WO2011148927A1 - 空冷式燃料電池車両の排気装置 - Google Patents

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Abstract

反応ガスと冷却媒体を兼ねる空気が供給される空冷式燃料電池スタックを搭載した空冷式燃料電池車両について、空冷式燃料電池スタックから余剰の空気および水素ガスを排出する排気ダクトの排気性能を向上させ、かつ空冷式燃料電池スタック内への水や異物の侵入を防止する。空冷式燃料電池車両の排気装置において、空冷式燃料電池スタックで消費されずに排出される水素および空気を車外へ導く排気ダクトを上下方向に分岐する下側排気ダクトと上側排気ダクトとで構成し、下側排気ダクトを空冷式燃料電池スタックの排気の出口部から車両下方へ延ばしてその下流端部をフロントルームの下部に開口させる一方、上側排気ダクトを下側排気ダクトの車両下方へ延びる外壁の上部から車両上方へ延ばしてその下流端部をフロントフードの後端部とフロントウインドの前端部との間に開口させたことを特徴とする。

Description

空冷式燃料電池車両の排気装置
　この発明は空冷式燃料電池車両の排気装置に係り、特に、フロントルーム内に配置した空冷式燃料電池スタックの排気性能の向上と水や異物の侵入防止を図った空冷式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を駆動用エネルギ源とする車両は、燃料電池スタックの冷却に水冷方式（水冷式燃料電池スタック）を採用するものが一般的である。水冷式燃料電池スタックを採用する水冷式燃料電池車両の場合、通常は高圧コンプレッサにより空気を圧縮して燃料電池スクックに供給しており、排気は車両後方に延設した排気管から車両外に放出することが一般的であった。（特許文献１）
　従来の水冷式燃料電池車両の一般的なシステム構成は、図５に示すように構成される。図５に示す水冷式燃料電池車両システム１０１においては、高圧水素タンク１０２に貯蔵した圧縮水素ガスを、減圧弁１０３を介して水冷式燃料電池スタック１０４のアノード吸気部１０５に導入し、一方、フィルタ１０６を通して吸入した外気を水素との反応ガスとしてコンプレッサ１０７により圧縮して水冷式燃料電池スタック１０４のカソード吸気部１０８に導入することにより、水冷式燃料電池スタック１０４内に複数積層した燃料電池セルで発電が行われる。
　水冷式燃料電池スタック１０４のカソード排気部１０９から排気されたカソード排気は、気水分離器１１０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１１１を介して外気に放出される。また、水冷式燃料電池スタック１０４のアノード排気部１１２から排気されたアノード排気も同様に、気水分離器１１３を通り、パージ弁１１４を経てカソード排気に混入される。アノード排気部１１２からのパージ水素排気量は、カソード排気量に比べて十分に相対的に流量が小さい。このため、カソード排気により、アノードパージ水素を可燃下限濃度である４％以下として外気に放出することができる。なお、システムによっては、水素の利用率を向上させるため、水素ポンプ１１５を用いてアノード排気をアノード吸気部１０５に再循環させるものもある。
　水冷式燃料電池車両システム１０１の冷却システム１１６では、冷却ループの燃料電池前段あるいは後段に水ポンプ１１７を備え、冷却水を圧送する。水冷式燃料電池スタック１０４を冷却した冷却水は、ラジエータ１１８において大気と熱交換した後、再度水冷式燃料電池スタック１０４に戻される。冷却システム１１６は、ラジエータ１１８と並列に調整弁１１９を介して車室内暖房のためのヒータコア１２０を備え、暖房が必要な場合は調整弁１１９を開けることでヒータコア１２０に高温冷却水を供給し、送風のためのファン１２１を駆動することにより暖房に供する。ただし、水冷式燃料電池スタック１０４の廃熱量は内燃機関の発生する熱量に比べて非常に小さいため、ヒータコア１２０の他に電気ヒータなど他の補助熱源を併用するのが一般的である。
　上述水冷式燃料電池車両システム１０１においては、水冷式燃料電池スタック１０４の出力密度を向上させるために、導入空気を圧縮するコンプレッサ１０７を始めとして多くの補機類を備えている。このため、水冷式燃料電池車両システム１０１は、システムの複雑化、大型化、高重量化、高コスト化に繋がる。
