(57)【要約】    【課題】  簡単な構成で酸素による冷媒の劣化を防止できる冷却装置を提供する。    【解決手段】  発熱部（２０）を冷媒によって冷却する冷却装置（１０）であって、冷媒を発熱部（２０）に供給する冷却回路（１１〜１８）、冷却回路に補充する冷媒を貯留するリザーバタンク（１００）を備え、リザーバタンク（１００）には、冷却回路に冷媒が補充されることに伴う内圧減少時に発生する内外気圧差を緩和しながら酸素成分が流入することを防止する制限手段（１１０、１２０）が設けられていることを特徴とする。制限手段（１１０、１２０）がこの圧力の増減を緩和する一方で、内圧が低くなっても酸素成分の流入を阻止するので、冷媒が酸素成分により劣化することを回避可能である。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱部を冷媒によって冷却する冷却装置であって、
前記冷媒を前記発熱部に供給する冷却回路と、
前記冷却回路に補充する前記冷媒を貯留するリザーバタンクとを備え、
前記リザーバタンクには、前記冷却回路に前記冷媒が補充されることに伴う内圧減少時に発生する内外気圧差を緩和しながら酸素成分が流入することを防止する制限手段が設けられていることを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
前記制限手段は前記リザーバタンク内への大気流入を阻止する逆止弁を含む、請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
前記制限手段は不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段を含み、前記リザーバタンクの内圧減少時には、当該不活性ガス供給手段から不活性ガスが供給される、請求項１または２に記載の冷却装置。
【請求項４】
前記制限手段は前記リザーバタンク内への酸素成分の入流を阻止する酸素分離膜である、請求項１に記載の冷却装置。
【請求項５】
前記制限手段は前記リザーバタンクの容積を変更する容積可変手段である、請求項１に記載の冷却装置。
【請求項６】
前記リザーバタンク内には不活性ガスが封入されている、請求項４または５に記載の冷却装置。
【請求項７】
前記発熱部は燃料電池である、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発熱部の冷却装置に係り、特に、冷却装置における酸素混入を防止する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車等の移動体に搭載される燃料電池システムでは、燃料電池において発生した熱を奪うための冷却装置を用いている。冷却水に凍結を防止するためにエチレングリコールが含まれているが、大気中に含まれる酸素が混入した場合、冷却水中にアニオンが発生して導電性を上げる一因となっていた。
【０００３】
従来、このような冷却装置のおける酸素混入防止対策として、例えば特開２００１−１６４２４４号公報には、冷却液に対して脱酸素処理を施し、脱酸素処理された冷却液を不活性ガスとともに冷却回路に封入する方法が採られていた（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００１−１６４２４４号公報（段落番号００１３）
【特許文献２】特開２０００−２０８１５７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、特許文献１に係る従来技術では、冷却液自体の脱酸素性能が長期にわたり維持されない他、リザーバタンクなどから酸素成分がする可能性があり、冷却液の脱酸素状態を長期間維持することが困難だった。
【０００５】
そこで本発明は、簡単な構成で酸素による冷媒の劣化を防止できる冷却装置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】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は、発熱部を冷媒によって冷却する冷却装置であって、冷媒を発熱部に供給する冷却回路と、冷却回路に補充する冷媒を貯留するリザーバタンクとを備え、リザーバタンクには、冷却回路に冷媒が補充されることに伴う内圧減少時に発生する内外気圧差を緩和しながら酸素成分が流入することを防止する制限手段が設けられていることを特徴とする。
