燃料电池的冷却液温度调整系统及恒温器阀的制作方法
【专利摘要】冷却液温度调整系统具有：散热器；冷却液循环流路；散热器旁通流路；恒温器阀；以及阀旁通流路，其在恒温器阀处于全闭状态时，也能够使散热器旁通流路的冷却液流过规定量。
【专利说明】燃料电池的冷却液温度调整系统及恒温器阀
【技术领域】
[0001]本发明涉及对燃料电池的冷却液的温度进行调整的系统及恒温器阀。
【背景技术】
[0002]在燃料电池上连接有使冷却液循环流动的冷却液循环流路。并且，在该冷却液循环流路的中途配置有散热器(radiator)。另外，设有散热器旁通流路，其将散热器上游的冷却液循环流路和散热器下游的冷却液循环流路连结。此外，在冷却液循环流路和散热器旁通流路结合的位置设有三向阀。通过上述结构，使得在散热器中流动的冷却液的流量和绕过散热器的冷却液的流量对应于运行状态而通过三向阀进行调整。其结果，可将冷却液调整至适当的温度，将燃料电池调整为与运行状态相对应的适当的温度。
[0003]如果三向阀使用电磁阀，则成本很高。因此，在JP2007 - 305519A中，通过使用恒温器阀并且对冷却液泵的旋转进行控制，从而对冷却液的温度进行调整。
【发明内容】
[0004]但是，在前述的现有燃料电池系统中，为了提高冷却液的温度，通过间歇地使冷却液泵动作并尽量延迟冷却水的循环，从而使燃料电池附近的冷却液温度上升。但是，在上述技术中，由于供给至燃料电池的冷却液温度是经由恒温器供给的，因此，其结果不会超过恒温器的设定温度，无法像三向阀那样使供给至燃料电池的水温可变。因此，对于使用恒温器的冷却系统来说，还需要进行改善。
[0005]本发明就是鉴于上述问题点而提出的，目的在于提供一种燃料电池的冷却液温度调整系统及恒温器阀，其能够使供给至燃料电池的冷却液的温度高于恒温器的设定温度。
[0006]根据本发明的一个方式，提供一种燃料电池的冷却液温度调整系统，其具有:燃料电池；散热器，其对冷却液的热量进行散热；冷却液循环流路，其设置为将燃料电池和所述散热器连结，以使得冷却液循环流动；散热器旁通流路，其将散热器的上游和下游连结，以使得冷却液绕过散热器；恒温器阀，其设置在散热器旁通流路中，对在散热器旁通流路中流动的流量进行调整；以及阀旁通流路，即使在恒温器阀为全闭状态时，该阀旁通流路也使散热器旁通流路的规定量的冷却液流过。
[0007]对于本发明的实施方式、本发明的优点，参照随附的附图，如下详细地进行说明【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1是表示本发明所涉及的燃料电池的冷却液温度调整系统的第I实施方式的图。
[0009]图2是表示本发明所涉及的恒温器阀的构造的剖视图。
[0010]图3是对第I实施方式的作用效果进行说明的图。
[0011]图4A是对本发明所涉及的燃料电池的冷却液温度调整系统的第2实施方式进行说明的图。[0012]图4B是对本发明所涉及的燃料电池的冷却液温度调整系统的第2实施方式进行说明的图。
[0013]图5是表示本发明所涉及的燃料电池的冷却液温度调整系统的第3实施方式的图
[0014]图6是对本发明所涉及的燃料电池的冷却液温度调整系统的第3实施方式进行说明的图。
[0015]图7A是对本发明所涉及的燃料电池的冷却液温度调整系统的第4实施方式的结构进行说明的图。
[0016]图7B是对本发明所涉及的燃料电池的冷却液温度调整系统的第4实施方式的结构进行说明的图。
[0017]图8A是对本发明所涉及的燃料电池的冷却液温度调整系统的第4实施方式进行说明的图。
[0018]图SB是对本发明所涉及的燃料电池的冷却液温度调整系统的第4实施方式进行说明的图。
[0019]图9A是对本发明所涉及的燃料电池的冷却液温度调整系统的第5实施方式的结构进行说明的图。
