JP2009212066A - Fuel cell system - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of preferably executing heat exchange between the fuel cell system itself and a high-voltage system, in relation to a fuel cell system cooperating with a high-voltage system. <P>SOLUTION: This fuel cell system is provided with: an FC stack 10 generating power by being supplied with a reaction gas; a first cooling medium circulation system 12 circulating a first cooling medium for cooling the FC stack 10; the high-voltage system for generating a high voltage; a second cooling medium circulation system 32 circulating a second cooling medium for cooling the high-voltage system; and a heat exchanger 50 executing heat exchange between the first cooling medium and the second cooling medium. The heat exchanger 50 is structured to provide an insulation property between the first cooling medium and the second cooling medium. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

この発明は、燃料電池システムに関し、特に、高電圧システムとの連携を行う燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system that cooperates with a high voltage system.

燃料電池は、複数毎の燃料電池セル（以下、「単位セル」と称す）が積層された燃料電池スタック（以下、「ＦＣスタック」と称す）として使用される。単位セル自体も平面状の部材の積層体であり、電解質膜をその両側から電極で挟んで構成された膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly，以下、「ＭＥＡ」と称する）を有し、該ＭＥＡをその両側からセパレータで挟むことで構成されている。そして、アノードに水素を含むアノードガスが供給され、カソードに空気などの酸素を含むカソードガスが供給されることによって、両電極で電気化学反応が起こり、両電極間に電圧が発生する仕組みになっている。   The fuel cell is used as a fuel cell stack (hereinafter referred to as “FC stack”) in which a plurality of fuel cell cells (hereinafter referred to as “unit cells”) are stacked. The unit cell itself is also a laminate of planar members, and has a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as “MEA”) configured by sandwiching an electrolyte membrane between electrodes from both sides, and the MEA Is sandwiched between separators from both sides. Then, an anode gas containing hydrogen is supplied to the anode, and a cathode gas containing oxygen such as air is supplied to the cathode, so that an electrochemical reaction occurs in both electrodes and a voltage is generated between both electrodes. ing.

このようなＦＣスタックを備えたシステムにおいては、出力の安定化等を目的として、２次電池やキャパシタ等の蓄電装置が併用される場合がある。例えば、特開平１０−３９５１号公報には、２次電池（バッテリ）と燃料電池とを備える電源装置が開示されている。このシステムでは、燃料電池スタックの冷却水系統である第１循環通路の途中に、バッテリケースに至る第２循環通路が設けられている。そして、燃料電池スタックの運転を停止する場合に、第２循環通路を開くことにより、燃料電池スタックの冷却水がバッテリケース側に循環される。これにより、燃料電池を運転することなくバッテリを長期間保温することができるので、低温始動時における２次電池の容量低下を抑制することができる。   In a system including such an FC stack, a power storage device such as a secondary battery or a capacitor may be used in combination for the purpose of stabilizing the output. For example, Japanese Patent Laying-Open No. 10-3951 discloses a power supply device including a secondary battery (battery) and a fuel cell. In this system, a second circulation passage that reaches the battery case is provided in the middle of the first circulation passage that is the cooling water system of the fuel cell stack. When the operation of the fuel cell stack is stopped, the coolant in the fuel cell stack is circulated to the battery case side by opening the second circulation passage. Thereby, since a battery can be heat-retained for a long time, without operating a fuel cell, the capacity | capacitance fall of a secondary battery at the time of a low temperature start can be suppressed.

特開平１０−３９５１号公報JP-A-10-3951 特開２００２−２７１９１４号公報JP 2002-271914 A 特開２００６−２５８８号公報JP 2006-2588 A

ところで、燃料電池システムは、ハイブリッドシステム（以下、「ＨＶシステム」と称する）等の高電圧システムと連携して駆動することが想定される。かかる場合、上記従来のシステムのように、各システムの冷媒流路を連通させることにより、両システム間の熱交換を行うことが考えられる。   By the way, it is assumed that the fuel cell system is driven in cooperation with a high voltage system such as a hybrid system (hereinafter referred to as “HV system”). In such a case, it is conceivable to exchange heat between the two systems by communicating the refrigerant flow paths of the systems as in the conventional system.

しかしながら、燃料電池システムと高電圧システムとでは冷却系に対する絶縁要件が異なる。すなわち、ＨＶシステムの各ユニットはボディーアースされている。このため、当該ＨＶシステムの冷媒には通常の冷却水が使用される。一方、燃料電池システムにおける燃料電池は電気的に浮いている。このため、当該燃料電池システムの冷媒には、絶縁性の高い冷却水が使用される。このため、これらの冷媒流路が連通する構成では、燃料電池システムにおける絶縁性が確保されず、システムに不具合が発生するおそれがあった。   However, the insulation requirements for the cooling system differ between the fuel cell system and the high voltage system. That is, each unit of the HV system is body grounded. For this reason, normal cooling water is used for the refrigerant of the HV system. On the other hand, the fuel cell in the fuel cell system is electrically floating. For this reason, highly insulating cooling water is used for the refrigerant of the fuel cell system. For this reason, in the configuration in which these refrigerant flow paths communicate with each other, insulation in the fuel cell system is not ensured, and there is a risk that the system may malfunction.

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池システムと高電圧システムとの間の熱交換を良好に行うことのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of performing heat exchange between the fuel cell system and the high voltage system satisfactorily. .

第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
反応ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池を冷却するための第１の冷媒を循環させる第１の冷媒循環手段と、
高電圧を発生させるための高電圧システムと、
前記高電圧システムを冷却するための第２の冷媒を循環させる第２の冷媒循環手段と、
前記第１の冷媒と前記第２の冷媒との間で絶縁性を確保しつつ熱交換を行う熱交換器と、
を備えることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a first invention is a fuel cell system,
A fuel cell that receives the supply of reactive gas and generates power;
First refrigerant circulating means for circulating a first refrigerant for cooling the fuel cell;
A high voltage system for generating a high voltage;
Second refrigerant circulating means for circulating a second refrigerant for cooling the high voltage system;
A heat exchanger for exchanging heat while ensuring insulation between the first refrigerant and the second refrigerant;
It is characterized by providing.

