JP5103868B2 - 燃料電池搭載車両用排気管および燃料電池搭載車両 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に関するものであり、特に、燃料電池を搭載した車両用の排気管に関するものである。

従来、水素を含む燃料ガスおよび酸素を含む酸化剤ガスを供給して電気化学反応により起電力を得る燃料電池において、各電極では、以下の電気化学反応がそれぞれ行われる。
アノード：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
カソード：（１／２）Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
すなわち、アノードでは水素分子を水素イオンと電子に分解する電気化学反応が行われ、カソードでは、酸素と水素イオンと電子から水を生成する電気化学反応が行われる。したがって、アノードからカソードに向かって外部回路を移動する電子により起電力が生じると共に、カソード側に水が生成される（その水を「生成水」ともいう）。

上記のように、カソード側では水が生成されるため、燃料電池のカソード側から排出される排気ガス（以下、「カソードオフガス」ともいう。）は多くの生成水を含む。そのため、燃料電池を車両に搭載した場合に、このカソードオフガスがそのまま排気管内を流れると、マフラの機能を低下させたり、マフラの出口から白霧を出すという問題がある。

上記の問題を解決するために、排気ガス中の水を排気ガスから分離する気液分離装置が提案されている（例えば、特許文献１）。また、気液分離機能を備えた排気管を設けた燃料電池システムも提案されている（例えば、特許文献２）。

特開２００２−３７３６９９号公報 特開２００４−１８５８４４号公報

ところで、燃料電池から排出されたカソードオフガスの中の生成水は、燃料電池から排出されるときは、排気温度が燃料電池の温度とほぼ同じであり、高温であるため、水蒸気として存在しているものの、排気管内を移動するうちに、冷却され、一部は液体の水(以下、「凝縮水」ともいう)となる。排気管が、排気ガスを車両の後方に向かって案内するように配置されていると、この凝縮水は、車両が一定の速度で運転している場合は、排気ガスの流れによって、排気管の中を、車両の前方から後方へ向かって流れ、気液分離装置で回収されて車両の外へ排出される。また、車両が加速している場合も、排気ガスの流れや、慣性力によって、同様に、車両の前方から後方へ向かって流れ、気液分離装置で回収されて車両の外へ排出される。

しかしながら、例えば、車両が減速する場合は、排気管内の凝縮水に、車両の後方から前方へ向かう向きの慣性力が働くため、凝縮水が逆流する（車両の後方から前方へ流れる）場合がある。そうすると、逆流した凝縮水が、燃料電池の排気口から燃料電池内へ流入することによって、燃料電池の排気口が逆流した凝縮水で塞がれてガスの流れが阻害され、結果として発電不良に陥るおそれがある。

特に、燃料電池を車両の床下に配置する場合には、床下のスペースが上下方向に余裕がないために、例えば、各単電池を車両の前後方向に積層した状態になるように燃料電池を配置して、燃料電池から水平に排気管を出す構成が検討されている。このように、排気管を水平に配置した場合は、排気管を上下方向に高低差が生じるように曲げて構成した場合に比べると、凝縮水が逆流したときにその高低差を利用して、流れを遮断することができないため、燃料電池に流入しやすいという問題がある。

そこで、本発明は、上述の従来技術の問題点を解決し、排気管内の凝縮水が逆流して燃料電池内に流入するのを防止して、燃料電池の良好な発電を確保する技術を提供することを目的とする。

上述の課題の少なくとも一部を解決するために、本発明の燃料電池搭載車両用排気管は、
車両に搭載された燃料電池から排出される排気ガスを、前記車両の外部へ排出するための排気管であって、
一方を閉塞端、他方を開口端とする管状を成し、側面に開口部を備える第１の管部と、
前記開口部に接続され、前記燃料電池から排出された前記排気ガスを、前記第１の管部に導入するための第２の管部と、
を備え、
前記開口部は、
前記閉塞端から所定の距離離れた位置に形成されていると共に、
前記第１の管部は、
前記車両内において配置される際には、前記閉塞端が前記開口端より前側に位置するように配置されることを要旨とする。

本発明の燃料電池搭載車両用排気管では、例えば、排気管内で凝縮され、液化した凝縮水が、車両の減速による慣性力によって、車両の後方から前方に向かって移動した場合に、第１の管部の車両前側に配置される端部が閉塞しているため、凝縮水の流れが遮断される。さらに、第２の管部が接続される開口部は、閉塞端から所定の距離を離して形成されているため、第１の管部の閉塞端近傍が第２の管部との接続部分より前方に突出した状態になるため、流れを遮断された凝縮水が、閉塞端近傍に貯留されて、第２の管部に流入しない。そのため、凝縮水が第２の管部を介して燃料電池内に流入して、反応ガスの流れを阻害するのを防止することができ、燃料電池の良好な発電を確保することができる。

