JP4555600B2 - Fuel cell cooling system - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池の冷却装置に関する。より詳しく述べると、冷媒を蓄えておくことが可能なタンクを有する燃料電池の冷却装置に関する。   The present invention relates to a fuel cell cooling apparatus. More specifically, the present invention relates to a fuel cell cooling device having a tank capable of storing a refrigerant.

一般に、燃料電池システムは、固体高分子膜（電解質膜）を挟んで一方側にカソード電極を区画し、他方側にアノード電極を区画して構成されており、カソード電極に供給される空気中の酸素と、アノード電極に供給される水素との化学反応によって発電する電力で外部負荷を駆動するシステムである。   In general, a fuel cell system is configured such that a cathode electrode is defined on one side and an anode electrode is defined on the other side with a solid polymer membrane (electrolyte membrane) interposed therebetween. In this system, an external load is driven by electric power generated by a chemical reaction between oxygen and hydrogen supplied to an anode electrode.

このような燃料電池の冷却装置として、特許文献１には、冷媒循環流路のガス抜け性を良好とし、前記燃料電池に対する冷媒の入口圧力を入口許容圧力以下に維持するために、燃料電池内を冷却すべく燃料電池の冷媒の入口と出口とに冷媒を循環させるための冷媒循環流路を接続し、この冷媒循環流路に冷媒を循環すべく循環ポンプを取り付けた燃料電池の冷却装置において、前記冷媒循環流路の相対的に圧力の高い部分に気液分離部を形成するとともに、この気液分離部にガス抜き通路を介してタンク（圧力バランスタンク／リザーブタンク）を連通し、このタンクと前記冷媒循環流路の相対的に圧力の低い部分とを冷媒戻し通路を介して連通し、前記ガス抜き通路または前記冷媒戻し通路のうち、前記燃料電池に対する冷媒の入口より遠い側の位置に連通されている方の通路に絞りを設定した燃料電池の冷却装置が開示されている。なお、圧力バランス容器としては、特許文献１のほかに特許文献２が知られている。
特開２００２−１２４２６９号公報 特開２００３−０３１２５１号公報 As such a cooling device for a fuel cell, Patent Document 1 discloses that in the fuel cell, in order to make the gas circulation property of the refrigerant circulation flow path good and to maintain the inlet pressure of the refrigerant with respect to the fuel cell below the allowable inlet pressure. In a cooling apparatus for a fuel cell, a refrigerant circulation passage for circulating the refrigerant is connected to the refrigerant inlet and outlet of the fuel cell to cool the refrigerant, and a circulation pump is attached to the refrigerant circulation passage to circulate the refrigerant. A gas-liquid separation part is formed in a relatively high pressure portion of the refrigerant circulation flow path, and a tank (pressure balance tank / reservation tank) is communicated with the gas-liquid separation part via a gas vent passage. A tank and a relatively low pressure portion of the refrigerant circulation passage are communicated via a refrigerant return passage, and the gas vent passage or the refrigerant return passage is far from the refrigerant inlet to the fuel cell. Cooling apparatus of a fuel cell set the aperture in the path of those who are in communication with the side position is disclosed. In addition to Patent Document 1, Patent Document 2 is known as a pressure balance container.
JP 2002-124269 A JP 2003-031251 A

冷媒を蓄えておくことが可能なタンクを有する燃料電池の冷却装置では、長期間利用しているとタンク内の冷媒の流量が減少することがある。特に燃料電池へ供給する空気の圧力と燃料電池へ供給される冷媒との圧力との差（差圧）を所定の圧力範囲に抑えるために、燃料電池へ供給される空気の圧力または燃料電池から排出される空気の圧力を、タンクの冷媒に印加することで、差圧を維持する方法が検討されているが、タンク内の冷媒に直接空気を印加した場合、前記した差圧は維持できるものの、タンク内の冷媒量が減少している場合は、その印加した空気の圧力によって、タンク内の冷媒が、冷媒循環流路内に押し込まれ、冷媒循環流路内の冷媒に空気が混入し、冷却性能が低下するという問題があった。   In a fuel cell cooling apparatus having a tank capable of storing a refrigerant, the flow rate of the refrigerant in the tank may decrease if the tank is used for a long time. In particular, in order to suppress the difference (differential pressure) between the pressure of the air supplied to the fuel cell and the pressure of the refrigerant supplied to the fuel cell within a predetermined pressure range, the pressure of the air supplied to the fuel cell or the fuel cell A method for maintaining the differential pressure by applying the pressure of the discharged air to the refrigerant in the tank has been studied, but when the air is directly applied to the refrigerant in the tank, the above-mentioned differential pressure can be maintained. When the amount of refrigerant in the tank is reduced, the pressure of the applied air causes the refrigerant in the tank to be pushed into the refrigerant circulation channel, and air is mixed into the refrigerant in the refrigerant circulation channel, There was a problem that the cooling performance deteriorated.

従って、本発明の課題は、冷媒を蓄えておくことが可能なタンクを有する燃料電池の冷却装置において、タンク等の水面が低下した場合に冷媒循環流路内に空気の混入を防ぐことができる燃料電池の冷却装置を提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to prevent air from being mixed into the refrigerant circulation passage when the water level of the tank or the like is lowered in a fuel cell cooling apparatus having a tank capable of storing refrigerant. A fuel cell cooling device is provided.

