JP2004349248A

JP2004349248A - 燃料電池の冷却装置

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Publication number: JP2004349248A
Application number: JP2004136770A
Authority: JP
Inventors: Mitsuharu Imazeki; 光晴今関; Yoshiro Shimoyama; 義郎下山
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-04-30
Filing date: 2004-04-30
Publication date: 2004-12-09
Anticipated expiration: 2024-04-30
Also published as: JP4555601B2

Abstract

【課題】冷媒系として、冷媒タンク等を有する燃料電池システムにおいて、冷媒タンクから戻ってくる冷媒温度が低下した場合でも、燃料電池の冷媒温度を制御可能とする。
【解決手段】燃料電池１の出口から、燃料電池１の冷却によって加熱された冷媒を冷却する冷却用熱交換器２を介して燃料電池１の入口へ冷媒を循環させる循環流路Ｐ１，Ｐ２とを備えた燃料電池の冷却装置であって、ラジエータ４をバイパスさせ、循環流路Ｐ１，Ｐ２を短絡させるバイパス流路Ｐｂと、循環流路Ｐ１，Ｐ２における燃料電池１の入口側に設けられ、冷媒の温度に応じて循環流路Ｐ１，Ｐ２とバイパス流路Ｐｂとを切り替えるサーモスタット４と、循環流路Ｐ１，Ｐ２の冷媒の一部を蓄えておくことが可能なタンク３とを備え、サーモスタット４がサーモスタット感温部と、タンク３とを接続する配管を備え、タンク３に蓄えた冷媒をタンク３とを接続する配管Ｐ４を介して循環流路に戻す。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の冷却装置に関する。

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る。

このような燃料電池の冷却装置として、特許文献１には、冷媒循環流路のガス抜け性を良好とし、前記燃料電池に対する冷媒の入口圧力を入口許容圧力以下に維持するために、燃料電池内を冷却すべく燃料電池の冷媒の入口と出口とに冷媒を循環させるための冷媒循環流路を接続し、この冷媒循環流路に冷媒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、前記冷媒循環流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流路を介してタンク（圧力バランスタンク／リザーブタンク）を連通し、このタンクと前記冷媒循環流路の相対的に圧力の低い部分とを冷媒戻し流路を介して連通し、ガス抜き流路または冷媒戻し流路のうち、前記燃料電池に対する冷媒の入口より遠い側の位置に連通されている方の流路に絞りを設定した燃料電池の冷却システムが開示されている。

このような燃料電池の冷却装置において、燃料電池へ供給される冷媒の温度を調整する手法としてサーモスタット等の流路切替弁等によって前記した冷媒循環流路を切り替える技術が検討されている。具体的には冷媒循環流路を流れる冷媒の温度が所定の温度よりも低いときは、冷媒循環流路に設けた冷却用熱交換器（ラジエータ等）をバイパスするように冷媒循環流路を切り替える。特に、サーモスタットは、内部に設けた感温部によって冷媒の温度を検知し、冷媒循環流路を切り替えるようになっている。

また、一般的に燃料電池システムにおいては、水素、空気、冷媒間の圧力差（差圧）を少なくする必要がある。このような技術としては水素、冷媒、それぞれの圧力を検知し、それぞれの供給圧力を制御することで差圧を維持する方法がある。
特開２００２−１２４２６９号公報

しかしながら、従来技術においてはタンクが車体等に取り付けられる場合に、タンクからの戻り冷媒は、燃料電池入口適正温度に比較して配管等からの放熱のために低下している場合があり、サーモスタットによる水温調整後に燃料電池の冷媒循環流路に合流することで燃料電池への供給水温を低下させてしまうという水温調整上の外乱要因となる場合がある。

また、燃料電池へ供給される水素や空気の反応ガス、冷媒間の差圧を所定範囲に維持する必要があるが、燃料電池へ供給する反応ガスの圧力や冷媒の圧力を緻密に制御する必要があり、システムの複雑化、システム部品の重量および容積の増大等の問題があった。

従って、本発明の課題は、冷媒を蓄えておくタンクを有する燃料電池の冷却装置において、簡単な構造で過冷却された冷媒が燃料電池に供給されることのない燃料電池の冷却装置を提供することである。

