JP7163726B2 - 燃料電池システムおよび燃料電池車両 - Google Patents

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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。
燃料電池システムにおいて、カソードに酸化ガスとしての空気を供給するために、気体を圧縮するコンプレッサが広く用いられている。コンプレッサとしては、モータと、モータによって駆動される回転軸と、回転軸に取り付けられたインペラと、を備え、モータやその他の駆動部分を備える閉空間の中で、各部の潤滑や冷却のためのオイルを循環させるコンプレッサが知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開2008-144724号公報
コンプレッサは、稼働中には、モータやその他の駆動部分を備える閉空間内において発熱する。このような発熱に伴って上記閉空間内の圧力が上昇すると、上記閉空間から、インペラが配置されて空気が圧縮される圧縮室へと、オイルが漏れる可能性がある。このようなオイルの漏れが生じると、コンプレッサから燃料電池に供給される空気中にオイルが混入し、不都合を生じ得る。
本発明は、以下の形態として実現することが可能である。
[形態1]燃料電池システムであって、燃料電池と、空気を圧縮して前記燃料電池のカソードに送り出すコンプレッサと、前記燃料電池を冷却するための冷媒が流れる冷媒配管と、第1端部と第2端部と鉛直上向き側に延びる上昇部とを備え、前記第1端部が前記コンプレッサに接続され、前記第2端部が大気開放された圧抜きパイプと、を備え、前記コンプレッサは、回転体によって空気が圧縮される圧縮室と、前記圧縮室と区画され、前記回転体を駆動するための駆動機構が配置されると共にオイルが流通し、前記圧抜きパイプの前記第1端部に連通する駆動室と、を備え、前記圧抜きパイプと前記冷媒配管とは、前記冷媒配管により前記圧抜きパイプが冷却されるように、前記燃料電池の一の側面に対向する方向から見たときに、前記一の側面上で交差するように配置されており、前記冷媒配管は、前記冷媒配管が分岐する分岐部において、分岐して流れる前記冷媒の流量を変更するロータリーバルブを備え、前記ロータリーバルブは、前記燃料電池における前記一の側面上に配置され、前記ロータリーバルブは、前記圧抜きパイプよりも前記一の側面から離間する側に突出して設けられている、燃料電池システム。
この形態の燃料電池システムによれば、圧抜きパイプを設けてコンプレッサ内の圧力上昇を抑えることにより、駆動室から圧縮室内へのオイル漏れを抑制できる。また、冷媒配管によって圧抜きパイプが冷却されるため、圧抜きパイプから排出されるガス中の気化したオイルを凝縮させることができる。さらに、上昇部を設けることで、圧抜きパイプ内でのオイルの凝縮をさらに促すと共に、凝縮したオイルが第1端部側に戻ることを促すことができ、駆動室内を流通するオイルの減少を抑えることができる。またこの形態の燃料電池システムによれば、燃料電池における上記一の側面に対して衝撃荷重が加えられる場合であっても、圧抜きパイプに対して衝撃が加えられることをロータリーバルブによって妨げることができ、圧抜きパイプからのオイル漏れの発生を抑えることができる。
(1)本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池と、空気を圧縮して前記燃料電池のカソードに送り出すコンプレッサと、前記燃料電池を冷却するための冷媒が流れる冷媒配管と、第1端部と第2端部と鉛直上向き側に延びる上昇部とを備え、前記第1端部が前記コンプレッサに接続され、前記第2端部が大気開放された圧抜きパイプと、を備え、前記コンプレッサは、回転体によって空気が圧縮される圧縮室と、前記圧縮室と区画され、前記回転体を駆動するための駆動機構が配置されると共にオイルが流通し、前記圧抜きパイプの前記第1端部に連通する駆動室と、を備え、前記圧抜きパイプと前記冷媒配管とは、前記燃料電池の一の側面に対向する方向から見たときに、前記一の側面上で交差するように配置されている。
この形態の燃料電池システムによれば、圧抜きパイプを設けてコンプレッサ内の圧力上昇を抑えることにより、駆動室から圧縮室内へのオイル漏れを抑制できる。また、冷媒配管によって圧抜きパイプが冷却されるため、圧抜きパイプから排出されるガス中の気化したオイルを凝縮させることができる。さらに、上昇部を設けることで、圧抜きパイプ内でのオイルの凝縮をさらに促すと共に、凝縮したオイルが第1端部側に戻ることを促すことができ、駆動室内を流通するオイルの減少を抑えることができる。
(2)上記形態の燃料電池システムにおいて、前記冷媒配管は、前記冷媒配管が分岐する分岐部において、分岐して流れる前記冷媒の流量を変更するロータリーバルブを備え、前記ロータリーバルブは、前記燃料電池における前記一の側面上に配置され、前記ロータリーバルブは、前記圧抜きパイプよりも前記同じ側面から離間する側に突出して設けられていることとしてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、燃料電池における上記一の側面に対して衝撃荷重が加えられる場合であっても、圧抜きパイプに対して衝撃が加えられることをロータリーバルブによって妨げることができ、圧抜きパイプからのオイル漏れの発生を抑えることができる。
(3)上記形態の燃料電池システムにおいて、前記圧抜きパイプは、前記他方の端部において、前記圧抜きパイプの内部と外部との間で気体の通過を許容しつつ液水の通過を妨げる防水通気膜を備えることとしてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、防水通気膜を設けることにより、コンプレッサへの液水の侵入を抑えることができる。
(4)上記形態の燃料電池システムにおいて、前記圧抜きパイプは、該圧抜きパイプにおいて流路の開状態と閉状態とを切り替える電磁弁を備えることとしてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、電磁弁が閉状態になっているときには、圧抜きパイプを介したオイルの蒸発を抑え、コンプレッサにおけるオイルの減少を抑制することができる。
