(57)【要約】【課題】  燃料電池へ空気を供給する圧縮機から吐出される圧縮空気の温度を、専用の冷却システムを用いずに低減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】  燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池１１と、この燃料電池１１へ圧縮した空気を酸化剤ガスとして供給する圧縮機１と、該圧縮機１と燃料電池１１間の圧縮空気回路上に設置される圧縮空気回路部品である消音器３と、燃料電池１１など冷却を必要とする部品を冷却する流体と外気との間で熱交換を行うラジエータ８とを備えた燃料電池自動車において、圧縮機１と消音器３の少なくとも一つの部品を、車両前方から見て前記ラジエータ８と対向する位置に配置した。【選択図】      図２
2007060840.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池と、前記燃料電池へ圧縮した空気を酸化剤ガスとして供給する圧縮機と、前記圧縮機と前記燃料電池間の圧縮空気回路上に設置される圧縮空気回路部品と、前記燃料電池など冷却を必要とする部品を冷却する流体と外気との間で熱交換を行うラジエータとを備えた燃料電池自動車において、
前記圧縮機と前記圧縮空気回路部品の少なくとも一つの部品を、車両前方から見て前記ラジエータと対向する位置に配置した
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、
前記圧縮機の吐出口と前記圧縮空気回路部品を、前記ラジエータを冷却するラジエータファンのファン駆動モータと対向しない位置に配置した
ことを特徴とする燃料電池自動車。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池自動車であって、
前記圧縮機から吐出された圧縮空気が、前記ラジエータと対向する位置に配置した圧縮空気回路部品内で、該ラジエータ内を流れる冷却水の流れ方向と略同じ方向に流れる
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、
前記圧縮機と前記圧縮空気回路部品を、モータールーム内に配置された駆動モータユニットの車両前方に支持させた
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、
前記ラジエータと対向する位置に配置された圧縮空気回路に消音部材を設置した
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、
前記ラジエータと対向する位置に配置された圧縮機の吐出口に直接消音部材を設置した
ことを特徴とする燃料電池自動車。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池自動車であって、
前記消音部材を少なくとも２つ以上配置した
ことを特徴とする燃料電池自動車。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池自動車であって、
前記２つの消音部材の大きさが異なる
ことを特徴とする燃料電池自動車。
【請求項９】
少なくとも請求項１から請求項８の何れか一つに記載の燃料電池自動車であって、
前記ラジエータに設置されるラジエータファンの回転数制御を、冷却水の熱交換に必要な風量に加え、圧縮空気の冷却に必要な風量も併せて制御する
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、圧縮機から吐出される圧縮空気の温度を専用の冷却システムを使用することなく低減させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池自動車においては、燃料電池へ酸素を含む酸化剤ガス（カソードガス）を供給するための圧縮機が搭載されている。圧縮機にて圧縮された空気は、その圧縮比により高温となるが、特に、高分子型燃料電池は高分子電解質膜の耐熱温度が９０℃程度である為、熱交換器（インタークーラ）で冷却して燃料電池へ供給している。また、インタークーラでは、冷却水と熱交換して圧縮空気を冷却するのが一般的である。
【０００３】
