JP2004241303A

JP2004241303A - Fuel cell

Info

Publication number: JP2004241303A
Application number: JP2003030952A
Authority: JP
Inventors: Shinji Ogawa; 紳二小川; Yukihiko Takeda; 幸彦武田; Akira Yamanaka; 章山中
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-02-07
Filing date: 2003-02-07
Publication date: 2004-08-26
Anticipated expiration: 2023-02-07
Also published as: JP4075634B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a vehicular fuel cell allowing effective warming-up of the fuel cell in stopping it, and capable of reducing its starting time, and of preventing usage stop due to freeze. <P>SOLUTION: This vehicular fuel cell equipped with a piping system associated with a cooling system, an air system, a hydrogen system and the like is provided with a warming-up system for a stack body of the fuel cell. The fuel cell is characterized by that the warming-up system is equipped with a heat insulation box for housing at least a part of the stack body and the piping system of the fuel cell in its inside, and has a vehicular air conditioner incorporated; and the air warmed by a heat exchanger provided for a heat pump cycle of the air conditioner is supplied to the heat insulation box. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両搭載用の燃料電池に係わり、より特別には燃料電池の暖機運転システム（装置）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、燃料電池はその低公害性、効率等の面から注目されており、車両のエネルギ源としても開発されつつある。車両において、その駆動源として燃料電池が使用される場合には、車両停止時からの始動において素速く燃料電池自体を所定の稼動適正温度まで暖機することが必要である。
停止時における従来の燃料電池の温度の経時変化の例を図４に示す。図４で示すように、特に冬季等の低気温時において、燃料電池の温度は停止時に、適正運転温度より甚だしく低下する。従って、燃料電池の再起動時に短時間で燃料電池の温度を上昇するためには大きなエネルギが必要である。
【０００３】
車両搭載用の燃料電池の暖機システムとしてヒータにより燃料電池の冷却水を温めるシステム（装置）（例えば、特許文献１参照）が、従来技術において提案されている。この燃料電池を利用したシステムは通常運転時は効率が良く優れたシステムであるが、低温下で停止させておいて燃料電池が冷え切った場合、再起動時に燃料電池の運転温度まで加熱するために膨大なエネルギーが必要となり短時間で起動することが困難、また、効率が悪化するという問題が生じている。また、本体のみの加熱では、氷点下時はバルブが凍結し、再起動ができないこともある。
また、燃料電池用の別の暖機システム（例えば、特許文献２参照）も提案されている。
【特許文献１】
特開平第７−９４２０２号（第３頁）
【特許文献２】
特開第２０００−１９５５３３号（第３頁）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来の燃料電池の暖機システムにおいては種々の問題があった。
