JP2016035856A

JP2016035856A - 燃料電池冷却システム

Info

Publication number: JP2016035856A
Application number: JP2014158529A
Authority: JP
Inventors: シンランディープ; Randeep Singh; 祐士齋藤; Yuji Saito; 望月　正孝; Masataka Mochizuki; 正孝望月
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2014-08-04
Filing date: 2014-08-04
Publication date: 2016-03-17

Abstract

【課題】小型で十分な冷却能力を有する燃料電池冷却システムを提供する。【解決手段】燃料電池冷却システムは、複数の電池セルと、各々の電池セルに熱的に接続される複数のヒートパイプと、複数のヒートパイプの第１端部に接続される一又は複数の気相ラインと、複数のヒートパイプの第２端部に接続される一又は複数の液相ラインと、気相ライン及び液相ラインに接続され、電池セルよりも高い位置に配置される放熱部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池冷却システムに関する。

燃料電池を備えた燃料電池冷却システムでは、燃料電池が高温に発熱するため、燃料電池を冷却するために液冷モジュールが用いられている。一般的な液冷モジュールは、冷媒を燃料電池スタック内に流通させる構成である。
また、航空機用の燃料電池から熱を回収し伝達するシステムとして、燃料電池モジュールによって生じた熱を、ループヒートパイプを用いて他の負荷に伝達する熱電併給システムが提案されている（特許文献１参照）。

特開２０１３−１６８３５８号公報

作動媒体を流通させる液冷モジュールではポンプを用いて機械的に冷媒の放熱を行うため、ポンプの消費電力が大きく、またシステムが大型になるという課題があった。また特許文献１記載のシステムでは燃料電池の冷却は考慮されていなかった。
本発明は、上記点を鑑み、システムのサイズが小型で、十分な冷却能力を有する燃料電池冷却システムを提供する。

本発明の第１の態様は、燃料電池冷却システムであって、複数の電池セルと、各々の電池セルに熱的に接続される複数のヒートパイプと、複数のヒートパイプの第１端部に接続される一又は複数の気相ラインと、複数のヒートパイプの第２端部に接続される一又は複数の液相ラインと、気相ライン及び液相ラインに接続され、電池セルよりも高い位置に配置される放熱部と、を備える。

上記第１の態様によれば、個々の電池セルに対応させてヒートパイプを配置している。これにより、電池セルで生じた熱を効率よく気相ラインに排出させることができる。また、蒸発による作動媒体の上昇作用と、凝縮による作動媒体の降下作用を利用して作動媒体を循環させる。これにより、完全受動型の燃料電池冷却システムを提供できる。また、作動媒体の放熱にポンプなどを必要としないため、より安定して動作する燃料電池冷却システムを提供できる。
また、ヒートパイプでは、電池セルと当接する部分で均一に媒体の蒸発が生じるため、電池セル表面における温度分布が均一になる。これにより、局所的な温度上昇による燃料電池の性能低下が生じにくくなる利点も得られる。

本発明の第２の態様は、上記第１の態様の燃料電池冷却システムにおいて、隣り合うヒートパイプ同士を、板状部材を介して連結させたヒートパイプ冷却板を有する。
上記第２の態様によれば、各電池セルからの熱を均一に拡散しながら広範囲において回収できるため、燃料電池冷却システムの冷却効率を向上させることができる。

本発明の第３の態様は、上記第１又は第２の態様の燃料電池冷却システムにおいて、ヒートパイプは、内部にウィック構造を有する。
上記第３の態様によれば、作動媒体を効率良く保持かつ循環させることができる。
本発明の第４の態様は、上記第１〜３のいずれかの態様の燃料電池冷却システムにおいて、放熱部を冷却する補助冷却部をさらに備える。
上記第４の態様によれば、作動媒体の放熱効率をより向上させることができる。

