(57)【要約】【課題】燃料電池用冷却システムにおいて、燃料電池の冷却のために必要なエネルギを小さく抑えて、かつ、燃料電池を沸騰冷却により適度な温度に冷却することである。【解決手段】燃料電池スタック１０に接続され、燃料電池スタック１０から冷媒を排出する上流側冷媒排出流路２４と、上流側冷媒排出流路２４に設けられた凝縮器２６と、上流側冷媒排出流路２４において、凝縮器２６よりも冷媒の流れ方向下流側に設けられた気液分離器２８と、気液分離器２８からガス状冷媒である水蒸気を含むガスを排出する下流側冷媒排出流路３０と、気液分離器２８から排出された液状冷媒である、冷却水を燃料電池スタック１０に還流させる冷媒循環流路３８と、冷媒循環流路３８に設けられた冷却水ポンプ４０とを備える。【選択図】図１
2008226523.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を冷却する燃料電池用冷却システムであって、
燃料電池に接続され、燃料電池から冷媒を排出する上流側冷媒排出流路と、
上流側冷媒排出流路に設けられた凝縮器と、
上流側冷媒排出流路において、凝縮器よりも冷媒の流れ方向下流側に設けられた気液分離器と、
気液分離器からガス状冷媒を排出する下流側冷媒排出流路と、を備えることを特徴とする燃料電池用冷却システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池用冷却システムにおいて、
気液分離器から排出された液状冷媒を燃料電池に還流させる冷媒循環流路と、
冷媒循環流路に設けられた液状冷媒ポンプと、を備えることを特徴とする燃料電池用冷却システム。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池用冷却システムにおいて、
燃料電池に接続され、燃料電池から酸化ガス系排出ガスを排出する酸化ガス系排出流路と、
気液分離器から排出された液状冷媒である冷却水を燃料電池に還流させる冷媒循環流路と、を備え、
酸化ガス系排出流路の下流端部を上流側冷媒排出流路に接続することにより、燃料電池から排出された酸化ガス系排出ガスを上流側冷媒排出流路を通じて凝縮器に供給可能としていることを特徴とする燃料電池用冷却システム。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１に記載の燃料電池用冷却システムにおいて、
燃料電池に供給される液状冷媒である冷却水の流量を制御することにより、燃料電池の温度を一定値に制御する冷却水流量制御手段を備えることを特徴とする燃料電池用冷却システム。
【請求項５】
請求項１から請求項３のいずれか１に記載の燃料電池用冷却システムにおいて、
燃料電池から排出される冷媒の圧力を調整する圧力調整弁と、
圧力調整弁の開度を制御することにより燃料電池の内部に設けた内部冷媒流路の圧力を上昇または低下させ、燃料電池の温度を上昇または低下させる圧力調整弁制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池用冷却システム。
【請求項６】
請求項１から請求項３のいずれか１に記載の燃料電池用冷却システムにおいて、
燃料電池に供給される液状冷媒である冷却水の流量を制御することにより、燃料電池の温度を沸点以下の温度範囲で制御する第２の冷却水流量制御手段を備えることを特徴とする燃料電池用冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を冷却する燃料電池用冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタックは、例えばアノード側電極、電解質膜およびカソード側電極から成る膜−電極アセンブリ（ＭＥＡ）とセパレータとを１組の燃料電池セルとして、これを複数組積層した燃料電池セル積層体により構成している。すなわち、各燃料電池セルは、高分子イオン交換膜から成る電解質膜の一方の面にアノード側電極を、他方の面にカソード側電極を、それぞれ配置して、さらに両側にセパレータを設けることにより構成している。そして、このような燃料電池セルを複数組積層し、さらに集電板、絶縁板およびエンドプレートで狭持することにより、高電圧を発生する燃料電池スタックを構成する。
【０００３】
このような燃料電池では、アノード側電極に燃料ガス、例えば水素を含むガスを供給すると共に、カソード側電極に、酸化ガス、例えば空気を供給する。これにより、燃料ガスおよび酸化ガスが電気化学反応に供されて、起電力を発生し、カソード側電極では、水蒸気または液水である水が生成される。
【０００４】
このような燃料電池を冷却する冷却装置として、特許文献１には、冷媒を流通させる冷却回路と、ガス状冷媒を圧縮するコンプレッサと、コンプレッサに対して冷媒の流れ方向下流側に設けられた通常運転時にコンデンサとして作用する熱交換器と、冷媒を気化させる減圧弁等の減圧手段とを備える構成が記載されている。冷却回路は、途中に冷媒を逃がす排出流路が設けられることなく、閉鎖系の流路となっている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２５９６１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記の特許文献１に記載された燃料電池用冷却装置の場合、コンプレッサにより冷媒を加圧し、熱交換器で凝縮して温度低下させた後、減圧手段で減圧することにより燃料電池に供給される冷媒の圧力の上昇を抑えている。そして、冷媒の圧力を抑えることで、冷媒の沸点が上昇するのを抑えることができる可能性はある。すなわち、冷媒の沸点が変化すると、冷媒が燃料電池内で適度な沸点での沸騰冷却を十分に行えず、燃料電池を適度な温度に沸騰冷却できない可能性がある。これに対して、特許文献１に記載された冷却装置では、冷媒の圧力を抑えることにより、冷媒の沸点の上昇を抑えて、燃料電池を沸騰冷却できる可能性はある。このような冷却装置は、コンプレッサと減圧手段とを必要とし、コンプレッサで燃料電池の放出熱量に対して１／１０から１／５程度のエネルギが必要となったり、冷媒の蒸発潜熱の数分の１程度のエネルギが必要となる。例えば、燃料電池を搭載した燃料電池車の場合、５０から１００ｋＷ程度の電力を発生する燃料電池を冷却するために、仮に燃料電池のエネルギ効率が６０％で、（蒸発潜熱）／（コンプレッサの動力の熱量換算）＝５であるとすると、６から１３ｋＷ程度のエネルギが燃料電池の冷却のためだけに必要となってしまう。すなわち、特許文献１に記載された冷却装置の場合、冷媒を沸騰させる沸騰冷却により燃料電池を冷却するために、沸騰ガスをコンプレッサを使用して圧縮することから、コンプレッサで必要なエネルギが大きくなってしまう可能性がある。