本発明は、上述した事情に鑑みなされたもので、燃料電池の停止（後の再起動）時において、燃料電池システム（バルブ等を含む）を、断熱ボックス内に設置し、ボックス内部を空調用のヒートポンプの温風で暖めることによって、燃料電池システムの温度を保ち、再起動を短時間で行うことを可能にする燃料電池を提供する。即ち、停止時に冷やさない等により、燃料電池の迅速な暖機が可能であり、始動時間の短縮が可能である燃料電池を提供する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１の形態では、上述した目的を達成するために、冷却系、空気系、水素系等の関連する配管系を具備する、車両用燃料電池は燃料電池のスタック本体の暖機システムを具備する。前記暖機システムには、前記燃料電池のスタック本体及び前記配管系の少なくとも一部を内部に収容する、断熱ボックスが具備されて、更に車両の空調装置が組み込まれており、前記断熱ボックスには、前記空調装置のヒートポンプサイクルに具備される熱交換器により暖められた空気が供給されることを特徴とする。
【０００６】
この様に構成することにより、再起動時に車両の空調装置のヒートポンプサイクルを利用して、効率良く燃料電池を暖機すること、又は燃料電池が停止している間に、燃料電池を断続的にヒートポンプサイクルで加熱し、再起動可能な温度に保つことにより、短時間で効率良く再起動できる。
【０００７】
本発明の請求項２の形態では、上記請求項１の形態において、前記配管系の少なくとも一部には、前記燃料電池のスタック本体の付近の配管及び弁類が含まれることを特徴とする。
本形態によれば、暖機される燃料電池の構成部分をより具体化する形態を開示すると共に、関連するバルブ等も暖めるので、バルブの凍結で空気、水素等が供給できないという問題の発生を防止できる。
【０００８】
本発明の請求項３の形態では、上記請求項１又は２のいずれかの形態において、前記車両の空調装置のヒートポンプサイクルは、気体の冷媒を圧縮するコンプレッサと、前記コンプレッサの下流に設置されていて圧縮された冷媒を冷却する室内熱交換器と、前記室内熱交換器の下流に設置されていて高圧の冷媒を膨張させる絞りと、前記絞りの下流に設置されていて冷房運転時に車両室内に送る空気を冷却するエバポレータとを少なくとも具備する。前記暖機システムは、前記室内熱交換器を通過する冷媒と熱交換して暖められる空気の通過する空気ダクトを更に具備しており、前記空気ダクトは前記断熱ボックスに接続されて暖められた空気を前記断熱ボックスに供給することを特徴とする。
本形態によれば、燃料電池の暖機システムの構成をより具備した形態を開示する。
【０００９】
本発明の請求項４の形態では、上記請求項３の形態において、前記断熱ボックスに接続する前記空気ダクトには、空気の流れを遮断又は切り替え可能な切り替えダンパが具備されることを特徴とする。
本形態によれば、燃料電池の暖機システムの構成を更に具備化した形態を開示する。
【００１０】
本発明の請求項５の形態では、上記請求項１から４のいずれか一項の形態において、該燃料電池は、その制御のための制御装置を具備する。前記制御装置は、前記空調装置から供給される、暖められた空気の流量を制御して、前記断熱ボックス内の温度を調整するように制御することを特徴とする。
本形態によれば、燃料電池の暖機システムの制御の構成をより具備化した形態を開示する。
【００１１】
本発明の請求項６の形態では、上記請求項５の形態において、前記暖機システムは、前記断熱ボックス内の温度を計測可能な第１の温度センサを更に具備する。前記制御装置は前記第１の温度センサの検知した温度により、前記空調装置から供給される、暖められた空気の流量を制御して、前記断熱ボックス内の温度を調整するように制御することを特徴とする。
本形態によれば、第１の温度センサにより計測した断熱ボックス内の温度を使用するので、燃料電池の効率良い暖機、短時間で効率良い再起動のために燃料電池の暖機システムを確実に制御可能である。
【００１２】
本発明の請求項７の形態では、上記請求項１から５のいずれか一項の形態において、該燃料電池は、第２の温度センサを具備しており、前記第２の温度センサが計測した外気温度又はエンジンルーム温度により、予め作成された保温の運転マップを使用して保温運転の時間を決定することを特徴とする。
本形態によれば、温度センサにより計測した外気温度又はエンジンルームの温度を使用するので、燃料電池の効率良い暖機、短時間で効率良い再起動のために、燃料電池の暖機をより適切に行える可能性がある。
【００１３】
本発明の請求項８の形態では、上記請求項５から７のいずれか一項の形態において、前記制御装置は前記切り替えダンパを制御して、前記断熱ボックス内の温度を調整するように制御することを特徴とする。
本形態によれば、燃料電池の暖機システムの制御の構成をより具備化した形態を開示する。
【００１４】
本発明の請求項９の形態では、上記請求項４から８のいずれか一項の形態において、前記空気ダクトから車両室内へ空気を供給するダクトが、前記切り替えダンパの下流で分岐されることを特徴とする。
本形態によれば、暖機システムの構成をより具体化する形態を開示する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態の装置を詳細に説明する。
