(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス及び酸化剤ガスの化学反応により電力を得る燃料電池と、前記燃料電池に冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置とを備え、車両に搭載される車載用燃料電池システムであって、  前記冷却媒体供給装置は、前記燃料電池に設けられる冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔に連通し、前記冷却媒体を前記燃料電池に循環させる冷却媒体循環路と、  放熱器、送風機及びケース部材を有する熱交換機構と、  前記冷却媒体循環路に前記冷却媒体を循環させるポンプと、  前記冷却媒体循環路に配置され、前記冷却媒体の温度に基づいて切り換え制御される調整弁と、  を備え、  前記放熱器は、前記冷却媒体を下方から上方に向かって流通させる熱交換部と、前記熱交換部の一端側に接続されるとともに、前記燃料電池から排出される前記冷却媒体を流入させる入口及び前記入口から前記熱交換部を経由することなく前記冷却媒体を流出させる第１出口を有する第１配管部と、前記熱交換部の他端側に接続されるとともに、前記冷却媒体を流出させる第２出口を有する第２配管部と、を備え、 前記第１配管部は前記熱交換部の下部に配置され、一方、前記第２配管部は前記熱交換部の上部に配置され、 前記第１配管部は前記熱交換部の下端に沿って延在し、且つ前記第１配管部は前記冷却媒体を流入させる入口と前記冷却媒体を流出させる第１出口とを連通させるべく直線状に形成され、 しかも、前記ケース部材は、前記送風機及び前記熱交換部の一部を覆って設けられ、  前記調整弁は、前記冷却媒体の温度に基づいて、前記第１出口と前記第２出口とを、前記冷却媒体入口連通孔に選択的に接続することを特徴とする車載用燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の車載用燃料電池システムにおいて、熱交換機構は、前記車両の進行方向前方から後方に向かって、前記放熱器、前記送風機及び前記ケース部材の順に配設され、
前記ケース部材は、前記熱交換部の後方から前記送風機及び前記熱交換部の上方の一部を覆って設けられることを特徴とする車載用燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は２のいずれか１項に記載の車載用燃料電池システムにおいて、
前記冷却媒体の入口は、前記第１配管部の長手方向一端側に設けられ、
前記冷却媒体の第１出口は、前記第１配管部の長手方向他端側に設けられることを特徴とする車載用燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスの化学反応により電力を得る燃料電池と、前記燃料電池に冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置とを備え、車両に搭載される車載用燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持した発電ユニット（単位セル）を備えている。
【０００３】
この種の燃料電池は、通常、所定の数（例えば、数百）の発電ユニットが積層される燃料電池スタックを構成している。燃料電池スタックは、例えば、燃料電池自動車等の燃料電池車両に搭載されることにより、車載用燃料電池システムに組み込まれている。
【０００４】
例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムは、図５に示すように、燃料電池１に冷却水を循環させる冷却水経路２、前記冷却水を圧送する冷却水循環ポンプ３、及び前記冷却水の放熱を行うラジエータ４等から構成される冷却システムを備えている。
【０００５】
冷却水循環ポンプ３は、ポンプ用モータ５と機械的に接続されている。ポンプ用モータ５を回転させることにより、冷却水循環ポンプ３を回転させて燃料電池１に冷却水を循環させている。燃料電池１で発生した熱は、冷却水を介してラジエータ４で系外に排出されている。
【０００６】
冷却ファン６は、冷却ファンモータ７と機械的に接続されている。冷却ファンモータ７を回転させることにより、冷却ファン６を回転させてラジエータ４に送風し、前記ラジエータ４より熱を外気に放出させている。冷却水経路２には、サーモスタット８が配設されている。
