(57)【要約】【課題】  高温の圧縮空気を簡単な構成により冷却でき、圧縮空気の急激な温度上昇時にも速い応答性で空気冷却性能を向上できる燃料電池システムの圧縮空気冷却装置を提供する。【解決手段】空気圧縮器により圧縮された高温の圧縮空気を燃料電池スタックに供給する空気供給系統の高温パートに設置される吸熱部と、燃料電池システムの前記燃料電池スタックに循環する冷却水を冷却させるスタック冷却系統の低温パートに設置される放熱部と、前記吸熱部と放熱部を連結し、内部に冷媒が充填されているヒートパイプと、を含み、前記吸熱部はヒートパイプの冷媒が前記放熱部から前記吸熱部に流動されるように前記放熱部より相対的に低い位置に配置されることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気圧縮器により圧縮された高温の圧縮空気を燃料電池スタックに供給する空気供給系統の高温パートに設置される吸熱部と、
燃料電池システムの前記燃料電池スタックに循環する冷却水を冷却させるスタック冷却系統の低温パートに設置される放熱部と、
前記吸熱部と放熱部を連結し、内部に冷媒が充填されているヒートパイプと、を含み、
前記吸熱部はヒートパイプの冷媒が前記放熱部から前記吸熱部に流動されるように前記放熱部より相対的に低い位置に配置されることを特徴とする燃料電池システムの圧縮空気冷却装置。
【請求項２】
前記放熱部に連結され、冷媒を貯蔵する冷媒リザーバと、
前記冷媒リザーバと前記吸熱部を実質的に連結し、前記吸熱部に前記冷媒リザーバの冷媒を選択的に供給する冷媒供給ユニットと、
をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの圧縮空気冷却装置。
【請求項３】
前記吸熱部は、前記高温パートとして空気圧縮器と加湿器を連結する空気供給ラインに設置され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の圧縮空気冷却装置。
【請求項４】
前記放熱部は、前記低温パートとしてラジエータモジュールに設置され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の圧縮空気冷却装置。
【請求項５】
前記放熱部は、前記低温パートとしてラジエータモジュールのスタック冷却水流動経路に設置され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の圧縮空気冷却装置。
【請求項６】
前記冷媒供給ユニットは、前記冷媒リザーバと吸熱部および／またはヒートパイプを連結する冷媒供給ラインを有し、
前記冷媒供給ラインに設置され、冷媒を圧送するように構成されたことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システムの圧縮空気冷却装置。
【請求項７】
前記冷媒供給ユニットは、前記冷媒リザーバと吸熱部および／またはヒートパイプを連結する冷媒供給ラインと、
前記冷媒供給ラインに設置される流路開閉器具としてアクチュエータと、
を含むことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システムの圧縮空気冷却装置。
【請求項８】
前記圧縮空気の温度を感知し、その感知信号を制御器に出力する温度センサーをさらに含み、
前記制御器は前記温度センサの感知信号に基づいて前記アクチュエータに制御信号を印加することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システムの圧縮空気冷却装置。
【請求項９】
空気圧縮器により圧縮された高温の圧縮空気を燃料電池スタックに供給する空気供給系統の高温パートに設置される吸熱部と、
燃料電池スタックに循環する冷却水を冷却させるスタック冷却系統の低温パートに設置される放熱部と、
前記吸熱部と放熱部を連結し、内部に冷媒が充填されているヒートパイプと、
前記高温パートと前記ヒートパイプを連結し、前記ヒートパイプ内部の蒸発された冷媒ガスに圧力を印加する圧力印加ユニットとして、前記空気供給ラインに連結される空気流路と、
前記空気流路に連結され、ピストンが備えられたシリンダー部材と、
前記シリンダー部材のピストンに連結される連結ロッドと、
前記連結ロッドに連結されるベローズ管と、
前記ベローズ管と前記ヒートパイプを連結する冷媒ガス流路とを含む圧力印加ユニットと、
を含むことを特徴とする燃料電池システムの圧縮空気冷却装置。
【請求項１０】
前記吸熱部は、前記高温パートとして空気圧縮器と加湿器を連結する空気供給ラインに設置され、
前記圧力印加ユニットは、前記空気供給ラインと前記ヒートパイプに連結されることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システムの圧縮空気冷却装置。
【請求項１１】
前記ベローズ管は、前記ピストンにより圧縮され、前記冷媒ガス流路を通じて前記ヒートパイプ内部の冷媒ガスを加圧することを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システムの圧縮空気冷却装置。
