JP2019040757A - 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。 The present invention relates to a fuel cell system.
特許文献１には、燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムは、燃料電池スタックから排出される排気の排出経路上にボルテックスチューブを設けて、このボルテックスチューブの熱分離作用を利用して、冷気噴出し口から流出する排気を燃料電池スタック等の冷却に用いている。また、ボルテックスチューブの暖気噴出し口から流出する排気を燃料電池スタック等の暖機に用いている。つまり、排気を機器の冷却や暖機に再利用している。 Patent Document 1 discloses a fuel cell system. In this fuel cell system, a vortex tube is provided on a discharge path of exhaust discharged from the fuel cell stack, and the exhaust gas flowing out from the cold air outlet is used for the fuel cell stack, etc. by utilizing the thermal separation action of the vortex tube. Used for cooling. Further, the exhaust gas flowing out from the warm air outlet of the vortex tube is used for warming up the fuel cell stack or the like. In other words, the exhaust is reused for cooling and warming up the equipment.
ところで、ボルテックスチューブは一般的に、導入される気体に水分が多く含まれていると、熱分離性能が低下する特性を有する。一方、水素燃料の燃料電池スタックの排気には、水成分が多く含まれている。このため、特許文献１に開示された燃料電池システムでは、ボルテックスチューブの熱分離性能が低くなり、機器の冷却や暖機を十分に行うことができない可能性がある。したがって、上記先行技術はこの点で改良の余地がある。 By the way, the vortex tube generally has a characteristic that the heat separation performance is lowered when the introduced gas contains a large amount of moisture. On the other hand, the hydrogen fuel fuel cell stack contains a large amount of water components. For this reason, in the fuel cell system disclosed in Patent Document 1, the heat separation performance of the vortex tube is lowered, and there is a possibility that the device cannot be sufficiently cooled or warmed up. Therefore, the above prior art has room for improvement in this respect.
本発明は、上記事実を考慮し、機器の冷却や暖機を十分に行うことができる燃料電池システムを得ることを目的とする。 An object of the present invention is to obtain a fuel cell system that can sufficiently cool and warm up equipment in consideration of the above facts.
請求項１に記載の発明に係る燃料電池システムは、高圧水素が充填された水素タンクから燃料電池スタックへ水素を供給する水素供給経路に設けられかつ前記水素を高温の水素と低温の水素とに熱分離するボルテックスチューブと、前記燃料電池スタックと熱交換を行う熱媒体と、前記ボルテックスチューブから噴出される高温の前記水素及び低温の前記水素の少なくとも一方とで熱交換を行う熱交換器と、を備える。 The fuel cell system according to claim 1 is provided in a hydrogen supply path for supplying hydrogen from a hydrogen tank filled with high-pressure hydrogen to a fuel cell stack, and converts the hydrogen into high-temperature hydrogen and low-temperature hydrogen. A heat exchanger that performs heat exchange between at least one of the high-temperature hydrogen and the low-temperature hydrogen ejected from the vortex tube, a vortex tube that performs heat separation, a heat medium that performs heat exchange with the fuel cell stack, Is provided.
請求項１に記載の発明によれば、高圧水素が充填された水素タンクから燃料電池スタックへ水素を供給する水素供給経路には、ボルテックスチューブが設けられている。ボルテックスチューブは、水素を高温の水素と低温の水素とに熱分離する。ボルテックスチューブからの高温の水素及び低温の水素の少なくとも一方は、熱交換器によって熱媒体と熱交換が行われる。これによって、燃料電池スタックの暖機又は冷却を行うことができる。 According to the first aspect of the invention, the vortex tube is provided in the hydrogen supply path for supplying hydrogen from the hydrogen tank filled with high-pressure hydrogen to the fuel cell stack. The vortex tube thermally separates hydrogen into hot hydrogen and cold hydrogen. At least one of high-temperature hydrogen and low-temperature hydrogen from the vortex tube is heat-exchanged with the heat medium by a heat exchanger. As a result, the fuel cell stack can be warmed up or cooled.
ここで、一般的に、ボルテックスチューブは、導入される気体に水分が多く含まれていると、高温の気体と低温の気体とに分離する熱分離性能が低下する。しかしながら、本発明では、ボルテックスチューブは高圧水素が充填された水素タンクから燃料電池スタックへ水素を供給する水素供給経路に設けられている。したがって、ボルテックスチューブには、高圧で水素タンクに充填されることで水分がほぼ含まれない水素が供給されることから、ボルテックスチューブの熱分離性能が向上してより温度の高い水素及び温度の低い水素を得ることができる。これにより、熱交換能力を高めることができる。 Here, in general, when a gas introduced into the vortex tube contains a large amount of moisture, the heat separation performance of separating into a high-temperature gas and a low-temperature gas is lowered. However, in the present invention, the vortex tube is provided in a hydrogen supply path for supplying hydrogen from a hydrogen tank filled with high-pressure hydrogen to the fuel cell stack. Therefore, since the vortex tube is supplied with hydrogen that is almost free of moisture by filling the hydrogen tank at high pressure, the heat separation performance of the vortex tube is improved and the higher temperature hydrogen and the lower temperature are reduced. Hydrogen can be obtained. Thereby, heat exchange capability can be improved.
請求項１に記載の本発明に係る燃料電池システムは、機器の冷却や暖機を十分に行うことができるという優れた効果を有する。 The fuel cell system according to the first aspect of the present invention has an excellent effect that the device can be sufficiently cooled and warmed up.
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態例を詳細に説明する。なお、以下の各実施形態では、燃料電池システムが車両に搭載された場合の形態例を説明する。 DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In each of the following embodiments, an example in which the fuel cell system is mounted on a vehicle will be described.
（第１実施形態）
まず、図１を参照して、第１実施形態に係る燃料電池システム１０の構成について説明する。図１に示すように、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２、水素タンク１４、逆止弁１６、第１制御弁１８、圧力センサ２０、第１調圧弁２２、第２制御弁２４、ボルテックスチューブ２６、熱交換器としての高温側熱交換器２８、熱交換器としての低温側熱交換器３０、第２調圧弁３２及びインジェクタ３４を備える。また、燃料電池システム１０は、気液分離部３６、水素ポンプ３８、排水弁４０、ラジエータ４２、ポンプ４４、水温センサ４６、流路切替弁４８及び図示しない制御装置を更に備える。
(First embodiment)
First, the configuration of the fuel cell system 10 according to the first embodiment will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 1, the fuel cell system 10 includes a fuel cell stack 12, a hydrogen tank 14, a check valve 16, a first control valve 18, a pressure sensor 20, a first pressure regulating valve 22, a second control valve 24, a vortex. The tube 26, the high temperature side heat exchanger 28 as a heat exchanger, the low temperature side heat exchanger 30 as a heat exchanger, the 2nd pressure regulation valve 32, and the injector 34 are provided. The fuel cell system 10 further includes a gas-liquid separator 36, a hydrogen pump 38, a drain valve 40, a radiator 42, a pump 44, a water temperature sensor 46, a flow path switching valve 48, and a control device (not shown).
燃料電池スタック１２は、水素と酸素との電気化学反応によって発電するユニットであり、複数の単セルが積層されて形成されている。水素タンク１４は、複数（一例として２つ）設けられていると共に、水素タンク１４には、燃料電池スタック１２に供給するための高圧（例えば、７０ＭＰａ以上）の水素が充填口５０から逆止弁１６を通って充填される。この逆止弁１６は、充填口５０への水素の逆流を防止するために設けられている。なお、以下では、水素タンク１４側を水素の流路の上流とし、燃料電池スタック１２側を水素の流路の下流として説明する。 The fuel cell stack 12 is a unit that generates power by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and is formed by stacking a plurality of single cells. A plurality of hydrogen tanks 14 (two as an example) are provided, and high-pressure (for example, 70 MPa or more) hydrogen to be supplied to the fuel cell stack 12 is supplied to the hydrogen tank 14 from the filling port 50. 16 through. This check valve 16 is provided in order to prevent the backflow of hydrogen to the filling port 50. In the following description, the hydrogen tank 14 side is assumed to be upstream of the hydrogen flow path, and the fuel cell stack 12 side is assumed to be downstream of the hydrogen flow path.
