(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両に搭載され、燃料電池と、加湿モジュールと、ガス加圧手段と、を備え、前記ガス加圧手段によって加圧された酸化ガスを前記加湿モジュールによって加湿して前記燃料電池に供給する車載用燃料電池システムであって、
前記加湿モジュールは、前記酸化ガスと、前記燃料電池から排出された酸素オフガスと、の間で水分の受け渡しを行うことにより、前記酸化ガスを加湿するモジュールであり、
前記加湿モジュールを前記車両内における走行風が当たる位置に配置して、前記加湿モジュールで加湿された前記酸化ガスが前記走行風により冷却されるようにしたことを特徴とする車載用燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の車載用燃料電池システムにおいて、
前記加湿モジュールの配置される位置は、前記車両におけるフロントバンパの裏側であることを特徴とする車載用燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の車載用燃料電池システムにおいて、
前記ガス加圧手段はコンプレッサであることを特徴とする車載用燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１から請求項３のうちの任意の１つに記載の車載用燃料電池システムにおいて、
前記加湿モジュールで加湿された前記酸化ガスが、前記走行風により、前記酸化ガスの温度が前記燃料電池の電解質膜の耐熱温度を考慮した適正温度範囲に入るまで冷却されることを特徴とする車載用燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１から請求項４のうちの任意の１つに記載の車載用燃料電池システムを搭載したことを特徴とする車両。
【請求項６】
車両に搭載される燃料電池システムに用いられ、ガス加圧手段により加圧されて燃料電池に供給される酸化ガスを加湿する加湿モジュールであって、
前記加湿モジュールは、前記酸化ガスと、前記燃料電池から排出された酸素オフガスと、の間で水分の受け渡しを行うことにより、前記酸化ガスを加湿するモジュールであり、
前記車両内における走行風が当たる位置に配置され、前記加湿モジュールで加湿された前記酸化ガスが前記走行風により冷却されることを特徴とする加湿モジュール。
【請求項７】
請求項６に記載の加湿モジュールにおいて、
前記加湿モジュールで加湿された前記酸化ガスが、前記走行風により、前記酸化ガスの温度が前記燃料電池の電解質膜の耐熱温度を考慮した適正温度範囲に入るまで冷却されることを特徴とする加湿モジュール。
【請求項８】
車載用燃料電池システムに用いられ、ガス加圧手段により加圧されて燃料電池に供給される酸化ガスを加湿する加湿モジュールを、車両内に配置する方法であって、
前記加湿モジュールは、前記酸化ガスと、前記燃料電池から排出された酸素オフガスと、の間で水分の受け渡しを行うことにより、前記酸化ガスを加湿するモジュールであり、
前記加湿モジュールを前記車両内における走行風が当たる位置に配置して、前記加湿モジュールで加湿された前記酸化ガスが前記走行風により冷却されるようにしたことを特徴とする加湿モジュール配置方法。
【請求項９】
請求項８に記載の加湿モジュール配置方法において、
前記加湿モジュールで加湿された前記酸化ガスが、前記走行風により、前記酸化ガスの温度が前記燃料電池の電解質膜の耐熱温度を考慮した適正温度範囲に入るまで冷却されることを特徴とする加湿モジュール配置方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車載用燃料電池システムに用いられる加湿モジュールを車両内に配置するための技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
車両に搭載される燃料電池システムにおいては、大気中の空気が酸化ガスとして取り込まれて、コンプレッサで加圧された後、加湿モジュールを介して燃料電池に供給される。供給された酸化ガスは、燃料電池内において、触媒を利用した電気化学反応に供された後、酸素オフガスとして排出される。排出された酸素オフガスは、上述の加湿モジュールを再び介して、車両外の大気中に排気される。
【０００３】
加湿モジュールは、酸化ガスと酸素オフガスとの間で、酸素オフガスから酸化ガスへ、ガス中に含まれている水分の受け渡しを行い、燃料電池に供給される酸化ガスをよりウェットに、車両外の大気中に排気される酸素オフガスをよりドライに、なるようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池に供給される酸化ガスは、上記したとおりコンプレッサによって加圧されるため、昇温されて高温となる。従って、このような酸化ガスを、このまま、燃料電池に供給すると、燃料電池内において、電解質膜の温度が高くなりすぎて、電解質膜の耐熱温度を超えてしまう恐れがあった。
