JP3998200B2 - 燃料電池の冷却装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の冷却装置、さらに詳しくは燃料電池の冷却液中に混入する気体を分離して排気する燃料電池の冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電気自動車の動力源などとして注目されている固体高分子型の燃料電池は、常温でも発電することが可能であり、様々な用途に実用化されつつある。
【０００３】
この固体高分子型の燃料電池は、一般に、固体高分子電解質を挟んで一方側にカソード電極を区画し、他方側にアノード電極を区画して形成される燃料電池セルを多数配列して構成され、カソード電極に供給される空気中の酸素と、アノード電極に供給される燃料ガスとの化学反応（以下、「発電反応」という）によって発電するシステムである。
しかし、このような発電反応は発熱反応であるため、燃料電池内を一定の温度に保って安定した運転を維持するために、燃料電池は、発生した熱を除去する冷却装置を必要とする。
【０００４】
通常、燃料電池内においては、各燃料電池セル毎に、セパレータによって燃料ガス（燃料ガス）や酸化ガス（空気）と完全に分離された流路を設け、この流路と熱交換器の間に冷却液を循環流通させて燃料電池の冷却を行うシステムが採用されている。
【０００５】
しかし、燃料電池を長期に亘って使用していると、前記のセパレータの周辺部をシールしているシール部材が劣化して、燃料ガスや酸化ガスが冷却液中に漏出する場合がある。そして、冷却液中に漏出した燃料ガス等の気体は、冷却性能の低下等の原因となるおそれがある。
【０００６】
そこで、燃料電池に熱交換媒体を供給して熱交換を行わせる熱交換システムにおいて、熱交換手段および熱交換媒体流路の内の少なくとも１つ、例えば、ラジエタ（熱交換器）の最上部にあるラジエタキャップまたはリザーブタンクの上部等の冷却液より分離した気体が集まる箇所に燃料ガス検出手段を設け、この燃料ガス検出手段によって冷却液より分離した気体を検出し、冷却液中への燃料ガス等の気体の漏洩を検知した場合、警告を発するようにした技術が提案されている（特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−２５０５７０号公報（請求項１、請求項５、請求項７および請求項８）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の技術においては、冷却液中に燃料ガス等が漏洩した場合、所定の濃度に達する前に検知して警告を発し、その後更に濃度上昇があった場合、燃料電池の運転を停止する等の措置をとれるものの、人間が熱交換器や冷却液の循環流路等より溜まった気体を除去する等の人的整備に頼らざるを得ず、使い勝手の良いものではなかった。
【０００９】
そこで本発明は、前記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、冷却液の循環流路に混入した燃料ガスを希釈して低濃度で排出すること、また、従来、熱交換器や冷却液の循環流路内に溜まるにまかせていた気体を、人的整備を必要とせずに随時換気して冷却液中の当該気体の濃度を低いレベルに維持させることが可能となり、燃料電池の冷却装置の冷却性能の低下を防止し、燃料電池による発電システムの使い勝手をより向上させることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、空気と燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池と熱交換器との間に冷却液を循環させる循環流路を設けた燃料電池の冷却装置であって、ガス抜き流路を介して前記循環流路に連絡され、かつ冷却液戻し流路を介して前記循環流路に連絡された前記循環流路の冷却液の一部を貯蔵する冷却液貯蔵容器を備え、前記燃料電池へ供給する空気または前記燃料電池から排出される空気を流通させる空気配管を備え、前記冷却液貯蔵容器は換気用配管を介して前記空気配管に連絡され、かつ前記冷却液貯蔵容器に滞留する燃料ガスを、前記換気用配管を流通する換気流によって系外へ排出するガス排出機構を備えることを特徴とする燃料電池の冷却装置を発明の構成とする。
【００１１】
この燃料電池の冷却装置では、ガス排出機構によって、換気用配管を流通して冷却液貯蔵容器内に導入される換気流によって、冷却液貯蔵容器内に滞留する燃料ガスが換気される。
【００１２】
また、請求項２に記載の発明は、前記請求項１に記載の燃料電池の冷却装置において、前記冷却液貯蔵容器内の燃料ガス濃度に応じて、前記換気流の流量を制御することを特徴とする。
【００１３】
この燃料電池の冷却装置では、冷却液貯蔵容器内の燃料ガス濃度に応じて、ガス排出機構が、換気用配管を流通して冷却液貯蔵容器内に導入される換気流の流量を制御して冷却液貯蔵容器内に滞留する燃料ガスが換気される。
【００１４】
また、請求項３に記載の発明は、前記請求項２に記載の燃料電池の冷却装置において、前記冷却液貯蔵容器内の燃料ガス濃度が所定の濃度以上に達したときは、前記冷却液貯蔵容器の換気量を増加させることを特徴とする。
【００１５】
この燃料電池の冷却装置では、冷却液貯蔵容器内の燃料ガス濃度が所定の濃度以上となったとき、ガス排出機構が、換気用配管を流通して冷却液貯蔵容器内に導入される換気流による、冷却液貯蔵容器の換気量を増加させることによって、冷却液貯蔵容器内に滞留する燃料ガスが換気される。
【００１６】
また、請求項４に記載の発明は、前記請求項３に記載の燃料電池の冷却装置において、前記空気配管内の圧力を増大させたことによって前記冷却液貯蔵容器内の燃料ガス濃度が所定の濃度まで低減されたときは、前記ガス排出機構によって前記冷却液貯蔵容器内のガスを排出させることを特徴とする。
【００１７】
この燃料電池の冷却装置では、空気配管内の圧力を増大させることによって換気用配管を流通して冷却液貯蔵容器内に換気流が導入されて冷却液貯蔵容器内の燃料ガス濃度が所定の濃度まで低減されたときに、ガス排出機構によって冷却液貯蔵容器内のガスが排出される。
【００１８】
また、請求項５に記載の発明は、前記請求項２に記載の燃料電池の冷却装置において、前記冷却液貯蔵容器内の燃料ガス濃度が所定の濃度以上に達したときは、前記ガス排出機構によって前記冷却液貯蔵容器内の圧力を低下させることで、前記換気流の流量を増加させることを特徴とする。
【００１９】
この燃料電池の冷却装置では、冷却液貯蔵容器内の燃料ガス濃度が所定の濃度に達したときに、ガス排出機構によって冷却液貯蔵容器内の圧力を低下させることによって、換気用配管を流通する換気流の流量が増加し、冷却液貯蔵容器内のガスが換気される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の冷却装置の構成を示すブロック図である。
【００２１】
本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の冷却装置は、図１に示すとおり、燃料電池１に供給される冷却液を冷却するための熱交換器２と、燃料電池１と熱交換器２との間に冷却液を熱交換可能に循環させる循環流路３と、循環流路３の冷却液の一部を貯蔵する冷却液貯蔵容器４と、換気用配管５とを備える。
【００２２】
燃料電池１は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟み込んだ燃料電池セルをさらにセパレータで挟持し、複数積層して構成されている。アノード電極に燃料ガスとして水素ガスを供給し、カソード電極に酸化剤ガスとして酸素を含む空気を供給すると、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソード電極まで移動し、カソード電極の触媒によって酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。この発電反応は発熱反応であり、その燃料電池の温度は反応効率を確保するために、セパレータにおけるアノード電極またはカソード電極の反対側の面に冷却水を循環することで７０度前後に維持される。燃料電池の発電電力は、例えば、図示しない燃料電池自動車の走行用モータに供給され、自動車を駆動する。
【００２３】
燃料電池１は、エアクリーナ６によって清浄化されてエアポンプ７によって供給空気配管８を通じて供給される空気と、燃料ガス供給配管９を通じて供給される燃料ガスとを発電反応させて発電を行う装置である。発電反応後、反応によって消費されなかった空気は排出空気配管１０を通じて排気され、また、発電反応によって消費されなかった燃料ガスは燃料ガス排出配管１１を通じて燃料電池１より排出される。また、燃料電池１は、冷却液の流入口１２および流出口１３を備える。なお、燃料ガスとしては、水素、炭化水素、炭化水素を改質した改質ガス、メタノール等が挙げられる。
【００２４】
熱交換器２は、循環流路３によって燃料電池１より戻される冷却液が流入する流入口２ａと、図示しない２次冷却媒体と冷却液との間で熱交換を行わせ、冷却液を冷却させる熱交換器本体２ｂと、熱交換によって冷却された冷却液が流出する流出口２ｃとを備える。この熱交換器２は、２次冷却媒体として、水またはその他の液体を用いる液冷方式でもよいし、２次冷却媒体として空気を用いる空冷方式でもよい。
また、この熱交換器２は、循環流路３を通じて流入口２ａより流入する冷却液の一部を冷却液貯蔵容器４に流通させる冷却液−気体流出口２ｄを備える。
【００２５】
循環流路３は、燃料電池１と熱交換器２との間に冷却液を熱交換可能に循環させる流路であり、流出路３ａと、送液路３ｂと、戻し流路３ｃと、流入路３ｄと、調整流路３ｅとより構成される。
流出路３ａは、燃料電池１の流出口１３と冷却液ポンプ１４との間を連絡して、燃料電池１より流出する冷却液が流通する流路である。
【００２６】
送液路３ｂは、冷却液ポンプ１４と熱交換器２の流入口１２との間を連絡して、流出路３ａを流通して冷却液ポンプ１４に流入し、冷却液ポンプ１４によって加圧された冷却液が流通する流路である。
戻し流路３ｃは、熱交換器２の流出口２ｃとサーモスタット１５との間を連絡して、熱交換器２で冷却され、流出口２ｃより流出する冷却液がサーモスタット１５に流通する流路である。
【００２７】
流入路３ｄは、サーモスタット１５と燃料電池１の流入口１２との間を連絡して、サーモスタット１５より流出した冷却液が燃料電池１の流入口１２に流通する流路である。
【００２８】
調整流路３ｅは、送液路３ｂとサーモスタット１５との間を連絡し、サーモスタット１５により、流入路３ｄを通って流入口１２より燃料電池１内に供給される冷却液の温度が所定範囲となるように、送液路３ｂを流通する冷却液の一部を、戻し流路３ｃよりサーモスタット１５内に流入する冷却液と合流させるための流路である。
【００２９】
サーモスタット１５は、熱交換器２より戻し流路３ｃを通って流入する冷却液Ｃ、冷却液貯蔵容器４より冷却液戻し流路１７を通って流入する冷却液Ｂ、および調整流路３ｅを通って流入する冷却液Ｄのそれぞれの温度に応じて、各流路の流入経路を開閉して冷却液Ｂ、Ｃ、Ｄを混合し、流出口１５ａより流出して、流入路３ｄを通って流入口１２より燃料電池１内に供給される冷却液の温度を所定の温度に保つ機能を備える装置である。
【００３０】
また、冷却液貯蔵容器４は、気液分離室４１と、その気液分離室４１の上部に上方に向けて突設され、気液分離室４１と開口部４２ａを介して連通している換気室４２とを備え、さらにガス排出機構を備える。この冷却液貯蔵容器４は、循環流路３内の冷却液の一部を下部に滞留させて貯蔵するとともに、冷却液より分離する気体を上部に滞留させる気液分離器としての機能を備える。
【００３１】
