JP2018045776A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに関するものであり、例えば、燃料電池の暖機運転を行う際に、燃料電池の昇温を促進させる燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and for example, relates to a fuel cell system that promotes the temperature rise of a fuel cell when the fuel cell is warmed up.
特許文献1には、燃料電池車両のフロントルームに、燃料電池を冷却するために用いられるラジエータ及びラジエータファンが車両の進行方向に直列に配置されていること、及び、車両の前方にラジエータグリルが開閉可能に配置されていることが記載されている。
特許文献1の車両では、ラジエータグリルを閉じた状態にして、ラジエータファンを回転させることにより、フロントルーム内を昇温している。
In the vehicle of
ラジエータファンによる気流は、フロントルーム内のラジエータ前後で旋回するが、燃料電池に含まれるFCスタック(Fuel Cell Stack)を昇温させる効果は弱いため、FCスタックと、スタック配管・水素ポンプとの間に温度差が生じる。このため、配管・水素ポンプ内に結露水が発生し、燃料電池の電圧の低下またはセルの劣化を引き起こすことになる。 The air flow from the radiator fan swirls around the radiator in the front room, but the effect of raising the temperature of the FC stack (Fuel Cell Stack) included in the fuel cell is weak, so the space between the FC stack and the stack piping / hydrogen pump Temperature difference occurs. For this reason, dew condensation water is generated in the piping / hydrogen pump, which causes a decrease in the voltage of the fuel cell or deterioration of the cell.
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、FCスタック等の昇温を促進させることができる燃料電池システムを提供する。 The present invention has been made to solve such a problem, and provides a fuel cell system capable of promoting the temperature rise of an FC stack or the like.
本発明の一態様に係る燃料電池システムは、車両の前方のフロントルームに燃料電池、ラジエータ及びラジエータファンが配置された燃料電池システムであって、前記燃料電池の暖機運転を行う際に、前記車両の前方のグリルシャッターを閉じ、前記燃料電池を冷却する冷却液を、前記ラジエータに流して前記ラジエータファンを回転させる制御部を備える。このような構成により、FCスタック等の昇温を促進させることができる。 A fuel cell system according to an aspect of the present invention is a fuel cell system in which a fuel cell, a radiator, and a radiator fan are arranged in a front room in front of a vehicle, and when the warm-up operation of the fuel cell is performed, A controller is provided that closes the grill shutter in front of the vehicle and causes the coolant to cool the fuel cell to flow through the radiator to rotate the radiator fan. With such a configuration, the temperature rise of the FC stack or the like can be promoted.
本発明により、FCスタック等の昇温を促進させることができる燃料電池システムを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a fuel cell system capable of promoting the temperature rise of an FC stack or the like.
以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら説明する。但し、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the following embodiment. In addition, for clarity of explanation, the following description and drawings are simplified as appropriate.
実施形態に係る燃料電池システムを説明する。実施形態の燃料電池システムは、燃料電池車両における燃料電池の暖機運転を行う際に、燃料電池等の昇温を促進させる燃料電池システムである。燃料電池システムの説明を、燃料電池システムの構成、及び、燃料電池システムの動作に分けて説明する。まず、燃料電池システムの構成を説明する。 A fuel cell system according to an embodiment will be described. The fuel cell system according to the embodiment is a fuel cell system that promotes the temperature rise of the fuel cell or the like when the fuel cell is warmed up in the fuel cell vehicle. The description of the fuel cell system will be divided into the configuration of the fuel cell system and the operation of the fuel cell system. First, the configuration of the fuel cell system will be described.
