(57)【要約】【課題】燃料タンクの強度を大きくする必要がなく、燃料を燃料タンクに充填（てん）するために特殊な充填装置を使用する必要がないようにする。【解決手段】車両のボディを構成し、燃料ガスを貯蔵する燃料タンクとして使用される少なくとも一つの構造体と、単位セルを積層して形成された燃料電池スタックと、構造体から排出された燃料ガスを燃料電池スタックに供給するための燃料供給路とを有する。車両のボディを構成する構造体が、燃料ガスを貯蔵する燃料タンクとして使用されるので、燃料タンクにおける燃料ガスの貯蔵量を多くすることができる。高圧の燃料ガスを燃料タンクに貯蔵する必要がなくなるので、燃料タンクの強度を大きくする必要がなくなる。燃料タンクを小型化することができ、軽くすることができるので、車両のコストをその分低くすることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）車両のボディを構成し、燃料ガスを貯蔵する燃料タンクとして使用される少なくとも一つの構造体と、  
（ｂ）単位セルを積層して形成された燃料電池スタックと、
（ｃ）前記構造体から排出された燃料ガスを燃料電池スタックに供給するための燃料供給路とを有することを特徴とする車載燃料電池システム。
【請求項２】
前記各構造体は、複数の区画室に分割されたタンク本体を有する請求項１に記載の車載燃料電池システム。
【請求項３】
前記各区画室の内周面に燃料ガスを透過しないライナが形成される請求項２に記載の車載燃料電池システム。
【請求項４】
前記各区画室ごとに開閉弁が配設される請求項２に記載の車載燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車載燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池を搭載した車両（燃料電池搭載車両）においては、積層型の燃料電池によって発生させられた電力を電流として駆動モータに供給し、該駆動モータを駆動することによってトルクを発生させるようにしている。
【０００３】
そのために、前記車両に車載燃料電池システムが配設され、該車載燃料電池システムは、高圧の燃料としての水素ガスが貯蔵された燃料タンク、該燃料タンクから水素ガスが供給されるとともに空気が供給され、前記燃料電池を構成する燃料電池スタック、該燃料電池スタックから排出された空気、蒸気及び水から成る混合流中の蒸気を凝縮させる凝縮器等を備える。前記燃料電池スタックは、上端部に空気を供給するための供給マニホルドを、下端部に混合流を排出するための排出マニホルドを備える。
【０００４】
そして、前記燃料電池スタックにおいては、スタックケース内にモジュールが収容され、該モジュールにおいて、前記水素ガスの水素と空気中の酸素とが反応させられて水が生成されるとともに、反応に伴って電流が発生させられる。そのために、前記モジュールは、燃料電池の要素を構成する複数の単位セルを積層し、互いに電気的に直列に接続することによって構成された集合体から成り、前記各単位セルは、電解質膜を挟んで空気極及び燃料極を配設することによって形成されたメンブレン・エレクトロード・アッセンブリ（ＭＥＡ）、並びに隣接する単位セルのメンブレン・エレクトロード・アッセンブリ間を分離し、前記空気極に臨ませて空気流路を、前記燃料極に臨ませて燃料流路を形成するセパレータを備える。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記従来の車両において、高圧の水素ガスが燃料タンクに貯蔵されるので、燃料タンクの強度を大きくする必要があり、その場合、燃料タンクが大型化し、重くなってしまう。そこで、燃料タンクを軽い材料で形成することが考えられるが、車両のコストがその分高くなってしまう。
【０００６】
また、水素ガスを高圧にして燃料タンクに充填（てん）するために、特殊な充填装置を使用する必要があり、車両のコストがその分高くなってしまう。
【０００７】
本発明は、前記従来の車両の問題点を解決して、燃料タンクの強度を大きくする必要がなく、燃料を燃料タンクに充填するために特殊な充填装置を使用する必要がなく、車両のコストを低くすることができる車載燃料電池システム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】
【０００８】
そのために、本発明の車載燃料電池システムにおいては、車両のボディを構成し、燃料ガスを貯蔵する燃料タンクとして使用される少なくとも一つの構造体と、  単位セルを積層して形成された燃料電池スタックと、前記構造体から排出された燃料ガスを燃料電池スタックに供給するための燃料供給路とを有する。
【０００９】
本発明の他の車載燃料電池システムにおいては、さらに、前記各構造体は、複数の区画室に分割されたタンク本体を有する。
