JP4626342B2

JP4626342B2 - 燃料電池車両の冷却装置

Info

Publication number: JP4626342B2
Application number: JP2005058595A
Authority: JP
Inventors: 敏之古田
Original assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Current assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Priority date: 2005-03-03
Filing date: 2005-03-03
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2025-03-03
Also published as: JP2006240475A

Description

この発明は燃料電池車両の冷却装置に係り、特に燃料電池用冷却系、電気負荷用冷却系、空調用冷却系を備える燃料電池車両の冷却装置において、空調用冷却系に介装される空調用放熱器のレイアウトを最適化する燃料電池車両の冷却装置に関するものである。

燃料電池車両の燃料電池システムにおいては、例えば、水素と酸素との電気化学反応によって、化学エネルギを電気エネルギに直接変換するものが用いられ、燃料電池やモータが高温になることから、冷却水を利用する冷却装置が設けられている。

この燃料電池システムの冷却装置では、媒体の違いや冷却系統の温度の違いにより、２系統に分かれ、これに伴って、冷却水の充填や冷却水のエア抜きとしての機能するリザーブタンクが２種類設置されている。

特開２００２−１８４４１９号公報特開２００４−１６８１９３号公報

ところで、従来の燃料電池車両（「ＦＣＶ」ともいう。）において、燃料電池車両の冷却水の最高温度は、燃料電池（「ＦＣ」または「燃料電池スタック」ともいう。）に使用される材料の制限により約８０度、高いものでも約９０度となっており、ガソリン車のような一般の内燃機関車両の冷却水最高温度（約１２０度）とは大きく異なる。

そのため、放熱効率が悪く、燃料電池用のラジエータは大型化し、多くの風量が必要となるという不都合がある。

このような条件ではあるものの、従来の燃料電池車両ではガソリン車と同様に、ラジエータの前方にエアコン・コンデンサ（「Ａ／Ｃコンデンサ」ともいう。）を配置している。

つまり、前記燃料電池車両２０２は、図５に示す如く、前輪２９７の前輪中心２９７ｃよりも前側のエンジンルーム２５６内に燃料電池２０６を搭載し、この燃料電池２０６よりも前側に燃料電池用ラジエータ２６２−１を配設し、このラジエータ２６２−１の前側にエアコン・コンデンサ２９４を配置するとともに、ラジエータ２６２−１の後側にはラジエータファン２９２を配置している。

また、前記燃料電池車両２０２のフロア２０２ｆ下、かつ後輪２９８近傍には、水素を貯留する２本の水素タンク２１２を配設している。

しかし、上述の如く配置することにより、燃料電池用のラジエータへの風量は減少し、またエアコン（「Ａ／Ｃ」ともいう。）のオン時には、エアコン・コンデンサからの排熱が燃料電池用のラジエータに当たるため、放熱能力は極端に劣化するという不具合がある。

このような不具合を解消するために、過剰な大きさのラジエータを必要としたり、導風に工夫を凝らすためフロントパネルやグリル等の外装などの設計要件が必要となってくる。

また、前記エアコン・コンデンサを冷却するファンは、燃料電池用のラジエータファンと兼用している。

このとき、ガソリン車に比較し、燃料電池車両は燃料電池を適正温度に保つための制御を行うことが普通であるが、エアコンの制御（オン・オフ等）と連動してファンが動作しては冷却水温度の制御に不都合が生じる、または制御が複雑になるという不都合がある。

そこで、この発明は、上述不都合を除去するために、燃料電池スタックと車両駆動用モータを車両の前部に配設し、車両幅方向から見た外形が円形の水素タンクを車両前後方向に複数個並べて前記車両のフロア下に配設し、前記燃料電池スタックを冷却する燃料電池用冷却系と、前記燃料電池スタックから電力が供給される電気負荷を冷却する電気負荷用冷却系と、空調風を冷却する空調用冷却系とを備え、前記燃料電池用冷却系に介装される燃料電池用放熱器と前記電気負荷用冷却系に介装される電気負荷用放熱器とを前記燃料電池スタックと前記車両駆動用モータの前方に車両の幅方向に並べて配設した燃料電池車両の冷却装置において、前記空調用放熱器を前記車両の後輪よりも後側のフロア下に配設するとともにその後部にファンを取り付け、前記水素タンクのうち車両前後方向で最も後ろ側に配置される水素タンクを車両前後方向で前記後輪の中心付近に配設し、前記燃料電池スタックで生成された生成水を前記空調用放熱器に噴霧する噴霧装置を前記空調用放熱器の前側に配設したことを特徴とする。

