JP4929692B2 - 燃料電池冷却システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタック、ラジエター、燃料電池スタックとラジエターとに冷却液を循環させる冷却液循環管、及び、冷却液循環管上に配設されたリザーバタンクを備えた燃料電池冷却システムに関する。

燃料ガス供給装置から供給される燃料ガスと酸化剤ガス供給装置から供給される酸化剤ガスとによって燃料電池スタックで発電を行う燃料電池システムが知られている。このような燃料電池システムは、低温環境下では電極近傍の水分凍結による反応ガスの拡散阻害や電解質の伝導率低下が原因で起動性が低下する。このため、低温環境下では燃料電池を温め、起動性の低下を防止することが行われている（下記［特許文献１］など）。
特開２００４−１４１８５号公報

上述した［特許文献１］に記載の発明では、車両などの移動体に搭載された燃料電池の低温環境下における起動性低下防止のために、電気ヒータによって加熱した熱媒体（通常時は燃料電池を冷却する冷却液を利用）を燃料電池に循環させる。ここで、電気ヒータへの電力供給部と電気ヒータの加熱制御部とは移動体の外部に配置され、加熱制御部が燃料電池の温度を検出する温度検出センサからの信号に基づいて電気ヒータの加熱制御を行う。電気ヒータは、通常時は燃料電池を冷却するための冷却水を温め、この温めた冷却水を熱媒体として燃料電池を暖機する。

しかし、上述したようにすると、熱源（電気ヒータ）を用いて冷却水を温める際に沸騰などによって冷却液内に気泡が発生した場合、冷却液の循環システム外に気泡（気体）が抜けないおそれがある。従って、本発明の目的は、燃料電池の暖機時等において、冷却液の循環経路内の気体を低減することのできる燃料電池冷却システムを提供することにある。

本発明の燃料電池冷却システムは、燃料電池スタック、ラジエター、燃料電池スタックとラジエターとに冷却液を循環させる冷却液循環管、冷却液循環管上に配設されたリザーバタンクを備えているものである。そして、本発明の燃料電池冷却システムは、冷却液温度が低温であるときに冷却液を温める加熱器を、冷却液循環管上（又は冷却液循環管に接続された副循環管上）にさらに備えており、リザーバタンクは、冷却液中の気体をタンク外に放出する放出口を有し、加熱器は、リザーバタンクよりも下方で燃料電池スタックの冷却液流出入口よりも上方に位置し、加熱器には、リザーバタンクの内部液面より上方の空間に連通するエア抜き用配管が接続されている。

本発明の燃料電池冷却システムによれば、通常時に燃料電池を冷却するために用いられる冷却機構を用いて低温環境下での起動時などに燃料電池の暖機を行う際に、冷却液を温める加熱器内で気体が発生した場合、エア抜き用配管を介して加熱器より上方に位置するリザーバタンクに気体を抜くことができる。また、燃料電池スタックは加熱器よりも下方に位置しているため、加熱器で発生した気体が冷却液循環経路を伝って燃料電池スタックに供給されることも防止できる。

以下、本発明の燃料電池冷却システムの具体的な実施形態について図面を参照しながら説明する。本実施形態における燃料電池システムは、車両の駆動源として利用されるものであり、車載されている。図１に本発明の第一実施形態のシステム配置構成図を示す。図１は、各構成部品の上下方向の高さも表している。図１に示されるように、このシステムは、車室内（あるいは、車室下部の床下）に配設された燃料電池スタック１０と、車両前部のモータルームの前方部に配置されたラジエター３０とを備えている。燃料電池スタック１０は、スタックケース内に収納されて設置される。ラジエター３０は、通常時は、走行風などを用いて冷却液（ロングライフクーラント：ＬＬＣ）の持つ熱を放熱させて冷却液を冷却する。そして、この燃料電池スタック１０及びラジエター３０に冷却液を循環させる冷却液循環管９０が、燃料電池スタック１０からラジエター３０にかけて環状に配設されている。

