JP6561595B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

この発明は、車両に搭載される燃料電池システムに関する。

モータを配置するモータルームの車両前方側に、走行風をモータルーム内に取り込んで車室の床下に送る換気デバイスを配置し、さらに車室の床下に搭載した燃料電池スタックの後方に別の換気デバイスを配置した車両の構成が開示されている（特許文献１参照）。

特開２０１０−０４６４９号公報

上述の車両においては、車室の床下に燃料電池スタックを配置するスペースが確保されている。しかしながら、車両によっては、床下に燃料電池スタックを配置することが困難なものもある。このような車両において、燃料電池スタックをモータルームに配置しようとすると、換気デバイスなどの熱交換装置から排出される空気が、燃料電池スタックや補機などによって遮蔽され、熱交換装置を通過する風量が低下してしまう。

このように、車両を駆動するための駆動手段として、モータの他に、例えば、燃料電池スタックやバッテリなどを配置しようとすると、熱交換装置から排出される空気の圧力損失が大きくなり、熱交換装置の通過風量が低下するという問題がある。

本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、駆動手段を配置する部屋に設けられる熱交換装置の通過風量を確保する燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は以下のような解決手段によって上述の課題を解決する。

本発明のある態様によれば、車両は、車両を駆動するための駆動手段を配置する部屋に設けられ、車両の前方から流入する空気を用いて熱交換を行う熱交換装置と、前記熱交換装置から排出される空気の少なくとも一部を、駆動手段よりも後方まで排出する排気手段と、を含み、熱交換装置は、空気に熱を放散するラジエータと、ラジエータに空気を通過させるファンと、を含み、排気手段は、ファンから部屋の後方まで配設した通路を含み、通路は、部屋よりも後方に配設された排気通路に合流し、通路及び排気通路は、通路を流れる排ガスと、排気通路を流れる排ガスと、が同じ方向に流れ、且つ互いに隣接するように合流することを特徴とする。

本発明によれば、排気手段を熱交換装置からモータルーム１００の後方まで延長することにより、熱交換装置の後方に多数の装置が配置されたとしても、熱交換装置を通過する風量を確保することができる。

図１は、本発明の第１実施形態における車両の概略構成を示す側面図である。 図２は、ラジエータのファンから排出される空気の一部を排出する通路を示す図である。 図３は、ファン排気圧力損失とラジエータ通過風量との関係を示す図である。 図４は、ファンから排出される空気の通路を示す平面図である。 図５は、本発明の第２実施形態における車両の概略構成を示す側面図である。 図６は、本発明の第３実施形態における車両の概略構成を示す側面図である。 図７は、本発明の第４実施形態における車両の概略構成を示す側面図である。

以下、添付された図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態における車両の概略構成を示す側面図である。

車両１は、車室１０１よりも前方に、モータ１０を配置するモータルーム１００を有する。モータルーム１００は、車両１を駆動するための駆動手段を配置する部屋である。

モータルーム１００には、モータ１０と、駆動ユニット２０と、熱交換装置３０と、熱交換装置排気通路４０とが、それぞれ配置される。

モータ１０は、車両１を駆動する駆動手段である。モータ１０は、車両１の車輪を回転させる。

駆動ユニット２０は、車両１を駆動するための駆動手段である。駆動ユニット２０は、モータ１０の上方に配置される。駆動ユニット２０は、例えば、モータ１０に電力を供給する燃料電池スタックや、燃料電池スタックの補機などにより構成される。燃料電池スタックの補機としては、例えば、燃料電池スタックに空気を供給する空気コンプレッサや燃料電池スタックの内部を加湿する加湿器などが挙げられる。

熱交換装置３０は、駆動ユニット２０よりも前方に設けられる。熱交換装置３０は、車両１の前方から流入する空気を用いて熱交換を行う装置である。熱交換装置３０は、ラジエータ３１及びファン３２を含む。

ラジエータ３１は、モータルーム１００の車両前方側に配置される。本実施形態では、ラジエータ３１は、ラジエータ３１の上端部が下端部よりも駆動ユニット２０の方に傾けられている。ラジエータ３１は、ラジエータ３１の内部に流れる冷媒の熱と、車両１の前方から流入する空気との間で熱交換を行う熱交換器である。

