JP2010182518A - Fuel cell system - Google Patents

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Tatsuya Sugawara
竜也 菅原
Takayuki Nishiyama
隆之 西山
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system for improving temperature detection of a fuel cell without hampering warming up of the fuel cell. <P>SOLUTION: The fuel cell system includes: a first refrigerant circuit 41A cooling refrigerant discharged from the fuel cell 10 with a radiator 42 to be returned to the fuel cell 10; and a second refrigerant circuit 41B with a refrigerant amount set smaller than the refrigerant amount of the first refrigerant circuit 41A. To start up the fuel cell 10 at low temperatures, a second refrigerant pump 45 is started with the drive of a first refrigerant pump 44 stopped, so as to circulate the refrigerant between the fuel cell 10 and the second refrigerant circuit 41B. This allows a temperature sensor 52 to accurately detect the temperature of the fuel cell 10, preventing the fuel cell 10 from being excessively cooled. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、冷媒を循環させて燃料電池を冷却する燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system that cools a fuel cell by circulating a refrigerant.

燃料電池システムでは、発電時における燃料電池の過加熱を防止するために、燃料電池内に冷媒を循環させて燃料電池を冷却する冷却系を備えている。しかし、燃料電池システムが低温(例えば、氷点下)の環境下で起動される場合には燃料電池の暖機を行うことが行われる。しかし、低温環境下でのシステム起動時に冷媒を循環させると、燃料電池が冷却されて暖機が阻害されるため、冷媒の流れを遮断するなどして暖機を促進する技術が提案されている。しかし、燃料電池の温度は、冷媒で検出することが多く行われているため、冷媒の流れを遮断すると燃料電池の温度を検出することができなくなる。そこで、燃料電池の温度を検出するために、冷媒を循環させる冷媒ポンプを間欠的に動作させる技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。   In order to prevent overheating of the fuel cell during power generation, the fuel cell system includes a cooling system that circulates a refrigerant in the fuel cell to cool the fuel cell. However, when the fuel cell system is activated in a low temperature (for example, below freezing point) environment, the fuel cell is warmed up. However, if the refrigerant is circulated at the time of starting the system in a low temperature environment, the fuel cell is cooled and the warm-up is hindered. Therefore, a technique for promoting the warm-up by blocking the flow of the refrigerant has been proposed. . However, since the temperature of the fuel cell is often detected with a refrigerant, the temperature of the fuel cell cannot be detected if the flow of the refrigerant is interrupted. Therefore, a technique for intermittently operating a refrigerant pump for circulating the refrigerant has been proposed in order to detect the temperature of the fuel cell (see, for example, Patent Document 1).

特表2005−518077号公報(段落0011、図1)Japanese translation of PCT publication No. 2005-518077 (paragraph 0011, FIG. 1)

しかし、特許文献1に記載のように燃料電池に供給される冷媒を間欠的に循環させると、燃料電池の温度と冷媒の温度とが乖離してしまい、燃料電池の温度を正確に把握することが困難になるという問題があった。   However, if the refrigerant supplied to the fuel cell is circulated intermittently as described in Patent Document 1, the temperature of the fuel cell and the temperature of the refrigerant deviate, and the temperature of the fuel cell is accurately grasped. There was a problem that became difficult.

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、暖機を阻害することなく燃料電池の温度検出性能を向上できる燃料電池システムを提供することを目的とする。   The present invention solves the above-described conventional problems, and an object thereof is to provide a fuel cell system capable of improving the temperature detection performance of the fuel cell without inhibiting warm-up.

本発明は、反応ガスが供給され発電を行う燃料電池と、前記反応ガスが流通する反応ガスデバイスと、前記燃料電池から排出された冷媒を熱交換器で冷却し、前記燃料電池に戻す第1冷媒循環路と、前記第1冷媒循環路に冷媒を循環させる第1循環手段と、前記燃料電池から排出された冷媒の温度を検出する温度検出手段と、を有し、前記温度検出手段の検出値に基づいて前記燃料電池の制御を行う燃料電池システムであって、前記第1冷媒循環路を流れる冷媒の流量を制限する流量制限手段と、前記第1冷媒循環路の前記第1循環手段の上流側から分岐して前記第1循環手段の下流側に合流するとともに、前記第1冷媒循環路に比べて冷媒量が少なく設定された第2冷媒循環路と、前記第2冷媒循環路に冷媒を循環させる第2循環手段と、前記第2冷媒循環路に配置され、前記反応ガスデバイスと熱交換する熱交換部と、を有し、前記流量制限手段により前記第1冷媒循環路を流れる冷媒の流量を制限する際には前記第2冷媒循環路に冷媒を流通させることを特徴とする。   The present invention provides a fuel cell that is supplied with a reaction gas to generate power, a reaction gas device through which the reaction gas flows, and a refrigerant discharged from the fuel cell by a heat exchanger and returned to the fuel cell. A refrigerant circulation path; a first circulation means for circulating the refrigerant in the first refrigerant circulation path; and a temperature detection means for detecting a temperature of the refrigerant discharged from the fuel cell, the detection of the temperature detection means A fuel cell system that controls the fuel cell based on a value, a flow rate limiting means for limiting a flow rate of the refrigerant flowing through the first refrigerant circulation path, and a first circulation means of the first refrigerant circulation path. A second refrigerant circulation path that branches from the upstream side and merges with the downstream side of the first circulation means and has a smaller amount of refrigerant than the first refrigerant circulation path, and a refrigerant in the second refrigerant circulation path A second circulation means for circulating A heat exchanging part arranged in the second refrigerant circulation path and exchanging heat with the reaction gas device, and when the flow rate of the refrigerant flowing through the first refrigerant circulation path is limited by the flow rate limiting means, A refrigerant is circulated through the second refrigerant circulation path.

これによれば、第2循環手段により第2冷媒循環路に冷媒を循環させることができるので、第1冷媒循環路における冷媒の循環制限時であっても温度検出手段によって燃料電池の温度検出を正確に行うことができる。したがって、燃料電池の制御を的確に行うことが可能になる。   According to this, since the refrigerant can be circulated in the second refrigerant circulation path by the second circulation means, the temperature detection means detects the temperature of the fuel cell even when the circulation of the refrigerant in the first refrigerant circulation path is restricted. Can be done accurately. Therefore, the fuel cell can be accurately controlled.

しかも、第2冷媒循環路に流れる冷媒量が第1冷媒循環路に流れる冷媒量よりも少なくなるように設定されているので、通常発電時に流れる流量の冷媒で燃料電池が冷却されることがないので、燃料電池が過度に冷却されるのを防止することが可能になる。   Moreover, since the amount of refrigerant flowing through the second refrigerant circuit is set to be smaller than the amount of refrigerant flowing through the first refrigerant circuit, the fuel cell is not cooled by the refrigerant flowing at the normal power generation rate. Therefore, it becomes possible to prevent the fuel cell from being excessively cooled.

さらに、燃料電池の発電時の熱で温められて排出された冷媒を熱交換部に流通させて反応ガスデバイスとの間で熱交換が行われるように構成したので、反応ガスデバイスを昇温(凍結時には解氷)することが可能になる。   Furthermore, since the refrigerant that has been heated and discharged by the heat generated during power generation of the fuel cell is circulated through the heat exchanging unit to exchange heat with the reaction gas device, the temperature of the reaction gas device is increased ( It is possible to defrost)

なお、反応ガスデバイスとは、例えば、燃料電池のアノード側から排出された生成水と反応ガスとを分離する気液分離器、燃料電池のカソード側の圧力を制御する背圧制御弁である。   The reactive gas device is, for example, a gas-liquid separator that separates generated water discharged from the anode side of the fuel cell and the reactive gas, and a back pressure control valve that controls the pressure on the cathode side of the fuel cell.

また、前記第2冷媒循環路での冷媒の循環を停止するか否かを判定する冷媒循環停止可否判定手段を有し、前記冷媒循環停止可否判定手段により冷媒の循環を停止すると判定した際には前記第2冷媒循環路における冷媒の循環を停止するとともに、前記第1冷媒循環路のみに冷媒を循環させることを特徴とする。   In addition, when the refrigerant circulation stop propriety determining means for determining whether or not to stop the refrigerant circulation in the second refrigerant circulation path is determined and the refrigerant circulation stop propriety determining means determines that the refrigerant circulation is stopped, Is characterized in that the circulation of the refrigerant in the second refrigerant circuit is stopped and the refrigerant is circulated only in the first refrigerant circuit.

