(57)【要約】【課題】燃料電池スタックに付随して設けられたエアポンプ周辺の配管レイアウト効率を向上させることができる燃料電池車両を提供する。【解決手段】燃料電池車両１０は、燃料電池システム１２と排気管１３とを備える。燃料電池システム１２は、燃料電池スタック２０と、酸化剤ガス供給ライン４４と、酸化剤ガス排出ライン４６と、エアポンプ４８とを有する。エアポンプ４８は、酸化剤ガス供給ライン４４に設けられたコンプレッサ４８ａと酸化剤ガス排出ライン４６に設けられたエキスパンダ４８ｃとを有する。コンプレッサ４８ａの上流側にはエアクリーナ５２が設けられる。排気管１３はエキスパンダ４８ｃに接続されている。コンプレッサ４８ａは、エキスパンダ４８ｃよりもエアクリーナ５２側に配置されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムと、前記燃料電池システムから流出したカソード排ガスを車両外部へと排出する排気管と、を備えた燃料電池車両であって、
前記燃料電池システムは、
燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに接続された酸化剤ガス供給ラインと、
前記燃料電池スタックに接続された酸化剤ガス排出ラインと、
前記酸化剤ガス供給ラインに設けられたコンプレッサと前記酸化剤ガス排出ラインに設けられた回生機構としてのエキスパンダとを有するエアポンプと、
前記コンプレッサの上流側に設けられたエアクリーナと、を備え、
前記排気管は、前記エキスパンダに接続されており、
前記コンプレッサは、前記エキスパンダよりも前記エアクリーナ側に配置されている、燃料電池車両。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池車両において、
前記エアクリーナは、前記排気管よりも車両前方側に配置され、
前記コンプレッサは、前記エキスパンダよりも車両前方側に配置されている、燃料電池車両。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池車両において、
前記酸化剤ガス供給ラインにおける前記コンプレッサよりも下流側には、酸化剤ガスを冷却するインタークーラが設けられており、
前記コンプレッサは、前記エキスパンダよりも前記インタークーラ側に配置されている、燃料電池車両。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池車両において、
前記インタークーラは、前記エアポンプよりも車両前方側に配置されており、
前記コンプレッサは、前記エキスパンダよりも車両前方側に配置されている、燃料電池車両。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池車両において、
前記排気管の前端部は、前記エアクリーナよりも車両後方側且つ下方に位置する、燃料電池車両。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池車両において、
前記排気管の前端部は、前記コンプレッサよりも車両後方側に位置する、燃料電池車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、下記特許文献１には、燃料電池スタックが搭載された燃料電池車両が開示されている。エアポンプにより、燃料電池スタックに酸化剤ガスとしての空気が供給される。燃料電池スタックのカソード出口側には排気管が接続されており、空気を含むカソード排ガスは排気管を介して車外へと排出される。典型的には、燃料電池スタックは車両の前部に搭載され、排気管は車両の床面に沿って配設されて車両後部まで延在し、カソード排ガスは車両後部から車外へと放出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２６９７６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
エアポンプの周辺には、エアポンプと燃料電池スタックとを繋ぐ配管や、排気管等が配設されている。構造の合理化の観点から、これらの配管を効率良くレイアウトできることが望ましい。
【０００５】
