JP2016222154A - 車両及び燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】駆動手段を配置する部屋に設けられる熱交換装置の通過風量を確保する。【解決手段】車両1を駆動するための駆動手段20を配置する部屋100に設けられ、車両1の前方から流入する空気を用いて熱交換を行う熱交換装置30と、熱交換装置30から排出される空気の少なくとも一部を駆動手段20よりも後方まで排出する排気手段40とを含むことを特徴とする車両。【選択図】図1

Description

この発明は、車両及び車両に搭載される燃料電池システムに関する。
モータを配置するモータルームの車両前方側に、走行風をモータルーム内に取り込んで車室の床下に送る換気デバイスを配置し、さらに車室の床下に搭載した燃料電池スタックの後方に別の換気デバイスを配置した車両の構成が開示されている(特許文献1参照)。
特開2010−04649号公報
上述の車両においては、車室の床下に燃料電池スタックを配置するスペースが確保されている。しかしながら、車両によっては、床下に燃料電池スタックを配置することが困難なものもある。このような車両において、燃料電池スタックをモータルームに配置しようとすると、換気デバイスなどの熱交換装置から排出される空気が、燃料電池スタックや補機などによって遮蔽され、熱交換装置を通過する風量が低下してしまう。
このように、車両を駆動するための駆動手段として、モータの他に、例えば、燃料電池スタックやバッテリなどを配置しようとすると、熱交換装置から排出される空気の圧力損失が大きくなり、熱交換装置の通過風量が低下するという問題がある。
本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、駆動手段を配置する部屋に設けられる熱交換装置の通過風量を確保する車両及び燃料電池システムを提供することを目的とする。
本発明は以下のような解決手段によって上述の課題を解決する。
本発明のある態様によれば、車両は、車両を駆動するための駆動手段を配置する部屋に設けられ、車両の前方から流入する空気を用いて熱交換を行う熱交換装置と、熱交換装置から排出される空気の少なくとも一部を駆動手段よりも後方まで排出する排気手段と、を含むことを特徴とする。
本発明によれば、排気手段を熱交換装置からモータルーム100の後方まで延長することにより、熱交換装置の後方に多数の装置が配置されたとしても、熱交換装置を通過する風量を確保することができる。
図1は、本発明の第1実施形態における車両の概略構成を示す側面図である。 図2は、ラジエータのファンから排出される空気の一部を排出する通路を示す図である。 図3は、ファン排気圧力損失とラジエータ通過風量との関係を示す図である。 図4は、ファンから排出される空気の通路を示す平面図である。 図5は、本発明の第2実施形態における車両の概略構成を示す側面図である。 図6は、本発明の第3実施形態における車両の概略構成を示す側面図である。 図7は、本発明の第4実施形態における車両の概略構成を示す側面図である。
以下、添付された図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態における車両の概略構成を示す側面図である。
車両1は、車室101よりも前方に、モータ10を配置するモータルーム100を有する。モータルーム100は、車両1を駆動するための駆動手段を配置する部屋である。
モータルーム100には、モータ10と、駆動ユニット20と、熱交換装置30と、熱交換装置排気通路40とが、それぞれ配置される。
モータ10は、車両1を駆動する駆動手段である。モータ10は、車両1の車輪を回転させる。
駆動ユニット20は、車両1を駆動するための駆動手段である。駆動ユニット20は、モータ10の上方に配置される。駆動ユニット20は、例えば、モータ10に電力を供給する燃料電池スタックや、燃料電池スタックの補機などにより構成される。燃料電池スタックの補機としては、例えば、燃料電池スタックに空気を供給する空気コンプレッサや燃料電池スタックの内部を加湿する加湿器などが挙げられる。
熱交換装置30は、駆動ユニット20よりも前方に設けられる。熱交換装置30は、車両1の前方から流入する空気を用いて熱交換を行う装置である。熱交換装置30は、ラジエータ31及びファン32を含む。
