JP4008335B2 - 燃料電池自動車の燃料電池冷却装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池自動車に搭載された燃料電池を冷却する冷却装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池としては、例えば固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）などが知られている。この燃料電池は、固体高分子電解質膜をアノード極とカソード極とで挟んでなる膜電極接合体を複数積層して、燃料電池スタックとして構成されており、燃料ガス（例えば、水素）と酸化剤ガス（例えば酸素あるいは空気）を反応ガスとして供給することで発電する。この燃料電池では、発電性能等の観点から、発電時の燃料電池を所定温度（例えば、７０゜Ｃ前後）に保つのが好ましい。
しかしながら、この種の燃料電池では発電に伴って発熱するので、燃料電池を前記所定温度に保持するためには冷却をする必要がある。そのため、燃料電池は一般に冷却システムを備えている。この冷却システムは液冷式が一般的であり、燃料電池に冷却液を流して冷却し、燃料電池から熱を奪って温まった冷却液を熱交換器で放熱して冷却し、再び燃料電池の冷却液として循環させる冷却システムが多く採用されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、燃料電池自動車の場合には、燃料電池だけでなく、この燃料電池から給電されて動作する車両駆動用モータも冷却する必要がある。そのため、燃料電池自動車では、燃料電池の冷却系と車両駆動用モータの冷却系を備えている（例えば、特許文献２参照）。
この特許文献２に開示された燃料電池自動車では、燃料電池を冷却する冷却液が循環する燃料電池冷却液循環回路と、車両駆動用モータを冷却する冷却液が循環するモータ冷却液循環回路を別々に備えている。そして、燃料電池冷却液循環回路は燃料電池と熱交換器を通って冷却液が循環するように構成されており、モータ冷却液循環回路は、ラジエターとモータと前記熱交換器を通って冷却液が循環する回路と、冷却液温度が低い時にラジエターをバイパスして冷却液を循環可能にするバイパス通路と、冷却液温度に応じて冷却液をバイパス通路とラジエターのいずれに流すか切り替えるサーモスタットバルブから構成されている。前記熱交換器は、燃料電池冷却液循環回路における燃料電池冷却後の冷却液と、モータ冷却液循環回路におけるモータ冷却後の冷却液を非接触で熱交換する装置であり、モータ冷却後の冷却液によって燃料電池冷却後の冷却液を冷却している
また、特許文献２には、前記燃料電池冷却液循環回路の冷却液の凍結を防止するために、燃料電池冷却液循環回路を断熱箱に収納することが開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１４１０７９号公報
【特許文献２】
特開２０００−３２３１４６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献２に開示された燃料電池自動車においては、暖機運転時の放熱が大きく、燃料電池の暖機時間が長くなるという問題がある。
詳述すると、モータ冷却液循環回路において、冷却液温度が低い暖機運転時にはサーモスタットバルブがバイパス通路に冷却液を流すように切り替わり、ラジエターをバイパスして冷却液が循環するようになる。一方、燃料電池冷却液循環回路においては暖機運転時にも通常と同様に冷却液が循環しており、この間も燃料電池は発電に伴って発熱するので、その熱によって冷却液は燃料電池を流通する際に温められる。そして、燃料電池冷却液循環回路の冷却液とモータ冷却液循環回路の冷却液が熱交換器で熱交換し、燃料電池冷却液循環回路の冷却液によってモータ冷却液循環回路の冷却液が温められる。
【０００６】
ところが、熱交換器でモータ冷却液循環回路の冷却液を温めても、断熱箱に収納されているのは燃料電池冷却液循環回路だけであり、モータ冷却液循環回路は露出しているので、モータ冷却液循環回路から放熱してしまい、モータ冷却液循環回路の冷却液の温度上昇が遅くなる。また、モータ冷却液循環回路の冷却液の温度上昇が遅くなると、この冷却液と熱交換している燃料電池冷却液循環回路の冷却液の温度上昇も遅くなり、結局、燃料電池の暖機に時間が長くかかることとなる。
