JP2005100693A - 燃料電池の冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池から排出される生成水の気化潜熱を十分に利用して、燃料電池の冷却効率を高めるとともに、燃料電池を冷却するための冷却液が循環する冷却液回路の途中に設けられて冷却液の熱を外部に放熱させるラジエータの小型化を可能にする。
【解決手段】燃料電池11を冷却するための冷却液が循環する冷却液回路20と、冷却液回路20に設けられて冷却液の熱を外部に放熱させるラジエータ23と、燃料電池11で生成される生成水を水タンク21に貯留させ、貯留された水の一部を加湿器14を介して燃料電池11に再び供給する生成水回路22とを備えている。冷却液回路20は、経路20ａが水タンク21内を通過するように構成されている。水タンク21は管路28を介してエジェクタ27の吸入側に連通され、エジェクタ27の作用により大気圧より低く減圧されるようになっている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池の冷却システムに関する。

近年、電気自動車の動力源等として、クリーンでエネルギー効率の優れた燃料電池が注目されている。燃料電池は、周知のように、酸素と水素とを化学反応させることで生じる起電力を利用するものである。そして、カソード側に酸素を供給するとともに、アノード側に水素を供給し、水素と酸素とを反応させることによって、化学エネルギーが直接的に電気エネルギーに変換されるので、優れた変換効率が得られる。

燃料電池にはいくつかの種類があるが、自動車に使用するには小型で高出力であることが要求され、固体高分子型燃料電池が好適に使用される。固体高分子型燃料電池は、所定の温度（例えば、８０℃付近）で効率よく発電が行われる。燃料電池は発熱反応のため、燃料電池の温度が前記所定の温度より上昇するのを抑制するため、冷却する必要がある。そのため、燃料電池には冷却液が循環する冷却液回路が設けられ、冷却液が燃料電池内を通過する際に冷却液が熱を奪って燃料電池を冷却し、冷却液が放熱器（ラジエータ）を通過する際に冷却液の熱を外気に放熱して冷却液を冷却している。

しかし、固体高分子型燃料電池の場合には、燃料電池の出口における冷却液温度が比較的に低く（例えば、８０℃付近）、外気温との差が小さいため、必要な冷却能力を確保するには放熱器、ひいては冷却システムが大型化する傾向にあった。

冷却液を効率良く冷却する燃料電池の冷却装置として、燃料電池を冷却するための冷却液が循環する液冷却回路に設けられ、外部に放熱するラジエータと、空気オフガス経路に設けられた蒸発冷却器を備えた装置が提案されている（特許文献１参照。）。蒸発冷却器は隔壁を隔てて第１室及び第２室を有し、第１室に空気オフガスと生成水とを流し、第２室に燃料電池から排出された冷却水を流す。生成水は冷却液によって加熱されて蒸発し、空気オフガス中に放出され、冷却液は冷却される。

また、燃料電池を冷却する冷却水が流れる排熱ライン内の冷却水を冷却する冷却水を、気化潜熱を利用して冷却する放熱装置も提案されている（特許文献２参照。）。この装置では、図８に示すように、燃料電池５１を冷却する冷却水が流れる排熱ラインＬ３と別体に前記冷却水を冷却する冷却水の循環ラインＬ１が設けられている。循環ラインＬ１の途中に設けられた蒸発器５２内には、排熱ラインＬ３を流れる冷却水を冷却するための熱交換器５３が設けられている。循環ラインＬ１には蒸発器５２より下流側に圧縮機５４が設けられ、蒸発器５２で発生した水蒸気が圧縮されて凝縮器５５へ供給されるようになっている。そして、凝縮器５５で凝縮された冷却水が蒸発器５２に送られ、熱交換器５３に滴下される。なお、蒸発器５２内の冷却水の一部は凝縮器５５へ送られずにポンプ５６で蒸発器５２の上部から熱交換器５３に滴下される。
特開２００３−７３２３号公報（明細書の段落［００１３］〜［００１５］、［００２０］〜［００２２］、図１） 特開２００３−７４９９４号公報（明細書の段落［００５３］、［００５４］、図１０，１１）

ところが、特許文献１に記載の装置では、生成水の潜熱を利用して冷却液を冷却しているが、燃料電池は８０℃付近で運転され、その冷却液は８０℃付近に保たれている。そして、生成水の蒸発は大気圧下において行われ、１気圧において水の飽和温度は１００℃であるため、気化潜熱を十分利用できないという問題がある。

一方、特許文献２に記載の装置では、蒸発器５２内に貯留されている冷却水の一部が蒸発する気化潜熱を利用して冷却し、蒸発した水蒸気を圧縮機５４で圧縮して凝縮器５５へ供給している。従って、気化潜熱の利用は特許文献１の装置に比較して向上している。しかし、この装置は、循環ラインＬ１が閉ループのため、基本的に燃料電池５１から冷却水により取り出された熱は、凝縮器５５において放熱される必要があり、凝縮器５５を小型化することは難しい。また、循環ラインＬ１が閉ループのため、冷却水として文字どおり水を使用すると寒冷時に０℃で凍結するため、一般に不凍液が使用される。不凍液は水より沸点が高く、気化潜熱を冷却に使用する場合、水より効率が悪くなる。

本発明の目的は、燃料電池から排出される生成水の気化潜熱を十分に利用して、燃料電池の冷却効率を高めることができ、燃料電池を冷却するための冷却液が循環する冷却液回路の途中に設けられ、冷却液の熱を外部に放熱させるラジエータの小型化を可能にすることができる燃料電池の冷却システムを提供することにある。