【００１０】
本発明の更に他の車載燃料電池システムにおいては、さらに、前記各区画室の内周面に燃料ガスを透過しないライナが形成される。
【００１１】
本発明の更に他の車載燃料電池システムにおいては、さらに、前記各区画室ごとに開閉弁が配設される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、車載燃料電池システムにおいては、車両のボディを構成し、燃料ガスを貯蔵する燃料タンクとして使用される少なくとも一つの構造体と、  単位セルを積層して形成された燃料電池スタックと、前記構造体から排出された燃料ガスを燃料電池スタックに供給するための燃料供給路とを有する。
【００１３】
この場合、車両のボディを構成する構造体が、燃料ガスを貯蔵する燃料タンクとして使用されるので、燃料タンクにおける燃料ガスの貯蔵量を多くすることができる。
【００１４】
したがって、高圧の燃料ガスを燃料タンクに貯蔵する必要がなくなるので、燃料タンクの強度を大きくする必要がなくなる。その結果、燃料タンクを小型化することができ、軽くすることができるので、車両のコストをその分低くすることができる。
【００１５】
また、燃料ガスを低圧のまま燃料タンクに充填することができるので、特殊な充填装置を使用する必要がなく、車両のコストをその分低くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１７】
図２は本発明の実施の形態における車載燃料電池システムを示す概念図である。
【００１８】
図において、１１は積層型の燃料電池、本実施の形態においては、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）を構成する燃料電池スタックであり、該燃料電池スタック１１は、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両、本実施の形態においては、乗用車の車輪のうちの所定の車輪にエネルギー供給源として搭載される。この場合、燃料電池スタック１１によって発生させられた電流は、図示されない駆動モータに供給され、該駆動モータを駆動することによって、各車輪が回転させられるようになっている。そこで、前記燃料電池スタック１１を、駆動モータに隣接させて、かつ、前記車輪のうちの少なくとも駆動輪に搭載させて配設するのが好ましい。
【００１９】
また、１４は前記燃料電池スタック１１に燃料としての、かつ、燃料ガスとしての水素ガスを供給するための燃料供給系としての水素ガス供給系、２２は、前記燃料電池スタック１１に媒体としての、かつ、酸化剤としての空気を供給したり、前記燃料電池スタック１１から、空気、蒸気及び水から成る混合流を排出したりするためのマニホルドである。前記燃料電池スタック１１、水素ガス供給系１４及びマニホルド２２によって車載燃料電池システムが構成される。
【００２０】
本実施の形態においては、前記燃料電池スタック１１に使用される燃料電池として、固体高分子型燃料電池が使用されるようになっているが、該固体高分子型燃料電池に代えて、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）、ヒドラジン型燃料電池、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）等を使用することができる。
【００２１】
前記燃料電池スタック１１は、図示されない複数のモジュール、絶縁材料によって形成され、前記各モジュールを挟んで配設されたインシュレータ等を備え、該インシュレータは、燃料電池スタック１１の端子を構成する一対の図示されないターミナルを備える。
【００２２】
ところで、前記各モジュールにおいて、前記水素ガス供給系１４によって供給された水素ガスの水素と、前記マニホルド２２を介して供給された空気に含まれる酸素とが反応させられて水が生成されるとともに、反応に伴って電流が発生させられる。そのために、前記モジュールは、燃料電池スタック１１の要素を構成する複数の薄い膜状の単位セルを積層し、互いに電気的に直列に接続することによって構成された集合体から成る。
【００２３】
前記各単位セルは、固体高分子から成り、イオン、本実施の形態においては、水素イオンを透過する固体電解質としての電解質膜を挟んで、拡散層から成る空気極、及び反応層から成る燃料極（水素極）を配設することによって形成されたメンブレン・エレクトロード・アッセンブリ、並びに隣接する単位セルのメンブレン・エレクトロード・アッセンブリ間を分離させ、前記空気極に臨ませて空気流路を、前記燃料極に臨ませて燃料流路を形成するセパレータを備え、前記空気流路とマニホルド２２とが連通させられる。
【００２４】