前記課題を解決する本発明は、アノード極に燃料ガス、カソード極に空気中の酸素の供給を受けることによって発電する燃料電池と、
前記燃料電池の出口から、前記燃料電池の冷却によって加熱された冷媒を冷却する冷却用熱交換器を介して前記燃料電池の入口へ前記冷媒を循環させる循環流路とを備えた燃料電池の冷却装置であって、
前記冷却用熱交換器をバイパスさせ、前記循環流路を短絡させるバイパス流路と、
前記循環流路における入口側に設けられ、冷媒の温度に応じて前記循環流路と前記バイパス流路とを切り替えるサーモスタットと、
前記循環流路の冷媒の一部を蓄えておくことが可能なタンクとを備え、
前記サーモスタットがサーモスタット感温部と、前記タンクとを接続する配管とを備え、前記タンクに蓄えた冷媒を前記タンクと接続する配管を介して循環流路に戻すことを特徴とするものである（請求項１）。

この構成では、タンクの冷媒は、サーモスタット（その感温部）に戻され、ここで温調される。このように構成することによって、非常に簡単な構成で、燃料電池への供給水温を低下させてしまうことなしに、サーモスタットの温調により、常に所定の水温を有する冷媒を燃料電池に供給することが可能となる。

本発明の燃料電池の冷却装置において、前記タンクは、前記燃料電池へ供給する空気または燃料電池から排出された空気の少なくとも一部を導入する空気圧信号配管と接続されており、前記循環流路の冷媒の圧力と前記カソード極の空気圧力とをバランスさせることが好ましい（請求項２）。
このように構成することで、非常に簡単な構成で、燃料電池への供給水温を低下させてしまうことなしに常に所定の水温を有する冷媒を燃料電池に供給することが可能となることに加えて、燃料電池に供給される空気と冷媒の圧力をバランスさせることができるので、簡単な構成で差圧を維持することができる。

本発明に係る燃料電池の冷却装置は、以下の優れた効果を奏する。
請求項１によると、非常に簡単な構成で、燃料電池への供給水温を低下させてしまうことなしに常に所定の水温を有する冷媒を燃料電池に供給することが可能となり、燃料電池の冷媒温度の調整が容易になるとともに制御性が向上する。つまり、水温調整上の外乱の影響を除去することができる。
請求項２によると、非常に簡単な構成で、燃料電池への供給水温を低下させてしまうことなしに常に所定の水温を有する冷媒を燃料電池に供給することが可能となることに加えて、燃料電池に供給される空気と冷媒の圧力をバランスさせることができるので、簡単な構成で差圧を維持することができる。

以下、本発明に係る実施の形態を添付図面に基づいて説明する。しかしながら、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。図１は、本発明に係る燃料電池の冷却装置の概略を説明する模式図であり、図２は、本発明の燃料電池の冷却装置を車両に搭載した場合のレイアウトを示す略式断面図であり、図３（ａ）〜（ｃ）は、サーモスタットの構造を示す断面図であり、図３（ａ）は、冷媒温度が低温時のサーモスタットの状態を示し、図３（ｂ）は、中温時のサーモスタットの状態を示し、そして図３（ｃ）は、高温時のサーモスタットの状態を示す。

（燃料電池の冷却装置）
まず、図１および図２を用いて本発明に係る燃料電池の冷却装置Ｓの概略を説明する。
図１に示す通り、本発明の燃料電池の冷却装置Ｓは、燃料電池１、燃料電池１の冷却によって加熱された冷媒を冷却する冷却用熱交換器であるラジエータ２、冷媒の一部を蓄えておくことが可能なタンク３および前記タンク３と接続される配管を備えたサーモスタット４から主として構成されている。
そして、燃料電池１のＣｏｏｌａｎｔＯｕｔからラジエータ２を介して燃料電池１のＣｏｏｌａｎｔＩｎまでの間を配管Ｐ１，Ｐ２により冷媒循環流路が形成されている。
この冷却装置Ｓは、例えば図２に示す通りに車両Ｖ内に配置されている。

（燃料電池）
燃料電池１は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟み込んだ燃料電池セルを更にセパレータで挟持し、これを複数積層して構成されている。アノード電極に燃料ガスとして水素ガスを供給し、カソード電極に酸化剤ガスとして酸素を含む空気を供給すると、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソード電極まで移動し、カソード電極の触媒によって酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。この反応は発熱反応であり、その燃料電池１の温度は反応効率を確保するために、セパレータにおけるアノード電極またはカソード電極の反対側の面に冷媒を循環することで７０℃前後に維持される。燃料電池１の発電電力は図示しない燃料電池自動車の走行用モータに供給され、車両Ｖを駆動する。

