(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層構造を有する燃料電池内を冷却すべく燃料電池内に区画された冷却通路の入口と出口とに冷却液を循環させるための冷却液循環通路を接続し、この冷却液循環通路に冷却液を循環すべく循環ポンプを取り付けた燃料電池の冷却システムにおいて、前記冷却液循環通路の相対的に圧力の高い部分に気液分離部を形成するとともに、この気液分離部にガス抜き通路を介してタンクを連通し、このタンクと前記冷却液循環通路の相対的に圧力の低い部分とを冷却液戻し通路を介して連通し、前記ガス抜き通路又は前記冷却液戻し通路のうち、前記燃料電池に対する冷却液の入口より遠い側の位置に連通されている方の通路に絞りを設定したことを特徴とする燃料電池の冷却システム。
【請求項２】
前記タンクに、このタンクの内圧が前記燃料電池に対する冷却液の入口許容圧力に相当する所定圧力を超えたとき開弁する逃がし弁を設けた請求項１記載の燃料電池の冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池を冷却液により冷却する燃料電池の冷却システムに係り、特に、冷却液を循環させるための循環ポンプのガス噛み音が消滅するように構成された燃料電池の冷却システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、燃料電池システムは、固体高分子膜（電解質膜）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構成されており、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水素との化学反応によって発電する電力で外部負荷を駆動するシステムであり、吸気（混合気）の圧縮の必要がないため、内燃機関と比較して装置全体の高さを低くすることが可能となる。このため、車室の床下等の狭溢な空間に配置することが可能となり、より優れたスペース効率を得ることができる。
【０００３】
図５はこの種、従来の燃料電池の冷却システムを示す。
この冷却システム１１１は、燃料電池１１２を冷却するために燃料電池１１２内に区画された冷却通路１１３と、燃料電池１１２に一次側冷却液を循環させるための一次側冷却液循環通路１１４と、この一次側冷却液循環通路１１４を循環する一次側冷却液を冷却するための二次側冷却液循環通路１１５と、一次側冷却液と二次側冷却液とを熱交換させて一次側冷却液を冷却するための熱交換器１１６とから構成されており、前記燃料電池１１２内に区画された冷却通路１１３の入口と出口とにそれぞれ前記一次側冷却液循環通路１１４の入口と出口とを接続し、二次側冷却液循環通路１１５にラジエータ１１７を介設して、このラジエータ１１７により冷却された二次側冷却液によって一次側冷却液を冷却し、燃料電池１１２を冷却する。
【０００４】
さらに、一次側冷却液循環通路１１４には、熱交換器１１６を迂回するバイパス通路１１８を形成し、前記熱交換器１１６から見て一次側冷却液循環通路１１４の下流側と前記バイパス通路１１８との連通部１１９にサーモスタットバルブ１２０を設け、このサーモスタットバルブ１２０による切り換えによって、一次側冷却液の温度を燃料電池１１２の発電に適した温度に制御する。
【０００５】
なお、一次側冷却液、二次側冷却液はエチレングリコールと水との混合液であるが、水とエチレングリコールの比率は適宜決定される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の燃料電池の冷却システム１１１は、一次側冷却液循環通路１１４、二次側冷却液循環通路１１５にそれぞれ冷却液を循環させるための循環ポンプ１２１，１２２を設け、各循環ポンプ１２１，１２２によって一次側冷却液、二次側冷却液を強制的に循環するが、一次側冷却液循環通路１１４の高低差が少なく一次側冷却液循環通路１１４のガス抜け性が悪いと循環ポンプ１２１にガス噛み音が発生することがある。
また、前記冷却通路１１３の入口圧力が変動し燃料電池１１２のセル同士の接合面、すなわち、冷却通路１１３を区画するセパレータ同士の接合面に、セパレータ同士の接合を解除するような過負荷が発生することが想定され、その結果として冷却通路１１３の液漏れ、導電不良等が発生する虞がある。
