(57)【要約】【課題】  燃料電池の冷却系統から冷却水を排出した場合に、冷却水を冷却系統に戻すために必要となる負荷を最小限に抑える。【解決手段】  アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、電力を発生する燃料電池１２と、燃料電池１２内に設けられた冷却液流路２０と、所定の場合に冷却液流路２０内の冷却液を排出する電磁弁２２と、冷却液流路２０から排出された冷却液を貯水するリザーブタンク１４と、システム内を流れるガスの流れを利用して、リザーブタンク１４内の冷却液を冷却液流路２０内に戻す冷却液復帰手段と、を備える。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、電力を発生する燃料電池と、
前記燃料電池内に設けられた冷却液流路と、
所定の場合に前記冷却液流路内の冷却液を排出する冷却液排出手段と、
前記冷却液流路から排出された冷却液を貯水する貯水部と、
システム内を流れるガスの流れを利用して、前記貯水部内の冷却液を前記冷却液流路内に戻す冷却液復帰手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記冷却液復帰手段は、システム内の前記ガスが流れるガス流路内に前記冷却液流路の開口端を導入して構成されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記開口端から前記ガス流路への冷却液の流入を阻止するストッパ部が設けられたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記ストッパ部は、前記冷却液流路内の冷却液に浮かぶフロートを含み、前記冷却液流路に冷却液が満たされた場合に、前記フロートが前記開口端を塞ぐことで前記ガス流路への冷却液の流入を阻止することを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記冷却液復帰手段は、前記貯水部内の冷却液を前記冷却液流路内に戻すときに、前記ガス流路へ前記ガスが流れるように流路を設定する流路切換弁を含むことを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
システム内の温度を検出する温度センサを備え、
前記冷却液復帰手段は、システム内の温度が所定値に達した場合に前記貯水部内の冷却液を前記冷却液流路内に戻すことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
システム内の温度を検出する温度センサを備え、
前記冷却液排出手段は、システム内の温度が所定値以下である場合に前記冷却液流路内の冷却液を排出することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記貯水部は前記燃料電池の下部に設けられ、
前記冷却液排出手段は、前記燃料電池と前記貯水部の間の冷却液の流れを制御する制御弁を含み、前記制御弁を開くことで重力により前記冷却液流路内の冷却液を前記貯水部へ排出することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
システム内を流れる前記ガスは、前記アノードガス、前記カソードガス、前記アノードから排出されたアノードオフガス、又は前記カソードから排出されたカソードオフガスであることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池を冷却する手段を備えた燃料電池システムに適用して好適である。
【背景技術】
【０００２】
従来から燃料電池が必要以上に昇温することを防ぐため、燃料電池に冷却水を導入して冷却するシステムが知られている。このようなシステムにおいて、燃料電池の暖機時には、燃料電池の冷却系統に導入された冷却水が暖機の妨げになる場合がある。このため、特開２００３−２５７４６０号公報には、重力を利用して燃料電池の冷却系統に供給された冷却液を下方のタンクに排出することで、燃料電池スタックの熱容量を小さくして暖機性能を向上する技術が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２５７４６０号公報
【特許文献２】特開昭６２−１９８０５８号公報
【特許文献３】特表２００３−５００８２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、燃料電池の冷却系統から冷却水を排出した場合、暖機が完了した後に冷却水を冷却系統に戻す必要があるが、特開２００３−２５７４６０号公報に開示された技術では、循環ポンプを利用して冷却水を冷却系統に戻しているため、循環ポンプを駆動するための動力源が必要となる。このため、システムの負荷が大きくなりシステム効率が悪化する虞がある。
