JP2018156890A - 車両用燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】リリーフ弁にケースや防水シートを設けることなく、水が入り込むことを防止すること。【解決手段】車両用燃料電池システム１において、車両１０のフロントルーム２０に配置される燃料電池スタック１１と、燃料電池スタック１１の出力制御を行うパワーコントロールユニット１３と、燃料電池スタック１１に水素ガスを供給する水素供給通路３と、水素供給通路３の途中に設けられたリリーフ弁１５とを有し、リリーフ弁１５は、フロントルーム２０内に燃料電池スタック１１より上側に配置されており、排気口１８が、その排気口１８から排出される水素ガスが重力方向下側へ噴出されるように、パワーコントロールユニット１３のケース１３ａの上面１３ｕに対して隙間を設けて対向配置されている。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池車両に搭載する車両用燃料電池システムに関するものである。
近年、燃料電池システムを搭載した燃料電池車両が実用化されている。燃料電池車両に搭載される車両用燃料電池システムでは、燃料電池スタックに燃料ガスを供給するガス供給通路の圧力が高くなりすぎないように、ガス供給通路の途中にリリーフ弁が設けられている（特許文献１参照）。そして、ガス供給通路の圧力が設定圧力より高くなるとリリーフ弁が開き、ガス供給通路の圧力が設定圧力よりも高くならないようになっている。
特開２０１４−１３５２１９号公報
しかしながら、燃料電池車両に搭載される車両用燃料電池システムは、車両床下やフロントルームに配置されるため、リリーフ弁に水が入り込むおそれがある。リリーフ弁に水が入り込んでしまうと、錆が発生してリリーフ弁が開かなくなる開弁不良に至るおそれがある。そのため、車両用燃料電池システムでは、リリーフ弁を密閉構造のケースに収容したり、リリーフ弁に防水シートを設ける必要があった。
そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、リリーフ弁にケースや防水シートを設けることなく、水が入り込むことを防止することができる車両用燃料電池システムを提供することを目的とする。
上記課題を解決するためになされた本発明の一形態は、燃料電池車両に搭載される車両用燃料電池システムにおいて、車両のフロントルームに配置される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの出力制御を行うパワーコントロールユニットと、前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給するガス供給通路と、前記ガス供給通路の途中に設けられたリリーフ弁と、を有し、前記リリーフ弁は、前記フロントルーム内に前記燃料電池スタックより上側に配置されており、前記リリーフ弁に備わる排気口が、前記排気口から排出される燃料ガスが重力方向下側へ噴出されるように、他部品の平坦面に対して隙間を設けて対向配置されていることを特徴とする。
この車両用燃料電池システムでは、リリーフ弁が、フロントルーム内に燃料電池スタックより上側に配置されているため、水没することを防止することができる。また、リリーフ弁に備わる排気口が、その排気口から排出される燃料ガスが重力方向下側へ噴出されるように、他部品の平坦面に対して隙間を設けて対向配置されているため、車両走行時や高圧洗車時にフロントルーム内に水が入ったとしても、排気口からリリーフ弁への水入りを防止することができる。そのため、リリーフ弁を密閉構造のケースに収容したり、リリーフ弁に防水シートを設ける必要がなくなる。つまり、リリーフ弁にケースや防水シートを設けることなく、リリーフ弁に水が入り込むことを防止することができる。このようにケースや防水シートが不要となるので、車両用燃料電池システムの低コスト化を図ることもできる。