この冷却液貯蔵容器４において、気液分離室４１は、熱交換器２と冷却液ガス抜き流路１６を介して連絡されている。冷却液ガス抜き流路１６の先端１６ａは、熱交換器２より流入する冷却液中に含まれる気体が気液分離して、気液分離室４１の上部空間に浮上して滞留するように、気液分離室４１に滞留している冷却液Ａの液面よりも下部になるように配置される。
【００３２】
また、気液分離室４１は、循環流路３と冷却液戻し流路１７を介して連絡されている。この冷却液戻し流路１７の先端１７ａは、循環流路３内を流通する冷却液と冷却液貯蔵容器４内の冷却液とが連絡するように、冷却液貯蔵容器４の下部に滞留する冷却液Ａの液面よりも下部になるように配置される。
【００３３】
さらに、気液分離室４１は、換気用配管５を介して排出空気配管１０と連絡されている。また、冷却液貯蔵容器４の換気室４２は、前記気液分離室４１の上部に上方に向けて突設され、気液分離室４１と開口部４２ａを介して連通し、さらに、排気口４２ｂに換気用排気路１８が連絡されている。
【００３４】
そして、本実施形態に係る冷却装置においては、前記換気室４２と、換気用配管５と、さらに換気用配管５との連絡点１０ａよりも下流側の排出空気配管１０の途中に配設された調圧弁１９と、前記排気口４２ｂと、その排気口４２ｂに連絡された換気用排気路１８とによって、冷却液貯蔵容器内に滞留する燃料ガスを、燃料電池より排出される空気によって換気するガス排出機構が構成される。
【００３５】
調圧弁１９は、燃料電池１より排出され、排出空気配管１０内を流通して排出される排出空気の排出空気圧を調整するものであり、この調圧弁１９による排出空気圧の調整により冷却液貯蔵容器４内の換気が制御される。
【００３６】
次に、この第１の実施形態に係る冷却装置における燃料電池１の冷却について説明するとともに、冷却液貯蔵容器４における燃料ガスの換気について説明する。
【００３７】
この燃料電池の冷却装置において、空気は、エアクリーナ６によって清浄化された後、エアポンプ７によって供給空気配管８を通じて、燃料電池１内に供給される。この空気と、燃料ガス供給配管９を通じて供給される燃料ガスとが、発電反応して発電が行われる。発電反応後、発電反応によって消費されなかった空気は排出空気配管１０を通じて燃料電池１より排気され、また、発電反応によって消費されなかった燃料ガスは燃料ガス排出配管１１を通じて燃料電池１より排出される。
【００３８】
このとき、発電反応に伴って発生する熱は、流入口１２より燃料電池１内に供給され、燃料電池１内に設けられた流路を流通する冷却液によって吸収され、燃料電池１内の温度が所定の温度に保たれる。
【００３９】
熱を吸収した冷却液は、流出口１３より流出して、循環流路３の流出路３ａ、冷却液ポンプ１４および送液路３ｂの順で流通し、冷却液ポンプ１４によって加圧され、一部が調整流路３ｅを通ってサーモスタット１５に冷却液Ｄとして流通するとともに、大部分は流入口２ａより熱交換器２内に流入して、熱交換器本体２ｂにおいて２次冷却媒体と熱交換して冷却される。熱交換後、冷却液は、熱交換器２の流出口２ｃより流出して、戻し流路３ｃを流通してサーモスタット１５に流入する。
【００４０】
サーモスタット１５においては、熱交換器２より戻し流路３ｃを通って流入する冷却液Ｃ、冷却液貯蔵容器４より冷却液戻し流路１７を通って流入する冷却液Ｂ、および調整流路３ｅを通って流入する冷却液Ｄのそれぞれの温度に応じて、各流路の流入経路を開閉することによって、冷却液Ｂ、Ｃ、Ｄを混合して所定の温度に調整された冷却液が流出して、流入路３ｄを通って流入口１２より燃料電池１内に供給される。燃料電池１内に供給された冷却液によって、燃料電池１内が冷却される。
【００４１】
このように、本発明の冷却装置は、冷却液を燃料電池１と熱交換器２の間を循環流路３を介して循環流通させて、燃料電池１内を所定の温度に維持し、燃料電池１の安定した運転を図ることができる。
【００４２】
また、冷却液貯蔵容器４においては、流入口２ａより熱交換器２内に流入した冷却液の一部Ｅが、冷却液−気体流出口２ｄより冷却液ガス抜き流路１６を通って、先端１６ａより冷却液貯蔵容器４の気液分離室４１内に流入する。このとき、冷却液中に混入した気体が分離して冷却液Ａの液面より浮上して、気液分離室４１の上部空間に滞留するとともに、冷却液は、気液分離室４１の下部に滞留する。気液分離室４１の下部に滞留した冷却液Ａは、冷却液戻し流路１７を介してサーモスタット１５に冷却液Ｂとして流入する。そして、冷却液貯蔵容器４は、排出空気配管１０と連絡しているため、燃料電池１より排出空気配管１０を通って排出される排出空気の圧力によって循環流路３の流入路３ｄを流通する冷却液に圧力を負荷する。冷却液貯蔵容器４の気相部内での冷却液の圧力は排出空気の圧力と実質上等しくなり、その後、循環流路３を流通することによって圧力損失が生じるが、その圧力損失は循環流路３内の冷却液の圧力によらずほぼ一定なため、燃料電池１へ供給される冷却液の圧力と燃料電池１より排出される排出空気との圧力差は、その圧力損失の分だけ冷却液の圧力が排出空気の圧力よりも低くなるようになっている。このように構成することによって、積層構造に構成された燃料電池１のスタック内での冷却液の流路と空気の流路との間の圧力差を所定の範囲に保っている。
【００４３】
そして、冷却液貯蔵容器４と排出空気配管１０とが換気用配管５を介して連絡されていることによって、冷却液貯蔵容器４は、冷却液より分離して冷却液貯蔵容器４の上部に滞留する気体と、排出空気配管１０内を流通する排出空気との圧力差に応じて呼吸する。すなわち、冷却液貯蔵容器４の上部に滞留する気体によって形成される気相部の圧力ＰＧと、排出空気配管１０を通って燃料電池１より排出される排出空気の圧力ＰＡ（排出空気圧）との圧力差に応じて、冷却液貯蔵容器４内の気体と排出空気配管１０内の空気とが、換気用配管５内を、冷却液貯蔵容器４または排出空気配管１０のいずれかに向けて押戻され、または移動する。気体の圧力ＰＧが排出空気の圧力ＰＡよりも高いときは、図１中、冷却液貯蔵容器４より排出空気配管１０に向けて（矢印Ｇで示す方向に）冷却液貯蔵容器４内の気体が換気用配管５を通じて流通して、排出空気配管１０側より換気用配管５中に入り込む空気を排出空気配管１０に押戻して冷却液貯蔵容器４内の気体が前記排出空気配管１０内に排気され、冷却液貯蔵容器4内が換気される。また、気相部の圧力ＰＧが排出空気の圧力ＰＡよりも低いときは、排出空気配管１０より冷却液貯蔵容器４に向けて（矢印Ｈで示す方向に）冷却液貯蔵容器４内の気体が押戻され、冷却液貯蔵容器４内に空気が流入し、この空気によって気相部の気体が希釈される。
【００４４】
この冷却液貯蔵容器４における気相部の圧力と排出空気配管１０における排出空気の圧力とは、呼吸することによってほぼ等しくなる（ＰＡ＝ＰＧ）。また、前記のとおり、冷却液貯蔵容器４での冷却液の圧力は、気相部の圧力と実質的に等しくなり、その後、燃料電池１へ供給される前に冷却液が循環流路３を流通することによって圧力損失が生じるが、その圧力損失は循環流路３内の冷却液の圧力によらずほぼ一定なため、燃料電池１へ供給される冷却液の圧力と燃料電池１より排出される排出空気の圧力とは、その圧力損失の分だけ冷却液の圧力が供給空気の圧力よりも低くなるようになっている（ＰＡ＞ＰＬ）。したがって、排出空気の圧力（ＰＡ）が燃料電池１の出力変動などによって上昇または低下すると、それに伴ってその圧力を冷却液貯蔵容器４の冷却液に伝えることでＰＡ＞ＰＬの関係が保たれ、燃料電池１のスタック内での冷却液と空気の圧力バランスが保たれる。
【００４５】
そして、本実施形態においては、前記冷却液貯蔵容器４の呼吸による換気に加えて、さらに前記ガス排出機構によって、冷却液貯蔵容器４内の換気を行うことができる。これは、調圧弁１９により排出空気配管１０内を流通して排気される排出空気の排出空気圧を調整してＰＡ＞ＰＧとすることによって、排出空気配管１０内の空気が換気用配管５を通って流入口４１ｃより冷却液貯蔵容器４の気液分離室４１内に流入する。気液分離室４１内に流入した空気は、冷却液貯蔵容器４（気液分離室４１）内に滞留する燃料ガスと混合して、換気室４２を通って排気口４２ｂより換気用排気路１８に排気される気体の流れ(以下、「換気流」という)を形成させることができる。例えば、調圧弁１９を絞り、排出空気配管１０側の排出空気圧を高めれば、排出空気は、排出空気配管１０より換気用配管８を通って冷却液貯蔵容器４の方向（図中、Ｇで示す方向）に流れ、換気流が形成され、これによって、冷却液貯蔵容器４内が換気される。このガス排出機構は、常時、作動させてもよいし、必要に応じて作動させるようにしてもよい。燃料電池１の運転時、このガス排出機構を常時作動させておけば、すなわち、調圧弁１９を制御して常にＰＡ＞ＰＧとなるように排出空気圧を制御すれば、冷却液貯蔵容器４内を換気して、冷却液より気液分離されて冷却液貯蔵容器４内に滞留する気体、特に燃料ガスを排気し、冷却液貯蔵容器４内の気相部における燃料ガス濃度を低く保つことができる。
【００４６】
さらに、前記第１の実施形態において、冷却液貯蔵容器４内の気相部の燃料ガス濃度に応じて、前記ガス排出機構が冷却液貯蔵容器４よりのガス排出を制御するようにしてもよい。例えば、図１に示すとおり、冷却液貯蔵容器４の気液分離室４１に燃料ガス濃度計２１を設け、この燃料ガス濃度計２１によって測定される燃料ガス濃度が所定濃度以上になったときに、調圧弁１９を絞ってＰＧ＞ＰＡとなるようにして前記換気流が形成されるようにしてもよい。これによって、冷却液貯蔵容器４内に形成される気相部の気体が、換気用配管５より気液分離室４１に流入される空気と混合され、希釈された混合気体が、さらに換気室４２を通って排気口４２ｂより換気用排気路１８を介して排気される。このとき、燃料ガス濃度計２１は、下部に設けた遮蔽板２１ａによって、冷却液貯蔵容器４の揺動、傾斜等によって冷却液Ａと接触しないように防護されるようにしてもよい。
【００４７】
また、前記第１の実施形態において、冷却液貯蔵容器４内の気相部の燃料ガス濃度に応じて、前記ガス排出機構が前記換気流の流量を制御して、冷却液貯蔵容器４よりのガス排出量を増加させるようにしてもよい。例えば、図１に示すとおり、換気用排気路１８に設けた開閉制御可能な弁２２の開閉を制御することによって、換気用排気路１８より排気される前記混合気体の排出量を増加させることができる。すなわち、冷却液貯蔵容器４内の気相部の燃料ガス濃度が所定濃度以上になったときに弁２２を開放することによって、一時的にＰＧを低下させることでＰＡ＞ＰＧの関係を作り出し、換気用配管５より導入される空気によって換気流を増大させて、気相部の燃料ガスを希釈し、ガス排出量を増加させる。これによって、冷却液貯蔵容器４の換気量を制御することができる。前記開閉可能な弁２２としては、例えば、電磁弁、ダイヤフラム弁等を用いることができる。
【００４８】
さらに、前記第１の実施形態において、冷却液貯蔵容器４内の燃料ガス濃度が所定の濃度以上に達したときは、前記排出空気配管１０内の圧力を増大させることによって、冷却液貯蔵容器４内の圧力と排出空気配管１０内の圧力との差により換気流を増大させることができ、換気流による冷却液貯蔵容器内の燃料ガスの希釈および排気口４２ｂからの排出を増加させ、冷却液貯蔵容器４内の燃料ガス濃度を低減させることができる。このとき、排出空気配管１０内の圧力は、前記調圧弁１９を絞ることによって増大させることができる。
【００４９】
さらに、前記第１の実施形態において、排出空気配管１０内の圧力を増大させたことによって冷却液貯蔵容器４内の燃料ガス濃度が所定の濃度まで低減されたときは、ガス排出機構を開放することによって冷却液貯蔵容器４内のガスを排出させるようにしてもよい。このように構成することによって冷却液貯蔵容器の燃料ガス濃度が低減した後にガス排出機構によって冷却液貯蔵容器４内のガスを排出するので、確実に燃料ガス濃度が低減されたガスを系外へ排出することができる。冷却液貯蔵容器４内の燃料ガス濃度は、前記燃料ガス濃度計２１を設けることによって検知することができる。また、ガス排出機構の開放は、図１に示すように、排気口４２ｂに連絡された換気用排気路１８に設けた開閉制御可能な弁２２を開放して行うことができる。
