CN103347718A - 燃料电池车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是通过利用从燃料电池堆排出的空气的热有效地加热燃料电池车辆的车厢。在用于排出来自燃料电池堆的空气的排气导管布置于地板下方的燃料电池车辆中，排气导管包括：至少面向地板的下表面的下表面壁，下表面壁和地板的下表面之间具有预定空隙；以及一对侧壁，该对侧壁从下表面壁的右侧部和左侧部向地板的下表面延伸，并且地板构造为被排气导管中流动的空气加热。

Description

燃料电池车辆
技术领域
本发明涉及燃料电池车辆，尤其涉及通过利用从燃料电池堆排出的空气的热执行加热的燃料电池车辆。
背景技术
水冷式燃料电池系统以及风冷式燃料电池系统公知为安装在燃料电池车辆上的燃料电池系统。在水冷式燃料电池系统中，燃料电池堆产生的热被冷却水冷却。另一方面，在风冷式燃料电池系统中，通过冷却用的鼓风扇供给的冷却空气来冷却燃料电池堆。
首先，图4示出了传统燃料电池车辆的一般水冷式燃料电池系统的构造。如图4中所示，在水冷式燃料电池系统101中，存储于氢罐102的高压压缩氢气通过使用氢供给管103经由减压阀104被引入燃料电池堆105的阳极进气部106。
另外，在燃料电池系统101中，吸入进气导管107的外部空气被过滤器108清洁，之后被压缩机109压缩，然后被引入燃料电池堆105的阴极进气部110。结果，在燃料电池堆105中，通过氢和空气中的氧之间的电化学反应产生电功率。
多余空气从燃料电池堆105的阴极排气部111排放至排气导管112作为阴极排气。在阴极排气中的一部分水气被气水分离器113分离后，该阴极排气通过旨在控制阴极系统的压力的背压阀114被引入排气导管112，然后被释放至车外。
另外，多余氢气作为阳极排气从燃料电池堆105的阳极排气部115排出。该阳极排气类似于阴极排气也穿过气水分离器116，经由清除阀117被引入至排气导管112，并且与阴极排气混合。阳极排气的流量远小于阴极排气的流量。因此，阳极排气中被清除的氢会被阴极排气稀释至浓度不高于4%（可燃下限），然后释放至车外。根据燃料电池系统101的类型，通过使用氢泵118，阳极排气被再循环至阳极进气部106以提高氢利用率。
水冷式燃料电池系统101包括冷却系统118。冷却系统118包括将燃料电池堆105和散热器119彼此连接的环状冷却水通路120，并且利用水泵121使冷却水在散热器119和燃料电池堆105之间循环来冷却燃料电池堆105。燃料电池系统101在加热装置122中利用流过冷却水通路120的高温冷却水。加热装置122通过使用调节阀123将该冷却水提供给加热芯124，驱动用于送风的风扇125，从而加热车厢3。
接下来，通过使用图5描述燃料电池车辆的风冷式燃料电池系统的构造。如图5中所示，在风冷式燃料电池系统201中，存储于氢罐202的压缩氢气也通过使用氢气供给管203被输送至减压阀204以被减压，之后被引入燃料电池堆205的阳极进气部206。
另一方面，阴极进气的供给装置不具有高压压缩机。该供给装置通过使用过滤器208来清洁被吸入进气导管207的空气，然后通过使用低压力鼓风扇209将该空气供给至燃料电池堆205的阴极进气部210。供给至阴极进气部210的空气不仅用于燃料电池堆205中的发电反应，而且还具有移除在燃料电池堆205中产生的热并冷却燃料电池堆205的作用。
阴极排气是从燃料电池堆205的阴极排气部211排出的多余空气，其通过使用排气导管212被释放至车外。另外，阳极排气是从燃料电池堆205的阳极排气部213排出的多余氢气，其穿过清除阀214并且与流过排气导管212的阴极排气混合。来自阳极排气部213的被清除的氢气被阴极排气稀释至不高于可燃下限的浓度，然后被释放至车外。
装备有燃料电池堆的车辆的传统加热装置包括以下加热装置。在一个加热装置中（日本特开2008-108538号），从燃料电池堆排出的空气被直接引入车厢。在另一加热装置中（日本特开2005-280639号），热交换器布置在地板的下表面上，被燃料电池堆中产生的热加热的冷却水流过该热交换器，利用该冷却水的热加热车厢的内部。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2008-108538号公报
