JP7264029B2

JP7264029B2 - 燃料電池の冷却システム

Info

Publication number: JP7264029B2
Application number: JP2019221176A
Authority: JP
Inventors: 順朗野々山; 博道佐藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-12-06
Filing date: 2019-12-06
Publication date: 2023-04-25
Anticipated expiration: 2039-12-06
Also published as: US11322756B2; DE102020127273A1; US20210175522A1; CN112928300A; CN112928300B; JP2021093240A

Description

本願は燃料電池の冷却システムを開示する。

燃料電池をさらに普及させるべく燃料電池の低コスト化が進められている。例えば、燃料電池の気体流路と冷却液流路とを仕切るシール構造の簡略化やセパレータの樹脂化が検討されている。この場合、気体流路から冷却液流路へと気体が漏出し易くなり、冷却効率の低下を招く虞がある。そのため、燃料電池の気体流路から冷却液流路へと漏出した気体を系外へと除去する技術が必要となる。

例えば、特許文献１に開示された技術では、冷却液貯蔵容器と燃料電池の空気排出系統とを接続し、燃料電池の空気排出系統から冷却液貯蔵容器内の気体が滞留する空間へと空気を送り込んで冷却液貯蔵容器内を換気している。これにより、燃料電池の気体流路から冷却液流路へと漏出した気体を系外へと除去することができる。

燃料電池システムにおける気体の排出技術として、特許文献２に開示されたような技術も知られている。また、燃料電池システムに関する技術ではないが、特許文献３及び４に開示されたような技術も知られている。

特開２００４－３３５１５４号公報特開２０１５－２０７４２０号公報特開２００３－３４０２３０号公報特開２００９－０９１１６５号公報

特許文献１に開示された技術においては、冷却液貯蔵容器内の気体を空気で希釈しつつ系外へと排気することが可能である。しかしながら、特許文献１に開示された技術においては、燃料電池の運転状態によっては、空気排出系統から冷却液貯蔵容器内へと空気を送り込むことができない場合がある。すなわち、冷却液貯蔵容器内の換気を適切なタイミングで行うことができない虞がある。また、空気排出系統の開閉制御が必要となる等、システムが複雑になる虞がある。さらに、冷却液貯蔵容器内を換気する場合に、冷却液を系外へと無駄に揮発させてしまう虞もある。

本願は上記課題を解決するための手段の一つとして、燃料電池と、熱交換器と、前記燃料電池及び前記熱交換器の間で冷却液を循環させる、循環流路と、前記循環流路に接続され、前記循環流路から前記冷却液の少なくとも一部を受け入れる、第１の容器と、前記第１の容器に設けられ、前記第１の容器の内部の圧力が閾値以上となった場合に前記第１の容器の内部の気体を前記第１の容器の外部へと放出する、調圧弁と、前記調圧弁を介して前記第１の容器に接続され、前記第１の容器の内部から前記調圧弁を介して放出された前記気体を受け入れる、第２の容器と、前記第２の容器に設けられた、気体拡散部と、を備え、前記第１の容器の内部の圧力が閾値以上となった場合に、前記第１の容器の内部の前記気体が前記調圧弁を介して前記第２の容器の内部へと放出され、前記第２の容器の内部へと放出された前記気体が、前記気体拡散部を介して系外へと排出される、燃料電池の冷却システムを開示する。

本開示のシステムにおいて、前記燃料電池が少なくとも水素の供給を受けて発電するものであり、前記第１の容器から放出される前記気体に水素が含まれていてもよい。

本開示のシステムにおいて、前記気体拡散部が前記第２の容器の内部から外部へと延びる複数の貫通孔を有するものであってもよい。

本開示のシステムにおいて、前記気体拡散部が前記第２の容器の内部から外部へと延びる孔径０．６２ｍｍ以下の複数の貫通孔を有するものであってもよい。

本開示のシステムにおいては、燃料電池の冷却系統において気体の圧力が高くなった場合に、安全且つ簡便に、さらには適切なタイミングで、冷却液の揮発を抑制しつつ、当該気体を系外へと排出できる。