【０００５】
この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、燃料電池の冷却系統から冷却水を排出した場合に、冷却水を冷却系統に戻すために必要となる負荷を最小限に抑えることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、電力を発生する燃料電池と、前記燃料電池内に設けられた冷却液流路と、所定の場合に前記冷却液流路内の冷却液を排出する冷却液排出手段と、前記冷却液流路から排出された冷却液を貯水する貯水部と、システム内を流れるガスの流れを利用して、前記貯水部内の冷却液を前記冷却液流路内に戻す冷却液復帰手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
第２の発明は、第１の発明において、前記冷却液復帰手段は、システム内の前記ガスが流れるガス流路内に前記冷却液流路の開口端を導入して構成されることを特徴とする。
【０００８】
第３の発明は、第２の発明において、前記開口端から前記ガス流路への冷却液の流入を阻止するストッパ部が設けられたことを特徴とする。
【０００９】
第４の発明は、第３の発明において、前記ストッパ部は、前記冷却液流路内の冷却液に浮かぶフロートを含み、前記冷却液流路に冷却液が満たされた場合に、前記フロートが前記開口端を塞ぐことで前記ガス流路への冷却液の流入を阻止することを特徴とする。
【００１０】
第５の発明は、第２〜第４の発明にいずれかにおいて、前記冷却液復帰手段は、前記貯水部内の冷却液を前記冷却液流路内に戻すときに、前記ガス流路へ前記ガスが流れるように流路を設定する流路切換弁を含むことを特徴とする。
【００１１】
第６の発明は、第１〜第５の発明にいずれかにおいて、システム内の温度を検出する温度センサを備え、前記冷却液復帰手段は、システム内の温度が所定値に達した場合に前記貯水部内の冷却液を前記冷却液流路内に戻すことを特徴とする。
【００１２】
第７の発明は、第１〜第６の発明にいずれかにおいて、システム内の温度を検出する温度センサを備え、前記冷却液排出手段は、システム内の温度が所定値以下である場合に前記冷却液流路内の冷却液を排出することを特徴とする。
【００１３】
第８の発明は、第１〜第７の発明にいずれかにおいて、前記貯水部は前記燃料電池の下部に設けられ、前記冷却液排出手段は、前記燃料電池と前記貯水部の間の冷却液の流れを制御する制御弁を含み、前記制御弁を開くことで重力により前記冷却液流路内の冷却液を前記貯水部へ排出することを特徴とする。
【００１４】
第９の発明は、第１〜第８の発明にいずれかにおいて、システム内を流れる前記ガスは、前記アノードガス、前記カソードガス、前記アノードから排出されたアノードオフガス、又は前記カソードから排出されたカソードオフガスであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
第１の発明によれば、システム内を流れるガスの流れを利用して、貯水部内の冷却液を冷却液流路内に戻すことができるため、冷却水を戻すための専用のポンプ等の設備が不要となる。従って、燃料電池システムのシステム効率を向上させることが可能となる。
【００１６】
第２の発明によれば、システム内のガスが流れるガス流路内に冷却液流路の開口端を導入したため、ガス流路内のガス流によるベンチェリ効果によって貯水部内の冷却液を冷却液流路に戻すことが可能となる。
【００１７】
第３の発明によれば、冷却液流路の開口端からガス流路への冷却液の流入を阻止するストッパ部を設けたため、冷却液がガス流路内のガスに混入してしまうことを抑止できる。従って、燃料電池システムの信頼性を高めることが可能となる。
【００１８】
第４の発明によれば、冷却液流路に冷却液が満たされた場合に、冷却液に浮かぶフロートが冷却液流路の開口端を塞ぐため、冷却液がガス流路内のガスに混入してしまうことを抑止することができる。
【００１９】
第５の発明によれば、貯水部内の冷却液を前記冷却液流路内に戻すときに、ガス流路へガスが流れるように流路を設定する流路切換弁を設けたため、ガス流路内のガス流によって貯水部内の冷却液を冷却液流路に戻すことが可能となる。
【００２０】
第６の発明によれば、システム内の温度が所定値に達した場合に貯水部内の冷却液を冷却液流路内に戻すようにしたため、燃料電池の暖機が完了した際に冷却液を冷却液流路内に戻すことが可能となる。
【００２１】
第７の発明によれば、システム内の温度が所定値以下である場合に冷却液流路内の冷却液を排出するようにしたため、燃料電池の暖機が完了していない間は、燃料電池の熱容量を低下させることができる。従って、燃料電池の暖機効率を高めることが可能となる。
【００２２】
