(57)【要約】【課題】  燃料電池と冷却水冷却装置との間で、冷却水を媒体とする熱の移動を防止して、燃料電池停止時での温度低下を遅らせる。【解決手段】  燃料電池１と冷却水冷却装置３とを冷却水配管５で接続する。燃料電池１の冷却水入口側の配管９には入口側冷却水タンク１５，入口側ポンプ１７を設置し、燃料電池１の冷却水出口側の配管７には出口側冷却水タンク１９，出口側ポンプ２１を設置する。入口側冷却水タンク１５の入口配管９ａをタンク上部に接続し、入口側冷却水タンク１５の出口配管９ｂをタンク下部に接続する。出口側冷却水タンク１９の入口配管７ａをタンク上部に接続し、出口側冷却水タンク１９の出口配管７ｂをタンク下部に接続する。これにより燃料電池停止時に、入口，出口各冷却水タンク１５，１９を境にして、燃料電池１側の冷却水と冷却水冷却装置３側の冷却水とが不連続になる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化ガスにより発電を行う燃料電池と、この燃料電池を冷却した後の冷却媒体を冷却する冷却媒体冷却装置とを、配管で接続して冷却媒体循環経路を構成し、前記燃料電池の冷却媒体入口側に接続する配管および同出口側に接続する配管に、入口側冷却媒体貯蔵容器および出口側冷却媒体貯蔵容器をそれぞれ設置し、前記燃料電池の停止時に、前記入口側および出口側の各冷却媒体貯蔵容器を境にして、前記燃料電池側の冷却媒体と、前記冷却媒体冷却装置側の冷却媒体とが互いに不連続となるように、前記入口側および出口側の各冷却媒体貯蔵容器に前記配管を接続したことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記入口側冷却媒体貯蔵容器内の冷却媒体と、前記入口側冷却媒体貯蔵容器の上流側の前記冷却媒体冷却装置側の冷却媒体とが互いに不連続となるように配管接続するとともに、前記出口側冷却媒体貯蔵容器内の冷却媒体と、前記出口側冷却媒体貯蔵容器の上流側の前記燃料電池側の冷却媒体とが互いに不連続となるように配管接続したことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、前記入口側冷却媒体貯蔵容器の入口側に接続する配管を、前記入口側冷却媒体貯蔵容器の上部に接続するとともに、前記出口側冷却媒体貯蔵容器の入口側に接続する配管を、前記入口側冷却媒体貯蔵容器の上部に接続したことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、前記入口側冷却媒体貯蔵容器を前記燃料電池の近傍に配置するとともに、前記入口側冷却媒体貯蔵容器内の冷却媒体と前記燃料電池内の冷却媒体とが連続するように、前記入口側冷却媒体貯蔵容器の下部と前記燃料電池とを前記配管により接続したことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項３または４に記載の燃料電池システムにおいて、前記入口側および出口側の各冷却媒体貯蔵容器内の冷却媒体最上部を、前記燃料電池内の冷却媒体最上部より高い位置に設定したことを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスと酸化ガスにより発電を行う燃料電池と、この燃料電池を冷却した後の冷却媒体を冷却する冷却媒体冷却装置とを配管で接続した燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池と、冷却水を冷却する冷却装置とを冷却水配管により接続して冷却水循環経路を構成する燃料電池システムとして、例えば下記特許文献１，２に記載のものがある。
【特許文献１】特開２００３−３１４８９４号公報
【特許文献１】特開平１０−６４５６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このような燃料電池システムにおいては、冷却水の凍結を防ぐために、燃料電池システム停止後、燃料電池とその冷却水径路の部品と冷却水の温度低下を遅らせる必要があり、その対策として、例えば、燃料電池やその冷却径路の部品、配管に断熱材を設置して外気への放熱を抑制することが考えられる。
