JP2008277017A - Heat exchange system and fuel cell - Google Patents

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Yasushi Araki
康 荒木
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To efficiently carry out heat and electricity supply in a heat exchange system equipped with a fuel cell and a heater unit. <P>SOLUTION: In the heat exchange system 100, cooling water is circulated among a low temperature type fuel cell stack 20 operated in a low temperature region and having high power generation efficiency, a high temperature type fuel cell stack 30 operated in a high temperature region and having high heat recovery efficiency, and the heater unit 90 for heating equipped with a heat pump 94 as a heat source assist mechanism. In an operation control unit 60 of the heat exchange system 100, by controlling the low temperature type fuel cell stack 20 according to the power output demand of the heater unit 90, the inlet temperature of the cooling water in the heater unit 90 is controlled so as to become hot simultaneously with elevating the temperature of the cooling water supplied from the low temperature type fuel cell stack 20 to the high temperature type fuel cell stack 30. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、熱源を有し、該熱源からの熱を熱交換するヒータユニットを備えた熱交換システムに関する。   The present invention relates to a heat exchange system including a heat source and a heater unit that exchanges heat from the heat source.

燃料電池では、電気化学反応により生じた電気エネルギーの他に、排熱をエネルギーとして利用することが可能である。このように電気エネルギーと熱エネルギーとを利用する技術としては、種々のものが開発されている。例えば、下記の特許文献1は、燃料電池の排熱を利用しつつ、不足する熱量を電気エネルギーにより補う熱電併給システムを開示している。   In a fuel cell, waste heat can be used as energy in addition to electrical energy generated by an electrochemical reaction. As described above, various techniques using electric energy and thermal energy have been developed. For example, Patent Document 1 below discloses a combined heat and power supply system that supplements a shortage of heat with electric energy while utilizing exhaust heat of a fuel cell.

特開平7−65849号公報JP-A-7-65849

上述の熱電併給システムの具体例として、例えば、車両の車室内の暖房を行うための、ヒータコアとヒートポンプを備えたヒータユニットがある。このようなヒータユニットでは、ヒータコアで燃料電池冷却水と送風空気とを熱交換して暖房用の温風を発生させるが、ヒータコアのみでは必要な暖房能力が得られない場合には、電気エネルギーを用いて、ヒートポンプが補助することにより、暖房能力の向上が図られる。   As a specific example of the above-described combined heat and power system, for example, there is a heater unit including a heater core and a heat pump for heating a passenger compartment of a vehicle. In such a heater unit, the fuel cell cooling water and the blown air are heat-exchanged in the heater core to generate warm air for heating, but if the heater core alone cannot provide the required heating capacity, electric energy is supplied. By using the heat pump, the heating capacity is improved.

ここで、燃料電池が固体高分子形燃料電池である場合、高出力を得られる作動温度域が一般的には80℃前後であることから、ヒータユニットでの熱交換に供される燃料電池冷却水は、例えば75℃程度となる。この場合、上述のヒータユニットの例では、ヒートコアで75℃程度の燃料電池冷却水と熱交換が行われることとなる。一方、同様のヒータユニットがエンジン車両に搭載された場合、ヒートコアでは、120℃程度のエンジン冷却水と熱交換が行われる。したがって、固形高分子燃料電池を搭載した燃料電池車では、エンジン車と比べて、ヒータコアでの熱交換効率が低いといえる。   Here, when the fuel cell is a polymer electrolyte fuel cell, the operating temperature range in which a high output can be obtained is generally around 80 ° C., so that the fuel cell cooling used for heat exchange in the heater unit is performed. Water becomes, for example, about 75 ° C. In this case, in the example of the heater unit described above, heat exchange is performed with the fuel cell coolant at about 75 ° C. in the heat core. On the other hand, when a similar heater unit is mounted on an engine vehicle, the heat core exchanges heat with engine coolant at about 120 ° C. Therefore, it can be said that the fuel cell vehicle equipped with the solid polymer fuel cell has lower heat exchange efficiency in the heater core than the engine vehicle.

このように、固形高分子形燃料電池を用いたヒータユニットにおいては、燃料電池の排熱温度が低いことに起因して、ヒートポンプの補助負担が大きくなり、熱源にエンジン等の熱機関を用いる場合と比べて、燃料効率が低くなってしまうという問題があった。この問題は、ヒータユニットで相当量の熱量が必要となる場合、例えば、車両の運転開始時などに急速暖房を行う場合などには、特に顕著であった。   Thus, in a heater unit using a polymer electrolyte fuel cell, when the exhaust heat temperature of the fuel cell is low, the auxiliary burden of the heat pump increases, and a heat engine such as an engine is used as the heat source. As a result, there is a problem that the fuel efficiency is lowered. This problem is particularly noticeable when a considerable amount of heat is required in the heater unit, for example, when rapid heating is performed at the start of vehicle operation or the like.

かかる問題は、上述の固形高分子形燃料電池を搭載した燃料電池車の暖房用ヒータユニットに限るものではない。低温域で作動する燃料電池と、当該燃料電池の排熱や発電による電力エネルギーを利用して温風や温水を発生させるヒータユニットとを備えた熱交換システムに共通する問題となっていた。   Such a problem is not limited to the heater unit for heating a fuel cell vehicle equipped with the above-described polymer electrolyte fuel cell. This is a problem common to a heat exchange system including a fuel cell that operates in a low-temperature region and a heater unit that generates hot air or hot water using exhaust heat of the fuel cell or electric power energy generated by power generation.

上述の問題を考慮し、本発明が解決しようとする課題は、燃料電池とヒータユニットとを備えた熱交換システムの効率を高くすることにある。   In view of the above problems, the problem to be solved by the present invention is to increase the efficiency of a heat exchange system including a fuel cell and a heater unit.

上記課題を解決する本発明の熱交換システムは、
熱源を有し、該熱源からの熱を熱交換するヒータユニットを備えた熱交換システムであって、
前記熱源は、所定温度領域で発電する第1の燃料電池と、該第1の燃料電池より発電時の作動温度が高い温度領域にある第2の燃料電池とからなり、更に、
前記第1、第2の燃料電池及び前記ヒータユニットに冷却媒体を供給して、前記第1、第2の燃料電池で発生した熱を前記ヒータユニットにおける前記熱交換に供する冷却媒体供給機構と、
前記ヒータユニットを流れる前記冷却媒体の温度に基づいて、少なくとも前記第1の燃料電池または前記第2の燃料電池を制御する運転制御ユニットと
を備えたことを要旨とする。
The heat exchange system of the present invention that solves the above problems is as follows.
A heat exchange system having a heat source and a heater unit for exchanging heat from the heat source,
The heat source includes a first fuel cell that generates power in a predetermined temperature region, and a second fuel cell in a temperature region in which an operating temperature during power generation is higher than that of the first fuel cell.
A cooling medium supply mechanism that supplies a cooling medium to the first and second fuel cells and the heater unit, and supplies heat generated in the first and second fuel cells to the heat exchange in the heater unit;
The present invention is characterized in that it comprises at least an operation control unit that controls the first fuel cell or the second fuel cell based on the temperature of the cooling medium flowing through the heater unit.

かかる構成の熱交換システムは、運転制御ユニットが、ヒータユニットを流れる冷却媒体の温度に基づいて、少なくとも第1の燃料電池または第2の燃料電池を制御する。したがって、第1の燃料電池に、所定温度領域で作動する、発電効率が高いタイプ、第2の燃料電池に、高温域で作動する、排熱温度が高いタイプを用いれば、ヒータユニットの状況に応じて、効率的な熱電供給を行うことができる。   In the heat exchange system having such a configuration, the operation control unit controls at least the first fuel cell or the second fuel cell based on the temperature of the cooling medium flowing through the heater unit. Therefore, if the first fuel cell is a type that operates in a predetermined temperature range and has a high power generation efficiency, and the second fuel cell is a type that operates in a high temperature range and has a high exhaust heat temperature, the situation of the heater unit can be obtained. Accordingly, efficient thermoelectric supply can be performed.

また、かかる構成の熱交換システムにおいて、冷却媒体供給機構は、第1の燃料電池を冷却する冷却路を流れた後、第2の燃料電池の冷却路を流れた冷却媒体を、ヒータユニットに供給して熱交換に供した後、第1の燃料電池に循環させるものとしてもよい。このような構成とすれば、ヒータユニットでの熱交換により低い温度となった冷却媒体が、第1の燃料電池で暖められた後に、第1の燃料電池よりも高温で作動する第2の燃料電池に供給されるので、第2の燃料電池が冷却媒体により過度に冷却されることがない。したがって、熱回収効率の高い第2の燃料電池を高温側で安定的に作動させることができる。また、冷却媒体供給機構は、第1の燃料電池と第2の燃料電池の2段階で熱を回収した高温の冷却媒体をヒータユニットに供給するので、効率的に利用可能な熱エネルギーを供給できる。   In the heat exchange system configured as described above, the cooling medium supply mechanism supplies the cooling medium flowing through the cooling path of the second fuel cell to the heater unit after flowing through the cooling path for cooling the first fuel cell. Then, after being subjected to heat exchange, the first fuel cell may be circulated. With such a configuration, the second fuel that operates at a higher temperature than the first fuel cell after the cooling medium that has become a low temperature due to heat exchange in the heater unit is warmed by the first fuel cell. Since it is supplied to the battery, the second fuel cell is not excessively cooled by the cooling medium. Therefore, the second fuel cell having high heat recovery efficiency can be stably operated on the high temperature side. In addition, the cooling medium supply mechanism supplies the heater unit with a high-temperature cooling medium from which heat has been recovered in two stages of the first fuel cell and the second fuel cell, so that the heat energy that can be efficiently used can be supplied. .

