JP2008037329A - 燃料電池自動車の吸気温度調節構造 - Google Patents

Abstract

【課題】コンプレッサの過熱を防止する燃料電池自動車の吸気温度調節構造を提供する。
【解決手段】本発明は、モータルーム１を備えた燃料電池自動車において、コンプレッサ７に空気を導入する吸気導入ダクト９と、吸気導入ダクトの吸気導入口が開口する空間部Ｘと、この空間部とモータルームとの間で前記モータルームの空気が流通する通路Ａ〜Ｃと、この通路を温度に応じて開閉する開閉手段１３〜１５とを備え、開閉手段は、温度が第１閾値以上の場合には通路を閉止するように形状が変化して外気を吸気導入ダクトに導入し、温度が第１閾値未満の場合には通路を開放するように形状が変化して外気とともにモータルーム内の空気を吸気導入ダクトに導入する吸気温度調節構造である。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池自動車の吸気温度調節構造、特に外気の温度に応じて形状変化する部材を用いてモータルーム内の空気の流れを制御して吸気の温度を調節する構造に関するものである。

従来のモータルーム内（またはエンジンルーム内）吸気温度調節構造として特許文献１に記載の技術がある。この技術は、エンジン後方に吸気系を、前方に排気系を配置する横置きエンジンであって、エンジンとエンジンフード間に外気を吸気系に導入する外気ダクトが車両前方から吸気系近傍まで配置される。そして、排気系から高温の空気がエンジン上部と吸気ダクト間を通じて吸気系に流れ込むことを防止するため、エンジン上部と吸気ダクト間の通路を塞ぐ開閉手段が配置されることを特徴とする。

また特許文献２に記載の温度調節構造は、コンデンサよりも大きな上下サイズを有するラジエータの上部にカバーを設けるラジエータの上部カバー構造であって、このカバーがラジエータのコンデンサよりも上方へ突出している部分の通気を確保し、且つラジエータの上部付近を覆い隠せるようになっていることを特徴とする。
特開平８−１６４７５６号公報 特開平９−１９３６７３号公報

ここで、これら従来技術を燃料電池自動車のモータルームに適用した場合を考える。燃料電池自動車の場合には、高温の吸気が導入されるとコンプレッサが耐熱温度に達して、コンプレッサの負荷を制限することになる。一方、低温の吸気が導入される場合には、吸気中の水分が燃料電池スタック内に溜り、ガスの流れが滞り、燃料電池の発電効率を低下させる。このような場合には、外気に比して温度の高いモータルーム内の空気を吸気として用いることで、燃料電池の発電効率の低下を抑制できる。

したがって、外気の温度に応じてモータルーム内の空気を吸気として吸入するかどうかを制御することが、特に走行風を期待できない停車時には重要であるが、従来技術に開示の技術は、固定式の構造を有しており、常時、空気の流れを封止するものであり、コンプレッサの許容温度範囲に吸気の温度を制御するには適当ではないという問題がある。

したがって、本発明の目的は、コンプレッサの許容温度を維持するように吸気温度を調節する燃料電池自動車の吸気温度調節構造を提供することである。

本発明は、燃料電池スタックと、この燃料電池スタックにより発電された電力により稼動し、駆動輪を駆動する駆動用モータと、前記燃料電池スタックに圧縮空気を供給するコンプレッサと、を配置するモータルームを備えた燃料電池自動車において、前記コンプレッサに空気を導入する吸気導入ダクトと、前記吸気導入ダクトの吸気導入口が開口し、外気及び前記モータルームの空気が導入される空間部と、この空間部と前記モータルームとの間で空気が流通する通路と、この通路を温度に応じて開閉する開閉手段と、を備え、前記開閉手段は、前記開閉手段の温度が第１閾値以上の場合には前記通路を閉止するように形状が変化して外気を前記吸気導入ダクトに導入し、前記開閉手段の温度が第１閾値未満の場合には前記通路を開放するように形状が変化して外気とともにモータルーム内の空気を前記吸気導入ダクトに導入することを特徴とする燃料電池自動車の吸気温度調節構造である。