上記本発明の態様によれば、システムのサイズが小型で、十分な冷却能力を有する燃料電池冷却システムを提供することができる。

本実施形態の燃料電池冷却システムを示す概略図。本実施形態のヒートパイプ冷却板を示す部分斜視図。本実施形態のヒートパイプ冷却板の部分断面図。

以下、実施形態に係る燃料電池冷却システムを、図面を参照して説明する。なお、図面中、同一の部材には同一の符号が付されている。
図１は、本実施形態の燃料電池冷却システム１を示す概略図である。燃料電池冷却システム１は、自動車などの輸送機の燃料電池に用いられる。燃料電池冷却システム１は、ポンプ等の駆動源を必要としない完全受動型冷却システムである。本システムでは、ヒートパイプの原理を利用して燃料電池スタックから二相熱吸収を行い、さらにループヒートパイプを用いることで二相受動型熱伝達を行う。

図１に示す燃料電池冷却システム１は、燃料電池モジュール１０と、ループヒートパイプ２０と、を有する。

燃料電池モジュール１０は、複数の電池セル（燃料電池セル）１１を有する。
ループヒートパイプ２０は、複数のヒートパイプ１５を含むヒートパイプ冷却板１２と、複数のヒートパイプ１５の上端部１５ａに接続された蒸気収集部１３と、複数のヒートパイプ１５の下端部１５ｂに接続された液分配部１４と、ラジエータ（放熱部）３０と、を有する。ループヒートパイプ２０の内部には水等の作動媒体が封入されている。

電池セル１１は、板状を成す構成部材である。燃料電池モジュール１０において、厚さ方向に積み重ねられ、かつ各電池セル１１の電極間が並列又は直列に接続されることにより、燃料電池スタックを構成している。電池セル１１には、各種の公知の電池セルを用いることができる。例えば、膜／電極接合体（Membrane Electrode Assembly，ＭＥＡ）とＭＥＡを挟む第１のセパレータ及び第２のセパレータを備え、第１のセパレータとＭＥＡとの隙間に水素が流れ第２のセパレータとＭＥＡとの隙間に酸素が流れるような構成の電池セルが挙げられる。

ヒートパイプ冷却板１２は、全体として板状を成す構成部材であり、燃料電池スタックと組み合わせて用いられ、燃料電池スタックを冷却する。具体的には、図１に示すように、隣り合って配置された電池セル１１の間にヒートパイプ冷却板１２のヒートパイプ１５が挿入され、各電池セル１１とヒートパイプ冷却板１２とが組み合わさった構成が一又は複数積層されて、燃料電池スタックとして用いられる。複数積層されている場合は、個々のヒートパイプ冷却板１２は、ヒートパイプ冷却板１２を挟み込む各層の電池セル１１と当接し、これらを冷却する。また、１つのヒートパイプ冷却板１２が一又は複数の電池セル１１を冷却する構成としてもよい。

図２は、ヒートパイプ冷却板１２の部分斜視図である。図３は図２のＸ−Ｘ線に沿う部分断面図である。図２に示すように、ヒートパイプ冷却板１２は、互いに平行に平面的に並べられた複数のヒートパイプ１５と、隣り合うヒートパイプ１５同士を連結する複数の平板部（板状部材）１６とを有する。ヒートパイプ冷却板１２において、複数の平板部１６は同等の幅を有する。したがって、隣り合うヒートパイプ１５同士の間隔はほぼ一定である。ヒートパイプ冷却板１２は、金属で形成されており、たとえば、銅、アルミニウム又はステンレス鋼などから形成されている。

ヒートパイプ１５は、電池セル１１の熱により作動媒体が蒸発することにより熱を回収する蒸発器である。本実施形態の場合、ヒートパイプ１５は、ほぼ真っ直ぐな管状部材である。ヒートパイプ１５は、内部で発生した作動媒体の蒸気が円滑に蒸気収集部１３に移動する形状であれば曲がっていてもよい。ヒートパイプ１５の内部には、相分離および相拡散のために毛細管構造を有する図示しない溝が内壁に形成されていてもよいし、ウィック構造が形成されていてもよい。ウィック構造は、多孔質材料のように毛細管現象により作動媒体を保持し、循環させられるものであれば特に限定されない。

