JP2015115306A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池を備える燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell.
アノードに燃料ガス(水素)が供給され、カソードに酸化剤ガス(酸素を含む空気)が供給されることで発電する燃料電池は、その種類によって好適に発電を行うことが可能な温度(例えば、約90℃)が決まっている。
一方、燃料電池の使用環境の温度は、季節や場所によって大きく異なり、例えば、環境温度が氷点下の状態で燃料電池システムを起動することがある。このような場合に燃料電池の暖機を行うことで、燃料電池を早期に昇温させる技術が知られている。
A fuel cell that generates power by supplying a fuel gas (hydrogen) to the anode and an oxidant gas (air containing oxygen) to the cathode is capable of suitably generating power depending on its type (for example, About 90 ° C).
On the other hand, the temperature of the environment in which the fuel cell is used varies greatly depending on the season and location. For example, the fuel cell system may be activated when the environmental temperature is below freezing. A technique is known in which the temperature of the fuel cell is increased quickly by warming up the fuel cell in such a case.
燃料電池の暖機の方法として、例えば、燃料電池に供給される酸素のストイキ比を小さくする方法がある。ストイキ比とは、アノードに供給されている水素と過不足なく反応するのに必要な酸素に対する、実際の酸素の余剰率である。ストイキ比を小さくして酸素不足の状態にすることで、燃料電池の発電に伴う熱損失(自己発熱量)を増大させ、燃料電池の暖機を促進できる。 As a method for warming up the fuel cell, for example, there is a method for reducing the stoichiometric ratio of oxygen supplied to the fuel cell. The stoichiometric ratio is an excess ratio of actual oxygen with respect to oxygen necessary for reacting with hydrogen supplied to the anode without excess or deficiency. By reducing the stoichiometric ratio so as to be in an oxygen-deficient state, it is possible to increase the heat loss (self-heat generation amount) accompanying the power generation of the fuel cell and promote the warm-up of the fuel cell.
例えば、特許文献1には、燃料電池が起動するときの最低電圧に基づいて、暖機発電中に燃料電池から取り出される負荷電流の大きさを変化させる燃料電池システムについて記載されている。この燃料電池システムでは、暖機中に燃料電池から取り出される電流は、コンプレッサ等の補機やバッテリに供給される。 For example, Patent Document 1 describes a fuel cell system that changes the magnitude of a load current taken out from a fuel cell during warm-up power generation based on the minimum voltage when the fuel cell is activated. In this fuel cell system, the current extracted from the fuel cell during warm-up is supplied to an auxiliary device such as a compressor and a battery.
特許文献1に記載の発明では、暖機を行う際にバッテリが満充電である場合、燃料電池からコンプレッサ等の補機に電力供給される。しかしながら、例えば、燃料電池からコンプレッサに電力供給する場合、騒音や振動を考慮して電流値を制限する必要がある。したがって、暖機を行う際に継続かつ安定して燃料電池から電流を取り出すことができず、早期に暖機を完了できない可能性がある。 In the invention described in Patent Document 1, when the battery is fully charged when warming up, power is supplied from the fuel cell to an auxiliary machine such as a compressor. However, for example, when power is supplied from the fuel cell to the compressor, it is necessary to limit the current value in consideration of noise and vibration. Therefore, when warming up, current cannot be taken out from the fuel cell continuously and stably, and warming up may not be completed early.
そこで、本発明は、燃料電池の暖機を促進する燃料電池システムを提供することを課題とする。 Then, this invention makes it a subject to provide the fuel cell system which accelerates | stimulates warming up of a fuel cell.
前記課題を解決するための手段として、本発明に係る燃料電池システムは、反応ガス流路及び冷媒流路を有し、前記反応ガス流路に反応ガスが供給されることで発電する燃料電池と、前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、前記冷媒流路に供給される冷媒が通流する冷媒供給流路と、前記冷媒流路から排出される冷媒が通流する冷媒排出流路と、前記冷媒供給流路及び前記冷媒排出流路に接続され、空気との熱交換によって冷媒を放熱させる第1熱交換器と、一端が前記冷媒供給流路に接続され、他端が前記冷媒排出流路に接続される第1バイパス流路と、前記冷媒流路から流出する冷媒を前記第1熱交換器を介して通流させるか、又は前記第1熱交換器を迂回させ前記第1バイパス流路を介して通流させるか、を切り替える第1切替手段と、前記第1バイパス流路との接続箇所よりも下流側の前記冷媒排出流路に一端が接続され、前記第1バイパス流路との接続箇所よりも上流側の前記冷媒供給流路に他端が接続される空調用冷媒流路と、前記空調用冷媒流路に配設され、空調用の空気と冷媒とを熱交換する第2熱交換器と、前記空調用冷媒流路に配設され、前記第2熱交換器を介して冷媒を循環させる冷媒循環手段と、前記第2熱交換器よりも上流側の前記空調用冷媒流路に配設され、冷媒を加熱する電気式の加熱手段と、前記温度検出手段によって検出される前記燃料電池の温度が所定閾値以下である場合、前記燃料電池の暖機を開始する暖機手段と、を備える燃料電池システムであって、前記暖機手段は、前記暖機の実行中、前記冷媒循環手段を駆動すると共に、前記燃料電池の発電電力を前記加熱手段に供給することを特徴とする。 As means for solving the above-described problems, a fuel cell system according to the present invention includes a reaction gas channel and a refrigerant channel, and a fuel cell that generates electric power when a reaction gas is supplied to the reaction gas channel. , Temperature detecting means for detecting the temperature of the fuel cell, a refrigerant supply channel through which the refrigerant supplied to the refrigerant channel flows, and a refrigerant discharge channel through which the refrigerant discharged from the refrigerant channel flows A first heat exchanger that is connected to the refrigerant supply channel and the refrigerant discharge channel and radiates the refrigerant by heat exchange with air, one end is connected to the refrigerant supply channel, and the other end is the refrigerant The first bypass channel connected to the discharge channel and the refrigerant flowing out of the refrigerant channel are passed through the first heat exchanger, or the first heat exchanger is bypassed and the first 1st switch to switch between flowing through bypass channel One end is connected to the refrigerant discharge flow path downstream of the connection portion between the means and the first bypass flow passage, and the refrigerant supply flow passage is upstream of the connection portion to the first bypass flow passage. An air conditioning refrigerant flow path to which the other end is connected, a second heat exchanger disposed in the air conditioning refrigerant flow path for exchanging heat between the air conditioning air and the refrigerant, and the air conditioning refrigerant flow path. A refrigerant circulating means that circulates the refrigerant through the second heat exchanger, and an electric type that is disposed in the air conditioning refrigerant flow path upstream of the second heat exchanger and heats the refrigerant. A fuel cell system comprising: heating means; and warming-up means for starting warming-up of the fuel cell when the temperature of the fuel cell detected by the temperature detecting means is equal to or lower than a predetermined threshold value. The machine means drives the refrigerant circulation means during execution of the warm-up, and The power generated by the serial fuel cell and supplying to said heating means.
このような構成によれば、温度検出手段によって検出される燃料電池の温度が所定閾値以下である場合、暖機手段は燃料電池の暖機を開始し、暖機の実行中に冷媒循環手段を駆動すると共に、燃料電池の発電電力を加熱手段に供給する。
第1切替手段によって、冷媒流路から流出した冷媒が第1バイパス流路に導かれる状態(第1熱交換器への通流が遮断された状態)で冷媒循環手段が駆動すると、空調用冷媒流路の冷媒は、加熱手段、第2熱交換器、及び第1熱交換器を順次通流して循環する。加熱手段による加熱で昇温した冷媒は第1熱交換器で放熱するため、暖機中に冷媒の温度が高くなりすぎて空調用冷媒流路の配管等が破損したり、加熱手段が停止したりすることを防止できる。
According to such a configuration, when the temperature of the fuel cell detected by the temperature detection unit is equal to or lower than the predetermined threshold, the warm-up unit starts warming-up of the fuel cell, and the refrigerant circulation unit is activated during the warm-up. While driving, the power generated by the fuel cell is supplied to the heating means.
