特許 7567748 冷却液貯蔵容器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-10-07

(45)【発行日】2024-10-16

(54)【発明の名称】冷却液貯蔵容器

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20241008BHJP

   H01M 8/04044 20160101ALI20241008BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 N

H01M8/04 H

H01M8/04044

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2021175500

(22)【出願日】2021-10-27

(65)【公開番号】P2023064989

(43)【公開日】2023-05-12

【審査請求日】2024-02-14

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000028

【氏名又は名称】弁理士法人明成国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】塩田 隼平

(72)【発明者】

【氏名】西本 隆司

【審査官】橋本 敏行

(56)【参考文献】

【文献】特開２００９－１２３３８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－２２１３７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－１８６８６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－２２２０１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－０５９９２２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ６０Ｌ １／００－３／１２

７／００－１３／００

１５／００－５８／４０

Ｆ２５Ｂ ４３／００－４９／０４

Ｈ０１Ｍ ８／０４－８／０６６８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池スタックを冷却する冷却液循環経路において冷却液を一時的に貯蔵する冷却液貯蔵容器であって、
冷却液貯蔵容器の内部の上方に配置された酸化金属部材と、
前記酸化金属部材を水素還元における還元開始温度以上に加熱する加熱部と、
を備える、
冷却液貯蔵容器。

【請求項2】

請求項１に記載の冷却液貯蔵容器であって、
前記酸化金属部材は、前記冷却液貯蔵容器の上部に設けられた開口の蓋の内側に設けられている、
冷却液貯蔵容器。

【請求項3】

請求項１または２に記載の冷却液貯蔵容器であって、
前記加熱部は、前記燃料電池スタックにより発電された電力を供給されて発熱する、
冷却液貯蔵容器。

【請求項4】

請求項１または２に記載の冷却液貯蔵容器であって、
前記加熱部は、前記燃料電池スタックに送り込む空気を圧縮するエアコンプレッサによる圧縮によって空気に発生する熱により前記酸化金属部材を加熱する、
冷却液貯蔵容器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、冷却液貯蔵容器に関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池システムにおいては、セルごとに冷却流路を設け、冷却流路と熱交換器との間で、冷却液を循環させて、燃料電池スタックを冷却する。冷却液が流れる冷却流路と、燃料ガスである水素の流路とはセパレータによって分離されている。しかし、例えば、セパレータの周辺部のシール部材の劣化により、水素が冷却流路内に漏れ出すことがある。冷却液が冷却液の貯蔵容器に流入することにより、貯蔵容器内に水素が溜まってしまう。

【0003】

特許文献１には、冷却液を貯蔵する貯蔵容器内に溜まった水素を、燃料電池スタックから排出されるカソードオフガスにより希釈し、燃料電池システムの外に排出する技術が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００４－３３５１５４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に記載されている技術においては、水素の希釈のため、冷却液貯蔵容器と、燃料電池のカソードから排出されたカソードオフガスを排出する排出空気配管とをつなぐ換気用配管、排出空気配管内のカソードオフガスの圧力を調整し、カソードオフガスを冷却液貯蔵容器に送り込むための調圧弁を、燃料電池システムに設ける必要があった。よって、燃料電池システムの構成が複雑となっていた。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。
（１）本開示の形態によれば燃料電池スタックを冷却する冷却液循環経路において冷却液を一時的に貯蔵する冷却液貯蔵容器が提供される。この冷却液貯蔵容器は、貯蔵容器内の上方に配置された酸化金属部材と、酸化金属部材を水素還元における還元開始温度以上に加熱する加熱部と、を備える。
このような態様によれば、酸化金属部材において酸化還元反応を起こすことにより、貯蔵容器内に滞留する気体に含まれる水素を水に還元することができる。このため、簡易な構成で冷却液貯蔵容器内の水素を除去することができる。
（２）上記形態の冷却液貯蔵容器において、酸化金属部材は、冷却液貯蔵容器の上部に設けられた開口の蓋の内側に設けられていてもよい。
このような態様によれば、取り外し可能な蓋の内側に設けられた酸化金属部材の交換が容易である。
（３）上記形態の冷却液貯蔵容器において、加熱部は、燃料電池スタックにより発電された電力を供給されて発熱してもよい。
このような態様によれば、酸化金属の加熱のための電力源を別途用意する必要がない。
（４）上記形態の冷却液貯蔵容器において、加熱部は、燃料電池スタックに送り込む空気を圧縮するエアコンプレッサによる圧縮によって空気に発生する熱により酸化金属部材を加熱してもよい。
このような態様によれば、加熱部は酸化ガスを圧縮する際に発生した熱を利用するため、効率よく酸化金属を加熱することができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す図である。

