JP5637392B2 - 燃料電池車両の排気装置 - Google Patents
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Description
この発明は燃料電池車両の排気装置に係り、特に、燃料電池の吸排気の円滑化と水の侵入防止を図った燃料電池車両の排気装置に関する。
複数の燃料電池セルを積層した燃料電池スタックからなる燃料電池を駆動用エネルギ源とする燃料電池車両においては、燃料電池ケースに収納した燃料電池に吸気ダクトにより反応用ガスとしての空気を供給して水素と反応させ、燃料電池から排出される余剰の空気と余剰の水素ガスとを排気装置の排気ダクトを含む排気通路により車外に排出している。
排気装置により排出される空冷式の燃料電池の排気は、外気より温度が高い空気と余剰の水素を含むため、常温の空気より軽い。よって、排気ダクトの排気口は、上を向いているほうが排気を流し易い。また、排気装置は、通気抵抗を軽減するために、排気ダクトの排気通路は曲がりが少なく、短い方が良い。しかし、排気口を上向きに開口させると、水が侵入し易い。
燃料電池車両の排気装置については、以下のような技術が開示されている。
特開２００３−３４２６７には、燃料電池車両のフードに水素換気ダクトを設けることが記載されている。また、特開２００１−２２９９４８には、燃料電池ユニットの冷却用ダクトに複数の吸排気ダクトを接合することが記載されている。
排気装置により排出される空冷式の燃料電池の排気は、外気より温度が高い空気と余剰の水素を含むため、常温の空気より軽い。よって、排気ダクトの排気口は、上を向いているほうが排気を流し易い。また、排気装置は、通気抵抗を軽減するために、排気ダクトの排気通路は曲がりが少なく、短い方が良い。しかし、排気口を上向きに開口させると、水が侵入し易い。
燃料電池車両の排気装置については、以下のような技術が開示されている。
特開２００３−３４２６７には、燃料電池車両のフードに水素換気ダクトを設けることが記載されている。また、特開２００１−２２９９４８には、燃料電池ユニットの冷却用ダクトに複数の吸排気ダクトを接合することが記載されている。
しかし、前記特開２００３−３４２６７に記載の排気装置は、水素換気ダクトがフードのアウターパネルとインナーパネルに挟まれているので、内部の空間の容積が小さく、余剰の空気を流す排気通路としては機能が不十分である。また、水素換気ダクトは、内部の空間に複数の筒部、案内板などがあるため、構造が複雑になり、圧力損失が増加する。
また、前記特開２００１−２２９９４８に記載の排気装置は、冷却用ダクトに、冷却風路を切り換える複数の切換弁およびファン、温度検出手段、前記切換弁およびファンの制御手段を備えており、構造が複雑である。また、冷却用ダクトおよび吸排気ダクトによる排気経路が長く、排気による圧力損失が大きい。
また、前記特開２００１−２２９９４８に記載の排気装置は、冷却用ダクトに、冷却風路を切り換える複数の切換弁およびファン、温度検出手段、前記切換弁およびファンの制御手段を備えており、構造が複雑である。また、冷却用ダクトおよび吸排気ダクトによる排気経路が長く、排気による圧力損失が大きい。
この発明は、排気通路の通気抵抗を低減することによって燃料電池内に空気を円滑に吸入でき、かつ排気ダクト内への水の侵入を防止できる燃料電池車両の排気装置を提供することが目的である。
この発明は、車両前部かつフロントフードによって上方を覆われる空間に燃料電池を収納した燃料電池ケースを配置し、前記燃料電池ケースに吸気ダクトと排気ダクトを連結し、前記吸気ダクトと前記排気ダクトとを前記燃料電池内の空気通路によって連通させ、前記燃料電池から排出される余剰の空気と余剰の水素ガスとを前記排気ダクトを含む排気通路によって車外に排出する燃料電池車両の排気装置において、前記フロントフードの下面に排気チャンバを取り付け、前記排気ダクトを前記燃料電池ケースの後部から鉛直方向上方へ延ばし、その上端の排気口を前記排気チャンバ内に開口させ、前記フロントフードには車両前後方向で前記排気口よりも前側の部分に前記排気チャンバ内を外部の空間と連通させる貫通孔を形成し、前記貫通孔をカバーで覆うとともにこのカバーに前記フロントフードの上面から上方に離れかつ車両後方に向かって開口する開口部を形成したことを特徴とする。
