JP4082159B2

JP4082159B2 - Fuel cell cooling system

Info

Publication number: JP4082159B2
Application number: JP2002287184A
Authority: JP
Inventors: 均下野園
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2022-09-30
Also published as: JP2004127593A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の冷却装置に関し、詳細には、燃料電池の冷却水（以下「冷却水」という。）からの放熱量を増大させるとともに、燃料電池スタック内のガス通路における結露を防止しつつ燃料電池を冷却するため、スタックの入口側と出口側とで冷却水の温度を個別に調節することができるようにした冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池の高出力時における冷却性能が確保されるようにしたものとして、次の冷却装置が知られている（特許文献１）。すなわち、第１の経路として、ラジエータが設置され、燃料電池とこのラジエータとの間で冷却水を循環させる経路を備える一方、第２の経路として、第１の経路の冷却水（第１の熱媒体）よりも温度が低い第２の熱媒体を保持する経路を備える。そして、燃料電池の高出力時において、第２の経路から第１の経路に第２の熱媒体を流入させるようにしたものである。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２６６９１４号公報（段落番号００２４）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この冷却装置には、次の問題がある。
第１に、この冷却装置は、第１の経路に低温の第２の熱媒体を流入させ、燃料電池に流入する冷却水の温度を下げることで、冷却性能が確保されるようにしたものである。従って、ラジエータにおける放熱量が増大されることはなく、また、第２の経路の付設によりシステムが大型化してしまう。
第２に、燃料電池内部の冷却水通路が１系統のみで構成されるため、第２の熱媒体を流入させることにより燃料電池の冷却自体を達成することができたとしても、同時に燃料電池スタック内のガス通路における結露を防止することは困難である。すなわち、燃料電池に一般的に供給される酸素含有ガスには、電解質膜を保護するための水分が含まれている。ここで、燃料電池を所定の温度範囲に保つために１系統のみの冷却水通路により冷却したとすると、水分を含ませて供給された酸素含有ガスに発電の結果として生成された水分が混入して飽和状態に達し、燃料電池スタック内のガス通路に結露が生じるのである。
【０００５】
本発明は、ラジエータにおける放熱量を増大させることで、システムの大型化を抑えて所望の冷却性能を確保することができるようにするとともに、燃料電池各部に対し、要求に応じて温度を異ならせて冷却水を循環させることができるようにした燃料電池の冷却装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明では、燃料電池の冷却水をラジエータ内で流通させる通路として、この冷却水よりも温度が低い低温流体の流れと交差するように第１及び第２のウォーターチューブを配設し、第２のウォーターチューブを第１のウォーターチューブに対して低温流体の流れに関する上流側に並べて配置する。そして、これらのウォーターチューブを互いに隣接する一方の端部で内部を連通させて接続するとともに、第１のウォーターチューブの他端に対してラジエータの冷却水入口部を、第２のウォーターチューブの他端に対してラジエータの冷却水出口部を接続し、燃料電池を流出した冷却水が冷却水入口部からラジエータに流入して、第１のウォーターチューブを通過して比較的に低温となった後、第２のウォーターチューブに流入して更に冷却されて、冷却水出口部から燃料電池に戻されるように構成する。
また、ラジエータにおいて、第１のウォーターチューブと第２のウォーターチューブとの接続部に、冷却水入口部から流入した冷却水の少なくとも一部を第２のウォーターチューブを介さずに燃料電池に戻すための開口部を設ける。燃料電池において、その内部の冷却水通路として、カソードにおけるガスの流れに関して上流側の第１の部分と、このガスの流れに関して第１の部分よりも下流側の第２の部分とのそれぞれに冷却水通路を設け、第１及び第２のウォーターチューブを通過した冷却水を燃料電池の第１の部分に設けられた第１の冷却水通路に流入させる一方、第１及び第２のウォーターチューブの接続部における開口部からラジエータを流出した冷却水を第２の部分に設けられた第２の冷却水通路に流入させる。
