CN102892610A - 空冷式燃料电池车辆的排气装置 - Google Patents

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Abstract

对于搭载被提供用于反应气体和冷却介质的双重用途空气的空冷式燃料电池堆的空冷式燃料电池车辆，提高从空冷式燃料电池堆排出剩余的空气和氢气的排气管道的排气性能，且防止水、异物向空冷式燃料电池堆内的侵入。空冷式燃料电池车辆的排气装置的特征在于，排气管道将空冷式燃料电池堆排出的未消耗的氢和空气向车辆外部，排气管道包括在上下方向分支的下侧排气管道和上侧排气管道，下侧排气管道从空冷式燃料电池堆的排气的出口部向车辆下方延伸，其下游端部在前室的下部开口，并且，上侧排气管道从下侧排气管道的向车辆下方延伸的外壁的上部向车辆上方延伸，其下游端部在前盖的后端部与前车窗的前端部之间开口。

Description

空冷式燃料电池车辆的排气装置
技术领域
本发明涉及空冷式燃料电池车辆的排气装置，特别是涉及实现配置于前室内的空冷式燃料电池堆的排气性能的提高和防止水、异物的侵入的空冷式燃料电池车辆的排气装置。
背景技术
将层叠多个燃料电池单元的燃料电池堆作为驱动用能量来源的车辆一般对燃料电池堆的冷却采用水冷方式(水冷式燃料电池堆)。在采用水冷式燃料电池堆的水冷式燃料电池车辆的情况下，通常是利用高压压缩机将空气压缩并提供给燃料电池堆，排气从延设到车辆后方的排气管道排放到车辆外，这是一般情况。(专利文献1)
以往的水冷式燃料电池车辆的一般的系统构成如图5所示那样构成。在图5所示的水冷式燃料电池车辆系统101中，通过减压阀103将储存于高压氢气罐102的压缩氢气导入水冷式燃料电池堆104的阳极进气部105，并且，将通过过滤器106吸入的外部气体作为与氢的反应气体利用压缩机107压缩并导入水冷式燃料电池堆104的阴极进气部108，由此由在水冷式燃料电池堆104内层叠多个的燃料电池单元进行发电。
从水冷式燃料电池堆104的阴极排气部109排出的阴极排气在利用气水分离器110将排气中的水分的一部分分离后，通过以阴极系的压力控制作为目的的背压阀111排放到外部气体中。另外，从水冷式燃料电池堆104的阳极排气部112排出的阳极排气也同样，通过气水分离器113并经由清除阀114混入到阴极排气中。来自阳极排气部112的净化氢排气量与阴极排气量相比流量充分地相对小。因此，能利用阴极排气，使阳极净化氢为可燃下限浓度的4％以下排放到外部气体中。此外，为了根据系统使氢的利用率提高，使用氢泵115使阳极排气在阳极进气部105进行再循环。
在水冷式燃料电池车辆系统101的冷却系统116中，在冷却循环的燃料电池前一级或者后一级具备水泵117，压送冷却水。冷却水冷式燃料电池堆104的冷却水在散热器118中与大气进行热交换后再次返回到水冷式燃料电池堆104。冷却系统116具备用于与散热器118并列地通过调节阀119对车厢内供暖的加热器芯120，在需要供暖的情况下打开调节阀119，由此对加热器芯120提供高温冷却水，通过驱动用于鼓风的风扇121而进行供暖。但是，水冷式燃料电池堆104的废热量与内燃机产生的热量相比非常小，因此一般除了加热器芯120之外还并用电加热器等其他的辅助热源。
在上述水冷式燃料电池车辆系统101中，为了提高水冷式燃料电池堆104的输出密度，具备以压缩导入空气的压缩机107为首的很多副机类。因此，水冷式燃料电池车辆系统101关联到系统的复杂化、大型化、高重量化、高成本化。
相对于此，有尽量放弃压缩机等副机类，燃料电池堆的冷却采用空冷方式(空冷式燃料电池堆)，简化系统的空冷式燃料电池车辆。在采用空冷式燃料电池堆的空冷式燃料电池车辆的情况下，取代高压压缩机而以较低气压由供应空气用风扇提供用于反应气体和冷却介质的双重用途空气。(专利文献2)
现有技术文献
专利文献
专利文献1：特开2010-15845号公报
专利文献2：特开2001-229948号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，在采用空冷式燃料电池堆的空冷式燃料电池车辆的情况下，由于对提供用于反应气体和冷却介质的双重用途空气的供应空气用风扇的消耗电力加以抑制等理由，优选尽量减少排气压损。如很多空冷式燃料电池车辆那样，为了使排气管道延伸到车辆后方，需要使供应空气用风扇的供应风量、压力显著增加，所以导致消耗电力的增加。
