JP2007294305A - Cooling system of fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体高分子型電解質を用いた燃料電池の冷却システムに係り、特に低温時の起動特性を改善した燃料電池の冷却システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell cooling system using a solid polymer electrolyte, and more particularly to a fuel cell cooling system with improved start-up characteristics at low temperatures.
従来の固体高分子型燃料電池システムにおいて、燃料電池温度が氷点下から起動する場合には、電気ヒータにより加熱した冷却媒体を燃料電池へ供給して燃料電池を暖機し、燃料電池の温度が基準温度に達した後に、電気ヒータによる加熱を停止して、燃料電池の発電による反応熱により目標とする運転温度まで昇温させていた(例えば、特許文献1)。
しかしながら、従来の燃料電池システムでは、氷点下で且つ基準温度以下の場合に冷却媒体が燃料電池に全量供給されることとなり、燃料電池の発電による加熱を妨げて、燃料電池の起動に長時間を要するという問題点があった。また、燃料電池の昇温後に発電を開始したとしても、燃料電池システム全体が起動するのに時間がかかってしまう。 However, in the conventional fuel cell system, when the temperature is below the freezing point and below the reference temperature, the entire amount of the cooling medium is supplied to the fuel cell, which prevents the fuel cell from being heated by power generation and requires a long time to start the fuel cell. There was a problem. Even if power generation is started after the temperature of the fuel cell is increased, it takes time for the entire fuel cell system to start up.
そこで、本発明では、起動時間を短縮できる燃料電池システムを提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell system that can shorten the startup time.
上記目的を達成するために本発明は、固体高分子型の燃料電池スタックとラジエータとの間に冷却液ポンプにより冷却液を循環させて燃料電池を冷却する燃料電池の冷却システムにおいて、ラジエータをバイパスするとともに加熱装置を備える第一バイパス流路と、燃料電池スタックをバイパスする第二バイパス流路と、第一バイパス流路とラジエータを経由する流路とを切り替える第一バルブと、第二バイパス流路と燃料電池スタックを経由する流路との流量比を制御する第二バルブと、を備え、燃料電池スタックを低温から起動する際、第一バルブを第一バイパス流路側に開くとともに、第二バルブが制御する流量比を第二バイパス流路側を多く燃料電池スタック側に少なくした状態で、燃料電池スタックの発電と、冷却液ポンプ及び加熱装置の起動を行い、第二バイパス流路と燃料電池スタックとの何れか一方が所定温度になった時点で、第二バルブの全流量を燃料電池スタック側とすることを要旨とする燃料電池の冷却システムである。 In order to achieve the above object, the present invention bypasses a radiator in a fuel cell cooling system in which a coolant is circulated by a coolant pump between a polymer electrolyte fuel cell stack and a radiator to cool the fuel cell. A first bypass flow path including a heating device, a second bypass flow path that bypasses the fuel cell stack, a first valve that switches between the first bypass flow path and the flow path that passes through the radiator, and a second bypass flow A second valve for controlling a flow rate ratio between the passage and the flow path through the fuel cell stack, and when starting the fuel cell stack from a low temperature, the first valve is opened to the first bypass flow path side, While the flow rate ratio controlled by the valve is decreased on the side of the second bypass flow path and decreased on the side of the fuel cell stack, power generation of the fuel cell stack, coolant pump, When the apparatus is started and when either the second bypass flow path or the fuel cell stack reaches a predetermined temperature, the total flow rate of the second valve is set to the fuel cell stack side. Cooling system.
上記構成の本発明においては、燃料電池スタックを低温から起動する際に、第一バルブを第一バイパス流路側に切り替えて冷却液の全流量がラジエータをバイパスすると共に、第二バルブが制御する流量比を第二バイパス流路側を多く、燃料電池スタック側を少なくした状態で、燃料電池スタックの発電と、冷却液ポンプ及び加熱装置の起動を行うので、冷却液の一部は燃料電池スタックに流れることで、燃料電池スタック内部に温度センサを設けることなく、燃料電池スタックの温度または第二バイパス流路の温度が所定温度になった時点で、第二バルブの全流量を燃料電池スタック側とすることができる。 In the present invention having the above-described configuration, when starting the fuel cell stack from a low temperature, the first valve is switched to the first bypass flow path side so that the total flow rate of the coolant bypasses the radiator and the flow rate controlled by the second valve. Since the fuel cell stack power generation and the coolant pump and the heating device are started up with the ratio of the second bypass channel side increased and the fuel cell stack side decreased, a part of the coolant flows to the fuel cell stack. Thus, without providing a temperature sensor inside the fuel cell stack, when the temperature of the fuel cell stack or the temperature of the second bypass channel reaches a predetermined temperature, the total flow rate of the second valve is set to the fuel cell stack side. be able to.