前記課題を解決する本発明は、アノード極に燃料ガス、カソード極に空気中の酸素の供給を受けることによって発電する燃料電池と、
前記燃料電池の冷媒を冷却するための冷却用熱交換器と、
前記燃料電池の出口から、前記燃料電池の冷却によって加熱された冷媒を冷却する冷却用熱交換器を介して燃料電池の入口へ前記冷媒を循環させる循環流路と、
前記燃料電池へ供給する空気の一部または燃料電池から排出された空気の一部を導入する空気圧信号配管および前記循環流路の冷媒の一部を導入する配管と接続されて、前記冷媒の一部を蓄えておくことが可能なタンクと、
を備えた燃料電池の冷却装置であって、
前記タンク内の冷媒量を検出する冷媒量検出手段と、
前記燃料電池へ供給される空気または前記燃料電池から排出される空気の圧力を制御する空気圧制御手段とを有しており、
前記冷媒量検出手段で検出した冷媒量に応じて前記空気圧制御手段は空気の圧力を制御することを特徴とするものである（請求項１）。 The present invention that solves the above-described problems includes a fuel cell that generates power by receiving supply of fuel gas to the anode electrode and oxygen in the air to the cathode electrode;
A cooling heat exchanger for cooling the fuel cell refrigerant;
A circulation passage for circulating the refrigerant from the outlet of the fuel cell to the inlet of the fuel cell via a cooling heat exchanger that cools the refrigerant heated by cooling the fuel cell;
One of the refrigerant is connected to a pneumatic signal pipe for introducing a part of the air supplied to the fuel cell or a part of the air discharged from the fuel cell and a pipe for introducing a part of the refrigerant of the circulation channel. A tank that can store parts,
A fuel cell cooling device comprising:
Refrigerant amount detecting means for detecting the amount of refrigerant in the tank;
Air pressure control means for controlling the pressure of the air supplied to the fuel cell or the air discharged from the fuel cell;
The air pressure control means controls the pressure of air in accordance with the refrigerant quantity detected by the refrigerant quantity detection means (claim 1).

このように構成することで、燃料電池へ供給される空気と冷媒の圧力をバランスさせることができるとともに、タンク内の冷媒量を検出するための冷媒量検出手段により冷媒量を検出して、タンク内の冷媒量に応じて燃料電池へ供給される空気の圧力または燃料電池から排出される空気の圧力を制御することができるので、タンク内に導入される空気の量を制御することができる。   With this configuration, the pressure of the air supplied to the fuel cell and the pressure of the refrigerant can be balanced, and the amount of refrigerant is detected by the refrigerant amount detection means for detecting the amount of refrigerant in the tank. Since the pressure of the air supplied to the fuel cell or the pressure of the air discharged from the fuel cell can be controlled according to the amount of refrigerant in the tank, the amount of air introduced into the tank can be controlled.

また本発明の冷却装置において、前記冷媒量が所定値未満の場合は、前記空気圧制御手段は、前記燃料電池へ供給する空気の圧力または前記燃料電池から排出される空気の圧力を所定の上限値を超えないように制御することを特徴とする（請求項２）。   In the cooling device of the present invention, when the amount of refrigerant is less than a predetermined value, the air pressure control means sets the pressure of air supplied to the fuel cell or the pressure of air discharged from the fuel cell to a predetermined upper limit value. Control is performed so as not to exceed (Claim 2).

このように構成することによって、タンク内の冷媒量が所定の量よりも少ない場合は、燃料電池へ供給する空気の圧力を制限することで、タンクへ導入される空気の量を制限することができる。   With this configuration, when the amount of refrigerant in the tank is smaller than a predetermined amount, the amount of air introduced into the tank can be limited by limiting the pressure of air supplied to the fuel cell. it can.

さらに、本発明の冷却装置において、前記冷媒量が少ない程、前記空気圧制御手段は、前記燃料電池へ供給する空気または前記燃料電池から排出される空気の圧力を低くすることを特徴とする（請求項３）。
このように構成することによって、タンク内の冷媒量が減少している程、燃料電池へ供給する空気の圧力または燃料電池から排出される空気の圧力を低くするので、タンクへ導入される空気の量を制限することができる。 Further, in the cooling device of the present invention, the air pressure control means lowers the pressure of the air supplied to the fuel cell or the air discharged from the fuel cell as the amount of the refrigerant decreases. Item 3).
With this configuration, as the amount of refrigerant in the tank decreases, the pressure of air supplied to the fuel cell or the pressure of air discharged from the fuel cell is lowered. The amount can be limited.

