JP4686362B2 - 燃料電池システム及び燃料電池自動車 - Google Patents
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Description
また、前記した加湿器は、例えば、酸化剤ガスを水蒸気交換可能な中空糸膜内に通すとともに、燃料電池スタックから排出された酸化剤ガス(以下、これを「オフガス」という)を加湿器内の中空糸膜外に通すことで、オフガス中の水蒸気を新たに供給される酸化剤ガスへ供給するように構成される。
このような背景に鑑みて本発明がなされたもので、本発明は、燃料電池の性能を安定化させるとともに、コンパクトにアプリケーションに搭載することを可能にする燃料電池システム及び燃料電池自動車を提供することを課題とする。
さらに、この燃料電池システムは、加湿器を2つの燃料電池スタックの間に配置したことから、燃料電池が発する熱により適度に加温される。そのため、加湿器内で反応ガスが加湿されながら、温度が上昇していくので、加湿器内の反応ガスの通路で結露が発生することがない。したがって、反応ガスは、安定した流れとなり、燃料電池の安定した動作が可能となる。
このように、複数の略円柱形状の加湿器と、一方の燃料電池スタックに囲まれた位置にオフガス排出管が設けられれば、デッドスペースが有効利用でき、燃料電池システムのコンパクト化に貢献できる。
この燃料電池システムは、加湿器を2つの燃料電池スタックの間に配置したことから、燃料電池が発する熱により適度に加温される。そのため、加湿器内で反応ガスが加湿されながら、温度が上昇していくので、加湿器内の反応ガスの通路で結露が発生することがない。したがって、反応ガスは、安定した流れとなり、燃料電池の安定動作が可能となる。また、燃料電池スタックを2つに分けたことで、アプリケーションへのレイアウトの自由度が高くなる。
また、加湿器と燃料電池スタックの配管を可及的に短くすることができる。
このようなレイアウトによれば、2つの燃料電池スタックの間の狭い空間を有効利用し て燃料電池システムのコンパクト化を図ることができる。
さらに、この燃料電池システムでは、前記反応ガスを通流させる反応ガス配管を、2つ の前記加湿器と前記燃料電池スタックの一方とに囲まれた位置に配設するのが好ましい( 第9の発明)。こうすれば、デッドスペースを有効利用して、燃料電池システムのコンパ クト化を図ることができる。
さらに、前記2つの燃料電池スタック及び前記加湿器は、燃料電池ボックス内に配置さ れ、前記2つの燃料電池スタックのエンドプレートは、前記燃料電池ボックスに固定され るのが好ましい(第11の発明)。このように燃料電池スタックと、燃料電池ボックスと を一体にすることにより、燃料電池システムの剛性が高くなり、共振周波数が高くなるこ とで、共振を抑えることができる。
第2の発明の燃料電池システムによれば、第1の発明に係る燃料電池システムの効果がより顕著に発揮できる。
第3の発明の燃料電池システムによれば、反応ガス供給管を短くすることができ、反応ガス供給管内での結露を可及的に防止できる。
第4の発明の燃料電池システムによれば、デッドスペースを有効利用して燃料電池システムのコンパクト化に貢献できる。
第5の発明の燃料電池自動車によれば、燃料電池へ空気又は水素を供給する配管が短くできる。
第6の発明の燃料電池自動車によれば、燃料電池システムの組み立て性が向上する。
第7の発明の燃料電池システムによれば、加湿器内の反応ガスの通路で結露が発生しないので、燃料電池の安定動作が可能である。
第8から第9の発明の燃料電池システムによれば、燃料電池システムのコンパクト化を 図ることができる。
第10の発明の燃料電池システムによれば、燃料電池スタックと加湿器とを接続する配管に余計な力がかからず、気密性を保つことができる。
第11の発明の燃料電池システムによれば、燃料電池システムの剛性が高くなり、共振周波数が高くなることで、共振を抑えることができる。
