JP2018174092A - Power supply equipment - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池とバッテリとを備える電力供給装置に関するものである。 The present invention relates to a power supply device including a fuel cell and a battery.
発電装置として、燃料電池と、燃料電池の排熱を利用して発電するアルカリ金属熱電変換装置を備えたものが知られている(例えば、特許文献1参照)。この発電装置には、アルカリ金属熱電変換装置から外部に延びるヒートパイプが装着されている。この発電装置は、ヒートパイプの熱媒蒸発部に燃料電池の排熱を供給して、ヒートパイプで熱移動された燃料電池の余剰熱をアルカリ金属熱電変換装置に供給することで発電している。 2. Description of the Related Art As a power generation device, a device including a fuel cell and an alkali metal thermoelectric conversion device that generates power using exhaust heat of the fuel cell is known (see, for example, Patent Document 1). A heat pipe extending outside from the alkali metal thermoelectric converter is attached to the power generator. This power generation device generates power by supplying exhaust heat of the fuel cell to the heat medium evaporation part of the heat pipe and supplying surplus heat of the fuel cell heat-transferred by the heat pipe to the alkali metal thermoelectric conversion device. .
燃料電池で発生した熱をバッテリの温度調整に利用する場合、単に燃料電池の排熱をバッテリに供給してバッテリを加熱してしまうと、バッテリの温度が上がり過ぎてしまい、バッテリを構成する材料が熱によって劣化してしまう。これにより、バッテリの信頼性が低下するおそれがある。 When using the heat generated in the fuel cell to adjust the temperature of the battery, simply supplying the exhaust heat of the fuel cell to the battery and heating the battery will cause the battery temperature to rise too much, and the material that constitutes the battery Will deteriorate due to heat. Thereby, there exists a possibility that the reliability of a battery may fall.
本発明が解決しようとする課題は、バッテリ温度の上がり過ぎによるバッテリの信頼性低下を抑制できる電力供給装置を提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide a power supply apparatus capable of suppressing a decrease in battery reliability due to excessive rise in battery temperature.
[1]本発明に係る電力供給装置は、燃料電池を少なくとも含む燃料電池システムとバッテリとを備え、前記燃料電池システム内部と前記バッテリとを熱的に接続するヒートパイプとを備え、前記バッテリの温度が、所定の第1の温度以下の場合に、前記ヒートパイプによる前記燃料電池システム内部から前記バッテリへの熱の移動が行われ、前記バッテリの温度が前記第1の温度よりも高い場合に、前記ヒートパイプによる前記燃料電池システム内部から前記バッテリへの熱の移動の抑制が開始される電力供給装置である。 [1] A power supply apparatus according to the present invention includes a fuel cell system including at least a fuel cell and a battery, and includes a heat pipe that thermally connects the inside of the fuel cell system and the battery, When the temperature is equal to or lower than a predetermined first temperature, heat is transferred from the inside of the fuel cell system to the battery by the heat pipe, and the temperature of the battery is higher than the first temperature. The power supply device starts suppression of heat transfer from the inside of the fuel cell system to the battery by the heat pipe.
[2]上記発明において、前記第1の温度は、前記バッテリの運用温度の範囲内の温度であってもよい。 [2] In the above invention, the first temperature may be a temperature within an operating temperature range of the battery.
[3]上記発明において、前記燃料電池は、固体高分子形燃料電池であってもよい。 [3] In the above invention, the fuel cell may be a polymer electrolyte fuel cell.
[4]上記発明において、前記燃料電池システムは、前記燃料電池から発生する熱を受け取る熱交換器を少なくとも含む冷却ユニットを備え、前記ヒートパイプは、前記冷却ユニットの少なくとも一部と前記バッテリとを熱的に接続していてもよい。 [4] In the above invention, the fuel cell system includes a cooling unit including at least a heat exchanger that receives heat generated from the fuel cell, and the heat pipe includes at least a part of the cooling unit and the battery. You may connect thermally.
[5]上記発明において、前記冷却ユニットは、冷却水を通す冷却水配管と、前記冷却水配管に設けられ、前記冷却水が貯蔵される冷却水タンクとを含み、前記熱交換器は、前記冷却水配管において前記冷却水タンクの上流側に設けられており、前記ヒートパイプの一端は、前記冷却水タンクに貯蔵された前記冷却水の液面よりも低い位置に配置されていてもよい。 [5] In the above invention, the cooling unit includes a cooling water pipe through which cooling water passes, and a cooling water tank that is provided in the cooling water pipe and stores the cooling water. The cooling water pipe may be provided on the upstream side of the cooling water tank, and one end of the heat pipe may be disposed at a position lower than the liquid level of the cooling water stored in the cooling water tank.
[6]上記発明において、前記ヒートパイプは、可変コンダクタンス型のヒートパイプであってもよい。 [6] In the above invention, the heat pipe may be a variable conductance heat pipe.