[0020]图9B是对本发明所涉及的燃料电池的冷却液温度调整系统的第5实施方式的结构进行说明的图。
[0021]图10是表示用于对冷却液的目标温度进行设定的对应图的一个例子的图。
[0022]图1lA是对本发明所涉及的燃料电池的冷却液温度调整系统的第6实施方式进行说明的图。
[0023]图1lB是对本发明所涉及的燃料电池的冷却液温度调整系统的第6实施方式进行说明的图。
[0024]图12A是对本发明所涉及的燃料电池的冷却液温度调整系统的第7实施方式进行说明的图。
[0025]图12B是对本发明所涉及的燃料电池的冷却液温度调整系统的第7实施方式进行说明的图。
[0026]图13A是对本发明所涉及的燃料电池的冷却液温度调整系统的第8实施方式进行说明的图。
[0027]图13B是对本发明所涉及的燃料电池的冷却液温度调整系统的第8实施方式进行说明的图。
[0028]图14是表示本发明的其它实施方式所涉及的恒温器阀的构造的剖视图。
[0029]图15是表示主阀打开、旁通阀关闭时，其它实施方式所涉及的恒温器阀的图。
[0030]图16是表示本发明所涉及的燃料电池的冷却液温度调整系统的其它实施方式的图。
[0031]图17是表示本发明的其它实施方式所涉及的恒温器阀的构造的剖视图。
[0032]图18是表示本发明其它实施方式所涉及的恒温器阀的构造的剖视图。
[0033]图19是表示参考方式的图。
【具体实施方式】[0034](第I实施方式)
[0035]图1是表示本发明所涉及的燃料电池的冷却液温度调整系统的第I实施方式的图。
[0036]燃料电池的冷却液温度调整系统I包含有:燃料电池10、散热器20、冷却液循环流路30、散热器旁通流路40、恒温器阀50、阀旁通流路60、冷却液泵70、控制器80。
[0037]燃料电池10通过将数百片膜电极接合体(Membrane Electrode Assembly ；MEA)层叠而构成，该膜电极接合体是在电解质膜的两个表面形成负极电极催化剂层及正极电极催化剂层而成。如果供给反应气体(负极气体O2、正极气体H2),则各膜电极接合体(MEA)在负极电极催化剂层及正极电极催化剂层中发生下式(1- O (1- 2)的反应而进行发电。
[0038]负极电极催化剂层:4H++4e_+02— 2H20...(1 — 1)
[0039]正极电极催化剂层:2?— 4H++4e_...(1 — 2) [0040]为了高效地进行上述发电反应，优选将电解质膜维持为适当的湿润状态。电解质膜的湿润状态与燃料电池的温度相关。如果燃料电池的温度较高，则电解质膜的湿润状态减弱，容易变得干燥。如果燃料电池的温度较低，则电解质膜的湿润状态增强，容易变得湿润。因此，对燃料电池的温度进行管理是很重要的。因此，在燃料电池10上连接有冷却液循环流路30。
[0041]散热器20用于释放冷却液的热量。散热器20设置在冷却液循环流路30中。
[0042]冷却液循环流路30将燃料电池10和散热器20连结，以使得冷却液循环流动。此外，在本实施方式中，冷却液沿着图中的箭头方向流动而循环。循环的冷却液从燃料电池10的入口 11流入，从出口 12流出。
[0043]散热器旁通流路40将散热器20上游的冷却液循环流路30和散热器20下游的冷却液循环流路30连结。冷却液如果流过散热器旁通流路40，则会绕过散热器20。
[0044]恒温器阀50设置在冷却液循环流路30和散热器旁通流路40结合的位置。在本实施方式中，恒温器阀50设置在流过冷却液循环流路30的冷却液和流过散热器旁通流路40的冷却液合流的合流部分处。恒温器阀50是三向阀。恒温器阀50通过对从冷却液循环流路30流来的冷却液的流量和从散热器旁通流路40流来的冷却液的流量进行调整，从而流出成为恒定温度(恒温器设定温度)的冷却液。关于恒温器阀50的详细内容，如后所述。