本発明によれば、燃料電池スタックの起動時に、ラジエータをバイパスして低温の冷却液の大部分を暖機時の冷却液循環回路から切り離し、第一バイパス流路に設けた加熱装置と燃料電池スタックの発電による反応熱で冷却液の残部を加熱するために、燃料電池の暖機時間を短縮することができるという効果がある。 According to the present invention, when the fuel cell stack is started up, the radiator is bypassed and most of the low-temperature coolant is disconnected from the coolant circulation circuit during warm-up, and the heating device and the fuel cell provided in the first bypass channel Since the remaining portion of the coolant is heated by reaction heat generated by the power generation of the stack, there is an effect that the warm-up time of the fuel cell can be shortened.
また、燃料電池スタックをバイパスする第二バイパス流路に多く、燃料電池スタック側に少なく冷却液を流すことによって、燃料電池スタック内に温度センサを設置することなく、燃料電池スタックから流出する冷却液の温度によってバルブの切り替えタイミングを正確に判断することができるという効果がある。 Also, the coolant flowing out from the fuel cell stack without installing a temperature sensor in the fuel cell stack can be obtained by flowing a small amount of coolant to the second bypass flow path that bypasses the fuel cell stack. There is an effect that the valve switching timing can be accurately determined by the temperature of the valve.
さらに、暖機中に燃料電池スタックに冷却液を流しているため、燃料電池スタック内に大きな温度分布差が生じなくなり、熱によるひずみを発生しにくくなり、燃料電池スタックのシール性や強度の低下を抑制し燃料電池スタックの寿命を延ばすことができる。 Furthermore, since the coolant flows through the fuel cell stack during warm-up, a large temperature distribution difference does not occur in the fuel cell stack, and heat distortion is less likely to occur, resulting in a decrease in the sealing performance and strength of the fuel cell stack. And the life of the fuel cell stack can be extended.
次に、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、特に限定されないが、以下の各実施例において説明する燃料電池の冷却システムは、氷点下からの起動時間を短縮した燃料電池車両に好適な冷却システムである。 Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Although not particularly limited, the fuel cell cooling system described in each of the following embodiments is a cooling system suitable for a fuel cell vehicle in which the startup time from below freezing point is shortened.
図1は、本発明に係る燃料電池の冷却システムの実施例1の構成を説明する構成図であり、第一、第二バルブに電子制御バルブを用いた実施例である。 FIG. 1 is a configuration diagram illustrating the configuration of a first embodiment of a fuel cell cooling system according to the present invention, in which electronic control valves are used as first and second valves.
図1において、燃料電池スタック1は、固体高分子電解質を用いた燃料電池セルが複数積層された燃料電池スタックである。ラジエータ2は、冷却液と外気との熱交換により冷却液を放熱する熱交換器である。燃料電池スタック1とラジエータ2とは、冷却液のメイン流路3により環状に接続され、メイン流路3上に配置された冷却液ポンプ4により冷却液を循環させて、燃料電池スタック1を冷却可能となっている。
In FIG. 1, a
第一バイパス流路5は、ラジエータ2をバイパスする流路である。第一電子制御バルブ7は、制御信号により切り替え可能な三方弁であり、第一バイパス流路5とラジエータ2を経由する流路とを切り替え可能となっている。第一バイパス流路5上には、例えば電気ヒータや水素燃焼装置等による加熱装置6が設けられ、第一バイパス流路5を通過する冷却液を加熱可能となっている。
The
第二バイパス流路8は、燃料電池スタック1をバイパスする流路である。第二電子制御バルブ9は、制御信号により流量比を変化できる三方弁であり、第二バイパス流路8の流量と燃料電池スタック1を経由する流量との比を所望の値とすることができる。
The second bypass channel 8 is a channel that bypasses the
第一温度センサ10は、第二バイパス流路8を流れる冷却液の温度を検出する。第二温度センサ11は、燃料電池スタック1から流出する冷却液の温度を検出する。第一温度センサ10,第二温度センサ11は、それぞれ図示しないコントローラに接続され、コントローラは、これら温度センサの検出値に基づいて、第一電子制御バルブ7、第二電子制御バルブ9、及び加熱装置6を制御して、燃料電池システムの起動時の暖機制御を行う。
The first temperature sensor 10 detects the temperature of the coolant flowing through the second bypass flow path 8. The second temperature sensor 11 detects the temperature of the coolant flowing out from the
冷却液は、例えば、エチレングリコール等の融点降下剤の水溶液を用い、燃料電池システムの使用環境では冷却液が凍結しないように融点降下剤の濃度が調整されている。 For example, an aqueous solution of a melting point depressant such as ethylene glycol is used as the coolant, and the concentration of the melting point depressant is adjusted so that the coolant does not freeze in the environment where the fuel cell system is used.
