(57)【要約】【課題】本発明は、出口ガス冷却によって凝縮された液水を回収して燃料電池の運転に利用するに際して、出口ガスに含まれる水分を効率よく回収・利用することの可能な車載用燃料電池システムを提供することを目的としている。【解決手段】本発明の車載用燃料電池システムは、コンデンサ４を、車両前部コンパートメント２内の上部に配設したことを特徴としている。本発明によれば、車両前部コンパートメント２内の上部に燃料電池システムのコンデンサ４を配置し、例えばボンネットフード７に設けた導風孔８からコンデンサ４に冷却風を導くことで、車両前方に設置したいラジエターなどの他の熱交換システムとの両立が容易となる。また、コンデンサ４と他の熱交換システムとの設置場所を分けることで、それぞれの冷却有効面積を減じることなく、互いに十分な冷却効率を実現することができる。【選択図】図１
2007191060.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池出口ガスをコンデンサによって冷却し、出口ガス冷却によって凝縮された液水を回収して燃料電池の運転に利用する車載用燃料電池システムにおいて、
前記コンデンサを、車両前部コンパートメント内の上部に配設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】
前記車両前部コンパートメント内の前記コンデンサの下方に、燃料電池スタック及び気液分離器を配設したことを特徴とする請求項１に記載の車載用燃料電池システム。
【請求項３】
前記コンデンサに下面側にコンデンサファンを設け、前記コンデンサファンによって前記燃料電池スタックの冷却も行うことを特徴とする請求項２に記載の車載用燃料電池システム。
【請求項４】
前記車両前部コンパートメント内の部品を冷却する冷却ファンを更に備え、
前記気液分離器の配設位置を、車両前後方向から見て、前記冷却ファンと重ならないように設定したことを特徴とする請求項２又は３に記載の車載用燃料電池システム。
【請求項５】
前記車両前部コンパートメント内の部品を冷却する冷却ファンを更に備え、
前記コンデンサから前記気液分離器に気液を導入させる導入部を、前記冷却ファン外周部にテーパー状に形成したことを特徴とする請求項２〜４の何れか一項に記載の車載用燃料電池システム。
【請求項６】
前記コンデンサの上面側に、該コンデンサの通過風量を調節する風量調節機構を設けたことを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の車載用燃料電池システム。
【請求項７】
車両側方から見た前記コンデンサの設置傾斜角度を可変制御する傾斜角度可変機構を更に備えていることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の車載用燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池出口ガスをコンデンサによって冷却し、出口ガス冷却によって凝縮された液水を回収して燃料電池の運転に利用する車載用燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料が有するエネルギを電気エネルギに直接変換する装置である。燃料電池システムでは、電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうち、一方の陽極に水素を含有する燃料ガスを供給すると共に他方の陰極に酸素を含有する酸素剤ガスを供給する。このとき、一対の電極の電解質膜側表面で生じる下記の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギを取り出すことができる。（下記［特許文献１］などに記載）。
【０００３】
陽極反応：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−  …（１）
陰極反応：２Ｈ＋＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ  …（２）
【特許文献１】特開平８−１０６９１４号公報  燃料ガスの陽極への供給方法としては、水素貯蔵装置から水素ガスを直接供給する方法、水素を含有する燃料を改質した水素含有ガスを供給する方法などが知られている。水素を含有する燃料としては、天然ガス・メタノール・ガソリンなどが考えられる。陰極に供給する酸素剤ガスとしては、空気が一般的に利用されている。また、電解質膜内では、水素イオンＨ＋（プロトン）が移動するが、この際、電解質膜内に水分が存在する必要がある（電解質膜を加湿する必要がある）。また、電解質膜の耐熱性には限界があるため、冷却する必要があり、この際にも水が利用される。このように、燃料電池の運転時には水が利用される。
【０００４】
