JP2014096353A

JP2014096353A - 燃料電池用冷却装置

Info

Publication number: JP2014096353A
Application number: JP2013159000A
Authority: JP
Inventors: Sung Wook Na; 盛ウク羅; Chi Myung Kim; 治明金; Yong Seon Park; 庸善朴
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp
Current assignee: Hyundai Motor Co; Kia Corp
Priority date: 2012-11-08
Filing date: 2013-07-31
Publication date: 2014-05-22
Also published as: DE102013222769A1; US9236621B2; KR101362055B1; CN103811782B; US20140127600A1; CN103811782A

Abstract

【課題】リザーバとイオンフィルタを一体化した燃料電池用冷却装置を提供する。
【解決手段】燃料電池用冷却装置は、冷却水を貯蔵するリザーバと、リザーバに一体に設けられ、冷却水中の気泡を除くイオンフィルタアセンブリとを含んで構成される。
イオンフィルタアセンブリは、リザーバに着脱可能に設けられ、特に、リザーバにカートリッジ式で結合及び分離可能に設けられる。イオンフィルタアセンブリの上部には、取っ手部が設けられ、取っ手部は、リザーバにねじ式で結合する。リザーバは、イオンフィルタアセンブリが設けられる第１空間と、第１空間と連結される第２空間を画する隔壁部材を含む構成とする。そして、隔壁部材は、第１空間におけるリザーバの内壁面の間に、第２空間と連結する通路を形成し、通路が、第１空間を陽圧に、第２空間を陰圧にすることで差圧壁となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池用冷却装置に関し、より詳しくは、燃料電池スタックから発生する熱を冷却させる燃料電池用冷却装置に関する。

一般に、燃料電池システムは、燃料として使用される水素と、酸化剤としての空気をそれぞれ燃料電池スタックに供給し、水素と酸素の電気化学的な反応によって電気を生産するシステムである。燃料電池システムは、車両に搭載され、燃料電池スタックによって生産された電気で電気モータを作動させて車両を駆動させる。
このような燃料電池システムは、燃料が有している化学エネルギーを燃焼によって熱に変換せずに、燃料電池スタック内で電気化学的に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。

燃料電池スタックは、通常、膜電極接合体（ＭＥＡ）、ガスケット、分離板などで構成された単位の燃料電池を、数十〜数百枚積層して所望の出力を得ている。燃料電池スタックでは、燃料電池での反応により多量の熱が発生するので、燃料電池システムでは、これを冷却するための冷却装置が必要である。

冷却装置は、冷却水を貯蔵する冷却水リザーバ（以下、単に「リザーバ」と記す）と、リザーバに貯蔵された冷却水を燃料電池スタックに供給する冷却水ポンプとを備えている。

一方、燃料電池車両では、不凍液を冷却水として利用する。このような冷却水は、車両の製作時にリザーバを含む燃料電池スタックの冷却系統（当業界では、通常、「スタック冷却ループ」ともいう）に注入される。

冷却水は、冷却系統に気泡が存在しないように、その冷却系統を減圧状態にした後、加圧して注入する。冷却水の注入時に、冷却系統に気泡（空気）が存在すると、燃料電池車両の運転時に冷却水があふれて、冷却水不足現象によるオーバーヒーティングする可能性が大きくなる。さらに、燃料電池スタックに局所的な冷却効果の低下から、温度上昇による燃料電池の効率低下、冷却水の流動騒音の発生、燃料電池の破損という深刻な悪影響を与えるおそれもある。

そこで、燃料電池車両の冷却系統に存在する気泡を除去する方法が提案されている〔例えば、特許文献１〜３参照〕。また、燃料電池車両は、冷却水中のイオンを除去すると共に気泡を除去するイオンフィルターを、リザーバと別個にエンジンルーム内の冷却系統に設置することがある。

特開２００７−１０３３３６号公報特開２００８−１０３２９７号公報特開２００８−２１０７０５号公報

本発明の目的は、リザーバとイオンフィルタを一体化した燃料電池用冷却装置を提供することに目的がある。

上記の目的を達成する本発明の燃料電池用冷却装置は、冷却水を貯蔵するリザーバと、
リザーバに一体に設けられ、冷却水中の気泡を除くイオンフィルタアセンブリとを含んで構成される。

