(57)【要約】【課題】本発明は、レイアウト的制約を最小限に抑制しつつ、かつ、冷却液へのエアの混入を抑制することのできる燃料電池冷却システムを提供することを目的としている。【解決手段】本発明の燃料電池冷却システムは、燃料電池スタックを内部に備えたスタックケース３、ラジエター、冷却液循環管４及びポンプを備えており、冷却液循環管４のスタックケース３への流入口３ｉ直前部分を、この流入口３ｉよりも上方に位置させたことを特徴としている。冷却液内に混入したエアは、上述した上方に位置する冷却液循環管４の流入口３ｉ直前部分にトラップされる。エア抜き配管を配設できなくても、このようにして燃料電池スタック内部へのエアの混入を簡素な構成で極力防止することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックを内部に備えたスタックケース、ラジエター、前記スタックケースと前記ラジエターとを循環する冷却液循環管、及び、前記冷却液循環管内の冷却液を循環させるポンプを備えた燃料電池の冷却システムにおいて、
前記冷却液循環管の前記スタックケースへの流入口直前部分を、該流入口よりも上方に位置させたことを特徴とする燃料電池冷却システム。
【請求項２】
前記流入口よりも上方に位置させた前記流入口直前部分に、エア抜き用配管の一端を接続したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池冷却システム。
【請求項３】
前記エア抜き用配管の一端が、前記ポンプと前記流入口との間に位置していることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池冷却システム。
【請求項４】
前記エア抜き用配管を一方の分岐管と他方の分岐管とに分岐させ、一方の前記分岐管の他端を分岐部よりも上方の前記冷却液循環管上に配設されたリザーバタンクに接続し、他方の前記分岐管の他端を前記分岐部よりも低い位置の水素ガスヒータに接続したことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池冷却システム。
【請求項５】
前記ラジエータをバイパスするバイパス循環路をさらに備え、他方の前記分岐管の他端が接続された前記水素ガスヒータに接続された排出管が、前記バイパス循環路に接続されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池冷却システム。
【請求項６】
一方の前記分岐管上における前記エア抜き用配管の前記分岐部よりも高い位置にイオンフィルタを配設すると共に、前記リザーバタンクを前記エア抜き用配管のエア抜き経路上において前記イオンフィルタよりも上位に配設したことを特徴とする請求項４又は５に記載の燃料電池冷却システム。
【請求項７】
前記水素ガスヒータが、前記スタックケースの流入口及び流出口並びに前記ポンプよりも下方に配設されていることを特徴とする請求項４又は５に記載の燃料電池冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックを内部に備えたスタックケース、ラジエター、スタックケースとラジエターとを循環する冷却液循環管、及び、冷却液循環管内の冷却液を循環させるポンプを備えた燃料電池冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガス供給装置から供給される燃料ガスと酸化剤ガス供給装置から供給される酸化剤ガスとによって燃料電池スタックで発電を行う燃料電池システムが知られている。このような燃料電池システムでは、燃料電池スタックの冷却のためにラジエターを用いており、燃料電池スタックを収納したスタックケースとラジエターとの間に冷却液を循環させて燃料電池スタックの冷却を行っている（下記［特許文献１］など）。
【特許文献１】特開２００５−１２９３８７号公報  空気は熱伝導が悪いため、冷却液内に空気が混入するとスタックケース内での冷却（抜熱）効率やラジエターでの放熱効率が低下し、燃料電池スタックでの発電効率が低下する。このため、冷却液循環経路上でエアを抜いたりトラップしたりする工夫が必要となる。上述した［特許文献１］では、車両床下に燃料電池を搭載すると共にモータルーム内にラジエターを設置し、燃料電池とラジエターとを冷却液循環管で接続している。そして、冷却液循環経路上の燃料電池からの冷却液排出部近傍にエアトラップ（空気溜め）空間を設けている。エアトラップ空間は、さらに上方に位置しているリザーバタンクに接続されている。また、これ以外の冷却液循環管上の様々な構成部品の近傍にもエアトラップ空間が設けられており、各エアトラップ空間はやはりリザーバタンクに接続されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上述したようにすると、各エアトラップ空間ごとにエア抜き用の配管を接続しなければならないため、レイアウト上の制約が生じる。