以上詳細に説明した如くこの本発明によれば、空調用放熱器が燃料電池用放熱器や電気負荷用放熱器の前側に重ねて配設されることがないため、３つの冷却系統を夫々に最適な温度に制御することができる。

上述の如く発明したことにより、前記空調用冷却系に介装される空調用放熱器を前記燃料電池車両のフロア下に配設した際には、空調用放熱器が燃料電池用放熱器や電気負荷用放熱器の前側に重ねて配設されることがなく、３つの冷却系統を夫々に最適な温度に制御している。

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。

図１〜図４はこの発明の実施例を示すものである。図１及び図３において、２は燃料電池車両（単に「車両」ともいう。）、４は車両２に搭載される燃料電池システムである。

燃料電池システム４は、図２に示す如く、燃料電池スタック（単に「燃料電池」ともいう。）６と、水素系システム８と、空気系システム１０とを有している。

前記燃料電池スタック６は、通常、電解質（「電解質膜」ともいう。）・電極構造体及びセパレータを所定数だけ積層している。

また、水素系システム８は、車両２に搭載される水素タンク１２から前記燃料電池スタック６に水素を供給・循環させる水素ガス循環流路１４を設ける。

この水素ガス循環流路１４は、水素タンク１２から前記燃料電池スタック６に水素を供給する水素供給用の第１流路１６と、前記燃料電池スタック６から排気された水素オフガスを前記第１流路１６に循環させる循環用の第２流路１８と、第２流路１８の途中部位に接続させ、水素オフガスを排出する排出用の第３流路２０とからなる。

そして、前記水素供給用の第１流路１６途中には、水素タンク１２側から、自動遮断弁２２と、減圧弁２４と、流量調整弁２６と、熱交換器２８とを順次配設するとともに、前記循環用の第２流路１８途中には、前記燃料電池スタック６側から、気液分離器３０と、循環ポンプ３２とを順次配設し、下流端部を、流量調整弁２６と熱交換器２８との間の前記水素供給用の第１流路１６に接続して設けるとともに、気液分離器３０と循環ポンプ３２との間に前記排気用の第３流路２０を接続して設け、この第３流路２０途中に圧力調整弁３４を配設する。

更に、前記空気系システム１０は、外部から前記燃料電池スタック６に酸化ガスを供給する酸化ガス供給流路３６と、燃料電池スタック６から外部に酸素オフガスを排出する酸素オフガス排出流路３８とを有している。

そして、前記酸化ガス供給流路３６途中には、上流側から、フィルタ４０と、ポンプ４２と、熱交換器４４とを順次配設するとともに、前記酸素オフガス排出流路３８途中には、気液分離器４６と、圧力調整弁４８とを順次配設する。

そして、前記車両２に搭載される燃料電池システム４は、図４に示す如く、燃料電池スタック６と、車両駆動用モータ５０と、電気部品ユニット５２とを備えている。燃料電池スタック６は、例えば、水素と酸素との電気化学反応によって、化学エネルギを電気エネルギに直接変換するものである。車両駆動用モータ５０は、燃料電池スタック６からの電気エネルギによって駆動され、車輪（図示せず）を回転するものである。電気部品ユニット５２は、インバータ等の電気部品を示したものである。

燃料電池スタック６と車両駆動用モータ５０とは、図３に示す如く、車室５４よりも車両前方Ｆに設けられたフロント室であるエンジンルーム５６に並列（車両幅方向Ｙに並んで）に配設、つまり、燃料電池スタック６が車両幅方向Ｙの一側に配設され、車両駆動用モータ５０が車両幅方向Ｙの他側に配設されている。

前記燃料電池システム４には、冷却装置５８が設けられる。この冷却装置５８は、前記燃料電池スタック６を冷却する燃料電池用冷却系である第１冷却系統６０−１と、前記燃料電池スタック６から電力が供給される電気負荷を冷却する電気負荷用冷却系である第２冷却系統６０−２とに分けて構成される。