【請求項１２】
空気圧縮器により圧縮された高温の圧縮空気を燃料電池スタックに供給する空気供給系統の高温パートに設置される吸熱部と、
燃料電池スタックに循環する冷却水を冷却させるスタック冷却系統の低温パートに設置される放熱部と、
前記吸熱部と放熱部を連結し、内部に冷媒が充填されているヒートパイプ、および前記高温パート、放熱部およびヒートパイプを連結し、前記ヒートパイプ内部の液体冷媒に圧力を印加する圧力印加ユニットとして、  前記空気供給ラインに連結される空気流路、前記空気流路に連結され、ピストンが備えられたシリンダー部材、前記シリンダー部材のピストンに連結される連結ロッド、前記連結ロッドに連結されるベローズ管、前記ベローズ管と前記放熱部を連結する第１冷媒液体流路、前記ベローズ管と前記ヒートパイプを連結する第２冷媒液体流路、
からなる圧力印加ユニットと、
を含むことを特徴とする燃料電池システムの圧縮空気冷却装置。
【請求項１３】
前記吸熱部は、前記高温パートとして空気圧縮器と加湿器を連結する空気供給ラインに設置され、
前記圧力印加ユニットは、前記空気供給ライン、放熱部およびヒートパイプに連結されることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システムの圧縮空気冷却装置。
【請求項１４】
前記ベローズ管は、
前記第１冷媒液体流路を通じて前記放熱部の液体冷媒を供給され、
前記ピストンにより圧縮され、前記第２冷媒液体流路を通じて前記ヒートパイプ内部に液体冷媒を供給することを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池システムの圧縮空気冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムの圧縮空気冷却装置に係り、より詳しくは、空気圧縮器を通じて燃料電池スタックに供給される圧縮空気を冷却させることができる燃料電池システムの圧縮空気冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池システムは、燃料として使用される水素と酸化剤としての空気を燃料電池スタックに供給し、その燃料電池スタックで水素と酸素の電気化学反応を通じて電気を生産する。
燃料電池システムは、車両に搭載され、燃料電池スタックにより生産された電気で電気モータを作動させて車両を駆動させる。
燃料電池システムは、燃料電池スタックに燃料を供給する燃料供給系統と、燃料電池スタックに空気を供給する空気供給系統と、燃料電池スタックで発生する熱を冷却させる冷却系統とを備える。
【０００３】
ここで、空気供給系統は、空気を圧縮した圧縮空気を燃料電池スタックに供給するための空気圧縮器と、空気圧縮器と燃料電池スタックの間において燃料電池スタックで発生される水により圧縮空気を加湿する加湿器とを備える。
しかし、燃料電池スタックの高出力運転条件で空気圧縮器を通じて圧縮された空気は高い圧縮比と多量の空気量により１２０℃程度の温度に上昇するようになる。
この温度は、燃料電池スタックの正常的な運転温度である６０〜８０℃よりも高いため、加湿器の加湿効率および燃料電池スタックの運転効率を低下させる。  したがって、燃料電池システムは、空気圧縮器により加湿器に供給される高温の圧縮空気を冷却させる必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２７７７４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、空気圧縮器から燃料電池スタックに供給される高温の圧縮空気を簡単な構成により冷却できるようにした燃料電池システムの圧縮空気冷却装置を提供すること、及び、燃料電池スタックの高出力運転条件で圧縮空気の温度を能動的に制御することができ、圧縮空気の急激な温度上昇時にも速い応答性で空気冷却性能を向上させるようにした燃料電池システムの圧縮空気冷却装置を提供することにその目的がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態による燃料電池システムの圧縮空気冷却装置は、空気圧縮器により圧縮された高温の圧縮空気を燃料電池スタックに供給する空気供給系統の高温パートに設置される吸熱部と、燃料電池システムの前記燃料電池スタックに循環する冷却水を冷却させるスタック冷却系統の低温パートに設置される放熱部と、前記吸熱部と放熱部を連結し、内部に冷媒が充填されているヒートパイプと、を含み、前記吸熱部はヒートパイプの冷媒が前記放熱部から前記吸熱部に流動されるように前記放熱部より相対的に低い位置に配置されることを特徴とする。
【０００７】
前記放熱部に連結され、冷媒を貯蔵する冷媒リザーバと、前記冷媒リザーバと前記吸熱部を実質的に連結し、前記吸熱部に前記冷媒リザーバの冷媒を選択的に供給する冷媒供給ユニットと、をさらに含むことを特徴とする。
【０００８】
前記吸熱部は、前記高温パートとして空気圧縮器と加湿器を連結する空気供給ラインに設置されることを特徴とする。
【０００９】