[0045]阀旁通流路60将散热器旁通流路40和冷却液循环流路30连结。冷却液如果流过阀旁通流路60，则会绕过恒温器阀50。在本实施方式中，阀旁通流路60将恒温器阀50上游的散热器旁通流路40和恒温器阀50下游的冷却液循环流路30连结。其结果，在散热器旁通流路40中流动的冷却液的一部分从散热器旁通流路40向阀旁通流路60分支，与冷却液循环流路30合流，绕过恒温器阀50。
[0046]冷却液泵70设置在冷却液循环流路30中。在本实施方式中，冷却液泵70设置在恒温器阀50和燃料电池10之间的冷却液循环流路30中。冷却液泵70例如由电动机驱动。冷却液的流量利用冷却液泵70的旋转速度而进行调整。冷却液泵70的旋转速度越大，冷却液的流量也越大。
[0047]控制器80由具有中央运算装置(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)以及输入输出接口(I/O接口)的微型计算机构成。对燃料电池的冷却液温度调整系统进行控制所需的各种传感器的检测信号被输入至控制器80。[0048]图2是表示本发明所涉及的恒温器阀的构造的剖视图。
[0049]恒温器阀50包含有壳体51、主阀52、旁通阀53、伸缩体54。
[0050]在壳体51中形成有低温部51a、高温部51b和中温部51c。由散热器20散热后的低温冷却液流入至低温部51a。流过散热器旁通流路40而绕过散热器20的高温冷却液流入至高温部51b。中温部51c经由低温侧开口 51d与低温部51a连通，并且，经由高温侧开口 51e与高温部51b连通。
[0051]主阀52对低温侧开口 51d进行开闭。
[0052]旁通阀53对高温侧开口 51e进行开闭。
[0053]伸缩体54与主阀52及旁通阀53连接。在伸缩体54中内置有蜡(例如石蜡)。这种蜡由于对应于温度而进行热膨胀，因此，对应于温度而使主阀52及旁通阀53移动。SP，中温部51c的温度越高，主阀52的开度越大，以将低温冷却液导入至中温部51c。中温部51c的温度越低，旁通阀53的开度越大，以将高温冷却液导入至中温部51c。
[0054]由于是上述结构，因此，冷却液在中温部51c中被调整为规定温度(恒温器设定温度)，从流出路51f流出。
[0055]此外，上述构造及作用是通常的恒温器阀所具有的，因此，此处仅对其进行上述的说明。
[0056]此外，本实施方式的恒温器阀50，在壳体51上形成有将高温部51b和与中温部51c连接的流出路51f连接的旁通流路60。
[0057]由于是这种结构，因此，高温冷却液向在中温部51c中被调整为规定温度(恒温器设定温度)而从流出路51f流出的冷却液中混入。根据混入量，能够对在流出路51f中流动的冷却液的温度进行调整。
[0058]下面，参照图3对本实施方式的效果进行说明。此外，在该说明之前，首先参照图19对参考方式进行说明。此外，对于起到前述同样功能的部分标记相同的标号，适当地省略重复说明。
[0059]总地来说，该参考方式与上述第I实施方式相比，没有阀旁通流路60。
[0060]如果是这种结构，则被调整至规定温度(恒温器设定温度)的冷却液从恒温器阀50流出。因此，如图3所示，在参考方式中，无论燃料电池的发电量是多大，燃料电池的冷却液入口温度是恒定的。
[0061]燃料电池的输出越大，上式(I 一 I) (I 一 2)的反应发生得越多，生成越多的水。如果这些水分残留在燃料电池的内部，则可能会发生溢流。由于输出越大燃料电池的温度越高，因此，希望提高冷却液的温度，促进生成水的蒸汽化。这是因为，生成水被蒸汽化后，容易与负极气体一起被排出至外部。
