(57)【要約】【課題】  本発明では、冷却システムとは別個にバランサ容器を設けることなく圧力調整できるようにすることで、コストの低減化および冷却システムの小型化に寄与することができる燃料電池発電装置および圧力調整方法を提供することを目的とする。【解決手段】  燃料電池発電装置１は、燃料電池２と、燃料電池２とラジエータ３との間で冷却水を循環させる冷却水循環流路４と、を備えている。そして、この燃料電池発電装置１では、ラジエータ３内を流通する冷却水内に混在するガスを分離するための気相室３２ａを有する気液分離部３２を、ラジエータ３の上部に配置し、空気供給配管２２から分岐した信号圧配管２２ｂと、気液分離部３２の気相室３２ａとを連通することで、冷却水の圧力と空気の圧力とをラジエータ３内で均衡させている。【選択図】      図２
2005078831.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素ガス供給配管と酸素ガス供給配管からそれぞれ水素ガスと酸素ガスが供給されることで、前記水素ガスと前記酸素ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池とラジエータとの間で冷却水を循環させる冷却水循環流路と、を備えた燃料電池発電装置において、
前記ラジエータ内を流通する冷却水内に混在するガスを分離するための気相室を有する気液分離部を、前記ラジエータの上部に配置し、
前記水素ガス供給配管または前記酸素ガス供給配管から分岐した信号圧配管と、前記気液分離部の気相室とを連通することで、前記冷却水の圧力と前記水素ガスまたは前記酸素ガスの圧力とを前記ラジエータ内で均衡させることを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項２】
水素ガス供給配管と酸素ガス供給配管からそれぞれ水素ガスと酸素ガスが供給されることで、前記水素ガスと前記酸素ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池とラジエータとの間で冷却水を循環させる冷却水循環流路と、を備えた燃料電池発電装置において、前記水素ガスまたは前記酸素ガスの圧力と、前記冷却水の圧力とを調整する圧力調整方法であって、
前記水素ガスまたは前記酸素ガスの一部を前記ラジエータの上部から導入させることで、前記水素ガスまたは前記酸素ガスの圧力と、前記冷却水の圧力とを前記ラジエータ内で均衡させることを特徴とする圧力調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却水と、酸素または水素との圧力差を調整するための燃料電池発電装置および圧力調整方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、固体高分子電解質膜を挟んでアノード側電極とカソード側電極とを対設したセル（単セル）を、良好な導電性を有する金属やカーボン製のセパレータにより挟持して複数積層することにより構成された燃料電池が知られている。このような積層型の燃料電池においては、燃料電池内部を冷却するための冷却水と、燃料電池に供給する酸素または水素との圧力差が所定の範囲内に収まっていないと、燃料電池を構成する膜に過大な圧力が加わり、その寿命が短くなる可能性があった。
【０００３】
このような問題に対し、従来、冷却水が循環する循環ラインにバランサ容器を設け、このバランサ容器内に伸縮自在なベローズを設け、このベローズを燃料電池へ供給する空気の圧力により伸縮させることで、冷却水と空気との圧力を調整する圧力バランサがある（特許文献１参照）。また、これとは違うタイプの圧力バランサとして、図４に示すように、冷却水が供給されるバランサ容器ＢＢの上部に、空気が通るカソードガスラインＧＬ（または水素が通るアノードガスライン）の一部を接続し、バランサ容器ＢＢ内の冷却水と空気との界面の位置を調整することで、冷却水と空気との圧力差を所定範囲内に収めるものがある。さらに、別のタイプの圧力バランサとして、前記したバランサ容器ＢＢの上部にカソードガスラインＧＬを接続する代わりに、容器内部の圧力が所定値を超えたときに開放される弁を設けることで、冷却水の圧力を所定範囲内に収めるものもある（特許文献２参照）。
【０００４】
また、前記した圧力バランサのうち、後の二つのタイプは、冷却水と空気とが直接触れているため、例えば燃料電池から排出されてくる冷却水内に空気が混ざっていたとしても、この空気をバランサ容器ＢＢ内にて冷却水から分離させることができるようになっている。そして、このような気液分離を良好に実現するためには、圧力バランサを冷却システムの最上部に設ける必要がある。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３１２５１号公報（段落００３０，００３３、図４）
