JP2013154691A - 燃料電池車両 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、ヒートポンプ式空調装置を搭載した燃料電池車両について、空調性能を向上させるとともに空冷式燃料電池スタックの運転性を向上させることを目的とする。
【解決手段】このため、車両に空冷式燃料電池スタックとヒートポンプ式空調装置を備え、ヒートポンプ式空調装置は、冷媒循環流路に圧縮機と室内熱交換器と膨張弁と室外熱交換器を順に配置し、室外熱交換器は冷房用室外熱交換器と暖房用室外熱交換器を含み、空冷式燃料電池スタックと冷房用室外熱交換器と暖房用室外熱交換器を車両前部に配置するとともに、空冷式燃料電池スタックを冷却後の外気によって暖房用室外熱交換器を加熱する燃料電池車両において、空冷式燃料電池スタックの前後側に夫々吸気ダクトと排気ダクトを取り付け、車両前方から見た場合、車両前側部に吸気ダクトと冷房用室外熱交換器を互いに重ならない状態で配置し、排気ダクトの後方に暖房用室外熱交換器を配置した。
【選択図】図1
【解決手段】このため、車両に空冷式燃料電池スタックとヒートポンプ式空調装置を備え、ヒートポンプ式空調装置は、冷媒循環流路に圧縮機と室内熱交換器と膨張弁と室外熱交換器を順に配置し、室外熱交換器は冷房用室外熱交換器と暖房用室外熱交換器を含み、空冷式燃料電池スタックと冷房用室外熱交換器と暖房用室外熱交換器を車両前部に配置するとともに、空冷式燃料電池スタックを冷却後の外気によって暖房用室外熱交換器を加熱する燃料電池車両において、空冷式燃料電池スタックの前後側に夫々吸気ダクトと排気ダクトを取り付け、車両前方から見た場合、車両前側部に吸気ダクトと冷房用室外熱交換器を互いに重ならない状態で配置し、排気ダクトの後方に暖房用室外熱交換器を配置した。
【選択図】図1
Description
この発明は燃料電池車両に係り、特に空冷式燃料電池スタックとヒートポンプ式空調装置を搭載した燃料電池車両であって、空調性能の向上及び空冷式燃料電池スタックの運転性の向上を図る燃料電池車両に関するものである。
燃料電池装置においては、水素と空気中の酸素との化学反応により電気が発生し、同時に水が生成される。
燃料電池反応においては、燃料電池スタック内部では電解質膜や電極の電気抵抗に起因する抵抗過電圧、水素と酸素が電気化学反応を起こすための活性化過電圧、拡散層中を水素や酸素が移動するための拡散過電圧など様々な損失が発生し、それにより発生した廃熱を冷却する必要がある。
前記燃料電池装置には、発電時に生じる熱を冷却水で冷却する水冷式燃料電池装置と、空気で冷却する空冷式燃料電池装置とがある。
燃料電池反応においては、燃料電池スタック内部では電解質膜や電極の電気抵抗に起因する抵抗過電圧、水素と酸素が電気化学反応を起こすための活性化過電圧、拡散層中を水素や酸素が移動するための拡散過電圧など様々な損失が発生し、それにより発生した廃熱を冷却する必要がある。
前記燃料電池装置には、発電時に生じる熱を冷却水で冷却する水冷式燃料電池装置と、空気で冷却する空冷式燃料電池装置とがある。
ところで、従来、燃料電池装置を燃料電池車両に搭載する際に、燃料電池スタックは内燃機関より発熱量が少ないため、車室内の暖房を行う場合、十分な熱量が得られないという不都合がある。
そこで、上記特許文献1や特許文献2のように外気から熱を汲み上げるヒートポンプ式空調装置を熱源の確保し難い車両に使用することが考えられる。
上記特許文献1では、発熱源の空気流れ方向の前後にヒートポンプ式空調装置の室外熱交換器を2個配置し、暖房運転時に発熱源の後側に配置された室外熱交換器に冷媒を循環させ、冷房時には発熱源の前側に配置した室外熱交換器に冷媒を循環させるように冷媒の流路を切り換える構造が記載されている。
この特許文献1の構造によれば、暖房時に発熱源を通過した比較的高温の外気を車室外熱交換器に流して車室外熱交換器への霜の付着を抑制でき、冷房時には発熱源を通過する前の比較的低温の外気を車室外熱交換器に流して冷房性能を高めることができる。
また、上記特許文献2では、エンジン又は燃料電池装置とヒートポンプ式空調装置を備えた車両について、ヒートポンプ式空調装置の車室内熱交換器の前後にエンジン又は燃料電池装置を冷却するラジエータを2個配置し、暖房時に前側のラジエータに冷却水を流し、冷房時に後側のラジエータに冷却水を流し、上記特許文献1と同様な効果を得つつ冷房時と暖房時の冷媒循環量の平準化を図ることが記載されている。
しかし、上記2つの特許文献1や特許文献2に記載された構造では、3個の熱交換器を車両前後方向に並べた構造のため、通気抵抗が増加により熱交換器を通過する外気の風量が減少し、各熱交換器の放熱性が低下するという不都合がある。
また、上記特許文献1や特許文献2に記載された構造は、エンジンや燃料電池装置は冷却水を循環させる水冷式のものを前提としており、外気を反応ガス兼冷却媒体として使用する空冷式燃料電池装置に使用した場合、冷房時に反応ガスの温度が上昇して発電量が変動する虞があるという不都合がある。
そこで、上記特許文献1や特許文献2のように外気から熱を汲み上げるヒートポンプ式空調装置を熱源の確保し難い車両に使用することが考えられる。