本発明に係る燃料電池の冷却装置は、以下の優れた効果を奏する。
請求項１によると、燃料電池へ供給される空気と冷媒の圧力をバランスさせることができるとともに、タンク内の冷媒量を検出するための冷媒量検出手段により冷媒量を検出して、タンク内の冷媒量に応じて燃料電池へ供給される空気の圧力または燃料電池から排出される空気の圧力を制御することができるので、タンク内に導入される空気の量を制御することができ、冷媒循環流路内にタンク内の気体が混入することを防止することができ、燃料電池の冷却性能の低下を防止することができる。また、空気が冷媒に混入することを防止できるので、冷却水を循環するポンプでのエア噛みなどを防止することができる。
請求項２によると、タンク内の冷媒量が所定の量よりも少ない場合は、燃料電池へ供給する空気の圧力を制限することで、タンクへ導入される空気の量を制限することができ、確実にタンク内の気体が冷媒循環流路内に混入することを防止することができる。
請求項３によると、タンク内の冷媒量が減少している程、燃料電池へ供給する空気の圧力または燃料電池から排出される空気の圧力を低くするので、タンクへ導入される空気の量を制限することができ、確実にタンク内の気体が冷媒循環流路内に混入することを防止することができる。 The fuel cell cooling device according to the present invention has the following excellent effects.
According to the first aspect, the pressure of the air supplied to the fuel cell and the pressure of the refrigerant can be balanced, and the refrigerant amount is detected by the refrigerant amount detecting means for detecting the refrigerant amount in the tank. Since the pressure of the air supplied to the fuel cell or the pressure of the air discharged from the fuel cell can be controlled according to the amount of refrigerant, the amount of air introduced into the tank can be controlled, and the refrigerant circulation It is possible to prevent the gas in the tank from being mixed into the flow path, and to prevent the cooling performance of the fuel cell from being deteriorated. In addition, since air can be prevented from being mixed into the refrigerant, it is possible to prevent air biting in a pump that circulates cooling water.
According to claim 2, when the amount of refrigerant in the tank is smaller than a predetermined amount, the amount of air introduced into the tank can be limited by limiting the pressure of air supplied to the fuel cell, It is possible to reliably prevent the gas in the tank from entering the refrigerant circulation channel.
According to the third aspect, as the amount of refrigerant in the tank decreases, the pressure of air supplied to the fuel cell or the pressure of air discharged from the fuel cell is lowered, so the amount of air introduced into the tank is reduced. It can restrict | limit and can prevent reliably that the gas in a tank mixes in a refrigerant | coolant circulation flow path.

以下、本発明に係る実施の形態を添付図面に基づいて説明する。しかしながら、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。図１は、本発明に係る燃料電池の冷却装置の概略を説明する模式図であり、図２は、本発明の燃料電池の冷却装置を車両に搭載した場合のレイアウトを示す略式断面図であり、図３は、サーモスタットの構造を示す断面図である。   Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to these embodiments. FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an outline of a fuel cell cooling device according to the present invention, and FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a layout when the fuel cell cooling device of the present invention is mounted on a vehicle. FIG. 3 is a cross-sectional view showing the structure of the thermostat.

（燃料電池の冷却装置）
まず、図１および図２を用いて本発明に係る燃料電池の冷却装置の概略を説明する。
図１に示す通り、本発明の燃料電池の冷却装置Ｓは、燃料電池１、冷媒の冷却用熱交換器であるラジエータ２およびサーモスタット４およびこれらを接続する配管Ｐ１、Ｐ２を備えた冷媒循環流路とタンク３とから主として構成されている。
本発明の燃料電池の冷却装置は、例えば図２に示す通りに車両Ｖ内に配置されている。 (Fuel cell cooling system)
First, an outline of a cooling device for a fuel cell according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
As shown in FIG. 1, the fuel cell cooling apparatus S of the present invention includes a fuel cell 1, a radiator 2 and a thermostat 4 that are refrigerant heat exchangers, and a refrigerant circulation flow that includes pipes P1 and P2 connecting them. It is mainly composed of a road and a tank 3.
The fuel cell cooling device of the present invention is disposed in a vehicle V as shown in FIG.

（燃料電池）
燃料電池１は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟み込んだ燃料電池セルをさらにセパレータで挟持し、これを複数積層して構成されている。アノード電極に燃料ガスとして水素ガスを供給し、カソード電極に酸化剤ガスとして酸素を含む空気を供給すると、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソード電極まで移動し、カソード電極の触媒によって酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。この反応は発熱反応であり、その燃料電池の温度は反応効率を確保するために、セパレータにおけるアノード電極またはカソード電極の反対側の面に冷媒を循環することで７０℃前後に維持される。燃料電池の発電電力は図示しない燃料電池自動車の走行用モータに供給され、車両Ｖを駆動する。 (Fuel cell)
The fuel cell 1 is configured by further laminating a fuel cell in which a solid polymer electrolyte membrane made of, for example, a solid polymer ion exchange membrane is sandwiched from both sides by an anode electrode and a cathode electrode, and laminating a plurality thereof. Yes. When hydrogen gas is supplied as fuel gas to the anode electrode and air containing oxygen is supplied as oxidant gas to the cathode electrode, hydrogen ions generated by the catalytic reaction at the anode electrode pass through the solid polymer electrolyte membrane and become the cathode electrode. To generate electricity by generating an electrochemical reaction with oxygen by the catalyst of the cathode electrode. This reaction is an exothermic reaction, and the temperature of the fuel cell is maintained at around 70 ° C. by circulating a refrigerant on the surface of the separator opposite to the anode electrode or the cathode electrode in order to ensure reaction efficiency. The power generated by the fuel cell is supplied to a travel motor of a fuel cell vehicle (not shown) to drive the vehicle V.