(5)上記形態の燃料電池システムは、さらに、前記駆動室に連通して設けられて前記駆動室を流通する前記オイルが一旦蓄えられるオイル溜めを備え、前記圧抜きパイプの前記第1端部は、前記オイル溜めにおいて前記オイルが溜まる部位よりも上方の箇所に接続されていることとしてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、駆動室とは異なるオイル溜めにおいて圧抜きすることにより、駆動室における圧力変動に起因する圧抜きパイプからのオイルの排出を抑えつつ、圧抜きを行なうことができる。
(6)上記形態の燃料電池システムは、さらに、前記駆動室に連通して設けられて前記駆動室を流通する前記オイルが冷却されるオイルクーラと、前記駆動室と前記オイルクーラとの間で前記オイルを循環させる駆動力を生じるオイルポンプと、を備え、前記圧抜きパイプの前記第1端部は、前記オイルクーラと前記オイルポンプとを接続する前記オイルの流路に接続されていることとしてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、オイルクーラとオイルポンプとの間において圧抜きすることにより、駆動室における圧力変動に起因する圧抜きパイプからのオイルの排出を抑えつつ、圧抜きを行なうことができる。
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池システムを搭載する車両や、コンプレッサのオイル漏れ防止方法等の形態で実現することができる。
燃料電池システムの概略構成を表わす説明図である。 コンプレッサの構成を示す断面模式図である。 フロントコンパートメント内の様子を模式的に表わす平面図である。 コンプレッサが燃料電池と共に配置される様子を模式的に示す説明図である。 コンプレッサが燃料電池と共に配置される様子を模式的に示す説明図である。 コンプレッサが燃料電池と共に配置される様子を模式的に示す説明図である。 コンプレッサが燃料電池と共に配置される様子を模式的に示す説明図である。 フロントコンパートメント内の様子を模式的に表わす平面図である。
A.第1実施形態:
(A-1)燃料電池車両の全体構成:
図1は、本発明の第1実施形態としての燃料電池車両に搭載される燃料電池システム15の概略構成を模式的に表わす説明図である。燃料電池システム15は、燃料電池20と、燃料ガス供給系200と、酸化ガス供給系300と、排ガス系400と、冷却系500と、制御部900と、を備える。
燃料電池20は、燃料電池車両の駆動エネルギを発生させる装置である。燃料電池20は、単セルが複数積層されたスタック構成を有しており、水素を含有する燃料ガスと、酸素を含有する酸化ガスの供給を受けて発電する。本実施形態の燃料電池20は、固体高分子形燃料電池である。燃料電池20を構成する各単セルでは、電解質膜を間に介して、アノード側に燃料ガスが流れる流路(アノード側流路)が形成され、カソード側に酸化ガスが流れる流路(カソード側流路)が形成されている。また、燃料電池20の内部には、燃料電池20を冷却するための冷媒が流れる冷媒流路が形成されている。なお、燃料電池20としては、固体高分子形燃料電池に限らず、固体酸化物形燃料電池等、他種の燃料電池を採用してもよい。
燃料ガス供給系200は、燃料ガスタンク210と、燃料ガス供給管220と、燃料ガス排気管230と、燃料ガス還流管240と、主止弁250と、レギュレータ260と、インジェクタ270と、気液分離器280と、水素ポンプ290と、を備える。燃料ガスタンク210は、燃料ガスとしての水素ガスが貯蔵される貯蔵装置であり、燃料ガス供給管220を介して燃料電池20に接続されている。燃料ガス供給系200において、燃料ガスタンク210に貯蔵された水素ガスは、レギュレータ260での減圧を経て、インジェクタ270から、燃料電池20のアノード側流路に供給される。
燃料ガス排気管230は、燃料電池20から排出されるアノードオフガスが流れる流路である。燃料ガス還流管240は、燃料ガス排気管230と、燃料ガス供給管220におけるインジェクタ270よりも下流側の部位とに接続されている。燃料電池20から燃料ガス排気管230に排出されたアノードオフガスは、燃料ガス還流管240を経由して、再び燃料ガス供給管220に導かれる。そのため、燃料電池システム15において、燃料ガスは、発電により水素が消費されつつ、燃料ガス排気管230、燃料ガス還流管240、燃料ガス供給管220の一部、および、燃料電池20内に形成される燃料ガスの流路を循環する。燃料ガス還流管240には、燃料ガスを循環させるために燃料ガスを加圧する既述した水素ポンプ290が設けられている。
燃料ガス排気管230と燃料ガス還流管240との接続部には、気液分離器280が設けられている。アノードオフガスには、発電で消費されなかった水素と共に、窒素や水蒸気等の不純物が含まれる。気液分離器280は、アノードオフガス中の水と、ガス(水素および窒素等)とを分離する。本実施形態では、気液分離器280を介して、上記した流路内を循環する燃料ガスから不純物が除去される。
酸化ガス供給系300は、コンプレッサ320と、酸化ガス供給管330と、分流弁340と、を備える。本実施形態の燃料電池20は、酸化ガスとして、空気を用いる。コンプレッサ320は、コンプレッサ用モータ350に駆動されて空気を圧縮し、酸化ガス供給管330を介して、燃料電池20のカソード側流路に空気を供給する。コンプレッサ320の構成については、後に詳しく説明する。分流弁340は、酸化ガス供給管330と、酸化ガス供給管330に接続される後述する酸化ガスバイパス管450と、の接続部に設けられる。