上記特許文献1では、発熱源の空気流れ方向の前後にヒートポンプ式空調装置の室外熱交換器を2個配置し、暖房運転時に発熱源の後側に配置された室外熱交換器に冷媒を循環させ、冷房時には発熱源の前側に配置した室外熱交換器に冷媒を循環させるように冷媒の流路を切り換える構造が記載されている。
この特許文献1の構造によれば、暖房時に発熱源を通過した比較的高温の外気を車室外熱交換器に流して車室外熱交換器への霜の付着を抑制でき、冷房時には発熱源を通過する前の比較的低温の外気を車室外熱交換器に流して冷房性能を高めることができる。
また、上記特許文献2では、エンジン又は燃料電池装置とヒートポンプ式空調装置を備えた車両について、ヒートポンプ式空調装置の車室内熱交換器の前後にエンジン又は燃料電池装置を冷却するラジエータを2個配置し、暖房時に前側のラジエータに冷却水を流し、冷房時に後側のラジエータに冷却水を流し、上記特許文献1と同様な効果を得つつ冷房時と暖房時の冷媒循環量の平準化を図ることが記載されている。
しかし、上記2つの特許文献1や特許文献2に記載された構造では、3個の熱交換器を車両前後方向に並べた構造のため、通気抵抗が増加により熱交換器を通過する外気の風量が減少し、各熱交換器の放熱性が低下するという不都合がある。
また、上記特許文献1や特許文献2に記載された構造は、エンジンや燃料電池装置は冷却水を循環させる水冷式のものを前提としており、外気を反応ガス兼冷却媒体として使用する空冷式燃料電池装置に使用した場合、冷房時に反応ガスの温度が上昇して発電量が変動する虞があるという不都合がある。
この発明は、空冷式燃料電池スタックとヒートポンプ式空調装置を搭載した燃料電池車両について、空調性能を向上させるとともに空冷式燃料電池スタックの運転性を向上させることを目的とする。
そこで、この発明は、上述不都合を除去するために、外気を反応ガス兼冷却媒体として使用する空冷式燃料電池スタックと、ヒートポンプ式空調装置とを車両に備え、このヒートポンプ式空調装置は、冷媒を循環させる冷媒循環流路に、冷媒を圧縮する圧縮機と、冷媒と車室内の空気との間で熱交換を行う室内熱交換器と、冷媒を膨張させる膨張弁と、冷媒と外気との間で熱交換を行う室外熱交換器とをこの順に配置して成り、冷房時と暖房時とで冷媒の流れる方向を切り換え、前記室外熱交換器は冷房時のみ冷媒が循環する冷房用室外熱交換器と暖房時のみ冷媒が循環する暖房用室外熱交換器とを含み、前記空冷式燃料電池スタックと前記冷房用室外熱交換器と前記暖房用室外熱交換器とを車両の前部に配置するとともに、前記空冷式燃料電池スタックを冷却後の外気によって前記暖房用室外熱交換器を加熱するようにした燃料電池車両において、前記空冷式燃料電池スタックの前側と後側に夫々吸気ダクトと、排気ダクトを取り付け、車両を前方から見た場合、車両前側部に前記吸気ダクトと前記冷房用室外熱交換器とを車両前後方向に重ならない状態で配置し、前記排気ダクトの後方に前記暖房用室外熱交換器を配置したことを特徴とする。
以上詳細に説明した如くこの発明によれば、暖房時に空冷式燃料電池スタックと熱交換して昇温した外気によって暖房用室外熱交換器を加熱でき、ヒートポンプ式空調装置の暖房性能を向上させるとともに暖房用室外熱交換器に霜が付着することを防止できる。
この際、車両を前方から見た場合、車両前側部に吸気ダクトと冷房用室外熱交換器とを車両前後方向に重ならない状態で配置したため、冷房用室外熱交換器の通気抵抗によって吸気ダクトを通して暖房用室外熱交換器へ流れる外気の流量が減少することを防止できる。
このため、空冷式燃料電池スタックでの放熱効果と暖房用室外熱交換器での加熱効果とが向上し、ヒートポンプ式空調装置の暖房性能を向上させることができる。
また、冷房時には、暖房用室外熱交換器の通気抵抗によって冷房用室外熱交換器を通過する外気の流量が減少することを防止でき、ヒートポンプ式空調装置の冷房性能を向上させることができる。
更に、冷房時に冷房用室外熱交換器を冷却して昇温した外気が空冷式燃料電池スタックヘ流入することがないため、反応ガスである外気の温度変化を抑制できる。
よって、本発明では、ヒートポンプ式空調装置の空調性能を向上させるとともに空冷式燃料電池スタックの運転性を向上させることができる。
この際、車両を前方から見た場合、車両前側部に吸気ダクトと冷房用室外熱交換器とを車両前後方向に重ならない状態で配置したため、冷房用室外熱交換器の通気抵抗によって吸気ダクトを通して暖房用室外熱交換器へ流れる外気の流量が減少することを防止できる。
このため、空冷式燃料電池スタックでの放熱効果と暖房用室外熱交換器での加熱効果とが向上し、ヒートポンプ式空調装置の暖房性能を向上させることができる。
また、冷房時には、暖房用室外熱交換器の通気抵抗によって冷房用室外熱交換器を通過する外気の流量が減少することを防止でき、ヒートポンプ式空調装置の冷房性能を向上させることができる。
更に、冷房時に冷房用室外熱交換器を冷却して昇温した外気が空冷式燃料電池スタックヘ流入することがないため、反応ガスである外気の温度変化を抑制できる。
よって、本発明では、ヒートポンプ式空調装置の空調性能を向上させるとともに空冷式燃料電池スタックの運転性を向上させることができる。
以下図面に基づいてこの発明の実施例を詳細に説明する。
図1〜図7はこの発明の実施例を示すものである。
