JP4590792B2

JP4590792B2 - Fuel cell device

Info

Publication number: JP4590792B2
Application number: JP2001203137A
Authority: JP
Inventors: 宗久堀口; 信彦平井; 亮一沖本
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2001-07-04
Filing date: 2001-07-04
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2021-07-04
Also published as: JP2003023705A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池は発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用、家庭用の発電装置として、又は、人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきたが、近年は、乗用車、バス、トラック等の車両用の動力源として開発が進んでいる。
【０００３】
燃料電池には、種々の形式のものが知られており、アルカリ水溶液型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、直接型メタノール等のものであってもよいが、固体電解質を用いた燃料電池が有望視されている。
【０００４】
この場合、固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。そして、該ガス拡散電極の一方を燃料極とし、該燃料極表面に接する燃料流路を介し前記燃料極に燃料ガスとしての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン（プロトン）と電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極とし、該酸素極表面に接する空気流路を介し前記酸素極に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。また前記固体電解質と前記燃料極、前記酸素極、前記空気流路、前記燃料流路とを併せて燃料電池セルとする。さらに、該燃料電池セルを複数積層させたものを燃料電池スタックとしている。この燃料電池装置においては、空気流路に液体水を供給することにより固体高分子電解質膜を湿潤状態に維持するものがある。（特開２０００−１２０５６号公報参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の燃料電池装置においては、空気供給ファンからの空気を導入する空気導入ダクトが金属製であり、燃料電池スタックの上側に配設された空気供給室にボルト等によって固定されている。また、同様に、空気を排出するための空気排出ダクトも金属製であり、燃料電池スタックの下側に配設された空気排出室にボルト等によって固定されている。
【０００６】
このため、メンテナンス等のために取り外した燃料電池スタックを再度取り付ける時に、前記空気導入ダクトと空気供給室、及び、空気排出ダクトと空気排出室の位置合わせを正確に行うことが困難であり、前記空気導入ダクトと空気供給室との間や、空気排出ダクトと空気排出室との間に隙（すき）間が生じてしまったり、空気導入ダクト、空気供給室、空気排出ダクト、空気排出室等の部材が破損してしまうことがある。
【０００７】
図２は従来の車両に搭載された燃料電池装置における燃料電池スタック及び空気供給ファン及び空気導入ダクトを示す図である。
【０００８】
図において、５１は燃料電池スタック、５６は空気供給ファンである。そして、前記燃料電池スタック５１は車両の下部フレーム５３の上側に取り付けられ、前記空気供給ファン５６も燃料電池スタック５１とほぼ同じ高さに取り付けられる。
【０００９】
また、前記燃料電池スタック５１の上側には、燃料電池スタック５１を構成する複数の燃料電池セルの空気流路の一端が連結され、酸化剤としての空気を導入するための空気供給室５４が取り付けられる。さらに、該空気供給室５４の前方（図における左方）には、空気供給ファン５６からの空気を空気供給室５４に送り込むための空気導入ダクト５５が接続される。また、前記空気供給室５４内には、水をスプレーする図示されない水供給ノズルが配設されている。
【００１０】
一方、前記燃料電池セルの空気流路の他端、つまり燃料電池スタック５１の下側には、前記空気流路から排出された空気を排出するための空気排出室５７が取り付けられる。さらに、該空気排出室５７の後方（図における右方）には、空気を車両の外部に排出するための空気排出ダクト６１が接続される。なお、前記空気排出室５７の底面は、排水管５８を介して、水タンク５２の上面に接続されている。
【００１１】
前記燃料電池スタック５１内には、図における上下方向に延在する多数の空気通路としての空気流路が形成され、該空気流路の一面が酸素極に接している。そして、該酸素極の反対側には固体高分子電解質膜を挟んで燃料極が配設され、該燃料極に接して水素ガスの通路としての燃料流路が形成されている。
【００１２】
なお、前記燃料電池スタック５１は、前方がわずかに下になるように、傾いた状態で配設される。そして、前記空気供給室５４の上面は水平になっている。そのため、空気導入ダクト５５から送り込まれた酸化剤としての空気の流路断面が、空気供給室５４の前方から後方へ向かって狭くなるので、空気はすべての空気流路へ均等に導入される。
【００１３】
一方、空気排出室５７の下面も水平になっているので、空気流路から排出された空気の流路断面が、前記空気排出室５７の前方から後方へ向かって広くなるので、空気はスムーズに空気排出ダクト６１に向けて排出される。
【００１４】
ところで、前記水供給ノズルからスプレーされた水は、重力及び空気の流れによって、多数の前記空気流路内に進入する。そして、酸素極を湿潤な状態に保つので、酸素極と燃料極とに挟まれた固体高分子電解質膜が良好に機能する。また、燃料である水素と酸化剤である酸素とが結合して水を生成する電気化学反応において、反応熱が発生するが、該反応熱は前記スプレーされた水によって吸収される。すなわち、前記スプレーされた水は冷却作用も果たすものである。
【００１５】
そして、前記スプレーされた水は前記空気流路の下端から、空気とともに排出される。この場合、液相の水は、そのままの状態で空気排出室５７の底面から、排水管５８を介して、前記水タンク５２内に流入して貯留される。また、空気とともに排出された気相の水、すなわち、水蒸気は、空気排出室５７内に配設された金網、金属ロッド等の部材にトラップされ、冷却され、凝縮されて液体になる。そして、空気排出室５７の底面から、排水管５８を介して、前記水タンク５２内に流入して貯留される。
【００１６】
なお、水分を分離した空気は、前記空気排出室５７に接続された空気排出ダクト６１を通って図示されない排気管から外部に排出される。ここで、前記空気排出ダクト６１は、水素吸蔵合金等の燃料貯蔵手段６０内を通過して、前記排気管に接続されている。一方、前記水タンク５２に貯留された水は、循環ポンプ等によって水供給ノズルに再度供給されてスプレーされる。これにより、水はほとんどがリサイクルされて使用されるので、水の補給量を少なくすることができる。
【００１７】
ところで、前記従来の燃料電池装置においては、空気導入ダクト５５及び空気排出ダクト６１は、金属製であり、車両の図示されない取付部材や強度部材等にボルト等の手段によって固定されている。一方、前記空気導入ダクト５５及び空気排出ダクト６１は、燃料電池スタック５１の空気供給室５４及び空気排出室５７にボルト等の手段によって固定されている。
【００１８】
そして、前記燃料電池スタック５１、燃料貯蔵手段６０等は、メンテナンスや修理のために車両から取り外す場合がある。この場合、メンテナンスや修理が終わり、再び車両に取り付けられる時に、取付位置が、ごくわずかではあるが、ずれてしまう、すなわち、位置ずれが生じてしまうことがある。すると、前記空気導入ダクト５５及び空気排出ダクト６１と空気供給室５４及び空気排出室５７との接続部分にも位置ずれが生じてしまう。
【００１９】
このような接続部分の位置ずれは、前記空気導入ダクト５５、空気排出ダクト６１、空気供給室５４及び空気排出室５７のそれぞれに大きめのフランジを形成し、各フランジ間にパッキン等のシール部材を挿入し、一方、前記フランジに大きめのボルト孔を形成することによって、位置ずれを吸収することができる。しかし、大きめのフランジを形成したり、該フランジに大きめのボルト孔を形成したり、シール部材を挿入したりすると、構造が複雑となり、また、部品点数も増えるので、製造コストが高くなってしまう。さらに、前記空気導入ダクト５５及び空気排出ダクト６１と空気供給室５４及び空気排出室５７との接続部分の占有する容積が大きくなってしまい、車両の車室や荷室の床下のような狭い場所に搭載することが困難になってしまう。