When the refrigerant circulation means is driven in a state where the refrigerant flowing out from the refrigerant flow path is guided to the first bypass flow path (a state where the flow to the first heat exchanger is blocked) by the first switching means, the air conditioning refrigerant The refrigerant in the flow path circulates through the heating means, the second heat exchanger, and the first heat exchanger sequentially. Since the refrigerant whose temperature has been raised by heating by the heating means radiates heat in the first heat exchanger, the temperature of the refrigerant becomes too high during warm-up, and the piping of the refrigerant flow path for air conditioning is damaged, or the heating means stops. Can be prevented.
このように、暖機(発電)を継続させるための電気負荷として加熱手段を用い、第1熱交換器で冷媒を放熱させることで、暖機中、燃料電池の発電電力を加熱手段に供給し続けることができる。また、エアポンプ等の補機と比較して、加熱手段(冷媒加熱用ヒータ)の消費電力は大きい。このように消費電力の大きい加熱手段を暖機時の電気負荷として用いることで、燃料電池の暖機が促進され、暖機を早期に完了できる。
また、加熱手段に電力供給しても、振動・騒音はほとんど生じない。したがって、例えば、電気負荷としてエアポンプを用いる場合と比較して、低振動・低騒音で暖機し続けることができる。
In this way, the heating means is used as an electric load for continuing the warm-up (power generation), and the refrigerant is radiated by the first heat exchanger, so that the generated power of the fuel cell is supplied to the heating means during the warm-up. You can continue. Further, the power consumption of the heating means (refrigerant heating heater) is larger than that of an auxiliary machine such as an air pump. By using the heating means with high power consumption as an electric load during warm-up as described above, warm-up of the fuel cell is promoted and warm-up can be completed early.
Further, even when power is supplied to the heating means, vibration and noise hardly occur. Therefore, for example, compared with the case where an air pump is used as an electric load, warm-up can be continued with low vibration and low noise.
また、一端が前記加熱手段よりも上流側の前記空調用冷媒流路に接続され、他端が前記第2熱交換器よりも下流側の前記空調用冷媒流路に接続される第2バイパス流路と、前記第2熱交換器から流出する冷媒を、前記第2バイパス流路を介して前記第2熱交換器に戻すか、又は、前記空調用冷媒流路の前記他端に向けて通流させるかを切り替える第2切替手段と、ユーザによる暖房要求があるか否かを判定する暖房要求判定手段と、を備え、前記暖機手段は、暖機中に前記暖房要求判定手段によって暖房要求があると判定された場合、前記第2熱交換器から流出する冷媒を、前記第2バイパス流路を介して前記第2熱交換器に戻すように前記第2切替手段を制御することが好ましい。 Also, a second bypass flow in which one end is connected to the air conditioning refrigerant flow path upstream of the heating means and the other end is connected to the air conditioning refrigerant flow path downstream of the second heat exchanger. And the refrigerant flowing out of the second heat exchanger is returned to the second heat exchanger via the second bypass flow path, or is passed toward the other end of the air-conditioning refrigerant flow path. A second switching means for switching whether to flow, and a heating request determination means for determining whether or not there is a heating request by a user, wherein the warming-up means is requested by the heating request determination means during the warm-up. When it is determined that there is, it is preferable to control the second switching means so that the refrigerant flowing out from the second heat exchanger is returned to the second heat exchanger via the second bypass flow path. .
このような構成によれば、暖機中に暖房要求判定手段によって暖房要求があると判定された場合、第2切替手段によって冷媒の通流方向が切り替えられる。つまり、第2熱交換器から流出する冷媒が、第2バイパス流路を介して第2熱交換器に戻る(第1熱交換器を迂回する)ように、冷媒の通流方向が切り替えられる。加熱手段による加熱で昇温した冷媒は、第1熱交換器で放熱せずに第2熱交換器で空調用の空気に放熱する。したがって、第2熱交換器での冷媒の放熱量を大きくして、効率的に暖房運転を行うことができる。 According to such a structure, when it determines with a heating request | requirement determination means having a heating request | requirement during warming up, the flow direction of a refrigerant | coolant is switched by a 2nd switching means. That is, the refrigerant flow direction is switched so that the refrigerant flowing out of the second heat exchanger returns to the second heat exchanger via the second bypass flow path (bypassing the first heat exchanger). The refrigerant whose temperature has been raised by heating by the heating means does not radiate heat in the first heat exchanger but radiates heat to the air for air conditioning in the second heat exchanger. Therefore, it is possible to efficiently perform the heating operation by increasing the heat radiation amount of the refrigerant in the second heat exchanger.
また、前記暖機手段は、前記温度検出手段によって検出される前記燃料電池の温度が低いほど、前記加熱手段に供給する前記燃料電池の発電電力を大きくすることが好ましい。 Further, it is preferable that the warm-up unit increases the generated power of the fuel cell supplied to the heating unit as the temperature of the fuel cell detected by the temperature detection unit is lower.
このような構成によれば、燃料電池の温度が低いほど加熱手段に供給される発電電力が大きくなるため、燃料電池の発電に伴う自己発熱(つまり、暖機)が促進される。また、燃料電池の温度が高いほど加熱手段に供給される発電電力が小さくなるため、加熱手段での無駄な電力消費を抑制できる。 According to such a configuration, the lower the temperature of the fuel cell, the larger the generated power supplied to the heating means, so that self-heating (that is, warm-up) accompanying the power generation of the fuel cell is promoted. In addition, since the generated power supplied to the heating unit decreases as the temperature of the fuel cell increases, useless power consumption in the heating unit can be suppressed.
また、前記第1熱交換器に送風することで、前記第1熱交換器を通流する冷媒の冷却を促す電気式の冷却手段を備え、前記暖機手段は、前記暖機の実行中、前記燃料電池の発電電力を前記冷却手段に供給して、前記冷却手段を駆動することが好ましい。 In addition, it comprises an electric cooling means for encouraging cooling of the refrigerant flowing through the first heat exchanger by blowing air to the first heat exchanger, and the warm-up means is executing the warm-up, It is preferable to drive the cooling means by supplying power generated by the fuel cell to the cooling means.
このような構成によれば、暖機の実行中に冷却手段が駆動することで、第1熱交換器における冷媒の放熱が促進される。したがって、加熱手段において大きな熱量を冷媒に与え続けることができる。また、燃料電池の発電電力を加熱手段及び冷却手段に供給することで、燃料電池から電流を継続的に取り出すことができ、燃料電池の暖機をさらに促進できる。 According to such a configuration, the cooling means is driven during the warm-up, whereby the heat radiation of the refrigerant in the first heat exchanger is promoted. Therefore, a large amount of heat can be continuously given to the refrigerant in the heating means. Further, by supplying the generated power of the fuel cell to the heating means and the cooling means, it is possible to continuously take out the current from the fuel cell and further promote the warm-up of the fuel cell.
本発明によれば、燃料電池の暖機を促進する燃料電池システムを提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell system which accelerates | stimulates warming up of a fuel cell can be provided.
