JP2002184419A - 燃料電池を搭載した車両の冷却装置 - Google Patents

燃料電池を搭載した車両の冷却装置

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JP2002184419A
JP2002184419A JP2000380272A JP2000380272A JP2002184419A JP 2002184419 A JP2002184419 A JP 2002184419A JP 2000380272 A JP2000380272 A JP 2000380272A JP 2000380272 A JP2000380272 A JP 2000380272A JP 2002184419 A JP2002184419 A JP 2002184419A
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cooling system
cooling
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heat
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Takayuki Arai
孝之 荒井
Hiroshi Miyakubo
博史 宮窪
Kazuo Sato
一穂 佐藤
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Marelli Corp
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Nissan Motor Co Ltd
Calsonic Kansei Corp
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  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池を搭載した車両において、無駄な装
備を使用せずに熱交換器の冷却効率を高める。 【解決手段】 エネルギ源として燃料電池１６を搭載し
た車両の冷却装置において、燃料電池１６と冷却ファン
３付きラジエータ１との間で液冷媒を循環させる第１の
冷却系Ｒ１と、燃料電池１６以外の部品と冷却ファン４
付きラジエータ２との間で液冷媒を循環させる第２の冷
却系Ｒ２と、燃料電池１６の空気極１６Ａの発生する高
圧の排空気Ｏをラジエータ１、２の冷却風の一部として
利用するために、前記排空気Ｏをラジエータ１、２の上
流に導いてラジエータ１、２に向けて吹き出させる送風
管５、６と、燃料電池１６で発生する純水Ｓを蓄えるチ
ャンバ１７と、送風管５、６からラジエータ１、２へ向
けて吹き出される排空気Ｏにチャンバ１７の純水Ｓを混
入させるジェットポンプ７とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、エネルギ源として
燃料電池（固体高分子電解質型燃料電池など）を搭載し
た車両の冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】特開平７−２３８８３０号公報に、熱交
換器の上流に噴水管を配置し、ウォータポンプでタンク
から汲み上げた水を、噴水管から吹き出させて、熱交換
器を通過する冷却空気中に混入させ、冷却空気中の水分
の気化により周囲の熱を奪うことで、熱交換器の冷却性
能を向上させるようにした技術が開示されている。
【０００３】また、特開平１１−６４３４号公報に、エ
ンジンルーム内の高温部位にダイヤフラムを利用して水
（エアコンのドレン水）を噴霧して、水分の気化熱によ
り当該個所の温度を下げるようにした技術が開示されて
いる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、燃料電池搭
載車は、熱交換器で処理しなければならない放熱量が非
常に大きい上、熱交換器によって制御しなければならな
い液冷媒の温度上限値が非常に低いといった厳しい条件
