JP2020009550A - 燃料電池の冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池からの漏電を抑制できる燃料電池の冷却システムを得る。
【解決手段】燃料電池１４を冷却する絶縁冷媒が循環する第１通路１２と、絶縁冷媒と熱交換される冷媒が循環し、かつ、その冷媒の熱を放出するラジエータ２２が接続された第２通路２０と、第１通路１２と第２通路２０との間で熱交換させる熱交換器４０と、を備えた燃料電池１４の冷却システム１０とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の冷却システムに関する。

燃料電池を冷却する冷却液の通路に、通路を流れる液圧によって回転する羽根車を２つ設け、各羽根車の先端同士の間隔を小さくすることで、局所的に断面積が小さい通路を作り出し、冷却液の電気的絶縁抵抗を確保するようにした燃料電池の冷却システムは、従来から提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−１１７８８４号公報

しかしながら、冷却液の通路に２つの羽根車を設けると、通路内における通液抵抗が増加する。したがって、通路内における冷却液の流量を確保するために、ポンプの出力を増加させるなどの対策が必要となる。このように、燃料電池を冷却する冷却液の電気的絶縁抵抗を確保する（燃料電池からの漏電を抑制する）構造には、未だ改善の余地がある。

そこで、本発明は、燃料電池からの漏電を抑制できる燃料電池の冷却システムを得ることを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る請求項１に記載の燃料電池の冷却システムは、燃料電池を冷却する絶縁冷媒が循環する第１通路と、前記絶縁冷媒と熱交換される冷媒が循環し、かつ前記冷媒の熱を放出するラジエータが接続された第２通路と、前記第１通路と前記第２通路との間で熱交換させる熱交換器と、を備えている。

請求項１に記載の発明によれば、燃料電池を冷却する冷媒が絶縁冷媒とされている。そして、その絶縁冷媒が循環する第１通路と、絶縁冷媒と熱交換されるとともにラジエータによって冷却される冷媒が循環する第２通路と、が分離されている。したがって、第１通路を介した燃料電池からの漏電が抑制される。また、第２通路の冷媒が帯電するおそれがないため、第２通路における電気的絶縁抵抗を確保しない状態でも、冷却システムとしての電気的絶縁抵抗が確保される。

また、本発明に係る請求項２に記載の燃料電池の冷却システムは、燃料電池を冷却する第１冷媒が循環する第１通路と、前記第１冷媒と熱交換される第２冷媒が循環し、かつ前記第２冷媒の熱を放出するラジエータが接続された第２通路と、絶縁体で構成され、前記第１通路と前記第２通路との間で熱交換させる熱交換器と、を備えている。

請求項２に記載の発明によれば、燃料電池を冷却する第１冷媒が循環する第１通路と、第１冷媒と熱交換されるとともにラジエータによって冷却される第２冷媒が循環する第２通路と、が分離されている。そして、第１冷媒が循環する第１通路と第２冷媒が循環する第２通路との間で熱交換させる熱交換器が絶縁体で構成されている。したがって、第２通路が第１通路から電気的に絶縁され、第２通路を介した燃料電池からの漏電が抑制される。

また、請求項３に記載の燃料電池の冷却システムは、請求項１に記載の燃料電池の冷却システムであって、前記熱交換器が絶縁体で構成されている。

請求項３に記載の発明によれば、絶縁冷媒が循環する第１通路と冷媒が循環する第２通路との間で熱交換させる熱交換器が絶縁体で構成されている。したがって、第２通路が第１通路から電気的に絶縁され、第１通路及び第２通路を介した燃料電池からの漏電が抑制される。

また、請求項４に記載の燃料電池の冷却システムは、請求項２に記載の燃料電池の冷却システムであって、少なくとも前記第１通路を覆う絶縁カバーが設けられている。

請求項４に記載の発明によれば、燃料電池を冷却する第１冷媒が循環する第１通路が絶縁カバーで覆われている。したがって、第１通路に接触することで起きる感電が防止される。

