JP2006196388A - 燃料電池車両 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池車両において生成水の車両後方への飛散を抑制することを可能とする。
【解決手段】 燃料電池車両は、燃料電池と、燃料電池から排出される生成水に力を加えて生成水を加速させる水加速部と、水加速部により加速された生成水を燃料電池車両の外部へと排出する排出口と、を備えている。排出口は、燃料電池車両の下部に位置すると共に、燃料電池車両の進行方向を指向している。
【選択図】 図３

Description

本発明は、燃料電池を備える燃料電池車両に関し、特に、燃料電池から排出される生成水を車両外部へと排出する技術に関する。

燃料電池内部では、発電時に、電極における反応によって水が生成される。また、一般に、燃料電池に供給される空気や水素ガスは加湿されるため、燃料電池内部ではガス中の水分が凝縮して水が発生する。従来の燃料電池車両では、これらの水（以下まとめて「生成水」と呼ぶ）を単に車両の下部から排出していた（例えば、特許文献１）。

特開平１１−２０４１２６号公報 特開２００１−３１３０５６号公報

燃料電池車両において、生成水を単に車両の下部から排出すると、燃料電池車両の走行中には、排出された生成水が走行風によって車両後方に飛散するおそれがあった。

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池車両において、生成水の車両後方への飛散を抑制することを可能とする技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池車両は、
燃料電池と、
前記燃料電池から排出される生成水に力を加えて前記生成水を加速させる水加速部と、
前記水加速部により加速された生成水を前記燃料電池車両の外部へと排出する排出口と、を備え、
前記排出口は、前記燃料電池車両の下部に位置すると共に、前記燃料電池車両の進行方向を指向している。

この燃料電池車両では、生成水が、水加速部で加速され、燃料電池車両の進行方向を指向した排出口から外部へと排出されるため、生成水の車両後方への飛散を抑制することができる。

上記燃料電池車両において、前記水加速部は、前記燃料電池車両の進行方向に向かう速度が大きいほど、前記生成水をより大きく加速させるとしてもよい。

この構成によれば、燃料電池車両の進行方向に向かう速度が大きく、排出される生成水が走行風から受ける力が強いほど、生成水がより大きく加速されるため、広範な走行状態において、生成水の車両後方への飛散を抑制することができる。

また、上記燃料電池車両において、さらに、
前記燃料電池車両の車輪を駆動する駆動部を備え、
前記水加速部は、前記駆動部により発生する駆動力を用いて前記生成水を加速させるとしてもよい。

この構成によれば、容易に、水加速部が、燃料電池車両の進行方向に向かう速度が大きいほど、生成水をより大きく加速させるようにすることができる。

また、上記燃料電池車両において、前記水加速部は、
エジェクタと、
前記燃料電池車両の走行中に、前記エジェクタ内に走行風を導く走行風導入部と、
走行風の流通によって前記エジェクタ内に発生する負圧を利用して前記エジェクタ内に前記生成水を供給する生成水供給部と、を有するとしてもよい。

この構成によっても、容易に、水加速部が、燃料電池車両の進行方向に向かう速度が大きいほど、生成水をより大きく加速させるようにすることができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、燃料電池車両、燃料電池自動車、燃料電池車両用燃料電池システム、燃料電池車両用排水システム等の態様で実現することができる。

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．変形例：

Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池自動車の構成を概略的に示す説明図である。この燃料電池自動車１００は、水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池システム２００と、燃料電池システム２００内で発生する生成水を燃料電池自動車１００の外部へと排出する生成水排出部３００と、を備えている。ここで、生成水とは、燃料電池システム２００内で空気や水素ガス中の水分が凝縮して発生する水や、燃料電池システム２００内の電極における反応によって生成される水を含む、燃料電池システム２００内で発生し、燃料電池システム２００の外部へと排出される水一般を意味している。なお、図１には、燃料電池自動車１００の進行方向と、燃料電池自動車１００が進行方向に走行しているときに受ける走行風の方向とを、白抜きの矢印で示している。

生成水排出部３００は、生成水に力を加えて生成水を加速させる生成水加速部４００と、生成水加速部４００により加速された生成水を最終的に燃料電池自動車１００の外部へと排出する排水管部５００と、燃料電池システム２００と生成水加速部４００とを連結する連結管部６００と、を有している。なお、燃料電池システム２００と生成水加速部４００とが直接接続されているとしてもよい。生成水排出部３００の詳細構成については、後述する。

図２は、第１実施例の燃料電池自動車１００における燃料電池システム２００の構成を概略的に示す説明図である。燃料電池システム２００は、燃料電池スタック２１０と、空気供給システム２２０と、燃料供給システム２３０と、を有している。なお、本実施例では、固体高分子型の燃料電池を含む燃料電池システム２００が用いられている。

