JP4530176B2 - 燃料電池車両 - Google Patents

Description

本発明は燃料電池システムを搭載する燃料電池車両に関する。

燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化ガスを膜−電極接合体に供給し、電気化学反応を起こし、化学エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー変換システムである。なかでも、固体高分子膜を電解質として用いる固体高分子電解質型燃料電池スタックは、低コストでコンパクト化が容易であり、しかも高い出力密度を有することから、車載電源システムとしての用途が期待されている。

燃料電池スタックでは、アノード極で発生した水素イオンは、水和状態となって電解質膜中をカソード極に向かって移動する。このため、電解質膜のアノード側表面付近では、水分が不足し、乾燥気味の状態となる。燃料電池スタックの発電を継続するには、アノード側へ水分を補給する必要がある。固体高分子電解質型燃料電池スタックに用いられる電解質膜は、適度な湿潤状態において良好な水素イオン導電性を有するが、含水率が低下すると、電解質膜の電気抵抗が過大となって、電解質膜としての機能を有しなくなる。

電解質膜への水分補給方法として、加湿装置を用いて反応ガスを加湿する方法が一般的である。例えば、特開２００５−１１６３６８号公報には、多数本の中空糸膜から成る中空糸膜束を収容する加湿器によって酸化ガスを加湿する燃料電池システムが開示されている。中空糸膜の内部には、電池反応により生じた水分を多量に含む高湿潤の酸化オフガスが流れる一方で、中空糸膜の外部には、大気から取り込まれた低湿潤の酸化ガスが流れる。酸化オフガスと酸化ガスとの間で水分交換が行われ、酸化ガスが加湿される。
特開２００５−１１６３６８号公報

しかし、酸化オフガスを車両後方に向けて排気する燃料電池車両においては、加湿器から酸化オフガスが排気する出口を車両後方に向けて開口すると、以下に述べるような不都合が生じる。例えば、氷点下の環境下において、燃料電池車両が前傾姿勢のまま停車すると、加湿器より下流側の配管に残留する水分が加湿器に向かって逆流し、加湿器内部で凍結してしまう虞がある。加湿器内部で水分が凍結すると、反応ガス流路が閉塞してしまうので、燃料電池車両を始動することができなくなる。

また、燃料電池車両では、燃料オフガスと酸化オフガスとを混合することにより、燃料オフガスを希釈して外気に排気するための希釈を搭載するのが一般的であるが、加湿器と希釈器とをストレート配管で接続すると、加湿器から希釈器に向かって流れる酸化オフガスには、電池反応で生じた生成水や水蒸気などがエアと分離されない状態で混じっているので、希釈器に取り込まれるエアの流量が少なくなり、希釈性能が低下する虞がある。

そこで、本発明は、上記の問題点に鑑み、加湿器下流の配管から加湿器への水分逆流を抑制するとともに、希釈器の希釈性能向上を図ることを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係わる燃料電池車両は、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタックと、燃料電池スタックから排気される反応オフガスと反応ガスとを水蒸気透過膜を隔てて流すことにより反応オフガスと反応ガスとの間で水分交換を行う加湿器と、加湿器から排気される反応オフガスを車外に排気するための排出流路と、を備える。加湿器には、車両前方向に開口している反応オフガス出口が形成されており、排出流路は、反応オフガス出口に接続され、且つ反応オフガス出口から排出する反応オフガスが車両前方から車両後方に向かって流れるように屈曲している。

希釈器から排気される反応オフガスを流すための排出流路は、反応オフガスが車両前方から車両後方に向かって流れるように屈曲しているので、燃料電池車両が前傾姿勢で停車したとしても、加湿器下流側の配管から加湿器への水分の逆流を抑制できる。排出流路の流路形状としては、略Ｕ字状、略Ｖ字状、略コの字状などが好適である。

本発明の好適な態様において、燃料電池車両は、反応オフガスを希釈するための希釈器を更に備え、希釈器は、排出流路の下流に接続されている。

加湿器から排気される反応オフガスは、屈曲している排出流路を流れる過程において遠心力の作用により気液分離されるので、希釈器にエアを安定して取り込むことができる。これにより、希釈器の希釈性能を向上できる。

本発明の好適な態様において、反応オフガスの排出音を消音するためのマフラーを更に備え、マフラーは、排出流路の下流に接続されている。

本発明によれば、希釈器から排気される反応オフガスを流すための排出流路は、反応オフガス出口から排出する反応オフガスが車両前方から車両後方に向かって流れるように屈曲しているので、燃料電池車両が前傾姿勢で停車したとしても、加湿器下流側の配管から加湿器への水分の逆流を抑制できる。また、加湿器から排気される反応オフガスは、排出流路を流れる過程において、遠心力の作用により気液分離されるので、希釈器にエアを安定して取り込むことができる。これにより、希釈器の希釈性能を向上できる。

以下、各図を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
図１は燃料電池車両の車載電源システムとして機能する燃料電池システム１０のシステム構成を示す。