また、かかる構成の熱交換システムにおいて、第2の燃料電池における冷却媒体の出口と入口との温度差は、第1の燃料電池における冷却媒体の出口と入口との温度差よりも大きいものとしてもよい。このような構成とすれば、第1の燃料電池では、狭い温度域で作動することとなるので、安定的かつ効率的な発電を行える。また、第2の燃料電池では、広い温度域で作動することとなるので、熱回収量を大きくとれる。したがって、互いの特長を活かした効率的な熱電供給が可能となる。   In the heat exchange system configured as described above, the temperature difference between the outlet and the inlet of the cooling medium in the second fuel cell may be larger than the temperature difference between the outlet and the inlet of the cooling medium in the first fuel cell. Good. With such a configuration, the first fuel cell operates in a narrow temperature range, so that stable and efficient power generation can be performed. Further, since the second fuel cell operates in a wide temperature range, the heat recovery amount can be increased. Therefore, efficient thermoelectric supply utilizing each other's features becomes possible.

また、かかる構成の熱交換システムにおいて、ヒータユニットは、熱交換による回収熱量が必要な熱量に対して不足する場合に、不足する熱量を補助するアシスト機構を備えたものとしてもよい。このような構成とすれば、第1の燃料電池との組合せにより効率的に立ち上がった第2の燃料電池が、効率的に利用可能な熱エネルギーをヒータユニットに供給するので、早期に、アシスト機構の負荷を低減、または停止することができる。したがって、熱交換システムの燃費を向上できる。   In the heat exchanging system having such a configuration, the heater unit may include an assist mechanism that assists the insufficient amount of heat when the amount of heat recovered by heat exchange is insufficient with respect to the necessary amount of heat. With such a configuration, the second fuel cell that has risen efficiently due to the combination with the first fuel cell supplies heat energy that can be efficiently used to the heater unit. Can be reduced or stopped. Therefore, the fuel efficiency of the heat exchange system can be improved.

また、かかる構成の熱交換システムにおいて、アシスト機構は、少なくとも第1の燃料電池で発生した電力を利用して、不足する熱量を補助する機構であり、運転制御ユニットは、アシスト機構の電力出力要求の変動に対して、第1の燃料電池の出力を変化させて対応するものとしてもよい。このような構成とすれば、効率的な発電を行える第1の燃料電池がアシスト機構の電力出力要求の変動に対応するので、効率的な熱電供給が行える。また、アシスト機構の電力出力要求が、熱交換システムの立ち上げ時に大きく、その後減少していく場合には、その電力出力要求の推移は、ヒータユニットに供給される冷却媒体の温度をコントロールするために第1の燃料電池に求められる運転の推移と適合する。したがって、効率的な熱電供給を行うことができる。   Further, in the heat exchange system having such a configuration, the assist mechanism is a mechanism that assists the insufficient amount of heat using at least the electric power generated in the first fuel cell, and the operation control unit is configured to request the power output of the assist mechanism. The output of the first fuel cell may be changed to cope with the fluctuation. With such a configuration, since the first fuel cell capable of efficient power generation responds to fluctuations in the power output request of the assist mechanism, efficient thermoelectric supply can be performed. If the power output requirement of the assist mechanism is large when the heat exchange system is started up and then decreases, the transition of the power output requirement controls the temperature of the cooling medium supplied to the heater unit. This is compatible with the transition of operation required for the first fuel cell. Therefore, efficient thermoelectric supply can be performed.

また、かかる構成の熱交換システムにおいて、第1の燃料電池及び第2の燃料電池は、固形高分子形燃料電池としてもよい。このような構成とすれば、比較的低温領域で作動する固形高分子形燃料電池においても、高温の排熱を供給して、効率的な熱電供給を行うことができる。   In the heat exchange system having such a configuration, the first fuel cell and the second fuel cell may be solid polymer fuel cells. With such a configuration, even in a polymer electrolyte fuel cell that operates in a relatively low temperature region, it is possible to supply high-temperature exhaust heat and perform efficient thermoelectric supply.

また、かかる構成の熱交換システムにおいて、第1の燃料電池に供給された酸化ガスの排ガスを、第2の燃料電池に酸化反応用として供給する酸化ガス流路を備えたものとしてもよい。このような構成とすれば、第1の燃料電池における燃料電池反応で生成された水により加湿された酸化ガスが、高温で作動し、乾きやすい第2の燃料電池に供給されるので、第2の燃料電池のドライアップを抑制し、安定的に作動することができる。   Further, the heat exchange system having such a configuration may include an oxidizing gas flow path for supplying the oxidizing gas exhaust gas supplied to the first fuel cell to the second fuel cell for the oxidation reaction. With such a configuration, the oxidizing gas humidified by the water generated by the fuel cell reaction in the first fuel cell operates at a high temperature and is supplied to the second fuel cell that is easy to dry. It is possible to suppress the dry-up of the fuel cell and to operate stably.

また、かかる構成の熱交換システムにおいて、運転制御ユニットは、第1の燃料電池が停止し、第2の燃料電池が稼働している状態において、ヒータユニットが必要な熱量が所定値以下になったとき、第2の燃料電池における冷却媒体の出口と入口の温度差が所定値以下となるように制御するものとしてもよい。このような構成とすれば、第1の燃料電池が停止し、ヒータユニットで必要な熱量が所定値以下になったとき、第2の燃料電池における冷却媒体の出口と入口の温度差が小さくなるように制御するので、第2の燃料電池の作動温度域が狭くなることで、運転が安定し、効率的な熱電供給を行うことができる。   Further, in the heat exchange system configured as described above, the operation control unit is configured such that when the first fuel cell is stopped and the second fuel cell is in operation, the amount of heat required for the heater unit becomes a predetermined value or less. At this time, the temperature difference between the outlet and the inlet of the cooling medium in the second fuel cell may be controlled to be a predetermined value or less. With such a configuration, when the first fuel cell is stopped and the amount of heat necessary for the heater unit becomes a predetermined value or less, the temperature difference between the outlet and the inlet of the cooling medium in the second fuel cell becomes small. Thus, the operation temperature range of the second fuel cell is narrowed, so that the operation is stabilized and efficient thermoelectric supply can be performed.

また、本発明の熱交換システムに用いる燃料電池は、
第2の燃料電池の内部を流れる冷却媒体の流路は、所定の一方向に向かって形成され、所定の一方向に沿って形成された温度分布により生じる第2の燃料電池を構成する部材の厚みの変化を、第2の燃料電池を構成する積層体の積層面に沿って吸収可能な構造体を用いて締結したことを要旨とする。
The fuel cell used in the heat exchange system of the present invention is
The flow path of the cooling medium flowing inside the second fuel cell is formed in a predetermined one direction, and is a member of the second fuel cell that is generated by the temperature distribution formed along the predetermined one direction. The gist is that the change in thickness is fastened using a structure that can absorb the laminated surface of the laminated body constituting the second fuel cell.

あるいは、第2の燃料電池の内部を流れる冷却媒体の流路は、所定の一方向に向かって形成され、所定の一方向に沿って形成された温度分布により生じる第2の燃料電池を構成する部材の厚みの変化に応じて、第2の燃料電池の締結荷重を、温度分布の低温側で大きくなるように変化させる手段を備えたことを要旨とする。   Alternatively, the flow path of the cooling medium flowing inside the second fuel cell is formed in a predetermined direction, and constitutes the second fuel cell generated by the temperature distribution formed along the predetermined direction. The gist is that a means for changing the fastening load of the second fuel cell so as to increase on the low temperature side of the temperature distribution according to the change in the thickness of the member is provided.

かかる構成の燃料電池は、熱回収効率が高い、すなわち、冷却媒体の出入口の温度差が大きい場合であっても、所定の一方向に形成された温度分布により生じる燃料電池を構成する部材の厚みの変化を吸収できる。あるいは、部材の厚みの変化に応じて、燃料電池の締結荷重を、前記温度分布の低温側で大きくなるように変化させる。したがって、燃料電池を構成する各積層体の面圧の偏重を緩和し、燃料ガス等の漏洩を抑制できる。   The fuel cell having such a configuration has high heat recovery efficiency, that is, even when the temperature difference between the inlet and outlet of the cooling medium is large, the thickness of the members constituting the fuel cell generated by the temperature distribution formed in a predetermined direction. Can absorb changes. Or according to the change of the thickness of a member, the fastening load of a fuel cell is changed so that it may become large in the low temperature side of the said temperature distribution. Therefore, it is possible to alleviate the uneven surface pressure of each laminate constituting the fuel cell and suppress the leakage of fuel gas and the like.

本発明の実施例について、以下の手順で説明する。
A.熱交換システムの構成:
B.熱交換システムの運転:
C.高温型燃料電池スタックの構成:
An embodiment of the present invention will be described in the following procedure.
A. Heat exchange system configuration:
B. Operation of the heat exchange system:
C. Configuration of high-temperature fuel cell stack:

A.熱交換システムの構成:
図1は、本発明の実施例としての熱交換システム100の概略構成を示す説明図である。本実施例の熱交換システム100は、燃料電池車に搭載された暖房用ヒータユニットに燃料電池反応の排熱及び電気エネルギーを供給するためのシステムであり、駆動系の燃料電池システムとは別に設置された燃料電池を熱源とするものである。
A. Heat exchange system configuration:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a heat exchange system 100 as an embodiment of the present invention. The heat exchange system 100 of the present embodiment is a system for supplying exhaust heat and electric energy of a fuel cell reaction to a heater unit mounted on a fuel cell vehicle, and is installed separately from a drive system fuel cell system. The fuel cell is used as a heat source.

