(57)【要約】【課題】燃料電池スタック及び希釈器等の周辺機器をコンパクトに配置した燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム２において、水素タンク１６からバルブ１９を通過して供給された水素ガスは、高絶縁性配管３１を通り、燃料電池スタック１２に供給される。同様にして、酸素ガスを含む空気は、ポンプ１４によりエアフィルタ１５から取り込まれた空気が高絶縁性配管３２を通して加湿器１３へ供給され、さらに、加湿器１３から燃料電池スタック１２へ供給される。燃料電池スタック１２から排出された電気化学反応後の水素オフガスは、高絶縁性配管を通り希釈器２０の滞留チャンバ２１へ排出される。同様にして、燃料電池水スタック１２から排出された電気化学反応後の空気オフガスは高絶縁性配管３４と加湿器１３を通り、希釈器２０の希釈チャンバ２２に排出される。【選択図】図２
2009151973.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
希釈器を燃料電池スタックと同一ケース内に収納した燃料電池システムにおいて、
高絶縁性の樹脂で希釈器を形成したことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
燃料電池スタックの排気流路に配置された希釈器の空気配管及び水素配管を高絶縁性の樹脂で形成したことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料電池システムにおいて、
希釈器内部における空気配管及び水素配管の開口部は、燃料電池スタックから排出される反応水の絶縁性を考慮し、内壁及び互いに離間して設けられたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
希釈器は、
燃料電池スタックから排出される水素ガスを滞留させる滞留チャンバと、
燃料電池スタックから排出される空気を流入させるとともに、その空気に滞留チャンバからの水素ガスを混合させて希釈する希釈チャンバと、
を有し、
高絶縁性の空気配管及び水素配管の開口部を各チャンバの内部に突き出して配置したことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
燃料電池スタックと同一ケースに収納し、金属配管に比べて放熱率が低い低熱放射樹脂を用いたことにより、希釈器内部の凍結を防止することを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
希釈器を燃料電池スタックと同一ケース内に収納した燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車の動力源として燃料電池が搭載されている燃料電池搭載型電気自動車（以下、車両という。）がある。この車両に搭載された燃料電池はイオン交換が可能な電解質膜と、電解質膜の一方の面に配置された水素極と、他方の面に配置された酸素極と、それぞれの極に水素ガスと空気を供給するための流路を形成するセパレータと、を有するセルを構成し、このセルを複数枚積層して燃料電池スタックとしている。
【０００３】
このような燃料電池スタックを含む燃料電池システムは、燃料となる水素と空気中の酸素から発電をするもので、燃料電池の水素極に供給された水素ガスが電気化学反応により水素イオン化する際に水素極から酸素極に移動する電子を外部回路によって直流電流として取り出すことができる。
【０００４】
従来の燃料電池スタックでは、電解質膜に供給される水素ガスをすべて反応させることができず、水素極に供給された水素ガスの一部は未反応状態で燃料電池スタックから排出される。このため、この未反応のオフガスを再度燃料電池スタックに戻して有効利用する循環系が設けられている。
【０００５】
循環系で循環するオフガスには、燃料電池スタックを循環する水素ガスや反応水が含まれている。この水素ガスや反応水には、微量であるが、燃料電池スタックや配管部品などから溶け出した不純物が存在する。また、外気から吸い込んだ空気からも不純物が入り込み、電解質膜を通過して水素ガスの循環系に混入することもある。
【０００６】
そこで、特許文献１では、燃料電池スタックの供給側と排気側との間を高絶縁とし、燃料電池スタックの作動中に絶縁抵抗に基づいて残留水分を判定し、除去が必要な水分が燃料電池スタック内に残留しているか否かを判定して反応水を排出する技術が開示されている。
【０００７】
また、特許文献２の燃料電池システムでは、必要に応じてオフガスを排出し、オフガスと共に溜まった反応水や不純物を排出し、酸素極からのオフガスにより希釈し、水素濃度を低減して車両後方に排出する排気手段に関する技術が開示されている。また、この燃料電池システムは、燃料電池スタック及びその周辺機器をコンパクトに配置するために、燃料電池スタック、温度調節手段、加湿手段、改質器及び希釈器を同一ケース内に収納して、小型化を図っている。
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−２２１９８７号公報