図1〜図4において、1は燃料電池車両、2は車体パネル(「フロントフード」ともいう。)、3はフロントガラス、4はダッシュパネル、5Lは左側前輪、5Rは右側前輪、6Lは左サイドパネル、6Rは右サイドパネルである。
図1〜図4において、1は燃料電池車両、2は車体パネル(「フロントフード」ともいう。)、3はフロントガラス、4はダッシュパネル、5Lは左側前輪、5Rは右側前輪、6Lは左サイドパネル、6Rは右サイドパネルである。
前記燃料電池車両1は、空冷式燃料電池システム7を搭載している。
この空冷式燃料電池システム7においては、図5に示す如く、水素タンク8に圧縮して貯蔵された高圧の水素ガスを減圧弁9により降圧した後に空冷式燃料電池スタック10のアノード吸気部に導入する一方、一般的な燃料電池装置のようにカソードへの吸気装置には高圧のコンプレッサを有さず、フィルタ11を通して吸気した外気を低圧のブロアファン12によって前記空冷式燃料電池スタック10に供給する。
この空冷式燃料電池スタック10に供給された空気は、空冷式燃料電池スタック10における発電反応に使用する(反応ガス)のみでなく、空冷式燃料電池スタック10における廃熱を奪い、空冷式燃料電池スタック10を冷却する役割を有する。
空冷式燃料電池スタック10のアノード排気通路は、パージ弁13を介して空冷式燃料電池スタック10からのカソード排気通路に連結され、アノード側から排出される排気水素ガスのパージを行う際には、排気水素ガスをカソード側排気により可燃下限濃度以下に希釈して外部に放出される。
この空冷式燃料電池システム7では、電気化学反応と、それに付随して水を生成する。
前記空冷式燃料電池スタック10は、通常、セルと呼ばれる最小構成単位を多数積層して構成されている。
なお、この空冷式燃料電池システム7は水冷式燃料電池装置のような冷却水ループを有しないため、冷却水による暖房を実施することはできない。
この空冷式燃料電池システム7においては、図5に示す如く、水素タンク8に圧縮して貯蔵された高圧の水素ガスを減圧弁9により降圧した後に空冷式燃料電池スタック10のアノード吸気部に導入する一方、一般的な燃料電池装置のようにカソードへの吸気装置には高圧のコンプレッサを有さず、フィルタ11を通して吸気した外気を低圧のブロアファン12によって前記空冷式燃料電池スタック10に供給する。
この空冷式燃料電池スタック10に供給された空気は、空冷式燃料電池スタック10における発電反応に使用する(反応ガス)のみでなく、空冷式燃料電池スタック10における廃熱を奪い、空冷式燃料電池スタック10を冷却する役割を有する。
空冷式燃料電池スタック10のアノード排気通路は、パージ弁13を介して空冷式燃料電池スタック10からのカソード排気通路に連結され、アノード側から排出される排気水素ガスのパージを行う際には、排気水素ガスをカソード側排気により可燃下限濃度以下に希釈して外部に放出される。
この空冷式燃料電池システム7では、電気化学反応と、それに付随して水を生成する。
前記空冷式燃料電池スタック10は、通常、セルと呼ばれる最小構成単位を多数積層して構成されている。
なお、この空冷式燃料電池システム7は水冷式燃料電池装置のような冷却水ループを有しないため、冷却水による暖房を実施することはできない。
次に、本発明の燃料電池自動車用冷暖房システム14について説明する。
前記燃料電池車両1に搭載される燃料電池自動車用冷暖房システム14は、図6及び図7に示す如く、ヒートポンプ式空調装置(「ヒートポンプ式冷暖房システム」ともいう。)15を備えている。
そして、このヒートポンプ式空調装置15は、図6及び図7に示す如く、冷媒を循環させる冷媒循環流路16に、冷媒を圧縮する圧縮機(「コンプレッサ」とも記載する。)17と、冷媒と車室内の空気との間で熱交換を行う室内熱交換器18と、冷媒を膨張させる膨張弁19と、冷媒と外気との間で熱交換を行う室外熱交換器20とをこの順に配置して成り、冷房時と暖房時とで冷媒の流れる方向を切り換えている。
また、前記室外熱交換器20は、冷房時のみ冷媒が循環する冷房用室外熱交換器21と暖房時のみ冷媒が循環する暖房用室外熱交換器22とを含んでいる。
このとき、図1及び図2に示す如く、前記燃料電池車両1は、前記空冷式燃料電池スタック10と前記冷房用室外熱交換器21と前記暖房用室外熱交換器22とを車両前部に配置するとともに、前記空冷式燃料電池スタック10を冷却した後の外気によって前記暖房用室外熱交換器22を加熱するようにする。
前記燃料電池車両1に搭載される燃料電池自動車用冷暖房システム14は、図6及び図7に示す如く、ヒートポンプ式空調装置(「ヒートポンプ式冷暖房システム」ともいう。)15を備えている。
そして、このヒートポンプ式空調装置15は、図6及び図7に示す如く、冷媒を循環させる冷媒循環流路16に、冷媒を圧縮する圧縮機(「コンプレッサ」とも記載する。)17と、冷媒と車室内の空気との間で熱交換を行う室内熱交換器18と、冷媒を膨張させる膨張弁19と、冷媒と外気との間で熱交換を行う室外熱交換器20とをこの順に配置して成り、冷房時と暖房時とで冷媒の流れる方向を切り換えている。
また、前記室外熱交換器20は、冷房時のみ冷媒が循環する冷房用室外熱交換器21と暖房時のみ冷媒が循環する暖房用室外熱交換器22とを含んでいる。