上記の燃料電池搭載車両用排気管において、
前記第１の管部の断面積、および前記開口部の開口面積は、前記第２の管部の断面積以上であることが好ましい。

このようにすることによって、排気ガスが第２の管部から第１の管部に導入される際に、排気ガスの流れが妨げられない。そのため、排気ガスの流れが妨げられることによって、燃料電池へ供給されるガスの流れが悪くなって、燃料電池の発電効率が低下することを防止することができる。

上記の燃料電池搭載車両用排気管において、
前記車両内において前記第１の管部が配置される際には、
前記開口部の中心が、前記第１の管部の中心軸と同じ高さ、または前記第１の管部の中心軸より上側に位置するように、配置されることが好ましい。

第１の管部内にある凝縮水は、重力により第１の管部内の鉛直方向下側を移動する。そのため、開口部が側面の下側に形成されると、凝縮水が第２の管部に流入しやすいが、このようにすることによって、第１の管部内の凝縮水は、第２の管部に流入しにくくなるため、好適である。

上記の燃料電池搭載車両用排気管において、
前記第２の管部は、前記第１の管部に対して平行になるように、前記開口部に接続されることが好ましい。

例えば、車両内において、燃料電池が、燃料電池の車両後側から排気ガスが排出されるように配置された場合に、このように構成された排気管を適用するのが好適である。

上記の燃料電池搭載車両用排気管において、
前記第２の管部は、前記第１の管部に対して垂直になるように、前記開口部に接続されることが好ましい。

例えば、車両内において、燃料電池が、燃料電池の車両横側から排気ガスが排出されるように配置された場合に、このように構成された排気管を適用するのが好適である。

上述の課題の少なくとも一部を解決するために、本発明の燃料電池搭載車両は、
燃料電池が搭載された車両であって、
上記の燃料電池搭載車両用排気管が配設されていることを要旨とする。

本発明の燃料電池搭載車両では、上記の燃料電池搭載車両用排気管が配設されているため、燃料電池の良好な発電を確保することができる。したがって、燃料電池から安定して電力が供給されるため、燃料電池搭載車両の連続走行の可能性を向上することができる。

上記の燃料電池搭載車両において、
前記燃料電池搭載車両用排気管中に、前記排気ガスに含まれる水分を分離する気液分離装置が配置され、
前記第１の管部は、前記燃料電池と前記気液分離装置との間に配置されることが好ましい。

排気ガスに含まれる水分は、気液分離装置によって分離されて、車両の外へ排出される。排気管内で凝縮された凝縮水も、同様に、気液分離装置に回収されて車外へ排出される。しかしながら、気液分離装置に流入する前の凝縮水が、車両の減速等により、逆流することがあるが、このようにすることによって、気液分離装置より前の排気管内の凝縮水が、逆流して燃料電池内に流入するのを防止することができる。

上記の燃料電池搭載車両において、前記燃料電池は、前記車両の床下に配置されることが好ましい。

燃料電池が車両の床下に配置される場合、床下のスペースが上下方向に余裕がないため、例えば、排気管をほぼ水平に後方に伸ばして、排気ガスを、車両の後方から車外へ排出する必要がある。本発明の燃料電池搭載車両では、上記の燃料電池搭載車両用排気管が配設されているため、狭いスペースの中でも、排気管内の凝縮水が、燃料電池に流入するのを防止することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１の実施例：
Ａ１．排気管の配置：
Ａ２．燃料電池システムの構成：
Ａ３．排気管の構成：
Ａ４．排気管内の凝縮水の動き：
Ａ５．効果：
Ｂ．第２の実施例：
Ｂ１．排気管の配置：
Ｂ２．排気管の構成：
Ｂ３．排気管内の凝縮水の動き：
Ｂ４．効果：
Ｃ．第３の実施例：
Ｃ１．排気管の配置：
Ｃ２．排気管の構成：
Ｃ３．排気管内の凝縮水の動き：
Ｃ４．効果：
Ｄ．変形例：

Ａ．第１の実施例：
Ａ１．排気管の配置
図１は、本発明の第１の実施例としての排気管１００Ａの配置を、燃料電池車１０００Ａの側方から見て示した説明図である。図１に示すように、燃料電池スタック２００は、前部座席の床下に配置されている。排気管１００Ａは、一方が燃料電池スタック２００の排気口に接続され、床下をほぼ水平に、車両後方へ排気ガスを案内するように、車両後方に向かって延びている。排気管１００Ａの車両後方部分には、排気ガス中の水分を分離して車外へ排出するための気液分離装置３００と、マフラ４００とが配置されている。

マフラ４００は、燃料電池のアノードから排出される水素を希釈するための希釈器(図示しない)と、排気ガスが排気管から排出される際の排気騒音を低下させるための消音器(図示しない)を備える。なお、本実施例において、燃料電池スタック２００は、後述する単電池１０がそれぞれ車両の前後方向に積層された状態になるように配置され、燃料電池スタック２００の車両後側から、カソードオフガスが排出される。

