CN104114402B - 燃料电池车辆的进气装置 - Google Patents

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Abstract

提供能解决由吸入空气包含的水导致的各种问题的车辆电部件的冷却结构。通过进气管(2)对燃料电池组(11)供应用于发电反应的空气和自身的冷却所需的空气。由设置在进气管(2)内的燃料电池组(11)侧的尘埃/化学物质滤清器(3)去除空气中的尘埃和化学物质。另外，由设置在进气管(2)内的与尘埃/化学物质滤清器(3)相比靠空气的流动方向上游侧并且与尘埃/化学物质滤清器(3)离开规定距离的水滤清器(4)主要用于将空气和水分离。因此吸入空气中的水不会到达尘埃/化学物质滤清器(3)和燃料电池组(11)侧，能解决由吸入空气包含的水导致的各种问题。

Description

燃料电池车辆的进气装置
技术领域
本发明涉及搭载有燃料电池的燃料电池车辆的进气装置，特别涉及搭载有用空气冷却燃料电池的空冷式燃料电池的车辆。
背景技术
燃料电池将例如氢和氧(空气中的氧)的化学反应能量直接转换为电能。燃料电池车辆用这样得到的电能驱动例如电动机而获得车辆的驱动力。作为该燃料电池车辆，例如有下述专利文献1记载的车辆。在该燃料电池车辆中，在具备2个以上的单元电池的燃料电池组的外表面设置空气极，能从车辆前方的进气管对燃料电池组供应空气，能从向车辆后方延伸的排气管排出燃料电池组的排气，利用鼓风机使来自进气管的进气与燃料电池组的空气极接触。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：特开2009－37991号公报
发明内容
发明要解决的问题
作为现有的四轮车辆用燃料电池，一般是用冷却水冷却燃料电池组的水冷式燃料电池。另一方面，已知还使用由空气冷却燃料电池组的空冷式燃料电池。使用空冷式燃料电池的燃料电池车辆必须对燃料电池组供应包含反应所需的氧的空气以及用于冷却燃料电池组的空气。在为了摄取该大量空气而在燃料电池组的车辆前方设置较大开口的进气管的情况下，由于降雨等水和吸入空气一起供应给燃料电池组。在水封闭空气流路时，有可能导致燃料电池的过热。另外，在燃料电池组的空气吸入部通常设有用于去除尘埃和大气中的化学物质的滤清器。该滤清器有可能由于包含水的进气而发生堵塞，进气阻力增大，无法充分吸入用于燃料电池组反应和冷却的空气。
本发明是着眼于上述问题点而完成的，其目的在于解决由于燃料电池吸入包含水分的空气而发生的各种问题。
用于解决问题的方案
为了解决上述问题，发明的一种方式是燃料电池车辆的进气装置，通过进气管将用于发电反应的空气供应给燃料电池组，其特征在于，具备：第1滤清器，其设置在上述进气管内的燃料电池组侧，去除空气中的尘埃和化学物质；以及第2滤清器，其设置在上述进气管内的与第1滤清器相比靠空气的流动方向上游侧并且与第1滤清器离开规定距离，主要用于将空气和水分离，上述第2滤清器通过上述进气管与车体形成刚性结合，在上述进气管的与上述第2滤清器相比靠空气的流动方向上游侧的底面设有将由上述第2滤清器捕获的水引向进气管外部的倾斜部。
另外，燃料电池车辆的进气装置的特征在于，上述第2滤清器的过滤材料包括实施了防水加工和压褶加工的无纺布。
另外，燃料电池车辆的进气装置的特征在于，上述第1滤清器的过滤材料包括经过压褶加工的一对无纺布和夹在该一对无纺布中间的活性炭。
另外，燃料电池车辆的进气装置的特征在于，上述第2滤清器通过上述进气管与车体形成刚性结合。
另外，燃料电池车辆的进气装置的特征在于，在上述进气管的与上述第2滤清器相比靠空气的流动方向上游侧的底面设有将由上述第2滤清器捕获的水引向进气管外部的倾斜部。