[7]上記発明において、前記バッテリに取り付けられた熱拡散体を備え、前記ヒートパイプは、前記熱拡散体を介して前記バッテリと熱的に接続されていてもよい。 [7] In the above invention, a heat diffusion body attached to the battery may be provided, and the heat pipe may be thermally connected to the battery via the heat diffusion body.
本発明によれば、ヒートパイプによる燃料電池システム内部からバッテリへの熱移動のON/OFFを、バッテリの温度に基づいて切り替える様に、ヒートパイプの作動温度を設定することで、バッテリの温度を所定の第1の温度近傍に自律的に保持することができる。これにより、バッテリ温度の上がり過ぎによるバッテリの信頼性低下を抑制することができる。 According to the present invention, the temperature of the battery is controlled by setting the operating temperature of the heat pipe so that the heat transfer from the inside of the fuel cell system to the battery by the heat pipe is switched on / off based on the temperature of the battery. It can be autonomously held near a predetermined first temperature. Thereby, it is possible to suppress a decrease in battery reliability due to an excessive rise in battery temperature.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本発明の一実施の形態に係る電力供給装置を搭載したフォークリフトを斜め上方から見た斜視図、図2は本発明の一実施の形態に係る電力供給装置を斜め上方から見た斜視図、図3は本発明の一実施の形態に係る電力供給装置を示すブロック図、図4は本発明の一実施の形態に係るヒートパイプを示す正面図、図5は本発明の一実施の形態に係る電力供給装置の透過正面図、図6は図5のVI−VI線に沿った断面図である。 FIG. 1 is a perspective view of a forklift mounted with a power supply device according to an embodiment of the present invention as viewed from diagonally above, and FIG. 2 is a perspective view of the power supply device according to an embodiment of the present invention as viewed from diagonally above. 3 is a block diagram showing a power supply device according to an embodiment of the present invention, FIG. 4 is a front view showing a heat pipe according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is an embodiment of the present invention. FIG. 6 is a cross-sectional view taken along line VI-VI in FIG. 5.
本実施形態の電力供給装置1は、例えば、図1に示すように、フォークリフト100等の車両に搭載されており、当該車両の駆動用電源として用いられている。このようなフォークリフト100は、例えば、冷蔵・冷凍庫などの低温環境内での作業用車両として用いることができる。なお、電力供給装置1は、フォークリフト100に限らず、ハイブリット自動車や電気自動車など、バッテリの電力を用いてモータを駆動し、この駆動力を用いて走行する車両に用いてもよい。また、電力供給装置1は、上記の車両の駆動用電源に限らず、空調設備用電源や非常用電源として用いてもよい。
For example, as shown in FIG. 1, the
この電力供給装置1は、図2及び図3に示すように、燃料電池システム10と、バッテリ30と、ヒートパイプ40と、熱拡散体50と、を備えている。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
燃料電池システム10は、図3に示すように、燃料電池11と、システム筐体12と、燃料タンク13と、燃料ポンプ14と、ブロワ15と、気液分離器16と、外部燃料タンク17と、外部燃料ポンプ18と、冷却ユニット20と、を備えている。この燃料電池システム10を構成する燃料電池11と、燃料タンク13と、燃料ポンプ14と、ブロワ15と、気液分離器16と、外部燃料タンク17と、外部燃料ポンプ18と、冷却ユニット20とは、システム筐体12の内部に配されている。
As shown in FIG. 3, the