図１は、本発明に係る自動車用の燃料電池の暖機システム（装置）の第１の実施の形態の概略的な構成を図解的に示す。
【００１６】
図１を参照すると、本実施の形態の燃料電池の暖機システム（装置）２０が示されており、暖機システム２０として、車両用の空調システム（装置）２１と、燃料電池本体（スタック本体）１を収容する断熱ボックス３が含まれる。断熱ボックス３はその内部に、燃料電池本体１と、燃料電池本体１に接続する冷却系、空気系、水素系等の各配管系及び電気系、等とを収容する。前記配管系は付属する弁２を含む。断熱ボックス３には、断熱ボックス３内の温度を計測しその温度信号を車両のＥＣＵ（制御装置）１２に送る温度センサ１３が更に装備される。断熱ボックス３は、既知の市販の断熱材により断熱されており、断熱ボックス３内部の熱が低温の外気に放熱されることを防止して、断熱ボックス３内部を保温する。
【００１７】
暖機システム２０は、車両において一般的に搭載される空調システム（装置）２１をその一部として組み込む。空調システム２１は、ヒートポンプサイクル４を具備しており、本実施の形態においてはこのヒートポンプサイクル４において、気体の冷媒を圧縮するコンプレッサ５と、コンプレッサ５で圧縮された高圧高温の冷媒にファンにより外気を当てて冷却する室内熱交換器８と、高圧の冷媒を膨張させて冷媒の気化に寄与する絞り６と、高圧の冷媒を気化させその気化熱により車室内空気を冷却するエバポレータ７とを図１に示すように具備する。運転においてコンプレッサ７により圧縮された冷媒は、上記の装置の順でヒートポンプサイクル４を流れ、エバポレータ７において車室内空気を冷却して冷房を行う。
【００１８】
本実施の形態における暖機システム２０においては、ダクト１５が室内熱交換器８に接続しており、ダクト１５内には、室内熱交換器８を通る高圧高温の冷媒と熱交換する空気が通される。ダクト１５は、その下流で分岐する一方のダクト１０に接続しており、ダクト１０は断熱ボックス３に接続して、断熱ボックス３に高温の空気（温風）を供給する。ダクト１５は、その下流で分岐する他方のダクト９に接続しており、ダクト９は車室内に連絡して車室内に暖房用空気を供給する。ダクト１５には、切り替えダンパ１１が具備されており、切り替えダンパ１１は、ダクト１０とダクト９との切り替え又は閉鎖、及びそれらを通り流れる空気の流量をそれぞれ調整するように作用する。暖機システム２０の構成の概要はこの様なものである。冷媒については種々のものが使用可能である。
【００１９】
暖機システム２０及び空調システム２１の構成機器、即ちコンプレッサ５、室内熱交換器８、エバポレータ７、絞り６、ダクト９，１０，１５、切り替えダンパ１１等について、それぞれ種々の既知なタイプの装置及び材料が使用可能であり、それらのタイプ等を限定するものではない。
【００２０】
次に、本実施の形態の作動について説明する。
先ず図１の燃料電池（本体）１の停止後の始動時の暖機運転時において、燃料電池（本体）１を暖機して、その温度を最適な稼動温度まで上昇させるために、空調システム２１の室内熱交換器８から供給される高温の空気（温風）が使用される。
【００２１】
本実施の形態においては、燃料電池（本体）１の通常運転が終了し停止モードになった場合に、燃料電池本体１の温度は低下する。図３に示す燃料電池（本体）１の温度の時間変化の図において、燃料電池１の温度が所定値Ａより下がったことを、断熱ボックス３内の温度を計測する温度センサ１３により検知し、その温度信号をＥＣＵ１２に送信することにより、ＥＣＵ１２は、空調システム２１を運転するよう制御し、ダクト１５の切り替えダンパ１１を調整することにより、室内熱交換器８により暖められた高温の空気の全量又は一部を断熱ボックス３に供給して、燃料電池本体１及びその配管系等を暖機するように制御する。この時、車室内が暖房中であれば高温の空気を分配し、暖房停止中であればダクト９の経路を閉鎖して、ダクト１０を介して断熱ボックス３に高温の空気の全量を流すように切り替えダンパ１１を制御する。車室内が冷房中であったとしても同様の運転は可能である。
燃料電池本体１の温度が所定値Ｂに上昇したことを、温度センサ１３により断熱ボックス３内の温度で検知して、ＥＣＵ１２は暖機運転を終了する。この場合切り替えダンパ１１は、ダクト１０への空気系路を実質的に全閉するので、断熱ボックス３に高温の空気は実質的に供給されない。また必要に応じて、空調システム２１は停止される。燃料電池１の停止モード時においてはこの様な暖機運転を繰り返す。
コンプレッサ７等へのエネルギ、電力供給は２次電池によって実施されても良く、別のエネルギ源により実施されても良い。
【００２２】
上記のごとくＥＣＵ１２により、燃料電池１の停止モードにおいて、少なくとも空調システム２１及び切り替えダンパ１１が制御されるので、図４に示す従来の燃料電池１の温度の経時変化のように燃料電池１の温度が極端に低下した状態で、燃料電池１を始動するのではなく、図３のように燃料電池１の温度は所定値付近より下がらないように制御されるので、燃料電池１の始動時において少ないエネルギで短時間に再起動が可能になる。