図1に示すように、実施形態に係る燃料電池自動車1は、燃料電池システム2が搭載された自動車である。燃料電池システム2は、主として燃料ガスである水素を供給する水素供給機としての高圧水素タンク11と、酸化剤ガスである空気を供給する空気供給機としての圧縮機12と、加湿器20と、燃料電池スタック30とを備えている。燃料電池スタック30は、第1燃料電池スタック31と第2燃料電池スタック32とからなり、これらは、燃料電池自動車1(車両)の左右(水平方向)に並んで配置され、第1燃料電池スタック31と第2燃料電池スタック32との間に加湿器20が配置されている。第1燃料電池スタック31と第2燃料電池スタック32とは、燃料電池自動車1の車幅方向中心を境に左右に振り分けられているため、燃料電池自動車1の左右の重量バランスがとられている。
高圧水素タンク11から送り出される水素と、加湿器20を通って加湿された空気とは、ともに燃料電池スタック30へ供給され、内部で電気化学反応して起電力を発生する。
以上の燃料電池システム2の構成要素のうち、加湿器20、第1燃料電池スタック31及び第2燃料電池スタック32は、燃料電池ボックス41内に収納されている。そして、燃料電池ボックス41は、フロアパネル42の下(床下)で、車両の前後に延びるメインフレームに固定されている。
圧縮機12から送り出された空気(本明細書において「供給空気」という。)は、加湿器20で加湿された後に燃料電池スタック30のカソードCへ供給される。また、圧縮機12から加湿器20を通らずにカソードCへ送る加湿器バイパス27が設けられ、供給空気の湿度を調整するため適宜加湿器バイパス27を介してカソードCへ供給空気が供給される。加湿器バイパス27へ通す供給空気の流量は、バルブ17により調整される。
アノードAに燃料ガスとして水素を供給し、カソードCに酸化剤ガスとして酸素を含む空気を供給すると、アノードAで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子膜MEを通過してカソードCまで移動し、カソードCの触媒によって酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。
カソードCから排出された空気(オフガス)は、燃料電池スタック30内で発生した水を含んでおり、供給空気を加湿するため加湿器20に供給される。加湿器20内では、水透過膜である中空糸膜21を介してオフガスと供給空気との間で水(水蒸気)の交換が行われる。加湿器20から排出されたオフガスは、大気へ排出される。
図3(a)は、車両後方から見た加湿器20と燃料電池スタック30の分解斜視図であり、(b)は、単セルFCの分解斜視図である。図4は、加湿器20を車両左側から見た側面図、図5は、加湿器20を車両右側から見た側面図、図6は、加湿器20aの断面図、図7は、加湿器20及び燃料電池スタック30の配管を示す車両後方から見た図である。
第1燃料電池スタック31及び第2燃料電池スタック32は、それぞれ一つの燃料電池の単位である単セルFCを数十枚〜数百枚積層させたものである。各単セルFCは、図3(b)に示すように、カーボンやステンレスからなる薄板であるアノードセパレータAS及びカソードセパレータCSと、アノードセパレータASとカソードセパレータCSの間に配置された固体高分子膜MEにカソードC及びアノードAが形成されて構成される膜電極構造体(MEA)とを備えて構成される。アノードセパレータAS及びカソードセパレータCSは、溝39により固体高分子膜MEとの間にそれぞれ水素通路及び空気通路を形成している。また、アノードセパレータAS又はカソードセパレータCSは、隣り合う単セルFCのカソードセパレータCS又はアノードセパレータASとの間で、溝39により冷却水通路を形成している。
各エンドプレート33の車両内側の一辺には、加湿器20と結合するための結合片34が延設されている。結合片34は、各エンドプレート33について上下に1箇所、計2箇所設けられ、エンドプレート33は、第1、第2燃料電池スタック31,32の前後に1つずつ、計4枚設けられているので、総計8箇所に結合片34が設けられている。
加湿器20にも、エンドプレート33の各結合片34に対応する位置に、すなわち前後の上下、左右に計8つの結合片29が形成されている。
エンドプレート33の結合片34、及び加湿器20の結合片29は、それぞれ締結用の孔が形成され、この孔にボルトナットを通して締結することで、第1燃料電池スタック31、加湿器20、及び第2燃料電池スタック32が一体に結合される。なお、エンドプレート33と加湿器20の結合方法は、このような方法に限られず、スタックボルトとナットや、リベット、溶接などを採用することもできる。