燃料電池スタック２１０は、図示しないセルを複数重ね合わせた積層体として構成されている。セルは、セパレータと、水素極（以下「アノード」と呼ぶ）と、電解質膜と、酸素極（以下「カソード」と呼ぶ）と、セパレータとをこの順に重ね合わせることによって形成される。セルは、例えばセパレータに設けられた溝を介して供給される水素と空気に含まれる酸素との電気化学反応により発電を行う。なお、発電時にカソードにおいて生成される水は、連結管部６００（図１）へと排出される。

空気供給システム２２０は、燃料電池スタック２１０に空気を供給するためのシステムであり、フィルタ２２１と、コンプレッサ２２２と、これらの機器を接続する空気流路２２３と、を含んでいる。外部からフィルタ２２１を通して取り込まれた空気は、コンプレッサ２２２により圧縮され、燃料電池スタック２１０を構成している複数のセルのそれぞれのカソードに供給される。なお、燃料電池スタック２１０での反応に使用された後の排気は、外部へと排出される。

燃料供給システム２３０は、燃料電池スタック２１０に燃料としての水素ガスを供給するためのシステムであり、水素タンク２３１と、減圧弁２３２と、これらの機器を接続する燃料流路２３３と、を含んでいる。水素タンク２３１内に貯留された水素ガスは、減圧弁２３２により減圧された後、燃料電池スタック２１０を構成している複数のセルのそれぞれのアノードに供給される。

また、燃料供給システム２３０は、燃料電池スタック２１０での反応に使用された後の排気を再び燃料電池スタック２１０へと供給するために、水素循環流路２３４と、エジェクタ２３５と、を含んでいる。水素循環流路２３４上には、水素循環流路２３４内を流通する水素ガス中の水分を凝縮させるための凝縮器２３６が設けられ、凝縮器２３６において凝縮された水は、凝縮水排出弁２３８を介して連結管部６００（図１）へと排出される。さらに、水素循環流路２３４には水素排出流路２３９が接続され、水素循環流路２３４上の不要なガスは、水素排出弁２４０を介して外部へと排出される。なお、図２の例では、水素ガスに含まれる水分を凝縮器２３６において凝縮させて連結管部６００へと排出しているが、同様に、空気に含まれる水分を凝縮させて連結管部６００へと排出してもよい。

燃料電池スタック２１０により発電された電力は、インバータ２５０に出力され、走行モータ２６０の駆動に使用される。走行モータ２６０は、図示しない車輪を駆動して、燃料電池自動車１００を走行させる。また、燃料電池自動車１００の走行に必要な電力よりも発電量が大きくて電力が余る場合には、余った電力をＤＣ／ＤＣコンバータ２７０を介して蓄電池２８０に蓄電し、急加速時などの電力不足時に使用する。

図３は、第１実施例の燃料電池自動車１００における生成水排出部３００の詳細な構成を示す説明図である。図３には、図１のＡ部を拡大して示している。上述したように、生成水排出部３００は、生成水加速部４００と、排水管部５００と、連結管部６００と、を有している。

排水管部５００は、排水管５１０と、排水管５１０を開閉するための排出弁５２０と、を有している。排水管５１０の一方の先端には排出口５１２が設けられている。排出口５１２は、燃料電池自動車１００の下部に位置すると共に、燃料電池自動車１００の進行方向を指向している。ここで、排出口５１２が燃料電池自動車１００の進行方向を指向しているとは、排出口５１２を含む面が進行方向に対して垂直となっている場合に限らず、排出口５１２がわずかでも進行方向を向いている場合をも含む意味である。すなわち、排出口５１２が進行方向を指向している状態とは、排出口５１２を進行方向側から見ることができるすべての状態を含むものである。排水管５１０の他方の先端は、生成水加速部４００と接続されている。

生成水加速部４００は、内部に空洞部４１２を有するハウジング４１０と、回転部４２０と、を有している。回転部４２０は、複数の羽根部４２２を有しており、ハウジング４１０の空洞部４１２内に回転可能に配置されている。図３の例では、回転部４２０は、燃料電池自動車１００の幅方向に平行な軸を中心として、図３に矢印で示した方向に回転する。また、回転部４２０は、図示しないギヤ等を介して走行モータ２６０（図２）と接続されており、走行モータ２６０の駆動力によって回転する。このとき、回転部４２０の回転数は、走行モータ２６０の回転数が大きくなるほど大きくなるように設定されている。

