WO2013153782A1 - 燃料電池システム - Google Patents

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WO2013153782A1
WO2013153782A1 PCT/JP2013/002334 JP2013002334W WO2013153782A1 WO 2013153782 A1 WO2013153782 A1 WO 2013153782A1 JP 2013002334 W JP2013002334 W JP 2013002334W WO 2013153782 A1 WO2013153782 A1 WO 2013153782A1
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WO
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circulation circuit
fuel cell
coolant
radiator
pressure
Prior art date
Application number
PCT/JP2013/002334
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English (en)
French (fr)
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木川　俊二郎
拓郎 古越
道夫 西川
梯　伸治
Original Assignee
株式会社デンソー
トヨタ自動車株式会社
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Filing date
Publication date
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Priority to US14/391,097 priority patent/US9601787B2/en
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    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04029—Heat exchange using liquids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
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    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
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    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the present disclosure relates to a fuel cell system that cools a fuel cell by circulating a coolant between a fuel cell unit and a radiator.
  • a radiator provided in a coolant circulation circuit for cooling the fuel cell unit is connected to an upstream side of the circulation circuit and a downstream side of the radiator, and the coolant is bypassed to bypass the radiator.
  • the bypass passage to flow, the pump device provided downstream from the junction of the bypass passage to the circulation circuit, and the coolant passing through the radiator and the bypass passage provided at the junction of the bypass passage to the circulation circuit There is known a fuel cell system including a three-way valve device that adjusts a flow rate ratio with respect to a coolant to be performed (see Patent Document 1 below).
  • the pump device may not exhibit sufficient performance, which may cause problems such as insufficient circulation flow rate.
  • the present inventors have intensively studied and a local low pressure part is formed between the inside of the three-way valve device and the inside of the pump device, and cavitation occurs, and the pump device exhibits sufficient performance by this cavitation. I found it impossible. That is, it has been found that if the occurrence of cavitation is suppressed, the pump device can sufficiently exhibit performance.
  • the present disclosure has been made in view of the above points, and an object of the present disclosure is to provide a fuel cell system in which generation of cavitation is suppressed and the pump device can sufficiently exhibit performance.
  • a fuel cell system includes a fuel cell unit having a fuel cell, a circulation circuit in which a coolant circulates so as to cool the fuel cell, and a heat provided to the coolant to the outside.
  • the radiator to be discharged and branch from the circulation circuit at the branch position upstream of the coolant flow from the radiator and connected to the circulation circuit at the merge position downstream of the coolant flow from the radiator to bypass the radiator.
  • a pump device provided on the downstream side of the flow to circulate the coolant in the circulation circuit, and connected to the circulation circuit at the connection position upstream of the coolant flow with respect to the pump device, and the pressure in the circulation circuit at the connection position is lower than the atmospheric pressure.
  • a pressure regulating device for adjusting the predetermined pressure range is arranged on the upstream side of the coolant flow from the connection position.
  • the pressure in the circulation circuit can be set to a predetermined pressure range equal to or higher than the atmospheric pressure at the connection point where the pressure regulator is connected to the circulation circuit. Therefore, even if the pressure loss in the three-way valve device is large, there is a local low-pressure portion that generates cavitation between the connection point on the downstream side of the coolant flow from the three-way valve device and the inside of the pump device. It becomes difficult to generate. Thereby, it can suppress that cavitation generate
  • FIG. 3 is a sectional view taken along line III-III in FIG. 2. It is a figure which shows the control characteristic of the water pump with respect to the temperature of the coolant in the exit of the fuel cell stack of the fuel cell system of 1st Embodiment. It is a figure which shows the control characteristic of the water pump with respect to the emitted-heat amount of the fuel cell of the fuel cell stack of 1st Embodiment.
  • the fuel cell system 1 of the present embodiment can be used as a power source that is mounted on, for example, a vehicle and supplies power to a traveling electric motor or the like.
  • the fuel cell system 1 includes a fuel cell stack 10 (FC stack), a circulation circuit 20, a radiator 30, a radiator cap 40, a rotary valve 50, a water pump 60, a control device 100 (ECU), and the like. ing.
  • the FC stack 10 has a plurality of fuel cell cells that generate electric power by utilizing an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen.
  • a polymer electrolyte fuel cell can be used as the fuel cell.
  • the type of the fuel cell is not limited to this, and may be a phosphoric acid fuel cell, a molten carbonate fuel cell, or the like.
  • the FC stack 10 may be used as an example of a fuel cell unit having a fuel cell.
  • the circulation circuit 20 is a circuit that circulates the coolant to the outside of the FC stack 10 so that the coolant that cools the fuel cell flows out of the FC stack 10 and returns to the FC stack 10.
  • the circulation circuit 20 connects the coolant outlet at the lower part of the FC stack 10 to the coolant inlet at the upper part of the figure.
  • the cooling liquid for example, a mixed solution of ethylene glycol and water can be used in order to prevent freezing at low temperatures.
  • the radiator 30 is provided in the circulation circuit 20, and discharges the heat of the coolant to the outside by heat exchange with the outside air.
  • the radiator cap 40 is attached to, for example, a tank portion of the radiator 30.
  • the radiator cap 40 is connected to a reserve tank 41 for storing excess coolant.
  • the reserve tank 41 is, for example, a semitransparent container made of resin, and is a so-called simple sealed type reserve tank whose internal pressure is always equal to atmospheric pressure.
  • the radiator 30 may be used as an example of a radiator that is provided in the circulation circuit 20 and discharges heat of the cooling liquid to the outside.
  • the radiator cap 40 has a negative pressure valve and a pressure valve (high pressure valve).
  • the radiator cap 40 opens the negative pressure valve when the pressure in the circulation circuit 20 becomes equal to or lower than the atmospheric pressure, and moves the coolant in the reserve tank 41 into the circulation circuit 20. Further, the radiator cap 40 opens the pressure valve when the pressure in the circulation circuit 20 becomes a predetermined pressure higher than the atmospheric pressure, and moves the coolant in the circulation circuit 20 into the reserve tank 41. It has become.
  • the radiator cap 40 is directly connected to the radiator 30 that forms a part of the circulation circuit 20.
  • the radiator cap 40 may be used as an example of a pressure adjusting device that adjusts the pressure in the circulation circuit 20 to a predetermined pressure range equal to or higher than the atmospheric pressure at a connection point (connection position) with the circulation circuit 20.
  • the circulation circuit 20 is provided with a bypass passage 21 that bypasses the radiator 30 and distributes the coolant. That is, the bypass passage 21 branches from the circulation circuit 20 at a branch point (branch position) on the upstream side of the coolant flow with respect to the radiator 30 and at the junction point (joint position) on the downstream side of the coolant flow with respect to the radiator 30. 20 is connected.
  • the rotary valve 50 is a valve device that is provided at a branch point where the bypass passage 21 branches from the circulation circuit 20 and adjusts the flow rate ratio between the coolant passing through the radiator 30 and the coolant passing through the bypass passage 21.
  • the rotary valve 50 may be used as an example of a three-way valve device that is provided in the circulation circuit 20 and adjusts the flow rate ratio between the coolant that passes through the radiator and the coolant that passes through the bypass passage 21.
  • the rotary valve 50 includes, for example, a resin housing 51, a valve body 52 rotatably disposed in the housing 51, and the housing 51 and the valve body 52.