【特許文献２】特開２００２−１２４２６９号公報（段落００２４，００２５、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の圧力バランサでは、ラジエータや配管で主に構成される冷却システムとは別個にバランサ容器を設けるので、その分コストが高くなっていた。また、空気と冷却水とが直接触れるタイプでは、圧力バランサを冷却システムの最上部にレイアウトすることが煩雑であるとともに、上方に設けた圧力バランサへ配管を繋ぐ必要があるので、冷却システムが大型となる問題があった。
【０００７】
さらに、図４に示す圧力バランサでは、カソードガスラインＧＬから供給される空気が冷却水の出口から冷却水と一緒に出て行かないように、冷却水の水深（水面から冷却水出口までの距離）をある程度確保する必要があるため、バランサ容器ＢＢ自体を小型化して冷却システム全体を小型化することも困難であった。
【０００８】
そこで、本発明では、冷却システムとは別個にバランサ容器を設けることなく圧力調整できるようにすることで、コストの低減化および冷却システムの小型化に寄与することができる燃料電池発電装置および圧力調整方法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】
【０００９】
前記課題を解決した本発明のうち請求項１に記載の発明は、水素ガス供給配管と酸素ガス供給配管からそれぞれ水素ガスと酸素ガスが供給されることで、前記水素ガスと前記酸素ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池とラジエータとの間で冷却水を循環させる冷却水循環流路と、を備えた燃料電池発電装置において、前記ラジエータ内を流通する冷却水内に混在するガスを分離するための気相室を有する気液分離部を、前記ラジエータの上部に配置し、前記水素ガス供給配管または前記酸素ガス供給配管から分岐した信号圧配管と、前記気液分離部の気相室とを連通することで、前記冷却水の圧力と前記水素ガスまたは前記酸素ガスの圧力とを前記ラジエータ内で均衡させることを特徴とする。
【００１０】
請求項１に記載の発明によれば、ラジエータの上部に設けた気液分離部内において、ラジエータ内の冷却水の圧力と水素ガスまたは酸素ガスの圧力とが調整される。すなわち、従来のバランサ容器の機能をラジエータに持たせることとなり、バランサ容器を別個に設ける必要がなくなる。また、ラジエータの上部を冷却システムの最上部に位置させるだけで、気液分離部を冷却システムの最上部に位置させることができるので、そのレイアウトが容易となる。さらに、ラジエータが従来の気液分離機能を備えたバランサ容器の役目を果たすので、従来のように別個に設けたバランサ容器まで冷却水用の配管を伸ばす必要がなくなる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、水素ガス供給配管と酸素ガス供給配管からそれぞれ水素ガスと酸素ガスが供給されることで、前記水素ガスと前記酸素ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池とラジエータとの間で冷却水を循環させる冷却水循環流路と、を備えた燃料電池発電装置において、前記水素ガスまたは前記酸素ガスの圧力と、前記冷却水の圧力とを調整する圧力調整方法であって、前記水素ガスまたは前記酸素ガスの一部を前記ラジエータの上部から導入させることで、前記水素ガスまたは前記酸素ガスの圧力と、前記冷却水の圧力とを前記ラジエータ内で均衡させることを特徴とする。
【００１２】
請求項２に記載の発明によれば、ラジエータ内において、水素ガスまたは酸素ガスの圧力と、冷却水の圧力とが調整される。すなわち、この方法によれば、水素ガスまたは酸素ガスの一部をラジエータの上部から導入するだけで、従来のように別個にバランサ容器を設けることなく、圧力調整を行うことができる。また、水素ガスまたは酸素ガスの一部をラジエータの上部から導入することで、この導入部にラジエータ内の冷却水から分離したガスを溜めることもできるので、気液分離の機能をも持たせることができる。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に記載の発明によれば、従来のバランサ容器の機能をラジエータに持たせることとなるので、バランサ容器を別個に設ける必要がなくなり、その分コストを低減することができるとともに、冷却システムを小型化することができる。また、ラジエータの上部を冷却システムの最上部に位置させるだけで、気液分離部を冷却システムの最上部に位置させることができるので、そのレイアウトが容易となる。さらに、ラジエータがバランサ容器の役目を果たすので、従来において設けていたバランサ容器までの配管を省くことができ、その分コストを低減し、かつ冷却システムを小型化することができる。
【００１４】