ラジエター３０から燃料電池スタック１０に対して冷却液を送る冷却液循環管９０上には、ラジエター３０側から冷却液を暖めるヒータ（加熱器）２０及び循環ポンプ７０が配設されている。ヒータ２０は、燃料電池スタック１０に供給する水素ガスの一部を利用し、この水素ガスを燃焼させることで冷却液を暖める。なお、ヒータ２０は電気ヒータであっても構わない。循環ポンプ７０は冷却液を循環させるためのポンプである。また、燃料電池スタック１０からラジエター３０に対して冷却液を送る冷却液循環管９０上には、リザーバタンク４０が配設されている。リザーバタンク４０は、冷却液の温度変化によって増減する冷却液体積を吸収するための冷却液を溜めておくタンクである。なお、リザーバタンク４０内には、冷却液が蒸発などで減少する分も考慮して冷却水が溜められている。

さらに、ヒータ２０には、リザーバタンク４０に接続されたエア抜き用配管５０も接続されている。エア抜き用配管５０上には、流量調整弁としての電磁バルブ６０が配設されている。エア抜き用配管５０は、ヒータ２０の最上部に接続されており、通常の冷却液注入時のエア抜きとして機能するとともに、ヒータ２０で発生した気体（冷却液の沸騰気化による気体：以下、この気体も含めて冷却液中の気体を単にエアと表現することとする）を効率よく回収できるようになされている。リザーバタンク４０の断面図を図２に示すが、本体側面には燃料電池スタック１０からの冷却液が流入する流入口４１が設けられており、本体底面にはラジエター３０に冷却液を送出する送出口４２が設けられている。これらの流入口４１及び送出口４２には、上述した冷却液循環管９０が接続されている。

さらに、内部の冷却液液面よりも上方に、上述したエア抜き用配管５０を接続する接続口４３が設けられている。リザーバタンク４０内の冷却液水位は上下するが、この接続口４３は常に冷却液液面よりも上方に位置するように配置されている。また、本体上面には、補充などのために冷却液を注入する際に使用する注入口４７が形成されている。この注入口４７には蓋４４がはめられている。この蓋４４には、リザーバタンク４０内部の冷却液液面より上方の空間を大気と連通させ、この空間内のエアをリザーバタンク４０外に放出し得る放出口４４ａが形成されている。リザーバタンク４０は、このほかに、エア抜き用配管５０によって回収したエア（の一部）を液化する液化手段としての垂下板４５及び仕切板４６を内部に有している。これらについては追って詳しく説明する。

ここで、燃料電池スタック１０は上述した冷却回路において最も下方に位置し、リザーバタンク４０は最も上方に位置している。上述したヒータ２０は、燃料電池スタック１０とリザーバタンク４０との間の高さ位置に配置されている。なお、ヒータ２０は、少なくとも燃料電池スタック１０への冷却液の流出入口よりも上方に位置していればよい。また、本実施形態では、リザーバタンク４０は、ラジエター３０や循環ポンプ７０などの冷却液循環管９０上の他の構成部品に対しても上方に位置しており、冷却液内のエアはリザーバタンク４０においてトラップされるため、さらに確実に燃料電池スタック１０へのエアの混入を防止できる。

冷間始動時などには、燃料電池スタック１０の暖機が必要になる場合がある。この場合は、ヒータ２０を利用して冷却液を温めてこの熱で燃料電池スタック１０を暖機する。このような際には、ヒータ２０で温めた冷却水を循環ポンプ７０で循環させることで、燃料電池スタック１０を暖機する。ヒータ２０によって冷却液を加熱昇温させた際に、過加熱などによって冷却液が沸騰し、一部が蒸気として気化する場合が考えられる。気化した蒸気は、ヒータ２０の最上部に接続されたエア抜き用配管５０（電磁バルブ６０は開状態）を通ってリザーバタンク４０内に回収される。このため、冷却液循環管９０においてはエアの混入が低減でき、燃料電池スタック１０での発電効率低下や燃料電池スタック１０の暖機阻害を抑止することができる。

