JP5919668B2 - 冷却システム - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池車両に搭載されるヒーターコアに流入する冷却液の流量を調整する冷却システムに関する。

燃料電池を冷却することで温度が上昇した冷却液を利用して、エアコンディショナーのヒーターコアを加熱する冷却システムが知られている(特許文献１参照)。

特開２００７−１７３０３６号公報

しかしながら、特許文献１の冷却システムでは、冷却液を常時ヒーターコアに流すことが開示されている。このような構成では、暖機を促進したい冷機時にヒーターコアから放熱されてしまうため、暖機の妨げになってしまう。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされた。本発明の目的は、冷機時にヒーターコアによって放熱する熱量を抑制でき、暖機を促進できる冷却システムを提供することである。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。

本発明による冷却システムのひとつの態様は、燃料電池と、冷却液の熱を放熱するラジエーターと、冷却液が循環して流れるように、前記燃料電池と前記ラジエーターとを結んで設けられる冷却液循環流路と、冷却液が前記ラジエーターをバイパスするように、ラジエーターよりも上流の冷却液循環流路とラジエーターよりも下流の冷却液循環流路とを結ぶラジエーターバイパス流路と、を含む。また、前記ラジエーターバイパス流路に設けられ、空気を加温するヒーターコアと、冷却液がヒーターコアをバイパスするように、前記ヒーターコアよりも上流から分岐するヒーターコアバイパス流路と、冷却液が温まるにつれて、冷却液が前記ヒーターコアに流れ易くなるようにする流量調整部と、をさらに含む。そして、前記流量調整部は、前記ヒーターコアバイパス流路に設けられるオリフィスであることを特徴とする。

この態様によれば、冷却液が低温のときは冷却液がヒーターコアに流れ難く、バイパス流路側へ流れることになる。これにより、冷機時にはヒーターコアからの放熱を抑制できるので、暖機を促進できる。

一方、冷却液が温まるにつれて、ヒーターコアへ温まった冷却液が循環するようになるので、暖房性能も損なわない。

本発明の実施形態、本発明の利点については、添付された図面を参照しながら以下に詳細に説明する。

図１は、本発明による冷却システムの第１実施形態を示す図である。 図２は、本実施形態による作用効果を説明する図である。 図３は、本発明による冷却システムの第２実施形態を示す図である。 図４は、本発明による冷却システムの第３実施形態を示す図である。 図５は、本発明による冷却システムの第４実施形態を示す図である。 図６は、本発明による冷却システムの第５実施形態を示す図である。 図７は、本発明による冷却システムの第６実施形態を示す図である。 図８は、本発明による冷却システムの第７実施形態を示す図である。 図９は、本発明による冷却システムの第８実施形態を示す図である。

（第１実施形態）
図１は、本発明による冷却システムの第１実施形態を示す図である。

冷却システム１は、燃料電池１０と、ラジエーター２０と、冷却液循環流路３０と、ラジエーターバイパス流路４０と、三方弁５０と、ヒーターコア６０と、ヒーターコアバイパス流路７０と、ヒーター８０と、冷却液ポンプ９０と、を含む。

燃料電池１０は、電解質膜の両面にカソード電極触媒層及びアノード電極触媒層が形成された膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly；ＭＥＡ)が数百枚積層されて構成される。反応ガス(カソードガスＯ₂、アノードガスＨ₂)が供給されると、各膜電極接合体(ＭＥＡ)は、カソード電極触媒層及びアノード電極触媒層において次式(1-1)(1-2)の反応が生じて発電する。

このような発電反応が効率的に行われるには、電解質膜が適度な湿潤状態に維持されていることが望ましい。電解質膜の湿潤状態は、燃料電池の温度と相関する。燃料電池の温度が高いと電解質膜の湿潤状態が下がって乾燥しやすくなる。燃料電池の温度が低いと電解質膜の湿潤状態が上がって湿潤しやすくなる。そこで燃料電池の温度を管理することが重要である。そこで、燃料電池スタック１０には、冷却液循環流路３０が接続される。

ラジエーター２０は、冷却液の熱を放熱する。ラジエーター２０は、冷却液循環流路３０に設けられる。

冷却液循環流路３０は、冷却液が循環して流れるように、燃料電池１０とラジエーター２０とを結ぶ。なお本実施形態では、冷却液は、図中の矢印方向に流れて循環する。循環する冷却液は、燃料電池１０の入口１１から流入し、出口１２から流出する。

ラジエーターバイパス流路４０は、ラジエーター２０よりも上流の冷却液循環流路３０とラジエーター２０よりも下流の冷却液循環流路３０とを結ぶ。冷却液は、ラジエーターバイパス流路４０を流れると、ラジエーター２０をバイパスする。

