JP2006196387A - 燃料電池の冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】加熱制御の信頼性を向上する燃料電池の冷却システムを提供する。
【解決手段】熱交換器２５を介さずに燃料電池５に媒体を循環させるバイパス流路１７と、媒体の温度を感知して、バイパス流路１７を介して燃料電池５を循環する媒体の流れと、熱交換器２５を介して燃料電池５を循環する媒体の流れとを、選択的に切り替える流路切替手段３０とを備え、バイパス流路内の媒体の流れに対して上流側から順に、流路上を流れる媒体を加熱する加熱手段３５と、流路切替手段３０の流路の切り替えの温度よりも高い設定温度で動作する感温アクチュエータを備えて、感温アクチュエータの動作によりバイパス流路内の媒体の温度が設定温度以上の時に開弁する感温操作弁４０とを配置し、感温操作弁４０の開弁により、加熱手段により加熱されたバイパス流路上の媒体を、バイパス流路外に導く副バイパス流路１９を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、車載用の燃料電池の冷却システムに関する。

近年、車両の駆動源として、燃料電池が注目されている。こうした車載用の燃料電池は、空気等の酸素含有ガスと水素等の燃料ガスとの電気化学反応を利用して発電する。この電気化学反応は、電解質膜の作用により行なわれ、その反応は発熱反応である。電解質膜は所定の温度範囲で良好に作用するため、車載用の燃料電池には、冷却システムが併設されている。冷却システムは、発熱反応により温度上昇した燃料電池を冷却するだけではなく、始動直後などの低温時に燃料電池を加熱するのにも用いられる。例えば、下記特許文献１，２には、熱交換器やヒータを備えた冷却システムが開示されている。

特開２００３−３３１８８６号公報 特開２００４−１６８１０１号公報

こうした従来の冷却システムは、図８に示すように、燃料電池Ａを中心に、主として熱媒体が循環して流れる流路である流路αと、バイパス流路βとを備えている。流路αは、ポンプＢや、熱交換器Ｃ等を備えて燃料電池Ａを冷却する流路であり、バイパス流路βは、熱交換器Ｃを経由せずに流路αへ熱媒体を戻して燃料電池Ａの冷やし過ぎを防止する流路である。流路αとバイパス流路βとの接続部分には、機械式の三方弁Ｄを備えており、燃料電池を循環する熱媒体の温度に基づき流れを切り替えている。バイパス流路βは、熱媒体を加熱するヒータＥを備えている場合がある。これは、ヒータＥにより加熱した熱媒体を供給して、速やかに低温の燃料電池Ａの温度を上昇するためである。例えば、始動時などの低温時には、熱媒体をバイパス流路βに流してヒータＥにより加熱し、これを燃料電池Ａに供給する。供給された熱媒体により燃料電池が所定温度に至ると、三方弁Ｄが作用し、流れをバイパス流路βを通過する流れから熱交換器Ｃを通過する流れに切替える。その後、燃料電池Ａの発熱反応により温度上昇した熱媒体は、熱交換器Ｃにより冷却されて流路αを循環する。こうしたヒータＥ等は、通常、制御ユニットなどにより制御されており、冷却システムは良好に作動する。

しかしながら、かかる冷却システムでは、ヒータＥの制御異常時などにおける対応が困難であった。例えば、ヒータＥによる加熱の停止制御に異常が発生した場合、バイパス流路βを通過する流れから熱交換器Ｃを通過する流れに切り替わっても、なお、ヒータＥによる加熱が続くこととなる。この場合、バイパス流路β内の熱媒体は、三方弁Ｄの閉弁により、バイパス流路β内に停滞したままで過熱状態となり、沸騰に至り、あるいは、ヒータＥの機能が低下することとなる。

