JP4008335B2 - 燃料電池自動車の燃料電池冷却装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【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)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、この種の燃料電池では発電に伴って発熱するので、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システムを備えている。この冷却システムは液冷式が一般的であり、燃料電池に冷却液を流して冷却し、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、再び燃料電池の冷却液として循環させる冷却システムが多く採用されている(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
また、燃料電池自動車の場合には、燃料電池だけでなく、この燃料電池から給電されて動作する車両駆動用モータも冷却する必要がある。そのため、燃料電池自動車では、燃料電池の冷却系と車両駆動用モータの冷却系を備えている(例えば、特許文献2参照)。
この特許文献2に開示された燃料電池自動車では、燃料電池を冷却する冷却液が循環する燃料電池冷却液循環回路と、車両駆動用モータを冷却する冷却液が循環するモータ冷却液循環回路を別々に備えている。そして、燃料電池冷却液循環回路は燃料電池と熱交換器を通って冷却液が循環するように構成されており、モータ冷却液循環回路は、ラジエターとモータと前記熱交換器を通って冷却液が循環する回路と、冷却液温度が低い時にラジエターをバイパスして冷却液を循環可能にするバイパス通路と、冷却液温度に応じて冷却液をバイパス通路とラジエターのいずれに流すか切り替えるサーモスタットバルブから構成されている。前記熱交換器は、燃料電池冷却液循環回路における燃料電池冷却後の冷却液と、モータ冷却液循環回路におけるモータ冷却後の冷却液を非接触で熱交換する装置であり、モータ冷却後の冷却液によって燃料電池冷却後の冷却液を冷却している
また、特許文献2には、前記燃料電池冷却液循環回路の冷却液の凍結を防止するために、燃料電池冷却液循環回路を断熱箱に収納することが開示されている。
【0004】
【特許文献1】
特開2002−141079号公報
【特許文献2】
特開2000−323146号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献2に開示された燃料電池自動車においては、暖機運転時の放熱が大きく、燃料電池の暖機時間が長くなるという問題がある。
詳述すると、モータ冷却液循環回路において、冷却液温度が低い暖機運転時にはサーモスタットバルブがバイパス通路に冷却液を流すように切り替わり、ラジエターをバイパスして冷却液が循環するようになる。一方、燃料電池冷却液循環回路においては暖機運転時にも通常と同様に冷却液が循環しており、この間も燃料電池は発電に伴って発熱するので、その熱によって冷却液は燃料電池を流通する際に温められる。そして、燃料電池冷却液循環回路の冷却液とモータ冷却液循環回路の冷却液が熱交換器で熱交換し、燃料電池冷却液循環回路の冷却液によってモータ冷却液循環回路の冷却液が温められる。
【0006】
ところが、熱交換器でモータ冷却液循環回路の冷却液を温めても、断熱箱に収納されているのは燃料電池冷却液循環回路だけであり、モータ冷却液循環回路は露出しているので、モータ冷却液循環回路から放熱してしまい、モータ冷却液循環回路の冷却液の温度上昇が遅くなる。また、モータ冷却液循環回路の冷却液の温度上昇が遅くなると、この冷却液と熱交換している燃料電池冷却液循環回路の冷却液の温度上昇も遅くなり、結局、燃料電池の暖機に時間が長くかかることとなる。
そこで、この発明は、暖機時間の短縮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。
【0007】