前記空気極及び燃料極における電解質膜と接触する面には、水素と酸素との反応を促進するために、カーボンに、白金系触媒及び固体高分子を混合してペースト状とした物質がある程度の厚さで均一に分散させられ、触媒層が形成される。なお、前記空気極に代えて酸素極を使用し、媒体としての、かつ、酸化剤としての純酸素を燃料電池スタック１１に供給することもできる。
【００２５】
また、前記セパレータにおける燃料極と面する側は、全周が、隣接するメンブレン・エレクトロード・アッセンブリに対して接着剤によって接着され、シールされる。したがって、シールされた部分の内側には、マトリックス状に突出させて複数の突起が形成され、各突起間に、燃料極に水素ガスを供給するための複数の水平な前記燃料流路が形成される。なお、７１は燃料電池スタック１１の起電圧を検出する複数の電圧検出部としての電圧センサ（Ｖ）である。
【００２６】
前記水素ガス供給系１４は、比較的低圧の水素ガスが貯蔵された燃料供給装置としての燃料タンク４１、該燃料タンク４１に接続され、燃料タンク４１内から排出された水素ガスを燃料電池スタック１１に供給するための第１の燃料供給路５１、該第１の燃料供給路５１と前記燃料電池スタック１１との間を接続する第２の燃料供給路５２、該第２の燃料供給路５２と並列に形成され、第１の燃料供給路５１と前記燃料電池スタック１１との間を接続し、水素ガスを帰還させる燃料帰還路５３、該燃料帰還路５３に接続され、水素ガスを排出する燃料排出路５４等を備える。
【００２７】
そして、前記第１の燃料供給路５１に、燃料タンク４１側から燃料電池スタック１１側にかけて、第１の燃料供給路５１に排出された水素ガスの圧力（一次圧力）を検出する第１の圧力検出器としての水素ガス圧センサ（Ｐ）４２、前記第１の燃料供給路５１に排出された水素ガスの圧力を調整する燃料供給圧調整部としての調圧弁４３、燃料電池スタック１１への水素ガスの供給量を調整する燃料供給量調整部としての開閉弁４４、該開閉弁４４によって調整され、燃料電池スタック１１に供給される直前の水素ガスの圧力（二次圧力）を検出する第２の圧力検出器としての水素ガス圧センサ（Ｐ）４５が配設される。
【００２８】
前記開閉弁４４は、水素ガスの供給量を調整するだけでなく、燃料電池スタック１１への水素ガスの供給を行ったり、遮断したりする。なお、前記調圧弁４３は、水素ガスの圧力を低くするために配設されるが、調圧弁を必要に応じて二つ以上配設することができる。
【００２９】
また、燃料帰還路５３には、燃料電池スタック１１側から燃料タンク４１側にかけて、燃料濃度検出部としての水素濃度センサ（Ｃ）４６、吸引ポンプ４７及び逆止弁４８が配設され、該逆止弁４８と前記第１の燃料供給路５１とが接続される。前記逆止弁４８は、吸引ポンプ４７側から水素ガス圧センサ４５側に水素ガスが流れるのを許容し、水素ガス圧センサ４５側から吸引ポンプ４７側に水素ガスが流れるのを阻止する。
【００３０】
そして、前記燃料帰還路５３における吸引ポンプ４７と逆止弁４８との間に前記燃料排出路５４が接続され、該燃料排出路５４に、燃料帰還路５３側から順に、逆止弁５５及び排出電磁弁５６が配設される。前記逆止弁５５は、吸引ポンプ４７側から排出電磁弁５６側に水素ガスが流れるのを許容し、排出電磁弁５６側から吸引ポンプ４７側に水素ガスが流れるのを阻止する。
【００３１】
ところで、高圧の水素ガスを燃料タンク４１に貯蔵するようにすると、燃料タンク４１の強度を大きくする必要があり、燃料タンク４１が大型化し、重くなってしまう。そこで、燃料タンク４１の容量を大きくし、比較的低圧、本実施の形態においては、１０〔ａｔｍ〕の水素ガスを燃料タンク４１に貯蔵するようにしている。
【００３２】
そのために、本実施の形態においては、車両のボディを構成する各構造体を燃料タンク４１として使用するようにしている。
【００３３】
図１は本発明の実施の形態における車両の概念図、図３は本発明の実施の形態における車両の概略図である。
【００３４】
図において、１３は車両の床面を構成するプラットフォーム、１５〜１８はドア、１９はルーフ、２１はボンネットフード、２３はトランクリッド、２４はフェンダーであり、前記プラットフォーム１３、ルーフ１９、ドア１５〜１８、ボンネットフード２１、トランクリッド２３、フェンダー２４等によって構造体ｍｉ（ｉ＝１、２、…）が構成され、各構造体ｍｉは燃料タンク４１（図２）として使用される。また、ｗｈｊ（ｊ＝１〜４）は車輪である（図１においては、４個の車輪ｗｈｊのうちの３個の車輪ｗｈｊ（ｊ＝１〜３）だけが示される。）。
【００３５】
次に、各構造体ｍｉについて説明する。
【００３６】
図４は本発明の実施の形態における構造体の配設状態を示す斜視図、図５は本発明の実施の形態におけるタンク本体の断面図である。
【００３７】
