JP5656024B2

JP5656024B2 - 移動体

Info

Publication number: JP5656024B2
Application number: JP2011234848A
Authority: JP
Inventors: 昌宏竹下
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-10-26
Filing date: 2011-10-26
Publication date: 2015-01-21
Anticipated expiration: 2031-10-26
Also published as: JP2013091426A

Description

本発明は、燃料電池システムを搭載した移動体に関する。

例えば自動車等の車両に搭載される燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスを電気化学的に反応させて発電する燃料電池を有している。

燃料電池には、反応後の排ガスを外部に排出するための排気管路が接続され、当該排気管路には、排ガスを制御するガスバルブや、消音器であるマフラーが設けられている。

特開２００７−０６６９０９号公報

ところで、上述のような車両では例えば低温度環境において起動した際に、マフラーが凍結しており、消音機能が長時間にわたり著しく低下することがある。

特許文献１には、断熱性を向上するための、スタックモジュール内部と流体的に連通して備えられる一体化された凝縮器／消音器を設ける燃料電池システム用筺体が記載されているが、この場合車両内のモジュール構造が大型化してしまう。モジュール構造が大型化すると、車両内の各種装置の設置場所の自由度が低下し好ましくない。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、モジュール構造の大型化を回避しつつ、低温度起動時のマフラーの消音機能を迅速に回復する車両などの移動体を提供することをその目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、燃料電池システムを搭載した移動体であって、燃料電池と、前記燃料電池から排出されるガスが通過するマフラーと、を有し、前記燃料電池は、当該燃料電池内を流れる冷媒が移動体の前後方向の一方側から他方側に流れるような向きに設置され、前記マフラーは、前記燃料電池の前記他方の側面に当該燃料電池と平行に近接配置されているものである。

本発明によれば、燃料電池とマフラーが別々に配置されているので、移動体のモジュール構造の大型化を回避できる。また、マフラーが、燃料電池の冷媒の下流側となる他方の側面に平行に近接配置されているので、マフラー全体が燃料電池の高温側の部位に近くなり、低温度起動時のマフラーの消音機能を迅速に回復できる。

上記移動体は、前記マフラーの上流側に設けられ、前記燃料電池から排出されるガスを移動体の外部に排出するための補機を、さらに有し、前記補機は、移動体の左右方向の前記燃料電池の側面に隣接されていてもよい。かかる場合、補機が燃料電池の側面に隣接されているので、補機とマフラーも近くなり、燃料電池、補機及びマフラーの構成をコンパクト化できる。また、騒音の発生源となり得る補機とマフラーとの間のガス流路の長さを短くできるので、消音効率を向上できる。

前記補機は、前記燃料電池から排出されるガスの流れを制御するガスバルブを有していてもよい。

前記冷媒が移動体の前方側から後方側に流れるように前記燃料電池が設置され、前記マフラーは、前記燃料電池の後方側に配置されていてもよい。

前記燃料電池は、移動体の床下に搭載されていてもよい。

本発明によれば、移動体のモジュール構造の大型化を回避しつつ、低温度起動時のマフラーの消音機能を迅速に回復できる。

燃料電池システムの構成を示す模式図である。燃料電池内の冷却水の流路構成を示す模式図である。燃料電池を床下に有する燃料電池車両を示す説明図である。マフラーの配置を示す燃料電池車両の一部の平面図である。

以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態に係る移動体としての燃料電池車両が備える燃料電池システム１の構成の概略を示す説明図である。

燃料電池システム１は、図１に示すように反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池１０と、燃料電池１０に対し酸化ガスとしてのエアを給排気するエア配管系１１と、燃料電池１０に対し燃料ガスとしての水素ガスを給排気する水素ガス配管系１２を備えている。

燃料電池１０は、反応ガスの供給を受けて発電する単セル２０を複数積層してなるセル積層体２１を有している。燃料電池１０の両端部には、一対のエンドプレート２２が設けられている。

エアガス配管系１１は、加湿器３０と、加湿器３０により加湿されたエアを燃料電池１０に供給するエア供給流路３１と、燃料電池１０から排出された排気エアを加湿器３０に送り、その後外部に排出するエア排出流路３２を有している。エア供給流路３１には、大気中のエアを取り込んで加湿器３０に圧送するコンプレッサ３４が設けられている。エア排出流路３２には、例えば排気エアを制御するエアバルブ３５や、消音のためのマフラー３６が設けられている。その他、エア供給流路３１やエア排出流路３２には、例えば図示しない圧力センサや調圧バルブが設けられている。