【００２０】
一方、接続部分の位置ずれを放置すると、該接続部分から空気や水が漏れてしまい、燃料電池セルに所定量の空気や水が供給されなくなり、燃料電池セルの出力が低下してしまう。
【００２１】
本発明は、前記従来の問題点を解決して、空気導入ダクト及び空気排出ダクトを可撓（とう）性の連結管を介して空気供給室及び空気排出室に接続して、簡素でコンパクトな構成によって位置ずれを吸収することができ、空気や水が漏れることのない燃料電池装置を提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
そのために、本発明の燃料電池装置においては、燃料極及び該燃料極に接した燃料流路と、酸素極及び該酸素極に接した空気流路と前記燃料極及び酸素極により狭持される電解質膜を持つ燃料電池セルと、該燃料電池セルを積層し、車両中央部において、車体フレームに固定された燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに空気を供給する空気供給室と、前記燃料スタックから空気を排出する空気排出室と、車両前方に固定され、車外から空気を導入する空気導入ダクトと、前記空気導入ダクトと空気供給室とを接続する可撓性を持ち、かつ、着脱可能に構成された第１連結管と、車両後方に固定され、前記空気排出室から空気を排出する空気排出ダクトと、前記空気排出ダクトと空気排出室とを連結する可撓性を持ち、かつ、着脱可能に構成された第２連結管とを有する。
【００２３】
本発明の他の燃料電池装置においては、さらに、前記連結管は、蛇腹状である。
【００２４】
本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記連結管は、樹脂から成る。
【００２５】
本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記空気導入ダクトは、前記空気供給室の上面より高い位置に配設される。
【００２６】
本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記空気供給室内には、液相の水を噴射する水供給手段が配設される。
【００２７】
【発明の実施の形態】
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。
【００２８】
図１は本発明の実施の形態における車両に搭載された燃料電池装置の燃料電池スタック、空気導入ダクト及び空気排出ダクトを示す要部側面図、図３は本発明の実施の形態における車両に搭載された燃料電池装置の模式平面図、図４は本発明の実施の形態における車両に搭載された燃料電池装置における空気の流れを示す模式断面図、図５は本発明の実施の形態における車両に搭載された燃料電池装置における水の流れを示す模式断面図である。
【００２９】
図１において、１１は燃料電池スタック（ＦＣ）であり、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として使用される。ここで、前記車両は、照明装置、ラジオ、パワーウインドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えており、また、走行パターンが多様であり、動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、動力源として燃料電池スタック１１と図示されない蓄電手段としての２次電池とを併用して使用することが望ましい。
【００３０】
そして、燃料電池セルは、アルカリ水溶液型（ＡＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）、直接型メタノール（ＤＭＦＣ）等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であることが望ましい。
【００３１】
なお、更に望ましくは、水素ガスを燃料とし、酸素又は空気を酸化剤とするＰＥＭＦＣ（ＰｒｏｔｏｎＥｘｃｈａｎｇｅＭｅｍｂｒａｎｅＦｕｅｌＣｅｌｌ）型燃料電池、又は、ＰＥＭ（ＰｒｏｔｏｎＥｘｃｈａｎｇｅＭｅｍｂｒａｎｅ）型燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該ＰＥＭ型燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを透過する固体高分子電解質膜の両側に触媒、電極及びセパレータを結合したセル（ＦｕｅｌＣｅｌｌ）を複数及び直列に結合したスタック（Ｓｔａｃｋ）から成る（特開平１１−３１７２３５号公報参照）。
【００３２】
この場合、固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。そして、該ガス拡散電極の一方を燃料極とし、該燃料極表面に接する燃料流路を介し前記燃料極に燃料ガスとしての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン（プロトン）と電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極とし、該酸素極表面に接する空気流路を介し前記酸素極に酸化ガスとして空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。
【００３３】
例えば、本実施の形態においては、１例として、ＰＥＭ型燃料電池であり、１００枚のセルを直列に接続したスタックを使用する。この場合、総電極面積は１５０〔ｃｍ²〕であり、開放端子電圧は約１００〔Ｖ〕、出力は約６〔ｋＷ〕である。そして、定常動作時の温度は５０〜９０〔℃〕程度である。
【００３４】
なお、図示されない改質装置によってメタノール、ガソリン等を改質して取り出した燃料である水素ガスを燃料電池セルに直接供給することもできるが、車両の高負荷運転時にも安定して十分な量の水素を供給することができるようにするためには、燃料貯蔵手段１２に貯蔵した水素ガスを供給することが望ましい。ここで、該燃料貯蔵手段１２は、水素吸蔵合金やデカリンのような水素吸蔵液体を格納した容器、水素ガスボンベのように水素ガスを格納した容器等から成る。これにより、水素ガスがほぼ一定の圧力で常に十分に供給されるので、前記燃料電池セルは車両の負荷の変動に遅れることなく追随して、必要な電流を供給することができる。
【００３５】
この場合、前記燃料電池セルの出力インピーダンスは極めて低く、０に近似させることが可能である。
【００３６】
図において、燃料電池セルに燃料としての水素ガス及び酸化剤としての空気を供給する装置が示される。ここで、燃料電池スタック１１は、車両の車両底板１５の上に配設される。また、前記燃料電池スタック１１の後方（図における右方）には燃料貯蔵手段１２が、同様に車両底板１５の上に配設される。さらに、該燃料貯蔵手段１２の後方には、排水ポンプ１４及び水タンク１３が配設される。
【００３７】
なお、前記車両底板１５は、前記車両のフレームを構成する強度部材であってもよいし、強度部材としての機能を果たすことなく、単に車両の底面を覆うだけの板部材であってもよい。そして、車両底板１５が強度部材である場合、前記燃料電池スタック１１、燃料貯蔵手段１２、排水ポンプ１４及び水タンク１３は前記車両底板１５に取り付けられ、該車両底板１５が強度部材でない場合、前記燃料電池スタック１１、燃料貯蔵手段１２、排水ポンプ１４及び水タンク１３は、車両底板１５とは別の図示されない強度部材に取り付けられる。
【００３８】
また、図に示される車両の左右の前輪２８Ｌ、２８Ｒ及び左右の後輪２９Ｌ、２９Ｒも、同様に車両底板１５が強度部材である場合は、サスペンション機構等を介して車両底板１５に取り付けられ、車両底板１５が強度部材でない場合は、サスペンション機構等を介して車両底板１５とは別の図示されない強度部材に取り付けられる。
【００３９】
ここで、前記燃料電池スタック１１、燃料貯蔵手段１２、排水ポンプ１４及び水タンク１３は、薄く扁平な直方体の形状を有し、前後に並んで、すなわち、タンデムに配設されているので、前記燃料電池スタック１１及び燃料貯蔵手段１２の上を覆うように車室や荷室の床板を配設しても、前記車室や荷室の床の高さを高くする必要がない。また、重量物である燃料電池スタック１１、燃料貯蔵手段１２、排水ポンプ１４及び水タンク１３が低い位置に配設されるので、車両の重心位置が低くなり、車両の安定性が向上する。さらに、前記燃料電池スタック１１、燃料貯蔵手段１２、排水ポンプ１４及び水タンク１３が、前輪２８Ｌ、２８Ｒの車軸と後輪２９Ｌ、２９Ｒの車軸との間に配設されているので、車両の重心位置近傍に重量物が集中し、重心回りの慣性モーメントが低減され、車両の旋回性が向上する。
【００４０】
