JP2017139084A - 燃料電池冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】フィルタによる圧力損失の増加を抑制する燃料電池冷却システムを提供する。【解決手段】開閉弁４ｃ及び異物除去フィルタ４ｂから成るフィルタ部４は、燃料電池冷却システムの冷却媒体流路９における燃料電池スタック上流側に配置されている。異物除去フィルタ４ｂは、収容部４２ａの底から収容部４２ａの断面の中央に向って突出するように設けられている。開閉弁４ｃは閉じると、開閉弁４ｃと異物除去フィルタ４ｂとは、一体となって収容部４２ａ断面を覆うよう設けられている。開閉弁４ｃが閉じることによって冷却媒体が異物除去フィルタ４ｂを通過する。開閉弁４ｃが開くことによって冷却媒体が流路４２ａの断面における開閉弁４ｃ側を通過する。冷却媒体ポンプが起動したとき、開閉弁４ｃは閉じている。冷却媒体の流量が予め定められた基準値を超えるとき、開閉弁４ｃは開いた状態となる。【選択図】図２

Description

本発明は燃料電池冷却システムに関し、特にフィルタを備える燃料電池冷却システムに関する。

特許文献１に開示される燃料電池システムでは、発電時において燃料電池の温度を一定に維持するため、冷却水を冷却回路に流すことにより、燃料電池のスタックは冷却されている。冷却水は、燃料電池のスタックを通過した後に、ラジエタによって冷却され、再度燃料電池のスタックに供給されるように、ポンプによって冷却回路内を循環される。

特開２００４−３１１３４７号公報

ところで、冷却水に異物が混入することがある。これによって、異物が燃料電池のスタック内の流路に詰まり、詰まった流路の部分の冷却が不十分になり、スタックが損傷するおそれがある。そのため、スタックの流路入口に異物除去用のフィルタを設けることが考えられるが、単純にフィルタを設けた場合、フィルタによる圧力損失が増加する。

本発明に係る燃料電池冷却システムは、フィルタによる圧力損失の増加を抑制するものとする。

本発明に係る燃料電池冷却システムは、
燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックを通過した冷却媒体を冷却するラジエタと、
前記冷却媒体を送り出すポンプと、
開閉弁と、
異物除去フィルタと、
前記燃料電池スタック、前記ラジエタ、及び前記ポンプを接続しており、前記冷却媒体を循環させるよう導く流路と、を備え、
前記開閉弁及び前記異物除去フィルタは、前記流路における前記燃料電池スタック上流側に配置されており、
前記異物除去フィルタは、前記流路に突出するように設けられており、
前記開閉弁は閉じると、前記開閉弁と前記異物除去フィルタとは、一体となって前記流路の断面を覆うよう設けられており、
前記開閉弁が閉じることによって前記冷却媒体が前記異物除去フィルタを通過し、
前記開閉弁が開くことによって前記冷却媒体が前記流路の前記断面における前記開閉弁側を通過し、
前記ポンプが起動したとき、前記開閉弁は閉じており、
前記冷却媒体の流量が予め定められた基準値を超えるとき、前記開閉弁は開いた状態となる。
このような構成によれば、ポンプが起動したとき、開閉弁は閉じているため、冷却媒体が異物除去フィルタを通過する。また、冷却媒体の流量が予め定められた基準値を超えるとき、前記開閉弁は開いた状態となるため、冷却媒体が流路における開閉弁側を通過する。これらによって、異物を除去するとともにフィルタによる圧力損失の増加を抑制することができる。

本発明に係る燃料電池冷却システムは、フィルタによる圧力損失の増加を抑制する。

実施の形態１に係る燃料電池冷却システムの回路図である。 実施の形態１に係る燃料電池冷却システムの要部の断面図である。 実施の形態１に係る燃料電池冷却システムの要部の断面図である。 実施の形態１に係る燃料電池冷却システムの要部の動作を示す図である。

