JP2008126847A - 燃料電池車両の冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】異なる熱源部品に対応して効果的に冷却を行うことができる燃料電池車両の冷却構造を提供する。
【解決手段】車体フレームをサイドフレーム８、８と複数のクロスメンバ２９，３８，４４と、これらを連結する部分に設けたジョイントダクトで中空に形成し、各ジョイントダクトはサイドフレーム８及びクロスメンバ２９，３８，４４内に冷却風を発生させるファンを備えると共にサイドフレーム８及びクロスメンバ２９，３８，４４へ冷却風を配風するバルブを有し、車体フレームのモータ４、燃料電池スタック５、バッテリ６配置部位と車体フレームとの間を伝熱可能に接続するモータ取り付けブラケット４７、スタック取り付けブラケット４９、バッテリ取り付けブラケット５１を設け、各熱源部品の温度状況に応じてファンとバルブとを制御する制御装置５４を設けたことを特徴とする。
【選択図】図８

Description

この発明は、燃料電池車両の冷却構造に関する。

電気自動車等においては搭載された走行用バッテリを車体前端部から取り入れた外気により冷却するようにしたものがある。このバッテリは車体の左右に前後方向に沿って配置されたサイドフレームを中空状に形成し、このサイドフレームの前端部に外気取り入れ口を設けると共に後端部に排出口を設け、車体中央部に設けた走行用バッテリの収納部にサイドフレームから分岐した通路を接続して、サイドフレームから取り入れた外気により走行用バッテリの収納部内を冷却するものである（特許文献１参照）。
特開平０５−１６９９８１号公報

ところで、燃料電池車両においても電気自動車と同様に燃料電池スタックや高圧バッテリ等の熱源部品を備えているため、上述した従来の冷却構造を採用することもできるが、同じ仕様の走行用バッテリを複数搭載した電気自動車とは異なり、異なる熱源部品を備えている燃料電池車両では単純に一箇所で冷却できないという問題がある。
つまり熱源部品は各部品毎に異なる熱負荷を持っているため、それぞれを別個に冷却する必要がある。また、各部品毎に別々に収納部を設けて冷却することも考えられるが、直接外気を熱源部品に当てることにより冷却するだけでは、車体骨格部や各部品の配置が制約を受け、熱源部品の多い燃料電池車両等では設計の自由度が低下するという問題がある。

そこで、この発明は、異なる熱源部品に対応して効果的に冷却を行うことができる燃料電池車両の冷却構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載した発明は、車体の左右に前後方向に沿って車体骨格部材である中空のサイドフレーム（例えば、実施形態におけるサイドフレーム８）を設け、このサイドフレームの前端部に吸気口（例えば、実施形態における吸気口１８、吸気口１５）を後端部に排気口（例えば、実施形態における排気口１６）を設け、これら左右のサイドフレーム間に車体骨格部材である中空のクロスメンバ（例えば、実施形態における前フロントクロスメンバ２５、斜めクロスメンバ２９、後フロアクロスメンバ３９、エンドフロアクロスメンバ４４）を配置し、このクロスメンバと前記サイドフレームとをジョイントダクト（例えば、実施形態における吸気口ジョイントダクト１７、前部ジョイントダクト３０、連結ジョイントダクト３４、車室ジョイントダクト４０、４０’）により連通接続して車体フレームを構成し、前記ジョイントダクトは前記サイドフレーム及び前記クロスメンバ内に冷却風を発生させるファン（例えば、実施形態におけるファン２４）を備えると共に前記サイドフレーム及び前記クロスメンバへ冷却風を配風するバルブ（例えば、実施形態におけるバルブ２２）を有し、前記車体フレームの熱源部品（例えば、実施形態におけるモータ４、燃料電池スタック５、バッテリ６）配置部位と前記車体フレームとの間を伝熱可能に接続する伝熱プレート（例えば、実施形態におけるモータ取り付けブラケット４７、スタック取り付けブラケット４９、バッテリ取り付けブラケット５１）を設け、各熱源部品の温度状況に応じて前記ファンと前記バルブとを制御する制御装置（例えば、実施形態における制御装置５４）を設けたことを特徴とする。
このように構成することで、車体骨格部材としての車体フレームに冷却用のダクトとしての機能を併せ持たせることができる。