図１は、燃料電池の冷却システムの構成の一例を説明するための概略図である。図２は、第１の容器及び第２の容器の接続形態の一例を説明するための概略図である。気体の流れを白矢印及び破線矢印で示している。図３は、第１の容器及び第２の容器の接続形態の他の例を説明するための概略図である。気体の流れを白矢印及び破線矢印で示している。図４は、第１の容器及び第２の容器の接続形態の他の例を説明するための概略図である。気体の流れを白矢印及び破線矢印で示している。図５は、気体拡散部の構成の一例を説明するための概略図である。気体の流れを白矢印及び破線矢印で示している。図６は、気体拡散部の構成の他の例を説明するための概略図である。気体の流れを白矢印及び破線矢印で示している。図７は、気体拡散部の構成の他の例を説明するための概略図である。気体の流れを白矢印及び破線矢印で示している。図８は、気体拡散部の構成の他の例を説明するための概略図である。気体の流れを白矢印及び破線矢印で示している。

図１に燃料電池の冷却システムの構成の一例を示す。図１に示すシステム１００は、燃料電池１と、熱交換器２と、前記燃料電池１及び前記熱交換器２の間で冷却液３を循環させる、循環流路４と、前記循環流路４に接続され、前記循環流路４から前記冷却液３の少なくとも一部を受け入れる、第１の容器１０と、前記第１の容器１０に設けられ、前記第１の容器１０の内部の圧力が閾値以上となった場合に前記第１の容器１０の内部の気体５を前記第１の容器１０の外部へと放出する、調圧弁１１と、前記調圧弁１１を介して前記第１の容器１０に接続され、前記第１の容器１０の内部から前記調圧弁１１を介して放出された前記気体５を受け入れる、第２の容器２０と、前記第２の容器２０に設けられた、気体拡散部２１と、を備えている。システム１００においては、前記第１の容器１０の内部の圧力が閾値以上となった場合に前記第１の容器１０の内部の前記気体５が前記調圧弁１１を介して前記第２の容器２０の内部へと放出され、前記第２の容器２０の内部へと放出された前記気体５が、前記気体拡散部２１を介して系外へと排出される。

１．燃料電池
燃料電池１は少なくとも燃料ガスの供給を受けて発電する。例えば、燃料電池１のアノードに燃料ガス（例えば、水素）、カソードに酸素含有ガス（例えば、空気）を供給して発電反応を生じさせる。燃料電池１の具体例としては固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）が挙げられる。燃料電池１はスタック化されたもの（燃料電池スタック）であってもよい。

燃料電池１は、燃料ガスや酸素含有ガスを供給するための気体流路１ａ、１ｂと接続されていてもよい。この場合、燃料電池１の内部において、気体流路１ａ、１ｂと循環流路４とがガスケット等のシール部材（不図示）を介して接していてもよい。シール部材は、ＥＰＤＭゴム、シリコンゴム又はエラストマー樹脂からなっていてもよい。このようなシール部材は微量の気体を透過するものであってもよい。

また、燃料電池１の内部において、気体流路１ａ、１ｂと循環流路４とがセパレータ（不図示）を介して接していてもよい。セパレータは樹脂とカーボンとのコンポジットからなっていてもよい。このようなセパレータは微量の気体を透過するものであってもよい。

上記のシール部材やセパレータの水素透過度は、１．０×１０^－１３～１．０×１０^－１８ｍｏｌｍ／（ｍ^２ｓｅｃＰａ）であってもよい。

２．熱交換器
熱交換器２は、燃料電池の冷却系統において一般的に使用されている熱交換器をいずれも採用可能である。例えば、熱交換器２としてラジエータ、インタークーラ、オイルクーラ又はこれらの組み合わせを用いてもよい。自動車への搭載を考える場合、少なくともラジエータを含む熱交換器２としてもよい。