図1は、実施形態に係る燃料電池システムの構成を例示した説明図であり、(a)は、上方から見た構成を例示した説明図であり、(b)は、側方から見た構成を例示した説明図である。なお、図1(b)においては、図が煩雑にならないように、図1(a)の冷却液12の循環流路及び制御部50に関する構成は省略している。
FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating the configuration of a fuel cell system according to an embodiment, (a) is an explanatory diagram illustrating the configuration viewed from above, and (b) is a configuration viewed from the side. It is explanatory drawing which illustrated. In FIG. 1B, the configuration relating to the circulation channel of the
図1(a)及び(b)に示すように、本実施形態の燃料電池システム1は、燃料電池10、ラジエータ20、ラジエータファン30、グリルシャッター40及び制御部50を備えている。また、燃料電池システム1は、冷却液12の循環流路、冷却液ポンプ14、温度センサ16、ロータリーバルブ19等その他の部材も含んでいる。燃料電池10、ラジエータ20及びラジエータファン30は、車両60の前方61のフロントルーム62に配置されている。グリルシャッター40は、車両60の前方61に配置されている。
As shown in FIGS. 1A and 1B, the
燃料電池10は、例えば、車両の発電源であり、水素と酸素とを化学反応させて発電を行うFCスタック(Fuel Cell Stack)を含んでいる。例えば、水素を充填した水素タンクから水素を取り入れ、大気中から酸素を取り入れて発電する。燃料電池10は、発電と同時に熱も発生する。燃料電池10には、内部に冷却液12が流通する燃料電池流路11が設けられている。燃料電池流路11を流れる冷却液12により、燃料電池10を冷却する。冷却液12は、例えば、エチレングリコールを含む水溶液である。
The
冷却液供給流路13は、燃料電池10に接続されている。冷却液供給流路13は、燃料電池10に冷却液12を供給する管状の部材である。冷却液供給流路13には、冷却液ポンプ14が配置されている。冷却液プンプ14は、信号配線により、制御部50に接続され、冷却液ポンプ14の動作は、制御部50により制御される
The
冷却液排出流路15も、燃料電池10に接続されている。冷却液排出流路15は、燃料電池10に供給された冷却液12を排出する管状の部材である。冷却液排出流路15には、例えば、温度センサ16が配置されている。温度センサ16は、信号配線により、制御部50に接続されている。温度センサ16が取得した冷却液12の温度の情報は、制御部50に対して出力される。
The
バイパス流路17は、冷却液供給流路13と冷却液排出流路15とを繋ぐように設けられている。バイパス流路17は、冷却液12を流通させる管状の部材である。バイパス流路17には、例えば、冷却液12中の不純物イオンを除去するイオン交換機(図示せず)が接続されてもよい。
The
ラジエータ流路18は、バイパス流路17と並列に配置され、冷却液供給流路13と冷却液排出流路15とを繋ぐように設けられている。ラジエータ流路18は、冷却液12を流通させる管状の部材である。ラジエータ流路18には、ラジエータ20が接続されている。
The
ロータリーバルブ19は、冷却液排出流路15、バイパス流路17及びラジエータ流路18の分岐点に設けられている。ロータリーバルブ19は、冷却液排出流路15、バイパス流路17及びラジエータ流路18に接続されている。ロータリーバルブ19は、冷却液排出流路15に流れる冷却液12を、バイパス流路17側またはラジエータ流路18側へ切り分ける。ロータリーバルブ19は、信号配線により、制御部50に接続され、ロータリーバルブ19の開閉の動作は、制御部50により制御される。
The
ラジエータ20は、冷却液12の熱を放出する装置である。ラジエータ20は、内部を流れる冷却液12の熱を、周囲の空気等に熱伝導を用いて放熱する。このため、ラジエータ20は、内部を流れる冷却液12と接触する表面積を大きくするために、例えば、多数の細管内に冷却液12を流す構造や、蛇行した管内に冷却液12を流す構造、平板状の放熱板内に冷却液12を流す構造等となっている。
The
ラジエータ20は、ラジエータ流路18に配置されている。ラジエータ20の流入口及び流出口は、ラジエータ流路18の途中に連結されている。
The
ラジエータファン30は、ラジエータ20に隣接して配置されている。ラジエータファン30は、例えば、ラジエータ20の後方に設けられ、前方から後方へ向かう気流を形成する。ラジエータファン30により形成された気流は、ラジエータ20を通り抜ける。これにより、ラジエータ20における冷却液12の放熱を効率よく行うことができる。ラジエータファン30は、信号配線により、制御部50に接続され、ラジエータファン30の動作は、制御部50により制御される。
The