【０００７】
また、燃料電池の温度を維持するために、冷媒の圧力を最適値に制御する必要があるが、上記のように大きなエネルギで作動させる非常に大型のコンプレッサが必要となるだけでなく、冷媒の圧力の制御が難しくなる。また、ガス状の冷媒をコンプレッサにより圧縮するため、コンプレッサの応答性が悪く、沸騰による圧力上昇にコンプレッサの圧縮を追従させることが難しくなり、この面からもコンプレッサの大型化を招いてしまう。これに対して、小型のコンプレッサを使用する場合には、燃料電池に供給される冷媒の圧力が上昇しやすく、燃料電池の温度が上昇しやすくなってしまう。
【０００８】
本発明は、燃料電池用冷却システムにおいて、燃料電池の冷却のために必要なエネルギを小さく抑えて、かつ、燃料電池を沸騰冷却により適度な温度に冷却することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る燃料電池用冷却システムは、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を冷却する燃料電池用冷却システムであって、燃料電池に接続され、燃料電池から冷媒を排出する上流側冷媒排出流路と、上流側冷媒排出流路に設けられた凝縮器と、上流側冷媒排出流路において、凝縮器よりも冷媒の流れ方向下流側に設けられた気液分離器と、気液分離器からガス状冷媒を排出する下流側冷媒排出流路と、を備えることを特徴とする燃料電池用冷却システムである。
【００１０】
また、好ましくは、気液分離器から排出された液状冷媒を燃料電池に還流させる冷媒循環流路と、冷媒循環流路に設けられた液状冷媒ポンプと、を備える。
【００１１】
また、本発明に係る燃料電池用冷却システムにおいて好ましくは、燃料電池に接続され、燃料電池から酸化ガス系排出ガスを排出する酸化ガス系排出流路と、気液分離器から排出された液状冷媒である冷却水を燃料電池に還流させる冷媒循環流路と、を備え、酸化ガス系排出流路の下流端部を上流側冷媒排出流路に接続することにより、燃料電池から排出された酸化ガス系排出ガスを上流側冷媒排出流路を通じて凝縮器に供給可能とする。
【００１２】
また、本発明に係る燃料電池用冷却システムにおいて好ましくは、燃料電池に供給される液状冷媒である冷却水の流量を制御することにより、燃料電池の温度を一定値に制御する冷却水流量制御手段を備える。
【００１３】
また、本発明に係る燃料電池用冷却システムにおいて好ましくは、燃料電池から排出される冷媒の圧力を調整する圧力調整弁と、圧力調整弁の開度を制御することにより燃料電池の内部に設けた内部冷媒流路の圧力を上昇または低下させ、燃料電池の温度を上昇または低下させる圧力調整弁制御手段と、を備える。
【００１４】
また、本発明に係る燃料電池用冷却システムにおいて好ましくは、燃料電池に供給される液状冷媒である冷却水の流量を制御することにより、燃料電池の温度を沸点以下の温度範囲で制御する第２の冷却水流量制御手段を備える。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る燃料電池用冷却システムによれば、例えば、気液分離器から排出された液状冷媒を燃料電池に還流させる冷媒循環流路と、冷媒循環流路に設けられた液状冷媒ポンプと、を備える構成とすることにより、燃料電池を沸騰冷却により適度でかつ燃料電池セルの面方向にほぼ均一な温度に冷却できる。しかも、気液分離器から下流側冷媒排出流路を通じてガス状冷媒が排出され、冷却システムが開放系となっているため、燃料電池の内部に設けられ、上流側冷媒排出流路に接続される内部冷媒流路の圧力が過度に上昇することがない。このため、上記の特許文献１に記載された構成の場合と異なり、コンプレッサと減圧手段とを使用せずに済み、燃料電池の冷却のために必要なエネルギを小さく抑えることができる。すなわち、液状冷媒ポンプを使用する場合でも、コンプレッサを使用する場合に比べて、消費される電力等のエネルギを小さく抑えることができる。
【００１６】
また、燃料電池に接続され、燃料電池から酸化ガス系排出ガスを排出する酸化ガス系排出流路と、気液分離器から排出された液状冷媒である冷却水を燃料電池に還流させる冷媒循環流路と、を備え、酸化ガス系排出流路の下流端部を上流側冷媒排出流路に接続することにより、燃料電池から排出された酸化ガス系排出ガスを上流側冷媒排出流路を通じて凝縮器に供給可能とする構成によれば、酸化ガス系排出ガスに含まれる燃料電池の発電に伴う生成水を冷媒として使用できるため、冷媒の絶縁性を高く維持できる。すなわち、燃料電池に仕様する冷媒は、燃料電池を含む回路の短絡を防止するために、電気伝導度が小さい、すなわち高い絶縁性を有することが好ましい。上記の構成によれば、生成された直後の生成水を冷媒として使用できるため、冷媒の絶縁性を高くできて、短絡の防止を有効にはかれる。しかも、本発明の場合、冷媒が流れる流路の一部が気液分離器で開放される開放系となるため、燃料電池用冷却システムの冷媒流路に外部に通じる排出流路が設けられない、閉鎖系となる場合と異なり、金属イオンが蓄積され続けることがない。この点からも、冷媒の絶縁性を高く維持できる。また、冷媒として燃料電池の発電に伴う生成水を使用できるため、冷媒が流れる流路が開放系となるのにもかかわらず、冷媒供給用のタンクを別に設ける必要がなく、冷却システムの小型化かつ低コスト化を図れる。
【００１７】