　これに対してコンプレッサなどの補機類を極力廃し、燃料電池スタックの冷却に空冷方式（空冷式燃料電池スタック）を採用し、システムを簡素化した空冷式燃料電池車両がある。空冷式燃料電池スタックを採用する空冷式燃料電池車両の場合、高圧コンプレッサに代わり、より低圧で反応ガスと冷却媒体を兼ねる空気を空気供給用ファンで供給する。（特許文献２）
特開２０１０－１５８４５号公報 特開２００１－２２９９４８号公報
　ところで、空冷式燃料電池スタックを採用する空冷式燃料電池車両の場合、反応ガスと冷却媒体を兼ねる空気を供給するための空気供給用ファンの消費電力を抑えるなどの理由により、排気圧損を極力低減することが好ましい。多くの空冷式燃料電池車両のように、車両後方まで排気管を延ばすためには、空気供給用ファンの供給風量・圧力を著しく増加させる必要があるので、消費電力の増加を招くことになる。
　この発明は、反応ガスと冷却媒体を兼ねる空気が供給される空冷式燃料電池スタックを搭載した空冷式燃料電池車両について、空冷式燃料電池スタックから余剰の空気および水素ガスを排出する排気ダクトの排気性能を向上させ、かつ空冷式燃料電池スタック内への水や異物の侵入を防止することを目的とする。
　この発明は、反応ガスと冷却媒体を兼ねる空気が供給される空冷式燃料電池スタックをフロントフード下方のフロントルーム内に配置し、前記空冷式燃料電池スタックで消費されずに排出される水素および空気をこの空冷式燃料電池スタックの後部に接続される排気ダクトを通して車外へ導く空冷式燃料電池車両の排気装置において、前記排気ダクトを上下方向に分岐する下側排気ダクトと上側排気ダクトとで構成し、前記下側排気ダクトを前記空冷式燃料電池スタックの排気の出口部から車両下方へ延ばしてその下流端部を前記フロントルームの下部に開口させる一方、前記上側排気ダクトを前記下側排気ダクトの車両下方へ延びる外壁の上部から車両上方へ延ばしてその下流端部をフロントフードの後端部とフロントウインドの前端部との間に開口させたことを特徴とする。
　この発明の空冷式燃料電池車両の排気装置は、空冷式燃料電池スタックの排気ダクトを上下方向に分岐する下側排気ダクトと上側排気ダクトとで構成したため、排気ダクトの通路断面積を増加させて通気損失を低減できる。また、この発明の空冷式燃料電池車両の排気装置は、下側排気ダクトを空冷式燃料電池スタックの排気の出口部から車両下方へ延ばしてその下流端部をフロントルームの下部に開口させる一方、上側排気ダクトを下側排気ダクトの車両下方へ延びる外壁の上部から車両上方へ延ばしてその下流端部をフロントフードの後端部とフロントウインドの前端部との間に開口させている。このため、この発明の空冷式燃料電池車両の排気装置は、上側排気ダクトを最短距離で上方へ開放でき、空気より比重の小さい水素ガスの排気性能を向上させるとともに、上側排気ダクトの下流端部から上側排気ダクト内に流れ込んだ水や異物を下流側排気ダクトの側へ流して空冷式燃料電池スタック内への侵入を防止できる。
空冷式燃料電池車両の前部の側断面図である。（実施例） 空冷式燃料電池車両の前部の平面図である。（実施例） 空冷式燃料電池スタックの燃料電池セルの断面図である。 空冷式燃料電池車両システムのブロック図である。（実施例） 水冷式燃料電池車両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、この発明の実施形態に係る実施例を説明する。 
　図１～図４は、この発明の実施例を示すものである。図１および図２において、１は空冷式燃料電池車両、２はフロントバンパ、３は右のフェンダエプロン、４は左のフェンダエプロン、５はダッシュパネル、６はフロントフード、７はフロントルーム、８はフロントウインド、９はルーフパネル、１０はフロアパネル、１１は車室、１２は前輪である。空冷式燃料電池車両１は、フロントバンパ２と左右のフェンダエプロン３，４とダッシュパネル５とによって囲まれてフロントフード６によって覆われるフロントルーム７を形成し、ダッシュパネル５の後側にフロントウインド８とルーフパネル９とフロアパネル１０と左右のドアで囲まれる車室１１を形成している。