しかし、燃料電池自動車においては、燃料電池の発電に伴い発熱するが、燃料電池では発電性能の観点から発電時の燃料電池を所定温度（例えば７０℃前後）に保つのが好ましく、冷却が必要となる。また、燃料電池自動車では、車両駆動用モータやそれに電力を供給するインバータ、また前記圧縮機を駆動する圧縮機モータやそれに電力を供給するインバータなど、冷却を必要とする部品が多く、一般的な内燃機関自動車に比べて大きなラジエータを必要とする（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−２９８８９６号公報（第５頁から第７頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ラジエータを大型化すると、該ラジエータや冷却水の重量増加を招き、車両重量が増加し燃料消費が増えたり、車両の加速性が低下するなどの跳ね返りがある。また、冷却水を循環させる為のポンプの消費電力も増加し、燃料消費が大きくなるという課題がある。
【０００５】
そこで、本発明は、前記課題を解決するためになされたものであって、燃料電池システムを搭載した燃料電池自動車において燃料電池へ空気を供給する圧縮機から吐出される圧縮空気の温度を、専用の冷却システムを用いずに低減す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、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池と、前記燃料電池へ圧縮した空気を酸化剤ガスとして供給する圧縮機と、前記圧縮機と前記燃料電池間の圧縮空気回路上に設置される圧縮空気回路部品と、前記燃料電池など冷却を必要とする部品を冷却する流体と外気との間で熱交換を行うラジエータとを備え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、前記圧縮機と前記圧縮空気回路部品の少なくとも一つの部品を、車両前方から見て前記ラジエータと対向する位置に配置させている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の燃料電池自動車によれば、圧縮機と圧縮空気回路部品がラジエータと対向する位置に配置されていることにより、ラジエータファンによって送風されたラジエータ後流空気が、これら圧縮機と圧縮空気回路部品に当たることで高温の圧縮空気を冷却させることができる。したがって、本発明の燃料電池自動車によれば、圧縮機から吐出された高温の圧縮空気を、専用の冷却システムを使用せずに冷却することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
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。
【００１０】
「第１の実施の形態」
図１は第１の実施の形態の燃料電池自動車をモータールーム上方から見たときの概略平面図、図２は図１の燃料電池自動車を側面から見たときの概略側面図である。
【００１１】
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、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池１１と、前記燃料電池１１へ圧縮した空気を酸化剤ガスとして供給する圧縮機１と、前記圧縮機１と前記燃料電池１１間の圧縮空気回路上に設置される圧縮空気回路部品である消音器３と、前記燃料電池１１など冷却を必要とする部品を冷却する流体と外気との間で熱交換を行うラジエータ８とを備えている。
【００１２】
圧縮機１は、圧縮機駆動モータ２により駆動され、エアクリーナ（図示は省略する）を通して外気を吸い込み、その吸い込んだ空気を圧縮して、圧縮空気回路部品の一つである消音器３へ高温の圧縮空気を送り込む。消音器３は、前記圧縮機１と接続され、この圧縮機１から送り込まれた圧縮空気の騒音及び振動を低減する。
【００１３】
圧縮空気は、その後、消音器３と燃料電池１１とを結ぶ圧縮空気配管４を通り、その経路の途中に配置されたアフタークーラ７にて所定の温度まで冷却される。そして、冷却された酸素を含む酸化剤ガス（カソードガス）は、加湿器１０で加湿された後に燃料電池１１へと供給される。
【００１４】
前記圧縮機１、圧縮機駆動モータ２及び消音器３は、車両前方から車両後方へ見たときにラジエータ８と対向する位置に配置されるように、モータールーム内に配置された車輪駆動モータ５に支持されている。すなわち、圧縮機１及び圧縮機駆動モータ２は、車輪駆動モータ５からラジエータ８へ向かって突出する圧縮機取付アーム１ａの先端に当該圧縮機駆動モータ２を固定させることで、当該ラジエータ８と対向するように配置されている。消音器３も同様に、車輪駆動モータ５からラジエータ８へ向かって突出するラジエータ取付アーム１ｂの先端に固定されることで、当該ラジエータ８と対向するように配置されている。
【００１５】
なお、車輪駆動モータ５の出力軸には、モータ回転数を減速して車輪回転数に変換する減速機６が接続されている。
【００１６】