また、燃料電池に供給される液状冷媒である冷却水の流量を制御することにより、燃料電池の温度を一定値に制御する冷却水流量制御手段を備える構成によれば、燃料電池の負荷にかかわらず、燃料電池の温度を一定値に制御することを容易に行える。
【００１８】
また、燃料電池から排出される冷媒の圧力を調整する圧力調整弁と、圧力調整弁の開度を制御することにより燃料電池の内部に設けた内部冷媒流路の圧力を上昇または低下させ、燃料電池の温度を上昇または低下させる圧力調整弁制御手段と、を備える構成によれば、燃料電池の温度変化要求に対する温度追従性を向上させることができる。また、燃料電池の１００℃以上の温度での温度制御と、燃料電池の気圧の低い高地での温度制御とをいずれも容易に行える。
【００１９】
また、燃料電池に供給される液状冷媒である冷却水の流量を制御することにより、燃料電池の温度を沸点以下の温度範囲で制御する第２の冷却水流量制御手段を備える構成によれば、燃料電池の温度を１００℃以下の温度範囲で制御することを容易に行える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
［第１の発明の実施の形態］
以下において、図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。図１から図２は、第１の発明の実施の形態を示している。図１は、本実施の形態の燃料電池用冷却システムを備える燃料電池システムの略構成図である。
【００２１】
燃料電池システムは、燃料電池車に搭載して使用するもので、燃料電池スタック１０を有する。この燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池セルを積層すると共に、燃料電池スタック１０の積層方向両端部に、集電板と、エンドプレートとを設けている。そして、複数の燃料電池セルと集電板とエンドプレートとをタイロッド、ナット等で締め付けている。なお、集電板とエンドプレートとの間に絶縁板を設けることもできる。
【００２２】
各燃料電池セルの詳細図は省略するが、例えば、電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とにより狭持して成る膜−アセンブリと、その両側のセパレータとを備えたものとする。また、アノード側電極には燃料ガスである水素ガスを供給可能とし、カソード側電極には酸化ガスである空気を供給可能としている。そして、アノード側電極で触媒反応により発生した水素イオンを、電解質膜を介してカソード側電極まで移動させ、カソード側電極で酸素と電気化学反応を起こさせることにより、水を生成する。アノード側電極からカソード側電極へ図示しない外部回路を通じて電子を移動させることにより起電力を発生する。すなわち、複数の燃料電池セルを積層した燃料電池スタック１０は、酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する。
【００２３】
また、図１に示すように、酸化ガスである空気を燃料電池スタック１０に供給するために、酸化ガス供給流路１２を設けている。また、燃料電池スタック１０から電気化学反応に供された後の空気であり、酸化ガス系排出ガスである空気オフガスを排出するために、酸化ガス系排出流路１４を設けて、酸化ガス系排出流路１４の上流端部を燃料電池スタック１０に接続している。酸化ガス供給流路１２の上流部に、酸化ガス供給装置であるエアコンプレッサ１６を設けている。そして、エアコンプレッサ１６により加圧された空気が図示しない加湿器で加湿された後、燃料電池スタック１０の酸化ガス流路に供給されるようにしている。また、酸化ガス系排出流路１４の途中に酸化ガス系圧力調整弁１８を設けている。酸化ガス系圧力調整弁１８は、燃料電池スタック１０に送られる空気の供給圧力が、燃料電池スタック１０の運転状態に応じた適切な圧力値になるように制御される。また、酸化ガス系排出流路１４において、酸化ガス系圧力調整弁１８よりもガスの流れ方向上流側に、圧力センサ２０を設けている。
【００２４】
また、燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック１０に、燃料ガスである水素ガスを供給するための燃料ガス供給流路と、燃料電池スタック１０から電気化学反応に供された後の水素ガスである水素オフガスを排出するための燃料ガス排出流路とを、それぞれ接続しているが、図１では図示を省略している。
【００２５】
本実施の形態の燃料電池用の冷却システム２２は、このような燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック１０を冷却するために使用する。冷却システム２２は、燃料電池スタック１０に接続され、燃料電池スタック１０から冷媒である冷却水または水蒸気を排出する上流側冷媒排出流路２４と、上流側冷媒排出流路２４に設けられた凝縮器２６と、上流側冷媒排出流路２４において、凝縮器２６よりも冷媒の流れ方向下流側に設けられた気液分離器２８と、気液分離器２８からガス状冷媒である水蒸気を含むガスを排出、すなわち排気する下流側冷媒排出流路３０とを備える。上流側冷媒排出流路２４において、凝縮器２６よりも冷媒の流れ方向上流側に、圧力センサ３２、温度センサ３４、冷媒圧力調整弁３６を、冷媒の流れ方向上流側から下流側に向け順に設けている。冷媒圧力調整弁３６は、燃料電池スタック１０から排出される冷媒の圧力を調整するために使用する。
【００２６】
また、冷却システム２２は、気液分離器２８から排出された液状冷媒である、冷却水すなわち液水を燃料電池スタック１０に還流させる冷媒循環流路３８と、冷媒循環流路３８に設けられた液状冷媒ポンプである、冷却水ポンプ４０とを備える。冷却水ポンプ４０は、冷媒循環流路３８と上流側冷媒排出流路２４とに冷媒を循環させる。冷却水ポンプ４０は、回転速度の調節可能な図示しないモータで駆動させることにより、吐出流量を変化させることができるようにしている。また、冷媒循環流路３８において、冷却水ポンプ４０と燃料電池スタック１０との間に温度センサ４２を設けている。
