JP2002124269A - 燃料電池の冷却システム - Google Patents

燃料電池の冷却システム

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池内に区画された冷却通路に一次側冷
却液を循環させるための一次側冷却液循環通路を接続
し、この一次側冷却液循環通路に一次側冷却液を循環す
べく循環ポンプを取り付け、前記一次側冷却液循環通路
を流れる一次側冷却液に二次側冷却液を熱交換させて冷
却するように構成した燃料電池の冷却システムにおい
て、一次側冷却液循環通路のガスを抜き出し、循環ポン
プのガス噛み音を消滅させる。 【解決手段】 一次側冷却液循環通路4に気液分離部1
3を形成するとともに、この気液分離部13にガス抜き
通路14を介してタンク15を連通し、このタンク15
と一次側冷却液循環通路とを冷却液戻し通路16を介し
て連通し、ガス抜きによって循環ポンプ11のガスの噛
み込み音を消滅させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は燃料電池を冷却液に
より冷却する燃料電池の冷却システムに係り、特に、冷
却液を循環させるための循環ポンプのガス噛み音が消滅
するように構成された燃料電池の冷却システムに関する
ものである。
【0002】
【従来の技術】一般に、燃料電池システムは、固体高分
子膜(電解質膜)を挟んで一方側にカソード電極を区画
し、他方側にアノード電極を区画して構成されており、
カソード電極に供給される空気中の酸素と、アノード電
極に供給される水素との化学反応によって発電する電力
で外部負荷を駆動するシステムであり、吸気(混合気)
の圧縮の必要がないため、内燃機関と比較して装置全体
の高さを低くすることが可能となる。このため、車室の
床下等の狭溢な空間に配置することが可能となり、より
優れたスペース効率を得ることができる。
【0003】図5はこの種、従来の燃料電池の冷却シス
テムを示す。この冷却システム111は、燃料電池11
2を冷却するために燃料電池112内に区画された冷却
通路113と、燃料電池112に一次側冷却液を循環さ
せるための一次側冷却液循環通路114と、この一次側
冷却液循環通路114を循環する一次側冷却液を冷却す
るための二次側冷却液循環通路115と、一次側冷却液
と二次側冷却液とを熱交換させて一次側冷却液を冷却す
るための熱交換器116とから構成されており、前記燃
料電池112内に区画された冷却通路113の入口と出
口とにそれぞれ前記一次側冷却液循環通路114の入口
と出口とを接続し、二次側冷却液循環通路115にラジ
エータ117を介設して、このラジエータ117により
冷却された二次側冷却液によって一次側冷却液を冷却
し、燃料電池112を冷却する。
【0004】さらに、一次側冷却液循環通路114に
は、熱交換器116を迂回するバイパス通路118を形
成し、前記熱交換器116から見て一次側冷却液循環通
路114の下流側と前記バイパス通路118との連通部
119にサーモスタットバルブ120を設け、このサー
モスタットバルブ120による切り換えによって、一次
側冷却液の温度を燃料電池112の発電に適した温度に
制御する。
【0005】なお、一次側冷却液、二次側冷却液はエチ
レングリコールと水との混合液であるが、水とエチレン
グリコールの比率は適宜決定される。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】前記従来の燃料電池の
冷却システム111は、一次側冷却液循環通路114、
二次側冷却液循環通路115にそれぞれ冷却液を循環さ
せるための循環ポンプ121,122を設け、各循環ポ
ンプ121,122によって一次側冷却液、二次側冷却
液を強制的に循環するが、一次側冷却液循環通路114
の高低差が少なく一次側冷却液循環通路114のガス抜
け性が悪いと循環ポンプ121にガス噛み音が発生する
ことがある。また、前記冷却通路113の入口圧力が変
動し燃料電池112のセル同士の接合面、すなわち、冷