このように、圧縮機１と消音器３を車両前方から見てラジエータ８と対向する位置に配置すれば、該圧縮機１で圧縮され高温となった空気を、当該ラジエータ８の中央部に取り付けたラジエータファン９で送風される空気によって冷却することが可能となる。つまり、ラジエータファン９によって送風されたラジエータ後流空気が圧縮機１と消音器３に当たるため、高温の圧縮空気を冷却することができる。また、圧縮機１と消音器３だけでなく、圧縮空気回路部品を構成する圧縮空気配管４も冷却されるため、圧縮機１からの圧縮空気をより一層冷却させることができる。
【００１７】
また、本実施の形態では、圧縮機１を出た圧縮空気の流れ（図１中矢印で示す）をラジエータ８内を流れる冷却水と同じ方向に向けることで、消音器３の下流部で圧縮機吐出直後の温度よりも冷却された圧縮空気を、ラジエータ８で一番冷却された冷却水が流れているラジエータ８を通過した後流空気で冷却することが可能となり、熱交換効率が上がる。つまり、圧縮機１と圧縮空気回路部品（消音器３及び圧縮空気配管４）の中を流れる圧縮空気の流れ方向をラジエータ８内を流れる冷却水の流れ方向と略同じ方向にすることで、圧縮空気の温度とラジエータ８内を流れる冷却水との温度差を全域で最大にすることができるため、熱交換効率を向上させることができる。
【００１８】
図６には、ラジエータ内を流れる冷却水と空気温度の関係を示す。この図６から判るように、ラジエータ８内を流れる冷却水は、温度の低い外気との間で熱交換する事でその温度を下げる構造になっている為、実線で示すように上流側から下流側に向けて温度が下がる温度勾配を持っている。よって、ラジエータ８を通過した外気の温度も上流よりも下流側の方が温度が低い。
【００１９】
なお、圧縮空気の温度とラジエータ８内を流れる冷却水との温度差を全域で最大にするとは、ラジエータ８の入口部から出口部にかけて圧縮空気温度との温度差を積分した値が最大にできるという意味である。
【００２０】
また、本実施の形態では、圧縮機１と圧縮空気回路部品（消音器３及び圧縮空気配管４）を車輪駆動モータ５の車両前方に設置させたことで、圧縮機１や圧縮空気回路部品から放射される騒音が乗員室からより遠ざかる方向に配置されることと、その騒音のうち車輪駆動モータ５により遮蔽されることにより、乗員室内の騒音を低減させることができる。
【００２１】
また、本実施の形態では、ラジエータ８と対向する位置に配置された圧縮空気回路に消音部材である消音器３を設置したので、圧縮機１から吐出される圧縮空気の騒音をこの消音器３にて低減できると共に、圧縮機１の表面積においてより冷却を行うことができる。つまり、圧縮機１から吐出される空気の温度は、ラジエタ８を通過して消音器３に当る空気温度と比較して高温となっているため、ラジエタ８を通過した空気と消音器表面の間で熱交換が行われ、すなわち圧縮機１から吐出される空気を冷却することができる。
【００２２】
「第２の実施の形態」
図３は第２の実施の形態の燃料電池自動車を車両前方から車両後方に向かって見たときの概略正面図である。
【００２３】
本実施の形態の燃料電池自動車では、大きさの異なる２つの消音器３Ａ、３Ｂを、第１の実施の形態と同様に車両前方から見てラジエータ８と対向する位置に配置し、一方の消音器３Ａを圧縮機１の吐出口１１に直接設置させている。
【００２４】
すなわち、本実施の形態では、大きさの異なる２つの消音器３Ａ、３Ｂを用い、これらのうち容積の小さい一方の消音器３Ａ（以下、第１消音器３Ａという）を圧縮機１の吐出口１１に配管を使用せずに直接接続すると共に、他方の消音器３Ｂ（以下、第２消音器３Ｂという）を第１消音器３Ａに連結管１２にて接続させ、それら第１消音器３Ａ及び第２消音器３Ｂを、車輪駆動モータ５の車両前方にラジエータ８と対向する位置に配置させている。
【００２５】
すなわち、本実施の形態では、消音できる周波数が比較的高い小さい容積の第１消音器３Ａを圧縮機１の吐出口１１に直接接続すると共に、他方の容積が大きく、比較的周波数の低い音を消音できる第２消音器３Ｂを、組付けバラツキを吸収できる蛇腹状の連結菅１２にて接続させ、それらを車輪駆動モータ５の上側の車両前方側に、ラジエータ８と対向する位置に配置させている。
【００２６】
本実施の形態の燃料電池自動車によれば、消音器３を圧縮機１の吐出口１１に直接設けることによって、この消音器３と圧縮機１に接続させるための配管が不要となるばかりか、放射音が一番発生し易い個所（圧縮機１から出たところ）で騒音をすぐに低減させることができるため、乗員室内の騒音を低減することができる。また、消音器３の断面積を配管の断面積よりも大きくすることで、最も高温な部分での放熱量を増加させて、圧縮空気温度を効率良く低減できる。
【００２７】
また、本実施の形態の燃料電池自動車によれば、消音器３を２つ以上設置することで表面積を大きくすることができるため、ラジエータ後流空気での冷却効果が増大し、冷却性能をより一層向上させることができる。
【００２８】
