JP2004241357A

JP2004241357A - Fuel cell

Info

Publication number: JP2004241357A
Application number: JP2003032276A
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: 2003-02-10
Filing date: 2003-02-10
Publication date: 2004-08-26
Anticipated expiration: 2023-02-10
Also published as: JP4110993B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a vehicular fuel cell allowing efficient warming-up of a fuel cell in stopping it, and capable of reducing a starting time. <P>SOLUTION: This vehicular fuel cell is provided with a cooling circuit for cooling a stack body of the fuel cell. The vehicular fuel cell is characterized by installing a heat exchanger in the cooling circuit; and by connecting a heat pump cycle for a vehicular air conditioner to the heat exchanger. <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可能な冷却システム（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、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４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、熱交換装置を介して空調システムのヒートポンプサイクルを利用して、燃料電池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、車両用燃料電池は、前記燃料電池のスタック本体を冷却するための冷却回路を具備する。前記冷却回路において熱交換装置が追加的に具備されており、前記熱交換装置には、車両の空調装置用のヒートポンプサイクルが接続されることにより、前記冷却回路と前記ヒートポンプサイクルとの間で、熱交換装置を介して熱交換でき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、前記冷却回路には、放熱用のラジエータと、冷却水循環ポンプと、温度センサとが具備されることを特徴とする。
本形態によれば、燃料電池の冷却回路の構成をより具体化する形態を開示する。
【０００８】
本発明の請求項３の形態では、上記請求項２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更に具備しており、前記制御装置は前記温度センサの検知した温度により、少なくとも前記ヒートポンプサイクルを制御して前記ヒートポンプサイクルから供給される前記熱交換装置への熱量を制御することを特徴とする。
本形態によれば、燃料電池の冷却回路の構成に具備された温度センサにより、燃料電池の効率良い暖機、短時間で効率良い再起動、空調装置の効率的な補助等のために、燃料電池及びヒートポンプサイクルを確実に制御可能である。
【０００９】
本発明の請求項４の形態では、上記請求項１から３の形態のいずれか一項において、前記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、冷房運転時に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外熱交換器と、冷房運転時に前記室外熱交換器の下流に設置される絞りと、冷房運転時に前記絞りの下流に設置されていて車両室内に送る空気と熱交換する空調用熱交換器と、前記各装置を連絡する冷媒配管とを具備する。前記熱交換装置は前記ヒートポンプサイクルの冷媒配管において、前記コンプレッサと前記室外熱交換器との間に設置される。前記ヒートポンプサイクルの冷媒配管路において、四方弁と、第１の切り替え弁とが更に具備される。前記四方弁が、前記熱交換装置と前記室外熱交換器との間の冷媒配管路、及び前記空調用熱交換器と前記コンプレッサとの間の冷媒配管路に共に介在して接続するように設置されており、前記四方弁は、前記コンプレッサから出る冷媒の流れを、冷房運転時にはその後前記室外熱交換器へ導き、暖房運転時にはその後前記空調用熱交換器へ導くように冷媒配管路を切り替え可能であることと、前記第１の切り替え弁が、前記コンプレッサと前記熱交換装置とを連絡する冷媒配管路に具備されており、前記第１の切り替え弁から出て前記熱交換装置をバイパスする、第１のバイパスが前記熱交換装置と前記四方弁とを連絡する冷媒配管路に接続することとを特徴とする。
本形態によれば、ヒートポンプサイクルの構成をより具体化する形態を開示する。
【００１０】
本発明の請求項５の形態では、上記請求項３または４の形態のいずれかにおいて、前記制御装置は前記温度センサの検知した温度により、前記四方弁及び前記第１の切り替え弁を制御して、前記ヒートポンプサイクルにおいて前記熱交換装置を流れる冷媒流量を制御することを特徴とする。
本形態によれば、前記請求項３の形態の構成をより具体化する形態を開示する。
【００１１】
本発明の請求項６の形態では、上記請求項４または５の形態のいずれかにおいて、前記ヒートポンプサイクルの冷媒配管路において、第２の切り替え弁と、前記第２の切り替え弁から出る第２のバイパスと、第３の切り替え弁と、前記第３の切り替え弁から出る第３のバイパスとが更に具備される。前記第２の切り替え弁は前記コンプレッサの吸込側と前記四方弁との間の冷媒配管路に設置されており、前記第２のバイパスは、前記第２の切り替え弁から出て、前記第１の切り替え弁と前記熱交換装置とを連絡する冷媒配管路に接続しており、前記第３の切り替え弁は、前記第１のバイパスの前記ヒートポンプサイクルの冷媒配管路への接続部と前記熱交換装置との間の冷媒配管路に設置されており、前記第３のバイパスは、前記第３の切り替え弁から出て、前記第２の切り替え弁と前記コンプレッサとを連絡する冷媒配管路に接続することを特徴とする。