【０００５】
従って、本発明の目的は、上記した従来技術の問題点を解決し、加圧されて高温となった酸化ガスなどのガスの温度を低下させて、燃料電池に供給することが可能な車載用燃料電池システムを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の第１の形態は、車両に搭載され、燃料電池と、加湿モジュールと、ガス加圧手段と、を備え、前記ガス加圧手段によって加圧された酸化ガスを前記加湿モジュールによって加湿して前記燃料電池に供給する車載用燃料電池システムであって、
前記加湿モジュールは、前記酸化ガスと、前記燃料電池から排出された酸素オフガスと、の間で水分の受け渡しを行うことにより、前記酸化ガスを加湿するモジュールであり、
前記加湿モジュールを前記車両内における走行風が当たる位置に配置して、前記加湿モジュールで加湿された前記酸化ガスが前記走行風により冷却されるようにしたことを要旨とする。
【０００７】
ガス加圧手段により加圧されて高温となった酸化ガスは加湿モジュールを介して燃料電池に供給されるため、本発明では、この加湿モジュールを車両内における走行風の当たる位置に配置して、加湿モジュール全体を空気冷却することにより、この加湿モジュールを通過する酸化ガスの温度を低下させるようにしている。
【０００８】
このように、加湿モジュールにおいて酸化ガスの温度を低下させることにより、燃料電池にガスを適温にて供給させることができるため、燃料電池内において、電解質膜の温度が耐熱温度を超えるほど高くなることはない。また、燃料電池に供給されるガスをよりウェットにしつつ、燃料電池から排出され車両外に排気される酸素オフガスをよりドライにすることが可能である。
【０００９】
また、走行風によって加湿モジュールを空気冷却するようにしているため、加湿モジュールを冷却するための特別な装置や設備が不要である。
【００１０】
本発明の車載用燃料電池システムにおいて、前記加湿モジュールの配置される位置は、前記車両におけるフロントバンパの裏側であることが好ましい。
【００１１】
このように、加湿モジュールをフロントバンパの裏側に配置することにより、車両が走行した際に、走行風が加湿モジュールによく当たり、加湿モジュールを十分に空気冷却することができる。
【００１２】
また、加湿モジュールが配置される位置はフロントバンパの裏側であるため、車両のフロント部に、燃料電池やパワーコントロールユニットや駆動モータなどを配置した場合でも、加湿モジュールが位置的に邪魔になることはない。
【００１９】
本発明の車載用燃料電池システムにおいて、前記ガス加圧手段はコンプレッサであることが好ましい。
【００２０】
コンプレッサを用いることにより、より簡単な構成でガスを加圧することができる。
【００２１】
なお、本発明は、上記した車載用燃料電池システムなどの態様に限ることなく、そのようなシステムを搭載した車両としての態様や、そのようなシステムに用いる加湿モジュールとしての態様や、そのような加湿モジュールを車両内に配置する方法としての態様で実現することも可能である。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。図１は本発明の一実施例としての車載用燃料電池システムを示す構成図である。本実施例の燃料電池システム１００は、自動車などの車両に搭載されるものであって、主として、水素ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池２００と、その燃料電池２００に水素ガスを供給する高圧水素ガスタンク３００と、を備えている。
【００２３】
このうち、燃料電池２００は、水素を含んだ水素ガスの他、酸素を含んだ酸化ガス（例えば、空気）の供給を受けて、水素極と酸素極において、下記に示すような反応式に従って、電気化学反応を起こし、電力を発生させている。
【００２４】
即ち、水素極に水素ガスが、酸素極に酸化ガスがそれぞれ供給されると、水素極側では式（１）の反応が、酸素極側では式（２）の反応がそれぞれ起こり、燃料電池全体としては、式（３）の反応が行なわれる。
【００２５】
Ｈ2  →  ２Ｈ+＋２ｅ-                             …（１）
２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2  →  Ｈ2Ｏ            …（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2  →  Ｈ2Ｏ                     …（３）
【００２６】