氷点下などの低温時からの燃料電池システム起動の場合、第一電子制御バルブ7及び第二電子制御バルブ9は、それぞれラジエータ2と燃料電池スタック1をバイパスするように冷却流路を切り替える。次いで、冷却ポンプを起動して冷却液を循環させ、加熱装置6で冷却液を加熱して昇温させるとともに燃料電池スタック1に燃料ガスと酸化剤ガスを供給して暖機用出力電流を取り出す。加熱装置6は、水素を燃焼させる燃焼器や電気ヒータでもよい。電気ヒータの場合は、燃料電池暖機時の負荷として電力を消費することができるので、燃料電池スタック1の昇温を助けるので望ましい。
In the case of starting the fuel cell system from a low temperature such as below freezing point, the first electronic control valve 7 and the second electronic control valve 9 switch the cooling flow path so as to bypass the radiator 2 and the
第二電子制御バルブ9は燃料電池スタック1側にわずかに開度を開け、燃料電池スタック1側に最小限冷却液が流れるようにし、燃料電池スタック1に発電を開始させる。このとき、燃料電池スタック1に流れる流量は、冷却液ポンプ4の出口流量の10分の1以下になるのが望ましいが、とくに、1[L/min]以上5[L/min]以下になるようにすることが望ましい。冷却液にエチレングリコール水溶液などの不凍液を用いると、氷点下では粘度が上昇するため、1[L/min]以下であるとスタックの中をスムーズに流れない。また5[L/min]以上であると、燃料電池スタック1の中を通水する量が増え、燃料電池スタック1から持ち出される熱量が増えてしまう。燃料電池スタック1から持ち出す熱量を極力減らしながら、燃料電池スタック1へ冷却液を流すことにより、燃料電池スタック1の反応熱によるスタック温度上昇を短縮するとともに、燃料電池スタック1の出口に設けた第二温度センサ11により燃料電池スタック1の温度を検出することができる。
The second electronic control valve 9 opens slightly to the
図2は、燃料電池スタックの温度が運転可能となる温度まで上昇する時間とスタック内を流れる冷却液流量の関係を示す図である。図2に示すように、冷却液量が少ない方が昇温時間が短いことがわかる。 FIG. 2 is a diagram illustrating the relationship between the time during which the temperature of the fuel cell stack rises to a temperature at which the fuel cell stack can be operated and the flow rate of the coolant flowing through the stack. As shown in FIG. 2, it can be seen that the temperature rise time is shorter when the amount of the coolant is smaller.
第二バイパス流路8を流れる冷却液の温度を第一温度センサ10で検出し、また、発電の反応熱による燃料電池スタックの温度を第二温度センサ11で検出する。 The temperature of the coolant flowing through the second bypass channel 8 is detected by the first temperature sensor 10, and the temperature of the fuel cell stack due to the reaction heat of power generation is detected by the second temperature sensor 11.
第一温度センサ10または第二温度センサ11の検出値が燃料電池の所定の運転温度(50度℃程度以上が望ましい)に達した時点で、第二電子制御バルブ9を燃料電池スタック側に序々に開き、第二バイパス流路8を流れている冷却液を燃料電池スタック1内に導入する。第二温度センサ11の検出値が燃料電池の運転温度の下限を下回らないように、第二電子制御バルブ9の開度を調整しながら、序々に第二電子制御バルブ9を燃料電池スタック1側に全量流れるように切り替える。また第一温度センサ10の検出値が所定の運転温度まで昇温した時点で加熱装置6による加熱を停止する。第二温度センサ11の検出値が燃料電池運転温度の上限(冷却が必要な温度)になった場合は、第一電子制御バルブ7をラジエータ2側に開いたり閉じたりしながら所定の温度を保持するように冷却液の温度制御を行う。
When the detected value of the first temperature sensor 10 or the second temperature sensor 11 reaches a predetermined operating temperature of the fuel cell (preferably about 50 ° C. or higher), the second electronic control valve 9 is gradually moved to the fuel cell stack side. The coolant flowing through the second bypass channel 8 is introduced into the
従来技術のように、加熱装置による冷却液加熱が十分でなく冷却液が十分に温まっていない状態で燃料電池スタックに冷却液を導入する場合は、燃料電池スタックの発電による昇温が遅くなってしまう。また、冷却液を十分に温めてから燃料電池スタックへ導入すると、暖められた冷却液の温度と燃料電池スタックの温度とに大きな差ができ、燃料電池スタック内に大きな温度差が生じ熱歪みなどスタック強度への影響を与える。また、燃料電池スタック内に温度センサを組み込むと、燃料電池スタックの構造が複雑となり、冷却液の制御回路が必要になるため、コスト的に高い構成になってしまう。 When the coolant is introduced into the fuel cell stack in a state where the coolant is not sufficiently heated by the heating device and the coolant is not sufficiently warm as in the prior art, the temperature rise due to power generation of the fuel cell stack is delayed. End up. In addition, if the coolant is sufficiently warmed before being introduced into the fuel cell stack, there will be a large difference between the temperature of the warmed coolant and the temperature of the fuel cell stack, resulting in a large temperature difference in the fuel cell stack resulting in thermal distortion, etc. Affects stack strength. In addition, if a temperature sensor is incorporated in the fuel cell stack, the structure of the fuel cell stack becomes complicated and a control circuit for the coolant is required, resulting in a high cost configuration.