請求項２に記載の発明によれば、水素ガスまたは酸素ガスの一部をラジエータの上部から導入するだけで、従来のように別個にバランサ容器を設けることなく、圧力調整を行うことができるので、その分コストを低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図面において、図１は本実施形態に係る燃料電池発電装置を搭載した車両を示す側面図、図２は図１の燃料電池発電装置の詳細を示す構成図、図３は図２のラジエータに設けられる気液分離部を示す拡大図である。
【００１６】
図１に示すように、燃料電池発電装置１は、車両Ｍの図示しない車室内の床下に配設される燃料電池２と、車両Ｍの前方に配設されるラジエータ３と、燃料電池２とラジエータ３との間で冷却水を循環させる冷却水循環流路４とを主に備えている。なお、燃料電池２は、図示しないエアコンプレッサなどの空気供給源と水素タンクなどの水素供給源から供給される空気と水素によって発電する。
【００１７】
燃料電池２は、図２に示すように、水素ガス供給配管２１と空気供給配管（酸素ガス供給配管）２２からそれぞれ水素ガスと空気（酸素ガス）が供給されることで、水素ガスと空気中の酸素ガスとの電気化学反応により発電するものである。空気供給配管２２は、その適所で二股に分岐しており、その一方の電池側配管２２ａが燃料電池２に接続され、他方の信号圧配管２２ｂがラジエータ３の上部に接続されている。
【００１８】
ラジエータ３は、燃料電池２を冷却するための放熱器であり、具体的には図示しないファンからの送風などによって冷却される複数枚のフィン３１，・・・間に、燃料電池２内で温められた冷却水を流すことで、この冷却水を冷却させるものである。また、ラジエータ３は、冷却水が平面方向に流れる、いわゆるサイドフロー方式となっており、その流れの下流側の上部に、上方に向かって突出するように形成される気液分離部３２が配置されている。
【００１９】
気液分離部３２は、その内部にラジエータ３内を流通する冷却水内に混在する空気（ガス）を分離するための気相室３２ａを有している。そして、この気相室３２ａ内に前記した信号圧配管２２ｂが直接連通するように、気液分離部３２の上壁３２ｂには信号圧配管２２ｂが接続されている。
【００２０】
なお、この気液分離部３２の設置場所であるラジエータ３の上部は、図１に示すように、車両Ｍの床下に燃料電池２を配設し、ラジエータ３を車両Ｍの前方に配設したことで、ラジエータ３と冷却水循環流路４とで主に構成される冷却システムの最上部に位置するため、この気液分離部３２が冷却システムの最上部に位置するようになっている。また、ラジエータ３は、従来のバランサ容器に比べ、大型であるため、図３に示すように、従来必要であった水深分（水面から冷却水の出口までの距離）は、十分確保されることとなる。言い換えると、ラジエータ３内の冷却水が、従来のバランサ容器内で必要とした冷却水を兼ねるため、従来必要であった冷却水の容積分（図中、斜線で示した範囲）だけ小型化を図ることができる。
【００２１】
図２に示すように、冷却水循環流路４は、ラジエータ３で冷却された冷却水を燃料電池２に供給するための供給用流路４１と、燃料電池２から排出される冷却水を再度ラジエータ３へ戻すための戻し用流路４２とで主に構成されている。供給用流路４１は、ラジエータ３のフィン３１，・・・の下流側の下部に接続され、戻し用流路４２は、ラジエータ３のフィン３１，・・・の上流側の上部に接続されている。そして、戻し用流路４２の適所には、冷却水を冷却水循環流路４内において一方向へ循環させるための循環用ポンプ４３が設けられている。なお、図示は省略したが、供給用流路４１と戻し用流路４２の間には、ラジエータ３をバイパスするバイパス流路が設けられ、このバイパス流路の適所には、水温に応じて冷却水が通る流路をバイパス流路とラジエータ３側の流路とに切り替えるサーモスタットバルブが設けられている。
【００２２】
次に、この燃料電池発電装置１による圧力調整方法について図２を参照して説明する。
まず、図示しないエアコンプレッサや水素タンクから空気や水素ガスを燃料電池２へ供給させるとともに、循環用ポンプ４３を駆動させて冷却水を循環させる。このように燃料電池２への空気や冷却水の供給が開始されると、空気の圧力が前記エアコンプレッサの回転速度に応じた値になるとともに、冷却水の圧力が循環用ポンプ４３の回転速度に応じた値となる。
【００２３】
そして、燃料電池２の出力に変化が生じると、図示しない制御器はその出力に応じた空気供給流量になるように前記エアコンプレッサの回転数を制御する。さらに前記制御器は、燃料電池２の出力（すなわち発電量）に応じた冷却水流量になるように循環用ポンプ４３を制御する。ここで、空気の圧力と冷却水の圧力はその流量変化に伴い変動することになるが、ラジエータ３上部に設けた気相室３２ａと空気の信号圧配管２２ｂとを接続したことにより、ラジエータ３内の冷却水の圧力と気相室３２ａでの空気の圧力とが実質的に等しく均衡されるため、燃料電池２へ供給される空気と冷却水との圧力差が所定の圧力範囲に収まることになる。すなわち、流量を変化させることによる圧力変動をラジエータ３により許容することができるので、エアコンプレッサ、循環用ポンプ４３などの制御性が向上するとともに、反応ガスと冷却水との圧力差を所定の圧力範囲に保つことができ、固体高分子膜へのダメージを減らすことができる。