本形態によれば、燃料電池とヒートポンプサイクルを具備する空調装置間で、熱のやり取りを可能にすることで、お互いの冷房又は冷却、及び暖房又は暖機機能を補助して、効率的な冷却／冷房、暖機／暖房を実現可能な形態を具体的に開示する。
【００１２】
本発明の請求項７の形態では、上記請求項６の形態において、前記ヒートポンプサイクルから前記熱交換装置に冷房用冷媒を供給して、燃料電池の前記ラジエータの能力不足時等に、燃料電池の冷却をヒートポンプサイクルの冷却能力で補助することを特徴とする。
本形態によれば、燃料電池の前記ラジエータの能力不足時等に、燃料電池の冷却をヒートポンプ（空調用の）サイクルの冷却能力で補助して、ヒートポンプサイクルを有効に活用し、燃料電池のラジエータを小型化することが可能である。
【００１３】
本発明の請求項８の形態では、上記請求項６の形態において、車両室内の前記ヒートポンプサイクルによる暖房時において、燃料電池の廃熱を前記熱交換装置を介して前記ヒートポンプサイクルに供給して暖房に利用することを特徴とする。
本形態によれば、車室内の暖房時に、燃料電池の廃熱の空調への有効利用を可能にする。
【００１４】
【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冷却システム（装置）の第１の実施の形態の概略的な構成の概要を図解的に示す。
【００１５】
図１を参照すると、本実施の形態の燃料電池の冷却系２と空調システム（装置）２０が熱交換装置５を介して接続されている。冷却系２には、冷却水が通されており、この冷却水は冷却水循環ポンプ３により燃料電池に送られ、通常（冷却）運転時においては燃料電池１を冷却するように熱交換して、冷却水の温度は上昇し、更に冷却水はラジエータ４を通されて、ここで外気と熱交換して放熱して冷却され、再度冷却水循環ポンプ３により吸引されて、冷却水は冷却系２を循環する。本実施の形態においては冷却系２において、冷却水循環ポンプ３の吐出側と燃料電池１との間に熱交換装置５が具備されており、熱交換装置５には車両の空調システム（装置）２０のヒートポンプサイクル６が接続されており、冷却水はヒートポンプサイクル６により加熱されることが出来るように構成される。また冷却系２には温度センサ１４が具備されており、温度センサ１４は本実施の形態においては、燃料電池１の出口側の冷却系２に設置されており、冷却系２の燃料電池１の出口側の冷却水温度信号をＥＣＵ（制御装置）１３に送る。
ここで、冷却水は不凍液であっても良く、水以外の冷媒であっても良い。
【００１６】
一方、空調システム２０は、ヒートポンプサイクル６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６において、気体の冷媒を圧縮するコンプレッサ７と、通常（冷房）運転時に冷媒を冷却する室外熱交換器９と、冷媒を膨張させて冷媒の気化に寄与する絞り８と、通常（冷房）運転時にエバポレータとして作用して冷媒を気化させ車室内空気を冷却する空調用熱交換器１０とを図１に示すように更に具備する。冷房運転時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６を流れ、空調用熱交換器１０において車室内空気を冷却して冷房を行う。
【００１７】
ヒートポンプサイクル６において熱交換装置５は、コンプレッサ７の吐出側と室外熱交換器９との間に具備される。四方弁１１は、熱交換装置５と室外熱交換器９との間、及び空調用熱交換器１０とコンプレッサ７との間に、介在するように設置される。従って四方弁１１には、コンプレッサ７の吐出側からの冷媒配管と、室外熱交換器９からの冷媒配管と、コンプレッサ７の吸入側からの冷媒配管と、空調用熱交換器１０からの冷媒配管とが接続する。従って四方弁１１は後に詳しく説明するように、通常運転である冷房運転と、暖房運転とでヒートポンプサイクル６を切り替える働きをする。四方弁１１については、電磁式又は空気式等の遠隔作動式のものが好ましいが、その他の種々の形式のものであっても良い。
【００１８】
ヒートポンプサイクル６において、第１の切り替え弁１２と、第１のバイパス２１とが更に具備される。第１の切り替え弁１２は、コンプレッサ７の吐出側と熱交換装置５との間に設置されており、第１の切り替え弁１２から出る第１のバイパス２１は、燃料電池１の冷却系２への連絡のための熱交換装置５をバイパスする。熱交換装置５をバイパスした第１のバイパス２１は図１に示すように、熱交換装置５と四方弁１１とを連絡するヒートポンプサイクル６の管路に接続する。従って熱交換装置５は、第１の切り替え弁１２と四方弁１１との間に配置されている。
冷媒については種々のものが使用可能である。
【００１９】
冷却系２及び空調システム２０の構成機器、即ちラジエータ４、熱交換装置５、コンプレッサ７、室外熱交換器９、空調用熱交換器１０、絞り８、四方弁１１等について、それぞれ各種の既知なタイプの装置が使用可能であり、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１の停止後の始動時の暖機運転時において、燃料電池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、冷却系２の冷却水が使用され、この場合において冷却水は暖機冷媒として使用される。冷却水は冷却水循環ポンプ３により燃料電池に送られ、燃料電池１と熱交換するが、本実施の形態においては熱交換装置５が、上記のように燃料電池１の前で冷却系２において具備されている。熱交換装置５には空調システム２０のヒートポンプサイクル６の冷媒が導入されており、冷媒はコンプレッサ７により圧縮された直後の高圧高温状態であるので、この冷媒により熱交換装置５において冷却系２の冷却水を加熱することが出来る。熱交換装置５において加熱された冷却水（加熱冷媒）は燃料電池１に供給され、燃料電池１を加熱し暖機する。
【００２１】
空調システム２０の暖房運転時において、四方弁１１はコンプレッサ７の吐出側と空調用熱交換器１０とを連絡するように設定され、コンプレッサ７の吸入側は室外熱交換器９に接続する。コンプレッサ７は気体の冷媒を断熱圧縮し、冷媒は高圧高温となり、空調用熱交換器１０において車室内空気を加熱して暖房を行う。
【００２２】
