JP7169541B2 - 燃料電池車両 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池車両に関し、さらに詳しくは、燃料電池スタックから排出されるアノードオフガスを希釈して排気する構造を備えた燃料電池車両に係わるものである。

燃料電池、例えば、固体高分子型燃料電池では、出力を維持するために、定期的にアノードセル内の不純物を含む水素を排出するパージ処理を行う。この際、空冷式燃料電池では、高濃度の水素を含むアノードオフガスは、排気ダクト内に画成された希釈室内に排出され、この希釈室内に導入される冷却風および外気と混合され、水素濃度を下げてから外気に排出される。

一方、水冷式燃料電池では、アノードオフガスの希釈に冷却風を利用できないため、カソード側から排気されるカソードオフガスの排気経路に希釈ボックスを設け、この希釈ボックス内にアノードオフガスを排出し、カソードオフガスと混合希釈して排出するようにしている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７－１７９８９４号公報

アノードオフガスに対する希釈性能を確保するために、特許文献１のように、希釈ガスとの混合区間の流路にラビリンス構造（迷路構造、屈曲流路、蛇行流路）が採用される場合がある。しかし、アノードオフガスの希釈に冷却風を利用する場合、ラビリンス構造は流路抵抗を増加させ、冷却性能に影響するので、より簡素な構造が望まれていた。

本発明は従来技術の上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、アノードオフガスに対する希釈性能を確保しつつ、簡素な構造で冷却性能への影響も少ない燃料電池車両を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明者が鋭意検討したところ、従来、空冷式燃料電池では、アノードオフガスの希釈に冷却風を利用できるため、カソードオフガスを希釈に利用する要請は無かったが、冷却風とカソードオフガスを組合せてアノードオフガスの希釈に利用することで、ラビリンス構造による流路抵抗増加を回避しつつ、アノードオフガスに対する十分な希釈性能を確保できるという知見を得て本発明に想到した。

すなわち、本発明は、
水素ガスと空気中の酸素とを反応させて発電するＦＣスタックと、
前記ＦＣスタックに冷却用空気を流通させる冷却ファンと、
前記冷却用空気を車長方向後方の排気口に導く排気ダクトと、
前記ＦＣスタックから排出されるアノードオフガスを前記排気ダクト内に排出するアノードオフガス排出口と、
を備えた燃料電池車両において、
前記ＦＣスタックから排出されるカソードオフガスを、前記アノードオフガス排出口より車長方向後側で前記排気ダクト内に吐出するカソードオフガス吐出口をさらに備え、
前記アノードオフガス排出口は、前記冷却用空気の流れ方向と交差方向に配向され、
前記カソードオフガス吐出口は、前記冷却用空気の流れ方向と交差方向に配向され、かつ、前記冷却用空気の流れの略中央における前記アノードオフガスの第１の希釈領域に合流する第１の流れと、前記冷却用空気の流れの両側部における前記アノードオフガスの第２の希釈領域に合流する第２の流れを形成すべく、複数の吐出口に分けて吐出されるかまたは分流手段が設けられていることを特徴とする

本発明に係る燃料電池車両は、上記のように、主たる希釈ガスとなる冷却用空気の流れ方向と交差方向にアノードオフガスを排出するとともに、冷却用空気の流れの略中央におけるアノードオフガスの第１の希釈領域と、冷却用空気の流れの両側部におけるアノードオフガスの第２の希釈領域のそれぞれに合流するように、混合撹拌手段を兼ねた第２の希釈ガスであるカソードオフガスを吐出する構成により、簡素な構造で流路抵抗増加や冷却性能への影響を回避しつつ、アノードオフガスに対する良好な希釈性能を確保できる利点がある。

本発明第１実施形態の燃料電池ユニットを示す側断面図（ａ）、およびそのＺ－Ｚ断面図（ｂ）、Ｘ－Ｘ断面図（ｃ）である。 本発明第２実施形態の燃料電池ユニットを示す側断面図（ａ）、およびそのＺ－Ｚ断面図（ｂ）、Ｘ－Ｘ断面図（ｃ）である。 本発明第３実施形態の燃料電池ユニットを示す側断面図（ａ）、およびそのＺ－Ｚ断面図（ｂ）、Ｘ－Ｘ断面図（ｃ）である。 本発明第４実施形態の燃料電池ユニットを示す側断面図である。 燃料電池車両の燃料電池ユニット搭載部を示す側断面図である。

本発明に係る燃料電池車両は、四輪車、それ以上の車輪を有する大型車両、二輪車（オートバイ、スクーター）、三輪車（トライク）など、電力で走行する各種車両に実施可能であるが、小型簡素化に有利であることが一つの特徴であることから、図５に示すように、二輪車としての実施に適している。