そこで、この発明は、暖機時間の短縮を図ることができる燃料電池自動車の燃料電池冷却装置を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池５）と、空気への放熱により冷却液を冷却するラジエター（例えば、後述する実施の形態におけるラジエター３）と、前記燃料電池と前記ラジエターを通って前記冷却液を循環させる冷却液循環回路（例えば、後述する実施の形態における冷却水循環回路２０）と、前記冷却液を前記ラジエターをバイパスして流すバイパス通路（例えば、後述する実施の形態におけるバイパス通路１５）と、前記冷却液の温度が所定温度より低いときに前記冷却液を前記バイパス通路に流れるように流路を切り替える切り替え手段（例えば、後述する実施の形態におけるサーモスタットバルブ７）と、前記燃料電池と前記バイパス通路と前記切り替え手段を通って前記冷却液を循環させるバイパス循環回路（例えば、後述する実施の形態におけるバイパス循環回路２１）と、前記冷却液循環回路に冷却液を循環させるとともに前記バイパス循環回路に冷却液を循環させる共通の冷却液ポンプ（例えば、後述する実施の形態における冷却水ポンプ６）と、前記燃料電池と前記バイパス通路と前記切り替え手段と前記冷却液ポンプとバイパス循環回路とを収納するボックス（例えば、後述する実施の形態におけるＦＣボックス４）と、を備え、前記ラジエターは前記ボックスの外に配置されていることを特徴とする燃料電池自動車の燃料電池冷却装置である。
【０００８】
このように構成することにより、燃料電池の暖機運転時に、前記切り替え手段によって冷却液がバイパス通路に流れるように切り替えられたときに、冷却液は、燃料電池と、バイパス通路と、切り替え手段と、これらを通って冷却液を循環させるバイパス循環回路に流れるようになるが、これらは総てボックスに収納されているので、冷却液の熱がボックスの外に放熱されるのを抑制することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る燃料電池自動車の燃料電池冷却装置の一実施の形態を図１および図２の図面を参照して説明する。
図１および図２は燃料電池自動車Ｖに搭載された燃料電池冷却装置２の平面配置図である。
燃料電池自動車Ｖは、車両の後部に水素タンク３０が設置され、車両の前部にラジエター３および車両駆動モータ８が設置され、水素タンク３０よりも車両前方側で、燃料電池自動車Ｖの前後方向に延びるメインフレーム１の下部にＦＣボックス４が設置されている。
ＦＣボックス４は密閉された箱であり、ＦＣボックス４内には、水素タンク３０の水素と、図示しない圧縮機によって酸化剤としての空気が供給されて発電を行う固体高分子型燃料電池５と、冷却水ポンプ６と、サーモスタットバルブ（切り替え手段）７が収納されている。
燃料電池自動車Ｖは、燃料電池５の発電電力を車両駆動モータ８に供給し、その駆動力で推進する。車両駆動モータ８は図示しない車両駆動モータ用の専用ラジエターとの間で循環する冷却水によって冷却される。この車両駆動モータ８の冷却系は、後述する燃料電池冷却装置２とは別に構成されており、両者の間で熱の受け渡しはないように構成されている。
【００１０】
燃料電池５は冷却水（冷却液）が流通する冷却通路を備えており、燃料電池５の冷却通路出口５ｂは第１冷却水通路１１を介して冷却水ポンプ６の入口６ａに接続され、冷却水ポンプ６の出口６ｂは第２冷却水通路１２を介してラジエター３の入口３ａに接続され、ラジエター３の出口３ｂは第３冷却水通路１３を介してサーモスタットバルブ７の第１ポート７ａに接続され、サーモスタットバルブ７の第２ポート７ｂは第４冷却水通路１４を介して燃料電池５の冷却通路入口５ａに接続されている。ここで、燃料電池５の冷却通路出口５ｂから第１冷却水通路１１〜第４冷却水通路１４を通って燃料電池５の冷却水入口５ａに戻る回路は冷却水循環回路（冷却液循環回路）２０を構成する。
【００１１】
また、第２冷却水通路１２において冷却水ポンプ６の出口６ｂ近傍とサーモスタットバルブ７の第３ポート７ｃはバイパス通路１５によって接続されている。ここで、燃料電池５の冷却通路出口５ｂから第１冷却水通路１１、バイパス通路１５、第４冷却水通路１４を通って燃料電池５の冷却通路入口５ａに戻る回路はバイパス循環回路２１を構成する。このバイパス循環回路２１はＦＣボックス４内に収納されている。
なお、図示を省略するが、ＦＣボックス４には、上述した機器や冷却水回路以外に、水素タンク３０の水素を燃料電池５に供給するための水素ポンプや加湿器等の燃料電池５の周辺機器も収納されている。
【００１２】
