(57)【要約】【課題】冷却液の循環流路に混入した燃料ガスを希釈して低濃度で排出すること、また、従来、熱交換器や冷却液の循環流路内に溜まるにまかせていた気体を、人的整備を必要とせずに随時排気して冷却液中の当該気体の濃度を低いレベルに維持させることが可能となる燃料電池の冷却装置を提供する。【解決手段】燃料電池１内と熱交換器２との間に冷却液を循環させる燃料電池１の冷却システムであって、前記冷却液中に混入した気体を分離して、前記燃料電池１に供給される空気または前記燃料電池１からの排気と混合して排出するようにしたことを特徴とする燃料電池の冷却システム。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気と燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池と熱交換器との間に冷却液を循環させる燃料電池の冷却装置であって、
前記冷却液中に混入した気体を分離して、前記燃料電池に供給される空気または前記燃料電池から排出される空気と混合して排出するようにしたことを特徴とする燃料電池の冷却装置。
【請求項２】
前記燃料電池に供給される空気と混合した気体を、前記燃料電池のカソード電極へ導入させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の冷却装置。
【請求項３】
空気と燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池と熱交換器との間に冷却液を循環させる循環流路を備える燃料電池の冷却装置であって、
前記循環流路とガス抜き流路を介して連絡され、かつ前記循環流路と冷却液戻し流路を介して連絡された、前記循環流路の冷却液の一部を貯蔵する冷却液貯蔵容器を備え、
前記冷却液貯蔵容器は、前記燃料電池に空気を供給する供給空気配管または前記燃料電池から排気を排出する排気用配管に信号圧配管を介して連絡され、
前記冷却液ガス抜き流路を通じて前記循環流路から流入する冷却液より分離され冷却液貯蔵容器内に蓄積される気体の圧力が前記供給空気配管内の供給空気圧または前記排気用配管内の排気圧よりも高いときに、前記信号圧配管を通じて、前記供給空気配管側または排気用配管側から前記信号圧配管中に入り込む空気を前記供給空気配管または排気用配管に押戻して前記気体が前記供給空気配管内または排気用配管内に排気されるようにしたことを特徴とする燃料電池の冷却装置。
【請求項４】
前記供給空気配管を通じて前記燃料電池内に供給する空気の圧力または前記排気用配管を通じて排出される排気の圧力を変動させることによって前記気体を前記供給空気配管または前記排気用配管に排気することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池の冷却装置。
【請求項５】
前記信号圧配管内の圧力を所定圧力以上高めた後に定常圧力まで戻すようにしたことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池の冷却装置。
【請求項６】
前記冷却液貯蔵容器内の気体の圧力と供給空気配管内の空気の圧力または排気用配管内の排気の圧力との圧力差が所定時間以上変動しないときに、前記供給空気配管から燃料電池内に供給する空気の圧力または前記排気用配管を通って排気される排気の圧力を変動させるようにしたことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池の冷却装置。
【請求項７】
前記冷却液貯蔵容器内の燃料ガス濃度が所定濃度以上になったときに、前記供給空気配管から燃料電池内に供給する空気の圧力を変動させるようにしたことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池の冷却装置。
【請求項８】
前記冷却液貯蔵容器内の燃料ガス濃度が高まると想定されるときに前記燃料電池内に供給する空気の圧力を変動させるようにしたことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池の冷却装置。
【請求項９】
空気と燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池を冷却する冷却液を前記燃料電池内と熱交換器との間に循環させる循環流路を備える燃料電池の冷却装置であって、
前記循環流路の冷却液の一部を貯蔵する冷却液貯蔵容器を備え、
前記冷却液貯蔵容器は、前記循環流路と冷却液ガス抜き流路を介して連絡され、かつ前記循環流路と冷却液戻し流路を介して連絡された液相部と、
燃料電池に空気を供給する供給空気配管に流入配管を介して連絡され、前記液相部で冷却液から分離される気体と、前記流入配管を通じて前記供給空気配管から流入する供給空気とを混合させる気相部と
を備えることを特徴とする燃料電池の冷却装置。
【請求項１０】
前記気相部が、内部の燃料ガス濃度を検出する燃料ガス検出手段を備えることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池の冷却装置。
【請求項１１】
前記気相部内の燃料ガス濃度が所定値以上のときに、前記信号圧配管内の圧力を制御することによって前記気相部内の気体を前記供給空気配管または燃料電池からの排気用配管内に押戻す圧力制御手段を備えることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池の冷却装置。
【請求項１２】
前記圧力制御手段は、前記信号圧配管内の圧力を所定圧力以上に高めたのちに定常圧力に戻す手段であることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池の冷却装置。
【請求項１３】
空気と燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池を冷却する冷却液を前記燃料電池内と熱交換器との間に循環させる循環流路を備える燃料電池の冷却装置であって、
前記循環流路の冷却液の一部を貯蔵する冷却液貯蔵容器を備え、
前記冷却液貯蔵容器は、前記循環流路と冷却液ガス抜き流路を介して連絡され、かつ前記循環流路と冷却液戻し流路を介して連絡された液相部と、
燃料電池に空気を供給する供給空気配管に流入配管および流出配管を介して連絡され、前記液相部で冷却液から分離される気体を、前記流入配管を通じて前記供給空気配管から流入する供給空気によって混合し、混合された気体を前記流出配管を通じて前記供給空気配管に戻す気相部とを備え、
前記供給空気配管の途中に配設され、前記燃料電池に供給される空気を加湿する加湿器を挟んで前記供給空気配管の上流側に前記流入配管を、下流側に前記流出配管を連絡したことを特徴とする燃料電池の冷却装置。
【請求項１４】
前記冷却液貯蔵容器が、内部の燃料ガス濃度を検出する燃料ガス検出手段を備えることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の冷却装置、さらに詳しくは燃料電池の冷却液中に混入する気体を分離して排気するようにした燃料電池の冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電気自動車の動力源などとして注目されている固体高分子型の燃料電池は、常温でも発電することが可能であり、様々な用途に実用化されつつある。
【０００３】
この固体高分子型の燃料電池は、一般に、固体高分子電解質を挟んで一方側にカソード電極を区画し、他方側にアノード電極を区画して形成される燃料電池を多数配列して構成され、カソード電極に供給される空気中の酸素と、アノード電極に供給される燃料ガスとの化学反応（以下、「発電反応」という）によって発電するシステムである。
しかし、このような発電反応は発熱反応であるため、燃料電池内を一定の温度に保って安定した運転を維持するために、発生した熱を除去する冷却装置が必要となる。
【０００４】
通常、燃料電池内においては、各燃料電池セル毎に、セパレータによって燃料ガスや酸化ガス（空気）と完全に分離された流路を設け、この流路と熱交換器の間に冷却液を循環流通させて燃料電池の冷却を行うシステムが採用されている。
【０００５】
しかし、燃料電池を長期に亘って使用していると、前記のセパレータの周辺部をシールしているシール部材が劣化して、燃料ガスや酸化ガスが冷却液中に漏出する場合がある。冷却液中に漏出した燃料ガス等は、冷却性能の低下等の原因となるおそれがある。