水素タンク１４から燃料電池スタック１２への水素の供給経路としての水素供給経路５２には、圧力センサ２０、第１制御弁１８、第１調圧弁２２、第２制御弁２４、ボルテックスチューブ２６、高温側熱交換器２８、低温側熱交換器３０、第２調圧弁３２及びインジェクタ３４が、この順番で上流から下流に向けて設けられている。なお、高温側熱交換器２８及び低温側熱交換器３０は並列に設けられている。 A hydrogen supply path 52 serving as a hydrogen supply path from the hydrogen tank 14 to the fuel cell stack 12 includes a pressure sensor 20, a first control valve 18, a first pressure regulating valve 22, a second control valve 24, a vortex tube 26, a high temperature. The side heat exchanger 28, the low temperature side heat exchanger 30, the second pressure regulating valve 32, and the injector 34 are provided in this order from upstream to downstream. In addition, the high temperature side heat exchanger 28 and the low temperature side heat exchanger 30 are provided in parallel.
第１制御弁１８は、制御装置による制御によって、開状態及び閉状態の何れかの状態となる弁体である。第１調圧弁２２は、開示の技術の減圧部の一例であり、水素タンク１４から供給された水素を減圧させる。圧力センサ２０は、第１制御弁１８と第１調圧弁２２との間の圧力を、水素タンク１４の内圧として測定する。なお、水素タンク１４の内圧を、水素タンク１４の内部に設けられた圧力センサによって測定してもよい。 The 1st control valve 18 is a valve element which will be in an open state and a closed state by control by a control device. The first pressure regulating valve 22 is an example of a decompression unit according to the disclosed technique, and decompresses the hydrogen supplied from the hydrogen tank 14. The pressure sensor 20 measures the pressure between the first control valve 18 and the first pressure regulating valve 22 as the internal pressure of the hydrogen tank 14. Note that the internal pressure of the hydrogen tank 14 may be measured by a pressure sensor provided in the hydrogen tank 14.
第２制御弁２４は、制御装置による制御によって、開状態及び閉状態の何れかの状態となる弁体である。開状態は、ボルテックスチューブ２６へ水素の供給を行う状態であり、閉状態は、ボルテックスチューブ２６への水素の供給を遮断する状態である。 The 2nd control valve 24 is a valve element which will be in any one of an open state and a closed state by control by a control device. The open state is a state where hydrogen is supplied to the vortex tube 26, and the closed state is a state where the supply of hydrogen to the vortex tube 26 is shut off.
ボルテックスチューブ２６は、第２制御弁２４から供給された水素を高温の水素と低温の水素とに分離する。ボルテックスチューブ２６から噴出する高温の水素は、高温側熱交換器２８へ供給される。また、ボルテックスチューブ２６から噴出する低温の水素は、上述した高温側熱交換器２８と並列に配置された低温側熱交換器３０へ供給される。高温側熱交換器２８では、後述する冷却水循環経路５４を通る熱媒体としての冷却水と高温の水素とで熱交換が行われる。一方、低温側熱交換器３０では、冷却水と低温の水素とで熱交換が行われる。 The vortex tube 26 separates the hydrogen supplied from the second control valve 24 into hot hydrogen and cold hydrogen. The high temperature hydrogen ejected from the vortex tube 26 is supplied to the high temperature side heat exchanger 28. Moreover, the low temperature hydrogen ejected from the vortex tube 26 is supplied to the low temperature side heat exchanger 30 arranged in parallel with the high temperature side heat exchanger 28 described above. In the high temperature side heat exchanger 28, heat exchange is performed between cooling water as a heat medium passing through a cooling water circulation path 54 described later and high temperature hydrogen. On the other hand, in the low temperature side heat exchanger 30, heat exchange is performed between cooling water and low temperature hydrogen.
第２調圧弁３２は、開示の技術の減圧部の一例であり、高温側熱交換器２８及び低温側熱交換器３０を通った水素を減圧させる。インジェクタ３４は、例えば電磁式の開閉弁を含み、燃料電池スタック１２への水素の供給量を調整する。 The second pressure regulating valve 32 is an example of a decompression unit of the disclosed technology, and decompresses hydrogen that has passed through the high temperature side heat exchanger 28 and the low temperature side heat exchanger 30. The injector 34 includes, for example, an electromagnetic on-off valve, and adjusts the amount of hydrogen supplied to the fuel cell stack 12.
なお、本実施形態では、燃料電池スタック１２とインジェクタ３４との間の圧力領域を供給圧領域という。また、インジェクタ３４と第２調圧弁３２との間の圧力領域を調圧領域という。さらに、第２調圧弁３２と第２制御弁２４との間の圧力領域を圧力変動領域という。さらにまた、第２制御弁２４より上流の圧力領域を高圧領域という。 In the present embodiment, a pressure region between the fuel cell stack 12 and the injector 34 is referred to as a supply pressure region. Further, the pressure region between the injector 34 and the second pressure regulating valve 32 is referred to as a pressure regulating region. Furthermore, a pressure region between the second pressure regulating valve 32 and the second control valve 24 is referred to as a pressure fluctuation region. Furthermore, the pressure region upstream of the second control valve 24 is referred to as a high pressure region.
気液分離部３６は、燃料電池スタック１２から排出された水素及び反応ガスを気体成分と液体成分とに分離する。水素ポンプ３８は、気液分離部３６により分離された気体成分に含まれる水素を、水素供給経路５２上のインジェクタ３４の下流に送り出す循環ポンプとして機能する。また、気液分離部３６により分離された液体成分は、排水弁４０を介して外部に排出される。 The gas-liquid separator 36 separates the hydrogen and reaction gas discharged from the fuel cell stack 12 into a gas component and a liquid component. The hydrogen pump 38 functions as a circulation pump that sends hydrogen contained in the gas component separated by the gas-liquid separator 36 downstream of the injector 34 on the hydrogen supply path 52. Further, the liquid component separated by the gas-liquid separation unit 36 is discharged to the outside through the drain valve 40.
ラジエータ４２は、例えば外気を取り込む図示しないファンを有し、ファンを回転させることによって、冷却水循環経路５４内をポンプ４４によって流される冷却水を冷却する。冷却水循環経路５４は、燃料電池スタック１２を通りかつ燃料電池スタック１２と熱交換可能とされているため、冷却水循環経路５４を流れる冷却水によって、燃料電池スタック１２が冷却される。冷却水循環経路５４には、流路切替弁４８が設けられている。流路切替弁４８は、制御装置による制御によって、暖機状態及び冷却状態の何れかの状態となる弁体である（図１は冷却状態を示している。）。冷却状態は、低温側熱交換器３０への冷却水の循環を行い、かつ高温側熱交換器２８への冷却水の循環を遮断する状態である。なお、暖機状態は、低温側熱交換器３０への冷却水の循環を遮断し、かつ高温側熱交換器２８へ冷却水の循環を行う状態である。 The radiator 42 has a fan (not shown) that takes in outside air, for example, and rotates the fan to cool the cooling water flowing in the cooling water circulation path 54 by the pump 44. Since the coolant circulation path 54 passes through the fuel cell stack 12 and can exchange heat with the fuel cell stack 12, the fuel cell stack 12 is cooled by the coolant flowing through the coolant circulation path 54. A flow path switching valve 48 is provided in the cooling water circulation path 54. The flow path switching valve 48 is a valve body that is in either a warm-up state or a cooling state under the control of the control device (FIG. 1 shows the cooling state). The cooling state is a state in which the cooling water is circulated to the low temperature side heat exchanger 30 and the cooling water is circulated to the high temperature side heat exchanger 28. The warm-up state is a state in which the circulation of the cooling water to the low temperature side heat exchanger 30 is interrupted and the cooling water is circulated to the high temperature side heat exchanger 28.