図５において、燃料電池ユニット５０は、燃料電池車両５１の車長方向に沿って、特に限定されるものではないが、約３０度前傾させて搭載されており、ＦＣスタック１、その車長方向後方に配置された冷却ファン３、ＦＣスタック１を通過した冷却用空気を車長方向後方の排気口４に導く排気ダクト２とその延長部分５などを備えている。

既に述べたように、固体高分子型燃料電池は、その出力を維持するために、定期的にアノードセル内の不純物を含む水素ガスを排出するパージ処理が行われる。本発明に係る燃料電池車両では、排気ダクト２（および延長部分５）にアノードオフガスの希釈装置を構成する。以下、本発明の各実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１において、本発明第１実施形態の燃料電池ユニット１００は、ＦＣスタック１の車長方向後方に冷却ファン３を介して排気ダクト２が接続され、排気ダクト２の後面２２に排気口４が開口されている。排気ダクト２は、冷却ファン３に隣接した前端開口２１、天井面２３、底面２４、両側面２５，２５を備えた四角筒状の基本形状をなしている。

排気ダクト２には、ＦＣスタック１を通過した冷却用空気が、冷却ファン３に隣接した前端開口２１から導入され、排気ダクト２の内部空間２０を通解して排気口４から後方に排気される。排気ダクト２の前端開口２１に隣接した底面２４の幅方向両側部には、ＦＣスタック１のアノードセルから排出されるアノードオフガスの排出口１０が配設されている。

アノードオフガスの排出口１０は、アノードオフガスの主たる希釈ガスとなる冷却用空気の流れ方向と交差する上方向に配向されており、アノードオフガスと冷却用空気の確実な接触および混合がなされるようにしている。冷却用空気の流速は、図示のように中央部が周辺部に比較して相対的に高速であるが、冷却用空気の流路としてのＦＣスタック１の開口率は、排気ダクト２の流路断面積の２５～５０％程度であり、高圧で噴射されるアノードオフガスの流速に比べると低速であり、かつ、アノードオフガスは冷却用空気よりも比重が小さいため、天井面２３近くに滞留する傾向がある。

そこで、排気ダクト２には、ＦＣスタック１のカソードセルから排出されるカソードオフガス（空気、酸素）を、混合撹拌手段を兼ねた第２の希釈ガスとして吐出するカソードオフガス吐出口１１が配設されている。カソードオフガス吐出口１１は、排気ダクト２の後面２２隣接した底面２４の幅方向中央に、冷却用空気の流れ方向と交差する上方向に向けて設けられるとともに、カソードオフガス吐出口１１の上方に、吐出されたカソードオフガスを中央前方および両側方に分流させる分流板５が、後面２２から延設されている。

分流板５は、図１（ｂ）（ｃ）に示されるように、排気ダクト２の幅方向中央に延設され、幅方向の両側部は、両側面２５，２５から離間されている。この構成により、吐出口１１から吐出されたカソードオフガスは、矢印１１ａ冷却用空気の流れの略中央における第１希釈領域２０ａと、冷却用空気の流れの両側部における第２希釈領域２０ｂに送達される。

以上のように構成された燃料電池ユニット１００において、定期的に実施されるパージ処理に際しては、アノードセルから排出口１０に至る配管のバルブ（不図示）を開閉することにより、排出口１０から排気ダクト２の内部空間２０にアノードオフガス（水素ガス）を排出する。これと同期して、カソードセルから吐出口１１に至る配管のバルブ（不図示）を開閉することにより、吐出口１１から排気ダクト２の内部空間２０に希釈ガスとしてカソードオフガス（空気、酸素）を吐出する。

この処理に伴い、排出口１０から排出されたアノードオフガスは、矢印１０ａに示されるように、排気ダクト２内を上昇しつつ冷却用空気によって希釈されながら排気ダクト２内の略中央の第１希釈領域２０ａに向かう。一方、吐出口１１から吐出されたカソードオフガスは、分流板５で分流され、その大部分は、排気ダクト２内の略中央の第１希釈領域２０ａに合流する流れ（１１ａ）を形成し、この第１希釈領域２０ａにおいてアノードオフガスと撹拌混合されることで、アノードオフガスがさらに希釈され、水素濃度が安全なレベル（４％以下）に低下された状態で、冷却用空気とともに排気口４から外気に排出される。

また、排出口１０から排出されたアノードオフガスの一部は、矢印１０ｂに示されるように、冷却用空気の流速が比較的遅い排気ダクト２の両側面２５，２５に沿って希釈されながら後方に向うが、吐出口１１から吐出されたカソードオフガスの一部が、排気ダクト２内の両側部に沿って上昇し第２希釈領域２０ｂに合流する流れ（１１ｂ）を形成しており、これら第２希釈領域２０ｂにおいてアノードオフガスと撹拌混合されることで、これらの領域においても、アノードオフガスが安全なレベルに希釈され、冷却用空気とともに排気口４から外気に排出される。