≪第1実施形態≫
<燃料電池システムの構成>
図1に示す燃料電池システムS1は、アノード流路11に水素を供給し、カソード流路12に酸素を含む空気を供給することで燃料電池10を発電させ、その発電電力(又は、図示しないバッテリからの電力)で走行モータ52等の負荷を駆動するシステムである。以下では、一例として、燃料電池システムS1を燃料電池車に適用する場合について説明する。
<< First Embodiment >>
<Configuration of fuel cell system>
A fuel cell system S1 shown in FIG. 1 supplies hydrogen to an
燃料電池システムS1は、燃料電池10と、燃料電池10のアノードに対してアノードガス(水素)を供給するアノード系と、燃料電池10のカソードに対してカソードガス(酸素を含む空気)を供給するカソード系と、燃料電池10を経由するように冷媒を循環させるFC(Fuel Cell)側冷媒系と、燃料電池10の発電電力を消費する電力消費系と、ヒータコア63を経由するように冷媒を循環させる空調側冷媒系と、これらを制御するECU80と、を備えている。
The fuel cell system S 1 supplies the
<燃料電池>
燃料電池10は、固体高分子型燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell:PEFC)であり、膜/電極接合体(Membrane Electrode Assembly:MEA)を一対の導電性のセパレータ(図示せず)で挟持してなる単セル(図示せず)を複数積層して構成されている。
燃料電池10の各セパレータには、各膜/電極接合体の全面に水素又は酸素を供給するための溝及び貫通孔が形成されており、これらの溝及び貫通孔がアノード流路11、カソード流路12として機能する。なお、反応ガス(水素、酸素を含む空気)が供給される「反応ガス流路」は、アノード流路11と、カソード流路12と、を含んで構成される。
また、前記したセパレータには、燃料電池10を冷却するための冷媒(例えば、エチレングリコールを含む水)が通流する冷媒流路13が形成されている。
<Fuel cell>
The
Each separator of the
Further, the separator is formed with a
燃料電池10では、アノード流路11を介して水素が供給されると(式1)の電極反応が起こり、カソード流路12を介して酸素を含む空気が供給されると(式2)の電極反応が起こり、各単セルで電位差(Open Circuit Voltage:OCV)が発生する。
In the
2H2→4H++4e-・・・(式1)
O2+4H++4e-→2H2O・・・(式2)
2H 2 → 4H + + 4e − (Formula 1)
O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O (Formula 2)
<アノード系>
アノード系は、水素タンク21と、遮断弁22と、を備えている。
水素タンク21は、高純度の水素が圧縮充填されたタンクであり、配管a1を介して遮断弁22に接続されている。
遮断弁22は、ECU80からの指令に従って開閉することで水素タンク21の水素を燃料電池10に対して供給/遮断する弁であり、配管a2を介してアノード流路11に接続されている。
<Anode system>
The anode system includes a
The
The shut-off
その他、遮断弁22を介して供給される水素を減圧する減圧弁(図示せず)が配管a2に設置されている。また、アノード流路11から排出されたアノードオフガスを希釈する希釈器(図示せず)が配管a3に設置されている。
In addition, a pressure reducing valve (not shown) for reducing the hydrogen supplied through the
<カソード系>
カソード系は、コンプレッサ31を備えている。
コンプレッサ31は、ECU80からの指令に従って内部の羽根車(図示せず)を回転させることで車外から空気を吸引・圧縮し、配管b1を介してカソード流路12に供給するものである。ECU80によって、コンプレッサ31の回転速度が制御されることで、カソード流路12に供給される空気の流量が調整される。
<Cathode system>
The cathode system includes a
The
その他、配管b1を介して供給される低湿潤の空気と、配管b2を介して排出される高湿潤のカソードオフガスと、の間で水分交換するための加湿器(図示せず)が設置されている。また、カソード流路12を通流する空気の圧力(背圧)を制御する背圧弁(図示せず)が配管b2に設置されている。
In addition, a humidifier (not shown) is installed for exchanging moisture between the low-humidity air supplied via the pipe b1 and the high-humidity cathode off gas discharged via the pipe b2. Yes. Further, a back pressure valve (not shown) for controlling the pressure (back pressure) of the air flowing through the
<FC側冷媒系>
FC側冷媒系は、冷媒ポンプ41と、ラジエータ42と、ラジエータファン43と、サーモスタットバルブ44と、温度センサ45と、を備えている。なお、図1に示す配管c1〜c4,d1〜d4の終端の矢印、及び放熱部421内の矢印は、燃料電池10の廃熱を暖房の熱源として用いる場合に冷媒が流れる向きを表している。
<FC side refrigerant system>
The FC-side refrigerant system includes a
冷媒ポンプ41は、ECU80からの指令に従って駆動し、冷媒流路13に向けて冷媒を圧送するポンプである。冷媒ポンプ41は、その吸入側が配管c2を介してサーモスタットバルブ44に接続され、吐出側が配管c3を介して冷媒流路13の流入口に接続されている。
The
ラジエータ42(第1熱交換器)は、配管c5(又は配管c1:図3参照)から流入する高温の冷媒を空気との熱交換によって放熱させ、放熱した冷媒を配管c1(又は配管c5:図3参照)に流出させる熱交換器である。
ラジエータ42は、空気との熱交換によって冷媒を放熱させる放熱部421と、放熱部421の下端に接続されるロアタンク422と、放熱部421の上端に接続されるアッパタンク423と、を有している。
The radiator 42 (first heat exchanger) dissipates the high-temperature refrigerant flowing from the pipe c5 (or pipe c1: see FIG. 3) by heat exchange with air, and the heat-radiated refrigerant is pipe c1 (or pipe c5: figure). 3)).
The
放熱部421は、冷媒が通流する複数のチューブ(図示せず)と、各チューブが貫通する孔が形成された複数の放熱フィン(図示せず)と、を有している。前記した複数のチューブは、鉛直方向に延びる筒状部材であり、所定の伝熱性を有している。
The
ロアタンク422は、冷媒を一時的に貯留する細長のタンクであり、配管c5,c4を介して冷媒流路13の流出口に接続されている。アッパタンク423は、冷媒を一時的に貯留する細長のタンクであり、配管c1〜c3を介して冷媒流路13の流入口に接続されている。
The
ラジエータファン43(冷却手段)は、ラジエータ42に向けて送風するファンであり、放熱部421付近に設置されている。ラジエータファン43が駆動することで、例えば、車両の導風板(図示せず)を介して空気が取り込まれ、その空気がラジエータ42に吹き付けられる。これによって、ラジエータ42を通流する冷媒の冷却が促される。
The radiator fan 43 (cooling means) is a fan that blows air toward the
サーモスタットバルブ44(第1切替手段)は、ラジエータ42への冷媒の通流/迂回を切り替えることで燃料電池10の温度を調整する温度調整機構である。サーモスタットバルブ44は、冷媒が所定温度(例えば、90℃)以上になると膨張するワックス(図示せず)と、このワックスの膨張に伴って移動する弁体(図示せず)と、を有している。なお、前記した所定温度は、燃料電池10が発電に適した温度で保たれるように設定されている。
The thermostat valve 44 (first switching means) is a temperature adjustment mechanism that adjusts the temperature of the
サーモスタットバルブ44は、一方の入口ポートが配管c1を介してアッパタンク423に接続され、他方の入口ポートがバイパス配管c6に接続されている。また、サーモスタットバルブ44の出口ポートは、配管c2を介して冷媒ポンプ41の吸入口に接続されている。
The
サーモスタットバルブ44を通流する冷媒の温度が所定温度以上である場合、ワックス(図示せず)が膨張することで弁体が移動する。これによって配管c1,c2が連通し、バイパス配管c6を介した流路が遮断される。
一方、サーモスタットバルブ44を通流する冷媒の温度が所定温度未満である場合、ワックスは膨張せず、弁体も移動しない。これによってバイパス配管c6と配管c2とが連通し、配管c1を介した流路が遮断される。
When the temperature of the refrigerant flowing through the
On the other hand, when the temperature of the refrigerant flowing through the
バイパス配管c6(第1バイパス流路)は、ラジエータ42を迂回するように冷媒を通流させるための配管であり、一端が冷媒供給流路に接続され、他端が冷媒排出流路に接続されている。ここで、冷媒流路13に供給される冷媒が通流する「冷媒供給流路」は、配管c1,c2,c3を含んで構成される。また、冷媒流路13から排出される冷媒が通流する「冷媒排出流路」は、配管c4,c5を含んで構成される。
なお、冷媒の絶縁性を確保するためのイオン交換器(図示せず)をバイパス配管c6に設置することが好ましい。
The bypass pipe c6 (first bypass flow path) is a pipe for allowing the refrigerant to flow around the
In addition, it is preferable to install an ion exchanger (not shown) for ensuring the insulation of the refrigerant in the bypass pipe c6.