サーモスタットバルブ７はサーモスタットバルブ７を流れる冷却水の温度に応じて冷却水の流路を切り替えるバルブであり、冷却水温度が所定温度ｔ１以下のときに、第２ポート７ｂと第３ポート７ｃを接続し第１ポート７ａを閉塞して、冷却水をラジエター３に流れないようにしバイパス通路１５に流れるようにする。この場合、冷却水は、図１において矢印で示すように、燃料電池５、冷却水ポンプ６、バイパス通路１５、サーモスタットバルブ７を通るバイパス循環回路２１を循環する。
また、サーモスタットバルブ７は、冷却水温度が前記所定温度ｔ１よりも高い別の所定温度ｔ２（ｔ１＜ｔ２）以上のときに、第１ポート７ａと第２ポート７ｂを接続し第３ポート７ｃを閉塞して、冷却水をバイパス通路１５に流れないようにしラジエター３に流れるようにする。この場合、冷却水は、図２において矢印で示すように、燃料電池５、冷却水ポンプ６、ラジエター３、サーモスタットバルブ７を通る冷却水循環回路２０を循環する。
なお、冷却水温度がｔ１とｔ２の間にある場合には、サーモスタットバルブ７は総てのポート７ａ〜７ｃが連通するため、冷却水は冷却水循環回路２０とバイパス循環回路２１の両方を循環する。
【００１３】
このように構成された燃料電池冷却装置２においては、燃料電池５の暖機運転時には冷却水温度が所定温度ｔ１よりも低いことから、サーモスタットバルブ７は冷却水をバイパス通路１５に流れるように流路を切り替える。これにより、冷却水はラジエター３をバイパスし、バイパス循環回路２１を循環するようになる。
このとき、燃料電池５へ水素と酸素（空気）を供給することで、燃料電池５の発電に伴う熱によって冷却液が温められる。また、燃料電池５が局所的に過熱されないように、冷却水ポンプ６を駆動して冷却水を所定流量循環させる。
このバイパス循環回路２１はＦＣボックス４に収納されているので、暖機運転中はＦＣボックス４の外を冷却水が循環することがない。したがって、暖機運転中に冷却水の熱がＦＣボックス４の外に放熱されるのを抑制することができ、その結果、バイパス循環回路２１を循環する冷却水の温度上昇を速めることができる。
これにより、暖機時間を短縮することができ、燃料電池自動車の始動性を向上することができる。
【００１４】
そして、バイパス循環回路２１を循環する冷却水の温度が所定温度ｔ２以上になると、サーモスタットバルブ７は冷却水がバイパス通路１５に流れずラジエター３に流れるように流路を切り替え、冷却水は冷却水循環回路２０を循環する。冷却水が冷却水循環回路２０を循環するときには、冷却水はラジエター３において空気と熱交換して冷却され、冷却された冷却水によって燃料電池５が冷却される。これにより、燃料電池５が所定温度に制御される。
【００１５】
【発明の効果】
以上説明するように、請求項１に係る発明によれば、燃料電池の暖機運転時に冷却液の熱がボックスの外に放熱されるのを抑制することができるので、冷却液の温度上昇を速めることができ、暖機時間を短縮することができる。その結果、燃料電池自動車の始動性を向上することができるという優れた効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明に係る燃料電池自動車の燃料電池冷却装置の一実施の形態における平面配置図であり、暖機時における冷却水の流れを示す図である。
【図２】 前記実施の形態における燃料電池冷却装置において暖機完了後の冷却液の流れを示す図である。
【符号の説明】
Ｖ 燃料電池自動車
２ 燃料電池冷却装置
３ ラジエター
４ ＦＣボックス（ボックス）
５ 燃料電池
７ サーモスタットバルブ（切り替え手段）
１５ バイパス通路
２０ 冷却水循環回路（冷却液循環回路）
２１ バイパス循環回路

Claims (1)

1. 燃料電池と、
   空気への放熱により冷却液を冷却するラジエターと、
   前記燃料電池と前記ラジエターを通って前記冷却液を循環させる冷却液循環回路と、
   前記冷却液を前記ラジエターをバイパスして流すバイパス通路と、
   前記冷却液の温度が所定温度より低いときに前記冷却液を前記バイパス通路に流れるように流路を切り替える切り替え手段と、
   前記燃料電池と前記バイパス通路と前記切り替え手段を通って前記冷却液を循環させるバイパス循環回路と、
   前記冷却液循環回路に冷却液を循環させるとともに前記バイパス循環回路に冷却液を循環させる共通の冷却液ポンプと、
   前記燃料電池と前記バイパス通路と前記切り替え手段と前記冷却液ポンプと前記バイパス循環回路とを収納するボックスと、
   を備え、前記ラジエターは前記ボックスの外に配置されていることを特徴とする燃料電池自動車の燃料電池冷却装置。

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