JP7080355B2 - 燃料電池の組み合わされた冷却回路 - Google Patents

Description

本発明は、モータ車両の組み合わされた冷却回路を有した燃料電池システムと、該燃料電池システムの燃料電池の冷却方法に関する。

燃料電池車両は、同様の電力要求の下に、内燃機関によって駆動される車両の廃熱量と概ね同等である、冷却液における廃熱量を生成する。約８０～８５℃である燃料電池の温度レベルが、約１２０℃である内燃機関の冷却回路の温度レベルよりも十分に低いので、高い周囲温度で燃料電池の廃熱を分散することに伴う問題がある。

さらに、異なる媒体が、燃料電池を冷却し、車両を空気調節するように用いられるという問題が現在存在している。これは、多くの場合において、車両内にラジエータ、ホースおよびポンプが存在することを意味しており、これにより、設置空間、コストおよび重量の観点で不利となる。

燃料電池車両の冷却システムが、ラジエータと高温ヒートポンプとを組み合わせることにより、冷却性能を増加させる。

モータ車両の空気調節システムが、欧州特許出願公開第１ ９６１ ５９２ Ａ１から知られている。モータ車両は、ヒートポンプ冷却回路に接続された冷却回路を有してなる燃料電池を備えており、上記２つの回路は、共用の凝縮器および蒸発器を備えている。

独国特許第１９８ ５０ ８２９ Ｃ１号明細書が、車両の冷却－加熱回路を示している。車両の燃料電池冷却回路が、熱交換器を介してヒートポンプ回路に接続されており、該ヒートポンプ回路は、凝縮器および蒸発器を有している。

独国特許第１０ ２０１６ １１４ ９４８ Ａ１号明細書が、燃料電池スタックの温度を維持する装置と、該装置を有したモータ車両と、を開示している。燃料電池スタックは、熱交換器を介して冷媒回路に接続された冷却回路を備えており、冷媒回路は、ラジエータ／凝縮器を介してヒートポンプ回路に接続されている。

上記の背景に対して、本発明に基づく課題は、燃料電池の冷却が、特に高い周囲温度でさらに改良される装置および方法を提供することである。

この課題は、請求項１の特徴を有した装置と、請求項１０の特徴を有した方法によって解決される。本発明の実施例が、従属請求項から続いている。

本発明によれば、組み合わされた冷却および冷凍回路が、車両の燃料電池を冷却するように用いられる。燃料電池は、冷媒によって冷却され、該冷媒は、少なくとも１つの燃料電池において、少なくとも部分的に、つまり高い温度および廃熱を有した動作点で蒸発し、凝縮器またはラジエータにおいて周囲空気に熱を放出する。そして、液体冷媒は、燃料電池に戻され、該燃料電池において、この冷媒が熱を吸収する。効率を向上させるために、この冷却回路は、冷却機を介してヒートポンプの冷媒回路に接続される。

本発明は、少なくとも１つの燃料電池（ＦＣ）を有し、第１冷媒回路に接続された燃料電池システムに関し、第１冷媒回路は、冷媒ポンプと、凝縮器と、凝縮器および蒸発器を有した熱交換器（冷却機）の凝縮器とを備えている。第１冷媒回路は、冷却機の蒸発器を介して第２冷媒回路に連結され、該第２冷媒回路は、圧縮機、凝縮器および膨張弁を有している。本発明では、燃料電池システムは、少なくとも１つの燃料電池の第１冷媒回路の冷媒を少なくとも部分的に蒸発させるように設定されることが必要不可欠である。燃料電池の廃熱および温度は、要求される電気的出力に基づいて大きな変動に晒される。冷媒は、燃料電池システムの少なくとも１つの燃料電池における高い温度および廃熱を有した動作点（少なくとも１つの燃料電池の圧力および温度）で燃料電池において蒸発する。蒸発のエンタルピが、燃料電池からの熱放散および従って冷却性能を向上させる。低い温度および廃熱を有した動作点では、除去すべき廃熱は、冷媒を蒸発させるのに十分ではない。そして、冷媒は、液体の形態で循環されるのみである。本発明によれば、燃料電池システムは、該燃料電池システムが蒸発の様式で作動されることができるように設計されている。

冷媒が燃料電池において少なくとも部分的に蒸発する、少なくとも１つの燃料電池における高い温度および廃熱を有した動作点は、燃料電池が、その公称最大性能の３０％～１００％、特に５０％～１００％の範囲で動作されるときに存在することが多い。

燃料電池システムは、少なくとも１つの燃料電池を備えている。原則として、燃料電池は、スタックに配置された複数の膜電極ユニットによって設計され、スタックの電気的出力は、燃料電池の動作中に合計される。