第８の発明によれば、貯水部を燃料電池の下部に設け、燃料電池と貯水部の間に制御弁を設けたため、制御弁を開くことで重力により冷却液流路内の冷却液を貯水部へ排出することが可能となる。
【００２３】
第９の発明によれば、システム内を流れるガスとして、アノードガス、カソードガス、アノードから排出されたアノードオフガス、又はカソードから排出されたカソードオフガスを用いることで、システム内のガスを有効利用して貯水部内の冷却液を冷却液流路内に戻すことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図面に基づいてこの発明の一実施形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００２５】
図１は、本発明の一実施形態にかかる燃料電池システム１０の構成を示す模式図である。図１に示すように、燃料電池システム１０は、燃料電池１２（ハッチングで示す部分）、リザーブタンク（貯水部）１４、ガス流路１６を有して構成されている。燃料電池１２の上部にガス流路１６が設けられ、燃料電池１２の下部にリザーブタンク１４が設けられている。
【００２６】
燃料電池１２は、例えば固体高分子型分離膜を備えた燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であり、分離膜（電解質膜）、アノード、カソード、およびセパレータとから構成される単位セルを複数積層して構成される。アノード、カソードの間には、燃料ガス（改質ガス）および酸化ガスの流路が形成されている。電解質膜は、固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。アノードおよびカソードは、共に炭素繊維を織成したカーボンクロスにより形成されている。セパレータは、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンなどガス不透過の導電性部材により形成されている。
【００２７】
燃料電池１２には、アノードガス流路及びカソードガス流路が導入されている。アノードガス流路からは、水素リッチなアノードガスが送られる。また、カソードガス流路からは、酸素を含む酸化ガスとしてのカソードガスが送られる。図１に示すガス流路１６には、例えば、これらのアノードガス、カソードガス、またはアノードから排出されたアノードオフガス、カソードから排出されたカソードオフガスが流れている。システム内の他のガスをガス流路１６に流しても良い。
【００２８】
燃料電池１２のアノードでは、アノードガスが送り込まれると、このアノードガス中の水素から水素イオンを生成し（Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−）、カソードは、カソードガスが送り込まれると、このカソードガス中の酸素から酸素イオンを生成し、燃料電池１２内では電力が発生する。また、これと同時にカソードにおいて、上記の水素イオンと酸素イオンとから水が生成される（（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ）。この水のほとんどは、燃料電池１２内で発生する熱を吸収して水蒸気として生成される。
【００２９】
燃料電池１２とリザーブタンク１４は断熱材１８によって囲まれている。リザーブタンク１４内には一定量以上の冷却水（ＬＬＣ）が貯水されており、燃料電池１２とリザーブタンク１４を断熱材１８で囲むことにより、リザーブタンク１４内の冷却水の熱によって燃料電池１２を保温することが可能である。
【００３０】
図１に示すように、燃料電池１２には冷却液流路２０が設けられている。冷却液流路２０は燃料電池１２の単位セル間に張り巡らされており、冷却液流路２０に冷却水を流すことで燃料電池１２が冷却される。なお、冷却液流路２０、リザーブタンク１４に冷却水以外の液体（オイル等）を入れて冷却を行っても良い。
【００３１】
冷却液流路２０とリザーブタンク１４は、電磁弁（制御弁）２２を介して接続されている。そして、電磁弁２２を開くと、重力により冷却液流路２０内の冷却水がリザーブタンク１４へ流れるように構成されている。
【００３２】
燃料電池１２の近傍には、燃料電池１２の温度を検出する温度センサ２４が設けられている。また、リザーブタンク１４には、リザーブタンク１４内の冷却水温を検出する温度センサ２６が設けられている。
【００３３】
ガス流路１６には可変バルブ２８が設けられている。ガス流路１６は可変バルブ２８の位置で２つの流路１６ａ，１６ｂに分岐しており、可変バルブ２８の設定を切り換えることで、ガス流路１６を流れるガスを流路１６ａ、流路１６ｂの一方に流すことができる。
【００３４】
