JP6816515B2 - 冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷却装置に関する。

従来、冷却システムにおいて、冷却液を流して発熱ユニットを冷却する発熱ユニット冷却系と、バッテリを空気によって冷却するバッテリ冷却系とを備える技術が知られている（例えば、特許文献１）。発熱ユニット冷却系は、オイルクーラーを備えている。

特開２０１４−０７３８０２号公報

従来のオイルクーラーは、温度が上昇したオイルを冷却液で冷却している。これにより、冷却システムは、冷却液および冷却液を流す配管が別途に必要となる。よって、オイルクーラー内のオイルを冷却するためのより簡素な装置が望まれている。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
形態：冷却装置は、燃料電池スタックと、モーターと、オイルを前記モーターに供給して、前記モーターを冷却するためのモーター冷却系と、前記オイルを冷却するためのオイルクーラーであって、前記モーター冷却系の前記オイルが前記オイルクーラーの内部に流通するオイルクーラーと、前記燃料電池スタックからの排気ガスが流通する流通路であって、前記流通路の一部が前記オイルクーラーの内部を通る流通路と、を備える。
この形態によれば、燃料電池スタックからの排気ガスを用いてオイルを冷却できる。これにより、オイルクーラー内においてオイルを冷却するための冷却液および冷却液を流すための配管を別途に用いる必要が無いので、オイルを冷却するための簡素な装置を提供できる。

（１）本発明の一形態によれば、冷却装置が提供される。この冷却装置は、燃料電池スタックと、モーターと、オイルを前記モーターに供給して、前記モーターを冷却するためのモーター冷却系と、前記モーター冷却系を流れる前記オイルが流通し、前記オイルを冷却するためのオイルクーラーと、前記燃料電池スタックからの排気ガスが流通し、一部が前記オイルクーラーの内部を通る流通路と、を備える。この形態によれば、燃料電池スタックからの排気ガスを用いてオイルを冷却できる。これにより、オイルクーラー内においてオイルを冷却するための冷却液および冷却液を流すための配管を別途に用いる必要が無いので、オイルを冷却するための簡素な装置を提供できる。

本発明は、上記の冷却装置以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、冷却装置の制御方法、冷却装置を備える燃料電池システムなどの形態で実現することができる。

第１実施形態としての冷却装置を備える燃料電池システムの概略説明図。 オイルクーラーの内部構造を示す模式図。 第２実施形態としての冷却装置を備える燃料電池システムの概略説明図。

Ａ．第１実施形態：
Ａ−１．燃料電池システム２０の構成：
図１は、本発明の第１実施形態としての冷却装置２０を備える燃料電池システム１０の概略説明図である。図２は、オイルクーラー２３の内部構造を示す模式図である。図１において、カソードガスおよびカソード排ガスの流れを点線の矢印で示し、オイルの流れを実線の矢印で示している。燃料電池システム１０は、燃料電池車両などの移動体に搭載され、運転者からの要求に応じて、主に燃料電池車両の駆動力として用いられる電力を出力する。

燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、カソードガス給排系３０と、制御部４０とを備える。燃料電池スタック１２は、反応ガスとして水素（アノードガス）と空気（カソードガス）の供給を受けて酸素と水素の電気化学反応によって発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池スタック１２は、複数の単セルが積層されたスタック構造を有する。制御部４０は、燃料電池システム１０の各部（例えば、後述するモーター２１やポンプ２４）の動作を制御する。

カソードガス給排系３０は、燃料電池スタック１２（詳細には、カソード）にカソードガスを供給すると共に、燃料電池スタック１２から排出されたカソード排ガスを外部に排出する機能を有する。カソードガス給排系３０は、燃料電池スタック１２の上流側に設けられたカソードガス供給路３２と、燃料電池スタック１２の下流側に設けられたカソードガス排出路３４と、を備える。流通路としてのカソードガス排出路３４は、一部が後述するオイルクーラー２３の内部を通り、燃料電池スタック１２からの排気ガス（本実施形態では、カソード排ガス）を外部に排出する。

配管によって形成されたカソードガス供給路３２の途中には、コンプレッサ２６が設けられている。カソードガス供給路３２は、コンプレッサ２６によってカソードガスとしての空気を燃料電池スタック１２に向けて圧送する。またカソードガス供給路３２には、コンプレッサ２６と燃料電池スタック１２の間の位置にインタークーラー２５が設けられている。インタークーラー２５は、コンプレッサ２６の圧縮によって温度が上昇したカソードガスを冷却する。

