JP5812189B2 - 燃料電池車両の吸気装置 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池を搭載した燃料電池車両の吸気装置に関するものであり、特に燃料電池を空気で冷却する空冷式燃料電池を搭載した車両に好適なものである。
燃料電池は、例えば水素と酸素（空気中の酸素）の化学反応エネルギーを直接電気エネルギーに変換するものである。燃料電池車両では、このようして得られた電気エネルギーで例えばモータを駆動し、車両の駆動力とする。このような燃料電池車両としては、例えば下記特許文献１に記載されるものがある。この燃料電池車両では、２以上のセルを備えた燃料電池スタックの外面に空気極を設け、車両前方の吸気ダクトから燃料電池スタックに空気を供給可能とし、車両後方に延びる排気ダクトから燃料電池スタックの排気を排出可能とし、送風機によって吸気ダクトからの吸気を燃料電池スタックの空気極に接触させるようにしている。
特開２００９−３７９９１号公報
従来の四輪車両用燃料電池としては、燃料電池スタックを冷却水で冷却する水冷式燃料電池が一般的である。一方、燃料電池スタックを空気で冷却する空冷式燃料電池を用いることも知られている。空冷式燃料電池を用いる燃料電池車両では、反応に必要な酸素を含む空気に加えて燃料電池スタックを冷却するための空気も燃料電池スタックに供給しなければならない。このような大容量の空気を取り込むために燃料電池スタックの車両前方に大きな開口の吸気ダクトを設けた場合、降雨などによる水が吸入空気と共に燃料電池スタックに供給される。水が空気流路を閉塞すると、燃料電池のオーバーヒートに繋がる虞がある。また、燃料電池スタックの空気吸入部には、通常、塵埃、及び大気中の化学物質を除去するためのフィルタが設けられている。このフィルタが水を含む吸気によって目詰まりを起こし、吸気抵抗が増大し、燃料電池スタック反応及び冷却のための空気を十分吸入できなくなる虞がある。
本発明は、上記のような問題点に着目してなされたものであり、燃料電池が水分を含んだ空気を吸入することによって生じる種々の問題を解決することを目的とするものである。
上記課題を解決するために、本発明の一態様は、発電反応に使用する空気を燃料電池スタックに供給する燃料電池車両の吸気装置において、燃料電池スタックに供給される空気の流れ方向の上流側に配置されて燃料電池スタックに取り付けられるとともに車体に結合され燃料電池スタックに空気を導く吸気ダクトと、燃料電池スタックを挟んで吸気ダクトと反対側に配置されて燃料電池スタックに取り付けられ燃料電池スタックに供給され該燃料電池スタックを通過した空気が排出される空気を導く排気ダクトと、燃料電池スタックから排出される空気の流れ方向下流側で排気ダクトに取り付けられ吸気ダクトに空気を取り入れるファンと、吸気ダクトが車体に結合される部分と重なるとともにフィルタ面が空気の流れ方向に対向し且つ鉛直方向になるように吸気ダクト内に配置され吸気ダクトを介して車体に剛体結合されて主に空気と水とを分離する水フィルタと、吸気ダクト内に水フィルタよりも所定距離だけ空気の流れ方向下流側の燃料電池スタック側に設けられて空気中の塵埃及び化学物質を除去する塵埃・化学物質フィルタと、を備え
ていることを特徴とする燃料電池車両の吸気装置である。
また、水フィルタはフィルタ材が撥水加工とプリーツ加工とを施した不織布からなるものであることを特徴とする燃料電池車両の吸気装置である。
また、前記塵埃・化学物質フィルタはフィルタ材がプリーツ加工された一対の不織布と、これら一対の不織布に挟まれた活性炭とによって構成されることを特徴とする燃料電池車両の吸気装置である。
また、前記吸気ダクトの前記水フィルタより空気の流れ方向上流側の底面に前記水フィルタで補足した水を吸気ダクトの外部に導く傾斜部を設けたことを特徴とする燃料電池車両の吸気装置。
また、前記燃料電池スタックは前記空気によって冷却される空冷式燃料電池スタックであることを特徴とする燃料電池車両の吸気装置である。
