JP2005079011A

JP2005079011A - 燃料電池の冷却装置

Info

Publication number: JP2005079011A
Application number: JP2003310196A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Ishikawa; 貴幸石川
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-09-02
Filing date: 2003-09-02
Publication date: 2005-03-24

Abstract

【課題】燃料電池１に冷却水を供給する冷却水ポンプのキャビテーション発生を防止する。
【解決手段】燃料電池１の上流に冷却水を吐出する冷却水ポンプ５を、さらにその上流に第１のリザーバタンク７をそれぞれ設けるとともに、燃料電池１の下流には第２のリザーバタンク９を設ける。第１のリザーバタンク７の上流でかつ第２のリザーバタンク９の下流には、ラジエータ１１を設ける。第１，第２の各リザーバタンク７，９に冷却水を注入する際に、それぞれの注水口７ａ，９ａを開放しておくことで、第１，第２の各リザーバタンク７，９双方から、冷却水経路３内の空気が抜けて行く。
【選択図】図１

Description

この発明は、燃料電池に冷却水を供給する冷却水ポンプおよび、燃料電池から排出される冷却水の放熱を行うラジエータを備えた燃料電池の冷却装置に関する。

燃料電池の冷却装置として、例えば下記特許文献１には吸気ガス側の圧力を制御するものが、また下記特許文献２には冷却水の圧力と流量を独立に制御するものがそれぞれ記載されており、これらはいずれも、冷却水を蓄えるリザーバタンクを１つ備えている。
特開２００２−２８００３６号公報特開平９−９２３１０号公報

ところで、車両に搭載される従来のエンジンなどの原動機に対し、燃料電池は排気で放熱する割合が少ないことから、冷却水への放熱量が多く水温が上昇しやすい。このように冷却水温が上昇し、冷却水ポンプの入口水温が高くなると、冷却水ポンプはキャビテーションを引き起こしやすくなるという問題がある。

そこで、この発明は、冷却水ポンプのキャビテーション発生を防止することを目的としている。

前記目的を達成するために、この発明は、燃料電池に冷却水を供給する冷却水ポンプおよび、前記燃料電池から排出される冷却水の放熱を行うラジエータを、冷却水経路にそれぞれ設けた燃料電池の冷却装置において、前記冷却水ポンプの上流の前記ラジエータとの間の前記冷却水経路に第１のリザーバタンクを配置するとともに、前記冷却水ポンプの下流の前記ラジエータとの間の前記冷却水経路に第２のリザーバタンクを配置し、前記第１，第２の各リザーバタンクに、冷却水の注入時に外部に開放可能な注水口を設けた構成としてある。

この発明によれば、第１，第２の各リザーバタンクへの冷却水の注水時に、これら双方の注水口を外部に開放しておくことにより、双方のリザーバタンクの注水口から、冷却水経路内の空気が抜けて行くため、エア溜りができにくくなり、冷却水ポンプのキャビテーションも発生しにくくなる。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は、この発明の第１の実施形態に係わる燃料電池の冷却装置を示す全体構成図であり、この冷却装置は、燃料電池１を冷却水によって冷却する冷却水経路３を備えている。上記した冷却水経路３において、燃料電池１の上流に、冷却水を吐出する冷却水ポンプ５を、さらにその上流に第１のリザーバタンク７をそれぞれ設けるとともに、燃料電池１の下流には第２のリザーバタンク９を設ける。そして、第１のリザーバタンク７の上流でかつ第２のリザーバタンク９の下流の冷却水経路３にラジエータ１１を設ける。

すなわち、冷却水ポンプ５の上流のラジエータ１１との間の冷却水経路３に第１のリザーバタンク７を配置するとともに、冷却水ポンプ５の下流のラジエータ１１との間の冷却水経路３に第２のリザーバタンク９を配置している。

また、第１，第２の各リザーバタンク７，９は、冷却水の注入時に外部に開放可能な注水口７ａ，９ａをそれぞれ備えている。

上記した第１，第２の各リザーバタンク７，９に冷却水を注入しておき、この状態で冷却水ポンプ５を駆動すると、第１のリザーバタンク７側の冷却水が、燃料電池１に供給されて燃料電池１を冷却し、その後燃料電池１から排出される冷却水は、第２のリザーバタンク９を経てラジエータ１１にて放熱されて温度低下し、第１のリザーバタンク７に戻る。

この第１の実施形態の場合には、第１，第２の各リザーバタンク７，９にそれぞれの注水口７ａ，９ａから冷却水を注入する際に、この各注水口７ａ，９ａを外部に開放しておくことで、各注水口７ａ，９ａから冷却水経路３内の空気が抜けて行く。

これにより、エンジンなどの原動機に対し、冷却水への放熱量が多く水温が上昇しやすい燃料電池１であっても、エア溜りができにくくなる。また、燃料電池１の冷却系を、限られた場所にレイアウトする場合に冷却水経路３が上下したとしても、注水時に冷却水が各部に行き渡り、エア溜りを形成しにくくなる。

