JP6769855B2 - 燃料電池自動車用排出装置 - Google Patents

Description

本発明は燃料電池のオフガスを大気中に排出する燃料電池自動車用排出装置に関する。

近年、例えば特許文献１のような水素と空気中の酸素とを化学反応させることにより発電する燃料電池を動力源とする燃料電池自動車が実用化されている。こうした燃料電池からは、水素と酸素との化学反応にともなう生成物である水（以下、生成水という。）を水蒸気の状態で含んだオフガスが排出される。

特開２０００−１８２６３７号公報

ところで、上述したオフガスがそのまま大気中に排出されると、オフガスに含まれる水蒸気が冷却されることで車両の後方周辺に白霧が形成される。そのため、燃料電池自動車には、パワートレイン等を収容する収容室にオフガスに含まれている水蒸気を液化することによりオフガスから水蒸気を分離する気液分離ユニットが配設された燃料電池自動車用排出装置が搭載される。そして、こうした燃料電池自動車用排出装置には、気液分離ユニットで液化した液状の生成水が車両の後方へ飛散しないようにすることが求められる。

本発明は、気液分離ユニットで液化した生成水が車両の後方に飛散することを抑える燃料電池自動車用排出装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する燃料電池自動車用排出装置は、燃料電池からのオフガスに含まれる水蒸気を液化することにより前記オフガスから前記水蒸気を分離させ、前記液化した生成水を車両の下方に臨む排水口から排出する気液分離ユニットと、前記排水口よりも車両の後方に位置し、前記排水口に対する下方の空間を車両の後方から覆うガード部材とを備える。

上記構成によれば、気液分離ユニットの排水口から排出されて車両の後方へ相対移動した液状の生成水をガード部材で受け止めることができる。そして、ガード部材に受け止められた液状の生成水は、自重などによりガード部材の下端部まで移動して排水口よりも低い位置から地面に向けて落下する。これにより、気液分離ユニットから大気中に排出された液状の生成水が車両の後方へ飛散することを抑えることができる。

上記燃料電池自動車用排出装置において、前記排水口が車両の車輪に対する後方に位置していることが好ましい。
上記構成によれば、排水口へと向かう走行風が車輪によって遮断されるため、排水口から排出された液状の生成水が走行風の影響を受けにくくなる。

上記燃料電池自動車用排出装置において、前記排水口は、車両の後方からの平面視において車両の幅方向における前記車輪の中央寄りの位置に位置しており、前記ガード部材は、車両の後方からの平面視において車両の幅方向における前記車輪の外方寄りの位置から内方寄りの位置までを覆っていることが好ましい。

上記構成によれば、車両の幅方向においてガード部材が液状の生成水を受け止める範囲を大きくしつつ、ガード部材が走行風の影響を受けにくくすることができる。
上記燃料電池自動車用排出装置において、前記気液分離ユニットは、車両の後輪よりも後方に位置しており、前記ガード部材は、可撓性を有する弾性材で構成されており、車両の外方からの平面視において車両のデパーチャアングルを示す仮想線よりも下方に下端部を有していることが好ましい。

上記構成によれば、ガード部材が走行の障害になることを抑えつつ、ガード部材が液状の生成水を排出する排出位置をより低い位置に設定することができる。これにより、車両の後方に液状の生成水が飛散することをさらに抑えることができる。

上記燃料電池自動車用排出装置において、前記気液分離ユニットは、車両の前方へ延びたのちに車両の下方へ延びるエルボー管に前記排水口を有し、前記ガード部材は、車両の上下方向において前記エルボー管に重なる位置に位置していることが好ましい。

上記構成によれば、車両の前後方向において排水口に近い位置にガード部材が配設されることから、気液分離ユニットの排水口から排出されて車両の後方へ相対移動した液状の生成水がガード部材で受け止められる確率を高めることができる。