【特許文献２】特開２００４−１６８１０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、特許文献１に開示された燃料電池システムでは、燃料電池スタックと配管との間を高絶縁に保ったとしても、絶縁抵抗を測定する電気回路を設けたことにより漏電を防止する手段を別途設ける必要がある。
【００１０】
また、特許文献２に開示されたように同一ケース内に収納した場合でも、燃料電池システムと周辺機器との絶縁を確保する接続配管と希釈器とによる容量増加により、暖機用の熱量が多くなり、特に氷点下では排出された反応水が内部で凍結し、流路が閉塞する可能性があった。
【００１１】
さらに、従来の燃料電池システムでは、燃料電池スタックから排出されるオフガスに未反応燃料ガスが多く含まれるため、未反応燃料ガスを燃料ガス供給流路に循環させる循環系を設ける必要がある。また、水素ガス希釈器の希釈性能を確保するため、必要容量を確保する必要があるが搭載スペースの都合上、燃料電池スタックの発電性能が犠牲になる場合があった。
【００１２】
このような問題を解決するため、本発明は、燃料電池スタック及び希釈器等の周辺機器をコンパクトに配置した燃料電池システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
以上のような目的を達成するために、本発明に係る燃料電池システムは、希釈器を燃料電池スタックと同一ケース内に収納した燃料電池システムにおいて、高絶縁性の樹脂で希釈器を形成したことを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの排気流路に配置された希釈器の空気配管及び水素配管を高絶縁性の樹脂で形成したことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、希釈器内部における空気配管及び水素配管の開口部は、燃料電池スタックから排出される反応水の絶縁性を考慮し、内壁及び互いに離間して設けられたことを特徴とする。
【００１６】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、希釈器は、燃料電池スタックから排出される水素ガスを滞留させる滞留チャンバと、燃料電池スタックから排出される空気を流入させるとともに、その空気に滞留チャンバからの水素ガスを混合させて希釈する希釈チャンバと、を有し、高絶縁性の空気配管及び水素配管の開口部を各チャンバの内部に突き出して配置したことを特徴とする。
【００１７】
さらに、本発明に係る燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックと同一ケースに収納し、金属配管に比べて放熱率が低い低熱放射樹脂を用いたことにより、希釈器内部の凍結を防止することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る燃料電池システムを用いることにより、希釈器内部の配管を高絶縁性配管とすることで、外部に電気絶縁の機能を有する別途配管を接続する必要が無くなり、部品点数の削減と、配管距離の短縮が可能となるという効果がある。
【００１９】
また、本発明に係る燃料電池システムの希釈器を用いることにより、燃料電池システムと周辺機器との絶縁を確保する接続配管の容量増加が無いため、暖機用の熱量を増大することなく、氷点下における生成水の凍結を防止するという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明を実施するための最良の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。
（実施例）
【００２１】
図１には、燃料電池システム２を搭載した燃料電池搭載型電気自動車（以下、車両という。）の構成が示されている。燃料電池システム２は、車両の重量配分を考慮して車両に配置されており、車両１のフロント部には、燃料電池スタック１２等を格納した燃料電池ケース１０と、エアフィルタ１５と、ポンプ１４と、が搭載され、リア部には水素タンク１６とマフラー１７等が搭載されている。また、燃料電池ケース１０には、燃料電池システム２の冷却や保温を行う温調手段１１と、燃料電池スタック１２と、加湿器１３と、希釈器２０と、が設けられている。なお、図１中、本実施形態で特徴的な事項の一つは、燃料電池スタック１２から排出した水素オフガスを直接希釈器２０へ送り、従来からの水素オフガスの循環系を有しないことである。
【００２２】
図５は、従来の燃料電池システムにおける希釈器容量と本実施形態に係る希釈器容量との違いを示している。一般的に、燃料電池システムから排出されるオフガスに未反応水素ガスが含まれる。この未反応水素ガスは、図中の従来例に示すように、取り出す電流が多くなるに従い、未反応水素ガスが増加する。このように大量の未反応水素ガスが発生すると、発電効率及び燃費が低下するため、一般的な燃料電池システムでは、未反応水素ガスを燃料ガス供給流路に循環させる循環系を設けている。
【００２３】
これに対し、本実施形態に係る燃料電池システムでは、図５の本実施形態に示すように、燃料電池スタックを改良して未反応水素ガスの発生を低減させている。未反応水素ガスの発生を低減することで、従来から必要とされた未反応水素ガスの循環系を廃止することが可能となり、さらに、希釈器容量も低減することが可能となった。
【００２４】