前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、燃料電池を冷却するための冷却液が循環する冷却液回路と、前記冷却液回路に設けられて冷却液の熱を外部に放熱させるラジエータと、前記燃料電池で生成される生成水を水タンクに貯留させ、貯留された水の一部を加湿器を介して燃料電池に再び供給する生成水回路とを備えている。また、前記水タンク内の圧力を大気圧より低く減圧する減圧手段を備え、前記水タンク内の生成水の気化潜熱を利用して前記冷却液回路内の冷却液を冷却可能に、前記冷却液回路の一部が前記水タンク内を通過するようにした。

この発明では、燃料電池で生成された生成水は水タンクに貯留され、貯留された水の一部は加湿器を介して燃料電池に再び供給される。水タンク内に貯留された生成水が蒸発する際に気化潜熱を奪い、水タンク内の温度が下がる。燃料電池を冷却するための冷却液が循環する冷却液回路の一部が前記水タンク内を通過する構成のため、水タンク内の温度が下がることにより冷却液回路内の冷却液の冷却効率が向上する。また、生成水は８０℃付近の温度のため、生成水を不凍液とする必要がなく、水タンク内の同じ圧力及び温度において気化潜熱が不凍液に比較して大きくなり、冷却効率が向上する。その結果、冷却液回路に設けられて冷却液の熱を外部に放熱させるラジエータの小型化が可能になる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記生成水の一部を前記生成水回路の外部に放出する際、生成水と共に熱を放出する。従って、この発明では、ラジエータで冷却すべき負荷がより小さくなる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記減圧手段として、燃料電池に圧縮空気を供給するためのコンプレッサを利用する。コンプレッサを減圧手段として利用する構成としては、圧縮空気の一部をエジェクタを介して燃料電池に供給し、エジェクタの吸引側を水タンクに連通させる構成や、圧縮機の吸入側に水タンクを連通させる構成がある。この発明では、減圧手段の主要部として燃料電池に既に装備されている構成（コンプレッサ）を利用するため、減圧手段を新たに設ける構成に比較して、構成が簡単になる。

請求項４に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記減圧手段として、減圧用ポンプを備えた。この発明では、減圧用ポンプにより水タンク内が減圧にされるため、水タンク内を所望の減圧状態に容易に保持することができる。

本発明によれば、燃料電池から排出される生成水の気化潜熱を十分に利用して、燃料電池の冷却効率を高めることができ、燃料電池を冷却するための冷却液が循環する冷却液回路に設けられ、冷却液の熱を外部に放熱させるラジエータの小型化を可能にすることができる。

（第１の実施形態）
以下、本発明を燃料電池を駆動源とした電気自動車に具体化した第１の実施形態を図１及び図２に従って説明する。図１は燃料電池冷却システムの概略構成図であり、図２は高負荷時の減圧冷却作用を示すフローチャートである。

図１に示すように、燃料電池１１には、酸素供給ポート（図示せず）に圧縮空気を供給するためのコンプレッサ１２が管路１３を介して連結され、管路１３の途中に加湿器１４が設けられている。コンプレッサ１２は図示しないエアクリーナでゴミ等が除去された空気を圧縮して管路１３に吐出するようになっている。

また、図示しない水素タンクから供給される水素を導く管路１５が水素供給ポート（図示せず）に連結され、管路１５の途中に加湿器１６が設けられている。管路１５の加湿器１６より下流には、燃料電池１１で使用されなかった水素を管路１５に戻すことが可能な水素循環経路１７が設けられ、水素循環経路１７の途中に水素循環ポンプとしてのコンプレッサ１８が設けられている。水素循環経路１７のコンプレッサ１８より上流側には、電磁三方弁Ｖ６が設けられている。

燃料電池１１は、例えば固体高分子型の燃料電池からなり、水素タンクから供給される水素と、コンプレッサ１２から供給される酸素とを反応させて直流の電気エネルギー（直流電力）を発生する。

燃料電池冷却システム１９は、燃料電池１１を冷却するための冷却液が循環する冷却液回路２０と、燃料電池１１で生成される生成水を水タンク２１に貯留させ、貯留された水の一部を加湿器１４を介して燃料電池１１に再び供給する生成水回路２２とを備えている。冷却液回路２０の途中には、冷却液の熱を外部に放熱させるラジエータ２３が設けられている。冷却液にはＬＬＣ（ロングライフクーラント）が使用されている。

冷却液回路２０は、閉ループとなるように形成されるとともに、燃料電池１１の外部において水タンク２１を通過する経路２０ａと、ラジエータ２３を通過する経路２０ｂとが並列に設けられている。即ち、冷却液回路２０は、生成水の気化潜熱を利用して冷却液回路２０内の冷却液を冷却可能に、冷却液回路２０の一部が水タンク２１内を通過するように構成されている。冷却液回路２０の燃料電池１１への導入側にはポンプ２４が設けられ、経路２０ａの水タンク２１より上流には電磁開閉弁Ｖ４が設けられている。

生成水回路２２には燃料電池１１と水タンク２１との間に電磁三方弁Ｖ３が設けられている。電磁三方弁Ｖ３は燃料電池１１から排出される空気及び生成水を水タンク２１へ導く状態と、空気及び生成水を生成水回路２２の外部（大気）へ放出する状態とに切り換えられる。