三方弁５０は、冷却液循環流路３０とラジエーターバイパス流路４０とが交わる場所に設けられる。本実施形態では、三方弁５０は、冷却液循環流路３０を流れた冷却液とラジエーターバイパス流路４０を流れた冷却液とが合流する合流部分に設けられる。三方弁５０は、冷却液循環流路３０から流れてきた冷却液の流量とラジエーターバイパス流路４０から流れてきた冷却液の流量とを調整することで、冷却液を所定温度にして流出させる。三方弁５０は、サーモスタット弁でも電制弁でもよい。

ヒーターコア６０は、エアコンディショナーを構成する部品である。ヒーターコア６０は、ラジエーターバイパス流路４０に設けられる。ヒーターコア６０は、多数のチューブと、チューブに接合されるフィンとを備える。チューブには、ラジエーターバイパス流路４０から流入した冷却液が流れる。またフィンの間には、空気が流れる。このような構成になっているので、フィンの間を流れた空気が加温されて温風になる。このような加温効率が良くなるように、容積に対して表面積が大きいことが望ましい。そのため、チューブは、ラジエーターバイパス流路４０よりも径が小さい。そしてこのような小径のチューブが多数設けられる。また放熱性向上のため、このようなチューブを蛇行させて流路長が長くなるように設けられることもある。

ヒーターコアバイパス流路７０は、ヒーターコア６０よりも上流のラジエーターバイパス流路４０から分岐する。また本実施形態では、ヒーターコアバイパス流路７０は、三方弁５０よりも下流であって冷却液ポンプ９０よりも上流の冷却液循環流路３０に合流する。冷却液は、ヒーターコアバイパス流路７０を流れると、ヒーターコア６０をバイパスする。この結果、ラジエーターバイパス流路４０を流れる冷却液の一部が、ラジエーターバイパス流路４０からヒーターコアバイパス流路７０に分岐し、冷却液循環流路３０に合流して、ヒーターコア６０をバイパスする。ヒーターコアバイパス流路７０には、オリフィス７０ａが設けられる。

ヒーター８０は、ヒーターコアバイパス流路７０がラジエーターバイパス流路４０から分岐する場所よりも上流のラジエーターバイパス流路４０に設けられる。ヒーター８０は、冷却液を加熱する。すなわち、燃料電池１０を冷温始動するときに、ヒーター８０が冷却液を加熱する。このようにすれば、冷却液が早期に適温に達する。またヒーターコア６０の加温能力が不足するときに、ヒーター８０が冷却液を加熱する。このようにすれば、エアコンディショナーから適温の温風が送られる。

冷却液ポンプ９０は、冷却液を圧送する。冷却液ポンプ９０は、冷却液循環流路３０とラジエーターバイパス流路４０とが交わる場所よりも下流であって燃料電池１０よりも上流の冷却液循環流路に設けられる。本実施形態では、三方弁５０よりも下流であって燃料電池１０よりも上流の冷却液循環流路３０に設けられる。冷却液ポンプ９０は、たとえば電動モーターによって駆動される。冷却液の流量は、冷却液ポンプ９０の回転速度によって調整される。冷却液ポンプ９０の回転速度が大であるほど、冷却液の流量も大である。

図２は、本実施形態による作用効果を説明する図である。

図２(Ａ)の細破線は、低温時のヒーターコアによる圧力損失を示す。また図２(Ａ)の太破線は、低温時のヒーターコアバイパス流路による圧力損失を示す。

低温時には、冷却液の粘性が上がることなどに基因して、低温時における冷却液ポンプ９０による入口と出口との圧力差ΔＰは、高温時における冷却液ポンプ９０による入口と出口との圧力差ΔＰに比べて小さく、たとえば図２(Ａ)のΔＰ１である。

これらから、低温時にヒーターコア６０に流れる流量はＱ１であり、低温時にヒーターコアバイパス流路７０に流れる流量はＱ２であることが判る。流量Ｑ１は、流量Ｑ２よりも小さい。

また図２(Ａ)の細実線は、高温時のヒーターコアによる圧力損失を示す。図２(Ａ)の太実線は、高温時のヒーターコアバイパス流路による圧力損失を示す。

高温時には、冷却液の粘性が下がることなどに基因して、高温時における冷却液ポンプ９０による入口と出口との圧力差ΔＰは、低温時における冷却液ポンプ９０による入口と出口との圧力差ΔＰに比べて大きく、たとえば図２(Ａ)のΔＰ２である。