本実施例では、加熱装置による冷却液の加熱と並行して燃料電池スタックの発電を開始させると共に、冷却液の大部分を燃料電池スタックをバイパスさせ冷却液の一部を燃料電池スタックに流すので、燃料電池スタックの発電による昇温を妨げることなく、起動時の燃料電池スタックの温度を検出することができる。 In the present embodiment, power generation of the fuel cell stack is started in parallel with the heating of the coolant by the heating device, and most of the coolant is bypassed through the fuel cell stack and a part of the coolant flows to the fuel cell stack. The temperature of the fuel cell stack at the time of startup can be detected without hindering the temperature rise due to power generation of the fuel cell stack.
本実施例によれば、燃料電池スタックの発電による昇温を最大限にすることができる。また、燃料電池スタック内に通水できる最小限の冷却液を流すことによって、複雑な構造のスタック内に温度センサを設置することなく、燃料電池スタック内の冷却液温度を正確に検出し、この冷却液温度に基づいてバルブの切り替えタイミングを正確に判断することができる。また、燃料電池スタック内に冷却液を流しているため、スタック内に大きな温度分布差が出なくなり、スタック内に熱によるひずみを発生しにくくなり、スタックのシール性、ひずみによる強度低下を抑えることができる。 According to this embodiment, it is possible to maximize the temperature rise due to power generation of the fuel cell stack. In addition, by flowing the minimum amount of coolant that can be passed through the fuel cell stack, the temperature of the coolant in the fuel cell stack can be accurately detected without installing a temperature sensor in the stack having a complicated structure. The switching timing of the valve can be accurately determined based on the coolant temperature. In addition, since the coolant flows in the fuel cell stack, there is no large temperature distribution difference in the stack, and it becomes difficult to generate strain due to heat in the stack, and it suppresses the deterioration of the stack sealing performance and strength due to strain. Can do.
また本実施例によれば、バイパス流路を切り替えるバルブに電子制御バルブ、温度検知装置に温度センサを設けたことにより、冷却液の温度を正確に検知し、バイパス流路を切り替えるバルブ開度を細かく制御することができ、燃料電池スタックに対し、ヒートショックなど温度の急激な変化を抑えることができる。 In addition, according to the present embodiment, an electronic control valve is provided for the valve for switching the bypass flow path, and a temperature sensor is provided for the temperature detection device, so that the valve opening degree for accurately detecting the temperature of the coolant and switching the bypass flow path is set. It can be finely controlled, and a rapid change in temperature such as a heat shock can be suppressed with respect to the fuel cell stack.
図3は、本発明に係る燃料電池の冷却システムの実施例2の構成を説明する構成図であり、第一、第二バルブにサーモスタットバルブを用いた実施例である。 FIG. 3 is a configuration diagram for explaining the configuration of the second embodiment of the cooling system for a fuel cell according to the present invention, in which a thermostat valve is used for the first and second valves.
図3において、燃料電池スタック1は、固体高分子電解質を用いた燃料電池セルが複数積層された燃料電池スタックである。ラジエータ2は、冷却液と外気との熱交換により冷却液を放熱する熱交換器である。燃料電池スタック1とラジエータ2とは、冷却液のメイン流路3により環状に接続され、メイン流路3上に配置された冷却液ポンプ4により冷却液を循環させて、燃料電池スタック1を冷却可能となっている。冷却液は、例えば、エチレングリコール等の融点降下剤の水溶液を用い、燃料電池システムの使用環境では冷却液が凍結しないように融点降下剤の濃度が調整されている。
In FIG. 3, a
第一バイパス流路5は、ラジエータ2をバイパスする流路である。第一サーモスタットバルブ17は、温度により自動的に流路が切り替わる三方弁であり、第一バイパス流路5とラジエータ2を経由する流路とを切り替え可能となっている。第一バイパス流路5上には、例えば電気ヒータや水素燃焼装置等による加熱装置6が設けられ、第一バイパス流路5を通過する冷却液を加熱可能となっている。第一サーモスタットバルブ17は、たとえば50〜60度℃以上で第一バイパス流路5からラジエータ2を経由する流路に流路を切り替える温度特性を有している。
The
図4は、第一サーモスタットバルブ17に用いるサーモスタットバルブの構造例を示す模式断面図であり、(a)高温時、(b)切り替わり時、(c)低温時をそれぞれ示す。このサーモスタットバルブは、汎用のワックス式サーモスタットバルブと特に変わった点はないバルブである。ワックス容器103の内部には、上記切り替わり温度に融点を持つワックス、合成ゴムのスリーブ、スリーブの中央にピストンが組み込まれている。またワックス容器103を下方に付勢する図示しないバネが設けられている。 FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing an example of the structure of a thermostat valve used in the first thermostat valve 17, and shows (a) high temperature, (b) switching, and (c) low temperature. This thermostat valve is not different from a general-purpose wax-type thermostat valve. Inside the wax container 103, a wax having a melting point at the switching temperature, a synthetic rubber sleeve, and a piston are incorporated in the center of the sleeve. A spring (not shown) that biases the wax container 103 downward is provided.