このように、本願実施形態で特徴的な事項の一つは、未反応水素ガス量を低下させることで、希釈器を小型化し、希釈器を燃料電池ケースに収めることで燃料電池スタックとの熱交換を容易にしたことである。さらに、本実施形態では、更なる小型化のために燃料電池ケースの内部に配管を突き出して高絶縁性を実現したことである。
【００２５】
図２は、燃料電池システム２の構成を示す構成図である。この燃料電池システム２では、燃料電池ケース１０の内部に燃料電池スタック１２、加湿器１３、希釈器２０及び温調手段１１を配置することで温度調節を容易にしている。
【００２６】
次に、燃料となる水素ガスの流れを示す。水素タンク１６からバルブ１９を通過して供給された水素ガスは、高絶縁性配管３１を通り、燃料電池スタック１２に供給される。同様にして、酸素ガスを含む空気は、ポンプ１４によりエアフィルタ１５から取り込まれた空気が高絶縁性配管３２を通して加湿器１３へ供給され、さらに、加湿器１３から燃料電池スタック１２へ供給される。これらの燃料ガスにより、燃料電池スタック１２において電気化学反応が発生する。
【００２７】
燃料電池スタック１２から排出された電気化学反応後の水素オフガスは、高絶縁性配管を通り希釈器２０の滞留チャンバ２１へ排出される。同様にして、燃料電池スタック１２から排出された電気化学反応後の空気オフガスは高絶縁性配管３４と加湿器１３を通り、希釈器２０の希釈チャンバ２２に排出される。希釈器２０では、滞留チャンバからの水素オフガスが希釈チャンバ２２の空気オフガスにより希釈され、排気管３５から希釈された水素オフガスが排出される。同様に、希釈チャンバ２２に流れ込んだ電気化学反応による反応水が排水管３６から排水される。
【００２８】
図３には、燃料電池システムにおける希釈器２０の構造が示されている。希釈器２０は、複数の穴が設けられた流通板２３，２４，２５と、流通板２３によって滞留チャンバ２１と希釈チャンバ２２とに区切られ、流通板２４，２５により複数の部屋に区切られた希釈チャンバ２２と、水素オフガスが供給される高絶縁性配管３３と、空気オフガスが供給される高絶縁性配管３４と、排気管３５と、排水管３６と、を有している。
【００２９】
また、排気管３５の排出口には、火炎制御手段としての逆火防止フィルタ４１又は金網を設けてある。なお、同様な火炎制御手段は、高絶縁性配管３３，３４の開口部にも設けられている。
【００３０】
図４には、希釈器の絶縁距離が示されており、図４（Ａ）は反応水が滞留する流通板２３と、高絶縁性配管３３及び高絶縁性配管３４との絶縁距離ｄ１を示している。同様に、図４（Ｂ）は、希釈器２０の壁面と高絶縁性配管３３，３４の開口部との絶縁距離ｄ２と、高絶縁性配管３３と流通板２４との絶縁距離ｄ３が示されている。これらの絶縁距離を確保することで、例えば、数メガオームから数十メガオーム程度の絶縁抵抗を実現している。
【００３１】
本実施形態では、希釈器２０を形成する滞留チャンバ２１と希釈チャンバ２２とは、放熱率の低い低放熱樹脂を用いて燃料電池スタックから発生する熱を保持しやすい形態としている。このため、本実施形態では、高絶縁性配管３３，３４と、希釈器本体と、の材質を異ならせているが、この形態に限定するものではなく、高絶縁性と低放熱性を兼ね備えた樹脂による一体成型でもよい。
【００３２】
従来は、燃料電池スタックと希釈器との接続に電気絶縁の機能を有する配管を用いていたが、本実施形態では、希釈器内部の配管を高絶縁性配管とすることで、外部に電気絶縁の機能を有する別途配管を接続する必要が無くなり、部品点数の削減と、配管距離の短縮が可能となる。
【００３３】
以上、上述したように、本実施形態に係る燃料電池システムの希釈器を用いることにより、燃料電池システムと周辺機器との絶縁を確保する接続配管を用いないため、接続配管による容量増加が無いことで、暖機用の熱量を増大することなく、氷点下における生成水の凍結を防止することが可能となる。さらに、部品点数の削減により組立を容易にし、製品及び製造のコストダウンが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムを搭載した燃料電池搭載型電気自動車の構成を示す構成図である。
【図２】本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す構成図である。
【図３】燃料電池システムにおける希釈器の構造を説明する斜視図である。
【図４】希釈器の絶縁距離を説明する説明図である。
【図５】従来の希釈器容量と本実施形態に係る希釈器容量との違いを説明する説明図である。
【符号の説明】
【００３５】
１ 車両、２ 燃料電池システム、１０ 燃料電池ケース、１１ 温調手段、１２ 燃料電池スタック、１３ 加湿器、１４ ポンプ、１５ エアフィルタ、１６ 水素タンク、１７ マフラー、１９ バルブ、２０ 希釈器、２１ 滞留チャンバ、２２ 希釈チャンバ、２３，２４，２５ 流通板、３１，３２，３３，３４ 高絶縁性配管、３５ 排気管、３６ 排水管、４１ 逆火防止フィルタ。
【図１】
2009151973.tif 000003
【図２】
2009151973.tif 000004
【図３】
2009151973.tif 000005
【図４】
2009151973.tif 000006
【図５】
2009151973.tif 000007