JP2004127593A

JP2004127593A - 燃料電池の冷却装置

Info

Publication number: JP2004127593A
Application number: JP2002287184A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Shimonosono; 下野園　均
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2022-09-30
Also published as: JP4082159B2

Abstract

【課題】燃料電池の冷却を達成するとともに、発電に伴うカソードへの結露を防止する。
【解決手段】ラジエータ１において、ウォーターチューブを通風方向に２列に並べて配設し、下流側のウォーターチューブ１１ａから上流側のウォーターチューブ１１ｂへ冷却水を流通させる。これらのウォーターチューブ１１ａ，１１ｂを介した冷却水により燃料電池ＦＣのうち温度を充分に下げたい部分Ａを冷却する一方、冷却するものの比較的に高温に維持したい部分Ｂには、ウォーターチューブの結合部に設けられた第２の出口部１８から冷却水を循環させる。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の冷却装置に関し、詳細には、燃料電池冷却水（以下「冷却水」という。）からの放熱量を増大させるとともに、燃料電池スタック内ガス通路における結露を防止しつつ燃料電池を冷却するため、スタックの入口側と出口側とで冷却水の温度を個別に調節することができるようにした冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池の高出力時における冷却性能が確保されるようにしたものとして、次の冷却装置が知られている（特許文献１）。すなわち、第１の経路として、ラジエータが設置され、燃料電池とこのラジエータとの間で冷却水を循環させる経路を備える一方、第２の経路として、第１の経路の冷却水（第１の熱媒体）よりも温度が低い第２の熱媒体を保持する経路を備える。そして、燃料電池の高出力時において、第２の経路から第１の経路に第２の熱媒体を流入させるようにしたものである。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２６６９１４号公報（段落番号００２４）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この冷却装置には、次の問題がある。第１に、この冷却装置は、第１の経路に低温の第２の熱媒体を流入させ、燃料電池に流入する冷却水の温度を下げることで、冷却性能が確保されるようにしたものである。従って、ラジエータにおける放熱量が増大されることはなく、また、第２の経路の付設によりシステムが大型化してしまう。第２に、燃料電池内部の冷却水通路が１系統のみで構成されるため、第２の熱媒体を流入させることにより燃料電池の冷却自体を達成することができたとしても、同時に燃料電池スタック内ガス通路における結露を防止することは困難である。すなわち、燃料電池に一般的に供給される酸素含有ガスには、電解質膜を保護するための水分が含まれている。ここで、燃料電池を所定の温度範囲に保つために１系統のみの冷却水通路により冷却したとすると、水分を含ませて供給された酸素含有ガスに発電の結果として生成された水分が混入して飽和状態に達し、燃料電池スタック内ガス通路における結露が生じるのである。
【０００５】
そこで、本発明は、ラジエータにおける放熱量を増大させることで、システムの大型化を抑えて所望の冷却性能を確保するとともに、燃料電池各部に対し、要求に応じて温度を異ならせて冷却水を循環させることができるようにした燃料電池の冷却装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明では、ラジエータで冷却水を流通させる通路として、冷却水よりも温度が低い低温流体の流れと交差するように第１及び第２のウォーターチューブを配設し、第２のウォーターチューブを低温流体の流れに関する上流側で第１のウォーターチューブに実質的に隣接させて配設する。そして、これらのウォーターチューブを各一方の端部で接続し、第１のウォーターチューブを経て比較的に低温となった冷却水が、第２のウォーターチューブに流入して更に冷却されるように構成する。