专利文献2：日本特开2005-280639号公报
发明内容
发明要解决的问题
通常，在装备有图4中所示的水冷式燃料电池系统101的车辆中，在冷却燃料电池堆105之后温度增加的冷却水被引入加热装置122的加热芯124，并且该冷却水的热被用于加热车厢的内部。
然而，因为燃料电池系统101具有低于内燃发动机的工作温度的工作温度并且是高效的，所以燃料电池堆105的冷却水的温度低于内燃发动机的冷却水的温度。因此，在许多情况下当通过仅使用燃料电池堆105的冷却水进行加热时，加热车厢内部的能力不足，并且在这种情况下要使用辅助加热器，如PTC加热器。
尽管可以使用电加热器，如PTC加热器，作为加热装置，但是当加热装置工作时电功率消耗量会增加，这引起燃料效率降低。因此，需要不消耗电功率的辅助加热装置。
另外，不同于图4中所示的水冷式燃料电池系统101，图5示出的风冷式燃料电池系统201不具有用于循环冷却水的冷却系统118。因此，需要一种能够有效地加热车厢而不使用冷却水的加热装置。
此外，在专利文献1描述的加热装置中，热量难以加热整个车厢。另一方面，专利文献2描述的加热装置具有结构复杂并且电功率消耗量增加的问题。
本发明的目的是通过利用从燃料电池堆排出的空气的热有效地加热燃料电池车辆的车厢。
用于解决问题的方案
本发明是一种燃料电池车辆，其包括布置在所述车辆的地板下方的排气导管，所述排气导管用于排出来自燃料电池堆的空气，其中，所述排气导管包括：至少面向所述地板的下表面的下表面壁，所述下表面壁和所述地板的下表面之间具有预定空隙；以及一对侧壁，该对侧壁从所述下表面壁的右侧部和左侧部向所述地板的下表面延伸，并且所述地板被所述排气导管中流动的空气加热。
发明效果
在本发明的燃料电池车辆中，地板被从燃料电池堆排出并且流过排气导管的空气的热加热，从而燃料电池车辆的车厢能够被有效加热。
另外，因为本发明的燃料电池车辆使用从燃料电池堆排出并且在排气导管中流动的空气的热加热地板的方法，所以能够在燃料电池堆开始工作之后立即开始加热。此外，相比于通过使冷却水循环来加热地板的方法，可以使流体通路的结构更简单并且可以降低电功率消耗量。
附图说明
图1是处于进行地板加热状态的燃料电池车辆的侧截面图。
图2是沿着图1的A-A线截取的截面图。
图3是处于不进行地板加热状态的燃料电池车辆的侧截面图。
图4是水冷式燃料电池系统的框图。
图5是风冷式燃料电池系统的框图。
具体实施方式
下面基于附图描述本发明的实施方式。
图1至图3示出本发明的实施方式。在图1，附图标记1表示燃料电池车辆，附图标记2表示前室，附图标记3表示车厢，附图标记4表示地板，附图标记5表示座椅，附图标记6表示前轮，附图标记7表示后轮。燃料电池车辆1是四轮车辆，燃料电池系统8的燃料电池堆9安装在车辆的前部中的前室2中。座椅5布置在前室2后方的车厢3的地板4上。燃料电池堆9在前部包括用于吸入外部空气的进气导管10，并且在后部包括用于排出放空气的排气导管11。
燃料电池堆9利用从氢罐供给的氢和从进气导管10吸入的空气中的氧之间的电化学反应产生电功率。供给至燃料电池堆9的空气不仅用作电功率产生反应中与氢的反应气体，而且还具有移除燃料电池堆9中的反应热并冷却燃料电池堆9的冷却介质的作用。因此，燃料电池堆9具有被空气冷却的结构，并且是使用空气作为反应气体和冷却介质的风冷式燃料电池堆。因此，燃料电池系统8是风冷式燃料电池系统。
与氢反应后留下的多余空气和冷却燃料电池堆9后的空气与未用于电功率产生的多余氢气一起通过使用排气导管11从燃料电池堆9释放到车外。
如图2中所示，排气导管11包括：至少面向地板4的下表面的下表面壁12，地板4的下表面和下表面壁12之间具有预定空隙S；以及一对右和左侧壁13、14，它们从下表面壁12的车辆右左方向上的两侧部向地板4的下表面延伸，并且排气导管11形成为上侧敞开的槽形状。排气导管11覆盖位于一组前轮6和一组后轮7之间的车厢3的地板4的整个下表面，并且形成沿着地板4延伸的排气通路。另外，排气导管11在后轮7紧前方包括用于将空气排放到外部的排出口15。