請求項１に記載した発明によれば、車体骨格部材としての車体フレームに冷却用のダクトとしての機能を併せ持たせることができるため、車両全体での冷却能力の向上を図ることができるという効果がある。したがって、既存の冷却システムの小型化を図ることができるため、小型、軽量化が可能となる効果がある。

次に、この発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１に示すように、燃料電池車両１は、ダッシュパネル２の前側に隔成された車体前部のパワープラントルーム３に走行用のモータ（ドライブモータ（ＤＭ））４が、車室内にはフロアトンネル下に燃料電池スタック(ＦＣ)５が、燃料電池スタック５の後方にはバッテリ（ＢＡＴ）６が配置されている。
ここで、燃料電池スタック５は、供給される水素と酸素との電気化学反応によって発電を行うものであり、この発電により生じた電力でモータ４を駆動して走行する。燃料電池スタック５は、車体後部のリヤフロアのフロアトンネル部下に配置され、車体後部に設けた水素タンクから供給される水素ガスと、車体前部に設けたコンプレッサから供給される空気中の酸素により発電を行う。

図２、図３に示すように、燃料電池車両１は車体の左右に前後方向に沿って車体骨格部材である中空のサイドフレーム８，８を備えている。各サイドフレーム８は、パワープラントルーム３の下部に配置された前部フレーム９と、車室内に前後に配置された車室前フレーム１０と車室後フレーム１１と、ラゲッジルーム下の後部フレーム１２とを備えている。尚、これら前部フレーム９、車室前フレーム１０、車室後フレーム１１、及び後部フレーム１２は中空のアルミニウム材料から形成されている。
車室前フレーム１０は前端部が段差部１３を介して立ち上がり前部フレーム９に連通し、後部フレーム１２は前端部が段差部１４を介して前側に下がり、車室後フレーム１１に連通している。
左右の前部フレーム９の前端部には吸気口１５が形成され、左右の後部フレーム１２の後端部には排気口１６が形成されている。

左右の前部フレーム９の前端部には吸気口ジョイントダクト１７が取り付けられている。図４に示すように、吸気口ジョイントダクト１７は前側に吸気口１８を後側に後開口部１９を備えた中空のアルミニウム材からなる部材であって、吸気口１８にはこれを開閉するバタフライ型のバルブユニット２０がボルト２１により固定され、吸気口１８がバルブ２２により開閉可能に構成されている。また、後開口部１９にはファンユニット２３がボルト２１により固定され、ファン２４により冷却風を発生して後開口部１９から下流に配風できるようになっている。ここで、左右の前部フレーム９の前端部の吸気口ジョイントダクト１７間には、両者に跨り車体骨格部材である中空のアルミニウム材からなる前フロントクロスメンバ２５が接合されている。尚、ファンユニット２３とバルブユニット２０とは吸気口ジョイントダクト１７の上部差し込み口２６から挿入されて組み付けられている。ここで、ファンユニット２３にはファン２４を駆動するファンモータ２７が設けられ、バルブユニット２０にはバルブ２２を駆動するバルブ駆動モータ２８が設けられている（以下同様）。

左右の前部フレーム９，９間には、前部フレーム９の後端部に車体骨格部材であるアルミニウム材からなる中空の斜めクロスメンバ２９，２９が斜め前方内側に向かって各々配置され、各斜めクロスメンバ２９の前端部は前部ジョイントダクト３０に各々連通接続されている。尚、各斜めクロスメンバ２９の後端部は車体骨格部材であるアルミニウム材からなる中空のサポートクロスメンバ３１により連結されている。