【０００７】
サーモスタット８は、冷却水温度が所定の値より大きい場合は、ラジエータ４側に冷却水が流れるようにし、逆に冷却水温度が所定の値より小さい場合は、ラジエータバイパス経路側９に前記冷却水が流れるよう制御することで、温度制御を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−１００７５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記の特許文献１では、低温の冷却水がラジエータ４に流れることを防止するために、前記ラジエータ４を迂回する専用のラジエータバイパス経路９が設けられている。従って、レイアウト性が低下するとともに、システム全体の小型化を図ることができないという問題がある。
【００１０】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、冷却媒体が必要以上に低温になることを確実に阻止するとともに、レイアウト性の向上及びシステム全体の小型化を図り、しかも温められた前記冷却媒体の冷却性を向上させることが可能な車載用燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスの化学反応により電力を得る燃料電池と、前記燃料電池に冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置とを備え、車両に搭載される車載用燃料電池システムに関するものである。
【００１２】
この車載用燃料電池システムでは、冷却媒体供給装置は、燃料電池に設けられる冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔に連通し、冷却媒体を前記燃料電池に循環させる冷却媒体循環路と、放熱器、送風機及びケース部材を有する熱交換機構と、冷却媒体循環路に冷却媒体を循環させるポンプと、冷却媒体循環路に配置され、冷却媒体の温度に基づいて切り換え制御される調整弁とを備えている。
【００１３】  そして、放熱器は、冷却媒体を下方から上方に向かって流通させる熱交換部と、熱交換部の一端側に接続されるとともに、燃料電池から排出される冷却媒体を流入させる入口及び入口から熱交換部を経由することなく冷却媒体を流出させる第１出口を有する第１配管部と、熱交換部の他端側に接続されるとともに、冷却媒体を流出させる第２出口を有する第２配管部と、を備えている。この場合、第１配管部は熱交換部の下部に配置され、一方、第２配管部は熱交換部の上方に配置される。特に、第１配管部が熱交換部の下端に沿って延在し、且つ冷却媒体を流入させる入口と冷却媒体を流出させる第１出口とを連通させるべく直線状に形成されることが好ましい。【００１４】
ケース部材は、熱交換器の後方から送風機及び熱交換部の一部を覆って設けられ、調整弁は、冷却媒体の温度に基づいて、第１出口と第２出口とを、冷却媒体入口連通孔に選択的に接続している。
【００１５】
また、この車載用燃料電池システムでは、熱交換機構は、車両の進行方向前方から後方に向かって、放熱器、送風機及びケース部材の順に配設される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、放熱器を構成する第１配管部には、冷却媒体を流入させる入口及び入口から熱交換部を経由することなく冷却媒体を流出させる第１出口が設けられる一方、第２配管部には、冷却媒体を流出させる第２出口が設けられている。そして、調整弁の切り替え制御下に、低負荷時（低温時）には、第１配管部の入口に流入した冷却媒体は、第１配管部の第１出口から燃料電池の冷却媒体入口連通孔に流出されている。このため、第１配管部は、熱交換部を迂回するバイパス流路として機能することができる。
【００１７】
これにより、専用のバイパス流路が不要になり、レイアウト性の向上を図るとともに、システム全体の小型化が容易に図られる。
【００１８】
