(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池を冷却するための冷却装置と、
を備えており、
前記冷却装置は、前記燃料電池内を通る循環路に冷却材を強制循環させることによって前記燃料電池を冷却する第１の強制循環冷却系と、前記第１の強制循環冷却系とは独立した第２の強制循環冷却系と、前記第１および第２の強制循環冷却系とそれぞれ熱交換を行う中間冷却系と、を備えており、
前記中間冷却系の冷却材として、電気絶縁性液体が使用されており、
前記中間冷却系は、前記電気絶縁性液体を収容する容器を有しており、
前記電気絶縁性液体は、前記容器の中で自然循環しつつ前記第１および第２の強制循環冷却系とそれぞれ熱交換を行う、燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記電気絶縁性液体は、前記容器の中で前記第１の強制循環冷却系から与えられる熱によって沸騰することが許容されている、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料電池システムであって、
前記第１および第２の強制循環冷却系は、前記中間冷却系の中において前記電気絶縁性液体との熱交換を促進するための熱交換促進部をそれぞれ備えている、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記第２の強制循環冷却系は、外気に熱を放出するための放熱部を備えている、燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記電気絶縁性液体は不凍性を有する、燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５記載の燃料電池システムであって、
前記電気絶縁性液体は、フッ素系不活性液体または絶縁油を含む、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池の冷却技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水素と酸素の電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池は、次世代のエネルギ源として期待されている。燃料電池の運転時（発電時）には、電気化学反応に伴ってかなりの熱が発生する。そこで、通常の燃料電池システムは、燃料電池を冷却するための冷却装置を備えている。
【０００３】
燃料電池システムの冷却装置としては、例えば本出願人により開示された特開平８−１８４８７７号公報に記載されたものが知られている。この装置では、水とエチレングリコールとを含む不凍液を含む冷却材を用いて燃料電池を冷却している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、水とエチレングリコールとを含む不凍液は、電気の良導体なので、上述した従来の技術では燃料電池システムの絶縁性を十分なレベルに保つことが困難な場合があった。
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池システムの絶縁性を比較的容易に高めることのできる技術を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池を冷却するための冷却装置と、を備えている。前記冷却装置は、前記燃料電池内を通る循環路に冷却材を強制循環させることによって前記燃料電池を冷却する第１の強制循環冷却系と、前記第１の強制循環冷却系とは独立した第２の強制循環冷却系と、前記第１および第２の強制循環冷却系とそれぞれ熱交換を行う中間冷却系と、を備えており、前記中間冷却系の冷却材として、電気絶縁性液体が使用されている。
【０００７】
この燃料電池システムでは、燃料電池の冷却装置において電気絶縁性の冷却材を用いているので、燃料電池を外部と電気的に絶縁することが容易である。従って、燃料電池システムの絶縁性を比較的容易に高めることが可能である。また、中間冷却系の冷却材として電気絶縁性液体を使用するので、第１と第２の強制循環冷却系に関しては、電気的な絶縁性を考慮する必要がない。従って、燃料電池システムの絶縁性を比較的容易に高めることが可能である。
【００１０】