温度センサ45(温度検出手段)は、配管c4を通流する冷媒の温度を燃料電池10の温度として検出し、ECU80に出力する機能を有している。なお、燃料電池10に温度センサ(図示せず)を設置し、この温度センサによって燃料電池10の温度を直接的に検出してもよい。
The temperature sensor 45 (temperature detection means) has a function of detecting the temperature of the refrigerant flowing through the pipe c4 as the temperature of the
<電力消費系>
電力消費系は、VCU51と、走行モータ52と、を備えている。
VCU51(Voltage Control Unit)は、燃料電池10の発電電力やバッテリ(図示せず)の充放電を制御するものであり、DC/DCチョッパ(図示せず)、DC/DCコンバータ(図示せず)等の電子回路が内蔵されている。
走行モータ52は、例えば、永久磁石同期式の三相交流モータであり、3相交流電力で燃料電池車の駆動輪を回転駆動させる。
<Power consumption system>
The power consumption system includes a
A VCU 51 (Voltage Control Unit) controls power generated by the
The
その他、ECU80からの指令に従って、走行モータ52等の外部負荷と燃料電池10とを電気的に接続/遮断するコンタクタ(図示せず)、燃料電池10の出力電流値及び出力電圧値を検出する出力検出器(図示せず)等が設置されている。
In addition, in accordance with a command from the
<空調側冷媒系>
空調側冷媒系は、冷媒ポンプ61と、冷媒加熱用ヒータ62と、ヒータコア63と、温度センサ64と、を備えている。
冷媒ポンプ61(冷媒循環手段)は、ヒータコア63に向けて冷媒を圧送するポンプであり、空調用冷媒流路に設置されている。ここで「空調用冷媒流路」は、配管d1〜d4を含んで構成される。
「空調用冷媒流路」の一端は、バイパス配管c6との接続箇所Q1よりも下流側の冷媒排出流路(配管c4、c5)に接続されている。「空調用冷媒流路」の他端は、バイパス配管c6との接続箇所(サーモスタットバルブ44)よりも上流側の冷媒供給流路(配管c1)に接続されている。また、冷媒ポンプ61の吸入口は、配管d1,c5を介してロアタンク422に接続されている。
<Air conditioning side refrigerant system>
The air conditioning side refrigerant system includes a
The refrigerant pump 61 (refrigerant circulation means) is a pump that pumps the refrigerant toward the
One end of the “air-conditioning refrigerant flow path” is connected to a refrigerant discharge flow path (pipes c4, c5) on the downstream side of the connection point Q1 with the bypass pipe c6. The other end of the “air-conditioning refrigerant flow path” is connected to the refrigerant supply flow path (pipe c1) on the upstream side of the connection location (thermostat valve 44) with the bypass pipe c6. The suction port of the
冷媒加熱用ヒータ62(加熱手段)は、配管d2を介して流入する冷媒を加熱する電気ヒータである。冷媒加熱用ヒータ62の上流側は、配管d2を介して冷媒ポンプ61の吐出口に接続されている。また、冷媒加熱用ヒータ62の下流側は、配管d3を介してヒータコア63の流入口に接続されている。
The refrigerant heating heater 62 (heating means) is an electric heater that heats the refrigerant flowing in through the pipe d2. The upstream side of the
ヒータコア63(第2熱交換器)は、配管d3を介して流入する高温の冷媒と、エアミックスドア74によって案内されダクト71内を通流する空気と、を熱交換する熱交換器である。ヒータコア63は、ダクト71内においてエバポレータ73よりも下流側に設置されている。ヒータコア63の流出口は、配管d4を介して配管c1に接続されている。
温度センサは64は、冷媒加熱用ヒータ62から流出する冷媒の温度を検出し、ECU80に出力する機能を有している。
The heater core 63 (second heat exchanger) is a heat exchanger that exchanges heat between the high-temperature refrigerant that flows in through the pipe d3 and the air that is guided by the
The
(その他機器)
図1に示すダクト71は、上流端が開口して車内外に連通し、下流端が開口して車室に連通するように設置される筒状部材である。ダクト71内には、上流側から順に、送風機72、エバポレータ73、エアミックスドア74、及びヒータコア63が設置されている。
(Other equipment)
The
送風機72は、車内外からの空気を吸入してダクト71内に送り込むブロワであり、ダクト71の上流端付近に設置されている。
エバポレータ73は、送風機72から送り込まれる空気を冷却するものであり、冷房運転時に蒸発器として機能する。なお、図1では図示を省略したが、圧縮機(図示せず)、コンデンサ(凝縮器:図示せず)、膨張弁(図示せず)、及びエバポレータ73が配管(図示せず)を介して環状に順次接続されている。前記した圧縮機が駆動し、膨張弁の開度が絞られることでエバポレータ73に低温低圧の冷媒が流入する。
The
The
エアミックスドア74は、例えば回動式のドアであり、ECU80からの指令に従い回動軸Kを中心として回動する。これによって、ヒータコア63に流入する空気とヒータコア63を迂回する空気との流量比(つまり、車室に送り込まれる空気の温度)が調整される。
The
温度センサ75は、エバポレータ73の下流側、かつ、ヒータコア63の上流側に設置されている。温度センサ75は、エバポレータ73を通流する冷媒と熱交換した空気の温度を検出し、ECU80に出力する。
空調スイッチ76は、例えば、車内のセンタクラスタ(図示せず)に設置され、ユーザによる操作に応じて、空調運転(暖房・冷房)のON/OFF信号をECU80に出力する。
The
The
<制御系>
ECU80(Electric Control Unit)は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、各種インタフェースなどの電子回路を備えて構成され、その内部に記憶したプログラムに従って各種機能を発揮する。
ECU80は、IG(Ignition Switch:図示せず)からのON/OFF信号、アクセル(図示せず)の開度、温度センサ45,64,75からの温度情報、空調スイッチ76からのON/OFF信号、ユーザによって設定される設定温度等に応じて、各機器の駆動を制御する。
<Control system>
The ECU 80 (Electric Control Unit) includes electronic circuits such as a CPU (Central Processing Unit), ROM (Read Only Memory), RAM (Random Access Memory), various interfaces, and various functions according to programs stored therein. Demonstrate.
