JP5772176B2 - 燃料電池車両 - Google Patents

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Description

この発明は燃料電池車両に係り、特に、燃料電池スタックから排出される空気の熱を利用して暖房を行う燃料電池車両に関する。
燃料電池車両に搭載される燃料電池システムには、水冷式の燃料電池システムと空冷式の燃料電池システムが知られている。水冷式の燃料電池システムにおいては、燃料電池スタックが発生する熱を、冷却水で冷却する。これに対し、空冷式の燃料電池システムでは、冷却用のブロアファンにより供給する冷却用エアにより燃料電池スタックを冷却する。
まず、従来の燃料電池車両の一般的な水冷式の燃料電池システムの構成を図４に示す。図４に示すように、水冷式の燃料電池システム１０１においては、水素タンク１０２に貯蔵した高圧の圧縮水素ガスを、水素供給配管１０３により減圧弁１０４を介して燃料電池スタック１０５のアノード吸気部１０６に導入する。一方、燃料電池システム１０１は、吸気ダクト１０７に吸入した外部の空気をフィルタ１０８で浄化した後、コンプレッサ１０９により圧縮して、燃料電池スクック１０５のカソード吸気部１１０に導入する。これにより、燃料電池スタック１０５では、水素と空気中の酸素との電気化学反応で発電が行われる。
燃料電池スタック１０５のカソード排気部１１１からは、余剰の空気がカソード排気として排気ダクト１１２に排出される。カソード排気は、気水分離器１１３により排気中の水分の一部が分離された後、カソード系の圧力制御を目的とした背圧弁１１４を通して排気ダクト１１２に導入され、車外に放出される。また、燃料電池スタック１０５のアノード排気部１１５からは、余剰の水素ガスがアノード排気として排出される。アノード排気も、カソード排気と同様に気水分離器１１６を通り、パージ弁１１７を通して排気ダクト１１２に導入され、カソード排気と混入される。アノード排気は、カソード排気と比べてきわめて流量が小さい。このため、カソード排気により、アノード排気のパージ水素を可燃下限濃度である４％以下に希釈して車外に放出することができる。なお、燃料電池システム１０１によっては、水素の利用率を向上させるため、水素ポンプ１１８を用いてアノード排気をアノード吸気部１０６に再循環させるものもある。
水冷式の燃料電池システム１０１は、冷却システム１１８を備える。冷却システム１１８は、燃料電池スタック１０５とラジエータ１１９とをループ状の冷却水通路１２０で接続し、水ポンプ１２１により冷却水をラジエータ１１９と燃料電池スタック１０５との間に循環させ、燃料電池スタック１０５を冷却する。この燃料電池システム１０１は、冷却水通路１２０を流れる高温の冷却水を暖房装置１２２に利用している。暖房装置１２２は、冷却水を調整弁１２３によりヒータコア１２４に供給し、送風用のファン１２５を駆動することで、車室３を暖房する。
次に、燃料電池車両の空冷式の燃料電池システムの構成を図５により説明する。図５に示すように、空冷式の燃料電池システム２０１においても、水素タンク２０２に貯蔵した圧縮水素ガスを水素供給配管２０３により減圧弁２０４に送って減圧した後に、燃料電池スタック２０５のアノード吸気部２０６に導入する。一方、カソード吸気の供給装置は高圧圧縮コンプレッサを有さず、吸気ダクト２０７に吸入した空気をフィルタ２０８で浄化後、低圧のブロアファン２０９によって燃料電池スタック２０５のカソード吸気部２１０に供給する。カソード吸気部２１０に供給された空気は、燃料電池スタック２０５における発電反応に供するのみでなく、燃料電池スタック２０５で発生する熱を奪い、燃料電池スタック２０５を冷却する役割を有する。
燃料電池スタック２０５のカソード排気部２１１から排出される余剰の空気であるカソード排気は、排気ダクト２１２により車外に放出される。また、燃料電池スタック２０５のアノード排気部２１３から排出される余剰の水素ガスであるアノード排気は、パージ弁２１４を経て排気ダクト２１２を流れるカソード排気と混合される。アノード排気部２１３からのパージ水素ガスは、カソード排気により可燃下限濃度以下に希釈して車外に放出される。
従来の燃料電池スタックを搭載した車両の暖房装置には、燃料電池スタックから排出される空気を直接車室内に導入するもの（特開２００８−１０８５３８号）や、燃料電池スタックの発熱によって加熱された冷却水が流れる熱交換機をフロア下面に配置し、冷却水の熱を利用して車室内を暖房するもの（特開２００５−２８０６３９号）がある。
