專利名稱：燃料電池用冷卻裝置以及安裝有該冷卻裝置的車輛的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池用冷卻裝置以及安裝有該冷卻裝置的車輛。
背景技術(shù)：
以往，作為燃料電池用冷卻裝置，提出下述方案，其具備對燃料電池進行冷卻的第1制冷劑流通的第1制冷劑流路，對發(fā)熱機器組(發(fā)熱機器類如驅(qū)動用電機等)進行冷卻的第2制冷劑流通的第2制冷劑流路，和對配置在第2制冷劑流路內(nèi)的第2制冷劑進行冷卻的散熱器，在第1制冷劑和第2制冷劑之間通過熱交換器進行熱交換(例如，參照特開2000-323146號公報)。該公報所記載的裝置，在通過第2制冷劑對發(fā)熱機器組進行冷卻之后，在第2制冷劑和第1制冷劑之間進行熱交換，通過熱交換后的第1制冷劑對燃料電池進行冷卻，并通過散熱器對由這些機器的冷卻而變熱的第2制冷劑的熱量進行散熱。因此，可以用1個散熱器來冷卻燃料電池以及發(fā)熱機器組。

發(fā)明內(nèi)容
但是，在上述公報所述的裝置中，必須具有在第1制冷劑和第2制冷劑之間進行熱交換的熱交換器、第1制冷劑流路以及第2制冷劑流路2個獨立的流路，必須在各個流路上具有使制冷劑循環(huán)的循環(huán)泵等，所以構(gòu)成燃料電池系統(tǒng)的部件等變得很多。
本發(fā)明是鑒于這樣的問題而完成的，其目的之一在于提供一種使結(jié)構(gòu)簡單化，可以進行燃料電池系統(tǒng)的冷卻的燃料電池用冷卻裝置。另外，其目的之一在于提供一種安裝有這樣的燃料電池用冷卻裝置的車輛。
本發(fā)明的冷卻裝置，為達成上述目的的至少一部分，采取下面的技術(shù)方案。
本發(fā)明的燃料電池用冷卻裝置，其具備燃料電池，其通過燃料氣體與氧化氣體的電化學(xué)反應(yīng)進行發(fā)電；發(fā)熱機器組，其與上述燃料電池分開，在工作時發(fā)熱；制冷劑流路，其形成為，制冷劑循環(huán)、對上述燃料電池以及上述發(fā)熱機器組進行冷卻；和散熱器，其連接在上述制冷劑流路上，散發(fā)上述制冷劑的熱量。
在該燃料電池用冷卻裝置中，通過共同的制冷劑由1個散熱器對燃料電池以及發(fā)熱機器組散熱從而進行冷卻。從而，與在燃料電池以及發(fā)熱機器組上分別具備不同的制冷劑以及散熱器的裝置相比，可以使結(jié)構(gòu)簡單化從而進行燃料電池系統(tǒng)的冷卻。這里，所謂“發(fā)熱機器組”，可以是例如燃料電池的發(fā)電所用的輔機類(提供燃料氣體或氧化氣體的輔機類等)，也可以是由燃料電池所產(chǎn)生的電力的轉(zhuǎn)換時所用的輔機類(電壓轉(zhuǎn)換、交流·直流轉(zhuǎn)換或頻率轉(zhuǎn)換所用的輔機類，或者從電力向熱量的轉(zhuǎn)換或從電力向驅(qū)動力的轉(zhuǎn)換所用的輔機類等)。另外，所謂“對發(fā)熱機器組進行冷卻”，除了包括冷卻發(fā)熱機器組本身的情況以外，還包括冷卻發(fā)熱機器所操作的對象物(例如氧化氣體供給器所提供的氧化氣體等)。
在本發(fā)明的燃料電池用冷卻裝置中，在上述發(fā)熱機器組中，包括多個發(fā)熱機器，在上述制冷劑流路上，也可以根據(jù)各自的工作允許溫度來配置上述燃料電池以及上述多個發(fā)熱機器。這樣一來，根據(jù)工作允許溫度來配置發(fā)熱機器以及燃料電池，可以將燃料電池以及發(fā)熱機器控制在工作允許溫度的范圍內(nèi)。此時，在上述制冷劑流路上，至少對于上述多個發(fā)熱機器，從工作允許溫度較低的發(fā)熱機器開始按順序串聯(lián)配置在制冷劑的流通方向上。這里，所謂“工作允許溫度”，只要設(shè)為發(fā)熱機器、燃料電池可以穩(wěn)定工作的溫度即可。
在本發(fā)明的燃料電池用冷卻裝置中，在上述發(fā)熱機器組中，包括多個發(fā)熱機器，在上述制冷劑流路上，也可以根據(jù)各自的散熱量來配置上述燃料電池以及上述多個發(fā)熱機器。這樣一來，可以根據(jù)散熱量來配置燃料電池以及發(fā)熱機器而進行冷卻。此時，在上述制冷劑流路上，至少對于上述多個發(fā)熱機器，從散熱量較小的發(fā)熱機器開始按順序串聯(lián)配置在制冷劑的流通方向上。
在本發(fā)明的燃料電池用冷卻裝置中，也可以在上述制冷劑流路上，設(shè)置有制冷劑從上述散熱器經(jīng)由上述燃料電池向上述散熱器循環(huán)的燃料電池用流路，和與該燃料電池用流路并聯(lián)設(shè)置、制冷劑從上述散熱器經(jīng)由上述發(fā)熱機器組向上述散熱器循環(huán)的1個或以上的發(fā)熱機器用流路。這樣一來，與在制冷劑的流通方向上串聯(lián)配置燃料電池和發(fā)熱機器組從而使制冷劑流通的情況相比，發(fā)熱機器組不會使要流過燃料電池的制冷劑變熱，燃料電池不會使要流過發(fā)熱機器組的制冷劑變熱，所以容易分別冷卻燃料電池以及發(fā)熱機器組的制冷劑。