用于与排气导管11中的空气交换热的散热装置16设置在地板4的下表面上。在燃料电池车辆1中，利用从燃料电池堆9排出并且在排气导管11中流动的空气的热加热地板4。
如上所述，燃料电池车辆1能够通过利用从燃料电池堆9排出并且在排气导管11中流动的空气的热加热燃料电池车辆1的整个地板4来进行地板下方加热，从而有效地加热车厢3。另外，因为燃料电池车辆1使用通过从燃料电池堆9排出并且在排气导管11中流动的空气的热加热地板4的方法，所以能够在燃料电池堆9开始工作之后立即开始加热。此外，相比于通过使冷却水循环来加热地板的方法，可以使流体的通路结构更简单并且可以降低电功率消耗量。
另外，在安装在燃料电池车辆1上的燃料电池堆9被空气冷却的该结构中，被燃料电池堆9加热的大量空气流过排气导管11。因此，提高了地板4的加热效果。
此外，在燃料电池车辆1中，因为排气导管11具有在上侧敞开的槽形状，所以能够简化排气导管11的结构。另外，空气的热能够直接传导至地板4，从而提高地板4的加热效果。
另外，在燃料电池车辆1中，排气导管11中流动的空气的热可以通过设置在地板4的下表面上的散热装置16有效地传导至地板4，从而提高地板4的加热效果。
如图1和图3中所示，排气导管11在前轮6紧后方的分叉部17处分叉为沿着地板4的下表面延伸的第一排气导管18和延伸离开地板4的第二排气导管19。第一排气导管18在下表面壁12上具有隔热层20。第二排气导管19在第一排气导管18下方且在分叉点17稍后方包括用于将空气排放到外部的排出口21。第二排气导管19的通路长度短于第一排气导管18的通路长度。
切换阀22布置在分叉部17中，用于将空气的流动方向切换至第一排气导管18侧或者切换至第二排气导管19侧。在燃料电池车辆1中，通过用切换阀22调节流入第一排气导管18的空气量和流入第二排气导管19的空气量来调节地板4的温度。
如上所述，在燃料电池车辆1中，当不需要地板下方加热时，如图3中所示，用于将空气的流动方向切换至第一排气导管18侧或第二排气导管19侧的切换阀22使从燃料电池堆9排出的空气流至第二排气导管19侧，从而可以停止加热地板4。因此，切换阀22有助于提高加热时的废热利用效率，并且在不进行加热的情况下有助于车厢3和空气之间的热隔离。
另外，在燃料电池车辆1中，当空气从通路长度短于第一排气导管18的第二排气导管19的排出口21排出时，设置在第一排气导管18的下表面壁12上的隔热层20防止空气的热加热第一排气导管18的下表面壁12，从而能够防止由于热传导而增加地板4的温度。
此外，在燃料电池车辆1中，第二排气导管19具有短于第一排气导管18的通路长度。因此，当空气从第二排气导管19的排出口21排放至车外时，减小了第二排气导管19的空气流动阻力，并且可利于将空气从燃料电池堆9排放至外部。
另外，在燃料电池车辆1中，通过利用切换阀22调节流动至第一排气导管18和第二排气导管19的空气量来调节地板4的温度。因此，能够以简单的结构调节地板4的温度。
在燃料电池车辆1中，控制单元23对切换阀22进行切换控制。用于检测外部空气温度的外部空气温度传感器24连接至控制单元23。控制单元23基于来自外部空气温度传感器24的检测信号，以根据外部空气温度将空气分配至上排气导管18和下排气导管19的方式控制切换阀22。
当外部空气温度低于某个设定温度T1时，控制单元23以燃料电池堆9排出的空气被引导至第一排气导管18的方式控制切换阀22，使得能够进行车厢3的地板下方加热。当外部空气温度超过被设定为高于设定温度T1的另一设定温度T2时（T1<T2），控制单元23以燃料电池堆9排出的空气被引导至第二排气导管19的方式控制切换阀22。