【０００４】
しかしながら、燃料電池と冷却水を冷却する冷却装置は、冷却水で満たされており、これら両者間では、冷却水を媒体とした熱の移動が起きてしまう。特に車両などの移動体に搭載する燃料電池システムの場合は、冷却水冷却装置であるラジエータが車両前方に配置されるので、燃料電池の熱が逃げ易い状況となっている。
【０００５】
そこで、本発明は、燃料電池と冷却媒体冷却装置との間で、冷却媒体を介する熱の移動を防止して、燃料電池の停止時での温度低下を遅らせることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、燃料ガスと酸化ガスにより発電を行う燃料電池と、この燃料電池を冷却した後の冷却媒体を冷却する冷却媒体冷却装置とを、配管で接続して冷却媒体循環経路を構成し、前記燃料電池の冷却媒体入口側に接続する配管および同出口側に接続する配管に、入口側冷却媒体貯蔵容器および出口側冷却媒体貯蔵容器をそれぞれ設置し、前記燃料電池の停止時に、前記入口側および出口側の各冷却媒体貯蔵容器を境にして、前記燃料電池側の冷却媒体と、前記冷却媒体冷却装置側の冷却媒体とが互いに不連続となるように、前記入口側および出口側の各冷却媒体貯蔵容器に前記配管を接続したことを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、燃料電池の停止時に、入口側および出口側の各冷却媒体貯蔵容器を境にして、燃料電池側の冷却媒体と冷却媒体冷却装置側の冷却媒体とが互いに不連続となるようにしたので、燃料電池と冷却媒体冷却装置との間で冷却媒体を介する熱移動を防止することができ、停止時での燃料電池内の冷却媒体温度の低下速度を遅らせることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【０００９】
図１は、本発明の一実施形態を示す燃料電池システムの全体構成図である。この燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスにより発電を行う燃料電池１と、燃料電池１を冷却した後の温度上昇した冷却媒体としての冷却水を冷却する冷却水冷却装置３とを、冷却水配管５により接続して冷却水循環経路を構成する。
【００１０】
冷却水配管５は、燃料電池１の冷却水出口側に接続する配管７と、同冷却水入口側に接続する配管９と、これら各配管７，９相互を接続するバイパス配管１１とを備えている。バイパス配管１１と配管７との接続部には、燃料電池１からの冷却水を、配管７を経て冷却水冷却装置３に流す状態と、冷却水冷却装置３をバイパスするバイパス配管１１に流す状態とのいずれかに切り替える三方弁１３を設置している。
【００１１】
そして、バイパス配管１１と配管９との接続部と、燃料電池１との間の配管９には、バイパス配管１１側から、入口側冷却媒体貯蔵容器としての入口側冷却水タンク１５および入口側ポンプ１７をそれぞれ設置する。また、バイパス配管１１と配管７との接続部と、燃料電池１との間の配管７には、燃料電池１側から、出口側冷却媒体貯蔵容器としての出口側冷却水タンク１９および出口側ポンプ２１をそれぞれ設置する。
【００１２】
上記した燃料電池１，三方弁１３，入口側冷却水タンク１５および入口側ポンプ１７，出口側冷却水タンク１９および出口側ポンプ２１は、同一の領域Ａに配置し、一方冷却水冷却装置３は、領域Ａからある程度離れた位置の領域Ｂに配置している。また、入口側冷却水タンク１５は、燃料電池１の近傍に配置している。
【００１３】