生成水回路２２の水タンク２１より下流側を構成する管路２２ａは、水タンク２１の貯留部２１ａに連通され、管路２２ａの途中にはウォータポンプ２５が設けられている。ウォータポンプ２５は、水タンク２１に溜まった生成水を加湿器１４へ送るようになっている。また、管路２２ａはウォータポンプ２５より下流側で分岐され、生成水の一部が水素用の加湿器１６に供給されるようになっている。管路２２ａのウォータポンプ２５より上流側には電磁三方弁Ｖ５が設けられている。電磁三方弁Ｖ５は、水タンク２１をウォータポンプ２５と連通させる状態と、水タンク２１を管路２２ａの外部と連通させる状態、即ち生成水を管路２２ａから排出させる状態とに切り換えられる。

燃料電池冷却システム１９は、水タンク２１内の圧力を大気圧より低く減圧する減圧手段を備えている。この実施形態では、減圧手段は、燃料電池１１に圧縮空気を供給するためのコンプレッサ１２を利用する構成となっている。具体的には、管路１３のコンプレッサ１２と加湿器１４との中間に分岐管路２６が設けられ、分岐管路２６の他端が加湿器１４と燃料電池１１との中間部に連通されている。分岐管路２６の途中には、電磁開閉弁Ｖ１とエジェクタ２７とが設けられている。

エジェクタ２７の吸入側には、一端が水タンク２１の上部、即ち生成水の貯留部２１ａの上方に連通された管路２８の他端が連結されている。管路２８の途中には電磁三方弁Ｖ２が設けられている。電磁三方弁Ｖ２は、水タンク２１をエジェクタ２７と連通させる状態と、水タンク２１を管路２８の外部と連通させる状態、即ち空気を管路２８から排出させる状態とに切り換えられる。そして、電磁三方弁Ｖ２が水タンク２１をエジェクタ２７と連通させる状態に保持され、エジェクタ２７にコンプレッサ１２の吐出ガスが供給される状態で、水タンク２１内が減圧状態になる。この実施形態ではエジェクタ２７が水タンク２１内の圧力を大気圧より低く減圧する減圧手段を構成する。

前記コンプレッサ１２，１８、ポンプ２４、ウォータポンプ２５、電磁開閉弁Ｖ１、Ｖ４及び電磁三方弁Ｖ２，Ｖ３，Ｖ５，Ｖ６は、制御装置（図示せず）からの指令によって運転あるいは切換え制御されるようになっている。ポンプ２４は制御装置からの指令信号に基づいて駆動、停止及び流量変更が可能になっている。制御装置には、燃料電池１１の温度を検出する温度センサ（図示せず）の検出信号と、貯留部２１ａに貯留されている水量を検出するセンサ（図示せず）の検出信号とが入力される。

次に前記のように構成された装置の作用を説明する。
燃料電池１１は、環境温度が燃料電池１１の発電が可能な予め設定された温度（設定温度）以上の場合に通常運転が行われる。制御装置は環境温度を計測する温度センサ（図示せず）の検出信号に基づいて、環境温度が前記設定温度以上であれば始動時から通常運転を行い、環境温度が設定温度未満の場合には暖機を行った後、通常運転に移行する。

通常運転時には、水素タンクから加湿器１６を介して水素が燃料電池１１のアノード電極側に供給される。コンプレッサ１８は燃料電池１１における未反応の水素を再利用するため、所定の加圧状態に圧縮するように運転される。また、コンプレッサ１２が駆動されて、空気が所定の圧力に加圧されて燃料電池１１のカソード電極側に供給される。水素の供給量及び空気の供給量は、水素及び空気（酸素）がアノード電極又はカソード電極と対応する通路を通過する間に燃料電池１１での化学反応によって消費される量より多い。そして、発電のための化学反応で発生した水（生成水）は、水蒸気の状態で未反応の空気とともに生成水回路２２に排出される。また、未反応の水素は水素循環経路１７を経てコンプレッサ１８へ導かれ、コンプレッサ１８により加圧されて循環再利用される。

また、燃料電池１１の運転時には、ポンプ２４は流量が規定量となるように運転され、ウォータポンプ２５も所定の流量となるように運転される。ここで「規定量」とは、電気自動車が平坦な走行路を定常走行時に走行する際に燃料電池１１を冷却するのに十分な流量を意味する。

固体高分子型燃料電池は、８０℃程度で効率よく発電が行われるが、水素と酸素との化学反応は発熱反応のため、発電を継続すると、反応熱のため燃料電池１１の温度が８０℃程度の適正温度より上昇する。この温度上昇を防止するため、水タンク２１及びラジエータ２３を備えた冷却液回路２０内を冷却液が循環される。

次に冷却液回路２０内を循環する冷却液を冷却する燃料電池冷却システム１９の作用について説明する。
冷却液の冷却は、水タンク２１及びラジエータ２３において行われる。水タンク２１においては、燃料電池１１から空気と共に排出された生成水が貯留部２１ａに溜まる。そして、溜まった生成水が蒸発する際の気化潜熱によって生成水から熱が奪われる結果、生成水が冷却され、生成水に接触している冷却液回路２０の経路２０ａ内の冷却液が冷却される。また、ラジエータ２３においては、外気が図示しないファンによって経路２０ｂに吹き付けられ、冷却液との温度差によって放熱が行われることで、冷却が行われる。

燃料電池１１において、水タンク２１に貯留される生成水の量は、システムの運転状況により変動し、その蒸発潜熱で冷却可能な熱量は、発電で発生する熱量に対して不足する場合があるため、ラジエータ２３は必須となる。そして、平坦な道路での車両の低速走行時のように、燃料電池１１での発電量が少ない場合は、ラジエータ２３による冷却のみでも必要な冷却は可能となる。

