(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上方及び車両幅方向両側を車体パネルによって囲まれる車両前部の空間に電気機器を冷却する放熱器を配置し、空気を反応ガス兼冷却媒体として使用する空冷式燃料電池スタックを前記放熱器の後方に配置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は、車両幅方向両側部に空気入口を備えるとともに、車両幅方向中央部に空気出口とこの空気出口から流出した空気を車両後方に排出する排気ダクトを備え、前記空気入口には夫々車両前方へ延びる吸気ダクトを接続し、この吸気ダクトの空気取入口を前記放熱器の車両幅方向両側かつ前記放熱器よりも車両前側に開口させたことを特徴とする空冷式燃料電池車両。
【請求項２】
前記各吸気ダクトは、車両幅方向内側の外壁が、夫々前記放熱器の車両幅方向外側の外壁に沿うように配置されるとともに車両前後方向に対して車両幅方向外側へ広がるように傾斜し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３】
前記吸気ダクトは、前記空気取入口に防塵用のメッシュカバーを備え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４】
前記排気ダクトは、車両前方に開口して、前記放熱器を通過した空気が流入する放熱器用開口部を備え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。
【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に係り、特に放熱器と空冷式燃料電池スタックとをレイアウトする空冷式燃料電池車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
低圧のブロアファンを用い、反応用の空気と冷却用の空気を兼用する空冷式燃料電池車両においては、吸排気損失を低減、十分な空気を供給するために、空冷式燃料電池スタックの吸排気部を大きく取らなければならない。
また、電動車両としてモータ等の電気部品の冷却に約６０〜７０℃の放熱を行う放熱器（ラジエータ）が必要となるが、比較的低温で駆動する空冷式燃料電池車両においては、車体パネルによって囲まれる車両前部の空間内の放熱器で暖められた空気では温度差が得られず、冷却効率が著しく低減し、燃料電池スタックへの空気に使用できないため、内燃機関搭載車両以上の遮熱構造が必要となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２１６７８３号公報
【０００４】
特許文献１に係る車載用燃料電池スタックの運転方法は、発電セルの温度を計測し、この計測した温度が、予め定めた発電セル運転基準温度以下であれば、空気量配分機構により、冷却用空気の配分をゼロにする制御を行うものである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、従来、内燃機関を搭載する車両においては、燃焼用・冷却用の吸気部と放熱器、エアコン（Ａ／Ｃ）コンデンサ等の熱交換器の相対的なレイアウトに関して多くの技術が存在しているが、空冷式燃料電池車両についての技術は確認できなかった。
【０００６】
また、水冷式燃料電池車両では、一般的に、図６に示すように、水冷式燃料電池システム１０１において、高圧水素タンク１０２に圧縮して貯蔵された水素ガスを、減圧弁１０３を介して水冷式燃料電池スタック１０４のアノード吸気部に導入し、一方で、フィルタ１０５を通して吸入した空気をコンプレッサ１０６により圧縮して水冷式燃料電池スタック１０４のカソード吸気部に導入することにより、水冷式燃料電池スタック１０４で発電が行われる。水冷式燃料電池スタック１０４のカソード排気部から排気されたカソード排気は、気水分離器１０７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１０８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からのアノード排気も、同様に、気水分離器１０９を通り、パージ弁１１０を経てカソード排気に混入される。アノード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ものである。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。一方、水素の利用率を向上させるため、水素ポンプ１１１を用いて、アノード排気を水冷式燃料電池スタック１０４のアノード吸気部に再循環させる。
