(57)【要約】【課題】  専用のヒータを設置することなく、燃料電池の水循環系を加熱できるようにする。【解決手段】  車両前部のモータルーム５に設置したラジエータ１９と車両の床下に配置した燃料電池システム９とを、冷却水配管２１で接続する。ラジエータ１９後方のモータルーム５に電気ヒータからなる発熱器３５を設置し、この発熱器３５と車室６に温風を吹き出すヒータコア３７とを温調流体配管３９で接続する。冷却水配管２１と温調流体配管３９とを互いに近接して配置し、冷却水配管２１を車両の側部に、温調流体配管３９を冷却水配管２１より車両内側にそれぞれ位置させる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両前部に配置した放熱器と、燃料電池を冷却した冷却流体を前記放熱器に排出する冷却流体排出流路と、前記放熱器にて放熱後の冷却流体を前記燃料電池に供給する冷却流体供給流路とをそれぞれ備えた燃料電池冷却系を設け、車両前部に配置した発熱器と、この発熱器から、発熱器の車両後方に配置した熱消費部に温調流体を供給する温調流体供給流路と、前記熱消費部で放熱した温調流体を前記発熱器に排出する温調流体排出流路とをそれぞれ備えた室内暖房系を設け、前記燃料電池冷却系と前記室内暖房系とを、互いに近接して配置したことを特徴とする燃料電池車の温調機器配置構造。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池車の温調機器配置構造において、前記燃料電池冷却系の冷却流体供給流路と冷却流体排出流路との少なくとも一方と、前記室内暖房系の温調流体供給流路と温調流体排出流路との少なくとも一方とを、互いに近接して配置したことを特徴とする燃料電池車の温調機器配置構造。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池車の温調機器配置構造において、前記冷却流体供給流路と前記冷却流体排出流路とを車両の側部付近に配置する一方、前記温調流体供給流路と前記温調流体排出流路とを前記冷却流体供給流路および冷却流体排出流路より車両の内側に配置することを特徴とする燃料電池車の温調機器配置構造。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池車の温調機器配置構造において、前記冷却流体供給流路と前記温調流体排出流路を、前記冷却流体排出流路と前記温調流体供給流路を互いに隣接して配置することを特徴とする燃料電池車の温調機器配置構造。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池車の温調機器配置構造において、前記冷却流体供給流路と前記冷却流体排出流路と前記温調流体供給流路と前記温調流体排出流路とを一体構造化することを特徴とする燃料電池車の温調機器配置構造。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料電池車の温調機器配置構造において、前記車両に、前記燃料電池の発電によって充電可能なバッテリを搭載し、前記燃料電池の停止時に、外気温度が設定温度以下のときに前記発熱器を作動させる一方、前記バッテリの残量が設定残量未満のときに、前記燃料電池を起動することを特徴とする燃料電池車の温調機器配置構造。
【請求項７】
請求項６記載の燃料電池車の温調機器配置構造において、外気温度が設定温度以下でかつ前記バッテリの残量が設定残量以上のときに前記発熱器を作動させる一方、外気温度が設定温度以下でかつ前記バッテリの残量が設定残量未満のときに前記燃料電池を起動することを特徴とする燃料電池車の温調機器配置構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池を冷却する燃料電池冷却系および、車室内を暖房する室内暖房系を備えた燃料電池車の温調機器配置構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池車においては、例えば下記特許文献１に記載されているように、燃料電池の水循環系における水タンクおよび水供給管路にヒータを設置し、寒冷地において水循環系内の水が凍結するような低温下の状況においても、ヒータによって水循環系内の氷を解凍することで、燃料電池を起動させている。