そして、水素ガスは、前記燃料貯蔵手段１２から、図示されない燃料供給管路を通って、燃料電池セルに供給される。また、前記燃料供給管路には、図示されない燃料圧力調整弁、燃料供給電磁弁、逆止弁及び圧力センサが配設される。そして、燃料電池セルに供給される水素ガスがあらかじめ設定した一定の圧力に維持されるように、圧力センサで前記燃料供給管路内の水素ガスの圧力をモニターしながら、燃料圧力調整弁を調整して、水素ガスを燃料貯蔵手段１２から供給する。なお、前記燃料貯蔵手段１２は、十分に大きな容量を有し、常に十分に高い圧力の水素ガスを供給することができる能力を有するものである。
【００４１】
そして、燃料電池セルから排出される水素ガスは、図示されない燃料排出管路を通って大気中へ排出される。なお、前記水素ガスをそのまま大気中へ排出せずに、酸素と結合させて水にした後で、排出させるようにしてもよい。また、前記燃料排出管路には、図示されないフィルタ、燃料排出電磁弁、逆止弁等が配設される。
【００４２】
一方、酸化剤としての空気は、図４において矢印で示されるように、シロッコファン等から構成される酸化剤供給源としての空気供給ファン２６から、該空気供給ファン２６の吐出口２６ａに接続された空気導入ダクト２５を通って、燃料電池スタック１１の上側に取り付けられた空気供給室１７に供給される。なお、該空気供給室１７内には、水をスプレーする水供給ノズルが配設されている。
【００４３】
ここで、前記空気供給ファン２６及び空気導入ダクト２５は、その吹き出し口の位置が空気供給室１７の最も高い部位よりも高い位置になるように配設される。そのため、前記空気導入ダクト２５は、第１の連結管３０を介して、空気供給室１７の上面に形成された空気導入口１７ａに接続される。また、前記空気導入ダクト２５は、空気導入口１７ａ周辺において、空気供給室の上面から上側に伸びるように形成されている。
【００４４】
この場合、前記第１の連結管３０は可撓性を有しており、例えば、柔軟性を有する樹脂から成る。なお、前記第１の連結管３０は、樹脂、金属等いかなる材質から成るものであってもよいが、材質自体が柔軟性を有するものでない場合、コルゲート、すなわち、蛇腹状に形成することによって、可撓性を有するものとなる。
【００４５】
これにより、メンテナンスや修理のために燃料電池スタック１１、空気供給ファン２６、空気導入ダクト２５等を車両から取り外し、その後、車両に取り付ける時に、多少の位置ずれが生じても、前記可撓性を有する第１の連結管３０が位置ずれを吸収するので、空気導入口１７ａ、空気供給ファン２６、空気導入ダクト２５、第１の連結管３０等の接続部分から、空気が漏れることがない。
【００４６】
また、車両が障害物や段差を乗り越えたり、悪路を走行したりする場合に車両が傾いたり跳ねた時には、車両が捻れたり、撓（たわ）んだりして、前記空気供給ファン２６、空気導入ダクト２５、燃料電池スタック１１等の相対的な位置関係がずれる、すなわち、位置ずれが生じることもあるが、このような位置ずれも前記可撓性を有する第１の連結管３０によって吸収される。
【００４７】
また、第１の連結管３０は、図１に示されるように、直線状のものであってもよいし、曲線状のものであってもよい。また、斜め下方に延伸していてもよいし、ほぼ垂直に下方に延伸していてもよい。
【００４８】
これにより、前記空気供給ファン２６の吐出口２６ａから、空気導入ダクト２５、第１の連結管３０及び空気導入口１７ａを通って空気供給室１７内までの、全体として下向きの空気流路が形成される。なお、空気供給ファン２６の空気導入部分又は空気導入ダクト２５の途中には空気中の塵埃（じんあい）、汚染物質、有害成分等を除去するためのフィルタが配設されることが望ましい。
【００４９】
この場合、燃料電池セルに供給される空気の圧力は大気圧程度の常圧であり、特段加圧される必要がない。そのため、前記空気供給ファン２６、空気導入ダクト２５、第１の連結管３０、空気導入口１７ａ及び空気供給室１７、後述される空気排出室１８、空気排出口１８ａ、第２の連結管３１、空気排出ダクト１９、後部排出管２７Ｌ、２７Ｒ等は、耐圧性を有する必要がないので構成を簡素化することができる。
【００５０】
また、前記燃料電池セルの前記空気流路の一端に対する他端には、前記空気流路から排出された空気を排出するための空気排出室１８が取り付けられる。なお、該空気排出室１８の後方には、空気排出口１８ａが形成される。さらに、該空気排出口１８ａの後方には、第２の連結管３１を介して、空気排出ダクト１９が接続される。そして、該空気排出ダクト１９の後方には、複数に分岐して燃料貯蔵手段１２の内部を通過する図示されない空気排出通路が接続され、さらに、該空気排出通路の後方に左右の空気排出管２７Ｌ、２７Ｒが接続される。
【００５１】
この場合、前記第２の連結管３１は可撓性を有しており、例えば、柔軟性を有する樹脂から成る。なお、前記第２の連結管３１は、前記第１の連結管３０と同様に、樹脂、金属等いかなる材質から成るものであってもよいが、材質自体が柔軟性を有するものでない場合、コルゲート、すなわち、蛇腹状に形成することによって、可撓性を有するものとなる。
【００５２】
これにより、メンテナンスや修理のために燃料電池スタック１１、燃料貯蔵手段１２、空気排出ダクト１９、空気排出管２７Ｌ、２７Ｒ等を車両から取り外し、その後、車両に取り付ける時に、多少の位置ずれが生じても、前記可撓性を有する第２の連結管３１が位置ずれを吸収するので、空気排出口１８ａ、空気排出ダクト１９、空気排出通路、空気排出管２７Ｌ、２７Ｒ等の接続部分から、空気が漏れることがない。
【００５３】
また、車両が障害物や段差を乗り越えたり、悪路を走行したりする場合に車両が傾いたり跳ねた時には、車両が捻れたり、撓んだりして、前記燃料電池スタック１１、燃料貯蔵手段１２、空気排出ダクト１９等の相対的な位置関係がずれる、すなわち、位置ずれが生じることもあるが、このような位置ずれも前記可撓性を有する第２の連結管３１によって吸収される。
【００５４】
なお、前記燃料電池セル内には、図１における上下方向に延在する多数の空気流路が形成され、該空気流路の一面が酸素極に接している。そして、該酸素極の反対側には固体高分子電解質膜を挟んで燃料極が配設され、該燃料極に接して水素ガスの通路としての燃料流路が形成されている。
【００５５】
また、前記燃料電池スタック１１は、前方（図における左方）がわずかに下になるように、傾いた状態で配設される。そして、前記空気供給室１７の上面は、図１に示されるように水平になっている。そのため、空気導入ダクト２５から送り込まれた酸化剤としての空気の流路断面が、空気供給室１７の前方から後方へ向かって狭くなるので、空気はすべての空気流路へ均等に導入される。なお、前記空気供給室１７の上面の高さは、その上を覆うように配設される車室や荷室の床板の高さを低くするために、できる限り低いことが望ましい。
【００５６】
一方、空気排出室１８の下面も水平になっているので、空気流路から排出された空気の流路断面が、前記空気排出室１８の前方から後方へ向かって広くなるので、空気はスムーズに空気排出ダクト１９に向けて排出される。これにより、空気は、図４において矢印で示されるように、前記燃料電池セルの空気流路から、空気排出室１８、空気排出ダクト１９及び空気排出管２７Ｌ、２７Ｒを通って、大気中に排出される。なお、前記空気排出室１８の下面も、前記燃料電池スタック１１の取付位置及び車室や荷室の床板の高さを低くするために、できる限り下方に突出しないことが望ましい。すなわち、前記空気排出室１８の厚さはできる限り薄いことが望ましい。
【００５７】
ところで、前記水供給ノズルからスプレーされた水は、重力及び空気の流れによって、多数の前記空気流路内に進入する。そして、酸素極を湿潤な状態に保つので、酸素極と燃料極とに挟まれた固体高分子電解質膜が良好に機能する。また、燃料である水素と酸化剤である酸素とが結合して水を生成する電気化学反応において、反応熱が発生するが、該反応熱は前記スプレーされた水によって吸収される。すなわち、前記スプレーされた水は冷却作用も果たすものである。
【００５８】
ここで、スプレーされた水は液体の状態、すなわち、液相であり、反応熱を吸収して気化する。そのため、気化潜熱によって空気流路内の酸素極等を冷却するので、冷却効率が極めて高い。また、常圧の空気中に液相の水をスプレーするだけなので、前記水供給ノズルは通常のものであってよく、特別の構成を有する必要がない。
【００５９】
そして、前記スプレーされた水は前記空気流路の下端から、空気とともに排出される。この場合、液相の水は、そのままの状態で空気排出室１８の底面に一旦（たん）貯留される。また、空気とともに排出された気相の水、すなわち、水蒸気は、空気排出室１８内に配設された金網、金属ロッド等の部材にトラップされ、冷却され、凝縮されて液体になる。そして、空気排出室１８の底面に一旦貯留される。なお、水分を分離した空気は、前記空気排出室１８に接続された空気排出ダクト１９を通って外部に排出される。
【００６０】