却通路113を区画するセパレータ同士の接合面に、セ
パレータ同士の接合を解除するような過負荷が発生する
ことが想定され、その結果として冷却通路113の液漏
れ、導電不良等が発生する虞がある。
【0007】そこで、冷却液循環通路のガス抜け性を良
好とすることを本発明の第1の目的とし、前記燃料電池
に対する冷却液の入口圧力を入口許容圧力以下に維持す
ることを第2の目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】請求項1記載の発明は、
積層構造を有する燃料電池内を冷却すべく燃料電池の冷
却液の入口と出口とに冷却液を循環させるための冷却液
循環通路を接続し、この冷却液循環通路に冷却液を循環
すべく循環ポンプを取り付けた燃料電池の冷却システム
において、前記冷却液循環通路の相対的に圧力の高い部
分に気液分離部を形成するとともに、この気液分離部に
ガス抜き通路を介してタンクを連通し、このタンクと前
記冷却液循環通路の相対的に圧力の低い部分とを冷却液
戻し通路を介して連通し、前記ガス抜き通路又は前記冷
却液戻し通路のうち、前記燃料電池に対する冷却液の入
口より遠い側の位置に連通されている方の通路に絞りを
設定した燃料電池の冷却システムを提供するものであ
る。
【0009】また、請求項2記載の発明は、請求項1記
載の発明において、前記タンクに、このタンクの内圧が
前記燃料電池に対する冷却液の入口許容圧力に相当する
所定圧力を超えたとき開弁する逃がし弁を設けた燃料電
池の冷却システムを提供するものである。
【0010】さらに、請求項3記載の発明は、燃料電池
を冷却すべく燃料電池の冷却液の入口と出口とに冷却液
を循環させるための冷却液循環通路を接続し、この冷却
液循環通路に冷却液を循環すべく循環ポンプを取り付け
た燃料電池の冷却システムにおいて、前記冷却液循環通
路の前記燃料電池の入口との接続部付近に連通路を介し
てタンクを連通し、前記タンクに、このタンクの内圧が
前記燃料電池に対する冷却液の入口許容圧力に相当する
所定圧力を超えたとき開弁する逃がし弁を設けた燃料電
池の冷却システムを提供するものである。
【0011】すなわち、請求項1記載の発明は、気液分
離部によりガスを捕捉し、気液分離部の上部に溜まった
ガスを冷却液とともに気液混合の状態でタンクへと送り
出し、ガスの回収によりガスの噛み込みに起因した循環
ポンプの騒音を消滅させる。この場合、必ずしも、タン
ク内に入るガスの全てを前記タンク内に一時に捕集する
必要はない。冷却液戻し通路を介して前記冷却液循環通
路にタンクを連通し、前記ガス抜き通路の流路断面をガ
ス抜きに対応した断面に設定すれば、前記タンク内に入
るガスは、タンク内に一時に捕集されずとも、気液分離
部→ガス抜き通路→タンク→冷却液戻し通路→冷却液循
環通路→冷却通路→冷却液循環通路→気液分離部の循環
サイクルを繰り返すうちに自ずとタンク内に捕集され
る。この結果、複数回の循環サイクルによって全てのガ
スが捕集されたとき、ガスの噛み込みに起因する循環ポ
ンプの騒音が消滅する。
【0012】また、請求項2記載の発明では、逃がし弁
はタンクの内圧が前記燃料電池の入口への冷却液の入口
許容圧力に相当する所定圧力を超えるとき開弁し、外部
にタンクの内圧を逃がす。この結果、燃料電池の入口へ
の冷却液の入口圧力は、常時、燃料電池の入口における
冷却液の入口許容圧力以下に保持される。
【0013】請求項3記載の発明では、連通路は冷却液
を循環させるための冷却液循環通路とタンクとを連通
し、逃がし弁はタンクの内圧が前記燃料電池の入口への
冷却液の入口許容圧力に相当する所定圧力を超えるとき
開弁する。この結果、燃料電池の入口への冷却液の入口
圧力が燃料電池の冷却液の入口許容圧力以下に保持され
る。この場合、連通路の一次側冷却液循環通路との接続
部にガスの捕捉性をより向上するための拡径部を形成し
てもよい。然るときは、ガスが良好に捕捉され、循環ポ
ンプ11のガス噛み音を早期に消滅させることができ
る。
