(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池車両の後輪を駆動するモータと、インバータと、箱状に形成されていて互いに対向する壁面に反応ガス兼冷却媒体として使用する空気を取り入れる空気導入部と空気と水素とを含む余剰反応ガスを排出する空気排出部とを備える空冷式燃料電池スタックを前記燃料電池車両の後部に搭載し、前記空気導入部に吸気ダクトを装着する一方、前記空気排出部に前記燃料電池車両の後端部に延びる排気ダクトを装着した空冷式燃料電池車両において、前記空冷式燃料電池スタックを前記空冷式燃料電池車両のリヤフロアの下側であって車両前後方向で前記リヤフロアと重なるように配置し、かつ車両前後方向で後輪車軸よりも後ろ側に、前記空気導入部を上側に向け、かつ、車両後方へ向かうに連れて前記空気導入部が前記リヤフロアに近づくように傾斜させた状態で配置するとともに、前記モータと前記インバータとを、前記空冷式燃料電池車両のリヤフロアの下側であって車両前後方向でそれぞれ重なるように配置し、車両高さ方向において前記空冷式燃料電池スタックと重なる位置に配置したことを特徴とする空冷式燃料電池車両。
【請求項２】
前記空冷式燃料電池スタックの前記空気排出部側に吸出しファンを配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。
【請求項３】
前記排気ダクトは、上流端部に排気導入口を備えるとともに下流端部に排気導出口を備え、前記排気導入口の上端部と前記排気導出口の上端部との間を連絡する通路壁を水平もしくは車両後方に向かうに連れて高さが上昇するように傾斜させ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。
【請求項４】
前記空冷式燃料電池スタックの後方にリヤバンパが配置され、前記排気ダクトは前記排気導出部が前記リヤバンパに形成された開口部に嵌合させ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。
【請求項５】
前記吸気ダクトは、上流端部に空気導入口を備えるとともに下流端部に空気導出口を備え、前記空気導入口を鉛直方向で前記空気導出口よりも低い位置に開口させるとともに前記空気導入口と前記空気導出口との間に空気を上方に流す通路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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は空冷式燃料電池車両の吸気、排気装置に係り、特に空冷式燃料電池車両の吸気、排気ダクト構造に関する技術である。
【背景技術】
【０００２】
車両に搭載される燃料電池システムには、冷却水によって燃料電池スタックを冷却する水冷式燃料電池システムと、空気で燃料電池スタックを冷却する空冷式燃料電池スタックがある。
空冷式燃料電池システムでは反応用の空気によって燃料電池スタックを冷却できるため水冷式と比べて冷却装置を簡素化できる。
また、水冷式燃料電池システムでは空気をコンプレッサで加圧して燃料電池スタックに供給することが一般的である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−４２８２８号公報
【特許文献２】特開２０１０−１５８４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１は、水冷式燃料電池システムを搭載した車両について、燃料電池スタックをリヤシートの後方に配置するとともにその下方に空気を排出する排気ダクトを配置することが記載されている。しかし、水冷式燃料電池スタックをリヤシートの後方に配置した場合、室内空間が減少する不都合がある。
これに対し、特許文献２のように、燃料電池スタックを車両前部のエンジンルーム内やフロア下に搭載すれば、室内空間を広くできる。
しかし、車両前部に配置した燃料電池スタックから空気を排出する排気ダクトを車両後方まで延ばすことが必要となる。
この場合、排気ダクトの圧力損失が増加するため、燃料電池スタックに供給する空気をコンプレッサで加圧しないと排気ダクト内の空気を外部に排出できなくなる。ところで、上記のように長さの長い排気ダクトを空冷式燃料電池スタックに使用した場合、かなり大型なコンプレッサを使用しないと空冷式燃料電池スタックの冷却性能が低下する虞があった。
【０００５】
この発明は、空冷式燃料電池スタックの搭載によって燃料電池車両の車室空間を拡大すること、及び空冷式燃料電池スタックを流れる空気の量を増加させて空冷式燃料電池スタックの冷却性能を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