Ａ２．燃料電池システムの構成：
図２は、図１の燃料電池車１０００Ａに搭載される燃料電池スタック２００を中心とする燃料電池システム２０の構成を示す説明図である。図２に示すように、燃料電池システム２０は、燃料電池スタック２００と、酸化剤ガスとしての空気を燃料電池スタック２００に供給して、燃料電池スタック２００から排出された排気ガスを大気へ排出する空気給排系と、燃料ガスとしての水素を燃料電池スタック２００に供給して、燃料電池スタック２００から排出された未反応の水素を大気へ排出する水素給排系と、を備える。

燃料電池スタック２００は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池であり、燃料ガスとしての純水素と、酸化剤ガスとしての空気中の酸素が、各電極において電気化学反応を起こすことによって起電力を得るものである。この燃料電池スタック２００は、図示するとおり、単電池１０を所定数積層して形成されている。なお、図示されていないが、単電池１０は、１対のセパレータでカソード、電解質膜、アノードをこの順序に挟んだ構造をなしている。燃料電池としては、固体高分子型燃料電池に限らず、固体酸化物型燃料電池等、種々の燃料電池を適用することができる。

空気給排系では、酸化剤ガスとしての空気が、エアポンプ７４０から空気供給管７２０を介して、燃料電池スタック２００に供給される。供給された空気は、空気供給マニホールド(図示しない)を通って、各単電池１０の酸化剤ガス流路(図示しない)に分配され、各単電池１０のカソードに供給される。そして、カソードで反応した後の残りの空気(以下、「カソードオフガス」ともいう。)は、空気排出マニホールド(図示しない)を通って、燃料電池スタック２００から排出される。カソードでは、電極反応により、水が生成されるため、カソードオフガスには、生成水が水蒸気の状態で含まれている。カソードオフガスは、排気管１００Ａを介して、気液分離装置３００に導入され、気液分離装置３００により気液分離される。分離された液体である生成水は、バッファタンク等(図示せず)に貯留され、適時、大気中へ放出される。一方、分離された気体であるアノードオフガスは、マフラ４００が備える希釈器４２０に導入され、後述する燃料電池スタック２００から排出された水素を希釈するための希釈用ガスとして使用されて、大気中に放出される。

水素給排系では、燃料ガスとしての水素が、水素タンク５４０から水素供給管５２０を介して、燃料電池スタック２００に供給される。供給された水素は、水素供給マニホールド(図示しない)を通って、各単電池１０の燃料ガス流路(図示しない)に分配され、各単電池１０のアノードに供給される。そして、アノードで反応した後の残りの水素（以下、「アノードオフガス」ともいう。）は、水素排出マニホールド(図示しない)を通って、排出される。燃料電池スタック２００から排出されたアノードオフガスは、排気管５００を介して、マフラ４００が備える希釈器４２０に導入され、上記したカソードオフガスによって希釈されて大気中に放出される。なお、水素供給管５２０には、シャットバルブ５６０や調圧バルブ５８０が設けられており、水素の供給量を調整している。

なお、燃料電池システム２０は、温度センサ、圧力センサ等の各種センサ(図示しない)からの信号に基づいて、エアポンプ７４０を駆動したり、シャットバルブ５６０や調圧バルブ５８０の開度を調節することにより燃料電池スタック２００を制御すると共に、走行用のモータ（図示しない）を制御するＰＣＵ（パワーコントロールユニット）を備える。また、充電可能な２次電池(図示しない)、モータ駆動用のインバータ（図示しない）等も備える。

Ａ３．排気管の構成：
図３は、本発明の第１の実施例としての排気管１００Ａの概略構成を示す説明図である。図３において、紙面左を車両前側、紙面右を車両後側、紙面上方を車両上側、紙面下方を車両下側として、燃料電池スタック２００および排気管１００Ａを図示している。図４は、図３におけるＡ−Ａ切断面を示す断面図である。

図３に示すように、排気管１００Ａは、略円筒状を成す第１の管部１２０Ａと、第１の管部１２０Ａと略同一の径を有する略円筒状を成す第２の管部１４０Ａと、を備えている。

第１の管部１２０Ａは、一端が閉塞され（以下、「閉塞端１６０Ａ」という。）、他端は開口している（以下、「開口端１７０Ａ」という。）。そして、閉塞端１６０Ａが車両前側に、開口端１７０Ａ(図１)が車両後側になるような向きで燃料電池車１０００Ａの中心軸に略平行に、かつ車両の床面に対して略水平に配置されている。第１の管部１２０Ａの側面には、車両上側に開口部１８０Ａが形成されている。開口部１８０Ａは、閉塞端１６０Ａから所定の距離Ｌを離して、閉塞端１６０Ａの近傍に設けられている。

