JP4454574B2 - 燃料電池車両における冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、水素及び空気を反応源として所定の電力を生成する燃料電池を搭載した燃料電池車両における冷却装置に関する。

燃料電池車両においては、空気は、フィルタを介して過給器により吸い込まれ、加湿器を経由し、燃料電池に供給される。そして、燃料電池から排出される湿潤空気は、再び加湿器を経由し、当該加湿器において燃料電池に供給される新気乾燥空気の加湿に利用され、その後、外部へ放出される（特許文献１参照）。
特開２００１−２１６９８６号公報

上記特許文献１の技術では、燃料電池を経由した空気は、そのまま外部に放出されてしまう。しかしながら、空気には利用価値があり、無駄にせず利用することが望まれている。

本発明は、燃料電池を経由した空気をより有効利用する燃料電池車両における冷却装置を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池車両における冷却装置は、水素及び空気を反応源として所定の電力を生成する燃料電池と、前記燃料電池に水素供給路を介して水素を供給する水素供給源と、外気からの空気を前記燃料電池に供給する過給器と、前記燃料電池から空気を外部へ排出する第１空気排出経路と、燃料電池車両の駆動源であるモータと、前記モータを駆動させる駆動装置と、を備えた燃料電池車両における冷却装置において、前記第１空気排出経路及びその出口は、前記駆動装置に指向して配置され、排出空気により前記駆動装置が冷却されるようにしたことを特徴とする。

このような構成であると、第１空気排出経路から排出される空気が駆動装置の冷却に用いられ、高熱を発する駆動装置が冷却される。よって、燃料電池を経由した空気を無駄に排出せず、駆動装置の冷却に利用することができる。したがって、燃料電池を経由した空気をより有効利用することができる。

前記水素供給源は、高圧水素ボンベで構成され、水素は、減圧されて前記水素供給路に供給されており、前記第１空気排出経路の途中には、前記第１空気排出経路の空気と前記水素供給路の水素とを熱交換させる熱交換器を設けたことを特徴とする。

このような構成であると、高圧水素ボンベから減圧されて供給される低温の水素が、第１空気排出経路の高温の空気と熱交換できる。よって、熱交換した水素が高温になり、高温になった水素を燃料電池に供給することで、燃料電池の発電効率を向上させることができる。
また、熱交換した空気が低温になり、低温になった空気を用いて駆動装置を冷却することで、駆動装置の冷却効率を向上させることができる。

前記モータに対して電力を供給するバッテリと、前記第１空気排出経路に連結され、前記燃料電池からの空気を前記バッテリに供給する第２空気排出経路と、前記バッテリの温度を検知する温度検知手段と、前記第２空気排出経路の途中に設けられ、前記第２空気排出経路を流通する空気量を調節するバルブと、前記バルブを制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記温度検知手段が検知する前記バッテリの温度が所定の第１温度よりも上回った場合に、前記バルブを制御することを特徴とする。

このような構成であると、第２空気排出経路の空気がバッテリに供給され、所定の第１温度を上回るバッテリが冷却される。よって、燃料電池を経由した空気を無駄にせず、バッテリの冷却に利用することができる。

前記制御手段は、前記温度検知手段が検知する前記バッテリの温度が所定の第２温度よりも下回った場合にも、前記バルブを制御することを特徴とする。

このような構成であると、第２空気排出経路の空気がバッテリに供給され、所定の第２温度を下回るバッテリが温められる。これにより、バッテリが不活性状態から活性状態へ即座に活性化させることができる。よって、燃料電池を経由した空気を無駄にせず、バッテリの活性化に利用することができる。

ここで、所定の第１温度は、バッテリが通常使用状態となる温度帯の上限温度であり、上回るとバッテリが発熱し過ぎであり、所定の第２温度は、バッテリが通常使用状態となる温度帯の下限温度であり、下回るとバッテリが不活性状態となる。

本発明によると、燃料電池を経由した空気をより有効利用することができる。

以下、本発明に係る燃料電池車両における冷却装置について実施の形態を挙げ、添付の図１〜図１４を参照しながら説明する。

本実施の形態に係る冷却装置（空気系統システム４００）は、燃料電池車両としての燃料電池二輪車１０に搭載されている。以下、燃料電池二輪車１０において左右に１つずつ設けられた構成については、左のものの番号符号に「Ｌ」を付し、右のものの番号符号に「Ｒ」を付すことにより区別して説明する。また、図面においても、左を示す「Ｌ」矢印、右を示す「Ｒ」矢印を付すとともに、前を示す「Ｆｒ」矢印、後ろを示す「Ｒｒ」矢印を付して図示する。

図１〜図５に示すように、燃料電池二輪車１０は、燃料電池１２を搭載しており、該燃料電池１２から得られる電力を用いて走行する二輪車である。燃料電池１２は、アノード電極に供給される水素ガスとカソード電極に供給される反応ガス（空気）とを反応させることで電力を発生する。本実施の形態では、燃料電池１２としては、公知のものを採用しているので、ここでは詳細には説明しない。燃料電池二輪車１０は、操舵輪である前輪１４と、駆動輪である後輪１６と、前輪１４を操舵するハンドル１８と、フレーム２０と、シート２２と、を有する。シート２２は、タンデム式であり、運転者が着座する前方部２２ａと、同乗者が着座する後方部２２ｂと、が一体的に形成されている。

また、燃料電池二輪車１０は、燃料電池１２を経由した空気を有効利用することができるように、燃料電池１２で使用した空気をヒートシンク１３５に供給するための空気系統システム４００（図１１〜図１３参照）を有する。

図１、図２に示すように、フレーム２０は、前方部でフォーク式のフロントサスペンション２３Ｌ、２３Ｒを軸支するヘッドパイプ２４と、前方部が該ヘッドパイプ２４に接続されて車体後方へ向って後下がりに傾斜した一対の上部ダウンフレーム２６Ｌ、２６Ｒと、ヘッドパイプ２４からほぼ真下に向って延在する下部ダウンフレーム２８Ｌ、２８Ｒと、を有する。