本発明は、こうした問題を踏まえて、ヒータ制御、つまり加熱制御の信頼性を向上する冷却システムを提供することを目的とする。

本発明の燃料電池の冷却システムは、上記課題を鑑み、以下の手法を採った。すなわち、所定媒体が循環する主流路上に熱交換器を配し、冷却した該媒体により燃料電池を冷却する燃料電池の冷却システムであって、前記熱交換器を介さずに、前記燃料電池に前記媒体を循環させるバイパス流路と、前記媒体の温度を感知して、前記バイパス流路を介して前記燃料電池を循環する該媒体の流れと、前記熱交換器を介して該燃料電池を循環する該媒体の流れとを、選択的に切り替える流路切替手段とを備え、前記バイパス流路の当該バイパス流路内の前記媒体の流れに対して上流側から順に、流路上を流れる前記媒体を加熱する加熱手段と、前記流路切替手段の流路の切り替えの温度よりも高い設定温度で動作する感温アクチュエータを備えて、該感温アクチュエータの動作により前記バイパス流路内の前記媒体の温度が前記設定温度以上の時に開弁する感温操作弁とを配置し、前記感温操作弁の開弁により、前記加熱手段により加熱された前記バイパス流路上の前記媒体を、該バイパス流路外に導く副バイパス流路を備えたことを要旨としている。

本発明の燃料電池の冷却システムによれば、媒体を、冷却時には熱交換器側の流路へ、加熱時には加熱手段側のバイパス流路へ、それぞれ流し、加熱時にバイパス流路内の媒体が設定温度を越えると、感温操作弁の開弁により加熱した媒体を副バイパス流路に媒体を流す。すなわち、バイパス流路上の媒体が加熱手段により過加熱状態となっても、感温操作弁の作用によりバイパス流路上の媒体をバイパス流路外に排出することができる。換言すると、過加熱状態の媒体をバイパス流路内に留め置くことはない。したがって、バイパス流路上の機器等に熱による悪影響を与えることがなく、加熱制御を含む加熱手段等の信頼性を向上し、冷却システム全体の信頼性を向上することができる。

上記の構成を有する燃料電池の冷却システムの副バイパス流路は、前記感温操作弁の一端と前記主流路とを接続して、前記媒体を該主流路に導く流路であるものとしても良い。

かかる冷却システムによれば、バイパス流路上で過加熱状態とされた媒体は、副バイパス流路を介して、主流路へ流れ込む。つまり、バイパス流路内の媒体も流れを持つため、加熱手段から受ける熱量は媒体が留め置かれる場合に比べて同等あるいは増加するものの、媒体の温度上昇は低減し、更なる過加熱状態を回避することができる。

上記の構成を有する燃料電池の冷却システムは、前記媒体を循環する動力として循環ポンプを前記主流路上に備え、前記副バイパス流路の前記主流路との接続位置を、前記循環ポンプの吸い込み側とするものとしても良い。

かかる冷却システムによれば、副バイパス流路の一端を循環ポンプの吸い込み側に接続する。感温操作弁により流れが切り替わる際には、循環ポンプの吸い込み力によって、バイパス流路上の媒体は副バイパス流路を介して勢い良く吸い出される。したがって、効率良くバイパス流路上の媒体を取り出すことができる。また、主流路に接続する比較的簡単な構成であるため、システム全体を大きく変更する必要がない。

上記の構成を有する燃料電池の冷却システムは、前記媒体を循環する動力として循環ポンプを前記主流路上に有し、更に、前記循環ポンプに前記媒体を供給する供給部を備え、前記副バイパス流路は、前記感温操作弁の一端と前記供給部とを接続して、前記媒体を該供給部に導く流路であるものとしても良い。

かかる冷却システムによれば、バイパス流路から副バイパス流路を流れる過加熱状態の媒体は、供給部へ排出される。つまり、過加熱状態の媒体は、一端、供給部へ戻された後に、再度、循環ポンプによって主流路上を循環する。したがって、過加熱状態の媒体を、直接、主流路に流す場合に比べ、燃料電池に流れ込む媒体の温度管理を容易なものとすることができる。

上記の構成を有する燃料電池の冷却システムは、更に、前記加熱手段を通過する媒体の一部が常時流れる感温用流路を設け、前記感温操作弁は、前記感温用流路上に前記感温アクチュエータを配置する構造であるものとしても良い。

かかる冷却システムによれば、感温用流路上に配置した感温操作弁の感温アクチュエータは、常に、加熱手段を通過した媒体温度を感知することができる。したがって、感温操作弁は、加熱手段近傍の媒体温度を応答性良く感知し、適切に流れを切り替えることができる。

本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．システム構成：
Ｂ．サーモスタットバルブの構造：
Ｃ．変形例：

