JP4938925B2

JP4938925B2 - 燃料電池用冷却装置

Info

Publication number: JP4938925B2
Application number: JP2000289907A
Authority: JP
Inventors: 光晴今関; 健牛尾
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2000-09-25
Filing date: 2000-09-25
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2020-09-25
Also published as: JP2002100383A; US6663993B2; US20020076591A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池を好適に冷却できる燃料電池用冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、エンジンに代えて走行用モータを搭載する各種の電気自動車が開発されている。そして、この種の電気自動車の一つとして、たとえばＰＥＭＦＣ（Proton Exchange Membrane Fuel Cell）と略称される水素イオン交換膜型燃料電池（以下、「ＰＥＭ型燃料電池」という。）を走行用モータの電源として搭載する燃料電池自動車の開発が急速に進められている。
【０００３】
このＰＥＭ型燃料電池は、発電単位であるセルを多数積層した構造のスタックとして構成されている。各セルは、水素供給路を有するアノード側セパレータと酸素供給路を有するカソード側セパレータとの間にＭＥＡ（ Membrane Electrode Assembly ）と略称される膜・電極接合体を挟み込んだ構造を有している。そして、ＭＥＡは、水素イオン交換膜の片面にアノード側電極触媒層およびガス拡散層が順次積層され、水素イオン交換膜の他の片面にカソード側電極触媒層およびガス拡散層が順次積層されて構成されている。
【０００４】
また、ＰＥＭ型燃料電池などの燃料電池を搭載する燃料電池自動車には、燃料電池を所定の適温範囲に維持するための冷却装置が設けられている。この冷却装置のうち、燃料電池の液絡を防止するために、本出願人が先の特願２０００−１５５６１９号において記載したものがある。この冷却装置の概略構成を図６に示す。この冷却装置５０は、燃料電池ＦＣに冷却液を循環供給して燃料電池ＦＣを冷却する１次冷却系における１次循環流路５１と、１次冷却系との間で熱交換可能な２次冷却系における２次冷却液が循環する２次循環流路５２を備えている。
【０００５】
１次循環流路５１は、絶縁性の１次冷却液を１次循環流路５１内に通流させる１次循環ポンプ５３、たとえばサーモスタットからなる温調器５４、および１次冷却液に含まれる金属イオンなどの各種イオンを除去するイオン交換器５５を備えている。また、２次循環流路５２は、２次冷却液を２次循環流路５２内に通流させる２次循環ポンプ５６および２次冷却液を冷却するためのラジエータ５７を備えている。さらには、１次循環流路５１と２次循環流路５２が通過する熱交換器５８が設けられており、この熱交換器５８において２次冷却液によって１次冷却液を冷却する。
【０００６】
この冷却装置５０では、燃料電池ＦＣの電極に直接１次冷却液を供給して冷却する構造をとっている。このため、１次冷却液中に金属イオンなどの各種イオンが存在していると、そのイオンの存在によって著しく導電率が高められ、電気的絶縁性を悪化させる原因となる。このような電気的絶縁性の悪化を防ぐために、冷却装置５０では、１次循環流路５１にイオン交換器５５を設けて、１次冷却液中に存在する各種イオンを除去している。ところが、イオン交換器５５の通水抵抗が大きいことから、１次冷却液全体をイオン交換器５５に通水することができない。そこで、イオン交換器５５を燃料電池ＦＣと並列に配設して、１次冷却液のうちの一部をイオン交換器５５に通水するようにしていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記従来の冷却装置５０において、１次冷却液中の導電率を管理するためには、イオン交換器５５にある一定量以上の１次冷却液が流れている必要がある。ところが、燃料電池ＦＣが自動車の電源として使用される場合には、自動車の走行状態などに応じて燃料電池に対する要求電力が広い範囲で変化し、この燃料電池ＦＣに対する要求電力の変化に応じて１次冷却液の流量も変動する。具体的には、燃料電池ＦＣに対する要求電力が増えると、その分燃料電池ＦＣを大きく冷却しなければならないので、１次冷却液の流量を増加させていた。逆に、燃料電池ＦＣに対する要求電力が減少すると、１次冷却液の流量を減少させていた。
