(57)【要約】【課題】車両搭載型の燃料電池システムにおいて、効率よく燃料電池の冷却が可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】車両には、車両フロント部に設けられＥＶラジエータ１６、ＦＣラジエータ１５及びメインラジエータファン１３が配置され、グリル２１から走行風を取り入れることができる。車両には、車両を駆動するモータや駆動系が配置されたモータコンパートメントがあり、走行風は車両床下部に搭載された燃料電池ケース１０へ導かれる。燃料電池ケース１０の下側にはサブラジエータ１７が配置され、燃料電池ケース１０の後方には、メインラジエータファン１３による気流と、カウルトップルーバ２３から導かれた走行風と、が合成され、サブラジエータ１７周りの空気を排出するサブラジエータファン１４が配置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両の床下に燃料電池スタックを搭載する燃料電池システムにおいて、
冷却能力を可変させるため、第１のラジエータによって冷却された冷媒をさらに冷却するための切替弁を介して接続される第２のラジエータと、
第２のラジエータ周りの空気の流れを作る気流形成手段と、
を有し、
第２のラジエータは、車両の床下に搭載された燃料電池スタックの下部に配置され、
気流形成手段は車両中心軸に沿って流れる気流により第２のラジエータを冷却することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
気流形成手段は、第２のラジエータの車両後方に冷却ファンを有し、第２のラジエータ周囲の空気の流れを形成することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料電池システムにおいて、
反応ガス中に凝結した反応水を分離する気液分離器から得られた反応水を滴下調整弁により第２のラジエータに滴下して気化熱により冷却することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
車両のグリル、カウル及びバンパー下端から第２のラジエータに走行風を導入する導入板を設けたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
導入した走行風により燃料電池スタックを冷却するため、燃料電池スタックケースに冷却フィンを設けたことを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
燃料電池スタックを車両の床下に搭載する燃料電池システムに関し、特に、燃料電池スタックを冷却する部品を床下スペースに設けた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に燃料電池を動力源とする燃料電池車両では、車両レイアウトの都合上、フロアパネルの下部に燃料電池スタックを搭載し、発電に伴う燃料電池スタックの発熱による過熱を防ぐための冷却水を用いた熱交換器と、冷却水の熱を放出する車両フロント部のラジエータと、を設けている。
【０００３】
燃料電池車両に用いられる固体分子電荷質型の燃料電池は、その運転上限温度が比較的低く、いわゆるエンジン等の内燃機関用の運転上限温度と比べて大気との温度差が少ないので、ラジエータにて十分な冷却能力を得るには、多量の冷却風を取り込むことのできる大型ラジエータが必要となる。
【０００４】
さらに、燃料電池車両では、燃料電池スタックの冷却だけでなく、モータやＤＣ−ＤＣコンバータなどの電子部品の冷却や空調のための熱交換器を有し、車両のフロントグリル後方に大型の燃料電池用メインラジエータ（ＦＣメインラジエータ）と、電気自動車用ラジエータ（ＥＶラジエータ）等とを設置して必要な冷却性能を確保している。
【０００５】
燃料電池車両において、全力運転となる長距離登坂や長距離高速走行が続くと燃料電池コンバータ、各種インバータ、エアコンプレッサ等の各ユニットは発熱し、高温状態が継続することがある。オーバーヒートによる機能停止または出力低下を防ぐため、十分な冷却性能を有する大型のラジエータやメインラジエータを補助するサブラジエータ等を設ける必要がある。
【０００６】
そこで、特許文献１には、車両のフロアパネル外側に取り付けられているマウンティングフレームを用いて、燃料電池を車体のフロアパネル外側に固定し、燃料電池本体とマウンティングフレームとを熱的に接触させて気流による空冷及び水冷のマウンティングフレームにより燃料電池を冷却する技術が開示されている。
【０００７】
また、特許文献２には、フロントグリル後方に位置する燃料電池用のラジエータに供給される冷却風の経路と、ボンネットとフロントガラスの間に位置するカウルトップルーバによって空気を取り入れ、ダクトを通って車両用空調装置のラジエータに供給される冷却風の経路と、をお互いに独立して設けることによりラジエータの小型化を実現する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−２１０１７６号公報
