(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を備えた燃料電池冷却システムでは、燃料電池が高温に発熱するため、燃料電池を冷却するために液冷モジュールが用いられている。一般的な液冷モジュールは、冷媒を燃料電池スタック内に流通させる構成である。
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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１６８３５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
作動媒体を流通させる液冷モジュールでは、一般的に、ポンプを用いて機械的に冷媒の放熱を行うため、ポンプの消費電力が大きく、またシステムが大型になるという課題があった。また特許文献１記載のシステムでは燃料電池の冷却は考慮されていなかった。
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。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第１の態様は、燃料電池冷却システムであって、複数の電池セルと、複数の電池セルに熱的に接続される接触部と、接触部から延びて電池セルから外側に突出する突出部とを有する複数のヒートパイプと、複数のヒートパイプの突出部に接続される蒸発部と、蒸発部と気相ライン及び液相ラインを介して接続された放熱部とを有するループヒートパイプと、を備える。
【０００６】
上記第１の態様によれば、個々の電池セルに対応させてヒートパイプを配置している。これにより、電池セルで生じた熱を効率よく回収することができる。ヒートパイプに回収された熱は、さらにループヒートパイプの蒸発部により回収される。ループヒートパイプでは、電池セルとは離れた位置に放熱部を配置できるため、電池セルの周囲の温度上昇を抑制し、電池性能及び電池寿命の低下を抑制することができる。
【０００７】
また、ヒートパイプでは、電池セルと当接する部分で均一に媒体の蒸発が生じるため、電池セル表面における温度分布が均一になる。これにより、局所的な温度上昇による燃料電池の性能低下が生じにくくなる利点も得られる。
【０００８】
本発明の第２の態様は、燃料電池冷却システムであって、複数の電池セルと、複数の電池セルに熱的に接続される複数のヒートパイプと、ヒートパイプに連通する気相ライン及び液相ラインと、気相ライン及び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る。
【０００９】
上記第２の態様によれば、個々の電池セルに対応させてループヒートパイプの蒸発部であるヒートパイプを配置している。これにより、電池セルの熱により蒸発した作動媒体を、気相ラインを介して放熱部に移動させ、放熱部で熱を放出させることができる。この態様では、個々の電池セルの近傍にまでループヒートパイプを配置するので、電池セルの熱を効率よく回収することができる。
【００１０】
また、ヒートパイプでは、電池セルと当接する部分で均一に媒体の蒸発が生じるため、電池セル表面における温度分布が均一になる。これにより、局所的な温度上昇による燃料電池の性能低下が生じにくくなる利点も得られる。
【００１１】
本発明の第３の態様は、上記第２の態様の燃料電池冷却システムにおいて、ヒートパイプの管内を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。
【００１２】
上記第３の態様によれば、液相ラインから供給される液体の作動媒体を、管を閉塞するウィック構造で堰き止め、ウィック構造に吸収された作動媒体だけをヒートパイプ内に案内する。これにより、ヒートパイプ内に過剰な作動媒体が流入するのを防ぎ、ヒートパイプ内で効率よく作動媒体を蒸発させることともに、気相ラインへ円滑に排出させることができる。
【００１３】
本発明の第４の態様は、上記第１〜第３の態様の燃料電池冷却システムにおいて、放熱部は、蒸発部の上端又はヒートパイプの上端よりも上側に配置されている。
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。
【００１４】
本発明の第５の態様は、上記第１の態様の燃料電池冷却システムにおいて、蒸発部に、液相ラインから液状の作動媒体を吸い上げるウィック構造が形成されている。
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。
【００１５】
本発明の第６の態様は、上記第５の態様の燃料電池冷却システムにおいて、蒸発部は、一又は複数のヒートパイプを含むヒートパイプ群毎に分割されている。
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。
【００１６】
本発明の第７の態様は、上記第１〜３のいずれかの態様の燃料電池冷却システムにおいて、液相ラインに接続され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。
