JP5416362B2

JP5416362B2 - 燃料電池車両

Info

Publication number: JP5416362B2
Application number: JP2008113024A
Authority: JP
Inventors: 勝美林; 紀久小林
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2008-04-23
Filing date: 2008-04-23
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2028-04-23
Also published as: JP2009266491A

Description

本発明は、燃料電池に空気を供給するエアポンプを駆動するポンプモータで駆動する冷媒ポンプで冷媒を循環し燃料電池を冷却する燃料電池車両に関する。

燃料電池車両に搭載される燃料電池は、発電に伴い発熱するので、この燃料電池を冷却させるために、冷媒ポンプによって冷媒を循環させている。また、燃料電池は、温度によって発電効率が変わるので、発電効率が高くなる適温で発電することが望ましい。この適温まで迅速に燃料電池の温度を上昇させるために暖機が行われている。暖機として、冷媒ポンプの駆動を制御して冷媒の流量を減少させたり、冷媒ポンプの駆動を停止して冷媒の循環を止めたりすることで、燃料電池の冷却を抑制することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

燃料電池では、発電に要する酸化剤に空気中の酸素を使用しており、エアポンプによって空気が燃料電池に供給されている。そして、燃料電池車両の軽量化のため、前記エアポンプと前記冷媒ポンプを１つのポンプモータで駆動することが提案されている（例えば、特許文献２参照）。エアポンプは燃料電池の発電中はいつも駆動することから、冷媒ポンプも燃料電池の発電中はいつも駆動することになる。この常時の冷却により暖機が必要なときも燃料電池を暖め難くなっている。そこで、冷却ポンプが駆動しても、冷媒の循環を止めたり、冷媒の流量を減少させたりするために、冷媒流量制御弁（バタフライバルブ）が設けられている。
特表２００５−５１８０７７号公報特開２００８−９１３１４号公報

冷媒流量制御弁は、冷媒の流路を開閉したり、冷媒の流量を調整したりすることができる弁体と、前記弁体の開度を計測する開度センサと、前記弁体の開閉等を行うＤＣモータとを内蔵している。そして、冷媒流量制御弁は、冷媒流量制御弁の外部の制御装置によるフィードバック制御によって、前記弁体を所定の開度に設定することができる。

しかし、エアポンプと冷媒ポンプとを１つのポンプモータで駆動している場合、前記冷媒流量制御弁には、冷媒循環を止めるように弁体を閉じた際に、冷媒ポンプと冷媒流量制御弁の間の配管内は高圧となる。そのため、高耐圧仕様の配管にする必要があり、コスト増と重量増につながる。また、前記のようにポンプモータで２つのポンプを駆動するために、冷媒ポンプとエアポンプとポンプモータとは互いに近くに配置されている。そして、エアポンプは、空気を取り込みやすいように燃料電池車両の前方のモータルームなどの外気を取り込みやすい場所に配置される。この外気を取り込みやすい場所は、雨風も入り込みやすい場所であると考えると、冷媒流量制御弁の開度センサとＤＣモータはそれぞれ回動部を有するので、冷媒流量制御弁の耐水性、耐塵性は高くなく、雨風により故障しやすくなると考えられる。

本発明は、前記に鑑み、冷媒ポンプと冷媒流量制御弁の間の配管を短くし、高耐圧仕様にする配管部品点数が削減して、低コスト、低重量にできるとともに、冷媒流量制御弁に故障が発生し難い燃料電池車両を提供することを目的とする。

