JP6610299B2 - 空冷式燃料電池の排気装置 - Google Patents

Description

本発明は、空冷式燃料電池の排気装置に関する。

燃料電池においては、プロトン導電性の高分子電解質膜（ＰＥＭ膜）を挟んで一方側にカソード電極を設け、他方側にアノード電極を設けて構成される燃料電池セル（単位燃料電池）を複数枚（数十〜数百枚）積層したスタック（燃料電池スタック）を備えている。燃料電池スタックにおいては、燃料ガスとして、例えば、主に水素を含有するガス（水素ガス）がアノード電極に供給される一方、酸化剤ガスとして、例えば、主に酸素を含有するガス（酸素ガス）或いは空気がカソード電極に供給される。

アノード電極に供給された水素ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード電極側へ移動する。その間に生じた電子は、外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。一方、カソード電極側では、酸素ガス又は空気中の酸素と、水素イオン及び電子とが反応して水が生成される。

燃料電池スタックを駆動用エネルギ源とする車両（燃料電池車両）において、燃料電池スタックは、燃料電池ケースに収納された状態で搭載されている。一般に、燃料電池ケース内で漏れ出た水素ガスは、走行風や自然対流により換気されるように構成されている。従来、このように燃料電池ケース内に漏れ出た水素ガスを効率的に外部に排出する燃料電池の排気装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この排気装置では、燃料電池ケースの内面に、通気口側へ水素ガスを案内するガイドを設けることで、水素ガスの滞留を抑制している。

特開２００８−４１３３４号公報

ところで、燃料電池においては、アノード電極から排出される未反応の水素ガスを循環させて発電に再利用することが多い。一方、循環する水素ガスに所定量以上の不純物が蓄積しないように、水素ガスの循環経路に設けられたパージ弁が開放される。これにより、不純物を含む水素ガスがパージ配管に排出される。一般に、水素ガスは、燃焼性を有し、容量水素濃度が４％を超えると燃え易くなる。このため、パージ配管に排出された水素ガス（パージ水素ガス）を大気中に放出する場合には、可燃下限濃度である４％以下に希釈する必要がある。

近年、燃料電池は、一般的な自動四輪車に留まらず、自動二輪車やその他の小型車両への搭載も検討されている。このような小型車両においては、パージ水素ガスを希釈して排気するためのスペースが限られることが想定される。一方、パージ水素ガスの希釈は、排気経路における圧力損失の大小に依存する。排気経路における圧力損失が大きいと、パージ水素ガスの流動性が損なわれ、十分に希釈することが困難になる。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであり、限られたスペースを有効活用しながら、パージ水素ガスを適切に希釈することができる空冷式燃料電池の排気装置を提供することを目的とする。

本発明の空冷式燃料電池の排気装置は、空冷式燃料電池から排出されるパージ水素ガスを希釈して大気中に排気する空冷式燃料電池の排気装置であって、燃料電池を冷却する冷却風を発生させる冷却用ファンと、前記冷却用ファンの後方側に配置され、前記パージ水素ガスを大気中に排気する排気ダクトと、を備え、前記排気ダクトは、前記パージ水素ガスが導入される希釈室と、前記希釈室に連通して設けられ、大気と連通する開口部を有する排気室とに分割され、前記冷却用ファンは、前記希釈室の前方側に配置される第１の冷却用ファンと、前記排気室の前方側に配置される第２の冷却用ファンとを有することを特徴とする。

この構成によれば、パージ水素ガスを大気中に排気する排気ダクトが希釈室と排気室とに分割され、これらの希釈室と排気室とが連通されている。一方、排気ダクトの前方には冷却用ファンが配置されている。このため、燃料電池から排出されたパージ水素ガスを、希釈室及び排気室の２つの空間で冷却用ファンからの冷却風と混合できるので、単一の空間で混合する場合と比べて効果的に希釈することができる。また、パージ水素ガスの混合が排気ダクト内で行われるので、排気ダクト以外の特別な空間を必要とすることはない。この結果、限られたスペースを有効活用しながら、パージ水素ガスを適切に希釈することができる。また、前記冷却用ファンは、前記希釈室の前方側に配置される第１の冷却用ファンと、前記排気室の前方側に配置される第２の冷却用ファンとを有する。この構成によれば、希釈室及び排気室に個別に冷却風を送り込む冷却用ファンが配置されることから、希釈室及び排気室のそれぞれの空間で効果的にパージ水素ガスを希釈することができる。

また、上記空冷式燃料電池の排気装置において、前記排気室は、前記希釈室の上方側に配置されることが好ましい。比重の小さい水素を含むパージ水素ガスは、排気ダクト内で上方側に移動する傾向にある。この構成によれば、大気中と連通する開口部を有する排気室が希釈室の上方側に配置されるので、排気ダクト内でパージ水素ガスをスムーズに流動させることができる。この結果、排気ダクト内におけるパージ水素ガスの滞留を抑制でき、効率よく大気中に放出することができる。

上記空冷式燃料電池の排気装置においては、前記希釈室に導入された前記パージ水素ガスを希釈する希釈風を発生させる希釈用ファンを更に備えることが好ましい。この構成によれば、希釈用ファンにより希釈室内に導入されたパージ水素ガスを強制的に撹拌することができる。このため、冷却用ファンによる冷却風の風量に依存することなく、パージ水素ガスを効果的に希釈することができる。

特に、上記空冷式燃料電池の排気装置において、前記希釈室には、前記希釈室内に送り込まれた前記冷却風及び前記希釈室に導入された前記パージ水素ガスを前記希釈風の経路上に案内するガイド壁が設けられることが好ましい。この構成によれば、ガイド壁により冷却風及びパージ水素ガスが希釈風の経路上に案内される。このため、パージ水素ガス及び冷却風が希釈室内の全体に分散されている場合と比べて、希釈用ファンからの希釈風によってパージ水素ガスを効果的に撹拌することができる。