また、第１のウォーターチューブと第２のウォーターチューブとの接続部に、冷却水の少なくとも一部を第２のウォーターチューブを介さずに燃料電池に戻すための開口部を設ける。燃料電池において、低温に冷却されるのが好ましい第１の部分と、冷却されるものの比較的に高温に維持されるのが好ましい第２の部分とのそれぞれに対応させて冷却水通路を設け、第２のウォーターチューブを通過した冷却水を第１の部分に対応させて設けられた冷却水通路に流入させる一方、前記開口部からラジエータを出た冷却水を第２の部分に対応させて設けられた冷却水通路に流入させる。
以上の構成によれば、ラジエータにおける放熱量を増大させて所望の冷却性能を確保するとともに、燃料電池各部に対し、要求される冷却度合いに応じて温度を異ならせて冷却水を循環させ、燃料電池スタック内ガス通路における結露を防止することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る自動車用燃料電池ＦＣの冷却装置１０１の構成図である。
冷却装置１０１は、外気を低温流体として、走行風又は図示しないファンによる冷却風を通過させて冷却を行うラジエータ１を備えている。ラジエータ１と燃料電池ＦＣの内部に形成された冷却水通路Ｐとが、配管２１〜２３により接続され、燃料電池ＦＣとラジエータ１との間で冷却水が循環されるように構成されている。
ここで、図２を参照して、ラジエータ１の構成を詳細に説明する。図２は、ラジエータ１を前斜め上方から見た斜視図である。
このラジエータのコアＣ（便宜上、その外形を二点鎖線で示す。）は、冷却水が流れるウォーターチューブとして、横方向に並ぶ複数の第１のウォーターチューブ１１ａと、各第１のウォーターチューブ１１ａに対応させて、外気の流れに関して上流側に隣接させて配設された第２のウォーターチューブ１１ｂとを備えている。隣り合う第１のウォーターチューブ１１ａ，１１ａの間、及び隣り合う第２のウォーターチューブ１１ｂ，１１ｂの間には、コルゲートフィンを形成する波板１２が挟み込まれている。第１又は第２のウォーターチューブ１１ａ，１１ｂと波板１２とは、ろう付けして固定されている。
コアＣの上下各端において、第１及び第２のウォーターチューブ１１ａ，１１ｂの端部が、第１及び第２のウォーターチューブのそれぞれの挿込み孔が形成されたヘッダプレート（図示せず）に嵌め込まれている。ウォーターチューブの各上端が嵌め込まれたヘッダプレートに上蓋１３が、各下端が嵌め込まれたヘッダプレートに下蓋１４が取り付けられている。
上蓋１３には、その内部を前後に区画する仕切り壁１５が設けられており、上蓋１３の内部が、第１のウォーターチューブ１１ａと連通する空間と、第２のウォーターチューブ１１ｂと連通する空間とに区画されている。仕切り壁１５と、第１のウォーターチューブ１１ａの挿込み孔を覆う上蓋１３の後方部分とで入口ヘッダー１３１が構成され、仕切り壁１５と、第２のウォーターチューブ１１ｂの挿込み孔を覆う上蓋１３の前方部分とで出口ヘッダー１３２が構成されている。また、ウォーターチューブの下端が嵌め込まれたヘッダプレートと、下蓋１４とで中間ヘッダー１４が構成されている。
ここで、入口ヘッダー１３１に冷却水入口部１６が形成されるとともに、出口ヘッダー１３２に第１の冷却水出口部１７が、中間ヘッダー１４に第２の冷却水出口部１８が形成されている。第２の冷却水出口部１８は、第１及び第２のウォーターチューブ１１ａ，１１ｂの接続部における開口部を含む。