ラジエータ３１は、例えば、車両１の走行風によって冷媒を冷却する。本実施形態では、ラジエータ３１は、駆動ユニット２０を冷却するための冷媒の熱を、ラジエータ３１を通過する空気に放散する。

ファン３２は、ラジエータ３１の後方に、ラジエータ３１と同じように斜めに配置される。ファン３２は、車両前方の空気を吸引してその空気をラジエータ３１に供給する扇風機である。例えば、ファン３２は、車両１が停止している間に駆動し、ラジエータ３１に車両前方の空気を通過させる。

熱交換装置排気通路４０は、熱交換装置３０から排出される空気の一部を駆動ユニット２０よりも後方に排出する排出手段である。熱交換装置排気通路４０は、ダクト接続部４１及び排気ダクト４２を含む。

ダクト接続部４１は、ファン３２の一部と排気ダクト４２とを接続するものである。ダクト接続部４１は、ファン３２から排出される空気を排気ダクト４２へ通すために、ファン３２の排出側の一部を覆うように形成される。本実施形態では、ダクト接続部４１は、ファン３２の排気口の下側部分を覆うように形成される。ラジエータ３１が斜めに配置されているので、ファン３２の下部にダクト接続部４１を配置することにより、ファン３２を覆う面積が大きくなり、ファン３２の後方の排気風量を向上させることができる。

排気ダクト４２は、モータ１０の鉛直方向上側に配置された駆動ユニット２０とモータ１０との間を通過し、モータルーム１００の後方まで延長される。

図２は、熱交換装置排気通路４０を構成するダクト接続部４１の一例を示す正面図である。図２には、実線でダクト接続部４１が示され、破線でファン３２が示されている。

図２に示すように、ダクト接続部４１は、ファン３２の排気口の一部を覆うように劣弧（円弧）状に形成される。ファン３２の一部に接合されたダクト接続部４１は、排気ダクト４２の開口端と接続される。排気ダクト４２は、円状に形成されている。

図３は、熱交換装置排気通路４０によるファン３２の排気圧力損失の低下を示す図である。

図３には、ファン３２の排気圧力損失と通過風量との関係を表わしたファン特性が示されている。なお、ファン３２の排気圧力損失とは、ファン３２の後方の空気抵抗のことである。図３では、縦軸がファン３２の排気圧力損失を示し、横軸がファン３２を駆動したときのラジエータ３１の通過風量を示す。

排気圧力損失Ｐ０は、ファン３２の後方に熱交換装置排気通路４０が設けられていないときの圧力損失である。ファン３２の後方に配置された駆動ユニット２０が遮蔽物となり、ファン３２の排気圧力損失が大きくなっている。

本実施形態における排気圧力損失Ｐ１は、ファン３２の後方に熱交換装置排気通路４０が配設されているときの圧力損失である。ファン３２の排気口からモータルーム１００の後方まで熱交換装置排気通路４０を延長することにより、排気圧力損失Ｐ１は、熱交換装置排気通路４０が設けられていないときの排気圧力損失Ｐ０に比べて小さくなっている。

図３に示すように、モータルーム１００に熱交換装置排気通路４０を設けることにより、ファン３２の排気圧力損失は、圧力損失Ｐ０から圧力損失Ｐ１まで低下するので、ファン３２によるラジエータ３１の通過風量は、通過風量Ｆ０から通過風量Ｆ１まで上昇する。例えば、ファン３２の排気圧力損失を２０（ｋＰａ）下げただけで、ラジエータ３１の通過流量は３００（ｍ³／ｈ）程度も増加する。

このように、熱交換装置排気通路４０を駆動ユニット２０よりも後方まで延設することにより、ラジエータ３１の通過流量を向上させることができる。このため、ラジエータ３１の冷却性能が確保されるので、例えば、駆動ユニット２０の温度が上昇し過ぎて駆動ユニット２０が強制停止されるという事態を回避することができる。