また、リリーフ弁の排気口から他部品の平坦面に向けて燃料ガスが噴出されるため、リリーフ弁からの燃料ガスの噴出先に電気コネクタ等の接点が位置しないので、リリーフ弁が開いたとき（リリーフ時）の安全性を高めることができる。また、通常はフロントルームの最上位置に配置される燃料ガス検知器の近傍にリリーフ弁を配置することができる。さらに、リリーフ弁から平坦面に向けて燃料ガスが重力方向下側へ噴出されるため、噴射された燃料ガスが平坦面にあたった後にフロントルームの上側へ流れていく。従って、リリーフ弁が開いたとき（リリーフ時）に燃料ガスの漏れを素早く検出することができる。
上記の車両用燃料電池システムにおいて、前記他部品の平坦面は、前記燃料電池スタックのケース上面、又は前記パワーコントロールユニットのケース上面であることが好ましい。
このような構成により、比較的大きな面積を占めるケース上面に向けてリリーフ弁から燃料ガスが噴出されるため、リリーフ弁から噴出された燃料ガスが瞬時に広範囲に拡散して希釈されるので、リリーフ弁が開いたとき（リリーフ時）の安全性を一層高めることができる。
本発明に係る車両用燃料電池システムによれば、リリーフ弁にケースや防水シートを設けることなく、リリーフ弁に水が入り込むことを防止することができる。
燃料電池システムの概略構成図である。 フロントルーム内における各部品の配置位置を示す図である。 リリーフ弁の概略構成と配置位置を示す図である。
本発明に係る実施形態である燃料電池システムについて、図１〜図３を参照しながら詳細に説明する。この燃料電池システム１は、燃料電池車両に搭載され、その駆動用モータ（図示略）に電力を供給するために使用される。そして、燃料電池システム１は、図１に示すように、燃料電池スタック（ＦＣスタック）１１と、パワーコントロールユニット（ＦＣＰＣ）１３と、水素ボンベ２とを備えている。
燃料電池スタック１１は、燃料ガスとしての水素ガスと酸化剤ガスとしてのエアの供給を受けて発電を行うようになっている。この燃料電池スタック１１は、図２に示すように、断面が矩形状である密閉構造のケース１１ａに収容されて車両１０のボディ１０ｂに設けられたフロントルーム２０内に配置されている。すなわち、車両１０に備わるサスペンションメンバ２１の端部に防振部材２２を介して取り付けられた取付フレーム２３上に配置されている。燃料電池スタック１１で発電された電力は、パワーコントロールユニット１３を介して、車両の駆動用モータ（不図示）に供給されるようになっている。パワーコントロールユニット１３は、断面が矩形状である密閉構造のケース１３ａに収容されて燃料電池スタック１１の上方（ケース１１ａの上面１１ｕ）に配置されている。駆動用モータは、別途の指令に基づいて制御される。水素ボンベ２には、高圧の水素ガスが蓄えられている。
燃料電池スタック１１のアノード側には、水素ボンベ２から燃料電池スタック１１へ水素ガスを供給するための水素供給通路３と、燃料電池スタック１１から導出される水素オフガスを排出するための水素排出通路４とが設けられている。水素供給通路３は、本発明のガス供給通路の一例に相当する。水素ボンベ２の直下流の水素供給通路３には、水素ボンベ２から水素供給通路３への水素ガスの供給と遮断を切り換える電磁弁よりなる主止弁５が設けられている。
主止弁５より下流の水素供給通路３には、水素ガスの圧力を減圧するための高圧レギュレータ７が設けられている。高圧レギュレータ７より下流の水素供給通路３には、燃料電池スタック１１へ供給される水素ガス流量を調節するためのインジェクタ１４が設けられている。インジェクタ１４の直上流の水素供給通路３には、高圧レギュレータ７とインジェクタ１４の間の圧力を検出するための圧力センサ３１が設けられている。
インジェクタ１４より下流の水素供給通路３には、インジェクタ１４と燃料電池スタック１１との間の圧力を検出ための圧力センサ３２が設けられている。そして、インジェクタ１４と燃料電池スタック１１との間、詳細にはインジェクタ１４と圧力センサ３２との間にリリーフ弁１５が設けられている。リリーフ弁１５は、水素供給通路３におけるインジェクタ１４と燃料電池スタック１１の間の圧力が所定圧力以上になると開弁して圧力を所定圧力未満に調整する。これにより、インジェクタ１４と燃料電池スタック１１の間における水素供給通路３の圧力が高くなりすぎないようになっている。
また、水素排出通路４には、燃料電池スタック１１側から順に、水素オフガス内の水分を分離する気液分離器３５と、気液分離器３５からカソード側に設けられた希釈器５６への水素オフガスや水分の排出と遮断を切り換える排気排水弁３６とが配置されている。
