JP2003217628A - 燃料電池ユニット - Google Patents

燃料電池ユニット

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JP2003217628A
JP2003217628A JP2002014275A JP2002014275A JP2003217628A JP 2003217628 A JP2003217628 A JP 2003217628A JP 2002014275 A JP2002014275 A JP 2002014275A JP 2002014275 A JP2002014275 A JP 2002014275A JP 2003217628 A JP2003217628 A JP 2003217628A
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fuel cell
cooling water
heat exchanger
intermediate heat
radiator
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JP2002014275A
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Yoshihiko Sonoda
由彦 薗田
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Denso Corp
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Denso Corp
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 中間熱交換器を含めた燃料電池ユニットが小
型化し、車両への搭載性を向上させる。 【解決手段】 燃料電池10と電池用冷却水を冷却する
中間熱交換器30とを一体化して、ケーシング内に収納
する。これにより、中間熱交換器30と燃料電池10と
を繋ぐ配管を廃止することができるので、部品点数を低
減することができるとともに、中間熱交換器30を含め
た燃料電池ユニットを小型にすることができ、特に、車
両への搭載性を向上させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池ユニット
に関するもので、電気自動車等の輸送機器に適用して有
効である。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】一般的
な燃料電池は、所定の出力電圧を得るために、複数個の
燃料電池セルを積層して構成しているが、効率よく発電
させるには、エンジンやインバータ等と同様に冷却水に
て冷却して燃料電池、すなわち燃料電池セルを適切な温
度に維持する必要がある。
【0003】そして、燃料電池の冷却方法としては、図
1に示すように、燃料電池10内を循環する燃料電池用
冷却水と放熱用ラジエータ20内を循環するラジエータ
用冷却水とを中間熱交換器30を介して熱交換させて燃
料電池を冷却する方法(以下、この方式を間接冷却方式
と呼ぶ。)が知られている。
【0004】これは、図13に示すように、燃料電池1
0とラジエータ20との間で冷却水を直接循環させる方
式(以下、直接冷却方式と呼ぶ。)に比べて、以下に述
べる利点を有している。
【0005】1.燃料電池10側の冷却水回路(配管)
が短くなるため、燃料電池内を循環する冷却水料を減ら
すことができる。すなわち、燃料電池の起動時に素早く
燃料電池を所定温度まで上昇させることができ、暖機運
転時間を短縮することができる。
【0006】2.燃料電池内を循環する冷却水が電気導
電性を有していると、漏電が発生する可能性が高いの
で、通常、電池用冷却水は純水等の非イオン水を用いる
必要性がある。しかし、電池用冷却水の回路を構成する
金属配管等から溶出する金属イオンにより、経時的に
は、非イオン水もイオン水となる可能性が高い。
【0007】したがって、間接冷却方式によれば、燃料
電池側の冷却水量及び配管類を減らすことができるとと
もに、ユーザやサービスマン等が直接、手に触れる可能
性が高いラジエータと、燃料電池用冷却水とが電気絶縁
された状態となるので、ラジエータ側に漏電してしまう
ことを未然に防止できる。
【0008】しかし、間接冷却方式では、直接冷却方式
に比べて燃料電池側の冷却水量及び配管類を減らすこと
ができるものの、中間熱交換器と燃料電池とを繋ぐ配管
を必要として部品点数が増大するとともに、中間熱交換
器を含めた燃料電池ユニットが大型化してしまい、特
に、車両への搭載性が悪いという問題がある。
【0009】本発明は、上記問題点を解決することを目
的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、請求項1に記載の発明では、化学反応に
より電力を発生させる複数個の燃料電池セルを積層した
燃料電池(10)と、燃料電池セルの積層方向端部側に
隣接して燃料電池(10)に一体化され、燃料電池(1
0)内を循環する電池用冷却水と放熱用ラジエータ(2
0)内を循環するラジエータ用冷却水とを熱交換する中
間熱交換器(30)とを備えることを特徴とする。
【0011】これにより、中間熱交換器(30)と燃料
電池(10)とを繋ぐ配管を廃止することができるの
で、部品点数を低減することができるとともに、中間熱
交換器(30)を含めた燃料電池ユニットを小型にする
ことができ、特に、車両への搭載性を向上させることが
できる。