請求項１に係る発明によれば、第１通路を介した燃料電池からの漏電を抑制することができる。

請求項２に係る発明によれば、第２通路を介した燃料電池からの漏電を抑制することができる。

請求項３に係る発明によれば、第１通路及び第２通路を介した燃料電池からの漏電を抑制することができる。

請求項４に係る発明によれば、第１通路に接触することで起きる感電を防止することができる。

第１実施形態に係る燃料電池の冷却システムを示す模式図である。 第２実施形態に係る燃料電池の冷却システムを示す模式図である。

以下、本発明に係る実施の形態について、図面を基に詳細に説明する。なお、本実施形態に係る燃料電池１４の冷却システム１０は、車両に搭載されている。また、以下において、冷媒（絶縁冷媒を含む）の循環方向上流側を単に「上流側」と言い、循環方向下流側を単に「下流側」と言う場合がある。まず、第１実施形態に係る冷却システム１０について説明する。

＜第１実施形態＞
図１に示されるように、第１実施形態に係る冷却システム１０は、燃料電池（ＦＣスタック）１４の内部を冷却する絶縁冷媒を循環させる第１通路１２と、ラジエータ２２によって冷却される冷媒としての冷却水（Long Life Coolant：ＬＬＣ）を循環させる第２通路２０と、第１通路１２（第１通路１２内を流れる絶縁冷媒）と第２通路２０（第２通路２０内を流れる冷却水）との間で熱交換させる熱交換器４０と、を備えている。

第１通路１２には、絶縁冷媒を循環させるためのポンプ１６が接続されており、第１通路１２の循環経路は、できるだけ短くなるように構成されている。なお、ここで言う「絶縁冷媒」とは、ある一定以上（例えば１．０×１０^１３Ω・ｍ程度）の体積抵抗率を有する冷媒（液体）であり、フロリナート（登録商標）等のフッ素系冷媒が一例として挙げられる。また、「ある一定以上の体積抵抗率」としたのは、法規により、車両全体として１Ｖ（ボルト）当たり１００Ω以上の絶縁抵抗を確保しなければならないためであり、他の部位の絶縁抵抗によって変動するためである。

第２通路２０には、冷却水の熱を大気へ放出するラジエータ２２と、冷却水の温度を検出する温度センサー２４と、冷却水を循環させるためのポンプ２６と、が上流側から下流側にかけて、この順で接続されている。なお、ラジエータ２２には、ラジエータ２２へ冷却風を送風するためのファン２３が対向配置されている。

また、図１において、第２通路２０との接続部位における各電磁切替弁の図示は省略するが、ラジエータ２２よりも下流側で、かつ温度センサー２４よりも上流側の第２通路２０と、ラジエータ２２よりも上流側の第２通路２０と、がバイパス３２によって接続されている。

そして、バイパス３２の上流側が接続された部位よりも上流側の第２通路２０と、リザーバータンク２８と、が第１分岐路３４によって接続され、バイパス３２の下流側が接続された部位よりも下流側で、かつ温度センサー２４よりも上流側の第２通路２０と、リザーバータンク２８と、が第２分岐路３６によって接続されている。更に、ラジエータ２２とリザーバータンク２８とが第３分岐路３８によって接続されている。

そして、ポンプ２６よりも下流側の第２通路２０と、第１分岐路３４が接続された部位よりも上流側の第２通路２０との間に（ラジエータ２２及び後述する熱交換器４０と並列に繋がるように）インタークーラー３０が接続されている。このインタークーラー３０は、図示しない過給機の圧縮により昇温した空気と熱交換し、その空気を冷却する熱交換器である。