燃料電池１は、エアコンプレッサＡ／Ｃから配管を介して空気を導入するための空気導入口ＡＩＲＩＮと、発電に使用した空気を系外に排出する空気排出口ＡＩＲＯｕｔと、水素導入口Ｈ₂ＩＮと、水素排出口Ｈ₂ＯＵＴ、発電により加熱された燃料電池１を冷媒により冷却するための冷媒導入口ＣｏｏｌａｎｔＩｎと燃料電池１を冷却後に加熱された冷媒を排出するための冷媒排出口ＣｏｏｌａｎｔＯｕｔを有する従来公知の燃料電池システムである。

（ラジエータ）
ラジエータ２は、燃料電池１を冷却することによって加熱された冷媒を冷却するための従来公知の装置であって、冷媒排出口からの加熱された冷媒を導入するための導入口２０ｉｎと、ラジエータ２により冷却した冷媒を排出するための排出口２０ｏｕｔと、タンク３側への冷媒の排出口２１ｏｕｔ，２１ｏｕｔを備えている。
排出口２１ｏｕｔはラジエータ２の上部に設けられ、冷媒循環流路を流れる冷媒の一部とともに冷媒循環流路に溜まっていた空気等の気体が排出されやすくなっている。

（タンク）
本実施形態におけるタンク３は、冷媒の一部を蓄える他に、冷却系の圧力バランスを図るための容器である（圧力バランスタンクまたはリザーブタンクとも言う）。タンク３は、図２における車両Ｖの前方部（ボンネット下）に配置され、車外からメンテナンス可能に設けられている。本発明の好ましい実施形態において、タンク３は、冷却システム全体の冷媒の熱による膨張・収縮や圧力応答による容積変動を吸収できるだけの冷媒保有容積と空気室保有容積を有している。このタンク３は、冷媒および空気を収納するためのタンク本体３２とタンク本体３２の上部に設けられた冷媒混入防止用の小部屋３１と、ラジエータ２側からの冷媒の導入口３３と、サーモスタット４側へ冷媒を排出する冷媒の導出口３４とから主として構成され、更にエアコンプレッサＡ／Ｃとの間で空気圧を調整するための配管（空気圧信号配管）Ｐａと接続するための空気穴３５を有している。
このタンク３によって、冷媒循環流路に溜まっていた空気をタンク３内に放出することで、エア抜きを行うことが可能となる。また、空気圧信号配管Ｐａから導入される供給空気とタンク３に貯留した冷媒とが直接圧力をバランスさせることで、燃料電池１へ供給される空気圧と冷媒圧との差圧を維持している。

（サーモスタット）
図３（ａ）〜（ｃ）に示す通り、サーモスタット４は、ラジエータ２側（バイパス流路であるバイパス配管Ｐｂ側）からの冷媒を、冷媒温度に応じて流量調整し、あるいはラジエータ２またはバイパス配管Ｐｂからの冷媒の流れを遮断する。
図３に示す通り、サーモスタット４は、燃料電池１側への冷媒出口と、ラジエータ２、タンク３およびバイパス配管Ｐｂと接続された冷媒の入口と、冷媒の温度に感応してこれらの出入口を開閉するための感温部とから構成されている。
サーモスタット４は、後記するＣｏｏｌａｎｔＩｎとラジエータ２の冷媒排出口２０ｏｕｔとの間の配管Ｐ２に設けられ、かつタンク３側からの配管Ｐ４と接続されている。すなわち、本実施形態においては、ラジエータ２側から燃料電池１へ冷媒が流れる配管Ｐ２と、タンク３側から燃料電池１へ冷媒が流れる配管Ｐ４が合流する位置に配置されている。また、サーモスタット４は、燃料電池１側のＣｏｏｌａｎｔＯｕｔ側からラジエータ２への配管Ｐ１をバイパスして冷媒が流れるバイパス配管Ｐｂとも接続されている。

（配管）
次に、本実施形態に係る燃料電池の冷却装置Ｓにおける配管について、冷媒の流れとともに説明する。
図１に示す通り、本発明の冷却装置Ｓは、燃料電池１を冷却して加熱された冷媒は、配管Ｐ１上に配置されたウォータポンプＷ／Ｐにより、燃料電池１の排出管ＣｏｏｌａｎｔＯｕｔから排出され、配管Ｐ１を通って、ラジエータ２の導入口２０ｉｎからラジエータ２内に至る。
次いで、ラジエータ２内で所定温度に冷却された冷媒は、配管Ｐ２を通ってサーモスタット４を介して燃料電池１へと戻され、循環利用される。