【0012】なお、請求項2に記載の発明のごとく、電
池用冷却水が流れる電池冷却水用チューブ(31)とラ
ジエータ用冷却水が流れるラジエータ冷却水用チューブ
(32)とを、燃料電池セルの積層方向と同一方向に交
互に積層することにより中間熱交換器(30)を構成す
ることが望ましい。
【0013】請求項3に記載の発明では、中間熱交換器
(30)は、電池用冷却水の流れとラジエータ用冷却水
の流れが対向流れとなるように構成されていることを特
徴とする。
【0014】これにより、熱交換効率を高めることがで
きる。
【0015】請求項4に記載の発明では、中間熱交換器
(30)と燃料電池(10)との間には、熱移動を抑制
する断熱部材(34)が配設されていることを特徴とす
る。
【0016】これにより、燃料電池(10)のうち中間
熱交換器(30)近傍のみが局所的に冷却されることを
防止できるので、発電効率が低下することを防止でき
る。
【0017】請求項5に記載の発明では、中間熱交換器
(30)及び燃料電池(10)は、ケーシング(50)
内に収納されていることを特徴とする。
【0018】これにより、燃料電池ユニットを取り扱い
及び設置搭載性を向上させることができる。
【0019】因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後
述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す
一例である。
【0020】
【発明の実施の形態】(第1実施形態)本実施形態は、
本発明に係る燃料電池ユニットを電気自動車に適用した
ものであって、図1は燃料電池(FCスタック)10の
冷却系を示す模式図であり、「従来の技術及び発明が解
決しようとする課題」の欄で述べた間接冷却方式と同じ
である。
【0021】そして、本実施形態では、燃料電池10と
中間熱交換器20とが一体化されて燃料電池ユニットが
構成されており、図2は本実施形態に係る燃料電池ユニ
ットの模式図である。
【0022】燃料電池10は、例えば水素と酸素との化
学反応により電力を発生させる複数個の燃料電池セル1
0aを積層したもので、中間熱交換器30は、燃料電池
セルの積層方向端部側に隣接して燃料電池10にろう付
けにて一体化されて電池用冷却水とラジエータ用冷却水
とを熱交換する。
【0023】ここで、中間熱交換器30は、図3に示す
ように、電池用冷却水が流れる電池冷却水用チューブ3
1とラジエータ用冷却水が流れるラジエータ冷却水用チ
ューブ32とが、燃料電池セル10aの積層方向と同一
方向に交互に積層されたものであり、両チューブ31、
32は、車両用空調装置の蒸発器のごとく、所定形状に
成形された複数枚のプレート33a(図4参照)を積層
することにより構成されている。
【0024】なお、本実施形態では、ステンレス等の耐
食性に優れた金属板をプレス成形して2種類のプレート
33aを形成し、この2種類のプレートを図4(a)に
示すように張り合わせて積層してチューブ層33を構成
し、このチューブ層33を、図5に示すように、その天
地方向を交互に反対とすることにより冷却水用チューブ
31及びラジエータ冷却水用チューブ32を構成してい
る。
【0025】因みに、各チューブ層33、すなわち冷却
水用チューブ31及びラジエータ冷却水用チューブ32
は、ろう付けにて一体化され、プレート33aのうち冷
却水が流れる面には、図4(b)、(c)に示すよう
に、冷却水流れを案内するとともに、伝熱面積を増大さ
せるフィン33bが設けられている。
【0026】また、図5及び図6(b)〜(d)から明
らかなように、中間熱交換器30は、電池用冷却水の流
れとラジエータ用冷却水の流れが対向流れとなるよう
に、冷却水用チューブ31とラジエータ冷却水用チュー
ブ32とを交互に積層して熱交換効率の向上を図ってい
るととともに、図3に示すように、中間熱交換器30を
構成するチューブ層33のうち燃料電池10の軸方向端
面と接触するチューブ層33を冷却水が流れないダミー
チューブとすることにより、中間熱交換器30と燃料電
池10との間に熱移動を抑制する断熱部材としての断熱
層34を構成している。
【0027】因みに、図6(b)〜(d)は、図6
(a)に示す断面における冷却水流れを示すものであ
る。
【0028】なお、本実施形態では、電池用冷却水を循
環させるポンプ40も、図2示すように中間熱交換器3
0に一体化されており、このポンプ40及びポンプ40
を駆動するモータ41も含めた燃料電池ユニットは、図
7に示すように、金属製等の剛体性のケーシング50内
に収納されている。
【0029】次に、本実施形態の特徴を述べる。
【0030】本実施形態では、燃料電池10と中間熱交
換器30とが一体化されているので、中間熱交換器30
と燃料電池10とを繋ぐ配管を廃止することができるの
で、部品点数を低減することができるとともに、中間熱
交換器30を含めた燃料電池ユニットを小型にすること
ができ、特に、車両への搭載性を向上させることができ
る。
【0031】また、燃料電池10と中間熱交換器30と
の間に断熱層34が設けられているので、燃料電池10
のうち中間熱交換器30近傍のみが局所的に冷却される
ことを防止でき、発電効率が低下することを防止でき
る。
【0032】また、中間熱交換器30及び燃料電池10
が、ケーシング50内に収納されているので、燃料電池
ユニットを取り扱い及び設置搭載性を向上させることが
できる。
【0033】(第2実施形態)第1実施形態では、ポン
プ40及びモータ41をケーシング50内に収納した
が、本実施形態は、図8、9に示すように、少なくとも