上部ダウンフレーム２６Ｌ、２６Ｒは、略水平な中央上部フレーム３０Ｌ、３０Ｒ及び後下がりに傾斜した上部ピボットフレーム３２Ｌ、３２Ｒを介してピボット３４に接続されている。上部ダウンフレーム２６Ｌ、中央上部フレーム３０Ｌ及び上部ピボットフレーム３２Ｌと、上部ダウンフレーム２６Ｒ、中央上部フレーム３０Ｒ及び上部ピボットフレーム３２Ｒと、はそれぞれ１本のパイプを屈曲して形成されている。

下部ダウンフレーム２８Ｌ、２８Ｒは、略水平な中央下部フレーム３６Ｌ、３６Ｒ及び滑らかに後上がりに傾斜した下部ピボットフレーム３８Ｌ、３８Ｒを介してピボット３４に接続されている。下部ダウンフレーム２８Ｌ、中央下部フレーム３６Ｌ及び下部ピボットフレーム３８Ｌと、下部ダウンフレーム２８Ｒ、中央下部フレーム３６Ｒ及び下部ピボットフレーム３８Ｒと、はそれぞれ１本のパイプを屈曲して形成されている。

フレーム２０は、さらに、下部ピボットフレーム３８Ｌ、３８Ｒのそれぞれの略中央部を上に凸のアーチ状に接続する上アーチフレーム４０と、ピボット３４の左右両端部を接続しやや下に凸のアーチ状に接続する下アーチフレーム４１と、中央上部フレーム３０Ｌ、３０Ｒと上アーチフレーム４０の上部とを接続する上部サブフレーム４２Ｌ、４２Ｒと、下部ダウンフレーム２８Ｌ、２８Ｒの中央よりやや下方部と下部ピボットフレーム３８Ｌ、３８Ｒとを接続するサイドフレーム４４Ｌ、４４Ｒと、下部ダウンフレーム２８Ｌ、２８Ｒの略中央部と上部ダウンフレーム２６Ｌ、２６Ｒの下端部とを接続する前部サブフレーム４６Ｌ、４６Ｒと、サイドフレーム４４Ｌ、４４Ｒと中央下部フレーム３６Ｌ、３６Ｒとを接続するサブフレーム４８Ｌ、４８Ｒと、中央下部フレーム３６Ｌ、３６Ｒの両者を下方から接続する下面フレーム５０と、を有する。

上アーチフレーム４０は、上部ピボットフレーム３２Ｌ、３２Ｒと交差するように接続され、側面視で後傾するように後斜め上方に延在している。下アーチフレーム４１には、不図示のメインスタンド及びサイドスタンドが取り付けられる。

下面視（図４参照）で、下部ピボットフレーム３８Ｌ、３８Ｒの中間より前部は前方に向って間隔が狭まるように設定されて中央下部フレーム３６Ｌ、３６Ｒと接続されている。下部ピボットフレーム３８Ｌ、３８Ｒの両者間の最大幅は、並行な中央下部フレーム３６Ｌ、３６Ｒの両者間の幅の略２倍である。

上面視（図３参照）で、中央上部フレーム３０Ｌ、３０Ｒの両者間の最大幅は、中央下部フレーム３６Ｌ、３６Ｒの両者間の幅とほぼ同じであって、運転者が跨ぐことのできる幅に設定されている。

サイドフレーム４４Ｌ、４４Ｒは、中央上部フレーム３０Ｌ、３０Ｒよりも外方に張り出している。サイドフレーム４４Ｌと中央上部フレーム３０Ｌとの間隔、及び、サイドフレーム４４Ｒと中央上部フレーム３０Ｒとの間隔は、人の足幅よりも広く設定されており、運転者が足を置くステップ板（足着き部）５１Ｌ、５１Ｒが設けられている。該ステップ板５１Ｌ、５１Ｒは、フェアリング１４０（図１参照）と一体的に形成されている。

フレーム２０は、さらに、上アーチフレーム４０の上辺部から後方に向って緩やかに後上がりに延在する一対の後方上部フレーム５２Ｌ、５２Ｒと、略中間高さ部から後方に向って後上がりに延在する一対の後方下部フレーム５４Ｌ、５４Ｒと、を有する。後方上部フレーム５２Ｌ、５２Ｒは、略直線状に延在している。後方上部フレーム５２Ｌ、５２Ｒの両者間の間隔は、後輪１６よりもやや広い幅の間隔に設定されている。後方下部フレーム５４Ｌ、５４Ｒは、側面視（図１及び図２参照）で後方上部フレーム５２Ｌ、５２Ｒに対して略並行であって、下面視（図４参照）で後輪１６よりも前の部分は下部ピボットフレーム３８Ｌ、３８Ｒの両者間と同等の間隔であり、それよりも後方の部分は、下部ピボットフレーム３８Ｌ、３８Ｒの両者間よりも挟幅間隔に設定されている。幅の広い前方と狭い後方は、緩やかに幅が変化するように接続されている。後方上部フレーム５２Ｌ、５２Ｒと後方下部フレーム５４Ｌ、５４Ｒとは縦補助フレーム５６Ｌ、５６Ｒで接続されている。

このように構成されるフレーム２０によれば、上部ダウンフレーム２６Ｌ、２６Ｒ、中央上部フレーム３０Ｌ、３０Ｒ、上部サブフレーム４２Ｌ、４２Ｒ、下部ダウンフレーム２８Ｌ、２８Ｒ、中央下部フレーム３６Ｌ、３６Ｒ、下部ピボットフレーム３８Ｌ、３８Ｒ及び上アーチフレーム４０で略囲まれる部分が機器搭載領域６０となっている。また、後方上部フレーム５２Ｌ、５２Ｒ及び後方下部フレーム５４Ｌ、５４Ｒで略囲まれる部分がタンク支持領域６２となっている。