【図2】実施形態に係るリザーブタンクの概略構成を示す図である。

【図3】他の実施形態４に係る構成を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

Ａ．実施形態
Ａ１．燃料電池システムの概要
図１は、燃料電池搭載車両（「車両」とも呼ぶ。）に用いられる燃料電池システム１０の概略構成を示す図である。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１００と、燃料ガス供給系２００と、酸化剤ガス供給系３００と、排ガス系４００と、冷却系５００と、負荷回路６００と、空調ヒータ回路７００と、制御部８００と、を備える。

【0009】

燃料電池スタック１００は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う。本実施形態では、燃料ガスとして、水素を用い、酸化剤ガスとして、酸素を含む気体（空気）を用いる。

【0010】

燃料ガス供給系２００は、燃料ガスタンク２１０、燃料ガス供給管２２０、燃料ガス排気管２３０、燃料ガス還流管２４０等を備え、燃料ガスを燃料電池スタック１００へ供給する。

【0011】

酸化剤ガス供給系３００は、酸化剤ガス供給管３１０、エアコンプレッサ３２０、インタークーラ３３０等を備え、外部から取り込まれた酸化剤ガスを燃料電池スタック１００に供給する。

【0012】

酸化剤ガス供給管３１０は外部から取り込まれた酸化剤ガスを燃料電池スタック１００に供給するための管であり、燃料電池スタック１００に接続されている。

【0013】

エアコンプレッサ３２０は、制御部８００の制御に従って、外部から取り込まれた空気を圧縮する。インタークーラ３３０は、酸化剤ガス供給管３１０に設けられている。

【0014】

インタークーラ３３０は、エアコンプレッサ３２０が圧縮した空気を冷却する。冷却された空気は、酸化剤ガス供給管３１０を通して燃料電池スタック１００に送られる。

【0015】

排ガス系４００は、排ガス管４１０、燃料ガス排出管４２０等を備え、燃料電池スタック１００の排ガスを排出する。

【0016】

冷却系５００は、燃料電池システム１０において冷却液を循環させる。冷却液の循環により、燃料電池スタック１００が冷却される。また、冷却液は、インタークーラ３３０を介して循環しているので、エアコンプレッサ３２０が圧縮した空気が冷却される。また、燃料電池スタック１００から排出された冷却液は、空調ヒータ回路７００が備えるヒータコア７１０を介して循環するので、燃料電池スタック１００の廃熱が空調に利用される。冷却系５００を冷却液循環経路とも呼ぶ。

【0017】

冷却系５００は、冷却液供給管５１０と、ウォーターポンプ５１５と、冷却液排出管５２０と、ラジエータ５３０と、ラジエータファン５３５と、バイパス管５４０と、イオン交換器５４１と、三方弁５４５と、リザーブタンク５５０と、第１タンク流入管５６１と、第２タンク流入管５６２と、タンク流出管５６３と、第１循環路管５７１と、第２循環路管５７２と、第３循環路管５７３と、第４循環路管５７４と、を備える。

【0018】

冷却液供給管５１０は、燃料電池スタック１００に冷却液を供給するための管であり、燃料電池スタック１００の冷却液入口に接続されている。ウォーターポンプ５１５は、冷却液供給管５１０に設けられている。ウォーターポンプ５１５は、冷却液を燃料電池スタック１００に送り込む。

【0019】

冷却液排出管５２０は、燃料電池スタック１００から冷却液を排出するための管であり、燃料電池スタック１００の冷却液出口に接続されている。

【0020】

ラジエータ５３０は、冷却液供給管５１０と冷却液排出管５２０とに接続されており、
冷却液排出管５２０から流入する冷却液を、冷却して冷却液供給管５１０へと排出する。ラジエータファン５３５は、ラジエータ５３０に設けられている。ラジエータファン５３５は、ラジエータ５３０に風を送り、ラジエータ５３０からの放熱を促進する。