ここで、前記空気排出室１８内の後方下端部は、配水管路としての排水管２２に接続される。そして、該排水管２２は排水ポンプ１４の吸引口に連結されているので、空気排出室１８の底面に一旦貯留された水は、孔から吸い込まれ、排水管２２を通って排出される。
【００６１】
そして、前記排水管２２を通って排水ポンプ１４に吸引された水は、図５における実線の矢印で示されるように、前記排水ポンプ１４の吐出口に一端が接続され、水タンク１３の上面に他端が接続された連結管２３を通って、水タンク１３内に流入して貯留される。
【００６２】
また、前記空気排出ダクト２７Ｌ、２７Ｒにも図示されない凝縮器が配設され、外部に排出される空気に含まれる水を凝縮して分離するようになっている。そして、分離された水は、図示されない排水管を通って排水ポンプ１４に吸引され、水タンク１３内に貯留される。ここで、前記凝縮器は、例えば、金網、金属ロッド等であるが、いかなるものであってもよい。
【００６３】
なお、該水タンク１３に貯留された水は、図５における点線の矢印で示されるように、図示されない循環ポンプ、水供給管路等を通って水供給ノズルに再度供給されて、スプレーされる。
【００６４】
これにより、水はほとんどがリサイクルされて使用されるので、水の補給量を少なくすることができる。
【００６５】
なお、前記蓄電手段としての２次電池は、いわゆる、バッテリ（蓄電池）であり、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等が一般的であるが、電気自動車等に使用される高性能鉛蓄電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池、ニッケル水素電池等が望ましい。
【００６６】
例えば、本実施の形態においては、１例として、高性能鉛蓄電池を使用する。
【００６７】
この場合、開放端子電圧は約５０〔Ｖ〕であり、約１〔ｋＷ〕の電流を５〜２０分程度供給することができる程度の容量を有する。
【００６８】
なお、前記蓄電手段は、必ずしもバッテリでなくてもよく、電気二重層コンデンサのようなコンデンサ（キャパシタ）、フライホイール、超伝導コイル、畜圧器等のように、エネルギーを電気的に蓄積し放出する機能を有するものであれば、いかなる形態のものであってもよい。さらに、これらの中のいずれかを単独で使用してもよいし、複数のものを組み合わせて使用してもよい。
【００６９】
また、前記燃料電池セルは図示されない負荷に接続され、発生した電流を前記負荷に供給する。ここで、該負荷は、一般的には、駆動制御装置であるインバータ装置であり、前記燃料電池セル又はバッテリからの直流電流を交流電流に変換して、車両の車輪を回転させる駆動モータに供給する。ここで、該駆動モータは発電機としても機能するものであり、車両の減速運転時には、いわゆる、回生電流を発生する。この場合、前記駆動モータは車輪によって回転させられて発電するので、前記車輪にブレーキをかける、すなわち、車両の制動装置（ブレーキ）として機能する。そして、前記回生電流がバッテリに供給されて該バッテリが充電される。
【００７０】
なお、本実施の形態において、燃料電池装置は図示されない制御手段を有する。該制御手段は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算手段、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、圧力センサ、その他のセンサから燃料電池セルに供給される水素、酸素、空気等の流量、温度、出力電圧等を検出して、前記空気供給ファン２６、燃料圧力調整弁、燃料供給電磁弁、燃料排出電磁弁等の動作を制御する。さらに、前記制御手段は、他のセンサ及び他の制御装置と連携して、燃料電池装置の動作を統括的に制御する。
【００７１】
このように、本実施の形態においては、空気導入ダクト２５が、可撓性を有する第１の連結管３０を介して、空気供給室１７の空気導入口１７ａに接続され、空気排出ダクト１９が、可撓性を有する第２の連結管３１を介して、空気排出室１８の空気排出口１８ａに接続されるようになっている。
【００７２】
したがって、メンテナンスや修理のために燃料電池スタック１１、燃料貯蔵手段１２、空気供給ファン２６、空気導入ダクト２５、空気排出ダクト１９等を車両から取り外し、その後、車両に取り付ける時に、多少の位置ずれが生じても、前記可撓性を有する第１及び第２の連結管３０、３１が、コンパクトな構成であるにもかかわらず、位置ずれを吸収するので、第１及び第２の連結管３０、３１、空気導入口１７ａ、空気排出ダクト１９、空気排出口１８ａ等の接続部分から、空気や水が漏れることがない。
【００７３】
また、車両が障害物や段差を乗り越えたり、悪路を走行したりする場合に車両が傾いたり跳ねた時には、車両が捻れたり、撓んだりして、前記燃料電池スタック１１、燃料貯蔵手段１２、空気排出ダクト１９等の相対的な位置関係がずれる、すなわち、位置ずれが生じることもあるが、このような位置ずれも前記可撓性を有する第１及び第２の連結管３０、３１によって吸収される。
【００７４】
また、第１及び第２の連結管３０、３１が樹脂のような柔軟性を有する材質からなる場合、それ自体がシール性を有するので、前記接続部のシール性がさらに向上する。
【００７５】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００７６】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、燃料電池装置においては、燃料極及び該燃料極に接した燃料流路と、酸素極及び該酸素極に接した空気流路と前記燃料極及び酸素極により狭持される電解質膜を持つ燃料電池セルと、該燃料電池セルを積層し、車両中央部において、車体フレームに固定された燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに空気を供給する空気供給室と、前記燃料スタックから空気を排出する空気排出室と、車両前方に固定され、車外から空気を導入する空気導入ダクトと、前記空気導入ダクトと空気供給室とを接続する可撓性を持ち、かつ、着脱可能に構成された第１連結管と、車両後方に固定され、前記空気排出室から空気を排出する空気排出ダクトと、前記空気排出ダクトと空気排出室とを連結する可撓性を持ち、かつ、着脱可能に構成された第２連結管とを有する。
【００７７】
この場合、簡素でコンパクトな構成によって位置ずれを吸収することができ、空気や水が漏れることがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における車両に搭載された燃料電池装置の燃料電池スタック、空気導入ダクト及び空気排出ダクトを示す要部側面図である。
【図２】従来の車両に搭載された燃料電池装置における燃料電池スタック及び空気供給ファン及び空気導入ダクトを示す図である。
【図３】本発明の実施の形態における車両に搭載された燃料電池装置の模式平面図である。
【図４】本発明の実施の形態における車両に搭載された燃料電池装置における空気の流れを示す模式断面図である。
【図５】本発明の実施の形態における車両に搭載された燃料電池装置における水の流れを示す模式断面図である。
【符号の説明】
１１燃料電池スタック
１７空気供給室
１７ａ空気導入口
１８空気排出室
１８ａ空気排出口
１９空気排出ダクト
２３連結管
２５空気導入ダクト
３０第１の連結管
３１第２の連結管[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell device.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, since fuel cells have high power generation efficiency and do not emit harmful substances, they have been put into practical use as power generators for industrial and household use, or as power sources for artificial satellites and spacecrafts. Development is progressing as a power source for vehicles such as buses and trucks.
[0003]
Various types of fuel cells are known, and may be of alkaline aqueous solution type, phosphoric acid type, molten carbonate type, solid oxide type, direct type methanol, etc. The fuel cell used is promising.