【特許文献１】特開２００３−８６２１４号公報（第３−５頁、１図）
【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、上記した従来の燃料電池車では、燃料電池の水循環系を加熱するために、専用のヒータを別途設置する必要があり、その分設置スペースの増大や、重量およびコストが増大するという問題がある。
【０００４】
そこで、この発明は、専用のヒータを設置することなく、燃料電池の水循環系を加熱できるように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、車両前部に配置した放熱器と、燃料電池を冷却した冷却流体を前記放熱器に排出する冷却流体排出流路と、前記放熱器にて放熱後の冷却流体を前記燃料電池に供給する冷却流体供給流路とをそれぞれ備えた燃料電池冷却系を設け、車両前部に配置した発熱器と、この発熱器から、発熱器の車両後方に配置した熱消費部に温調流体を供給する温調流体供給流路と、前記熱消費部で放熱した温調流体を前記発熱器に排出する温調流体排出流路とをそれぞれ備えた室内暖房系を設け、前記燃料電池冷却系と前記室内暖房系とを、互いに近接して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、燃料電池冷却系と室内暖房系とを、互いに近接して配置したので、室内暖房系の流路を流れる温調流体と、燃料電池冷却系の流路を流れる冷却流体とが、互いに熱交換し、これにより燃料電池冷却系の冷却流体を室内暖房系の温調流体によって加熱することができる。この際、専用のヒータを設置する必要がないので、その分車両における設置スペースの増大や、重量およびコストの増大を防止することができる。
【０００７】
また、室内暖房系の発熱器を車両前部に配置しているので、発熱器の組付作業性や、発熱器の各種部品の交換作業などの整備性が向上するとともに、発熱器による他の部品への熱的影響を減少させることができ、発熱器自身の冷却性も確保できる。
【０００８】
さらに、車両前部においては、発熱器を地面から高い位置に設置できることから、冠水対策が小規模で済む上、発熱器を車両衝突時に後退する位置に搭載できるので、衝撃吸収が期待できる。
【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。
図１は、この発明の一実施形態に係わる燃料電池車の温調機器配置構造を示す簡略化した側面断面図、図２は同平面断面図である。なお、図１中で符号１は前車輪、符号３は後車輪である。
【００１０】
車両前部のモータルーム５内には、図示していないが、車両駆動用のモータを搭載している。このモータを駆動する電力源として、車室６内に設置してある前席シート７にほぼ対応する位置の車両床下に、燃料電池システム９を搭載している。燃料電池システム９は、燃料電池１１と、燃料電池１１の前方に隣接して配置した補器類１３とを備えている。補記類１３としては、例えば燃料電池１１に加湿水を供給するための加湿器などである。
【００１１】
また、後席シート１５の後方には、燃料電池１１に供給する水素を収容する水素タンク１７を搭載している。さらにこの車両には、燃料電池１１の発電によって充電可能な補助電源となる図示しないバッテリを搭載している。
【００１２】
モータルーム５内の前部には放熱器としてのラジエータ１９を設置し、ラジエータ１９と上記した燃料電池システム９とは、燃料電池１１を冷却するための冷却流体としての冷却水が流れる冷却水配管２１によって接続している。
【００１３】
この冷却水配管２１は、燃料電池１１を冷却した冷却水をラジエータ１９に排出する冷却流体排出流路としての冷却水排出流路２３と、ラジエータ１９にて放熱後の冷却水を燃料電池１１に供給する冷却流体供給流路としての冷却水供給流路２５とをそれぞれ備えている。また、図示していないが、冷却水をラジエータ１９から燃料電池システム９に向けて循環させる冷却水ポンプを備えている。
