(57)【要約】【課題】簡単な構造で燃料電池冷却装置の絶縁性向上を図る。【解決手段】燃料電池と、前記燃料電池が収納され車体に電気的に接続された導電性材料からなるＦＣボックス４と、前記燃料電池とＦＣボックス４の外部に設置されたラジエータとの間で冷却水を循環させることで前記燃料電池を冷却する冷却水循環路１０Ａ，１０Ｂと、ＦＣボックス４を貫通して冷却水循環路１０Ａ，１０Ｂを接続するステンレス製の継手２０とを備え、継手２０とＦＣボックス４とを電気的に接続する。【選択図】    図３
2004179115.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池が収納され車体に電気的に接続された導電性材料からなるボックスと、
前記燃料電池と前記ボックスの外部に設置されたラジエータとの間で冷媒を循環させることで前記燃料電池を冷却する冷媒循環路と、
前記冷媒循環路が前記ボックスを貫通する部位の近傍に設けられて前記冷媒と前記ボックスとを電気的に接続する等電位化手段と、
を備え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。
【請求項２】
前記冷媒循環路における少なくとも前記ボックス内に収容されている部分は、絶縁性を備えた材料からなる管路で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池自動車の燃料電池冷却装置。
【請求項３】
前記等電位手段は、前記ボックスの内部の前記冷媒循環路と前記ボックスの外部の前記冷媒循環路とを接続する導電性材料からなる継手で構成されており、この継手が前記ボックスに電気的接続状態で固定されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池自動車の燃料電池冷却装置。
【請求項４】
前記等電位手段は、前記ボックスの内部の前記冷媒循環路の一部をなす導電性材料からなる管体と、この管体を前記ボックスに電気的に接続するアース手段と、を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池自動車の燃料電池冷却装置。
【請求項５】
前記管体は前記冷媒循環路から分岐した分岐管の一部をなすことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池自動車の燃料電池冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【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】
燃料電池自動車等に搭載される燃料電池としては、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、水素ガス）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、この種の燃料電池は発電に発熱を伴うので、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装置を備えている。
【０００３】
例えば、特許文献１に開示された燃料電池システムでは、ボックスに収納された燃料電池と前記ボックスの外部に設置された熱交換器を冷却配管で接続して閉ループの冷却液循環路を形成し、この冷却液循環路で冷却液を循環させることにより、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、冷却された冷却液を再び燃料電池に供給して燃料電池を冷却している。
また、燃料電池自動車に搭載の燃料電池システムでは絶縁性が極めて重要であり、特許文献１には、前記冷却液として電気絶縁性液体を用いることで前記ボックスの外部との電気絶縁性を確保する技術が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−３３１０８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、燃料電池を冷却する冷媒として電気絶縁性液体を用いると、電気絶縁性を確保することはできるものの、電気絶縁性液体は比熱が大きく、粘度が高いので、燃料電池との熱の授受が行われづらく、冷却性能が低下するという不具合があった。