在本發(fā)明的燃料電池用冷卻裝置中，在上述發(fā)熱機器組中，包括多個發(fā)熱機器，在上述發(fā)熱機器用流路上，也可以將上述多個發(fā)熱機器從工作允許溫度較低的發(fā)熱機器開始按順序串聯(lián)配置在制冷劑的流通方向上。這樣一來，先從工作允許溫度較低的發(fā)熱機器開始進行冷卻，所以容易將發(fā)熱機器組維持在工作允許溫度的范圍內(nèi)。
在本發(fā)明的燃料電池用冷卻裝置中，在上述發(fā)熱機器組中，包括多個發(fā)熱機器，在上述發(fā)熱機器用流路上，也可以將上述多個發(fā)熱機器從散熱量較小的發(fā)熱機器開始按順序串聯(lián)配置在制冷劑的流通方向上。這樣一來，由于在制冷劑流通的上游配置散熱量較小的發(fā)熱機器，所以其下游處的制冷劑的溫度不會變得過高。從而，可以盡可能抑制制冷劑冷卻發(fā)熱機器所產(chǎn)生的溫度上升，從而冷卻從制冷劑的上游配置到下游的發(fā)熱機器。
在本發(fā)明的燃料電池用冷卻裝置中，在上述發(fā)熱機器組中，也可以包括通過半導(dǎo)體芯片對由上述燃料電池所發(fā)出的電力進行轉(zhuǎn)換的電力轉(zhuǎn)換器。電力轉(zhuǎn)換器(例如逆變器、DC-DC轉(zhuǎn)換器以及升壓轉(zhuǎn)換器(變壓器)等)的半導(dǎo)體芯片，如果超過工作可能的溫度，就無法工作，所以必須通過制冷劑以及散熱器進行溫度控制從而進行冷卻。從而，在電力轉(zhuǎn)換器中使用本發(fā)明的意義較高。
在本發(fā)明的燃料電池用冷卻裝置中，上述電力轉(zhuǎn)換器也可以具備兩面冷卻機構(gòu)，該兩面冷卻機構(gòu)通過上述制冷劑從上述半導(dǎo)體芯片的兩面直接或間接地奪取熱量，進行上述半導(dǎo)體芯片的冷卻。這樣一來，由于對半導(dǎo)體芯片的兩面進行冷卻，所以與冷卻半導(dǎo)體芯片的單面的情況相比，可以充分地冷卻，即使用溫度比通常高的制冷劑進行冷卻，也可以確保電力轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定的工作。另外，在本發(fā)明的燃料電池用冷卻裝置中，上述電力轉(zhuǎn)換器也可以具備沸騰冷卻機構(gòu)，該沸騰冷卻機構(gòu)通過相可變介質(zhì)氣化，從上述半導(dǎo)體芯片奪取熱量，并通過上述制冷劑從該氣化了的相可變介質(zhì)奪取熱量，進行上述半導(dǎo)體芯片的冷卻。這樣一來，可以利用相可變介質(zhì)沸騰時的蒸發(fā)潛熱來充分冷卻半導(dǎo)體芯片，所以即使用溫度比通常高的制冷劑進行冷卻，也可以確保電力轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定的工作。
在本發(fā)明的燃料電池用冷卻裝置中，在上述發(fā)熱機器組中，也可以包括向上述燃料電池提供上述氧化氣體的氧化氣體供給器。氧化氣體供給器，有時具備電機，該電機工作時的發(fā)熱比較大，必須通過制冷劑以及散熱器進行溫度控制而進行冷卻。從而，在氧化氣體供給器中使用本發(fā)明的意義較高。
在本發(fā)明的燃料電池用冷卻裝置中，上述氧化氣體供給器也可以具備熱交換器，該熱交換器通過上述制冷劑從上述氧化氣體奪取熱量，進行上述氧化氣體的冷卻。來自氧化氣體供給器的氧化氣體，在受到壓縮時溫度會升高，如果在高溫的狀態(tài)下直接提供給燃料電池，則燃料電池內(nèi)部的部件會由于熱量而熔化損壞(熔損)。因此，來自氧化氣體供給器的氧化氣體，必須通過制冷劑以及散熱器進行溫度控制而進行冷卻。從而，在進行氧化氣體的冷卻的熱交換器中使用本發(fā)明的意義較高。此時，上述熱交換器，也可以通過上述制冷劑與上述氧化氣體多次熱交換，從而進行上述氧化氣體的冷卻。這樣一來，在氧化氣體與制冷劑之間進行多次熱交換，可以充分地冷卻氧化氣體，所以即使用溫度比通常高的制冷劑冷卻氧化氣體，也可以確保燃料電池的穩(wěn)定的發(fā)電。
在本發(fā)明的燃料電池用冷卻裝置中，在上述發(fā)熱機器組中，也可以包括產(chǎn)生驅(qū)動力的驅(qū)動用電機。驅(qū)動用電機(例如安裝在車輛上的驅(qū)動用電機等)，工作時的發(fā)熱比較大，所以必須通過制冷劑以及散熱器進行溫度控制而進行冷卻。從而，在驅(qū)動電機中使用本發(fā)明的意義較高。
在本發(fā)明的燃料電池用冷卻裝置中，上述驅(qū)動用電機，也可以具備對該驅(qū)動用電機的內(nèi)部進行油冷的油冷機構(gòu)。這樣一來，可以對驅(qū)動用電機的內(nèi)部進行油冷從而充分冷卻驅(qū)動用電機，所以即使用溫度比通常高的制冷劑進行冷卻，也可以確保驅(qū)動用電機的穩(wěn)定的工作。
本發(fā)明的燃料電池用冷卻裝置，其具備燃料電池，其通過燃料氣體與氧化氣體的電化學(xué)反應(yīng)進行發(fā)電；電力轉(zhuǎn)換器，其通過半導(dǎo)體芯片對由上述燃料電池所發(fā)出的電力進行轉(zhuǎn)換；氧化氣體供給器，其向上述燃料電池提供上述氧化氣體；驅(qū)動用電機，其產(chǎn)生驅(qū)動力；制冷劑流路，其形成為，制冷劑循環(huán)，從而冷卻上述燃料電池、上述電力轉(zhuǎn)換器、上述氧化氣體供給器以及上述驅(qū)動用電機；和散熱器，其連接在上述制冷劑流路上，散發(fā)上述制冷劑的熱量。