Ａ．システム構成：
図１は、本発明の実施例としての車載用燃料電池における冷却システムを示す概略構成図である。図示する燃料電池５は、エア供給部６からの空気と、燃料供給部７からの水素ガスとの供給を受けて、電気化学反応により発電する。発電した電力は、出力部８に取り出され、車両の駆動源として利用されている。本実施例における燃料電池５は、水素極と酸素極と電解質膜とを備えた単セルを複数枚積層したスタック構造からなり、電解質膜として固体高分子膜を利用している。かかる構造の燃料電池５には、発電に適した作動温度域が存在する。

こうした燃料電池５の作動温度を適切に保つため備えられた冷却システム１０は、図示するように、主に、メイン流路１５，バイパス流路１７，サブバイパス流路１９の３つの流路から構成されている。

メイン流路１５は、主として冷却水などの熱媒体が流れる流路であり、流路上に燃料電池５が配置されている。このメイン流路１５は、流路上の熱媒体を循環させて燃料電池５内を通過させる循環ポンプ２０，燃料電池５に流入して熱を奪った熱媒体を冷却する熱交換器（ラジエータ）２５などを備えており、燃料電池５を冷却している。循環ポンプ２０から吐出した熱媒体は、燃料電池５の内部、熱交換器２５を経て、再び循環ポンプ２０に流入する。なお、熱交換器２５にはファン２６が併設されており、熱交換器２５は所定条件のもと、ファン２６により冷却されている。

熱媒体が、熱交換器２５から循環ポンプ２０に流れる過程には、流路の方向切り替え弁である三方弁３０が配置されている。三方弁３０は、図示するように３つの内部流路ａ，ｂ，ｃを備え、所定温度条件のもと、内部流路ａと内部流路ｂとを接続し、あるいは、内部流路ｂと内部流路ｃを接続する。つまり、内部流路ａと内部流路ｃとを選択的に切り替えている。三方弁３０は、内部に熱媒体の温度を感知する部分が形成されており、内部流路ａや内部流路ｃに到達する熱媒体の温度によって自動的（機械的）に内部流路を切り替えている。なお、三方弁３０の内部流路の切り替え温度（設定温度）は、ヒータ３５によって加熱する熱媒体の設定温度よりも高めに設定されている。

熱交換器２５を経由した熱媒体は、こうした構造の三方弁３０の内部流路ａから内部流路ｂへ流れて、循環ポンプ２０へ流入する。なお、三方弁３０の内部流路ｃは、バイパス流路１７の一端と接続している。

バイパス流路１７は、燃料電池５の過冷却を防止するため、熱媒体が熱交換器２５へ流れ込むのを回避する流路、すなわち、熱交換器２５を通過することなく熱媒体を循環させる流路である。バイパス流路１７の一端は、上述の三方弁３０と接続し、他端は、燃料電池５と熱交換器２５との間のメイン流路１５と接続している。このバイパス流路１７は、熱媒体の流れの上流から順に、バイパス流路１７に流れ込んだ熱媒体を加熱するヒータ３５，過熱状態の熱媒体をバイパス流路１７から逃がすサーモスタットバルブ４０などを備えている。

ヒータ３５は、ニクロム線を備えた電気式の加熱器であり、所定の運転タイミングで通電のＯＮ／ＯＦＦ制御が行なわれる。こうした制御は、燃料電池５を含むシステム全体を制御する制御ユニット１００により実行されている。具体的には、燃料電池５内部を通過した熱媒体の温度を検出する温度センサ５０を、燃料電池５の熱媒体の出口付近に設け、温度センサ５０の検出値を制御ユニット１００に出力する。制御ユニット１００は、入力した検出値に基づいて、ヒータ３５への通電制御を行なっている。こうした温度センサ５０は、三方弁３０の内部流路ｂ付近に設けるものとしても良い。なお、加熱器としては、電気式に限らず、燃焼式のヒータであっても良い。

サーモスタットバルブ４０は、図示するように３つの内部流路ｄ，ｅ，ｆを備え、所定温度条件のもと、内部流路ｄと内部流路ｅとを接続し、あるいは、内部流路ｄと内部流路ｆを接続する。サーモスタットバルブ４０は、内部に入力した熱媒体の温度を感知する部分を備えており、熱媒体の温度によって自動的に流路を切り替えている。なお、本実施例のサーモスタットバルブ４０の構造は、後に詳しく説明する。

