JP2004182220A - 車両用エアフローメータの配置構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池に送られる酸化剤としての空気を、所望の流量で一定に送ることができる車両用エアフローメータの配置構造を提供すること。
【解決手段】 燃料電池を搭載した車両は、燃料電池の吸気系が設置されている所定の空間内の上方にエアクリーナ６を備え、かつそのエアクリーナ６の下方にエアポンプを備えている。エアクリーナ６とエアポンプとを結ぶ配管（エアフロー管１９）は、略中間位置にエアフローメータ１０を配設している。配管（エアフロー管１９）は、エアクリーナ６からエアポンプにわたり傾斜して設置している。
【選択図】 図３

Description

本発明は、燃料電池を搭載した車両の車両用エアフローメータの配置構造に関する。

従来から固体高分子電解質膜を挟んでアノード側電極とカソード側電極とを対設した燃料電池セルをセパレータによって挟持して複数積層することにより構成された燃料電池が開発されていて、この燃料電池を自動車の動力源電池として使用されつつある（例えば、特許文献１参照）。

この種の燃料電池は、例えば、メタノールの水蒸気改質により生成された水素ガス（燃料ガス）をアノード側電極に供給すると共に、酸化剤ガス（空気）をカソード側電極に供給することにより、前記水素ガスがイオン化して固体高分子電解質内を移動し、これにより燃料電池の外部に電気エネルギーが得られるように構成されている。

図５は、従来の燃料電池を搭載した車両の燃料電池システムを示す概略構成図である。
図５に示すように、燃料電池を搭載した車両１００の走行モータ１０１は、パワーコントロールユニット１０２を介して燃料電池としての燃料電池１０３、および電源としてのバッテリ１０４に接続されている。

パワーコントロールユニット１０２は、バッテリ１０４からの直流を交流に変換する電力変換装置であり、モータルーム内に設けられている。パワーコントロールユニット１０２は、図示しないスイッチング回路内に半導体部品等の発熱機器が実装されたものであり、パワーコントロールユニット１０２の下部には、水冷式のヒートシンク１１１が配設されている。

ヒートシンク１１１は、冷媒の入り口側にウォータポンプ１１２が接続され、冷媒の出口側にラジエータ１０５が接続されている。ヒートシンク１１１内を流れる冷媒は、ラジエータ１０５により熱交換して冷却され、ウォータポンプ１１２、ラジエータ１０５を備えた冷却通路１１３を循環してヒートシンク１１１内を蛇行して流れることにより、前記発熱機器を冷却している。

電流および熱は、水素と酸素を処理することによって燃料電池１０３内で生成される。生成された電流は、例えば、前車輪に作動的に接続された走行モータ１０１にパワーを供給することができる。

燃料電池１０３は、燃料ガスを供給する水素供給部１０７に接続されると共に、酸化剤としての空気を供給する空気供給部１０８に接続されている。空気供給部１０８は、空気を吸気口１０９から取り入れ、その空気の音を消音するためのレゾネータ１１４と、塵埃を除去して送り込む塵埃捕集手段としてのエアクリーナ１０６と、空気を吸引圧縮し送出するスーパーチャージャーとしてのエアポンプ１１０とを備えている。

そして、吸気口１０９から吸入された空気は、エアクリーナ１０６を経てエアポンプ１１０により吸引・圧縮されて燃料電池１０３に送出され、水素供給部１０７からの水素と共に発電に供される。
米国特許第６２２３８４３号公報（第１頁、第２図）

ところで、エアポンプ１１０は、作動時に周波数の振動に起因する脈動音を発生する。その脈動音を解消する手段として、チャンバを設置したものがある。
しかしながら、チャンバを設置しただけの脈動音の防止手段であっては、エアクリーナ１０６からエアポンプ１１０を介して燃料電池１０３に送られる空気の流量を一定化することができなかった。

例えば、空気の流量を一定にするために、エアクリーナ１０６から燃料電池１０３の間の空気の流量を測定しようとした場合は、その間にエアポンプ１１０が設置されているため、エアポンプ１１０の脈動により、流れる流量が乱流化および層流化されているため、正確に流量を測れないという問題点がある。