【特許文献２】特開２００５−９６７０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、フロントグリル後方のモータコンパートメント内に、大型の燃料電池用メインラジエータ（ＦＣメインラジエータ）、サブラジエータ（ＦＣサブラジエータ）及び、電気自動車用ラジエータ（ＥＶラジエータ）等を設置した場合、走風抵抗が増加し、他のラジエータによって熱交換されて温度が上昇した空気による冷却では、冷却能力が悪化する場合がある。このようなラジエータは、モータコンパートメントを占有して他部品の搭載性が悪化したり、さらに意匠上の自由度を奪うと共に、空力性能を悪化させていた。
【００１０】
特許文献１の空冷式や水冷・空冷伴用のシステム等のように自然走行風のみでは冷却力が不足し、長距離坂路走行時などでは冷却能力が不足するおそれがある。特許文献２の床下にＦＣサブラジエータを設置し、走行風を制御する技術もあるが、空力特性が悪化する場合がある。
【００１１】
そこで、本発明に係る燃料電池システムでは、効率よく燃料電池の冷却が可能な車両搭載型の燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
以上のような目的を達成するために、本発明に係る燃料電池システムは、車両の床下に燃料電池スタックを搭載する燃料電池システムにおいて、冷却能力を可変させるため、第１のラジエータによって冷却された冷媒をさらに冷却するための切替弁を介して接続される第２のラジエータと、第２のラジエータ周りの空気の流れを作る気流形成手段と、を有し、第２のラジエータは、車両の床下に搭載された燃料電池スタックの下部に配置され、気流形成手段は車両中心軸に沿って流れる気流により第２のラジエータを冷却することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、気流形成手段は、第２のラジエータの車両後方に冷却ファンを有し、第２のラジエータ周囲の空気の流れを形成することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、反応ガス中に凝結した反応水を分離する気液分離器から得られた反応水を滴下調整弁により第２のラジエータに滴下して気化熱により冷却することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、車両のグリル、カウル及びバンパー下端から第２のラジエータに走行風を導入する導入板を設けたことを特徴とする。
【００１６】
さらに、本発明に係る燃料電池システムにおいて、導入した走行風により燃料電池スタックを冷却するため、燃料電池スタックケースに冷却フィンを設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る燃料電池システムでは、メインラジエータを通過する気流（走行風）と、車両中央部に位置する床下サブラジエータを通過する気流（走行風）と、の合成風を利用する「動圧効果」により効率的な燃料電池の冷却を可能にするという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムを有する車両の構成を示した構成図である。
【図２】本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す構成図である。
【図３】本実施形態に係る燃料電池で生成された反応水をサブラジエータに滴下するパージモジュールを説明する説明図である。
【図４】車両底面側から示した図であり、第１の実施形態に係る燃料電池システムの周囲を流れる冷却風の流れを説明する説明図である。
【図５】車両前面側から示した図であり、第１の実施形態に係る燃料電池システムの周囲を流れる冷却風の流れを説明する説明図である。
【図６】車両側面側から示した図であり、第２の実施形態に係る燃料電池システムの周囲を流れる冷却風の流れを説明する説明図である。
【図７】車両底面側から示した図であり、第２の実施形態に係る燃料電池システムの周囲を流れる冷却風の流れを説明する説明図である。
【図８】車両前面側から示した図であり、第２の実施形態に係る燃料電池システムの周囲を流れる冷却風の流れを説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を実施するための最良の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。
【００２０】
