JP5217229B2

JP5217229B2 - 燃料電池を搭載する車両

Info

Publication number: JP5217229B2
Application number: JP2007117180A
Authority: JP
Inventors: 康信寿福; 和秀芹澤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-04-26
Filing date: 2007-04-26
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2027-04-26
Also published as: JP2008277039A

Description

本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池車両に関するものである。

近年、水素と酸素とを燃料として発電することのできる燃料電池を搭載し、燃料電池によって発電された電気を動力源とした燃料電池車両が注目を集めている。燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池に燃料ガスとしての水素を供給する燃料ガス系統と、燃料電池に酸化ガスとしての空気を供給する酸化ガス系統と、燃料電池を冷却するための冷却系統と、を備える。燃料電池は、一般に、電解質膜の両面に白金等の触媒層が形成された膜―電極接合体（以下、「ＭＥＡ」とも呼ぶ。ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）と、その両側に配置された導電性多孔質体と、さらにその外側に設けられたセパレータと、を備える。

このような燃料電池システムにおいて、酸化ガスとして燃料電池に供給される空気は、発電効率の観点から、圧縮され、高圧状態となる。圧縮された空気は高温（例えば１００℃以上）になるが、燃料電池の動作温度はそれよりも低いため、圧縮された空気を冷却する必要が生じる。

従来、圧縮されて高温となった酸化ガスを冷却する技術としては、燃料電池車両内に酸化ガス冷却用のインタークーラーを設置し、そのインタークーラーによって酸化ガスを冷却するというものがあった（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００３−２８８９０８号公報

しかし、この技術では、燃料電池車両内に酸化ガス冷却用のインタークーラーを設置するためのスペースが必要になるといった問題があった。このような問題は、燃料電池車両に限らず、燃料電池システム全般に共通する問題であった。

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、酸化ガス冷却用のインタークーラーを設置することなく、圧縮されて高温となった酸化ガスを冷却することのできる技術を提供する。

上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の一形態による燃料電池を搭載する車両は、燃料電池と；前記燃料電池に供給される酸化ガスを圧縮する酸化ガス圧縮装置と；前記燃料電池を冷却するための冷媒を冷却する冷媒冷却装置と；前記酸化ガス圧縮装置と前記燃料電池との間に設けられ、前記圧縮された酸化ガスと前記冷媒とを熱交換させる熱交換部と；を備え、前記燃料電池は、前記車両の床下に配置され；前記酸化ガス圧縮装置および前記冷媒冷却装置は、前記車両の客室空間よりも前方にある前方空間に配置され；前記熱交換部は、前記酸化ガス圧縮装置によって圧縮された酸化ガスを前記燃料電池に供給するための酸化ガス供給管路と、前記燃料電池に供給される前記冷媒が通過する冷媒供給管と、前記燃料電池から排出された前記冷媒が通過する冷媒排出管と、を接触した状態で集合させた集合配管を含み；前記冷媒供給管と、前記冷媒排出管との間には隙間が設けられていてもよい。
また、上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の他の形態による燃料電池システムは、
燃料電池システムであって、燃料電池と、前記燃料電池に供給される酸化ガスを圧縮する酸化ガス圧縮装置と、前記燃料電池を冷却するための冷媒を冷却する冷媒冷却装置と、前記酸化ガス圧縮装置と前記燃料電池との間に設けられ、前記圧縮された酸化ガスと前記冷媒とを熱交換させる熱交換部と、を備える。

以上のように構成された燃料電池システムによれば、圧縮された酸化ガスと、冷媒とを熱交換させるので、酸化ガス冷却用のインタークーラーを設置することなく、圧縮されて高温となった酸化ガスを冷却することができる。

前記燃料電池システムを搭載する燃料電池車両であって、前記燃料電池は、車両の床下に配置され、前記酸化ガス圧縮装置および前記冷媒冷却装置は、車両の客室空間よりも前方にある前方空間に配置される、こととしてもよい。

このような構成とすれば、燃料電池と、酸化ガス圧縮装置および冷媒冷却装置との間の配管が長くなるため、熱交換を行う距離（面積）を大きくすることができ、酸化ガスを十分に冷却することができる。

前記熱交換部は、前記酸化ガス圧縮装置によって圧縮された酸化ガスを前記燃料電池に供給するための酸化ガス供給管路と、前記冷媒を前記燃料電池と前記冷媒冷却装置との間で循環させるための冷媒管路と、を互いに接した状態で集合させた集合配管を含む、こととしてもよい。