【０００７】
そこで、冷却液循環通路のガス抜け性を良好とすることを本発明の第１の目的とし、前記燃料電池に対する冷却液の入口圧力を入口許容圧力以下に維持することを第２の目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、積層構造を有する燃料電池内を冷却すべく燃料電池内に区画された冷却通路の入口と出口とに冷却液を循環させるための冷却液循環通路を接続し、この冷却液循環通路に冷却液を循環すべく循環ポンプを取り付けた燃料電池の冷却システムにおいて、前記冷却液循環通路の相対的に圧力の高い部分に気液分離部を形成するとともに、この気液分離部にガス抜き通路を介してタンクを連通し、このタンクと前記冷却液循環通路の相対的に圧力の低い部分とを冷却液戻し通路を介して連通し、前記ガス抜き通路又は前記冷却液戻し通路のうち、前記燃料電池に対する冷却液の入口より遠い側の位置に連通されている方の通路に絞りを設定した燃料電池の冷却システムを提供するものである。
【０００９】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記タンクに、このタンクの内圧が前記燃料電池に対する冷却液の入口許容圧力に相当する所定圧力を超えたとき開弁する逃がし弁を設けた燃料電池の冷却システムを提供するものである。
【００１１】
すなわち、請求項１記載の発明は、気液分離部によりガスを捕捉し、気液分離部の上部に溜まったガスを冷却液とともに気液混合の状態でタンクへと送り出し、ガスの回収によりガスの噛み込みに起因した循環ポンプの騒音を消滅させる。この場合、必ずしも、タンク内に入るガスの全てを前記タンク内に一時に捕集する必要はない。冷却液戻し通路を介して前記冷却液循環通路にタンクを連通し、前記ガス抜き通路の流路断面をガス抜きに対応した断面に設定すれば、前記タンク内に入るガスは、タンク内に一時に捕集されずとも、気液分離部→ガス抜き通路→タンク→冷却液戻し通路→冷却液循環通路→冷却通路→冷却液循環通路→気液分離部の循環サイクルを繰り返すうちに自ずとタンク内に捕集される。この結果、複数回の循環サイクルによって全てのガスが捕集されたとき、ガスの噛み込みに起因する循環ポンプの騒音が消滅する。
【００１２】
また、請求項２記載の発明では、逃がし弁はタンクの内圧が前記燃料電池の入口への冷却液の入口許容圧力に相当する所定圧力を超えるとき開弁し、外部にタンクの内圧を逃がす。この結果、燃料電池の入口への冷却液の入口圧力は、常時、燃料電池の入口における冷却液の入口許容圧力以下に保持される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を図１ないし図４を参照して詳述する。
(第１の実施の形態)
図１はこの発明の第１実施の形態に係る燃料電池の冷却システムを示す。
図１に示すように、この燃料電池の冷却システム１は、燃料電池２内に区画された冷却通路３の入口と出口とにそれぞれ一次側冷却液循環通路４の入口と出口とを接続し、二次側冷却液循環通路５に介設されたラジエータ６で冷却された二次側冷却液と、一次側冷却液とを熱交換器７によって熱交換させ、この熱交換により冷却された一次側冷却液によって燃料電池２内を冷却する。
【００１５】
さらに、前記一次側冷却液循環通路４には、熱交換器７の一次側を迂回するバイパス通路８が形成されており、前記熱交換器７より見て一次側冷却液循環通路４の下流側と前記バイパス通路８との連通部９にサーモスタットバルブ１０を設け、このサーモスタットバルブ１０の切り換えによって、一次側冷却液の温度を燃料電池２の発電に適した温度に制御する。
【００１６】
また、一次側冷却液循環通路４および二次側冷却液循環通路５に、それぞれ循環ポンプ１１，１２を設け、各循環ポンプ１１，１２によって一次側冷却液および二次側冷却液をそれぞれ循環する。そして、一次側冷却液循環通路４には、ガス抜きのために、ガス溜まりとなる気液分離部１３が形成され、この気液分離部１３にガス抜き通路１４を介してタンク１５が連通され、前記ガス抜き通路１４に、一次側冷却液循環通路４の圧力および流量に変動が発生することがないようにするために絞りとしてオリフィス１８が設けられる。
