JP3646024B2 - 燃料電池装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池装置に関し、詳しくは、固体高分子膜の両側にアノードおよびカソードが設けられている固体高分子型燃料電池を備える、燃料電池装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、燃料電池として、プロトン導電性の固体高分子膜の両側に、アノードおよびカソードが配設される固体高分子型燃料電池が知られている。この固体高分子型燃料電池は、アノードに水素を含む燃料ガスを供給するとともに、カソードに空気などの酸化ガスを供給することによって、電気化学反応を生じさせ、固体高分子膜中においてプロトンを移動させることによって、起電力を発生させるものであり、燃料ガスの有する化学エネルギーを、直接電気エネルギーに変換することができ、エネルギー効率が良いものとして知られている。
【０００３】
このような固体高分子型燃料電池において、燃料電池を、最も安全かつ効率よく発電させるためには、固体高分子膜の温度を、所定の温度にコントロールしておく必要がある。そのため、このような固体高分子型燃料電池では、燃料電池の内部に冷却水の流路を形成して、この流路内に冷却水を循環させることによって、発電時に生じる熱を除去するようにしている。
【０００４】
そのような燃料電池装置としては、例えば、特開平６−１８８０１３号公報や特開平１０−３４０７３４号公報に記載され、かつ図７に示すようなものが知られている。図７において、この燃料電池装置は、燃料電池１とラジエータ２とが冷却管３を介してクローズドラインで接続されており、冷却管３における燃料電池１の上流側とラジエータ２の下流側との間には、冷却水を搬送するためのポンプ４が介装されている。そして、この燃料電池装置では、ポンプ４の駆動によって、冷却水を、順次、燃料電池１とラジエータ２との間において循環させて、ラジエータ２によって冷却された冷却水を燃料電池１に供給して、燃料電池１を冷却するとともに、燃料電池１を冷却した後の温められた冷却水を再びラジエータ２に還流して、このラジエータ２によって再び冷却するようにしている。また、ラジエータ２と対向する位置には、ファン５が設けられており、このファン５によって、ラジエータ２を冷却することにより、ラジエータ２の放熱を促すようにしている。なお、このラジエータ２には、給水用の水タンク６が接続されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図５に示す燃料電池装置では、冷却水を搬送するためのポンプ４や、ラジエータ２を冷却するためのファン５を備えているため、発電した電力の一部が、これらポンプ４やファン５を駆動させるための電力として消費されるので、、発電による電力の一部が、必ず損失してしまうという不具合を有している。
【０００６】
また、ポンプ４やファン５を設けると、装置構成が複雑となりコストも上昇し、また、これらを設けるためのスペースが必要で、装置が大型化してしまうという不具合を有する。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、その目的とするところは、冷却媒体を搬送するための駆動装置が不要で、簡易かつコンパクトな構成により、良好に冷却媒体を循環させて、電力損失の少ない燃料電池装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、固体高分子膜の両側にアノードおよびカソードが設けられている燃料電池と、前記燃料電池に接続され、前記燃料電池に冷却媒体を流入させるための流入側冷却管と、前記燃料電池に接続され、前記燃料電池から前記冷却媒体を流出させるための流出側冷却管と、前記流入側冷却管および前記流出側冷却管が接続され、前記冷却媒体を冷却するための放熱手段とを備える、燃料電池装置において、前記放熱手段が、前記燃料電池よりも上方で、かつ、外気に曝される位置に設けられており、前記燃料電池には、前記流出側冷却管が接続される位置よりも、下方において前記流入側冷却管が接続されており、前記燃料電池装置が、自動車に備えられており、前記自動車には、車幅方向に延びる翼部および前記翼部を支持する脚部を備えるエアスポイラーが設けられており、前記放熱手段が、前記翼部の下方における車両前後方向の後方側に配置されていることを特徴としている。
【０００９】
このような構成によると、燃料電池から流出される冷却媒体は、燃料電池の発電に伴う発熱により温められて、その密度が低くなっているので、流出側冷却管内を上昇して、放熱手段に流入するようになる。そして、放熱手段においては、流入された冷却媒体と外気との間で熱交換が行なわれることによって、冷却媒体が冷却され、この冷却により密度が高くなった冷却媒体が、流入側冷却管内を降下して、再び燃料電池に流入するようになる。このような流れによって、冷却媒体は、放熱手段と燃料電池との間を循環し、その結果、燃料電池が冷却媒体によって良好に冷却される。
【００１１】
また、燃料電池における流出側冷却管が接続される位置よりも、下方において流入側冷却管を接続することにより、放熱手段から流出された高密度の冷却媒体を、良好に降下させて円滑に燃料電池に導入することができるとともに、燃料電池から流出された低密度の冷却媒体を、良好に上昇させて円滑に放熱手段に導入することができる。
【００１２】
また、燃料電池装置を自動車に備えることにより、例えば、自動車の速度が増大した時には、燃料電池はより多くの発電を行なうので、それに伴う発熱により、燃料電池から流出した冷却媒体はより高温となるが、一方で、放熱手段は、速度が増した分だけ向かい風を強く受けるので、放熱手段に流入する冷却媒体は、その高温となった分に相当する分、より効率よく冷却されるようになる。また、アイドリング時には、放熱手段は、自動車の走行による向かい風を受けることがなく、放熱手段に流入する冷却媒体を効率よく冷却させることができないが、一方で、燃料電池の発電による発熱も生じないので、燃料電池から流出する冷却媒体が高温となるともなく、不都合を生じることはない。
【００１４】
また、自動車に、車幅方向に延びる翼部およびこの翼部を支持する脚部を備えるエアスポイラーを設けるとともに、放熱手段を、そのエアスポイラーの翼部の下方における車両前後方向の後方側に配置することにより、エアスポイラーによって、自動車にダウンフォースを発生させて車両の走行安定性を高めることができながら、そのエアスポイラーによって集められた風を、放熱手段に当てることができるので、放熱手段の冷却効率をより一層高めることができ、さらには、放熱手段を、翼部の下方における車両前後方向の後方側に配置することにより、その前方側に配置する場合に比べて、風の吸い込みを大きくすることができ、放熱手段の冷却効率をより一層高めることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の好適な一実施形態としての燃料電池装置の構成の概略を示す概略構成図である。図１において、この燃料電池装置１１は、燃料電池１２と、この燃料電池１２に冷却媒体としての冷却水を流入させる流入側冷却管１３と、この燃料電池１２から冷却水を流出させる流出側冷却管１４と、冷却水を冷却するための放熱手段としてのラジエータ１５とを備えており、燃料電池１２の流出側とラジエータ１５の流入側とが流出側冷却管１４を介して接続されるとともに、ラジエータ１５の流出側と燃料電池１２の流入側とが流入側冷却管１３を介して接続されており、これによって、燃料電池１２とラジエータ１５とが、流入側冷却管１３および流出側冷却管１４を介してクローズドラインで接続されるように構成されている。
【００１８】
なお、ラジエータ１５には、給水用の水タンク１０が接続されている。また、図１においては、燃料電池装置１１の構成要素のうち、冷却水の給排水部に相当する構成のみが示されており、例えば、燃料ガス給排部や酸化ガス給排部などの構成は省略されている。
【００１９】