このため、燃料電池に送られる酸化剤としての空気は、所望の流量の空気を一定にスムーズに送って、燃料電池内で安定した化学変化を起こさせることが望まれる。

本発明の課題は、燃料電池に送られる酸化剤としての空気を所望の流量で一定に送ることができる車両用エアフローメータの配置構造を提供することにある。

前記課題を解決するために、請求項１に記載の車両用エアフローメータの配置構造は、燃料電池を搭載した車両において、燃料電池の吸気系が設置配されている所定の空間内の上方にエアクリーナを備え、かつそのエアクリーナの下方にエアポンプを備え、前記エアクリーナとエアポンプとを結ぶ配管の略中間位置にエアフローメータを配設したことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、エアフローメータは、配管の略中間位置に設置したことにより、その配管の一方に設置したエアクリーナまたはその他方に設置したエアポンプが振動で揺れ動いたとしても、配管のエアフローメータを設置した位置の揺動が小さくなるため、エアフローメータによる配管内の流量の検出精度を向上させることができる。

請求項２に記載の車両用エアフローメータの配置構造は、燃料電池を搭載した車両において、走行モータが設置されている前方の所定の空間内の上方にエアクリーナを備え、かつそのエアクリーナの下方にエアポンプを備え、エアクリーナとエアポンプとを結ぶ配管の略中間位置にエアフローメータを配設したことを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、配管の空気の流れは、エアクリーナ側がそのエアクリーナの影響により乱流となっており、エアポンプ側がそのエアポンプの影響により吸入脈動となっている。エアフローメータは、それら連結する配管に設置するに際し、こうした乱流や脈動から出来る限り遠ざかることが可能な配管の略中間位置に設置したことにより、配管内で空気の流れが一番安定して整流化した位置に設置したことになり、流量の測定精度を向上させることができる。

請求項３に記載の車両用エアフローメータの配置構造は、請求項１または請求項２に記載の車両用エアフローメータの配置構造であって、配管は、エアクリーナからエアポンプにわたり傾斜して配置されたことを特徴とする。

請求項３に記載の発明によれば、エアフローメータを設置した配管をエアクリーナからエアポンプにわたり傾斜して配置することにより、配管の長さを最短にできるため、その配管が揺動したときに動く長さを抑制して、その周囲に設置されている配管類やハーネス類に接触することを防止することができる。また、配管は、傾斜させて配置して、無理に折り曲げたり、鉛直方向に曲げていないため、配管内の空気がスムーズに流れ、その流れを層流化して、エアフローメータにより配管内を流れる空気の流量を測定し易くすることができる。

以上説明したように、本発明の請求項１に記載の車両用エアフローメータの配置構造によれば、エアフローメータは、配管の略中間位置に設置したことにより、その配管の一方に設置したエアクリーナまたはその他方に設置したエアポンプが振動で揺れ動いたとしても、配管のエアフローメータを設置した位置の揺動が小さいため、エアフローメータによる配管内の流量の検出精度を向上させることができる。

請求項２に記載の車両用エアフローメータの配置構造によれば、配管の空気の流れは、エアクリーナ側がそのエアクリーナの影響により乱流となっており、エアポンプ側がそのエアポンプの影響により吸入脈動となっている。エアフローメータは、それら連結する配管に設置するに際し、こうした乱流や脈動から出来る限り遠ざかることが可能な配管の略中間位置に設置したことにより、配管内で空気の流れが一番安定して清流化した位置に設置したことになり、流量の測定精度を向上させることができる。

請求項３に記載の車両用エアフローメータの配置構造によれば、エアフローメータを設置した配管をエアクリーナからエアポンプにわたり傾斜して配置することにより、配管の長さを最短にできるため、その配管が揺動したときの揺れ幅を抑制して、その周囲に設置されている配管類やハーネス類に接触することを防止することができる。また、配管は、傾斜させて配置して、無理に折り曲げたり、鉛直方向に曲げていないため、配管内の空気がスムーズに流れ、その流れを層流化して、エアフローメータにより配管内を流れる空気の流量を測定し易くすることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る車両用エアフローメータの配置構造の一実施の形態を詳細に説明する。
なお、本発明の実施の形態では、「前」は車両のフロント側、「後」は車両のリア側、「上」は鉛直上方側、「下」は鉛直下方側とする。