【００１７】
前記気液分離部１３は、一次側冷却液循環通路４を流れるガスを捕捉し分離すればよいので、一次側冷却液循環通路４に対して最も高い場所に形成される必要はなく一次側冷却液循環通路４の比較的圧力の高い場所に形成される。
この実施の形態にあっては、前記気液分離部１３はガスの捕捉性をより向上するために循環ポンプ１１の直下流に形成される。そして、前記一次側冷却液循環通路４は循環ポンプ１１の入口よりも循環ポンプ１１の出口を下方側に配置するために、上下に折曲させて形成される。
【００１８】
一方、図１に示すように、一次側冷却液循環通路４の比較的液圧の低い箇所、すなわち、燃料電池２に対する一次側冷却液の入口付近と前記タンク１５の底部とを連通させて冷却液戻し通路１６が接続される。
本実施の形態では、前記タンク１５には、これを前記冷却通路３（図３参照）の入口許容圧力以下に保持する圧力監視容器としても利用できるようにするために逃がし弁としてのプレッシャーバルブ１７が取り付けられる。
【００１９】
この場合に、前記タンク１５は、一次側冷却液循環通路４、冷却通路３の流量、及び、突発的な冷却通路３の入口圧力の上昇に対応して充分大きく形成されており、前記プレッシャーバルブ１７は、前記タンクのタンクの内圧が前記燃料電池に対する冷却液の入口許容圧力に相当する所定圧力を超えたとき開弁するように開弁圧が設定されており、開弁されたとき、タンク外部にタンク１５の圧力をパージするように構成される。
【００２０】
以下、第１の実施の形態に係る燃料電池の冷却システムの作用を説明する。
図１に示すように、一次側冷却液循環通路４、及び、二次側冷却液循環通路５の循環ポンプ１１，１２を駆動すると、一次側冷却液循環通路４及び冷却通路３を一次側冷却液が循環し、二次側冷却液循環通路５及びラジエータ６のウォータジャケット（図示せず）を二次側冷却液が循環し、熱交換により冷却された一次側冷却液によって、燃料電池２が冷却される。
【００２１】
一次側冷却液循環通路４を循環するガスは、気液分離部１３によって捕捉されると同時に、気液混合の状態でガス抜き通路１４からタンク１５内へと移動する。
【００２２】
前記したように前記ガス抜き通路１４には、一次側冷却液循環通路４を流れる一次側冷却液の圧力に影響を与えることがないようにかつ、逆流が生じない程度の圧損が発生するようにオリフィス１８が設けられている。このため、一次側冷却液循環通路４を流れる一次側冷却液の圧力は、常に、循環ポンプ１１の吐出圧力に保持される。
【００２３】
タンク１５内に入るガスは、全てがタンク１５に一時に捕集されずとも一次側冷却液の数回の循環サイクルによってタンク１５に捕集される。よって、全てのガスが捕集されたとき、一次側冷却液循環通路４の循環ポンプ１１のガス噛み音が完全に消滅することになる。
【００２４】
一方、前記プレッシャーバルブ１７は、タンク１５及び冷却液戻し通路１６を通じて冷却通路３の入口圧力を常時、監視する。
何等かの原因により、タンク１５の内圧が、燃料電池２の入口圧力、すなわち、冷却通路３の入口圧力が入口許容圧力を超える所定圧力に相当するとき、プレッシャーバルブ１７が開弁し、タンク内圧を外部に放出する。
【００２５】
この結果、冷却通路３の入口圧力は常時、冷却通路３の入口許容圧力以下に保持される。例えば、燃料電池２の冷却通路３の入口許容圧力(スタック入口許容圧力）が１００ｋＰａとされたときは、前記プレッシャーバルブ１７の開弁圧は１００ｋＰａに設定される。この場合に、圧力は７０ｋＰａ〜１００ｋＰａの範囲内から適宜選択されるが、低く設定すると液漏れを少なくすることができる。
【００２６】
従って、図３に示す如く、燃料電池２のセル２ａのセパレータ２ｂ，２ｂ同士の接合面に区画された冷却通路３の圧力は、常時、前記プレッシャーバルブ１７によって設定された圧力、すなわち、冷却通路３の入口許容圧力以下に保持され、この結果として、セパレータ２ｂ，２ｂ同士の接合の解除に起因する冷却液漏れ、および、スタックケース（図示せず）に対する電解質膜２ｄの挟持部２ｄ1への応力集中による挟持部２ｄ1の損傷が防止される。なお、図３中、符号２ｅ，２ｆは触媒層、２ｇはガス拡散層、２ｈは燃料としての水素を流す通路、２ｉは燃料としての空気を流す通路を示す。