熱交換システム100は、燃料電池システム10とヒータユニット90とから構成される。ヒータユニット90は、燃料電池車に搭載された、車室内用の暖房システムであり、ヒータコア92とヒートポンプ94を備えている。ヒータコア92は、暖房のための送風空気を燃料電池システム10の排熱を回収した冷却水と熱交換を行い、温風を発生させるための熱交換器である。ヒートポンプ94は、上述のヒータコア92だけでは、暖房に必要な温風が十分に得られない場合に、燃料電池システム10で発電した電気エネルギーを用いて、補助的に熱を供給するヒートポンプシステムであり、図示しない蒸発器、凝縮器、コンプレッサなどを備えている。なお、本実施例においては、ヒータコア92の熱源アシスト機構として、ヒートポンプ94を用いたが、これに限られるものではない。電熱ヒータなど、種々の熱源装置が利用できる。   The heat exchange system 100 includes a fuel cell system 10 and a heater unit 90. The heater unit 90 is a vehicle interior heating system mounted on a fuel cell vehicle, and includes a heater core 92 and a heat pump 94. The heater core 92 is a heat exchanger for generating hot air by exchanging heat between the air blown for heating and the cooling water that has recovered the exhaust heat of the fuel cell system 10. The heat pump 94 is a heat pump system that supplementarily supplies heat using the electric energy generated by the fuel cell system 10 when the above-described heater core 92 alone does not provide sufficient hot air necessary for heating. Equipped with an evaporator, a condenser, a compressor, etc. (not shown). In the present embodiment, the heat pump 94 is used as the heat source assist mechanism of the heater core 92, but is not limited thereto. Various heat source devices such as an electric heater can be used.

燃料電池システム10は、2種類の燃料電池スタック、すなわち、低温型燃料電池スタック20と、高温型燃料電池スタック30を備えている。また、燃料電池システム10は、低温型用水素供給機構22、低温型用水素排出機構24、高温型用水素供給機構32、高温型用水素排出機構34、冷却水循環機構40、空気供給機構52、空気排出機構54、運転制御ユニット60を備えている。   The fuel cell system 10 includes two types of fuel cell stacks, that is, a low temperature fuel cell stack 20 and a high temperature fuel cell stack 30. The fuel cell system 10 includes a low-temperature hydrogen supply mechanism 22, a low-temperature hydrogen discharge mechanism 24, a high-temperature hydrogen supply mechanism 32, a high-temperature hydrogen discharge mechanism 34, a cooling water circulation mechanism 40, an air supply mechanism 52, An air discharge mechanism 54 and an operation control unit 60 are provided.

これらの燃料電池システム10を構成する要素の内、まず、低温型燃料電池スタック20及び高温型燃料電池スタック30について説明する。これらは、いずれも固形高分子形の燃料電池スタックであり、複数積層された積層体アセンブリを、その両端からターミナル、インシュレータ、エンドプレートにより挟持して構成される。上述の積層体アセンブリは、触媒層及び撥水層を備えた電極、固形高分子部材の電解質膜、燃料ガス及び酸化ガスの流路となるガス拡散層、隔壁として機能し、その内部に冷却媒体の流路を備えたセパレータから構成される。これらの燃料電池スタックは、上述の通り、暖房用として、駆動系の燃料電池システムとは別に設置されるものであり、その出力は、例えば、両スタックを合わせて3kW程度である。したがって、駆動系の燃料電池スタックと比べて、例えば、1/30〜1/40程度の小規模なスタックであるといえる。   Among the elements constituting the fuel cell system 10, first, the low temperature fuel cell stack 20 and the high temperature fuel cell stack 30 will be described. Each of these is a polymer electrolyte fuel cell stack, and a plurality of laminated assemblies are sandwiched from both ends by terminals, insulators, and end plates. The laminate assembly described above functions as an electrode having a catalyst layer and a water repellent layer, an electrolyte membrane of a solid polymer member, a gas diffusion layer serving as a flow path for fuel gas and oxidizing gas, and a partition wall, and a cooling medium therein It is comprised from the separator provided with this flow path. As described above, these fuel cell stacks are installed separately from the drive fuel cell system for heating, and the output thereof is, for example, about 3 kW for both stacks. Therefore, it can be said that it is a small stack of about 1/30 to 1/40, for example, as compared with the fuel cell stack of the drive system.

本願において、上述の燃料電池スタックにおける「低温型」、「高温型」とは、各燃料電池の出力が最大となる作動温度の高低をいい、その高低は、燃料電池システム10を構成する複数の燃料電池の中での相対的なものである。   In the present application, the “low temperature type” and the “high temperature type” in the fuel cell stack described above refer to the operating temperature level at which the output of each fuel cell is maximized, and the level is a plurality of levels constituting the fuel cell system 10. Relative in fuel cells.

本実施例における低温型燃料電池スタック20及び高温型燃料電池スタック30について、作動温度と電圧(出力)との関係を表す温度−出力特性の一例を図2に示す。この例では、低温型燃料電池スタック20は、作動温度80℃において最高出力V1を発揮することができるが、作動温度が80℃から離れるに従って、出力は著しく低下するという特徴を持っている。一方、高温型燃料電池スタック30は、作動温度120℃において最高出力V2を発揮することができる。この出力は低温型燃料電池スタック20の最高出力V1と比べて小さいが、作動温度が120℃から変動しても、出力は緩やかに低下する特徴を持っている。   FIG. 2 shows an example of temperature-output characteristics representing the relationship between operating temperature and voltage (output) for the low temperature fuel cell stack 20 and the high temperature fuel cell stack 30 in the present embodiment. In this example, the low-temperature fuel cell stack 20 can exhibit the maximum output V1 at the operating temperature of 80 ° C., but has a feature that the output is remarkably lowered as the operating temperature moves away from 80 ° C. On the other hand, the high temperature fuel cell stack 30 can exhibit the maximum output V2 at an operating temperature of 120 ° C. Although this output is smaller than the maximum output V1 of the low-temperature fuel cell stack 20, even when the operating temperature fluctuates from 120 ° C., the output gradually decreases.

このような温度−出力特性の違いは、燃料電池の部材の選択や、運転条件の選択により実現することができる。例えば、拡散層の厚みを厚くしたり、電極に形成される撥水層を緻密にしたり、燃料ガスや酸化ガスを加圧(例えば、100kPaゲージ)して運転したりすれば、最高出力点が高温側に移動する。   Such a difference in temperature-output characteristics can be realized by selecting fuel cell members or operating conditions. For example, if the thickness of the diffusion layer is increased, the water-repellent layer formed on the electrode is made dense, or the fuel gas or oxidizing gas is pressurized (for example, 100 kPa gauge), the maximum output point is obtained. Move to high temperature side.

また、燃料電池反応により取り出せる、水素の持つ化学エネルギーと、得られる電気エネルギー及び熱エネルギーとの関係を図3に示す。燃料電池反応は、いわば、水素の持つ化学エネルギーを電気エネルギー及び熱エネルギーに変換する反応である。また、燃料電池反応により取り出せる、水素の持つ化学エネルギーは一定である。一方で、燃料電池反応においては、図示するとおり、電流密度が大きくなるに従い、電圧降下が大きくなり、電圧が小さくなる。したがって、電流密度が大きくなるに従い、水素の持つ化学エネルギーのうち、電気エネルギーに変換される割合が小さくなり、熱エネルギーに変換される割合は大きくなる。   FIG. 3 shows the relationship between the chemical energy of hydrogen that can be extracted by the fuel cell reaction, and the electrical energy and thermal energy obtained. The so-called fuel cell reaction is a reaction that converts chemical energy of hydrogen into electric energy and thermal energy. Further, the chemical energy of hydrogen that can be extracted by the fuel cell reaction is constant. On the other hand, in the fuel cell reaction, as shown, the voltage drop increases and the voltage decreases as the current density increases. Therefore, as the current density increases, the rate of conversion to electrical energy in the chemical energy of hydrogen decreases, and the rate of conversion to thermal energy increases.

したがって、図2に示した燃料電池スタックの温度−出力特性と、図3に示したエネルギーの関係とを踏まえれば、低温型燃料電池スタック20は、高温型燃料電池スタック30と比べて、水素の持つ化学エネルギーを効率的に電気エネルギーに変換できる(発電効率が高い)が、生み出す熱エネルギーは少ない(熱回収効率は高くない)タイプの燃料電池スタックであるといえる。一方で、高温型燃料電池スタック30は、低温型燃料電池スタック20と比べて、発電効率はさほど高くないが、熱回収効率が高く、また、排熱が高温であるため利用しやすいタイプの燃料電池スタックであるといえる。   Therefore, based on the temperature-output characteristics of the fuel cell stack shown in FIG. 2 and the energy relationship shown in FIG. 3, the low-temperature fuel cell stack 20 has a higher hydrogen content than the high-temperature fuel cell stack 30. It can be said that this is a fuel cell stack that can efficiently convert the chemical energy it has into electrical energy (high power generation efficiency), but produces less heat energy (not high heat recovery efficiency). On the other hand, the high-temperature fuel cell stack 30 is not so high in power generation efficiency as the low-temperature fuel cell stack 20, but has a high heat recovery efficiency and is easy to use because the exhaust heat is high temperature. It can be said that it is a battery stack.