燃料電池１２は所定の動作温度に昇温した状態で運転されるため、始動時には暖機を行う必要がある。燃料電池１２が動作温度まで昇温した通常の運転状態では、図１に示すように冷却液流路２０内に冷却水が満たされている。これにより、電力を発生させた際の反応熱によって燃料電池１２が必要以上に加熱してしまうことが抑えられる。なお、冷却液流路２０内の冷却水は、冷却水循環ポンプ（不図示）を駆動することで冷却液流路２０内を循環している。
【００３５】
一方、始動時など燃料電池１２を暖機する際には、冷却液流路２０内に冷却水が満たされていると燃料電池１２の熱容量が大きくなるため、暖機効率が低下し、燃料電池１２が動作温度に達するまで長時間を要することとなる。また、冷却液流路２０に冷却水が満たされている状態では、冷却水が媒体となって燃料電池１２から外部への放熱量が大きくなり、やはり暖機効率の低下を招来する。
【００３６】
このため、本実施形態の燃料電池システム１０では、燃料電池１２の暖機が完了するまでの間は、冷却液流路２０内の冷却水をリザーブタンク１４に排出するようにしている。具体的には、温度センサ２４により燃料電池１２の温度が所定値以下であることが検出された場合は、電磁弁２２を開いて冷却液流路２０とリザーブタンク１４を接続する。これにより、図２に示すように、重力によって冷却液流路２０内の冷却水がリザーブタンク１４内へ送られる。冷却液流路２０から冷却水が排出されると、燃料電池１２の下部まで水位が下がる。
【００３７】
これにより、燃料電池１２の熱容量を小さくすることができ、また、冷却水を媒体とした燃料電池１２の外部への放熱を低減できるため、暖機効率を高めることができる。従って、短時間で燃料電池１２を動作温度まで昇温させることが可能となる。また、氷点下から始動させた場合であっても、燃料電池１２を短時間で昇温できるため、カソードでの生成水が凍結してしまうことを抑止できる。従って、より低い温度からのシステム起動が可能となる。なお、始動時にカソードでの生成水の凍結を防ぐためには、温度センサ２６によって検出したリザーブタンク１４内の冷却水温が０℃を下回った場合に冷却液流路２０内の冷却水をリザーブタンク１４へ移し、リザーブタンク１４内の冷却水温が０℃以上となった場合に冷却水をリザーブタンク１４内に戻すことが好適である。
【００３８】
燃料電池１２の暖機が完了すると、燃料電池１２での反応による温度上昇を抑えるため、冷却液流路２０に冷却水を戻す必要がある。従って、温度センサ２４によって燃料電池１２の温度が所定値以上となった場合は、リザーブタンク１４内の冷却水を冷却液流路２０へ戻す制御を行う。この際、本実施形態の燃料電池システム１０では、ガス流路１６内のガス流を利用してリザーブタンク１４内の冷却水を冷却液流路２０へ吸い上げるようにしている。
【００３９】
図１および図２に示す状態では、ガス流路１６の流路１６ａ側にガスが流れるように可変バルブ２８の状態が設定されている。この場合、ガス流路１６を流れるガス流が冷却液流路２０側に作用することはない。リザーブタンク１４内の冷却水を吸い上げる際には、流路１６ｂ側にガスが流れるように可変バルブ２８の状態を設定する。
【００４０】
図１に示すように、垂直方向に配設された複数の冷却液流路２０の上端部は、流路１６ｂ内に導入されており、冷却液流路２０の上端部にキャブレタ形状部３０が設けられている。図３はキャブレタ形状部３０の構造を示す模式図である。ここで、図３（Ａ）は流路１６ｂにガスが流れていない状態を、図３（Ｂ）は流路１６ｂにガスが流れている状態をそれぞれ示している。図３に示すように、流路１６ｂ内に導入された冷却液流路２０の上端部はノズル状に開口径が縮小されており、内部にはフロート３２が挿入されている。そして、冷却液流路２０内にはフロート３２の落下を防ぐためのストッパー部２０ａが設けられている。図３（Ａ）に示すように、流路１６ｂ内にガスが流れていない状態では、ストッパー部２０ａによってフロート３２の落下が抑えられている。
【００４１】
流路１６ｂ側にガスが流れるように可変バルブ２８の状態が設定されると、流路１６ｂを流れるガスによる流速が発生し、ベンチェリ効果によって冷却液流路２０の上端部に負圧が生じる。従って、電磁弁２２を開くとリザーブタンク１４内の冷却水が吸い上げられる。冷却水が冷却液流路２０の上端部まで上昇すると、フロート３２が冷却水に浮き冷却水の水面とともに上昇する。そして、図３（Ｂ）に示すように、上昇したフロート３２が冷却液流路２０の上端部の径縮小部を塞ぐと、冷却水の上昇が停止する。これにより、冷却水が流路１６ｂ内に入ることが抑止される。冷却水としてＬＬＣを用いた場合は、ＬＬＣがガス流路１６を流れるシステム内のガスに混入すると燃料電池１２に影響を及ぼすことが懸念されるが、本実施形態によれば、フロート３２を設けたことによりＬＬＣがガス流路１６内のガスに混入することを確実に抑止することができる。
【００４２】
