JP2009140902A - 燃料電池車両用冷却水温度調節装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スタックで要求する特定温度の冷却水を維持する様、スタック入口端に設置された温度制御バルブを操作し、バイパスからの熱い冷却水とラジエーターからの冷たい冷却水が同時に流れ入るように制御する燃料電池車両用冷却水温度調節装置を提供する。
【解決手段】一側に水平方向に形成された第１および第２流入ポート３３３，３３４と、他側に水平方向に形成された排出ポート３３５を有するハウジング、ハウジングの流入ポートと排出ポートとの間で上下方向に作動し、第１および第２流入ポートの開口量を比例制御する作動プランジャー３３２を有するプランジャー作動部、プランジャー作動部３３６の上端に装着されたモーター３３１、モーターからプランジャー作動部の下端まで延長されるモーター軸３３７を含み、モーター軸の回転力により作動プランジャーを上下方向に移動することを特徴とする。
【選択図】図７

Description

本発明は燃料電池車両用冷却水温度調節装置に関し、更に詳しくは、スタック入口端に温度制御バルブが設置され、スタック入口の冷却水温度に応じてバイパスから出てくる熱い冷却水とラジエーターから出てくる冷たい冷却水が同時に流れ入るように温度制御バルブを比例制御することで、スタックで要求する特定温度の冷却水を維持することができる燃料電池車両用冷却水温度調節装置に関する。

一般的に燃料電池は、燃料が持っている化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換させる一種の発電システムである。

前記燃料電池システムは大きく、電気エネルギーを発生させる燃料電池スタック、燃料電池スタックに燃料（水素）を供給する燃料供給システム、燃料電池スタックに電気化学反応に必要な酸化剤である空気中の酸素を供給する空気供給システム、燃料電池スタックの反応熱をシステム外部に除去し、燃料電池スタックの運転温度を制御する熱および水管理システムとで構成される。

前記構成にて燃料電池システムでは燃料である水素と空気中の酸素による電気化学反応により電気を発生させ、反応副産物として熱と水を排出する。

前記燃料電池スタックは燃料電池車両の主動力供給源であり、空気中の酸素と燃料である水素の供給を受けて電気を生産する装置である。

前記燃料電池スタックは最適の温度に調節された冷却水がスタック内に流れ入る際、安定的に最適の出力効果を示すため、スタックに流入される冷却水の温度を特定温度に維持することは重要である。

従って、燃料電池車両では燃料電池スタックループに冷却水温度調節装置が装着され、スタックに入っていく冷却水の温度を最適な温度に調節する。

図１は、燃料電池車両においてスタックを冷却するループを表す図面であり、初期システム始動時、スタック１０の発熱量が小さく、冷却水の温度が低い場合、冷却水はスタック１０→ポンプ１１→温度調節バルブ１３→スタック１０のループに流れる。即ち、冷却水の温度が低く、ラジエーター１２に送る必要がないためである。

しかし、時間が過ぎると、スタック１０の発熱量が多くなり、バイパスループに流れていた冷却水の温度が急激に上昇し始めると、温度調節バルブ１３でバイパスループを適切に遮断し、ラジエーター１２ループを開きながらラジエーター１２で冷却された冷却水がスタック１０に流入される（１０→１１→１２→１３→１０）。

燃料電池車両に適用されるスタック入口の要求冷却水の温度仕様が６５℃であることを考慮する時、温度調節バルブ１３はスタック１０の入口温度（Ｔ１）シグナルの入力を受け、両側のループ開度を適切に制御して外部環境に関わらず常に一定な温度の冷却水をスタックに流入されるようにする。
特開２００４−２３４９０２号公報

図２は従来のロータリー式温度調節バルブ１３０を表す図面であり、バルブ上端に装着されたモーターによる流量コントローラー１３４の制御方式を適用している。

前記バルブにはバイパスライン（スタック出口）から冷却水が流入される第１流入ポート１３１、ラジエーター１２から冷却水が流入される第２流入ポート１３２およびスタック入口に排出される排出ポート１３３で構成され、前記第１および第２流入ポート１３１，１３２を通して冷却水が同時に流入されるようにバルブ内部に流量コントローラー１３４が設置されている。

前記制御方式はモーターにより内部に位置した流量コントローラー１３４が左右に回転しながらラジエーター１２から出てくる冷却された冷却水とバイパスラインから出てくる冷却前の冷却水の混合比を調節し、スタック１０に流れる冷却水の温度を制御する方式であり、流量コントローラー１３４の比例制御により常に一定量の冷却水を供給することができる。

