JP2009026498A - 燃料電池車両 - Google Patents

Abstract

【課題】 車両に搭載した燃料電池からの生成水を外部に排出する際に、後続車への水掛かり、低温時の路面凍結が生じないようにし、安全性を向上させる。
【解決手段】 燃料ガスと酸化剤ガスの化学反応により発電する燃料電池１のエア排出路１０２に、気液分離器３を設けて、オフエアとともに排出される生成水を分離し、２流体噴射ノズル４の生成水通路４ａに導入する。２流体噴射ノズル４のエア通路４ｂにエアコンプレッサ５で加圧された高温のエアを導入し、ノズルで高速化して、生成水を微粒化するとともに気化を促進させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスの化学反応により発電する燃料電池を動力源とする車両において、発電に伴って排出される生成水の処理に関するものである。

固体高分子型燃料電池は、複数のセルを積層した燃料電池スタックに、水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸化剤ガスを供給して化学反応させることにより電気エネルギーを発生させている。基本単位となるセルは、一般に、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly)と呼ばれる膜電極接合体を燃料ガス側セパレータ、酸化剤側セパレータで挟んだ構造を有しており、アノード電極に供給される水素がイオン化して電解質膜を透過し、カソード電極に供給される酸素と反応する。

水素と酸素の反応により生成する水は、燃料電池スタックからの排出ガスとともに、車外へ排出される。この際、走行車両から排出される生成水が飛散して、後続車両の走行や通行人の通行に悪影響を及ぼすことを回避する必要があり、従来技術として、特許文献１〜３に生成水の排水処理のための対策が提案されている。

例えば、特許文献１には、移動体が搭載する燃料電池からの生成水が飛散するのを防止するために、排ガスとともに排出される水を気液分離器によって分離し、放水管を床に形成した貫通孔に開口させるとともに、貫通孔の前方に整流手段となるスパッツを配置することが記載されている。スパッツは走行風に鉛直下向きの成分を与え、放水管から落下する水は鉛直下向きの力を受けて迅速に路面に至るから、走行風による巻き上げが抑制される。

また、特許文献２では、生成水を地面またはその近傍まで到達させる排水ガイドを設けている。生成水が排水ガイドを介して地面へ直接排出されることで、走行による空気流の影響を小さくして、人や建物に水が掛かるのを抑止している。特許文献３では、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、加速された生成水を車両外部に排出する排出口とを設け、車両下部から進行方向に向けて排水されるように位置させることで、後方への飛散を抑止している。
特開２００５−１２９４６３号公報 特開２００５−２２２８３３号公報 特開２００６−１９６３８８号公報

しかしながら、これら従来技術はいずれも、路面へ速やかに排水することにより、生成水の巻き上げや飛散による水掛かりを抑制するものである。この場合、排出された水は路面に留まるため、低温環境下では路面凍結を引き起こして、後続車両のスリップ等の問題が発生するおそれがある。

また、特許文献１、２は、スパッツやガイドにより生成水の落下速度や方向を調整しているだけであるため、巻き上げや水掛かりは抑制されるものの、完全に防止することは難しい。特許文献３の構成では、加速により走行風の影響は小さくなるが、液滴状の生成水が排出される点では同様である。また、加速部やモータが必要で、構成が複雑になりやすい。

このため、生成水が飛散せず、かつ路面に溜まらないような排出手段が必要となっている。例えば、生成水をポンプにより昇圧し、微細ノズルから高速で大気中に噴射させることで、微粒化する方法が考えられるが、この方法ではポンプが必要になること、微粒化した生成水を気化させようとするとヒータがさらに必要となって大型化するといった問題がある。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、車両に搭載した燃料電池からの生成水を外部に排出する際に、簡易な構成で、走行風による巻き上げや後続車への水掛かりを防止し、かつ低温時の路面凍結を防止して、安全性を向上させることのできる手段を提供することを目的とする。

請求項１の発明において、燃料電池車両は、燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により発電する燃料電池を動力源として備えており、
発電に伴って上記燃料電池から排出される生成水をエアコンプレッサから供給されるエアと混合し微粒化する微粒化手段を設けて、該微粒化手段の出口部を車両下面に開口させ、微粒化した生成水を上記微粒化手段の出口部から車両外部に放散させる構成となっている。

排出される生成水は、エアコンプレッサの断熱圧縮による高温のエアと混合されることで微粒化し、気化が促進される。よって、出口部から放出されると大気中に速やかに拡散し、従来技術のように液滴状態で生成水が飛散し、走行風による巻き上げで後続車等への水掛かりが生じるのを防止できる。さらに、路面に到達することなく拡散するので、低温環境下でも路面凍結のおそれがなく、エアコンプレッサは通常の燃料電池システムに備えられたものを利用することができるので、簡易な構成で安全性を向上させることができる。