以上の構成によれば、ラジエータにおける放熱量を増大させて、所望の冷却性能を確保することができる。また、燃料電池各部に対し、要求される冷却度合いに応じて温度を異ならせて冷却水を循環させ、燃料電池スタック内のガス通路における結露を防止することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る自動車用燃料電池ＦＣの冷却装置１０１の構成図である。
冷却装置１０１は、外気を低温流体として、走行風又は図示しないファンによる冷却風を通過させて冷却を行うラジエータ１を備えている。ラジエータ１と燃料電池ＦＣの内部に形成された冷却水通路Ｐとが、配管２１〜２３により接続され、燃料電池ＦＣとラジエータ１との間で冷却水が循環されるように構成されている。
ここで、図２を参照して、ラジエータ１の構成を詳細に説明する。図２は、ラジエータ１を前斜め上方から見た斜視図である。
このラジエータのコアＣ（便宜上、その外形を二点鎖線で示す。）は、冷却水が流れるウォーターチューブとして、横方向に並ぶ複数の第１のウォーターチューブ１１ａと、各第１のウォーターチューブ１１ａに対応させて、外気の流れに関して上流側に隣接させて配設された第２のウォーターチューブ１１ｂとを備えている。隣り合う第１のウォーターチューブ１１ａ，１１ａの間、及び隣り合う第２のウォーターチューブ１１ｂ，１１ｂの間には、コルゲートフィンを形成する波板１２が挟み込まれている。第１又は第２のウォーターチューブ１１ａ，１１ｂと波板１２とは、ろう付けして固定されている。
コアＣの上下各端において、第１及び第２のウォーターチューブ１１ａ，１１ｂの端部が、第１及び第２のウォーターチューブ１１ａ，１１ｂのそれぞれの挿込み孔が形成されたヘッダプレート（図示せず）に嵌め込まれている。ウォーターチューブ１１ａ，１１ｂの各上端が嵌め込まれたヘッダプレートに上蓋１３が、各下端が嵌め込まれたヘッダプレートに下蓋１４が取り付けられている。
上蓋１３には、その内部を前後に区画する仕切り壁１５が設けられており、上蓋１３の内部が、第１のウォーターチューブ１１ａと連通する空間と、第２のウォーターチューブ１１ｂと連通する空間とに区画されている。仕切り壁１５と、第１のウォーターチューブ１１ａの挿込み孔を覆う上蓋１３の後方部分とで入口ヘッダー１３１が構成され、仕切り壁１５と、第２のウォーターチューブ１１ｂの挿込み孔を覆う上蓋１３の前方部分とで出口ヘッダー１３２が構成されている。また、ウォーターチューブ１１ａ，１１ｂの下端が嵌め込まれたヘッダプレートと、下蓋１４とで中間ヘッダー１４が構成されている。
ここで、入口ヘッダー１３１に冷却水入口部１６が形成されるとともに、出口ヘッダー１３２に第１の冷却水出口部１７が、中間ヘッダー１４に第２の冷却水出口部１８が形成されている。第２の冷却水出口部１８は、第１及び第２のウォーターチューブ１１ａ，１１ｂの接続部における開口部を含む。
図１に戻り、燃料電池ＦＣの冷却水通路Ｐは、燃料電池ＦＣの第１の部分Ａに対応する第１の通路Ｐ１と、第２の部分Ｂに対応する第２の通路Ｐ２とで構成されている。これら第１及び第２の通路Ｐ１，Ｐ２は、第１及び第２の部分Ａ，Ｂの境界で接続されている。本実施形態では、第１の部分Ａは、燃料電池スタック内のガス通路におけるガスの流れに関する上流側の部分として、第２の部分Ｂは、そのスタックの第１の部分Ａよりも同じガスの流れに関する下流側の部分として設定されている。
燃料電池ＦＣには、冷却水通路Ｐの入口部として２つの入口部３１，３２が設けられている。第１の入口部３１は、第１の通路Ｐ１の開放された上流側の端部に、第２の入口部３２は、第１及び第２の通路Ｐ１，Ｐ２の接続部に接続されている。また、冷却水通路Ｐの出口部３３は、第２の通路Ｐ２の開放された下流側の端部に接続されている。
燃料電池ＦＣの冷却水通路Ｐに対し、ラジエータ１の冷却水入口部１６が、配管２１を介して出口部３３に接続されている。また、ラジエータ１の第１の冷却水出口部１７が、配管２２を介して第１の入口部３１に、第２の冷却水出口部１８が、配管２３を介して第２の入口部３２に接続されている。
配管２１には、冷却水を循環させるためのポンプ４１が設置されており、配管２３には、この配管２３を開放又は遮断するための制御弁４２が設置されている。ポンプ４１及び制御弁４２は、コントローラ５１からの指令信号に基づいて作動する。コントローラ５１は、配管２１，２２に設置された水温センサ６１，６２からの各冷却水温度検出信号と、燃料電池ＦＣの負荷信号とを入力し、これらの入力信号に基づいてポンプ４１等を制御する。
【０００８】
ここで、図１，３を参照して、冷却装置１０１の動作を説明する。図３は、ラジエータ１の部分断面図であり、ラジエータ１における冷却水の流れを記載している。
