特開 2024-140499 燃料電池冷却システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024140499

(43)【公開日】2024-10-10

(54)【発明の名称】燃料電池冷却システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20241003BHJP

   H01M 8/04029 20160101ALI20241003BHJP

   H01M 8/0432 20160101ALI20241003BHJP

   H01M 8/04746 20160101ALI20241003BHJP

   B60K 15/03 20060101ALI20241003BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 J

H01M8/04029

H01M8/0432

H01M8/04746

B60K15/03 E

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023051661

(22)【出願日】2023-03-28

(71)【出願人】

【識別番号】000005522

【氏名又は名称】日立建機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001829

【氏名又は名称】弁理士法人開知

(72)【発明者】

【氏名】松▲崎▼ 泰樹

(72)【発明者】

【氏名】糸賀 健太郎

【テーマコード（参考）】

3D038

5H127

【Ｆターム（参考）】

3D038CA09

3D038CC18

5H127AC14

5H127BA02

5H127BA22

5H127BA60

5H127CC07

5H127DB06

5H127DB74

5H127DC02

5H127DC04

5H127DC08

(57)【要約】

【課題】メンテナンス性を向上させるとともにライフサイクルコストを抑制することが可能な燃料電池冷却システムを提供する。
【解決手段】燃料電池２と、燃料電池２の燃料を貯留する燃料タンク１と、冷却水を循環させて燃料電池２を冷却する冷却回路８とを備えた燃料電池冷却システム１００において、燃料タンク１から供給される燃料を流通させる燃料流路１０と、冷却回路８を循環する冷却水と燃料流路１０を流通する燃料との間で熱交換させることにより、冷却回路８を循環する冷却水を冷却する熱交換器６とを備える。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池と、
前記燃料電池の燃料を貯留する燃料タンクと、
冷却水を循環させて前記燃料電池を冷却する冷却回路とを備えた燃料電池冷却システムにおいて、
前記燃料タンクから供給される燃料を流通させる燃料流路と、
前記冷却回路を循環する冷却水と前記燃料流路を流通する燃料との間で熱交換させることにより、前記冷却回路を循環する冷却水を冷却する熱交換器とを備える
ことを特徴とする燃料電池冷却システム。

【請求項2】

請求項１に記載の燃料電池冷却システムにおいて、
前記冷却回路を循環する冷却水の熱を放熱する放熱器と、
前記放熱器に送風する冷却ファンと、
前記冷却回路を循環する冷却水の温度を検出する第１温度センサと、
前記第１温度センサで検出された冷却水の温度に応じて前記冷却ファンを制御するコントローラとを備える
ことを特徴とする燃料電池冷却システム。

【請求項3】

請求項１に記載の燃料電池冷却システムにおいて、
前記燃料タンクから前記燃料電池に燃料を供給する燃料供給管を備え、
前記燃料流路の上流側端部および下流側端部は、前記燃料供給管に接続されている
ことを特徴とする燃料電池冷却システム。

【請求項4】

請求項３に記載の燃料電池冷却システムにおいて、
前記燃料供給管に設けられたレギュレータを備え、
前記上流側端部は、前記燃料供給管において前記レギュレータよりも下流側に配置され、
前記下流側端部は、前記燃料供給管において前記上流側端部よりも下流側に配置されている
ことを特徴とする燃料電池冷却システム。

【請求項5】

請求項３に記載の燃料電池冷却システムにおいて、
前記燃料流路の前記熱交換器よりも上流側に設けられ、燃料を減圧させる膨張弁と、
前記燃料流路の前記熱交換器よりも下流側に設けられ、前記膨張弁により減圧させた燃料を圧縮させる圧縮機と、
前記燃料供給管を流通する燃料の温度を検出する第２温度センサと、
前記第２温度センサで検出された燃料の温度に応じて前記圧縮機を制御するコントローラとを備える
ことを特徴とする燃料電池冷却システム。

【請求項6】

請求項１に記載の燃料電池冷却システムにおいて、
前記冷却回路を循環する冷却水の温度を検出する第１温度センサと、
前記燃料流路の前記熱交換器よりも上流側に設けられ、前記燃料流路を連通または遮断する切換弁と、
前記第１温度センサで検出された冷却水の温度に応じて前記切換弁を制御するコントローラとを備える
ことを特徴とする燃料電池冷却システム。