【０００６】
そこで、燃料電池に熱交換媒体を供給して熱交換を行わせる熱交換システムにおいて、熱交換手段および熱交換媒体流路の内の少なくとも１つ、例えば、ラジエタ（熱交換器）の最上部にあるラジエタキャップまたはリザーブタンクの上部等の冷却液から分離した気体が集まる個所に燃料ガス検出手段を設け、この燃料ガス検出手段によって冷却液から分離した気体を検出することにより、冷却液中への燃料ガス等の気体の漏洩を検知した場合、警告を発するようにした技術が提案されている（特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−２５０５７０号公報（請求項１、請求項５、請求項７および請求項８）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の技術においては、冷却液中に燃料ガス等が漏洩した場合、所定の濃度に達する前にそれを検知して警告を発し、その後更に濃度上昇があった場合、燃料電池の運転を停止する等の措置をとれるものの、その後、人間が熱交換器や冷却液の循環流路等から溜まった気体を除去する等の人的整備に頼らざるを得ず、使い勝手の良いものではなかった。また、一旦、冷却液中の燃料ガス濃度が高まってしまったときは、その燃料ガス濃度が高いまま排出しなくてはならなかった。
【０００９】
そこで本発明は、前記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、冷却液の循環流路に混入した燃料ガスを希釈して低濃度で排出すること、また、従来、熱交換器や冷却液の循環流路内に溜まるにまかせていた気体を、人的整備を必要とせずに随時排気して冷却液中の当該気体の濃度を低いレベルに維持させることが可能となり、燃料電池の冷却装置の冷却性能の低下を防止して、燃料電池による発電システムの使い勝手をより向上させることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、空気と燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池と熱交換器との間に冷却液を循環させる燃料電池の冷却装置であって、前記冷却液中に混入した気体を分離して、前記燃料電池に供給される空気または前記燃料電池から排出される空気と混合して排出するようにしたことを特徴とする燃料電池の冷却装置を発明の構成とする。
【００１１】
この燃料電池の冷却装置では、冷却液中に混入した気体を分離して、燃料電池に供給される空気または前記燃料電池からの排気と混合して排出することにより、燃料電池の各所から冷却液中に漏出された気体が排気される。
【００１２】
また、請求項２に記載の発明は、前記請求項１に記載の燃料電池の冷却装置において、前記燃料電池に供給される空気と混合した気体を、前記燃料電池のカソード電極へ導入させることを特徴とする。
【００１３】
この燃料電池の冷却装置では、冷却液中に漏出した気体、特に燃料ガスを分離して、カソード電極の触媒に供給することにより、気体中の燃料ガスが燃料電池における触媒燃焼反応で消費される。
【００１４】
また、請求項３に記載の発明は、空気と燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池と熱交換器との間に冷却液を循環させる循環流路を備える燃料電池の冷却装置であって、前記循環流路とガス抜き流路を介して連絡され、かつ前記循環流路と冷却液戻し流路を介して連絡された、前記循環流路の冷却液の一部を貯蔵する冷却液貯蔵容器を備え、前記冷却液貯蔵容器は、前記燃料電池に空気を供給する供給空気配管または前記燃料電池から排気を排出する排気用配管に信号圧配管を介して連絡され、前記冷却液ガス抜き流路を通じて前記循環流路から流入する冷却液より分離され冷却液貯蔵容器内に蓄積される気体の圧力が前記供給空気配管内の供給空気圧または前記排気用配管内の排気圧よりも高いときに、前記信号圧配管を通じて、前記供給空気配管側または排気用配管側から前記信号圧配管中に入り込む空気を前記供給空気配管または排気用配管に押戻して前記気体が前記供給空気配管内または排気用配管内に排気されるようにしたことを特徴とする燃料電池の冷却装置を発明の構成とする。
【００１５】
この燃料電池の冷却装置では、冷却液から気体が分離されるに伴って冷却液貯蔵容器内に蓄積される気体が増加し、その気体の圧力が供給空気配管内の供給空気圧よりも高くなったときに、信号圧配管を通じて、供給空気配管側から信号圧配管中に入り込む空気を供給空気配管に押戻して、気体が供給空気配管内に排気される。
【００１６】
また、請求項４に記載の発明は、前記請求項３に記載の燃料電池の冷却装置において、前記供給空気配管を通じて前記燃料電池内に供給する空気の圧力または前記排気用配管を通じて排出される排気の圧力を変動させることによって前記気体を前記供給空気配管または前記排気用配管に排気することを特徴とする。
【００１７】
この燃料電池の冷却装置では、供給空気配管を通じて前記燃料電池内に供給する空気の圧力を変動させ、冷却液から分離され、冷却液貯蔵容器内に蓄積される気体の圧力が供給空気配管内の供給空気圧よりも高くなったときに、信号圧配管を通じて、供給空気配管側から信号圧配管中に入り込む空気を供給空気配管に押戻して、気体が供給空気配管内に排気される。
【００１８】
また、請求項５に記載の発明は、前記請求項４に記載の燃料電池の冷却装置において、前記信号圧配管内の圧力を所定圧力以上高めた後に定常圧力まで戻すようにしたことを特徴とする。
【００１９】
この燃料電池の冷却装置では、信号圧配管内の圧力を所定圧力以上高めた後に定常圧力まで戻すときに、冷却液から分離され、冷却液貯蔵容器内に蓄積される気体が、信号圧配管を通じて、供給空気配管側から信号圧配管中に入り込む空気を供給空気配管に押戻して、気体が供給空気配管内に排気される。
【００２０】
また、請求項６に記載の発明は、前記請求項３に記載の燃料電池の冷却装置において、前記冷却液貯蔵容器内の気体の圧力と供給空気配管内の空気の圧力または排気用配管内の排気の圧力との圧力差が所定時間以上変動しないときに、前記供給空気配管から燃料電池内に供給する空気の圧力または前記排気用配管を通って排気される排気の圧力を変動させるようにしたことを特徴とする。
【００２１】
この燃料電池の冷却装置では、冷却液貯蔵容器内の気体の圧力と供給空気配管内の供給空気圧との圧力差が所定時間以上変動しないときに、前記供給空気配管から燃料電池内に供給する空気の圧力を変動させることによって、冷却液から分離されて冷却液貯蔵容器内に蓄積される気体が、信号圧配管を通じて、供給空気配管側から信号圧配管中に入り込む空気を供給空気配管に押戻して、気体が供給空気配管内に排気される。
【００２２】
また、請求項７に記載の発明は、前記請求項３に記載の燃料電池の冷却装置において、前記冷却液貯蔵容器内の燃料ガス濃度が所定濃度以上になったときに、前記供給空気配管から燃料電池内に供給する空気の圧力を変動させるようにしたことを特徴とする。
【００２３】
この燃料電池の冷却装置では、冷却液貯蔵容器内の燃料ガス濃度が所定濃度以上になったときに燃料電池内に空気を供給する供給空気配管内の圧力を変動させることによって、前記冷却液から分離され、前記冷却液貯蔵容器内に蓄積される気体が前記信号圧配管を通じて前記供給空気配管内に排気される冷却液貯蔵容器内の気体が信号圧配管を通じて、供給空気配管内に排気される。
【００２４】
また、請求項８に記載の発明は、前記請求項３に記載の燃料電池の冷却装置において、前記冷却液貯蔵容器内の燃料ガス濃度が高まると想定されるときに前記燃料電池内に供給する空気の圧力を変動させるようにしたことを特徴とする。
【００２５】
この燃料電池の冷却装置では、予め実験等により冷却液貯蔵容器内の燃料ガス濃度が高まると想定されるときに、燃料電池内に空気を供給する供給空気配管内の圧力を変動させることによって、前記冷却液から分離され前記冷却液貯蔵容器内に蓄積される気体が前記信号圧配管を通じて前記供給空気配管内に排気される冷却液貯蔵容器内の気体が信号圧配管を通じて、供給空気配管内に排気され、冷却液貯蔵容器内が換気される。
【００２６】