従って、本発明の目的は、レイアウト的制約を最小限に抑制しつつ、かつ、燃料電池スタック（スタックケース）内部に供給される冷却液へのエアの混入を有効に抑制することのできる燃料電池冷却システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の燃料電池冷却システムは、燃料電池スタックを内部に備えたスタックケース、ラジエター、スタックケースとラジエターとを循環する冷却液循環管、及び、冷却液循環管内の冷却液を循環させるポンプを備えており、冷却液循環管のスタックケースへの流入口直前部分を、この流入口よりも上方に位置させたことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００５】
本発明の燃料電池冷却システムによれば、冷却液内にエアが混入しても、このエアは冷却液がスタックケースに導入される直前に、上述した上方に位置する流入口直前部分にトラップされる。エア抜き配管が配設できなくても、このようにして燃料電池スタック内部へのエアの混入を極力防止することができる。また、これにより、簡素な構成で燃料電池スタックにおける冷却（抜熱）効率の低下を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明の燃料電池冷却システムの具体的な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。本実施形態における燃料電池システムは、車両の駆動源として利用されるものであり、車載されている。図１に本発明の一実施形態のシステム構成図を示す。図１に示されるように、このシステムは、車室内（あるいは、車室下部の床下）に配設された燃料電池スタック１と、車両前部のモータルームの前方部に配置されたラジエター２とを備えている。燃料電池スタック１は、後述するスタックケース３（図２参照）内に収納されて設置される。ラジエター２は、走行風などを用いて冷却液（ロングライフクーラント：ＬＬＣ）の持つ熱を放熱させて冷却液を冷却する。そして、この燃料電池スタック１及びラジエター２に冷却液を循環させる冷却液循環管４が、燃料電池スタック１からラジエター２にかけて環状に配設されている。
【０００７】
ラジエター２から燃料電池スタック１に対して冷却液を送る冷却液循環管４上には、ラジエター２側からリザーバタンク５及び循環ポンプ６が配設されている。リザーバタンク５は冷却液を溜めておくタンクであり、循環ポンプ６は冷却液を循環させるためのポンプである。また、燃料電池スタック１からラジエター２に対して冷却液を送る冷却液循環管４上には、三方弁７が配設されている。三方弁７には、冷却液循環管４のほかにバイパス管８の一端が接続されており、バイパス管８の他端は上述した循環ポンプ６上流側の冷却液循環管４に接続されている。バイパス管８上には、冷却液を暖めるＬＬＣヒータ９が配設されている。ＬＬＣヒータ９は、燃料電池スタック１に供給する水素ガスの一部を利用し、この水素ガスを燃焼させることで冷却液を暖める。また、ＬＬＣヒータ９は、水素ガスを燃焼させるタイプのほかに、電気ヒータを設置したものとしてもよい。三方弁７は、燃料電池スタック１から排出された冷却液を、ラジエター２に送るか、ＬＬＣヒータ９に送るかを選択的に切り替えるバルブである。
【０００８】
冷間始動時には、燃料電池スタック１の暖機が必要になる場合がある。また、冷却液温度が低くラジエター２を用いて冷却液を冷却する必要がない場合もある。このような場合は、ラジエター２で冷却液を冷却せず、ＬＬＣヒータ９を利用して冷却液を暖めてこの熱で燃料電池スタック１を暖機する。このような際に、三方弁７によって流路を切り替える。また燃料電池スタック１への流入部（燃料電池スタック１と循環ポンプ６との間）には、燃料電池スタック１に供給される冷却液からエアを抜くためのエア抜き用配管１０の一端が接続されている。エア抜き用配管１０は、一方の分岐管１０ａと他方の分岐管１０ｂとに分岐されている。一方の分岐管１０ａは、上述したリザーバタンク５に接続されている。この一方の分岐管１０ａ上には、イオンフィルタ１１が配設されている。冷却液中にイオンが存在すると、燃料電池スタック１の内部でショートを生じるため、このイオンフィルタ１１によって冷却液中のイオンを捕集している。イオンフィルタ１１内には、０．５ｍｍ〜２ｍｍ程度のイオン交換樹脂の球が充填されている。
【０００９】
