JP6300620B2 - 排気希釈システム - Google Patents

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Description

本発明は、排気希釈システムに関する。
燃料電池は、燃料ガス(主に水素を含有するガス)及び酸化剤ガス(主に酸素を含有するガス)をアノード側電極及びカソード側電極に供給して電気化学的に反応させることにより、直流の電気エネルギを得るシステムである。
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を設けた電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の発電セルは、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ交互に積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
この種の燃料電池は、車載用としての利用が要請されており、車両に搭載するために種々の工夫がなされている。特に、発電反応後に燃料電池から排出される排出燃料ガス(以下、アノードオフガスという)は、直接、車両から外部に放出させることができず、希釈用ガス、例えば、発電反応後に前記燃料電池から排出される空気(以下、カソードオフガスともいう)により所定の濃度以下に希釈する必要がある。
特許文献1には、アノードオフガスを希釈する希釈装置と、前記希釈装置の下流に配設され、前記希釈装置で希釈された排ガスを外部に排出する排気配管とを備える排気希釈システムが記載されている。当該排気配管は、流路断面積が減少する絞り部と、排ガスが前記絞り部を通過する際に発生する負圧を介し、前記排気配管の外部から該排気配管の内部に空気を吸引するための吸引部と、を有する。特許文献1記載の燃料電池システムは、車両後部に設置された大気希釈用の排気配管によって、前記希釈装置で希釈された排ガスを、さらに大気希釈する。なお、前記希釈装置は、前記排気配管による大気希釈がない場合でも排ガスを所定の濃度以下に希釈することができる。
図5は、排気希釈システムが搭載される車両の後部構造を示す概略側面図である。
図5に示すように、排気希釈システムは、排ガスを排出する排気配管10と、排気配管10に設けられ、排ガスを大気導入して希釈する希釈器11と、を備える。また、車両後部には、燃料を貯蔵する水素タンク15と、水素タンク15の上部に設置され、水素タンク15周囲の水素濃度を検出する水素センサ16と、が備えられる。水素センサ16は、パネル17の下面に取り付けられる。また、水素タンク15は、ホイールハウス18に近接して配置される。
特開2009−170209号公報(図1、図2)
しかしながら、特許文献1記載の排気希釈システムは、車両後部に設置された大気希釈用の排気配管10の周辺において、停車時に車両後方からの風の巻き込み(図5の符号a参照)があった場合、排気ガスが排気配管又はその周辺を逆流し、水素タンク15上へと流れる可能性がある(図5の矢印b参照)。この場合、水素タンク15上に設置されている水素センサ16が逆流してきた水素を感知する可能性がある。
本発明は、これらの問題に鑑みてなされたものであり、車両後方からの風の巻き込みにより、排気ガスが車両中央方向に進入することを防ぐ排気希釈システムを提供することを課題とする。
上記課題を解決するための手段として、本発明は、排気管の下流側後端部に形成された噴出口と、前記噴出口から噴出される水素を含む主流による負圧を用いて副流である大気を吸引する吸引口及び、吸引後の前記主流と前記副流とを混合して希釈する混合部を有する希釈器本体と、を備える排気希釈装置と、前記排気希釈装置の周囲に、車両の後方に向けた気体を送り込む送気手段と、を備え、前記送気手段は、前記排気希釈装置の前記吸引口に気体を送ることを特徴とする排気希釈システムである。
このような構成によれば、排気希釈装置の周囲において車両後方へ向かう空気の流れ場が作られる。これにより、車両後方へ向かう空気の流れが、車両後方からの風の巻き込みによる車両後方からの風の逆流を抑制する。したがって、車両後方からの風の巻き込みにより、排気ガスが車両中央方向に進入することを防ぐことができる。例えば、車両後方からの風の巻き込みにより、アノードオフガスが水素タンク上の水素センサに導かれることを効果的に防ぐことができる。