燃料電池１は、エアコンプレッサＡ／Ｃから配管を介して空気を導入するための空気導入口ＡＩＲ ＩＮと、発電に使用した空気を系外に排出する空気排出口ＡＩＲ Ｏｕｔと、水素導入口Ｈ2ＩＮと、水素排出口Ｈ2ＯＵＴ、発電により加熱された燃料電池１を冷媒により冷却するための冷媒導入口Ｃｏｏｌａｎｔ Ｉｎと燃料電池１を冷却後に加熱された冷媒を排出するための冷媒排出口Ｃｏｏｌａｎｔ Ｏｕｔを有する従来公知の燃料電池システムである。
また、本燃料電池システムにおいては、ＥＣＵ５を設け、燃料電池の出力要求信号に応じてエアコンプレッサＡ／Ｃの回転数（回転速度）を制御することで、燃料電池１へ供給される空気の圧力を制御している。前記ＥＣＵ５は、タンク３内に設けた水位センサ３７および冷媒循環流路の燃料電池入口部に設けた圧力センサＰｓ、燃料電池出口部に設けた温度センサＴｓ等の信号を入力することが可能で、これらのセンサの信号によってエアコンプレッサＡ／Ｃの回転数（回転速度）を制御して、燃料電池１へ供給される空気の圧力を制御する空気圧制御手段として機能する。 The fuel cell 1 includes an air inlet AIR IN for introducing air from an air compressor A / C through a pipe, an air outlet AIR Out for discharging air used for power generation outside the system, and a hydrogen inlet H 2 IN, hydrogen discharge port H 2 OUT, refrigerant introduction port Coolant In for cooling the fuel cell 1 heated by power generation with the refrigerant, and refrigerant discharge port for discharging the heated refrigerant after cooling the fuel cell 1 This is a conventionally known fuel cell system having a Coolant Out.
Further, in the present fuel cell system, the pressure of the air supplied to the fuel cell 1 is provided by providing the ECU 5 and controlling the rotational speed (rotational speed) of the air compressor A / C according to the output request signal of the fuel cell. Is controlling. The ECU 5 can input signals such as a water level sensor 37 provided in the tank 3, a pressure sensor Ps provided at the fuel cell inlet of the refrigerant circulation passage, and a temperature sensor Ts provided at the fuel cell outlet. The air compressor A / C functions as pneumatic control means for controlling the pressure of the air supplied to the fuel cell 1 by controlling the rotational speed (rotational speed) of the air compressor A / C based on the signals of these sensors.

（ラジエータ）
ラジエータ２は、燃料電池１を冷却することによって加熱された冷媒を冷却するための熱交換装置（燃料電池１を冷却する冷媒を冷却するための冷却用熱交換器）であって、冷媒排出口からの加熱された冷媒を導入するための導入口２０ｉｎと、ラジエータ２により冷却した冷媒を排出するための排出口２０ｏｕｔと、タンク３側への複数の冷媒の排出口２１ｏｕｔ，２１ｏｕｔを備えている。排出口２１ｏｕｔはラジエータ２の上部に設けられ、冷媒循環流路を流れる冷媒の一部とともに循環流路に溜まっていた空気等の気体が排出されやすくなっている。 (Radiator)
The radiator 2 is a heat exchange device for cooling the refrigerant heated by cooling the fuel cell 1 (a cooling heat exchanger for cooling the refrigerant that cools the fuel cell 1), and a refrigerant discharge port The inlet 20in for introducing the heated refrigerant from the outlet, the outlet 20out for discharging the refrigerant cooled by the radiator 2, and the plurality of refrigerant outlets 21out, 21out to the tank 3 side are provided. . The discharge port 21out is provided in the upper part of the radiator 2, and it is easy to discharge | emit gas, such as air which accumulated in the circulation flow path with some refrigerant | coolants which flow through a refrigerant circulation flow path.

（タンク）
本実施形態におけるタンク３は、冷媒の一部を蓄える他に、冷却系の圧力バランスを図るための容器である（燃料電池へ供給する空気または燃料電池から排出された空気の少なくとも一部を導入する空気圧信号配管と接続されて、かつ前記循環流路の冷媒の一部を蓄えておくことが可能なタンクであって、圧力バランスタンクまたはリザーブタンクとも言う）。タンク３は、図２における車両Ｖの前方部（ボンネット下）に配置され、車外からメンテナンス可能に設けられている。本発明の好ましい実施形態において、タンク３は、冷却システム全体の冷媒の熱による膨張・収縮や圧力応答による容積変動を吸収できるだけの冷媒保有容積と空気室保有容積を有している。
このタンク３は、冷媒および空気を収納するためのタンク本体３２と、タンク本体３２の上部に設けられた冷媒混入防止用の小部屋３１と、ラジエータ２側からの冷媒の導入口３３と、サーモスタット４側へ冷媒を排出する冷媒の導出口３４とから主として構成され、さらにエアコンプレッサＡ／Ｃとの間で空気圧を調整するための配管（空気圧信号配管）Ｐａと接続するための空気穴３５を有している。 (tank)
The tank 3 in this embodiment is a container for achieving a pressure balance of the cooling system in addition to storing a part of the refrigerant (introducing at least a part of the air supplied to the fuel cell or the air discharged from the fuel cell) A tank that is connected to a pneumatic signal pipe that can store a part of the refrigerant in the circulation channel, and is also referred to as a pressure balance tank or a reserve tank). The tank 3 is disposed in front of the vehicle V (under the hood) in FIG. 2 and is provided so that maintenance can be performed from outside the vehicle. In a preferred embodiment of the present invention, the tank 3 has a refrigerant holding volume and an air chamber holding volume that can absorb volume fluctuation due to expansion and contraction due to heat of the refrigerant in the entire cooling system and pressure response.
The tank 3 includes a tank main body 32 for storing refrigerant and air, a small chamber 31 for preventing mixing of refrigerant provided in an upper portion of the tank main body 32, a refrigerant inlet 33 from the radiator 2, and a thermostat. The air hole 35 is mainly composed of a refrigerant outlet 34 for discharging the refrigerant to the side 4 and further connected to a pipe (pneumatic signal pipe) Pa for adjusting the air pressure with the air compressor A / C. Have.