そこで、この発明は、簡単な構造で、燃料電池の冷却性能が低下することがなく、絶縁性の向上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。
【０００６】
【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、前記燃料電池が収納され車体（例えば、後述する実施の形態におけるメインフレーム２）に電気的に接続された導電性材料からなるボックス（例えば、後述する実施の形態におけるＦＣボックス）と、前記燃料電池と前記ボックスの外部に設置されたラジエータ（例えば、後述する実施の形態におけるラジエータ３）との間で冷媒（例えば、後述する実施の形態における冷却水）を循環させることで前記燃料電池を冷却する冷媒循環路（例えば、後述する実施の形態における冷却水循環路１０）と、前記冷媒循環路が前記ボックスを貫通する部位の近傍に設けられて前記冷媒と前記ボックスとを電気的に接続する等電位化手段（例えば、後述する実施の形態における継手２０、接続管４０、アース線５０）と、を備え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。
このように構成することにより、冷媒循環路内の冷媒を、等電位化手段およびボックスを介して車体に電気的に接続することが可能になる。また、冷媒循環路がボックスを貫通する部位の近傍に等電位化手段を設けたことにより、燃料電池と等電位化手段との距離を長くとることが可能になるので、冷媒の電気抵抗を増大させることが可能になる。
【０００７】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記冷媒循環路における少なくとも前記ボックス内に収容されている部分は、絶縁性を備えた材料からなる管路（例えば、後述する実施の形態における配管１２）で形成されていることを特徴とする。
このように構成することにより、ボックス内における絶縁性を向上させることができる。
【０００８】
請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記等電位手段は、前記ボックスの内部の前記冷媒循環路と前記ボックスの外部の前記冷媒循環路とを接続する導電性材料からなる継手（例えば、後述する実施の形態における継手２０）で構成されており、この継手が前記ボックスに電気的接続状態で固定されていることを特徴とする。
このように構成することにより、簡単な構成で冷媒とボックスとを電気的に接続することが可能になる。
【０００９】
請求項４に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記等電位手段は、前記ボックスの内部の前記冷媒循環路の一部をなす導電性材料からなる管体（例えば、後述する実施の形態における接続管４０）と、この管体を前記ボックスに電気的に接続するアース手段（例えば、後述する実施の形態におけるアース線５０）と、を備えることを特徴とする。
このように構成することにより、簡単な構成で冷媒とボックスとを電気的に接続することが可能になる。
【００１０】
請求項５に係る発明は、請求項４に記載の発明において、前記管体は前記冷媒循環路から分岐した分岐管の一部をなすことを特徴とする。
このように構成することにより、簡単な構成で冷媒とボックスとを電気的に接続することが可能になる。
【００１１】
【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実施の形態を図１から図４の図面を参照して説明する。
図１は燃料電池冷却装置１を搭載した燃料電池自動車Ｖの側面透視図であり、図２は同平面透視図である。
燃料電池自動車Ｖは、車両の後部に水素タンク９が設置され、車両の前部にラジエータ３および車両駆動モータ８が設置され、水素タンク９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２の下部にＦＣボックス４が設置されている。ＦＣボックス４はステンレスなど導電性材料から形成されており、燃料電池自動車Ｖの車体の一部をなすメインフレーム２に電気的に接続されている。
ＦＣボックス４は密閉された箱であり、ＦＣボックス４の内部には、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７と、図示しない加湿器等の周辺機器が収納されている。
【００１２】