冷却水循環経路５４には、水温センサ４６が設けられており、この水温センサ４６は制御装置に接続されている。水温センサ４６による冷却水の温度によって、制御装置は流路切替弁４８を暖気状態及び冷却状態の何れかの状態に切り替える。 The cooling water circulation path 54 is provided with a water temperature sensor 46, and this water temperature sensor 46 is connected to a control device. Depending on the temperature of the cooling water by the water temperature sensor 46, the control device switches the flow path switching valve 48 to either the warm-up state or the cooling state.
冷却水循環経路５４には、制御装置による制御によって流路を変更可能とする三方弁６０が設けられており、三方弁６０によって、燃料電池スタック１２からラジエータ４２へと向かう冷却水はラジエータ４２をバイパス可能とされている。 The cooling water circulation path 54 is provided with a three-way valve 60 that can change the flow path under the control of the control device. By the three-way valve 60, the cooling water from the fuel cell stack 12 to the radiator 42 bypasses the radiator 42. It is possible.
（第１実施形態の作用・効果）
次に、本実施形態の作用並びに効果を説明する。
(Operation and effect of the first embodiment)
Next, the operation and effect of this embodiment will be described.
ここで、本実施形態に係る燃料電池システム１０の作用について説明する。水素タンク１４から第１制御弁１８を通って第１調圧弁２２に導かれた水素は、減圧されて第２制御弁２４を通りボルテックスチューブ２６へ供給される。ボルテックスチューブ２６により、水素は高温の水素と低温の水素とに熱分離される。そして、高温の水素は、高温側熱交換器２８へ供給され、低温の水素は、低温側熱交換器３０へ供給される。 Here, the operation of the fuel cell system 10 according to the present embodiment will be described. The hydrogen introduced from the hydrogen tank 14 to the first pressure regulating valve 22 through the first control valve 18 is decompressed and supplied to the vortex tube 26 through the second control valve 24. The vortex tube 26 thermally separates the hydrogen into hot hydrogen and cold hydrogen. The high temperature hydrogen is supplied to the high temperature side heat exchanger 28, and the low temperature hydrogen is supplied to the low temperature side heat exchanger 30.
ここで、冷却水循環経路５４の水温センサ４６により測定された冷却水の温度により、制御装置は流路切替弁４８の状態を切り替えるか否かを判断する。一例として、冷却水の温度が３０℃未満の場合、制御装置は暖機が必要と判断して流路切替弁４８を暖気状態にすると共に、燃料電池スタック１２からラジエータ４２へと向かう冷却水がラジエータ４２をバイパスするように三方弁６０を制御する。また、冷却水の温度が３０℃以上７０℃未満の場合、制御装置は流路切替弁４８の状態を維持すると共に、冷却水がラジエータ４２を通るように三方弁６０を制御する。なお、冷却水の温度が３０℃以上７０℃未満の場合でかつ冷却水の温度上昇が所定時間継続したとき、制御装置は流路切替弁４８を冷却状態に切り替える制御を行ってもよい。さらに、冷却水の温度が７０℃以上の場合、制御装置は流路切替弁４８を冷却状態にする。以下、流路切替弁４８が冷却状態の場合について説明する。 Here, the control device determines whether or not to switch the state of the flow path switching valve 48 based on the temperature of the cooling water measured by the water temperature sensor 46 in the cooling water circulation path 54. As an example, when the temperature of the cooling water is less than 30 ° C., the control device determines that the warm-up is necessary and sets the flow path switching valve 48 in a warm-up state, and the cooling water from the fuel cell stack 12 toward the radiator 42 The three-way valve 60 is controlled so as to bypass the radiator 42. When the temperature of the cooling water is not lower than 30 ° C. and lower than 70 ° C., the control device maintains the state of the flow path switching valve 48 and controls the three-way valve 60 so that the cooling water passes through the radiator 42. When the temperature of the cooling water is not lower than 30 ° C. and lower than 70 ° C. and the temperature rise of the cooling water continues for a predetermined time, the control device may perform control to switch the flow path switching valve 48 to the cooling state. Furthermore, when the temperature of the cooling water is 70 ° C. or higher, the control device puts the flow path switching valve 48 into a cooled state. Hereinafter, the case where the flow path switching valve 48 is in the cooled state will be described.
流路切替弁４８が冷却状態の場合、低温側熱交換器３０にて低温の水素と冷却水との間で熱交換が行われる。これにより、冷却水が冷却される。冷却された冷却水は、ポンプ４４により燃料電池スタック１２へ送られる。これにより、燃料電池スタック１２の冷却を行うことができる。なお、高温側熱交換器２８では、冷却水の循環が行われないため、高温の水素と冷却水との間で熱交換が行われないが、外部の熱交換器に接続して車室内や車外へ放熱する構成としてもよい。 When the flow path switching valve 48 is in the cooled state, the low temperature side heat exchanger 30 performs heat exchange between the low temperature hydrogen and the cooling water. Thereby, the cooling water is cooled. The cooled cooling water is sent to the fuel cell stack 12 by the pump 44. Thereby, the fuel cell stack 12 can be cooled. The high temperature side heat exchanger 28 does not circulate the cooling water, so heat is not exchanged between the high temperature hydrogen and the cooling water. However, the high temperature side heat exchanger 28 is connected to an external heat exchanger and It is good also as a structure which thermally radiates out of a vehicle.
高温側熱交換器２８及び低温側熱交換器３０を通過したそれぞれ水素は、合流して第２調圧弁３２を経てインジェクタ３４へ供給される。 The hydrogen that has passed through the high temperature side heat exchanger 28 and the low temperature side heat exchanger 30 merges and is supplied to the injector 34 through the second pressure regulating valve 32.
以上のように、本実施形態では、図１に示されるように、高圧水素が充填された水素タンク１４から燃料電池スタック１２へ水素を供給する水素供給経路５２には、ボルテックスチューブ２６が設けられている。ボルテックスチューブ２６は、水素を高温の水素と低温の水素とに熱分離する。ボルテックスチューブ２６からの高温の水素は、高温側熱交換器２８によって冷却水と熱交換が行われる。一方、ボルテックスチューブ２６からの低温の水素は、低温側熱交換器３０によって冷却水と熱交換が行われる。つまり、流路切替弁４８により流路を切り替えることで、燃料電池スタック１２の暖機又は冷却を行うことができる。 As described above, in this embodiment, as shown in FIG. 1, the vortex tube 26 is provided in the hydrogen supply path 52 for supplying hydrogen from the hydrogen tank 14 filled with high-pressure hydrogen to the fuel cell stack 12. ing. The vortex tube 26 thermally separates hydrogen into hot hydrogen and cold hydrogen. The high-temperature hydrogen from the vortex tube 26 is heat-exchanged with the cooling water by the high-temperature side heat exchanger 28. On the other hand, the low-temperature hydrogen from the vortex tube 26 is heat-exchanged with the cooling water by the low-temperature side heat exchanger 30. That is, the fuel cell stack 12 can be warmed up or cooled by switching the flow path with the flow path switching valve 48.
