JP4826072B2 - 燃料電池自動車 - Google Patents

Description

本発明は、例えば車両の床下に燃料電池を搭載した燃料電池自動車に関し、詳細には、燃料電池を冷却する部品や燃料供給部品などを床下スペース内に効率良く配置するためのレイアウト技術に関する。

燃料電池システムにおいては、燃料電池（燃料電池スタック）の発電と同時に発熱を伴うことからこの発熱を放熱させるために冷却水を用い、ラジエータなどの熱交換器で冷却するのが一般的である。

燃料電池を車両の床下に搭載する場合には、車両前方に設置されるラジエータと床下の燃料電池間で冷却水を循環させることが必要となる。

しかしながら、室内スペースを極力広く確保するためには、フロアパネルの高さをできるだけ下げることが望ましいが、冷却水配管やそれらに関する部品、またその他の流体（水素及び酸素などの燃料や酸化剤）の供給部品なども含めて床下での部品搭載スペースの確保およびレイアウトは容易ではない。

さらに、ラジエータなどへの冷却水の注水時および運転中に配管内に溜まる空気溜まりを低減する必要があるが、これを含め、室内スペース確保と配管や部品のレイアウトを両立させることは、いっそう容易ではない。

そこで、これらの課題を解決すべく、車両の床下に燃料電池を搭載した燃料電池搭載型電気自動車が従来より提案されている（例えば、特許文献１など参照）。かかる燃料電池搭載型電気自動車は、床下に燃料電池システムボックスを設け、そのボックス内に燃料電池、温度調整装置、加湿装置などを纏めて収納させることで、車室及び荷室空間を充分に確保することを目的としている。
特開２００３−１８２３７９号公報（第５頁及び第６頁、第１図及び第４図）

しかし、前記特許文献１に記載の燃料電池搭載型電気自動車は、床下スペース全体が高さをもっており、従来の内燃機関の車両と比べると、室内全域の床面を押し上げることになっている。そのため、この燃料電池搭載型電気自動車では、室内スペースが狭められ、充分な居住空間及び荷室空間を確保できない。

そこで、本発明は、室内スペースを確保しつつ、限られた床下スペースの中で、燃料電池を冷却するための冷却水配管と冷却システム構成部品の配置、加えてその他の水素や酸素などの流体の配管や部品の配置、燃料電池の流体出入口位置の改善により、冷却水の空気抜き性能の向上と部品配管のスペース低減を狙うものである。

本発明は、車両の床下に燃料電池を搭載し、この燃料電池を冷却水にて温度調整する冷却システムを有し、該冷却システムの構成部品のうち少なくとも一つを車両の前方に配置してなる燃料電池自動車である。

そして、この燃料電池自動車では、車両の前方に配置した冷却システム構成部品と燃料電池間を接続する２本の冷却水配管何れもを、床下スペース内で車両左右方向の中央部かつ床下スペース内の上部に配置すると共に、床下スペース内では冷却水配管を水平に配置し、他の部分では冷却水配管を前記冷却システム構成部品に向かって上り勾配で配置させる。

本発明の燃料電池自動車によれば、燃料電池と車両前方に配置した冷却システム構成部品とを接続する冷却水配管を、短距離かつ下り坂無く略水平または上り勾配で配置できるので、注水時の空気溜まりや運転中に流れ込んだ空気の滞留を防止でき、冷却性能の低下防止と温度制御性の向上が期待できる。

また、本発明の燃料電池自動車によれば、冷却水配管の余計なアップダウン及び左右への蛇行が無いことから、当該冷却水配管の配管長さを最小限にすることができ、その結果、質量とスペースの低減を実現することができる。

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。

「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における燃料電池及び冷却システム構成部品などの高さ位置関係を示す模式図、図２は図１の燃料電池自動車における燃料電池及び冷却システム構成部品の床下レイアウトを示す平面図、図３は図１の燃料電池自動車の床下に配置された燃料電池と冷却水配管との接続位置を示す要部拡大斜視図である。

第１の実施の形態の燃料電池自動車は、図１から図３に示すように、燃料電池システムの主要構成部品である燃料電池（燃料電池スタック）１と、この燃料電池１で発電したエネルギーで駆動するモータと、発電時に燃料電池に生じる熱を放熱して温度調整するための冷却システムとを有する。