[0004]
In this case, the solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between two gas diffusion electrodes and integrated to join. Then, when one of the gas diffusion electrodes is used as a fuel electrode, and hydrogen gas as a fuel gas is supplied to the fuel electrode via a fuel flow path in contact with the surface of the fuel electrode, hydrogen is decomposed into hydrogen ions (protons) and electrons. Then, hydrogen ions permeate the solid polymer electrolyte membrane. Further, when the other of the gas diffusion electrodes is an oxygen electrode, and air as an oxidant is supplied to the oxygen electrode via an air flow channel in contact with the surface of the oxygen electrode, oxygen in the air and the hydrogen ions and electrons are Combine to produce water. An electromotive force is generated by such an electrochemical reaction. The solid electrolyte, the fuel electrode, the oxygen electrode, the air flow path, and the fuel flow path are combined to form a fuel cell. Further, a fuel cell stack is formed by stacking a plurality of the fuel cells. Some of the fuel cell devices maintain the solid polymer electrolyte membrane in a wet state by supplying liquid water to the air flow path. (Refer to Unexamined-Japanese-Patent No. 2000-12056).
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional fuel cell device, the air introduction duct for introducing the air from the air supply fan is made of metal, and is fixed to the air supply chamber disposed on the upper side of the fuel cell stack by a bolt or the like. . Similarly, the air discharge duct for discharging air is also made of metal, and is fixed to the air discharge chamber disposed on the lower side of the fuel cell stack by bolts or the like.
[0006]
For this reason, when the fuel cell stack removed for maintenance or the like is reinstalled, it is difficult to accurately align the air introduction duct and the air supply chamber, and the air discharge duct and the air discharge chamber, There may be gaps between the air introduction duct and the air supply chamber or between the air discharge duct and the air discharge chamber, or the air introduction duct, air supply chamber, air discharge duct, air discharge chamber, etc. The member may be damaged.
[0007]
FIG. 2 is a view showing a fuel cell stack, an air supply fan, and an air introduction duct in a conventional fuel cell device mounted on a vehicle.
[0008]
In the figure, 51 is a fuel cell stack, and 56 is an air supply fan. The fuel cell stack 51 is mounted on the upper side of the lower frame 53 of the vehicle, and the air supply fan 56 is also mounted at substantially the same height as the fuel cell stack 51.
[0009]
One end of an air flow path of a plurality of fuel cells constituting the fuel cell stack 51 is connected to the upper side of the fuel cell stack 51, and an air supply chamber 54 for introducing air as an oxidant is attached. It is done. Further, an air introduction duct 55 for sending air from the air supply fan 56 to the air supply chamber 54 is connected to the front (left side in the drawing) of the air supply chamber 54. A water supply nozzle (not shown) for spraying water is disposed in the air supply chamber 54.
[0010]
On the other hand, an air discharge chamber 57 for discharging air discharged from the air flow path is attached to the other end of the air flow path of the fuel cell, that is, below the fuel cell stack 51. Further, an air discharge duct 61 for discharging air to the outside of the vehicle is connected to the rear (right side in the figure) of the air discharge chamber 57. The bottom surface of the air discharge chamber 57 is connected to the upper surface of the water tank 52 via a drain pipe 58.
[0011]
In the fuel cell stack 51, a plurality of air passages as air passages extending in the vertical direction in the figure are formed, and one surface of the air passage is in contact with the oxygen electrode. A fuel electrode is disposed on the opposite side of the oxygen electrode with a solid polymer electrolyte membrane interposed therebetween, and a fuel flow path as a hydrogen gas passage is formed in contact with the fuel electrode.
[0012]
The fuel cell stack 51 is disposed in an inclined state so that the front is slightly lower. The upper surface of the air supply chamber 54 is horizontal. Therefore, the cross section of the air flow path as the oxidant sent from the air introduction duct 55 becomes narrower from the front to the rear of the air supply chamber 54, so that the air is evenly introduced into all the air flow paths.
[0013]
On the other hand, since the lower surface of the air discharge chamber 57 is also horizontal, the flow passage cross section of the air discharged from the air flow passage becomes wider from the front to the rear of the air discharge chamber 57, so that the air is smooth. It is discharged toward the air discharge duct 61.
[0014]
By the way, the water sprayed from the water supply nozzle enters a large number of the air flow paths by gravity and air flow. Since the oxygen electrode is kept in a wet state, the solid polymer electrolyte membrane sandwiched between the oxygen electrode and the fuel electrode functions well. In addition, in an electrochemical reaction in which hydrogen, which is a fuel, and oxygen, which is an oxidant, combine to generate water, reaction heat is generated, and the reaction heat is absorbed by the sprayed water. That is, the sprayed water also performs a cooling function.
[0015]
The sprayed water is discharged together with air from the lower end of the air flow path. In this case, the liquid phase water flows into the water tank 52 from the bottom surface of the air discharge chamber 57 via the drain pipe 58 and is stored as it is. In addition, vapor phase water discharged with air, that is, water vapor, is trapped in a member such as a wire mesh or a metal rod disposed in the air discharge chamber 57, cooled, condensed, and turned into a liquid. Then, the air flows into the water tank 52 from the bottom surface of the air discharge chamber 57 through the drain pipe 58 and is stored.
[0016]
The air from which moisture has been separated is discharged to the outside through an air discharge duct 61 connected to the air discharge chamber 57 from an exhaust pipe (not shown). Here, the air discharge duct 61 passes through the fuel storage means 60 such as a hydrogen storage alloy and is connected to the exhaust pipe. Meanwhile, the water stored in the water tank 52 is supplied again to the water supply nozzle by a circulation pump or the like and sprayed. Thereby, since most of the water is recycled and used, the amount of water supply can be reduced.
[0017]
By the way, in the conventional fuel cell device, the air introduction duct 55 and the air discharge duct 61 are made of metal, and are fixed to a mounting member or a strength member (not shown) of the vehicle by means such as a bolt. On the other hand, the air introduction duct 55 and the air discharge duct 61 are fixed to the air supply chamber 54 and the air discharge chamber 57 of the fuel cell stack 51 by means such as bolts.
[0018]
The fuel cell stack 51, the fuel storage means 60, and the like may be removed from the vehicle for maintenance or repair. In this case, when the maintenance or repair is completed and the vehicle is remounted on the vehicle, the mounting position may be slightly shifted, that is, a positional shift may occur. As a result, a positional shift also occurs in the connection portion between the air introduction duct 55 and the air discharge duct 61 and the air supply chamber 54 and the air discharge chamber 57.
[0019]
Such misalignment of the connecting portion is caused by forming a large flange in each of the air introduction duct 55, the air discharge duct 61, the air supply chamber 54, and the air discharge chamber 57, and a seal member such as a packing between the flanges. On the other hand, the displacement can be absorbed by forming a large bolt hole in the flange. However, if a large flange is formed, a large bolt hole is formed in the flange, or a seal member is inserted, the structure becomes complicated and the number of parts increases, resulting in an increase in manufacturing cost. . Further, the volume occupied by the connecting portion between the air introduction duct 55 and the air discharge duct 61 and the air supply chamber 54 and the air discharge chamber 57 becomes large, and the space is narrow, such as a vehicle compartment or under the floor of a cargo compartment. It will be difficult to install.
[0020]
On the other hand, if the displacement of the connection portion is left unattended, air or water leaks from the connection portion, and a predetermined amount of air or water is not supplied to the fuel cell, resulting in a decrease in the output of the fuel cell.
[0021]
The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and connects the air introduction duct and the air discharge duct to the air supply chamber and the air discharge chamber via a flexible connecting pipe, so that it is simple and compact. An object of the present invention is to provide a fuel cell device that can absorb misalignment depending on the configuration and does not leak air or water.