前記放熱部は、前記低温パートとしてラジエータモジュールに設置されることを特徴とする。
【００１０】
前記放熱部は、前記低温パートとしてラジエータモジュールのスタック冷却水流動経路に設置されることを特徴とする。
【００１１】
前記冷媒供給ユニットは、前記冷媒リザーバと吸熱部および／またはヒートパイプを連結する冷媒供給ラインを有し、
前記冷媒供給ラインに設置され、冷媒を圧送するように構成されたことを特徴とする。
【００１２】
前記冷媒供給ユニットは、前記冷媒リザーバと吸熱部および／またはヒートパイプを連結する冷媒供給ラインと、
前記冷媒供給ラインに設置される流路開閉器具としてアクチュエータと、
を含むことを特徴とする。
【００１３】
前記圧縮空気の温度を感知し、その感知信号を制御器に出力する温度センサーをさらに含み、
前記制御器は前記温度センサの感知信号に基づいて前記アクチュエータに制御信号を印加することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明は、空気圧縮器により圧縮された高温の圧縮空気を燃料電池スタックに供給する空気供給系統の高温パートに設置される吸熱部と、
燃料電池スタックに循環する冷却水を冷却させるスタック冷却系統の低温パートに設置される放熱部と、
前記吸熱部と放熱部を連結し、内部に冷媒が充填されているヒートパイプと、
前記高温パートと前記ヒートパイプを連結し、前記ヒートパイプ内部の蒸発された冷媒ガスに圧力を印加する圧力印加ユニットとして、前記空気供給ラインに連結される空気流路と、
前記空気流路に連結され、ピストンが備えられたシリンダー部材と、
前記シリンダー部材のピストンに連結される連結ロッドと、
前記連結ロッドに連結されるベローズ管と、
前記ベローズ管と前記ヒートパイプを連結する冷媒ガス流路とを含む圧力印加ユニットと、を含むことを特徴とする。
【００１５】
前記吸熱部は、前記高温パートとして空気圧縮器と加湿器を連結する空気供給ラインに設置され、
前記圧力印加ユニットは、前記空気供給ラインと前記ヒートパイプに連結されることを特徴とする。
【００１６】
前記ベローズ管は、前記ピストンにより圧縮され、前記冷媒ガス流路を通じて前記ヒートパイプ内部の冷媒ガスを加圧することを特徴とする。
【００１７】
また、本発明は、空気圧縮器により圧縮された高温の圧縮空気を燃料電池スタックに供給する空気供給系統の高温パートに設置される吸熱部と、
燃料電池スタックに循環する冷却水を冷却させるスタック冷却系統の低温パートに設置される放熱部と、
前記吸熱部と放熱部を連結し、内部に冷媒が充填されているヒートパイプ、および前記高温パート、放熱部およびヒートパイプを連結し、前記ヒートパイプ内部の液体冷媒に圧力を印加する圧力印加ユニットとして、  前記空気供給ラインに連結される空気流路、前記空気流路に連結され、ピストンが備えられたシリンダー部材、前記シリンダー部材のピストンに連結される連結ロッド、前記連結ロッドに連結されるベローズ管、前記ベローズ管と前記放熱部を連結する第１冷媒液体流路、前記ベローズ管と前記ヒートパイプを連結する第２冷媒液体流路、
からなる圧力印加ユニットと、
を含むことを特徴とする。
【００１８】
前記吸熱部は、前記高温パートとして空気圧縮器と加湿器を連結する空気供給ラインに設置され、
前記圧力印加ユニットは、前記空気供給ライン、放熱部およびヒートパイプに連結されることを特徴とする。
【００１９】
前記ベローズ管は、
前記第１冷媒液体流路を通じて前記放熱部の液体冷媒を供給され、
前記ピストンにより圧縮され、前記第２冷媒液体流路を通じて前記ヒートパイプ内部に液体冷媒を供給することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、吸熱部と放熱部を連結するヒートパイプの簡単な構成により空気圧縮器から燃料電池スタックに供給される高温の圧縮空気を冷却させて、圧縮空気の過度な温度上昇を抑制することができる。
したがって、圧縮空気の熱による燃料電池スタックの損傷を防止して、燃料電池スタックの正常な運転に適した圧縮空気の温度条件を満足することができる。
また、高温の圧縮空気が加湿器に供給されることを抑制して、加湿器の加湿効率および燃料電池スタックの運転性能の低下を防止することができる。
そして、吸熱部と放熱部を連結するヒートパイプの簡単な構成により高温の圧縮空気を冷却して、燃料電池システムのパッケージをコンパクトに実現することができる。
【００２１】
本発明によれば、温度センサーにより感知された圧縮空気の温度に基づいて放熱部から吸熱部に供給される冷媒の量を冷媒供給ユニットを通じて調節することによって、高温パートでの圧縮空気の温度をコントロールすることができる。
したがって、燃料電池スタックの高出力運転条件で圧縮空気の温度を能動的に制御して、圧縮空気の急激な温度上昇による速い応答性で空気冷却性能を向上させることができる。
【００２２】
一方、圧縮空気を冷却する過程に圧力印加ユニットを通じてヒートパイプ内部の蒸発された冷媒ガスに圧縮空気の圧力を印加するため、ヒートパイプでの冷媒ガスの移動を活性化することができる。