次いで、水冷式燃料電池システム１０１の冷却システム１１２について説明する。
この冷却システム１１２の冷却ループには、水冷式燃料電池スタック１０４の前段あるいは後段に水ポンプ１１３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１１４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。また、ラジエータ１１４と並列に、調整弁１１５を介して車室内暖房のためのヒータコア１１６を具備し、暖房が必要な場合は調整弁１１５を開けることでヒータコア１１６に高温冷却水を供給し、送風のための送風ファン１１７を駆動することにより、暖房に供するものである。但し、水冷式燃料電池スタック１０４の廃熱量は、内燃機関のそれに比べて非常に小さいため、この他に電気ヒータ等他の熱源を併用するのが一般的である。
上述のように、水冷式燃料電池システム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１０６を始めとして多くの補機類を備えるため、システムの複雑化、大型化、重量化、高コスト化に繋がるという不都合があった。
これに対し、空気を反応ガス兼冷却媒体として使用する空冷式燃料電池システムでは、空気で燃料電池スタックを冷却でき、かつ空気を低圧のブロアファンによって燃料電池スタックに供給できるため、水冷式燃料電池システムと比べてシステムを簡素化できる。しかし、車両の前部には電気機器冷却用の放熱器等が配置されており、このような放熱器を冷却して昇温した空気を吸気ダクトに吸入しないように配慮する必要があった。
【０００７】
そこで、この発明の目的は、空冷式燃料電池スタック及び電気機器冷却用の放熱器の冷却性能を向上させる空冷式燃料電池車両を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明は、上方及び車両幅方向両側を車体パネルによって囲まれる車両前部の空間に電気機器を冷却する放熱器を配置し、空気を反応ガス兼冷却媒体として使用する空冷式燃料電池スタックを前記放熱器の後方に配置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は、車両幅方向両側部に空気入口を備えるとともに、車両幅方向中央部に空気出口とこの空気出口から流出した空気を車両後方に排出する排気ダクトを備え、前記空気入口には夫々車両前方へ延びる吸気ダクトを接続し、この吸気ダクトの空気取入口を前記放熱器の車両幅方向両側かつ前記放熱器よりも車両前側に開口させたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
この発明の空冷式燃料電池車両は、空冷式燃料電池スタック及び電気機器冷却用の放熱器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】
【００１０】
【図１】図１は車両前部の平面図である。（実施例）
【図２】図２は車両前部の左側面図である。（実施例）
【図３】図３は空冷式燃料電池スタックの正面図である。（実施例）
【図４】図４は空冷式燃料電池スタックのセルの断面図である。（実施例）
【図５】図５は空冷式燃料電池システムの構成図である。（実施例）
【図６】図６は水冷式燃料電池システムの構成図である。（従来例）
【発明を実施するための形態】
【００１１】
この発明は、空冷式燃料電池スタック及び電気機器冷却用の放熱器の冷却性能を向上させる目的を、コンプレッサ等の補機類を極力廃し、システムを簡素化して実現するものである。
【実施例】
