燃料電池電源システムが搭載された車両
【課題】車両における搭載スペースおよびコストの節約を図りつつ、燃料電池電源システムを構成する各構成物品群の適切な使用温度範囲に鑑みて、各構成物品群を効率よく冷却または加熱することができる車両を提供する。
【解決手段】燃料電池電源システムが搭載された車両１１は、少なくとも燃料電池１と、燃料電池１と接続されたキャパシタ２と二次電池６とからなる蓄電ユニット１２と、燃料電池１および蓄電手段１２の出力部が接続された、車両１１の動力源である電動機５と、該出力部と電動機５との間に設けられたＰＤＵ４とを備え、燃料電池１と蓄電ユニット１２とＰＤＵとを含む電源システムの構成物品群は、車両１１の内部を流れる冷却媒体によって発熱量が小さい順に冷却されるように配置される。
【解決手段】燃料電池電源システムが搭載された車両１１は、少なくとも燃料電池１と、燃料電池１と接続されたキャパシタ２と二次電池６とからなる蓄電ユニット１２と、燃料電池１および蓄電手段１２の出力部が接続された、車両１１の動力源である電動機５と、該出力部と電動機５との間に設けられたＰＤＵ４とを備え、燃料電池１と蓄電ユニット１２とＰＤＵとを含む電源システムの構成物品群は、車両１１の内部を流れる冷却媒体によって発熱量が小さい順に冷却されるように配置される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池、キャパシタ及び二次電池を備える燃料電池電源システムが搭載された車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の燃料電池電源システムが搭載された車両としては、特許文献１の図２に見られるように、フロントシートの下方領域に燃料電池を集約して配置し、リアシートの下方領域には蓄電手段（二次電池）を集約して配置したものが知られている。
【０００３】
かかる従来の車両では、燃料電池と蓄電手段とでは定格温度（使用上限温度）が異なる（例えば、二次電池は６０℃以下、燃料電池は８０℃前後である）ため、燃料電池については水冷を行い、蓄電手段については空冷を行っている。
【特許文献１】特開２００７−１８６２００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の車両では、燃料電池と蓄電手段とに対して、各々独立の冷却機構を用いて個別に冷却を行っていたため、車両に占める冷却機構の搭載スペース大きくなると共に、冷却機構に掛かるコストが嵩むという問題があった。
【０００５】
このように、燃料電池電源システムを構成する構成物品は、それぞれ適切な使用温度範囲が異なるが、各構成物品毎にその温度調節のための冷却または加熱機構を設けることとすると温度調整機構のスペースやコストの増大してしまう。
【０００６】
そこで、本発明は、車両における搭載スペースおよびコストの節約を図りつつ、燃料電池電源システムを構成する各構成物品の適切な使用温度範囲に鑑みて、各構成物品群を効率よく冷却または加熱することができる車両を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、燃料電池電源システムが搭載された車両であって、少なくとも燃料電池と、該燃料電池と接続されたキャパシタまたは二次電池のいずれか一方または両方からなる蓄電手段と、該燃料電池および蓄電手段の出力部が接続された、前記車両の動力源である電動機と、該出力部と電動機との間に設けられた電動機駆動装置とを備え、前記燃料電池と蓄電手段と電動機駆動装置とを含む第１構成物品群は、前記車両の内部を流れる冷却媒体によって発熱量が小さい順に冷却されるように配置されていることを特徴とするものである（第１発明）。
【０００８】
かかる第１発明によれば、燃料電池等を含む発熱量を有する第１構成物品群は、発熱量の小さいものが優先的に冷却される。そのため、先に冷却された構成物品によって冷却媒体が昇温されても、次に冷却される構成物品の発熱量がより大きく、昇温された冷却媒体を用いて次の構成物品を冷却することができる。
【０００９】
すなわち、発熱量の大きな構成物品が後で冷却されるため、冷却媒体が後に配置された構成物品を冷却できない程度に前側で温められることを回避して、該冷却媒体を利用して構成物品群を効率よく冷却することができる。
【００１０】
また、共通の冷却媒体によって、第１構成物品群のすべてを順番に冷却していくことができる。そのため、各構成物品毎に個別の冷却機構を設ける必要がなく、車両における冷却機構等の省スペース化を図ることができ、コストも抑えることができる。
【００１１】
このように、第１発明の車両によれば、搭載スペースおよびコストの節約を図りつつ、燃料電池電源システムを構成する各構成物品の適切な使用温度範囲に鑑みて、各構成物品群を効率よく冷却することができる。
【００１２】
前記第１発明において、前記燃料電池に燃料を供給する燃料タンクを含む第２構成物品群が、前記冷却媒体の流れにおいて前記第１構成物品群の下流に配置されている（第２発明）。
【００１３】
かかる第２発明によれば、燃料タンクを含む加熱の必要な第２構成物品群が、第１構成物品群の下流に配置される。そのため、第１構成物品群によって昇温された冷却媒体を利用して、第２構成物品群を加熱することができる。これにより、加熱機構を搭載するスペースやコストを節約して、第２構成物品の適切な使用温度範囲に鑑みて、該構成物品を効率よく加熱することができる。
【００１４】
前記第１発明において、前記冷却媒体は、前記第１構成物品群が配置される内部空間を流れる空気であって、該内部空間は、前記車両が走行したときに、該車両外の空気を該内部空間に流入させる流入部と、流入した流入空気を該内部空間から流出させる流出部とを備える（第３発明）。
【００１５】
かかる第３発明によれば、第１構成物品群は、車両の移動時に流入空気が流れる内部空間に配置される。流入空気を冷却媒体とするため、特別な冷却媒体を準備する必要が無く、
これらの構成物品を流入部と流出部とその間に形成される内部空間という簡単な構成で効率よく冷却することができる。
【００１６】
前記第３発明において、前記燃料電池に燃料を供給する燃料タンクを含む第２構成物品群が、前記内部空間と前記流出部との間に配置される（第４発明）。
【００１７】
かかる第４発明によれば、燃料タンクを含む加熱の必要な第２構成物品群を内部空間と流出部との間に配置することにより、前記第１構成物品群により熱せられた流入空気を第２構成物品群に供給して加熱することができる。このように、第１構成物品群によって昇温された流入空気を利用して第２構成物品群を加熱することにより、加熱機構を搭載するスペースやコストを節約して、第２構成物品群を簡易な構成で効率よく加熱することができる。
【００１８】
前記第１発明において、前記冷却媒体は、前記車両内に設けられた循環路を流れる冷却液であって、該循環路は、発熱量が最大となる前記構成物品から最小となる前記構成物品へ至る経路上に前記冷却液の熱を放熱する放熱部が設けられている（第５発明）。
【００１９】
かかる第５発明によれば、循環路には、放熱部が発熱量が最大となる前記構成物品から最小となる前記構成物品へ至る経路上に設けられているため、放熱部で冷却された冷却液により発熱量の小さい構成物品から順に冷却され、後に配置された構成物品を冷却できないとの不都合を回避して、共通の循環路を用いて構成物品群を効率よく冷却することができる。
【００２０】
また、第５発明では、冷却媒体としての冷却液を循環路に循環させて第１構成物品群を冷却するため、主に当該車両の停車時等のように流入空気による冷却が期待できない場合にも、冷却液を循環路に循環させることにより構成物品群を強制的に冷却することができる。
【００２１】
前記第５発明において、前記放熱部は、前記燃料電池に燃料を供給する燃料タンクを含む第２構成物品群を循環する循環路部分によって構成される（第６発明）。
【００２２】
かかる第６発明によれば、発熱量が最大となる構成物品から最小となる構成物品へ至る経路上で循環路を第２構成物品群に循環させることで、加熱する必要がある第２構成物品群へ冷却媒体の熱を放熱させる。これにより、第１構成物品群から吸収した熱を第２構成物品群の加熱に用いて放熱させることができ、加熱機構を搭載するスペースやコストを節約して、冷却媒体の放熱と第２構成物品群の加熱とを効率よく行うことができる。