また、圧縮空気を冷却する過程にその圧縮空気の圧力を利用して圧力印加ユニットを通じてヒートパイプの内部に液体冷媒を供給し、その内部の液体冷媒を加圧することによって、ヒートパイプでの液体冷媒の移動を加速化させることができる。
したがって、本発明の実施形態では、別途の電気的な制御手段なしに空気供給ラインを流動する圧縮空気の圧力を利用してヒートパイプの冷媒循環を活性化することによって、圧縮空気の冷却性能を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１実施形態が適用される燃料電池システムを概略的に示したブロック構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態による燃料電池システムの圧縮空気冷却装置を概略的に示した図面である。
【図３】本発明の第１実施形態による燃料電池システムの圧縮空気冷却装置に適用される吸熱部の第１装着例を概略的に示した図面である。
【図４】本発明の第１実施形態による燃料電池システムの圧縮空気冷却装置に適用される吸熱部の第２装着例を概略的に示した図面である。
【図５】本発明の第１実施形態による燃料電池システムの圧縮空気冷却装置に適用される放熱部の第１装着例を概略的に示した図面である。
【図６】本発明の第１実施形態による燃料電池システムの圧縮空気冷却装置に適用される放熱部の第２装着例を概略的に示した図面である。
【図７】本発明の第１実施形態による燃料電池システムの圧縮空気冷却装置に適用される冷媒供給ユニットの第１装着例を概略的に示した図面である。
【図８】本発明の第１実施形態による燃料電池システムの圧縮空気冷却装置に適用される冷媒供給ユニットの第２装着例を概略的に示した図面である。
【図９】本発明の第２実施形態による燃料電池システムの圧縮空気冷却装置を概略的に示した図面である。
【図１０】本発明の第２実施形態による燃料電池システムの圧縮空気冷却装置に適用される冷媒供給ユニットの第１装着例を概略的に示した図面である。
【図１１】本発明の第２実施形態による燃料電池システムの圧縮空気冷却装置に適用される冷媒供給ユニットの第２装着例を概略的に示した図面である。
【図１２】本発明の第３実施形態による燃料電池システムの圧縮空気冷却装置を概略的に示した図面である。
【図１３】本発明の第４実施形態による燃料電池システムの圧縮空気冷却装置を概略的に示した図面である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳しく説明する。
図１は、本発明の第１実施形態が適用される燃料電池システムを概略的に示したブロック構成図である。
図１に示す通り、本発明の第１実施形態による圧縮空気冷却装置１００は、燃料と酸化剤の電気化学的な反応により電気エネルギーを生産する燃料電池システム１０１に適用される。
例えば、前記燃料電池システムは、燃料と酸化剤の電気化学反応により生産された電気エネルギーで電気モータを駆動させる燃料電池車両に適用される。
燃料電池システム１０１は、燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１に燃料としての水素ガスを供給するための燃料供給系統３と、燃料電池スタック１に酸化剤としての空気を供給するための空気供給系統５と、燃料電池スタック１で発生する熱を冷却させるための冷却系統７とを含む。
【００２５】
このうち、空気供給系統５は、空気を圧縮しその圧縮空気を燃料電池スタック１に供給するための空気圧縮器１１と、空気圧縮器１１と燃料電池スタック１の間に設置される加湿器１３とを含む。
空気圧縮器１１は、燃料電池スタック１の高出力運転条件で比較的に高温（ほぼ１２０℃）の圧縮空気を空気供給ライン１２を通じて加湿器１３に供給する。  加湿器１３は、燃料電池スタック１で発生した水で圧縮空気を加湿し、その加湿空気を燃料電池スタック１に供給する。
そして、冷却系統７は、燃料電池スタック１を循環しながら温められた冷却水を冷却させるラジエータモジュール１５を含む。ラジエータモジュール１５には、ラジエータ１６と冷却ファン１７が備えられ、ラジエータ１６には冷却水流動経路１８が備えられる。
【００２６】
前述のように構成される燃料電池システム１０１には、空気圧縮器１１から空気供給ライン１２を通じて加湿器１３に供給される高温の圧縮空気を冷却させるための圧縮空気冷却装置１００が備えられる。
圧縮空気冷却装置１００は、空気圧縮器１１から加湿器１３を通じて燃料電池スタック１に供給される高温の圧縮空気をヒートパイプの構成を適用して冷却させることができる。
また、燃料電池スタック１の高出力運転条件で圧縮空気の温度を能動的に制御することができ、圧縮空気の急激な温度上昇による速い応答性で空気冷却性能を向上させることができる燃料電池システムの圧縮空気冷却装置１００を提供する。
【００２７】
図２は、本発明の第１実施形態による燃料電池システムの圧縮空気冷却装置を概略的に示した図面である。
図１および図２に示す通り、本発明の第１実施形態による燃料電池システムの圧縮空気冷却装置１００は、基本的に、吸熱部２０と、放熱部３０と、ヒートパイプ４０と、冷媒リザーバ５０と、冷媒供給ユニット６０とを含む。