しかも、ケース部材は、送風機及び熱交換部の一部を覆って設けられている。このため、熱交換部には、ケース部材により覆われていない部分（以下、開放部分ともいう）が存在し、前記開放部分には、他の部分（ケース部材に覆われた部分、以下、被覆部分ともいう）よりも走行風の風量が多く供給される。開放部分は、ケース部材や送風機による圧損が少なくなり、走行風が通り易く、多量の走行風が流通するからである。従って、走行風温度と冷却媒体温度との温度差は、開放部分の方が被覆部分よりも大きくなり、高温の冷却媒体を迅速に冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】前記燃料電池システムを構成する冷却媒体供給装置の概略斜視説明図である。
【図３】低負荷時における前記冷却媒体供給装置の動作説明図である。
【図４】高負荷時における前記冷却媒体供給装置の動作説明図である。
【図５】特許文献１に開示されている燃料電池システムの概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０は、車両、例えば、燃料電池自動車（図示せず）に組み込まれる。なお、図１は、燃料電池システム１０の概略構成を示しており、配管の接続関係、例えば、上下の関係や左右の関係は実際とは異なっている。特に、後述する冷却媒体供給装置１４は、実際上、図２に示す位置関係に設定される。
【００２１】
燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、前記燃料電池スタック１２に冷却媒体を供給するための冷却媒体供給装置１４と、前記燃料電池スタック１２に燃料ガス（反応ガス）を供給するための燃料ガス供給装置１６と、前記燃料電池スタック１２に酸化剤ガス（反応ガス）を供給するための酸化剤ガス供給装置１８と、前記燃料電池システム１０全体の制御を行うコントローラ（ＥＣＵ）２０とを備える。
【００２２】
燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池２２が積層されるとともに、積層方向の両端には、ターミナルプレート２４ａ、２４ｂ及び絶縁プレート２６ａ、２６ｂを介してエンドプレート２８ａ、２８ｂが配設される。燃料電池スタック１２は、例えば、エンドプレート２８ａ、２８ｂを端板とするケーシング（図示せず）、又は前記エンドプレート２８ａ、２８ｂ間を締結するタイロッド（図示せず）を備える。
【００２３】
一対のターミナルプレート２４ａ、２４ｂには、電力取り出し端子３０ａ、３０ｂが設けられている。電力取り出し端子３０ａ、３０ｂは、負荷回路３２に接続されるとともに、前記負荷回路３２には、走行用駆動モータ３４や補機類（図示せず）が接続される。
【００２４】
各燃料電池２２は、例えば、固体高分子型燃料電池が使用され、図示しないが、電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体を挟持するセパレータとを備える。
【００２５】
エンドプレート２８ａには、燃料電池２２を冷却するための冷却媒体を流通させる冷却媒体入口連通孔５４ａ及び冷却媒体出口連通孔５４ｂが、前記燃料電池２２の積層方向に延在して設けられる。エンドプレート２８ｂには、燃料電池２２に燃料ガスを流通させる燃料ガス入口連通孔５６ａ及び燃料ガス出口連通孔５６ｂと、酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス入口連通孔５８ａ及び酸化剤ガス出口連通孔５８ｂとが、前記燃料電池２２の積層方向に延在して設けられる。
【００２６】
冷却媒体供給装置１４は、図１及び図２に示すように、燃料電池スタック１２に設けられる冷却媒体入口連通孔５４ａ及び冷却媒体出口連通孔５４ｂに連通し、冷却媒体を前記燃料電池スタック１２に循環させる冷却媒体循環路６０と、燃料電池自動車の進行方向前方（矢印Ａ方向）から後方（矢印Ｂ方向）に向かって、放熱器６２、送風機６４及びケース部材（シュラウド）６６の順に配設される熱交換機構６８と、前記冷却媒体循環路６０に前記冷却媒体を循環させるポンプ７０と、前記冷却媒体循環路６０に配置され、前記冷却媒体の温度に基づいて切り換え制御される調整弁、例えば、サーモスタット７２とを備える。
【００２７】
放熱器６２は、フィン７４を有する熱交換部（コア部）７６、前記熱交換部７６の入口側に設けられ、燃料電池スタック１２の冷却媒体出口連通孔５４ｂから排出される冷却媒体を流入させる入口７８と前記冷却媒体を冷却媒体循環路６０に流出させる第１出口８０ａとを有する第１配管部（ロアタンク）８２、及び前記熱交換部７６の出口側に設けられ、前記冷却媒体を前記冷却媒体循環路６０に流出させる第２出口８０ｂを有する第２配管部（アッパタンク）８４を備える。
