタックは、複数個の単位セルが積層されることで構成され、例えば、走行駆動源として車両に搭載される。燃料電池を搭載した車両は、燃料電池車等と指称される。

この種の燃料電池車において、燃料電池は、従来、車体の座席近傍の床下に配置されていたが、近時、特許文献１に示されるように、車体の前方に設けられたモータルーム内に配置されることが提案されている。この場合、燃料電池は、単位セルの積層方向が車幅方向に沿うようにして車体に支持される。また、車体前後方向に並列された２個の燃料電池スタックが１個のエンドプレートを共有するとともに、このエンドプレートの長手方向略中央に、水素ガス供給マニホールドと水素ガス排出マニホールドが設けられる。

特許第３６７１８６４号公報

上記のように燃料電池が車体前方に配置される一方で、燃料電池スタック（各単位セル）のアノード電極に水素を供給するための水素貯留容器は、車体の後部に配置される。このため、水素貯留容器から燃料電池スタックまで延在する水素供給管が長くなる。

また、燃料電池スタックには、イジェクタ、水素ポンプ、気液分離器等の周辺機器が付設されることが一般的であるが、特許文献１記載の技術では、燃料電池スタックの近傍にこのような周辺機器を配置するようなスペースがない。従って、これらの周辺機器を、燃料電池スタックとは別の箇所に配置せざるを得ない。この場合、水素供給管が一層長くなるという不具合を招く。また、燃料電池スタックのマニホールド周辺の配管が複雑である。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、水素供給管等の燃料ガス用配管を可及的に短くし得る構成の燃料電池スタックを搭載した燃料電池車を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、複数個の単位セルが車幅方向に沿って積層され且つ積層方向の一端部にエンドプレートが配設された燃料電池スタックを搭載した燃料電池車において、
前記エンドプレートの車体前方上側に燃料ガス供給マニホールドが形成されるとともに車体後方下側に燃料ガス排出マニホールドが形成され、
前記燃料ガス供給マニホールドに、前記単位セルの各アノード電極に供給される燃料ガスが流通する燃料ガス供給管が接続されるとともに、前記燃料ガス排出マニホールドに、前記各アノード電極から排出された燃料ガスが流通する燃料ガス排出管が接続され、
前記燃料ガス排出管に流通する燃料ガスを前記燃料ガス供給管に戻すイジェクタが、その長手方向が車体前後方向に沿って延在するとともに、前記単位セルの積層方向からの平面視で、その外形線が前記エンドプレートの外形線内に収まる位置に配設されていることを特徴とする。

イジェクタは、燃料電池スタックから排出された余剰水素を、前記燃料電池スタックに再供給するための周辺機器の１つである。このイジェクタを燃料電池スタックに近接配置し、且つその長手方向を車体前後方向に沿って延在させることにより、燃料ガス供給管等の燃料ガス用配管を短くすることが可能となる。また、燃料ガス用配管の構成が簡素となる。

しかも、この場合、燃料電池車が衝突する等して外力が付加されたとき、イジェクタが燃料電池スタックによって保護されるという利点もある。

ここで、燃料ガス供給管は、Ｌ字状管を介して燃料ガス供給マニホールドに接続することが好ましい。この構成においては、燃料ガス供給管を流通した燃料ガスがＬ字状管によって方向変換されるため、該燃料ガスの流速が低減する。燃料ガスが液滴状態の水分を含んでいる場合、この流速低減に伴って液滴が燃料電池スタックの内部に進入することが防止される。さらに、整流効果が得られる。Ｌ字状管としては、例えば、車体側方に向かって突出した後に車体後方に折曲したものを採用すればよい。

燃料ガス排出管とイジェクタとの間に介装される水素ポンプも、前記単位セルの積層方向からの平面視で、その外形線が前記エンドプレートの外形線内に収まる位置に配設するようにしてもよい。燃料ガス排出管を流通する燃料ガス中の水分を捕集する気液分離器についても、これと同様である。

この場合、イジェクタと同様に、水素ポンプ及び気液分離器が燃料電池スタックに近接配置されるので、燃料ガス用配管を一層短くすることや、配管構成を一層簡素化することが可能となる。しかも、燃料電池車に外力が付加されたときには、イジェクタ、水素ポンプ及び気液分離器が燃料電池スタックによって保護される。

本発明によれば、少なくともイジェクタを燃料電池スタックに近接配置し、且つその長手方向を車体前後方向に沿って延在させるようにしているので、燃料ガス供給管等の燃料ガス用配管を短くすることが可能となるとともに、燃料ガス用配管の構成の簡素化を図ることができる。

