JP6019634B2 - 燃料電池冷却水システム - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池の冷却水の温度を調整する燃料電池冷却水システムに関する。

特許文献１は、燃料電池の冷却水システムを開示する。

特開２００９−２５９４６７号公報

本件発明者らは、燃料電池の冷温始動するシステムを開発中である。しかしながら、特許文献１の手法では、リザーバータンクの冷却水がラジエーターを流れて、冷温始動を阻害するおそれがあることが知見された。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされた。本発明の目的は、冷温始動性に優れる燃料電池冷却水システムを提供することである。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。

本発明による燃料電池冷却水システムのひとつの態様は、燃料電池スタックと、冷却水の熱を放熱するラジエーターと、前記燃料電池スタック及び前記ラジエーターを結び、冷却水が流れる冷却水流路と、前記ラジエーターよりも上流の冷却水流路及び下流の冷却水流路に接合され、ラジエーターをバイパスするように冷却水が流れるバイパス流路と、前記冷却水流路と前記バイパス流路との接合場所に設けられ、バイパス流路を流れる冷却水の流量を調整する流量調整弁と、前記ラジエーターの内圧が高くなったときに冷却水の一部がリザーバータンクに逃げるように開弁するとともに、前記ラジエーターの内圧が低くなったときにリザーバータンクの冷却水の一部が戻るように開弁するラジエーターキャップと、前記冷却水流路に設けられ、冷却水を吐出する冷却水ポンプと、を含む。そして、前記燃料電池スタックと前記バイパス流路との間であって冷却水ポンプよりも上流の冷却水流路に設けられ、冷却水ポンプの吸入圧力とリザーバータンクの圧力との差圧に応じて開弁して、リザーバータンクの冷却水の一部を冷却水流路に流す差圧弁を備えることを特徴とする。

この態様によれば、リザーバータンクの冷却水がラジエーターを流れることなく、燃料電池スタックに供給されるので、冷温始動性に優れた燃料電池冷却水システムを提供できる。

本発明の実施形態、本発明の利点については、添付された図面を参照しながら以下に詳細に説明する。

図１は、本発明による燃料電池冷却水システムの第１実施形態を示す図である。 図２は、流量調整弁から冷却水ポンプまでの具体的な構成を示す斜視図である。 図３は、本発明による燃料電池冷却水システムの第２実施形態を示す図である。 図４は、本発明による燃料電池冷却水システムの第１変形形態を示す図である。 図５は、本発明による燃料電池冷却水システムの第２変形形態を示す図である。 図６は、比較形態を説明する図である。

（第１実施形態）
図１は、本発明による燃料電池冷却水システムの第１実施形態を示す図である。

燃料電池冷却水システム１は、燃料電池スタック１０と、ラジエーター２０と、冷却水流路３０と、バイパス流路４０と、流量調整弁５０と、冷却水ポンプ６０と、リザーバータンク７０と、ラジエーターキャップ８０と、差圧弁９０と、リザーバー流路１００と、差圧流路１１０と、ヒーターコア流路１２０と、ヒーターコア１３０と、ヒーター１４０と、を含む。

燃料電池スタック１０は、電解質膜の両面にカソード電極触媒層及びアノード電極触媒層が形成された膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly；ＭＥＡ)が数百枚積層されて構成される。反応ガス(カソードガスＯ₂、アノードガスＨ₂)が供給されると、各膜電極接合体(ＭＥＡ)は、カソード電極触媒層及びアノード電極触媒層において次式(1-1)(1-2)の反応が生じて発電する。

このような発電反応が効率的に行われるには、電解質膜が適度な湿潤状態に維持されていることが望ましい。電解質膜の湿潤状態は、燃料電池の温度と相関する。燃料電池の温度が高いと電解質膜の湿潤状態が下がって乾燥しやすくなる。燃料電池の温度が低いと電解質膜の湿潤状態が上がって湿潤しやすくなる。そこで燃料電池の温度を管理することが重要である。そこで、燃料電池スタック１０には、冷却水流路３０が接続される。

