JP4061589B2

JP4061589B2 - 燃料電池システム搭載車両

Info

Publication number: JP4061589B2
Application number: JP2003179557A
Authority: JP
Inventors: 哲生魚住
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-06-24
Filing date: 2003-06-24
Publication date: 2008-03-19
Anticipated expiration: 2023-06-24
Also published as: JP2005014666A; US20040262059A1; EP1492188B1; EP1492188A2; US7682715B2; EP1492188A3

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加湿水等を燃料電池スタックに供給する水供給手段を備えた燃料電池システムを搭載した燃料電池システム搭載車両に関するものであり、特に、氷点下時に配管や部品内部で水が凍結することによる破損を防止するための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の環境問題、特に自動車の排出ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題等に対する対策として、クリーンな排気及び高エネルギ効率を可能とする燃料電池技術が注目を浴びている。燃料電池は、燃料となる水素あるいは水素リッチな改質ガス及び空気を、電解質・電極触媒複合体に供給し、電気化学反応を起こし、化学エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換システムである。中でも、固体高分子膜を電解質として用いた固体高分子電解質型燃料電池は、低コストでコンパクト化が容易であり、しかも高い出力密度を有することから、自動車等の移動体用電源としての用途が期待されている。
【０００３】
ところで、前記固体高分子電解質型燃料電池においては、固体高分子膜は、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能するとともに、水素と酸素とを分離する機能も有する。固体高分子膜の含水量が不足すると、イオン抵抗が高くなり、水素と酸素とが混合して燃料電池としての発電ができなくなってしまう。一方で、固体高分子電解質型燃料電池では、発電により水素極で分離した水素イオンが電解質膜を通るときには、水も一緒に移動するため、水素極側は乾燥する傾向にある。また、供給する水素または空気に含まれる水蒸気が少ないと、それぞれの反応ガス入口付近で固体高分子膜が乾燥する傾向にある。
【０００４】
このようなことから、固体高分子電解質型燃料電池における固体高分子膜は、外部から水分を供給して積極的にこれを加湿する必要があり、電解質自体を加湿したり、供給される水素や空気を加湿する等、何らかの加湿手段が設けられている。
【０００５】
以上のような固体高分子電解質型燃料電池における加湿手段においては、寒冷地での使用等を考慮して、加湿用の水の凍結に対する対策を講ずることが必要となる。例えば、氷点下時に加湿水が配管内や部品内で凍結膨張し、配管や部品を破損させる等、少なからずダメージを与えるおそれがある。そこで、これを回避することを目的として、加湿水を凍結タンク等へ回収する技術が提案されている（例えば、特許文献１や特許文献２等を参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−２５７４３０号公報
【０００７】
【特許文献２】
特開２００２−１５８０２４号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、燃料電池システムを車両へ搭載する場合には、燃料電池システムの搭載によって車室内空間が狭められることがないように、燃料電池システムは例えば車両の床下に搭載することが考えられる。しかしながら、これまでは床下での加湿水回収等については全く考慮されておらず、氷点下時の凍結に対応できないという問題がある。例えば、水供給手段を有する燃料電池システムを車両の床下に搭載する場合、他の場所よりも高さの制限がある中で、氷点下時の凍結破損を防止する手段や機構（例えば、前記凍結タンク）を適正に配置しないと、その効果を十分に発揮させることができず、結局は氷点下時に加湿水が配管内や部品内で凍結膨張し、配管や部品を破損させることになる。
【０００９】