図１において、コントローラ５１は、負荷信号に基づいて燃料電池ＦＣが高出力運転状態にあると判断すると、ポンプ４１を作動させるとともに、制御弁４２を閉めるための指令信号を発生する。このような設定のもとで、燃料電池ＦＣを流出した冷却水は、配管２１を通り、ラジエータ１の冷却水入口部１６から入口ヘッダー１３１に流入する。そして、図３のように、各第１のウォーターチューブ１１ａに分配され、第１のウォーターチューブ１１ａにおいて、外気との熱交換により比較的に高温の第１の温度まで冷却される。第１のウォーターチューブ１１ａを通過した冷却水は、その全部が中間ヘッダー１４から各第２のウォーターチューブ１１ｂに流入し、第２のウォーターチューブにおいて、外気との熱交換により所定の第２の温度まで冷却される。このようにして充分に冷却された冷却水は、出口ヘッダー１３２で合流し、配管２２を介して、第１の入口部３１から燃料電池ＦＣの冷却水通路Ｐに戻される。
【０００９】
一方、コントローラ５１は、燃料電池ＦＣが高出力運転状態以外の運転状態にあると判断すると、ポンプ４１を作動させるとともに、制御弁４２を開けるための指令信号を発生する。コントローラ５１は、制御弁４２の開度を、水温センサ６１，６２により検出された各冷却水温度の差が所定の範囲内に収まるか、あるいはこの範囲内に広がるように調節する。このような設定のもとで、燃料電池ＦＣを流出した冷却水は、前述同様にラジエータ１の冷却水入口部１６から入口ヘッダー１３１に流入し、各第１のウォーターチューブ１１ａに分配され、冷却される。ここで、配管２３が開放されているため、第１のウォーターチューブ１１ａを通過した比較的に高温の冷却水の一部は、中間ヘッダー１４から配管２３に流出し、第２の入口部３２から燃料電池ＦＣの第２の冷却水通路Ｐ２に戻される（図３）。残りの冷却水は、中間ヘッダー１４から各第２のウォーターチューブ１１ｂに流入し、所定の第２の温度まで冷却される。そして、配管２２を介して、第１の入口部３１から燃料電池ＦＣの冷却水通路Ｐに戻される。
【００１０】
本実施形態によれば、次の効果を得ることができる。
第１に、第１及び第２のウォーターチューブ１１ａ，１１ｂを外気が流れる方向に並べて配置し、その流れに関する下流側に位置する第１のウォーターチューブ１１ａに冷却水を流入させ、第１のウォーターチューブ１１ａを通過した冷却水を、更に上流側に位置する第２のウォーターチューブ１１ｂに流入させるようにした。これにより、第１及び第２のウォーターチューブ１１ａ，１１ｂの双方において、冷却水と外気との間に充分な温度差を確保することが可能となり、ラジエータ１における放熱量を増大させ、高出力時でも燃料電池ＦＣを充分に冷却することができる。
【００１１】
第２に、このようにして高出力時における冷却性能が確保される一方で、高出力時以外の場合において、中間ヘッダー１４から比較的に高温の冷却水を第２の冷却水通路Ｐ２に流入させるようにしたことで、燃料電池スタック内のガス通路における結露を防止することができる。以下に図４，５を参照して、このことについて説明する。
【００１２】
図４は、燃料電池ＦＣａの１系統からなる一般的な冷却水通路Ｐａと、この燃料電池ＦＣａのガス通路として、カソード側のガス通路における湿度Ｈａ及び温度Ｔａとを示したものである。
燃料電池ＦＣａにおいて、冷却水通路Ｐａは、カソード側通路と並列に形成されている。燃料電池ＦＣａに供給される酸素含有ガスには、電解質膜の保護のために水分が添加されるが、その添加量の調節と燃料電池ＦＣａの適度な冷却とにより、カソード側通路を通じて水分が飽和状態近傍に保たれるのが好ましい。ここで、燃料電池ＦＣａでは、発電の結果として水（水蒸気）が生成され、その水蒸気は、カソード側通路を流れるガスに混入する。
燃料電池ＦＣａの冷却度合いは、冷却水通路Ｐａが１系統からなるため、冷却水の流量Ｑｗ及び流入温度Ｔｗｉによりほぼ決定される。一般に、ラジエータ性能を確保するため、冷却水流量Ｑｗは多くしたい。この場合には、スタック出入口部間の冷却水温度差は小さくなる。従って、スタック入口部で水分が飽和状態近傍となるように、入口部温度Ｔａｉに適合させて冷却水流入温度Ｔｗｉを設定したとすると、スタック出口部で温度が低くなり過ぎるため、水分が過飽和となってカソードに結露してしまう（Ｈａ１，Ｔａ１）。一方、スタック出口部で水分が飽和状態近傍となるように、出口部温度Ｔａｏに適合させて冷却水流入温度Ｔｗｉを設定したとすると、スタック入口部で温度が高くなり過ぎるため、水分が不足して電解質膜の劣化を来してしまう（Ｈａ２，Ｔａ２）。冷却水流量Ｑｗを調節して所要の温度差をつけることも考えられるが、車両の運転状態が頻繁に変化することや、構成部品の応答遅れ及び他のパラメータの変動等により、温度差を制御することは困難である。
【００１３】
図５は、冷却水通路Ｐとカソード側のガス通路における湿度Ｈ及び温度Ｔとを、本実施形態に係る燃料電池ＦＣについて示したものである。