【０００８】
ここで、前記従来の冷却装置５０では、１次冷却液の流量の増減は１次循環ポンプ５３の圧力によって調整していた。また、イオン交換器５５に供給される１次冷却液の量も１次循環ポンプ５３の圧力に依存している。このため、燃料電池ＦＣの要求電力が小さい場合には、１次循環ポンプ５３の圧力も小さくなるので、イオン交換器５５における１次冷却液の流量が少なくなる。したがって、燃料電池ＦＣに対する要求電力が少ない場合には、イオン交換器５５における１次冷却液の流量が少なすぎて、１次冷却液の導電率を適正に管理できない場合があった。この問題を解決するためには、要求電力が少ない場合であっても、イオン交換器５５に充分に１次循環液を供給できる程度の量を流すようにセッティングすればよい。ところが、この方法では、燃料電池ＦＣの要求電力が多くなったときに、１次冷却液を必要以上に流すことになり、１次循環ポンプ５３を駆動するエネルギーを無駄に消費することになるものであった。
【０００９】
そこで、本発明の課題は、燃料電池に対する要求電力が増減し、燃料電池に供給する１次冷却液の流量が増減した場合であっても、１次冷却液中の導電率を管理することができるようにするとともに、無駄な消費エネルギーを極力少なくする燃料電池用冷却装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決した本発明において、請求項１に係る発明は、冷却液が循環して燃料電池を冷却する冷却系に、前記冷却液を循環させると共に循環させる前記冷却液の流量を前記燃料電池の要求出力に応じて変動させる循環ポンプと、前記燃料電池から排出された前記冷却液を冷却する熱交換器と、前記冷却液中のイオンを除去するイオン交換樹脂を用いたイオン交換器と、前記イオン交換器に流入する前記冷却液の流量を一定にする流量調整手段と、を備え、前記冷却系の循環流路には、前記循環ポンプと前記熱交換器と前記燃料電池とが直列に配置され、前記循環流路には、前記流量調整手段および前記イオン交換器が前記燃料電池と並列になるように配置されている連通路が設けられ、前記連通路には、前記流量調整手段および前記イオン交換器が上流側からこの順で配置され、前記流量調整手段には、前記冷却液が流入する流入口と、前記流入口に連通する円柱状の空間部と、前記空間部内に設けられ、前記冷却液の流れ方向に移動可能であるスリーブバルブと、が設けられ、前記スリーブバルブは、円筒状の周壁部と、前記周壁部から径方向内向きに延び最上流側に配置された上流壁部と、前記上流壁部に形成され、冷却液が流入する可動オリフィスと、前記周壁部に形成された流通孔と、を備え、前記流量調整手段には、さらに、前記スリーブバルブを前記流入口の方向に付勢するスプリングと、前記流入口から流入した前記冷却液が前記可動オリフィスおよび前記流通孔をこの順に流通した後に前記イオン交換器に向かって流れるために前記空間部の内周面に開口した流出路と、前記可動オリフィスのオリフィス径よりも小さく形成され、前記スリーブバルブが最も下流側に寄り、前記流通孔と前記流出路とが遮断した場合に前記空間部内の圧力を抜くために設けられ、前記空間部と前記空間部よりも下流の前記連通路とを連通する圧ぬきオリフィスと、が設けられ、前記流入口から流入した前記冷却液の液圧と前記スプリングの付勢力とに応じて移動する前記スリーブバルブが、径方向において前記流通孔と前記流出路の前記開口とが重なる部分である開口面積を調整することにより、前記イオン交換器に流入する前記冷却液の流量を一定にすることを特徴とする燃料電池用冷却装置である。
【００１１】