これによれば、冷媒が第2冷媒循環路を流れなくなるので、冷媒が反応ガスデバイスから受け取る熱量がなくなり、燃料電池を冷却する際の冷却性能を向上できる。しかも、第2冷媒循環路に冷媒を無駄に循環させることがないので、第2循環手段によって消費される分の電力を削減できる。なお、冷媒循環停止可否判定手段は、例えば、燃料電池の暖機が完了したか、言い換えると燃料電池の温度が暖機完了の温度に達したかどうかに基づいて判断することができる。   According to this, since the refrigerant does not flow through the second refrigerant circuit, the amount of heat received by the refrigerant from the reaction gas device is eliminated, and the cooling performance when cooling the fuel cell can be improved. In addition, since the refrigerant is not circulated unnecessarily in the second refrigerant circulation path, the power consumed by the second circulation means can be reduced. Note that the refrigerant circulation stop propriety determination unit can determine, for example, based on whether or not the fuel cell has been warmed up, in other words, whether or not the temperature of the fuel cell has reached the warm-up complete temperature.

また、前記燃料電池を低温起動するか否かを判定する低温起動判定手段を有し、前記低温起動判定手段により低温起動すると判定された際には、前記流量制限手段により前記第1冷媒循環路を流れる冷媒の流量を制限するとともに前記第2冷媒循環路に冷媒を循環させ、前記低温起動判定手段により低温起動しないと判定された際には、前記第1冷媒循環路の冷媒の流量を制限しないことを特徴とする。   In addition, it has a low temperature start determination means for determining whether or not to start the fuel cell at a low temperature, and when the low temperature start determination means determines that the fuel cell is to be started at a low temperature, the flow rate restriction means causes the first refrigerant circulation path to And restricts the flow rate of the refrigerant in the first refrigerant circuit when the low temperature activation determination means determines that the low temperature activation is not performed. It is characterized by not.

これによれば、低温起動する場合には第1冷媒循環路における冷媒の流量制限を行うので燃料電池の低温起動性を向上することができ、低温起動しない場合、つまり比較的高い温度で起動(常温で起動)する場合には、流量制限を行わず、燃料電池に冷却に十分な流量の冷媒が供給されるため、燃料電池が過加熱になるのを防止でき、燃料電池の劣化を抑制することが可能になる。   According to this, since the flow rate of the refrigerant in the first refrigerant circuit is restricted when starting at a low temperature, the low temperature startability of the fuel cell can be improved, and when starting at a low temperature, that is, starting at a relatively high temperature ( When starting up at room temperature), the flow rate of refrigerant is not limited and a sufficient amount of coolant is supplied to the fuel cell for cooling, preventing the fuel cell from overheating and suppressing deterioration of the fuel cell. It becomes possible.

本発明によれば、暖機を阻害することなく燃料電池の温度検出性能を向上できる燃料電池システムを提供できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell system which can improve the temperature detection performance of a fuel cell, without inhibiting warming-up can be provided.

第1実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。It is a whole lineblock diagram showing the fuel cell system of a 1st embodiment. 第1実施形態の燃料電池システムにおける冷媒循環制御を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the refrigerant | coolant circulation control in the fuel cell system of 1st Embodiment. 第1実施形態の燃料電池システムにおける冷媒循環制御の変形例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the modification of the refrigerant | coolant circulation control in the fuel cell system of 1st Embodiment. 燃料電池の温度と第1循環ポンプの回転速度との関係を示すマップである。It is a map which shows the relationship between the temperature of a fuel cell, and the rotational speed of a 1st circulation pump. 第2実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。It is a whole block diagram which shows the fuel cell system of 2nd Embodiment. 燃料電池の温度と流量制御弁の開度との関係を示すマップである。It is a map which shows the relationship between the temperature of a fuel cell, and the opening degree of a flow control valve.

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下では、本実施形態の燃料電池システム1A,1Bを燃料電池自動車(図示せず)に適用した場合を例に挙げて説明するが、これに限定されるものではなく、船舶や航空機、あるいは家庭用や業務用の定置式のものなど電気を必要とする様々なものに適用できる。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following, the case where the fuel cell systems 1A and 1B of the present embodiment are applied to a fuel cell vehicle (not shown) will be described as an example. However, the present invention is not limited to this, and ships, aircrafts, Or it can apply to various things which require electricity, such as a stationary type for home use and business use.

(第1実施形態)
図1に示すように、第1実施形態の燃料電池システム1Aは、燃料電池10、アノード系20、カソード系30、冷媒系40、制御系50などで構成されている。
(First embodiment)
As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1A of the first embodiment includes a fuel cell 10, an anode system 20, a cathode system 30, a refrigerant system 40, a control system 50, and the like.

燃料電池10は、例えば、PEM(Proton Exchange Membrane)型の燃料電池であり、MEA(Membrane Electrode Assembly)を、一対の導電性のセパレータ(図示せず)で挟んで構成した単セルを厚み方向に複数積層し、電気的に直列に接続した構造を有している。なお、MEAは、固体高分子からなる電解質膜を、触媒を含むアノード(水素極)とカソード(酸素極)とで挟んでなる膜電極接合体である。また、アノードに対向するセパレータには、反応ガスとしての水素(燃料ガス)が流通するアノード流路10aが形成され、カソードに対向するセパレータには、反応ガスとしての酸素を含む空気(酸化剤ガス)が流通するカソード流路10bが形成されている。また、セパレータには、冷媒が流通する冷媒流路10cが形成されている。   The fuel cell 10 is, for example, a PEM (Proton Exchange Membrane) type fuel cell, and a single cell configured by sandwiching a MEA (Membrane Electrode Assembly) between a pair of conductive separators (not shown) in the thickness direction. A plurality of layers are stacked and electrically connected in series. The MEA is a membrane electrode assembly in which an electrolyte membrane made of a solid polymer is sandwiched between an anode (hydrogen electrode) containing a catalyst and a cathode (oxygen electrode). In addition, an anode channel 10a through which hydrogen (fuel gas) as a reaction gas flows is formed in the separator facing the anode, and air containing oxygen as the reaction gas (oxidant gas) is formed in the separator facing the cathode. ) Is circulated in the cathode channel 10b. The separator is formed with a refrigerant flow path 10c through which the refrigerant flows.

このような燃料電池10では、アノードに水素が、カソードに空気(酸素)がそれぞれ供給され、水素と酸素との化学反応により発電が可能になり、またカソードでは水が生成される。燃料電池10から取り出された発電電力(発電電流)は、走行モータ(図示せず)、後記するエアポンプ31、第1冷媒ポンプ44、第2冷媒ポンプ45、蓄電装置(図示せず)などの外部負荷に供給される。   In such a fuel cell 10, hydrogen is supplied to the anode and air (oxygen) is supplied to the cathode, and power generation is possible by a chemical reaction between hydrogen and oxygen, and water is generated at the cathode. The generated electric power (generated current) taken out from the fuel cell 10 is external to a traveling motor (not shown), an air pump 31, a first refrigerant pump 44, a second refrigerant pump 45, a power storage device (not shown), etc. Supplied to the load.

アノード系20は、燃料電池10のアノードに水素(燃料ガス)を供給し、かつ、アノードからアノードオフガス(水素など)を排出するものであり、水素タンク21、遮断弁22、エゼクタ23、気液分離器(反応ガスデバイス)24、ドレイン弁25、パージ弁26、配管a1〜a7などで構成されている。   The anode system 20 supplies hydrogen (fuel gas) to the anode of the fuel cell 10 and discharges anode off-gas (such as hydrogen) from the anode, and includes a hydrogen tank 21, a shut-off valve 22, an ejector 23, a gas-liquid It comprises a separator (reactive gas device) 24, a drain valve 25, a purge valve 26, pipes a1 to a7, and the like.

また、アノード系20では、水素タンク21が、配管a1、遮断弁22、配管a2、エゼクタ23、配管a3を介して燃料電池10のアノード流路10aの入口と接続されている。燃料電池10のアノード流路10aの出口は、配管a4、気液分離器24、配管a5を介してエゼクタ23と接続され、また配管a6およびドレイン弁25を介して車外に連通し、また配管a7およびパージ弁26を介して車外に連通している。   In the anode system 20, a hydrogen tank 21 is connected to the inlet of the anode flow path 10 a of the fuel cell 10 through a pipe a 1, a shutoff valve 22, a pipe a 2, an ejector 23, and a pipe a 3. The outlet of the anode flow path 10a of the fuel cell 10 is connected to the ejector 23 through a pipe a4, a gas-liquid separator 24, and a pipe a5, and communicates with the outside of the vehicle through a pipe a6 and a drain valve 25. And a purge valve 26 communicates with the outside of the vehicle.