図６に示すように、前部ジョイントダクト３０は前側に前開口部３２を両側部に側部開口部３３，３３を備えた中空のアルミニウム材からなる部材であって、各側部開口部３３には、これらを開閉するバタフライ型のバルブユニット２０が各々ボルト２１により固定され、各側部開口部３３がバルブ２２により開閉可能に構成されている。また、前部ジョイントダクト３０の前開口部３２にはファンユニット２３がボルト２１により固定され、ファン２４により冷却風を発生して側部開口部３３から下流に配風できるようになっている。尚、上記ファンユニット２３とバルブユニット２０とは前部ジョイントダクト３０の上部差し込み口２６から挿入されて組み付けられている。
各斜めクロスメンバ２９の後端部と前部フレーム９の後端部と車室前フレーム１０の前端部との間には連結ジョイントダクト３４ｌ，３４ｒが連通接続されている。

図５は左側の連結ジョイントダクト３４ｌを示している。尚、右側の連結ジョイントダクト３４ｒと左側の連結ジョイントダクト３４ｌとは勝手反対であるので、左側の連結ジョイントダクト３４ｌを例にして説明する。
図５に示すように、連結ジョイントダクト３４ｌは前側に前開口部３５を、内側に側部開口部３６を、後側に後開口部３７を各々備えた中空のアルミニウム材からなる部材であって、側部開口部３６には、これを開閉するバタフライ型のバルブユニット２０がボルト２１により固定され、側部開口部３６がバルブ２２により開閉可能に構成されている。

また、連結ジョイントダクト３４ｌの前開口部３５にもこれを開閉するバタフライ型のバルブユニット２０がボルト２１により固定され、前開口部３５がバルブ２２により開閉可能に構成されている。連結ジョイントダクト３４ｌの前開口部３５が前部フレーム９の後端部に接続され、側部開口部３６が斜めクロスメンバ２９の後端部に接続され、後開口部３７が車室前フレーム１０の前端部に接続されている。尚、ファンユニット２３とバルブユニット２０とは連結ジョイントダクト３４ｌの上部差し込み口２６から挿入されて組み付けられている。

左右の車室前フレーム１０，１０間には、前端部の段差部１３の後部に、両者に跨り車体骨格部材であるアルミニウム材からなる中空の前フロアクロスメンバ３８が接続されている。
各車室前フレーム１０，１０間には、各々の後端部に車体骨格部材であるアルミニウム材からなる中空の後フロアクロスメンバ３９が配置され、後フロアクロスメンバ３９の各端部と、車室前フレーム１０の後端部と、車室後フレーム１１の前端部との間には車室ジョイントダクト４０ｌ，４０ｒが連通接続されている。

図７は左側の車室ジョイントダクト４０ｌを示している。尚、右側の車室ジョイントダクト４０ｒと左側の車室ジョイントダクト４０ｌとは勝手反対であるので、左側の車室ジョイントダクト４０ｌを例にして説明する。
図７に示すように、車室ジョイントダクト４０ｌは前側に前開口部４１を、内側に側部開口部４２を、後側に後開口部４３を備えた中空のアルミニウム材からなる部材であって、側部開口部４２には、これを開閉するバタフライ型のバルブユニット２０がボルト２１により固定され、側部開口部４２がバルブ２２により開閉可能に構成されている。

また、車室ジョイントダクト４０の後開口部４３にはこれを開閉するバタフライ型のバルブユニット２０がボルト２１により固定され、側部開口部４２がバルブ２２により開閉可能に構成されている。車室ジョイントダクト４０の前開口部４１が車室前フレーム１０の後端部に接続され、側部開口部４２が後フロアクロスメンバ３９の端部に接続され、後開口部４３が車室後フレーム１１の前端部に接続されている。尚、上記ファンユニット２３とバルブユニット２０とは車室ジョイントダクト４０の上部差し込み口２６から挿入されて組み付けられている。