ラジエータ31は、モータルーム100の車両前方側に配置される。本実施形態では、ラジエータ31は、ラジエータ31の上端部が下端部よりも駆動ユニット20の方に傾けられている。ラジエータ31は、ラジエータ31の内部に流れる冷媒の熱と、車両1の前方から流入する空気との間で熱交換を行う熱交換器である。
ラジエータ31は、例えば、車両1の走行風によって冷媒を冷却する。本実施形態では、ラジエータ31は、駆動ユニット20を冷却するための冷媒の熱を、ラジエータ31を通過する空気に放散する。
ファン32は、ラジエータ31の後方に、ラジエータ31と同じように斜めに配置される。ファン32は、車両前方の空気を吸引してその空気をラジエータ31に供給する扇風機である。例えば、ファン32は、車両1が停止している間に駆動し、ラジエータ31に車両前方の空気を通過させる。
熱交換装置排気通路40は、熱交換装置30から排出される空気の一部を駆動ユニット20よりも後方に排出する排出手段である。熱交換装置排気通路40は、ダクト接続部41及び排気ダクト42を含む。
ダクト接続部41は、ファン32の一部と排気ダクト42とを接続するものである。ダクト接続部41は、ファン32から排出される空気を排気ダクト42へ通すために、ファン32の排出側の一部を覆うように形成される。本実施形態では、ダクト接続部41は、ファン32の排気口の下側部分を覆うように形成される。ラジエータ31が斜めに配置されているので、ファン32の下部にダクト接続部41を配置することにより、ファン32を覆う面積が大きくなり、ファン32の後方の排気風量を向上させることができる。
排気ダクト42は、モータ10の鉛直方向上側に配置された駆動ユニット20とモータ10との間を通過し、モータルーム100の後方まで延長される。
図2は、熱交換装置排気通路40を構成するダクト接続部41の一例を示す正面図である。図2には、実線でダクト接続部41が示され、破線でファン32が示されている。
図2に示すように、ダクト接続部41は、ファン32の排気口の一部を覆うように劣弧(円弧)状に形成される。ファン32の一部に接合されたダクト接続部41は、排気ダクト42の開口端と接続される。排気ダクト42は、円状に形成されている。
図3は、熱交換装置排気通路40によるファン32の排気圧力損失の低下を示す図である。
図3には、ファン32の排気圧力損失と通過風量との関係を表わしたファン特性が示されている。なお、ファン32の排気圧力損失とは、ファン32の後方の空気抵抗のことである。図3では、縦軸がファン32の排気圧力損失を示し、横軸がファン32を駆動したときのラジエータ31の通過風量を示す。
排気圧力損失P0は、ファン32の後方に熱交換装置排気通路40が設けられていないときの圧力損失である。ファン32の後方に配置された駆動ユニット20が遮蔽物となり、ファン32の排気圧力損失が大きくなっている。
本実施形態における排気圧力損失P1は、ファン32の後方に熱交換装置排気通路40が配設されているときの圧力損失である。ファン32の排気口からモータルーム100の後方まで熱交換装置排気通路40を延長することにより、排気圧力損失P1は、熱交換装置排気通路40が設けられていないときの排気圧力損失P0に比べて小さくなっている。
図3に示すように、モータルーム100に熱交換装置排気通路40を設けることにより、ファン32の排気圧力損失は、圧力損失P0から圧力損失P1まで低下するので、ファン32によるラジエータ31の通過風量は、通過風量F0から通過風量F1まで上昇する。例えば、ファン32の排気圧力損失を20(kPa)下げただけで、ラジエータ31の通過流量は300(m3/h)程度も増加する。
このように、熱交換装置排気通路40を駆動ユニット20よりも後方まで延設することにより、ラジエータ31の通過流量を向上させることができる。このため、ラジエータ31の冷却性能が確保されるので、例えば、駆動ユニット20の温度が上昇し過ぎて駆動ユニット20が強制停止されるという事態を回避することができる。
本発明の第1実施形態によれば、車両1を駆動するための駆動ユニット20を配置するモータルーム100には、車両1の前方から流入する空気を用いて熱交換を行う熱交換装置30が設けられている。そして、モータルーム100には、熱交換装置30から排出される空気の少なくとも一部を、駆動ユニット20よりも後方まで排出する熱交換装置排気通路40が設けられる。
