(57)【要約】【課題】  限られた床下スペースの中で、燃料電池から抜き取った冷却水を貯蔵するタンクの容積と配置場所を考慮して、燃料電池の低温起動性を向上させることのできる燃料電池自動車を提供する。【解決手段】  車両の床下であるフロアパネル３に搭載された燃料電池１と、該燃料電池１を冷却水１８にて温度調整する冷却システムとを備え、該冷却システムを構成する冷却水構成部品のうち少なくとも一つをフロアパネル３に配置してなる燃料電池自動車において、フロアパネル３に配置した冷却水構成部品である冷却水流入遮断弁８、ポンプ９、冷却水排出弁１０、空気取り込み弁１１及び循環弁１２をタンク５内に収容し、冷却水構成部品流路１３と該タンク５との連通路１７を冷却水排出弁１０で開閉自在とした。低温起動時には、燃料電池１内の冷却水を、冷却水構成部品を収容させたタンク７内に取り込んで一時的に貯蔵する。【選択図】      図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両の床下に搭載された燃料電池と、該燃料電池を冷却水にて温度調整する冷却システムとを備え、該冷却システムを構成する冷却水構成部品のうち少なくとも一つを床下に配置してなる燃料電池自動車であって、
前記床下に配置した冷却水構成部品をタンク内に収容し、その冷却水構成部品の流路と、該タンクとの連通路を開閉自在とする弁を有した
ことを特徴とする燃料電池自動車。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池自動車であって、
前記タンクを断熱構造とした
ことを特徴とする燃料電池自動車。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池自動車であって、
燃料電池システムの低温起動開始時に、前記燃料電池内部の冷却水を、前記弁を開いて前記タンク内に供給し貯蔵させる
ことを特徴とする燃料電池自動車。
【請求項４】
少なくとも請求項１から請求項３の何れか一つに記載の燃料電池自動車であって、
前記タンク内に発熱手段を設けた
ことを特徴とする燃料電池自動車。
【請求項５】
少なくとも請求項１から請求項４の何れか一つに記載の燃料電池自動車であって、
前記冷却水構成部品の一つである熱交換器と前記タンク内の冷却水構成部品とを接続する流路を遮断する弁を設けた
ことを特徴とする燃料電池自動車。
【請求項６】
少なくとも請求項１から請求項５の何れか一つに記載の燃料電池自動車であって、
前記タンクをセンタートンネル部に設けると共に、該タンクを前記燃料電池よりも高い位置に配置させた
ことを特徴とする燃料電池自動車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池自動車に関し、氷点下などの低温環境状態から燃料電池システムを素早く起動させるための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池自動車では、氷点下などの低温環境下においても内燃機関と同様、極力早く燃料電池システムが起動できることが望ましい。しかしながら、特に寒冷地などで低温環境下に置かれる燃料電池自動車の分野では、燃料電池の熱容量の大きさがその起動性を妨げる要因となっている。
【０００３】
そこで、低温起動時の燃料電池の迅速な暖気を目的として、燃料電池システム停止後に燃料電池内部の冷却水を一時的に抜き、熱容量を低減することで起動時間を短縮する技術が開示されている（例えば、特許文献１、２など参照）。
【特許文献１】特開２００４−２２４３６号公報（第４頁から第７頁、第２図）
【特許文献２】特開２００３−２５７４６０号公報（第６頁から第８頁、第７図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１及び特許文献２では、何れも燃料電池内部の冷却水を別途設けたタンクに抜いて一時的に貯蔵するものであるが、そのタンクの容積や配置場所に関しては、これら特許文献１、２では何ら考慮されていない。特に、床下にタンクを配置する場合は、狭い床下スペースの問題からタンク容量や配置場所に大きな制約を受ける。
【０００５】
そこで、本発明は、限られた床下スペースの中で、燃料電池から抜き取った冷却水を貯蔵するタンクの容積と配置場所を考慮して、燃料電池の低温起動性を向上させることのできる燃料電池自動車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】
