JP2006318819A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池に接続する流体の循環経路を極力短縮化する。
【解決手段】 水素循環ポンプ９およびこれに接続する水素循環配管７からなる流体循環手段と、冷却水循環ポンプ３１およびこれに接続する冷却水入口配管２５ａ，冷却水出口配管２７ａからなる流体循環手段と、空気加湿器２１およびこれに接続する空気供給配管１７ａ，空気排出配管２３からなる流体循環手段とを、燃料電池１に直接接続する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池に反応ガスや冷却水などの流体を供給し、この供給した流体を排出後再度燃料電池に供給する流体循環手段を備えた燃料電池システムに関する。

燃料電池システムにおいては、水素や空気の反応ガスを燃料電池に供給後、水素の場合は排出される余剰の水素をそのまま再度燃料電池に供給して反応させるべく循環させ、空気の場合は排出空気に含まれる水分を供給空気に加湿して燃料電池に循環させる場合が多い。

同様に燃料電池を冷却する冷却液においても、燃料電池の暖機運転に効果的な、ラジエータを介さない循環路（バイパス路）を設ける場合がある。

このように燃料電池に対して流体を循環させる場合には、循環する経路や循環させる機器を燃料電池に対して配管などを別途設けて接続している。

ところで、上記したような配管を別途用いて接続する場合には、配管を設ける分循環経路中に存在する流体容量が増大し、この結果水素や空気の場合は運転性や加湿応答性が低下し、一方冷却液の場合は循環経路中の液量の増大により、暖機性能が低下する。

これに対し、下記特許文献１には、燃料電池に他の機器を直接接続する例が記載されている。
特開２００３−２１７６２１号公報

ところが、上記した特許文献１に記載のものは、燃料電池に、水素や空気あるいは冷却液のポンプを一体化するとともに、燃料電池への配管を設けたブロックを備える例であり、駆動部品であるポンプに関しての燃料電池とのブロックによる一体化であって、その他流体循環系の機器や配管については、特に考慮してない。

そこで、本発明は、燃料電池に接続する流体の循環経路を極力短縮化することを目的としている。

本発明は、燃料電池に流体を供給し、この供給した流体を排出後再度前記燃料電池に供給して循環させる流体循環手段を、前記燃料電池に直接接続し、前記流体循環手段は、前記燃料電池に供給する燃料ガスの余剰分を循環させるものと、前記燃料電池に供給する空気を排出後、この排出空気中に含まれる水分を循環させるものと、前記燃料電池に供給する冷却液を循環させるものとの、少なくとも一つであることを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、燃料電池に供給した流体を、排出後再度燃料電池に供給する流体循環手段を、燃料電池に直接接続したので、燃料電池に対する流体の循環機能を備える流体循環手段を燃料電池に近接配置でき、循環に要する流体経路を短縮することができ、部品点数，質量，製造コストおよび組付作業性が向上する。

循環に要する流体経路を短縮することで、流体として燃料ガスの場合には、圧力や流量の変更および制御が容易になって運転性が向上し、燃料ガス流路をパージする際のパージガス量を低減でき、また流体として排出空気中に含有する水分の場合は、この水分による供給空気への加湿応答性が向上するとともに、循環経路内の水分低減による水つまりや低温時の凍結を低減することができる。

さらに、流体として冷却液の場合には、循環経路中の冷却液の低減によりポンプの負荷を低減できるだけでなく、燃料電池の冷機時に燃料電池の温度上昇を冷却液で行う場合に昇温時間を短縮できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係わる燃料電池システムの概略を示す全体構成図、図２は、図１を具体的に示した各部品の配置図である。ここでの燃料電池１は、例えば車両に搭載して使用するもので、その発電電力を図示しない例えば車両駆動用のモータに供する。

上記した燃料電池１の水素供給口１ａには、図示しない例えば水素タンクから延びる水素供給配管３を接続し、この水素供給配管３に水素調圧弁５を設けている。水素調圧弁５より下流の水素供給配管３には、燃料電池１の水素排出口１ｂに一端を接続する水素循環配管７の他端を接続する。

