JP5948213B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。

従来から、車体前部に画成されたモータルーム内に燃料電池や駆動用モータを収納し、燃料電池で発生した電気エネルギで駆動用モータを駆動させることで走行する、いわゆる燃料電池搭載車両が知られている。燃料電池では、アノード側に燃料ガスとして水素を供給し、カソード側に酸化剤ガスとして酸素を含む空気を供給すると、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動し、カソードにおいて酸素と電気化学反応を起こす。これにより、燃料電池において発電がなされる。

ところで、例えば特許文献１には、燃料電池自体や、燃料電池と水素供給デバイスとの接続部分等から漏れた水素に電気接続部分が晒されるのを抑制するために、燃料電池とＤＣ／ＤＣコンバータとの電気接続部分をケース内に気密状態で収納する構成が開示されている。

特開２０１０−２７２４４６号公報

しかしながら、燃料電池搭載車両のモータルーム内には、多くの電気部品が搭載されているため、特許文献１の構成のように、電気接続部をケースに個々に収納する場合には、部品点数の増加や、レイアウト性の悪化等に繋がるという問題がある。

そこで、本発明は、部品点数の増加やレイアウト性の悪化を抑制した上で、収納空間内において接点構造体が水素に晒されるのを抑制できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載した発明は、車両（例えば、実施形態における燃料電池搭載車両５１）に搭載される燃料電池システム（例えば、実施形態における燃料電池システム１）であって、燃料電池スタック（例えば、実施形態における燃料電池２）を収納する収納空間（例えば、実施形態におけるモータルーム５３）のうち、前記燃料電池スタックの上方領域を回避した領域であって、前記燃料電池スタックに対して車幅方向の一方側に接点構造体（例えば、実施形態における接点構造体）が収納され、前記収納空間と前記車両のキャビン（例えば、実施形態におけるキャビン５８）とを前後方向で区画するダッシュボード（例えば、実施形態におけるダッシュボード５４）のうち、前記燃料電池スタックに対して車幅方向の他方側に位置する部分に前記キャビン内に外気を導入する外気導入孔（例えば、実施形態における外気導入孔５４ｃ）が形成されていることを特徴とする。

請求項２に記載した発明では、前記接点構造体は、前記燃料電池スタックの下方にさらに配置されていることを特徴とする。

請求項３に記載した発明では、前記接点構造体と前記燃料電池スタックとの間には、燃料電池制御ユニット（例えば、実施形態におけるＥＣＵ４４）及び燃料電池電圧測定ユニット（例えば、実施形態におけるセル電圧ＥＣＵ７９）のうち、少なくとも一方が配置されていることを特徴とする。

請求項１に記載した発明によれば、燃料電池スタックや燃料電池スタックと水素供給デバイスとの接続部分等から漏れた水素は、収納空間内を上方に向けて拡散するため、接点構造体を通過せずに、外部に排出されることになる。そのため、接点構造体が水素に晒されるのを抑制できる。
この場合、従来のように電気接続部をそれぞれケースに収納する必要がないので、部品点数の増加やレイアウト性の悪化を抑制した上で、収納空間内において接点構造体が水素に晒されるのを抑制できる。

請求項２に記載した発明によれば、燃料電池スタックよりも下方に接点構造体を配置することで、接点構造体が水素に晒されるのを確実に抑制できる。

請求項３に記載した発明によれば、燃料電池スタックとの間に燃料電池制御ユニットや燃料電池電圧測定ユニットを挟んで接点構造体が配置されるため、これら燃料電池制御ユニットや燃料電池電圧測定ユニットが燃料電池スタックとの間を隔てるシュラウドとして機能することになる。したがって、収納空間内に存在する水素が接点構造体に向けて拡散するのを抑制し、接点構造体が水素に晒されるのを抑制できる。この場合、接点構造体を燃料電池スタックと上下方向の同等の位置（例えば、燃料電池スタックの側方）に配置することもできるため、メンテナンス性も維持できる。

燃料電池システムの概略構成図である。 燃料電池搭載車両の前部を上方から見た斜視図である。 燃料電池搭載車両の前部を示す概略側面図である。 図３のＡ部拡大図である。 図２のＢ部拡大図である。