図4(a)の高温状態では、ワックスが融けて体積が膨張し、バネの力に抗してピストンをワックス容器103から押し出すことにより相対的にワックス容器103が上方へ移動し、ラジエータと冷却液ポンプとの間の弁101流路を開き、第一バイパス流路側の弁102を閉じる。
In the high temperature state of FIG. 4A, the wax melts and the volume expands, and the wax container 103 moves relatively upward by pushing the piston out of the wax container 103 against the force of the spring, and the radiator and the cooling are performed. The
図4(c)の低温時には、ワックスが固まるので体積が縮小し、バネの力によりピストンがワックス容器103へ押し込まれることにより相対的にワックス容器103が下方へ移動し、第一バイパス流路と冷却液ポンプとの間の弁102を開き、ラジエータ側の弁101を閉じる。
At the low temperature in FIG. 4 (c), the volume of the wax is reduced because the wax is solidified, and the piston is pushed into the wax container 103 by the force of the spring, so that the wax container 103 relatively moves downward, and the first bypass flow path The
第二バイパス流路8は、燃料電池スタック1をバイパスする流路である。第二サーモスタットバルブ19は、温度により自動的に流路が切り替わる三方弁であり、第二バイパス流路8と燃料電池スタック1を経由する流路とを切り替える。第二サーモスタットバルブ19は、たとえば10〜20度℃以上で第一バイパス流路5からラジエータ2を経由する流路に流路を切り替える温度特性を有している。
The second bypass channel 8 is a channel that bypasses the
図5は、第二サーモスタットバルブ19に用いるサーモスタットバルブの構造例を示す模式断面図であり、(a)高温時、(b)切り替わり時、(c)低温時をそれぞれ示す。このサーモスタットバルブは、図4に示したサーモスタットバルブの弁101にオリフィス穴105を追加した構造である。その他の構造は、図4と同様であるが、ワックスの融点温度が第一サーモスタットバルブより低いたとえば10〜20度℃に設定されている。第二サーモスタットバルブは、ワックス融点温度より低い低温時にワックス容器103が弁101を閉止しているときでも、オリフィス穴105により燃料電池スタック1から第一バイパス流路とラジエータ側流路との接続点方向へ少量の流量が漏れ出る特性を備えている。
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a structural example of a thermostat valve used in the second thermostat valve 19, and shows (a) at a high temperature, (b) at the time of switching, and (c) at a low temperature. This thermostat valve has a structure in which an
冷却液温度が氷点下以下など燃料電池スタックの運転温度より低い場合の起動時、第一サーモスタットバルブ17では、第一バイパス流路5側に切り替わっており、第二サーモスタットバルブ19は第二バイパス流路8側に切り替わっている。
At start-up when the coolant temperature is lower than the operating temperature of the fuel cell stack, such as below the freezing point, the first thermostat valve 17 is switched to the first
よって冷却液は、第一バイパス流路5と冷却液ポンプ4と第二バイパス流路8との間を循環する。起動後、加熱装置6は燃料電池スタック1から電源を供給され、冷却液を序々に加熱する。燃料電池スタック1内の冷却液は起動と同時に発電を開始することで、燃料電池自体の発電で昇温が始まる。
Therefore, the coolant circulates among the
第二サーモスタットバルブ19のオリフィス穴105は、弁101が閉止時にも最小限流量の冷却液(たとえば氷点下以下で冷却液がエチレングリコールなどの場合粘度が増加するがその状態において1[L/min]以上5[L/min]以下が望ましい)が流れるような大きさに設定されている。第二サーモスタットバルブ19は、第二バイパス流路8の冷却液温度が上昇するとともにワックスが温まり、燃料電池を運転する下限温度になった時点でバルブが燃料電池スタック側に切り替わり始める。
The
また第二サーモスタットバルブ19で燃料電池スタック1からの冷却液も最小限流れる構造となっていることから、少量の冷却液が燃料電池スタック1内を通って第二サーモスタットバルブ19内で合流されるため、燃料電池スタック1が第2バイパス流路8よりも先に昇温した場合でも第二サーモスタットバルブ19が切り替わることができ、燃料電池スタック1の過熱を防止することができる。冷却液温度がスタック運転温度の下限を超えたところで、第二サーモスタットバルブ19は完全に燃料電池スタック1側に切り替わり、燃料電池スタック1内を多くの冷却液が循環する。スタック運転温度の上限を超えると、第一サーモスタットバルブ17がラジエータ2側に開き始めるので、ラジエータ2で冷却液を冷却することができる。
In addition, since the coolant from the
本実施例2によれば、サーモスタットバルブをバイパス流路の合流部に設置したことにより、電子制御バルブ、温度センサ、制御演算装置など複雑で高コスト部品を使用することなく、低温時のスタック起動を効率よく行えることができる。特に第二サーモスタットバルブは、燃料電池スタックの下流側に設置したことで、第一、第二バイパス流路を循環させた加熱装置で昇温された冷却液の温度を検知し、燃料電池スタック運転温度の下限にまで上昇した際にバルブが少しずつ開き始めるが、燃料電池スタック側の冷却液温度がまだ十分に上昇していない場合は、開き始めると同時に冷たい冷却液が混ざり、バルブが急激に開くということが起こらない。よって燃料電池スタックに急激な温度変化をもたらすことがなく、燃料電池スタックの強度に影響をあたえることがない。 