水素循環配管７には、水素循環ポンプ９を設け、燃料電池１の水素排出口１ｂから排出される余剰の水素を再度燃料電池１に供給させるべく循環させる。燃料電池１の水素排出口１ｂと水素循環ポンプ９との間の水素循環配管７には、水素放出配管１１を接続し、水素放出配管１１には水素遮断弁１３を設ける。水素遮断弁１３は、規定以上の圧力が生じたときに開放して後述する空気放出配管１５を経て空気とともに水素を外部に放出する。

上記した水素循環配管７（水素供給配管３と水素循環配管７との接続部より下流の水素供給配管３ａを含む）および水素循環ポンプ９により、燃料電池１に供給した流体（水素）を排出後再度燃料電池１に供給する流体循環手段を構成しており、この流体循環手段を、別途配管を使用せずに、燃料電池１に直接接続する。

また、燃料電池１の空気供給口１ｃには空気供給配管１７を接続し、空気供給配管１７にはコンプレッサ１９を設けている。コンプレッサ１９が加圧した空気は、空気加湿器２１を経て燃料電池１に供給する。

空気加湿器２１は、燃料電池１の空気排出口１ｄから排出されて空気排出配管２３を流れる空気中に含まれる水分を利用して、空気供給配管１７を通る空気を加湿するもので、加湿に使用した空気は、前記した空気放出配管１５を経て外部に放出する。空気放出配管１５には、空気調圧弁２４を設置している。

上記した空気排出配管２３，空気加湿器２１より下流の空気供給配管１７ａおよび空気加湿器２１により、燃料電池１に供給した流体（空気）を排出後再度燃料電池１に供給する流体循環手段を構成しており、この流体循環手段を、別途配管を使用せずに、燃料電池１に直接接続する。

さらに、燃料電池１の冷却水入口１ｅには冷却水入口配管２５の一端を、同冷却水出口１ｆには冷却水出口配管２７の一端を、それぞれ接続する。冷却水入口配管２５および冷却水出口配管２７の他端側は、ラジエータ２９にそれぞれ接続し、冷却水入口配管２５に設けた冷却水循環ポンプ３１により、冷却水を循環させる。

そして、上記した冷却水入口配管２５と冷却水出口配管２７とを、バイパス配管３３で接続し、バイパス配管３３と冷却水出口配管２７との接続部に、冷却水循環切替弁３５を設置する。冷却水循環切替弁３５は、燃料電池１の始動時などの冷機時に、ラジエータ２９をバイパスしてバイパス配管３３に冷却水が流れるよう動作する。

ここで、上記したバイパス配管３３より燃料電池１側の冷却水入口配管２５ａおよび冷却水出口配管２７ａ，冷却水循環ポンプ３１，冷却水循環切替弁３５により、燃料電池１に供給した流体（冷却液）を排出後再度燃料電池１に供給する流体循環手段を構成しており、この流体循環手段を、別途配管を使用せずに、燃料電池１に直接接続する。

このように、上記した第１の実施形態では、燃料電池１に供給した流体を排出後再度燃料電池１に供給する流体循環手段を、燃料電池１に直接接続したので、この流体循環手段を燃料電池１に近接配置でき、循環に要する流体経路を短縮することができ、部品点数，質量，製造コストおよび組付作業性が向上する。

循環に要する流体経路を短縮することで、流体として燃料ガス（水素）の場合には、圧力や流量の変更および制御が容易になって運転性が向上し、燃料ガス流路をパージする際のパージガス量を低減でき、また流体として排出空気中に含有する水分の場合は、この水分による空気加湿器２１での供給空気への加湿応答性の向上や、循環経路内の水分低減による水つまりや低温時の凍結を低減できる。