[0062]但是，在参考方式中，由于燃料电池的冷却液入口温度是恒定的，因此，冷却液的温度可能不会足够高。
[0063]与此相对，在本实施方式中，设有将散热器旁通流路40和冷却液循环流路30连结的阀旁通流路60。通过该阀旁通流路60，高温冷却液绕过恒温器阀50而混入冷却液循环流路30中。因此，燃料电池的冷却液入口温度较高。其结果，燃料电池的冷却液出口温度也较高。因此，能够适当地使燃料电池温度升高，不易发生溢流。
[0064]特别地，由于燃料电池的输出越大发热量越大，因此，绕过恒温器的冷却液的温度也会升高。因此，本实施方式可提供下述特性:燃料电池的输出越大，供给至燃料电池的冷却液的温度越高。因此，即使在使用恒温器的冷却系统中，也能够实现具有下述特性的系统，即，对应于随着要求输出而增加的生成水量，积极地使供给至燃料电池的冷却水温度上升。
[0065]另外，在图19的参考方式中，也能够通过使冷却液泵转速下降而使燃料电池的冷却液出口温度上升，从而提高燃料电池的冷却液的进出平均温度，但是，根据本实施方式，由于燃料电池的冷却液入口温度升高，因此，与参考方式相比，能够减小与燃料电池的冷却液出口温度的温度差，使燃料电池的入口和出口的温度分布相同，抑制电池内的发电波动。
[0066]此外，在本实施方式中，旁通流路60形成在恒温器阀50的壳体51上。由此，由于能够使系统整体紧凑，因此容易搭载在车辆上。但是，旁通流路60也可以不形成在壳体51上。旁通流路60也可以是将散热器旁通流路40和冷却液循环流路30连结的管路。
[0067](第2实施方式)
[0068]图4A及图4B是对本发明所涉及的燃料电池的冷却液温度调整系统的第2实施方式进行说明的图。
[0069]如上所述，能够通过设置旁通流路60而使冷却液的温度提高。但是，如果因旁通流路60直径较大等而使压力损失过小，则可能会造成向散热器20的流量不足。因此，作为旁通流路60，需要使其压力损失大到某种程度。以下对于压力损失的具体设定方法进行说明。
[0070]首先，参照图4A，对ΛΡ — Q特性图的意义进行说明。
[0071]图4A中向右上方的细线表示在参考方式(图19冲恒温器阀50为全开状态时，在冷却液循环流路30中流动的冷却液的流量Q和此时的压力损失△ P的关系。此外，所谓恒温器阀50的全开状态，是指在冷却液循环流路30中流动的冷却液全部流入至散热器20而没有流入至散热器旁通流路40中的状态。从该图4A的细线可知，冷却液的流量Q越大，压力损失ΔΡ越大。
[0072]另外，图4A中向右下方的线，是表示冷却液泵70的泵压力P和喷出流量Q的关系的PQ特性线。
[0073]这两条线的交点A是冷却液泵70的动作点。
[0074]因此，在参考方式(图19)的情况下，在恒温器阀50全开而使在冷却液循环流路30中流动的冷却液全部流入至散热器20中时，从冷却液泵70喷出的冷却液的流量是Q1。
[0075]图4A中向右上方的粗线，表示在实施方式(图1)中恒温器阀50为全开状态时，在冷却液循环流路30中流动的冷却液的流量Q与此时的压力损失ΛΡ的关系。由于恒温器阀50全开，因此没有从散热器旁通流路40流入恒温器阀50的冷却液。由于设有阀旁通流路60，因此，即使是与参考方式相同的流量，压力损失也较小。
[0076]该粗线与冷却液泵70的PQ特性线的交点B是冷却液泵70的动作点。
[0077]因此，在实施方式(图1)的情况下，从冷却液泵70喷出的冷却液的流量是Q2。其中一部分冷却液流过散热器20，其余的冷却液流过阀旁通流路60。对此，可作如下考虑。
[0078]在没有阀旁通流路60的情况下的压力损失特性线中，压力损失与冷却液泵70的动作点B相同时的流量Q0，是流入至散热器20的流量。并且，其余的(Q2 - Q0)是流入至阀旁通流路60的流量。[0079]在上述基础上，参照图4B，对阀旁通流路60具体的压力损失设定方法进行说明。