また、排気希釈装置の周囲に車両後方へ向かう空気の流れ場が作られることで、排気希釈装置の外周及び排気希釈装置の吸込みのいずれの領域においても、車両後方へ向かう空気の流速が増大する。これにより、排気希釈装置の吸込み効率が向上し、希釈率が上がる。このため、排気希釈装置の小型化が可能となる。
また、排気希釈装置の吸込み効率が向上するので、大気による希釈率を上げることができ、排気希釈装置の小型化を図ることができる。
本発明は、排気管の下流側後端部に形成された噴出口と、前記噴出口から噴出される水素を含む主流による負圧を用いて副流である大気を吸引する吸引口及び、吸引後の前記主流と前記副流とを混合して希釈する混合部を有する希釈器本体と、を備える排気希釈装置と、前記排気希釈装置の周囲に、車両の後方に向けた気体を送り込む送気手段と、を備え、前記送気手段は、送風手段によって蓄電装置を経由するように送られた気体の少なくとも一部を、前記排気希釈装置の周囲に送り込む配管であることを特徴とする排気希釈システムである。
このような構成によれば、蓄電装置に用いられる送風手段の空気の流れを利用して、排気希釈装置の周囲に車両後方へ向かう空気の流れ場を作ることができる。
本発明は、排気管の下流側後端部に形成された噴出口と、前記噴出口から噴出される水素を含む主流による負圧を用いて副流である大気を吸引する吸引口及び、吸引後の前記主流と前記副流とを混合して希釈する混合部を有する希釈器本体と、を備える排気希釈装置と、前記排気希釈装置の周囲に、車両の後方に向けた気体を送り込む送気手段と、を備え、前記送気手段は、車両前部空間を換気する換気手段によって送られた気体の少なくとも一部を、前記排気希釈装置の周囲に送り込む配管であることを特徴とする排気希釈システムである。
このような構成によれば、車両前部空間の換気手段に用いられる送風手段の空気の流れを利用して、排気希釈装置の周囲に車両後方へ向かう空気の流れ場を作ることができる。
本発明は、排気管の下流側後端部に形成された噴出口と、前記噴出口から噴出される水素を含む主流による負圧を用いて副流である大気を吸引する吸引口及び、吸引後の前記主流と前記副流とを混合して希釈する混合部を有する希釈器本体と、を備える排気希釈装置と、前記排気希釈装置の周囲に、車両の後方に向けた気体を送り込む送気手段と、を備え、前記送気手段は、燃料電池に用いられる反応ガスである酸化剤ガスを供給する供給手段の送気の少なくとも一部を、前記排気希釈装置の周囲に送り込む配管であることを特徴とする排気希釈システムである。
このような構成によれば、燃料電池の酸化剤ガス用の供給手段の風の流れを利用して、排気希釈装置の周囲に車両後方へ向かう空気の流れ場を作ることができる。
本発明は、排気管の下流側後端部に形成された噴出口と、前記噴出口から噴出される水素を含む主流による負圧を用いて副流である大気を吸引する吸引口及び、吸引後の前記主流と前記副流とを混合して希釈する混合部を有する希釈器本体と、を備える排気希釈装置と、前記排気希釈装置の周囲に、車両の後方に向けた気体を送り込む送気手段と、を備え、前記排気希釈装置より前方に配置されて車両底面を覆うアンダーカバーと、前記アンダーカバーに設けられており、車両走行によって発生した走行風を前記排気希釈装置の周囲に送り込む走行風ガイド部と、を備えることを特徴とする排気希釈システムである。
このような構成によれば、各ダクトを配管したり分岐させたりすることなく、簡易な構成で、排気希釈装置の周囲に車両後方へ向かう空気の流れ場を作ることができる。また、上記送風手段、上記供給手段と併用することで、停車時の車両後方からの風の巻き込みを抑制することができるとともに、アノードオフガスの車両中央方向に進入防止効果をより一層高めることができる。
本発明によれば、車両後方からの風の巻き込みにより、排気ガスが車両中央方向に進入することを防ぐ排気希釈システムを提供することができる。