左右の車室後フレーム１１，１１間には、後端部に、両者に跨り車体骨格部材であるアルミニウム材からなる中空のエンドフロアクロスメンバ４４が接続されている。このエンドフロアクロスメンバ４４の各端部と、車室後フレーム１１の後端部と、後部フレーム１２の前端部との間には前述した車室ジョイントダクト４０と同様の構成の車室ジョイントダクト４０’（４０ｌ’、４０ｒ’）が連通接続されている。この車室ジョイントダクト４０’の各前開口部４１が各車室後フレーム１１の後端部に接続され、各側部開口部４２がエンドフロアクロスメンバ４４の各端部に接続され、各後開口部４３が各後部フレーム１２の前端部に接続されている。
左右の後部フレーム１２，１２間には、両者に跨り車体骨格部材であるアルミニウム材からなる中空のリヤクロスメンバフロント４５とリヤクロスメンバリヤ４６が前後に接続されている。そして、後部フレーム１２，１２の後端部には、排気口１６が形成されている。

ここで、斜めクロスメンバ２９には前側に延出する一対のモータ取り付けブラケット４７，４７が接合され、このモータ取り付けブラケット４７，４７の前端部がボルト孔４８を備えたモータ設置部として構成されている。また、前フロアクロスメンバ３８には前側に延出する一対のスタック取り付けブラケット４９，４９が接合され、このスタック取り付けブラケット４９の前端部がボルト孔５０を備えたスタック設置部として構成されている。そして、後フロアクロスメンバ３９には前側に延出する一対のバッテリ取り付けブラケット５１，５１が接合され、このバッテリ取り付けブラケット５１の前端部がボルト孔５２を備えたバッテリ設置部として構成されている。

これらモータ取り付けブラケット４７，４７にモータ４が、スタック取り付けブラケット４９，４９に燃料電池スタック５が、バッテリ取り付けブラケット５１，５１にバッテリ６が熱伝導率を高めるために各々図示しないボルトにより各ボルト孔４８，５０，５２に直付けされている。尚、これらモータ取り付けブラケット４７、スタック取り付けブラケット４９及びバッテリ取り付けブラケット５１は共に熱伝導率の高い材質、例えばアルミニウム材料で形成されている。

図８に示すように、モータ４、燃料電池スタック５及びバッテリ６には温度センサ５３が各々取り付けられ、各温度センサ５３の検出信号は制御装置（ＥＣＵ）５４に入力されるようになっている。また、制御装置５４にはワイパースイッチ（ＷＳ）５５が接続され、ワイパーの作動非作動を検出するようになっている。
そして、前述した吸気口ジョイントダクト１７、前部ジョイントダクト３０、連結ジョイントダクト３４ｌ，３４ｒ、車室ジョイントダクト４０ｌ，４０ｒ、４０ｌ’，４０ｒ’、のファンユニット２３のファンモータ２７及びバルブユニット２０のバルブ駆動モータ２８は制御装置５４により駆動制御可能に接続されている。尚、５６はラジエータを示す（図９〜図１２においては図示略）。

ここで、制御装置５４には燃料電池車両１の熱源部品の冷却に関して複数のモードが設定され、車両の運転状態等に応じた冷却運転モードを採用することにより最大の冷却効果を発揮できるようになっている。ここで、熱源部品は、モータ４、燃料電池スタック５及びバッテリ６である。尚、熱源部品としてのモータ４には駆動回路を含めてもよい。
この冷却運転モードには、燃料電池システム停止時や、雨天時（ワイパー作動時）に外気温が著しく低くなる場合において過剰な冷却が行われないようにしたオーバークール回避モード、通常走行時等の燃料電池スタックに対する負荷が大きい通常モード、長い上り坂等モータ負荷が大きい場合のモータ負荷大モード、始動直後等の燃料電池スタック負荷が小さくバッテリ負荷が大きい場合の始動モードが設定されている。