【００５０】
また、前記第１の実施形態において、前記冷却液貯蔵容器による換気能力が不足するときに、前記ガス排出機構を開放することによって、前記冷却液貯蔵容器内を換気するようにしてもよい。例えば、前記燃料ガス濃度計２１によって測定される燃料ガス濃度が所定濃度以上になった後、所定時間経過しても燃料ガス濃度が依然として所定濃度以下にならないときには、前記ガス排出機構を開放することによって、冷却液貯蔵容器４内を換気するようにしてもよい。ガス排出機構の開放は、開閉可能な弁２２等を開閉することによって行うことができる。
【００５１】
具体的には、前記冷却液貯蔵容器４内の燃料ガス濃度が所定の濃度以上に達したときは、前記ガス排出機構によって前記冷却液貯蔵容器４内の圧力を低下させることで、前記換気流の流量を増加させるようにしてもよい。例えば、冷却液貯蔵容器４内の燃料ガス濃度が所定の濃度以上に達したときに、弁２２を開放して冷却液貯蔵容器４内の圧力を低下させる。これによって、冷却液貯蔵容器４内の圧力と排出空気配管１０内の圧力との差により換気流を増大させることができ、換気流による冷却液貯蔵容器内の燃料ガスの希釈および排気口４２ｂからの排出を増加させ、冷却液貯蔵容器４内の燃料ガス濃度を低減させることができる。
【００５２】
次に、図２に示す本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の冷却装置について説明する。
図２は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の冷却装置を示すブロック図である。
【００５３】
図２に示す第２の実施形態に係る燃料電池の冷却装置は、燃料電池１と熱交換器２の間に冷却液を循環流通させるための循環流路３（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ）、熱交換器２より冷却液貯蔵容器４に冷却液の一部を供給する冷却液ガス抜き流路１６、循環流路３内を流通する冷却液の温度を一定に保つためのサーモスタット１５、冷却液貯蔵容器４より冷却液を循環流路３に戻すための冷却液戻し流路１７、さらに気液分離室４１、換気室４２等を備える点で、前記第１の実施形態に係る冷却装置と同一の構成を有するものである。したがって、以下の第２の実施形態に係る冷却装置についての説明においては、前記第１の実施形態に係る冷却装置と異なる構成を中心に説明し、第１の実施形態と同一の構成に係るものについては、同一の符号を付して説明を省略する。
【００５４】
この第２の実施形態に係る冷却装置においては、前記第１の実施形態と同様に、燃料電池１と熱交換器２の間を循環流路３を介して循環する冷却液の温度が、サーモスタット１５によって一定に保たれる。
【００５５】
さらに、本実施形態に係る冷却装置においては、前記換気室４２と、換気用配管５２と、さらに換気用配管５２との連絡点８ａよりも上流側の供給空気配管８の途中に配設されたエアポンプ７と、換気用配管５２の途中に設けられた換気制御手段２３と、前記排気口４２ｂと、その排気口４２ｂに連絡された換気用排気路１８とによって、冷却液貯蔵容器内に滞留する燃料ガスを、燃料電池に供給する供給空気によって換気するガス排出機構が構成される。
【００５６】
このガス排出機構によって、本実施形態においては、冷却液貯蔵容器４内の換気を行うことができる。これは、エアポンプ７により供給空気配管８内を流通して燃料電池１に供給される空気の一部が換気用配管５２および換気流制御手段２３を通って、流入口４１ｃより冷却液貯蔵容器４の気液分離室４１内に流入する。気液分離室４１内に流入した空気は、冷却液貯蔵容器４（気液分離室４１）内に滞留する燃料ガスと混合して、換気室４２を通って排気口４２ｂより換気用排気路１８に排気される気体の流れ、すなわち、換気流を形成する。例えば、供給空気の一部は、供給空気配管８より換気用配管５２を通って冷却液貯蔵容器４の方向（図中、Ｈで示す方向）に流れて、換気流が形成され、これによって、冷却液貯蔵容器４内が換気される。このガス排出機構は、常時、作動させてもよいし、必要に応じて作動させるようにしてもよい。燃料電池１の運転時、このガス排出機構を常時作動させておけば、冷却液貯蔵容器４内を換気して、冷却液より気液分離されて冷却液貯蔵容器４内に滞留する気体、特に燃料ガスを供給空気と混合することで希釈して排気することによって、冷却液貯蔵容器４内の気相部における燃料ガス濃度を低く保つことができる。
【００５７】
また、この第２の実施形態に係る冷却装置において、換気用配管５２の途中に換気流制御手段２３を設けると、換気用配管５を流通する換気流の流量を制御するとともに、冷却液貯蔵容器４の揺動、傾斜等により、冷却液貯蔵容器４内に滞留される冷却液が換気用配管５２を介して供給空気配管８内に漏出するのを防止するために有効である。例えば、燃料電池を搭載した自動車の走行時に、冷却液貯蔵容器が揺動、傾斜しても冷却液が供給空気配管内に漏出するのを防止して、安定して燃料電池による発電を継続するために有効である。換気流制御手段としては、例えば、逆止弁等を用いることができる。
【００５８】
さらに、前記第２の実施形態において、冷却液貯蔵容器４内の気相部の燃料ガス濃度に応じて、前記ガス排出機構が冷却液貯蔵容器４よりのガス排出を制御するようにしてもよい。例えば、図２に示すとおり、冷却液貯蔵容器４の気相部に燃料ガス濃度計２１を設け、この燃料ガス濃度計２１によって測定される燃料ガス濃度が所定濃度以上になったときに、エアポンプ７による供給空気圧の増加、または換気流制御手段２３による換気流の増加等によって前記換気流の流量が増加するようにしてもよい。これによって、冷却液貯蔵容器内に形成される気相部の気体が、より多く換気用配管５より気液分離室４１に流入される空気と混合されて希釈され、生じる混合気体が、さらに換気室４２を通って排気口４２ｂより換気用排気路１８から排気される。このとき、燃料ガス濃度計２１は、下部に設けた遮蔽板２１ａによって、冷却液貯蔵容器４の揺動、傾斜等が生じても冷却液Ａと接触しないように防護されていることが望ましい。
【００５９】
また、前記第２の実施形態において、冷却液貯蔵容器４内の気相部の燃料ガス濃度に応じて、前記ガス排出機構が冷却液貯蔵容器４よりのガス排出量を増加させるようにしてもよい。例えば、図２に示すとおり、換気用排気路１８に開閉制御可能な弁２２を設け、この弁２２の開閉を制御することによって、換気用排気路１８より排気される前記混合気体、すなわち、ガス排出量を増加させることができる。すなわち、冷却液貯蔵容器４内の気相部の燃料ガス濃度が所定濃度以上になったときに弁２２を開放することによって、一時的にＰＧを低下させることでＰＡ＞ＰＧの関係を作り出し、換気用配管５より導入される空気によって換気流を増大させて、気相部の燃料ガスを希釈し、ガス排出量を増加させる。これによって、冷却液貯蔵容器４の換気量を制御することができる。前記開閉可能な弁としては、例えば、電磁弁、ダイヤフラム弁等を用いることができる。
【００６０】
さらに、前記第２の実施形態において、冷却液貯蔵容器４内の燃料ガス濃度が所定の濃度以上に達したときは、前記供給空気配管８内の圧力を増大させることによって、冷却液貯蔵容器４内の圧力と供給空気配管８内の圧力との差により換気流の流量を増大させることができ、換気流による冷却液貯蔵容器内の燃料ガスの希釈および排気口４２ｂからの排出を増加させ、冷却液貯蔵容器４内の燃料ガス濃度を低減させることができる。このとき、供給空気配管８内の圧力は、前記エアポンプ７によって増大させることができる。
【００６１】
さらに、前記第２の実施形態において、供給空気配管８内の圧力を増大させたことによって冷却液貯蔵容器４内の燃料ガス濃度が所定の濃度まで低減されたときは、ガス排出機構によって冷却液貯蔵容器４内のガスを排出させるようにしてもよい。このように構成することによって冷却液貯蔵容器の燃料ガス濃度が低減した後にガス排出機構によって冷却液貯蔵容器４内のガスを排出するので、確実に燃料ガス濃度が低減されたガスを系外へ排出することができる。また、ガス排出機構によるガスの排出は、図２に示すように、排気口４２ｂに連絡された換気用排気路１８に設けた開閉制御可能な弁２２を開放して行うことができる。
【００６２】
具体的には、前記冷却液貯蔵容器４内の燃料ガス濃度が所定の濃度以上に達したときは、前記ガス排出機構によって前記冷却液貯蔵容器４内の圧力を低下させることで、前記換気流の流量を増加させるようにしてもよい。例えば、冷却液貯蔵容器４内の燃料ガス濃度が所定の濃度以上に達したときに、弁２２を開放して冷却液貯蔵容器４内の圧力を低下させる。これによって、冷却液貯蔵容器４内の圧力と排出空気配管１０内の圧力との差により換気流を増大させることができ、換気流による冷却液貯蔵容器内の燃料ガスの希釈および排気口４２ｂからの排出量を増加させ、冷却液貯蔵容器４内の燃料ガス濃度を低減させることができる。
【００６３】
次に、図３に示す本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の冷却装置について説明する。
図３は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の冷却装置の構成を示すブロック図である。
【００６４】
図３に示す第３の実施形態に係る燃料電池の冷却装置は、燃料電池１と熱交換器２の間に冷却液を循環流通させるための循環流路３（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ）、熱交換器２より冷却液貯蔵容器４に冷却液の一部を供給する冷却液ガス抜き流路１６、循環流路３内を流通する冷却液の温度を一定に保つためのサーモスタット１５、冷却液貯蔵容器４より冷却液を循環流路３に戻すための冷却液戻し流路１７、さらに気液分離室４１、換気室４２等を備える点で、前記第１の実施形態に係る冷却装置と同一の構成を有するものである。したがって、以下の第３の実施形態に係る冷却装置についての説明においては、前記第１の実施形態に係る冷却装置と異なる構成を中心に説明し、第１の実施形態と同一の構成に係るものについては、同一の符号を付して説明を省略する。
【００６５】
この第３の実施形態に係る冷却装置においては、前記第１の実施形態と同様に、燃料電池１と熱交換器２の間を循環流路３を介して循環される冷却液の温度が、サーモスタット１５によって一定に保たれる。
【００６６】
このとき、冷却液貯蔵容器４の気液分離室４１と供給空気配管８とを換気用配管５２を介して連絡させることによって、冷却液貯蔵容器４は、冷却液より分離して気液分離室４１の上部および換気室４２内に形成される気相部と、供給空気配管８内を流通する空気との圧力差に応じて呼吸する。すなわち、冷却液貯蔵容器４の上部（気液分離室４１および換気室４２）に滞留する気体によって形成される気相部の圧力ＰＧと、供給空気配管８を通って燃料電池１に供給される空気の圧力ＰＡ（供給空気圧）との圧力差に応じて、冷却液貯蔵容器４内の気体と供給空気配管８内の空気とが換気用配管５内を、冷却液貯蔵容器４または供給空気配管８のいずれかに向けて押戻され、または移動する。気体の圧力ＰＧが空気の圧力ＰＡよりも高いときは、図３中、冷却液貯蔵容器４より供給空気配管８に向けて（矢印Ｇで示す方向に）冷却液貯蔵容器４内の気体が換気用配管５を通じて流通して、供給空気配管８側より換気用配管５中に入り込む空気を供給空気配管８に押戻して冷却液貯蔵容器４内の気体が前記供給空気配管６内に排気される。また、気体の圧力ＰＧが空気の圧力ＰＡよりも低いときは、供給空気配管８より冷却液貯蔵容器４に向けて（矢印Ｇと逆の方向：図３中、矢印Ｈで示す方向に）冷却液貯蔵容器４内の気体が押戻され、空気が冷却液貯蔵容器４内に流入して、気相部の気体が希釈される。これにより、冷却液貯蔵容器４内の気相部が換気される。また、供給空気配管８内に排気された気体（例えば、燃料ガス）は、燃料電池１に供給される空気と混合して、前記燃料電池１のカソード電極の触媒で触媒反応する。