図１は、本発明の実施形態に係る車両用エアフローメータの配置構造を示す図で、モータルーム内の状態を示す概略側面図である。

図１に示すように、燃料電池１５を搭載した車両１には、前方（矢印Ｆ方向）の上方にフード２があり、このフード２内のモータルーム３に、パワーコントロールユニット４、レゾネータ５（図２参照）、エアクリーナ６、エアポンプ７、走行モータ８およびラジエータ９等を収納している。

フード２は、モータルーム３を開閉する蓋体であり、例えば圧延鋼板からなり、これはＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）等によってもよい。モータルーム３は、鋼製板材で形成された隔壁１１により、車両１を乗員室１ａから分離している。モータルーム３の後方（矢印Ｒ方向）には、そのモータルーム３の後方（矢印Ｒ方向）の内壁を形成する隔壁１１が配設され、前方（矢印Ｆ方向）にはラジエータ９がそれぞれ配置されている。そのモータルーム３の中央部には、パワーコントロールユニット４が配置され、下方にはボディサイドフレーム１２、エアポンプ７および走行モータ８が配設され、上方には空気調整器１６（図２参照）、レゾネータ５（図２参照）およびエアクリーナ６がそれぞれ設置されている。

パワーコントロールユニット４は、大電流を調整する制御装置であり、熱を発生する。このパワーコントロールユニット４は、幅および奥行きに比べて高さの低い扁平な箱型をした防水性および耐熱性を有するユニットボックス４ａに収納されている。

このユニットボックス４ａには、燃料電池１５用のＶＣＵ（Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）、走行モータ８用の駆動ユニット、冷却水循環用のインバータ、エアポンプ７の駆動用のインバータ等が内蔵され（図示せず）、パワーコントロールユニット４を構成している。ユニットボックス４ａの下方には、パワーコントロールユニット４で発生した熱を放熱するヒートシンク１３が設置されている。そのヒートシンク１３は、アルミニウム等の熱伝導率が良く、剛性のある厚板状の金属板からなる水冷式のもので、周囲の複数箇所をブラケット（図示せず）を介してボディフレーム（図示せず）にしっかりと固定される。

前記パワーコントロールユニット４は、給水管１４により冷却水が循環して冷却される前記ヒートシンク１３を下面全体に配設して、発生した熱を冷却して所望の温度に抑制している。パワーコントロールユニット４は、燃料電池１５を搭載した車両１にとって重要な機能を有する部品であるため、衝突した場合であっても、パワーコントロールユニット４の機能を維持できるようにユニットボックス４ａには剛性をもたせてある。ユニットボックス４ａの剛性は、ヒートシンク１３を下に設置したことにより、さらに向上して、衝突しても変形し難くなっている。

図２は、本発明の実施形態に係る車両用エアフローメータの配置構造を示す図で、モータルーム内の状態を示す概略背面図である。
図２に示すように、空気調整器１６およびレゾネータ５は、燃料電池１５のエア供給用部品であり、それぞれ調整器ケース１６ａおよびレゾネータケース５ａ内に収納されている。レゾネータケース５ａおよび調整器ケース１６ａは、耐熱性樹脂またはアルミニウム等からなり、互いにユニットボックス４ａ上に並設されると共に、パワーコントロールユニット４のユニットボックス４ａ上に載置される。

レゾネータ５は、酸化剤用の空気の吸入時に発生した周期的な空気の音を特定周波数の共鳴を利用し、吸気時騒音を抑制するものである。

レゾネータケース５ａおよび調整器ケース１６ａは、そのレゾネータケース５ａの周囲の複数箇所にブラケット１７を介して隔壁１１（図１参照）またはヒートシンク１３にネジ止めされる。レゾネータケース５ａの車幅方向の外側には、エアクリーナ６が設置されている。レゾネータ５とエアクリーナ６は、空気供給管２０によって連結され、レゾネータ５内の空気は、空気供給管２０によってエアクリーナ６に送られ浄化される。