第２の管部１４０Ａは、一端が燃料電池スタック２００に接続され、車両の床面に対して略水平に、車両後部に向かって延びて、他端が、第１の管部１２０Ａの開口部１８０Ａに、排気ガスが流通可能に接続されている。すなわち、第１の管部１２０Ａは、第２の管部１４０Ａのほぼ真下に配置されている。そして、第１の管部の閉塞端１６０Ａの近傍は、図４に示すように、第２の管部１４０Ａの外壁面と閉塞端近傍の外壁面とを繋ぐように、一体的に形成されている。

本実施例において、排気管１００Ａは、排気管１００Ａの軽量化および耐腐食性の観点より、樹脂材料を用いて形成されるが、アルミニウム等の金属材料を用いて、形成してもよい。樹脂材料を用いて形成する場合は、第１の管部１２０Ａと、第２の管部１４０Ａとを、接着剤により接着してもよいし、射出成型等により、一体的に形成することもできる。一方、金属材料を用いて形成する場合は、第１の管部１２０Ａと、第２の管部１４０Ａとを、溶接することによって排気管１００Ａを形成することができる。

Ａ４．排気管内の凝縮水の動き：
図５は、本発明の第１の実施例としての排気管１００Ａの内部におけるカソードオフガスＧおよび凝縮水Ｗの動きを、模式的に表した説明図である。
燃料電池スタック２００の空気排出マニホールド(図示しない)を通って、排気管１００Ａ内に導入されたカソードオフガスＧは、空気を燃料電池スタック２００に供給する際に、エアポンプ７４０によって加圧されているため、その圧力により、排気管１００Ａ内を車両の前方から後方へ向かって流れる（図５における実線矢印）。燃料電池スタック２００から排出されたカソードオフガスＧに含まれる生成水は、燃料電池スタック２００から排出された直後は、燃料電池スタック２００とほぼ同じ温度で高温であるため、水蒸気として存在しているが、排気管１００Ａの内部を移動していく過程で冷却され、水蒸気の一部が凝縮されて、液体の凝縮水になる。この凝縮水は、カソードオフガスＧの流れに従って、排気管１００Ａ内を流れ、前出の気液分離装置３００に導入されると、上記したように、バッファタンク等(図示せず)に貯留されたのち、大気中へ排出される。

しかしながら、燃料電池車１０００Ａが、車両前方に直進している場合に、減速すると、排気管１００Ａ内の凝縮水Ｗは、慣性力により車両の後方から前方に向かって流れる(図５の破線矢印)。凝縮水Ｗは、第１の管部１２０Ａ内を車両の後方から前方に向かって移動すると、閉塞端１６０Ａで、その流れが遮断され、閉塞端１６０Ａの近傍に貯留される。

ここで、第１の管部１２０Ａ内の凝縮水Ｗは、重力により、第１の管部１２０Ａ内を、側面の車両下側を伝って移動している。排気管１００Ａでは、第１の管部１２０Ａは、第２の管部１４０Ａのほぼ真下に位置するため、第１の管部１２０Ａ内の凝縮水Ｗが、重力に逆らって、第２の管部１４０Ａに流入しにくい。さらに、排気管１００Ａでは、閉塞端１６０Ａが、第２の管部１４０Ａと、第１の管部１２０Ａとの接続部分よりも前方に突き出ているため、凝縮水Ｗは、重力に逆らって、閉塞端１６０Ａを伝って上っても、側面を伝って第１の管部１２０Ａ内の閉塞端１６０Ａ近傍に戻される（図５の破線矢印Ｑ）。したがって、凝縮水Ｗが第２の管部１４０Ａに流入することを防止することができる。

Ａ５．効果：
以上説明したように、本実施例の排気管１００Ａを使用すると、車両が減速した場合に、排気管１００Ａ内の凝縮水Ｗが逆流して燃料電池スタック２００内に流入するのを防止して、燃料電池スタック２００の良好な発電を確保することができる。

Ｂ．第２の実施例：
Ｂ１．排気管の配置：
図６は、本発明の第２の実施例としての排気管１００Ｂの配置を、燃料電池車１０００Ｂの側方から見て示した説明図である。図６に示すように、燃料電池スタック２００は、第１の実施例と同様に、前部座席の床下に配置されている。排気管１００Ｂは、一方が燃料電池スタック２００の排気口に接続され、床下をほぼ水平に、車両後方へ排気ガスを案内するように、車両後方に向かって延びている。本実施例の排気管１００Ｂは、第１の実施例と同様に第１の管部１２０Ｂおよび第２の管部１４０Ｂを備えているが、第１の実施例とは異なり、図６に示すように、第１の管部１２０Ｂと第２の管部１４０Ｂとは、同一の高さで隣り合うように接続されている（後に詳述する）。