本発明は、以上のような従来の問題を解消すべく創案されたものであって、高さ制限のある車両の床下に水供給手段を有する燃料電池システムを搭載した場合にも、氷点下時の配管内や部品内での水の凍結による破損を防止することができ、氷点下時にも燃料電池システムの起動、運転が可能な燃料電池システム搭載車両を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料電池スタックと、貯水タンクを有する水供給手段とを備えた燃料電池システムを、車両床下に搭載した燃料電池システム搭載車両において、水供給手段が、車体フロアパネル下面の形状に倣った外形形状を有するケーシング内に収容されて、車両床下に配設されており、貯水タンクを除く水供給手段の構成部材が、車体フロアパネルのフロアトンネル部に倣って車室側に膨出したケーシングの膨出部内に配置されることで、車両床下の前記貯水タンクよりも高い位置に配置されていることを特徴とするものである。
また、本発明は、燃料電池スタックと、貯水タンクを有する水供給手段とを備えた燃料電池システムを、車両床下に搭載した燃料電池システム搭載車両において、水供給手段が、車体フロアパネル下面の形状に倣った外形形状を有するケーシング内に収容されて、車両床下に配設されており、車室内に設置されるシートの真下に位置するケーシングの一部にシート側に膨出するシート側膨出部が設けられ、貯水タンクを除く水供給手段の構成部材が、このシート側膨出部内に配置されることで、車両床下の前記貯水タンクよりも高い位置に配置されていることを特徴とするものである。
【００１１】
このような本発明に係る燃料電池システム搭載車両においては、貯水タンクを除く水供給手段の構成部材を貯水タンクよりも高い位置に配置することで、貯水タンクへの水の回収性が向上し、水供給手段の配管や部品内部に残留する残留水が低減される。その結果、これら配管や部品内で水が凍結することによる破損が有効に回避される。
【００１２】
【発明の効果】
本発明の燃料電池システム搭載車両では、貯水タンクを除く水供給手段の構成部材を貯水タンクよりも高い位置に配置しているので、貯水タンクへの水の回収性を向上させて、水供給手段の配管や部品内部に残留する残留水を低減することができる。したがって、高さ制限のある車両の床下に水供給手段を有する燃料電池システムを搭載した場合にも、氷点下時における配管や部品内部での水の凍結による破損を防止することができ、氷点下時にも燃料電池システムの円滑な起動、及び運転が可能である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した燃料電池システム搭載車両について、図面を参照して説明する。
【００１４】
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態の燃料電池システム搭載車両の概略構成を示すものである。この燃料電池システム搭載車両は、車両本体１の床下、すなわち車室内のシート２が設置される車体フロアパネルの下部に、水素と空気の供給により発電を行う燃料電池スタック３と、この燃料電池スタック３を動作させる上で必要となる各種機構部を収納した床下燃料電池システムケース４とを搭載してなるものである。
【００１５】
燃料電池スタック３は、水素が供給される燃料極と酸素（空気）が供給される空気極とが電解質・電極触媒複合体を挟んで重ね合わされた発電セルが多段積層された構造を有し、電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換する。各発電セルの燃料極では、水素が供給されることで水素イオンと電子とが解離し、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させて、空気極側にそれぞれ移動する。また、空気極では、供給された空気中の酸素と前記水素イオン及び電子が反応して水が生成され、外部に排出される。
【００１６】
燃料電池スタック３の電解質としては、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質が用いられる。固体高分子電解質は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、先にも延べた通り、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能することから、この燃料電池スタック３においては水を供給して加湿することが必要になる。
【００１７】
床下燃料電池システムケース４内には、例えば、燃料電池スタック３に燃料である水素（あるいは水素リッチガス）を供給する燃料供給系、酸化剤（空気）を供給する空気供給系、燃料電池スタック３に加湿用の純水を供給する加湿手段、燃料電池スタック３を冷却するための冷却手段等の各種機構部が収納されており、これらの各種機構部により燃料電池スタック３の運転を制御している。床下燃料電池システムケース４の外形形状は、車両本体１の床下スペースを有効利用できるように、車体フロアパネル下面の形状に倣った形状とされている。そして、床下燃料電池システムケース４は、車体フロアパネル下面に密着するようにして、車両本体１の床下に搭載されている。