  • a rubber packing 53 made of rubber is provided.
  • the rotary valve 50 has a cooling liquid inlet 51a formed on the lower side of FIG. Further, a first outlet 51b (first opening) is formed on the left side of FIG. 2 to allow the coolant to flow out to the radiator 30 side, and the coolant flows out to the bypass passage 21 side on the right side of FIG. A second outlet 51c (second opening) is formed.
  • the valve body 52 has a rotation shaft extending in the up-down direction shown in FIG. 2 (the front and back direction in FIG. 3), and the introduction port 51a is always open, and the first outlet 51b is opened along with the rotation. And the opening degree of the second outlet 51c are changed.
  • the valve body 52 is integrally formed and forms a common valve body that changes the opening degree of the first outlet 51b and the opening degree of the second outlet 51c. 2 shows a state in which the valve body 52 opens only the second outlet 51c of the outlets 51b and 51c, and FIG. 3 shows that the valve body 52 has the outlets 51b and 51c substantially equally. The open state is shown.
  • the bypass passage 21 is provided with a coolant passage connected in parallel, and an ion adsorption device 75 serving as an ion adsorption means is disposed in the coolant passage.
  • the ion adsorption device 75 is filled with, for example, an ion exchange resin. Since the coolant comes into contact with the fuel cell in the FC stack 10, ions are adsorbed and removed from the coolant in the ion adsorber 75, thereby suppressing an increase in the conductivity of the coolant.
  • the water pump 60 is disposed on the downstream side of the coolant flow from the junction of the bypass passage 21 to the circulation circuit 20 in the circulation circuit 20. That is, the water pump 60 is disposed downstream of the junction of the bypass passage 21 to the circulation circuit 20 and upstream of the FC stack 10.
  • the water pump 60 is a circulation pump for circulating the coolant through the circulation circuit 20.
  • the water pump 60 can be, for example, a pump device that rotates an impeller in a pump housing.
  • the water pump 60 may be used as an example of a pump device that is provided on the downstream side of the coolant flow with respect to the junction of the circulation circuit 20 and the bypass passage 21 and circulates the coolant in the circulation circuit 20.
  • the circulation circuit 20 is provided with a temperature sensor 80 as temperature detecting means for detecting the temperature of the coolant flowing out from the FC stack 10 in the vicinity of the connection end to the coolant outlet of the FC stack 10.
  • the circulation circuit 20 is provided with a coolant passage that bypasses the FC stack 10, and an intercooler 70 is disposed in the coolant passage.
  • the intercooler 70 is a heat exchanger that exchanges heat between the air supplied to the fuel cell of the FC stack 10 and the coolant, and adjusts the temperature of the air supplied to the fuel cell to a suitable temperature. .
  • the coolant passages such as the circulation circuit 20 and the bypass passage 21 are constituted by, for example, pipe members.
  • the radiator 30 outlet side passage and the bypass passage 21 are preferably formed of a resin or metal pipe member having relatively high rigidity.
  • the ECU100 is a control means for controlling the system.
  • the ECU 100 inputs information related to the calorific value of the fuel cell output from the FC stack 10 or a physical quantity related to the calorific value (for example, power generation) and temperature information output from the temperature sensor 80, and based on the input information, the ECU 100 rotates.
  • the operation of the valve 50 and the water pump 60 is controlled.
  • the ECU100 controls the water pump 60 based on the temperature information of the cooling fluid in the exit of the FC stack 10 which the temperature sensor 80 detects, and the calorific value information from the FC stack 10, for example.
  • the ECU 100 shows the control characteristics (rotation speed R1) of the water pump 60 corresponding to the temperature of the coolant at the outlet of the FC stack 10 as shown in FIG. 4, and the calorific value of the FC stack 10 as shown in FIG.
  • the control characteristic (rotation speed R2) of the water pump 60 corresponding to is stored in advance.
  • the ECU 100 compares the value of the rotational speed R1 derived from the input information and the stored control characteristic with the value of the rotational speed R2, and operates the water pump 60 at the higher rotational speed. .
  • the ECU 100 controls the rotary valve 50 based on the coolant temperature information at the outlet of the FC stack 10 detected by the temperature sensor 80, for example.
  • the ECU 100 stores in advance the control characteristics of the rotary valve 50 (that is, the operating angle (rotation angle) of the valve body 52) corresponding to the temperature of the coolant at the outlet of the FC stack 10, as shown in FIG. Then, the ECU 100 controls the operation of the valve body 52 of the rotary valve 50 so that the operating angle is derived from the input temperature information and the stored control characteristics.
  • the ECU 100 when the temperature of the coolant at the outlet of the FC stack 10 is 70 ° C. or higher, the ECU 100 fully opens the first outlet 51b and fully closes the second outlet 51c so as to reduce the total amount of the circulating coolant. Distribute to the radiator 30. When the temperature of the coolant at the outlet of the FC stack 10 is 60 ° C. or less, the ECU 100 fully closes the first outlet 51b and fully opens the second outlet 51c, and bypasses the entire amount of circulating coolant. 21.
  • the coolant is passed through the radiator 30 and the bypass passage with an intermediate opening degree that opens both the first outlet 51b and the second outlet 51c. 21 and distribute to both.
  • the temperature of the fuel cell whose temperature is adjusted by the coolant can be about 65 ° C.
  • the example which changes linearly according to the temperature of the cooling fluid in the FC stack exit was shown as an operation angle characteristic of intermediate opening in FIG. 6, it is not limited to this.
  • the radiator cap 40 is disposed so as to be connected to the circulation circuit 20 on the upstream side of the coolant flow with respect to the water pump 60, and is connected to the circulation circuit 20 ( At the connection position), the pressure in the circulation circuit 20 is adjusted to a predetermined pressure range equal to or higher than atmospheric pressure.
  • the rotary valve 50 is provided on the upstream side of the coolant flow in the circulation circuit 20 with respect to the connection arrangement point of the radiator cap 40. That is, the radiator cap 40 is disposed between the rotary valve 50 and the water pump 60 of the circulation circuit 20.
  • the pressure in the circulation circuit 20 can be set within a predetermined pressure range equal to or higher than the atmospheric pressure. Therefore, even if the pressure loss due to the rotary valve 50 is large, the connection arrangement point of the radiator cap 40 on the downstream side of the coolant flow from the rotary valve 50 and the water pump 60 (specifically, the water pump 60 It is difficult to generate a local low-pressure portion that generates cavitation with the inside. Thereby, it is possible to suppress the occurrence of cavitation. In this way, it is possible to prevent the water pump 60 from securing a sufficient flow rate or to generate erosion in the water pump 60, and the water pump 60 can sufficiently exhibit performance.
  • the coolant flows through the circulation circuit 20 of the fuel cell system 1 at a higher flow rate than the coolant circulation circuit of the internal combustion engine. This is because it is desired to reduce the temperature distribution in the FC stack 10 in order to improve the efficiency of the plurality of fuel cells.
  • the coolant is circulated through the circulation circuit 20 at a high flow rate, cavitation is likely to occur from the inside of the rotary valve 50 to the inside of the water pump 60. According to the fuel cell system 1 to which the present disclosure is applied, It is possible to suppress the occurrence of cavitation.
  • a radiator cap 40 is used as a pressure adjusting device that adjusts the pressure in the circulation circuit 20 to a predetermined pressure range equal to or higher than the atmospheric pressure at a connection point arranged and connected to the radiator 30.