この燃料電池自動車においては、燃料電池１を車両２の床下であるフロアパネル３の下に搭載（配置）し、さらに、この燃料電池１を冷却水にて温度調整する冷却システム構成部品の一つであるラジエータ４を、前記車両２の前方（モータルーム）に配置させている。なお、図１及び図２の燃料電池前方の矩形状空間は、空気加湿装置や空気調圧弁などの空気系部品及び水素循環装置や水素調圧弁などの水素系部品などが配置される床下燃料電池システムエリア６とされている。

そして、本実施の形態の燃料電池自動車では、車両２の前方に配置させたラジエータ４と燃料電池１間を接続する冷却水配管５Ａ、５Ｂを、床下スペース内で車両左右方向（図２中矢印Ｘで示す車幅方向）の略中央部かつ床下スペース内の上部に配置させている。

これら冷却水配管５Ａ、５Ｂは、何れも床下スペース内では略水平に配置され、他の部分であるモータルーム内ではラジエータ４に向かって上り勾配で配置されている。冷却水は、ラジエータ４から一方の冷却水配管５Ａを通って燃料電池１へと流れ、この燃料電池１を冷却した後、他方の冷却水配管５Ｂを通ってラジエータ４へと戻る。

前記したように冷却水配管５Ａ、５Ｂを配置すれば、燃料電池１から車両２の前方に配置したラジエータ４への冷却水配管５Ａ、５Ｂを、短距離かつ下り坂無く水平または上り勾配で配置できるので、注水時の空気溜まりや運転中に流れ込んだ空気の滞留を防止でき、冷却性能の低下防止と温度制御性の向上が期待できる。

燃料電池１とラジエータ４間を繋ぐ冷却水配管５Ａ、５Ｂの一部に下り勾配があると、燃料電池１からラジエータ４方向へ向かって気泡の流れが滞る可能性があり、床下配管内に空気溜まりが生じ易くなり、ラジエータ４への液体注入時に残留する空気や燃料電池システム運転中に発生する気泡などが冷却水配管５Ａ、５Ｂ内に溜まり、冷却性能の低下と温度制御性の低下をもたらす。また、冷却水ポンプが溜まった空気を吸うと、又は冷却水ポンプ内に空気が存在すると、吸い上げる冷却水流量が低減し、冷却性能や制御性能が低下する。また、燃料電池１の温度を検知する温度センサの検知部が冷却水に浸からなくなると、温度制御性が悪化する。

また、本実施の形態によれば、冷却水配管５Ａ、５Ｂを車両２の中央部に配置して該冷却水配管５Ａ、５Ｂの余計なアップダウン及び左右への蛇行が無いことから、当該冷却水配管５Ａ、５Ｂの配管長さを最小限にすることができ、その結果、質量とスペースの低減を実現することができる。

「第２の実施の形態」
図４は第２の実施の形態の燃料電池自動車における燃料電池及び冷却システム構成部品などの高さ位置関係を示す模式図、図５は図４の燃料電池自動車の床下に配置された燃料電池と冷却水配管との接続位置を示す要部拡大斜視図である。

第２の実施の形態は、図４及び図５に示すように、第１の実施の形態の構成に加えて、フロアパネル３の略中央部を車室側へ盛り上げた部分であるセンタートンネル部７内に、冷却水配管５Ａ、５Ｂを配置させている。つまり、床下スペース内の冷却水配管５Ａ、５Ｂが配置される部分のフロアパネル３の高さに高低差を付け、センター部分のみを高くし、そのセンター部分の両側部分をこれよりも低くして、その高さの高いセンタートンネル部７内に冷却水配管５Ａ、５Ｂを配置させている。

本実施の形態によれば、フロアパネル３に高低差を付けたセンタートンネル部７内に冷却水配管５Ａ、５Ｂを配置させているので、該センタートンネル部７以外の部分のフロアパネル３の高さを下げることができる。その結果、フロアパネル３の高さを低くした分、居住空間を広くすることができる。