[0022]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, in the fuel cell device of the present invention, the fuel electrode and the fuel flow path in contact with the fuel electrode, the oxygen electrode and the air flow path in contact with the oxygen electrode, and the fuel electrode and the oxygen electrode are sandwiched. A fuel cell having an electrolyte membrane; a fuel cell stack in which the fuel cells are stacked; and a fuel cell stack fixed to a vehicle body frame at a center of the vehicle; an air supply chamber for supplying air to the fuel cell stack; and the fuel stack An air discharge chamber that discharges air from the vehicle, an air introduction duct that is fixed in front of the vehicle and that introduces air from the outside of the vehicle, and has flexibility to connect the air introduction duct and the air supply chamber, and is detachable A first connecting pipe configured; an air exhaust duct that is fixed to the rear of the vehicle and exhausts air from the air exhaust chamber; and has flexibility to connect the air exhaust duct and the air exhaust chamber; Possible And a second connecting pipe configured.
[0023]
In another fuel cell device of the present invention, the connecting pipe has a bellows shape.
[0024]
In still another fuel cell device of the present invention, the connecting pipe is made of resin.
[0025]
In still another fuel cell device of the present invention, the air introduction duct is disposed at a position higher than the upper surface of the air supply chamber.
[0026]
In still another fuel cell device of the present invention, water supply means for injecting liquid water is disposed in the air supply chamber.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0028]
FIG. 1 is a side view of a main part showing a fuel cell stack, an air introduction duct and an air discharge duct of a fuel cell device mounted on a vehicle in an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is mounted on the vehicle in an embodiment of the present invention. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the flow of air in the fuel cell device mounted on the vehicle in the embodiment of the present invention, and FIG. 5 is the vehicle in the embodiment of the present invention. It is a schematic cross section which shows the flow of the water in the mounted fuel cell apparatus.
[0029]
In FIG. 1, 11 is a fuel cell stack (FC), which is used as a power source for vehicles such as passenger cars, buses, trucks, passenger carts, luggage carts and the like. Here, the vehicle includes a large number of auxiliary devices that consume electricity, such as a lighting device, a radio, and a power window, which are used even when the vehicle is stopped. Since the required output range is extremely wide, it is desirable to use a fuel cell stack 11 as a power source and a secondary battery as a power storage means (not shown).
[0030]
The fuel cell may be an alkaline aqueous solution type (AFC), phosphoric acid type (PAFC), molten carbonate type (MCFC), solid oxide type (SOFC), direct methanol (DMFC), or the like. A solid polymer type fuel cell (PEMFC) is preferable.
[0031]
More preferably, it is called a PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) type fuel cell or PEM (Proton Exchange Membrane) type fuel cell using hydrogen gas as fuel and oxygen or air as oxidant. Here, the PEM type fuel cell is generally a stack in which a plurality of cells (Fuel Cell) in which a catalyst, an electrode and a separator are combined on both sides of a solid polymer electrolyte membrane that transmits ions such as protons are connected in series. (Stack) (see JP-A-11-317235).
[0032]
In this case, the solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between two gas diffusion electrodes and integrated to join. Then, when one of the gas diffusion electrodes is used as a fuel electrode, and hydrogen gas as a fuel gas is supplied to the fuel electrode via a fuel flow path in contact with the surface of the fuel electrode, hydrogen is decomposed into hydrogen ions (protons) and electrons. Then, hydrogen ions permeate the solid polymer electrolyte membrane. Further, when the other of the gas diffusion electrodes is an oxygen electrode and air is supplied as an oxidizing gas to the oxygen electrode via an air flow channel in contact with the surface of the oxygen electrode, oxygen in the air is combined with the hydrogen ions and electrons. Thus, water is generated. An electromotive force is generated by such an electrochemical reaction.
[0033]
For example, in the present embodiment, as an example, a PEM type fuel cell is used, and a stack in which 100 cells are connected in series is used. In this case, the total electrode area is 150 cm. ² The open terminal voltage is about 100 [V], and the output is about 6 [kW]. And the temperature at the time of a steady operation is about 50-90 [degreeC].
[0034]
Note that hydrogen gas, which is fuel taken out by reforming methanol, gasoline, etc. by a reformer (not shown) can be directly supplied to the fuel cell, but a sufficient amount is stable even during high-load operation of the vehicle. In order to be able to supply a large amount of hydrogen, it is desirable to supply the hydrogen gas stored in the fuel storage means 12. Here, the fuel storage means 12 includes a container storing a hydrogen storage liquid such as a hydrogen storage alloy or decalin, a container storing hydrogen gas such as a hydrogen gas cylinder, and the like. Thereby, hydrogen gas is always sufficiently supplied at a substantially constant pressure, so that the fuel cell can follow the fluctuation of the load of the vehicle and supply a necessary current.
[0035]
In this case, the output impedance of the fuel cell is extremely low and can be approximated to zero.
[0036]
In the figure, an apparatus for supplying hydrogen gas as a fuel and air as an oxidant to a fuel cell is shown. Here, the fuel cell stack 11 is disposed on the vehicle bottom plate 15 of the vehicle. Further, a fuel storage means 12 is similarly disposed on the vehicle bottom plate 15 behind the fuel cell stack 11 (to the right in the figure). Further, a drain pump 14 and a water tank 13 are disposed behind the fuel storage means 12.
[0037]
The vehicle bottom plate 15 may be a strength member constituting the frame of the vehicle, or may be a plate member that simply covers the bottom surface of the vehicle without fulfilling the function as the strength member. When the vehicle bottom plate 15 is a strength member, the fuel cell stack 11, the fuel storage means 12, the drain pump 14 and the water tank 13 are attached to the vehicle bottom plate 15, and when the vehicle bottom plate 15 is not a strength member, The fuel cell stack 11, the fuel storage means 12, the drain pump 14 and the water tank 13 are attached to a strength member (not shown) different from the vehicle bottom plate 15.
[0038]
Also, the left and right front wheels 28L, 28R and the left and right rear wheels 29L, 29R of the vehicle shown in the figure are similarly attached to the vehicle bottom plate 15 via a suspension mechanism or the like when the vehicle bottom plate 15 is a strength member. When the vehicle bottom plate 15 is not a strength member, it is attached to a strength member (not shown) different from the vehicle bottom plate 15 via a suspension mechanism or the like.
[0039]
Here, the fuel cell stack 11, the fuel storage means 12, the drainage pump 14 and the water tank 13 have a thin and flat rectangular parallelepiped shape, and are arranged side by side, that is, arranged in tandem. Even if the floor plate of the passenger compartment or the cargo compartment is disposed so as to cover the fuel cell stack 11 and the fuel storage means 12, it is not necessary to increase the height of the floor of the passenger compartment or the cargo compartment. Further, since the heavy fuel cell stack 11, the fuel storage means 12, the drainage pump 14, and the water tank 13 are disposed at low positions, the position of the center of gravity of the vehicle is lowered, and the stability of the vehicle is improved. Further, since the fuel cell stack 11, the fuel storage means 12, the drain pump 14 and the water tank 13 are disposed between the axles of the front wheels 28L and 28R and the axles of the rear wheels 29L and 29R, the center of gravity of the vehicle Heavy objects concentrate near the position, the moment of inertia around the center of gravity is reduced, and the turning performance of the vehicle is improved.
[0040]
The hydrogen gas is supplied from the fuel storage means 12 to the fuel battery cell through a fuel supply line (not shown). In addition, a fuel pressure adjusting valve, a fuel supply electromagnetic valve, a check valve, and a pressure sensor (not shown) are disposed in the fuel supply line. The fuel pressure adjustment valve is adjusted while monitoring the pressure of the hydrogen gas in the fuel supply line with a pressure sensor so that the hydrogen gas supplied to the fuel cell is maintained at a predetermined constant pressure. Then, hydrogen gas is supplied from the fuel storage means 12. The fuel storage means 12 has a sufficiently large capacity and can supply hydrogen gas at a sufficiently high pressure at all times.