【０００７】
リザーバタンクには冷却回路に供給される冷媒が貯留されており、冷却回路の冷媒量が多ければリザーバタンク内に冷媒が戻り、逆に冷却回路の冷媒量が少なくなればリザーバタンクから冷媒が供給される。これに従ってリザーバタンク内の冷媒の貯留量も増減し、冷媒の存在しない気体部分の圧力がそれに応じて高くなったり低くなったりする。上記構成によれば、制限手段がこの圧力の増減を緩和する一方で、内圧が低くなっても酸素成分の流入を阻止するので、冷媒が酸素成分により劣化することを回避可能である。
【０００８】
ここで「制限手段」は、少なくともリザーバタンクの内外気圧差を緩和しつつ酸素成分の流入を制限できるあらゆる構成が含まれるが、例えば、リザーバタンク内への大気流入を抑制する逆止弁を含むことが考えられる。当該構成によれば、逆止弁が設けられているので、リザーバタンクの内圧上昇時には内部の気体を逃すが内圧減少時には閉鎖されて大気（酸素成分）の流入を抑制する。好ましくは酸素の流入を禁止することが可能となる。
【０００９】
さらに制限手段は不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段を含み、リザーバタンクの内圧減少時には、当該不活性ガス供給手段から不活性ガスが供給されることにしてもよい。当該構成によれば、リザーバタンクの内圧が減少した場合には少なくともその減少分が不活性ガス供給手段から供給されるので、リザーバタンク内には酸素成分の混入を制限する不活性ガスが充填される。
【００１０】
ここで「不活性ガス供給手段」とは、タンクに貯留された不活性ガスを調圧弁、遮断弁、リリーフ弁等を通して供給可能に構成されたものをいうが、構成に限定はない。
【００１１】
また、制限手段はリザーバタンク内への酸素成分の入流を制限する酸素分離膜であってもよい。当該構成によれば、酸素分離膜が酸素成分を透過させず、それ以外の成分を透過させるので、リザーバタンクの内圧減少時には酸素以外の成分（例えば窒素成分など）のみがリザーバタンクに流入し、冷媒を劣化させることはない。
【００１２】
また制限手段はリザーバタンクの容積を変更する容積可変手段であってもよい。当該構成によれば、リザーバタンクの内圧が減少した時には容積可変手段が容積を小さくすることになって圧力減少を補填する。その逆にリザーバタンクの内圧が上昇した時にも容積可変手段が容積を大きくすることによって圧力増加を補填する。
【００１３】
ここで「容積可変手段」は容積を変更できる構造が種々に適用可能であるが、例えばベローズのような構造が含まれる。また弾性を備える上記酸素分離膜も容積可変手段とすることができる。
【００１４】
本発明では、リザーバタンク内には不活性ガスが封入されていることが好ましい。本発明では酸素成分の混入が制限されるが、不活性ガスであれば冷媒を劣化させることを抑制できるからである。
【００１５】
例示として、発熱部は燃料電池であることが考えられる。燃料電池では冷媒の導電率が低いことが好ましいが、酸素混入によりアニオンが発生し導電率を高くしてしまうところ、本発明によれば酸素混入が制限される。このため燃料電池を利用したシステムに本発明は適する。
【発明の効果】
【００１６】
以上本発明によれば、制限手段が冷却回路の冷媒量の増減に応じて生じるリザーバタンクの内外気圧差を緩和する一方で、内圧が低くなっても酸素成分の流入を制限するので、冷媒が酸素成分により劣化することを簡単な構成で実現可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
次に本発明を実施するための好適な実施形態を、図面を参照しながら説明する。以下の実施形態は、電気自動車等の移動体に搭載する燃料電池システムに本発明の冷却装置を適用したものである。これら実施形態は単なる例示であり、これらの開示事項に限定されるものではない。
【００１８】