このような構成とすれば、酸化ガス冷却用のインタークーラーを設置することなく、圧縮されて高温となった酸化ガスを冷却することができ、酸化ガス供給管や冷媒管等の配管の省スペース化を図ることができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、燃料電池、燃料電池システム、それらを搭載した自動車、またはそれらの製造方法等の形態で実現することができる。

Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システム５００を搭載した燃料電池車両６００の全体構成を示す説明図である。なお、燃料電池車両６００の燃料電池システム５００以外の構成（例えば駆動系等）は省略している。

燃料電池システム５００は、車両床下ＵＦと、前方空間ＦＳとに分かれて設置されている。前方空間ＦＳは、フロントエンジン車のエンジンルームに相当する空間である。前方空間ＦＳには、空気供給系の構成要素のうちで、エアクリーナ１０と、エアコンプレッサ２０とが配置されている。前方空間ＦＳには、さらに、冷媒循環系の構成要素のうちで、ラジエータ８０と、三方弁８２と、冷却液循環ポンプ８４と、イオン交換器８６とが配置されている。車両床下ＵＦには、燃料電池１００と、水素タンク３０と、レギュレータ４０と、希釈器５０と、気液分離器６０と、マフラ７０とが配置されている。燃料電池１００は、燃料電池ケース１００Ａに収納されている。

水素タンク３０は、水素遮断弁３２を備えており、水素遮断弁３２が開弁されると、燃料電池１００に水素（以下、「燃料ガス」とも呼ぶ。）が供給される。レギュレータ４０は、水素遮断弁３２と燃料電池１００との間に設けられており、水素タンク３０から燃料電池１００に供給される水素を調圧（減圧）する。

エアクリーナ１０は、外部から取り込まれた空気（以下、「酸化ガス」とも呼ぶ。）に含まれるゴミなどを取り除く。ゴミ等を取り除かれ、浄化された酸化ガスは、エアコンプレッサ２０に送られる。エアコンプレッサ２０は、燃料電池１００の発電に適切な圧力になるように、酸化ガスを圧縮する。圧縮され、高温となった酸化ガスは、酸化ガス供給管９４を通じて燃料電池１００に供給される。なお、酸化ガス供給管９４と、冷媒供給管９０と、冷媒排出管９２とは、一体化されて接触型配管９８を構成している。接触型配管９８の具体的な構成については後述する。

燃料電池１００において、電気化学反応に供されずに排出された酸化排ガスおよび燃料排ガスは、希釈器５０に導入される。希釈器５０は、燃料排ガスを酸化排ガスと混合することによって希釈する。燃料排ガスと酸化排ガスとの混合ガスは、気液分離器６０に導入される。気液分離器６０は、混合ガス中の水分を液化して分離させる。その後、気液分離された混合ガスは、マフラ７０を介して外部に排出される。なお、燃料電池システム５００は、燃料排ガスを燃料電池１００に再び供給するための装置、例えば、循環ポンプ等を備えることも可能である。

冷却液循環ポンプ８４は、燃料電池１００とラジエータ８０との間に設けられ、冷媒を燃料電池１００とラジエータ８０との間で循環させる。ラジエータ８０は、冷媒排出管９２を通じて循環してきた冷媒を冷却する。ラジエータ８０によって冷却された冷媒は、冷媒供給管９０を通じて、燃料電池１００に再び供給される。なお、燃料電池１００が起動時等で低温である場合には、燃料電池１００から排出された冷媒は、三方弁８２によって、ラジエータ８０を介さずに、燃料電池１００に再度供給される場合もある。イオン交換器８６は、漏電防止等のため、冷媒中に電離するイオンを除去する。

図２は、第１実施例における接触型配管９８の構成を示す断面図である。この接触型配管９８では、冷媒供給管９０および冷媒排出管９２は、円形断面を有する酸化ガス供給管９４を包み込むような半リング形状を有しており、接触面９５を介して酸化ガス供給管９４と接触している。冷媒供給管９０と、冷媒排出管９２と、酸化ガス供給管９４は、冷媒および酸化ガスを透過させない部材で形成することができ、例えば金属等で形成することができる。３つの配管９０，９２，９４は、例えば周囲をテープ等の固定部材で縛ることによって一体化することが可能である。あるいは、接着剤や溶接等を用いて一体化してもよい。