ここで、一般的に、ボルテックスチューブ２６は、導入される気体に水分が多く含まれていると、高温の気体と低温の気体とに分離する熱分離性能が低下する。しかしながら、本実施形態では、ボルテックスチューブ２６は高圧水素が充填された水素タンク１４から燃料電池スタック１２へ水素を供給する水素供給経路５２に設けられている。したがって、ボルテックスチューブ２６には、高圧で水素タンク１４に充填されることで水分がほぼ含まれない水素が供給されることから、ボルテックスチューブ２６の熱分離性能が向上してより温度の高い水素及び温度の低い水素を得ることができる。これにより、熱交換能力を高めることができることから、機器の冷却や暖機を十分に行うことができる。 Here, in general, when the vortex tube 26 contains a large amount of moisture in the introduced gas, the heat separation performance of separating into a high-temperature gas and a low-temperature gas is lowered. However, in this embodiment, the vortex tube 26 is provided in the hydrogen supply path 52 that supplies hydrogen from the hydrogen tank 14 filled with high-pressure hydrogen to the fuel cell stack 12. Therefore, since the vortex tube 26 is supplied with hydrogen that is substantially free of moisture by filling the hydrogen tank 14 at a high pressure, the heat separation performance of the vortex tube 26 is improved, and the higher temperature hydrogen and Hydrogen having a low temperature can be obtained. Thereby, since the heat exchange capability can be increased, the device can be sufficiently cooled and warmed up.
（第２実施形態）
次に、図２を用いて、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム６１について説明する。なお、前述した第１実施形態と同一構成部分については、同一番号を付してその説明を省略する。
(Second Embodiment)
Next, a fuel cell system 61 according to a second embodiment of the present invention will be described using FIG. In addition, about the same component as 1st Embodiment mentioned above, the same number is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted.
図２に示されるように、この第２実施形態に係る燃料電池システム６１は、基本的な構成は第１実施形態と同様とされ、水素供給経路６２が並列して配置されかつ一方の水素供給経路６２にボルテックスチューブ２６、高温側熱交換器２８及び低温側熱交換器３０が設けられている点に特徴がある。 As shown in FIG. 2, the fuel cell system 61 according to the second embodiment has the same basic configuration as that of the first embodiment, with hydrogen supply paths 62 arranged in parallel and one hydrogen supply. The path 62 is characterized in that the vortex tube 26, the high temperature side heat exchanger 28, and the low temperature side heat exchanger 30 are provided.
すなわち、水素タンク１４から燃料電池スタック１２への水素の供給経路としての水素供給経路６２には、第１供給経路６２Ａと第２供給経路６２Ｂとが設けられている。第１供給経路６２Ａには、第１制御弁１８、圧力センサ２０、第１調圧弁２２、第２制御弁２４、第２調圧弁３２、及びインジェクタ３４が、この順番で上流から下流に向けて設けられている。 That is, the hydrogen supply path 62 as a hydrogen supply path from the hydrogen tank 14 to the fuel cell stack 12 is provided with a first supply path 62A and a second supply path 62B. In the first supply path 62A, the first control valve 18, the pressure sensor 20, the first pressure regulating valve 22, the second control valve 24, the second pressure regulating valve 32, and the injector 34 are arranged in this order from upstream to downstream. Is provided.
第２供給経路６２Ｂは、第１調圧弁２２の下流側から第２調圧弁３２の上流側の間に設けられており、第３制御弁６４、ボルテックスチューブ２６、高温側熱交換器２８、低温側熱交換器３０及び逆止弁６６が、この順番で上流から下流に向けて設けられている。なお、高温側熱交換器２８及び低温側熱交換器３０は並列に設けられている。 The second supply path 62B is provided between the downstream side of the first pressure regulating valve 22 and the upstream side of the second pressure regulating valve 32. The third control valve 64, the vortex tube 26, the high temperature side heat exchanger 28, the low temperature The side heat exchanger 30 and the check valve 66 are provided from upstream to downstream in this order. In addition, the high temperature side heat exchanger 28 and the low temperature side heat exchanger 30 are provided in parallel.
第３制御弁６４は、制御装置による制御によって、開状態及び閉状態の何れかの状態となる弁体である。開状態は、第１調圧弁２２からの水素をボルテックスチューブ２６へ供給を行う状態であり、閉状態は、ボルテックスチューブ２６への水素の供給を遮断する状態である。 The 3rd control valve 64 is a valve element which will be in an open state and a closed state by control by a control device. The open state is a state where hydrogen from the first pressure regulating valve 22 is supplied to the vortex tube 26, and the closed state is a state where the supply of hydrogen to the vortex tube 26 is shut off.
逆止弁６６は、第１供給経路６２Ａを流れる水素が第２供給経路６２Ｂへと流れるのを防止するために設けられている。高温側熱交換器２８及び低温側熱交換器３０を通ったそれぞれの水素は、合流した後第２調圧弁３２の上流側の水素と合流される。なお、本実施形態では、高温側熱交換器２８及び低温側熱交換器３０を通ったそれぞれの水素は、合流した後第２調圧弁３２の上流側の水素と合流される構成とされているが、これに限らず、図中破線にて示すように第２調圧弁３２と同様の構成とされた第３調圧弁６８を経て減圧された後にインジェクタ３４の下流側の水素と合流される構成としてもよい。 The check valve 66 is provided to prevent hydrogen flowing through the first supply path 62A from flowing into the second supply path 62B. The hydrogens that have passed through the high temperature side heat exchanger 28 and the low temperature side heat exchanger 30 are merged and then merged with the hydrogen upstream of the second pressure regulating valve 32. In the present embodiment, the hydrogen passing through the high temperature side heat exchanger 28 and the low temperature side heat exchanger 30 are joined together with the hydrogen upstream of the second pressure regulating valve 32 after joining. However, the present invention is not limited to this, and after being decompressed through the third pressure regulating valve 68 having the same configuration as the second pressure regulating valve 32 as indicated by the broken line in the figure, the configuration is combined with hydrogen on the downstream side of the injector 34. It is good.
なお、本実施形態では、燃料電池スタック１２とインジェクタ３４との間の圧力領域を供給圧領域という。また、本実施形態では、インジェクタ３４と第２調圧弁３２との間の圧力領域を調圧領域という。さらに、本実施形態では、第２調圧弁３２と第３制御弁６４との間の圧力領域を圧力変動領域という。さらにまた、本実施形態では、第３制御弁６４より上流の圧力領域を高圧領域という。 In the present embodiment, a pressure region between the fuel cell stack 12 and the injector 34 is referred to as a supply pressure region. In the present embodiment, the pressure region between the injector 34 and the second pressure regulating valve 32 is referred to as a pressure regulating region. Furthermore, in the present embodiment, the pressure region between the second pressure regulating valve 32 and the third control valve 64 is referred to as a pressure fluctuation region. Furthermore, in this embodiment, the pressure region upstream from the third control valve 64 is referred to as a high pressure region.
（第２実施形態の作用・効果）
次に、本実施形態の作用並びに効果を説明する。
(Operation and effect of the second embodiment)
Next, the operation and effect of this embodiment will be described.