以下、好ましい実施形態を挙げる。
イオンフィルタアセンブリは、リザーバに着脱可能に設けられ、特に、リザーバにカートリッジ式で結合及び分離可能に設けられる。

イオンフィルタアセンブリの上部には、取っ手部が設けられ、取っ手部は、リザーバにねじ式で結合する。

リザーバは、イオンフィルタアセンブリが設けられる第１空間と、第１空間と連結される第２空間を画する隔壁部材を含む構成とする。
そして、隔壁部材は、第１空間におけるリザーバの内壁面の間に、第２空間と連結する通路を形成し、通路が、第１空間を陽圧に、第２空間を陰圧にすることで差圧壁となる。

リザーバには、第１空間と連結する冷却水注入口、及び第２空間と連結する冷却水排出口が設けられる。また、リザーバには冷却水注入管が設けられ、その冷却水注入管には空気を排出するキャップが設けられる。
リザーバには、その他、冷却水のレベルを表わすレベルゲージ、冷却水をドレインさせるためのドレインプラグが設けられる。

本発明の燃料電池用冷却装置は、リザーバにイオンフィルタアセンブリを一体に構成するので、エンジンルーム内の余裕空間を大きくすることができ、製作原価の節減、及び車両の重量低下が可能である。

隔壁部材によってリザーバの内部に差圧を形成するので、スタック冷却ループを循環する冷却水中の気泡を円滑に除去するのが可能であり、気泡の除去時間を短縮でき、気泡除去のための車両の整備性を大幅改善することができる。

冷却水中の気泡を除くことで、燃料電池スタックの放熱効率を大きく、冷却水中の気泡による冷却水の流動騒音を小さくできる。

また、イオンフィルタアセンブリをカートリッジ式で構成するので、リザーバに対するイオンフィルタアセンブリの結合及び分離が容易となり、別途の工具がなくてもイオンフィルタアセンブリの取替えが可能である。

さらに、冷却水注入管にキャップを設置するので、イオンフィルタアセンブリを取替える時に冷却水の漏水を防止することができる。

以下の図面は、本発明の例示的な実施形態を説明するために参照するものであり、本発明の技術的な思想を限定するものではない。
本発明に係る燃料電池用冷却装置の実施形態を示した正面斜視図である。図１の燃料電池用冷却装置の底面斜視図である。図１の燃料電池用冷却装置の正面構成図である。本発明の燃料電池用冷却装置の作用を説明するための図面である。

以下、本発明の燃料電池用冷却装置について、実施形態を挙げ、添付した図面を参照しつつ、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。しかし、本発明は、種々の異なる形態で実現でき、ここで説明する実施形態に限られるものではない。

本発明の説明では、説明上不必要な部分は省略し、明細書の全体にわたって同じまたは類似する構成要素に対しては同じ参照符号を付けている。図面における各構成の大きさは、説明の便宜のために任意に示してあり、明確に表現するために部分的に拡大して示している。そして、構成の名称を第１、第２などに区分したのは、同じ名称の構成を区分するためであり、必ずしもその順序に限定するものではない。ある構成要素を「含む」としたとき、これが特に反対になる記載がない限り、他の構成要素を除くことではなく、他の構成要素をさらに含むことができるのを意味する。また、「・・・ユニット」「・・・手段」、「・・・部」、「・・・部材」などの用語は、少なくとも一つの機能や動作を行う包括的な構成の単位を意味している。

図１及び図２は、本発明に係る燃料電池用冷却装置の一実施形態を示した斜視図であり、図３は、その正面構成図である。
図１乃至図３を参照すると、燃料電池用冷却装置１００は、燃料と酸化剤の電気化学的な反応によって電気エネルギーを生産する燃料電池システムに適用することができる。例えば、その燃料電池システムは、燃料と酸化剤の電気化学的な反応によって発生した電気エネルギーで電気モータを駆動させる燃料電池車両がある。

燃料電池用冷却装置１００は、燃料電池で発生した熱を冷却させるためのスタック冷却ループに冷却水を循環させる機能を行う。本発明に係る燃料電池用冷却装置１００は、スタック冷却ループを循環する冷却水中の気泡を除くことができ、この気泡除去によって車両の整備性を大幅に改善でき、エンジンルーム内に余裕空間を作る構造となる。

燃料電池用冷却装置１００は、リザーバ１０と、イオンフィルタアセンブリ７０とを含んでおり、以下、それぞれを構成別に説明する。
リザーバ１０は、冷却水を貯蔵するタンクである。そこで、リザーバ１０は、代表的に冷却水を収容する内部空間を有した多面体で構成され、冷却水ポンプ（図示していない）によって冷却水を流出入させることができる。