燃料電池システムの一実施例では、ハイドロフルオロカーボン、特にＲ１２３４ｙｆまたは１２３３ｚｂが、冷媒として用いられる。他の実施例では、炭化水素、特にプロパン、プロペン、ｎ－ブタン、イソブタン、ｎ－ペンタン、イソペンタンまたはこれらの混合物が、冷媒として用いられる。

本発明に従う燃料電池システムは、第１冷媒回路および第２冷媒回路を有しており、各冷媒回路は、凝縮器を有している。一実施例では、第１冷媒回路および第２冷媒回路は、共用の凝縮器を有している。これは、システムに１つのみの凝縮器があり、該凝縮器は、システムの冷媒回路によって共用されていることを意味する。これは、小型の１つの凝縮器が必要であり、これにより、設置空間、コストおよび重量が節約されることを意味する。

この別形では、燃料電池のための最適な温度差は、体積流れを介して冷媒ポンプによって設定されることができる。本技術の現在の状態では、この最適な温度差は、約１２Ｋである。体積流れは、冷却性能要求に基づいて増加または減少する。負荷要求が増加するときには、熱分散は、燃料電池の温度レベルでもはや十分でなくなることがある。この場合には、圧縮機は、冷却機の第２冷媒回路の冷媒の部分的な質量流量を蒸発させ、従って、第１冷媒回路において凝縮器から燃料電池へと流れる他の部分的な質量流量を冷却することにより、凝縮器の下流側で液体冷媒を冷却する。この結果、凝縮器は、燃料電池を冷却するのに可能とされ得るよりも高い温度レベルで作動されることができる。

一実施例では、燃料電池システムは、第３冷媒回路も備えており、該第３冷媒回路は、膨張弁と、車両を空気調節する蒸発器（室内用蒸発器）と、圧縮機と、を有しており、また、第３冷媒回路は、共用の凝縮器に接続されている。これは、個別の凝縮器が第３冷媒回路のために必要とされていないことを意味している。

一実施例では、第２冷媒回路および第３冷媒回路が共用の圧縮機を備えている。第２冷媒回路の熱交換器および第３冷媒回路の蒸発器が、圧縮機の取り入れ側に接続されている。圧縮機は、中間圧力レベルで機能する。この別形では、小型の１つの圧縮機がシステム全体で必要とされている。

第３冷媒回路は、室内を冷却する蒸発器を備えている。１つの蒸発器の代わりに、複数の蒸発器もまた、例えば後部蒸発器システムまたはバッテリ冷却システムのために考えられる。燃料電池の冷却がより高い吸込圧力およびより良い効率で実施され、より高い温度レベルに対応するように、蒸発器は、燃料電池を冷却する蒸発器よりも低い圧力レベルで作動されるべきである。

他の実施例では、第１冷媒回路の冷却機および第３冷媒回路の蒸発器が、圧縮機に対して共用の吸込ラインを備えている。この別形では、燃料電池および室内の冷却が、同じ圧力レベルで実施される。この別形は、効率を犠牲にした、より簡潔な圧縮機と共に機能することができ、従って、コストの有利を提供する。

燃料電池システムの一実施例では、キャパシタまたは複数のキャパシタが空気流れによって冷却される。一実施例では、凝縮器が、車両の前端部に配置されており、車両に向かって流れる空気流れによって冷却される。

燃料電池システムの一実施例では、同じ冷媒が、冷媒回路全てにおいて循環している。システムの冷媒回路全ては相互接続されており、これにより、より少ないホースおよび他の構成要素が必要とされる。また、複数の異なる冷媒の代わりに単一の冷媒を用いることにより、システムの動作および管理が簡潔になる。

燃料電池システムの一実施例では、少なくとも１つの燃料電池が、熱交換器（冷却機）を用いて脱イオン水で満たされた第２回路を備えている。冷却機は、第１冷媒回路に連結されており、第１冷媒回路の冷媒は、冷却機において少なくとも部分的に蒸発する。この別形では、冷媒で燃料電池を直接冷却するのではなく、燃料電池は、第２回路によって冷却される。冷媒を有した冷却回路は、第１冷媒回路の第２冷却機、例えばプレート式熱交換器から熱を吸収する。第２冷却機は、燃料電池の冷却回路（第２回路）の一部でもある。この別形の利点は、脱イオン水を有した非常に小型の冷却回路がイオン無しを容易に維持することができることである。

本発明に従う燃料電池システムの一実施例では、熱交換器（冷却機）はプレート式熱交換器である。

また、本発明は、少なくとも１つの燃料電池および少なくとも１つの第１冷媒回路を有した燃料電池システムの冷却方法に関し、第１冷媒回路では、該第１冷媒回路内を循環する冷媒が少なくとも１つの燃料電池を介して運搬され、該燃料電池で、少なくとも部分的に、つまり燃料電池の高い温度および廃熱を有した動作点で蒸発する。