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記第１の冷媒循環手段は、
前記第１の冷媒が循環する第１の冷媒循環流路と、
前記第１の冷媒流路に配置され、前記第１の冷媒を冷却するための第１の冷却装置と、を含み、
前記第２の冷媒循環手段は、
前記第２の冷媒が循環する第２の冷媒循環流路と、
前記第２の冷媒流路に配置され、前記第２の冷媒を冷却するための第２の冷却装置と、を含み、
前記熱交換器は、前記第１の冷媒循環流路における前記第１の冷却装置の下流と、前記第２の冷媒循環流路における前記第２の冷却装置の上流と、に介在するように設けられていることを特徴とする。 The second invention is the first invention, wherein
The first refrigerant circulation means includes
A first refrigerant circulation passage through which the first refrigerant circulates;
A first cooling device disposed in the first refrigerant flow path for cooling the first refrigerant,
The second refrigerant circulation means includes
A second refrigerant circulation passage through which the second refrigerant circulates;
A second cooling device disposed in the second refrigerant flow path for cooling the second refrigerant,
The heat exchanger is provided so as to be interposed downstream of the first cooling device in the first refrigerant circulation passage and upstream of the second cooling device in the second refrigerant circulation passage. It is characterized by being.

また、第３の発明は、第２の発明において、
前記高電圧システムの温度と相関を有する相関値を取得する相関値取得手段と、
前記相関値が所定値以上となった場合に、前記熱交換器における、前記第１の冷媒と前記第２の冷媒との間の熱交換を制限する制限手段と、
を更に備えることを特徴とする。 The third invention is the second invention, wherein
Correlation value acquisition means for acquiring a correlation value having a correlation with the temperature of the high voltage system;
Limiting means for limiting heat exchange between the first refrigerant and the second refrigerant in the heat exchanger when the correlation value is equal to or greater than a predetermined value;
Is further provided.

また、第４の発明は、第３の発明において、
前記第１の冷媒流路から分岐し、前記熱交換器をバイパスするバイパス流路と、
前記第１の冷媒の流通先を前記第１の冷媒流路と前記バイパス流路との間で切り替える切替手段と、を更に備え、
前記制限手段は、前記相関値が所定値以上となった場合に、前記第１の冷媒の流通先が前記バイパス流路となるように、前記切替手段を制御することを特徴とする。 Moreover, 4th invention is set in 3rd invention,
A bypass channel branched from the first refrigerant channel and bypassing the heat exchanger;
Switching means for switching a distribution destination of the first refrigerant between the first refrigerant flow path and the bypass flow path;
The limiting means controls the switching means so that the flow destination of the first refrigerant is the bypass flow path when the correlation value is equal to or greater than a predetermined value.

第１の発明によれば、熱交換器は、第１の冷媒と第２の冷媒との間で絶縁性を有するように構成されている。このため、本発明によれば、第１の冷媒と第２の冷媒とが熱交換器内で電気的に接続されてしまう事態を回避できるので、各システムの絶縁要件を満たしつつ、燃料電池システムと高電圧システムとの間で熱交換を行うことができる。   According to 1st invention, the heat exchanger is comprised so that it may have insulation between a 1st refrigerant | coolant and a 2nd refrigerant | coolant. For this reason, according to the present invention, it is possible to avoid a situation where the first refrigerant and the second refrigerant are electrically connected in the heat exchanger, so that the fuel cell system satisfies the insulation requirements of each system. And heat exchange between the high voltage system.

第２の発明によれば、熱交換器は、前記第１の冷媒循環流路における前記第１の冷却装置の下流と、前記第２の冷媒循環流路における前記第２の冷却装置の上流と、に介在するように設けられている。このため、本発明によれば、第１の冷媒と第２の冷媒との温度差をできるだけ大きくすることができるので、第１の冷媒から第２の冷媒への熱移動を効率よく行うことができる。   According to the second invention, the heat exchanger includes a downstream of the first cooling device in the first refrigerant circulation passage, and an upstream of the second cooling device in the second refrigerant circulation passage. , So as to be interposed between the two. For this reason, according to the present invention, the temperature difference between the first refrigerant and the second refrigerant can be made as large as possible, so that heat transfer from the first refrigerant to the second refrigerant can be efficiently performed. it can.

熱交換器は、第２の冷媒循環流路における冷却装置の下流側に介在するように配置されている。このため、熱交換器において第１の冷媒から第２の冷媒へ熱が移動すると、冷却装置の下流側で第２の冷媒の温度が上昇することとなるため、高電圧システムの温度が必要以上に上昇してしまうおそれがある。第３の発明によれば、高電圧システムの温度相関値が所定値以上の場合に、熱交換器による熱移動が制限されるので、高電圧システムが高温により故障してしまう事態を効果的に回避することができる。   The heat exchanger is disposed so as to be interposed downstream of the cooling device in the second refrigerant circulation passage. For this reason, when heat moves from the first refrigerant to the second refrigerant in the heat exchanger, the temperature of the second refrigerant rises on the downstream side of the cooling device. May rise. According to the third invention, when the temperature correlation value of the high voltage system is equal to or higher than the predetermined value, the heat transfer by the heat exchanger is limited. It can be avoided.

第４の発明によれば、高電圧システムの温度相関値が所定値以上の場合に、第１の冷媒が熱交換器をバイパスして循環される。このため、本発明によれば、熱交換器において、第１の冷媒から第２の冷媒への熱移動が制限されるので、高電圧システムの温度が必要以上に上昇してしまう事態を効果的に回避することができる。   According to the fourth invention, when the temperature correlation value of the high voltage system is equal to or greater than a predetermined value, the first refrigerant is circulated bypassing the heat exchanger. For this reason, according to the present invention, in the heat exchanger, heat transfer from the first refrigerant to the second refrigerant is limited, so that the situation where the temperature of the high-voltage system rises more than necessary is effective. Can be avoided.