【０００６】
本発明は、車両の床下に搭載された燃料電池と、該燃料電池を冷却水にて温度調整する冷却システムとを備え、該冷却システムを構成する冷却水構成部品のうち少なくとも一つを床下に配置した燃料電池自動車である。
【０００７】
そして、本発明の燃料電池自動車では、床下に配置した冷却水構成部品をタンク内に収容し、その冷却水構成部品の流路と、該タンクとの連通路を開閉自在とする弁を設けた。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の燃料電池自動車によれば、床下に配置した冷却水構成部品をタンク内に収容させ、その冷却水構成部品の流路と、該タンクとの連通路を開閉自在とする弁を設けたことで、この弁を開けば、燃料電池内部の冷却水を冷却水構成部品が収容されるタンク内に抜き取って貯蔵することができる。
【０００９】
したがって、本発明によれば、タンク内に収容された冷却水構成部品の外周空間部を冷却水貯蔵部として使用できることからタンク専用の設置スペースを設けることなく、狭い床下スペースを十分に活用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１１】
図１は燃料電池自動車における燃料電池及び冷却水構成部品などの配置位置を示す模式図、図２は図１の燃料電池自動車における燃料電池及び冷却水構成部品の床下レイアウトを示す斜視図、図３はポンプの負圧を利用して燃料電池内部の冷却水をタンク内に抜き取る状態を示した流路接続構成図、図４は重力を利用してタンク内の冷却水を燃料電池に戻す状態を示した流路接続構成図、図５はコンプレッサによる空気を燃料電池内に送り込んで燃料電池内部の冷却水をタンク内に抜き取る状態を示した流路接続構成図、図６はコンプレッサによる空気をタンク内に送り込んで該タンク内の冷却水を燃料電池に戻す状態を示す流路接続構成図、図７は燃料電池内の冷却水をタンク内に抜き出して貯蔵させた状態を示す流路接続構成図である。
【００１２】
本実施の形態の燃料電池自動車は、図１及び図２に示すように、燃料電池システムの主要構成部品である燃料電池（燃料電池スタック）１と、この燃料電池１で発電したエネルギーで駆動するモータと、発電時に燃料電池に生じる熱を放熱して温度調整するための冷却システムとを有する。
【００１３】
この燃料電池自動車においては、燃料電池１を車両２の床下であるフロアパネル３の下に搭載（配置）し、さらに、この燃料電池１を冷却水にて温度調整する冷却システムを構成する冷却水構成部品の一つであるラジエータ（熱交換器）４を、前記車両２の前方（モータルーム）に配置させている。なお、燃料電池１は、断熱機能付きの燃料電池ケース１４内に収容されて保護されている。
【００１４】
前記フロアパネル３の下であって燃料電池１の前方に形成された矩形状空間は、空気加湿装置や空気調圧弁などの空気系部品、水素循環装置、水素調圧弁などの水素系部品、及び冷却水構成部品などを配置させるための床下燃料電池システムエリア５とされている。
【００１５】
この床下燃料電池システムエリア５のうちセンタートンネル部６には、燃料電池１を冷却水にて温度調整するための冷却水構成部品を内部に収容させ、且つ燃料電池１から抜き取った冷却水を一時的に貯蔵させておくためのタンク７が配置されている。かかるタンク７は、狭い床下スペースのうち比較的スペースの取れるセンタートンネル部６に配置されることで十分な容積が確保される。
【００１６】
タンク７内に配置される冷却水構成部品としては、例えば図３に示すように、冷却水流入遮断弁８と、ポンプ９と、冷却水排出弁１０と、空気取り込み弁１１と、循環弁１２と、これらを接続する冷却水構成部品流路１３（１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ）とからなる。
【００１７】
冷却水流入遮断弁８は、ラジエータ４から燃料電池１へと冷却水を流通させる導入側の冷却水構成部品流路１３Ａの上流側に設けられており、該ラジエータ４から燃料電池１へ供給される冷却水の流入を遮断する。ポンプ９は、冷却水流入遮断弁８の後方であって前記導入側の冷却水構成部品流路１３Ａに設けられており、当該冷却水構成部品流路１３内を流れる冷却水や空気を流動させる。
【００１８】