前記空気調整器１６は、燃料電池システムに関する雰囲気空気の諸状況を調整するものであり、例えば、調湿器や圧力計、送風機などを含んでいて良い。空気調整器１６は、調整器ケース１６ａに収納されている。

図３は、本発明の実施形態に係る車両用エアフローメータの配置構造を示す図で、エアフローメータの設置状態を示す要部拡大正面図である。
図１に示すように、エアクリーナ６は、燃料電池１５の吸気系（例えば、エアポンプ７）が設置されている所定の空間（モータルーム３）内の上方に備えられ、そのエアクリーナ６の下方にエアポンプ７が備えられている。そして、エアクリーナ６は、車両１の前方の走行モータ８が設置されている所定の空間（モータルーム３）の上方に備えられている。
図３に示すように、前記エアクリーナ６は、外周部に形成した複数のブラケット１８により車体（図示せず）に固定され、下方には、エアポンプ７に浄化した空気を送るためのエアフロー管１９を接続している。そのエアクリーナ６は、空気を浄化するものであればどのような種類のものであってもよく、その種類等は特に限定しない。

図４は、本発明の実施形態に係る車両用エアフローメータの配置構造を示す図で、エアフローメータの設置状態を示す要部拡大斜視図である。
図３および図４に示すように、エアクリーナ６とエアポンプ７とを結ぶエアフロー管１９の略中間位置の上側の外周部には、エアフロー管１９内に通じる設置孔（図示せず）を穿設して、その設置孔を穿設した位置にエアフローメータ１０がネジ止めされる。エアフロー管１９は、例えばＦＲＰ等の樹脂からなる配管であり、上方に設置したエアクリーナ６と、下方に位置をずらして設置したエアポンプ７とを傾斜させて接続している。そのエアフロー管１９の傾斜角度θは、例えば、４０度である。

エアフロー管１９の両端の接続部分には、ゴムダクト２１，２２が設置される(図３参照)。下側のゴムダクト２２には、アルミニウム製のインレット２３が連設され、そのインレット２３をガスケット（図示せず）を介してエアポンプ７に接続することにより、エアフロー管１９がエアポンプ７に固定される（図２参照）。また、図４に示すように、エアフロー管１９の周辺には、エアコン用等の配管類２４や各種電気装置のハーネス類２５が配設されている。

なお、特許請求の範囲におけるところの「配管」は、「エアフロー管１９」に相当する。

エアフローメータ１０は、例えば、エアフロー管１９内を流れる空気の流量を計測する質量流量計等の流量計からなる。エアフローメータ１０により計測したエアフロー管１９内を流れる空気の流量は、コンピュータ（図示せず）のコネクタ（図示せず）をカプラ１０ａに接続して、そのコンピュータ（図示せず）によってエアポンプ７（図１参照）の吸気を制御することにより、適正な流量にコントロールされる。

図１に示すように、エアポンプ７は、シロッコ型、スクロール型および遠心型等のどのようなタイプのものであってもよく、その形式は特に限定しない。そのエアポンプ７の下方には、ボディサイドフレーム１２に弾性的に支持される走行モータ８が設置されている。その走行モータ８の回転により、車輪（図示せず）が回転して車両１が走行する。

エアポンプ７は、合成ゴムからなる継手部材２６，２７と、アルミニウムからなる圧縮空気供給管２８を介してシステムボックス１５ａに接続している。圧縮空気供給管２８は、エアクリーナ６で浄化され、かつ圧縮機７で圧縮された空気を燃料電池１５に送る管である。圧縮空気供給管２８は、約４５度に傾斜して配置され、中間部位の１点を隔壁１１に固定した配管支持具２９により吊止している。

次に本発明の実施形態に係る車両用エアフローメータの配置構造の作用を説明する。
図２に示すように、エアポンプ７が回転すると、吸気口から空気がレゾネータ５に吸入される。その吸入された空気は、レゾネータ５で吸気音を消音して、空気供給管２０からエアクリーナ６に送られる。その空気は、エアクリーナ６内で浄化されてエアフロー管１９に流れる。