一実施例では、循環している冷媒は直接冷却によって冷却される。一実施例では、冷媒は、共用の凝縮機で冷却され、冷却機の冷媒の部分流れの蒸発による冷却によって任意選択的に補われ、これにより、燃料電池に供給される部分冷媒流れの更なる冷却を生じさせる。別の実施例では、冷媒の部分流れは、蒸発器（例えば、後部蒸発器、室内を冷却する蒸発器）において蒸発する。

他の実施例では、少なくとも１つの燃料電池が、燃料電池を通して経路が定められる、冷媒を有した第２回路により間接的冷却によって冷却される。主回路は、冷却性能を生じさせ、ここで、第２回路と主回路との間の伝熱はプレート式熱交換器によって生じる。

本発明に従う燃料電池システムおよび本発明に従う方法は、前端部における構成要素の数の僅かな増加を伴うことなく、または該構成要素の数の僅かな増加のみを伴って、車両の向上した冷却性能の利点を提供する。

本発明の更なる利点および実施例は、明細書および添付の図面から明らかになるであろう。

上述の特徴および以下で説明される特徴は、本発明の範囲を逸脱することなく、各場合で特定される組み合わせだけでなく、他の組み合わせまたは単独で利用され得る。

本発明は、実施例に基づく添付の図面で示され、図面を参照してさらに説明される。

本発明に従う燃料電池システムの実施例の概略図である。 本発明に従う燃料電池システムの他の実施例の概略図である。 本発明に従う燃料電池システムの別の実施例の概略図である。 本発明に従う燃料電池システムの別の実施例の概略図である。 付加的な二次冷却回路を有した燃料電池システムの他の実施例の概略図である。

図１は、本発明に従う燃料電池システム１０の実施例の概略図を示している。このシステムは、１つまたは複数の燃料電池スタックを有し得る燃料電池１１を備えている。燃料電池１１は、冷媒回路２３に接続されており、該冷媒回路２３では、燃料電池１１のための冷媒が循環している。冷媒流れの温度を設定するために、冷媒ポンプ１３と、空気流れ１６が導かれるラジエータ／凝縮器１５とが、冷媒回路２３に配置されている。冷媒回路は、蒸発器および凝縮器を有した熱交換器（冷却機）１２を介して、冷媒が循環するヒートポンプ回路２４に連結されている。冷媒は、冷却機１２で蒸発し、熱を吸収する。冷媒は、圧縮機１４で加圧され、凝縮器１９に供給され、該凝縮器１９において、冷媒は、熱を解放しながら、液化される。そして、冷媒は、膨張弁１７において膨張される。ラジエータ１５，１９の双方は、空気流れ１６が熱放散のためにラジエータ１５，１９へ向かって流れる車両の前端部に配置される。

図２は、本発明に従う燃料電池システム１０の他の実施例の概略図を示している。本実施例では、図１に示される別形として必要とされる、前端部の第２ラジエータ１９が、燃料電池１１のための冷却媒体として単一の冷媒を使用することに起因して省略され得る。共用のラジエータ１５が、燃料電池を冷却し、ヒートポンプから熱を分散するように用いられる。液体冷媒の純粋な循環冷却の冷却性能が十分である場合には、システムは、現在用いられている水冷却システムと同様に作動されることができる。燃料電池１１のための最適な温度差は、回路２３の体積流れを介してポンプ１３によって設定されることができる。本技術の現在の状態では、最適な温度差は、約１２Ｋである。回路２３の体積流れは、要求される冷却性能に基づいて増加または減少する。負荷要求が増加するときには、熱分散は、燃料電池１１の温度レベルでもはや十分でなくなることがある。この場合には、圧縮機１４は、ヒートポンプ回路２４に冷媒の一部の質量流れを導き、冷却機１２で冷媒を蒸発させ、従って、ラジエータ１５から燃料電池１１へ流れる他の部分的な質量流量を冷却することによって、ラジエータ１５の下流側で液体冷媒を冷却することができる。この結果、ラジエータ１５は、燃料電池１１を冷却するのに可能とされ得るよりも高い温度レベルで作動されることができる。