另外，燃料电池车辆的进气装置的特征在于，上述燃料电池组是由上述空气进行冷却的空冷式燃料电池组。
发明效果
于是，根据发明的一种方式，将用于发电反应的空气经过进气管供应给燃料电池组。用设置在进气管内的燃料电池组侧的第1滤清器去除空气中的尘埃和化学物质。另外，由设置在进气管内的与第1滤清器相比靠空气的流动方向上游侧并且与第1滤清器离开规定距离的第2滤清器主要用于将空气和水分离。因此吸入空气中的水不会到达第1滤清器和燃料电池组侧，能解决由于燃料电池吸入包含水分的空气而产生的各种问题。另外，将第1滤清器和第2滤清器分开设置，因此第1滤清器可由最适于尘埃和化学物质的分离性的过滤材料构成，第2滤清器可由最适于水的分离性的过滤材料构成。其结果是，能提高水的分离性以及尘埃和化学物质的分离性两者。另外，将第2滤清器设置在与第1滤清器相比靠空气的流动方向上游侧并且与第1滤清器离开规定距离，由此能抑制由第2滤清器捕获的水流入第1滤清器侧。另外，能由第1滤清器对进气管内空气的流动进行整流，能使空气均匀地向燃料电池组流动，能提高发电性能。
另外，第2滤清器的过滤材料由实施了防水加工和压褶加工的无纺布构成，由此能增大第2滤清器的通气面积，能提高燃料电池组的发电性能。
另外，第1滤清器的过滤材料由经过压褶加工的一对无纺布和夹在该一对无纺布中间的活性炭构成，由此能增大第1滤清器的通气面积，另一方面，能利用活性炭分离化学物质。因此能提高燃料电池组的发电性能。
另外，第2滤清器经由进气管与车体形成刚性结合，由此能利用车辆行驶时的振动将由第2滤清器捕获的水振落。
另外，在进气管的与第2滤清器相比靠空气的流动方向上游侧的底面设有将由第2滤清器捕获的水引向进气管外部的倾斜部，由此能抑制由第2滤清器捕获的水向第1滤清器侧流动。
另外，在燃料电池组是由空气进行冷却的空冷式燃料电池组的情况下，即使在燃料电池组摄取大量空气的情况下，也能通过由第2滤清器捕获水来避免由于燃料电池吸入包含水分的空气而产生的各种问题。
附图说明
图1是示出本发明的燃料电池车辆的进气装置的一个实施方式的燃料电池车辆的俯视图。
图2是燃料电池组的单元电池的说明图。
图3是图1的燃料电池系统的框图。
图4是从车辆右斜前方观看图1的燃料电池组和进气装置的立体图。
图5是从车辆左斜后方观看图1的燃料电池组和进气装置的立体图。
图6是图1的燃料电池组和进气装置的纵截面图。
图7是第2滤清器的过滤材料的纵截面图。
具体实施方式
下面参照附图说明本发明的燃料电池车辆的进气装置的一个实施方式。图1是应用了本实施方式的进气装置的燃料电池车辆的俯视图。在该燃料电池车辆1中，在作为驱动轮的前轮41的车轴42的附近配置有驱动用电动机43、变速器的变速箱44。在车辆的前方部搭载有燃料电池组11。另外，在车辆的后部，在后轮45的车轴46的附近配置有氢气罐23。本实施方式采用由空气冷却燃料电池组11的空冷式燃料电池组。在燃料电池组11的车辆前方安装有进气管2，在燃料电池组11的车辆后方安装有排气管5。在排气管5的车辆后方端部设有鼓风机等低压风扇6。如图6所示，在进气管2内的燃料电池组11侧设有去除空气中的尘埃和化学物质的尘埃/化学物质滤清器(第1滤清器)3。另外，在进气管2内的与尘埃/化学物质滤清器3相比靠空气的流动方向上游侧并且与尘埃/化学物质滤清器3离开规定距离的地方，即在前方设有主要用于将空气和水分离的水滤清器(第2滤清器)4。
在说明本实施方式的燃料电池车辆的进气装置前，说明本实施方式所采用的氢燃料电池。燃料电池组11由被称为单元电池的最小构成单位层叠多个而构成。图2示出单元电池的一例。在通常的固体高分子型燃料电池中，各单元电池具备：被供应氢的阳极12、被供应氧(空气)的阴极13、配置在阳极12和阴极13的中间并有选择地使氢离子透过的电解质膜16、配置在电解质膜16的两外侧并激活反应的催化剂层15、夹在各催化剂层15和阳极12或者阴极13之间的扩散层14。