According to the second embodiment, the thermostat valve is installed at the junction of the bypass flow path, so that the stack is activated at a low temperature without using complicated and expensive components such as an electronic control valve, a temperature sensor, and a control arithmetic device. Can be performed efficiently. In particular, the second thermostat valve is installed on the downstream side of the fuel cell stack, so that the temperature of the coolant raised by the heating device circulating through the first and second bypass passages is detected and the fuel cell stack is operated. When the temperature reaches the lower limit of the temperature, the valve begins to open gradually, but if the coolant temperature on the fuel cell stack side has not yet risen sufficiently, cold coolant will mix as soon as it begins to open and the valve will suddenly It doesn't happen to open. Therefore, a rapid temperature change is not caused to the fuel cell stack, and the strength of the fuel cell stack is not affected.
図6は、本発明に係る燃料電池の冷却システムの実施例3の構成を説明するシステム構成図である。第一サーモスタットバルブ17、第二サーモスタットバルブ29は、図4に示した一般的なサーモスタットバルブを使用することができる。 FIG. 6 is a system configuration diagram illustrating the configuration of a third embodiment of the cooling system for a fuel cell according to the present invention. As the first thermostat valve 17 and the second thermostat valve 29, the general thermostat valve shown in FIG. 4 can be used.
実施例3では、実施例2に対し、第二サーモスタットバルブ29にはオリフィス穴を設けずに、第二サーモスタットバルブ29の燃料電池スタック1の接続部と第一バイパス流路5の接続部との間に、並列に第三サーモスタットバルブ31を設け、第3サーモスタットバルブにオリフィス穴を設けている。
In the third embodiment, compared to the second embodiment, the second thermostat valve 29 is not provided with an orifice hole, and the connection portion of the
図7は、第三サーモスタットバルブ31に用いるサーモスタットバルブの一例を示す模式断面図であり、(a)高温時、(b)切り替わり時、(c)低温時をそれぞれ示す。図7(a)の高温時には、第三サーモスタットバルブは全開となり、図7(c)の低温時には、ワックス容器103が弁101を閉止しているが、オリフィス穴105を介して少量の流量が第三サーモスタットバルブを通過可能である。このオリフィス穴105を通過する流量は、たとえば氷点下以下で冷却液がエチレングリコールなどの場合粘度が増加するがその状態において1[L/min]以上5[L/min]以下になることが望ましい。
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing an example of a thermostat valve used for the third thermostat valve 31, and shows (a) high temperature, (b) switching, and (c) low temperature. When the temperature shown in FIG. 7A is high, the third thermostat valve is fully opened. When the temperature shown in FIG. 7C is low, the wax container 103 closes the
冷却液が氷点下などの場合、第一サーモスタットバルブ17及び第二サーモスタットバルブ29は、それぞれ第一バイパス流路5側、第二バイパス流路8側に切り替わっている。この状態で、冷却液ポンプ4の起動及び加熱装置6の加熱を開始し、燃料電池スタック1の発電を開始すると、冷却液ポンプ4、第二バイパス流路8、第一バイパス流路5を冷却液が循環し、加熱装置6で冷却液が暖められるとともに、燃料電池スタック1と冷却液との間で熱交換が始まる。また、第三サーモスタットバルブ31のオリフィス穴により、最小限の冷却液が燃料電池スタック1内を流れる。第二バイパス流路8より先に燃料電池スタック1の方が昇温した場合や、加熱装置6が無い場合、また加熱装置6の容量が少ない場合、加熱装置6が故障して働かない場合や、第三サーモスタットバルブ31に流れる冷却液量がごく少量であった場合などでも、昇温した場合に、第三サーモスタットバルブ31が開き、第二サーモスタットバルブ29の開度にかかわらず、燃料電池スタック1に多くの冷却液を循環開始するようになる。
When the coolant is below freezing point, the first thermostat valve 17 and the second thermostat valve 29 are switched to the first
尚、実施例2の第二サーモスタットバルブ19(図5)の場合には、第二バイパス流路8からの冷却液温度がワックスに対して支配的となり、第二バイパス流路8より先に燃料電池スタック1からの冷却温度が昇温した場合であっても、第二サーモスタットバルブ19は燃料電池スタック側に切り替わらない。
In the case of the second thermostat valve 19 (FIG. 5) of the second embodiment, the coolant temperature from the second bypass passage 8 becomes dominant with respect to the wax, and the fuel is ahead of the second bypass passage 8. Even when the cooling temperature from the