燃料電池１２は、固体高分子型燃料電池であって、構成単位である単位セル１６を複数積層したスタック構造とされている。単位セル１６は、図２に示すように、プロトン導電性の固体高分子膜１７と、貴金属が担持される多孔質電極として形成されるアノード１８およびカソード１９と、ガス不透過の導電性部材として形成されるセパレータ２０および２１とによって構成されている。
【００２０】
プロトン導電性の固体高分子膜１７は、より具体的には、パーフルオロスルホン酸膜が使用されており、その温度を約８０℃近傍にコントロールしておくことによって、最も安全かつ効率の良い発電を行なうことができる。アノード１８およびカソード１９は、固体高分子膜１７を、その両側から挟むようにして配置されており、セパレータ２０および２１は、これらアノード１８およびカソード１９を、さらにその両側から挟むようにして配置されている。セパレータ２０には、アノード１８との間において、水素を含む燃料ガスを流すための燃料ガス流路２２を形成するための、燃料ガス流路溝２４が形成されるとともに、セパレータ２１には、カソード１９との間において、酸素を含む酸化ガスを流すための酸化ガス流路２３を形成するための、酸化ガス流路溝２５が形成されている。なお、燃料ガス流路２２には、図示しない燃料ガス給排部から、燃料ガスが供給されるとともに、酸化ガス流路２３には、図示しない酸化ガス給排部から、酸化ガスが供給されている。
【００２１】
そして、アノード１８においては、燃料ガス中の水素が、
【００２２】
【化１】
の反応により、プロトンと電子とを生成し、生成されたプロトンが固体高分子膜１７を通ってカソード１９に向かうとともに、電子が図示しない外部回路に流出する。また、カソード１９においては、酸化ガス中の酸素が、固体高分子膜１７を移動してきたプロトンおよび外部回路から流入する電子と、次のように反応して、
【００２３】
【化２】
水を生じ、その結果、起電力が発生する。
【００２４】
なお、図２においては、セパレータ２０および２１には、それぞれその片面にのみに燃料ガス流路溝２４または酸化ガス流路溝２５が形成されているが、次に述べるように、実際には、両面に、燃料ガス流路溝２４および酸化ガス流路溝２５が形成されており、一方の面がアノード１８との間で燃料ガス流路２２を形成するとともに、他方の面が隣り合う単位セル１６が備えるカソード１９との間で酸化ガス流路２３を形成する。これによって、セパレータ２０および２１は、アノード１８およびカソード１９との間で燃料ガス流路２２および酸化ガス流路２３を形成するとともに、隣接する単位セル１６の間で燃料ガスと酸化ガスとの流れを分離している。なお、単位セル１６を積層してスタック構造とするには、そのスタック構造の両端に位置する２枚のセパレータ２０および２１は、アノード１８またはカソード１９に対向する面だけに、燃料ガス流路溝２４または酸化ガス流路溝２５が形成されている。
【００２５】
図３には、実際に単位セル１６が積層される状態が分解斜視図によって示されている。なお、図２に示したセパレータ２０および２１は、図３において、端部セパレータ２６、中央セパレータ２７および冷却セパレータ２８のいずれかとして構成されている。
【００２６】
端部セパレータ２６、中央セパレータ２７および冷却セパレータ２８には、その一方側端部における上下の角部に、断面円形の冷却水孔３４および３５が形成されている。この冷却水孔３４および３５は、単位セル１６を積層したときに、積層方向に貫通する冷却水の流路を形成するものである。また、これら端部セパレータ２６、中央セパレータ２７および冷却セパレータ２８の積層面の各辺の端部には、それぞれの辺に沿って、互いに対向する１対の細長い燃料ガス長孔３０および３１と、同じく、互いに対向する１対の細長い酸化ガス長孔３２および３３が、それぞれ形成されている。この燃料ガス長孔３０および３１は、単位セル１６を積層したときに、積層方向に貫通する燃料ガスの流路を形成するものであり、また、この酸化ガス長孔３２および３３は、単位セル１６を積層したときに、積層方向に貫通する酸化ガスの流路を形成するものである。
【００２７】
端部セパレータ２６には、その一方の面に、互いに対向する燃料ガス長孔３０および３１の間を連絡する、複数の平行な燃料ガス流路溝２４が形成されている。この燃料ガス流路溝２４は、単位セル１６を積層したときに、隣り合うアノード１８との間において燃料ガス流路２２を形成する。なお、端部セパレータ２６の他方の面（図３では現れていない。）は、溝のないフラットな面として形成されている。
【００２８】
中央セパレータ２７には、その一方の面に、端部セパレータ２６と同様に、互いに対向する燃料ガス長孔３０および３１の間を連絡する、複数の平行な燃料ガス流路溝２４が形成されている。この燃料ガス流路溝２４は、単位セル１６を積層したときに、隣り合うアノード１８との間において燃料ガス流路２２を形成する。また、その他方の面（図３には現れていない。）には、互いに対向する酸化ガス長孔３２および３３の間を連絡する、複数の平行な酸化ガス流路溝２５が形成されている。この酸化ガス流路溝２５は、単位セル１６を積層したときに、隣り合うカソード１９との間において酸化ガス流路２３を形成する。
【００２９】
冷却セパレータ２８には、その一方の面に、冷却水孔３４および３５の間を連絡する、葛折状の冷却水流路溝３６が形成されている。この冷却水流路溝３６は、単位セル１６を積層したときに、端部セパレータ２６と隣り合い、端部セパレータ２６の溝のないフラットな面との間で冷却水路を形成する。また、冷却セパレータ２８の他方の面（図３には現れていない。）には、互いに対向する酸化ガス長孔３２および３３の間を連絡する、複数の平行な酸化ガス流路溝２５が形成されている。この酸化ガス流路溝２５は、単位セル１６を積層したときに、隣り合うカソード１９との間において酸化ガス流路２３を形成する。
【００３０】
そして、端部セパレータ２６、中央セパレータ２７および冷却セパレータ２８が、端部セパレータ２６と中央セパレータ２７との間に、アノード１８およびカソード１９に挟まれた固体高分子膜１７を介して、積層されることにより、スタック構造が形成されている。
【００３１】
なお、図３では、端部セパレータ２６、中央セパレータ２７および冷却セパレータ２８が各１枚ずつしか示されていないが、実際には、中央セパレータ２７が、アノード１８およびカソード１９に挟まれた固体高分子膜１７を介して、所定の枚数連続して積層されている。なお、この端部セパレータ２６、中央セパレータ２７および冷却セパレータ２８の積層枚数は、燃料電池１２に接続される負荷の大きさなどから予想される単位セル１６の発熱量、燃料電池１２に供給される冷却水の温度、燃料電池１２に供給される冷却水の流量などの条件により適宜決定される。例えば、中央セパレータ２７が５枚連続する毎に、端部セパレータ２６および冷却セパレータ２７が積層され、これが１組として、順次積層されることによりスタック構造が形成される。
【００３２】
なお、図３には現れないが、端部セパレータ２６、中央セパレータ２７および冷却セパレータ２８を順次積層したときには、図３における手前側に対応する端部には、端部セパレータ２６と逆向きの端部セパレータが配置される。この端部セパレータは、図３に現れる端部セパレータ６０と逆の構造を有し、溝のないフラットな面が、積層したときの外面に面し、その内面には、互いに対向する酸化ガス長孔３２および３３の間を連絡する、複数の平行な酸化ガス流路溝２５が形成されている。この酸化ガス流路溝２５は、単位セル１６を積層したときに、隣り合うカソード１９との間において酸化ガス流路２３を形成する。
【００３３】
そして、このように、端部セパレータ２６、中央セパレータ２７および冷却セパレータ２８が、その途中に、アノード１８およびカソード１９に挟まれた固体高分子膜１７を介して、所定の枚数連続して積層されることにより形成されたスタック構造の両端には、さらに、集電板３７および３８、絶縁板３９および４０、エンドプレート４１および４２が配設され、これによって、スタック構造の燃料電池１２が形成される。
【００３４】