これと異なる構成であるとしても、実質的に冷媒が放熱部３０から吸熱部２０に流動することができる構成であれば、本発明の技術的思想が適用される。
たとえば、本発明の第１実施形態による燃料電池システムの圧縮空気冷却装置は、冷媒リザーバ５０及び冷媒供給ユニット６０がなくても構成される。
【００２８】
吸熱部２０は、燃料電池システム１０１で空気圧縮器１１により圧縮された高温の圧縮空気を燃料電池スタック１に供給する空気供給系統５の高温パート２１に設置される。吸熱部２０は、後述するヒートパイプ４０内部の冷媒を高温パート２１の熱で蒸発させる機能を果たす。
ここで、高温パート２１とは、高温の圧縮空気を加湿器１３に供給する空気供給ライン１２と定義することができる。
即ち、吸熱部２０は、図３に示すように、空気圧縮器１１と加湿器１３を連結する空気供給ライン１２に設置される。この場合、吸熱部２０は、図４に示すように、加湿器１３の圧縮空気入口１４側に備えられ、その加湿器１３と吸熱部２０は一つのモジュールとして形成される。
【００２９】
一方、吸熱部２０には、圧縮空気の温度を感知し、その感知信号を制御器９０に出力する温度センサー２５が設置される。このような温度センサー２５は当業界で広く知られた公知技術であるため、本明細書でより詳細な説明は省略する。
放熱部３０は、燃料電池システム１０１で燃料電池スタック１に循環する冷却水を冷却させる冷却系統７の低温パート３１に設置される。放熱部３０は、吸熱部２０で蒸発された冷媒ガスを凝縮させながら潜熱を放出し、液体に凝縮された冷媒を収容する機能を果たすものである。
ここで、低温パート３１とは、燃料電池システム１０１で燃料電池スタック１を循環しながら温められた冷却水を冷却させるラジエータモジュール１５部位と定義することができる。
【００３０】
放熱部３０は、図５に示すように、ラジエータモジュール１５のラジエータ１６と冷却ファン１７の間でその冷却ファン１７に近接するように設置される。代案として、放熱部３０は、図６に示すように、ラジエータ１６の冷却水流動経路１８に設置することもできる。
前述のような吸熱部２０と放熱部３０において吸熱部２０は、放熱部３０よりも相対的に低い位置に配置される。これは放熱部３０に収容された液体冷媒を重力によりヒートパイプ４０を通じて吸熱部２０に移動させるためである。
図１および図２に示す通り、ヒートパイプ４０は、吸熱部２０と放熱部３０を連結するパイプであって、作動流体としての冷媒を内部に充填している。
ヒートパイプ４０は、高温パート２１の吸熱部２０で蒸発し、低温パート３１の放熱部３０で凝縮される冷媒の相変化の時に発生する潜熱を利用して発熱密度が高い部分から低い部分に熱を伝達する熱伝達装置である。
【００３１】
ヒートパイプ４０は、熱伝導性を有するパイプ形態の密閉容器と、その密閉容器内に形成されたウィック（ｗｉｃｋ）（図示せず）と、密閉容器の内部に充電された冷媒とから構成される。
したがって、吸熱部２０と放熱部３０をヒートパイプ４０で連結するため、冷媒は高い位置にある放熱部３０からヒートパイプ４０を通じて低い位置にある吸熱部２０に移動する。
吸熱部２０では高温パート２１の熱により冷媒を蒸発させ、その蒸発された冷媒ガスはヒートパイプ４０を通じて低温パート３１の放熱部３０に移動し、その放熱部３０では冷媒ガスを液体に凝縮させながら潜熱を放出し、その放熱部３０で凝縮された液体冷媒は再びヒートパイプ４０を通じて吸熱部２０に移動する。
この原理により高温パート２１で発生する熱を低温パート３１に伝達して外部に放出させることによって、本発明の実施形態では高温パート２１での高温圧縮空気を一定の温度に冷却させることができる。
【００３２】
図１および図２に示す通り、冷媒リザーバ５０は放熱部３０と連結され、その放熱部３０で凝縮された冷媒を一時的に貯蔵する。冷媒リザーバ５０は放熱部３０に直接に連結することも、別のラインを通じて連結することもできる。
冷媒供給ユニット６０は、放熱部３０から吸熱部２０に供給される冷媒の量を調節して高温パート２１での圧縮空気温度をコントロールするためのものである。冷媒供給ユニット６０は、冷媒リザーバ５０と吸熱部２０を実質的に連結し、その吸熱部２０に冷媒リザーバ５０の冷媒を選択的に供給する。
冷媒供給ユニット６０は、冷媒リザーバ５０と吸熱部２０を連結する冷媒供給ライン６１と、冷媒供給ライン６１に設置される可動手段７０とを含む。
ここで、可動手段７０は、冷媒リザーバ５０に貯蔵された冷媒を吸熱部２０に圧送したり冷媒供給ライン６１の流路を開放して冷媒リザーバ５０に貯蔵された冷媒を重力により冷媒供給ライン６１を通じて吸熱部２０に供給するためのものである。
【００３３】
可動手段７０は、図７に示すように、冷媒供給ライン６１に設置され、冷媒リザーバ５０に貯蔵された冷媒を吸熱部２０に圧送するポンプ等の冷媒圧送器具７１を含む。
そして、可動手段７０は、図８に示すように、冷媒供給ライン６１の流路を選択的に開閉するアクチュエータとしてのソレノイドバルブ等の流路開閉器具７２を含む。
即ち、流路開閉器具７２は、冷媒供給ライン６１を開放することによって冷媒リザーバ５０に貯蔵された冷媒を重力により吸熱部２０に供給できる。