循環ポンプ２０から吐出した熱媒体は、メイン流路１５を流れて燃料電池５の内部を通過し、熱交換器２５へ流れると共に、バイパス流路１７に流入する。バイパス流路１７に流入した熱媒体は、ヒータ３５を経て、サーモスタットバルブ４０の内部流路ｄから内部流路ｅへ流れ、三方弁３０の内部流路ｃに到達する。三方弁３０の内部流路ｃと内部流路ｂとが接続されている場合には、三方弁３０を経て、メイン流路１５を流れ、再度循環ポンプ２０に流入する。

こうして三方弁３０の流路の切り替えにより、熱媒体を熱交換器２５、または、ヒータ３５に流すことができる。なお、以下の説明では、バイパス流路１７を基準に、三方弁３０の内部流路ｃと内部流路ｂとが接続されている状態を「開弁」と、内部流路ａと内部流路ｂとが接続されている状態を「閉弁」と、それぞれ呼ぶこととする。

サブバイパス流路１９は、サーモスタットバルブ４０と協働して、過熱状態の熱媒体をバイパス流路１７から逃がす流路である。サブバイパス流路１９の一端は、サーモスタットバルブ４０の内部流路ｆと接続し、他端は、三方弁３０と循環ポンプ２０との間のメイン流路１５と接続している。つまり、熱媒体がバイパス流路１７内でヒータ３５により過熱状態となった場合に、その熱媒体を、サーモスタットバルブ４０を介して、メイン流路１５へ逃がす流路である。

例えば、燃料電池５の温度が低温の場合には、熱媒体の温度も低いため三方弁３０が開弁状態となり、熱媒体は熱交換器２５を通過せずにバイパス流路１７を流れる。熱媒体は、バイパス流路１７内を通過する過程で、ヒータ３５により加熱される。加熱された熱媒体は、三方弁３０から燃料電池５を流れて循環する。この結果、燃料電池５の温度は上昇し、所定温度に到達する。こうして熱媒体の温度が上昇すると、三方弁３０は、これを感知して閉弁状態となり、熱媒体は熱交換器２５側を循環するようになる。

こうした三方弁３０の閉弁状態の場合には、バイパス流路１７内の熱媒体は滞留する。ここでヒータ３５による加熱が継続した場合には、滞留した熱媒体は更に加熱され、過加熱（過熱）状態となる。ここで、サーモスタットバルブ４０は、バイパス流路１７内の熱媒体の温度に応じて、流路を内部流路ｄから内部流路ｆに切り替える。こうしてサーモスタットバルブ４０の内部流路が切り替わることで、バイパス流路１７内の熱媒体は、メイン流路１５へ流出し、更なる過熱状態となることを避けることができる。

なお、上述のヒータ３５の通電制御は、制御ユニット１００に備えたＣＰＵにより実行されている。図２は、ヒータ３５の通電処理のフローチャートである。この処理は、制御ユニット１００における燃料電池５のシステム全体の制御の一部として、割り込み処理により実行される。

割り込み処理が開始されると、制御ユニット１００は、温度センサ５０から、温度Ｔを入力する（ステップＳ２１０）。続いて、温度Ｔが所定値θよりも低いか否かを判断する（ステップＳ２２０）。ステップＳ２２０で、温度Ｔが所定値θよりも低い（Ｙｅｓ）場合には、ヒータ３５への通電を開始して（ステップＳ２３０）、所定のタイミングで一連の処理を繰り返す。他方、ステップＳ２２０で、温度Ｔが所定値θ以上である（Ｎｏ）場合には、ヒータ３５への通電を行なわず、あるいは、通電を停止し（ステップＳ２４０）、所定のタイミングで一連の処理を繰り返す。こうしてヒータ３５への通電を制御して、熱媒体を所定温度に加熱している。こうした通電制御において、所定値θにはヒステリシスを持たせてあるため、ヒータ３５のＯＮ／ＯＦＦを頻繁に繰り返すことはない。

制御ユニット１００は、こうした通電制御を行なうと共に、循環ポンプ２０やファン２６なども制御している。更には、図示しない各種センサからの信号を受け、車両の運転状態を判断し、各種バルブやモータ、ポンプなどのアクチュエータを制御している。