一方、燃料電池スタック１１のカソード側には、燃料電池スタック１１にエアを供給するためのエア供給通路４１と、燃料電池スタック１１から導出されるエアオフガスを排出するためのエア排出通路４２と、エア供給通路４１とエア排出通路４２とを接続するバイパス通路４３とが設けられている。バイパス通路４３は、エア供給通路４１から燃料電池スタック１１を介さずにエア排出通路４２へ、エアを流すための通路である。
エア供給通路４１には、エアクリーナ５１側から順に、エアを燃料電池スタック１１に供給するコンプレッサ５２と、エアを冷却するインタークーラ５３と、燃料電池スタック１１へのエアの供給と遮断を切り換える上流側弁５４とが設けられている。なお、エアクリーナ５１は、燃料電池システム１の外部から取り込んだエアを清浄化する機器である。
また、エア排出通路４２には、燃料電池スタック１１側から順に、燃料電池スタック１１の背圧を調整して燃料電池スタック１１からのエアオフガスの排出量を制御する下流側弁５５と、エアオフガス及びバイパス通路４３を流れるエアにより、水素排出通路４から排出される水素オフガスを希釈する希釈器５６とが配置されている。なお、バイパス通路４３には、バイパス弁５７が設けられており、バイパス弁５７により、バイパス通路４３におけるエアの流量が制御されるようになっている。
このような構成の燃料電池システム１において、水素ボンベ２から導出される水素ガスは、水素供給通路３を通り、主止弁５、高圧レギュレータ７、インジェクタ１４を介して燃料電池スタック１１に供給される。一方、コンプレッサ５２によりエア供給通路４１へ吐出されたエアが、燃料電池スタック１１に供給される。これにより、燃料電池スタック１１で発電が行われる。
そして、燃料電池スタック１１に供給された水素ガスは、燃料電池スタック１１にて発電に使用された後、燃料電池スタック１１から水素オフガスとして水素排出通路４と希釈器５６を介して、燃料電池システム１の外部に排出される。また、燃料電池スタック１１に供給されたエアは、燃料電池スタック１１にて発電に使用された後、燃料電池スタック１１からエアオフガスとしてエア排出通路４２と希釈器５６を介して、燃料電池システム１の外部に排出される。
ここで、リリーフ弁１５は、図３に示すように、弁ハウジング１６と、弁ハウジング１６内で摺動するピストン１７と、排気口１８と、ピストン１７を閉弁方向へ付勢するバネ１９とを有している。弁ハウジング１６は、水素供給通路３を形成する配管部材に一体化されており、水素供給通路３に連通する流入口１６ａと、流入口１６ａの周りに形成された弁座１６ｂとを備えている。ピストン１７は、流入口１６ａ側に弁体１７ａを備えている。このピストン１７の排気口１８側にバネ１９が配置されており、バネ１９によりピストン１７が流入口１６ａ側（閉弁方向）へ付勢されている。これにより、ピストン１７の弁体１７ａが弁座１６ｂに押しつけられている。
そして、水素供給通路３におけるインジェクタ１４と燃料電池スタック１１の間の圧力が所定圧力以上になると、バネ１９の付勢力に抗してピストン１７が排気口１８側へ移動して、弁体１７ａが弁座１６ｂから離間する。これにより、リリーフ弁１５が開弁されて、排気口１８から水素ガスが排出され水素供給通路３の圧力が所定圧力未満に調整される。
このようなリリーフ弁１５は、車両１０のフロントルーム２０内において、図２に一点鎖線で示す燃料電池スタック１１よりも上側（例えば、地上からの高さで５００ｍｍ以上）の搭載位置に、リリーフ時に排気口１８から排出される水素ガスが重力方向下側へ噴出されるように排気口１８が、フロントルーム２０に配置される他部品の平坦面に対して所定の隙間（数ｍｍ程度）を設けて対向配置されている。本実施形態では、リリーフ弁１５は、図３に示すように、排気口１８がパワーコントロールユニット１３のケース１３ａの上面１３ｕに対して対向配置されている。
そのため、リリーフ弁１５が水没することを防止することができるとともに、車両走行時や高圧洗車時にフロントルーム２０内に水が入ったとしても、排気口１８からリリーフ弁１５への水入りを防止することができる。従って、リリーフ弁１５を密閉構造のケースに収容したり、リリーフ弁１５に防水シートを設ける必要がなくなる。つまり、リリーフ弁１５にケースや防水シートを設けることなく、リリーフ弁１５に水が入り込むことを防止することができる。また、リリーフ弁１５にケースや防水シートが不要となるので、燃料電池システム１の低コスト化を図ることもできる。