固定ブラケット35は、燃料電池の積層方向の端部に設けられ、燃料電池ブロックの締結力を維持している。
また、加湿器20と、第1、第2燃料電池スタック31,32とが、結合片29,34を介して結合されているので、互いの相対位置が固定される。そのため、燃料電池システム2に振動が加わっても、マニホールド50に余計な力がかからず、マニホールド50と加湿器20又は第1、第2燃料電池スタック31,32との結合部において良好な気密性を保つことができる。
図4に示すように、加湿器20は、中空糸膜21(図6参照)を利用した膜型加湿器で、2つの略円柱状の加湿器20aを上下に配置したものである。加湿器20aは、図6に示すように、円筒状のアウターパイプ22の内部に円筒状のインナーパイプ23が配置され、アウターパイプ22とインナーパイプ23の間に水蒸気を透過可能な水透過膜である中空糸状の中空糸膜21がアウターパイプ22の軸方向に沿って揃えて充填されている。燃料電池スタック30との関係では、単セルFCの積層方向に中空糸膜21の管が向くように揃えられている。中空糸膜21は、前端及び後端で束ねられ、互いに接着されて接着部21aを形成している。さらに、接着部21aは、アウターパイプ22及びインナーパイプ23とも接着されて、アウターパイプ22の前端及び後端には、中空糸膜21の内孔のみが開口している。アウターパイプ22の前端には空気供給管24a(供給空気入口)を形成するキャップ24が設けられ、後端には、空気排出口25aを形成するキャップ25が設けられている。
上下の加湿器20aの後端は、燃料電池スタック30から排出されたオフガスが導入されるオフガス供給管23cが設けられている。オフガス供給管23cは、二又に分岐して、それぞれが上下の加湿器20aのインナーパイプ23(図6参照)に連結されている。また、上下の加湿器20aのオフガス収集管22bは、車両左側(図4の手前側)で連結された上、オフガス排出管26(反応ガス配管)に連結されている。オフガス排出管26は、上下の加湿器20aが接して形成された隅に沿って車両後方へ延びるように配置されている。つまり、オフガス排出管26は、2つの加湿器20aと、第2燃料電池スタック32(図3参照)に囲まれた部分に配置されている。そのため、オフガス排出管26のレイアウトは、スペースを有効利用しており、燃料電池システム2のコンパクト化に貢献している。
以上のような配管により、オフガスは、車両後方からオフガス供給管23c、インナーパイプ23を通って、加湿器20a内の中空糸膜21の外側を通った上、オフガス収集管22bにより集められ、オフガス排出管26を通って再び車両後方へ排出される(図6参照)。
以上のような配管により、供給空気は車両前方の空気供給管24aからキャップ24を通じて中空糸膜21の内孔に入り、加湿された上で、キャップ25から空気排出管28を通じ、車両後方へ排出される(図6参照)。
図7においては、マニホールド50の図示を省略し、マニホールド50内の通路のみを図示している。
図7に示すように、加湿器20の空気排出管28は、マニホールド50内の空気供給管51(反応ガス供給管)に連結されている。空気供給管51は左右に分岐し、燃料電池スタック30の内側上段の空気供給口Q1(反応ガス供給口、AIRin)へ連通している。空気供給管51は、左右の燃料電池スタック30(31,32)の中央で分岐しており、分岐点から空気供給口Q1までの長さは同じに設定されている。そのため、供給空気は、左右の燃料電池スタック30(31,32)へ、バランス良く供給される。
図1に示した水素供給機である高圧水素タンク11から供給された水素は、図7に示すようにマニホールド50の左右方向における中央部分に供給され、水素供給管53を通じて左右に分配され、水素供給口Q4へ導入される。この際、水素供給管53の分岐点から水素供給口Q4までの長さは同じに設定されているので、水素は、第1燃料電池スタック31と第2燃料電池スタック32の2つへバランス良く分配される。
