(57)【要約】【課題】  燃料電池の暖機時間を短縮化する。【解決手段】  燃料電池５を車両床下に配置する一方、燃料電池冷却用の冷却水を冷却するラジエータ９を車両前部のモータルームに設置する。燃料電池５とラジエータ９とを冷却水回路１１で接続し、ラジエータ９をバイパスするバイパス回路１７を冷却水回路１１に接続する。このバイパス回路１７および冷却水ポンプ１９を車両床下に配置し、燃料電池５の暖機運転時にバイパス回路１７に冷却水を流して、暖機を促進する。【選択図】      図１
2005108458.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両床下に配置した燃料電池に対し温度調整を行う燃料電池の温度調整装置において、前記燃料電池を冷却する冷却水を車両前方のモータルームに設置した熱交換器に流通させる冷却水回路と、この冷却水回路に接続されて前記熱交換器をバイパスするバイパス回路と、前記燃料電池と前記バイパス回路との間の前記冷却水回路に設けられて冷却水を循環させる冷却水ポンプとをそれぞれ有し、前記バイパス回路および前記冷却水ポンプを、前記モータルーム後方の前記車両床下に配置したことを特徴とする燃料電池の温度調整装置。
【請求項２】
前記バイパス回路に、冷却水中のイオンを除去するイオン除去フィルタを設けたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池の温度調整装置。
【請求項３】
冷却水中のイオンを除去するイオン除去フィルタを前記モータルームに設置し、前記冷却水ポンプの吐出側の前記冷却水回路を分岐配管を経て前記イオン除去フィルタの冷却水入口部に接続し、このイオン除去フィルタの冷却水出口部を、前記冷却水ポンプの吸込口側の前記冷却水回路に接続したことを特徴とする請求項１記載の燃料電池の温度調整装置。
【請求項４】
前記イオン除去フィルタの冷却水出口部側に、冷却水リザーバタンクを設けたことを特徴とする請求項３記載の燃料電池の温度調整装置。
【請求項５】
前記バイパス回路と前記冷却水リザーバタンクとを、空気抜き配管で接続したことを特徴とする請求項４記載の燃料電池の温度調整装置。
【請求項６】
前記燃料電池への供給空気と熱交換を行う空気用熱交換器を前記バイパス回路より下流側の前記冷却水回路に、前記燃料電池への供給水素と熱交換を行う水素用熱交換器を前記バイパス回路より上流側の前記冷却水回路にそれぞれ配置するとともに、水素を燃焼させる燃焼器と熱交換を行う燃焼器用熱交換器を前記バイパス回路に配置することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料電池の温度調整装置。
【請求項７】
前記モータルーム内の熱交換器は、車両の走行風により冷却水を冷却するラジエータであることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の燃料電池の温度調整装置。
【請求項８】
前記燃料電池を、車体に対して着脱可能な収納手段を介して車体に搭載し、この収納手段に、前記バイパス回路および冷却水ポンプを取り付けたことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の燃料電池の温度調整装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、車両床下に配置した燃料電池に対して温度調整を行う燃料電池の温度調整装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を車両床下に配置し、燃料電池用の冷却水を車両前部のラジエータまで導き放熱させるものが、下記特許文献１に記載されている。
【特許文献１】特開２００１−７１７５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記した特許文献１に記載のものは、燃料電池を暖機運転する際に、燃料電池からラジエータまでを長い冷却水配管で接続している上、ラジエータにて冷却水が放熱されるので、暖機時間が長くなるという問題がある。