（サーモスタット）
サーモスタット４は、後記するＣｏｏｌａｎｔ Ｉｎとラジエータ２の冷媒排出口２０ｏｕｔとの間の配管Ｐ２に設けられ、かつタンク３側からの配管Ｐ４と接続されている。また、サーモスタット４は、ラジエータ２側（Ｐ２側）からの冷媒とバイパス配管側（Ｐｂ側）からの冷媒とを、冷媒温度に応じて流量調整して下流の燃料電池１側へと送るバルブである。
図３に示す通り、サーモスタット４は、燃料電池１側への冷媒出口と、ラジエータ２、タンク３およびバイパス配管Ｐｂと接続された冷媒の入口と、冷媒の温度に感応してこれらの出入口を開閉するための感温部とから構成されている。そして、始動時等のサーモスタット４内に導入された冷媒が低温時にはラジエータ２側からの冷媒入口を塞いでバイパス配管Ｐｂ側とタンク３側からの冷媒を循環させる（バイパス）。燃料電池が始動して温度が比較的高くなると（中温時）、サーモスタット４の感温部は、冷媒温度に応じて所定量だけ下側に移動して、ラジエータ側からの通路を所定量開き、バイパス配管Ｐｂ、ラジエータ２およびタンク３からの冷媒を合わせて燃料電池１側へと送る。そして、燃料電池が発電して冷媒温度が上昇すると（高温時）、サーモスタット４の感温部はさらに下側に移動してバイパス配管Ｐｂ側を塞ぎ、一方ラジエータ側の入口を全開にする。
このように、サーモスタット４は、サーモスタット４内の冷媒の温度に応じて入口を開閉して所定温度の冷媒を燃料電池１側へ排出する構成を有している。 (thermostat)
The thermostat 4 is provided in a pipe P2 between Coolant In and a refrigerant outlet 20out of the radiator 2 which will be described later, and is connected to a pipe P4 from the tank 3 side. The thermostat 4 is a valve that sends the refrigerant from the radiator 2 side (P2 side) and the refrigerant from the bypass pipe side (Pb side) to the downstream fuel cell 1 side by adjusting the flow rate according to the refrigerant temperature. is there.
As shown in FIG. 3, the thermostat 4 opens and closes the refrigerant outlet to the fuel cell 1, the refrigerant inlet connected to the radiator 2, the tank 3, and the bypass pipe Pb and opens and closes these inlets and outlets in response to the temperature of the refrigerant. It is comprised from the temperature sensing part for doing. When the refrigerant introduced into the thermostat 4 at the time of starting or the like is at a low temperature, the refrigerant inlet from the radiator 2 side is closed and the refrigerant from the bypass pipe Pb side and the tank 3 side is circulated (bypass). When the fuel cell is started and the temperature becomes relatively high (during intermediate temperature), the temperature sensing part of the thermostat 4 moves downward by a predetermined amount according to the refrigerant temperature, and opens a predetermined amount of passage from the radiator side, The refrigerant from the bypass pipe Pb, the radiator 2 and the tank 3 is combined and sent to the fuel cell 1 side. When the fuel cell generates power and the refrigerant temperature rises (at a high temperature), the temperature sensing portion of the thermostat 4 moves further downward to close the bypass pipe Pb side, while opening the radiator side inlet fully.
As described above, the thermostat 4 has a configuration that opens and closes the inlet according to the temperature of the refrigerant in the thermostat 4 and discharges the refrigerant at a predetermined temperature to the fuel cell 1 side.

（配管）
次に本実施形態に係る燃料電池の冷却装置Ｓにおける配管について、冷媒および空気の流れとともに説明する。
図１に示す通り、本発明の冷却装置Ｓにおいて、燃料電池１を冷却して加熱された冷媒は、配管Ｐ１上に配置されたウォータポンプＷ／Ｐにより、燃料電池１の冷媒排出管Ｃｏｏｌａｎｔ Ｏｕｔから排出され、配管Ｐ１を通って、ラジエータ２の導入口２０ｉｎからラジエータ２内に至る。
次いで、ラジエータ２内で所定温度に冷却された冷媒は、サーモスタット４を介して配管Ｐ２を通って燃料電池１へと戻されて、循環利用される。 (Piping)
Next, piping in the cooling device S of the fuel cell according to the present embodiment will be described together with the flow of the refrigerant and air.
As shown in FIG. 1, in the cooling device S of the present invention, the refrigerant heated by cooling the fuel cell 1 is cooled by a water pump W / P disposed on the pipe P <b> 1 by the coolant discharge pipe Coolant Out of the fuel cell 1. From the inlet 20in of the radiator 2 and into the radiator 2 through the pipe P1.
Next, the refrigerant cooled to a predetermined temperature in the radiator 2 is returned to the fuel cell 1 through the pipe P2 via the thermostat 4 and recycled.