本発明の実施の形態に係る燃料電池車の概略全体構成を模式的に示した概略構成図である。燃料電池スタックの一部分解概略斜視図である。前記燃料電池スタックを構成する単位セルの分解斜視図である。前記燃料電池スタックを、視点を積層方向とした側面図である。燃料電池スタックと、水素供給管（燃料ガス供給管）及び水素排出管（燃料ガス排出管）との接続位置を示す要部概略平面図である。

以下、本発明に係る燃料電池車につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本実施の形態に係る燃料電池車１０の概略全体構成を模式的に示した概略構成図であり、矢印Ｌ方向は車長方向（前後方向）、矢印Ｗ方向は車幅方向（左右方向）を表す。また、Ｆｒ、Ｒｅ、Ｌｅ及びＲｉは、それぞれ、車体前方、車体後方、左方側方、右方側方である。ここで、右方及び左方は、運転席から車体の前方を正面視したときの右手側、左手側を指す。

この燃料電池車１０には、燃料電池スタック１２と、水素貯留容器１４とが搭載される。燃料電池スタック１２は前輪１６、１６の近傍のモータルーム１８内に配設され、一方、水素貯留容器１４は、車体後方に配設される。水素貯留容器１４から燃料電池スタック１２に至るまでは、水素供給管（燃料ガス供給管）２０が設けられる。なお、図１中の参照符号２２は後輪を示す。

先ず、燃料電池スタック１２の構成につき、図２を参照して概略説明する。

燃料電池スタック１２は、複数個の単位セル２４が燃料電池車１０の車長方向（矢印Ｌ方向）に交差する車幅方向（矢印Ｗ方向）に積層されて構成される。そして、単位セル２４の積層方向（すなわち、車幅方向）の一端部には第１エンドプレート２６が配設され、積層方向の他端部には第２エンドプレート２８が配設される。これら第１エンドプレート２６、第２エンドプレート２８の各中央部からは、第１電力出力端子３０、第２電力出力端子３２が延在する。なお、第１エンドプレート２６は車体右側方に配置され、第２エンドプレート２８は車体左側方に配置される。

第１エンドプレート２６には、車体前方の上側隅部に燃料ガス供給マニホールド３４が形成され、且つ車体後方の下側隅部に燃料ガス排出マニホールド３６が形成される。後述するように、燃料ガス供給マニホールド３４には前記水素供給管２０（図１参照）が接続され、燃料ガス排出マニホールド３６には、燃料ガス排出管である水素排出管３８（図１参照）が接続される。

第１エンドプレート２６には、さらに、車体後方の上側隅部に酸化剤ガス供給マニホールド４０が形成され、且つ車体前方の下側隅部に酸化剤ガス排出マニホールド４１が形成される。酸化剤ガス供給マニホールド４０には、酸化剤ガス供給管４２（図４参照）が接続され、一方、酸化剤ガス排出マニホールド４１には酸化剤ガス排出管４３（図４参照）が接続される。

第２エンドプレート２８には、冷却媒体供給マニホールド４４、及び冷却媒体排出マニホールド４６が形成される。これら冷却媒体供給マニホールド４４、冷却媒体排出マニホールド４６には、冷却媒体供給管、冷却媒体排出管（いずれも図示せず）がそれぞれ接続される。

単位セル２４は、図３に示すように、電解質膜・電極構造体５０が第１セパレータ５２と第２セパレータ５４に挟持されることで構成される。固体高分子形燃料電池である場合、電解質膜・電極構造体５０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５６を、アノード電極５８とカソード電極６０で挟持することで設けられる。

アノード電極５８及びカソード電極６０は、カーボンペーパー等からなるガス拡散層と、白金合金等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５６の両面に形成されている。このような構成は周知であり、従って、ガス拡散層や電極触媒層の図示は省略する。

一方、第１セパレータ５２及び第２セパレータ５４は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、あるいはめっき処理鋼板等の金属や、カーボンからなる。

単位セル２４において、車体前方の上側隅部には、前記燃料ガス供給マニホールド３４（図２参照）に連通する燃料ガス入口連通孔６２が形成され、且つ車体後方の下側隅部には、前記燃料ガス排出マニホールド３６（図２参照）に連通する燃料ガス出口連通孔６４が形成される。また、車体後方の上側隅部には、前記酸化剤ガス供給マニホールド４０（図２参照）に連通する酸化剤ガス入口連通孔６６が形成され、且つ車体前方の下側隅部には、前記酸化剤ガス排出マニホールド４１（図２参照）に連通する酸化剤ガス出口連通孔６８が形成される。