が課せられている。特に外気温度が高ければ高いほど、
さらに厳しい条件が課せられる。そのため、エンジン搭
載車と比較して、熱交換器のさらなる高性能化が望まれ
ている。
【０００５】この点、上記の従来技術はエンジン搭載車
を適用の対象とし、水の気化熱を利用して熱交換器やエ
ンジンルーム内の高温部位の温度を下げるものである
が、水を単体で対象個所に噴射するものであるため、ウ
ォータポンプやダイヤフラム等の水噴射のための特別な
駆動装置が必要であり、この技術をそのまま燃料電池搭
載車に適用すると、装備の無駄が多くなる事やエネルギ
効率が落ちるという問題があった。
【０００６】本発明は、上記事情を考慮し、燃料電池を
搭載した車両に特有の現象を利用することで、ウォータ
ポンプやダイヤフラム等の無駄な装備を使用せずに、熱
交換器の冷却効率を高められるようにした燃料電池を搭
載した車両の冷却装置を提供すると共に、燃料電池の運
転状態に相応して、良好なエネルギ効率で最適な冷却性
能を得ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、上述
の課題を解決するために、電解質膜を、酸化剤極と燃料
極とにより挟んで構成され、前記酸化剤極側に酸化剤ガ
スが供給されるとともに、前記燃料極側に燃料ガスが供
給されて発電する燃料電池を搭載した車両の冷却装置に
おいて、前記燃料電池、前記燃料電池により駆動する駆
動手段又は前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス
供給手段を少なくとも含む発熱要素と、放熱用熱交換器
との間で冷媒を循環させることにより発熱要素の発生す
る熱を冷却する冷却系と、前記燃料電池から排出する高
圧の排酸化剤ガスの少なくとも一部を放熱用熱交換器の
冷却風として利用するために、前記排酸化剤ガスを放熱
用熱交換器の上流部に導いて放熱用熱交換器に向けて吹
き出す送風手段とを備える。
【０００８】請求項２の発明は、前記燃料電池から排出
する燃料ガスに含まれる水分を蓄える貯水部と、前記送
風手段により前記放熱用熱交換器へ向けて吹き出す排酸
化剤ガスに前記貯水部の水分を混入させる水分混入手段
とを更に備える。
【０００９】請求項３の発明は、前記冷却系は、前記燃
料電池を発熱要素とする第１の冷却系と、前記燃料電池
以外を発熱要素とする第２の冷却系とを有し、前記第１
の冷却系の放熱用熱交換器及び冷却ファンの組と、前記
第２の冷却系の放熱用熱交換器及び冷却ファンの組と
が、車両前部に横に並べて配置されている。
【００１０】請求項４の発明は、前記冷却系は、前記燃
料電池を発熱要素とする第１の冷却系と、前記燃料電池
以外を発熱要素とする第２の冷却系とを有し、前記第１
の冷却系の冷却ファンと前記第２の冷却系の冷却ファン
とを個別に駆動制御する駆動制御手段を更に備える。
【００１１】請求項５の発明は、前記水分混入手段は、
前記送風手段により循環される排酸化剤ガスの流れによ
り水分を吸い上げて排酸化剤ガス中に混入させるジェッ
トポンプよりなる。
【００１２】請求項６の発明は、前記水分混入手段は前
記排水素ガス中に混入する水分量を調整し、前記送風手
段は前記放熱用熱交換器を通過する排酸化ガス量を調整
する。
【００１３】請求項７の発明は、前記冷却系は、前記燃
料電池を発熱要素とする第１の冷却系と、前記燃料電池
以外を発熱要素とする第２の冷却系とを有し、前記第１
の冷却系の放熱用熱交換器に対して前記送風手段から吹
き付ける排酸化剤ガスの流量と前記第２の冷却系の放熱
用熱交換器に対して前記送風手段から吹き付ける排酸化
剤ガスの流量とを個別に制御する手段が設けられてい
る。
【００１４】
【発明の効果】請求項１の発明によれば、燃料電池の発
生する比較的高圧の排酸化剤ガスを、送風手段を介して
放熱用熱交換器の上流側に導くことで熱交換器の冷却風
の少なくとも一部として利用するようにしているので、
熱交換器の通過酸化剤ガス量を増加させることができ、
熱交換器の冷却能力を高めることができる。特に、燃料
電池からの排酸化剤ガスは水分を含んでいるため、水分