以下、図面に基づいてこの発明の幾つかの実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。   Several embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the element which is common in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted. The present invention is not limited to the following embodiments.

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態１の燃料電池システムの構成を説明するための図である。図１に示すとおり、燃料電池システムは、燃料電池スタック（ＦＣスタック）１０を備えている。ＦＣスタック１０は、固体高分子分離膜を備えた固体高分子型の燃料電池であり、主として燃料電池自動車などに搭載されるものである。ＦＣスタック１０は複数枚の燃料電池セル（単位セル）を積層して構成されている。各単位セルは、図示しないプロトン伝導性の電解質膜の両側をアノードおよびカソードで挟まれ、更にその両側を導電性のセパレータによって挟まれて構成されている。 Embodiment 1 FIG.
[Configuration of Embodiment 1]
FIG. 1 is a diagram for explaining a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention. As shown in FIG. 1, the fuel cell system includes a fuel cell stack (FC stack) 10. The FC stack 10 is a solid polymer type fuel cell provided with a solid polymer separation membrane, and is mainly mounted on a fuel cell vehicle or the like. The FC stack 10 is configured by stacking a plurality of fuel battery cells (unit cells). Each unit cell is configured such that a proton conductive electrolyte membrane (not shown) is sandwiched between an anode and a cathode, and both sides are sandwiched between conductive separators.

本実施の形態の燃料電池システムは、ＦＣスタック１０の温度を制御するための第１の冷媒循環システム１２を備えている。第１の冷媒循環システム１２は、ＦＣスタック１０内に冷媒を循環させることにより、当該ＦＣスタック１０の温度を制御するものである。より具体的には、ＦＣスタック１０内には、冷媒が流通するための図示しない流路が隅なく形成されている。これらの流路は、冷媒が循環するための第１の冷媒循環流路１４に連通している。第１の冷媒循環流路１４の途中には、冷媒を冷却するためのラジエタ１６が介在している。ラジエタ１６の近傍にはラジエタファン１８が配置されている。ＦＣスタック１０の熱を吸収して高温となった冷媒は、当該ラジエタ１６およびラジエタファン１８により冷却される。また、第１の冷媒循環流路１４におけるラジエタ１６の下流側には、冷媒を循環させるためのポンプ２０が配置されている。   The fuel cell system of the present embodiment includes a first refrigerant circulation system 12 for controlling the temperature of the FC stack 10. The first refrigerant circulation system 12 controls the temperature of the FC stack 10 by circulating the refrigerant in the FC stack 10. More specifically, a flow path (not shown) for circulating the refrigerant is formed in the FC stack 10 without corners. These flow paths communicate with the first refrigerant circulation flow path 14 for circulating the refrigerant. A radiator 16 for cooling the refrigerant is interposed in the middle of the first refrigerant circulation channel 14. A radiator fan 18 is disposed in the vicinity of the radiator 16. The refrigerant that has absorbed the heat of the FC stack 10 and has reached a high temperature is cooled by the radiator 16 and the radiator fan 18. A pump 20 for circulating the refrigerant is disposed on the downstream side of the radiator 16 in the first refrigerant circulation passage 14.

図１に示すとおり、本実施の形態の燃料電池システムは、蓄電装置３０を備えている。蓄電装置３０は、複数の２次電池がケース内に収納された構造を有しており、システムの出力源として燃料電池スタック１０を補完する役割を果たす。尚、蓄電装置３０は２次電池に限らず、キャパシタ等の他の蓄電装置を用いることとしてもよい。   As shown in FIG. 1, the fuel cell system of the present embodiment includes a power storage device 30. The power storage device 30 has a structure in which a plurality of secondary batteries are housed in a case, and plays a role of complementing the fuel cell stack 10 as an output source of the system. The power storage device 30 is not limited to a secondary battery, and other power storage devices such as capacitors may be used.

本実施の形態の燃料電池システムは、蓄電装置３０の温度を制御するための第２の冷媒循環システム３２を備えている。第２の冷媒循環システム３２は、蓄電装置３０のケース内に冷媒を循環させることにより、当該蓄電装置３０の温度を制御するものである。より具体的には、蓄電装置３０のケース内には、冷媒が流通するための図示しない流路が複数形成されている。これらの冷媒流路は、冷媒が循環するための第２の冷媒循環流路３４に連通している。第２の冷媒循環流路３４の途中には、冷媒を冷却するためのラジエタ３６が介在している。ラジエタ３６の近傍にはラジエタファン３８が配置されている。蓄電装置３０の熱を吸収して高温となった冷媒は、当該ラジエタ３６およびラジエタファン３８により冷却される。また、第２の冷媒循環流路３４におけるラジエタ３６の下流側には、冷媒を循環させるためのポンプ４０が配置されている。   The fuel cell system of the present embodiment includes a second refrigerant circulation system 32 for controlling the temperature of the power storage device 30. The second refrigerant circulation system 32 controls the temperature of the power storage device 30 by circulating the refrigerant in the case of the power storage device 30. More specifically, a plurality of channels (not shown) for circulating the refrigerant are formed in the case of the power storage device 30. These refrigerant flow paths communicate with the second refrigerant circulation flow path 34 for circulating the refrigerant. A radiator 36 for cooling the refrigerant is interposed in the middle of the second refrigerant circulation channel 34. A radiator fan 38 is disposed in the vicinity of the radiator 36. The refrigerant that has become a high temperature by absorbing the heat of the power storage device 30 is cooled by the radiator 36 and the radiator fan 38. In addition, a pump 40 for circulating the refrigerant is disposed on the downstream side of the radiator 36 in the second refrigerant circulation channel 34.

