JP2006228472A - 燃料電池の冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】冷却液の導電率が上昇した場合においても、燃料電池スタックからの絶縁抵抗を確保し、発電効率の低下を防止した燃料電池の冷却システムを提供する。
【解決手段】燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２に接続された冷却液aを循環させる冷却液循環配管３と、冷却液循環配管３に設置された熱交換手段（ラジエータ４）と、燃料電池スタック２下流の冷却液循環配管３から分岐して接続され、熱交換手段（ラジエータ４）の下流に接続された、冷却液循環配管３の径よりも小径とした第１の冷却液バイパス配管６と、燃料電池スタック２下流の冷却液循環配管３に設置された絶縁バルブ７と、第１の冷却液バイパス配管６に接続された電荷放出手段（アース８）と、第１の冷却液バイパス配管６に設置されたイオン除去手段（イオンフィルタ９）と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の冷却を行う燃料電池の冷却システムに関する。

燃料電池は、水素ガスを燃料として用いて水素ガスと酸素ガスとを反応させて発電する装置である。燃料電池は発電に伴い熱が発生するため、燃料電池を冷却する冷却システムが設置されている。

冷却システムは、基本的に、燃料電池スタックに接続された冷却液循環配管と、冷却液循環配管に設置された熱交換手段（例えば、ラジエータ）と、を備えている。冷却システムでは、燃料電池スタックから排水された冷却液（例えば、冷却水）が冷却液循環配管を循環し、熱交換手段により冷却液中の熱を放熱した後、冷却された冷却液を再度燃料電池スタック内に導入し、燃料電池スタックの温度を規定の作動温度に維持している。

冷却液（冷却水）は冷却液循環配管を循環するに伴い、燃料電池スタック、熱交換手段の金属部位から溶け出す金属イオンを含有するため、冷却液の導電率は上昇する傾向にある。冷却液の導電率が上昇すると、燃料電池の正極から冷却液循環配管を介して燃料電池の負極まで電位が下降し、その結果、燃料電池の発電効率は低下してしまう。

そこで、従来の冷却システムは、燃料電池と、この燃料電池を保温又は絶縁収納する燃料電池収納ケースとを設け、燃料電池収納ケースの壁面を貫通して燃料電池と熱交換手段とを接続する冷却液循環配管を形成している。そして、この冷却液循環配管に熱交換手段を設置し、冷却液循環配管が燃料電池収納ケースを貫通する一対の貫通部を、燃料電池の制御装置のグランドに接続している（特許文献１参照）。本技術によれば、燃料電池スタックから冷却液循環配管を介して規定の距離を確保した上でアースに落とし、絶縁抵抗を確保している。

また、従来の別の冷却システムでは、燃料電池スタックの上流と下流のそれぞれの冷却液循環配管に樹脂製の絶縁バルブを設置し、さらに熱交換手段をバイパスするバイパス配管を冷却液循環配管に分岐させて接続している（特許文献２参照）。本技術によれば、絶縁バルブの設置により、冷却水がバイパス配管を循環するため、燃料電池スタックから流れる電気を遮断し、絶縁抵抗を確保している。
特開２００２−２８００３９号公報 特開２００３−１６８４６２号公報

しかし、燃料電池の運転を長期間停止した後に運転を再開すると、燃料電池スタックから多量の金属イオンが冷却液中に溶け出してしまい、燃料電池の始動時のみ冷却液の導電率が一時的に高くなるという現象が生じていた。

冷却液循環配管の径が広く、燃料電池スタックからアースまでの冷却液循環配管距離が短い場合、冷却液循環配管を循環する冷却水の流量が多くなることから、
冷却水の導電率が高くなると、絶縁抵抗を確保することが難しかった。しかし、特許文献１記載の冷却システムでは、冷却液循環配管が燃料電池収納ケースを貫通する一対の貫通部をアースの位置としており、冷却液循環配管の長さは、実質上、燃料電池スタック内部の長さしかなく、燃料電池スタックからアースまでの冷却液循環配管の距離は短くなっていた。このため、燃料電池スタックとアースの電位が低くなり、絶縁抵抗を確保できず、燃料電池の発電効率が低下するという問題を有していた。