このとき、図1及び図2に示す如く、前記燃料電池車両1は、前記空冷式燃料電池スタック10と前記冷房用室外熱交換器21と前記暖房用室外熱交換器22とを車両前部に配置するとともに、前記空冷式燃料電池スタック10を冷却した後の外気によって前記暖房用室外熱交換器22を加熱するようにする。
つまり、前記ヒートポンプ式空調装置15の暖房時には、図6に示す如く、前記空冷式燃料電池システム7からのカソード排気を前記暖房用室外熱交換器22にのみ循環させる。
このとき、空冷式燃料電池システム7からのカソード排気の温度は内燃機関の冷却水温と比べて低いものであるが、暖房時の外気温に比べれば十分に高い状態である。
したがって、空冷式燃料電池システム7からのカソード排気を前記暖房用室外熱交換器22に導くことにより冷媒がより加熱され、暖房用室外熱交換器22への着霜を防止すると共に、暖房性能が向上する。
昨今のパワーエレクトロニクス技術の発展にも起因し、前記燃料電池車両1を始めとする電動車両においては、モータやインバータなどの損失に起因する発熱量は非常に小さいが、燃料電池システムからの廃熱量はそれらに比べて相対的に大きいため、空冷式燃料電池システム7のカソード廃熱を前記暖房用室外熱交換器22により回収する効果は非常に大きい。
一方、前記ヒートポンプ式空調装置15の冷房時においては、図7に示す如く、外気温より高温の前記空冷式燃料電池システム7からのカソード排気をヒートポンプ式空調装置15の前記暖房用室外熱交換器22に導くことは冷房性能の悪化に繋がる。
このため、本発明では、冷房時においては前記冷媒循環流路16を第1〜第3切替弁23、24、25により切り替え、冷媒を前記冷房用室外熱交換器21に循環するようにする。
この冷房用室外熱交換器21には、従来同様、外気(走行風)を導く。
このように前記ヒートポンプ式空調装置15に複数の冷房用室外熱交換器21及び暖房用室外熱交換器22を備え、冷暖房の状況により前記冷媒循環流路16を切り替えることにより、暖房時の室外熱交換器の着霜防止および暖房性能向上と、冷房時の冷房性能向上とを両立することができる。
このとき、空冷式燃料電池システム7からのカソード排気の温度は内燃機関の冷却水温と比べて低いものであるが、暖房時の外気温に比べれば十分に高い状態である。
したがって、空冷式燃料電池システム7からのカソード排気を前記暖房用室外熱交換器22に導くことにより冷媒がより加熱され、暖房用室外熱交換器22への着霜を防止すると共に、暖房性能が向上する。
昨今のパワーエレクトロニクス技術の発展にも起因し、前記燃料電池車両1を始めとする電動車両においては、モータやインバータなどの損失に起因する発熱量は非常に小さいが、燃料電池システムからの廃熱量はそれらに比べて相対的に大きいため、空冷式燃料電池システム7のカソード廃熱を前記暖房用室外熱交換器22により回収する効果は非常に大きい。
一方、前記ヒートポンプ式空調装置15の冷房時においては、図7に示す如く、外気温より高温の前記空冷式燃料電池システム7からのカソード排気をヒートポンプ式空調装置15の前記暖房用室外熱交換器22に導くことは冷房性能の悪化に繋がる。
このため、本発明では、冷房時においては前記冷媒循環流路16を第1〜第3切替弁23、24、25により切り替え、冷媒を前記冷房用室外熱交換器21に循環するようにする。
この冷房用室外熱交換器21には、従来同様、外気(走行風)を導く。
このように前記ヒートポンプ式空調装置15に複数の冷房用室外熱交換器21及び暖房用室外熱交換器22を備え、冷暖房の状況により前記冷媒循環流路16を切り替えることにより、暖房時の室外熱交換器の着霜防止および暖房性能向上と、冷房時の冷房性能向上とを両立することができる。
ここで、前記燃料電池車両1の舞う部の構造を説明する。
まず、燃料電池車両1の前部において、図1〜図4に示す如く、この燃料電池車両1の車両幅方向中心線Cよりも左側かつ前部のバンパメンバ26の後方に前記冷房用室外熱交換器21を配設し、この冷房用室外熱交換器21の後方に電気部品類を冷却するラジエータ(「水冷用熱交換器」ともいう。)27を配設する。
そして、このラジエータ27の後方には、インバータ28と走行用モータ29とを配設する。
また、前記空冷式燃料電池スタック10を前記インバータ28の右側に配設する。
このとき、前記空冷式燃料電池スタック10は、図3に示す如く、第1燃料電池ユニット10aとこの第1燃料電池ユニット10aの下方に位置する第2燃料電池ユニット10bとからなる。
そして、前記空冷式燃料電池スタック10の前側と後側に夫々吸気ダクト30と排気ダクト31とを取り付ける。
このとき、吸気ダクト30は、図2〜図4に示す如く、上方の前記第1燃料電池ユニット10aの前側に位置する第1吸気ダクト30aと、この第1吸気ダクト30aよりも下方に位置し、前記第2燃料電池ユニット10bの前側に位置する第2吸気ダクト30bとからなる。
また、前記排気ダクト31は、図3に示す如く、上方の前記第1燃料電池ユニット10aの後側に位置する第1排気ダクト31aと、この第1排気ダクト31aよりも下方に位置し、前記第2燃料電池ユニット10bの後側に位置する第2排気ダクト31bとからなる。