図２は、前記図１の燃料電池システムにおける各部品の上下方向の高低差を考慮した説明図である。これによれば、入口側冷却水タンク１５の入口配管９ａは、入口側冷却水タンク１５の上部に接続し、入口側冷却水タンク１５の出口配管９ｂは、入口側冷却水タンク１５の下部に接続する。この入口側冷却水タンク１５に対する配管接続状態を図３に側面断面図として示す。すなわち、この場合、燃料電池停止時において、入口側冷却媒体貯蔵容器内の冷却媒体と、前記入口側冷却媒体貯蔵容器の上流側の前記冷却媒体冷却装置側の冷却媒体とが互いに不連続となるように配管接続していることになる。
【００１４】
一方、出口側冷却水タンク１９の入口配管７ａは、出口側冷却水タンク１９の上部に接続し、出口側冷却水タンク１９の出口配管７ｂは、出口側冷却水タンク１９の下部に接続する。この出口側冷却水タンク１９に対する配管接続状態を図４に側面断面図として示す。すなわち、この場合、出口側冷却媒体貯蔵容器内の冷却媒体と、前記出口側冷却媒体貯蔵容器の上流側の前記燃料電池側の冷却媒体とが互いに不連続となるように配管接続していることになる。
【００１５】
なお、上記した出口側冷却水タンク１９の入口配管７ａおよび入口側冷却水タンク１５の出口配管９ｂのそれぞれの燃料電池１への接続位置は、図２のように、入口配管７ａを上部、出口配管９ｂを下部としてもよく、また図３，図４のように、入口配管７ａおよび出口配管９ｂの双方を下部としてもよい。
【００１６】
上記のような入口側冷却水タンク１５および出口側冷却水タンク１９に対する配管接続構成とすることで、燃料電池１の停止時に、入口側および出口側の各冷却水タンク１５および１９を境にして、燃料電池１側の冷却水と、冷却水冷却装置３側の冷却水とが互いに不連続となる。この際、図３，図４に示すように、入口側冷却水タンク１５および出口側冷却水タンク１９内の冷却水最上部は、燃料電池１の冷却水最上部より高い位置となるようにしている。
【００１７】
また、図３，図４では図示していないが、燃料電池１，入口側冷却水タンク１５，入口側ポンプ１７および、これらを接続する配管に断熱材を適宜設置している。図５は、入口側冷却水タンク１５およびその周辺の配管に対して、斜線部で示す断熱材２３，２５，２７を設置し、また入口側冷却水タンク１５と、冷却水冷却装置３側の入口側配管９ａとの間および、入口側冷却水タンク１５と設置固定面との間には、伝熱量を抑制するために熱伝導率の低い間挿材２９および３１をそれぞれ挟み込み、マウント部の伝熱量を抑制している。
【００１８】
次に作用を説明する。燃料電池システムの運転中は、入口側ポンプ１７および出口側ポンプ２１が互いの吐出量をほぼ同等とした状態で作動すする。
【００１９】
ここで、冷却水を冷却する必要がある場合には、三方弁１３を、冷却水が冷却水冷却装置３を通過するよう切り替えて冷却水を循環させる。すなわち、このとき燃料電池１を冷却水が通過することで冷却し、冷却後温度上昇した冷却水は、出口側冷却水タンク１９，出口側ポンプ２１，三方弁１３を経て冷却水冷却装置３に対し、ここで冷却水が冷却されて温度低下する。温度低下した冷却水は、入口側冷却水タンク１５および入口側ポンプ１７を経て燃料電池１に達して再度冷却を行う。
【００２０】
一方、冷却水を冷却する必要がない場合には、三方弁１３を、冷却水がバイパス配管１１を通過するよう切り替えて冷却水を循環させる。すなわち、このとき燃料電池１を通過した冷却水は、出口側冷却水タンク１９，出口側ポンプ２１，三方弁１３，バイパス配管１１，入口側冷却水タンク１５および入口側ポンプ１７を経て燃料電池１に戻る。
【００２１】
そして、図６のフローチャートに示すように、燃料電池システムが停止すると（ステップ１０１）、入口側ポンプ１７および出口側ポンプ２１が停止して（ステップ１０３）、冷却水の流れが止まり、入口側冷却水タンク１５および出口側冷却水タンク１９の上部は、図３および図４に示すように空気で満たされる。
【００２２】
このとき、入口側冷却水タンク１５の入口配管９ａは、入口側冷却水タンク１５の上部に接続しているので、入口側冷却水タンク１５内の冷却水は、それより上流側の冷却水冷却装置３側の冷却水と分離され、また、出口側冷却水タンク１９の入口配管７ａは、出口側冷却水タンク１９の上部に接続しているので、出口側冷却水タンク１９内の冷却水は、それより上流側の燃料電池１側の冷却水と分離された状態となる。