請求項２の発明において、上記微粒化手段は、上記燃料電池から排出される生成水が流入する生成水通路の外周側に、上記エアコンプレッサからエアが供給されるエア通路を同心状に配置し、両通路の出口部を、先端側へ向けて通路径が縮小するノズル状に構成した２流体噴射ノズルを備える。

具体的には、同心状にノズルを配置した２流体噴射ノズルを用いて、自由落下する生成水に出口部で高速化したエアを混合すると、流速差により生成水にせん断力を作用させて、液滴を分裂、微粒化させることができる。

請求項３の発明において、上記微粒化手段は、上記２流体噴射ノズルの上流側に気液分離器を備える。

好適には、気液分離器を用いてオフエアから分離した生成水を２流体噴射ノズルに導入することで、より効率よく生成水を微粒化できる。

請求項４の発明において、上記エアコンプレッサのエア吐出圧を可変とする手段を備える。

エア吐出圧を可変とすることで、エア吐出温度を所望の温度に調整することができるので、運転状況に応じてエア吐出圧を設定変更することで、生成水を気化が促進することができる。

請求項５の発明では、外気温度を検出する外気温センサと、検出した外気温度に応じて上記調圧弁の調圧値を調整して、上記エアコンプレッサからのエア吐出圧を制御する制御手段をを備える。

例えば、エア吐出圧が高くするとエア吐出温度が高くなり、生成水の気化が促進されるので、検出した外気温度に応じてエア吐出圧を可変とすることで、低温時における生成水の微粒化および気化を効率よく行うことができる。

図１に、本発明の燃料電池車両の第１実施形態を示す。図１（ａ）は、燃料電池車両に搭載される燃料電池システムの全体構成を示す概略図、図１（ｂ）は、その要部拡大図である。図１（ａ）において、燃料電池システムは、燃料電池車両（例えば燃料電池自動車）の動力原となる燃料電池１と、酸化剤ガスとなるエアを供給するためのエア供給路１０１およびエア排出路１０２、燃料ガスとなる水素を供給するための水素供給路２０１および水素排出路２０２を備えている。また、エア排出路１０２には、気液分離器３と２流体噴射ノズル４が接続されている。気液分離器３と２流体噴射ノズル４は、燃料電池１からエアとともに排出される生成水の微粒化手段を構成している。

エア供給路１０１には、エアを加圧して燃料電池１に供給するためのエアコンプレッサ５が設けられている。エア排出路１０２には、気液分離器３と燃料電池１の間に、エアコンプレッサ５のエア吐出圧を可変とする手段としての調圧弁６が設けられる。また、エアコンプレッサ５下流のエア供給路１０１から、開閉弁５１を有するエア流路１０３が分岐しており、２流体噴射ノズル４に接続されている。調圧弁６は、絞り量を変更することで、燃料電池１の背圧値を調整するもので、通常はエアコンプレッサ５の吐出圧が、燃料電池１内における酸素分圧を確保するための必要圧力となるように、制御手段７にて調整している。さらに本実施形態では、低温時に生成水の微粒化を促進するために、通常よりも高い吐出圧力に調整することもできる。この詳細については、後述する。

燃料電池１は、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生するもので、多数のセルを積層して電気的に直列接続した固体高分子電解質膜型の燃料電池スタックが好適に用いられる。基本単位構造となるセルは、通常公知の構成で、電解質膜の両側面に電極が配置されたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly ）と呼ばれる膜電極接合体を、水素側セパレータおよびエア側セパレータの間に挟んだ構成を有している。ＭＥＡは、ナフィオンに代表される高分子電解質膜の両面に触媒層が形成され、さらにガス拡散層で両面を挟んで一体化されている。ＭＥＡを挟持するエア側セパレータおよび水素側セパレータは、例えばカーボン材または導電性金属よりなる板状部材であり、ガス拡散層との間にそれぞれエア流路および水素流路を形成している。

図１（ａ）のエア供給路１０１および水素供給路２０１から、燃料電池スタック１にエアおよび水素が供給されると、各セル内のこれらエア流路および水素流路にガスが導入され、ＭＥＡの両電極において下記の電気化学反応が起こる。
アノード電極（水素流路側） Ｈ₂ →２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- ・・・（１）
カソード電極（エア流路側） ２Ｈ⁺ ＋１／２Ｏ₂ ⁺＋２ｅ^- →Ｈ₂ Ｏ・・・（２）
反応に用いられなかった未反応エアおよび未反応水素は、エア排出路１０２および水素排出路２０２から排出される。未反応水素は、通常、循環再利用される。