図１に戻り、燃料電池ＦＣの冷却水通路Ｐは、燃料電池ＦＣの第１の部分Ａに対応する第１の通路Ｐ１と、第２の部分Ｂに対応する第２の通路Ｐ２とで構成されている。これら第１及び第２の通路Ｐ１，Ｐ２は、第１及び第２の部分Ａ，Ｂの境界で接続されている。本実施形態では、第１の部分Ａは、燃料電池スタック内ガス通路におけるガスの流れに関する上流側の部分として、第２の部分Ｂは、そのスタックの第１の部分Ａよりも同じガスの流れに関する下流側の部分として設定されている。
燃料電池ＦＣには、冷却水通路Ｐの入口部として２つの入口部３１，３２が設けられている。第１の入口部３１は、第１の通路Ｐ１の開放された上流側の端部に、第２の入口部３２は、第１及び第２の通路Ｐ１，Ｐ２の接続部に接続されている。また、冷却水通路Ｐの出口部３３は、第２の通路Ｐ２の開放された下流側の端部に接続されている。
燃料電池ＦＣの冷却水通路Ｐに対し、ラジエータ１の冷却水入口部１６が、配管２１を介して出口部３３に接続されている。また、ラジエータ１の第１の冷却水出口部１７が、配管２２を介して第１の入口部３１に、第２の冷却水出口部１８が、配管２３を介して第２の入口部３２に接続されている。
配管２１には、冷却水を循環させるためのポンプ４１が設置されており、配管２３には、この配管２３を開放又は遮断するための制御弁４２が設置されている。ポンプ４１及び制御弁４２は、コントローラ５１からの指令信号に基づいて作動する。コントローラ５１は、配管２１，２２に設置された水温センサ６１，６２からの各冷却水温度検出信号と、燃料電池ＦＣの負荷信号とを入力し、これらの入力信号に基づいてポンプ４１等を制御する。
【０００８】
ここで、図１，３を参照して、冷却装置１０１の動作を説明する。図３は、ラジエータ１の部分断面図であり、ラジエータ１における冷却水の流れを記載している。
図１において、コントローラ５１は、負荷信号に基づいて燃料電池ＦＣが高出力運転状態にあると判断すると、ポンプ４１を作動させるとともに、制御弁４２を閉めるための指令信号を発生する。このような設定のもとで、燃料電池ＦＣの冷却水通路Ｐを経た冷却水は、配管２１を通り、ラジエータ１の冷却水入口部１６から入口ヘッダー１３１に流入する。そして、図３のように、各第１のウォーターチューブ１１ａに分配され、第１のウォーターチューブ１１ａにおいて、外気との熱交換により比較的に高温の第１の温度まで冷却される。第１のウォーターチューブ１１ａを出た冷却水は、その全部が中間ヘッダー１４から各第２のウォーターチューブ１１ｂに流入し、第２のウォーターチューブにおいて、外気との熱交換により所定の第２の温度まで冷却される。このようにして充分に冷却された冷却水は、出口ヘッダー１３２で合流し、配管２２を介して、第１の入口部３１から燃料電池ＦＣの冷却水通路Ｐに戻される。
【０００９】
一方、コントローラ５１は、燃料電池ＦＣが高出力運転状態以外の運転状態にあると判断すると、ポンプ４１を作動させるとともに、制御弁４２を開けるための指令信号を発生する。コントローラ５１は、制御弁４２の開度を、水温センサ６１，６２により検出された各冷却水温度の差が所定の範囲内に収まるか、あるいはこの範囲内に広がるように調節する。このような設定のもとで、燃料電池ＦＣの冷却水通路Ｐを経た冷却水は、前述同様にラジエータ１の冷却水入口部１６から入口ヘッダー１３１に流入し、各第１のウォーターチューブ１１ａに分配され、冷却される。ここで、配管２３が開放されているため、第１のウォーターチューブ１１ａを出た比較的に高温の冷却水の一部は、中間ヘッダー１４から配管２３に流出し、第２の入口部３２から燃料電池ＦＣの第２の冷却水通路Ｐ２に戻される（図３）。残りの冷却水は、中間ヘッダー１４から各第２のウォーターチューブ１１ｂに流入し、所定の第２の温度まで冷却される。そして、配管２２を介して、第１の入口部３１から燃料電池ＦＣの冷却水通路Ｐに戻される。
【００１０】
本実施形態によれば、次の効果を得ることができる。