本発明の第1の実施形態に係る排気希釈システムが搭載される車両の後部構造を車両の下方左側から見た底面斜視図である。 本実施形態に係る排気希釈システムの排気希釈装置の断面図である。 本発明の第2の実施形態に係る排気希釈システムが搭載される車両の後部構造を車両の下方左側から見た底面斜視図である。 本発明の第3の実施形態に係る排気希釈システムが搭載される車両の後部構造を車両の下方左側から見た底面斜視図である。 排気希釈システムが搭載される車両の後部構造を示す概略側面図である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態について、図1及び図2を参照して詳細に説明する。説明において、同一の要素には同一の番号を付し、重複する説明は省略する。また、方向を説明する場合は、車両の運転者からみた前後左右上下に基づいて説明する。なお、車幅方向と左右方向は同義である。
図1に示すように、車体1の車体後部1aには、井げた形状の骨格部材であるリヤサブフレーム20が配置される。リヤサブフレーム20の下側が床下空間3の一部を形成している。リヤサブフレーム20の後端部20aには、一対の突起部20b,20bが突出形成される。車体1の底面には、車体1の一端側に沿って車体後部1aまで延びる排気配管40(後記)と、他端側に沿って車体後部1aまで延びる電池冷却ダクト60(後記)とが設置される。排気配管40と電池冷却ダクト60は、一対の突起部20b,20bの間で互いに近づくように折れ曲がり、その外側で再びそれぞれ車幅方向に延出する。
排気希釈システム100は、図示しない燃料電池から排出される排ガスを外部に排出する排気配管40と、排気配管40を流れた排ガスを大気を導入して希釈する排気希釈装置50と、を備える。
<排気希釈装置50>
図2に示すように、排気希釈装置50は、排気配管40の下流側後端部に形成された噴出口40aと、噴出口40aから噴出される主流による負圧を用いて副流である大気を吸引する吸引口50a及び、吸引後の主流と副流とを混合して希釈する混合部50bを有する希釈器本体51と、を備える。
排気配管40の噴出口40aは、排気配管40の外径を絞って小径部を形成することにより形成される。排気希釈装置50の吸引口50aは、希釈器本体51の先端部の外周部を拡径させて形成される。希釈器本体51は、排気配管40の噴出口40aの外周面を覆う外筒形状であり、車両下方側に向かって緩やかに湾曲し、かつ開口部50cが路面側に開口している。開口部50cの車体側には排気希釈装置50をフロアパネル55(図1参照)に取り付ける取付部50dが形成されている。排気希釈装置50は、図1に示すように、取付部50dに連通されたボルト56によりフロアパネル55に取り付けられている。
排気希釈装置50は、排気配管40の端部を縮径した噴出口40aからの主流と、この主流により発生する負圧で排気希釈装置50の吸引口50aに吸引される大気の副流とを混合して、主流である排ガスを希釈するものである。
<電池冷却ダクト60>
また、排気希釈システム100は、燃料電池(図示省略)からの出力を蓄電する蓄電装置30を収容する電池収納部31と、電池収納部31に取り付けられ、蓄電装置30を冷却する送風ファン(図示省略)を駆動する駆動部32と、蓄電装置30を冷却した空気を車両後部1aまで導いて放出する電池冷却ダクト60(送風手段)と、を備える。
電池冷却ダクト60は、電池収納部31に取り付けられた基端部60aと、基端部60aから車両後方に延びる配管60bと、配管60bを折り曲げるU字部60cと、U字部60cから車両後方に延びる配管60dと、先端部60eと、を備える。先端部60eは、車両後端部の車室57側に開口されている。
電池冷却ダクト60は、基端部60aが車体1の中央に配置された電池収納部31に取り付けられ、配管60bが車幅方向(ここでは右方向)に延出し、そこから車体1の底面の一端側に沿って車両後方まで延びる。そして、U字部60cにより一旦U字形に折れ曲がって車幅方向に戻される。
本実施形態の排気希釈システム100は、電池冷却ダクト60が、蓄電装置30からの空気の一部を排気希釈装置50の空気吸引側に分岐させる分岐ダクト61(送気手段)を備えることを特徴とする。
分岐ダクト61は、電池冷却ダクト60のU字部60cから分岐し、排気希釈装置50の空気吸引側に延びる。分岐ダクト61は、排気希釈装置50の周囲において車体1の後方に向けた気体(ここでは空気)を送り込む送気手段を構成する。