【００１４】
上記したラジエータ１９と冷却水配管２１とで燃料電池冷却系２７を構成している。
冷却水排出流路２３，冷却水供給流路２５は、ラジエータ１９から車両後方へそれぞれ延びる前部流路２３ａ，２５ａと、前部流路２３ａ，２５ａの各後端から車幅方向左側（図２中で下側）へ延びる中部流路２３ｂ，２５ｂと、中部流路２３ｂ，２５ｂの車幅方向左側の端部から、車両後方へ延びて燃料電池システム９に接続される後部流路２３ｃ，２５ｃとを、それぞれ備えている。
【００１５】
そして、上記した冷却水配管２１の後部流路２３ｃ，２５ｃは、互いに一体化構造とした状態で、図２に示すように車両側部の下部にて車両前後方向へ延びる一対のサイドメンバ２９，３１のうち一方のサイドメンバ２９に沿って配置し、かつ図１に示すように排出側の後部流路２３ｃを下側、供給側の後部流路２５ｃを上側として配置する。
【００１６】
一方、室内暖房系３３として、モータルーム５における上記した中部流路２３ｂ，２５ｂと後部流路２３ｃ，２５ｃとの接続部上には、電気ヒータで構成される発熱器３５を設置してある。この発熱器３５と、熱消費部であるヒータコア３７とは、温調流体が流れる温調流体配管３９によって接続している。ヒータコア３７は、車室６内に向けて温風を吹き出すもので、図示しないインストルメントパネル近傍に設置してある。
【００１７】
上記した温調流体配管３９は、発熱器３５からヒータコア３７に温調流体を供給する温調流体供給流路４１と、ヒータコア３７で放熱した温調流体を発熱器３５に排出する温調流体排出流路４３とをそれぞれ備えている。また、図示していないが、温調流体を発熱器３５からヒータコア３７に向けて循環させる温調流体ポンプを備えている。
【００１８】
上記した発熱器３５と温調流体配管３９とで、前記した室内暖房系３３を構成している。
温調流体供給流路４１は、発熱器３５から車両後方へ延びる前部流路４１ａと、前部流路４１ａの後端から車幅方向右側（図２中で上側）へ延びる第１中部流路４１ｂと、第１中部流路４１ｂの車幅方向右側の端部から車両後方へ延びる第２中部流路４１ｃと、第２中部流路４１ｃから車両上方へ延びてヒータコア３７に接続される後部流路４１ｄをそれぞれ備えている。一方、温調流体排出流路４３は、発熱器３５から車両後方へ延びる前部流路４３ａと、前部流路４３ａの後端から車幅方向右側へ延びる中部流路４３ｂと、中部流路４３ｂの車幅方向右側の端部から車両上方へ延びてヒータコア３７に接続される後部流路４３ｃとを、それぞれ備えている。
【００１９】
そして、上記した温調流体配管３９の前部流路４１ａ，４３ａは、互いに一体化構造とした状態で、前記した冷却水配管２１の後部流路２３ｃ，２５ｃより車幅方向内側にて、左側のサイドメンバ２９に沿って配置し、かつ供給側の前部流路４１ａを下側、排出側の前部流路４３ａを上側とした状態で配置する。
【００２０】
図３は、冷却水配管２１の後部流路２３ｃ，２５ｃと、温調流体配管３９の前部流路４１ａ，４３ａとの位置関係を示す模式図であり、図１のＡ−Ａ断面図に相当する。すなわち、冷却水配管２１の後部流路２３ｃ，２５ｃを車幅方向外側に配置し、温調流体配管３９の前部流路４１ａ，４３ａを冷却水配管２１より車幅方向内側に配置している。
【００２１】
図４は、上記した燃料電池車の温調機器配置構造における制御ブロック図である。車両コントロールユニット４５は、車両の適宜位置に設置してある車外温度センサ４７の検出外気温度および、室内暖房系３３の適宜位置に設置してある温調流体温度センサ４９の検出流体温度をそれぞれ取り込む。また、車両コントロールユニット４５は、燃料電池冷却系２７の冷却水ポンプを含む燃料電池システム９を制御する燃料電池コントロールユニット５１および、車室６内のエアコン（室内暖房系３３の発熱器３５および温調流体ポンプを含む）を制御する車室エアコンコントロールユニット５３をそれぞれ制御する。
【００２２】
図５は、車両コントロールユニット４５の制御動作を示すフローチャートである。ここでの制御動作は、車両のイグニッションキーがＯＦＦかどうか、すなわち車両停止時（燃料電池システム９の停止時）かどうかを判断し（ステップ１０１）、ＯＦＦの状態で、設定時間毎（例えば、１０ｍｓｅｃ毎）に繰り返し実行される。