そこで、この発明は、上述不都合を除去するために、燃料電池車両の後輪を駆動するモータと、インバータと、箱状に形成されていて互いに対向する壁面に反応ガス兼冷却媒体として使用する空気を取り入れる空気導入部と空気と水素とを含む余剰反応ガスを排出する空気排出部とを備える空冷式燃料電池スタックを前記燃料電池車両の後部に搭載し、前記空気導入部に吸気ダクトを装着する一方、前記空気排出部に前記燃料電池車両の後端部に延びる排気ダクトを装着した空冷式燃料電池車両において、前記空冷式燃料電池スタックを前記空冷式燃料電池車両のリヤフロアの下側であって車両前後方向で前記リヤフロアと重なるように配置し、かつ車両前後方向で後輪車軸よりも後ろ側に、前記空気導入部を上側に向け、かつ、車両後方へ向かうに連れて前記空気導入部が前記リヤフロアに近づくように傾斜させた状態で配置するとともに、前記モータと前記インバータとを、前記空冷式燃料電池車両のリヤフロアの下側であって車両前後方向でそれぞれ重なるように配置し、車両高さ方向において前記空冷式燃料電池スタックと重なる位置に配置したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、上記構造によって、燃料電池車両のデパーチャアングルを確保しつつ燃料電池車両の最後部かつリヤフロアよりも低い位置に空冷式燃料電池スタックを搭載することができ、燃料電池車両の車室空間を拡大できる。
また、前記排気ダクトを空冷式燃料電池スタックの空気排出部から直線的に車両後端部まで延ばせ、排気ダクトの通気抵抗を低減できる。
そのため、吸気ダクトを通して空冷式燃料電池スタックに導入される空気の量を増加させて空冷式燃料電池スタックの冷却性能を向上させることができる。
よって、後輪を駆動する燃料電池車両に最適な位置に空冷式燃料電池スタックを搭載するとともに空冷式燃料電池スタックの冷却性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は図３のＡ−Ａ線による空冷式燃料電池スタックと吸気及び排気ダクトの配設状態を示す要部拡大断面図である。（実施例）
【図２】図２は吸気及び排気ダクト装着前の空冷式燃料電池車両の概略側面図である。（実施例）
【図３】図３は空冷式燃料電池車両の後部の底面図である。（実施例）
【図４】図４は空冷式燃料電池車両の後方から視た図である。（実施例）
【図５】図５は空冷式燃料電池スタックと吸気及び排気ダクトの左前方斜視図を示し、（ａ）は組立状態を示す斜視図、（ｂ）は組立後の吸気と排気の流れを示す斜視図である。（実施例）
【図６】図６は空冷式燃料電池スタックと吸気及び排気ダクトの左前側下方から視た吸気と排気の流れを示す斜視図である。（実施例）
【図７】図７は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）
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下図面に基づいてこの発明の実施例を詳細に説明する。
【実施例】
【００１０】
図１〜図７はこの発明の実施例を示すものである。
図２〜図４において、１は空冷式燃料電池車両（単に「車両」ともいう。）、２は前輪、３Ｌは左側後輪、３Ｒは右側後輪、４はフロントシート、５はリヤシート、６はフロントフロア、７はリヤフロアである。
前記空冷式燃料電池車両１は、図２に示す如く、フロントシート４、を載置したフロントフロア６の下方に水素タンク８を配設するとともに、前記リヤシート５の下方には二次電池９を配設する。
また、前記空冷式燃料電池車両１の後部、つまり、前記リヤフロア７の下方には、左右の後輪３Ｌ、３Ｒを駆動するモータ１０と、インバータ１１と、空冷式燃料電池スタック１２とを搭載している。
このとき、図７に示すように、空冷式燃料電池システム１３においては、高圧の水素タンク１４に圧縮して貯蔵された水素ガスを減圧弁１５により降圧した後に前記空冷式燃料電池スタック１２のアノード吸気部に導入するが、カソード吸気部に空気を供給する経路には空気を高圧に圧縮するコンプレッサを有さず、フィルタ１６を通じて吸入された空気を低圧の送風ファンであるブロアファン１７によって空冷式燃料電池スタック１２に供給する。
この空冷式燃料電池スタック１２に供給された空気は、空冷式燃料電池スタック１２における発電反応に供するのみでなく、空冷式燃料電池スタック１２における廃熱を奪い、空冷式燃料電池スタック１２を冷却する役割を有する。
空冷式燃料電池スタック１２のアノード排気は、パージ弁１８を介して空冷式燃料電池スタック１２からのカソード排気に混合し、この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部に放出する。
この空冷式燃料電池システム１３では、電気化学反応と、それに付随して水を生成する。