遮断弁22は、例えば電磁作動式のものであり、後記するECU51によって開閉制御される。   The shut-off valve 22 is, for example, an electromagnetically operated type, and is opened and closed by an ECU 51 described later.

エゼクタ23は、水素タンク21から供給される水素の流れを利用して負圧を発生させ、この負圧によってアノードオフガスを吸引、混合して、再びアノードに供給するようになっている。   The ejector 23 generates a negative pressure using the flow of hydrogen supplied from the hydrogen tank 21, sucks and mixes the anode off-gas by this negative pressure, and supplies it to the anode again.

気液分離器24は、重力によって水素と水を分離して、水を貯留する貯留部を有している。さらに説明すると、アノードオフガスとともに流れる生成水が、配管a4から気液分離器24内に導入されることにより、流路断面積が拡大して流速が落ちることによって、アノードオフガスと生成水とが分離して貯留部に生成水が溜まるようになっている。   The gas-liquid separator 24 has a storage part that separates hydrogen and water by gravity and stores water. More specifically, when the produced water flowing together with the anode off-gas is introduced into the gas-liquid separator 24 from the pipe a4, the flow-path sectional area is enlarged and the flow velocity is lowered, whereby the anode off-gas and the produced water are separated. Thus, the generated water accumulates in the reservoir.

ドレイン弁25は、例えば、電磁作動式のものであり、後記するECU51によって定期的に開弁されて、気液分離器24に貯留した水を車外(システム外部)に排出する。   The drain valve 25 is, for example, an electromagnetically operated type, and is periodically opened by an ECU 51 described later, and discharges water stored in the gas-liquid separator 24 to the outside of the vehicle (outside the system).

パージ弁26は、例えば、電磁作動式のものであり、後記するECU51によって定期的に開弁されて、水素循環路(配管a3〜a5およびアノード流路10a)に含まれる窒素などの不純物を車外に排出する。なお、窒素などの不純物は、カソードから電解質膜を介してアノードに透過したものである。   The purge valve 26 is, for example, an electromagnetically operated type, and is periodically opened by an ECU 51 described later to remove impurities such as nitrogen contained in the hydrogen circulation path (the pipes a3 to a5 and the anode flow path 10a) outside the vehicle. To discharge. Impurities such as nitrogen are transmitted from the cathode through the electrolyte membrane to the anode.

カソード系30は、燃料電池10のカソードに空気(酸化ガス)を供給し、かつ、カソードからカソードオフガス(湿潤な空気など)を排出するものであり、エアポンプ31、背圧制御弁(反応ガスデバイス)32、配管b1〜b3などで構成されている。   The cathode system 30 supplies air (oxidizing gas) to the cathode of the fuel cell 10 and discharges cathode off-gas (wet air or the like) from the cathode, and includes an air pump 31, a back pressure control valve (reactive gas device). ) 32, pipes b1 to b3, and the like.

また、カソード系30では、エアポンプ31が、配管b1を介して燃料電池10のカソード流路10bの入口に接続される。また、燃料電池10のカソード流路10bの出口は、配管b2、背圧制御弁32、配管b3を介して車外に連通している。   Further, in the cathode system 30, an air pump 31 is connected to the inlet of the cathode flow path 10b of the fuel cell 10 via the pipe b1. Further, the outlet of the cathode flow path 10b of the fuel cell 10 communicates with the outside of the vehicle via the pipe b2, the back pressure control valve 32, and the pipe b3.

エアポンプ31は、例えばモータにより駆動される機械式の過給器であり、ECU51の制御により取り込んだ外気(空気)を圧縮して、カソードに供給する。なお、配管b1には、エアポンプ31からの空気を加湿する加湿器(図示せず)が設けられている。   The air pump 31 is a mechanical supercharger driven by, for example, a motor, compresses outside air (air) taken in under the control of the ECU 51, and supplies the compressed air to the cathode. The pipe b1 is provided with a humidifier (not shown) that humidifies the air from the air pump 31.

背圧制御弁32は、例えばバタフライ弁などの開度調整が可能な弁であり、カソードに供給される圧力を適宜調節するようになっている。   The back pressure control valve 32 is a valve capable of adjusting the opening, such as a butterfly valve, and appropriately adjusts the pressure supplied to the cathode.

冷媒系40は、第1冷媒循環路41Aと第2冷媒循環路41Bとで構成されている。   The refrigerant system 40 includes a first refrigerant circuit 41A and a second refrigerant circuit 41B.

第1冷媒循環路41Aは、燃料電池10とラジエータ(熱交換器)42との間で冷媒を循環させて燃料電池10を冷却するものであり、配管c1〜c5を備えている。また、第1冷媒循環路41Aには、サーモスタット43、第1冷媒ポンプ(第1循環手段)44が設けられている。なお、冷媒は、例えば、エチレングリコールを主成分とするものが使用される。   The first refrigerant circulation path 41A cools the fuel cell 10 by circulating the refrigerant between the fuel cell 10 and the radiator (heat exchanger) 42, and includes pipes c1 to c5. The first refrigerant circulation path 41A is provided with a thermostat 43 and a first refrigerant pump (first circulation means) 44. In addition, what has ethylene glycol as a main component is used for a refrigerant | coolant, for example.

ラジエータ42は、放熱性の高い金属材料などで形成された配管、フィンなどで構成され、燃料電池10の発電時に発生する熱で温められた冷媒を放熱させるものであり、配管c1を介して燃料電池10の冷媒流路10cの出口10c2と接続され、配管c2,c4,c5を介して冷媒流路10cの入口10c1と接続されている。   The radiator 42 is composed of pipes, fins, etc. formed of a metal material having a high heat dissipation property, and dissipates the refrigerant warmed by heat generated during power generation of the fuel cell 10, and the fuel is supplied via the pipe c1. It is connected to the outlet 10c2 of the refrigerant flow path 10c of the battery 10, and is connected to the inlet 10c1 of the refrigerant flow path 10c via pipes c2, c4, and c5.

サーモスタット43は、配管c2を介してラジエータ42の冷媒出口と接続され、配管c3を介してラジエータ42をバイパスする配管c3と接続され、配管c4を介して第1冷媒ポンプ44と接続されている。また、サーモスタット43は、冷媒の温度に応じて、冷媒の流路がラジエータ42側、またはラジエータ42をバイパスする側に切替わるものである。この切替えは、例えばワックスが温度によって体積を変化させることによりなされるものであってもよく、例えばECU51からの信号により電気的に切替えが行われるものであってもよい。   The thermostat 43 is connected to the refrigerant outlet of the radiator 42 via the pipe c2, is connected to the pipe c3 bypassing the radiator 42 via the pipe c3, and is connected to the first refrigerant pump 44 via the pipe c4. The thermostat 43 switches the refrigerant flow path to the radiator 42 side or the side bypassing the radiator 42 according to the temperature of the refrigerant. This switching may be performed, for example, by changing the volume of the wax depending on the temperature. For example, the switching may be performed electrically by a signal from the ECU 51.

第1冷媒ポンプ44は、モータを動力源として冷媒を循環させるものであり、配管c5を介して冷媒流路10cの入口10c1と接続されている。第1冷媒ポンプ44は、ECU51によってモータの回転速度が制御されることにより、第1冷媒循環路41Aに流れる冷媒の流量が調整される。例えば、モータの回転速度を制限(低下)することにより、第1冷媒循環路41Aを流れる冷媒の流量が通常の発電時よりも制限され、または0に設定される。   The first refrigerant pump 44 circulates refrigerant using a motor as a power source, and is connected to the inlet 10c1 of the refrigerant flow path 10c via a pipe c5. The first refrigerant pump 44 adjusts the flow rate of the refrigerant flowing through the first refrigerant circulation path 41 </ b> A when the rotational speed of the motor is controlled by the ECU 51. For example, by limiting (decreasing) the rotational speed of the motor, the flow rate of the refrigerant flowing through the first refrigerant circulation path 41A is limited or set to 0 than during normal power generation.