このような燃料電池２００を車両の動力源として用いる場合、燃料電池２００から発生された電力によって駆動モータ（図示せず）を駆動し、その発生トルクをギア（図示せず）によって車軸（図示せず）に伝達して、車両の推進力を得る。
【００２７】
また、燃料電池２００は、複数の単セルが積層された燃料電池スタックによって構成されており、１つの単セルは、電解質膜（図示せず）と、それを両側から挟み込む拡散電極（図示せず）である水素極及び酸素極と、さらにそれらを両側から挟み込む２枚のセパレータ（図示せず）と、で構成されている。セパレータの両面には、凹凸が形成されており、挟み込んだ水素極と酸素極との間で、単セル内ガス流路を形成している。このうち、水素極との間で形成される単セル内ガス流路には、前述したごとく供給された水素ガスが、酸素極との間で形成される単セル内ガス流路には、酸化ガスが、それぞれ流れている。なお、燃料電池スタックは、スタックケース内に収納されて、車両に搭載されている。
【００２８】
高圧水素ガスタンク３００は、内部に高圧の水素ガスを蓄えており、根本に取り付けられたシャットバルブ３０２を開くことにより、およそ２０〜３５ＭＰａの圧力を有する水素ガスが放出する。実施例の場合、図２に示すように、高圧水素ガスタンク３００は、車両後部床下に、計４本搭載されている。
【００２９】
その他、本実施例の燃料電池システム１００は、図１に示すように、システム内で水素ガスを流通させるための水素ガス流路（図１では実線で表示）と、酸化ガスを流通させるための酸化ガス流路（図１では一点鎖線で表示）と、酸素オフガスに含まれる水を循環させるための水循環流路６０１（図１では破線で表示）と、システム全体を制御するためのパワーコントロールユニット７００を備えている。
【００３０】
このうち、水素ガス流路は、高圧水素ガスタンク３００の放出口から燃料電池２００の供給口に至る本流流路４０１と、燃料電池２００の排出口からポンプ４１０を介して本流流路４０１に戻る循環流路４０３と、循環している水素ガス中の不純物を排出するための排出流路４０５と、圧力異常時に水素ガスを排出するためのリリーフ流路４０７，４０９と、水素ガス漏れをチェックする際に用いるリークチェック流路４１１と、水素ガス供給ポート４２８から高圧水素ガスタンク３００の充填口に至る供給流路４１３と、を備えている。本実施例では、水素ガスの供給源として高圧水素ガスタンク３００を用いているため、高圧の水素ガスを放出することができる。
【００３１】
本流流路４０１には、高圧水素ガスタンク３００の放出口にシャットバルブ３０２および放出マニュアルバルブ３０４が配置されており、流路途中に減圧バルブ４１８，熱交換器４２０および減圧バルブ４２２がそれぞれ配置されており、燃料電池２００の供給口にシャットバルブ２０２が配置されている。また、循環流路４０３には、燃料電池２００の排出口にシャットバルブ２０４が配置されており、流路途中に、気液分離器４０６，ポンプ４１０及び逆止弁４１９がそれぞれ配置されている。また、供給流路４１３には、高圧水素ガスタンク３００の充填口に逆止弁３０６および充填マニュアルバルブ３０８が配置されている。さらに、排出流路４０５にはシャットバルブ４１２および水素希釈器４２４が、リリーフ流路４０７にはリリーフバルブ４１４が、同じくリリーフ流路４０９にはリリーフバルブ４１６が、リークチェック流路４１１には、リークチェックボート４２６が、それぞれ配置されている。
【００３２】
一方、酸化ガス流路は、燃料電池２００に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給流路５０１と、燃料電池２００から排出された酸素オフガスを排出するための酸素オフガス排出流路５０３と、水素希釈器４２４に酸素オフガスを導くための酸素オフガス導入流路５０５と、を備えている。
【００３３】
酸化ガス供給流路５０１には、エアクリーナ５０２と、コンプレッサ５０４と、加湿モジュール５０６と、が配置されている。また、酸素オフガス排出流路５０３には、調圧弁５０８と、前述の加湿モジュール５０６と、気液分離器５１０と、消音器５１２と、オフガス排出口５１４が配されている。
【００３４】
また、水循環流路６０１には、ポンプ６０２，６０６と、加湿水タンク６０４と、インジェクタ６０８と、が配されている。
【００３５】
さらに、パワーコントロールユニット７００は、図示せざる各種センサから得られた検出結果を入力すると共に、各バルブ２０２，２０４，３０２，４１２や、ポンプ４１０，６０２，６０６や、コンプレッサ５０４をそれぞれ制御する。なお、図面を見やすくするために、制御線等は省略されている。また、ポンプ４１０や、コンプレッサ５０４や、ポンプ６０２，６０６などは、それぞれ、モータによって駆動されるが、それらについても省略されている。なお、放出マニュアルバルブ３０４および充填マニュアルバルブ３０８は、それぞれ、手動で開閉されるようになっている。