図において、７３は車両の外側面に配設された外板、７４は該外板７３より内側に配設されたタンク本体であり、該タンク本体７４は、複数の区画室ｒｋ（ｋ＝１、２、…）に分割され、各区画室ｒｋの内周面に水素を透過しない材料から成るライナ７８が形成される。該ライナ７８は、ゴム材料に金属膜を蒸着によって被覆したり、ナイロン（登録商標）等の樹脂を使用したりして形成される。また、５１は第１の燃料供給路であり、該第１の燃料供給路５１と、タンク本体７４との間に、各区画室ｒｋごとに分岐させられた分岐管ｐｍ（ｍ＝１、２、…）、各分岐管ｐｍに配設された開閉弁ｖｎ（ｎ＝１、２、…）、及びマニホルド７６が配設される。
【００３８】
この場合、各区間室ｒｋが独立して形成されるので、何らかの理由で所定の区画室において燃料漏れが発生しても、対応する開閉弁ｖｎを閉鎖することによって、他の区画室に影響が及ぶことがなくなる。
【００３９】
ところで、構造体としてプラットフォーム１３（図１）が使用される場合、プラットフォーム１３は二重構造とされ、例えば、プラットフォーム１３の全体を燃料タンク４１とし、二重構造部分の平均高さを１０〔ｃｍ〕程度とすると、乗用車において、燃料タンク４１の容積を約０．８〔ｍ3 〕にすることができる。本実施の形態においては、燃料タンク４１内に収容される水素ガスの圧力は、１０〔ａｔｍ〕にされるので、前記プラットフォーム１３に水素ガスを約８〔ｍ3 〕貯蔵することができる。
【００４０】
このことから、車両の各構造体ｍｉを燃料タンク４１として使用することによって、十分な量の水素ガスを燃料タンク４１に貯蔵することができる。各種の条件で水素ガスを貯蔵したときの貯蔵量を算出した結果を、表１に示す。
【００４１】
【表１】
2007172868.tif 000003
【００４２】
車両の下部のみの構造体を燃料タンク４１として使用すると、燃料タンク４１の有効面積は８〔ｍ2 〕になり、各構造体の厚さを１０〔ｃｍ〕にした場合、燃料タンク４１の容積は０．８〔ｍ3 〕になる。このとき、水素ガスの圧力を１０〔ａｔｍ〕にすると、貯蔵量は８〔ｍ3 〕になる。
【００４３】
また、車両の下部のみの構造体を燃料タンク４１として使用すると、燃料タンク４１の有効面積は８〔ｍ2 〕になり、各構造体の厚さを２０〔ｃｍ〕にした場合、燃料タンク４１の容積は１．６〔ｍ3 〕になる。このとき、水素ガスの圧力を１０〔ａｔｍ〕にすると、貯蔵量は１６〔ｍ3 〕になる。
【００４４】
そして、車両のボディ全部の構造体を燃料タンク４１として使用すると、燃料タンク４１の有効面積は２０〔ｍ2 〕になり、各構造体の厚さを２０〔ｃｍ〕にした場合、燃料タンク４１の容積は４〔ｍ3 〕になる。このとき、水素ガスの圧力を１０〔ａｔｍ〕にすると、貯蔵量は４０〔ｍ3 〕になる。
【００４５】
このように、車両の構造体ｍｉを燃料タンク４１として使用することによって、燃料タンク４１における水素ガスの貯蔵量を多くすることができる。
【００４６】
したがって、高圧の水素ガスを燃料タンク４１に貯蔵する必要がなくなるので、燃料タンク４１の強度を大きくする必要がなくなる。その結果、燃料タンク４１を小型化することができ、軽くすることができるので、車両のコストをその分低くすることができる。
【００４７】
また、水素ガスを低圧のまま燃料タンク４１に充填することができるので、特殊な充填装置を使用する必要がなく、車両のコストをその分低くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施の形態における車両の概念図である。
【図２】本発明の実施の形態における車載燃料電池システムを示す概念図である。
【図３】本発明の実施の形態における車両の概略図である。
【図４】本発明の実施の形態における構造体の配設状態を示す斜視図である。
【図５】本発明の実施の形態におけるタンク本体の断面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１１    燃料電池スタック
１４    水素ガス供給系
２２    マニホルド
４１    燃料タンク
５１、５２    第１、第２の燃料供給路
７４    タンク本体
７８    ライナ
ｍｉ    構造体
ｒｋ、ｒ１〜ｒ４    区画室
ｖｎ、ｖ１〜ｖ４    開閉弁
【図１】
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【図２】
2007172868.tif 000005
【図３】
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【図４】
2007172868.tif 000007
【図５】
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