燃料電池システム２００（図１）から排出された生成水は、連結管部６００を通って、生成水加速部４００の空洞部４１２内に導かれる。空洞部４１２内に導かれた生成水は、回転する回転部４２０の羽根部４２２によって、生成水加速部４００と排水管部５００との接続点まで移動させられ、排水管部５００の排水管５１０内に導かれる。その後、生成水は、排出弁５２０を介して、排出口５１２から燃料電池自動車１００の外部へと排出される。図３には、燃料電池システム２００から排出された生成水が、燃料電池自動車１００の外部へと排出されるまでの経路を、破線の矢印を用いて示している。

上述した生成水の排出過程において、生成水は、生成水加速部４００の回転する回転部４２０から遠心力を受け、加速される。ここで、生成水が加速されるとは、生成水が実質的に地球の重力のみを受けるのではなく、重力を除く何らかの力を受け、任意の方向への速度が増加することを意味している。また、上述したように、排水管部５００の排出口５１２は、燃料電池自動車１００の進行方向を指向している。そのため、排出口５１２から排出される瞬間の生成水は、進行方向に向かって、所定の速度を有することとなる。この所定の速度は、生成水が実質的に重力のみを受けるときの速度よりも大きな値となる。

排出口５１２から排出された生成水は、燃料電池自動車１００の進行方向とは反対方向（すなわち車両後方方向）に向かう走行風によって、車両後方方向への力を受ける。しかし、生成水は、排出口５１２から進行方向に向かって所定の速度を有した状態で外部へと排出されているため、結局、排出口５１２の真下付近の地面に落下することとなる。

ここで、燃料電池自動車１００の進行方向に向かう速度が速いほど、走行風の車両後方への速度も速くなるため、走行風が生成水に及ぼす力の大きさは大きくなる。しかし、本実施例の燃料電池自動車１００では、上述したように、生成水加速部４００の回転部４２０の回転数は、走行モータ２６０（図２）の回転数が大きくなるほど大きくなるように設定されている。そのため、走行モータ２６０の回転数が大きいほど、すなわち、燃料電池自動車１００の速度が速いほど、生成水は、より大きな遠心力を受け、より大きく加速されることとなる。従って、燃料電池自動車１００の速度が速いほど、排出口５１２から排出される瞬間における生成水の進行方向に向かう速度もより速くなり、生成水はやはり排出口５１２の真下付近の地面に落下することとなる。

以上説明したように、本実施例の燃料電池自動車１００では、生成水が生成水加速部４００で加速された後、燃料電池自動車１００の進行方向を指向している排出口５１２から外部へと排出されるため、生成水の車両後方への飛散を抑制することができる。

さらに、本実施例の燃料電池自動車１００では、燃料電池自動車１００の速度に応じて、排出する生成水の速度を調整することができるため、広範な走行状態において、生成水の車両後方への飛散を抑制することができる。

Ｂ．第２実施例：
図４は、本発明の第２実施例としての燃料電池自動車の構成を概略的に示す説明図である。第２実施例の燃料電池自動車１００ａは、生成水排出部３００ａの構成が第１実施例の燃料電池自動車１００と異なるだけであり、その他の点は第１実施例の燃料電池自動車１００と同じである。

第２実施例の燃料電池自動車１００ａの生成水排出部３００ａは、エジェクタ９００と、生成水を貯蔵してエジェクタ９００に供給する生成水貯蔵部７００と、エジェクタ９００内に走行風を導く走行風導入部８００と、燃料電池システム２００と生成水貯蔵部７００とを連結する連結管部６００ａと、を有している。生成水貯蔵部７００は、接続管部７１０を介してエジェクタ９００と接続されている。また、走行風導入部８００は、燃料電池自動車１００ａの前面に配置された走行風導入口８１０を有している。

図５は、第２実施例の燃料電池自動車１００ａにおける生成水排出部３００ａの詳細な構成を示す説明図である。図５には、図４のＢ部を拡大して示している。燃料電池システム２００から排出された生成水は、連結管部６００ａを介して生成水貯蔵部７００へと導かれ、生成水貯蔵部７００に貯蔵される。燃料電池自動車１００ａの走行時には、走行風導入口８１０から走行風導入部８００内部へと走行風が導入される。走行風導入部８００の内部に導入された走行風は、さらにエジェクタ９００の内部を通過して、排出口９１０から外部へと排出される。このとき、エジェクタ９００内部には負圧が発生するため、生成水貯蔵部７００内に貯蔵された生成水は、発生した負圧によってエジェクタ９００内部へと吸引される。すなわち、生成水は、この吸引力を受けて加速される。このように、本実施例では、生成水貯蔵部７００と、エジェクタ９００と、走行風導入部８００とが、生成水加速部として機能する。エジェクタ９００内部へと吸引された生成水は、排出口９１０から外部へと排出される。