機器搭載領域６０には、燃料電池１２と、電圧調整を行うＶＣＵ（Voltage Control Unit）６４と、冷却システム２００の冷却液を循環させるウォータポンプ６６と、冷却水中のイオンを除去して燃料電池１２の地絡を防ぐイオン交換器６８と、空気を圧縮する過給器（スーパチャージャ、ポンプ又はコンプレッサ）７０と、燃料電池１２に供給される圧縮空気と燃料電池１２から排出される使用済み空気との間で水分の交換を行う加湿器７２と、使用済み空気と燃料電池１２に供給される減圧水素との間で熱交換を行う熱交換器７４と、パージされた水素を使用済み空気で希釈する希釈ボックス７６と、暖機運転時及び過冷却時に冷却水の循環経路を切り換えるサーモスタット７９と、が設けられている。

過給器７０は、冷却ファン１０９ｂの通風路に設けられており、（図１及び図２参照）、過給器７０に対する空冷効果が促進される。同様に、ウォータポンプ６６は、冷却ファン１０９ａの通風路に設けられており、ウォータポンプ６６に対する空冷効果が促進される。

過給器７０は、ＥＣＵ９２の作用の下に回転するモータ７０ａを有する。モータ７０ａの回転方向は図２の矢印Ｂで示すように側面視の平面上で回転し、前輪１４及び後輪１６の回転方向（矢印Ｃ）と同じ方向（図２中で反時計回り方向）に設定されている。これにより、前輪１４及び後輪１６の回転のジャイロ効果にモータ７０ａの回転のジャイロ効果が加わり、走行安定性が向上する。また、モータ７０ａの回転速度が変化する際にも、燃料電池二輪車１０を左右に傾動するようなモーメントが発生することがない。この場合、モータ７０ａの回転方向は、前輪１４、後輪１６の回転方向と逆であっても良い。

燃料電池１２は、機器搭載領域６０における後方部で、左右を上部ピボットフレーム３２Ｌ、３２Ｒ及び上アーチフレーム４０で囲まれる部分に設けられている。燃料電池１２は、シート２２の下に配置され、詳しくは、運転者が着座する前方部２２ａの下に配置されている。

ＶＣＵ６４は、やや扁平の箱型であって、機器搭載領域６０における中央上部で、左右を中央上部フレーム３０Ｌ、３０Ｒで囲まれる部分に設けられている。ウォータポンプ６６及びイオン交換器６８は、ＶＣＵ６４よりもやや前方で、左右を前部サブフレーム４６Ｌ、４６Ｒで囲まれる部分に設けられている。ウォータポンプ６６は、イオン交換器６８よりも上方に設けられている。

熱交換器７４は、燃料電池１２の後方上部に設けられており（図１及び図２参照）、加湿器７２からの使用済み空気は、管路３３２を通って上方の熱交換器７４へ導入される（図１０参照）。

希釈ボックス７６は、燃料電池１２の下方に設けられている、熱交換器７４からの使用済み空気は、管路３３３を通って下方の希釈ボックス７６へ導入される（図１０参照）。

希釈ボックス７６からは、燃料電池１２で使用した空気を排出するための管路７８が後方に延在している。該管路７８は、チャンバ１５０に接続されている。
タンク支持領域６２には、燃料電池１２に供給する水素ガスを高圧状態で貯蔵する左右一対の燃料ボンベ８０Ｌ、８０Ｒと、該燃料ボンベ８０Ｌ、８０Ｒに水素ガスを供給する燃料充填口８２と、各燃料ボンベ８０Ｌ、８０Ｒに設けられたインタンク電磁弁８４Ｌ、８４Ｒと、中央部の調圧ユニット８６と、が設けられている。燃料充填口８２及び調圧ユニット８６は、所定の間にホールドに一体的に設けられている（図８参照）。

各燃料ボンベ８０Ｌ、８０Ｒは、両端半球の円柱形状であって、車体後方部において中心から左右にオフセットした位置に設けられている。具体的には、燃料ボンベ８０Ｌ、８０Ｒは、上面視（図３参照）でシート２２に沿って後上がりとなるように配置されている。

後方上部フレーム５２Ｌ及び後方下部フレーム５４Ｌは、燃料ボンベ８０Ｌの上端稜線部及び下端稜線部に略沿って延在している。燃料ボンベ８０Ｌは、両端が後方上部フレーム５２Ｌ及び後方下部フレーム５４Ｌに固定された２本のバンド９０によって支持されている。同様に、後方上部フレーム５２Ｒ及び後方下部フレーム５４Ｒは、燃料ボンベ８０Ｒの上端稜線部及び下端稜線部に略沿って延在している。燃料ボンベ８０Ｒは、両端が後方上部フレーム５２Ｒ及び後方下部フレーム５４Ｒに固定された２本のバンド９０によって支持されている。

燃料ボンベ８０Ｌ、８０Ｒは、燃料電池二輪車１０を構成するパーツの中で比較的大きいパーツであるが、中心線から左右にオフセットした位置に設けられていることにより、上面視で後輪１６とほとんど重なることがなく、後輪１６の上下方向サスペンションストロークを十分に確保することができる。これにより、路面からの衝撃を緩和し易くなり、燃料電池二輪車１０の乗り心地の向上を図ることができる。