供应给阳极12的氢分子在阳极12的电解质表面存在的催化剂层15中成为活性氢原子，进一步成为氢离子而释放电子。在图2中用“1”示出的该反应用以下的式1表示。
H2→2H++2e- ……… (1)
根据式(1)产生的氢离子伴随着电解质膜16所包含的水分从阳极12侧向阴极13侧在电解质膜16中移动，另外，电子经过外部电路向阴极13移动。供应给一方阴极13的空气中的氧分子在催化剂层15中接受从外部电路供应的电子而成为氧离子，与在电解质膜16中移动的氢离子结合而成为水。在图2中用“2”示出的该反应用以下的式(2)表示。另外，这样生成的水分的一部分通过浓度扩散而从阴极13向阳极12移动。此外，将来自阳极12的排气记为阳极排气，将来自阴极13的排气记为阴极排气。
1/2O2+2H++2e-→H2O ……… (2)
在该化学反应中，在燃料电池内部发生起因于电解质膜16、电极的电阻的电阻过电压、由于氢和氧发生电化学反应的活性化过电压、由于氢、氧在扩散层14中移动的扩散过电压等各种损失，由此需要冷却加热后的燃料电池组11。图3是本实施方式的燃料电池系统的框图。本实施方式的燃料电池系统是空冷式燃料电池系统。燃料电池组11经由上述滤清器3、4接受由风扇6供应的空气。被供应的空气不仅用于燃料电池组11中的发电反应，还起到冷却燃料电池组11的作用。此外，可以是，对燃料电池组11不仅由风扇6供应空气，还利用行驶风供应空气。另一方面，氢气罐23内的氢被减压阀24降压后向燃料电池组11供应。并且，未用于发电的氢作为阳极排气从燃料电池组11排出。阳极排气(氢供应侧的排气)经由清除阀25与阴极排气(空气供应侧的排气)合流。在清除阳极排气时，使排气氢气由阴极排气(空气)稀释到可燃下限浓度以下而进行外部排气。
图4是从车辆右斜前方观看本实施方式的燃料电池组11和进气装置的立体图，图5是从车辆左斜后方观看本实施方式的燃料电池组11和进气装置的立体图，图6是本实施方式的燃料电池组11和进气装置的纵截面图。在本实施方式中，如前所述，在进气管2内的燃料电池组11侧设有尘埃/化学物质滤清器3，在进气管2内的与尘埃/化学物质滤清器3离开规定距离的前方设有水滤清器4。
如图7所示，尘埃/化学物质滤清器3的过滤材料具备经过压褶加工的一对无纺布7和被该一对无纺布7夹着的活性炭8而构成。无纺布7的主要目的在于除尘，活性炭8的主要目的在于去除化学物质。另外，在本实施方式中，尘埃/化学物质滤清器3设为直接搭载于燃料电池组11的进气部。由此确保滤清器开口面积且发挥对向燃料电池组11的进气的整流效果。由此能有助于燃料电池系统的小型化，并且使向燃料电池组11内的各单元电池的空气供应变得均匀，抑制单元电池之间的温度不匀。
水滤清器4以过滤面与车辆前方方向相对且成为竖直方向的方式与车体9形成刚性结合。水滤清器4的过滤材料包括进行防水加工的无纺布7，为了确保通气面积而实施压褶加工。防水加工可以举出如周知的使硅、树脂蜡、氟类化合物与纤维结合的加工、表面涂覆聚氨基甲酸酯类树脂的加工。该水滤清器4的主要目的在于将空气中的空气和水分离，还去除大粒径异物并将没有水气的空气供应给尘埃/化学物质滤清器3和燃料电池组11。在本实施方式中，水滤清器4的过滤面成为竖直方向，因此被水滤清器4捕获的水沿着过滤材料的表面流下。
另外，水滤清器4与车体9形成刚性结合，因此由水滤清器4捕获的水利用车体9的振动而被振落。另外，在本实施方式中，在进气管2的与水滤清器4相比靠空气的流动方向上游侧、即在前方的底面设有将由水滤清器4捕获的水向进气管2的外部引导的倾斜部10。由于有该倾斜部10，所以沿着水滤清器4的竖直的过滤面流下的水、或者由于车体9的振动而被振落的水向车辆前方流下而不会流入进气管2内。