本発明では、外気等の温度に応じて形状が変化する開閉手段を用いてコンプレッサに導入される空気の流れを制御するため、簡単な構成で、確実に適当な温度の空気をコンプレッサに導入し、コンプレッサの許容温度を維持することができる。

図１（ａ）は、本発明の燃料電池自動車の吸気温度調節構造を適用するモータルーム１の側面図であり、図１（ｂ）は、同様に平面図である。

図において、１は車両駆動源のモータを搭載するモータルームであり、モータルーム１は左右一対のフードリッジパネル２ａと、フードリッジパネル２後端側に接合され、客室を区画するダッシュパネル２ｂ、およびラジエータ４を支持するラジエータコアサポート３とで区画される。モータルーム１内には、駆動輪を駆動する駆動用モータ５と、駆動用モータ５に供給する電力を発電する燃料電池スタック６と、燃料電池スタック６に空気を供給するコンプレッサ７と、これらの運転状態を制御するコントローラ８が配置される。

コンプレッサ７には、車両前方に開口し、空気をコンプレッサ７に効率良く導入するガイドとしての吸気導入ダクト９が接続され、ラジエータコアサポート３前方に位置するグリル１０やバンパーに設けられた開口部から外気が吸気導入ダクト９に導入される。また、モータルーム１の上部にはモータルーム１の上部を覆い、モータルーム１の見栄えを向上するモータルームカバー１１が設置される。

このように構成されたモータルーム１において、駆動用モータ５、燃料電池スタック６及びコンプレッサ７で生じた熱により昇温したモータルーム１内の空気は、停車時には主として、
１．モータルームカバー１１とフード１２との間に形成した通路Ａ
２．ラジエータコアサポート３とラジエータ４との間に形成した通路Ｂ
３．ラジエータコアサポート３とグリル１０との間に形成した通路Ｃ
を通じて吸気導入ダクト９に導かれる。

詳しく説明すると、モータルーム１内の空気は上昇し、フード１２とモータルームカバー１１との通路Ａに入り込み、停車状態で負圧となった吸気導入ダクト９へと引き込まれる。また、一部の空気はフードリッジパネル２ａに沿って前方へと移動し、側面から見たラジエータコアサポート３とラジエータ４との間の通路Ｂに入り込み、ラジエータ４面に沿って上昇し、吸気導入ダクト９へ導入される。また、フードリッジパネル２ａに沿って前方へと移動した空気はラジエータコアサポート３とグリル１０との間に形成された通路Ｃから上昇して吸気導入ダクト９へ導入される。なお、車両走行中、モータルーム１内の空気は、車両後方に流れるので、吸気導入ダクト９へモータルーム１内の上昇した空気は、引き込まれない。

そして、これら通路Ａ〜Ｃを空気の温度に応じて開閉する開閉手段１３〜１５を各通路Ａ〜Ｃに設置する。ここで、開閉手段１３〜１５は温度に応じて形状を変化することにより、各通路Ａ〜Ｃを開閉する構成を備える。本実施例では、開閉手段１３〜１５は、外気が当たる位置に配置され、主に外気の温度に応じて変化するようにした。開閉手段１３〜１５の温度に影響する因子として外気の他に、モータルーム内の駆動用モータ５等の熱により昇温する空気が考えられるが、後述するように、モータルーム内の温度が外気の温度より高い場合には、開閉手段１３〜１５は閉状態となり、外気の温度以下の場合には、開閉手段１３〜１５は開状態となり、モータルーム内の空気温度は、開閉手段１３〜１５の開閉制御に影響することはない。

図２を用いて開閉手段の詳細を説明する。なお、開閉手段１３〜１５は、基本的な構成は同一であり、便宜上フード１２とモータルームカバー１１間の通路Ａに設置される開閉手段１３を用いて説明する。