の気化熱による冷却効果も期待できる。このように、燃
料電池に特有の発生物である比較的高圧の排酸化剤ガス
を有効利用するだけであるから、ウォータポンプなどの
無駄な装備が必要なく、低コストで熱交換器の高性能化
を図ることができる。
【００１５】請求項２の発明によれば、水分を貯水部に
蓄えておき、その水を水分混入手段により、放熱用熱交
換器に吹き付ける排酸化剤ガス中に混入させるようにし
ているので、排酸化剤ガス中に含まれる水分の気化熱に
よって、熱交換器の冷却性能を向上させることができ
る。この場合、水を噴霧状あるいは液滴状にして放熱用
熱交換器に吹き付けるものの、原理としては排酸化剤ガ
スの流れに水滴を乗せるだけでよいから、ウォータポン
プやダイヤフラム等の水噴射のための特別な駆動装置は
必要でなく、無駄な装備を省略できる。
【００１６】請求項３の発明によれば、燃料電池の冷却
系と燃料電池以外の冷却系の２つの冷却系を設け、両冷
却系の熱交換器と冷却ファンの組を車両前部に横に並べ
ているので、走行風による冷却作用を両冷却系の熱交換
器とも等しく受けることができ、従来のエンジン搭載車
両と類似の冷却システムとして簡素な構成にすることが
できる。
【００１７】請求項４の発明によれば、燃料電池の冷却
系と燃料電池以外の部品の冷却系の２つの冷却系を設
け、両冷却系の冷却ファンを個別に駆動制御するように
しているので、低負荷運転から高負荷運転までの領域に
おけるさまざまな運転状況に対し、冷却ファンによる冷
却風量の最適化を図ることができて、熱管理が容易とな
る。
【００１８】請求項５の発明によれば、排酸化剤ガスの
流れる送風手段にジェットポンプを装備することによ
り、特別な駆動源を使用せず、排酸化剤ガスの流体エネ
ルギだけで、水を噴霧状あるいは液滴状にして、放熱用
熱交換器に向けて吹き出す排酸化剤ガス中に混入させる
ことができる。従って、ウォータポンプ等の無駄な装備
が必要なく、低消費電力化を図ることができる。
【００１９】請求項６の発明は、上記水分添加手段は排
酸化剤ガスに混入する水分量を調整すると共に、上記送
風手段は上記放熱用熱交換機に吹き付ける排酸化剤ガス
の量を制御するので、熱交換器表面上で気化潜熱を利用
することで熱交換性能を向上させると共に、熱交換器を
通過する酸化剤ガスの流量を増大させることが可能とな
り、熱交換器の性能を向上させることができる。
【００２０】請求項７の発明によれば、燃料電池の冷却
系と燃料電池以外の冷却系の２つの冷却系を設け、両冷
却系の熱交換器への排酸化剤ガスの供給量を個別に制御
できるようにしているから、運転負荷条件に応じて冷却
性能を個別管理することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。
【００２２】図１は実施形態の冷却装置の系統図であ
る。この冷却装置は、第１の冷却系Ｒ１と第２の冷却系
Ｒ２の２つの冷却系を有しており、各冷却系Ｒ１、Ｒ２
では、それぞれ連続した経路を液冷媒が循環するように
なっている。
【００２３】第１の冷却系Ｒ１の経路には、発熱要素と
しての固体高分子電解質型の燃料電池１６と、放熱用熱
交換器としての第１のラジエータ１とが介装されてお
り、燃料電池１６で発生した熱を第１のラジエータ１で
外気に放出するようになっている。
【００２４】また、第２の冷却系Ｒ２の経路には、発熱
要素としての燃料電池以外の部品、即ち、パワーマネー
ジャ１３、インバータ１２、ＤＣ／ＤＣコンバータ１
１、コンプレッサ１０、空気クーラ９、水回収コンデン
サ８等が介装されると共に、放熱用熱交換器としての第
２のラジエータ２とが介装されており、パワーマネージ
ャ１３、インバータ１２、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１、
コンプレッサ１０、空気クーラ９、水回収コンデンサ８
で発生した熱を第２のラジエータ２で外気に放出するよ
うになっている。なお、第１のラジエータ１、第２のラ
ジエータ２の冷媒出口には、それぞれ冷媒温度を検出す
る温度センサ２３、２４が設けられている。
【００２５】各ラジエータ１、２は、走行風を同じ条件