（実施の形態１）
図１〜図３を参照して実施の形態１に係る燃料電池冷却システムについて説明する。図１は、実施の形態１に係る燃料電池冷却システムの回路図である。図２は、実施の形態１に係る燃料電池冷却システムの要部の断面図である。図３は、実施の形態１に係る燃料電池冷却システムの要部の断面図である。

図１に示すように、燃料電池冷却システム１０は、ＦＣ（Fuel Cell）スタック１（燃料電池スタックとも称する。）と、ラジエタ２と、ポンプ３と、フィルタ部４と、切替バルブ５と、エアコンユニット６と、リザーブタンク７と、インタークーラ８と、メイン流路９とを含む。燃料電池冷却システム１０は、例えば、燃料電池自動車等に搭載されて利用される。

メイン流路９は、ＦＣスタック１と、切替バルブ５と、ラジエタ２と、ポンプ３と、フィルタ部４とをこの順に環状となるように接続しており、冷却媒体を循環させるように導いている。冷却媒体は、例えば、水であり、水は、適宜、エチレングリコール等の混合物を混合させたものであってもよい。メイン流路９は、冷却媒体を流すのに必要な機械的な強度や耐食性を有する管であればよく、例えば、金属管やホースである。

第１のサブ流路９ａが、メイン流路９におけるＦＣスタック１下流側から分岐し、メイン流路９における切替バルブ５上流側へ合流する。第１のサブ流路９ａの中途には、エアコンユニット６が設けられている。第２のサブ流路９ｂが、切替バルブ５から分岐し、メイン流路９におけるポンプ３上流側に合流する。第３のサブ流路９ｃが、ラジエタ２から分岐し、第２のサブ流路９ｂに合流する。第３のサブ流路９ｃの中途には、リザーブタンク７が設けられている。第４のサブ流路９ｄが、メイン流路９におけるポンプ３下流側の、分岐部９ｅから分岐し、メイン流路９におけるＦＣスタック１下流側へ合流する。第４のサブ流路９ｄの中途には、インタークーラ８が設けられている。なお、第１のサブ流路９ａ〜第４のサブ流路９ｄは、メイン流路９と同様に、冷却媒体を流すのに必要な機械的な強度や耐食性を有する管であればよい。

ＦＣスタック１は、電気を発生して、電力を必要とする機器、例えば、モータなどの動力源（図示略）に、パワーコントロールユニット（図示略）等を介して供給する。ＦＣスタック１は、その内部に冷却流路（図示略）を備えており、冷却媒体をメイン流路９におけるフィルタ部４側から冷却流路に流入させ、流入させた冷却媒体をメイン流路９における切替バルブ５側へ排出させる。冷却媒体が冷却流路に流入したとき、ＦＣスタック１から発生する熱を奪うため、ＦＣスタック１は冷却される。

ラジエタ２は、冷却媒体を受け入れて、熱を冷却媒体から奪い、冷却媒体の温度を低下させる。ポンプ３は、冷却媒体がメイン流路９を一方向に連続的に流れるように、冷却媒体を送り出す。

図２に示すように、フィルタ部４は、管体４ａと、異物除去フィルタ４ｂと、開閉弁４ｃとを含む。

管体４ａは、通路部４１ａ、４３ａと、通路部４１ａと通路部４３ａとの間の収容部４２ａとを有する。通路部４１ａ、４３ａは、メイン流路９と同じ断面形状を有するとよい。収容部４２ａは、異物除去フィルタ４ｂを収容し、下方（ここでは、Ｚ軸マイナス側）に延びる断面形状を有し、収容部４２ａの断面形状は、メイン流路９の断面形状より大きい。通路部４１ａは、メイン流路９における分岐部９ｅ側に接続されており、通路部４３ａは、メイン流路９におけるＦＣスタック１上流側に接続されている。管体４ａは、メイン流路９における分岐部９ｅ側から、冷却媒体を供給される一方で、メイン流路９におけるＦＣスタック１上流側へ排出する。