  • the radiator cap 40 may be used as an example of a pressure regulating valve.
  • the radiator cap 40 that is disposed (directly attached) and connected to the radiator 30 is provided between the rotary valve 50 and the water pump 60 of the circulation circuit 20, thereby connecting the radiator cap 40. And cavitation between the inside of the water pump 60 can be suppressed.
  • the sum of the opening areas at the intermediate opening where the valve body 52 opens both the first outlet 51b and the second outlet 51c is It becomes smaller than the opening area when either one of the first outlet 51b and the second outlet 51c is fully opened.
  • the alternate long and short dash line is the opening area of each opening 51b, 51c with respect to the operating angle of the valve body 52, and the solid line indicates the sum of them.
  • the rotary valve 50 of the present embodiment has the smallest total opening area when the first outlet 51b and the second outlet 51c are equally opened. As illustrated in FIG. 8, the pressure loss (flow resistance) of the coolant passing through the opening increases as the total sum of the opening areas decreases.
  • the second embodiment is an example in which the present disclosure is applied to a system including a so-called completely sealed reserve tank.
  • symbol is attached
  • the fuel cell system of this embodiment includes a pressure adjustment mechanism 140.
  • the pressure adjustment mechanism 140 includes a communication path 141 provided in parallel to the circulation circuit 20, a reserve tank 41A provided in the communication path 141, and a cap 40A attached to the reserve tank 41A.
  • the pressure adjustment mechanism 140 may be used as an example of a pressure adjustment device, and the cap 40A may be used as an example of a pressure adjustment valve provided in the communication path 141.
  • the upstream end 141a and the downstream end 141b of the communication path 141 are in communication with the circulation circuit 20.
  • the upstream end 141 a is connected to the tank portion of the radiator 30 that forms part of the circulation circuit 20 and communicates with the inside of the radiator 30.
  • the downstream end 141b is connected to a portion of the circulation circuit 20 that is located downstream of the radiator 30 and upstream of the junction with the bypass passage 21, and communicates with the inside of the circulation circuit 20. Yes. Therefore, the downstream communication position where the downstream end 141b and the circulation circuit 20 are connected may correspond to the connection position of the pressure regulator to the circulation circuit.
  • the cap 40A has the same configuration as the radiator cap 40 described in the first embodiment. Therefore, the reserve tank 41A is a so-called completely sealed reserve tank in which the internal pressure is adjusted to a predetermined pressure range equal to or higher than the atmospheric pressure.
  • the same effects as those of the first embodiment can be obtained. Further, the downstream end 141b of the communication path 141 whose pressure is adjusted by the cap 40A is provided between the rotary valve 50 and the water pump 60 of the circulation circuit 20, so that the connection point of the downstream end 141b of the communication path 141 is simplified. And cavitation between the inside of the water pump 60 can be suppressed. (Third embodiment) Next, a third embodiment will be described with reference to FIG.
  • 3rd Embodiment differs in the connection position to the circulation circuit 20 of the downstream end 141b of the communicating path 141 compared with 2nd Embodiment.
  • symbol is attached
  • the downstream end 141 b of the communication path 141 is downstream of the junction with the bypass path 21 in the circulation circuit 20 and more than the water pump 60. It connects with the part located in an upstream, and is connected with the inside of the circulation circuit 20.
  • FIG. The downstream communication position where the downstream end 141b and the circulation circuit 20 are connected may correspond to the connection position of the pressure regulator to the circulation circuit.
  • the rotary valve 50 is disposed at the junction of the bypass passage 21 to the circulation circuit 20. Accordingly, the inlet 51a described in the first embodiment is an outlet for the coolant, and both outlets 51b and 51c are inlets for the coolant.
  • the rotary valve 50 may be disposed at a branch point between the circulation circuit 20 and the bypass passage 21.
  • the fourth embodiment differs from the second embodiment in that a pressurizing device that pressurizes the inside of the reserve tank is provided.
  • a pressurizing device that pressurizes the inside of the reserve tank.
  • the fuel cell system of this embodiment includes a pressurizing device 90.
  • the pressurizing device 90 includes a compressor 91 that compresses air, an introduction pipe 92 that introduces compressed air generated by the compressor 91 into the reserve tank 41B, and a check valve that prevents backflow of fluid in the introduction pipe 92. 93.
  • the upstream end of the introduction pipe 92 is branched and connected to a supply pipe 95 that supplies the compressed air generated by the compressor 91 to the fuel cell of the FC stack 10 via the intercooler 70.
  • the reserve tank 41B according to the present embodiment is a so-called completely sealed reserve tank, similar to the reserve tank 41A according to the second and third embodiments. However, as shown in FIG. 12, the reserve tank 41B is different from the reserve tank 41A in that it has an air inlet 413. A downstream end of the introduction pipe 92 is connected to the air introduction port 413.
  • the reserve tank 41B is a translucent container made of, for example, resin, and has an inlet 411 and an outlet 412 for the coolant.
  • the inflow port 411 is connected to the downstream end of the upstream portion of the communication path 141 that extends from the upstream end 141a.
  • the outflow port 412 is connected to the upstream end of the downstream portion of the communication path 141 that extends to the downstream end 141b.
  • a partition wall 414 is erected from the bottom, and the interior is divided into two storage parts.
  • the inflow port 411 is formed at a position facing the storage portion on the left side in the drawing
  • the outflow port 412 is formed at a position facing the storage portion on the right side in the drawing. Therefore, the coolant that flows in from the inlet 411 and overflows beyond the partition wall 414 can flow out of the outlet 412.
  • the aforementioned air inlet 413 is formed in the ceiling portion of the reserve tank 41B.
  • the inside of the communication path 141 is pressurized by the pressurizing device 90 via the reserve tank 41B.
  • the pressure in the communication path 141 can be made relatively high in a predetermined pressure range equal to or higher than the atmospheric pressure adjusted by the cap 40A. Accordingly, at the connection point where the downstream end 141b of the communication path 141 is connected to the circulation circuit 20, the pressure in the circulation circuit 20 can be set to a relatively high pressure within a predetermined pressure range equal to or higher than atmospheric pressure. Therefore, it is possible to reliably suppress the occurrence of cavitation between the connection point of the downstream end 141 b to the circulation circuit 20 and the inside of the water pump 60.
  • the pressure adjusting mechanism 140 includes a reserve tank 41B that is provided in the communication path 141 and stores excess coolant.
  • the pressurizing device 90 reserves the compressor 91 and the compressed air generated by the compressor 91.
  • a supply pipe 95 for supplying the compressed air generated by the compressor 91 to the fuel cell is provided.
  • the compressed air generated by the compressor 91 can be supplied also to the fuel cell via the supply pipe 95. Therefore, the compressor 91 can be shared as a pressurizing source for the communication path 141 and an air supply source for the fuel cell. In other words, there is no need to provide a dedicated compressor serving as a pressure source for the communication path 141. Thereby, the structure of a fuel cell system can be simplified.
  • a check valve 93 is provided in the introduction pipe 92. According to this, air can be prevented from flowing back through the introduction pipe 92 from within the reserve tank 41B, and it is easy to maintain the inside of the reserve tank 41B at a high pressure. Therefore, compressed air is introduced through the introduction pipe 92 only when the pressure in the reserve tank 41B becomes lower than the discharge pressure of the compressor 91. Thereby, the work amount of the compressor 91 can be suppressed.