次に、燃料電池システム10を構成する他の要素について説明する。低温型用水素供給機構22は、低温型燃料電池スタック20に燃料ガスとしての水素を供給する機構であり、図示しない水素タンク、シャットバルブ、レギュレータ、循環ポンプ、配管などによって構成される。低温型用水素排出機構24は、低温型燃料電池スタック20からの排ガス(アノードオフガス)を系外に排出させる機構であり、配管などによって構成される。同様に、高温型用水素供給機構32及び高温型用水素排出機構34も、高温型燃料電池スタック30に水素を供給し、または排出する機構である。   Next, other elements constituting the fuel cell system 10 will be described. The low temperature type hydrogen supply mechanism 22 is a mechanism for supplying hydrogen as a fuel gas to the low temperature type fuel cell stack 20, and includes a hydrogen tank, a shut valve, a regulator, a circulation pump, piping, and the like (not shown). The low-temperature hydrogen discharge mechanism 24 is a mechanism that discharges exhaust gas (anode off gas) from the low-temperature fuel cell stack 20 to the outside of the system, and includes a pipe or the like. Similarly, the high-temperature hydrogen supply mechanism 32 and the high-temperature hydrogen discharge mechanism 34 are also mechanisms for supplying or discharging hydrogen to the high-temperature fuel cell stack 30.

冷却水循環機構40は、低温型燃料電池スタック20及び高温型燃料電池スタック30を冷却するための冷却媒体(ここでは冷却水)を循環させ、低温型燃料電池スタック20及び高温型燃料電池スタック30の運転温度を調節するための機構であり、冷却水循環ポンプ42、冷却水循環配管44、ラジエータ46、弁47,48を備えている。   The cooling water circulation mechanism 40 circulates a cooling medium (cooling water here) for cooling the low temperature type fuel cell stack 20 and the high temperature type fuel cell stack 30, and the low temperature type fuel cell stack 20 and the high temperature type fuel cell stack 30. This is a mechanism for adjusting the operating temperature, and includes a cooling water circulation pump 42, a cooling water circulation pipe 44, a radiator 46, and valves 47 and 48.

冷却水の流路は、低温型燃料電池スタック20と高温型燃料電池スタック30とを、高温型燃料電池スタック30が下流側となるように直列的に接続しており、さらにその下流側で、ヒータユニット90に接続している。冷却水は、冷却水循環ポンプ42により、この低温型燃料電池スタック20、高温型燃料電池スタック30、ヒータユニット90の間を循環し、低温型燃料電池スタック20及び高温型燃料電池スタック30での燃料電池反応により発生した熱を回収して、ヒータユニット90のヒータコア92で放熱する。また、冷却水循環配管44には、ラジエータ46へのバイパスラインが設けられており、弁47,48を開閉することで、状況に応じて冷却水の温度を調節できる構成となっている。   The cooling water flow path connects the low temperature fuel cell stack 20 and the high temperature fuel cell stack 30 in series so that the high temperature fuel cell stack 30 is on the downstream side, and further on the downstream side, The heater unit 90 is connected. The cooling water is circulated between the low temperature fuel cell stack 20, the high temperature fuel cell stack 30 and the heater unit 90 by the cooling water circulation pump 42, and fuel in the low temperature fuel cell stack 20 and the high temperature fuel cell stack 30. Heat generated by the battery reaction is recovered and radiated by the heater core 92 of the heater unit 90. Further, the cooling water circulation pipe 44 is provided with a bypass line to the radiator 46, and the temperature of the cooling water can be adjusted according to the situation by opening and closing the valves 47 and 48.

空気供給機構52は、低温型燃料電池スタック20及び高温型燃料電池スタック30に酸化ガスとしての空気を供給する機構であり、図示しないエアクリーナ、エアコンプレッサ、配管などによって構成される。空気排出機構54は、低温型燃料電池スタック20及び高温型燃料電池スタック30からの排ガス(カソードオフガス)を系外に排出させる機構であり、図示しない希釈器、配管などによって構成される。空気供給機構52及び空気排出機構54は、低温型燃料電池スタック20と高温型燃料電池スタック30とに共通して用いられる機構であり、空気の流路は、低温型燃料電池スタック20と高温型燃料電池スタック30とを、高温型燃料電池スタック30が下流側になるように直列的に接続している。   The air supply mechanism 52 is a mechanism for supplying air as an oxidizing gas to the low-temperature fuel cell stack 20 and the high-temperature fuel cell stack 30, and includes an air cleaner, an air compressor, piping, and the like (not shown). The air discharge mechanism 54 is a mechanism that discharges exhaust gas (cathode off-gas) from the low-temperature fuel cell stack 20 and the high-temperature fuel cell stack 30 to the outside of the system, and includes a diluter, a pipe, and the like (not shown). The air supply mechanism 52 and the air discharge mechanism 54 are mechanisms commonly used for the low temperature type fuel cell stack 20 and the high temperature type fuel cell stack 30, and the air flow paths are the low temperature type fuel cell stack 20 and the high temperature type fuel cell stack 30. The fuel cell stack 30 is connected in series so that the high-temperature fuel cell stack 30 is on the downstream side.

運転制御ユニット60は、ヒータユニット90からの出力要求と各種センサからの入力信号を受けて、各種負荷への指示信号を送り、熱交換システム100の機能全般を制御するマイクロコンピュータである。   The operation control unit 60 is a microcomputer that receives an output request from the heater unit 90 and input signals from various sensors, sends instruction signals to various loads, and controls the overall functions of the heat exchange system 100.

B.熱交換システムの運転:
次に、熱交換システム100の運転例について、図4を用いて説明する。このシステムでは、運転制御ユニット60が、ヒータユニット90の出力要求を受け付けると、燃料電池システム10が稼働を開始する。すなわち、低温型燃料電池スタック20及び高温型燃料電池スタック30に水素及び空気が供給され、発電が開始される。発電が開始され、燃料電池反応が進むと、低温型燃料電池スタック20及び高温型燃料電池スタック30は徐々に暖機される。
B. Operation of the heat exchange system:
Next, an operation example of the heat exchange system 100 will be described with reference to FIG. In this system, when the operation control unit 60 receives an output request from the heater unit 90, the fuel cell system 10 starts operating. That is, hydrogen and air are supplied to the low temperature fuel cell stack 20 and the high temperature fuel cell stack 30, and power generation is started. When power generation is started and the fuel cell reaction proceeds, the low temperature fuel cell stack 20 and the high temperature fuel cell stack 30 are gradually warmed up.

このときの低温型燃料電池スタック20、高温型燃料電池スタック30及びヒータユニット90を循環する冷却水の位置と温度との関係の例を図4(a)に示す。図中の実線部に示すように、温度T01の冷却水は、低温型燃料電池スタック20に供給されて熱を回収して温度T02まで暖められ、さらに、高温型燃料電池スタック30に供給されて熱を回収して温度T03まで暖められた後、ヒータユニット90に供給されてヒータコア92と熱交換して、温度T01まで冷却され、再度、低温型燃料電池スタック20に供給される。そして、徐々に車室内が暖まり、ヒータユニット90での必要熱量が低下してくると、図中の一点鎖線部に示すように、循環する冷却水の温度は全体的に上昇していく。この時の冷却水の温度は、例えば、低温型燃料電池スタック20の入口温度T11が65℃、高温型燃料電池スタック30の入口温度T12が75℃、ヒータユニット90の入口温度T13が105℃となる。   FIG. 4A shows an example of the relationship between the position and temperature of the cooling water circulating through the low temperature fuel cell stack 20, the high temperature fuel cell stack 30, and the heater unit 90 at this time. As indicated by the solid line in the figure, the cooling water at temperature T01 is supplied to the low temperature fuel cell stack 20, recovers heat, is warmed to temperature T02, and is further supplied to the high temperature fuel cell stack 30. After recovering the heat and warming up to the temperature T03, the heat is supplied to the heater unit 90 to exchange heat with the heater core 92, cooled to the temperature T01, and supplied again to the low temperature fuel cell stack 20. Then, when the passenger compartment is gradually warmed and the required amount of heat in the heater unit 90 decreases, the temperature of the circulating cooling water rises as a whole as shown by the one-dot chain line in the figure. The temperature of the cooling water at this time is, for example, 65 ° C. at the inlet temperature T11 of the low temperature fuel cell stack 20, 75 ° C. at the inlet temperature T12 of the high temperature fuel cell stack 30, and 105 ° C. at the inlet temperature T13 of the heater unit 90. Become.

ここで、低温型燃料電池スタック20及び高温型燃料電池スタック30における冷却水の出入口の温度差は、図4(a)に示すように、低温型燃料電池スタック20よりも、高温型燃料電池スタック30が大きくなるように運転している。このように運転するためには、例えば、積層体アセンブリの積層枚数を低温型燃料電池スタック20よりも高温型燃料電池スタック30で多くすればよい。冷却水持出熱量Qは、冷却水の出入口の温度差ΔT、積層体アセンブリの積層数n、積層体アセンブリ当たりの冷却水流量L、水の比熱容量Cを用いて、次式(1)で表せることから、積層体アセンブリ当たりの冷却水流量Lを少なくすることで、冷却水の出入口の温度差ΔTを大きくすることができるのである。   Here, the temperature difference between the inlet and outlet of the cooling water in the low temperature fuel cell stack 20 and the high temperature fuel cell stack 30 is higher than that in the low temperature fuel cell stack 20 as shown in FIG. I am driving so that 30 becomes large. In order to operate in this way, for example, the number of stacks in the stack assembly may be increased in the high temperature fuel cell stack 30 than in the low temperature fuel cell stack 20. The cooling water carry-out heat quantity Q is expressed by the following equation (1) using the temperature difference ΔT at the inlet / outlet of the cooling water, the number n of the laminated assemblies, the flow rate L of the cooling water per laminated assembly, and the specific heat capacity C of the water. Therefore, the temperature difference ΔT at the inlet / outlet of the cooling water can be increased by reducing the cooling water flow rate L per laminate assembly.