【０００４】
そこで、この発明は、燃料電池の暖機時間を短縮化することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記目的を達成するために、この発明は、車両床下に配置した燃料電池に対し温度調整を行う燃料電池の温度調整装置において、前記燃料電池を冷却する冷却水を車両前方のモータルームに設置した熱交換器に流通させる冷却水回路と、この冷却水回路に接続されて前記熱交換器をバイパスするバイパス回路と、前記燃料電池と前記バイパス回路との間の前記冷却水回路に設けられて冷却水を循環させる冷却水ポンプとをそれぞれ有し、前記バイパス回路および前記冷却水ポンプを、前記モータルーム後方の前記車両床下に配置した構成としてある。
【発明の効果】
【０００６】
この発明によれば、車両床下に配置した燃料電池と車両前方のモータルームに設置した熱交換器とを冷却水回路で接続し、熱交換器をバイパスするバイパス回路と、冷却水を循環させる冷却水ポンプとを、モータルーム後方の車両床下に配置したので、燃料電池の暖機運転を行う際に、燃料電池を出た冷却水を、熱交換器に流すことなく燃料電池に近い位置にあるバイパス回路に流すことで、冷却水の放熱量を小さく抑えることができ、燃料電池の暖機時間を短縮化することができる。
【０００７】
また、バイパス回路を燃料電池とともに車両床下に配置して、これら両者を互いに近い位置に配置できるので、バイパス回路を使用する際の循環冷却水量を
低減できるとともに、暖機時の昇温すべき冷却水量も低減でき、暖機をより一層促進することができる。
【０００８】
さらに、バイパス回路を使用する際に循環冷却水量を低減できることから、このときの冷却水ポンプ吐出圧の冷却水圧力制御性が向上し、燃料電池における冷却水の圧力制御が容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１０】
図１は、この発明の第１の実施形態に係わる燃料電池の温度調整装置を示す冷却水配管構成図で、図２は、この温度調整装置を搭載する車両の簡略化した側面図である。図２に示すように、車両１の床下（車室３の床下）に、燃料電池５を配置する。燃料電池５は、車両１における車体骨格フレーム、例えば車体下部の車幅方向両側にて車体前後方向に延びるサイドメンバや車幅方向に延びるクロスメンバに対し、着脱可能に取り付けた収納手段としてのサブフレーム６に取り付ける。
【００１１】
一方、車両前方のモータルーム７の前部には、燃料電池５に対する冷却用の冷却水を放熱するための熱交換器としてのラジエータ９を設置する。このモータルーム７には、ラジエータ７のほかに、燃料電池５から電力の供給を受けて作動する車両駆動用の図示しないモータやその他補機類を設置する。
【００１２】
上記した燃料電池５とラジエータ９とは、図１に示すように、冷却水回路１１によって互いに接続する。冷却水回路１１は、冷却水が燃料電池５からラジエータ９に向かう冷却水流出配管１３と、冷却水がラジエータ９から燃料電池５に向かう冷却水流入配管１５とからなる。これら冷却水流出配管１３および冷却水流入配管１５は、車室３の床下とモータルーム７との間にわたり施設する。
【００１３】
そして、車室３の床下位置における冷却水流出配管１３と冷却水流入配管１５とを、ラジエータ９をバイパスするバイパス回路１７で接続する。さらに、車室３の床下位置におけるバイパス回路１７と燃料電池５との間の冷却水流入配管１５には、冷却水を燃料電池５に向けて吐出する冷却水ポンプ１９を設置する。すなわち、バイパス回路１７および冷却水ポンプ１９は、燃料電池５とともにモータルーム７後方の車両床下に配置することになる。
【００１４】
前記図２に示したサブフレーム６には、燃料電池５のほか、冷却水ポンプ１９やバイパス配管１７など、車両床下位置にある図１中で破線Ａで囲んだ部分をすべて格納する。一方、破線Ｂで囲んだ部分は、モータルーム７内に設置する。