で受けられるように車両前部に横に並べて配置されてお
り、各ラジエータ１、２の背後には、図示しない制御装
置によって個別に駆動制御される冷却ファン３、４が配
置されている。
【００２６】前記燃料電池１６は、酸化剤として空気
（外気）を用い、燃料として水素ガスを用いるもので、
空気は、コンプレッサ１０で圧縮して圧力を高めた後、
空気クーラ９で所定温度まで冷却し、更に加湿器１５に
て所定の露点まで加湿した状態で、燃料電池１６に供給
する。また、水素ガスは、水素ボンベ１４から供給し、
加湿器１５にて所定の露点まで加湿した状態で、燃料電
池１６に供給する。その際、水素ガスは、燃料電池１６
からの余剰水素ガスと合流させて加湿器１５に送る。
【００２７】燃料電池１６の空気極１６Ａからは、比較
的高圧の排空気Ｏが出てくる。そこで、この冷却装置で
は、その排空気Ｏを各ラジエータ１、２の冷却風の一部
として利用するために、排空気Ｏを各ラジエータ１、２
の上流部に導く２系統の送風路Ｆ１、Ｆ２を設けてい
る。２系統の送風路Ｆ１、Ｆ２は、いずれもラジエータ
１、２の上流部に配置された各送風管５、６につながっ
ている。即ち、第１の送風路Ｆ１は空気流量調整弁２１
を介して送風管５、６と直接つながっており、第２の送
風路Ｆ２は排空気Ｏの純水を回収するための前記水回収
コンデンサ８及びジェットポンプ７を介して送風管５、
６とつながっている。
【００２８】各送風管５、６は、図２及び図３に示すよ
うに、ラジエータ１、２に向けて排空気Ｏを吹き出すこ
とができるように、ラジエータ１、２の上部または下部
に設置されている（図では下部に設置されている）。そ
して、各送風管５、６には、個別に吹出風量を調整する
ことができるように空気流量調整弁１９、２０が設けら
れている。
【００２９】なお、送風路Ｆ１、Ｆ２の先端は排空気流
量調整弁２６を介して水素燃焼器２７に接続されてい
る。
【００３０】燃料電池１６からは、比較的高圧の排水素
Ｈと純水Ｓが排出される。そのため、燃料極１６Ｂにつ
ながる送気路Ｇの途中には、純水を一時溜めておくため
の水位センサ２２付きの密閉式ドレインチャンバ１７が
設けられている。密閉式ドレインチャンバ１７後の排水
素ガスＨの送気路Ｇは、２つに分岐しており、一方の分
岐路Ｇ１が、水素ボンベ１４から加湿器１５へ入る水素
ガスの経路に合流し、他方の分岐路Ｇ２が、排水素流量
調整弁２５を介して前記水素燃焼器２７につながってい
る。
【００３１】また、前記ジェットポンプ７には、密閉式
ドレインチャンバ１７に溜まった純水を導入するための
純水配管Ｊが水流量調整弁１８を介して接続されてお
り、第２の送風路Ｆ２内の排空気の流れにより純水を吸
い上げて排空気Ｏ中に混入させることができるようにな
っている。
【００３２】次に図示しない制御装置の役割と共に冷却
装置の作用を説明する。
【００３３】通常、制御装置は、各冷却系Ｒ１、Ｒ２の
冷媒温度が所定値以下となるように冷却ファン３、４を
駆動制御している。ところが、冷却負荷が大きい場合に
は、冷却ファン３、４を最大風量に設定しても、温度セ
ンサ２３、２４の検出値が所定値まで下がらないことが
ある。そのようなときに、燃料電池１６の排空気Ｏをラ
ジエータ１、２の冷却風の一部として利用するモードを
実行する。
【００３４】例えば、２つのラジエータ１、２のどちら
の冷媒温度も高い場合は、両冷却系Ｒ１、Ｒ２の冷却フ
ァン３、４を制御して、冷却ファン３、４による通過空
気流量を調整すると同時に、空気流量調整バルブ１９、
２０の開度を調節して、両方のラジエータ１、２に排空
気Ｏを吹き付けるモードを実行する。
【００３５】また、２つのラジエータ１、２のどちらか
一方の冷媒温度だけが高い場合は、冷媒温度の高い方の
冷却系Ｒ１（またはＲ２）の冷却ファン３（または４）
を制御して、冷却ファン３（または４）による通過空気
流量を調整すると同時に、対応する空気流量調整バルブ
１９（または２０）の開度を調節して、片方のラジエー
タ１（または２）にだけ排空気Ｏを吹き付けるモードを
実行する。
【００３６】燃料電池１６の発生する排空気Ｏをラジエ