さらに、流体として冷却液（冷却水）の場合には、循環経路中の冷却液の低減により冷却水循環ポンプ３１の負荷を低減できるだけでなく、燃料電池１の冷機時に燃料電池１の温度上昇を冷却水で行う場合に昇温時間を短縮できる。

なお、上記図１，２に示した第１の実施形態では、流体循環手段など燃料電池１に付属する機器類を、ハウジング３７内に一括して設置してもよい。

図３は、本発明の第２の実施形態を示す燃料電池を省略した斜視図で、燃料電池システムの前記図１，２におけるハウジング３７に代えて、流体循環手段など燃料電池１に付属する機器類を収容するハウジング３９を用いている。

ハウジング３９は、図３の分解斜視図である図４に示すように、上記した各機器類である、水素調圧弁５，水素循環ポンプ９，水素遮断弁１３，空気加湿器２１，空気調圧弁２４，冷却水循環ポンプ３１，冷却水循環切替弁３５をそれぞれ収容可能な収容孔５Ｈ，９Ｈ，１３Ｈ，２１Ｈ，２４Ｈ，３１Ｈ，３５Ｈを設けている。

ここで、水素調圧弁５，水素循環ポンプ９および水素遮断弁１３の各収容孔５Ｈ，９Ｈおよび１３Ｈは、図４中で上面に開口し、この上面の開口から対応する各機器類をそれぞれ挿入配置する。また、空気加湿器２１および空気調圧弁２４の各収容孔２１Ｈおよび２４Ｈは、図４中で右側の前面に開口し、この開口から対応する各機器類をそれぞれ挿入配置する。さらに、冷却水循環ポンプ３１および冷却水循環切替弁３５の各収容孔３１Ｈおよび３５Ｈは、図４中で左側の後面に開口し、この開口から対応する各機器類をそれぞれ挿入配置する。

また、ハウジング３９は、前記図１に示した水素供給配管３，水素循環配管７，水素放出配管１１，空気放出配管１５，空気供給配管１７，空気排出配管２３，冷却水入口配管２５，冷却水出口配管２７に対応するハウジング３７内の部位に、それぞれの流体流路となる連通孔３ｈ，７ｈ，１１ｈ，１５ｈ，１７ｈ，２３ｈ，２５ｈ，２７ｈを設けている。

そして、これら各連通孔３ｈ，７ｈ，１１ｈ，１５ｈ，１７ｈ，２３ｈ，２５ｈ，２７ｈに対し、それぞれ対応する機器類の流体出入口部が接して密着するように、各機器類を前記した各収容孔５Ｈ，９Ｈ，１３Ｈ，２１Ｈ，２４Ｈ，３１Ｈ，３５Ｈにそれぞれ挿入配置する。このとき、各連通孔３ｈ，７ｈ，１１ｈ，１５ｈ，１７ｈ，２３ｈ，２５ｈ，２７ｈと対応する各機器類との間に、図示していないがＯリングなどのシール材を介在させる。挿入後の各機器類は、例えば各機器の挿入方向後端部の外周にフランジを形成し、このフランジをハウジング３９にボルトなどによって固定する。

ここで、流体循環手段における、水素循環ポンプ９，空気加湿器２１，冷却水循環ポンプ３１は、循環手段本体を構成している。

上記した第２の実施形態によれば、各流体循環手段それぞれにおいて、ハウジング３９に対する支持構造や各機器類に接続する配管を省略できるので、支持構造の設置や配管の接続作業が不要となり、その設置スペースや接続作業スペースを省略でき、燃料電池システム全体として小型化および組立作業性を改善することができる。

また、ここでは複数の流体循環手段を、一つのハウジング３９内に配置しているので、流体循環手段毎にハウジングを設置する場合に比較して部品点数を削減でき、燃料電池システム全体の小型化と組立性の改善をより高めることできる。

