JP2009021215A - 燃料電池スタックケースの換気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックケース内部の高温空気を、外部空気の流れの中に自然流動させて排出し、スタックの温度を安定に維持するとともに、凝縮水、水素漏れの問題をなくすことができる燃料電池スタックケースの換気装置を提供する。
【解決手段】スタックを内部に収容するスタックケースと、スタックケースの上側に設置されて外部空気を浄化するエアクリーナーを備え、エアクリーナーの下側とスタックケースの上側とが互いに連通する連通孔が形成され、エアクリーナーにおける空気の流れによりエアクリーナーとスタックケースとの間に圧力差が生じ、スタックケース内部空気が連通孔を通してエアクリーナーに流れるように構成されている。このとき、連通孔の上部には、フィルターを設置して、外部空気からの水分や埃がスタックケースの内側に流入しないようにするのが好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は燃料電池スタックケースの換気装置に係り、より詳しくは燃料電池スタックに供給する空気の流れを利用し燃料電池スタックケース内の空気を吸入して、スタックケース内部の高温空気を排出させる燃料電池スタックケースの換気装置に関する。

ハイブリッド車両などに搭載される燃料電池は、車両のモーターを駆動する電力を生産するもので、水素と空気が継続的に供給されて、発生する電力が安全に引き出されるようにされなければならない。

燃料電池のスタック〔以降、特に断らない限り単に「スタック」と記す。〕は、車両に搭載されるため、構造的に安定で堅固で、車両の搭載性が良く、また、発生した電力により車両に危険をもたらせないようにしなければならない。このため、スタックは、塵埃や水などの汚染を遮断するとともに、衝撃などの外部圧力から保護するために燃料電池スタックケース〔以降、特に断らない限り単に「スタックケース」と記す。〕に収容されて、エンジンルーム近傍や車室床などに搭載され、同時に、スタックケースは、スタックの過度な温度上昇を抑え、凝縮水や水素漏れなどによる問題が発生しないようにしている。

スタックケース内は、スタックを冷却するために内部に換気ファンを設け、かつ換気ファンの空気取り入れ口をラジエータの空冷方向の下流側にして、低い温度の外気をスタックケース内に供給するスタックケースの換気装置の提案〔特許文献１参照〕、スタックケース内の冷却効率をさらに高めるために、車室内に空調用気体を供給する空調装置からの空調用気体を、切替え弁により切り替えてスタックケースの内部空間に導く装置の提案〔特許文献２参照〕がある。しかし、従来のスタックケースの換気装置は、別途のファンが必要であり、さらにファンを駆動させる動力を必要とし、車両の軽量化に逆行するとともに、価格や燃費にまで影響を及ぼすことがあった。

特開２００４−２２１９０号公報 特開２００６−０７６３２５号公報

本発明は、上記の状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡単、かつ安価に実施し得る装置で、スタックケース内部の高温空気を、外部空気の流れの中に自然流動させて排出し、スタックの温度を安定に維持するとともに、凝縮水、水素漏れの問題をなくすことができる燃料電池スタックケースの換気装置を提供することにある。

上記目的を達成すべく、本発明の燃料電池スタックケースの換気装置は、スタックを内部に収容するスタックケースと、スタックケースの上側に外部空気を浄化するエアクリーナーが設置され、エアクリーナーの下側とスタックケースの上側とが互いに連通する連通孔が形成されて、エアクリーナーにおける空気の流れによりエアクリーナーとスタックケースとの間に圧力差が生じ、スタックケース内部空気が連通孔を通してエアクリーナーに流れるように構成されている。このとき、連通孔の上部には、フィルターが設置されて、外部空気からの水分や埃がスタックケースの内側に流入しないようにするのが好ましい。

エアクリーナーは、好ましくはフィルターにより内部空気入口側をダーティーエリア、他側をクリーンエリアに仕切り、連通孔はダーティーエリアに設置される。

エアクリーナーには、さらに外部空気が流入されるエアダクト部から外側に、特にその下側面からその取付け部より空気入口側の面を基準として９０°以内の角度範囲で延長した中空管状のエアクリーナーポートを有するのが好ましい。

また、スタックケースには、流入した外部空気中の水分を排出するための排出ポートが設けられ、その排出ポートはエアクリーナーポートと連通するように設置されるのが好ましい。