この発明の燃料電池車両の排気装置は、排気通路の下流端部をフロントフードの上方に開口させているため、排気ダクトを含めた排気通路の長さを短縮して排気通路の通気抵抗を低減できる。このため、燃料電池から余剰の空気と余剰の水素を円滑に車外へ排出でき、それと入れ替わりに吸気ダクトに空気を円滑に吸入できる。
また、この発明の燃料電池車両の排気装置は、排気ダクトの排気口からカバーの開口部に至る排気通路を湾曲させ、かつ開口部をフロントフードの上面から上方へ離したことによって、外部から排気ダクト内への水の侵入を防止できる。
また、この発明の燃料電池車両の排気装置は、排気ダクトの排気口からカバーの開口部に至る排気通路を湾曲させ、かつ開口部をフロントフードの上面から上方へ離したことによって、外部から排気ダクト内への水の侵入を防止できる。
以下、図面に基づいて、この発明の実施例を説明する。
図１〜図５は、この発明の実施例を示すものである。図１・図２において、１は燃料電池車両、２はフロントバンパ、３はフロントグリル、４は右サイドパネル、５は左サイドパネル、６はダッシュパネル、７はフロントフード、８はフロントルームである。燃料電池車両１は四輪車であり、フロントバンパ２とフロントグリル３と右サイドパネル４と左サイドパネル５とダッシュパネル６とによって囲まれ、フロントフード７によって上方を覆われる車両前部の空間に、フロントルーム８を設けている。フロントルーム８には、燃料電池９を収納した燃料電池ケース１０を配置している。
前記燃料電池ケース１０は、前後方向に薄く、左右方向よりも上下方向に長い略四角箱形状に形成され、内部にケース空間１１を有している。燃料電池ケース１０は、前部１２を車両前方に向けるとともに後部１３を車両後方に向けて、フロントルーム８に配置している。前記燃料電池９は、複数の燃料電池セルを積層して燃料電池スタックを構成している。燃料電池９は、前後方向に薄く、上下方向よりも左右方向に長い略四角箱形状に形成され、内部に空気通路１４（図４参照）を有している。燃料電池９は、空気取入面１５を車両前方に向けるとともに空気排出面１６を車両後方に向け、燃料電池ケース９のケース空間１１内に車両上下方向に２個重ねて設置している。
前記燃料電池ケース１０は、前後方向に薄く、左右方向よりも上下方向に長い略四角箱形状に形成され、内部にケース空間１１を有している。燃料電池ケース１０は、前部１２を車両前方に向けるとともに後部１３を車両後方に向けて、フロントルーム８に配置している。前記燃料電池９は、複数の燃料電池セルを積層して燃料電池スタックを構成している。燃料電池９は、前後方向に薄く、上下方向よりも左右方向に長い略四角箱形状に形成され、内部に空気通路１４（図４参照）を有している。燃料電池９は、空気取入面１５を車両前方に向けるとともに空気排出面１６を車両後方に向け、燃料電池ケース９のケース空間１１内に車両上下方向に２個重ねて設置している。
この燃料電池車両１は、吸気装置１７と排気装置１８を備える。吸気装置１７は、図２に示すように、燃料電池ケース１０の前部１２に吸気ダクト１９を車両上下方向に２個重ねて取り付けている。吸気ダクト１９は、内部に燃料電池ケース９のケース空間１１に連通する吸気ダクト空間２０を有し、吸気ダクト空間２０の下部に車両下方に向けて開口する空気取入口２１を設けている。吸気ダクト１９は、フロントグリル３からフロントルーム８に流入した空気を空気取入口２１から取り入れ、吸気ダクト空間２０により燃料電池ケース１０のケース空間１１に導く。車外の空気は、吸気ダクト１９の吸気ダクト空間２０と燃料電池ケース１０のケース空間１１からなる吸気通路２２によって、燃料電池９の空気取入面１５に反応用ガス兼冷却用の空気として供給される。
燃料電池９の空気取入面１５に供給された空気は、内部の空気通路１４からカソードへ送られ、アノードの水素と反応して電力を発生する。水素と反応しない余剰の空気は、空気通路１４を流れる間に燃料電池９を冷却する。余剰の空気には余剰の水素が混合されて、空気排出面１６から排出される。よって、燃料電池９は、空冷式燃料電池である。