請求項１に係る発明においては、１次循環流路に配設されたイオン交換器における１次冷却液の流量を一定に調整する流量調整手段が設けられている。このため、燃料電池に対する要求電力が増減し、１次循環ポンプの圧力が変動した場合であっても、イオン交換器における１次冷却液の流量を好適な一定の範囲に調整することができる。このため、１次循環液の流量が少ないときに合わせて１次循環ポンプの圧力をセッティングする必要がないので、無駄な消費エネルギーを減らすことができる。
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の燃料電池用冷却装置において、前記流量調整手段および前記イオン交換器は、一体となって形成されていることを特徴とするものである。
請求項２に係る発明においては、流量調整手段とイオン交換器が一体となって形成されているため、冷却装置を全体として小型化できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら、具体的に説明する。
図１は本発明の第１の実施形態に係る燃料電池用冷却装置の構成図、図２は流量レギュレータの側断面図、図３は図１に示された燃料電池のセル構造を示す部分断面図である。
本実施形態に係る燃料電池用冷却装置Ｍ１は、図１に示すように、燃料電池ＦＣを冷却する１次冷却液が循環する１次冷却系１と２次冷却系２を有しており、これらの１次冷却系１および２次冷却系２が熱交換器３を介して、接続されている。
【００１３】
１次冷却系１には、１次循環流路１１が形成されている。１次循環流路１１は、１次循環流路１１内で１次冷却液を循環させる１次循環ポンプ１２と、たとえば３方弁を備えるサーモスタットからなり、１次冷却液の温度を調節可能な温調器１３を備えている。また、１次循環流路１１は、流量が一定となるように調整する流量調整手段である流量レギュレータ１４および１次冷却液に含まれる金属イオンなどの各種イオンを除去するイオン交換樹脂を用いたイオン交換器１５を備えている。
【００１４】
１次循環流路１１は、１次循環ポンプ１２から熱交換器３、燃料電池ＦＣの冷却液流路Ｃ１２（図３）を通過して１次循環ポンプ１２に戻る１次冷却液の循環流路を主体として構成されている。図１に示すように、１次循環流路１１には、１次循環ポンプ１２と熱交換器３と燃料電池ＦＣとが直列に配置されている。
熱交換器３と１次循環ポンプ１２との間の流路には温調器１３が介設され、この温調器１３から分岐するバイパス流路１１Ａが熱交換器３と並列に設けられている。温調器１３は周知のサーモスタットであり、熱により膨張する部材を有している。この部材によって、バイパス流路１１Ａから流入する暖かい１次冷却液と第１熱交換器３から流入する冷たい１次冷却液の流路断面積を変化させて、バイパス流路１１Ａから流入する暖かい１次冷却液と第１熱交換器３から流入する冷たい１次冷却液の流入割合を調整する。そして、７０℃前後の温度に調整された１次冷却液を排出するようにしている。
【００１５】
燃料電池ＦＣの要求出力が増えると、その分燃料電池ＦＣを大きく冷却する必要が生じるため、１次循環ポンプ１２によって多くの１次冷却液を循環させる必要が生じる。逆に、燃料電池ＦＣの要求出力が減少すると、燃料電池ＦＣを少し冷却すればよいので、１次循環ポンプ１２で循環させる１次冷却液の量は少なくて済む。このように、１次循環ポンプ１２で循環させる１次冷却液の流量は、燃料電池ＦＣの要求出力に応じて変動する。
【００１６】
また、１次循環流路１１には、１次循環ポンプ１２と燃料電池ＦＣの間の流路から分岐する連通路１１Ｂがバイパス流路１１Ａと並列に設けられている。連通路１１Ｂには、流量レギュレータ１４およびイオン交換器１５が上流側からこの順で介設されている。このため、流量レギュレータ１４およびイオン交換器１５は、燃料電池ＦＣと並列になるように配置されている。
流量レギュレータ１４には、図２に示すように、連通路１１Ｂと連通する流入口１４Ａが形成されている。流入口１４Ａは、空間部１４Ｂに連通しており、空間部１４Ｂには１次冷却液の流れ方向に移動可能なスリーブバルブ１４Ｃが設けられている。スリーブバルブ１４Ｃの最上流位置には、可動オリフィス１４Ｄが形成されている。また、スリーブバルブ１４Ｃの内側には凹部が形成されており、この凹部にスプリング１４Ｅが配設されている。スリーブバルブ１４Ｃは、このスプリング１４Ｅによって流入口１４Ａの方向に付勢されている。