これらから、高温時にヒーターコア６０に流れる流量はＱ４であり、高温時にヒーターコアバイパス流路７０に流れる流量はＱ３であることが判る。流量Ｑ４は、流量Ｑ３よりも大きい。

このように、本実施形態によれば、低温時には、ヒーターコア６０に流れる流量Ｑ１が、ヒーターコアバイパス流路７０に流れる流量Ｑ２よりも小さい。また、高温時には、ヒーターコア６０に流れる流量Ｑ４が、ヒーターコアバイパス流路７０に流れる流量Ｑ３よりも大きくなる。すなわち低温時と高温時とで流量の大小が逆転する。このようになる理由について説明する。

本実施形態では、ヒーターコアバイパス流路７０にオリフィス７０ａが設けられている。オリフィスの圧力損失ΔＰは、理論的には次式(2)で表される。

すなわちオリフィスの圧力損失ΔＰは、冷却液の密度ρに比例するとともに、流速ｖの２乗に比例する。温度変化に対しては密度ρが関連するが、エチレングリコール５０％水溶液は、温度に対する密度の変化は微小である。密度は、−２０℃と６０℃とでも３％程度しか変化しない。

そこでヒーターコアバイパス流路７０の管径をある程度太くして流速を下げておくとともに、ヒーターコアバイパス流路７０に、オリフィス７０ａを設けることで圧力損失を付ければ、温度が変化しても、圧力損失は数%程度しか変化しないこととなる。

これに対して、ヒーターコア６０のチューブは、上述のように、ラジエーターバイパス流路４０よりも径が小さい。そしてこのような小径のチューブが多数設けられる。また放熱性向上のため、このようなチューブを蛇行させて流路長が長くなるように設けられることもある。このような構成では、圧力損失は、温度差による冷却液の粘性変化の影響を受けやすい。そのためヒーターコア６０の圧力損失は、図２(Ｂ)に示されるように、温度によって大きく変化する。

このため、本実施形態のように構成することで、冷却液が低温のときは、ヒーターコア６０には冷却液が流れにくく、ヒーターコアバイパス流路７０(オリフィス７０ａ)に冷却液が流れやすい。そして、冷却液が温まるにつれて、徐々にヒーターコア６０に冷却液が流れ易くなる。したがって、本来、冷却液の熱を放熱したくない低温時に、ヒーターコア６０からの放熱量を低減することが可能である。

またたとえば特許文献１のシステムでは、冷却液の熱を放熱する部品がヒーターコアだけである。したがって、外気が高い環境(エアコンディショナーのヒーターを使用しない環境)では、冷却液の熱を十分に放熱できない可能性がある。これに対して、本実施形態では冷却液循環流路３０にラジエーター２０が設けられる。ゆえに、外気が高い環境(エアコンディショナーのヒーターを使用しない環境)でも、冷却液の熱を十分に放熱できる。

さらにヒーター８０が設けられるので、燃料電池１０を冷温始動するときに、冷却液が加熱され、燃料電池１０に流入する冷却液が早期に適温に達する。またヒーターコア６０の加温能力が不足するときに、ヒーター８０が冷却液を加熱するので、エアコンディショナーから適温の温風が送られる。

なお低温時には、温められた冷却液をできる限り早期に燃料電池に戻したい。そこで、図１に示されるように、ヒーターコアバイパス流路７０をできる限り短くすることが望ましい。このようにすれば、ヒーターコアバイパス流路７０から熱が放熱されにくいので好ましい。

（第２実施形態）
図３は、本発明による冷却システムの第２実施形態を示す図である。

なお以下では前述と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。

本実施形態では、ヒーターコアバイパス流路７０には、シャット弁７０ｂが設けられる。なおこのシャット弁７０ｂは、冷却液の温度が低いときには開度が大きく、冷却液の温度が上がるにつれて開度が小さくなるものであれば、電制タイプでもサーモスタットタイプでもよい。このような構成であっても、冷却液が低温のときは、ヒーターコアバイパス流路７０に冷却液が流れやすく、そして、冷却液が温まるにつれて、徐々にヒーターコア６０に冷却液が流れ易くなる。したがって第１実施形態と同様の作用効果が得られる。

（第３実施形態）
図４は、本発明による冷却システムの第３実施形態を示す図である。

本実施形態では、ヒーターコアバイパス流路７０がラジエーターバイパス流路４０から分岐する場所よりも下流のラジエーターバイパス流路４０に、シャット弁４０ａがさらに設けられる。なおこのシャット弁４０ａは、冷却液の温度が低いときには開度が小さく、冷却液の温度が上がるにつれて開度が大きくなるものであれば、電制タイプでもサーモスタットタイプでもよい。このような構成であっても、冷却液が低温のときは、ヒーターコアバイパス流路７０に冷却液が流れやすく、そして、冷却液が温まるにつれて、徐々にヒーターコア６０に冷却液が流れ易くなる。したがって、上記各実施形態と同様の作用効果が得られる。