次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（燃料電池システム）
まず、燃料電池搭載車両に搭載される燃料電池システムについて説明する。図１は燃料電池システムの概略構成図である。
図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池スタック２（以下、燃料電池２という）と、燃料電池２にカソードガスである空気を供給するためのカソードガス供給手段３と、アノードガスである水素を供給するためのアノードガス供給手段４と、を主に備えている。

燃料電池２は、反応ガスを電気化学反応させて電力を得るタイプのものであり、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとの間に挟み込んでセルを形成し、そのセルを複数積層して積層体を形成し、その積層体を一対のエンドプレートで挟持することで構成されている。そして、アノードに面するアノード流路５に水素を供給し、カソードに面するカソード流路６に空気を供給すると、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動し、カソードにおいて酸素と電気化学反応を起こす。これにより、燃料電池２において発電がなされる。

燃料電池２は、後述する駆動用モータ７２や高圧バッテリ（不図示）等に接続され、燃料電池２で発電した電力を高圧バッテリに充電したり、駆動用モータ７２に供給したりすることが可能になっている。また、燃料電池２の発電量が少ないときには、その不足分を高圧バッテリで補って駆動用モータ７２を駆動することができるようになっている。また、燃料電池システム１は、後述する燃料電池搭載車両５１における各種補機を駆動するための低電圧バッテリ８２（図２参照）も備えている。

燃料電池２に供給される空気は、エアクリーナ１１によって不純物が取り除かれた後、エアコンプレッサ１２により所定圧力に加圧され、カソードガス供給流路１３を流通し、加湿器１４及び入口封止弁１５を経て燃料電池２のカソード流路６に供給される。燃料電池２に供給されたカソードガスは、発電に供された後、カソード側の生成水とともにカソードオフガス流路１６を流通し、出口封止弁１７、加湿器１４、圧力制御弁１８を経て希釈ボックス１９へ排出される。
なお、上述した加湿器１４は、カソードガス供給流路１３とカソードオフガス流路１６との間に架け渡され、カソードオフガス中の水分を、内蔵された複数の中空糸膜等を介してカソードガスに移動させることによってカソードガスを加湿する。

カソードガス供給流路１３における入口封止弁１５の下流側と、カソードオフガス流路１６における出口封止弁１７の上流側と、はカソードガス循環流路２１によって接続されている。カソードガス循環流路２１にはカソードガス循環ポンプ２２が設けられ、このカソードガス循環ポンプ２２を駆動することにより、燃料電池２から排出されたカソードオフガスを、再びカソードガス供給流路１３に供給できるようになっている。

一方、燃料電池２に供給される水素は、水素タンク３１から供給された後、アノードガス供給流路３２を流通し、遮断弁３３、インジェクタ３４及びエゼクタ３５を経て燃料電池２のアノード流路５に供給される。なお、燃料電池２で消費されなかった未反応の水素は、燃料電池２からアノードオフガスとして排出され、アノードオフガス流路３６を通ってエゼクタ３５に吸引される。そして、水素タンク３１から供給される新鮮な水素と合流し、再び燃料電池２のアノード流路５に供給される。すなわち、燃料電池２から排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス流路３６、エゼクタ３５及びアノードガス供給流路３２を通って、燃料電池２を循環する。

また、アノードガス供給流路３２におけるエゼクタ３５の下流側と、アノードオフガス流路３６と、はアノードオフガス循環流路４９によって接続されている。アノードオフガス循環流路４９には、水素ポンプ４０が設けられ、この水素ポンプ４０を駆動させることにより、燃料電池２から排出されたアノードオフガスを再びアノードガス供給流路３２に供給できるようになっている。なお、本実施形態では、この水素ポンプ４０や上述したインジェクタ３４、エゼクタ３５等により燃料電池２へアノードガスを供給するための水素供給デバイスを構成している。

また、アノードオフガス流路３６からは、パージ弁４１を備えたアノードオフガス排出流路４２が分岐しており、アノードオフガス排出流路４２に排出されたアノードオフガスは、パージ弁４１を経て希釈ボックス１９へ排出される。希釈ボックス１９に排出されたアノードオフガスは、カソードオフガス流路１６を通って希釈ボックス１９に流入するカソードオフガスによって希釈された後に、外部へ排出される。