本実施の形態においては、燃料電池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１の温度は低下する。図３に示す燃料電池１の温度の時間変化の図において、燃料電池１の温度が所定値より下がったことを温度センサ１４により検知し、その温度信号をＥＣＵ１３に送信することにより、ＥＣＵ１３は、空調システム２０を運転するよう制御し、ヒートポンプサイクル６の第１の切り替え弁１２を調整することにより、高温の冷媒を熱交換装置５に供給して、冷却系２の冷却水を加熱して燃料電池１を暖機するように制御する。この際冷却水循環ポンプ３はもちろん運転されている。冷却系２がラジエータ４をバイパスする経路を具備して、冷却水がラジエータ４をバイパスしても良い。この際ＥＣＵ１３は、四方弁１１についても上記の暖房運転の状態に設定するように制御する（但し冷房運転においても同様の暖機運転は可能であるので、空調システム２０の運転状態に応じて四方弁１１は設定される）。
この時、車室内が暖房中であれば冷媒を分配し、暖房停止中であれば第１のバイパス２１を閉鎖して、熱交換装置５に全量を流すように第１の切り替え弁１２を切り替えて制御する。車室内が冷房中であっても同様の運転は可能である。
燃料電池１の温度が所定値に上昇したことを、温度センサ１４により冷却水温度を検知して、ＥＣＵ１３は暖機運転を終了する。この場合第１の切り替え弁１２は、第１のバイパス２１を全開して熱交換装置５への管路を閉じるので、ヒートポンプサイクル６の冷媒は全量が、熱交換装置５をバイパスして流れる。または、必要に応じて空調システム２０（ヒートポンプサイクル６）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、冷却水循環ポンプ３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。
【００２３】
上記のごとくＥＣＵ１３により、燃料電池１の停止モードにおいて冷却系２及びヒートポンプサイクル６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。
【００２４】
本発明の第２の実施の形態を図２に示しており、ここでは上記第１の実施の形態において、第２の切り替え弁１５と、第２のバイパス２２と、第３の切り替え弁１６と、第３のバイパス２３とを追加した構成である。この様に構成することにより、車室内の暖房時において、燃料電池１の廃熱を利用して空調システム２０（ヒートポンプサイクル６）の暖房を補助することが可能になり、更に燃料電池１の通常運転時にラジエータ４の冷却能力が不足した場合等に、空調システム２０（ヒートポンプサイクル６）の冷却能力を利用して熱交換装置５を介して燃料電池１の冷却を補助することが可能である。
ここでは図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。
【００２５】
図２に示すヒートポンプサイクル６において、第２の切り替え弁１５と、前記第２の切り替え弁から出る第２のバイパス２２と、第３の切り替え弁１６と、前記第３の切り替え弁から出る第３のバイパス２３とが、第１の実施の形態に加えて具備される。図２に示すように、前記第２の切り替え弁１５は、コンプレッサ７の吸引側と四方弁１１との間の冷媒管路に設置されており、第２のバイパス２２は、第２の切り替え弁１５から出て、第１の切り替え弁１２と前記熱交換装置５とを連絡する冷媒管路に接続される。第３の切り替え弁１６は、熱交換装置５と第１のバイパス２１の接続部との間に設置される。第３のバイパス１５は、第３の切り替え弁１６から出て、第２の切り替え弁１５とコンプレッサ７とを連絡する冷媒管路に接続しており、即ちコンプレッサ７の吸入側に接続する。
【００２６】
次に、本実施の形態の作動について説明する。
図２の燃料電池１の通常運転時において、車室内の暖房時に燃料電池１の廃熱を熱交換装置５を介してヒートポンプサイクル６に供給する。この場合、ヒートポンプサイクル６において、第２の切り替え弁１５を調整して第２のバイパス２２に冷媒の全量又は一部を流し、熱交換装置５において冷却系２の冷却水によりヒートポンプサイクル６の冷媒を加熱する。加熱された冷媒は、熱交換装置５を出た後に第３の切り替え弁１６を調整することにより、全量が第３のバイパス２３を通りコンプレッサ７の吸入側に戻り、コンプレッサ７に吸引されて圧縮される。第１の切り替え弁１２は、第１のバイパス２１への経路を開けて、冷媒の全量を四方弁１１へ流す。
【００２７】
また図２の燃料電池１の通常運転時において、ラジエータ４の冷却能力が不足した場合に、車室内の冷房時に熱交換装置５を介してヒートポンプサイクル６により燃料電池１の冷却を補助することが出来る。この場合、ヒートポンプサイクル６において、第２の切り替え弁１５を調整して第２のバイパス２２に低温の冷媒の全量又は一部を流し、熱交換装置５において冷却系２の冷却水をヒートポンプサイクル６の冷媒により冷却する。冷却された冷却水は、熱交換装置５を出た後に燃料電池１に供給されて燃料電池１を冷却する。この場合のヒートポンプサイクル６における第２の切り替え弁１５，第３の切り替え弁１６，第１の切り替え弁１２の設定は上記の場合と同様である。
【００２８】
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、熱交換装置を介して空調システムのヒートポンプサイクルを利用して、燃料電池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。
【００２９】
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。
・車室内の暖房時において、燃料電池の廃熱を利用して空調システム２０の暖房を補助することが可能である。
・燃料電池の通常運転時にラジエータの冷却能力が不足した場合等に、空調システム（ヒートポンプサイクル）の冷却能力を利用して熱交換装置を介して燃料電池の冷却を補助することが可能である。
【００３０】
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。
【００３１】
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…冷却系
３…冷却水循環ポンプ
４…ラジエータ
５…熱交換装置
６…ヒートポンプサイクル
７…コンプレッサ
８…絞り
９…室外熱交換器
１０…空調用熱交換器
１１…四方弁
１２…第１の切り替え弁
１３…ＥＣＵ（制御装置）
１４…温度センサ
２０…空調システム（装置）