また、特許文献２記載の冷却システムでは、燃料電池の停止中にのみ絶縁バルブを閉じて、熱交換手段をバイパスするバイパス配管を介して燃料電池スタック内に冷却液を循環させて電気を遮断していた。このため、燃料電池の始動中は、冷却液循環配管内に電気が流れるため、別途、絶縁カバーを設置するなどの対策が必要となっていた。さらに、絶縁バルブを閉じて電気を遮断しても、停車中でアイドリング状態の場合には、感電する危険性を有しており、車の点検作業を行うことが難しいという問題を有していた。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、すなわち、本発明の燃料電池の冷却システムは、燃料電池スタックと、燃料電池スタックに接続された冷却液を循環させる冷却液循環配管と、冷却液循環配管に設置された熱交換手段と、燃料電池スタック下流の冷却液循環配管から分岐して接続され、熱交換手段の下流に接続された、冷却液循環配管の径よりも小径とした第１の冷却液バイパス配管と、燃料電池スタック下流の冷却液循環配管に設置された絶縁バルブと、第１の冷却液バイパス配管に接続された電荷放出手段と、第１の冷却液バイパス配管に設置されたイオン除去手段と、を有することを要旨とする。

本発明によれば、冷却液の導電率が上昇した場合においても、燃料電池スタックからの絶縁抵抗を確保でき、発電効率の低下を防止した燃料電池の冷却システムを提供する。

以下、添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係る燃料電池の冷却システムを説明する。

第１実施形態
本発明の実施の形態に係る燃料電池の冷却システム１の基本的な構成を図１に示す。燃料電池の冷却システム１は、燃料電池スタック２に冷却液として冷却水aを循環させる冷却液循環配管３が接続され、この冷却液循環配管３に熱交換手段であるラジエータ４と、ポンプ５と、が順次設置される。冷却液循環配管３には、燃料電池スタック２下流の冷却液循環配管３から第１の冷却液バイパス配管６が分岐して接続され、この冷却液バイパス配管６はラジエータ４下流の冷却液循環配管３に接続される。冷却液バイパス配管６は、冷却液循環配管３よりも小径な配管から形成される。冷却液循環配管３と冷却液バイパス配管６との合流点下流の冷却水循環配管３には絶縁バルブ７が設置され、冷却液バイパス配管６には、電荷放出手段であるアース８と、イオン除去手段であるイオンフィルタ９と、が順次設置される。さらに、燃料電池スタック２上流の冷却液循環配管３にも、電荷放出手段であるアース１０が設置される。

上記燃料電池の冷却システム１では、燃料電池を長期放置した後に起動する場合、絶縁バルブ７を閉じておき、冷却液バイパス配管６を経由して冷却水aを燃料電池スタック２に循環させる。なお、燃料電池の始動時は、燃料電池スタックの発熱量が少ないため、ラジエータ４により冷却水aを冷却する必要が無い。この冷却液バイパス配管６は冷却液循環配管３よりも小径であるため、冷却液バイパス配管３を循環する冷却水aの流量は少ない。このため、燃料電池スタック２からアース８までの距離が短くても、絶縁抵抗値を高い値に維持できる。アース８により電荷が放出され、イオンフィルタ９により冷却水a中のイオンが除去されるため、燃料電池スタック２の温度が上昇し、通常運転となるまでに冷却水aの導電率を下げることができる。

燃料電池の通常運転時には、絶縁バルブ７を開き、冷却液循環配管３を介して冷却水aをラジエータ４とポンプ５とに循環させて、アース１０により電荷を放出した上で燃料電池スタック２内に冷却水aを導入し、燃料電池スタック２を冷却する。そして、冷却液循環配管３から分岐して接続された冷却液バイパス配管６には、流量の少ない冷却水aが流通しており、イオンフィルタ９により冷却水a中のイオンが除去され、冷却水aの導電率を低い値としている。