燃料電池５は、固体高分子電解質膜をアノードとカソード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、水素タンク９から水素が供給され、図示しない圧縮機から酸素を含む空気が供給されて発電を行う。そして、この燃料電池５の発電電力が車両駆動モータ８に供給され、その駆動力で燃料電池自動車Ｖは推進する。
【００１３】
また、燃料電池５は冷却水（冷媒）が流通する冷却通路を備えており、この冷却通路に冷却水を流通させることによって燃料電池５は冷却され、所定温度に制御される。
ＦＣボックス４の内部に設置された燃料電池５とＦＣボックス４の外部に設置されたラジエータ４は、閉ループの冷却水循環路１０によって接続されており、この冷却水循環路１０に冷却水を循環させることにより、燃料電池５から熱を奪って温まった冷却水をラジエータ３で放熱して冷却し、冷却された冷却水を再び燃料電池５に供給して燃料電池５を冷却している。なお、この実施の形態では、燃料電池５の冷却水入口５ａと冷却水出口５ｂはいずれも燃料電池５における車両後方側に設けられている。
冷却水ポンプ６とサーモスタットバルブ７は冷却水循環路１０の途中に配置されている。また、冷却水循環路１０には、ラジエータ３をバイパスさせて冷却水を流通可能にするバイパス通路１１が接続されており、このバイパス通路１１は冷却水循環路１０における冷却水ポンプ６の下流側とサーモスタットバルブ７とを接続している。
【００１４】
サーモスタットバルブ７は冷却水の温度に応じて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以下のときには、冷却水をラジエータ３に流さずバイパス通路１１に流れるように流路を切り替える。ことのき冷却水は、燃料電池５の冷却水出口５ｂ→冷却水ポンプ６→バイパス通路１１→サーモスタットバルブ７→燃料電池５の冷却水入口５ａという経路を循環する。また、サーモスタットバルブ７は、所定温度ｔ２（ｔ１＜ｔ２）以上のときに、冷却水をバイパス通路１１に流さずラジエータ３に流れるように流路を切り替える。このとき冷却水は、図２において矢印で示すように、燃料電池５の冷却水出口５ｂ→冷却水ポンプ６→ラジエータ３→サーモスタットバルブ７→燃料電池５の冷却水入口５ａという経路を循環する。冷却水がこの経路を循環するときに、冷却水はラジエータ３において空気と熱交換して冷却され、冷却された冷却水が燃料電池５を流通する際に燃料電池５を冷却する。これにより、燃料電池５が所定温度に制御される。
【００１５】
冷却水循環路１０は、サーモスタットバルブ７の上流においてＦＣボックス４を貫通するとともに、冷却水ポンプ６の下流であってバイパス通路１１への分岐部の下流においてＦＣボックス４を貫通している。
また、冷却水循環路においてＦＣボックス４の内部に収容されている部分１０ＡとＦＣボックス４の外部に設置されている部分１０Ｂ（以下、それぞれ冷却水循環路１０Ａ、冷却水循環路１０Ｂと記す）は、サーモスタットバルブ７の近傍においてＦＣボックス４を貫通する部位Ｘで、図３に示すように継手２０によって接続されている。
【００１６】
この実施の形態では、ＦＣボックス４の内部および外部の冷却水循環路１０Ａ、冷却水循環路１０Ｂのいずれもが、極めて絶縁性の高い配管（管路）、例えばアルミニウム製の管体の表面にアルマイト処理を施した配管１２、１３で形成されている。また、バイパス通路１１も同様な構成からなる極めて絶縁性の高い配管で形成されている。
これに対して、配管１２と配管１３を接続する継手２０は極めて導電性の高い材料（例えば、ステンレスなど）で形成されている。
継手２０は、一端が配管１２に他端が配管１３に挿入固定される管部２１と、管部２１の軸線方向略中央に設けられたフランジ部２２を備え、フランジ部２２をＦＣボックス４の内面４ａに接触させてボルト・ナット２３によりＦＣボックス４に固定されている。すなわち、継手２０はＦＣボックス４に電気的接続状態に固定されており、継手２０は冷却水とＦＣボックス４を電気的に接続する等電位化手段ということができる。
【００１７】
このように、構成された燃料電池冷却装置１においては、冷却水循環路１０がＦＣボックス４を貫通する部位Ｘの近傍で継手２０がＦＣボックス４を介して車体に電気的に接続されているので、万が一、燃料電池５から冷却水に電気が流れたとしても、電気を継手２０からＦＣボックス４を通して車体に逃がすことができ、ＦＣボックス４の外部の冷却水に電気が流れることはない。したがって、ＦＣボックス４の外部に対し極めて高い絶縁性を確保することができる。その結果、冷却水の電気絶縁性を考慮しなくても冷却装置としての電気絶縁性を確保することができるので、冷却水の選択の自由度が増し、冷却性能が低下することもない。