燃料電池自動車用排出装置の一実施形態を搭載した車両の概略構成を模式的に示す斜視図。 後方からの気液分離ユニットの斜視構造の一例を示す斜視図。 前方からの気液分離ユニット斜視構造の一例を示す斜視図。 図２の４−４線における断面構造を気液分離ユニットにおけるオフガスおよび液水の模式的な流れとともに示す断面図。 気液分離ユニットとアンダーカバーとが連結された状態の斜視構造の一例を示す斜視図。 気液分離ユニットが車両に搭載された状態の側面構造の一例を示す側面図。 気液分離ユニット付近における車両の下面構造の一例を示す下面図。 ガード部材付近における車両の側面構造の一例を示す側面図。 気液分離ユニット付近における車両の後面構造の一例を示す後面図。 排水口から排出された液水の流れの一例を模式的に示す模式図。

図１〜図１０を参照して、燃料電池自動車用排出装置の一実施形態について説明する。
図１に示すように、燃料電池自動車（ＦＣＶ：Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ）の一例である乗合自動車の車両１０は、水素タンクに貯留された水素と空気中の酸素とを化学反応させることによって発電する燃料電池１１を車両の後方上部に搭載している。燃料電池１１においては、水素と酸素との化学反応によって生成された生成水を水蒸気の状態で含むオフガスが排出される。オフガスは、車両１０の後輪１３よりも後方に位置する左右一対の燃料電池自動車用排出装置２０（以下、単に排出装置２０という。）を通じて大気中へと排出される。

以下、排出装置２０について説明するが、各排出装置２０は、車両に対する取付け位置が異なるだけで基本的な構造は同じである。そのため、右側に位置する排出装置２０について詳細に説明し、左側に位置する排出装置２０についての詳細な説明は省略する。また、車両１０の幅方向における車両１０の外側方向を外方、内側方向を内方という。

（排出装置２０の概要）
排出装置２０は、ダクト２１、気液分離ユニット２２、アンダーカバー２３、および、ガード部材２４を備えている。ダクト２１は、金属製のパイプや可撓性を有する樹脂製のホース等によって構成されている。ダクト２１は、燃料電池１１から下方へ延びており、燃料電池１１と気液分離ユニット２２とを接続している。気液分離ユニット２２は、オフガスに含まれる水蒸気を液化することによりオフガスから水蒸気を分離させ、その液化した液状の生成水（以下、液水という。）とオフガスとを大気中に排出する。気液分離ユニット２２は、バッテリーやモーター等を有するパワートレイン１４を収容する空間であって車両１０の最後方下部に位置する収容室１５に配設されている。

アンダーカバー２３は、気液分離ユニット２２を車両１０に取り付ける取付具としての機能を有している。アンダーカバー２３は、車両１０の前方寄りの部位ほど下方に位置するように傾斜しており、気液分離ユニット２２の周辺における収容室１５の開口部分を覆っている。アンダーカバー２３の傾斜角度は、車両１０のデパーチャアングルの角度と略等しい角度に設定される。

ガード部材２４は、可撓性を有する弾性材で構成されている。ガード部材２４は、アンダーカバー２３から垂れ下がっており、気液分離ユニット２２から排出される液水が車両１０の後方へ飛散することを抑える。

（気液分離ユニットの概要）
図２〜図４を参照して気液分離ユニット２２の概要について説明する。
図２〜図４に示すように、気液分離ユニット２２は、水蒸気の液化が効率的に行われるように金属のなかでも熱伝導率の高く、また、耐水性に優れているアルミニウムによって構成されている。気液分離ユニット２２は、上段ハウジング３０と下段ハウジング５０とを有している。上段ハウジング３０は、前壁３１、上壁３２、後壁３３、ならびに、一対の側壁を構成する内側壁３４および外側壁３５を有しており、車両１０の前後方向および上下方向に拡がる偏平の箱体形状に形成されている。上段ハウジング３０の後壁３３には、ダクト２１が接続されるとともに上段ハウジング３０内にオフガスを吐出する吐出部３７が取り付けられている。下段ハウジング５０は、前壁５１、上壁５２、後壁５３、一対の側壁を構成する内側壁５４および外側壁５５、ならびに、下壁５６を有しており、車両１０の前後方向および幅方向に拡がる偏平の箱体形状に形成されている。