水素ガス配管系１２は、高圧（例えば７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク４０と、水素タンク４０の水素ガスを燃料電池１０に供給するための水素ガス供給流路４１と、燃料電池１０から排出された水素オフガスを水素ガス供給流路４１に戻すための循環流路４２を備えている。

水素ガス供給流路４１には、水素タンク４０の元弁として機能し、水素タンク４０から燃料電池１０側への水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁４３と、水素ガスの圧力を予め設定した二次圧に減圧するレギュレータ４４と、燃料電池１０側に供給する水素ガスの流量やガス圧を高精度に調整するインジェクタ４５が設けられている。

循環流路４２には、例えば水素オフガスから水や不純物を除去するイオン交換器４６と、循環流路４２内の水素オフガスを加圧して水素ガス供給流路４１側へ圧送する水素ポンプ４７が設けられている。イオン交換器４６には、イオン交換器４６により分離された水や一部の水素オフガスを外部に排出する排出流路４８が接続されている。当該排出流路４８には、イオン交換器４６からの水や一部の水素オフガスの排出を制御する排出制御弁４９が設けられている。

燃料電池システム１は、燃料電池１０を冷却する冷却システム６０を有している。冷却システム６０は、冷媒としての冷却水を所定の温度で循環させる冷却装置７０と、冷却装置７０から燃料電池１０に冷却水を供給する冷却水供給流路７１と、燃料電池１０を通過した冷却水を冷却装置７０に戻す冷却水帰還流路７２を備えている。

燃料電池１０には、例えば図２に示すように冷却水供給流路７１に通じ、燃料電池１０の一の側面１０ａ近傍を燃料電池１０の長手方向（セル積層体２１の積層方向）に向かって通る第１の流路８０と、冷却水帰還流路７２に通じ、燃料電池１０の他の側面１０ｂ近傍を燃料電池１０の長手方向に向かって通る第２の流路８１と、例えばセル積層体２１の単セル毎に燃料電池１０の横方向（長手方向の直角方向）に向かって第１の流路８０から第２の流路８１に冷却水を通す第３の流路８２が設けられている。よって、冷却システム６０は、冷却水を、冷却装置７０、冷却水供給流路７１、第１の流路８０、第３の流路８２、第２の流路８１、冷却水帰還流路７２、冷却装置７０の順で循環させることによって燃料電池１０を冷却できる。

燃料電池システム１が起動し、発電が行われる際には、図１に示す水素タンク４０から水素ガス供給流路４１を通じて燃料電池１０に水素ガスが供給され、エア供給流路３１を通じて燃料電池１０にエアが供給される。燃料電池１０では、水素ガスとエアの電気化学反応により発電される。燃料電池１０から排出された水素オフガスは、循環流路４２を通じて流され、イオン交換器４６を通じて一部が水素ガス供給流路４１に戻され、一部が排出流路４８を通じて排出される。また、燃料電池１０から排出された排気エアは、エア排出流路３２を通じて流され、加湿器３０を通過後にマフラー３６を通って外部に排出される。

次に、上記燃料電池システム１を搭載した燃料電池車両について説明する。図３に示すように燃料電池１０は、燃料電池車両１００の床Ａの下に配置され、その後方に燃料電池１０に隣接してマフラー３６が配置されている。

燃料電池１０は、図４に示すように燃料電池１０内を流れる冷却水が燃料電池車両１００の前方側から後方側に流れるような向きに設置されている。つまり、冷却水の第１の流路８０が前方側、第２の流路８１が後方側で、第３の流路８２が前方から後方に向くように燃料電池１０が設置される。冷却水は下流に流れるに従って熱を取り込み温度が上がり冷却能力が下がるので、燃料電池１０の起動時には燃料電池１０の後方側が前方側に比べて高温部位となる。

燃料電池車両１００における燃料電池１０の左右方向の側面には、補機類１１０が近接配置され、補機類１１０は、燃料電池１０のエンドプレート２２に接続されている。補機類１１０は、例えば燃料電池１０からエアを排気するためのものであり、本実施の形態において、補機類１１０は、例えば燃料電池システム１の加湿器３０やエアバルブ３５の補機を備えている。