  • the air introduction port 413 to which the introduction pipe 92 is connected is formed in the ceiling portion of the reserve tank 41B and faces the air reservoir region above the coolant storage portion. According to this, it is possible to more reliably prevent the coolant in the reserve tank 41B from flowing backward through the introduction pipe 92 toward the compressor 91 and the FC stack 10.
  • 5th Embodiment differs in the connection position to the circulation circuit 20 of the downstream end 141b of the communicating path 141 compared with 4th Embodiment. Note that portions similar to those in the first to fourth embodiments are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
  • the downstream end 141b of the communication path 141 is downstream of the junction with the bypass path 21 in the circulation circuit 20, as in the third embodiment. And it connects with the site
  • the rotary valve 50 is also arranged at the junction of the bypass passage 21 to the circulation circuit 20 as in the third embodiment. According to the configuration of the present embodiment, the same effects as in the fourth embodiment can be obtained. In this embodiment as well, as in the third embodiment, the rotary valve 50 may be disposed at a branch point between the circulation circuit 20 and the bypass passage 21.
  • the radiator cap 40 connected to the radiator 30 is used as an example of the pressure adjusting valve that is the pressure adjusting means.
  • the present invention is not limited to this.
  • a cap having the same configuration as that of the radiator cap 40 may be connected to the circulation circuit 20.
  • the cap 40A attached to the reserve tank is employed as an example of the pressure regulating valve of the pressure regulating mechanism 140.
  • the present invention is not limited to this.
  • the cap 40A may be disposed in the communication path 141.
  • the upstream end 141a of the communication path 141 is connected to the radiator 30, but the present invention is not limited to this.
  • the upstream end 141a may be connected to a portion of the circulation circuit 20 upstream of the radiator 30.
  • the rotary valve 50 is employed as the three-way valve device, but is not limited to this.
  • the flow rate ratio may be adjusted by a valve body that slides linearly.
  • the rotary valve 50 is such that the total opening area at the intermediate opening is smaller than the opening area when only one of the openings is fully opened. Is not to be done.
  • the sum of the opening areas at the time of the intermediate opening and the opening area when only one opening is fully opened may be the same.
  • the sum total of the opening area at the time of intermediate opening may be larger than the opening area when only one opening is fully opened.
  • the downstream end 141b of the communication passage 141 pressurized by the pressurizing device 90 via the reserve tank 41B is provided between the rotary valve 50 of the circulation circuit 20 and the water pump 60.
  • the present invention is not limited to this.
  • the inside of the communication path 141 may be pressurized by the pressurizing device 90.
  • the pressure in the communication path 141 can be made relatively high in a predetermined pressure range equal to or higher than the atmospheric pressure adjusted by the cap 40A.
  • the pressure in the circulation circuit 20 can be set to a relatively high pressure within a predetermined pressure range equal to or higher than atmospheric pressure.

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Abstract