そして、燃料電池用冷却系である第１冷却系統６０−１が、燃料電池用放熱器たる第１放熱器６２−１と第１リザーブタンク６４−１と第１冷却水ポンプ６６−１とからなり、電気負荷用冷却系である第２冷却系統６０−２が、電気負荷用放熱器たる第２放熱器６２−２と第２リザーブタンク６４−２と第２冷却水ポンプ６６−２とからなる。

この場合、前記冷却装置５８においては、車両駆動用モータ５０よりも車両前方Ｆに燃料電池スタック６を冷却する第１放熱器６２−１が配設され、燃料電池スタック６よりも車両前方Ｆに車両駆動用モータ５０や電気部品ユニット５２を含む車両駆動用電気機器を冷却する第２放熱器６２−２が配設されている。

そして、燃料電池用冷却系である第１冷却系統６０−１においては、第１冷却水ポンプ６６−１と燃料電池スタック６とが第１燃料電池側配管６８で接続され、燃料電池スタック６と第１放熱器６２−１とが第１中間側配管７０で接続され、第１放熱器６２−１と第１冷却水ポンプ６６−１とが第１ポンプ側配管７２で接続され、また、第１放熱器６２−１と第１リザーブタンク６４−１とが第１タンク側配管７４で接続され、第１リザーブタンク６４−１と第１ポンプ側配管７２途中とが第１リターン側配管７６で接続されている。

また、電気負荷用冷却系である第２冷却系統６０−２においては、第２冷却水ポンプ６６−２と電気部品ユニット５２とが第２電気部品側配管７８で接続され、電気部品ユニット５２と車両駆動用モータ５０とが第２モータ側配管８０で接続され、車両駆動用モータ５０と第２放熱器６２−２とが第２中間側配管８２で接続され、また、第２放熱器６２−２と第２冷却水ポンプ６６−２とが第２ポンプ側配管８４で接続され、第２放熱器６２−２と第２リザーブタンク６４−２とが第２タンク側配管８６で接続され、第２リザーブタンク６４−２と第２ポンプ側配管８４途中とが第２リターン側配管８８で接続されている。

つまり、前記燃料電池車両２は、燃料電池スタック６を冷却する燃料電池用冷却系である第１冷却系統６０−１と、前記燃料電池スタック６から電力が供給される電気負荷を冷却する電気負荷用冷却系である第２冷却系統６０−２と、空調風を冷却する空調用冷却系９０とを備え、前記燃料電池用冷却系である第１冷却系統６０−１に介装される燃料電池用放熱器たる第１放熱器６２−１と、前記電気負荷用冷却系である第２冷却系統６０−２に介装される電気負荷用放熱器たる第２放熱器６２−２とを燃料電池車両２の前部に幅方向に並べて配設している。

このとき、前記燃料電池用冷却系である第１冷却系統６０−１の燃料電池用放熱器たる第１放熱器６２−１は、図１に示す如く、燃料電池車両２の前部のエンジンルーム５６に配設され、この第１放熱器６２−１の後方部位にラジエータファン９２を配設している。

また、前記空調用冷却系９０に介装される空調用放熱器たる空調用コンデンサ９４を前記燃料電池車両２のフロア２ｆ下に配設する構成とする。

詳述すれば、前記空調用冷却系９０は、空調用放熱器たる空調用コンデンサ９４と、この空調用コンデンサ９４の後方部位に配設される空調用コンデンサファン９６とを有する。

そして、図１に示す如く、前記燃料電池車両２のフロア２ｆ下に水素を貯留する前記水素タンク１２を配設するとともに、前記燃料電池車両２の前後方向で前記水素タンク１２の後方に前記空調用放熱器たる空調用コンデンサ９４を配設し、この空調用コンデンサ９４よりも後方部位に専用ファンである空調用コンデンサファン９６を配設する。

このとき、前記空調用放熱器たる空調用コンデンサ９４を、図１に示す如く、前記燃料電池車両２の後輪９８の後輪中心９８ｃより後ろ側に配設する。

更に、前記燃料電池スタック６で生成された生成水を前記空調用放熱器たる空調用コンデンサ９４に噴霧する噴霧装置１００を、前記空調用放熱器たる空調用コンデンサ９４の前方に配設する。