このように、高圧水素タンク11は、車両の後方に配置されており、2つの燃料電池スタック30(31,32)の後側から供給されるとともに、同じく後側から排出されるので、水素の配管は可及的に短くでき、燃料電池自動車1の重量及びコストの低減に貢献できる。
この際、加湿器20内で加湿される供給空気は徐々に湿度が高くなるが、同時に加湿器20の両側にある第1燃料電池スタック31及び第2燃料電池スタック32から熱を受け、温度も高くなる。そのため、加湿器20内では、供給空気の湿度の上昇による結露が発生しにくい。
また、空気供給管51の分岐点から左右の空気供給口Q1までの長さは同じに設定されているため、供給空気は、第1燃料電池スタック31と第2燃料電池スタック32の2つへバランス良く分配される。
このように、空気は車両前方の圧縮機12から加湿器20の前側に供給され、後側へ抜けつつ加湿される。そして、加湿器20の後側から、マニホールド50により左右に分配されて燃料電池スタック30に供給される。さらに、燃料電池スタック30の後側から排出されたオフガスが、加湿器20の後側へ供給され、加湿器20を抜けた後は車両後方に排出される。つまり、車両前方の圧縮機12と加湿器20の前方とを接続しているため、空気の配管は短くて済み、また、加湿器20と燃料電池スタック30の間の配管も、マニホールド50で済ませることができるので、可及的に短くすることができる。
この際、冷却水の配管は、車両前方にあるラジエータ13から燃料電池スタック30の後方まで回り込ませるので長くなる。冷却水の配管はアースをとる必要があり、燃料電池から配管の接地点までの距離が長い方が漏電しにくいので、ある程度迂回させるのが望ましい。
図8は、燃料電池スタック30及び加湿器20を平面視した模式図である。第1燃料電池スタック31及び第2燃料電池スタック32の各単セルFCは、すべて直列に接続されており、第1燃料電池スタック31の前方、後方、第2燃料電池スタック32の後方、前方の順に接続され、電位が高くなる。すなわち、図8中の符号でいえば、V1,V2,V3,V4の順に電位が高くなる。その際、電位V2と電位V3は、電気的に隣り合う単セルFCであるため、電位がほぼ同じである。このように、ほぼ電位が同じの面に、水素、空気、冷却水の配管を集中させることにより、電気短絡の可能性を低くすることが可能になっている。
燃料電池スタック30は、水平方向として左右に並んで配置したが、前後に並んで配置させてもよい。さらに、3つ以上の燃料電池スタックを設けた場合には、隣接する燃料電池スタックの間に加湿器を配置させてもよい。
また、本実施形態では、燃料電池の例として燃料ガスとして水素ガスを用い、酸化剤ガスとして酸素ガスを用いたが、これらに限らず、他の反応ガスを利用しても良い。さらに、加湿器も、空気(酸化剤ガス)を加湿するものに限らず、例えば燃料ガスや、燃料ガスと酸化剤ガスの双方を加湿するものでも構わない。
また、燃料電池システム2は、燃料電池自動車に限らず、家庭用電源に適用することもできる。
Claims (11)
- 酸化剤ガス及び燃料ガスからなる反応ガスが供給されて電気化学反応により発電する少なくとも2つの燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに供給される少なくとも一方の反応ガスを加湿する加湿器と、前記加湿器の反応ガス出口から2つの前記燃料電池スタックの反応ガス供給口へ前記反応ガスを送る反応ガス供給管と、を備えた燃料電池システムであって、
前記加湿器は、前記2つの燃料電池スタックの間に配置され、
前記反応ガス供給管は、前記加湿器から前記2つの燃料電池スタックへ向けて分岐しており、その分岐点から前記2つの燃料電池スタックの反応ガス供給口までの長さがほぼ同一に構成されたことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記加湿器は、前記燃料電池スタックから排気されたオフガスに含まれる水分を、水透過膜を介して反応ガスへ供給する膜型加湿器として構成されたことを特徴とする請求の範囲第1項に記載の燃料電池システム。
- 前記加湿器内の水透過膜は、中空糸状であって、かつ一方向に揃えて配設され、
前記燃料電池スタックは、前記中空糸状の水透過膜の管の方向に単セルが積層されて構成され、