また、燃料電池１とラジエータ２との間で冷媒を循環する冷媒循環流路（Ｐ１，Ｐ２）中の空気とラジエータ２の上部に溜まっていた空気が配管Ｐ３からタンク３へ導入される。配管Ｐ３は一端をラジエータ２の上部に接続され、他端をタンク３内に蓄えられている冷媒の水位（液面）よりも下部に接続されている。タンク３によって冷媒に混ざっている空気等の気体と冷媒とで気液分離を行う。
また、燃料電池１に供給される空気と冷媒の圧力をバランスさせるために（差圧の維持のために）、タンク３は、エアコンプレッサＡ／Ｃから燃料電池１へ空気を導入する配管（ＩＮ側）の途中から分岐されて伸びる配管（空気圧信号配管）Ｐａと接続されている。タンク３は、この空気圧信号配管Ｐａと接続されているため、タンク３内での冷媒の圧力は燃料電池１へ供給される空気の圧力と実質等しくなり（応じたものになり）、その後冷媒が配管Ｐ４により冷媒循環流路（配管Ｐ３）に戻る際に冷媒循環流路を流通することによって圧力損失が生じるが、その圧力損失は冷媒循環流路内の冷媒の圧力によらずほぼ一定なため、燃料電池１へ供給される冷媒の圧力と燃料電池１へ供給される供給空気との圧力差は、その圧力損失の分だけ冷媒の圧力が供給空気の圧力よりも低くなるようになっている。つまり、燃料電池１へ供給される供給空気の圧力よりも、燃料電池１へ供給される冷媒の圧力は、配管Ｐ４での冷媒の圧力損失分＋サーモスタット４での冷媒の圧力損失分＋サーモスタット４よりも下流側の配管Ｐ２での冷媒の圧力損失分だけ、低くなる。このように構成することによって、積層構造に構成された燃料電池スタック内での冷媒循環流路と供給空気流路の圧力差を所定の範囲に保っている。 In addition, air in the refrigerant circulation passages (P1, P2) that circulate the refrigerant between the fuel cell 1 and the radiator 2 and air accumulated in the upper portion of the radiator 2 are introduced into the tank 3 from the pipe P3. One end of the pipe P <b> 3 is connected to the upper portion of the radiator 2, and the other end is connected to a lower portion than the coolant level (liquid level) stored in the tank 3. The tank 3 performs gas-liquid separation between the refrigerant such as air mixed with the refrigerant and the refrigerant.
Further, in order to balance the pressure of the air supplied to the fuel cell 1 and the refrigerant (in order to maintain the differential pressure), the tank 3 has a pipe (IN) for introducing air from the air compressor A / C to the fuel cell 1 (IN Side) and is connected to a pipe (pneumatic signal pipe) Pa branched and extending. Since the tank 3 is connected to the air pressure signal pipe Pa, the pressure of the refrigerant in the tank 3 becomes substantially equal to the pressure of the air supplied to the fuel cell 1 (after that), and the refrigerant When the pipe P4 returns to the refrigerant circulation channel (pipe P3), a pressure loss is caused by flowing through the refrigerant circulation channel, but the pressure loss is almost constant regardless of the pressure of the refrigerant in the refrigerant circulation channel. The pressure difference between the pressure of the refrigerant supplied to the fuel cell 1 and the supply air supplied to the fuel cell 1 is such that the pressure of the refrigerant is lower than the pressure of the supply air by the amount of the pressure loss. . That is, the pressure of the refrigerant supplied to the fuel cell 1 rather than the pressure of the supply air supplied to the fuel cell 1 is the pressure loss of the refrigerant in the pipe P4 + the pressure loss of the refrigerant in the thermostat 4 + the thermostat 4 It becomes low by the pressure loss of the refrigerant | coolant in the downstream piping P2. By configuring in this way, the pressure difference between the refrigerant circulation flow path and the supply air flow path in the fuel cell stack configured in a laminated structure is maintained within a predetermined range.

以上の構成を有する燃料電池の冷却装置Ｓにおいて、タンク３の水位の調整について説明する。
（冷媒量検出手段）
本実施形態に係る燃料電池の冷却装置Ｓにおいて、タンク３内の冷媒量を測定することを特徴としている。
タンク３内の冷媒量を測定するために、タンク３は水位センサ３７を有している。水位センサ３７は、タンク中に収納された冷媒の量を測定する手段であり、そしてタンク３の重量または水位量からタンク３内の冷媒量を検出するものである。このような水位センサ３７として、燃料計等の従来自動車分野に公知の水位センサを、本発明に適用することが可能である。 The adjustment of the water level of the tank 3 in the fuel cell cooling apparatus S having the above configuration will be described.
(Refrigerant amount detection means)
The fuel cell cooling device S according to this embodiment is characterized in that the amount of refrigerant in the tank 3 is measured.
In order to measure the amount of refrigerant in the tank 3, the tank 3 has a water level sensor 37. The water level sensor 37 is a means for measuring the amount of refrigerant stored in the tank, and detects the amount of refrigerant in the tank 3 from the weight of the tank 3 or the amount of water level. As such a water level sensor 37, a water level sensor known in the conventional automobile field such as a fuel gauge can be applied to the present invention.