図４は、これら集電板３７および３８、絶縁板３９および４０、エンドプレート４１および４２の構成が分解斜視図によって示されている。スタック構造の端部セパレータ２６が配設されている一方側端部においては、集電板３７、絶縁板３９、エンドプレート４１が順次外側に向かって積層されており、これらによって燃料電池１２の排出側端部４３が構成されている。また、スタック構造の図３における手前側に対応する、端部セパレータ２６と逆向きの端部セパレータが配設されている他方側端部においては、集電板３８、絶縁板４０、エンドプレート４２が順次外側に向かって積層されており、これらによって燃料電池１２の供給側端部４４が構成されている。
【００３５】
排出側端部４４を構成する集電板３７、絶縁板３９、エンドプレート４１には、上側の冷却水孔３４、燃料ガス長孔３０、酸化ガス長孔３２に対応する位置に、それぞれ、排水孔４５、燃料ガス排出孔４６、酸化ガス排出孔４７が形成されており、また、供給側端部４５を形成する集電板３８、絶縁板４０、エンドプレート４２には、下側の冷却水孔３５、燃料ガス長孔３１、酸化ガス長孔３３に対応する位置に、それぞれ、給水孔４８、燃料ガス供給孔４９、酸化ガス供給孔５０が形成されている。
【００３６】
集電板３７および３８は、銅などの導電性材料により形成されており、その上部には、一体に形成される端子５１を備えている。この端子５１によって、燃料電池１２からの起電力を外部に取り出すようにしている。また、絶縁板３９および４０は、ゴムや樹脂などの絶縁性材料により形成されており、単位セル１６が積層されたスタック構造と、このスタック構造を収容するケーシング（図示せず。）やエンドプレート４１および４２との間を絶縁している。また、エンドプレート４１および４２は、鋼などの剛性の高い材料により形成されいる。
【００３７】
このようにして、単位セル１６が積層されることによって形成される、スタック構造を有する燃料電池１２は、図示しないケーシングに納められ、各部材間においてその積層方向に所定の押圧力が加えられた状態で保持されており、燃料ガス供給孔４９には、図示しない燃料ガス給排部からの燃料ガスが供給されるとともに、酸化ガス供給孔５０には、図示しない酸化ガス給排部からの酸化ガスが供給されている。そして、燃料ガスは、燃料ガス供給孔４９から、スタック構造とされた燃料電池１２内に供給され、燃料ガス長孔３１、燃料ガス流路２２および燃料ガス長孔３０を順次通過した後、燃料ガス排出孔４６から排出される。また、酸化ガスは、酸化ガス供給孔５０から、スタック構造とされた燃料電池１２内に供給され、酸化ガス長孔３３、酸化ガス流路２３および酸化ガス長孔３２を順次通過した後、酸化ガス排出孔４７から排出される。
【００３８】
そして、図１にも示すように、この燃料電池１２の供給側端部４４においては、排水孔４５よりも下方に形成される給水孔４８に、流入側冷却管１３が接続されるとともに、この燃料電池１２の排出側端部４５においては、給水孔４８よりも上方に形成される排水孔４５に、流出側冷却管１４が接続されており、これによって、上記したように、燃料電池１２とラジエータ１５とが、流入側冷却管１３および流出側冷却管１４を介してクローズドラインで接続される状態となり、冷却水が、この燃料電池１２とラジエータ１５との間を循環して流れることができるように構成される。このような構成において、冷却水は、図３および図４に示すように、給水孔４８から、スタック構造とされた燃料電池１２内に供給され、冷却水孔３４、冷却水路および冷却水孔３５を順次通過した後、排水孔４５から排出される。
【００３９】
そして、図１に示すように、この燃料電池装置１１においては、流入側冷却管１３および流出側冷却管１４が上下方向に配置され、ラジエータ１５が、燃料電池１２と所定の間隔を隔てられた上方であって、かつ、外気に曝される位置に設けられている。外気に曝される位置としては、このラジエータ１５が、外の空気と接触可能な位置であって、ラジエータ１５内に流入する冷却水が、熱交換により冷却され得る環境下であればよい。
【００４０】
このような構成によると、燃料電池１２の発電時において、燃料電池１２内から流出された冷却水は、燃料電池１２の発電に伴う発熱により温められて、その密度が低くなっているので、流出側冷却管１３内を上昇して、ラジエータ１５内に流入するようになる。そして、ラジエータ１５内においては、流入された冷却水と外気との間で熱交換が行なわれることによって、冷却水が冷却され、この冷却により密度が高くなった冷却水が、流入側冷却管１３内を降下して、再び燃料電池１２内に流入するようになる。このような流れによって、冷却水は、ラジエータ１５と燃料電池１２との間を循環し、その結果、燃料電池１２が冷却水によって良好に冷却される。
【００４１】
このように、ラジエータ１５を、燃料電池１２よりも上方で、かつ、外気に曝される位置に設ければ、簡易な構成により、ラジエータ１５によって冷却水を冷却しながら、ラジエータ１５と燃料電池１２との間において、冷却水を良好に循環させることができる。そのため、冷却水を搬送するためのポンプなどの駆動装置を別途設ける必要がなく、そのような駆動装置を駆動するために、燃料電池１２により発電した電力の一部が消費されることがない。したがって、電力損失を少なくでき、効率の良い電力の供給を行なうことができる。しかも、駆動装置を別途設けることによる、装置構成の複雑化および大型化を回避して、装置構成の簡略化によるコストの低減化、およびコンパクト化を図ることができる。
【００４２】
また、この燃料電池装置１１では、流出側冷却管１４が接続される排出側端部４３の排水孔４５の位置よりも、流入側冷却管１３が接続される供給側端部４４の給水孔４８の位置を下方に位置させることにより、ラジエータ１５から流出された高密度の冷却水を、良好に降下させて円滑に給水孔４８に導入するとともに、排水孔４５から流出された低密度の冷却水を、良好に上昇させて円滑にラジエータ１５に導入することができる。これによって、ラジエータ１５と燃料電池１２との間における冷却水のより円滑な循環を確保して、より一層の冷却効率の向上を図ることができる。
【００４３】
そして、このような本実施形態の燃料電池装置１１は、電気自動車に搭載して、車両駆動用のモータに対して電力を供給するように構成する。
【００４４】
図５は、本実施形態の燃料電池装置１１をステーションワゴンタイプの電気自動車に搭載した例を示す要部側面図、図６は、図５に示す電気自動車の要部背面図である。図５および図６において、この電気自動車５２には、ルーフパネル６３の車両前後方向における後方側に、エアスポイラー５３が設けられている。図６に示すように、このエアスポイラー５３は、車幅方向の両端部および中央部から立設する複数の脚部５５、５６および５７と、この脚部５５、５６および５７によって、ループパネル５３との間において所定の間隔を隔てて支持される翼部５４とを備えている。この翼部５４は、車幅方向のほぼ全長にわたって延びるような形状として、脚部５５、５６および５７と一体に形成されている。
【００４５】
そして、このような電気自動車５２においては、燃料電池１２が、後部座席５８の後方側であって後輪６１の上方に配置されるとともに、ラジエータ１５および水タンク１０が、ルーフパネル５３と翼部５４との間の隙間に配置されており、ラジエータ１５と燃料電池１２とが、閉断面として形成される筒状のリアピラー５９および６０内に挿通される流入側冷却管１３および流出側冷却管１４によってクローズドラインとして接続されている。
【００４６】
より具体的には、図６に示すように、ルーフパネル５３と翼部５４との間の隙間は、車幅方向における両端部に設けられる脚部５５および５７、および、中央部に設けられる脚部５６によって、２つの空間に区画形成されており、一方の空間の端部に水タンク１０が配置されるとともに、この２つの空間のそれぞれにラジエータ１５が配置されている。すなわち、車幅方向における一方側端部に設けられる脚部５５と、その中央部に設けられる脚部５６とによって形成される空間には、その車幅方向外側の端部に、水タンク１０が、この空間の上下方向を覆うようにして設けられるとともに、その車幅方向内側において隣り合うように、ラジエータ１５が、この空間の上下方向および車幅方向の全長を覆うようにして設けられている。また、車幅方向における他方側端部に設けられる脚部５７と、その中央部に設けられる脚部５６とによって形成される空間には、ラジエータ１５が、この空間の上下方向および車幅方向の全長を覆うようにして設けられている。
