JP4605496B2 - 燃料電池システムを搭載する移動体 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムを搭載する移動体における外気導入方法の改良に関する。

通常、内燃機関を搭載する自動車では、空調装置（いわゆるエアコン）へ外気を導入する際に、フロントガラス基部の外気導入口から空気を取り入れて車室に供給していた。例えば、特開２００２−２４０５３５号公報に記載のエアコンも、エンジンルームの上部、フロントガラス寄りの位置から外気を導入している様子が開示されている（特許文献１）。
特開２００２−２４０５３５号公報（図１）

近年、自動車等の動力源として燃料電池システムが脚光を浴びている。このような燃料電池システムを自動車に搭載する場合には、内燃機関と同様にエンジンルームに燃料電池システムを収容する。燃料電池は水素を扱うため、車室内に水素が入ることは極力避ける必要がある。

ところが、従来と同様の外気導入構造を備えた自動車において内燃機関と同じようにエンジンルーム内に燃料電池システムを収容した場合、万一水素が漏洩すると、外気導入口からエアコンを経て容易に車室内に水素が侵入する可能性があった。

そこで、本発明は万一燃料ガス漏れが生じても、車室内に燃料ガスが入り込むことを抑制可能な、燃料電池システムを搭載する移動体の構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の移動体は、移動体の外部から外気を移動体の内部の客室に導入するための外気導入機構を備えており、外気導入機構のための外気導入口が、燃料電池システムから見て移動体の進行方向前方に移動体の幅方向に幅広に設けられており、外気導入口と連通する外気導入路が、外気導入口の一部から空調装置にかけて上流から下流に向けて上向きに移動体の進行方向に対して斜めに延在しており、空調装置は、燃料電池システムから見て移動体の進行方向後方側に設けられているように構成された移動体である。

この構成によれば、外気導入口から外気が外気導入機構へ導入されるが、このとき外気導入口が燃料電池システムから見て進行方向前方に設けられているので、移動時における空気の流れにおいて、外気導入口が必然的に燃料電池システムの上流側となるので、燃料電池システムからガス漏れが生じたとしてもこれが外気導入機構に取り込まれることはない。この場合、外気導入口と燃料電池システムとの距離は短くてもよい。

ここで「外気導入機構」は、外気を取り込むことが可能な装置機械であり、特に限定はないが、移動体が自動車等であれば、空調装置を含むものである。外気導入機構として代表的なものは空調装置であるからである。

また「移動体」に限定はなく、移動可能なもの総てを含む。例えば、移動体としては、自動車、電車、船舶、飛行体等が含まれる。

また「所定距離」に限定はないが、漏洩ガスが入り込みにくい程度に離れていることを要する。燃料電池システムに対して、移動体の進行に連れて生じる空気流の下流に位置するか、直接の下流からずれた傍流に位置するかでその所定距離も変化する。

ここで「進行方向」とは、移動体が主として移動する方向であり、移動体が前進の他に後退も可能に構成されていても、主として前進することを目的として作られているものである以上、前進する方向がここでいう進行方向である。

また、外気導入口から進入した液体の排出手段をさらに備えることは好ましい。このように排出手段が設けられていれば雨水等の液体が入り込んでもそれを排除でき外気導入機構に液体が入り込むことを抑制できるからである。

本発明によれば、万一燃料ガス漏れが生じても、車室内に燃料ガスが入り込むことを抑制可能である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。以下の実施形態は、本発明の移動体を、燃料電池燃料電池搭載型自動車（以下、本自動車という）に適用した例示であり、本発明は以下の実施形態に限定されることなく種々に変形して実施可能である。

（実施形態１）
図１に、実施形態１の本自動車の斜視図を示す。また、図２（ａ）に本自動車の平面図を、図２（ｂ）に側面図を示す。これらの図に示すように、本自動車は、燃料電池システム１を搭載する移動体であって、外気導入機構５に含まれる空調装置５３への外気導入口５０を、当該燃料電池システム１から所定距離離間させて、具体的には客室３のルーフ２に設けることにより、当該燃料電池システム１からの漏洩ガスが当該外気導入口５０に達しないように構成されている点に特徴がある。