本実施の形態のシステムは熱交換器５０を備えている。熱交換器５０は、第１の冷媒循環流路１４におけるラジエタ１６の上流側、および第２の冷媒循環流路３４におけるラジエタ３６の下流側に介在するように配置されている。これにより、第１の冷媒循環システム１２と第２の冷媒循環システム３２との間で熱の授受が行われる。尚、熱交換器５０は、第１の冷媒循環流路１４を循環する冷媒と、第２の冷媒循環流路３４を循環する冷媒とが電気的に遮断されるように構成されている。   The system according to the present embodiment includes a heat exchanger 50. The heat exchanger 50 is disposed so as to be interposed on the upstream side of the radiator 16 in the first refrigerant circulation channel 14 and on the downstream side of the radiator 36 in the second refrigerant circulation channel 34. Thereby, heat is transferred between the first refrigerant circulation system 12 and the second refrigerant circulation system 32. The heat exchanger 50 is configured such that the refrigerant circulating in the first refrigerant circulation channel 14 and the refrigerant circulating in the second refrigerant circulation channel 34 are electrically blocked.

本実施の形態のシステムは、図１に示すとおり、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)６０を備えている。燃料電池システムの総合制御はＥＣＵ６０により行われる。ＥＣＵ６０の出力部には、上述したポンプ２０，４０、ラジエタ１６，３６、ラジエタファン１８，３８の他、図示しない種々の機器が接続されている。ＥＣＵ６０の入力部には、図示しない種々のセンサ類が接続されている。ＥＣＵ６０は、入力された各種の情報に基づいて、所定のプログラムに従って各機器を駆動する。   The system according to the present embodiment includes an ECU (Electronic Control Unit) 60 as shown in FIG. Overall control of the fuel cell system is performed by the ECU 60. In addition to the pumps 20 and 40, the radiators 16 and 36, and the radiator fans 18 and 38 described above, various devices (not shown) are connected to the output unit of the ECU 60. Various sensors (not shown) are connected to the input unit of the ECU 60. The ECU 60 drives each device in accordance with a predetermined program based on various input information.

［実施の形態における動作］
次に、本実施の形態の動作について説明する。本実施の形態の燃料電池システムでは、ＦＣスタック１０の温度制御を行う第１の冷媒循環システム１２と、蓄電装置３０の温度制御を行う第２の冷媒循環システム３２と、上記第１の冷媒循環システム１２と第２の冷媒循環システム３２との間で熱の授受を行う熱交換器５０とを備えている。以下、それぞれについて詳細に説明する。 [Operation in the embodiment]
Next, the operation of the present embodiment will be described. In the fuel cell system according to the present embodiment, the first refrigerant circulation system 12 that controls the temperature of the FC stack 10, the second refrigerant circulation system 32 that controls the temperature of the power storage device 30, and the first refrigerant circulation. A heat exchanger 50 is provided for transferring heat between the system 12 and the second refrigerant circulation system 32. Hereinafter, each will be described in detail.

（第１の冷媒循環システムの動作）
ＦＣスタック１０において発電反応が行われると、反応熱により当該ＦＣスタックの温度が上昇する。ＦＣスタック１０が所望の発電性能を発揮するためには、ＦＣスタック１０が６５℃から８０℃程度の温度で運転されることが好ましい。そこで、第１の冷媒循環システム１２では、ＦＣスタック１０の運転条件に基づいて、第１の冷媒循環流路１４を循環する冷媒（以下、「第１の冷媒」と称する）の温度が、上述した最適な温度範囲となるように、ラジエタファン１８やポンプ２０等がフィードバック制御される。 (Operation of the first refrigerant circulation system)
When a power generation reaction is performed in the FC stack 10, the temperature of the FC stack rises due to reaction heat. In order for the FC stack 10 to exhibit desired power generation performance, the FC stack 10 is preferably operated at a temperature of about 65 ° C to 80 ° C. Therefore, in the first refrigerant circulation system 12, the temperature of the refrigerant circulating in the first refrigerant circulation passage 14 (hereinafter referred to as “first refrigerant”) is based on the operating conditions of the FC stack 10. The radiator fan 18, the pump 20, and the like are feedback controlled so that the optimum temperature range is achieved.

（第２の冷媒循環システムの動作）
蓄電装置３０は、所望の容量および出力性能を発揮するために、６５℃程度で維持されていることが好ましい。そこで、第２の冷媒循環システム３２では、蓄電装置３０の運転条件に基づいて、第２の冷媒循環流路３４を循環する冷媒（以下、「第２の冷媒」と称する）の温度が６５℃程度となるように、ラジエタファン３８やポンプ４０等がフィードバック制御される。 (Operation of the second refrigerant circulation system)
The power storage device 30 is preferably maintained at about 65 ° C. in order to exhibit desired capacity and output performance. Therefore, in the second refrigerant circulation system 32, the temperature of the refrigerant circulating in the second refrigerant circulation passage 34 (hereinafter referred to as “second refrigerant”) is 65 ° C. based on the operating conditions of the power storage device 30. The radiator fan 38, the pump 40, and the like are feedback-controlled so that the degree becomes approximately.