さらに、燃料ガス出口連通孔６４と酸化剤ガス入口連通孔６６の間には、前記冷却媒体供給マニホールド４４に連通する冷却媒体入口連通孔７０が鉛直方向（矢印Ｔ方向）に沿って形成される。同様に、酸化剤ガス出口連通孔６８と燃料ガス入口連通孔６２の間には、前記冷却媒体排出マニホールド４６に連通する冷却媒体出口連通孔７２が鉛直方向（矢印Ｔ方向）に沿って形成される。

そして、第１セパレータ５２の電解質膜・電極構造体５０に臨む側の一端面５２ａには、燃料ガス入口連通孔６２と燃料ガス出口連通孔６４とに連通し、矢印Ｌ方向に延在する複数本の燃料ガス流路７４が設けられる。同様に、第２セパレータ５４の電解質膜・電極構造体５０に臨む側の一端面５４ａには、酸化剤ガス入口連通孔６６と酸化剤ガス出口連通孔６８とに連通し、矢印Ｌ方向に延在する複数本の酸化剤ガス流路７６が設けられる。

また、互いに隣接する単位セル２４を構成する第１セパレータ５２の他端面５２ｂと、第２セパレータ５４の他端面５４ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔７０と冷却媒体出口連通孔７２とを連通し、矢印Ｌ方向に延在する複数本の冷却媒体流路７８が設けられる。

図２及び図３を参照して諒解されるように、本実施の形態においては、水素及び酸化剤ガスは車体右方から供給・排出され、冷却媒体は車体左方から供給・排出される。

第１エンドプレート２６の近傍には、視点を単位セル２４（燃料電池スタック１２）の積層方向とした側面図である図４に示すように、気液分離器８０、水素ポンプ８２及びイジェクタ８４が配設される。

気液分離器８０は、燃料ガス排出マニホールド３６と水素排出管３８との間に介装され、燃料ガス排出マニホールド３６から導出された余剰水素中に含まれる凝縮水を捕集する機能を営む。すなわち、余剰水素中の凝縮水は、気液分離器８０によって除去される。

気液分離器８０の２つの導出口には、それぞれ、前記水素排出管３８、戻し管８１が接続される。この中、水素排出管３８は図示しない希釈器に接続されて系外（大気）に向かい、一方、戻し管８１は、水素ポンプ８２を介してイジェクタ８４に接続される。

第１エンドプレート２６の平面に沿って長尺な形状を有するイジェクタ８４は、前記水素供給管２０に介装されている。従って、気液分離器８０から戻し管８１に排出された余剰水素は、水素ポンプ８２によって所定の圧力とされた後、イジェクタ８４にて水素貯留容器１４からの新たな水素と合流して水素供給管２０に戻され、Ｌ字型マニホールド８６を介して燃料ガス供給マニホールド３４に送気される。

図４から諒解されるように、気液分離器８０、水素ポンプ８２及びイジェクタ８４は、単位セル２４の積層方向からの平面視で、各機器の外形線が前記第１エンドプレート２６の外形線内に収まる位置に配設されている。特に、イジェクタ８４は、その長手方向が車体前後方向に沿って延在するように設けられている。

図５に示すように、水素供給管２０は、車体右方の側方に突出した後に車体後方側に臨むように折曲した（図４参照）Ｌ字状管としてのＬ字型マニホールド８６を介して、燃料電池スタック１２の右方側面の燃料ガス供給マニホールド３４に接続されている。一方、水素排出管３８は、同じく右方側面の車体後方側において、車体の側方に突出した後に地面を臨むように折曲したＬ字型マニホールド８８を介して気液分離器８０の導出口に接続される。なお、水素供給管２０及び水素排出管３８の位置の理解を容易にするために図面を簡素化するべく、酸化剤ガス供給管４２及び酸化剤ガス排出管４３や、気液分離器８０、戻し管８１、水素ポンプ８２及びイジェクタ８４等は図示していない。

水素供給管２０と水素排出管３８は、互いに干渉することを回避するべく、水素排出管３８が燃料電池スタック１２に近接する（換言すれば、水素供給管２０が燃料電池スタック１２から離間する）ように配置される。

以上のように構成される燃料電池スタック１２は、図４に仮想線で示す保護カバー９０に収容された状態で、燃料電池車１０に搭載される。なお、燃料電池スタック１２は、車体の構成部材（例えば、サイドフレーム等）に支持される。

本実施の形態に係る燃料電池車１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその作用効果について説明する。