【００２３】
前記第４または第５発明において、前記循環路には、前記冷却液の温度を計測する温度センサと、該冷却液による冷却を行う対象物を前記構成物品群の全部または一部に切り換える切換弁とが設けられ、前記切換弁は、前記温度センサの計測温度に基づいて切り替えられる（第７発明）。
【００２４】
かかる第７発明によれば、各構成物品の適切な使用温度範囲を考慮して、冷却液の供給先を切換手段によって切り換えることができる。そのため、構成物品群の一部が過冷または過熱されることを回避することができる。例えば、当該車両の起動時に、燃料電池が安定動作温度に到達する前に冷却媒体が該燃料電池に循環することを回避できると共に、燃料電池が安定動作温度以上に達した場合には、冷却媒体を循環させて燃料電池の温度上昇を抑制することができる。
【００２５】
前記第１〜第７発明では、第１構成物品群が、冷却媒体によって発熱量が小さい順に冷却されるように配置すればよいが、燃料電池と蓄電手段と電動機駆動装置とは、次のように配置することが好ましい。
【００２６】
すなわち、前記燃料電池と蓄電手段と電動機駆動装置とは、前記冷却媒体によって該蓄電手段、燃料電池および電動機駆動装置の順に冷却されるように配置されることが好ましい（第８発明）。
【００２７】
かかる第８発明によれば、構成物品群の中で、蓄電手段、燃料電池および電動機駆動装置は、特に、発熱量が大きく、定格温度（使用上限温度）が制限されている。そして、蓄電手段、燃料電池および電動機駆動装置は、これらの順番にそれぞれ発熱量および定格温度が大きくなる。そのため、少なくとも蓄電手段、燃料電池および電動機駆動装置をこれらの順序で冷却することにより、前記冷却媒体を利用して、燃料電池電源システム全体のヒートバランスを適当に保つことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明の実施の形態について、図１〜図６を参照して説明する。
【００２９】
図１は、本実施形態における燃料電池電源システムの全体構成図である。図１に示すように、本発明の電源システムである燃料電池電源システムは、燃料電池車両１１（本発明の車両に相当する、以下、単に車両１１という）に搭載されるものであって、燃料電池１、燃料電池１と並列に接続された電気二重層キャパシタ２（以下、単にキャパシタ２という）、入力部が燃料電池１及びキャパシタ２に接続されると共に、出力部がＰＤＵ４（Power Drive Unit、本発明の電動機駆動装置に相当する）を介して電動機５（本発明の負荷に相当する）に接続された昇圧手段３（Voltage Boost Unit）、及び入力部が昇圧手段３に接続されると共に出力部が二次電池６（本実施の形態では、リチウムイオンバッテリを使用）に接続された電圧変換手段７を備えている。
【００３０】
燃料電池１は、例えば燃料電池スタックを２５０個直列に接続して構成され、出力電圧が約２２５Ｖ（出力電流０Ａ）〜１８０Ｖ（出力電流２１０Ａ）の範囲で変動するものである。また、キャパシタ２は図示しない複数のキャパシタセルから構成され、出力電圧が２００Ｖを中心とした範囲（約下限１５４Ｖ〜上限２４３Ｖの範囲）で変動するものである。また、二次電池６は、図示しない複数の二次電池（リチウムイオン電池）を相互に接続してなる電池ユニットであって、出力電圧は約２９０Ｖ〜３５０Ｖの範囲で変動する。
【００３１】
昇圧手段３は、例えば、定格１００kwで昇圧比１．５〜２．４のＤＣ／ＤＣコンバータであって、少なくとも昇圧機能を有し、降圧機能は必要に応じて付加される。また、電圧変換手段７は、例えば、定格１０kwで昇圧比１．３６〜１．７０のＤＣ／ＤＣコンバータである。
【００３２】
さらに、燃料電池電源システムは、二次電池６と電圧変換手段７との間で、二次電池６と電圧変換手段７とに並列に接続された補機８とを備える。補機８は、水素燃料タンク１７（図２および図３参照、本発明の燃料タンクに相当する）に貯蔵された水素ガスを図示しないレギュレータや各種バルブ等を介して燃料電池１に供給するポンプや、後述する循環路３０（図３参照）に冷却媒体としての冷却液を循環させるための循環ポンプ等である。補機８は、ＰＤＵ９（Power Drive Unit）を介して、二次電池６及び電圧変換手段７に直結する第２電力供給ラインＬ２に接続されている。尚、本実施形態の燃料電池電源システムにおいて、説明の都合上、燃料電池１及びキャパシタ２に直結する電力供給ラインを第１電力供給ラインＬ１とし、二次電池６及び電圧変換手段７に直結する電力供給ラインを第２電力供給ラインＬ２、第１電力供給ラインＬ１を昇圧手段３により昇圧した電力供給ラインを第３電力供給ラインＬ３としている。
【００３３】
燃料電池電源システムは、電子制御ユニット１０を備え、電子制御ユニット１０は、燃料電池１、キャパシタ２及び二次電池６の各々に設けられた図示しない電圧センサ及び電流センサの検出信号を取得し、燃料電池１、キャパシタ２及び二次電池６から出力される電圧、電流及び電力を検知する。
【００３４】
さらに、電子制御ユニット１０は、キャパシタ２の出力電圧と出力電流とから開路電圧を推定し、推定した開路電圧とキャパシタ２の残容量（以下、ＳＯＣという）との関係を規定したマップやデータテーブル（以下、マップ等という）を参照して、キャパシタ２のＳＯＣを推定する。また、電子制御ユニット１０は、二次電池６の出力電圧と出力電流とから該二次電池の開路電圧を推定し、推定した二次電池の開路電圧とＳＯＣとの関係を規定したマップ等を参照して、二次電池６のＳＯＣを推定する。
【００３５】
また、電子制御ユニット１０は、燃料電池１の出力、キャパシタ２及び二次電池６の各ＳＯＣに基づいて、燃料電池１の作動制御と、昇圧手段３または電圧変換手段７の作動制御とを実行し、燃料電池１、キャパシタ２及び二次電池６から電動機５への電力供給と、燃料電池１からキャパシタ２及び二次電池６の充電とを行う。
【００３６】
電子制御ユニット１０は、電動機５は当該車両１１が減速する際には発電機として機能するため、車両１１の減速時に電動機５で生じる回生電力を回収して、該回生電力によりキャパシタ２及び二次電池２の充電を実行する。尚、このとき、電子制御ユニット１０は、ＰＤＵ４に備えられた電圧センサ及び電流センサ（図示しない）により、電動機５の回生電力を検知して昇圧手段３または電圧変換手段７の作動制御を実行し、電動機５からキャパシタ２及び二次電池６への充電を行う。
【００３７】
なお、本実施形態の燃料電池電源システムにおいて、燃料電池１と昇圧手段３及びキャパシタ２との間には、ダイオードＤが設けられており、ダイオードＤにより燃料電池１への電流の流入が禁止されている。また、ダイオードＤに替えてトランジスタ等の他の整流素子を用いることにより、または、キャパシタ２を降圧手段（ダウンコンバータ）を介して燃料電池１に接続することにより、燃料電池１への電流の流入を禁止してもよい。
【００３８】
以上が、本実施の形態における燃料電池電源システムの全体構成である。
【００３９】
次に、図２および図３を参照して、燃料電池１、キャパシタ２、ＰＤＵ４および二次電池６を含む本実施形態の燃料電池電源システムを構成する構成物品群のレイアウトについて説明する。
【００４０】
図２は、車両１１を側方から見た部分断面図であり、図３は、車両１１を上方から見た部分断面図である。図２および図３において、キャパシタ２と二次電池６とは、これらを一体とした蓄電ユニット１２内に収納されている。
【００４１】
図２および図３に示すように、車両前方より後方に向かって、車両１１のエンジンルームに相当する部位に蓄電ユニット１２が配置され、２つのフロントシート１３の下側で車両下部フレーム１４との間に、分離した形で燃料電池１，１が配置され、リアシート１５の下側で車両下部フレーム１４との間でセンタトンネル１６に連通する部位にＰＤＵ４が配置される。さらに、ＰＤＵ４の後方でリアシート１５の背もたれの陰には水素燃料タンク１７が配置され、車両１１の後輪Ｔ，Ｔにはこれを駆動輪とする電動機５が設けられている。