図３は、本発明に従う燃料電池システム１０の別の実施例の概略図を示している。この別形は、図２に示した別形に対応しており、回路２５によって補われるものであり、該回路２５は、膨張弁１８と、室内（ｉｎｔｅｒｉｏｒ）を冷却する蒸発器２０とを備えている。１つの蒸発器２０の代わりに、複数の蒸発器が、例えば後部の蒸発器システムまたはバッテリ冷却システムのために考えられる。燃料電池１１の冷却が、より高い吸込圧力およびより良い効率で実施され、より高い温度レベルに対応ように、蒸発器２０は、燃料電池１１を冷却する冷却機１２の蒸発器よりも低い圧力レベルで有利に作動される。図示した別形では、これは、中間圧力レベルを有した圧縮機１４によって実施される。

図４に示す２つの圧縮機１４，２１を有した別形が可能である。２つの個別の圧縮機は、圧力側に接続され、共用の高い圧力で機能する。また、同じ圧力レベルで燃料電池１１および室内を冷却することが考えられ、この場合、蒸発器２０および冷却機１２は圧縮機１４に対する共用の吸込ラインを備え得る。この別形は、図示されていないが、効率を犠牲にした、より簡潔な圧縮機のみを必要とし、従って、コストの利点を有し得る。

図５は、概略図として、燃料電池システム１０の別の実施例を示している。図１～４に示した別形は、冷媒で燃料電池１１を直接冷却するプロセスを用いている。図５に示した実施例では、燃料電池１１は、付加的な二次回路２６を介して冷却される。冷媒を有した冷却回路２３は、プレート熱交換器２２（冷却機）から熱を吸収し、該プレート熱交換器２２では、冷媒は、少なくとも部分的に蒸発する。冷却機２２は、燃料電池１１のための冷却液として脱イオン水を有した二次回路２６の一部でもある。この別形の利点は、大きな労力なしでイオンの不純物を無いままにすることができる、脱イオン水を有する非常に小型の冷却回路２６であり、この結果、冷却液の伝導性が低いままとなり、システムの絶縁抵抗が高いままとなる。

１０ 燃料電池システム
１１ 燃料電池
１２ 冷却機
１３ 冷媒ポンプ
１４ 圧縮機
１５ 凝縮器
１６ 空気流れ、前端部
１７ 膨張弁
１８ 膨張弁
１９ 凝縮器
２０ 蒸発器
２１ 圧縮機
２２ 冷却機
２３ 冷媒回路、燃料電池
２４ 冷媒回路、ヒートポンプ
２５ 冷媒回路、室内
２６ 二次回路

Claims (7)

1. 第１冷媒回路（２３）に接続された少なくとも１つの燃料電池（１１）を有する燃料電池システム（１０）であって、
   前記第１冷媒回路（２３）は、冷媒ポンプ（１３）と、第１凝縮器（１５）と、第２凝縮器および蒸発器を有した熱交換器（１２）の前記第２凝縮器とを備え、前記第１冷媒回路（２３）は、前記熱交換器（１２）の前記蒸発器を介して第２冷媒回路（２４）に連結され、該第２冷媒回路（２４）は、圧縮機（１４）、前記第１凝縮器（１５）および膨張弁（１７）を有し、
   前記燃料電池システム（１０）は、前記少なくとも１つの燃料電池（１１）の前記第１冷媒回路（２３）の冷媒を少なくとも部分的に蒸発させるように設定され、
   前記第１冷媒回路（２３）および前記第２冷媒回路（２４）は、共用の前記第１凝縮器（１５）を備え、
   第３冷媒回路（２５）が共用の前記第１凝縮器（１５）に接続され、前記第３冷媒回路（２５）は、膨張弁（１８）と、車両を空気調節する蒸発器（２０）と、圧縮機（１４，２１）とを備えることを特徴とする燃料電池システム（１０）。
2. 前記第２冷媒回路（２４）および前記第３冷媒回路（２５）は、共用の圧縮機（１４）を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム（１０）。
3. 前記第１冷媒回路（２３）の前記熱交換器（１２）および前記第３冷媒回路（２５）の前記蒸発器（２０）は、前記圧縮機（１４）に対する共用の吸込ラインを有することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム（１０）。
4. 前記第１凝縮器（１５）は空気流れ（１６）によって冷却されることを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の燃料電池システム（１０）。
5. 同じ冷媒が全ての冷媒回路（２３，２４，２５）内で循環することを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の燃料電池システム（１０）。
6. 前記少なくとも１つの燃料電池（１１）は、熱交換器（２２）を用いて脱イオン水で満たされた第２回路（２６）を備え、前記熱交換器（２２）は、前記第１冷媒回路（２３）に連結され、前記第１冷媒回路（２３）の冷媒は、前記熱交換器（２２）で少なくとも部分的に蒸発することを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載の燃料電池システム（１０）。
7. 前記熱交換器（１２，２２）はプレート式熱交換器であることを特徴とする請求項１～６のいずれかに記載の燃料電池システム（１０）。

Images