ラジエーター２０は、冷却水の熱を放熱する。

冷却水流路３０は、冷却水が循環して流れるように、燃料電池スタック１０とラジエーター２０とを結ぶ。通常運転時は、冷却水は、図中の実線矢印方向に流れて循環する。循環する冷却水は、燃料電池スタック１０の入口１１から流入し、出口１２から流出する。なお以下の上流及び下流という表現は、この冷却水の流れ方向に基づく。

バイパス流路４０は、ラジエーター２０よりも上流の冷却水流路３０とラジエーター２０よりも下流の冷却水流路３０とを結ぶ。冷却水は、バイパス流路４０を流れると、ラジエーター２０をバイパスする。

流量調整弁５０は、冷却水流路３０とバイパス流路４０とが交わる場所に設けられる。本実施形態では、流量調整弁５０は、冷却水流路３０を流れた冷却水とバイパス流路４０を流れた冷却水とが合流する合流部分に設けられる。流量調整弁５０は、冷却水流路３０から流れてきた冷却水の流量とバイパス流路４０から流れてきた冷却水の流量とを調整することで、冷却水を所定温度にして流出させる。流量調整弁５０は、冷却水の水温によって、冷却水流路３０の流量とバイパス流路４０の流量との割合を調整するサーモスタット弁である。

冷却水ポンプ６０は、冷却水を吐出する。本実施形態では、冷却水ポンプ６０は、流量調整弁５０よりも下流であって燃料電池スタック１０よりも上流の冷却水流路３０に設けられる。冷却水ポンプ６０は、たとえば電動モーターによって駆動される。冷却水の流量は、冷却水ポンプ６０の回転速度によって調整される。冷却水ポンプ６０の回転速度が大であるほど、冷却水の流量も大である。

ラジエーターキャップ８０は、ラジエーター２０とバイパス流路４０との間の冷却水流路３０に設けられる。ラジエーターキャップ８０は、ラジエーター２０に設けられてもよい。ラジエーターキャップ８０は、リザーバー流路１００を介してリザーバータンク７０に接続される。ラジエーターキャップ８０は、通常は、閉弁しており、ラジエーター２０を加圧する。そして、ラジエーターキャップ８０は、ラジエーター２０の内圧が高くなったときに冷却水の一部がリザーバータンク７０に逃げるように開弁する。またラジエーターキャップ８０は、ラジエーター２０の内圧が低くなったときにリザーバータンク７０の冷却水の一部が戻るように開弁する。

差圧弁９０は、燃料電池スタック１０とバイパス流路４０との間であって冷却水ポンプ６０よりも上流の冷却水流路３０に設けられる。本実施形態では、差圧弁９０は、流量調整弁５０よりも下流であって冷却水ポンプ６０よりも上流の冷却水流路３０に設けられる。差圧弁９０は、差圧流路１１０を介してリザーバータンク７０に接続される。差圧弁９０は、冷却水ポンプ６０の吸入圧力(吸入負圧)とリザーバータンク７０の圧力との差圧に応じて開弁して、リザーバータンク７０の冷却水の一部を冷却水流路３０に流す。なおこのような差圧弁９０としては、ラジエーターキャップを用いてもよい。ラジエーターキャップも圧力差が小さければ閉弁し、圧力差が大きければ開弁するからである。

ヒーターコア流路１２０は、バイパス流路４０から分岐する。

ヒーターコア１３０は、エアコンディショナーを構成する部品である。ヒーターコア１３０は、ヒーターコア流路１２０に設けられる。ヒーターコア１３０は、多数のチューブと、チューブに接合されるフィンとを備える。チューブには、ヒーターコア流路１２０から流入した冷却水が流れる。またフィンの間には、空気が流れる。このような構成になっているので、フィンの間を流れた空気が加温されて温風になる。このような加温効率が良くなるように、容積に対して表面積が大きいことが望ましい。そのため、チューブは、ヒーターコア流路１２０よりも径が小さい。そしてこのような小径のチューブが多数設けられる。また放熱性向上のため、このようなチューブを蛇行させて流路長が長くなるように設けられることもある。