本自動車は、ルーフ２が設けられた客室３、燃料電池システム１の大部分が収容されるエンジンルーム（コンパートメント、収容部、ボンネット内）４、そして本発明にかかる外気導入機構５を備えている。外気導入機構５は、外気導入口５０、液体排出口５１、外気導入路５２、空調装置５３、ガイド５４を備えている。空調装置５３はエンジンルーム４に収容されている。客室３のルーフ２は、ピラー７で支えられており、進行方向前方に設けられたピラー７（いわゆるＡピラー）の内部には、外気導入路５２が連通している。

このように外気導入機構５の外気導入口５０は、燃料電池システム１とは離れた位置に設けられているので、万一燃料電池システム１からガスが漏れたとしても外気導入口５０からこの漏洩ガスが外気導入機構５に取り込まれることが抑制される。

特に、本実施形態において、外気導入口５０は、客室３のルーフ２に設けられているので、単に燃料電池システム１から離間しているのみならず、本自動車の移動時に燃料電池システム１の下流にもならない位置に外気導入口５０が位置するので、漏洩ガスが取り込まれることが確実に抑制できる構造となっている。

図３に、外気導入口５０付近の拡大斜視図を示す。図３に示すように、この外気導入口５０の開口面は、本自動車の進行方向前方に傾けて設けられている。このように外気導入口５０の開口面が前方に傾けられているので、本自動車の移動時に空気流が自然に外気導入機構５に効率よく取り込むことができる構造になっている。また、ガイド５４が設けられているので、図３に白抜き矢印で示すように取り入れる際の気流の流れ方向を効率よく外気導入路５２の方向に変更することができる。

また、本実施形態１の外気導入機構５には、外気導入口５０から進入した雨水等の液体を排出する、液体排出口５１を含む排出手段を備える。このため、降雨時等に雨水等の液体が入り込んでも、図３の斜線矢印で示す方向に流して確実に液体排出口５１から排出でき、外気導入路５２に液体が流れ込むことを抑制できる構造となっている。

図４に、燃料電池システム１のブロック図を示す。図４に示すように、本燃料電池システム１は、本発明の燃料電池として動作する燃料電池スタック１００に、燃料ガスである水素ガスを供給する水素ガス供給系１０、酸化ガスである空気を供給する空気供給系２０、燃料電池スタック１００を冷却する冷却系３０、これらの系の制御部４０を備え、本発明に係る外気導入機構５の空調装置５３を制御可能に構成されている。

燃料電池スタック１００は、単セルという発電構造体を複数積層したスタック構造を備える。各単セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）といわれる発電体を、水素ガス、空気、冷却水の流路が設けられたセパレータ一対によって挟み込んだ構造を備えている。ＭＥＡは高分子電解質膜をアノード及びカソードの二つの電極を挟み込んで構成されている。アノードはアノード用触媒層を多孔質支持層状に設けてあり、カソードはカソード用触媒層を多孔質支持層上に設けてある。

水素ガス供給系１０は、水素ガスの供給源から順に、水素タンク１１、元弁ＳＶ１、調圧弁ＲＧ、燃料電池入口遮断弁ＳＶ２、燃料電池スタック１００を経て燃料電池出口遮断弁ＳＶ３、気液分離器１２及び遮断弁ＳＶ４、水素ポンプ１３、パージ遮断弁ＳＶ５、並びに逆止弁ＲＶを備えている。

水素タンク１１は、燃料ガスである水素の供給手段であり、高圧水素タンク、水素吸蔵合金を用いた水素タンク、改質ガスによる水素供給機構、液体水素タンクから水素を供給するタンク、液化ガス燃料を貯蔵するタンク等を適用可能である。