この結果、冷却水経路３内に充分な注水量を得ることができ、冷却水ポンプ５のキャビテーションが発生しにくくなる。

図２は、この発明の第２の実施形態係わる燃料電池の冷却装置を示す全体構成図である。この実施形態は、第１の実施形態における冷却水経路３において、第１のリザーバタンク７の注水口７ａ近傍に排水口７ｂを設け、この排水口７ｂに開閉手段としての開閉バルブ７ｃを設けるとともに、第２のリザーバタンク９の注水口９ａ近傍に排水口９ｂを設け、この排水口９ｂに開閉手段としての開閉バルブ９ｃを設ける。

さらに、冷却水ポンプ５と第１のリザーバタンク７との間に、冷却水の温度を検出する水温検出手段としての水温センサ１３を設置し、この水温センサ１３の検出値に応じて前記した各開閉バルブ７ｃ，９ｃを開閉制御する制御手段としてのマイクロコンピュータなどで構成されるコントローラ１５を設ける。その他の構成は、第１の実施形態と同様である。

図３は、第２の実施形態におけるコントローラ１５の制御動作を示すフローチャートである。

この実施形態では、冷却水ポンプ５でキャビテーションが発生すると予測される水温をあらかじめ規定値Ｔとして規定しておき、水温センサ１３で読み込んだ検出値Ｔｗ（ステップ３０１）が規定値Ｔ以下のときに（ステップ３０３）、第1のリザーバタンク７の排水口７ｂの開閉バルブ７ｃを閉じる一方、第２のリザーバタンク９の排水口９ｂの開閉バルブ９ｃを開く（ステップ３０５）。

これにより、第２のリザーバタンク９の水圧が大気圧と同等となり、この第２のリザーバタンク９からラジエータ１１および第１のリザーバタンク７へと冷却水が流れる過程で水圧が低下していき、燃料電池１の入口の水圧を低くすることができ、燃料電池１内部での冷却水の漏れを防ぐことができる。

燃料電池１内部での冷却水の漏れを防ぐことで、冷却水の減少を抑えることができるとともに、冷却水が別の流体の通路である燃料ガス通路や酸化剤ガス通路へ浸入することを防止でき、冷却水に混入しているごみなどによる他の流体の通路の汚れおよび、燃料電池１の反応部の汚れを防止でき、発電効率の低下を防止することができる。

また、水温センサ１３の検出値Ｔｗが規定値Ｔを超え（ステップ３０３）、冷却水ポンプ５にてキャビテーションが発生すると予測されるようなときは、第1のリザーバタンク７の排水口７ｂの開閉バルブ７ｃを開く一方、第２のリザーバタンク９の排水口９ｂの開閉バルブ９ｃを閉じる（ステップ３０７）。

これにより、第１のリザーバタンク７の水圧が大気圧と同等となり、冷却水ポンプ５の入口部の水圧をほぼ大気圧近くに比較的高く設定できるため、冷却水ポンプ５のキャビテーションの発生を防止できる。

すなわち、水温が高くなり冷却水ポンプのキャビテーションが発生するような条件となった場合に、冷却水ポンプ上流にある第１のリザーバタンクの排水口を開き、冷却水ポンプ下流にある第２のリザーバタンクの排水口を閉じることにより、冷却水ポンプ入口部を大気圧相当にすることができ、冷却水ポンプのキャビテーションの発生を防止できる。

通常時は上記とは逆に、第１のリザーバタンクの排水口を閉じて、第２のリザーバタンクの排水口を開くことにより、第２のリザーバタンク部が大気圧となり、冷却水が通水抵抗体となるラジエータおよび第１のリザーバタンクを通過することにより冷却水ポンプ入口部の水圧が低下し、ポンプ吐出部の圧力も低下するため、燃料電池入口部の水圧も低く保つことができ、燃料電池における他の流体の通路への冷却水の漏れを防止することができる。

なお、上記第２の実施形態における第２のリザーバタンク９は、冷却水ポンプ５の下流でかつ燃料電池１の上流に設置してもよい。

図４は、この発明の第３の実施形態係わる燃料電池の冷却装置を示す全体構成図である。この実施形態は、第２の実施形態における水温センサ１３に代えて、冷却水ポンプ５と燃料電池１との間の燃料電池１の冷却水入口部近傍に、燃料電池１近傍の水圧を検出する水圧検出手段としての水圧センサ１７を設設置している。その他の構成は、第２の実施形態と同様である。

図５は、第３の実施形態におけるコントローラ１５の制御動作を示すフローチャートである。

この実施形態では、燃料電池１の内部で冷却水漏れの発生する可能性がある水圧をあらかじめ規定値Ｐとして規定しておき、水圧センサ１７の読み込んだ検出値Ｐｗ（ステップ５０１）が規定値Ｐ以下のときに（ステップ５０３）、第1のリザーバタンク７の排水口７ａの開閉バルブ７ｃを開く一方、第２のリザーバタンク９の排水口９ｂの開閉バルブ９ｃを閉じる（ステップ５０５）。