【００２３】
本発明の第２の実施の形態を図２に示しており、図２を参照すると、図１に開示される第１の実施の形態の要素部分と同じ又は同様である図２の要素部分は、同じ参照符号により指定されている。
ここでは上記第１の実施の形態の構成において、第２の温度センサ１４が具備されており、第２の温度センサ１４は、第１の温度センサ１３とは相違して、外気温度を計測して、その温度信号をＥＣＵ１２に送信し、それによりＥＣＵ１２は暖機システム２０を制御する。第２の温度センサ１４を第１の温度センサ１３の代わりに具備すること以外は、本実施の形態は第１の実施の形態と同様の構成である。この様に構成することにより、燃料電池本体１の暖機は、外気温度をパラメータとした保温運転方法の運転マップに従って実施される。前記運転マップは予め検討して決定されている。
温度センサ１４は、外気温度の変わりにエンジンルームの温度を計測しても良い。
【００２４】
第２の実施の形態の作動についても、第１の温度センサ１３により計測された断熱ボックス３内の温度の代わりに、第２の温度センサ１４により計測された外気温により、保温の運転マップに従い暖機運転が実施される以外は、各構成要素の制御方法、手順等については第１の実施の形態と同様であるので、重複は避けて省略する。
【００２５】
次に上記実施の形態の効果及び作用について説明する。
本発明の第１の実施の形態の燃料電池により以下の効果が期待できる。
・燃料電池の停止（後の再起動）時において、燃料電池本体を収容する断熱ボックスを具備することと、車両の空調システムのヒートポンプサイクルを利用して断熱ボックスに高温の空気を供給することとにより、燃料電池システム（バルブ等を含む）を効率良く暖機するか又は断続的に暖機することにより、燃料電池を短時間で効率良く再起動可能である。
・更に関連するバルブも暖めるので、バルブの凍結で空気、水素等が供給できない状態を防止する。
【００２６】
本発明の第２の実施の形態の燃料電池用の冷却装置により、上記第１の実施の形態の効果に加えて、以下の効果が期待できる。
・燃料電池システムの暖機をより適切に行える可能性がある。
【００２７】
上記実施例に示す冷却回路の構成は、基本的なものを示しており、保守、安全、制御、機能上から種々の追加の構成要素が追加的に具備されても良く、また構成機器及び要素の位置又は順序を一部を変えて構成されても良く、この様な変形形態は当業者には明らかである。
【００２８】
上記の実施の形態は本発明の例であり、本発明は、該実施の形態により制限されるものではなく、請求項に記載される事項によってのみ規定されており、上記以外の実施の形態も実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に係る燃料電池の暖機システムの第１の実施の形態の概略的な構成を図解的に示す。
【図２】図２は、本発明に係る燃料電池の暖機システムの第２の実施の形態の概略的な構成を図解的に示す。
【図３】図３は、本発明の燃料電池の停止時における、燃料電池の温度の経時変化の好適な例を示す。
【図４】図４は、従来の燃料電池の停止時における、燃料電池の温度の経時変化の例を示す。
【符号の説明】
１…燃料電池
２…バルブ
３…断熱ボックス
４…ヒートポンプサイクル
５…コンプレッサ
６…絞り
７…エバポレータ
８…室内熱交換器
９…ダクト
１０…ダクト
１１…切り替えダンパ
１２…ＥＣＵ（制御装置）
１３…温度センサ
１５…ダクト
２０…暖機システム（装置）
２１…空調システム（装置）[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell mounted on a vehicle, and more particularly, to a fuel cell warm-up operation system (device).
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, fuel cells have attracted attention in terms of their low pollution, efficiency, and the like, and are being developed as energy sources for vehicles. When a fuel cell is used as a driving source in a vehicle, it is necessary to quickly warm up the fuel cell itself to a predetermined appropriate operating temperature when starting the vehicle after stopping.