燃料充填口８２は、左右の燃料ボンベ８０Ｌ、８０Ｒの略前端部中間位置であって、シート２２の下に設けられており、上方を指向している（図３参照）。シート２２の下方には、燃料電池二輪車１０の統括的な制御を行うＥＣＵ（Electric Control Unit）９２が設けられている。該ＥＣＵ９２は、燃料電池１２の制御も行う。燃料充填口８２及びＥＣＵ９２は、上面及び側面がシート２２に覆われるように配置されており、該シート２２を前方のヒンジ２２ｃを中心として開くときには露呈され、燃料充填及び所定のメンテナンスを行うことができる。ＥＣＵ９２の上面には、凹部９２ａが形成されており、収納スペースとして利用可能である。

下部ダウンフレーム２８Ｌ、２８Ｒの直前部には、燃料電池１２を冷却するためのラジエータ１００が設けられている。該ラジエータ１００は、高さが幅の略２倍の板状であって、両側部が下部ダウンフレーム２８Ｌ、２８Ｒに沿うように設けられている。ラジエータ１００は、燃料電池１２で加温された冷却水がウォータポンプ６６を介して供給される一次側の第１タンク１０２と、放熱して冷却された冷却水を排出する二次側の第２タンク１０４と、第１タンク１０２と第２タンク１０４との間に設けられて外気と熱交換を行う冷却部１０６と、を有する。第１タンク１０２は、冷却部１０６の左側に設けられ、第２タンク１０４は、冷却部１０６の右側に設けられている。

第１タンク１０２及び第２タンク１０４は、ラジエータ１００の左右両側面部において上端部から下端部に沿った長尺形状である。第２タンク１０４の下端よりやや上方部には、放熱して冷却された冷却水を排出する第１排出口１０４ａが設けられ、上端部にはラジエータキャップ１０４ｂ及びリザーバタンク１１２に接続される補給口１０４ｃが設けられている。ラジエータキャップ１０４ｂは、冷却システム２００（図６参照）の系統内圧力を一定に保つように作用し、圧力が上昇したときに内部のバルブを開いて、過剰な冷却液又は混入空気を補給口１０４ｃからリザーバタンク１１２に逃がし、圧力が低いときには不足する冷却液をリザーバタンク１１２から補給する。リザーバタンク１１２は、ラジエータキャップ１０４ｂよりも上方に配置されている。

第１タンク１０２の略上端部には、加温された冷却水が導入される導入口１０２ａが設けられ、略下端部には、サーモスタット７９に接続される第２排出口１０２ｂが設けられている。

冷却部１０６は、第１タンク１０２と第２タンク１０４とを連通させる多数の細管と、これらの細管の間に設けられた正面視波形の冷却フィンと、からなる。この冷却部１０６によれば、細管を通過する冷却液は、冷却フィンから放熱して冷却される。また、冷却フィンは、通気し易くしかも面積が大きいため冷却効果が高い。

ラジエータ１００の裏面上部には、冷却ファン１０９ａが設けられ、裏面下部には、冷却ファン１０９ｂが設けられている。これらの冷却ファン１０９ａ、１０９ｂの空気吸い込み作用により冷却フィンの通気が促進され、ラジエータ１００の放熱効果が向上する。

図５に示すように、フロントサスペンション２３Ｌ、２３Ｒの上部には、ヘッドパイプ２４を介してハンドル１８が接続されている。ハンドル１８は、略Ｔ字形状であって、下端部がヘッドパイプ２４に挿入されている支軸部１８ａの左側には、外気を取り込むエアクリーナ１１０が設けられ、右側には、ラジエータ１００に冷却液を補充するリザーバタンク１１２が設けられている。エアクリーナ１１０とリザーバタンク１１２は、支軸部１８ａを中心とした略対称位置にバランスよく配置され、フレーム２０の一部に固定されている。

図２に示すように、エアクリーナ１１０は、方形の底部１１０ａと、該底部１１０ａの上面を覆う蓋部１１０ｂとからなり、底部１１０ａの下面が斜め下後方を指向する向きに設定されている。蓋部１１０ｂは、中央部が膨らんでおり、その膨らみの上部に空気供給口１１０ｃが設けられている。エアクリーナ１１０の内部には、吸気空気を浄化するフィルタが設けられており、蓋部１１０ｂを取り外すことによりフィルタを交換可能である。

図１に示すように、リザーバタンク１１２は、一部に凹部１１２ａのある略長球形状であって、支軸部１８ａと同様に上方やや後方に向うように配置されており、頂部の冷却水供給口１１２ｂは上方を指向している。

図１、図２及び図５に示すように、前輪１４と下部ダウンフレーム２８Ｌ、２８Ｒとの間で、ラジエータ１００よりも外側には一対の二次バッテリ１２０Ｌ、１２０Ｒが設けられている。二次バッテリ１２０Ｌ、１２０Ｒは、縦方向に長尺な略角柱形状であって、前方に向ってやや凸となるように中央で緩やかに屈曲している。

また、二次バッテリ１２０Ｌ、１２０Ｒは、サイドフレーム４４Ｌ、４４Ｒの前端部近傍から斜め前方に向うように配置されており、下端部はステー１２２Ｌ、１２２Ｒによって下部ダウンフレーム２８Ｌ、２８Ｒに接続され、上端部はステー１２４Ｌ、１２４Ｒによってヘッドパイプ２４に接続されている。二次バッテリ１２０Ｌ、１２０Ｒは、同機能であって、充放電とも１／２づつの電力を分担する。

この二次バッテリ１２０Ｌ、１２０Ｒには、バッテリ内部の温度を検知するサーミスタ４５０が設けられている（図１１参照）。サーミスタ４５０は、ＥＣＵ９２に電気的に接続されており、サーミスタ４５０の検知した温度は、ＥＣＵ９２に出力される。