しかしながら、前記温度調節バルブは２００ＬＰＭ以上の高流量条件でモーターによる流量コントローラーの回転を制御する場合、冷却水の流動による圧力の発生にてモータートルクが過度に増加し、正確な制御が不可能となる。

更に、前記ロータリー式温度調節バルブは高価であるため、車両装着において不適合である。

一方、図３は従来の直動式温度調節バルブ２３０を表す図面であり、直動式温度調節バルブは前記ロータリー式と同様に、モーター２３４により作動し、バイパスラインから冷却水が流入される第１流入ポート２３１、ラジエーターから冷却水が流入される第２流入ポート２３２、スタック入口に冷却水を排出させる排出ポート２３３および前記第１流入ポート２３１または第２流入ポート２３２を選択的に開閉するダイヤフラムを含む。

直動式バルブによる制御方式はロータリー式と同様に、システムの冷却水温度によりモーター２３４を制御するが、スタック１０出口から出てくる熱い冷却水とラジエーター１２から出てくる冷たい冷却水を交替に通過させながらシステムの冷却水温度を制御する点で異なる。

この時、前記バルブハウジングの内部に設置されたダイヤフラムがモーター駆動によりスタック１０出口から出てくる冷却水とラジエーター１２から出てくる冷却水を選択的に流すようにする。

ところが、前記直動式温度調節バルブはロータリー方式と異なり、高流量条件でも円滑なモーター制御性能を示すが、ラジエーターから出てくる冷たい冷却水とスタックから出てくる熱い冷却水の流量の比例制御が不可能であり、スタック出力の安定化のために冷却水の精密な温度制御が不可能である。

本発明は前記のような点を鑑みてなされたものであり、本発明の目的はスタック入口端に流量比例制御が可能なロータリー方式と、高流量でも円滑なモーター制御が可能な温度制御バルブを設置し、スタック入口の冷却水の温度に応じてバイパスから出てくる熱い冷却水とラジエーターから出てくる冷たい冷却水が同時に流れ入るように温度制御バルブを比例制御することで、スタックで要求する特定温度の冷却水を維持することができる燃料電池車両用冷却水温度調節装置を提供することにある。

前記目的を達成するための本発明は、燃料電池車両用冷却水温度調節装置において、一側に水平方向に形成された第１および第２流入ポートと、他側に水平方向に形成された排出ポートを有するハウジング、前記ハウジングの流入ポートと排出ポートとの間で上下方向に作動し、第１および第２流入ポートの開口量を比例制御する作動プランジャーを有するプランジャー作動部、前記プランジャー作動部の上端に装着されたモーター、および前記モーターと連動され、作動プランジャーと結合されるようにモーターからプランジャー作動部の下端まで延長されるモーター軸を含み、前記モーターの稼動によってモーター軸を通して伝達された回転力により前記作動プランジャー上下方向に移動することを特徴とする。

好ましい具現例として、前記第１流入ポートを通してラジエーターから流入される冷却水と、前記第２流入ポートを通してスタック出口から流入される冷却水がプランジャー作動部で合わさり、排出ポートを通して混合された冷却水または前記冷却水の中から選択されたいずれか一つをスタック入口に供給することを特徴とする。

更に好ましい具現例として、前記作動プランジャーはプランジャー作動部の内部に垂直方向に設置され、モーター軸が作動プランジャーの中心部を貫通してネジ結合され、モーター軸の回転および作動プランジャーの形状により自身は回転せず、上下方向に移動可能であることを特徴とする。

更に、前記作動プランジャーは楕円形に形成され、前記モーター軸が回転しても作動プランジャーの形状によって形成されたプランジャー作動部の内部面により自身は回転せず、上下移動のみ可能であることを特徴とする。

前述したとおり、本発明による燃料電池車両用冷却水温度調節装置によると、既存の直動式とロータリー式の長所を適用することで、スタック入口の冷却水温度シグナルによってモーターを駆動し、実時間で冷却水の温度を制御することができ、これによりスタック出力の効率および性能を向上させることができる。

更に、既存の装置に対比して圧力降下を減少させてポンプの吐出負荷を下げ、低い出力でも十分な流量供給を行うことができる。

以下、本発明の好ましい実施例を添付図面を参照に詳しく説明する。

図４は本発明の一実施例による冷却水温度調節装置の外形を表す正面図であり、図５は図４の上下ハウジングを除去した状態を表す正面図であり、図６は図５の平面図であり、図７は図４の断面図である。