さらに、請求項９に記載の発明は、空気と燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池を冷却する冷却液を前記燃料電池内と熱交換器との間に循環させる循環流路を備える燃料電池の冷却装置であって、前記循環流路の冷却液の一部を貯蔵する冷却液貯蔵容器を備え、前記冷却液貯蔵容器は、前記循環流路と冷却液ガス抜き流路を介して連絡され、かつ前記循環流路と冷却液戻し流路を介して連絡された液相部と、燃料電池に空気を供給する供給空気配管に流入配管を介して連絡され、前記液相部で冷却液から分離される気体と、前記流入配管を通じて前記供給空気配管から流入する供給空気とを混合させる気相部とを備えることを特徴とする燃料電池の冷却装置を発明の構成とする。
【００２７】
この燃料電池の冷却装置では、液相部において冷却液から分離された気体が、気相部において供給空気配管側から信号圧配管を通じて流入される空気と混合され、気相部内の圧力が供給空気配管内の供給空気圧よりも高くなったときに、信号圧配管を通じて、供給空気配管側から信号圧配管中に入り込む空気が供給空気配管に押戻され、気相部内の気体が供給空気配管内に排気され、気相部内が換気される。
【００２８】
また、請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の燃料電池の冷却装置において、前記気相部が、内部の燃料ガス濃度を検出する燃料ガス検出手段を備えることを特徴とする。
【００２９】
この燃料電池の冷却装置では、燃料ガス検出手段によって気相部内の燃料ガス濃度が検出される。
【００３０】
また、請求項１１に記載の発明は、前記請求項１０に記載の燃料電池の冷却装置において、前記気相部内の燃料ガス濃度が所定値以上のときに、前記信号圧配管内の圧力を制御することによって前記気相部内の気体を前記供給空気配管または燃料電池からの排気用配管内に押戻す圧力制御手段を備えることを特徴とする。
【００３１】
この燃料電池の冷却装置では、気相部内に備えられた燃料ガス検出手段によって検出される燃料ガス濃度が所定値以上となったときに、信号圧配管内の圧力を制御することによって、信号圧配管を通じて、供給空気配管側から信号圧配管中に入り込む空気が供給空気配管に押戻され、気相部内の気体が供給空気配管内に排気され、気相部内が換気される。
【００３２】
さらに、請求項１２に記載の発明は、前記請求項１１に記載の燃料電池の冷却装置において、前記圧力制御手段は、前記信号圧配管内の圧力を所定圧力以上に高めたのちに定常圧力に戻す手段であることを特徴とする。
【００３３】
この燃料電池の冷却装置では、圧力制御手段によって、信号圧配管内の圧力を所定圧力以上高めた後に定常圧力まで戻すときに、信号圧配管を通じて、供給空気配管側から信号圧配管中に入り込む空気を供給空気配管に押戻され、気相部内の気体が供給空気配管内に排気され、気相部内が換気される。
【００３４】
また、請求項１３に記載の発明は、空気と燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池を冷却する冷却液を前記燃料電池内と熱交換器との間に循環させる循環流路を備える燃料電池の冷却装置であって、前記循環流路の冷却液の一部を貯蔵する冷却液貯蔵容器を備え、前記冷却液貯蔵容器は、前記循環流路と冷却液ガス抜き流路を介して連絡され、かつ前記循環流路と冷却液戻し流路を介して連絡された液相部と、燃料電池に空気を供給する供給空気配管に流入配管および流出配管を介して連絡され、前記液相部で冷却液から分離される気体を、前記流入配管を通じて前記供給空気配管から流入する供給空気によって混合し、混合された気体を前記流出配管を通じて前記供給空気配管に戻す気相部とを備え、前記供給空気配管の途中に配設され、前記燃料電池に供給される空気を加湿する加湿器を挟んで前記供給空気配管の上流側に前記流入配管を、下流側に前記流出配管を連絡したことを特徴とする燃料電池の冷却装置を発明の構成とする。
【００３５】
この燃料電池の冷却装置では、加湿器によって生じる圧力損失により、冷却液貯蔵容器からの換気量が増大される。
【００３６】
また、請求項１４に記載の発明は、前記請求項１３に記載の燃料電池の冷却装置において、前記冷却液貯蔵容器が、内部の燃料ガス濃度を検出する燃料ガス検出手段を備えることを特徴とする。
【００３７】
この燃料電池の冷却装置では、燃料ガス検出手段によって冷却液貯蔵容器内の燃料ガス濃度が検出される。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の冷却装置の構成を示すブロック図である。
【００３９】
本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の冷却装置は、図示しない燃料電池自動車に搭載され、図１に示すとおり、燃料電池１に供給される冷却液を冷却するための熱交換器２と、燃料電池１と熱交換器２との間に冷却液を熱交換可能に循環させる循環流路３と、循環流路３内の冷却液の一部を貯蔵する冷却液貯蔵容器４と、信号圧配管５とから構成される。
【００４０】
燃料電池１は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟み込んだ燃料電池セルをさらにセパレータで挟持し、複数積層して構成されている。アノード電極に燃料ガスとして水素ガスを供給し、カソード電極に酸化剤ガスとして酸素を含む空気を供給すると、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソード電極まで移動し、カソード電極の触媒によって酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。この反応は発熱反応であり、その燃料電池の温度は反応効率を確保するために、セパレータにおけるアノード電極またはカソード電極の反対側の面に冷却水を循環することで７０度前後に維持される。燃料電池の発電電力は、例えば、図示しない燃料電池自動車の走行用モータに供給され、自動車を駆動する。
【００４１】
燃料電池１は、エアクリーナ６によって清浄化された、エアーポンプ７によって供給空気配管８を通じて供給される空気と、燃料ガス供給配管９を通じて供給される燃料ガスとを発電反応させて発電を行う装置である。発電反応後、発電反応によって消費されなかった空気は排気用配管１０を通じて排気され、また、発電反応によって消費されなかった燃料ガスは燃料ガス排出配管１１を通じて燃料電池１から排出される。また、燃料電池１は、冷却液の流入口１２および流出口１３を備える。なお、燃料ガスとしては、水素、炭化水素、炭化水素を改質した改質ガス、メタノール等が挙げられる。
【００４２】
熱交換器２は、循環流路３によって燃料電池１から戻される冷却液が流入する流入口２ａと、冷却液と図示しない走行風などの２次冷却媒体との間で熱交換を行わせて、冷却液を冷却させるための熱交換器本体２ｂと、熱交換によって冷却された冷却液が流出する流出口２ｃとを備える。この熱交換器２は、２次冷却媒体として、水またはその他の液体を用いる液冷方式でもよいし、２次冷却媒体として空気を用いる空冷方式でもよい。
また、この熱交換器２は、循環流路３を通じて流入口２ａから流入する冷却液の一部を冷却液貯蔵容器４に流通させる冷却液−気体流出口２ｄ、２ｅを備える。
【００４３】
循環流路３は、燃料電池１と熱交換器２との間に冷却液を熱交換可能に循環させる流路であり、流出路３ａと、送液路３ｂと、戻し流路３ｃと、流入路３ｄと、調整流路３ｅとから構成される。
流出路３ａは、燃料電池１の流出口１３と冷却液ポンプ１４との間を連絡して、燃料電池１から流出する冷却液が流通する流路である。
【００４４】
送液路３ｂは、冷却液ポンプ１４と熱交換器２の流入口２ａとの間を連絡し、流出路３ａを流通して冷却液ポンプ１４に流入し冷却液ポンプ１４によって加圧された冷却液が流通する流路である。
戻し流路３ｃは、熱交換器２の流出口２ｃとサーモスタット１５との間を連絡し、熱交換器２で冷却され、流出口２ｃから流出する冷却液がサーモスタット１５に流通する流路である。
【００４５】
流入路３ｄは、サーモスタット１５と燃料電池１の流入口１２との間を連絡しサーモスタット１５から流出した冷却液が燃料電池１の流入口１２に流通する流路である。
【００４６】