【0014】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態を図
1ないし図4を参照して詳述する。 (第1の実施の形態)図1はこの発明の第1実施の形態に
係る燃料電池の冷却システムを示す。図1に示すよう
に、この燃料電池の冷却システム1は、燃料電池2内に
区画された冷却通路3の入口と出口とにそれぞれ一次側
冷却液循環通路4の入口と出口とを接続し、二次側冷却
液循環通路5に介設されたラジエータ6で冷却された二
次側冷却液と、一次側冷却液とを熱交換器7によって熱
交換させ、この熱交換により冷却された一次側冷却液に
よって燃料電池2内を冷却する。
【0015】さらに、前記一次側冷却液循環通路4に
は、熱交換器7の一次側を迂回するバイパス通路8が形
成されており、前記熱交換器7より見て一次側冷却液循
環通路4の下流側と前記バイパス通路8との連通部9に
サーモスタットバルブ10を設け、このサーモスタット
バルブ10の切り換えによって、一次側冷却液の温度を
燃料電池2の発電に適した温度に制御する。
【0016】また、一次側冷却液循環通路4および二次
側冷却液循環通路5に、それぞれ循環ポンプ11,12
を設け、各循環ポンプ11,12によって一次側冷却液
および二次側冷却液をそれぞれ循環する。そして、一次
側冷却液循環通路4には、ガス抜きのために、ガス溜ま
りとなる気液分離部13が形成され、この気液分離部1
3にガス抜き通路14を介してタンク15が連通され、
前記ガス抜き通路14に、一次側冷却液循環通路4の圧
力および流量に変動が発生することがないようにするた
めに絞りとしてオリフィス18が設けられる。
【0017】前記気液分離部13は、一次側冷却液循環
通路4を流れるガスを捕捉し分離すればよいので、一次
側冷却液循環通路4に対して最も高い場所に形成される
必要はなく一次側冷却液循環通路4の比較的圧力の高い
場所に形成される。この実施の形態にあっては、前記気
液分離部13はガスの捕捉性をより向上するために循環
ポンプ11の直下流に形成される。そして、前記一次側
冷却液循環通路4は循環ポンプ11の入口よりも循環ポ
ンプ11の出口を下方側に配置するために、上下に折曲
させて形成される。
【0018】一方、図1に示すように、一次側冷却液循
環通路4の比較的液圧の低い箇所、すなわち、燃料電池
2に対する一次側冷却液の入口付近と前記タンク15の
底部とを連通させて冷却液戻し通路16が接続される。
本実施の形態では、前記タンク15には、これを前記冷
却通路3(図3参照)の入口許容圧力以下に保持する圧
力監視容器としても利用できるようにするために逃がし
弁としてのプレッシャーバルブ17が取り付けられる。
【0019】この場合に、前記タンク15は、一次側冷
却液循環通路4、冷却通路3の流量、及び、突発的な冷
却通路3の入口圧力の上昇に対応して充分大きく形成さ
れており、前記プレッシャーバルブ17は、前記タンク
のタンクの内圧が前記燃料電池に対する冷却液の入口許
容圧力に相当する所定圧力を超えたとき開弁するように
開弁圧が設定されており、開弁されたとき、タンク外部
にタンク15の圧力をパージするように構成される。
【0020】以下、第1の実施の形態に係る燃料電池の
冷却システムの作用を説明する。図1に示すように、一
次側冷却液循環通路4、及び、二次側冷却液循環通路5
の循環ポンプ11,12を駆動すると、一次側冷却液循
環通路4及び冷却通路3を一次側冷却液が循環し、二次
側冷却液循環通路5及びラジエータ6のウォータジャケ
ット(図示せず)を二次側冷却液が循環し、熱交換によ
り冷却された一次側冷却液によって、燃料電池2が冷却
される。
【0021】一次側冷却液循環通路4を循環するガス
は、気液分離部13によって捕捉されると同時に、気液
混合の状態でガス抜き通路14からタンク15内へと移
動する。
【0022】前記したように前記ガス抜き通路14に
は、一次側冷却液循環通路4を流れる一次側冷却液の圧
力に影響を与えることがないようにかつ、逆流が生じな