The
すなわち、ECU80は、自身に入力される各信号に応じて、遮断弁22、コンプレッサ31、冷媒ポンプ41,61、ラジエータファン43、VCU51、冷媒加熱用ヒータ62、送風機72、エアミックスドア74等の動作を制御する。なお、ECU80として、空調制御用のECUと、燃料電池システム制御用のECUと、を別体で構成してもよいし、これらを一体で構成してもよい。
That is, the
ECU80(暖機手段)は、温度センサ45によって検出される燃料電池10の温度が所定閾値以下である場合、燃料電池10の暖機を開始する機能を有している。ここで「暖機」とは、例えば、冷媒ポンプ41が圧送する冷媒の流量を通常起動時よりも小さくしたり、冷媒ポンプ41を間欠的に駆動したりすることで、通常起動時よりも燃料電池10の放熱量を抑制することを意味している。このような放熱量の抑制によって、燃料電池10の昇温が促される。ちなみに、燃料電池10を酸素不足の状態にして、燃料電池10の発電に伴う熱損失を増大させることで暖機を行ってもよい。
また、前記した所定閾値は、システム起動時に暖機を行うことで燃料電池10を昇温させるか、又は暖機を行わずに通常起動するかの判定基準となる閾値であり、予め設定されている。
The ECU 80 (warm-up means) has a function of starting the warm-up of the
The predetermined threshold value is a threshold value that serves as a criterion for determining whether to warm up the
また、ECU80(暖機手段)は、暖機の実行中、冷媒ポンプ61を駆動すると共に、燃料電池10の発電電力(発電電流)をラジエータファン43及び冷媒加熱用ヒータ62に供給する機能を有している。ラジエータファン43及び冷媒加熱用ヒータ62を暖機中の電気負荷とすることで、例えば、バッテリ(図示せず)が満充電の状態でも、燃料電池10の発電(つまり、暖機)を継続できる。
また、ECU80(暖房要求判定手段)は、空調スイッチ76から入力される信号に基づき、ユーザによる暖房要求があるか否かを判定する機能を有している。
The ECU 80 (warming-up means) has a function of driving the
The ECU 80 (heating request determination means) has a function of determining whether there is a heating request from the user based on a signal input from the
<燃料電池システムの動作>
次に、低温起動時の暖機(図2、図3参照)について詳細に説明した後、燃料電池10の廃熱を暖房の熱源として用いる場合(図1参照)について簡単に説明する。
<Operation of fuel cell system>
Next, warming up at low temperature startup (see FIGS. 2 and 3) will be described in detail, and then the case of using the waste heat of the
(1.暖機時)
図2に示すように、IG(図示せず)からON信号が入力されると(START)、ステップS101においてECU80は、FC側冷媒系の冷媒ポンプ41を駆動する。通常、IG−ON時において燃料電池10の温度は、発電に適した所定温度(例えば、90℃)よりも低いため、サーモスタットバルブ44は閉じた状態になっている。すなわち、冷媒ポンプ41の駆動によって冷媒流路13から流出した低温の冷媒は、配管c4(一部)、バイパス配管c6、及び配管c2,c3を介して冷媒流路13に戻る(図3参照)。
(1. When warming up)
As shown in FIG. 2, when an ON signal is input from an IG (not shown) (START), the
ステップS102においてECU80は、アノード流路11を水素に置換し、カソード流路12を空気に置換する。つまり、ECU80は遮断弁22を開くと共に、配管a3に設置されているパージ弁(図示せず)を繰り返し開くことで、アノード流路11に滞留しているガスを水素に置換する。これと並行してECU80は、コンプレッサ31を駆動することで、カソード流路12に滞留しているガスを空気に置換する。
In step S102, the
ステップS103においてECU80は、燃料電池10のOCVが所定値以上であるか否かを判定する。前記した所定値は、燃料電池10から電流を取り出すことが可能か否かの判定基準となる閾値であり、予め設定されている。
ステップS103において燃料電池10のOCVが所定値以上である場合(S103→Yes)、ECU80の処理はステップS104に進む。一方、燃料電池10のOCVが所定値未満である場合(S103→No)、ECU80はステップS103の処理を繰り返す。
In step S103, the
If the OCV of the
ステップS104においてECU80は、コンタクタ(図示せず)をONにする。これによって、燃料電池10の発電電力が走行モータ52等の外部負荷に供給可能な状態になる。
ステップS105においてECU80は、燃料電池10の暖機が必要であるか否か、つまり、図3に示す温度センサ45の検出値が所定閾値以下であるか否かを判定する。前記した所定閾値は、暖機を行う必要があるか否かの判定基準となる閾値(例えば、5℃)であり、予め設定されている。
In step S104, the
In step S105, the
燃料電池10の暖機が必要である場合(S105→Yes)、ECU80の処理はステップS106に進む。ステップS106においてECU80は、燃料電池10の暖機を実行する。例えば、ECU80は、冷媒ポンプ41によって圧送される冷媒の流量を通常起動時よりも小さくすることで燃料電池10の放熱量を抑制する。このような暖機を行うことで、燃料電池10の昇温が促される。
When the
ステップS107においてECU80は、燃料電池10の発電電力でラジエータファン43を駆動する。すなわち、ECU80はVCU51を制御し、燃料電池10の発電電力(発電電流)をラジエータファン43に供給する。
In step S107, the
ステップS108においてECU80は、冷媒加熱用ヒータ62の目標出力を算出する。なお、温度センサ45によって検出される燃料電池10の温度が低いほど、冷媒加熱用ヒータ62に供給する発電電力(発電電流)の値を大きくすることが好ましい。これによって、燃料電池10の温度が低いほど暖機が促進され、温度上昇しやすくなる。また、燃料電池10の温度が比較的高ければ、燃料電池10から取り出す発電電力も比較的小さくて済むため、冷媒加熱用ヒータ62での無駄な電力消費が抑制される。
In step S108, the
ステップS109においてECU80は、燃料電池10の発電電力で冷媒加熱用ヒータ62を発熱させる。つまり、ECU80はVCU51を制御し、燃料電池10の発電電力(発電電流)を冷媒加熱用ヒータ62に供給する。消費電力の比較的大きい冷媒加熱用ヒータ62を燃料電池10の電気負荷として用いることで、燃料電池10から取出可能な電流値(許容値)を大きくすることができ、暖機が促進される。
In step S <b> 109, the
また、ステップS109においてECU80は、空調側の冷媒ポンプ61を駆動する。なお、空調側の冷媒ポンプ61の電源は、燃料電池10であってもよいし、バッテリ(図示せず)であってもよい。
図3に示すように、ラジエータ42から流出した冷媒は、配管c5,d1,d2を介して冷媒加熱用ヒータ62に流入する。冷媒加熱用ヒータ62によって昇温した冷媒は、配管d3、ヒータコア63、配管d4,c1(一部)を介してラジエータ42に戻る。
In step S109, the
As shown in FIG. 3, the refrigerant that has flowed out of the
なお、送風機72は停止しているためダクト71内において空気は通流せず、ヒータコア63における熱交換はほとんどない。したがって、ユーザが空調スイッチ76を押していない(暖房運転を開始する意図がない)にもかかわらず、ダクト71を介して車室に温風が吹き出される、ということを回避できる。
In addition, since the
また、暖機中においてサーモスタットバルブ44を通流する冷媒の温度は比較的低いため、配管c1と配管c2とは連通していない。したがって、配管d4を通流する冷媒は、燃料電池10の冷媒流路13に向かわず、配管c1(一部)を介してラジエータ42に流入する。
ラジエータ42を通流する冷媒は、ラジエータファン43によって送り込まれる空気に放熱して冷却される。ちなみに、暖機中にラジエータ42を流れる冷媒の流れ方向(鉛直方向下向き:図3参照)と、後記する暖房運転時の冷媒の流れ方向(鉛直方向上向き:図1参照)と、は互いに逆向きになっている。
Further, since the temperature of the refrigerant flowing through the
The refrigerant flowing through the
図2のステップS110においてECU80は、暖機が完了したか否かを判定する。つまり、ECU80は、温度センサ45によって検出される燃料電池10の温度が、所定閾値(例えば、50℃)以上になったか否かを判定する。前記した所定閾値は、燃料電池10の自己発熱によって定常運転温度(例えば、90℃)に到達できるか否かの判定基準となる閾値であり、予め設定されている。
In step S110 of FIG. 2, the
暖機が完了した場合(S110→Yes)、ステップS111においてECU80は、冷媒加熱用ヒータ62及び空調側の冷媒ポンプ61を停止し、処理を終了する(END)。その後、ECU80は、アクセル(図示せず)の開度等に応じて燃料電池10の発電電力を制御する。
When the warm-up is completed (S110 → Yes), in step S111, the
なお、図2では省略したが、暖機中に空調スイッチ76から暖房要求があった場合、ECU80はラジエータファン43を停止し、送風機72を駆動させる。これによって、ラジエータ42での放熱を抑制すると共に、ヒータコア63で冷媒から吸熱した空気がダクト71を介して車室に供給される。
Although omitted in FIG. 2, when there is a heating request from the