２１…第１のバイパス[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell mounted on a vehicle, and more particularly to a cooling system (device) capable of warming up the fuel cell.
[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. This system using a fuel cell is an efficient and excellent system during normal operation, but if it is stopped at low temperatures, it requires a huge amount of energy to heat it to the operating temperature of the fuel cell at restart Therefore, there is a problem that it is difficult to start in a short time, and efficiency is deteriorated.
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 4)
[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), the fuel cell is efficiently warmed up by utilizing a heat pump cycle of an air conditioning system via a heat exchange device. The present invention provides a fuel cell capable of efficiently restarting the fuel cell in a short time by performing or intermittently warming up the fuel cell. 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-mentioned object, the vehicle fuel cell includes a cooling circuit for cooling the fuel cell stack body. A heat exchange device is additionally provided in the cooling circuit, and the heat exchange device is connected to a heat pump cycle for a vehicle air conditioner, so that the heat exchange device is connected between the cooling circuit and the heat pump cycle. It is characterized in that heat can be exchanged via a heat exchange device.
[0006]
With this configuration, the fuel cell is efficiently warmed up by using the heat pump cycle at the time of restart, or the fuel cell is intermittently heated by the heat pump cycle while the fuel cell is stopped. By maintaining the temperature at a temperature at which restart is possible, restart can be efficiently performed in a short time.
[0007]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the cooling circuit includes a radiator for heat radiation, a cooling water circulation pump, and a temperature sensor.
According to the present embodiment, an embodiment is disclosed in which the configuration of the cooling circuit of the fuel cell is made more specific.
[0008]
According to a third aspect of the present invention, in the second aspect, the fuel cell further includes a control device for controlling the fuel cell, and the control device performs the control based on the temperature detected by the temperature sensor. At least the heat pump cycle is controlled to control the amount of heat supplied from the heat pump cycle to the heat exchange device.
According to the present embodiment, the temperature sensor provided in the configuration of the cooling circuit of the fuel cell allows the fuel cell to efficiently warm up the fuel cell, efficiently restart the fuel cell in a short time, and efficiently assist the air conditioner. The battery and the heat pump cycle can be reliably controlled.