Q=ΔT×n×L×C・・・(1)   Q = ΔT × n × L × C (1)

このように、低温型燃料電池スタック20における冷却水の出入口の温度差を小さくすることで、図2に示した温度−出力特性の出力のピークの周辺で、安定的かつ効率的な発電を行うことができる。また、高温型燃料電池スタック30では、広い温度域で作動することになるので、低温型燃料電池スタック20ほどの安定的かつ効率的な発電は行えないが、冷却水の出入口の温度差を大きくとるので、熱回収量を大きくすることができる。したがって、発電効率に優れる低温型燃料電池スタック20と、熱回収効率に優れる高温型燃料電池スタック30の互いの特長を活かして、効率的な熱電供給が可能となる。   Thus, by reducing the temperature difference between the inlet and outlet of the cooling water in the low-temperature fuel cell stack 20, stable and efficient power generation is performed around the output peak of the temperature-output characteristics shown in FIG. be able to. Further, since the high temperature fuel cell stack 30 operates in a wide temperature range, the power generation cannot be performed as stably and efficiently as the low temperature fuel cell stack 20, but the temperature difference between the inlet and outlet of the cooling water is greatly increased. Therefore, the amount of heat recovery can be increased. Therefore, it is possible to efficiently supply thermoelectric power by utilizing the mutual characteristics of the low temperature fuel cell stack 20 having excellent power generation efficiency and the high temperature fuel cell stack 30 having excellent heat recovery efficiency.

ただし、高温型燃料電池スタック30については、電解質膜の湿潤具合を極力均一化して安定的な稼働を行うために、出力の温度依存性が小さいタイプを採用することが望ましい。温度依存性は、例えば、高温型燃料電池スタック30を構成する拡散層の厚みを厚くしたり、電極に形成される撥水層を緻密にしたりすることで、小さくすることができる。   However, for the high-temperature fuel cell stack 30, it is desirable to adopt a type with a small output temperature dependency in order to perform the stable operation by making the electrolyte membrane wet as uniform as possible. The temperature dependence can be reduced, for example, by increasing the thickness of the diffusion layer constituting the high-temperature fuel cell stack 30 or by densifying the water-repellent layer formed on the electrode.

また、冷却水のヒータユニット90の入口での温度の変化と、低温型燃料電池スタック20及び高温型燃料電池スタック30の出力の変化との関係の例を図4(b)に示す。運転開始当初は、車室内が暖まっておらず、急速に暖房を行う必要があること、冷却水の温度が低く、ヒートポンプ94のアシストの必要性が大きいこと、効率的な熱電供給のためには、冷却水の温度を早急に上げて、熱エネルギーの供給を中心としたいことから、運転制御ユニット60は、発電効率が高い低温型燃料電池スタック20の出力(図中の低温型出力)、熱回収効率が高い高温型燃料電池スタック30の出力(図中の高温型出力)共に最大値となるように制御する。このとき、低温型燃料電池スタック20及び高温型燃料電池スタック30から得られる出力は、熱源アシスト機構としてのヒートポンプ94に充てられ、冷却水を介して回収される熱エネルギーは、ヒータコア92で熱交換に供される。   FIG. 4B shows an example of the relationship between the change in temperature at the inlet of the cooling water heater unit 90 and the change in the outputs of the low temperature fuel cell stack 20 and the high temperature fuel cell stack 30. At the beginning of operation, the interior of the vehicle is not warmed, and it is necessary to heat it quickly, the temperature of the cooling water is low, the necessity of assisting the heat pump 94 is large, and for efficient thermoelectric supply. Therefore, the operation control unit 60 outputs the low temperature fuel cell stack 20 with high power generation efficiency (low temperature output in the figure), heat Control is performed so that the output (high-temperature output in the figure) of the high-temperature fuel cell stack 30 with high recovery efficiency becomes the maximum value. At this time, the output obtained from the low temperature fuel cell stack 20 and the high temperature fuel cell stack 30 is used for a heat pump 94 as a heat source assist mechanism, and the heat energy recovered through the cooling water is heat exchanged by the heater core 92. To be served.

そして、運転時間の経過と共に、ヒータユニット入口温度が上昇してくると、車室内が徐々に暖まってヒータユニット90の必要熱量が低下していくこと、冷却水の温度が上昇し、効率的に熱回収できるようになっていくこと、これらに伴って、必要なアシスト熱源が減少していくことから、運転制御ユニット60は、低温型燃料電池スタック20の出力を徐々に低下させる。そして、車室内が十分に暖まり、ヒータユニット90における冷却水の入口温度が所定の温度に達すると、運転制御ユニット60は、高温型燃料電池スタック30で発生する熱エネルギーと電力エネルギーのみで、ヒータユニット90を制御する。   When the heater unit inlet temperature rises as the operation time elapses, the passenger compartment gradually warms and the necessary heat amount of the heater unit 90 decreases, the temperature of the cooling water rises, and efficiently Since it becomes possible to recover heat and the necessary assist heat source is reduced accordingly, the operation control unit 60 gradually decreases the output of the low-temperature fuel cell stack 20. When the passenger compartment is sufficiently warmed and the inlet temperature of the cooling water in the heater unit 90 reaches a predetermined temperature, the operation control unit 60 uses only the heat energy and power energy generated in the high-temperature fuel cell stack 30 to generate the heater. The unit 90 is controlled.

そして、低温型燃料電池スタック20が停止し、ヒータユニット90で必要な熱量が所定値以下になると、運転制御ユニット60は、高温型燃料電池スタック30を流れる冷却水の流量を増加させる。このように冷却水の流量を増加させるのは、ヒータユニット90が、高温型燃料電池スタック30の排熱の供給のみで制御できる状態になり、これ以上冷却水の温度を上げる必要がなくなったため、高温型燃料電池スタック30における冷却水の出入口の温度差を小さくし、高温型燃料電池スタック30の作動温度域を狭くすることで、発電を安定させ、効率的な電力回収を行うことができるからである。   Then, when the low temperature fuel cell stack 20 is stopped and the amount of heat required by the heater unit 90 becomes a predetermined value or less, the operation control unit 60 increases the flow rate of the cooling water flowing through the high temperature fuel cell stack 30. The reason why the flow rate of the cooling water is increased in this way is that the heater unit 90 can be controlled only by supplying the exhaust heat of the high-temperature fuel cell stack 30, and it is no longer necessary to increase the temperature of the cooling water. By reducing the temperature difference between the inlet and outlet of the cooling water in the high-temperature fuel cell stack 30 and narrowing the operating temperature range of the high-temperature fuel cell stack 30, power generation can be stabilized and efficient power recovery can be performed. It is.

かかる構成の熱交換システム100では、冷却水のヒータユニット90への入口温度に基づいて、少なくとも低温型燃料電池スタック20または高温型燃料電池スタック30を制御する。低温型燃料電池スタック20は、発電効率が高いタイプ、高温型燃料電池スタック30は、高温域で作動する(排熱温度が高い)タイプであるため、ヒータユニット90が必要とする熱エネルギーまたは電気エネルギーに応じて、効率的な熱電供給を行うことができる。   In the heat exchange system 100 having such a configuration, at least the low temperature fuel cell stack 20 or the high temperature fuel cell stack 30 is controlled based on the inlet temperature of the cooling water to the heater unit 90. The low temperature type fuel cell stack 20 is a type with high power generation efficiency, and the high temperature type fuel cell stack 30 is a type that operates in a high temperature range (high exhaust heat temperature). Depending on the energy, efficient thermoelectric supply can be performed.

また、かかる構成の熱交換システム100では、冷却水循環機構40は、冷却水を、低温型燃料電池スタック20、高温型燃料電池スタック30、ヒータユニット90の順に循環させる。したがって、低温型燃料電池スタック20がヒートポンプ94のアシスト熱源となる電気エネルギーを生成する機能の他に、ヒータユニット90での熱交換により低い温度となった冷却水を暖めて、高温型燃料電池スタック30に供給する機能をも果たす。その結果、高温型燃料電池スタック30を高温側で安定的に作動させることができる。また、低温型燃料電池スタック20と高温型燃料電池スタック30の2段階で熱を回収することで、より高温の冷却水をヒータユニット90に供給するので、効率的に利用可能な熱エネルギーをヒータユニットに供給できる。   In the heat exchange system 100 having such a configuration, the cooling water circulation mechanism 40 circulates the cooling water in the order of the low temperature fuel cell stack 20, the high temperature fuel cell stack 30, and the heater unit 90. Therefore, in addition to the function that the low-temperature fuel cell stack 20 generates electrical energy that serves as an assist heat source for the heat pump 94, the cooling water that has become a low temperature due to heat exchange in the heater unit 90 is warmed, and the high-temperature fuel cell stack Also fulfills the function of supplying to 30. As a result, the high temperature fuel cell stack 30 can be stably operated on the high temperature side. In addition, since heat is recovered in two stages of the low-temperature fuel cell stack 20 and the high-temperature fuel cell stack 30, higher-temperature cooling water is supplied to the heater unit 90. Can be supplied to the unit.

また、かかる構成の熱交換システム100では、ヒートポンプ94の電力出力要求の変動に対して、発電効率に優れる低温型燃料電池スタック20の出力を変化させて対応するので、効率的な熱電供給が行える。また、アシスト熱源としてのヒートポンプ94の電力出力要求は、急速暖房を行う必要があり、また、温度の低い冷却水から回収できる熱量を補助する必要性が大きいことから、熱交換システム100の立ち上げ時に大きく、その後減少していくが、この電力出力要求の推移は、高温型燃料電池スタック30に供給する冷却水を暖める機能を果たす低温型燃料電池スタック20に求められる運転の推移と適合する。したがって、効率的な熱供給を行うことができる。   Further, in the heat exchange system 100 configured as described above, since the output of the low-temperature fuel cell stack 20 that excels in power generation efficiency is responded to fluctuations in the power output requirement of the heat pump 94, efficient thermoelectric supply can be performed. . In addition, the power output request of the heat pump 94 as an assist heat source requires rapid heating, and since there is a great need to assist the amount of heat that can be recovered from cooling water having a low temperature, the heat exchange system 100 is started up. Although sometimes large and then decreasing, the transition of the power output requirement is compatible with the transition of operation required for the low-temperature fuel cell stack 20 that functions to warm the cooling water supplied to the high-temperature fuel cell stack 30. Therefore, efficient heat supply can be performed.