分岐ダクト61は、開口部61aが排気希釈装置50の吸引口50aに向けて設置されている。分岐ダクト61の開口部61aの設置位置は、図示しないホイールハウスに近接して配置された水素タンクの上部に設置された水素センサよりも後方である(図5参照)。この水素センサは、燃料を貯蔵する水素タンク周囲の水素濃度を検出するものである。また、分岐ダクト61の途中には、車体1の後方に向かう流れと逆方向の流れを妨げる逆止弁65が設けられている。
以下、上述のように構成された排気希釈システム100の作用効果について説明する。
<排気希釈装置50の基本動作>
排気希釈装置50は、排気配管40の噴出口40a及び希釈器本体51の吸引口50aを有するエゼクタ構造が採用されている。このため、図2の矢印aに示すように、排気配管40に排出された排ガスは、排気希釈装置50において、流路断面積の減少する噴出口40aを通過する際に、吸引口50aに負圧を発生させる。これに伴い、図2の白矢印bに示すように、排気配管40の噴出口40a外周に沿って流れる空気が、吸引口50aから希釈器本体51の内部に吸引される。排気配管40の噴出口40aから排出された排ガスは、外部空気によって希釈され、所望の水素濃度以下に希釈された後、車体1の外部に放出される。
<排気希釈装置50の逆流防止動作>
希釈器本体51の吸引口50aには、電池冷却ダクト60から分岐した分岐ダクト61の開口部61aが開口している。このため、図2の黒矢印cに示すように、電池冷却ダクト60から分岐して、分岐ダクト61を流れた空気が開口部61aから希釈器本体51の吸引口50aに向かって送られる。
吸引口50aに向かって送られる空気の一部は、図2の白矢印bに示す排気配管40の外周に沿って流れる空気と共に、吸引口50aから希釈器本体51の内部に吸引される。この場合、吸引口50aに向かって送られる空気によって、希釈器本体51の内部に吸引される空気の流速はより高まり、この外部空気によって排気配管40の噴出口40aから排出された排ガスはさらに希釈される。このような希釈効果の向上に加えて、排気希釈装置50から放出される気体の流速も高まることで、車両後方から車両前方に押し戻すような空気の流れ(例えば、風の巻き込み)を抑制することができる。
一方、吸引口50aに向かって送られる空気のうち、希釈器本体51の吸引口50aに吸引されなかった空気は、図2の矢印dに示すように、希釈器本体51の外周に沿って車両後方に流れる。この希釈器本体51の外周に沿って車両後方に流れる空気によっても、車両後方からの風の巻き込みを抑制することができる。
このように、分岐ダクト61の開口部61aは、希釈器本体51の吸引口50aに向かって開口しているので、開口部61aから放出された空気は、希釈器本体51の内部への吸引又は希釈器本体51の外部での流れに拘わらず、ほぼ車両後方に向かって流れることになる。このため、車両後方から車両前方に押し戻すような空気の流れと逆方向の空気の流れがつくられることによって、車両後方からの風の巻き込みを抑制することができる。その結果、排ガス(例えば、アノードオフガス)が水素タンク上の水素センサに至ることを効果的に防ぐことができる。
(第2の実施形態)
図3に示すように、排気希釈システム110は、ラジエータ用のファンを利用して換気する強制換気ファン70(換気手段)と、強制換気ファン70により換気された空気を排気希釈装置50まで導いて放出する換気ダクト80(送気手段)と、を備える。ラジエータとは、燃料電池(図示省略)で発生した熱を放熱させるものであり、燃料電池とラジエータとの間で冷媒を循環させるように構成されている。
また、換気手段としては、燃料電池で水素漏れが発生したときに駆動されて、水素を強制換気するものでもよい。
換気ダクト80は、排気配管40に併設して配管される。換気ダクト80は、開口部80aが排気希釈装置50の希釈器本体51の吸引口50aに向けて設置される。換気ダクト80と排気配管40を併設して配管することで、設置スペースを確保でき、また作業性を高めることができる。また、換気ダクト80の途中には、車体1の後方に向かう流れと逆方向の流れを妨げる逆止弁85が設けられている。
以下、上述のように構成された排気希釈システム110の作用効果について説明する。
希釈器本体51の吸引口50aには、換気ダクト80の開口部80aが開口している。このため、図2の黒矢印cに示すように、換気ダクト80の開口部80aから希釈器本体51の吸引口50aに向かって送気される。