図１は本発明における第１の実施形態である燃料電池車両１の構成を示している。図１の燃料電池車両１には、車両フロント部に設けられＥＶラジエータ１６、ＦＣラジエータ１５及びメインラジエータファン１３が配置されており、メインラジエータファン１３はグリル２１から走行風を取り入れる。車両フロント部には車両を駆動するモータや駆動系が配置されたモータコンパートメントがあり、メインラジエータファン１３により取り込まれた走行風は車両床下部に搭載された燃料電池ケース１０と後方の水素タンク１２へ導かれることになる。
【００２１】
別の走行風は、フード２２とフロントウインドウ２８との間に設けられたカウルトップルーバ２３から導かれ、ダクトを通り車両床下部に搭載された燃料電池ケース１０へ導かれる。燃料電池ケース１０の前方には、空冷フィン１８により熱を放出可能なＤＣ／ＤＣコンバータ１１が配置され、燃料電池ケース１０の下側にはサブラジエータ１７が配置されている。さらに、燃料電池ケース１０の後方には、上述したメインラジエータファン１３による気流と、カウルトップルーバ２３から導かれた走行風と、が合成され、さらに、サブラジエータ１７周りの空気を排出するサブラジエータファン１４により多量の走行風を取り入れることが可能となる。
【００２２】
図２には燃料電池システム２が示されている。燃料電池システム２は、放熱のための燃料電池用のＦＣラジエータ１５と、メインラジエータファン１３と、冷却水の流れを切り替える切替弁２４と、燃料電池スタック２０及び発電時に生成される水を排出してサブラジエータ１７に滴下する排出弁を有するパージモジュール１９とを格納する燃料電池ケース１０と、サブラジエータ１７と、サブラジエータファン１４と、を有している。このパージモジュール１９は、反応水をサブラジエータ１７に滴下することにより気化熱による冷却が可能となっている。
【００２３】
図２の燃料電池システム２では、燃料電池の作動温度を適切に保つため、ポンプ４２によって冷却水が循環されている。ポンプ４２から吐出される冷却水はＦＣラジエータ１５に供給され、ＦＣラジエータ１５によって冷却水が冷却される。図示しない燃料電池制御装置は、始動時や低温走行時において、燃料電池スタック２０の作動温度が低い場合には、燃料電池制御装置は切替弁２４によりサブラジエータ１７をバイパスし、ＦＣラジエータ１５からの冷却水のみを燃料電池スタック２０の冷却路に供給する。これにより、氷点下となる極低温時にも対応している。
【００２４】
高速走行時や長距離坂路走行時等のように燃料電池スタック２０が高温で作動している場合には、切替弁２４により冷却水がサブラジエータ１７に供給され、冷却水が追加冷却された後に燃料電池スタック２０の冷却路に供給される。燃料電池スタック２０の冷却路を通過する際に高温となった冷却水は、ポンプ４２によってＦＣラジエータ１５に送られることになる。さらに、燃料電池スタックが高温状態を継続する場合は、燃料電池スタック２０が発電をし続けている状態であり反応水が大量に発生するため、パージモジュール１９によって反応水を利用し、気化熱冷却を行う。
【００２５】
図３は燃料電池で生成された反応水をサブラジエータに滴下する排出弁（滴下調整弁）を有するパージモジュール１９を示している。パージモジュール１９は燃料電池ケース１０の車両前方側に配置され、サブラジエータ１７は下側に傾斜角θ（例えば、約５度程度）傾けて配置されているため、パージモジュール１９によって滴下された反応水はサブラジエータ１７の表面に沿って広い範囲を濡らすことになる。
【００２６】
反応水は気液分離器によって分離され、通常は排気管に送られ車外に排出される。高速走行・長距離坂路走行時などで燃料電池が高温動作、全力運転を行っている時には、発電に伴い大量の反応水が発生し、大量の反応水が排気管から車外に排出される。そこで、本実施形態では、燃料電池の作動温度に応じてパージモジュール１９にて反応水を滴下し、気化熱によりサブラジエータ１７を効率良く冷却することでサブラジエータの小型化が実現可能となった。
【００２７】
図４は燃料電池システムの周囲を流れる冷却風の流れを車両底面側から示している。本発明における特徴事項の一つは、走行風マネージメントとサブラジエータファン１４による床下送風マネージメントとの合成風により効率よく冷やすというものである。
【００２８】
図４に示したように、燃料電池車両１の床下には複数の導風フィン（導風板）３８，３９を有するフロントアンダーカバー３３が設けられ、ホイールハウスライナ３７に通風用の複数のスリット３６を設け、ＦＣラジエータ１５を通過した走行風の一部を排出させている。また、車両中央部には燃料電池ケース１０と、燃料電池ケースの下側にはサブラジエータ１７が配置され、その後方にはサブラジエータファン１４が配置されている。
【００２９】