【００４２】
また、これら蓄電ユニット１２、燃料電池１，１、ＰＤＵ４および水素燃料タンク１７は、車両１１の室内空間の下方に形成された内部空間２０に配置されている。内部空間２０は、一端が車両１１のフロントグリル１８（本発明の流入部に相当する）で開放されるとともに、フロントグリル１８からエンジンルームを経てセンタトンネル１６に連通する。すなわち、内部空間２０の一部はセンタトンネル１６により構成されている。さらに、内部空間２０は、センタトンネル１６から水素燃料タンク搭載領域を経て、他端が水素燃料タンク１７の後方で、下部フレーム１４における間隙や下部フレーム１４と車体フレームとの間の間隙等により構成された流出部１９により外部開放されている。
【００４３】
これにより、車両１１の走行時に車速に応じた外部空気が内部空間２０に流入して、該外部空間２０内を流れる。そのため、これら蓄電ユニット１２、燃料電池１、ＰＤＵ４および水素燃料タンク１７の構成物品群を一度に冷却することができる。
【００４４】
さらに、内部空間２０には、蓄電ユニット１２の後方に２つの対流ファン２１，２１が設けられており、フロントグリル１８から流入した冷却媒体としての流入空気をセンタトンネル１６側に強制的に対流させる。そのため、車両１１の後方側において内部空間の対流が小さくなることや車両１１の車速が小さく流入空気が少ない場合にも、内部空間内に流入空気が滞留することを抑制して、常に一定の冷却効率を維持することができる。
【００４５】
ここで、蓄電ユニット１２、燃料電池１およびＰＤＵ４は、この順番に発熱量が大きくなる。また、使用上限温度も、蓄電ユニット１２が６０℃以下（二次電池６の使用上限温度）、燃料電池１が９０℃以下、ＰＤＵ４が１２０℃以下であり、この順番に高くなる。そのため、流入空気が車両１１の前側で温められ後側に配置されたＰＤＵ４等の高温となる構成物品を冷却できないとの不都合を回避して、構成物品群を効率よく冷却することができる。
【００４６】
また、蓄電ユニット１２、燃料電池１およびＰＤＵ４により熱せられた流入空気は、水素燃料タンク１７やこれに接続されたレギュレータや各種バルブ等の部材を通過して外部へと流出する。そのため、水素燃料タンク１７およびこれに接続された部材を加熱してこれらの温度低下を抑制することができる。すなわち、水素燃料タンク１７は、一般に水素ガスの充填時に温度が低下するほか、水素燃料タンク１７からの水素ガスの供給（水素吸蔵物質からの水素の放出反応）が吸熱反応であることから水素ガスの供給により温度が低下するが、熱せられた流入空気を水素燃料タンク１７部分を通過させることにより、水素燃料タンク１７およびこれに接続された部材が凍結したり、結露を生じたりすることを防止することができ、ひいては、これらの劣化を防止することができる。
【００４７】
さらに、図３に示すように、蓄電ユニット１２と燃料電池１とＰＤＵ４とには、これらを環状に管路で結ぶ循環路３０が形成されている。循環路３０は、図では簡略的に記載しているが、蓄電ユニット１２と燃料電池１とＰＤＵ４の各々の筐体全体や発熱部位を冷却するように、適切な配管がなされている。
【００４８】
循環路３０は、管路内に冷却液（例えば、不凍性のエチレングリコールなど）が充填されており、図示しない循環ポンプにより冷却液が矢印の向きに循環する。循環路３０上には、ラジエータ３１がフロントグリル１８の後側に設けられており、フロントグリル１８から流入した流入空気の一部がラジエータを通過することにより熱せられた冷却液が冷却される。なお、ラジエータ３１には、後方にファン３２と遮蔽板３３が設けられている。ファン３２は、フロントグリル１８から流入した流入空気をラジエータ３１側に対流させ、ラジエータ３１の冷却効率を向上させる。遮蔽板３３は、ラジエータ３１の上端から下方に傾斜して設けられて、ラジエータ３１を通過した流入空気が前記内部空間２０の導入部側に流れ込むのを防止する。
【００４９】
また、循環路３０には、燃料電池１への導入部分に温度センサ３４と切換弁３５とが設けられており、図示しないコントローラにより温度センサ３４の検出温度に基づいて、切換弁３５が制御される。切換弁３５は、循環路３０の冷却液を燃料電池１に循環させる状態と循環を回避する状態とを切り換える弁であって、図３に示す場合では、循環路３０の冷却液が燃料電池１，１に循環して再び循環路３０へ戻るが、ここから弁を所定角度（図では−４５°）回転させることにより、循環路３０が燃料電池１の上流側と下流側とが接続されて、冷却液が燃料電池１へ流入せずにパイパスされる。
【００５０】
次に、図４を参照して、前記コントローラによる切換弁３５の具体的な制御タイミング等について説明する。図４は、コントローラによる処理を示すフローチャートであり、コントローラは、所定の演算処理周期で図４に示す処理を実行する。
【００５１】
まず、車両１１の図示しない運転スイッチ（イグニッションスイッチ）が運転者によりＯＮに操作された状態（車両１１の走行状態を含む）で、コントローラは、温度センサ３４による冷却液の計測温度を取得し、該冷却液の計測温度が燃料電池１の安定動作温度（例えば２５℃）以上か否かを判定する（ＳＴＥＰ１）。
【００５２】
そして、冷却液の計測温度が安定動作温度以上の場合には（ＳＴＥＰ１でＹＥＳ）、循環ポンプをＯＮすると同時に、切換弁３５を燃料電池１への循環状態に切り換えるか、切換弁３５が既に循環状態になっている場合には循環状態を維持させる（ＳＴＥＰ２）。
【００５３】
これにより、循環路３０内の冷却液が、蓄電ユニット１２、燃料電池１およびＰＤＵ４に循環して、これらの構成物品を冷却する。このとき、冷却液は、ラジエータ３１で冷却された後、蓄電ユニット１２、燃料電池１およびＰＤＵ４の順番に循環する。そのため、上述の流入空気による冷却の場合と同様、発熱量の小さい構成物品から順番に冷却され、後側に配置された構成物品を冷却できないとの不都合を回避して、構成物品群を効率よく冷却することができる。
【００５４】
この場合の各構成物品群の温度変化（冷却効果）を図５を参照して説明する。図５は、車両１１の始動（走行開始）後の各構成物品の温度変化を示したものであり、横軸が時間で、縦軸が蓄電ユニット１２、燃料電池１、ＰＤＵ４、水素燃料タンク１７および冷却液の各温度である。
【００５５】
図５は、常温（約２５℃）で車両１１を始動した場合であり、時刻ｔ1で、車両１１が始動され走行を開始すると、上記図４のＳＴＥＰ１，２に従って、循環ポンプがＯＮされ、切換弁３５が燃料電池１への循環状態となる。
【００５６】
このとき、蓄電ユニット１２、燃料電池１およびＰＤＵ４が発熱して、それぞれの温度が上昇する。また、これに伴ってこれらの構成物品の間を循環する冷却液の温度も上昇する。一方で、水素燃料タンク１７の温度は、水素ガスの燃料電池１への供給により温度が低下する。
【００５７】
ここで、図４に破線で示す冷却を行わない場合のＰＤＵ４の温度変化に対して、流入空気および冷却液の循環による冷却を行った場合には、ＰＤＵ４の温度上昇が若干緩やかになると共に、安定状態（熱平衡状態）での温度を低下させることができる。
【００５８】
また、この場合には、蓄電ユニット１２、燃料電池１およびＰＤＵ４により熱せられた流入空気が水素燃料タンク１７に供給されるため、図４に破線で示す加熱しない場合のタンク温度に対して、タンク温度が低下することを抑制してタンク温度を常に０℃より高い温度に維持することができる。これにより、水素燃料タンク１７から水素ガスを燃料電池１に安定供給することができる。また、タンクの凍結や結露を防止することもできる。
【００５９】
次に、図４のフローチャートに戻って、冷却液の計測温度が燃料電池１の安定動作温度より低い場合の処理について説明する。
【００６０】
冷却液の計測温度が安定動作温度より低い場合には（ＳＴＥＰ１でＮＯ）、循環ポンプをＯＦＦする（ＳＴＥＰ３）。また、切換弁３５を燃料電池１への循環を回避したバイパス状態に切り換える（ＳＴＥＰ３）。
【００６１】
ＳＴＥＰ３の処理に次いで、コントローラは、ＰＤＵ４の図示しない温度センサによる検出温度が冷却基準温度以上であるか否かを判定する（ＳＴＥＰ４）。ここで冷却基準温度は、ＰＤＵ４の冷却を開始すべきトリガとなる温度である。