また、かかる構成の熱交換システム100では、酸化ガスとしての空気が、空気供給機構52によって低温型燃料電池スタック20に供給される。そして、低温型燃料電池スタック20で燃料電池反応により生成された水を含んで加湿された空気が、高温型燃料電池スタック30に供給される。したがって、高温領域で作動し、電解質膜が乾きやすい高温型燃料電池スタック30に、加湿された空気を供給することができるため、電解質膜のドライアップを抑制し、安定的な稼働を行うことができる。   Further, in the heat exchange system 100 having such a configuration, air as an oxidizing gas is supplied to the low temperature fuel cell stack 20 by the air supply mechanism 52. The humidified air containing water generated by the fuel cell reaction in the low temperature fuel cell stack 20 is supplied to the high temperature fuel cell stack 30. Therefore, since humidified air can be supplied to the high-temperature fuel cell stack 30 that operates in a high temperature region and the electrolyte membrane is easy to dry, it is possible to suppress dry-up of the electrolyte membrane and perform stable operation. it can.

また、本実施例の熱交換システム100では、ヒータユニット90の熱源として、上述の通り、駆動系の燃料電池スタックとは別に設置される小規模な低温型燃料電池スタック20及び高温型燃料電池スタック30を用いている。したがって、熱源として駆動系の燃料電池スタックを用いる場合と比べて、燃料電池スタックの熱容量が非常に小さいことから、暖気を速やかに行えると共に、ヒータユニット90の急速な立ち上げが可能となり、熱交換システム100の効率的な運転が行える。   In the heat exchange system 100 of the present embodiment, as described above, the small-scale low-temperature fuel cell stack 20 and the high-temperature fuel cell stack installed separately from the drive-system fuel cell stack as the heat source of the heater unit 90. 30 is used. Therefore, compared with the case where a drive system fuel cell stack is used as a heat source, the heat capacity of the fuel cell stack is very small, so that warming can be performed quickly and the heater unit 90 can be quickly started up, and heat exchange can be performed. The system 100 can be operated efficiently.

C.高温型燃料電池スタックの構成:
C−1.高温型燃料電池スタックの特徴:
高温型燃料電池スタック30の構成の前提として、高温型燃料電池スタック30における温度分布と熱膨張について、図5及び図6を用いて説明する。図6(a)は、本実施例の高温型燃料電池スタック30を構成する積層体アセンブリ35に用いられるセパレータ38の内部に設けられた冷却水流路37を示す説明図である。図示するとおり、複数の冷却水流路37は、それぞれセパレータの長辺方向(a−b方向)を直線的に流れる構造となっている。この冷却水流路37を流れる冷却水は、冷却水入口側(a−d側)からセパレータに供給され、燃料電池反応により生じる熱を吸収して、次第に温度を上げながら、冷却水出口側(b−c側)に排出される。
C. Configuration of high-temperature fuel cell stack:
C-1. High temperature fuel cell stack features:
As a premise of the configuration of the high temperature fuel cell stack 30, temperature distribution and thermal expansion in the high temperature fuel cell stack 30 will be described with reference to FIGS. FIG. 6A is an explanatory view showing a cooling water flow path 37 provided in the separator 38 used in the multilayer assembly 35 constituting the high temperature fuel cell stack 30 of the present embodiment. As illustrated, each of the plurality of cooling water flow paths 37 has a structure that linearly flows in the long side direction (ab direction) of the separator. The cooling water flowing through the cooling water flow path 37 is supplied to the separator from the cooling water inlet side (ad side), absorbs heat generated by the fuel cell reaction, and gradually increases the temperature while the cooling water outlet side (b -C side).

ここでの冷却水の出入口の温度差は、上述した運転例では、30℃(入口:75℃、出口:105℃)となる。この温度差は、一般的に、固体高分子形燃料電池において安定した出力を得るための温度差が10〜15℃程度(上述の運転例では、低温型燃料電池スタック20における冷却水の出入口の温度差は10℃)であるのと比べ、非常に大きな温度差となっている。これは、上述の通り、高温型燃料電池スタック30では、効率的に熱を回収して、ヒータユニット90に高温で効率的な利用が可能な熱エネルギーを供給するために、冷却水の出入口の温度差を大きく確保しているからである。   The temperature difference at the inlet / outlet of the cooling water here is 30 ° C. (inlet: 75 ° C., outlet: 105 ° C.) in the above-described operation example. This temperature difference is generally about 10 to 15 ° C. for obtaining a stable output in the polymer electrolyte fuel cell (in the above operation example, the temperature difference between the inlet and outlet of the cooling water in the low temperature type fuel cell stack 20). The temperature difference is very large compared to 10 ° C.). As described above, the high-temperature fuel cell stack 30 efficiently recovers heat and supplies the heater unit 90 with heat energy that can be efficiently used at high temperatures. This is because a large temperature difference is secured.

このように、冷却水が一方向に向かって流れ、また、冷却水の出入口の温度差を大きくとることにより、高温型燃料電池スタック30では、図5に示すように、積層体アセンブリ35において、冷却水流路37の流れ方向(図中のaからbに向かう方向)に、冷却水の出口側(b−c側)が高温となる大きな温度分布が形成される。その結果、高温型燃料電池スタック30での発電に伴い発生する熱による積層体アセンブリ35を構成する部材の熱膨張は、冷却水入口側(a−d側)では小さく、冷却水出口側(b−c側)で大きくなる。この現象は、積層体アセンブリ35を多数積層した積層体36の全てで生じるため、全体として見れば、熱膨張量に大きな偏重を生み出すこととなる。   In this way, the cooling water flows in one direction, and by taking a large temperature difference between the inlet and outlet of the cooling water, in the high-temperature fuel cell stack 30, as shown in FIG. A large temperature distribution is formed in the flow direction of the cooling water passage 37 (the direction from a to b in the figure) so that the outlet side (bc side) of the cooling water becomes high temperature. As a result, the thermal expansion of the members constituting the laminate assembly 35 due to the heat generated with the power generation in the high-temperature fuel cell stack 30 is small on the cooling water inlet side (ad side), and the cooling water outlet side (b -C side). Since this phenomenon occurs in all the stacked bodies 36 in which a large number of the stacked body assemblies 35 are stacked, when viewed as a whole, a large deviation is generated in the amount of thermal expansion.

なお、上述のように、冷却水の入口側と出口側での熱膨張の偏重現象を生じるのは、図6(a)に示した直線的な冷却水流路に限られるものではない。例えば、図6(b)に示すサーペンタイン型の流路のようであってもよい。図6(b)では、冷却水がa−b方向に流れる箇所とa−d方向に流れる箇所とがあるものの、全体的に見て、総じてa−b方向に流れるといえる。このように、全体的に見て、総じて所定の一方向に向かって流れていれば、同様の偏重現象が起こりうる。   As described above, the phenomenon of thermal expansion unevenness at the inlet side and the outlet side of the cooling water is not limited to the linear cooling water flow path shown in FIG. For example, it may be a serpentine type channel shown in FIG. In FIG. 6B, although there are a part where the cooling water flows in the ab direction and a part where the cooling water flows in the ad direction, it can be said that the cooling water generally flows in the ab direction. As described above, if the flow is generally directed in a predetermined direction, the same uneven phenomenon can occur.

C−2.実施例:
上述の高温型燃料電池スタック30の特徴を踏まえて、実施例としての高温型燃料電池スタック30の構成について図7を用いて説明する。図示するように、高温型燃料電池スタック30は、積層体アセンブリ35が多数積層された積層体36の両端をターミナル73a,73b、インシュレータ72a,72b、エンドプレート71a,71bで挟持して構成されている。
C-2. Example:
Based on the characteristics of the high-temperature fuel cell stack 30 described above, the configuration of the high-temperature fuel cell stack 30 as an embodiment will be described with reference to FIG. As shown in the drawing, the high temperature fuel cell stack 30 is configured by sandwiching both ends of a laminate 36 in which a large number of laminate assemblies 35 are laminated with terminals 73a and 73b, insulators 72a and 72b, and end plates 71a and 71b. Yes.

高温型燃料電池スタック30の両端を構成するエンドプレート71a,71bの上部には、締結部74a,74bが設けられ、これらは、連結ロッド77aと連結している。また、エンドプレート71a,71bの下部にも、上部と同じ構造の締結部74c,74d(図示せず)、連結ロッド77b(図示せず)が設けられている。この連結ロッド77a,77bの長さを調整することにより、エンドプレート71a,71bが、挟持するターミナル73a,73b、インシュレータ72a,72b及び積層体36を両端から加圧して、高温型燃料電池スタック30全体を固定している。   Fastening portions 74a and 74b are provided on upper portions of the end plates 71a and 71b constituting both ends of the high-temperature fuel cell stack 30, and these are connected to the connecting rod 77a. Fastening portions 74c and 74d (not shown) and a connecting rod 77b (not shown) having the same structure as the upper part are also provided at the lower portions of the end plates 71a and 71b. By adjusting the lengths of the connecting rods 77a and 77b, the end plates 71a and 71b pressurize the terminals 73a and 73b, the insulators 72a and 72b, and the stacked body 36 from both ends, and the high-temperature fuel cell stack 30 is pressed. The whole is fixed.