前記中間冷却系は、前記電気絶縁性液体を収容する容器を有しており、前記電気絶縁性液体は、前記容器の中で自然循環しつつ前記第１および第２の強制循環冷却系とそれぞれ熱交換を行うようにしてもよい。
【００１１】
この構成では、中間冷却系の構成が単純になるという効果がある。
【００１２】
前記電気絶縁性液体は、前記容器の中で前記第１の強制循環冷却系から与えられる熱によって沸騰することが許容されているようにしてもよい。
【００１３】
沸騰熱伝達を利用すると、電気絶縁性液体への熱伝達率が高くなるので、冷却効率を高めることが可能である。
【００１４】
前記第１および第２の強制循環冷却系は、前記中間冷却系の中において前記電気絶縁性液体との熱交換を促進するための熱交換促進部をそれぞれ備えているようにしてもよい。
【００１５】
この構成では、中間冷却系における冷却効率をさらに高めることが可能である。
【００１６】
前記第２の強制循環冷却系は、外気に熱を放出するための放熱部を備えているようにしてもよい。
【００１７】
この構成では、第２の強制循環冷却系における冷却効率を高めることが可能である。
【００１８】
前記電気絶縁性液体は不凍性を有することが好ましい。
【００１９】
この構成では、燃料電池システムの運転可能な温度範囲を広げることが可能である。
【００２０】
前記電気絶縁性液体は、フッ素系不活性液体または絶縁油を含むものとすることができる。
【００２１】
フッ素系不活性液体や絶縁油は、電気絶縁性で不凍性なので、電気絶縁性の冷却材として好ましい。
【００２２】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムや、燃料電池の冷却システム、冷却方法等の態様で実現することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．参考例：
Ｄ．変形例
【００２４】
Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池システム１００の構成を示す説明図である。この燃料電池システム１００は、燃料電池２０と、燃料電池２０を冷却するための冷却装置（冷却システム）とを備えている。冷却装置は、燃料電池２０を直接冷却する第１の強制循環冷却系３０と、第１の強制循環冷却系と熱交換を行う中間冷却系４０と、中間冷却系と熱交換を行う第２の強制循環冷却系５０と、燃料電池システムの全体を制御するためのコントローラ６０と、を有している。燃料電池２０と第１の強制循環冷却系３０と中間冷却系４０は、燃料電池ケース２２内に収納されている。
【００２５】
第１の強制循環冷却系３０は、燃料電池２０と中間冷却系４０の熱交換容器４２との間を循環する循環路３１を有している。この循環路３１には、ポンプ３２と、温度センサ３３とが設けられている。コントローラ６０は、温度センサ３３で測定された冷却材温度に応じてポンプ３２の回転を制御する。循環路３１は金属製のパイプであり、中間冷却系４０の容器と循環路３１との間は絶縁材３４で電気的に絶縁されている。但し、容器４０の外側では、循環路３１を絶縁材料で形成することも可能であり、この場合には絶縁材３４は不要である。循環路３１のうちで、容器４０の内部を通過する配管には、熱交換を促進する熱交換促進部としての複数のフィン３５が設けられている。第１の強制循環冷却系３０を循環する第１の冷却材ＣＬ１としては、例えば水とエチレングリコールとを含む不凍液が使用される。
【００２６】
第２の強制循環冷却系５０は、外気に熱を放出するための放熱部としてのラジエータ５８を有している。また、ラジエータ５８と中間冷却系４０の熱交換容器４２との間を循環する循環路５１を有している。この循環路５１にも、ポンプ５２と、温度センサ５３とが設けられている。循環路５１は金属製のパイプであり、中間冷却系４０の容器と循環路５１との間は絶縁材５４で電気的に絶縁されている。但し、容器４０の外側では、循環路５１を絶縁材料で形成することも可能であり、この場合には絶縁材５４は不要である。循環路５１のうちで、容器４０の内部を通過する配管には、複数のフィン５５が設けられている。第２の強制循環冷却系５０を循環する第２の冷却材ＣＬ２としても、例えば水とエチレングリコールとを含む不凍液が使用される。
【００２７】
なお、第２の強制循環冷却系５０は、第１の強制循環冷却系３０とは独立している。ここで、「独立している」という意味は、互いの循環路が直接的には接触していないことを意味する。第１と第２の強制循環冷却系３０，５０を互いに独立した構成としたのは、以下で説明する電気的な絶縁性向上のためである。
