JP2009259467A - 燃料電池スタックの冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ポンプ３で冷媒５を循環させても、キャビテーションの発生しにくい燃料電池スタック２の冷却装置１を提供する。
【解決手段】ポンプ３から吐出される冷媒５を燃料電池スタック２に導入し、燃料電池スタック２から導出された冷媒５をポンプ３の吸入ポート３ｂに戻して、冷媒５を循環させる燃料電池スタック２の冷却装置１において、オーバーフローした冷媒５を内部に収容し、その内部の圧力を大気圧に等しくする大気開放孔４ａが設けられるリザーバタンク４と、一端が吸入ポート３ｂに接続し、他端がリザーバタンク４に収容されている冷媒５中で開口している大気圧設定配管１２とを有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、ポンプで冷媒を循環させて燃料電池スタックを冷却する冷却装置に関する。

燃料電池スタックは、近年の地球温暖化の原因とされる二酸化炭素の排出を削減する電力供給源の１つとして注目されている。燃料電池スタックは、水素を含む燃料ガスと、空気等の酸化剤ガスとが、スタックされた複数の燃料電池セル内の電解質・電極触媒複合体に供給されることで、化学反応を起こし、電力を発生させるとともに、反応生成物として水分を生成し、反応熱を放出する。このため、二酸化炭素ではなく水分が排出される電力供給源が提供でき、地球温暖化の抑止のための一助になると期待されている。

そして、燃料電池スタックは、燃料電池車両に搭載されて走行用モータに電力を供給する電力供給源として利用されたり、家庭等の電力を消費する現場に設置され各家庭に電力を供給する分散型の電力供給源として利用されたりしている。

燃料電池スタックで発電させ電力を発生させると、同時に発生する反応熱により、燃料電池スタックの温度が上昇する。しかし、燃料電池スタックの発電効率は、燃料電池スタックの温度に対して依存性を有するので、発電効率が最も高くなる温度に維持されるように、燃料電池スタックを冷却する冷却装置が設けられている。

前記冷却装置では、ポンプで冷媒を循環させて燃料電池スタックを冷却している。このポンプで冷媒を循環させて冷却する冷却装置は、車両に搭載されたエンジンを冷却する冷却装置にも利用されている。このポンプで冷媒を循環させてエンジンを冷却する冷却装置においては、キャビテーションが発生して冷媒をスムーズに循環できない場合があり、キャビテーションの発生を抑制する手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平２−６７４２３号公報（図１）

しかし、従来のポンプで冷媒を循環させてエンジンを冷却する冷却装置を、ポンプで冷媒を循環させて燃料電池スタックを冷却する冷却装置に適用しようとすると、従来の冷却装置では、冷媒が沸騰しないようにプレッシャーバルブによって冷却装置内の冷媒を加圧しているため、冷却装置内の配管をはじめ冷却装置を構成する各デバイスは、ポンプの吐出圧力にプレッシャーバルブの設定圧力を上乗せした圧力に耐えられるように耐圧設計がされ、冷媒は密閉系の中をポンプによって循環させられることになるので、ポンプの吸入ポートにおいて局所的な圧力の低下が生じ得て、キャビテーションが発生する場合があると考えられた。

本発明は、前記に鑑み、ポンプで冷媒を循環させても、キャビテーションの発生しにくい燃料電池スタックの冷却装置を提供することを目的とする。

本発明は、ポンプから吐出される冷媒を燃料電池スタックに導入し、前記燃料電池スタックから導出された前記冷媒を前記ポンプの吸入ポートに戻して、前記冷媒を循環させる燃料電池スタックの冷却装置において、オーバーフローした前記冷媒を内部に収容し、前記内部の圧力を大気圧に等しくする大気開放孔が設けられるリザーバタンクと、一端が前記吸入ポートに接続し、他端が前記リザーバタンクに収容されている前記冷媒中で開口している大気圧設定配管とを有することを特徴としている。

本発明によれば、リザーバタンクの内部の圧力は、大気開放孔によって、大気圧になっており、大気圧設定配管内の冷媒によって、リザーバタンクの内部の圧力は、ポンプの吸入ポートに伝播する。すなわち、ポンプの吸入ポートにおける圧力を大気圧に設定できる。ポンプの吸入ポートにおける圧力は、冷却装置において最も低下するところであり、その部分の圧力を大気圧に固定したので、冷却装置全域において、圧力が大気圧より小さくなること（負圧状態になること）を抑制することができ、キャビテーションを発生しにくくすることができる。

さらに、本発明は、前記燃料電池スタックから導出された前記冷媒を前記ポンプの吸入ポートにラジエータを経由して戻す第１分岐経路と、前記燃料電池スタックから導出された前記冷媒を前記ポンプの吸入ポートに前記ラジエータを経由せずに戻す第２分岐経路と、前記冷媒の温度に基づいて、前記第１分岐経路を流れる冷媒の流量に対する前記第２分岐経路を流れる冷媒の流量の比を調整するサーモスタットと、前記ラジエータの上部タンクと前記リザーバタンクとを接続するエア抜き配管とを有することが好ましい。