図２に示すように、開閉手段１３は、温度に応じて形状変化（伸縮）する本体部１３ａと、本体部１３ａに固定され相手部材に接触するシール部１３ｂとから構成される。本体部１３ａは、熱により膨張しやすい材料、例えばＰＥＴ材（ポリエチレンテレフタレート）からなる中空形状を有し、中空部１３ｃには、膨張率の大きい流体、例えば空気やシリコンオイルが封入される。したがって、温度が第１閾値以上の高温時には、空気が膨張し、この膨張に伴い、本体部１３ａの体積が増大し、前述の各通路Ａ〜Ｃを閉止するように変化する。また、第１閾値未満の常温時には、高温時に比して本体部１３ａが縮小して、フード１２との間の通路が開き、空気が流通可能となる。また、低温時には、本体部１３ａがさらに縮小して、フード１２との間の通路面積が広がり、多くのモータルーム１内の空気が流通することができる。

なお、温度が常温とは、２５℃前後を意味し、それ以下であれば、各通路Ａ〜Ｃを空気が流通し、それを越える温度であれば、各通路Ａ〜Ｃを閉止する。

また、流体を封入する本体部１３ａに代えてバイメタルや形状記憶合金を用いることも可能である。この場合、温度が高い場合（２５℃を越える場合）に形状記憶合金等が伸長して通路を閉じ、低い場合には縮短して通路を開くように形状記憶合金等を設定する。また、シール部１３ｂは耐熱性のゴム材、例えば、ＥＰＤＭ材から構成され、本体部１３ａの形状変化により、フード１２に押しつけられて変形し、相手部材形状に倣うことによりフード１２との通路を閉止する。

このような開閉手段１３〜１５を各通路Ａ〜Ｃに設置することにより、外気が高温時には図３に示すように、開閉手段１３〜１５の本体部が膨張して、シール部が相手部材に接触し、各通路Ａ〜Ｃを閉止する。したがって、各通路Ａ〜Ｃを閉止することで吸気導入ダクト９の吸気導入口が開口する空間部Ｘが画成され、モータルーム１内で加熱された空気は、吸気導入ダクト９に導入されず、外気のみが吸気としてコンプレッサ７に導入される。このように、各通路Ａ〜Ｃが閉止されるため、コンプレッサ７には外気が導入され、コンプレッサ７の過熱を防止し、コンプレッサ７の温度が許容温度範囲内に維持される。

車両走行後の停止状態で、駆動用モータ５、燃料電池スタック６、コンプレッサ７の発熱の影響によりモータルーム１内の温度が高くなった場合(例えば４０℃前後)、車両前方へ周り込んできたモータルーム１内の空気により開閉手段１３〜１５の本体部が高温になり前述の各通路Ａ〜Ｃを閉止するので吸気導入ダクト９へモータルーム１内の上昇した空気は、引き込まれない。

図４は、外気が常温時の開閉手段１３〜１５の状態を示し、常温時には、開閉手段１３〜１５は各通路Ａ〜Ｃを閉止することはなく、吸気ダクト９には外気とともにモータルーム１内の空気が流入することになる。

外気の温度が常温時に車両走行後、駆動用モータ５、燃料電池スタック６、コンプレッサ７の発熱の影響によりモータルーム１内の温度が外気より高く、車両前方へ周り込んできたモータルーム１内の空気により開閉手段１３〜１５の本体部が高温になってしまった場合(４０℃前後)でも、前述の各通路Ａ〜Ｃを閉止するので吸気導入ダクト９へモータルーム１内の上昇した空気が引き込まれることはない。

図５は、外気が低温（例えば−１０℃を下回る）時の開閉手段１３〜１５の状態を示し、低温時には、本体部内の流体が収縮して、これにともない本体部も収縮して、結果として、各通路Ａ〜Ｃの流体が流通する流路面積が拡大される。これにより、常温時に比して、吸気ダクト９に流入する空気のうち、モータルーム１内からの空気の比率が高まり、モータルーム内の温度が高温であればモータルーム内の空気は高温であり、コンプレッサ７に供給される吸気温度を高めることができる。このため、燃料電池スタック６内に空気中の水分が貯留することがなく、燃料電池スタック６の発電効率を低下することがない。