排ガス系400は、排ガス管410と、調圧弁420と、燃料ガス排出管430と、パージ弁440と、酸化ガスバイパス管450と、サイレンサ470と、を備える。排ガス管410は、燃料電池20からカソードオフガスが排出される流路である。排ガス管410には、調圧弁420が設けられている。調圧弁420は、燃料電池20中の酸化ガスの圧力を調整する。燃料ガス排出管430は、気液分離器280と、排ガス管410とを接続している。燃料ガス排出管430には、パージ弁440が設けられている。パージ弁440が一時的に開弁されて、気液分離器280から水とガスとが排出されることにより、既述したように流路内を循環する燃料ガス中の不純物の濃度が低減される。本実施形態では、燃料ガス排出管430は、調圧弁420よりも下流側の部位において排ガス管410に接続されており、パージ弁440を介して排出されるアノードオフガス中の水素は、大気放出に先立ってカソードオフガスにより希釈される。
酸化ガスバイパス管450は、酸化ガス供給管330と、排ガス管410とを接続する。酸化ガスバイパス管450と酸化ガス供給管330との接続部には、既述した分流弁340が設けられている。制御部900は、パージ弁440を開弁するときに、コンプレッサ320の駆動量を増加させると共に、分流弁340を制御して酸化ガスバイパス管450に空気を流す。これにより、燃料電池20における発電量にかかわらず、パージ弁440を介して排ガス管410に排出される水素を十分に希釈することができる。サイレンサ470は、排ガス管410における、燃料ガス排出管430および酸化ガスバイパス管450との接続部よりも下流部に設けられており、排気音を減少させる。
冷却系500は、冷媒供給管510と、冷媒排出管515と、冷媒バイパス管550と、冷媒ポンプ525と、ラジエータ530と、ロータリーバルブ565と、を備える。冷媒供給管510は、燃料電池20に冷媒を供給するための管であり、冷媒供給管510には冷媒ポンプ525が配置されている。冷媒排出管515は、燃料電池20から冷媒を排出するための管である。冷媒排出管515の下流部と冷媒供給管510の上流部の間には、冷媒を冷却するためのラジエータ530が設けられている。ラジエータ530には、ラジエータファン535が設けられている。ラジエータファン535は、ラジエータ530に風を送り、ラジエータ530からの放熱を促進する。上記冷媒ポンプ525は、冷媒供給管510と、冷媒排出管515と、燃料電池20内の冷媒流路と、を循環する冷媒の流量を調節する。
冷媒バイパス管550は、冷媒供給管510と冷媒排出管515とを接続する流路である。冷媒排出管515から冷媒バイパス管550が分岐する分岐部には、ラジエータ530を経由する流路と経由しない冷媒バイパス管550との間で冷媒が流れる経路を切り替えるロータリーバルブ565が設けられている。ロータリーバルブ565は、ラジエータ530を経由して流れる冷媒の流量と、ラジエータ530をバイパスして流れる冷媒の流量との割合を変更可能な弁である。ロータリーバルブ565とは、内部の部材が回転することにより流体流量を調節可能な周知のバルブである。
制御部900は、マイクロコンピュータによって構成されており、CPUと、ROMと、RAMと、入出力ポートと、を有する。制御部900は、燃料電池システム15の発電制御を行なうと共に、燃料電池車両全体の制御を行なう。制御部900は、燃料電池車両の各部に設けられたセンサ(燃料電池システム15の各部に設けたセンサ、アクセル開度センサ、ブレーキペダルセンサ、シフトポジションセンサ、および車速センサを含む)からの出力信号を取得する。そして、制御部900は、燃料電池車両10における発電や走行等に係る各部、具体的には、燃料電池システム15が備える既述した各バルブやポンプ等に駆動信号を出力する。なお、上記した機能を果たす制御部900は、単一の制御部として構成される必要はない。例えば、燃料電池システム15の動作に係る制御部や、燃料電池車両10の走行に係る制御部や、走行に関わらない車両補機の制御を行なう制御部など、複数の制御部によって構成し、これら複数の制御部間で、必要な情報をやり取りすることとしても良い。
(A-2)コンプレッサの構成:
図2は、本実施形態のコンプレッサ320の構成を示す断面模式図である。なお、図2を含む各図は、コンプレッサ320の構造あるいはコンプレッサ320の配置に係る技術的特徴をわかりやすく示すための図であり、各部の寸法を正確に示すものではない。
コンプレッサ320は、第1ハウジング部材51、第2ハウジング部材52、第3ハウジング部材53、第4ハウジング部材54を備える。第1ハウジング部材51および第2ハウジング部材52は、一方の端部が開放され、他方の端部に底部が形成された筒形状を有する。第1ハウジング部材51の開放端と第2ハウジング部材52の底部とが接するように配置されることにより、第1ハウジング部材51の内部に、既述したコンプレッサ用モータ350を収納するモータ室56が形成される。第1ハウジング部材51には、後述する第1オイル流路60が形成されており、第1オイル流路60にはオイルクーラ68が設けられている。第3ハウジング部材53は板状部材である。第3ハウジング部材53が第2ハウジング部材52の開放端に接するように配置されることにより、第2ハウジング部材52の内部に増速室57が形成される。第4ハウジング部材54は、第1ハウジング部材51の底部に接するように配置される。第4ハウジング部材54には、増速室57よりも鉛直下向き側にオイル溜め62が形成されると共に、オイルだめ62に連通する第2オイル流路66が形成されており、オイルポンプ64が取り付けられている。第3ハウジング部材53において、第2ハウジング部材52とは異なる側に接するように第5ハウジング部材55が配置される。第5ハウジング部材55の内部には、回転体であるインペラ46によって空気が圧縮される圧縮室58が形成される。
モータ室56に収納されるコンプレッサ用モータ350は、電力エネルギを機械エネルギに変換する電動機であり、第1回転軸40と、第1回転軸40に取り付けられたロータ41と、ロータ41の外周面に対向して配置されるステータ42と、を備える。ロータ41は、図示しない磁石を有し、第1回転軸40と一体で回転する。ステータ42は、ロータ41と協動してロータ41を回転駆動する。