このように、熱交換装置30の排気の一部を通す熱交換装置排気通路40をモータルーム100の後方まで延ばすことにより、熱交換装置30の後方に駆動ユニット20を配置したとしても、熱交換装置30の通過風量を確保することができる。このため、熱交換装置30の冷却性能の低下が原因となって駆動ユニット20の温度が高くなり過ぎることを回避することができる。
また、本実施形態では、熱交換装置30は、駆動ユニット20を冷却するラジエータ31と、車両1の前方から流入する空気をラジエータ31に通過させるファン32とを含む。そして、熱交換装置排気通路40は、ファン32からモータルーム100よりも後方まで配設した排気ダクト42を含む。
このように、ファン32を回転駆動させてラジエータ31を放熱させる場合には、排気ダクト42をモータルーム100の後方まで配設することにより、図3に示したように、ファン32の後方の排気圧力損失を低減することができる。これにより、ラジエータ31の通過風量が増加するので、駆動ユニット20の過熱を回避することができる。
本実施形態では、排気ダクト42をモータルーム100の後方まで延設したが、床下102の後方に空気を排出するための排気管を備えた車両においては、その排気管に対して排気ダクト42を接続してもよい。
図4は、排気管50に排気ダクト42を接続した車両1の概略構成の一例を示す平面図である。
排気管50は、モータルーム100よりも後方に配設された排気通路である。排気管50は、例えば、燃料電池スタックから排出される空気を排出するものであってもよい。あるいは、排気管50は、エンジンから排出されるガスを排出するものであってもよい。
排気ダクト42は、車室101よりも後方に設けられた排気管50に接続される。これにより、ファン32から排出される空気を、モータルーム100の後方に配置された機材によって遮蔽されることなく、車両1の外部に排出することができる。したがって、モータルーム100の後方における排気圧力損失の増加を抑制するこができる。
(第2実施形態)
次に、駆動ユニット20として燃料電池スタックをモータルーム100に搭載したときの車両の構成について図4を参照して説明する。
図5は、本発明の第2実施形態におけるモータルーム100に搭載された燃料電池システム200の概略構成の一例を示す側面図である。
燃料電池システム200は、燃料電池スタック20Aにカソードガス及びアノードガスを供給するとともに、モータ10などの電気負荷に応じて燃料電池スタック20Aを発電させる電源システムである。
燃料電池システム200は、燃料電池スタック20Aと、スタック排気装置21と、ラジエータ31と、ファン32と、熱交換装置排気通路40Aと、を含む。
燃料電池スタック20Aは、複数の燃料電池を積層して構成される。燃料電池スタック20Aは、不図示のカソードガス供給装置からカソードガスとして空気が供給されるとともに、不図示のアノードガス供給装置からアノードガスとして水素が供給される。また、燃料電池スタック20Aには、燃料電池ごとに冷却水が通過する通路が形成されている。
カソードガス供給装置は、燃料電池スタック20Aに空気を供給する空気コンプレッサを含み、空気コンプレッサは、例えば、燃料電池スタック20Aの上方、又は下方に配置される。なお、アノードガス供給装置は、燃料電池スタック20Aにアノードガスを供給する装置であり、高圧タンクや調圧弁などにより構成される。本実施形態では、高圧タンクは、モータルーム100には設けられていない。
燃料電池スタック20Aの周辺には、駆動ユニット20として、例えば、空気コンプレッサや、燃料電池スタック20Aの加湿器、バッファタンク、燃料電池スタック20Aのセル電圧を測定する測定装置、電力制御ユニットなどが配置される。
スタック排気装置21は、燃料電池スタック20Aから排出される空気を、図4に示したように車両1の後方に排出する装置である。スタック排気装置21は、スタック排気通路211及び調圧弁212を含む。
スタック排気通路211は、燃料電池スタック20Aから鉛直方向の下側に延ばされ、車室101の床下102に向けて曲げられる。モータルーム100よりも後方のスタック排気通路211は、床下102を通過して車両1の後方まで延設される。本実施形態では、スタック排気通路211は、図4に示した排気管50に合流する。