【００３６】
それではまず、酸化ガスの流れについて説明する。パワーコントロールユニット７００によってコンプレッサ５０４を駆動すると、大気中の空気が酸化ガスとして取り込まれ、エアクリーナ５０２によって浄化され、酸化ガス供給流路５０１を通り、加湿モジュール５０６を介して燃料電池２００に供給される。大気中の空気を酸化ガスとして用いる場合、そのままでは酸化ガス中の酸素濃度が低い。そのため、上記したコンプレッサ５０４によって、酸化ガスを加圧することにより、酸化ガス中の酸素濃度を上げて、燃料電池２００に供給するようにしている。
【００３７】
燃料電池２００に供給された酸化ガスは、燃料電池２００内において、上述した電気化学反応に使用された後、酸素オフガスとして排出される。排出された酸素オフガスは、酸素オフガス排出流路５０３を通り、調圧弁５０８を介した後、再び、加湿モジュール５０６に流入される。
【００３８】
前述したように、燃料電池２００内の酸素極側では、式（２）に従って水（Ｈ2Ｏ）が生成されるため、燃料電池２００から排出される酸素オフガスは、非常にウェットで、多くの水分を含んでいる。従って、このような酸素オフガスを、酸素オフガス排出流路５０３を通してそのまま車両外部の大気中に排出すると、冬場など周囲温度が非常に低い場合には、車両のオフガス排出口５１４からもうもうとした水蒸気の煙が出る恐れがある。また、一方、大気中から取り入れて、コンプレッサ５０４によって加圧された酸化ガス（空気）を、酸化ガス供給流路５０１を通してそのまま燃料電池２００に供給すると、燃料電池２００内における電解質膜の酸素極側の表面が乾燥してしまい、上述した電気化学反応の反応効率を下げてしまう恐れがある。
【００３９】
そこで、本実施例では、酸化ガス供給流路５０１と酸素オフガス排出流路５０３の各々の流路中に加湿モジュール５０６を設けて、両者の間で水蒸気交換を行うことにより、非常にウェットな酸素オフガスからドライな酸化ガスへ水分を与えるようにしている。この結果、加湿モジュール５０６から流出され燃料電池２００へ供給される酸化ガスは或る程度ウェットになり、加湿モジュール５０６から流出され車両外部の大気中へ排出される酸素オフガスは或る程度ドライになるため、上記した２つの問題を同時に解決することができる。
【００４０】
こうして、加湿モジュール５０６において或る程度ドライになった酸素オフガスは、次に、気液分離器５１０に流入される。気液分離器５１０では、加湿モジュール５０６からの酸素オフガスを気体分と液体分に気液分離し、酸素オフガスに含まれている水分を液体分としてさらに除去して、よりドライにしている。また、除去された水分は回収水として回収され、ポンプ６０２によって汲み上げられて、加湿水タンク６０４に蓄えられる。そして、この回収水はポンプ６０６によってインジェクタ６０８に送り出され、コンプレッサ５０４の流入口で、インジェクタ６０８により霧吹きされて、エアクリーナ５０２からの酸化ガスに混合される。こうすることによって、酸化ガス供給流路５０１を通る酸化ガスをさらにウェットにしている。
【００４１】
以上のようにして、気液分離器５１０においてさらにドライになった酸素オフガスは、その後、消音器５１２に導かれることで、圧力の変動が緩和されて消音作用を受け、オフガス排出口５１４から車両外部の大気中に排出される。
【００４２】
次に、水素ガスの流れについて説明する。高圧水素ガスタンク３００の放出マニュアルバルブ３０４は、通常時は、常に開いており、充填マニュアルバルブ３０８は、常に閉じている。
【００４３】
また、高圧水素ガスタンク３００のシャットバルブ３０２と、燃料電池２００のシャットバルブ２０２，２０４は、それぞれ、パワーコントロールユニット７００によって、燃料電池システムの運転時には開いているが、停止時には閉じている。
【００４４】
その他、排出流路４０５のシャットバルブ４１２は、パワーコントロールユニット７００によって、運転時には、基本的に閉じている。なお、リリーフバルブ４１４，４１６は、圧力異常時などの場合以外は閉じている。
【００４５】
運転時において、前述したとおり、パワーコントロールユニット７００がシャットバルブ３０２を開くと、高圧水素ガスタンク３００からは水素ガスが放出され、その放出された水素ガスは、本流流路４０１を通って燃料電池２００に供給される。供給された水素ガスは、燃料電池２００内において前述の電気化学反応に使用された後、水素オフガスとして排出される。排出された水素オフガスは、循環流路４０３を通って本流流路４０１に戻され、再び、燃料電池２００に供給される。このとき、循環流路４０３の途中に設けられているポンプ４１０が駆動することによって、循環流路４０３を通る水素オフガスは勢いをつけて本流流路４０１に送り出される。こうして、水素ガスは、本流流路４０１及び循環流路４０３を通って循環している。なお、循環流路４０３中において、本流流路４０１との接続点と、ポンプ４１０と、の間には、循環している水素オフガスが逆流しないようにするために、逆止弁４１９が設けられている。