い程度の圧損が発生するようにオリフィス18が設けら
れている。このため、一次側冷却液循環通路4を流れる
一次側冷却液の圧力は、常に、循環ポンプ11の吐出圧
力に保持される。
【0023】タンク15内に入るガスは、全てがタンク
15に一時に捕集されずとも一次側冷却液の数回の循環
サイクルによってタンク15に捕集される。よって、全
てのガスが捕集されたとき、一次側冷却液循環通路4の
循環ポンプ11のガス噛み音が完全に消滅することにな
る。
【0024】一方、前記プレッシャーバルブ17は、タ
ンク15及び冷却液戻し通路16を通じて冷却通路3の
入口圧力を常時、監視する。何等かの原因により、タン
ク15の内圧が、燃料電池2の入口圧力、すなわち、冷
却通路3の入口圧力が入口許容圧力を超える所定圧力に
相当するとき、プレッシャーバルブ17が開弁し、タン
ク内圧を外部に放出する。
【0025】この結果、冷却通路3の入口圧力は常時、
冷却通路3の入口許容圧力以下に保持される。例えば、
燃料電池2の冷却通路3の入口許容圧力(スタック入口
許容圧力)が100kPaとされたときは、前記プレッ
シャーバルブ17の開弁圧は100kPaに設定され
る。この場合に、圧力は70kPa〜100kPaの範
囲内から適宜選択されるが、低く設定すると液漏れを少
なくすることができる。
【0026】従って、図3に示す如く、燃料電池2のセ
ル2aのセパレータ2b,2b同士の接合面に区画され
た冷却通路3の圧力は、常時、前記プレッシャーバルブ
17によって設定された圧力、すなわち、冷却通路3の
入口許容圧力以下に保持され、この結果として、セパレ
ータ2b,2b同士の接合の解除に起因する冷却液漏
れ、および、スタックケース(図示せず)に対する電解
質膜2dの挟持部2d1への応力集中による挟持部2d1
の損傷が防止される。なお、図3中、符号2e,2fは
触媒層、2gはガス拡散層、2hは燃料としての水素を
流す通路、2iは燃料としての空気を流す通路を示す。
【0027】(第2の実施の形態)以下、図2を参照して
この発明に係るこの発明に係る燃料電池の冷却システム
の第2の実施の形態を説明する。なお、第1の実施の形
態と同一構成部については同一符号を付し、その詳細な
説明は省略するものとする。この実施の形態に係る燃料
電池の冷却システムの相違点は、燃料電池2に対する一
次側冷却液の入口手前に気液分離部13を設け、燃料電
池2の一次側冷却液の出口から循環ポンプ11までの間
の一次側冷却液循環通路4と、タンク15の底部とを冷
却液戻し通路16により連通し、この冷却液戻し通路1
6にオリフィス18を設けたことである。そして、この
第2の実施形態にあっても、ガス抜き、及び、燃料電池
2の一次側冷却液の入口における一次側冷却液の圧力調
整は、図1に示した第1の実施の形態と同様、前記プレ
ッシャーバルブ17によって行うよう構成している。従
って、この実施の形態においても、第1実施の形態と同
様、冷却通路3の圧力は、常時、前記プレッシャーバル
ブ17によって設定された圧力、すなわち、冷却通路3
の入口許容圧力以下に保持される結果となり、前記セパ
レータ2b,2b同士の接合の解除に起因する冷却液漏
れ、および、前記スタックケースに対する電解質膜2d
の挟持部2d1への応力集中による挟持部2d1の損傷が
防止される。
【0028】なお、この第2の実施の形態において、ガ
スの捕捉性をさらに向上するには、前記連通路20の一
次側冷却液循環通路4との接続部を筒状に拡径し、拡径
部を形成してもよい。然るときは、ガスの捕捉性が向上
し、タンク15にガスを効率よく回収させ、早期に循環
ポンプ11のガス噛み音を消滅させることができる。
【0029】(第3の実施の形態)図4は本発明に係る燃
料電池の冷却システムの第3の実施の形態を示す。な
お、前記実施の形態と同一構成部については同一符号を
付し、その説明は省略するものとする。図4に示すよう
に、この実施形態に係る燃料電池の冷却システムは、前
記気液分離部13、前記ガス抜き通路14、及び、冷却
液戻し通路16を廃止し、前記冷却通路3の入口に対す