また、インタークーラー３０の上流側が接続された部位よりも下流側の第２通路２０と、インタークーラー３０の下流側が接続された部位よりも上流側の第２通路２０との間に（ラジエータ２２と直列に繋がるように）熱交換器４０が接続されている。そして、ポンプ１６よりも下流側の第１通路１２にも熱交換器４０が接続されている。この熱交換器４０は、第１通路１２内を循環する絶縁冷媒の熱と、第２通路２０内を循環する冷却水の熱と、を熱交換するものであり、絶縁冷媒を冷却水によって冷却するものである。

なお、熱交換器４０により、第１通路１２内を循環する絶縁冷媒から奪った熱は、第２通路２０内を循環する冷却水によってラジエータ２２へ運ばれ、そのラジエータ２２によって大気へ放出されるようになっている。すなわち、ラジエータ２２を流れる冷却水の熱と、ラジエータ２２へ送風される冷却風の熱と、が熱交換されるようになっている。そして、ラジエータ２２で熱交換されて冷却された冷却水は、再び熱交換器４０へ送られるようになっている。

以上のような構成とされた第１実施形態に係る冷却システム１０において、次にその作用について説明する。

第１通路１２では、ポンプ１６の駆動により絶縁冷媒が循環している。そして、燃料電池１４を通過し、燃料電池１４と熱交換された（燃料電池１４で加熱された）絶縁冷媒は、熱交換器４０を通過することにより、第２通路２０を循環する冷却水と熱交換される（冷却される）。なお、熱交換された（冷却された）絶縁冷媒は、再び燃料電池１４を通過し、その燃料電池１４と熱交換される（燃料電池１４で加熱される）。

第２通路２０では、ポンプ２６の駆動により冷却水が循環している。そして、熱交換器４０で絶縁冷媒と熱交換された冷却水は、ラジエータ２２を通過することにより、ラジエータ２２へ送風される冷却風と熱交換される。すなわち、冷却水の熱が大気へ放出され、その冷却水が冷却される。なお、熱交換された（冷却された）冷却水は、再び熱交換器４０を通過し、第１通路１２を循環する絶縁冷媒と熱交換される。

以上のようにして燃料電池１４が冷却されるが、この冷却システム１０では、燃料電池１４を冷却する絶縁冷媒が循環する第１通路１２と、絶縁冷媒と熱交換されるとともにラジエータ２２によって冷却される冷却水が循環する第２通路２０と、が分離されている。そして、第１通路１２を循環して燃料電池１４を冷却する冷媒は、ある一定以上の体積抵抗率を有する絶縁冷媒とされている。

したがって、第１通路１２を介した燃料電池１４からの漏電を抑制又は防止することができる。また、第２通路２０の冷却水が帯電する（冷却水に高電圧が印加される）おそれがないため、第２通路２０における電気的絶縁抵抗を確保しない状態でも、冷却システム１０（車両全体）としての電気的絶縁抵抗を確保することができる。すなわち、ユーザーが誤って第１通路１２や第２通路２０に接触しても、感電するおそれがない。

なお、絶縁冷媒は、水に比べて比熱が小さく、冷媒としての性能が劣るが、第１通路１２は、循環経路が短いため、通液抵抗が小さく、ポンプ１６の能力が高くなくても（通常の能力でも）適切な流量を確保することができる。また、第２通路２０は、循環経路が長いが、ラジエータ２２及び熱交換器４０等が設けられているだけであるため（通液抵抗が大きくないため）、ポンプ２６の能力が通常の能力で足り、ラジエータ２２における放熱能力を充分に確保することができる。

また、上記の通り、第２通路２０の冷却水が帯電する（冷却水に高電圧が印加される）おそれがないため、第２通路２０において、絶縁抵抗の管理が不要となる。すなわち、第２通路２０において、冷却水の導電率上昇の原因となるイオンを除去するイオン交換器を設ける必要がなくなる。したがって、車両としての製造コストを低減させることができる。