異物除去フィルタ４ｂは、フィルタ本体４１ｂと、フィルタ支持部４２ｂ、４３ｂとを含む。異物除去フィルタ４ｂは、収容部４２ａに収容されており、収容部４２ａの底から収容部４２ａ断面の中央に向かって突き出すように配置されている。フィルタ支持部４２ｂは、収容部４２ａの底部に位置し、フィルタ支持部４３ｂは、収容部４２ａの内側に位置する。フィルタ本体４１ｂは、冷却媒体中の異物を通過させない一方で、冷却媒体を通過させるような大きさの網目を有するとよい。

開閉弁４ｃは、弁軸４０ｃと、弁体４１ｃと、デイテント係受部４ｄと、デイテント４ｅとを含む。弁軸４０ｃは、管体４ａ上側の内壁面に設けられている。弁体４１ｃの一端は、弁軸４０ｃにおいて回転可能に支持されており、弁体４１ｃの他端は、弁軸４０ｃを中心として、フィルタ支持部４２ｂから管体４ａまでの間を回転移動することができる。弁体４１ｃは所定の重量を有し、その自重によって、下側に突き出るように位置する。弁体４１ｃは、所定の力Ｆ１よりも大きな力で押されると弁軸４０ｃを中心として回転移動するものの、所定の力Ｆ１以下の力で押されても弁軸４０ｃを中心として回転移動しない。弁体４１ｃの他端がフィルタ支持部４３ｂと接触していると、弁体４１ｃと異物除去フィルタ４ｂとが、一体となり、収容部４２ａの断面を覆う。弁体４１ｃと異物除去フィルタ４ｂとが、収容部４２ａの断面全域を覆うとよい。これによって、開閉弁４ｃが閉まった状態となる。所定の力Ｆ１は、予め定められており、開閉弁４ｃ近傍における冷却媒体の流量の基準値に応じて、決定される値である。

（開閉弁４ｃの一例の詳細）
次に、開閉弁４ｃの一例の詳細について説明する。図２及び図３に示すように、弁体４１ｃは、メイン流路９の上流側に向かって延びるデイテント係受部４ｄを含む。デイテント係受部４ｄは、弁軸４０ｃを中心とする円に沿って湾曲する板状部である。デイテント係受部４ｄは、球又は円柱体を保持することができるように凹む玉受部４ｆ、４ｇとを有する。玉受部４ｆ、４ｇは、デイテント係受部４ｄにおける弁軸４０ｃ側の主面において、弁体４１ｃからデイテント係受部４ｄの先端に向かってこの順に形成されている。なお、必要に応じて、デイテント係受部４ｄは、玉受部４ｆだけを有していてもよい。

デイテント４ｅは、デイテント本体４ｈと、玉４ｉと、コイルバネ４ｊとを含む。デイテント本体４ｈは、コイルバネ４ｊを収容する筒体であり、コイルバネ４ｊの一端は、デイテント本体４ｈの底に接続されており、コイルバネ４ｊの他端は、玉４ｉを支持する。玉４ｉは、デイテント本体４ｈの軸方向に移動可能に保持されている。デイテント４ｅは、玉４ｉが玉受部４ｆに押し当てるように、弁体４１ｃに沿って設けられている。

ここで、弁体４１ｃが所定の力Ｆ１以下の力で押されても、弁体４１ｃがその自重によって下方に突き出すような姿勢となりつつ玉４ｉが玉受部４ｆに押し当てて引っかかるため、弁体４１ｃは弁軸４０ｃを中心として回転移動しない。弁体４１ｃの他端がフィルタ支持部４３ｂと接触していると、弁体４１ｃと異物除去フィルタ４ｂとが収容部４２ａの断面を覆い、収容部４２ａの断面全域を覆うとよい。これによって、開閉弁４ｃが閉まった状態となる。