モータ41をケーシング50外に設置したものである。
なお、図8はモータ41のみをケーシング50外に設置
した例であり、図9はポンプ40及びモータ41をケー
シング50外に設置した例である。
【0034】これにより、何らかの理由により燃料電池
10から水素が漏れ出てた水素がモータ41の火花によ
り引火してしまうことを未然に防止できる。
【0035】(第3実施形態)第1実施形態では、燃料
電池10と中間熱交換器30とをろう付けにて一体化し
たが、本実施形態は、図10に示すように、燃料電池1
0の端部プレート11とプレート52とを貫通するボル
ト51を締め付けることにより中間熱交換器30を端部
プレート11及びプレート52にて挟み込むようにして
中間熱交換器30を燃料電池10に一体化したものであ
る。
【0036】(第4実施形態)本実施形態は、図11に
示すように、電池用冷却水中に溶出したイオンを除去す
るイオン交換樹脂フィルタ53を設けたものである。
【0037】(第5実施形態)上述の実施形態では、冷
却水用チューブ31及びラジエータ冷却水用チューブ3
2を金属にて構成したが、本実施形態は、図12に示す
ように、プレート33aを非導電性の樹脂やセラミック
スで成形したものである。なお、この場合には、プレー
ト33aの合わせ面にパッキン等のシール材を配設する
必要がある。
【0038】そして、本実施形態では、プレート33a
を非導電性の樹脂やセラミックスで成形したので、電池
用冷冷却水中にイオンは溶出するおそれがないので、耐
漏電性を向上させることができる。
【0039】(その他の実施形態)上述の実施形態で
は、ダミーチューブにより断熱層34を構成したが、本
発明はこれに限定されるものではなく、樹脂やゴム等の
熱伝導率の小さい材質からなるプレートを燃料電池10
と中間熱交換器30との間に介在させてもよい。
【0040】また、上述の実施形態では、水素と酸素と
を化学反応させて発電するタイプの燃料電池10を用い
たが、本発明はこれに限定されるものではなく、メタノ
ールと酸素とを直接反応させて発電するタイプの燃料電
池を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】燃料電池の冷却方式の模式図である。
【図2】本発明の第1実施形態に係る燃料電池ユニット
の模式図である。
【図3】本発明の第1実施形態に係る燃料電池ユニット
の模式図である。
【図4】(a)は本発明の第1実施形態に係る中間熱交
換器のチューブ層を示す斜視図であり、(b)、(c)
はプレートの正面図である。
【図5】本発明の第1実施形態に係る中間熱交換器にお
ける冷却水用チューブ及びラジエータ冷却水用チューブ
の組み付け説明図である。
【図6】本発明の第1実施形態に係る中間熱交換器にお
ける冷却水流れを説明するための説明図である。
【図7】本発明の第1実施形態に係る燃料電池ユニット
をケーシングに収納した状態を示す模式図である。
【図8】本発明の第2実施形態に係る燃料電池ユニット
をケーシングに収納した状態を示す模式図である。
【図9】本発明の第2実施形態に係る燃料電池ユニット
をケーシングに収納した状態を示す模式図である。
【図10】本発明の第3実施形態に係る燃料電池ユニッ
トをケーシングに収納した状態を示す模式図である。
【図11】本発明の第4実施形態に係る燃料電池ユニッ
トをケーシングに収納した状態を示す模式図である。
【図12】本発明の第5実施形態に係る燃料電池ユニッ
トをケーシングに収納した状態を示す模式図である。
【図13】燃料電池の冷却方式の模式図である。
【符号の説明】
10…燃料電池、30…中間熱交換器。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 化学反応により電力を発生させる複数個
    の燃料電池セルを積層した燃料電池(10)と、 前記燃料電池セルの積層方向端部側に隣接して前記燃料
    電池(10)に一体化され、前記燃料電池(10)内を
    循環する電池用冷却水と放熱用ラジエータ(20)内を
    循環するラジエータ用冷却水とを熱交換する中間熱交換
    器(30)とを備えることを特徴とする燃料電池ユニッ
    ト。
  2. 【請求項2】 前記中間熱交換器(30)は、前記電池
    用冷却水が流れる電池冷却水用チューブ(31)と前記
    ラジエータ用冷却水が流れるラジエータ冷却水用チュー
    ブ(32)とが、前記燃料電池セルの積層方向と同一方
    向に交互に積層されたものであることを特徴とする請求
    項1に記載の燃料電池ユニット。
  3. 【請求項3】 前記中間熱交換器(30)は、前記電池
    用冷却水の流れと前記ラジエータ用冷却水の流れが対向
    流れとなるように構成されていることを特徴とする請求
    項1又は2に記載の燃料電池ユニット。
  4. 【請求項4】 前記中間熱交換器(30)と前記燃料電
    池(10)との間には、熱移動を抑制する断熱部材(3
    4)が配設されていることを特徴とする請求項1ないし
    3のいずれか1つに記載の燃料電池ユニット。
  5. 【請求項5】 前記中間熱交換器(30)及び前記燃料
    電池(10)は、ケーシング(50)内に収納されてい
    ることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1つに
    記載の燃料電池ユニット。
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Effective date: 20050405