ヒーター１４０は、ヒーターコア流路１２０の分岐場所よりも上流のバイパス流路４０に設けられる。ヒーター１４０は、冷却水を加熱する。すなわち、燃料電池スタック１０を冷温始動するときに、ヒーター１４０が冷却水を加温する。このようにすれば、冷却水が早期に適温に達する。またヒーターコア１３０の加温能力が不足するときに、ヒーター１４０が冷却水を加温する。このようにすれば、エアコンディショナーから適温の温風が送られる。

図２は流量調整弁から冷却水ポンプまでの具体的な構成を示す斜視図であり、図２(Ａ)は正面図、図２(Ｂ)は背面図である。

冷却水ポンプ６０の上流側(吸入側)の冷却水流路３０(３１)は、弾性材料で形成される。たとえばゴム配管である。また差圧弁９０が取り付けられる冷却水流路３０(３２)は、ゴム配管３１よりも高剛性である。たとえば金属製である。このように、ゴム配管３１の長さは必要最低限に限定される。このようにゴム配管３１が設けられるので、冷却水ポンプ６０の振動が他部品に伝わらない。またゴム配管３１の長さは必要最低限に限定される。ゴム配管３１が長いと、冷却水ポンプの吸入負圧が作用したときに、ゴム配管３１の変形容積が大きくなる。冷却水ポンプの流量は、圧力センサー１５０の信号で推定しているが、ゴム配管３１が変形すれば、流量を正確には推定できなくなる。しかしながら、本実施形態のように、ゴム配管３１の長さが必要最低限に限定されることで、このような事態を抑制でき、流量を正確に推定しやすくなる。

また本実施形態では、流量調整弁５０及び差圧弁９０がひとつの金属ハウジング３２に一体形成される。そのため製造コストが安価である。

さらに本実施形態では、圧力センサー１５０は、差圧弁９０よりも下流であって冷却水ポンプ６０の上流に設けられる。このため、圧力センサー１５０による冷却水ポンプ流量の推定精度の悪化が防止される。

図６は、比較形態を説明する図である。

ここで本発明の理解を容易にするために、図６の比較形態について説明する。なお以下では前述と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。

この比較形態では、本発明に存在する差圧弁９０及び差圧流路１１０が無い。この比較形態では、通常運転時は、冷却水は、図中の実線矢印方向に流れて循環する。そして、ラジエーター２０の内圧が高くなったらラジエーターキャップ８０が開いて、冷却水の一部をリザーバータンク７０に逃がす。またラジエーター２０の内圧が低くなったときも、またラジエーターキャップ８０が開く。これによって、リザーバータンク７０の冷却水の一部が戻される。

冷温始動するときに、ヒーター１４０が冷却水を加熱した状態で、冷却水ポンプ６０が作動する。流量調整弁５０は、上述の通り、冷却水の水温によって、冷却水流路３０の流量とバイパス流路４０の流量との割合を調整する。冷温始動時は、流量調整弁５０は、ラジエーター側の流路を閉じ、バイパス流路側のみ開けて、水温を早期に暖める。

ところで、冷温始動時は、流量調整弁５０が、ラジエーター側の流路を閉じた状態になる。このとき、比較形態の構成で、冷却水ポンプ６０が作動すると、ラジエーターキャップ８０が開いて、点線矢印のように、リザーバータンク７０の冷却水が冷却水流路３０を逆流するおそれがある。特に冷温始動時は、冷却水の温度が低く、粘性が高くなっているので、このような事態に陥りやすい。このようになると、冷却水は、ラジエーター２０でさらに冷やされた後にヒーター１４０に流入し、実線矢印のように流れる。したがって、ヒーター１４０の加熱効果が阻害され、燃料電池スタックの暖機に時間を要する。またヒーターコア温度も下がるので、車室内の暖房性能も低下してしまう。

