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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