而して、発明の一態様によれば、吸気ダクトを通して発電反応に使用する空気を燃料電池スタックに供給する。吸気ダクト内の燃料電池スタック側に設けられた塵埃・化学物質フィルタで空気中の塵埃及び化学物質を除去する。また、吸気ダクト内の塵埃・化学物質フィルタよりも所定距離だけ空気の流れ方向上流側に設けられた水フィルタで主として空気と水を分離する。このため、吸入空気中の水は塵埃・化学物質フィルタ及び燃料電池スタック側に到達せず、燃料電池が水分を含んだ空気を吸入することによって生じる種々の問題を解決することができる。また、塵埃・化学物質フィルタと水フィルタを個別に設けたため、塵埃・化学物質フィルタは塵埃及び化学物質の分離性に最適なフィルタ材で構成し、水フィルタは水の分離性に最適なフィルタ材で構成することができる。その結果、水の分離性と、塵埃及び化学物質の分離性の双方を向上することができる。また、水フィルタを塵埃・化学物質フィルタよりも所定距離だけ空気の流れ方向上流側に設けたことにより、水フィルタで捕捉された水が塵埃・化学物質フィルタ側に流入するのを抑制することができる。また、塵埃・化学物質フィルタによって吸気ダクト内の空気の流れを整流することができ、電両電池スタックに空気を均等に流し、発電性能を向上することができる。
また、水フィルタのフィルタ材を撥水加工とプリーツ加工とを施した不織布で構成したことにより、水フィルタの通気面積を拡大し、燃料電池スタックでの発電性能を向上することができる。
また、塵埃・化学物質フィルタのフィルタ材をプリーツ加工された一対の不織布と、これら一対の不織布に挟まれた活性炭とによって構成したことにより、塵埃・化学物質フィルタの通気面積を拡大する一方、活性炭により化学物質を分離できる。このため、燃料電池スタックでの発電性能を向上することができる。
また、吸気ダクトを介して水フィルタを車体に剛体結合したことにより、車両走行時の振動を利用して水フィルタで捕捉した水を振るい落とすことができる。
また、吸気ダクトの水フィルタより空気の流れ方向上流側の底面に水フィルタで捕捉した水を吸気ダクトの外部に導く傾斜部を設けたことにより、水フィルタで捕捉された水が塵埃・化学物質フィルタ側に流れるのを抑制することができる。
また、燃料電池スタックは空気によって冷却される空冷式燃料電池スタックである場合に、燃料電池スタックに大容量の空気を取り入れる場合であっても、水フィルタによって水を捕捉することにより、燃料電池が水分を含んだ空気を吸入することによって生じる種々の問題を回避することができる。
本発明の燃料電池車両の吸気装置の一実施形態を示す燃料電池車両の平面図である。 燃料電池スタックのセルの説明図である。 図１の燃料電池システムのブロック図である。 図１の燃料電池スタック及び吸気装置を車両右斜め前方からみた斜視図である。 図１の燃料電池スタック及び吸気装置を車両左斜め後方からみた斜視図である。 図１の燃料電池スタック及び吸気装置の縦断面図である。 第２フィルタのフィルタ材の縦断面図である。
次に、本発明の燃料電池車両の吸気装置の一実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態の吸気装置が適用された燃料電池車両の平面図である。この燃料電池車両１では、駆動輪となる前輪４１の車軸４２の近傍に、駆動用のモータ４３、変速機のギヤボックス４４が配置されている。車両の前方部には燃料電池スタック１１が搭載されている。また、車両の後方部、後輪４５の車軸４６の近傍には水素タンク２３が配置されている。本実施形態は燃料電池スタック１１を空気で冷却する空冷式燃料電池スタックを採用している。燃料電池スタック１１の車両前方には吸気ダクト２が取付けられ、燃料電池スタック１１の車両後方には排気ダクト５が取付けられている。排気ダクト５の車両後方端部にはブロワなどの低圧ファン６が設けられている。図６に示すように、吸気ダクト２内の燃料電池スタック１１側には、空気中の塵埃及び化学物質を除去する塵埃・化学物質フィルタ３が設けられている。また、吸気ダクト２内の塵埃・化学物質フィルタ３よりも所定距離だけ空気の流れ方向上流側、つまり前方には、主として空気と水を分離する水フィルタ４が設けられている。