上段ハウジング３０は、前壁３１、後壁３３、内側壁３４、および、外側壁３５の各々の下端部が下段ハウジング５０の上壁５２に取り付けられている。上段ハウジング３０は、前壁３１、上壁３２、後壁３３、内側壁３４、外側壁３５、および、下段ハウジング５０の上壁５２の一部によって囲まれた空間である上段室３８を有する。この下段ハウジング５０の上壁５２の一部は、上段ハウジング３０の下壁として機能するとともに上段室３８の下面３６ｓを構成する。下面３６ｓは、車両１０の前方寄りの部位ほど車両１０の下方に位置するように傾斜している。吐出部３７は、筒状の形状を有しており、後壁３３に形成された支持孔３９を貫通する状態で該後壁３３に支持されている。吐出部３７は、後壁３３の法線方向に沿うように後述する第１連通口６０に向かって斜め下方に延びており、上段室３８の外部に導入口４０を有し、上段室３８の内部に吐出口４１を有している。吐出部３７は、吐出口４１の形成部分における軸線方向が吐出方向に設定される。

上段ハウジング３０は、上段室３８内に、吐出部３７から吐出されたオフガスを上方に案内する第１案内板７１、第１案内板７１で案内されたオフガスを車両１０の後方へ案内する第２案内板７２を有している。また、上段ハウジング３０は、第１連通口６０と第２連通口６１との間に位置して上段室３８の下面３６ｓ寄りの空間を車両１０の前後方向に並ぶ第１空間３８Ａと第２空間３８Ｂとに仕切る上段仕切板７４を有している。

下段ハウジング５０は、前壁５１、上壁５２、後壁５３、内側壁５４、外側壁５５、および、下壁５６の一部によって囲まれた空間である下段室５８を有する。下段室５８の下面５６ｓは、車両１０の前方寄りの部位ほど車両１０の下方に位置するように傾斜している。下段ハウジング５０の上壁５２には、上段室３８と下段室５８とを連通する連通口として、前端部に第１連通口６０が形成され、後壁５３寄りの位置であって吐出部３７の下方に第２連通口６１が形成されている。また、下段ハウジング５０は、下段室５８内に、第１連通口６０を通じて上段室３８に連通する第１下段室５８Ａと第２連通口６１を通じて上段室３８に連通する第２下段室５８Ｂとに下段室５８を仕切る下段仕切板９１を有している。

下段ハウジング５０の前壁５１には、外側壁５５側の端部に排水管６３が取り付けられている。排水管６３は、車両１０の前方へ延びたのちに車両１０の下方へ屈曲するエルボー管である。排水管６３は、下段室５８と気液分離ユニット２２の外部空間とを連通する排水口６４を有しており、排水口６４から排出された液水が走行風の影響を受けにくくなるように後輪１３の後方に位置している。下段ハウジング５０の下壁５６には、後端部に下段室５８と気液分離ユニット２２の外部空間とを連通する排気口６５が形成されている。排気口６５は、第２連通口６１よりも車両１０の後方に位置している。また、下壁５６は、内側壁５４から車両の内方に向かって突き出た内側鍔部５６ａと外側壁５５から車両の外方に向かって突き出た外側鍔部５６ｂを有している。内側鍔部５６ａおよび外側鍔部５６ｂの各々には、気液分離ユニット２２をアンダーカバー２３に取り付けるための取付部６６が形成されている。気液分離ユニット２２は、アンダーカバー２３を介して車両１０に支持されることにより、下段ハウジング５０の上壁５２および下壁５６が車両１０の前方寄りの部位ほど下方に位置するように傾斜する状態で車両に搭載される。なお、下段ハウジング５０の下壁５６は、アンダーカバー２３の一部であってもよい。この場合、部品点数の削減が図られるとともに、内側鍔部５６ａは内側壁５４、外側鍔部５６ｂは外側壁５５に形成される。