「第３の実施の形態」
図６は第３の実施の形態の燃料電池自動車の床下に配置された燃料電池と冷却水部品との接続位置関係を示す要部拡大斜視図である。

第３の実施の形態は、図６に示すように、第１及び第２の実施の形態の構成に加えて、ポンプ、フィルタ、バルブなどの冷却水供給用の冷却水部品８を、センタートンネル部７内に集中して配置させている。そして、燃料電池１に接続された冷却水配管５Ａ、５Ｂを、前記冷却水部品８にそれぞれ接続させている。

このような構成とすれば、センタートンネル部７内に冷却水部品８を集中して配置することで、各部品間を接続する配管数や配管長さを低減させることができる。また、集中モジュール内での流路の上下により空気抜き配管が必要となる場合でも、センタートンネル部７内の空間を利用することで、ラジエータ４または空気抜きタンクまでの空気抜き配管の配置が分散することなく簡素化できる。

「第４の実施の形態」
図７は第４の実施の形態の燃料電池自動車における燃料電池と冷却水部品との接続高さ位置関係を示す模式図である。

第４の実施の形態は、図７に示すように、燃料電池１に形成された冷却水出入口９Ａ、９Ｂを、該燃料電池１の前方かつ略中央上部であって、前記床下スペース内に設けられた冷却水配管５Ａ、５Ｂと同等の高さかそれ以下の位置に設けている。

本実施の形態によれば、燃料電池１の冷却水出入口９Ａ、９Ｂを、車両左右方向中央部で上部の冷却水配管５Ａ、５Ｂに接近させることができるため、配管レイアウト性が向上し、配管スペースと配管質量を低減させることができる。

また、本実施の形態によれば、燃料電池１の冷却水配管５Ａ、５Ｂが上部に設けられることで、下方に配置するよりも燃料電池内部での空気溜まりを防止でき、当該冷却水配管５Ａ、５Ｂに溜まる空気抜きが容易に行え、別途、空気抜き配管を設置する必要性が無くなる。

「第５の実施の形態」
図８は第５の実施の形態の燃料電池自動車における燃料電池と冷却水部品との接続高さ位置関係を示す模式図、図９は第５の実施の形態の燃料電池自動車の床下に配置された燃料電池、冷却水部品及び流体用部品との接続位置関係を示す要部拡大斜視図である。

第５の実施の形態は、図８及び図９に示すように、第３の実施の形態の構成に加えて、燃料電池１へ燃料である水素や酸化剤である酸素を供給するための水素系部品及び酸素系部品である反応ガス供給部品１０と、水素の温度を昇温させるための熱交換器１１を、前記冷却水部品８と同等の高さかそれ以下に配置させている。本実施の形態では、これら反応ガス供給部品１０及び熱交換器１１は、前記冷却水部品８よりも低い位置に配置させている。

前記空気系部品としては、例えば燃料電池１に供給する空気を加湿するための空気加湿装置や空気圧を調整するための空気調整圧弁などである。水素系部品としては、水素を循環させる水素循環装置や水素圧を調整するための水素調整圧弁などである。

このような配置構造とすることで、冷却水を燃料電池本体以外の空気系部品や水素系部品などで他の流体と熱交換させる場合に、冷却水部品８よりも同等の高さかそれ以下に他の系を配置することで、他の系の熱交換器１１内やそこまでの冷却水供給配管での空気抜き性を向上させることができ、別途、空気抜き配管の設置をせずに済む。つまり、図９に示すように、他の系への冷却水配管１２Ａ、１２Ｂは下り坂で供給され、登り坂で戻ってくることから、該冷却水配管１２Ａ、１２Ｂ内にあった、又は、混入した空気や気泡は、他の系内で溜まることなく冷却系（冷却水部品８へと）に向かって上がってこれるので、別途、空気抜き配管を不要にできる。

また、本実施の形態によれば、空気系部品や水素系部品などの反応ガス供給部品１０を冷却水部品８よりも低く配置することで、燃料電池１からの排出ガスに含まれる水分の収集と処理を有利にさせることができる。つまり、空気系部品や水素系部品などの反応ガス供給部品１０が高い位置にあると、燃料電池１内に空気流路や水素流路での液滴が戻り易くなるため、余剰水の排水や空気加湿装置での加湿など、液滴を排水するのが好ましい場合があり、これら空気系部品や水素系部品を低く配置することに効果がある。

