(57)【要約】【課題】本発明では、燃料電池自動車の冷却装置において、ラジエータのサイズを小さくし、車両のレイアウト、居住性、安全性、走行安定性の改善を可能にすることができる有用な燃料電池自動車の冷却装置を提供することを目的としている。【解決手段】自動車に搭載された燃料電池の冷却装置において、燃料電池内を通過することによって燃料電池を冷却する冷却液として潜熱蓄熱材を内包したマイクロカプセルを用いることにより、効率的に熱を搬送できる燃料電池自動車用の冷却装置を提供する。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池自動車の冷却装置において、燃料電池内を通過することによって燃料電池を冷却する冷却液として潜熱蓄熱材を内包したマイクロカプセルの分散液を用いることを特徴とする燃料電池自動車用冷却装置。
【請求項２】
潜熱蓄熱材の融点が４０℃から９０℃である請求項１記載の燃料電池自動車用冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車に搭載された燃料電池の冷却装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
少なくとも水素を含むガスと少なくとも酸素を含むガスの供給を受け、前記両ガスを用いた電気化学反応により起電力を得る燃料電池が開示されている（例えば、特許文献１参照）。また、燃料電池を備え、得られた電気により走行用モータを駆動して走行する燃料電池自動車が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
上記の如き燃料電池は、水素と酸素との電気化学反応の進行とともに反応熱が生成する。従って燃料電池を冷却する必要があるが、自動車に搭載される固体高分子型燃料電池は８０℃程度の温度で最も効率が高くなるという性質を有していることから、燃料電池本体を８０℃程度に保つ必要がある。
【０００４】
燃料電池は通常、単セルを複数積層したスタック構造として構成されるが、このスタック構造内に所定の形状の流路を形成し、この流路内に冷却液として水を循環させることによって、電気化学反応によって生じる熱を水によって取り除き、燃料電池の温度を所定の範囲に保つ。このように、発生した熱を水によって取り除く従来の燃料電池としては、燃料電池内を通過して燃料電池を冷却することによって昇温した水を、ラジエータなどの熱交換部において冷却し、冷却した水を再び燃料電池内に循環させるものが知られている（例えば、特許文献３参照）。このような動作を行うことによって燃料電池の温度が上昇してしまうことを防ぎ、所定の温度以下に保つことが可能となる。
【０００５】
しかし、燃料電池の効率が最も高くなる温度が８０℃程度と低いため、従来のエンジンを搭載した自動車に比べて冷却装置の能力がより要求される。そのため、昇温した水を冷却するためのラジエータのサイズが大きくなる。そのため、燃料電池自動車においては車両のレイアウト、居住性、安全性、走行安定性に大きく影響してしまうという問題点があった。
【特許文献１】米国特許第５０４７２９８号明細書
【特許文献２】特開昭５１−４７１７号公報
【特許文献３】特開平６−１８８０１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明では、燃料電池自動車の冷却装置において、上記課題を解決し、有用な燃料電池自動車の冷却装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決すべく検討を行った結果、自動車に搭載された燃料電池の冷却装置において、前記燃料電池内を通過することによって前記燃料電池を冷却する冷却液として潜熱蓄熱材を内包したマイクロカプセルを用いることにより、効率的に熱を搬送できる燃料電池自動車用の冷却装置を提供する。
【０００８】
潜熱蓄熱材は潜熱を利用して小容量で且つ多量の熱量を所定の温度域に蓄えることが可能であるが、単体では凝固した際に流動性を失うため冷却液としては不適であった。そこで、本発明では潜熱蓄熱材をマイクロカプセルに内包し媒体に分散させることにより、潜熱蓄熱材の相状態に関係なく良好な流動性を有する冷却液を得る。