【００４７】
そして、燃料電池１２の排出側端部４３に接続されている流出側冷却管１４が一方のリアピラー５９内を介して一方のラジエータ１５に接続されるとともに、燃料電池１２の供給側端部４４に接続されいる流入側冷却管１３が他方のリアピラー６０内を介して他方のラジエータ１５に接続されている。なお、これら２つのラジエータ１５は、中央部に設けられる脚部５６に挿通される図示しない接続管を介して接続されており、また、一方のラジエータ１５には、図示しない接続管を介して水タンク１０が接続されている。ここで、２つのラジエータ１５および水タンク１０は一体化されていてもよい。
【００４８】
なお、これら２つのラジエータ１５は、軽量なアルミニウムにより形成されており、ルーフパネル６３上にねじなどによって固定されている。また、水タンク１０も同様に、ルーフパネル６３上にねじなどによって固定されている。
【００４９】
このようにして、電気自動車５２に本実施形態の燃料電池装置１１を備えると、例えば、電気自動車５２の速度が増大した時には、燃料電池１２はより多くの発電を行なうので、それに伴う発熱により、燃料電池１２から流出した冷却水はより高温となるが、一方で、ラジエータ１５は、速度が増した分だけ向かい風を強く受けるので、ラジエータ１５に流入する冷却水は、その高温となった分に相当する分、より効率よく冷却されるようになる。また、アイドリング時には、ラジエータ１５は、電気自動車５２の走行による向かい風を受けることがなく、ラジエータ１５に流入する冷却水を効率よく冷却することができないが、一方で、燃料電池１２の発電による発熱も生じないので、燃料電池１２から流出する冷却水が高温となるともなく、不都合を生じることはない。そのため、ラジエータ１５の冷却効率を、燃料電池１２の発電状態に応じて変化する冷却水の温度に、格別の装置を設けることなく、対応させて変化させることができ、これによって、簡易かつ低コストな構成で、効率の良い冷却を達成することができる。
【００５０】
また、エアスポイラー５３は、この電気自動車５２にダウンフォースを発生させて車両の走行安定性を高めるために設けられているが、ルーフパネル５３と翼部５４との間には、このエアスポイラー５３によって集められる風が通過するので、この位置にラジエータ１５を配置することによって冷却効率を高めることができる。したがって、このルーフパネル５３と翼部５４との間のわずかな隙間において、ラジエータ１５をコンパクトに設けても、効率よく冷却水を冷却でき、さらに、ラジエータ１５の外観が、翼部５４および車幅方向の両端部に設けられる脚部５５および５７によって覆われるので、意匠性を向上させることができる。
【００５１】
より具体的には、図５に示すように、これら２つのラジエータ１５は、翼部５４の下方における車両前後方向の後方側に配置されている。ラジエータ１５を、翼部５４の下方における車両前後方向の後方側に配置すれば、その前方側に配置する場合に比べて、風の吸い込みを大きくすることができ、より一層冷却効率を高めることができる。
【００５２】
なお、燃料電池１２は、ラジエータ１５よりも下方であれば、その位置は限定されず、例えば、図５に仮想線で示すように、後輪６１の間、あるいは前方側に設けてもよく、また、前輪６２の上方に設けてもよい。また、要求される発電量や冷却効率に応じて、適宜、ラジエータ１５と対向する位置にファンなどの送風装置を設けて、冷却効率を高めてもよい。この場合には、ファンの駆動により、一部の電力が消費されるが、ポンプなどの駆動装置に比べるとはるかに少電力ですみ、電力損失としての影響はそれほどない。
【００５４】
また、本実施形態では、冷却媒体として冷却水を用いたが、それ以外の公知の冷媒を用いてもよく、さらに、放熱手段としてラジエータ１５を用いたが、それ以外の、例えば、冷却媒体が外気と熱交換し得る公知の放冷器を用いてもよい。
【００５５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の燃料電池装置によれば、放熱手段を、燃料電池よりも上方で、かつ、外気に曝される位置に設けるのみの簡易な構成により、放熱手段によって冷却媒体を冷却しながら、放熱手段と燃料電池との間において、冷却媒体を良好に循環させることができる。そのため、冷却媒体を搬送するためのポンプなどの駆動装置を別途設ける必要がなく、そのような駆動装置を駆動するために、発電した電力の一部が消費されることがない。したがって、電力損失を少なくでき、効率の良い電力の供給を行なうことができる。しかも、駆動装置を別途設けることによる、装置構成の複雑化および大型化を回避して、装置構成の簡略化によるコストの低減化、およびコンパクト化を図ることができる。
【００５６】
また、燃料電池における流出側冷却管が接続される位置よりも、下方において流入側冷却管を接続すれば、冷却媒体を、放熱手段と燃料電池との間において、より円滑に循環させることでき、より一層冷却効率を高めることができる。
【００５７】
そして、本発明の燃料電池装置を自動車に備えると、自動車の速度が速い時には、放熱手段の冷却効率が高められて、より高温となる冷却媒体を良好に冷却することができ、また、アイドリング時には、放熱手段の冷却効率が低下するが、その一方で、冷却媒体も高温となることがないので不都合を生じることがない。そのため、放熱手段の冷却効率を、燃料電池の発電状態に応じて変化する冷却媒体の温度に、格別の装置を設けることなく、対応させて変化させることができ、これによって、簡易な構成で、効率の良い冷却を達成することができる。
【００５８】
また、この場合において、自動車にエアスポイラーを設けるとともに、放熱手段を、そのエアスポイラーの翼部の下方に配置することにより、エアスポイラーによって、自動車にダウンフォースを発生させて車両の走行安定性を高めることができながら、そのエアスポイラーによって集められた風を、放熱手段に当てることができるので、放熱手段の冷却効率をより一層高めることができる。したがって、放熱手段をよりコンパクトにできるとともに、エアスポイラーとの一体化により、意匠性を向上させることができる。
【００５９】
さらに、放熱手段をエアスポイラーの下方に配置する場合においては、放熱手段を、翼部の下方における車両前後方向の後方側に配置すれば、その前方側に配置する場合に比べて、風の吸い込みを大きくすることができる。そのため、放熱手段の冷却効率をより一層高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な一実施形態としての燃料電池装置の構成の概略を示す概略構成図である。
【図２】燃料電池の単位セルの構成の概略を示す概略構成図である。
【図３】単位セルが積層される状態を示す分解斜視図である。
【図４】燃料電池の供給側端部および排出側端部を示す分解斜視図である。
【図５】図１に示す燃料電池装置が搭載された電気自動車の要部側面図である。
【図６】図５に示す電気自動車の要部背面図である。
【図７】従来の燃料電池装置を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１１ 燃料電池装置
１２ 燃料電池
１３ 流入側冷却管
１４ 流出側冷却管
１５ ラジエータ
１７ 固体高分子膜
１８ アノード
１９ カソード
５２ 電気自動車
５３ エアスポイラー
５４ 翼部
５５ 脚部
５６ 脚部
５７ 脚部