第１に、第１及び第２のウォーターチューブ１１ａ，１１ｂを外気が流れる方向に並べて配置し、その流れに関する下流側に位置する第１のウォーターチューブ１１ａに冷却水を流入させ、第１のウォーターチューブ１１ａを経た冷却水をさらに上流側に位置する第２のウォーターチューブ１１ｂに流入させるようにした。これにより、第１及び第２のウォーターチューブ１１ａ，１１ｂの双方において、冷却水と外気との間に充分な温度差を確保することが可能となり、ラジエータ１における放熱量を増大させ、高出力時でも燃料電池ＦＣを充分に冷却することができる。
【００１１】
第２に、このようにして高出力時における冷却性能が確保される一方で、高出力時以外の場合において、中間ヘッダー１４から比較的に高温の冷却水を第２の冷却水通路Ｐ２に流入させるようにしたことで、燃料電池スタック内ガス通路における結露を防止することができる。以下に図４，５を参照して、このことについて説明する。
【００１２】
図４は、燃料電池ＦＣａの１系統からなる一般的な冷却水通路Ｐａと、この燃料電池ＦＣａのガス通路として、カソード上の湿度及び温度とを示したものである。
燃料電池ＦＣａにおいて、冷却水通路Ｐａは、カソード側通路と並列に形成されている。燃料電池ＦＣａに供給される酸素含有ガスには、電解質膜の保護のために水分が添加されるが、その添加量の調節と燃料電池ＦＣａの適度な冷却とにより、カソード側通路を通じて水分が飽和状態近傍に保たれるのが好ましい。ここで、燃料電池ＦＣａでは、発電の結果として水（水蒸気）が生成され、その水蒸気は、カソード側通路を流れるガスに混入する。
燃料電池ＦＣａの冷却度合いは、冷却水通路Ｐａが１系統からなるため、冷却水の流量Ｑｗ及び流入温度Ｔｗｉによりほぼ決定される。一般に、ラジエータ性能を確保するため、冷却水流量Ｑｗは多くしたい。この場合には、スタック出入口部間の冷却水温度差は小さくなる。従って、スタック入口部で水分が飽和状態近傍となるように、入口部温度Ｔａｉに適合させて冷却水流入温度Ｔｗｉを設定したとすると、スタック出口部で温度が低くなり過ぎるため、水分が過飽和となってカソードに結露してしまう（Ｈａ１，Ｔａ１）。一方、スタック出口部で水分が飽和状態近傍となるように、出口部温度Ｔａｏに適合させて冷却水流入温度Ｔｗｉを設定したとすると、スタック入口部で温度が高くなり過ぎるため、水分が不足して電解質膜の劣化を来してしまう（Ｈａ２，Ｔａ２）。冷却水流量Ｑｗを調節して所要の温度差をつけることも考えられるが、車両の運転状態が頻繁に変化することや、構成部品の応答遅れ及び他のパラメータの変動等により、温度差を制御することは困難である。
【００１３】
図５は、冷却水通路Ｐとカソード上の湿度及び温度とを、本実施形態に係る燃料電池ＦＣについて示したものである。
本実施形態では、冷却水通路Ｐを、カソードにおけるガスの流れに関して上流側の第１の部分Ａに対応させた第１の通路Ｐ１と、その流れに関して第１の部分Ａよりも下流側の第２の部分Ｂに対応させた第２の通路Ｐ２とに分けて形成した。そして、第１の通路Ｐ１に、第２のウォーターチューブ１１ｂを通過させることにより充分に冷却した冷却水を流入させる一方、第２の通路Ｐ２に、第２のウォーターチューブ１１ｂに流入する前の比較的に高温の冷却水を流入させるようにした。これにより、冷却水流入温度Ｔｗｉをスタックの入口部温度Ｔａｉに適合させて設定するとともに（Ｈ１，Ｔ１）、第２の通路Ｐ２に比較的に高温の冷却水を流入させて、第２の部分Ｂを冷却しつつも高温に維持することが可能となるので（Ｈ２，Ｔ２）、カソード側通路を通じて水分を飽和状態近傍に保つことができる。すなわち、第２の部分Ｂにおいて、発電時に生成された水蒸気が混入したガスの温度を冷却水流入温度Ｔｗｉによらず飽和温度以上に保ち、カソードへの結露を防止することができる。この結露を効果的に防止するには、制御弁４２（図１）の開度を、冷却水流入出温度Ｔｗｉ，Ｔｗｏの間に燃料電池ＦＣの出力に応じた所定の温度差が形成されるように制御するとよい。
【００１４】
ここでは、カソード側通路を中心に説明したが、アノード側通路に適用しても同様な効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池ＦＣの冷却装置１０１