配管によって形成されたカソードガス排出路３４は、カソードガス供給路３２から燃料電池スタック１２（詳細には、カソード）に供給されたカソードガスを外部に排出するための流路である。カソードガス排出路３４の一部は、後述するオイルクーラー２３内に配置されている。

なお、燃料電池システム１０は、図示しないアノードガス給排系および冷却系を備えている。アノードガス給排系は、周知の構成であり、アノードガスとしての水素を燃料電池スタック１２に供給、および、燃料電池スタック１２からのアノードガスを排出または循環させる。冷却系は、周知の構成であり、燃料電池スタック１２を冷却するための冷媒（例えば、冷却水）を循環させる。

燃料電池システム１０は、さらに、モーター２１と、筐体２７と、オイルパン２２と、オイルクーラー２３と、ポンプ２４と、モーター冷却路２９とを備える。

配管によって形成されたモーター冷却路２９は、モーター２１を冷却するためのオイルが循環する流路である。ポンプ２４は、モーター冷却路２９の途中に設けられ、オイルを下流側に送り出す。モーター冷却路２９の一端部は、オイルクーラー２３内に配置され、他端部はオイルパン２２に接続されている。モーター冷却路２９と、ポンプ２４とは、オイルをモーター２１に供給して、モーター２１を冷却するためのモーター冷却系を構成する。

モーター２１は、コンプレッサを駆動するための動力源である。筐体２７はモーター２１を収容する。オイルパン２２は、筐体２７内において筐体２７の底部に配置されている。オイルパン２２は、モーター２１を冷却するためのオイルの受け皿である。

オイルクーラー２３は、モーター冷却系のオイルが内部に流通し、モーター冷却系を流れるオイルを冷却する。具体的には、オイルクーラー２３は、カソードガス排出路３４を流通するカソード排ガスと、モーター冷却路２９を流通するオイルとの間の熱交換によって、オイルを冷却する。燃料電池スタック１２から排出されたカソード排ガスの温度は、通常６５℃程度であり、高負荷のときは最高で９５℃程度である。一方で、モーター冷却路２９のオイルクーラー２３に流通するオイルの温度は、通常８０℃程度であり、高負荷のときほど温度が高くなる傾向にあり、最高で１４０℃程度である。よって、オイルクーラー２３に導入されるカソード排ガス（導入排ガス）とオイル（導入オイル）との温度差は、１５℃〜４５℃程度であり、導入オイルの方が導入排ガスの温度よりも常に高い。

ここで、燃料電池スタック１２と、モーター２１と、モーター冷却路２９と、ポンプ２４と、カソードガス排出路３４とは、冷却装置２０を構成する。

図２に示すように、オイルクーラー２３の内部には、モーター冷却路２９の一部とカソードガス排出路３４の一部とが配置されている。オイルクーラー２３の内部に配置されたモーター冷却路２９およびカソードガス排出路３４は、それぞれ蛇行している。オイルクーラー２３の内部において、モーター冷却路２９を流れるオイルが、カソードガス排出路３４を流れるカソード排ガスによって熱交換によって冷却される。冷却されたオイルは、筐体２７内部のモーター２１の各部（例えば、ステータやシャフト）に供給され、モーター２１の各部が冷却される。オイルのモーター２１各部への供給は、オイルクーラー２３内部に配置されたモーター冷却路２９の端部からの噴霧や滴下などによって行われてもよい。例えば、モーター冷却路の端部を、モーター各部上に位置するように複数に分岐させて、分岐させた部分からオイルをモーター２１の各部に供給してもよい。

また、オイルクーラー２３内部に配置されたモーター冷却路２９とカソードガス排出路３４との間にはフィン２３１が設けられている。フィン２３１は、モーター冷却路２９とカソードガス排出路３４とに接するように配置されている。フィン２３１によって、カソードガス排出路３４を流れるカソード排ガスと、モーター冷却路２９を流れるオイルとの熱交換をより効率的に行うことができる。

モーター２１が作動する際には、各部の損失（例えば、鉄損や銅損）によってモーター２１が発熱し、温度が上昇する。モーター２１の温度が上昇した場合、モーター２１のコイルや樹脂部品などが溶融して絶縁不良などの不具合が発生する場合がある。上記第１実施形態によれば、燃料電池スタック１２からのカソード排ガスを用いてモーター２１を冷却するためのオイルを冷却できる。これにより、オイルクーラー２３内においてオイルを冷却するための冷却液および冷却液を流すための配管を別途に設ける必要が無いので、オイルを冷却するための簡素な装置を提供できる。