（熱交換器の動作）
次に、本実施の形態の特徴的動作である熱交換器５０の動作について説明する。上述したとおり、熱交換器５０は、第１の冷媒循環流路１４および第２の冷媒循環流路３４の双方に介在するように配置され、第１の冷媒循環システム１２と第２の冷媒循環システム３２との間で熱交換を行うことができる。ここで、システムが通常運転を行っている場合は、第１の冷媒循環システム１２は、第１の冷媒の温度が６５℃から８５℃程度となるように制御されており、第２の冷媒循環システム３２は、第２の冷媒の温度が６５℃程度となるように制御されている。このため、熱交換器５０では、第１の冷媒と第２の冷媒との間に大きな温度差が生じていないため、第１の冷媒と第２の冷媒との間で熱交換は活発に行われない。 (Operation of heat exchanger)
Next, the operation of the heat exchanger 50, which is a characteristic operation of the present embodiment, will be described. As described above, the heat exchanger 50 is disposed so as to be interposed in both the first refrigerant circulation channel 14 and the second refrigerant circulation channel 34, and the first refrigerant circulation system 12 and the second refrigerant circulation are arranged. Heat exchange can be performed with the system 32. Here, when the system is operating normally, the first refrigerant circulation system 12 is controlled so that the temperature of the first refrigerant is about 65 ° C. to 85 ° C., and the second refrigerant circulation The system 32 is controlled so that the temperature of the second refrigerant is about 65 ° C. For this reason, in the heat exchanger 50, since there is no large temperature difference between the first refrigerant and the second refrigerant, heat exchange is actively performed between the first refrigerant and the second refrigerant. I will not.

一方、例えば、当該システムが高速で定常運転を行っている場合においては、ＦＣスタック１０が高負荷となり、蓄電装置３０が低負荷となる場合が想定される。このような場合においては、第１の冷媒と第２の冷媒との間の温度差が大きくなるため、第１の冷媒から第２の冷媒へ熱が移動する。これにより、システムの熱効率を向上させることができる。   On the other hand, for example, when the system performs steady operation at high speed, it is assumed that the FC stack 10 has a high load and the power storage device 30 has a low load. In such a case, since the temperature difference between the first refrigerant and the second refrigerant becomes large, heat moves from the first refrigerant to the second refrigerant. Thereby, the thermal efficiency of the system can be improved.

また、上述したとおり、本実施の形態における熱交換器５０は、第１の冷媒と第２冷媒とが電気的に遮断されるように構成されている。このため、ＦＣスタック１０と蓄電装置３０と間に電位差がある状況においても、これらの冷媒に電圧が印加されてしまうことはない。したがって、これらの冷媒が分解されて変質する事態を効果的に抑制することができる。   Further, as described above, the heat exchanger 50 in the present embodiment is configured such that the first refrigerant and the second refrigerant are electrically blocked. For this reason, even if there is a potential difference between the FC stack 10 and the power storage device 30, no voltage is applied to these refrigerants. Therefore, the situation where these refrigerants are decomposed and deteriorated can be effectively suppressed.

また、上述したとおり、本実施の形態における熱交換器５０は、第１の冷媒循環流路１４におけるラジエタ１６の上流側、および第２の冷媒循環流路３４におけるラジエタ３６の下流側に介在するように配置されている。つまり、第１の冷媒は、ラジエタ１６において冷却される前に当該熱交換器５０に導入されるのに対して、第２の冷媒は、ラジエタ３６において冷却された後に当該熱交換器５０に導入される。このため、第１の冷媒と第２の冷媒との温度差を大きくすることができるので、第１の冷媒から第２の冷媒への熱の移動量が増加し、システムの熱効率を更に向上させることができる。   Further, as described above, the heat exchanger 50 in the present embodiment is interposed on the upstream side of the radiator 16 in the first refrigerant circulation passage 14 and on the downstream side of the radiator 36 in the second refrigerant circulation passage 34. Are arranged as follows. That is, the first refrigerant is introduced into the heat exchanger 50 before being cooled in the radiator 16, whereas the second refrigerant is introduced into the heat exchanger 50 after being cooled in the radiator 36. Is done. For this reason, since the temperature difference between the first refrigerant and the second refrigerant can be increased, the amount of heat transferred from the first refrigerant to the second refrigerant is increased, and the thermal efficiency of the system is further improved. be able to.

ところで、上述した実施の形態１においては、蓄電装置３０を備えた燃料電池システムにおいて、ＦＣスタック１０と蓄電装置３０との間で熱交換を行うこととしているが、ＦＣスタック１０と熱交換を行う装置は蓄電装置３０に限られない。すなわち、ハイブリッド（ＨＶ）システム等の高電圧システムと連携した燃料電池システムにおいて、高電圧システムを構成する蓄電装置、インバータ、或いはコンバータ等の種々の装置との間で熱交換を行うこととしてもよい。   Incidentally, in the first embodiment described above, in the fuel cell system including the power storage device 30, heat exchange is performed between the FC stack 10 and the power storage device 30, but heat exchange with the FC stack 10 is performed. The device is not limited to the power storage device 30. That is, in a fuel cell system linked to a high voltage system such as a hybrid (HV) system, heat exchange may be performed with various devices such as a power storage device, an inverter, or a converter that constitute the high voltage system. .

尚、上述した実施の形態１においては、ＦＣスタック１０が前記第１の発明における「燃料電池」に、蓄電装置３０が前記第１の発明における「高電圧システム」に、第１の冷媒循環システム１２が前記第１の発明における「第１の冷媒循環手段」に、第２の冷媒循環システム３２が前記第１の発明における「第２の冷媒循環手段」に、それぞれ相当している。   In the first embodiment described above, the FC stack 10 is the “fuel cell” in the first invention, the power storage device 30 is the “high voltage system” in the first invention, and the first refrigerant circulation system. 12 corresponds to the “first refrigerant circulation means” in the first invention, and the second refrigerant circulation system 32 corresponds to the “second refrigerant circulation means” in the first invention.

また、上述した実施の形態１においては、ラジエタ１６およびラジエタファン１８が前記第２の発明における「第１の冷却装置」に、ラジエタ３６およびラジエタファン３８が前記第２の発明における「第２の冷却装置」に、それぞれ相当している。   In the first embodiment described above, the radiator 16 and the radiator fan 18 are the “first cooling device” in the second invention, and the radiator 36 and the radiator fan 38 are the “second cooling device” in the second invention. It corresponds to “cooling device”.