特開２００８−１０８５３８号公報 特開２００５−２８０６３９号公報
ところで、前記図４に示す水冷式の燃料電池システム１０１を搭載した車両においては、燃料電池スタック１０５を冷却して温度の上昇した冷却水を暖房装置１２２のヒータコア１２４に導くことにより、その冷却水の熱を車室内の暖房に利用することが一般的である。
しかしながら、燃料電池システム１０１の動作温度は内燃機関と比べて低く、かつ高効率であることから、燃料電池スタック１０５の冷却水の温度は内燃機関の冷却水の温度と比べて低い。このため、燃料電池スタック１０５の冷却水による暖房のみでは車室内暖房の能力が不足することが多く、この場合、ＰＴＣヒータなどの補助ヒータを使用していた。
暖房装置としてＰＴＣヒータのような電気ヒータを使用することも可能であるものの、暖房装置の稼動時に電力の消費量が増加し、燃費の低下を招くことになる。このため、電力を消費しない補助的な暖房装置が必要である。
また、前記図５に示す空冷式の燃料電池システム２０１は、図４に示す水冷式の燃料電池システム１０１のような冷却水を循環させる冷却システム１１８を有さないため、冷却水を使用せずに車室を効率的に暖房できる暖房装置が必要であった。
また、特許文献１に記載の暖房装置では、熱量の関係から車室全体を暖房することが困難であった。一方、特許文献２に記載の暖房装置では、構造が複雑でありかつ電力の消費量が増加する問題があった。
この発明は、燃料電池スタックから排出される空気の熱を利用して効率的に燃料電池車両の車室を暖房することを目的とする。
この発明は、空冷式の燃料電池スタックから空気を排出する排気ダクトを車両のフロア下に配置した燃料電池車両において、前記排気ダクトは、前輪と後輪の間に配置される車室のフロアの下面を全体的に覆ってフロアに沿う排気通路を形成し、少なくとも前記フロアの下面に所定の隙間で対向する下面壁とこの下面壁の左右両側部から前記フロアの下面側へ延びる一対の側壁と、後輪の直前に配置されて空気を外部へ排出する排出口と、を備え、前記排気ダクト内を流れる前記空気によって前記フロアを加熱するようにしたことを特徴とする。
この発明の燃料電池車両は、燃料電池スタックから排出されて排気ダクトを流れる空気の熱によりフロアを加熱し、燃料電池車両の車室を効率的に暖房できる。
また、この発明の燃料電池車両は、燃料電池スタックから排出されて排気ダクト内を流れる空気の熱でフロアを加熱する方法のため、燃料電池スタックの運転開始後直ちに暖房を開始できる。また、冷却水を循環させてフロアを加熱する方法と比べて流体の通路構造を簡素化でき、かつ電力消費量を低減できる。
図１はフロア暖房稼働時における燃料電池車両の前後方向の断面図である。（実施例） 図２は図１のＡ−Ａ線による燃料電池車両の左右方向の断面図である。（実施例） 図３はフロア暖房非稼働時における燃料電池車両の前後方向の断面図である。（実施例） 図４は水冷式の燃料電池システムのブロック図である。（従来例） 図５は空冷式の燃料電池システムのブロック図である。（従来例）
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３は、この発明の実施例を示すものである。図１において、１は燃料電池車両、２はフロントルーム、３は車室、４はフロア、５はシート、６は前輪、７は後輪である。燃料電池車両１は四輪車であり、車両前部のフロントルーム２内に燃料電池システム８の燃料電池スタック９を搭載し、フロントルーム２後方の車室３のフロア４上にシート５を配置している。燃料電池スタック９は、外部の空気を吸入する吸気ダクト１０を前部に備え、空気を排出する排気ダクト１１を後部に備えている。
燃料電池スタック９は、水素タンクから供給される水素と吸気ダクト１０で吸入した空気中の酸素との電気化学反応で発電を行う。燃料電池スタック９に供給された空気は、水素との反応ガスとして発電反応に供するのみでなく、冷却媒体として燃料電池スタック９における反応熱を奪い、燃料電池スタック９を冷却する役割を有している。したがって、燃料電池スタック９は、空気によって冷却される構造であり、空気を反応ガス兼冷却媒体とする空冷式の燃料電池スタックである。よって、燃料電池システム８は、空冷式の燃料電池システムである。
水素との反応後の余剰空気及び燃料電池スタック９を冷却後の空気は、発電に使用されなかった余剰水素ガスとともに、燃料電池スタック９から排気ダクト１１により車外に放出される。