本実施例3によれば、起動直後から登坂など燃料電池スタックの発電を大きくする場合や、大容量の加熱装置を搭載することができない場合など、燃料電池スタックの昇温が早く、加熱装置を循環するバイパス流路の昇温が遅い場合、実施例2の構成は、燃料電池システムによっては、燃料電池スタックからの冷却液流量が流れる程度の最小限にしか流れていないので、燃料電池スタックの冷却が必要になる温度にまで上昇しても、第二バイパス流路の冷却液温度が十分に上昇せず、第二サーモスタットバルブが燃料電池スタック側に切り替わる時間が遅くなってしまう場合がある。 According to the third embodiment, when the power generation of the fuel cell stack is increased immediately after startup, such as when the power generation of the fuel cell stack is increased, or when a large-capacity heating device cannot be mounted, the heating of the fuel cell stack is fast, In the case where the temperature of the circulating bypass passage is slow, the configuration of the second embodiment has a minimum flow rate of the coolant flow from the fuel cell stack depending on the fuel cell system. Even if the temperature rises to a temperature that requires cooling, the coolant temperature in the second bypass passage may not rise sufficiently, and the time for the second thermostat valve to switch to the fuel cell stack side may be delayed.
実施例3の構成にすることで、燃料電池スタックの方が第二バイパス流路より先に昇温した場合でも、第二サーモスタットバルブが切り替わる前に第三サーモスタットバルブが先に開弁し、より早く燃料電池スタックの冷却を開始させることができ、効率よい発電を行うことができる。 By adopting the configuration of Example 3, even when the temperature of the fuel cell stack is raised before the second bypass flow path, the third thermostat valve is opened first before the second thermostat valve is switched. Cooling of the fuel cell stack can be started quickly, and efficient power generation can be performed.
1:燃料電池スタック
2:ラジエータ
3:メイン流路
4:冷却液ポンプ
5:第一バイパス流路
6:加熱装置
7:第一電子制御バルブ
8:第二バイパス流路
9:第二電子制御バルブ
10:第一温度センサ
11:第二温度センサ
17:第一サーモスタットバルブ
19:第二サーモスタットバルブ
1: Fuel cell stack 2: Radiator 3: Main flow path 4: Coolant pump 5: First bypass flow path 6: Heating device 7: First electronic control valve 8: Second bypass flow path 9: Second electronic control valve 10: first temperature sensor 11: second temperature sensor 17: first thermostat valve 19: second thermostat valve
Claims (4)
ラジエータをバイパスするとともに加熱装置を備える第一バイパス流路と、
燃料電池スタックをバイパスする第二バイパス流路と、
第一バイパス流路とラジエータを経由する流路とを切り替える第一バルブと、
第二バイパス流路と燃料電池スタックを経由する流路との流量比を制御する第二バルブと、を備え、
燃料電池スタックを低温から起動する際、第一バルブを第一バイパス流路側に開くとともに、第二バルブが制御する流量比を第二バイパス流路側を多く燃料電池スタック側に少なくした状態で、燃料電池スタックの発電と、冷却液ポンプ及び加熱装置の起動を行い、
第二バイパス流路と燃料電池スタックとの何れか一方が所定温度になった時点で、第二バルブの全流量を燃料電池スタック側とすることを特徴とする燃料電池の冷却システム。 In a fuel cell cooling system for cooling a fuel cell by circulating a coolant between a polymer electrolyte fuel cell stack and a radiator by a coolant pump,
A first bypass flow path that bypasses the radiator and includes a heating device;
A second bypass flow path for bypassing the fuel cell stack;
A first valve for switching between the first bypass flow path and the flow path via the radiator;
A second valve for controlling a flow rate ratio between the second bypass flow path and the flow path passing through the fuel cell stack,
When starting the fuel cell stack from a low temperature, the first valve is opened to the first bypass channel side, and the flow rate ratio controlled by the second valve is increased in the second bypass channel side and reduced to the fuel cell stack side. Power generation of the battery stack and startup of the coolant pump and heating device,
A fuel cell cooling system, characterized in that when either one of the second bypass channel and the fuel cell stack reaches a predetermined temperature, the total flow rate of the second valve is set to the fuel cell stack side.