一方、弁体４１ｃが所定の力Ｆ１よりも大きな力で押されると、玉受部４ｆが玉４ｉをデイテント本体４ｈの内側に押し出すため、弁体４１ｃは弁軸４０ｃを中心として冷却媒体下流側に回転移動する。その結果、弁体４１ｃが収容部４２ａの断面の一部、収容部４２ａの断面の開閉弁４ｃ側を覆わなくなり、冷却媒体が収容部４２ａの断面の一部、開閉弁４ｃ側を通過することができる。これによって、開閉弁４ｃが開いた状態となる。さらに、弁体４１ｃは弁軸４０ｃを中心として冷却媒体下流側に回転移動していくと、玉４ｉが玉受部４ｇに押し当たる。弁体４１ｃの収容部４２ａ内壁面との相対的な角度が所定の大きさとなるように固定される。

また、弁体４１ｃを押す力が、所定の力Ｆ１よりも小さい所定の力Ｆ２よりも小さくなると、弁体４１ｃがその自重によって、弁軸４０ｃを中心として冷却媒体上流側に回転移動し、下方に突き出すような姿勢となって、再び玉４ｉが玉受部４ｆに押し当てて引っかかる。

図１に示すように、切替バルブ５は、適宜、冷却媒体をラジエタ２及びサブ流路９ｂの少なくとも一方に流すように、ラジエタ２及びサブ流路９ｂの流れを切り替えることができる。

エアコンユニット６は、車室内の温度が適度な範囲に収まるように、暖房及び冷房の機能を有する。エアコンユニット６は、ＦＣスタック１から熱を奪った冷却媒体を受け取り、暖房のために用いてもよい。

リザーブタンク７は、注入口７ａを有し、適宜、冷却媒体を注入口７ａから注入されることによって、貯蔵することができる。また、リザーブタンク７は、燃料電池冷却システム１０を流れる冷却媒体の総量を調節することができる。

インタークーラ８は、冷却媒体が適度な温度でメイン流路９を流れるように、必要に応じて、冷却媒体を冷却する。

（燃料電池冷却システムの動作）
次に、図１〜図４を参照して、実施の形態１に係る燃料電池冷却システムの動作について説明する。図４は、実施の形態１に係る燃料電池冷却システムの要部の動作を示す図である。

燃料電池冷却システム１０の動作を開始する。具体的には、図１及び図２に示すように、ポンプ３を起動させる。すると、ポンプ３が冷却媒体を分岐部９ｅ側へ送り出す。送り出された冷却媒体は、フィルタ部４を通過した後で、ＦＣスタック１に流入する。

図２及び図３に示すように、燃料電池冷却システム１０の動作を開始した直後、フィルタ部４に到達した冷却媒体の温度は低く、その流量は少なく、基準値よりも小さい。冷却媒体の流れによって弁体４１ｃを押す力は、所定の力Ｆ１を下回るため、開閉弁４ｃは閉まった状態のままである。具体的には、弁体４１ｃの他端がフィルタ支持部４３ｂと接触したままであるため、弁体４１ｃと異物除去フィルタ４ｂとが管体４ａの収容部４２ａの断面を覆ったままである。冷却媒体は、弁体４１ｃを通過することなく、弁体４１ｃを回避してフィルタ本体４１ｂを通過することによって、フィルタ部４を通過する。ここで、冷却媒体が異物とともにフィルタ部４に到達する。冷却媒体と異物がともにフィルタ部４を通過しようとすると、上記したように冷却媒体はフィルタ部４を通過する一方で、異物は、弁体４１ｃを回避してもフィルタ本体４１ｂを通過できず、収容部４２ａに残留する。
なお、冷却媒体をリザーブタンク７に注入したり、燃料電池冷却システム１０の各構成要素に付着した後で脱離したりする等して、異物は冷却媒体に混入する。