グリルシャッター40は、車両60の前方61に設けられている。グリルシャッター40は、開閉することができる。グリルシャッター40を開くことにより、車両60の前方61からグリルシャッター40を通して、フロントルーム62内に空気を取り込むことができる。一方、グリルシャッター40を閉じることにより、車両60の外部からフロントルーム62内への空気の流入を遮断することができる。すなわち、グリルシャッター40を閉じることによってフロントルーム62を閉空間とすることができる。グリルシャッター40は、信号配線により、制御部50に接続され、グリルシャッター40の開閉の動作は、制御部50により制御される。
制御部50は、温度センサ16と信号配線により接続されている。これにより、制御部50は、冷却液12の温度の情報を取得する。制御部50は、冷却液ポンプ14及びラジエータファン30と信号配線により接続されている。これにより、制御部50は、冷却液ポンプ14及びラジエータファン30の動作を制御する。制御部50は、ロータリーバルブ19及びグリルシャッター40と信号配線により接続されている。これにより、制御部50は、ロータリーバルブ19及びグリルシャッター40の開閉の動作を制御する。
The
次に、実施形態に係る燃料電池システムの動作を説明する。
図2は、実施形態に係る燃料電池システムにおいて、暖機運転を行う際の動作を例示したフローチャート図である。
Next, the operation of the fuel cell system according to the embodiment will be described.
FIG. 2 is a flowchart illustrating the operation when the warm-up operation is performed in the fuel cell system according to the embodiment.
図2のステップS1に示すように、例えば、燃料電池10の暖機運転を行う際に、まず、車両60の前方61のグリルシャッター40を閉じた状態とする。これにより、外気がフロントルーム62内に入ることを抑制する。よって、フロントルーム62内が閉空間となる。なお、グリルシャッター40を閉じる動作は、例えば、制御部50により、制御されるが、イグニッションOFF時には、グリルシャッター40を、通常、閉じた状態としてもよい。
As shown in step S <b> 1 of FIG. 2, for example, when the warm-up operation of the
次に、図2のステップS2に示すように、燃料電池10に発電を始動させる。例えば、イグニッションをONにする。これにより、制御部50は、燃料電池10に、水素及び酸素を供給する。また、冷却液ポンプ14を作動させ、燃料電池10を冷却する冷却液12を循環させる。燃料電池10の発電の始動時においては、燃料電池10は低温となっている。
Next, as shown in step S2 of FIG. 2, the
次に、図2のステップS3に示すように、冷却液12をラジエータ20に流す。例えば、制御部50の制御により、ロータリーバルブ19を動作させ、ラジエータ流路18側に冷却液12が流れるようにする。例えば、ロータリーバルブ19を、ラジエータ流路18側に全開にして、冷却液排出流路15に流れる冷却液12を、バイパス流路17側には流さずに、ラジエータ流路18側に流れるようにする。このようにして、冷却液12をラジエータ20に流す。なお、冷却液排出流路15に流れる冷却液12の一部をラジエータ流路18側に流し、その他の部分をバイパス流路17側に流すように、ロータリーバルブ19の開閉を制御してもよい。ラジエータ流路18側及びバイパス流路17側に冷却液12を分配する割合は制御部50により制御される。
Next, as shown in step S <b> 3 of FIG. 2, the
次に、図2のステップS4に示すように、ラジエータファン30を回転させる。例えば、制御部50の制御により、ラジエータファン30を意図的に回転させて、車両60の前方から後方へ向かう気流を形成する。これにより、閉空間となったフロントルーム62内において、ラジエータファン30の後方が正圧となり、ラジエータ20の前方61が負圧となる。
Next, as shown in step S4 of FIG. 2, the
ラジエータファン30により形成された気流は、ラジエータ20を通り抜ける。ラジエータ20を通り抜けることにより、ラジエータ20から熱が伝達された空気は、温風となって、フロントルーム62内で乱流となる。そして、温風は、熱伝導でフロントルーム62内を均一に暖める。フロントルーム62内を暖めた温風は、その後、閉空間のフロントルーム62内で最も負圧となっているラジエータ20の前方61に戻る。
The airflow formed by the
フロントルーム62内のラジエータ20及びラジエータファン30の周囲は、複数の部品が組み合わされた構成となっている。よって、図1(a)及び(b)で示すように、ラジエータ20及びラジエータファン30の周囲には、ラジエータファン30の後方から、ラジエータ20の前方61に戻る温風63の通り道となる隙間が多数存在している。例えば、ラジエータ20の上方及び下方、並びに、ラジエータ20の側方に、隙間が形成されている。よって、フロントルーム62内を、乱流をとなって均一に暖めた温風63は、ラジエータファン30の後方から、ラジエータ20の前方61に戻ることができる。
A plurality of components are combined around the