【００２７】
さらに、上流側冷媒排出流路２４において、冷媒圧力調整弁３６と凝縮器２６との間に酸化ガス系排出流路１４の下流端部を接続している。この構成により、燃料電池スタック１０から酸化ガス系排出流路１４内に排出された空気オフガスは、燃料電池スタック１０内で空気と水素との電気化学反応により生成される生成水と、上流側冷媒排出流路２４を流れる冷媒である冷却水または水蒸気または冷却水および水蒸気とともに、上流側冷媒排出流路２４の下流寄り部分を通じて凝縮器２６に供給可能となる。
【００２８】
また、燃料電池スタック１０の内部で、セパレータの一部またはセパレータの近くに、図示しない内部冷媒流路を設けている。図２は、セパレータ４４の一部により構成する内部冷媒流路４６の１例を示す図であり、片側面に凹凸形状を形成した２枚のセパレータ４４を、凸部同士を突き合わせるようにして組み合わせることにより、対向した凹部部分の組み合わせにより内部冷媒流路４６を構成している。
【００２９】
図２に示す例の場合には、セパレータ４４の片側面の中間部に複数の凹溝を水平方向に伸びるように形成し、複数の凹溝の重ね合わせた部分により内部冷媒流路４６の中間部が構成されるようにしている。そして、セパレータ４４の水平方向一端部（図２の左端部）の下端部に設けた入口側冷媒タンク部４８から、内部冷媒流路４６に分流された液状冷媒である冷却水が加熱され、蒸発しながら水平方向に流れた後、水平方向他端部（図２の右端部）の上端部に設けた出口側冷媒タンク部５０に向け流れるようにしている。すなわち、冷却水または水蒸気は内部冷媒流路４６を全体として、セパレータ４４の面方向に対して、図２に矢印で示す斜め上下方向の下から上に流れるようにしている。入口側冷媒タンク部４８は、図１に示す冷媒循環流路３８の下流端部に通じさせており、図２に示す出口側冷媒タンク部５０は、図１に示す上流側冷媒排出流路２４の上流端部に通じさせている。
【００３０】
また、図２では、酸化ガス供給流路１２（図１）から供給された空気を流し、酸化ガス系排出流路１４に排出する空気オフガスを流す一対の酸化ガス用タンク部５２（図２）と、燃料ガス供給流路から供給された水素ガスを流し、燃料ガス系排出流路に排出する水素オフガスを流す一対の燃料ガス用タンク部５４（図１）とを示しているが、いずれのタンク部５２，５４も燃料電池スタック１０の内部において内部冷媒流路４６とは通じさせていない。
【００３１】
なお、図１では、燃料電池スタック１０へ冷却水が上から供給され、下から排出されるような図示をしているが、これは燃料電池システムの基本構成の理解を容易にするための図であり、実際の使用時には、燃料電池スタック１０へ冷却水は下部から供給され、上部から排出される（後述する他の実施の形態を表す図４から図６も同様）。このような冷却システム２２は、気液分離器２８から下流側冷媒排出流路３０を通じてガス状冷媒が排出される開放系となっている。
【００３２】
なお、図示は省略するが、内部冷媒流路４６の中間部は、例えば、セパレータ４４の中間部で上下方向に配置した複数の凹溝により構成することも、サーペンタイン状の溝部により構成することもできる。いずれにしても、内部冷媒流路４６は、冷却水または水蒸気が全体として斜め上下方向または上下方向に関して下から上に流れるように構成する。この理由は、燃料電池スタック１０内で冷却水が沸騰することに対応して、沸騰蒸発する冷却水により燃料電池セルを面方向に関してほぼ均一に冷却することを効率よく行えるようにするためである。このように内部冷媒流路４６に冷却水または水蒸気を流すことにより、燃料電池スタック１０（図１）の発電に伴う発熱により燃料電池スタック１０の温度が上昇しても、その温度が過度に上昇しないようにしている。
【００３３】
一方、本実施の形態の冷却システム２２は、制御部（ＥＣＵ）５６を備える。制御部５６は、燃料電池スタック１０の発電を制御する機能も有する。すなわち、制御部５６には、温度センサ４２，３４および圧力センサ３２，２０等の各種のセンサ、および、燃料電池スタック１０の電圧を検出する電圧センサ（図示せず）、燃料電池スタック１０から取り出す電流を検出する電流センサ（図示せず）、それぞれからの検出信号を入力している。また、制御部５６は、エアコンプレッサ１６、冷却水ポンプ４０、酸化ガス系圧力調整弁１８、冷媒圧力調整弁３６等の各種のアクチュエータ等を制御する制御信号を出力できるようにしている。
【００３４】
また、制御部５６は、燃料電池スタック１０の負荷にかかわらず、燃料電池スタック１０の温度を一定値に制御するための冷却水流量制御手段を有する。冷却水流量制御手段は、燃料電池スタック１０の発熱量および冷媒の温度から、目標冷却水流量を算出し、冷却水ポンプ４０の冷却水吐出流量が目標冷却水流量になるように、冷却水ポンプ４０、すなわち冷却水ポンプ４０のモータを制御する機能を有する。
【００３５】
ここで目標冷却水流量を求める方法を説明する。目標冷却水流量を求めるための前提として、まず、燃料電池関連熱量比αを定義する。「燃料電池関連熱量比α」は、燃料電池スタック１０に供給される冷却水を昇温させるのに必要な熱量である昇温熱と、この冷却水の蒸発潜熱と、燃料電池スタック１０の発熱量とに関して、次の式（１）で定義する。
α＝（冷却水の昇温熱＋冷却水の蒸発潜熱）／（燃料電池スタック１０の発熱量）  ・・・  （１）
【００３６】
すなわち、α＝１であると仮定すると、（冷却水の昇温熱＋冷却水の蒸発潜熱）＝（燃料電池スタック１０の発熱量）となる。この場合には、燃料電池スタック１０に送られた冷却水の全量が燃料電池スタック１０の発電により加熱されるとともに、沸騰状態となり蒸発する。本実施の形態の場合、原則として、α≧１、すなわち、（冷却水の昇温熱と冷却水の蒸発潜熱との和）が（燃料電池スタック１０の発熱量）以上となるように、冷却水ポンプ４０の目標冷却水流量を決定する。すなわち、冷却水の全量が沸騰し、蒸発することがないか、または、冷却水の全量が蒸発しても温度が一定値に推移するように制御する。
【００３７】