エンドプレート71a,71bの上部に設けられた締結部74a,74b及び連結ロッド77aについては、図8を用いて、さらに詳述する。図8は、図7に示した高温型燃料電池スタック30の上面視を示す説明図である。図示するように、締結部74bは、連結ロッド77aの先端部が貫通する穴を有している。この穴を貫通した連結ロッド77aの先端部にナット76bを締結することによって、締結部74bと連結ロッド77aとが固定的に連結されている。一方、締結部74aは、球状の凹部を有している。連結ロッド77aの先端部には、この凹部に嵌合して回転可能なボールジョイント75aが取り付けられており、このボールジョイント75aを介して、締結部74aと連結ロッド77aとが左右方向に回転可能に連結されている。なお、エンドプレート71a,71bの下部に設けられた締結部74c、74d(図示せず)、連結ロッド77b(図示せず)についても、締結部74a,74b及び連結ロッド77aと同様の構造である。   The fastening portions 74a and 74b and the connecting rod 77a provided on the upper portions of the end plates 71a and 71b will be described in more detail with reference to FIG. FIG. 8 is an explanatory view showing a top view of the high-temperature fuel cell stack 30 shown in FIG. As shown in the drawing, the fastening portion 74b has a hole through which the tip of the connecting rod 77a passes. The fastening portion 74b and the connecting rod 77a are fixedly connected by fastening the nut 76b to the tip of the connecting rod 77a penetrating this hole. On the other hand, the fastening portion 74a has a spherical recess. A ball joint 75a that can be fitted and rotated in the recess is attached to the tip of the connecting rod 77a, and the fastening portion 74a and the connecting rod 77a can be rotated in the left-right direction via the ball joint 75a. It is connected to. The fastening portions 74c and 74d (not shown) and the connecting rod 77b (not shown) provided below the end plates 71a and 71b have the same structure as the fastening portions 74a and 74b and the connecting rod 77a. .

上述のように、エンドプレート71bと連結ロッド77a及び連結ロッド77b(図示せず)とを固定的に連結し、エンドプレート71aと連結ロッド77a及び連結ロッド77b(図示せず)とを回転可能に連結することにより、エンドプレート71aは、横方向に所定の角度だけ回転移動できる。したがって、高温型燃料電池スタック30の高温側(冷却水出口側)における部材の熱膨張量が、低温側(冷却水入口側)と比べて大きくなると、図示するように、エンドプレート71aは、高温側でエンドプレート71aとエンドプレート71bとの間の距離が長くなる方向へ回転移動する。   As described above, the end plate 71b, the connecting rod 77a and the connecting rod 77b (not shown) are fixedly connected, and the end plate 71a, the connecting rod 77a and the connecting rod 77b (not shown) are rotatable. By connecting, the end plate 71a can be rotated and moved by a predetermined angle in the lateral direction. Accordingly, when the amount of thermal expansion of the member on the high temperature side (cooling water outlet side) of the high temperature fuel cell stack 30 is larger than that on the low temperature side (cooling water inlet side), the end plate 71a has a high temperature as shown in the figure. On the side, the end plate 71a and the end plate 71b rotate and move in a direction in which the distance becomes longer.

かかる構成の高温型燃料電池スタック30は、冷却水の出入口の温度差を大きく確保することに起因する部材の熱膨張量の偏重が生じても、エンドプレート71aが膨張量の偏重に追随して回転移動する。したがって、積層体アセンブリ35の内部の面圧を均一化し、水素等の漏れを防止することができる。   In the high-temperature fuel cell stack 30 having such a configuration, even if the thermal expansion amount of the member is uneven due to ensuring a large temperature difference between the inlet and outlet of the cooling water, the end plate 71a follows the uneven expansion amount. Rotate and move. Therefore, the surface pressure inside the laminate assembly 35 can be made uniform, and leakage of hydrogen and the like can be prevented.

C−3.変形例:
変形例としての高温型燃料電池スタック30の詳細構成について、図9を用いて説明する。図示するように、高温型燃料電池スタック30は、実施例と同様に、積層体アセンブリ35が多数積層された積層体36の両端をターミナル73a,73b、インシュレータ72a,72b、エンドプレート71a,71bで挟持して構成されている。実施例との違いは、エンドプレート71aの上部及び下部に設けられた締結部84a、84cの構造は、締結部74b及び74dと同じであり、エンドプレート71aは、連結ロッド77a及び77bと固定的に連結している点と、エンドプレート71bとインシュレータ72bとの間に、スプリング88a〜88eが設けられている点である。
C-3. Variation:
A detailed configuration of the high-temperature fuel cell stack 30 as a modification will be described with reference to FIG. As shown in the drawing, in the high temperature fuel cell stack 30, as in the embodiment, both ends of a laminate 36 in which a large number of laminate assemblies 35 are laminated are terminals 73a and 73b, insulators 72a and 72b, and end plates 71a and 71b. It is configured to be sandwiched. The difference from the embodiment is that the structures of the fastening portions 84a and 84c provided at the upper and lower portions of the end plate 71a are the same as the fastening portions 74b and 74d, and the end plate 71a is fixed to the connecting rods 77a and 77b. And springs 88a to 88e are provided between the end plate 71b and the insulator 72b.

この例では、積層体36の温度分布は下から上に向かって高温となるので、積層体アセンブリ35の熱膨張量も下から上に向かって大きくなる。これに対応して、スプリング88a〜88eは、88a,88b,88c,88d,88eの順に大きく変位して、積層体36の熱膨張による積層方向の厚みの変化を吸収する。   In this example, the temperature distribution of the stacked body 36 becomes higher from the bottom to the top, so that the thermal expansion amount of the stacked body assembly 35 also increases from the bottom to the top. Correspondingly, the springs 88a to 88e are displaced largely in the order of 88a, 88b, 88c, 88d, and 88e, and absorb the change in the thickness in the stacking direction due to the thermal expansion of the stacked body 36.

なお、本実施例においては、熱膨張による積層方向の厚みの変化を吸収可能な構造体として、5本のスプリングを用いたが、本数は5本に限るものではない。もとより、スプリングに限るものではなく、形状記憶合金や樹脂製の弾性体などを利用して、熱膨張による厚みの変化を吸収するものとしてもよい。   In the present embodiment, five springs are used as a structure that can absorb a change in thickness in the stacking direction due to thermal expansion, but the number of springs is not limited to five. Of course, it is not limited to a spring, and a shape memory alloy, a resin elastic body, or the like may be used to absorb a change in thickness due to thermal expansion.

かかる構成の高温型燃料電池スタック30は、スプリング88a〜88eが、積層体36の積層面に沿って、熱膨張によって生じる積層体アセンブリ35の厚みの変化を吸収する。したがって、積層体アセンブリ35の内部の面圧の差を緩和し、水素等の漏れを防止することができる。   In the high-temperature fuel cell stack 30 having such a configuration, the springs 88 a to 88 e absorb changes in the thickness of the stacked body assembly 35 caused by thermal expansion along the stacked surface of the stacked body 36. Therefore, the difference in the surface pressure inside the laminate assembly 35 can be alleviated and leakage of hydrogen or the like can be prevented.

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を脱しない範囲において、種々なる態様で実施できることは勿論である。例えば、本実施例においては、ヒータユニット90は、アシスト機構としてのヒータコア92を備えるもとしたが、アシスト機構を備えないものであってもよい。もとより、燃料電池車の暖房に用いる熱交換システムに限らず、家庭での燃料電池コジェネレーションシステムを利用した暖房や給湯用の熱交換システムなど、種々の熱交換システムとして構成することができる。冷却媒体も、燃料電池とヒータユニットとの間を循環する構成に限らず、供給するのみの構成であってもよい。   The embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to such an example, and it is needless to say that the present invention can be implemented in various modes without departing from the gist of the present invention. For example, in the present embodiment, the heater unit 90 is provided with the heater core 92 as the assist mechanism, but may not include the assist mechanism. Naturally, the heat exchange system is not limited to the heat exchange system used for heating the fuel cell vehicle, and can be configured as various heat exchange systems such as a heating using a fuel cell cogeneration system at home and a heat exchange system for hot water supply. The cooling medium is not limited to a configuration that circulates between the fuel cell and the heater unit, but may be a configuration that only supplies the cooling medium.

本発明の実施例にとしての熱交換システム100の概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of the heat exchange system 100 as an Example of this invention. 燃料電池スタックの作動温度と電圧の関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between the operating temperature of a fuel cell stack, and a voltage. 燃料電池反応により取り出せる水素の持つ化学エネルギーと、得られる電気エネルギー及び熱エネルギーとの関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between the chemical energy which the hydrogen which can be taken out by fuel cell reaction has, and the electrical energy and heat energy which are obtained. 熱交換システム100の運転例を示す説明図である。3 is an explanatory diagram illustrating an operation example of the heat exchange system 100. FIG. 燃料電池スタックにおける温度分布と部材の膨張との関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between the temperature distribution in a fuel cell stack, and expansion of a member. 冷却媒体の流路方向に関する説明図である。It is explanatory drawing regarding the flow path direction of a cooling medium. 実施例としての高温型燃料電池スタック30の構造を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the high temperature type fuel cell stack 30 as an Example. 実施例としての高温型燃料電池スタック30の構造を示す上面視図である。It is a top view which shows the structure of the high temperature type fuel cell stack 30 as an Example. 変形例としての高温型燃料電池スタック30の構造を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structure of the high temperature type fuel cell stack 30 as a modification.