このように、閉空間となったフロントルーム62内で温風63が、サーキュレーションすることができるので、フロントルーム62内を均一に昇温させることができる。これにより、FCスタック等の昇温を促進させることができる。
Thus, since the
次に、図2のステップS5に示すように、冷却液12の温度が所定の温度か判定する。冷却液12の温度が所定の温度に達しない(Noの)場合には、ステップS5に戻り、所定の温度に到達するまで継続する。
Next, as shown in step S5 of FIG. 2, it is determined whether the temperature of the
一方、冷却液12の温度が所定の温度に到達した(Yesの)場合には、暖機運転を終了する。そして、例えば、グリルシャッター40を開いた状態にし、ロータリーバルブ19を、温度センサ16の温度に依存した開閉を行うように制御する。このようにして、燃料電池10を暖機することができる。
On the other hand, when the temperature of the
次に、実施形態の効果を説明する。
本実施形態の燃料電池システム1は、燃料電池10の暖機運転を行う際に、車両60の前方61のグリルシャッター40を閉じ、燃料電池10を冷却する冷却液12を、ラジエータ20に流してラジエータファン30を回転させるように、制御部50により制御されている。したがって、閉空間となったフロントルームにおいて、ラジエータファン30を回転させることで、ラジエータファン30の後方を正圧とし、ラジエータ20の前方を負圧とすることができる。よって、ラジエータ20を通過した温風63が、フロントルーム62内を循環することができる。これにより、FCスタック等の昇温を促進させることができる。
Next, effects of the embodiment will be described.
In the
また、暖機運転を行う際に、冷却液12を、ラジエータ20に流してラジエータファン30を回転させている。これにより、燃料電池10から冷却液12に伝達された熱であって、ラジエータ20により放出された熱を、ラジエータ20の前方に回り込んだ温風63が受け取る。よって、温風63の温度をさらに高温にすることができる。このサイクルを繰り返すことにより、フロントルーム62内の昇温及び温度均一性を向上させることができる。
Further, when the warm-up operation is performed, the
また、暖機運転を行う際に、このような方法で、FCスタック等の昇温を促進させることができるので、燃料電池10の劣化を抑制することができる。以下で、これについて説明する。
Further, when performing the warm-up operation, the temperature rise of the FC stack or the like can be promoted by such a method, so that deterioration of the
図3(a)は、比較例に係る燃料電池を例示した図である。図3(a)に示すように、燃料電池10は、FCスタック70を含んでいる。FCスタック70には、水素を供給するための水素ポンプ71、配管72及びインジェクタ73が接続されている。そして、燃料電池10を始動させる前において、FCスタック70、水素ポンプ71、配管72及びインジェクタ73は、低温状態になっている。
FIG. 3A is a diagram illustrating a fuel cell according to a comparative example. As shown in FIG. 3A, the
燃料電池10を始動させると、燃料電池10は、暖機運転等の低負荷による発電を始める。そうすると、FCスタック70と、水素ポンプ71、配管72及びインジェクタ73との間に温度差が生じるようになる。これにより、水素ポンプ71及び配管72内に結露水74が発生するようになる。
When the
燃料電池10が、低負荷による発電から、中または高負荷による発電に切り替わり、水素ポンプ71の回転数が上がるようになると、結露水74を巻き上げる。そして、結露水74がFCスタック70のセルへ流入するようになる。セルへ流入した結露水74は、ガスの流れを阻害し、電圧降下を引き起こすようになる。また、セルへ流入した結露水74は、セルを劣化させる。
When the
図3(b)は、比較例に係る燃料電池の状態を例示したグラフであり、横軸は、FCスタックの位置を示し、左側の縦軸は、FCスタックにおけるセルの温度を示し、右側の縦軸は、FCスタックにおけるセルの含水量を示す。 FIG. 3B is a graph illustrating the state of the fuel cell according to the comparative example, where the horizontal axis indicates the position of the FC stack, the left vertical axis indicates the temperature of the cell in the FC stack, The vertical axis shows the water content of the cell in the FC stack.