本発明によれば、燃料電池スタックの暖機が可能になる。すなわち、起動時などで、燃料電池スタックの温度が発電効率が最も高くなる温度に達していない場合には、冷却能力の高いラジエータのある第１分岐経路を流れる冷媒の流量を減らせるように、サーモスタットで流量の比を調節して、燃料電池スタックの温度を発電効率が最も高くなる温度まで急速に上昇させることができる。燃料電池スタックの温度が発電効率が最も高くなる温度に達した後は、燃料電池スタックの温度が発電効率が最も高くなる温度に保たれるように、サーモスタットで流量の比が調節される。

そして、ラジエータは、本体に細いウォータチューブを複数本有することで大きな放熱面積を獲得しているが、この複数のウォータチューブに冷媒をゆっくり流すことで、冷媒を確実に冷却することができる。このような冷媒の流速の低下は、ラジエータの本体の上部にあって、ラジエータに入ってきた冷媒を複数のウォータチューブに分流する上部タンクから生じている。上部タンクでは、冷媒は、入ってきた流速より低い流速で、ウォータチューブに流れ出ている。気泡（エア）は、冷媒が高い流速で流れているときは、冷媒に巻き込まれていっしょに移動するが、冷媒が低い流速で流れているときは、気泡に生じる浮力や吸着力が冷媒によって流される力に勝り、気泡（エア）は上部タンクの上部に集まる。このように、上部タンクには、気泡（エア）を冷媒から分離できる気液分離能力がある。したがって、冷却装置内を冷媒と共に循環する気泡（エア）は、最終的には上部タンクに集められることになる。

本発明では、エア抜き配管によって、ラジエータの上部タンクとリザーバタンクとが接続されているので、気液分離能力によって上部タンクに集められたエアを、リザーバタンクに流すことができる。リザーバタンクまで流れたエアは大気開放孔を介して大気に放出される。これにより、冷却装置内のエア抜きを確実に行うことができ、冷却装置内のエアの体積を減少させることができる。冷却装置内のエアの体積が減少できると、燃料電池スタックの温度の上下動に伴う、エア（気泡）を含んだ冷媒の体積の変動幅を小さくできるので、変動分の体積の冷媒を収容するリザーブタンクの容積を小さくできる。そして、このエア抜きは、冷却装置および燃料電池スタックの運転をすることで同時に行われるので、簡便に実施することができる。

さらに、本発明は、前記大気圧設定配管には、前記冷媒の注入時には開封可能なキャップで密封された注入口が設けられ、前記注入口は、燃料電池スタックの冷却装置における天地方向で最高位置に配置されていることが好ましい。本発明によれば、最高位置に配置された注入口から冷媒を冷却装置に入れられるので、冷媒をこぼすことなく容易に冷却装置内に注入することができる。

本発明によれば、ポンプで冷媒を循環させても、キャビテーションの発生しにくい燃料電池スタックの冷却装置を提供できる。

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図面において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。

図１に、本発明の実施形態に係る、燃料電池スタック２の冷却装置１の構成図を示す。冷却装置１は、ポンプ３と、リザーバタンク４と、ラジエータ６と、サーモスタット７とを有している。

ポンプ３の吐出ポート３ａは、入口配管８によって、燃料電池スタック２の入口ポート２ａに接続している。燃料電池スタック２の出口ポート２ｂは、出口配管９に接続し、出口配管９から、第１分岐配管（経路）１０と第２分岐配管（経路）１１の二股に分岐している。第１分岐配管（経路）１０と第２分岐配管（経路）１１とは、サーモスタット７に接続している。サーモスタット７の出口側は、ポンプ３の吸入ポート３ｂに接続している。ポンプ３の吐出ポート３ａから吐出される冷媒５は、燃料電池スタック２の入口ポート２ａに導入し、燃料電池スタック２の出口ポート２ｂから導出された冷媒５をポンプ３の吸入ポート３ｂに戻して、冷媒５を循環させている。

第１分岐配管（経路）１０の途中にはラジエータ６が設けられており、第１分岐配管（経路）１０はラジエータ６を経由してサーモスタット７に接続し、第２分岐配管（経路）１１はラジエータ６を経由すること無く、直接、サーモスタット７に接続している。サーモスタット７の出口側は、ポンプ３の吸入ポート３ｂに接続している。第１分岐配管（経路）１０は、燃料電池スタック２から導出された冷媒５を、ラジエータ６を経由して、ポンプ３の吸入ポート３ｂの手前のサーモスタット７に戻している。第２分岐配管（経路）１１は、燃料電池スタック２から導出された冷媒５を、ラジエータ６を経由せずに、ポンプ３の吸入ポート３ｂの手前のサーモスタット７に戻している。