【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、空気への放熱により冷却液を冷却するラジエター(例えば、後述する実施の形態におけるラジエター3)と、前記燃料電池と前記ラジエターを通って前記冷却液を循環させる冷却液循環回路(例えば、後述する実施の形態における冷却水循環回路20)と、前記冷却液を前記ラジエターをバイパスして流すバイパス通路(例えば、後述する実施の形態におけるバイパス通路15)と、前記冷却液の温度が所定温度より低いときに前記冷却液を前記バイパス通路に流れるように流路を切り替える切り替え手段(例えば、後述する実施の形態におけるサーモスタットバルブ7)と、前記燃料電池と前記バイパス通路と前記切り替え手段を通って前記冷却液を循環させるバイパス循環回路(例えば、後述する実施の形態におけるバイパス循環回路21)と、前記冷却液循環回路に冷却液を循環させるとともに前記バイパス循環回路に冷却液を循環させる共通の冷却液ポンプ(例えば、後述する実施の形態における冷却水ポンプ6)と、前記燃料電池と前記バイパス通路と前記切り替え手段と前記冷却液ポンプとバイパス循環回路とを収納するボックス(例えば、後述する実施の形態におけるFCボックス4)と、を備え、前記ラジエターは前記ボックスの外に配置されてい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。
【0008】
このように構成することにより、燃料電池の暖機運転時に、前記切り替え手段によって冷却液がバイパス通路に流れるように切り替えられたときに、冷却液は、燃料電池と、バイパス通路と、切り替え手段と、これらを通って冷却液を循環させるバイパス循環回路に流れるようになるが、これらは総てボックスに収納されているので、冷却液の熱がボックスの外に放熱されるのを抑制することができる。
【0009】
【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一実施の形態を図1および図2の図面を参照して説明する。
図1および図2は燃料電池自動車Vに搭載された燃料電池冷却装置2の平面配置図である。
燃料電池自動車Vは、車両の後部に水素タンク30が設置され、車両の前部にラジエター3および車両駆動モータ8が設置され、水素タンク30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1の下部にFCボックス4が設置されている。
FCボックス4は密閉された箱であり、FCボックス4内には、水素タンク30の水素と、図示しない圧縮機によって酸化剤としての空気が供給されて発電を行う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(切り替え手段)7が収納されている。
燃料電池自動車Vは、燃料電池5の発電電力を車両駆動モータ8に供給し、その駆動力で推進する。車両駆動モータ8は図示しない車両駆動モータ用の専用ラジエターとの間で循環する冷却水によって冷却される。この車両駆動モータ8の冷却系は、後述する燃料電池冷却装置2とは別に構成されており、両者の間で熱の受け渡しはないように構成されている。
【0010】
燃料電池5は冷却水(冷却液)が流通する冷却通路を備えており、燃料電池5の冷却通路出口5bは第1冷却水通路11を介して冷却水ポンプ6の入口6aに接続され、冷却水ポンプ6の出口6bは第2冷却水通路12を介してラジエター3の入口3aに接続され、ラジエター3の出口3bは第3冷却水通路13を介してサーモスタットバルブ7の第1ポート7aに接続され、サーモスタットバルブ7の第2ポート7bは第4冷却水通路14を介して燃料電池5の冷却通路入口5aに接続されている。ここで、燃料電池5の冷却通路出口5bから第1冷却水通路11〜第4冷却水通路14を通って燃料電池5の冷却水入口5aに戻る回路は冷却水循環回路(冷却液循環回路)20を構成する。
【0011】
また、第2冷却水通路12において冷却水ポンプ6の出口6b近傍とサーモスタットバルブ7の第3ポート7cはバイパス通路15によって接続されている。ここで、燃料電池5の冷却通路出口5bから第1冷却水通路11、バイパス通路15、第4冷却水通路14を通って燃料電池5の冷却通路入口5aに戻る回路はバイパス循環回路21を構成する。このバイパス循環回路21はFCボックス4内に収納されている。
なお、図示を省略するが、FCボックス4には、上述した機器や冷却水回路以外に、水素タンク30の水素を燃料電池5に供給するための水素ポンプや加湿器等の燃料電池5の周辺機器も収納されている。
【0012】
サーモスタットバルブ7はサーモスタットバルブ7を流れる冷却水の温度に応じて冷却水の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、第2ポート7bと第3ポート7cを接続し第1ポート7aを閉塞して、冷却水をラジエター3に流れないようにしバイパス通路15に流れるようにする。この場合、冷却水は、図1において矢印で示すように、燃料電池5、冷却水ポンプ6、バイパス通路15、サーモスタットバルブ7を通るバイパス循環回路21を循環する。