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。
【００１７】
さらに、本発明の第８の態様は、上記第１〜７のいずれかの態様の燃料電池冷却システムにおいて、隣り合う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。
【００１８】
本発明の第９の態様は、上記第１〜７のいずれかの態様の燃料電池冷却システムにおいて、金属板と、金属板上に固着されたヒートパイプとを有するヒートパイプ冷却板を有する。
【００１９】
本発明の第１０の態様は、上記第１〜７のいずれかの態様の燃料電池冷却システムにおいて、一面側に凹部を有するように曲げ加工された２枚の金属板を、凹部同士が空洞を形成するように貼り合わせたヒートパイプ冷却板を有する。
【００２０】
本発明の第１１の態様は、上記第１〜１０のいずれかの態様の燃料電池冷却システムにおいて、ヒートパイプは、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。
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。
【発明の効果】
【００２１】
上記本発明の態様によれば、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ことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第１実施形態の燃料電池冷却システムを示す概略図。
【図２】第１実施形態のヒートパイプ冷却板を示す部分斜視図。
【図３】第１実施形態のヒートパイプ冷却板の部分断面図。
【図４】ヒートパイプ冷却板の構成の一例を示す部分断面図。
【図５】ヒートパイプ冷却板の構成の他の例を示す部分断面図。
【図６】第２実施形態の燃料電池冷却システムを示す概略図。
【図７】第２実施形態のヒートパイプ冷却板の部分断面図。
【図８】第２実施形態のウィック構造を示すヒートパイプの部分縦断面図。
【図９】第３実施形態の燃料電池冷却システムを示す概略図。
【図１０】その他の実施形態の燃料電池冷却システムを示す概略図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
第１実施形態
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。
【００２４】
図１に示す燃料電池冷却システム１は、燃料電池モジュール１０と、燃料電池モジュール１０に接続されたヒートパイプ冷却板１２と、ヒートパイプ冷却板１２に接続されたループヒートパイプ２０と、を有する。
【００２５】
燃料電池モジュール１０は、複数の電池セル（燃料電池セル）１１を有する。
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。
【００２６】
ループヒートパイプ２０は、複数のヒートパイプ１５の突出部１５ａに接続された蒸発部１３と、ラジエータ（放熱部）３０と、蒸発部１３とラジエータ３０とを接続する気相ライン２０ａ及び液相ライン２０ｂと、を有する。ループヒートパイプ２０の内部には水等の作動媒体が封入されている。ヒートパイプ１５とループヒートパイプ２０とは、互いに独立した作動媒体の流路を有するヒートパイプである。
【００２７】
電池セル１１は、板状を成す構成部材である。燃料電池モジュール１０において、複数の電池セル１１は厚さ方向に積み重ねられ、かつ各電池セル１１の電極間が並列又は直列に接続されることにより、燃料電池スタックを構成している。電池セル１１には、各種の公知の電池セルを用いることができる。例えば、膜／電極接合体（Membrane Electrode Assembly，ＭＥＡ）とＭＥＡを挟む第１のセパレータ及び第２のセパレータを備え、第１のセパレータとＭＥＡとの隙間に水素が流れ第２のセパレータとＭＥＡとの隙間に酸素が流れるような構成の電池セルが挙げられる。
【００２８】
ヒートパイプ冷却板１２は、全体として板状を成す構成部材であり、燃料電池スタックと組み合わせて用いられ、燃料電池スタックを冷却する。具体的には、図１に示すように、隣り合って配置された電池セル１１の間にヒートパイプ冷却板１２が挿入され、各電池セル１１とヒートパイプ冷却板１２とが組み合わさった構成が一又は複数積層されて、燃料電池スタックとして用いられる。複数積層されている場合は、個々のヒートパイプ冷却板１２は、ヒートパイプ冷却板１２を挟み込む各層の電池セル１１と当接し、これらを冷却する。また、１つのヒートパイプ冷却板１２が一又は複数の電池セル１１を冷却する構成としてもよい。
【００２９】
図２は、ヒートパイプ冷却板１２の部分斜視図である。図３は図２のＸ−Ｘ線に沿う部分断面図である。図２に示すように、ヒートパイプ冷却板１２は、互いに平行に平面的に並べられた複数のヒートパイプ１５と、隣り合うヒートパイプ１５同士を連結する複数の平板部（板状部材）１６とを有する。ヒートパイプ冷却板１２において、複数の平板部１６は同等の幅を有する。従って、隣り合うヒートパイプ１５同士の間隔はほぼ一定である。ヒートパイプ冷却板１２は、金属で形成されており、たとえば、銅、アルミニウム又はステンレス鋼などから形成されている。