本発明は、燃料電池に空気を供給するエアポンプを駆動するポンプモータで駆動する冷媒ポンプから吐出される冷媒を燃料電池に導入し、前記燃料電池から導出される前記冷媒を前記冷媒ポンプに戻して、前記冷媒を循環させる燃料電池車両において、循環する前記冷媒の流量を調整する冷媒流量制御弁を有し、前記冷媒ポンプが駆動したまま、前記冷媒流量制御弁が閉じることで、前記冷媒の循環が止まり、前記冷媒流量制御弁は、前記エアポンプと前記冷媒ポンプと前記ポンプモータとが一体的にユニット化されたポンプユニットに対して取り付けられていることを特徴とする。これによれば、ユニット化によって前記エアポンプと前記冷媒ポンプと前記ポンプモータとは互いの近傍に配置され、このように配置されたポンプユニットに冷媒流量制御弁が取り付けられるので、冷媒ポンプと冷媒流量制御弁とを互いの近傍に配置することができる。そして、冷媒ポンプと冷媒流量制御弁の間の配管を短くすることができる。高耐圧仕様にする配管部品点数を削減でき、燃料電池車両を低コスト低重量で製造することができる。また、前記冷媒流量制御弁は、ポンプユニットに取り付けられることにより、ポンプユニットを楯として、外気とともに取り込まれる雨風が当るのを防ぐことができる。

また、本発明では、前記冷媒流量制御弁は、前記燃料電池車両の前後方向における前記ポンプユニットの後方側に配置されていることが好ましい。これによれば、前記冷媒流量制御弁は、前記燃料電池車両の前後方向における前記ポンプユニットの後方側に配置されているので、外気とともに取り込まれる雨風の浸入方向は主に前記燃料電池車両の前方からであるところ、ポンプユニットが楯となり、冷媒流量制御弁に、この主たる雨風が当ることがなくなり、故障し難くすることができる。

また、本発明では、前記ポンプユニットは、モータルーム内に設けられ、前記冷媒流量制御弁は、前記ポンプユニットと、前記モータルームと車室を仕切るダッシュボードアッパと、前記モータルームと前記車室を仕切るダッシュボードロアと、車両走行用の走行モータを駆動させる駆動ユニットとで、囲まれた空間に配置されていることが好ましい。これによれば、冷媒流量制御弁は、ポンプユニットと、ダッシュボードアッパと、ダッシュボードロアと、駆動ユニットとで、囲まれた空間に配置されているので、モータルームに外気とともに取り込まれた雨風が直接当ることはなくなり、故障し難くなる。

また、本発明では、前記燃料電池車両の前後方向における前記駆動ユニットの前方側に配置され、前記エアポンプに吸引され前記エアポンプの下流を流れる前記空気を冷却するインタクーラを有することが好ましい。外気とともにモータルームに入ってくる雨風は、駆動ユニットだけでなくインタクーラも経ないと冷媒流量制御弁に達しないので、冷媒流量制御弁には、一層、雨風が当ることはなくなり、故障し難くなると考えられる。

また、本発明では、前記冷却ポンプの吐出側と前記冷媒流量制御弁とを接続し前記冷媒が循環する高耐圧配管を有し、前記高耐圧配管は、他の配管に比べて耐圧性が高いことが好ましい。

本発明によれば、冷媒ポンプと冷媒流量制御弁の間の配管を短くし、高耐圧仕様にする配管部品点数が削減して、低コスト、低重量にできるとともに、冷媒流量制御弁に故障が発生し難い燃料電池車両を提供できる。

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。

図１に、本発明の実施形態に係る燃料電池車両１の構成図を示す。燃料電池車両１には、水素（Ｈ_２）を燃料にし、空気中の酸素（Ｏ_２）を酸化剤にして発電する燃料電池ＦＣが搭載されている。燃料電池ＦＣは、運転者が搭乗する車室３の下の床下（センタトンネル）４に配置されている。また、燃料電池車両１の後方の床下４には、燃料電池ＦＣに水素を供給する水素タンク１０が配置されている。燃料電池ＦＣと水素タンク１０とを、床下４に配置することで、広い車室３を確保することができる。

車室３は、ダッシュボードアッパ５とダッシュボードロア６とによって、モータルーム２と仕切られている。ダッシュボードアッパ５には、ハンドル１１や、スピードメータ等が組み込まれ、ダッシュボードロア６には、ブレーキペダル等が取り付けられている。