まず、燃料電池車両1の前部において、図1〜図4に示す如く、この燃料電池車両1の車両幅方向中心線Cよりも左側かつ前部のバンパメンバ26の後方に前記冷房用室外熱交換器21を配設し、この冷房用室外熱交換器21の後方に電気部品類を冷却するラジエータ(「水冷用熱交換器」ともいう。)27を配設する。
そして、このラジエータ27の後方には、インバータ28と走行用モータ29とを配設する。
また、前記空冷式燃料電池スタック10を前記インバータ28の右側に配設する。
このとき、前記空冷式燃料電池スタック10は、図3に示す如く、第1燃料電池ユニット10aとこの第1燃料電池ユニット10aの下方に位置する第2燃料電池ユニット10bとからなる。
そして、前記空冷式燃料電池スタック10の前側と後側に夫々吸気ダクト30と排気ダクト31とを取り付ける。
このとき、吸気ダクト30は、図2〜図4に示す如く、上方の前記第1燃料電池ユニット10aの前側に位置する第1吸気ダクト30aと、この第1吸気ダクト30aよりも下方に位置し、前記第2燃料電池ユニット10bの前側に位置する第2吸気ダクト30bとからなる。
また、前記排気ダクト31は、図3に示す如く、上方の前記第1燃料電池ユニット10aの後側に位置する第1排気ダクト31aと、この第1排気ダクト31aよりも下方に位置し、前記第2燃料電池ユニット10bの後側に位置する第2排気ダクト31bとからなる。
このとき、前記燃料電池車両1を前方から見た場合、車両前側部に前記吸気ダクト30と前記冷房用室外熱交換器21とを車両前後方向に重ならない状態で配置し、前記排気ダクト31の後方に前記暖房用室外熱交換器22を配置する構成とする。
詳述すれば、前記燃料電池車両1の車両前側部において、図1及び図2、図4に示す如く、前記冷房用室外熱交換器21を燃料電池車両1の車両幅方向中心線Cよりも左側かつ前部のバンパメンバ26の後方に配設した際に、前記吸気ダクト30を前記冷房用室外熱交換器21の右側、つまり前記燃料電池車両1の車両幅方向中心線Cよりも右側かつ前部のバンパメンバ26の後方に配設し、前記吸気ダクト30と前記冷房用室外熱交換器21とを車両前後方向に重ならない状態とするものである。
また、前記排気ダクト31の後方、かつ、前記走行用モータ29の配設位置近傍には、図1〜図3に示す如く、前記暖房用室外熱交換器22を配置している。
したがって、上記構造によって、暖房時に前記空冷式燃料電池スタック10と熱交換して昇温した外気によって前記暖房用室外熱交換器22を加熱でき、前記ヒートポンプ式空調装置15の暖房性能を向上させるとともに暖房用室外熱交換器22に霜が付着することを防止できる。
この際、前記燃料電池車両1を前方から見た場合、車両前側部に前記吸気ダクト30と前記冷房用室外熱交換器21とを車両前後方向に重ならない状態で配置したため、冷房用室外熱交換器21の通気抵抗によって吸気ダクト30を通して暖房用室外熱交換器22へ流れる外気の流量が減少することを防止できる。
このため、前記空冷式燃料電池スタック10での放熱効果と前記暖房用室外熱交換器22での加熱効果とが向上し、前記ヒートポンプ式空調装置15の暖房性能を向上させることができる。
また、冷房時には、前記暖房用室外熱交換器22の通気抵抗によって前記冷房用室外熱交換器21を通過する外気の流量が減少することを防止でき、前記ヒートポンプ式空調装置15の冷房性能を向上させることができる。
更に、冷房時に前記冷房用室外熱交換器21を冷却して昇温した外気が前記空冷式燃料電池スタック10に流入することがないため、反応ガスである外気の温度変化を抑制できる。
よって、本発明では、前記ヒートポンプ式空調装置15の空調性能を向上させるとともに前記空冷式燃料電池スタック10の運転性を向上させることができる。
詳述すれば、前記燃料電池車両1の車両前側部において、図1及び図2、図4に示す如く、前記冷房用室外熱交換器21を燃料電池車両1の車両幅方向中心線Cよりも左側かつ前部のバンパメンバ26の後方に配設した際に、前記吸気ダクト30を前記冷房用室外熱交換器21の右側、つまり前記燃料電池車両1の車両幅方向中心線Cよりも右側かつ前部のバンパメンバ26の後方に配設し、前記吸気ダクト30と前記冷房用室外熱交換器21とを車両前後方向に重ならない状態とするものである。
また、前記排気ダクト31の後方、かつ、前記走行用モータ29の配設位置近傍には、図1〜図3に示す如く、前記暖房用室外熱交換器22を配置している。
したがって、上記構造によって、暖房時に前記空冷式燃料電池スタック10と熱交換して昇温した外気によって前記暖房用室外熱交換器22を加熱でき、前記ヒートポンプ式空調装置15の暖房性能を向上させるとともに暖房用室外熱交換器22に霜が付着することを防止できる。
この際、前記燃料電池車両1を前方から見た場合、車両前側部に前記吸気ダクト30と前記冷房用室外熱交換器21とを車両前後方向に重ならない状態で配置したため、冷房用室外熱交換器21の通気抵抗によって吸気ダクト30を通して暖房用室外熱交換器22へ流れる外気の流量が減少することを防止できる。
このため、前記空冷式燃料電池スタック10での放熱効果と前記暖房用室外熱交換器22での加熱効果とが向上し、前記ヒートポンプ式空調装置15の暖房性能を向上させることができる。