本実施形態では、冷却水通路Ｐを、カソードにおけるガスの流れに関して上流側の第１の部分Ａに対応させた第１の通路Ｐ１と、その流れに関して第１の部分Ａよりも下流側の第２の部分Ｂに対応させた第２の通路Ｐ２とに分けて形成した。そして、第１の通路Ｐ１に、第２のウォーターチューブ１１ｂを通過させることにより充分に冷却した冷却水を流入させる一方、第２の通路Ｐ２に、第２のウォーターチューブ１１ｂに流入する前の比較的に高温の冷却水を流入させるようにした。これにより、冷却水流入温度Ｔｗｉをスタックの入口部温度Ｔａｉに適合させて設定するとともに（Ｈ１，Ｔ１）、第２の通路Ｐ２に比較的に高温の冷却水を流入させて、第２の部分Ｂを冷却しつつも高温に維持することが可能となるので（Ｈ２，Ｔ２）、カソード側通路を通じて水分を飽和状態近傍に保つことができる。すなわち、第２の部分Ｂにおいて、発電時に生成された水蒸気が混入したガスの温度を冷却水流入温度Ｔｗｉによらず飽和温度以上に保ち、カソードへの結露を防止することができる。この結露を効果的に防止するには、制御弁４２（図１）の開度を、冷却水流入出温度Ｔｗｉ，Ｔｗｏの間に燃料電池ＦＣの出力に応じた所定の温度差が形成されるように制御するとよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池ＦＣの冷却装置１０１
【図２】同上冷却装置１０１のラジエータ１
【図３】同上ラジエータ１の部分断面
【図４】燃料電池ＦＣａの一般的な冷却水通路Ｐａとカソード側通路における湿度及び温度
【図５】本発明に係る燃料電池ＦＣの冷却水通路Ｐとカソード側通路における湿度及び温度
【符号の説明】
１０１…冷却装置、ＦＣ…燃料電池、１…ラジエータ、１１ａ…第１のウォーターチューブ、１１ｂ…第２のウォーターチューブ、１２…波板、１３１…入口ヘッダー、１３２…出口ヘッダー、１４…中間ヘッダー、１５…仕切り壁、１６…冷却水入口部、１７…第１の冷却水出口部、１８…第２の冷却水出口部、２１〜２３…配管、５１…コントローラ、６１，６２…水温センサ、Ａ…燃料電池の第１の部分、Ｂ…燃料電池の第２の部分、Ｐ…燃料電池内部の冷却水通路、Ｐ１…第１の冷却水通路、Ｐ２…第２の冷却水通路。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a cooling system for a fuel cell, in particular, along with increasing the amount of heat radiation from the fuel cell cooling water (hereinafter referred to as "cooling water".), To prevent condensation in the gas passage in the fuel cell stack The present invention also relates to a cooling device in which the temperature of the cooling water can be individually adjusted on the inlet side and the outlet side of the stack in order to cool the fuel cell.
[0002]
[Prior art]
The following cooling device is known as a device that ensures the cooling performance at the time of high output of the fuel cell (Patent Document 1). That is, a radiator is installed as the first path, and a path for circulating cooling water between the fuel cell and the radiator is provided. On the other hand, as the second path, the cooling water (first heat A path for holding the second heat medium whose temperature is lower than that of the medium. The second heat medium is caused to flow from the second path into the first path at the time of high output of the fuel cell.
[0003]
[Patent Document 1]
JP 2001-266914 A (paragraph number 0024)
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, this cooling device has the following problems.