元弁（遮断弁）ＳＶ１は、水素タンク１１からの水素ガス供給の有無を制御し、燃料電池入口遮断弁ＳＶ２は、遮断弁ＳＶ２より上流側である調圧弁ＲＧまでの配管を遮断する。燃料電池スタック１００に供給された水素ガスは、マニホールド経由で各単セルに供給され、セパレータの燃料ガス流路を流れて、ＭＥＡのアノードにおいて電気化学反応を生じるようになっている。燃料電池出口遮断弁ＳＶ３は、遮断弁ＳＶ３から燃料電池入口遮断弁ＳＶ２までを遮断する。気液分離器１２は、通常運転時において燃料電池スタック１００の電気化学反応により発生する水分その他の不純物を水素オフガス中から除去し、遮断弁ＳＶ４を通じて外部に放出する。水素ポンプ１３は、遮断弁ＳＶ２、ＳＶ３、逆止弁ＲＶを経る水素ガスの循環経路において水素ガスを強制循環させる。パージ遮断弁ＳＶ５は、パージ時に開放されるが、通常の運転状態及び配管内ガス漏れ判定時には遮断されている。逆止弁ＲＶは水素ガスの逆流を防止する。パージ遮断弁ＳＶ５からパージされた水素オフガスは図示しない希釈器を含む排気系で処理される。

空気供給系２０は、エアクリーナ２１、コンプレッサ２２、加湿器２３等を備えている。エアクリーナ２１は、外気を浄化して燃料電システムに取り入れる。コンプレッサ２２は、取り入れられた空気を制御部４０の制御に従って圧縮し供給する空気量や空気圧を変更するようになっている。加湿器２３は圧縮された空気に対し、空気オフガスと水分の交換を行って適度な湿度を加える。燃料電池スタック１００に供給された空気は、マニホールド経由で各単セルに供給され、セパレータの空気流路を流れて、ＭＥＡのカソードにおいて電気化学反応を生じるようになっている。燃料電池スタック１００から排出された空気オフガスは図示しない希釈器においてパージ遮断弁ＳＶ５からの水素オフガスを希釈して排気系に排出される。

冷却系３０は、ラジエタ３１、ファン３２、及び冷却ポンプ３３を備え、冷却液が燃料電池スタック１００内部に循環供給されるようになっている。具体的には冷却液は燃料電池スタック１００内に入るとマニホールド経由で各単セルに供給されセパレータの冷却液流路を発電による熱を奪うように流れる。

制御部４０は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、インターフェース回路等を汎用コンピュータとしての構成を備えている。内蔵ＲＯＭ等に格納されているソフトウェアプログラムを順次実行することにより、主として水素ガス供給系１０、空気供給系２０、冷却系３０を含む燃料電池システム１の全体を制御する。

外気導入機構５の一部である空調装置５３は、エアコン制御部５３１、ブロワモータ５３２、ブロワファン５３３等を備えている。

エアコン制御部５３１は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、インターフェース回路等を汎用コンピュータとしての構成を備えている。ブロワモータ５３２はブロワファン５３３と一体的に構成され、外気導入路５２の下流に配置されており、エアコン制御部５３１の制御に基づいて外気または内気を吸入し車室に供給する。ブロワファン５３３の下流にはさらに、図示しないエバポレータ、エアミックスドア、ヒーターコア、モード切替ドア等が設けられ、エアコン制御部５３１の制御によって、冷却や暖房の別、デフロスタの駆動、吹き出し口（足下、リア、正面）の別等を制御可能になっている。例えば、エアコン制御部５３１は、所定の関数の定義によって温度偏差、外気温、日射量それぞれの適合度を定めるとともに、代数積加算重心法等の演算を行って吹き出し温度、ブロワー量、吹き出し口の各制御を行う。