【００３０】
ヒートパイプ１５は、電池セル１１の熱により作動媒体が蒸発することにより熱を回収し、突出部１５ａに接続されたループヒートパイプ２０の蒸発部１３に熱を放出する。本実施形態の場合、ヒートパイプ１５は、ほぼ真っ直ぐな管状部材である。ヒートパイプ１５は、内部で発生した作動媒体の蒸気が円滑に突出部１５ａに移動する形状であれば曲がっていてもよい。ヒートパイプ１５の内部には、相分離及び相拡散のために毛細管構造を有する図示しない溝が内壁に形成されていてもよいし、後述するウィック構造１７（図３参照）が形成されていてもよい。
【００３１】
平板部１６は、隣り合って配置されたヒートパイプ１５同士を連結する。平板部１６の長辺端は長さ方向の全体にわたってヒートパイプ１５の側面に固着されている。従って、ヒートパイプ冷却板１２の各ヒートパイプ１５は、平板部１６を介して相互に熱的に接続されている。
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。
【００３２】
ウィック構造１７は、図３に示すように、例えばヒートパイプ１５の内面に長手方向に沿って設けられ、作動媒体を保持する。凝縮して液体に戻った作動媒体はウィック構造１７に吸収され、さらにウィック構造１７を伝わって移動する。これにより、二相分離が確実に行われるため、作動媒体の循環効率が促進される。ウィック構造１７は、多孔質材料のように毛細管現象により作動媒体を保持し、循環させられるものであれば特に限定されない。
【００３３】
ヒートパイプ冷却板１２において、ヒートパイプ１５は平板部１６よりも厚さ方向に突出しており、平板部１６の部分は相対的に高さの低い凹溝部１２ａとなっている。本実施形態において、凹溝部１２ａには電池セル１１の凸部が嵌め込まれ、電池セル１１とヒートパイプ冷却板１２とが熱的に接続される。ヒートパイプ冷却板１２と電池セル１１の凹凸形状とを噛み合わせて配置することで、ヒートパイプ１５と電池セル１１とが良好に熱的に接続される。上記構成により、複数のヒートパイプ１５において、各電池セル１１からの熱を均一に拡散しながら広範囲において回収できるため、システムの冷却効率を向上させることができる。
【００３４】
ここで、図４及び図５に、ヒートパイプ冷却板１２の具体例として、ヒートパイプ冷却板１２Ａ，１２Ｂの製造例を示す。
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。
【００３５】
図５に示すヒートパイプ冷却板１２Ｂは、側面視波形に曲げ加工された２枚の金属板３２ａ、３２ｂを貼り合わせた構成を有する。金属板３２ａは、複数の凹部３５ａと、凹部３５ａ同士を接続する複数の平板部３６ａとを有する。金属板３２ｂは、複数の凹部３５ｂと、凹部３５ｂ同士を接続する複数の平板部３６ｂとを有する。金属板３２ａの凹部３５ａと金属板３２ｂの凹部３５ｂとは、互いに対向して断面視円形状の空洞３５を形成する。空洞３５内には、図示略のウィック構造が形成され、ヒートパイプ１５Ｂとなる。平板部３６ａと平板部３６ｂとは、互いに貼り合わされて平板部１６Ｂとなる。
【００３６】
図１を参照すると、ループヒートパイプ２０は、蒸発部１３と、気相ライン２０ａと、液相ライン２０ｂと、ラジエータ３０と、を有する。これらの内部には互いに接続された作動媒体の流路が形成されており、作動媒体が内部を循環する。
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。
【００３７】
気相ライン２０ａの一端は蒸発部１３に接続され、他端はラジエータ３０に接続される。気相ライン２０ａでは、蒸発部１３からラジエータ３０に向かって作動媒体の蒸気が流れる。気相ライン２０ａ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。
【００３８】
液相ライン２０ｂの一端はラジエータ３０に接続され、他端は蒸発部１３に接続される。液相ライン２０ｂでは、ラジエータ３０から蒸発部１３に向かって液体（凝縮した作動媒体）が流れる。液相ライン２０ｂについても、単一又は複数の配管により構成することができる。
【００３９】
ラジエータ３０は、ヒートパイプ１５から輸送される作動媒体を液化させる凝縮器である。ラジエータ３０の上端に気相ライン２０ａが接続され、下端に液相ライン２０ｂが接続されている。ラジエータ３０は、燃料電池モジュール１０から離してかつ燃料電池モジュール１０よりも上部に設置される。上記構成により、ラジエータ３０で液体となった作動媒体が、自重で蒸発部１３にスムーズに移動できる。
【００４０】
ラジエータ３０の放熱構造としては、自動車などの輸送機に用いられている公知の放熱構造（例えば放熱フィンなど）を用いることができる。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が併設されている。ただし補助冷却部４０は必要に応じて設ければよく、ファンを配置してもよいし、自動車等の空冷装置や水冷装置の一部を利用してもよい。
【００４１】