【００２４】
また、燃料電池２内で冷却水に空気が混在した場合には、この冷却水に気泡として含まれる空気は、ラジエータ３のフィン３１，・・・の下流側において上昇していき、上部にある気相室３２ａ内に入ることによって冷却水と分離される。これにより、冷却水循環流路４内やラジエータ３のフィン３１，・・・の間に空気が溜まることが防止される。
【００２５】
以上によれば、本実施形態において、次のような効果を得ることができる。
従来のバランサ容器の機能をラジエータ３に持たせることとなるので、バランサ容器を別個に設ける必要がなくなり、その分コストの低減や小型化を図ることができる。
【００２６】
圧力バランサの機能を兼ねる気液分離部３２が、冷却システムの最上部となるラジエータ３の上部に設けられるので、従来のように別個に設けたバランサ容器を冷却システムの最上部の位置へレイアウトするためにバランサ容器の周囲の構造などを細かく検討する必要がなくなり、そのレイアウトが容易となる。また、従来のように別個に設けたバランサ容器まで配管を伸ばす必要がなくなるので、その分冷却システムを小型化することができる。
【００２７】
気液分離部３２によって冷却水循環流路４内に溜まった空気が信号圧配管２２ｂを伝って排出されるので、循環用ポンプ４３が空気を噛み込まずに良好に運転されることとなる。また、気液分離部３２によってラジエータ３のフィン３１，・・・の間に空気が溜まらないので、ラジエータ３の伝熱性能も維持することができる。
【００２８】
以上、本発明は、前記実施形態に限定されることなく、様々な形態で実施される。
本実施形態では、信号圧配管２２ｂを空気供給配管２２に設けたが、本発明はこれに限定されず、信号圧配管２２ｂを水素ガス供給配管２１に設けてもよい。
本実施形態では、フィン３１の下流側の上部に気液分離部３２を設けたが、本発明はこれに限定されず、例えばフィン３１の上流側の上部に気液分離部３２を設けてもよい。ただし、上流側に気液分離部３２を設ける場合は、気液分離部３２内の空気が燃料電池２側から送られてくる冷却水に巻き込まれて下流側へ流される可能性があるが、本実施形態のように下流側に気液分離部３２を設ける場合は、その可能性がないので、このような構造にするのが望ましい。
【００２９】
また、ラジエータキャップを取り付けるための既設の突出部を気液分離部３２として利用してもよい。このようにすれば、コストを低減することができるとともに、ラジエータキャップを外すだけで、冷却水の補充や気液分離部３２のメンテナンスを同時に行うことができる。
【００３０】
本実施形態では、サイドフロー方式のラジエータ３を採用したが、本発明はこれに限定されず、例えば冷却水が上から下に流れるダウンフロー方式のラジエータを採用してもよい。ただし、この場合は、気液分離部からラジエータ内の冷却水に加わる圧力の方向と、冷却水の流れの方向が一致するため、上から下へ流れる冷却水に気液分離部内の空気が巻き込まれて出口から出て行く可能性がある。これに対し、本実施形態のようなサイドフロー方式のラジエータ３では、気液分離部３２から冷却水に加わる圧力の方向とは異なる方向で、冷却水がラジエータ３内を流れることとなるので、気液分離部３２内の空気がラジエータ３内を流れる冷却水に巻き込まれて出口から出て行くことを確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本実施形態に係る燃料電池発電装置を搭載した車両を示す側面図である。
【図２】図１の燃料電池発電装置の詳細を示す構成図である。
【図３】図２のラジエータに設けられる気液分離部を示す拡大図である。
【図４】従来の圧力バランサを示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３２】
１      燃料電池発電装置
２      燃料電池
３      ラジエータ
４      冷却水循環流路
２１    水素ガス供給配管
２２    空気供給配管
２２ａ  電池側配管
２２ｂ  信号圧配管
３１    フィン
３２    気液分離部
３２ａ  気相室
３２ｂ  上壁
４１    供給用流路
４２    戻し用流路
４３    循環用ポンプ
Ｍ      車両
【図１】
2005078831.tif 000003
【図２】
2005078831.tif 000004
【図３】
2005078831.tif 000005
【図４】
2005078831.tif 000006