また、水圧センサ１７の検出値Ｐｗが規定値Ｐを超えるときには（ステップ５０３）、第１のリザーバタンク７の排水口７ｂの開閉バルブ７ｃを閉じる一方、第２のリザーバタンク９の排水口９ｂの開閉バルブ９ｃを開く。

これにより、第２のリザーバタンク９の水圧が大気圧と同等となり、この第２のリザーバタンク９からラジエータ１１および第１のリザーバタンク７へと冷却水が流れる過程で水圧が低下していくため、燃料電池１の入口の水圧を低くすることができ、燃料電池１内部の冷却水の漏れを防ぐことができる。

すなわち、燃料電池近傍に設けた水圧検出手段により、燃料電池入口部の水圧が比較的上昇した場合に、第１のリザーバタンクの排水口を閉じて、第２のリザーバタンクの排水口を開くことにより、燃料電池入口部の水圧も低く保つことができ、燃料電池における他の流体の通路への冷却水の漏れを防止することができる。

通常時は上記とは逆に、第１のリザーバタンクの排水口を開き、第２のリザーバタンクの排水口を閉じることにより、冷却水ポンプ入口部を大気圧相当にすることができ、冷却水ポンプのキャビテーションの発生を防止できる。

なお、第３の実施形態における水圧センサ１７の位置は、燃料電池１の内部の水圧が把握できるように、燃料電池１の近傍が望ましく、このため燃料電池１の冷却水入口部に限らず、燃料電池１の冷却水出口部または燃料電池１の内部に設定してもよい。

この発明の第１の実施形態に係わる燃料電池の冷却装置を示す全体構成図でこある。この発明の第２の実施形態係わる燃料電池の冷却装置を示す全体構成図である。第２の実施形態におけるコントローラの制御動作を示すフローチャートである。この発明の第３の実施形態係わる燃料電池の冷却装置を示す全体構成図である。第３の実施形態におけるコントローラの制御動作を示すフローチャート図である。

符号の説明

１燃料電池
５冷却水ポンプ
７第１のリザーバタンク
７ａ，９ａ注水口
７ｂ，９ｂ排水口
７ｃ，９ｃ開閉バルブ（開閉手段）
９第２のリザーバタンク
１１ラジエータ
１３水温センサ（水温検出手段）
１５コントローラ（制御手段）
１７水圧センサ（水圧検出手段）

Claims

燃料電池に冷却水を供給する冷却水ポンプおよび、前記燃料電池から排出される冷却水の放熱を行うラジエータを、冷却水経路にそれぞれ設けた燃料電池の冷却装置において、前記冷却水ポンプの上流の前記ラジエータとの間の前記冷却水経路に第１のリザーバタンクを配置するとともに、前記冷却水ポンプの下流の前記ラジエータとの間の前記冷却水経路に第２のリザーバタンクを配置し、前記第１，第２の各リザーバタンクに、冷却水の注入時に外部に開放可能な注水口を設けたことを特徴とする燃料電池の冷却装置。
前記第１，第２の各リザーバタンクのそれぞれの注水口近傍に排水口を設けるとともに、この各排水口を開閉する開閉手段をそれぞれ設け、前記冷却水の温度を検出する水温検出手段と、この水温検出手段が検出する冷却水温度に応じて前記各開閉手段を開閉制御する制御手段とをそれぞれ設けたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池の冷却装置。
前記制御手段は、前記水温検出手段が検出する冷却水温度が規定値以下のときに、前記第１のリザーバタンクの排水口における開閉手段を閉じる一方、前記第２のリザーバタンクの排水口における開閉手段を開くよう制御するとともに、前記水温検出手段が検出する冷却水温度が規定値を超えるときに、前記第１のリザーバタンクの排水口における開閉手段を開く一方、前記第２のリザーバタンクの排水口における開閉手段を閉じるよう制御することを特徴とする請求項２記載の燃料電池の冷却装置。
前記第１，第２の各リザーバタンクのそれぞれの注水口近傍に排水口を設けるとともに、この各排水口を開閉する開閉手段をそれぞれ設け、前記燃料電池近傍の冷却水の圧力を検出する水圧検出手段と、この水圧検出手段が検出する冷却水の圧力に応じて前記各開閉手段を開閉制御する制御手段とをそれぞれ設けたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池の冷却装置。
前記制御手段は、前記水圧検出手段が検出する冷却水圧力が規定値以下のときに、前記第１のリザーバタンクの排水口における開閉手段を開く一方、前記第２のリザーバタンクの排水口おける開閉手段を閉じるよう制御するとともに、前記水圧検出手段が検出する冷却水圧力が規定値を超えるときに、前記第１のリザーバタンクの排水口おける開閉手段を閉じる一方、前記第２のリザーバタンクの排水口おける開閉手段を開くよう制御することを特徴とする請求項４記載の燃料電池の冷却装置。