在該燃料電池用冷卻裝置中，通過共同的制冷劑由1個散熱器對燃料電池、電力轉(zhuǎn)換器、氧化氣體供給器以及驅(qū)動用電機進行散熱從而進行冷卻。從而，與在燃料電池和這些機器上分別具備不同的制冷劑以及散熱器的裝置相比，可以使結(jié)構(gòu)簡單化從而進行燃料電池系統(tǒng)的冷卻。另外，電力轉(zhuǎn)換器、氧化氣體供給器、驅(qū)動用電機以及制冷劑流路，也可以利用上述的裝置。
本發(fā)明的車輛，是安裝有上述的各種方式中的任意一種燃料電池用冷卻裝置的車輛。本發(fā)明的燃料電池用冷卻裝置，可以使結(jié)構(gòu)簡單化從而進行燃料電池系統(tǒng)的冷卻，安裝有該燃料電池用冷卻裝置的車輛也可以起到同樣的效果。


圖1是表示本發(fā)明的一個實施例的安裝有燃料電池的車輛的結(jié)構(gòu)的大概的框圖；圖2是本實施例的兩面冷卻機構(gòu)50的俯視圖；圖3是圖2的A-A剖面圖；圖4是本實施例的空氣冷卻機構(gòu)27a的說明圖；圖5是本實施例的油冷機構(gòu)60的說明圖；圖6是圖5的B-B剖面圖；圖7是沸騰冷卻機構(gòu)70的說明圖。
具體實施例方式
接下來，使用實施例對用于實施本發(fā)明的最佳方式進行說明。
基于

本發(fā)明的實施例。圖1是安裝有燃料電池的車輛的框圖。安裝有燃料電池的車輛10具備燃料電池組20，其通過由氫氣罐22以及氫氣泵24提供的氫氣(燃料氣體)和從空氣供給器26提供的空氣(氧化氣體)中的氧氣的電化學(xué)反應(yīng)而發(fā)電；蓄電裝置34，其可以儲存或放出電力；驅(qū)動用電機35，其通過電力驅(qū)動驅(qū)動輪18、18；功率控制單元(PCU)30，其對系統(tǒng)整體進行控制；和冷卻裝置12，其進行燃料電池組20以及發(fā)熱機器組13的冷卻。該冷卻裝置12具備散熱器40，其對工作時發(fā)熱的發(fā)熱機器組13以及燃料電池組20的冷卻水進行散熱；和冷卻用控制器37，其對燃料電池系統(tǒng)的冷卻進行控制。首先，從冷卻裝置12的各結(jié)構(gòu)開始進行說明。
散熱器40，配置在車輛前方，通過通風(fēng)使在燃料電池組20和工作時發(fā)熱的燃料電池系統(tǒng)的發(fā)熱機器組13(PCU30的逆變器部32、空氣供給器26、熱交換器27以及驅(qū)動用電機35)中循環(huán)的冷卻水的熱量散熱。在散熱器40上，連接有使冷卻水循環(huán)的冷卻水流路41。在該冷卻水流路41上，形成有冷卻水從散熱器40經(jīng)由燃料電池組20向散熱器40循環(huán)的燃料電池用流路41a，和冷卻水從散熱器40經(jīng)由發(fā)熱機器組13向散熱器40循環(huán)的發(fā)熱機器用流路41b。發(fā)熱機器用流路41b，與燃料電池用流路41a并聯(lián)設(shè)置。在該發(fā)熱機器用流路41b上，從散熱量較小的開始按順序在冷卻水的流通方向上串聯(lián)配置PCU30的逆變器部32、熱交換器27、空氣供給器26以及驅(qū)動用電機35。在該發(fā)熱機器用流路41b的入口附近，配設(shè)有節(jié)流閥43，形成為如果規(guī)定量的冷卻水(例如100L/分等)在燃料電池用流路41a中流通，則會有一定比例的量的冷卻水(例如10L/分等)流通。在冷卻水流路41上，設(shè)有循環(huán)泵42，冷卻水通過該循環(huán)泵42而循環(huán)。另外，在冷卻水流路41上，在散熱器40的下游設(shè)有冷卻水溫傳感器44，檢測冷卻水溫Tf。該冷卻水溫傳感器44，與冷卻用控制器37電連接。
在通過散熱器40的風(fēng)的下游，配置有冷卻風(fēng)扇46。冷卻風(fēng)扇46，是強制地使大氣向散熱器40通風(fēng)的樹脂制的風(fēng)扇，由圖未示的電機旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。該冷卻風(fēng)扇46，經(jīng)由PCU30通過冷卻用控制器37驅(qū)動控制。
冷卻用控制器37，是由CPU、ROM、RAM構(gòu)成的控制器，進行燃料電池組20的冷卻的控制。在該冷卻用控制器37上，電連接有車速傳感器38。該冷卻用控制器37，具備輸入/輸出端口(圖未示)，來自冷卻水溫傳感器44的信號、來自車速傳感器38的信號等經(jīng)由輸入端口輸入。另外，冷卻用控制器37，經(jīng)由該輸入/輸出端口而與PCU30電連接，進行各種控制信號、數(shù)據(jù)的交換。另外，冷卻用控制器37，將給冷卻風(fēng)扇46的驅(qū)動信號等經(jīng)由冷卻用控制器37的輸出端口輸出給PCU30，通過來自PCU30的電力提供來驅(qū)動控制這些機器。