本発明は正確で迅速な冷却水温度を制御するために温度調節バルブ３３０をスタック１０の入力端に装着し、スタック入口に流入される冷却水温度によってモーター３３１が作動してモーター軸に連結された作動プランジャー３３２を上下に移動させることで、バイパスラインから出てくる冷却水とラジエーター１２から出てくる冷却水の流量を比例制御する構造である。

即ち、流量の比例制御が可能なロータリー方式と高流量でも円滑なモーター制御性能を示す直動式の長所を全て適用する方式である。

本発明の一実施例による温度調節バルブ３３０はラジエーター１２から冷却水が流入される第１流入ポート３３３、スタック出口から冷却水が流入される第２流入ポート３３４、スタック入口に冷却水が排出される排出ポート３３５を有するハウジングを含む。

前記第１流入ポート３３３はハウジングの左側に、排出ポート３３５はハウジングの右側に一直線上に水平に形成され、第２流入ポート３３４は第１流入ポート３３３と共に合わさるように傾いて形成される。

前記ハウジングの中央には、第１および第２流入ポート３３３，３３４と排出ポート３３５との間にプランジャー作動部３３６が垂直に形成され、プランジャー作動部３３６には作動プランジャー３３２が上下方向に移動可能となるように設置され、作動プランジャー３３２はモーター軸３３７とネジ結合をなしながら、自身は回転せずにハウジングの上端に設置されたモーター３３１の作動により上下方向に移動する。

即ち、モーター３３１が一方向に回転することによりモーター軸３３７とネジ結合された作動プランジャー３３２がプランジャー作動部３３６および作動プランジャー３３２の形状により回転が不可能であるが、雌ネジ山が形成された作動プランジャー３３２と雄ネジ山が形成されたモーター軸３３７が互いに結合してモーター軸３３７が回転すると、作動プランジャー３３２が上方向に移動し、モーター３３１が他方向に回転すると作動プランジャー３３２が下方向に移動する。

この時、前記プランジャー作動部３３６は円（曲面）と直線（平面）の組合せからなる楕円形態であり、プランジャー作動部３３６と同一な形状で内部に作動プランジャー３３２が設置されることで、作動プランジャー３３２の回転を制限することができるようになる。

更に、前記作動プランジャー３３２は第１および第２流入ポート３３３，３３４のうちいずれか一つを完全に防ぐことができるように、内径より若干長い高さを有し、冷却水が第２流入ポート３３４から排出ポート３３５に流れが円滑となるようにするために、内部に冷却水が流入される空間が形成され、その一側面は第１流入ポート３３３および第２流入ポート３３４を開閉することができるように垂直曲面からなり、他側面には第２流入ポート３３４を通して流入された冷却水を排出ポート３３５に流し送ることができるように開口部が形成されている。

即ち、前記第１流入ポート３３３を通して流入された冷却水は作動プランジャー３３２の上部を即座に通過して排出ポート３３５に流れていき、第２流入ポート３３４を通して流入された冷却水は作動プランジャー３３２の内部空間を経由し、開口部を通して排出ポート３３５に流れていく。

このような構成による本発明による冷却水温度調節装置の作動状態を説明すると下記の通りである。

まず、スタック１０入口の冷却水温度を測定した後、測定した冷却水の温度の入力を受け、モーター３３１の制御により作動プランジャー３３２の位置を制御し、第１流入ポート３３３および第２流入ポート３３４を通して流入される冷却水の流量を比例制御することで、冷却水温度を設定温度で維持する。

より詳しくは、モーター３３１が稼動することによってモーター軸３３７が回転し、作動プランジャー３３２が回転制限を受けて上下方向に移動する。この時、第１および第２流入ポート３３３，３３４側と隣接した作動プランジャー３３２の一側面が第１流入ポート３３３を開き、第２流入ポート３３４を閉めると、ラジエーター１２から出てくる冷たい冷却水が排出ポート３３５を通してスタック１０入口に供給される。

これと同様に、前記作動プランジャー３３２の作動面が第１流入ポート３３３の一部と第２流入ポート３３４の一部にかかっている場合は、ラジエーター１２から出てくる冷たい冷却水とスタック１０出口から出てくる熱い冷却水が同時にスタック１０入口に供給される。但し、この時には第１流入ポート３３３側が更に多く開いた状態であれば、冷たい冷却水が更に多く流入され、第２流入ポート３３４側が更に多く開いた状態であれば、熱い冷却水が更に多く流入される。