FIG. 4 shows an example of a temporal change of the temperature of the conventional fuel cell at the time of shutdown. As shown in FIG. 4, the temperature of the fuel cell is significantly lower than the proper operating temperature when the fuel cell is stopped, especially at low temperatures such as winter. Therefore, a large amount of energy is required to raise the temperature of the fuel cell in a short time when the fuel cell is restarted.
[0003]
2. Description of the Related Art As a warm-up system for a fuel cell mounted on a vehicle, a system (apparatus) for heating cooling water of the fuel cell by a heater (for example, see Patent Document 1) has been proposed in the related art. The system using this fuel cell is an efficient and excellent system during normal operation.However, if the system is stopped at a low temperature and the fuel cell cools down completely, it will heat up to the operating temperature of the fuel cell when restarting. Requires a large amount of energy, which makes it difficult to start up in a short time, and also causes a problem that efficiency is deteriorated. In addition, when only the main body is heated, the valve may freeze when the temperature is below freezing, and may not be restarted.
Further, another warm-up system for a fuel cell (for example, see Patent Document 2) has been proposed.
[Patent Document 1]
JP-A-7-94202 (page 3)
[Patent Document 2]
JP-A-2000-195533 (page 3)
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the conventional fuel cell warm-up system has various problems.
The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and when a fuel cell is stopped (restarted later), a fuel cell system (including a valve and the like) is installed in an insulated box, and the inside of the box is used for air conditioning. The present invention provides a fuel cell capable of maintaining the temperature of a fuel cell system and restarting the fuel cell system in a short time by warming the heat pump with warm air. That is, the present invention provides a fuel cell in which the fuel cell can be quickly warmed up by not being cooled at the time of stop and the starting time can be reduced.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
According to the first aspect of the present invention, in order to achieve the above object, a fuel cell for a vehicle includes a cooling system, an air system, a hydrogen system, and other related piping systems. It has a system. The warm-up system is provided with a heat insulating box that accommodates at least a part of the fuel cell stack body and the piping system therein, and further includes a vehicle air conditioner. The air heated by a heat exchanger provided in a heat pump cycle of the air conditioner is supplied.
[0006]
With this configuration, it is possible to efficiently warm up the fuel cell using the heat pump cycle of the air conditioner of the vehicle at the time of restart, or intermittently while the fuel cell is stopped. By heating with a heat pump cycle and maintaining the temperature at which restart is possible, restart can be performed efficiently in a short time.
[0007]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, at least a part of the piping system includes a piping and a valve in the vicinity of a stack body of the fuel cell.
According to the present embodiment, a configuration in which the components of the fuel cell to be warmed up are further embodied is disclosed, and the related valves and the like are also warmed. Can be prevented.
[0008]
According to a third aspect of the present invention, in any one of the first and second aspects, the heat pump cycle of the air conditioner for the vehicle is provided downstream of the compressor and a compressor for compressing a gaseous refrigerant. An indoor heat exchanger that cools the compressed refrigerant, a throttle that is installed downstream of the indoor heat exchanger and expands the high-pressure refrigerant, and that is installed downstream of the throttle and enters the vehicle cabin during cooling operation. And at least an evaporator for cooling the air to be sent. The warm-up system further includes an air duct through which air to be heated by exchanging heat with the refrigerant passing through the indoor heat exchanger passes, wherein the air duct is connected to the heat-insulating box and the heated air is heated. Is supplied to the heat-insulating box.
According to the present embodiment, an embodiment that further includes a configuration of a warm-up system for a fuel cell is disclosed.
[0009]
According to a fourth aspect of the present invention, in the third aspect, the air duct connected to the heat insulating box is provided with a switching damper capable of shutting off or switching the flow of air. .
According to the present embodiment, an embodiment in which the configuration of the fuel cell warm-up system is further provided is disclosed.
[0010]
According to a fifth aspect of the present invention, in any one of the first to fourth aspects, the fuel cell includes a control device for controlling the fuel cell. The control device controls a flow rate of warmed air supplied from the air conditioner to control a temperature in the heat insulating box.
According to the present embodiment, an embodiment in which a configuration for controlling a warm-up system for a fuel cell is further provided is disclosed.
[0011]
According to a sixth aspect of the present invention, in the fifth aspect, the warm-up system further includes a first temperature sensor capable of measuring a temperature in the heat-insulating box. The control device controls the flow rate of warmed air supplied from the air conditioner based on the temperature detected by the first temperature sensor to control the temperature in the heat insulation box. Features.