First, this cooling device is designed to ensure cooling performance by flowing a low-temperature second heat medium into the first path and lowering the temperature of the cooling water flowing into the fuel cell. is there. Therefore, the amount of heat radiation in the radiator is not increased, and the system is enlarged due to the provision of the second path.
Secondly, since the cooling water passage inside the fuel cell is composed of only one system, even if the cooling of the fuel cell itself can be achieved by introducing the second heat medium, the fuel cell stack is simultaneously performed. It is difficult to prevent condensation in the gas passage inside. That is, the oxygen-containing gas generally supplied to the fuel cell contains moisture for protecting the electrolyte membrane. Here, assuming that the fuel cell is cooled by only one cooling water passage in order to keep the fuel cell in a predetermined temperature range, moisture generated as a result of power generation is mixed in the oxygen-containing gas supplied with moisture. Te reaches a saturation state is the condensation in the gas passage in the fuel cell stack occurs.
[0005]
The present invention increases the amount of heat released from the radiator, thereby suppressing the increase in the size of the system and ensuring the desired cooling performance. In addition, the temperature of each part of the fuel cell is varied according to demand. It is an object of the present invention to provide a fuel cell cooling device capable of circulating cooling water.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, in the present invention, provided the cooling water of the fuel cell as a passage for the flow in the radiator, the first and second water tube such temperature than the cooling water crosses the flow of low cryogen Then, the second water tube is arranged side by side on the upstream side with respect to the flow of the cryogenic fluid with respect to the first water tube . Then, the connecting communicates the interior at one end adjacent these water tubes to each other, a cooling water inlet of the radiator with respect to the other end of the first water tubes, the other of the second water tube connect the cooling water outlet of the radiator with respect to the end, the coolant flowing out of the fuel cell flows into the cooling water inlet to the radiator, after becoming a relatively low temperature through the first water tube , is further cooled and flows into the second water tubes, constituting a so that back to the fuel cell from the cooling water outlet portion.
Further, in the radiator, at least a part of the cooling water flowing from the cooling water inlet to the connection portion between the first water tube and the second water tube is returned to the fuel cell without passing through the second water tube. An opening is provided. In the fuel cell, cooling the cooling water passage therein, a first portion of the upstream side with respect to the flow of gas in the cathode, respectively of a second portion of the downstream side of the first portion with respect to the flow of the gas the却水passage provided, while flowing a cooling water passing through the first and second water tube to the first coolant passages eclipsed set to a first portion of the fuel cell, the first and second water to flow into the second cooling water passage of the coolant flowing out of the radiator from the opening was kicked set to the second portion at the connecting portion of the tube.
According to the above configuration, by increasing the heat radiation amount in the radiator, it is possible to ensure the desired cooling performance. In addition , it is possible to circulate cooling water at various temperatures according to the required degree of cooling for each part of the fuel cell, thereby preventing condensation in the gas passage in the fuel cell stack.
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a configuration diagram of a cooling device 101 for an automotive fuel cell FC according to an embodiment of the present invention.
The cooling device 101 includes a radiator 1 that performs cooling by using running air or cooling air from a fan (not shown) as outside air as a low-temperature fluid. The radiator 1 and the cooling water passage P formed inside the fuel cell FC are connected by pipes 21 to 23 so that the cooling water is circulated between the fuel cell FC and the radiator 1.
Here, the configuration of the radiator 1 will be described in detail with reference to FIG. FIG. 2 is a perspective view of the radiator 1 as viewed obliquely from above and front.
The radiator core C (for the sake of convenience, its outer shape is indicated by a two-dot chain line) is a water tube through which cooling water flows, and a plurality of first water tubes 11a arranged in the horizontal direction and each first water tube 11a. Correspondingly, a second water tube 11b disposed adjacent to the upstream side with respect to the flow of outside air is provided. Between the adjacent first water tubes 11a, 11a and between the adjacent second water tubes 11b, 11b, corrugated plates 12 forming corrugated fins are sandwiched. The first or second water tubes 11a, 11b and the corrugated plate 12 are fixed by brazing.
At each of the upper and lower ends of the core C, header plates (not shown) in which the end portions of the first and second water tubes 11a and 11b are formed with respective insertion holes of the first and second water tubes 11a and 11b. Z)). An upper lid 13 is attached to the header plate in which the upper ends of the water tubes 11a and 11b are fitted, and a lower lid 14 is attached to the header plate in which the lower ends are fitted.