Ｂ．サーモスタットバルブの構造：
図３は、本実施例のサーモスタットバルブ４０の概略構造を示す断面図である。図示するように、このサーモスタットバルブ４０は、３つの内部流路ｄ，ｅ，ｆを形成するハウジング４１、ハウジング４１内に形成される流路の接続を切り替えるピストン４２、ピストン４２の駆動源となる感温部４３、内部流路ｅを開閉する第１開閉弁４４、第１開閉弁４４を支持する第１スプリング４５、内部流路ｆを開閉する第２開閉弁４６、第２開閉弁４６を支持する第２スプリング４７、内部流路ｄを流れる熱媒体を感温部４３へ導く感温部配管４８などから構成されている。

ピストン４２は、略段付きの円筒形状に形成されており、第２開閉弁４６、第２スプリング４７、第１スプリング４５、第１開閉弁４４が、この順序で組み付けられている。なお、２つのスプリング４５，４７の一端は、それぞれ固定部材でピストン４２に固定され、他端は、それぞれの開閉弁４４，４６に固定されている。それぞれのスプリング４５，４７は、ピストン４２の移動に伴い開閉する開閉弁４４，４６のダンパー的な役割を果たすと共に、その復元力により、内部流路ｅ，ｆを確実に閉弁する役割を果たす。

ピストン４２の一端は、感温部４３内に嵌合している。感温部４３は、内部にワックスが封入されたいわゆるサーモワックスであり、所定温度で膨張してピストン４２を押し出す。このピストン４２の移動により、第１開閉弁４４がハウジング４１と接触して、内部流路ｅを閉じる。他方、第２開閉弁４６はハウジング４１から離間して、内部流路ｆを開く。こうして内部流路ｄと内部流路ｆとが接続される。

逆に、感温部４３の温度が所定温度よりも下がると、サーモワックスの収縮によりピストン４２は感温部４３内に入り込む。このピストン４２の移動により、第１開閉弁４４はハウジング４１から離間し、内部流路ｅを開く。他方、第２開閉弁４６はハウジング４１と接触して、内部流路ｆを閉じる。こうして内部流路ｄと内部流路ｅとが接続される。なお、こうしたサーモワックスに代えて、エーテルなど、熱の影響で膨張収縮する所定物質を用いるものとしても良いし、形状記憶合金を利用するものであっても良い。例えば、形状記憶合金を利用する場合には、感温部４３を形状記憶合金を用いたバネとし、これを反対側から圧縮バネでつり合わせておく。熱媒体により形状記憶合金が所定温度に至ると、形状記憶合金のバネ係数が増加して圧縮バネとは不釣合いとなり、ピストン４２を押し出すことができる。

こうした構造のサーモスタットバルブ４０において、本実施例では特に、感温部配管４８を設けている。感温部配管４８は、内部流路ｄ，ｅ，ｆを形成する配管径に比べて小さい径の配管であり、流れる流量も極わずかな配管である。感温部配管４８により、内部流路ｄと感温部４３とを接続することで、内部流路ｄに到達した熱媒体を感温部４３へ確実に導き、内部流路ｄ内の熱媒体の温度に敏感に応答して、流路の切り替えを行なうことができる。なお、この感温部配管４８は、ハウジング４１と一体で成形されているが、別途、ステンレスなどの鋼管配管やゴムホース等を接続して組み立てる構造としても良い。

以上の構成からなるサーモスタットバルブ４０において、低温時などにバイパス流路１７を流れる熱媒体は、制御ユニット１００による指令を受けたヒータ３５により加熱されて、サーモスタットバルブ４０の内部流路ｄに流入する。内部流路ｄに流入した熱媒体の一部は、感温部配管４８を流れて、感温部４３に接触しつつ、内部流路ｆから循環ポンプ２０へ流れる。ヒータ３５による加熱の初期段階では熱媒体の温度が所定温度まで上昇せず、感温部４３は収縮したままである。そのため、内部流路ｄに流入した熱媒体のほとんどは、第１開閉弁の開弁している内部流路ｅ側へ流れ、三方弁３０へ流れる。低温状態では、三方弁３０は開弁しているため、熱媒体は三方弁３０を通過して循環ポンプ２０へ流れる。

本実施例における三方弁３０とサーモスタットバルブ４０は、図４に示す流路の切替特性を備えている。図中の実線は、三方弁３０の流路が切り替わるタイミングを、一点鎖線は、サーモスタットバルブ４０の流路が切り替わるタイミングを、それぞれ示している。