【0021】

バイパス管５４０は、冷却液供給管５１０と冷却液排出管５２０とを接続する。バイパス管５４０は、ラジエータ５３０を通さずに、冷却液を循環させることを可能とする。イオン交換器５４１は、バイパス管５４０に設けられている。イオン交換器５４１は、冷却液に含まれるイオンを除去する。イオンの除去により、冷却液の導電率の上昇を抑制する。三方弁５４５は、ラジエータ５３０とバイパス管５４０とへの冷却液の供給量を調節する。

【0022】

リザーブタンク５５０は冷却液の一部を一時的に貯蔵するとともに、冷却液に含まれる水素を除去する。リザーブタンク５５０を冷却液貯蔵容器とも呼ぶ。

【0023】

第１タンク流入管５６１は、冷却液排出管５２０とリザーブタンク５５０とを接続する。第１タンク流入管５６１は、冷却液排出管５２０の三方弁５４５より上流側に接続されている。第１タンク流入管５６１は、燃料電池スタック１００から流出した冷却液の一部をリザーブタンク５５０に流入させるための管である。

【0024】

第２タンク流入管５６２は、冷却液排出管５２０とリザーブタンク５５０とを接続する。第２タンク流入管５６２は、冷却液排出管５２０の、三方弁５４５より下流側であって、リザーブタンク５５０より上流側に接続されている。第２タンク流入管５６２は、燃料電池スタック１００から流出した冷却液の一部をリザーブタンク５５０に流入させるための管である。

【0025】

タンク流出管５６３は、リザーブタンク５５０と冷却液供給管５１０とを接続する。タンク流出管５６３は、リザーブタンク５５０に貯蔵されている冷却液を冷却液供給管５１０に流入させるための管である。

【0026】

第１循環路管５７１は、冷却液供給管５１０とインタークーラ３３０とを接続する。第１循環路管５７１は、インタークーラ３３０に冷却液を供給するための管である。第１循環路管５７１の一方の端部は、冷却液供給管５１０のウォーターポンプ５１５より下流側に接続されている。第１循環路管５７１の他方の端部は、インタークーラ３３０の冷却液入口に接続されている。

【0027】

第２循環路管５７２は、冷却液排出管５２０とインタークーラ３３０とを接続する。第２循環路管５７２は、インタークーラ３３０から冷却液を排出するための管である。第２循環路管５７２の一方の端部は、インタークーラ３３０の冷却液出口に接続されている。第２循環路管５７２の他方の端部は、冷却液排出管５２０の三方弁５４５より上流側に接続されている。

【0028】

第３循環路管５７３は、冷却液排出管５２０と空調ヒータ回路７００のヒータコア７１０とを接続する。第３循環路管５７３は、空調ヒータ回路７００のヒータコア７１０に冷却液を供給するための管である。第３循環路管５７３の一方の端部は、燃料電池スタック１００の冷却液出口の近傍において、冷却液排出管５２０に接続されている。第１循環路管５７１の他方の端部は、空調ヒータ回路７００のヒータコア７１０の冷却液入口に接続されている。

【0029】

第４循環路管５７４は、冷却液供給管５１０と空調ヒータ回路７００のヒータコア７１０とを接続する。第４循環路管５７４は、空調ヒータ回路７００のヒータコア７１０から冷却液を排出するための管である。第４循環路管５７４の一方の端部は、空調ヒータ回路７００のヒータコア７１０の冷却液出口に接続されている。第４循環路管５７４の他方の端部は、燃料電池スタック１００の冷却液出口の近傍において、冷却液排出管５２０に接続されている。

【0030】

負荷回路６００は、燃料電池用昇圧コンバータ、二次電池、二次電池用昇圧コンバータ、インバータ、駆動モータ等を備える。

【0031】

制御部８００は、燃料ガス供給系２００と、酸化剤ガス供給系３００と、排ガス系４００と、冷却系５００の動作を制御する。

【0032】

Ａ２．水素の発生理由
続いて、冷却系５００において水素が発生する理由を説明する。冷却系５００を循環する冷却液は、インタークーラ３３０、ラジエータ５３０、ヒータコア７１０といった熱交換器を経由する。冷却液は高電圧となる燃料電池スタック１００を冷却するため、帯電防止の観点から、冷却系５００に使用される冷却液は防食剤を含まない。このため、インタークーラ３３０、ラジエータ５３０、ヒータコア７１０の素材であるアルミニウムが冷却液中において腐食することがある。