[0041]
And the hydrogen gas discharged | emitted from a fuel cell is discharged | emitted in air | atmosphere through the fuel discharge pipe line which is not shown in figure. The hydrogen gas may be discharged after being combined with oxygen to form water without being discharged into the atmosphere as it is. Further, a filter, a fuel discharge electromagnetic valve, a check valve and the like (not shown) are disposed in the fuel discharge pipe.
[0042]
On the other hand, the air as the oxidant is connected to the discharge port 26a of the air supply fan 26 from the air supply fan 26 as the oxidant supply source composed of a sirocco fan or the like, as indicated by an arrow in FIG. Then, the air is supplied to the air supply chamber 17 attached to the upper side of the fuel cell stack 11 through the air introduction duct 25. A water supply nozzle for spraying water is disposed in the air supply chamber 17.
[0043]
Here, the air supply fan 26 and the air introduction duct 25 are disposed such that the positions of the blowout ports are higher than the highest part of the air supply chamber 17. Therefore, the air introduction duct 25 is connected to the air introduction port 17 a formed on the upper surface of the air supply chamber 17 via the first connecting pipe 30. The air introduction duct 25 is formed to extend upward from the upper surface of the air supply chamber around the air introduction port 17a.
[0044]
In this case, the first connecting pipe 30 has flexibility, and is made of, for example, a resin having flexibility. The first connecting pipe 30 may be made of any material such as resin or metal, but when the material itself is not flexible, it is formed into a corrugate, that is, a bellows shape. It has flexibility.
[0045]
Thus, even if a slight displacement occurs when the fuel cell stack 11, the air supply fan 26, the air introduction duct 25, etc. are removed from the vehicle for maintenance and repair, and then attached to the vehicle, the flexibility is improved. Since the first connecting pipe 30 has a displacement, the air does not leak from the connecting portions such as the air introduction port 17a, the air supply fan 26, the air introduction duct 25, and the first connecting pipe 30.
[0046]
Further, when the vehicle leans over or jumps when the vehicle climbs over an obstacle or a step, or travels on a rough road, the air supply fan 26, The relative positional relationship between the air introduction duct 25, the fuel cell stack 11, and the like may be shifted, that is, a positional shift may occur. Such a positional shift is also absorbed by the first connecting pipe 30 having flexibility. Is done.
[0047]
Further, as shown in FIG. 1, the first connecting pipe 30 may be linear or curved. Moreover, you may extend | stretching diagonally downward and may extend | stretching downward substantially perpendicularly.
[0048]
Thereby, a downward air flow path is formed as a whole from the discharge port 26a of the air supply fan 26 to the air supply chamber 17 through the air introduction duct 25, the first connection pipe 30 and the air introduction port 17a. Is done. It is desirable that a filter for removing dust, contaminants, harmful components and the like in the air is provided in the air introduction portion of the air supply fan 26 or in the middle of the air introduction duct 25.
[0049]
In this case, the pressure of the air supplied to the fuel battery cell is a normal pressure of about atmospheric pressure and does not need to be particularly pressurized. Therefore, the air supply fan 26, the air introduction duct 25, the first connection pipe 30, the air introduction port 17a and the air supply chamber 17, the air discharge chamber 18, the air discharge port 18a, the second connection pipe 31, which will be described later, The air discharge duct 19 and the rear discharge pipes 27L and 27R do not need to have pressure resistance, so that the configuration can be simplified.
[0050]
An air discharge chamber 18 for discharging the air discharged from the air flow path is attached to the other end of the fuel battery cell with respect to one end of the air flow path. An air discharge port 18 a is formed behind the air discharge chamber 18. Further, an air discharge duct 19 is connected to the rear of the air discharge port 18 a via a second connecting pipe 31. An air discharge passage (not shown) that branches into a plurality and passes through the inside of the fuel storage means 12 is connected to the rear of the air discharge duct 19, and further, left and right air discharge pipes 27L are connected to the rear of the air discharge passage. , 27R are connected.
[0051]
In this case, the second connecting pipe 31 has flexibility, and is made of, for example, a resin having flexibility. The second connecting pipe 31 may be made of any material such as resin or metal, like the first connecting pipe 30, but if the material itself is not flexible, the corrugated That is, by forming it in a bellows shape, it becomes flexible.
[0052]
As a result, when the fuel cell stack 11, the fuel storage means 12, the air discharge duct 19, the air discharge pipes 27L, 27R, etc. are removed from the vehicle for maintenance and repair, and then attached to the vehicle, a slight displacement occurs. In addition, since the flexible second connecting pipe 31 absorbs misalignment, air flows from the connection portions such as the air discharge port 18a, the air discharge duct 19, the air discharge passage, and the air discharge pipes 27L and 27R. There is no leakage.
[0053]
In addition, when the vehicle leans over or jumps over obstacles or steps or travels on rough roads, the vehicle is twisted or bent, and the fuel cell stack 11 and the fuel storage means 12 The relative positional relationship of the air discharge duct 19 and the like may be shifted, that is, a positional shift may occur, but such a positional shift is also absorbed by the second connecting pipe 31 having flexibility.
[0054]
In the fuel cell, a number of air passages extending in the vertical direction in FIG. 1 are formed, and one surface of the air passage is in contact with the oxygen electrode. A fuel electrode is disposed on the opposite side of the oxygen electrode with a solid polymer electrolyte membrane interposed therebetween, and a fuel flow path as a hydrogen gas passage is formed in contact with the fuel electrode.
[0055]
The fuel cell stack 11 is disposed in an inclined state so that the front (left side in the figure) is slightly down. The upper surface of the air supply chamber 17 is horizontal as shown in FIG. Therefore, the cross section of the air flow path as the oxidant sent from the air introduction duct 25 becomes narrower from the front to the rear of the air supply chamber 17, so that the air is evenly introduced into all the air flow paths. Note that the height of the upper surface of the air supply chamber 17 is desirably as low as possible in order to reduce the height of the floor plate of the passenger compartment or cargo compartment disposed so as to cover it.
[0056]
On the other hand, since the lower surface of the air discharge chamber 18 is also horizontal, the flow passage cross section of the air discharged from the air flow passage becomes wider from the front to the rear of the air discharge chamber 18, so that the air is smooth. It is discharged toward the air discharge duct 19. As a result, as shown by arrows in FIG. 4, the air is discharged from the air flow path of the fuel cell into the atmosphere through the air discharge chamber 18, the air discharge duct 19, and the air discharge pipes 27 </ b> L and 27 </ b> R. Is done. It is desirable that the lower surface of the air discharge chamber 18 should not protrude downward as much as possible in order to reduce the mounting position of the fuel cell stack 11 and the height of the floor plate of the passenger compartment or cargo compartment. That is, it is desirable that the thickness of the air discharge chamber 18 be as thin as possible.
[0057]
By the way, the water sprayed from the water supply nozzle enters a large number of the air flow paths by gravity and air flow. Since the oxygen electrode is kept in a wet state, the solid polymer electrolyte membrane sandwiched between the oxygen electrode and the fuel electrode functions well. In addition, in an electrochemical reaction in which hydrogen, which is a fuel, and oxygen, which is an oxidant, combine to generate water, reaction heat is generated, and the reaction heat is absorbed by the sprayed water. That is, the sprayed water also performs a cooling function.
[0058]
Here, the sprayed water is in a liquid state, that is, in a liquid phase, and absorbs heat of reaction to vaporize. Therefore, the cooling efficiency is extremely high because the oxygen electrode and the like in the air channel are cooled by the latent heat of vaporization. Further, since the liquid phase water is only sprayed into the atmospheric pressure air, the water supply nozzle may be a normal one and does not need to have a special configuration.
[0059]
The sprayed water is discharged together with air from the lower end of the air flow path. In this case, liquid phase water is temporarily stored in the bottom surface of the air discharge chamber 18 as it is. In addition, vapor phase water discharged with air, that is, water vapor, is trapped by a member such as a metal mesh or a metal rod disposed in the air discharge chamber 18, cooled, condensed, and turned into a liquid. Then, it is temporarily stored on the bottom surface of the air discharge chamber 18. The air from which moisture has been separated is discharged to the outside through an air discharge duct 19 connected to the air discharge chamber 18.