また、冷房時には、前記暖房用室外熱交換器22の通気抵抗によって前記冷房用室外熱交換器21を通過する外気の流量が減少することを防止でき、前記ヒートポンプ式空調装置15の冷房性能を向上させることができる。
更に、冷房時に前記冷房用室外熱交換器21を冷却して昇温した外気が前記空冷式燃料電池スタック10に流入することがないため、反応ガスである外気の温度変化を抑制できる。
よって、本発明では、前記ヒートポンプ式空調装置15の空調性能を向上させるとともに前記空冷式燃料電池スタック10の運転性を向上させることができる。
また、前記冷房用室外熱交換器21を車両幅方向または車両上下方向における中央部から一側に偏った位置に配置し、前記吸気ダクト30を車両幅方向または車両上下方向における中央部から他側に偏った位置に配置する。
つまり、前記冷房用室外熱交換器21を配置する際には、図1及び図2に示す如く、前記燃料電池車両1の車両幅方向中心線Cよりも左側かつ前部のバンパメンバ26の後方位置とし、例えば車両幅方向における中央部から一側である左側に偏った位置に配置する。
また、前記吸気ダクト30を配置する際には、図1及び図2、図4に示す如く、前記燃料電池車両1の車両幅方向中心線Cよりも右側かつ前部のバンパメンバ26の後方位置とし、例えば車両幅方向における中央部から他側である右側に偏った位置に配置する。
これにより、前記冷房用室外熱交換器21と前記吸気ダクト30とを車両幅方向または車両上下方向、この実施例の説明では車両幅方向における中央部から互いに反対方向に移動させるため、吸気ダクト30を複雑に曲げることなく、冷房時に冷房用室外熱交換器21を冷却して昇温した外気が前記空冷式燃料電池スタック10に流入することを防止できる。
つまり、前記冷房用室外熱交換器21を配置する際には、図1及び図2に示す如く、前記燃料電池車両1の車両幅方向中心線Cよりも左側かつ前部のバンパメンバ26の後方位置とし、例えば車両幅方向における中央部から一側である左側に偏った位置に配置する。
また、前記吸気ダクト30を配置する際には、図1及び図2、図4に示す如く、前記燃料電池車両1の車両幅方向中心線Cよりも右側かつ前部のバンパメンバ26の後方位置とし、例えば車両幅方向における中央部から他側である右側に偏った位置に配置する。
これにより、前記冷房用室外熱交換器21と前記吸気ダクト30とを車両幅方向または車両上下方向、この実施例の説明では車両幅方向における中央部から互いに反対方向に移動させるため、吸気ダクト30を複雑に曲げることなく、冷房時に冷房用室外熱交換器21を冷却して昇温した外気が前記空冷式燃料電池スタック10に流入することを防止できる。
更に、前記空冷式燃料電池スタック10と前記暖房用室外熱交換器22との間に排気ファン32を配置する。
つまり、車両前部に位置する前記空冷式燃料電池スタック10と、この空冷式燃料電池スタック10に取り付けられる前記排気ダクト31よりも車両後方に位置する前記暖房用室外熱交換器22との間に、図1及び図3に示す如く、前記排気ファン32を配設するものである。
このとき、この排気ファン32は、図3に示す如く、前記排気ダクト31の第1排気ダクト31aの後方に位置しかつ車両幅方向に並列に配設される第1排気ファン32a、32aと、この第1排気ファン32a、32aよりも下方に位置し、前記排気ダクト31の第2排気ダクト31bの後方に位置する第2排気ファン32bとからなる。
これにより、前記排気ファン32によって前記空冷式燃料電池スタック10から外気を吸い出すと同時に前記暖房用室外熱交換器22へ昇温した外気を送ることができる。
このため、前記暖房用室外熱交換器22の加熱性を向上でき、前記空冷式燃料電池スタック10を搭載した前記燃料電池車両1の暖房性能を向上できる。
つまり、車両前部に位置する前記空冷式燃料電池スタック10と、この空冷式燃料電池スタック10に取り付けられる前記排気ダクト31よりも車両後方に位置する前記暖房用室外熱交換器22との間に、図1及び図3に示す如く、前記排気ファン32を配設するものである。
このとき、この排気ファン32は、図3に示す如く、前記排気ダクト31の第1排気ダクト31aの後方に位置しかつ車両幅方向に並列に配設される第1排気ファン32a、32aと、この第1排気ファン32a、32aよりも下方に位置し、前記排気ダクト31の第2排気ダクト31bの後方に位置する第2排気ファン32bとからなる。
これにより、前記排気ファン32によって前記空冷式燃料電池スタック10から外気を吸い出すと同時に前記暖房用室外熱交換器22へ昇温した外気を送ることができる。
このため、前記暖房用室外熱交換器22の加熱性を向上でき、前記空冷式燃料電池スタック10を搭載した前記燃料電池車両1の暖房性能を向上できる。
更にまた、前記暖房用室外熱交換器22を前記走行用モータ29の上方に配置する。
つまり、この走行用モータ29を前記排気ダクト31の後方に配設した際に、図3に示す如く、走行用モータ29の上方に前記暖房用室外熱交換器22を配設するものである。
これにより、暖房時に前記走行用モータ29から発生する熱で上方に位置する前記暖房用室外熱交換器22を加熱することができ、前記ヒートポンプ式空調装置15の暖房性能を向上させることができる。