【請求項7】

請求項１に記載の燃料電池冷却システムにおいて、
前記冷却回路を循環する冷却水の温度を検出する第１温度センサと、
前記燃料流路の前記熱交換器よりも上流側に設けられ、前記燃料流路を流通する燃料の流量を制御する流量制御弁と、
前記第１温度センサで検出された冷却水の温度に応じて前記流量制御弁を制御するコントローラとを備える
ことを特徴とする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、建設機械等の車両に搭載される燃料電池冷却システムに関する。

【背景技術】

【0002】

車両の動力源として燃料電池を搭載したものがある。燃料電池はエンジン同様に冷却が必要となるが、要求される放熱量がエンジンの数倍とされるため、燃料電池の冷却システムにはエンジンの冷却システムよりも高い冷却性能が求められる。

【0003】

燃料電池の冷却システムの先行技術を開示する文献として特許文献１がある。特許文献１には、２つの冷却回路（第１冷媒回路および第２冷媒回路）を設けることにより、燃料電池の冷却性能を向上させることができる燃料電池システムが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特表２０２１－５２０６１８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池システムは、２つの冷却回路を備えているため、機器レイアウトに制約が生じる。さらに、２つの冷却回路に冷却水を充填させる必要があるため、メンテナンス性の悪化につながる。また、メンテナンス時に交換する冷却水の量が増えるため、ライフサイクルコストが増大する。

【0006】

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、メンテナンス性を向上させるとともにライフサイクルコストを抑制することが可能な燃料電池冷却システムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記目的を達成するために、本発明は、燃料電池と、前記燃料電池の燃料を貯留する燃料タンクと、冷却水を循環させて前記燃料電池を冷却する冷却回路とを備えた燃料電池冷却システムにおいて、前記燃料タンクから供給される燃料を流通させる燃料流路と、前記冷却回路を循環する冷却水と前記燃料流路を流通する燃料との間で熱交換させることにより、前記冷却回路を循環する冷却水を冷却する熱交換器とを備えるものとする。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、燃料電池に供給される燃料の一部を冷媒として、冷却回路を循環する冷却水を冷却することができるため、冷却回路の冷却性能を向上させることが可能となる。その結果、冷却回路を短縮して冷却水の量を低減することにより、冷却回路のメンテナンス性を向上させるとともにライフサイクルコストを抑制することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の第１の実施例における燃料電池冷却システムの構成図

【図2】本発明の第１の実施例におけるコントローラの冷却ファンの制御に関わる処理を示すフローチャート

【図3】本発明の第１の実施例におけるコントローラの圧縮機の制御に関わる処理を示すフローチャート

【図4】本発明の第２の実施例における燃料電池冷却システムの構成図

【図5】本発明の第３の実施例における燃料電池冷却システムの構成図

【図6】本発明の第３の実施例におけるコントローラの切換弁の制御に関わる処理を示すフローチャート

【図7】本発明の第４の実施例における燃料電池冷却システムの構成図

【図8】本発明の第４の実施例におけるコントローラの流量制御弁の制御に関わる処理を示すフローチャート

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、各図中、同等の部材には同一の符号を付し、重複した説明は適宜省略する。

【実施例0011】

図１は、本発明の第１の実施例における燃料電池冷却システム１００の構成図である。燃料電池冷却システム１００は、燃料タンク１と、燃料電池２と、燃料供給管９と、レギュレータ２０と、冷却回路８と、冷却水ポンプ２１と、放熱器３と、冷却ファン４と、電動モータ１１と、燃料流路１０と、膨張弁５と、圧縮機７と、熱交換器６と、温度センサ１６，１７と、コントローラ１８とを備えている。

【0012】

燃料タンク１には、燃料電池２の燃料（水素等）が貯留される。燃料電池２は、燃料供給管９を介して燃料タンク１に接続されている。燃料供給管９には、レギュレータ２０が設けられている。燃料タンク１内の燃料は高圧に保たれており、レギュレータ２０で減圧されて燃料電池２に供給される。

【0013】

燃料電池２は、冷却回路８によって冷却される。冷却水ポンプ２１は、冷却回路８内で冷却水を循環させる。冷却水ポンプ２１は、コントローラ１８を介して燃料電池２から電力供給を受けることにより駆動される。放熱器３は、冷却回路８の一部を内包しており、冷却ファン４からの送風を受けて、燃料電池２を冷却して高温となった冷却水の熱を放熱する。冷却ファン４は電動モータ１１によって駆動される。電動モータ１１は、コントローラ１８を介して燃料電池２から電力供給を受けることにより駆動される。