次に図２のフローチャートに従って、燃料電池冷却システム１９の作用を詳しく説明する。
先ずステップＳ１で制御装置からの指令により、電磁開閉弁Ｖ１が閉じられ、コンプレッサ１２の吐出空気はエジェクタ２７へは供給されずに加湿器１４のみに供給される。また、電磁三方弁Ｖ２は、水タンク２１を大気と連通させる状態に切り換えられ、電磁三方弁Ｖ３は燃料電池１１から排出される空気及び生成水を水タンク２１へ導く状態に切り換えられる。また、電磁開閉弁Ｖ４が閉じられ冷却液回路２０を循環する冷却液は水タンク２１は通過せずにラジエータ２３のみを通過する状態となる。また、電磁三方弁Ｖ５は、常には水タンク２１をウォータポンプ２５と連通させる状態に保持されているが、水タンク２１内の生成水の量が多くなり過ぎた場合に、生成水を管路２２ａから排出可能な状態に切り換えられ、過剰な生成水が生成水回路２２の外部に排出されるようになっている。

ステップＳ１の状態では、水タンク２１内の減圧は行われず、燃料電池１１から排出された生成水及び空気は、常圧（大気圧）の状態の水タンク２１へ供給され、生成水が貯留部２１ａに溜まり、空気は管路２８及び電磁三方弁Ｖ２を経て外部へ放出される。この状態では、水タンク２１による冷却液の冷却機能はない。しかし、燃料電池１１から排出された生成水が貯留部２１ａに貯留されるとともに、水タンク２１から排出された空気が管路２８及び電磁三方弁Ｖ２を経て外部へ放出されることにより、空気及び生成水によって燃料電池１１から運び出された熱量の一部が廃棄されるため、燃料電池１１の冷却に寄与する。

次にステップＳ２に進み、制御装置は燃料電池１１の温度が規定温度以上か否かを判断し、規定温度以上であればステップＳ３に進み、規定温度未満であればステップＳ４を経てステップＳ１に戻る。ステップＳ４では、制御装置からポンプ２４に流量が規定量となるように駆動させる指令信号が出力され、ポンプ２４は流量が規定量となるように運転される。規定温度未満ということは冷却液回路２０による冷却能力を高める必要が無い状態であることを意味するため、ポンプ２４は流量が規定量となるように運転される。また、水タンク２１を冷却液回路２０の冷却液の冷却に使用しない状態で運転が行われる。

制御装置はステップＳ３で水タンク２１の貯留部２１ａに溜まっている生成水が所定量以上か否かを判断し、所定量以上であればステップＳ５を経てステップＳ６へ進み、所定量未満であればステップＳ７を経てステップＳ６へ進む。ここで「所定量」とは、例えば、水タンク２１内を減圧状態にして貯留部２１ａ内の生成水の蒸発量を多くしても、加湿器１４，１６への生成水の供給に支障を来さない量を意味する。

ステップＳ５では、制御装置からの指令により、電磁開閉弁Ｖ１が開かれ、コンプレッサ１２の吐出空気の一部がエジェクタ２７へ供給される。また、電磁三方弁Ｖ２は、水タンク２１をエジェクタ２７と連通させる状態に切り換えられ、電磁三方弁Ｖ３は燃料電池１１から排出される空気及び生成水を外部（大気）へ放出する状態に切り換えられる。また、電磁開閉弁Ｖ４が開かれ、冷却液回路２０を循環する冷却液の一部が水タンク２１を通過し、一部がラジエータ２３を通過する状態となる。

ステップＳ５では燃料電池１１の温度が規定温度以上である状態に対応する必要があるため、冷却液回路２０の冷却液の冷却効率を高める必要がある。冷却効率を高めるために、冷却液の一部が水タンク２１を通過する状態に切り換えられる。また、水タンク２１内が減圧状態にされて、水タンク２１における冷却水の冷却効率は、水タンク２１内が減圧されない状態より向上する状態に保持される。貯留部２１ａ内に生成水があまりない状態で減圧状態にすると、加湿器１４，１６に送る生成水が不足する状態となり、燃料電池１１の運転に支障を来す。しかし、ステップＳ５は、水タンク水量、即ち貯留部２１ａ内の水量が所定量以上で実行されるため、水タンク２１内が減圧状態に保持されても支障はない。水タンク２１内の圧力が低いほど、即ち減圧圧力が大きいほど気化潜熱が大きくなって、冷却効果が高くなる。

ステップＳ６では、制御装置からの指令信号に基づいて、ポンプ２４は流量が規定量より多くなる状態で運転される。なぜならば、燃料電池１１の温度が規定温度以上のため、冷却液回路２０における冷却液の循環速度を高めて冷却効率を高める必要があるからである。制御装置は、ステップＳ６でポンプ２４の流量を高める指令を行った後、ステップＳ２に戻る。

ステップＳ７では、冷却液回路２０の冷却液の冷却が水タンク２１でも行われるが、貯留部２１ａ内の生成水の量が規定量未満のため、水タンク２１内は減圧状態とされない。即ち、制御装置からの指令により、電磁開閉弁Ｖ１は閉じた状態に保持され、コンプレッサ１２の吐出空気は加湿器１４のみに供給される。また、電磁三方弁Ｖ２は、水タンク２１を大気と連通させる状態に保持され、電磁三方弁Ｖ３は燃料電池１１から排出される空気及び生成水を水タンク２１へ供給する状態に切り換えられる。また、電磁開閉弁Ｖ４が開かれ、冷却液回路２０を循環する冷却液の一部が水タンク２１を通過し、一部がラジエータ２３を通過する状態となる。