３．冷却液
冷却液３は、燃料電池の冷却系統において一般的に使用されている冷却液をいずれも採用可能である。例えば、水を主成分とする冷却液やエチレングリコールを主成分とする冷却液が挙げられる。本開示のシステム１００においては、冷却系統が実質的に密閉系とされることから、系外へと揮発する冷却液の量を抑制できる。

４．循環流路
循環流路４は、燃料電池１及び熱交換器２の間で冷却液３を循環させるためのものである。循環流路４は、熱交換器２から燃料電池１への往路と燃料電池１から熱交換器２への復路とを備えていてもよく、これら以外にさらに分岐した流路を備えていてもよい。循環流路４において冷却液３を循環させる手段は特に限定されるものではない。例えば、ポンプ４ａを用いて冷却液３を循環させることができる。

５．気体
燃料電池の低コスト化を狙って、燃料電池１の気体流路１ａ、１ｂと循環流路４とを仕切るシール構造の簡略化やセパレータの樹脂化が検討されており、燃料電池の気体流路１ａ、１ｂから循環流路４へと気体５が漏出する可能性が高まっている。本開示のシステム１００は、このように循環流路４へと漏出した気体５を系外に適切に排出するものである。気体５は、上述したように、水素等の燃料ガスであってもよいし、空気等の酸素含有ガスであってもよいし、これらの組み合わせであってもよい。

６．第１の容器
第１の容器１０は、循環流路４に接続され、循環流路４から冷却液３の少なくとも一部を受け入れる。第１の容器１０の形状や材質や大きさは特に限定されるものではなく、循環流路４から冷却液３の一部を受け入れ可能なものであればよい。例えば、第１の容器１０としてリザーバタンクを用いてもよい。

第１の容器１０と循環流路４との接続形態は特に限定されるものではない。例えば、図１に示すように、配管を介して第１の容器１０と循環流路４とを接続することがあり得る。第１の容器１０は、循環流路４の少なくとも１箇所に接続されていればよく、また、循環流路４のいずれの箇所に接続されていてもよい。例えば、図１に示すように、第１の容器１０と循環流路４との間に往路と復路とが別々に設けられるように、第１の容器１０を循環流路４の少なくとも２箇所に並列的に接続してもよい。或いは、第１の容器１０を循環流路４の途中に直列的に接続して、第１の容器１０が循環流路４からの冷却液３の全体を受け入れるようにしてもよい。

仮に、燃料電池１の気体流路１ａ、１ｂから循環流路４へと気体５の漏出があった場合、漏出した当該気体５は冷却液３とともに第１の容器１０内に到達する。第１の容器１０内に到達した当該気体５は、例えば、第１の容器１０内の冷却液３の液面の上方の空間に滞留し得る。

７．調圧弁
第１の容器１０の内部においては、燃料電池１の運転状況や急な温度変化によって、冷却液３の液位が変化する場合がある。例えば、急な温度上昇によって冷却液３の体積が膨張し、第１の容器１０の内部の冷却液３の液面が上昇する場合がある。この場合、第１の容器１０の内部の圧力も上昇し得る。第１の容器１０には、内部の圧力を調整するための調圧弁１１が設けられる。

調圧弁１１は、第１の容器１０の内部の圧力に応じて開閉される。具体的には、第１の容器１０の内部の圧力が閾値以上となった場合に、調圧弁１１が開き、第１の容器１０の内部の気体５を第１の容器１０の外部へと放出する。閾値の具体的な値については特に限定されるものではなく適宜決定すればよい。第１の容器１０の内部の圧力が閾値を下回る場合には調圧弁１１は基本的には閉じられるが、第１の容器１０の内部の圧力が負圧となった場合に、調圧弁１１が開くようにしてもよい。