【0033】

具体的には、ろう付けのためアルミニウムの表面に塗布されているフラックスが、経年により冷却液中に溶解する。フラックスは、アルミニウム表面の酸化皮膜を破壊する薬品である。フラックスが冷却液中に溶解すると、酸化皮膜が消失した状態のアルミニウムが露出する。この状態で、アルミニウムが酸化することにより生じた電子が冷却液中に移行する。この電子が冷却液中で水素イオンと結合すると、水素が発生する。このようにして、インタークーラ３３０、ラジエータ５３０、ヒータコア７１０で、水素が発生する。よって、冷却系５００を循環する冷却液に水素が含まれることになる。

【0034】

また、燃料電池スタック１００においては、冷却液が流れる冷却流路と、燃料ガスである水素の流路とはセパレータによって分離されている。例えば、経年によりセパレータの周辺部のシール部材が劣化すると、水素が冷却流路内に漏れ出す。この場合も冷却系５００を循環する冷却液に水素が含まれることになる。

【0035】

本実施形態では、リザーブタンク５５０に以下の構成を備えることで、循環する冷却液から水素を除去する。

【0036】

Ａ３．水素除去の原理
図２は、リザーブタンク５５０の略断面図である。リザーブタンク５５０は、本体５５１と、蓋５５２と、ヒータ５５３と、酸化金属部材５５４とを含む。

【0037】

本体５５１は、冷却液Ｃを貯蔵する。本体５５１の上部には、冷却液Ｃを注入するための開口である注入口５５１ａが設けられている。蓋５５２は、注入口５５１ａに螺合することにより、注入口５５１ａを閉じる。蓋５５２は、例えば、冷却液Ｃの交換時に取り外される。

【0038】

ヒータ５５３と、酸化金属部材５５４とは、蓋５５２の裏（蓋５５２のタンク内側に面する部分）に、取り付けられている。ヒータ５５３は、例えば、コイルヒータである。ヒータ５５３は、燃料電池スタック１００により発電された電力を使用して、発熱する。ヒータ５５３を加熱部とも呼ぶ。酸化金属部材５５４は、板状の酸化金属により形成されている。酸化金属は、例えば、酸化銅（ＣｕＯ）である。

【0039】

リザーブタンク５５０に貯蔵される冷却液Ｃには水素が含まれているが、水素は空気より軽いため、冷却液Ｃから分離してリザーブタンク５５０の内部の上方に移動する。よって、分離した水素は酸化金属部材５５４の周囲に滞留していることになる。

【0040】

ヒータ５５３は、制御部８００の制御に従って、酸化金属部材５５４を水素還元における還元開始温度以上に加熱する。ヒータ５５３は、例えば、決められた時間ごとに、酸化金属部材５５４を加熱する。酸化金属部材５５４が酸化銅の場合、ヒータ５５３は、酸化銅の還元開始温度以上となるように酸化金属部材５５４を加熱する。酸化金属部材５５４が還元開始温度以上に加熱されると、還元反応が起こる。還元反応により、酸化銅は銅になる。また、リザーブタンク５５０内の水素は、酸化されて水となる。

【0041】

実施形態に係る態様によれば、リザーブタンク５５０の内部に設けた酸化金属部材５５４を加熱して、酸化還元反応を起こすことにより、水素を水に還元する。このように簡易な構成で、リザーブタンク５５０内の水素を除去できる。

【0042】

また、酸化金属部材５５４を蓋５５２の裏に配置しているので、例えば、酸化金属部材５５４の交換が容易である。

【0043】

ヒータ５５３は、燃料電池システム１０が備える燃料電池スタック１００により発電された電力を使用して熱を発生するので、酸化金属部材５５４を加熱するための電力源を別途用意する必要がない。

【0044】

Ｂ１．他の実施形態１
酸化金属部材５５４は、ＣｕＯに限らない。酸化金属部材５５４として、他の酸化金属を使用してもよい。例えば、酸化金属部材５５４は、Ｃｕ_２Ｏであってもよい。この場合、ヒータ５５３は、Ｃｕ_２Ｏの還元開始温度以上に酸化金属部材５５４を加熱すればよい。あるいは、酸化金属部材５５４は、Ｃｏ_３Ｏ_４であってもよい。この場合、ヒータ５５３は、Ｃｏ_３Ｏ_４の還元開始温度以上に酸化金属部材５５４を加熱すればよい。また、あるいは、酸化金属部材５５４は、Ｆｅ_３Ｏ_４であってもよい。この場合、ヒータ５５３は、Ｆｅ_３Ｏ_４の還元開始温度以上に酸化金属部材５５４を加熱すればよい。