燃料電池の運転に利用する水を確保する方法としては、燃料電池の排気ガス内に存在する水蒸気を液化回収する方法がある。水蒸気を液化回収するには、水蒸気を液化させるコンデンサを冷却風の得やすい車両前方に設置する手法、又は、他の冷却システムとの熱交換を利用して水蒸気を液化させる手法が採られるのが一般的である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、コンデンサを車両前方に設置する手法では、燃料電池用コンデンサの他に空調用コンデンサもあり、また、ラジエターなどの他の冷却系部品などもあり、これらの部品と折り合いをつけながら車両前方に配置しなくてはならない。このため、冷却風圧損上昇や冷却有効面積の確保困難などによる冷却効率の低下等があり冷却が厳しくなる。また、燃料電池本体との距離が離れることによって冷却配管が延びることによるレイアウト難や配管による重量増を招いてしまうという側面もある。さらに、燃料電池用コンデンサを車両前方に立ててレイアウトすると、高さのない部分で気液分離する必要があったり、気液分離器までポンプを用いて汲み上げる必要がある。
【０００６】
一方、他の冷却システムの熱交換を利用する手法では、熱交換器の設置位置の自由度は上がるが、他の冷却系による間接的な冷却となるため十分な冷却効率を確保できない場合があるという側面がある。従って、本発明の目的は、燃料電池出口ガスをコンデンサによって冷却し、出口ガス冷却によって凝縮された液水を回収して燃料電池の運転に利用するに際して、出口ガスに含まれる水分を効率よく回収・利用することの可能な車載用燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の車載用燃料電池システムは、燃料電池出口ガスをコンデンサによって冷却し、出口ガス冷却によって凝縮された液水を回収して燃料電池の運転に利用するものであり、コンデンサを、車両前部コンパートメント内の上部に配設したことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の車載用燃料電池システムによれば、エンジンコンパートメントなどの車両前部コンパートメント内の上部に燃料電池システムのコンデンサを配置し、例えばボンネットフードに設けた導風孔からコンデンサに冷却風を導くことで、車両前方に設置したいラジエターなどの他の熱交換システムとの両立が容易となる。また、燃料電池システムのコンデンサとラジエターなどの他の熱交換システムとの設置場所を分けることで、それぞれの冷却有効面積を減じることなく、互いに十分な冷却効率を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の燃料電池システムの具体的な実施形態について図面を参照しながら説明する。本実施形態における燃料電池システムは、車両の駆動源としてのモータに電力を供給するものであり、車載されている。図１に本発明の第一実施形態のシステム配置構成図を示す。図１に示されるように、このシステムは、車両１の前部に設けられた車両前部コンパートメント２の内部に配設されている。車両前部コンパートメント２とは、エンジンが搭載される場合にエンジンコンパートメント（エンジンルーム）と呼ばれる部分であり、モータが搭載される場合はモータルームなどとも呼ばれる部分である。
【００１０】
この燃料電池システムは、主として、燃料電池スタックを内蔵する燃料電池本体３と、追って詳しく説明するコンデンサ４と、このコンデンサ４に付随して設けられる気液分離器５と、燃料電池スタックなどを冷却する冷却系（ラジエターやその配管など：図示せず）とからなる。ラジエターは図示されていないが、バンパー裏の通常ラジエターが搭載される場所に搭載されている。また、コンデンサ４は、コンデンサ４に冷却風を強制的に導入するためのコンデンサファン６を備えている。また、ボンネットフード７には、コンデンサ４に冷却風を導入するための冷却風導入孔８が設けられている。また、コンデンサ４に付随して、その上面を閉塞するシャッタ９も配設されている。
【００１１】
上述したように、燃料電池では、良好な発電効率を得るには電解質膜に水分を供給する必要がある。コンデンサ４は、燃料電池の出口ガス（排気ガス）に含まれる水蒸気を冷却・液化し、電解質膜に供給するための水を得るために設置されている。コンデンサ４では、出口ガスを冷却して水蒸気を液化する。ただし、コンデンサ４から排出されるものは、液化された水分だけでなく、コンデンサ４の下流側には上述した気液分離器５が配設されており、分離された液状の水分のみが燃料電池本体３に供給される。このとき、液状の水分は、気液分離器５の下部に設けられたポンプ１０によって燃料電池本体３に送出される。
【００１２】