「第６の実施の形態」
図１０は第６の実施の形態の燃料電池自動車における燃料電池、冷却水部品及び反応ガス供給部品の配置高さ関係を示す図、図１１は第６の実施の形態の燃料電池自動車における燃料電池、冷却水部品及び反応ガス供給部品の配管接続関係を示す模式図である。

第６の実施の形態は、図１０及び図１１に示すように、燃料電池１に形成された冷却水出入口９Ａ、９Ｂを、少なくとも燃料を供給するための反応ガス出入口１３Ａ、１３Ｂより高位置に設けている。この実施の形態では、冷却水出入口９Ａ、９Ｂを燃料電池１の上部に設け、その冷却水出入口９Ａ、９Ｂの下方に反応ガス出入口１３Ａ、１３Ｂを設けた。燃料電池１と反応ガス供給部品１０とは、前記冷却水配管５Ａ、５Ｂよりも下方の位置に設けた反応ガス供給接続配管１４Ａ、１４Ｂによって接続させている。

この実施の形態によれば、冷却水出入口９Ａ、９Ｂを高い位置に設けることで、水分を含む空気と水素の燃料電池１からの排出部をその位置と同等かそれ以下とし、車両左右方向の中央部のフロアパネル３を盛り上げたセンタートンネル部７に配置した冷却水系（冷却水部品８）への燃料電池１からの冷却水配管５Ａ、５Ｂと、冷却水系と同等かそれ以下に配置した他の流体系（反応ガス供給部品１０及び熱交換器１１）に接続される冷却水配管１２Ａ、１２Ｂや反応ガス供給接続配管１４Ａ、１４Ｂとの交差が低減され、レイアウトの簡素化とスペースの有効利用、配管接続作業性向上などに効果がある。

また、本実施の形態によれば、ガス系の燃料電池出入口（反応ガス出入口１３Ａ、１３Ｂ）を下げることになり、燃料電池１からの水分を含んだ排出ガスの各系への配管が簡素化され、ガス系の水つまり防止と水分収集や加湿性能が大幅に向上する。

「第７の実施の形態」
図１２は第７の実施の形態の燃料電池自動車における燃料電池とラジエータ間を接続する冷却水配管を示す模式図、図１３は図１２の冷却水配管の斜視図である。

第７の実施の形態は、図１２及び図１３に示すように、冷却水配管５Ｂの一部が床下下方へ下る下り勾配部１５を有し、その下り勾配部１５の手前で冷却水配管５Ｂから分岐させた空気抜き配管１６を、車両前方に配置したラジエータ４に向かって略水平に配置させている。この空気抜き配管１６は、燃料電池１からラジエータ４に向かって上り勾配としてもよい。

本実施の形態によれば、冷却水配管５Ｂの一部に下り勾配部１５があってもその手前で空気抜き配管１６を該冷却水配管５Ｂから分岐させているので、燃料電池１からラジエータ４までの冷却水配管５Ｂ内の空気溜まりを低減させることができ、冷却性能の低下防止と温度制御性の向上が期待できる。

「その他の実施の形態」
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、本発明は、上述の実施の形態に制限されることなく種々の変更が可能である。

上述した第１から第７の実施の形態では、何れも燃料電池１とラジエータ４間を接続する冷却水配管５Ａ、５Ｂを例にとって説明したが、燃料電池１から空気抜きタンクや冷却水リザーバタンクへの冷却水の配管に対しても同様な構成とすることができる。

具体的には、ラジエータ４を含むメイン循環系に空気抜きタンクやリザーバタンクを空気抜き配管を介して直列で配置させた場合、これらタンクへはメインラインの気泡も含め冷却水系の全ての空気が集まり溜まることになる。その結果、燃料電池１とラジエータ４間を接続する冷却水配管５Ａ、５Ｂには、冷却性能の低下や温度制御の低下をもたらす原因となる気泡を無くすことができる。