また、上記空冷式燃料電池の排気装置において、前記希釈用ファンは、前記冷却用ファンによる前記冷却風の送り出し方向と直交する方向に前記希釈風を送り出すことが好ましい。この構成によれば、希釈用ファンによる希釈風を冷却風と対向させることなく送り出すことができる。このため、排気ダクト（希釈室）内における圧力損失の増大を抑制することができ、パージ水素ガスを効率的に希釈しながら排気室に送り込むことができる。

さらに、上記空冷式燃料電池の排気装置において、前記排気ダクトは、前記希釈室と前記排気室とを区画する隔壁を有し、前記隔壁には、前記希釈風の送り出し方向と直交し、当該希釈風の経路上に配置される対峙部と、前記対峙部の近傍に前記希釈室と前記排気室とを連通する連通孔とが設けられることが好ましい。この構成によれば、対峙部が希釈風の経路上に配置されることから、希釈風によってパージ水素ガスを対峙部に突き当てることができる。これにより、希釈室内のパージ水素ガスの撹拌を促すことができる。また、この対峙部の近傍に排気室に連通する連通孔が形成されることから、対峙部によって撹拌されたパージ水素ガスを迂回させながら排気室に送り込むことができる。これにより、希釈室内に導入されたパージ水素ガスの流路を長くでき、希釈効果を向上することができる。

さらに、上記空冷式燃料電池の排気装置においては、前記希釈用ファンの回転数を監視する監視装置を更に備えるようにしてもよい。この構成によれば、監視装置により希釈用ファンの回転数が監視されることから、パージ水素ガスの希釈が不十分となる回転数になる事態を検出することができる。この場合、燃料電池からのパージ水素ガスの排出の制限や、燃料電池システムの稼働停止等の対策を取ることができ、可燃下限濃度を超えるパージ水素ガスが大気中に放出される事態を防止することができる。

本発明によれば、限られたスペースを有効活用しつつ、パージ水素ガスを適切に希釈することができる。

本実施の形態に係る空冷式燃料電池の排気装置が適用される燃料電池システムを模式的に示す側面図である。 本実施の形態に係る燃料電池システムが有する排気ダクトの斜視図である。 本実施の形態に係る燃料電池システムが有する排気ダクトの説明図であり、図３Ａは図１に示す矢印Ａ方向から見た矢示図を表し、図３Ｂは図１に示すＢ−Ｂ部分の矢示断面図を表し、図３Ｃは図１に示すＣ−Ｃ部分の矢示断面図を表す。 本実施の形態に係る燃料電池システムが有する冷却用ファンユニット及び第２シャッターユニットの説明図であり、図１に示す矢印Ｄ方向から見た矢示図を表す。 本実施の形態に係る燃料電池システムが有する排気ダクトを模式的に示す斜視図である。 本実施の形態に係る燃料電池システムが有する排気ダクトにおけるパージ水素ガスの排気経路の説明図であり、図１に示すＥ−Ｅ部分の矢示断面図を表す。 本実施の形態に係る燃料電池システムが有する排気ダクトにおけるパージ水素ガスの排気経路の説明図であり、図３Ａに示すＦ−Ｆ部分の矢示断面図を表す。 本実施の形態に係る本実施の形態に係る燃料電池システムが有する制御ユニットによる希釈用ファンの不具合を検出した際の動作を説明するためのフロー図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。以下の説明においては、本発明に係る空冷式燃料電池の排気装置が、工場内で荷物を運搬する運搬車両等の小型車両に搭載される場合について説明する。しかしながら、本実施の形態に係る空冷式燃料電池の排気装置が搭載される対象については、これに限定されるものではなく適宜変更が可能である。限られたスペース内で燃料電池から排出される水素ガスを希釈して大気中に排気する必要がある任意の車両や機器に搭載することができる。

図１は、本実施の形態に係る空冷式燃料電池の排気装置が適用される燃料電池システムを模式的に示す側面図である。以下の説明においては、特に指定する場合を除き、燃料電池システムの前方及び後方をそれぞれ「ＦＲ」及び「ＲＥ」で示し、上方及び下方をそれぞれ「ＵＰ」及び「ＤＯＷＮ」で示し、左方及び右方をそれぞれ「Ｌ」及び「Ｒ」で示すものとする。

図１に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システム１は、空冷式の燃料電池スタック１０を備えている。この燃料電池スタック１０は、プロトン導電性の高分子電解質膜（ＰＥＭ膜）を挟んで一方側にカソード電極を設け、他方側にアノード電極を設けて構成される燃料電池セル（単位燃料電池）を複数枚（数十〜数百枚）積層して構成されている。

燃料電池スタック１０の前方には、吸気ダクト２０及び第１シャッターユニット３０が配置されている。一方、燃料電池スタック１０の後方には、冷却用ファンユニット（以下、「ファンユニット」という）４０、第２シャッターユニット５０及び排気ダクト６０が配置されている。燃料電池システム１は、これらの構成要素が前後方向に連結された状態で車両等に搭載されている。例えば、燃料電池システム１は、吸気ダクト２０が車両の進行方向前方側に配置される一方、排気ダクト６０が進行方向後方側に配置される。

吸気ダクト２０の前部には、吸気用の開口部２１が設けられている。また、吸気ダクト２０の後部には、第１シャッターユニット３０との連結用の開口部２２が設けられている。開口部２２は、僅かに上方側に向けて開口している。吸気ダクト２０は、燃料電池システム１が搭載される車両の走行に応じて外部の空気を燃料電池システム１内に導入可能に構成されている。