【００６７】
そして、本実施形態に係る冷却装置においては、前記換気室４２と、換気用配管５２と、さらに換気用配管５２との連絡点８ａよりも上流側の供給空気配管８の途中に配設されたエアポンプ７と、前記排気口４２ｂと、その排気口４２ｂに連絡された換気用排気路１８と、換気用排気路１８の途中に設けられたオリフィス２４とによって、冷却液貯蔵容器内に滞留する燃料ガスを、燃料電池に供給する供給空気によって換気するガス排出機構が構成される。オリフィス２４は、換気流制御手段として、換気用排気路１８の通気断面積を絞るものである。このオリフィス２４によって、換気用排気路１８を流通して排気される混合気体の流量を制御し、前記換気流による冷却液貯蔵容器４内の換気を安定的に維持することができる。すなわち、冷却液貯蔵容器４内の換気に充分な換気流量を維持するとともに、過剰な換気流を防止することができる。
【００６８】
このガス排出機構によって、本実施形態においては、前記冷却液貯蔵容器４の呼吸による換気に加えて、さらにガス排出機構により冷却液貯蔵容器４内の換気を行うことができる。これは、エアポンプ７により供給空気配管８内を流通して燃料電池１に供給される空気の供給空気圧を調整し、ＰＡ＞ＰＧとすることによって、供給空気配管８内の空気が換気用配管５２を通って流入口４１ｃより冷却液貯蔵容器４の気液分離室４１内に流入する。気液分離室４１内に流入した空気は、冷却液貯蔵容器４（気液分離室４１）内に滞留する燃料ガスと混合して、換気室４２を通って排気口４２ｂより換気用排気路１８に排気される気体の流れ(以下、「換気流」という)を形成することができる。例えば、エアポンプ７により、供給空気配管８側の供給空気圧を高め、ＰＡ＞ＰＧとなった場合には、供給空気は、供給空気配管８より換気用配管５２を通って冷却液貯蔵容器４の方向（図中、Ｈで示す方向）に流れて換気流が形成され、これによって、冷却液貯蔵容器４内が換気される。このガス排出機構は、常時、作動させてもよいし、必要に応じて作動させるようにしてもよい。燃料電池１の運転時、このガス排出機構を常時作動させておけば、すなわち、エアポンプ７を制御して常にＰＡ＞ＰＧとなるように供給空気圧を制御すれば、冷却液貯蔵容器４内を換気して、冷却液より気液分離されて冷却液貯蔵容器４内に滞留する気体、特に燃料ガスを排気して、冷却液貯蔵容器４内の気相部における燃料ガス濃度を低く保つことができる。
【００６９】
また、この第３の実施形態に係る冷却装置において、冷却液貯蔵容器４内の気相部の燃料ガス濃度に応じて、前記ガス排出機構が冷却液貯蔵容器４よりのガス排出を制御するようにしてもよい。例えば、図３に示すとおり、気液分離室４１に燃料ガス濃度計２１を設け、この燃料ガス濃度計２１によって測定される燃料ガス濃度が所定濃度以上になったときに、エアポンプ７による供給空気圧を増加させＰＡ＞ＰＧとなるように制御して前記換気流が形成されるようにしてもよい。これによって、冷却液貯蔵容器内に形成される気相部の気体が、換気用配管５より気液分離室４１に流入される空気と混合されて希釈する。そして、混合気体は、換気室４２を通って排気口４２ｂより換気用排気路１８から排気される。このとき、燃料ガス濃度計２１は、下部に設けた遮蔽板２１ａによって、冷却液貯蔵容器４の揺動、傾斜等の動作が生じても冷却液Ａと接触しないように防護されていることが望ましい。
【００７０】
さらに、前記第３の実施形態において、冷却液貯蔵容器４内の燃料ガス濃度が所定の濃度以上に達したときは、前記供給空気配管８内の圧力を増大させることによって、冷却液貯蔵容器４内の圧力と供給空気配管８内の圧力との差により換気流を増大させることができ、換気流による冷却液貯蔵容器内の燃料ガスの希釈および排気口４２ｂからの排出を増加させ、冷却液貯蔵容器４内の燃料ガス濃度を低減させることができる。このとき、供給空気配管８内の圧力は、前記エアポンプ７によって増大させることができる。
【００７１】
【実施例】
次に、前記第３の実施形態と同じ構成を備える冷却装置を有し、燃料ガスとして水素を用いる燃料電池を自動車に搭載して、冷却液貯蔵容器４の換気について実験した結果を図４に示す。
【００７２】
図４は、自動車に搭載された燃料電池における冷却装置において、自動車の実走行時の冷却液貯蔵容器内の水素濃度の推移を示すものである。この冷却装置を備える燃料電池１を定常運転させているとき、燃料電池自動車の走行モータの要求電力に応じて燃料電池の要求出力が変動する。この燃料電池の要求出力によって燃料電池へ供給する供給空気の圧力を変動させるため、図４中、細線で示す通り、冷却液貯蔵容器内の圧力は自然と変動する。ここで、図４中、点線は第３の実施形態におけるガス排出機構を持たないときの冷却液貯蔵容器内の水素濃度を示し、太線は第３の実施形態におけるガス排出機構を設けたときの冷却液貯蔵容器内の水素濃度を示す。この実験では、一定流量の水素が冷却液に混入してくると想定している。
【００７３】
この冷却装置において、冷却液貯蔵容器４の気相部４２内の水素濃度は、冷却液貯蔵容器内の圧力変動に伴って冷却液中の気体と供給空気とが気相部４２で混合され、供給空気とともに燃料電池のカソード電極に供給されているので、冷却液に混入している水素の濃度は管理目標濃度を超えることがない。しかしながら、燃料電池の出力変動が少なく、（例えば一定速度で燃料電池自動車の運転を続けているときなど）燃料電池への供給空気の圧力変動が行われていない、または供給空気の圧力変動が行われていてもその変動幅が小さいときなどは、図４中点線で示すとおり、気相部における水素濃度が高まっている。ここで、第３の実施形態においては、供給空気の圧力変動による換気に加えて、オリフィスによって常時所定流量の換気がされているので、冷却液中に混入した水素は供給空気によって希釈排出され、冷却液貯蔵容器の水素濃度（太線）は相対的にガス排出機構を持たないときの水素濃度（点線）よりも低い濃度に推移している。
【００７４】
以上の図４に示す結果より、本発明の冷却装置によれば、燃料電池の各部より冷却液中に混入される気体、特に燃料ガスを冷却液貯蔵容器内で気液分離して排気し、冷却液貯蔵容器内の燃料ガスを供給空気（または排出空気）によって希釈し系外へ排出できる。
【００７５】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明の請求項１に記載の燃料電池の冷却装置によれば、冷却液の循環流路に混入した燃料ガスを、燃料電池へ供給される空気または燃料電池から排出される空気によって希釈して低濃度で系外へ排出することができるので、燃料電池の冷却装置の冷却性能の低下を防止することができる。また、従来、熱交換器や冷却液の循環流路内に溜まるにまかせていた気体を、人的整備を必要とせずに、新たな装置を付加することなく簡単な構成で随時排気することができるので、燃料ガスの漏洩による警告や機関停止の必要頻度を低減できるため燃料電池発電システムの使い勝手をより向上できる。
【００７６】
また、少なくとも１本の換気用配管を配設するだけで、冷却液貯蔵容器を呼吸させながら換気することが可能となり、軽量かつ低コストな構成で冷却液中に漏出する気体を随時排気することができる。特に、極間差圧（燃料ガス、空気、冷却液間の圧力差）が生じると燃料電池のセパレータやシール構造などに過負荷がかかるため、燃料ガス、冷却液ともに供給圧力を低く保つか、燃料ガスと冷却液の供給圧力差を少なく制御する必要があるが、本発明は、その場合にも充分適用可能である。
【００７７】
また、本来、燃料電池システムの有する燃料ガス供給・排出圧力が変動する性質を利用し、冷却液貯蔵容器等を呼吸させながら冷却液中に漏出する気体を換気して排気することが可能となるため、変動ガス圧供給手段を軽量化してコストを削減できる。また、冷却液貯蔵容器等に必要充分な換気を供給しながらも過剰な換気を供給することがなく、必要最適量の換気を供給でき無駄な電力消費を回避できる。
【００７８】
また、請求項２に記載の燃料電池の冷却装置によれば、冷却液貯蔵容器内の燃料ガス濃度に応じて換気流の流量を制御できるので、必要十分な量の換気流の流量を冷却液貯蔵容器内に導入することができ、冷却液貯蔵容器内の燃料ガス濃度を低濃度に抑えることができる。
【００７９】
また、請求項３に記載の燃料電池の冷却装置によれば、冷却液貯蔵容器内のガス濃度が所定の濃度以上になったときは空気配管内の圧力を増大させるので、冷却液貯蔵容器内の圧力と空気配管内の圧力との差により換気流を増大させることができ、冷却液貯蔵容器内のガス濃度を低減させることができる。
【００８０】
また、請求項４に記載の燃料電池の冷却装置によれば、冷却液貯蔵容器内の燃料ガス濃度が低減した後にガス排出機構によって冷却液貯蔵容器内のガスを排出するので、確実に燃料ガス濃度が低減されたガスを系外へ排出することができる。
【００８１】
また、請求項５に記載の燃料電池の冷却装置によれば、冷却液貯蔵容器内の燃料ガス濃度が所定の濃度以上になったときは冷却液貯蔵容器内の圧力を低下させるので、冷却液貯蔵容器内の圧力と空気配管内の圧力との差により換気流を増大させることができ、冷却液貯蔵容器内のガス濃度を低減させることができるとともに、換気流によって燃料ガス濃度が低減されたガスを系外へ排出することができる。
【００８２】
また、本発明の冷却装置を備える燃料電池を搭載した自動車においては、供給空気配管における供給空気圧の変動に起因して燃料電池出力電圧、カソードガス（空気）供給用エアポンプの消費電力が変化しても、燃料電池に接続された駆動機器への出力電流を適切に制御することで常時所望の駆動出力を供給することが可能となる。そのため、自動車のドライバビリティが向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の冷却装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の冷却装置の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の冷却装置の構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の冷却装置による冷却液貯蔵容器内の換気について実験した結果を示す図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池
２ 熱交換器
３ 循環流路
３ａ 流出路
３ｂ 送液路
３ｃ 戻し流路
３ｄ 流入路
３ｅ 調整流路
４ 冷却液貯蔵容器
５、５２ 換気用配管
８ 供給空気配管
９ 燃料ガス供給配管
１０ 空気排出配管
１６ 冷却液ガス抜き流路
１７ 冷却液戻し流路
１９ 調圧弁
４１ 気液分離室
４２ 換気室
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の冷却装置、さらに詳しくは燃料電池の冷却液中に混入する気体を分離して排気する燃料電池の冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電気自動車の動力源などとして注目されている固体高分子型の燃料電池は、常温でも発電することが可能であり、様々な用途に実用化されつつある。
【０００３】
この固体高分子型の燃料電池は、一般に、固体高分子電解質を挟んで一方側にカソード電極を区画し、他方側にアノード電極を区画して形成される燃料電池セルを多数配列して構成され、カソード電極に供給される空気中の酸素と、アノード電極に供給される燃料ガスとの化学反応（以下、「発電反応」という）によって発電するシステムである。
しかし、このような発電反応は発熱反応であるため、燃料電池内を一定の温度に保って安定した運転を維持するために、燃料電池は、発生した熱を除去する冷却装置を必要とする。