ステップＳ７の状態では、貯留部２１ａ内の生成水の量が所定量より少なく、水タンク２１内を減圧状態として生成水の蒸発量を高めると支障が生じるため、減圧は行われない。しかし、燃料電池１１から排出された空気及び生成水が水タンク２１に供給され、生成水が貯留部２１ａに溜まる。また、空気及び水タンク２１で蒸発した水蒸気は管路２８及び電磁三方弁Ｖ２を経て外部（大気）に放出されるため、水タンク２１に冷却液回路２０の冷却液を流さない場合に比較して、冷却液の冷却効率は高くなる。

この実施の形態では以下の効果を有する。
（１） 燃料電池冷却システム１９は、燃料電池１１を冷却するための冷却液が循環する冷却液回路２０と、燃料電池１１で生成される生成水を水タンク２１に貯留させ、貯留された水の一部を加湿器１４，１６を介して燃料電池１１に再び供給する生成水回路２２とを備えている。冷却液回路２０には冷却液の熱を外部に放熱させるラジエータ２３が設けられ、水タンク２１内の生成水の気化潜熱を利用して冷却液回路２０内の冷却液を冷却可能にするため、冷却液回路２０の一部が水タンク２１内を通過するように構成されている。そして、水タンク２１内の圧力を大気圧より低く減圧する減圧手段を備えている。従って、水タンク２１内を減圧状態にすることにより、水タンク２１内に貯留された生成水が蒸発する際に奪う気化潜熱の量が大気圧の場合に比較して多くなり、水タンク２１内の温度低下量が大きくなって、冷却液回路２０内の冷却液を効率よく冷却できる。また、生成水は８０℃付近の温度のため、生成水を不凍液とする必要がなく、水タンク２１内の同じ圧力及び温度において気化潜熱が不凍液に比較して大きくなり、冷却効率が向上する。その結果、冷却液回路２０に設けられて冷却液の熱を外部に放熱させるラジエータ２３の小型化が可能になる。

（２） 前記減圧手段として、燃料電池１１に圧縮空気を供給するためのコンプレッサ１２を利用する構成が採用されている。従って、減圧手段を新たに設ける構成に比較して、構成が簡単になる。

（３） コンプレッサ１２を減圧手段として利用する構成として、圧縮空気の一部をエジェクタ２７を介して燃料電池１１に供給し、エジェクタ２７の吸引側を水タンク２１に連通させる構成が採用されている。従って、少ない追加の部品点数で減圧手段を構成できる。

（４） 生成水の一部を生成水回路２２の外部に放出する際、生成水と共に熱を放出する。従って、ラジエータ２３で冷却すべき負荷がより少なくなる。
（５） 常に水タンク２１内を減圧状態として、貯留部２１ａの生成水の蒸発量を多くするのではなく、所定の条件を満たした時（この実施形態では、燃料電池１１の温度が規定温度以上で、水タンク２１の水量が所定量以上の時）に水タンク２１内を減圧状態とする。従って、燃料電池１１の運転に支障を来さずに冷却液を効率良く冷却することができる。

（６） 冷却液回路２０に、水タンク２１を通る経路２０ａと、ラジエータ２３を通る経路２０ｂとが並列に設けられ、経路２０ａの水タンク２１より上流側に電磁開閉弁Ｖ４が設けられ、冷却液回路２０の冷却液を経路２０ａへ循環させる状態と、循環させない状態とに切り換え可能に構成されている。従って、水タンク２１内の生成水の量が少ない時に、経路２０ａへの冷却水の循環を停止させた状態で、燃料電池１１から生成水回路２２に排出された空気及び生成水を水タンク２１へ供給することにより、生成水を貯留部２１ａに貯め易くなる。その結果、水タンク２１内を減圧状態にして運転できる態勢を確保し易くなる。

（７） 高負荷時（燃料電池１１の温度が規定温度以上の時）で水タンク２１内を減圧状態にする際は、燃料電池１１から排出された空気及び生成水が水タンク２１へ供給されずに大気に放出される状態に保持される。従って、水タンク２１内を減圧にする影響が燃料電池１１へ波及せず、また、燃料電池１１で発生した熱の一部は空気及び生成水と共に大気に排出されるため、燃料電池１１の冷却効率に寄与する。

（８） 貯留部２１ａに溜まった過剰の生成水は、水タンク２１内が減圧されていない状態で電磁三方弁Ｖ５から排出されるため、燃料電池１１の運転中に支障なく排出される。

（第２の実施の形態）
次に第２の実施の形態を図３及び図４に従って説明する。この実施形態では、水タンク２１内を大気圧より減圧にする減圧手段として、コンプレッサ１２を利用せずに、専用の減圧ポンプ（真空ポンプ）を設けた点と、エジェクタ２７を設けない点とが前記第１の実施形態と異なっている。第１の実施形態と同様な部分は同一符号を付して詳しい説明を省略する。

図３に示すように、一端が水タンク２１の上部に連通された管路２８は、他端が真空ポンプ３０に連結されている。管路２８の途中には電磁三方弁Ｖ２が設けられている。電磁三方弁Ｖ２は、水タンク２１を真空ポンプ３０と連通させる状態と、水タンク２１を管路２８の外部と連通させる状態、即ち空気を管路２８から排出させる状態とに切り換えられる。そして、電磁三方弁Ｖ２が水タンク２１を真空ポンプ３０と連通させる状態で、水タンク２１内が減圧状態になる。この実施形態では真空ポンプ３０が水タンク２１内の圧力を大気圧より低く減圧する減圧手段を構成する。