調整流路３ｅは、送液路３ｂとサーモスタット１５との間を連絡し、サーモスタット１５により、流入路３ｄを通って流入口１２から燃料電池１内に供給される冷却液の温度が所定範囲となるように、送液路３ｂを流通する冷却液の一部を、戻し流路３ｃからサーモスタット１５内に流入する冷却液と合流させるための流路である。
【００４７】
サーモスタット１５は、熱交換器２から戻し流路３ｃを通って流入する冷却液Ｂ、冷却液貯蔵容器４から冷却液戻し流路１７を通って流入する冷却液Ｃ、および調整流路３ｅを通って流入する冷却液Ｄのそれぞれの温度に応じて、各流路の流入経路を開閉して、冷却液Ｂ、Ｃ、Ｄを混合し、流出口１５ａから流出し、流入路３ｄを通って流入口１２から燃料電池１内に供給される冷却液の温度を所定の温度に保つ機能を備える装置である。
【００４８】
また、冷却液貯蔵容器４は、熱交換器２から流入する循環流路３内の冷却液の一部を下部に滞留させて貯蔵するとともに、冷却液から分離する気体を上部に滞留させる気液分離器としての機能をも備えるものである。
【００４９】
この冷却液貯蔵容器４には、図１に示すとおり、冷却液ガス抜き流路１６の先端１６ａと、冷却液戻し流路１７の先端１７ａとが挿入されるとともに、上部に設けられた気体流出入口４ａに連絡された信号圧配管５を介して供給空気配管８が連絡されている。
【００５０】
この冷却液貯蔵容器４において、冷却液ガス抜き流路１６の先端１６ａは、熱交換器２から流入する冷却液中に含まれる気体が気液分離して、冷却液貯蔵容器４の上部空間に浮上して滞留されるように、冷却液貯蔵容器４の下部に滞留する冷却液Ａの液面よりも下部に配置される。
【００５１】
また、冷却液戻し流路１７の先端１７ａは、循環流路３内を流通する冷却液と冷却液貯蔵容器４内の冷却液とが連絡するように、冷却液貯蔵容器４の下部に滞留する冷却液Ａの液面よりも下部に配置される。
【００５２】
冷却液貯蔵容器４は、信号圧配管５と接続されているため、信号圧配管５によって供給された供給空気の圧力によって循環流路３の流入路３ｄを流通する冷却液に圧力を負荷する。冷却液貯蔵容器４の気相部内での冷却液の圧力は供給空気の圧力と実質等しくなり、その後循環流路３を流通することによって圧力損失が生じるが、その圧力損失は循環流路３内の冷却液の圧力によらずほぼ一定であるため、燃料電池へ供給される冷却液の圧力と燃料電池１へ供給される供給空気との圧力差は、その圧力損失の分だけ冷却液の圧力が供給空気の圧力よりも低くなるようになっている。このように構成することによって、積層構造に構成された燃料電池１内での冷却液流路と供給空気流路の間の圧力差を所定の範囲に保っている。
【００５３】
信号圧配管５は、供給空気配管８と冷却液貯蔵容器４との間を連絡している。この信号圧配管５と、これに連絡された冷却液貯蔵容器４によって、冷却液貯蔵容器４が、冷却液貯蔵容器４の上部に滞留する気体の圧力ＰＧと、供給空気配管８を通って燃料電池１に供給される空気の圧力ＰＡ（供給空気圧）との圧力差に応じて、呼吸する。ここで、呼吸とは、前記圧力差に応じて、冷却液貯蔵容器４内の気体と供給空気配管８内の空気とが信号圧配管５内を、冷却液貯蔵容器４または供給空気配管８のいずれかに向けて押戻され、または移動することをいう。
【００５４】
次に、この第１の実施形態に係る燃料電池の冷却装置における燃料電池の冷却方法について説明するとともに、冷却液中に混入する気体の排気について説明する。
【００５５】
この燃料電池の冷却装置において、エアクリーナ６によって清浄化された後、エアーポンプ７によって供給空気配管８を通じて、燃料電池１内に供給される空気と、燃料ガス供給配管９を通じて供給される燃料ガスとを発電反応させて発電が行われる。発電反応後、発電反応によって消費されなかった空気は排気用配管１０を通じて排気され、また、発電反応によって消費されなかった燃料ガスは燃料ガス排出配管１１を通じて燃料電池１から排出される。
【００５６】
このとき、発電反応に伴って発生する熱は、流入口１２から燃料電池内に供給され、燃料電池１内に設けられた流路を流通する冷却液によって吸収され、燃料電池１内の温度が所定の温度に保たれる。
【００５７】
熱を吸収した冷却液は、流出口１３から流出し、循環流路３の流出路３ａ、冷却液ポンプ１４および送液路３ｂの順で流通し、冷却液ポンプ１４によって加圧され、流入口２ａから熱交換器２内に流入し、熱交換器本体２ｂにおいて２次冷却媒体と熱交換して冷却される。熱交換後、冷却液は、熱交換器２の流出口２ｃから流出し、戻し流路３ｃを流通してサーモスタット１５に流入する。
【００５８】
サーモスタット１５においては、熱交換器２から戻し流路３ｃを通って流入する冷却液Ｂ、冷却液貯蔵容器４から冷却液戻し流路１７を通って流入する冷却液Ｃ、および調整流路３ｅを通って流入する冷却液Ｄのそれぞれの温度に応じて、各流路の流入経路を開閉して、冷却液Ｂ、Ｃ、Ｄを混合して所定の温度に調整された冷却液が流出口１５ａから流出し、流入路３ｄを通って流入口１２から燃料電池１内に供給される。そして、燃料電池１内に供給された冷却液によって、燃料電池１内が冷却される。
【００５９】
このように、本発明の第１の実施形態に係る冷却装置は、冷却液を燃料電池１と熱交換器２の間を循環流路３を介して循環流通させることによって、燃料電池１内を所定の温度に維持し、燃料電池１の安定した運転を図ることができる。
【００６０】
また、冷却液貯蔵容器４には、流入口２ａから熱交換器２内に流入した冷却液の一部Ｅが、冷却液ガス抜き流路１６を通って、先端１６ａから冷却液貯蔵容器４内に流入される。このとき、冷却液中に混入した気体が分離して冷却液Ａの液面から浮上し、冷却液貯蔵容器４の上部空間（気相部）に滞留するとともに、冷却液は、冷却液貯蔵容器４の下部に滞留する。冷却液貯蔵容器４の下部に滞留した冷却液Ａは、冷却液戻し流路１７を介して循環流路３の流入路３ｃを流通する冷却液と連絡している。そして、冷却液貯蔵容器４は、信号圧配管５と接続されているため、信号圧配管５によって供給された供給空気の圧力によって循環流路３の流入路３ｄを流通する冷却液に圧力を負荷する。冷却液貯蔵容器４の気相部内での冷却液の圧力は供給空気の圧力と実質等しくなり、その後循環流路３を流通することによって圧力損失が生じるが、その圧力損失は循環流路３内の冷却液の圧力によらずほぼ一定であるため、燃料電池へ供給される冷却液の圧力と燃料電池１へ供給される供給空気との圧力差は、その圧力損失の分だけ冷却液の圧力が供給空気の圧力よりも低くなるようになっている。このように構成することによって、積層構造に構成された燃料電池１内での冷却液流路と供給空気流路の間の圧力差を所定の範囲に保っている。
【００６１】
このとき、冷却液貯蔵容器４と供給空気配管８とが、信号圧配管５を介して連絡されていることによって、冷却液貯蔵容器４は、冷却液から分離して冷却液貯蔵容器４の上部に滞留する気体と、供給空気配管８内を流通する空気との圧力差ＰＤに応じて呼吸する。すなわち、冷却液貯蔵容器４の上部に滞留する気体によって形成される気相部の圧力ＰＧと、供給空気配管８を通って燃料電池１に供給される空気の圧力ＰＡ（供給空気圧）とが圧力差を有する場合には、その圧力差に応じて、冷却液貯蔵容器４内の気体と供給空気配管８内の空気とが、信号圧配管５内を、冷却液貯蔵容器４または供給空気配管８のいずれかに向けて押戻され、または移動する。気体の圧力ＰＧが空気の圧力ＰＡよりも高いときは、図１中、冷却液貯蔵容器４から供給空気配管８に向けて（矢印Ｇで示す方向に）冷却液貯蔵容器４内の気体が信号圧配管５を通じて流通し、供給空気配管８側から信号圧配管５中に入り込む空気を供給空気配管８に押戻して冷却液貯蔵容器４内の気体が前記供給空気配管８内に排気される。また、気体の圧力ＰＧが空気の圧力ＰＡよりも低いときは、供給空気配管８から冷却液貯蔵容器４に向けて（矢印Ｈで示す方向に）冷却液貯蔵容器４内の気体が押戻され、空気が冷却液貯蔵容器４内に流入し、気相部の気体が希釈される。これにより、冷却液貯蔵容器４内の気相部が換気される。また、供給空気配管８内に排気された気体（例えば、燃料ガス）は、燃料電池１に供給される空気と混合して、前記燃料電池のカソード電極で燃焼して排出される。
【００６２】