第1冷媒ポンプ44がECU51によって駆動されることにより、冷媒流路10cの出口10c2から排出された冷媒が、配管c1、ラジエータ42、配管c2、配管c4、配管c5を通って、および/または配管c1、配管c3、配管c4、配管c5を通って冷媒流路10cの入口10c1に戻るように循環する。   When the first refrigerant pump 44 is driven by the ECU 51, the refrigerant discharged from the outlet 10c2 of the refrigerant flow path 10c passes through the pipe c1, the radiator 42, the pipe c2, the pipe c4, the pipe c5, and / or the pipe. It circulates so as to return to the inlet 10c1 of the refrigerant flow path 10c through c1, the pipe c3, the pipe c4, and the pipe c5.

第2冷媒循環路41Bは、低温起動時に使用される流路であり、配管c10〜c14を備えている。また、第2冷媒循環路41Bは、冷媒流路10cの出口10c2に接続された配管c1から分岐して形成され、気液分離器24に設けられた熱交換部24aおよび背圧制御弁32に設けられた熱交換部32aを通って、冷媒流路10cの入口10c1に接続された配管c5に合流するように構成されている。   The second refrigerant circulation path 41B is a flow path used at low temperature startup, and includes pipes c10 to c14. The second refrigerant circulation path 41B is formed by branching from the pipe c1 connected to the outlet 10c2 of the refrigerant flow path 10c, and is connected to the heat exchange unit 24a and the back pressure control valve 32 provided in the gas-liquid separator 24. It is configured to join the pipe c5 connected to the inlet 10c1 of the refrigerant channel 10c through the provided heat exchange part 32a.

また、第2冷媒循環路41B(配管c10〜c14)が保有する冷媒量は、例えば、配管径が配管c1〜c5よりも細く、および/または、配管長が第1冷媒循環路41A(配管c1〜c5)よりも短くなるように形成されて、配管c1〜c5が保有する冷媒量よりも少なくなるように構成されている。つまり、配管c10〜c14が保有する冷媒量は、冷媒を循環させたときに、燃料電池10の起動時における燃料電池10の昇温(暖機)を阻害しない(速やかに行なう)程度の冷媒量に設定される。   In addition, the refrigerant amount held by the second refrigerant circulation path 41B (pipes c10 to c14) is, for example, smaller in pipe diameter than the pipes c1 to c5 and / or the pipe length is the first refrigerant circulation path 41A (pipe c1). ~ C5), and is configured to be shorter than the refrigerant amount held by the pipes c1 to c5. That is, the refrigerant amount held by the pipes c10 to c14 is an amount of refrigerant that does not hinder (rapidly) the temperature rise (warming up) of the fuel cell 10 when the fuel cell 10 is started up when the refrigerant is circulated. Set to

なお、第2冷媒循環路41Bの上流側の分岐部P1と下流側の合流部P2は、冷媒流路10cの出口10c2、入口10c1の近傍に配置することが、第2冷媒循環路41Bの冷媒量を少なくする点において有効である。   Note that the upstream branching portion P1 and the downstream joining portion P2 of the second refrigerant circulation path 41B are arranged in the vicinity of the outlet 10c2 and the inlet 10c1 of the refrigerant flow path 10c, so that the refrigerant in the second refrigerant circulation path 41B. This is effective in reducing the amount.

また、第2冷媒循環路41Bには、第2冷媒ポンプ(第2循環手段)45、逆止弁46、熱交換部24a,32aが設けられている。   The second refrigerant circulation path 41B is provided with a second refrigerant pump (second circulation means) 45, a check valve 46, and heat exchange units 24a and 32a.

第2冷媒ポンプ45は、モータを動力源として冷媒を循環させるものであり、配管c10を介して配管c1と接続され、配管c11を介して熱交換部32aの入口と接続されている。熱交換部32aの出口は、配管c12を介して熱交換部24aの入口と接続され、熱交換部24aの出口は、配管c13を介して逆止弁46と接続されている。逆止弁46は、配管c14を介して配管c5と接続されている。   The second refrigerant pump 45 circulates the refrigerant using a motor as a power source, and is connected to the pipe c1 via the pipe c10 and is connected to the inlet of the heat exchange unit 32a via the pipe c11. The outlet of the heat exchanging part 32a is connected to the inlet of the heat exchanging part 24a via the pipe c12, and the outlet of the heat exchanging part 24a is connected to the check valve 46 via the pipe c13. The check valve 46 is connected to the pipe c5 via the pipe c14.

第2冷媒ポンプ45がECU51によって駆動されることにより、冷媒流路10cの出口10c2から排出された冷媒が、配管c1、配管c10、配管c11、熱交換部32a、配管c12、熱交換部24a、配管c13、配管c14、配管c5を介して冷媒流路10cの入口10c1に戻るように循環する。   When the second refrigerant pump 45 is driven by the ECU 51, the refrigerant discharged from the outlet 10c2 of the refrigerant flow path 10c is changed into the pipe c1, the pipe c10, the pipe c11, the heat exchange unit 32a, the pipe c12, the heat exchange unit 24a, It circulates so as to return to the inlet 10c1 of the refrigerant flow path 10c through the pipe c13, the pipe c14, and the pipe c5.

逆止弁46は、配管c13から配管c14に向かう冷媒の通流のみを許容する弁で構成され、第1冷媒ポンプ44が駆動されたときに、冷媒が第2冷媒循環路41Bを逆流しないようになっている。   The check valve 46 is a valve that allows only the flow of the refrigerant from the pipe c13 to the pipe c14, and prevents the refrigerant from flowing back through the second refrigerant circulation path 41B when the first refrigerant pump 44 is driven. It has become.

熱交換部24aは、冷媒が流通することにより、気液分離器24と冷媒との間で熱交換を行うもの、つまり冷媒の熱で気液分離器24を温めるものであり、例えば、気液分離器24をいわゆるウォータジャケットと称される流路で覆った構成である。   The heat exchanging unit 24a exchanges heat between the gas-liquid separator 24 and the refrigerant when the refrigerant flows, that is, heats the gas-liquid separator 24 with the heat of the refrigerant. The separator 24 is covered with a flow path called a so-called water jacket.

同様に、熱交換部32aについても、背圧制御弁32と冷媒との間で熱交換を行うもの、つまり冷媒の熱で背圧制御弁32を温めるものであり、例えば、背圧制御弁32をいわゆるウォータジャケットと称される流路で覆った構成である。   Similarly, the heat exchanging unit 32a also exchanges heat between the back pressure control valve 32 and the refrigerant, that is, heats the back pressure control valve 32 with the heat of the refrigerant. Is covered with a flow path called a so-called water jacket.

制御系50は、ECU(Electronic Control Unit、電子制御装置)51、温度センサ(温度検出手段)52などで構成されている。温度センサ52は、燃料電池10の温度(以下、FC温度と略記する)を検出するものであり、冷媒流路10cの出口10c2近傍の配管c1に設けられている。   The control system 50 includes an ECU (Electronic Control Unit) 51, a temperature sensor (temperature detection means) 52, and the like. The temperature sensor 52 detects the temperature of the fuel cell 10 (hereinafter abbreviated as FC temperature), and is provided in the pipe c1 near the outlet 10c2 of the refrigerant flow path 10c.

ECU51は、CPU(Central Processing Unit)、RAM(Random Access Memory)、プログラムを記憶したROM(Read Only Memory)などで構成されている。   The ECU 51 includes a CPU (Central Processing Unit), a RAM (Random Access Memory), a ROM (Read Only Memory) storing a program, and the like.

流量制限手段は、第1冷媒循環路41Aを流れる冷媒の流量を制限する手段であり、第1冷媒ポンプ44のモータの回転速度を制限して、第1冷媒循環路41Aと燃料電池10との間で冷媒が循環しないようになっている。なお、図1に示す燃料電池システム1Aでは、ECU51の制御によって流量制限手段が構成され、図5に示す後記する燃料電池システム1Bでは、流量制御弁47とECU51によって流量制限手段が構成されている。   The flow rate limiting means is a means for limiting the flow rate of the refrigerant flowing through the first refrigerant circulation path 41 </ b> A, and limits the rotational speed of the motor of the first refrigerant pump 44, so that the first refrigerant circulation path 41 </ b> A and the fuel cell 10 The refrigerant does not circulate between them. In the fuel cell system 1A shown in FIG. 1, the flow restriction means is configured by the control of the ECU 51, and in the fuel cell system 1B described later shown in FIG. 5, the flow restriction valve 47 and the ECU 51 constitute the flow restriction means. .