[0009]
According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, the heat pump cycle is installed downstream of the compressor that compresses a gaseous refrigerant and during the cooling operation. An outdoor heat exchanger that cools the compressed refrigerant, a throttle installed downstream of the outdoor heat exchanger during cooling operation, and air and heat installed downstream of the throttle during cooling operation and sent into the vehicle interior. The air conditioner includes a heat exchanger for air conditioning to be exchanged, and a refrigerant pipe communicating with each device. The heat exchange device is installed between the compressor and the outdoor heat exchanger in a refrigerant pipe of the heat pump cycle. In the refrigerant pipe line of the heat pump cycle, a four-way valve and a first switching valve are further provided. The four-way valve is installed so as to be interposed and connected to a refrigerant pipe line between the heat exchanger and the outdoor heat exchanger, and a refrigerant pipe line between the air conditioning heat exchanger and the compressor. The four-way valve is capable of switching a refrigerant pipe line so as to guide the flow of the refrigerant flowing out of the compressor to the outdoor heat exchanger during the cooling operation and then to the air conditioning heat exchanger during the heating operation. And the first switching valve is provided in a refrigerant pipe line communicating the compressor and the heat exchange device, and exits the first switching valve and bypasses the heat exchange device. A first bypass is connected to a refrigerant pipe connecting the heat exchange device and the four-way valve.
According to the present embodiment, an embodiment that further embodies the configuration of the heat pump cycle is disclosed.
[0010]
According to a fifth aspect of the present invention, in any one of the third and fourth aspects, the control device controls the four-way valve and the first switching valve based on the temperature detected by the temperature sensor. And controlling a flow rate of the refrigerant flowing through the heat exchange device in the heat pump cycle.
According to the present embodiment, an embodiment that further embodies the configuration of the third embodiment is disclosed.
[0011]
According to a sixth aspect of the present invention, in the refrigerant pipe line of the heat pump cycle according to any one of the fourth and fifth aspects, a second switching valve and a second switching valve exiting from the second switching valve. There is further provided a bypass, a third switching valve, and a third bypass exiting the third switching valve. The second switching valve is provided in a refrigerant pipe line between a suction side of the compressor and the four-way valve, and the second bypass exits from the second switching valve and is connected to the first switching valve. The third switching valve is connected to a refrigerant pipe line that connects a switching valve and the heat exchange device, and a connection portion of the first bypass to the refrigerant pipe line of the heat pump cycle and the heat exchange device. And the third bypass is connected to a refrigerant pipe line that comes out of the third switching valve and communicates the second switching valve and the compressor. It is characterized by.
According to this embodiment, by allowing the exchange of heat between the fuel cell and the air conditioner including the heat pump cycle, the cooling or cooling of each other, and the heating or warming-up function are assisted, and the efficient cooling is performed. A form capable of realizing cooling / heating and warming / heating will be specifically disclosed.
[0012]
According to a seventh aspect of the present invention, in the sixth aspect, a cooling refrigerant is supplied from the heat pump cycle to the heat exchange device, and when the capacity of the radiator of the fuel cell is insufficient, for example, The cooling is assisted by the cooling capacity of the heat pump cycle.
According to this embodiment, when the capacity of the radiator of the fuel cell is insufficient or the like, the cooling of the fuel cell is assisted by the cooling capacity of the heat pump (for air conditioning) cycle, and the heat pump cycle is effectively used. Can be reduced in size.
[0013]
According to an eighth aspect of the present invention, in the sixth aspect of the present invention, during heating by the heat pump cycle in the vehicle interior, the waste heat of the fuel cell is supplied to the heat pump cycle via the heat exchange device for heating. It is characterized by using it.
According to the present embodiment, it is possible to effectively use the waste heat of the fuel cell for air conditioning when heating the vehicle interior.
[0014]
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 an outline of a schematic configuration of a first embodiment of a cooling system (apparatus) for an automotive fuel cell according to the present invention.
[0015]
Referring to FIG. 1, a cooling system 2 of a fuel cell according to the present embodiment and an air conditioning system (device) 20 are connected via a heat exchange device 5. Cooling water is passed through the cooling system 2, and the cooling water is sent to the fuel cell by a cooling water circulation pump 3, and performs heat exchange so as to cool the fuel cell 1 during normal (cooling) operation. The temperature of the cooling water rises, and the cooling water is further passed through a radiator 4, where it exchanges heat with the outside air to radiate heat and is cooled. The cooling water is then sucked again by the cooling water circulation pump 3, and the cooling water flows through the cooling system 2. Circulate. In the present embodiment, in the cooling system 2, a heat exchange device 5 is provided between the discharge side of the cooling water circulation pump 3 and the fuel cell 1, and the heat exchange device 5 includes an air conditioning system (device) 20 for a vehicle. Is connected so that the cooling water can be heated by the heat pump cycle 6. Further, the cooling system 2 is provided with a temperature sensor 14. In the present embodiment, the temperature sensor 14 is installed in the cooling system 2 on the outlet side of the fuel cell 1, and The cooling water temperature signal on the outlet side is sent to the ECU (control device) 13.