そして、リリーフ時には、リリーフ弁１５の排気口１８から、他部品の平坦面（本実施形態では、パワーコントロールユニット１３のケース１３ａの上面１３ｕ）に向けて水素ガスが噴出される。そのため、リリーフ弁１５からの水素ガスの噴出先に、電気コネクタ等の接点が位置することがないので、リリーフ弁１５が開いたときの安全性を高めることができる。また、比較的大きな面積を占めるパワーコントロールユニット１３のケース１３ａの上面１３ｕに向けてリリーフ弁１５から水素ガスが噴出されるため、リリーフ弁１５から噴出された水素ガスが瞬時に広範囲に拡散して希釈されるので、リリーフ弁１５が開いたときの安全性を一層高めることができる。
また、図３に示すように、リリーフ弁１５を、フロントルーム２０の最上位置（フード１０ｆの直下）に配置される水素ガス検知器８の近傍に配置することができる。さらに、リリーフ弁１５から平坦面（ケース１３ａの上面１３ｕ）に向けて水素ガスが重力方向下側へ噴出されるため、噴出された水素ガスが平坦面（ケース１３ａの上面１３ｕ）にあたって広範囲に広がってフロントルーム２０の上側へ流れていく。そのため、リリーフ弁１５が開いたとき（リリーフ時）に、水素ガス検知器８によって水素ガスの漏れを素早く検出することができる。
以上、詳細に説明したように本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、リリーフ弁１５が、フロントルーム２０内において燃料電池スタック１１より上側に配置され、リリーフ弁１５に備わる排気口１８が、その排気口１８から排出される水素ガスが重力方向下側へ噴出されるように、パワーコントロールユニット１３のケース１３ａの上面１３ｕに対して隙間を設けて対向配置されている。そのため、リリーフ弁１５にケースや防水シートを設けることなく、車両走行時や高圧洗車時にフロントルーム２０内に水が入ったとしても、排気口１８からリリーフ弁１５への水入りを防止することができる。
なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。例えば、上記した実施形態において、リリーフ弁１５を、排気口１８がパワーコントロールユニット１３のケース１３ａの上面１３ｕに対向するように配置しているが、排気口１８が燃料電池スタック１１のケース１１ａの上面１１ｕに対向するように配置してもよい。
１ 燃料電池システム
３ 水素供給通路
１０ 車両
１１ 燃料電池スタック
１１ａ ケース
１１ｕ 上面
１３ パワーコントロールユニット
１３ａ ケース
１３ｕ 上面
１５ リリーフ弁
１８ 排気口
２０ フロントルーム

Claims (2)

  1. 燃料電池車両に搭載される車両用燃料電池システムにおいて、
    車両のフロントルームに配置される燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタックの出力制御を行うパワーコントロールユニットと、
    前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給するガス供給通路と、
    前記ガス供給通路の途中に設けられたリリーフ弁と、を有し、
    前記リリーフ弁は、前記フロントルーム内に前記燃料電池スタックより上側に配置されており、
    前記リリーフ弁に備わる排気口が、前記排気口から排出される燃料ガスが重力方向下側へ噴出されるように、他部品の平坦面に対して隙間を設けて対向配置されている
    ことを特徴とする車両用燃料電池システム。
  2. 請求項１に記載する車両用燃料電池システムにおいて、
    前記他部品の平坦面は、前記燃料電池スタックのケース上面、又は前記パワーコントロールユニットのケース上面である
    ことを特徴とする車両用燃料電池システム。
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