第1回転軸40は、第2ハウジング部材52を貫通して、第3ハウジング部材53まで延びている。第1回転軸40は、第1ハウジング部材51に設けられた第1ベアリング71と、第2ハウジング部材52に設けられた第2ベアリング72と、第3ハウジング部材53に設けられた第3ベアリング73と、によって、回転可能に支持されている。本実施形態では、上記各ベアリングは複数のボールを備えるボールベアリングであるが、ニードルベアリングなど、他種のベアリングとしてもよい。
増速室57には、第1歯車43および第2歯車44を備える増速機が配置されている。第1歯車43は、既述したコンプレッサ用モータ350によって駆動される第1回転軸40に取り付けられている。第2歯車44は、第2回転軸45に取り付けられている。第2回転軸45は、一方の端部が、第2ハウジング部材52に設けられた第4ベアリング74によって回転可能に支持されている。第2回転軸45は、第3ハウジング部材53を貫通しており、他方の端部が、圧縮室58内に延びている。第1歯車43と第2歯車44とがかみ合うことにより、第1回転軸40の回転力が第2回転軸45へと伝達される。その結果、第2回転軸45は、第1回転軸40よりも高速で回転する。上記増速機は、インペラ46を駆動するための駆動機構ということができる。本実施形態の増速室57は、駆動室とも呼ぶ。
第2回転軸45は、圧縮室58内において、インペラ46が取り付けられている。インペラ46が高速で回転することにより、酸化ガス供給管330を通過する空気が圧縮される。本実施形態では、回転体としてインペラ46を用いているが、空気を圧送するための回転体であれば、インペラ以外の構成であってもよい。第3ハウジング部材53において、第2回転軸45が貫通する部位には、メカニカルシール47が設けられており、増速室57内を流通する後述するオイルが、圧縮室58側へ浸み出すことが抑えられている。
本実施形態の増速室57の上部には、オイルを吐出するオイル吐出口67が設けられている。オイル吐出口67から吐出されたオイルは、第1歯車43および第2歯車44上を下方へと流れつつ、増速機の潤滑および冷却に寄与する。増速室57内を流れたオイルは、増速室57の底部で開口する第1オイル流路60内を経由して、オイルクーラ68において冷却される。オイルクーラ68で冷却されたオイルは、第4ハウジング部材54内に設けられたオイル溜め62に導かれて一旦蓄えられる。オイル溜め62には、オイルポンプ64を備える第2オイル流路66の一端が配置されており、オイルポンプ64によって、オイル溜め62内のオイルがくみ上げられる。オイルポンプ64は、増速室57とオイルクーラ68との間でオイルを循環させる駆動力を生じる。第2オイル流路66の他端には、既述したオイル吐出口67が形成されており、オイル溜め62からくみ上げられたオイルは、オイル吐出口67から吐出されて、再び増速室57内を流通する。
オイル溜め62において、オイルが溜まる箇所よりも上方の箇所には、圧抜きパイプ30の第1端部が接続されている。圧抜きパイプ30の第2端部は、後述するように、大気開放されている。オイル溜め62におけるオイルが溜まる箇所よりも上方の箇所は、増速室57と連通しているため、増速室57内の圧力が上昇したときには、圧抜きパイプ30からコンプレッサ320の外部へとガスが排出され、増速室57内の圧力上昇が抑えられる。
(A-3)コンプレッサおよび圧抜きパイプの配置:
図3は、本実施形態の燃料電池車両10のフロントコンパートメント(Fcomp)内の様子を模式的に表わす平面図である。本実施形態の燃料電池車両10では、コンプレッサ320は、燃料電池20および後述する高電圧ユニット25と共に積層されて、フロントコンパートメント内に配置されている。これらコンプレッサ320、燃料電池20および後述する高電圧ユニット25を含む積層構造は、後述するスタックフレーム80およびサイドメンバ150を介して、車体に固定されている。本実施形態の燃料電池車両10では、燃料ガスタンク210を除く燃料ガス供給系200の大部分、酸化ガス供給系300、および冷却系500が、フロントコンパートメント内に配置されている。図3では、燃料電池20、高電圧ユニット25、およびコンプレッサ320を積層した構造以外は、記載を省略している。
図3では、相互に直交するXYZ軸を示した。後述する図4~図8においても、各図における向きの対応を示すために、同様のXYZ軸を示している。X軸方向は、水平方向を示す。+X軸方向は、燃料電池車両の進行方向を示す。Y軸方向は、鉛直方向を示す。+Y軸方向を「鉛直上向き」とも呼び、-Y軸方向側を「鉛直下向き」とも呼ぶ。Z軸方向は、燃料電池車両の幅方向を示す。+Z軸方向は、燃料電池車両の左側を示し、-Z軸方向は、燃料電池車両の右側を示す。
フロントコンパートメントの前方には、ボディ158の一部として、フロントバンパー157が設けられている。フロントコンパートメントの後方は、ダッシュパネル156によって車室VIと区画されている。また、燃料電池車両10では、車両の幅方向(Z軸方向)に延びるクロスメンバ152と、車両の前後方向(X軸方向)に延びる2本のサイドメンバ150とがボディ158に接続して設けられており、これら2本のサイドメンバ150およびクロスメンバ152によって、車体の強度が高められている。図3に示すように、2本のサイドメンバ150の一部とクロスメンバ152とは、フロントコンパートメントを通過して配置されている。また、フロントコンパートメント内には、一対のサスペンションタワー154,155が上方に突出して設けられている。一対のサスペンションタワー154,155は、車体の下方に配置されて燃料電池車両10の前輪を支持するフロントサスペンションを覆うように形成されており、フロントサスペンションの上端部を支持する。
図4は、コンプレッサ320が燃料電池20と共に配置される様子を模式的に示す説明図である。図4では、コンプレッサ320および燃料電池20を含む装置を、燃料電池車両10の左側面側から見た様子を示す。
図4に示すように、燃料電池20は、スタックフレーム80上に取り付けられている。燃料電池20は、単セルが積層されたスタックと、スタックを収納するスタックケースとを備えており、スタックケースがスタックフレーム80に固定されている。スタックフレーム80は、金属製、あるいは、炭素繊維強化プラスチック(CFRP)等の繊維強化プラスチック(FRP)製の強度に優れた部材であり、マウント部82を介して2本のサイドメンバ150に固定されている。燃料電池20等、フロントコンパートメント内に配置される装置の少なくとも一部は、スタックフレーム80に取り付けられることによって、フロントコンパートメント内で固定される。