如上所述，燃料电池车辆1通过根据外部空气温度控制切换阀22并且可变地控制流动到第一排气导管18和第二排气导管19的空气的分配比，可以根据外部空气温度进行地板下方加热控制。从而燃料电池车辆1可以利用过从燃料电池堆9排出的空气的热来加热地板4，并且在外部空气温度低的情况下，即使乘员不对加热装置进行操作，也将脚下部分的温度增加到舒适温度。
另外，切换阀22的切换条件可以是车厢温度，而不是外部空气温度。在该情况下，用于检测车厢温度的车厢温度传感器25连接至控制单元23。控制单元23基于来自车厢温度传感器25的检测信号根据车厢温度控制切换阀22。这使得能够加热地板4，并且在外部空气温度低的情况下，即使乘员不对加热装置进行操作，也将脚下部分的温度增加到舒适温度。
切换阀22不仅可以根据外部空气温度和车厢温度可变地控制流动到第一排气导管18和第二排气导管19的空气的分配比，而且还可以根据安装在燃料电池车辆1上的加热装置的工作状态可变地控制。当加热装置工作时，以燃料电池堆9排出的空气被引导至第一排气导管18的方式控制切换阀22，使得可以通过加热车厢3的地板4进行地板下方加热。当加热装置不工作时，以燃料电池堆9排出的空气被引导至第二排气导管19的方式控制切换阀22。
因此，燃料电池车辆1可以根据加热装置的设定加热温度和空气流量可变地控制流动到第一排气导管18和第二排气导管19的空气的分配比，从而根据加热请求进行地板下方加热控制。
在上述实施方式中，燃料电池堆9安装在前部的前室2中。但是，燃料电池堆9的安装位置不限于此，燃料电池堆9可以安装在地板4下方。在该情况下，通过形成适当的导管结构，可以获得类似的地板下方加热效果。
工业上的可利用性
本发明的燃料电池车辆通过有效利用从燃料电池堆排出的空气的热进行燃料电池车辆的地板下方加热。然而，本发明不仅可用于燃料电池车辆，而且还可用于使用住宅用的固定的风冷式燃料电池系统的燃料电池堆加热室内。
附图标记说明
1  燃料电池车辆
2  前室
3  车厢
4  地板
8  燃料电池系统
9  燃料电池堆
10 进气导管
11 排气导管
12 下表面壁
13 右侧壁
14 左侧壁
15 排出口
16 散热装置
17 分叉部
18 第一排气导管
19 第二排气导管
20 隔热层
21 排出口
22 切换阀
23 控制单元
24 外部空气温度传感器
25 车厢温度传感器

Claims (10)

1.一种燃料电池车辆，在地板下方具有排气导管，所述排气导管用于排出来自燃料电池堆的空气，其中所述排气导管包括：至少面向所述地板的下表面的下表面壁，所述下表面壁和所述地板的下表面之间具有预定空隙；以及一对侧壁，该对侧壁从所述下表面壁的右侧部和左侧部向所述地板的下表面延伸，并且所述地板被所述排气导管中流动的所述空气加热。
2.根据权利要求1所述的燃料电池车辆，其中所述燃料电池堆具有被空气冷却的结构。
3.根据权利要求1所述的燃料电池车辆，其中所述排气导管具有上侧敞开的形状。
4.根据权利要求1所述的燃料电池车辆，包括在所述地板的下表面上的散热装置，所述散热装置用于与所述排气导管中的空气交换热。
5.根据权利要求1所述的燃料电池车辆，其中所述排气导管在分叉部分叉为沿着所述地板的下表面延伸的第一排气导管和延伸离开所述地板的第二排气导管，并且在所述分叉部布置有切换阀，所述切换阀用于将空气的流动方向切换至所述第一排气导管侧或所述第二排气导管侧。
6.根据权利要求5所述的燃料电池车辆，其中所述第二排气导管在所述第一排气导管下方具有用于将空气排放到外部的排出口，并且所述第一排气导管在所述下表面壁上具有隔热层。
7.根据权利要求5所述的燃料电池车辆，其中所述第二排气导管的通路长度短于所述第一排气导管的通路长度。
8.根据权利要求5所述的燃料电池车辆，其中所述地板的温度是通过利用所述切换阀调节流入所述第一排气导管的空气量和流入所述第二排气导管的空气量来调节的。
9.根据权利要求8所述的燃料电池车辆，其中所述切换阀被构造为根据外部空气温度来控制。
10.根据权利要求8所述的燃料电池车辆，其中所述切换阀被构造为根据车厢温度来控制。
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