According to the present embodiment, the temperature in the heat insulation box measured by the first temperature sensor is used, so that the fuel cell warm-up system can be surely warmed up efficiently for efficient fuel cell warm-up and short-time efficient restart. Can be controlled.
[0012]
According to a seventh aspect of the present invention, in any one of the first to fifth aspects, the fuel cell includes a second temperature sensor, and the fuel cell measures the temperature. It is characterized in that the time of the warming operation is determined using a warming operation map prepared in advance based on the outside air temperature or the engine room temperature.
According to the present embodiment, since the outside air temperature or the temperature of the engine room measured by the temperature sensor is used, the warm-up of the fuel cell is more appropriately performed for efficient warm-up of the fuel cell and efficient restart in a short time. Could be done.
[0013]
According to an eighth aspect of the present invention, in any one of the fifth to seventh aspects, the control device controls the switching damper to control the temperature in the heat-insulating box. It is characterized by the following.
According to the present embodiment, an embodiment in which a configuration for controlling a warm-up system for a fuel cell is further provided is disclosed.
[0014]
According to a ninth aspect of the present invention, in any one of the fourth to eighth aspects, a duct for supplying air from the air duct into the vehicle compartment is branched downstream of the switching damper. Features.
According to the present embodiment, an embodiment that further embodies the configuration of the warm-up system is disclosed.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an apparatus according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 schematically shows a schematic configuration of a first embodiment of a warm-up system (apparatus) for an automotive fuel cell according to the present invention.
[0016]
FIG. 1 shows a fuel cell warm-up system (apparatus) 20 according to the present embodiment. As the warm-up system 20, an air conditioning system (apparatus) 21 for a vehicle and a fuel cell body (stack body) ) 1 is included. The heat insulation box 3 houses therein the fuel cell main body 1 and various piping systems such as a cooling system, an air system, and a hydrogen system connected to the fuel cell main body 1, an electric system, and the like. The piping system includes an associated valve 2. The heat insulation box 3 is further equipped with a temperature sensor 13 that measures the temperature inside the heat insulation box 3 and sends a temperature signal to an ECU (control device) 12 of the vehicle. The heat-insulating box 3 is insulated by a known commercially available heat-insulating material, and prevents heat inside the heat-insulating box 3 from being radiated to low-temperature outside air, thereby keeping the inside of the heat-insulating box 3 warm.
[0017]
The warm-up system 20 incorporates, as a part thereof, an air-conditioning system (device) 21 generally mounted in a vehicle. The air conditioning system 21 includes a heat pump cycle 4. In the present embodiment, in the heat pump cycle 4, a compressor 5 for compressing a gaseous refrigerant, and a high-pressure and high-temperature refrigerant compressed by the compressor 5 are supplied to the outside air by a fan. FIG. 1 shows an indoor heat exchanger 8 for cooling by applying pressure, a throttle 6 that expands high-pressure refrigerant and contributes to the vaporization of the refrigerant, and an evaporator 7 that vaporizes the high-pressure refrigerant and cools the vehicle interior air by the heat of vaporization. 1 is provided. In operation, the refrigerant compressed by the compressor 7 flows through the heat pump cycle 4 in the order of the above devices, and cools the vehicle interior air in the evaporator 7 to perform cooling.
[0018]
In the warm-up system 20 according to the present embodiment, the duct 15 is connected to the indoor heat exchanger 8, and the air that exchanges heat with the high-pressure and high-temperature refrigerant passing through the indoor heat exchanger 8 flows through the duct 15. Is done. The duct 15 is connected to one of the ducts 10 branched downstream, and the duct 10 is connected to the heat insulating box 3 to supply high-temperature air (hot air) to the heat insulating box 3. The duct 15 is connected to the other duct 9 that branches off downstream, and the duct 9 communicates with the vehicle interior to supply heating air to the vehicle interior. The duct 15 is provided with a switching damper 11, and the switching damper 11 acts to switch or close the duct 10 and the duct 9, and to adjust the flow rate of the air flowing therethrough. The outline of the configuration of the warm-up system 20 is as described above. Various refrigerants can be used.