燃料電池11は、液体燃料を消費して発電する、ダイレクトメタノール型の燃料電池(DMFC:Direct Methanol Fuel Cell)である。この燃料電池11は、発電セル111が積層された発電装置を備えており、外部負荷に対して電力を供給する。なお、燃料電池11は、ダイレクトメタノール型の燃料電池に限定されず、種々の燃料電池を採用することができるが、燃料電池11としては、固体高分子形燃料電池であることが好ましい。また、燃料電池11の運転温度としては、例えば、常温以上で80℃近傍以下とされていることが好ましい。本実施形態では、燃料電池11は、フォークリフト100のモータ等の駆動源101に対する電源として用いられている。なお、特にこれに限定されず、燃料電池11は、バッテリ30の充電用電源として用いてもよいし、フォークリフト100のモータ等の駆動源101に対する電源及びバッテリ30の充電用電源として併用してもよい。このような燃料電池11は、積層された複数の発電セル111と、複数の発電セル111をその積層方向に挟む一対の集電体112と、発電セル111及び一対の集電体112を発電セル111の積層方向に挟む一対のエンドプレート113とを備えている。
The
燃料電池11は、燃料供給口11Aと、空気供給口11Bと、燃料排出口11Cと、空気排出口11Dとを備えている。燃料供給口11Aは、燃料ポンプ14を介して燃料タンク13に連通されている。また、空気供給口11Bは、ブロワ15を介してシステム外部に連通されている。また、燃料排出口11Cは、燃料タンク13に連通されている。さらに、空気排出口11Dは、気液分離器16を介して燃料タンク13に連通されている。
The
燃料タンク13には、数重量%に希釈化された液体燃料(メタノール水溶液(MeOH))が貯蔵されている。システムが起動されると、燃料ポンプ14により、液体燃料が燃料タンク13から燃料供給口11Aを通じてアノード(燃料極)に供給され、ブロワ15により、外部の空気が空気供給口11Bを通じてカソード(空気極)に供給される。
The
アノードでは、下記(1)式で示すように、触媒による酸化反応により二酸化炭素、水素イオン、及び電子が生成される。アノードで生成された電子が外部の回路を通ることで、外部負荷に電力が供給される。一方、アノードで生成された水素イオンは、高分子電解質膜を通過してカソードに移動する。カソードでは、下記(2)式に示すように、触媒による酸素の還元反応により水が生成される。
CH3OH+H2O→CO2+6H++6e− … (1)
3/2O2+6H++6e−→3H2O … (2)
At the anode, as shown by the following formula (1), carbon dioxide, hydrogen ions, and electrons are generated by an oxidation reaction with a catalyst. Electricity is supplied to the external load by the electrons generated at the anode passing through an external circuit. On the other hand, hydrogen ions generated at the anode pass through the polymer electrolyte membrane and move to the cathode. At the cathode, as shown in the following formula (2), water is generated by a reduction reaction of oxygen by the catalyst.
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e − (1)
3 / 2O 2 + 6H + + 6e − → 3H 2 O (2)
燃料電池11のアノードからの排出物(二酸化炭素等及び未反応のメタノール)は、燃料排出口11Cから排出されて燃料タンク13に戻される。燃料タンク13に戻された未反応のメタノールは、燃料タンク13に留まり、一方、燃料タンク13に戻された二酸化炭素は、システム外部に放出される。燃料電池11のカソードからの排出物に含まれる水蒸気は、空気排出口11Dから排出され、凝縮器23(後述)を通過して概ね液化される。凝縮器23から排出された水は、燃料タンク13に戻され、一方、凝縮器23で液化されなかったガス成分(水蒸気等)は気液分離器16からシステム外部に放出される。
Exhausts (such as carbon dioxide and unreacted methanol) from the anode of the
外部燃料タンク17は、高濃度のメタノール水溶液を収容しており、外部燃料ポンプ18を介して燃料タンク13に連通している。外部燃料タンク17に貯蔵された高濃度のメタノール水溶液が、外部燃料ポンプ18により燃料タンク13に供給されると共に、気液分離器16から水が燃料タンク13に供給されることにより、数重量%の濃度に希釈化されたメタノール水溶液が、液体燃料として燃料タンク13に収容される。
The
冷却ユニット20は、燃料電池11から発生する熱をシステム外部に放出するための冷却ユニットであり、冷却水を通す冷却水配管21と、冷却水ポンプ22と、凝縮器23と、冷却水タンク24と、ラジエータ25と、ラジエータ冷却ファン26と、を含んでいる。この冷却ユニット20を構成する冷却水配管21と、冷却水ポンプ22と、凝縮器23と、冷却水タンク24と、ラジエータ25と、ラジエータ冷却ファン26とは、システム筐体12の内部に配されている。
The cooling