Ｂ．第２実施形態：
図３は、本発明の第２実施形態としての冷却装置２０ａを備える燃料電池システム１０ａの概略説明図である。上記第１実施形態の燃料電池システム１０と異なる点は、燃料電池システム１０ａおよび冷却装置２０ａがエキスパンダ２８を備える点と、カソードガス排出路３４がエキスパンダ２８を通過する点である。その他の構成については、第１実施形態と同様の構成であるため、第１実施形態と同様の構成については同一符号を付すと共に説明を省略する。

燃料電池システム１０ａは、コンプレッサ２６を挟んでモーター２１とは反対側に位置するエキスパンダ２８を備える。エキスパンダ２８は、コンプレッサ２６と同軸上に配置されている。エキスパンダ２８はタービンを有する。エキスパンダ２８は、カソードガス排出路３４のうちで、オイルクーラー２３よりも上流側に配置され、カソードガス排出路３４を流れるカソード排ガスによってタービンが回転する。エキスパンダ２８を通過したカソード排ガスは、オイルクーラー２３に供給されてオイルとの熱交換に供される。カソード排ガスのエネルギーがエキスパンダ２８によって回収されることで、エキスパンダ２８を通過したカソード排ガスの温度は、通過前の温度よりも低下する。例えば、カソード排ガスの温度は、エキスパンダ２８の通過前よりも通過後の方が２０℃〜３０℃低くなる。

上記第２実施形態によれば、上記第１実施形態が奏する効果に加え、さらに以下の効果を奏する。すなわち、第２実施形態によれば、エキスパンダを通過した温度がより低下したカソード排ガスをオイルクーラー２３に導入することで、オイルを冷却している。上記第１実施形態に比べ第２実施形態では、カソード排ガスとオイルとの温度差がより大きいため、より効率的な熱交換をカソード排ガスとオイルとの間で行うことができる。これにより、オイルをより低温に冷却できる。

Ｃ．変形例：
Ｃ−１．第１変形例：
上記各実施形態では、固体高分子形燃料電池を備える燃料電池システム１０において、オイルを冷却するためにカソード排ガスを利用したが、これに限定されるものでは無く、アノード排ガスを利用してもよい。具体的には、アノード排ガスが流通する流通路としてのアノードガス循環路の途中に、オイルクーラー２３を設けてもよい。アノードガス循環路は、燃料電池スタック１２から排出された未反応の水素を、燃料電池スタック１２のアノードに供給するためのアノードガス供給路に循環させるための流路である。

また、上記各実施形態では、固体高分子形燃料電池を備える燃料電池システム１０について説明したが、これに限定されるものではなく、各種燃料電池を備える燃料電池システムに本発明は適用可能である。例えば、溶融炭酸塩形燃料電池、または、固体酸化物形燃料電池、または、リン酸形燃料電池を備える燃料電池システムにおいても本発明を適用できる。各種燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックから排出された排気ガス（アノード排ガスまたはカソード排ガス）が流通する流通路の一部が、オイルクーラー２３の内部を通るように構成される。これにより、排気ガスを用いてモーター２１を冷却するためのオイルを冷却できる。溶融炭酸塩形燃料電池または固体酸化物形燃料電池を備える燃料電池システムでは、例えば、燃料電池スタックから排出されたアノード排ガスとしての二酸化炭素が流通する流通路の途中に、オイルクーラー２３を設けてもよい。また、リン酸形燃料電池を備える燃料電池システムでは、例えば、燃料電池スタックから排出されたアノード排ガス（未反応の水素）が流通する流通路の途中に、オイルクーラー２３を設けてもよい。オイルクーラー２３内部を通過した未反応の水素は、回収されて再びアノードガスとして利用してもよい。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０，１０ａ…燃料電池システム
１２…燃料電池スタック
２０，２０ａ…冷却装置
２１…モーター
２２…オイルパン
２３…オイルクーラー
２４…ポンプ
２５…インタークーラー
２６…コンプレッサ
２７…筐体
２８…エキスパンダ
２９…モーター冷却路
３０…カソードガス給排系
３２…カソードガス供給路
３４…カソードガス排出路
４０…制御部
２３１…フィン

Claims (1)

1. 燃料電池スタックと、
   モーターと、
   オイルを前記モーターに供給して、前記モーターを冷却するためのモーター冷却系と、
   前記オイルを冷却するためのオイルクーラーであって、前記モーター冷却系の前記オイルが前記オイルクーラーの内部に流通するオイルクーラーと、
   前記燃料電池スタックからの排気ガスが流通する流通路であって、前記流通路の一部が前記オイルクーラーの内部を通る流通路と、を備える、冷却装置。

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