　ウォータポンプ（６０）よりも冷却液流れ上流側で循環回路（２０）に接続されように配設されて、接続配設点において循環回路（２０）内の圧力を大気圧以上の所定圧力範囲に調節するラジエータキャップ（４０）を備え、ロータリバルブ（５０）は、循環回路（２０）のうちラジエータキャップ（４０）の接続配設点よりも冷却液流れ上流側に設けられている。これにより、キャビテーションの発生を抑制してウォータポンプが充分に性能を発揮することができる。ラジエータキャップ（４０）の代わりに、上流端と下流端が循環回路に接続された連通路（１４１）を設けてもよい。この場合、連通路には圧力調整弁（４０Ａ）が設けられている。

Description

燃料電池システム 関連出願の相互参照
　本出願は、当該開示内容が参照によって本出願に組み込まれた、２０１２年４月１１日に出願された日本特許出願２０１２－０９０２８７を基にしている。
　本開示は、燃料電池ユニットと放熱器との間に冷却液が循環して燃料電池を冷却する燃料電池システムに関する。
　従来から、燃料電池ユニットを冷却する冷却液の循環回路に設けられた放熱器と、循環回路の放熱器よりも上流側と放熱器よりも下流側とを繋ぎ放熱器を迂回して冷却液を流すバイパス通路と、循環回路へのバイパス通路合流点よりも下流側に設けられたポンプ装置と、循環回路へのバイパス通路の合流点に設けられて放熱器を通過する冷却液とバイパス通路を通過する冷却液との流量比率を調節する三方弁装置と備える燃料電池システムが知られている（下記特許文献１参照。）。
特開２０１０－２８２８０８号公報
　しかしながら、本願の発明者の検討によると、上記従来技術の燃料電池システムでは、ポンプ装置が充分に性能を発揮できず、循環流量不足等の不具合を発生する場合がある。本発明者らは、鋭意検討を行い、三方弁装置の内部からポンプ装置の内部までの間において局所的な低圧部が形成されてキャビテーションが発生し、このキャビテーションによってポンプ装置が充分に性能を発揮できないことを見出した。すなわち、キャビテーションの発生を抑制してやれば、ポンプ装置が充分に性能を発揮することができることを見出した。
　本開示は、上記点に鑑みてなされたものであり、キャビテーションの発生を抑制してポンプ装置が充分に性能を発揮することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
　本開示の一態様では、燃料電池システムは、燃料電池を有する燃料電池ユニットと、燃料電池を冷却するように冷却液が循環する循環回路と、循環回路に設けられて冷却液の熱を外部へ放出する放熱器と、放熱器よりも冷却液流れ上流側の分岐位置で循環回路から分岐するとともに放熱器よりも冷却液流れ下流側の合流位置で循環回路と接続されて放熱器を迂回して冷却液を流すバイパス通路と、循環回路に設けられて放熱器を通過する冷却液とバイパス通路を通過する冷却液との流量比率を調節する三方弁装置と、循環回路の合流位置よりも冷却液流れ下流側に設けられて冷却液を循環回路に循環させるポンプ装置と、ポンプ装置よりも冷却液流れ上流側の接続位置で循環回路に接続されて接続位置において循環回路内の圧力を大気圧以上の所定圧力範囲に調節する圧力調節装置とを備える。三方弁装置を接続位置よりも冷却液流れ上流側に配設されている。
　これによると、圧力調節装置が循環回路に接続する接続点において、循環回路内の圧力を大気圧以上の所定圧力範囲にすることができる。したがって、三方弁装置における圧力損失が大きいものであったとしても、三方弁装置よりも冷却液流れ下流側にある接続点とポンプ装置の内部との間においてキャビテーションを発生する局所的な低圧部が生成され難くなる。これにより、圧力調節装置の接続点とポンプ装置の内部との間においてキャビテーションが発生することを抑制することができる。このようにして、ポンプ装置が充分な流量を確保できなかったり、ポンプ装置にエロージョンが発生したりすることを防止し、ポンプ装置が充分に性能を発揮することができる。
本開示の第１実施形態における燃料電池システムを示す模式図である。 第１実施形態の燃料電池システムに用いるロータリバルブを示す模式断面図である。 図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線断面図である。 第１実施形態の燃料電池システムの燃料電池スタックの出口における冷却液の温度に対するウォータポンプの制御特性を示す図である。 第１実施形態の燃料電池スタックの燃料電池の発熱量に対するウォータポンプの制御特性を示す図である。 第１実施形態の燃料電池スタックの出口における冷却液の温度に対するロータリバルブの制御特性を示す図である。 第１実施形態のロータリバルブの作動角と開口面積との関係を示す図である。 第１実施形態のロータリバルブの開口面積と圧力損失との関係を示す図である。 本開示の第２実施形態における燃料電池システムを示す模式図である。 本開示の第３実施形態における燃料電池システムを示す模式図である。 本開示の第４実施形態における燃料電池システムを示す模式図である。 第４実施形態の燃料電池システムのリザーブタンクを示す断面図である。 本開示の第５実施形態における燃料電池システムを示す模式図である。 変形例における燃料電池システムを示す模式図である。
　以下に、図面を参照しながら本開示を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した形態と同様とする。実施の各形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施の形態同士を部分的に組み合せることも可能である。
（第１実施形態）
　本開示を適用した第１実施形態について、図１～図８を参照して説明する。
　本実施形態の燃料電池システム１は、例えば車両に搭載されて、走行用電動モータ等に電力を供給する電源として用いることができる。図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０（ＦＣスタック）、循環回路２０、ラジエータ３０、ラジエータキャップ４０、ロータリバルブ５０、ウォータポンプ６０および制御装置１００（ＥＣＵ）等を備えている。
　ＦＣスタック１０は、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池のセルを複数有している。燃料電池としては、固体高分子形燃料電池を用いることができる。燃料電池の種類はこれに限定されるものではなく、リン酸形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池等であってもかまわない。ＦＣスタック１０は、燃料電池を有する燃料電池ユニットの一例として用いられてもよい。
　循環回路２０は、燃料電池を冷却する冷却液がＦＣスタック１０から流出してＦＣスタック１０へ戻るように、冷却液をＦＣスタック１０の外部に循環させる回路である。循環回路２０は、ＦＣスタック１０の図示下部の冷却液流出口と図示上部の冷却液流入口とを繋いでいる。冷却液としては、低温時の凍結を防止するために例えばエチレングリコールと水との混合溶液を用いることができる。
　ラジエータ３０は、循環回路２０に設けられ、冷却液の熱を外気との熱交換により外部へ放出するようになっている。ラジエータキャップ４０は、ラジエータ３０の例えばタンク部に取り付けられている。ラジエータキャップ４０には、余剰の冷却液を貯留するためのリザーブタンク４１が接続している。リザーブタンク４１は、例えば樹脂製の半透明の容器体であり、内圧が常時大気圧と同等である所謂簡易密閉型のリザーブタンクである。ラジエータ３０は、循環回路２０に設けられ、冷却液の熱を外部へ放出する放熱器の一例として用いられてもよい。
　ラジエータキャップ４０は、負圧弁と圧力弁（高圧弁）とを有している。ラジエータキャップ４０は、循環回路２０内の圧力が大気圧以下になったときには負圧弁を開弁して、リザーブタンク４１内の冷却液を循環回路２０内へ移動させるようになっている。また、ラジエータキャップ４０は、循環回路２０内の圧力が大気圧よりも高い所定圧以上になったときには圧力弁を開弁して、循環回路２０内の冷却液をリザーブタンク４１内へ移動させるようになっている。ラジエータキャップ４０は、循環回路２０の一部をなすラジエータ３０に直接接続されている。ラジエータキャップ４０は、循環回路２０との接続点（接続位置）において循環回路２０内の圧力を大気圧以上の所定圧力範囲に調節する圧力調節装置の一例として用いられてもよい。
　循環回路２０には、ラジエータ３０をバイパスして冷却液を流通するバイパス通路２１が設けられている。すなわち、バイパス通路２１は、ラジエータ３０よりも冷却液流れ上流側の分岐点（分岐位置）で循環回路２０から分岐するとともにラジエータ３０よりも冷却液流れ下流側の合流点（合流位置）で循環回路２０に接続されている。