図3(b)に示すように、燃料電池10の始動時には、FCスタック70の端部75のセル温度が低く、含水量が多くなっている。燃料電池10の始動時には、FCスタック70の周囲の温度は低くなっているために、FCスタック70の端部75に結露水74が発生する場合があるからである。
As shown in FIG. 3B, when the
また、車両60を外気中に放置した(ソーク)後に燃料電池10を始動する時にも、FCスタック70の端部75のセル温度が低く、含水量が多くなる。これは、ソーク中にFCスタック70の端部75で結露する場合があるからである。
Also, when the
さらに、FCスタック70の端部75側での排気能力の低下により、発電により発生した水が端部75に残留する場合があり、この場合にも、FCスタック70の端部75のセル温度が低く、含水量が多くなっている。
Furthermore, due to a decrease in the exhaust capacity on the
このように、FCスタック70の端部75のセル温度が低く、含水量が多くなると、端部75の水分は、ガスの流れを阻害し、電圧降下を引き起こす。また、セルへ流入した水分は、セルを劣化させる。
As described above, when the cell temperature at the
しかしながら、本実施形態では、ラジエータ20を通過した温風63がフロントルーム62内を循環するようにしている。よって、FCスタック70と、水素ポンプ71、配管72及びインジェクタ73との間に生じる温度差を最小限にすることができる。したがって、水素ポンプ71及び配管72内に結露水74が発生することを抑制し、FCスタック70のセルの劣化を抑制することができる。
However, in the present embodiment, the
また、ラジエータ20を通過した温風63がフロントルーム62内を循環するようにしているので、燃料電池10の始動時に、FCスタック70の端部75の昇温を促進させ、端部75の含水量を改善することができる。
Further, since the
以上、本発明に係る実施の形態を説明したが、上記の構成に限らず、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、変更することが可能である。 The embodiment according to the present invention has been described above. However, the present invention is not limited to the above-described configuration, and modifications can be made without departing from the technical idea of the present invention.
1 燃料電池システム
10 燃料電池
11 燃料電池流路
12 冷却液
13 冷却液供給流路
14 冷却液ポンプ
15 冷却液排出流路
16 温度センサ
17 バイパス流路
18 ラジエータ流路
19 ロータリーバルブ
20 ラジエータ
30 ラジエータファン
40 グリルシャッター
50 制御部
60 車両
61 前方
62 フロントルーム
63 温風
70 FCスタック
71 水素ポンプ
72 配管
73 インジェクタ
74 結露水
75 端部
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記燃料電池の暖機運転を行う際に、前記車両の前方のグリルシャッターを閉じ、
前記燃料電池を冷却する冷却液を、前記ラジエータに流して前記ラジエータファンを回転させる制御部を備えた、
燃料電池システム。 A fuel cell system in which a fuel cell, a radiator, and a radiator fan are arranged in a front room in front of a vehicle,
When performing warm-up operation of the fuel cell, close the grill shutter in front of the vehicle,
A control unit that rotates the radiator fan by flowing a coolant for cooling the fuel cell to the radiator;
Fuel cell system.
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