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池装置に関し、詳しくは、固体高分子膜の両側にアノードおよびカソードが設けられている固体高分子型燃料電池を備える、燃料電池装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、燃料電池として、プロトン導電性の固体高分子膜の両側に、アノードおよびカソードが配設される固体高分子型燃料電池が知られている。この固体高分子型燃料電池は、アノードに水素を含む燃料ガスを供給するとともに、カソードに空気などの酸化ガスを供給することによって、電気化学反応を生じさせ、固体高分子膜中においてプロトンを移動させることによって、起電力を発生させるものであり、燃料ガスの有する化学エネルギーを、直接電気エネルギーに変換することができ、エネルギー効率が良いものとして知られている。
【０００３】
このような固体高分子型燃料電池において、燃料電池を、最も安全かつ効率よく発電させるためには、固体高分子膜の温度を、所定の温度にコントロールしておく必要がある。そのため、このような固体高分子型燃料電池では、燃料電池の内部に冷却水の流路を形成して、この流路内に冷却水を循環させることによって、発電時に生じる熱を除去するようにしている。
【０００４】
そのような燃料電池装置としては、例えば、特開平６−１８８０１３号公報や特開平１０−３４０７３４号公報に記載され、かつ図７に示すようなものが知られている。図７において、この燃料電池装置は、燃料電池１とラジエータ２とが冷却管３を介してクローズドラインで接続されており、冷却管３における燃料電池１の上流側とラジエータ２の下流側との間には、冷却水を搬送するためのポンプ４が介装されている。そして、この燃料電池装置では、ポンプ４の駆動によって、冷却水を、順次、燃料電池１とラジエータ２との間において循環させて、ラジエータ２によって冷却された冷却水を燃料電池１に供給して、燃料電池１を冷却するとともに、燃料電池１を冷却した後の温められた冷却水を再びラジエータ２に還流して、このラジエータ２によって再び冷却するようにしている。また、ラジエータ２と対向する位置には、ファン５が設けられており、このファン５によって、ラジエータ２を冷却することにより、ラジエータ２の放熱を促すようにしている。なお、このラジエータ２には、給水用の水タンク６が接続されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図５に示す燃料電池装置では、冷却水を搬送するためのポンプ４や、ラジエータ２を冷却するためのファン５を備えているため、発電した電力の一部が、これらポンプ４やファン５を駆動させるための電力として消費されるので、、発電による電力の一部が、必ず損失してしまうという不具合を有している。
【０００６】
また、ポンプ４やファン５を設けると、装置構成が複雑となりコストも上昇し、また、これらを設けるためのスペースが必要で、装置が大型化してしまうという不具合を有する。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、その目的とするところは、冷却媒体を搬送するための駆動装置が不要で、簡易かつコンパクトな構成により、良好に冷却媒体を循環させて、電力損失の少ない燃料電池装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、固体高分子膜の両側にアノードおよびカソードが設けられている燃料電池と、前記燃料電池に接続され、前記燃料電池に冷却媒体を流入させるための流入側冷却管と、前記燃料電池に接続され、前記燃料電池から前記冷却媒体を流出させるための流出側冷却管と、前記流入側冷却管および前記流出側冷却管が接続され、前記冷却媒体を冷却するための放熱手段とを備える、燃料電池装置において、前記放熱手段が、前記燃料電池よりも上方で、かつ、外気に曝される位置に設けられており、前記燃料電池には、前記流出側冷却管が接続される位置よりも、下方において前記流入側冷却管が接続されており、前記燃料電池装置が、自動車に備えられており、前記自動車には、車幅方向に延びる翼部および前記翼部を支持する脚部を備えるエアスポイラーが設けられており、前記放熱手段が、前記翼部の下方における車両前後方向の後方側に配置されていることを特徴としている。
【０００９】
このような構成によると、燃料電池から流出される冷却媒体は、燃料電池の発電に伴う発熱により温められて、その密度が低くなっているので、流出側冷却管内を上昇して、放熱手段に流入するようになる。そして、放熱手段においては、流入された冷却媒体と外気との間で熱交換が行なわれることによって、冷却媒体が冷却され、この冷却により密度が高くなった冷却媒体が、流入側冷却管内を降下して、再び燃料電池に流入するようになる。このような流れによって、冷却媒体は、放熱手段と燃料電池との間を循環し、その結果、燃料電池が冷却媒体によって良好に冷却される。
【００１１】
また、燃料電池における流出側冷却管が接続される位置よりも、下方において流入側冷却管を接続することにより、放熱手段から流出された高密度の冷却媒体を、良好に降下させて円滑に燃料電池に導入することができるとともに、燃料電池から流出された低密度の冷却媒体を、良好に上昇させて円滑に放熱手段に導入することができる。
【００１２】
また、燃料電池装置を自動車に備えることにより、例えば、自動車の速度が増大した時には、燃料電池はより多くの発電を行なうので、それに伴う発熱により、燃料電池から流出した冷却媒体はより高温となるが、一方で、放熱手段は、速度が増した分だけ向かい風を強く受けるので、放熱手段に流入する冷却媒体は、その高温となった分に相当する分、より効率よく冷却されるようになる。また、アイドリング時には、放熱手段は、自動車の走行による向かい風を受けることがなく、放熱手段に流入する冷却媒体を効率よく冷却させることができないが、一方で、燃料電池の発電による発熱も生じないので、燃料電池から流出する冷却媒体が高温となるともなく、不都合を生じることはない。
【００１４】
また、自動車に、車幅方向に延びる翼部およびこの翼部を支持する脚部を備えるエアスポイラーを設けるとともに、放熱手段を、そのエアスポイラーの翼部の下方における車両前後方向の後方側に配置することにより、エアスポイラーによって、自動車にダウンフォースを発生させて車両の走行安定性を高めることができながら、そのエアスポイラーによって集められた風を、放熱手段に当てることができるので、放熱手段の冷却効率をより一層高めることができ、さらには、放熱手段を、翼部の下方における車両前後方向の後方側に配置することにより、その前方側に配置する場合に比べて、風の吸い込みを大きくすることができ、放熱手段の冷却効率をより一層高めることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の好適な一実施形態としての燃料電池装置の構成の概略を示す概略構成図である。図１において、この燃料電池装置１１は、燃料電池１２と、この燃料電池１２に冷却媒体としての冷却水を流入させる流入側冷却管１３と、この燃料電池１２から冷却水を流出させる流出側冷却管１４と、冷却水を冷却するための放熱手段としてのラジエータ１５とを備えており、燃料電池１２の流出側とラジエータ１５の流入側とが流出側冷却管１４を介して接続されるとともに、ラジエータ１５の流出側と燃料電池１２の流入側とが流入側冷却管１３を介して接続されており、これによって、燃料電池１２とラジエータ１５とが、流入側冷却管１３および流出側冷却管１４を介してクローズドラインで接続されるように構成されている。
【００１８】
なお、ラジエータ１５には、給水用の水タンク１０が接続されている。また、図１においては、燃料電池装置１１の構成要素のうち、冷却水の給排水部に相当する構成のみが示されており、例えば、燃料ガス給排部や酸化ガス給排部などの構成は省略されている。
【００１９】
燃料電池１２は、固体高分子型燃料電池であって、構成単位である単位セル１６を複数積層したスタック構造とされている。単位セル１６は、図２に示すように、プロトン導電性の固体高分子膜１７と、貴金属が担持される多孔質電極として形成されるアノード１８およびカソード１９と、ガス不透過の導電性部材として形成されるセパレータ２０および２１とによって構成されている。
【００２０】