コンプレッサ320は、スタックフレーム80の下方に配置されて、図示しないブラケットを介してスタックフレーム80に取り付けられている。さらに、スタックフレーム80の下方には、水素ポンプ290および気液分離器280が取り付けられている(図示せず)。このように、燃料電池20に近接してコンプレッサ320および水素ポンプ290を配置することで、コンプレッサ320あるいは水素ポンプ290から燃料電池20までの配管をより短くし、これらの配管における圧損を低減することができる。
燃料電池20の上方には、さらに、高電圧ユニット25が配置されている。高電圧ユニット25では、燃料電池20の発電に係る機器であって、比較的高電圧で動作する高電圧機器が、ケース内に収納されている。本実施形態の高電圧ユニット25が収納する高電圧機器は、燃料電池20の出力電圧を昇圧するためのDC/DCコンバータを含む。
燃料電池20の一の側面である左側面上には、冷却系500を構成する冷媒配管が配置されている。本実施形態では、燃料電池20の一の側面上に配置される冷媒配管は、冷媒排出管515としているが、冷媒排出管515に代えて冷媒配管の他の箇所を配置することとしてもよい。冷媒排出管515は、一端が燃料電池20に接続されており、他端側が、フロントコンパートメントの前方に配置されたラジエータ530に向かって延びる。本実施形態では、冷媒排出管515は水平方向に延びるように設けられている。
燃料電池20の上記一の側面上には、さらに、圧抜きパイプ30が配置されている。圧抜きパイプ30は、既述したように、コンプレッサ320のオイル溜め62におけるオイルが溜まる箇所よりも上方の箇所に、第1端部が接続されており、燃料電池車両10の左側面側から見たときに高電圧ユニット25と重なる位置で第2端部が開口して大気開放されている。圧抜きパイプ30において、第1端部側から第2端部側に向かって鉛直上向き側に延びる部位を、「上昇部」と呼ぶ。本実施形態では、圧抜きパイプ30全体が、鉛直上向き側に延びるように設けられており、「上昇部」を構成している。本実施形態では、圧抜きパイプ30は、冷媒排出管515よりも燃料電池20から離間して配置されているが、冷媒排出管515よりも燃料電池20に近接して配置してもよい。また、圧抜きパイプ30は、図4に示される側の面において、例えば、燃料電池20、スタックフレーム80、高電圧ユニット25のうちの少なくともいずれかにおいて、少なくとも1箇所固定されていればよい。
本実施形態では、圧抜きパイプ30は、冷媒排出管515によって冷却される程度に冷媒排出管515に近接した位置に配置されている。圧抜きパイプ30が、冷媒排出管515によって冷却される程度に冷媒排出管515に近接した位置に配置されているか否かは、例えば、圧抜きパイプ30に温度センサを取り付け、冷媒排出管515に冷媒を流す場合と流さない場合とのそれぞれの圧抜きパイプ30の温度を測定して比較することにより、実験的に判断することができる。圧抜きパイプ30と冷媒排出管515とは、接触していてもよく、非接触であってもよい。圧抜きパイプ30が冷媒排出管515によって冷却される距離とは、例えば、3cm以下とすることが好ましく、1cm以下とすることがより好ましく、5mm以下とすることがさらに好ましい。また、圧抜きパイプ30と冷媒排出管515とが近接することにより共振が生じる等の不都合を抑える観点からは、圧抜きパイプ30と冷媒排出管515との間の距離は、例えば、3mm以上とすることが好ましい。
圧抜きパイプ30と冷媒排出管515とは、図3に示すように、燃料電池20の一の側面に対向する方向から(左側面側から)見たときに、上記一の側面上で交差するように配置されていればよい。ここで、「燃料電池20の上記一の側面に対向する方向から見たときに、上記一の側面上で交差する」とは、上記一の側面に対向する方向から見たときに、圧抜きパイプ30の一部と冷媒排出管515の一部とが平行になって重なる構成を含む。
図4では、圧抜きパイプ30は鉛直上向きに延びているが、異なる構成としてもよく、鉛直上向き側に延びていればよい。ここで、圧抜きパイプ30が「鉛直上向き側に延びる」とは、コンプレッサ320の外壁に接続する第1端部から第2端部に向かって圧抜きパイプ30が延びる方向が、水平方向よりも上方に向かうことを指す。また、燃料電池20の一の側面上において、冷媒配管(冷媒排出管515)が延びる方向は、水平方向以外の方向であってもよい。燃料電池20の上記一の側面に対向する方向から見たときに、圧抜きパイプ30と冷媒排出管515とが上記一の側面上で交差するように配置されていればよい。
以上のように構成された本実施形態の燃料電池車両10によれば、圧抜きパイプ30を設けてコンプレッサ320内の圧力上昇を抑えることにより、圧縮室58内へのオイル漏れを抑制できる。また、冷媒配管によって圧抜きパイプ30が冷却されるため、圧抜きパイプ30から排出されるガス中の気化したオイルを圧抜きパイプ30内で凝縮させることができる。さらに、圧抜きパイプ30に上昇部を設けることで、圧抜きパイプ30内でのオイルの凝縮をさらに促すと共に、凝縮したオイルが第1端部側に戻ることを促すことができ、駆動室内を流通するオイルの減少を抑えることができる。
コンプレッサ320の稼働中には、モータ室56や増速室57の内部において発熱することにより、コンプレッサ320の内部が昇圧する。コンプレッサ320において、オイル溜め62は、増速室57と連通しているため、増速室57の圧力が高まると、圧抜きパイプ30からコンプレッサ320の外部へとガスが排出され、増速室57内の圧力上昇が抑えられる。このように増速室57の圧力上昇が抑えられることにより、増速室57から圧縮室58内へのオイル漏れが抑えられる。圧縮室58内にオイルが漏れると、コンプレッサ320から燃料電池20に供給される空気中にオイルが混入し、例えば、燃料電池20が備える触媒やシール部材が劣化する可能性がある。圧抜きパイプ30を設けることで、このような不都合の発生を抑えることができる。