冷媒循環停止可否判定手段は、第2冷媒循環路41Bにおける冷媒の循環制御を停止するか否かを判断する手段であり、例えば、燃料電池システム1Aの起動時に行われる暖機処理が完了したか否かによって判断できる。なお、暖機処理とは、例えば、常温で起動する場合の通常流量より多い流量、通常圧力より高い圧力で空気を供給して、燃料電池10における自己発熱量を高めるようなものであってもよく、常温で起動する場合の流量、圧力の空気を供給するものであってもよい。暖機完了の判断は、FC温度に基づいて判断することができ、FC温度が所定温度以上となったときに暖機完了と判断できる。   The refrigerant circulation stop possibility determination means is a means for determining whether or not to stop the circulation control of the refrigerant in the second refrigerant circulation path 41B. For example, has the warm-up process performed at the start of the fuel cell system 1A been completed? It can be judged by whether or not. Note that the warm-up process may be, for example, to increase the self-heating value in the fuel cell 10 by supplying air at a flow rate higher than the normal flow rate when starting at room temperature, or at a pressure higher than the normal pressure. It is also possible to supply air at a flow rate and pressure when starting at room temperature. The completion of the warm-up can be determined based on the FC temperature, and it can be determined that the warm-up is completed when the FC temperature becomes equal to or higher than a predetermined temperature.

低温起動判定手段は、燃料電池10を低温起動するか否かを判定する手段であり、例えば、FC温度に基づいて判断できる。FC温度が所定温度(例えば、氷点下)以下であるときに燃料電池10を低温起動すると判断する。なお、FC温度に限定されるものではなく、例えば、アノード側の出口温度、カソード側の出口温度、外気温度などに基づいて判定してもよい。   The low temperature activation determination means is a means for determining whether or not to start the fuel cell 10 at a low temperature, and can be determined based on, for example, the FC temperature. When the FC temperature is equal to or lower than a predetermined temperature (for example, below freezing point), it is determined that the fuel cell 10 is started at a low temperature. The determination is not limited to the FC temperature. For example, the determination may be made based on the outlet temperature on the anode side, the outlet temperature on the cathode side, the outside air temperature, and the like.

次に、第1実施形態の燃料電池システム1Aの動作について図2を参照して説明する。運転者によって車両のイグニッションスイッチがオン(IG−ON)にされると、ECU51は、ステップS10において、燃料電池10を低温起動するか否か、つまり燃料電池10を暖機運転するか否かを判断する(低温起動判定手段)。ステップS10において、ECU51は、低温起動すると判断した場合には(Yes)、ステップS20に進み、フラグ「1」を設定し、低温起動しない、つまり通常起動(常温起動)すると判断した場合には(No)、ステップS30に進み、フラグ「0」を設定する。なお、設定したフラグは、RAMに記憶される。   Next, the operation of the fuel cell system 1A of the first embodiment will be described with reference to FIG. When the ignition switch of the vehicle is turned on (IG-ON) by the driver, the ECU 51 determines in step S10 whether to start the fuel cell 10 at a low temperature, that is, whether to warm up the fuel cell 10. Judgment (low temperature activation determination means). If it is determined in step S10 that the engine 51 is to be started at a low temperature (Yes), the ECU 51 proceeds to step S20, sets a flag “1”, and if it is determined that a low temperature start is not performed, that is, a normal start (a room temperature start) ( No), the process proceeds to step S30, and the flag “0” is set. The set flag is stored in the RAM.

そして、ステップS40に進み、ECU51は、燃料電池(FC:Fuel Cell)10の発電を開始する。すなわち、ECU51は、遮断弁22を開いて水素タンク21からアノードに水素を供給し、エアポンプ31を駆動してカソードに空気を供給することにより発電を開始する。   And it progresses to step S40 and ECU51 starts the electric power generation of the fuel cell (FC: Fuel Cell) 10. That is, the ECU 51 starts power generation by opening the shut-off valve 22 to supply hydrogen from the hydrogen tank 21 to the anode, driving the air pump 31 and supplying air to the cathode.

そして、ステップS50に進み、ECU51は、RAMに記憶されたフラグを参照して、フラグが「1」であるかどうかを判断し、フラグが「1」である場合には(Yes)、ステップS60Aに進み、フラグが「0」である場合には(No)、ステップS130に進む。   In step S50, the ECU 51 refers to the flag stored in the RAM to determine whether the flag is “1”. If the flag is “1” (Yes), step S60A is performed. If the flag is “0” (No), the process proceeds to step S130.

フラグが「1」である場合、ステップS60Aにおいて、ECU51は、第1冷媒循環路41Aに冷媒を循環させるのを制限する循環制限制御を開始する。すなわち、ECU51は、第1冷媒ポンプ44が停止して、第1冷媒循環路41A(ラジエータ42)と燃料電池10との間で冷媒が循環しないように制御する。これにより、第1冷媒循環路41A(ラジエータ42)を通ることによって過度に冷却された冷媒が燃料電池10内を循環することがなくなる。   When the flag is “1”, in step S60A, the ECU 51 starts circulation restriction control for restricting circulation of the refrigerant in the first refrigerant circulation path 41A. That is, the ECU 51 performs control so that the first refrigerant pump 44 stops and the refrigerant does not circulate between the first refrigerant circulation path 41 </ b> A (the radiator 42) and the fuel cell 10. Accordingly, the refrigerant that has been excessively cooled by passing through the first refrigerant circulation path 41A (the radiator 42) does not circulate in the fuel cell 10.

そして、ステップS70に進み、ECU51は、第2冷媒循環路41Bに冷媒を循環させる循環制御を開始する。すなわち、ECU51は、第2冷媒ポンプ45を駆動して、第2冷媒循環路41Bと燃料電池10との間で冷媒が循環するように制御する。本実施形態では、第2冷媒循環路41Bを流れる冷媒量が第1冷媒循環路41Aを流れる冷媒量よりも少なく設定されているので、第2冷媒循環路41Bを通過した冷媒が燃料電池10内に導入されたとしても、燃料電池10が過度に冷却されることはない。   And it progresses to step S70 and ECU51 starts the circulation control which circulates a refrigerant | coolant to the 2nd refrigerant circulation path 41B. That is, the ECU 51 controls the refrigerant to circulate between the second refrigerant circuit 41 </ b> B and the fuel cell 10 by driving the second refrigerant pump 45. In the present embodiment, the amount of refrigerant flowing through the second refrigerant circuit 41B is set to be smaller than the amount of refrigerant flowing through the first refrigerant circuit 41A, so that the refrigerant that has passed through the second refrigerant circuit 41B is contained in the fuel cell 10. Even if it is introduced into the fuel cell 10, the fuel cell 10 is not excessively cooled.

また、燃料電池10の発電時の熱で温められた冷媒が熱交換部32a,24aに導入されることにより、冷媒と背圧制御弁32との間、および冷媒と気液分離器24との間で、それぞれ熱交換が行われ、冷媒が保持する熱によって背圧制御弁32および気液分離器24が温められる。   In addition, the refrigerant warmed by the heat generated during the power generation of the fuel cell 10 is introduced into the heat exchanging parts 32a and 24a, so that the refrigerant and the back-pressure control valve 32 and the refrigerant and the gas-liquid separator 24 are exchanged. In the meantime, heat exchange is performed, and the back pressure control valve 32 and the gas-liquid separator 24 are warmed by the heat held by the refrigerant.

そして、ステップS80に進み、ECU51は、温度センサ52によってFC温度を検出する。第2冷媒循環路41Bに冷媒を流すことにより、燃料電池10内を冷媒が連続して流れるようになるので、ECU51が温度センサ52の検出値を監視することにより、FC温度を正確に検出することが可能になる。   In step S80, the ECU 51 detects the FC temperature by the temperature sensor 52. By causing the refrigerant to flow through the second refrigerant circulation path 41B, the refrigerant continuously flows in the fuel cell 10, so that the ECU 51 accurately detects the FC temperature by monitoring the detection value of the temperature sensor 52. It becomes possible.