（第４実施形態）
図５は、本発明による冷却システムの第４実施形態を示す図である。

本実施形態では、ヒーターコアバイパス流路７０がラジエーターバイパス流路４０から分岐する場所に三方弁５１が設けられる。この三方弁５１は、冷却液が低温のときは、ヒーターコアへ流れる冷却液の流量を少なくし、ヒーターコアバイパス流路７０へ流れる冷却液の流量を多くする。そして、冷却液が温まるにつれて、徐々にヒーターコアへ流れる冷却液の流量を多くする。したがって、本実施形態によっても、上記各実施形態と同様の作用効果が得られる。なお三方弁５１として、冷却液の温度によって流量を調整するサーモスタット弁が使用されれば、製造コストが安価に抑えられる。

（第５実施形態）
図６は、本発明による冷却システムの第５実施形態を示す図である。

本実施形態では、冷却液循環流路３０とヒーターコアバイパス流路７０とが交わる場所に、三方弁５２が設けられる。このようにしても、上記各実施形態と同様の作用効果が得られる。なお三方弁５２として、第４実施形態と同様に、サーモスタット弁が使用されれば、製造コストが安価に抑えられる。

（第６実施形態）
図７は、本発明による冷却システムの第６実施形態を示す図である。

第５実施形態では、２つの三方弁が使用されたが、本実施形態では、１つの四方弁が使用される。すなわち本実施形態では、ヒーターコアバイパス流路７０が冷却液循環流路３０に合流する場所に、四方弁５３が設けられる。また四方弁５３には、ラジエーターバイパス流路４０が合流する。そして四方弁５３から流出した冷却液が、冷却液ポンプ９０に流入する。このような構成であっても、上記各実施形態と同様の作用効果が得られる。また第５実施形態では、２つの三方弁が使用されたが、本実施形態では、１つの四方弁が使用されればよい。このようにすれば弁の数が少なくて済み、製造コストが安価に抑えられる。

（第７実施形態）
図８は、本発明による冷却システムの第７実施形態を示す図である。

上記各実施形態では、ヒーターコアバイパス流路７０は、三方弁５０よりも下流であって冷却液ポンプ９０よりも上流の冷却液循環流路３０に合流していた。これに対して、本実施形態では、ヒーターコアバイパス流路７０は、ヒーターコア６０よりも下流であって三方弁５０よりも上流のラジエーターバイパス流路４０に合流する。このような構成であっても、上記各実施形態と同様の作用効果が得られる。

（第８実施形態）
図９は、本発明による冷却システムの第８実施形態を示す図である。

本実施形態では、三方弁５０のハウジング５１にバイパス流路５５が設けられている。ここで図９(Ｂ)を参照して、三方弁５０の構造について説明する。なおここでは、サーモスタット弁が三方弁５０として使用されるが、電制弁であってもよい。

三方弁(サーモスタット弁)５０は、ハウジング５１と、低温側弁体５２と、高温側弁体５３と、伸縮体５４と、を含む。

ハウジング５１には、低温部５１ａと高温部５１ｂと中温部５１ｃとが形成される。低温部５１ａには、ラジエーター２０で放熱された低温の冷却液が流入する。高温部５１ｂには、ラジエーターバイパス流路４０を流れてラジエーター２０をバイパスした高温の冷却液が流入する。中温部５１ｃは、低温側開口５１ｄを介して低温部５１ａに連通するとともに高温側開口５１ｅを介して高温部５１ｂに連通する。

低温側弁体５２は、低温側開口５１ｄを開閉する。

高温側弁体５３は、高温側開口５１ｅを開閉する。

伸縮体５４は、低温側弁体５２及び高温側弁体５３に接続される。伸縮体５４には、ワックス(たとえばパラフィンワックス)が内蔵される。このようなワックスは、温度に応じて熱膨張するので、温度に応じて低温側弁体５２及び高温側弁体５３を移動させる。すなわち中温部５１ｃの温度が高いほど、低温側弁体５２の開度が大きくなって、中温部５１ｃに低温の冷却液が導入される。中温部５１ｃの温度が低いほど、高温側弁体５３の開度が大きくなって、中温部５１ｃに高温の冷却液が導入される。