可動手段７０は、温度センサー２５の感知信号、即ち、温度センサー２５により感知された圧縮空気の温度に基づいて制御器９０から電気的な制御信号の印加を受けて作動する。
本発明の実施形態では、可動手段７０をポンプとソレノイドバルブ以外にアクチュエータにより駆動するピストンシリンダー、一般的なバルブなどとすることもできる。
【００３４】
次に、本発明の第１実施形態による燃料電池システムの圧縮空気冷却装置１００の作用を図１および図２を参照して詳細に説明する。
まず、本発明の実施形態では、燃料電池システム１０１の運転時、燃料供給系統３を通じて燃料としての水素ガスを燃料電池スタック１に供給し、空気供給系統５の空気圧縮器１１を通じて酸化剤としての圧縮空気を燃料電池スタック１に供給する。
ここで、空気圧縮器１１で発生した圧縮空気は、空気供給ライン１２を通じて加湿器１３に供給され、加湿器１３は、燃料電池スタック１で発生した水で圧縮空気を加湿し、その加湿空気を燃料電池スタック１に供給する。
燃料電池スタック１は、水素と酸素の電気化学的な反応を通じて電気エネルギーを発生させ、その過程で副産物としての水と熱を発生させる。
【００３５】
燃料電池システム１０１の冷却系統７では、燃料電池スタック１に冷却水を循環させ、その燃料電池スタック１で発生する熱を冷却させる。
そして、燃料電池スタック１を循環しながら温められた冷却水はラジエータモジュール１５に供給され、そのラジエータモジュール１５で冷却された状態で再び燃料電池スタック１に供給される。
一方、空気圧縮器１１は、燃料電池スタック１の高出力運転条件で比較的に高温（ほぼ１２０℃）の圧縮空気を空気供給ライン１２を通じて加湿器１３に供給する。
前述の過程で、高温の圧縮空気が通過する空気供給系統５の高温パート２１、即ち、空気供給ライン１２に設置された吸熱部２０ではその高温パート２１の熱で冷媒を蒸発させる。
【００３６】
そうすると、吸熱部２０で蒸発した冷媒ガスは、ヒートパイプ４０を通じて低温パート、即ち、冷却系統７のラジエータモジュール１５側の放熱部３０に移動する。そこで、放熱部３０では冷媒ガスを液体に凝縮させながら潜熱を放出し、その放熱部３０で凝縮された液体冷媒は再びヒートパイプ４０を通じて吸熱部２０に移動する。
このように放熱部３０の液体冷媒がヒートパイプ４０を通じて吸熱部２０に移動することは、放熱部３０が吸熱部２０よりも高い位置に配置されることで可能となる。
【００３７】
したがって、本発明の実施形態では、このような過程を経ながら高温パート２１で発生する熱を低温パート３１に伝達して外部に放出させることにより、高温パート２１での高温圧縮空気を一定の温度、例えば燃料電池スタック１の正常的な運転温度である６０〜８０℃に冷却させることができる。
これにより、本発明の実施形態では、空気圧縮器１１で燃料電池スタック１に供給される圧縮空気の過度な温度上昇を抑制して燃料電池スタック１の燃料電池を保護し、燃料電池スタック１の正常な運転に適した圧縮空気の温度条件を充足させることができる。
また、本発明の実施形態では、高温の圧縮空気が加湿器１３に供給されることを抑制できるため、加湿器１３の加湿効率および燃料電池スタック１の運転性能の低下を防止できる。
【００３８】
また、本発明の実施形態では、吸熱部２０と放熱部３０を連結するヒートパイプ４０の簡単な構成により高温の圧縮空気を冷却できるため、燃料電池システム１０１のパッケージをコンパクトに実現できる。
一方、前記過程で温度センサー２５は、圧縮空気の温度を感知し、その感知信号を制御器９０に出力する。
そうすると、制御器９０は、温度センサー２５の感知信号に基づいて圧縮空気の温度が設定された温度以上であると判断すると、本発明の実施形態による冷媒供給ユニット６０の可動手段７０に電気的な信号を印加する。
【００３９】
そこで、可動手段７０としての冷媒圧送器具７１（図７参照）または流路開閉器具７２（図８参照）を作動させて冷媒リザーバ５０に貯蔵された冷媒を吸熱部２０に圧送し、あるいは、冷媒供給ライン６１の流路を開放して冷媒リザーバ５０に貯蔵された冷媒を冷媒供給ライン６１を通じて吸熱部２０に供給することができる。
したがって、温度センサー２５により感知された圧縮空気の温度に基づいて放熱部３０から吸熱部２０に供給される冷媒の量を冷媒供給ユニット６０を通じて調節することによって、高温パート２１での圧縮空気の温度をコントロールすることができる。
これによって、本発明の実施形態では、燃料電池スタック１の高出力運転条件で圧縮空気の温度を能動的に制御でき、圧縮空気の急激な温度上昇による速い応答性で空気冷却性能を向上させることができる。
【００４０】
図９は、本発明の第２実施形態による燃料電池システムの圧縮空気冷却装置を概略的に示した図面である。
図９に示す通り、本発明の第２実施形態による燃料電池システムの圧縮空気冷却装置２００は、吸熱部１２０、放熱部１３０およびヒートパイプ１４０を基本的に備えながら、冷媒リザーバ１５０に貯蔵された冷媒をヒートパイプ１４０に選択的に供給する冷媒供給ユニット１６０を構成することができる。