平板部１６は、隣り合うヒートパイプ１５を連結する。平板部１６の長辺端は長さ方向の全体にわたってヒートパイプ１５の側面に固着されている。従って、ヒートパイプ冷却板１２の各ヒートパイプ１５は、平板部１６を介して相互に熱的に接続されている。ヒートパイプ冷却板１２は、ヒートパイプ１５の周面に平板部１６を固着させた構成としてもよいし、１枚の金属板に複数のヒートパイプ１５を固着させた構成としてもよい。

ヒートパイプ冷却板１２において、ヒートパイプ１５は平板部１６よりも厚さ方向に突出しており、平板部１６の部分は相対的に高さの低い凹溝部１２ａとなっている。本実施形態において、凹溝部１２ａには電池セル１１の凸部が嵌め込まれ、電池セル１１とヒートパイプ冷却板１２とが熱的に接続される。ヒートパイプ冷却板１２と電池セル１１の凹凸形状とを噛み合わせて配置することで、ヒートパイプ１５と電池セル１１とが良好に熱的に接続される。上記構成により、複数のヒートパイプ１５において、各電池セル１１からの熱を均一に拡散しながら広範囲において回収できるため、システムの冷却効率を向上させることができる。

蒸気収集部１３は、ヒートパイプ冷却板１２の鉛直方向における上部の一端に、各ヒートパイプ１５の上端部（第１端部）１５ａと接続するように設けられる。蒸気収集部１３では、燃料電池スタックからの熱によって蒸発した各ヒートパイプ１５中の作動媒体の蒸気が集められる。
液分配部１４は、ヒートパイプ冷却板１２の鉛直方向における下部の一端に、各ヒートパイプ１５の下端部（第２端部）１５ｂと接続するように設けられる。液分配部１４では、蒸気が冷却されて再び液体に戻った（凝縮した）作動媒体を各ヒートパイプ１５に分配する。

ループヒートパイプ２０は、気相ライン２０ａと液相ライン２０ｂとを有する。
気相ライン２０ａの一端は蒸気収集部１３に接続され、他端はラジエータ３０に接続される。気相ライン２０ａでは、蒸気収集部１３からラジエータ３０に向かって蒸気が流れる。気相ライン２０ａは、単一の配管であってもよく、複数本の配管であってもよい。気相ライン２０ａはヒートパイプ１５に一対一に対応させて複数本としてもよく、複数（例えば３本）のヒートパイプ１５に対して１本の気相ライン２０ａを設ける構成としてもよい。また、気相ライン２０ａは、各ヒートパイプ１５の上端部１５ａに直接接続されてもよい。

液相ライン２０ｂの一端はラジエータ３０に接続され、他端は液分配部１４に接続される。液相ライン２０ｂでは、ラジエータ３０から液分配部１４に向かって液体（凝縮した作動媒体）が流れる。液相ライン２０ｂについても、単一又は複数の配管により構成することができる。また、液相ライン２０ｂは、各ヒートパイプ１５の下端部１５ｂに直接接続されてもよい。

ラジエータ３０は、ヒートパイプ１５から輸送される作動媒体を液化させる凝縮器である。ラジエータ３０の上端に気相ライン２０ａが接続され、下端に液相ライン２０ｂが接続されている。ラジエータ３０は、燃料電池モジュール１０から離してかつ燃料電池モジュール１０よりも上部に設置される。上記構成により、ラジエータ３０で液体となった作動媒体が、自重で液分配部１４にスムーズに移動できる。ラジエータ３０の放熱構造としては、自動車などの輸送機に用いられている公知の放熱構造（例えば放熱フィンなど）を用いることができる。ラジエータ３０には、作動媒体の放熱効率をより向上させるために、冷却を補助するファンなどの補助冷却部４０が併設されている。ただし補助冷却部４０は必要に応じて設ければよく、ファンを配置してもよいし、自動車等の空冷装置や水冷装置の一部を利用してもよい。