ここで、本実施形態に係る燃料電池システム６１の作用について説明する。水素タンク１４から第１制御弁１８を通って第１調圧弁２２に導かれた水素は、減圧された後に第２制御弁２４へ供給されると共に、第２供給経路６２Ｂの開状態とされた第３制御弁６４を通りボルテックスチューブ２６へ供給される。ボルテックスチューブ２６により、水素は高温の水素と低温の水素とに熱分離される。そして、高温の水素は、高温側熱交換器２８へ供給され、低温の水素は、低温側熱交換器３０へ供給される。 Here, the operation of the fuel cell system 61 according to the present embodiment will be described. The hydrogen introduced from the hydrogen tank 14 to the first pressure regulating valve 22 through the first control valve 18 is supplied to the second control valve 24 after being depressurized, and the second supply path 62B is opened. The vortex tube 26 is supplied through the third control valve 64. The vortex tube 26 thermally separates the hydrogen into hot hydrogen and cold hydrogen. The high temperature hydrogen is supplied to the high temperature side heat exchanger 28, and the low temperature hydrogen is supplied to the low temperature side heat exchanger 30.
ここで、冷却水循環経路５４の水温センサ４６により測定された冷却水の温度により、制御装置は流路切替弁４８の状態を切り替えるか否かを判断する。一例として、冷却水の温度が３０℃未満の場合、制御装置は暖機が必要と判断して流路切替弁４８を暖気状態にすると共に、燃料電池スタック１２からラジエータ４２へと向かう冷却水がラジエータ４２をバイパスするように三方弁６０を制御する。また、冷却水の温度が３０℃以上７０℃未満の場合、制御装置は流路切替弁４８の状態を維持すると共に、冷却水がラジエータ４２を通るように三方弁６０を制御する。なお、冷却水の温度が３０℃以上７０℃未満の場合でかつ冷却水の温度上昇が所定時間継続したとき、制御装置は流路切替弁４８を冷却状態に切り替える制御を行ってもよい。さらに、冷却水の温度が７０℃以上の場合、制御装置は流路切替弁４８を冷却状態にする。以下、流路切替弁４８が冷却状態の場合について説明する。 Here, the control device determines whether or not to switch the state of the flow path switching valve 48 based on the temperature of the cooling water measured by the water temperature sensor 46 in the cooling water circulation path 54. As an example, when the temperature of the cooling water is less than 30 ° C., the control device determines that the warm-up is necessary and sets the flow path switching valve 48 in a warm-up state, and the cooling water from the fuel cell stack 12 toward the radiator 42 The three-way valve 60 is controlled so as to bypass the radiator 42. When the temperature of the cooling water is not lower than 30 ° C. and lower than 70 ° C., the control device maintains the state of the flow path switching valve 48 and controls the three-way valve 60 so that the cooling water passes through the radiator 42. When the temperature of the cooling water is not lower than 30 ° C. and lower than 70 ° C. and the temperature rise of the cooling water continues for a predetermined time, the control device may perform control to switch the flow path switching valve 48 to the cooling state. Furthermore, when the temperature of the cooling water is 70 ° C. or higher, the control device puts the flow path switching valve 48 into a cooled state. Hereinafter, the case where the flow path switching valve 48 is in the cooled state will be described.
流路切替弁４８が冷却状態の場合、低温側熱交換器３０にて低温の水素と冷却水との間で熱交換が行われる。これにより、冷却水が冷却される。冷却された冷却水は、ポンプ４４により燃料電池スタック１２へ送られる。これにより、燃料電池スタック１２の冷却を行うことができる。なお、高温側熱交換器２８では、冷却水の循環が行われないため、高温の水素と冷却水との間で熱交換が行われないが、外部の熱交換器に接続して車室内や車外へ放熱する構成としてもよい。 When the flow path switching valve 48 is in the cooled state, the low temperature side heat exchanger 30 performs heat exchange between the low temperature hydrogen and the cooling water. Thereby, the cooling water is cooled. The cooled cooling water is sent to the fuel cell stack 12 by the pump 44. Thereby, the fuel cell stack 12 can be cooled. The high temperature side heat exchanger 28 does not circulate the cooling water, so heat is not exchanged between the high temperature hydrogen and the cooling water. However, the high temperature side heat exchanger 28 is connected to an external heat exchanger and It is good also as a structure which thermally radiates out of a vehicle.
高温側熱交換器２８及び低温側熱交換器３０を通過したそれぞれ水素は、合流して第２調圧弁３２の上流側にて第１供給経路６２Ａの水素と合流し、インジェクタ３４へ供給される。 The hydrogen that has passed through the high-temperature side heat exchanger 28 and the low-temperature side heat exchanger 30 merges, merges with the hydrogen in the first supply path 62A on the upstream side of the second pressure regulating valve 32, and is supplied to the injector 34. .
以上のように、上記構成によっても、第１供給経路６２Ａと第２供給経路６２Ｂとが並列して配置されかつ第２供給経路６２Ｂにボルテックスチューブ２６、高温側熱交換器２８及び低温側熱交換器３０が配置されている点以外は、第１実施形態の燃料電池システム１０と同様に構成されているので、第１実施形態と同様の効果が得られる。また、第１供給経路６２Ａにボルテックスチューブ２６、高温側熱交換器２８及び低温側熱交換器３０が配置されていない構成とされていることから、第１供給経路６２Ａによって水素タンク１４から燃料電池スタック１２へ素早く水素を供給することができる。 As described above, even with the above configuration, the first supply path 62A and the second supply path 62B are arranged in parallel, and the vortex tube 26, the high temperature side heat exchanger 28, and the low temperature side heat exchange are arranged in the second supply path 62B. Since the configuration is the same as that of the fuel cell system 10 of the first embodiment except that the container 30 is arranged, the same effects as those of the first embodiment can be obtained. Further, since the vortex tube 26, the high temperature side heat exchanger 28, and the low temperature side heat exchanger 30 are not arranged in the first supply path 62A, the fuel cell is connected from the hydrogen tank 14 by the first supply path 62A. Hydrogen can be quickly supplied to the stack 12.
（第３実施形態）
次に、図３を用いて、本発明の第３実施形態に係る燃料電池システム７０について説明する。なお、前述した第１実施形態と同一構成部分については、同一番号を付してその説明を省略する。
(Third embodiment)
Next, a fuel cell system 70 according to a third embodiment of the present invention will be described using FIG. In addition, about the same component as 1st Embodiment mentioned above, the same number is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted.
図３に示されるように、この第３実施形態に係る燃料電池システム７０は、基本的な構成は第１実施形態と同様とされ、サブラジエータ７２が設けられている点に特徴がある。 As shown in FIG. 3, the fuel cell system 70 according to the third embodiment is characterized in that the basic configuration is the same as that of the first embodiment and a sub-radiator 72 is provided.
すなわち、冷却水循環経路７１には、サブラジエータ７２、サブポンプ７４及び流路切替弁７６が設けられている。サブラジエータ７２は、例えば外気を取り込む図示しないファンを有し、ファンを回転させることによって、冷却水循環経路７１を流れる冷却水を冷却する。流路切替弁７６は、四方弁とされており、制御装置による制御によって、暖機状態及び冷却状態の何れかの状態となる弁体である（図３は冷却状態を示している）。冷却状態では、ラジエータ４２と低温側熱交換器３０とが流路切替弁７６を介して冷却水循環経路７１（図中太線）によって接続されると共に、サブラジエータ７２と高温側熱交換器２８とが流路切替弁７６を介して冷却水循環経路７１（図中破線）によって接続される。なお、暖機状態では、ラジエータ４２と高温側熱交換器２８とが流路切替弁７６を介して冷却水循環経路７１によって接続されると共に、サブラジエータ７２と低温側熱交換器３０とが流路切替弁７６を介して冷却水循環経路７１によって接続される。 That is, the sub-radiator 72, the sub-pump 74, and the flow path switching valve 76 are provided in the cooling water circulation path 71. The sub radiator 72 has a fan (not shown) that takes in outside air, for example, and cools the cooling water flowing through the cooling water circulation path 71 by rotating the fan. The flow path switching valve 76 is a four-way valve, and is a valve body that is in either a warm-up state or a cooling state under the control of the control device (FIG. 3 shows the cooling state). In the cooling state, the radiator 42 and the low temperature side heat exchanger 30 are connected by a cooling water circulation path 71 (thick line in the figure) via the flow path switching valve 76, and the sub radiator 72 and the high temperature side heat exchanger 28 are connected to each other. The cooling water circulation path 71 (broken line in the figure) is connected through the flow path switching valve 76. In the warm-up state, the radiator 42 and the high temperature side heat exchanger 28 are connected by the cooling water circulation path 71 via the flow path switching valve 76, and the sub radiator 72 and the low temperature side heat exchanger 30 are flow paths. The cooling water circulation path 71 is connected via the switching valve 76.