即ち、これはスタック１０の入口に流入される冷却水温度が設定温度（例：６５℃）より高いと、第１流入ポート３３３の開口量を増加させるように作動プランジャー３３２の位置を調節し、設定温度より低いと、第２流入ポート３３４の開口量を増加させるように作動プランジャー３３２の位置を調節する。このような作動プランジャー３３２の位置制御はモーター３３１の作動を制御することで可能となる。

更に、第１流入ポート３３３を閉め、第２流入ポート３３４を開くと、スタック１０出口から出てくる熱い冷却水が排出ポート３３５を通してスタック入口に供給される。

図８は本発明の比例制御によるシステム入力降下を表すグラフである。

図８に表されるように、冷却水流量の比例制御が可能であるため、システムの圧力降下が１００ＬＰＭで５ｋＰａであった。既存で使用されていた直動式の場合、同一流量で２０ｋＰａの圧力降下があったため、本発明による制御方法にて圧力降下も改善されることを確認することができる。

図９は熱ヒステリシス曲線を表すグラフである。

本発明はスタック入口の冷却水の温度シグナルによりモーターが駆動するため、既存の直動式が持っている熱ヒステリシス（図９、点線）が全くなく、正確で迅速に温度制御が可能となるため、外気環境などによる冷却条件が変わっても数秒以内にスタックに一定温度の冷却水を供給することができる。

以上、本発明を特定の好ましい実施例について図示し説明したが、本発明はこのような実施例に限定されず、当該発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が特許請求範囲で請求する本発明の技術的思想から逸脱しない範囲内において容易に変更することができる。

本発明は燃料電池車両用冷却水温度調節装置に関し、スタック入口端に温度制御バルブを設置し、スタック入口冷却水温度を特定温度に維持する、燃料電池車両用冷却水温度調節装置に適用できる。

燃料電池車両でスタックを冷却するループを表す図面である。 従来のローター式温度調節バルブを表す図面である。 従来の直動式温度調節バルブを表す図面である。 本発明の一実施例による冷却水温度調節装置の外形を表す正面図である。 図４の上部ハウジングを除去した状態を表す正面図である。 図５の平面図である。 図４の断面図である。 図４の温度調節装置の圧力降下を表すグラフである。 熱ヒステリシス曲線を表すグラフである。

符号の説明

１０ スタック
１１ ポンプ
１２ ラジエーター
１３、３３０ 温度調節バルブ
３３１ モーター
３３２ 作動プランジャー
３３３ 第１流入ポート
３３４ 第２流入ポート
３３５ 排出ポート
３３６ プランジャー作動部
３３７ モーター軸

Claims (4)

1. 燃料電池車両用冷却水温度調節装置において、
   一側に水平方向に形成された第１および第２流入ポートと、他側に水平方向に形成された排出ポートを有するハウジング、
   前記ハウジングの流入ポートと排出ポートとの間で上下方向に作動し、第１および第２流入ポートの開口量を比例制御する作動プランジャーを有するプランジャー作動部、
   前記プランジャー作動部の上端に装着されたモーター、および
   前記モーターと連動され、作動プランジャーと結合されるようにモーターからプランジャー作動部の下端まで延長されるモーター軸を含み、前記モーターの稼動によってモーター軸を通して伝達された回転力により前記作動プランジャーを上下方向に移動することを特徴とする燃料電池車両用冷却水温度調節装置。
2. 前記第１流入ポートを通してラジエーターから流入される冷却水と、前記第２流入ポートを通してスタック出口から流入される冷却水がプランジャー作動部で合わさり、排出ポートを通して混合された冷却水または前記冷却水の中から選択されたいずれか一つをスタック入口に供給することを特徴とする、請求項１記載の燃料電池車両用冷却水温度調節装置。
3. 前記作動プランジャーはプランジャー作動部の内部に垂直方向に設置され、モーター軸が作動プランジャーの中心部を貫通してネジ結合され、モーター軸の回転および作動プランジャーの形状により自身は回転せず、上下方向に移動可能であることを特徴とする、請求項２記載の燃料電池車両用冷却水温度調節装置。
4. 前記作動プランジャーは楕円形に形成され、前記モーター軸が回転しても作動プランジャーの形状によって形成されたプランジャー作動部の内部面により自身は回転せず、上下移動のみ可能であることを特徴とする、請求項３記載の燃料電池車両用冷却水温度調節装置。