さらに、スタックケースには、水素センサーが設置されて水素の漏れを感知するのが好ましい。

また、本発明の燃料電池スタックケースの換気装置の別の構成では、スタックを内部に収容するスタックケースと、スタックケースの上側に設置されて外部空気を浄化するエアクリーナーと、エアクリーナーの下流とスタックに空気を供給するブロワーを結ぶエアホースとからなり、さらに一端がエアホースと連通し、他端がスタックケースと連通する第１換気ホースが設置される。エアホースにおける空気の流れによりスタックケース内部とに圧力差が生じて、スタックケース内部空気がエアホースに流れる。そして、第１換気ホースには、スタックケースの空気中に含まれる汚染物質を浄化するためのフィルターが付けられるのが好ましい。

本発明による燃料電池スタックケースの換気装置のまた別の構成では、スタックを内部に収容するスタックケースと、一端がスタックから排出される空気の空気排出管上に連通し、他端がスタックケースと連通する第２換気ホースが設置される。空気排出管を流れる排出空気によりスタックケース内部とに圧力差が生じて、スタックケースの内部空気が空気排出管に流れる。

本発明によると、スタックにより発生した高温空気は、特別の動力なしにスタックケースから排出されてスタックの過度な温度上昇を抑えることができ、さらに、スタックに供給される空気に混合されて再循環させてスタックの温度を一定に維持することができ、燃料電池を安定な電力生産可能にする。

更に、外部空気中に含まれる汚染物質がスタックに供給されることをなくし、スタックの寿命を延長させ、スタックの分離板やガスケットの損傷を最小化させることができて、燃料電池車両の寿命を延ばす効果がある。

以下、添付図面を参照しつつ本発明に係るスタックケースの換気装置について説明する。
図１〜７は本発明による燃料電池スタックケースの換気装置を図示した図面である。図１〜５は、第１の実施の形態に係り、図１は全体の構成を説明する図、図２はスタックケースとエアークリーナー部の結合状態を図示した断面図、図３はスタックケースとエアクリーナー部の結合状態の斜視図、図４はエアクリーナー部の正面図、図５はエアクリーナー部における水素センサーの位置を図示した図面である。図６は燃料電池スタックケースの換気装置における第２の実施の形態を示した図面、図７は第３の実施の形態を示した図面である。

本発明のスタックケース換気装置における第１の実施の形態は、スタック２を内部に収容するスタックケース１００とエアクリーナー２００を組合せており、スタックケース１００とエアクリーナー２００の間を互いに連通孔３００で連通している。スタックケース１００は、車両のレイアウトによって多様な場所に設置することができるが、エンジンルーム（図示せず）上に設置されることが多く、その他車両の底に設置されることもある。

エアクリーナー２００は、内部にフィルター２０５があり、フィルター２０５によりフィルター通過前のダーティーエリア２０３とフィルター通過後のクリーンエリア２０４に仕切られていて、ダーティーエリア２０３は外部空気が流入するエアダクト２１０に連結され、クリーンエリア２０４はエアホース４００に連結されてブロワー３に通じ、ブロワー３からスタックに空気を供給している。この構成で、ブロワー３の作動によりエアクリーナー２００には、外部空気がエアダクト２１０を経て流入し、フィルター２０５を通って清浄化され、エアホース４００を経て出る流れができる。

エアクリーナー２００の下側とスタックケース１００の上側とには連通孔３００が形成され、連通孔３００によりスタックケース１００内部とエアクリーナー２００のダーティーエリア２０３が通じている。エアクリーナー２００内部に空気の流れがあることから、この流れによりスタックケース１００に対して陰圧となり、圧力差によりスタックケース１００内部空気が連通孔３００を経てエアクリーナー２００のダーティーエリア２０３に移動する。

スタックケース１００は、上述のように内部にスタック２が設置されているが、このとき、スタック２の上側はスタックケース１００の上部内側との間にできるだけ大きな空間を作り、スタックケース１００内の空気が連通孔３００に向けて円滑に流れるようにするのが好ましい。これにより、スタック２の作動時に水素と酸素（空気）との化学反応による発熱で生じた高温空気が連通孔３００から排出されて、スタック２の過度な温度上昇を抑えることができる。

連通孔３００の内径は、エアクリーナー２００の内径より小さくするように構成される。また、エアクリーナー２００に外部空気が流入するとき、水分や埃がスタックケース１００に流れ落ちないように連通孔３００の上部にはフィルター１０を設置するのが好ましい。連通孔３００は、図２に示すように管形態の挿入管２０としてエアクリーナー２００とスタックケース１００との間に設け、さらに挿入管２０の上側端部にフィルター１０を設置すると、エアクリーナー２００からの水分や埃がスタックケース１００に流れ落ちることがなくなりより好ましい構成となる。