【発明の効果】
【０００９】
本発明により、燃料電池自動車の冷却装置におけるラジエータのサイズを小さくすることができ、車両のレイアウト、居住性、安全性、走行安定性の改善を可能にする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の燃料電池自動車は、少なくとも水素を含むガスと、少なくとも酸素を含むガスの供給を受け、前記両ガスを用いた電気化学反応により起電力を得る燃料電池を備え、該燃料電池から電力を得ることにより走行用モーターを駆動して走行する電気自動車である。
【００１１】
本発明の燃料電池は固体高分子電解質型燃料電池であり、構成単位である単セルを複数積層したスタック構造を有している。単セルは電解質膜、アノード、カソードおよびセパレータから構成されている。
【００１２】
本発明の冷却装置は前記燃料電池内を通りラジエータへとつながる冷却液通路内を冷却液が所定のポンプにより循環し、燃料電池で発生した熱を取り除き、ラジエータへと搬送することで燃料電池は冷却される。昇温した冷却液はラジエータなどの熱交換部において冷却され、再び燃料電池内に循環させる。
【００１３】
冷却装置を循環する冷却液に潜熱蓄熱材を内包したマイクロカプセルを用いることが本発明の特徴である。潜熱蓄熱材を内包したマイクロカプセルは潜熱を利用して小容量で且つ多量の熱量を所定の温度域に蓄えることが可能であり、また潜熱蓄熱材の相状態に関係なく良好な流動性を有するため、冷却液として適している。以下にその理由を説明する。潜熱蓄熱材が燃料電池内で融解し融解熱によって燃料電池から熱を除去する。その後ラジエータで空気中へ凝固熱として熱を放出する。凝固、融解は狭い温度域で起こり、顕熱で冷却する水に比べるとその間に移動する熱量が大きいために、ラジエータの入口と出口の温度差が小さくても十分な冷却効果が得られる。そのため、冷却液と外気との温度差を高く保つことが可能になり、放熱性能が大幅に向上する。
【００１４】
本発明のマイクロカプセルで内包される潜熱蓄熱材は相転移に伴う潜熱を利用して蓄熱する目的で用いられる。具体的には、融点あるいは凝固点を有する化合物であれば使用可能である。具体的な蓄熱材としては、ワックス類や、無機系共晶物および無機系水和物、脂肪酸類、エステル化合物が挙げられ、好ましくは融解熱量が約８０ｋＪ／ｋｇ以上の化合物で、化学的、物理的に安定でしかも安価なものが用いられる。これらは混合して用いても良いし、必要に応じ過冷却防止剤、比重調節剤、劣化防止剤等を添加することが出来る。
【００１５】
本発明のマイクロカプセルの製法として物理的方法と化学的方法が知られているが、特に潜熱蓄熱材をマイクロカプセル化する方法としては、複合エマルジョン法によるカプセル化法（特開昭６２−１４５２号公報）、蓄熱材粒子の表面に熱可塑性樹脂を噴霧する方法（特開昭６２−４５６８０号公報）、蓄熱材粒子の表面に液中で熱可塑性樹脂を形成する方法（特開昭６２−１４９３３４公報）、蓄熱材粒子の表面でモノマーを重合させ被覆する方法（特開昭６２−２２５２４１公報）、界面重縮合反応によるポリアミド皮膜マイクロカプセルの製法（特開平２−２５８０５２公報）等に記載されている方法が用いられる。
【００１６】
マイクロカプセルの膜材としては、界面重合法、インサイチュー（in-situ）法等の手法で得られるポリスチレン、アクリル樹脂、ポリアクリロニトリル、ポリアミド、ポリアクリルアミド、エチルセルロース、ポリウレタン、アミノ樹脂、またはゼラチンとカルボキシメチルセルロース若しくはアラビアゴムとのコアセルベーション法を利用した合成あるいは天然の樹脂が用いられるが、物理的、化学的に安定なインサイチュー法によるメラミンホルマリン樹脂皮膜、尿素ホルマリン樹脂皮膜を用いたマイクロカプセルを使用することが特に好ましい。
【００１７】