【００６２】
そして、ＰＤＵ４の検出温度が冷却基準温度以上である場合には（ＳＴＥＰ４でＹＥＳ）、切換弁３５をバイパス状態に維持したままで循環ポンプをＯＮさせる（ＳＴＥＰ５）。一方、ＰＤＵ４の検出温度が冷却基準温度に満たない場合には（ＳＴＥＰ４でＮＯ）、循環ポンプがＯＦＦの状態で、切換弁３５がバイパス状態で維持される。
【００６３】
この場合の各構成物品群の温度変化（冷却効果）を図６を参照して説明する。図６は、車両１１の始動（走行開始）後の各構成物品の温度変化を示したものであり、横軸が時間で、縦軸が蓄電ユニット１２、燃料電池１、ＰＤＵ４、水素燃料タンク１７および冷却液の各温度である。
【００６４】
図６は、氷点下（約−１０℃）で、車両１１を始動した場合であって、時刻ｔ1で、車両１１が始動され走行を開始すると、上記図４のＳＴＥＰ３〜５に従った処理がコントローラにより実行される。
【００６５】
まず、図６の時刻ｔ1〜ｔ2では、車両１１の始動により発熱する各構成物品の温度が上昇する。ここで、冷却液の温度は、車両１１が始動を開始しても、ＰＤＵ４の検出温度が冷却基準温度に達する時刻ｔ2まで循環ポンプがＯＦＦされるため、冷却液の温度は初期温度のまま維持される（ＳＴＥＰ３）。また、水素燃料タンク１７については、上述のように、水素ガスの供給によりタンクの温度が低下する。
【００６６】
そして、時刻ｔ2で、ＰＤＵ４の検出温度が冷却基準温度に達すると（ＳＴＥＰ４）、循環ポンプがＯＮされて（ＳＴＥＰ５）、冷却液がＰＤＵ４および蓄電ユニット１２により熱せられる。これにより、時刻ｔ2〜ｔ3の間で、冷却液の温度が上昇すると共に、ＰＤＵの検出温度は、その温度上昇の傾きが緩やかになっている。
【００６７】
次いで、時刻ｔ3で冷却液の温度が燃料電池１の安定動作温度に達すると、（ＳＴＥＰ１でＹＥＳとなり）切換弁３５が燃料電池１への循環状態となる（ＳＴＥＰ２）。これにより、時刻ｔ3の直後、燃料電池１の温度が安定温度まで急激に上昇する。
【００６８】
このように、冷却液の温度が燃料電池１の安定動作温度より低い場合には、該冷却液が燃料電池１に循環することを回避することができる。そして、ＰＤＵの検出温度に応じて、切換弁３５をパイパス状態に維持しつつ、循環ポンプを作動さえることで、冷却液の温度を燃料電池１の安定動作温度以上にすることができ、かかる安定温度以上となった冷却液を燃料電池１に循環させることにより、燃料電池１を加熱することができる。
【００６９】
時刻ｔ3以降については、上記図５の常温における始動と同様に、図６に破線で示す冷却を行わない場合のＰＤＵ４の温度変化に対して、安定状態（熱平衡状態）での温度を低下させることができる。また、蓄電ユニット１２、燃料電池１およびＰＤＵ４により熱せられた流入空気が水素燃料タンク１７に供給されることにより、図６に破線で示す加熱しない場合のタンク温度に対して、タンク温度が低下することを抑制してタンク温度を常に０℃より高い温度に維持することができる。これによりタンク温度を凍結温度、さらに好ましくは露天（結露点）に以上に維持することが可能となる。
【００７０】
なお、本実施形態では、蓄電手段としてキャパシタ２と二次電池６との両方を用いているが、これに限定されるものではなく、これらのいずれか一方を蓄電手段として用いるようにしてもよい。また、本実施形態では、キャパシタ２と二次電池６とを備えた蓄電ユニット１２を一体として冷却しているが、キャパシタ２と二次電池６を別個独立に配置し、発熱量の小さなキャパシタから冷却するように構成することが好ましい。
【００７１】
また、本実施形態では、放熱部をラジエータ３１により構成したが、これに限定されるものではなく、循環路３０がＰＤＵ４を循環した後に水素燃料タンク１７をも循環するように構成し、該水素燃料タンク１７を循環する循環路部分によって放熱部を構成してもよい。さらに、循環路３０の一部を車両１１の外部に露呈させることにより、該露呈部分によって放熱部を構成してもよい。
【００７２】
また、本実施形態では、車両として四輪自動車を例として説明したが、車両はこれに限定されるものではなく二輪車や鉄道車両等であってもよい。
【００７３】
さらに、本実施形態では、切換弁３５を循環路３０上の燃料電池１への導入部に設けたが、これに限定されるものではなく、循環路３０に接続された各構成物品の導入部に設けて該構成物品への冷却液の供給を制御するようにしてもよい。この場合、各構成物品の導入部に冷却液の温度を検出する温度センサを設けて、該温度センサの検出温度に基づいて、各構成物品に対して冷却液の温度が適温であるかを否かを判定し、該判定結果に基づいて供給を制御することが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本実施形態の燃料電池電源システムの全体構成図。
【図２】本実施形態の燃料電池車両を側方から見た部分断面図。
【図３】本実施形態の燃料電池車両を上方から見た部分断面図。
【図４】コントローラによる処理を示すフローチャート。
【図５】常温で車両を始動した場合の各構成物品の温度変化を示す図。
【図６】氷点下で車両を始動した場合の各構成物品の温度変化を示す図。
【符号の説明】
【００７５】
１…燃料電池、２…キャパシタ、３…昇圧手段、４…ＰＤＵ（電動機駆動装置）、５…電動機、６…二次電池、７…電圧変換手段、１０…電子制御ユニット、１１…燃料電池車両（車両）、１２…蓄電ユニット（蓄電手段）、１３…フロントシート、１４…車両下部フレーム、１５…リアシート、１６…センタトンネル、１７…水素燃料タンク、１８…フロントグリル（流入部）、１９…流出部、２０…内部空間、３０…循環路、３１…ラジエータ（放熱部）、３４…温度センサ、３５…切換弁（切換手段）。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池、キャパシタ及び二次電池を備える燃料電池電源システムが搭載された車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の燃料電池電源システムが搭載された車両としては、特許文献１の図２に見られるように、フロントシートの下方領域に燃料電池を集約して配置し、リアシートの下方領域には蓄電手段（二次電池）を集約して配置したものが知られている。
【０００３】
かかる従来の車両では、燃料電池と蓄電手段とでは定格温度（使用上限温度）が異なる（例えば、二次電池は６０℃以下、燃料電池は８０℃前後である）ため、燃料電池については水冷を行い、蓄電手段については空冷を行っている。
【特許文献１】特開２００７−１８６２００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の車両では、燃料電池と蓄電手段とに対して、各々独立の冷却機構を用いて個別に冷却を行っていたため、車両に占める冷却機構の搭載スペース大きくなると共に、冷却機構に掛かるコストが嵩むという問題があった。
【０００５】
このように、燃料電池電源システムを構成する構成物品は、それぞれ適切な使用温度範囲が異なるが、各構成物品毎にその温度調節のための冷却または加熱機構を設けることとすると温度調整機構のスペースやコストの増大してしまう。
【０００６】
そこで、本発明は、車両における搭載スペースおよびコストの節約を図りつつ、燃料電池電源システムを構成する各構成物品の適切な使用温度範囲に鑑みて、各構成物品群を効率よく冷却または加熱することができる車両を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、燃料電池電源システムが搭載された車両であって、少なくとも燃料電池と、該燃料電池と接続されたキャパシタまたは二次電池のいずれか一方または両方からなる蓄電手段と、該燃料電池および蓄電手段の出力部が接続された、前記車両の動力源である電動機と、該出力部と電動機との間に設けられた電動機駆動装置とを備え、前記燃料電池と蓄電手段と電動機駆動装置とを含む第１構成物品群は、前記車両の内部を流れる冷却媒体によって発熱量が小さい順に冷却されるように配置されていることを特徴とするものである（第１発明）。