る一次側冷却液循環通路4の出口側に連通路20を介し
てタンク15を連通し、このタンク15にプレッシャー
バルブ17を取り付けたものである。
【0030】前記連通路20は、前記ガス抜き通路14
と同じ管径に設定される。また、プレッシャーバルブ1
7は、主として、逆止弁19aと、この逆止弁19aの
開弁圧を設定するためのリターンスプリング19bとか
ら構成される。前記リターンスプリング19bのセット
フォースは、タンク15のタンク内圧が前記燃料電池2
の一次側冷却液の入口、すなわち、冷却通路3の入口の
入口許容圧力を超える圧力に相当するとき開弁して前記
冷却通路3の入口圧力を前記入口許容圧力以下に保持
し、このときに、タンク15内の冷却液およびタンク1
5内に捕集されたガスを外部に放出するように構成され
る。もちろん、リターンスプリング19bだけでなく他
のアシスト力の加算によって、全体のばね圧が設定され
るよう構成することも可能である。
【0031】例えば、燃料電池2のアノード電極に燃料
としての空気を供給するための空気供給通路21の空気
圧をリターンスプリング19bのアシスト力として導入
してもよい。もちろん、この空気圧とリターンスプリン
グ19bのばね力を加算した開弁圧は、前記燃料電池2
の冷却液の入口、すなわち、冷却通路3の入口許容圧力
を超えるとき開弁するように設定される。
【0032】この場合に、前記プレッシャーバルブ17
によるパージガスおよび一次側冷却液は、前記空気供給
通路21に戻すようにしてもよい。然るときは、ばねの
疲労を軽減でき、また、ばねの疲労によるチャタリング
を防止できるとともに、パージされた冷却液により、燃
料電池2の固体高分子膜を加湿することができる。な
お、図中、S/Cは空気供給通路に燃焼用空気を圧送す
るためのスーパーチャージャー、符号22は燃料電池2
のアノード電極に燃料として水素ガスを供給するための
水素供給通路、符号23はカソード電極に燃料としての
水素ガスを供給するためのコンプレッサーを示す。
【0033】なお、この実施の形態において、前記連通
路20の一次側冷却液循環通路4との接続部にガスの捕
捉性を向上するための拡径部を形成してもよい。然ると
きは、ガスが良好に捕捉され、タンク15にガスを効率
よく回収させて早期に循環ポンプ11のガス噛み音を消
滅させることができる。
【0034】従って、この第3の実施の形態にあって
も、セパレータ2b,2b同士の接合面に区画された冷
却通路3の圧力上昇を防止することが可能となり、冷却
液の漏れ、電解質膜2dの挟持部2d1への応力集中に
起因する損傷を防止することができる。
【0035】このように第1ないし第3の実施の形態に
係る燃料電池の冷却システムによれば、燃料電池2に対
する一次側冷却液を供給するための一次側冷却液循環通
路4からガスを抜きとって循環ポンプ11のガス噛み音
の発生を防止し、一次側冷却液の入口圧力の異常な上昇
に起因する燃料電池の電解質膜の損傷及び液漏れを防止
し、タンク15のみを車両の比較的高い場所に設置する
ことによってガスを良好に捕集する。このため、車両の
車床下等に配置し、スペース効率を飛躍的に向上するこ
とが可能となる。また、前記ガス抜き通路14、前記冷
却液戻し通路16を、一次側冷却液を循環させるための
一次側冷却液循環通路4と比較して細い管で形成するこ
とによって管の折り曲げが容易となるため、作業性およ
びレイアウト性を向上することができる。
【0036】なお、図1に示す第1の実施の形態におい
ては、前記ガス抜き通路14にオリフィス18を設ける
説明をしたが、前記ガス抜き通路14を、一次側冷却液
を循環させるための一次側冷却液循環通路4と比較して
細い管で形成し、これによってオリフィス18を廃止し
てもよい。また、図2に示す第2の実施の形態において
は、冷却液戻し通路16にオリフィス18を設ける説明
をしたが、オリフィス18の代わりに冷却液戻し通路1
6を細く形成してもよい。さらに、図3に示す第3の実
施の形態にあっては、プレッシャーバルブ17に代えて