本発明に係るマイクロカプセルの粒子径は、物理的圧力による破壊を防止するために１０μｍ以下、特に好ましくは５μｍ以下が好ましい。マイクロカプセルの粒子径は、カプセル作製時に用いる乳化剤の種類と濃度、乳化時の乳化液の温度、乳化比（水相と油相の体積比率）、乳化機、分散機等と称される微粒化装置の運転条件（攪拌回転数、時間等）等を適宜調節して所望の粒子径に設定する。この粒子径以上になるとマイクロカプセルが外圧で容易に壊れやすくなったり、蓄熱材の比重が分散媒のそれと大きく差がある場合など、浮遊したり沈降したりし易くなるので好ましくない。粒子径は例えばコールターカウンター（英国コールターエレクトロニクス社、コールターマルチサイザー）で測定することができる。
【００１８】
マイクロカプセル分散液のマイクロカプセルの占める割合は高いほど蓄熱量が増し好ましいが、良好な流動性を維持するには１０〜７０％（ｗｔ／ｗｔ）、好ましくは２０〜６０％（ｗｔ／ｗｔ）の範囲にするのが好ましい。この範囲以上の割合であると分散液の粘度上昇のために流動性が乏しくなり、またこの範囲以下の割合であると蓄熱効果に乏しいものとなり好ましくない。
【００１９】
燃料電池内を通りラジエーターへとつながる冷却液通路内を循環する冷却液としてマイクロカプセル分散液を用いることにより、効率的に熱を搬送するが、その他の冷却を要する部品であるモータ、バッテリー、制御装置などに適した蓄熱温度を有する潜熱蓄熱材を内包するマイクロカプセルを混合させることが可能である。その冷却液を各装置へ循環させることで単一の冷却装置で複数の部品を効率よく冷却することができる。
【００２０】
冬季には車室内の暖房が必要となるが、燃料電池で発生した熱をマイクロカプセルに蓄え、暖房時の熱源として利用することも可能である。
【００２１】
冷却する装置にあわせた潜熱蓄熱材が使用可能であるが、潜熱蓄熱材の融点は４０℃から９０℃であることが好ましく、特に好ましいのは６０℃から８５℃である。これより低いと効果が十分でなく、高いとカプセルの劣化が起こることがある。本発明で述べる潜熱蓄熱材の融点および融解熱量は示差走査熱量計で測定された値を示す。
【００２２】
以下、本発明の実施手順を実施例として具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。なお、マイクロカプセルの粒径についてはコールターカウンター（英国コールターエレクトロニクス社、コールターマルチサイザー）、融点については示差走査熱量計（米国パーキンエルマー社、ＤＳＣ７）で測定した。
【実施例１】
【００２３】
マイクロカプセル分散液の調整：ｐＨを４．５に調整した５％のスチレン−無水マレイン酸共重合体のナトリウム塩水溶液１００ｇの中に、潜熱蓄熱材として融点８０℃のパラフィンワックス８０ｇを激しく撹拌しながら添加し、平均粒子径が１．９μｍになるまで乳化を行なった。次にメラミン５部と３７％ホルムアルデヒド水溶液７．５部及び水１５部を混合し、これをｐＨ８に調整し、約８０℃でメラミン−ホルマリン初期縮合物水溶液を調製した。この全量を上記乳化液に添加し７０℃で２時間加熱撹拌を施してカプセル化反応を行なった後、この分散液のｐＨを９に調整してカプセル化を終了した。得られたマイクロカプセルの体積平均粒子径は２．０μｍであった。
【００２４】
燃料電池内を通りラジエータへとつながる冷却液通路内を冷却液が所定のポンプにより循環することにより、燃料電池本体で発生した熱はマイクロカプセルに蓄えられ、ラジエータにて放出される。燃料電池をマイクロカプセルにより効率よく冷却できるためラジエータサイズが小さいものでもこれらを搭載した燃料電池自動車は安定な走行が可能であった。
【００２５】
（比較例１）
燃料電池本体とラジエータとを結ぶ冷却液流路内を所定のポンプで水を循環させることにより燃料電池本体を冷却すると、実施例１と同じラジエータサイズでは燃料電池自動車の安定な走行が困難であった。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明により燃料電池自動車の冷却装置におけるラジエータのサイズを小さくすることができ、車両のレイアウト、居住性、安全性、走行安定性の改善を可能にする。