図2のステップS105において燃料電池10の暖機が必要でない場合(S105→No)、ECU80の処理はステップS112に進む。ステップS112においてECU80は、通常モードで燃料電池10の発電を開始させる(通常起動)。つまり、ECU80は、アノード流路11に所定流量の水素を供給し、カソード流路12に所定流量の空気(酸素)を供給することで、燃料電池10を発電させる。
If it is not necessary to warm up the
また、ECU80は、暖房要求がない限り冷媒ポンプ61及び冷媒加熱用ヒータ62を停止状態にする。この場合においてラジエータ42は、燃料電池10の冷媒流路13で昇温した冷媒を放熱させるための放熱器として機能する。
Further, the
(2.暖房運転時の廃熱回収)
次に、図1を参照しつつ、通常運転時に暖房要求があった場合の燃料電池システムS1の動作について簡単に説明する。なお、FC側の冷媒ポンプ41は駆動しており、燃料電池10は自己発熱で充分に昇温しているものとする。また、サーモスタットバルブ44によって、配管c1,c2は連通した状態(配管c1,c6が遮断した状態)であるものとする。
空調スイッチ76から暖房要求があった場合、ECU80は、空調側の冷媒ポンプ61、冷媒加熱用ヒータ62、及び送風機72を駆動する。冷媒流路13から配管c4に流出した高温の冷媒は、配管c5,d1に分流する。
(2. Waste heat recovery during heating operation)
Next, the operation of the fuel cell system S1 when there is a heating request during normal operation will be briefly described with reference to FIG. It is assumed that the
When there is a heating request from the
配管d1を通流する高温の冷媒は、配管d2,d3を介してヒータコア63に流入する。ヒータコア63を通流する高温の冷媒は、送風機72によって送風される空気に対して放熱する。つまり、ダクト71を通流する空気に対して、燃料電池10の廃熱が冷媒を介して供給される。ヒータコア63で昇温した空気は、ダクト71を介して車室に送り込まれる。
The high-temperature refrigerant flowing through the pipe d1 flows into the
ヒータコア63から流出した低温の冷媒は、冷媒ポンプ41によって吸引され、配管d4,c1(一部),c2,c3を介して冷媒流路13に向かう。また、配管c5を通流する高温の冷媒は、ラジエータ42を介して配管c1に流入し、配管d4から流入する冷媒と合流する。
ECU80は、ダクト71に設置された温度センサ75の検出値に応じて、冷媒加熱用ヒータ62、ラジエータファン43の駆動/停止を適宜制御する。
The low-temperature refrigerant that has flowed out of the
The
<効果>
本実施形態では、暖機中(S105→Yes)、燃料電池10からラジエータファン43及び冷媒加熱用ヒータ62に電力供給し(S107,S109)、昇温した冷媒をラジエータ42で放熱させるようにした。このように、暖機中の燃料電池10の電気負荷として冷媒加熱用ヒータ62等を用いることで、バッテリ(図示せず)が満充電の場合でも、燃料電池10から継続的に電流を取りだすことができる。
<Effect>
In the present embodiment, during the warm-up (S105 → Yes), power is supplied from the
また、コンプレッサ31等の補機と比較して、冷媒加熱用ヒータ62の消費電力は大きい。このように消費電力の大きい冷媒加熱用ヒータ62を暖機時の電気負荷として用いることで燃料電池10の暖機が促進され、暖機を早期に完了できる。また、冷媒加熱用ヒータ62に電力供給しても、振動・騒音(ノイズ・バイブレーション)はほとんど生じない。したがって、例えば、電気負荷としてコンプレッサ31を用いる場合と比較して、低振動・低騒音で暖機し続けることができる。
Further, the power consumption of the
次に、空調用冷媒流路の上流端・下流端が、バイパス配管c6(図1参照)との接続箇所Q1よりも上流側の配管c4に接続された場合(比較例)と、本実施形態とを比較する。
図4(a)の「室温(比較例)」示すように、比較例において暖機中に送風機72を駆動してヒータコア63で冷媒を放熱させた場合、車室に温風が送り込まれる。この場合、空調スイッチ76をオンにしていない(暖房要求の意図がない)にもかかわらず車室に温風が送り込まれるため、ユーザが違和感や不快感を覚える可能性がある。
Next, when the upstream end / downstream end of the air conditioning refrigerant flow path is connected to the pipe c4 upstream of the connection point Q1 with the bypass pipe c6 (see FIG. 1) (comparative example), this embodiment And compare.
As shown in “room temperature (comparative example)” in FIG. 4A, in the comparative example, when the
これに対して本実施形態では、暖機中に送風機72を停止し、冷媒加熱用ヒータ62で昇温した冷媒をラジエータ42で放熱させる。したがって、図4(a)の「室温(本実施形態)」示すように、暖房運転の実行中でないにも関わらず車室に温風が吹き込まれる、という事態を回避できる。また、燃料電池10の電気負荷として冷媒加熱用ヒータ62を用いるため、短時間で燃料電池10の温度を速やかに上昇させることができる(図4(a)参照)。
On the other hand, in this embodiment, the
また、比較例において暖機中に送風機72を停止したままにすると、ヒータコア63での熱交換が進まないため、冷媒加熱用ヒータ62が運転/停止を繰り返す。通常、冷媒加熱用ヒータ62には、冷媒の温度が高くなり過ぎたら運転を停止する保護機能が備わっているからである。そうすると、ヒータ側の冷媒温度が急上昇・急降下を繰り返し、図4(b)に示すように、燃料電池10の温度が上昇しにくくなる。
Further, in the comparative example, if the
これに対して本実施形態では、冷媒加熱用ヒータ62で昇温した冷媒がラジエータ42で放熱するため、冷媒の過剰な昇温を抑制しつつ冷媒加熱用ヒータ62への電力供給を継続できる。つまり、燃料電池10からの発電電力(発電電流)を継続して取り出せるため、暖機を早期に完了できる(図4(b)参照)。
On the other hand, in this embodiment, since the refrigerant heated by the
また、通常運転時に暖房要求があった場合、冷媒流路13から流出する高温の冷媒をヒータコア63に流入させることで、燃料電池10の廃熱を暖房運転の熱源として用いることができる。したがって、暖房運転に要するエネルギコストを削減できる。
In addition, when there is a heating request during normal operation, the waste heat of the
≪第2実施形態≫
第2実施形態に係る燃料電池システムS2は、バイパス配管d5及び三方弁65が設置されている点が第1実施形態と異なるが、その他の構成については第1実施形態と同様である。したがって、第1実施形態と異なる部分について説明し、重複する部分については説明を省略する。なお、図5に示す太線矢印は、暖機中であり、かつ、暖房運転していない状態において冷媒が各配管を流れる向きを表している。
<< Second Embodiment >>
The fuel cell system S2 according to the second embodiment is different from the first embodiment in that a bypass pipe d5 and a three-
<燃料電池システムの構成>
図5に示すように、バイパス配管d5(第2バイパス流路)は、一端が三方弁65に接続され、他端が配管d4に接続されている。すなわち、バイパス配管d5は、一端がヒータコア63よりも上流側の空調用冷媒流路(配管d1,d2,d3)に接続され、他端がヒータコア63よりも下流側の空調用冷媒流路(配管d4)に接続されている。
<Configuration of fuel cell system>
As shown in FIG. 5, the bypass pipe d5 (second bypass flow path) has one end connected to the three-
三方弁65(第2切替手段)は、ヒータコア63から流出した冷媒を、バイパス配管d5を介してヒータコア63に戻すか、又は、配管d4の下流端Q2(空調用冷媒流路の下流端)に向けて通流させるかを切り替える弁である。
三方弁65は、一方の入口ポートが配管d1に接続され、他方の入口ポートがバイパス配管d5に接続されている。また、三方弁65の出口ポートは、冷媒ポンプ61の吸入口に接続されている。
The three-way valve 65 (second switching means) returns the refrigerant flowing out of the
The three-
<燃料電池システムの動作>
図6のステップS101〜S112は、第1実施形態(図2参照)の場合と同様であるから説明を省略する。
ステップS110において暖機が完了していない場合(S110→No)、ECU80の処理はステップS201に進む。ステップS201においてECU80は、空調スイッチ76から「暖房要求あり」の信号が入力されたか否かを判定する。
<Operation of fuel cell system>
Steps S101 to S112 in FIG. 6 are the same as in the case of the first embodiment (see FIG. 2), and thus description thereof is omitted.