【００１７】
さらに、スリーブバルブ１４Ｃの側面部には流通孔１４Ｆ，１４Ｆが形成されておりスリーブバルブ１４Ｃがもっとも流入口１４Ａ側によったときに、流出路１４Ｇ，１４Ｇと連通するように配置されている。この流出路１４Ｇ，１４Ｇは、下流側の連通路１１Ｂと連通している。したがって、流入口１４Ａから流入した１次冷却液は、可動オリフィス１４Ｄおよび流通孔１４Ｆ，１４Ｆをこの順に流通した後に、流出路１４Ｇ，１４Ｇをイオン交換器１５に向かって流れる。
また、空間部１４Ｂの最下流部位には、圧ぬきオリフィス１４Ｈが形成されており、流出口１４Ｉと連通している。この流出口１４Ｉも連通路１１Ｂと連通している。そして、熱交換器３（図１）から排出された１次冷却液が流入口１１Ａを経て空間部１４Ｂに流入する。このとき、可動オリフィス１４Ｄは、前後の差圧が一定、すなわち流量が一定となるようにスリーブバルブ１４Ｃを移動させて流通孔１４Ｆ，１４Ｆが流出路１４Ｇ，１４Ｇに通じる開口部の開口面積を自動調整する。具体的に１次冷却液の液圧が小さく、スプリング１４Ｅの付勢力の方が大きい場合には、スリーブバルブ１４Ｃは上流側に位置し、流通孔１４Ｆ，１４Ｆと流出路１４Ｇ，１４Ｇの間の開口面積が大きくなって両者が連通している。したがって、流通孔１４Ｆ，１４Ｆを介して比較的大量の１次冷却液が通流する。これに対して、１次冷却液の液圧が大きく、スプリング１４Ｅの付勢力の方が小さい場合には、スリーブバルブ１４Ｃが下流側に移動する。スリーブバルブ１４Ｃの下流側への移動に伴い、流通孔１４Ｆ，１４Ｆと流出路１４Ｇ，１４Ｇの間の開口面積が小さくなる。すなわち、流入口１４Ａから流入した１次冷却液の液圧とスプリング１４Ｅの付勢力とに応じて移動するスリーブバルブ１４Ｃが、流通孔１４Ｆ，１４Ｆと流出路１４Ｇ，１４Ｇの間の開口面積を調整する。
このように、１次冷却液の液圧の変動に伴い、流通孔１４Ｆ，１４Ｆと流出路１４Ｇ，１４Ｇの間の開口面積が変動するので、連通路１１Ｂを通流する１次冷却液の流量を一定に保つことができるようになっている。
【００１８】
また、圧ぬきオリフィス１４Ｈは、スリーブバルブ１４Ｃがもっとも下流側によって、流通孔１４Ｆ、１４Ｆと流出路１４Ｇ，１４Ｇが完全に遮断されたときに、空間部１４Ｂに過剰な液圧がかかって流量レギュレータ１４が破損しないようにするために形成されている。したがって、圧ぬきオリフィス１４Ｈのオリフィス径は、可動オリフィス１４Ｄのオリフィス径よりも相当小さくなるように形成されている。
【００１９】
かくして形成された流量レギュレータ１４では、熱交換器３から排出された１次冷却液のうち、連通路１１Ｂに供給される１次冷却液の流量、換言すれば下流側におけるイオン交換器１５における１次冷却液の流量が所定の量となるように調整している。
【００２０】
イオン交換器１５は、図示しないイオン交換樹脂を備えており、１次循環流路１１中に溶出して１次冷却液中に含まれる金属イオンなどの各種イオンをイオン交換樹脂で吸着することにより、１次冷却液中の各種イオンを除去する。
【００２１】
バイパス流路１１Ａおよび連通路１１Ｂを含む１次循環流路１１は、熱交換器３とともに図示しない燃料電池ボックス内に収容されている。熱交換器３は燃料電池ＦＣの近傍に配置されており、これに伴ない、１次循環流路１１は管路長が短縮化されている。そして、この短縮化された１次循環流路１１は、燃料電池ＦＣの液絡現象を防止するため、イオンの溶出し難い適宜の材料、たとえばステンレス鋼管、合成樹脂管などの絶縁材料により構成されている。なお、液絡現象を防止する上で、１次冷却液としては、絶縁冷媒が用いられる。この絶縁冷媒としては導電率が低く維持された純水または純水とエチレングリコール系の液の混合液を使用することが好ましいが、絶縁油を使用することもできる。
【００２２】
一方、２次冷却系２には２次循環流路２１が形成されている。２次循環流路２１には、２次冷却液を２次循環流路２１内に循環させる２次循環ポンプ２２と、２次冷却液を空冷するラジエータ２３が設けられている。
【００２３】