続いて、燃料電池冷却システム１における冷却動作について説明する。
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。
【００４２】
第２実施形態
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。
【００４３】
ループヒートパイプ５０は、複数のヒートパイプ５５を含むヒートパイプ冷却板５２（図７参照）と、複数のヒートパイプ５５の上端部５５ｃに接続された蒸気収集部５３と、複数のヒートパイプ５５の下端部５５ｂに接続された液分配部５４と、ラジエータ（放熱部）３０と、蒸気収集部５３とラジエータ３０とを接続する気相ライン５０ａと、ラジエータ３０と液分配部５４とを接続する液相ライン５０ｂと、を有する。ループヒートパイプ５０の各構成部材の内部には互いに連通する媒体流路が形成されている。媒体流路の内部には水等の作動媒体が封入されている。
【００４４】
ヒートパイプ冷却板５２は、複数本のヒートパイプ５５と、隣り合うヒートパイプ５５同士を連結する平板部５６とを有する。ヒートパイプ５５は、両端が開口した管体である。平板部５６は、必要に応じて設ければよい。
【００４５】
蒸気収集部５３は、ヒートパイプ冷却板５２の鉛直方向における上部の一端に、各ヒートパイプ５５の上端部５５ｃと連通して接続するように設けられる。蒸気収集部５３では、燃料電池スタックからの熱によって蒸発した各ヒートパイプ５５中の作動媒体の蒸気が集められる。
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。
【００４６】
ループヒートパイプ５０は、気相ライン５０ａと液相ライン５０ｂとを有する。
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。
【００４７】
液相ライン５０ｂの一端はラジエータ３０に接続され、他端は液分配部５４に接続される。本実施形態では、液分配部５４はラジエータ３０よりも低い位置に配置されている。液相ライン５０ｂでは、ラジエータ３０から液分配部５４に向かって液体（凝縮した作動媒体）が流れる。液相ライン５０ｂについても、単一又は複数の配管により構成することができる。また、液相ライン５０ｂは、各ヒートパイプ５５の下端部５５ｂに直接接続されてもよい。
【００４８】
ヒートパイプ５５の内面には、図８に示すウィック構造５７が形成されている。ウィック構造５７は、ヒートパイプ５５の内面に長手方向に沿って形成された媒体保持部５７ａと、媒体保持部５７ａに接続され、かつヒートパイプ５５の下端部５５ｂを塞ぐように形成された閉塞部５７ｂとを有する。閉塞部５７ｂは、ヒートパイプ５５の内部と液分配部５４の内部を区画する。閉塞部５７ｂは多孔質材料等から形成され、毛細管作用により作動媒体の液体を内部に浸透させる。
【００４９】
従って、閉塞部５７ｂは、液分配部５４からヒートパイプ５５内へ多量の作動媒体が流入することを防ぐ一方、内部に浸透した適量の作動媒体を媒体保持部５７ａに供給する。これにより、ヒートパイプ５５内に常に適量の作動媒体を保持させることができ、電池セル１１からの熱回収の効率を高めることができる。
【００５０】
より詳細には、本実施形態では、ラジエータ３０が液分配部５４よりも高い位置にあるため、ラジエータ３０から流出した作動媒体の液体は自重により液分配部５４へ制限無く流入する。仮に閉塞部５７ｂが形成されていないとすると、多量の作動媒体の液体が液分配部５４に流入したときに、作動媒体の液体がヒートパイプ５５内に流入して溜まり、電池セル１１からの熱回収の効率が低下する。本実施形態では、閉塞部５７ｂが形成されているため、ヒートパイプ５５内へ常に適量の作動媒体が供給されるので、上記のような効率低下が抑えることができる。
【００５１】
続いて、燃料電池冷却システム２における冷却動作について説明する。
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。
【００５２】
第３実施形態
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。
【００５３】
燃料電池冷却システム３は、上記実施形態同様の燃料電池モジュール１１０と、燃料電池モジュール１１０に接続されたヒートパイプ冷却板１２と、ループヒートパイプ６０と、を有する。
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。
【００５４】
気相ライン６１の一端は、複数の管６１ａ〜６１ｄに分かれている。管６１ａ〜６１ｄは、各々、蒸発部１３ａ〜１３ｄに接続される。気相ライン６１の他端はラジエータ３０に接続される。気相ライン６１では、蒸発部１３ａ〜１３ｄからラジエータ３０に向かって蒸気が流れる。気相ライン６１は、全体が複数の配管からなる構成としてもよい。すなわち、管６１ａ〜６１ｄにより蒸発部１３ａ〜１３ｄとラジエータ３０とが接続されている構成としてもよい。
【００５５】