このような燃料電池システム１の運転は、ＶＣＵ４３及びＥＣＵ（燃料電池制御ユニット）４４によって制御される。
ＶＣＵ４３は、燃料電池２と高圧バッテリとの間に接続され、ＥＣＵ４４から出力される指令に従って、燃料電池２の発電電力を受容管理するものである。ＥＣＵ４４は、ブレーキ操作やアクセル操作等に基づいて燃料電池２への出力要求を検出して、この検出結果に基づき燃料電池２への反応ガスの供給量等、燃料電池２を統括的に制御する。

（燃料電池搭載車両）
次に、上述した燃料電池システム１を搭載した燃料電池搭載車両５１について説明する。図２は燃料電池搭載車両の前部を上方から見た斜視図であり、図３は燃料電池搭載車両の前部を示す概略側面図である。なお、以下で用いる図面において、矢印ＦＲは車両の前方を示し、矢印ＵＰは車両の上方を示し、矢印ＬＨは車両の左方を示している。
図２、図３に示すように、本実施形態の燃料電池搭載車両５１において、車体５２の前部には、平面視で枠状のモータルーム５３が画成されている。なお、モータルーム５３の後部には、キャビン５８内とモータルーム５３内とを前後方向で区画するダッシュボード５４（図２参照）が設けられている。

図３に示すように、ダッシュボード５４は、上下方向に沿って延在するダッシュボードロア５４ａと、ダッシュボードロア５４ａの上端部から前方に向かって連設されたダッシュボードアッパ５４ｂと、を備えている。ダッシュボードロア５４ａの下部は、後斜め下方に向けて延在しており、その下端部が図示しないフロアパネルに接続されている。
ダッシュボードアッパ５４ｂの上端部には、カウルトップ６２が設けられている。カウルトップ６２は、左右方向に亘って延びるとともに、後斜め上方に向けて傾斜しており、その前面にはワイパ装置６０が取り付けられている。また、カウルトップ６２の後端部には、後斜め上方に向けて延びる図示しないフロントガラスが取り付けられている。

図４は図３のＡ部を示す拡大図である。
また、図２、図４に示すように、ダッシュボードアッパ５４ｂの上部には、ダッシュボード５４の後方に配置された図示しない空調装置に向けて外気を導入する外気導入孔５４ｃ（図２参照）が形成されている。外気導入孔５４ｃ内には、燃料電池搭載車両５１の前面から取り込まれてモータルーム５３内を通過した外気が、カウルトップ６２とダッシュボードアッパ５４ｂとの間を通って流入するようになっている（図４中矢印参照）。なお、外気導入孔５４ｃと空調装置との間には、外気導入孔５４ｃと空調装置との連通及び遮断を切り替える内外気切り替えドア（不図示）が設けられている。つまり、内外気切り替えドアが開状態にあるときは外気導入孔５４ｃと空調装置とが連通して、外気が空調装置を通してキャビン５８内に供給され（外気導入モード）、内外気切り替えドアが閉状態にあるときは外気導入孔５４ｃと空調装置との連通が遮断され、キャビン５８内の内気が空調装置を通してキャビン５８内に再び供給されるようになっている（内気循環モード）。

なお、モータルーム５３内の上部には、モータルーム５３内の水素濃度を検出する水素センサ５９が設置されている。そして、空調装置は、水素センサ５９による検出結果に基づいて、外気導入モードと内気循環モードとを切り替えるように構成されている。具体的に、空調装置は、水素センサ５９により検出されたモータルーム５３内の水素濃度が所定値以上であると判断した場合に、外気導入モードから内気循環モードに切り替える。これにより、モータルーム５３内の水素が空調装置を通してキャビン５８内に流出するのを抑制できる。なお、モータルーム５３内の水素は、フロントバンパやボンネット（何れも不図示）との隙間等を通って時間経過とともに排出されることになる。

図２、図３に示すように、モータルーム５３の左右方向両側には、一対のサイドフレーム５５が前後方向に沿って延在している。これらサイドフレーム５５は、キャビン５８の前部下方から上方に湾曲した後、前方に向けて延在している。両サイドフレーム５５の後端部は、車体５２の前後方向中央に設けられた図示しないフロアフレームやサイドシル等のフレーム部材に結合されている。一方、両サイドフレーム５５の前部同士の間には、前後方向に開口する矩形枠状のフロントバルクヘッド５６が取り付けられている。