（実施形態１）
本発明の実施形態１は不活性ガスをタンクから供給可能に構成した例に関する。図１に本燃料電池システムのシステム全体図を示す。図１に示すように、当該燃料電池システムは、発熱部である燃料電池スタック２０を冷却回路により冷却することが可能に構成されている。燃料電池スタック２０は発電に伴う電気化学反応によって発熱するため、冷却回路中を流れる冷却水によって熱が奪われることにより、適正な温度に維持される。
【００１９】
燃料電池スタック２０は、単セルを複数積層することにより高電圧で発電可能に構成されている。各単セルは高分子電解質膜を燃料極及び空気極の二つの電極で挟み込んだＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）という構造を、ガスの通りを良くするセパレータで挟み込んで構成されている。燃料極は燃料極用触媒層を多孔質支持層上に設けてあり、空気極は空気極用触媒層を多孔質支持層上に設けてある。
【００２０】
この燃料電池スタック２０に燃料ガスである水素ガスを供給する系統としては、図示しない燃料ガス供給源（高圧タンク、改質器、水素吸蔵合金タンク等）から供給された水素ガスを調圧して所定の供給圧に維持する調圧弁２１、燃料電池スタック２０への水素ガスの供給を遮断する燃料電池入口遮断弁２２、燃料電池スタック２０からの水素オフガスの排出を遮断する燃料電池出口遮断弁２３が存在する。燃料電池出口遮断弁２３から排出される燃料オフガスは、図示しない希釈器に供給され空気により希釈され排出される。
【００２１】
また燃料電池スタック２０に空気を供給する系統としては、図示しない空気取り入れ口からコンプレッサ３０によって空気が圧縮供給されて、燃料電池スタック２０における電気化学反応に供され、空気オフガスとして排出される構造を備えている。
【００２２】
冷却回路は、大きく循環経路１１とバイパス経路１２と冷却経路１３とにより構成されている。循環経路１１を循環する冷却水は、三方弁１７によりバイパス経路１２と冷却経路１３とに選択されて流れるように構成されている。当該冷却水は本発明の冷媒であって、例えば氷点を下げるためにエチレングリコールが含まれたものである。
【００２３】
バイパス経路１２にはイオン交換器１９が設けられている。冷却水中のイオンは、冷却水中に混入した酸素成分がアニオンを発生させることにより生ずる。冷却水中のイオン成分が多いと、冷却水の導電率を上昇させ、燃料電池スタック２０内でショートを引き起こしたり電圧降下を生じさせたり耐久性を低下させたりする。このイオン交換器１９は冷却水中のイオン成分を除去するものである。さらに本発明では、根本的に酸素成分が冷却水中に入り込まないように構成されている。
【００２４】
冷却経路１３には、冷却水ポンプ１３及びラジエタ１４が設けられている。ラジエタ１４は、熱交換器１４０、上部タンク部１４１、及び下部タンク部１４２を備える。上部タンク部１４１は、燃料電池スタック２０から冷却経路１３経由で流入した冷却水を一時的に溜め、熱交換器１４０に供給するようになっている。熱交換器１４０では、モータ１５によって回転するファン１６によって生じる空気流が供給され、冷却水と空気との熱交換が行われ、冷却水が冷却されるようになっている。冷却された冷却水は下部タンク部１４２に一時的に溜められ、冷却水ポンプ１３によって強制循環させられ循環経路１１に再び戻されるようになっている。
【００２５】
本発明によればさらに冷却水供給機構１０により、冷却水中に酸素成分が混入することが防止される。本発明に係るリザーブタンク１００は、配管１３０によってラジエタ１４の上部タンク部１４１に連通している。リザーブタンク１００はさらに配管１５０によって不活性ガスタンク１５１と連通している。不活性ガスタンク１５１とリザーブタンク１００とを連通する配管１５０には元弁１５２、調圧弁１５３が設けられている。リザーブタンク１００の配管１５０出口には逆止弁１２０が設けられている。また、リザーブタンク１００の気抜き配管には逆止弁１１０が設けられている。
【００２６】