次に図４のフローチャートに従って、燃料電池冷却システム１９の作用を説明する。
先ずステップＳ１１で制御装置からの指令により、電磁三方弁Ｖ２は、水タンク２１を大気と連通させる状態に切り換えられ、電磁三方弁Ｖ３は燃料電池１１から排出される空気及び生成水を水タンク２１へ導く状態に切り換えられる。また、電磁開閉弁Ｖ４が閉じられ冷却液回路２０を循環する冷却液は、水タンク２１は通過せずにラジエータ２３のみを通過する状態となる。また、電磁三方弁Ｖ５は、常には水タンク２１をウォータポンプ２５と連通させる状態に保持されているが、水タンク２１内の生成水の量が多くなり過ぎた場合に、生成水を管路２２ａから排出可能な状態に切り換えられ、過剰な生成水が生成水回路２２の外部に排出される。なお、真空ポンプ３０は停止されている。ステップＳ１１の状態では、水タンク２１内の減圧は行われず、燃料電池冷却システム１９の作用は、第１の実施形態のステップＳ１の状態と同じである。

次にステップＳ１２に進み、制御装置は燃料電池１１の温度が規定温度以上か否かを判断し、規定温度以上であればステップＳ１３に進み、規定温度未満であればステップＳ１４及びステップＳ１５を経てステップＳ１１に戻る。ステップＳ１４では真空ポンプ３０に停止指令が出力され、ステップＳ１５ではポンプ２４に流量が規定量となるように指令信号が出力される。

制御装置はステップＳ１３で水タンク２１の貯留部２１ａに溜まっている生成水が所定量以上か否かを判断し、所定量以上であればステップＳ１６を経てステップＳ１７、ステップＳ１８へと進み、所定量未満であればステップＳ１９を経てステップＳ１８へ進む。

ステップＳ１６では、制御装置からの指令により、電磁三方弁Ｖ２は、水タンク２１を真空ポンプ３０と連通させる状態に切り換えられ、電磁三方弁Ｖ３は燃料電池１１から排出される空気及び生成水を外部（大気）へ放出する状態に切り換えられる。また、電磁開閉弁Ｖ４が開かれ、冷却液回路２０を循環する冷却液の一部が水タンク２１を通過し、一部がラジエータ２３を通過する状態となる。

ステップＳ１６では燃料電池１１の温度が規定温度以上である状態に対応する必要があるため、冷却液回路２０の冷却液の冷却効率を高める必要がある。冷却効率を高めるために、冷却液の一部が水タンク２１を通過する状態に切り換えられる。また、水タンク２１内を減圧状態にして、水タンク２１における冷却水の冷却効率が、減圧しない状態より向上する状態にするための準備作業が行われる。そして、ステップＳ１７で真空ポンプ３０が駆動されると、水タンク２１内が減圧状態になる。貯留部２１ａ内に生成水があまりない状態で減圧状態にすると、加湿器１４，１６に送る生成水が不足する状態となり、燃料電池１１の運転に支障を来す。しかし、ステップＳ１６，Ｓ１７は、水タンク水量、即ち貯留部２１ａ内の水量が所定量以上で実行されるため、水タンク２１内が減圧状態に保持されても支障はない。

ステップＳ１８では、制御装置からの指令信号に基づいて、ポンプ２４は流量が規定量より多くなる状態で運転される。なぜならば、燃料電池１１の温度が規定温度以上のため、冷却液回路２０における冷却液の循環速度を高めて冷却効率を高める必要があるからである。制御装置は、ステップＳ１８でポンプ２４の流量を高める指令を行った後、ステップＳ１２に戻る。

ステップＳ１９では、冷却液回路２０の冷却液の冷却を水タンク２１でも行うが、貯留部２１ａ内の生成水の量が規定量未満のため、水タンク２１内が減圧状態にされると不具合が生じるため、減圧状態とせずに冷却液回路２０の冷却水を冷却する準備が行われる。電磁三方弁Ｖ２は、水タンク２１を大気と連通させる状態に保持され、電磁三方弁Ｖ３は燃料電池１１から排出される空気及び生成水を水タンク２１へ供給する状態に保持される。また、電磁開閉弁Ｖ４が開かれ、冷却液回路２０を循環する冷却液の一部が水タンク２１を通過し、一部がラジエータ２３を通過する状態となる。

ステップＳ１９の状態では、減圧は行われない。しかし、燃料電池１１から排出された空気及び生成水が水タンク２１に供給され、生成水が貯留部２１ａに溜まる。また、空気及び水タンク２１で蒸発した水蒸気は管路２８及び電磁三方弁Ｖ２を経て外部（大気）に放出されるため、水タンク２１に冷却液回路２０の冷却液を流さない場合に比較して、冷却液の冷却効率は高くなる。

この実施形態では、第１の実施形態の（１），（４）〜（８）と同様な効果を有する他に次の効果を有する。
（９） 前記減圧手段として、減圧用のポンプ（真空ポンプ３０）を備えた。従って、減圧用のポンプにより水タンク２１内が減圧にされるため、水タンク２１内を所望の減圧状態に容易に保持することができる。生成水の蒸発による気化潜熱をより有効に利用することができる。

（１０） コンプレッサ１２及びエジェクタ２７で減圧手段を構成する場合に比較して、管路が単純になる。
（第３の実施形態）
次に第３の実施形態を図５及び図６に従って説明する。この実施形態では、水タンク２１内を大気圧より減圧にする減圧手段として、コンプレッサ１２を利用する点は第１の実施形態と同じであるが、エジェクタ２７を使用しない点が前記第１の実施形態と異なっている。第１の実施形態と同様な部分は同一符号を付して詳しい説明を省略する。