　空冷式燃料電池車両１は、フロントルーム７に空冷式燃料電池車両システム１３の空冷式燃料電池スタック１４を配置している。空冷機燃料電池スタック１４は、図３に示すように、通常、燃料電池セル１５と呼ばれる最小構成単位を多数積層してスタックを構成し、電気化学反応により発電し、それに付随して水を生成する。
　通常の固体高分子型燃料電池スタックにおいて、各燃料電池セル１５は、水素および反応ガスの空気（酸素）をそれぞれ供給するアノード極１６とカソード極１７に挟まれて拡散層１８・１９および反応活性化のための触媒層２０，２１、そして中央に水素イオンを選択的に透過させる電解質膜２２を配している。
　アノード極１６に供給された水素分子は、アノード極１６の電解質膜２２の表面にある触媒層２０において活性な水素原子となり、さらに水素イオンとなって電子を放出する。
図３において、（１）で示されるこの反応は、以下の式１で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　式１により発生した水素イオンは、電解質膜２２に含まれる水分を伴ってアノード極１６側からカソード極１７側へと電解質膜２２中を移動し、また電子は外部回路２３を通じてカソード極１７に移動する。この電子の移動により、外部回路２３に介装された負荷（この実施例においては、走行用のモータ）２４には、電流が流れる。
　一方、カソード極１７に供給された空気中の酸素分子は、触媒層２１において外部回路２３から供給された電子を受け取り酸素イオンとなり、電解質膜２２を移動してきた水素イオンと結合して水となる。図３において、（２）で示されるこの反応は、以下の式２で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 　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１７からアノード極１６へと移動する。 
　上述の化学反応において、燃料電池セル１５の内部では電解質膜２２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１８，１９中を水素や酸素が移動するための拡散過電圧など様々な損失が発生し、それにより発生した廃熱を冷却する必要がある。
　前記複数積層した燃料電池セル１５からなる空冷式燃料電池スタック１４を備えた空冷式燃料電池車両システム１３は、図４に示すように、高圧水素タンク２５に貯蔵した圧縮水素ガスを、減圧弁２６により降圧した後に空冷式燃料電池スタック１４のアノード吸気部２７に導入する。一方、空冷式燃料電池車両システム１３は、一般的に水冷式燃料電池車両システムのようにカソード吸気における高圧圧縮コンプレッサを有さず、フィルタ２８を通して吸気した外気を低圧の空気供給用ファン２９によって空冷式燃料電池スクック１４のカソード吸気部３０に供給する。
　カソード吸気部３０に供給された空気は、水素との反応ガスとして燃料電池セル１５における発電反応に供するのみでなく、燃料電池セル１５における廃熱を奪い、空冷式燃料電池スタック１４を冷却する冷却媒体の役割を有している。水素との反応後の空気及び空冷式燃料電池スタック１４を冷却後の空気は、空冷式燃料電池スタック１４のカソード排気部３１から排気される。空冷式燃料電池スタック１４のアノード排気部３２から排気されたアノード排気は、パージ弁３３を介してカソード排気に混入され、アノード側のパージを行う際には、排気水素ガスをカソード側排気により可燃下限濃度以下に希釈して外気に放出される。
　反応ガスと冷却媒体を兼ねる空気が供給される空冷式燃料電池スタック１４は、図１および図２に示すように、空冷式燃料電池車両１のフロントルーム７の下方に前側よりも後側が上方に位置する前傾姿勢で配置している。空冷式燃料電池スタック１４は、燃料電池セル１５の廃熱を冷却するために、内部に空気通路３４を設けている。空気通路３４は、空冷式燃料電池スタック１４の前部の吸気の入口部３５から後部の排気の出口部３６まで延びるとともに、入口部３５よりも出口部３６が上部に位置するように設けている。空冷式燃料電池スタック１４は、空気通路３４の入口部３５に前記カソード吸気部３０を接続し、空気通路３４の出口部３６に前記カソード排気部３１及びアノード排気部３２を接続している。