図２に、実施形態１に係るリザーブタンク１００の拡大図を示す。図２（ａ）はリザーブタンク１００の平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ切断面における断面図である。リザーブタンク１００は、冷却液を貯留可能なハウジング構造を備える。リザーブタンク１００の上部には、気抜き配管１１１が設けられており、逆止弁１１０が設けられている。この逆止弁１１０は本発明の制限手段の一部であり、リザーブタンク１００の内圧が高まったときには気抜き配管１１１経由で内部の気体が抜けるが、内圧が下がっても逆止弁１１０が気体の流通を遮断するため当該気抜き配管１１１経由で大気が流入することを阻止している。
【００２７】
また、リザーブタンク１００の上部には、気抜き配管１１１の逆止弁１１０とは逆向きの気体の流通を阻止する逆止弁１２０が設けられ、細管１５４を介して配管１５０に連通している。当該配管１５０は、調圧弁１５３及びもと遮断弁１５２を経て不活性ガスタンク１５１に接続されている。不活性ガスタンク１５１には、不活性ガスが高圧充填されている。不活性ガスとしては、各種の物理化学的に安定な気体を利用可能であるが、ここでは窒素ガスを例示する。ここで、リザーブタンク１００の内部空間には予め不活性ガスである窒素が充填されているものとする。
【００２８】
図３に本実施形態における作用説明図を示す。上記構成において、燃料電池スタック２０の発熱によって冷却水が暖められると僅かながら熱膨張し、冷却回路の内圧が高まる。図３（ａ）に示すように、冷却回路の内圧が高まると、ラジエタ１４の上部タンク部１４１から配管１３０を経由して冷却水が取水配管１３５を逆流しリザーブタンク１００内に戻される。リザーブタンク１００内の冷却水の水量が増えると、冷却水の水面１３６が上昇し、例えば１３７の位置まで上昇する。この冷却水の水量が増えた分の容積だけ内部空間の容積が小さくなるので内部の気体が圧縮されてリザーブタンク１００の内圧が高まる。ここで気抜き配管１１１に設けられた逆止弁１１０は順方向を向き、配管１５０に設けられた逆止弁１２０は逆方向を向いているので、内部の窒素ガスが逆止弁１１０経由で気抜き配管１１１から排出されるが、逆止弁１２０は閉鎖されて不活性ガスタンク１５１には気体が逆流しない。これらの働きによってザーブタンク１００の内圧は大気圧に保たれる。
【００２９】
一方、冷却回路内の冷却水が冷えたり冷却水が消費されたりすると冷却回路の内圧が減少する。図３（ｂ）に示すように、冷却回路の内圧が低くなると、リザーブタンク１００内の冷却水が取水配管１３５から吸い上げられ配管１３０経由でラジエタ１４に供給されるようになる。このとき、リザーブタンク１００内の冷却水の水量が減少し、冷却水の水面１３６が例えば１３８の位置まで低下する。この増えた気体容積の分だけリザーブタンク１００の内圧も減少する。ここで内圧が減少した場合には、配管１５０に設けられた逆止弁１２０が順方向を向いているので、不活性ガスタンク１５１から供給され調圧弁１５３で調整される圧力で供給されている窒素ガスが、逆止弁１２０経由でリザーブタンク１００内に流入し、内圧を上昇させる。一方、気抜き配管１１１に設けられた逆止弁１１０は内圧減少に対し逆方向となるので、内圧減少に伴って気抜き配管１１１経由で大気が流入することを防止でき、これらの作用によってリザーブタンク１００の内圧は大気圧に保たれる。
【００３０】
したがって、リザーブタンク１００の内圧の増減によっても酸素成分を含む大気は一切流入することが禁止され、冷却水に酸素成分が溶け込むことを防止できる。
【００３１】
なお、上記構成において、調整弁１５３の代わりに、遮断弁（電磁バルブ）やリリーフ弁を用いてもよい。高圧の不活性ガスタンク１５１内の窒素ガスの圧力や供給量を調整し、リザーブタンク１００の内圧が大気圧の近傍に保てるような弁構造であれば充分である。
【００３２】
（実施形態２）
本発明の実施形態２は実施形態１と異なり、酸素分離膜を用いた例に関する。図４に、実施形態２に係るリザーブタンク１００の拡大図を示す。図４（ａ）はリザーブタンク１００の平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ切断面における断面図である。なお、本実施形態２における冷却回路の構造は、上記実施形態１（図１）と同様であるため、説明を省略する。