また、前記走行用モータ29によって外気を暖房用室外熱交換器22へ流す流路の通気抵抗が増加することが防止でき、前記暖房用室外熱交換器22の加熱性を向上させることができる。
つまり、この走行用モータ29を前記排気ダクト31の後方に配設した際に、図3に示す如く、走行用モータ29の上方に前記暖房用室外熱交換器22を配設するものである。
これにより、暖房時に前記走行用モータ29から発生する熱で上方に位置する前記暖房用室外熱交換器22を加熱することができ、前記ヒートポンプ式空調装置15の暖房性能を向上させることができる。
また、前記走行用モータ29によって外気を暖房用室外熱交換器22へ流す流路の通気抵抗が増加することが防止でき、前記暖房用室外熱交換器22の加熱性を向上させることができる。
また、前記前記空冷式燃料電池スタック10は燃料電池ユニット、例えば2個の第1、第2燃料電池ユニット10a、10bを車両上下方向に積み重ねた構造であって、前記排気ダクト31及び前記排気ファン32を車両上下方向で前記第1、第2燃料電池ユニット10a、10bに対応する位置に個別に配置している。
つまり、前記空冷式燃料電池スタック10は、図3に示す如く、第1燃料電池ユニット10aとこの第1燃料電池ユニット10aの下方に位置する第2燃料電池ユニット10bとからなり、これらの第1、第2燃料電池ユニット10a、10bに対応する位置、すなわち、第1燃料電池ユニット10aの後方に前記第1排気ダクト31aと前記第1排気ファン32a、32aとを配設する一方、前記第2燃料電池ユニット10bの後方に前記第2排気ダクト31bと前記第2排気ファン32bとを配設するものである。
これにより、前記排気ダクト31及び前記排気ファン32の配置方法によって車両上下方向に積み重ねた、例えば第1、第2燃料電池ユニット10a、10bの冷却効果を向上させつつ外気を確実に前記暖房用室外熱交換器22に案内することができる。
つまり、前記空冷式燃料電池スタック10は、図3に示す如く、第1燃料電池ユニット10aとこの第1燃料電池ユニット10aの下方に位置する第2燃料電池ユニット10bとからなり、これらの第1、第2燃料電池ユニット10a、10bに対応する位置、すなわち、第1燃料電池ユニット10aの後方に前記第1排気ダクト31aと前記第1排気ファン32a、32aとを配設する一方、前記第2燃料電池ユニット10bの後方に前記第2排気ダクト31bと前記第2排気ファン32bとを配設するものである。
これにより、前記排気ダクト31及び前記排気ファン32の配置方法によって車両上下方向に積み重ねた、例えば第1、第2燃料電池ユニット10a、10bの冷却効果を向上させつつ外気を確実に前記暖房用室外熱交換器22に案内することができる。
追記すれば、前記燃料電池車両1は、前記空冷式燃料電池システム7の空冷式燃料電池スタック10とヒートポンプ式空調装置15とを備えている。
そして、前記空冷式燃料電池システム7においては、上下2個の第1、第2燃料電池ユニット10a、10bからなる空冷式燃料電池スタック10に対し、第1、第2吸気ダクト30a、30bからなる前記吸気ダクト30や第1、第2排気ダクト31a、31bからなる前記排気ダクト31、第1、第2排気ファン32a、32a、32bからなる前記排気ファン32を夫々設けている。
このとき、この排気ファン32は前記空冷式燃料電池スタック10の第1、第2燃料電池ユニット10a、10b背後に前記排気ダクト31を介して備えられ、前記暖房用室外熱交換器22は上部に位置する第1燃料電池ユニット10aに取り付けられる第1、第2排気ファン32a、32aの後方に配置される。
一方、前記冷房用室外熱交換器21は車両前部において、前記吸気ダクト30の側方であり、走行風の当たる位置に搭載される。
そして、暖房時においては、前記空冷式燃料電池システム7からの排気熱を前記暖房用室外熱交換器22において回収し、冷房時においては冷媒が前記冷房用室外熱交換器21を通るように流路の切り替えを行う。
このとき、前記暖房用室外熱交換器22は、前記空冷式燃料電池スタック10の後方に配置するが、この実施例では図1に示すようにこの横幅を空冷式燃料電池スタック10と概ね同等の長さとした。
これにより、空冷式燃料電池スタック10の廃熱を効率よく回収することが可能となる。
また、前記暖房用室外熱交換器22は空冷式燃料電池スタック10後方において、走行用モータ29の上部に配置する。
これにより、走行用モータ29上部の空間を有効に利用し、かつ暖気が集まりやすいため効率的な熱回収を行うことができる。
この実施例のような前記冷房用室外熱交換器21及び前記暖房用室外熱交換器22の配置構造は、空冷式燃料電池スタック10の冷却方式が水冷式であっても採用可能であるが、冷却水を暖房に利用することのできない空冷式燃料電池システム7にとっては、特に有効な暖房手段となる。
そして、前記空冷式燃料電池システム7においては、上下2個の第1、第2燃料電池ユニット10a、10bからなる空冷式燃料電池スタック10に対し、第1、第2吸気ダクト30a、30bからなる前記吸気ダクト30や第1、第2排気ダクト31a、31bからなる前記排気ダクト31、第1、第2排気ファン32a、32a、32bからなる前記排気ファン32を夫々設けている。