前記第二バルブは、第二電子制御バルブであり、
第一温度センサを第二バイパス流路に設置し、
第二温度センサを燃料電池スタック出口から第二バイパス流路に合流するまでの間に設置したことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池の冷却システム。 The first valve is a first electronic control valve;
The second valve is a second electronic control valve;
Install the first temperature sensor in the second bypass flow path,
2. The fuel cell cooling system according to claim 1, wherein the second temperature sensor is installed between the outlet of the fuel cell stack and the second bypass flow path.
前記第二バルブは、運転温度の下限を上回ると燃料電池スタック側に開度が切り替わる第二サーモスタットバルブであり、
第二サーモスタットバルブは、燃料電池スタック側への少量の漏れ流量を有し、
燃料電池スタックを低温から起動する際、燃料電池スタックの発電と、冷却液ポンプ及び加熱装置の起動を行うと、冷却液は、第一バイパス流路と第二バイパス流路を大部分循環しつつ、そのうち一部が燃料電池スタックを通り、
第二バイパス流路と燃料電池スタックを経由する流路の何れか一方が運転温度の下限を上回ると、自動的に第二サーモスタットバルブの全流量が燃料電池スタック側になることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池の冷却システム。 The first valve is a first thermostat valve whose opening degree is switched to the radiator side when the upper limit of the operating temperature is exceeded,
The second valve is a second thermostat valve whose opening is switched to the fuel cell stack side when the lower limit of the operating temperature is exceeded,
The second thermostat valve has a small amount of leakage flow to the fuel cell stack side,
When the fuel cell stack is started from a low temperature, when the power generation of the fuel cell stack and the coolant pump and the heating device are started, the coolant is circulated mostly through the first bypass channel and the second bypass channel. , Some of which pass through the fuel cell stack,
When either one of the second bypass flow path and the flow path passing through the fuel cell stack exceeds a lower limit of the operating temperature, the total flow rate of the second thermostat valve automatically becomes the fuel cell stack side. Item 4. The fuel cell cooling system according to Item 1.
前記第二バルブは、運転温度の下限を上回ると燃料電池スタック側に開度が切り替わる第二サーモスタットバルブであり、
第二サーモスタットバルブの燃料電池スタック側とラジエータ側との間をバイパスする第三バイパス流路と、運転温度の下限を上回ると第三バイパス流路を全開とするとともに全閉のときにも少量の漏れ流量を有する第三サーモスタットバルブと、を更に備え、
燃料電池スタックを低温から起動する際、燃料電池スタックの発電と、冷却液ポンプ及び加熱装置の起動を行うと、冷却液は、第一バイパス流路と第二バイパス流路を大部分循環しつつ、そのうち一部が燃料電池スタックを通り、
第二バイパス流路と燃料電池スタックを経由する流路の何れか一方が運転温度の下限を上回ると、第二サーモスタットバルブの全流量が燃料電池スタック側になるか、或いは第三サーモスタットバルブが全開となることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池の冷却システム。 The first valve is a first thermostat valve whose opening degree is switched to the radiator side when the upper limit of the operating temperature is exceeded,
The second valve is a second thermostat valve whose opening is switched to the fuel cell stack side when the lower limit of the operating temperature is exceeded,
A third bypass passage that bypasses between the fuel cell stack side and the radiator side of the second thermostat valve, and when the lower limit of the operating temperature is exceeded, the third bypass passage is fully opened and a small amount when fully closed. A third thermostat valve having a leakage flow rate,
When the fuel cell stack is started from a low temperature, when the power generation of the fuel cell stack and the coolant pump and the heating device are started, the coolant is circulated mostly through the first bypass channel and the second bypass channel. , Some of which pass through the fuel cell stack,
If either the second bypass flow path or the flow path passing through the fuel cell stack exceeds the lower limit of the operating temperature, the total flow rate of the second thermostat valve becomes the fuel cell stack side or the third thermostat valve is fully opened. The fuel cell cooling system according to claim 1, wherein
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Legal Events
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20090225 |
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A761 | Written withdrawal of application |
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