モータルーム２には、駆動ユニット７が配置されている。駆動ユニット７は、燃料電池車両１を走行させるためにタイヤ８を回動させる走行モータＤＭを含んでいる。

燃料電池ＦＣは発電に伴い発熱するので、燃料電池ＦＣを冷却させるために、冷媒ポンプＷＰを用いて冷媒を燃料電池ＦＣとラジエータＲＡＤをめぐるように循環させている。燃料電池ＦＣは、温度によって発電効率が変わるので、発電効率が高くなる適温で発電することが望ましい。この適温まで迅速に燃料電池の温度を上昇させるために暖機が行われている。暖機としては、２段階の暖機が用意されている。１段階目の暖機は寒冷地でない冬季などに使用され、２段階目の暖機は寒冷地での冬季などに使用される。

１段階目の暖機では、サーモスタット弁Ｔｈを用いて、ラジエータＲＡＤに冷媒が循環しないようにすることで、燃料電池ＦＣに対する冷却力を低下させている。つまり、ラジエータＲＡＤで冷却された冷媒が燃料電池ＦＣに入ってこないので、燃料電池ＦＣを迅速に昇温させることができる。

２段階目の暖機では、冷媒流量制御弁ＣＣＶを用いて、１段階目の暖機における燃料電池ＦＣでの冷媒の循環を止めてしまう（流量を絞ってしまう）。２段階目の暖機の際には、冷媒が循環しないので燃料電池ＦＣ内の冷媒のみが暖まれば、燃料電池ＦＣを昇温できるので、極低温下でも迅速な暖機が可能になる。

また、燃料電池ＦＣでは、発電に要する酸化剤に空気中の酸素を使用しており、このため、エアポンプＡＰによって空気が燃料電池ＦＣに供給されている。そして、燃料電池車両１の軽量化のため、前記エアポンプＡＰと前記冷媒ポンプＷＰを1つのポンプモータＰＭで駆動している。このため、冷媒ポンプＷＰとエアポンプＡＰとポンプモータＰＭとは互いに近くに配置されている。エアポンプＡＰは、空気を取り込みやすいように、燃料電池車両１の前面にまで伸びた吸気管１２が取り付けられ、燃料電池車両１の前方のモータルーム２に配置されている。したがって、必然的に、ポンプモータＰＭと冷媒ポンプＷＰもモータルーム２に配置されることになる。

エアポンプＡＰは、燃料電池ＦＣの発電中は常時駆動することから、冷媒ポンプＷＰも常時駆動することになる。このため、前記２段階目の暖機において、冷媒の循環を止めるためには、冷媒ポンプＷＰを停止できないので、冷媒流量制御弁ＣＣＶを用いて、冷媒流量制御弁ＣＣＶを閉じることで冷媒の循環を停止している（流量を絞っている）。

図１に示すように、ポンプモータＰＭ、冷媒ポンプＷＰ、エアポンプＡＰ、サーモスタット弁Ｔｈは、一体的にユニット化され、ポンプユニットＰＵを構成している。ポンプユニットＰＵは、駆動ユニット７の上に配置されている。また、ポンプモータＰＭ、冷媒ポンプＷＰ、エアポンプＡＰ、サーモスタット弁Ｔｈは、走行モータＤＭの上方に配置されている。冷媒流量制御弁ＣＣＶは、冷媒流量制御弁ＣＣＶを閉じたときに高圧になる冷媒ポンプＷＰと冷媒流量制御弁ＣＣＶとの間の高耐圧配管２３を短くするために、ポンプユニットＰＵに対して支持部２４によって取り付けられ、そして、モータルーム２内で冷媒ポンプＷＰの近傍に配置されている。冷媒流量制御弁ＣＣＶは、ポンプユニットＰＵと、駆動ユニット７と、ダッシュボードアッパ５と、ダッシュボードロア６とで、囲まれたモータルーム２内の空間に配置されている。このため、モータルーム２には、外気が取り込まれているので、雨風も入り込んでくる場合もあるが、雨風が冷媒流量制御弁ＣＣＶに直接当ることはなくなり、外部からの水および埃のかかり量が減少して防水・錆タフネスが上がり、冷媒流量制御弁ＣＣＶは故障し難くなると考えられる。特に、冷媒流量制御弁ＣＣＶは、ポンプユニットＰＵに取り付けられることにより、ポンプユニットＰＵを楯として、外気とともに取り込まれる雨風が当るのを防ぐことができる。また、冷媒流量制御弁ＣＣＶは、燃料電池車両１の前後方向におけるポンプユニットＰＵの後方側に取り付けられているので、外気とともに取り込まれる雨風の浸入方向は主に前記燃料電池車両の前方からであるところ、ポンプユニットＰＵが楯となり、冷媒流量制御弁に、この主たる雨風が当らなくなる。