なお、排気管１００Ｂの車両後方部分には、第１の実施例と同様に、排気ガス中の水分を分離して車外へ排出するための気液分離装置３００と、マフラ４００とが配置されている。また、本実施例において、第１の実施例と同様に、燃料電池スタック２００は、単電池１０が車両の前後方向に積層された状態になるように配置され、燃料電池スタック２００の車両後側から、カソードオフガスが排出される。

本実施例の燃料電池車１０００Ｂに搭載された燃料電池スタック２００を中心とする燃料電池システム２０の構成は、第１の実施例と同様であるため、説明を省略する。

Ｂ２．排気管の構成：
図７は、本発明の第２の実施例としての排気管１００Ｂの概略構成を示す説明図である。図７において、紙面左を車両前側、紙面右を車両後側、紙面上方を車両右側、紙面下方を車両左側として、燃料電池スタック２００および排気管１００Ｂを図示している。

図７に示すように、排気管１００Ｂは、略円筒状を成す第１の管部１２０Ｂと、第１の管部１２０Ｂと略同一の径を有する略円筒状を成す第２の管部１４０Ｂと、を備えている。第１の管部１２０Ｂは、第１の実施例と同様に、一端が閉塞され（以下、「閉塞端１６０Ｂ」という。）、他端は開口している（以下、「開口端１７０Ｂ」という。）。そして、閉塞端１６０Ｂが車両前側に、開口端１７０Ｂ(図６)が車両後側になるような向きで燃料電池車１０００Ｂの中心軸に略平行に、かつ車両の床面に対して略水平に配置されている。本実施例の第１の管部１２０Ｂでは、第１の実施例と異なり、開口部１８０Ｂが、側面の車両右側に、閉塞端１６０Ｂから所定の距離Ｌを離して、形成されている。

第２の管部１４０Ｂは、一端が燃料電池スタック２００に接続され、車両の床面に対して略水平に、車両後部に向かって延びて、他端が、第１の管部１２０Ｂの開口部１８０Ｂに、排気ガスが流通可能に接続されている。ここで、本実施例の排気管１００Ｂでは、第１の実施例と異なり、第２の管部１４０Ｂは、第１の管部１２０Ｂと同一の高さで、第１の管部１２０Ｂの右側に隣り合うように配置されている。

Ｂ３．排気管内の凝縮水の動き：
図８は、本発明の第２の実施例としての排気管１００Ｂの内部におけるカソードオフガスＧおよび凝縮水Ｗの動きを、模式的に表した説明図である。
燃料電池スタック２００のカソード(図示しない)から排出されたカソードオフガスは、第２の管部１４０Ｂを通って、第１の管部１２０Ｂに流入し、そのまま、車両の後方に向かって流れている。一方、上記したように、排気管１００Ｂの中で凝縮された凝縮水Ｗも、排気管１００Ｂ内を車両の前方から後方へ向かって、カソードオフガスＧの流れと共に、流れている。しかしながら、燃料電池車１０００Ｂが車両前方に直進している場合に、減速すると、第１の管部１２０内の凝縮水Ｗは、慣性力により車両の後方から前方に向かって流れる(図８の破線矢印)。

本実施例において、第１の管部１２０Ｂ内の凝縮水は、慣性力により、車両後方から前方に向かって、ほぼまっすぐに、第１の管部１２０Ｂ内を移動する。そして、凝縮水Ｗは、閉塞端１６０Ｂで、その流れが遮断され、閉塞端１６０Ｂの近傍に貯留される。ここで、第１の管部１２０Ｂ内の車両右側寄りを移動する凝縮水Ｗに注目すると、凝縮水Ｗは、慣性力により、車両後方から前方に向かって、ほぼまっすぐに、第１の管部１２０Ｂ内を移動して、開口部１８０Ｂを通過して閉塞端１６０Ｂ近傍に貯留される。開口部１８０Ｂは、閉塞端１６０Ｂから所定の距離Ｌを離して形成されているため、閉塞端１６０Ｂの近傍が、第２の管部１４０Ｂとの接続部分より前方に突出しており、第１の管部１２０Ｂの側面が第２の管部１４０Ｂとの隔壁となり、貯留された凝縮水Ｗは、第２の管部１４０Ｂに流入しない。したがって、凝縮水Ｗが第２の管部１４０Ｂに流入することを防止することができる。

Ｂ４．効果：
以上説明したように、本実施例の排気管１００Ｂを使用すると、上記した実施例の場合と同様に、車両が減速した場合に、排気管１００Ｂ内の凝縮水Ｗが逆流して燃料電池スタック２００内に流入するのを防止して、燃料電池スタック２００の良好な発電を確保することができる。また、本実施例では、第１の管部１２０Ｂと、第２の管部１４０Ｂとが、同一の高さに配置されているため、車両の上下方向にスペースをとらない。したがって、車両の上下方向にスペースがない場合に、本実施例の排気管１００Ｂを用いると、特に、好適である。