そこで、本発明は、燃料電池スタックに付随して設けられたエアポンプ周辺の配管レイアウト効率を向上させることができる燃料電池車両を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するため、本発明の一態様は、燃料電池システムと、前記燃料電池システムから流出したカソード排ガスを車両外部へと排出する排気管と、を備えた燃料電池車両であって、前記燃料電池システムは、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに接続された酸化剤ガス供給ラインと、前記燃料電池スタックに接続された酸化剤ガス排出ラインと、前記酸化剤ガス供給ラインに設けられたコンプレッサと前記酸化剤ガス排出ラインに設けられた回生機構としてのエキスパンダとを有するエアポンプと、前記コンプレッサの上流側に設けられたエアクリーナと、を備え、前記排気管は、前記エキスパンダに接続されており、前記コンプレッサは、前記エキスパンダよりも前記エアクリーナ側に配置されている、燃料電池車両である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の燃料電池車両によれば、コンプレッサは、エキスパンダよりもエアクリーナ側に配置されているため、エアクリーナとコンプレッサとを繋ぐ配管のレイアウト効率を向上させることができる。また、エキスパンダはエアクリーナよりも遠い位置に配置されているため、排気管のレイアウト効率を向上させることができる。従って、この燃料電池車両によれば、エアポンプ周辺の配管レイアウト効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池車両の前方部分の斜視図である。
【図２】燃料電池車両の全体概略図である。
【図３】燃料電池システムの概略図である。
【図４】他の構成に係るエアポンプの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１２を備えた燃料電池車両１０は、例えば、燃料電池電気自動車である。以下の説明において、上方（上部）とは、鉛直方向の上方（上部）を意味する。下方（下部）とは、鉛直方向の下方（下部）を意味する。燃料電池車両１０において、燃料電池スタック２０を収納したスタックケース１４が、ダッシュボード１６の前方（矢印Ａｆ方向）に形成されたフロントルーム（モータルーム）内に配設されている。
【００１０】
燃料電池スタック２０は、複数の発電セルが車両幅方向（矢印Ｂ方向）に積層されてなるセル積層体２１を備える。複数の発電セルは、鉛直方向に積層されてもよい。セル積層体２１の積層方向一端（矢印ＢＬ方向側）には、第１ターミナルプレート２２ａ及び第１絶縁プレート２４ａが外方に向かって順次配設される。セル積層体２１の積層方向他端（矢印ＢＲ方向側）には、第２ターミナルプレート２２ｂ及び第２絶縁プレート２４ｂが外方に向かって順次配設される。
【００１１】
燃料電池システム１２は、燃料電池スタック２０を収納するスタックケース１４と、燃料電池用補機１９を収納する補機ケース１４ａとを備える。スタックケース１４と補機ケース１４ａとにより、ケースユニット１５が構成されている。スタックケース１４と補機ケース１４ａとからなるケースユニット１５は平面視で四角形状（長辺が車両幅方向に沿って延在する長方形状）である。
【００１２】
補機ケース１４ａは、燃料電池用補機１９を保護するための保護ケースであり、スタックケース１４の水平方向に隣接してスタックケース１４に接合されている。補機ケース１４ａ内には、燃料電池用補機１９として、燃料ガス系デバイス及び酸化剤ガス系デバイスが収納されている。補機ケース１４ａ内に収納されている燃料ガス系デバイスは、インジェクタ３２、エジェクタ３４、水素ポンプ４２、バルブ類（図示せず）等である。
【００１３】
なお、ケースユニット１５の上部には図示しない換気ダクトが接続されており、燃料電池スタック２０又は燃料電池用補機１９から燃料ガスが漏出した場合に、燃料ガスが換気ダクトを介して車外に排出されるようになっている。
【００１４】
図２に示すように、燃料電池車両１０は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池スタック２０を有する燃料電池システム１２と、燃料電池システム１２から流出したカソード排ガスを車両外部へと排出する排気管１３とを備える。燃料電池スタック２０は、車両前部に設けられたモータルーム（ボンネット１８の下方）に配置されている。図示は省略するが、燃料電池車両１０は、さらに、燃料電池システム１２で発電した電力を電源として動作する走行用モータ、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｕｎｉｔ）等の電装品を備える。