コンデンサ４は、ボンネットフード７の傾斜に合わせて、車両前側が下げられて傾斜状態で搭載されている。そして、傾斜下部側の下方に、上述した気液分離器５が接続されている。このため、コンデンサ４から排出される気液は、ポンプなどを用いることなく、導入部１１を介して気液分離器５に導入される。また、燃料電池本体３も、コンデンサ４の下方に配設されている。このため、冷却風導入孔８から導入した冷却風は、コンデンサ４の冷却に用いられた後は、その下方の燃料電池本体３の冷却に用いられる。また、コンデンサ４に付随して設けられているコンデンサファン６は、車両停車時や低速走行時などに十分な冷却風が得られないような場合に駆動され、コンデンサ４における冷却・液化を促進する。コンデンサファン６による冷却風も、燃料電池本体３の冷却に用いられる。ここでは、コンデンサファン６による燃料電池本体３内の換気も行える構造となっている。
【００１３】
気液分離器５によって分離された液状の水は、ポンプ１０によって燃料電池本体３に送出され、電解質膜への水分供給に用いられる。また、燃料電池本体３からの出口ガスは、連結管を介してコンデンサ４に供給されている。コンデンサ４では、この出口ガスを冷却して含まれる水蒸気を液化している。また、上述したように、コンデンサ４の上面を閉塞するシャッタ（風量調節機構）９が配設されている。極低温下などでは、コンデンサ４や燃料電池本体３を冷却せずに暖機したい場合がある。このような場合は、シャッタ９を閉じ、コンデンサ４や燃料電池本体３が必要以上に冷却されないようにする。シャッタ９の開度は調節可能であり、コンデンサ４での冷却度合いを可変制御できる。
【００１４】
燃料電池システムを車両前方から見た図を図２に示す。図２には、燃料電池本体３に冷却液を循環させるラジエターに付随して設けられているラジエターファン１２の位置も図示されている。図２に示されるように、気液分離器５は、ラジエターの両側にそれぞれ一つずつ、合計二つ設けられている。各気液分離器５は、前面視において、ラジエターファン１２と重ならないようになされており、ラジエターファン１２の前方に設けられているラジエター（図示せず）の冷却効率を下げないように配慮されている。また、ラジエターファン１２から排出される冷却風は、そのまま燃料電池本体３の冷却も行うため、前面視において、各気液分離器５とラジエターファン１２とを重ねないことは、ラジエターファン１２による燃料電池本体３の冷却効率を下げないことにもなる。
【００１５】
さらに、上述したように、各気液分離器５は、導入部１１によってコンデンサ４と接続されているが、これらの導入部１１はテーパー状の形態をしており、かつ、ラジエターファン１２の外周部に配設されている。このため、各導入部１１とラジエターファン１２とも前面視で重なっておらず、ここでもラジエターファン１２による燃料電池本体３の冷却効率を下げないように配慮されている。また、コンデンサ４から排出される気液は、重力によって導入部１１を介して気液分離器５に流れ込むので、ポンプが不要となる。
【００１６】
図３に、気液分離器５及びラジエターファン１２の他の設置例を示す。この例では、気液分離器５は一つだけ設置されており、ラジエターファン１２は二つ設置されている。ラジエターファン１２は、横に並べられており、気液分離器５はその中央に配設されている。コンデンサ４と気液分離器５とは、一対のテーパー状の導入部１１によって連結されている。ここでも、気液分離器５は、前面視において、一対のラジエターファン１２と重ならないようになされており、ラジエターファン１２の前方に設けられているラジエター（図示せず）の冷却効率を下げないように配慮されている。また、図２に場合と同様に、前面視において、各気液分離器５とラジエターファン１２とを重ねないことは、ラジエターファン１２による燃料電池本体３の冷却効率を下げないことにもなっている。
【００１７】
さらに、気液分離器５は、一対の導入部１１によってコンデンサ４と接続されているが、これらの導入部１１はテーパー状の形態をしており、かつ、ラジエターファン１２の外周部に配設されている。このため、各導入部１１とラジエターファン１２とも前面視で重なっておらず、ここでもラジエターファン１２による燃料電池本体３の冷却効率を下げないように配慮されている。また、コンデンサ４から排出される気液は、重力によって導入部１１を介して気液分離器５に流れ込むので、ポンプが不要となる。
【００１８】
図４に本発明の第二実施形態のシステム配置構成図を示す。本実施形態において、上述した第一実施形態と同一又は同等の構成部分については同一の符号を付してその詳しい説明は省略する。
【００１９】
本実施形態では、上述したシャッタ（風量調節機構）９の代わりに、コンデンサ４の傾斜角度を可変制御する傾斜角度可変機構が設けられており、小連よってコンデンサ４による冷却度合いを調節できるようにしてある。図４中の角度αを大きくして、コンデンサ４を冷却風導入孔８に対して隙間が生じないように近づけることで、冷却風導入孔８から導入される冷却風のほとんどを冷却に利用することができ、冷却効率が向上する。反対に、角度αを小さくして、コンデンサ４と冷却風導入孔８との隙間（コンデンサ４の後方側に形成される）を大きくすることで、冷却風導入孔８から導入される冷却風の一部が冷却に利用されずに後方に抜けるようになり、冷却効率が低下する。
【００２０】