本実施例において、エジェクタ９００の排出口９１０は、第１実施例の排水管部５００の排出口５１２（図３）と同様に、燃料電池自動車１００ａの進行方向を指向している。そのため、第２実施例においても第１実施例と同様に、排出口９１０から排出される瞬間の生成水は、進行方向に向かって、所定の速度を有することとなる。そのため、生成水の車両後方への飛散を抑制することができる。

さらに、第２実施例の燃料電池自動車１００ａにおいては、燃料電池自動車１００ａの速度が速いほど、エジェクタ９００の内部を流れる走行風の速度も速くなり、エジェクタ９００内部に発生する負圧も大きくなる。そのため、燃料電池自動車１００ａの速度が速いほど、生成水は、より大きく加速されることとなる。従って、第２実施例においても第１実施例と同様に、燃料電池自動車１００ａの速度に応じて、排出する生成水の速度を調整することができるため、広範な走行状態において、生成水の車両後方への飛散を抑制することができる。

Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｃ１．変形例１：
上記各実施例において、生成水加速部として機能する構成は、あくまで一例である。生成水加速部は、生成水に力を加えて生成水を加速させるものであればよく、他の構成とすることも可能である。例えば、生成水加速部として、ポンプ等の圧送装置を用いてもよい。

Ｃ２．変形例２：
上記第１実施例では、回転部４２０（図３）を走行モータ２６０（図２）によって駆動しているが、回転部４２０を専用のモータによって駆動してもよい。このとき、車速センサによって燃料電池自動車１００の速度を検出し、検出した速度に応じた回転数で回転部４２０を駆動するとしてもよい。また、第１実施例では、走行モータ２６０の個数は１つであるが、例えば燃料電池自動車１００の４輪それぞれにモータを設置し、当該モータの１つまたは複数によって回転部４２０を駆動するとしてもよい。

Ｃ３．変形例３：
上記各実施例では、燃料電池自動車１００を例に用いて説明したが、本発明は、例えば燃料電池二輪車といった燃料電池自動車以外の燃料電池車両にも適用可能である。

本発明の第１実施例としての燃料電池自動車の構成を概略的に示す説明図。 第１実施例の燃料電池自動車における燃料電池システムの構成を概略的に示す説明図。 第１実施例の燃料電池自動車における生成水排出部の詳細な構成を示す説明図。 本発明の第２実施例としての燃料電池自動車の構成を概略的に示す説明図。 第２実施例の燃料電池自動車における生成水排出部の詳細な構成を示す説明図。

符号の説明

１００...燃料電池自動車
２００...燃料電池システム
２１０...燃料電池スタック
２２０...空気供給システム
２２１...フィルタ
２２２...コンプレッサ
２２３...空気流路
２３０...燃料供給システム
２３１...水素タンク
２３２...減圧弁
２３３...燃料流路
２３４...水素循環流路
２３５...エジェクタ
２３６...凝縮器
２３８...凝縮水排出弁
２３９...水素排出流路
２４０...水素排出弁
２５０...インバータ
２６０...走行モータ
２７０...ＤＣ／ＤＣコンバータ
２８０...蓄電池
３００...生成水排出部
４００...生成水加速部
４１０...ハウジング
４１２...空洞部
４２０...回転部
４２２...羽根部
５００...排水管部
５１０...排水管
５１２...排出口
５２０...排出弁
６００...連結管部
７００...生成水貯蔵部
７１０...接続管部
８００...走行風導入部
８１０...走行風導入口
９００...エジェクタ
９１０...排出口

Claims (4)

1. 燃料電池車両であって、
   燃料電池と、
   前記燃料電池から排出される生成水に力を加えて前記生成水を加速させる水加速部と、
   前記水加速部により加速された生成水を前記燃料電池車両の外部へと排出する排出口と、を備え、
   前記排出口は、前記燃料電池車両の下部に位置すると共に、前記燃料電池車両の進行方向を指向している、燃料電池車両。
2. 請求項１記載の燃料電池車両であって、
   前記水加速部は、前記燃料電池車両の進行方向に向かう速度が大きいほど、前記生成水をより大きく加速させる、燃料電池車両。
3. 請求項２記載の燃料電池車両であって、さらに、
   前記燃料電池車両の車輪を駆動する駆動部を備え、
   前記水加速部は、前記駆動部により発生する駆動力を用いて前記生成水を加速させる、燃料電池車両。
4. 請求項２記載の燃料電池車両であって、
   前記水加速部は、
   エジェクタと、
   前記燃料電池車両の走行中に、前記エジェクタ内に走行風を導く走行風導入部と、
   走行風の流通によって前記エジェクタ内に発生する負圧を利用して前記エジェクタ内に前記生成水を供給する生成水供給部と、を有する、燃料電池車両。

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