本发明的目的在于：对于搭载被提供用于反应气体和冷却介质的双重用途空气的空冷式燃料电池堆的空冷式燃料电池车辆，提高从空冷式燃料电池堆排出剩余的空气和氢气的排气管道的排气性能，且防止水、异物向空冷式燃料电池堆内的侵入。
用于解决问题的方案
本发明的空冷式燃料电池车辆的排气装置的特征在于，在前盖下方的前室内配置有空冷式燃料电池堆，提供给上述空冷式燃料电池堆的空气具有双重用途，可用于反应气体和冷却介质，通过连接到该空冷式燃料电池堆后部的排气管道将上述空冷式燃料电池堆排出的未被消耗的氢和空气导向车辆外部，上述排气管道包括在上下方向分支的下侧排气管道和上侧排气管道，上述下侧排气管道从上述空冷式燃料电池堆的排气的出口部向车辆下方延伸，其下游端部在上述前室的下部开口，并且，上述上侧排气管道从上述下侧排气管道的向车辆下方延伸的外壁的上部向车辆上方延伸，其下游端部在前盖的后端部与前车窗的前端部之间开口。
发明效果
在本发明的空冷式燃料电池车辆的排气装置中，空冷式燃料电池堆的排气管道包括在上下方向分支的下侧排气管道和上侧排气管道，因此能增加排气管道的通道截面积而减小通气损失。另外，本发明的空冷式燃料电池车辆的排气装置的下侧排气管道从空冷式燃料电池堆的排气的出口部向车辆下方延伸，其下游端部在前室的下部开口，并且，上侧排气管道从下侧排气管道的向车辆下方延伸的外壁的上部向车辆上方延伸，其下游端部在前盖的后端部与前车窗的前端部之间开口。因此，本发明的空冷式燃料电池车辆的排气装置能以最短距离使上侧排气管道向上方开放，使比重比空气小的氢气的排气性能提高，并且防止从上侧排气管道的下游端部流入到上侧排气管道内的水、异物向下游侧排气管道的一侧流动而向空冷式燃料电池堆内侵入。
附图说明
图1是空冷式燃料电池车辆的前部的侧截面图。(实施例)
图2是空冷式燃料电池车辆的前部的俯视图。(实施例)
图3是空冷式燃料电池堆的燃料电池单元的截面图。
图4是空冷式燃料电池车辆系统的框图。(实施例)
图5是水冷式燃料电池车辆系统的框图。(现有例)
具体实施方式
下面，基于附图说明本发明的实施方式的实施例。
实施例
图1～图4示出本发明的实施例。在图1和图2中，1是空冷式燃料电池车辆，2是前保险杠，3是右挡泥板，4是左挡泥板，5是仪表板，6是前盖，7是前室，8是前车窗，9是车顶板，10是地板面板，11是车厢，12是前轮。在空冷式燃料电池车辆1中，形成由前保险杠2、左右挡泥板3、4以及仪表板5包围并由前盖6覆盖的前室7，在仪表板5的后侧形成由前车窗8、车顶板9、地板面板10以及左右车门包围的车厢11。
空冷式燃料电池车辆1在前室7配置空冷式燃料电池车辆系统13的空冷式燃料电池堆14。如图3所示，空冷机燃料电池堆14通常层叠多个被称为燃料电池单元15的最小构成单位而构成堆，利用电化学反应进行发电，伴随于此而生成水。
在通常的固体高分子型燃料电池堆中，在各燃料电池单元15中，被分别提供氢和反应气体的空气(氧)的阳极16和阴极17夹着地配置扩散层18、19和用于使反应活性化的催化剂层20、21，并且在中央配置使氢离子选择性地透过的电解质膜22。
对阳极16提供的氢分子在位于阳极16的电解质膜22的表面的催化剂层20变成活性氢原子，进一步变成氢离子而释放电子。
在图3中，(1)所示的该反应用下面的式1表示。
【数1】
H2→2H++2e-     (式1)
由式1产生的氢离子随着电解质膜22所包含的水分而在电解质膜22中从阳极16侧向阴极17侧移动，另外，电子通过外部电路23移动到阴极17。由于该电子的移动，在夹装于外部电路23的负载(在该实施例中为行驶用的电动机)24中流过电流。
另一方面，对阴极17提供的空气中的氧分子在催化剂层21接受从外部电路23提供的电子而变成氧离子，与在电解质膜22中移动过来的氢离子结合而变成水。在图3中，(2)所示的该反应用下面的式2表示。
【数2】
1/2O2+2H++2e-→H2O    (式2)
这样生成的水分的一部分由于浓度扩散而从阴极17向阳极16移动。
在上述的化学反应中，在燃料电池单元15的内部产生由于电解质膜22、电极的电阻引起的电阻过电压、用于使氢和氧发生电化学反应的活性化过电压、用于使氢、氧在扩散层18、19中移动的扩散过电压等各种损失，需要冷却由此产生的废热。