リザーバ１０は、内部空間を第１空間１１と第２空間１２に分ける隔壁部材２１を含む構造となっている。隔壁部材２１は、板材形状であって、リザーバ１０の一側内壁面に連結され、他側内壁面と離隔するように設けられる。つまり、隔壁部材２１は、リザーバ１０の一側内壁面に連結されて内部空間を第１空間１１と第２空間１２の二つに分け、他側内壁面との間に第１空間１１と第２空間１２を連結する通路２３を形成する。

隔壁部材２１は、その通路２３によって第１空間１１を相対的に高い圧力である陽圧とし、第２空間１２を相対的に低い圧力の陰圧にする差圧壁２５である。

リザーバ１０は、第１空間１１に連結した冷却水注入口３１と、第２空間１２に連結した冷却水排出口３３を有している。
リザーバ１０には、内部空間に冷却水を注入するための冷却水注入管４１が設けられる。冷却水注入管４１は、リザーバ１０の上部側で第２空間１２に連結する。冷却水注入管４１の注入側端部には、リザーバ１０の内部空気を排出するキャップ４３が設けられる。

リザーバ１０の外部側面、つまり、第２空間１２の外部側面には、冷却水の貯蔵レベルを視覚的に見ることができるレベルゲージ５１が設けられる。
また、リザーバ１０の正面、つまり、第２空間１２の正面には、冷却水をドレインさせるためのドレインプラグ５３が設けられる。

イオンフィルタアセンブリ７０は、冷却水中の気泡を除くためのものである。イオンフィルタアセンブリ７０は、リザーバ１０と一体に設置することができる。
イオンフィルタアセンブリ７０は、冷却水中の気泡を除くフィルタエレメント７１を含む構造である。イオンフィルタアセンブリ７０は、カートリッジ式で、リザーバ１０の第１空間１１の内部に着脱可能に設置することができる。具体的に例を挙げると、イオンフィルタアセンブリ７０は、第１空間１１に対応するリザーバ１０の上面に、締結溝と突起などの多様な結合方式で結合及び分離可能に設置する。

第１空間１１に対応するリザーバ１０の上部面には取っ手部８３が設けられる。このとき、取っ手部８３に結合ブロック７３が形成され、第１空間１１に対応するリザーバ１０の上部面に結合ブロック７３と係合する結合部８１が形成されて、取っ手部８３とリザーバ１０が互いにねじ結合して、手作業でイオンフィルタアセンブリ７０を取替えることができるようにする。

以下、上記のように構成された燃料電池用冷却装置１００の作用効果について詳細に説明する。
図４は、本発明の実施形態による燃料電池用冷却装置の作用を説明するための図面である。図１〜３と共に図４を参照すると、スタック冷却ループを循環する冷却水は、冷却水注入口３１を通ってリザーバ１０の第１空間１１に流入する。このとき、冷却水は、第１空間１１においてイオンフィルタアセンブリ７０のフィルタエレメント７１を通り、冷却水中の気泡はフィルタエレメント７１によって除かれる。

カートリッジ形態のイオンフィルタアセンブリ７０は、取っ手部８３の結合ブロック７３によってリザーバ１０の第１空間１１の内部に固定された状態にある。

リザーバ１０の第１空間１１で気泡が除かれた冷却水は、隔壁部材２１と他の一側内壁面との間の通路２３を通って第２空間１２に流入する。
上記の過程で、隔壁部材２１によってリザーバ１０の内部に冷却水の流動差圧が発生する。つまり、隔壁部材２１と他の一側内壁面との間の通路２３によって、第１空間１１では陽圧に、第２空間１２では陰圧となる。そのために、第２空間１２に流入した冷却水は、第２空間１２の内部の相対的に低い圧力によって冷却水注入管４１に噴出せず、冷却水排出口３３を通して排出される。

ここで、隔壁部材２１の幅は、リザーバ１０の一側内壁面から他の一側内壁面に向かう長さと定義される。隔壁部材２１の幅は、リザーバ１０の容量、燃料電池の容量などによって変わるので、ここでは特定の値に限定しない。しかし、隔壁部材２１の幅が長過ぎると、通路２３の幅が狭くなり、これによる圧力損失によって冷却水の流量が少なくなり、冷却に必要な流量を供給できなくなる。反対に隔壁部材２１の幅が短か過ぎると、通路２３の幅が広くなり、これによって第１空間１１に流入した冷却水が冷却水排出口３３を通して排出せず、冷却水ポンプの圧力によって冷却水注入管４１に噴出することがある。