また、サーモスタットバルブ7は、冷却水温度が前記所定温度t1よりも高い別の所定温度t2(t1<t2)以上のときに、第1ポート7aと第2ポート7bを接続し第3ポート7cを閉塞して、冷却水をバイパス通路15に流れないようにしラジエター3に流れるようにする。この場合、冷却水は、図2において矢印で示すように、燃料電池5、冷却水ポンプ6、ラジエター3、サーモスタットバルブ7を通る冷却水循環回路20を循環する。
なお、冷却水温度がt1とt2の間にある場合には、サーモスタットバルブ7は総てのポート7a〜7cが連通するため、冷却水は冷却水循環回路20とバイパス循環回路21の両方を循環する。
【0013】
このように構成された燃料電池冷却装置2においては、燃料電池5の暖機運転時には冷却水温度が所定温度t1よりも低いことから、サーモスタットバルブ7は冷却水をバイパス通路15に流れるように流路を切り替える。これにより、冷却水はラジエター3をバイパスし、バイパス循環回路21を循環するようになる。
このとき、燃料電池5へ水素と酸素(空気)を供給することで、燃料電池5の発電に伴う熱によって冷却液が温められる。また、燃料電池5が局所的に過熱されないように、冷却水ポンプ6を駆動して冷却水を所定流量循環させる。
このバイパス循環回路21はFCボックス4に収納されているので、暖機運転中はFCボックス4の外を冷却水が循環することがない。したがって、暖機運転中に冷却水の熱がFCボックス4の外に放熱されるのを抑制することができ、その結果、バイパス循環回路21を循環する冷却水の温度上昇を速めることができる。
これにより、暖機時間を短縮することができ、燃料電池自動車の始動性を向上することができる。
【0014】
そして、バイパス循環回路21を循環する冷却水の温度が所定温度t2以上になると、サーモスタットバルブ7は冷却水がバイパス通路15に流れずラジエター3に流れるように流路を切り替え、冷却水は冷却水循環回路20を循環する。冷却水が冷却水循環回路20を循環するときには、冷却水はラジエター3において空気と熱交換して冷却され、冷却された冷却水によって燃料電池5が冷却される。これにより、燃料電池5が所定温度に制御される。
【0015】
【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、燃料電池の暖機運転時に冷却液の熱がボックスの外に放熱されるのを抑制することができるので、冷却液の温度上昇を速めることができ、暖機時間を短縮することができる。その結果、燃料電池自動車の始動性を向上することができるという優れた効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明に係る燃料電池自動車の燃料電池冷却装置の一実施の形態における平面配置図であり、暖機時における冷却水の流れを示す図である。
【図2】 前記実施の形態における燃料電池冷却装置において暖機完了後の冷却液の流れを示す図である。
【符号の説明】
V 燃料電池自動車
2 燃料電池冷却装置
3 ラジエター
4 FCボックス(ボックス)
5 燃料電池
7 サーモスタットバルブ(切り替え手段)
15 バイパス通路
20 冷却水循環回路(冷却液循環回路)
21 バイパス循環回路

Claims (1)

  1. 燃料電池と、
    空気への放熱により冷却液を冷却するラジエターと、
    前記燃料電池と前記ラジエターを通って前記冷却液を循環させる冷却液循環回路と、
    前記冷却液を前記ラジエターをバイパスして流すバイパス通路と、
    前記冷却液の温度が所定温度より低いときに前記冷却液を前記バイパス通路に流れるように流路を切り替える切り替え手段と、
    前記燃料電池と前記バイパス通路と前記切り替え手段を通って前記冷却液を循環させるバイパス循環回路と、
    前記冷却液循環回路に冷却液を循環させるとともに前記バイパス循環回路に冷却液を循環させる共通の冷却液ポンプと、
    前記燃料電池と前記バイパス通路と前記切り替え手段と前記冷却液ポンプと前記バイパス循環回路とを収納するボックスと、
    を備え、前記ラジエターは前記ボックスの外に配置されてい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。
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