図５は、本発明の第３の実施形態を示す斜視図である。なお、ここでは、燃料電池１（１Ａ，１Ｂ）を上下に２つ重ねて配置している。この実施形態は、前記図３，４に示した第２の実施形態におけるハウジング３９に、前記２つの燃料電池１にそれぞれ各流体を分配供給する分配部および、２つの燃料電池１から各流体を排出して集合させる集合部を備える流体マニホールド４１を一体化している。

すなわち、ここでの流体マニホールド４１は、上，下の各燃料電池１Ａ，１Ｂに対応して上下のマニホールド４１Ａ，４１Ｂをそれぞれ備え、各マニホールド４１Ａ，４１Ｂに、水素循環ポンプ９に連通する水素出口４３ａおよび同入口４３ｂ，空気加湿器２１に連通する空気出口４５ａおよび同入口４５ｂ，冷却水循環ポンプ３１および冷却水循環切替弁３５にそれぞれ連通する冷却水出口４７ａおよび入口４７ｂを設け、これら各出口および入口を上，下の各燃料電池１Ａ，１Ｂの対応する各流体入口（図１の１ａ，１ｃ，１ｅに相当）および各流体出口（図１の１ｂ，１ｄ，１ｆに相当）にそれぞれ連通させる。

この連通は、図５の状態からハウジング３９を燃料電池１に接近させて密着させた状態で、例えば後述する図６のように両者相互を固定支持することで達成できる。

なお、図５では、前記図３に示してある流体流路となる連通孔３ｈ，７ｈ，１１ｈ，１５ｈ，１７ｈ，２３ｈ，２５ｈ，２７ｈは省略している。

上記した第３の実施形態によれば、各機器類を収容するハウジング３９に、流体分配・集合用の流体マニホールド４１を一体化したので、複数の燃料電池１を設けた場合であっても、システム全体として部品数を削減でき、組付性も向上する。

なお、第３の実施形態においては、ハウジング３９に代えて前記図１，図２に示した第１の実施形態におけるハウジング３７を使用してもよい。

第４の実施形態として、前記したハウジング３７，３９を、断熱性，絶縁性，イオン析出防止性の少なくともいずれか一つの機能を有する樹脂材料で構成する。

ハウジング３７，３９に断熱性を持たせることで、低温時での流路内流体の温度低下による凍結を防止でき、またハウジング３７，３９に電気的絶縁性を持たせることで、流体を外部から電気的に絶縁でき、特に冷却水を介した燃料電池１の絶縁抵抗を確保しやすく、さらにハウジング３７，３９にイオン析出防止性を持たせることで、冷却水の導電率を低く維持でき、燃料電池１と車両との絶縁抵抗を確保しやすくなる。

また、ハウジング３９を樹脂材料で構成することで、軽量材質によるユニット全体の軽量化も見込まれ、組立作業性を改善でき、車両軽量化が運転性能の向上に貢献する。

図６は、本発明の第５の実施形態を示す、前記図２に対応する平面図である。この実施形態は、図２に示したハウジング３７を使用し、このハウジング３７を、複数箇所（ここでは４箇所）のボルト・ナットなどの固定支持部４９により、燃料電池１に固定支持している。この固定支持状態で、各配管３ａ，７，１７，２３，２５ａ，２７ａが燃料電池１の各対応する部位に連通接続した状態となる。このとき、各配管３ａ，７，１７，２３，２５ａ，２７ａと燃料電池１との間に、図示していないがＯリングなどのシール材を介在させる。

また、ここでは、車両側の左右にて車体前後方向に延びる車体構造体５１，５３相互を３本の支持部材５５，５７，２９で連結し、燃料電池１を支持部材５５，５７上に固定するとともにハウジング３７を支持部材５９上に固定する。

上記した第５の実施形態によれば、ハウジング３７を固定支持部４９により燃料電池１に固定支持することで、ハウジング３７側の各配管が、燃料電池１の対応する部位に連通接続する状態となるので、個々の配管毎の接続を考慮する必要がなく、したがって部品数削減と組付性向上を達成できる。