気液分離ユニット２２が車両１０に搭載されると、吐出部３７にダクト２１が接続される。吐出部３７とダクト２１とは、吐出部３７がダクト２１の内側に位置する状態で吐出部３７とダクト２１との重畳部分が締結具によって締結されることにより接続される。気液分離ユニット２２には、水蒸気を含むオフガスのほか、例えばダクト２１を通過している際に液化した生成水が液水として流入する。気液分離ユニット２２は、主に上段室３８で水蒸気の液化を行い、下段室５８で液水およびオフガスの各々を排水口６４および排気口６５へと各別に案内する。そして気液分離ユニット２２は、排水口６４から車両１０の下方に向かって液水を排出し、排気口６５から車両１０の後方に向けて斜め下方にオフガスを排出する。

（アンダーカバー２３）
図５に示すように、気液分離ユニット２２は、内側鍔部５６ａおよび外側鍔部５６ｂの各々に形成された取付部６６を介してアンダーカバー２３に取り付けられる。アンダーカバー２３は、金属のなかでも熱伝導率の高く、また、耐水性に優れているアルミニウムによって構成されている。アンダーカバー２３は、アンダーパネル９５と、バックパネル９６Ｂと、サイドパネル９６Ｓとを有している。アンダーパネル９５は、気液分離ユニット２２が取り付けられて該気液分離ユニット２２の周囲を下方から覆っている。バックパネル９６Ｂは、アンダーパネル９５の後端縁に一体的に連結されて気液分離ユニット２２を後方から覆っている。サイドパネル９６Ｓは、アンダーパネル９５の外側縁に一体的に連結されて気液分離ユニット２２を外方から覆っている。

図６に示されるように、アンダーカバー２３は、車両１０の外方からの平面視において、アンダーパネル９５が車両１０のデパーチャアングルを示す仮想線ＶＬｄの傾斜角θｄ（水平走行面１００に対して仮想線ＶＬｄがなす角度）だけ車両１０の前方寄りの部位ほど車両１０の下方に位置するように傾斜した状態で車両１０に取り付けられる。また、アンダーカバー２３は、アンダーパネル９５が上記仮想線ＶＬｄに沿うように車両１０に取り付けられる。

図７に示すように、アンダーパネル９５は、気液分離ユニット２２の周辺における収容室１５の下側開口部１６を覆っている。アンダーパネル９５は、気液分離ユニット２２の排気口６５を取り囲むように配設される排気開口部９７を有している。この排気開口部９７は、バックパネル９６Ｂ寄りの位置に位置している。また、アンダーパネル９５には、車両１０の前方寄りの部位に、ガード部材２４を支持するブラケット９８（図８参照）が取り付けられる。なお、アンダーパネル９５の一部が下段ハウジング５０の下壁５６を構成する場合、アンダーパネル９５に排気口６５が形成される。

ここで、収容室１５内に配設される各種の機器は、例えば雨水といった車両１０の上方からの水分に対する対策は施されているものの、オフガスに含まれる水蒸気のように車両１０の下方からの水分に対する対策が十分でない場合がある。そのため、車両１０の停車時に排気口６５から水蒸気を含んだオフガスが排出されたときに、その水蒸気を含むオフガスが収容室１５内に入り込んでしまうとその水蒸気が各種の機器において結露してしまうおそれがある。この点、排出装置２０は、気液分離ユニット２２の周辺における収容室１５の下側開口部１６を覆うアンダーカバー２３を有している。こうしたアンダーカバー２３が配設されることにより、車両１０の停車時等に排気口６５から排出された水蒸気を含むオフガスが収容室１５に入り込むことを抑えることができる。