イオンフィルタアセンブリ７０によって除かれた気泡は、リザーバ１０の第２空間１２で冷却水注入管４１に流入し、キャップ４３を通じて外部に排出できる。

リザーバ１０の内部の冷却水の水位は、レベルゲージ５１により視覚的に表示される。そのリザーバ１０の内部の冷却水は、ドレインプラグ５３を脱去することによって排出できる。

イオンフィルタアセンブリ７０を取替えようとするときには、取っ手部８３をねじ分離方向に回転させ、リザーバ１０から容易に分離され、リザーバ１０から脱去させることができる。

上述した本発明の燃料電池用冷却装置では、リザーバ１０にイオンフィルタアセンブリ７０を一体に構成するので、エンジンルーム内に余裕空間を作り、さらに製作原価の低減、車両の重量を小さくすることが可能である。

隔壁部材２１によってリザーバ１０の内部に差圧を形成するので、スタック冷却ループを循環する冷却水中の気泡を円滑に除去でき、気泡の除去時間を短縮でき、気泡除去のための車両の整備性を大幅改善することができる。

また、冷却水中の気泡を円滑に除去することができるので、燃料電池スタックの放熱効率を増大させることができ、冷却水中の気泡による冷却水の流動騒音を改善することができる。

イオンフィルタアセンブリ７０をカートリッジ式で構成するので、リザーバ１０に対するイオンフィルタアセンブリ７０の結合及び分離が容易であり、別途の工具がなくてもイオンフィルタアセンブリ７０の取替えが可能である。

冷却水注入管４１に空気排出のためのキャップ４３を設けるので、イオンフィルタアセンブリ７０を取替える時に冷却水の漏れを防止することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の技術的な思想は本明細書で提示される実施形態に制限されず、本発明の技術的な思想を理解する当業者は、同一の技術的な思想の範囲内で、構成要素の付加、変更、削除、追加などによって他の実施形態を容易に提案することができるが、これも本発明の権利範囲内に属するものである。

１０：リザーバ
１１：第１空間
１２：第２空間
２１：隔壁部材
２３：通路
２５：差圧壁
３１：冷却水注入口
３３：冷却水排出口
４１：冷却水注入管
４３：キャップ
５１：レベルゲージ
５３：ドレインプラグ
７０：イオンフィルタアセンブリ
７１：フィルタエレメント
７３：結合ブロック
８１：結合部
８３：取っ手部

Claims

冷却水を貯蔵するリザーバと、
前記リザーバに一体に設けられ、冷却水中の気泡を除去くイオンフィルタアセンブリと、
を含むことを特徴とする燃料電池用冷却装置。
前記イオンフィルタアセンブリは、前記リザーバに着脱可能に設けられることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用冷却装置。
前記イオンフィルタアセンブリは、前記リザーバにカートリッジ式で結合及び分離可能に設けられることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用冷却装置。
前記イオンフィルタアセンブリの上部には、取っ手部が設けられることを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池用冷却装置。
前記取っ手部は、前記リザーバにねじ式で結合することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池用冷却装置。
前記リザーバは、前記イオンフィルタアセンブリが設けられる第１空間と、前記第１空間と連結される第２空間を画する隔壁部材を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用冷却装置。
前記隔壁部材は、前記第１空間におけるリザーバの内壁面の間に、前記第２空間と連結する通路を形成することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池用冷却装置。
前記隔壁部材は、前記通路によって、前記第１空間を陽圧に、前記第２空間を陰圧にすることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池用冷却装置。
前記隔壁部材は、差圧壁として形成されることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池用冷却装置。
前記リザーバには、前記第１空間と連結する冷却水注入口、及び前記第２空間と連結する冷却水排出口が設けられることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池用冷却装置。
前記リザーバには冷却水注入管が設けられ、前記冷却水注入管には空気を排出するキャップが設けられることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用冷却装置。
前記リザーバには、冷却水のレベルを表わすレベルゲージが設けられることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用冷却装置。
前記リザーバには、冷却水をドレインさせるためのドレインプラグが設けられることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用冷却装置。