調圧弁212は、燃料電池スタック20Aに供給される空気の圧力を調整する弁である。燃料電池システム200では、調圧弁212よりも下流のスタック排気通路211に対して、燃料電池スタック20Aからアノードガスを排出するアノードガス排出通路を合流させる。これにより、スタック排気通路211を通過する空気を利用して、燃料電池スタック20Aから排出される水素が希釈される。
ラジエータ31は、本実施形態では、燃料電池スタック20Aの冷却水を冷却する。ラジエータ31は、不図示の冷却水循環通路に接続されている。ファン32は、図1で述べたように、ラジエータ31に空気を供給する。
熱交換装置排気通路40Aは、ファン32から排出される空気を燃料電池スタック20Aよりも後方に排出するラジエータ排気手段である。本実施形態では、熱交換装置排気通路40Aは、燃料電池スタック20Aのスタック排気通路211に合流する。
熱交換装置排気通路40Aは、ダクト接続部41及び排気ダクト42Aを含む。ダクト接続部41は、図1に示したものと同じである。
排気ダクト42Aは、スタック排気通路211に接続される。本実施形態では、排気ダクト42Aとスタック排気通路211とは互いに平行に配設され、排気ダクト42Aの一部とスタック排気通路211の一部とが連通している。すなわち、排気ダクト42Aは、スタック排気通路211の一部を覆うように形成されている。
このように、排気ダクト42Aをスタック排気通路211に合流させることにより、調圧弁212よりも下流のスタック排気通路211に排気ダクト42Aからの空気流量が加えられるため、スタック排気通路211の空気流量は増加する。
スタック排気通路211の空気流量は、燃料電池スタック20Aから排出される水素を希釈するのに用いられる。このため、燃料電池スタック20Aに空気を供給する空気コンプレッサは、その吐出流量が、少なくとも水素の希釈に必要な水素希釈流量以上となるように制御される。
空気コンプレッサの吐出流量が水素希釈流量となるように制御されているような状況では、空気コンプレッサの吐出流量を、排気ダクト42Aからスタック排気通路211に流入する空気の流量だけ減らすことが可能となる。したがって、排気ダクト42Aをスタック排気通路211に合流させることにより、燃料電池システム200を構成する空気コンプレッサの消費電力を抑制することができる。
本発明の第2実施形態によれば、車両1を駆動するモータ10を配置したモータルーム100には、ラジエータ31と、ラジエータ31に空気を通過させるファン32と、ファン32よりも後方に配置される燃料電池スタック20Aとを含む。さらに、ファン32から排出される空気の一部を、燃料電池スタック20Aよりも後方に排出する熱交換装置排気通路40を備える。
これにより、図3に示したように、ファン32の排気圧力損失が低下するので、ラジエータ31の通過流量を増加させることができ、ラジエータ31の冷却性能を確保することができる。このため、燃料電池スタック20Aの温度が上昇し過ぎて燃料電池システム200が強制停止されるという事態を回避することができる。
さらに本実施形態によれば、熱交換装置排気通路40を、燃料電池スタック20Aから排出される空気を外部に排出するスタック排気通路211に合流させる。本実施形態では、熱交換装置排気通路40Aは、スタック排気通路211の一部を覆うように形成される。
これにより、燃料電池スタック20Aに空気を供給する空気コンプレッサが、水素希釈要求によって制御されている状況では、熱交換装置排気通路40からスタック排気通路211に流入する空気の分だけ、空気コンプレッサの回転速度を低下させることが可能となる。したがって、燃料電池システム200を構成する空気コンプレッサの消費電力を抑制することができる。
このように、燃料電池スタック20Aからの排気を後方に排出するスタック排気通路211に熱交換装置排気通路40を合流させることで、燃料電池スタック20Aの過熱の防止と、燃料電池システム200の消費電力の低減を両立させることができる。
(第3実施形態)
図6は、本発明の第3実施形態における燃料電池システム201の概略構成を示す側面図である。