　空気通路３４の入口部３５には、吸気ダクト３７を接続している。吸気ダクト３７は、上流端部を車両前方に向けて開口し、内部に前記空気供給用ファン２９を配置し、下流端部を空気通路３４の入口部３５に接続している。吸気ダクト３７は、反応ガスとしての空気をカソード吸気部３０に供給するとともに、冷却媒体を兼ねる空気を空気通路３４に供給するものである。
　また、空気通路の出口部３６には、排気装置３８の排気ダクト３９を接続している。排気ダクト３９は、上流端部を空気通路３４の出口部３６に接続し、下流端部を車両後方に向けて開口している。排気ダクト３９は、空冷式燃料電池スタック１４で消費されずに排出される水素および反応ガスとしての空気や、空冷式燃料電池スタック１４を冷却した空気を車外へ導くものである。
　この空冷式燃料電池車両１の排気装置３８は、図１に示すように、排気ダクト３９をフロントルーム７内で上下方向に分岐する下側排気ダクト４０と上側排気ダクト４１とで構成している。排気装置３８は、下側排気ダクト４０を、空冷式燃料電池スタック１４の排気の出口部３６から車両下方へ延ばして、その下流端部の下側開口部４２をフロントルーム７の下部に車両後方に向けて開口させている。一方、排気装置３８は、上側排気ダクト４１を、下側排気ダクト４０の車両下方へ延びる外壁４３の上部から車両上方へ延ばして、その下流端部の上側開口部４４をフロントフード６の後端部とフロントウインド８の前端部との間に開口させている。
　これにより、空冷式燃料電池車両１の排気装置３８は、空冷式燃料電池スタック１４の排気ダクト３９を上下方向に分岐する下側排気ダクト４０と上側排気ダクト４１とで構成したため、排気ダクト３９の通路断面積を増加させて通気損失を低減できる。
　また、この空冷式燃料電池車両１の排気装置３８は、下側排気ダクト４０を空冷式燃料電池スタック１４の排気の出口部３６から車両下方へ延ばしてその下流端部の下側開口部４２をフロントルーム７の下部に開口させる一方、上側排気ダクト４１を下側排気ダクト４０の車両下方へ延びる外壁４３の上部から車両上方へ延ばしてその下流端部の上側開口部４４をフロントフード６の後端部とフロントウインド８の前端部との間に開口させている。
　このため、空冷式燃料電池車両１の排気装置３８は、上側排気ダクト４１を最短距離で上方へ開放でき、空気より比重の小さい水素ガスの排気性能を向上させるとともに、上側排気ダクト４１の下流端部から上側排気ダクト４１内に流れ込んだ水や異物を下流側排気ダクト４０の側へ流して、空冷式燃料電池スタック１４内へ侵入することを防止できる。
　前記空冷式燃料電池スタック１４では、反応ガスと冷却媒体を兼ねる空気が空気供給用ファン２９によって供給される。 
　これにより、空冷式燃料電池車両１の排気装置３８は、排気ダクト３９の通気抵抗を低減することによって、反応ガスと冷却媒体を兼ねる空気をコンプレッサ等で高圧に加圧して空冷式燃料電池スタック１４ヘ供給する必要がなく、空冷式燃料電池スタック１４ヘの空気の供給構造を簡素化できる。
　前記上側排気ダクト４１の下流端部に設けられる上側開口部４４は、フロントウインド８に沿って排気を流すように方向付けされている。
　これにより、空冷式燃料電池車両１の排気装置３８は、車両の走行時、フロントガラス８に沿って流れる空気で上側排気ダクト４１内の排気を上側開口部４４から引き出し、上側排気ダクト４１の通気抵抗を低減することができる。また、この空冷式燃料電池車両１の排気装置３８は、冬季や雨天時にフロントウインド８を排気の熱によって加熱して曇りを防止できる。
　前記下側排気ダクト４０と上側排気ダクト４１との分岐部４５であって、空冷式燃料電池スタック１４の排気の出口部３６と対向する部分の内壁４６には、車両前方へ突出する山型の分流部４７を形成している。
　これにより、空冷式燃料電池車両１の排気装置３８は、分流部４７によって空冷式燃料電池スタック１４の排気の出口部３６から流出する排気を上側排気ダクト４１と下側排気ダクト４０とに均等に分流し、排気ダクト３９の通気抵抗をさらに減少させることができる。
　前記排気ダクト３９は、図２に示すように、車両幅方向の寸法Ｗ１が空冷式燃料電池スタック１４の車両幅方向の寸法Ｗ２と略同一寸法としている。
　これにより、空冷式燃料電池車両１の排気装置３８は、排気ダクト３９の通路断面積を大幅に増加させ、さらに排気ダクト３９の通気抵抗を減少させることができる。
　前記上側排気ダクト４１の内壁４８のうち、車両前側に位置しかつ下側排気ダクト４０からの分岐部４５との近傍に位置する部分の内壁４８には、図１に示すように、車両後方へ突出する庇部４９を設けている。