冷却水ポンプ22は、冷却水配管21に設けられており、冷却水配管21を流れる冷却水を循環させている。凝縮器23は、熱交換器である。凝縮器23は、冷却水配管21に設けられており、燃料電池11の空気排出口11Dに接続される配管に沿わされて配されている。この凝縮器23は、カソード排出物を介して燃料電池11で発生した熱を受け取っている。凝縮器23においてカソード排出物から受け取った熱は、冷却水配管21を流れる冷却水によって冷却水タンク24に移送される。
The cooling
冷却水タンク24は、冷却水を貯蔵するタンクである。この冷却水タンク24は、冷却水配管21に設けられており、冷却水の流れ方向を基準として、凝縮器23の下流側に配されている。この冷却水タンク24には、凝縮器23を通過して比較的高温に上昇した冷却水が供給されている。
The cooling
ラジエータ25は、比較的高温に上昇した冷却水を冷却するために設けられている。このラジエータ25は、冷却水配管21に設けられており、冷却水の流れ方向を基準として、凝縮器23の上流側であって、冷却水タンク24の下流側に配されている。ラジエータ冷却ファン26は、ラジエータ25とシステム筐体12の排気孔121との間に、ラジエータ25のコア面及び排気孔121に面して配されている。ラジエータ冷却ファン26は、排気孔121を通じてシステム筐体12の内側から外側へ送風することにより、ラジエータ25を冷却する。
The
バッテリ30は、発電要素(不図示)がバッテリ筐体31に収容された直流電源である。バッテリ30は、図2に示すように、燃料電池システム10のシステム筐体12上に配置されている。バッテリ30としては、例えば、鉛電池、ニカド電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池等の2次電池を用いることができる。本実施形態において、バッテリ30は、燃料電池11の起動時の駆動電源として用いられている。なお、特にこれに限定されず、バッテリ30は、フォークリフト100のモータ等の駆動源101に対する電源として用いてもよいし、燃料電池11の起動時の駆動電源及びフォークリフト100のモータ等の駆動源101に対する電源として併用してもよい。
The
このようなバッテリ30には、予め運用温度範囲が設定されている。例えば、鉛電池の場合、運用温度範囲の下限温度は例えば0℃であり、上限温度は例えば50℃である。また、ニカド電池、ニッケル水素電池、及びリチウムイオン電池の場合、運用温度範囲の下限値は例えば0℃であり、上限温度は例えば45℃である。バッテリ30を動作させる場合、バッテリ30の温度がこの運用温度範囲内に維持されていることが好ましい。ここで、バッテリ30の温度が運用温度範囲の下限値よりも高い場合、バッテリ30の容量の低下をより確実に抑制できるため好ましい。また、バッテリ30の温度が運用温度範囲の上限値よりも低い場合、バッテリ30を構成する材料が熱により劣化することをより確実に抑制できるため好ましい。
An operating temperature range is set in advance for such a
ヒートパイプ40は、その内部に封入された作動流体によって熱を移動させる熱伝達素子であり、図3に示すように、燃料電池システム10内部とバッテリ30とを熱的に接続している。また、本実施形態のヒートパイプ40は、可変コンダクタンス型のヒートパイプであり、断面円形状の密閉された金属製の容器を有し、その内部に不凝縮性ガスと作動流体とが封入されている。
The
このようなヒートパイプ40では、作動状態において、その内部で不凝縮性ガスと作動流体とが界面を隔ててバランスしており、ヒートパイプ40への入熱量や不凝縮性ガスの温度に応じてこの界面が移動し、燃料電池システム10内部からバッテリ30への熱移動のON/OFFが切り替わる。
In such a
この熱移動のON/OFFが切り替わる温度(以下、ヒートパイプ40の作動温度とも言う。)は、ヒートパイプ40に封入される不凝縮性ガスの種類や量、凝縮部42(後述)の容量等によって任意の温度に設定できる。本実施形態では、ヒートパイプ40の作動温度をバッテリ30の温度を基準に設定している。具体的には、バッテリ30の温度が所定の第1の温度以下の場合に、ヒートパイプ40による燃料電池システム10内部からバッテリ30への熱の移動が行われ、バッテリ30の温度が第1の温度よりも高い場合に、ヒートパイプ40による燃料電池システム10内部からバッテリ30への熱の移動の抑制が開始するように、ヒートパイプ40の作動温度を設定している。この所定の第1の温度としては、バッテリ30の運用温度範囲内の所定の温度とすることが好ましく、例えば30℃とすることができる。
The temperature at which the heat transfer is switched ON / OFF (hereinafter also referred to as the operating temperature of the heat pipe 40) is the type and amount of non-condensable gas sealed in the
なお、不凝縮性ガスとしては、アルゴン等を用いることができる。作動流体としては、特に限定されないが、使用可能な最低温度で凍結しない凝固点を有する材料が用いられ、例えば、水やアルコール等を用いることができる。 Note that argon or the like can be used as the non-condensable gas. Although it does not specifically limit as a working fluid, The material which has a freezing point which does not freeze at the lowest temperature which can be used is used, For example, water, alcohol, etc. can be used.