上記したように、燃料電池車１０に搭載した燃料電池スタック１２では、気液分離器８０、水素ポンプ８２及びイジェクタ８４を、単位セル２４の積層方向からの平面視で、各機器の外形線が前記第１エンドプレート２６の外形線内に収まる位置に配設するようにしている。このため、気液分離器８０、水素ポンプ８２及びイジェクタ８４が互いに近接するので、水素排出管３８や水素供給管２０、戻し管８１等の燃料ガス用配管を短くすることが可能となる。すなわち、燃料ガス用配管の短縮を図ることができる。

また、気液分離器８０、水素ポンプ８２及びイジェクタ８４を、各々の外形線が前記第１エンドプレート２６の外形線内に収まる位置に配置しているので、燃料電池車１０が衝突したような場合には、これらの周辺機器が燃料電池スタック１２によって保護される。

燃料電池スタック１２を発電状態とする際、水素貯留容器１４（図１参照）から水素が導出される。なお、固体高分子電解質膜５６に適切な湿分を付与するべく、水素に水蒸気を混合してもよい。

水素は、水素供給管２０を流通し、イジェクタ８４、Ｌ字型マニホールド８６、第１エンドプレート２６に形成された燃料ガス供給マニホールド３４を経て燃料電池スタック１２の内部に導入される。

ここで、水素供給管２０は、上記したように車両後方側を臨むＬ字型マニホールド８６に連結されている。従って、水素供給管２０を流通した水素は、Ｌ字型マニホールド８６によって方向変換される。このため、その流速が低減する。水素には、上記したように水蒸気が混合されているが、仮に水蒸気が液滴状態である場合、水素の流速が低減するために液滴が燃料電池スタック１２の内部に進入することが防止される。さらに、整流効果が得られるという利点もある。

燃料電池スタック１２の内部に導入された水素は、各単位セル２４の燃料ガス入口連通孔６２（図３参照）を流通する。水素は、さらに、燃料ガス流路７４を流通し、この際にアノード電極５８に供給される。

この供給に伴い、水素が電離してプロトンが生じる。プロトンは、固体高分子電解質膜５６のプロトン伝導作用によってカソード電極６０に移動する。また、電子は、燃料電池スタック１２の第１電力出力端子３０、第２電力出力端子３２（図２参照）に電気的に接続された車両駆動モータ（図示せず）や空気供給器等を付勢する電気エネルギ源として利用される。

酸化剤ガスとして圧縮空気を用いる場合を例示すると、図示しない圧縮機に大気が取り込まれ、前記圧縮機の作用下に圧縮された圧縮空気とされた後、酸化剤ガス供給管４２を流通し、酸化剤ガス供給マニホールド４０を経て燃料電池スタック１２の内部に導入される。圧縮空気は、各単位セル２４の酸化剤ガス入口連通孔６６を通過して酸化剤ガス流路７６を流通し、この際にカソード電極６０に供給される。カソード電極６０では、圧縮空気中の酸素と、前記固体高分子電解質膜５６を移動してきたプロトンと、前記モータ等を付勢してカソード電極６０に到達した電子とが反応し、水が生成する。

以上のような電極反応が起こることに伴って燃料電池スタック１２による発電がなされ、上記したようにモータ等が付勢される。その結果、燃料電池車１０の前輪１６、１６及び後輪２２、２２が回転動作する。

アノード電極５８に供給された余剰水素は、燃料ガス排出マニホールド３６から気液分離器８０に排出される。気液分離器８０で凝縮水が除去された余剰水素は、必要に応じ、戻し管８１を介して水素ポンプ８２に送気され、所定の圧力に調整される。余剰水素は、さらに、イジェクタ８４において、水素貯留容器１４から供給されて水素供給管２０を流通しイジェクタ８４に到達した新たな水素と合流し、燃料ガス供給マニホールド３４に送気される。

この際、仮に、凝縮水が気液分離器８０にて除去されなかったとしても、水素供給管２０がＬ字型マニホールド８６に連結されているので、水素の流速が低減する。従って、上記と同様の理由から、凝縮水が燃料電池スタック１２の内部に進入することが防止される。

又は、余剰水素は、水素排出管３８から前記希釈器を経て系外（大気）に放出される。水素排出管３８が燃料電池スタック１２に近接しているので（図５参照）、この際、水素排出管３８が燃料電池スタック１２によって加温される。このため、排出された水素の温度が過度に低下することや、これに起因して水素に結露が生じることが回避される。

以上のような理由から、例えば、燃料電池車１０を寒冷地で運転する場合であっても、燃料電池スタック１２の内部や水素排出管３８で凍結が生じることを防止することができる。