本発明の実施の形態によれば、燃料電池の始動時に、冷却液バイパス配管６に冷却水aを循環させて、冷却水aの導電率を下げた上で、冷却液循環配管３に冷却水aを循環させているため、燃料電池の運転中に冷却液循環配管３に冷却水aを通水させた場合でも、絶縁カバーを設けること無く、燃料電池スタック２からアース１０までの絶縁抵抗を確保することができる。

また、本発明の実施の形態によれば、冷却水aがイオンフィルタ９を通過すると冷却水aの導電率が低下するため、燃料電池スタック２上流側における冷却液循環配管３を太い径の配管とした場合であっても、絶縁抵抗値を下げることができる。

第２実施形態
本発明の実施の形態に係る燃料電池の冷却システムの構成を図２に示す。なお、図１に示す燃料電池の冷却システム１と同一の構成には同一符号を使用し、その説明を省略する。燃料電池の冷却システム１１は、冷却液循環配管３と冷却液バイパス配管６との合流点上流の冷却水循環配管３に設置された導電率センサ１２と、制御装置１３と、を備える。そして、ポンプ５下流の冷却液循環配管３から第２の冷却液バイパス配管１４が接続され、冷却液バイパス配管１４に電荷放出手段であるアース１５が設置される。冷却液バイパス配管１４と冷却液循環配管３との合流点上流の冷却液循環配管３には、絶縁バルブ１６が設置される。

制御装置１３は、導電率センサ１２から計測される冷却水aの導電率が規定値よりも低いときに、絶縁バルブ７,１６を開く制御信号を送信し、導電率センサ１２から計測される冷却水aの導電率が規定値よりも高いときに、絶縁バルブ７,１６を閉じる制御信号を送信し、冷却水aの流れを制御する。なお、ここでの規定値とは、絶縁抵抗を確保できる冷却水aの導電率を意味する。また、イオンフィルタ９の交換効率を予測できる場合には、冷却水aの導電率の浄化時間も予め予測できる。このため、制御装置１３に浄化に要する規定時間を予め設定しておき、規定時間に到達した時点で絶縁バルブ７の開閉を制御する制御信号を送信しても良い。

上記燃料電池の冷却システム１１では、燃料電池の起動時、導電率センサ１２により燃料電池スタック２から排水される冷却水aの導電率が測定される。起動時の冷却水a中には、各種の金属イオンが含有されており、冷却水aの導電率は規定値よりも高い値であると判定され、制御装置１３から絶縁バルブ７,１６に制御信号が送信される。絶縁バルブ７,１６は閉じられ、冷却水aは、冷却液バイパス配管６を介して循環し、アース８により電荷が放出され、イオンフィルタ９によりイオンが除去される。その後、冷却液バイパス配管１４を介して、アース１５により電荷が放出された後、冷却液aは燃料電池スタック２内に導入される。さらに、燃料電池スタック２から排水される冷却液aの導電率が導電率センサ１２により計測され、冷却水aの導電率が規定値よりも高い値であると判定されると、絶縁バルブ７,１６は閉じられたままであり、冷却水aがイオンフィルタ９を通過し、燃料電池スタック２内に導入される。

その後、燃料電池スタック２の温度が上昇し、燃料電池スタック２から排出される冷却液aの導電率が規定値よりも低い値になった場合に、制御装置１３から絶縁バルブ７,１６に制御信号が送信されて、絶縁バルブ７,１６が２つとも開かれ、冷却水aは冷却水循環配管３内を循環し、冷却水aは、燃料電池スタック２を冷却する。