[0019]
Regarding the components of the warm-up system 20 and the air-conditioning system 21, that is, the compressor 5, the indoor heat exchanger 8, the evaporator 7, the throttle 6, the ducts 9, 10, 15, the switching damper 11, etc. Materials can be used, and the types and the like are not limited.
[0020]
Next, the operation of the present embodiment will be described.
First, in a warm-up operation at the time of start-up after the fuel cell (main body) 1 shown in FIG. 1 is stopped, an air-conditioning system is used to warm up the fuel cell (main body) 1 and raise the temperature to an optimum operating temperature. High-temperature air (warm air) supplied from the indoor heat exchanger 8 of 21 is used.
[0021]
In the present embodiment, when the normal operation of the fuel cell (main body) 1 ends and the operation mode is set to the stop mode, the temperature of the fuel cell main body 1 decreases. In the diagram of the time change of the temperature of the fuel cell (main body) 1 shown in FIG. 3, the temperature sensor 13 that measures the temperature in the heat insulating box 3 detects that the temperature of the fuel cell 1 has dropped below a predetermined value A, By transmitting the temperature signal to the ECU 12, the ECU 12 controls the air-conditioning system 21 to operate and adjusts the switching damper 11 of the duct 15 so that the total amount of high-temperature air warmed by the indoor heat exchanger 8 is controlled. Alternatively, a part is supplied to the heat-insulating box 3 to control the fuel cell main body 1 and its piping system to warm up. At this time, if the vehicle interior is heating, the high-temperature air is distributed, and if the heating is stopped, the path of the duct 9 is closed, and the entire amount of the high-temperature air flows through the heat-insulating box 3 through the duct 10. To control the damper 11. The same operation is possible even when the vehicle interior is being cooled.
The temperature sensor 13 detects that the temperature of the fuel cell main body 1 has risen to the predetermined value B based on the temperature inside the heat insulating box 3, and the ECU 12 ends the warm-up operation. In this case, since the switching damper 11 substantially completely closes the air passage to the duct 10, high-temperature air is not substantially supplied to the heat insulating box 3. The air conditioning system 21 is stopped as necessary. In the stop mode of the fuel cell 1, such a warm-up operation is repeated.
The supply of energy and power to the compressor 7 and the like may be performed by a secondary battery, or may be performed by another energy source.
[0022]
As described above, at least the air conditioning system 21 and the switching damper 11 are controlled by the ECU 12 in the stop mode of the fuel cell 1, so that the temperature of the fuel cell 1 is changed as shown in FIG. The temperature of the fuel cell 1 is controlled so as not to fall below a predetermined value as shown in FIG. 3 instead of starting the fuel cell 1 in a state where the fuel cell temperature has extremely decreased. A restart is possible in a short time with energy.
[0023]
A second embodiment of the present invention is shown in FIG. 2, and with reference to FIG. 2, the elements of FIG. 2 that are the same as or similar to the elements of the first embodiment disclosed in FIG. , Are designated by the same reference numerals.
Here, in the configuration of the first embodiment, a second temperature sensor 14 is provided. Unlike the first temperature sensor 13, the second temperature sensor 14 measures the outside air temperature. Then, the temperature signal is transmitted to the ECU 12, whereby the ECU 12 controls the warm-up system 20. This embodiment has the same configuration as that of the first embodiment except that the second temperature sensor 14 is provided instead of the first temperature sensor 13. With such a configuration, the fuel cell main body 1 is warmed up according to the operation map of the heat retaining operation method using the outside air temperature as a parameter. The driving map has been determined by studying in advance.
The temperature sensor 14 may measure the temperature of the engine room instead of the outside air temperature.
[0024]
Also in the operation of the second embodiment, instead of the temperature inside the heat insulating box 3 measured by the first temperature sensor 13, the outside air temperature measured by the second temperature sensor 14 is used according to the operation map for keeping warm. Except for performing the warm-up operation, the control method and procedure of each component are the same as those in the first embodiment, and thus the description is omitted to avoid duplication.
[0025]
Next, effects and operations of the above embodiment will be described.
The following effects can be expected from the fuel cell according to the first embodiment of the present invention.
・ When the fuel cell is stopped (restarted later), an insulation box for housing the fuel cell body is provided, and high-temperature air is supplied to the insulation box by using a heat pump cycle of a vehicle air conditioning system. Accordingly, the fuel cell system (including the valve and the like) is efficiently warmed up or intermittently warmed up, so that the fuel cell can be efficiently restarted in a short time.