さらに、本実施形態では、圧抜きパイプ30は、燃料電池20の上記一の側面に対向する方向から見たときに、燃料電池20の上記一の側面上において冷媒排出管515と交差するように配置されている。そのため、冷媒配管によって圧抜きパイプ30が冷却されて、圧抜きパイプ30内を流れるガス中の気化したオイルを凝縮させることができる。また、圧抜きパイプ30は、鉛直上向き側に延びる上昇部を備えるため、圧抜きパイプ30内で凝縮して液体となったオイルは、圧抜きパイプ30内を下方に移動して、オイル溜め62に戻り、再び増速室57に供給される。このように気化したオイルを回収することで、コンプレッサ320の圧力上昇を抑える動作に伴うオイルの排出を抑え、コンプレッサ320におけるオイル不足を抑えることができる。
本実施形態では、コンプレッサ320が、燃料電池20と共に、外気の流通および放熱が比較的抑えられて昇温しやすい環境であるフロントコンパートメント内に配置されているため、コンプレッサ320内の圧力上昇を抑える効果を特に顕著に得られる。また、図4に示すように、フロントコンパートメント内において、燃料電池20とコンプレッサ320とを上下に重ねて配置することで、フロントコンパートメント内の空間を効率良く利用することができる。さらに、燃料電池20の下方にコンプレッサ320を配置することで、鉛直上向き側に延びる圧抜きパイプ30を冷媒配管によって冷却する構成を、容易に実現することができる。
また、本実施形態では、圧抜きパイプ30を鉛直上向きに延びるように設け、コンプレッサ320よりも上方に引き回して開口させている。そのため、例えば雨天時の水はね等によりフロントコンパートメント内に液水が侵入する場合であっても、圧抜きパイプ30を介したコンプレッサ320内への液水の混入を抑えることができる。
B.第2実施形態:
図5は、第2実施形態の燃料電池車両10において、コンプレッサ320が燃料電池20と共に配置される様子を、図4と同様にして模式的に示す説明図である。第2実施形態の燃料電池車両10において、第1実施形態と共通する部分には同じ参照番号を付す。
第2実施形態のコンプレッサ320では、圧抜きパイプ30の第2端部において、圧抜きパイプ30の流路を覆うように防水通気膜32を備える点が、第1実施形態と異なっている。防水通気膜32は、圧抜きパイプ30の内部と外部との間で気体の通過を許容しつつ液水の通過を妨げる膜である。防水通気膜32は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等の撥水性樹脂により形成され、膜厚方向に貫通する多数の微細な細孔が形成された膜とすることができる。すなわち、防水通気膜32は、コンプレッサ320の外部からの水の進入を抑える撥水性を有すると共に、コンプレッサ320の内部からのガスの排出を許容する多孔質構造を有している。防水通気膜32として用いることができる市販の膜としては、例えば、テミッシュS-NTF810A(日東電工株式会社製、テミッシュは登録商標)を挙げることができる。
このような構成としても、第1実施形態と同様の効果が得られる。さらに、圧抜きパイプ30の第2端部に防水通気膜32を設けることにより、コンプレッサ320への液水の侵入を抑える効果を高めることができる。なお、防水通気膜32は、圧抜きパイプ30の第2端部側における最先端部に設ける必要はないが、最先端部により近い箇所に配置することが望ましい。これにより、圧抜きパイプ30の第2端部側の先端部における液水の滞留を抑えることができる。
C.第3実施形態:
図6は、第3実施形態の燃料電池車両10において、コンプレッサ320が燃料電池20と共に配置される様子を、図4と同様にして模式的に示す説明図である。第3実施形態の燃料電池車両10において、第1実施形態と共通する部分には同じ参照番号を付す。
第3実施形態のコンプレッサ320では、圧抜きパイプ30の中ほどに、電磁弁34が設けられている。電磁弁34は、制御部900によって開閉制御され、開弁時には、圧抜きパイプ30の第2端部の開口部とオイル溜め62とが連通し、閉弁時には、圧抜きパイプ30の第2端部の開口部とオイル溜め62との連通状態が遮断される。すなわち、電磁弁34は、圧抜きパイプ30において、流路の開状態と閉状態とを切り替える。電磁弁34は、例えば、コンプレッサ320の温度上昇および内部の昇圧に起因する圧縮室58内へのオイル漏れが比較的起こり難い状態のときに閉弁するように制御すればよい。具体的には、例えば、コンプレッサ320の駆動時には電磁弁34を開弁し、コンプレッサ320の停止時には電磁弁34を閉弁するように制御すればよい。あるいは、コンプレッサ320の駆動時において、コンプレッサ用モータ350の回転数が、予め定めた基準値を超える高回転である場合に電磁弁34を開弁し、それ以外の場合には閉弁することとしてもよい。
このような構成とすれば、第1実施形態と同様の効果に加えてさらに、コンプレッサ320において、オイルの蒸発に起因するオイルの減少を抑える効果を得ることができる。すなわち、コンプレッサ320内の圧力が上昇して圧縮室58内にオイルが漏れるリスクが比較的小さいとき等に、適宜電磁弁34を閉弁させることで、蒸発したオイルが圧抜きパイプ30を介して排出されることを抑えることができる。
図6に示すように、第3実施形態では、圧抜きパイプ30全体が鉛直上向き側に向かって延びるのではなく、中ほどに折れ曲がり部を有し、当該折れ曲がり部よりも第2端部側は、水平方向に延びるように形成されている。圧抜きパイプ30は、少なくとも一部において、鉛直上向き側に延びる上昇部を備えるならば、この上昇部において、冷却により凝縮したオイルを下方に流して回収する効果を得ることができる。そして、この上昇部を、オイル溜め62に接続する第1端部を含む少なくとも一部に設けることで、回収するオイルをオイル溜め62に戻す効果を高めることができる。また、燃料電池20の既述した一の側面に対向する方向から(左側面側から)見たときに、この上昇部が一の側面上で冷媒排出管515と交差することで、オイルを凝縮させて回収する効果を高めることができる。図6に示すように、圧抜きパイプ30において、上記上昇部よりも第2端部側に、第2端部側に向かって水平方向に延びる箇所、あるいは、水平方向よりも下方に延びる箇所を設けることとしてもよい。このように、圧抜きパイプ30において、上昇部よりも第2端部側に、水平方向や下方に延びる箇所を設けるならば、第2端部側の開口部から液水が侵入する場合であっても、侵入した液水のコンプレッサ320内への混入を抑えることができる。