【００４６】
このように、水素オフガスを本流流路４０１に戻して水素ガスを循環させることにより、燃料電池２００で使用される水素量は同じであっても、燃料電池２００に供給される水素ガスの見かけの流量が多くなり、流速も速くなるため、燃料電池２００に対する水素の供給という観点からは有利となって、燃料電池２００の出力電圧も上がる。
【００４７】
また、燃料電池２００内では、酸化ガスに含まれる窒素などの不純物が酸素極側から電解質膜を透過して水素極側に漏れ出してくるが、上述したように、水素ガスを循環するようにしていれば、その不純物が、水素ガス流路全体で均一化するため、燃料電池２００内の後段部において、水素極にその不純物が溜まることもなく、燃料電池２００の発電動作に支障を来して出力電圧が落ちてしまうということもない。
【００４８】
なお、ポンプ４１０は、パワーコントロールユニット７００によって、その駆動が制御されており、燃料電池２００の発生した電力の消費量に応じて、循環流路４０３を流れる水素オフガスの流速を変化させている。
【００４９】
また、前述したように、水素ガス中に含まれる不純物を均一化させるために、水素ガスを循環させているが、水素ガスを均一化させたとしても、燃料電池２００内において、酸素極側から水素極側には不純物が常時漏れ出してくるため、長時間経てば、均一化された水素ガス中の不純物の濃度は次第に上がり、それに連れて水素の濃度が下がる。そのため、循環流路４０３から分岐した排出流路４０５に、シャットバルブ４１２を設け、パワーコントロールユニット７００によって、このシャットバルブ４１２を定期的に開いて、循環している不純物を含む水素ガスを排出することにより、不純物を含んだ水素ガスを、高圧水素ガスタンク３００からの純粋な水素ガスに置き換えるようにしている。これにより、水素ガス中の不純物の濃度は下がり、逆に水素の濃度は上がるため、燃料電池２００の発電を適切に行うことができる。シャットバルブ４１２を開く時間間隔は、条件、出力により異なるが、例えば５ｓｅｃに１回程度としてもよい。
【００５０】
なお、燃料電池２００の発電動作中にシャットバルブ４１２を開けたとしても、燃料電池２００の出力電圧は一瞬下がるだけで、大きな電圧低下にはならないため問題はない。シャットバルブ４１２の開放時間としては、１ｓｅｃ以下が好ましく、例えば、５００ｍｓｅｃ程度がより好ましい。
【００５１】
シャットバルブ４１２から排出された水素ガスは、排出流路４０５を通って、水素希釈器４２４に供給される。水素希釈器４２４には、酸素オフガス排出流路５０３から分岐した酸素オフガス導入流路５０５を通って、酸素オフガスも供給されている。水素希釈器４２４では、これら供給された水素ガスと酸素オフガスとを混合することによって、シャットバルブ４１２から排出された水素ガスを希釈している。希釈された水素ガスは、酸素オフガス排出流路５０３に送り込まれ、酸素オフガス排出流路５０３を流れる酸素オフガスとさらに混合される。そして、混合されたガスは、オフガス排出口５１４から車両外の大気中に排気される。
【００５２】
また、本流流路４０１の途中には、１次減圧用の減圧バルブ４１８と２次減圧用の減圧バルブ４２２の２つ減圧バルブが設けられている。これらの減圧バルブは、高圧水素ガスタンク３００内の高圧の水素ガスを、２段階で減圧している。即ち、具体的には、１次減圧用の減圧バルブ４１８によって、およそ２０〜３５ＭＰａからおよそ０．８〜１ＭＰａに減圧し、さらに２次減圧用の減圧バルブ４２２によって、およそ０．８〜１ＭＰａからおよそ０．２〜０．３ＭＰａに減圧する。この結果、高圧の水素ガスを燃料電池２００に供給して、燃料電池２００を傷めるということがない。
【００５３】
なお、１次減圧用の減圧バルブ４１８によって、高圧の水素ガスはおよそ２０〜３５ＭＰａからおよそ０．８〜１ＭＰａに減圧される。高圧水素ガスタンク３００からの水素放出は、膨張を伴うために、圧力，流量によって放出温度が変化する。そこで、本実施例では、１次減圧用の減圧バルブ４１８と２次減圧用の減圧バルブ４２２との間に、熱交換器４２０を配置して、減圧後の水素ガスに対して熱交換する仕組みを採用している。この熱交換器４２０には、図示していないが、燃料電池２００を循環した冷却水が供給されており、その冷却水と水素ガスとの間で熱交換が行われる。従って、温度変化した水素ガスは、この熱交換器４２０を通過することによって、ほぼ適正な温度範囲となり、燃料電池２００に供給することができる。よって、燃料電池２００内では、十分な反応温度が得られるため、電気化学反応が進み、適正な発電動作を行うことができる。
【００５４】