具备包括上述层叠多个燃料电池单元15的空冷式燃料电池堆14的空冷式燃料电池车辆系统13如图4所示，在利用减压阀26使储存于高压氢气罐25的压缩氢气降压后导入空冷式燃料电池堆14的阳极进气部27。另一方面，空冷式燃料电池车辆系统13一般不是如水冷式燃料电池车辆系统那样具有阴极进气的高压压缩的压缩机，而利用低压的供应空气用风扇29对空冷式燃料电池堆14的阴极进气部30提供通过过滤器28进入的外部气体。
对阴极进气部30提供的空气不仅作为与氢的反应气体提供给燃料电池单元15的发电反应，而且具有夺取燃料电池单元15的废热而冷却空冷式燃料电池堆14的冷却介质的作用。与氢反应后的空气和冷却空冷式燃料电池堆14后的空气从空冷式燃料电池堆14的阴极排气部31被排出。从空冷式燃料电池堆14的阳极排气部32被排出的阳极排气通过清除阀33混入到阴极排气中，当进行阳极侧的清除时利用阴极侧排气将排出氢气稀释到可燃下限浓度以下而排放到外部气体中。
如图1和图2所示，被提供用于反应气体和冷却介质的双重用途空气的空冷式燃料电池堆14在空冷式燃料电池车辆1的前室7的下方以后侧比前侧位于上方的前倾姿势配置。空冷式燃料电池堆14为了冷却燃料电池单元15的废热而在内部设置空气通道34。空气通道34从空冷式燃料电池堆14的前部的进气的入口部35延伸到后部的排气的出口部36，并且以出口部36比入口部35位于上部的方式设置。空冷式燃料电池堆14在空气通道34的入口部35连接上述阴极进气部30，在空气通道34的出口部36连接上述阴极排气部31和阳极排气部32。
在空气通道34的入口部35连接进气管37。在进气管37中，上游端部朝向车辆前方开口，在内部配置上述供应空气用风扇29，在空气通道34的入口部35连接下游端部。进气管37对阴极进气部30提供作为反应气体的空气，并且对空气通道34提供兼作冷却介质的空气。
另外，在空气通道的出口部36连接排气装置38的排气管道39。在排气管道39中，上游端部连接到空气通道34的出口部36，下游端部朝向车辆后方开口。排气管道39将空冷式燃料电池堆14排出的未消耗的氢和作为反应气体的空气、冷却空冷式燃料电池堆14的空气导向车辆外部。
如图1所示，在该空冷式燃料电池车辆1的排气装置38中，排气管道39包括在前室7内在上下方向分支的下侧排气管道40和上侧排气管道41。在排气装置38中，下侧排气管道40从空冷式燃料电池堆14的排气的出口部36向车辆下方延伸，其下游端部的下侧开口部42在前室7的下部朝向车辆后方开口。另一方面，在排气装置38中，上侧排气管道41从下侧排气管道40的向车辆下方延伸的外壁43的上部向车辆上方延伸，其下游端部的上侧开口部44在前盖6的后端部与前车窗8的前端部之间开口。
由此，在空冷式燃料电池车辆1的排气装置38中，空冷式燃料电池堆14的排气管道39包括在上下方向分支的下侧排气管道40和上侧排气管道41，因此能使排气管道39的通道截面积增加而减少通气损失。
另外，在该空冷式燃料电池车辆1的排气装置38中，下侧排气管道40从空冷式燃料电池堆14的排气的出口部36向车辆下方延伸，其下游端部的下侧开口部42在前室7的下部开口，另一方面，上侧排气管道41从向下侧排气管道40的车辆下方延伸的外壁43的上部向车辆上方延伸，其下游端部的上侧开口部44在前盖6的后端部与前车窗8的前端部之间开口。
因此，在空冷式燃料电池车辆1的排气装置38中，能使上侧排气管道41以最短距离向上方开放，能使比重比空气小的氢气的排气性能提高，并且能防止从上侧排气管道41的下游端部流到上侧排气管道41内的水、异物流向下侧排气管道40侧，向空冷式燃料电池堆14内侵入。
在上述空冷式燃料电池堆14中，由供应空气用风扇29提供用于反应气体和冷却介质的双重用途空气。
由此，空冷式燃料电池车辆1的排气装置38通过减小排气管道39的气流阻力，不必用压缩机等将用于反应气体和冷却介质的双重用途空气加压至高压而向空冷式燃料电池堆14提供，能简化空气向空冷式燃料电池堆14的供应结构。
将设置于上述上侧排气管道41的下游端部的上侧开口部44定向为使排气沿着前车窗8流动。