PCU30具備控制部31，其由以微型計算機為中心的邏輯電路構(gòu)成；和逆變器部32，其進行燃料電池組20或蓄電裝置34的高壓直流電流與驅(qū)動用電機35的交流電流的轉(zhuǎn)換。該PCU30的控制部31，根據(jù)驅(qū)動用電機35的負(fù)載或蓄電裝置34的蓄電量，進行將由燃料電池組20產(chǎn)生的電力提供給驅(qū)動用電機35或蓄電裝置34，或者將蓄電裝置34所儲存的電力提供給驅(qū)動用電機35的控制。另外，在減速時或制動時等時候，將從驅(qū)動用電機35得到的再生電力提供給蓄電裝置34。該PCU30，具備輸入/輸出端口(圖未示)，來自冷卻用控制器37的各種控制信號等經(jīng)由輸入端口輸入到控制部31。
逆變器部32，是電力轉(zhuǎn)換器，其通過由作為功率晶體管的半導(dǎo)體芯片32a(例如IGBT元件等)構(gòu)成的3相橋電路，進行直流電流與3相交流電流的轉(zhuǎn)換或轉(zhuǎn)換所提供的電力的電壓。該逆變器部32，與PCU30的控制部31電連接，由控制部31所控制。圖2是收納有逆變器部32的半導(dǎo)體芯片32a的逆變器盒32b的俯視圖，圖3表示圖2的A-A剖面圖。該逆變器部32，如圖2以及圖3所示，具備通過冷卻水從半導(dǎo)體芯片32a的兩面奪取帶走熱量而進行冷卻的兩面冷卻機構(gòu)50。該兩面冷卻機構(gòu)50具備冷卻水管51，其與發(fā)熱機器用流路41b連接，冷卻水在其中流通；夾持板54，從兩側(cè)夾持被配設(shè)在半導(dǎo)體芯片32a的兩面上的冷卻水管51；固定用具55，其對夾持板54進行固定；和連接部52、53，其對冷卻水管51以及發(fā)熱機器用流路41b進行連接。另外，在半導(dǎo)體芯片32a與冷卻水管51的接觸面上，為了提高熱傳導(dǎo)性，涂布有硅脂。在該冷卻水管51的內(nèi)部，形成有即使被夾壓保持，也可以保持冷卻水在流通孔51a內(nèi)流通的保持壁部51b。該逆變器部32，發(fā)熱量較小，工作允許溫度比較低。另外，工作允許溫度，被規(guī)定為發(fā)熱機器組13和燃料電池組20可以穩(wěn)定工作的溫度。
蓄電裝置34，具有將多個鎳氫蓄電池串聯(lián)連接的構(gòu)造，作為高壓電源(數(shù)百V)而起作用。該蓄電裝置34，根據(jù)PCU30的控制，在車輛的起動時驅(qū)動驅(qū)動用電機35，或者在加速時輔助驅(qū)動用電機35，或者向發(fā)熱機器組13等提供電力。另外，該蓄電裝置34，在減速再生時從驅(qū)動用電機35回收再生電力，或者根據(jù)負(fù)載而由燃料電池組20充電。另外，該蓄電裝置34，也可以是電偶極子層電容器(雙電荷層電容器)(電容器)。
燃料電池組20，具有將周知的固體高分子電解質(zhì)型的燃料電池21的單體電池(單格電池)多個層疊起來的組構(gòu)造，作為高壓電源(數(shù)百V)而起作用。在燃料電池組20的各單體電池中，來自氫氣罐22的氫氣在氫氣泵24中調(diào)節(jié)壓力·流量，然后提供給陽極，來自空氣供給器26壓力被調(diào)節(jié)后的壓縮空氣被提供給陰極，進行規(guī)定的電化學(xué)反應(yīng)，由此產(chǎn)生電動勢。另外，沒有反應(yīng)完全的剩余氫氣被輸送給氫氣泵24，作為燃料氣體而再利用。在該燃料電池組20中，為了發(fā)揮較高的發(fā)電效率，必須將燃料電池組20的冷卻水的溫度控制為規(guī)定的溫度(例如80℃)進行冷卻。該規(guī)定的溫度為，比不具備兩面冷卻機構(gòu)50、后述的空氣冷卻機構(gòu)27a以及油冷機構(gòu)60等發(fā)熱機器用冷卻機構(gòu)時的發(fā)熱機器組13的冷卻水的溫度高的溫度。
空氣供給器26，是通過圖未示的電機使空氣壓縮并提供給空氣供給管26a的壓縮機。在從該空氣供給器26提供的壓縮空氣所流通的空氣供給管26a上，如圖4所示，設(shè)有熱交換器27，可以對壓縮后變?yōu)楦邷氐目諝膺M行冷卻，然后提供給燃料電池組20。在該熱交換器27上，形成有在壓縮空氣的流通方向上進行多次熱交換同時冷卻水在其中流通的空氣冷卻機構(gòu)27a。如果高溫的空氣進入燃料電池組20，則構(gòu)成燃料電池21的部件會熔化損壞，所以該壓縮空氣的工作允許溫度為較低的溫度。另外，該壓縮空氣的散熱量比較小。另外，空氣供給器26的電機，發(fā)熱量比較大，所以在電機的外部形成了冷卻水流通的發(fā)熱機器用流路41b，可以通過冷卻水進行冷卻。該電機的工作允許溫度為較高的溫度。