一方、他方の分岐管１０ｂは、上述したバイパス管８上のＬＬＣヒータ９の下流側に接続されている。すなわち、他方の分岐管１０ｂを通る冷却水は、最終的には、バイパス管８を介して冷却液循環管４の循環ポンプ６上流側に還流される。この他方の分岐管１０ｂ上には、燃料電池スタック１に供給される燃料ガスである水素ガスを暖める水素ガスヒータ（Ｈ２ヒータ）１２が配設されている。水素ガスヒータ１２は、高圧タンク内で貯蔵されていた水素ガスは、燃料電池スタック１に供給されるときに低圧化されるが、この際、断熱膨張によって温度が低下し、燃料電池スタック１における反応に適した温度よりも低くなる。このため水素ガスヒータ１２によって水素ガスを暖めてから燃料電池スタック１に供給する。水素ガスを暖めるために冷却液の温度を利用している。また、本実施形態では、ＬＬＣヒータ９にもエア抜き用配管１３の一端が取り付けられており、他端はやはりリザーバタンク５に接続されている。
【００１０】
冷却液内のエアは、冷却液循環管４の内部などでは浮力によって上方に集まることとなる。このため、上述した各構成部品の上下方向の配置関係も重要である。以下には、これについて説明する。まず、燃料電池スタック１を収納したスタックケース３への冷却液の流出入口３ｉ，３ｏ近傍部分についてについて図２に基づいて説明する。図２は、流入口３ｉ及び流出口３ｏが配置されたスタックケース３の側面を示す側面図である。流入口３ｉ及び流出口３ｏは、同一側面上に配置されており、その高さレベルはほぼ同一である。しかし、流入口３ｉ及び流出口３ｏに接続されている冷却液循環管４の高さレベルが異なっている。
【００１１】
図２に示されるように、図中右側の流入口３ｉに接続されている冷却液循環管４は、流入口３ｉの直前で上方に屈曲されており、流入口３ｉよりも上部に位置している。一方、図中左側の流出口３ｏに接続されている冷却液循環管４は、流出口３ｏの高さのままで流出口３ｏに接続されている。このように、冷却液循環管４の流入口３ｉ直前部分を流入口３ｉよりも上方に位置することで、この直前部分の内部上方にエアを溜めることができ、スタックケース３内部にエアが混入することを防止できる。この構造は簡素に実現できる。
【００１２】
本実施形態では、後述するエア抜き用配管１０が配設されるが、このようなエア抜き用配管１０が配設できないとしても、冷却液循環管４の流入口３ｉ直前部分にエアをトラップでき、スタックケース３内部にエアが混入することを防止できる。この構造は簡素に実現できる。また、この流入口３ｉよりも上方に位置する冷却液循環管部分には、図２及び図３に示されるように、上述したエア抜き用配管１０の一端が接続されている。図３は、スタックケース３の流入部近傍を示す斜視図であり、図を分かりやすくするために流出口３ｏ近傍の部品を点線で示してある。流出口３ｏ近傍の部品に関しては別途図４に示す。
【００１３】
流入口３ｉよりも上方に位置する冷却液循環管４の流入口３ｉ直前部分にエア抜き用配管１０を接続することで、エアを含んだ冷却液はエア抜き用配管１０に送出される。エア抜き用配管１０は、その分岐部Ｘで分岐し、一方の分岐管１０ａはリザーバタンク５に接続され、他方の分岐管１０ｂは水素ガスヒータ１２に接続されている。水素ガスヒータ１２は、エア抜き用配管１０の分岐部Ｘや流入口３ｉ及び流出口３ｏ、循環ポンプ６よりも下方に位置している。また、図３に示されるように、流入口３ｉに接続された冷却液循環管４上には、上述した循環ポンプ６が配設されている。循環ポンプ６は、追って詳述する三方弁７とほぼ同じ高さ（あるいは、やや高め）に位置している。
【００１４】
次に、流出口３ｏ近傍の部品配置について、図４を参照しつつ説明する。なお、図を分かりやすくするため、図４には図３を用いて説明した部品については図示を省略している。流出口３ｏに接続された冷却液循環管４上には、三方弁７が取り付けられており、上述したバイパス管８が上方に取り出されている。バイパス管８は、上述したＬＬＣヒータ９に接続されている。ＬＬＣヒータ９の高さは、冷却液循環管４の流入口３ｉ直前部分とほぼ同じ高さである。ＬＬＣヒータ９には、下流側のバイパス管８とエア抜き用配管１３も接続されている。ＬＬＣヒータ９は、バイパス管８上で最も高い位置にあるため、エア抜き用配管１３を接続している。そして、このＬＬＣヒータ９と下流側のバイパス管８との接続部分に、水素ガスヒータ１２からの他方の分岐管１０ｂ（排出管）の他端が接続されている。
【００１５】
さらに、図５にラジエター２やリザーバタンク５、イオンフィルタ１１などとの高さ関係を示す（図５中に水素ガスヒータ１２は図示されていない）。ラジエター２は、スタックケース３よりも上方に位置しており、これに伴って冷却液循環管４も傾斜されている。このラジエター２の近傍に、リザーバタンク５及びイオンフィルタ１１が配置されている。上述した一方の分岐管１０ａは、上方に向けて傾斜され、イオンフィルタ１１を介してリザーバタンク５に接続されている。すなわち、イオンフィルタ１１は、エア抜き用配管１０の分岐部Ｘよりも高い位置に配設されている。