また、エアクリーナー２００には外部空気が流入するエアダクト２１０が設けられるが、このとき空気中に含まれる水分や埃など汚染物質がスタックケース１００に流入するのを防止するため、エアダクト２１０の下側面から外側に向けてエアクリーナーポート２０２が延長形成するのが好ましい。

エアクリーナーポート２０２は、エアダクト２１０の下側面から下向きに形成されるが、好ましくはエアクリーナーポート２０２取付け部より空気入口側の面を基準として９０°以内の角度範囲の方向に向けて設置する。

また、スタックケース１００には、エアクリーナー２００を通して流入した外部空気中の水分を排出させる排出ポート１１０を、スタックケース１００の外側に設けるのがよく、この排出ポート１１０はエアクリーナーポート２０２と連結して、エアクリーナー２００からの水分排出と共通ラインとすることもできる。

また、スタックケース１００には、水素センサー４を設置してスタック２からの水素漏れを感知するように構成するのが好ましい。水素センサー４の設置場所は、特に限定されないが、例えば、排出ポート１１０付近である。

第１の実施の形態の作動状態を説明する。
燃料電池車両は、運転者が搭乗して始動され、ブロワー３の作動によりエアクリーナー２００のエアダクト２１０を通して外部空気がエアクリーナー２００に流入する。エアダクト２１０を経由した外部空気は、ダーティーエリア２０３からフィルター２０５を経て空気中の汚染物質を除き、清浄化された空気がクリーンエリア２０４に移動する。

この時、エアクリーナー２００における空気の流れにより、エアクリーナー２００のダーティーエリア２０３はスタックケース１００内部に対して陰圧となるが、その圧力差は、ブロワー３の回転数（ｒｐｍ）によって変動する。この圧力差により、スタックケース内側の空気は、図１の矢印で示したように連通孔３００を通してダーティーエリア２０３に移動し、エアダクト２１０からの外部空気と一緒になりエアクリーナーフィルター２０５、クリーンエリア２０４を経由した後、ブロワー３を通してスタック２に供給される。

図２を参照すると、この例では、連通孔３００に挿入管２０が装備され、挿入管２０の上側にフィルター１０が設けられている。これにより車両の停止中、特に雨天時に水分がエアクリーナー２００に入っても、これがスタックケース１００に流れ込むのを防止することができる。

図３および４を参照すると、外部空気中には水分や埃が含まれ、エアクリーナー２００のエアダクト２１０に入ってくる。本発明では、エアダクト２１０、特にエアダクト２１０の底面にエアクリーナーポート２０２を設けることができ、エアダクト２１０中の水分や埃をエアクリーナーポート２０２を通して外部に排出させることができる。

図５はエアクリーナー部における水素センサーの位置の例を図示した図面である。スタック２は、ガスケット（図示せず）の劣化や分離板（図示せず）の破損によって水素ガスが漏れることがあり、スタックケース１００に水素センサー４を設置することにより水素を感知し、別途設けた制御部（図示せず）に情報を送り、警告灯（図示せず）を作動させて運転者に警告シグナルを送る、または車両を停止させるように制御するなどにより、車両の安全を確保することができる。

本発明による燃料電池スタックケースの換気装置における別の第２の実施の形態は、図６に示すように、スタック２を内部に収容するスタックケース１００と、スタックケース１００の上側に設置されて外部空気を浄化するエアクリーナー２００と、エアクリーナー２００の下流側に設置されたエアホース４００でなる。エアホース４００は、ブロワー３に連結され、ブロワー３から加湿器５で加湿された後、スタック２に空気が供給される。

第２の実施の形態では、第１換気ホース５００が設置され、その一端がエアホース４００と連通し、他端がスタックケース１００と連通している。エアホース４００には空気の流れがあり、この空気の流れにより、エアホース４００側がスタックケース１００側に対して陰圧となり、圧力差によりスタックケース１００内部の空気が第１換気ホース５００を通してエアホース４００側に流れる。燃料電池車両が高速で走行すればするほど、エアホース４００を流れる空気量は増え、これにより第１換気ホース５００を通してスタックケース１００からエアホース４００に流れる空気の量も増加することになる。

第１換気ホース５００には、スタックケース１００からの空気に含まれた汚染物質がエアホース４００に入り込むのを防ぐために、フィルター１０’を設置する。

第１換気ホース５００は少なくとも１個設置するが、車両の排気量に応じて複数個の設置が可能であり、本発明は特に個数を限定するものではない。

本発明による第３の実施の形態は、図７に示すように、スタック２を内部に収容するスタックケース１００と、スタックケース１００の一側に連結された空気排出管６００と、一端が空気排出管６００に連結し、他端がスタックケース１００と連結した第２換気ホース７００が設けられている。第２換気ホース７００の内径は、空気排出管６００の内径より小さくする。空気排出管６００を流れる排出空気により、空気排出管６００内はスタックケース１００より陰圧となり、この圧力差によりスタックケース１００内部の空気が第２換気ホース７００を経て空気排出管６００に移動するように構成される。