【００２８】
熱交換部７６は、冷却媒体を下方から上方に向かって流通させるアップフローを採用するとともに、第１配管部８２は、前記熱交換部７６の下方に配置される一方、前記第２配管部８４は、前記熱交換部７６の上方に配置される。
【００２９】
送風機６４は、左右に２台併設されており、ケース部材６６は、前記送風機６４及び熱交換部７６の一部を覆って設けられる。具体的には、ケース部材６６は、第１配管部８２及び第２配管部８４を除き且つ熱交換部７６の後方から送風機６４及び熱交換部７６の上方の一部を覆って設けられる。
【００３０】
サーモスタット７２は、冷却媒体の温度に基づいて、第１出口８０ａと第２出口８０ｂとを、燃料電池スタック１２の冷却媒体入口連通孔５４ａに選択的に接続する。具体的には、冷却媒体循環路６０の一端側は、第１配管部８２の入口７８に接続されるとともに、前記冷却媒体循環路６０の他端側は、ポンプ７０及びサーモスタット７２に接続される。第１配管部８２の第１出口８０ａとサーモスタット７２の一方の入口とは、第１排出配管８６ａを介して接続される一方、第２配管部８４の第２出口８０ｂと前記サーモスタット７２の他方の入口とは、第２排出配管８６ｂを介して接続される。
【００３１】
燃料ガス供給装置１６は、燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔５６ａ及び燃料ガス出口連通孔５６ｂに接続される。酸化剤ガス供給装置１８は、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔５８ａ及び酸化剤ガス出口連通孔５８ｂに接続される。
【００３２】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
【００３３】
先ず、図１に示すように、燃料ガス供給装置１６が駆動され、エンドプレート２８ｂの燃料ガス入口連通孔５６ａを通って燃料電池スタック１２内に燃料ガスが導入される。一方、酸化剤ガス供給装置１８が駆動され、酸化剤ガスである外部空気は、エンドプレート２８ｂの酸化剤ガス入口連通孔５８ａを通って燃料電池スタック１２内に供給される。
【００３４】
このため、燃料電池スタック１２内では、アノード側に供給される燃料ガス（水素）と、カソード側に供給される空気中の酸素とが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。従って、燃料電池スタック１２から負荷回路３２に電力が供給され、前記負荷回路３２を介して走行用駆動モータ３４や補機類（図示せず）に所望の電力が供給される。これにより、燃料電池自動車（図示せず）は、走行可能になる。
【００３５】
さらに、冷却媒体供給装置１４では、ポンプ７０の作用下に、冷却媒体循環路６０からエンドプレート２８ａの冷却媒体入口連通孔５４ａを通って燃料電池スタック１２内に冷却媒体が導入される。冷却媒体は、燃料電池２２を冷却した後、エンドプレート２８ａの冷却媒体出口連通孔５４ｂから冷却媒体循環路６０に排出される。
【００３６】
燃料電池スタック１２の起動時及び低負荷運転時には、前記燃料電池スタック１２から排出される冷却媒体の温度が比較的低温となっている。サーモスタット７２は、第１配管部８２の第１出口８０ａを燃料電池スタック１２の冷却媒体入口連通孔５４ａに接続させる。このため、図３に示すように、燃料電池スタック１２から冷却媒体循環路６０に排出された冷却媒体は、入口７８から第１配管部８２内に導入された後、前記第１配管部８２の第１出口８０ａから第１排出配管８６ａに排出される。
【００３７】
この冷却媒体は、サーモスタット７２及びポンプ７０を通って冷却媒体循環路６０に供給される。すなわち、冷却媒体は、放熱器６２の熱交換部７６をバイパスして燃料電池スタック１２の冷却媒体入口連通孔５４ａに循環される。
【００３８】
次いで、燃料電池スタック１２が高負荷運転に移行すると、前記燃料電池スタック１２から排出される冷却媒体の温度が比較的高温になる。従って、サーモスタット７２は、第２配管部８４の第２出口８０ｂを燃料電池スタック１２の冷却媒体入口連通孔５４ａに接続させる。
【００３９】