【００３３】
本実施形態２におけるリザーブタンク１００では、逆止弁１１０及び１２０を設ける代わりに、保持部１６２に保持された酸素分離膜１６０を備えている。保持部１６２は円筒形を有しており、冷却水の増減に伴う圧力の増減を酸素分離膜１６０の動きで吸収し得るように、その径が設定されている。酸素分離膜１６０は、酸素富化膜とも呼ばれ、酸素成分は通過させないがその他の成分は通過させるように調整されている膜である。例えば、ＳｒおよびＦｅを添加したＬａＧａＯ3系酸化物からなるホール‐酸素イオン混合伝導体を用いるものが知られている。当該酸素分離膜１６０は内圧の急な変化に対応できるように、少々たるみを持たせたり弾性を持たせたりすることが好ましい。
【００３４】
なお、リザーバタンク１００の内部空間には冷却水充填時に窒素等の不活性ガスを充填しておくことが好ましい。
【００３５】
図５に本実施形態における作用説明図を示す。上記構成において、燃料電池スタック２０の発熱によって冷却水が暖められると僅かながら熱膨張し、冷却回路の内圧が高まる。図５（ａ）に示すように、冷却回路の内圧が高まると、ラジエタ１４の上部タンク部１４１から配管１３０を経由して冷却水が取水配管１３５を逆流しリザーブタンク１００内に戻される。リザーブタンク１００内の冷却水の水量が増えると、冷却水の水面１３６が上昇し、例えば１３７の位置まで上昇する。この冷却水の水量が増えた分の容積だけ内部空間の容積が小さくなるので内部の気体が圧縮されてリザーブタンク１００の内圧が高まる。ここで酸素分離膜１６０は弾性を有し弛んでいるので、一時的には図５（ａ）のように撓むことにより圧力変化に対応するが、窒素を透過可能に構成されているので、時間とともに窒素が外部に排出され、定常位置に復帰する。これらの働きによってザーブタンク１００の内圧は大気圧に保たれる。
【００３６】
一方、冷却回路内の冷却水が冷えたり冷却水が消費されたりして、冷却回路の内圧が低くなると、図５（ｂ）に示すように、リザーブタンク１００内の冷却水が取水配管１３５から吸い上げられ配管１３０経由でラジエタ１４に供給されるようになる。このとき、リザーブタンク１００内の冷却水の水量が減少し、冷却水の水面１３６が例えば１３８の位置まで低下し、リザーブタンク１００の内圧が減少する。ここで内圧が減少した場合にも、酸素分離膜１６０が弾性を有し弛んでいるので、一時的に図５（ｂ）のように撓むことにより圧力変化に対応する。一方、酸素分離膜１６０は大気のうち酸素成分以外を通過させるので、例えば窒素成分が酸素分離膜１６０を介して徐々にリザーバタンク１００内に入り込み、酸素分離膜１６０は定常位置に復帰する。これらの作用によってリザーブタンク１００の内圧は大気圧に保たれる。
【００３７】
上記構成によれば、酸素分離膜１６０が酸素を透過させないので、リザーブタンク１００の内圧の増減によっても酸素成分を含む大気は一切流入することが禁止され、冷却水に酸素成分が溶け込むことを防止できる。
【００３８】
（実施形態３）
本発明の実施形態３は、制限手段にベローズを用いた例に関する。図６に、実施形態３に係るリザーブタンク１００の拡大図を示す。図６（ａ）はリザーブタンク１００の平面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のＡ−Ａ切断面における断面図である。なお、本実施形態３における冷却回路の構造も、上記実施形態１（図１）と同様であるため、説明を省略する。
【００３９】
本実施形態３におけるリザーブタンク１００では、実施形態１の逆止弁１１０及び１２０や実施形態２の酸素分離膜を設ける代わりに、保持部１７２の周囲にベローズ１７３を備える。ベローズ１７３の上部は蓋部１７１により密封されている。ベローズ１７３の上端が蓋部１７１と間隙無く周囲を接着され、下端がリザーバタンク１００と間隙無く周囲を接着されることにより、リザーバタンク１００の内部空間が外気とは遮断されている。
【００４０】
上記構造により、内外の気圧差からベローズ１７３が自在に伸縮するようになっている。なお、リザーバタンク１００の内部空間には冷却水充填時に窒素等の不活性ガスを充填しておくことが好ましい。