冷媒供給管９０を通過する冷媒の温度は、例えば約７０℃から８０℃である。また、冷媒排出管９２を通過する冷媒の温度は、燃料電池１００内で温められるため、約８０℃から９０℃となる。そして、酸化ガス供給管９４を通過する酸化ガスの温度は、エアコンプレッサ２０によって圧縮されているため、約１００℃以上の高温となる。したがって、酸化ガス供給管９４を通過する酸化ガスの熱は、接触面９５を介して、冷媒供給管９０内および冷媒排出管９２内の冷媒へ移動し、酸化ガスの温度は下がる。

また、燃料電池システムを車両に搭載する場合において、冷媒供給管９０と、冷媒排出管９２と、酸化ガス供給管９４とは、接触し、一体となっているため、配管の省スペース化を図ることが可能となっている。

なお、酸化ガスは高圧であるため、酸化ガス供給管９４の断面形状は円形であることが好ましい。また、冷媒供給管９０と、冷媒排出管９２との間には隙間９１を設けることが好ましい。これは、冷媒供給管９０を通過する冷媒と、冷媒排出管９２を通過する冷媒との間で熱交換が生じるのを防ぐためである。

このように、第１実施例では、酸化ガス供給管９４を、冷媒供給管９０および冷媒排出管９２と接触させて熱交換をさせるため、酸化ガス冷却用のインタークーラーを設置することなく、圧縮されて高温となった酸化ガスを冷却することが可能である。特に、ラジエータ８０やエアコンプレッサ２０等を車両前方の前方空間ＦＳに配置し、燃料電池１００を車両床下ＵＦに配置しているため、接触型配管９８が長くなり、熱交換を行う面積が大きくなる。したがって、酸化ガスを十分に冷却することが可能となる。

Ｂ．他の実施例：
図３は、第２実施例における一体型配管１９８の構成を示す説明図である。図１に示した第１実施例との違いは、冷媒供給管９０および冷媒排出管９２の形状と、これらの配管９０，９２と酸化ガス供給管９４との間の接続方法と、の２点であり、他の構成は第１実施例と同じである。酸化ガス供給管９４の管壁は、冷媒供給管９０および冷媒排出管９２の内周側の壁面として利用されている。このような構成は、冷媒管９０，９２の側壁９０ｓ，９２ｓを、酸化ガス供給管９４の管壁に溶接やろう付け等により接続することによって実現可能である。なお、冷媒供給管９０および冷媒排出管９２は、溶接等によって酸化ガス供給管９４に一体化させるため、作業性の点から、隙間９１の開口部は広くしておくことが好ましい。

このように、第２実施例では、冷媒供給管９０および冷媒排出管９２と、酸化ガス供給管９４との境界を、第１実施例に比べて薄くすることができる。従って、酸化ガスの冷却の点では第２実施例の方が好ましい。

図４は、第３実施例における一体型配管２９８の構成を示す説明図である。図３に示した第２実施例との違いは、酸化ガス供給管９４と、冷媒供給管９０と、冷媒排出管９２の形状が異なっているという点だけである。すなわち、冷媒供給管９０と、冷媒排出管９２と、酸化ガス供給管９４は、それぞれ扇型の断面を有し、酸化ガス供給管９４の管壁は、冷媒供給管９０および冷媒排出管９２の内周側の壁面として利用されている。

図５は、第４実施例における熱交換型配管３９８の構成を示す説明図である。第４実施例では、酸化ガス供給管９４と、冷媒供給管９０と、冷媒排出管９２とをバンドル部３８０で一束にまとめ、その隙間に熱伝導性の良い伝熱材３９９を設けている。伝熱材３９９としては、例えば熱伝導性の良い液体やゲル等を採用することができる。

このように、酸化ガス供給管９４と、冷媒供給管９０と、冷媒排出管９２とによって形成された隙間に、熱伝導性の大きい伝熱材３９９を設けても、第１実施例と同様に、酸化ガス冷却用のインタークーラーを設置することなく、圧縮されて高温となった酸化ガスを冷却することが可能である。

Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｃ１．変形例１：
上記実施例では、圧縮された酸化ガスと、冷媒とを熱交換させるための配管の形状の一例を示したが、この代わりに、酸化ガス供給管９４の少なくとも一部が、冷媒供給管９０および冷媒排出管９２と一体化もしくは接触しているその他の種々の形状を採用することも可能である。例えば、酸化ガス供給管９４と、冷媒供給管９０と、冷媒排出管９２の断面形状は、楕円形であっても、多角形であってもよく、任意の形状を採用することができ、酸化ガス供給管９４の少なくとも一部を冷媒供給管９０および冷媒排出管９２と一体化もしくは接触させればよい。

Ｃ２．変形例２：
上記実施例では、酸化ガス供給管９４は、冷媒供給管９０および冷媒排出管９２の両方と一体化もしくは接触していたが、この代わりに、冷媒供給管９０または冷媒排出管９２のどちらか一方のみと一体化もしくは接触していることとしてもよい。また、一体化もしくは接触している部分は、酸化ガス供給管９４の一部分であってもよい。

Ｃ３．変形例３：
上記実施例では、酸化ガス供給管９４を、冷媒供給管９０および冷媒排出管９２と一体化もしくは接触させることによって熱交換をさせていたが、この代わりに、酸化ガスと冷媒とを熱交換させることのできるその他の種々の構成を有する熱交換部を採用することが可能である。例えば、酸化ガス供給管９４を、冷媒供給管９０および冷媒排出管９２から離れた場所に配置し、熱伝導性の高い部材を、酸化ガス供給管９４と、冷媒供給管９０または冷媒排出管９２とに接するように設けるようにしてもよい。この構成によれば、酸化ガス供給管９４と、冷媒供給管９０または冷媒排出管９２との間で熱交換させることが可能である。

Ｃ４．変形例４：
上記実施例では、冷媒のみをラジエータ８０で冷却しているが、この代わりに、冷媒のみではなく、酸化ガスもラジエータ８０で冷却する構成とし、ラジエータ８０を通過した後に、酸化ガス供給管９４と、冷媒供給管９０および冷媒排出管９２とを一体化もしくは接触させることも可能である。また、酸化ガス供給管９４と、冷媒供給管９０および冷媒排出管９２とを一体化もしくは接触させた構成のまま、ラジエータ８０を通過させて冷却させることも可能である。

本発明の一実施例としての燃料電池システムを搭載した燃料電池車両の構成を示す説明図である。第１実施例における接触型配管の構成を示す断面図である。第２実施例における一体型配管の構成を示す説明図である。第３実施例における一体型配管の構成を示す説明図である。第４実施例における熱交換型配管の構成を示す説明図である。

符号の説明

ＦＳ…前方空間
ＵＦ…車両床下
１０…エアクリーナ
２０…エアコンプレッサ
３０…水素タンク
３２…水素遮断弁
４０…レギュレータ
５０…希釈器
６０…気液分離器
７０…マフラ
８０…ラジエータ
８２…三方弁
８４…冷却液循環ポンプ
８６…イオン交換器
９０…冷媒供給管
９０ｓ…側壁
９１…隙間
９２…冷媒排出管
９２ｓ…側壁
９４…酸化ガス供給管
９５…接触面
９８…接触型配管
１００…燃料電池
１００Ａ…燃料電池ケース
１９８…一体型配管
２９８…一体型配管
３８０…バンドル部
３９８…熱交換型配管
３９９…伝熱材
５００…燃料電池システム
６００…燃料電池車両

Claims

燃料電池を搭載する車両であって、
燃料電池と、
前記燃料電池に供給される酸化ガスを圧縮する酸化ガス圧縮装置と、
前記燃料電池を冷却するための冷媒を冷却する冷媒冷却装置と、
前記酸化ガス圧縮装置と前記燃料電池との間に設けられ、前記圧縮された酸化ガスと前記冷媒とを熱交換させる熱交換部と、
を備え、
前記燃料電池は、前記車両の床下に配置され、
前記酸化ガス圧縮装置および前記冷媒冷却装置は、前記車両の客室空間よりも前方にある前方空間に配置され、
前記熱交換部は、前記酸化ガス圧縮装置によって圧縮された酸化ガスを前記燃料電池に供給するための酸化ガス供給管路と、前記燃料電池に供給される前記冷媒が通過する冷媒供給管と、前記燃料電池から排出された前記冷媒が通過する冷媒排出管と、を接触した状態で集合させた集合配管を含み、
前記冷媒供給管と、前記冷媒排出管との間には隙間が設けられている、車両。