また、第２通路２０では、冷却水（ＬＬＣ）が循環するだけであり、絶縁冷媒には防錆剤などの添加物（絶縁抵抗を低下させるイオン性の化合物）が含まれていないため、ラジエータ２２への負荷が少なく（ラジエータ２２において腐食の発生が抑制され）、ラジエータ２２の寿命を延ばすことができる。更に、冷却水（ＬＬＣ）は、安価で色付きであるため、高価で無色透明な絶縁冷媒と区別が付き易く、その交換作業も容易にできる。

＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態に係る冷却システム１０について説明する。なお、上記第１実施形態と同等の部位には、同じ符号を付して詳細な説明（共通する作用も含む）は適宜省略する。

この第２実施形態では、第１通路１２を循環する第１冷媒が、絶縁冷媒ではなく、第２通路２０を循環する第２冷媒としての第２冷却水（ＬＬＣ）と同じ第１冷却水（ＬＬＣ）とされている点、及び、熱交換器４０が、絶縁体で構成されている点が、上記第１実施形態と異なっている。そして、この第２実施形態では、図２に示されるように、第１通路１２及び熱交換器４０が、絶縁カバー１８で覆われている点が、上記第１実施形態と異なっている。

熱交換器４０は、ある一定以上の体積抵抗率を有する絶縁材料（絶縁体）で構成されており、その絶縁材料としては、例えば炭化ケイ素系や窒化ケイ素系のセラミック材料が一例として挙げられる。また、この第２実施形態に係る冷却システム１０でも、車両全体として１Ｖ当たり１００Ω以上の絶縁抵抗が確保されるように、熱交換器４０の絶縁抵抗が設定されている。

絶縁カバー１８は、ユーザーが誤って第１通路１２に接触すること、即ち感電することを防止するためのものであり、第１通路１２及び熱交換器４０を収容可能な筐体状に形成されている。なお、絶縁カバー１８は、上記の通り、ユーザーが第１通路１２に接触することを防止するためのものであるため、少なくとも第１通路１２を覆っていればよい。

以上のような構成とされた第２実施形態に係る冷却システム１０において、次にその作用について説明する。

第１通路１２では、ポンプ１６の駆動により第１冷却水（ＬＬＣ）が循環している。そして、燃料電池１４を通過し、燃料電池１４と熱交換された（燃料電池１４で加熱された）第１冷却水は、熱交換器４０を通過することにより、第２通路２０を循環する第２冷却水と熱交換される（冷却される）。なお、熱交換された（冷却された）第１冷却水は、再び燃料電池１４を通過し、その燃料電池１４と熱交換される（燃料電池１４で加熱される）。

第２通路２０では、ポンプ２６の駆動により第２冷却水（ＬＬＣ）が循環している。そして、熱交換器４０で第１冷却水と熱交換された第２冷却水は、ラジエータ２２を通過することにより、ラジエータ２２へ送風される冷却風と熱交換される。すなわち、第２冷却水の熱が大気へ放出され、その第２冷却水が冷却される。なお、熱交換された（冷却された）第２冷却水は、再び熱交換器４０を通過し、第１通路１２を循環する第１冷却水と熱交換される。

以上のようにして燃料電池１４が冷却されるが、この冷却システム１０では、燃料電池１４を冷却する第１冷却水が循環する第１通路１２と、第１冷却水と熱交換されるとともにラジエータ２２によって冷却される第２冷却水が循環する第２通路２０と、が分離されている。そして、第１冷却水が循環する第１通路１２と第２冷却水が循環する第２通路２０との間で熱交換させる熱交換器４０が絶縁体（絶縁材料）で構成されている。

したがって、第１通路１２を循環させる第１冷媒を絶縁冷媒にしなくても、第２通路２０を第１通路１２（高電圧系）から電気的に絶縁することができ、第２通路２０を介した燃料電池１４からの漏電を抑制することができる。また、少なくとも第１通路１２が絶縁カバー１８で覆われているため、ユーザーが誤って第１通路１２に接触するおそれがない。つまり、ユーザーが第１通路１２に接触して感電するおそれがない。