２次循環流路２１は、２次冷却液が２次循環ポンプ２２から熱交換器３およびラジエータ２３を通過して２次循環ポンプ２２に戻るように構成されている。また、ラジエータ２３は、図示しない電動冷却ファンを備える空冷式の放熱器である。さらに、２次循環流路２１は、１次循環流路１１と同様、燃料電池ＦＣの液絡現象を防止するために、イオンの溶出し難い適宜の材料、たとえばステンレス鋼管、合成樹脂管などの絶縁材料により構成されている。２次冷却液としては、１次冷却液と同様、液絡現象を防止するために、前記純水や純水とエチレングリコール系の液の混合液などの絶縁冷媒が用いられる。また、２次冷却系２では、１次冷却系１を冷却するとともに、燃料電池ＦＣが搭載される燃料電池自動車における他の部材、たとえば走行用モータ、過給機の駆動モータ、駆動ユニット、および制御装置などを含む発熱源をも２次冷却液を循環させて冷却している。これらを冷却した２次冷却液は、ラジエータ２３によって冷却される。
【００２４】
なお、ここで、１次冷却系１における１次冷却液の温度は、燃料電池ＦＣを７５〜８５℃という適温範囲に制御するために、温調器１３によっておよそ７０℃程度になるように調整される。一方、２次冷却系２における２次冷却液の温度は、熱交換器３の入口側で６５℃程度に、その出口側で７５℃程度に維持され、ラジエータ２３の入口側で７５℃程度の、その出口側で６５℃程度に維持される。また、この２次冷却液の温度は、熱交換器３の入口側で６５℃程度に、その出口側で６０℃程度に維持される。
【００２５】
また、燃料電池ＦＣは、発電単位であるセルが多数積層された構造のＰＥＭ型燃料電池であり、たとえば７５〜８５℃程度の温度環境において、最も安定した出力状態が得られる。ここで、図３に示すように、燃料電池ＦＣを構成する各セルＣは、酸素供給路Ｃ１を内面側に有するカソード側セパレータＣ２と、水素供給路Ｃ３を内面側に有するアノード側セパレータＣ４との間に、シールＣ５を有する膜・電極接合体（ＭＥＡ）Ｃ６を挟み込んだ構造を備えている。この膜・電極接合体Ｃ６は、水素イオン交換膜Ｃ７の片面にカソード側電極触媒層Ｃ８およびガス拡散層Ｃ９が順次積層され、水素イオン交換膜Ｃ７の他の片面にアノード側電極触媒層Ｃ１０およびガス拡散層Ｃ１１が順次積層されて構成されている。そして、アノード側セパレータＣ４の外面側には、冷却液流路Ｃ１２が形成されている。
【００２６】
以上のように構成された本実施形態に係る燃料電池用冷却装置においては、１次循環ポンプ１２および２次循環ポンプ２２によって、１次冷却液および２次冷却液がそれぞれ１次循環流路１１および２次循環流路２１を循環する。ここで、１次循環流路１１の温調器１３を通過する１次冷却液が低温となっている燃料電池ＦＣの冷態時においては、温調器１３が第１熱交換器３の出口側の流路を閉じるため、１次冷却液は、１次循環ポンプ１２からバイパス流路１１Ａ、温調器１３、および燃料電池ＦＣの冷却液流路Ｃ１２を介して１次循環ポンプ１２へと循環する。そして、第１熱交換器３を迂回して循環する１次冷却液は、燃料電池ＦＣの冷却液流路Ｃ１２を通過する過程で吸熱して漸次温度上昇することにより、燃料電池ＦＣを暖機する。
【００２７】
１次循環流路１１の温調器１３を通過する１次冷却液の温度が上昇して燃料電池ＦＣの暖機が完了すると、温調器１３は、バイパス流路１１Ａから流入する１次冷却液と第１熱交換器３から流入する１次冷却液の流入割合をたとえば７０℃に調整している。このように温度調整された１次冷却液が燃料電池ＦＣの冷却液流路Ｃ１２を通過し、その過程で吸熱して燃料電池ＦＣを冷却する。そして、燃料電池ＦＣを冷却した１次冷却液は、再度第１熱交換器３により２次循環流路２１の２次冷却液と熱交換して放熱し冷却される。
【００２８】
一方、２次冷却液は、２次循環流路２１において、２次循環ポンプ２２から熱交換器３を通過してラジエータ２３に流入し、ラジエータ２３から流出して２次循環ポンプ２２へと循環する。そして、この２次冷却液は、１次熱交換器３で１次循環流路１１の１次冷却液と熱交換して吸熱し、ラジエータ２３の送風により外気と熱交換して放熱する。こうして、２次冷却液の温度は、ラジエータ２３の入口側で７０℃程度に維持され、ラジエータ２３の出口側で６０℃程度に維持される。
【００２９】