【００１２】
図１〜図５は、この発明の実施例を示すものである。
図１、図２において、１は空冷式燃料電池車両、２は車体パネル（フロントフード）、３はダッシュパネル、４Ｌは左側前輪、４Ｒは右側前輪、５Ｌは左側フェンダ、５Ｒは右側フェンダ、６Ｌは左サイドパネル、６Ｒは右サイドパネル、７は前側クロスメンバである。車体パネル２は、上方及び車両前後方向Ｘと直交する方向の車両幅方向（車両左右方向）Ｙの両側を囲んで車両前部に空間８を形成する。
【００１３】
空冷式燃料電池車両１には、上記の空間８内に空冷式燃料電池システム９が搭載される。
図５に示すように、空冷式燃料電池システム９においては、高圧の水素タンク１０に圧縮して貯蔵された水素ガスを減圧弁１１により降圧した後に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、一般的に、カソード吸気部に空気を供給する経路には高圧圧縮のコンプレッサを有さず、フィルタ１３を通じて吸入された空気を低圧のブロアファン１４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１５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９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。
【００１４】
図４に示すように、通常の固体高分子型の空冷式燃料電池スタック１２において、各セル１６には、水素及び空気（酸素）をそれぞれ供給するアノード極１７とカソード極１８とを電流線１９で接続するとともにこの電流線１９の途中に電気負荷２０を配置し、また、アノード極１７とカソード極１８とに挟まれてアノード側拡散層２１・カソード側拡散層２２及び反応活性化のためのアノード側触媒層２３・カソード側触媒層２４、そして、中央部位に水素イオンを選択的に透過させる電解質膜２５を配置している。
そして、アノード極１７に供給された水素分子（Ｈ）は、アノード極１７の電解質膜２５の表面にあるアノード側触媒層２３において活性な水素原子となり、さらに水素イオン（Ｈ＋  ）となって電子を放出する。
この図４において「１」で示される反応は、以下の式（１）で表される。
Ｈ２  →２Ｈ＋  ＋２ｅ−      …（ｌ）
この式（１）により発生した水素イオン（Ｈ＋  ）は、電解質膜２５に含まれる水分を伴ってアノード極１７側からカソード極１８側へと電解質膜２５中を移動し、また、電子（ｅ−  ）は、外部回路を通じてカソード極１８に移動する。一方のカソード極１８に供給された空気中の酸素分子（Ｏ）は、カソード側触媒層２４において外部回路から供給された電子（ｅ−  ）を受け取り酸素イオンとなり、電解質膜２５を移動してきた水素イオン（Ｈ＋  ）と結合して水（Ｈ２  Ｏ）となる。
この図４において「２」で示される反応は、以下の式（２）で表される。
１／２×Ｏ２  ＋２Ｈ＋  ＋２ｅ−  →Ｈ２  Ｏ    …（２）
この式（２）で生成された水分（Ｈ２  Ｏ）の一部は、濃度拡散によりカソード極１８からアノード極１７へと移動する。
上述の化学反応において、空冷式燃料電池スタック１２の内部では電解質膜２５や電極の電気抵抗に起因する抵抗過電圧、水素と酸素とが電気化学反応を起こすための活性化過電圧、アノード側拡散層２１・カソード側拡散層２２中を水素や酸素が移動するための拡散過電圧等の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。
【００１５】
空冷式燃料電池システム９においては、空冷式燃料電池スタック１２の冷却に専用の熱交換機器を必要としない。しかし、電動車両としてモータ等の電気部品の冷却には、６０〜７０℃の放熱を行うように、後述の放熱器（ラジエータ）２６が必要となる。
車両前部の空間８内に空冷式燃料電池スタック１２を搭載する空冷式燃料電池車両１においては、放熱器２６からの廃熱を空冷式燃料電池スタック１２が吸収することは、避けたい。