【０００４】
通常、燃料電池内においては、各燃料電池セル毎に、セパレータによって燃料ガス（燃料ガス）や酸化ガス（空気）と完全に分離された流路を設け、この流路と熱交換器の間に冷却液を循環流通させて燃料電池の冷却を行うシステムが採用されている。
【０００５】
しかし、燃料電池を長期に亘って使用していると、前記のセパレータの周辺部をシールしているシール部材が劣化して、燃料ガスや酸化ガスが冷却液中に漏出する場合がある。そして、冷却液中に漏出した燃料ガス等の気体は、冷却性能の低下等の原因となるおそれがある。
【０００６】
そこで、燃料電池に熱交換媒体を供給して熱交換を行わせる熱交換システムにおいて、熱交換手段および熱交換媒体流路の内の少なくとも１つ、例えば、ラジエタ（熱交換器）の最上部にあるラジエタキャップまたはリザーブタンクの上部等の冷却液より分離した気体が集まる箇所に燃料ガス検出手段を設け、この燃料ガス検出手段によって冷却液より分離した気体を検出し、冷却液中への燃料ガス等の気体の漏洩を検知した場合、警告を発するようにした技術が提案されている（特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−２５０５７０号公報（請求項１、請求項５、請求項７および請求項８）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の技術においては、冷却液中に燃料ガス等が漏洩した場合、所定の濃度に達する前に検知して警告を発し、その後更に濃度上昇があった場合、燃料電池の運転を停止する等の措置をとれるものの、人間が熱交換器や冷却液の循環流路等より溜まった気体を除去する等の人的整備に頼らざるを得ず、使い勝手の良いものではなかった。
【０００９】
そこで本発明は、前記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、冷却液の循環流路に混入した燃料ガスを希釈して低濃度で排出すること、また、従来、熱交換器や冷却液の循環流路内に溜まるにまかせていた気体を、人的整備を必要とせずに随時換気して冷却液中の当該気体の濃度を低いレベルに維持させることが可能となり、燃料電池の冷却装置の冷却性能の低下を防止し、燃料電池による発電システムの使い勝手をより向上させることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、空気と燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池と熱交換器との間に冷却液を循環させる循環流路を設けた燃料電池の冷却装置であって、ガス抜き流路を介して前記循環流路に連絡され、かつ冷却液戻し流路を介して前記循環流路に連絡された前記循環流路の冷却液の一部を貯蔵する冷却液貯蔵容器を備え、前記燃料電池へ供給する空気または前記燃料電池から排出される空気を流通させる空気配管を備え、前記冷却液貯蔵容器は換気用配管を介して前記空気配管に連絡され、かつ前記冷却液貯蔵容器に滞留する燃料ガスを、前記換気用配管を流通する換気流によって系外へ排出するガス排出機構を備えることを特徴とする燃料電池の冷却装置を発明の構成とする。
【００１１】
この燃料電池の冷却装置では、ガス排出機構によって、換気用配管を流通して冷却液貯蔵容器内に導入される換気流によって、冷却液貯蔵容器内に滞留する燃料ガスが換気される。
【００１２】
また、請求項２に記載の発明は、前記請求項１に記載の燃料電池の冷却装置において、前記冷却液貯蔵容器内の燃料ガス濃度に応じて、前記換気流の流量を制御することを特徴とする。
【００１３】
この燃料電池の冷却装置では、冷却液貯蔵容器内の燃料ガス濃度に応じて、ガス排出機構が、換気用配管を流通して冷却液貯蔵容器内に導入される換気流の流量を制御して冷却液貯蔵容器内に滞留する燃料ガスが換気される。
【００１４】
また、請求項３に記載の発明は、前記請求項２に記載の燃料電池の冷却装置において、前記冷却液貯蔵容器内の燃料ガス濃度が所定の濃度以上に達したときは、前記冷却液貯蔵容器の換気量を増加させることを特徴とする。
【００１５】
この燃料電池の冷却装置では、冷却液貯蔵容器内の燃料ガス濃度が所定の濃度以上となったとき、ガス排出機構が、換気用配管を流通して冷却液貯蔵容器内に導入される換気流による、冷却液貯蔵容器の換気量を増加させることによって、冷却液貯蔵容器内に滞留する燃料ガスが換気される。
【００１６】
また、請求項４に記載の発明は、前記請求項３に記載の燃料電池の冷却装置において、前記空気配管内の圧力を増大させたことによって前記冷却液貯蔵容器内の燃料ガス濃度が所定の濃度まで低減されたときは、前記ガス排出機構によって前記冷却液貯蔵容器内のガスを排出させることを特徴とする。
【００１７】
この燃料電池の冷却装置では、空気配管内の圧力を増大させることによって換気用配管を流通して冷却液貯蔵容器内に換気流が導入されて冷却液貯蔵容器内の燃料ガス濃度が所定の濃度まで低減されたときに、ガス排出機構によって冷却液貯蔵容器内のガスが排出される。
【００１８】
また、請求項５に記載の発明は、前記請求項２に記載の燃料電池の冷却装置において、前記冷却液貯蔵容器内の燃料ガス濃度が所定の濃度以上に達したときは、前記ガス排出機構によって前記冷却液貯蔵容器内の圧力を低下させることで、前記換気流の流量を増加させることを特徴とする。
【００１９】
この燃料電池の冷却装置では、冷却液貯蔵容器内の燃料ガス濃度が所定の濃度に達したときに、ガス排出機構によって冷却液貯蔵容器内の圧力を低下させることによって、換気用配管を流通する換気流の流量が増加し、冷却液貯蔵容器内のガスが換気される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の冷却装置の構成を示すブロック図である。
【００２１】
本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の冷却装置は、図１に示すとおり、燃料電池１に供給される冷却液を冷却するための熱交換器２と、燃料電池１と熱交換器２との間に冷却液を熱交換可能に循環させる循環流路３と、循環流路３の冷却液の一部を貯蔵する冷却液貯蔵容器４と、換気用配管５とを備える。
【００２２】
燃料電池１は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟み込んだ燃料電池セルをさらにセパレータで挟持し、複数積層して構成されている。アノード電極に燃料ガスとして水素ガスを供給し、カソード電極に酸化剤ガスとして酸素を含む空気を供給すると、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソード電極まで移動し、カソード電極の触媒によって酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。この発電反応は発熱反応であり、その燃料電池の温度は反応効率を確保するために、セパレータにおけるアノード電極またはカソード電極の反対側の面に冷却水を循環することで７０度前後に維持される。燃料電池の発電電力は、例えば、図示しない燃料電池自動車の走行用モータに供給され、自動車を駆動する。
【００２３】
燃料電池１は、エアクリーナ６によって清浄化されてエアポンプ７によって供給空気配管８を通じて供給される空気と、燃料ガス供給配管９を通じて供給される燃料ガスとを発電反応させて発電を行う装置である。発電反応後、反応によって消費されなかった空気は排出空気配管１０を通じて排気され、また、発電反応によって消費されなかった燃料ガスは燃料ガス排出配管１１を通じて燃料電池１より排出される。また、燃料電池１は、冷却液の流入口１２および流出口１３を備える。なお、燃料ガスとしては、水素、炭化水素、炭化水素を改質した改質ガス、メタノール等が挙げられる。
【００２４】
熱交換器２は、循環流路３によって燃料電池１より戻される冷却液が流入する流入口２ａと、図示しない２次冷却媒体と冷却液との間で熱交換を行わせ、冷却液を冷却させる熱交換器本体２ｂと、熱交換によって冷却された冷却液が流出する流出口２ｃとを備える。この熱交換器２は、２次冷却媒体として、水またはその他の液体を用いる液冷方式でもよいし、２次冷却媒体として空気を用いる空冷方式でもよい。
また、この熱交換器２は、循環流路３を通じて流入口２ａより流入する冷却液の一部を冷却液貯蔵容器４に流通させる冷却液−気体流出口２ｄを備える。
【００２５】
循環流路３は、燃料電池１と熱交換器２との間に冷却液を熱交換可能に循環させる流路であり、流出路３ａと、送液路３ｂと、戻し流路３ｃと、流入路３ｄと、調整流路３ｅとより構成される。
流出路３ａは、燃料電池１の流出口１３と冷却液ポンプ１４との間を連絡して、燃料電池１より流出する冷却液が流通する流路である。
【００２６】
送液路３ｂは、冷却液ポンプ１４と熱交換器２の流入口１２との間を連絡して、流出路３ａを流通して冷却液ポンプ１４に流入し、冷却液ポンプ１４によって加圧された冷却液が流通する流路である。
戻し流路３ｃは、熱交換器２の流出口２ｃとサーモスタット１５との間を連絡して、熱交換器２で冷却され、流出口２ｃより流出する冷却液がサーモスタット１５に流通する流路である。
【００２７】
流入路３ｄは、サーモスタット１５と燃料電池１の流入口１２との間を連絡して、サーモスタット１５より流出した冷却液が燃料電池１の流入口１２に流通する流路である。
【００２８】
調整流路３ｅは、送液路３ｂとサーモスタット１５との間を連絡し、サーモスタット１５により、流入路３ｄを通って流入口１２より燃料電池１内に供給される冷却液の温度が所定範囲となるように、送液路３ｂを流通する冷却液の一部を、戻し流路３ｃよりサーモスタット１５内に流入する冷却液と合流させるための流路である。
【００２９】
サーモスタット１５は、熱交換器２より戻し流路３ｃを通って流入する冷却液Ｃ、冷却液貯蔵容器４より冷却液戻し流路１７を通って流入する冷却液Ｂ、および調整流路３ｅを通って流入する冷却液Ｄのそれぞれの温度に応じて、各流路の流入経路を開閉して冷却液Ｂ、Ｃ、Ｄを混合し、流出口１５ａより流出して、流入路３ｄを通って流入口１２より燃料電池１内に供給される冷却液の温度を所定の温度に保つ機能を備える装置である。
【００３０】
また、冷却液貯蔵容器４は、気液分離室４１と、その気液分離室４１の上部に上方に向けて突設され、気液分離室４１と開口部４２ａを介して連通している換気室４２とを備え、さらにガス排出機構を備える。この冷却液貯蔵容器４は、循環流路３内の冷却液の一部を下部に滞留させて貯蔵するとともに、冷却液より分離する気体を上部に滞留させる気液分離器としての機能を備える。
【００３１】
この冷却液貯蔵容器４において、気液分離室４１は、熱交換器２と冷却液ガス抜き流路１６を介して連絡されている。冷却液ガス抜き流路１６の先端１６ａは、熱交換器２より流入する冷却液中に含まれる気体が気液分離して、気液分離室４１の上部空間に浮上して滞留するように、気液分離室４１に滞留している冷却液Ａの液面よりも下部になるように配置される。
【００３２】
また、気液分離室４１は、循環流路３と冷却液戻し流路１７を介して連絡されている。この冷却液戻し流路１７の先端１７ａは、循環流路３内を流通する冷却液と冷却液貯蔵容器４内の冷却液とが連絡するように、冷却液貯蔵容器４の下部に滞留する冷却液Ａの液面よりも下部になるように配置される。
【００３３】
さらに、気液分離室４１は、換気用配管５を介して排出空気配管１０と連絡されている。また、冷却液貯蔵容器４の換気室４２は、前記気液分離室４１の上部に上方に向けて突設され、気液分離室４１と開口部４２ａを介して連通し、さらに、排気口４２ｂに換気用排気路１８が連絡されている。
【００３４】