なお、エアコンシステムは、上記エバポレータの他、図示しないコンプレッサ、コンデンサ、エキスパンションバルブ等を接続した循環経路によって構成されている。エバポレータは、ブロワファン５３３から送られる空気を低温低圧の霧状冷媒によって冷却する。コンプレッサは、エバポレータが熱を吸収することによってガス状となった低温低圧の冷媒を加圧する。コンデンサは、コンプレッサによって高温高圧のガス状となった冷媒の放熱を行う。エキスパンションバルブは、コンデンサによって液状になった高温高圧の冷媒の断熱膨張を行って低温低圧の霧状冷媒として上記エバポレータに供給する。

すなわち、エアコン制御部５３１は、図示しない温度センサ及び湿度センサからの検出信号を参照し、設定温度と設定湿度に車室内が維持されるように空調装置５３を制御する。またエアコン制御部５３１は、制御部４０からの制御信号Ｃpaを参照して、制御部４０からの制御信号Ｃpaがエアコンブロア・オンを示していれば、ブロワモータ５３２を駆動させ、ブロワファン５３３を回転させて空気流を生成する。また制御信号Ｃpaがエアコンブロア・オフを示していれば、ブロワモータ５３２を停止させ、ブロワファン５３３による空気流生成を停止させる。また、エアコン制御部５３１は、制御信号Ｃpaが外気吸入を示していれば、外気が導入されるように制御し、制御信号Ｃpaが内気吸入を示していれば、内気循環させるように制御する。

上記したように燃料電池システム１は、多数の弁や管構造を相互に接続してあるため、時として水素ガスが漏洩することがある。このような水素ガスの漏洩はガス漏れ検査機能によって検知可能であるが、漏洩した水素ガスが客室３に入り込むことは極力阻止しなければならない。

この点、本実施形態１の構造によれば、客室３内への外気を導入する外気導入機構５の外気導入口５０が、客室３のルーフ２という、燃料電池システム１から離間しており、しかも本自動車走行時に、燃料電池システム１の下流にもならない場所に位置しているので、客室３の内部に漏洩した水素ガスが導入されることを抑制することが可能である。

特に本実施形態１によれば、外気導入口５０の開口面が本自動車の進行方向に傾いているので、効率よく外気を取り入れられる。

また本実施形態１によれば、外気導入口５０に入り込んだ液体の排出手段を備えているので、雨水等の液体が外気導入口５０から入り込んでも、確実に液体排出口５１から液体を排出することが可能である。

（実施形態２）
本発明の実施形態２は、外気導入機構への外気導入口が燃料電池システムから見て進行方向前方に設けられていることを特徴とする。
図５に、本実施形態２の本自動車の斜視図を示す。また、図６（ａ）に本自動車の平面図を、図６（ｂ）に側面図を示す。

本自動車は、ルーフ２が設けられた客室３、燃料電池システム１の大部分が収容されるエンジンルーム４、本実施形態かかる外気導入機構５ｂを備えている。外気導入機構５ｂは、外気導入口５５、液体排出口５６、外気導入路５７、そして実施形態１と同様の空調装置５３を備えている。空調装置５３は実施形態１と同様の構成であり、エンジンルーム４の燃料電池システム１の背後に収容されている。

特に本実施形態では、外気導入機構５ｂの外気導入口５５が燃料電池システム１から見て本自動車の進行方向Ｆｗ（白抜き矢印方向）前方に設けられている。このように、外気導入口５５が燃料電池システム１の前方に位置しているので、本自動車の移動時において、外気導入口５５が必然的に燃料電池システム１の上流側に位置することとなるので、万一燃料電池システム１からガス漏れが生じたとしても漏洩ガスが外気導入機構５ｂ内に取り込まれることはない構造となっている。

また、この外気導入機構５ｂには、外気導入口５５から入り込んだ雨水等の液体を排除する液体排出口５６が設けられているので、雨水等が外気導入路５７から空調装置５３に入り込むことを防止可能である。

このような構造によって、自動車は前方（斜線矢印方向）に進むに連れて、外気は白抜き矢印の方向に沿って、外気導入口５５から取り入れられ、雨水などの液体が自重によって落下して液体排出口５６から排除された後、外気導入路５７から空調装置５３に導かれていく。