前記排気ダクト１１は、図２に示すように、少なくともフロア４の下面に所定の隙間Ｓで対向する下面壁１２と、この下面壁１２の車両左右方向の両側部からフロア４の下面側へ延びる一対の右側壁１３・左側壁１４とを備え、上方が開口した樋形状に形成している。排気ダクト１１は、前輪６と後輪７の間に配置される車室３のフロア４の下面を全体的に覆ってフロア４に沿う排気通路を形成し、空気を外部へ排出する排出口１５を後輪７の直前に備えている。
フロア４の下面には、排気ダクト１１内の空気と熱交換を行うヒートシンク１６を設けている。燃料電池車両１は、燃料電池スタック９から排出されて排気ダクト１１内を流れる空気の熱によって、フロア４を加熱するようにしている。
このように、燃料電池車両１は、燃料電池スタック９から排出されて排気ダクト１１内を流れる空気の熱により燃料電池車両１のフロア４全体を暖めて床暖房を行うことができ、車室３を効率的に暖房できる。また、この燃料電池車両１は、燃料電池スタック９から排出されて排気ダクト１１内を流れる空気の熱でフロア４を加熱する方法のため、燃料電池スタック９の運転開始後直ちに暖房を開始できる。また、冷却水を循環させてフロアを加熱する方法と比べて流体の通路構造を簡素化でき、かつ電力の消費量を低減できる。
また、燃料電池車両１に搭載した燃料電池スタック９が空気によって冷却される構造の場合、排気ダクト１１には燃料電池スタック９によって加熱された空気が多量に流れるため、フロア４の加熱効果が向上する。
さらに、燃料電池車両１は、排気ダクト１１を上方が開口した樋形状としているので、排気ダクト１１の構造を簡素化できるとともに、空気の熱をフロア４に直接伝達でき、フロア４の加熱効果が向上する。
また、燃料電池車両１は、フロア４の下面に設けたヒートシンク１６によって排気ダクト１１内を流れる空気の熱を効率的にフロア４ヘ伝達でき、フロア４の加熱効果が向上する。
前記排気ダクト１１は、図１・図３に示すように、前輪６の直後の分岐部１７でフロア４の下面に沿う第１排気ダクト１８と、フロア４から離れる第２排気ダクト１９とに分岐している。第１排気ダクト１８は、下面壁１２に断熱層２０を有している。第２排気ダクト１９は、空気を外部へ排出する排出口２１を第１排気ダクト１８の下方の分岐点１７からわずか後方に備えている。第２排気ダクト１９の通路長は、第１排気ダクト１８の通路長よりも短くしている。
分岐部１７には、空気の流れ方向を第１排気ダクト１８側または第２排気ダクト１９側に切り替える切替弁２２を配置している。燃料電池車両１は、切替弁２２によって、第１排気ダクト１８に流入する空気の量と第２排気ダクト１９ヘ流入する空気の量を調整することで、フロア４の温度を調整する。
このように、燃料電池車両１は、空気の流れ方向を第１排気ダクト１８側または第２排気ダクト１９側に切り替える切替弁２２によって、床暖房が不要な場合、図３に示すように、燃料電池スタック９から排出される空気を第２排気ダクト１９側へ流すことで、フロア４の加熱を停止できる。これにより、切換弁２２は、暖房時の廃熱利用効率の向上と、非暖房時の車室３と空気との熱的な隔離に貢献することができる。
また、燃料電池車両１は、第１排気ダクト１８の通路長よりも短い第２排気ダクト１９の排気口２１から空気を排出する場合、第１排気ダクト１８の下面壁１２に設けた断熱層２０によって、空気の熱で第１排気ダクト１８の下面壁１２が加熱されることを防止し、伝熱によりフロア４の温度が上昇することを防止できる。
さらに、燃料電池車両１は、空気を第２排気ダクト１９の排出口２１から車外に排出する際に、第１排気ダクト１８よりも通路長が短いのでも、第２排気ダクト１９の通気抵抗を減少させ、空気を燃料電池スクック９から外部へ排出し易くできる。
また、燃料電池車両１は、切替弁２２によって第１排気ダクト１８・第２排気ダクト１９ヘ流れる空気の量を調整することでフロア４の温度を調整しており、簡易な構造でフロア４の温度を調整できる。
前記燃料電池車両１は、切替弁２２を制御部２３によって切換制御する。制御部２３には、外気温度を検出する外気温度センサ２４を接続している。制御部２３は、外気温度センサ２４の検出信号に基づき、外気温度に応じて上側排気ダクト１８および下側排気ダクト１９に空気を分配するように切替弁２２を制御する。
制御部２３は、外気温度がある設定温度Ｔ１よりも低い場合は車室３の床暖房のため、燃料電池スタック９が排出する空気を第１排気ダクト１８に導くよう、切換弁２２を制御する。制御部２３は、外気温度が設定温度Ｔ１よりも高い側に設定した別の設定温度Ｔ２よりも高くなると、燃料電池スタック９が排出する空気を第２排気ダクト１９に導くように、切換弁２２を制御する（Ｔ１＜Ｔ２）。