そして、本実施形態に係る冷却装置においては、前記換気室４２と、換気用配管５と、さらに換気用配管５との連絡点１０ａよりも下流側の排出空気配管１０の途中に配設された調圧弁１９と、前記排気口４２ｂと、その排気口４２ｂに連絡された換気用排気路１８とによって、冷却液貯蔵容器内に滞留する燃料ガスを、燃料電池より排出される空気によって換気するガス排出機構が構成される。
【００３５】
調圧弁１９は、燃料電池１より排出され、排出空気配管１０内を流通して排出される排出空気の排出空気圧を調整するものであり、この調圧弁１９による排出空気圧の調整により冷却液貯蔵容器４内の換気が制御される。
【００３６】
次に、この第１の実施形態に係る冷却装置における燃料電池１の冷却について説明するとともに、冷却液貯蔵容器４における燃料ガスの換気について説明する。
【００３７】
この燃料電池の冷却装置において、空気は、エアクリーナ６によって清浄化された後、エアポンプ７によって供給空気配管８を通じて、燃料電池１内に供給される。この空気と、燃料ガス供給配管９を通じて供給される燃料ガスとが、発電反応して発電が行われる。発電反応後、発電反応によって消費されなかった空気は排出空気配管１０を通じて燃料電池１より排気され、また、発電反応によって消費されなかった燃料ガスは燃料ガス排出配管１１を通じて燃料電池１より排出される。
【００３８】
このとき、発電反応に伴って発生する熱は、流入口１２より燃料電池１内に供給され、燃料電池１内に設けられた流路を流通する冷却液によって吸収され、燃料電池１内の温度が所定の温度に保たれる。
【００３９】
熱を吸収した冷却液は、流出口１３より流出して、循環流路３の流出路３ａ、冷却液ポンプ１４および送液路３ｂの順で流通し、冷却液ポンプ１４によって加圧され、一部が調整流路３ｅを通ってサーモスタット１５に冷却液Ｄとして流通するとともに、大部分は流入口２ａより熱交換器２内に流入して、熱交換器本体２ｂにおいて２次冷却媒体と熱交換して冷却される。熱交換後、冷却液は、熱交換器２の流出口２ｃより流出して、戻し流路３ｃを流通してサーモスタット１５に流入する。
【００４０】
サーモスタット１５においては、熱交換器２より戻し流路３ｃを通って流入する冷却液Ｃ、冷却液貯蔵容器４より冷却液戻し流路１７を通って流入する冷却液Ｂ、および調整流路３ｅを通って流入する冷却液Ｄのそれぞれの温度に応じて、各流路の流入経路を開閉することによって、冷却液Ｂ、Ｃ、Ｄを混合して所定の温度に調整された冷却液が流出して、流入路３ｄを通って流入口１２より燃料電池１内に供給される。燃料電池１内に供給された冷却液によって、燃料電池１内が冷却される。
【００４１】
このように、本発明の冷却装置は、冷却液を燃料電池１と熱交換器２の間を循環流路３を介して循環流通させて、燃料電池１内を所定の温度に維持し、燃料電池１の安定した運転を図ることができる。
【００４２】
また、冷却液貯蔵容器４においては、流入口２ａより熱交換器２内に流入した冷却液の一部Ｅが、冷却液−気体流出口２ｄより冷却液ガス抜き流路１６を通って、先端１６ａより冷却液貯蔵容器４の気液分離室４１内に流入する。このとき、冷却液中に混入した気体が分離して冷却液Ａの液面より浮上して、気液分離室４１の上部空間に滞留するとともに、冷却液は、気液分離室４１の下部に滞留する。気液分離室４１の下部に滞留した冷却液Ａは、冷却液戻し流路１７を介してサーモスタット１５に冷却液Ｂとして流入する。そして、冷却液貯蔵容器４は、排出空気配管１０と連絡しているため、燃料電池１より排出空気配管１０を通って排出される排出空気の圧力によって循環流路３の流入路３ｄを流通する冷却液に圧力を負荷する。冷却液貯蔵容器４の気相部内での冷却液の圧力は排出空気の圧力と実質上等しくなり、その後、循環流路３を流通することによって圧力損失が生じるが、その圧力損失は循環流路３内の冷却液の圧力によらずほぼ一定なため、燃料電池１へ供給される冷却液の圧力と燃料電池１より排出される排出空気との圧力差は、その圧力損失の分だけ冷却液の圧力が排出空気の圧力よりも低くなるようになっている。このように構成することによって、積層構造に構成された燃料電池１のスタック内での冷却液の流路と空気の流路との間の圧力差を所定の範囲に保っている。
【００４３】
そして、冷却液貯蔵容器４と排出空気配管１０とが換気用配管５を介して連絡されていることによって、冷却液貯蔵容器４は、冷却液より分離して冷却液貯蔵容器４の上部に滞留する気体と、排出空気配管１０内を流通する排出空気との圧力差に応じて呼吸する。すなわち、冷却液貯蔵容器４の上部に滞留する気体によって形成される気相部の圧力ＰＧと、排出空気配管１０を通って燃料電池１より排出される排出空気の圧力ＰＡ（排出空気圧）との圧力差に応じて、冷却液貯蔵容器４内の気体と排出空気配管１０内の空気とが、換気用配管５内を、冷却液貯蔵容器４または排出空気配管１０のいずれかに向けて押戻され、または移動する。気体の圧力ＰＧが排出空気の圧力ＰＡよりも高いときは、図１中、冷却液貯蔵容器４より排出空気配管１０に向けて（矢印Ｇで示す方向に）冷却液貯蔵容器４内の気体が換気用配管５を通じて流通して、排出空気配管１０側より換気用配管５中に入り込む空気を排出空気配管１０に押戻して冷却液貯蔵容器４内の気体が前記排出空気配管１０内に排気され、冷却液貯蔵容器4内が換気される。また、気相部の圧力ＰＧが排出空気の圧力ＰＡよりも低いときは、排出空気配管１０より冷却液貯蔵容器４に向けて（矢印Ｈで示す方向に）冷却液貯蔵容器４内の気体が押戻され、冷却液貯蔵容器４内に空気が流入し、この空気によって気相部の気体が希釈される。
【００４４】
この冷却液貯蔵容器４における気相部の圧力と排出空気配管１０における排出空気の圧力とは、呼吸することによってほぼ等しくなる（ＰＡ＝ＰＧ）。また、前記のとおり、冷却液貯蔵容器４での冷却液の圧力は、気相部の圧力と実質的に等しくなり、その後、燃料電池１へ供給される前に冷却液が循環流路３を流通することによって圧力損失が生じるが、その圧力損失は循環流路３内の冷却液の圧力によらずほぼ一定なため、燃料電池１へ供給される冷却液の圧力と燃料電池１より排出される排出空気の圧力とは、その圧力損失の分だけ冷却液の圧力が供給空気の圧力よりも低くなるようになっている（ＰＡ＞ＰＬ）。したがって、排出空気の圧力（ＰＡ）が燃料電池１の出力変動などによって上昇または低下すると、それに伴ってその圧力を冷却液貯蔵容器４の冷却液に伝えることでＰＡ＞ＰＬの関係が保たれ、燃料電池１のスタック内での冷却液と空気の圧力バランスが保たれる。
【００４５】
そして、本実施形態においては、前記冷却液貯蔵容器４の呼吸による換気に加えて、さらに前記ガス排出機構によって、冷却液貯蔵容器４内の換気を行うことができる。これは、調圧弁１９により排出空気配管１０内を流通して排気される排出空気の排出空気圧を調整してＰＡ＞ＰＧとすることによって、排出空気配管１０内の空気が換気用配管５を通って流入口４１ｃより冷却液貯蔵容器４の気液分離室４１内に流入する。気液分離室４１内に流入した空気は、冷却液貯蔵容器４（気液分離室４１）内に滞留する燃料ガスと混合して、換気室４２を通って排気口４２ｂより換気用排気路１８に排気される気体の流れ(以下、「換気流」という)を形成させることができる。例えば、調圧弁１９を絞り、排出空気配管１０側の排出空気圧を高めれば、排出空気は、排出空気配管１０より換気用配管８を通って冷却液貯蔵容器４の方向（図中、Ｇで示す方向）に流れ、換気流が形成され、これによって、冷却液貯蔵容器４内が換気される。このガス排出機構は、常時、作動させてもよいし、必要に応じて作動させるようにしてもよい。燃料電池１の運転時、このガス排出機構を常時作動させておけば、すなわち、調圧弁１９を制御して常にＰＡ＞ＰＧとなるように排出空気圧を制御すれば、冷却液貯蔵容器４内を換気して、冷却液より気液分離されて冷却液貯蔵容器４内に滞留する気体、特に燃料ガスを排気し、冷却液貯蔵容器４内の気相部における燃料ガス濃度を低く保つことができる。
【００４６】
さらに、前記第１の実施形態において、冷却液貯蔵容器４内の気相部の燃料ガス濃度に応じて、前記ガス排出機構が冷却液貯蔵容器４よりのガス排出を制御するようにしてもよい。例えば、図１に示すとおり、冷却液貯蔵容器４の気液分離室４１に燃料ガス濃度計２１を設け、この燃料ガス濃度計２１によって測定される燃料ガス濃度が所定濃度以上になったときに、調圧弁１９を絞ってＰＧ＞ＰＡとなるようにして前記換気流が形成されるようにしてもよい。これによって、冷却液貯蔵容器４内に形成される気相部の気体が、換気用配管５より気液分離室４１に流入される空気と混合され、希釈された混合気体が、さらに換気室４２を通って排気口４２ｂより換気用排気路１８を介して排気される。このとき、燃料ガス濃度計２１は、下部に設けた遮蔽板２１ａによって、冷却液貯蔵容器４の揺動、傾斜等によって冷却液Ａと接触しないように防護されるようにしてもよい。
【００４７】
また、前記第１の実施形態において、冷却液貯蔵容器４内の気相部の燃料ガス濃度に応じて、前記ガス排出機構が前記換気流の流量を制御して、冷却液貯蔵容器４よりのガス排出量を増加させるようにしてもよい。例えば、図１に示すとおり、換気用排気路１８に設けた開閉制御可能な弁２２の開閉を制御することによって、換気用排気路１８より排気される前記混合気体の排出量を増加させることができる。すなわち、冷却液貯蔵容器４内の気相部の燃料ガス濃度が所定濃度以上になったときに弁２２を開放することによって、一時的にＰＧを低下させることでＰＡ＞ＰＧの関係を作り出し、換気用配管５より導入される空気によって換気流を増大させて、気相部の燃料ガスを希釈し、ガス排出量を増加させる。これによって、冷却液貯蔵容器４の換気量を制御することができる。前記開閉可能な弁２２としては、例えば、電磁弁、ダイヤフラム弁等を用いることができる。
【００４８】
さらに、前記第１の実施形態において、冷却液貯蔵容器４内の燃料ガス濃度が所定の濃度以上に達したときは、前記排出空気配管１０内の圧力を増大させることによって、冷却液貯蔵容器４内の圧力と排出空気配管１０内の圧力との差により換気流を増大させることができ、換気流による冷却液貯蔵容器内の燃料ガスの希釈および排気口４２ｂからの排出を増加させ、冷却液貯蔵容器４内の燃料ガス濃度を低減させることができる。このとき、排出空気配管１０内の圧力は、前記調圧弁１９を絞ることによって増大させることができる。
【００４９】
さらに、前記第１の実施形態において、排出空気配管１０内の圧力を増大させたことによって冷却液貯蔵容器４内の燃料ガス濃度が所定の濃度まで低減されたときは、ガス排出機構を開放することによって冷却液貯蔵容器４内のガスを排出させるようにしてもよい。このように構成することによって冷却液貯蔵容器の燃料ガス濃度が低減した後にガス排出機構によって冷却液貯蔵容器４内のガスを排出するので、確実に燃料ガス濃度が低減されたガスを系外へ排出することができる。冷却液貯蔵容器４内の燃料ガス濃度は、前記燃料ガス濃度計２１を設けることによって検知することができる。また、ガス排出機構の開放は、図１に示すように、排気口４２ｂに連絡された換気用排気路１８に設けた開閉制御可能な弁２２を開放して行うことができる。
【００５０】
また、前記第１の実施形態において、前記冷却液貯蔵容器による換気能力が不足するときに、前記ガス排出機構を開放することによって、前記冷却液貯蔵容器内を換気するようにしてもよい。例えば、前記燃料ガス濃度計２１によって測定される燃料ガス濃度が所定濃度以上になった後、所定時間経過しても燃料ガス濃度が依然として所定濃度以下にならないときには、前記ガス排出機構を開放することによって、冷却液貯蔵容器４内を換気するようにしてもよい。ガス排出機構の開放は、開閉可能な弁２２等を開閉することによって行うことができる。
【００５１】