ータ１、２の冷却風の一部として利用する場合の作動モ
ードしては、２つの作動モードが用意されている。
【００３７】第１の作動モードは、密閉式ドレインチャ
ンバ１７に設置された水位センサ２２によって、純水の
貯留量が所定のしきい値より低いことが検出された場合
に、制御装置によって選択される。
【００３８】この作動モードでは、水流量調整バルブ１
８が閉じられ、空気流量調整バルブ２１が全開されるこ
とにより、燃料電池１６から排出される液滴の純水と、
水分を多く含んだ排空気Ｏとが、直接、第１の送風路Ｆ
１を経由して送風管５、６に導かれ、ラジエータ１、２
に向かって吹き付けられる。この場合、水回収用コンデ
ンサ８及びジェットポンプ７を通過する第２の送風路Ｆ
２は、第１の送風路Ｆ１よりも圧力損失が高いため、ほ
ぼ排空気Ｏの全量が第１の送風路Ｆ１を経由して送風管
５、６に流れ込み、ラジエータ１、２に向かって吹き付
けられる。それにより、ラジエータ１，２の通過空気量
が増加し、併せて、排空気Ｏに含まれる水分の気化によ
り周囲から熱が奪われることで、ラジエータ１、２の冷
却能力がアップする。
【００３９】また、第２の作動モードは、密閉式ドレイ
ンチャンバ１７に設置された水位センサ２２によって、
純水の貯留量が所定のしきい値より高いことが検出され
た場合に、制御装置によって選択される。
【００４０】この作動モードでは、空気流量調整弁２１
が全閉とされることで、排空気Ｏが第２の送風路Ｆ２上
の水回収用コンデンサ８及びジェットポンプ７を経由し
て送風管５、６に流れ込み、ラジエータ１、２に向かっ
て吹き付けられる。この場合は、水流量調整弁１８が開
かれることにより、ジェットポンプ７により排空気中に
純水が混入・拡散される。また、水流量調整弁１８の開
度が調整されることにより混入・拡散される純水の量が
調整される。
【００４１】従って、そのような純水が混入・拡散され
た排空気Ｏがラジエータ１、２に向かって吹き付けられ
ることにより、ラジエータ１、２の通過空気量が増加す
ると共に、水分の気化により周囲から熱が奪われること
で、ラジエータ１、２の冷却能力がアップする。
【００４２】なお、温度センサ２３、２４の検出値が高
い場合には、燃料電池１６及び駆動系部品の出力を制限
することで発熱を抑制する制御も同時に行われる。
【００４３】また、温度センサ２３、２４の検出値が所
定のしきい値を超えない場合は、排空気流量調整弁２６
が全開にされ、さらに排水素流量調整弁２５により排水
素流量が調整されることで、排水素燃焼器２７により余
剰水素が燃焼させられて大気に放出される。また、冬場
においては、通常車両に搭載されている外気温センサの
信号に基づいて、排水素燃焼器２７を利用して余剰水素
が燃焼させられて大気に放出される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の冷却装置の系統図である。
【図２】同冷却装置のラジエータ周辺の正面図である。
【図３】同冷却装置のラジエータ周辺の側面図である。
【符号の説明】
Ｒ１ 第１の冷却系 Ｒ２ 第２の冷却系 Ｆ１ 第１の送風路 Ｆ２ 第２の送風路 １ 第１のラジエータ ２ 第２のラジエータ ３ 第１の冷却ファン ４ 第２の冷却ファン ５，６ 送風管（送風路） １６ 燃料電池 １７ 密閉式ドレンチャンバ（貯水部） １９，２０ 空気流量調整弁
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｍ 8/04 Ｈ０１Ｍ 8/04 Ｇ 8/10 8/10 Ｈ０５Ｋ 7/20 Ｈ０５Ｋ 7/20 Ｍ Ｈ Ｊ // Ｂ６０Ｌ 11/18 Ｂ６０Ｌ 11/18 Ｇ (72)発明者 宮窪 博史 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 佐藤 一穂 東京都中野区南台５丁目24番15号 カルソ ニックカンセイ株式会社内 Ｆターム(参考） 3L044 AA01 AA04 BA06 CA03 CA12 CA14 DA01 DD03 EA04 FA03 FA04 HA01 JA01 5E322 AA05 AA10 AB10 BA05 BB03 BB04 BB07 BB10 EA10 FA01 5H026 AA06 5H027 AA06 BC19 CC02 KK46 MM03 5H115 PA08 PC06 PG04 PI18 PI29 PI30 SE10 TO05 UI29 UI30 UI36 UI40