由此，空冷式燃料电池车辆1的排气装置38在车辆的行驶时利用沿着挡风玻璃8流动的空气从上侧开口部44引出上侧排气管道41内的排气，能减小上侧排气管道41的气流阻力。另外，该空冷式燃料电池车辆1的排气装置38在冬季、雨天时利用排气的热对前车窗8加热而防止模糊。
在上述下侧排气管道40和上侧排气管道41的分支部45、且与空冷式燃料电池堆14的排气的出口部36相对的部分的内壁46，形成向车辆前方突出的山型的分流部47。
由此，空冷式燃料电池车辆1的排气装置38利用分流部47将从空冷式燃料电池堆14的排气的出口部36流出的排气均等地分流到上侧排气管道41和下侧排气管道40，能进一步减小排气管道39的气流阻力。
如图2所示，上述排气管道39的车辆宽度方向的尺寸W 1设为与空冷式燃料电池堆14的车辆宽度方向的尺寸W2大致相同。
由此，在空冷式燃料电池车辆1的排气装置38中，能使排气管道39的通道截面积大幅增加，而且使排气管道39的气流阻力减小。
如图1所示，在上述上侧排气管道41的内壁48中位于车辆前侧且位于从下侧排气管道40过来的分支部45附近的部分的内壁48，设有向车辆后方突出的保护部49。
由此，空冷式燃料电池车辆1的排气装置38能利用保护部49将从上侧开口部44侵入到上侧排气管道41内的水、异物引导到与空冷式燃料电池堆14相反的方向而从下侧排气管道40的下侧开口部42排出。
如图2所示，在上述上侧排气管道41的上侧开口部44设有网状的盖50。
由此，空冷式燃料电池车辆1的排气装置38能利用网状的盖50防止水、异物从在车辆上方延伸的上侧排气管道41的上侧开口部44侵入到上侧排气管道41内。
在上述盖部50具备对上侧排气管道41的上侧开口部44加热的电加热器51。
由此，空冷式燃料电池车辆1的排气装置38能利用电加热器51使在寒冷地区附着于上侧排气管道41的上侧开口部44的雪、冰溶化，防止上侧开口部44的堵塞。
工业上的可利用性
本发明能实现配置于前室内的燃料电池堆的排气性能的提高和防止水、异物的侵入，也能应用于搭载于车辆的前室的燃料电池且是将空气用作反应气体的水冷式燃料电池堆的排气装置。
附图标记说明
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Claims (8)

1.一种空冷式燃料电池车辆的排气装置，其特征在于，
在前盖下方的前室内配置有空冷式燃料电池堆，提供给上述空冷式燃料电池堆的空气具有双重用途，可用于反应气体和冷却介质，
通过连接到该空冷式燃料电池堆后部的排气管道将上述空冷式燃料电池堆排出的未被消耗的氢和空气导向车辆外部，
上述排气管道包括在上下方向分支的下侧排气管道和上侧排气管道，具
上述下侧排气管道从上述空冷式燃料电池堆的排气的出口部向车辆下方延伸，其下游端部在上述前室的下部开口，并且，
上述上侧排气管道从上述下侧排气管道的向车辆下方延伸的外壁的上部向车辆上方延伸，其下游端部在前盖的后端部与前车窗的前端部之间开口。
2.根据权利要求1所述的空冷式燃料电池车辆的排气装置，其特征在于，上述空冷式燃料电池堆由供应空气用风扇提供用于反应气体和冷却介质的双重用途空气。
3.根据权利要求1所述的空冷式燃料电池车辆的排气装置，其特征在于，将设置于上述上侧排气管道的下游端部的上侧开口部定向为使排气沿着上述前车窗流动。
4.根据权利要求1所述的空冷式燃料电池车辆的排气装置，其特征在于，在上述下侧排气管道和上述上侧排气管道的分支部、且与上述空冷式燃料电池堆的排气的出口部相对的部分的内壁，形成有向车辆前方突出的山型的分流部。
5.根据权利要求1所述的空冷式燃料电池车辆的排气装置，其特征在于，上述排气管道的车辆宽度方向的尺寸与上述空冷式燃料电池堆的车辆宽度方向的尺寸大致相同。
6.根据权利要求1所述的空冷式燃料电池车辆的排气装置，其特征在于，在上述上侧排气管道的内壁中位于车辆前侧且位于从上述下侧排气管道过来的分支部附近的部分，设有向车辆后方突出的保护部。
7.根据权利要求1所述的空冷式燃料电池车辆的排气装置，其特征在于，在上述上侧排气管道的上侧开口部设有网状的盖。
8.根据权利要求7所述的空冷式燃料电池车辆的排气装置，其特征在于，具备对上述上侧排气管道的上侧开口部加热的电加热器。
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