さらに、冷却液貯蔵容器４における気相部の圧力は、呼吸することによってほぼ等しくなる（ＰＡ＝ＰＧ）。また、冷却液貯蔵容器４での冷却液の圧力は、気相部の圧力と実質的に等しくなり、その後、燃料電池１へ供給される前に循環流路３を流通することによって圧力損失が生じるが、その圧力損失は循環流路３内の冷却液の圧力によらずほぼ一定であるため、燃料電池１へ供給される冷却液の圧力と燃料電池１へ供給される供給空気の圧力は、その圧力損失の分だけ冷却液の圧力が供給空気の圧力よりも低くなるようになっている（ＰＡ＞ＰＬ）。すなわち、供給空気の圧力（ＰＡ）が燃料電池１の出力変動などによって圧力が上昇または下降すると、それに伴ってその圧力を冷却液貯蔵容器４の冷却液に伝えることでＰＡ＞ＰＬの関係が保たれ、燃料電池１内での冷却液と供給空気の圧力バランスが保たれる。
【００６３】
また、前記第１の実施形態において、前記圧力差ＰＤを制御して、冷却液貯蔵容器４を呼吸させてもよい。前記圧力差ＰＤを制御する方法としては、例えば、エアーポンプ７の回転数を変えることによって供給空気配管８内を流通する空気の圧力ＰＡを変動させたり、排気用配管１０に設けた図示しない排出制御弁の弁開度を変えることによって行ってもよい。このとき、前記信号圧配管５内の圧力、すなわち、圧力差ＰＤを所定圧力以上高めた後に定常圧力まで戻すようにすることによって、冷却液貯蔵容器４を呼吸させてもよい。これにより、ＰＧ＞ＰＡとなったときに、冷却液貯蔵容器内に形成される気相部の気体が、信号圧配管５を通じて、供給空気配管８側から信号圧配管中に入り込む空気を供給空気配管に押戻して、気体が供給空気配管８内に排気される。
【００６４】
さらに、前記圧力差ＰＤが所定時間以上変動しないときに、冷却液貯蔵容器４を呼吸させるようにしてもよい。例えば、圧力差ＰＤを計測し、ＰＤが変動しないときに、エアーポンプ７によって供給空気配管８から燃料電池１内に供給する空気の圧力を変動させ、ＰＧ＞ＰＡとなったときに、冷却液貯蔵容器内に形成される気相部の気体が、信号圧配管５を通じて、供給空気配管８側から信号圧配管中に入り込む空気を供給空気配管に押戻して、気体が供給空気配管８内に排気されるようにしてもよい。
【００６５】
さらに、冷却液貯蔵容器４内の燃料ガス濃度が所定濃度以上になったときに、前記供給空気配管から燃料電池内に供給する空気の圧力を変動させるようにしてもよい。例えば、冷却液貯蔵容器４に燃料ガスセンサ１９を設け、この燃料ガスセンサ１９によって測定される燃料ガス濃度が所定濃度以上になったときに、エアーポンプ７によって供給空気配管８から燃料電池１内に供給する空気の圧力を変動させ、ＰＧ＞ＰＡとなったときに、冷却液貯蔵容器内に形成される気相部の気体が、信号圧配管５を通じて、供給空気配管８側から信号圧配管中に入り込む空気を供給空気配管に押戻して、気体が供給空気配管８内に排気されるようにしてもよい。
【００６６】
また、冷却液貯蔵容器４内の燃料ガス濃度が高まると想定されるときに、燃料電池１内に供給する空気の圧力を変動させ、ＰＧ＞ＰＡとなったときに、冷却液貯蔵容器内に形成される気相部の気体が、信号圧配管５を通じて、供給空気配管８側から信号圧配管中に入り込む空気を供給空気配管に押戻して、気体が供給空気配管８内に排気されるようにしてもよい。このように構成することによって、より積極的に冷却液貯蔵容器４内の気相部を換気することができる。例えば、冷却液貯蔵容器４内の燃料ガス濃度が高まると想定されるときに、予め、エアーポンプ７を作動させるようにプログラムしておき、そのエアーポンプ７の作動によって供給空気配管８から燃料電池１内に供給する空気の圧力を変動させ、冷却液貯蔵容器内に形成される気相部の気体が、供給空気配管８内に排気されるようにしてもよい。
【００６７】
次に、図２に示す本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の冷却装置について説明する。
図２は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の冷却装置を示すブロック図である。
【００６８】
図２に示す第２の実施形態に係る燃料電池の冷却装置は、燃料電池１と熱交換器２の間に冷却液を循環流通させるための循環流路３（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ）、熱交換器２から冷却液貯蔵容器４に冷却液の一部を供給する冷却液ガス抜き流路１６、循環流路３内を流通する冷却液の温度を一定に保つためのサーモスタット１５、冷却液貯蔵容器４から冷却液を循環流路３に戻すための冷却液戻し流路１７等を備える点で、前記第１の実施形態に係る冷却装置と同一の構成を有するものである。したがって、以下の第２の実施形態に係る冷却装置についての説明においては、前記第１の実施形態に係る冷却装置と異なる構成を中心に説明し、第１の実施形態と同一の構成に係るものについては、同一の符号を付して説明を省略する。
【００６９】
この第２の実施形態に係る冷却装置においては、図２に示すように、冷却液貯蔵容器４が、液相部４１と、気相部４２とから構成される。この冷却液貯蔵容器４において、液相部４１は、熱交換器２と冷却液ガス抜き流路１６を介して連絡されている。冷却液ガス抜き流路１６の先端１６ａは、熱交換器２から流入する冷却液中に含まれる気体が気液分離して、液相部４１の上部空間に浮上して滞留されるように、液相部４１に滞留している冷却液Ａの液面よりも下部になるように配置される。
【００７０】
また、液相部４１は循環流路３と冷却液戻し流路１７を介して連絡されている。この冷却液戻し流路１７の先端１７ａは、循環流路３内を流通する冷却液と冷却液貯蔵容器４内の冷却液とが連絡するように、冷却液貯蔵容器４の下部に滞留する冷却液Ａの液面よりも下部に配置される。
【００７１】
また、冷却液貯蔵容器４の気相部４２は、前記液相部４１の上部に上方に向けて突設され、液相部４１と連通している。この気相部４２は、燃料電池１に空気を供給する供給空気配管８に信号圧配管５を介して連絡されている。この気相部４２においては、液相部４１において冷却液から気液分離され、液相部４１の上部空間に浮上して滞留する気体の状態に応じて、信号圧配管５を介して供給空気配管８から空気を流入させて前記気体と空気とを混合し、あるいは信号圧配管５を通じて空気を押戻し、気体を供給空気配管８内に排気させる役割を有するものである。そして、この第２の実施形態に係る冷却装置においては、冷却液貯蔵容器４が気相部４２を備えることにより、冷却液貯蔵容器４の揺動、傾斜等により、冷却液貯蔵容器４内に滞留される冷却液が信号圧配管を介して供給空気配管内に漏出するのを防止するために有効である。例えば、燃料電池を搭載した自動車の走行時に、冷却液貯蔵容器が揺動、傾斜しても冷却液が供給空気配管内に漏出するのを防止して、安定して燃料電池による発電を継続するために有効である。
【００７２】
この第２の実施形態に係る冷却装置においては、前記第１の実施形態と同様に、燃料電池１と熱交換器２の間を循環流路３を介して循環される冷却液の温度が、サーモスタット１５によって一定に保たれる。
【００７３】
このとき、冷却液貯蔵容器４の気相部４２と供給空気配管８とを信号圧配管５を介して連絡させることによって、冷却液貯蔵容器４は、冷却液から分離して液相部４１の上部および気相部４２内に滞留する気体と、供給空気配管８内を流通する空気との圧力差ＰＤに応じて呼吸する。すなわち、冷却液貯蔵容器４の上部（液相部４１の上部および気相部４２）に滞留する気体によって形成される気相部の圧力ＰＧと、供給空気配管８を通って燃料電池１に供給される空気の圧力ＰＡ（供給空気圧）との圧力差に応じて、冷却液貯蔵容器４内の気体と供給空気配管８内の空気とが、信号圧配管５内を、冷却液貯蔵容器４または供給空気配管８のいずれかに向けて移動する。気体の圧力ＰＧが空気の圧力ＰＡよりも高いときは、図２中、冷却液貯蔵容器４から供給空気配管８に向けて（矢印Ｇで示す方向に）冷却液貯蔵容器４内の気体が信号圧配管５を通じて流通し、冷却液貯蔵容器４内の気体が前記供給空気配管８内に排気される。また、気体の圧力ＰＧが空気の圧力ＰＡよりも低いときは、供給空気配管８から冷却液貯蔵容器４に向けて（矢印Ｇと逆の方向：図２中、矢印Ｈで示す方向に）冷却液貯蔵容器４内の気体が押戻され、空気が冷却液貯蔵容器４内に流入し、気相部４２の気体と混合される。これにより、冷却液貯蔵容器４内の気相部４２が換気される。また、供給空気配管８内に排気された気体（例えば、燃料ガス）は、燃料電池１に供給される空気と混合して、前記燃料電池のカソード電極の触媒で触媒燃焼反応する。
【００７４】