Here, the cooling water may be an antifreeze liquid or a refrigerant other than water.
[0016]
On the other hand, the air conditioning system 20 includes a heat pump cycle 6. In the present embodiment, the heat pump cycle 6 includes a compressor 7 for compressing a gaseous refrigerant and an outdoor heat source for cooling the refrigerant during normal (cooling) operation. FIG. 1 shows an exchanger 9, a throttle 8 that expands the refrigerant to contribute to the vaporization of the refrigerant, and an air-conditioning heat exchanger 10 that acts as an evaporator during normal (cooling) operation to vaporize the refrigerant and cool the vehicle interior air. Further, as shown in FIG. During the cooling operation, the refrigerant compressed by the compressor 7 flows through the heat pump cycle 6 in the order of the above devices, and cools the vehicle interior air in the air-conditioning heat exchanger 10 to perform cooling.
[0017]
In the heat pump cycle 6, the heat exchange device 5 is provided between the discharge side of the compressor 7 and the outdoor heat exchanger 9. The four-way valve 11 is installed so as to be interposed between the heat exchanger 5 and the outdoor heat exchanger 9 and between the air-conditioning heat exchanger 10 and the compressor 7. Therefore, the four-way valve 11 has a refrigerant pipe from the discharge side of the compressor 7, a refrigerant pipe from the outdoor heat exchanger 9, a refrigerant pipe from the suction side of the compressor 7, and a refrigerant pipe from the air-conditioning heat exchanger 10. And connect. Therefore, the four-way valve 11 functions to switch the heat pump cycle 6 between the cooling operation, which is the normal operation, and the heating operation, as will be described in detail later. The four-way valve 11 is preferably of a remotely operated type such as an electromagnetic type or a pneumatic type, but may be of various other types.
[0018]
In the heat pump cycle 6, a first switching valve 12 and a first bypass 21 are further provided. The first switching valve 12 is provided between the discharge side of the compressor 7 and the heat exchange device 5, and the first bypass 21 exiting from the first switching valve 12 is connected to the cooling system 2 of the fuel cell 1. Is bypassed. As shown in FIG. 1, the first bypass 21 that bypasses the heat exchange device 5 is connected to a pipe of the heat pump cycle 6 that connects the heat exchange device 5 and the four-way valve 11. Therefore, the heat exchange device 5 is arranged between the first switching valve 12 and the four-way valve 11.
Various refrigerants can be used.
[0019]
Various known components of the cooling system 2 and the components of the air conditioning system 20, that is, the radiator 4, the heat exchanger 5, the compressor 7, the outdoor heat exchanger 9, the air conditioning heat exchanger 10, the throttle 8, the four-way valve 11, etc. Devices of the type 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 the warm-up operation at the start-up after the stop of the fuel cell 1 in FIG. 1, the cooling water of the cooling system 2 is used to warm up the fuel cell 1 and raise the temperature to an optimum operating temperature. In this case, the cooling water is used as a warm-up refrigerant. The cooling water is sent to the fuel cell by the cooling water circulation pump 3 and exchanges heat with the fuel cell 1. In the present embodiment, the heat exchange device 5 is provided in the cooling system 2 in front of the fuel cell 1 as described above. Have been. The refrigerant of the heat pump cycle 6 of the air conditioning system 20 is introduced into the heat exchange device 5, and the refrigerant is in a high pressure and high temperature state immediately after being compressed by the compressor 7. Cooling water can be heated. The cooling water (heated refrigerant) heated in the heat exchange device 5 is supplied to the fuel cell 1 to heat and warm up the fuel cell 1.
[0021]
During the heating operation of the air conditioning system 20, the four-way valve 11 is set so as to connect the discharge side of the compressor 7 and the air conditioning heat exchanger 10, and the suction side of the compressor 7 is connected to the outdoor heat exchanger 9. The compressor 7 adiabatically compresses the gaseous refrigerant, and the refrigerant has a high pressure and a high temperature. The air-conditioning heat exchanger 10 heats the vehicle interior air to perform heating.
[0022]
In the present embodiment, when the normal operation of the fuel cell 1 ends and the stop mode is set, the temperature of the fuel cell 1 decreases. In the time change diagram of the temperature of the fuel cell 1 shown in FIG. 3, the temperature sensor 14 detects that the temperature of the fuel cell 1 has dropped below a predetermined value, and transmits the temperature signal to the ECU 13 so that the ECU 13 By controlling the air-conditioning system 20 to operate and adjusting the first switching valve 12 of the heat pump cycle 6, a high-temperature refrigerant is supplied to the heat exchange device 5, and the cooling water of the cooling system 2 is heated to produce a fuel. The battery 1 is controlled to be warmed up. At this time, the cooling water circulation pump 3 is of course operated. The cooling system 2 may include a path that bypasses the radiator 4, and the cooling water may bypass the radiator 4. At this time, the ECU 13 controls the four-way valve 11 so as to set the above-described heating operation state (however, since the same warm-up operation is also possible in the cooling operation, the four-way valve 11 is controlled in accordance with the operation state of the air conditioning system 20). Valve 11 is set).