Ｃ．第３の実施例：
Ｃ１．排気管の配置：
図９は、本発明の第３の実施例としての排気管１００Ｃの配置を、燃料電池車１０００Ｃの側方から見て示した説明図である。図９に示すように、燃料電池スタック２００は、第１の実施例と同様に、前部座席の床下に配置されている。排気管１００Ｃは、一方が燃料電池スタック２００の排気口に接続され、床下をほぼ水平に、車両後方へ排気ガスを案内するように、車両後方に向かって延びている。本実施例の排気管１００Ｃは、第１の実施例と同様に第１の管部１２０Ｃおよび第２の管部１４０Ｃを備えているが、第１の実施例とは異なり、図１０に示すように、第２の管部１４０Ｃと第１の管部１２０Ｃとは、互いに直交するように（すなわち、Ｔ字になるように）接続されている（後に詳述する）。

なお、排気管１００Ｃの車両後方部分には、第１の実施例と同様に、気液分離装置３００と、マフラ４００とが配置されている。また、本実施例では、第１の実施例、第２の実施例とは異なり、燃料電池スタック２００は、単電池１０が車両の左右方向に積層された状態になるように配置され、燃料電池スタック２００の車両左側から、カソードオフガスが排出される。すなわち、排気管１００Ｃは車両の左側に配置される。

Ｃ２．排気管の構成：
図１０は、本発明の第３の実施例としての排気管１００Ｃの概略構成を示す説明図である。図１０において、紙面左を車両前側、紙面右を車両後側、紙面上方を車両右側、紙面下方を車両左側として、燃料電池スタック２００および排気管１００Ｃを図示している。

図１０に示すように、排気管１００Ｃは、略円筒状を成す第１の管部１２０Ｃと、第１の管部１２０Ｃと略同一の径を有する略円筒状を成す第２の管部１４０Ｃと、を備えている。第１の管部１２０Ｃは、第１の実施例と同様に、一端が閉塞され（以下、「閉塞端１６０Ｃ」という。）、他端は開口している（以下、「開口端１７０Ｃ」という。）。そして、閉塞端１６０Ｃが車両前側に、開口端１７０Ｃ(図９)が車両後側になるような向きで燃料電池車１０００Ｃの中心軸に略平行に、かつ車両の床面に対して略水平に配置されている。本実施例の第１の管部１２０Ｃでは、第２の実施例と同様に、開口部１８０Ｃが、側面の車両右側に、閉塞端１６０Ｃから所定の距離Ｌを離して、形成されている。

第２の管部１４０Ｃは、一端が燃料電池スタック２００に接続され、車両の床面に対して略水平に、車両左側に向かって延びて、他端が、第１の管部１２０Ｃの開口部１８０Ｃに、排気ガスが流通可能に接続されている。ここで、本実施例の排気管１００Ｃでは、第１の実施例および第２の実施例と異なり、第２の管部１４０Ｃは、第１の管部１２０Ｃと同一の高さで、第１の管部１２０Ｃと直交するように（すなわち、Ｔ字になるように）配置されている。したがって、第１の管部１２０Ｃの閉塞端１６０Ｃの近傍は、第２の管部１４０Ｃとの接続部分より前方に突出した状態になっている。

Ｃ３．排気管内の凝縮水の動き：
図１１は、本発明の第３の実施例としての排気管１００Ｃの内部におけるカソードオフガスＧおよび凝縮水Ｗの動きを、模式的に表した説明図である。
燃料電池スタック２００のカソード(図示しない)から排出されたカソードオフガスＧは、第２の管部１４０Ｃを通って、第１の管部１２０Ｃに流入し、そのまま、車両の後方に向かって流れている。一方、上記したように、排気管１００Ｃの中で凝縮された凝縮水Ｗも、排気管１００Ｃ内を車両の前方から後方へ向かって、カソードオフガスＧの流れと共に、流れている。しかしながら、燃料電池車１０００Ｃが車両前方に直進している場合に、減速すると、第１の管部１２０Ｃ内の凝縮水Ｗは、慣性力により車両の後方から前方に向かって流れる(図１１の破線矢印)。