ヒートパイプ40は、図4に示すように、蒸発部41と、凝縮部42と、断熱部43と、貯蔵部44とを含んでいる。蒸発部41は、ヒートパイプ40の一端側に位置する所定の長さ部分である。凝縮部42は、ヒートパイプ40の他端側に位置する所定の長さ部分である。断熱部43は、蒸発部41と凝縮部42とを連通しており、蒸発部41と凝縮部42とを熱的に接続している。貯蔵部44は、不凝縮性ガスを貯蔵する部分であり、凝縮部42が位置する側のヒートパイプ40の端部に設けられている。貯蔵部44は、ヒートパイプ40の動作に応じて凝縮部42に向けて不凝縮性ガスを放出したり、凝縮部42から不凝縮性ガスを受け取ったりしている。
As shown in FIG. 4, the
本実施形態の電力供給装置1には、図5に示すように、3本のヒートパイプ40が設けられている。ここで、3本のヒートパイプ40のうち、真ん中のヒートパイプは、Z方向に対して略直線状に延在しており、貯蔵部44が凝集部42の上端に位置するように配されている。また、両端の2本のヒートパイプ40は、それぞれ熱拡散体50の領域内の一部において、上述した真ん中のヒートパイプ40に対して鋭角をなす方向(図5における略斜め方向)に沿って略直線状に屈曲しており、この屈曲された凝集部42の両端部には、Z方向に延在した2つの略直線状の凝集部42がそれぞれ連通されて設けられている。なお、左右のヒートパイプ40は、それぞれ貯蔵部44がZ方向に延在した略直線状の凝集部42の上端に位置するように配されている。また、上記の3本のヒートパイプ40は、上述した構成においてX方向に沿って並列されている。なお、ヒートパイプ40の数量や配置は、特に上述に限定されない。
As shown in FIG. 5, the
それぞれのヒートパイプ40は、システム筐体12の上面を貫通しており、システム筐体12の内部にヒートパイプ40の蒸発部41が配され、システム筐体12の外部にヒートパイプ40の凝縮部42が配されている。それぞれのヒートパイプ40の蒸発部41は、燃料電池システム10内部(具体的には、冷却ユニット20の冷却水タンク24)と熱的に接続され、それぞれのヒートパイプ40の凝縮部42は、熱拡散体50を介してバッテリ30と熱的に接続されている。
Each
さらに、それぞれのヒートパイプ40は、冷却水タンク24の上面を貫通して冷却水タンク24の内部まで延びている。それぞれのヒートパイプ40の蒸発部41は、冷却水タンク24に貯蔵された冷却水の液面よりも低い位置に配置されている。それぞれのヒートパイプ40の蒸発部41では、燃料電池11で発生し、冷却水タンク24に蓄積された熱によって、作動流体の温度が上昇し、液体から気体への相転移が生じることで、作動流体が液体から気体に変化している。
Further, each
それぞれのヒートパイプ40の凝縮部42は、熱拡散体50を介してバッテリ筐体31の側面に沿うように配されている。それぞれのヒートパイプ40の凝縮部42では、断熱部43を介して蒸発部41から供給される蒸発した作動流体が放熱することにより、作動流体の温度が低下し、気体から液体への相転移が生じることで、作動流体が気体から液体に変化するようになる。
The condensing
冷却水タンク24内に複数の蒸発部41を収容させるため、複数の蒸発部41は互いに集合させられている。一方、バッテリ30全体もしくは、バッテリ筐体31の各面のうち、ヒートパイプ40と対向しているバッテリ筐体31の側面に対してより一層均一に熱を放出するため、複数の凝縮部42は、互いに間隔を広く空けた状態でバッテリ30の側面に配されている。この場合、隣り合う蒸発部41同士の間の間隔P1は、隣り合う貯蔵部44同士の間の間隔P2に比べて狭くなっている。ここで、確認的に、上述した3本のヒートパイプ40の構成を換言すると、並列された複数のヒートパイプ40のうち両端に位置する2本は、蒸発部41に接近するに従い、並列された複数のヒートパイプ40のうち中心に位置する1本に接近するように屈曲する部分を有する。
In order to accommodate the plurality of
熱拡散体50は、ヒートスプレッタであり、銅やアルミニウム等の金属材料で形成される矩形平板状の部材である。この熱拡散体50は、図6に示すように、バッテリ筐体31の側面に取り付けられている。それぞれのヒートパイプ40は、熱拡散体50に設けられた貫通孔51内に挿通されている。なお、上述した両端のヒートパイプ40を挿通し得る貫通孔51については、その全体の外形が熱拡散体50の領域内に設けられた上述の凝集部42の外形に沿って設けられている。また、ヒートパイプ40の凝縮部42は、貫通孔51の内面と接触している。
The
以下に、本実施形態の電力供給装置1の作用を説明する。
Below, the effect | action of the electric
電力供給装置1において、燃料電池システム10を起動させると、液体燃料が燃料電池11のアノードに供給され、空気が燃料電池11のカソードに供給され、上記(1)及び(2)式に示す酸化還元反応により、燃料電池11が発電する。
In the
ここで、上記(1)式及び(2)式に示す化学反応は、発熱反応でもある。燃料電池11で発生した熱は、カソード排出物を介して凝縮器23で冷却水に伝達され、冷却水が燃料電池11の運転温度(例えば、常温以上で80℃近傍以下)近傍までに熱せられる。そして、この冷却水が冷却水タンク24に送られて、冷却水タンク24に熱が蓄積される。冷却水タンク24に蓄積された熱は、冷却水タンク24に貯蔵される冷却水中に配されたヒートパイプ40の蒸発部41に伝達される。この燃料電池11→凝縮器23→冷却水タンク24→ヒートパイプ40の蒸発部41からなる熱の移動によって、ヒートパイプ40内の作動流体が加熱され蒸発し、この蒸発に伴って潜熱(気化熱)がヒートパイプ40に吸収される。そして、蒸発部41において蒸発した作動流体がヒートパイプ40内を拡散移動し、凝縮部42に向かう作動流体の流れが生じる。