本実施形態の燃料電池車両の吸気装置の説明の前に、本実施形態で採用されている水素燃料電池について説明する。燃料電池スタック１１は、セルと呼ばれる最小構成単位を多数積層して構成される。図２にセルの一例を示す。通常の固体高分子型燃料電池では、各セルは、水素が供給されるアノード極１２、酸素（空気）が供給されるカソード極１３、アノード極１２及びカソード極１３の中間に配置されて水素イオンを選択的に透過する電解質膜１６、電解質膜１６の両外側に配置されて反応を活性化する触媒層１５、各触媒層１５とアノード極１２又はカソード極１３との間に挟まれた拡散層１４を備えている。
アノード極１２に供給された水素分子は、アノード極１２の電解質表面にある触媒層１５において活性な水素原子となり、更に水素イオンになって電子を放出する。図２に“１”で示されるこの反応は、以下の１式で表れる。
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- ………(1)
１式に従って発生した水素イオンは電解質膜１６に含まれる水分を伴ってアノード極１２側からカソード極１３側へ電解質膜１６中を移動し、また、電子は外部回路を通じてカソード極１３に移動する。一方のカソード極１３に供給された空気中の酸素分子は、触媒層１５において外部回路から供給された電子を受け取って酸素イオンとなり、電解質膜１６を移動してきた水素イオンと結合して水となる。図２に“２”で示されるこの反応は、以下の２式で表れる。また、このようにして生成された水分の一部は濃度拡散によりカソード極１３からアノード極１２へと移動する。なお、アノード極１２からの排気をアノード排気、カソード極１３からの排気をカソード排気とも記す。
１／２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ ………(2)
このような化学反応において、燃料電池内部では電解質膜１６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１４中を水素や酸素が移動するための拡散過電圧などの様々な損失が発生し、それにより加熱した燃料電池スタック１１を冷却する必要がある。図３は、本実施形態の燃料電池システムのブロック図である。本実施形態の燃料電池システムは空冷式燃料電池システムである。燃料電池スタック１１は、前述したフィルタ３、４を介してファン６により空気の供給を受ける。供給された空気は、燃料電池スタック１１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１１を冷却する役割も担う。なお、燃料電池スタック１１には、ファン６による空気の供給だけでなく、走行風によっても空気を供給できるようにしてもよい。一方、水素タンク２３内の水素は減圧弁２４によって降圧した後に燃料電池スタック１１に供給される。そして、発電に使用されなかった水素はアノード排気として燃料電池スタック１１から排出される。アノード排気（水素供給側の排気）はパージ弁２５を介してカソード排気（空気供給側の排気）に合流される。アノード排気をパージする際には排気水素ガスをカソード排気（空気）によって可燃下限濃度以下に希釈して外部排気する。
図４は、本実施形態の燃料電池スタック１１及び吸気装置を車両右斜め前方からみた斜視図、図５は、本実施形態の燃料電池スタック１１及び吸気装置を車両左斜め後方からみた斜視図、図６は、本実施形態の燃料電池スタック１１及び吸気装置の縦断面図である。本実施形態では、前述のように、吸気ダクト２内の燃料電池スタック１１側に塵埃・化学物質フィルタ３が設け、吸気ダクト２内の塵埃・化学物質フィルタ３よりも所定距離だけ前方に水フィルタ４が設けられている。