【００１８】
図２は、床下燃料電池システムケース４内部における加湿手段（水供給手段）の配置を示すものである。図２に示すように、この床下燃料電池システムケース４内部には、燃料電池スタック３に加湿用の純水を供給する水供給手段としての加湿手段が収納されている。勿論、この加湿手段以外にも、前記のような燃料供給系等の他の機構部も床下燃料電池システムケース４内部に収納されているが、ここではそれらは省略して説明する。
【００１９】
加湿手段は、氷点下以下の温度でも純水を凍結保持可能な貯水タンク５と、貯水タンク５に保持された純水を汲み上げるためのポンプ６、ポンプ６で汲み上げられた純水を燃料電池スタック３（あるいは加湿器）に供給する経路となる水供給配管７、燃料電池スタック３から余分な水を回収する水回収配管８等を備えて構成される。燃料電池スタック３の運転時には、貯水タンク５内の純水がポンプ６により汲み上げられ、水供給配管７を介して燃料電池スタック３へと供給される。また、燃料電池スタック３の運転停止時には、氷点下時の純水の凍結に備えて、系内の純水は全て貯水タンク５に回収される。
【００２０】
本実施形態では、車両本体１の床下スペースに搭載された床下燃料電池システムケース４内において、貯水タンク５を除く加湿手段の構成部材（ポンプ６、水供給配管７、水回収配管８等）を貯水タンク５よりも高い位置に配置している。このように貯水タンク５を除く加湿手段の構成部材を貯水タンク５よりも高い位置に配置することで、氷点下時の純水の凍結に備えて系内の純水を貯水タンク５に回収する際に、例えばポンプ６や水供給配管７、水回収配管９内の水が重力によって貯水タンク５内へと自然落下することになる。これにより、加湿手段内の純水の貯水タンク５への回収性が向上し、ポンプ６や水供給配管７、水回収配管９内の残留純水が減少する。その結果、これらポンプ６や水供給配管７、水回収配管９内で純水が凍結することによる破損を防止することができる。
【００２１】
なお、以上は、燃料電池スタック３に加湿用の純水を供給する加湿手段についてのみ説明したが、燃料電池スタック３を冷却するための冷却手段が貯水タンク５に保持される純水を冷媒として用いて、この純水を燃料電池スタック３に供給することで燃料電池スタック３を冷却する構造となっている場合には、この冷却手段も水供給手段となるので、貯水タンク５を除く冷却手段の構成部材が貯水タンク５よりも高い位置に配置されることになる。
【００２２】
（第２の実施形態）
本実施形態は、貯水タンクを除く水供給手段の構成部材を水供給ユニットとして一体化して、この水供給ユニットを、車体フロアパネルのフロアトンネル部に倣って車室側に膨出して形成された床下燃料電池システムケースの膨出部内に配置したものである。
【００２３】
車体フロアパネルには、剛性を高める等の目的でその中央部付近に車室側に膨出したフロアトンネル部が形成されていることが多く、このような車体フロアパネルの下面に密着するように床下燃料電池システムケースを搭載する場合、床下燃料電池システムケース４には、図３に示すように、車体フロアパネルのフロアトンネル部に倣って車室側に膨出する膨出部４ａが形成されることになる。
【００２４】
そこで、本実施形態では、貯水タンク５を除く水供給手段の構成部材を水供給ユニット９として一体化して、この水供給ユニット９を、図４に示すように、床下燃料電池システムケース４の膨出部４ａ内に配置するようにしている。そして、貯水タンク５は、床下燃料電池システムケース４内の下方の広いスペースに配置するようにしている。これにより、貯水タンク５を除く水供給手段の構成部材が貯水タンク５よりも高い位置に配置されることになる。
【００２５】
本実施形態では、水供給ユニット９が床下燃料電池システムケース４の膨出部４ａ内に配置され、この水供給ユニット９と同じ高さに他の部品が少ないので、床下燃料電池システムケース４の膨出部４ａ内のスペースを有効利用して、貯水タンク５以外の水供給手段の構成部材を平面的に配置してユニット化することが可能となる。したがって、水供給ユニット９内における純水流路の高低差を少なくでき、純水回収を更に容易なものとして、残留純水の更なる低減を図ることができる。
【００２６】
また、純水流量は、燃料電池スタック３に供給する冷媒や反応用空気等の流量に比較して一般的に少なく、貯水タンク５を除く水供給手段の各構成部材は、他の系の構成部材に比べて小型軽量である。したがって、これらを床下燃料電池システムケース４内の一段高いスペースに配置するようにした場合、他の系の重い部品を配置するよりも構造的に有利であり、例えば前後左右のＧに対する支持構造１０を簡素化することができる。
【００２７】