【０００８】
かかる第１発明によれば、燃料電池等を含む発熱量を有する第１構成物品群は、発熱量の小さいものが優先的に冷却される。そのため、先に冷却された構成物品によって冷却媒体が昇温されても、次に冷却される構成物品の発熱量がより大きく、昇温された冷却媒体を用いて次の構成物品を冷却することができる。
【０００９】
すなわち、発熱量の大きな構成物品が後で冷却されるため、冷却媒体が後に配置された構成物品を冷却できない程度に前側で温められることを回避して、該冷却媒体を利用して構成物品群を効率よく冷却することができる。
【００１０】
また、共通の冷却媒体によって、第１構成物品群のすべてを順番に冷却していくことができる。そのため、各構成物品毎に個別の冷却機構を設ける必要がなく、車両における冷却機構等の省スペース化を図ることができ、コストも抑えることができる。
【００１１】
このように、第１発明の車両によれば、搭載スペースおよびコストの節約を図りつつ、燃料電池電源システムを構成する各構成物品の適切な使用温度範囲に鑑みて、各構成物品群を効率よく冷却することができる。
【００１２】
前記第１発明において、前記燃料電池に燃料を供給する燃料タンクを含む第２構成物品群が、前記冷却媒体の流れにおいて前記第１構成物品群の下流に配置されている（第２発明）。
【００１３】
かかる第２発明によれば、燃料タンクを含む加熱の必要な第２構成物品群が、第１構成物品群の下流に配置される。そのため、第１構成物品群によって昇温された冷却媒体を利用して、第２構成物品群を加熱することができる。これにより、加熱機構を搭載するスペースやコストを節約して、第２構成物品の適切な使用温度範囲に鑑みて、該構成物品を効率よく加熱することができる。
【００１４】
前記第１発明において、前記冷却媒体は、前記第１構成物品群が配置される内部空間を流れる空気であって、該内部空間は、前記車両が走行したときに、該車両外の空気を該内部空間に流入させる流入部と、流入した流入空気を該内部空間から流出させる流出部とを備える（第３発明）。
【００１５】
かかる第３発明によれば、第１構成物品群は、車両の移動時に流入空気が流れる内部空間に配置される。流入空気を冷却媒体とするため、特別な冷却媒体を準備する必要が無く、
これらの構成物品を流入部と流出部とその間に形成される内部空間という簡単な構成で効率よく冷却することができる。
【００１６】
前記第３発明において、前記燃料電池に燃料を供給する燃料タンクを含む第２構成物品群が、前記内部空間と前記流出部との間に配置される（第４発明）。
【００１７】
かかる第４発明によれば、燃料タンクを含む加熱の必要な第２構成物品群を内部空間と流出部との間に配置することにより、前記第１構成物品群により熱せられた流入空気を第２構成物品群に供給して加熱することができる。このように、第１構成物品群によって昇温された流入空気を利用して第２構成物品群を加熱することにより、加熱機構を搭載するスペースやコストを節約して、第２構成物品群を簡易な構成で効率よく加熱することができる。
【００１８】
前記第１発明において、前記冷却媒体は、前記車両内に設けられた循環路を流れる冷却液であって、該循環路は、発熱量が最大となる前記構成物品から最小となる前記構成物品へ至る経路上に前記冷却液の熱を放熱する放熱部が設けられている（第５発明）。
【００１９】
かかる第５発明によれば、循環路には、放熱部が発熱量が最大となる前記構成物品から最小となる前記構成物品へ至る経路上に設けられているため、放熱部で冷却された冷却液により発熱量の小さい構成物品から順に冷却され、後に配置された構成物品を冷却できないとの不都合を回避して、共通の循環路を用いて構成物品群を効率よく冷却することができる。
【００２０】
また、第５発明では、冷却媒体としての冷却液を循環路に循環させて第１構成物品群を冷却するため、主に当該車両の停車時等のように流入空気による冷却が期待できない場合にも、冷却液を循環路に循環させることにより構成物品群を強制的に冷却することができる。
【００２１】
前記第５発明において、前記放熱部は、前記燃料電池に燃料を供給する燃料タンクを含む第２構成物品群を循環する循環路部分によって構成される（第６発明）。
【００２２】
かかる第６発明によれば、発熱量が最大となる構成物品から最小となる構成物品へ至る経路上で循環路を第２構成物品群に循環させることで、加熱する必要がある第２構成物品群へ冷却媒体の熱を放熱させる。これにより、第１構成物品群から吸収した熱を第２構成物品群の加熱に用いて放熱させることができ、加熱機構を搭載するスペースやコストを節約して、冷却媒体の放熱と第２構成物品群の加熱とを効率よく行うことができる。
【００２３】
前記第４または第５発明において、前記循環路には、前記冷却液の温度を計測する温度センサと、該冷却液による冷却を行う対象物を前記構成物品群の全部または一部に切り換える切換弁とが設けられ、前記切換弁は、前記温度センサの計測温度に基づいて切り替えられる（第７発明）。
【００２４】
かかる第７発明によれば、各構成物品の適切な使用温度範囲を考慮して、冷却液の供給先を切換手段によって切り換えることができる。そのため、構成物品群の一部が過冷または過熱されることを回避することができる。例えば、当該車両の起動時に、燃料電池が安定動作温度に到達する前に冷却媒体が該燃料電池に循環することを回避できると共に、燃料電池が安定動作温度以上に達した場合には、冷却媒体を循環させて燃料電池の温度上昇を抑制することができる。
【００２５】
前記第１〜第７発明では、第１構成物品群が、冷却媒体によって発熱量が小さい順に冷却されるように配置すればよいが、燃料電池と蓄電手段と電動機駆動装置とは、次のように配置することが好ましい。
【００２６】
すなわち、前記燃料電池と蓄電手段と電動機駆動装置とは、前記冷却媒体によって該蓄電手段、燃料電池および電動機駆動装置の順に冷却されるように配置されることが好ましい（第８発明）。
【００２７】
かかる第８発明によれば、構成物品群の中で、蓄電手段、燃料電池および電動機駆動装置は、特に、発熱量が大きく、定格温度（使用上限温度）が制限されている。そして、蓄電手段、燃料電池および電動機駆動装置は、これらの順番にそれぞれ発熱量および定格温度が大きくなる。そのため、少なくとも蓄電手段、燃料電池および電動機駆動装置をこれらの順序で冷却することにより、前記冷却媒体を利用して、燃料電池電源システム全体のヒートバランスを適当に保つことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明の実施の形態について、図１〜図６を参照して説明する。
【００２９】
図１は、本実施形態における燃料電池電源システムの全体構成図である。図１に示すように、本発明の電源システムである燃料電池電源システムは、燃料電池車両１１（本発明の車両に相当する、以下、単に車両１１という）に搭載されるものであって、燃料電池１、燃料電池１と並列に接続された電気二重層キャパシタ２（以下、単にキャパシタ２という）、入力部が燃料電池１及びキャパシタ２に接続されると共に、出力部がＰＤＵ４（Power Drive Unit、本発明の電動機駆動装置に相当する）を介して電動機５（本発明の負荷に相当する）に接続された昇圧手段３（Voltage Boost Unit）、及び入力部が昇圧手段３に接続されると共に出力部が二次電池６（本実施の形態では、リチウムイオンバッテリを使用）に接続された電圧変換手段７を備えている。
【００３０】
燃料電池１は、例えば燃料電池スタックを２５０個直列に接続して構成され、出力電圧が約２２５Ｖ（出力電流０Ａ）〜１８０Ｖ（出力電流２１０Ａ）の範囲で変動するものである。また、キャパシタ２は図示しない複数のキャパシタセルから構成され、出力電圧が２００Ｖを中心とした範囲（約下限１５４Ｖ〜上限２４３Ｖの範囲）で変動するものである。また、二次電池６は、図示しない複数の二次電池（リチウムイオン電池）を相互に接続してなる電池ユニットであって、出力電圧は約２９０Ｖ〜３５０Ｖの範囲で変動する。
【００３１】