図９〜図１２に基づいて、冷却運転モードについて説明する。
図９はオーバークール回避モードを示している。このモードが選択される条件としては、燃料電池スタック５が発電を停止している時や、雨天時（ワイパースイッチ５５がオン）であって、かつ外気温が著く低い場合である。
このような場合に冷却運転を行うと過冷却となるためこれを防止する必要から、吸気口ジョイントダクト１７の吸気口１８をバルブ２２で閉鎖することでサイドフレーム８の吸気口１５を閉塞する。また、吸気口ジョイントダクト１７及び前部ジョイントダクト３０の各ファンユニット２３のファン２４を停止する。また、前部ジョイントダクト３０のバルブ２２により側部開口部３３を閉塞する。これにより、冷却風がサイドフレーム８に流れ込むことはなく、モータ４、燃料電池スタック５及びバッテリ６の過冷却は防止される。

図１０は通常モードを示している。このモードが選択される条件としては、燃料電池スタック５に対する負荷が大きい通常運転時である。この場合には、右側の吸気口ジョイントダクト１７ではバルブ２２により吸気口１８を開放してファン２４を駆動し、前部ジョイントダクト３０のバルブ２２により各側部開口部３３を閉塞し、連結ジョイントダクト３４ｒのバルブ２２により前開口部３５を開放し、側部開口部３６を閉塞しておく。尚、このとき左側の吸気口ジョイントダクト１７ではバルブ２２により吸気口１８を閉塞しておく。

また、右側の車室ジョイントダクト４０ｒではバルブ２２により側部開口部４２を開放し、バルブ２２により後開口部４３を閉塞する。更に、左側の車室ジョイントダクト４０ｌではバルブ２２により側部開口部４２を開放し、バルブ２２により後開口部４３を開放している。
更に、後側の左側の車室ジョイントダクト４０ｌ’ではバルブ２２により側部開口部４２を閉塞し、バルブ２２により後開口部４３を開放している。
したがって、この通常モードでは、前側から取り入れた走行風により後フロアクロスメンバ３９を冷却し、これによりスタック取り付けブラケット４９，４９を介して負荷が大きいため高温となっている燃料電池スタック５を効果的に冷却できる。このとき、モータ４とバッテリ６が燃料電池スタック５の放熱雰囲気に晒されることはない。
尚、後フロアクロスメンバ３９の左から右へ流れる冷却風により燃料電池スタック５を冷却するようにしてもよい。

図１１はモータ負荷大モードを示している。このモードが選択されるのはモータ４に著しく大きな負荷がかかる場合である。この場合には、モータ４を効果的に冷却する必要があるため、左右の吸気口ジョイントダクト１７のバルブ２２により吸気口１８を閉塞して各サイドフレーム８の吸気口１５を閉塞する。また、前部ジョイントダクト３０のファン２４を駆動しバルブ２２により側部開口部３３を開放し、左右の連結ジョイントダクト３４ｌ，３４ｒのバルブ２２により側部開口部３６を開放する。そして、左右の車室ジョイントダクト４０ｌ，４０ｒではバルブ２２により側部開口部４２を閉塞し、バルブ２２により後開口部４３を開放する。更に、左右の後側の車室ジョイントダクト４０ｌ’，４０ｒ’でもバルブ２２により側部開口部４２を閉塞し、バルブ２２により後開口部４３を開放する。

したがって、このモータ負荷大モードでは、モータ４の熱がモータ取り付けブラケット４７，４７により伝達された斜めクロスメンバ２９内を冷却風が流れ、かつモータ４の周囲の雰囲気をファン２４が積極的に取り込んで後方に流すため、モータ４を効果的に冷却することができる。尚、このとき燃料電池スタック５、バッテリ６はこの冷却風に晒されることがないため、モータ４の放熱雰囲気の影響を受けることはない。

図１２は始動モードを示している。このモードが選択される条件としては、始動直後等の燃料電池スタック負荷が小さくバッテリ負荷が大きい場合である。この場合には、右側の吸気口ジョイントダクト１７ではバルブ２２により吸気口１８を開放してファン２４を駆動し、前部ジョイントダクト３０のバルブ２２により各側部開口部３３を閉塞し、連結ジョイントダクト３４ｒのバルブ２２により前開口部３５を開放し、側部開口部３６を閉塞しておく。尚、このとき左側の吸気口ジョイントダクト１７ではバルブ２２により吸気口１８を閉塞しておく。
また、右側の車室ジョイントダクト４０ｒではバルブ２２により側部開口部４２を閉塞し、バルブ２２により後開口部４３を開放する。