冷媒供給ユニット１６０は、冷媒リザーバ１５０とヒートパイプ１４０を連結する冷媒供給ライン１６１と、冷媒供給ライン１６１に設置される可動手段１７０とを含んでいる。
ここで、可動手段１７０は、冷媒リザーバ１５０に貯蔵された冷媒をヒートパイプ１４０に圧送したり冷媒供給ライン１６１の流路を開放して冷媒リザーバ１５０に貯蔵された冷媒を重力により冷媒供給ライン１６１を通じてヒートパイプ１４０に供給するためのものである。
【００４１】
可動手段１７０は、図１０に示すように、冷媒供給ライン１６１に設置され、冷媒リザーバ１５０に貯蔵された冷媒をヒートパイプ１４０に圧送するポンプ等の冷媒圧送器具１７１を含む。
そして、可動手段１７０は、図１１に示すように、冷媒供給ライン１６１の流路を選択的に開閉するソレノイドバルブ等の流路開閉器具１７２を含む。
流路開閉器具１７２は、冷媒供給ライン１６１を開放することによって冷媒リザーバ１５０に貯蔵された冷媒を重力によりヒートパイプ１４０に供給できる。
このような可動手段１７０は、温度センサー１２５の感知信号に基づいて、即ち、温度センサー１２５により感知された圧縮空気の温度に基づいて制御器１９０から電気的な制御信号の印加を受けて作動する。
【００４２】
したがって、圧縮空気の温度を温度センサー１２５を通じて感知し、制御器１９０を通じて圧縮空気の感知温度が予め設定された温度以上であると判断されると、冷媒供給ユニット１６０の可動手段１７０に電気的な信号を印加する。
そこで、可動手段１７０としての冷媒圧送器具１７１または流路開閉器具１７２を作動させて冷媒リザーバ１５０に貯蔵された冷媒をヒートパイプ１４０に圧送し、あるいは、冷媒供給ライン１６１の流路を開放して冷媒リザーバ１５０に貯蔵された冷媒を冷媒供給ライン１６１を通じてヒートパイプ１４０に供給することができる。
本発明の第２実施形態による燃料電池システムの圧縮空気冷却装置２００のその他の構成および作用効果は、前記実施形態と同一であるため、より詳細な説明は省略する。
【００４３】
図１２は、本発明の第３実施形態による燃料電池システムの圧縮空気冷却装置を概略的に示した図面である。
図１２に示す通り、本発明の第３実施形態による燃料電池システムの圧縮空気冷却装置３００は、前記実施形態のように、吸熱部２２０、放熱部２３０およびヒートパイプ２４０を基本的に備えるとともに、圧縮空気を冷却する過程にヒートパイプ２４０内部の蒸発された冷媒ガスに圧力を印加する圧力印加ユニット２８０を構成する。
吸熱部２２０、放熱部２３０およびヒートパイプ２４０は前記実施形態の構成と同一であるため、より詳細な説明は省略する。
圧力印加ユニット２８０は、高温パート２２１としての空気供給ライン２１２とヒートパイプ２４０を連結したものであって、別の電気的な制御手段なしに空気供給ライン２１２を流動する圧縮空気の圧力を利用してその圧縮空気の冷却性能を改善することができる。
【００４４】
このような圧力印加ユニット２８０は、空気供給ライン２１２に連結される空気流路２８１と、空気流路２８１に連結され、ピストン２８３が備えられたシリンダー部材２８４と、シリンダー部材２８４のピストン２８３に連結される連結ロッド２８５と、連結ロッド２８５に連結されるベローズ管２８７と、ベローズ管２８７とヒートパイプ２４０を連結する冷媒ガス流路２８９とを含む。
空気流路２８１は、空気供給ライン２１２に連結され、圧縮空気の圧力を受ける。シリンダー部材２８４は、空気流路２８１と連結され、圧縮空気の圧力によりピストン２８３を移動させる。連結ロッド２８５は、ピストン２８３に連結され、そのピストン２８３が移動することによって共に移動することができる。ベローズ管２８７は、蛇腹管形態からなり、連結ロッド２８５が移動することによって圧縮される。冷媒ガス流路２８９は、ヒートパイプ２４０と連結され、そのヒートパイプ２４０内部の冷媒ガスが流入する。
【００４５】
ここで、ベローズ管２８７は、ピストン２８３の移動によって連結ロッド２８５により圧縮され、冷媒ガス流路２８９を通じてヒートパイプ２４０内部の冷媒ガスを加圧する。
圧縮空気冷却装置３００によると、吸熱部２２０、放熱部２３０およびヒートパイプ２４０を利用して空気供給ライン２１２を通過する圧縮空気を冷却させる過程で、その圧縮空気は圧力印加ユニット２８０の空気流路２８１に流入する。
そうすると、シリンダー部材２８４のピストン２８３は圧縮空気の圧力により移動するようになり、連結ロッド２８５も移動するようになる。そこで、ベローズ管２８７は連結ロッド２８５により圧縮され、冷媒ガス流路２８９を通じてヒートパイプ２４０内部の冷媒ガスを加圧する。
【００４６】
したがって、圧縮空気を冷却する過程で圧力印加ユニット２８０を通じてヒートパイプ２４０内部で蒸発した冷媒ガスに圧縮空気の圧力を印加するため、ヒートパイプ２４０での冷媒ガスの移動を活性化させることができる。
これによって、吸熱部２２０で蒸発した冷媒ガスが放熱部２３０により早く到達するため、冷媒の循環がより活性化し、圧縮空気の冷却性能をより向上させることができる。
即ち、別の電気的な制御手段なしに空気供給ライン２１２を流動する圧縮空気の圧力を利用してヒートパイプ２４０の冷媒循環を活性化することによって、圧縮空気の冷却性能を改善することができる。