昇圧手段３は、例えば、定格１００kwで昇圧比１．５〜２．４のＤＣ／ＤＣコンバータであって、少なくとも昇圧機能を有し、降圧機能は必要に応じて付加される。また、電圧変換手段７は、例えば、定格１０kwで昇圧比１．３６〜１．７０のＤＣ／ＤＣコンバータである。
【００３２】
さらに、燃料電池電源システムは、二次電池６と電圧変換手段７との間で、二次電池６と電圧変換手段７とに並列に接続された補機８とを備える。補機８は、水素燃料タンク１７（図２および図３参照、本発明の燃料タンクに相当する）に貯蔵された水素ガスを図示しないレギュレータや各種バルブ等を介して燃料電池１に供給するポンプや、後述する循環路３０（図３参照）に冷却媒体としての冷却液を循環させるための循環ポンプ等である。補機８は、ＰＤＵ９（Power Drive Unit）を介して、二次電池６及び電圧変換手段７に直結する第２電力供給ラインＬ２に接続されている。尚、本実施形態の燃料電池電源システムにおいて、説明の都合上、燃料電池１及びキャパシタ２に直結する電力供給ラインを第１電力供給ラインＬ１とし、二次電池６及び電圧変換手段７に直結する電力供給ラインを第２電力供給ラインＬ２、第１電力供給ラインＬ１を昇圧手段３により昇圧した電力供給ラインを第３電力供給ラインＬ３としている。
【００３３】
燃料電池電源システムは、電子制御ユニット１０を備え、電子制御ユニット１０は、燃料電池１、キャパシタ２及び二次電池６の各々に設けられた図示しない電圧センサ及び電流センサの検出信号を取得し、燃料電池１、キャパシタ２及び二次電池６から出力される電圧、電流及び電力を検知する。
【００３４】
さらに、電子制御ユニット１０は、キャパシタ２の出力電圧と出力電流とから開路電圧を推定し、推定した開路電圧とキャパシタ２の残容量（以下、ＳＯＣという）との関係を規定したマップやデータテーブル（以下、マップ等という）を参照して、キャパシタ２のＳＯＣを推定する。また、電子制御ユニット１０は、二次電池６の出力電圧と出力電流とから該二次電池の開路電圧を推定し、推定した二次電池の開路電圧とＳＯＣとの関係を規定したマップ等を参照して、二次電池６のＳＯＣを推定する。
【００３５】
また、電子制御ユニット１０は、燃料電池１の出力、キャパシタ２及び二次電池６の各ＳＯＣに基づいて、燃料電池１の作動制御と、昇圧手段３または電圧変換手段７の作動制御とを実行し、燃料電池１、キャパシタ２及び二次電池６から電動機５への電力供給と、燃料電池１からキャパシタ２及び二次電池６の充電とを行う。
【００３６】
電子制御ユニット１０は、電動機５は当該車両１１が減速する際には発電機として機能するため、車両１１の減速時に電動機５で生じる回生電力を回収して、該回生電力によりキャパシタ２及び二次電池２の充電を実行する。尚、このとき、電子制御ユニット１０は、ＰＤＵ４に備えられた電圧センサ及び電流センサ（図示しない）により、電動機５の回生電力を検知して昇圧手段３または電圧変換手段７の作動制御を実行し、電動機５からキャパシタ２及び二次電池６への充電を行う。
【００３７】
なお、本実施形態の燃料電池電源システムにおいて、燃料電池１と昇圧手段３及びキャパシタ２との間には、ダイオードＤが設けられており、ダイオードＤにより燃料電池１への電流の流入が禁止されている。また、ダイオードＤに替えてトランジスタ等の他の整流素子を用いることにより、または、キャパシタ２を降圧手段（ダウンコンバータ）を介して燃料電池１に接続することにより、燃料電池１への電流の流入を禁止してもよい。
【００３８】
以上が、本実施の形態における燃料電池電源システムの全体構成である。
【００３９】
次に、図２および図３を参照して、燃料電池１、キャパシタ２、ＰＤＵ４および二次電池６を含む本実施形態の燃料電池電源システムを構成する構成物品群のレイアウトについて説明する。
【００４０】
図２は、車両１１を側方から見た部分断面図であり、図３は、車両１１を上方から見た部分断面図である。図２および図３において、キャパシタ２と二次電池６とは、これらを一体とした蓄電ユニット１２内に収納されている。
【００４１】
図２および図３に示すように、車両前方より後方に向かって、車両１１のエンジンルームに相当する部位に蓄電ユニット１２が配置され、２つのフロントシート１３の下側で車両下部フレーム１４との間に、分離した形で燃料電池１，１が配置され、リアシート１５の下側で車両下部フレーム１４との間でセンタトンネル１６に連通する部位にＰＤＵ４が配置される。さらに、ＰＤＵ４の後方でリアシート１５の背もたれの陰には水素燃料タンク１７が配置され、車両１１の後輪Ｔ，Ｔにはこれを駆動輪とする電動機５が設けられている。
【００４２】
また、これら蓄電ユニット１２、燃料電池１，１、ＰＤＵ４および水素燃料タンク１７は、車両１１の室内空間の下方に形成された内部空間２０に配置されている。内部空間２０は、一端が車両１１のフロントグリル１８（本発明の流入部に相当する）で開放されるとともに、フロントグリル１８からエンジンルームを経てセンタトンネル１６に連通する。すなわち、内部空間２０の一部はセンタトンネル１６により構成されている。さらに、内部空間２０は、センタトンネル１６から水素燃料タンク搭載領域を経て、他端が水素燃料タンク１７の後方で、下部フレーム１４における間隙や下部フレーム１４と車体フレームとの間の間隙等により構成された流出部１９により外部開放されている。
【００４３】
これにより、車両１１の走行時に車速に応じた外部空気が内部空間２０に流入して、該外部空間２０内を流れる。そのため、これら蓄電ユニット１２、燃料電池１、ＰＤＵ４および水素燃料タンク１７の構成物品群を一度に冷却することができる。
【００４４】
さらに、内部空間２０には、蓄電ユニット１２の後方に２つの対流ファン２１，２１が設けられており、フロントグリル１８から流入した冷却媒体としての流入空気をセンタトンネル１６側に強制的に対流させる。そのため、車両１１の後方側において内部空間の対流が小さくなることや車両１１の車速が小さく流入空気が少ない場合にも、内部空間内に流入空気が滞留することを抑制して、常に一定の冷却効率を維持することができる。
【００４５】
ここで、蓄電ユニット１２、燃料電池１およびＰＤＵ４は、この順番に発熱量が大きくなる。また、使用上限温度も、蓄電ユニット１２が６０℃以下（二次電池６の使用上限温度）、燃料電池１が９０℃以下、ＰＤＵ４が１２０℃以下であり、この順番に高くなる。そのため、流入空気が車両１１の前側で温められ後側に配置されたＰＤＵ４等の高温となる構成物品を冷却できないとの不都合を回避して、構成物品群を効率よく冷却することができる。
【００４６】
また、蓄電ユニット１２、燃料電池１およびＰＤＵ４により熱せられた流入空気は、水素燃料タンク１７やこれに接続されたレギュレータや各種バルブ等の部材を通過して外部へと流出する。そのため、水素燃料タンク１７およびこれに接続された部材を加熱してこれらの温度低下を抑制することができる。すなわち、水素燃料タンク１７は、一般に水素ガスの充填時に温度が低下するほか、水素燃料タンク１７からの水素ガスの供給（水素吸蔵物質からの水素の放出反応）が吸熱反応であることから水素ガスの供給により温度が低下するが、熱せられた流入空気を水素燃料タンク１７部分を通過させることにより、水素燃料タンク１７およびこれに接続された部材が凍結したり、結露を生じたりすることを防止することができ、ひいては、これらの劣化を防止することができる。
【００４７】
さらに、図３に示すように、蓄電ユニット１２と燃料電池１とＰＤＵ４とには、これらを環状に管路で結ぶ循環路３０が形成されている。循環路３０は、図では簡略的に記載しているが、蓄電ユニット１２と燃料電池１とＰＤＵ４の各々の筐体全体や発熱部位を冷却するように、適切な配管がなされている。
【００４８】
循環路３０は、管路内に冷却液（例えば、不凍性のエチレングリコールなど）が充填されており、図示しない循環ポンプにより冷却液が矢印の向きに循環する。循環路３０上には、ラジエータ３１がフロントグリル１８の後側に設けられており、フロントグリル１８から流入した流入空気の一部がラジエータを通過することにより熱せられた冷却液が冷却される。なお、ラジエータ３１には、後方にファン３２と遮蔽板３３が設けられている。ファン３２は、フロントグリル１８から流入した流入空気をラジエータ３１側に対流させ、ラジエータ３１の冷却効率を向上させる。遮蔽板３３は、ラジエータ３１の上端から下方に傾斜して設けられて、ラジエータ３１を通過した流入空気が前記内部空間２０の導入部側に流れ込むのを防止する。