さらに、このとき、冷却液は循環ポンプ７０によって循環されるが、循環ポンプ７０の吸引力が大きすぎると、ヒータ２０内の負圧が大きくなり、エア抜き用配管５０からエアが逆流して冷却液循環管９０内にエアが混入してしまうことが考えられる。そこで、暖機中は、循環ポンプ７０の駆動力をやや抑えてヒータ２０から冷却液循環管９０へのエアの逆流を抑止しつつ、電磁バルブ６０を開いてエア抜き用配管５０によってヒータ２０で発生したエアをリザーバタンク４０に回収する。一方、ヒータ２０による冷却液の加熱を行わない通常時には、電磁バルブ６０を閉じ、循環ポンプ７０の通常駆動力で冷却液の循環を行う。この際、電磁バルブ６０が閉じられているため、ヒータ２０から冷却液循環管９０へのエアの逆流は生じ得ない。

ヒータ２０で冷却液を加熱し、その際に発生した蒸気をエア抜き用配管５０でリザーバタンクに戻した際、蒸気を液化させないと蒸気はその多くがリザーバタンク４０の放出口４４ａから大気に放出されてしまう。蒸気の大気放出は、冷却液量の減少を招くため、本実施形態のリザーバタンク４０は、上述した液化手段を備えている。液化手段としての垂下板４５及び仕切板４６は、リザーバタンク４０の内側面に取り付けられている（別部品又は一体的に成形）。垂下板４５は、エア抜き用配管５０からリザーバタンク４０内に導入されたエアに衝突する位置に設けられており、仕切板４６は、垂下板４５に衝突したエアがさらに衝突する位置に設けられている。

垂下板４５は、リザーバタンク４０の容器外壁と接続されているため、外気によって冷却されており、垂下板４５に衝突したエア（蒸気）は垂下板４５によって冷却され、垂下板４５表面に水滴として液化される。液化された水滴は、垂下板４５を伝って下方に滴下し、リザーバタンク４０内の冷却水として捕集される。一方、仕切板４６は、リザーバタンク４０内の冷却液と接しており、冷却液によって冷却されており、仕切板４６に衝突したエア（蒸気）は仕切板４６によって冷却され、仕切板４６表面に水滴として液化される。液化された水滴は、仕切板４６を伝って下方に滴下し、リザーバタンク４０内の冷却水として捕集される。

図３に、本発明の燃料電池冷却システムの第二実施形態のシステム配置構成図を示す。図３も、各構成部品の上下方向の高さも表している。本実施形態のシステムは、上述した第一実施形態のシステムとは、ヒータ２０の設置の仕方のみが異なっている。このため、第一実施形態のシステムと同一又は同等の構成部分については同一の符号を付してその詳しい説明を省略する。また、本実施形態のリザーバタンク４０も、図２に示されるものと同一である。

本実施形態では、燃料電池スタック１０及びラジエター３０に冷却液を循環させる冷却液循環管９０が、燃料電池スタック１０からラジエター３０にかけて環状に配設されているのは第一実施形態と同様である。しかし、ラジエター３０から燃料電池スタック１０に対して冷却液を送る冷却液循環管９０上には、ヒータ２０は配設されておらず、循環ポンプ７０のみが配設されている。燃料電池スタック１０からラジエター３０に対して冷却液を送る冷却液循環管９０上には、リザーバタンク４０のほかに、燃料電池スタック１０側に三方弁８０が配設されている。三方弁８０には、バイパス管（副循環管）１００の一端が接続されており、その他端は、燃料電池スタック１０及びラジエター３０に冷却液を循環させる冷却液循環管９０上のラジエター３０と循環ポンプ７０との間に接続されている。

ヒータ２０は、このバイパス管１００上に配設されている。ヒータ２０からリザーバタンク４０にかけてエア抜き用配管５０が配されているのも同様である。ヒータ２０の冷却回路内での高さ位置も第一実施系遺体と同様である。三方弁８０は、燃料電池スタック１０から排出された冷却液を、リザーバタンク４０に送るか、ヒータ２０に送るかを選択的に切り替えるバルブである。冷間始動時に燃料電池スタック１０の暖機を行う場合（あるいは、冷却液温度が低くラジエター３０を用いて冷却液を冷却する必要がない場合）は、ラジエター３０で冷却液を冷却せず、ヒータ２０を利用して冷却液を温め、この熱で燃料電池スタック１０を暖機する。このような際に、三方弁８０によって流路を切り替える。