これに対して、本実施形態によれば、冷温始動時に冷却水ポンプ６０が作動すると、差圧弁９０が開いて、点線矢印のように、リザーバータンク７０の冷却水が冷却水流路３０に流れることとなる。このようになると、冷却水は、ラジエーター２０を通らずに流れるので、ヒーター１４０の加熱効果が阻害されず、燃料電池スタックの早期暖機が実現される。また車室内の暖房性能の低下を防止できる。

なお差圧弁９０は、冷却水ポンプ６０の直上流の冷却水流路３０に設けられる。ここは、冷却水ポンプ６０の吸入負圧が最も作用するので、リザーバータンク７０から冷却水が流れやすい。たとえばラジエーターキャップ８０を流用して差圧弁として用いても、ラジエーターキャップ８０よりも早期に開弁し、リザーバータンク７０の冷却水が冷却水ポンプ６０に流れ易くなる。さらに、差圧弁９０が、ラジエーターキャップ８０よりも小さな圧力で開弁するタイプであれば、リザーバータンク７０の冷却水がラジエーター２０や冷却水流路３０を逆流することを一層防止しやすくなる。

また本実施形態では、上述のように、冷却水ポンプ６０の上流側(吸入側)の冷却水流路３０(３１)は、冷却水ポンプ６０の振動が他部品に伝わらないように弾性材料(たとえばゴム)が用いられる。比較形態のような構成でゴム配管を用いると、冷却水ポンプ６０の吸入負圧の影響によって、ゴム配管が大きく変形する可能性がある。これに対して、本実施形態の構成であれば、リザーバータンク７０からの冷却水を差圧弁９０を介して流すので、冷却水ポンプ６０の吸入負圧の影響を緩和でき、ゴム配管を用いても、ゴム配管の変形を抑制できる。

また流量調整弁５０は、サーモスタット弁である。サーモスタット弁は、温度によって変形するワックスの伸縮力とバネ力とのバランスで開閉する。比較形態のような構成では、冷却水ポンプ６０の吸入負圧の影響を受けないように、バネ力を大きくしておく必要がある。このようにすると、サーモスタット弁の応答性が遅くなる。これに対して、本実施形態の構成であれば、リザーバータンク７０からの冷却水を差圧弁９０を介して流すので、冷却水ポンプ６０の吸入負圧の影響を緩和でき、サーモスタット弁のバネ力を無用に大きくする必要がない。したがってサーモスタット弁の応答性を悪化させない。

（第２実施形態）
図３は、本発明による燃料電池冷却水システムの第２実施形態を示す図である。

本実施形態では、燃料電池のアノードオフガスをパージするパージ弁や、カソード圧力を調整する調圧弁を暖機するためのウォータージャケット１７０をさらに含む。このウォータージャケット１７０は、ウォータージャケット流路１８０に設けられる。ウォータージャケット流路１８０は、冷却水ポンプ６０よりも下流であって燃料電池スタック１０よりも上流の冷却水流路３０から分岐し、流量調整弁５０よりも下流であって差圧弁９０よりも上流の冷却水流路３０に合流する。なお冷却水ポンプ６０の上流には、冷却水ポンプ６０の吸入圧(吸入負圧)を検出する圧力センサー１５０が設けられる。冷却水ポンプ６０の下流には、冷却水ポンプ６０の吐出圧を検出する圧力センサー１６０が設けられる。

このように構成されているので、冷温始動時に冷却水ポンプ６０が作動すると、差圧弁９０が開いて、点線矢印のように、リザーバータンク７０の冷却水が冷却水流路３０に流れる。このようになると、ラジエーター２０を通らない冷却水が、ウォータージャケット１７０に流れるので、パージ弁や調圧弁の暖機が阻害されない。また、特に、冷却水の粘性が高くなって冷却水ポンプ６０による吸入負圧が高くなるような運転シーンにおいても、ウォータージャケット流路１８０から冷却水が流れるので、冷却水ポンプ６０の上流にゴム配管が用いられていても、冷却水ポンプ６０の吸入負圧の影響を緩和でき、ゴム配管の変形を抑制できる。したがって、圧力センサー１５０の検出精度が阻害されない。