本発明の第１実施形態によれば、車両１を駆動するための駆動ユニット２０を配置するモータルーム１００には、車両１の前方から流入する空気を用いて熱交換を行う熱交換装置３０が設けられている。そして、モータルーム１００には、熱交換装置３０から排出される空気の少なくとも一部を、駆動ユニット２０よりも後方まで排出する熱交換装置排気通路４０が設けられる。

このように、熱交換装置３０の排気の一部を通す熱交換装置排気通路４０をモータルーム１００の後方まで延ばすことにより、熱交換装置３０の後方に駆動ユニット２０を配置したとしても、熱交換装置３０の通過風量を確保することができる。このため、熱交換装置３０の冷却性能の低下が原因となって駆動ユニット２０の温度が高くなり過ぎることを回避することができる。

また、本実施形態では、熱交換装置３０は、駆動ユニット２０を冷却するラジエータ３１と、車両１の前方から流入する空気をラジエータ３１に通過させるファン３２とを含む。そして、熱交換装置排気通路４０は、ファン３２からモータルーム１００よりも後方まで配設した排気ダクト４２を含む。

このように、ファン３２を回転駆動させてラジエータ３１を放熱させる場合には、排気ダクト４２をモータルーム１００の後方まで配設することにより、図３に示したように、ファン３２の後方の排気圧力損失を低減することができる。これにより、ラジエータ３１の通過風量が増加するので、駆動ユニット２０の過熱を回避することができる。

本実施形態では、排気ダクト４２をモータルーム１００の後方まで延設したが、床下１０２の後方に空気を排出するための排気管を備えた車両においては、その排気管に対して排気ダクト４２を接続してもよい。

図４は、排気管５０に排気ダクト４２を接続した車両１の概略構成の一例を示す平面図である。

排気管５０は、モータルーム１００よりも後方に配設された排気通路である。排気管５０は、例えば、燃料電池スタックから排出される空気を排出するものであってもよい。あるいは、排気管５０は、エンジンから排出されるガスを排出するものであってもよい。

排気ダクト４２は、車室１０１よりも後方に設けられた排気管５０に接続される。これにより、ファン３２から排出される空気を、モータルーム１００の後方に配置された機材によって遮蔽されることなく、車両１の外部に排出することができる。したがって、モータルーム１００の後方における排気圧力損失の増加を抑制するこができる。

（第２実施形態）
次に、駆動ユニット２０として燃料電池スタックをモータルーム１００に搭載したときの車両の構成について図４を参照して説明する。

図５は、本発明の第２実施形態におけるモータルーム１００に搭載された燃料電池システム２００の概略構成の一例を示す側面図である。

燃料電池システム２００は、燃料電池スタック２０Ａにカソードガス及びアノードガスを供給するとともに、モータ１０などの電気負荷に応じて燃料電池スタック２０Ａを発電させる電源システムである。

燃料電池システム２００は、燃料電池スタック２０Ａと、スタック排気装置２１と、ラジエータ３１と、ファン３２と、熱交換装置排気通路４０Ａと、を含む。

燃料電池スタック２０Ａは、複数の燃料電池を積層して構成される。燃料電池スタック２０Ａは、不図示のカソードガス供給装置からカソードガスとして空気が供給されるとともに、不図示のアノードガス供給装置からアノードガスとして水素が供給される。また、燃料電池スタック２０Ａには、燃料電池ごとに冷却水が通過する通路が形成されている。

カソードガス供給装置は、燃料電池スタック２０Ａに空気を供給する空気コンプレッサを含み、空気コンプレッサは、例えば、燃料電池スタック２０Ａの上方、又は下方に配置される。なお、アノードガス供給装置は、燃料電池スタック２０Ａにアノードガスを供給する装置であり、高圧タンクや調圧弁などにより構成される。本実施形態では、高圧タンクは、モータルーム１００には設けられていない。

燃料電池スタック２０Ａの周辺には、駆動ユニット２０として、例えば、空気コンプレッサや、燃料電池スタック２０Ａの加湿器、バッファタンク、燃料電池スタック２０Ａのセル電圧を測定する測定装置、電力制御ユニットなどが配置される。