[0060]
Here, the rear lower end in the air discharge chamber 18 is connected to a drain pipe 22 as a water distribution pipe. Since the drain pipe 22 is connected to the suction port of the drain pump 14, the water once stored in the bottom surface of the air discharge chamber 18 is sucked from the hole and discharged through the drain pipe 22.
[0061]
The water sucked into the drainage pump 14 through the drainage pipe 22 is connected at one end to the discharge port of the drainage pump 14 as shown by the solid line arrow in FIG. Through the connecting pipe 23 to which the other end is connected, it flows into the water tank 13 and is stored.
[0062]
The air discharge ducts 27L and 27R are also provided with condensers (not shown) so as to condense and separate water contained in the air discharged to the outside. The separated water is sucked into the drain pump 14 through a drain pipe (not shown) and stored in the water tank 13. Here, the condenser is, for example, a wire mesh, a metal rod, or the like, but may be any one.
[0063]
The water stored in the water tank 13 is supplied again to the water supply nozzle and sprayed through a circulation pump, a water supply pipe, etc., not shown, as indicated by the dotted arrows in FIG. .
[0064]
Thereby, since most of the water is recycled and used, the amount of water supply can be reduced.
[0065]
The secondary battery as the power storage means is a so-called battery (storage battery), and a lead storage battery, a nickel cadmium battery, a nickel metal hydride battery, a lithium ion battery, a sodium sulfur battery, and the like are generally used. High performance lead acid batteries, lithium ion batteries, sodium sulfur batteries, nickel metal hydride batteries, etc. used in the present invention are desirable.
[0066]
For example, in this embodiment, a high performance lead acid battery is used as an example.
[0067]
In this case, the open terminal voltage is about 50 [V], and has a capacity capable of supplying a current of about 1 [kW] for about 5 to 20 minutes.
[0068]
The power storage means does not necessarily have to be a battery, and electrically stores and discharges energy, such as a capacitor (capacitor) such as an electric double layer capacitor, a flywheel, a superconducting coil, and a storable pressure device. Any form may be used as long as it has a function. Furthermore, any of these may be used alone, or a plurality of them may be used in combination.
[0069]
The fuel cell is connected to a load (not shown) and supplies the generated current to the load. Here, the load is generally an inverter device that is a drive control device, converts a direct current from the fuel cell or battery into an alternating current, and supplies the alternating current to a drive motor that rotates a vehicle wheel. To do. Here, the drive motor also functions as a generator, and generates a so-called regenerative current when the vehicle is decelerated. In this case, since the drive motor is rotated by the wheel to generate electric power, the wheel is braked, that is, functions as a vehicle braking device (brake). The regenerative current is supplied to the battery to charge the battery.
[0070]
In the present embodiment, the fuel cell device has control means (not shown). The control means includes a calculation means such as a CPU and an MPU, a storage means such as a semiconductor memory, an input / output interface and the like, and a flow rate of hydrogen, oxygen, air, etc. supplied to the fuel cell from a pressure sensor and other sensors, Temperature, output voltage, and the like are detected to control operations of the air supply fan 26, fuel pressure adjustment valve, fuel supply solenoid valve, fuel discharge solenoid valve, and the like. Furthermore, the control means controls the operation of the fuel cell device in an integrated manner in cooperation with other sensors and other control devices.
[0071]
Thus, in the present embodiment, the air introduction duct 25 is connected to the air introduction port 17a of the air supply chamber 17 via the flexible first connection pipe 30, and the air discharge duct 19 is The second exhaust pipe 31 is connected to the air discharge port 18a of the air discharge chamber 18 through the flexible second connection pipe 31.
[0072]
Therefore, when the fuel cell stack 11, the fuel storage means 12, the air supply fan 26, the air introduction duct 25, the air discharge duct 19 and the like are removed from the vehicle for maintenance and repair and then attached to the vehicle, there is a slight displacement. Even if it occurs, the first and second connection pipes 30 and 31 having flexibility absorb the misalignment even though the first and second connection pipes 30 and 31 have a compact configuration. 31, air and water do not leak from connecting portions such as the air introduction port 17a, the air discharge duct 19, and the air discharge port 18a.
[0073]
In addition, when the vehicle leans over or jumps over obstacles or steps or travels on rough roads, the vehicle is twisted or bent, and the fuel cell stack 11 and the fuel storage means 12 The relative positional relationship of the air discharge duct 19 and the like may be shifted, that is, a positional shift may occur. However, such a positional shift is also caused by the first and second connecting pipes 30 and 31 having flexibility. Absorbed.
[0074]
Further, when the first and second connecting pipes 30 and 31 are made of a flexible material such as a resin, the first and second connecting pipes 30 and 31 themselves have a sealing property, so that the sealing property of the connecting portion is further improved.
[0075]
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, It can change variously based on the meaning of this invention, and does not exclude them from the scope of the present invention.
[0076]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, in the fuel cell device, the fuel electrode, the fuel flow path in contact with the fuel electrode, the oxygen electrode, the air flow path in contact with the oxygen electrode, and the fuel electrode And a fuel cell having an electrolyte membrane sandwiched between oxygen electrodes, a stack of the fuel cells, a fuel cell stack fixed to a vehicle body frame at the center of the vehicle, and supplying air to the fuel cell stack An air supply chamber; an air discharge chamber that discharges air from the fuel stack; an air introduction duct that is fixed in front of the vehicle and that introduces air from outside the vehicle; and the flexibility that connects the air introduction duct and the air supply chamber And a first connecting pipe configured to be detachable, fixed to the rear of the vehicle and discharging air from the air discharge chamber, and connecting the air discharge duct and the air discharge chamber to each other. Flexibility It has, and has a second connecting pipe which is detachably attached.
[0077]
In this case, misalignment can be absorbed by a simple and compact configuration, and air and water do not leak.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view of a main part showing a fuel cell stack, an air introduction duct and an air discharge duct of a fuel cell device mounted on a vehicle in an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a fuel cell stack, an air supply fan, and an air introduction duct in a conventional fuel cell device mounted on a vehicle.
FIG. 3 is a schematic plan view of a fuel cell device mounted on a vehicle in an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the air flow in the fuel cell device mounted on the vehicle in the embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing the flow of water in the fuel cell device mounted on the vehicle in the embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
11 Fuel cell stack
17 Air supply chamber
17a Air inlet
18 Air exhaust chamber
18a Air outlet
19 Air exhaust duct
23 Connecting pipe
25 Air introduction duct
30 First connecting pipe
31 Second connecting pipe

Claims

(A) a fuel cell having a fuel electrode and a fuel channel in contact with the fuel electrode, an oxygen electrode and an air channel in contact with the oxygen electrode, and an electrolyte membrane sandwiched by the fuel electrode and the oxygen electrode;
(B) stacking the fuel cells, and in the center of the vehicle, a fuel cell stack fixed to the body frame;
(C) an air supply chamber for supplying air to the fuel cell stack;
(D) an air discharge chamber for discharging air from the fuel stack;
(E) an air introduction duct that is fixed in front of the vehicle and introduces air from outside the vehicle;
(F) a first connecting pipe having flexibility for connecting the air introduction duct and the air supply chamber and configured to be detachable;
(G) an air exhaust duct that is fixed to the rear of the vehicle and exhausts air from the air exhaust chamber;
(H) A fuel cell device comprising a second connecting pipe that is flexible and connects the air discharge duct and the air discharge chamber.

The fuel cell device according to claim 1, wherein the connecting pipe has a bellows shape.

The fuel cell device according to claim 1, wherein the connecting pipe is made of a resin.

The fuel cell device according to claim 1, wherein the air introduction duct is disposed at a position higher than an upper surface of the air supply chamber.

The fuel cell device according to any one of claims 1 to 4, wherein water supply means for injecting liquid phase water is disposed in the air supply chamber.