（ガード部材２４）
図８に示すように、ガード部材２４は、例えばＥＶＡ（Ｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｖｉｎｙｌ Ａｃｅｔａｔｅ：エチレン酢酸ビニルコポリマー）樹脂といった可撓性を有する弾性材によって構成されている。ガード部材２４は、ブラケット９８と取付具９９とに挟持された状態でブラケット９８に対して取付具９９が締結されることによりアンダーカバー２３に取り付けられる。ガード部材２４は、矩形状の形状を有しており、車両１０の上下方向で排水管６３に重なる位置であって排水管６３の排水口６４の中心から距離Ｌだけ車両１０の後方へ離れた位置している。ガード部材２４の上端部は、排水口６４よりも上方に位置しており、ガード部材２４の下端部２４ａは、車両１０の外方からの平面視において車両１０のデパーチャアングルを示す仮想線ＶＬｄよりも下方の位置であって、高さＨだけ水平走行面１００から離れた位置に位置している。距離Ｌおよび高さＨは、実車における液水の飛散を調査する実験等に基づいて設定されることが好ましく、距離Ｌの一例は４０ｍｍであり、高さＨの一例は８０ｍｍである。

図９に示すように、車両１０の後方からの平面視において、後輪１３は、車両１０の幅方向に占める領域として、後輪１３の中央寄りの領域である中央領域１３Ａ、中央領域１３Ａに対する後輪１３の外方側の領域である外方領域１３Ｂ、中央領域１３Ａに対する後輪１３の内方側の領域である内方領域１３Ｃを有している。気液分離ユニット２２の排水口６４は、中央領域１３Ａに位置するように配設されている。ガード部材２４は、後輪１３の幅と略等しい幅を有しており、車両１０の幅方向で後輪１３からはみ出すことなく外方領域１３Ｂ、中央領域１３Ａ、および、内方領域１３Ｃのほぼ全領域を覆っている。

図１０に示すように、車両１０の走行中、気液分離ユニット２２の排水管６３から排出された液水Ｗは、走行にともなう慣性や走行風１０１などによって車両１０の後方へ相対移動することによってガード部材２４に受け止められる。ガード部材２４に受け止められた液水Ｗは、ガード部材２４を伝って車両１０の下方へ向かって流れたのち、やがてガード部材２４の下端部２４ａから落下して地面１０２に到達する。

上記実施形態の燃料電池自動車用排出装置２０によれば、以下の効果が得られる。
（１）排水口６４から排出された液水をガード部材２４で受け止めることができる。また、ガード部材２４は、排水口６４よりも低い位置から液水を排出することができる。その結果、車両１０の後方へ液水が飛散することを抑えることができる。

（２）車両１０の後方からの平面視において排水口６４がガード部材２４によって覆い隠されるため、排水口６４からの排水を車両１０の後方から視認しにくくなる。これにより、後方からの車両１０の外観を向上させることができる。

（３）気液分離ユニット２２の排水口６４が後輪１３の後方に位置していることから、排水口６４から排出された液水が受ける走行風の影響を小さくすることができる。これにより、車両１０の後方へ液水が飛散することをさらに抑えることができる。

（４）また、排水口６４は、車両１０の前後方向において後輪１３の中央領域１３Ａに対向する位置に位置している。これにより、上記（３）の効果がより顕著なものとなる。
（５）ガード部材２４は、車両１０の幅方向において後輪１３の外方領域１３Ｂ、中央領域１３Ａ、内方領域１３Ｃのほぼ全領域を覆っている。そのため、例えば横風や右左折時の遠心力等に起因して排水口６４から排出された液水が車両１０の幅方向に流れたとしても、その液水がガード部材２４で受け止められる確率を高めることができる。

（６）ガード部材２４は、可撓性を有する弾性材によって構成されており、車両１０のデパーチャアングルを示す仮想線ＶＬｄよりも下方に下端部２４ａを有している。これにより、ガード部材２４が車両１０の走行の障害になることを回避しつつ、ガード部材２４が液水を排出する位置、すなわち下端部２４ａをより低い位置に設置することができる。その結果、車両１０の後方に液水が飛散することをさらに抑えることができる。

（７）ガード部材２４は、車両１０の上下方向において排水管６３に重なる位置に位置している。これにより、車両１０の前後方向において排水口６４に近い位置にガード部材２４が配設されることから、排水口６４から排出された液水がガード部材２４で受け止められる確率をさらに高めることができる。