-Furthermore, since the related valves are also heated, it is possible to prevent a state in which air, hydrogen, etc. cannot be supplied due to freezing of the valves.
[0026]
With the cooling device for a fuel cell according to the second embodiment of the present invention, the following effects can be expected in addition to the effects of the first embodiment.
・ The fuel cell system may be more appropriately warmed up.
[0027]
The configuration of the cooling circuit shown in the above embodiment shows a basic configuration, and various additional components may be additionally provided from the viewpoint of maintenance, safety, control, and function. May be configured by partially changing the position or order, and such modifications will be apparent to those skilled in the art.
[0028]
The above embodiment is an example of the present invention, and the present invention is not limited by the embodiment, but is defined only by matters described in the claims. It is feasible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 schematically shows a schematic configuration of a first embodiment of a fuel cell warm-up system according to the present invention.
FIG. 2 schematically shows a schematic configuration of a fuel cell warm-up system according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 shows a preferred example of a temporal change of the temperature of the fuel cell when the fuel cell of the present invention is stopped.
FIG. 4 shows an example of a change over time in the temperature of the fuel cell when the conventional fuel cell is stopped.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell 2 ... Valve 3 ... Insulation box 4 ... Heat pump cycle 5 ... Compressor 6 ... Throttle 7 ... Evaporator 8 ... Indoor heat exchanger 9 ... Duct 10 ... Duct 11 ... Switching damper 12 ... ECU (control device)
13: Temperature sensor 15: Duct 20: Warm-up system (device)
21 ... Air conditioning system (device)

Claims

In a fuel cell for a vehicle, comprising a cooling system, an air system, and a related piping system such as a hydrogen system, the fuel cell includes:
A fuel cell stack body warm-up system is provided,
The warm-up system includes:
The fuel cell stack body and at least a part of the piping system are housed therein, and a heat insulating box is provided, further incorporating a vehicle air conditioner,
A fuel cell for a vehicle, wherein air heated by a heat exchanger provided in a heat pump cycle of the air conditioner is supplied to the heat insulating box.

The vehicle fuel cell according to claim 1, wherein at least a part of the piping system includes piping and valves near a stack body of the fuel cell.

The heat pump cycle of the air conditioner of the vehicle includes:
A compressor for compressing a gaseous refrigerant;
An indoor heat exchanger that is installed downstream of the compressor and cools the compressed refrigerant,
A throttle installed downstream of the indoor heat exchanger to expand the high-pressure refrigerant,
An evaporator that is installed downstream of the throttle and cools air sent into the vehicle interior during cooling operation,
At least
The warm-up system is
It further comprises an air duct through which air is warmed by exchanging heat with the refrigerant passing through the indoor heat exchanger,
The vehicle fuel cell according to claim 1, wherein the air duct is connected to the heat-insulating box and supplies warmed air to the heat-insulating box.

The vehicle fuel cell according to claim 3, wherein the air duct connected to the heat insulation box is provided with a switching damper capable of blocking or switching air flow.

The fuel cell includes a control device for controlling the fuel cell,
5. The control device according to claim 1, wherein the control device controls a flow rate of the heated air supplied from the air conditioner to control a temperature in the heat insulation box. 6. A vehicle fuel cell according to one of the preceding claims.

The warm-up system further includes a first temperature sensor capable of measuring a temperature in the heat-insulating box,
The control device controls the flow rate of warmed air supplied from the air conditioner based on the temperature detected by the first temperature sensor to control the temperature in the heat insulating box. The vehicle fuel cell according to claim 5, wherein

The fuel cell includes a second temperature sensor, and determines the time of the heat-retention operation using a heat-retention operation map created in advance based on the outside air temperature or the engine room temperature measured by the second temperature sensor. The fuel cell for a vehicle according to any one of claims 1 to 5, wherein the fuel cell is determined.

The fuel cell for a vehicle according to any one of claims 5 to 7, wherein the control device controls the switching damper so as to adjust the temperature in the heat insulating box.

The fuel cell for a vehicle according to any one of claims 4 to 8, wherein a duct for supplying air from the air duct to a vehicle interior is branched downstream of the switching damper.