これに対して、α＜１とする場合には、α≧１の場合に比べて、燃料電池スタック１０の発熱量に対して、冷却水ポンプ４０により吐出する冷却水の流量を十分に小さくできるため、補気損失を低くできる面から有利にはなる。すなわち、αは補機損失を低くする面からは小さくする方がよい。ただし、α＜１とαを小さくすると、燃料電池スタック１０内で冷却水が徐々に少なくなり、最終的には全量が蒸発してガス状冷媒である水蒸気の温度が沸点を超える温度となる。このため、α≧１とすることが好ましい。ただし、α＜１となる場合でも、短時間であれば上記のように燃料電池スタック１０内で冷却水の全量が蒸発して水蒸気が沸点を超える温度となることがないため、状況に応じてα＜１とすることもできる。
【００３８】
このような理由から、本実施の形態では、原則として、冷却水ポンプ４０の冷却水の吐出流量は、目標冷却水流量がα｛＝（冷却水の昇温熱＋冷却水の蒸発潜熱）／（燃料電池スタック１０の発熱量）｝≧１を満たすように制御する。具体的には、（冷却水の昇温熱＋冷却水の蒸発潜熱）は、冷媒循環流路３８内の冷却水温度を検出する温度センサ４２と、上流側冷媒排出流路２４内の冷媒温度を検出する温度センサ３４とからの検出値と、燃料電池スタック１０に供給される冷却水の流量、すなわち、冷却水ポンプ４０の冷却水吐出流量とから求められる。
【００３９】
また、燃料電池スタック１０の発熱量は、電圧センサによる燃料電池スタック１０の電圧値と、電流センサによる燃料電池スタック１０の電流値とから求められる。このため、上記の式（１）を用いてα（燃料電池関連熱量比）≧１を満たす目標冷却水流量を求めることができる。冷却水流量制御手段は、この目標冷却水流量を得られるように冷却水ポンプ４０の冷却水吐出流量を制御する。
【００４０】
このような本実施の形態の冷却システム２２によれば、冷却水が冷却水ポンプ４０により冷媒循環流路３８の下流側に吐出され、燃料電池スタック１０の内部冷媒流路４６（図２）で加熱され沸騰することで、燃料電池スタック１０（図１）の温度を制御できる。また、冷媒圧力調整弁３６を制御して燃料電池スタック１０に供給される冷媒の圧力を制御することで、燃料電池スタック１０の温度を所望の一定の温度に制御することが可能となる。例えば、内部冷媒流路４６（図２）の圧力を１気圧に維持すると、冷却水は１００℃で沸騰するため、燃料電池スタック１０の温度を１００℃に制御することができる。また、内部冷媒流路４６の圧力を１気圧よりも低く維持することができる減圧ポンプ等、適宜の手段を採用すると、冷却水は１００℃未満で沸騰するため、燃料電池スタック１０の温度を１００℃未満、例えば、６０℃から７０℃の範囲に制御することができる。
【００４１】
また、冷却水が燃料電池スタック１０内で沸騰することで燃料電池スタック１０の温度を低下させる沸騰冷却を行うようにすることにより、燃料電池スタック１０内に冷却水の全量を液水のまま通過させて冷却する場合と異なり、燃料電池セルを面方向に関してほぼ均一に冷却することができる。このようにして、燃料電池スタック１０を冷却した冷媒は、水蒸気または水蒸気と冷却水との気液混合状態となって、上流側冷媒排出流路２４を通じて凝縮器２６に供給され、外部の空気と熱交換することで凝縮され、冷却水のみまたは冷却水と水蒸気との気液混合状態となって温度低下する。そして、凝縮器２６から排出された冷媒は、気液分離器２８を通過することで、水蒸気と冷却水とが分離され、水蒸気は下流側冷媒排出流路３０を通じて外部、すなわち大気に排出され、気液分離器２８で回収された冷却水は、冷媒循環流路３８を通じて再び冷却水ポンプ４０に戻され、再び燃料電池スタック１０に供給される。
【００４２】
このような本実施の形態の燃料電池用の冷却システム２２によれば、燃料電池スタック１０に接続される上流側冷媒排出流路２４と、上流側冷媒排出流路２４に設けられた凝縮器２６と、上流側冷媒排出流路２４において、凝縮器２６よりも冷媒の流れ方向下流側に設けられた気液分離器２８と、気液分離器２８からガス状冷媒を排出する下流側冷媒排出流路３０とを備えるので、本実施の形態のように、気液分離器２８から排出された冷却水を燃料電池スタック１０に還流させる冷媒循環流路３８と、冷媒循環流路３８に設けられた冷却水ポンプ４０とを備える構成とすることにより、燃料電池スタック１０を沸騰冷却により適度でかつ燃料電池セルの面方向にほぼ均一な温度に冷却できる。
【００４３】
しかも、気液分離器２８から下流側冷媒排出流路３０を通じて水蒸気が排出され、冷却システム２２が開放系となっているため、燃料電池スタック１０の内部冷媒流路４６（図２）の圧力が過度に上昇することがない。このため、上記の特許文献１に記載された構成の場合と異なり、コンプレッサと減圧手段とを使用せずに済み、燃料電池スタック１０の冷却のために必要なエネルギを小さく抑えることができる。すなわち、本実施の形態のように、冷却水ポンプ４０を使用する場合でも、コンプレッサを使用する場合に比べて、消費される電力等のエネルギを小さく抑えることができる。
【００４４】
また、燃料電池スタック１０に接続され、燃料電池スタック１０から空気オフガスを排出する酸化ガス系排出流路１４と、気液分離器２８から排出された冷却水を燃料電池スタック１０に還流させる冷媒循環流路３８とを備え、酸化ガス系排出流路１４の下流端部を上流側冷媒排出流路２４に接続することにより、燃料電池スタック１０から排出された空気オフガスを上流側冷媒排出流路２４を通じて凝縮器２６に供給可能としている。このため、空気オフガスに含まれる燃料電池スタック１０の発電に伴う生成水を冷媒として使用できるため、冷媒の絶縁性を高く維持できる。しかも、本実施の形態の場合、冷媒が流れる流路の一部が気液分離器２８で開放される開放系となるため、冷却システム２２の冷媒流路に外部に通じる排出流路が設けられない、閉鎖系となる場合と異なり、金属イオンが蓄積され続けることがない。この点からも、冷媒の絶縁性を高く維持できる。また、冷媒として燃料電池スタック１０の発電に伴う生成水を使用できるため、冷媒が流れる流路が開放系となるのにもかかわらず、冷媒供給用のタンクを別に設ける必要がなく、冷却システム２２の小型化かつ低コスト化を図れる。