調圧弁１１は、電気的な制御によって弁の開閉を制御するものであってもよいし、電気的な制御を伴わずに弁の開閉を制御するものであってもよい。特に、電気的な制御を伴わずに機械的な機構のみによって弁の開閉を制御する調圧弁１１を用いた場合、システムをより簡素化することができる。このような調圧弁１１としては、例えば、第１の容器１０の排気口部分に弾性部材１１ａによって押し付けられた蓋１１ｂが挙げられる。すなわち、第１の容器１０の内部の圧力が閾値以上となった場合、弾性部材１１ａが収縮して蓋１１ｂが開き、第１の容器１０の内部から外部へと気体が放出される。その後、気体の放出に伴って第１の容器１０の内部の圧力が徐々に低下し、当該圧力が閾値を下回ると、弾性部材１１ａが伸長して蓋１１ｂが排気口部分に押し付けられ、排気口が再び閉じられる。弾性部材１１ａの具体例は特に限定されるものではない。

８．第２の容器
第２の容器２０は、調圧弁１１を介して第１の容器１０に接続され、第１の容器１０の内部から調圧弁１１を介して放出された気体５を受け入れる。すなわち、システム１００においては、第１の容器１０から放出された気体５が系外へと直接放出されることがなく、当該気体５は第２の容器２０内に一時的に保持され、後述の気体拡散部２１を介して拡散によって系外へと徐々に排出される。そのため、仮に気体５が可燃性の燃料ガスを含む場合であっても、第１の容器１０から高濃度の燃料ガスが系外に直接放出されることがなく、安全性に優れる。例えば、燃料電池１が少なくとも水素の供給を受けて発電するものであり、第１の容器１０から放出される気体５に水素が含まれていたとしても、当該水素を系外へと安全に排出することができる。

第２の容器２０は、第１の容器１０から調圧弁１１を介して放出された気体５を一旦保持可能な形状、材質及び大きさであればよく、具体的な形態は特に限定されるものではない。第２の容器２０は、第１の容器１０よりも容積が大きくてもよいし、小さくてもよいし、同じであってもよい。自動車への搭載を考慮した場合、第２の容器２０の容量を、例えば、１０ｃｍ^３以上としてもよいし、１００ｃｍ^３以上としてもよいし、２００ｃｍ^３以上としてもよく、１００００ｃｍ^３以下としてもよいし、５０００ｃｍ^３以下としてもよいし、１０００ｃｍ^３以下としてもよい。

第２の容器２０は、気体拡散部２１以外の部分が、気体拡散部２１よりも気体の透過度が低い材料からなっているとよい。第２の容器２０の気体拡散部２１以外の部分は、例えば、ポリプロピレン等の樹脂によって構成することができる。

第１の容器１０と第２の容器２０との接続形態は特に限定されるものではない。例えば、図２に示すように、配管２０ａを介して第１の容器１０と第２の容器２０とを接続してもよいし、図３に示すように、第２の容器２０に第１の容器１０の調圧弁１１の部分を内包させるように、第１の容器１０と第２の容器２０とを直接接続してもよい。

或いは、図４に示すように、所定の長さを有する配管によって第２の容器２０を構成してもよい。すなわち、配管の一端を第１の容器１０の調圧弁１１の部分に接続するとともに、配管の他端に気体拡散部２１を設けてもよい。第２の容器２０を配管とする場合、当該配管の長さを、気体５を受け入れ、拡散させるのに十分な長さとし得る。例えば１ｍ以上の長さとしてもよい。

９．気体拡散部
本願にいう「気体拡散部」とは、その構造や形状でもって、第２の容器２０の内部と系外との間において対流による気体５の移動を抑制し、気体５の拡散抵抗を増大させつつ（気体の拡散速度を低下させつつ）、気体５を拡散及び透過させて、気体５を系外へと放出可能とするものをいう。例えば、第２の容器２０の内部と系外との間に流路径の狭い任意の部材や形状を設けることで、第２の容器２０から系外に放出される気体５の拡散速度を低下させることができる。具体的には、気体拡散フィルタ、微細管路等を用いることができる。流路径は、例えば、５．０ｍｍ以下であってもよいし、３．０ｍｍ以下であってもよいし、１．０ｍｍ以下であってもよいし、後述するように０．６２ｍｍ以下であってもよいし、０．３０ｍｍ以下であってもよい。