希釈器本体51の吸引口50aに向かって送られる空気の一部は、図2の白矢印bに示す排気配管40の外周に沿って流れる空気と共に、吸引口50aから希釈器本体51の内部に吸引される。したがって、排気希釈装置50から放出される空気の流速も高まることで、車両後方から車両前方に押し戻すような空気の流れ(風の巻き込み)を抑制することができる。
一方、希釈器本体51の吸引口50aに向かって送られる空気のうち、排気希釈装置50の内部に吸引されなかった空気は、図2の矢印dに示すように、希釈器本体51の外周に沿って車両後方に流れる。この希釈器本体51の外周に沿って車両後方に流れる空気によっても、車両後方からの風の巻き込みを抑制することができる。
このように、換気ダクト80の開口部80aは、希釈器本体51の吸引口50aに向かって開口しているので、開口部80aから放出された空気は、排気希釈装置50の内部への吸引又は外部での流れに拘わらず、ほぼ車両後方に向かって流れることになる。このため、車両後方から車両前方に押し戻すような空気の流れと逆方向の空気の流れがつくられることによって、車両後方からの風の巻き込みを抑制することができる。その結果、排ガス(例えば、アノードオフガス)が水素タンク上の水素センサに至ることを効果的に防ぐことができる。
[変形例]
図3では、強制換気ファン70により換気された空気を換気ダクト80に連通させる例について示したが、希釈器本体51の吸引口50aに所定の風の流れをつくるものであればどのようなものでもよい。
例えば、強制換気ファン70に代えて、車両前部空間の換気ファン(換気手段)からのダクト(送気手段)を、第1の実施形態と同様の方法で分岐してもよく、同様の効果を得ることができる。
また、強制換気ファン70に代えて、燃料電池に利用される反応ガスである酸化剤ガスのエアポンプ(供給手段)からのダクト(送気手段)を、第1の実施形態と同様の方法で分岐してもよく、同様の効果を得ることができる。
(第3の実施形態)
図4に示すように、排気希釈システム120は、リヤサブフレーム20の下方に、排気希釈装置50より前方に配置されて車両底面(排気配管40等を含む)を覆うアンダーカバー90と、アンダーカバー90の上面に設けられており、車両走行によって発生した走行風を車両後方に逃がすように整流すると共に、排気希釈装置50の周囲に送り込む走行風ガイド部91〜95と、を備える。また、走行風ガイド部91〜95は、排気希釈装置50の上流側に設置されている。
走行風ガイド部91,92(送気手段)は、他の走行風ガイド部93〜95とは異なり、希釈器本体51の吸引口50aに走行風が誘導されるように下面視でハの字形状に設置される。すなわち、走行風ガイド部91,92は、車両の前方側が車両の後方側よりも幅広で、車両の後方側が希釈器本体51の吸引口50aの幅と略一致するように形成される。
これにより、図4の矢印aに示すように、走行風の一部は、走行風ガイド部91,92によって希釈器本体51の吸引口50aに導かれる。したがって、第1及び第2の実施形態と同様に、車両後方からの風の流れと逆方向の空気の流れがつくられることによって、車両後方からの風の巻き込みを抑制することができる。
このように、排気希釈システム120は、アンダーカバー90に走行風ガイド部91〜95を設置してアンダーカバー90下を整流するとともに、走行風ガイド部91〜95のうち走行風ガイド部91,92は、走行風の一部を希釈器本体51の吸引口50aに導く構造としているので、簡易な構成で、排気希釈装置50の周囲に車両後方へ向かう空気の流れ場を作ることができる。
なお、本実施形態は、第1及び第2の実施形態とその各変形例とを組み合わせてもよい。このように構成すれば、車両が走行していない停車時において車両後方からの風の巻き込みを抑制することができる。また、排気ガスの車両中央方向に進入防止効果をより一層高めることができる。
以上、上記各実施形態に係る排気希釈システムについて、図面を参照して詳細に説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることは言うまでもない。
本排気希釈システムは、排気希釈装置の周辺に、車両後方に向けて一定の気体の流れをつくるものであれば、どのようなものでもよい。例えば、本排気希釈システムは、燃料電池システム以外の排ガスを希釈する希釈器にも同様に適用することができる。