また、二次バッテリ１２０Ｌ、１２０Ｒの後方下端部には、燃料電池１２で使用した空気を排出するための管路７８から分岐する管路１２１Ｌ、１２１Ｒが接続されている。

前輪１４は、フロントサスペンション２３Ｌ、２３Ｒの下端部に回転自在に軸支されている。後輪１６は、ピボット３４を中心に回転可能なスイングアーム１３０に支持されている。後輪１６の左側には、インホイールモータ１３２及び該インホイールモータを駆動するモータドライバ１３４が設けられている。モータドライバ１３４には、モータドライバ１３４を適温の２５℃〜６０℃に維持するためのヒートシンク１３５が隣接されている。上アーチフレーム４０の上部とスイングアーム１３０の左側面上部との間には、リアサスペンション１３６が設けられている。ヒートシンク１３５は、管路４２０が接続されており、管路７８及びチャンバ１５０を通った燃料電池１２で使用した空気で冷却される空冷式である。

本発明に係る燃料電池二輪車１０における冷却装置は、水素及び空気を反応源として所定の電力を生成する燃料電池１２と、この燃料電池に水素供給路である供給管３１２Ｌ、３１２Ｒを介して水素を供給する水素供給源である燃料ボンベ８０Ｌ、８０Ｒと、外気からの空気を燃料電池１２に供給する過給器７０と、燃料電池１２から空気を外部へ排出する第１空気排出経路である管路４２０と、燃料電池二輪車１０の駆動源であるモータ７０ａと、このモータを駆動させる駆動装置であるモータドライバ１３４と、を備えた燃料電池二輪車１０における冷却装置であって、管路４２０及びその出口は、モータドライバ１３４に指向して配置され、排出空気によりモータドライバ１３４が冷却されるようにしたことを特徴とする。

また、前記燃料ボンベ８０Ｌ、８０Ｒは、高圧水素ボンベで構成され、水素は、減圧されて供給管３１２Ｌ、３１２Ｒに供給されており、管路４２０の途中には、管路４２０の空気と供給管３１２Ｌ、３１２Ｒの水素ガスとを熱交換させる熱交換器７４を設けたことを特徴とする。

また、前記モータ７０ａに対して電力を供給する二次バッテリ１２０Ｌ、Ｒと、管路４２０に連結され、燃料電池１２からの空気を二次バッテリ１２０Ｌ、Ｒに供給する第２空気排出経路である管路１２１Ｌ、Ｒと、二次バッテリ１２０Ｌ、Ｒの温度を検知する温度検知手段であるサーミスタ４５０と、管路１２１Ｌ、Ｒの途中に設けられ、該管路１２１Ｌ、Ｒを流通する空気量を調節するバルブである電磁弁４３０と、該電磁弁４３０を制御する制御手段であるＥＣＵ９２と、を備え、ＥＣＵ９２は、サーミスタ４５０が検知する二次バッテリ１２０Ｌ、Ｒの温度が所定の第１温度Ｔ１よりも上回った場合に、電磁弁４３０を制御することを特徴とする。

また、前記ＥＣＵ９２は、サーミスタ４５０が検知する二次バッテリ１２０Ｌ、Ｒの温度が所定の第２温度Ｔ０よりも下回った場合にも、電磁弁４３０を制御することを特徴とする。

図１及び図２から明らかなように、シート２２の前方部は、下方に大きく窪んだ形状であることから、燃料電池二輪車１０は、スクータ式二輪車に分類される。燃料電池二輪車１０は、仮想線で示すように略全体がフェアリング１４０により覆われている。

このような燃料電池二輪車１０では、始動時に二次バッテリ１２０Ｌ、１２０Ｒからインホールモータ１３２や所定のヒータなどに電力が供給され、暖機運転が行われる。暖機後には、燃料電池１２で発電した電力がインホイールモータ１３２に供給され、走行可能となる。

また、スロットル開度が増加した場合などで要求出力上昇の程度が比較的小さいときには、燃料電池１２の出力に対して二次バッテリ１２０Ｌ、１２０Ｒの出力を重畳的にインホイールモータ１３２に供給し、高いレスポンスが得られる。要求出力の程度がより大きいときには、二次バッテリ１２０Ｌ、１２０Ｒの出力を重畳的に供給すると共に、燃料電池１２の出力を増大させてスロットル開度に対する追従性を向上させている。

次に、燃料電池１２を冷却して適切な温度範囲に維持するための水冷式の冷却システム２００について、図６、図７を参照しながら説明する。

図６、図７に示すように、冷却システム２００は、ウォータポンプ６６、イオン交換器６８、サーモスタット７９、ラジエータ１００、リザーバタンク１１２を有する。冷却システム２００は、基本的に、熱源としての燃料電池１２で加温された冷却水を第１主管路２０２によりラジエータ１００に供給し、該ラジエータ１００で放熱して冷却された冷却水を第２主管路２０４により燃料電池１２へ供給して、冷却水を循環させている。ウォータポンプ６６は、第１主管路２０２の途中に設けられており、冷却水を循環駆動させている。

第１主管路２０２の一端は、上継手２０６を介して燃料電池１２の上面に接続されており、第２主管路２０４の一端は、下継手２０８を介して燃料電池１２の下面に接続されている。このような第１主管路２０２及び第２主管路２０４の接続方法により、冷却液は第２主管路２０４から燃料電池１２内に導入されて内部の発電セルを冷却することにより加温されて第１主管路２０２から導出され、ウォータポンプ６６の作用下に循環する。

また、第１主管路２０２の一端が燃料電池１２の上面に接続されていることにより、燃料電池１２内に混入した空気が上方に浮き上がり、第１主管路２０２へとスムーズに排出され、効率的に燃料電池１２から空気を抜き出すことができる。これにより、燃料電池１２の発電効率の低下を抑制することができる。第１主管路２０２へ排出された空気は、ラジエータキャップ１０４ｂを通り、リザーバタンク１１２へと排出される。

また、第２主管路２０４の一端が燃料電池１２の下面に接続されていることにより、第２主管路２０４内に空気が混入している場合にも、燃料電池１２を介して第１主管路２０２へと空気は排出される。