本発明の好ましい実施の形態として、冷媒量の検出手段としては、水位センサ３７に加えてタンク３内の圧力を測定する圧力センサＰｓと、タンク内の冷媒温度を測定する温度センサＴｓと、ＥＣＵ５とから構成されている。すなわち、温度センサＴｓとＥＣＵ５とから構成された冷媒量検出手段は、水位センサ３７で検出した冷媒量を、タンク３内の圧力、すなわち、冷媒の圧力と冷媒の温度から、ＥＣＵ５に記憶されているマップ検索により補正して適正水位を算出する。   As a preferred embodiment of the present invention, as the refrigerant amount detecting means, in addition to the water level sensor 37, a pressure sensor Ps for measuring the pressure in the tank 3, a temperature sensor Ts for measuring the refrigerant temperature in the tank, and the ECU 5 It consists of and. That is, the refrigerant quantity detection means constituted by the temperature sensor Ts and the ECU 5 stores the refrigerant quantity detected by the water level sensor 37 in the ECU 5 from the pressure in the tank 3, that is, the refrigerant pressure and the refrigerant temperature. The appropriate water level is calculated by correcting the map search.

（動作）
以上説明した、本実施形態に係る燃料電池の冷却装置について図４〜図７に基づいて説明する。図４は、本実施形態に係る燃料電池の冷却装置の動作を示すフローチャートであり、図５は、本実施形態に係る電池の冷却装置において温度と負荷圧力に基づいて冷媒の水量を補正するためのマップの一例を示す図面であり、図６は、本発明に係る電池の冷却装置において許容圧力と水量との関係を示すマップの一例を示す図面であり、そして図７は、本発明に係る電池の冷却装置において燃料電池システムが要求するシステム要求最低圧力と電流との関係を示すマップの一例を示す図面である。 (Operation)
The fuel cell cooling device according to the present embodiment described above will be described with reference to FIGS. FIG. 4 is a flowchart showing the operation of the fuel cell cooling device according to the present embodiment, and FIG. 5 is for correcting the amount of refrigerant water based on the temperature and the load pressure in the battery cooling device according to the present embodiment. FIG. 6 is a drawing showing an example of a map showing the relationship between the allowable pressure and the amount of water in the battery cooling device according to the present invention, and FIG. 7 is a drawing showing the present invention. It is drawing which shows an example of the map which shows the relationship between the system request | requirement minimum pressure and electric current which a fuel cell system requires in the cooling device of a battery.

まず、本実施形態に係る燃料電池システムにおいて（図１参照）、温度センサＴｓにより冷媒の温度（℃）を測定し（Ｓ１）、水位センサ３７により冷媒量（ｃｃ）を測定し（Ｓ２）、そして圧力センサＰｓによりタンク３内の冷媒圧力（ｋＰａ）を測定する（Ｓ３）。   First, in the fuel cell system according to this embodiment (see FIG. 1), the temperature (° C.) of the refrigerant is measured by the temperature sensor Ts (S1), the refrigerant amount (cc) is measured by the water level sensor 37 (S2), Then, the refrigerant pressure (kPa) in the tank 3 is measured by the pressure sensor Ps (S3).

次いで、これらの測定した温度および圧力に基づいて、冷媒の水量を補正する（補正水量算出：Ｓ４）。冷媒の水量の補正は、例えば図５に示すような補正水量マップに基づいて行われる。図５に示すマップでは、例えば−３０℃の低温域と、２５℃の中温域と８０℃の高温域での負荷圧力と補正水量（ｃｃ）を示している。
図５に示す通り、Ｓ２で測定した圧力が同じである場合に温度が高くなるにつれて水量の補正量（−Δ）が大きくなる。 Next, the coolant water amount is corrected based on the measured temperature and pressure (corrected water amount calculation: S4). The water amount of the refrigerant is corrected based on a correction water amount map as shown in FIG. 5, for example. In the map shown in FIG. 5, for example, the load pressure and the corrected water amount (cc) in a low temperature region of −30 ° C., a medium temperature region of 25 ° C., and a high temperature region of 80 ° C. are shown.
As shown in FIG. 5, when the pressure measured in S2 is the same, the correction amount (−Δ) of the water amount increases as the temperature increases.

次いで、Ｓ４で補正したタンク水量（補正タンク水量）が所定値である下限水位（例えば２００ｃｃ）未満であるか否かを判定する（補正水量＜所定値：Ｓ５）。
この補正タンク水量が所定値以上である場合（Ｎｏ）には、燃料電池システムを通常運転させる（Ｓ６）。
一方、この補正タンク水量が所定値未満である場合（Ｙｅｓ）には、ＥＣＵ５は、燃料電池システムを圧力制限モードに切り替える（Ｓ７）。 Next, it is determined whether or not the tank water amount corrected in S4 (corrected tank water amount) is less than a predetermined lower limit water level (for example, 200 cc) (corrected water amount <predetermined value: S5).
When the corrected tank water amount is not less than the predetermined value (No), the fuel cell system is normally operated (S6).
On the other hand, when the corrected tank water amount is less than the predetermined value (Yes), the ECU 5 switches the fuel cell system to the pressure limiting mode (S7).

圧力制御モードにおいて、ＥＣＵ５は、Ｓ１で測定した冷媒温度とＳ４で補正したタンク内水量に基づいて最高許容圧力（上限値）を算出する（Ｓ８）。
Ｓ８における最高許容圧力の算出は、例えば図６に示すようなマップに基づいて行われる。図６に示す通り、補正後のタンク内水量が少なくなるにつれて最高許容圧力（ＫＰａＧ）が低くなる。また温度が低温になるに従って、図６に示す直線の勾配が大きくなる。 In the pressure control mode, the ECU 5 calculates the maximum allowable pressure (upper limit value) based on the refrigerant temperature measured in S1 and the tank water amount corrected in S4 (S8).
The calculation of the maximum allowable pressure in S8 is performed based on, for example, a map as shown in FIG. As shown in FIG. 6, the maximum allowable pressure (KPaG) decreases as the corrected tank water amount decreases. Further, as the temperature becomes lower, the slope of the straight line shown in FIG. 6 increases.