実施の形態２．
［実施の形態２の特徴］
図２は、本発明の実施の形態２の燃料電池システムの構成を説明するための図である。図２に示すとおり、第１の冷媒循環流路１４には、熱交換器５０をバイパスするバイパス流路２２が接続されている。また、バイパス流路２２には、当該バイパス流路２２の開閉を行うためのバイパス弁２４が配置されている。また、第２の冷媒循環流路３４における蓄電装置３０への導入口近傍には、冷媒の温度を検知するための温度センサ４２が配置されている。 Embodiment 2. FIG.
[Features of Embodiment 2]
FIG. 2 is a diagram for explaining the configuration of the fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention. As shown in FIG. 2, a bypass flow path 22 that bypasses the heat exchanger 50 is connected to the first refrigerant circulation flow path 14. In addition, a bypass valve 24 for opening and closing the bypass channel 22 is disposed in the bypass channel 22. A temperature sensor 42 for detecting the temperature of the refrigerant is disposed in the vicinity of the inlet to the power storage device 30 in the second refrigerant circulation channel 34.

上述した実施の形態１においては、熱交換器５０により、第１の冷媒循環流路１４における第１の冷媒から第２の冷媒循環流路３４における第２の冷媒へ熱を移動させて、システム全体の熱効率を向上させることとしている。ここで、図１に示す第１の冷媒循環システム１２においては、熱交換器５０が第１の冷媒循環流路１４におけるラジエタ１６の上流側に配置されている。このため、ＦＣスタック１０から排出された高温の第１の冷媒が当該熱交換器５０に流通することとなる。一方、第２の冷媒循環システム３２においては、熱交換器５０が第２の冷媒循環流路３４におけるラジエタ３６の下流側に配置されている。このため、ラジエタ３６において冷却された低温の第２の冷媒が当該熱交換器５０に流通することとなる。つまり、上述した実施の形態１のシステムにおいては、当該熱交換器５０が第１の冷媒から第２の冷媒へ熱の授受が行われることにより、蓄電装置３０に流入する第２の冷媒の温度が必要以上に上昇してしまうおそれがある。かかる場合においては、蓄電装置３０の容量低下や出力低下、更には故障等が発生してしまうおそれがある。   In the first embodiment described above, the heat exchanger 50 moves the heat from the first refrigerant in the first refrigerant circulation channel 14 to the second refrigerant in the second refrigerant circulation channel 34, so that the system The overall thermal efficiency is to be improved. Here, in the first refrigerant circulation system 12 shown in FIG. 1, the heat exchanger 50 is arranged on the upstream side of the radiator 16 in the first refrigerant circulation passage 14. For this reason, the high temperature first refrigerant discharged from the FC stack 10 circulates in the heat exchanger 50. On the other hand, in the second refrigerant circulation system 32, the heat exchanger 50 is disposed on the downstream side of the radiator 36 in the second refrigerant circulation passage 34. For this reason, the low-temperature second refrigerant cooled in the radiator 36 flows through the heat exchanger 50. That is, in the system of the first embodiment described above, the temperature of the second refrigerant flowing into the power storage device 30 when the heat exchanger 50 transfers heat from the first refrigerant to the second refrigerant. May increase more than necessary. In such a case, there is a risk that the capacity and output of the power storage device 30 are reduced, and further, a failure or the like occurs.

そこで、本実施の形態２においては、蓄電装置３０の温度が必要以上に高温となるおそれがある場合に、熱交換器５０による熱の授受を制限することとする。より具体的には、蓄電装置３０に流入する第２の冷媒の温度が所定温度以上となった場合に、第１の冷媒が当該熱交換器５０をバイパスするように、第１の冷媒循環システム１２の循環流路を変更することとする。これにより、熱交換器５０における熱の授受を制限することができるので、第２の冷媒の温度が必要以上に上昇して蓄電装置３０が破損する事態を効果的に回避することができる。   Therefore, in the second embodiment, when the temperature of the power storage device 30 is likely to be higher than necessary, heat transfer by the heat exchanger 50 is limited. More specifically, the first refrigerant circulation system is configured such that the first refrigerant bypasses the heat exchanger 50 when the temperature of the second refrigerant flowing into the power storage device 30 becomes equal to or higher than a predetermined temperature. The 12 circulation channels are changed. Thereby, since heat transfer in the heat exchanger 50 can be restricted, it is possible to effectively avoid a situation in which the temperature of the second refrigerant rises more than necessary and the power storage device 30 is damaged.

［実施の形態２における具体的処理］
次に、図３を参照して、本実施の形態において実行する処理の具体的内容について説明する。図３は、ＥＣＵ６０がＦＣスタック１０および蓄電装置３０の温度制御を実行するルーチンのフローチャートである。 [Specific Processing in Second Embodiment]
Next, with reference to FIG. 3, the specific content of the process performed in this Embodiment is demonstrated. FIG. 3 is a flowchart of a routine in which ECU 60 performs temperature control of FC stack 10 and power storage device 30.

図３に示すルーチンにおいては、先ず、蓄電装置３０に流入する第２の冷媒の温度TEVが検出される（ステップ１００）。ここでは、具体的には、温度センサ４２の検出信号に基づいて、第２の冷媒の温度TEVが検出される。   In the routine shown in FIG. 3, first, the temperature TEV of the second refrigerant flowing into the power storage device 30 is detected (step 100). Here, specifically, the temperature TEV of the second refrigerant is detected based on the detection signal of the temperature sensor 42.