さらに、第１主管路２０２及び第２主管路２０４は、燃料電池１２の上下面における車幅方向外寄りに設けられていることから、燃料電池１２の前方部又は後方部にスペースが確保されて他の機器のレイアウト上、第１主管路２０２及び第２主管路２０４が設置の支障となることがない。このため、燃料電池１２の前方には、ＶＣＵ６４が配置可能になっている。

サーモスタット７９は、第２主管路２０４の途中に設けられている。サーモスタット７９は、４つのポート７９ａ、７９ｂ、７９ｃ、７９ｄを有しており、このうちポート７９ａ、７９ｂが第２主管路２０４に接続され、通常時にはラジエータ１００で冷却された冷却水を燃料電池１２に供給するようにポート７９ａ、７９ｂの両者が連通している。ポート７９ｃは、バイパス管路２１０を介して第１タンク１０２及び第２排出口１０２ｂに接続されている。第２排出口１０２ｂは、第１タンク１０２及び導入口１０２ａを介して第１主管路２０２と接続されており、しかもこれらの連通部には絞りや弁となるようなものは存在しないことから、ポート７９ｃは第１主管路２０２と直接的に連通していることと等価な回路になっている。また、冷却水の一部は、ポート７９ｄからイオン交換器６８を通り第１主管路２０２に対して継手２０９を介して接続され、循環するように構成されている。

サーモスタット７９は、冷却液の温度によって連通路を切り替える機能を有し、暖機運転時にはポート７９ａが遮断されると共にポート７９ｃが開放されて、ポート７９ｃ、７９ｄの両者が連通する。これにより、ウォータポンプ６６から吐出された冷却水は、導入口１０２ａ、第１タンク１０２、第２排出口１０２ｂ及びバイパス管路２１０を通り、ポート７９ａからサーモスタット７９に導入され、ポート７９ｂから燃料電池１２に戻される。したがって、冷却水は、暖機運転時には、冷却部１０６を通らずに循環するため不必要に冷却されることがなく、燃料電池１２が適温となるまで迅速に昇温させることができる。

このように、第１タンク１０２とサーモスタット７９とをバイパス管路２１０で接続することにより、回路上、サーモスタット７９は、第１主管路２０２と接続されていることになる。つまり、第１タンク１０２が第１主管路２０２の流路の一部として作用することになり、バイパス管路２１０は、第１タンク１０２までの短い管路として設定することができ、管路の取り回しが容易となると共に構成部品のレイアウトの自由度が高まる。具体的には、図４に示すように、バイパス管路２１０は車体の下面に沿って配設され、しかもその長さは短く設定される。

仮に、第１タンク１０２に接続しない場合には、図６の仮想線で示すように、第１主管路２０２に分岐継手２１２を設けると共に、バイパス管路２１０’を縦方向に長く、しかも左右に横断するように配設する必要があり、過給器７０、イオン交換器６８及びウォータポンプ６６のレイアウトが制限される。これに対して本実施の形態では、バイパス管路２１０を第１タンク１０２の低い位置に接続していることから、このような不都合がない。

また、第１タンク１０２は、縦方向に長尺形状であって、第１主管路２０２とバイパス管路２１０は、第１タンク１０２における長尺方向の中心位置から見て対向する側に接続されていることから、第１タンク１０２の長さが有効に利用され、第１主管路２０２とバイパス管路２１０とが離間して配置され、この間のスペースが確保されてレイアウトの自由度が一層高まる。

なお、第１タンク１０２からバイパス管路２１０を介して接続される切替弁は、サーモスタット７９のように冷却液の温度に反応して切り替え動作を行うものに限られず、例えば、タイマ動作や所定の演算結果に基づいて切り替えを行うものであってもよい。

また、冷却システム２００における冷却液の循環方向は、図７の破線で示すように逆向きであってもよい。つまり、燃料電池１２で加温された冷却液をポート７９ｂからサーモスタット７９に導入し、切替作用によって第１排出口１０４ａ又は第２排出口１０２ｂ（この場合、それぞれ導入口として作用する。）に導出し、ラジエータ１００内で放熱し、又は冷却部１０６をバイパスして導入口１０２ａ（この場合、導出口として作用する。）からウォータポンプ６６に供給するようにしてもよい。ウォータポンプ６６を逆に回転させることにより、冷却水は、第１主管路２０２を通って燃料電池１２に返還される。このように、冷却水の循環方向は逆であっても、バイパス管路２１０から第１タンク１０２を介して第１主管路２０２に連通する経路が形成されることから、前記の場合と同様に管路の取り回しが容易となると共に構成部品のレイアウトの自由度が高まるという効果を奏する。

冷却システム２００では、ラジエータ１００で冷却する対象となる熱源は、燃料電池１２に限られず、内燃機関やモータ等であってもよい。

次に、燃料電池１２を冷却して水素ガスを供給するための水素系統システム３００について、図８を参照しながら説明する。

図８に示すように、水素系統システム３００は、燃料充填口８２と、水素供給源としての燃料ボンベ８０Ｌ、８０Ｒと、調圧ユニット８６と、イジェクタユニット３０４と、を有し、燃料電池１２に対して水素ガスを供給する。

図８に示すように、水素ガスは、燃料ボンベ８０Ｒに対しては、燃料充填口８２からチェック弁３０８Ｒ及びインタンク電磁弁８４Ｒを介して高圧で充填される。また、燃料ボンベ８０Ｌに対しては、チェック弁３０８Ｒの二次側から分岐した管路３０７からチェック弁３０８Ｌ及びインタンク電磁弁８４Ｌを介して高圧で充填される。