このように、燃料電池車両１は、切換弁２２を外気温度に応じて制御し、第１排気ダクト１８および第２排気ダクト１９ヘ流れる空気の分配割合を可変制御することにより、外気温度に応じた床暖房制御を行うことが可能である。これにより、燃料電池車両１は、外気温度が低い場合に、乗員が暖房装置を操作しなくても、燃料電池スタック９の排出する空気の熱でフロア４を加熱でき、足元を快適な温度に昇温できる。
また、切換弁２２の切り替え条件は外気温度でなく、車室内温度とすることもできる。この場合は、制御部２３に、車室内温度を検出する車室内温度センサ２５を接続する。制御部２３は、車室内温度センサ２５の検出信号に基づき、切替弁２２を車室内温度に応じて制御することで、車室内温度が低い場合に、乗員が暖房装置を操作しなくても、フロア４を加熱でき、足元を快適な温度に昇温できる。
なお、切換弁２２は、外気温度や車室内温度ではなく、燃料電池車両１に搭載の暖房装置の稼働状況により第１排気ダクト１８および第２排気ダクト１９へ流れる空気の分配割合を可変制御することもできる。暖房装置の稼動時においては、車室３のフロア４を加熱して床暖房するため、燃料電池スタック９が排出する空気を第１排気ダクト１８に導くように、切換弁２２を制御する。暖房装置の非稼動時においては、燃料電池スタック９が排出する空気を第２排気ダクト１９に導くように、切換弁２２を制御する。
これにより、燃料電池車両１は、暖房装置の暖房設定温度や風量に応じて、第１排気ダクト１８および第２排気ダクト１９ヘ流れる空気の分配割合を可変制御することにより、暖房要求に応じた床暖房制御を行うことも可能である。
また、上述実施例においては、燃料電池スタック９を前部のフロントルーム２に搭載したが、燃料電池スクック９の搭載位置としてはそれに留まることなく、フロア４の下などへの搭載でも適切なダクト構造を構成することにより、同様に床暖房の効果を得ることができる。
この発明の燃料電池車両は、燃料電池スタックから排出される空気の熱を有効利用して燃料電池車両の床暖房を行うものであるが、燃料電池車両への応用に留まるものではなく、住宅用など定置型空冷式の燃料電池システムの燃料電池スタックを用いた室内暖房への適用も可能である。
１ 燃料電池車両
２ フロントルーム
３ 車室
４ フロア
８ 燃料電池システム
９ 燃料電池スタック
１０ 吸気ダクト
１１ 排気ダクト
１２ 下面壁
１３ 右側壁
１４ 左側壁
１５ 排出口
１６ ヒートシンク
１７ 分岐部
１８ 第１排気ダクト
１９ 第２排気ダクト
２０ 断熱層
２１ 排出口
２２ 切替弁
２３ 制御部
２４ 外気温度センサ
２５ 車室内温度センサ

Claims (3)

  1. 空冷式の燃料電池スタックから空気を排出する排気ダクトを車両のフロア下に配置した燃料電池車両において、前記排気ダクトは、前輪と後輪の間に配置される車室のフロアの下面を全体的に覆ってフロアに沿う排気通路を形成し、少なくとも前記フロアの下面に所定の隙間で対向する下面壁とこの下面壁の左右両側部から前記フロアの下面側へ延びる一対の側壁と、後輪の直前に配置されて空気を外部へ排出する排出口と、を備え、前記排気ダクト内を流れる前記空気によって前記フロアを加熱するようにしたことを特徴とする燃料電池車両。
  2. 空冷式の燃料電池スタックから空気を排出する排気ダクトを車両のフロア下に配置した燃料電池車両において、前記燃料電池スタックは、車両前部のフロントルーム内に搭載され、前記排気ダクトは、少なくとも前記フロアの下面に所定の隙間で対向する下面壁とこの下面壁の左右両側部から前記フロアの下面側へ延びる一対の側壁を備え、前記排気ダクトを前輪直後の分岐部で前記フロアの下面に沿う第１排気ダクトと前記フロアから離れる第２排気ダクトとに分岐し、前記分岐部に空気の流れ方向を第１排気ダクト側または第２排気ダクト側に切り替える切替弁を配置して、前記切替弁によって第１排気ダクトおよび第２排気ダクトヘ流れる空気の量を調整することでフロアの温度を調整したことを特徴とする燃料電池車両。
  3. 前記第２排気ダクトは空気を外部へ排出する排出口を前記第１排気ダクトの下方に備え、前記第１排気ダクトは下面壁に断熱層を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池車両。
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