本実施例において、第１の管部１２０Ｃ内の凝縮水Ｗは、慣性力により、車両後方から前方に向かって、ほぼまっすぐに、第１の管部１２０Ｃ内を移動する。そして、凝縮水Ｗは、閉塞端１６０Ｃで、その流れが遮断され、閉塞端１６０Ｃの近傍に貯留される。ここで、第１の管部１２０Ｃ内の車両右側寄りを移動する凝縮水Ｗに注目すると、凝縮水Ｗは、慣性力により、車両後方から前方に向かって、ほぼまっすぐに、第１の管部１２０Ｃ内を移動して、開口部１８０Ｃを通過して閉塞端１６０Ｃに到達する。開口部１８０Ｂは、閉塞端１６０Ｂから所定の距離を離して形成されているため、閉塞端１６０Ｃ近傍が、第２の管部１４０Ｃとの接続部分より前方に突き出している。そのため、凝縮水Ｗは閉塞端１６０Ｃ近傍に貯留され、第２の管部１４０Ｂに流入しない。したがって、凝縮水Ｗが第２の管部１４０Ｃに流入することを防止することができる。

Ｃ４．効果：
以上説明したように、本実施例の排気管１００Ｃを使用すると、上記した実施例の場合と同様に、車両が減速した場合に、排気管１００Ｃ内の凝縮水Ｗが逆流して燃料電池スタック２００内に流入するのを防止して、燃料電池スタック２００の良好な発電を確保することができる。

Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

（１）上記した実施例では、燃料電池スタック２００を１つ搭載する燃料電池車について、説明したが、燃料電池スタック２００を２以上搭載してもよい。例えば、燃料電池スタック２００を２つ、車両の左右方向に並べて配置した場合の、排気管１００Ｄを、図１２に示す。排気管１００Ｄは、第２の実施例と同様に、第１の管部１２０Ｄと、第２の管部１４０Ｄとは、同一の高さで隣り合うように接続されている。なお、第２の管部１４０Ｄは、２つの燃料電池スタック２００のカソードから排出されるカソードオフガスを、まとめて、第１の管部１２０Ｄに導入している。

排気管１００Ｄを用いることによって、燃料電池スタック２００を、２つ搭載した場合でも、排気管１００Ｄ内の凝縮水Ｗが逆流して燃料電池スタック２００内に流入するのを防止することができるようになるため、燃料電池スタック２００の良好な発電を確保することができる。

（２）上記した実施例では、第１の管部および第２の管部は、それぞれ、略円筒状を成すものを示したが、その断面形状は、円形に限定されない。例えば、楕円形、長方形等、種々の形状で形成することができる。

（３）上記した第１の実施例では、第１の管部１２０が第２の管部１４０の真下に配置され、開口部１８０Ａが、側面の車両上側に形成されるものを示し、第２の実施例では、第１の管部１２０Ｂが第２の管部１４０Ｂの真横に配置され、開口部１８０Ｂが側面の車両右側に形成されるものを示したが、第１の管部と第２の管部との位置関係、および開口部の形成位置は、上記した実施例に限定されない。開口部は、第１の管部の中心軸と同じ高さ、または第１の管部の中心軸より上側に開口部の中心が位置するように形成されていればよい。例えば、図１３の（ａ）、(ｂ)に示すように、第１の管部１２０と第２の管部１４０とを配置してもよい。なお、（ａ）、(ｂ)は、排気管１００を、車両の後方からみた図であり、開口部１８０は、第１の管部１２０の壁面に破線で示している。

（４）上記した実施例においては、第１の管部と第２の管部は、略同一の径を有する円筒状に形成されており、第１の管部の断面積および開口部の開口面積は、第２の管部の断面積とほぼ等しいが、第１の管部の断面積および開口部の開口面積は、第２の管部の断面積以上であればよい。第１の管部の断面積および開口部の開口面積が、第２の管部の断面積以上であれば、排気ガスの流れが妨げられないため、燃料電池へ供給されるガスの流れが滞ることによる燃料電池の発電不良を防止することができる。

（５）上記した実施例においては、燃料電池スタック２００が、車両の床下に配置されるものとして説明したが、本発明は、燃料電池スタック２００が床下に配置される場合に限定されるものではない。例えば、燃料電池スタック２００は、車両の前側や、後側に配置されてもよい。

（６）上記した実施例においては、本発明をカソードオフガスを排出する排気管に適用するものについて説明したが、アノードオフガスを排出する排気管に適用するようにしてもよい。例えば、固体高分子型燃料電池を用いる場合に、高分子電解質膜におけるプロトン伝導性を良好に保つために、水素を加湿して供給する場合がある。このような場合には、アノードオフガスにも水分が含まれるため、排気管内部で水分が凝縮して凝縮水となり、車両の挙動に伴って凝縮水の逆流が生じるおそれがある。そのため、アノードオフガスを排出する排気管に本発明を適用すると、凝縮水の逆流を防止することができ、燃料電池の安定した発電を確保することができる。

（７）上記した実施例においては、本発明の排気管が配設されている自動車について説明したが、車両は、自動車に限定されず、自動二輪車、列車等、燃料電池を搭載する種々の車両に本発明の排気管を配設することが可能である。