また、前記ラジエータＲＡＤは、温度の低い外気を送風させるために、燃料電池車両１の前面近傍の前記駆動ユニット７の車両前方方向に配置されている。このため、外気とともにモータルーム２に入ってくる雨風は、駆動ユニット７だけでなくラジエータＲＡＤも経ないと冷媒流量制御弁ＣＣＶに達しないので、冷媒流量制御弁ＣＣＶには、一層、雨風が当ることはなくなり、故障し難くすることができる。

また、インタクーラＩＣが、ラジエータＲＡＤに対して横並びになるように、モータルーム２内に配置されている。インタクーラＩＣはモータルーム２の下部に配置されている。インタクーラＩＣは、エアポンプＡＰから燃料電池ＦＣへ供給する圧縮され高温になった空気を冷却する。エアポンプＡＰから燃料電池ＦＣまで送られる空気は、エアポンプＡＰで吸気された空気が圧送されているので、空気は断熱圧縮され空気の温度が上昇している。インタクーラＩＣは、外気を取り込んで送風することで、この温度の上がった空気を冷却している。温度の低い外気を取り込むために、燃料電池車両１の前面近傍の前記駆動ユニット７に対して車両前方方向に配置されている。このため、外気とともにモータルーム２に入ってくる雨風は、駆動ユニット７だけでなくインタクーラＩＣも経ないと冷媒流量制御弁ＣＣＶに達しないので、冷媒流量制御弁ＣＣＶには、一層、雨風が当ることはなくなり、故障し難くすることができる。

図２（ａ）に、ポンプユニットＰＵの、それに支持される冷媒流量制御弁ＣＣＶも含めた上面図を示し、図２（ｂ）に側面図を示す。ポンプモータＰＭは、ギヤ部２５を介して、エアポンプＡＰと冷媒ポンプＷＰとに連結している。ポンプモータＰＭで発生した駆動力は、ギヤ部２５を介して、エアポンプＡＰと冷媒ポンプＷＰとに分配され伝達される。冷媒ポンプＷＰとサーモスタット弁Ｔｈとは直接接するように配置され、連通している。冷媒流量制御弁ＣＣＶは、支持部２４によって、ポンプモータＰＭ、ギヤ部２５、エアポンプＡＰに支持されている。

ラジエータＲＡＤから戻った冷媒は、サーモスタット弁Ｔｈを通って、冷媒ポンプＷＰに吸入される。また、冷媒は、冷媒ポンプＷＰから高耐圧配管２３に吐出され、冷媒流量制御弁ＣＣＶを通って、燃料電池ＦＣへ流れていく。冷媒流量制御弁ＣＣＶでこの冷媒の流れが止められると、高耐圧配管２３内の冷媒の圧力は上昇してしまう。このため、高耐圧配管２３は、その圧力に耐えられる仕様になっている。逆に他の箇所で使用される配管には、そのような仕様を施す必要はなく、低コスト化、軽重量化が図れる。また、高耐圧配管２３の長さは、ポンプモータＰＭ、エアポンプＡＰを跨ぐ程度の長さになっている。これは、ユニット化してポンプユニットＰＵを構成したために、構成部品間の距離が短くなったからで、具体的には、冷媒ポンプＷＰとエアポンプＡＰとの距離が短くなっているからである。

図３に、本発明の実施形態に係る燃料電池車両１のブロック図を示す。燃料電池ＦＣには、水素タンク１０から燃料となる水素が供給され、エアポンプＡＰから酸化剤となる酸素を含んだ空気が供給されることで、発電している。発電によって生じた駆動電流を駆動ユニット７に流すことにより、走行モータＤＭを駆動して燃料電池車両１を走行させることができる。燃料電池ＦＣに供給される空気は、エアポンプＡＰによって外気から吸気され、インタクーラＩＣで冷却されている。