上記のように、分流板５によって形成される第１および第２の希釈領域２０ａ，２０ｂは、冷却用空気とそれにより希釈されたアノードオフガスが排気口４に至る流路をブロックするように分布しており、これらの領域２０ａ，２０ｂで、冷却用空気により希釈されたアノードオフガスを、第２の希釈ガスとしてのカソードオフガスで撹拌混合してさらに希釈することで、排気口４に至る冷却用空気の流れを構造的にブロックせずに十分な希釈が可能となり、排気ダクト２の流路抵抗の増加とそれにともなう冷却効率の低下を防止するうえで有利である。

なお、上記実施形態において、カソードオフガスは、常時、排気ダクト２内に吐出されても良いが、パージ処理の際にバルブ開閉を行うことにより、カソードオフガスの吐出圧を瞬間的に上昇させて目標地点への到達能力や撹拌効率を高めることができる。また、パージ処理以外ではカソードオフガスを外気に排出し、パージ処理時のみ排気ダクト２内への吐出に切替えるように構成してもよい。

本発明に係る燃料電池ユニットには排気ダクト２の形状やカソードオフガス吐出口の配置によりいくつかの実施形態が存在する。以下、代表的な実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、基本構成は上述した第１実施形態と同様であるため、同様の構成には同じ符号を付してその説明を省略するものとし、変更点について説明する。

（第２実施形態）
図２は、本発明の第２実施形態の燃料電池ユニット２００を示している。
この燃料電池ユニット２００では、排気ダクト２の後面２２の下部に排気口４が開口されるとともに、分流板５を設ける代わりに、排気ダクト２の後面２２の略中央（やや排気口４寄り）に第１のカソードオフガス吐出口１１が配設され、かつ、排気口４手前の底面２４の両側部に第２のカソードオフガス吐出口１２が配設されている。

何れのカソードオフガス吐出口１１，１２も冷却用空気の流れ方向と交差するように上方向に配向されている点は第１実施形態と同様である。第１および第２の吐出口１１，１２に配分されるカソードオフガスの吐出量は同量でも構わないが、第１の吐出口１１に第２の吐出口１２よりも多くの吐出量が配分されることが好ましい。

例えば、１つの第１の吐出口１１からの吐出量が、２つの第２の吐出口１２の合計の吐出量と同等かまたはそれ以上であっても良いし、第１の吐出口１１からの吐出量が、第２の吐出口１２のそれぞれの吐出量より多く、それらの合計の吐出量より少ないような配分であっても良い。

この第２実施形態の燃料電池ユニット２００では、第１および第２の吐出口１１，１２から吐出されるそれぞれのカソードオフガスによって直接的にアノードオフガスの第１の希釈領域２０ａに合流する第１の流れ（１１ａ）と、第２の希釈領域２０ｂに合流する第２の流れ（１２ｂ）が形成される。

第１および第２の吐出口１１，１２が排気口４をガードするように分布する点は第１実施形態と同様であるが、本実施形態では、後面２２下部に排気口４が開口され、後面２２上部が閉鎖されているので、比重の小さい水素ガスの天井付近への滞留に備えて、第２の吐出口１２から吐出されるカソードオフガスが直接的に送達されるようにしている。

（第３実施形態）
図３は、本発明の第３実施形態の燃料電池ユニット３００を示している。
この燃料電池ユニット３００は、ＦＣスタック１および冷却ファン３が、排気ダクト２の前面の略上半部のみに開口された前端開口２１に接続されており、前面の略下半分は閉鎖されている。換言すれば、排気ダクト２の流路断面がＦＣスタック１および冷却ファン３に対して下方に拡大されている。

一方、排気口４は、前端開口２１に対向しないように、排気ダクト２の後面２２の略下半分に開口されている。そのため、ＦＣスタック１の実質的な開口率よりも大きい開口面積となっているが、前端開口２１と排気口４の間に屈曲した流路が形成されており、排気ダクト２の形状自体においてもアノードオフガスの流出が抑制される構成となっている。

アノードオフガス排出口１０の配置は第１および第２実施形態と同様である。第１および第２のカソードオフガス吐出口１１，１２の配置は第２実施形態に近いが、第３実施形態の燃料電池ユニット３００では、冷却用空気の流れ方向の上流側に位置した第１のカソードオフガス吐出口１１が、排気ダクト２の略中央に２つ並べて配設されており、４つのカソードオフガス吐出口１１，１２が、冷却用空気の流れ方向の上流側に向かい、排気口４をガードするように台形状に配置されている。