　ロータリバルブ５０は、循環回路２０からバイパス通路２１が分岐する分岐点に設けられ、ラジエータ３０を通過する冷却液とバイパス通路２１を通過する冷却液との流量比率を調節する弁装置である。ロータリバルブ５０は、循環回路２０に設けられ、放熱器を通過する冷却液とバイパス通路２１を通過する冷却液との流量比率を調節する三方弁装置の一例として用いられてもよい。
　図２および図３に示すように、ロータリバルブ５０は、例えば樹脂製のハウジング５１と、ハウジング５１内に回動可能に配設された弁体５２と、ハウジング５１と弁体５２との間に介設された例えばゴム製のパッキン５３とを備えている。
　ロータリバルブ５０は、図２図示下方側に冷却液の導入口５１ａが形成されている。また、図２図示左方側には冷却液をラジエータ３０側へ流出させる第１流出口５１ｂ（第１開口）が形成され、図２図示右方側には冷却液をバイパス通路２１側へ流出させる第２流出口５１ｃ（第２開口）が形成されている。
　弁体５２は、図２図示上下方向（図３紙面表裏方向）に延びる回転軸を有しており、導入口５１ａを常時開状態とするとともに、回動に伴って第１流出口５１ｂの開度および第２流出口５１ｃの開度を変更するようになっている。弁体５２は、一体的に形成されており、第１流出口５１ｂの開度および第２流出口５１ｃの開度を変更する共通の弁体をなしている。なお、図２は、弁体５２が両流出口５１ｂ、５１ｃのうち第２流出口５１ｃのみを開口した状態を示しており、図３は、弁体５２が両流出口５１ｂ、５１ｃをほぼ均等に開口した状態を示している。
　図１に示すように、バイパス通路２１には、並列接続した冷却液通路が設けられており、この冷却液通路にはイオン吸着手段をなすイオン吸着装置７５が配設されている。イオン吸着装置７５内には例えばイオン交換樹脂が充填されている。冷却液はＦＣスタック１０内において燃料電池に接するため、イオン吸着装置７５において冷却液からイオンを吸着除去し、冷却液の導電率の上昇を抑止するようになっている。
　ウォータポンプ６０は、循環回路２０のうち、循環回路２０へのバイパス通路２１の合流点よりも冷却液流れ下流側に配設されている。すなわち、ウォータポンプ６０は、循環回路２０へのバイパス通路２１の合流点よりも下流側、かつ、ＦＣスタック１０よりも上流側に配設されている。ウォータポンプ６０は、冷却液を循環回路２０に循環させるための循環ポンプである。ウォータポンプ６０は、例えば、ポンプハウジング内でインペラを回転させるポンプ装置とすることができる。ウォータポンプ６０は、循環回路２０とバイパス通路２１の合流点よりも冷却液流れ下流側に設けられ、冷却液を循環回路２０に循環させるポンプ装置の一例として用いられてもよい。
　循環回路２０には、ＦＣスタック１０の冷却液流出口への接続端の近傍に、ＦＣスタック１０から流出する冷却液の温度を検出する温度検出手段である温度センサ８０が配設されている。
　また、循環回路２０には、ＦＣスタック１０をバイパスする冷却液通路が設けられており、この冷却液通路にはインタークーラ７０が配設されている。インタークーラ７０は、ＦＣスタック１０の燃料電池に供給される空気と冷却液とを熱交換する熱交換器であり、燃料電池に供給される空気を好適な温度に温度調節するようになっている。
　本実施形態の燃料電池システム１では、循環回路２０やバイパス通路２１等の冷却液通路は、例えば管部材により構成される。ラジエータ３０出口側通路やバイパス通路２１は、比較的剛性が高い樹脂製もしくは金属製の管部材で形成することが好ましい。
　ＥＣＵ１００は、システムを制御する制御手段である。ＥＣＵ１００は、ＦＣスタック１０が出力する燃料電池の発熱量もしくは発熱量に関連する物理量（例えば発電量）に関する情報や、温度センサ８０が出力する温度情報を入力し、これらの入力情報に基づいてロータリバルブ５０やウォータポンプ６０を作動制御するようになっている。
　ＥＣＵ１００は、例えば、温度センサ８０が検出するＦＣスタック１０の出口における冷却液の温度情報およびＦＣスタック１０からの発熱量情報に基づいてウォータポンプ６０を制御する。ＥＣＵ１００は、図４に一例を示す、ＦＣスタック１０の出口における冷却液の温度に対応するウォータポンプ６０の制御特性（回転数Ｒ１）、および、図５に一例を示す、ＦＣスタック１０の発熱量に対応するウォータポンプ６０の制御特性（回転数Ｒ２）を予め記憶している。そして、ＥＣＵ１００は、入力情報と記憶している上記制御特性とから導出した回転数Ｒ１の値と回転数Ｒ２の値とを比較して、高いほうの値の回転数でウォータポンプ６０を作動させる。
　また、ＥＣＵ１００は、例えば、温度センサ８０が検出するＦＣスタック１０の出口における冷却液の温度情報に基づいてロータリバルブ５０を制御する。ＥＣＵ１００は、図６に一例を示す、ＦＣスタック１０の出口における冷却液の温度に対応するロータリバルブ５０の制御特性（すなわち弁体５２の作動角（回転角））を予め記憶している。そして、ＥＣＵ１００は、入力温度情報と記憶している上記制御特性とから導出した作動角度となるようにロータリバルブ５０の弁体５２を作動制御する。
　ＥＣＵ１００は、例えば、ＦＣスタック１０の出口における冷却液の温度が７０℃以上の場合には第１流出口５１ｂを全開とするとともに第２流出口５１ｃを全閉として、循環する冷却液の全量をラジエータ３０に流通させる。ＥＣＵ１００は、ＦＣスタック１０の出口における冷却液の温度が６０℃以下の場合には第１流出口５１ｂを全閉とするとともに第２流出口５１ｃを全開として、循環する冷却液の全量をバイパス通路２１に流通させる。
　そして、ＦＣスタック１０の出口における冷却液の温度が６０～７０℃の場合には、第１流出口５１ｂおよび第２流出口５１ｃの両者を開く中間開度として、冷却液をラジエータ３０とバイパス通路２１との両者に流通させる。これにより、冷却液により温度調節される燃料電池の温度を、約６５℃とすることができる。なお、図６では、中間開度の作動角特性として、ＦＣスタック出口における冷却液の温度に対応して直線的に変化する例を示していたが、これに限定されるものではない。
　本実施形態の燃料電池システム１によれば、ラジエータキャップ４０はウォータポンプ６０よりも冷却液流れ上流側で循環回路２０に接続されように配設されて、循環回路２０との接続配設点（接続位置）において循環回路２０内の圧力を大気圧以上の所定圧力範囲に調節する。そして、ロータリバルブ５０は、循環回路２０のうちラジエータキャップ４０の接続配設点よりも冷却液流れ上流側に設けられている。すなわち、ラジエータキャップ４０は、循環回路２０のロータリバルブ５０とウォータポンプ６０との間に配設されている。
　これによると、ラジエータキャップ４０が循環回路２０に接続配設された点において、循環回路２０内の圧力を大気圧以上の所定圧力範囲にすることができる。したがって、ロータリバルブ５０による圧力損失が大きいものであったとしても、ロータリバルブ５０よりも冷却液流れ下流側にあるラジエータキャップ４０の接続配設点とウォータポンプ６０（具体的にはウォータポンプ６０の内部）との間においてキャビテーションを発生するような局所的低圧部が生成され難くなる。これにより、キャビテーションが発生することを抑制することができる。このようにして、ウォータポンプ６０が充分な流量を確保できなかったり、ウォータポンプ６０内にエロージョンが発生したりすることを防止し、ウォータポンプ６０が充分に性能を発揮することができる。
　燃料電池システム１の循環回路２０には、内燃機関の冷却液循環回路と比較して、冷却液が高流量で流通する場合が多い。これは、複数の燃料電池の効率向上ためにＦＣスタック１０内における温度分布を小さくすることが望まれるためである。循環回路２０に冷却液を高流量で流通させると、ロータリバルブ５０の内部からウォータポンプ６０の内部までの間でキャビテーションが発生し易くなるが、本開示を適用した燃料電池システム１によれば、キャビテーションが発生を抑制することが可能である。
　また、ラジエータ３０に配設されて接続する接続点において循環回路２０内の圧力を大気圧以上の所定圧力範囲に調節する圧力調節装置として、ラジエータキャップ４０を用いている。ラジエータキャップ４０は圧力調整弁の一例として用いられてもよい。
　これによると、ラジエータ３０に配設され（直接取り付けられ）接続したラジエータキャップ４０を、循環回路２０のロータリバルブ５０とウォータポンプ６０との間に設けるという簡単な構成により、ラジエータキャップ４０の接続点とウォータポンプ６０の内部との間においてキャビテーションが発生することを抑制することができる。