そして、後側の右側の車室ジョイントダクト４０ｒ’ではバルブ２２により側部開口部４２を開放し、バルブ２２により後開口部４３を閉塞する。更に、左側の車室ジョイントダクト４０ｌ’ではバルブ２２により側部開口部４２を開放し、バルブ２２により後開口部４３を開放している。
したがって、この始動モードでは、前側から取り入れた走行風によりエンドフロアクロスメンバ４４を冷却し、これによりバッテリ取り付けブラケット５１，５１を介して負荷が大きいため高温となっているバッテリ６を効果的に冷却できる。このとき、モータ４と燃料電池スタック５がバッテリ６の放熱雰囲気に晒されることはない。
尚、エンドフロアクロスメンバ４４の左から右へ流れる冷却風によりバッテリ６を冷却するようにしてもよい。

上記実施形態によれば、車体フレームである車体骨格部材としての、サイドフレーム８、斜めクロスメンバ２９、後フロアクロスメンバ３９、エンドフロアクロスメンバ４４を冷却風を流過させるダクトとして有効利用し、かつ、モータ取り付けブラケット４７，スタック取り付けブラケット４９，バッテリ取り付けブラケット５１により熱源部品であるモータ４、燃料電池スタック５、バッテリ６を個別に他に影響を与えないで冷却することができるため、各部品を効果的に冷却することができる。したがって、サイドフレーム８、斜めクロスメンバ２９、後フロアクロスメンバ３９、エンドフロアクロスメンバ４４の配置自由度にも影響を与えず、ラジエータ５６を小型化しても十分に冷却性能を確保できので、冷却システムの小型、軽量化を図ることができる。

この発明の実施形態の燃料電池車両の側面説明図である。 この発明の要部斜視図である。 図２の分解斜視図である。 吸気ジョイントダクトの分解斜視図である。 左側の連結ジョイントダクトの分解斜視図である。 前部ジョイントダクトの分解斜視図である。 側側の車室ジョイントダクトの分解斜視図である。 この発明の実施形態の冷却システムの分解斜視図である。 オーバークール回避モードの平面図である。 通常モードの平面図である。 モータ負荷大モードの平面図である。 始動モードの平面図である。

符号の説明

４ モータ（熱源部品）
５ 燃料電池スタック（熱源部品）
６ バッテリ（熱源部品）
８ サイドフレーム
１５ 吸気口
１６ 排気口
１７ 吸気口ジョイントダクト
１８ 吸気口
２２ バルブ
２４ ファン
２５ 前フロントクロスメンバ
２９ 斜めクロスメンバ
３０ 前部ジョイントダクト
３４ 連結ジョイントダクト
３９ 後フロアクロスメンバ
４０ 車室ジョイントメンバ
４４ エンドフロアクロスメンバ
４７ モータ取り付けブラケット（伝熱プレート）
４９ スタック取り付けブラケット（伝熱プレート）
５１ バッテリ取り付けブラケット（伝熱プレート）
５４ 制御装置

Claims (1)

1. 車体の左右に前後方向に沿って車体骨格部材である中空のサイドフレームを設け、このサイドフレームの前端部に吸気口を後端部に排気口を設け、これら左右のサイドフレーム間に車体骨格部材である中空のクロスメンバを配置し、このクロスメンバと前記サイドフレームとをジョイントダクトにより連通接続して車体フレームを構成し、前記ジョイントダクトは前記サイドフレーム及び前記クロスメンバ内に冷却風を発生させるファンを備えると共に前記サイドフレーム及び前記クロスメンバへ冷却風を配風するバルブを有し、前記車体フレームの熱源部品配置部位と前記車体フレームとの間を伝熱可能に接続する伝熱プレートを設け、各熱源部品の温度状況に応じて前記ファンと前記バルブとを制御する制御装置を設けたことを特徴とする燃料電池車両の冷却構造。

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