（第３実施形態の作用・効果）
次に、本実施形態の作用並びに効果を説明する。
(Operations and effects of the third embodiment)
Next, the operation and effect of this embodiment will be described.
ここで、本実施形態に係る燃料電池システム７０の作用について説明する。水素タンク１４から第１制御弁１８を通って第１調圧弁２２に導かれた水素は、減圧されて第２制御弁２４を通りボルテックスチューブ２６へ供給される。ボルテックスチューブ２６により、水素は高温の水素と低温の水素とに熱分離される。そして、高温の水素は、高温側熱交換器２８へ供給され、低温の水素は、低温側熱交換器３０へ供給される。 Here, the operation of the fuel cell system 70 according to the present embodiment will be described. The hydrogen introduced from the hydrogen tank 14 to the first pressure regulating valve 22 through the first control valve 18 is decompressed and supplied to the vortex tube 26 through the second control valve 24. The vortex tube 26 thermally separates the hydrogen into hot hydrogen and cold hydrogen. The high temperature hydrogen is supplied to the high temperature side heat exchanger 28, and the low temperature hydrogen is supplied to the low temperature side heat exchanger 30.
ここで、冷却水循環経路７１の水温センサ４６により測定された冷却水の温度により、制御装置は流路切替弁７６の状態を切り替えるか否かを判断する。一例として、冷却水の温度が３０℃未満の場合、制御装置は暖機が必要と判断して流路切替弁７６を暖気状態にすると共に、燃料電池スタック１２からラジエータ４２へと向かう冷却水がラジエータ４２をバイパスするように三方弁６０を制御する。また、冷却水の温度が３０℃以上７０℃未満の場合、制御装置は流路切替弁７６の状態を維持すると共に、冷却水がラジエータ４２を通るように三方弁６０を制御する。なお、冷却水の温度が３０℃以上７０℃未満の場合でかつ冷却水の温度上昇が所定時間継続したとき、制御装置は流路切替弁７６を冷却状態に切り替える制御を行ってもよい。さらに、冷却水の温度が７０℃以上の場合、制御装置は流路切替弁７６を冷却状態にする。以下、流路切替弁７６が冷却状態の場合について説明する。 Here, the control device determines whether or not to switch the state of the flow path switching valve 76 based on the temperature of the cooling water measured by the water temperature sensor 46 in the cooling water circulation path 71. As an example, when the temperature of the cooling water is less than 30 ° C., the control device determines that the warm-up is necessary and sets the flow path switching valve 76 in a warm-up state, and the cooling water from the fuel cell stack 12 toward the radiator 42 The three-way valve 60 is controlled so as to bypass the radiator 42. When the temperature of the cooling water is not lower than 30 ° C. and lower than 70 ° C., the control device maintains the state of the flow path switching valve 76 and controls the three-way valve 60 so that the cooling water passes through the radiator 42. When the temperature of the cooling water is not lower than 30 ° C. and lower than 70 ° C. and the temperature rise of the cooling water continues for a predetermined time, the control device may perform control to switch the flow path switching valve 76 to the cooling state. Furthermore, when the temperature of the cooling water is 70 ° C. or higher, the control device puts the flow path switching valve 76 in a cooled state. Hereinafter, the case where the flow path switching valve 76 is in the cooled state will be described.
流路切替弁７６が冷却状態の場合、低温側熱交換器３０にて低温の水素と冷却水との間で熱交換が行われる。これにより、冷却水が冷却される。冷却された冷却水は、ポンプ４４により燃料電池スタック１２へ送られる。これにより、燃料電池スタック１２の冷却を行うことができる。なお、高温側熱交換器２８は、サブラジエータ７２と接続されるため、高温側熱交換器２８にて高温の水素と熱交換したことで高温となった冷却水がサブラジエータ７２で冷やされる。つまり、高温の水素は、冷却水を介して熱が大気へ放出されることで温度が低くなると共に、低温の水素は、燃料電池スタック１２の熱が加えられることで温度が高くなる。このため、高温側熱交換器２８を通った水素と低温側熱交換器３０を通った水素とが合流した後の水素の温度と、ボルテックスチューブ２６に供給される前の水素の温度との差、すなわち水素の温度変化を抑制することができる。 When the flow path switching valve 76 is in a cooled state, heat exchange is performed between the low temperature hydrogen and the cooling water in the low temperature side heat exchanger 30. Thereby, the cooling water is cooled. The cooled cooling water is sent to the fuel cell stack 12 by the pump 44. Thereby, the fuel cell stack 12 can be cooled. In addition, since the high temperature side heat exchanger 28 is connected to the sub radiator 72, the cooling water having a high temperature as a result of heat exchange with the high temperature hydrogen in the high temperature side heat exchanger 28 is cooled by the sub radiator 72. That is, the temperature of the high-temperature hydrogen is lowered by releasing heat to the atmosphere through the cooling water, and the temperature of the low-temperature hydrogen is raised by adding heat of the fuel cell stack 12. For this reason, the difference between the temperature of hydrogen after the hydrogen passing through the high temperature side heat exchanger 28 and the hydrogen passing through the low temperature side heat exchanger 30 merge with the temperature of the hydrogen before being supplied to the vortex tube 26. That is, the temperature change of hydrogen can be suppressed.
高温側熱交換器２８及び低温側熱交換器３０を通過したそれぞれ水素は、合流して第２調圧弁３２を経てインジェクタ３４へ供給される。 The hydrogen that has passed through the high temperature side heat exchanger 28 and the low temperature side heat exchanger 30 merges and is supplied to the injector 34 through the second pressure regulating valve 32.
以上のように、上記構成によっても、サブラジエータ７２が設けられている点以外は、第１実施形態の燃料電池システム１０と同様に構成されているので、第１実施形態と同様の効果が得られる。また、サブラジエータ７２が設けられており、ラジエータ４２に接続された低温側熱交換器３０（又は高温側熱交換器２８）と反対側の高温側熱交換器２８（又は低温側熱交換器３０）がサブラジエータ７２とが接続されることで、高温側熱交換器２８を通った水素と低温側熱交換器３０を通った水素とが合流した後の水素の温度と、ボルテックスチューブ２６に供給される前の水素の温度との差、すなわち水素の温度変化を抑制することができる。 As described above, the above configuration is the same as that of the fuel cell system 10 of the first embodiment except that the sub-radiator 72 is provided. Therefore, the same effect as that of the first embodiment can be obtained. It is done. Further, a sub radiator 72 is provided, and the high temperature side heat exchanger 28 (or the low temperature side heat exchanger 30) opposite to the low temperature side heat exchanger 30 (or the high temperature side heat exchanger 28) connected to the radiator 42. ) Is connected to the sub-radiator 72 so that the hydrogen after the hydrogen passing through the high temperature side heat exchanger 28 and the hydrogen passing through the low temperature side heat exchanger 30 merge and the vortex tube 26 is supplied. It is possible to suppress a difference from the temperature of the hydrogen before being performed, that is, a change in the temperature of hydrogen.