The upper lid 13 is provided with a partition wall 15 that divides the interior of the upper lid 13 in the front-rear direction, and the interior of the upper lid 13 includes a space that communicates with the first water tube 11a, and a space that communicates with the second water tube 11b. It is divided into. An inlet header 131 is configured by the partition wall 15 and a rear portion of the upper lid 13 covering the insertion hole of the first water tube 11a, and the upper lid 13 covering the partition wall 15 and the insertion hole of the second water tube 11b. An outlet header 132 is constituted by the front part of the first and second parts. Moreover, the intermediate header 14 is comprised by the header plate in which the lower end of water tube 11a, 11b was engage | inserted, and the lower cover 14. FIG.
Here, the coolant inlet portion 16 is formed in the inlet header 131, the first coolant outlet portion 17 is formed in the outlet header 132, and the second coolant outlet portion 18 is formed in the intermediate header 14. The 2nd cooling water exit part 18 contains the opening part in the connection part of the 1st and 2nd water tubes 11a and 11b.
Returning to FIG. 1, the cooling water passage P of the fuel cell FC includes a first passage P1 corresponding to the first portion A of the fuel cell FC and a second passage P2 corresponding to the second portion B. Has been. The first and second passages P1 and P2 are connected at the boundary between the first and second portions A and B. In the present embodiment, the first portion A is an upstream portion related to the gas flow in the gas passage in the fuel cell stack, and the second portion B is made of the same gas as the first portion A of the stack. It is set as the downstream part of the flow.
The fuel cell FC is provided with two inlet portions 31 and 32 as inlet portions of the cooling water passage P. The first inlet portion 31 is connected to the open upstream end of the first passage P1, and the second inlet portion 32 is connected to the connection portion of the first and second passages P1 and P2. . The outlet 33 of the cooling water passage P is connected to the open downstream end of the second passage P2.
A cooling water inlet 16 of the radiator 1 is connected to an outlet 33 via a pipe 21 with respect to the cooling water passage P of the fuel cell FC. In addition, the first cooling water outlet 17 of the radiator 1 is connected to the first inlet 31 via the pipe 22, and the second cooling water outlet 18 is connected to the second inlet 32 via the pipe 23. It is connected.
The pipe 21 is provided with a pump 41 for circulating the cooling water, and the pipe 23 is provided with a control valve 42 for opening or shutting off the pipe 23. The pump 41 and the control valve 42 operate based on a command signal from the controller 51. The controller 51 inputs the respective coolant temperature detection signals from the water temperature sensors 61 and 62 installed in the pipes 21 and 22 and the load signal of the fuel cell FC, and controls the pump 41 and the like based on these input signals. To do.
[0008]
Here, the operation of the cooling device 101 will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a partial cross-sectional view of the radiator 1 and describes the flow of cooling water in the radiator 1.
In FIG. 1, when the controller 51 determines that the fuel cell FC is in a high-power operation state based on the load signal, the controller 51 operates the pump 41 and generates a command signal for closing the control valve 42. Under such setting, the cooling water that has flowed out of the fuel cell FC passes through the pipe 21 and flows into the inlet header 131 from the cooling water inlet portion 16 of the radiator 1. And it distributes to each 1st water tube 11a like FIG. 3, and it cools to 1st temperature of comparatively high temperature by heat exchange with external air in the 1st water tube 11a. All of the cooling water that has passed through the first water tube 11a flows into the second water tubes 11b from the intermediate header 14, and in the second water tubes, a predetermined second is obtained by heat exchange with the outside air. Cool to temperature. The cooling water sufficiently cooled in this way merges at the outlet header 132 and is returned to the cooling water passage P of the fuel cell FC from the first inlet 31 via the pipe 22.
[0009]
On the other hand, when the controller 51 determines that the fuel cell FC is in an operation state other than the high-power operation state, the controller 51 activates the pump 41 and generates a command signal for opening the control valve 42. The controller 51 adjusts the opening degree of the control valve 42 so that the difference between the cooling water temperatures detected by the water temperature sensors 61 and 62 falls within a predetermined range or widens within this range. Under such a setting, the cooling water flowing out of the fuel cell FC flows into the inlet header 131 from the cooling water inlet portion 16 of the radiator 1 and is distributed to each first water tube 11a, as described above. To be cooled. Here, since the pipe 23 is open, a part of the relatively high-temperature cooling water that has passed through the first water tube 11 a flows out from the intermediate header 14 to the pipe 23, and the second inlet portion 32. To the second cooling water passage P2 of the fuel cell FC (FIG. 3). The remaining cooling water flows into the second water tubes 11b from the intermediate header 14 and is cooled to a predetermined second temperature. And it is returned to the cooling water passage P of the fuel cell FC from the first inlet 31 via the pipe 22.