さらに、冷却液貯蔵容器４における気相部４２の圧力は、呼吸することによってほぼ等しくなる（ＰＡ＝ＰＧ）。また、冷却液貯蔵容器４での冷却液の圧力は、気相部４２の圧力と実質的に等しくなり、その後、燃料電池１へ供給される前に循環流路３を流通することによって圧力損失が生じるが、その圧力損失は循環流路３内の冷却液の圧力によらずほぼ一定であるため、燃料電池１へ供給される冷却液の圧力と燃料電池１へ供給される供給空気の圧力は、その圧力損失の分だけ冷却液の圧力が供給空気の圧力よりも低くなるようになっている（ＰＡ＞ＰＬ）。すなわち、供給空気の圧力（ＰＡ）が燃料電池１の出力変動などによって圧力が上昇または下降すると、それに伴ってその圧力を冷却液貯蔵容器４の冷却液に伝えることでＰＡ＞ＰＬの関係が保たれ、燃料電池１内での冷却液と供給空気の圧力バランスが保たれる。
【００７５】
また、この第２の実施形態に係る冷却装置において、気相部４２は、内部の燃料ガス濃度を検出する燃料ガス検出手段を備える構成としてもよい。これにより、気相部４２内の燃料ガス濃度が所定濃度以上になったときに、前記供給空気配管から燃料電池内に供給する空気の圧力を変動させるようにしてもよい。例えば、気相部４２に燃料ガスセンサ１９を設け、この燃料ガスセンサ１９によって測定される燃料ガス濃度が所定濃度以上になったときに、エアーポンプ７によって供給空気配管８から燃料電池１内に供給する空気の圧力を変動させ、ＰＧ＞ＰＡとなったときに、冷却液貯蔵容器内に形成される気相部の気体が、信号圧配管５を通じて、供給空気配管８側から信号圧配管中に入り込む空気を供給空気配管に押戻して、気体が供給空気配管８内に排気されるようにしてもよい。
【００７６】
また、前記気相部４２内の燃料ガス濃度が所定値以上のときに、前記信号圧配管５内の圧力を制御することによって前記気相部４２内の気体を前記供給空気配管８または燃料電池からの排気用配管１０内に押戻す圧力制御手段を備える構成としてもよい。例えば、前記圧力制御手段は、前記信号圧配管内の圧力を所定圧力以上に高めたのちに定常圧力に戻す手段としてもよい。これにより、前記信号圧配管５内の圧力、すなわち、圧力差ＰＤを所定圧力以上高めた後に定常圧力まで戻すようにすることによって、冷却液貯蔵容器４を呼吸させ、ＰＧ＞ＰＡとなったときに、冷却液貯蔵容器４内に形成される気相部の気体が、信号圧配管５を通じて、供給空気配管８側から信号圧配管中に入り込む空気を供給空気配管８に押戻して、気体が供給空気配管８内に排気される。
【００７７】
次に、図３に示す本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の冷却装置について説明する。
図３は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の冷却装置の構成を示すブロック図である。
【００７８】
図３に示す第３の実施形態に係る燃料電池の冷却装置は、燃料電池１と熱交換器２の間に冷却液を循環流通させるための循環流路３（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ）、熱交換器２から冷却液貯蔵容器４に冷却液の一部を供給する冷却液ガス抜き流路１６、循環流路３内を流通する冷却液の温度を一定に保つためのサーモスタット１５、冷却液貯蔵容器４から冷却液を循環流路３に戻すための冷却液戻し流路１７等を備える点で、前記第１の実施形態に係る冷却装置と同一の構成を有するものである。したがって、以下の第３の実施形態に係る冷却装置についての説明においては、前記第１の実施形態に係る冷却装置と異なる構成を中心に説明し、第１の実施形態と同一の構成に係るものについては、同一の符号を付して説明を省略する。
【００７９】
この第３の実施形態に係る冷却装置は、図３に示すように、冷却液貯蔵容器４が、液相部４１と、ガス抜き室４３とから構成される。この冷却液貯蔵容器４において、液相部４１は、熱交換器２と冷却液ガス抜き流路１６を介して連絡されている。冷却液ガス抜き流路１６の先端１６ａは、熱交換器２から流入する冷却液中に含まれる気体が気液分離して、液相部４１の上部空間に浮上して滞留されるように、液相部４１に滞留している冷却液Ａの液面よりも下部になるように配置される。
【００８０】
また、液相部４１は循環流路３と冷却液戻し流路１７を介して連絡されている。この冷却液戻し流路１７の先端１７ａは、循環流路３内を流通する冷却液と冷却液貯蔵容器４内の冷却液とが連絡するように、冷却液貯蔵容器４の下部に滞留する冷却液Ａの液面よりも下部に配置される。
【００８１】
冷却液貯蔵容器４のガス抜き室４３は、前記液相部４１の上部に上方に向けて突設され、流入室４３ａと、流出室４３ｂとに区画されている。流入室４３ａと、流出室４３ｂとは、それぞれ開口部４４ａ、４４ｂを介して液相部４１と連通している。また、流入室４３ａは、空気流入配管４５ａを介して供給空気配管８と連絡され、流出室４３ｂは、気体流出配管４５ｂを介して供給空気配管８と連絡されている。そして、供給空気配管の途中に配設された加湿器４６を挟んで、上流側に空気流入配管４５ａが接続され、下流側に気体流出配管４５ｂが接続されている。また、加湿器４６は、燃料電池に供給される空気を加湿するものである。
【００８２】
このガス抜き室４３は、液相部４１において冷却液から気液分離され、液相部４１の上部空間に浮上して滞留する気体の状態に応じて、空気流入配管４５ａを通じて流入室４３ａに空気を流入させて前記気体と空気を混合し、あるいは流出室４３ｂから気体流出配管４５ｂを通じて気相部の気体を供給空気配管８内に排気させるものである。
【００８３】
この第３の実施形態に係る冷却装置においては、前記第１の実施形態と同様に、燃料電池１と熱交換器２の間を循環流路３を介して循環される冷却液の温度が、サーモスタット１５によって一定に保たれる。
【００８４】
このとき、冷却液貯蔵容器４は、冷却液から分離して液相部４１の上部およびガス抜き室４３内の気体と、供給空気配管８内を流通する空気との圧力差に応じて呼吸する。すなわち、冷却液貯蔵容器４の上部（液相部４１の上部およびガス抜き室４３）に滞留する気体の圧力ＰＧと、供給空気配管８を通って燃料電池１に供給される空気の圧力ＰＡ（供給空気圧）との圧力差、冷却液貯蔵容器４内の気体と供給空気配管８内の空気とが空気流入配管４５ａまたは気体流出配管４５ｂ内を、冷却液貯蔵容器４または供給空気配管８のいずれかに向けて押戻され、または移動する。このとき、加湿器４６を挟んで供給空気配管８の上流側に空気流入配管４５ａを介して流入室４３ａが連絡され、下流側に気体流出配管４５ｂを介して流出室４３ｂが連絡されているため、加湿器４６によって生じる圧力損失によって、冷却液貯蔵容器４内の換気量が増加される。例えば、ガス抜き室４３内の気体の圧力ＰＧが空気の圧力ＰＡよりも高いときは、図３中、冷却液貯蔵容器４の流出室４３ｂから供給空気配管８に向けて（矢印Ｇで示す方向に）気体が気体流出配管４５ｂを通じて流出し、供給空気配管８側から気体流出配管４５ｂ中に入り込む空気を供給空気配管８に押戻して冷却液貯蔵容器４内の気体が供給空気配管８内に排気される。また、気体の圧力ＰＧが空気の圧力ＰＡよりも低いときは、供給空気配管８から冷却液貯蔵容器４に向けて（矢印Ｇと逆の方向：図３中、矢印Ｈで示す方向に）冷却液貯蔵容器４の流入室４３ａ内の気体が押戻され、空気が流入する。このとき、前記圧力損失によって、流出室４３ｂから供給空気配管８に向けて（矢印Ｇで示す方向に）冷却液貯蔵容器４内の気体が気体流出配管４５ｂを通じて流出する場合、および供給空気配管８から冷却液貯蔵容器４に向けて（図３中、矢印Ｈで示す方向に）冷却液貯蔵容器４の流入室４３ａ内の気体が押戻され、空気が流入する場合のいずれにおいても、気体の流出および空気の流入が増加される。そのため、冷却液貯蔵容器４内の気相部の換気がより促進される。
【００８５】
さらに、冷却液貯蔵容器４における気相部の圧力は、呼吸することによってほぼ等しくなる（ＰＡ＝ＰＧ）。また、冷却液貯蔵容器４での冷却液の圧力は、気相部の圧力と実質的に等しくなり、その後、燃料電池１へ供給される前に循環流路３を流通することによって圧力損失が生じるが、その圧力損失は循環流路３内の冷却液の圧力によらずほぼ一定であるため、燃料電池１へ供給される冷却液の圧力と燃料電池１へ供給される供給空気の圧力は、その圧力損失の分だけ冷却液の圧力が供給空気の圧力よりも低くなるようになっている（ＰＡ＞ＰＬ）。すなわち、供給空気の圧力（ＰＡ）が燃料電池１の出力変動などによって圧力が上昇または下降すると、それに伴ってその圧力を冷却液貯蔵容器４の冷却液に伝えることでＰＡ＞ＰＬの関係が保たれ、燃料電池１内での冷却液と供給空気の圧力バランスが保たれる。