（第４実施形態）
次に、図４を用いて、本発明の第４実施形態に係る燃料電池システム８０について説明する。なお、前述した第３実施形態と同一構成部分については、同一番号を付してその説明を省略する。
(Fourth embodiment)
Next, a fuel cell system 80 according to a fourth embodiment of the present invention will be described using FIG. In addition, about the same component as 3rd Embodiment mentioned above, the same number is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted.
図４に示されるように、この第４実施形態に係る燃料電池システム８０は、基本的な構成は第３実施形態と同様とされ、高温側熱交換器２８及び低温側熱交換器３０が２組設けられている点に特徴がある。 As shown in FIG. 4, the fuel cell system 80 according to the fourth embodiment has the same basic configuration as that of the third embodiment, and includes two high-temperature side heat exchangers 28 and two low-temperature side heat exchangers 30. It is characterized in that it is provided as a set.
すなわち、第２制御弁２４の下流側と、第２調圧弁３２の上流側との間には、第３実施形態と同様の配列とされたボルテックスチューブ２６、高温側熱交換器２８及び低温側熱交換器３０が２組設けられている。そして、一方のボルテックスチューブ２６、高温側熱交換器２８及び低温側熱交換器３０と、他方のボルテックスチューブ２６、高温側熱交換器２８及び低温側熱交換器３０との間には、第３調圧弁８２が設けられている。 That is, between the downstream side of the second control valve 24 and the upstream side of the second pressure regulating valve 32, the vortex tube 26, the high temperature side heat exchanger 28, and the low temperature side arranged in the same manner as in the third embodiment. Two sets of heat exchangers 30 are provided. Between the one vortex tube 26, the high temperature side heat exchanger 28 and the low temperature side heat exchanger 30, and the other vortex tube 26, the high temperature side heat exchanger 28 and the low temperature side heat exchanger 30, there is a third A pressure regulating valve 82 is provided.
一方の高温側熱交換器２８と他方の高温側熱交換器２８とは、冷却水循環経路８４（図中破線）によって直列に接続されている。同様に、一方の低温側熱交換器３０と他方の低温側熱交換器３０とは、冷却水循環経路８４（図中太線）によって直列に接続されている。 One high temperature side heat exchanger 28 and the other high temperature side heat exchanger 28 are connected in series by a cooling water circulation path 84 (broken line in the figure). Similarly, one low temperature side heat exchanger 30 and the other low temperature side heat exchanger 30 are connected in series by a cooling water circulation path 84 (thick line in the figure).
冷却水循環経路８４は、ポンプ４４によって流された冷却水が直接燃料電池スタック１２へ向かう第１冷却水循環経路８４Ａと、ポンプ４４によって流された冷却水が低温側熱交換器３０（又は高温側熱交換器２８）を経由して燃料電池スタック１２へ向かう第２冷却水循環経路８４Ｂとが設けられており、第１冷却水循環経路８４Ａと第２冷却水循環経路８４Ｂとは並列に配置されている。 The cooling water circulation path 84 includes a first cooling water circulation path 84A in which the cooling water flowed by the pump 44 is directed directly to the fuel cell stack 12, and the cooling water flowed by the pump 44 is the low temperature side heat exchanger 30 (or high temperature side heat). A second cooling water circulation path 84B is provided through the exchanger 28) toward the fuel cell stack 12, and the first cooling water circulation path 84A and the second cooling water circulation path 84B are arranged in parallel.
（第４実施形態の作用・効果）
次に、本実施形態の作用並びに効果を説明する。
(Operations and effects of the fourth embodiment)
Next, the operation and effect of this embodiment will be described.
ここで、本実施形態に係る燃料電池システム８０の作用について説明する。水素タンク１４から第１制御弁１８を通って第１調圧弁２２に導かれた水素は、減圧されて第２制御弁２４を通り一方のボルテックスチューブ２６へ供給される。このボルテックスチューブ２６により、水素は高温の水素と低温の水素とに熱分離される。そして、高温の水素は、一方の高温側熱交換器２８へ供給され、低温の水素は、一方の低温側熱交換器３０へ供給される。 Here, the operation of the fuel cell system 80 according to the present embodiment will be described. The hydrogen introduced from the hydrogen tank 14 to the first pressure regulating valve 22 through the first control valve 18 is depressurized and supplied to one vortex tube 26 through the second control valve 24. The vortex tube 26 thermally separates the hydrogen into hot hydrogen and cold hydrogen. The high temperature hydrogen is supplied to one high temperature side heat exchanger 28, and the low temperature hydrogen is supplied to one low temperature side heat exchanger 30.
一方の高温側熱交換器２８及び一方の低温側熱交換器３０を通過したそれぞれ水素は、合流して第３調圧弁８２を経て他方のボルテックスチューブ２６へ供給される。そして、ボルテックスチューブ２６により、水素は再度高温の水素と低温の水素とに熱分離されて、高温の水素は他方の高温側熱交換器２８へ供給され、低温の水素は、他方の低温側熱交換器３０へ供給される。 The hydrogen that has passed through one high-temperature side heat exchanger 28 and one low-temperature side heat exchanger 30 merges and is supplied to the other vortex tube 26 via the third pressure regulating valve 82. Then, the hydrogen is again thermally separated into high temperature hydrogen and low temperature hydrogen by the vortex tube 26, the high temperature hydrogen is supplied to the other high temperature side heat exchanger 28, and the low temperature hydrogen is converted into the other low temperature side heat. Supplied to the exchanger 30.
ここで、冷却水循環経路８４の水温センサ４６により測定された冷却水の温度により、制御装置は流路切替弁７６の状態を切り替えるか否かを判断する。一例として、冷却水の温度が３０℃未満の場合、制御装置は暖機が必要と判断して流路切替弁７６を暖気状態にすると共に、燃料電池スタック１２からラジエータ４２へと向かう冷却水がラジエータ４２をバイパスするように三方弁６０を制御する。また、冷却水の温度が３０℃以上７０℃未満の場合、制御装置は流路切替弁７６の状態を維持すると共に、冷却水がラジエータ４２を通るように三方弁６０を制御する。なお、冷却水の温度が３０℃以上７０℃未満の場合でかつ冷却水の温度上昇が所定時間継続したとき、制御装置は流路切替弁７６を冷却状態に切り替える制御を行ってもよい。さらに、冷却水の温度が７０℃以上の場合、制御装置は流路切替弁７６を冷却状態にする。以下、流路切替弁７６が冷却状態の場合について説明する。 Here, the control device determines whether or not to switch the state of the flow path switching valve 76 based on the temperature of the cooling water measured by the water temperature sensor 46 in the cooling water circulation path 84. As an example, when the temperature of the cooling water is less than 30 ° C., the control device determines that the warm-up is necessary and sets the flow path switching valve 76 in a warm-up state, and the cooling water from the fuel cell stack 12 toward the radiator 42 The three-way valve 60 is controlled so as to bypass the radiator 42. When the temperature of the cooling water is not lower than 30 ° C. and lower than 70 ° C., the control device maintains the state of the flow path switching valve 76 and controls the three-way valve 60 so that the cooling water passes through the radiator 42. When the temperature of the cooling water is not lower than 30 ° C. and lower than 70 ° C. and the temperature rise of the cooling water continues for a predetermined time, the control device may perform control to switch the flow path switching valve 76 to the cooling state. Furthermore, when the temperature of the cooling water is 70 ° C. or higher, the control device puts the flow path switching valve 76 in a cooled state. Hereinafter, the case where the flow path switching valve 76 is in the cooled state will be described.