【0014】

燃料流路１０の上流側端部１０ａは、燃料供給管９においてレギュレータ２０よりも下流側に接続されている。燃料流路１０の下流側端部１０ｂは、燃料供給管９において燃料流路１０の上流側端部１０ａよりも下流側に接続されている。これにより、燃料流路１０に流入する燃料の温度をより低下させることが可能となる。熱交換器６は、冷却回路８の放熱器３よりも上流側の一部と燃料流路１０の一部とを内包している。燃料流路１０の熱交換器６よりも上流側には膨張弁５が設けられている。膨張弁５は、燃料供給管９から分配される燃料を減圧することで熱交換器６に流入する燃料の温度を低下させる。燃料流路１０の熱交換器６よりも下流側には、圧縮機７が設けられている。圧縮機７は、コントローラ１８を介して燃料電池２から電力供給を受けることにより駆動される。圧縮機７は、熱交換器６を通過した低温の燃料を圧縮することにより、燃料流路１０から燃料供給管９に合流する燃料の温度を上昇させる。

【0015】

燃料電池２を通過した冷却水は、熱交換器６に流入し、膨張弁５を通過して低温となった燃料と熱交換されることで冷却される。熱交換器６を通過した冷却水は放熱器３に流入し、冷却ファン４の送風を受けて放熱することにより更に冷却される。このように、燃料電池２に供給される燃料の一部を冷媒として、冷却回路８を循環する冷却水を冷却することにより、冷却回路８の冷却性能を向上させることができる。

【0016】

冷却回路８には、冷却回路８を循環する冷却水の温度Ｔｃを検出する温度センサ１６が設けられている。燃料供給管９には、燃料電池２に供給される燃料の温度Ｔｆを検出する温度センサ１７が設けられている。コントローラ１８は、温度センサ１６で検出した冷却水の温度Ｔｃに応じて電動モータ１１を制御し、温度センサ１７で検出した燃料の温度Ｔｆに応じて圧縮機７を制御する。なお、本実施例では、燃料電池２を冷却した直後の冷却水の温度を検出するように燃料電池２の直下流位置に温度センサ１７を配置しているが、燃料電池２を冷却する直前の冷却水の温度を検出するように燃料電池２の直上流位置に配置しても良い。

【0017】

図２は、コントローラ１８の冷却ファン４の制御に関わる処理を示すフローチャートである。コントローラ１８は、燃料電池２を通過した冷却水の温度Ｔｃ（温度センサ１７の検出値）を取得し（ステップＳ１０１）、冷却水の温度Ｔｃが所定の閾値Ｔｃｔｈ未満であるか否かを判定する（ステップＳ１０２）。ステップＳ１０２の判定結果がＹＥＳである場合は、冷却ファン４の駆動を開始、または回転数を上げ（ステップＳ１０３）、当該フローを終了する。ステップＳ１０２の判定結果がＮＯである場合は、冷却ファン４の駆動を停止し、または回転数を下げ（ステップＳ１０４）、当該フローを終了する。これにより、冷却回路８による燃料電池２の冷却効率を向上させるとともに、冷却回路８を循環する冷却水の温度Ｔｃを適温に維持することが可能となる。

【0018】

図３は、コントローラ１８の圧縮機７の制御に関わる処理を示すフローチャートである。コントローラ１８は、燃料電池２に供給される燃料の温度Ｔｆ（温度センサ１７の検出値）を取得し（ステップＳ２０１）、燃料の温度Ｔｆが所定の閾値Ｔｆｔｈ未満であるか否かを判定する（ステップＳ２０２）。ステップＳ２０２の判定結果がＹＥＳである場合は、圧縮機７の駆動を開始し、または回転数を上げ（ステップＳ２０３）、当該フローを終了する。ステップＳ２０２の判定結果がＮＯである場合は、圧縮機７の駆動を停止し、または回転数を下げ（ステップＳ２０４）、当該フローを終了する。これにより、燃料供給管９を通過する燃料の温度Ｔｆが適温に維持されるため、燃料電池２内で燃料が凍結することを防止することが可能となる。