プロトン導電性の固体高分子膜１７は、より具体的には、パーフルオロスルホン酸膜が使用されており、その温度を約８０℃近傍にコントロールしておくことによって、最も安全かつ効率の良い発電を行なうことができる。アノード１８およびカソード１９は、固体高分子膜１７を、その両側から挟むようにして配置されており、セパレータ２０および２１は、これらアノード１８およびカソード１９を、さらにその両側から挟むようにして配置されている。セパレータ２０には、アノード１８との間において、水素を含む燃料ガスを流すための燃料ガス流路２２を形成するための、燃料ガス流路溝２４が形成されるとともに、セパレータ２１には、カソード１９との間において、酸素を含む酸化ガスを流すための酸化ガス流路２３を形成するための、酸化ガス流路溝２５が形成されている。なお、燃料ガス流路２２には、図示しない燃料ガス給排部から、燃料ガスが供給されるとともに、酸化ガス流路２３には、図示しない酸化ガス給排部から、酸化ガスが供給されている。
【００２１】
そして、アノード１８においては、燃料ガス中の水素が、
【００２２】
【化１】
【００２３】
【化２】
【００２４】
なお、図２においては、セパレータ２０および２１には、それぞれその片面にのみに燃料ガス流路溝２４または酸化ガス流路溝２５が形成されているが、次に述べるように、実際には、両面に、燃料ガス流路溝２４および酸化ガス流路溝２５が形成されており、一方の面がアノード１８との間で燃料ガス流路２２を形成するとともに、他方の面が隣り合う単位セル１６が備えるカソード１９との間で酸化ガス流路２３を形成する。これによって、セパレータ２０および２１は、アノード１８およびカソード１９との間で燃料ガス流路２２および酸化ガス流路２３を形成するとともに、隣接する単位セル１６の間で燃料ガスと酸化ガスとの流れを分離している。なお、単位セル１６を積層してスタック構造とするには、そのスタック構造の両端に位置する２枚のセパレータ２０および２１は、アノード１８またはカソード１９に対向する面だけに、燃料ガス流路溝２４または酸化ガス流路溝２５が形成されている。
【００２５】
図３には、実際に単位セル１６が積層される状態が分解斜視図によって示されている。なお、図２に示したセパレータ２０および２１は、図３において、端部セパレータ２６、中央セパレータ２７および冷却セパレータ２８のいずれかとして構成されている。
【００２６】
端部セパレータ２６、中央セパレータ２７および冷却セパレータ２８には、その一方側端部における上下の角部に、断面円形の冷却水孔３４および３５が形成されている。この冷却水孔３４および３５は、単位セル１６を積層したときに、積層方向に貫通する冷却水の流路を形成するものである。また、これら端部セパレータ２６、中央セパレータ２７および冷却セパレータ２８の積層面の各辺の端部には、それぞれの辺に沿って、互いに対向する１対の細長い燃料ガス長孔３０および３１と、同じく、互いに対向する１対の細長い酸化ガス長孔３２および３３が、それぞれ形成されている。この燃料ガス長孔３０および３１は、単位セル１６を積層したときに、積層方向に貫通する燃料ガスの流路を形成するものであり、また、この酸化ガス長孔３２および３３は、単位セル１６を積層したときに、積層方向に貫通する酸化ガスの流路を形成するものである。
【００２７】
端部セパレータ２６には、その一方の面に、互いに対向する燃料ガス長孔３０および３１の間を連絡する、複数の平行な燃料ガス流路溝２４が形成されている。この燃料ガス流路溝２４は、単位セル１６を積層したときに、隣り合うアノード１８との間において燃料ガス流路２２を形成する。なお、端部セパレータ２６の他方の面（図３では現れていない。）は、溝のないフラットな面として形成されている。
【００２８】
中央セパレータ２７には、その一方の面に、端部セパレータ２６と同様に、互いに対向する燃料ガス長孔３０および３１の間を連絡する、複数の平行な燃料ガス流路溝２４が形成されている。この燃料ガス流路溝２４は、単位セル１６を積層したときに、隣り合うアノード１８との間において燃料ガス流路２２を形成する。また、その他方の面（図３には現れていない。）には、互いに対向する酸化ガス長孔３２および３３の間を連絡する、複数の平行な酸化ガス流路溝２５が形成されている。この酸化ガス流路溝２５は、単位セル１６を積層したときに、隣り合うカソード１９との間において酸化ガス流路２３を形成する。
【００２９】
冷却セパレータ２８には、その一方の面に、冷却水孔３４および３５の間を連絡する、葛折状の冷却水流路溝３６が形成されている。この冷却水流路溝３６は、単位セル１６を積層したときに、端部セパレータ２６と隣り合い、端部セパレータ２６の溝のないフラットな面との間で冷却水路を形成する。また、冷却セパレータ２８の他方の面（図３には現れていない。）には、互いに対向する酸化ガス長孔３２および３３の間を連絡する、複数の平行な酸化ガス流路溝２５が形成されている。この酸化ガス流路溝２５は、単位セル１６を積層したときに、隣り合うカソード１９との間において酸化ガス流路２３を形成する。
【００３０】
そして、端部セパレータ２６、中央セパレータ２７および冷却セパレータ２８が、端部セパレータ２６と中央セパレータ２７との間に、アノード１８およびカソード１９に挟まれた固体高分子膜１７を介して、積層されることにより、スタック構造が形成されている。
【００３１】
なお、図３では、端部セパレータ２６、中央セパレータ２７および冷却セパレータ２８が各１枚ずつしか示されていないが、実際には、中央セパレータ２７が、アノード１８およびカソード１９に挟まれた固体高分子膜１７を介して、所定の枚数連続して積層されている。なお、この端部セパレータ２６、中央セパレータ２７および冷却セパレータ２８の積層枚数は、燃料電池１２に接続される負荷の大きさなどから予想される単位セル１６の発熱量、燃料電池１２に供給される冷却水の温度、燃料電池１２に供給される冷却水の流量などの条件により適宜決定される。例えば、中央セパレータ２７が５枚連続する毎に、端部セパレータ２６および冷却セパレータ２７が積層され、これが１組として、順次積層されることによりスタック構造が形成される。
【００３２】
なお、図３には現れないが、端部セパレータ２６、中央セパレータ２７および冷却セパレータ２８を順次積層したときには、図３における手前側に対応する端部には、端部セパレータ２６と逆向きの端部セパレータが配置される。この端部セパレータは、図３に現れる端部セパレータ６０と逆の構造を有し、溝のないフラットな面が、積層したときの外面に面し、その内面には、互いに対向する酸化ガス長孔３２および３３の間を連絡する、複数の平行な酸化ガス流路溝２５が形成されている。この酸化ガス流路溝２５は、単位セル１６を積層したときに、隣り合うカソード１９との間において酸化ガス流路２３を形成する。
【００３３】
そして、このように、端部セパレータ２６、中央セパレータ２７および冷却セパレータ２８が、その途中に、アノード１８およびカソード１９に挟まれた固体高分子膜１７を介して、所定の枚数連続して積層されることにより形成されたスタック構造の両端には、さらに、集電板３７および３８、絶縁板３９および４０、エンドプレート４１および４２が配設され、これによって、スタック構造の燃料電池１２が形成される。
【００３４】
図４は、これら集電板３７および３８、絶縁板３９および４０、エンドプレート４１および４２の構成が分解斜視図によって示されている。スタック構造の端部セパレータ２６が配設されている一方側端部においては、集電板３７、絶縁板３９、エンドプレート４１が順次外側に向かって積層されており、これらによって燃料電池１２の排出側端部４３が構成されている。また、スタック構造の図３における手前側に対応する、端部セパレータ２６と逆向きの端部セパレータが配設されている他方側端部においては、集電板３８、絶縁板４０、エンドプレート４２が順次外側に向かって積層されており、これらによって燃料電池１２の供給側端部４４が構成されている。
【００３５】