【００４５】
また、冷却水ポンプ４０により、燃料電池スタック１０に供給される液状冷媒である冷却水の流量を制御することにより、燃料電池スタック１０の温度を一定値に制御する冷却水流量制御手段を備えるので、燃料電池スタック１０の負荷にかかわらず、燃料電池スタック１０の温度を一定値に制御することを容易に行える。なお、本実施の形態では、冷媒圧力調整弁３６を省略することもできる。この場合でも冷却水流量制御手段により、燃料電池スタック１０の温度を一定値に維持できる。
【００４６】
［第２の発明の実施の形態］
次に、第２の発明の実施の形態を説明する。なお、本実施の形態の燃料電池用冷却システムの基本構成は、上記の図１から図２に示した第１の実施の形態と同様であるため、以下の説明においては、図１、図２と同等部分の構成には同一符号を付して説明する。本実施の形態においては、上記の第１の実施の形態において、上流側冷媒排出流路２４に、燃料電池スタック１０から排出される冷媒の圧力を調整するための冷媒圧力調整弁３６を設けている。
【００４７】
また、制御部５６は、圧力調整弁制御手段を有する。圧力調整弁制御手段は、冷媒圧力調整弁３６の開度を制御することにより燃料電池スタック１０の内部に設けた内部冷媒流路４６（図２参照）の圧力を上昇または低下させ、これにより、燃料電池スタック１０の温度を上昇または低下させる機能を有する。すなわち、燃料電池スタック１０の温度を上昇させたい場合には、圧力調整弁制御手段により、冷媒圧力調整弁３６の開度を小さくすることで、内部冷媒流路４６の圧力を上昇させ、冷媒である冷却水の沸点を上昇させる。これにより、燃料電池スタック１０の温度を上昇させることができる。逆に、燃料電池スタック１０の温度を低下させたい場合には、圧力調整弁制御手段により、冷媒圧力調整弁３６の開度を大きくすることで、内部冷媒流路４６の圧力を低下させ、冷媒である冷却水の沸点を低下させる。これにより、燃料電池スタック１０の温度を低下させることができる。すなわち、圧力調整弁制御手段により、燃料電池スタック１０の温度を目標とする温度に制御することができる。この際、圧力調整弁制御手段は、上流側冷媒排出流路２４の冷媒の圧力を検出する圧力センサ３２による検出圧力を監視しながら冷媒圧力調整弁３６を制御する。圧力センサ３２の検出値と内部冷媒流路４６の圧力との間には相関関係があるため、圧力センサ３２の検出部分の圧力を制御することで、内部冷媒流路４６の圧力を制御することができる。
【００４８】
例えば、燃料電池スタック１０の負荷が大きくなる場合の効率向上等を目的として、燃料電池スタック１０の温度を例えば１２０℃、１５０℃等、１００℃以上の温度に上昇させる場合には、圧力調整弁制御手段により冷媒圧力調整弁３６を制御して、内部冷媒流路４６の圧力を上昇させる。これにより、冷媒である冷却水の沸点が上昇して燃料電池スタック１０の温度を上昇できる。
【００４９】
逆に、例えば、燃料電池セルの電解質膜中の水分量が不足して水素イオンの移動が阻害されるドライアップと呼ばれる現象を防止する等のために、燃料電池スタック１０の温度を低下させる場合には、圧力調整弁制御手段により冷媒圧力調整弁３６を制御して、燃料電池スタック１０に供給される冷媒の圧力を低下させる。これにより、冷媒である冷却水の沸点が低下して燃料電池スタック１０の温度を低下できる。
【００５０】
また、本実施の形態の場合には、燃料電池スタック１０の温度を非常に応答よく制御できる。これに対して、燃料電池スタック１０に冷却水の全量を液水のまま通過させる場合で、燃料電池スタック１０の温度を低下させるために、燃料電池スタック１０に供給する冷却水の流量を多くするとともに、ラジエータの冷却量を多くすることも考えられるが、この場合には、温度制御の応答にかかる時間が本実施の形態の場合に比べてかかってしまう。沸騰冷却により、燃料電池スタック１０の温度を制御する本実施の形態は、燃料電池スタック１０に供給する冷却水を少なくできるため、温度制御の応答性を高くでき、この点で大きな効果を得られる。
【００５１】
このように本実施の形態によれば、燃料電池スタック１０から排出される冷媒の圧力を調整する冷媒圧力調整弁３６と、冷媒圧力調整弁３６の開度を制御することにより内部冷媒流路４６の圧力を上昇または低下させ、燃料電池スタック１０の温度を上昇または低下させる圧力調整弁制御手段とを備えるので、燃料電池スタック１０の温度変化要求に対する温度追従性を向上させることができる。また、燃料電池スタック１０の温度を１００℃以上の温度に温度制御することを容易に行える。
【００５２】
さらに、燃料電池スタック１０を気圧の低い高地で使用する場合には、水の沸点が低くなるが、このような場合でも、圧力調整弁制御手段により冷媒圧力調整弁３６を制御することにより、例えば１００℃等、所定の目標温度に制御することを容易に行える。
その他の構成および作用は、上記の第１の実施の形態の場合と同様であるため、重複する説明は省略する。
【００５３】
［第３の発明の実施の形態］
次に、第３の発明の実施の形態を説明する。なお、本実施の形態の燃料電池用冷却システムの基本構成も、上記の図１から図２に示した第１の実施の形態と同様であるため、以下の説明においては、図１、図２と同等部分の構成には同一符号を付して説明する。本実施の形態においても、上記の第２の実施の形態の場合と同様に、上流側冷媒排出流路２４に、燃料電池スタック１０から排出される冷媒の圧力を調整するための冷媒圧力調整弁３６を設けている。
【００５４】
上記の各実施の形態の場合には、液状冷媒である冷却水を燃料電池スタック１０内で常に沸騰させ、燃料電池スタック１０を温度低下させ、すなわち、沸騰冷却させることにより、燃料電池スタック１０の温度を制御し、その温度が基本的に冷却水の沸点と同じとなる。例えば、上記の第１の実施の形態の場合には、冷却水流量制御手段により、燃料電池スタック１０に供給される液状冷媒である冷却水の流量を制御することにより、燃料電池スタック１０の温度を一定値に制御している。また、上記の第２の実施の形態の場合には、冷媒圧力調整弁３６の開度を小さくまたは大きくすることにより、第１の実施の形態の場合よりも冷却水の沸点を上昇または低下させ、これにより燃料電池スタック１０の温度を上昇または低下させる等の効果を得られるようにしている。