燃料電池ＦＣは発電に伴い発熱するので、燃料電池ＦＣを冷却させるために、冷媒ポンプＷＰを用いて冷媒を燃料電池ＦＣとラジエータＲＡＤをめぐるように循環させている。冷媒ポンプＷＰから吐出された冷媒は、燃料電池ＦＣに導入され、燃料電池ＦＣから導出された冷媒は、冷媒ポンプＷＰに戻っている。

また、暖機を２段階で行うことができる。１段階目の暖機では、サーモスタット弁Ｔｈを用いて、冷媒をラジエータＲＡＤを経由しないバイパスに流し、ラジエータＲＡＤに冷媒が循環しないようにしている。２段階目の暖機では、冷媒流量制御弁ＣＣＶを用いて、流路を閉じて、燃料電池ＦＣにおける冷媒の循環を止めている。冷媒流量制御弁ＣＣＶが循環を止めたとき、冷媒流量制御弁ＣＣＶと冷媒ポンプＷＰの間の高耐圧配管２３内は高圧になる。このため、この間の高耐圧配管２３には高耐圧仕様の配管が用いられるが、冷媒流量制御弁ＣＣＶを冷媒ポンプＷＰの近傍に配置することで、高耐圧配管２３の配管長を短くすることができる。

図３に示すように、前記エアポンプＡＰと前記冷媒ポンプＷＰを１つのポンプモータＰＭで駆動している。具体的には、ポンプモータＰＭの回転軸ＰＭ１が伸びて、エアポンプＡＰと冷媒ポンプＷＰそれぞれの回転軸としてもよく、エアポンプＡＰと冷媒ポンプＷＰをポンプモータＰＭそれぞれの回転軸は、一直線上に配置されて連結されている。もちろん、図２のようにギヤ部２５を用いてもよい。

制御装置１３は、例えば図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）などを備えるコンピュータおよびプログラム、周辺回路などを含んで構成され、ＲＯＭに記憶されるプログラムによって制御される。そして、後記する冷媒流量制御弁ＣＣＶの開閉の調節や、ポンプモータＰＭ、駆動ユニット７、燃料電池ＦＣの駆動制御を含み、燃料電池車両１全体を制御する機能を有している。

図４に、冷媒流量制御弁ＣＣＶの断面図を示す。冷媒流量制御弁ＣＣＶは、断面が略円形の弁座１９の、断面中心を通って横架される回転軸２１と一体に回転する弁体２０によって開閉（開度）が調節され、弁座１９を通流する冷媒の流量を調節している。図４では、これら、弁座１９と、回転軸２１と、弁体２０等によって、バタフライ弁を構成している場合を示している。

弁体２０は、玉軸受けなどの軸受け１７によって、冷媒流量制御弁ＣＣＶの本体１６に回転可能に支持される回転軸２１に固定され、弁座１９における冷媒の通流方向（以下、流路方向と称する）に対して垂直方向に回動する。弁座１９と軸受け１７の間には、オイルシール１８が備わり、弁座１９を通流する冷媒の軸受け１７の側への漏洩を封じている。また、軸受け１７と反対の側の回転軸２１の端部は、樹脂軸受け２２などで冷媒流量制御弁ＣＣＶの本体１６に回転自在に支持されている。

弁体２０の平面形状は弁座１９の断面形状と略等しく、弁体２０は、弁座１９を通流する冷媒を全く通流させない状態となる全閉位置から、冷媒を最大限に通流させる状態となる全開位置の間で開閉動作する。全閉位置では、弁体２０が弁座１９の流路方向に対して略垂直に起立して、弁座１９を通流する冷媒の流れを遮断する。また、全開位置では、弁体２０が弁座１９の流路方向に略水平になることで冷媒を最大限に通流させる。そして、弁体２０の弁座１９の流路方向に対する回転角度によって、冷媒流量制御弁ＣＣＶの開度が決定される。