三方弁３０は、燃料電池５の温度を管理するため、燃料電池５の適正作動温度よりも低めの温度である媒体温度Ｔ１からＴ２[℃]の間で応答して、内部流路が切り替わるように設定されている。それに対し、サーモスタットバルブ４０は、熱媒体の沸点よりも低い温度である媒体温度Ｔ３からＴ４[℃]の間で応答して、内部流路が切り替わるように設定されている。つまり、常に、三方弁３０の方が先に流路の切り替えを行なう。そのため、ヒータ３５の加熱による熱媒体の温度上昇が進み、所定温度に到達すると、まず三方弁３０が閉弁し、バイパス流路１７を流れていた熱媒体の大部分は、バイパス流路１７内に滞留することとなる。

ここでヒータ３５の制御に異常が生じ、そのまま加熱が続いたとすると、滞留した熱媒体は更に温度が上昇するが、本実施例のサーモスタットバルブ４０の内部流路ｄの熱媒体の一部は常に、感温部４３を介して内部流路ｆに流れているため、この更なる温度上昇に応答して感温部４３は作動し、サーモスタットバルブ４０の内部流路ｆが開く。こうして内部流路ｄの熱媒体は、一気に内部流路ｆへ流れ、サブバイパス流路１９を介してメイン流路１５へ流れる。温度上昇した熱媒体がメイン流路１５へ流れ込んでも、流量が少ないため、システム全体に与える影響はほとんどない。

なお、内部流路ｆが開いた後は、温度が低下しない限り内部流路ｅは開かず、熱媒体は、バイパス流路１７からサブバイパス流路１９へ流れると共に、メイン流路１５の熱交換器２５側にも流れる。したがって、制御不良によるヒータ３５の加熱が続いても、大幅に熱媒体温度が上昇することはない。

こうした冷却システム１０の熱媒体の流れを、ヒータ３５を中心に説明する。図５は、図４に示した切替特性により、熱媒体がヒータ３５部分を流れるタイミングを示している。

図示するように、媒体温度Ｔ１[℃]よりも低い範囲では、三方弁３０が開弁しているため、熱媒体はヒータ３５部分を所定流速で流れる。媒体温度Ｔ１からＴ２[℃]の範囲では、三方弁３０が閉弁し始めるため、熱媒体は徐々に流れなくなる。媒体温度Ｔ２からＴ３[℃]の範囲では、三方弁３０が閉弁し、かつ、サーモスタットバルブ４０の内部流路ｆが閉じているため、熱媒体はほとんど流れない。媒体温度Ｔ３からＴ４[℃]の範囲では、内部流路ｆが開き始めるため、熱媒体はサブバイパス流路１９へ流れ、結果としてヒータ３５部分を所定速度で流れる。媒体温度Ｔ４[℃]よりも高い範囲では、内部流路ｆが完全に開き、熱媒体はヒータ３５部分を流れることとなる。

すなわち、ヒータ３５による加熱を開始した後、バイパス流路１７のヒータ３５部分に熱媒体が滞留するのは、媒体温度Ｔ２からＴ３[℃]の範囲のみである。つまり、媒体温度Ｔ２からＴ３[℃]の範囲以外では、熱媒体はヒータ３５部分を所定流速を持って通過することとなる。したがって、滞留している場合に比べて、大幅に熱媒体温度が上昇することはない。なお、媒体温度Ｔ４を熱媒体の沸点以下の温度（例えば、１１０℃）に設定することで、熱媒体がヒータ３５部分に滞留している間に、沸騰するのを抑制することができる。

以上の構成の冷却システム１０によれば、ヒータ３５の制御不良により加熱が続いても、熱媒体が沸騰し、ヒータ３５が作動不良となることはない。したがって、冷却システム全体の信頼性を向上することができる。また、感温部配管４８を設けることで、サーモスタットバルブ４０の応答性を向上することができる。更には、機械的に流路を切り替えるサーモスタットバルブ４０を用いているため、複雑な制御等を構築する必要がなく、安価にシステムを構築することができる。

また、この冷却システム１０では、サブバイパス流路１９を循環ポンプ２０の吸い込み側のメイン流路１５に接続している。したがって、循環ポンプ２０の吸込み力によって、効率よくバイパス流路１７内の熱媒体をサブバイパス流路１９を介して、取り出すことができる。加えて、サブバイパス流路１９を単にメイン流路１５に接続すれば良いため、比較的簡単にシステムを構成することができる。