燃料電池１の電気出力は図示しないＤＣ／ＤＣコンバータに送られ、電圧調整の後、自動車駆動用のモータや各種補機類の駆動、２次電池の充電等に用いられる。必要な電力は運転状況によって変化し、制御手段７が、エアコンプレッサ５の回転数や、調圧弁６の絞り量、その他、燃料電池システム全体を制御する。

上記式（２）のように、エア流路側では、発電の際の化学反応により水が生成する。この水分は、エア流路を通過したエア（オフエア）とともにエア排出路１０２に排出されるが、そのまま車外に放出されると、走行風による巻き上げや飛散により後続車両への水掛かりが懸念される。また、低温環境下では、路面凍結のおそれがある。そこで、本実施形態では、図１（ｂ）のように、気液分離器３と２流体噴射ノズル４からなる微粒化手段を設けて、生成水を分離した上、微粒化してから車外へ放散する。この微粒化手段について、以下に説明する。

図１（ｂ）において、気液分離器３は上部側面に開口する導入口３１に、調圧弁６側のエア排出路１０２ａが接続されており、燃料電池１からのオフエアと生成水が導入されて比重差によって気液が分離するようになっている。気液分離器３の頂面には、分離したオフエアの導出口３２が開口し、エア排出路１０２ｂを経て大気に開放される。一方、オフエアから分離した生成水は、気液分離器３を落下してその底面に開口する導出口３３から、２流体噴射ノズル４に流入する。

２流体噴射ノズル４は、鉛直方向に延びる生成水通路４ａと、その外周を同心状に取り巻くエア通路４ｂを有し、これら通路４ａ、４ｂの出口部（下端部）は、外径が先端側へ向けて次第に縮径する逆円錐形状のノズル４１、４２となっている。生成水通路４ａは、上端開口が、気液分離器３の導出口３３に接続しており、生成水が通路内を自由落下して、ノズル４１の先端（下端）に到達するようになっている。円環状のエア通路４ｂは、上端面が閉鎖され、上部側面に設けた開口に、エアコンプレッサ５からのエア通路５１が接続されて、加圧された高温エアが導入されるようになっている。２流体噴射ノズル４の出口部は、例えば図示するように、車両の床面位置に配置され、その下方の図示しない路面に対向している。

本実施形態における微粒化手段の作用効果について、図２、３により説明する。図２は、気液分離器３の具体的構成の一例を示すもので、下端部内周面をテーパ状に形成してガイド面とし、落下した生成水が速やかに導出口３３に到達するようにしている。なお、気液分離器３は、比重の違いによりオフエアと生成水を分離するものであれば、どのような構造でもよい。

導出口３３に達した生成水は、図３に示す２流体噴射ノズル４の内側の生成水通路４ａに流入し、重力により、ノズル４１先端まで自由落下する。一方、２流体噴射ノズル４の外側のエア通路４ｂには、エアコンプレッサ５から吐出されるエアが流入する。エアは、エアコンプレッサ５にて断熱圧縮されるために高温となっており、さらにノズル４２により高速化されて、噴出する。このため、２流体噴射ノズル４の出口部では、生成水とエアの流速差により生成水にせん断力が働き、液滴が分裂して、微粒子化する。加えて、高温のエアにより、微粒子化した生成水の気化が促進される。

ここで、２流体噴射ノズル４の内側の生成水通路４ａには、生成水に加えてオフエアも流れることになるが、ノズル４１の断面積を、気液分離器３のオフエア流路（頂面のオフエア導出口３２）の断面積に対して十分小さくすることで（例えば、１／１０００）、ほとんど流れないようにすることができる。

このように、本実施形態の構成によれば、排出される生成水を微粒子化し、さらに気化させた状態で車両の床下から放散させることができる。よって、従来、液滴状態の生成水が放出されることにより生じていた、巻き上げや飛散による後続車両への水掛かり、さらに低温環境下における路面凍結といった不具合を完全に解消することができ、安全性が大幅に向上する。

なお、低温時において、気化された生成水は、大気中に放出されることで凝縮するが、極めて細かい微粒子状態であるために液滴として落下することはなく、白霧として大気に拡散する。完全に気化されずに微粒化した生成水の場合も同様であり、白霧として大気に拡散する。このように、本発明によれば、微粒化手段により極めて細かい微粒子状態とされた生成水を、大気に広く拡散させることで、安全に排出することができる。