冷却水排出弁１０は、前記ポンプ９の流出側に設けられ、冷却水構成部品流路１３内の冷却水をタンク７内に排出させる。この冷却水排出弁１０には、タンク７と連通する連通路１７が接続されている。
【００１９】
空気取り込み弁１１は、冷却水排出弁１０の流出側に設けられ、この導入側の冷却水構成部品流路１３Ａとタンク７内とを連通させ、燃料電池１の内部と当該冷却水構成部品流路１３Ｂと１３Ｃと１３Ａ内に空気を導く。循環弁１２は、燃料電池１からラジエータ４へ冷却水を循環させる帰還側の冷却水構成部品流路１３Ｂと、この帰還側の冷却水構成部品流路１３Ｂと導入側の冷却水構成部品流路１３Ａとを結ぶ連結用の冷却水構成部品流路１３Ｃの交点に設けられ、冷却水のラジエータ４への帰還又はその帰還阻止をする。
【００２０】
本実施の形態の燃料電池自動車では、例えば氷点下などの低温環境下のもとで燃料電池システムを起動する場合、先ず、冷却水流入遮断弁８を閉じてラジエータ４から燃料電池１への冷却水の導入を遮断した後、ポンプ９を作動させて燃料電池１内部の冷却水を吸い上げる。
【００２１】
このとき、空気取り込み弁１１を開いてタンク７内の空気を燃料電池１の内部と導入側の冷却水構成部品流路１３Ｂと１３Ｃと１３Ａ内に吸い込む。このように、ポンプ９の負圧を利用することで、断熱機能付きの燃料電池ケース１４で保温された冷却水を、燃料電池１内から冷却水構成部品流路１３を通してタンク７内に抜き取ることができる。タンク７内には、燃料電池１内から抜き取られた冷却水が満たされることになる。
【００２２】
このような低温環境下のもとで燃料電池システムを起動する場合は、燃料電池１内部の冷却水が抜かれてタンク７内に一時的に貯蔵された状態にあることから、当該燃料電池１内の熱容量が低減された状態にある。したがって、燃料電池システムを低温環境下で作動させても燃料電池１の温度を効率良く上昇させることができ、当該燃料電池システムの発電起動性を高めることができる。
【００２３】
燃料電池システムが起動した後は、タンク７内に一時的に貯蔵させた冷却水を燃料電池１へと戻す。タンク７から燃料電池１へ冷却水を戻すには、図４に示すように、空気取り込み弁１１からタンク７内へ空気を出し、燃料電池１よりも高い位置に配置させたタンク７から重力を利用して冷却水を燃料電池１へと戻す。このように、タンク７を燃料電池１よりも高い位置（車両高さ方向でフロアパネル３に近い位置）に設けたことで、重力を利用して簡単に冷却水を燃料電池１へと戻すことができる。
【００２４】
燃料電池１から冷却水をタンク７内に抜く方法としては、前記した例の他に、図５に示すように、前記冷却水流入遮断弁８を閉じてラジエータ４から燃料電池１への冷却水の導入を遮断した後、コンプレッサ１５から圧縮した空気を空気導入用弁１６を介して空気取り込み弁１１へと吹き込み、当該空気を燃料電池１内に送り込む。燃料電池１内の冷却水は、このコンプレッサ１５によって吹き込まれた空気の圧力によって冷却水構成部品流路１３へと押し出され、最終的に冷却水排出弁１０から連通路１７を介してタンク７内へと供給される。
【００２５】
また、タンク７から燃料電池１へ冷却水を戻す方法としては、前記した例の他に、図６に示すように、コンプレッサ１５からの圧縮空気を、タンク７の上部に設けた空気導入用弁１６から当該タンク７内に吹き込んで、その圧力によって連通路１７から冷却水排出弁１０を介してタンク７内の冷却水を燃料電池１へと戻す。
【００２６】
以上のように、本実施の形態の燃料電池自動車では、フロアパネル３の下に配置した冷却水構成部品をタンク７内に収容し、その冷却水構成部品の流路である冷却水構成部品流路１３と、該タンク７との連通路１７を開閉自在とする弁である冷却水排出弁１０を設けたことで、燃料電池１内部の冷却水を冷却水構成部品が収容されるタンク７内に抜き取って貯蔵させることができる。
【００２７】
図７は、発電によって暖められた燃料電池１内の冷却水１８がタンク７内に貯蔵された状態を示す。タンク７内に冷却水構成部品よりも温度が高い（温度低下が少ない）燃料電池１内の冷却水１８が満たされることで、冷却水構成部品を昇温でき、燃料電池システムの起動時間を低減することが可能となる。
【００２８】
このように、本実施の形態の燃料電池自動車によれば、氷点下などの低温環境下に長時間放置された状態からも燃料電池システムを内燃機関と同じように素早く起動させることができる。したがって、寒冷地などで燃料電池自動車を走らせることが可能となる。