図４はキャブレタ形状部３０の構造の他の例を示す模式図であって、図４（Ａ）は流路１６ｂにガスが流れていない状態を、図４（Ｂ）は流路１６ｂにガスが流れている状態をそれぞれ示している。図４の例では、冷却液流路２０の上端部を流路１６ｂ内のガス流の方向に屈曲させている。図４の場合においても、流路１６ｂにガスを流すことで冷却液流路２０の上端部に負圧が生じ、冷却水を吸い上げることができる。
【００４３】
図５はキャブレタ形状部３０の構造の他の例を示す模式図であって、図５（Ａ）は流路１６ｂにガスが流れていない状態を、図５（Ｂ）は流路１６ｂにガスが流れている状態をそれぞれ示している。また、図５（Ｃ）はフロート３２の上面図である。図５の例では、フロート３２を貫通する孔３２ａを設けているため、ベンチェリ効果により負圧が生じた場合に、冷却液流路２０内の空気が孔３２ａを通過する。従って、リザーブタンク１４内の冷却水を確実に吸い上げることができる。
【００４４】
図６はキャブレタ形状部３０の構造の他の例を示す模式図であって、図６（Ａ）は流路１６ｂにガスが流れていない状態を、図６（Ｂ）は流路１６ｂにガスが流れている状態をそれぞれ示している。図６の例では、フロート３２と蓋３４を接続し、蓋３４の端部を冷却液流路２０の壁面に設けた可動部３６に接続している。フロート３２及び蓋３４は可動部３６を中心として回転することができ、その回転角は図６（Ａ）に示す角度θの範囲に規制されている。このように、冷却液流路２０内にストッパー部２０ａを設けずにフロート３２の可動範囲を規制しても良い。
【００４５】
図７は、冷却水の吸い上げが完了した状態を示す模式図である。冷却水の吸い上げが完了すると電磁弁２２が閉じられる。これにより、燃料電池１２内における水位の低下が抑えられ、冷却液流路２０に冷却水を循環させることができる。なお、制御弁２２を閉じた後、流路１６ａ側にガスが流れるように可変バルブ２８の状態が設定される。
【００４６】
図７において、冷却水を吸い上げることのできる高さＨは、流路１６ｂを流れるガスの流速と、冷却水の密度、粘度、冷却液流路２０の形状、傾き等から決定されるため、冷却液流路２０の高さ方向の長さはこれらのパラメータに基づいて定めることが望ましい。
【００４７】
このように、本実施形態では、流路１６ｂにガスを流すことで燃料電池１２側に冷却水を吸い上げることができ、また、電磁弁２２を開くことで冷却水をリザーブタンク１４に排出できるため、可変バルブ２８の設定状態と、電磁弁２２の開閉状態によって冷却液流路２０内の冷却水量を自在に調整することができる。従って、暖機が完了した後であっても、運転状態に応じて適宜に冷却水量を調整することが可能である。また、通常運転時に冷却液流路２０内に空気が混入した場合であっても、流路１６ｂ側にガスを流すことで水位を上昇させることができ、冷却液流路２０内のエア抜きを行うことができる。
【００４８】
以上説明したように本実施形態によれば、アノードガス、カソードガスなどシステム内を流れるガスを燃料電池１２上部の流路１６ｂに流し、流路１６ｂ内に冷却液流路２０を導入したため、流路１６ｂ内のガス流によるベンチェリ効果によってリザーブタンク１４内の冷却水を吸い上げることが可能となる。従って、システム内のガス流を利用して冷却水を吸い上げることが可能となり、冷却水を吸い上げるための専用のポンプ等の設備が不要となる。従って、燃料電池システム１０のシステム効率を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の一実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図２】冷却液流路から冷却水を排出した状態を示す模式図である。
【図３】キャブレタ形状部の構造を示す模式図である。
【図４】キャブレタ形状部の構造の他の例を示す模式図である。
【図５】キャブレタ形状部の構造の他の例を示す模式図である。
【図６】キャブレタ形状部の構造の他の例を示す模式図である。
【図７】冷却水の吸い上げが完了した状態を示す模式図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０  燃料電池システム
１２  燃料電池
１４  リザーブタンク（貯水部）
１６  ガス流路
１６ａ，１６ｂ  流路
２０  冷却液流路
２０ａ  ストッパー部
２２  電磁弁（制御弁）
２４，２６  温度センサ
２６  キャブレタ形状部
２８  可変バルブ（流路切換弁）
３２  フロート
【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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【図６】
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【図７】
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