また、１次循環流路１１では、熱交換器３によって冷却された１次冷却液の一部を、連通路１１Ｂを介してイオン交換器１５に供給する。ここで、１次循環流路１１の連通路１１Ｂにおいて、１次冷却液の流量は流量レギュレータ１４によって一定となるように調整されている。流量レギュレータ１４の作用により、連通路１１Ｂに流入する１次冷却液の流量は一定に調整される。このため、たとえば燃料電池ＦＣの出力が大きく、１次循環ポンプ１２の圧力が大きくなって大量の１次冷却液が１次循環流路１１を流れていたとしても、イオン交換器１５における１次冷却液の流量は一定となる。同様に、燃料電池ＦＣの出力が小さく、１次循環ポンプ１２の圧力が小さくなって１次循環流路１１を流れる１次冷却液が少なくなったとしても、イオン交換器１５における１次冷却液の流量は一定となる。したがって、１次循環液の流量が少ないときに合わせて１次循環ポンプ１２の圧力をセッティングする必要がないので、無駄な消費エネルギーを減らすことができる。
【００３０】
ここで、イオン交換器１５を流れる１次冷却液の流量と、燃料電池ＦＣの出力との関係について図４を参照して言及する。図６に示す従来の冷却装置における燃料電池ＦＣの出力とイオン交換器５５を流れる１次冷却液の流量の関係を図４（ａ）に示す。
【００３１】
燃料電池の出力に応じて１次循環ポンプ５３の圧力が変わる。すなわち、燃料電池ＦＣの要求出力が増えると、その分燃料電池ＦＣを大きく冷却する必要が生じるので、１次循環ポンプ１２によって多くの１次冷却液を循環させる必要が生じる。逆に、燃料電池ＦＣの要求出力が減少すると、燃料電池ＦＣを少し冷却すればよいので、１次循環ポンプ１２で循環させる１次冷却液の量は少なくて済む。このため、イオン交換器５５を流れる１次冷却液の流量ＱＲは燃料電池ＦＣの出力にほぼ比例する。イオン交換器５５において、１次冷却液の導電率を管理するための必要流量ＱＮは燃料電池ＦＣの出力にかかわらずほぼ一定である。したがって、従来の冷却装置５０では、ある領域ではイオン交換器５５における１次冷却液の流量は好ましい範囲にあるものの、燃料電池ＦＣの出力範囲における大部分の範囲でイオン交換器５５における１次冷却液の流量が不足していたり、あるいは過多となっていた。
【００３２】
これに対して、本発明に係る冷却装置Ｍ１では、流量レギュレータ１４を設けているので、図４（ｂ）に示すように、イオン交換器１５を流れる１次冷却液の流量ＱＲをほぼ一定とすることができる。このため、イオン交換器１５における１次冷却液の流量が過剰となったり、あるいは不足したりする事態を防止できる。また、このイオン交換器１５における１次冷却液の流量ＱＲを必要流量ＱＮよりもわずかに多い範囲に設定することによって、余裕をもって１次冷却液の導電率の管理を行うことができる。
【００３３】
また、図５を参照して、本発明の第２の実施形態について説明する。図５に示すように、本実施形態に係る冷却装置Ｍ２は、前記第１の実施形態と比較して、１次冷却系のみが異なるので、燃料電池ＦＣ、２次冷却系２、および熱交換器３については同一の番号を付してその説明を省略する。本実施形態に係る冷却装置Ｍ２は、１次冷却系４を有しており、１次冷却系４には１次循環流路４１が形成されている。１次循環流路４１は、１次循環流路４１内で１次冷却液を循環させる１次循環ポンプ４２と、たとえばサーモスタットからなり、１次冷却液の温度を調整可能な温調器４３を備えている。そして、１次循環流路４１には、第１の実施形態の連通路１１Ｂに相当する連通路４１Ｂが、第１の実施形態のバイパス流路１１Ａに相当するバイパス流路４１Ａと並列に設けられている。
また、１次循環流路４１は、流量が一定となるように調整する流量調整手段である流量レギュレータ４４および１次冷却液に含まれる金属イオンなどの各種イオンを除去するイオン交換樹脂を用いたイオン交換器４５を備えている。また、これらの流量レギュレータ４４およびイオン交換器４５は一体となって形成されている。本実施形態においては、前記第１の実施形態と比較して、この点において異なる。
【００３４】
冷却装置Ｍ２は、燃料電池ボックスという限られたスペースに収容されているため、冷却装置Ｍ２は極力小型化することが望まれる。この点、本実施形態では、流量レギュレータ４４とイオン交換器４５が一体となって形成されているため、前記第１の実施形態と比較すると、冷却装置Ｍ２を全体として小型化を図ることができる。