本実施形態でも、第一実施形態と同様の効果が得られる。すなわち、冷却液を温めるヒータ２０内で気体が発生した場合、エア抜き用配管５０を介してヒータ２０より上方に位置するリザーバタンク４０にエアを抜くことができる。また、燃料電池スタック１０はヒータ２０よりも下方に位置しているため、ヒータ２０で発生したエアが冷却液循環経路９０を伝って燃料電池スタック１０に供給されることも防止でき、暖機性能の低下や発電効率の低下を防止することもできる。

また、ここでは、エア抜き用配管５０上に電磁バルブ（流量調整弁）６０が設けられており、エア抜き用配管５０によるエアの逆流を確実に防止することができる。さらに、リザーバタンク４０が、ヒータ２０からエア抜き用配管５０を介して回収した蒸気を液化する液化手段（垂下板４５及び仕切板４６）を有しているので、回収した蒸気を確実に液化でき、蒸気の大気放出による冷却液の減少を抑止することができる。さらに、エア抜き用配管５０が、ヒータ２０の最上部に接続されているので、ヒータ２０の内部に溜まったエア（蒸気）を効率よくエア抜き用配管５０を用いて回収することができる。

本発明の燃料電池システムは、上述した実施形態に限定されるものではない。たとえば、上述した実施形態における電磁バルブ６０は、電磁制御以外の方法で開閉されても良いし、その流量調整は循環ポンプ７０の駆動力に対応させて流量をリニアに制御できるものでも良いし、単なる全閉／全開を切り替えるものであっても良い。また、リニア流量制御をする場合は、バルブの開度制御によっても良いし、開閉ＤＵＴＹ比による制御によっても良い。また、リザーバタンク４０は、ラジエター３０の下流側に配設されても良い。ただし、上述したように、リザーバタンク４０は、冷却回路内で最も上方に位置していることが好ましい。

本発明の燃料電池冷却システムの第一実施形態の構成図である。 リザーバタンクの断面図である。 本発明の燃料電池冷却システムの第二実施形態の構成図である。

符号の説明

１０ 燃料電池スタック
２０ ヒータ（加熱器）
３０ ラジエター
４０ リザーバタンク
４１ 流入口
４２ 送出口
４３ 接続口
４４ａ 放出口
４４ 蓋
４５ 垂下板（液化手段）
４６ 仕切板（液化手段）
４７ 注入口
５０ エア抜き用用配管
６０ 電磁バルブ（流量制御弁）
７０ 循環ポンプ
８０ 三方弁
９０ 冷却液循環管
１００ バイパス管（副循環管）

Claims (4)

1. 燃料電池スタック、ラジエター、前記燃料電池スタックと前記ラジエターとに冷却液を循環させる冷却液循環管、及び、前記冷却液循環管上に配設されたリザーバタンクを備えた燃料電池冷却システムにおいて、
   冷却液温度が低温であるときに冷却液を温める加熱器を、前記冷却液循環管上又は該冷却液循環管に接続された副循環管上にさらに備えており、
   前記リザーバタンクは、冷却液中の気体をタンク外に放出する放出口を有し、
   前記加熱器は、前記リザーバタンクよりも下方で前記燃料電池スタックの冷却液流出入口よりも上方に位置し、前記加熱器には、前記リザーバタンクの内部液面より上方の空間に連通するエア抜き用配管が接続されていることを特徴とする燃料電池冷却システム。
2. 前記エア抜き用配管上に流量調整弁が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池冷却システム。
3. 前記リザーバタンクが、前記加熱器から前記エア抜き用配管を介して回収した蒸気を液化する液化手段を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池冷却システム。
4. 前記エア抜き用配管が、前記加熱器の最上部に接続されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の燃料電池冷却システム。