本発明に従えば、スタックケース１００内でスタック２により高温となった空気は、外部から入る空気の流れにより、その流れに移動して排出されるので、スタック２の過度な温度上昇が抑えられ、高温によるスタック２の損傷、誤作動が防止され、車両の安定走行が可能となる。

本発明の第１の実施の形態における全体の構成を説明する図面である。 図１におけるスタックケースとエアークリーナー部の結合状態を図示した断面図である。 図１におけるスタックケースとエアクリーナー部の結合状態、およびエアクリーナーポートと排出ポートを示した斜視図である。 エアクリーナー部の正面図である。 エアクリーナー部における水素センサーの位置を図示した図面である。 本発明の第２の実施の形態を示した図面である。 本発明の第３の実施の形態を示した図面である。

符号の説明

２；スタック
３；ブロワー
４；水素センサー
５；加湿器
１０、１０’；フィルター
２０；挿入管
１００；スタックケース
１１０；排出ポート
２００；エアクリーナー
２０２；エアクリーナーポート
２０３；ダーティーエリア
２０４；クリーンエリア
２０５；フィルター
２１０；エアダクト
３００；連通孔
４００；エアホース
５００；第１換気ホース
６００；空気排出管
７００；第２換気ホース

Claims (12)

1. 燃料電池スタックを内部に収容したスタックケースと、前記スタックケースの上側に設置されて外部空気を浄化するエアクリーナーを備え、前記エアクリーナーの下側と前記スタックケースの上側とが互いに連通する連通孔が形成されていて、前記エアクリーナーにおける空気の流れにより前記エアクリーナーと前記スタックケースとの間に圧力差が生じ、前記スタックケース内部空気が前記連通孔を通して前記エアクリーナーに流れることを特徴とする燃料電池スタックケースの換気装置。
2. 前記エアクリーナーは、フィルターにより内部空気入口側をダーティーエリア、他側をクリーンエリアに仕切られ、前記連通孔が前記ダーティーエリアに設置されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタックケースの換気装置。
3. 前記連通孔の上部には、フィルターが設置されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタックケースの換気装置。
4. 前記連通孔の内径は、前記エアクリーナーの内径より小さいことを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタックケースの換気装置。
5. 前記エアクリーナーには、前記エアダクト部から外側に延長した管状のエアクリーナーポートが設置されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタックケースの換気装置。
6. 前記エアクリーナーポートは、前記エアダクトの下側面にあり、その取付け部より空気入口側の面を基準として９０°以内の角度範囲で設置されることを特徴とする請求項５記載の燃料電池スタックケースの換気装置。
7. 前記スタックケースには、流入した外部空気中の水分を排出するための排出ポートが設置され、前記排出ポートは、前記エアクリーナーポートと連通して設置されることを特徴とする請求項５記載の燃料電池スタックケースの換気装置。
8. 前記スタックケースには、水素センサーが設置されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタックケースの換気装置。
9. 燃料電池スタックを内部に収容するスタックケースと、前記スタックケースの上側に設置されて外部空気を浄化するエアクリーナーと、前記エアクリーナーの下流側と前記スタックに空気を供給するブロワーを結ぶエアホースとからなり、一端が前記エアホースと連通し、他端が前記スタックケースと連通する第１換気ホースが設置され、前記エアホースにおける空気の流れにより前記スタックケース内部とに圧力差が生じて前記スタックケース内部空気が前記エアホースに流れることを特徴とする燃料電池スタックケースの換気装置。
10. 前記第１換気ホースは、少なくとも１個設置されることを特徴とする請求項９記載の燃料電池スタックケースの換気装置。
11. 前記第１換気ホースには、前記スタックケースの空気中に含まれる汚染物質を浄化するためのフィルターが備えられることを特徴とする請求項９記載の燃料電池スタックケースの換気装置。
12. 燃料電池スタックを内部に収容するスタックケースと、一端が前記スタックから排出される空気の空気排出管に連通し、他端が前記スタックケースと連通する第２換気ホースが設置され、前記空気排出管を流れる排出空気の流れにより前記スタックケース内部とに圧力差を生じて前記スタックケースの内部空気が空気排出管に流れることを特徴とする燃料電池スタックケースの換気装置。

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