【００２９】
また、本実施の形態の燃料電池自動車によれば、タンク７内に収容した冷却水構成部品の外周空間部（残スペース）を、冷却水貯蔵部として使用できることからタンク専用の設置スペースを設けることなく、狭い床下スペースを十分に活用することができる。
【００３０】
また、本実施の形態の燃料電池自動車によれば、ラジエータ４とタンク７内の冷却水構成部品流路１３とを遮断する弁である循環弁１２を設けたことで、冷却水１８がラジエータ４で冷却されないショートサーキットが構成される。ショートサーキットを構成することで、ラジエータ４側の冷却水は保持したまま、燃料電池１から抜き取った冷却水１８は、タンク７内へ供給され貯蔵される。
【００３１】
このように、ショートサーキットをタンク７外に設置するよりもタンク７内に設置する方が断熱され易く、より燃料電池システムの安定した早期昇温を実現できる。
【００３２】
以上、本発明を適用した具体的な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に制限されることなく種々の変更が可能である。
【００３３】
例えば、図８に示すように、前記した冷却水構成部品を収容させるタンク７を断熱構造とする。断熱構造としては、例えば、タンク７の外周壁７ａを覆ってガラスウールなどの断熱材１９を設ける。または、タンク７自体を断熱性の高い樹脂などで成形する。
【００３４】
このようにすれば、燃料電池自動車を氷点下などの低温環境下に長時間放置したとしてもタンク７内に設けた冷却水構成部品及び冷却水１８の保温性能が向上し、燃料電池システム起動時における冷却水構成部品の温度低下を防止することができ、燃料電池１内の冷却水の昇温時間を大幅に短縮することができる。
【００３５】
この他、図９に示すように、タンク７内に発熱手段であるヒータ２０を設けるようにしてもよい。タンク７内にヒータ２０を設ければ、タンク７内の冷却水１８を昇温させることができると共に、冷却水構成部品と、その冷却水構成部品内の冷却水１８も昇温できる。これにより、冷却水１８の温度均一性が向上し、該温度均一化により不凍液と混ざった冷却水１８の粘度が均一化され、ポンプ運転による冷却水量の均一化が図れ、温度と流量が安定した冷却水１８によって安定した発電を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】燃料電池自動車における燃料電池及び冷却水構成部品などの配置位置を示す模式図である。
【図２】図１の燃料電池自動車における燃料電池及び冷却水構成部品の床下レイアウトを示す斜視図である。
【図３】ポンプの負圧を利用して燃料電池内部の冷却水をタンク内に抜き取る状態を示した流路接続構成図である。
【図４】重力を利用してタンク内の冷却水を燃料電池に戻す状態を示した流路接続構成図である。
【図５】コンプレッサによる空気を燃料電池内に送り込んで燃料電池内部の冷却水をタンク内に抜き取る状態を示した流路接続構成図である。
【図６】コンプレッサによる空気をタンク内に送り込んで該タンク内の冷却水を燃料電池に戻す状態を示した流路接続構成図である。
【図７】燃料電池内の冷却水をタンク内に抜き出して貯蔵させた状態を示した流路接続構成図である。
【図８】タンクを断熱構造としたときの流路接続構成図である。
【図９】タンク内にヒータを設けたときの流路接続構成図である。
【符号の説明】
【００３７】
１…燃料電池
２…車両
３…フロアパネル（床下）
４…ラジエータ（熱交換器）
５…床下燃料電池システムエリア
６…センタートンネル部
７…タンク
８…冷却水流入遮断弁（冷却水構成部品）
９…ポンプ（冷却水構成部品）
１０…冷却水排出弁（冷却水構成部品）
１１…空気取り込み弁（冷却水構成部品）
１２…循環弁（冷却水構成部品）
１３…冷却水構成部品流路
１３Ａ…導入側の冷却水構成部品流路
１３Ｂ…帰還側の冷却水構成部品流路
１３Ｃ…連結用の冷却水構成部品流路
１５…コンプレッサ
１６…空気導入用弁
１７…連通路
１８…冷却水
【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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【図９】
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