塵埃・化学物質フィルタ３のフィルタ材は、図７に示すように、プリーツ加工した一対の不織布７と、これら一対の不織布７に挟まれた活性炭８とを備えて構成される。主として、不織布７は除塵、活性炭８は化学物質の除去を目的としている。また、本実施形態では、塵埃・化学物質フィルタ３は、燃料電池スタック１１の吸気部に直接搭載するように設けられている。これにより、フィルタ開口面積を確保し、且つ燃料電池スタック１１への吸気の整流効果を発揮する。これにより、燃料電池システムの小型化に寄与すると共に、燃料電池スタック１１内の各セルへの空気供給が均等となり、セル間の温度のバラツキを抑制することができる。
水フィルタ４はフィルタ面が車両前方方向に対向し且つ鉛直方向になるように車体９に剛体結合されている。水フィルタ４のフィルタ材は、撥水加工した不織布７からなり、通気面積確保のためにプリーツ加工が施されている。撥水加工には、周知のように、シリコン、樹脂ワックス、フッ素系化合物を繊維に結合するものや、ポリウレタン系樹脂をコーティングするものが挙げられる。この水フィルタ４は、空気中の空気と水の分離を主目的とするが、大粒径の異物も除去し、水気のない空気を塵埃・化学物質フィルタ３及び燃料電池スタック１１に供給する。本実施形態では、水フィルタ４はフィルタ面が鉛直方向になっているので、水フィルタ４で捕捉された水はフィルタ材の表面を伝って流れ落ちる。
また、水フィルタ４は車体９に剛体結合されているため、水フィルタ４で捕捉された水は車体９の振動によって振るい落とされる。また、本実施形態では、吸気ダクト２の水フィルタ４より空気の流れ方向上流側、つまり前方の底面に水フィルタ４で捕捉した水を吸気ダクト２の外部に導く傾斜部１０が設けられている。この傾斜部１０があるが故に、水フィルタ４の鉛直なフィルタ面に沿って流れ落ちた水、或いは車体９の振動によって振るい落とされた水が車両前方に流れ落ち、吸気ダクト２内に流れ込むことがない。
このように本実施形態の燃料電池車両の吸気装置では、吸気ダクト２を通して発電反応に使用する空気を燃料電池スタック１１に供給する。吸気ダクト２内の燃料電池スタック１１側に設けられた塵埃・科学物質フィルタ（第１フィルタ）３で空気中の塵埃及び化学物質を除去する。また、吸気ダクト２内の塵埃・化学物質フィルタ３よりも所定距離だけ空気の流れ方向上流側に設けられた水フィルタ（第２フィルタ）４で主として空気と水を分離する。このため、吸入空気中の水は塵埃・化学物質フィルタ３及び燃料電池スタック１１側に到達せず、燃料電池が水分を含んだ空気を吸入することによって生じる種々の問題を解決することができる。また、塵埃・化学物質フィルタ３と水フィルタ４を個別に設けたため、塵埃・化学物質フィルタ３は塵埃及び化学物質の分離性に最適なフィルタ材で構成し、水フィルタ４は水の分離性に最適なフィルタ材で構成することができる。その結果、水の分離性と、塵埃及び化学物質の分離性の双方を向上することができる。また、水フィルタ４を塵埃・化学物質フィルタ３よりも所定距離だけ空気の流れ方向上流側に設けたことにより、水フィルタ４で捕捉された水が塵埃・化学物質フィルタ３側に流入するのを抑制することができる。また、塵埃・化学物質フィルタ３によって吸気ダクト２内の空気の流れを整流することができ、電両電池スタックに空気を均等に流し、発電性能を向上することができる。
また、水フィルタ４のフィルタ材を撥水加工とプリーツ加工とを施した不織布で構成したことにより、水フィルタ４の通気面積を拡大し、燃料電池スタック１１での発電性能を向上することができる。
また、塵埃・化学物質フィルタ３のフィルタ材をプリーツ加工された一対の不織布７と、これら一対の不織布７に挟まれた活性炭８とによって構成したことにより、塵埃・化学物質フィルタ３の通気面積を拡大する一方、活性炭８により化学物質を分離できる。このため、燃料電池スタック１１での発電性能を向上することができる。