【００８６】
また、この第３の実施形態に係る冷却装置において、冷却液貯蔵容器４は、内部の燃料ガス濃度を検出する燃料ガス検出手段を備える構成としてもよい。これにより、冷却液貯蔵容器４内の燃料ガス濃度が所定濃度以上になったときに、前記供給空気配管８から燃料電池１内に供給する空気の圧力を変動させる等の方法により、積極的に冷却液貯蔵容器４内の換気が行われるようにしてもよい。例えば、図３に示すように、冷却液貯蔵容器４の液相部４１の上部に燃料ガスセンサ１９を設けた構成としてもよい。このとき、燃料ガスセンサ１９は、下部に設けた遮蔽板２１によって、冷却液貯蔵容器４の揺動、傾斜等によって冷却液Ａと接触しないように防護されていてもよい。そして、燃料ガスセンサ１９によって測定される燃料ガス濃度が所定濃度以上になったときに、エアーポンプ７によって供給空気配管８から燃料電池１内に供給する空気の圧力を積極的に変動させ、ＰＧ＞ＰＡとなったときに、冷却液貯蔵容器内の気体が、気体流出配管４５ｂを通じて、供給空気配管８側から信号圧配管中に入り込む空気を供給空気配管に押戻して、気体が供給空気配管８内に排気されるようにしてもよい。
【００８７】
なお、前記の第１の実施形態および第２の実施形態は、冷却液貯蔵容器４（気相部４１）が、信号圧配管５を介して供給空気配管８に連絡された構成を有するものであるが、本発明の燃料電池の冷却装置は、冷却液貯蔵容器４（気相部４１）が排気用配管１０に連絡された構成を有するものでもよい。
【００８８】
この構成では、第１の実施形態および第２の実施形態と同様に、燃料電池１と熱交換器２の間を循環流路３を介して循環される冷却液の温度が、サーモスタット１５によって一定に保たれるとともに、燃料電池１よりも上部に配置されている冷却液貯蔵容器４（液相部４１）によって、循環流路３を流通する冷却液に圧力が負荷され、循環流路３を循環流通する冷却液の圧力が一定に保たれる。
【００８９】
このとき、冷却液貯蔵容器４（気相部４２）が、燃料電池１から排出される排出空気が流通する排気用配管１０（図１参照）に信号圧配管を介して連絡されているため、冷却液貯蔵容器４は、冷却液から分離して冷却液貯蔵容器４の上部（液相部４１の上部および気相部４２）の気体の圧力と、排気用配管１０内を流通する空気との圧力差ＰＥに応じて呼吸する。すなわち、冷却液貯蔵容器４の上部（液相部４１の上部および気相部４２）に滞留する気体によって形成される気相部の圧力ＰＧと、排気用配管１０を通って燃料電池１から排出される空気の圧力ＰＦ（または供給空気圧）との圧力差に応じて、冷却液貯蔵容器４内の気体と排気用配管１０内の空気とが信号圧配管５内を、冷却液貯蔵容器４または排気用配管１０のいずれかに向けて押戻され、または移動する。気体の圧力ＰＧが排出空気の圧力ＰＦよりも高いときは、冷却液貯蔵容器４から排気用配管１０に向けて冷却液貯蔵容器４内の気体が信号圧配管５を通じて流通し、排気用配管１０側から信号圧配管５中に入り込む空気を排気用配管１０に押戻して冷却液貯蔵容器４内の気体が前記排気用配管１０内に排気される。また、気体の圧力ＰＧが排出空気の圧力ＰＦよりも低いときは、排気用配管１０から冷却液貯蔵容器４に向けて冷却液貯蔵容器４内の気体が押戻され、空気が冷却液貯蔵容器４内に流入し、気相部の気体が希釈される。これにより、冷却液貯蔵容器４内の気相部が換気される。また、排出空気配管１０内に排気された気体（例えば、燃料ガス）は、燃料電池１から排出される空気と混合して排気される。
【００９０】
さらに、冷却液貯蔵容器４における気相部の圧力は、呼吸することによってほぼ等しくなる（ＰＡ＝ＰＧ）。また、冷却液貯蔵容器４での冷却液の圧力は、気相部の圧力と実質的に等しくなり、その後、燃料電池１へ供給される前に循環流路３を流通することによって圧力損失が生じるが、その圧力損失は循環流路３内の冷却液の圧力によらずほぼ一定であるため、燃料電池１へ供給される冷却液の圧力と燃料電池１へ供給される供給空気の圧力は、その圧力損失の分だけ冷却液の圧力が供給空気の圧力よりも低くなるようになっている（ＰＡ＞ＰＬ）。すなわち、供給空気の圧力（ＰＡ）が燃料電池１の出力変動などによって圧力が上昇または下降すると、それに伴ってその圧力を冷却液貯蔵容器４の冷却液に伝えることでＰＡ＞ＰＬの関係が保たれ、燃料電池１内での冷却液と供給空気の圧力バランスが保たれる。
【００９１】
また、冷却液貯蔵容器がガス抜き室４３を有する構成の場合には、冷却液貯蔵容器４の揺動、傾斜等により、冷却液貯蔵容器４内に滞留される冷却液が信号圧配管を介して供給空気配管内に漏出するのを防止するために有効である。
【００９２】
【実施例】
次に、前記第２の実施形態と同じ構成を備える冷却装置を有し、燃料ガスとして水素を用いる燃料電池を自動車に搭載して、冷却液貯蔵容器４の呼吸について実験した結果を図４および図５に示す。
【００９３】
図４は、前記第２の実施形態に係る冷却装置における冷却液貯蔵容器４の呼吸について、冷却液貯蔵容器４内の気体の圧力（容器内圧）と水素濃度の変化を示す。この実験では、一定流量の水素が冷却液に混入してくるものとして想定している。図４中、点線は容器内圧を、実線は冷却液貯蔵容器４の気相部４２内の水素濃度を示す。この冷却装置を備える燃料電池１を定常運転させているとき、燃料電池自動車の走行モータの要求電力に応じて燃料電池１の要求出力が変動する。この燃料電池１の要求出力によって燃料電池１へ供給する供給空気の圧力を変動させるため、図４中、点線で示す通り、冷却液貯蔵容器内の圧力は自然に変動する。図４中、実線で示すように、冷却液貯蔵容器４の気相部４２内の水素は冷却液貯蔵容器４内の圧力変動（点線）に伴って冷却液中の気体と供給空気とが気相部で混合され、供給空気とともに燃料電池１のカソード電極に供給されているので、冷却液に混入している水素の濃度は管理目標濃度を超えることはない。しかし、燃料電池１の出力変動が少なく、（例えば、一定速度で燃料電池自動車の運転を続けているときなど）燃料電池１への供給空気の圧力変動が生じない、または供給空気の圧力変動が生じていてもその変動幅が小さいときなど（図４における１５分から３０分の区間など）は気相部の水素濃度が高まってしまうことがある。このとき冷却液貯蔵容器４の気相部に設けた水素ガス検出手段によって気相部の水素濃度が管理目標濃度に達した場合（図４における１７分、２４分、２６分の位置）はエアーポンプ７の回転数を増大させた後に、定常の回転数に戻すことで供給空気圧を変動させる（圧力を高めてから定常に戻す）。これによって、図４中、容器内圧が、太線で示すように変動し、容器内圧（ＰＧ）＞供給空気圧（ＰＡ）となったとき、水素が信号圧配管５を通って供給空気配管８内に排気され、供給空気と混合して燃料電池１のカソード極で燃焼される。そして、気相部４２における水素濃度が減少する。
【００９４】
図５は、前記第２の実施形態に係る冷却装置における冷却液貯蔵容器４の呼吸について、冷却液貯蔵容器内の気体の圧力（容器内圧）と水素濃度の変化を示す。図５中、点線は容器内圧を、実線は冷却液貯蔵容器４の気相部４２内の水素濃度を示す。この冷却装置を備える燃料電池１の運転において、容器内圧が変動せず、実線で示すように冷却液貯蔵容器４の気相部４２内の水素濃度が変動し、水素センサ１９によって測定される水素濃度が所定の管理目標濃度に達した場合、エアーポンプ７を操作して、供給空気圧を変動させる（圧力を高めてから戻す）。これによって、図５中、容器内圧が、太線で示すように変動し、容器内圧（ＰＧ）＞供給空気圧（ＰＡ）となったとき、水素が信号圧配管５を通って供給空気配管８内に排気され、供給空気と混合して燃料電池１のカソード極で燃焼される。そして、気相部４２における水素濃度が減少する。
【００９５】
また、本実施例では、気相部の水素濃度が管理目標濃度に達したときに圧力変動を行うようにしたが、圧力変動（供給空気圧を高めてから定常に戻す）は定期的に行ってもよく、また、図５に示すように定常運転における圧力変動が行われていないときは、その圧力変動が行われていない時間を検知し、その時間に応じて圧力変動を行ってもよい。
【００９６】