【００５５】
これに対して、本実施の形態では、上記の第２の実施の形態において、制御部５６は、燃料電池スタック１０に供給される液状冷媒である冷却水の流量を制御することにより、燃料電池スタック１０の温度を沸点以下の温度範囲で制御する第２の冷却水流量制御手段を有する。また、燃料電池スタック１０に供給される冷却水を昇温させるのに必要な熱量である昇温熱と、この冷却水の蒸発潜熱と、燃料電池スタック１０の発熱量とに関して、上記の式（１）から得られる燃料電池関連熱量比α｛＝（冷却水の昇温熱＋冷却水の蒸発潜熱）／（燃料電池スタック１０の発熱量）｝に関して、原則として冷却水ポンプ４０の目標冷却水流量がα≧１となるようにする。例えば、α＝１では、（冷却水の昇温熱＋冷却水の蒸発潜熱）と（燃料電池スタック１０の発熱量）とが等しくなり、燃料電池スタック１０に供給される冷却水の全量が燃料電池スタック１０内で加熱され、蒸発して、燃料電池スタック１０を温度低下させる。
【００５６】
また、燃料電池スタック１０の温度を冷却水の沸点以下の温度範囲に制御する場合には、冷媒圧力調整弁３６の開度を変更するとともに、または冷媒圧力調整弁３６の開度を変更することなく、燃料電池スタック１０に供給される冷却水の全量の昇温熱と燃料電池スタック１０の発熱量とが等しくなる、すなわち、（冷却水の昇温熱）＝（燃料電池スタック１０の発熱量）となるように、冷却水流量を制御する。
【００５７】
このような本実施の形態によれば、燃料電池スタック１０に供給される冷却水の流量を制御することにより、燃料電池スタック１０の温度を沸点以下の温度範囲で制御する第２の冷却水流量制御手段を備えるので、燃料電池スタック１０の温度を１００℃以下の温度範囲で制御することを容易に行える。これに対して、燃料電池スタック１０の温度を１００℃以下の温度範囲に制御する別の方法として、減圧ポンプ等を用いて減圧したり、沸点の低いフッ素系の冷媒を使用することも考えられるが、実用性の面から有効ではない。例えば減圧ポンプ等を用いて減圧する場合には、その分の必要とするエネルギが増大する。また、沸点の低い冷媒は種類が少なく、しかも、冷媒として使用する場合に熱容量が小さいため、不利である。本実施の形態によれば、このような不都合を生じず、実用性の面から有効である。
【００５８】
また、本実施の形態の場合には、燃料電池スタック１０内で冷媒を沸騰させ燃料電池スタック１０を温度低下させる沸騰冷却と、冷却水を沸騰させないままで燃料電池スタック１０内に通過させて、燃料電池スタック１０を温度低下させる非沸騰冷却との両方を使い分けることにより、燃料電池スタック１０を広範囲の温度で温度制御を行うことが可能となる。例えば、燃料電池システムの起動直後の状態では、冷却水を液水のまま燃料電池スタック１０に通過させることにより燃料電池スタック１０を温度低下させることにより、１００℃未満の温度範囲で制御することができる。これに対して、燃料電池システムの通常運転状態では、冷却水を燃料電池スタック１０内で沸騰させることにより、燃料電池スタック１０を沸騰冷却することにより、１００℃以上の温度範囲で制御することができる。
その他の構成および作用は、上記の第１の実施の形態または第２の実施の形態の場合と同様であるため、重複する説明は省略する。なお、本実施の形態において、冷媒圧力調整弁３６の開度を制御する圧力調整弁制御手段を省略することもできる。
【００５９】
ここで、図３は、上記の各実施の形態により得られる効果を示すためのタイムチャートであり、燃料電池スタック１０に加わる負荷と、燃料電池スタック１０に供給される冷却水の流量、すなわち、冷却水ポンプ４０の吐出流量と、燃料電池スタック１０の温度と、圧力センサ３２による上流側冷媒排出流路２４の冷媒圧力との時間経過を示している。また、図３の矢印イで示す範囲で、上記の第１の実施の形態により得られる効果を、同図の矢印ロで示す範囲で、上記の第２の実施の形態により得られる効果を、同図の矢印ハで示す範囲で、上記の第３の実施の形態により得られる効果を、それぞれ示している。
【００６０】
すなわち、上記の第１の実施の形態の場合には、燃料電池スタック１０の負荷にかかわらず、燃料電池スタック１０の温度を一定値に制御するための冷却水流量制御手段を有し、冷却水流量制御手段は、燃料電池スタック１０に供給される冷却水の流量を制御することにより、燃料電池スタック１０の温度を一定値に制御する機能を有する。このため、例えば、図３の矢印イで示す範囲部分のように、燃料電池スタック１０の負荷が上昇した場合には、冷却水の流量を上昇させることにより、燃料電池スタック１０の温度を一定値に維持できる。なお、図示は省略するが、燃料電池スタック１０の負荷が低下した場合に、冷却水の流量を低下させることにより、燃料電池スタック１０の温度を一定値に維持することもできる。
【００６１】
また、上記の第２の実施の形態の場合には、冷媒圧力調整弁３６の開度を制御することにより内部冷媒流路４６の圧力を上昇または低下させ、これにより、燃料電池スタック１０の温度を上昇または低下させる機能を有する圧力調整弁制御手段を有する。このため、例えば、図３の矢印ロで示す範囲部分のように、燃料電池スタック１０の温度を矢印イで示す範囲部分よりも上昇させたい場合には、冷媒圧力調整弁３６により、内部冷媒流路４６の圧力を上昇させることにより、冷媒である冷却水の沸点を上昇させ、これにより燃料電池スタック１０の温度を沸点と同じになるように上昇させることができる。
【００６２】