また、本実施の形態の燃料電池自動車によれば、大きさの異なる消音器３を２つ以上設置することで、異なる周波数の騒音を低減することが可能となる。
【００２９】
「第３の実施の形態」
図４は第３の実施の形態の燃料電池自動車を車両前方から車両後方に向かって見たときの概略正面図である。
【００３０】
本実施の形態の燃料電池自動車では、圧縮機１の吐出口１１と圧縮空気回路部品である消音器３を、前記ラジエータ８を冷却するラジエータファン９のファン駆動モータ１３と対向しない位置に配置させている。すなわち、この燃料電池自動車では、ラジエータファン９の中央に設けられたファン駆動モータ１３と対向しない位置に、前記圧縮機１の吐出口１１と第１消音器３Ａ及び第２消音器３Ｂを配置させている。
【００３１】
本実施の形態の燃料電池自動車によれば、圧縮機１と圧縮空気回路部品をラジエータ８と対向する位置に配置する際に、ラジエータファン９の中央部に設置されているファン駆動モータ１３と対向させないことで、より風量の多い空気を圧縮機１の吐出口１１及び第１消音器３Ａ及び第２消音器３Ｂに当てることができるため冷却性能を大幅に向上させることができる。
【００３２】
「第４の実施の形態」
図５は第４の実施の形態の燃料電池自動車におけるラジエータファンの回転数制御を示すフローチャートである。
【００３３】
第４の実施の形態の燃料電池自動車では、ラジエータ８に設置されるラジエータファン９の回転数制御を、冷却水の熱交換に必要な風量に加え、圧縮空気の冷却に必要な風量も併せて制御する。
【００３４】
具体的な制御は、始めにステップＳ１の処理で、圧縮機１から吐出された圧縮空気温度（Ｔｃ）を計測する。次のステップＳ２の処理では、計測された圧縮空気温度があるしきい値（Ｔｘ）よりも高いか否かを判断する。ステップＳ２の判断処理で圧縮空気温度がしきい値よりも低い場合（ＮＯの場合）は、次のステップＳ３の処理で、冷却水の温調に必要なラジエータファン９の回転数（図５のフローチャートではラジファン回転数と記載している）を算出する。
【００３５】
また、ステップＳ２の判断処理で圧縮空気温度がしきい値よりも高い場合（ＹＥＳの場合）は、次のステップＳ４で、外気温度とラジエタ入口水温から圧縮空気温度をあるしきい値以下にするのに必要なラジエータファン９の回転数を算出する。
【００３６】
そして、ステップＳ３の処理とステップＳ４の処理が終了したら、次のステップＳ５の処理で、ステップＳ３とステップＳ４から算出されたラジファン回転数のうち大きい方の回転数を選択しラジエータファン９に指令を送る。
【００３７】
このように、本実施の形態によれば、圧縮機１から吐出された圧縮空気の温度に合わせてラジエータファン９の回転数を制御することができるため、燃料電池システム全体の効率が最も良い運転を実現できる。
【００３８】
また、本実施の形態の燃料電池自動車では、ラジエータファン９の回転数は冷却システムから要求される風量だけでなく、圧縮空気を冷却するのに必要な風量も考慮に入れて制御するため、循環する冷却水量を低減したりして、冷却水ポンプの消費電力を低減するなど、燃料電池自動車全体での効率の良い運転が可能となる。
【００３９】
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、上述の実施の形態は本発明の一例であり、本発明は、これら実施の形態に制限されることはない。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】第１の実施の形態の燃料電池自動車をモータールーム上方から見たときの概略平面図である。
【図２】図１の燃料電池自動車を側面から見たときの概略側面図である。
【図３】第２の実施の形態の燃料電池自動車を車両前方から車両後方に向かって見たときの概略正面図である。
【図４】第３の実施の形態の燃料電池自動車を車両前方から車両後方に向かって見たときの概略正面図である。
【図５】第４の実施の形態の燃料電池自動車におけるラジエータファンの回転数制御を示すフローチャートである。
【図６】ラジエータ内を流れる冷却水と空気温度の関係を示す特性図である。
【符号の説明】
【００４１】
１…圧縮機
２‥圧縮機駆動モータ
３…消音器（圧縮空気回路部品）
３Ａ…第１消音器（圧縮空気回路部品）
３Ｂ…第２消音器（圧縮空気回路部品）
４…圧縮空気配管
５‥車輪駆動モータ
６…減速機
７…アフタークーラ
８…ラジエータ
９‥ラジエータファン
１０‥過湿器
１１…燃料電池
１３…ファン駆動モータ
【図１】
2007060840.tif 000003
【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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