本発明の第１の実施例としての排気管１００Ａの配置を燃料電池車１０００Ａの側方から見て示した説明図である。 燃料電池車１０００Ａに搭載される燃料電池スタック２００を中心とする燃料電池システム２０の構成を示す説明図である。 排気管１００Ａの概略構成を示す説明図である。 図３におけるＡ−Ａ切断面を示す断面図である。 排気管１００Ａの内部におけるカソードオフガスＧおよび凝縮水Ｗの動きを模式的に表した説明図である。 本発明の第２の実施例としての排気管１００Ｂの配置を燃料電池車１０００Ｂの側方から見て示した説明図である。 排気管１００Ｂの概略構成を示す説明図である。 本排気管１００Ｂの内部におけるカソードオフガスＧおよび凝縮水Ｗの動きを模式的に表した説明図である。 本発明の第３の実施例としての排気管１００Ｃの配置を燃料電池車１０００Ｃの側方から見て示した説明図である。 １００Ｃの概略構成を示す説明図である。 排気管１００Ｃの内部におけるカソードオフガスＧおよび凝縮水Ｗの動きを模式的に表した説明図である。 本発明の実施例の変形例を示す説明図である。 本発明の実施例の変形例を示す説明図である。

符号の説明

１０...単電池
２０...燃料電池システム
１００...排気管
１００Ａ...排気管
１００Ｂ...排気管
１００Ｃ...排気管
１００Ｄ...排気管
１２０...第１の管部
１２０Ａ...第１の管部
１２０Ｂ...第１の管部
１２０Ｃ...第１の管部
１２０Ｄ...第１の管部
１４０...第２の管部
１４０Ａ...第２の管部
１４０Ｂ...第２の管部
１４０Ｃ...第２の管部
１４０Ｄ...第２の管部
１６０Ａ...閉塞端
１６０Ｂ...閉塞端
１６０Ｃ...閉塞端
１７０Ａ...開口端
１７０Ｂ...開口端
１７０Ｃ...開口端
１８０...開口部
１８０Ａ...開口部
１８０Ｂ...開口部
１８０Ｃ...開口部
２００...燃料電池スタック
３００...気液分離装置
４００...マフラ
４２０...希釈器
５００...排気管
５２０...水素供給管
５４０...水素タンク
５６０...シャットバルブ
５８０...調圧バルブ
７２０...空気供給管
７４０...エアポンプ
１０００Ａ...燃料電池車
１０００Ｂ...燃料電池車
１０００Ｃ...燃料電池車
Ｌ...距離
Ｇ...カソードオフガス
Ｗ...凝縮水

Claims (8)

1. 車両に搭載された燃料電池から排出される排気ガスを、前記車両の外部へ排出するための排気管であって、
   一方を閉塞端、他方を開口端とする管状を成し、側面に開口部を備える第１の管部と、
   前記開口部に接続され、前記燃料電池から排出された前記排気ガスを、前記第１の管部に導入するための第２の管部と、
   を備え、
   前記開口部は、
   前記閉塞端から所定の距離離れた位置に形成されていると共に、
   前記第１の管部は、
   前記車両内において配置される際には、前記閉塞端が前記開口端より前側に位置するように配置されることを特徴とする燃料電池搭載車両用排気管。
2. 請求項１に記載の燃料電池搭載車両用排気管において、
   前記第１の管部の断面積、および前記開口部の開口面積は、前記第２の管部の断面積以上であることを特徴とする燃料電池搭載車両用排気管。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池搭載車両用排気管であって、
   前記車両内において前記第１の管部が配置される際には、
   前記開口部の中心が、前記第１の管部の中心軸と同じ高さ、または前記第１の管部の中心軸より上側に位置するように、配置されることを特徴とする燃料電池搭載車両用排気管。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか一つに記載の燃料電池搭載車両用排気管であって、
   前記第２の管部は、前記第１の管部に対して平行になるように、前記開口部に接続されることを特徴とする燃料電池搭載車両用排気管。
5. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池搭載車両用排気管であって、
   前記第２の管部は、前記第１の管部に対して垂直になるように、前記開口部に接続されることを特徴とする燃料電池搭載車両用排気管。
6. 燃料電池が搭載された車両であって、
   請求項１ないし請求項５のいずれか一つに記載の燃料電池搭載車両用排気管が配設されていることを特徴とする燃料電池搭載車両。
7. 請求項６に記載の燃料電池搭載車両であって、
   前記燃料電池搭載車両用排気管中に、前記排気ガスに含まれる水分を分離する気液分離装置が配置され、
   前記第１の管部は、前記燃料電池と前記気液分離装置との間に配置されることを特徴とする燃料電池搭載車両。
8. 請求項６または請求項７に記載の燃料電池搭載車両であって、
   前記燃料電池は、
   前記車両の床下に配置されることを特徴とする燃料電池搭載車両。

Images