図５に示すように、コンプレッサ１２の吸入口側に連結された管路３１には流量調整弁３２が設けられている。一端が水タンク２１の上部に連通された管路２８は、他端が管路３１に対してコンプレッサ１２と流量調整弁３２との間において連結されている。この構成では、電磁三方弁Ｖ２が水タンク２１を管路３１と連通する状態に切り換えられた状態で、コンプレッサ１２の吸入作用（吸引作用）が管路２８を介して水タンク２１に及ぶ。水タンク２１に対するコンプレッサ１２の吸入作用は流量調整弁３２を通過する空気の流量の影響を大きく受ける。そして、コンプレッサ１２の運転容量が同じであれば、流量調整弁３２の開度が大きくなるほど、水タンク２１に及ぶコンプレッサ１２の吸入作用が小さくなる。この実施形態ではコンプレッサ１２及び流量調整弁３２が水タンク２１内の圧力を大気圧より低く減圧する減圧手段を構成する。

次に図６のフローチャートに従って、燃料電池冷却システム１９の作用を説明する。
先ずステップＳ２１で制御装置からの指令により、電磁三方弁Ｖ２は、水タンク２１を大気と連通させる状態に切り換えられ、電磁三方弁Ｖ３は燃料電池１１から排出される空気及び生成水を水タンク２１へ導く状態に切り換えられる。また、電磁開閉弁Ｖ４が閉じられ冷却液回路２０を循環する冷却液は水タンク２１は通過せずにラジエータ２３のみを通過する状態となる。また、電磁三方弁Ｖ５は、常には水タンク２１をウォータポンプ２５と連通させる状態に保持されているが、水タンク２１内の生成水の量が多くなり過ぎた場合に、生成水を管路２２ａから排出可能な状態に切り換えられ、過剰な生成水が生成水回路２２の外部に排出される。ステップＳ２１の状態では、水タンク２１内の減圧は行われず、燃料電池冷却システム１９の作用は、第１の実施形態のステップＳ１の状態と同じである。

次にステップＳ２２に進み、制御装置は燃料電池１１の温度が規定温度以上か否かを判断し、規定温度以上であればステップＳ２３に進み、規定温度未満であればステップステップＳ２４及びステップステップＳ２５を経てステップＳ２１に戻る。ステップＳ２４では流量調整弁３２に空気流量を規定量に調整する指令が出力され、ステップＳ２５ではポンプ２４に流量が規定量となるように指令信号が出力される。空気流量の規定量とは、燃料電池１１へ送るべき空気をコンプレッサ１２から供給できる流量を意味する。

制御装置はステップＳ２３で水タンク２１の貯留部２１ａに溜まっている生成水が所定量以上か否かを判断し、所定量以上であればステップＳ２６を経てステップＳ２７、ステップＳ２８へと進み、所定量未満であればステップＳ２９を経てステップＳ２８へ進む。

ステップＳ２６では、制御装置からの指令により、電磁三方弁Ｖ２は、水タンク２１を管路３１と連通させる状態に切り換えられ、電磁三方弁Ｖ３は燃料電池１１から排出される空気及び生成水を外部（大気）へ放出する状態に切り換えられる。また、電磁開閉弁Ｖ４が開かれ、冷却液回路２０を循環する冷却液の一部が水タンク２１を通過し、一部がラジエータ２３を通過する状態となる。

ステップＳ２６では燃料電池１１の温度が規定温度以上である状態に対応する必要があるため、冷却液回路２０の冷却液の冷却効率を高める必要がある。冷却効率を高めるために、冷却液の一部が水タンク２１を通過する状態に切り換えられる。また、水タンク２１内を減圧状態にして、水タンク２１における冷却水の冷却効率が、水タンク２１内を減圧しない状態より向上する状態にするための準備作業が行われる。そして、ステップＳ２７で流量調整弁３２の開度が、ステップＳ２４における規定量に対応する開度より絞られる。その結果、水タンク２１内にコンプレッサ１２の吸引作用が及び、水タンク２１内が減圧状態になる。貯留部２１ａ内に生成水があまりない状態で減圧状態にすると、加湿器１４，１６に送る生成水が不足する状態となり、燃料電池１１の運転に支障を来す。しかし、ステップＳ２６，Ｓ２７は、水タンク水量、即ち貯留部２１ａ内の水量が所定量以上で実行されるため、水タンク２１内が減圧状態に保持されても支障はない。

ステップＳ２８では、制御装置からの指令信号に基づいて、ポンプ２４は流量が規定量より多くなる状態で運転される。なぜならば、燃料電池１１の温度が規定温度以上のため、冷却液回路２０における冷却液の循環速度を高めて冷却効率を高める必要があるからである。制御装置は、ステップＳ２８でポンプ２４の流量を高める指令を行った後、ステップＳ２２に戻る。

ステップＳ２９では、冷却液回路２０の冷却液の冷却を水タンク２１でも行うが、貯留部２１ａ内の生成水の量が所定量未満のため、水タンク２１内が減圧状態にされると不具合が生じるため、減圧状態とせずに冷却液回路２０の冷却水を冷却する準備が行われる。電磁三方弁Ｖ２は、水タンク２１を大気と連通させる状態に保持され、電磁三方弁Ｖ３は燃料電池１１から排出される空気及び生成水を水タンク２１へ供給する状態に保持される。また、電磁開閉弁Ｖ４が開かれ、冷却液回路２０を循環する冷却液の一部が水タンク２１を通過し、一部がラジエータ２３を通過する状態となる。