そこで、この実施例では、空間８内に空冷式燃料電池スタック１２を搭載する空冷式燃料電池車両１において、空冷式燃料電池スタックへ１２の吸気部位を、放熱器２６の左右に配置することで、放熱器２６の廃熱を空冷式燃料電池スタック１２の吸気部へ送られることを回避するレイアウトとする。つまり、空冷式燃料電池スタック１２に供給される空気は、発電反応に供するのみではなく、空冷式燃料電池スタック１２の冷却にも使用されるため、放熱器２６からの暖められた空気を吸入しないようなレイアウトとしている。
【００１６】
以下に、車両前部における空冷式燃料電池スタック１２等の部品のレイアウトを、具体的に説明する。
図１、図２に示すように、車体パネル２で形成された空間８には、電気機器を冷却する放熱器（ラジエータ）２６が配置される。この放熱器２６は、車両前部の前側で且つ車両幅方向Ｙの中央部で、車両幅方向Ｙに延びるように配置されている。この放熱器２６の後方には、空気を反応ガス兼冷却媒体として使用する空冷式燃料電池スタック１２が配置される。
空冷式燃料電池スタック１２は、車両幅方向Ｙの中央部に対して両側部の、左側燃料電池スタック１２Ｌと右側燃料電池スタック１２Ｒとからなる。
この左側燃料電池スタック１２Ｌ・右側燃料電池スタック１２Ｒは、車両幅方向Ｙの両側部の空気入口として、左側空気入口２７Ｌ・右側空気入口２７Ｒを備えているとともに、車両幅方向Ｙの中央部に左側空気出口２８Ｌ・右側空気出口２８Ｒを備えている。また、左側空気出口２８Ｌ・右側空気出口２８Ｒの車両幅方向Ｙの中央部側には、低圧のブロアファン１４としての、左側ブロアファン１４Ｌ・右側ブロアファン１４Ｒが配置されている。
【００１７】
また、左側燃料電池スタック１２Ｌ・右側燃料電池スタック１２Ｒは、左側空気出口２８Ｌ・右側空気出口２８Ｒから流出した空気を車両後方に排出するように、左側ブロアファン１４Ｌ・右側ブロアファン１４Ｒの内壁に沿った排気ダクト２９を車両幅方向Ｙの中央部で備えている。この排気ダクト２９は、空冷式燃料電池スタック１２の正面視で略中央部位に配置され、排気通路３０を形成して空冷式燃料電池スタック１２の後端から後方へ所定の長さで突出している。
更に、左側燃料電池スタック１２Ｌ・右側燃料電池スタック１２Ｒの車両前方側には、放熱器２６からの排気を車両幅方向Ｙの中央部の排気ダクト２９内に円滑（スムーズ）に導くように傾斜した左側導風板３１Ｌ・右側導風板３１Ｒが配置されている。
左側空気入口２７Ｌ・右側空気入口２７Ｒには、夫々車両前方へ延びる左側吸気ダクト３２Ｌ・右側吸気ダクト３２Ｒが接続している。
この左側吸気ダクト３２Ｌ・右側吸気ダクト３２Ｒの左側空気取入口３３Ｌ・右側空気取入口３３Ｒは、放熱器２６の車両幅方向Ｙの両側かつ放熱器２６よりも車両前側に開口している。
左側燃料電池スタック１２Ｌ・右側燃料電池スタック１２Ｒの後方で且つ排気ダクト２９の下方には、電気機器としてのモータ３４が配置されている。
【００１８】
上記のようなレイアウトにより、左側燃料電池スタック１２Ｌ・右側燃料電池スタック１２Ｒの車両幅方向Ｙの両側の左側空気入口２７Ｌ・右側空気入口２７Ｒから空気を取り入れ、左側燃料電池スタック１２Ｌ・右側燃料電池スタック１２Ｒを冷却した空気を左側燃料電池スタック１２Ｌ・右側燃料電池スタック１２Ｒの車両幅方向Ｙの中央部の左側空気出口２８Ｌ・右側空気出口２８Ｒからまとめて車両後方へ排気することができ、これにより、放熱器２６を放熱器２６の車両幅方向Ｙの両側を通過する冷えた空気を左側燃料電池スタック１２Ｌ・右側燃料電池スタック１２Ｒに取り入れ易い構造とすることができる。
そして、左側吸気ダクト３２Ｌ・右側吸気ダクト３２Ｒを上記のような構造とすることによって、左側吸気ダクト３２Ｌ・右側吸気ダクト３２Ｒの左側空気取入口３３Ｌ・右側空気取入口３３Ｒの開口面積を増加させるとともに、左側吸気ダクト３２Ｌ・右側吸気ダクト３２Ｒの曲がりを減少させて通路抵抗を減少させることができ、これにより、放熱器２６を冷却する前の冷えた空気をより多量に左側燃料電池スタック１２Ｌ・右側燃料電池スタック１２Ｒに供給でき、左側燃料電池スタック１２Ｌ・右側燃料電池スタック１２Ｒの冷却性能を向上させることができる。
また、左側吸気ダクト３２Ｌ・右側吸気ダクト３２Ｒの左側空気取入口３３Ｌ・右側空気取入口３３Ｒを放熱器２６よりも前方、若しくは並列に配置させているので、放熱器２６の廃熱の吸気を避けることができる。
