JP2004179115A - 燃料電池自動車の燃料電池冷却装置 - Google Patents
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Abstract
【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
Description
【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
Claims (5)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
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