【図２】同上冷却装置１０１のラジエータ１
【図３】同上ラジエータ１の部分断面
【図４】燃料電池ＦＣａの一般的な冷却水通路Ｐａとカソード上の湿度及び温度
【図５】本発明に係る燃料電池ＦＣの冷却水通路Ｐとカソード上の湿度及び温度
【符号の説明】
１０１…冷却装置、ＦＣ…燃料電池、１…ラジエータ、１１ａ…第１のウォーターチューブ、１１ｂ…第２のウォーターチューブ、１２…波板、１３１…入口ヘッダー、１３２…出口ヘッダー、１４…中間ヘッダー、１５…仕切り壁、１６…冷却水入口部、１７…第１の冷却水出口部、１８…第２の冷却水出口部、２１〜２３…配管、５１…コントローラ、６１，６２…水温センサ、Ａ…燃料電池の第１の部分、Ｂ…燃料電池の第２の部分、Ｐ…燃料電池内部の冷却水通路、Ｐ１…第１の冷却水通路、Ｐ２…第２の冷却水通路。

Claims

燃料電池冷却水を流通させる通路として、この冷却水よりも温度が低い低温流体の流れと交差するように配設された第１のウォーターチューブと、低温流体の流れに関する上流側でこの第１のウォーターチューブに実質的に隣接させて、その流れと交差するように配設された第２のウォーターチューブとを備えるラジエータを含んで構成され、
このラジエータにおいて、第１のウォーターチューブと第２のウォーターチューブとが、各一方の端部で内部を連通させて接続されるとともに、第１のウォーターチューブの他端に対し、ラジエータの冷却水入口部が接続された燃料電池の冷却装置。
第１のウォーターチューブと第２のウォーターチューブとが互いに隣接する端部で接続された請求項１に記載の燃料電池の冷却装置。
前記ラジエータが、第１及び第２のウォーターチューブの接続部に、冷却水の少なくとも一部を第２のウォーターチューブを介さずに燃料電池に戻すための開口部を備える請求項１又は２に記載の燃料電池の冷却装置。
燃料電池内部の冷却水通路として、燃料電池の第１の部分に対応する第１の冷却水通路と、第２の部分に対応する第２の冷却水通路とを備え、
前記ラジエータに対し、第２のウォーターチューブを通過した冷却水のための冷却水出口部に前記第１の冷却水通路が接続され、第１及び第２のウォーターチューブの接続部における前記開口部に前記第２の冷却水通路が接続された請求項３に記載の燃料電池の冷却装置。
燃料電池の前記第１の部分が、その燃料電池における酸素ガスの流れに関して前記第２の部分よりも上流側の部分として設定された請求項４に記載の燃料電池の冷却装置。
燃料電池において、前記第１の冷却水通路に対し、前記第２の冷却水通路が冷却水の流れに関する下流側で接続された請求項４又は５に記載の燃料電池の冷却装置。
第１及び第２のウォーターチューブの接続部における前記開口部と、燃料電池内部の前記第２の冷却水通路との間に介装された制御弁と、燃料電池の運転状態に応じてこの弁を開閉させるコントローラとを更に備える請求項４〜６のいずれかに記載の燃料電池の冷却装置。
前記第１の冷却水通路に対して前記第２の冷却水通路が冷却水の流れに関する下流側で接続された場合に、
第１の冷却水通路に流入する前の冷却水の温度を検出するための第１の水温センサと、第２の冷却水通路を通過した冷却水の温度を検出するための第２の水温センサとを更に備え、
前記コントローラが、これら第１及び第２の水温センサにより検出された各冷却水の温度に基づいて前記制御弁の開度を調節する請求項７に記載の燃料電池の冷却装置。
前記ラジエータが、第１のウォーターチューブとしての複数のウォーターチューブと、各第１のウォーターチューブに対応させて設けられた第２のウォーターチューブとを備えるとともに、これら第１及び第２のウォーターチューブの一方の隣接する端部に取り付けられた中間ヘッダーと、第１のウォーターチューブの各他端に取り付けられた、ラジエータの冷却水入口部を含む入口ヘッダーと、第２のウォーターチューブの各他端に取り付けられた、ラジエータの冷却水出口部を含む出口ヘッダーとを備える請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池の冷却装置。