図３に示すように、エアフロー管１９は、エアクリーナ６からエアポンプ７にわたり傾斜して配置されたことにより、エアフロー管１９の長さを最短にすることができる。このため、エアフロー管１９が揺動したとき、エアフローメータ１０の設置箇所が動く振幅を抑制して、エアフロー管１９が周囲に設置されている他の外部配管類２４（図４参照）やハーネス類２５（図４参照）に接触することを防止することができる。エアフロー管１９は、傾斜させて配置して、無理に折り曲げたり、鉛直方向に曲げていないため、エアフロー管１９内の空気がスムーズに流れ、その流れを層流化することができる。また、エアフロー管１９は、両端にゴムダクト２１，２２を設置したことにより、ゴムダクト２１，２２がエアフロー管１９の振動を吸収することができるため、エアフロー管１９に設置したエアフローメータ１０が振動することを抑制することができる。

エアフローメータ１０は、エアフロー管１９の中間に設置したことにより、そのエアフロー管１９の一方に設置したエアクリーナ６またはその他方に設置したエアポンプ７が振動で揺れ動いたとしても、エアフロー管１９のエアフローメータ１０を設置した位置の揺動が小さい。このため、エアフローメータ１０でその中を流れる空気の流量を正確に計測することができる。

また、エアフロー管１９内の空気の流れは、エアクリーナ６側がそのエアクリーナ６の影響により乱流となっており、エアポンプ７側がそのエアポンプ７の影響により吸入脈動となっている。このため、それらの中間位置であるエアフロー管１９の設置位置がエアフロー管１９内で一番安定した流れとなっている。
これにより、エアフローメータ１０は、エアフロー管１９中で空気の流れが一番清流化した位置に設置したことになり、その中を流れる空気の流量の測定精度を向上させることができる。

エアフローメータ１０で計測された流量データは、コンピュータに送信され、コンピュータによってエアポンプ７の吸気を制御してエアフロー管１９を流れる空気の流量が調整される。

そして、空気は、エアポンプ７を介して燃料電池１５に送られて酸化剤として使用され、水素に化学反応を起こさせて電力を発生させる。

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、その技術思想の範囲内で種々の改造および変更が可能であり、本発明はこれら改造および変更された発明にも及ぶことは勿論である。
例えば、走行モータ８は、燃料電池１５によって駆動するモータであれば、その他のガソリンエンジン等と併用したものでもよい。
また、燃料電池１５を搭載した車両１は、前輪駆動でも後輪駆動でも、四輪駆動であってもよく、走行モータ８は、車体の前後のどちらに搭載してもよい。

本発明の実施形態に係る車両用エアフローメータの配置構造を示す図で、モータルーム内の状態を示す概略側面図である。 本発明の実施形態に係る車両用エアフローメータの配置構造を示す図で、モータルーム内の状態を示す概略背面図である。 本発明の実施形態に係る車両用エアフローメータの配置構造を示す図で、エアフローメータの設置状態を示す要部拡大正面図である。 本発明の実施形態に係る車両用エアフローメータの配置構造を示す図で、エアフローメータの設置状態を示す要部拡大斜視図である。 従来の燃料電池を搭載した車両の燃料電池システムを示す概略構成図である。

符号の説明

１ 車両
５ レゾネータ
６ エアクリーナ
７ エアポンプ
８ 走行モータ
１０ エアフローメータ
１５ 燃料電池
１９ エアフロー管（配管）

Claims (3)

1. 燃料電池を搭載した車両において、
   燃料電池の吸気系が設置されている所定の空間内の上方にエアクリーナを備え、かつそのエアクリーナの下方にエアポンプを備え、
   前記エアクリーナとエアポンプとを結ぶ配管の略中間位置にエアフローメータを配設したことを特徴とする車両用エアフローメータの配置構造。
2. 燃料電池を搭載した車両において、
   走行モータが設置されている前方の所定の空間内の上方にエアクリーナを備え、かつそのエアクリーナの下方にエアポンプを備え、
   前記エアクリーナとエアポンプとを結ぶ配管の略中間位置にエアフローメータを配設したことを特徴とする車両用エアフローメータの配置構造。
3. 前記配管は、前記エアクリーナから前記エアポンプにわたり傾斜して配置されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の車両用エアフローメータの配置構造。

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