第１シャッターユニット３０は、吸気ダクト２０の後方側に連結されている。第１シャッターユニット３０は、後述する制御ユニット８０の制御の下、開閉可能に構成されるシャッターを備える。第１シャッターユニット３０は、これらのシャッターの開閉を通じて、燃料電池スタック１０に供給される空気量を調整可能に構成されている。

ファンユニット４０は、燃料電池システム１の上下方向及び左右方向に配列された複数の冷却用ファン群４１、４２を備える（図４参照）。ファンユニット４０は、後述する制御ユニット８０の制御の下、これらの冷却用ファン群４１、４２を回転させ、燃料電池システム１の前方側から後方側に流れる風（冷却風）を発生させる。この冷却風は、詳細について後述するように、ｉ）燃料電池スタック１０を構成する燃料電池セルの冷却、ｉｉ）燃料電池スタック１０から排出される水素ガス（以下、「パージ水素ガス」という）の希釈、ｉｉｉ）希釈されたパージ水素ガスの排出などに利用される。

第２シャッターユニット５０は、ファンユニット４０の後方側に連結されている。第２シャッターユニット５０は、後述する制御ユニット８０の制御の下、開閉可能に構成されるシャッター５１を備える（図４参照）。第２シャッターユニット５０は、これらのシャッター５１の開閉を通じて、排気ダクト６０に供給される冷却風の風量を調整可能に構成されている。なお、ファンユニット４０及び第２シャッターユニット５０の詳細な構成については後述する。

排気ダクト６０は、第２シャッターユニット５０の後方側に連結されている。排気ダクト６０の前部には、第２シャッターユニット５０との連結用の開口部６１が設けられている。また、排気ダクト６０の後部には、排気用の開口部６２が設けられている。開口部６２は、燃料電池システム１の後方側に向けて開口している。排気ダクト６０内の空間は、燃料電池システム１の前後方向に延在する隔壁６３により、上下に配置された希釈室６４と、排気室６５とに分割されている。排気ダクト６０は、ファンユニット４０からの冷却風に応じ、パージ水素ガスを希釈して大気中に排気可能に構成されている。なお、排気ダクト６０の詳細な構成については後述する。

排気ダクト６０の下面には、パージ水素ガスの希釈用ファン７０が設けられている。希釈用ファン７０は、排気ダクト６０の下面に形成された開口部６６（図４、図５参照）を介して、下方側から上方側に流れる風（希釈風）を発生させる。この希釈風は、排気ダクト６０（希釈室６４）内に導入されたパージ水素ガスの希釈、排気に利用される。

燃料電池スタック１０、ファンユニット４０及び第２シャッターユニット５０の上方には、制御ユニット８０が配置されている。制御ユニット８０は、第１シャッターユニット３０、ファンユニット４０、第２シャッターユニット５０及び希釈用ファン７０を含む構成要素の制御を行う。制御ユニット８０によって燃料電池システム１の構成要素が制御されることにより、燃料電池スタック１０に供給される空気量や、ファンユニット４０による燃料電池スタック１０に対する冷却風の強度、排気ダクト６０に供給される冷却風の風量などが調整される。

また、制御ユニット８０は、希釈用ファン７０の回転数を監視する監視装置としての役割を果たす。例えば、制御ユニット８０は、希釈用ファン７０における、パージ水素ガスに対する希釈が不十分となる回転数を監視することができる。なお、制御ユニット８０における監視装置としての機能の詳細については後述する。

燃料電池スタック１０には、図示しない水素配管が接続されている。この水素配管は、水素タンクに連結され、燃料電池スタック１０に水素ガスを供給可能に構成されている。燃料電池スタック１０には、制御ユニット８０の制御の下、吸気ダクト２０を介して空気が供給されると共に、水素配管を介して水素ガスが供給される。燃料電池スタック１０は、カソード電極に供給される空気中の酸素と、アノード電極に供給される水素ガスとの電気化学反応によって発電する。燃料電池スタック１０において、アノード電極から排出される未反応の水素ガスは、循環させて発電に再利用される。

また、燃料電池スタック１０には、パージ配管１１の一端が接続されている。パージ配管１１の他端は、第２シャッターユニット５０の下面に接続されている。パージ配管１１には、パージ弁１２が設けられている。燃料電池システム１においては、燃料電池スタック１０内で循環される水素ガスに所定量以上の不純物が蓄積しないように、パージ弁１２の開閉が制御される。パージ弁１２の開放により、不純物が蓄積された水素ガスがパージ配管１１に排出される。パージ配管１１に排出された水素ガスは、排出孔５２を介して第２シャッターユニット５０に排出され、排気ダクト６０内に送り込まれる。

ところで、水素ガスは、燃焼性を有し、容量水素濃度が４％を超えると燃え易くなる。このため、パージ配管１１を介して排出された水素ガス（パージ水素ガス）を大気中に放出する場合には、容積空間を持つ希釈用部品によって可燃下限濃度である４％以下に希釈して放出する必要がある。希釈性能を向上させるには大きな容積空間で希釈することが考えられる。一方で、小型車両等においては、部品を搭載するスペースが車格に応じて狭いため、希釈用部品を狭いスペースの中に配置する必要がある。小型車両においては、大きな容積空間を必要とせずに希釈性能を満足するような小型化した希釈用部品が望まれる。

本発明者は、このような実情に着目し、燃料電子システム１の構成要素である排気ダクト６０内の空間を希釈用の空間として活用することが、燃料電池システム１のコンパクト化及びパージ水素ガスの適切な希釈に寄与することを見出し、本発明に想到した。