このとき、この排気ファン32は前記空冷式燃料電池スタック10の第1、第2燃料電池ユニット10a、10b背後に前記排気ダクト31を介して備えられ、前記暖房用室外熱交換器22は上部に位置する第1燃料電池ユニット10aに取り付けられる第1、第2排気ファン32a、32aの後方に配置される。
一方、前記冷房用室外熱交換器21は車両前部において、前記吸気ダクト30の側方であり、走行風の当たる位置に搭載される。
そして、暖房時においては、前記空冷式燃料電池システム7からの排気熱を前記暖房用室外熱交換器22において回収し、冷房時においては冷媒が前記冷房用室外熱交換器21を通るように流路の切り替えを行う。
このとき、前記暖房用室外熱交換器22は、前記空冷式燃料電池スタック10の後方に配置するが、この実施例では図1に示すようにこの横幅を空冷式燃料電池スタック10と概ね同等の長さとした。
これにより、空冷式燃料電池スタック10の廃熱を効率よく回収することが可能となる。
また、前記暖房用室外熱交換器22は空冷式燃料電池スタック10後方において、走行用モータ29の上部に配置する。
これにより、走行用モータ29上部の空間を有効に利用し、かつ暖気が集まりやすいため効率的な熱回収を行うことができる。
この実施例のような前記冷房用室外熱交換器21及び前記暖房用室外熱交換器22の配置構造は、空冷式燃料電池スタック10の冷却方式が水冷式であっても採用可能であるが、冷却水を暖房に利用することのできない空冷式燃料電池システム7にとっては、特に有効な暖房手段となる。
1 燃料電池車両
7 空冷式燃料電池システム
8 水素タンク
9 減圧弁
10 空冷式燃料電池スタック
11 フィルタ
12 ブロアファン
13 パージ弁
14 燃料電池自動車用冷暖房システム
15 ヒートポンプ式空調装置(「ヒートポンプ式冷暖房システム」ともいう。)
16 冷媒循環流路
17 圧縮機(「コンプレッサ」とも記載する。)
18 室内熱交換器
19 膨張弁
20 室外熱交換器
21 冷房用室外熱交換器
22 暖房用室外熱交換器
23、24、25 第1〜第3切替弁
26 バンパメンバ
27 ラジエータ(「水冷用熱交換器」ともいう。)
28 インバータ
29 走行用モータ
30 吸気ダクト
31 排気ダクト
32 排気ファン
7 空冷式燃料電池システム
8 水素タンク
9 減圧弁
10 空冷式燃料電池スタック
11 フィルタ
12 ブロアファン
13 パージ弁
14 燃料電池自動車用冷暖房システム
15 ヒートポンプ式空調装置(「ヒートポンプ式冷暖房システム」ともいう。)
16 冷媒循環流路
17 圧縮機(「コンプレッサ」とも記載する。)
18 室内熱交換器
19 膨張弁
20 室外熱交換器
21 冷房用室外熱交換器
22 暖房用室外熱交換器
23、24、25 第1〜第3切替弁
26 バンパメンバ
27 ラジエータ(「水冷用熱交換器」ともいう。)
28 インバータ
29 走行用モータ
30 吸気ダクト
31 排気ダクト
32 排気ファン
Claims (5)
- 外気を反応ガス兼冷却媒体として使用する空冷式燃料電池スタックと、ヒートポンプ式空調装置とを車両に備え、このヒートポンプ式空調装置は、冷媒を循環させる冷媒循環流路に、冷媒を圧縮する圧縮機と、冷媒と車室内の空気との間で熱交換を行う室内熱交換器と、冷媒を膨張させる膨張弁と、冷媒と外気との間で熱交換を行う室外熱交換器とをこの順に配置して成り、冷房時と暖房時とで冷媒の流れる方向を切り換え、前記室外熱交換器は冷房時のみ冷媒が循環する冷房用室外熱交換器と暖房時のみ冷媒が循環する暖房用室外熱交換器とを含み、前記空冷式燃料電池スタックと前記冷房用室外熱交換器と前記暖房用室外熱交換器とを車両の前部に配置するとともに、前記空冷式燃料電池スタックを冷却後の外気によって前記暖房用室外熱交換器を加熱するようにした燃料電池車両において、前記空冷式燃料電池スタックの前側と後側に夫々吸気ダクトと、排気ダクトを取り付け、車両を前方から見た場合、車両前側部に前記吸気ダクトと前記冷房用室外熱交換器とを車両前後方向に重ならない状態で配置し、前記排気ダクトの後方に前記暖房用室外熱交換器を配置したことを特徴とする燃料電池車両。
- 前記冷房用室外熱交換器を車両幅方向または車両上下方向における中央部から一側に偏った位置に配置し、前記吸気ダクトを車両幅方向または車両上下方向における中央部から他側に偏った位置に配置したことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池車両。
- 前記空冷式燃料電池スタックと前記暖房用室外熱交換器との間に排気ファンを配置したことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池車両。
- 前記暖房用室外熱交換器を走行用モータの上方に配置したことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池車両。
- 前記空冷式燃料電池スタックは燃料電池ユニットを車両上下方向に複数個積み重ねた構造であって、前記排気ダクト及び前記排気ファンを車両上下方向で前記各燃料電池ユニットに対応する位置に個別に配置したことを特徴とする請求項4に記載の燃料電池車両。
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