[0010]
According to the present embodiment, the following effects can be obtained.
First, the first and second water tubes 11a and 11b are arranged side by side in the direction in which the outside air flows, and cooling water is introduced into the first water tube 11a located on the downstream side with respect to the flow, so that the first water tube the cooling water which has passed through the tube 11a, and so as to flow into the second water tube 11b located on the upstream side further. As a result, in both the first and second water tubes 11a and 11b, it becomes possible to ensure a sufficient temperature difference between the cooling water and the outside air, increasing the heat radiation amount in the radiator 1, and at high output. However, the fuel cell FC can be sufficiently cooled.
[0011]
Secondly, while cooling performance at high output is ensured in this way, relatively high-temperature cooling water flows into the second cooling water passage P2 from the intermediate header 14 in cases other than high output. By doing so, dew condensation in the gas passage in the fuel cell stack can be prevented. This will be described below with reference to FIGS.
[0012]
FIG. 4 shows a general cooling water passage Pa consisting of one system of the fuel cell FCa and the humidity Ha and the temperature Ta in the gas passage on the cathode side as the gas passage of the fuel cell FCa.
In the fuel cell FCa, the cooling water passage Pa is formed in parallel with the cathode side passage. Moisture is added to the oxygen-containing gas supplied to the fuel cell FCa to protect the electrolyte membrane, but the moisture is saturated through the cathode side passage by adjusting the amount of addition and by appropriate cooling of the fuel cell FCa. It is preferable to be kept near the state. Here, in the fuel cell FCa, water (water vapor) is generated as a result of power generation, and the water vapor is mixed into the gas flowing through the cathode side passage.
The degree of cooling of the fuel cell FCa is substantially determined by the cooling water flow rate Qw and the inflow temperature Twi because the cooling water passage Pa is composed of one system. Generally, in order to ensure the radiator performance, it is desired to increase the cooling water flow rate Qw. In this case, the cooling water temperature difference between the stack inlet / outlet portions becomes small. Therefore, if the cooling water inflow temperature Twi is set to match the inlet temperature Tai so that the moisture is near the saturated state at the stack inlet, the temperature becomes too low at the stack outlet, so that the moisture is supersaturated. As a result, condensation occurs on the cathode (Ha1, Ta1). On the other hand, if the cooling water inflow temperature Twi is set so as to match the outlet temperature Tao so that the moisture is near the saturated state at the stack outlet, the temperature becomes too high at the stack inlet, so that the moisture is insufficient. This causes deterioration of the electrolyte membrane (Ha2, Ta2). It is conceivable to adjust the cooling water flow rate Qw to create the required temperature difference, but the temperature difference is controlled by frequent changes in vehicle operating conditions, delays in response of components, fluctuations in other parameters, etc. It is difficult to do.
[0013]
FIG. 5 shows the humidity H and the temperature T in the cooling water passage P and the gas passage on the cathode side for the fuel cell FC according to this embodiment.
In the present embodiment, the cooling water passage P is made to correspond to the first portion A on the upstream side with respect to the gas flow at the cathode, and the first passage P1 on the downstream side of the first portion A with respect to the flow. The second passage P2 is formed separately from the second portion B. Then, the cooling water sufficiently cooled by passing the second water tube 11b through the first passage P1 is allowed to flow, while the comparison before flowing into the second water tube 11b into the second passage P2. High temperature cooling water was introduced. Thus, the cooling water inflow temperature Twi is set to match the stack inlet temperature Tai (H1, T1), and relatively high temperature cooling water is allowed to flow into the second passage P2, so that the second portion Since it is possible to maintain B at a high temperature while cooling B (H2, T2), moisture can be kept near the saturated state through the cathode side passage. That is, in the second part B, the temperature of the gas mixed with water vapor generated during power generation can be maintained at the saturation temperature or higher irrespective of the cooling water inflow temperature Twi, and condensation on the cathode can be prevented. In order to effectively prevent this dew condensation, a predetermined temperature difference corresponding to the output of the fuel cell FC is formed between the opening degree of the control valve 42 (FIG. 1) and the cooling water inflow / outlet temperatures Twi and Two. It is good to control as follows.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a cooling device 101 for a fuel cell FC according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 shows the radiator 1 of the cooling device 101.