【００４９】
また、循環路３０には、燃料電池１への導入部分に温度センサ３４と切換弁３５とが設けられており、図示しないコントローラにより温度センサ３４の検出温度に基づいて、切換弁３５が制御される。切換弁３５は、循環路３０の冷却液を燃料電池１に循環させる状態と循環を回避する状態とを切り換える弁であって、図３に示す場合では、循環路３０の冷却液が燃料電池１，１に循環して再び循環路３０へ戻るが、ここから弁を所定角度（図では−４５°）回転させることにより、循環路３０が燃料電池１の上流側と下流側とが接続されて、冷却液が燃料電池１へ流入せずにパイパスされる。
【００５０】
次に、図４を参照して、前記コントローラによる切換弁３５の具体的な制御タイミング等について説明する。図４は、コントローラによる処理を示すフローチャートであり、コントローラは、所定の演算処理周期で図４に示す処理を実行する。
【００５１】
まず、車両１１の図示しない運転スイッチ（イグニッションスイッチ）が運転者によりＯＮに操作された状態（車両１１の走行状態を含む）で、コントローラは、温度センサ３４による冷却液の計測温度を取得し、該冷却液の計測温度が燃料電池１の安定動作温度（例えば２５℃）以上か否かを判定する（ＳＴＥＰ１）。
【００５２】
そして、冷却液の計測温度が安定動作温度以上の場合には（ＳＴＥＰ１でＹＥＳ）、循環ポンプをＯＮすると同時に、切換弁３５を燃料電池１への循環状態に切り換えるか、切換弁３５が既に循環状態になっている場合には循環状態を維持させる（ＳＴＥＰ２）。
【００５３】
これにより、循環路３０内の冷却液が、蓄電ユニット１２、燃料電池１およびＰＤＵ４に循環して、これらの構成物品を冷却する。このとき、冷却液は、ラジエータ３１で冷却された後、蓄電ユニット１２、燃料電池１およびＰＤＵ４の順番に循環する。そのため、上述の流入空気による冷却の場合と同様、発熱量の小さい構成物品から順番に冷却され、後側に配置された構成物品を冷却できないとの不都合を回避して、構成物品群を効率よく冷却することができる。
【００５４】
この場合の各構成物品群の温度変化（冷却効果）を図５を参照して説明する。図５は、車両１１の始動（走行開始）後の各構成物品の温度変化を示したものであり、横軸が時間で、縦軸が蓄電ユニット１２、燃料電池１、ＰＤＵ４、水素燃料タンク１７および冷却液の各温度である。
【００５５】
図５は、常温（約２５℃）で車両１１を始動した場合であり、時刻ｔ1で、車両１１が始動され走行を開始すると、上記図４のＳＴＥＰ１，２に従って、循環ポンプがＯＮされ、切換弁３５が燃料電池１への循環状態となる。
【００５６】
このとき、蓄電ユニット１２、燃料電池１およびＰＤＵ４が発熱して、それぞれの温度が上昇する。また、これに伴ってこれらの構成物品の間を循環する冷却液の温度も上昇する。一方で、水素燃料タンク１７の温度は、水素ガスの燃料電池１への供給により温度が低下する。
【００５７】
ここで、図４に破線で示す冷却を行わない場合のＰＤＵ４の温度変化に対して、流入空気および冷却液の循環による冷却を行った場合には、ＰＤＵ４の温度上昇が若干緩やかになると共に、安定状態（熱平衡状態）での温度を低下させることができる。
【００５８】
また、この場合には、蓄電ユニット１２、燃料電池１およびＰＤＵ４により熱せられた流入空気が水素燃料タンク１７に供給されるため、図４に破線で示す加熱しない場合のタンク温度に対して、タンク温度が低下することを抑制してタンク温度を常に０℃より高い温度に維持することができる。これにより、水素燃料タンク１７から水素ガスを燃料電池１に安定供給することができる。また、タンクの凍結や結露を防止することもできる。
【００５９】
次に、図４のフローチャートに戻って、冷却液の計測温度が燃料電池１の安定動作温度より低い場合の処理について説明する。
【００６０】
冷却液の計測温度が安定動作温度より低い場合には（ＳＴＥＰ１でＮＯ）、循環ポンプをＯＦＦする（ＳＴＥＰ３）。また、切換弁３５を燃料電池１への循環を回避したバイパス状態に切り換える（ＳＴＥＰ３）。
【００６１】
ＳＴＥＰ３の処理に次いで、コントローラは、ＰＤＵ４の図示しない温度センサによる検出温度が冷却基準温度以上であるか否かを判定する（ＳＴＥＰ４）。ここで冷却基準温度は、ＰＤＵ４の冷却を開始すべきトリガとなる温度である。
【００６２】
そして、ＰＤＵ４の検出温度が冷却基準温度以上である場合には（ＳＴＥＰ４でＹＥＳ）、切換弁３５をバイパス状態に維持したままで循環ポンプをＯＮさせる（ＳＴＥＰ５）。一方、ＰＤＵ４の検出温度が冷却基準温度に満たない場合には（ＳＴＥＰ４でＮＯ）、循環ポンプがＯＦＦの状態で、切換弁３５がバイパス状態で維持される。
【００６３】
この場合の各構成物品群の温度変化（冷却効果）を図６を参照して説明する。図６は、車両１１の始動（走行開始）後の各構成物品の温度変化を示したものであり、横軸が時間で、縦軸が蓄電ユニット１２、燃料電池１、ＰＤＵ４、水素燃料タンク１７および冷却液の各温度である。
【００６４】
図６は、氷点下（約−１０℃）で、車両１１を始動した場合であって、時刻ｔ1で、車両１１が始動され走行を開始すると、上記図４のＳＴＥＰ３〜５に従った処理がコントローラにより実行される。
【００６５】
まず、図６の時刻ｔ1〜ｔ2では、車両１１の始動により発熱する各構成物品の温度が上昇する。ここで、冷却液の温度は、車両１１が始動を開始しても、ＰＤＵ４の検出温度が冷却基準温度に達する時刻ｔ2まで循環ポンプがＯＦＦされるため、冷却液の温度は初期温度のまま維持される（ＳＴＥＰ３）。また、水素燃料タンク１７については、上述のように、水素ガスの供給によりタンクの温度が低下する。
【００６６】
そして、時刻ｔ2で、ＰＤＵ４の検出温度が冷却基準温度に達すると（ＳＴＥＰ４）、循環ポンプがＯＮされて（ＳＴＥＰ５）、冷却液がＰＤＵ４および蓄電ユニット１２により熱せられる。これにより、時刻ｔ2〜ｔ3の間で、冷却液の温度が上昇すると共に、ＰＤＵの検出温度は、その温度上昇の傾きが緩やかになっている。
【００６７】
次いで、時刻ｔ3で冷却液の温度が燃料電池１の安定動作温度に達すると、（ＳＴＥＰ１でＹＥＳとなり）切換弁３５が燃料電池１への循環状態となる（ＳＴＥＰ２）。これにより、時刻ｔ3の直後、燃料電池１の温度が安定温度まで急激に上昇する。
【００６８】
このように、冷却液の温度が燃料電池１の安定動作温度より低い場合には、該冷却液が燃料電池１に循環することを回避することができる。そして、ＰＤＵの検出温度に応じて、切換弁３５をパイパス状態に維持しつつ、循環ポンプを作動さえることで、冷却液の温度を燃料電池１の安定動作温度以上にすることができ、かかる安定温度以上となった冷却液を燃料電池１に循環させることにより、燃料電池１を加熱することができる。
【００６９】
時刻ｔ3以降については、上記図５の常温における始動と同様に、図６に破線で示す冷却を行わない場合のＰＤＵ４の温度変化に対して、安定状態（熱平衡状態）での温度を低下させることができる。また、蓄電ユニット１２、燃料電池１およびＰＤＵ４により熱せられた流入空気が水素燃料タンク１７に供給されることにより、図６に破線で示す加熱しない場合のタンク温度に対して、タンク温度が低下することを抑制してタンク温度を常に０℃より高い温度に維持することができる。これによりタンク温度を凍結温度、さらに好ましくは露天（結露点）に以上に維持することが可能となる。
【００７０】
なお、本実施形態では、蓄電手段としてキャパシタ２と二次電池６との両方を用いているが、これに限定されるものではなく、これらのいずれか一方を蓄電手段として用いるようにしてもよい。また、本実施形態では、キャパシタ２と二次電池６とを備えた蓄電ユニット１２を一体として冷却しているが、キャパシタ２と二次電池６を別個独立に配置し、発熱量の小さなキャパシタから冷却するように構成することが好ましい。