第２の容器２０には少なくとも一部にこのような気体拡散部２１が設けられる。第１の容器１０の内部から調圧弁１１を介して第２の容器２０の内部へと放出された気体５は当該気体拡散部２１を介して系外へと排出される。以下、気体拡散部２１の具体的な形態を例示するが、これらに限定されるものではない。

図５に示すように、第２の容器２０の内部から外部へと延びる複数の貫通孔を有する気体拡散部２１ａを採用してもよい。すなわち、気体拡散部２１ａはフィルタのような形状を有し得る。この場合、気体拡散部２１ａは、第２の容器２０の内部から外部へと延びる孔径０．６２ｍｍ以下の複数の貫通孔を有するものであってもよい。孔径が０．６２ｍｍ以下の貫通孔においては、水素の燃焼を抑制（消炎）することができるものと考えられる（日本燃焼学会誌第５１巻１５８号（２００９年）３２５－３３３等）。貫通孔の孔径は０．３０ｍｍ以下であってもよい。このような複数の貫通孔を有する気体拡散部２１ａは、例えば、金属メッシュや多孔質の金属焼結体により構成することができる。或いは、気体拡散部２１ａとしてピンホールの空いた金属板を用いてもよい。気体拡散部２１ａが金属により構成されることで、熱エネルギーが吸収され易く、すなわち、水素の燃焼がより抑制（消炎）され易い。気体拡散部２１ａは第２の容器２０の少なくとも一部に設けられていればよい。気体拡散部２１ａは、第２の容器２０のうち、第１の容器１０と接続される部分に近接して設けられていてもよいし、第１の容器１０と接続される部分とは反対側の部分（第１の容器１０と接続される部分から最も遠い部分）に設けられていてもよい。

図６に示すように、気体拡散部２１において気体５の流路断面積が絞られていてもよい。すなわち、気体拡散部２１が、第２の容器２０の一部に設けられた絞り２１ｂであってもよい。絞り２１ｂは、第２の容器２０のうち、第１の容器１０と接続される部分に近接して設けられていてもよいし、第１の容器１０と接続される部分とは反対側の部分（第１の容器１０と接続される部分から最も遠い部分）に設けられていてもよい。絞り２１ｂの流路径については上述した通りである。上記の気体拡散部２１ａと同様に、絞り２１ｂの流路径を０．６２ｍｍ以下又は０．３０ｍｍ以下として消炎性能を向上させてもよい。

図７に示すように、気体拡散部２１を細長い配管２１ｃとしてもよい。尚、上述したように、第２の容器２０を配管とすることも可能であることから、細長い配管２１ｃからなる第２の容器２０そのものを気体拡散部２１として機能させてもよい。配管２１ｃの長さについては上述した通りである。配管２１ｃの流路径についても上述した通りである。上記の気体拡散部２１ａと同様に、配管２１ｃの流路径を０．６２ｍｍ以下又は０．３０ｍｍ以下として消炎性能を向上させてもよい。

図８に示すように、気体拡散部２１が充填剤の集合体２１ｃを備えるものであってもよい。すなわち、第２の容器２０の内部に充填剤を充填して、これを気体拡散部２１として機能させてもよい。充填剤としては金属ビーズやセラミックビーズ等が挙げられる。図８に示すように、充填剤の集合体２１ｃは細隙を有しており、気体５を拡散及び透過させることが可能である。この場合、細隙により形成される流路径を０．６２ｍｍ以下又は０．３０ｍｍ以下として消炎性能を向上させてもよい。

気体拡散部２１としてゼオライト膜等の分子篩膜を採用することもあり得る。この場合、気体拡散部２１において、気体５のうち分子径の小さな成分（例えば水素）を優先的に透過させることができる。