さらに、水供給手段には、純水の導電率や異物を低減するために、イオン除去フィルタや異物フィルタを設ける場合があるが、これらのフィルタの交換をある程度考慮することも必要である。これを考慮したときに、例えば燃料電池システムを車両から下ろした状態でのメンテナンスにおいて、作業し易い位置に水供給ユニット９が設置されるので、メンテナンス作業性が向上する。
【００２８】
（第３の実施形態）
本実施形態の基本的構造は、上述した第２の実施形態のものと同様であるが、本実施形態では、図５に示すように、水供給ユニット９の設置位置に対応して、床下燃料電池システムケース４の膨出部４ａにメンテナンス用の作業孔１１が設けられている。また、図示を省略するが、車体フロアパネルのフロアトンネル部にも同じ位置に同様の作業孔が設けられており、これら作業孔が連通している。
【００２９】
上述したように、水供給手段には、純水の導電率や異物を低減するために、イオン除去フィルタや異物フィルタを設ける場合があり、これらフィルタ等の交換の作業性を考慮することが必要である。本実施形態では、床下燃料電池システムケース４の膨出部４ａ及び車体フロアパネルのフロアトンネル部にメンテナンス用の作業孔が設けられているので、車室内からのメンテナンスが可能である。したがって、燃料電池システムを車両から降ろさずに、フィルタ交換等のメンテナンスを行うことができ、メンテナンス作業性が大幅に向上する。
【００３０】
なお、ここでは水供給ユニット９が床下燃料電池システムケース４の膨出部４ａ内に配置されていることを前提に、床下燃料電池システムケース４の膨出部４ａ及び車体フロアパネルのフロアトンネル部にメンテナンス用の作業孔を設けた例を説明したが、水供給ユニット９が床下燃料電池システムケース４内の他の位置に配置される場合にも、その設置位置に対応してメンテナンス用の作業孔を設けることで、同様の効果が得られる。
【００３１】
（第４の実施形態）
本実施形態の基本的構造は、上述した第２の実施形態のものと同様であるが、本実施形態では、図６に示すように、水供給ユニット９の真下位置に貯水タンク５を配置している。
【００３２】
本実施形態のような配置を採用した場合、貯水タンク５と水供給ユニット９間の配管が短くなるので、水供給手段内の総純水量を低減することができ、貯水タンク５の容量を小さくすることができる。その結果、床下燃料電池システムケース４の軽量化、ひいては燃料電池システム搭載車両全体の軽量化を実現できる。また、貯水タンク５と水供給ユニット９内のポンプが接近した位置となり、これらの間の配管が短縮されることで、ポンプによる純水流量や圧力の制御性が向上する。
【００３３】
さらに、図７に示すように、前後左右のＧが加わった場合や車両が傾いた場合にも、常にポンプを貯水タンク５の水面より一定の高い位置に配置し易く、ポンプの設置自由度が向上する。すなわち、貯水タンク５が水供給ユニット９の真下に配置されていない場合には、車体に作用するＧや車体の傾きの状況よっては、水面とポンプ高さが変動してポンプの適正な作動に支障を来すことも考えられるが、本実施形態ではこのような問題を未然に回避することができる。加えて、部品点数、質量、コスト等の点でも有利である。
【００３４】
なお、ここでは水供給ユニット９が床下燃料電池システムケース４の膨出部４ａ内に配置されている場合について説明したが、水供給ユニット９が床下燃料電池システムケース４内の他の位置に配置される場合にも、水供給ユニット９の真下位置に貯水タンク５を配置することで、同様の効果が得られる。
【００３５】
（第５の実施形態）
本実施形態においても、上述した第４の実施形態の場合と同様、水供給ユニット９の真下位置に貯水タンク５を配置するが、本実施形態では、図８に示すように、水供給ユニット９と貯水タンク５とが一体化されている。
【００３６】
本実施形態では、以上のように水供給ユニット９と貯水タンク５とを一体化しているので、水供給ユニット９を構成する各部材に貯水タンク５も含めた水供給手段全体を１つのモジュールとして構成することが可能となり、水供給手段における配管の更なる低減や貯水タンク５等の各部品の更なる小型化を実現することができる。したがって、水供給手段の各部品や配管を、純水の回収がより一層効率的に行われるようなレイアウトで配置することが可能となり、純水の回収性が更に向上する。また、部品点数、質量、コストの低減効果も大きくなる。
【００３７】
（第６の実施形態）
本実施形態は、車室内のシート下のデッドスペース等のように、車室内において通常使用されていないスペースに膨出するように、床下燃料電池システムケースに第２の膨出部を形成し、この第２の膨出部内に貯水タンクを除く加湿手段の構成部材を配置するようにした例である。
【００３８】
すなわち、本実施形態では、図９及び図１０に示すように、床下燃料電池システムケース４の例えばシート２下方に位置する部分に、第２の膨出部４ｂが形成されている。また、図示を省略するが、車両本体１の車体フロアパネルには、シート２下方に位置して第２の膨出部４ｂに対応した形状の開口部が設けられており、床下燃料電池システムケース４の第２の膨出部４ｂは、この開口部から車室内のシート２下方の空間に突出するようになっている。