そして、ステップS90に進み、ECU51は、第2冷媒循環路41Bにおける冷媒の循環制御を停止させることが可能であるかを判断する(冷媒循環停止可否判定手段)。なお、この場合、FC温度(温度センサ52で検出した冷媒温度)が所定温度(例えば、15℃)以上になったかどうかによって判断できる。ステップS90において、ECU51は、FC温度が所定温度以上ではないと判断したときには(No)、ステップS80の処理に戻り、FC温度が所定温度以上であると判断した場合には(Yes)、ステップS100に進む。   In step S90, the ECU 51 determines whether the refrigerant circulation control in the second refrigerant circuit 41B can be stopped (refrigerant circulation stoppage determination unit). In this case, the determination can be made based on whether or not the FC temperature (the refrigerant temperature detected by the temperature sensor 52) is equal to or higher than a predetermined temperature (for example, 15 ° C.). In step S90, when the ECU 51 determines that the FC temperature is not equal to or higher than the predetermined temperature (No), the process returns to step S80, and when it is determined that the FC temperature is equal to or higher than the predetermined temperature (Yes), step S100 is performed. Proceed to

ステップS100において、ECU51は、第1冷媒循環路41Aにおける冷媒循環制限制御を終了(解除)する。   In step S100, the ECU 51 ends (cancels) the refrigerant circulation restriction control in the first refrigerant circulation path 41A.

そして、ステップS110に進み、ECU51は、第1冷媒循環路41Aに冷媒を循環させる循環制御を開始する。すなわち、ECU51は、第1冷媒ポンプ44のモータの回転速度を通常運転時(定格運転時)に設定された回転速度に設定する。これにより、第1冷媒循環路41Aにおける冷媒の循環が開始され、冷媒流路10cの出口10c2から排出された冷媒が、配管c1,c3,c4,c5を通って冷媒流路10cの入口10c1に戻るように循環する。さらに、冷媒の温度が上昇した場合には、サーモスタット43によって流路が切り替わり、燃料電池10とラジエータ42との間で冷媒が循環するようになる。   And it progresses to step S110 and ECU51 starts the circulation control which circulates a refrigerant | coolant to 41 A of 1st refrigerant circulation paths. That is, the ECU 51 sets the rotation speed of the motor of the first refrigerant pump 44 to the rotation speed set during normal operation (rated operation). Thereby, the circulation of the refrigerant in the first refrigerant circulation path 41A is started, and the refrigerant discharged from the outlet 10c2 of the refrigerant flow path 10c passes through the pipes c1, c3, c4, and c5 to the inlet 10c1 of the refrigerant flow path 10c. Cycle to return. Further, when the temperature of the refrigerant rises, the flow path is switched by the thermostat 43 and the refrigerant circulates between the fuel cell 10 and the radiator 42.

そして、ステップS120に進み、ECU51は、第2冷媒循環路41Bにおける冷媒の循環制御を停止する。すなわち、ECU51は、第2冷媒ポンプ45の駆動を停止して、第2冷媒循環路41Bに冷媒が流れないようになる。   In step S120, the ECU 51 stops the refrigerant circulation control in the second refrigerant circulation path 41B. That is, the ECU 51 stops driving the second refrigerant pump 45 so that the refrigerant does not flow into the second refrigerant circulation path 41B.

なお、第2冷媒循環路41Bには逆止弁46が設けられているので、第1冷媒循環路41Aと燃料電池10との間での冷媒の循環が開始されたとしても、冷媒が合流部P2から配管c14側に逆流することはなく、また第2冷媒ポンプ45が停止しているので、分岐部P1から配管c10側に流入することもない。   In addition, since the check valve 46 is provided in the second refrigerant circulation path 41B, even if the circulation of the refrigerant between the first refrigerant circulation path 41A and the fuel cell 10 is started, the refrigerant is joined to the joining portion. There is no back flow from P2 to the pipe c14 side, and since the second refrigerant pump 45 is stopped, there is no flow from the branch part P1 to the pipe c10 side.

一方、ステップS50においてフラグが「0」である場合(No)、ステップS130において、ECU51は、第1冷媒循環路41Aに冷媒を循環させる循環制御を開始する。つまり、低温起動を行わない場合には、第1冷媒循環路41Aの冷媒の流量を制御することなく(第2冷媒循環路41Bに冷媒を循環させることなく)、直ちに第1冷媒ポンプ44を駆動して、第1冷媒循環路41Aに冷媒を循環させる。   On the other hand, when the flag is “0” in step S50 (No), in step S130, the ECU 51 starts circulation control for circulating the refrigerant in the first refrigerant circulation path 41A. That is, when the low temperature start-up is not performed, the first refrigerant pump 44 is immediately driven without controlling the flow rate of the refrigerant in the first refrigerant circulation path 41A (without circulating the refrigerant in the second refrigerant circulation path 41B). Then, the refrigerant is circulated through the first refrigerant circulation path 41A.

そして、ステップS140に進み、ECU51は、FC温度を温度センサ52によって検出する。   In step S140, the ECU 51 detects the FC temperature by the temperature sensor 52.

以上説明したように、第1実施形態の燃料電池システム1Aによれば、燃料電池10との間で冷媒が循環する第2冷媒循環路41Bを設けて、低温起動時などに第2冷媒循環路41Bに冷媒を循環させることで、第1冷媒循環路41Aの冷媒循環制限時であっても温度センサ52によってFC温度の検出を行うことができ、しかも冷媒を連続的に循環させているのでFC温度を正確に検出することが可能になる。したがって、従来と比較して温度検出性能を向上させることができる。   As described above, according to the fuel cell system 1A of the first embodiment, the second refrigerant circulation path 41B through which the refrigerant circulates between the fuel cells 10 is provided, and the second refrigerant circulation path is provided at the time of low temperature startup or the like. By circulating the refrigerant through 41B, the FC temperature can be detected by the temperature sensor 52 even when the refrigerant circulation of the first refrigerant circulation path 41A is restricted, and the refrigerant is continuously circulated. It becomes possible to accurately detect the temperature. Therefore, the temperature detection performance can be improved as compared with the conventional case.

さらに、第1実施形態によれば、第2冷媒循環路41Bに流れる冷媒量が第1冷媒循環路41Aに流れる冷媒量よりも少なくなるように設定されているので、燃料電池10の低温起動時などに燃料電池10が過度に冷却されて燃料電池10の暖機が阻害されるのを防止することが可能になる。   Furthermore, according to the first embodiment, the amount of refrigerant flowing through the second refrigerant circulation path 41B is set to be smaller than the amount of refrigerant flowing through the first refrigerant circulation path 41A. For example, it is possible to prevent the fuel cell 10 from being excessively cooled and obstructing the warm-up of the fuel cell 10.

さらに、第1実施形態によれば、燃料電池10から排出された温かい冷媒を熱交換部24a,32aに流通させて反応ガスデバイス(気液分離器24、背圧制御弁32)との間で熱交換が行われるように構成したので、反応ガスデバイスを昇温させることができ、またこれら反応ガスデバイスが凍結している場合にあっては解氷させることが可能になり、反応ガスデバイスの暖機性能を向上できる。   Furthermore, according to the first embodiment, the warm refrigerant discharged from the fuel cell 10 is circulated through the heat exchanging parts 24a and 32a and between the reaction gas devices (the gas-liquid separator 24 and the back pressure control valve 32). Since the heat exchange is configured, the temperature of the reaction gas devices can be raised, and when these reaction gas devices are frozen, the ice can be defrosted. Warm-up performance can be improved.

さらに、第1実施形態によれば、冷媒循環停止可否判定手段(S90)により、冷媒が第2冷媒循環路41Bを流れなくなるので(S120)、冷媒が反応ガスデバイスから受け取る熱量がなくなり、反応ガスデバイスによって温められた冷媒が燃料電池10に戻ることがなく、燃料電池10を冷却する際の冷却性能を向上できるようになる。しかも、第2冷媒循環路41Bに冷媒を無駄に循環させることがないので、第2冷媒ポンプ45を駆動させるための電力を削減でき、省電力化を図ることが可能になる。   Further, according to the first embodiment, the refrigerant circulation stop propriety determination means (S90) stops the refrigerant from flowing through the second refrigerant circulation path 41B (S120), so that the amount of heat received by the refrigerant from the reaction gas device is eliminated, and the reaction gas The refrigerant warmed by the device does not return to the fuel cell 10, and the cooling performance when cooling the fuel cell 10 can be improved. And since a refrigerant | coolant is not circulated through the 2nd refrigerant | coolant circulation path 41B unnecessarily, the electric power for driving the 2nd refrigerant | coolant pump 45 can be reduced, and it becomes possible to aim at power saving.