【００７１】
また、本実施形態では、放熱部をラジエータ３１により構成したが、これに限定されるものではなく、循環路３０がＰＤＵ４を循環した後に水素燃料タンク１７をも循環するように構成し、該水素燃料タンク１７を循環する循環路部分によって放熱部を構成してもよい。さらに、循環路３０の一部を車両１１の外部に露呈させることにより、該露呈部分によって放熱部を構成してもよい。
【００７２】
また、本実施形態では、車両として四輪自動車を例として説明したが、車両はこれに限定されるものではなく二輪車や鉄道車両等であってもよい。
【００７３】
さらに、本実施形態では、切換弁３５を循環路３０上の燃料電池１への導入部に設けたが、これに限定されるものではなく、循環路３０に接続された各構成物品の導入部に設けて該構成物品への冷却液の供給を制御するようにしてもよい。この場合、各構成物品の導入部に冷却液の温度を検出する温度センサを設けて、該温度センサの検出温度に基づいて、各構成物品に対して冷却液の温度が適温であるかを否かを判定し、該判定結果に基づいて供給を制御することが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本実施形態の燃料電池電源システムの全体構成図。
【図２】本実施形態の燃料電池車両を側方から見た部分断面図。
【図３】本実施形態の燃料電池車両を上方から見た部分断面図。
【図４】コントローラによる処理を示すフローチャート。
【図５】常温で車両を始動した場合の各構成物品の温度変化を示す図。
【図６】氷点下で車両を始動した場合の各構成物品の温度変化を示す図。
【符号の説明】
【００７５】
１…燃料電池、２…キャパシタ、３…昇圧手段、４…ＰＤＵ（電動機駆動装置）、５…電動機、６…二次電池、７…電圧変換手段、１０…電子制御ユニット、１１…燃料電池車両（車両）、１２…蓄電ユニット（蓄電手段）、１３…フロントシート、１４…車両下部フレーム、１５…リアシート、１６…センタトンネル、１７…水素燃料タンク、１８…フロントグリル（流入部）、１９…流出部、２０…内部空間、３０…循環路、３１…ラジエータ（放熱部）、３４…温度センサ、３５…切換弁（切換手段）。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池電源システムが搭載された車両であって、
少なくとも燃料電池と、該燃料電池と接続されたキャパシタまたは二次電池のいずれか一方または両方からなる蓄電手段と、該燃料電池および蓄電手段の出力部が接続された、前記車両の動力源である電動機と、該出力部と電動機との間に設けられた電動機駆動装置とを備え、
前記燃料電池と蓄電手段と電動機駆動装置とを含む第１構成物品群は、前記車両の内部を流れる冷却媒体によって発熱量が小さい順に冷却されるように配置されていることを特徴とする車両。
【請求項２】
請求項１記載の車両において、
前記燃料電池に燃料を供給する燃料タンクを含む第２構成物品群が、前記冷却媒体の流れにおいて前記第１構成物品群の下流に配置されていることを特徴とする車両。
【請求項３】
請求項１記載の車両において、
前記冷却媒体は、前記第１構成物品群が配置される内部空間を流れる空気であって、該内部空間は、前記車両が走行したときに、該車両外の空気を該内部空間に流入させる流入部と、流入した流入空気を該内部空間から流出させる流出部とを備えることを特徴とする車両。
【請求項４】
請求項３項記載の車両において、
前記燃料電池に燃料を供給する燃料タンクを含む第２構成物品群が、前記内部空間と前記流出部との間に配置されることを特徴とする車両。
【請求項５】
請求項１記載の車両において、
前記冷却媒体は、前記車両内に設けられた循環路を流れる冷却液であって、該循環路は、発熱量が最大となる前記構成物品から最小となる前記構成物品へ至る経路上に前記冷却液の熱を放熱する放熱部が設けられていることを特徴とする車両。
【請求項６】
請求項５記載の車両において、
前記放熱部は、前記燃料電池に燃料を供給する燃料タンクを含む第２構成物品群を循環する循環路部分によって構成されることを特徴とする車両。
【請求項７】
請求項５または６記載の車両において、
前記循環路には、前記冷却液の温度を計測する温度センサと、該冷却液による冷却を行う対象物を前記構成物品群の全部または一部に切り換える切換弁とが設けられ、
前記切換弁は、前記温度センサの計測温度に基づいて切り替えられることを特徴とする車両。
【請求項８】
請求項１乃至７記載のうちいずれか１項記載の車両において、
前記燃料電池と蓄電手段と電動機駆動装置とは、前記冷却媒体によって該蓄電手段、燃料電池および電動機駆動装置の順に冷却されるように配置されることを特徴とする車両。
【請求項１】
燃料電池電源システムが搭載された車両であって、
少なくとも燃料電池と、該燃料電池と接続されたキャパシタまたは二次電池のいずれか一方または両方からなる蓄電手段と、該燃料電池および蓄電手段の出力部が接続された、前記車両の動力源である電動機と、該出力部と電動機との間に設けられた電動機駆動装置とを備え、
前記燃料電池と蓄電手段と電動機駆動装置とを含む第１構成物品群は、前記車両の内部を流れる冷却媒体によって発熱量が小さい順に冷却されるように配置されていることを特徴とする車両。
【請求項２】
請求項１記載の車両において、
前記燃料電池に燃料を供給する燃料タンクを含む第２構成物品群が、前記冷却媒体の流れにおいて前記第１構成物品群の下流に配置されていることを特徴とする車両。
【請求項３】
請求項１記載の車両において、
前記冷却媒体は、前記第１構成物品群が配置される内部空間を流れる空気であって、該内部空間は、前記車両が走行したときに、該車両外の空気を該内部空間に流入させる流入部と、流入した流入空気を該内部空間から流出させる流出部とを備えることを特徴とする車両。
【請求項４】
請求項３項記載の車両において、
前記燃料電池に燃料を供給する燃料タンクを含む第２構成物品群が、前記内部空間と前記流出部との間に配置されることを特徴とする車両。
【請求項５】
請求項１記載の車両において、
前記冷却媒体は、前記車両内に設けられた循環路を流れる冷却液であって、該循環路は、発熱量が最大となる前記構成物品から最小となる前記構成物品へ至る経路上に前記冷却液の熱を放熱する放熱部が設けられていることを特徴とする車両。
【請求項６】
請求項５記載の車両において、
前記放熱部は、前記燃料電池に燃料を供給する燃料タンクを含む第２構成物品群を循環する循環路部分によって構成されることを特徴とする車両。
【請求項７】
請求項５または６記載の車両において、
前記循環路には、前記冷却液の温度を計測する温度センサと、該冷却液による冷却を行う対象物を前記構成物品群の全部または一部に切り換える切換弁とが設けられ、
前記切換弁は、前記温度センサの計測温度に基づいて切り替えられることを特徴とする車両。
【請求項８】
請求項１乃至７記載のうちいずれか１項記載の車両において、
前記燃料電池と蓄電手段と電動機駆動装置とは、前記冷却媒体によって該蓄電手段、燃料電池および電動機駆動装置の順に冷却されるように配置されることを特徴とする車両。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００９−１２６４５２（Ｐ２００９−１２６４５２Ａ）
【公開日】平成２１年６月１１日（２００９．６．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３０５９００（Ｐ２００７−３０５９００）
【出願日】平成１９年１１月２７日（２００７．１１．２７）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年６月１１日（２００９．６．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１１月２７日（２００７．１１．２７）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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