【００３９】
そして、床下燃料電池システムケース４内では、貯水タンク５を除く水供給手段の構成部材（水供給ユニット９）が第２の膨出部４ｂ内に配置されて、その下方に貯水タンク５が配置されている。これにより、貯水タンク５を除く水供給手段の構成部材が貯水タンク５よりも高い位置に配置されることになり、水供給手段における水回収性が向上する。また、床下燃料電池システムケース４の第２の膨出部４ｂは車室内に突出するが、第２の膨出部４ｂが突出するのはシート２下方等のデッドスペースとされている部分であるので、車室内空間に影響を及ぼすこともない。さらに、イオン除去フィルタや異物除去フィルタなどへのメンテナンス性を向上できる。なお、この車室内に突出する第２の膨出部４ｂは、通常時は着脱可能なカバーで覆われるようにして、作業時にのみこのカバーを外してメンテナンス等の作業を行う構成としてもよい。
【００４０】
以上のように、本実施形態では、車室内のデッドスペースとなっている部分に油化した燃料電池システムケース４の第２の膨出部４ｂを突出させて、この第２の膨出部４ｂ内に貯水タンク５を除く水供給手段の構成部材（水供給ユニット９）を配置し、その下方に貯水タンク５を配置するようにしているので、車室内空間に影響を及ぼすことなく、したがって車室内レイアウトの自由度を保持しながら、水供給手段における純水の回収性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池システムの車両床下への搭載状態を示す模式図である。
【図２】第１の実施形態における水供給手段の配置を示す模式図である。
【図３】床下燃料電池システムケースの外形形状の一例を示す斜視図である。
【図４】第２の実施形態における水供給手段の配置を示す模式図である。
【図５】第３の実施形態の特徴部分を説明する図であり、燃料電池システムケースに作業孔を設けた様子を示す模式図である。
【図６】第４の実施形態における水供給手段の配置を示す模式図である。
【図７】第４の実施形態において、車両が傾斜した状態を示す模式図である。
【図８】第５の実施形態における水供給手段の配置を示す模式図である。
【図９】第６の実施形態の特徴部分を説明する図であり、床下燃料電池システムケースの外形形状の他の例を示す斜視図である。
【図１０】第６の実施形態の特徴部分を説明する図であり、燃料電池システムの車両床下への搭載状態の他の例を示す模式図である。
【符号の説明】
１車両本体
２シート
３燃料電池スタック
４床下燃料電池システムケース
４ａ膨出部
４ｂ第２の膨出部
５貯水タンク
６ポンプ
７水供給配管
８水回収配管
９水供給ユニット
１１作業孔

Claims

燃料電池スタックと、貯水タンクを有する水供給手段とを備える燃料電池システムを、車両床下に搭載した燃料電池システム搭載車両において、
前記水供給手段が、車体フロアパネル下面の形状に倣った外形形状を有するケーシング内に収容されて、車両床下に配設されており、
前記貯水タンクを除く水供給手段の構成部材が、車体フロアパネルのフロアトンネル部に倣って車室側に膨出した前記ケーシングの膨出部内に配置されることで、車両床下の前記貯水タンクよりも高い位置に配置されていることを特徴とする燃料電池システム搭載車両。
燃料電池スタックと、貯水タンクを有する水供給手段とを備える燃料電池システムを、車両床下に搭載した燃料電池システム搭載車両において、
前記水供給手段が、車体フロアパネル下面の形状に倣った外形形状を有するケーシング内に収容されて、車両床下に配設されており、
車室内に設置されるシートの真下に位置する前記ケーシングの一部にシート側に膨出するシート側膨出部が設けられ、前記貯水タンクを除く水供給手段の構成部材が、このシート側膨出部内に配置されることで、車両床下の前記貯水タンクよりも高い位置に配置されていることを特徴とする燃料電池システム搭載車両。
前記貯水タンクを除く水供給手段の構成部材が、一体の水供給ユニットとしてユニット化されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム搭載車両。
前記貯水タンクが前記水供給ユニットの真下に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム搭載車両。
前記貯水タンクと水供給ユニットとが一体化されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム搭載車両。
前記水供給ユニットの設置位置に対応して、前記車体フロアパネル及びケーシングに作業孔が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム搭載車両。