このように、本実施の形態によれば、燃料ガス用機器及び配管の全てが第１エンドプレート２６の外形線内に収まるようにレイアウトされ、図４に矢印で示すように水素が車体の後方から前方へ向かい、車体の後方から排出されることから、燃料ガス用配管を短くすることができる。その上、燃料電池スタック１２の内部や水素排出管３８で凍結が生じることを防止することが可能である。

カソード電極６０に供給された余剰の圧縮空気は、第１エンドプレート２６に形成された酸化剤ガス排出マニホールド４１から、図示しない酸化剤ガス排出管４３に排出される。また、上記の発電がなされる間、水や油、エチレングリコール等の冷却媒体が、第２エンドプレート２８に形成された冷却媒体供給マニホールド４４を経由し、冷却媒体入口連通孔７０から冷却媒体流路７８に導入される。冷却媒体は、その後、冷却媒体出口連通孔７２を通過して、第２エンドプレート２８に形成された冷却媒体排出マニホールド４６から排出される。

本発明は、上記した実施の形態に特に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。

例えば、この実施の形態では、第１エンドプレート２６に燃料ガス供給マニホールド３４、酸化剤ガス供給マニホールド４０、燃料ガス排出マニホールド３６及び酸化剤ガス排出マニホールド４１を形成する一方、第２エンドプレート２８に冷却媒体供給マニホールド４４及び冷却媒体排出マニホールド４６を形成するようにしているが、第１エンドプレート２６又は第２エンドプレート２８のいずれか一方に、燃料ガス供給マニホールド３４、酸化剤ガス供給マニホールド４０、燃料ガス排出マニホールド３６、酸化剤ガス排出マニホールド４１、冷却媒体供給マニホールド４４及び冷却媒体排出マニホールド４６の全てを形成するようにしてもよい。

また、燃料電池スタック１２は、酸化物イオン伝導体を電解質とする固体酸化物形燃料電池であってもよい。

１０…燃料電池車１２…燃料電池スタック
１４…水素貯留容器２０…水素供給管
２４…単位セル２６、２８…エンドプレート
３４…燃料ガス供給マニホールド３６…燃料ガス排出マニホールド
３８…水素排出管４０…酸化剤ガス供給マニホールド
４１…酸化剤ガス排出マニホールド４２…酸化剤ガス供給管
４３…酸化剤ガス排出管４４…冷却媒体供給マニホールド
４６…冷却媒体排出マニホールド５０…電解質膜・電極構造体
５２、５４…セパレータ５６…固体高分子電解質膜
５８…アノード電極６０…カソード電極
６２…燃料ガス入口連通孔６４…燃料ガス出口連通孔
６６…酸化剤ガス入口連通孔６８…酸化剤ガス出口連通孔
７０…冷却媒体入口連通孔７２…冷却媒体出口連通孔
７４…燃料ガス流路７６…酸化剤ガス流路
７８…冷却媒体流路８０…気液分離器
８２…水素ポンプ８４…イジェクタ
８６、８８…Ｌ字型マニホールド

Claims

複数個の単位セルが車幅方向に沿って積層され且つ積層方向の一端部にエンドプレートが配設された燃料電池スタックを搭載した燃料電池車において、
前記エンドプレートの車体前方上側に燃料ガス供給マニホールドが形成されるとともに車体後方下側に燃料ガス排出マニホールドが形成され、
前記燃料ガス供給マニホールドに、前記単位セルの各アノード電極に供給される燃料ガスが流通する燃料ガス供給管が接続されるとともに、前記燃料ガス排出マニホールドに、前記各アノード電極から排出された燃料ガスが流通する燃料ガス排出管が接続され、
前記燃料ガス排出管に流通する燃料ガスを前記燃料ガス供給管に戻すイジェクタが、その長手方向が車体前後方向に沿って延在するとともに、前記単位セルの積層方向からの平面視で、その外形線が前記エンドプレートの外形線内に収まる位置に配設されていることを特徴とする燃料電池車。
請求項１記載の燃料電池車において、前記燃料ガス供給管が、Ｌ字状管を介して前記燃料ガス供給マニホールドに接続されることを特徴とする燃料電池車。
請求項１又は２記載の燃料電池車において、前記燃料ガス排出管と前記イジェクタとの間に介装される水素ポンプをさらに有し、
前記水素ポンプは、前記単位セルの積層方向からの平面視で、その外形線が前記エンドプレートの外形線内に収まる位置に配設されていることを特徴とする燃料電池車。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池車において、前記燃料ガス排出管を流通する燃料ガス中の水分を捕集する気液分離器をさらに有し、
前記気液分離器は、前記単位セルの積層方向からの平面視で、その外形線が前記エンドプレートの外形線内に収まる位置に配設されていることを特徴とする燃料電池車。