これにより、図４に示すように、入口７８から第１配管部８２内に導入された冷却媒体は、熱交換部７６のフィン７４に沿って下方から上方に移動しながら、送風機６４及び走行風によって冷却される。具体的には、入口７８から第１配管部８２内に導入された冷却媒体は、最も高温の状態で、先ず、ケース部材６６により覆われていない熱交換部７６のフィン７４の部分（開放部分）を通過する。このため、冷却媒体は、最高温度の状態で、最も走行風が当たる熱交換部７６のフィン７４の部分（開放部分）を通過することになり、前記冷却媒体を効率的に冷却することができる。熱交換部７６のフィン７４の部分（開放部分）は、高負荷時の圧損が、ケース部材６６により覆われた他の部分（被覆部分）よりも低減されるため、走行風が通り易く、多量の走行風が流通するからである。
【００４０】
冷却された冷却媒体は、第２配管部８４内に導入され、第２出口８０ｂから第２排出配管８６ｂに排出され、サーモスタット７２及びポンプ７０を介して冷却媒体循環路６０から冷却媒体入口連通孔５４ａに供給される。
【００４１】
この場合、本実施形態では、放熱器６２を構成する第１配管部８２には、冷却媒体を流入させる入口７８及び前記冷却媒体を流出させる第１出口８０ａが設けられる一方、第２配管部８４には、前記冷却媒体を流出させる第２出口８０ｂが設けられている。そして、サーモスタット７２は、冷却媒体の温度に基づいて、第１出口８０ａと第２出口８０ｂとを、燃料電池スタック１２の冷却媒体入口連通孔５４ａに選択的に接続している。
【００４２】
従って、低負荷時には、第１配管部８２の第１出口８０ａと冷却媒体入口連通孔５４ａとが接続されるため、前記第１配管部８２の入口７８に流入した冷却媒体は、前記第１出口８０ａから第１排出配管８６ａに流出される（図３参照）。このため、第１配管部８２は、熱交換部７６を迂回するバイパス流路として機能することができる。
【００４３】
これにより、専用のバイパス流路が不要になり、レイアウト性の向上を図るとともに、燃料電池システム１０全体の小型化が容易に図られるという効果が得られる。その上、部品点数の削減及びコストの削減が図られ、経済的であるという利点がある。
【００４４】
さらに、ケース部材６６に覆われていない熱交換部７６のフィン７４の部分（開放部分）に、冷却媒体が流入されている。このため、特に高負荷時において、ケース部材６６による圧損が惹起されることがなく、冷却媒体は、燃料電池自動車（図示せず）の走行によって発生する走行風を介して効率的に冷却される。
【００４５】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態では、ケース部材６６は、熱交換部７６の後方から送風機６４及び熱交換部７６の上方の一部を覆って設けられているが、前記熱交換部７６の後方から送風機６４及び熱交換部７６の下方の一部を覆って設けてもよい。
【００４６】
また、本実施形態では、送風機６４を燃料電池自動車の進行方向に対して熱交換部７６の後方に配置しているが、例えば、前記熱交換部７６の前方に配置してもよい。
【符号の説明】
【００４７】
１０…燃料電池システム                １２…燃料電池スタック
１４…冷却媒体供給装置                １６…燃料ガス供給装置
１８…酸化剤ガス供給装置              ２０…コントローラ
２２…燃料電池                        ２８ａ、２８ｂ…エンドプレート
３２…負荷回路                        ３４…走行用駆動モータ
５４ａ…冷却媒体入口連通孔            ５４ｂ…冷却媒体出口連通孔
６０…冷却媒体循環路                  ６２…放熱器
６４…送風機                          ６６…ケース部材
６８…熱交換機構                      ７０…ポンプ
７２…サーモスタット                  ７６…熱交換部
７８…入口                            ８０ａ、８０ｂ…出口
８２、８４…配管部                    ８６ａ、８６ｂ…排出配管
【図１】
0005543292.tif 000002
【図２】
0005543292.tif 000003
【図３】
0005543292.tif 000004
【図４】
0005543292.tif 000005
【図５】
0005543292.tif 000006