JP5976051B2 - 燃料電池冷却システム - Google Patents
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Description
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)。
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。
上記第4の態様によれば、放熱部において液体となった作動媒体が、自重で液相ライン内を移動することができる。すなわち、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。
上記第5の態様によれば、蒸発部に形成されたウィック構造の毛細管作用により、液相ラインの作動媒体を蒸発部内へ引き込むことができる。これにより、放熱部の高さ位置に関わらず、液体となった作動媒体を蒸発部に供給できる。
上記第6の態様によれば、作動媒体を全てのヒートパイプに効率よく分配かつ回収させることができる。
上記第7の態様によれば、液体となった作動媒体を圧送により蒸発部に供給できるので、放熱部の配置の自由度が高まる。
本発明の第12の態様は、上記第1〜11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。
以下、第1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。
ヒートパイプ冷却板12は、電池セル11に接して配置された複数のヒートパイプ15を含む。ヒートパイプ15の上端部は電池セル11よりも上側に突出した突出部15aである。ヒートパイプ15の内部には水等の作動媒体が封入されている。
また、図1及び図2に示すように、ヒートパイプ15の第一端は、突出部15aとして、平板部16の長辺端よりも外側へ延出されている。突出部15aはループヒートパイプ20の蒸発部13に接続される。
図4に示すヒートパイプ冷却板12Aは、側面視波形に曲げ加工された金属板16Aの一方の面の複数の凹溝部16aに、複数のヒートパイプ15を固着させた構成を有する。凹溝部16aは、ヒートパイプ15との接触面積を大きくするために、ヒートパイプ15の形状に合わせて形成されていることが好ましい。なお、ヒートパイプ15の断面形状は、電池セル11で発生した熱を回収できるのであれば、円形の他に、多角形又は楕円形状などであってもよい。
ヒートパイプ15は、熱伝導性を有する接着剤を用いて凹溝部16aに接着固定されてもよいし、凹溝部12aに機械的に圧着固定、又は溶接固定されてもよい。
蒸発部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おいて、各ヒートパイプ15の突出部15aと接続される。蒸発部13では、ヒートパイプ15から熱を回収する。
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の外壁及び複数の平板部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、比重差により各ヒートパイプ15の突出部15aへ移動する。突出部15aにはループヒートパイプ20の蒸発部13が接続されており、蒸発部13において、ヒートパイプ15の熱がループヒートパイプ20の作動媒体に回収される。蒸発部13で蒸発した作動媒体の蒸気は、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を通って蒸発部13に移動する。このようにして、ヒートパイプ15とループヒートパイプ20の作動媒体をそれぞれ循環させて効率よ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。
以下、第2実施形態に係る燃料電池冷却システム2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。また、第1実施形態と同一の部材の構成、及び、冷却動作については、同一の符号を付して説明を省略する。
図6は、本実施形態の燃料電池冷却システム2を示す概略図である。燃料電池冷却システム2は、第1実施形態の燃料電池冷却システム1と同様に、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。
図6に示す燃料電池冷却システム2は、燃料電池モジュール100と、ループヒートパイプ50と、を有する。
液分配部54は、ヒートパイプ冷却板52の鉛直方向における下部の一端に、各ヒートパイプ55の下端部55bと連通接続するように設けられる。液分配部54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55に分配する。
気相ライン50aの一端は蒸気収集部53に連通して接続され、他端はラジエータ30に連通して接続される。気相ライン50aでは、蒸気収集部53からラジエータ30に向かって蒸気が流れる。気相ライン50a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50aはヒートパイプ55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55に対して1本の気相ライン50aを設ける構成としてもよい。また、気相ライン50aは、各ヒートパイプ55の上端部55cに直接接続されてもよい。
複数の電池セル11で発生した熱は、ヒートパイプ冷却板52の複数のヒートパイプ55の外壁および複数の平板部56を介して、ヒートパイプ55に伝達される。伝達された熱は、ヒートパイプ55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55の端部から蒸気収集部53に集められ、気相ライン50a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50bを通って液分配部54に移動する。さらに、作動媒体は、液分配部54からヒートパイプ55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。
以下、第3実施形態に係る燃料電池冷却システム3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。また、第1及び第2実施形態と同一の部材の構成、及び、冷却動作については、同一の符号を付して説明を省略する。
図9は、本実施形態の燃料電池冷却システム3を示す概略図である。燃料電池冷却システム3は、第1実施形態の燃料電池冷却システム1と同様に、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。
ヒートパイプ冷却板12は、第1実施形態と同様に、上端部に電池セル11よりも上側に突出した突出部15aを含む複数のヒートパイプ15を含む。
ループヒートパイプ60は、4つの蒸発部13a〜13dと、ラジエータ(放熱部)30と、気相ライン61と、液相ライン62と、を有する。
ループヒートパイプ60の内部には水等の作動媒体が封入されている。また、ヒートパイプ15の内面には、第1実施形態と同様にウィック構造17が形成されている。
蒸発部13a〜13dは、一又は複数のヒートパイプ15を含むヒートパイプ群に対して接続される。本実施形態では、図9に示すように、蒸発部13a〜13dは各々、3本のヒートパイプ15の突出部15aに接続される。また、蒸発部13a〜13dには、液相ライン62から作動媒体を吸い上げるための図示しないウィック構造が形成されている。
なお、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、第1実施形態と同様に併設されていてもよい。
この構成によれば、ラジエータ30を燃料電池モジュール10よりも高い位置に設置することができない場合に、第1実施形態の構成を可能な限り維持しつつ、ラジエータ30を電池セル11と同程度の高さ位置に配置することが可能である。
また、従来の液冷モジュールと比較しても、燃料電池モジュール10の十分な冷却能力を有し、かつシステムを小型にすることも実現可能な燃料電池冷却システムを提供することができる。
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。
Claims (8)
- 複数の電池セルと、
複数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、前記ヒートパイプに連通する気相ライン及び液相ラインと、前記気相ライン及び前記液相ラインに接続された放熱部と、を有するループヒートパイプと、
を備え、
前記ヒートパイプの管内を前記液相ラインとの接続部において閉塞するウィック構造が形成されている、燃料電池冷却システム。 - 前記放熱部は、前記ヒートパイプの上端よりも上側に配置されている、請求項1に記載の燃料電池冷却システム。
- 前記液相ラインに接続され前記ループヒートパイプの作動媒体を圧送するポンプを備える、請求項1に記載の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から3のいずれか1項に記載の燃料電池冷却システム。
- 金属板と、前記金属板上に固着された前記ヒートパイプとを有するヒートパイプ冷却板を有する、請求項1から3のいずれか1項に記載の燃料電池冷却システム。
- 一面側に凹部を有するように曲げ加工された2枚の金属板と、前記2枚の金属板の凹部同士により形成された空洞とからなるヒートパイプ冷却板を有する、請求項1から3のいずれか1項に記載の燃料電池冷却システム。
- 前記ヒートパイプは、前記ヒートパイプの内面に長手方向に沿って設けられるウィック構造を有する、請求項1から6のいずれか1項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から7のいずれか1項に記載の燃料電池冷却システム。
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