スタック排気装置２１は、燃料電池スタック２０Ａから排出される空気を、図４に示したように車両１の後方に排出する装置である。スタック排気装置２１は、スタック排気通路２１１及び調圧弁２１２を含む。

スタック排気通路２１１は、燃料電池スタック２０Ａから鉛直方向の下側に延ばされ、車室１０１の床下１０２に向けて曲げられる。モータルーム１００よりも後方のスタック排気通路２１１は、床下１０２を通過して車両１の後方まで延設される。本実施形態では、スタック排気通路２１１は、図４に示した排気管５０に合流する。

調圧弁２１２は、燃料電池スタック２０Ａに供給される空気の圧力を調整する弁である。燃料電池システム２００では、調圧弁２１２よりも下流のスタック排気通路２１１に対して、燃料電池スタック２０Ａからアノードガスを排出するアノードガス排出通路を合流させる。これにより、スタック排気通路２１１を通過する空気を利用して、燃料電池スタック２０Ａから排出される水素が希釈される。

ラジエータ３１は、本実施形態では、燃料電池スタック２０Ａの冷却水を冷却する。ラジエータ３１は、不図示の冷却水循環通路に接続されている。ファン３２は、図１で述べたように、ラジエータ３１に空気を供給する。

熱交換装置排気通路４０Ａは、ファン３２から排出される空気を燃料電池スタック２０Ａよりも後方に排出するラジエータ排気手段である。本実施形態では、熱交換装置排気通路４０Ａは、燃料電池スタック２０Ａのスタック排気通路２１１に合流する。

熱交換装置排気通路４０Ａは、ダクト接続部４１及び排気ダクト４２Ａを含む。ダクト接続部４１は、図１に示したものと同じである。

排気ダクト４２Ａは、スタック排気通路２１１に接続される。本実施形態では、排気ダクト４２Ａとスタック排気通路２１１とは互いに平行に配設され、排気ダクト４２Ａの一部とスタック排気通路２１１の一部とが連通している。すなわち、排気ダクト４２Ａは、スタック排気通路２１１の一部を覆うように形成されている。

このように、排気ダクト４２Ａをスタック排気通路２１１に合流させることにより、調圧弁２１２よりも下流のスタック排気通路２１１に排気ダクト４２Ａからの空気流量が加えられるため、スタック排気通路２１１の空気流量は増加する。

スタック排気通路２１１の空気流量は、燃料電池スタック２０Ａから排出される水素を希釈するのに用いられる。このため、燃料電池スタック２０Ａに空気を供給する空気コンプレッサは、その吐出流量が、少なくとも水素の希釈に必要な水素希釈流量以上となるように制御される。

空気コンプレッサの吐出流量が水素希釈流量となるように制御されているような状況では、空気コンプレッサの吐出流量を、排気ダクト４２Ａからスタック排気通路２１１に流入する空気の流量だけ減らすことが可能となる。したがって、排気ダクト４２Ａをスタック排気通路２１１に合流させることにより、燃料電池システム２００を構成する空気コンプレッサの消費電力を抑制することができる。

本発明の第２実施形態によれば、車両１を駆動するモータ１０を配置したモータルーム１００には、ラジエータ３１と、ラジエータ３１に空気を通過させるファン３２と、ファン３２よりも後方に配置される燃料電池スタック２０Ａとを含む。さらに、ファン３２から排出される空気の一部を、燃料電池スタック２０Ａよりも後方に排出する熱交換装置排気通路４０を備える。

これにより、図３に示したように、ファン３２の排気圧力損失が低下するので、ラジエータ３１の通過流量を増加させることができ、ラジエータ３１の冷却性能を確保することができる。このため、燃料電池スタック２０Ａの温度が上昇し過ぎて燃料電池システム２００が強制停止されるという事態を回避することができる。

さらに本実施形態によれば、熱交換装置排気通路４０を、燃料電池スタック２０Ａから排出される空気を外部に排出するスタック排気通路２１１に合流させる。本実施形態では、熱交換装置排気通路４０Ａは、スタック排気通路２１１の一部を覆うように形成される。