Here, the chemical reactions shown in the above formulas (1) and (2) are also exothermic reactions. The heat generated in the
ヒートパイプ40内には、不凝縮性ガスも封入されている。不凝縮性ガスは、凝縮部42に向かう作動流体の流れによってヒートパイプ40の凝縮部42側の端部に吹き寄せられる。これによって、ヒートパイプ40内において蒸発部41側に充満する作動流体と凝縮部42側に充満する不凝縮性ガスとが互いに界面を隔ててバランスを取りながら共存する。そして、ヒートパイプ40の温度が作動温度となって、熱移動がOFFからONに切り替わったときに、作動流体が凝縮部42に到達し、作動流体が冷却され凝縮する。この凝縮に伴って潜熱(凝縮熱)が放出され、凝縮部42からバッテリ30に対する放熱が行われる。
Non-condensable gas is also enclosed in the
ここで、本実施形態では、バッテリ30の温度を基準として、ヒートパイプ40による冷却水タンク24からバッテリ30への熱移動のON/OFFを切り替えており、具体的には、バッテリ30の温度が所定の第1の温度以下の場合に、ヒートパイプ40による燃料電池システム10内部からバッテリ30への熱の移動が行われ、バッテリ30の温度が第1の温度よりも高い場合に、ヒートパイプ40による燃料電池システム10内部からバッテリ30への熱の移動の抑制を開始するように設定している。
Here, in this embodiment, the heat transfer from the cooling
このため、バッテリ30の温度が所定の第1の温度近傍に収束するように、ヒートパイプ40による熱移動が自律的に実施される。このような所定の第1の温度をバッテリ30の運用温度範囲内の所定の温度とした場合、低温環境(例えば、10℃以下)においても、バッテリ30の温度が運用温度範囲内に保持されるので、バッテリ30が低温状態とならず、バッテリ30の容量低下を抑制することができる。また、蒸発部41への熱の移動量が大きく、バッテリ30の温度が上がり過ぎるおそれがある場合には、バッテリ30に対する熱の移動の抑制が開始されるため、バッテリ30の温度の上がり過ぎによるバッテリ30の信頼性低下を抑制することができる。また、燃料電池11で発生した熱を利用することで、バッテリ30や燃料電池11からの電力を消費することなく、バッテリ30の加熱が行われるので、電力供給装置1の連続稼働時間の短縮化を防ぐことができる。
For this reason, the heat transfer by the
また、本実施形態では、燃料電池11として、例えば常温以上80℃近傍以下と比較的低温で動作する燃料電池を用いている。このため、燃料電池11の運転温度は、例えば600℃以上と比較的高温で動作する固体酸化物型燃料電池(SOFC)と比較して、低く設定されている。これにより、燃料電池11を搭載する電力供給装置10が比較的高温になり難くなるため、車両の駆動用電源、空調設備用電源、又は非常用電源等の外部電源に電力供給装置10を適用した場合に、当該外部電源において高温に起因する問題が起こり難くなる。この結果、電力供給装置10を適用した外部電源を比較的安全に用いることができる。なお、本実施形態では、バッテリ30の運用温度も50℃以下と比較的低温に設定されており、例えば、300℃と比較的高温で運用されるNAS電池と比較して、バッテリ30の運用温度が低く設定されている。これによって、バッテリ30を備える電力供給装置10が比較的高温になり難くなるため、車両の駆動用電源、空調設備用電源、又は非常用電源等の外部電源に電力供給装置10を適用した場合に、当該外部電源において高温に起因する問題が起こり難くなる。この結果、電力供給装置10を適用した外部電源を比較的安全に用いることができる。
In the present embodiment, the
また、上述した通り、燃料電池11で発生した熱は、カソード排出物を介して凝縮器23で冷却水に伝達され、冷却水が燃料電池11の運転温度(例えば、常温以上で80℃以下)近傍までに熱せられる。そして、この冷却水が冷却水タンク24に送られるので、冷却水タンク24は熱が蓄積されやすい状態になり得る。そこで、本実施形態では、ヒートパイプ40の蒸発部41を冷却水タンク24に貯蔵された冷却水の液面よりも低い位置に配置している。これにより、燃料電池11で発生した熱が蓄積され易い冷却水タンク24からヒートパイプ40の蒸発部41に直接熱を移動させることができるので、冷却ユニット20からバッテリ30に向けた熱の移動を効率的に行うことができる。また、本実施形態では、ヒートパイプ40の蒸発部41を冷却水タンク24に貯蔵された冷却水の液面よりも低い位置に配置している為、ヒートパイプ40の蒸発部41が冷却水に直接浸される様になる。このため、冷却水を通じてヒートパイプ40の蒸発部41に直接伝熱することが可能となることから、冷却ユニット20からバッテリ30に向けた熱の移動を効率的に行うことができる。
Further, as described above, the heat generated in the
また、本実施形態では、ヒートパイプ40の凝縮部42は熱拡散体50を介してバッテリ30に熱的に接続されている。これにより、ヒートパイプ40の凝縮部42とバッテリ30との間の伝熱面積が増大するので、ヒートパイプ40の凝縮部42からバッテリ30への熱の移動量を増大させることができる。これによって、ヒートパイプ40の凝縮部42での作動流体の凝縮が促進されるので、バッテリ30に向けた熱の移動を効率的に行うことができる。
In the present embodiment, the condensing