At this time, if the vehicle interior is heating, the refrigerant is distributed. If the heating is stopped, the first bypass 21 is closed, and the first switching valve 12 is switched so that the entire amount flows to the heat exchange device 5. Control. The same operation is possible even when the vehicle interior is being cooled.
When the temperature of the fuel cell 1 rises to a predetermined value, the temperature sensor 14 detects the temperature of the cooling water, and the ECU 13 ends the warm-up operation. In this case, since the first switching valve 12 fully opens the first bypass 21 and closes the pipeline to the heat exchange device 5, the entire amount of the refrigerant in the heat pump cycle 6 flows by bypassing the heat exchange device 5. Alternatively, the air conditioning system 20 (heat pump cycle 6) 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, the cooling water circulation pump 3, and the like may be performed by a secondary battery, or may be performed by another energy source.
[0023]
Since the cooling system 2 and the heat pump cycle 6 are controlled by the ECU 13 in the stop mode of the fuel cell 1 as described above, the temperature of the fuel cell 1 may be extremely high as shown in FIG. In this state, the temperature of the fuel cell 1 is controlled so that it does not fall below a predetermined value, as shown in FIG. 3, instead of starting the fuel cell 1. Restart is possible in a short time.
[0024]
FIG. 2 shows a second embodiment of the present invention. Here, in the first embodiment, the second switching valve 15, the second bypass 22, the third switching valve 16, , And a third bypass 23. With this configuration, it is possible to use the waste heat of the fuel cell 1 to assist the heating of the air conditioning system 20 (heat pump cycle 6) during heating of the vehicle interior. When the cooling capacity of the radiator 4 is insufficient during operation, the cooling of the fuel cell 1 can be assisted through the heat exchange device 5 using the cooling capacity of the air conditioning system 20 (heat pump cycle 6).
Referring now to FIG. 2, elements of FIG. 2 that are the same as or similar to elements of the first embodiment disclosed in FIG. 1 are designated by the same reference numerals.
[0025]
In the heat pump cycle 6 shown in FIG. 2, the second switching valve 15, the second bypass 22 exiting from the second switching valve, the third switching valve 16, and the third switching valve 16 exiting from the third switching valve. Is provided in addition to the first embodiment. As shown in FIG. 2, the second switching valve 15 is provided in a refrigerant pipe between the suction side of the compressor 7 and the four-way valve 11, and the second bypass 22 is provided with a second switching valve. From 15, it is connected to a refrigerant line connecting the first switching valve 12 and the heat exchange device 5. The third switching valve 16 is provided between the heat exchange device 5 and the connection of the first bypass 21. The third bypass 15 exits from the third switching valve 16 and is connected to a refrigerant line connecting the second switching valve 15 and the compressor 7, that is, to the suction side of the compressor 7.
[0026]
Next, the operation of the present embodiment will be described.
During normal operation of the fuel cell 1 of FIG. 2, waste heat of the fuel cell 1 is supplied to the heat pump cycle 6 via the heat exchange device 5 when the vehicle interior is heated. In this case, in the heat pump cycle 6, the second switching valve 15 is adjusted to flow the whole or a part of the refrigerant to the second bypass 22, and the refrigerant of the heat pump cycle 6 is cooled by the cooling water of the cooling system 2 in the heat exchange device 5. Heat. The heated refrigerant is returned to the suction side of the compressor 7 through the third bypass 23 by adjusting the third switching valve 16 after exiting the heat exchange device 5, and is sucked by the compressor 7 to be compressed. Is done. The first switching valve 12 opens a path to the first bypass 21 and allows the entire amount of the refrigerant to flow to the four-way valve 11.
[0027]
When the cooling capacity of the radiator 4 is insufficient during the normal operation of the fuel cell 1 shown in FIG. 2, the cooling of the fuel cell 1 can be assisted by the heat pump cycle 6 via the heat exchange device 5 during the cooling of the passenger compartment when the passenger compartment is cooled. I can do it. In this case, in the heat pump cycle 6, the second switching valve 15 is adjusted to flow the whole or a part of the low-temperature refrigerant into the second bypass 22, and the cooling water of the cooling system 2 is discharged from the heat exchange device 5 to the heat pump cycle 6. Is cooled by the refrigerant. The cooled cooling water is supplied to the fuel cell 1 after leaving the heat exchange device 5 to cool the fuel cell 1. In this case, the settings of the second switching valve 15, the third switching valve 16, and the first switching valve 12 in the heat pump cycle 6 are the same as in the above case.