なお、ヒータ３５の制御不良が続いた場合、設定温度を越える範囲での燃料電池５の運転により燃料電池５の出力は低下する。こうした出力（電力量）は、通常、検出されているため、制御不良を認識することができる。

Ｃ．変形例：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において様々な形態で実施し得ることは勿論である。

本実施例では、感温部配管４８を備え、熱媒体の温度変化に対して応答性の高いサーモスタットバルブ４０を用いて、ヒータ３５等を保護する構成としたが、このサーモスタットバルブ４０に代えて、三方弁３０を用いるものしてもヒータ３５等を保護し、信頼性の高い冷却システムを構築することができる。この場合、三方弁３０が閉弁するとバイパス流路１７には熱媒体が滞留して、熱媒体の流れがなくなるが、ヒータ３５の加熱により、除序に熱が伝達され、サーモスタットバルブ４０に代えて設けた三方弁３０に伝わる。この熱により三方弁３０は流路を切り替え、サブバイパス流路１９から熱媒体が流出する。したがって、ヒータ３５等を保護することができる。なお、新たに設ける三方弁３０は、応答性を向上するために、ヒータ３５出口の近傍に配置することが望ましい。

また、本実施例では、サブバイパス流路１９をメイン流路１５と接続して、バイパス流路１７内の過熱状態の熱媒体をメイン流路１５へ逃がす構成としたが、別途流路を設けてバイパス流路１７から逃がす構成としても良い。図６は、過熱状態の熱媒体をバイパス流路１７から逃がす冷却システム２００を示す概略構成図である。この冷却システム２００は、図１に示した本実施例の冷却システム１０のサブバイパス流路１９に代えて、流路１９０と冷却水供給部１９５とを備えている。したがって、冷却システム１０と共通する部分については、同一符号を付し、説明は省略する。

図示する流路１９０は、サーモスタットバルブ４０の内部流路ｆと冷却水供給部１９５とを接続しており、過熱状態の熱媒体（冷却水）を冷却水供給部１９５へ戻す流路である。冷却水供給部１９５は、タンク等により冷却水を蓄えており、冷却システム２００に冷却水を供給する。こうした構成の冷却システム２００を構築することで、過熱状態の熱媒体は、一旦、冷却水供給部１９５に戻り、その後、循環ポンプ２０により吸い出されてメイン流路１５に供給される。したがって、メイン流路１５には、直接、過熱状態の熱媒体は流れず、システム全体に与える熱の影響を低減することができる。すなわち、燃料電池５の温度管理を容易なものとすることができる。

更に、本実施例で説明した冷却システム１０に加え、車両の室内空調用の冷却システムを併用して新たな冷却システムを構築するものであっても良い。図７は、室内空調系を利用した冷却システムを示す概略構成図である。図示するように、この冷却システム３００は、図１の冷却システム１０に加え、イオン交換器３１０，空調系統３２０，これらと冷却システム１０のメイン流路１５とを接続する接続配管３３０などから構成されている。なお、冷却システム１０についての説明は省略する。

イオン交換器３１０は、イオン交換樹脂を備えており、熱媒体としての冷却水が冷却システム１０を循環する過程で、流路等から溶出した金属イオンなどの各種イオンを吸着して除去する。こうしたイオン交換器３１０を冷却システム１０に配置することで、冷却水を低導電率に保ち、燃料電池システムの安全性を高めている。

空調系統３２０は、エバボレータ３２１，コンプレッサ３２２，コンデンサ３２３，エキスパンジョンバルブ３２４などを直列に配置して構成されており、イオン交換器３１０に流入する冷却水の温度を下げている。こうすることでイオン交換樹脂を保護して、イオンの吸着効率を高めている。

こうした空調系統３２０は、所定の液体（冷媒）が気化する際に周囲から熱を奪うことを利用して冷却を行なっている。具体的には、冷媒ガスが、コンプレッサ３２２で圧縮され、コンデンサ３２３でファン３２６などにより冷却され、液化される。高圧の液状冷媒は、エキスパンジョンバルブ３２４で急激に膨張させられ、エバボレータ３２１に流入する。エバボレータ３２１内では、膨張により低温で霧状となった冷媒が周囲から熱を奪いガス状になる。こうして周囲を冷却すると共に、再び冷媒ガスとしてコンプレッサ３２２に流入する。通常、車両の空調系統は、車速風のない停車時にも冷却性能を発揮できるように設計されている。したがって、車両の高速巡行時には冷却性能に余裕がある。