【００２７】
(第２の実施の形態)
以下、図２を参照してこの発明に係るこの発明に係る燃料電池の冷却システムの第２の実施の形態を説明する。なお、第１の実施の形態と同一構成部については同一符号を付し、その詳細な説明は省略するものとする。
この実施の形態に係る燃料電池の冷却システムの相違点は、燃料電池２に対する一次側冷却液の入口手前に気液分離部１３を設け、燃料電池２の一次側冷却液の出口から循環ポンプ１１までの間の一次側冷却液循環通路４と、タンク１５の底部とを冷却液戻し通路１６により連通し、この冷却液戻し通路１６にオリフィス１８を設けたことである。そして、この第２の実施形態にあっても、ガス抜き、及び、燃料電池２の一次側冷却液の入口における一次側冷却液の圧力調整は、図１に示した第1の実施の形態と同様、前記プレッシャーバルブ１７によって行うよう構成している。
従って、この実施の形態においても、第１実施の形態と同様、冷却通路３の圧力は、常時、前記プレッシャーバルブ１７によって設定された圧力、すなわち、冷却通路３の入口許容圧力以下に保持される結果となり、前記セパレータ２ｂ，２ｂ同士の接合の解除に起因する冷却液漏れ、および、前記スタックケースに対する電解質膜２ｄの挟持部２ｄ1への応力集中による挟持部２ｄ1の損傷が防止される。
【００２８】
なお、この第２の実施の形態において、ガスの捕捉性をさらに向上するには、前記連通路２０の一次側冷却液循環通路４との接続部を筒状に拡径し、拡径部を形成してもよい。然るときは、ガスの捕捉性が向上し、タンク１５にガスを効率よく回収させ、早期に循環ポンプ１１のガス噛み音を消滅させることができる。
【００２９】
（参考例）
図４は参考例としての燃料電池の冷却システムを示す。なお、前記実施の形態と同一構成部については同一符号を付し、その説明は省略するものとする。
図４に示すように、この燃料電池の冷却システムは、前記気液分離部１３、前記ガス抜き通路１４、及び、冷却液戻し通路１６を廃止し、前記冷却通路３の入口に対する一次側冷却液循環通路４の出口側に連通路２０を介してタンク１５を連通し、このタンク１５にプレッシャーバルブ１７を取り付けたものである。
【００３０】
前記連通路２０は、前記ガス抜き通路１４と同じ管径に設定される。また、プレッシャーバルブ１７は、主として、逆止弁１９ａと、この逆止弁１９ａの開弁圧を設定するためのリターンスプリング１９ｂとから構成される。
前記リターンスプリング１９ｂのセットフォースは、タンク１５のタンク内圧が前記燃料電池２の一次側冷却液の入口、すなわち、冷却通路３の入口の入口許容圧力を超える圧力に相当するとき開弁して前記冷却通路３の入口圧力を前記入口許容圧力以下に保持し、このときに、タンク１５内の冷却液およびタンク１５内に捕集されたガスを外部に放出するように構成される。もちろん、リターンスプリング１９ｂだけでなく他のアシスト力の加算によって、全体のばね圧が設定されるよう構成することも可能である。
【００３１】
例えば、燃料電池２のアノード電極に燃料としての空気を供給するための空気供給通路２１の空気圧をリターンスプリング１９ｂのアシスト力として導入してもよい。もちろん、この空気圧とリターンスプリング１９ｂのばね力を加算した開弁圧は、前記燃料電池２の冷却液の入口、すなわち、冷却通路３の入口許容圧力を超えるとき開弁するように設定される。
【００３２】
この場合に、前記プレッシャーバルブ１７によるパージガスおよび一次側冷却液は、前記空気供給通路２１に戻すようにしてもよい。然るときは、ばねの疲労を軽減でき、また、ばねの疲労によるチャタリングを防止できるとともに、パージされた冷却液により、燃料電池２の固体高分子膜を加湿することができる。なお、図中、Ｓ／Ｃは空気供給通路に燃焼用空気を圧送するためのスーパーチャージャー、符号２２は燃料電池２のアノード電極に燃料として水素ガスを供給するための水素供給通路、符号２３はカソード電極に燃料としての水素ガスを供給するためのコンプレッサーを示す。
【００３３】