さらに、第1実施形態によれば、低温起動判定手段(S10)により、燃料電池10を低温起動する場合には第1冷媒循環路41Aにおける冷媒の流量制限を行うので燃料電池10の低温起動性を向上することができ、逆に低温起動しない場合には冷媒の流量制限を行わないので燃料電池10が過加熱になるのを防止でき、燃料電池10の劣化を抑制することが可能になる。   Furthermore, according to the first embodiment, when the fuel cell 10 is activated at a low temperature by the low temperature activation determining means (S10), the flow rate of the refrigerant in the first refrigerant circulation path 41A is limited, so that the low temperature activation property of the fuel cell 10 is achieved. On the contrary, when the start is not performed at a low temperature, the flow rate of the refrigerant is not limited, so that the fuel cell 10 can be prevented from being overheated, and deterioration of the fuel cell 10 can be suppressed.

図3は第1実施形態の燃料電池システムにおける冷媒循環制御の変形例を示すフローチャート、図4は燃料電池の温度と第1循環ポンプの回転速度との関係を示すマップである。なお、図3に示すフローチャートは、図2に示すフローチャートのステップS60AをステップS60Bに替え、さらにステップS100,S110を削除した点が相違している。また、図2と同様な処理については、同一のステップ符号を示し、重複した説明を省略する。   FIG. 3 is a flowchart showing a modification of the refrigerant circulation control in the fuel cell system of the first embodiment, and FIG. 4 is a map showing the relationship between the temperature of the fuel cell and the rotation speed of the first circulation pump. The flowchart shown in FIG. 3 is different in that step S60A in the flowchart shown in FIG. 2 is replaced with step S60B, and steps S100 and S110 are further deleted. Moreover, about the process similar to FIG. 2, the same step code | symbol is shown and the overlapping description is abbreviate | omitted.

すなわち、ステップS60Bは、低温起動を行うと判断した場合(S50,Yes)であり、このときECU51は、図4のマップに基づいて第1冷媒ポンプ44を駆動して、第1冷媒循環路41Aにおける冷媒循環制限制御を開始する。図4に示すマップは、FC温度が高くなるにしたがってモータの回転速度が高く設定される。なお、このマップは、予め実験やシミュレーション等によって決定され、燃料電池10の低温起動時に暖機が損なわれない、または第2冷媒循環路41Bにおける冷媒の循環制御停止時に燃料電池10が過加熱にならない回転速度となるように設定される。   That is, step S60B is a case where it is determined that low temperature startup is to be performed (S50, Yes). At this time, the ECU 51 drives the first refrigerant pump 44 based on the map of FIG. The refrigerant circulation restriction control at is started. In the map shown in FIG. 4, the motor rotational speed is set higher as the FC temperature increases. This map is determined in advance through experiments, simulations, and the like, and warm-up is not impaired when the fuel cell 10 is started at a low temperature, or the fuel cell 10 is overheated when refrigerant circulation control is stopped in the second refrigerant circulation path 41B. The rotation speed is set so as not to become the same.

なお、図3のステップS70では、第2冷媒循環路41Bを流れる冷媒の流量が一定となるように、ECU51によって第2冷媒ポンプ45の回転速度が制御される。   In step S70 in FIG. 3, the rotational speed of the second refrigerant pump 45 is controlled by the ECU 51 so that the flow rate of the refrigerant flowing through the second refrigerant circulation path 41B is constant.

また、温度センサ52の検出値が、第2冷媒循環路41Bにおける冷媒の循環制御を停止可能な温度に到達した場合には(S90、Yes)、ECU51によって第2冷媒ポンプ45の駆動を停止して、第2冷媒循環路41Bにおける冷媒の循環を停止させる。   When the detected value of the temperature sensor 52 reaches a temperature at which the circulation control of the refrigerant in the second refrigerant circuit 41B can be stopped (S90, Yes), the ECU 51 stops the driving of the second refrigerant pump 45. Thus, the circulation of the refrigerant in the second refrigerant circulation path 41B is stopped.

(第2実施形態)
図5は第2実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図、図6は燃料電池の温度と流量制御弁の開度との関係を示すマップである。この燃料電池システム1Bは、第1実施形態の燃料電池システム1Aにおいて、エアポンプ31の回転軸と第1冷媒ポンプ44の回転軸とが単一のモータに接続された同軸構造としたものである。つまり、モータが駆動されることにより、エアポンプ31と第1冷媒ポンプ44とが共に動作して、カソードに空気が供給されるとともに第1冷媒循環路41Aに冷媒が流通するようになる構造である。また、燃料電池システム1Bは、冷媒流路10cの入口10c1と第1冷媒ポンプ44との間の配管c6,c7に流量制御弁47を備える点において、燃料電池システム1Aと異なっている。なお、第2実施形態では、流量制御弁47とECU51とで流量制限手段が構成されている。また、その他の構成については、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 5 is an overall configuration diagram showing the fuel cell system of the second embodiment, and FIG. 6 is a map showing the relationship between the temperature of the fuel cell and the opening of the flow control valve. The fuel cell system 1B has a coaxial structure in which the rotation shaft of the air pump 31 and the rotation shaft of the first refrigerant pump 44 are connected to a single motor in the fuel cell system 1A of the first embodiment. That is, when the motor is driven, the air pump 31 and the first refrigerant pump 44 operate together so that air is supplied to the cathode and the refrigerant flows through the first refrigerant circulation path 41A. . The fuel cell system 1B is different from the fuel cell system 1A in that a flow rate control valve 47 is provided in the pipes c6 and c7 between the inlet 10c1 of the refrigerant flow path 10c and the first refrigerant pump 44. In the second embodiment, the flow rate control means is constituted by the flow rate control valve 47 and the ECU 51. In addition, the other components are denoted by the same reference numerals and redundant description is omitted.

流量制御弁47は、第1冷媒循環路41Aを流れる冷媒の流れを制限するものであり、例えば、開度調整が可能なバタフライ弁で構成され、配管c6を介して第1冷媒ポンプ44と接続され、配管c7を介して冷媒流路10cの入口10c1と接続されている。   The flow rate control valve 47 restricts the flow of the refrigerant flowing through the first refrigerant circulation path 41A, and is configured by, for example, a butterfly valve capable of adjusting the opening degree, and is connected to the first refrigerant pump 44 via a pipe c6. And connected to the inlet 10c1 of the refrigerant flow path 10c via the pipe c7.

第2実施形態の燃料電池システム1Bの動作については、図2および図3に示すフローチャートを適用することができ、図2に示すフローチャートを適用した場合には、ステップS60Aにおいて、ECU51によって流量制御弁47が全閉(最小開度)に設定される。これにより、エアポンプ31と共に第1冷媒ポンプ44が駆動したとしても、第1冷媒循環路41Aに冷媒が流れないようになっている。また、ステップS100において、ECU51によって流量制御弁47が全開(最大開度)に設定され、第1冷媒循環路41Aにおける冷媒の循環制限制御が終了する(解除される)。   2 and 3 can be applied to the operation of the fuel cell system 1B of the second embodiment. When the flowchart shown in FIG. 2 is applied, the flow control valve is controlled by the ECU 51 in step S60A. 47 is set to be fully closed (minimum opening). Thereby, even if the 1st refrigerant | coolant pump 44 drives with the air pump 31, a refrigerant | coolant does not flow into 41 A of 1st refrigerant | coolant circulation paths. In step S100, the ECU 51 sets the flow control valve 47 to fully open (maximum opening), and the refrigerant circulation restriction control in the first refrigerant circulation path 41A is terminated (released).

一方、図3に示すフローチャート(変形例)を適用した場合には、ステップS60Bにおいて、ECU51によって流量制御弁47の開度がFC温度に応じて設定される。すなわち、図6のマップに基づいて流量制御弁47の開度を制御して、第1冷媒循環路41Aにおける冷媒循環制限制御を行う。図6に示すマップは、FC温度が高くなるにしたがって開度が大きく設定される。なお、このマップは、予め実験やシミュレーション等によって決定され、燃料電池10の低温起動時に暖機が損なわれない、または第2冷媒循環路41Bにおける冷媒の循環制御停止時に燃料電池10が過加熱にならない開度となるように設定される。   On the other hand, when the flowchart (modification) shown in FIG. 3 is applied, in step S60B, the opening degree of the flow control valve 47 is set according to the FC temperature by the ECU 51. That is, the opening degree of the flow control valve 47 is controlled based on the map of FIG. 6 to perform the refrigerant circulation restriction control in the first refrigerant circulation path 41A. In the map shown in FIG. 6, the opening degree is set larger as the FC temperature becomes higher. This map is determined in advance through experiments, simulations, and the like, and warm-up is not impaired when the fuel cell 10 is started at a low temperature, or the fuel cell 10 is overheated when refrigerant circulation control is stopped in the second refrigerant circulation path 41B. It is set so that the opening does not become.