従って、本実施形態２によれば、本自動車の移動時に燃料電池システム１から水素ガスが漏洩しても、外気導入口５５が燃料電池システム１の進行方向前方に位置するため水素ガスが外気導入機構５ｂを経て客室３の内部に入り込むことを抑制可能である。

特に本実施形態２によれば、走行時における空気流の上流側に外気導入口５５が設けられているので、外気導入口と燃料電池システムとの距離が短くても、水素ガスが外気導入機構５ｂに入りにくい配置となっている。

（変形例）
本発明は上記実施形態に限定されることなく種々に変形して適用することが可能である。例えば、実施形態１では、片方のピラー７にのみ外気導入路５２を連通させたが、ルーフ２に複数の外気導入口５０を設け、複数のピラー７に共通して外気導入路５２を連通させてもよい。外気導入口５０の開口面積が大きければ大きいほど、外気導入路５２の断面積が大きければ大きいほど、沢山の外気が取り入れられることになる。

また、実施形態１において外気導入口５０をルーフ２に設ける代わりに、自動車側面、自動車底面に設けてもよい。

また、自動車（移動体）の構造によっては、外気導入機構への外気導入口５０を燃料電池システム１から見て進行方向後方に設けてもよい。例えば外気導入口が進行方向後方に傾いていたり、外気導入口周辺にフィンがあって燃料ガスの漏洩があってもこれが外気導入路に届かないような形態になっていれば、外気導入口が後方にあってもよい。

また、外気導入口５０の開口面が進行方向後方に傾けて設けられていてもよい。このように後方に傾けておけば、例え外気導入口が燃料電池システム１から進行方向後方に設けられていてもその漏洩ガスが入りにくくなる一方、自動車が後退移動するような場合に外気が導入されやすい。

さらに外気導入口を複数設け、一部の外気導入口を前方に傾け、他の外気導入口を後方に傾けることで、どの方向に移動体が進んでも外気が導入されるように構成することもできる。

実施形態１の外気導入構造を備えた燃料電池搭載自動車の斜視図 実施形態１の外気導入構造を備えた燃料電池搭載自動車の平面図（図２（ａ））と側面図（図２（ｂ）） 外気導入口付近の拡大斜視図 実施形態の燃料電池システムのブロック図 実施形態２の外気導入構造を備えた燃料電池搭載自動車の斜視図 実施形態２の外気導入構造を備えた燃料電池搭載自動車の平面図（図６（ａ））と側面図（図６（ｂ））

符号の説明

１ 燃料電池システム、２ ルーフ、３ 客室、４ エンジンルーム、５、５ｂ 外気導入機構、７ ピラー、１０ 水素ガス供給系、１１ 水素タンク、１２ 気液分離器、１３ 水素ポンプ、２０ 空気供給系、２１ エアクリーナ、２２ コンプレッサ、２３ 加湿器、３０ 冷却系、３１ ラジエタ、３２ ファン、３３ 冷却ポンプ、４０ 制御部、５０、５５ 外気導入口、５１、５６ 液体排出口、５２、５７ 外気導入路、５３ 空調装置、５４ ガイド、１００ 燃料電池スタック、５３１ エアコン制御部、５３２ ブロワモータ、５３３ ブロワファン

Claims (2)

1. 燃料電池システムを搭載する移動体において、
   前記移動体は、前記移動体の外部から外気を前記移動体の内部の客室に導入するための外気導入機構を備えており、
   前記外気導入機構のための外気導入口が、前記燃料電池システムから見て前記移動体の進行方向前方に前記移動体の幅方向に幅広に設けられており、
   前記外気導入口と連通する外気導入路が、前記外気導入口の一部から空調装置にかけて上流から下流に向けて上向きに前記移動体の進行方向に対して斜めに延在しており、
   前記空調装置は、前記燃料電池システムから見て前記移動体の進行方向後方側に設けられている、
   移動体。
2. 前記外気導入口から進入した液体の排出手段をさらに備える、請求項１に記載の移動体。

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