なお、図6に示した第3実施形態のコンプレッサ320および燃料電池20に係る構成において、圧抜きパイプ30の第2端部に、第2実施形態と同様の防水通気膜32を設けることとしてもよい。この場合には、例えば氷点下でコンプレッサ320を駆動する際、あるいは氷点下でコンプレッサ320の駆動を開始する際に、圧抜きパイプ30の第2端部の開口部から侵入した液水が凍結して電磁弁34を固着させ、動作が不良となることを抑えることができる。
D.第4実施形態:
図7は、第4実施形態の燃料電池車両10において、コンプレッサ320が燃料電池20と共に配置される様子を、図4と同様にして模式的に示す説明図である。第4実施形態の燃料電池車両10において、第1実施形態と共通する部分には同じ参照番号を付す。
第4実施形態では、燃料電池20の一の側面上において、冷媒配管(冷媒排出管515)にロータリーバルブ565が設けられている。ロータリーバルブ565は、既述したように、冷媒排出管515と冷媒バイパス管550との接続部に設けられ、ラジエータ530を経由して流れる冷媒と、ラジエータ530をバイパスして流れる冷媒との割合を変更する。ロータリーバルブ565は、流体流量を調節するための回転体を内部に備えるため、一般に、通常の開閉弁よりも大型であり、また、冷媒配管よりも高い剛性を有している。なお、図7では、一例として、圧抜きパイプ30において第2実施形態の防水通気膜32および電磁弁34が設けられる構成を示しているが、これら防水通気膜32あるいは電磁弁34を有しないこととしてもよい。
図8は、第4実施形態の燃料電池車両10のフロントコンパートメント(Fcomp)内の様子を、図3と同様にして示す平面図である。図8に示すように、燃料電池20、高電圧ユニット25、およびコンプレッサ320を積層した構造は、フロントコンパートメント内において、一対のサスペンションタワー154,155の間に配置されている。そして、燃料電池20の一の側面(+Z軸方向の左側側面)上、すなわち、圧抜きパイプ30が配置される側面と同じ側面上において、ロータリーバルブ565が、一方のサスペンションタワーであるサスペンションタワー155に対向している。このロータリーバルブ565は、圧抜きパイプ30よりも、上記一の側面から離間する側に突出して設けられている。
このような構成とすれば、燃料電池20の一の側面上においてロータリーバルブ565を配置することで、燃料電池車両10に対して例えば側面側から衝撃荷重が加えられて、上記一の側面に対してフロントコンパートメント内の部材が衝突する場合であっても、圧抜きパイプ30に対して衝撃が加えられることをロータリーバルブ565によって妨げることができる。例えば、サスペンションタワー155が、まずロータリーバルブ565に衝突して、ロータリーバルブ565によって衝撃が吸収されることにより、圧抜きパイプ30に加えられる衝撃を和らげることができる。そのため、燃料電池車両10に対して衝撃が加えられる場合に、圧抜きパイプ30の損傷によるオイル漏れの発生を抑えることができる。コンプレッサ320に用いられるオイルは、一般に可燃性であるため、オイル漏れの発生を抑えることにより、燃料電池車両10の安全性を高めることができる。
E.他の実施形態:
(E1)上記各実施形態では、コンプレッサ320内にオイル溜め62、オイルポンプ64、およびオイルクーラ68を設けたが、異なる構成としてもよい。例えば、オイル溜め62、オイルポンプ64、およびオイルクーラ68のうちの少なくとも一部と、これに接続されるオイル流路とを、コンプレッサ320の外部に設けることとしてもよい。
(E2)上記各実施形態では、圧抜きパイプ30の第1端部は、オイル溜め62に接続することとしたが、異なる構成としてもよい。コンプレッサ320内の圧力を低下させて、圧力上昇に起因する圧縮室58内へのオイル漏れを抑制できればよく、例えば、圧抜きパイプ30の第1端部を、増速室57に接続することとしてもよい。ただし、オイル溜め62におけるオイルが溜まる箇所よりも上方の箇所は、オイルによる潤滑や冷却の対象となる回転体等が存在せず、オイルが空間内を流通することがない。また、オイル溜め62は、第1オイル流路60を介して増速室57と連通しているため、増速室57における圧力変動が抑えられた状態となっている。そのため、このような箇所から圧抜きする場合には、増速室57における圧力変動に起因する圧抜きパイプ30からのオイルの排出を抑えつつ、圧抜きを行なうことができるため望ましい。
あるいは、圧抜きパイプ30の第1端部は、第1オイル流路60におけるオイルクーラ68よりも上流側や、第2オイル流路66におけるオイルポンプ64よりも下流側に接続することとしてもよい。ただし、オイルクーラ68とオイルポンプ64とを接続するオイルの流路に上記第1端部を接続する場合には、増速室57における圧力変動に起因する圧抜きパイプ30からのオイルの排出を抑えつつ、圧抜きを行なうことができるため望ましい。
(E3)上記各実施形態では、燃料電池20とコンプレッサ320とは、スタックフレーム80を介して一体で配置されているが、両者は離間していてもよい。また、燃料電池20およびコンプレッサ320は、フロントコンパートメント内とは異なる場所に配置してもよい。燃料電池20とコンプレッサ320とが近接して設けられていれば、圧抜きパイプ30を容易に引き回して、冷媒配管によって圧抜きパイプ30を冷却し、上記各実施形態と同様の効果を得ることができる。