燃料電池システム１０は、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて発電する燃料電池スタック２０と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池スタック２０に供給する燃料ガス配管系３０と、酸化ガスとしての空気を燃料電池スタック２０に供給する酸化ガス配管系４０と、電力の充放電を制御する電力系６０と、システム全体を統括制御するコントローラ７０と、を備えている。

燃料電池スタック２０は、例えば、多数のセルを直列に積層してなる固体高分子電解質型セルスタックである。セルは、イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面にカソード極を有し、他方の面にアノード極を有し、更にカソード極及びアノード極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池スタック２０は発電する。

燃料ガス配管系３０は、燃料ガス供給源３１と、燃料ガス供給源３１から燃料電池スタック２０のアノード極に供給される燃料ガス（水素ガス）が流れる燃料ガス供給流路３５と、燃料電池スタック２０から排出される燃料オフガス（水素オフガス）を燃料ガス供給流路３５に還流せしめるための循環流路３６と、循環流路３６内の燃料オフガスを燃料ガス供給流路３５に圧送する循環ポンプ３７と、循環流路３６に分岐接続される排気流路３９とを有している。

燃料ガス供給源３１は、例えば、高圧水素タンクや水素吸蔵合金などで構成され、例えば、３５ＭＰａ又は７０ＭＰａの水素ガスを貯留する。遮断弁３２を開くと、燃料ガス供給源３１から燃料ガス供給流路３５に水素ガスが流出する。水素ガスは、レギュレータ３３やインジェクタ３４により、例えば、２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池スタック２０に供給される。

尚、燃料ガス供給源３１は、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、から構成してもよい。

インジェクタ３４は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタ３４は、燃料ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向（気体流れ方向）に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体と、を備えている。

循環流路３６には、排気弁３８を介して、排気流路３９が接続されている。排気弁３８は、コントローラ７０からの指令によって作動することにより、循環流路３６内の不純物を含む燃料オフガスと水分を外部に排出する。排気弁３８の開弁により、循環流路３６内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される燃料オフガス中の水素濃度が上がる。

希釈器５０には、排気弁３８及び排気流路３９を介して排出される燃料オフガスと、排出流路４５を流れる酸化オフガスとが流入し、燃料オフガスを希釈する。希釈化された燃料オフガスの排出音は、マフラー（消音器）５１によって消音され、テールパイプ５２を流れて車外に排気される。

酸化ガス配管系４０は、燃料電池スタック２０のカソード極に供給される酸化ガスが流れる酸化ガス供給流路４４と、燃料電池スタック２０から排出される酸化オフガスが流れる排出流路４５と、を有している。酸化ガス供給流路４４には、フィルタ４１を介して酸化ガスを取り込むエアコンプレッサ４２と、エアコンプレッサ４２により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器４３と、が設けられている。排出流路４５には、酸化ガス供給圧を調整するための背圧調整弁４６と、加湿器４３とが設けられている。

加湿器４３は、多数本の水蒸気透過膜（中空糸膜）から成る水蒸気透過膜束（中空糸膜束）を収容している。水蒸気透過膜の内部には、電池反応により生じた水分を多量に含む高湿潤の酸化オフガス（ウェットガス）が流れる一方で、水上透過膜の外部には、大気から取り込まれた低湿潤の酸化ガス（ドライガス）が流れる。酸化ガスと酸化オフガスとの間で水蒸気透過膜を隔てて水分交換が行われることにより、酸化ガスを加湿することができる。

電力系６０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、バッテリ６２、トラクションインバータ６３、及びトラクションモータ６４を備えている。ＤＣ／ＤＣコンバータ６１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ６２からの直流電圧を昇圧してトラクションインバータ６３に出力する機能と、燃料電池スタック２０又はトラクションモータ６４からの直流電圧を降圧してバッテリ６２に充電する機能と、を有する。ＤＣ／ＤＣコンバータ６１のこれらの機能により、バッテリ６２の充放電が制御される。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１による電圧変換制御により、燃料電池スタック２０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）が制御される。

バッテリ６２は、電力の蓄電及び放電が可能な蓄電装置であり、ブレーキ回生時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。バッテリ６２としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池が好適である。

トラクションインバータ６３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ６４に供給する。トラクションモータ６４は、例えば、三相交流モータであり、燃料電池車両の動力源を構成する。

コントローラ７０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び入出力インタフェースを備えるコンピュータシステムであり、燃料電池システム１０の各部を制御する。例えば、コントローラ７０は、イグニッションスイッチ（図示せず）から出力される起動信号を受信すると、燃料電池システム１０の運転を開始し、アクセルセンサ（図示せず）から出力されるアクセル開度信号や、車速センサ（図示せず）から出力される車速信号などを基に、システム全体の要求電力を求める。システム全体の要求電力は、車両走行電力と補機電力との合計値である。補機電力には、例えば、車載補機類（加湿器、エアコンプレッサ、水素ポンプ、及び冷却水循環ポンプ等）で消費される電力、車両走行に必要な装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、及び懸架装置等）で消費される電力、乗員空間内に配設される装置（空調装置、照明器具、及びオーディオ等）で消費される電力などが含まれる。