[0080]考虑为了满足燃料电池所要求的冷却性能，需要使流量Q3的冷却液流入散热器20的情况。
[0081]阀旁通流路60的压力损失越大(例如，阀旁通流路60的流路直径越小，或者，安装在阀旁通流路60上的节流孔的开口直径越小)，越接近没有阀旁通流路60的参考方式的特性线。
[0082]阀旁通流路60的压力损失越小(例如，阀旁通流路60的流路直径越大，或者，安装在阀旁通流路60上的节流孔的开口直径越大)，越远离没有阀旁通流路60的参考方式的特性线。
[0083]压力损失较大时的冷却液泵70的动作点是BI。此时从冷却液泵70喷出的冷却液的流量是Q21。其中，流量QOl流入散热器20。其余的流量(Q21 — Q01)流入阀旁通流路60。由于流量QOl比流量Q3大，因此，在这种情况下能够实现使流量Q3流入散热器20。
[0084]压力损失较小时的冷却液泵70的动作点是B2。此时从冷却液泵70喷出的冷却液的流量是Q22。其中，流量Q02流入散热器20。其余的流量(Q22 — Q02)流入阀旁通流路60。由于流量QOl比流量Q3小，因此，在这种情况下，无法实现使流量Q3流入散热器20。
[0085]基于上述考虑方法，对阀旁通流路60的流路直径(如果在阀旁通流路60上安装有节流孔，则其为该节流孔的开口直径)的最大直径进行设定，以使得阀旁通流路60的压力损失不会过小。
[0086]根据本实施方式，能够确保为了满足燃料电池所要求的冷却性能而应该流入散热器20中的冷却液的流量。
[0087](第3实施方式)
[0088]图5是表示本发明所涉及的燃料电池的冷却液温度调整系统的第3实施方式的图。
[0089]如上所述，燃料电池的输出越大，生成越多的水。这些水如果残留在燃料电池内部，则可能会发生溢流。因此，由于输出越大燃料电池温度越高，因此，希望提高冷却液的温度，促进生成水的蒸汽化。这是由于，生成水被蒸汽化后，容易与负极气体一起被排出至外部。
[0090]因此，如上所述，设有阀旁通流路60。以下对于用于实现上述目的的阀旁通流路的压力损失特性的设定方法进行说明。
[0091]最严峻的条件是在散热器出口的冷却液水温最低、而燃料电池的输出最大时。因此，需要能够在该条件下实现冷却液的目标温度。具体地说，按照下述方式设定流量Qbl和流量Qb2的流量比，其中，流量Qbl是流过散热器旁通流路40而流入恒温器阀50中的流量，流量Qb2是流过阀旁通流路60的流量。此外,在图5中示意地图示了对流量Qb1、Qb2进行调整的节流孔40a、60b，但也可以对流路直径本身进行调整。
[0092][式I]
【权利要求】
1.一种燃料电池的冷却液温度调整系统，其具有: 燃料电池； 散热器，其对冷却液的热量进行散热； 冷却液循环流路，其设置为将所述燃料电池和所述散热器连结，以使得冷却液循环流动； 散热器旁通流路，其将散热器的上游和下游连结，以使得冷却液绕过所述散热器； 恒温器阀，其设置在所述散热器旁通流路中，对流过所述散热器旁通流路的流量进行调整；以及 阀旁通流路，即使在所述恒温器阀为全闭状态下，该阀旁通流路也使所述散热器旁通流路的规定量的冷却液流过。
2.根据权利要求1所述的燃料电池的冷却液温度调整系统，其中， 所述阀旁通流路形成在所述恒温器阀的壳体上。
3.根据权利要求1所述的燃料电池的冷却液温度调整系统，其中， 所述阀旁通流路的压力损失设定为，能够达到向所述散热器的最大目标流量。
4.根据权利要求1所述的燃料电池的冷却液温度调整系统，其中， 流过所述散热器旁通流路且流入恒温器阀的流量、和流过所述阀旁通流路的流量的流量比被确定为，能够达到所述冷却液的上限温度。