図1及び図2に示したプレッシャーバルブ17を使用し
てもよい。そして、前記各実施の形態においては、燃料
電池2を熱交換器7により冷却された一次側冷却液によ
り冷却する説明をしたが、燃料電池2を冷却するための
冷却液をラジエータ6により直接冷却してもよく、ま
た、複数の熱交換器6により冷却液を多段に冷却しても
よい。
【0037】このように本発明は本発明の技術的思想を
逸脱しない限り種々の改変が可能であり、本発明がこの
改変された発明に及ぶことは勿論である。
【0038】
【発明の効果】上記一実施の形態に詳述したように、請
求項1記載の発明は燃料電池に冷却液を供給するための
冷却液循環系からガスを抜き取ることができるので、冷
却液を循環させるための循環ポンプのガス噛み音の発生
を防止することができる。従って、燃料電池の冷却液シ
ステムの静粛性を大幅に向上することができる等、正
に、著大なる効果を発揮する発明である。
【0039】また、上記一実施の形態に詳述したよう
に、請求項2及び請求項3記載の発明は燃料電池に対す
る冷却液の入口圧力の異常上昇を防止するように構成し
たので、燃料電池の電解質膜の損傷及び液漏れを防止す
ることができる等、正に、著大なる効果を発揮する発明
である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る燃料電池システムの第1の実施の
形態を示す解説図である。
【図2】本発明に係る燃料電池システムの第2の実施の
形態を示す解説図である。
【図3】本発明に係る燃料電池システムの燃料電池の内
部構造を示す解説断面図ある。
【図4】本発明に係る燃料電池システムの第3の実施の
形態を示す解説断面図である。
【図5】従来例を示し、燃料電池の冷却システムを示す
解説図である。
【符号の説明】
1 冷却システム 2 燃料電池 3 冷却通路 4 一次側冷却液循環通路 11 循環ポンプ 13 気液分離部 14 ガス抜き通路 15 タンク 16 冷却液戻し通路 17 プレッシャーバルブ(逃がし弁) 18 オリフィス

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 積層構造を有する燃料電池内を冷却すべ
    く燃料電池の冷却液の入口と出口とに冷却液を循環させ
    るための冷却液循環通路を接続し、この冷却液循環通路
    に冷却液を循環すべく循環ポンプを取り付けた燃料電池
    の冷却システムにおいて、前記冷却液循環通路の相対的
    に圧力の高い部分に気液分離部を形成するとともに、こ
    の気液分離部にガス抜き通路を介してタンクを連通し、
    このタンクと前記冷却液循環通路の相対的に圧力の低い
    部分とを冷却液戻し通路を介して連通し、前記ガス抜き
    通路又は前記冷却液戻し通路のうち、前記燃料電池に対
    する冷却液の入口より遠い側の位置に連通されている方
    の通路に絞りを設定したことを特徴とする燃料電池の冷
    却システム。
  2. 【請求項2】 前記タンクに、このタンクの内圧が前記
    燃料電池に対する冷却液の入口許容圧力に相当する所定
    圧力を超えたとき開弁する逃がし弁を設けた請求項1記
    載の燃料電池の冷却システム。
  3. 【請求項3】 積層構造を有する燃料電池内を冷却すべ
    く燃料電池の冷却液の入口と出口とに冷却液を循環させ
    るための冷却液循環通路を接続し、この冷却液循環通路
    に冷却液を循環すべく循環ポンプを取り付けた燃料電池
    の冷却システムにおいて、前記冷却液循環通路の前記燃
    料電池の入口との接続部付近に連通路を介してタンクを
    連通し、前記タンクに、このタンクの内圧が前記燃料電
    池に対する冷却液の入口許容圧力に相当する所定圧力を
    超えたとき開弁する逃がし弁を設けたことを特徴とする
    燃料電池の冷却システム。
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