　これにより、空冷式燃料電池車両１の排気装置３８は、庇部４９によって、上側開口部４４から上側排気ダクト４１内に侵入した水や異物を空冷式燃料電池スタック１４とは反対方向に導いて下側排気ダクト４０の下側開口部４２から排出できる。
　前記上側排気ダクト４１の上側開口部４４には、図２に示すように、網状のカバー５０を設置している。 
　これにより、空冷式燃料電池車両１の排気装置３８は、網状のカバー５０によって、車両上方に延びる上側排気ダクト４１の上側開口部４４から上側排気ダクト４１内に水や異物が侵入することを防止できる。
　前記カバー部５０には、上側排気ダクト４１の上側開口部４４を加熱する電気式ヒータ５１を備えている。 
　これにより、空冷式燃料電池車両１の排気装置３８は、寒冷地にて上側排気ダクト４１の上側開口部４４に付着する雪や氷を電気式ヒータ５１によって溶かし、上側開口部４４の詰まりを防止できる。
　この発明は、フロントルーム内に配置した燃料電池スタックの排気性能の向上と水や異物の侵入防止を図ることができるものであり、車両のフロントルームに搭載された燃料電池であって、空気を反応ガスとして使用する水冷式燃料電池スタックの排気装置にも適用することができる。
　１　空冷式燃料電池車両 
　５　ダッシュパネル 
　６　フロントフード 
　７　フロントルーム 
　８　フロントウインド 
　１４　空冷式燃料電池スタック 
　２９　空気供給用ファン 
　３４　空気通路 
　３５　入口部 
　３６　出口部 
　３７　吸気ダクト 
　３８　排気装置 
　３９　排気ダクト 
　４０　下側排気ダクト 
　４１　上側排気ダクト 
　４２　下側開口部 
　４４　上側開口部 
　４５　分岐部 
　４７　分流部 
　４９　庇部 
　５０　カバー 
　５１　電気式ヒータ 
　 
　 

Claims (8)

  1. 　反応ガスと冷却媒体を兼ねる空気が供給される空冷式燃料電池スタックをフロントフード下方のフロントルーム内に配置し、
    　前記空冷式燃料電池スタックで消費されずに排出される水素および空気をこの空冷式燃料電池スタックの後部に接続される排気ダクトを通して車外へ導く空冷式燃料電池車両の排気装置において、
    　前記排気ダクトを上下方向に分岐する下側排気ダクトと上側排気ダクトとで構成し、
    　前記下側排気ダクトを前記空冷式燃料電池スタックの排気の出口部から車両下方へ延ばしてその下流端部を前記フロントルームの下部に開口させる一方、
    　前記上側排気ダクトを前記下側排気ダクトの車両下方へ延びる外壁の上部から車両上方へ延ばしてその下流端部をフロントフードの後端部とフロントウインドの前端部との間に開口させたことを特徴とする空冷式燃料電池車両の排気装置。
  2. 　前記空冷式燃料電池スタックは、反応ガスと冷却媒体を兼ねる空気が空気供給用ファンによって供給されることを特徴とする請求項１に記載の空冷式燃料電池車両の排気装置。
  3. 　前記上側排気ダクトの下流端部に設けられる上側開口部は、前記フロントウインドに沿って排気を流すように方向付けされていることを特徴とする請求項１に記載の空冷式燃料電池車両の排気装置。
  4. 　前記下側排気ダクトと前記上側排気ダクトとの分岐部で、前記空冷式燃料電池スタックの排気の出口部と対向する部分の内壁に車両前方へ突出する山型の分流部を形成したことを特徴とする請求項１に記載の空冷式燃料電池車両の排気装置。
  5. 　前記排気ダクトは、車両幅方向の寸法が前記空冷式燃料電池スタックの車両幅方向の寸法と略同一寸法であることを特徴とする請求項１に記載の空冷式燃料電池車両の排気装置。
  6. 　前記上側排気ダクトの内壁のうち車両前側に位置しかつ前記下側排気ダクトからの分岐部との近傍に位置する部分に、車両後方へ突出する庇部を設けたことを特徴とする請求項１に記載の空冷式燃料電池車両の排気装置。
  7. 　前記上側排気ダクトの上側開口部に網状のカバーを設置したことを特徴とする請求項１に記載の空冷式燃料電池車両の排気装置。
  8. 　前記上側排気ダクトの上側開口部を加熱する電気式ヒータを備えたことを特徴とする請求項７に記載の空冷式燃料電池車両の排気装置。
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