本実施形態における「電力供給装置1」が本発明における「電力供給装置」の一例に相当し、本実施形態における「燃料電池11」が本発明における「燃料電池」の一例に相当し、本実施形態における「バッテリ30」が本発明における「バッテリ」の一例に相当し、本実施形態における「冷却ユニット20」が本発明における「冷却ユニット」の一例に相当し、本実施形態における「凝縮器23」が本発明における「熱交換器」の一例に相当し、本実施形態における「ヒートパイプ40」が本発明における「ヒートパイプ」の一例に相当し、本実施形態における「冷却水配管21」が本発明における「冷却水配管」の一例に相当し、本実施形態における「冷却水タンク24」が本発明における「冷却水タンク」の一例に相当し、本実施形態における「熱拡散体」が本発明における「熱拡散体」の一例に相当する。
The “
図7は本発明の他の実施の形態に係る電力供給装置を斜め上方から視た斜視図、図8は本発明の他の実施の形態に係る電力供給装置を示すブロック図である。なお、上述の実施形態と同様の構成には同一の符号を付し、繰り返しの説明は省略して、上述の実施形態においてした説明を援用する。 FIG. 7 is a perspective view of a power supply apparatus according to another embodiment of the present invention viewed obliquely from above, and FIG. 8 is a block diagram showing the power supply apparatus according to another embodiment of the present invention. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the structure similar to the above-mentioned embodiment, repeated description is abbreviate | omitted, and the description made in the above-mentioned embodiment is used.
図7及び図8に示す電力供給装置1Bは、システム筐体12の側面に取り付けられた受熱体60を備えている。この受熱体60は、フィンであり、銅やアルミニウム等の金属材料で形成されている。受熱体60の構造は、特に限定されず、公知のフィンに採用される構造を用いることができる。このような受熱体60は、システム筐体12の排気孔121に面しており、この排気孔121を介してラジエータ冷却ファン26に対向するように配されている。なお、この排気孔121や受熱体60は、燃料電池システム10の冷却ユニット20の構成の一部であってもよい。
The
それぞれのヒートパイプ40Bの蒸発部41Bは、システム筐体12の外部に位置しており、受熱体60を介して燃料電池10内部と熱的に接続されている。なお、「蒸発部41Bが受熱体60を介して燃料電池10内部と熱的に接続されている」とは、燃料電池11で発生した熱が受熱体60を介して蒸発部41Bに到達して、蒸発部41Bに取り込まれることを言い、より具体的には、燃料電池11で発生した熱がラジエータ冷却ファン26によって燃料電池システム10の内部から外部に放出され、受熱体60を介して蒸発部41Bに到達して、蒸発部41Bに取り込まれることを言う。それぞれのヒートパイプ40Bは、受熱体60に設けられた貫通孔に挿通されており、ヒートパイプ40Bの蒸発部41Bが受熱体60の貫通孔の内面と接触している。なお、本実施形態では、上述の実施形態のように冷却水タンク24内にヒートパイプ40Bの蒸発部41を必ずしも集合させる必要がないため、それぞれのヒートパイプ40Bは、Z方向に沿って直線状に延在する形状とされている。
The
本実施形態では、排気孔121を介して、ラジエータ冷却ファン26の排気(温風)が受熱体60に吹き付けられている。この場合、燃料電池11→凝縮器23→ラジエータ25→ラジエータ冷却ファン26→受熱体60→ヒートパイプ40Bの蒸発部41Bからなる熱の移動によって、ヒートパイプ40B内の作動流体が加熱され蒸発する。これによって、ヒートパイプ40B内に燃料電池11で生じた熱が吸収される。
In the present embodiment, the exhaust (warm air) of the
この場合に、本実施形態では、蒸発部41Bに比べて広い伝熱面積を有する受熱体60を介して、ラジエータ冷却ファン26からヒートパイプ40Bの蒸発部41Bへの熱の移動を行っており、これによって、ラジエータ冷却ファン26からヒートパイプ40Bの蒸発部41Bへの熱の移動量を増大させることができる。この結果、ヒートパイプ40Bの蒸発部41Bでの作動流体の蒸発が促進されるので、バッテリ30に向けた熱の移動を効率的に行うことができる。
In this case, in the present embodiment, heat is transferred from the
そして、蒸発した作動流体が凝縮部42に到達することで、上述の実施形態と同様、凝縮部42からバッテリ30に対する放熱が行われる。
Then, when the evaporated working fluid reaches the condensing
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。 The embodiment described above is described for facilitating the understanding of the present invention, and is not described for limiting the present invention. Therefore, each element disclosed in the above embodiment is intended to include all design changes and equivalents belonging to the technical scope of the present invention.