【００４７】
図１３は、本発明の第４実施形態による燃料電池システムの圧縮空気冷却装置を概略的に示した図面である。
図１３に示す通り、本発明の第４実施形態による燃料電池システムの圧縮空気冷却装置４００は、吸熱部３２０、放熱部３３０およびヒートパイプ３４０を基本的に備え、圧縮空気を冷却する過程にヒートパイプ３４０内部の液体冷媒に圧力を印加する圧力印加ユニット３８０を構成する。
吸熱部３２０、放熱部３３０およびヒートパイプ３４０は、前記実施形態の構成と同一であるため、より詳細な説明は省略する。
圧力印加ユニット３８０は、高温パート３２１としての空気供給ライン３１２、放熱部３３０およびヒートパイプ３４０を連結したものであって、別の電気的な制御手段なしに空気供給ライン３１２を流動する圧縮空気の圧力を利用してその圧縮空気の冷却性能を改善することができる。
【００４８】
このような圧力印加ユニット３８０は、空気供給ライン３１２に連結される空気流路３８１と、空気流路３８１に連結され、ピストン３８３が備えられたシリンダー部材３８４と、シリンダー部材３８４のピストン３８３に連結される連結ロッド３８５と、連結ロッド３８５に連結されるベローズ管３８７と、ベローズ管３８７と放熱部３３０を連結する第１冷媒液体流路３８８と、ベローズ管３８７とヒートパイプ３４０を連結する第２冷媒液体流路３８９とを含む。
空気流路３８１は、空気供給ライン３１２に連結され、圧縮空気の圧力を受ける。シリンダー部材３８４は、空気流路３８１と連結され、圧縮空気の圧力によりピストン３８３を移動させる。連結ロッド３８５は、ピストン３８３に連結され、そのピストン３８３が移動することによって共に移動する。ベローズ管３８７は、蛇腹管形態からなり、連結ロッド３８５が移動することによって圧縮される。
【００４９】
そして、第１冷媒液体流路３８８は、ベローズ管３８７と放熱部３３０を連結し、その放熱部３３０から重力により提供される液体冷媒をベローズ管３８７に供給する。第２冷媒液体流路３８９は、ベローズ管３８７とヒートパイプ３４０を連結し、そのベローズ管３８７内部の液体冷媒をヒートパイプ３４０の内部に供給する。
即ち、ベローズ管３８７は、第１冷媒液体流路３８８を通じて放熱部３３０の液体冷媒の供給を受け、圧縮空気の圧力によりピストン３８３が移動することによって連結ロッド３８５により圧縮され、第２冷媒液体流路３８９を通じてヒートパイプ３４０の内部に液体冷媒を供給してその内部の液体冷媒を加圧することができる。
【００５０】
したがって、圧縮空気を冷却する過程で、その圧縮空気の圧力を利用して圧力印加ユニット３８０を通じてヒートパイプ３４０の内部に液体冷媒を供給し、その内部の液体冷媒を加圧することによってヒートパイプ３４０での液体冷媒の移動を加速化させることができる。
これによって、放熱部３３０で凝縮された液体冷媒が吸熱部３２０により早く到達するため、冷媒の循環がより活性化し、圧縮空気の冷却性能をより向上させることができる。
即ち、別の電気的な制御手段なしに空気供給ライン３１２を流動する圧縮空気の圧力を利用してヒートパイプ３４０の冷媒循環を活性化することによって圧縮空気の冷却性能を改善することができる。
【００５１】
以上、本発明の実施形態が燃料電池システムに適用されることを例として説明したが、本発明の保護範囲が必ずしもこれに限定されるものと理解してはいけない。本発明の実施形態らは当業者によって電装冷却システムを含む車両の全ての冷却系統にも適用されることはもちろんである。
以上で本発明の実施形態らについて説明したが、本発明の技術的な思想は本明細書で提示される実施形態に制限されず、本発明の技術的な思想を理解する当業者は同一の技術的な思想の範囲内で、構成要素の付加、変更、削除、追加などにより他の実施形態を容易に提案することができ、これも本発明の権利範囲内に属すると言える。
【符号の説明】
【００５２】
１…燃料電池スタック
３…燃料供給系統
５…空気供給系統
７…冷却系統
１１…空気圧縮器
１２、２１２、３１２…空気供給ライン
１３…加湿器
１４…圧縮空気入口
１５…ラジエータモジュール
１６…ラジエータ
１７…冷却ファン
１８…冷却水流動経路
２０、１２、２２０、３２０…吸熱部
２１、２２１、３２１…高温パート
２５、１２５…温度センサー
３０、１３０、２３０、３３０…放熱部
３１…低温パート
４０、１４０、２４０、３４０…ヒートパイプ
５０、１５０…冷媒リザーバ
６０、１６０…冷媒供給ユニット
６１、１６１…冷媒供給ライン
７０、１７０…可動手段
７１、１７１…冷媒圧送器具
７２、１７２…流路開閉器具
９０、１９０…制御器
１０１…燃料電池システム
２８０、３８０…圧力印加ユニット
２８１、３８１…空気流路
２８３、３８３…ピストン
２８４、３８４…シリンダー部材
２８５、３８５…連結ロッド
２８７、３８７…ベローズ管
２８９…冷媒ガス流路
３８８…第１冷媒液体流路
３８９…第２冷媒液体流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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