流路切替弁７６が冷却状態の場合、一方の低温側熱交換器３０にて低温の水素と冷却水との間で熱交換が行われる。これにより、冷却水が冷却される。冷却された冷却水は、ポンプ４４により直列に接続された他方の低温側熱交換器３０に送られてさらに低温の水素と熱交換が行われた後、燃料電池スタック１２へ送られる。これにより、燃料電池スタック１２の冷却を行うことができる。なお、一方の高温側熱交換器２８とこれに直列に接続された他方の高温側熱交換器２８は、サブラジエータ７２と接続されるため、高温側熱交換器２８にて高温の水素と熱交換したことで高温となった冷却水がサブラジエータ７２で冷やされる。つまり、高温の水素は、冷却水を介して熱が大気へ放出されることで温度が低くなると共に、低温の水素は、燃料電池スタック１２の熱が加えられることで温度が高くなる。このため、高温側熱交換器２８を通った水素と低温側熱交換器３０を通った水素とが合流した後の水素の温度と、ボルテックスチューブ２６に供給される前の水素の温度との差、すなわち水素の温度変化を抑制することができる。 When the flow path switching valve 76 is in a cooled state, heat exchange is performed between the low-temperature hydrogen and the cooling water in one low-temperature side heat exchanger 30. Thereby, the cooling water is cooled. The cooled cooling water is sent to the other low-temperature side heat exchanger 30 connected in series by the pump 44, further heat-exchanged with low-temperature hydrogen, and then sent to the fuel cell stack 12. Thereby, the fuel cell stack 12 can be cooled. In addition, since one high temperature side heat exchanger 28 and the other high temperature side heat exchanger 28 connected in series to this are connected to the sub-radiator 72, the high temperature side heat exchanger 28 uses high temperature hydrogen and heat. The cooling water that has become hot due to the replacement is cooled by the sub-radiator 72. That is, the temperature of the high-temperature hydrogen is lowered by releasing heat to the atmosphere through the cooling water, and the temperature of the low-temperature hydrogen is raised by adding heat of the fuel cell stack 12. For this reason, the difference between the temperature of hydrogen after the hydrogen passing through the high temperature side heat exchanger 28 and the hydrogen passing through the low temperature side heat exchanger 30 merge with the temperature of the hydrogen before being supplied to the vortex tube 26. That is, the temperature change of hydrogen can be suppressed.
他方の高温側熱交換器２８及び他方の低温側熱交換器３０を通過したそれぞれ水素は、合流して第２調圧弁３２を経てインジェクタ３４へ供給される。 The hydrogen that has passed through the other high-temperature side heat exchanger 28 and the other low-temperature side heat exchanger 30 merges and is supplied to the injector 34 via the second pressure regulating valve 32.
以上のように、上記構成によっても、高温側熱交換器２８及び低温側熱交換器３０が２組設けられている点以外は、第３実施形態の燃料電池システム７０と同様に構成されているので、第３実施形態と同様の効果が得られる。また、ボルテックスチューブ２６、高温側熱交換器２８及び低温側熱交換器３０が２組設けられていることで、より一層熱交換能力を高めることができる。 As described above, the above configuration is the same as the fuel cell system 70 of the third embodiment except that two sets of the high temperature side heat exchanger 28 and the low temperature side heat exchanger 30 are provided. Therefore, the same effect as the third embodiment can be obtained. Moreover, the heat exchange capability can be further enhanced by providing two sets of the vortex tube 26, the high temperature side heat exchanger 28, and the low temperature side heat exchanger 30.
なお、本実施形態では、２組のボルテックスチューブ２６、高温側熱交換器２８及び低温側熱交換器３０が直列に配置された構成とされているが、これに限らず、並列に配置された構成としてもよい。また、高温側熱交換器２８及び低温側熱交換器３０が接続された第２冷却水循環経路８４Ｂと第１冷却水循環経路８４Ａとは並列に配置された構成とされているが、これに限らず、第３実施形態のように高温側熱交換器２８及び低温側熱交換器３０を冷却水循環経路８４上にて直列に配置する構成としてもよい。 In the present embodiment, the two sets of vortex tubes 26, the high temperature side heat exchanger 28, and the low temperature side heat exchanger 30 are arranged in series. It is good also as a structure. In addition, the second cooling water circulation path 84B and the first cooling water circulation path 84A to which the high temperature side heat exchanger 28 and the low temperature side heat exchanger 30 are connected are configured to be arranged in parallel. Moreover, it is good also as a structure which arrange | positions the high temperature side heat exchanger 28 and the low temperature side heat exchanger 30 in series on the cooling water circulation path 84 like 3rd Embodiment.
さらに、上述した第１〜第３実施形態では、高温側熱交換器２８及び低温側熱交換器３０が冷却水循環経路５４、７１上にてそれぞれ直列に配置された構成とされているが、これに限らず、第４実施形態のように冷却水循環経路５４、７１を、第１冷却水循環経路（熱交換器を経由しない）と第２冷却水循環経路（熱交換機を経由する）とが並列に配置された構成としてもよい。 Furthermore, in the first to third embodiments described above, the high-temperature side heat exchanger 28 and the low-temperature side heat exchanger 30 are configured in series on the cooling water circulation paths 54 and 71, respectively. Not limited to this, the cooling water circulation paths 54 and 71 are arranged in parallel with the first cooling water circulation path (not via the heat exchanger) and the second cooling water circulation path (via the heat exchanger) as in the fourth embodiment. A configuration may be adopted.
また、上述した第１〜第４実施形態では、高温側熱交換器２８及び低温側熱交換器３０がそれぞれ設けられた構成とされているが、これに限らず、どちらか一方のみが設けられた構成としてもよい。 Moreover, in the 1st-4th embodiment mentioned above, although it is set as the structure by which the high temperature side heat exchanger 28 and the low temperature side heat exchanger 30 were each provided, not only this but only either one is provided. It is good also as a structure.
以上、本発明は、上記の形態例に限定されるものではなく、上記の形態例以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。 As described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and it is needless to say that the present invention can be variously modified and implemented without departing from the gist of the embodiments.
１０ 燃料電池システム
１２ 燃料電池スタック
１４ 水素タンク
２６ ボルテックスチューブ
２８ 高温側熱交換器（熱交換器）
３０ 低温側熱交換器（熱交換器）
４８ 流路切替弁
５２ 水素供給経路
６１ 燃料電池システム
６２ 水素供給経路
７０ 燃料電池システム
７６ 流路切替弁
８０ 燃料電池システム
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell system 12 Fuel cell stack 14 Hydrogen tank 26 Vortex tube 28 High temperature side heat exchanger (heat exchanger)
30 Low temperature side heat exchanger (heat exchanger)
48 Channel switching valve 52 Hydrogen supply path 61 Fuel cell system 62 Hydrogen supply path 70 Fuel cell system 76 Channel switching valve 80 Fuel cell system
Claims (1)
前記燃料電池スタックと熱交換を行う熱媒体と、前記ボルテックスチューブから噴出される高温の前記水素及び低温の前記水素の少なくとも一方とで熱交換を行う熱交換器と、
を備えた燃料電池システム。 A vortex tube provided in a hydrogen supply path for supplying hydrogen from a hydrogen tank filled with high-pressure hydrogen to a fuel cell stack and thermally separating the hydrogen into high-temperature hydrogen and low-temperature hydrogen;
A heat exchanger that exchanges heat with the fuel cell stack, and a heat exchanger that exchanges heat between at least one of the high temperature hydrogen and the low temperature hydrogen ejected from the vortex tube;
A fuel cell system comprising:
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