【００２３】
まず、タイマを作動して（ステップ１０２）、設定時間が経過したら（ステップ１０３）、タイマをリセットした後（ステップ１０４）、車外温度センサ４７によって測定した外気温度を取り込む（ステップ１０５）。
【００２４】
ここで、測定した外気温度が設定温度以下かどうかを判断し（ステップ１０６）、設定温度以下の場合には、車両に搭載した図示しないバッテリの残量が、あらかじめ設定したバッテリ残量以上かどうかを判断する（ステップ１０７）。
【００２５】
バッテリ残量が設定バッテリ残量以上の場合、つまり外気温度が設定温度以下でかつ、バッテリ残量が設定バッテリ残量以上の場合には、バッテリを電源として発熱器３５および温調流体ポンプを作動させる（ステップ１０８）。
【００２６】
これにより、発熱器３５で加熱した温調流体が、発熱器３５とヒータコア３７との間を温調流体配管３９を通して循環し、この加熱した温調流体によって冷却水配管２１内の冷却水を加熱する。
【００２７】
このように、例えば寒冷地での車両保管中の車両周辺温度(外気温度)が設定温度以下（少なくとも０℃以下）において、発熱器３５を作動させ、発熱器３５〜ヒータコア３７間の温調流体配管３９の流体を暖めることにより、冷却水配管２１と温調流体配管３９との間で、熱交換が直接あるいは間接的に行われ、冷却水の凍結を防止する。
【００２８】
また、前記ステップ１０７で、バッテリ残量が設定残量未満では、燃料電池システム９を起動し（ステップ１０９）、発電により、バッテリの電源残量を確保しつつ、前記と同様にして発熱器３５および温調流体ポンプを作動させて（ステップ１０８）、温調流体によって冷却水を加熱する。このとき、燃料電池システム９の起動による発熱によっても冷却水を加熱することができる。
【００２９】
次に、バッテリの残量が設定残量以上となったかどうかを判断し（ステップ１１０）、設定残量以上となっていない場合には、前記と同様にして燃料電池システム９を起動し（ステップ１１４）、設定残量以上となったら、温調流体温度センサ４９が測定した温調流体の温度を取り込む（ステップ１１１）。
【００３０】
ここで、温調流体温度が設定温度以上に達したかどうかを判断し（ステップ１１２）、設定温度以上に達していない場合には、発熱器３５および温調流体ポンプを継続して作動させる。逆に、温調流体温度が設定温度以上に達した場合には、冷却水の加熱が充分なされたとして、発熱器３５および温調流体ポンプ、（起動している場合は）燃料電池システム９をそれぞれ停止させる（ステップ１１３）。
【００３１】
上記した燃料電池車の温調機器配置構造によれば、冷却水配管２１の一部である後部流路２３ｃ，２５ｃと、温調流体配管３９の一部である前部流路４１ａ，４３ａとを、互いに近接して配置したので、室内暖房系３３の流路を流れる温調流体と、燃料電池冷却系２７の流路を流れる冷却水とが、互いに熱交換し、これにより燃料電池冷却系２７の冷却水を室内暖房系３３の温調流体によって加熱し凍結を防止することができる。この際、冷却水を加熱するための専用のヒータを設置する必要がないので、その分車両における設置スペースの増大や、重量およびコストの増大を防止することができる。また、発熱器３５を燃料電池冷却系２７に近接して配置しても、同様の効果を得ることができる。
【００３２】
また、室内暖房系３３の発熱器３５を車両前部のモータルーム５に設置しているので、発熱器３５の組付作業性や、発熱器３５の各種部品の交換作業などの整備性が向上するとともに、発熱器３５による他の部品への熱的影響を減少させることができ、発熱器３５自身の冷却性も確保できる。
【００３３】
さらに、車両前部においては、発熱器３５を地面から高い位置に設置できることから、冠水対策が小規模で済む上、発熱器３５を車両衝突時に後退する位置に搭載できるので、取付用のブラケットが破壊することにより衝撃吸収が期待できる。
【００３４】