第2実施形態の燃料電池システム1Bによれば、第1冷媒循環路41Aにおける冷媒の循環制限制御時であっても、燃料電池10の発電によってエアポンプ31と第1冷媒ポンプ45とを駆動する電力を供給して、燃料電池10がより高い出力で発電しているので、燃料電池10の発熱量が上がり、燃料電池10の暖機性能を向上できる。   According to the fuel cell system 1B of the second embodiment, the electric power that drives the air pump 31 and the first refrigerant pump 45 by the power generation of the fuel cell 10 even during the refrigerant circulation restriction control in the first refrigerant circulation path 41A. Since the fuel cell 10 is generating power at a higher output, the amount of heat generated by the fuel cell 10 is increased, and the warm-up performance of the fuel cell 10 can be improved.

なお、本実施形態では、第2冷媒循環路41Bの冷媒が背圧制御弁32(反応ガスデバイス)の熱交換部32aを通った後に気液分離器24(反応ガスデバイス)の熱交換部24aを通る場合を例に挙げて説明したが、冷媒が通過する順番はこれに限定されるものではなく、より暖機が必要な反応ガスデバイスに冷媒が先に流れるようにしてもよい。   In the present embodiment, the refrigerant in the second refrigerant circuit 41B passes through the heat exchange part 32a of the back pressure control valve 32 (reaction gas device) and then the heat exchange part 24a of the gas-liquid separator 24 (reaction gas device). However, the order in which the refrigerant passes is not limited to this, and the refrigerant may flow first to the reaction gas device that needs to be warmed up.

また、熱交換部24a,32aを設ける反応ガスデバイスとして、気液分離器24と背圧制御弁32を例に挙げて説明したが、これらに限定されるものではなく、低温時の凍結度合いに応じて種々変更することができる。例えば、ドレイン弁25やパージ弁26などに熱交換部を設けて暖機するようにしてもよく、あるいは図示していないが、カソード系30に設けられた加湿器に熱交換部を設けて暖機するようにしてもよい。   In addition, the gas-liquid separator 24 and the back pressure control valve 32 have been described as examples of the reaction gas device provided with the heat exchange units 24a and 32a. However, the present invention is not limited to these, and the degree of freezing at a low temperature is not limited thereto. Various changes can be made accordingly. For example, the drain valve 25, the purge valve 26, etc. may be warmed up by providing a heat exchanging part, or although not shown, the humidifier provided in the cathode system 30 is provided with a heat exchanging part. You may make it work.

また、第2冷媒循環路41Bの分岐部P1と合流部P2の位置を、冷媒流路10cの出口10c2、入口10c1の近傍に設定したが、この位置に限定されるものではなく、例えば分岐部P1の位置が第1冷媒ポンプ44の上流側であれば配管c3などの位置であってもよい。   Moreover, although the position of the branch part P1 and the junction part P2 of the second refrigerant circulation path 41B is set in the vicinity of the outlet 10c2 and the inlet 10c1 of the refrigerant flow path 10c, the position is not limited to this position. If the position of P1 is upstream of the first refrigerant pump 44, the position of the pipe c3 or the like may be used.

1A,1B 燃料電池システム
10 燃料電池
24 気液分離器(反応ガスデバイス)
24a 熱交換部
32 背圧制御弁(反応ガスデバイス)
32a 熱交換部
41A 第1冷媒循環路
41B 第2冷媒循環路
42 ラジエータ(熱交換器)
44 第1冷媒ポンプ(第1循環手段)
45 第2冷媒ポンプ(第2循環手段)
47 流量制御弁(流量制限手段)
51 ECU(流量制限手段、冷媒循環停止可否判定手段、低温起動判定手段)
52 温度センサ(温度検出手段)
c1〜c7 配管
c10〜c14 配管
1A, 1B Fuel cell system 10 Fuel cell 24 Gas-liquid separator (reactive gas device)
24a Heat exchange section 32 Back pressure control valve (reactive gas device)
32a Heat exchange part 41A 1st refrigerant circuit 41B 2nd refrigerant circuit 42 Radiator (heat exchanger)
44 1st refrigerant | coolant pump (1st circulation means)
45 Second refrigerant pump (second circulation means)
47 Flow control valve (flow restriction means)
51 ECU (flow rate limiting means, refrigerant circulation stop availability determination means, low temperature activation determination means)
52 Temperature sensor (temperature detection means)
c1 to c7 piping c10 to c14 piping

Claims (3)

反応ガスが供給され発電を行う燃料電池と、
前記反応ガスが流通する反応ガスデバイスと、
前記燃料電池から排出された冷媒を熱交換器で冷却し、前記燃料電池に戻す第1冷媒循環路と、
前記第1冷媒循環路に冷媒を循環させる第1循環手段と、
前記燃料電池から排出された冷媒の温度を検出する温度検出手段と、を有し、前記温度検出手段の検出値に基づいて前記燃料電池の制御を行う燃料電池システムであって、
前記第1冷媒循環路を流れる冷媒の流量を制限する流量制限手段と、
前記第1冷媒循環路の前記第1循環手段の上流側から分岐して前記第1循環手段の下流側に合流するとともに、前記第1冷媒循環路に比べて冷媒量が少なく設定された第2冷媒循環路と、
前記第2冷媒循環路に冷媒を循環させる第2循環手段と、
前記第2冷媒循環路に配置され、前記反応ガスデバイスと熱交換する熱交換部と、を有し、
前記流量制限手段により前記第1冷媒循環路を流れる冷媒の流量を制限する際には前記第2冷媒循環路に冷媒を流通させることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell that is supplied with reaction gas and generates power;
A reactive gas device through which the reactive gas flows;
A first refrigerant circuit that cools the refrigerant discharged from the fuel cell with a heat exchanger and returns the refrigerant to the fuel cell;
First circulation means for circulating a refrigerant in the first refrigerant circulation path;
A temperature detection means for detecting the temperature of the refrigerant discharged from the fuel cell, and a fuel cell system for controlling the fuel cell based on a detection value of the temperature detection means,
Flow rate limiting means for limiting the flow rate of the refrigerant flowing through the first refrigerant circulation path;
The second refrigerant circuit is branched from the upstream side of the first circulation means and merges with the downstream side of the first circulation means, and the second refrigerant amount is set to be smaller than that of the first refrigerant circulation path. A refrigerant circuit;
Second circulation means for circulating refrigerant in the second refrigerant circulation path;
A heat exchanging part disposed in the second refrigerant circulation path for exchanging heat with the reactive gas device,
The fuel cell system, wherein when the flow rate restricting means restricts the flow rate of the refrigerant flowing through the first refrigerant circulation path, the refrigerant is circulated through the second refrigerant circulation path.
前記第2冷媒循環路での冷媒の循環を停止するか否かを判定する冷媒循環停止可否判定手段を有し、
前記冷媒循環停止可否判定手段により冷媒の循環を停止すると判定した際には前記第2冷媒循環路における冷媒の循環を停止するとともに、前記第1冷媒循環路のみに冷媒を循環させることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
Refrigerant circulation stoppage determination unit for determining whether or not to stop the circulation of the refrigerant in the second refrigerant circuit,
When the refrigerant circulation stop propriety determining means determines that the refrigerant circulation is stopped, the refrigerant circulation in the second refrigerant circulation path is stopped and the refrigerant is circulated only in the first refrigerant circulation path. The fuel cell system according to claim 1.
前記燃料電池を低温起動するか否かを判定する低温起動判定手段を有し、
前記低温起動判定手段により低温起動すると判定された際には、前記流量制限手段により前記第1冷媒循環路を流れる冷媒の流量を制限するとともに前記第2冷媒循環路に冷媒を循環させ、
前記低温起動判定手段により低温起動しないと判定された際には、前記第1冷媒循環路の冷媒の流量を制限しないことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の燃料電池システム。
Having low temperature start determination means for determining whether to start the fuel cell at a low temperature;
When it is determined that the cold start is determined by the low temperature start determination means, the flow rate limiting means limits the flow rate of the refrigerant flowing through the first refrigerant circulation path and circulates the refrigerant in the second refrigerant circulation path,
3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the flow rate of the refrigerant in the first refrigerant circuit is not limited when the low temperature activation determination unit determines that the low temperature activation is not performed.
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