驅(qū)動用電機35，為3相同步電機，燃料電池組20所輸出的直流電流通過PCU30轉(zhuǎn)換為3相交流并被提供，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)驅(qū)動力。由該驅(qū)動用電機35產(chǎn)生的驅(qū)動力，經(jīng)由驅(qū)動軸14以及差速器16，最終輸出給驅(qū)動輪18、18，使安裝有燃料電池的車輛10行駛。圖5是與驅(qū)動用電機35的長度方向垂直的面的剖面圖，圖6是圖5的B-B剖面圖。該驅(qū)動用電機35，如圖5以及圖6所示，具備定子35b，其固定在電機盒35b上，由線圈纏繞而成；線圈端部35c，其作為纏繞在定子35b上的線圈的兩端部，電機軸35e，其配置在定子35b的半徑方向內(nèi)側(cè)，并被可以旋轉(zhuǎn)地保持在電機盒35b上；轉(zhuǎn)子35d，其整體地形成在電機軸35e的外周；和油冷機構(gòu)60，其使用絕緣性的油來對驅(qū)動用電機35的內(nèi)部進行油冷。在轉(zhuǎn)子35d的外周附近，以N極S極交替的方式配置有永磁體35f(參照圖5)。驅(qū)動用電機35的油冷機構(gòu)60，是使定子35b與油接觸從而進行定子35b的冷卻的機構(gòu)，形成有油流路61。在該油流路61上，設(shè)有通過油泵64(參照圖1)向電機盒35a的上部提供油的供給口61a。油流路61，以從供給口61a提供的油不與轉(zhuǎn)子36d接觸的方式，在電機內(nèi)部成為油套部61c。油不與轉(zhuǎn)子36d接觸地在該油套部61c內(nèi)流通，并與線圈端部35c和定子35b接觸。另外，在電機盒35a的下部設(shè)有將流通過油套部61c的油排出的排出口61b。然后，從供給口61a提供的油冷卻定子35b后從排出口61b排出，從而循環(huán)。另外，在電機盒35a上，設(shè)有在其外壁的下部連接在發(fā)熱機器用流路41b上、冷卻水在電機的長度方向上流通的水套部35g。這樣，經(jīng)由油將由定子35b所產(chǎn)生的熱量傳遞給電機盒35a，并通過在形成在下部的水套部35g內(nèi)流通的冷卻水來冷卻該電機盒35a的熱量。該驅(qū)動用電機35，由于對車輛進行驅(qū)動，所以發(fā)熱量較大，工作允許溫度比較高。另外，這里使油與定子35b的整體接觸，但也可以使油與定子35b的一部分(例如線圈端部35c等)接觸。
接下來，對這樣構(gòu)成的本實施例的安裝有燃料電池的車輛10的冷卻裝置12的動作進行說明。在安裝有燃料電池的車輛10起動后，首先，冷卻用控制器37，使循環(huán)泵42工作，以使規(guī)定量的冷卻水(例如100L/分等)在燃料電池用流路41a中流通，并使使油在驅(qū)動用電機35中循環(huán)的油泵64工作。接下來，冷卻用控制器37，獲取冷卻水溫Tf、車輛的車速v，在冷卻水溫Tf超過規(guī)定的溫度(例如80℃)時，基于冷卻水溫Tf、車速v對使冷卻風(fēng)扇46旋轉(zhuǎn)的電壓V進行設(shè)定，并通過設(shè)定后的電壓V對冷卻風(fēng)扇46進行旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。這里，電壓V被設(shè)定為，冷卻水溫Tf以及車速v越高，電壓越高。即，設(shè)定為，燃料電池組20的發(fā)熱越大，通過散熱器40的風(fēng)量越大。另一方面，在冷卻水溫Tf為規(guī)定的溫度以下時，為了不對冷卻水進行冷卻，冷卻用控制器37切換閥門(圖未示)，以使冷卻水在設(shè)置在冷卻水流路41上的、可以避免冷卻水通過散熱器40的迂回流路(圖未示)中循環(huán)。
這里，在循環(huán)泵42工作，規(guī)定量的冷卻水(例如100L/分等)在燃料電池用流路41a中流通時，由節(jié)流閥43調(diào)節(jié)的量的冷卻水(例如10L/分等)會在發(fā)熱機器用流路41b中流通。首先，冷卻水在兩面冷卻機構(gòu)50的冷卻水管51中流通，從兩側(cè)冷卻逆變器部32的半導(dǎo)體芯片32a。由于該半導(dǎo)體芯片32a的發(fā)熱量比較小，所以將半導(dǎo)體芯片32a下游的冷卻水的溫度上升抑制得比較小。接下來，冷卻水在熱交換器27的空氣冷卻機構(gòu)27a中流通，在提供給燃料電池組20的壓縮空氣與冷卻水之間進行多次熱交換，從而冷卻壓縮空氣。加下來，冷卻水冷卻提供該壓縮空氣的空氣供給器26的電機。該空氣供給器26的發(fā)熱量比較大。然后，冷卻水在驅(qū)動用電機35的水套部35g中流通，從而冷卻驅(qū)動用電機35。此時，油通過油泵64在驅(qū)動用電機35的內(nèi)部循環(huán)，由定子35b所產(chǎn)生的熱量經(jīng)由油傳遞給電機盒35a，通過冷卻水冷卻該電機盒35a的熱量。該驅(qū)動用電機35，由于驅(qū)動車輛，所以發(fā)熱量較大。冷卻這些發(fā)熱機器組13而變熱的冷卻水，與冷卻燃料電池組20而變熱的冷卻水合流。然后，該冷卻水由在散熱器40中通過的風(fēng)散熱冷卻。
根據(jù)安裝有上面詳細(xì)說明的本實施例的冷卻裝置12的安裝有燃料電池的車輛10，通過共同的冷卻水由1個散熱器40對燃料電池組20以及發(fā)熱機器組13散熱從而進行冷卻，所以與在燃料電池組20以及發(fā)熱機器組13上分別具備不同的制冷劑以及散熱器的裝置相比，可以使結(jié)構(gòu)簡單化從而進行燃料電池系統(tǒng)的冷卻。另外，在冷卻水流路41上，形成有冷卻水從散熱器40經(jīng)由燃料電池組20向散熱器40循環(huán)的燃料電池用流路41a，和與燃料電池用流路41a并聯(lián)設(shè)置、冷卻水從散熱器40經(jīng)由發(fā)熱機器組13向散熱器40循環(huán)的發(fā)熱機器用流路41b，所以與在冷卻水的流通方向上串聯(lián)配置燃料電池組20和發(fā)熱機器組13從而使冷卻水流通的情況相比，發(fā)熱機器組13不會使要流過燃料電池組20的冷卻水變熱，燃料電池組20不會使要流過發(fā)熱機器組13的冷卻水變熱，所以容易分別冷卻燃料電池組20以及發(fā)熱機器組13的冷卻水。