【００１５】
図３に示すように、燃料電池システム１２は、さらに、燃料電池スタック２０に燃料ガス（例えば、水素ガス）を供給する燃料ガス供給装置２４と、燃料電池スタック２０に酸化剤ガスである空気を供給する酸化剤ガス供給装置２６とを備える。図示は省略するが、燃料電池システム１２はさらに、エネルギ貯蔵装置であるバッテリと、燃料電池スタック２０に冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置とを備える。
【００１６】
燃料電池スタック２０を構成する各発電セルは、電解質膜（例えば、固体高分子電解質膜）の両面にそれぞれアノード電極及びカソード電極が配置されて構成された電解質膜・電極構造体と、この電解質膜・電極構造体を両側から挟持する一対のセパレータとを有する。アノード電極と一方のセパレータとの間に燃料ガス流路が形成される。カソード電極と他方のセパレータとの間に酸化剤ガス流路が形成される。
【００１７】
燃料ガス供給装置２４は、高圧の燃料ガス（高圧水素）を貯留する燃料ガスタンク２８と、燃料ガスを燃料電池スタック２０へと導く燃料ガス供給ライン３０と、燃料ガス供給ライン３０に設けられたインジェクタ３２と、インジェクタ３２よりも下流側に設けられたエジェクタ３４とを有する。燃料ガス供給ライン３０は、燃料電池スタック２０の燃料ガス入口２０ａに接続されている。インジェクタ３２とエジェクタ３４とにより燃料ガス噴射装置が構成されている。
【００１８】
燃料電池スタック２０の燃料ガス出口２０ｂには、燃料ガス排出ライン３６が接続されている。燃料ガス排出ライン３６は、燃料電池スタック２０のアノードで少なくとも一部が使用された燃料ガスであるアノード排ガス（燃料オフガス）を、燃料電池スタック２０から導出する。燃料ガス排出ライン３６には、気液分離器３８が設けられる。燃料ガス排出ライン３６には、循環ライン４０が連結されている。循環ライン４０は、アノード排ガスをエジェクタ３４に導く。循環ライン４０には、水素ポンプ４２（循環ポンプ）が設けられている。なお、水素ポンプ４２は設けられなくてもよい。
【００１９】
酸化剤ガス供給装置２６は、燃料電池スタック２０の酸化剤ガス入口２０ｃに接続された酸化剤ガス供給ライン４４と、燃料電池スタック２０の酸化剤ガス出口２０ｄに接続された酸化剤ガス排出ライン４６と、燃料電池スタック２０に向けて空気を送給するエアポンプ４８と、燃料電池スタック２０に供給する空気を加湿する加湿器５０とを有する。
【００２０】
エアポンプ４８は、空気を圧縮するコンプレッサ４８ａと、コンプレッサ４８ａを回転駆動するモータ４８ｂと、コンプレッサ４８ａに連結されたエキスパンダ（回生機構）４８ｃとを有する。コンプレッサ４８ａは、酸化剤ガス供給ライン４４に設けられている。酸化剤ガス供給ライン４４において、コンプレッサ４８ａよりも上流側にはエアクリーナ５２が設けられている。空気は、エアクリーナ５２を介してコンプレッサ４８ａに導入される。酸化剤ガス供給ライン４４において、コンプレッサ４８ａよりも下流側（具体的には、コンプレッサ４８ａよりも下流側且つ加湿器５０よりも上流側）には、燃料電池スタック２０に供給する空気を冷却する空冷式のインタークーラ５４が設けられている。
【００２１】
図２に示すように、エアクリーナ５２及びインタークーラ５４は、燃料電池車両１０の前部に配置されている。エアクリーナ５２は、ボンネット１８の下方で、エアポンプ４８よりも上方且つエアポンプ４８よりも車両前方側（矢印Ａｆ方向側）に配置されている。例えばボンネット１８に開口して設けられた空気取り入れ口を介して、エアクリーナ５２に空気が導入される。
【００２２】
エアクリーナ５２とコンプレッサ４８ａとは配管６０により連通している。配管６０はコンプレッサ４８ａの空気入口４８ｆに接続されている。エアクリーナ５２はフィルタを内蔵し、取り入れた空気から塵埃や水分を除去し、空気をエアポンプ４８へ送る。エアクリーナ５２は、排気管１３よりも車両前方側に配置されている。
【００２３】