【００２８】
中間冷却系４０は、密封された熱交換容器４２の中に冷却材ＩＣＬが収容されたものであり、熱交換容器４２には冷却材ＩＣＬの温度を測定するための温度センサ４４が設けられている。第１の強制循環冷却系３０の第１の冷却材ＣＬ１は、燃料電池２０内の図示しない冷却通路を通って燃料電池２０を冷却し、中間冷却系４０の熱交換容器４２内において冷却材ＩＣＬに熱を伝達する。冷却材ＩＣＬは、熱交換容器４２中で自然循環（対流）している。この冷却材ＩＣＬの熱は、第２の強制循環冷却系５０の第２の冷却材ＣＬ２に伝達され、ラジエータ５８から外部に放出される。
【００２９】
中間冷却系４０の冷却材ＩＣＬは、電気絶縁性液体である。ここで、「電気絶縁性液体」とは、体積抵抗率が室温で約１０12Ω・ｍ以上の液体を意味する。但し、体積抵抗率は高い方が好ましく、特に約１０16Ω・ｍ以上であることが好ましい。第１と第２の強制循環冷却系の循環路３１，５１同士は、電気絶縁性の冷却材ＩＣＬによって絶縁されている。すなわち、第２の強制循環冷却系５０は、燃料電池２０から電気的に絶縁されている。従って、第１と第２の強制循環冷却系３０，５０の冷却材ＣＬ１，ＣＬ２として電気伝導性の不凍液を用いても、燃料電池システム１００の電気絶縁性が損なわれることが無い。なお、以下では、中間冷却系４０の冷却材ＩＣＬを単に「絶縁性冷却材ＩＣＬ」と呼ぶ。
【００３０】
絶縁性冷却材ＩＣＬは、さらに、不凍性であることが好ましい。ここで、「不凍性」とは、０℃で凍結しない性質を意味する。図１の燃料電池システム１００では、３種類の冷却材ＣＬ１，ＩＣＬ，ＣＬ２としていずれも不凍性の液体を用いているので、寒冷地においても冷却材が凍結する心配が無いという利点がある。
【００３１】
なお、絶縁性冷却材ＩＣＬとしては、例えば、フッ素系不活性液体である住友スリーエム社製のフロリナート（Fluorinert，商標）や、絶縁油を用いることが可能である。特に、フッ素系不活性液体は、化学的に極めて安定であり、また、熱伝達特性にも優れているという利点がある。
【００３２】
図１の例では絶縁性冷却材ＩＣＬが熱交換容器４２中で自然循環しているが、熱交換容器４２内で絶縁性冷却材ＩＣＬを沸騰させるようにしてもよい。絶縁性冷却材ＩＣＬを熱交換容器４２中で沸騰させると、絶縁性冷却材ＩＣＬへの熱伝達率が高くなるので、熱交換容器４２中における冷却効率を高めることが可能である。この結果、第１と第２の強制循環冷却系３０，５０の熱交換容器４２内における配管長やフィン３５，５５の表面積を低減することができ、熱交換容器４２のサイズを縮小することが可能である。また、熱交換容器４２のサイズが小さくなるので、絶縁性冷却材ＩＣＬの使用量を低減することができる。特にフッ素系不活性液体は高価なので、この効果が顕著である。
【００３３】
このような沸騰熱伝達を利用する場合には、熱交換容器４２内部の上方に空間が設けられて、絶縁性冷却材ＩＣＬの液面が確保される。また、ポンプ３２，５２は、温度センサ３３，４４，５３で測定された温度に基づいて、絶縁性冷却材ＩＣＬが沸騰状態になるように制御される。絶縁性冷却材ＩＣＬとしては、その沸点が、第１の冷却材ＣＬ１の最高許容温度よりも低いものが選択される。なお、第１の冷却材ＣＬ１の最高許容温度は、通常は燃料電池２０の最高許容温度から決定される。例えば、第１の冷却材ＣＬ１の最高許容温度が約１００℃の場合には、絶縁性冷却材ＩＣＬの沸点も約１００℃未満に設定される。また、室温においては、絶縁性冷却材ＩＣＬは液体であることが好ましい。従って、沸騰熱伝達を利用する場合には、絶縁性冷却材ＩＣＬの沸点は、室温よりも高く、かつ、約１００℃未満であることが好ましい。
【００３４】
なお、上述のような特定の範囲の沸点を有する絶縁性冷却材ＩＣＬを用いた場合には、温度に基づくポンプ３２，５２の制御を行わずに、ポンプ３２，５２を定常運転することも可能である。このときには、温度センサ３２，４４，５３のうちの少なくとも一部を省略することができる。
【００３５】
以上のように、第１実施例の燃料電池システム１００では、２つの強制循環冷却系３０，５０を独立させ、また、その間に絶縁性冷却材ＩＣＬを用いた中間冷却系４０を設けたので、高い絶縁性を得ることが可能である。
【００３６】
Ｂ．第２実施例：