另外，發(fā)熱機器組13的散熱量，其順序為PCU30的逆變器部32＜熱交換器27＜空氣供給器26＜驅(qū)動用電機35，在發(fā)熱機器用流路41b上，從發(fā)熱機器組13中散熱量較小的開始按順序在冷卻水的流通方向上串聯(lián)配置PCU30的逆變器部32、熱交換器27、空氣供給器26以及驅(qū)動用電機35，所以在冷卻水流通的上游配置散熱量較小的發(fā)熱機器，其下游處的冷卻水的溫度不會變得過高，可以盡可能抑制由于冷卻水冷卻發(fā)熱機器所產(chǎn)生的冷卻水的溫度上升，從而冷卻從冷卻水的上游配置到下游的發(fā)熱機器組13。
進而，在發(fā)熱機器組13中，還包括通過半導(dǎo)體芯片32a對由燃料電池組20產(chǎn)生的電力進行變換的逆變器部32。逆變器部32的半導(dǎo)體芯片32a，如果超過工作可能的溫度就無法工作，必須通過制冷劑以及散熱器進行溫度控制從而進行冷卻，從而，在逆變器部32中使用本發(fā)明的意義較高。另外，逆變器部32，具備通過冷卻水從半導(dǎo)體芯片32a的兩面奪取熱量而進行半導(dǎo)體芯片32a的冷卻的兩面冷卻機構(gòu)，所以與冷卻半導(dǎo)體芯片的單面的情況相比，可以充分地冷卻，即使用溫度比通常高的冷卻水進行冷卻，也可以確保逆變器部32的穩(wěn)定的工作。
另外，在發(fā)熱機器組13中，還包括向燃料電池組20提供壓縮空氣的空氣供給器26?？諝夤┙o器26所具備的電機，工作時的發(fā)熱比較大，必須通過制冷劑以及散熱器進行溫度控制而進行冷卻，所以在空氣供給器26中使用本發(fā)明的意義較高。另外，空氣供給器26，具備通過冷卻水奪取壓縮空氣的熱量而進行壓縮空氣的冷卻的熱交換器27。壓縮空氣，溫度會升高，如果在高溫的狀態(tài)下直接將其提供給燃料電池組20，則燃料電池組20內(nèi)部的部件會由于熱量而熔化損壞。因此，來自空氣供給器26的壓縮空氣，必須通過制冷劑以及散熱器進行溫度控制而進行冷卻。所以，在熱交換器27中使用本發(fā)明的意義較高。此時，熱交換器27，在壓縮空氣與冷卻水之間進行多次熱交換，從而可以充分冷卻壓縮空氣，所以即使用溫度比通常高的冷卻水冷卻壓縮空氣，也可以確保燃料電池組20的穩(wěn)定的發(fā)電。
而且，在發(fā)熱機器組13中，還包括產(chǎn)生驅(qū)動力的驅(qū)動用電機35。驅(qū)動用電機35，工作時的發(fā)熱比較大，所以必須通過制冷劑以及散熱器進行溫度控制而進行冷卻，所以在驅(qū)動用電機35中使用本發(fā)明的意義較高。另外，驅(qū)動用電機35，具備對驅(qū)動用電機35的內(nèi)部進行油冷的油冷機構(gòu)60，所以可以對驅(qū)動用電機的內(nèi)部進行油冷從而充分冷卻驅(qū)動用電機，即使用溫度比通常高的冷卻水進行冷卻，也可以確保驅(qū)動用電機35的穩(wěn)定的工作。
另外，本發(fā)明當(dāng)然并不僅限于上述的實施例，只要在本發(fā)明的技術(shù)范圍內(nèi)，可以以各種的方式實施。
例如，在上述的實施例中，通過兩面冷卻機構(gòu)50來冷卻半導(dǎo)體芯片32a，其中所述兩面冷卻機構(gòu)50通過冷卻水從半導(dǎo)體芯片32a的兩面奪取熱量從而進行冷卻，但也可以通過如圖7所示的沸騰冷卻機構(gòu)70來冷卻半導(dǎo)體芯片32a，其中所述沸騰冷卻機構(gòu)70利用氯氟烴替代物(例如HFC-134a等)來作為相可變介質(zhì)。具體地說，沸騰冷卻機構(gòu)70，由以可以導(dǎo)熱的方式固定半導(dǎo)體芯片32a的沸騰冷卻容器71構(gòu)成。在該沸騰冷卻容器71上，形成有收納氯氟烴替代物的介質(zhì)收納部71b，和與發(fā)熱機器用流路41b連接、冷卻水在其中流通的流通孔71a。然后，通過氯氟烴替代物氣化從而從半導(dǎo)體芯片32a奪取熱量，在發(fā)熱機器用流路41b中流通的冷卻水在流通孔71a中流通，從而從該氣化后的氯氟烴替代物奪取熱量，由此使氯氟烴替代物冷凝，同時冷卻半導(dǎo)體芯片32a。這樣一來，利用氯氟烴替代物沸騰時的蒸發(fā)潛熱可以充分冷卻半導(dǎo)體芯片32a，所以即使用溫度比通常高的冷卻水進行冷卻，也可以確保逆變器部32的穩(wěn)定的工作。另外，這里，設(shè)成了在半導(dǎo)體芯片32a的單面固定沸騰冷卻容器71，但也可以設(shè)成在半導(dǎo)體芯片32a的兩面固定沸騰冷卻容器71的兩面沸騰冷卻機構(gòu)。這樣一來，可以進一步冷卻半導(dǎo)體芯片32a。另外，將相可變介質(zhì)設(shè)為氯氟烴替代物，但也可以設(shè)為水等。