【００１５】
また、バイパス回路１７とラジエータ９との間の冷却水流出配管１３には開閉バルブ２１を、バイパス回路１７にはバイパス開閉バルブ２３をそれぞれ設け、これら各開閉バルブ２１，２３の開閉動作によって、冷却水の流れ方向をラジエータ９とバイパス回路１７とに切り替える。
【００１６】
さらに、冷却水ポンプ１９と燃料電池５との間の冷却水流入配管１５と、モータルーム７における冷却水流入配管１５とを、分岐配管２５で接続し、この分岐配管２５のモータルーム７内の設置部位に、イオン除去フィルタ２７を設ける。すなわち、冷却水中のイオンを除去するイオン除去フィルタ２７をモータルーム７に設置し、冷却水ポンプ１９の吐出側の冷却水回路１１を分岐配管２５を経てイオン除去フィルタ２７の冷却水入口部に接続し、このイオン除去フィルタ２７の冷却水出口部を、冷却水ポンプ１９の吸込口側の冷却水回路１１に接続したことになる。
【００１７】
そして、分岐配管２５と冷却水流入配管１５との接続部には、冷却水リザーバタンク２９を設置する。さらに、この冷却水リザーバタンク２９には、バイパス開閉バルブ２３と冷却水流入配管１５との間のバイパス回路１７から延びる空気抜き配管３１を接続するとともに、冷却水ポンプ１９下流の分岐配管２５と燃料電池５との間の冷却水流入配管１５から延びる空気抜き配管３３および、バイパス回路１７と燃料電池５との間の冷却水流出配管１３から延びる空気抜き配管３５を、それぞれ接続する。
【００１８】
また、上記した空気抜き配管３３と燃料電池５との間の冷却水流入配管１５には、インタークーラ３７を設置する。このインタークーラ３７は、燃料電池５への供給空気と熱交換を行う空気用熱交換器として機能する。すなわち、燃料電池５への供給空気と熱交換を行う空気用熱交換器を、バイパス回路１７より下流側の冷却水回路１１に配置することになる。
【００１９】
一方空気抜き配管３５とバイパス回路１７との間の冷却水流出配管１３には、水素ヒータ３９を設置する。この水素ヒータ３９は、燃料電池５への供給水素と熱交換を行う水素用熱交換器として機能する。すなわち、燃料電池５への供給水素と熱交換を行う水素用熱交換器を、バイパス回路１７より上流側の冷却水回路１１に配置することになる。
【００２０】
さらに、空気抜き配管３１と冷却水流入配管１５との間のバイパス回路１７には、燃焼器熱交換器４１を設置する。この燃焼器熱交換器４１は、水素を燃焼させる図示しない燃焼器と熱交換を行って、暖機時に冷却水を加熱する。
【００２１】
また、燃料電池５近傍の冷却水流入配管１５には圧力計４３を、燃料電池５近傍の冷却水流出配管１３には温度計４５をそれぞれ設け、これらの圧力計４３および温度計４５の測定値は、前記した開閉バルブ２１およびバイパス開閉バルブ２３の開閉動作などに使用する。
【００２２】
次に作用を説明する。
【００２３】
通常運転時は、バイパス開閉バルブ２３を閉じる一方、開閉バルブ２１を開き、この状態で冷却水ポンプ１９の駆動により吐出する冷却水は、燃料電池５からラジエータ９を経て冷却水ポンプ１９に戻る。
【００２４】
この場合、ラジエータ９で冷却された冷却水を、冷却水ポンプ１９によって燃料電池５に供給し、燃料電池５を冷却する。燃料電池５で受熱して温度上昇した冷却水は、冷却水流出配管１３を経てラジエータ９に流入して放熱し、放熱後の冷却水は、冷却水流入配管１５を経て冷却水ポンプ１９に戻る。
【００２５】
一方、燃料電池５の起動時などの冷機時には、開閉バルブ２１を閉じる一方、バイパス開閉バルブ２３を開く。この状態で冷却水ポンプ１９の駆動により吐出する冷却水は、燃料電池５を経た後、バイパス回路１７を流れて冷却水ポンプ１９に戻る。この場合、燃料電池５を出た冷却水が、ラジエータ９を通らずバイパス回路１７を経て燃料電池５に戻るよう循環するので、燃料電池５の暖機運転がなされる。
【００２６】