図５は燃料電池システムの周囲を流れる冷却風の流れを車両前面側から示している。床下のサブラジエータ１７に導入する走行風は、以下の３方向から取り入れている。第１はモータコンパートメント内からグリル２１、カウルトップルーバ２３、バンパー２６下端等から入ってくる走行風であり、第２の走行風はフロントホイール部からタイヤの回転も加わり乱流となって入ってくる空気である。さらに、第３の走行風はアンダーカバー、フロントのバンパー２６下面から入ってくる空気である。この３方向の走行風のうち、第１のモータコンパートメントから入ってくる空気は、ＦＣラジエータ１５及びＥＶラジエータ１６を通過した後の空気であるため、比較的高温となるが、上述した合成風により風量を増加させることで冷却能力を高めることが可能である。さらに、障害物による通風抵抗を減少させるため、床下の空気を積極的に吸い出すことにより空力性能を向上させると共に燃費も向上させている。
【００３０】
次に、第２の実施形態について記述する。本実施形態では比較的高温となったメインラジエータファン１３の走行風をサブラジエータ１７の冷却に用いるのではなく、近傍を通過させることにより引き込み風を発生させてサブラジエータ１７を通過する走行風を増やすものである。
【００３１】
図６は燃料電池システムの周囲を流れる冷却風の流れを車両側面側から示している。図６に示すように、センタートンネル２７にＤＣ／ＤＣコンバータ１１、フロントシート２５の床下に燃料電池ケース１０を配置、その下方にサブラジエータ１７を配置すると共に、サスペンションアンダーカバー３４の後端に導風フィン３８を追加し、ＦＣアンダーカバー３５にも導風フィン３９を設けている。
【００３２】
本実施形態で特徴的な事項は、図６（Ａ）に示すように、車両中心軸を流れるサブラジエータへ１７の走行風は、カウルトップルーバ２３、ＦＣアンダーカバー３５、フロントアンダーカバー３３下面から入って来る走行風を主に使用することにより冷却効果をさらに高めている。また、図６（Ｂ）に示すように、メインラジエータファン１３を通過した比較的高温の走行風をホイールハウスライナ３７のスリットからフロントタイヤ３１の乱流を利用して排出すると共に、ＦＣアンダーカバー３５に設けた導風フィン３９により車両の中心軸を避けて車両床下の両側から下方後方へ排出された空気は走行風とサブラジエータファン１４の風の流れで発生する「動圧効果」によって排出効果を向上させたことである。
【００３３】
図７は燃料電池システムの周囲を流れる冷却風の流れを車両底面側から示している。図７に示すように、ホイールハウスライナ３７の前後に通風用のスリットを追加し、メインラジエータファン１３の比較的高温になった走行風は、ホールハウス後部のスリットより車両側面に沿って流れ出すことにより、サブラジエータ１７には影響を与えることが少ない。また、フロントタイヤ３１の周囲に発生する乱流を活用してその他の走行風を車両後方へ流すことでタイヤ周りの空力損失を減少させる。さらに、アンダーカバーの導風フィン３８，３９と、走行風にサブラジエータファン１４の力を加えて、床下の風の流れを大きくさせる導風効果によって、走行風の一部は車両中央付近に集約される。
【００３４】
図８は燃料電池システムの周囲を流れる冷却風の流れを車両前面側から示している。走行風をサブラジエータファン１４により車両後方に引き出すことにより、モータコンパートメント内の通風抵抗は減らすことができるため、ＦＣラジエータの大型化によるフロント開口部が大きくなっても空力性能を低下を抑えることが可能となる。また、このような走行風の流れを作ることで効率良くＤＣ／ＤＣコンバータ１１、燃料電池ケース１０及びサブラジエータ１７を冷やすということを可能にしている。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明に係る燃料電池システムの冷却方法は、上述した燃料電池下部に設けたサブラジエータとサブラジエータファンにより燃料電池の冷却が可能となることから、燃料電池車両に好適に適用することが可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１  燃料電池車両、２  燃料電池システム、１０  燃料電池ケース、１１  ＤＣ／ＤＣコンバータ、１２  水素タンク、１３  メインラジエータファン、１４  サブラジエータファン、１５  ＦＣラジエータ、１６  ＥＶラジエータ、１７  サブラジエータ、１８  空冷フィン、１９  パージモジュール、２０  燃料電池スタック、２１  グリル、２２  フード、２３  カウルトップルーバ、２４  切替弁、２５  フロントシート、２６  バンパー、２７  センタートンネル、２８  フロントウインドウ、３１  フロントタイヤ、３３  フロントアンダーカバー、３４  サスペンションアンダーカバー、３５  ＦＣアンダーカバー、３６  スリット、３７  ホイールハウスライナ、３８，３９  導風フィン、４２  ポンプ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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