ステップＳ２９の状態では、減圧は行われない。しかし、燃料電池１１から排出された空気及び生成水が水タンク２１に供給され、生成水が貯留部２１ａに溜まる。また、空気及び水タンク２１で蒸発した水蒸気は管路２８及び電磁三方弁Ｖ２を経て外部（大気）に放出されるため、水タンク２１に冷却液回路２０の冷却液を流さない場合に比較して、冷却液の冷却効率は高くなる。

この実施形態では、第１の実施形態の（１），（２），（４）〜（８）と同様な効果を有する他に次の効果を有する。
（１１） エジェクタ２７を使用する場合に比較して、電磁開閉弁Ｖ１が不要な分、部品点数が少なくなるとともに、管路も簡単になる。

実施の形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 冷却液回路２０において、水タンク２１と対応する箇所を流れる経路２０ａと、ラジエータ２３と対応する箇所を流れる経路２０ｂとを並列に設けたが、図７に示すように、冷却液回路２０の水タンク２１と対応する箇所と、ラジエータ２３と対応する箇所とを直列に構成してもよい。水タンク２１とラジエータ２３との配置は逆であってもよい。この場合、電磁開閉弁Ｖ４が不要になり、制御が簡単になる。

○ 燃料電池冷却システム１９を高負荷時に水タンク２１内を減圧状態に切り換え、低負荷時（高負荷時でない状態）に水タンク２１と対応する経路２０ａに流さないように制御する方法は、燃料電池１１の温度に基づいて行う方法に限らない。例えば、自動車の走行を制御する主制御装置から、燃料電池冷却システム１９を制御する制御装置に高負荷運転時か低負荷運転時かを報知する報知信号を出力するように構成し、該制御装置がその指令により、高負荷時か低負荷時かの判断を行うようにしてもよい。例えば、登坂時や高速走行時に高負荷の報知信号が出力される。制御装置は、コンプレッサ１２、ポンプ２４、電磁開閉弁Ｖ１、Ｖ４及び電磁三方弁Ｖ２，Ｖ３，Ｖ５に、低負荷時にはステップＳ１，Ｓ１１，Ｓ２１に対応する指令信号を出力し、高負荷時にはステップＳ５以降、ステップＳ１６以降あるいはステップＳ２６以降に対応する指令信号を出力する。

〇 電磁三方弁Ｖ５を設けずに、水タンク２１内の生成水の量が過剰になった時には、電磁三方弁Ｖ３を燃料電池１１から排出される空気及び生成水を外部（大気）へ放出する状態に切り換える構成としてもよい。この場合、電磁三方弁Ｖ５が不要となり、部品点数が減る。

〇 電磁開閉弁Ｖ４をなくしてもよい。この場合、水タンク２１と対応する箇所を流れる経路２０ａにも常に冷却液が流れる状態となる。
〇 燃料電池１１の酸素供給ポートにコンプレッサ１２で圧縮空気を供給する構成に代えて、酸素タンクから所定圧力に調整された酸素を供給するようにしてもよい。

○ 水タンク２１内の経路２０ａの熱交換性能を向上させるために、フィンを取り付けてもよい。また、フィンを液面より出るように配置してもよい。燃料電池１１から流入してくる液滴状の生成水の気化潜熱を冷却に利用できる。

以下の技術的思想（発明）は前記実施の形態から把握できる。
（１） 請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の発明において、前記生成水回路の燃料電池と水タンクの入口との間に三方弁を設け、前記減圧手段で前記水タンク内を減圧状態にするときには、燃料電池から排出される生成水及び空気を水タンクに導入せずに大気に放出する。

（２） 請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の発明において、前記冷却液回路には、冷却液が前記水タンク内を通過する経路と、前記ラジエータを通過する経路とが並列状態で設けられている。

（３） 前記技術的思想（２）に記載の発明において、前記水タンク内を通過する経路には水タンクより上流側に開閉弁が設けられ、前記開閉弁は前記水タンク内が減圧状態のときに開放される。

第１の実施形態の燃料電池冷却システムの概略構成図。 冷却作用を説明するフローチャート。 第２の実施形態の燃料電池冷却システムの概略構成図。 冷却作用を説明するフローチャート。 第３の実施形態の燃料電池冷却システムの概略構成図。 冷却作用を説明するフローチャート。 別の実施形態の燃料電池冷却システムの部分構成図。 従来技術の燃料電池冷却システムの概略構成図。

符号の説明

１１…燃料電池、１２，１８…コンプレッサ、１４，１６…加湿器、２０…冷却液回路、２１…水タンク、２２…生成水回路、２３…ラジエータ、２７…減圧手段を構成するエジェクタ、３０…減圧用ポンプとしての真空ポンプ。

Claims (4)

1. 燃料電池を冷却するための冷却液が循環する冷却液回路と、
   前記冷却液回路に設けられて冷却液の熱を外部に放熱させるラジエータと、
   前記燃料電池で生成される生成水を水タンクに貯留させ、貯留された水の一部を加湿器を介して燃料電池に再び供給する生成水回路と、
   前記水タンク内の圧力を大気圧より低く減圧する減圧手段とを備え、
   前記水タンク内の生成水の気化潜熱を利用して前記冷却液回路内の冷却液を冷却可能に、前記冷却液回路の一部が前記水タンク内を通過するようにした燃料電池の冷却システム。
2. 前記生成水の一部を前記生成水回路の外部に放出する際、生成水と共に熱を放出する請求項１に記載の燃料電池の冷却システム。
3. 前記減圧手段として、燃料電池に圧縮空気を供給するためのコンプレッサを利用する請求項１又は請求項２に記載の燃料電池の冷却システム。
4. 前記減圧手段として、減圧用ポンプを備えた請求項１又は請求項２に記載の燃料電池の冷却システム。

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