マフラー３６は、燃料電池１０の後方に近接配置され、燃料電池１０と平行に配置されている。これにより、マフラー３６は、燃料電池１０の高温部近傍に配置される。マフラー３６は、例えば円筒状のステンレス製或いは樹脂製の管路内に、筒状に成型された不織布を備えた構造を有している。なお、燃料電池１０とマフラー３６の距離は、１０ｃｍ以下が好ましい。

マフラー３６と補機１１０とは、エア排出流路３２の一部を構成する接続管路１２０により接続されている。マフラー３６の下流側には、エア排出流路３２の一部を構成し、車両外部に通じる管路１２１が接続されている。

本実施の形態によれば、燃料電池１０とマフラー３６が別々に配置されているので、車両内のモジュール構造の大型化を回避できる。また、マフラー３６が燃料電池１０の後方の側面に平行に近接配置されているので、マフラー３６全体が燃料電池１０の高温側の部位に近くなり、低温度起動時に燃料電池１０の熱によってマフラー３６が解凍される。よって、低温度起動時のマフラー３６の消音機能を迅速に回復できる。

燃料電池車両１００は、マフラー３６の上流側に設けられ、燃料電池１０から排出されるガスを外部に排出するための補機類１１０（加湿器３０、エアバルブ３５）を有し、補機類１１０は、燃料電池１０の左右方向の側面に近接配置されている。かかる場合、燃料電池１０、補機類１１０及びマフラー３６が互いに近くなり、燃料電池１０、補機類１１０及びマフラー３６の構成をコンパクト化できる。また、騒音の発生源となり得る補機類１１０とマフラー３６との間のガス流路の長さを短くできるので、消音効率を向上できる。

燃料電池１０が燃料電池車両１００の床下に搭載されているので、上記燃料電池１０、マフラー３６及び補機類１１０の配置を好適に実現できる。また、衝突安全性能を向上し、車両の低重心化による操安性を向上できる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば以上の実施の形態では、冷却水が燃料電池車両１００の前方側から後方側に流れるように燃料電池１０が設置され、マフラー３６が燃料電池１０の後方側に配置されたが、その逆の、冷却水が燃料電池車両１００の後方側から前方側に流れるように燃料電池１０が設置され、マフラー３６が燃料電池１０の前方側に配置されてもよい。この場合もマフラー３６が燃料電池１０の高温側の部位に近くなり、低温度起動時のマフラー３６の消音機能を迅速に回復できる。

また、例えば以上の実施の形態における燃料電池１０内の冷却水の流路構成は他の構成を有するものであってもよい。また、燃料電池１０の側面に配置される補機類１１０は、エアバルブ３５、加湿器３０以外の他の装置であってもよく、また、エアバルブ３５、加湿器３０以外の他の装置を含むものであってもよい。さらに、本発明は、燃料電池自動車、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両のほか、各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）にも適用できる。

本発明は、燃料電池システムを備えた移動体において、モジュール構造の大型化を回避しつつ、低温度起動時のマフラーの消音機能を迅速に回復する際に有用である。

１燃料電池システム
１０燃料電池
３５エアバルブ
３６マフラー
１００燃料電池車両
１１０補機類

Claims

燃料電池システムを搭載した移動体であって、
燃料電池と、
前記燃料電池から排出されるガスが通過するマフラーと、を有し、
前記燃料電池は、当該燃料電池内を流れる冷媒が移動体の前後方向の一方側から他方側に流れるような向きに設置され、
前記マフラーは、前記燃料電池の前記他方の側面に当該燃料電池と平行に近接配置されている、移動体。
前記マフラーの上流側に設けられ、前記燃料電池から排出されるガスを移動体の外部に排出するための補機を、さらに有し、
前記補機は、前記移動体の左右方向の前記燃料電池の側面に隣接されている、請求項１に記載の移動体。
前記補機は、前記燃料電池から排出されるガスの流れを制御するガスバルブを有している、請求項２に記載の移動体。
前記冷媒が移動体の前方側から後方側に流れるように前記燃料電池が設置され、
前記マフラーは、前記燃料電池の後方側に配置されている、請求項１〜３のいずれかに記載の移動体。
前記燃料電池は、移動体の床下に搭載されている、請求項１〜４のいずれかに記載の移動体。