【００１６】
上述したように、ここでは、冷却液循環管４の流入口３ｉ直前部分を流入口３ｉよりも上方に位置させ、この部分にエア抜き用配管１０を接続している。この直前部分にはエアが溜まるが、このエアを１０によって除去することができ、スタックケース内へのエアの混入をより確実に防止することができる。
【００１７】
また、エア抜き用配管１０の一端は、流入口３ｉと循環ポンプ６との間、すなわち、循環ポンプ６の下流側に接続されている。循環ポンプ６では、エアが発生しやすいが、エア抜き用配管１０の一端が循環ポンプ６と流入口３ｉとの間に接続されているため、この循環ポンプで発生したエアも効率よく除去することができる。
【００１８】
さらに、エア抜き用配管１０を一方の分岐管１０ａと他方の分岐管１０ｂとに分岐させ、一方の分岐管１０ａを上方のリザーバタンク５に接続して除去したエアをリザーバタンク５で回収すると共に、他方の分岐管１０ｂを分岐部Ｘよりも下方の水素ガスヒータ１２に接続することで、水素ガスヒータ１２に個別にエア抜き用の配管を設ける必要がなくなる。また、エア抜き用配管１０内のエアは、分岐部Ｘでリザーバタンク側に流れやすくなり、水素ガスヒータ１２に流入する冷却液へのエア混入を防止でき、水素ガスを効率よく暖めることができる。なお、リザーバタンク５に回収されたエアは、リザーバタンク５の上方部に設けられた外部との連通口（管）から外部に放出される。
【００１９】
また、一方の分岐管１０ａ上の分岐部Ｘよりも高い位置にイオンフィルタ１１を配設することで、大きなエアの固まりが混入した場合でも、その内部で消泡(泡の微細化)されるため、リザーバタンク５に戻った泡が消えずに再度冷却液循環管４に戻ってしまうことを防止できる。なお、本実施形態では、イオンフィルタ１１の内にイオン交換樹脂の球充填されており、これが消泡を促進する。さらに、イオンフィルタ１１とリザーバタンク５との位置関係であるが、リザーバタンク５は、エア抜き用配管１０（一方の分岐管１０ａ）のエア抜き経路上において、イオンフィルタ１１よりも上位に位置している。イオンフィルタ１１の上部に溜まった気泡は、さらにエア抜き経路上で上位に位置するリザーバタンク５にエア抜きされる。
【００２０】
また、水素ガスヒータ１２が、スタックケース３の流入口３ｉ及び流出口３ｏや循環ポンプ６よりも下方に配設されている。スタックケース３や循環ポンプ６では冷却水が暖めれるため冷却水中の泡は増える傾向となるため、上方に配置した方がエアが効率よくエア抜き用配管１０に流れる。一方、水素ガスヒータ１２では冷却水は冷やされることとなり泡は減る傾向となるため、下方に配置してもエア抜きの効果にはさほど影響を及ぼさない。このような水素ガスヒータ１２の配置は、上述した水素ガスヒータ１２を分岐部Ｘよりも下方に配置することによる効果を得る上でも都合がよい。
【００２１】
本発明の燃料電池冷却システムは、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明の燃料電池冷却システムは、その発明の範囲内で種々の変形が可能である。たとえば、上述した実施形態では、エア抜き用配管１０（一方の分岐管１０ａ）の他端は、リザーバタンク５に接続されたが、このようにすることが好ましいが、この他端は大気開放することでもエア抜きしたエアを放出することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の燃料電池冷却システムの一実施形態の構成図である。
【図２】本発明の燃料電池冷却システムの一実施形態におけるスタックケースの側面図である。
【図３】本発明の燃料電池冷却システムの一実施形態におけるスタックケースの冷却液流入口近傍を示す斜視図である。
【図４】本発明の燃料電池冷却システムの一実施形態におけるスタックケースの冷却液流出口近傍を示す斜視図である。
【図５】本発明の燃料電池冷却システムの一実施形態の側面図である。
【符号の説明】
【００２３】
１    燃料電池スタック
２    ラジエター
３    スタックケース
３ｉ  流入口
３ｏ  流出口
４    冷却液循環管
５    リザーバタンク
６    循環ポンプ
７    三方弁
８    バイパス管
９    ヒータ
１０  エア抜き用配管
１０ａ      一方の分岐管（エア抜き用配管）
１０ｂ      他方の分岐管（エア抜き用配管）
１１  イオンフィルタ
１２  水素ガスヒータ
１３  エア抜き用用配管
Ｘ    （エア抜き用配管１０の）分岐部
【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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