これにより、燃料電池スタック２０Ａに空気を供給する空気コンプレッサが、水素希釈要求によって制御されている状況では、熱交換装置排気通路４０からスタック排気通路２１１に流入する空気の分だけ、空気コンプレッサの回転速度を低下させることが可能となる。したがって、燃料電池システム２００を構成する空気コンプレッサの消費電力を抑制することができる。

このように、燃料電池スタック２０Ａからの排気を後方に排出するスタック排気通路２１１に熱交換装置排気通路４０を合流させることで、燃料電池スタック２０Ａの過熱の防止と、燃料電池システム２００の消費電力の低減を両立させることができる。

（第３実施形態）
図６は、本発明の第３実施形態における燃料電池システム２０１の概略構成を示す側面図である。

燃料電池システム２０１は、図５に示した燃料電池システム２００と基本的に同じ構成であり、燃料電池システム２００の構成と同じものについては同一符号を付している。燃料電池システム２０１は、調圧弁２１２よりも下流のスタック排気通路２１１の構成が異なる。

調圧弁２１２よりも下流のスタック排気通路２１１と排気ダクト４２Ｂとが２重管により構成される。本実施形態では、調圧弁２１２よりも下流のスタック排気通路２１１が排気ダクト４２Ｂによって覆われる。すなわち、排気ダクト４２Ｂは、スタック排気通路２１１の全部を覆うように形成される。

これにより、スタック排気装置２１による排気に伴う騒音を低減することができる。このため、防音対策のためにスタック排気通路２１１に巻かれるマフラの量を減らすことができる。

また、調圧弁２１２よりも下流のスタック排気通路２１１には、逆止弁２１３が設けられている。逆止弁２１３は、排気ダクト４２Ｂの空気がスタック排気通路２１１を介して燃料電池スタック２０Ａに逆流するのを防止するための弁である。

通常、排気ダクト４２Ａの空気流量は、スタック排気通路２１１の空気流量よりも数倍の空気流量となる。車両１がアイドルストップ状態のときには、燃料電池スタック２０Ａから排出される空気流量は減少し、調圧弁２１２が開かれるため、排気ダクト４２Ｂの空気がスタック排気通路２１１を介して燃料電池スタック２０Ａに逆流することが想定される。このため、車両１がアイドルストップ状態になったときには、逆止弁２１３が閉じられる。

あるいは、コントローラにおいて、燃料電池スタック２０Ａに供給される空気の圧力や、燃料電池スタック２０Ａの温度、モータ１０の要求電力などに基づいて、排気ダクト４２Ａの圧力がスタック排気通路２１１の圧力を超えるか否かを判断するようにしてもよい。この場合には、コントローラは、排気ダクト４２Ａの圧力がスタック排気通路２１１の圧力を超えると判断された場合に、逆止弁２１３を閉じる。

これにより、排気ダクト４２Ｂの空気が燃料電池スタック２０Ａに逆流することを回避しつつ、ラジエータ３１の冷却性能を改善することができる。

なお、本実施形態では、逆止弁２１３よりも上流からスタック排気通路２１１を覆うように排気ダクト４２Ｂを形成したが、逆止弁２１３よりも下流のスタック排気通路２１１を覆うように排気ダクト４２Ｂを形成してもよい。このような構成であっても、逆止弁２１３を閉じることで、排気ダクト４２Ｂから燃料電池スタック２０Ａへの空気の逆流を防ぐことができる。

本発明の第３実施形態によれば、熱交換装置排気通路４０Ｂは、スタック排気通路２１１の全部を覆うように形成される。これにより、燃料電池スタック２０Ａからスタック排気通路２１１を介して空気が排出される際に発生する騒音を抑制することができる。

また、熱交換装置排気通路４０Ｂは、逆止弁２１３よりも下流のスタック排気通路２１１を覆うように形成される。これにより、排気ダクト４２から燃料電池スタック２０Ａへの空気の逆流を防止することができる。