すなわち、本発明の骨子は、燃料電池を冷却する冷却風を発生させるファンユニット４０の後方側に配置され、パージ水素ガスを大気中に排気する排気ダクト６０を、パージ水素ガスが導入される希釈室６４と、この希釈室６４に連通して設けられ、大気と連通する開口部６２を有する排気室６５とに分割することである。

本発明によれば、排気ダクト６０が希釈室６４と排気室６５とに分割され、これらの希釈室６４と排気室６５とが連通されている。一方、排気ダクト６０の前方にはファンユニット４０が配置されている。このため、燃料電池スタック１０から排出されたパージ水素ガスを、希釈室６４及び排気室６５の２つの空間でファンユニット４０からの冷却風と混合できるので、単一の空間で混合する場合と比べて効果的に希釈することができる。また、パージ水素ガスの混合が排気ダクト６０内で行われるので、排気ダクト６０以外の大きな容積空間を持つ希釈用部品を必要とすることはない。この結果、限られたスペースを有効活用しながら、パージ水素ガスを適切に希釈することができる。

ここで、本実施の形態に係る排気ダクト６０の構成について、図２及び図３を参照して説明する。図２は、本実施の形態に係る燃料電池システム１が有する排気ダクト６０の斜視図である。図３は、本実施の形態に係る燃料電池システムが有する排気ダクト６０の説明図である。図２においては、排気ダクト６０を開口部６１側から示している。図３Ａは、図１に示す矢印Ａ方向から見た矢示図を表し、図３Ｂは、図１に示すＢ−Ｂ部分の矢示断面図を表し、図３Ｃは、図１に示すＣ−Ｃ部分の矢示断面図を表している。

図２及び図３に示すように、排気ダクト６０内の空間は、隔壁６３により上下に分割されている。隔壁６３は、排気ダクト６０内の空間を区画する仕切り壁として機能する。これにより、隔壁６３の下方側には希釈室６４が設けられ、隔壁６３の上方側には排気室６５が設けられる。すなわち、排気ダクト６０内においては、排気室６５が隔壁６３を挟んで希釈室６４の上方側の位置に配置されている。なお、隔壁６３の一部は、ファンユニット４０からの冷却風を効果的に希釈室６４及び排気室６５に案内するため、排気ダクト６０の前端面よりも前方側に突出している。この隔壁６３の突出した部分は、第２シャッターユニット５０内に配置される（図１参照）。

隔壁６３は、排気ダクト６０の右側面部６０ｂ、左側面部６０ｃ及び背面部６０ｄの内面に連続して設けられている。隔壁６３の後端であって、両側端部には、一対の連通孔６３１ａ、６３１ｂが形成されている（図３Ｂ参照）。これらの連通孔６３１ａ、６３１ｂは、隔壁６３の一部が切り欠かれて形成され、概して矩形状を有している。これらの連通孔６３１ａ、６３１ｂを介して排気室６５と希釈室６４とが連通している。

これらの連通孔６３１ａ、６３１ｂの間には、対峙部６３２が設けられている。対峙部６３２は、希釈用ファン７０からの希釈風の送り出し方向に配置されている。言い換えると、対峙部６３２は、希釈風の送り出し方向の経路上に配置されている。対峙部６３２は、希釈用ファン７０からの希釈風の送り出し方向（上下方向）と直交する方向（前後方向）に延在している。このような対峙部６３２は、開口部６６を介して希釈室６４内に送り込まれた希釈風に対峙して、その上方側への移動を規制する役割を果たす。

希釈室６４は、排気ダクト６０の底面部６０ａ、右側面部６０ｂ、左側面部６０ｃ及び背面部６０ｄの内面と、隔壁６３の下面６３ａとにより規定される空間で構成される（図３Ａ参照）。希釈室６４には、燃料電池スタック１０からパージ配管１１を介して排出されたパージ水素ガスが導入される。第２シャッターユニット５０に排出されたパージ水素ガスは、ファンユニット４０からの冷却風によって希釈室６４に送り込まれる。

希釈室６４には、左右一対のガイド壁６７１ａ、６７１ｂが設けられている。これらのガイド壁６７１ａ、６７１ｂは、排気ダクト６０の底面部６０ａの内面と隔壁６３の下面６３ａとに連続して設けられている。右方側のガイド壁６７１ａは、外側（右方側）の端部が排気ダクト６０の右側面部６０ｂに連続して設けられ、内側の端部が開放されている。左方側のガイド壁６７１ｂは、外側（左方側）の一端が排気ダクト６０の左側面部６０ｃに連続して設けられ、内側の他端が開放されている。これらのガイド壁６７１ａ、６７１ｂは、内側の端部が外側の端部よりも後方側に配置されている（図３Ｃ参照）。すなわち、ガイド壁６７１ａ、６７１ｂは、後方側に向けて内側が傾斜している。これらのガイド壁６７１ａ、６７１ｂの内側の端部間には、間隙６７２が形成されている。

排気ダクト６０の底面部６０ａには、円形状を有する開口部６６が形成されている。この開口部６６は、ガイド壁６７１ａ、６７１ｂ間の間隙６７２に対応する位置に配置されている。開口部６６の下方には、上述した希釈用ファン７０が配置される。希釈用ファン７０で発生した希釈風は、開口部６６を介して希釈室６４（排気ダクト６０）内に送り込まれる。この希釈風は、希釈室６４内を下方側から上方側に流れる。すなわち、希釈用ファン７０は、ファンユニット４０による冷却風の送り出し方向（前後方向）と直交する方向（上下方向）に希釈風を送り出している。