水素ガスは、燃料ボンベ８０Ｌ、８０Ｒから供給管３１２Ｌ、３１２Ｒを通って供給され、途中で合流して調圧ユニット８６に供給される。

調圧ユニット８６は、上流側から手動弁３１４、電磁遮断弁３１６、第１レギュレータ３１８及び第２レギュレータ３２０が回路上直列的に接続されている。手動弁３１４は、燃料ボンベ８０Ｌ、８０Ｒに対する元閉めの弁であり、通常は開かれている。電磁遮断弁３１６は、燃料電池二輪車１０の運転、停止に応じて開閉される。第１レギュレータ３１８は、高圧の水素ガスを所定の圧力まで降下させる。第２レギュレータ３２０は、運転状況などに応じて、イジェクタユニット３０４に対する供給圧力を調整する。

イジェクタユニット３０４は、調圧ユニット８６から供給される低温の水素ガスを、燃料電池１２で使用した空気と熱交換して加熱させる熱交換器７４と、該熱交換器７４の下流側に並列配置されたイジェクタ３２４及び差圧レギュレータ３２６とを有する。イジェクタ３２４及び差圧レギュレータ３２６の二次側は燃料電池１２に接続されており、差圧レギュレータ３２６によって所定圧力に調整された水素ガスが燃料電池１２に供給される。イジェクタ３２４には、気液分離器を通過した未反応の湿潤な水素ガスが供給され、吸気作用によって吸い込まれて再び燃料電池１２に導入されて循環経路を形成している。

次に、燃料電池１２に対して空気を供給し、燃料電池１２から空気を排出するための空気系統システム４００について、図１１〜図１３を参照しながら説明する。

図１１に示すように、空気系統システム４００は、エアクリーナ４１０と、過給器７０と、チャンバ４１２と、加湿器７２と、熱交換器７４と、希釈ボックス７６と、を有し、燃料電池１２に対して空気を供給し、燃料電池１２から空気（飽和水蒸気、窒素、水）を排出する。

図１１〜図１３に示すように、空気は、外気からエアクリーナ４１０を介して取り込まれ、管路３５０を通って過給器７０に送り込まれる。過給器７０では、空気は加圧されて高温ガスとなり、管路３３４を通ってチャンバ４１２に送り込まれる。

チャンバ４１２に送り込まれた空気は、通常運転時には、管路３３８を通り、加湿器７２に導入され、オフガスとして燃料電池１２から排出される空気と水分交換を行って加湿された後、管路３４０を通って燃料電池１２に供給される。低温始動時は、バイパスバルプ３４４により、加湿器７２を通過する空気流量を制御し、高温空気を燃料電池１２に供給する。管路３４０と管路３４２は、合流して燃料電池１２の供給継手に接続されている。

また、燃料電池１２で反応に用いられた空気は、未反応の酸素ガスを含む湿潤かつ高温なオフガスとなり、管路３３０を通って加湿器７２に導入される。加湿器７２で燃料電池１２に供給される空気に水分を受け渡した後、空気は管路３３２を通って熱交換器７４に導入され、調圧ユニット８６から供給される低温の水素ガスと熱交換して冷却される。

熱交換器７２で熱交換し冷却された空気は、管路３３３を通って希釈ボックス７６に供給される。希釈ボックス７６にて、パージされた水素を希釈し、管路７８に排出される。

管路７８は、後輪１６側に延在し、後輪１６の右側に配置されたチャンバ１５０に接続されている。管路７８の途中には、二次バッテリ１２０Ｌ、１２０Ｒに引き込まれる管路１２１Ｌ、１２１Ｒが分岐して設けられている。

管路７８からチャンバ１５０に送り込まれた空気は、燃料電池二輪車１０の右側のチャンバ１５０から左側の駆動装置であるモータドライバ１３４近傍に延在する管路４２０を通って、モータドライバ１３４に密接するヒートシンク１３５に供給され、水蒸気及び水の気化潜熱とでヒートシンク１３５を冷却する。すなわち、管路４２０及びその出口がモータドライバ１３５に密接するヒートシンク１３５に空気を送り込むように配置されている。ヒートシンク１３５に供給された空気は、後輪１６の中心部から大気に排出される。

一方、管路７８から分岐して管路１２１Ｌ、１２１Ｒに送り込まれた空気は、電磁弁４３０を介して二次バッテリ１２０Ｌ、１２０Ｒに供給される。二次バッテリ１２０Ｌ、１２０Ｒには、サーミスタ４５０がバッテリ温度を検知するために設けられており、サーミスタ４５０が検知するバッテリ温度がＥＣＵ９２に出力されている。ＥＣＵ９２は、バッテリ温度に応じて電磁弁４３０を制御して管路１２１Ｌ、１２１を流通する空気量を調節する。

すなわち、図１４に示すように、Ｓ１４０１でＥＣＵ９２はバッテリ温度を検知し、Ｓ１４０２でＥＣＵ９２が、始動時において、サーミスタ４５０が検知するバッテリ温度Ｔが温度Ｔ０よりも低い過低温であると判断した（Ｔ＜Ｔ０）場合には、Ｓ１４０３でＥＣＵ９２は電磁弁４３０を開放し、管路１２１Ｌ、１２１Ｒから二次バッテリ１２０Ｌ、１２０Ｒへ空気を供給し、二次バッテリ１２０Ｌ、１２０Ｒを暖める。

また、Ｓ１４０２でバッテリ温度Ｔが温度Ｔ０よりも高いと判断した（Ｔ＜Ｔ０ではない）後、Ｓ１４０４でＥＣＵ９２が、サーミスタ４５０が検知するバッテリ温度Ｔが温度Ｔ１よりも高い過昇温であると判断した（Ｔ＞Ｔ１）場合には、Ｓ１４０５でＥＣＵ９２は電磁弁４３０を開放し、管路１２１Ｌ、１２１Ｒから二次バッテリ１２０Ｌ、１２０Ｒへ燃料電池１２で使用し熱交換器７４で冷却された空気を供給し、二次バッテリ１２０Ｌ、１２０Ｒを冷却する。