【００４１】
図７に本実施形態における作用説明図を示す。上記構成において、冷却回路の内圧が高まった場合には、リザーブタンク１００内の冷却水の水量が増えて、例えば１３７の位置まで水面が上昇する。この冷却水の水量が増えた分の容積だけ内部空間の容積が小さくなるので内部の気体が圧縮されてリザーブタンク１００の内圧が高まる。ベローズ１７３は内外気圧差に応じて延びるので、ベローズ１７３が上方に延びてリザーバタンクの内部空間の容積を拡大し、内外の気圧差を緩和する。
【００４２】
また、冷却回路の内圧が低くなると、リザーブタンク１００内の冷却水の水量が減少し、例えば１３８の位置まで水面が低下し、リザーブタンク１００の内圧が減少する。ベローズ１７３は内外の気圧差に応じて縮むので、ベローズ１７３が今度は下方に縮んで内部空間の容積を縮小し、内外気圧差を緩和する。これらの作用によってリザーブタンク１００の内圧は大気圧に保たれる。
【００４３】
この構成によれば、ベローズ１７３と蓋部１７１によって、リザーブタンク１００の内圧の増減によっても酸素成分を含む大気は一切流入することが禁止され、冷却水に酸素成分が溶け込むことを防止できる。
【００４４】
（その他の実施形態）
本発明は上記実施形態以外にも種々に変更して適用することが可能である。
【００４５】
内外圧力差を緩和しながら酸素成分の冷却水への混入を禁止する制限手段としては、上記に限定されず、種々に適用することが可能である。要は、リザーバタンクの内圧が高まったときにその高まった圧力を気体の放出または内部容積の拡大により内外圧力差を緩和し、リザーバタンクの内圧が低くなったときに、少なくとも酸素成分以外の気体の流入もしくは内部容積の縮小によって内外圧力差を緩和できる構造なら、本発明の範囲である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】実施形態１に係る燃料電池システムのブロック図。
【図２】実施形態１に係るリザーブタンクの説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図（（ａ）のＡ−Ａ切断面による）。
【図３】実施形態１に係るリザーブタンクの作用を示す図であり、（ａ）は冷却液増加時、（ｂ）は冷却液減少時における作用である。
【図４】実施形態２に係るリザーブタンクの説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図（（ａ）のＡ−Ａ切断面による）。
【図５】実施形態２に係るリザーブタンクの作用を示す図であり、（ａ）は冷却液増加時、（ｂ）は冷却液減少時における作用である。
【図６】実施形態３に係るリザーブタンクの説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図（（ａ）のＡ−Ａ切断面による）。
【図７】実施形態３に係るリザーブタンクにおける作用説明図。
【符号の説明】
【００４７】
１０…冷却水供給機構、１１…循環経路、１２…バイパス経路、１３…冷却経路、１４…ラジエタ、１５…モータ、１６…ファン、１７…三方弁、１８…冷却水ポンプ、１９…イオン交換器、２０…燃料電池スタック、２１…調圧弁、２２・２３…遮断弁、２４…コンプレッサ、３０…熱交換器、３１…調圧弁、３２…コンデンサ、３３…コンプレッサ、１００…リザーブタンク、１１０…逆止弁、１１１…気抜き配管、１２０…逆止弁、１３０…配管、１３１…細管、１３３…密封蓋、１３４…冷却水供給口、１３５…取水配管、１３６…冷却水液面、１３７…上昇した液面、１４０…熱交換器、１４１…上部タンク部、１４２…下部タンク部、１５０…配管、１５１…不活性ガスタンク、１５２…遮断弁、１５３…調圧弁、１５４…細管、１６０…酸素分離膜、１６２…保持部、１７０…容積可変部、１７１…蓋部、１７２…保持部、１７３…ベローズ
【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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