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電解質膜を、酸化剤極と燃料極とにより
    挟んで構成され、前記酸化剤極側に酸化剤ガスが供給さ
    れるとともに、前記燃料極側に燃料ガスが供給されて発
    電する燃料電池を搭載した車両の冷却装置において、 前記燃料電池、前記燃料電池により駆動する駆動手段又
    は前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段
    を少なくとも含む発熱要素と、放熱用熱交換器との間で
    冷媒を循環させることにより発熱要素の発生する熱を冷
    却する冷却系と、 前記燃料電池から排出する高圧の排酸化剤ガスの少なく
    とも一部を放熱用熱交換器の冷却風として利用するため
    に、前記排酸化剤ガスを放熱用熱交換器の上流部に導い
    て放熱用熱交換器に向けて吹き出す送風手段とを備える
    ことを特徴とする燃料電池を搭載した車両の冷却装置。
  2. 【請求項２】 前記燃料電池から排出する燃料ガスに含
    まれる水分を蓄える貯水部と、 前記送風手段により前記放熱用熱交換器へ向けて吹き出
    す排酸化剤ガスに前記貯水部の水分を混入させる水分混
    入手段とを更に備えることを特徴とする請求項１記載の
    燃料電池を搭載した車両の冷却装置。
  3. 【請求項３】 前記冷却系は、前記燃料電池を発熱要素
    とする第１の冷却系と、前記燃料電池以外を発熱要素と
    する第２の冷却系とを有し、 前記第１の冷却系の放熱用熱交換器及び冷却ファンの組
    と、前記第２の冷却系の放熱用熱交換器及び冷却ファン
    の組とが、車両前部に横に並べて配置されていることを
    特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池を搭載した
    車両の冷却装置。
  4. 【請求項４】 前記冷却系は、前記燃料電池を発熱要素
    とする第１の冷却系と、前記燃料電池以外を発熱要素と
    する第２の冷却系とを有し、 前記第１の冷却系の冷却ファンと前記第２の冷却系の冷
    却ファンとを個別に駆動制御する駆動制御手段を更に備
    えることを特徴とする請求項３記載の燃料電池を搭載し
    た車両の冷却装置。
  5. 【請求項５】 前記水分混入手段は、前記送風手段によ
    り循環される排酸化剤ガスの流れにより水分を吸い上げ
    て排酸化剤ガス中に混入させるジェットポンプよりなる
    ことを特徴とする請求項２記載の燃料電池を搭載した車
    両の冷却装置。
  6. 【請求項６】 前記水分混入手段は前記排水素ガス中に
    混入する水分量を調整し、前記送風手段は前記放熱用熱
    交換器を通過する排酸化ガス量を調整することを特徴と
    する請求項２記載の燃料電池を搭載した車両の冷却装
    置。
  7. 【請求項７】 前記冷却系は、前記燃料電池を発熱要素
    とする第１の冷却系と、前記燃料電池以外を発熱要素と
    する第２の冷却系とを有し、 前記第１の冷却系の放熱用熱交換器に対して前記送風手
    段から吹き付ける排酸化剤ガスの流量と前記第２の冷却
    系の放熱用熱交換器に対して前記送風手段から吹き付け
    る排酸化剤ガスの流量とを個別に制御する手段が設けら
    れていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池を搭
    載した車両の冷却装置。
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