次に、第２の冷媒の温度TEVが所定値T1以上か否かが判定される（ステップ１０２）。ここでは、具体的には、上記ステップ１００において検出された第２の冷媒の温度TEVと所定値T1とが比較される。温度T1は、蓄電装置３０を安全に動作させるための温度の最大値として、予め設定された値が使用される。その結果、TEV≧T1の成立が認められない場合には、第２の冷媒の温度が未だ限界値に達していないと判断されて、次のステップに移行し、バイパス弁２４が閉弁されてバイパス流路２２が遮断される（ステップ１０４）。これにより、熱交換器５０内では、通常の熱交換動作が行われる。   Next, it is determined whether or not the temperature TEV of the second refrigerant is equal to or higher than a predetermined value T1 (step 102). Here, specifically, the temperature TEV of the second refrigerant detected in step 100 is compared with the predetermined value T1. As the temperature T1, a preset value is used as the maximum temperature value for safely operating the power storage device 30. As a result, if the establishment of TEV ≧ T1 is not recognized, it is determined that the temperature of the second refrigerant has not yet reached the limit value, the process proceeds to the next step, and the bypass valve 24 is closed. The bypass flow path 22 is blocked (step 104). Thereby, a normal heat exchange operation is performed in the heat exchanger 50.

一方、上記ステップ１０２において、TEV≧T1の成立が認められた場合には、第２の冷媒の温度が既に限界値に達していると判断されて、次のステップに移行し、バイパス弁２４が開弁されてバイパス流路２２が開放される。これにより、第１の冷媒がバイパス流路２２に流通されるので、熱交換器５０内における熱交換動作は制限される。   On the other hand, if the establishment of TEV ≧ T1 is recognized in step 102, it is determined that the temperature of the second refrigerant has already reached the limit value, the process proceeds to the next step, and the bypass valve 24 is turned on. The bypass channel 22 is opened by opening the valve. Thereby, since the 1st refrigerant distribute | circulates to the bypass flow path 22, the heat exchange operation in the heat exchanger 50 is restrict | limited.

以上説明したとおり、本実施の形態２のシステムによれば、蓄電装置３０に流入する第２の冷媒の温度が所定値以上となった場合に、熱交換器５０における熱の授受動作が制限される。これにより、蓄電装置３０が高温により故障する事態を効果的に抑制することができ、蓄電装置３０を安全に動作させることができる。   As described above, according to the system of the second embodiment, when the temperature of the second refrigerant flowing into the power storage device 30 exceeds a predetermined value, the heat transfer operation in the heat exchanger 50 is limited. The Thereby, the situation where the power storage device 30 fails due to high temperature can be effectively suppressed, and the power storage device 30 can be operated safely.

ところで、上述した実施の形態２においては、熱交換器５０における熱の授受動作を制限するために、第１の冷媒循環流路１４に設けられたバイパス流路２２を介して第１の冷媒を循環させて、当該冷媒の熱交換器５０への流入を制限することとしているが、熱交換器５０における熱の授受動作を制限するための方法はこれに限られない。すなわち、第２冷媒循環流路３４にバイパス流路を設けて、第２冷媒が熱交換器５０をバイパスする構成としてもよい。   By the way, in Embodiment 2 mentioned above, in order to restrict | limit the heat transfer operation | movement in the heat exchanger 50, a 1st refrigerant | coolant is supplied via the bypass flow path 22 provided in the 1st refrigerant circulation flow path 14. Although the circulation of the refrigerant is restricted to flow into the heat exchanger 50, the method for restricting the heat transfer operation in the heat exchanger 50 is not limited to this. That is, the second refrigerant circulation channel 34 may be provided with a bypass channel so that the second refrigerant bypasses the heat exchanger 50.

また、上述した実施の形態２においては、蓄電装置３０が安全に動作するための判定として、蓄電装置３０に流入する第２の冷媒の温度TEVを検出して使用することとしているが、当該判定に使用する値はこれに限らない。すなわち、蓄電装置３０の温度と相関を有する値であれば、蓄電装置３０およびＦＣスタック１０の負荷状態等に基づいて、第２の冷媒の温度を推定することとしてもよい。   In the second embodiment described above, as the determination for the power storage device 30 to operate safely, the temperature TEV of the second refrigerant flowing into the power storage device 30 is detected and used. The value used for is not limited to this. That is, as long as the value has a correlation with the temperature of the power storage device 30, the temperature of the second refrigerant may be estimated based on the load state of the power storage device 30 and the FC stack 10.

また、上述した実施の形態２においては、蓄電装置３０を備えた燃料電池システムにおいて、ＦＣスタック１０と蓄電装置３０との間で熱交換を行うこととしているが、ＦＣスタック１０と熱交換を行う装置は蓄電装置３０に限られない。すなわち、ハイブリッド（ＨＶ）システム等の高電圧システムと連携した燃料電池システムにおいて、高電圧システムを構成する蓄電装置、インバータ、或いはコンバータ等の種々の装置との間で熱交換を行うこととしてもよい。   In the second embodiment described above, in the fuel cell system including the power storage device 30, heat exchange is performed between the FC stack 10 and the power storage device 30, but heat exchange is performed with the FC stack 10. The device is not limited to the power storage device 30. That is, in a fuel cell system linked to a high voltage system such as a hybrid (HV) system, heat exchange may be performed with various devices such as a power storage device, an inverter, or a converter that constitute the high voltage system. .

尚、上述した実施の形態２においては、ＦＣスタック１０が前記第１の発明における「燃料電池」に、蓄電装置３０が前記第１の発明における「高電圧システム」に、第１の冷媒循環システム１２が前記第１の発明における「第１の冷媒循環手段」に、第２の冷媒循環システム３２が前記第１の発明における「第２の冷媒循環手段」に、それぞれ相当している。   In the second embodiment described above, the FC stack 10 is the “fuel cell” in the first invention, the power storage device 30 is the “high voltage system” in the first invention, and the first refrigerant circulation system. 12 corresponds to the “first refrigerant circulation means” in the first invention, and the second refrigerant circulation system 32 corresponds to the “second refrigerant circulation means” in the first invention.