另外，在上述的實施例中，與燃料電池用流路41a并聯(lián)地設(shè)置發(fā)熱機器用流路41b，在該發(fā)熱機器用流路41b上配置發(fā)熱機器組13，但也可以不設(shè)置發(fā)熱機器用流路41b，而在燃料電池用流路41a相對于冷卻水串聯(lián)地配置燃料電池組20以及發(fā)熱機器組13。這樣一來，可以使結(jié)構(gòu)更加簡單化地進行燃料電池系統(tǒng)的冷卻。此時，發(fā)熱機器組13，可以根據(jù)發(fā)熱機器的工作允許溫度而配置在冷卻水流路41上，也可以根據(jù)發(fā)熱機器的散熱量而配置在冷卻水流路41上。
進而，在上述的實施例中，與燃料電池用流路41a并聯(lián)地設(shè)置1個發(fā)熱機器用流路41b，在該發(fā)熱機器用流路41b上，在冷卻水的流通方向上串聯(lián)配置多個發(fā)熱機器，但也可以與燃料電池用流路41a并聯(lián)地設(shè)置多個發(fā)熱機器用流路41b，在各個流路上單獨地配置發(fā)熱機器。這樣一來，與在冷卻水的流通方向上串聯(lián)配置多個發(fā)熱機器的情況相比，一方的發(fā)熱機器不會使要流通過另一方的發(fā)熱機器的冷卻水變熱，所以容易對發(fā)熱機器組的冷卻水分別進行冷卻。另外，雖然在多個發(fā)熱機器用流路41b上單獨地配置發(fā)熱機器，但也可以考慮發(fā)熱機器的散熱量和工作允許溫度，適當(dāng)選擇發(fā)熱機器，并單獨或串聯(lián)地將其配置在各發(fā)熱機器用流路上。
另外，在上述的實施例中，在發(fā)熱機器用流路41b上，從發(fā)熱機器組13中散熱量較小的發(fā)熱機器開始按順序在冷卻水的流通方向上串聯(lián)配置，但也可以在發(fā)熱機器用流路41b上，從發(fā)熱機器組13中工作允許溫度較低的發(fā)熱機器開始按順序在冷卻水的流通方向上串聯(lián)配置。具體地說，在發(fā)熱機器組13的工作允許溫度為熱交換器27＜逆變器部32＜空氣供給器26＜驅(qū)動用電機35的順序時，也可以從發(fā)熱機器用流路41b的上游到下游，按照熱交換器27、逆變器部32、空氣供給器26以及驅(qū)動用電機35的順序配置。這樣一來，由于從工作允許溫度較低的發(fā)熱機器開始先冷卻，所以容易將發(fā)熱機器組13維持在工作允許溫度的范圍內(nèi)?；蛘?，考慮發(fā)熱機器組13的工作允許溫度以及散熱量，將發(fā)熱機器的下游的冷卻水的溫度上升抑制得比較小，而且以可以將發(fā)熱機器冷卻到發(fā)熱機器的工作允許溫度內(nèi)的方式適當(dāng)確定，將發(fā)熱機器組13從上游到下游配置在發(fā)熱機器用流路41b上。這樣，也很容易充分冷卻發(fā)熱機器組13，從而將其維持在工作允許溫度的范圍內(nèi)。另外，在本實施例中，即使考慮工作允許溫度以及散熱量，結(jié)果也是基于實施例中所采用的散熱量的配置順序。
而且，在上述的實施例中，在發(fā)熱機器組13中包括PCU30的逆變器部32、空氣供給器26、熱交換器27以及驅(qū)動用電機35，但只要是由于工作而發(fā)熱的機器即可，例如也可以包括蓄電裝置34、氫氣泵24等，或者也可以包括DC-DC轉(zhuǎn)換器、使蓄電裝置的電壓升壓的升壓轉(zhuǎn)換器(變壓器)等。
另外，在上述的實施例中，將冷卻裝置12應(yīng)用于安裝有燃料電池的車輛10(汽車)，但并不特別限定于此，也可以應(yīng)用于火車、船舶以及飛機等之中，或者也可以應(yīng)用于住宅、發(fā)電站等的發(fā)電系統(tǒng)之中。
本發(fā)明以2004年6月10日申請的日本國專利申請2004-172697號為優(yōu)先權(quán)主張的基礎(chǔ)，包括其所有的內(nèi)容。
本發(fā)明可以利用于使用燃料電池的各種工業(yè)，例如汽車、火車、船舶、飛機等車輛相關(guān)工業(yè)，以及采用組裝有燃料電池的熱電同時供給系統(tǒng)(熱電聯(lián)產(chǎn))的住宅·發(fā)電工業(yè)、系統(tǒng)計算機等精密機器相關(guān)工業(yè)等。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池用冷卻裝置，其特征在于包括通過燃料氣體與氧化氣體的電化學(xué)反應(yīng)進行發(fā)電的燃料電池；與上述燃料電池分開、工作時發(fā)熱的發(fā)熱機器組；形成為制冷劑循環(huán)而對上述燃料電池以及上述發(fā)熱機器組進行冷卻的制冷劑流路；和連接于上述制冷劑流路、散發(fā)上述制冷劑的熱量的散熱器。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池用冷卻裝置，其特征在于，在上述發(fā)熱機器組中，包括多個發(fā)熱機器；在上述制冷劑流路上，根據(jù)各自的工作允許溫度配置有上述燃料電池以及上述多個發(fā)熱機器。