なお、上記実施形態は、以下のように適宜変更して実施することもできる。
・ガード部材２４は、車両１０の上下方向において排水管６３と重なることなく排水管６３の後方に配設されていてもよい。

・ガード部材２４は、下端部２４ａが仮想線ＶＬｄよりも上方に位置していてもよい。この場合、ガード部材２４は、弾性材で構成されていてもよいし、弾性材ではなく、例えば金属や樹脂で構成されていてもよい。

・排水口６４は、車両１０の後方からの平面視において後輪１３の外方領域１３Ｂに位置していてもよいし、内方領域１３Ｃに位置していてもよい。
・ガード部材２４は、車両１０の後方からの平面視において排水口６４の下方の空間を車両１０の後方から覆っていればよい。そのため、ガード部材２４は、例えば後輪１３よりも車両１０の内方へはみ出していてもよい。

・排水口６４の配置位置は、各車両の設計事項に応じて変更可能である。例えば排水口６４の配置位置は、車両１０の後輪１３の後方だけでなく、例えば前輪の後方であってもよいし、車両１０の幅方向における中央付近であってもよい。

１０…車両、１１…燃料電池、１３…後輪、１３Ａ…中央領域、１３Ｂ…外方領域、１３Ｃ…内方領域、１４…パワートレイン、１５…収容室、１６…下側開口部、２０…燃料電池自動車用排出装置、２１…ダクト、２２…気液分離ユニット、２３…アンダーカバー、２４…ガード部材、２４ａ…下端部、３０…上段ハウジング、３１…前壁、３２…上壁、３３…後壁、３４…内側壁、３５…外側壁、３６ｓ…下面、３７…吐出部、３８…上段室、３８Ａ…第１空間、３８Ｂ…第２空間、３９…支持孔、４０…導入口、４１…吐出口、５０…下段ハウジング、５１…前壁、５２…上壁、５３…後壁、５４…内側壁、５５…外側壁、５６…下壁、５６ａ…内側鍔部、５６ｂ…外側鍔部、５８…下段室、５８Ａ…第１下段室、５８Ｂ…第２下段室、６０…第１連通口、６１…第２連通口、６３…排水管、６４…排水口、６５…排気口、６６…取付部、７１…第１案内板、７２…第２案内板、７４…上段仕切板、９１…下段仕切板、９５…アンダーパネル、９６Ｂ…バックパネル、９６Ｓ…サイドパネル、９７…排気開口部、９８…ブラケット、９９…取付具、１００…水平走行面、１０１…走行風、１０２…地面。

Claims (5)

1. 燃料電池からのオフガスに含まれる水蒸気を液化することにより前記オフガスから前記水蒸気を分離させ、前記液化した生成水を車両の下方に臨む排水口から排出する気液分離ユニットと、
   前記排水口よりも車両の後方に位置し、前記排水口に対する下方の空間を車両の後方から覆うガード部材とを備える
   燃料電池自動車用排出装置。
2. 前記排水口が車両の車輪に対する後方に位置している
   請求項１に記載の燃料電池自動車用排出装置。
3. 前記排水口は、車両の後方からの平面視において車両の幅方向における前記車輪の中央寄りの位置に位置しており、
   前記ガード部材は、車両の後方からの平面視において車両の幅方向における前記車輪の外方寄りの位置から内方寄りの位置までを覆っている
   請求項２に記載の燃料電池自動車用排出装置。
4. 前記気液分離ユニットは、車両の後輪よりも後方に位置しており、
   前記ガード部材は、可撓性を有する弾性材で構成されており、車両の外方からの平面視において車両のデパーチャアングルを示す仮想線よりも下方に下端部を有している
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池自動車用排出装置。
5. 前記気液分離ユニットは、車両の前方へ延びたのちに車両の下方へ延びるエルボー管に前記排水口を有し、
   前記ガード部材は、車両の上下方向において前記エルボー管に重なる位置に位置している
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池自動車用排出装置。