回転軸２１の軸受け１７側の端部には、開度センサ１５とＤＣモータ１４が取り付けられ、回転軸２１および弁体２０はＤＣモータ１４の回転駆動によって回転（動作）する。

開度センサ１５としては、例えば、回転軸２１の回転角度を検出する角度センサを用いることができる。そして、開度センサ１５は、回転軸２１の回転角度を検出し、検出値を電気信号などの角度信号に変換して制御装置１３に送信する。制御装置１３は、角度信号に基づいて、冷媒流量制御弁ＣＣＶの開度を算出する。

ＤＣモータ１４は、モータ電力供給部１４ａから供給される電力で駆動し、モータ電力供給部１４ａは、制御装置１３からの指令に基づいて、ＤＣモータ１４に電力を供給しＤＣモータ１４を駆動させる。なお、図４では、ＤＣモータ１４の出力軸は回転軸２１と直結しているが、減速機構を介してＤＣモータ１４の出力軸と回転軸２１を連結する構成であってもよい。

前記のように、開度センサ１５とＤＣモータ１４は、回転軸２１に対して相対的に回動する回動部を有するので、雨風により回転軸２１と回動部との隙間に水や埃が浸入すると、錆が発生したり、埃がかんだりして、故障しやすくなると考えられた。しかし、本実施形態によれば、冷媒流量制御弁ＣＣＶを雨風の当らない空間に配置しているので、冷媒流量制御弁ＣＣＶの故障発生率を低減できる。

本発明の実施形態に係る燃料電池車両の構成図である。（ａ）はポンプユニットの、それに支持される冷媒流量制御弁も含めた上面図であり、（ｂ）は側面図である。本発明の実施形態に係る燃料電池車両のブロック図である。冷媒流量制御弁の断面図である。

符号の説明

１燃料電池車両
２モータルーム
３車室
４床下
５ダッシュボードアッパ
６ダッシュボードロア
７駆動ユニット
８タイヤ
１０水素タンク
１１ハンドル
１２吸気管
１３制御装置
１４ＤＣモータ
１５開度センサ
２３高耐圧配管
２４支持部
２５ギヤ部
ＦＣ燃料電池
ＲＡＤラジエータ
ＩＣインタクーラ
ＰＭポンプモータ
ＰＭ１回転軸
ＰＵポンプユニット
ＡＰエアポンプ
ＷＰ冷媒ポンプ
ＣＣＶ冷媒流量制御弁
Ｔｈサーモスタット弁
ＤＭ走行モータ

Claims

燃料電池に空気を供給するエアポンプを駆動するポンプモータで駆動する冷媒ポンプから吐出される冷媒を燃料電池に導入し、前記燃料電池から導出される前記冷媒を前記冷媒ポンプに戻して、前記冷媒を循環させる燃料電池車両において、
循環する前記冷媒の流量を調整する冷媒流量制御弁を有し、
前記冷媒ポンプが駆動したまま、前記冷媒流量制御弁が閉じることで、前記冷媒の循環が止まり、
前記冷媒流量制御弁は、前記エアポンプと前記冷媒ポンプと前記ポンプモータとが一体的にユニット化されたポンプユニットに対して取り付けられていることを特徴とする燃料電池車両。
前記冷媒流量制御弁は、前記燃料電池車両の前後方向における前記ポンプユニットの後方側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両。
前記ポンプユニットは、モータルーム内に設けられ、
前記冷媒流量制御弁は、前記ポンプユニットと、前記モータルームと車室を仕切るダッシュボードアッパと、前記モータルームと前記車室を仕切るダッシュボードロアと、車両走行用の走行モータを駆動させる駆動ユニットとで、囲まれた空間に配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池車両。
前記燃料電池車両の前後方向における前記駆動ユニットの前方側に配置され、前記エアポンプに吸引され前記エアポンプの下流を流れる前記空気を冷却するインタクーラを有することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池車両。
前記冷却ポンプの吐出側と前記冷媒流量制御弁とを接続し前記冷媒が循環する高耐圧配管を有し、前記高耐圧配管は、他の配管に比べて耐圧性が高いことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池車両。