第１の実施の形態の燃料電池自動車における燃料電池及び冷却システム構成部品などの高さ位置関係を示す模式図である。 図１の燃料電池自動車における燃料電池及び冷却システム構成部品の床下レイアウトを示す平面図である。 図１の燃料電池自動車の床下に配置された燃料電池と冷却水配管との接続位置を示す要部拡大斜視図である。 第２の実施の形態の燃料電池自動車における燃料電池及び冷却システム構成部品などの高さ位置関係を示す模式図である。 図４の燃料電池自動車の床下に配置された燃料電池と冷却水配管との接続位置を示す要部拡大斜視図である。 第３の実施の形態の燃料電池自動車の床下に配置された燃料電池と冷却水部品との接続位置関係を示す要部拡大斜視図である。 第４の実施の形態の燃料電池自動車における燃料電池と冷却水部品との接続高さ位置関係を示す模式図である。 第５の実施の形態の燃料電池自動車における燃料電池と冷却水部品との接続高さ位置関係を示す模式図である。 第４の実施の形態の燃料電池自動車の床下に配置された燃料電池、冷却水部品及び流体用部品との接続位置関係を示す要部拡大斜視図である。 第６の実施の形態の燃料電池自動車における燃料電池、冷却水部品及び反応ガス供給部品の配置高さ関係を示す図である。 第６の実施の形態の燃料電池自動車における燃料電池、冷却水部品及び反応ガス供給部品の配管接続関係を示す模式図である。 第７の実施の形態の燃料電池自動車における燃料電池とラジエータ間を接続する冷却水配管を示す模式図である。 図１２の冷却水配管の斜視図である。

符号の説明

１…燃料電池
２…車両
３…フロアパネル（床下）
４…ラジエータ（冷却システム構成部品）
５Ａ、５Ｂ…冷却水配管
７…センタートンネル部
８…冷却水部品
９Ａ、９Ｂ…冷却水出入口
１０…反応ガス供給部品
１１…熱交換器
１２…冷却水配管
１３Ａ、１３Ｂ…反応ガス出入口
１４Ａ、１４Ｂ…反応ガス供給接続配管
１５…下り勾配
１６…空気抜き配管

Claims (9)

1. 車両の床下に燃料電池を搭載し、この燃料電池を冷却水にて温度調整する冷却システムを有し、該冷却システムの構成部品のうち少なくとも一つを車両の前方に配置してなる燃料電池自動車であって、
   前記車両の前方に配置した冷却システム構成部品と前記燃料電池間を接続する２本の冷却水配管何れもを、床下スペース内で車両左右方向の中央部かつ床下スペース内の上部に配置すると共に、床下スペース内では冷却水配管を水平に配置し、他の部分では冷却水配管を前記冷却システム構成部品に向かって上り勾配で配置させたことを特徴とする燃料電池自動車。
2. 請求項１に記載の燃料電池自動車であって、
   前記車両の前方に配置した冷却システム構成部品は、ラジエータまたは空気抜きタンクからなることを特徴とする燃料電池自動車。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池自動車であって、
   前記冷却水配管を、床下パネルの中央部を車室側へ盛り上げた部分に配置したことを特徴とする燃料電池自動車。
4. 請求項３に記載の燃料電池自動車であって、
   前記床下パネルの中央部を車室側へ盛り上げた部分を、センタートンネル部としたことを特徴とする燃料電池自動車。
5. 請求項４に記載の燃料電池自動車であって、
   前記センタートンネル部に、冷却水供給用の冷却水部品を配置したことを特徴とする燃料電池自動車。
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、
   前記燃料電池に形成された冷却水出入口を、該燃料電池の前方かつ中央上部であって、前記床下スペース内に設けられた前記冷却水配管と同等の高さかそれ以下の位置に設けることを特徴とする燃料電池自動車。
7. 請求項５に記載の燃料電池自動車であって、
   前記床下スペース内に、少なくもと前記燃料電池へ燃料を供給するための燃料供給部品を含む流体用部品を、前記冷却水部品と同等の高さかそれ以下に配置することを特徴とする燃料電池自動車。
8. 請求項７に記載の燃料電池自動車であって、
   前記燃料電池に形成された冷却水出入口を、少なくとも前記燃料を供給するための燃料出入口より高くしたことを特徴とする燃料電池自動車。
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、
   前記冷却水配管の一部が床下下方へ下る下り勾配部を有し、その下り勾配部の手前で前記冷却水配管から分岐させた空気抜き配管を、車両前方に配置した前記冷却システム構成部品に向かって水平または上り勾配で配置させたことを特徴とする燃料電池自動車。

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