燃料電池ケース１０の後部１３には、排気装置１８が配設されている。排気装置１８は、図１・図２に示すように、燃料電池９の空気排出面１６に対向するように排気用ファン２３を設け、この排気用ファン２３を覆うように、燃料電池ケース１０の後部１３に排気ダクト２４を車両幅方向に２個並べて取り付けている。排気ダクト２４は、鉛直方向に延びる筒形状に形成され、内部に燃料電池９の空気排出面１６に連通する排気ダクト空間２５を有し、上端に上方に開口する排気口２６を設けている。排気ダクト２４は、燃料電池９の空気排出面１６から排出される余剰の空気と余剰の水素を、上方のフロントフード７の下面側に導く。
燃料電池９の空気取入面１５に供給された空気は、内部の空気通路１４からカソードへ送られ、アノードの水素と反応して電力を発生する。水素と反応しない余剰の空気は、空気通路１４を流れる間に燃料電池９を冷却する。余剰の空気には余剰の水素が混合されて、空気排出面１６から排出される。よって、燃料電池９は、空冷式燃料電池である。
燃料電池ケース１０の後部１３には、排気装置１８が配設されている。排気装置１８は、図１・図２に示すように、燃料電池９の空気排出面１６に対向するように排気用ファン２３を設け、この排気用ファン２３を覆うように、燃料電池ケース１０の後部１３に排気ダクト２４を車両幅方向に２個並べて取り付けている。排気ダクト２４は、鉛直方向に延びる筒形状に形成され、内部に燃料電池９の空気排出面１６に連通する排気ダクト空間２５を有し、上端に上方に開口する排気口２６を設けている。排気ダクト２４は、燃料電池９の空気排出面１６から排出される余剰の空気と余剰の水素を、上方のフロントフード７の下面側に導く。
前記燃料電池車両１の排気装置１８は、図２・図４に示すように、車両上下方向の高さが車両前側に向かうにつれて低くなる形状のフロントフード７の下面に、排気チャンバ２７を取り付けている。排気チャンバ２７は、フロントフード７の下面に沿い車両上下方向の高さが車両前側に向かうにつれて低くなる板状の底面部２８と、この底面部２８の外周を囲んでフロントフード７の下面に取り付けられる環状の周壁部２９とにより箱形状に形成され、内部に排気口２６に連通するチャンバ空間３０を有している。排気チャンバ２７の底面部２８には、前記排気ダクト２４の排気口２６を挿入する２つの挿入孔部３１を形成している。２個の排気ダクト２４は、図４に示すように、燃料電池ケース１０の後部１３から鉛直方向上方へ直線的に延ばされ、その上端を挿入孔部３１から排気チャンバ２７内へ挿入して排気口２６を排気チャンバ２７のチャンバ空間３０内に開口させている。
前記フロントフード７には、図３・図４に示すように、車両前後方向で排気ダクト２４の排気口２６よりも前側の部分に、排気チャンバ２７内を車両外部の空間と連通させる複数の貫通孔３２を形成している。４つの貫通孔３２は、フロントフード７を上方から見た場合、排気ダクト２４の排気口２６に対して、車両前方で車両幅方向にずれた位置に形成している。排気チャンバ２７内に流入した余剰の空気と余剰の水素は、車両前方の貫通孔３２に導かれる。
前記フロントフード７の上面には、図４・図５に示すように、貫通孔３２を覆うカバー３３を設けている。このカバー３３は、フロントフード７の上面との間に貫通孔３２に連通するカバー空間３４を有し、車両後側の端部にフロントフード７の上面から上方に離れ、かつ車両後方に向かって開口する開口部３５を形成している。開口部３５下部のフロントフード７の上面には、開口部３５をフロントフード７の上面から上方に離れさせるために、開口部３５の全幅にわたり上方に突出する縦壁部３６を設けている。貫通孔３２からカバー３３のカバー空間３４内に入った余剰の空気と余剰の水素は、開口部３５から車両後方に向かって排出される。燃料電池９から排出される余剰の空気と余剰の水素とは、排気ダクト２４の排気ダクト空間２５と、排気チャンバ２７のチャンバ空間３０と、カバー３３のカバー空間３４からなる排気通路３７によって、車外に排出される。
前記フロントフード７には、図３・図４に示すように、車両前後方向で排気ダクト２４の排気口２６よりも前側の部分に、排気チャンバ２７内を車両外部の空間と連通させる複数の貫通孔３２を形成している。４つの貫通孔３２は、フロントフード７を上方から見た場合、排気ダクト２４の排気口２６に対して、車両前方で車両幅方向にずれた位置に形成している。排気チャンバ２７内に流入した余剰の空気と余剰の水素は、車両前方の貫通孔３２に導かれる。