なお、第５の実施形態においては、ハウジング３７に代えて前記図３に示した第２の実施形態におけるハウジング３９を使用してもよい。

図７は、本発明の第６の実施形態を示す、前記図３に相当する斜視図である。この実施形態は、前記図３の第２の実施形態に対し、燃料電池１の発電電力などを流すための電線としての高電圧ハーネス６１および、前記各機器類の電源や信号などを流すための電線としての低電圧ハーネス６３を、ハウジング３９に設けた電線収容部に設置している。

図８は、図７に対し、高電圧ハーネス６１および低電圧ハーネス６３をハウジング３９から取り外した状態を示す分解斜視図で、高電圧ハーネス６１は、ハウジング３９の側面の車体前後方向に延びる前記した電線収容部となる側面溝３９ａに設置し、低電圧ハーネス６３は、ハウジング３９の上面および前面にそれぞれ形成した前記した電線収容部となる上面溝３９ｂ，３９ｃおよび前面溝３９ｄ，３９ｅにそれぞれ設置する。

なお、低電圧ハーネス６３は、上面溝３９ｂに上端部が突出する、水素調圧弁５，水素遮断弁１３および、連通孔１７ｈに設置した例えば温度や圧力を検出するセンサ６４にそれぞれ配線接続している。このセンサ６４についても、前記した各機器類と同様にハウジング３９内に設けた収容孔に収容配置している。

上記した第６の実施形態によれば、高電圧ハーネス６１および低電圧ハーネス６３の支持構造を、これら各ハーネスを車体構造部材に固定支持させる場合に比較して簡素化でき、また溝内に収容することで、余計な出っ張りを解消でき見栄えが向上する。

また、各ハーネス６１，６３を、ハウジング３９内に設置してもよく、この場合には、各ハーネス６１，６３を保護するための保護材を周囲に巻き回すなどの措置が不要となり、備品点数の削減に寄与することができる。

なお、第６の実施形態においては、ハウジング３９に代えて前記図１，図２に示した第１の実施形態におけるハウジング３７を使用してもよい。

図９は、本発明の第７の実施形態を示す、前記図７に相当する斜視図である。この実施形態は、前記図７の第６の実施形態に対し、高電圧ハーネス６１および低電圧ハーネス６３を設置した部位に対応するハウジング３９の外面に、板状の保護カバー６５，６７を設置固定する。

これにより、高電圧ハーネス６１および低電圧ハーネス６３やハウジング内部の機器類に対し、車両走行時での水泥の跳ねによる付着や、跳ね上がった小石などの異物の衝突を防止でき、燃料電池システムの信頼性向上に加え、断熱性および見栄えの向上も達成することができる。

なお、図９において、低電圧ハーネス６３を前面溝３９ｄ，３９ｅに設置したハウジング３９の前面部にも適宜保護カバーを設けてもよい。

なお、第７の実施形態においては、ハウジング３９に代えて前記図１，図２に示した第１の実施形態におけるハウジング３７を使用してもよい。

図１０は、本発明の第８の実施形態を示す斜視図である。この実施形態は、流体循環手段など燃料電池１に付属する機器類と、燃料電池１とを同一のケース６９に収容している。

これによれば、燃料電池１に付属する機器類と燃料電池１とを、別々のケースに収容する場合に比較して部品点数を削減できるとともに、これら両者を合わせた容積を小型化でき、燃料電池システム全体としてコンパクト化を達成できる。

また、水素漏れ検知システムや換気装置を備える場合は、これらを一つのケース６９に統合できるので、構成の簡素化および備品点数を削減することができる。

さらに、各機器類を、燃料電池１とともに同一のケース６９に収容することで、燃料電池１と合わせた熱容量が増大するため、各機器類および燃料電池１に対する低温環境での保温に有利であり、特に燃料電池１の始動性向上に寄与することができる。この場合、ケース６９に断熱構造を持たせることで、より保温性を高めることができる。