空冷式燃料電池スタック１２は、通常、セルと呼ばれる最小構成単位を多数積層して構成されている。
ここで、この空冷式燃料電池スタック１２等の部品の車両に対するレイアウトを説明する。
前記空冷式燃料電池車両１において、図２に示す如く、前記水素タンク８は車両前方の前記フロントシート４下に配置されている。
また、前記空冷式燃料電池スタック１２は車両最後方部ラゲッジルーム下に、吸気面を前方に傾斜させた姿勢で配置され、空冷式燃料電池スタック１２の下部には、燃料電池に空気を供給するための低圧ブロアファンからなる吸出しファン１９が備えられる。
この吸出しファン１９によって燃料電池に供給された空気は発電反応と空冷式燃料電池スタック１２の冷却に使用された後、車両後部の排気ダクト２０を通して車両外部に導かれる。
前記空冷式燃料電池スタック１２の前方には、左右の後輪３Ｌ、３Ｒを駆動する前記モータ１０が配置され、その上部には前記インバータ１１を配置し、前記二次電池９は前記リヤシート５下に配置されている。
このとき、この発明の実施例においては、前記空冷式燃料電池スタック１２を車両最後部に設置し、電気系部品を車両後部にまとめて配置している。
これにより、電気系配線、特に高電圧ケーブルを最小限の長さにすることができ、ノイズの影響、重量、コストを最小限に抑えることができる。
また、各電気系部品を隣り合わせに配置することで、配線類をシンプルにまとめることができ、メンテナンスも容易となる。
更に、事故や故障の対応時において、高電圧部品が一箇所にまとまっていることで、メンテナンス性が向上する。
更にまた、すべての部品をフロア下に配置することで、客室及び荷室の空間を確保しつつ車両へのレイアウトが可能なる。
【００１１】
前記空冷式燃料電池車両１の後部に搭載する前記空冷式燃料電池スタック１２は、箱状に形成されていて互いに対向する壁面に反応ガス兼冷却媒体として使用する空気を取り入れる空気導入部２１と空気と水素とを含む余剰反応ガスを排出する空気排出部２２とを備えている。
また、図５に示す如く、前記空気導入部２１に吸気ダクト２３を装着する一方、前記空気排出部２２に前記燃料電池車両１の後端部に延びる排気ダクト２０を装着している。
そして、前記空冷式燃料電池スタック１２を前記空冷式燃料電池車両１のリヤフロア７の下側かつ車両前後方向で後輪車軸２４よりも後ろ側に、前記空気導入部２１を上側に向け、かつ、車両後方へ向かうに連れて前記空気導入部２１が前記リヤフロア７に近づくように傾斜させた状態で配置する構成とする。
詳述すれば、前記空冷式燃料電池車両１に前記空冷式燃料電池スタック１２を配置する際に、図１及び図２に示す如く、リヤフロア７の下側かつ車両前後方向で後輪車軸２４よりも後ろ側に、前記空気導入部２１を上側に向けた状態とするとともに、車両後方へ向かうに連れて前記空気導入部２１が前記リヤフロア７に近づくように傾斜させた状態としている。
従って、上記構造によって、燃料電池車両１のデパーチャアングルθを確保しつつ燃料電池車両１の最後部かつリヤフロア７よりも低い位置に空冷式燃料電池スタック１２を搭載することができ、燃料電池車両１の車室空間を拡大できる。
また、これによって前記排気ダクト２０を空冷式燃料電池スタック１２から直線的に車両後端部まで延ばせ、排気ダクト２０の通気抵抗を低減できる。
そのため、吸気ダクト２３を通して空冷式燃料電池スタック１２に導入される空気の量を増加させて空冷式燃料電池スタック１２の冷却性能を向上させることができる。
よって、後輪を駆動する燃料電池車両１に最適な位置に空冷式燃料電池スタック１２を搭載するとともに空冷式燃料電池スタック１２の冷却性能を向上させることができる。
【００１２】
また、前記空冷式燃料電池スタック１２の前記空気排出部２２側に吸出しファン１９を配置する。
つまり、図５に示す如く、前記空冷式燃料電池スタック１２の前記空気排出部２２側、つまり下側に吸出しファン１９を配置し、この吸出しファン１９を前記排気ダクト２０によって覆っている。
従って、リヤフロア７に対向しておらずスペースの確保し易い空冷式燃料電池の空気排出部２２側に吸出しファン１９を配置することで、吸出しファン１９による空冷式燃料電池スタック１２からの空気の吸出し効果を高めて空冷式燃料電池スタック１２の冷却性能を向上することができる。
【００１３】
更に、前記排気ダクト２０は、上流端部に排気導入口２５を備えるとともに下流端部に排気導出口２６を備え、前記排気導入口２５の上端部と前記排気導出口２６の上端部との間を連絡する通路壁２７を水平もしくは車両後方に向かうに連れて高さが上昇するように傾斜させる。
つまり、前記排気ダクト２０を前記空冷式燃料電池車両１に載置する際に、図１及び図５に示す如く、前記排気導入口２５と前記排気導出口２６との間を連絡する通路壁２７（上面部）が車両後方に向かうに連れて高さが漸次上昇するように傾斜させるものである。