前記フロントフード７の上面には、図４・図５に示すように、貫通孔３２を覆うカバー３３を設けている。このカバー３３は、フロントフード７の上面との間に貫通孔３２に連通するカバー空間３４を有し、車両後側の端部にフロントフード７の上面から上方に離れ、かつ車両後方に向かって開口する開口部３５を形成している。開口部３５下部のフロントフード７の上面には、開口部３５をフロントフード７の上面から上方に離れさせるために、開口部３５の全幅にわたり上方に突出する縦壁部３６を設けている。貫通孔３２からカバー３３のカバー空間３４内に入った余剰の空気と余剰の水素は、開口部３５から車両後方に向かって排出される。燃料電池９から排出される余剰の空気と余剰の水素とは、排気ダクト２４の排気ダクト空間２５と、排気チャンバ２７のチャンバ空間３０と、カバー３３のカバー空間３４からなる排気通路３７によって、車外に排出される。
この燃料電池車両１の排気装置１８は、カバー３３の開口部３５が車両後方に向かって開口するとともにフロントフード７の上面から上方に離れ、排気ダクト２４の排気口２６とフロントフード７の貫通孔３２が上方から見た場合に車両前後方向と車両幅方向にずれているため、水が排気ダクト２４に入り難くなっている。
これにより、排気装置１８は、水の浸入を防ぐために排気ダクト２４を曲げて迷路状にする構造と比べて排気通路３７が短くなるので、排気ダクト２４を含めた排気通路３７の長さを短縮して排気通路３７の通気抵抗を低減できる。このため、排気装置１８は、燃料電池９から余剰の空気と余剰の水素を円滑に車外へ排出でき、それと入れ替わりに吸気ダクト１９に空気を円滑に吸入できる。
また、この燃料電池車両１の排気装置１８は、排気ダクト２４の排気口２６から排気チャンバ２７、フロントフード７の貫通孔３２、カバー３３の開口部３５に至る排気通路３７を湾曲させ、かつフロントフード７の上面から上方へ延びる縦壁部３６により開口部３５の下縁部をフロントフード７の上面から離したことによって、図５に矢印で示すように、外部から排気ダクト２４内への水の侵入を防止できる。
これにより、排気装置１８は、水の浸入を防ぐために排気ダクト２４を曲げて迷路状にする構造と比べて排気通路３７が短くなるので、排気ダクト２４を含めた排気通路３７の長さを短縮して排気通路３７の通気抵抗を低減できる。このため、排気装置１８は、燃料電池９から余剰の空気と余剰の水素を円滑に車外へ排出でき、それと入れ替わりに吸気ダクト１９に空気を円滑に吸入できる。
また、この燃料電池車両１の排気装置１８は、排気ダクト２４の排気口２６から排気チャンバ２７、フロントフード７の貫通孔３２、カバー３３の開口部３５に至る排気通路３７を湾曲させ、かつフロントフード７の上面から上方へ延びる縦壁部３６により開口部３５の下縁部をフロントフード７の上面から離したことによって、図５に矢印で示すように、外部から排気ダクト２４内への水の侵入を防止できる。
前記燃料電池車両１の排気装置１８は、図３〜図５に示すように、フロントフード７の上面の、カバー３３の開口部３５よりも車両後方に水素ガス排出部３８を設けている。水素ガス排出部３８は、フロントフード７を貫通して排気チャンバ２７内の後方と外部の空間とを連通する水素ガス排出口３９を形成している。排気装置１８は、フロントフード７を上方から見た場合、このフロントフード７を貫通して排気チャンバ２７内と外部の空間とを連通する水素ガス排出口３９を、排気ダクト２４の排気口２６の位置から車両幅方向にずらした位置に、後方に向けて開口するように形成している。
これにより、排気装置１８は、燃料電池９の非作動時に排気チャンバ２７内のチャンバ空間３０後側の高い位置に溜まる水素ガスを、水素ガス排出口３９から車外の後方に向けて排出することができる。
これにより、排気装置１８は、燃料電池９の非作動時に排気チャンバ２７内のチャンバ空間３０後側の高い位置に溜まる水素ガスを、水素ガス排出口３９から車外の後方に向けて排出することができる。