When the warm-up is not completed in step S110 (S110 → No), the process of the
暖機中に空調スイッチ76から「暖房要求あり」の信号が入力された場合(S201→Yes)、ECU80の処理はステップS202に進む。ステップS202においてECU80は、ヒータコア63から流出した冷媒がラジエータ42を迂回するように三方弁65を切り替える。つまり、ECU80は、配管d1を介した流路を遮断し、配管d4を通流する冷媒がバイパス配管d5を介してヒータコア63に戻るように三方弁65を切り替える。
If the “heating requested” signal is input from the
図7に示すように、ヒータコア63から流出した冷媒はラジエータ42を迂回し、配管d4,バイパス配管d5、配管d2,d3を介してヒータコア63に戻る。このように、バイパス配管d5を介して冷媒を循環させることで、空調側で冷媒を効率的に昇温させることができる。
As shown in FIG. 7, the refrigerant that has flowed out of the
なお、暖房運転の実行中もECU80は継続して暖機を行っており(S105→Yes,S106)、燃料電池10からラジエータファン43及び冷媒加熱用ヒータ62に電力供給されている。ちなみに、暖機中の電気負荷として冷媒加熱用ヒータ62のみで足りる場合、ラジエータファン43をいったん停止させてもよい。
During the heating operation, the
ステップS203においてECU80は、送風機72を駆動する。これによって、ダクト71内で空気が通流し、ヒータコア63に流入した高温の冷媒から空気に対して放熱される。ステップS203の処理を実行した後、ECU80の処理はステップS106に戻る。
In step S203, the
また、ステップS201において空調スイッチ76から「暖房要求あり」の信号が入力されなくなった場合、ECU80の処理はステップS204に進む。ステップS204においてECU80は送風機72を停止する。
ステップS205においてECU80は、ヒータコア63から流出した冷媒がラジエータ42を通流するように三方弁65を切り替える。つまり、ECU80は、バイパス配管d5を介した流路を遮断し、配管d4を通流する冷媒がラジエータ42に向かうように三方弁65を切り替える。この場合、図5に示す向きに冷媒が通流し、冷媒加熱用ヒータ62によって昇温した冷媒がラジエータ42で放熱する。
Further, when the “heating requested” signal is not input from the
In step S205, the
<効果>
本実施形態によれば、暖機中に暖房運転を行う場合(S201→Yes)、ヒータコア63から流出した冷媒がラジエータ42を迂回してヒータコア63に戻るように三方弁65が制御される(S202)。したがって、暖房運転中に冷媒加熱用ヒータ62によって冷媒に与えられた熱が、ラジエータ42で放熱することなくダクト71内の空気に与えられる。したがって、ヒータコア63での熱交換を効率的に行うことができ、暖房運転時のエネルギコストを削減できる。
<Effect>
According to the present embodiment, when the heating operation is performed during warm-up (S201 → Yes), the three-
また、冷媒加熱用ヒータ62及びラジエータファン43には燃料電池10から電力供給するため(S109)、燃料電池10から継続的に電流を取り出すことができる。したがって、暖房運転を行いつつ早期に暖機を完了できる。
Further, since electric power is supplied from the
≪変形例≫
以上、本発明に係る燃料電池システムS1,S2について各実施形態により説明したが、本発明はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変更を行うことができる。
例えば、各実施形態では、暖機中にラジエータファン43を所定の回転速度で駆動する場合について説明したが、これに限らない。すなわち、冷媒加熱用ヒータ62の目標出力が大きいほど、ラジエータファン43の回転速度を大きくしてもよい。これによって、冷媒加熱用ヒータ62における冷媒の吸熱量に応じて、ラジエータ42における冷媒の放熱量を変化させることができる。
≪Modification≫
As mentioned above, although fuel cell system S1, S2 which concerns on this invention was demonstrated by each embodiment, this invention is not limited to these description, A various change can be made.
For example, in each embodiment, the case where the
また、各実施形態では、空調用冷媒流路(配管d1〜d4)の一端が冷媒排出流路(配管c4,c5)に接続され、他端が冷媒供給流路(配管c1〜c3)に接続される場合について説明したが、これに限らない。すなわち、空調用冷媒流路の一端をロアタンク422に接続し、空調用冷媒流路の他端をアッパタンク423に接続してもよい。この場合でも、暖機中に冷媒加熱用ヒータ62で昇温した冷媒をラジエータ42で放熱させることができる。
In each embodiment, one end of the air conditioning refrigerant flow path (pipes d1 to d4) is connected to the refrigerant discharge flow path (pipes c4 and c5), and the other end is connected to the refrigerant supply flow path (pipes c1 to c3). However, the present invention is not limited to this. That is, one end of the air conditioning refrigerant flow path may be connected to the
また、燃料電池10及びラジエータ42をモータルーム(図示せず)に設置し、暖機中にラジエータ42を介して吸熱した空気によって、燃料電池10を外側から温めるようにしてもよい。これによって、発電に伴う熱損失(自己発熱)で燃料電池10を内側から温めるとともに、ラジエータ42で吸熱した空気によって燃料電池10を外側から温めることができ、暖機をさらに促進できる。
Further, the
また、冷媒の通流方向を切り替える「第1切替手段」及び/又は「第2切替手段」として、2つの二方弁を用いてもよい。例えば、図5に示す三方弁65に代えて、配管d1と、バイパス配管d5と、にそれぞれ二方弁を設置してもよい。
Further, two two-way valves may be used as “first switching means” and / or “second switching means” for switching the refrigerant flow direction. For example, instead of the three-
また、サーモスタットバルブ44としてヒータを内蔵した電動のサーモスタットバルブを用い、燃料電池10の温度が比較的低い場合でもヒータでワックスを加熱して冷媒の通流方向を切替可能にしてもよい。
また、FC側冷媒系の冷媒ポンプ41を冷媒流路13よりも上流側に設置する場合について説明したが、これに限らない。例えば、冷媒流路13よりも下流側である配管c4(接続箇所Q1(図1参照)よりも上流側)に冷媒ポンプを設置してもよいし、冷媒流路13の上流側・下流側にそれぞれ冷媒ポンプを設置してもよい。
Further, an electric thermostat valve with a built-in heater may be used as the
Moreover, although the case where the
また、各実施形態では、燃料電池システムS1,S2を車両に搭載する場合について説明したが、これに限らない。すなわち、燃料電池システムS1,S2を列車、船舶、航空機等の移動体に搭載してよいし、定置式のシステムに搭載してもよい。
また、各実施形態では、燃料ガス(反応ガス)として水素を用いる場合について説明したが、燃料ガスとして天然ガス等を用いてもよい。
Moreover, although each embodiment demonstrated the case where fuel cell system S1, S2 was mounted in a vehicle, it is not restricted to this. That is, the fuel cell systems S1 and S2 may be mounted on a moving body such as a train, a ship, and an aircraft, or may be mounted on a stationary system.
Moreover, although each embodiment demonstrated the case where hydrogen was used as fuel gas (reaction gas), you may use natural gas etc. as fuel gas.