こうした高速巡行時に幾分かの余裕がある室内空調系統３２０を利用して、燃料電池５の冷却システム１０における冷却水の温度を低下させることで、イオン交換器３１０を効率良く作動させることができると共に、システム全体の冷却性能を向上することができる。そして、ヒータ３５の制御不良が生じても、冷却システムを損なうことがない。

本発明の実施例としての車載用燃料電池における冷却システムを示す概略構成図である。 ヒータの通電処理のフローチャートである。 本実施例のサーモスタットバルブの概略構造を示す断面図である。 流路の切替特性を示す説明図である。 熱媒体がヒータ部分を流れるタイミングを示す説明図である。 過熱状態の熱媒体をバイパス流路から逃がす冷却システムを示す概略構成図である。 室内空調系を利用した冷却システムを示す概略構成図である。 従来の冷却システムの概略構成図である。

符号の説明

５...燃料電池
６...エア供給部
７...燃料供給部
８...出力部
１０...冷却システム
１５...メイン流路
１７...バイパス流路
１９...サブバイパス流路
２０...循環ポンプ
２５...熱交換器
２６...ファン
３０...三方弁
３５...ヒータ
４０...サーモスタットバルブ
４１...ハウジング
４２...ピストン
４３...感温部
４４...第１開閉弁
４５...第１スプリング
４６...第２開閉弁
４７...第２スプリング
４８...感温部配管
５０...温度センサ
１００...制御ユニット
１９０...流路
１９５...冷却水供給部
２００...冷却システム
３００...冷却システム
３１０...イオン交換器
３２０...空調系統
３２１...エバボレータ
３２２...コンプレッサ
３２３...コンデンサ
３２４...エキスパンジョンバルブ
３２６...ファン
３３０...接続配管
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４...媒体温度
ａ，ｂ，ｃ...内部流路
ｄ，ｅ，ｆ...内部流路

Claims (5)

1. 所定媒体が循環する主流路上に熱交換器を配し、冷却した該媒体により燃料電池を冷却する燃料電池の冷却システムであって、
   前記熱交換器を介さずに、前記燃料電池に前記媒体を循環させるバイパス流路と、
   前記媒体の温度を感知して、前記バイパス流路を介して前記燃料電池を循環する該媒体の流れと、前記熱交換器を介して該燃料電池を循環する該媒体の流れとを、選択的に切り替える流路切替手段とを備え、
   前記バイパス流路の当該バイパス流路内の前記媒体の流れに対して上流側から順に、
   流路上を流れる前記媒体を加熱する加熱手段と、
   前記流路切替手段の流路の切り替えの温度よりも高い設定温度で動作する感温アクチュエータを備えて、該感温アクチュエータの動作により前記バイパス流路内の前記媒体の温度が前記設定温度以上の時に開弁する感温操作弁とを配置し、
   前記感温操作弁の開弁により、前記加熱手段により加熱された前記バイパス流路上の前記媒体を、該バイパス流路外に導く副バイパス流路を備えた
   燃料電池の冷却システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池の冷却システムであって、
   前記副バイパス流路は、前記感温操作弁の一端と前記主流路とを接続して、前記媒体を該主流路に導く流路である燃料電池の冷却システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池の冷却システムであって、
   前記媒体を循環する動力として循環ポンプを前記主流路上に備え、
   前記副バイパス流路の前記主流路との接続位置を、前記循環ポンプの吸い込み側とする燃料電池の冷却システム。
4. 請求項１に記載の燃料電池の冷却システムであって、
   前記媒体を循環する動力として循環ポンプを前記主流路上に有し、
   更に、前記循環ポンプに前記媒体を供給する供給部を備え、
   前記副バイパス流路は、前記感温操作弁の一端と前記供給部とを接続して、前記媒体を該供給部に導く流路である燃料電池の冷却システム。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池の冷却システムであって、更に、
   前記加熱手段を通過する媒体の一部が常時流れる感温用流路を設け、
   前記感温操作弁は、前記感温用流路上に前記感温アクチュエータを配置する構造である燃料電池の冷却システム。

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