インタークーラ５４は、エアポンプ４８よりも車両前方側に配置されている。インタークーラ５４は、例えばフロントバンパー６２の内側に配置されており、車両前方からの空気と、エアポンプ４８のコンプレッサ４８ａを経由した空気とを熱交換して、燃料電池スタック２０に供給する空気（酸化剤ガス）を冷却するように構成されている。コンプレッサ４８ａの空気出口４８ｇとインタークーラ５４とは配管６４により連通している。インタークーラ５４は、例えば、エアクリーナ５２よりも下方に配置されるとともに、エアクリーナ５２よりも車両前方側に配置される。
【００２４】
図３に示すように、エキスパンダ４８ｃは、酸化剤ガス排出ライン４６に設けられている。エキスパンダ４８ｃの入口４８ｈには、酸化剤ガス排出ライン４６を構成する配管４６ａが接続されている。エキスパンダ４８ｃのインペラは、連結シャフト４８ｄを介して、コンプレッサ４８ａのインペラに連結されている。コンプレッサ４８ａのインペラと、連結シャフト４８ｄと、エキスパンダ４８ｃのインペラとは、回転軸ａを中心に一体に回転する。エキスパンダ４８ｃのインペラにはカソード排ガスが導入されて、カソード排ガスから流体エネルギを回生する。回生エネルギは、コンプレッサ４８ａを回転させるための駆動力の一部を賄う。
【００２５】
加湿器５０は、水分が透過可能な多数の中空糸膜を有し、中空糸膜によって、燃料電池スタック２０に向かう空気と、燃料電池スタック２０から排出された多湿のカソード排ガスとの間で水分交換させて、燃料電池スタック２０に向かう空気を加湿する。
【００２６】
図１に示すように、エアポンプ４８は、車体前部の下部（燃料電池スタック２０よりも下方）に配置されている。エアポンプ４８は、補機ケース１４ａの下方に配置されている。すなわち、鉛直方向（矢印Ｃ方向）から見て、エアポンプ４８は、少なくとも一部が補機ケース１４ａと重なる位置に配置されている。なお、エアポンプ４８は、燃料電池スタック２０よりも車両後方側に配置されてもよい。エアポンプ４８は、鉛直方向において、少なくとも一部が燃料電池スタック２０と重なる高さに配置されてもよい。
【００２７】
図２に示すように、エアポンプ４８は、その回転軸ａが車両前後方向（矢印Ａ方向）と平行となるように配置されている。エアポンプ４８は、その回転軸ａが燃料電池スタック２０の積層方向（図１の矢印Ｂ方向）に対して直交するように配置されている。本実施形態では、コンプレッサ４８ａとエキスパンダ４８ｃとの間に、モータ４８ｂが配置されている。連結シャフト４８ｄにモータロータが設けられている。
【００２８】
なお、図４に示すように、モータ４８ｂの一端側（車両前方側）にコンプレッサ４８ａ及びエキスパンダ４８ｃが配置されてもよい。この場合、エアポンプ４８は、コンプレッサ４８ａがエキスパンダ４８ｃよりも車両前方側（矢印Ａｆ方向側）に位置するように配置される。
【００２９】
図２に示すように、コンプレッサ４８ａは、エキスパンダ４８ｃよりも車両前方側に配置されている。コンプレッサ４８ａは、エキスパンダ４８ｃよりもエアクリーナ５２側に配置されている。コンプレッサ４８ａは、エキスパンダ４８ｃよりもインタークーラ５４側に配置されている。なお、エアポンプ４８は、その回転軸ａが鉛直方向となるように配置されるとともに、コンプレッサ４８ａがエキスパンダ４８ｃよりも上方に（エアクリーナ５２側に）配置されてもよい。
【００３０】
排気管１３はエキスパンダ４８ｃの出口４８ｉに接続されている。排気管１３の前端部１３ａ（エキスパンダ４８ｃとの接続部）は、エアクリーナ５２よりも車両後方側且つ下方に位置する。排気管１３の前端部１３ａは、コンプレッサ４８ａよりも車両後方側に位置する。排気管１３の前端部１３ａは、インタークーラ５４よりも車両後方側に位置する。排気管１３は、エキスパンダ４８ｃの出口４８ｉから延出し、車体底部に沿って、車体後部まで延在している。従って、排気管１３の出口１３ｂは、車体後部に位置する。
【００３１】
次に、上記のように構成された燃料電池車両１０の作用（主として燃料電池システム１２の作用）を説明する。
【００３２】
図３において、燃料ガス供給装置２４では、燃料ガスタンク２８から燃料ガス供給ライン３０に燃料ガスが供給される。このとき、燃料ガスは、インジェクタ３２によりエジェクタ３４に向けて噴射され、エジェクタ３４を介して、燃料ガス入口２０ａから燃料電池スタック２０内の燃料ガス流路へと導入され、アノードに供給される。
【００３３】