　また、前述した構成を有するロータリバルブ５０は、例えば図７に示すように、弁体５２が第１流出口５１ｂおよび第２流出口５１ｃの両方を開く中間開度における開口面積の総和が、第１流出口５１ｂおよび第２流出口５１ｃのいずれか一方を全開にしたときの開口面積よりも小さくなる。図７において、一点鎖線が弁体５２の作動角に対する各開口５１ｂ、５１ｃの開口面積であり、実線がそれらの総和を示している。本実施形態のロータリバルブ５０は、第１流出口５１ｂおよび第２流出口５１ｃを同等に開くときに開口面積の総和が最小となる。そして、図８に例示するように、開口面積の総和が小さくなるにしたがって開口を通過する冷却液の圧力損失（流れ抵抗）が増大する。
　これによると、弁体５２が第１流出口５１ｂおよび第２流出口５１ｃの両方を開く中間開度に設定されたときには、第１流出口５１ｂおよび第２流出口５１ｃのいずれか一方を開いたときよりも、ロータリバルブ５０を通過する冷却液の圧力損失が大きくなる。すなわち、弁体５２が中間開度に設定されたときには、弁体５２よりも下流側において低圧部が形成され易い。このような特性を有するロータリバルブ５０を用いたとしても、ロータリバルブ５０よりも冷却液流れ下流側にあるラジエータキャップ４０の接続配置点とウォータポンプ６０の内部との間においてキャビテーションが発生することを抑制することができる。
（第２実施形態）
　次に、第２実施形態について図９に基づいて説明する。
　第２実施形態は、本開示を所謂完全密閉型のリザーブタンクを備えるシステムに適用した例である。なお、第１実施形態と同様の部分については、同一の符号をつけ、その説明を省略する。
　図９に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、圧力調節機構１４０を備えている。圧力調節機構１４０は、循環回路２０に対して並列に設けられた連通路１４１と、連通路１４１に設けられたリザーブタンク４１Ａと、リザーブタンク４１Ａに取り付けられたキャップ４０Ａとを備えている。圧力調節機構１４０は、圧力調節装置の一例として用いられてもよく、キャップ４０Ａは、連通路１４１に設けられた圧力調整弁の一例として用いられてもよい。
　連通路１４１は、上流端１４１ａおよび下流端１４１ｂが循環回路２０と連通している。本例では、上流端１４１ａは、循環回路２０の一部をなすラジエータ３０のタンク部に接続してラジエータ３０内と連通している。一方、下流端１４１ｂは、循環回路２０のうち、ラジエータ３０よりも下流側、かつ、バイパス通路２１との合流点よりも上流側に位置する部位に接続して、循環回路２０内と連通している。したがって、下流端１４１ｂと循環回路２０とが接続する下流側連通位置は、圧力調節装置の循環回路への接続位置に相当してもよい。
　キャップ４０Ａは、第１実施形態で説明したラジエータキャップ４０と同様の構成を有している。したがって、リザーブタンク４１Ａは、内圧が大気圧以上の所定圧力範囲に調節される所謂完全密閉型のリザーブタンクである。
　本実施形態の構成によれば、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、キャップ４０Ａにより圧力調節された連通路１４１の下流端１４１ｂを、循環回路２０のロータリバルブ５０とウォータポンプ６０との間に設けるという簡単な構成により、連通路１４１の下流端１４１ｂの接続点とウォータポンプ６０の内部との間においてキャビテーションが発生することを抑制することができる。
（第３実施形態）
　次に、第３実施形態について図１０に基づいて説明する。
　第３実施形態は、第２実施形態と比較して、連通路１４１の下流端１４１ｂの循環回路２０への接続位置が異なる。なお、第１、第２実施形態と同様の部分については、同一の符号をつけ、その説明を省略する。
　図１０に示すように、本実施形態の燃料電池システムでは、連通路１４１の下流端１４１ｂは、循環回路２０のうち、バイパス通路２１との合流点よりも下流側、かつ、ウォータポンプ６０よりも上流側に位置する部位に接続して、循環回路２０内と連通している。下流端１４１ｂと循環回路２０とが接続する下流側連通位置は、圧力調節装置の循環回路への接続位置に相当してもよい。
　本実施形態では、ロータリバルブ５０は、循環回路２０へのバイパス通路２１の合流点に配設されている。これに伴い、第１実施形態で説明した導入口５１ａが冷却液の流出口となり、両流出口５１ｂ、５１ｃが冷却液の導入口となっている。
　本実施形態の構成によれば、第２実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、ロータリバルブ５０は、循環回路２０とバイパス通路２１との分岐点に配設するものであってもよい。
（第４実施形態）
　次に、第４実施形態について図１１および図１２に基づいて説明する。
　第４実施形態は、第２実施形態と比較して、リザーブタンク内を加圧する加圧装置を設けた点が異なる。なお、第１、第２実施形態と同様の部分については、同一の符号をつけ、その説明を省略する。
　図１１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、加圧装置９０を備えている。加圧装置９０は、空気を圧縮する圧縮機９１と、圧縮機９１で生成した圧縮空気をリザーブタンク４１Ｂ内へ導入する導入管９２と、導入管９２内の流体の逆流を防止する逆止弁９３とを備えている。本例では、導入管９２は、その上流端が、圧縮機９１で生成した圧縮空気をインタークーラ７０を介してＦＣスタック１０の燃料電池へ供給する供給管９５に分岐接続している。
　本実施形態のリザーブタンク４１Ｂは、第２、第３実施形態におけるリザーブタンク４１Ａと同様に、所謂完全密閉型のリザーブタンクである。ただし、図１２に示すように、リザーブタンク４１Ｂは、リザーブタンク４１Ａとはエア導入口４１３を有する点が異なっている。エア導入口４１３には、導入管９２の下流端が接続している。
　リザーブタンク４１Ｂは、例えば樹脂製の半透明の容器体であり、冷却液の流入口４１１および流出口４１２を有している。流入口４１１には、連通路１４１のうち、上流端１４１ａから延びる上流側の部分の下流端が接続している。また、流出口４１２には、連通路１４１のうち、下流端１４１ｂへ延びる下流側の部分の上流端が接続している。
　リザーブタンク４１Ｂ内には、底部から仕切壁４１４が立設され、内部を２つの貯留部に区画している。流入口４１１は、図示左方側の貯留部に臨む位置に形成され、流出口４１２は、図示右方側の貯留部に臨む位置に形成されている。したがって、流入口４１１から流入し仕切壁４１４を越えてオーバーフローした冷却液が流出口４１２から流出可能となっている。前述のエア導入口４１３は、リザーブタンク４１Ｂの天井部に形成されている。
　本実施形態の構成によれば、第２実施形態と同様の効果を得ることができる。
　また、加圧装置９０により、リザーブタンク４１Ｂを介して連通路１４１内を加圧するようになっている。これによると、連通路１４１内の圧力を、キャップ４０Ａが圧力調整する大気圧以上の所定圧力範囲において比較的高い圧力にすることができる。これに伴い、連通路１４１の下流端１４１ｂが循環回路２０に接続する接続点において、循環回路２０内の圧力を大気圧以上の所定圧力範囲のうち比較的高い圧力にすることができる。したがって、循環回路２０への下流端１４１ｂの接続点とウォータポンプ６０の内部との間においてキャビテーションが発生することを確実に抑制することができる。
　また、圧力調節機構１４０は、連通路１４１に設けられて余剰の冷却液を貯留するリザーブタンク４１Ｂを有し、加圧装置９０は、圧縮機９１と、圧縮機９１で生成した圧縮空気をリザーブタンク４１Ｂ内へ導入する導入管９２とを有している。これによると、圧縮機９１で生成した圧縮空気を導入管９２を介してリザーブタンク４１Ｂ内へ導入することで、連通路１４１内を容易に加圧することができる。
　また、圧縮機９１で生成した圧縮空気を燃料電池へ供給する供給管９５を備えている。これによると、圧縮機９１で生成した圧縮空気を供給管９５を介して燃料電池へも供給することができる。したがって、連通路１４１の加圧源および燃料電池への空気供給源として圧縮機９１を共用することができる。換言すれば、連通路１４１の加圧源となる専用の圧縮機を設ける必要がない。これにより、燃料電池システムの構成を簡素化することができる。