また、燃料電池１とラジエータ２との間で冷媒を循環する冷媒循環流路（Ｐ１，Ｐ２）中の空気とラジエータ２の上部に溜まっていた空気が配管Ｐ３からタンク３へ導入される。配管Ｐ３は一端をラジエータ２の上部に接続され、他端をタンク３内に蓄えられている冷媒の水位（液面）よりも下部に接続されている。タンク３によって冷媒に混ざっている空気等の気体と冷媒とで気液分離を行う。

また、燃料電池１に供給される空気と冷媒の圧力をバランスさせるために（差圧の維持のために）、タンク３は、エアコンプレッサＡ／Ｃから燃料電池１へ空気を導入する配管（ＩＮ側）の途中から分岐されて伸びる配管（空気圧信号配管）Ｐａと接続されている。タンク３は、この空気圧信号配管Ｐａと接続されているため、タンク３内での冷媒の圧力は燃料電池１へ供給される空気の圧力と実質等しくなり（応じたものになり）、その後冷媒が配管Ｐ４により冷媒循環流路（配管Ｐ３）に戻る際に冷媒循環流路を流通することによって圧力損失が生じるが、その圧力損失は冷媒循環流路内の冷媒の圧力によらずほぼ一定なため、燃料電池１へ供給される冷媒の圧力と燃料電池１へ供給される供給空気との圧力差は、その圧力損失の分だけ冷媒の圧力が供給空気の圧力よりも低くなるようになっている。つまり、燃料電池１へ供給される供給空気の圧力よりも、燃料電池１へ供給される冷媒の圧力は、配管Ｐ４での冷媒の圧力損失分＋サーモスタット４での冷媒の圧力損失分＋サーモスタット４よりも下流側の配管Ｐ２での冷媒の圧力損失分だけ、低くなる。このように構成することによって、積層構造に構成された燃料電池スタック内での冷媒循環流路と供給空気流路の圧力差を所定の範囲に保っている。

以上の構成を有する本実施形態に係る燃料電池の冷却装置Ｓの動作を図１および図３を用いて説明する。

（低温時）
燃料電池システムの始動時等の燃料電池１がまだ温まっていない状態において、燃料電池１側から排出した冷媒の温度は低く（低温）、サーモスタット４内の冷媒も低温であるために感温部は、最上方へ移動して図３（ａ）に示す通り、ラジエータ２側からの冷媒入口を閉鎖し、バイパス配管Ｐｂ側の冷媒入口およびタンク３側の冷媒入口を全開とした状態となる。

このような状態においては、(1)燃料電池１のＣｏｏｌａｎｔＯｕｔ側から配管Ｐ１を介してラジエータ２へ至り、次いでラジエータ２からタンク３を介してサーモスタット４へ流れる冷媒の流れと、(2)燃料電池１側からバイパス配管Ｐｂを通流して直接サーモスタット４へ流れる冷媒の流れの二通りの流れでサーモスタット４内に冷媒が入り、そしてサーモスタット４内で合流した冷媒が燃料電池１のＣｏｏｌａｎｔＩｎへと排出される。
従って、低温時には、(1)の冷媒の流れ、すなわちタンク３からの戻りの流れが感温部による冷媒の温度調節に関与することとなる。

（中温時）
次いで、発電により燃料電池１が温まってくると（中温時）、サーモスタット４の感温部は、図３（ｂ）に示す通り冷媒温度に応じて所定量だけ下側に移動して、ラジエータ２側からの流路（通路）を所定量開き、燃料電池１のＣｏｏｌａｎｔＯｕｔ、バイパス配管Ｐｂ、ラジエータ２およびタンク３からの冷媒を合わせて燃料電池１のＣｏｏｌａｎｔＩｎ側へと送る。
このような状態においては、前記の(1)燃料電池１のＣｏｏｌａｎｔＯｕｔ側から配管Ｐ１を介してラジエータ２へ至り、次いでラジエータ２からタンク３を介してサーモスタット４へ流れる冷媒の流れと、(2)燃料電池１側からバイパス配管Ｐｂを通流して直接サーモスタット４へ流れる冷媒の流れに加えて、(3)ラジエータ２側から配管Ｐ２を通りサーモスタット４へ流れる冷媒の流れの、三通りの流れがサーモスタット４で合流することとなる。そして、サーモスタット４内で合流された流れは感温部による温度調節に関与して燃料電池１へと導入される。
このように中温時においても、サーモスタット４内で温度調整された冷媒が燃料電池１へと導入される。