一方、酸化剤ガス供給装置２６では、エアポンプ４８（コンプレッサ４８ａ）の回転作用下に、酸化剤ガス供給ライン４４に酸化剤ガスである空気が送られる。空気は、加湿器５０にて加湿された後、酸化剤ガス入口２０ｃから燃料電池スタック２０内の酸化剤ガス流路に導入され、カソードに供給される。各発電セルでは、アノードに供給される燃料ガスと、カソードに供給される空気中の酸素とが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。
【００３４】
アノードで消費されなかった燃料ガスは、アノード排ガスとして燃料ガス出口２０ｂから燃料ガス排出ライン３６に排出される。アノード排ガスは、燃料ガス排出ライン３６から循環ライン４０を介してエジェクタ３４に導入される。エジェクタ３４に導入されたアノード排ガスは、インジェクタ３２により噴射された燃料ガスと混合されて、燃料電池スタック２０へと供給される。
【００３５】
燃料電池スタック２０の酸化剤ガス出口２０ｄからは、カソードで消費されなかった酸素を含む多湿のカソード排ガスと、カソードでの反応生成物である水とが、酸化剤ガス排出ライン４６へと排出される。カソード排ガスは、加湿器５０にて、燃料電池スタック２０へと向かう空気と水分交換を行った後、エアポンプ４８のエキスパンダ４８ｃに導入される。エキスパンダ４８ｃでは、カソード排ガスからエネルギ回収（回生）を行い、回生エネルギがコンプレッサ４８ａの駆動力の一部となる。カソード排ガス及び水は、エキスパンダ４８ｃから排気管１３へと排出され、排気管１３を介して車外へと放出される。
【００３６】
この場合、燃料電池車両１０は以下の効果を奏する。
【００３７】
図２に示すように、この燃料電池車両１０によれば、コンプレッサ４８ａは、エキスパンダ４８ｃよりもエアクリーナ５２側に配置されているため、エアクリーナ５２とコンプレッサ４８ａとを繋ぐ配管６０のレイアウト効率を向上させることができる。また、エキスパンダ４８ｃはエアクリーナ５２よりも遠い位置に配置されているため、排気管１３のレイアウト効率を向上させることができる。従って、この燃料電池車両１０によれば、エアポンプ４８周辺の配管レイアウト効率を向上させることができる。
【００３８】
エアクリーナ５２は、排気管１３よりも車両前方側に配置され、コンプレッサ４８ａは、エキスパンダ４８ｃよりも車両前方側に配置されている。この構成により、エアクリーナ５２とコンプレッサ４８ａを繋ぐ配管６０はエアポンプ４８に対して車両前方側に配置され、排気管１３はエアポンプ４８に対して車両後方側に配置されるため、レイアウト効率を向上させることができる。
【００３９】
酸化剤ガス供給ライン４４におけるコンプレッサ４８ａよりも下流側には、酸化剤ガスを冷却するインタークーラ５４が設けられている。そして、コンプレッサ４８ａは、エキスパンダ４８ｃよりもインタークーラ５４側に配置されている。この構成により、コンプレッサ４８ａとインタークーラ５４とを繋ぐ配管６４のレイアウト効率を向上させることができる。
【００４０】
インタークーラ５４は、エアポンプ４８よりも車両前方側に配置されており、コンプレッサ４８ａは、エキスパンダ４８ｃよりも車両前方側に配置されている。この構成により、インタークーラ５４とコンプレッサ４８ａを繋ぐ配管６４はエアポンプ４８に対して車両前方側に配置され、排気管１３はエアポンプ４８に対して車両後方側に配置されるため、レイアウト効率を向上させることができる。
【００４１】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改変が可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１０…燃料電池車両                  １２…燃料電池システム
１３…排気管                        ２０…燃料電池スタック
４４…酸化剤ガス供給ライン          ４６…酸化剤ガス排出ライン
４８…エアポンプ                    ４８ａ…コンプレッサ
４８ｃ…エキスパンダ                ５２…エアクリーナ
５４…インタークーラ
【図１】
2019214295.tif 000003
【図２】
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【図３】
2019214295.tif 000005
【図４】
2019214295.tif 000006