ここで、エアコンプレッサ５からのエア吐出温度が高ければ、２流体噴射ノズル４から噴出される高温エアによって、気化が促進される。そこで、低温時には、外気温度に応じて調圧弁６の絞り量を調整することで、エア吐出圧を上げ、エア吐出温度が所望の範囲となるように制御することができる。

図４は、外気温度とエアコンプレッサ５からのエア吐出圧の調圧範囲の制御例を示すもので、外気温１０℃以上では、燃料電池１の酸素分圧確保のために必要な圧力（例えば１７０〜２１０ｋＰａ程度）に調整する。外気温１０℃を下回る低温時には、温度が低いほどエア吐出圧の調圧範囲が高くなるように、調圧弁６を絞る。具体的には、エア吐出温度範囲（低温時）が、例えば６０〜８０℃程度となるようにするとよい。ただし、エア吐出温度が高いほど気化しやすくなるが、エア吐出圧を高くする必要があり、消費動力が大きくなることから、これらを考慮して適宜設定するのがよい。

図５は、制御手段７によるエア吐出圧制御動作を示すフローチャートである。図５のステップＳ１〜Ｓ５の処理は、燃料電池１が通常の発電運転を継続している時に実行される処理であり、まずステップＳ１において、制御手段７は、要求される燃料電池出力（ＦＣ出力）を入力する。次いで、ステップＳ２において、燃料電池出力に応じたコンプレッサ回転数（エア供給量）を計算し、ステップＳ３において、外気温度センサ７１の検出値を読み込み、外気温に応じて調圧値を決定する。この時、制御手段７は、例えば上記図４に基づくマップを予め記憶しておき、検出された外気温に対応する調圧値を選択すればよい。続くステップＳ４では、ステップＳ２のコンプレッサ回転数（エア供給量）、ステップＳ３の調圧値より、調圧弁６の絞り量を決定する。その後、ステップＳ５へ進んで発電を開始する。

これにより、エア吐出圧を外気温度に応じてより細かく制御し、低温時においても、生成水の微粒化および気化を促進し、大気に広く拡散させることができる。よって、路面凍結を防止する効果が高く、より安全に生成水を排出することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明が適用される燃料電池車両は、上記図１の構成に限定されるものではなく、燃料電池システムの構成部材、流路構成等を変更することも可能である。

本発明の第１実施形態を示し、（ａ）は燃料電池車両に搭載される燃料電池システムの全体概略構成図、（ｂ）は、（ａ）の要部である微粒化手段の拡大図である。 本発明の作用効果を説明するための、気液分離器および２流体噴射ノズル４の拡大断面図である。 本発明の作用効果を説明するための、２流体噴射ノズル４の拡大断面図である。 外気温度とエア吐出圧の調圧範囲の関係を示す図である。、ある。 制御手段によるエア吐出圧制御動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池
１０１ エア供給路
１０２ エア排出路
１０３ エア通路
２０１ 水素側供給流路
２０２ 水素側排出流路
３ 気液分離器
３１ 導入口
３２、３３ 導出口
４ ２流体噴射ノズル
４ａ 生成水通路
４ｂ エア通路
４１、４２ ノズル
５ エアコンプレッサ
６ 調圧弁
７ 制御手段
７１ 外気温センサ

Claims (5)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により発電する燃料電池を動力源として備える燃料電池車両であって、
   発電に伴って上記燃料電池から排出される生成水をエアコンプレッサから供給されるエアと混合し微粒化する微粒化手段を設けて、該微粒化手段の出口部を車両下面に開口させ、微粒化した生成水を上記微粒化手段の出口部から車両外部に放散させることを特徴とする燃料電池車両。
2. 上記微粒化手段は、上記燃料電池から排出される生成水が流入する生成水通路の外周側に、上記エアコンプレッサからエアが供給されるエア通路を同心状に配置し、両通路の出口部を、先端側へ向けて通路径が縮小するノズル状に構成した２流体噴射ノズルを備える請求項１に記載の燃料電池車両。
3. 上記微粒化手段は、上記２流体噴射ノズルの上流側に気液分離器を備える請求項２に記載の燃料電池車両。
4. 上記エアコンプレッサのエア吐出圧を可変とする手段を備える請求項２または３に記載の燃料電池車両。
5. 外気温度を検出する外気温センサと、検出した外気温度に応じて上記調圧弁の調圧値を調整して、上記エアコンプレッサからのエア吐出圧を制御する制御手段を備える請求項４に記載の燃料電池車両。