（高温時）
また、発電により更に燃料電池１が加熱すると、燃料電池１を通過する冷媒の温度が更に上昇する（高温時）。
このような場合、図３（ｃ）に示す通り、サーモスタット４の感温部はさらに下側に移動してバイパス配管Ｐｂ側を塞ぎ、一方ラジエータ２側の入口を全開にする。
このような状態においては、前記の(1)燃料電池１のＣｏｏｌａｎｔＯｕｔ側から配管Ｐ１を介してラジエータ２へ至り、次いでラジエータ２からタンク３を介してサーモスタット４へ流れる冷媒の流れと、(3)ラジエータ２側から配管Ｐ２を通りサーモスタット４へ流れる冷媒の流れの、二通りの流れがサーモスタット４で合流することとなる。そして、サーモスタット４内で合流された冷媒の流れは流れは感温部による温度調節に関与して燃料電池１のＣｏｏｌａｎｔＩｎへと導入される。
このように、本実施形態において所定位置に配置されたサーモスタット４は、サーモスタット４内の冷媒の温度に応じて入口を開閉して所定の温度に調整された冷媒を燃料電池１側へ供給する構成を有している。

従って、従来技術に記載されたようにタンク３が車体等に取り付けられる場合に、タンク３からの戻り冷媒（流れ(1)）は、燃料電池入口適正温度に比較して配管等からの放熱のために低下している場合であっても、本実施形態の燃料電池の冷却装置においては供給水温を低下させてしまうことがない。

また、空気圧信号配管Ｐａを接続していることでタンク３内の冷媒の圧力と、燃料電池１へ供給される空気の圧力とが実質等しくなり、サーモスタット４から燃料電池１のＣｏｏｌａｎｔＩｎまでの配管Ｐ２での圧力損失があるため、供給ガスに対して供給冷媒圧力を燃料電池１へ供給される空気の圧力よりもやや低く調整される。従って、非常に簡単な構成でシステム部品の重量および容積を増大することなしに、空気と冷媒との燃料電池１での差圧を維持しつつ、燃料電池１へ供給される冷媒温度が安定した燃料電池の冷却装置を提供することが可能となる。

以上、本発明の実施形態を説明したが本発明は、これらの実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態では空気圧信号配管Ｐａを燃料電池１へ供給する空気の配管として接続したが、この空気圧信号配管Ｐａを燃料電池１から排出される空気の配管と接続しても良い。

本発明に係る燃料電池の冷却装置の概略を説明する模式図である。本発明の燃料電池の冷却装置を車両に搭載した場合のレイアウトを示す略式断面図である。図３（ａ）〜（ｃ）は、サーモスタットの構造を示す断面図であり、図３（ａ）は、冷媒温度が低温時のサーモスタットの状態を示し、図３（ｂ）は、中温時のサーモスタットの状態を示し、そして図３（ｃ）は、高温時のサーモスタットの状態を示す。

符号の説明

１燃料電池
２ラジエータ
３タンク
４サーモスタット

Claims

アノード極に燃料ガス、カソード極に空気中の酸素の供給を受けることによって発電する燃料電池と、
前記燃料電池の出口から、前記燃料電池の冷却によって加熱された冷媒を冷却する冷却用熱交換器を介して前記燃料電池の入口へ前記冷媒を循環させる循環流路とを備えた燃料電池の冷却装置であって、
前記冷却用熱交換器をバイパスさせ、前記循環流路を短絡させるバイパス流路と、
前記循環流路における入口側に設けられ、冷媒の温度に応じて前記循環流路と前記バイパス流路とを切り替えるサーモスタットと、
前記循環流路の冷媒の一部を蓄えておくことが可能なタンクとを備え、
前記サーモスタットがサーモスタット感温部と、前記タンクとを接続する配管とを備え、前記タンクに蓄えた冷媒を前記タンクと接続する配管を介して循環流路に戻すことを特徴とする燃料電池の冷却装置。
前記タンクは、前記燃料電池へ供給する空気または燃料電池から排出された空気の少なくとも一部を導入する空気圧信号配管と接続されており、前記循環流路の冷媒の圧力と前記カソード極の空気圧力とをバランスさせることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の冷却装置。