サーモスタット７は、サーモスタット７を流れる冷媒５の温度に基づいて、第１分岐配管（経路）１０を流れる冷媒５の流量Ｆ１と、第２分岐配管（経路）１１を流れる冷媒５の流量Ｆ２の比を調整している。この調整により、燃料電池スタックの暖機が行われる。起動時など燃料電池スタックの温度が発電効率が最も高くなる温度に達していない場合には、ラジエータ６のある第１分岐配管（経路）１０を流れる冷媒５の流量を減らせるように、サーモスタット７で流量の比を調節して、燃料電池スタック２の温度を発電効率が最も高くなる温度まで急速に上昇させることができる。

ラジエータ６は、細いウォータチューブを複数本有する本体６ｃと、本体６ｃの上に配置されそれぞれのウォータチューブに接続する上部タンク６ａと、本体６ｃの下に配置されそれぞれのウォータチューブに接続する下部タンク６ｂと、本体６ｃに送風するファン６ｄとを有している。冷媒５が、上部タンク６ａ、本体６ｃ、下部タンク６ｂの順に流れることで、前記したように、上部タンク６ａは、気液分離能力を発揮して、冷却装置内を冷媒５と共に循環する気泡（エア）を、上部タンク６ａに集めることができる。

リザーバタンク４は、エア抜き配管１３によって、ラジエータ６の上部タンク６ａに接続している。リザーバタンク４は、エア抜き配管１３経由してオーバーフローした冷媒５を内部に収容する。さらに、エア抜き配管１３は、気液分離能力によって上部タンク６ａに集められたエアを、リザーバタンク４に流すことができる。リザーバタンク４まで流れたエアは大気開放孔４ａを介して大気に放出される。

リザーバタンク４には、大気開放孔４ａが設けられており、リザーバタンク４の内部の圧力は、大気圧に等しくなっている。大気開放孔４ａからリザーバタンク内に埃等の異物が入らないように、蓋４ｂで大気開放孔４ａを覆えるようになっている。

大気圧設定配管１２は、一端がポンプ３の吸入ポート（３ｂ）に接続し、他端がリザーバタンク４に収容されている冷媒５中で開口している。リザーバタンク４の内部の圧力は、大気開放孔４ａによって、大気圧になっており、大気圧設定配管１２内の冷媒によって、リザーバタンク４の内部の圧力は、ポンプ３の吸入ポート３ｂに伝播するので、ポンプ３の吸入ポート３ｂにおける圧力は、大気圧に等しくなっている。ポンプ３の吸入ポート３ｂにおける圧力を大気圧に固定したので、圧力は大気圧より小さくならず、キャビテーションを発生しにくくすることができる。

大気圧設定配管１２の途中には、冷媒５の注入時には開封可能なキャップ１４ａで密封された注入口１４が設けられている。注入口１４は、冷却装置１における天地方向で最高位置に配置されているので、注入口１４から冷媒５を冷却装置１に入れれば、冷媒５をこぼすことなく容易に冷却装置１内に注入することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの冷却装置の構成図である。

符号の説明

１ 冷却装置
２ 燃料電池スタック
２ａ 入口ポート
２ｂ 出口ポート
３ ポンプ
３ａ 吐出ポート
３ｂ 吸入ポート
４ リザーバタンク
４ａ 大気開放孔
４ｂ 蓋
５ 冷媒
６ ラジエータ
６ａ 上部タンク
６ｂ 下部タンク
６ｃ 本体
６ｄ ファン
７ サーモスタット
８ 入口配管
９ 出口配管
１０ 第１分岐配管（経路）
１１ 第２分岐配管（経路）
１２ 大気圧設定配管
１３ エア抜き配管
１４ 注入口
１４ａ キャップ

Claims (3)

1. ポンプから吐出される冷媒を燃料電池スタックに導入し、前記燃料電池スタックから導出された前記冷媒を前記ポンプの吸入ポートに戻して、前記冷媒を循環させる燃料電池スタックの冷却装置において、
   オーバーフローした前記冷媒を内部に収容し、前記内部の圧力を大気圧に等しくする大気開放孔が設けられるリザーバタンクと、
   一端が前記吸入ポートに接続し、他端が前記リザーバタンクに収容されている前記冷媒中で開口している大気圧設定配管とを有することを特徴とする燃料電池スタックの冷却装置。
2. 前記燃料電池スタックから導出された前記冷媒を前記ポンプの吸入ポートにラジエータを経由して戻す第１分岐経路と、
   前記燃料電池スタックから導出された前記冷媒を前記ポンプの吸入ポートに前記ラジエータを経由せずに戻す第２分岐経路と、
   前記冷媒の温度に基づいて、前記第１分岐経路を流れる冷媒の流量に対する前記第２分岐経路を流れる冷媒の流量の比を調整するサーモスタットと、
   前記ラジエータの上部タンクと前記リザーバタンクとを接続するエア抜き配管とを有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタックの冷却装置。
3. 前記大気圧設定配管には、前記冷媒の注入時には開封可能なキャップで密封された注入口が設けられ、
   前記注入口は、前記燃料電池スタックの前記冷却装置における天地方向で最高位置に配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池スタックの冷却装置。

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