排気室６５は、排気ダクト６０の天面部６０ｅ、右側面部６０ｂ、左側面部６０ｃ及び背面部６０ｄの内面と、隔壁６３の上面６３ｂとにより規定される空間で構成される（図３Ａ参照）。排気室６５を規定する排気ダクト６０の背面部６０ｄの上部には、大気と連通する開口部６２が形成されている。隔壁６３の連通孔６３１ａ、６３１ｂを介して希釈室６４から排気室６５に送り込まれたパージ水素ガス（混合ガス）は、この開口部６２から排気ダクト６０の外部の大気中に放出される。

次に、本実施の形態に係るファンユニット４０及び第２シャッターユニット５０の構成について、図４を参照して説明する。図４は、本実施の形態に係る燃料電池システム１が有するファンユニット４０及び第２シャッターユニット５０の説明図である。図４においては、図１に示す矢印Ｄ方向から見た矢示図を表している。

図４に示すように、ファンユニット４０は、上下に配列された複数の冷却用ファン群４１、４２を有している。冷却用ファン群４１は、ファンユニット４０の上段に配置された４つの冷却用ファン４１ａ〜４１ｄを有している。一方、冷却用ファン群４２は、ファンユニット４０の下段に配置された４つの冷却用ファン４２ａ〜４２ｄを有している。これらの冷却用ファン４１ａ〜４１ｄ、４２ａ〜４２ｄが回転させることにより、吸気ダクト２０等を介して空気（外気）を冷却風として取り込んで燃料電池スタック１０（燃料電池セル）を冷却する一方、取り込んだ空気を排気ダクト６０に送り込むことができる。第２シャッターユニット５０を挟んで排気ダクト６０に連結された状態において、冷却用ファン群４１、４２は、それぞれ排気室６５、希釈室６４に対応する位置に配置される。このため、冷却用ファン群４１、４２は、それぞれ排気室６５、希釈室６４に冷却風を送り込むことができる。

第２シャッターユニット５０は、冷却用ファン４１ａ〜４１ｄ、４２ａ〜４２ｄに対向する位置に配置されるシャッター５１を有している。なお、図４においては、説明の便宜上、第２シャッターユニット５０における左方側のシャッター５１のみを示し、右方側のシャッター５１を省略している。シャッター５１は、上述した制御ユニット８０からの開閉信号に応じて開閉可能に構成される。シャッター５１の開閉及びその開閉量を制御することにより、排気ダクト６０へ送り出される冷却風の風量を調整することができる。

このような構成を有し、燃料電池システム１では、制御ユニット８０の制御の下、燃料電池スタック１０に吸気ダクト２０から空気を取り込む一方、水素配管から水素ガスを供給する。そして、空気中の酸素と水素ガスとの電気化学反応により燃料電池スタック１０にて発電を行う。燃料電池スタック１０に空気を取り込む際には、ファンユニット４０の冷却用ファン４１ａ〜４１ｄ、４２ａ〜４２ｄが回転する。これらの冷却用ファン４１ａ〜４１ｄ、４２ａ〜４２ｄの回転に伴い、吸気ダクト２０を介して空気が吸引されると共に、燃料電池スタック１０の冷却後の冷却風が排気ダクト６０に送り込まれる。冷却風は、排気ダクト６０における希釈室６４及び排気室６５を通って開口部６２から排気される。

燃料電池スタック１０からのパージ水素ガスは、パージ配管１１を介して第２シャッターユニット５０に排出される。詳細について後述するように、第２シャッターユニット５０に排出されたパージ水素ガスは、冷却風により排気ダクト６０内に送り込まれる。排気ダクト６０に送り込まれたパージ水素ガスは、希釈室６４及び排気室６５に形成された排気経路を通る過程で段階的に希釈され、排気室６５の開口部６２から排気される。

以下、排気ダクト６０内におけるパージ水素ガスの排気経路について、図５〜図７を参照して説明する。図５は、本実施の形態に係る燃料電池システム１が有する排気ダクト６０を模式的に示す斜視図である。図６及び図７は、本実施の形態に係る燃料電池システム１が有する排気ダクト６０におけるパージ水素ガスの排気経路の説明図である。図６においては、図１に示すＥ−Ｅ部分の矢示断面図を表している。図７においては、図３Ａに示すＦ−Ｆ部分の矢示断面図を表している。

なお、図５〜図７においては、説明の便宜上、第２シャッターユニット５０に形成されるパージ水素ガスの排出孔５２ａ、５２ｂを示している。また、図５〜図７においては、ファンユニット４０による冷却風の流れを矢印Ａ（Ａ１、Ａ２）で示し、パージ水素ガスの流れを矢印Ｂで示している。さらに、図５〜図７においては、希釈用ファン７０による希釈風の流れを矢印Ｃで示し、冷却風及び希釈風と混合したパージ水素ガスの流れを矢印Ｄで示している。なお、以下の説明においては、説明の便宜上、冷却風及び希釈風と混合したパージ水素ガスを「混合ガス」と呼ぶものとする。

図５〜図７に示すように、パージ水素ガスの排出孔５２ａ、５２ｂは、第２シャッターユニット５０の両側端部の近傍であって、排気ダクト６０との連結部分の近傍に形成されている。このため、排出孔５２ａ、５２ｂから排出されたパージ水素ガスは、排気ダクト６０（希釈室６４）の左右の側端部周辺から進入し易くなっている。

例えば、燃料電池スタック１０からパージ水素ガスが排出されると、制御ユニット８０は、ファンユニット４０及び希釈用ファン７０に駆動信号を出力すると共に、第２シャッターユニット５０にシャッター開放信号を出力する。これにより、第２シャッターユニット５０のシャッターが開放されると共に、ファンユニット４０及び希釈用ファン７０からそれぞれ冷却風及び希釈風が発生する。この場合、排気室６５には冷却用ファン群４１から発生する冷却風が送り込まれ（図５に示す矢印Ａ１）、希釈室６４には冷却用ファン群４２から発生する冷却風が送り込まれる（図５に示す矢印Ａ２）。排出孔５２ａ、５２ｂから排出されたパージ水素ガスは、冷却用ファン群４２から発生する冷却風により希釈室６４内に送り込まれる。