また、前述したように、燃料電池２００内の酸素極側では、式（２）に従って水（Ｈ2Ｏ）が生成され、その水は水蒸気として酸素極側から電解質膜を通して水素極側にも入ってくる。従って、燃料電池２００から排出される水素オフガスは、ウェットで、かなり多くの水分を含んでいる。本実施例では、循環流路４０３の途中に気液分離器４０６を設け、この気液分離器４０６によって、水素オフガスに含まれる水分を気液分離し、液体分を除去して、気体（水蒸気）分のみを他の気体と共にポンプ４１０に送るようにしている。これにより、水素ガスに含まれる水分は気体分のみとなり、燃料電池２００には、水分が気液混合体として供給されることがなく、発電動作は良好に継続される。
【００５５】
一方、減圧バルブ４１８や４２２が故障するなどの異常が生じた場合には、燃料電池２００に供給される水素ガスの圧力が異常に高くなることがあり得る。そのため、本実施例では、本流流路４０１における減圧バルブ４１８の後段で分岐したリリーフ流路４０７の途中に、リリーフバルブ４１４を設けると共に、減圧バルブ４２２の後段で分岐したリリーフ流路４０９の途中に、リリーフバルブ４１６を設けて、減圧バルブ４１８から減圧バルブ４２２に至る本流流路４０１中の水素ガスの圧力が所定値以上に上がった場合に、リリーフバルブ４１４が開いて、また、減圧バルブ４２２から燃料電池２００に至る本流流路４０１中の水素ガスの圧力が所定値以上に上がった場合には、リリーフバルブ４１６が開いて、車両外の大気中に水素ガスを排気して、水素ガスの圧力がそれ以上上がるのを防いでいる。
【００５６】
また、高圧水素ガスタンク３００に水素ガスを充填する場合には、車両の側面に設けられている水素ガス供給ポート４２８に、水素ガス供給パイプ（図示せず）をつなぎ、高圧水素ガスタンク３００に取り付けられている充填マニュアルバルブ３０８を手動で開くことによって、水素ガス供給パイプから供給される高圧の水素ガスが、供給流路４１３を介して高圧水素ガスタンク３００に流入して充填される。なお、このとき、高圧水素ガスタンク３００に充填された水素ガスが逆流しないようにするために、高圧水素ガスタンク３００の根本には逆止弁３０６が設けられている。
【００５７】
図２は図１の燃料電池システムを搭載した車両を側方から見た断面を模式的に示した断面図である。本実施例の燃料電池システム１００は、図２に示すように、車両１０全体にわたって配置されている。このうち、車両１０のフロント部１０ａには、主として、燃料電池２００や、パワーコントロールユニット７００や、コンプレッサ５０４などが配置され、床下部１０ｂには、水素ガス流路４０１，４０３やポンプ４１０などが配置され、リア部１０ｃには、高圧水素ガスタンク３００や水素ガス供給ポート４２８などが配置されている。
【００５８】
図１に示した燃料電池システムの他、フロント部１０ａには、燃料電池２００によって発生された電力により車両１０の推進力を生じさせる駆動モータ８００や、駆動モータ８００の発生したトルクを車軸に伝えるギヤ８１０や、駆動モータ８００を冷却させるためのラジエタ８２０や、エアコン用のコンデンサ８３０や、燃料電池２００を冷却するためのメインラジエタ８４０などが配置され、床下部１０ｂには、燃料電池２００を冷却するためのサブラジエタ８５０などが配置され、リア部１０ｃには、燃料電池２００を補助するための２次電池８６０などが配置されている。
【００５９】
それでは、次に、本実施例の特徴部分である加湿モジュール５０６についてさらに詳細に説明する。
【００６０】
前述したように、大気中の空気を酸化ガスとして用いる場合、そのままでは酸化ガス中の酸素濃度が低いため、コンプレッサ５０４によって酸化ガスを加圧することにより、酸化ガス中の酸素濃度を上げて、燃料電池２００に供給するようにしている。しかしながら、このように、酸化ガスをコンプレッサ５０４によって加圧すると、酸化ガスの温度は上昇し、高温となってしまう。具体的には、コンプレッサ５０４が最大出力で回転している際、コンプレッサ５０４内での酸化ガスの温度は１６０〜１８０℃にもなり、上述したコンプレッサ５０４の流入口における、インジェクタ６０８による回収水の霧吹きによって、酸化ガスの温度は或る程度低下するものの、定常的には、コンプレッサ５０４から排出される酸化ガスの温度は１２０℃ぐらいと、未だ高温である。このように高温となった酸化ガスを、そのまま燃料電池２００に供給すると、燃料電池２００内において、電解質膜の温度が高くなりすぎて、電解質膜の耐熱温度を超えてしまう恐れがある。
【００６１】
そこで、本実施例では、コンプレッサ５０４によって加圧された酸化ガスが、水蒸気交換を行うために用いられる加湿モジュール５０６を介して、燃料電池２００に供給されることに着目し、このような加湿モジュール５０６を、車両１０内において、走行風がよく当たる位置に配置して、加湿モジュール５０６全体を空気冷却することにより、この加湿モジュール５０６を通過する酸化ガスの温度を低下させるようにしている。