この第３実施形態の燃料電池ユニット３００では、第１および第２実施形態に比べて、排気ダクト２の流路断面積に対する排気口４の開口面積およびＦＣスタック１に対する排気口４の開口率が大きいため、排気ダクト２内の冷却用空気の流速および排気口４からの排気速度が相対的に速く、流路抵抗は小さい。後面２２上部が閉鎖されている構成は第２実施形態と同様であるが、本実施形態では、比重の小さい水素ガスが天井付近に滞留しやすい性質を積極的に利用して、この部分に第１および第２の希釈領域２０ａ，２０ｂが分布するようにしている。

（第４実施形態）
図４は、本発明の第４実施形態の燃料電池ユニット４００を示している。この燃料電池ユニット４００は、図５に示した燃料電池車両５１と同様に前傾して搭載されかつ排気ダクト２の後方に、排気ダクト２に対して屈曲して水平に延びる延長部分５が設けられている。排気口４が後面５２の下部に開口され、後面５２の上部が閉鎖されている構成は、前述した第２および第３実施形態と同様であるが、この燃料電池ユニット４００では、第１のカソードオフガス吐出口１１が、排気ダクト２の天井面２３に配設され、冷却用空気の流れ方向と交差する斜下方向に配向されている。

この燃料電池ユニット４００も、前述の第３実施形態と同様に、比重の小さい水素ガスが天井付近に滞留しやすい性質を積極的に利用して、この部分に第１および第２の希釈領域２０ａ，２０ｂが分布する構成であるが、第１および第２のカソードオフガス吐出口１１，１２がやや食い違いながら対向する配置により、吐出されたカソードオフガスによる良好な撹拌混合効果が期待できる。

以上、本発明のいくつかの実施形態について述べたが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいてさらに各種の変形および変更が可能である。

例えば、上記各実施形態では、カソードオフガス吐出口１１，１２が排気ダクト２の底面２４または天井面２３に配設される場合を示したが、カソードオフガス吐出口は両側面２５に配設されても良い。また、アノードオフガスの排出口１１は幅方向の中央寄りに配設されても良い。

さらに、上記各実施形態では、カソードオフガス吐出口１１，１２が底面２４または天井面２３に対して垂直上方または下方に配向される場合を示したが、底面２４や天井面２３に対して、冷却用空気の流れ方向上流側に向かう傾斜角を有して配向されても良い。

また、上記実施形態では、分流板５が水平な平板状の場合を成す場合を示したが、分流板はこれ以外の形状、例えば、両側方に向う緩い傾斜角を有する浅いＶ字状等であっても良い。

１ ＦＣスタック
２ 排気ダクト
３ 冷却ファン
４ 排気口
５ 延長部分
１０ アノードオフガスの排出口
１１ カソードオフガス吐出口（第１のカソードオフガス吐出口）
１２ カソードオフガス吐出口（第２のカソードオフガス吐出口）
２０ 内部空間
２０ａ 第１の希釈領域
２０ｂ 第２の希釈領域
２１ 前端開口
２２，５２ 後面
２３，５３ 天井面
２４，５４ 底面
２５ 両側面

Claims (3)

1. 水素ガスと空気中の酸素とを反応させて発電するＦＣスタックと、
   前記ＦＣスタックに冷却用空気を流通させる冷却ファンと、
   前記冷却用空気を車長方向後方の排気口に導く排気ダクトと、
   前記ＦＣスタックから排出されるアノードオフガスを前記排気ダクト内に排出するアノードオフガス排出口と、
   を備えた燃料電池車両において、
   前記ＦＣスタックから排出されるカソードオフガスを、前記アノードオフガス排出口より車長方向後側で前記排気ダクト内に吐出するカソードオフガス吐出口をさらに備え、
   前記アノードオフガス排出口は、前記冷却用空気の流れ方向と交差方向に配向され、
   前記カソードオフガス吐出口は、前記冷却用空気の流れ方向と交差方向に配向され、かつ、前記冷却用空気の流れの略中央における前記アノードオフガスの第１の希釈領域に合流する第１の流れと、前記冷却用空気の流れの両側部における前記アノードオフガスの第２の希釈領域に合流する第２の流れを形成すべく、複数の吐出口に分けて吐出されるかまたは分流手段が設けられていることを特徴とする燃料電池車両。
2. 前記第１の希釈領域に合流する前記第１の流れが、前記第２の希釈領域に合流する前記第２の流れに対し、前記冷却用空気の流れ方向の上流側に形成されるように、前記カソードオフガス吐出口の前記複数の吐出口または前記分流手段が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両。
3. 前記アノードオフガス排出口は、前記排気ダクト内の前記ＦＣスタックに隣接した導入側の両側部に設けられてい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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