希釈室６４内に導入されたパージ水素ガスは、後方側に進む冷却風により押し流され、ガイド壁６７１ａ、６７１ｂによって案内される。これにより、パージ水素ガスは、ガイド壁６７１ａ、６７１ｂに沿って希釈室６４の中央側に集められる。そして、パージ水素ガスは、ガイド壁６７１ａ、６７１ｂ間の間隙６７２まで進む。

底面部６０ａに形成された開口部６６からは、希釈用ファン７０から発生した希釈風が送り込まれている。このため、間隙６７２に進んだパージ水素ガスは、この希釈風により希釈室６４の上方側に押し流される。希釈用ファン７０は、後方側に流れる冷却風と直交方向である上方側に希釈風を送り込んでいる。このため、希釈風が冷却風に対向する風（逆風）となるのを回避でき、排気ダクト６０（希釈室６４）内の圧力損失が増大する事態を抑制している。なお、ガイド壁６７１ａ、６７１ｂに沿って流れる間に、パージ水素ガスは、冷却風に撹拌されて混合される。冷却風との混合によってパージ水素ガスが希釈される。

希釈風の送り出し方向の先には、隔壁６３の対峙部６３２が配置されている。このため、希釈風に押し流されたパージ水素ガスは、対峙部６３２の下面に突き当たる。このように隔壁６３の対峙部６３２に突き当たることで、パージ水素ガスが希釈風や周囲の空気と撹拌されて希釈される。これにより、パージ水素ガスは、冷却風及び希釈風と混合された混合ガスとなる。希釈室６４における冷却風及び希釈風との混合によってパージ水素ガスが更に希釈される。

対峙部６３２に突き当たって希釈された混合ガスは、更に希釈風により押し流され、対峙部６３２の側方に配置された連通孔６３１ａ、６３１ｂに流れ込む。これにより、混合ガスは、連通孔６３１ａ、６３１ｂを介して排気室６５に送り込まれる。排気室６５には、冷却用ファン群４１から発生する冷却風が送り込まれている。排気室６５に流れ込んだ混合ガスは、冷却用ファン群４１から発生する冷却風により排気室６５の後方側に押し流される。冷却用ファン群４１からの冷却風で押し流される間に、混合ガスは、冷却風に撹拌されて更に混合される。冷却風との混合により、混合ガスが更に希釈される。このように希釈された混合ガスは、排気室６５に形成された開口部６２から大気中に排気される。

このように本実施の形態に係る空冷式燃料電池の排気装置によれば、パージ水素ガスを大気中に排気する排気ダクト６０が希釈室６４と排気室６５とに分割され、これらの希釈室６４と排気室６５とが連通されている。一方、排気ダクト６０の前方にはファンユニット４０が配置されている。このため、燃料電池スタック１０から排出されたパージ水素ガスを、希釈室６４及び排気室６５の２つの空間でファンユニット４０からの冷却風と混合できるので、単一の空間で混合する場合と比べて効果的に希釈することができる。また、パージ水素ガスの混合は、排気ダクト６０内で行われるので、排気ダクト６０以外の大きな容積空間を持つ希釈用部品を必要とすることはない。この結果、限られたスペースを有効活用しながら、パージ水素ガスを適切に希釈することができる。

排気ダクト６０内において、排気室６５は、希釈室６４の上方側に配置されている。比重の小さい水素を含むパージ水素ガスは、排気ダクト６０内で上方側に移動する傾向にある。本実施の形態によれば、大気中と連通する開口部６２を有する排気室６５が希釈室６４の上方側に配置されるので、排気ダクト６０内でパージ水素ガスをスムーズに流動させることができる。この結果、排気ダクト６０内におけるパージ水素ガスの滞留を抑制でき、効率よく大気中に放出することができる。

ファンユニット４０には、希釈室６４の前方側に配置された冷却用ファン群４１（冷却用ファン４１ａ〜４１ｄ）と、排気室６５の前方側に配置された冷却用ファン群４２（冷却用ファン４２ａ〜４２ｄ）とが設けられている。これにより、希釈室６４及び排気室６５に個別に冷却風を送り込むことができることから、希釈室６４及び排気室６５のそれぞれの空間で効果的にパージ水素ガスを希釈することができる。

排気ダクト６０には、希釈室６４に導入されたパージ水素ガスを希釈する希釈風を発生させる希釈用ファン７０が設けられている。このため、希釈用ファン７０から発生した希釈風によって、希釈室６４内のパージ水素ガスを強制的に撹拌することができる。ファンユニット４０から発生する冷却風は、燃料電池スタック１０における出力と吸気温度等の要因によって増減する場合がある。本実施の形態によれば、希釈風を発生させる希釈用ファン７０を設けたことから、ファンユニット４０から発生する冷却風の風量に依存することなく、パージ水素ガスを効果的に希釈することができる。

希釈室６４には、希釈室６４内に送り込まれた冷却風及び希釈室６４に導入されたパージ水素ガスを希釈風の経路上に案内するガイド壁６７１ａ、６７１ｂが設けられている。このため、ガイド壁６７１ａ、６７１ｂにより冷却風及びパージ水素ガスが希釈風の経路上に案内される。これにより、パージ水素ガス及び冷却風が希釈室６４の室内全体に分散されている場合と比べて、希釈用ファン７０からの希釈風によってパージ水素ガスを効果的に撹拌することができる。