また、第１通路１２を循環させる第１冷媒に、絶縁冷媒ではなく、第１冷却水（ＬＬＣ）を使用するため、燃料電池１４を冷却する冷媒としての性能が劣ることがない。したがって、燃料電池１４から第１冷却水へ良好に熱伝達させることができる（燃料電池１４を良好に冷却することができる）。

また、絶縁材料は、金属材料に比べて熱伝導率が小さく、絶縁材料で構成された熱交換器４０は、金属材料で構成された熱交換器（図示省略）に比べると、熱伝達効率が低下する。しかしながら、熱交換器４０における熱交換は、液体（冷却水）同士の熱交換であるため、液体と気体の熱交換を行うラジエータ２２に比べて、熱伝達効率を確保し易い。

なお、図２に示されるように、熱交換器４０が燃料電池１４と比較的近い位置に設置されている場合には、第１通路１２及び熱交換器４０だけではなく、燃料電池１４も覆う絶縁カバー１８としてもよい。これによれば、第１通路１２、熱交換器４０、燃料電池１４を、筐体状の絶縁カバー１８に組み込まれた１つのモジュールとして取り扱うことが可能となる。

また、第２実施形態において、絶縁カバー１８を廃止し、第１通路１２を循環させる第１冷媒を第１冷却水ではなく、第１実施形態と同じように、絶縁冷媒としてもよい。換言すれば、第１実施形態において、熱交換器４０を、第２実施形態と同じように、絶縁体（絶縁材料）で構成してもよい。

このような構成にすれば、第２通路２０における電気的絶縁抵抗を確保することができ（冷却システム１０としての電気的絶縁抵抗を確保することができ）、第１通路１２及び第２通路２０を介した燃料電池１４からの漏電をより一層抑制又は防止することができる。したがって、ユーザーが誤って第１通路１２や第２通路２０に接触しても感電するおそれがなくなる。

また、この場合の冷却システム１０における絶縁抵抗は、絶縁冷媒の体積抵抗率と絶縁体（絶縁材料）で構成された熱交換器４０の体積抵抗率とを合わせたものとなる。ここで、車両全体としての絶縁抵抗は、１Ｖ当たり１００Ω以上確保されていればよい。したがって、絶縁冷媒の体積抵抗率を上記第１実施形態における絶縁冷媒の体積抵抗率よりも低くすることができ、熱交換器４０の体積抵抗率を上記第２実施形態における熱交換器４０の体積抵抗率よりも低くすることができる。

以上、本実施形態に係る燃料電池１４の冷却システム１０について、図面を基に説明したが、本実施形態に係る冷却システム１０は、図示のものに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、適宜設計変更可能なものである。例えば、絶縁カバー１８は、筐体状に形成されるものに限定されるものではない。また、第１通路１２に設けるポンプ１６は、熱交換器４０の上流側ではなく、下流側に設けられていてもよい。

１０ 冷却システム
１２ 第１通路
１４ 燃料電池
１８ 絶縁カバー
２０ 第２通路
２２ ラジエータ
４０ 熱交換器

Claims (4)

1. 燃料電池を冷却する絶縁冷媒が循環する第１通路と、
   前記絶縁冷媒と熱交換される冷媒が循環し、かつ前記冷媒の熱を放出するラジエータが接続された第２通路と、
   前記第１通路と前記第２通路との間で熱交換させる熱交換器と、
   を備えた燃料電池の冷却システム。
2. 燃料電池を冷却する第１冷媒が循環する第１通路と、
   前記第１冷媒と熱交換される第２冷媒が循環し、かつ前記第２冷媒の熱を放出するラジエータが接続された第２通路と、
   絶縁体で構成され、前記第１通路と前記第２通路との間で熱交換させる熱交換器と、
   を備えた燃料電池の冷却システム。
3. 前記熱交換器が絶縁体で構成されている請求項１に記載の燃料電池の冷却システム。
4. 少なくとも前記第１通路を覆う絶縁カバーが設けられている請求項２に記載の燃料電池の冷却システム。