具体的には、前記冷却液貯蔵容器４内の燃料ガス濃度が所定の濃度以上に達したときは、前記ガス排出機構によって前記冷却液貯蔵容器４内の圧力を低下させることで、前記換気流の流量を増加させるようにしてもよい。例えば、冷却液貯蔵容器４内の燃料ガス濃度が所定の濃度以上に達したときに、弁２２を開放して冷却液貯蔵容器４内の圧力を低下させる。これによって、冷却液貯蔵容器４内の圧力と排出空気配管１０内の圧力との差により換気流を増大させることができ、換気流による冷却液貯蔵容器内の燃料ガスの希釈および排気口４２ｂからの排出を増加させ、冷却液貯蔵容器４内の燃料ガス濃度を低減させることができる。
【００５２】
次に、図２に示す本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の冷却装置について説明する。
図２は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の冷却装置を示すブロック図である。
【００５３】
図２に示す第２の実施形態に係る燃料電池の冷却装置は、燃料電池１と熱交換器２の間に冷却液を循環流通させるための循環流路３（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ）、熱交換器２より冷却液貯蔵容器４に冷却液の一部を供給する冷却液ガス抜き流路１６、循環流路３内を流通する冷却液の温度を一定に保つためのサーモスタット１５、冷却液貯蔵容器４より冷却液を循環流路３に戻すための冷却液戻し流路１７、さらに気液分離室４１、換気室４２等を備える点で、前記第１の実施形態に係る冷却装置と同一の構成を有するものである。したがって、以下の第２の実施形態に係る冷却装置についての説明においては、前記第１の実施形態に係る冷却装置と異なる構成を中心に説明し、第１の実施形態と同一の構成に係るものについては、同一の符号を付して説明を省略する。
【００５４】
この第２の実施形態に係る冷却装置においては、前記第１の実施形態と同様に、燃料電池１と熱交換器２の間を循環流路３を介して循環する冷却液の温度が、サーモスタット１５によって一定に保たれる。
【００５５】
さらに、本実施形態に係る冷却装置においては、前記換気室４２と、換気用配管５２と、さらに換気用配管５２との連絡点８ａよりも上流側の供給空気配管８の途中に配設されたエアポンプ７と、換気用配管５２の途中に設けられた換気制御手段２３と、前記排気口４２ｂと、その排気口４２ｂに連絡された換気用排気路１８とによって、冷却液貯蔵容器内に滞留する燃料ガスを、燃料電池に供給する供給空気によって換気するガス排出機構が構成される。
【００５６】
このガス排出機構によって、本実施形態においては、冷却液貯蔵容器４内の換気を行うことができる。これは、エアポンプ７により供給空気配管８内を流通して燃料電池１に供給される空気の一部が換気用配管５２および換気流制御手段２３を通って、流入口４１ｃより冷却液貯蔵容器４の気液分離室４１内に流入する。気液分離室４１内に流入した空気は、冷却液貯蔵容器４（気液分離室４１）内に滞留する燃料ガスと混合して、換気室４２を通って排気口４２ｂより換気用排気路１８に排気される気体の流れ、すなわち、換気流を形成する。例えば、供給空気の一部は、供給空気配管８より換気用配管５２を通って冷却液貯蔵容器４の方向（図中、Ｈで示す方向）に流れて、換気流が形成され、これによって、冷却液貯蔵容器４内が換気される。このガス排出機構は、常時、作動させてもよいし、必要に応じて作動させるようにしてもよい。燃料電池１の運転時、このガス排出機構を常時作動させておけば、冷却液貯蔵容器４内を換気して、冷却液より気液分離されて冷却液貯蔵容器４内に滞留する気体、特に燃料ガスを供給空気と混合することで希釈して排気することによって、冷却液貯蔵容器４内の気相部における燃料ガス濃度を低く保つことができる。
【００５７】
また、この第２の実施形態に係る冷却装置において、換気用配管５２の途中に換気流制御手段２３を設けると、換気用配管５を流通する換気流の流量を制御するとともに、冷却液貯蔵容器４の揺動、傾斜等により、冷却液貯蔵容器４内に滞留される冷却液が換気用配管５２を介して供給空気配管８内に漏出するのを防止するために有効である。例えば、燃料電池を搭載した自動車の走行時に、冷却液貯蔵容器が揺動、傾斜しても冷却液が供給空気配管内に漏出するのを防止して、安定して燃料電池による発電を継続するために有効である。換気流制御手段としては、例えば、逆止弁等を用いることができる。
【００５８】
さらに、前記第２の実施形態において、冷却液貯蔵容器４内の気相部の燃料ガス濃度に応じて、前記ガス排出機構が冷却液貯蔵容器４よりのガス排出を制御するようにしてもよい。例えば、図２に示すとおり、冷却液貯蔵容器４の気相部に燃料ガス濃度計２１を設け、この燃料ガス濃度計２１によって測定される燃料ガス濃度が所定濃度以上になったときに、エアポンプ７による供給空気圧の増加、または換気流制御手段２３による換気流の増加等によって前記換気流の流量が増加するようにしてもよい。これによって、冷却液貯蔵容器内に形成される気相部の気体が、より多く換気用配管５より気液分離室４１に流入される空気と混合されて希釈され、生じる混合気体が、さらに換気室４２を通って排気口４２ｂより換気用排気路１８から排気される。このとき、燃料ガス濃度計２１は、下部に設けた遮蔽板２１ａによって、冷却液貯蔵容器４の揺動、傾斜等が生じても冷却液Ａと接触しないように防護されていることが望ましい。
【００５９】
また、前記第２の実施形態において、冷却液貯蔵容器４内の気相部の燃料ガス濃度に応じて、前記ガス排出機構が冷却液貯蔵容器４よりのガス排出量を増加させるようにしてもよい。例えば、図２に示すとおり、換気用排気路１８に開閉制御可能な弁２２を設け、この弁２２の開閉を制御することによって、換気用排気路１８より排気される前記混合気体、すなわち、ガス排出量を増加させることができる。すなわち、冷却液貯蔵容器４内の気相部の燃料ガス濃度が所定濃度以上になったときに弁２２を開放することによって、一時的にＰＧを低下させることでＰＡ＞ＰＧの関係を作り出し、換気用配管５より導入される空気によって換気流を増大させて、気相部の燃料ガスを希釈し、ガス排出量を増加させる。これによって、冷却液貯蔵容器４の換気量を制御することができる。前記開閉可能な弁としては、例えば、電磁弁、ダイヤフラム弁等を用いることができる。
【００６０】
さらに、前記第２の実施形態において、冷却液貯蔵容器４内の燃料ガス濃度が所定の濃度以上に達したときは、前記供給空気配管８内の圧力を増大させることによって、冷却液貯蔵容器４内の圧力と供給空気配管８内の圧力との差により換気流の流量を増大させることができ、換気流による冷却液貯蔵容器内の燃料ガスの希釈および排気口４２ｂからの排出を増加させ、冷却液貯蔵容器４内の燃料ガス濃度を低減させることができる。このとき、供給空気配管８内の圧力は、前記エアポンプ７によって増大させることができる。
【００６１】
さらに、前記第２の実施形態において、供給空気配管８内の圧力を増大させたことによって冷却液貯蔵容器４内の燃料ガス濃度が所定の濃度まで低減されたときは、ガス排出機構によって冷却液貯蔵容器４内のガスを排出させるようにしてもよい。このように構成することによって冷却液貯蔵容器の燃料ガス濃度が低減した後にガス排出機構によって冷却液貯蔵容器４内のガスを排出するので、確実に燃料ガス濃度が低減されたガスを系外へ排出することができる。また、ガス排出機構によるガスの排出は、図２に示すように、排気口４２ｂに連絡された換気用排気路１８に設けた開閉制御可能な弁２２を開放して行うことができる。
【００６２】
具体的には、前記冷却液貯蔵容器４内の燃料ガス濃度が所定の濃度以上に達したときは、前記ガス排出機構によって前記冷却液貯蔵容器４内の圧力を低下させることで、前記換気流の流量を増加させるようにしてもよい。例えば、冷却液貯蔵容器４内の燃料ガス濃度が所定の濃度以上に達したときに、弁２２を開放して冷却液貯蔵容器４内の圧力を低下させる。これによって、冷却液貯蔵容器４内の圧力と排出空気配管１０内の圧力との差により換気流を増大させることができ、換気流による冷却液貯蔵容器内の燃料ガスの希釈および排気口４２ｂからの排出量を増加させ、冷却液貯蔵容器４内の燃料ガス濃度を低減させることができる。
【００６３】
次に、図３に示す本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の冷却装置について説明する。
図３は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の冷却装置の構成を示すブロック図である。
【００６４】
図３に示す第３の実施形態に係る燃料電池の冷却装置は、燃料電池１と熱交換器２の間に冷却液を循環流通させるための循環流路３（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ）、熱交換器２より冷却液貯蔵容器４に冷却液の一部を供給する冷却液ガス抜き流路１６、循環流路３内を流通する冷却液の温度を一定に保つためのサーモスタット１５、冷却液貯蔵容器４より冷却液を循環流路３に戻すための冷却液戻し流路１７、さらに気液分離室４１、換気室４２等を備える点で、前記第１の実施形態に係る冷却装置と同一の構成を有するものである。したがって、以下の第３の実施形態に係る冷却装置についての説明においては、前記第１の実施形態に係る冷却装置と異なる構成を中心に説明し、第１の実施形態と同一の構成に係るものについては、同一の符号を付して説明を省略する。
【００６５】
この第３の実施形態に係る冷却装置においては、前記第１の実施形態と同様に、燃料電池１と熱交換器２の間を循環流路３を介して循環される冷却液の温度が、サーモスタット１５によって一定に保たれる。
【００６６】
このとき、冷却液貯蔵容器４の気液分離室４１と供給空気配管８とを換気用配管５２を介して連絡させることによって、冷却液貯蔵容器４は、冷却液より分離して気液分離室４１の上部および換気室４２内に形成される気相部と、供給空気配管８内を流通する空気との圧力差に応じて呼吸する。すなわち、冷却液貯蔵容器４の上部（気液分離室４１および換気室４２）に滞留する気体によって形成される気相部の圧力ＰＧと、供給空気配管８を通って燃料電池１に供給される空気の圧力ＰＡ（供給空気圧）との圧力差に応じて、冷却液貯蔵容器４内の気体と供給空気配管８内の空気とが換気用配管５内を、冷却液貯蔵容器４または供給空気配管８のいずれかに向けて押戻され、または移動する。気体の圧力ＰＧが空気の圧力ＰＡよりも高いときは、図３中、冷却液貯蔵容器４より供給空気配管８に向けて（矢印Ｇで示す方向に）冷却液貯蔵容器４内の気体が換気用配管５を通じて流通して、供給空気配管８側より換気用配管５中に入り込む空気を供給空気配管８に押戻して冷却液貯蔵容器４内の気体が前記供給空気配管６内に排気される。また、気体の圧力ＰＧが空気の圧力ＰＡよりも低いときは、供給空気配管８より冷却液貯蔵容器４に向けて（矢印Ｇと逆の方向：図３中、矢印Ｈで示す方向に）冷却液貯蔵容器４内の気体が押戻され、空気が冷却液貯蔵容器４内に流入して、気相部の気体が希釈される。これにより、冷却液貯蔵容器４内の気相部が換気される。また、供給空気配管８内に排気された気体（例えば、燃料ガス）は、燃料電池１に供給される空気と混合して、前記燃料電池１のカソード電極の触媒で触媒反応する。
【００６７】
そして、本実施形態に係る冷却装置においては、前記換気室４２と、換気用配管５２と、さらに換気用配管５２との連絡点８ａよりも上流側の供給空気配管８の途中に配設されたエアポンプ７と、前記排気口４２ｂと、その排気口４２ｂに連絡された換気用排気路１８と、換気用排気路１８の途中に設けられたオリフィス２４とによって、冷却液貯蔵容器内に滞留する燃料ガスを、燃料電池に供給する供給空気によって換気するガス排出機構が構成される。オリフィス２４は、換気流制御手段として、換気用排気路１８の通気断面積を絞るものである。このオリフィス２４によって、換気用排気路１８を流通して排気される混合気体の流量を制御し、前記換気流による冷却液貯蔵容器４内の換気を安定的に維持することができる。すなわち、冷却液貯蔵容器４内の換気に充分な換気流量を維持するとともに、過剰な換気流を防止することができる。