この場合において、ファンユニット４０は、前方側から後方側に流れる冷却風を発生させる。一方、希釈用ファン７０は、下方側から上方側に流れる希釈風を発生させる。すなわち、希釈用ファン７０は、ファンユニット４０からの冷却風の送り出し方向と直交する方向に希釈風を送り出している。このため、希釈用ファン７０による希釈風を冷却風と対向させることなく送り出すことができる。このため、排気ダクト６０（希釈室６４）内における圧力損失の増大を抑制することができ、パージ水素ガスを効率的に希釈しながら排気室６５に送り込むことができる。

排気ダクト６０を区画する隔壁６３には、希釈用ファン７０による希釈風の経路上に対峙部６３２が設けられている。この対峙部６３２は、希釈風の送り出し方向と直交して延在している。また、この対峙部６３２の側方には、希釈室６４と排気室６５とを連通する連通孔６３１ａ、６３１ｂが形成されている。このように対峙部６３２が希釈風の経路上に配置されることから、希釈風によって希釈室６４内のパージ水素ガスを対峙部６３２に突き当てることができる。これにより、希釈室６４内のパージ水素ガスの撹拌を促すことができる。そして、このように撹拌して希釈された混合ガスを連通孔６３１ａ、６３１ｂを介して迂回させながら排気室６５に送り込むことができる。このため、希釈室６４内のパージ水素ガス（混合ガス）を迂回させることができる。これにより、希釈室６４内に導入されたパージ水素ガスの流路を長くでき、希釈効果を向上することができる。

ところで、排気ダクト６０に設けた希釈用ファン７０は、故障や電力不足等の要因により所望の希釈風を送り込むことができない事態が発生し得る。希釈用ファン７０が停止し、或いは、希釈風の風量が所定値以上に弱まると、可燃下限濃度まで希釈されることなくパージ水素ガスが大気中に排気される事態も想定される。

このような希釈用ファン７０の不具合を防止するため、制御ユニット８０は、希釈用ファン７０の回転数を監視している。より具体的には、制御ユニット８０は、希釈用ファン７０における、パージ水素ガスに対する希釈が不十分となる回転数（不希釈回転数）を監視する。希釈用ファン７０が不希釈回転数になったことを検出すると、制御ユニット８０は、燃料電池スタック１０からのパージ水素ガスの排出の制限や、燃料電池システム１の稼働停止等の対策を取る。これにより、可燃下限濃度を超えるパージ水素ガスが大気中に放出される事態を防止することができる。

ここで、制御ユニット８０による希釈用ファン７０の不具合を検出した際の動作について説明する。図８は、本実施の形態に係る本実施の形態に係る燃料電池システム１が有する制御ユニット８０による希釈用ファン７０の不具合を検出した際の動作を説明するためのフロー図である。

燃料電池スタック１０からパージ水素ガスが排出された場合、制御ユニット８０は、希釈用ファン７０の回転数の監視動作を開始する。この監視動作では、制御ユニット８０は、図８に示すように、希釈用ファン７０の回転数が所定の回転数（ここでは、上述した不希釈回転数）まで低下したかを判定する（ステップＳＴ８０１）。ここで、希釈用ファン７０の回転数が不希釈回転数まで低下していることを検出すると（ステップＳＴ８０１：ＹＥＳ）、制御ユニット８０は、パージ水素ガスの排出（パージ）を禁止する（ステップＳＴ８０２）。一方、希釈用ファン７０の回転数が不希釈回転数より多い場合には（ステップＳＴ８０１：ＮＯ）、ステップＳＴ８０１の判定処理を繰り返す。

ステップＳＴ８０２にてパージ水素ガスの排出を禁止した後、制御ユニット８０は、不希釈回転数の状態が一定期間継続しているかを判定する（ステップＳＴ８０３）。ここで、不希釈回転数の状態の継続を判定するのは、一時的な希釈用ファン７０の回転数の低下による燃料電池システム１の稼働停止を防止するためである。不希釈回転数の状態が一定期間継続している場合（ステップＳＴ８０３：ＹＥＳ）、制御ユニット８０は、燃料電池システム１の稼働を停止する（ステップＳＴ８０４）。一方、不希釈回転数の状態が一定期間継続していない場合（ステップＳＴ８０３：ＮＯ）、制御ユニット８０は、パージ水素ガスの排出（パージ）を許可する（ステップＳＴ８０５）。そして、処理をステップＳＴ８０１に戻し、希釈用ファン７０の回転数の判定処理を繰り返す。

このように本実施の形態に係る空冷式燃料電池の排気装置によれば、制御ユニット８０により希釈用ファン７０の回転数を監視している。このため、希釈用ファン７０の回転数がパージ水素ガスの希釈が不十分となる不希釈回転数になる事態を検出することができる。不希釈回転数を検出した場合には、燃料電池スタック１０からのパージ水素ガスの排出の制限や、燃料電池システム１の稼働停止等の対策を取ることができる。この結果、可燃下限濃度を超えるパージ水素ガスが大気中に放出される事態を防止することができる。

なお、上記実施の形態において、添付図面に図示される各構成の大きさや形状などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明は、その目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

例えば、上記実施の形態においては、排気ダクト６０を隔壁６３により上下方向に希釈室６４と排気室６５とに分割している。しかしながら、排気ダクト６０の構成については、これに限定されるものではなく適宜変更が可能である。例えば、排気ダクト６０は、左右方向に希釈室６４及び排気室６５に分割してもよい。このように変更する場合であっても、希釈室６４及び排気室６５の２つの空間でパージ水素ガスを冷却用ファンからの冷却風と混合できるので、単一の空間で混合する場合と比べて効果的に希釈することができる。