【００２３】
この結果、入口側冷却水タンク１５および出口側冷却水タンク１９を境にして燃料電池１側の冷却水と、冷却水冷却装置３側の冷却水とが互いに不連続となり、燃料電池１と冷却水冷却装置３との間で冷却水を介する熱移動を防止することができ、燃料電池システム停止時の燃料電池１内の冷却水温度の低下速度を遅らせることができる。例えば、氷点下環境に放置された場合の起動時間を、常温での起動時間とほぼ同等とすることも可能である。
【００２４】
この際、燃料電池１，入口側冷却水タンク１５，入口側ポンプ１７および、これらを接続する配管に断熱材を適宜設置し、また入口側冷却水タンク１５と、冷却水冷却装置３側の入口側配管９ａとの間および、入口側冷却水タンク１５と設置固定面との間に、熱伝導率の低い間挿材２９および３１をそれぞれ挟み込むことで、燃料電池１内の冷却水の放熱をさらに抑えることができる。
【００２５】
また、入口側冷却水タンク１５を燃料電池１の近傍に配置することで、これら両者間の配管が短くなって放熱面積を小さくでき、さらに入口側冷却水タンク１５の下部と燃料電池１とを出口配管９ｂにより接続して、入口側冷却水タンク１５内の冷却水と燃料電池１内の冷却水とが連続する状態となるようにすることで、これら両者を熱的に同一で熱容量の大きな部品とみなすことができるので、放熱量を抑えることができる。
【００２６】
特に、本燃料電池システムを車両に搭載する場合には、冷却水冷却装置３は、車両前部にラジエータとして設置することから、通常床下など車両前部から離れた位置に設置する燃料電池１との間隔は長くなりがちで、このため上記のように入口側冷却水タンク１５を燃料電池１の近傍に配置することによる放熱量の低下は顕著なものとなる。
【００２７】
また、本実施形態では、入口側および出口側の各冷却水タンク１５および１９内の冷却水最上部（水面）を、燃料電池１内の冷却水最上部（水面）より高い位置に設定している。この場合図３に示すように、入口側冷却水タンク１５内の冷却水は、タンク下部に接続した出口配管９ｂから燃料電池１側に流れてタンク上部に接続している入口配管９ａ側に対して冷却水を確実に分離できる。
【００２８】
一方、図４に示すように、出口側冷却水タンク１９内の冷却水は、タンク下部に接続した出口配管７ｂから冷却水冷却装置３側に流れてタンク上部に接続している入口配管７ａ側に対して冷却水を確実に分離できる。この結果、燃料電池システム停止時に、燃料電池１内の冷却水と冷却水冷却装置３内の冷却水を確実に不連続な状態にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態を示す燃料電池システムの全体構成図である。
【図２】図１の燃料電池システムにおける各部品の上下方向の高低差を考慮した説明図である。
【図３】図１の燃料電池システムにおける入口側冷却水タンク周辺の配管接続状態を示す側面断面図である。
【図４】図１の燃料電池システムにおける出口側冷却水タンク周辺の配管接続状態を示す側面断面図である。
【図５】図１の燃料電池システムにおける入口側冷却水タンクおよびその周辺の配管に対して断熱材を設置した状態を示す側面断面図である。
【図６】図１の燃料電池システム停止時の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３０】
１  燃料電池
３  冷却媒体冷却装置
５  冷却水配管（配管）
７ａ  出口側冷却水タンクの入口配管（出口側冷却媒体貯蔵容器の入口側に接続する配管）
９ａ  入口側冷却水タンクの入口配管（入口側冷却媒体貯蔵容器の入口側に接続する配管）
１５  入口側冷却水タンク
１９  出口側冷却水タンク
【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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