前記反応ガス供給口は、前記燃料電池スタックの単セルを積層した方向の一端面に形成され、
前記反応ガス出口は、2つの前記反応ガス供給口と同じ側に向けて設けられたことを特徴とする請求の範囲第2項に記載の燃料電池システム。 - 前記2つの燃料電池スタックは、水平方向に並んで配置され、
前記加湿器は、略円柱形状で、かつ少なくとも2つが上下に隣接して設けられ、前記加湿器から排出された前記オフガスが通流するオフガス排出管は、2つの前記加湿器と前記燃料電池スタックの一方とに囲まれた位置に配設されたことを特徴とする請求の範囲第3項に記載の燃料電池システム。 - 2つの燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに水素を供給する水素供給機と、前記燃料電池スタックに空気を供給する空気供給機と、前記燃料電池スタックに供給される空気を加湿する加湿器とを備える燃料電池システムを搭載した燃料電池自動車であって、
前記燃料電池スタック及び前記加湿器は、前記加湿器を中心に前記2つ燃料電池スタックを車両の左右に並べた状態で前記車両の床下に配設され、
前記空気供給機は、前記燃料電池スタック及び前記加湿器より車両前方に配設され、
前記水素供給機は、前記燃料電池スタック及び前記加湿器より車両後方に配設され、
前記加湿器の供給空気入口は車両前方に、供給空気出口は車両後方に向けて配設され、
前記燃料電池スタックの空気供給口及び水素供給口は、それぞれ車両後方へ向けて開口していることを特徴とする燃料電池自動車。 - 前記燃料電池スタックへ冷却水を供給する冷却水供給管をさらに有し、
前記燃料電池スタックへ空気を供給する空気供給管と、前記燃料電池スタックへ水素を供給する水素供給管と、前記冷却水供給管とは一体のマニホールドとして構成されたことを特徴とする請求の範囲第5項に記載の燃料電池自動車。 - 酸化剤ガス及び燃料ガスからなる反応ガスが供給されて電気化学反応により発電する少なくとも2つの燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに供給される少なくとも一方の反応ガスを加湿する加湿器と、を備えた燃料電池システムであって、
前記加湿器は、前記2つの燃料電池スタックの間に配置されると共に、中空糸状の水透過膜を介して反応ガスを加湿する膜型加湿器として構成され、
前記中空糸状の水透過膜の延びる方向と、前記燃料電池スタック内に形成され各単セルに反応ガスを供給する反応ガス供給通路の延びる方向とは、同じ方向である
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記2つの燃料電池スタックは、水平方向に並んで配置され、
前記加湿器は、略円柱形状で、かつ少なくとも2つが上下に隣接して配置されたことを特徴とする請求の範囲第7項に記載の燃料電池システム。 - 前記反応ガスを通流させる反応ガス配管を、2つの前記加湿器と前記燃料電池スタックの一方とに囲まれた位置に配設したことを特徴とする請求の範囲第8項に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池スタックは、積層された単セルの両端にエンドプレートを有し、前記加湿器と前記2つの燃料電池スタックのエンドプレートとが結合されていることを特徴とする請求の範囲第7項から請求の範囲第9項のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
- 前記2つの燃料電池スタック及び前記加湿器は、燃料電池ボックス内に配置され、前記2つの燃料電池スタックのエンドプレートは、前記燃料電池ボックスに固定されていることを特徴とする請求の範囲第10項に記載の燃料電池システム。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Applications Claiming Priority (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2003346405 | 2003-10-03 | ||
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