また、燃料電池車両１の排気装置１８は、図２・図４に示すように、排気チャンバ２７の底面部２８を車両上下方向の高さが車両前側に向かうにつれて低くなる形状とし、その底面部２８の最も低くなる前側部に下方に突出する排水部４０により排水口４１を形成している。配水口４１の下方には、この排水口４１から流出した水を下方へ導くドレン配管４２を設けている。ドレン配管４２は、上端に上方に向かって拡開する漏斗状の受部４３を備え、フロントフード７より下方に配置される部品である燃料電池ケース１０の前部１２に取り付けている。排気チャンバ２７の排水部４０は、フロントフード７の開放時にドレン配管４２の受部４３から離間され、フロントフード７の閉鎖時にドレン配管４２の受部４３内に挿入される。
これにより、排気装置１８は、排気チャンバ２７内に水が浸入した場合、その水を車両前側に向かい低くなる形状の底面部２８により前側に導いて排水口４１から流出させ、ドレン配管４２の受部４３で受けて下方に導くことができ、排気ダクト２４内への水の侵入を防止できる。
これにより、排気装置１８は、排気チャンバ２７内に水が浸入した場合、その水を車両前側に向かい低くなる形状の底面部２８により前側に導いて排水口４１から流出させ、ドレン配管４２の受部４３で受けて下方に導くことができ、排気ダクト２４内への水の侵入を防止できる。
この発明は、排気通路の通気抵抗を低減することによって燃料電池内に空気を円滑に吸入でき、かつ排気ダクト内への水の侵入を防止できる燃料電池車両の排気装置であり、燃料電池車両以外でも自動車のフード上面から排出する冷却用排気ダクトとして応用が可能である。
１ 燃料電池車両
７ フロントフード
８ フロントルーム
９ 燃料電池
１０ 燃料電池ケース
１４ 空気通路
１７ 吸気装置
１８ 排気装置
１９ 吸気ダクト
２１ 空気取入口
２２ 吸気通路
２３ 排気用ファン
２４ 排気ダクト
２６ 排気口
２７ 排気チャンバ
２８ 底面部
３２ 貫通孔
３３ カバー
３５ 開口部
３６ 縦壁部
３７ 排気通路
３９ 水素ガス排出口
４１ 排水口
４２ ドレン配管
７ フロントフード
８ フロントルーム
９ 燃料電池
１０ 燃料電池ケース
１４ 空気通路
１７ 吸気装置
１８ 排気装置
１９ 吸気ダクト
２１ 空気取入口
２２ 吸気通路
２３ 排気用ファン
２４ 排気ダクト
２６ 排気口
２７ 排気チャンバ
２８ 底面部
３２ 貫通孔
３３ カバー
３５ 開口部
３６ 縦壁部
３７ 排気通路
３９ 水素ガス排出口
４１ 排水口
４２ ドレン配管
Claims (3)
- 車両前部かつフロントフードによって上方を覆われる空間に燃料電池を収納した燃料電池ケースを配置し、前記燃料電池ケースに吸気ダクトと排気ダクトを連結し、前記吸気ダクトと前記排気ダクトとを前記燃料電池内の空気通路によって連通させ、前記燃料電池から排出される余剰の空気と余剰の水素ガスとを前記排気ダクトを含む排気通路によって車外に排出する燃料電池車両の排気装置において、前記フロントフードの下面に排気チャンバを取り付け、前記排気ダクトを前記燃料電池ケースの後部から鉛直方向上方へ延ばし、その上端の排気口を前記排気チャンバ内に開口させ、前記フロントフードには車両前後方向で前記排気口よりも前側の部分に前記排気チャンバ内を外部の空間と連通させる貫通孔を形成し、前記貫通孔をカバーで覆うとともにこのカバーに前記フロントフードの上面から上方に離れかつ車両後方に向かって開口する開口部を形成したことを特徴とする燃料電池車両の排気装置。
- 前記フロントフードを上方から見た場合、このフロントフードを貫通して前記排気チャンバ内と外部の空間とを連通する水素ガス排出口を前記排気ダクトの排気口の位置から車両幅方向にずらした位置に形成したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両の排気装置。
- 前記排気チャンバの底面部を車両上下方向の高さが車両前側に向かうにつれて低くなる形状とし、その底面部の前側部に排水口を形成し、この排水口から流出した水を下方へ導くドレン配管を前記フロントフードより下方に配置される部品に取り付けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両の排気装置。
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