車両起動開始直後では、モータルーム１内が外気の温度と同等も考えられ、その場合、モータルーム１内の低い空気が吸気導入ダクト９へ引き込まれるが、すぐ駆動用モータ５、燃料電池スタック６、コンプレッサ７が発熱し、外気より高温の空気が吸気導入ダクト９へ引き込まれることになる。

このように本発明の開閉手段１３〜１５は、外気が常温以下の時には、各通路Ａ〜Ｃを閉止することがなく、言いかえるとシール部が相手部材に接触しない。従来のように常にシール部がグリル１０、ラジエータ４やフード１２等の相手部材に接触する場合には、取り付け時にシールを撓ませつつ取り付けることになり作業が困難となるが、本発明では常温時にはシール部が相手部材に接触しないため取り付けが容易で、組み付け作業性を悪化させることがない。また、常温時にシール部がフード１２に接触することがないため、フードが閉め難いことがなく、商品性の悪化を防止することができる。

これまで説明してきた実施形態では、開閉手段１３〜１５による通路Ａ〜Ｃの閉止は、温度に応じて形状（体積）変化する本体部により制御される。温度に応じて形状変化する本体部に代えて伸縮制御されるアクチュエータを設けるようにしても良い。この場合には、吸気導入ダクト９の入口に導入される空気の温度に基づいて伸縮制御するようにしてもよい。この場合には、吸気導入ダクト９の入口に導入される空気の温度を検出する温度センサを設け、この温度センサの出力をコントローラ８に読み込み、図６に示すように、検出温度が第２閾値以上であれば、上記の通路Ａ〜Ｃを閉止するようにアクチュエータを作動させ、第２閾値未満であれば通路Ａ〜Ｃを開放してモータルーム１内の空気を吸気導入ダクト９に導くようにする。また、吸気導入ダクト９の入口の空気の温度に代えて、開閉手段１３〜１５の温度に基づいてアクチュエータを伸縮制御してもよい。

さらに、吸気導入ダクト９の入口での空気温度に代えて、車両の速度を検出し、車速に応じて開閉手段１３〜１５を作動させるようにしてもよい。この場合には、燃料電池自動車に既存の車速センサの検出信号を用い、図７に示すように、検出車速が第３閾値以上であれば、燃料電池自動車が走行中であり、走行風によるモータルーム１内の熱が放出されるため、上記の通路Ａ〜Ｃを開放するようにアクチュエータを作動させてモータルーム１内の空気を吸気導入ダクト９に導くように制御し、第３閾値未満であれば走行風による熱の放出が期待できないため、通路Ａ〜Ｃを閉止して外気を吸気導入ダクト９に導くように制御する。

このように温度や車速に応じて各通路Ａ〜Ｃの開閉状態を、アクチュエータを備えた開閉手段１３〜１５を用いて制御することにより、各通路Ａ〜Ｃの開閉状態をより精度良く制御することができる。

また、吸気導入ダクト９を分割して、少なくとも１つのダクトを外気専用導入ダクトとして形成し、他のダクトにモータルーム１内の空気を導入するように形成する。そして、各ダクトに開閉手段１３を設置することでコンプレッサ７に導入する空気を制御するようにしてもよい。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。

第１の実施形態の燃料電池自動車の吸気温度調節構造を適用するモータルーム１の構成図である。 開閉手段の構成を説明する図である。 外気温度が高温状態での開閉手段の形状を説明する構成図である。 外気温度が常温状態での開閉手段の形状を説明する構成図である。 外気温度が低温状態での開閉手段の形状を説明する構成図である。 通路の開閉状態と空気の温度との関係を説明する図である。 通路の開閉状態と車速との関係を説明する図である。