このような構成であるので、冷却液は中温部５１ｃで所定温度(サーモスタット設定温度)に調整されて流出路５１ｆから流出する。

なお以上のような構造及び作用は、一般的なサーモスタットバルブであるので、ここでは以上の説明にとどめる。

さらに本実施形態の三方弁(サーモスタット弁)５０は、ハウジング５１に、高温部５１ｂと、中温部５１ｃに連続する流出路５１ｆと、を接続するバイパス流路５５が形成される。

このような構成であるので、たとえば燃料電池１０の温度が非常に高く、三方弁(サーモスタット弁)５０の高温側弁体５３を全閉している状態であっても、冷却液がバイパス流路５５を流れる。したがってヒーターコア６０に冷却液が流れるので、十分な暖房性能を確保できる。

なお本実施形態では、バイパス流路５５は、ハウジング５１に形成(内蔵)されているが、ハウジング５１の外に設けてもよい。

または、高温側弁体５３を持たない構造や、高温側弁体５３が全閉にならない構造としてもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

たとえば、第１実施形態等において、燃料電池１０の温度が非常に高くても、全閉することはない三方弁５０を使用すれば、燃料電池１０の温度が非常に高くても冷却液が三方弁５０を流れる。したがって燃料電池１０の温度が非常に高くてもヒーターコア６０に冷却液が流れるので、十分な暖房性能を確保できる。

また第１実施形態等では、ヒーターコアバイパス流路７０に、オリフィス７０ａを設けて流路形状を変化させたが、これには限られない。エルボ、ベンド管、急拡大管、急縮小管等であっても、同様の作用効果を得ることができる。

また第３実施形態では、ヒーターコアバイパス流路７０にシャット弁７０ｂが設けられるとともに、ラジエーターバイパス流路４０にシャット弁４０ａが設けられていた。しかしながら、ヒーターコアバイパス流路７０にシャット弁７０ｂが設けることなく、ラジエーターバイパス流路４０にシャット弁４０ａを設けてもよい。

その他にも、上記の各実施形態は、適宜組み合わせ可能である。

１ 冷却システム
１０ 燃料電池
２０ ラジエーター
３０ 冷却液循環流路
４０ ラジエーターバイパス流路
４０ａ シャット弁(流量調整部)
５０ 三方弁
５１ 三方弁(流量調整部)
５２ 三方弁(流量調整部)
５３ 四方弁(流量調整部)
６０ ヒーターコア
７０ ヒーターコアバイパス流路
７０ａ オリフィス(流量調整部)
７０ｂ シャット弁(流量調整部)
８０ ヒーター
９０ 冷却液ポンプ

Claims (5)

1. 燃料電池と、
   冷却液の熱を放熱するラジエーターと、
   冷却液が循環して流れるように、前記燃料電池と前記ラジエーターとを結んで設けられる冷却液循環流路と、
   冷却液が前記ラジエーターをバイパスするように、ラジエーターよりも上流の冷却液循環流路とラジエーターよりも下流の冷却液循環流路とを結ぶラジエーターバイパス流路と、
   前記ラジエーターバイパス流路に設けられ、空気を加温するヒーターコアと、
   冷却液がヒーターコアをバイパスするように、前記ヒーターコアよりも上流から分岐するヒーターコアバイパス流路と、
   冷却液が温まるにつれて、冷却液が前記ヒーターコアに流れ易くなるようにする流量調整部と、
   を含み、
   前記流量調整部は、前記ヒーターコアバイパス流路に設けられるオリフィスである、冷却システム。
2. 請求項１に記載の冷却システムにおいて、
   前記ヒーターコアバイパス流路が前記ラジエーターバイパス流路から分岐する場所よりも上流のラジエーターバイパス流路に設けられ、冷却液を加熱するヒーターをさらに含む、
   冷却システム。
3. 請求項１又は２に記載の冷却システムにおいて、
   前記冷却液循環流路と前記ラジエーターバイパス流路とが交わる場所に設けられる三方弁をさらに含む、
   冷却システム。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の冷却システムにおいて、
   前記冷却液循環流路と前記ラジエーターバイパス流路とが交わる場所よりも下流であって前記燃料電池よりも上流の冷却液循環流路に設けられる冷却液ポンプをさらに含み、
   前記ヒーターコアバイパス流路は、前記冷却液循環流路と前記ラジエーターバイパス流路とが交わる場所よりも下流であって前記冷却液ポンプよりも上流の冷却液循環流路に合流する、
   冷却システム。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の冷却システムにおいて、
   前記ヒーターコアバイパス流路は、前記ヒーターコアよりも下流のラジエーターバイパス流路に合流する、
   冷却システム。

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