また、冷却水ポンプ１９から吐出した冷却水は、分岐配管２５に分岐して流れ、イオン除去フィルタ２７を通過することで、冷却水中のイオンを除去し、冷却水の導電率を低下させる。これにより燃料電池５がイオンに曝されることによる不具合を防止する。
【００２７】
さらに、イオン除去フィルタ２７を通過後の冷却水が冷却水リザーバタンク２９に流入することで、冷却水中の空気を分離して空気抜きがなされる。同様にして、冷却水流入配管１５および冷却水流出配管１３にそれぞれ接続した空気抜き配管３３および３５から冷却水リザーバタンクに冷却水を導くことで、空気抜きを行う。
【００２８】
このような燃料電池の温度調整装置によれば、ラジエータ９をバイパスするバイパス回路１７と、冷却水を循環させる冷却水ポンプ１９とを、燃料電池５とともにモータルーム７後方の車両床下に配置したので、燃料電池５の暖機運転を行う際に、燃料電池５を出た冷却水を、ラジエータ９に流すことなく燃料電池５に近い位置にあるバイパス回路１７に流すことで、冷却水の放熱量を小さく抑えることができ、燃料電池５の暖機時間を短縮化することができる。
【００２９】
また、バイパス回路１７を燃料電池５とともに車両床下に配置して、これら両者を互いに近い位置に配置できるので、バイパス回路１７を使用する際の循環冷却水量を低減できるとともに、暖機時の昇温すべき冷却水量も低減でき、暖機をより一層促進することができる。
【００３０】
さらに、バイパス回路１７を使用する際に循環冷却水量を低減できることから、このときの冷却水ポンプ１９の吐出圧の冷却水圧力制御性が向上し、燃料電池５での冷却水の圧力制御が容易となる。
【００３１】
また、イオン除去フィルタ２７をモータルーム７に設置しているので、イオン除去フィルタ２７の交換などの整備性を向上させつつ、暖機時においては冷却水をラジエータ９に通さずにバイパス回路１７を流すことで放熱抑制を行いながら、イオン除去を同時に行うことができる。
【００３２】
上記したイオン除去フィルタ２７の冷却水出口部側に冷却水リザーバタンク２９を設けたので、イオン除去フィルタ２７でイオン除去した冷却水中の空気抜きを行うことができ。
【００３３】
さらに、上記した冷却水リザーバタンク２９とバイパス回路１７とを、空気抜き配管３１で接続したので、車両床下に配置したバイバス回路１７における冷却水中の空気抜きを確実に行うことができる。
【００３４】
他の空気抜き配管３３，３５により、車両床下に位置する冷却水流入配管１５および冷却水流出配管１３における冷却水中の空気抜きも確実に行うことができる。
【００３５】
このようにして、冷却水回路１１やバイパス回路１７中の冷却水の空気抜きを行うことで、燃料電池５における冷却水の圧力制御性、温度制御性が向上する。
【００３６】
また、燃料電池５への供給空気と熱交換を行うインタークーラ３７をバイパス回路１７より下流側の冷却水回路１１に配置したので、冷却水をラジエータ９に流す通常時での空気冷却性能を高く維持できる一方、起動時（暖機時）にバイパス回路１７を使用しているときには、空気の冷却性能が低下し、そのときの空気温度で燃料電池５を冷却することが可能となり、暖機時間を短縮化することができる。
【００３７】
一方燃料電池５への供給水素と熱交換を行う水素ヒータ用３９を、バイパス回路１７より上流側の冷却水回路１１に配置したので、水素ヒータ用３９が冷却水温度が最も高い燃料電池５の下流に位置することになり、通常時でも暖機時でも、水素暖気性能が向上する。
【００３８】
また、水素を燃焼させる燃焼器と熱交換を行う燃焼器用熱交換器４１を、バイパス回路１７に配置したので、バイパス回路１７を使用するときのみ燃料電池５から排気される水素を燃焼して得る熱を利用でき、暖機性能が向上する。
【００３９】
そして、上記した燃料電池５，バイパス回路１７，冷却水ポンプ１９などを、車体に対して着脱可能なサブフレーム６に格納することで、これら各種部品を、車両１に搭載する前にあらかじめサブフレーム６に対して取り付けることができ、狭いモータルーム７または床下での配管設置作業などが低減し、搭載作業が容易となる。