燃料電池の冷却システム１１において、冷却水a中のイオンの溶出量が多く、また、イオンフィルタ９の容量が小さくイオンの交換効率が低い場合には、イオンフィルタ９に冷却水aを１回だけ通水しただけでは、冷却水a中のイオンを除去しきれず、冷却水aの導電率を下げることができない。このため、本実施形態では、イオンフィルタ９に冷却水aを複数回通水させて冷却水aの導電率を下げることができ、さらに燃料電池スタック２からアース１６までの絶縁抵抗をも確保することができる。

また、本実施の形態では、導電率センサ１２を設置して冷却水aの導電率を計測しているため、冷却水aの導電率を確実に低下させた上で、冷却液循環配管３に冷却水aを通水したため、確実に絶縁抵抗を確保することができる。

第３実施形態
本発明における他の実施の形態に係る燃料電池の冷却システム１７の構成を図３に示す。なお、図１及び図２に示した燃料電池の冷却システム１,１１と同一の構成には同一符号を使用し、その説明を省略する。本実施の形態に係る燃料電池の冷却システム１７は、冷却水バイパス配管６にイオンフィルタ９を設置していない。そして、冷却液循環配管３の絶縁バルブ７上流側から絶縁バルブ１６下流側までの領域、及び冷却液バイパス配管のアース８下流側から冷却液バイパス配管１４のアース１５上流側までの領域に絶縁カバー１８を被覆している。

この燃料電池の冷却システム１７では、イオンフィルタ９を設置していないため、冷却水aの導電率は常に高い状態となる。

燃料電池スタック２の発熱量が少ない燃料電池の始動時に、絶縁バルブ７を閉じて、冷却水バイパス配管６に冷却水aを循環させる。この時、絶縁バルブ７は閉じられており、ラジエータ４側に電気が流れることがない。また、電気はアースされた状態であるため、万が一、冷却液バイパス配管６内の冷却水aに接触しても安全性を確保することができる。

その後、燃料電池スタック２の発熱量が増加したときに、絶縁バルブ７を開き、冷却液循環配管３に冷却水aを循環させる。この時、導電率の高い冷却水aが冷却液循環配管３を流通することになるが、絶縁カバー１８を設置しているため、絶縁性を確保することができる。

本実施の形態によれば、燃料電池が起動し、アイドルにより停止中においても絶縁抵抗を確保できるため、燃料電池を起動しながら車両点検をすることができる。また、本実施の形態によれば、絶縁カバーを被覆しているため、車両の走行中においても安全性を確保することができる。

なお、第１実施形態から第３実施形態まで、冷却液として純水を例に挙げて説明したが、純水に代えて、エチレングリコール、オイル等の冷却液を使用することももちろん可能である。

第４実施形態
本実施の形態では、第１実施形態乃至第３実施形態に示した燃料電池の冷却システムに設置された冷却液バイパス配管の配管径、燃料電池スタックからアースまでの配管の長さ（以下、「配管長さ」と言う。）、冷却水の導電率及び絶縁抵抗値についての関係を調べた。

まず、配管長さを200mmとした場合における、冷却液バイパス配管の配管径と冷却水の導電率及び絶縁抵抗値の関係を比較したグラフを図４に示す。図４に示すように、配管長さを200 mmと同じ長さにすると、冷却液バイパス配管の径が小さくなる程、絶縁抵抗値が大きくなる。絶縁抵抗値は、少なくとも約50ｋΩ以上の値を確保することが好ましい。このため、図４に示すように、冷却水として導電率が約100μS/cmである水道水を使用した場合には、冷却液バイパス配管の径を少なくとも25mmとすることが好ましく、さらに15mm以下とすることが好ましい。なお、水道水の導電率は約100μS/cmであり、水道水をイオンフィルタ９に通水して水道水を浄化すると、導電率を約1μS/cmにまで下げることができる。

次に、冷却液バイパス配管の配管径を15mmとした場合における、配管長さ、冷却水の導電率及び絶縁抵抗値の関係を比較したグラフを図５に示す。図５に示すように、冷却液バイパス配管の配管径を15mm以下にすると、配管長さを100mmと短くし、水道水程度（約100μS/cm）にまで冷却水aの導電率が上昇した場合であっても、約50ｋΩの絶縁抵抗値を確保することができる。