また、上記各実施形態では、送気手段は、送風手段、換気手段、又は供給手段を利用した態様を示したが、これら送風手段、換気手段、又は供給手段を利用することなく、専用の送気手段を設置してもよく、同様の効果を得ることができる。
また、上記各実施形態では、ダクトの開口部を、希釈器本体51の吸引口50aに対して1つ設けているが、分岐を増やして複数設けてもよい。また、ダクトの開口部の形状は、どのようなものでもよく、例えば吸引口50aを取り囲むような弧状の開口部であってもよい。
1 車両
1a 車体後部
20 リヤサブフレーム
30 蓄電装置
31 電池収納部
40 排気配管
40a 噴出口
50 排気希釈装置
50a 吸引口
50b 混合部
50c 開口部
51 希釈器本体
60 電池冷却ダクト(送風手段)
60a 基端部
60b,60d 配管
60c U字部
60e 先端部
61 分岐ダクト(送気手段)
61a,80a 開口部
70 強制換気ファン(換気手段)
80 換気ダクト
90 アンダーカバー
91〜95 走行風ガイド部(送気手段)

Claims (5)

  1. 排気管の下流側後端部に形成された噴出口と、前記噴出口から噴出される水素を含む主流による負圧を用いて副流である大気を吸引する吸引口及び、吸引後の前記主流と前記副流とを混合して希釈する混合部を有する希釈器本体と、を備える排気希釈装置と、
    前記排気希釈装置の周囲に、車両の後方に向けた気体を送り込む送気手段と、を備え、
    前記送気手段は、前記排気希釈装置の前記吸引口に気体を送る
    ことを特徴とする排気希釈システム。
  2. 排気管の下流側後端部に形成された噴出口と、前記噴出口から噴出される水素を含む主流による負圧を用いて副流である大気を吸引する吸引口及び、吸引後の前記主流と前記副流とを混合して希釈する混合部を有する希釈器本体と、を備える排気希釈装置と、
    前記排気希釈装置の周囲に、車両の後方に向けた気体を送り込む送気手段と、を備え、
    前記送気手段は、送風手段によって蓄電装置を経由するように送られた気体の少なくとも一部を、前記排気希釈装置の周囲に送り込む配管である
    ことを特徴とする排気希釈システム。
  3. 排気管の下流側後端部に形成された噴出口と、前記噴出口から噴出される水素を含む主流による負圧を用いて副流である大気を吸引する吸引口及び、吸引後の前記主流と前記副流とを混合して希釈する混合部を有する希釈器本体と、を備える排気希釈装置と、
    前記排気希釈装置の周囲に、車両の後方に向けた気体を送り込む送気手段と、を備え、
    前記送気手段は、車両前部空間を換気する換気手段によって送られた気体の少なくとも一部を、前記排気希釈装置の周囲に送り込む配管である
    ことを特徴とする排気希釈システム。
  4. 排気管の下流側後端部に形成された噴出口と、前記噴出口から噴出される水素を含む主流による負圧を用いて副流である大気を吸引する吸引口及び、吸引後の前記主流と前記副流とを混合して希釈する混合部を有する希釈器本体と、を備える排気希釈装置と、
    前記排気希釈装置の周囲に、車両の後方に向けた気体を送り込む送気手段と、を備え、
    前記送気手段は、燃料電池に用いられる反応ガスである酸化剤ガスを供給する供給手段の送気の少なくとも一部を、前記排気希釈装置の周囲に送り込む配管である
    ことを特徴とする排気希釈システム。
  5. 排気管の下流側後端部に形成された噴出口と、前記噴出口から噴出される水素を含む主流による負圧を用いて副流である大気を吸引する吸引口及び、吸引後の前記主流と前記副流とを混合して希釈する混合部を有する希釈器本体と、を備える排気希釈装置と、
    前記排気希釈装置の周囲に、車両の後方に向けた気体を送り込む送気手段と、を備え、
    前記排気希釈装置より前方に配置されて車両底面を覆うアンダーカバーと、前記アンダーカバーに設けられており、車両走行によって発生した走行風を前記排気希釈装置の周囲に送り込む走行風ガイド部と、を備える
    ことを特徴とする排気希釈システム。
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