【0045】

酸化金属部材５５４が還元された後、新たな酸化金属部材５５４に交換することもできるが、あるいは、還元された酸化金属部材５５４を、例えば、バーナーで加熱して、急速に酸化させてもよい。この場合、酸化金属部材５５４の交換が不要となる。

【0046】

酸化金属部材５５４として、イオン化傾向の大きい金属を選択してもよい。これにより、還元された後、時間経過とともに再び酸化されるからである。この場合、酸化金属部材５５４の交換が不要となる。

【0047】

Ｂ２．他の実施形態２
酸化金属部材５５４は、板状の酸化金属により形成されている例を説明したが、酸化金属部材５５４の形状は、ブロックであってもよいし、ワイヤ形状であってもよい。あるいは、蓋５５２自体を酸化金属で形成してもよい。この場合、蓋５５２の裏に酸化金属部材５５４を設けなくてよい。

【0048】

Ｂ３．他の実施形態３
実施形態においては、ヒータ５５３が、燃料電池スタック１００により発電された電力を使用して、熱を発生する例を説明した。あるいは、ヒータ５５３は燃料電池搭載車両のモータにより充電された充電池が蓄えた電力を使用して、熱を発生させてもよい。

【0049】

Ｂ４．他の実施形態４
あるいは、リザーブタンク５５０は、ヒータ５５３を備えなくてもよい。酸化金属部材５５４をエアコンプレッサ３２０から排出される熱を利用して加熱してもよい。

【0050】

図３は他の実施形態４に係る構成を説明するための図である。他の実施形態４においては、エアコンプレッサ３２０から排出される熱により酸化金属部材５５４を加熱する。具体的には、酸化剤ガス供給管３１０において、エアコンプレッサ３２０とインタークーラ３３０との間に、エアコンプレッサ３２０により圧縮された空気を分岐させるための供給管３１５を設ける。供給管３１５は、蓋５５２の一部を通過するように構成されている。また、蓋５５２自体が酸化金属で形成されているとする。エアコンプレッサ３２０により圧縮された空気の一部は、供給管３１５により蓋５５２に供給される。よって、エアコンプレッサ３２０により排出された高温の空気により、酸化金属で形成されている蓋５５２が加熱される。蓋５５２を通過した空気は、例えば、排ガス管４１０を介して排出される。エアコンプレッサ３２０と供給管３１５とを加熱部とも呼ぶ。

【0051】

また、蓋５５２自体が酸化金属で形成されていない場合、供給管３１５が蓋５５２の内側を通過するように、供給管３１５を配置する。よって、蓋５５２の裏に配置された酸化金属部材５５４をエアコンプレッサ３２０から排出された高温の空気により加熱することができる。

【0052】

実施形態においては、冷却液が、燃料電池スタック１００、インタークーラ３３０、ヒータコア７１０を経由して循環する例を説明したが、冷却液の循環経路はこれに限られない。

【0053】

本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

【符号の説明】

【0054】

１０…燃料電池システム、１００…燃料電池スタック、２００…燃料ガス供給系、２１０…燃料ガスタンク、２２０…燃料ガス供給管、２３０…燃料ガス排気管、２４０…燃料ガス還流管、３００…酸化剤ガス供給系、３１０…酸化剤ガス供給管、３１５…供給管、３２０…エアコンプレッサ、３３０…インタークーラ、４００…排ガス系、４１０…排ガス管、４２０…燃料ガス排出管、５００…冷却系、５１０…冷却液供給管、５１５…ウォーターポンプ、５２０…冷却液排出管、５３０…ラジエータ、５３５…ラジエータファン、５４０…バイパス管、５４１…イオン交換器、５４５…三方弁、５５０…リザーブタンク、５５１…本体、５５０ａ…注入口、５５２…蓋、５５３…ヒータ、５５４…酸化金属部材、５６１…第１タンク流入管、５６２…第２タンク流入管、５６３…タンク流出管、５７１…第１循環路管、５７２…第２循環路管、５７３…第３循環路管、５７４…第４循環路管、６００…負荷回路、７００…空調ヒータ回路、７１０…ヒータコア、８００…制御部、Ｃ…冷却液

【図1】

【図2】

【図3】