排出側端部４４を構成する集電板３７、絶縁板３９、エンドプレート４１には、上側の冷却水孔３４、燃料ガス長孔３０、酸化ガス長孔３２に対応する位置に、それぞれ、排水孔４５、燃料ガス排出孔４６、酸化ガス排出孔４７が形成されており、また、供給側端部４５を形成する集電板３８、絶縁板４０、エンドプレート４２には、下側の冷却水孔３５、燃料ガス長孔３１、酸化ガス長孔３３に対応する位置に、それぞれ、給水孔４８、燃料ガス供給孔４９、酸化ガス供給孔５０が形成されている。
【００３６】
集電板３７および３８は、銅などの導電性材料により形成されており、その上部には、一体に形成される端子５１を備えている。この端子５１によって、燃料電池１２からの起電力を外部に取り出すようにしている。また、絶縁板３９および４０は、ゴムや樹脂などの絶縁性材料により形成されており、単位セル１６が積層されたスタック構造と、このスタック構造を収容するケーシング（図示せず。）やエンドプレート４１および４２との間を絶縁している。また、エンドプレート４１および４２は、鋼などの剛性の高い材料により形成されいる。
【００３７】
このようにして、単位セル１６が積層されることによって形成される、スタック構造を有する燃料電池１２は、図示しないケーシングに納められ、各部材間においてその積層方向に所定の押圧力が加えられた状態で保持されており、燃料ガス供給孔４９には、図示しない燃料ガス給排部からの燃料ガスが供給されるとともに、酸化ガス供給孔５０には、図示しない酸化ガス給排部からの酸化ガスが供給されている。そして、燃料ガスは、燃料ガス供給孔４９から、スタック構造とされた燃料電池１２内に供給され、燃料ガス長孔３１、燃料ガス流路２２および燃料ガス長孔３０を順次通過した後、燃料ガス排出孔４６から排出される。また、酸化ガスは、酸化ガス供給孔５０から、スタック構造とされた燃料電池１２内に供給され、酸化ガス長孔３３、酸化ガス流路２３および酸化ガス長孔３２を順次通過した後、酸化ガス排出孔４７から排出される。
【００３８】
そして、図１にも示すように、この燃料電池１２の供給側端部４４においては、排水孔４５よりも下方に形成される給水孔４８に、流入側冷却管１３が接続されるとともに、この燃料電池１２の排出側端部４５においては、給水孔４８よりも上方に形成される排水孔４５に、流出側冷却管１４が接続されており、これによって、上記したように、燃料電池１２とラジエータ１５とが、流入側冷却管１３および流出側冷却管１４を介してクローズドラインで接続される状態となり、冷却水が、この燃料電池１２とラジエータ１５との間を循環して流れることができるように構成される。このような構成において、冷却水は、図３および図４に示すように、給水孔４８から、スタック構造とされた燃料電池１２内に供給され、冷却水孔３４、冷却水路および冷却水孔３５を順次通過した後、排水孔４５から排出される。
【００３９】
そして、図１に示すように、この燃料電池装置１１においては、流入側冷却管１３および流出側冷却管１４が上下方向に配置され、ラジエータ１５が、燃料電池１２と所定の間隔を隔てられた上方であって、かつ、外気に曝される位置に設けられている。外気に曝される位置としては、このラジエータ１５が、外の空気と接触可能な位置であって、ラジエータ１５内に流入する冷却水が、熱交換により冷却され得る環境下であればよい。
【００４０】
このような構成によると、燃料電池１２の発電時において、燃料電池１２内から流出された冷却水は、燃料電池１２の発電に伴う発熱により温められて、その密度が低くなっているので、流出側冷却管１３内を上昇して、ラジエータ１５内に流入するようになる。そして、ラジエータ１５内においては、流入された冷却水と外気との間で熱交換が行なわれることによって、冷却水が冷却され、この冷却により密度が高くなった冷却水が、流入側冷却管１３内を降下して、再び燃料電池１２内に流入するようになる。このような流れによって、冷却水は、ラジエータ１５と燃料電池１２との間を循環し、その結果、燃料電池１２が冷却水によって良好に冷却される。
【００４１】
このように、ラジエータ１５を、燃料電池１２よりも上方で、かつ、外気に曝される位置に設ければ、簡易な構成により、ラジエータ１５によって冷却水を冷却しながら、ラジエータ１５と燃料電池１２との間において、冷却水を良好に循環させることができる。そのため、冷却水を搬送するためのポンプなどの駆動装置を別途設ける必要がなく、そのような駆動装置を駆動するために、燃料電池１２により発電した電力の一部が消費されることがない。したがって、電力損失を少なくでき、効率の良い電力の供給を行なうことができる。しかも、駆動装置を別途設けることによる、装置構成の複雑化および大型化を回避して、装置構成の簡略化によるコストの低減化、およびコンパクト化を図ることができる。
【００４２】
また、この燃料電池装置１１では、流出側冷却管１４が接続される排出側端部４３の排水孔４５の位置よりも、流入側冷却管１３が接続される供給側端部４４の給水孔４８の位置を下方に位置させることにより、ラジエータ１５から流出された高密度の冷却水を、良好に降下させて円滑に給水孔４８に導入するとともに、排水孔４５から流出された低密度の冷却水を、良好に上昇させて円滑にラジエータ１５に導入することができる。これによって、ラジエータ１５と燃料電池１２との間における冷却水のより円滑な循環を確保して、より一層の冷却効率の向上を図ることができる。
【００４３】
そして、このような本実施形態の燃料電池装置１１は、電気自動車に搭載して、車両駆動用のモータに対して電力を供給するように構成する。
【００４４】
図５は、本実施形態の燃料電池装置１１をステーションワゴンタイプの電気自動車に搭載した例を示す要部側面図、図６は、図５に示す電気自動車の要部背面図である。図５および図６において、この電気自動車５２には、ルーフパネル６３の車両前後方向における後方側に、エアスポイラー５３が設けられている。図６に示すように、このエアスポイラー５３は、車幅方向の両端部および中央部から立設する複数の脚部５５、５６および５７と、この脚部５５、５６および５７によって、ループパネル５３との間において所定の間隔を隔てて支持される翼部５４とを備えている。この翼部５４は、車幅方向のほぼ全長にわたって延びるような形状として、脚部５５、５６および５７と一体に形成されている。
【００４５】
そして、このような電気自動車５２においては、燃料電池１２が、後部座席５８の後方側であって後輪６１の上方に配置されるとともに、ラジエータ１５および水タンク１０が、ルーフパネル５３と翼部５４との間の隙間に配置されており、ラジエータ１５と燃料電池１２とが、閉断面として形成される筒状のリアピラー５９および６０内に挿通される流入側冷却管１３および流出側冷却管１４によってクローズドラインとして接続されている。
【００４６】
より具体的には、図６に示すように、ルーフパネル５３と翼部５４との間の隙間は、車幅方向における両端部に設けられる脚部５５および５７、および、中央部に設けられる脚部５６によって、２つの空間に区画形成されており、一方の空間の端部に水タンク１０が配置されるとともに、この２つの空間のそれぞれにラジエータ１５が配置されている。すなわち、車幅方向における一方側端部に設けられる脚部５５と、その中央部に設けられる脚部５６とによって形成される空間には、その車幅方向外側の端部に、水タンク１０が、この空間の上下方向を覆うようにして設けられるとともに、その車幅方向内側において隣り合うように、ラジエータ１５が、この空間の上下方向および車幅方向の全長を覆うようにして設けられている。また、車幅方向における他方側端部に設けられる脚部５７と、その中央部に設けられる脚部５６とによって形成される空間には、ラジエータ１５が、この空間の上下方向および車幅方向の全長を覆うようにして設けられている。
【００４７】
そして、燃料電池１２の排出側端部４３に接続されている流出側冷却管１４が一方のリアピラー５９内を介して一方のラジエータ１５に接続されるとともに、燃料電池１２の供給側端部４４に接続されいる流入側冷却管１３が他方のリアピラー６０内を介して他方のラジエータ１５に接続されている。なお、これら２つのラジエータ１５は、中央部に設けられる脚部５６に挿通される図示しない接続管を介して接続されており、また、一方のラジエータ１５には、図示しない接続管を介して水タンク１０が接続されている。ここで、２つのラジエータ１５および水タンク１０は一体化されていてもよい。