这样本实施方式的燃料电池车辆的进气装置经由进气管2将用于发电反应的空气供应给燃料电池组11。由设置在进气管2内的燃料电池组11侧的尘埃/化学物质滤清器(第1滤清器)3去除空气中 的尘埃和化学物质。另外，由设置在进气管2内的与尘埃/化学物质滤清器3相比靠空气的流动方向上游侧并且与尘埃/化学物质滤清器3离开规定距离的水滤清器(第2滤清器)4主要用于将空气和水分离。因此吸入空气中的水不会到达尘埃/化学物质滤清器3和燃料电池组11侧，能解决由于燃料电池吸入包含水分的空气而产生的各种问题。另外，将尘埃/化学物质滤清器3和水滤清器4单独设置，因此尘埃/化学物质滤清器3可由最适于尘埃和化学物质的分离性的过滤材料构成，水滤清器4可由最适于水的分离性的过滤材料构成。其结果是，能提高水的分离性以及尘埃和化学物质的分离性两者。另外，将水滤清器4配置在与尘埃/化学物质滤清器3离开规定距离的空气的流动方向上游侧，由此能抑制由水滤清器4捕获的水流入尘埃/化学物质滤清器3侧。另外，能由尘埃/化学物质滤清器3对进气管2内的空气的流动进行整流，能使空气均匀地向燃料电池组流动，能提高发电性能。
另外，由实施了防水加工和压褶加工的无纺布构成水滤清器4的过滤材料，由此能增大水滤清器4的通气面积并提高燃料电池组11的发电性能。
另外，由经过压褶加工的一对无纺布7和被该一对无纺布7夹着的活性炭8构成尘埃/化学物质滤清器3的过滤材料，由此增大尘埃/化学物质滤清器3的通气面积，另一方面，能利用活性炭8分离化学物质。因此能提高燃料电池组11的发电性能。
另外，使水滤清器4经由进气管2与车体9形成刚性结合，由此能利用车辆行驶时的振动将由水滤清器4捕获的水振落。
另外，在进气管2的与水滤清器4相比靠空气的流动方向上游侧的底面设有将由水滤清器4捕获的水向进气管2的外部引导的倾斜部10，由此能抑制由水滤清器4捕获的水向尘埃/化学物质滤清器3侧流动。
另外，即使如燃料电池组11是由空气进行冷却的空冷式燃料电池组的情况那样燃料电池组11摄取大量空气的情况下，也能通过由水滤清器4捕获水来避免由于燃料电池吸入包含水分的空气而产生 的各种问题。
此外，本发明的燃料电池车辆的进气装置能应用于所有燃料电池车辆，但对于不仅为了进行燃料电池组的反应还为了燃料电池组的冷却而需要供应大量空气，因而要求减小吸排气系统的通气阻力的空冷式燃料电池组是特别有效的。
附图标记说明
1 燃料电池车辆
2 进气管
3 尘埃/化学物质滤清器
4 水滤清器
5 排气管
6 风扇
7 无纺布
8 活性炭
9 车体
10 倾斜部
11 燃料电池组
12 阳极
13 阴极
14 扩散层
15 催化剂层
16 电解质膜
23 氢气罐
24 减压阀
25 清除阀
41 前轮
42 车轴
43 电动机
44 变速箱
45 后轮
46 车轴

Claims (3)

1.一种燃料电池车辆的进气装置，通过进气管将用于发电反应的空气供应给燃料电池组，其特征在于，
具备：第1滤清器，其设置在上述进气管内的燃料电池组侧，去除空气中的尘埃和化学物质；以及
第2滤清器，其设置在上述进气管内的与第1滤清器相比靠空气的流动方向上游侧并且与第1滤清器离开规定距离，用于将空气和水分离，
上述第2滤清器通过上述进气管与车体形成刚性结合，在上述进气管的与上述第2滤清器相比靠空气的流动方向上游侧的底面设有将由上述第2滤清器捕获的水引向进气管外部的倾斜部。
2.根据权利要求1所述的燃料电池车辆的进气装置，其特征在于，
上述第2滤清器的过滤材料包括实施了防水加工和压褶加工的无纺布。
3.根据权利要求1所述的燃料电池车辆的进气装置，其特征在于，
上述燃料电池组是由上述空气进行冷却的空冷式燃料电池组。
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