3.如權(quán)利要求2所述的燃料電池用冷卻裝置，其特征在于，在上述制冷劑流路上，至少將上述多個發(fā)熱機器從工作允許溫度較低的發(fā)熱機器開始按順序串聯(lián)配置在制冷劑的流通方向上。
4.如權(quán)利要求1或2所述的燃料電池用冷卻裝置，其特征在于，在上述發(fā)熱機器組中，包括多個發(fā)熱機器；在上述制冷劑流路上，根據(jù)各自的發(fā)熱量配置有上述燃料電池以及上述多個發(fā)熱機器。
5.如權(quán)利要求4所述的燃料電池用冷卻裝置，其特征在于，在上述制冷劑流路上，至少將上述多個發(fā)熱機器從散熱量較小的發(fā)熱機器開始按順序串聯(lián)配置在制冷劑的流通方向上。
6.如權(quán)利要求1～5中的任意一項所述的燃料電池用冷卻裝置，其特征在于，在上述制冷劑流路上，形成有制冷劑從上述散熱器經(jīng)由上述燃料電池向上述散熱器循環(huán)的燃料電池用流路，和與該燃料電池用流路并聯(lián)設(shè)置、制冷劑從上述散熱器經(jīng)由上述發(fā)熱機器組向上述散熱器循環(huán)的1個或以上的發(fā)熱機器用流路。
7.如權(quán)利要求6所述的燃料電池用冷卻裝置，其特征在于，在上述發(fā)熱機器組中，包括多個發(fā)熱機器；在上述發(fā)熱機器用流路上，上述多個發(fā)熱機器從工作允許溫度較低的發(fā)熱機器開始按順序串聯(lián)配置在制冷劑的流通方向上。
8.如權(quán)利要求6或7所述的燃料電池用冷卻裝置，其特征在于，在上述發(fā)熱機器組中，包括多個發(fā)熱機器；在上述發(fā)熱機器用流路上，上述多個發(fā)熱機器從散熱量較小的發(fā)熱機器開始按順序串聯(lián)配置在制冷劑的流通方向上。
9.如權(quán)利要求1～8中的任意一項所述的燃料電池用冷卻裝置，其特征在于，在上述發(fā)熱機器組中，包括通過半導(dǎo)體芯片對由上述燃料電池所發(fā)出的電力進行轉(zhuǎn)換的電力轉(zhuǎn)換器。
10.如權(quán)利要求9所述的燃料電池用冷卻裝置，其特征在于，上述電力轉(zhuǎn)換器具備兩面冷卻機構(gòu)，該兩面冷卻機構(gòu)通過上述制冷劑從上述半導(dǎo)體芯片的兩面直接或間接地奪取熱量，進行上述半導(dǎo)體芯片的冷卻。
11.如權(quán)利要求9或10所述的燃料電池用冷卻裝置，其特征在于，上述電力轉(zhuǎn)換器具備沸騰冷卻機構(gòu)，該沸騰冷卻機構(gòu)通過相可變介質(zhì)氣化，從上述半導(dǎo)體芯片奪取熱量，并通過上述制冷劑從該氣化了的相可變介質(zhì)奪取熱量，進行上述半導(dǎo)體芯片的冷卻。
12.如權(quán)利要求1～11中的任意一項所述所述的燃料電池用冷卻裝置，其特征在于，在上述發(fā)熱機器組中，包括向上述燃料電池提供上述氧化氣體的氧化氣體供給器。
13.如權(quán)利要求12所述的燃料電池用冷卻裝置，其特征在于，上述氧化氣體供給器具備熱交換器，該熱交換器通過上述制冷劑從上述氧化氣體奪取熱量，進行上述氧化氣體的冷卻。
14.如權(quán)利要求13所述的燃料電池用冷卻裝置，其特征在于，上述熱交換器中，上述制冷劑與上述氧化氣體多次熱交換，從而進行上述氧化氣體的冷卻。
15.如權(quán)利要求1～14中的任意一項所述的燃料電池用冷卻裝置，其特征在于，在上述發(fā)熱機器組中，包括產(chǎn)生驅(qū)動力的驅(qū)動用電機。
16.如權(quán)利要求15所述的燃料電池用冷卻裝置，其特征在于，上述驅(qū)動用電機具備對該驅(qū)動用電機的內(nèi)部進行油冷的油冷機構(gòu)。
17.一種車輛，其中，安裝有如權(quán)利要求1～16中的任意一項所述的燃料電池用冷卻裝置。
全文摘要
在連接在散熱器(40)上的冷卻水流路(41)上，形成有冷卻水從散熱器(40)經(jīng)由燃料電池組(20)向散熱器(40)循環(huán)的燃料電池用流路(41a)，和與燃料電池用流路(41a)并聯(lián)設(shè)置、冷卻水從散熱器(40)經(jīng)由發(fā)熱機器組(13)(PCU(30)的逆變器部(32)、空氣供給器(26)、熱交換器(27)以及驅(qū)動用電機(35))向散熱器(40)循環(huán)的發(fā)熱機器用流路(41b)。在該發(fā)熱機器用流路(41b)上，從散熱量較小的發(fā)熱機器組(13)開始按順序在冷卻水的流通方向上串聯(lián)配置。在逆變器部(32)上設(shè)有兩面冷卻機構(gòu)，在熱交換器(27)上設(shè)有空氣冷卻機構(gòu)，在驅(qū)動用電機(35)上設(shè)有油冷機構(gòu)，即使用溫度比通常高的冷卻水進行冷卻，也可以確保穩(wěn)定的工作。
文檔編號F28F3/12GK1965434SQ200580018519
公開日2007年5月16日 申請日期2005年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月10日
發(fā)明者星潤 申請人:豐田自動車株式會社