また、上述した実施の形態２においては、ラジエタ１６およびラジエタファン１８が前記第２の発明における「第１の冷却装置」に、ラジエタ３６およびラジエタファン３８が前記第２の発明における「第２の冷却装置」に、それぞれ相当している。   In the second embodiment described above, the radiator 16 and the radiator fan 18 are the “first cooling device” in the second invention, and the radiator 36 and the radiator fan 38 are the “second cooling device” in the second invention. It corresponds to “cooling device”.

また、上述した実施の形態２においては、第２の冷媒の温度TEVが前記第３の発明における「相関値」に相当しているとともに、ＥＣＵ６０が、上記ステップ１００の処理を実行することにより、前記第３の発明における「相関値取得手段」が、上記ステップ１０６の処理を実行することにより、前記第３の発明における「制限手段」が、それぞれ実現されている。   In the second embodiment described above, the temperature TEV of the second refrigerant corresponds to the “correlation value” in the third aspect of the invention, and the ECU 60 executes the processing of step 100 above. The “correlation value acquisition means” in the third aspect of the invention executes the processing of step 106, thereby realizing the “limitation means” in the third aspect of the invention.

また、上述した実施の形態２においては、バイパス弁２４が前記第４の発明における「切替手段」に相当しているとともに、ＥＣＵ６０が、上記ステップ１０６の処理を実行することにより、前記第３の発明における「制限手段」が実現されている。   In the second embodiment described above, the bypass valve 24 corresponds to the “switching means” in the fourth aspect of the invention, and the ECU 60 executes the processing of step 106 to execute the third step. The “restricting means” in the invention is realized.

本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structure of the fuel cell system which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structure of the fuel cell system which concerns on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態２において実行されるルーチンのフローチャートである。It is a flowchart of the routine performed in Embodiment 2 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１０ 燃料電池（ＦＣ）スタック
１２ 第１の冷媒循環システム
１４ 第１の冷媒循環流路
１６，３６ ラジエタ
１８，３８ ラジエタファン
２０，４０ ポンプ
２２ バイパス流路
２４ バイパス弁
３０ 蓄電装置
３２ 第２の冷媒循環システム
３４ 第２の冷媒循環流路
３４ 冷媒循環流路
４２ 温度センサ
５０ 熱交換器
６０ ＥＣＵ(Electronic Control Unit) DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell (FC) stack 12 1st refrigerant | coolant circulation system 14 1st refrigerant | coolant circulation flow path 16, 36 Radiator 18, 38 Radiator fan 20, 40 Pump 22 Bypass flow path 24 Bypass valve 30 Power storage device 32 2nd refrigerant | coolant Circulation system 34 Second refrigerant circulation passage 34 Refrigerant circulation passage 42 Temperature sensor 50 Heat exchanger 60 ECU (Electronic Control Unit)

Claims (4)

反応ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池を冷却するための第１の冷媒を循環させる第１の冷媒循環手段と、
高電圧を発生させるための高電圧システムと、
前記高電圧システムを冷却するための第２の冷媒を循環させる第２の冷媒循環手段と、
前記第１の冷媒と前記第２の冷媒との間で絶縁性を確保しつつ熱交換を行う熱交換器と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that receives the supply of reactive gas and generates power;
First refrigerant circulating means for circulating a first refrigerant for cooling the fuel cell;
A high voltage system for generating a high voltage;
Second refrigerant circulating means for circulating a second refrigerant for cooling the high voltage system;
A heat exchanger for exchanging heat while ensuring insulation between the first refrigerant and the second refrigerant;
A fuel cell system comprising: 前記第１の冷媒循環手段は、
前記第１の冷媒が循環する第１の冷媒循環流路と、
前記第１の冷媒流路に配置され、前記第１の冷媒を冷却するための第１の冷却装置と、を含み、
前記第２の冷媒循環手段は、
前記第２の冷媒が循環する第２の冷媒循環流路と、
前記第２の冷媒流路に配置され、前記第２の冷媒を冷却するための第２の冷却装置と、を含み、
前記熱交換器は、前記第１の冷媒循環流路における前記第１の冷却装置の下流と、前記第２の冷媒循環流路における前記第２の冷却装置の上流と、に介在するように設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。 The first refrigerant circulation means includes
A first refrigerant circulation passage through which the first refrigerant circulates;
A first cooling device disposed in the first refrigerant flow path for cooling the first refrigerant,
The second refrigerant circulation means includes
A second refrigerant circulation passage through which the second refrigerant circulates;
A second cooling device disposed in the second refrigerant flow path for cooling the second refrigerant,
The heat exchanger is provided so as to be interposed downstream of the first cooling device in the first refrigerant circulation passage and upstream of the second cooling device in the second refrigerant circulation passage. The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel cell system is provided. 前記高電圧システムの温度と相関を有する相関値を取得する相関値取得手段と、
前記相関値が所定値以上となった場合に、前記熱交換器における、前記第１の冷媒と前記第２の冷媒との間の熱交換を制限する制限手段と、
を更に備えることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。 Correlation value acquisition means for acquiring a correlation value having a correlation with the temperature of the high voltage system;
Limiting means for limiting heat exchange between the first refrigerant and the second refrigerant in the heat exchanger when the correlation value is equal to or greater than a predetermined value;
The fuel cell system according to claim 2, further comprising: 前記第１の冷媒流路から分岐し、前記熱交換器をバイパスするバイパス流路と、
前記第１の冷媒の流通先を前記第１の冷媒流路と前記バイパス流路との間で切り替える切替手段と、を更に備え、
前記制限手段は、前記相関値が所定値以上となった場合に、前記第１の冷媒の流通先が前記バイパス流路となるように、前記切替手段を制御することを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。 A bypass channel branched from the first refrigerant channel and bypassing the heat exchanger;
Switching means for switching a distribution destination of the first refrigerant between the first refrigerant channel and the bypass channel;
The restriction means controls the switching means so that when the correlation value is equal to or greater than a predetermined value, the distribution destination of the first refrigerant is the bypass flow path. The fuel cell system described.

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