(E4)上記各実施形態では、コンプレッサ320は増速室57を有することとしたが、異なる構成としてもよい。例えば、図2に示す構成において、増速室57を設けることなく、コンプレッサ用モータ350の第1回転軸40と、インペラ46を設けた第2回転軸45とを、共通にする構成を採用してもよい。この場合には、モータ室56においてオイルを流通させればよく、モータ室56が、「圧縮室58と区画され、回転体であるインペラ46を駆動するための駆動機構が配置されると共にオイルが流通し、圧抜きパイプ30の第1端部に連通する駆動室」となる。この場合には、オイル溜め62に代えて、モータ室56に対して圧抜きパイプ30の第1端部を接続してもよい。なお、上記各実施形態のように、コンプレッサ320が増速室57を有する場合に、増速室57とモータ室56との双方においてオイルを流通させることとしてもよい。
(E5)上記実施形態では、コンプレッサ320を備える燃料電池システム15は、燃料電池車両に搭載したが、異なる構成としてもよい。この場合、例えば何らかの筐体内に燃料電池20とコンプレッサ320とが収納される等、コンプレッサ320を放熱が抑えられた環境に配置する場合には、各実施形態と同様の効果を特に顕著に得ることができる。
本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
10…燃料電池車両、15…燃料電池システム、20…燃料電池、25…高電圧ユニット、30…圧抜きパイプ、32…防水通気膜、34…電磁弁、40…第1回転軸、41…ロータ、42…ステータ、43…第1歯車、44…第2歯車、45…第2回転軸、46…インペラ、47…メカニカルシール、51…第1ハウジング部材、52…第2ハウジング部材、53…第3ハウジング部材、54…第4ハウジング部材、55…第5ハウジング部材、56…モータ室、57…増速室、58…圧縮室、60…第1オイル流路、62…オイル溜め、64…オイルポンプ、66…第2オイル流路、67…オイル吐出口、68…オイルクーラ、71…第1ベアリング、72…第2ベアリング、73…第3ベアリング、74…第4ベアリング、80…スタックフレーム、82…マウント部、150…サイドメンバ、152…クロスメンバ、154,155…サスペンションタワー、156…ダッシュパネル、157…フロントバンパー、158…ボディ、200…燃料ガス供給系、210…燃料ガスタンク、220…燃料ガス供給管、230…燃料ガス排気管、240…燃料ガス還流管、250…主止弁、260…レギュレータ、270…インジェクタ、280…気液分離器、290…水素ポンプ、300…酸化ガス供給系、320…コンプレッサ、330…酸化ガス供給管、340…分流弁、350…コンプレッサ用モータ、400…排ガス系、410…排ガス管、420…調圧弁、430…燃料ガス排出管、440…パージ弁、450…酸化ガスバイパス管、470…サイレンサ、500…冷却系、510…冷媒供給管、515…冷媒排出管、525…冷媒ポンプ、530…ラジエータ、535…ラジエータファン、550…冷媒バイパス管、565…ロータリーバルブ、900…制御部

Claims (6)

  1. 燃料電池システムであって、
    燃料電池と、
    空気を圧縮して前記燃料電池のカソードに送り出すコンプレッサと、
    前記燃料電池を冷却するための冷媒が流れる冷媒配管と、
    第1端部と第2端部と鉛直上向き側に延びる上昇部とを備え、前記第1端部が前記コンプレッサに接続され、前記第2端部が大気開放された圧抜きパイプと、
    を備え、
    前記コンプレッサは、
    回転体によって空気が圧縮される圧縮室と、
    前記圧縮室と区画され、前記回転体を駆動するための駆動機構が配置されると共にオイルが流通し、前記圧抜きパイプの前記第1端部に連通する駆動室と、
    を備え、
    前記圧抜きパイプと前記冷媒配管とは、前記冷媒配管により前記圧抜きパイプが冷却されるように、前記燃料電池の一の側面に対向する方向から見たときに、前記一の側面上で交差するように配置されており、
    前記冷媒配管は、前記冷媒配管が分岐する分岐部において、分岐して流れる前記冷媒の流量を変更するロータリーバルブを備え、
    前記ロータリーバルブは、前記燃料電池における前記一の側面上に配置され、
    前記ロータリーバルブは、前記圧抜きパイプよりも前記一の側面から離間する側に突出して設けられている
    燃料電池システム。
  2. 請求項1に記載の燃料電池システムであって、
    前記圧抜きパイプは、前記第2端部において、前記圧抜きパイプの内部と外部との間で気体の通過を許容しつつ液水の通過を妨げる防水通気膜を備える
    燃料電池システム。
  3. 請求項1または請求項2に記載の燃料電池システムであって、
    前記圧抜きパイプは、該圧抜きパイプにおいて流路の開状態と閉状態とを切り替える電磁弁を備える
    燃料電池システム。
  4. 請求項1から請求項までのいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、さらに、
    前記駆動室に連通して設けられて前記駆動室を流通する前記オイルが一旦蓄えられるオイル溜めを備え、
    前記圧抜きパイプの前記第1端部は、前記オイル溜めにおいて前記オイルが溜まる部位よりも上方の箇所に接続されている
    燃料電池システム。
  5. 請求項1から請求項までのいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、さらに、
    前記駆動室に連通して設けられて前記駆動室を流通する前記オイルが冷却されるオイルクーラと、
    前記駆動室と前記オイルクーラとの間で前記オイルを循環させる駆動力を生じるオイルポンプと、
    を備え、
    前記圧抜きパイプの前記第1端部は、前記オイルクーラと前記オイルポンプとを接続する前記オイルの流路に接続されている
    燃料電池システム。
  6. 燃料電池車両であって、
    請求項1から請求項までのいずれか一項に記載の燃料電池システムを備え、
    前記燃料電池および前記コンプレッサは、フロントコンパートメント内に配置されている
    燃料電池車両。
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