（第４実施形態）
図７は、本発明の第４実施形態における車両１の概略構成を示す側面図である。

本実施形態では、モータルーム１００には、図５に示した車両１の構成に加えてエネルギー回収機構２２０が配置されている。エネルギー回収機構２２０以外の構成は、図５に示したものと同じであるため、図５と同一の符号を付して説明を省略する。

エネルギー回収機構２２０は、排気ダクト４２Ａを通過する空気の風力を利用して発電機を回転させる機構である。エネルギー回収機構２２０は、例えば、排気ダクト４２Ａに設けられたタービンを回転させることによって発電機を回転させる。あるいは、エネルギー回収機構２２０は、電動ターボチャージャーを含むものであってもよい。エネルギー回収機構２２０は、発電機により回収された電力を、例えばバッテリに充電したり、モータ１０に供給したりする。

このように、排気ダクト４２Ａにエネルギー回収機構２２０を配置することにより、ファン３２の通過風量を確保しつつ、余剰な風力を有効に利用することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

上記実施形態では、排気ダクト４２を、ファン３２の下側部分から床下１０２へ水平に延ばしたが、モータ１０の高さなどに合わせて、ファン３２の上側部分又は中心部分から床下１０２へ延ばすようにしてもよい。

また、第１実施形態ではモータルーム１００にモータ１０を配置したが、ハイブリッド車両においてはモータ１０に加えてエンジンをモータルーム１００に配置してもよい。あるいは、モータ１０に代えてエンジンを配置してもよい。このような場合には、モータルーム１００は、エンジンを配置する部屋となるため、エンジンルームと称される。

また、第１実施形態ではラジエータ３１は、駆動ユニット２０の冷媒を冷却するものであったが、車室１０１のエアコンやエンジンの冷却水を冷却するものであってもよい。

また、上記実施形態では図２に示したようにダクト接続部４１によってファン３２の排出口の一部を覆うようにしたが、ファン３２の排気口の全部を覆うようにダクト接続部４１を形成してもよい。このような場合であっても熱交換装置３０の冷却性能を改善させることができる。

また、図４に示したファン３２から排気管５０までの配管経路は、床下１０２に配置される機材や、その設置場所などによって適宜変更されるものであり、図４に示した経路に限定されるものではない。

また、第１実施形態では、ファン３２を備える熱交換装置３０について説明したが、ファン３２を設けずに走行風のみで熱交換を行う熱交換装置であっても冷却性能の低下を抑制することができる。

また、ファン３２は、走行風がラジエータ３１に流入されないときにのみ駆動されるものであってもよく、走行風の流入量に関わらず、常に駆動されるものであってもよい。

なお、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。

１ 車両
１０ モータ（駆動手段）
２０ 駆動ユニット（駆動手段）
２０Ａ 燃料電池スタック（駆動手段）
２１ スタック排気装置（スタック排気手段、通路）
３０ 熱交換装置
３１ ラジエータ
３２ ファン
４０ 熱交換装置排気通路（排気手段、ラジエータ排気手段）
４２ 排気ダクト（通路）
５０ 排気管（排気通路）
１００ モータルーム（部屋）
２００ 燃料電池システム
２１３ 逆止弁

Claims (3)

1. 車両を駆動する駆動手段を配置する部屋に設けられるラジエータと、
   前記ラジエータに空気を通過させるファンと、
   前記ファンよりも後方に配置される燃料電池スタックと、
   前記ファンから排出される空気の一部を前記燃料電池スタックよりも後方に排出するラジエータ排気手段と、を含み、
   前記ラジエータ排気手段は、前記燃料電池スタックから排出される空気を外部に排出するスタック排気手段に合流し、
   前記ラジエータ排気手段及び前記スタック排気手段は、前記ラジエータ排気手段を流れる排ガスと前記スタック排気手段を流れる排ガスと、が同じ方向に流れ、且つ互いに隣接するように合流する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記ラジエータ排気手段は、前記スタック排気手段の少なくとも一部を覆うように形成される、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記スタック排気手段は、前記ラジエータ排気手段からの空気の逆流を止める逆止弁を含み、
   前記ラジエータ排気手段は、前記逆止弁よりも下流の前記スタック排気手段を覆うように形成される、
   ことを特徴とする燃料電池システム。

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