【0019】

（まとめ）
第１の実施例では、燃料電池２と、燃料電池２の燃料を貯留する燃料タンク１と、冷却水を循環させて燃料電池２を冷却する冷却回路８とを備えた燃料電池冷却システム１００において、燃料タンク１から供給される燃料を流通させる燃料流路１０と、冷却回路８を循環する冷却水と燃料流路１０を流通する燃料との間で熱交換させることにより、冷却回路８を循環する冷却水を冷却する熱交換器６とを備える。

【0020】

以上のように構成した第１の実施例によれば、燃料電池２に供給される燃料の一部を冷媒として、冷却回路８を循環する冷却水を冷却することができるため、冷却回路８の冷却性能を向上させることが可能となる。その結果、冷却回路８を短縮して冷却水の量を低減することにより、冷却回路８のメンテナンス性を向上させるとともにライフサイクルコストを抑制することが可能となる。なお、燃料流路１０を通過した燃料は燃料電池２で消費され、燃料流路１０内に長時間滞留することはないため、燃料流路１０のメンテナンスは不要である。

【0021】

また、第１の実施例における燃料電池冷却システム１００は、冷却回路８を循環する冷却水の熱を放熱する放熱器３と、放熱器３に送風する冷却ファン４と、冷却回路８を循環する冷却水の温度を検出する第１温度センサ１６と、第１温度センサ１６で検出した冷却水の温度Ｔｃに応じて冷却ファン４を制御するコントローラ１８とを備える。これにより、冷却回路８による燃料電池２の冷却性能を向上させるとともに、冷却回路８を循環する冷却水の温度Ｔｃを適温に維持することが可能となる。

【0022】

また、第１の実施例における燃料電池冷却システム１００は、燃料タンク１から燃料電池２に燃料を供給する燃料供給管９を備え、燃料流路１０の上流側端部１０ａおよび下流側端部１０ｂは、燃料供給管９に接続されている。これにより、燃料タンク１に加工を施すことなく燃料流路１０を設けることが可能となる。

【0023】

また、第１の実施例における燃料電池冷却システム１００は、燃料供給管９に設けられたレギュレータ２０を備え、燃料流路１０の上流側端部１０ａは、燃料供給管９においてレギュレータ２０よりも下流側に配置され、燃料流路１０の下流側端部１０ｂは、燃料供給管９において上流側端部１０ａよりも下流側に配置されている。これにより、燃料流路１０に流入する燃料の温度をより低下させることが可能となる。

【0024】

また、第１の実施例における燃料電池冷却システム１００は、燃料流路１０の熱交換器６よりも上流側に設けられ、燃料を減圧させる膨張弁５と、燃料流路１０の熱交換器６よりも下流側に設けられ、膨張弁５により減圧させた燃料を圧縮させる圧縮機７と、燃料供給管９を流通する燃料の温度Ｔｆを検出する第２温度センサ１７と、第２温度センサ１７で検出された燃料の温度Ｔｆに応じて圧縮機７を制御するコントローラ１８とを備える。これにより、燃料電池２に供給される燃料の温度Ｔｆが適温に維持されるため、燃料電池２内で燃料が凍結することを防止することが可能となる。

【実施例0025】

本発明の第２の実施例について、第１の実施例との相違点を中心に説明する。

【0026】

図２は、第２の実施例における燃料電池冷却システム１００の構成図である。本実施例における燃料電池冷却システム１００は、冷却ファン４を駆動する電動モータ１１（図１に示す）に代えて油圧モータ１４を備え、油圧モータ１４に作動油を供給する油圧ポンプ１３と、油圧ポンプ１３を駆動する電動モータ１２とを更に備えている。

【0027】

（まとめ）
第２の実施例における燃料電池冷却システム１００は、冷却回路８を循環する冷却水の熱を放熱する放熱器３と、放熱器３に送風する冷却ファン４と、冷却回路８を循環する冷却水の温度を検出する第１温度センサ１６と、第１温度センサ１６で検出された冷却水の温度Ｔｃに応じて冷却ファン４を制御するコントローラ１８とを備える。

【0028】

以上のように構成した第２の実施例によれば、第１の実施例と同様に、冷却回路８による燃料電池２の冷却性能を向上させるとともに、冷却回路８を循環する冷却水の温度Ｔｃを適温に維持することが可能となる。