JP3742865B2 - 燃料電池車両の冷却システム及びその冷却パイプ - Google Patents
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Description
本発明は燃料電池車両に関し、さらに詳しくは燃料電池車両の冷却システム及びこれに用いられる冷却パイプに関する。
一般に燃料電池車両に設けられる燃料電池は、燃料電池スタックのアノード極（ａｎｏｄｅ）に供給される燃料ガス（水素）とカソード極（ｃａｔｈｏｄｅ）に供給される空気（酸素）を利用して電気エネルギーを生成し、車両は前記電気エネルギーを利用してモータを駆動して走行する。
即ち、アノード極に供給された燃料ガスの水素が水素イオンと電子に分解し、水素イオンは選択的に高分子電解質膜を通過して、カソード極に伝達する。この時、両極を連結する導線には電流が生成され、カソード極に移動した水素イオンはカソード極に供給された空気の中の酸素と反応して水及び熱が生成され、未反応燃料ガスと空気は排出される。
図１に従来技術による燃料電池車両の冷却システムを示す。図１に示すように燃料電池冷却システムには燃料電池スタック用冷却水循環系流路とアキュムレータ用冷却水循環系流路が含まれている。
燃料電池スタック用冷却水循環系流路は第１ラジエータ２３と燃料電池スタック１３を通過するように構成される。燃料電池スタック１３を通過する冷却水は空気と燃料ガスの反応によって発生する反応熱を吸収し、反応熱を吸収した冷却水は第１ラジエータ２３で第１ファン２５によって導入される空気と熱交換を行い冷却された後、再び燃料電池スタック１３に供給される。
一方、アキュムレータ用冷却水循環系流路は第２ラジエータ２９、空気アキュムレータ１７、燃料ガスアキュムレータ１５を通過するように構成される。
燃料電池スタック１３から排出される余剰空気及び燃料ガスは空気アキュムレータ１７及び燃料ガスアキュムレータ１５で冷却水によって凝縮された後、外部に排出される。凝縮熱を吸収した凝縮水は第２ラジエータ２９で第２ファン３１によって導入される空気と熱交換を行い冷却された後、再び空気アキュムレータ１７に供給される。
前記のように、従来の技術による燃料電池車両の冷却システムは２つの冷却水循環系流路を別個に形成しているために、冷却システムの構成が複雑になるだけでなく、ラジエータを装着するための空間確保が難しいという問題点がある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−３３９８０８号公報
従って、本発明は前記問題点を解決するためになされたものであって、アキュムレータ用の冷却システムと燃料電池スタック用の冷却システムを、性能を低下させることなく統合した構成として、コンパクトなサイズを有する燃料電池車両の冷却システムを提供することを目的とする。
本発明による燃料電池車両の冷却システムは、燃料電池スタックに燃料ガスを供給し、燃料電池スタックからの燃料ガスを燃料ガスアキュムレータを通じて排出する燃料ガス系流路；燃料電池スタックに空気を供給し、燃料電池スタックからの空気を空気アキュムレータを通じて排出する空気系流路；及びポンプによって生成される圧力を利用して前記燃料電池スタック、燃料ガスアキュムレータ、空気アキュムレータに冷却水を供給し、回収される冷却水をラジエータを通じて冷却する冷却水循環ラインを含んで構成される。
前記燃料電池スタックと前記燃料ガスアキュムレータの間の前記燃料ガス系流路と、前記燃料電池スタックと前記空気アキュムレータの間の前記空気系流路と、前記冷却水循環ラインは外周面に複数の冷却フィンが形成された冷却用パイプで形成されることが好ましい。
また、前記冷却フィンは流線型で形成されることが好ましい。
また、前記冷却用パイプの外周面には屈曲が形成されることが好ましい。
本発明に係る燃料電池車両の冷却システムによれば、アキュムレータ用の冷却システムと燃料電池スタック用の冷却システムを、性能を低下させることなく統合して構成することができ、コンパクトなサイズの燃料電池車両の冷却システムができる。
以下、本発明による一実施例について、本発明の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図面を用いて詳細に説明する。しかし、本発明は多様に変形された形態で実現することができ、ここで説明する実施例に限定されない。
図２に本発明の一実施例による燃料電池車両の冷却システムの構成を示すブロック図である。
燃料ガス系流路は加湿器１１、燃料電池スタック１３、及び燃料ガスアキュムレータ１５を通過するように構成される。前記加湿器１１は供給される燃料ガスを加湿し、水分を含有した燃料ガスが燃料電池スタック１３に供給される。反応後、燃料電池スタック１３から排出される余剰燃料ガスは燃料ガスアキュムレータ１５を通過して排出される。この時、前記燃料ガスアキュムレータ１５は燃料ガスに含まれている水分を凝縮して水にする。
一方、空気系流路は加湿器１１、燃料電池スタック１３、及び空気アキュムレータ１７を通過するように構成される。前記加湿器１１は供給される空気を加湿し、水分を含有した空気が燃料電池スタック１３に供給される。反応後、燃料電池スタック１３から排出される余剰空気は空気アキュムレータ１７を通過して排出される。この時、前記空気アキュムレータは空気に含まれている水分を凝縮して水にする。
前記加湿器１１は燃料電池スタック１３に供給される燃料ガスと空気を加湿して燃料電池スタック１３の膜−電極アセンブリー（ＭＥＡ）が損傷するのを防止する。
前記燃料ガス系流路と空気系流路には、図２には示していないがその流路に流量制御器、流量計測器、フィルター、バルブなどを設けることができ、これは当業者に自明なことである。
一方、冷却水循環ライン（燃料電池スタック用冷却水循環系流路）はポンプ１９、加湿器１１、空気アキュムレータ１７、燃料ガスアキュムレータ１５、第１ラジエータ２３を通過するように構成される。