燃料電池システム201は、図5に示した燃料電池システム200と基本的に同じ構成であり、燃料電池システム200の構成と同じものについては同一符号を付している。燃料電池システム201は、調圧弁212よりも下流のスタック排気通路211の構成が異なる。
調圧弁212よりも下流のスタック排気通路211と排気ダクト42Bとが2重管により構成される。本実施形態では、調圧弁212よりも下流のスタック排気通路211が排気ダクト42Bによって覆われる。すなわち、排気ダクト42Bは、スタック排気通路211の全部を覆うように形成される。
これにより、スタック排気装置21による排気に伴う騒音を低減することができる。このため、防音対策のためにスタック排気通路211に巻かれるマフラの量を減らすことができる。
また、調圧弁212よりも下流のスタック排気通路211には、逆止弁213が設けられている。逆止弁213は、排気ダクト42Bの空気がスタック排気通路211を介して燃料電池スタック20Aに逆流するのを防止するための弁である。
通常、排気ダクト42Aの空気流量は、スタック排気通路211の空気流量よりも数倍の空気流量となる。車両1がアイドルストップ状態のときには、燃料電池スタック20Aから排出される空気流量は減少し、調圧弁212が開かれるため、排気ダクト42Bの空気がスタック排気通路211を介して燃料電池スタック20Aに逆流することが想定される。このため、車両1がアイドルストップ状態になったときには、逆止弁213が閉じられる。
あるいは、コントローラにおいて、燃料電池スタック20Aに供給される空気の圧力や、燃料電池スタック20Aの温度、モータ10の要求電力などに基づいて、排気ダクト42Aの圧力がスタック排気通路211の圧力を超えるか否かを判断するようにしてもよい。この場合には、コントローラは、排気ダクト42Aの圧力がスタック排気通路211の圧力を超えると判断された場合に、逆止弁213を閉じる。
これにより、排気ダクト42Bの空気が燃料電池スタック20Aに逆流することを回避しつつ、ラジエータ31の冷却性能を改善することができる。
なお、本実施形態では、逆止弁213よりも上流からスタック排気通路211を覆うように排気ダクト42Bを形成したが、逆止弁213よりも下流のスタック排気通路211を覆うように排気ダクト42Bを形成してもよい。このような構成であっても、逆止弁213を閉じることで、排気ダクト42Bから燃料電池スタック20Aへの空気の逆流を防ぐことができる。
本発明の第3実施形態によれば、熱交換装置排気通路40Bは、スタック排気通路211の全部を覆うように形成される。これにより、燃料電池スタック20Aからスタック排気通路211を介して空気が排出される際に発生する騒音を抑制することができる。
また、熱交換装置排気通路40Bは、逆止弁213よりも下流のスタック排気通路211を覆うように形成される。これにより、排気ダクト42から燃料電池スタック20Aへの空気の逆流を防止することができる。
(第4実施形態)
図7は、本発明の第4実施形態における車両1の概略構成を示す側面図である。
本実施形態では、モータルーム100には、図5に示した車両1の構成に加えてエネルギー回収機構220が配置されている。エネルギー回収機構220以外の構成は、図5に示したものと同じであるため、図5と同一の符号を付して説明を省略する。
エネルギー回収機構220は、排気ダクト42Aを通過する空気の風力を利用して発電機を回転させる機構である。エネルギー回収機構220は、例えば、排気ダクト42Aに設けられたタービンを回転させることによって発電機を回転させる。あるいは、エネルギー回収機構220は、電動ターボチャージャーを含むものであってもよい。エネルギー回収機構220は、発電機により回収された電力を、例えばバッテリに充電したり、モータ10に供給したりする。
このように、排気ダクト42Aにエネルギー回収機構220を配置することにより、ファン32の通過風量を確保しつつ、余剰な風力を有効に利用することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
上記実施形態では、排気ダクト42を、ファン32の下側部分から床下102へ水平に延ばしたが、モータ10の高さなどに合わせて、ファン32の上側部分又は中心部分から床下102へ延ばすようにしてもよい。