【００３５】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではない。
【００３６】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、燃料電池に対する要求電力が増減し、燃料電池の出力要求に応じて、１次冷却液の流量を増減させるべく、１次循環ポンプの圧力が変動した場合であっても、イオン交換器における１次冷却液の流量を好適な一定の範囲に調整することができる。このため、１次循環液の流量が少ないときに合わせて１次循環ポンプの圧力をセッティングする必要がないので、無駄な消費エネルギーを減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池自動車の冷却装置の回路構成図である。
【図２】流量レギュレータの側断面図である。
【図３】図１に示された燃料電池のセル構造を示す部分断面図である。
【図４】（ａ）は従来の冷却装置における燃料電池の出力とイオン交換器を流れる１次冷却液の流量の関係を示すグラフであり、（ｂ）は本発明に係る冷却装置における燃料電池の出力とイオン交換器を流れる１次冷却液の流量の関係を示すグラフである。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池自動車の冷却装置の回路構成図である。
【図６】従来の燃料電池用冷却装置の回路構成図である。
【符号の説明】
１１次冷却系
２２次冷却系
３熱交換器
１１１次循環流路
１１Ａバイパス流路
１１Ｂ連通路
１２１次循環ポンプ
１３温調器
１４流量レギュレータ
１４Ａ流入口
１４Ｂ空間部
１４Ｃスリーブバルブ
１４Ｄ可動オリフィス
１４Ｅスプリング
１４Ｆ流通孔
１４Ｇ流出路
１４Ｈ圧ぬきオリフィス
１４Ｉ流出口
１５イオン交換器
ＦＣ燃料電池
Ｍ１，Ｍ２燃料電池用冷却装置

Claims

冷却液が循環して燃料電池を冷却する冷却系に、
前記冷却液を循環させると共に循環させる前記冷却液の流量を前記燃料電池の要求出力に応じて変動させる循環ポンプと、
前記燃料電池から排出された前記冷却液を冷却する熱交換器と、
前記冷却液中のイオンを除去するイオン交換樹脂を用いたイオン交換器と、
前記イオン交換器に流入する前記冷却液の流量を一定にする流量調整手段と、を備え、
前記冷却系の循環流路には、前記循環ポンプと前記熱交換器と前記燃料電池とが直列に配置され、
前記循環流路には、前記流量調整手段および前記イオン交換器が前記燃料電池と並列になるように配置されている連通路が設けられ、
前記連通路には、前記流量調整手段および前記イオン交換器が上流側からこの順で配置され、
前記流量調整手段には、
前記冷却液が流入する流入口と、
前記流入口に連通する円柱状の空間部と、
前記空間部内に設けられ、前記冷却液の流れ方向に移動可能であるスリーブバルブと、が設けられ、
前記スリーブバルブは、
円筒状の周壁部と、
前記周壁部から径方向内向きに延び最上流側に配置された上流壁部と、
前記上流壁部に形成され、冷却液が流入する可動オリフィスと、
前記周壁部に形成された流通孔と、を備え、
前記流量調整手段には、さらに、
前記スリーブバルブを前記流入口の方向に付勢するスプリングと、
前記流入口から流入した前記冷却液が前記可動オリフィスおよび前記流通孔をこの順に流通した後に前記イオン交換器に向かって流れるために前記空間部の内周面に開口した流出路と、
前記可動オリフィスのオリフィス径よりも小さく形成され、前記スリーブバルブが最も下流側に寄り、前記流通孔と前記流出路とが遮断した場合に前記空間部内の圧力を抜くために設けられ、前記空間部と前記空間部よりも下流の前記連通路とを連通する圧ぬきオリフィスと、が設けられ、
前記流入口から流入した前記冷却液の液圧と前記スプリングの付勢力とに応じて移動する前記スリーブバルブが、径方向において前記流通孔と前記流出路の前記開口とが重なる部分である開口面積を調整することにより、前記イオン交換器に流入する前記冷却液の流量を一定にすることを特徴とする燃料電池用冷却装置。
前記流量調整手段および前記イオン交換器は、一体となって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用冷却装置。