つまり、図１に示す如く、前記燃料電池スタック６で生成された生成水を受ける貯水槽１０２を、燃料電池スタック６よりも後方部位に配設し、この貯水槽１０２と前記噴霧装置１００とを生成水供給通路１０４で連絡させ、この噴霧装置１００によって、前記燃料電池スタック６で生成された生成水を前記空調放熱器たる空調用コンデンサ９４に噴霧するものである。

追記すれば、この発明の実施例は、図１に示す如く、空調用コンデンサ９４を、専用ファンである空調用コンデンサファン９６、噴霧装置１００とともにモジュール化し、これを第１、第２放熱器６２−１、６２−２に影響しない位置に配設するものであり、具体的には、前記燃料電池車両２のフロア２ｆ下に配設する。

前記専用ファンである空調用コンデンサファン９６において、図示しない空調装置（「Ａ／Ｃ」あるいは「エアコン」ともいう。）は車両停止時にも効くような設計が必要であるため、専用ファンである空調用コンデンサファン９６の能力で空調装置の能力を出す必要性は、ガソリン車と同様である。そのために専用ファンである空調用コンデンサファン９６を前記空調放熱器たる空調用コンデンサ９４に取り付ける。このとき、専用ファンである空調用コンデンサファン９６の取付位置は、空調放熱器たる空調用コンデンサ９４の背面から風を引き込む位置、あるいは空調放熱器たる空調用コンデンサ９４の前面から風を押し込む位置が考えられる。

また、前記噴霧装置１００は、空調放熱器たる空調用コンデンサ９４の前方から前記燃料電池スタック６で生成された生成水を噴霧することで、水の気化熱により放熱能力を上昇させるものである。さすれば、前記噴霧装置１００により空調放熱器たる空調用コンデンサ９４の小型化が可能であるとともに、噴霧装置１００を必要に応じて働かせればよい。そして、この噴霧装置１００の能力向上を図るために、上述した如く、噴霧装置１００の前方に前記燃料電池スタック６で生成された生成水を受ける貯水槽１０２を設けている。

更に、前記モジュールの設置位置としては、専用ファンである空調用コンデンサファン９６による通風条件が良好なこと、前記燃料電池スタック６で生成される生成水の発生場所の近く、モジュールからの気化水蒸気の影響の少ない箇所があげられる（なるべく電装系の部品がないこと。）。

以上により、前記燃料電池車両２において、空調放熱器たる空調用コンデンサ９４による通風抵抗や排熱条件を考慮せず、燃料電池用ラジエータである前記第１放熱器６２−１の性能を十分に生かした設計が可能となる。

次に作用を説明する。

前記燃料電池車両２の走行時には、図１に示す如く、燃料電池車両２の前側に配置される前記燃料電池用冷却系である第１冷却系統６０−１の第１放熱器６２−１に冷却風が供給され、燃料電池用冷却系である第１冷却系統６０−１の冷却が十分に行われる。

また、燃料電池車両２のフロア２ｆ下に配設される空調用放熱器たる空調用コンデンサ９４には、図１に示す如く、下方から冷却風が供給され、専用ファンである空調用コンデンサファン９６を経て、燃料電池車両２の後方に流れ、前記空調用冷却系９０の空調用放熱器たる空調用コンデンサ９４の冷却が十分に行われる。

このとき、前記噴霧装置１００を必要に応じて働かせ、空調放熱器たる空調用コンデンサ９４の前方から前記燃料電池スタック６で生成された生成水を噴霧し、水の気化熱により放熱能力を上昇させる。

これにより、前記空調用冷却系９０に介装される空調用放熱器たる空調用コンデンサ９４を前記燃料電池車両２のフロア２ｆ下に配設したことによって、空調用放熱器たる空調用コンデンサ９４が燃料電池用放熱器たる第１放熱器６２−１や電気負荷用放熱器たる第２放熱器６２−２の前側に重ねて配設されることがないため、３つの冷却系統を夫々に最適な温度に制御することができる。