各サイドフレーム５５には、上方に向かうに従い左右方向の外側に向けて延在する一対のホイルハウス６３（図２参照）が設けられている。各ホイルハウス６３の上端縁には、前後方向に沿って延びるアッパメンバ６４が設けられている。各アッパメンバ６４の前端部は、上述したフロントバルクヘッド５６の上部にそれぞれ結合されている。

このように構成されたモータルーム５３内には、駆動用モータ７２、燃料電池２、及びＶＣＵ４３が下方から順に積載されている。
駆動用モータ７２は、円筒状に形成され、回転軸を左右方向に向けた状態で、図示しないマウント部材を介して車体５２に支持されている。
燃料電池２は、左右方向を長手方向とする箱型とされ、上述したサイドフレーム５５よりも上方で略水平に配置されている。

図５は、図２のＢ部拡大図である。
図２、図３、図５に示すように、ＶＣＵ４３は、左右方向を長手方向とするケース７８内に、例えばＤＣ−ＤＣコンバータ等が収納されて構成されている。ＶＣＵ４３（ケース７８）は、燃料電池２の上面における前部に取り付けられ、上述したダッシュボードアッパ５４ｂの前方に位置している。なお、ＶＣＵ４３の後面は、上述した燃料電池２の後面よりも前方に位置しており、ＶＣＵ４３の後方には上述したエアクリーナ１１が配置されている。

モータルーム５３内における燃料電池２の前方には、ラジエータ７５が配置されている。ラジエータ７５は、燃料電池２や駆動用モータ７２、ＶＣＵ４３等を循環する冷却水と、走行風である外気と、を熱交換させることにより、冷却水を冷却する。ラジエータ７５の後方には、冷却ファン７６、及びラジエータ７５と冷却ファン７６との間を覆うファンシュラウド７７が設けられている。

モータルーム５３内のうち、燃料電池２における左右方向の一方側（図示の例では左側）には、ＥＣＵ４４及びセル電圧ＥＣＵ（燃料電池電圧測定ユニット）７９が前後方向に並んで配置されている。これらＥＣＵ４４及びセル電圧ＥＣＵ７９は、左右方向を厚さ方向とする箱型とされるとともに、上下方向の長さが燃料電池２と同等され、左右方向から見て燃料電池２と重なるように配置されている。なお、セル電圧ＥＣＵ７９は、燃料電池２の各セルのセル電圧を測定して、その測定結果をＥＣＵ４４に向けて出力する。

また、ＥＣＵ４４及びセル電圧ＥＣＵ７９を間に挟んで燃料電池２の反対側には、リレーボックス８１及び低電圧バッテリ８２が隣接して配置されている。
リレーボックス８１には、ＥＣＵ４４等による制御のもと、燃料電池２やバッテリ(高電圧バッテリ及び低電圧バッテリ８２)から、駆動用モータ７２や各種電気部品に供給される電力の供給制御（ＯＮ／ＯＦＦ制御）を行うリレーが集約されている。
低電圧バッテリ８２は、燃料電池搭載車両５１の各種補機類を駆動するための電源であって、リレーボックス８１の前方に配設されている。

また、図１〜図３、図５に示すように、モータルーム５３内において、燃料電池２及びセル電圧ＥＣＵ７９の下方には、上述したカソードガス循環ポンプ２２が配置されるとともに、カソードガス循環ポンプ２２の後方には、カソードガス循環流路２１及びカソードガス供給流路１３を介して接続された入口封止弁１５が配置されている。入口封止弁１５は、上述したようにカソードガス供給流路１３を介して燃料電池２のカソード流路６に接続されている。

ここで、モータルーム５３内に収納された各種電気部品のうち、接点構造体は燃料電池２の上方領域を回避した位置に配置されている。本実施形態における接点構造体とは、電気接続部を覆うカバーが水素シールされていないものや、リレーやブラシ付モータ等のような可動接点をもつもの、フューズのように溶断の際アークを飛ばす虞のあるもの等である。
具体的に、本実施形態では、接点構造体のうち、冷却ファン７６、カソードガス循環ポンプ２２、及び入口封止弁１５は、燃料電池２の下面２ａよりも下方に配置されている。また、接点構造体のうち、リレーボックス８１及び低電圧バッテリ８２は、燃料電池２の側方であって、ＥＣＵ４４及びセル電圧ＥＣＵ７９を隔てて配置されている。