また、 冷却水配管２１の一部である後部流路２３ｃ，２５ｃを車両の側部に配置するとともに、温調流体配管３９の一部である前部流路４１ａ，４３ａを後部流路２３ｃ，２５ｃより車幅方向内側に配置しているので、車両走行中は外気や走行風により冷却水の冷却を促進させ、モータルーム５内は発熱機器が多く配置されているため温調流体の温度降下を防止し、車両停止時での冷却水配管２１と温調流体配管３９との間の熱交換率を高めることができる。
【００３５】
また、一般に冷却水配管２１の径が温調流体配管３９の径より大きいので、この径の大きい冷却水配管２１の後部流路２３ｃ，２５ｃを車両の側部に配置することで、その内側に配置した温調流体配管３９が走行風の影響を受けにくくなり、前部流路４１ａ，４３ａを流れる温調流体の温度低下を最小限にすることができる。
【００３６】
さらに、燃料電池１１の前方に補機類１３（温調系、燃料系、加湿系）を集約的に配置することで、燃料電池車の温調機器配置構造としてより効率的なものとなる。
また、比較的配管径が大きくなる冷却水配管２１を、床下位置に沿って配置して燃料電池システム９の前端部に接続し、燃料電池１１の側部に配置していないので、乗員の足元スペースや車両の最低地上高を確保しつつ、燃料電池１１側部のスペースを有効使用して燃料電池１１を大型化することができる。
【００３７】
このように、燃料電池冷却系における冷却流体供給流路と冷却流体排出流路との少なくとも一方と、室内暖房系における温調流体供給流路と温調流体排出流路との少なくとも一方とを、互いに近接して配置したので、室内暖房系の流路を流れる温調流体と、燃料電池冷却系の流路を流れる冷却流体との熱交換効率をより向上させることができる。
【００３８】
また、冷却流体供給流路と温調流体排出流路を、冷却流体排出流路と温調流体供給流路を互いに隣接して配置したので、車両走行時には流路を流れる流体の温度変化（ラジエータ１９から燃料電池１１までの温度上昇、発熱器３５からヒータコア３７までの温度低下）を最小限に抑えることができ、ラジエータ１９および発熱器３５の消費電力を抑え、且つ燃料電池の停止時には熱交換効率を保持することができる。
【００３９】
また、冷却流体供給流路と冷却流体排出流路と温調流体供給流路と温調流体排出流路を、一体化したことで、流路を流れる流体の温度を保持することができる。
さらに、燃料電池の停止時に、外気温度が設定温度以下のときに発熱器を作動させることで、温調流体によって冷却流体を加熱し、これにより冷却水の凍結を防止できる。一方、バッテリの残量が設定残量未満のときに燃料電池を起動することで、その発電により、バッテリ残量を確保しつつ、発電時の発熱によって冷却水を加熱することができる。
【００４０】
外気温度が設定温度以下でかつバッテリの残量が設定残量以上のときに発熱器を作動させる一方、外気温度が設定温度以下でかつバッテリの残量が設定残量未満のときに、燃料電池を起動することで、必要最小限に燃料電池を起動することで効率的に暖気ができ、バッテリ残量を確保しつつ冷却流体の加熱を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】この発明の一実施形態に係わる燃料電池車の温調機器配置構造を示す簡略化した側面断面図である。
【図２】図１の燃料電池車の温調機器配置構造を示す簡略化した平面断面図である。
【図３】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図４】図１の燃料電池車の温調機器配置構造における制御ブロック図である。
【図５】図１の燃料電池車における車両コントロールユニットの制御動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４２】
１１  燃料電池
１９  ラジエータ（放熱器）
２３  冷却水排出流路（冷却流体排出流路）
２５  冷却水供給流路（冷却流体供給流路）
２７  燃料電池冷却系
３３  室内暖房系
３５  発熱器
３７  ヒータコア（熱消費部）
４１  温調流体供給流路
４３  温調流体排出流路
【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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