符号の説明Explanation of symbols

10…燃料電池システム
20…低温型燃料電池スタック
22…低温型用水素供給機構
24…低温型用水素排出機構
30…高温型燃料電池スタック
32…高温型用水素供給機構
34…高温型用水素排出機構
35…積層体アセンブリ
36…積層体
37…冷却水流路
38…セパレータ
40…冷却水循環機構
42…冷却水循環ポンプ
44…冷却水循環配管
46…ラジエータ
47,48…弁
52…空気供給機構
54…空気排出機構
60…運転制御ユニット
71a,71b…エンドプレート
72a,72b…インシュレータ
73a,73b…ターミナル
74a〜74d…締結部
75a…ボールジョイント
76b…ナット
77a,77b…連結ロッド
84a,84c…締結部
88a〜88e…スプリング
90…ヒータユニット
92…ヒータコア
94…ヒートポンプ
100…熱交換システム
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell system 20 ... Low temperature type fuel cell stack 22 ... Low temperature type hydrogen supply mechanism 24 ... Low temperature type hydrogen discharge mechanism 30 ... High temperature type fuel cell stack 32 ... High temperature type hydrogen supply mechanism 34 ... High temperature type hydrogen discharge Mechanism 35 ... Laminated body assembly 36 ... Laminated body 37 ... Cooling water flow path 38 ... Separator 40 ... Cooling water circulation mechanism 42 ... Cooling water circulation pump 44 ... Cooling water circulation piping 46 ... Radiator 47, 48 ... Valve 52 ... Air supply mechanism 54 ... Air discharge Mechanism 60 ... Operation control unit 71a, 71b ... End plate 72a, 72b ... Insulator 73a, 73b ... Terminal 74a-74d ... Fastening part 75a ... Ball joint 76b ... Nut 77a, 77b ... Connecting rod 84a, 84c ... Fastening part 88a-88e ... Spring 90 ... Heater unit 92 ... H Stator core 94 ... heat pump 100 ... heat exchange system

Claims (10)

熱源を有し、該熱源からの熱を熱交換するヒータユニットを備えた熱交換システムであって、
前記熱源は、所定温度領域で発電する第1の燃料電池と、該第1の燃料電池より発電時の作動温度が高い温度領域にある第2の燃料電池とからなり、更に、
前記第1、第2の燃料電池及び前記ヒータユニットに冷却媒体を供給して、前記第1、第2の燃料電池で発生した熱を前記ヒータユニットにおける前記熱交換に供する冷却媒体供給機構と、
前記ヒータユニットを流れる前記冷却媒体の温度に基づいて、少なくとも前記第1の燃料電池または前記第2の燃料電池を制御する運転制御ユニットと
を備えた熱交換システム。
A heat exchange system having a heat source and a heater unit for exchanging heat from the heat source,
The heat source includes a first fuel cell that generates power in a predetermined temperature region, and a second fuel cell in a temperature region in which an operating temperature during power generation is higher than that of the first fuel cell.
A cooling medium supply mechanism that supplies a cooling medium to the first and second fuel cells and the heater unit, and supplies heat generated in the first and second fuel cells to the heat exchange in the heater unit;
A heat exchange system comprising: an operation control unit that controls at least the first fuel cell or the second fuel cell based on the temperature of the cooling medium flowing through the heater unit.
請求項1記載の熱交換システムであって、
前記冷却媒体供給機構は、前記第1の燃料電池を冷却する冷却路を流れた後、前記第2の燃料電池の冷却路を流れた冷却媒体を、前記ヒータユニットに供給して前記熱交換に供した後、前記第1の燃料電池に循環させる
熱交換システム。
The heat exchange system according to claim 1,
The cooling medium supply mechanism supplies the cooling medium flowing through the cooling path of the second fuel cell to the heater unit after flowing through the cooling path for cooling the first fuel cell for the heat exchange. A heat exchange system that is circulated to the first fuel cell after being provided.
請求項2記載の熱交換システムであって、
前記第2の燃料電池における前記冷却媒体の出口と入口との温度差は、前記第1の燃料電池における前記冷却媒体の出口と入口との温度差よりも大きい
熱交換システム。
The heat exchange system according to claim 2,
The heat exchange system in which a temperature difference between an outlet and an inlet of the cooling medium in the second fuel cell is larger than a temperature difference between an outlet and an inlet of the cooling medium in the first fuel cell.
請求項1ないし請求項3のいずれか記載の熱交換システムであって、
前記ヒータユニットは、前記熱交換による回収熱量が必要な熱量に対して不足する場合に、不足する熱量を補助するアシスト機構を備えた
熱交換システム。
The heat exchange system according to any one of claims 1 to 3,
The said heater unit is a heat exchange system provided with the assist mechanism which assists the insufficient heat quantity, when the heat recovery amount by the said heat exchange is insufficient with respect to the required heat quantity.
請求項4記載の熱交換システムであって、
前記アシスト機構は、少なくとも前記第1の燃料電池で発生した電力を利用して、前記不足する熱量を補助する機構であり、
前記運転制御ユニットは、前記アシスト機構の電力出力要求の変動に対して、前記第1の燃料電池の出力を変化させて対応する
熱交換システム。
The heat exchange system according to claim 4,
The assist mechanism is a mechanism that assists the insufficient amount of heat using at least the electric power generated in the first fuel cell.
The operation control unit is a heat exchange system that responds by changing the output of the first fuel cell in response to fluctuations in the power output request of the assist mechanism.
請求項1ないし請求項5のいずれか記載の熱交換システムであって、
前記第1の燃料電池及び前記第2の燃料電池は、固形高分子形燃料電池である
熱交換システム。
A heat exchange system according to any one of claims 1 to 5,
The heat exchange system, wherein the first fuel cell and the second fuel cell are solid polymer fuel cells.
請求項6記載の熱交換システムであって、
前記第1の燃料電池に供給された酸化ガスの排ガスを、前記第2の燃料電池に酸化反応用として供給する酸化ガス流路を備えた
熱交換システム。
The heat exchange system according to claim 6,
A heat exchange system comprising an oxidizing gas flow path for supplying an oxidizing gas exhaust gas supplied to the first fuel cell to the second fuel cell for an oxidation reaction.
請求項1ないし請求項7記載の熱交換システムであって、
前記運転制御ユニットは、前記第1の燃料電池が停止し、前記第2の燃料電池が稼働している状態において、前記ヒータユニットで必要な熱量が所定値以下になったとき、前記第2の燃料電池における前記冷却媒体の出口と入口の温度差が小さくなるように制御する
熱交換システム。
A heat exchange system according to any one of claims 1 to 7,
The operation control unit is configured such that when the first fuel cell is stopped and the second fuel cell is in operation, when the amount of heat necessary for the heater unit becomes a predetermined value or less, A heat exchange system that controls a temperature difference between an outlet and an inlet of the cooling medium in a fuel cell to be small.
請求項1記載の熱交換システムに用いられる第2の燃料電池であって、
該第2の燃料電池の内部を流れる冷却媒体の流路は、所定の一方向に向かって形成され、
該所定の一方向に沿って形成された温度分布により生じる前記第2の燃料電池を構成する部材の厚みの変化を、該第2の燃料電池を構成する積層体の積層面に沿って吸収可能な構造体を用いて締結した
燃料電池。
A second fuel cell used in the heat exchange system according to claim 1,
The flow path of the cooling medium flowing inside the second fuel cell is formed in a predetermined direction,
A change in the thickness of the member constituting the second fuel cell caused by the temperature distribution formed along the predetermined direction can be absorbed along the laminate surface of the laminate constituting the second fuel cell. A fuel cell that is fastened using a simple structure.
請求項1記載の熱交換システムに用いられる第2の燃料電池であって、
該第2の燃料電池の内部を流れる冷却媒体の流路は、所定の一方向に向かって形成され、
該所定の一方向に沿って形成された温度分布により生じる前記第2の燃料電池を構成する部材の厚みの変化に応じて、該第2の燃料電池の締結荷重を、前記温度分布の低温側で大きくなるように変化させる手段を備えた
燃料電池。
A second fuel cell used in the heat exchange system according to claim 1,
The flow path of the cooling medium flowing inside the second fuel cell is formed in a predetermined direction,
The fastening load of the second fuel cell is changed to the low temperature side of the temperature distribution according to the change in the thickness of the member constituting the second fuel cell caused by the temperature distribution formed along the predetermined direction. A fuel cell equipped with means to change the size of the fuel cell.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2011190750A (en) * 2010-03-15 2011-09-29 Toyota Motor Corp Apparatus for thermal management of vehicle
CN102363912A (en) * 2011-06-30 2012-02-29 江苏金辰针纺织有限公司 Mesh silver filigree plush fabric
KR101620237B1 (en) 2014-12-26 2016-05-12 포스코에너지 주식회사 Complex fuel cell system
JP2020140835A (en) * 2019-02-27 2020-09-03 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell system
CN112740452A (en) * 2018-08-29 2021-04-30 罗伯特·博世有限公司 Method for operating a fuel cell system of a motor vehicle
WO2023115986A1 (en) * 2021-12-23 2023-06-29 北京国家新能源汽车技术创新中心有限公司 Fuel cell waste heat recovery system and vehicle

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011190750A (en) * 2010-03-15 2011-09-29 Toyota Motor Corp Apparatus for thermal management of vehicle
CN102363912A (en) * 2011-06-30 2012-02-29 江苏金辰针纺织有限公司 Mesh silver filigree plush fabric
KR101620237B1 (en) 2014-12-26 2016-05-12 포스코에너지 주식회사 Complex fuel cell system
CN112740452A (en) * 2018-08-29 2021-04-30 罗伯特·博世有限公司 Method for operating a fuel cell system of a motor vehicle
JP2020140835A (en) * 2019-02-27 2020-09-03 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell system
WO2023115986A1 (en) * 2021-12-23 2023-06-29 北京国家新能源汽车技术创新中心有限公司 Fuel cell waste heat recovery system and vehicle

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