図２は、第２実施例の燃料電池システム１１０の構成を示す説明図である。この燃料電池システム１１０は、中間冷却系が図１に示した第１実施例と異なるだけであり、他の構成は第１実施例と同じである。第２実施例の中間冷却系４０ａの容器４２ａは、第１の強制循環冷却系３０の循環路３１が通過する第１の熱交換室４５ａと、第２の強制循環冷却系５０の循環路５１が通過する第２の熱交換室４５ｂとを有しており、それらの間が配管部４６ａ，４６ｂで接続されている。また、一方の配管部４６ａには、ポンプ４８が設けられている。このポンプ４８が運転されると、絶縁性冷却材ＩＣＬが容器４２ａ内を強制循環する。
【００３７】
第２実施例の燃料電池システム１１０も、第１実施例と同様に高い絶縁性を得ることが可能である。また、第２実施例では、絶縁性冷却材ＩＣＬが強制循環するので、第１実施例のように自然循環する場合に比べて絶縁性冷却材への熱伝達率が高くなる。この結果、燃料電池２０の冷却効率を高めることが可能である。但し、強制循環のためのポンプ４８の動力が必要となるので、エネルギの節約という観点からは、第２実施例よりも第１実施例の方が好ましい。また、燃料電池システムのサイズの点からも第１実施例の方が好ましい。
【００３８】
Ｃ．参考例：
図３は、参考例の燃料電池システム１２０の構成を示す説明図である。この燃料電池システム１２０は、第１および第２実施例と異なり、中間冷却系や第２の強制循環冷却系を有しておらず、第１の強制循環冷却系のみを備えている。
【００３９】
この第１の強制循環冷却系３０ａは、ラジエータ３８を有しており、また、ラジエータ３８と燃料電池２０との間を循環する循環路３１ａを有している。この循環路３１ａには、ポンプ３２と、温度センサ３３とが設けられている。循環路３１は金属製のパイプであり、燃料電池２０と循環路３１ａとの間には、絶縁材で形成された継ぎ手８０が設けられている。また、冷却材としては第１実施例で説明した絶縁性冷却材ＩＣＬが使用されている。なお、循環路３１ａを絶縁材料で形成した場合には、絶縁性の継ぎ手８０は不要である。
【００４０】
参考例では、燃料電池２０と循環路３１ａの配管との間が絶縁されており、また、絶縁性冷却材ＩＣＬが使用されているので、ラジエータ３８は燃料電池２０から電気的に絶縁されている。従って、第１および第２実施例と同様に、燃料電池システムに関して高い絶縁性を得ることが可能である。また、第１および第２実施例に比べてシステムの構成が単純であるという利点もある。但し、絶縁性冷却材ＩＣＬとして、上述したフロリナートのような高価な液体を使用する場合には、図１に示した第１実施例の方が絶縁性冷却材ＩＣＬの量が少なくて済むので、参考例よりも好ましい。
【００４１】
Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００４２】
Ｄ１．変形例１：
上述した各種の実施例から理解できるように、燃料電池２０の冷却装置（冷却システム）の構成としては、複数の冷却系を有するものや、１つの冷却系のみを有するものなどの種々の構成を採用することが可能である。一般には、燃料電池の冷却装置は、燃料電池を冷却する第１の強制循環冷却系を少なくとも備えていればよく、また、冷却装置内で使用されている少なくとも１種類の冷却材として、電気絶縁性液体が用いられていればよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施例としての燃料電池システムの構成を示す説明図。
【図２】  第２実施例の燃料電池システムの構成を示す説明図。
【図３】  参考例の燃料電池システムの構成を示す説明図。
【符号の説明】
２０…燃料電池
２２…燃料電池ケース
３０，３０ａ…第１の強制循環冷却系
３１…循環路
３２…温度センサ
３２…ポンプ
３３…温度センサ
３４…絶縁材
３５…フィン
３８…ラジエータ
４０，４０ａ…中間冷却系
４２，４２ａ…熱交換容器
４４…温度センサ
４５ａ…第１の熱交換室
４５ｂ…第２の熱交換室
４６ａ，４６ｂ…配管部
４８…ポンプ
５０…第２の強制循環冷却系
５１…循環路
５２…ポンプ
５３…温度センサ
５４…絶縁材
５５…フィン
５８…ラジエータ
６０…コントローラ
８０…継ぎ手
１００…燃料電池システム
１１０…燃料電池システム
１２０…燃料電池システム
ＣＬ１…第１の冷却材
ＣＬ２…第２の冷却材
ＩＣＬ…絶縁性冷却材
【図１】
0004345205.tif 000002
【図２】
0004345205.tif 000003
【図３】
0004345205.tif 000004