【００１８】
特に、この実施の形態では、燃料電池５の冷却水出口５ｂが燃料電池５における車両後方側に設けられているので、車両前方側に設ける場合よりも、冷却水出口５ｂから継手２０までの流路長さを長くすることができ、流路長さが長い分だけ冷却水の電気抵抗を増大させることが可能になるので、ＦＣボックス４内の冷却水のもつ電位を十分に低く保つことが可能となり、絶縁距離を十分に確保することができる。
【００１９】
前述した実施の形態では、冷却水循環路１０がサーモスタットバルブ７の近傍においてＦＣボックス４を貫通する部位Ｘで、継手２０を介して冷却水とＦＣボックス４を電気的に接続したが、これに加えて、冷却水循環路１０が冷却水ポンプ６の近傍においてＦＣボックス４を貫通する部位Ｙで、冷却水とＦＣボックス４を電気的に接続することも可能である。
その場合、前記継手２０を用いて同様の構成にすることも可能であるが、冷却水循環路１０が冷却水ポンプ６の下流においてバイパス通路１１を分岐している構成を生かして、図４に示すように、Ｔ字形の継手３０と、接続管（管体）４０と、アース線５０を用いて、冷却水とＦＣボックス４を電気的に接続することも可能である。
【００２０】
以下、図４に示す態様について説明する。
ＦＣボックス４の内部および外部の冷却水循環路１０Ａ，１０Ｂがいずれも極めて絶縁性の高い配管１２，１３で形成されている点、および、バイパス通路１１も配管１２，１３と同じ構成の極めて絶縁性の高い配管１４で形成されている点は、図３に示す態様の場合と同じである。
ＦＣボックス４内部の冷却水循環路１０Ａの配管１２と外部の冷却水循環路１０Ｂの配管１３およびバイパス通路１１の配管１４は、Ｔ字形の継手３０と接続管４０によって接続されている。この継手３０も、配管１２〜１４と同様に極めて絶縁性の高い材料で形成されており、例えばアルミニウムを基材としてその表面をアルマイト処理したもので形成されている。これに対して、接続管４０は、極めて導電性の高い材料（例えば、ステンレスなど）で形成されている。
【００２１】
継手３０は、ＦＣボックス４の内部の配管１２あるいは外部の配管１３に挿入される管部３１、３２と、ＦＣボックス４の内面４ａにボルト・ナット３５で固定される取付ベース３３と、取付ベース３３に設けられた冷却水分岐孔３４とを備えている。
この取付ベース３３の冷却水分岐孔３４に接続管４０が固定されている。接続管４０は、一端が冷却水分岐孔３４に挿入固定され他端が配管１４に挿入固定される管部４１と、管部４１の軸線方向略中央に設けられたブラケット部４２を備えている。なお、冷却水分岐孔３４と管部４１はパッキン４３によってシールされている。
ブラケット部４２は、アース線５０の一方の端子５１とともにボルト・ナット４４によって取付ベース３３に固定されており、これにより接続管４０とアース線５０が電気的に接続されている。アース線５０の他方の端子５２は、ＦＣボックス４のアース端子取付座４ｂに電気的に接続されるとともに、ボルト・ナット５３によって固定されている。
【００２２】
このように構成したことにより、冷却水循環路１０内の冷却水は、接続管４０およびアース線５０を介してＦＣボックス４に電気的に接続されている。したがって、接続管４０とアース線５０は、冷却水とＦＣボックス４を電気的に接続する等電位化手段ということができる。
【００２３】
この燃料電池冷却装置１においては、冷却水循環路１０がＦＣボックス４を貫通する部位Ｙの近傍で、接続管４０がアース線５０とＦＣボックス４を介して車体に電気的に接続されているので、万が一、燃料電池５から冷却水に電気が流れたとしても、電気を接続管４０からアース線５０、ＦＣボックス４に通して車体に逃がすことができ、ＦＣボックス４の外部の冷却水に電気が流れることはない。したがって、ＦＣボックス４の外部に対し極めて高い絶縁性を確保することができる。その結果、冷却水に電気絶縁性液体を用いなくても電気絶縁性を確保することができるので、冷却水の選択の自由度が増し、冷却性能が低下することもない。
【００２４】