5.根据权利要求1所述的燃料电池的冷却液温度调整系统，其中，还具有: 温度设定部，要求输出越大，该温度设定部将冷却液的目标温度设定得越大； 温度传感器，其对所述冷却液的温度进行检测；以及 冷却液泵，其设置在所述冷却液循环流路中，由所述温度传感器检测到的温度相对于所述目标温度越低，该冷却液泵使流量越小。
6.根据权利要求5所述的燃料电池的冷却液温度调整系统，其中， 还包含有湿度推定部，其推定供给至所述燃料电池的负极气体的湿度， 所述负极气体的湿度越大，所述温度设定部将冷却液的目标温度设定得越大。
7.根据权利要求1所述的燃料电池的冷却液温度调整系统，其中，还包含有: 湿润设定部，其基于要求输出对燃料电池的目标湿润状态进行设定； 湿润检测部，其对所述燃料电池的湿润状态进行检测； 冷却液泵，其设置在所述冷却液循环流路中，由所述湿润检测部检测到的湿润状态相对于所述目标湿润状态越低、越干燥，该冷却液泵使流量越小。
8.根据权利要求5或7所述的燃料电池的冷却液温度调整系统，其中， 还包含有校正部，要求输出越大，该校正部将冷却液泵的流量校正得越大。
9.根据权利要求5或7所述的燃料电池的冷却液温度调整系统，其中，还包含有: 下限流量运算部，其求出在从燃料电池流出的冷却液的温度达到上限温度时的冷却液泵的下限流量；以及 流量限制部，其在所述冷却液泵的流量低于所述下限流量时，以下限流量对冷却液泵的流量进行限制。
10.根据权利要求1所述的燃料电池的冷却液温度调整系统，其中， 通过贯穿所述恒温器阀或对所述恒温器阀进行切削而形成所述阀旁通流路。
11.一种恒温器阀，其具有: 壳体，其具有低温部、高温部、和中温部，其中，低温流体流入低温部，高温流体流入高温部，中温部经由低温侧开口与低温部连通，并且经由高温侧开口与高温部连通； 低温侧阀体，其对所述低温侧开口进行开闭； 高温侧阀体，其对所述高温侧开口进行开闭； 伸缩体，其与所述低温侧阀体及所述高温侧阀体连接，通过对应于温度伸缩而使低温侧阀体及高温侧阀体移动，从而对从低温部流入中温部的流体的流量和从高温部流入中温部的流体的流量进行调整，将中温部的流体的温度设为规定温度；以及 旁通流路，其形成在所述壳体上，将与所述中温部相连的流出路和所述高温部连接。
12.—种恒温器阀，其具有: 壳体，其具有低温部、高温部、和中温部，其中，低温流体流入低温部，高温流体流入高温部，中温部经由低温侧开口与低温部连通，并且经由高温侧开口与高温部连通； 伸缩体，其设置在所述中温部内，对应于温度而伸缩； 阀体，其对应于所述伸缩体的伸缩而对从所述低温部流入所述中温部的流体的流量和从所述高温部流入所述中温部的流体的流量进行调整；以及连通路，其将所述高温部和所述中温部连通。
13.根据权利要求12所述的恒温器阀，其中， 所述阀体包含对所述高温侧开口进行开闭的高温侧阀体， 所述连通路是贯穿所述`高温侧阀体的孔。
14.根据权利要求12所述的恒温器阀，其中， 所述阀体包含对所述高温侧开口进行开闭的高温侧阀体， 所述连通路是在形成于所述高温侧阀体上的切口部和所述高温侧开口之间形成的通路。
15.根据权利要求12所述的恒温器阀，其中， 所述阀体包含对所述高温侧开口进行开闭的高温侧阀体， 所述连通路是形成于所述高温侧阀体和切口部之间的通路，该切口部在该高温侧阀体所抵接的所述高温侧开口部的所述壳体上形成。
【文档编号】F16K31/68GK103534857SQ201280023026
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2012年6月14日 优先权日:2011年6月30日
【发明者】筑后隼人, 松本充彦, 青木哲也, 小田岛真人, 竹本真一郎 申请人:日产自动车株式会社