なお、この参考例において、前記連通路２０の一次側冷却液循環通路４との接続部にガスの捕捉性を向上するための拡径部を形成してもよい。然るときは、ガスが良好に捕捉され、タンク１５にガスを効率よく回収させて早期に循環ポンプ１１のガス噛み音を消滅させることができる。
【００３４】
従って、この参考例にあっても、セパレータ２ｂ，２ｂ同士の接合面に区画された冷却通路３の圧力上昇を防止することが可能となり、冷却液の漏れ、電解質膜２ｄの挟持部２ｄ1への応力集中に起因する損傷を防止することができる。
【００３５】
このように第１および第２の実施の形態に係る燃料電池の冷却システムによれば、燃料電池２に対する一次側冷却液を供給するための一次側冷却液循環通路４からガスを抜きとって循環ポンプ１１のガス噛み音の発生を防止し、一次側冷却液の入口圧力の異常な上昇に起因する燃料電池の電解質膜の損傷及び液漏れを防止し、タンク１５のみを車両の比較的高い場所に設置することによってガスを良好に捕集する。このため、車両の車床下等に配置し、スペース効率を飛躍的に向上することが可能となる。
また、前記ガス抜き通路１４、前記冷却液戻し通路１６を、一次側冷却液を循環させるための一次側冷却液循環通路４と比較して細い管で形成することによって管の折り曲げが容易となるため、作業性およびレイアウト性を向上することができる。
【００３６】
なお、図１に示す第１の実施の形態においては、前記ガス抜き通路１４にオリフィス１８を設ける説明をしたが、前記ガス抜き通路１４を、一次側冷却液を循環させるための一次側冷却液循環通路４と比較して細い管で形成し、これによってオリフィス１８を廃止してもよい。
また、図２に示す第２の実施の形態においては、冷却液戻し通路１６にオリフィス１８を設ける説明をしたが、オリフィス１８の代わりに冷却液戻し通路１６を細く形成してもよい。
さらに、図４に示す参考例にあっては、プレッシャーバルブ１７に代えて図１及び図２に示したプレッシャーバルブ１７を使用してもよい。
そして、前記各実施の形態においては、燃料電池２を熱交換器７により冷却された一次側冷却液により冷却する説明をしたが、燃料電池２を冷却するための冷却液をラジエータ６により直接冷却してもよく、また、複数の熱交換器６により冷却液を多段に冷却してもよい。
【００３７】
このように本発明は本発明の技術的思想を逸脱しない限り種々の改変が可能であり、本発明がこの改変された発明に及ぶことは勿論である。
【００３８】
【発明の効果】
上記一実施の形態に詳述したように、請求項１記載の発明は燃料電池に冷却液を供給するための冷却液循環系からガスを抜き取ることができるので、冷却液を循環させるための循環ポンプのガス噛み音の発生を防止することができる。従って、燃料電池の冷却液システムの静粛性を大幅に向上することができる等、正に、著大なる効果を発揮する発明である。
【００３９】
また、上記一実施の形態に詳述したように、請求項２記載の発明は燃料電池に対する冷却液の入口圧力の異常上昇を防止するように構成したので、燃料電池の電解質膜の損傷及び液漏れを防止することができる等、正に、著大なる効果を発揮する発明である。
【図面の簡単な説明】
【図１】          本発明に係る燃料電池システムの第１の実施の形態を示す解説図である。
【図２】          本発明に係る燃料電池システムの第２の実施の形態を示す解説図である。
【図３】          本発明に係る燃料電池システムの燃料電池の内部構造を示す解説断面図ある。
【図４】          参考例としての燃料電池システムを示す解説断面図である。
【図５】          従来例を示し、燃料電池の冷却システムを示す解説図である。
【符号の説明】
１  冷却システム
２  燃料電池
３  冷却通路
４  一次側冷却液循環通路
１１  循環ポンプ
１３  気液分離部
１４  ガス抜き通路
１５  タンク
１６  冷却液戻し通路
１７  プレッシャーバルブ（逃がし弁）
１８  オリフィス
【図１】
0004414582.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
0004414582.tif 000005
【図５】
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