以上の図４および図５に示す測定結果から、本発明の冷却装置を備える燃料電池によれば、燃料電池の各部から冷却液中に混入される気体、特に燃料ガスを冷却液貯蔵容器内で気液分離して排気して、冷却液貯蔵容器内の燃料ガス濃度を所望のレベルに制御できることが分る。
【００９７】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明の請求項１に記載の燃料電池の冷却装置によれば、冷却液の循環流路に混入した燃料ガスを供給空気と混合して排出することができるため、燃料電池の排気中の燃料ガスを希釈して低濃度で排出することができる。また、熱交換器や冷却液の循環流路内に溜まる気体を、人的整備を必要とせずに随時排気して冷却液中の当該気体の濃度を低いレベルに維持させることが可能となり、燃料電池の冷却装置における冷却性能の低下を防止することができる。そのため、気体の漏洩による警告や機関停止の必要頻度を低減して燃料電池発電システムの使い勝手をより向上できる。
【００９８】
また、請求項２に記載の発明によれば、前記請求項１に記載の冷却装置と同様の効果を奏するとともに、燃料電池に供給する空気と混合して希釈された燃料ガスを燃料電池のカソード電極における触媒燃焼反応で消費されるため、さらに排出する燃料ガス濃度を下げることができる。
【００９９】
また、請求項３に記載の発明によれば、少なくとも１本の信号圧配管を配設するだけで、冷却液貯蔵容器を呼吸させながら換気することが可能となり、軽量かつ低コストな構成で冷却液中に漏出する気体を随時排気することができる。特に、極間差圧（燃料ガス、空気、冷却液間の圧力差）の少ない設計の燃料電池においては、燃料ガスと冷却液の供給圧力差が生じると燃料電池のセパレータやシール構造などに過負荷がかかるため、燃料ガス、冷却液ともに供給圧力を低く保つか、燃料ガスと冷却液の供給圧力差を少なく制御する必要があるが、本発明は、その場合にも充分適用可能である。
【０１００】
また、請求項４に記載の発明によれば、本来、燃料電池システムの有する燃料ガス供給・排出圧力が変動する性質を利用し、冷却液貯蔵容器等を呼吸させながら冷却液中に漏出する気体を換気して排気することが可能となるため、燃料ガス供給手段の軽量化・低コスト化ができる。また、冷却液貯蔵容器等に必要充分な換気を供給しながらも過剰な換気を供給することがなく、必要最適量の換気を供給でき無駄な電力消費を回避できる。
【０１０１】
また、請求項５に記載の発明によれば、信号圧配管内の圧力を所定圧力以上高めた後に定常圧力まで戻すことによって、冷却液貯蔵容器等を呼吸させながら冷却液中に漏出する気体を換気して排気することが可能となるため、燃料ガス供給手段の軽量化・低コスト化ができる。また、冷却液貯蔵容器等に必要充分な換気を供給しながらも過剰な換気を供給することがなく、必要最適量の換気を供給でき無駄な電力消費を回避できる。
【０１０２】
さらに、請求項６に記載の発明によれば、冷却液貯蔵容器等が燃料ガス（燃料ガス）検知手段を持たなくとも冷却液貯蔵容器等の内部の燃料ガス濃度最高値を推測して、冷却液貯蔵容器内の換気を行うことができ、燃料ガスセンサ等の必要センサー数やそのコストを低減できる。
【０１０３】
また、請求項７に記載の発明によれば、冷却液貯蔵容器等の内部の燃料ガス濃度に応じ換気量を制御できるため冷却液貯蔵容器内の換気に、必要最小の換気で充分であり過剰な換気を行う必要がなく、無駄な電力消費を回避でき、燃料ガス濃度上昇によるトラブルを未然に回避できる。
【０１０４】
さらに、請求項８に記載の発明によれば、冷却液貯蔵容器等が燃料ガス（燃料ガス）検知手段を持たなくとも冷却液貯蔵容器等の内部の燃料ガス濃度最高値を推測して、冷却液貯蔵容器内の換気を行うことができ、燃料ガスセンサ等の必要センサー数やそのコストを低減できる。
【０１０５】
また、請求項９に記載の発明によれば、液相部において冷却液から分離された気体が、気相部において供給空気配管側から信号圧配管を通じて流入される空気と混合され、気相部内の圧力が供給空気配管内の供給空気圧よりも高くなったときに、信号圧配管を通じて、供給空気配管側から信号圧配管中に入り込む空気が供給空気配管に押戻され、気相部内の気体が供給空気配管内に排気され、気相部内が換気される。これによって、冷却液の循環流路に混入した燃料ガスを供給空気と混合して排出することができるため、燃料電池の排気中の燃料ガスを希釈して低濃度で排出することができる。また、熱交換器や冷却液の循環流路内に溜まる気体を、人的整備を必要とせずに随時排気して冷却液中の当該気体の濃度を低いレベルに維持させることが可能となり、燃料電池の冷却装置における冷却性能の低下を防止することができる。そのため、気体の漏洩による警告や機関停止の必要頻度を低減して燃料電池発電システムの使い勝手をより向上できる。
【０１０６】
また、請求項１０に記載の発明によれば、燃料ガス検出手段によって検出される気相部内の燃料ガス濃度に応じて、適宜、冷却液貯蔵容器の呼吸による換気量を制御すれば、必要最小の換気で充分であり過剰な換気を行う必要がなく、無駄な電力消費を回避でき、燃料ガス濃度上昇によるトラブルを未然に回避できる。
【０１０７】
また、請求項１１に記載の発明によれば、冷却液貯蔵容器等の内部の燃料ガス濃度に応じ換気量を制御できるため冷却液貯蔵容器内の換気に、必要最小の換気で充分であり過剰な換気を行う必要がなく、無駄な電力消費を回避でき、燃料ガス濃度上昇によるトラブルを未然に回避できる。
【０１０８】
また、請求項１２に記載の発明によれば、信号圧配管内の圧力を所定圧力以上高めた後に定常圧力まで戻すことによって、冷却液貯蔵容器等を呼吸させながら冷却液中に漏出する気体を換気して排気することが可能となるため、燃料ガス供給手段の軽量化・低コスト化ができる。また、冷却液貯蔵容器等に必要充分な換気を供給しながらも過剰な換気を供給することがなく、必要最適量の換気を供給でき無駄な電力消費を回避できる。
【０１０９】
また、請求項１３に記載の発明によれば、加湿器によって生じる圧力損失により、冷却液貯蔵容器からの換気量が増大される。
【０１１０】
また、請求項１４に記載の発明によれば、燃料ガス検出手段によって検出される気相部内の燃料ガス濃度に応じて、適宜、冷却液貯蔵容器の呼吸による換気量を制御すれば、必要最小の換気で充分であり過剰な換気を行う必要がなく、無駄な電力消費を回避でき、燃料ガス濃度上昇によるトラブルを未然に回避できる。
【０１１１】
また、本発明の冷却装置を備える燃料電池を搭載した自動車においては、供給空気配管における供給空気圧の変動に起因して燃料電池出力電圧、カソードガス（空気）供給用エアーポンプの消費電力が変化しても、燃料電池に接続された駆動機器への出力電流を適切に制御することで常時所望の駆動出力を供給することが可能となる。そのため、自動車のドライバビリティが向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の冷却装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の冷却装置の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の冷却装置の構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の冷却装置による冷却液貯蔵容器内の呼吸について実験した結果を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の冷却装置による冷却液貯蔵容器内の呼吸について実験した結果を示す図である。
【符号の説明】
１      燃料電池
２      熱交換器
３      循環流路
３ａ    流出路
３ｂ    送液路
３ｃ    戻し流路
３ｄ    流入路
３ｅ    調整流路
４      冷却液貯蔵容器
５      信号圧配管
８      供給空気配管
９      燃料ガス供給配管
１０    排気用配管
１６    冷却液ガス抜き流路
１７    冷却液戻し流路
１９    燃料ガスセンサ（燃料ガス検出手段）
４１    液相部
４２    気相部
４３    ガス抜き室
４３ａ  流入室
４３ｂ  流出室
４６    加湿器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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