従って、上記構造によって、空気より重量が軽い余剰水素ガスを排気ダクト２０内に滞留させることなくスムーズに排出できる。
【００１４】
前記空冷式燃料電池スタック１２の後方にリヤバンパ２８が配置され、前記排気ダクト２０は前記排気導出部２６が前記リヤバンパ２８に形成された開口部２９に嵌合させている。
つまり、前記排気ダクト２０は、図６に示す如く、左右に前記排気導出部２６が形成されている。
そして、前記開口部２９は、図４に示す如く、前記リヤバンパ２８において、ライセンスプレート取付部３０の両側、かつ、左右のリヤランプ３１Ｌ、３１Ｒの内側部位に開口し、異物侵入防止用のメッシュ状カバー３２を有している。
このとき、前記開口部２９に前記排気ダクト２０の排気導出部２６を嵌合させるものである。
従って、排気ダクト２０の曲がりを少なくするとともに長さを短くして通気抵抗を低減できる。
また、排気ダクト２０の先端をリヤバンパ２８で支持でき、排気ダクト２０の保持構造を簡素化できるとともに排気に含まれる余剰水素ガスがリヤバンパ２８の内側に滞留することを防止できる。
【００１５】
また、空冷式燃料電池スタック１２の上側に配置される前記吸気ダクト２３は、上流端部に空気導入口３３を備えるとともに下流端部に空気導出口３４を備え、前記空気導入口３３を鉛直方向で前記空気導出口３４よりも低い位置に開口させるとともに前記空気導入口３３と前記空気導出口３４との間に空気を上方に流す通路部３５を形成する。
つまり、図１に白抜き矢印で示す如く、前記吸気ダクト２３の空気導入口３３を下方に指向するように形成するとともに、吸気ダクト２３内を流れる空気の流れを上向きから車両後方側の斜め下方に反転させるものである。
なお、前記吸気ダクト２３の空気導入口３３は、図３に示す如く、異物侵入防止用のメッシュ状カバー３６を有している。
従って、上記構造によって、吸気ダクト２３内を流れる空気の流れを上向きから斜め下方に反転させ、空気と一緒に吸気ダクト２３内に流入する水や泥を分離し、水や泥が空冷式燃料電池スタック１２に吸入されることを防止できる。
【００１６】
ここで、前記空冷式燃料電池スタック１２の搭載方法と吸気・排気ダクト２３、２０について追記する。
図５及び図６は前記空冷式燃料電池スタック１２に吸気・排気ダクト２３、２０を装着した図であり、吸気面を前方に傾斜させた姿勢で配置された空冷式燃料電池スタック１２に対し、吸気面に左右方向に延びる前記空気導入口３３を備えた吸気ダクト２３を装着し、排気面及び前記吸出しファン１９を覆い、かつ図４に示す前記リヤバンパ２８の開口部２９に繋がる排気ダクト２０を装着している。
このとき、前記空冷式燃料電池スタック１２を前方に傾斜させて配置することで、デパーチャアングルθを考慮しつつ大きな吸気用の空間を確保し、パージされた水素を排気ダクト内に滞留することなくスムーズに排気することが可能となる。
また、前記吸気ダクト２３の前記空気導入口３３を、図１に示す如く、前記インバータ１１よりも下側に開口することで、インバータ１１などの電気系部品から発生した熱を直接取り入れることを避けることができる。
更に、前記空冷式燃料電池スタック１２を車両最後方に配置し、図５及び図６に示すような排気ダクト形状にしたことで、排気経路をシンプルかつ最短にすることができ、圧損増加、発電効率の低下を最小限に抑えることが可能となる。
【００１７】
なお、この発明は上述実施例に限定されるものではなく、種々の応用改変が可能である。
【００１８】
例えば、この発明の実施例においては、空冷式燃料電池を想定しているが、当然ながら水冷式燃料電池システムにも適用可能なレイアウトである。
また、前記排気ダクトの排気導出口の形状は、この実施例にて開示された形状に留まらず、形状を大きく形成したり、あるいは個数を増加させたり、リヤバンパの開口部の形状を変形させる等応用可能である。
更に、吸気ダクトに関しても、他部品とのレイアウトの兼ね合いにより、開口部分の形状は変更可能である。
【符号の説明】
【００１９】
１  空冷式燃料電池車両（単に「車両」ともいう。）
２  前輪
３Ｌ  左側後輪
３Ｒ  右側後輪
４  フロントシート
５  リヤシート
６  フロントフロア
７  リヤフロア
８  水素タンク
９  二次電池
１０  モータ
１１  インバータ
１２  空冷式燃料電池スタック
１３  空冷式燃料電池システム
１９  吸出しファン
２０  排気ダクト
２１  空気導入部
２２  空気排出部
２３  吸気ダクト
２４  後輪車軸
２５  排気導入口
２６  排気導出口
２７  通路壁
２８  リヤバンパ
２９  開口部
３３  空気導入口
３４  空気導出口
３５  通路部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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