或いは、上記した種々の気体拡散部のうちの２つ以上を組み合わせてもよいし、これら以外の構成を採用してもよい。

１０．作用効果
燃料電池においては、気体流路中の気体が、ガスケット（シール部材）やセパレータから冷却系統の循環流路内へと漏出する場合がある。例えば、気体流路から循環流路へと燃料ガスが漏出し、冷却液の燃料ガス濃度が上昇する場合がある。一方、急な温度上昇などによって冷却液の体積が膨張し、循環流路に接続された第１の容器の冷却液面が上昇して、第１の容器の内部の気体が調圧弁を介して外部へと押し出されることがある。仮に、冷却液中に高濃度の燃料ガスが含まれ、第１の容器の内部にも同様に高濃度の燃料ガスが含まれる場合、外気に高濃度の燃料ガスが一度に放出されることとなる。

本開示のシステム１００においては、第１の容器１０に対して第２の容器２０が接続されており、冷却系統の内圧が上昇して調圧弁１１が開いた場合に、第１の容器１０から放出された気体５が第２の容器２０に一時的に保持される。すなわち、気体５が一度に系外に放出されることがない。第２の容器２０の内部の気体５は、気体拡散部２１を介する拡散によって系外の気体と徐々に交換され、それによって第２の容器２０内の気体５の濃度が徐々に低下する。すなわち、第１の容器１０から放出される気体５に燃料ガスが含まれていたとしても、第２の容器２０の内部及び気体拡散部２１を介する拡散を利用することによって、燃料ガスを低い濃度で系外に排出することができる。

また、本開示のシステム１００においては、第１の容器１０から第２の容器２０へと気体５を放出することで、循環流路４内の気体濃度が低下し、圧力も低下する。その後、第１の容器１０内の内圧が再び上昇するまでには時間がかかることから、第１の容器１０から連続的に気体５が放出されることはないものと考えられる。

また、本開示のシステム１００においては、冷却系統を他の制御系から独立させることができ、上述した通り、調圧弁１１の開閉のために複雑な制御装置を設ける必要もない。すなわち、従来技術よりもシステムの構成を簡素化することができる。

冷却系統内を換気する従来技術においては、揮発による冷却液の損失が避けられない。これに対し、本開示のシステム１００においては、燃料電池１の冷却系統を実質的に密閉系とすることができ、冷却液の揮発の問題を抑制することができる。

また、本開示のシステム１００においては、冷却系統が実質的に密閉系とされることで、循環流路４内の気体の分圧が維持されるものと考えられる。この場合、燃料電池１の気体流路１ａ、１ｂ内の気体分圧と循環流路４内の気体分圧との差が小さくなり、燃料電池１の気体流路１ａ、１ｂから循環流路４内への気体の漏出を抑制できるものと考えられる。

１燃料電池
２熱交換器
３冷却液
４循環流路
５気体
１０第１の容器
１１調圧弁
２０第２の容器
２１気体拡散部
１００燃料電池の冷却システム

Claims

燃料電池と、
熱交換器と、
前記燃料電池及び前記熱交換器の間で冷却液を循環させる、循環流路と、
前記循環流路に接続され、前記循環流路から前記冷却液の少なくとも一部を受け入れる、第１の容器としてのリザーバタンクと、
前記第１の容器に設けられ、前記第１の容器の内部の圧力が閾値以上となった場合に前記第１の容器の内部の気体を前記第１の容器の外部へと放出する、調圧弁と、
前記調圧弁を介して前記第１の容器に接続され、前記第１の容器の内部から前記調圧弁を介して放出された前記気体を受け入れる、第２の容器と、
前記第２の容器に設けられた、気体拡散部と、
を備え、
前記第１の容器の内部の圧力が閾値以上となった場合に、前記第１の容器の内部の前記気体が前記調圧弁を介して前記第２の容器の内部へと放出され、前記第２の容器の内部へと放出された前記気体が、前記気体拡散部を介して系外へと排出され、
前記気体拡散部が前記第２の容器の内部から外部へと延びる複数の貫通孔を有する、
燃料電池の冷却システム。
前記燃料電池が少なくとも水素の供給を受けて発電するものであり、
前記第１の容器から放出される前記気体に水素が含まれる、
請求項１に記載のシステム。
前記気体拡散部が前記第２の容器の内部から外部へと延びる孔径０．６２ｍｍ以下の複数の貫通孔を有する、
請求項１又は２に記載のシステム。