【００６８】
このガス排出機構によって、本実施形態においては、前記冷却液貯蔵容器４の呼吸による換気に加えて、さらにガス排出機構により冷却液貯蔵容器４内の換気を行うことができる。これは、エアポンプ７により供給空気配管８内を流通して燃料電池１に供給される空気の供給空気圧を調整し、ＰＡ＞ＰＧとすることによって、供給空気配管８内の空気が換気用配管５２を通って流入口４１ｃより冷却液貯蔵容器４の気液分離室４１内に流入する。気液分離室４１内に流入した空気は、冷却液貯蔵容器４（気液分離室４１）内に滞留する燃料ガスと混合して、換気室４２を通って排気口４２ｂより換気用排気路１８に排気される気体の流れ(以下、「換気流」という)を形成することができる。例えば、エアポンプ７により、供給空気配管８側の供給空気圧を高め、ＰＡ＞ＰＧとなった場合には、供給空気は、供給空気配管８より換気用配管５２を通って冷却液貯蔵容器４の方向（図中、Ｈで示す方向）に流れて換気流が形成され、これによって、冷却液貯蔵容器４内が換気される。このガス排出機構は、常時、作動させてもよいし、必要に応じて作動させるようにしてもよい。燃料電池１の運転時、このガス排出機構を常時作動させておけば、すなわち、エアポンプ７を制御して常にＰＡ＞ＰＧとなるように供給空気圧を制御すれば、冷却液貯蔵容器４内を換気して、冷却液より気液分離されて冷却液貯蔵容器４内に滞留する気体、特に燃料ガスを排気して、冷却液貯蔵容器４内の気相部における燃料ガス濃度を低く保つことができる。
【００６９】
また、この第３の実施形態に係る冷却装置において、冷却液貯蔵容器４内の気相部の燃料ガス濃度に応じて、前記ガス排出機構が冷却液貯蔵容器４よりのガス排出を制御するようにしてもよい。例えば、図３に示すとおり、気液分離室４１に燃料ガス濃度計２１を設け、この燃料ガス濃度計２１によって測定される燃料ガス濃度が所定濃度以上になったときに、エアポンプ７による供給空気圧を増加させＰＡ＞ＰＧとなるように制御して前記換気流が形成されるようにしてもよい。これによって、冷却液貯蔵容器内に形成される気相部の気体が、換気用配管５より気液分離室４１に流入される空気と混合されて希釈する。そして、混合気体は、換気室４２を通って排気口４２ｂより換気用排気路１８から排気される。このとき、燃料ガス濃度計２１は、下部に設けた遮蔽板２１ａによって、冷却液貯蔵容器４の揺動、傾斜等の動作が生じても冷却液Ａと接触しないように防護されていることが望ましい。
【００７０】
さらに、前記第３の実施形態において、冷却液貯蔵容器４内の燃料ガス濃度が所定の濃度以上に達したときは、前記供給空気配管８内の圧力を増大させることによって、冷却液貯蔵容器４内の圧力と供給空気配管８内の圧力との差により換気流を増大させることができ、換気流による冷却液貯蔵容器内の燃料ガスの希釈および排気口４２ｂからの排出を増加させ、冷却液貯蔵容器４内の燃料ガス濃度を低減させることができる。このとき、供給空気配管８内の圧力は、前記エアポンプ７によって増大させることができる。
【００７１】
【実施例】
次に、前記第３の実施形態と同じ構成を備える冷却装置を有し、燃料ガスとして水素を用いる燃料電池を自動車に搭載して、冷却液貯蔵容器４の換気について実験した結果を図４に示す。
【００７２】
図４は、自動車に搭載された燃料電池における冷却装置において、自動車の実走行時の冷却液貯蔵容器内の水素濃度の推移を示すものである。この冷却装置を備える燃料電池１を定常運転させているとき、燃料電池自動車の走行モータの要求電力に応じて燃料電池の要求出力が変動する。この燃料電池の要求出力によって燃料電池へ供給する供給空気の圧力を変動させるため、図４中、細線で示す通り、冷却液貯蔵容器内の圧力は自然と変動する。ここで、図４中、点線は第３の実施形態におけるガス排出機構を持たないときの冷却液貯蔵容器内の水素濃度を示し、太線は第３の実施形態におけるガス排出機構を設けたときの冷却液貯蔵容器内の水素濃度を示す。この実験では、一定流量の水素が冷却液に混入してくると想定している。
【００７３】
この冷却装置において、冷却液貯蔵容器４の気相部４２内の水素濃度は、冷却液貯蔵容器内の圧力変動に伴って冷却液中の気体と供給空気とが気相部４２で混合され、供給空気とともに燃料電池のカソード電極に供給されているので、冷却液に混入している水素の濃度は管理目標濃度を超えることがない。しかしながら、燃料電池の出力変動が少なく、（例えば一定速度で燃料電池自動車の運転を続けているときなど）燃料電池への供給空気の圧力変動が行われていない、または供給空気の圧力変動が行われていてもその変動幅が小さいときなどは、図４中点線で示すとおり、気相部における水素濃度が高まっている。ここで、第３の実施形態においては、供給空気の圧力変動による換気に加えて、オリフィスによって常時所定流量の換気がされているので、冷却液中に混入した水素は供給空気によって希釈排出され、冷却液貯蔵容器の水素濃度（太線）は相対的にガス排出機構を持たないときの水素濃度（点線）よりも低い濃度に推移している。
【００７４】
以上の図４に示す結果より、本発明の冷却装置によれば、燃料電池の各部より冷却液中に混入される気体、特に燃料ガスを冷却液貯蔵容器内で気液分離して排気し、冷却液貯蔵容器内の燃料ガスを供給空気（または排出空気）によって希釈し系外へ排出できる。
【００７５】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明の請求項１に記載の燃料電池の冷却装置によれば、冷却液の循環流路に混入した燃料ガスを、燃料電池へ供給される空気または燃料電池から排出される空気によって希釈して低濃度で系外へ排出することができるので、燃料電池の冷却装置の冷却性能の低下を防止することができる。また、従来、熱交換器や冷却液の循環流路内に溜まるにまかせていた気体を、人的整備を必要とせずに、新たな装置を付加することなく簡単な構成で随時排気することができるので、燃料ガスの漏洩による警告や機関停止の必要頻度を低減できるため燃料電池発電システムの使い勝手をより向上できる。
【００７６】
また、少なくとも１本の換気用配管を配設するだけで、冷却液貯蔵容器を呼吸させながら換気することが可能となり、軽量かつ低コストな構成で冷却液中に漏出する気体を随時排気することができる。特に、極間差圧（燃料ガス、空気、冷却液間の圧力差）が生じると燃料電池のセパレータやシール構造などに過負荷がかかるため、燃料ガス、冷却液ともに供給圧力を低く保つか、燃料ガスと冷却液の供給圧力差を少なく制御する必要があるが、本発明は、その場合にも充分適用可能である。
【００７７】
また、本来、燃料電池システムの有する燃料ガス供給・排出圧力が変動する性質を利用し、冷却液貯蔵容器等を呼吸させながら冷却液中に漏出する気体を換気して排気することが可能となるため、変動ガス圧供給手段を軽量化してコストを削減できる。また、冷却液貯蔵容器等に必要充分な換気を供給しながらも過剰な換気を供給することがなく、必要最適量の換気を供給でき無駄な電力消費を回避できる。
【００７８】
また、請求項２に記載の燃料電池の冷却装置によれば、冷却液貯蔵容器内の燃料ガス濃度に応じて換気流の流量を制御できるので、必要十分な量の換気流の流量を冷却液貯蔵容器内に導入することができ、冷却液貯蔵容器内の燃料ガス濃度を低濃度に抑えることができる。
【００７９】
また、請求項３に記載の燃料電池の冷却装置によれば、冷却液貯蔵容器内のガス濃度が所定の濃度以上になったときは空気配管内の圧力を増大させるので、冷却液貯蔵容器内の圧力と空気配管内の圧力との差により換気流を増大させることができ、冷却液貯蔵容器内のガス濃度を低減させることができる。
【００８０】
また、請求項４に記載の燃料電池の冷却装置によれば、冷却液貯蔵容器内の燃料ガス濃度が低減した後にガス排出機構によって冷却液貯蔵容器内のガスを排出するので、確実に燃料ガス濃度が低減されたガスを系外へ排出することができる。
【００８１】
また、請求項５に記載の燃料電池の冷却装置によれば、冷却液貯蔵容器内の燃料ガス濃度が所定の濃度以上になったときは冷却液貯蔵容器内の圧力を低下させるので、冷却液貯蔵容器内の圧力と空気配管内の圧力との差により換気流を増大させることができ、冷却液貯蔵容器内のガス濃度を低減させることができるとともに、換気流によって燃料ガス濃度が低減されたガスを系外へ排出することができる。
【００８２】
また、本発明の冷却装置を備える燃料電池を搭載した自動車においては、供給空気配管における供給空気圧の変動に起因して燃料電池出力電圧、カソードガス（空気）供給用エアポンプの消費電力が変化しても、燃料電池に接続された駆動機器への出力電流を適切に制御することで常時所望の駆動出力を供給することが可能となる。そのため、自動車のドライバビリティが向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の冷却装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の冷却装置の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の冷却装置の構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の冷却装置による冷却液貯蔵容器内の換気について実験した結果を示す図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池
２ 熱交換器
３ 循環流路
３ａ 流出路
３ｂ 送液路
３ｃ 戻し流路
３ｄ 流入路
３ｅ 調整流路
４ 冷却液貯蔵容器
５、５２ 換気用配管
８ 供給空気配管
９ 燃料ガス供給配管
１０ 空気排出配管
１６ 冷却液ガス抜き流路
１７ 冷却液戻し流路
１９ 調圧弁
４１ 気液分離室
４２ 換気室
Claims (5)
- 空気と燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池と熱交換器との間に冷却液を循環させる循環流路を設けた燃料電池の冷却装置であって、
ガス抜き流路を介して前記循環流路に連絡され、かつ冷却液戻し流路を介して前記循環流路に連絡された前記循環流路の冷却液の一部を貯蔵する冷却液貯蔵容器を備え、
前記燃料電池へ供給する空気または前記燃料電池から排出される空気を流通させる空気配管を備え、
前記冷却液貯蔵容器は換気用配管を介して前記空気配管に連絡され、かつ前記冷却液貯蔵容器に滞留する燃料ガスを、前記換気用配管を流通する換気流によって系外へ排出するガス排出機構を備えることを特徴とする燃料電池の冷却装置。 - 前記冷却液貯蔵容器内の燃料ガス濃度に応じて、前記換気流の流量を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の冷却装置。
- 前記冷却液貯蔵容器内の燃料ガス濃度が所定の濃度以上に達したときは、前記冷却液貯蔵容器の換気量を増加させることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の冷却装置。
- 前記空気配管内の圧力を増大させたことによって前記冷却液貯蔵容器内の燃料ガス濃度が所定の濃度まで低減されたときは、前記ガス排出機構によって前記冷却液貯蔵容器内のガスを排出させることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池の冷却装置。
- 前記冷却液貯蔵容器内の燃料ガス濃度が所定の濃度以上に達したときは、前記ガス排出機構によって前記冷却液貯蔵容器内の圧力を低下させることで、前記換気流の流量を増加させることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の冷却装置。
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