　ＦＣスタック１０における発電量が大きいときには、燃料電池が多量の空気を必要とするため、圧縮機９１の吐出容量が増大される。また、ＦＣスタック１０における発電量が大きいときには、ＦＣスタック１０の発熱量も比例して大きくなるため、ウォータポンプ６０の回転数も上昇する。ウォータポンプ６０の回転数が上昇すると、ウォータポンプ６０の吸入側において圧力が低下し易くなるが、上記した理由により圧縮機９１の圧縮空気の供給能力も比例して上昇する。したがって、ＦＣスタック１０における発電量が増大した際にも、圧縮空気の供給能力が増大した加圧装置９０により連通路１４１内を確実に加圧することができる。
　また、導入管９２に逆止弁９３を設けている。これによると、リザーブタンク４１Ｂ内からエアが導入管９２を逆流することを防止でき、リザーブタンク４１Ｂ内を高圧に維持することが容易である。したがって、リザーブタンク４１Ｂ内の圧力が圧縮機９１の吐出圧よりも低くなったときにのみ、導入管９２を介して圧縮空気の導入が行われる。これにより、圧縮機９１の仕事量を抑制することができる。
　さらに、例えば圧縮機９１が停止した際などに、リザーブタンク４１Ｂ内のエアや冷却液が導入管９２を逆流して圧縮機９１やＦＣスタック１０へ向かうことを確実に防止することができる。また、導入管９２が接続するエア導入口４１３は、リザーブタンク４１Ｂの天井部に形成され、冷却液貯留部よりも上方の空気溜まり領域に臨んでいる。これによれば、リザーブタンク４１Ｂ内の冷却液が導入管９２を逆流して圧縮機９１やＦＣスタック１０へ向かうことをより確実に防止することができる。
（第５実施形態）
　次に、第５実施形態について図１３に基づいて説明する。
　第５実施形態は、第４実施形態と比較して、連通路１４１の下流端１４１ｂの循環回路２０への接続位置が異なる。なお、第１～第４実施形態と同様の部分については、同一の符号をつけ、その説明を省略する。
　図１３に示すように、本実施形態の燃料電池システムでは、連通路１４１の下流端１４１ｂは、第３実施形態と同様に、循環回路２０のうち、バイパス通路２１との合流点よりも下流側、かつ、ウォータポンプ６０よりも上流側に位置する部位に接続して、循環回路２０内と連通している。
　また、ロータリバルブ５０も、第３実施形態と同様に、循環回路２０へのバイパス通路２１の合流点に配設されている。本実施形態の構成によれば、第４実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、本実施形態においても第３実施形態と同様に、ロータリバルブ５０を、循環回路２０とバイパス通路２１との分岐点に配設するものであってもよい。
　以上、本開示の好ましい実施形態について説明したが、本開示は上述した実施形態に何ら制限されることなく、本開示の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。
　上記第１実施形態では、圧力調整手段である圧力調整弁の一例として、ラジエータ３０に接続配置されるラジエータキャップ４０を採用していたが、これに限定されるものではない。例えば、ラジエータキャップ４０と同様の構成を有するキャップを循環回路２０に接続配置するものであってもよい。
　また、上記第２～第５実施形態では、圧力調整機構１４０の圧力調整弁の一例として、リザーブタンクに装着されるキャップ４０Ａを採用していたが、これに限定されるものではない。例えば、キャップ４０Ａを連通路１４１に配置するものであってもよい。
　また、上記第２～第５実施形態では、連通路１４１の上流端１４１ａは、ラジエータ３０に接続していたが、これに限定されるものではない。例えば、循環回路２０のラジエータ３０よりも上流側の部分に上流端１４１ａを接続するものであってもよい。
　また、上記各実施形態では、三方弁装置としてロータリバルブ５０を採用していたが、これに限定されるものではない。例えば、直線状にスライド移動する弁体により流量比を調節するものであってもよい。
　また、上記各実施形態では、ロータリバルブ５０は、中間開度における開口面積の総和が、いずれか一方の開口のみを全開にしたときの開口面積よりも小さくなるものであったが、これに限定されるものではない。例えば、中間開度時の開口面積の総和と一方の開口のみを全開にしたときの開口面積とが同一であってもよい。また、中間開度時の開口面積の総和が一方の開口のみを全開にしたときの開口面積よりも大きいものであってもよい。
　また、上記第４、第５実施形態では、加圧装置９０によりリザーブタンク４１Ｂを介して加圧された連通路１４１の下流端１４１ｂが、循環回路２０のロータリバルブ５０とウォータポンプ６０との間に接続していたが、これに限定されるものではない。
　例えば、図１４に示すように、循環回路２０のロータリバルブ５０よりも上流側の部分に接続するものであってもよい。すなわち、加圧装置９０により、連通路１４１内を加圧するようになっていればよい。これによると、連通路１４１内の圧力を、キャップ４０Ａが圧力調整する大気圧以上の所定圧力範囲において比較的高い圧力にすることができる。これに伴い、連通路１４１の下流端１４１ｂが循環回路２０に接続する接続点において、循環回路２０内の圧力を大気圧以上の所定圧力範囲のうち比較的高い圧力にすることができる。したがって、循環回路２０への下流端１４１ｂの接続点とウォータポンプ６０の内部との間にロータリバルブ５０があったとしても、この間における内圧が全体的に上昇されて、キャビテーションを発生するような局所的低圧部が生成され難くなる。これにより、キャビテーションが発生することを確実に抑制することができる。

Claims (7)

  1. 　燃料電池を有する燃料電池ユニット（１０）と、
    　前記燃料電池を冷却するように冷却液が循環する循環回路（２０）と、
    　前記循環回路に設けられ、前記冷却液の熱を外部へ放出する放熱器（３０）と、
    　前記放熱器よりも冷却液流れ上流側の分岐位置で前記循環回路から分岐するとともに前記放熱器よりも冷却液流れ下流側の合流位置で前記循環回路と接続され、前記放熱器を迂回して前記冷却液を流すバイパス通路（２１）と、
    　前記循環回路に設けられ、前記放熱器を通過する前記冷却液と前記バイパス通路を通過する前記冷却液との流量比率を調節する三方弁装置（５０）と、
    　前記循環回路の前記合流位置よりも冷却液流れ下流側に設けられ、前記冷却液を前記循環回路に循環させるポンプ装置（６０）と、
    　前記ポンプ装置よりも冷却液流れ上流側の接続位置で前記循環回路に接続され、前記接続位置において前記循環回路内の圧力を大気圧以上の所定圧力範囲に調節する圧力調節装置（４０、１４０）と、を備え、
    　前記三方弁装置を前記接続位置よりも冷却液流れ上流側に配設する燃料電池システム。
  2. 　前記圧力調節装置（４０）は、前記循環回路もしくは前記放熱器に配設され、前記配設された位置において前記循環回路に接続する圧力調整弁である請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 　前記圧力調節装置（１４０）は、前記循環回路に対して並列に設けられて上流端（１４１ａ）および下流端（１４１ｂ）が前記循環回路と連通する連通路（１４１）と、前記連通路に設けられた圧力調整弁（４０Ａ）と、を有し、
    　前記接続位置は、前記下流端（１４１ｂ）が前記循環回路の連通する下流側連通位置である請求項１に記載の燃料電池システム。
  4. 　前記連通路内を加圧する加圧装置（９０）を備える請求項３に記載の燃料電池システム。
  5. 　前記圧力調節装置は、前記連通路に設けられて余剰の前記冷却液を貯留するリザーブタンク（４１Ｂ）を有し、
    　前記加圧装置は、空気を圧縮する圧縮機（９１）と、前記圧縮機で生成した圧縮空気を前記リザーブタンク内へ導入する導入管（９２）とを有する請求項４に記載の燃料電池システム。
  6. 　前記圧縮機で生成した前記圧縮空気を前記燃料電池へ供給する供給管（９５）を備える請求項５に記載の燃料電池システム。
  7. 　前記三方弁装置は、
    　前記放熱器側の第１開口（５１ｂ）の開度および前記バイパス通路側の第２開口（５１ｃ）の開度を変更する共通の弁体（５２）を有し、
    　前記弁体が前記第１開口および前記第２開口の両方を開く中間開度における開口面積の総和が、前記第１開口および前記第２開口のいずれか一方を開いたときの開口面積よりも小さい請求項１ないし請求項６のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
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