また、吸気ダクト２を介して水フィルタ４を車体９に剛体結合したことにより、車両走行時の振動を利用して水フィルタ４で捕捉した水を振るい落とすことができる。
また、吸気ダクト２の水フィルタ４より空気の流れ方向上流側の底面に水フィルタ４で捕捉した水を吸気ダクト２の外部に導く傾斜部１０を設けたことにより、水フィルタ４で捕捉された水が塵埃・化学物質フィルタ３側に流れるのを抑制することができる。
また、燃料電池スタック１１は空気によって冷却される空冷式燃料電池スタックである場合のように、燃料電池スタック１１に大容量の空気を取り入れる場合であっても、水フィルタ４によって水を捕捉することにより、燃料電池が水分を含んだ空気を吸入することによって生じる種々の問題を回避することができる。
なお、本発明の燃料電池車両の吸気装置は、燃料電池車両全般に適用可能であるが、燃料電池スタックの反応のみならず、その冷却のために大容量の空気供給を必要とし、故に吸排気系の通気抵抗低減が求められる空冷式燃料電池スタックに特に有効である。
１は燃料電池車両
２は吸気ダクト
３は塵埃・化学物質フィルタ
４は水フィルタ
５は排気ダクト
６はファン
７は不織布
８は活性炭
９は車体
１０は傾斜部
１１は燃料電池スタック
１２はアノード極
１３はカソード極
１４は拡散層
１５は触媒層
１６は電解質膜
２３は水素タンク
２４は減圧弁
２５はパージ弁
４１は前輪
４２は車軸
４３はモータ
４４はギヤボックス
４５は後輪
４６は車軸

Claims (5)

  1. 発電反応に使用する空気を燃料電池スタックに供給する燃料電池車両の吸気装置において、
    前記燃料電池スタックに供給される空気の流れ方向の上流側に配置されて前記燃料電池スタックに取り付けられるとともに車体に結合され前記燃料電池スタックに空気を導く吸気ダクトと、
    前記燃料電池スタックを挟んで前記吸気ダクトと反対側に配置されて前記燃料電池スタックに取り付けられ前記燃料電池スタックに供給され該燃料電池スタックを通過した空気が排出される空気を導く排気ダクトと、
    前記燃料電池スタックから排出される空気の流れ方向下流側で前記排気ダクトに取り付けられ前記吸気ダクトに空気を取り入れるファンと、
    前記吸気ダクトが前記車体に結合される部分と重なるとともにフィルタ面が空気の流れ方向に対向し且つ鉛直方向になるように前記吸気ダクト内に配置され前記吸気ダクトを介して前記車体に剛体結合されて主に空気と水とを分離する水フィルタと、
    前記吸気ダクト内に前記水フィルタよりも所定距離だけ空気の流れ方向下流側の前記燃料電池スタック側に設けられて空気中の塵埃及び化学物質を除去する塵埃・化学物質フィルタと、を備え
    ていることを特徴とする燃料電池車両の吸気装置。
  2. 前記水フィルタはフィルタ材が撥水加工とプリーツ加工とを施した不織布からなるものであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両の吸気装置。
  3. 前記塵埃・化学物質フィルタはフィルタ材がプリーツ加工された一対の不織布と、これら一対の不織布に挟まれた活性炭とによって構成されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池車両の吸気装置。
  4. 前記吸気ダクトの前記水フィルタより空気の流れ方向上流側の底面に前記水フィルタで補足した水を吸気ダクトの外部に導く傾斜部を設けたことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の燃料電池車両の吸気装置。
  5. 前記燃料電池スタックは前記空気によって冷却される空冷式燃料電池スタックであることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の燃料電池車両の吸気装置。
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