さらには、各機器類を、燃料電池１とともに同一のケース６９に収容することで、車両衝突時での破損などの対策も、両者別々に行う必要がなく統合できるので、その際使用する部品などの削減が可能であり、コスト低下を達成できる。

本発明の第１の実施形態に係わる燃料電池システムの概略を示す全体構成図である。 図１を具体的に示した各部品の配置図である。 本発明の第２の実施形態を示す燃料電池を省略した斜視図である。 図３の分解斜視図である。 本発明の第３の実施形態を示す斜視図である。 本発明の第５の実施形態を示す、前記図２に対応する平面図である。 本発明の第６の実施形態を示す、前記図３に相当する斜視図である。 図７に対し、高電圧ハーネスおよび低電圧ハーネスをハウジングから取り外した状態を示す分解斜視図である。 本発明の第７の実施形態を示す、図７に相当する斜視図である。 本発明の第８の実施形態を示す斜視図である。

符号の説明

１ 燃料電池
３ｈ，７ｈ，１１ｈ，１５ｈ，１７ｈ，２３ｈ，２５ｈ，２７ｈ 連通孔（流体流路）
９ 水素循環ポンプ（流体循環手段，循環手段本体）
７ 水素循環配管（流体循環手段）
１７ａ 空気供給配管（流体循環手段）
２１ 空気加湿器（流体循環手段，循環手段本体）
２３ 空気排出配管（流体循環手段）
２５ａ 冷却水入口配管（流体循環手段）
２７ａ 冷却水出口配管（流体循環手段）
３１ 冷却水循環ポンプ（流体循環手段，循環手段本体）
３５ 冷却水循環切替弁（流体循環手段）
３７，３９ ハウジング
４９ ハウジングと燃料電池との固定支持部
６１ 高電圧ハーネス（電線）
６３ 低電圧ハーネス（電線）
６５，６７ 保護カバー
６９ 燃料電池と各機器類とを収容する同一のケース

Claims (9)

1. 燃料電池に流体を供給し、この供給した流体を排出後再度前記燃料電池に供給して循環させる流体循環手段を、前記燃料電池に直接接続し、前記流体循環手段は、前記燃料電池に供給する燃料ガスの余剰分を循環させるものと、前記燃料電池に供給する空気を排出後、この排出空気中に含まれる水分を循環させるものと、前記燃料電池に供給する冷却液を循環させるものとの、少なくとも一つであることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記流体循環手段は、循環手段本体とこの循環手段本体に接続する流体流路とを有し、前記循環手段本体を収容するハウジング内に前記流体流路となる連通孔を形成し、この連通孔に前記循環手段本体を含む機器類の流体出入口部が接するように、前記流体循環手段を含む機器類を前記ハウジング内に配置することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記流体循環手段を収容するハウジングを設け、前記流体循環手段は、少なくとも２種の流体をそれぞれ循環させるよう２系統有し、この少なくとも２系統の流体循環手段を、前記一つのハウジング内に配置することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記流体循環手段を収容するハウジングを設け、このハウジング内に、複数の燃料電池に対して流体を分配供給する分配部および、前記複数の燃料電池から流出する流体を集合させる集合部をそれぞれ設け、前記分配部および前記集合部を、前記流体循環手段に連通させることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記流体循環手段を収容するハウジングを設け、このハウジングは、断熱性，電気的絶縁性，イオン析出防止性の少なくともいずれか一つの機能を有する樹脂材料で構成することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記流体循環手段を収容するハウジングを設け、このハウジングと前記燃料電池との固定支持部による相互の固定支持により、前記流体循環手段と前記燃料電池とが連通状態になることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記流体循環手段を収容するハウジングを設け、前記燃料電池やその他の機器類に使用する電線を前記ハウジングに設けた電線収容部に設置することを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
8. 前記ハウジングの前記電線を設けた部位を保護カバーで覆うことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 前記流体循環手段を前記燃料電池とともに一つのケース内に収容することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。

Images