また、上記の第３の実施の形態の場合には、燃料電池スタック１０に供給される液状冷媒である冷却水の流量を制御することにより、燃料電池スタック１０の温度を沸点以下の温度範囲で制御する第２の冷却水流量制御手段を有する。このため、例えば、図３の矢印ハで示す範囲部分のように、燃料電池スタック１０の温度を同図の矢印イで示す範囲部分の沸点よりも低くなるように制御する場合には、圧力調整弁制御手段により、燃料電池スタック１０に供給される冷媒の圧力を、同図の矢印ロで示す範囲部分よりも低下させるとともに、第２の冷却水流量制御手段により、燃料電池スタック１０に供給される冷却水の流量を上昇させる。これにより、燃料電池スタック１０の温度を同図の矢印イで示す範囲部分の沸点よりも低くし、その温度で推移させることができる。
【００６３】
［第４の発明の実施の形態］
次に、図４は、第４の発明の実施の形態を示している。本実施の形態の場合には、上記の図１から図２に示した第１の実施の形態と同様の構成において、上流側冷媒排出流路２４において冷媒の圧力を調整する冷媒圧力調整弁と、酸化ガス系排出流路１４において空気オフガスの圧力を調整する酸化ガス系圧力調整弁とを、いずれも省略し、その代わりに、下流側冷媒排出流路３０にガス圧力を調整するガス圧力調整弁５８を設けている。ガス圧力調整弁５８は、上流側冷媒排出流路２４の圧力を検出する圧力センサ３２と、酸化ガス系排出流路１４の圧力を検出する圧力センサ２０との検出値が入力される制御部５６により制御されて、上流側冷媒排出流路２４と酸化ガス系排出流路１４との一方または両方の圧力を調整する。
その他の構成および作用については、上記の図１から図２に示した第１の実施の形態と同様であるため、同等部分には同一符号を付して重複する図示および説明を省略する。
【００６４】
［第５の発明の実施の形態］
次に、図５は、第５の発明の実施の形態を示している。本実施の形態の場合には、上記の各実施の形態の場合と異なり、上流側冷媒排出流路２４に酸化ガス系排出流路１４の下流端を接続していない。すなわち、冷媒を流す上流側冷媒排出流路２４および下流側冷媒排出流路３０および冷媒循環流路３８により構成する冷却回路６０と、空気オフガスを流す酸化ガス系排出流路１４とは互いに独立させている。また、酸化ガス系排出流路１４の途中に、ガス圧力を調整するための酸化ガス系圧力調整弁１８を設けている。また、下流側冷媒排出流路３０に、ガス圧力を調整するためのガス圧力調整弁５８ａを設けている。また、本実施の形態の場合には、ガス状冷媒である水蒸気が下流側冷媒排出流路３０を通じて排気されることによる冷却回路６０からの冷媒の減少を補うための、図示しない冷却水タンクを設けている。そして冷却水タンクから冷却回路６０に減少した分の冷却水を補充できるようにしている。
その他の構成および作用については、上記の図１から図２に示した第１の実施の形態と同様であるため、同等部分には同一符号を付して重複する図示および説明を省略する。
【００６５】
なお、図示は省略するが、別の実施の形態として、上記の図５に示した第５の実施の形態において、下流側冷媒排出流路３０から、ガス圧力を調整するためのガス圧力調整弁５８ａを省略することもできる。
【００６６】
［第６の発明の実施の形態］
次に、図６は、第６の発明の実施の形態を示している。本実施の形態の場合には、上記の図４に示した第４の実施の形態において、エアコンプレッサ１６を上流側に設けた酸化ガス供給流路１２の下流端寄り部分に、冷媒循環流路３８の下流端を接続している。すなわち、エアコンプレッサ１６により加圧され、酸化ガス供給流路１２の下流端寄り部分に送られる空気と、気液分離器２８から排出され、冷却水ポンプ４０により吐出される冷却水とを合流させてから、燃料電池スタック１０に供給するようにしている。また、上流側冷媒排出流路２４を酸化ガス系排出流路と共通化させている。すなわち、上流側冷媒排出流路２４には、燃料電池スタック１０から排出される空気オフガスと、水蒸気または水蒸気と冷却水との気液混合流とが上流側冷媒排出流路２４内を流れるようにしている。また、上流側冷媒排出流路２４に圧力センサ３２と温度センサ３４とを設けている。
その他の構成および作用については、上記の図４に示した第４の実施の形態と同様であるため、同等部分には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】第１の発明の実施の形態の冷却システムを備える燃料電池システムの略構成図である。
【図２】第１の発明の実施の形態において、燃料電池スタック内での冷却水の流れ方向を説明するためのセパレータ部分を取り出して示す略図である。
【図３】第１の発明の実施の形態から第３の発明の実施の形態までの、燃料電池スタックに加わる負荷と、燃料電池スタックに供給される冷却水の流量と、燃料電池スタックの温度と、上流側冷媒排出流路の圧力値との時間経過を示すタイムチャートである。
【図４】第４の発明の実施の形態の冷却システムを備える燃料電池システムの略構成図である。
【図５】第５の発明の実施の形態の冷却システムを備える燃料電池システムの略構成図である。
【図６】第６の発明の実施の形態の冷却システムを備える燃料電池システムの略構成図である。
【符号の説明】
【００６８】
１０  燃料電池スタック、１２  酸化ガス供給流路、１４  酸化ガス系排出流路、１６  エアコンプレッサ、１８  酸化ガス系圧力調整弁、２０  圧力センサ、２２  冷却システム、２４  上流側冷媒排出流路、２６  凝縮器、２８  気液分離器、３０  下流側冷媒排出流路、３２  圧力センサ、３４  温度センサ、３６  冷媒圧力調整弁、３８  冷媒循環流路、４０  冷却水ポンプ、４２  温度センサ、４４  セパレータ、４６  内部冷媒流路、４８  入口側冷媒タンク部、５０  出口側冷媒タンク部、５２  酸化ガス用タンク部、５４  燃料ガス用タンク部、５６  制御部（ＥＣＵ）、５８，５８ａ  ガス圧力調整弁、６０  冷却回路。
【図１】
2008226523.tif 000003
【図２】
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【図３】
2008226523.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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