ポンプ１９が第１ラジエータ２３の出口側に設けられて、冷却水を加圧して燃料電池スタック１３及び空気アキュムレータ１７に圧送する。
燃料電池スタック１３を通過する冷却水は空気と燃料ガスの反応で発生する熱を吸収する。燃料電池スタック１３から排出される冷却水は加湿器１１に供給されて、燃料電池スタック１３に供給される燃料ガスと空気を加湿するのに用いられる。
一方、冷却水は余剰燃料ガスと空気に含まれている水分を凝縮するために空気アキュムレータ１７及び燃料ガスアキュムレータ１５を通過する。
燃料ガスアキュムレータ１５を通過した冷却水は加湿器１１を通過した冷却水と合流し、リザーバ２１を経て第１ラジエータ２３に供給される。
第１ラジエータ２３に供給される冷却水は燃料電池スタック１３で燃料ガスと空気の反応で発生する反応熱と、空気アキュムレータ１７及び燃料ガスアキュムレータ１５の凝縮過程で発生する凝縮熱を含有している。第１ファン２５は第１ラジエータ２３に外部空気を供給し、冷却水と外部空気の間で熱交換が行なわれる。
第１ラジエータ２３で冷却された冷却水は再びポンプ１９に供給されて冷却水循環ラインに沿って流動する。
図３は本発明による燃料電池車両の冷却システムに用いられる冷却用パイプの斜視図である。
前記冷却用パイプ３３の外周面には複数の冷却フィン３５が形成される。前記冷却フィン３５は冷却用パイプ３３と外部空気との間の接触面積を増加させて熱交換効率を増加させる。また、前記複数の冷却フィン３５は流線型で形成されて、冷却用パイプ３３を通過する外部空気の流れを円滑にする。
再び図２に戻って説明すると、前記燃料電池スタック１３と前記燃料ガスアキュムレータ１５との間の前記燃料ガス系流路と、前記燃料電池スタック１３と前記空気アキュムレータ１７との間の前記空気系流路と、前記冷却水循環ラインは外周面に複数の冷却フィン３５が形成された図３に示す冷却用パイプ３３で構成される。
従って、空気アキュムレータ１７及び燃料ガスアキュムレータ１５に供給される余剰空気及び燃料ガスは冷却パイプ３３を通過する時に外部空気と熱交換が行なわれて、空気アキュムレータ１７及び燃料ガスアキュムレータ１５に供給されるので、一般のパイプが用いられる場合と比較してアキュムレータ１５、１７を通過する冷却水の温度上昇をさらに抑制できる。
また、冷却水循環ライン全部が冷却用パイプ３３で構成されることによって、冷却水に対する冷却性能はさらに向上する。
従って、１つのラジエータのみを設けてアキュムレータ冷却システムと燃料電池スタック冷却システムを統合しても、その冷却性能を低下させずに、コンパクトな冷却システムを構成することができる。
また、十分な熱交換量を確保するために前記冷却用パイプ３３を重複して多重パイプで構成したり、前記冷却用パイプの外周面に屈曲を形成することも可能である。
１１ 加湿器
１３ 燃料電池スタック
１５ 燃料ガスアキュムレータ
１７ 空気アキュムレータ
１９ ポンプ
２１ リザーバ
２３ 第１ラジエータ
３３ 冷却用パイプ
３５ 冷却フィン
１３ 燃料電池スタック
１５ 燃料ガスアキュムレータ
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Claims (7)
- 燃料電池スタックに燃料ガスを供給し、燃料電池スタックからの燃料ガスを燃料ガスアキュムレータを通じて排出する燃料ガス系流路；
燃料電池スタックに空気を供給し、燃料電池スタックからの空気を空気アキュムレータを通じて排出する空気系流路；及び
ポンプによって生成される圧力を利用して前記燃料電池スタック、燃料ガスアキュムレータ、空気アキュムレータに冷却水を供給し、回収される冷却水をラジエータを通じて冷却する冷却水循環ラインを含むことを特徴とする燃料電池車両の冷却システム。 - 前記燃料電池スタックと前記燃料ガスアキュムレータとの間の前記燃料ガス系流路と、前記燃料電池スタックと前記空気アキュムレータとの間の前記空気系流路と、前記冷却水循環ラインは外周面に複数の冷却フィンが形成された冷却用パイプで形成されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池車両の冷却システム。
- 前記冷却フィンは流線型で形成されることを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池車両の冷却システム。
- 前記冷却用パイプの外周面には屈曲が形成されることを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池車両の冷却システム。
- 燃料電池スタックに燃料ガスを供給し、燃料電池スタックからの燃料ガスを燃料ガスアキュムレータを通じて排出する燃料ガス系流路；燃料電池スタックに空気を供給し、燃料電池スタックからの空気を空気アキュムレータを通じて排出する空気系流路；及びポンプによって生成される圧力を利用して前記燃料電池スタック、燃料ガスアキュムレータ、空気アキュムレータに冷却水を供給し、回収される冷却水をラジエータを通じて冷却する冷却水循環ラインを含む燃料電池車両の冷却システムの冷却用パイプであって、
その外周面に複数の冷却フィンが形成されて、前記燃料電池スタックと前記燃料ガスアキュムレータとの間の前記燃料ガス系流路と、前記燃料電池スタックと前記空気アキュムレータとの間の前記空気系流路と、前記冷却水循環ラインを構成することを特徴とする燃料電池車両の冷却システムの冷却用パイプ。 - 前記冷却フィンは流線型で形成されることを特徴とする、請求項５に記載の燃料電池車両の冷却システムの冷却用パイプ。
- 前記冷却用パイプの外周面には屈曲が形成されることを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池車両の冷却システムの冷却用パイプ。
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