そして、コントローラ７０は、燃料電池スタック２０とバッテリ６２の出力電力の配分を決定し、燃料電池スタック２０の発電量が目標電力に一致するように、エアコンプレッサ４２の回転数やインジェクタ３４の弁開度を調整し、燃料電池スタック２０への反応ガス供給量を調整するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１を制御して燃料電池スタック２０の出力電圧を調整することにより燃料電池スタック２０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）を制御する。更に、コントローラ７０は、アクセル開度に応じた目標車速が得られるように例えば、スイッチング指令として、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の各交流電圧指令値をトラクションインバータ６３に出力し、トラクションモータ６４の出力トルク、及び回転数を制御する。

尚、図１はあくまでもシステム構成を概略的に説明するための便宜上のものであって、実際の車載レイアウトを反映したものではない。

次に、図２を参照しながら燃料電池システム１０の車載レイアウトについて説明を加える。説明の便宜上、燃料電池スタック２０、エアコンプレッサ４２、加湿器４３、希釈器５０、マフラー５１、及びテールパイプ５２の車載レイアウトについてのみ図示し、他の機器類の図示は省略する。また、図１に示す符号と同一符号の機器類は、同一の機器類を示し、その詳細な説明を省略する。

尚、符号１００は燃料電池車両を示し、図示左側は車両前方であり、図示上側は車両右側面である。

加湿器４３に形成される酸化オフガス出口４３Ａは、車両前方を向くように開口している。排出流路４５は、酸化オフガス出口４３Ａに接続されており、且つ車両前方から車両後方を向くように略Ｕ字状に屈曲している。排出流路４５の下流には、希釈器５０が接続され、更にその下流には、マフラー５１が接続されている。テールパイプ５２は、略ストレート状に車両後方に向かって配設されている。

かかる構成によれば、燃料電池車両１００が前傾姿勢で停車したとしても、排出流路４５は略Ｕ字状に屈曲しているので、加湿器４３より下流側の配管系（テールパイプ５２、マフラー５１、希釈器５０など）に残留する水分は、排出流路４５の途中（屈曲点付近）までしか逆流せず、少なくとも加湿器４３に逆流することはない。これにより、加湿器４３の凍結による燃料電池システム１０の始動不能を回避できる。燃料電池車両１００が前傾姿勢で停車することによる、加湿器４３への水分逆流を効果的に抑制するには、酸化オフガス出口４３Ａの位置を、加湿器４３より下流側の配管系（テールパイプ５２、マフラー５１、希釈器５０など）の位置よりも高くするのがよい。

また、排出流路４５は、略Ｕ字状に屈曲しているので、加湿器４３から排気される酸化オフガスは、排出流路４５を流れる過程において、遠心力の作用により気液分離される。気液分離された水分は、排出流路４５の壁面に偏るので、希釈器５０のエア取り込み口５０Ａには、水分や水蒸気を殆ど含まないエアが流入する。エア取り込み口５０Ａへの水分混入が著しく低下するので、安定したエア取り込み量を確保することができ、希釈器５０の希釈性能を向上できる。

尚、排出流路４５の流路形状としては、略Ｕ字状に限らず、例えば、略Ｖ字状、略コの字状などでもよい。

以上の説明では、本実施形態に係わる燃料電池システム１０を燃料電池車両の電力源として搭載する例を示したが、燃料電池システム１０を燃料電池車両以外の移動体（ロボット、船舶、航空機等）の電力源として搭載してもよい。

本実施形態に係わる燃料電池システムのシステム構成図である。 燃料電池システムの車載レイアウト図である。

符号の説明

１０…燃料電池システム ２０…燃料電池スタック ４３…加湿器 ４３Ａ…酸化オフガス出口 ４５…排出流路 ５０…希釈器 ５０Ａ…エア取り込み口 ５１…マフラー

Claims (3)

1. 反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックから排気される反応オフガスと前記反応ガスとを水蒸気透過膜を隔てて流すことにより、前記反応オフガスと前記反応ガスとの間で水分交換を行う加湿器と、
   前記加湿器から排気される前記反応オフガスを車外に排気するための排出流路と、
   を備え、
   前記加湿器には、車両前方向に開口している反応オフガス出口が形成されており、
   前記排出流路は、前記反応オフガス出口に接続され、且つ前記反応オフガス出口から排出する反応オフガスが車両前方から車両後方に向かって流れるように屈曲している、燃料電池車両。
2. 請求項１に記載の燃料電池車両であって、
   前記反応オフガスを希釈するための希釈器を更に備え、
   前記希釈器は、前記排出流路の下流に接続されている、燃料電池車両。
3. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池車両であって、
   前記反応オフガスの排出音を消音するためのマフラーを更に備え、
   前記マフラーは、前記排出流路の下流に接続されている、燃料電池車両。

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