たとえば、上記実施形態の燃料電池システム10は、燃料電池11としてダイレクトメタノール型の燃料電池を備えるが、燃料電池としては、ダイレクトエタノール型等の他のダイレクトアルコール型の燃料電池や、その他の燃料を直接供給する形式の燃料電池も採用できる。
For example, the
1…電力供給装置
10…燃料電池システム
11…燃料電池
111…発電セル
112…集電体
113…エンドプレート
11A…燃料供給口
11B…空気供給口
11C…燃料排出口
11D…空気排出口
12…システム筐体
121…排気孔
13…燃料タンク
14…燃料ポンプ
15…ブロワ
16…気液分離器
17…外部燃料タンク
18…外部燃料ポンプ
20…冷却ユニット
21…冷却水配管
22…冷却水ポンプ
23…凝縮器
24…冷却水タンク
25…ラジエータ
26…ラジエータ冷却ファン
30…バッテリ
31…バッテリ筐体
40…ヒートパイプ
41…蒸発部
42…凝縮部
43…断熱部
44…貯蔵部
50…熱拡散体
51…貫通孔
60…受熱体
100…フォークリフト
101…駆動源
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記燃料電池システム内部と前記バッテリとを熱的に接続するヒートパイプとを備え、
前記バッテリの温度が、所定の第1の温度以下の場合に、前記ヒートパイプによる前記燃料電池システム内部から前記バッテリへの熱の移動が行われ、
前記バッテリの温度が前記第1の温度よりも高い場合に、前記ヒートパイプによる前記燃料電池システム内部から前記バッテリへの熱の移動の抑制が開始される電力供給装置。 A power supply apparatus comprising a fuel cell system including at least a fuel cell and a battery,
A heat pipe that thermally connects the inside of the fuel cell system and the battery;
When the temperature of the battery is equal to or lower than a predetermined first temperature, heat is transferred from the inside of the fuel cell system to the battery by the heat pipe,
An electric power supply device in which, when the temperature of the battery is higher than the first temperature, suppression of heat transfer from the inside of the fuel cell system to the battery by the heat pipe is started.
前記第1の温度は、前記バッテリの運用温度の範囲内の温度である電力供給装置。 The power supply device according to claim 1,
The power supply device, wherein the first temperature is a temperature within an operating temperature range of the battery.
前記燃料電池は、固体高分子形燃料電池である電力供給装置。 The power supply device according to claim 1 or 2,
The fuel cell is a power supply device which is a polymer electrolyte fuel cell.
前記燃料電池システムは、前記燃料電池から発生する熱を受け取る熱交換器を少なくとも含む冷却ユニットを備え
前記ヒートパイプは、前記冷却ユニットの少なくとも一部と前記バッテリとを熱的に接続している電力供給装置。 The power supply device according to any one of claims 1 to 3,
The fuel cell system includes a cooling unit including at least a heat exchanger that receives heat generated from the fuel cell. The heat pipe electrically connects at least a part of the cooling unit and the battery. Feeding device.
前記冷却ユニットは、
冷却水を通す冷却水配管と、
前記冷却水配管に設けられ、前記冷却水が貯蔵される冷却水タンクとを含み、
前記熱交換器は、前記冷却水配管において前記冷却水タンクの上流側に設けられており、
前記ヒートパイプの一端は、前記冷却水タンクに貯蔵された前記冷却水の液面よりも低い位置に配置されている電力供給装置。 The power supply device according to claim 4,
The cooling unit is
Cooling water piping for passing cooling water;
A cooling water tank provided in the cooling water pipe and storing the cooling water;
The heat exchanger is provided upstream of the cooling water tank in the cooling water pipe,
One end of the heat pipe is a power supply device disposed at a position lower than the liquid level of the cooling water stored in the cooling water tank.
前記ヒートパイプは、可変コンダクタンス型のヒートパイプである電力供給装置。 The power supply device according to any one of claims 1 to 5,
The power supply device is a variable conductance heat pipe.
前記バッテリに取り付けられた熱拡散体を備え、
前記ヒートパイプは、前記熱拡散体を介して前記バッテリと熱的に接続されている電力供給装置。 The power supply device according to any one of claims 1 to 6,
Comprising a heat spreader attached to the battery;
The heat pipe is a power supply apparatus that is thermally connected to the battery via the thermal diffuser.
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