特に、この実施の形態では、燃料電池５の冷却水入口５ａが燃料電池５における車両後方側に設けられているので、車両前方側に設ける場合よりも、冷却水入口５ａから接続管４０までの流路長さを長くすることができ、流路長さが長い分だけ冷却水の電気抵抗を増大させることが可能になるので、ＦＣボックス４内の冷却水のもつ電位を十分に低く保つことが可能となり、絶縁距離を十分に確保することができる。
なお、この実施の形態において、バイパス通路１１と接続管４０は冷却水循環路１０の一部を構成している管体であり、冷却水循環路１０から分岐した分岐管を構成し、接続管４０は分岐管の一部を構成している。また、分岐管の一部を構成する接続管４０をアース線５０を用いてＦＣボックス４に接続する構成にしたが、この接続管（管体）４０は特に分岐管の一部でなくてもよい。つまり、ＦＣボックス４内の冷却水循環路１０の一部を構成する導電性の管部材（管体）を設け、その管部材とＦＣボックス４とをアース線で接続することも可能である。このように構成することによって、簡単な構造で燃料電池自動車の絶縁性を向上することができる。
【００２５】
〔他の実施の形態〕
なお、この発明は前述した実施の形態に限られるものではない。
例えば、冷却水循環路１０から分岐する分岐管はバイパス通路１１以外であってもよい。
また、バイパス通路１１を絶縁性材料で構成したが、冷却水循環路１０がＦＣボックス４を貫通する部位ＸおよびＹに等電位化手段を設けた場合は、導電性材料で構成してもよく、この場合、図４に示した第２の実施の形態における接続管４０とバイパス通路１１とを一体化することができる。
また、等電位化手段は、冷却水循環路１０がＦＣボックス４を貫通する部位Ｘ，Ｙの近傍に設けてあればよく、燃料電池５と等電位化手段までの冷却水循環路１０の長さを十分に長くとれるのであれば図４に示すように離れた位置に設けてもよい。また、図３に示したような導電性材料からなる継手をＦＣボックス４を貫通する部位Ｘ，Ｙの近傍に設けることも可能である。
また、継手２０や接続管４０は導線性に優れた材料であればステンレス以外の材料で形成することも可能である。
さらに、冷却水循環路１０の配管１２，１３、および、バイパス通路１１の配管１４は、表面がアルマイト処理されたアルミ管以外の絶縁性を備えた材料で構成することも可能である。
【００２６】
【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、冷媒循環路内の冷媒を等電位化手段およびボックスを介して車体に電気的に接続することができるので、万が一に燃料電池から冷媒に電気が流れたときにも、この電気を継手からボックスを通して車体に逃がすことができ、ボックスの外部の冷媒に電気が流れることがなく、ボックスの外部に対し極めて高い絶縁性を確保することができるという優れた効果が奏される。さらに、冷媒循環路がボックスを貫通する部位の近傍に等電位化手段を設けたことにより、燃料電池と等電位化手段との距離を長くとることが可能になるので、冷媒の電気抵抗を増大させることが可能となり、ボックス内の冷媒のもつ電位を低くすることができる。また、冷媒に電気絶縁性液体を用いなくても電気絶縁性を確保することができるので、冷媒の選択の自由度が増し、冷却性能が低下することもない。
【００２７】
請求項２に係る発明によれば、請求項１の効果に加えて、ボックス内における絶縁性を向上させることができるという効果がある。
請求項３から請求項５に係る発明によれば、簡単な構成で冷媒とボックスとを電気的に接続することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る燃料電池冷却装置を搭載した燃料電池自動車の一実施の形態における側面透視図である。
【図２】前記実施の形態における燃料電池自動車の平面透視図である。
【図３】前記実施の形態における燃料電池冷却装置の要部を示す断面図である。
【図４】この発明の他の実施の形態における燃料電池冷却装置の要部を示す断面図である。
【符号の説明】
１  燃料電池冷却装置
２  メインフレーム（車体）
３  ラジエータ
４  ＦＣボックス（ボックス）
５  燃料電池
１０  冷却水循環路（冷媒循環路）
１１  バイパス通路（分岐管）
１２  配管（管路）
２０  継手（等電位化手段）
４０  接続管（管体）
５０  アース線（アース手段）
Ｖ  燃料電池自動車
【図１】
2004179115.tif 000003
【図２】
2004179115.tif 000004
【図３】
2004179115.tif 000005
【図４】
2004179115.tif 000006