このように、本実施形態では、モータルーム５３内において、燃料電池２の上方領域を回避した領域に接点構造体を配置する構成とした。
この構成によれば、燃料電池２や燃料電池２と水素供給デバイスとの接続部分等から漏れた水素は、モータルーム５３内を上方に向けて拡散するため、接点構造体を通過せずに、図示しないフロントバンパやボンネットとの隙間等を通して外部に排出されることになる。そのため、接点構造体が水素に晒されるのを抑制できる。
この場合、従来のように電気接続部をそれぞれケースに収納する必要がないので、部品点数の増加やレイアウト性の悪化を抑制した上で、モータルーム５３内において接点構造体が水素ガスに晒されるのを抑制できる。また、例えばモータルーム５３内の水素を外部に排出するための強制換気等も必要もないので、低コスト化及び省電力化も図ることができる。

特に、本実施形態では、燃料電池２の下面２ａよりも下方に冷却ファン７６やカソードガス循環ポンプ２２、入口封止弁１５等の接点構造体を配置することで、接点構造体が水素に晒されるのを確実に抑制できる。
また、リレーボックス８１や低電圧バッテリ８２等のように燃料電池２の側方に位置する接点構造体は、燃料電池２との間にＥＣＵ４４やセル電圧ＥＣＵ７９を挟んで配置されているため、これらＥＣＵ４４やセル電圧ＥＣＵ７９が燃料電池２との間を隔てるシュラウドとして機能することになる。したがって、モータルーム５３内に存在する水素が接点構造体に向けて拡散するのを抑制し、リレーボックス８１や低電圧バッテリ８２等が水素に晒されるのを抑制できる。この場合、リレーボックス８１や低電圧バッテリ８２等を燃料電池２と上下方向の同等の位置に配置できるため、メンテナンス性も維持できる。

なお、本発明の技術範囲は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、上述した実施形態で挙げた構成等はほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
例えば、上述した実施形態では、燃料電池２の下方や左右方向の一方側に接点構造体を配置する構成について説明したが、これに限らず、燃料電池２の上方領域を回避した領域に配置されていれば構わない。
また、上述した実施形態では、接点構造体と燃料電池２との間に、ＥＣＵ４４とセル電圧ＥＣＵ７９の双方を配置する構成について説明したが、これに限らず、ＥＣＵ４４とセル電圧ＥＣＵ７９の少なくとも一方を配置すれば構わない。

上述した実施形態では、接点構造体として、カソードガス循環ポンプ２２や、入口封止弁１５、冷却ファン７６、ＥＣＵ４４、セル電圧ＥＣＵ７９を例にして説明したが、これらに限られない。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上述した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。

２…燃料電池（燃料電池スタック） １５…入口封止弁（接点構造体） ２２…カソードガス循環ポンプ(接点構造体) ４４…ＥＣＵ（燃料電池制御ユニット） ５１…燃料電池搭載車両（車両） ５３…モータルーム（収納空間） ７６…冷却ファン（接点構造体） ７９…セル電圧ＥＣＵ（燃料電池電圧測定ユニット） ８１…リレーボックス（接点構造体） ８２…低電圧バッテリ（接点構造体）

Claims (3)

1. 車両に搭載される燃料電池システムであって、
   燃料電池スタックを収納する収納空間のうち、前記燃料電池スタックの上方領域を回避した領域であって、前記燃料電池スタックに対して車幅方向の一方側に接点構造体が収納され、
   前記収納空間と前記車両のキャビンとを前後方向で区画するダッシュボードのうち、前記燃料電池スタックに対して車幅方向の他方側に位置する部分に前記キャビン内に外気を導入する外気導入孔が形成されていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記接点構造体は、前記燃料電池スタックの下方にさらに配置されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記接点構造体と前記燃料電池スタックとの間には、燃料電池制御ユニット及び燃料電池電圧測定ユニットのうち、少なくとも一方が配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。

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