この傾斜角度可変機構を用いることで、極低温下などにコンデンサ４や燃料電池本体３を冷却せずに暖機したい場合には、角度αを大きくし、コンデンサ４や燃料電池本体３が必要以上に冷却されないようにする。角度αは可変調節可能であり、コンデンサ４での冷却度合いを可変制御できる。本実施形態の傾斜角度可変機構は、コンデンサ４の前端をヒンジとして形成すると共に、コンデンサ４の後端に油圧によって伸縮可能なシリンダ１３を配設することで構築されている。なお、コンデンサ４に接続されている各種配管は、コンデンサ４の角度変化に応じて伸縮・あるいは変形可能に形成されている。この傾斜角度可変機構と上述したシャッタ９のような風量調節機構とは併用することができる。また、この傾斜角度可変機構とコンデンサファン６とも併用することができる。なお、第一実施形態及び第二実施形態とも、コンデンサファン６やポンプ１０角度調節機能などの駆動は、図示されないコントロールユニットによって制御されている。
【００２１】
上述したように、車両前部コンパートメント内のコンデンサの下方に、燃料電池スタック及び気液分離器を配設した。このようにすることで、燃料電池システムの配管長を最短とすることができる。また、コンデンサの下部を高さのある気液分離器の上部に接続でき、コンデンサから気液分離器への凝縮水の導入に際してポンプなどを設ける必要がない。これらの結果、最短の配管等によって省スペースで高い気液分離性能をもつシステムを実現することができる。
【００２２】
また、コンデンサに下面側にコンデンサファンを設け、コンデンサファンによって燃料電池スタックの冷却も行う。このようにすることで、燃料電池本体内の換気も行え、新たな部品の追加を伴わずに換気を行える。これにより、レイアウト性が向上すると共に部品点数削減によりシステム軽量化、コスト低減を実現することができる。
【００２３】
また、車両前部コンパートメント内の部品を冷却する冷却ファンを更に備え、気液分離器の配設位置を、車両前後方向から見て、冷却ファンと重ならないように設定した。このようにすることで、冷却ファンのによる冷却効率を低下させることなく、気液分離器を設置することができる。
【００２４】
また、コンデンサから気液分離器に気液を導入させる導入部を、上述した冷却ファン外周部にテーパー状に形成した。このようにすることで、冷却性能に影響を及ぼすことなく、コンデンサからの凝縮水の回収を車両姿勢や車両加速度に影響を受けずに行うことができる。
【００２５】
また、コンデンサの上面側に、コンデンサの通過風量を調節する風量調節機構を設けた。このようにすることで、積極的にコンデンサの冷却を行いたい場合に風量を増やしてコンデンサに冷却風があたりやすくして冷却を促進する一方で、コンデンサを暖機したい場合に風量を減じて必要以上に冷却が行われないようにして暖機を促進することができる。
【００２６】
また、車両側方から見たコンデンサの設置傾斜角度を可変制御する傾斜角度可変機構を更に備えている。このようにすることで、積極的にコンデンサの冷却を行いたい場合にコンデンサに冷却風があたりやすい角度に調節して冷却を促進する一方で、コンデンサを暖機したい場合にコンデンサに冷却風があたりにくい角度に調節して必要以上に冷却が行われないようにして暖機を促進することができる。
【００２７】
本発明の燃料電池システムは、上述した実施形態に限定されるものではない。たとえば、上述した実施形態におけるシャッタ９に代えて、冷却風導入孔８の下部（コンデンサ４の上部）に開度調節可能なルーバー状の風量調節機構を設けてもよい。また、上述した傾斜角度可変機構は、油圧シリンダを用いてコンデンサ４の後方を上下させたが、電動アクチュエータや空圧アクチュエータや手動機構などを用いてコンデンサ４の傾斜角度を調節するような機構としてもよい。さらに、上述した実施形態では、ラジエターに付随して設けられるラジエターファン１２を例にして説明したが、説明に用いたラジエターファン１２は、車両前部コンパートメント２内の他の部品を冷却するための冷却ファンであってもよい。例えば、燃料電池システム（燃料電池本体３）を冷却するために設置された冷却ファンであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の車載用燃料電池システムの第一実施形態の構成図である。
【図２】冷却ファンの設置例を示す正面図である。
【図３】冷却ファンの他の設置例を示す正面図である。
【図４】本発明の車載用燃料電池システムの第二実施形態の構成図である。
【符号の説明】
【００２９】
１    車両
２    車両前部コンパートメント
３    燃料電池本体
４    コンデンサ
５    気液分離器
６    コンデンサファン
７    ボンネットフード
８    冷却風導入孔
９    シャッタ（風量調節機構）
１０  ポンプ
１１  導入部
１２  ラジエターファン
１３  シリンダ（傾斜角度可変機構）
【図１】
2007191060.tif 000003
【図２】
2007191060.tif 000004
【図３】
2007191060.tif 000005
【図４】
2007191060.tif 000006