S1,S2 燃料電池システム
10 燃料電池
11 アノード流路(反応ガス流路)
12 カソード流路(反応ガス流路)
13 冷媒流路
41 冷媒ポンプ
42 ラジエータ(第1熱交換器)
43 ラジエータファン(冷却手段)
44 サーモスタットバルブ(第1切替手段)
45 温度センサ(温度検出手段)
61 冷媒ポンプ(冷媒循環手段)
62 冷媒加熱用ヒータ(加熱手段)
63 ヒータコア(第2熱交換器)
64 温度センサ
65 三方弁(第2切替手段)
80 ECU(暖機手段、暖房要求判定手段)
c1,c2,c3 配管(冷媒供給流路)
c4,c5 配管(冷媒排出流路)
c6 バイパス配管(第1バイパス流路)
d1,d2,d3,d4(空調用冷媒流路)
d5 バイパス配管(第2バイパス流路)
S1, S2
12 Cathode channel (reactive gas channel)
13
43 Radiator fan (cooling means)
44 Thermostat valve (first switching means)
45 Temperature sensor (temperature detection means)
61 Refrigerant pump (refrigerant circulation means)
62 Heater for heating refrigerant (heating means)
63 Heater core (second heat exchanger)
64
80 ECU (warming-up means, heating request determination means)
c1, c2, c3 piping (refrigerant supply flow path)
c4, c5 piping (refrigerant discharge flow path)
c6 Bypass piping (first bypass flow path)
d1, d2, d3, d4 (air conditioning refrigerant flow path)
d5 Bypass piping (second bypass flow path)
Claims (4)
前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、
前記冷媒流路に供給される冷媒が通流する冷媒供給流路と、
前記冷媒流路から排出される冷媒が通流する冷媒排出流路と、
前記冷媒供給流路及び前記冷媒排出流路に接続され、空気との熱交換によって冷媒を放熱させる第1熱交換器と、
一端が前記冷媒供給流路に接続され、他端が前記冷媒排出流路に接続される第1バイパス流路と、
前記冷媒流路から流出する冷媒を前記第1熱交換器を介して通流させるか、又は前記第1熱交換器を迂回させ前記第1バイパス流路を介して通流させるか、を切り替える第1切替手段と、
前記第1バイパス流路との接続箇所よりも下流側の前記冷媒排出流路に一端が接続され、前記第1バイパス流路との接続箇所よりも上流側の前記冷媒供給流路に他端が接続される空調用冷媒流路と、
前記空調用冷媒流路に配設され、空調用の空気と冷媒とを熱交換する第2熱交換器と、
前記空調用冷媒流路に配設され、前記第2熱交換器を介して冷媒を循環させる冷媒循環手段と、
前記第2熱交換器よりも上流側の前記空調用冷媒流路に配設され、冷媒を加熱する電気式の加熱手段と、
前記温度検出手段によって検出される前記燃料電池の温度が所定閾値以下である場合、前記燃料電池の暖機を開始する暖機手段と、を備える燃料電池システムであって、
前記暖機手段は、
前記暖機の実行中、前記冷媒循環手段を駆動すると共に、前記燃料電池の発電電力を前記加熱手段に供給する
ことを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that has a reaction gas flow path and a refrigerant flow path, and generates power by supplying a reaction gas to the reaction gas flow path;
Temperature detecting means for detecting the temperature of the fuel cell;
A refrigerant supply channel through which the refrigerant supplied to the refrigerant channel flows;
A refrigerant discharge channel through which the refrigerant discharged from the refrigerant channel flows;
A first heat exchanger connected to the refrigerant supply flow path and the refrigerant discharge flow path to dissipate the refrigerant by heat exchange with air;
A first bypass flow path having one end connected to the refrigerant supply flow path and the other end connected to the refrigerant discharge flow path;
A switch is made to switch between flowing the refrigerant flowing out from the refrigerant flow path through the first heat exchanger, or bypassing the first heat exchanger and flowing through the first bypass flow path. 1 switching means,
One end is connected to the refrigerant discharge channel downstream of the connection point with the first bypass channel, and the other end is connected to the refrigerant supply channel upstream of the connection point with the first bypass channel. A refrigerant flow path for air conditioning to be connected;
A second heat exchanger disposed in the air conditioning refrigerant flow path for exchanging heat between the air for air conditioning and the refrigerant;
A refrigerant circulating means disposed in the air conditioning refrigerant flow path for circulating the refrigerant through the second heat exchanger;
An electric heating means disposed in the air-conditioning refrigerant flow path upstream of the second heat exchanger and heating the refrigerant;
When the temperature of the fuel cell detected by the temperature detection means is equal to or lower than a predetermined threshold value, a fuel cell system comprising warm-up means for starting warm-up of the fuel cell,
The warm-up means is
The fuel cell system, wherein during the warm-up, the refrigerant circulation means is driven and the generated power of the fuel cell is supplied to the heating means.
前記第2熱交換器から流出する冷媒を、前記第2バイパス流路を介して前記第2熱交換器に戻すか、又は、前記空調用冷媒流路の前記他端に向けて通流させるかを切り替える第2切替手段と、
ユーザによる暖房要求があるか否かを判定する暖房要求判定手段と、を備え、
前記暖機手段は、
暖機中に前記暖房要求判定手段によって暖房要求があると判定された場合、前記第2熱交換器から流出する冷媒を、前記第2バイパス流路を介して前記第2熱交換器に戻すように前記第2切替手段を制御する
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 A second bypass flow path having one end connected to the air conditioning refrigerant flow path upstream of the heating means and the other end connected to the air conditioning refrigerant flow path downstream of the second heat exchanger; ,
Whether the refrigerant flowing out from the second heat exchanger is returned to the second heat exchanger via the second bypass flow path, or is flowed toward the other end of the air conditioning refrigerant flow path Second switching means for switching between,
Heating request determination means for determining whether there is a heating request by the user,
The warm-up means is
When it is determined that there is a heating request by the heating request determination unit during warm-up, the refrigerant flowing out from the second heat exchanger is returned to the second heat exchanger via the second bypass flow path. The fuel cell system according to claim 1, wherein the second switching means is controlled.
前記温度検出手段によって検出される前記燃料電池の温度が低いほど、前記加熱手段に供給する前記燃料電池の発電電力を大きくする
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システム。 The warm-up means is
3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the power generated by the fuel cell supplied to the heating unit is increased as the temperature of the fuel cell detected by the temperature detection unit is lower. .
前記暖機手段は、
前記暖機の実行中、前記燃料電池の発電電力を前記冷却手段に供給して、前記冷却手段を駆動する
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 An electric cooling means for encouraging cooling of the refrigerant flowing through the first heat exchanger by blowing air to the first heat exchanger;
The warm-up means is
4. The fuel cell according to claim 1, wherein during the warm-up, the generated power of the fuel cell is supplied to the cooling unit to drive the cooling unit. 5. system.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013258980A JP2015115306A (en) | 2013-12-16 | 2013-12-16 | Fuel cell system |
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JP2013258980A Pending JP2015115306A (en) | 2013-12-16 | 2013-12-16 | Fuel cell system |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105548891A (en) * | 2015-12-02 | 2016-05-04 | 北京长城华冠汽车科技股份有限公司 | Battery heat test device and battery heat test method |
JP2019534940A (en) * | 2016-09-19 | 2019-12-05 | コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ ゼネルジ ザルタナテイヴ | System for high temperature reversible electrolysis of water including a hydride tank combined with an electrolyzer |
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2013
- 2013-12-16 JP JP2013258980A patent/JP2015115306A/en active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105548891A (en) * | 2015-12-02 | 2016-05-04 | 北京长城华冠汽车科技股份有限公司 | Battery heat test device and battery heat test method |
JP2019534940A (en) * | 2016-09-19 | 2019-12-05 | コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ ゼネルジ ザルタナテイヴ | System for high temperature reversible electrolysis of water including a hydride tank combined with an electrolyzer |
JP7170630B2 (en) | 2016-09-19 | 2022-11-14 | コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ ゼネルジ ザルタナテイヴ | System for high temperature reversible electrolysis of water comprising a hydride tank combined with an electrolyser |
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