3 is a partial cross-section of the radiator 1. FIG. 4 is a general cooling water passage Pa and the humidity and temperature in the cathode side passage of the fuel cell FCa. FIG. 5 is a view of the cooling water passage P of the fuel cell FC according to the present invention. Humidity and temperature in cathode side passage [Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Cooling device, FC ... Fuel cell, 1 ... Radiator, 11a ... First water tube, 11b ... Second water tube, 12 ... Corrugated plate, 131 ... Inlet header, 132 ... Outlet header, 14 ... Intermediate header, DESCRIPTION OF SYMBOLS 15 ... Partition wall, 16 ... Cooling water inlet part, 17 ... 1st cooling water outlet part, 18 ... 2nd cooling water outlet part, 21-23 ... Piping, 51 ... Controller, 61, 62 ... Water temperature sensor, A A first part of the fuel cell, B a second part of the fuel cell, P a cooling water passage inside the fuel cell, P1 a first cooling water passage, P2 a second cooling water passage.

Claims

As a passage through which the cooling water of the fuel cell flows, a first water tube disposed so as to intersect a flow of a low-temperature fluid having a temperature lower than that of the cooling water, and the low temperature with respect to the first water tube A radiator including a second water tube arranged side by side upstream with respect to the fluid flow and provided so as to intersect the cryogenic fluid flow;
In this radiator, the first water tube and the second water tube are connected to each other at one end adjacent to each other and connected to the other end of the first water tube. The cooling water inlet of the radiator is connected to the cooling water outlet of the radiator to the other end of the second water tube.
Further, in the radiator, at least a part of the cooling water flowing from the cooling water inlet portion into the connection portion of the first and second water tubes is transferred from the first water tube to the second water tube. An opening for returning to the fuel cell without going through is provided,
As a cooling water passage inside the fuel cell, a first cooling water passage is provided in the first portion of the fuel cell on the upstream side with respect to the gas flow at the cathode, and the first cooling water passage on the downstream side of the first portion with respect to this gas flow. 2 is provided with a second cooling water passage, an inlet portion of the first cooling water passage is connected to a cooling water outlet portion of the radiator, and the first and second water tubes are connected to each other. The inlet of the second cooling water passage is connected to the opening in the connecting portion;
Cooling water that has flowed out of the fuel cell flows into the radiator from the cooling water inlet, and a part of the cooling water passes through the water tubes in the order of the first water tube and the second water tube. The cooling water outlet is returned to the first cooling water passage of the fuel cell, while the cooling water other than the part does not pass through the second water tube, but the second cooling of the fuel cell from the opening. A fuel cell cooling device returned to the water passage .

The second cooling water passage is connected to the first cooling water passage on the downstream side with respect to the flow of the cooling water, and the second cooling water passage is at the downstream end of the cooling water passage. Connected with the
In the fuel cell, the cooling water flowing into the fuel cell from the inlet of the first cooling water passage passes through each of the cooling water passages in the order of the first cooling water passage and the second cooling water passage, and While returning from the outlet of the cooling water passage to the radiator, the cooling water flowing in from the inlet of the second cooling water passage passes through the second cooling water passage and exits from the cooling water passage. The fuel cell cooling device according to claim 1 , wherein the cooling device is returned to the radiator.

A control valve interposed between the opening in the connecting portion of the first and second water tubes and the second cooling water passage;
While for closing said control valve in a high output range of the fuel cell, in a region other than the high output area, according to claim 1, further comprising a controller for opening the control valve to an opening degree corresponding to the output of the fuel cell, the Or a fuel cell cooling device according to 2;

When the second cooling water passage is connected to the first cooling water passage on the downstream side with respect to the flow of the cooling water,
A first water temperature sensor for detecting the temperature of the cooling water before flowing into the first cooling water passage;
A second water temperature sensor for detecting the temperature of the cooling water that has passed through the second cooling water passage,
4. The fuel cell cooling device according to claim 3 , wherein the controller adjusts an opening of the control valve based on a temperature of each cooling water detected by the first and second water temperature sensors. 5.

The radiator is
A plurality of water tubes as the first water tubes, and a plurality of water tubes as the second water tubes provided corresponding to the first water tubes,
An intermediate header that is attached to the adjacent one end of the first and second water tubes and communicates with the interior of these water tubes, including an opening in the connecting portion;
An inlet header attached to each other end of the first water tube and including a cooling water inlet portion of a radiator;
The second is attached to the other end of the water tube, a fuel cell cooling device according to any one of claims 1 to 4 with an outlet header, an include a cooling water outlet of the radiator.