液相ライン６２の一端は、ラジエータ３０に接続される。液相ライン６２の他端は、複数の管６２ａ〜６２ｄに分かれている。管６２ａ〜６２ｄは、各々、蒸発部１３ａ〜１３ｄに接続される。液相ライン６２では、ラジエータ３０から蒸発部１３ａ〜１３ｄに向かって液体（凝縮した作動媒体）が流れる。液相ライン２２についても、全体を複数の配管により構成することができる。
【００５６】
上記構成を備えた本実施形態の燃料電池冷却システム３では、蒸発部１３ａ〜１３ｄに液相ライン６２（管６２ａ〜６２ｄ）から作動媒体の液体を吸い上げるウィック構造が形成されている。これにより、ラジエータ３０を蒸発部１３ａ〜１３ｄよりも高くしなくても、液相ライン６２から蒸発部１３ａ〜１３ｄに作動媒体が供給される構成とすることができる。従って、燃料電池モジュール１１０とラジエータ３０を自在に配置しつつ、完全受動型の燃料電池冷却が可能な燃料電池冷却システムを実現することができる。
【００５７】
本実施形態では、蒸発部１３ａ〜１３ｄへの作動媒体の供給がウィック構造による液体吸い上げに依存するため、ラジエータ３０から液体を降下させる方式、及びポンプで圧送する方式と比較して作動媒体の供給量が少なくなりやすい。この場合に、仮に１つの蒸発部に対して例えば１２本のヒートパイプ１５が接続されていると、蒸発部に吸い上げられる作動媒体の液体が少ないときに、全部のヒートパイプ１５の近傍まで作動媒体の液体が供給されず、ヒートパイプ１５からの熱回収が滞るおそれがある。そこで、本実施形態では、４つの蒸発部１３ａ〜１３ｄを設け、それぞれが適正本数（図示では３本）のヒートパイプ１５に対して作動媒体の液体を供給する構成としている。これにより、作動媒体の供給不足による冷却効率の低下を抑制することができる。
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。
【００５８】
以上に説明した各実施形態の燃料電池冷却システムでは、燃料電池モジュール１０の内部の電池セル１１に当接させてヒートパイプ冷却板１２、５２が配設されている。これにより、各電池セル１１から直接的に熱を回収することができ、高い冷却効率が得られる。
【００５９】
また、各実施形態において、各ヒートパイプ１５、５５の内部では、ヒートパイプ１５、５５の長さ方向のほぼ全体で作動媒体の蒸発が生じるため、電池セル１１から効率よく熱を回収できるとともに、電池セル１１の表面温度を均一化することができる。電池セル１１の局所的な温度上昇が抑制されるため、電池セル１１の信頼性を向上させることができる。
【００６０】
また、各実施形態において、蒸発した作動媒体は気相ライン２０ａ、５０ａ、６１を介してラジエータ３０に輸送され、ラジエータ３０で放熱して液化するので、燃料電池モジュール１０の近傍に熱が放出されることが無く、燃料電池モジュール１０を効率よく冷却することができる。
【００６１】
さらに、第１実施形態の燃料電池冷却システム１においては、ラジエータ３０を燃料電池モジュール１０よりも高い位置に配置しているため、作動媒体の蒸発に伴う上方への移動と、液化による下方への移動を利用してループヒートパイプ２０内を循環させることができる。これにより、ポンプ等の駆動装置が不要になるため、消費電力を低減した小型の燃料電池冷却システムを構築することができる。
【００６２】
なお、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は、図１０に示すように、燃料電池冷却システム１において、液相ライン２０ｂの流路上にポンプ３１をさらに配置してもよい。
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。
【００６３】
第１実施形態の燃料電池冷却システム１においては、ラジエータ３０で液体となった作動媒体が、自重で液分配部１４にスムーズに移動できる構成であれば、燃料電池モジュール１０、ループヒートパイプ２０などの他の構成は、高い自由度で配置することができる。
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。
【００６４】
以上、本発明の好ましい実施形態を説明し、上記で説明してきたが、これらは本発明の例示的なものであり、限定するものとして考慮されるべきではないことを理解すべきである。追加、省略、置換、及びその他の変更は、本発明の範囲から逸脱することなく行うことができる。従って、本発明は、前述の説明によって限定されていると見なされるべきではなく、特許請求の範囲によって制限されている。
【符号の説明】
【００６５】
１〜３…燃料電池冷却システム、１０，１００，１１０…燃料電池モジュール、１１…電池セル、１２，１２Ａ，１２Ｂ…ヒートパイプ冷却板、１３…蒸発部、１４…液分配部、１５，５５…ヒートパイプ、１５ａ…突出部、１６，１６Ｂ…平板部、１７，５７…ウィック構造、２０，５０…ループヒートパイプ、２０ａ，５０ａ，６１…気相ライン、２０ｂ，５０ｂ，６２…液相ライン、３０…ラジエータ（放熱部）、４０…補助冷却部
【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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