また、第1実施形態ではモータルーム100にモータ10を配置したが、ハイブリッド車両においてはモータ10に加えてエンジンをモータルーム100に配置してもよい。あるいは、モータ10に代えてエンジンを配置してもよい。このような場合には、モータルーム100は、エンジンを配置する部屋となるため、エンジンルームと称される。
また、第1実施形態ではラジエータ31は、駆動ユニット20の冷媒を冷却するものであったが、車室101のエアコンやエンジンの冷却水を冷却するものであってもよい。
また、上記実施形態では図2に示したようにダクト接続部41によってファン32の排出口の一部を覆うようにしたが、ファン32の排気口の全部を覆うようにダクト接続部41を形成してもよい。このような場合であっても熱交換装置30の冷却性能を改善させることができる。
また、図4に示したファン32から排気管50までの配管経路は、床下102に配置される機材や、その設置場所などによって適宜変更されるものであり、図4に示した経路に限定されるものではない。
また、第1実施形態では、ファン32を備える熱交換装置30について説明したが、ファン32を設けずに走行風のみで熱交換を行う熱交換装置であっても冷却性能の低下を抑制することができる。
また、ファン32は、走行風がラジエータ31に流入されないときにのみ駆動されるものであってもよく、走行風の流入量に関わらず、常に駆動されるものであってもよい。
なお、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。
1 車両
10 モータ(駆動手段)
20 駆動ユニット(駆動手段)
20A 燃料電池スタック(駆動手段)
21 スタック排気装置(スタック排気手段、通路)
30 熱交換装置
31 ラジエータ
32 ファン
40 熱交換装置排気通路(排気手段、ラジエータ排気手段)
42 排気ダクト(通路)
50 排気管(排気通路)
100 モータルーム(部屋)
200 燃料電池システム
213 逆止弁

Claims (7)

  1. 車両を駆動するための駆動手段を配置する部屋に設けられ、前記車両の前方から流入する空気を用いて熱交換を行う熱交換装置と、
    前記熱交換装置から排出される空気の少なくとも一部を、前記駆動手段よりも後方まで排出する排気手段と、
    を含むことを特徴とする車両。
  2. 請求項1に記載の車両であって、
    前記熱交換装置は、
    空気に熱を放散するラジエータと、
    前記ラジエータに空気を通過させるファンと、を含み、
    前記排気手段は、前記ファンから前記部屋の後方まで配設した通路を含む、
    ことを特徴とする車両。
  3. 請求項1又は請求項2に記載の車両であって、
    前記排気手段は、前記部屋よりも後方に配設された排気通路に合流する、
    ことを特徴とする車両。
  4. 請求項1又は請求項2に記載の車両であって、
    前記駆動手段は、複数の燃料電池を積層した燃料電池スタックを含み、
    前記排気通路は、前記燃料電池スタックから排出される空気を排出するスタック排気通路を含む、
    ことを特徴とする車両。
  5. 車両を駆動する駆動手段を配置する部屋に設けられるラジエータと、
    前記ラジエータに空気を通過させるファンと、
    前記ファンよりも後方に配置される燃料電池スタックと、
    前記ファンから排出される空気の一部を前記燃料電池スタックよりも後方に排出するラジエータ排気手段と、を含み、
    前記ラジエータ排気手段は、前記燃料電池スタックから排出される空気を外部に排出するスタック排気手段に合流する、
    ことを特徴とする燃料電池システム。
  6. 請求項5に記載の燃料電池システムであって、
    前記ラジエータ排気手段は、前記スタック排気手段の少なくとも一部を覆うように形成される、
    ことを特徴とする燃料電池システム。
  7. 請求項5又は請求項6に記載の燃料電池システムであって、
    前記スタック排気手段は、前記ラジエータ排気手段からの空気の逆流を止める逆止弁を含み、
    前記ラジエータ排気手段は、前記逆止弁よりも下流の前記スタック排気手段を覆うように形成される、
    ことを特徴とする燃料電池システム。
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