また、上記実施の形態においては、ファンユニット４０に、排気室６５に対応する冷却用ファン群４１と、希釈室６４に対応する冷却量ファン群４２とを備えている。しかしながら、ファンユニット４０の構成については、これに限定されるものではなく適宜変更が可能である。例えば、希釈室６４及び排気室６５に共通の冷却用ファンを備えてもよい。また、冷却用ファンの数は、必ずしも複数必要でなく、単一の冷却用ファンを備えるようにしてもよい。

さらに、上記実施の形態においては、希釈室６４に導入されたパージ水素ガスの希釈を促すために希釈用ファン７０を備えている。しかしながら、パージ水素ガスを希釈するための構成については、これに限定されるものではなく適宜変更が可能である。例えば、希釈用ファン７０を備えることなく、パージ水素ガスを拡散するための構造を希釈室６４に設けるようにしてもよい。パージ水素ガスの拡散するための構造としては、例えば、希釈室６４に複雑な流路を設けることが考えられる。この場合には、希釈用ファン７０を省略することができるので、部品点数の削減を通じて燃料電池システム１の製造コストの低減などのメリットを享受できる。

さらに、上記実施の形態においては、希釈用ファン７０がファンユニット４０からの冷却風の送り出し方向（前後方向）と直交する方向（上下方向）に希釈風を発生させる場合について説明している。しかしながら、希釈用ファン７０による希釈風の送り出し方向については、これに限定されるものではなく適宜変更が可能である。冷却風と対向しないことを条件として、希釈用ファン７０は、任意の方向に希釈風を送り出すことができる。

さらに、上記実施の形態においては、隔壁６３の対峙部６３２が、希釈風の送り出し方向（上下方向）と直交する方向（前後方向）に延在する場合について説明している。しかしながら、対峙部６３２の延在方向については、これに限定されるものではなく適宜変更が可能である。希釈風によりパージ水素ガスが撹拌されることを条件として、対峙部６３２は、任意の角度に延在して設けることができる。

さらに、上記実施の形態においては、パージ水素ガスが排出される排出孔５２ａ、５２ｂが第２シャッターユニット５０に設けられる場合について説明している。しかしながら、排出孔５２ａ、５２ｂが形成される構成要素については、第２シャッターユニット５０に限定されるものではなく適宜変更が可能である。例えば、排出孔５２ａ、５２ｂは、排気ダクト６０の一部に形成されていてもよい。この場合には、排気ダクト６０内に直接的にパージ水素ガスを排出することができる。

さらに、上記実施の形態においては、排気ダクト６０を希釈室６４と排気室６５とに分割して、パージ水素ガスの希釈効果を向上している。パージ水素ガスの希釈効果を向上することを前提として、任意の変更が可能である。例えば、排気ダクト６０の外部に第２の希釈室を設けるようにしてもよい。この場合には、複数の希釈室でパージ水素ガスを希釈することができ、その希釈効果を向上することができる。

本発明は、限られたスペースを有効活用しつつ、水素ガスを適切に希釈することができるという効果を奏し、特に、空冷式燃料電池スタックから駆動エネルギ源とする自動二輪車などの小型車両に有用である。

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池スタック
１１ パージ配管
１２ パージ弁
２０ 吸気ダクト
３０ 第１シャッターユニット
４０ 冷却用ファンユニット（ファンユニット）
５０ 第２シャッターユニット
５２ａ、５２ｂ 排出孔
６０ 排気ダクト
６２ 開口部
６３ 隔壁
６３１ａ、６３１ｂ 連通孔
６３２ 対峙部
６４ 希釈室
６５ 排気室
６６ 開口部
６７１ａ、６７１ｂ ガイド壁
６７２ 間隙
７０ 希釈用ファン
８０ 制御ユニット

Claims (7)

1. 空冷式燃料電池から排出されるパージ水素ガスを希釈して大気中に排気する空冷式燃料電池の排気装置であって、
   燃料電池を冷却する冷却風を発生させる冷却用ファンと、
   前記冷却用ファンの後方側に配置され、前記パージ水素ガスを大気中に排気する排気ダクトと、を備え、
   前記排気ダクトは、前記パージ水素ガスが導入される希釈室と、前記希釈室に連通して設けられ、大気と連通する開口部を有する排気室とに分割され、
   前記冷却用ファンは、前記希釈室の前方側に配置される第１の冷却用ファンと、前記排気室の前方側に配置される第２の冷却用ファンとを有することを特徴とする空冷式燃料電池の排気装置。
2. 前記排気室は、前記希釈室の上方側に配置されることを特徴とする請求項１に記載の空冷式燃料電池の排気装置。
3. 前記希釈室に導入された前記パージ水素ガスを希釈する希釈風を発生させる希釈用ファンを更に備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の空冷式燃料電池の排気装置。
4. 前記希釈室には、前記希釈室内に送り込まれた前記冷却風及び前記希釈室に導入された前記パージ水素ガスを前記希釈風の経路上に案内するガイド壁が設けられることを特徴とする請求項３に記載の空冷式燃料電池の排気装置。
5. 前記希釈用ファンは、前記冷却用ファンによる前記冷却風の送り出し方向と直交する方向に前記希釈風を送り出すことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の空冷式燃料電池の排気装置。
6. 前記排気ダクトは、前記希釈室と前記排気室とを区画する隔壁を有し、
   前記隔壁には、前記希釈風の送り出し方向と直交し、当該希釈風の経路上に配置される対峙部と、前記対峙部の近傍に前記希釈室と前記排気室とを連通する連通孔とが設けられることを特徴とする請求項３から請求項５のいずれかに記載の空冷式燃料電池の排気装置。
7. 前記希釈用ファンの回転数を監視する監視装置を更に備えることを特徴とする請求項３から請求項６のいずれかに記載の空冷式燃料電池の排気装置。
   

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