符号の説明

１：モータルーム
４：ラジエータ
５：駆動用モータ
６：燃料電池スタック
７：コンプレッサ
８：コントローラ
９：吸気導入ダクト
１０：グリル
１１：モータルームカバー
１２：フード
１３〜１５：開閉手段
１３ａ：本体部
１３ｂ：シール部
Ａ〜Ｃ：通路

Claims (8)

1. 燃料電池スタックと、この燃料電池スタックにより発電された電力により稼動し、駆動輪を駆動する駆動用モータと、前記燃料電池スタックに圧縮空気を供給するコンプレッサと、
   を配置するモータルームを備えた燃料電池自動車において、
   前記コンプレッサに空気を導入する吸気導入ダクトと、
   前記吸気導入ダクトの吸気導入口が開口し、外気及び前記モータルームの空気が導入される空間部と、
   この空間部と前記モータルームとの間で空気が流通する通路と、
   この通路を温度に応じて開閉する開閉手段と、
   を備え、
   前記開閉手段は、温度が第１閾値以上の場合には前記通路を閉止するように形状が変化して外気を前記吸気導入ダクトに導入し、温度が前記第１閾値未満の場合には前記通路を開放するように形状が変化して外気とともにモータルーム内の空気を前記吸気導入ダクトに導入することを特徴とする燃料電池自動車の吸気温度調節構造。
2. 前記開閉手段は、本体部と、本体部に取り付けられるシール部とから構成され、本体部が周囲の空気により加熱されて、前記本体部の温度が前記第１閾値以上の場合には前記通路を閉止するように前記本体部の形状が変化す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吸気温度調節構造。
3. 前記本体部は、膨張率の大きい材料で中空状に形成され、内部には前記本体部と略同等の膨張率の大きい流体が封入されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池自動車の吸気温度調節構造。
4. 前記膨張率の大きい材料はＰＥＴ材であり、前記膨張率の大きい流体は、空気またはシリコンオイルであることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池自動車の吸気温度調節構造。
5. 前記本体部は、バイメタルまたは形状記憶合金を用いて形成されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池自動車の吸気温度調節構造。
6. 前記吸気導入ダクトに導入される空気の温度または前記開閉手段の温度を検出する温度検出手段と、
   検出された温度に基づいて前記本体部の形状を変化させるコントローラとを備え、
   前記開閉手段は、前記検出された温度に基づいて形状が変化する本体部と、この本体部に取り付けられるシール部とから構成され、
   前記コントローラは、検出された温度が第２閾値以上の場合に、前記通路を閉止するように前記本体部の形状を変化させて外気を前記吸気導入ダクトに導入することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池自動車の吸気温度調節構造。
7. 前記開閉手段の開閉状態を規定する温度は、外気の温度であ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吸気温度調節構造。
8. 燃料電池スタックと、この燃料電池スタックにより発電された電力により稼動し、駆動輪を駆動する駆動用モータと、前記燃料電池スタックに圧縮空気を供給するコンプレッサと、
   を配置するモータルームを備えた燃料電池自動車において、
   前記コンプレッサに空気を導入する吸気導入ダクトと、
   前記吸気導入ダクトの吸気導入口が開口し、外気及び前記モータルームの空気が導入される空間部と、
   この空間部と前記モータルームとの間で前記モータルームの空気が流通する通路と、
   この通路を開閉する開閉手段と、
   前記燃料電池自動車の速度を検出する車速検出手段と、
   検出された車速に基づいて前記開閉手段の形状を変化するコントローラと、
   を備え、
   前記コントローラは、検出された車速が第３閾値未満の場合には前記通路を閉止するように前記開閉手段の形状を変化させて外気を前記吸気導入ダクトに導入し、前記車速が第３閾値以上の場合には前記通路を開放するように前記開閉手段の形状を変化させて外気とともにモータルーム内の空気を前記吸気導入ダクトに導入することを特徴とする燃料電池自動車の吸気温度調節構造。