【００４８】
なお、これら２つのラジエータ１５は、軽量なアルミニウムにより形成されており、ルーフパネル６３上にねじなどによって固定されている。また、水タンク１０も同様に、ルーフパネル６３上にねじなどによって固定されている。
【００４９】
このようにして、電気自動車５２に本実施形態の燃料電池装置１１を備えると、例えば、電気自動車５２の速度が増大した時には、燃料電池１２はより多くの発電を行なうので、それに伴う発熱により、燃料電池１２から流出した冷却水はより高温となるが、一方で、ラジエータ１５は、速度が増した分だけ向かい風を強く受けるので、ラジエータ１５に流入する冷却水は、その高温となった分に相当する分、より効率よく冷却されるようになる。また、アイドリング時には、ラジエータ１５は、電気自動車５２の走行による向かい風を受けることがなく、ラジエータ１５に流入する冷却水を効率よく冷却することができないが、一方で、燃料電池１２の発電による発熱も生じないので、燃料電池１２から流出する冷却水が高温となるともなく、不都合を生じることはない。そのため、ラジエータ１５の冷却効率を、燃料電池１２の発電状態に応じて変化する冷却水の温度に、格別の装置を設けることなく、対応させて変化させることができ、これによって、簡易かつ低コストな構成で、効率の良い冷却を達成することができる。
【００５０】
また、エアスポイラー５３は、この電気自動車５２にダウンフォースを発生させて車両の走行安定性を高めるために設けられているが、ルーフパネル５３と翼部５４との間には、このエアスポイラー５３によって集められる風が通過するので、この位置にラジエータ１５を配置することによって冷却効率を高めることができる。したがって、このルーフパネル５３と翼部５４との間のわずかな隙間において、ラジエータ１５をコンパクトに設けても、効率よく冷却水を冷却でき、さらに、ラジエータ１５の外観が、翼部５４および車幅方向の両端部に設けられる脚部５５および５７によって覆われるので、意匠性を向上させることができる。
【００５１】
より具体的には、図５に示すように、これら２つのラジエータ１５は、翼部５４の下方における車両前後方向の後方側に配置されている。ラジエータ１５を、翼部５４の下方における車両前後方向の後方側に配置すれば、その前方側に配置する場合に比べて、風の吸い込みを大きくすることができ、より一層冷却効率を高めることができる。
【００５２】
なお、燃料電池１２は、ラジエータ１５よりも下方であれば、その位置は限定されず、例えば、図５に仮想線で示すように、後輪６１の間、あるいは前方側に設けてもよく、また、前輪６２の上方に設けてもよい。また、要求される発電量や冷却効率に応じて、適宜、ラジエータ１５と対向する位置にファンなどの送風装置を設けて、冷却効率を高めてもよい。この場合には、ファンの駆動により、一部の電力が消費されるが、ポンプなどの駆動装置に比べるとはるかに少電力ですみ、電力損失としての影響はそれほどない。
【００５４】
また、本実施形態では、冷却媒体として冷却水を用いたが、それ以外の公知の冷媒を用いてもよく、さらに、放熱手段としてラジエータ１５を用いたが、それ以外の、例えば、冷却媒体が外気と熱交換し得る公知の放冷器を用いてもよい。
【００５５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の燃料電池装置によれば、放熱手段を、燃料電池よりも上方で、かつ、外気に曝される位置に設けるのみの簡易な構成により、放熱手段によって冷却媒体を冷却しながら、放熱手段と燃料電池との間において、冷却媒体を良好に循環させることができる。そのため、冷却媒体を搬送するためのポンプなどの駆動装置を別途設ける必要がなく、そのような駆動装置を駆動するために、発電した電力の一部が消費されることがない。したがって、電力損失を少なくでき、効率の良い電力の供給を行なうことができる。しかも、駆動装置を別途設けることによる、装置構成の複雑化および大型化を回避して、装置構成の簡略化によるコストの低減化、およびコンパクト化を図ることができる。
【００５６】
また、燃料電池における流出側冷却管が接続される位置よりも、下方において流入側冷却管を接続すれば、冷却媒体を、放熱手段と燃料電池との間において、より円滑に循環させることでき、より一層冷却効率を高めることができる。
【００５７】
そして、本発明の燃料電池装置を自動車に備えると、自動車の速度が速い時には、放熱手段の冷却効率が高められて、より高温となる冷却媒体を良好に冷却することができ、また、アイドリング時には、放熱手段の冷却効率が低下するが、その一方で、冷却媒体も高温となることがないので不都合を生じることがない。そのため、放熱手段の冷却効率を、燃料電池の発電状態に応じて変化する冷却媒体の温度に、格別の装置を設けることなく、対応させて変化させることができ、これによって、簡易な構成で、効率の良い冷却を達成することができる。
【００５８】
また、この場合において、自動車にエアスポイラーを設けるとともに、放熱手段を、そのエアスポイラーの翼部の下方に配置することにより、エアスポイラーによって、自動車にダウンフォースを発生させて車両の走行安定性を高めることができながら、そのエアスポイラーによって集められた風を、放熱手段に当てることができるので、放熱手段の冷却効率をより一層高めることができる。したがって、放熱手段をよりコンパクトにできるとともに、エアスポイラーとの一体化により、意匠性を向上させることができる。
【００５９】
さらに、放熱手段をエアスポイラーの下方に配置する場合においては、放熱手段を、翼部の下方における車両前後方向の後方側に配置すれば、その前方側に配置する場合に比べて、風の吸い込みを大きくすることができる。そのため、放熱手段の冷却効率をより一層高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な一実施形態としての燃料電池装置の構成の概略を示す概略構成図である。
【図２】燃料電池の単位セルの構成の概略を示す概略構成図である。
【図３】単位セルが積層される状態を示す分解斜視図である。
【図４】燃料電池の供給側端部および排出側端部を示す分解斜視図である。
【図５】図１に示す燃料電池装置が搭載された電気自動車の要部側面図である。
【図６】図５に示す電気自動車の要部背面図である。
【図７】従来の燃料電池装置を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１１ 燃料電池装置
１２ 燃料電池
１３ 流入側冷却管
１４ 流出側冷却管
１５ ラジエータ
１７ 固体高分子膜
１８ アノード
１９ カソード
５２ 電気自動車
５３ エアスポイラー
５４ 翼部
５５ 脚部
５６ 脚部
５７ 脚部
Claims (1)
- 固体高分子膜の両側にアノードおよびカソードが設けられている燃料電池と、前記燃料電池に接続され、前記燃料電池に冷却媒体を流入させるための流入側冷却管と、前記燃料電池に接続され、前記燃料電池から前記冷却媒体を流出させるための流出側冷却管と、前記流入側冷却管および前記流出側冷却管が接続され、前記冷却媒体を冷却するための放熱手段とを備える、燃料電池装置において、
前記放熱手段が、前記燃料電池よりも上方で、かつ、外気に曝される位置に設けられており、
前記燃料電池には、前記流出側冷却管が接続される位置よりも、下方において前記流入側冷却管が接続されており、
前記燃料電池装置が、自動車に備えられており、
前記自動車には、車幅方向に延びる翼部および前記翼部を支持する脚部を備えるエアスポイラーが設けられており、
前記放熱手段が、前記翼部の下方における車両前後方向の後方側に配置されていることを特徴とする、燃料電池装置。
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