【００４０】
図３は、この発明の第２の実施形態に係わる燃料電池の温度調整装置を示す冷却水配管構成図である。この実施形態は、車両床下に配置した燃料電池５，モータルーム７に設置したラジエータ９，燃料電池５とラジエータ９とを接続する冷却水回路１１，車両床下に位置する冷却水流出配管１３と冷却水流入配管１５とを接続するバイパス回路１７，冷却水ポンプ１９などは、図１に示した第１の実施形態と同様であり、第１の実施形態と異なる点は、バイパス回路１７にイオン除去フィルタ２７Ａを設けたことである。
【００４１】
ところで、燃料電池起動時には、停止中にイオンが溶出して多量となっているので、この起動時にイオン低減を積極的に行う必要がある。この起動時には、暖機のために冷却水をバイパス回路１７に流すので、バイパス回路１７に設置してあるイオン除去フィルタ２７Ａによって起動時でのイオン除去を確実に行うことができる。
【００４２】
また、循環冷却水量は、バイパス回路１７を使用することで低減するので、冷却水のイオン除去は効果的に行うことができる。
【００４３】
さらに、このイオン除去を行っている際には、冷却水流量が低減することから、圧力損失が抑えられ、冷却水ポンプ１９のポンプ能力を向上させずに済む。
【００４４】
図４は、この発明の第３の実施形態を示す冷却水配管構成図である。この実施形態は、図３に示した第２の実施形態に対し、燃料電池５とラジエータ９との間に、モータルーム７に設置した熱交換器としての中間熱交換器４７を追加して設けている。
【００４５】
この中間熱交換器４７に冷却水回路１１を接続し、中間熱交換器４７とラジエータ９とをラジエータ配管４９で接続する。ラジエータ配管４９には２次冷却水ポンプ５１を設置し、冷却水をラジエータ９と中間熱交換器４７との間で循環させる。これにより、燃料電池５で加熱された冷却水は、中間熱交換器４７を介してラジエータ９で放熱される。その他の構成は、第２の実施形態と同様である。
【００４６】
また、上記した中間熱交換器４７を備える第３の実施形態の構成を、前記図１に示した第１の実施形態に適用してもよい。
【００４７】
上記した第３の実施形態に対し、中間熱交換器４７を備えていない前記第１，第２の各実施形態は、冷却水をラジエータ９によって直接冷却するので、中間熱交換器４７を利用する第３の実施形態に比べ、冷却能力が高いものとなる。
【００４８】
また、第１，第２の各実施形態は、中間熱交換器４７や２次冷却水ポンプ５１を設置しないことで、各種部品の搭載性や重量の点でも第３の実施形態に対して優れており、さらに、２次冷却水ポンプ５１の作動による消費電力や音振悪化もないので、その点でも第３の実施形態に比べて優れている。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】この発明の第１の実施形態に係わる燃料電池の温度調整装置を示す冷却水配管構成図である。
【図２】第１の実施形態の温度調整装置を搭載する車両の簡略化した側面図である。
【図３】この発明の第２の実施形態に係わる燃料電池の温度調整装置を示す冷却水配管構成図である。
【図４】この発明の第３の実施形態に係わる燃料電池の温度調整装置を示す冷却水配管構成図である。
【符号の説明】
【００５０】
５  燃料電池
６  サブフレーム（収納手段）
７  モータルーム
９  ラジエータ（熱交換器）
１１  冷却水回路
１７  バイパス回路
１９  冷却水ポンプ
２５  分岐配管
２７，２７Ａ  イオン除去フィルタ
２９  冷却水リザーバタンク
３１  空気抜き配管
３７  インタークーラ（空気用熱交換器）
３９  水素ヒータ（水素用熱交換器）
４１  燃焼器用熱交換器
４７  中間熱交換器（熱交換器）
【図１】
2005108458.tif 000003
【図２】
2005108458.tif 000004
【図３】
2005108458.tif 000005
【図４】
2005108458.tif 000006