送り出された冷却媒体は、フィルタ部４を通過した後、ＦＣスタック１に流入し、ＦＣスタック１から熱を奪って、排出される。この排出された冷却媒体は、分岐して、一部はエアコンユニット６に流入し、この冷却媒体の一部の熱がエアコンユニット６の暖房等に利用される。さらに、冷却媒体の一部は、エアコンユニット６を通過した後、冷却媒体の残部と合流し、ラジエタ２に流入する。ラジエタ２が、必要に応じて、冷却媒体から熱を奪って、燃料電池冷却システム１０の動作上、好ましい温度となるように冷却媒体を冷却する。冷却媒体はラジエタ２を通過した後に、再びポンプ３に供給される。従って、燃料電池冷却システム１０は、上記したように冷却媒体をメイン流路９等に連続的に循環させることで、ＦＣスタック１を冷却することができる。

さらに、燃料電池冷却システム１０の動作を継続すると、フィルタ部４に到達した冷却媒体の温度が高くなり、その流量も多くなり、基準値よりも大きくなる。流量が所定の基準値よりも大きくなると、冷却媒体の流れによって弁体４１ｃを押す力が所定の力Ｆ１を上回り、開閉弁４ｃが開く。具体的には、図４に示すように、弁体４１ｃの他端がフィルタ支持部４３ｂから離れ、管体４ａの通路部４３ａの内壁面側に回転移動するため、管体４ａの収容部４２ａの内側の一部、収容部４２ａの断面の開閉弁４ｃ側が開通する。冷却媒体は、フィルタ本体４１ｂを回避して収容部４２ａの断面の開閉弁４ｃ側、具体的には、収容部４２ａの内壁及びフィルタ本体４１ｂの間を通過することによって、開閉弁４ｃを通過する。その後、冷却媒体は、メイン流路９におけるＦＣスタック１上流側に到達する。これによって、異物除去フィルタ４ｂによる圧力損失の増加が抑制される。

なお、適宜、燃料電池冷却システム１０における冷却媒体の総量は、リザーブタンク７から注入されたり、取り出されたりする等して、調節してもよい。必要に応じて、インタークーラ８が起動し、冷却媒体から熱を奪って、燃料電池冷却システム１０の動作上、好ましい温度となるように冷却媒体を冷却してもよい。

以上、実施の形態１に係る燃料電池冷却システムによれば、ポンプ３が起動したとき、開閉弁４ｃは閉じているため、冷却媒体が異物除去フィルタ４ｂを通過する。また、冷却媒体の流量が予め定められた基準値を超えるとき、開閉弁４ｃは開いた状態となるため、冷却媒体が流路断面における開閉弁４ｃ側を通過する。これらによって、異物を除去するとともに異物除去フィルタ４ｂによる圧力損失の増加を抑制することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、燃料電池冷却システム１０の開閉弁４ｃは、コイルバネ４ｊを備えたが、他の弾性力を与える技術的な手段、例えば、板バネを備えてもよい。

１０ 燃料電池冷却システム
１ ＦＣスタック ２ ラジエタ
３ ポンプ
４ フィルタ部
４ｂ 異物除去フィルタ ４ｃ 開閉弁
４２ａ 収容部
９ メイン流路

Claims (1)

1. 燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックを通過した冷却媒体を冷却するラジエタと、
   前記冷却媒体を送り出すポンプと、
   開閉弁と、
   異物除去フィルタと、
   前記燃料電池スタック、前記ラジエタ、及び前記ポンプを接続しており、前記冷却媒体を循環させるよう導く流路と、を備え、
   前記開閉弁及び前記異物除去フィルタは、前記流路における前記燃料電池スタック上流側に配置されており、
   前記異物除去フィルタは、前記流路に突出するように設けられており、
   前記開閉弁は閉じると、前記開閉弁と前記異物除去フィルタとは、一体となって前記流路の断面を覆うよう設けられており、
   前記開閉弁が閉じることによって前記冷却媒体が前記異物除去フィルタを通過し、
   前記開閉弁が開くことによって前記冷却媒体が前記流路の前記断面における前記開閉弁側を通過し、
   前記ポンプが起動したとき、前記開閉弁は閉じており、
   前記冷却媒体の流量が予め定められた基準値を超えるとき、前記開閉弁は開いた状態となる、
   燃料電池冷却システム。

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