また、前記燃料電池車両２のフロア２ｆ下に水素を貯留する前記水素タンク１２を配設するとともに、前記燃料電池車両２の前後方向で前記水素タンク１２の後方に前記空調用放熱器たる空調用コンデンサ９４を配設したことにより、空調用放熱器たる空調用コンデンサ９４を容積の大きな水素タンク１２より後方に配設することができ、空調用放熱器たる空調用コンデンサ９４を通過した冷却風が水素タンク１２に邪魔されることなく、燃料電池車両２の後方へ排出でき、前記空調用冷却系９０の冷却性能を向上させることができるとともに、空調用放熱器たる空調用コンデンサ９４で温められた冷却風で水素タンク１２が加熱されることを防止できる。

更に、前記空調用放熱器たる空調用コンデンサ９４を、前記燃料電池車両２の後輪９８の後輪中心９８ｃより後ろ側に配設したことにより、水素タンク１２と空調用放熱器たる空調用コンデンサ９４の間に空間が形成され、この空間を通して空調用放熱器たる空調用コンデンサ９４に冷却風を送り込むことができ、前記空調用冷却系９０の冷却性能を向上し得る。

更にまた、前記燃料電池スタック６で生成された生成水を前記空調用放熱器たる空調用コンデンサ９４に噴霧する噴霧装置１００を、前記空調用放熱器たる空調用コンデンサ９４の前方に配設したことにより、燃料電池車両２のフロア２ｆ下に空調用放熱器たる空調用コンデンサ９４を配設した場合、冷却風の流速が低下するのを補うよう放熱面積の拡大が必要になるが、燃料電池スタック６で生成される生成水を空調用放熱器たる空調用コンデンサ９４に噴霧することで放熱性を向上させることができ、これによって、空調用放熱器たる空調用コンデンサ９４の拡大を最小限にとどめて燃料電池車両２のフロア２ｆ下への搭載を向上できる。

前記燃料電池車両の冷却装置は、燃料電池用冷却系、電気負荷用冷却系、空調用冷却系を備え、空調用冷却系に介装される空調用放熱器のレイアウトを最適化することができる。

この発明の実施例を示す燃料電池スタックを搭載した燃料電池車両の概略左側面図である。燃料電池システムの概略説明図である。燃料電池車両の前部の概略平面図である。燃料電池車両の冷却系構成図である。この発明の従来技術を示す燃料電池スタックを搭載した燃料電池車両の概略左側面図である。

符号の説明

２燃料電池車両（単に「車両」ともいう。）
２ｆフロア
４燃料電池システム
６燃料電池スタック（単に「燃料電池」ともいう。）
８水素系システム
１０空気系システム
１２水素タンク
５０車両駆動用モータ
５２電気部品ユニット
５４車室
５６エンジンルーム
５８冷却装置
６０−１燃料電池用冷却系である第１冷却系統
６０−２電気負荷用冷却系である第２冷却系統
６２−１燃料電池用放熱器たる第１放熱器
６２−２電気負荷用放熱器たる第２放熱器
９０空調用冷却系
９２ラジエータファン
９４空調用放熱器たる空調用コンデンサ
９６空調用コンデンサファン
９８後輪
９８ｃ後輪中心
１００噴霧装置
１０２貯水槽
１０４生成水供給通路

Claims

燃料電池スタックと車両駆動用モータを車両の前部に配設し、車両幅方向から見た外形が円形の水素タンクを車両前後方向に複数個並べて前記車両のフロア下に配設し、前記燃料電池スタックを冷却する燃料電池用冷却系と、前記燃料電池スタックから電力が供給される電気負荷を冷却する電気負荷用冷却系と、空調風を冷却する空調用冷却系とを備え、前記燃料電池用冷却系に介装される燃料電池用放熱器と前記電気負荷用冷却系に介装される電気負荷用放熱器とを前記燃料電池スタックと前記車両駆動用モータの前方に車両の幅方向に並べて配設した燃料電池車両の冷却装置において、前記空調用放熱器を前記車両の後輪よりも後側のフロア下に配設するとともにその後部にファンを取り付け、前記水素タンクのうち車両前後方向で最も後ろ側に配置される水素タンクを車両前後方向で前記後輪の中心付近に配設し、前記燃料電池スタックで生成された生成水を前記空調用放熱器に噴霧する噴霧装置を前記空調用放熱器の前側に配設したことを特徴とする燃料電池車両の冷却装置。
前記車両のフロア下に水素を貯留する水素タンクを配設するとともに、前記車両の前後方向で前記水素タンクの後方に前記空調用放熱器を配設したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両の冷却装置。