従って、レイアウトの都合上または燃料電池スタック内で構成する場合などのように、燃料電池スタックからアースまでの距離が短い場合であっても、冷却液バイパス配管の配管径を15mm以下とすることで、規定の絶縁抵抗値を確保することができる。この結果、燃料電池の冷却システムを小型化でき、小スペース化を図ることが可能となる。

本発明における第１の実施の形態に係る燃料電池の冷却システムの基本的な構成を示す図である。 本発明における第２の実施の形態に係る燃料電池の冷却システムの構成を示す図である。 本発明における第３の実施の形態に係る燃料電池の冷却システムの構成を示す図である。 配管長さを200mmとした場合における、冷却液バイパス配管の配管径と冷却水の導電率及び絶縁抵抗値の関係を比較したグラフである。 冷却液バイパス配管の配管径を15mmとした場合における、配管長さ、冷却水の導電率及び絶縁抵抗値の関係を比較したグラフである。

符号の説明

１…燃料電池の冷却システム，
２…燃料電池スタック，
３…冷却液循環配管,
４…ラジエータ（熱交換手段）,
５…ポンプ,
６…第１の冷却液バイパス配管,
７…絶縁バルブ,
８,１０…アース（電荷放出手段）,
９…イオンフィルタ（イオン除去手段）,
a…冷却水,

Claims (6)

1. 燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックに接続された冷却液を循環させる冷却液循環配管と、
   前記冷却液循環配管に設置された熱交換手段と、
   前記燃料電池スタック下流の冷却液循環配管から分岐して接続され、前記熱交換手段の下流に接続された、前記冷却液循環配管の径よりも小径とした第１の冷却液バイパス配管と、
   前記燃料電池スタック下流の前記冷却液循環配管に設置された絶縁バルブと、
   前記第１の冷却液バイパス配管に接続された電荷放出手段と、
   前記第１の冷却液バイパス配管に設置されたイオン除去手段と、を有することを特徴とする燃料電池の冷却システム。
2. 燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックに接続された冷却液を循環させる冷却液循環配管と、
   前記冷却液循環配管に設置された熱交換手段と、
   前記燃料電池スタック下流の冷却液循環配管から分岐して接続され、前記熱交換手段の下流に接続された、前記冷却液循環配管の径よりも小径とした第１の冷却液バイパス配管と、
   前記燃料電池スタック下流の前記冷却液循環配管に設置された絶縁バルブと、
   前記第１の冷却液バイパス配管に接続された電荷放出手段と、
   前記燃料電池スタックから冷却液循環配管と冷却液バイパス配管との合流点を除く領域に被覆された絶縁カバーと、を有することを特徴とする燃料電池の冷却システム。
3. さらに、前記ラジエータ下流側における前記冷却液循環配管と前記第１の冷却液バイパス配管との合流点下流に前記冷却液循環配管から分岐して接続され、前記燃料電池スタック上流の冷却液循環配管に接続された第２の冷却液バイパス配管と、
   前記冷却液循環配管と前記第２の冷却液バイパス配管との合流点上流の前記冷却液循環配管上に設置された絶縁バルブと、
   前記第２の冷却液バイパス配管に接続された電荷放出手段と、
   を有することを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池の冷却システム。
4. さらに、前記冷却液循環配管と前記冷却液バイパス配管との合流点上流に設置された導電率センサと、
   前記導電率センサから計測される冷却液の導電率が規定値よりも低いときに、前記絶縁バルブを開く制御信号を送信し、前記導電率センサから計測される冷却液の導電率が規定値よりも高いときに、前記絶縁バルブを閉じる制御信号を送信する制御装置と、
   を有することを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池の冷却システム。
5. 前記第１の冷却液バイパス配管及び前記第２の冷却液バイパス配管の径が、15mm以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池の冷却システム。
6. 前記冷却液は、冷却水であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池の冷却システム。

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