Ｓ１４０４でバッテリ温度Ｔが温度Ｔ１よりも低いと判断した（Ｔ＞Ｔ１ではない）後、ＥＣＵ９２は、Ｓ１４０６で電磁弁４３０を閉塞し、管路１２１Ｌ、１２１Ｒから二次バッテリ１２０Ｌ、１２０Ｒへ空気は供給しないようにする。

以上説明したように、本実施の形態では、管路４２０の出口は、モータドライバ１３４に隣接してヒートシンク１３５に空気を供給するように配置されており、管路４２０から排出される空気がモータドライバ１３４の冷却に用いられ、高熱を発するモータドライバ１３４が冷却される。よって、燃料電池１２を経由した空気を無駄にせず、モータドライバ１３４の冷却に利用することができる。したがって、燃料電池１２を経由した空気をより有効利用することができる。

また、燃料電池１２を経由した空気と水素ガスとを熱交換させる熱交換器７４を設けており、燃料ボンベ８０Ｌ、８０Ｒから減圧されて供給される低温の水素ガスが、燃料電池１２を経由した高温の空気と熱交換できる。よって、熱交換した水素ガスが高温になり、高温になった水素ガスを燃料電池１２に供給することで、燃料電池１２の発電効率を向上させることができる。

また、熱交換した空気が低温になり、低温になった空気を用いて駆モータドライバ１３４を冷却することで、モータドライバ１３４の冷却効率を向上させることができる。

ＥＣＵ９２は、サーミスタ４５０が検知する二次バッテリ１２０Ｌ、Ｒの温度ＴがＴ１よりも上回った場合に、管路１２１Ｌ、Ｒを流通する空気量が多くなるように、電磁弁４３０を制御しており、管路１２１Ｌ、Ｒの空気が二次バッテリ１２０Ｌ、Ｒに供給され、温度Ｔ１を上回る二次バッテリ１２０Ｌ、Ｒが冷却される。よって、燃料電池１２を経由した空気を無駄にせず、二次バッテリ１２０Ｌ、Ｒの冷却に利用することができる。

ＥＣＵ９２は、サーミスタ４５０が検知する二次バッテリ１２０Ｌ、Ｒの温度Ｔが温度Ｔ０よりも下回った場合にも、管路１２１Ｌ、Ｒを流通する空気量が多くなるように、電磁弁４３０を制御しており、管路１２１Ｌ、Ｒの空気が二次バッテリ１２０Ｌ、Ｒに供給され、温度Ｔ０を下回る二次バッテリ１２０Ｌ、Ｒが温められる。これにより、二次バッテリ１２０Ｌ、Ｒが不活性状態から活性状態へ即座に活性化させることができる。よって、燃料電池１２を経由した空気を無駄にせず、二次バッテリ１２０Ｌ、Ｒの活性化に利用することができる。

本発明に係る燃料電池車両における冷却装置は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはいうまでもない。また、燃料電池システムについては、任意の構造システムにおいても適用可能であり、様々な駆動装置の発熱源への冷却も可能であり、冷却構造についても、種々の変形ができることは言うまでもない。

燃料電池車両の右側面図である。 燃料電池車両の左側面図である。 燃料電池車両の上面図である。 燃料電池車両の下面図である。 燃料電池車両の正面図である。 冷却システムの回路を示す実態配置図である。 冷却システムのブロック構成図である。 水素系統システムのブロック構成図である。 燃料ボンベ周りの回路を示す実態配置図である。 加湿器周りの回路を示す実態配置図である。 空気系統システムのブロック構成図である。 後輪右側の回路を示す実態配置図である。 後輪周りの回路を示す実態配置図である。 二次バッテリへ空気を送り込む制御を示すフローチャート図である。

符号の説明

１０ 燃料電池二輪車
１５ 台車
７４ 熱交換器
７８ 管路
９２ ＥＣＵ
１２０Ｌ、Ｒ 二次バッテリ
１２１Ｌ、Ｒ 管路
１３４ モータドライバ
１３５ ヒートシンク
１５０ チャンバ
４００ 空気系統システム
４３０ 管路

Claims (4)

1. 水素及び空気を反応源として所定の電力を生成する燃料電池と、
   前記燃料電池に水素供給路を介して水素を供給する水素供給源と、
   外気からの空気を前記燃料電池に供給する過給器と、
   前記燃料電池から空気を外部へ排出する第１空気排出経路と、
   燃料電池車両の駆動源であるモータと、
   前記モータを駆動させる駆動装置と、を備えた燃料電池車両における冷却装置において、
   前記第１空気排出経路及びその出口は、前記駆動装置に指向して配置され、排出空気により前記駆動装置が冷却されるようにしたことを特徴とする燃料電池車両における冷却装置。
2. 前記水素供給源は、高圧水素ボンベで構成され、水素は、減圧されて前記水素供給路に供給されており、
   前記第１空気排出経路の途中には、前記第１空気排出経路の空気と前記水素供給路の水素とを熱交換させる熱交換器を設けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両における冷却装置。
3. 前記モータに対して電力を供給するバッテリと、
   前記第１空気排出経路に連結され、前記燃料電池からの空気を前記バッテリに供給する第２空気排出経路と、
   前記バッテリの温度を検知する温度検知手段と、
   前記第２空気排出経路の途中に設けられ、前記第２空気排出経路を流通する空気量を調節するバルブと、
   前記バルブを制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記温度検知手段が検知する前記バッテリの温度が所定の第１温度よりも上回った場合に、前記バルブを制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池車両における冷却装置。
4. 前記制御手段は、前記温度検知手段が検知する前記バッテリの温度が所定の第２温度よりも下回った場合にも、前記バルブを制御することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池車両における冷却装置。

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