【００６２】
図３および図４は図１における加湿モジュール５０６の車両内での配置を示す説明図である。図３において、（ａ）は車両１０におけるフロント部１０ａを側方から見た断面を示し、（ｂ）は上方から見た断面を示している。また、図４は車両１０におけるフロント部１０ａを斜めから見た図である。
【００６３】
これら図に示すとおり、本実施例において、加湿モジュール５０６は、車両１０のフロント部１０ａにおけるフロントバンパ９１０の裏側であって、左側前車輪９００の前あたりで、左側ヘッドライト９２０の下あたりに配置されている。
【００６４】
加湿モジュール５０６をこのような位置に配置することにより、車両１０が走行している最中には、車両の前方からフロントバンパ９１０の下にあるグリル９３０のスリットの隙間を通って吹いてくる走行風が、加湿モジュール５０６に直接当たるため、加湿モジュール５０６全体は空気冷却されて、温度が下がる。この結果、加湿モジュール５０６を通過する酸化ガスの温度も低下するため、その後、酸化ガス供給流路５０１を通って燃料電池２００に供給される頃には、酸化ガスの温度は適温となっている。
【００６５】
具体的には、前述したように、コンプレッサ５０４から排出される酸化ガスの温度は１２０℃ぐらいであるが、加湿モジュール５０６を通過することによって、酸化ガスの温度は９０℃ぐらいに低下する。その後、酸化ガス供給流路５０１を通る間にさらに１０度ほど低下して、燃料電池２００に供給される際には、酸化ガスの温度は８０℃ぐらいになっている。
【００６６】
燃料電池２００内における、電解質膜の耐熱温度を考慮した適正な温度は６０〜１００℃であるので、供給される酸化ガスの温度は、その適正温度範囲に入っている。従って、そのような酸化ガスが燃料電池２００に供給されても、電解質膜の温度が耐熱温度を超えるほど高くなることはない。
【００６７】
また、加湿モジュール５０６を、車両走行の際の走行風によって空気冷却するようにしているため、加湿モジュール５０６を冷却するための特別な装置や設備が不要である。
【００６８】
また、図２に示したように、フロント部１０ａに、燃料電池２００や、パワーコントロールユニット７００や、駆動モータ８００などが配置されても、加湿モジュール５０６の配置される位置は、図３および図４に示したとおり、フロントバンパ９１０の裏側であるため、燃料電池２００などを搭載する際に、加湿モジュール５０６が邪魔になることはない。
【００６９】
次に、加湿モジュール５０６の内部構成および水蒸気交換の動作について、図５を用いて説明する。図５は図１における加湿モジュール５０６の内部構成を概略的に示した説明図である。
【００７０】
加湿モジュール５０６は、図５に示すように、例えば、アルミニウムで構成された四角いケース状になっており、寸法としては、例えば、幅，奥行き２５ｃｍ程度で、高さが３０ｃｍ程度である。酸化ガスは、上方の酸化ガス流入口５０６ａから流入して、内部で複数に分岐し、それぞれ、中空糸膜など、多数の細孔５０６ｅを有する膜５０６ｆで形成された酸化ガス管５０６ｇを通った後、集合されて下方の酸化ガス流出口５０６ｂから流出する。一方、酸素オフガスは、左方の酸素オフガス流入口５０６ｃから流入して、複数の酸化ガス管５０６ｇの間を通って、右方の酸素オフガス流出口５０６ｄから流出する。
【００７１】
従って、上方の酸化ガス流入口５０６ａから、コンプレッサ５０４からの比較的ドライな酸化ガスが流入し、また、左方の酸素オフガス流入口５０６ｃから、燃料電池２００からの比較的ウェットな酸素オフガスが流入すると、酸化ガス管５０６ｇにおける膜５０６ｆの内側では、比較的ドライな酸化ガスが存在し、膜５０６ｆの外側では、比較的ウェットな酸素オフガスが存在することになるため、膜５０６ｆの外側に付着した水分が毛細管現象により細孔５０６ｅを通って膜５０６ｆの内側に染み出し、膜５０６ｆを介して、酸素オフガスから酸化ガスへ、ガスに含まれる水分の受け渡しが行われる。こうして、酸化ガスはよりウェットになって下方の酸化ガス流出口５０６ｂから流出して、燃料電池２００に供給され、酸素オフガスはよりドライになって右方の酸素オフガス流出口５０６ｄから流出して、車両外の大気中へ排気される。
【００７２】
以上のような動作原理によって、加湿モジュール５０６では、酸化ガスと酸素オフガスとの間で水蒸気交換を行っている。
【００７３】
なお、本発明は上記した実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。
【００７４】