続いて、燃料電池冷却システム１における冷却動作について説明する。
複数の電池セル１１で発生した熱は、ヒートパイプ冷却板１２の複数のヒートパイプ１５の外壁および複数の平板部１６を介して、ヒートパイプ１５に伝達される。伝達された熱は、ヒートパイプ１５の内部に含まれる作動媒体に吸収される。これにより、作動媒体は蒸発し、各ヒートパイプ１５の端部から蒸気収集部１３に集められ、気相ライン２０ａを通ってラジエータ３０に移動する。ラジエータ３０で熱交換により放熱されると、作動媒体は液体に戻り、自重で液相ライン２０ｂを通って液分配部１４に移動する。さらに、作動媒体は、液分配部１４からヒートパイプ１５内に分配されて移動する。このようにして、作動媒体を循環させて効率良く熱伝達を行うことにより、ポンプ等の駆動装置を必要としない完全受動型の燃料電池冷却が可能である。

以上の構成を備えた本実施形態の燃料電池冷却システムでは、燃料電池モジュール１０の内部の電池セル１１に当接させてヒートパイプ冷却板１２が配設されている。これにより、各電池セル１１から直接的に熱を回収することができ、高い冷却効率が得られる。

また、各ヒートパイプ１５の内部では、ヒートパイプ１５の長さ方向のほぼ全体で作動媒体の蒸発が生じるため、電池セル１１から効率よく熱を回収できるとともに、電池セル１１の表面温度を均一化することができる。電池セル１１の局所的な温度上昇が抑制されるため、電池セル１１の信頼性を向上させることができる。

また、蒸発した作動媒体は気相ライン２０ａを介してラジエータ３０に輸送され、ラジエータ３０で放熱して液化するので、燃料電池モジュール１０の近傍に熱が放出されることが無く、燃料電池モジュール１０を効率よく冷却することができる。

さらに、ラジエータ３０を燃料電池モジュール１０よりも高い位置に配置しているため、作動媒体の蒸発に伴う上方への移動と、液化による下方への移動を利用してループヒートパイプ２０内を循環させることができる。これにより、ポンプ等の駆動装置が不要になるため、消費電力を低減した小型の燃料電池冷却システムを構築することができる。

なお、本実施形態では、図３の部分断面図において、ヒートパイプ１５の断面形状が円形であるように図示しているが、この断面形状に限定されない。電池セル１１で発生した熱を回収できるのであれば、例えば、ヒートパイプ１５の断面形状は楕円形、角形など、種々の形状のものを用いることができる。

燃料電池冷却システム１においては、ラジエータ３０で液体となった作動媒体が、自重で液分配部１４にスムーズに移動できる構成であれば、燃料電池モジュール１０、ループヒートパイプ２０などの他の構成は、高い自由度で配置することができる。
また、ヒートパイプ１５の個数は、適用する燃料電池に応じて適宜選択可能である。

以上、本発明の好ましい実施形態を説明し、上記で説明してきたが、これらは本発明の例示的なものであり、限定するものとして考慮されるべきではないことを理解すべきである。追加、省略、置換、およびその他の変更は、本発明の範囲から逸脱することなく行うことができる。従って、本発明は、前述の説明によって限定されていると見なされるべきではなく、特許請求の範囲によって制限されている。

１…燃料電池冷却システム、１０…燃料電池モジュール、１１…電池セル、１２…ヒートパイプ冷却板、１３…蒸気収集部、１４…液分配部、１５…ヒートパイプ、１６…平板部（板状部材）、２０…ループヒートパイプ、２０ａ…気相ライン、２０ｂ…液相ライン、３０…ラジエータ（放熱部）、４０…補助冷却部

Claims

複数の電池セルと、
各々の前記電池セルに熱的に接続される複数のヒートパイプと、
複数の前記ヒートパイプの第１端部に接続される一又は複数の気相ラインと、
複数の前記ヒートパイプの第２端部に接続される一又は複数の液相ラインと、
前記気相ライン及び前記液相ラインに接続され、前記電池セルよりも高い位置に配置される放熱部と、
を備える、燃料電池冷却システム。
隣り合う前記ヒートパイプ同士を、板状部材を介して連結させたヒートパイプ冷却板を有する、請求項１に記載の燃料電池冷却システム。
前記ヒートパイプは、内部にウィック構造を有する、請求項１又は２に記載の燃料電池冷却システム。
前記放熱部を冷却する補助冷却部をさらに備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池冷却システム。