[0028]
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), the fuel pump is efficiently or intermittently warmed up by using the heat pump cycle of the air conditioning system via the heat exchange device, so that the fuel is discharged. The battery can be efficiently restarted in a short time.
[0029]
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.
When heating the vehicle interior, it is possible to use the waste heat of the fuel cell to assist the heating of the air conditioning system 20.
When the cooling capacity of the radiator is insufficient during the normal operation of the fuel cell, the cooling capacity of the air conditioner (heat pump cycle) can be used to assist the cooling of the fuel cell via the heat exchange device using the cooling capacity.
[0030]
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.
[0031]
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 according to the present invention.
FIG. 2 schematically shows a schematic configuration of a fuel cell 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 ... Cooling system 3 ... Cooling water circulation pump 4 ... Radiator 5 ... Heat exchange device 6 ... Heat pump cycle 7 ... Compressor 8 ... Throttle 9 ... Outdoor heat exchanger 10 ... Air conditioning heat exchanger 11 ... Four-way valve 12 ... First switching valve 13: ECU (control device)
14 temperature sensor 20 air conditioning system (device)
21: First bypass

Claims

In a vehicle fuel cell, this fuel cell
A cooling circuit for cooling the fuel cell stack body is provided,
A heat exchange device is additionally provided in the cooling circuit,
The heat exchange device is connected to a heat pump cycle for a vehicle air conditioner, so that heat can be exchanged between the cooling circuit and the heat pump cycle via the heat exchange device. battery.

The vehicle fuel cell according to claim 1, wherein the cooling circuit includes a radiator for heat dissipation, a cooling water circulation pump, and a temperature sensor.

The fuel cell further includes a control device for controlling the fuel cell,
The vehicle according to claim 2, wherein the control device controls at least the heat pump cycle and controls the amount of heat supplied from the heat pump cycle to the heat exchange device, based on the temperature detected by the temperature sensor. For fuel cells.

The heat pump cycle comprises:
A compressor for compressing a gaseous refrigerant;
An outdoor heat exchanger that is installed downstream of the compressor during cooling operation and cools the compressed refrigerant,
A throttle installed downstream of the outdoor heat exchanger during cooling operation,
An air-conditioning heat exchanger that is installed downstream of the throttle during a cooling operation and exchanges heat with air sent into the vehicle interior,
And a refrigerant pipe that communicates with each of the devices,
The heat exchange device is installed between the compressor and the outdoor heat exchanger in a refrigerant pipe of the heat pump cycle,
In the refrigerant pipe line of the heat pump cycle, a four-way valve and a first switching valve are further provided,
The four-way valve is installed so as to be interposed and connected to a refrigerant pipe line between the heat exchanger and the outdoor heat exchanger, and a refrigerant pipe line between the air conditioning heat exchanger and the compressor. The four-way valve is capable of switching a refrigerant pipe line so as to guide the flow of the refrigerant flowing out of the compressor to the outdoor heat exchanger during the cooling operation and then to the air conditioning heat exchanger during the heating operation. And that
The first switching valve is provided in a refrigerant pipe line communicating the compressor and the heat exchange device, and the first bypass valve passes through the heat exchange device from the first switching valve. The fuel cell for a vehicle according to any one of claims 1 to 3, wherein the fuel exchange device is connected to a refrigerant pipe connecting the four-way valve to the heat exchange device.

The control device controls the four-way valve and the first switching valve based on the temperature detected by the temperature sensor to control a flow rate of a refrigerant flowing through the heat exchange device in the heat pump cycle. The vehicle fuel cell according to any one of items 3 and 4.

In the refrigerant piping of the heat pump cycle,
A second switching valve;
A second bypass exiting the second switching valve;
A third switching valve;
A third bypass exiting from the third switching valve.
The second switching valve is installed in a refrigerant pipe between the suction side of the compressor and the four-way valve,
The second bypass exits from the second switching valve and is connected to a refrigerant pipe line that communicates the first switching valve with the heat exchange device.
The third switching valve is provided in a refrigerant pipe line between a connection portion of the first bypass to a refrigerant pipe line of the heat pump cycle and the heat exchange device, and the third bypass includes: The fuel cell for a vehicle according to claim 4, wherein the fuel cell exits from the third switching valve and is connected to a refrigerant pipe connecting the second switching valve and the compressor. .

7. The cooling system according to claim 6, wherein a cooling refrigerant is supplied from the heat pump cycle to the heat exchanging device, and when the capacity of the radiator of the fuel cell is insufficient, the cooling capacity of the fuel cell is assisted by the cooling capacity of the heat pump cycle. 3. The cooling device for a fuel cell according to claim 1.

The fuel for a vehicle according to claim 6, wherein during heating by the heat pump cycle in the vehicle interior, waste heat of a fuel cell is supplied to the heat pump cycle via the heat exchange device and used for heating. battery.