上記した実施例では、加湿モジュール５０６を、走行風が当たる位置として、車両１０のフロント部１０ａにおけるフロントバンパ９１０の裏側に配置するようにしていたが、本発明は、これに限定されるものではなく、車両１０のフロント部１０ａにおける低い位置（例えば、コンプレッサ５０４や駆動モータ８００の近く）に配置するようにしても良い。このような位置であっても、車両が走行した際に、下方から走行風が当たり、加湿モジュール５０６を空気冷却することができるからである。
【００７５】
このように、本発明では、加湿モジュールは車両内において走行風が当たる位置であれば、どのような位置に配置しても良く、そのような走行風が当たることにより、加湿モジュールの空気冷却が可能であればよい。
【００７６】
上記した実施例では、加湿モジュール５０６は、コンプレッサ５０４で加圧されて燃料電池２００に供給される酸化ガスと、燃料電池２００から排出された酸素オフガスと、の間で水蒸気交換を行うことにより、上記酸化ガスを加湿するようにしていたが、本発明は、このような水蒸気交換を利用してガスを加湿する加湿モジュールに限定されるものではなく、例えば、コンプレッサ５０４で加圧されて燃料電池２００に供給される酸化ガスに、インジェクタなどを用いて水を噴霧することにより、上記酸化ガスを加湿する加湿モジュールに適用することも可能である。
【００７７】
上記した実施例では、加湿モジュール５０６は、図５に示すように、四角いケース状を成していたが、配置される位置に応じて、様々な形状で構成することができる。また、空気冷却効率を上げるために、加湿モジュール５０６の周囲にフィンなどを設けるようにしても良い。また、車両が停止した際には、走行風が吹かないため、加湿モジュール５０６の近傍にファンを設け、車両停止時など必要に応じて、そのファンを回して、強制的に空気冷却を行っても良い。
【００７８】
上記した実施例では、加湿モジュールは、燃料電池に供給される酸化ガスを加湿するようにしていたが、本発明は、酸化ガスに限るものではなく、ガス加圧手段によって加圧されて燃料電池に供給されるガスであって、加湿が必要なガスであれば、どのようなガスであっても良い。
【００７９】
上記した実施例では、水蒸気交換を行うことによりガスを加湿する加湿モジュール５０６として、図５に示すような内部構造を有し、上述したような動作原理によって水蒸気交換を行う加湿モジュールを用いていたが、本発明は、これに限定されるものではなく、燃料電池に供給されるガスと燃料電池から排出されるオフガスとの間で水蒸気交換ができるものであれば、どのような構造を有し、どのような動作原理で水蒸気交換を行うものであっても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例としての車載用燃料電池システムを示す構成図である。
【図２】図１の燃料電池システムを搭載した車両を側方から見た断面を模式的に示した断面図である。
【図３】図１における加湿モジュール５０６の車両内での配置を示す説明図である。
【図４】図１における加湿モジュール５０６の車両内での配置を示す説明図である。
【図５】図１における加湿モジュール５０６の内部構成を概略的に示した説明図である。
【符号の説明】
１０…車両
１０ａ…フロント部
１０ｂ…床下部
１０ｃ…リア部
１００…燃料電池システム
２００…燃料電池
２０２…シャットバルブ
２０４…シャットバルブ
３００…高圧水素ガスタンク
３０２…シャットバルブ
３０４…放出マニュアルバルブ
３０６…逆止弁
３０８…充填マニュアルバルブ
４０１…本流流路
４０３…循環流路
４０５…排出流路
４０６…気液分離器
４０７…リリーフ流路
４０９…リリーフ流路
４１０…ポンプ
４１１…リークチェック流路
４１２…シャットバルブ
４１３…供給流路
４１４…リリーフバルブ
４１６…リリーフバルブ
４１８…減圧バルブ
４１９…逆止弁
４２０…熱交換器
４２２…減圧バルブ
４２４…水素希釈器
４２６…リークチェックボート
４２８…水素ガス供給ポート
５０１…酸化ガス供給流路
５０２…エアクリーナ
５０３…酸素オフガス排出流路
５０４…コンプレッサ
５０５…酸素オフガス導入流路
５０６…加湿モジュール
５０６ａ…酸化ガス流入口
５０６ｂ…酸化ガス流出口
５０６ｃ…酸素オフガス流入口
５０６ｄ…酸素オフガス流出口
５０６ｅ…細孔
５０６ｆ…膜
５０６ｇ…酸化ガス管
５０８…調圧弁
５１０…気液分離器
５１２…消音器
５１４…オフガス排出口
６０１…水循環流路
６０２…ポンプ
６０４…加湿水タンク
６０６…ポンプ
６０８…インジェクタ
７００…パワーコントロールユニット
８００…駆動モータ
８１０…ギヤ
８２０…ラジエタ
８３０…コンデンサ
８４０…メインラジエタ
８５０…サブラジエタ
９００…左側前車輪
９１０…フロントバンパ
９２０…左側ヘッドライト
９３０…グリル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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