さらに、左側燃料電池スタック１２Ｌ・右側燃料電池スタック１２Ｒの排気系では、図１、図２に示すように、放熱器２６の後方に排気ダクト２９を設けることで、放熱器２６から排出された暖気が滞留することなく、左側燃料電池スタック１２Ｌ・右側燃料電池スタック１２Ｒの排気と共に外部に排出される構造となり、このような構造により、放熱器２６の排熱を滞留させることなくできるため、空間８内の温度上昇を抑えることができ、この結果、左側燃料電池スタック１２Ｌ・右側燃料電池スタック１２Ｒの温度上昇を抑えることができ、また、通常走行時には、ラムエアが入ってくるため、スムーズに排気できる。
【００１９】
図１に示すように、左側吸気ダクト３２Ｌ・右側吸気ダクト３２Ｒは、車両幅方向Ｙの内側の左内側外壁３５Ｌ・右内側外壁３５Ｒが、夫々放熱器２６の車両幅方向Ｙの外側の左外側外壁３６Ｌ・右外側外壁３６Ｒに沿うように配置されるとともに車両前後方向Ｘに対して車両幅方向Ｙの外側へ広がるように所定の角度で傾斜している。
このような構造により、左側吸気ダクト３２Ｌ・右側吸気ダクト３２Ｒは、車両幅方向Ｙの内側の左内側外壁３５Ｌ・右内側外壁３５Ｒを放熱器２６に対するエアガイド部として機能させ、放熱器２６により多くの冷却用の空気を供給することができ、これにより、放熱器２６の冷却性能を向上することができる。
つまり、風への抵抗が高い放熱器２６を避けるように放熱器２６の左右両側を走行風が抜け、冷却性能が低下する可能性がある。この現象を抑えるため、この実施例では、左側空気取入口３３Ｌ・右側空気取入口３３Ｒを車両外側へ向けることで、全体が放熱器２６の導風板の役割をする構造としている。
【００２０】
また、左側吸気ダクト３２Ｌ・右側吸気ダクト３２Ｒは、左側空気取入口３３Ｌ・右側空気取入口３３Ｒに防塵用の左側メッシュカバー３７Ｌ・右側メッシュカバー３７Ｒを備えている。
この左側メッシュカバー３７Ｌ・右側メッシュカバー３７Ｒの存在により、左側燃料電池スタック１２Ｌ・右側燃料電池スタック１２Ｒ内への異物の侵入を防止できる。
【００２１】
更に、排気ダクト２９は、車両前方に開口し、放熱器２６を通過した空気が流入する放熱器用開口部３８を備えている。この放熱器用開口部３８は、図３に示すように、正面視で、防塵用のダクト側メッシュカバー３９を備え、空冷式燃料電池スタック１２の略中央部位に配置されている。
このような排気ダクト２９の構造によって、図１に示すように、左側燃料電池スタック１２Ｌ・右側燃料電池スタック１２Ｒから排出される空気と放熱器２６を冷却した空気とを、流速を低下させないように合流させて左側燃料電池スタック１２Ｌ・右側燃料電池スタック１２Ｒから車両後方にスムーズに排出でき、左側燃料電池スタック１２Ｌ・右側燃料電池スタック１２Ｒ及び放熱器２６の冷却性能を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
この発明に係る空冷式燃料電池システムのレイアウトを、水冷式燃料電池システムにも適用可能である。
【符号の説明】
【００２３】
１  空冷式燃料電池車両
２  車体パネル
８  空間
９  空冷式燃料電池システム
１２  空冷式燃料電池スタック
１２Ｌ  左側燃料電池スタック
１２Ｒ  右側燃料電池スタック
１４  ブロアファン
１４Ｌ  左側ブロアファン
１４Ｒ  右側ブロアファン
２６  放熱器
２７Ｌ  左側空気入口
２７Ｒ  右側空気入口
２８Ｌ  左側空気出口
２８Ｒ  右側空気出口
２９  排気ダクト
３１Ｌ  左側導風板
３１Ｒ  右側導風板
３２Ｌ  左側吸気ダクト
３２Ｒ  右側吸気ダクト
３３Ｌ  左側空気取入口
３３Ｒ  右側空気取入口
３４  モータ
３５Ｌ  左内側外壁
３５Ｒ  右内側外壁
３６Ｌ  左外側外壁
３６Ｒ  右外側外壁
３７Ｌ  左側メッシュカバー
３７Ｒ  右側メッシュカバー
３８  放熱器用開口部
【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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