またウォータージャケット流路１８０から冷却水が流れるので、冷却水ポンプ６０の吸入負圧の影響を緩和でき、サーモスタット弁のバネ力を無用に大きくする必要がない。したがってサーモスタット弁の応答性を悪化させない。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

たとえば、第１実施形態では、流量調整弁５０は、冷却水流路３０とバイパス流路４０との合流部分に設けられていた。またラジエーターキャップ８０は、ラジエーター２０よりも下流の冷却水流路３０に設けられていた。これに対して、図４に示されるように、流量調整弁５０が、冷却水流路３０とバイパス流路４０との分岐部分に設けられるとともに、ラジエーターキャップ８０が、ラジエーター２０よりも上流の冷却水流路３０に設けられてもよい。このような構成であっても、冷温始動時に、ラジエーター２０でさらに冷やされた冷却水がヒーター１４０に流入する事態が回避される。

また図４の冷却水ポンプ６０及び差圧弁９０を、図５のように、燃料電池スタック１０の下流に配置してもよい。このような構成であっても、冷温始動時に、ラジエーター２０でさらに冷やされた冷却水がヒーター１４０に流入する事態が回避される。

なお上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。

１ 燃料電池冷却水システム
１０ 燃料電池スタック
２０ ラジエーター
３０ 冷却水流路
４０ バイパス流路
５０ 流量調整弁
６０ 冷却水ポンプ
７０ リザーバータンク
８０ ラジエーターキャップ
９０ 差圧弁
１００ リザーバー流路
１１０ 差圧流路
１２０ ヒーターコア流路
１３０ ヒーターコア
１４０ ヒーター

Claims (5)

1. 燃料電池スタックと、
   冷却水の熱を放熱するラジエーターと、
   前記燃料電池スタック及び前記ラジエーターを結び、冷却水が流れる冷却水流路と、
   前記ラジエーターよりも上流の冷却水流路及び下流の冷却水流路に接合され、ラジエーターをバイパスするように冷却水が流れるバイパス流路と、
   前記冷却水流路と前記バイパス流路との接合場所に設けられ、バイパス流路を流れる冷却水の流量を調整する流量調整弁と、
   前記ラジエーターの内圧が高くなったときに冷却水の一部がリザーバータンクに逃げるように開弁するとともに、前記ラジエーターの内圧が低くなったときにリザーバータンクの冷却水の一部が戻るように開弁するラジエーターキャップと、
   前記冷却水流路に設けられ、冷却水を吐出する冷却水ポンプと、
   を含む燃料電池冷却水システムにおいて、
   前記燃料電池スタックと前記バイパス流路との間であって冷却水ポンプよりも上流の冷却水流路に設けられ、冷却水ポンプの吸入圧力とリザーバータンクの圧力との差圧に応じて開弁して、リザーバータンクの冷却水の一部を冷却水流路に流す差圧弁を備える、
   ことを特徴とする燃料電池冷却水システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池冷却水システムにおいて、
   前記差圧弁よりも下流であって前記冷却水ポンプよりも上流の冷却水流路は、弾性材料で形成され、
   前記差圧弁は、前記弾性材料よりも剛性が高い材料で形成された冷却水流路に設けられる、
   ことを特徴とする燃料電池冷却水システム。
3. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池冷却水システムにおいて、
   前記流量調整弁及び前記差圧弁は、一体形成される、
   ことを特徴とする燃料電池冷却水システム。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の燃料電池冷却水システムにおいて、
   前記差圧弁よりも下流であって前記冷却水ポンプよりも上流に設けられ、冷却水ポンプの流量を推定するための圧力センサーをさらに含む、
   ことを特徴とする燃料電池冷却水システム。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料電池冷却水システムにおいて、
   前記冷却水ポンプよりも下流であって前記燃料電池スタックよりも上流から分岐し、前記流量調整弁よりも下流であって前記差圧弁よりも上流に合流して、冷却水ポンプが吐出した冷却水が流れる分岐流路をさらに含む、
   ことを特徴とする燃料電池冷却水システム。

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