次いで、Ｓ８で算出した最高許容圧力が燃料電池システムのアイドリング要求最低圧力未満であるか否かを判定する（Ｓ９）。
Ｓ９において、最高許容圧力が燃料電池システムのアイドリング要求最低圧力未満である場合（Ｙｅｓ）、システムを停止する（Ｓ１０）。 Next, it is determined whether or not the maximum allowable pressure calculated in S8 is less than the minimum required idling pressure of the fuel cell system (S9).
In S9, when the maximum allowable pressure is less than the minimum idling required pressure of the fuel cell system (Yes), the system is stopped (S10).

また、Ｓ９において、最高許容圧力が燃料電池システムのアイドリング要求最低圧力以上である場合（Ｎｏ）、次いで算出した最高許容圧力で、所定の電流（現時点での電流）を流せるか否かを判定する（Ｓ１１）。Ｓ１１の判定は、例えば図７に示す通りのシステム要求圧力と電流との関係を示すグラフから算出する。   In S9, when the maximum allowable pressure is equal to or higher than the minimum required idling pressure of the fuel cell system (No), it is then determined whether or not a predetermined current (current current) can be flowed at the calculated maximum allowable pressure. (S11). The determination in S11 is calculated from a graph showing the relationship between the system required pressure and the current as shown in FIG. 7, for example.

Ｓ１１において、算出した最高許容圧力で、所定の電流（現時点での電流）を流せる場合（Ｙｅｓ）、圧力のみを制限して発電を行う（Ｓ１２）。このとき空気圧制御手段として図１におけるＥＣＵ５を使用してエアコンプレッサＡ／Ｃの回転数（回転速度）を制御することで燃料電池１へ供給する空気の圧力を制御する。一方、Ｓ１１において、算出した最高許容圧力で、所定の電流（現時点での電流）を流せない場合（Ｎｏ）、圧力および電流を制限して発電を行う（Ｓ１３）。   In S11, when a predetermined current (current current) can flow at the calculated maximum permissible pressure (Yes), power generation is performed by limiting only the pressure (S12). At this time, the pressure of the air supplied to the fuel cell 1 is controlled by controlling the rotation speed (rotation speed) of the air compressor A / C using the ECU 5 in FIG. 1 as the air pressure control means. On the other hand, in S11, when a predetermined current (current current) cannot be flowed at the calculated maximum allowable pressure (No), power generation is performed by limiting the pressure and current (S13).

このように構成された本実施形態に係る燃料電池の冷却装置は、タンク３内の冷媒量を常に監視しているので、タンク３内の冷媒量が不足している場合でも、タンク３内の冷媒全てを冷媒循環流路（配管Ｐ２）内に押し込んでも足りずにさらに気体（タンク３内の気体）を押し込むことがなくなるので、冷媒循環流路内にタンク３内の気体が混入することがなくなり、燃料電池１の冷却性能の低下が抑制できる。   The fuel cell cooling device according to the present embodiment configured as described above constantly monitors the amount of refrigerant in the tank 3, so even if the amount of refrigerant in the tank 3 is insufficient, Even if all the refrigerant is pushed into the refrigerant circulation channel (pipe P2), the gas (the gas in the tank 3) is not pushed further and the gas in the tank 3 may be mixed into the refrigerant circulation channel. Thus, a decrease in the cooling performance of the fuel cell 1 can be suppressed.

以上、本発明の実施形態を説明したが本発明は、これらの実施形態に限定されるものではない。例えば、図１の欄外に示すとおり、本実施形態では空気圧信号配管Ｐａを燃料電池１へ供給する空気の配管と接続したが、この空気圧信号配管Ｐａを燃料電池１から排出される空気の配管と接続してもよい。
また、図１に示すＥＣＵ５によってエアコンプレッサＡ／Ｃの回転数（回転速度）によって制御する代わりに、図１の欄外に示す通りに、空気圧制御手段として燃料電池１の下流に圧力制御弁（ＣＶ）を設けて、ＥＣＵ５からの信号によって燃料電池１へ供給される空気または燃料電池１から排出される空気の圧力を制御することもできる。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to these embodiment. For example, as shown in the margin of FIG. 1, in the present embodiment, the pneumatic signal pipe Pa is connected to an air pipe that supplies the fuel cell 1, but the pneumatic signal pipe Pa is connected to an air pipe that is discharged from the fuel cell 1. You may connect.
Further, instead of controlling by the ECU 5 shown in FIG. 1 according to the rotation speed (rotational speed) of the air compressor A / C, as shown in the margin of FIG. 1, a pressure control valve (CV) is provided downstream of the fuel cell 1 as air pressure control means. ) And the pressure of the air supplied to the fuel cell 1 or the air discharged from the fuel cell 1 can be controlled by a signal from the ECU 5.

本発明の一実施形態に係る燃料電池の冷却装置の概略を説明する模式図である。It is a mimetic diagram explaining the outline of the cooling device of the fuel cell concerning one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係る燃料電池の冷却装置を車両に搭載した場合のレイアウトを示す略式断面図である。1 is a schematic cross-sectional view showing a layout when a fuel cell cooling device according to an embodiment of the present invention is mounted on a vehicle. サーモスタットの構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of a thermostat. 燃料電池の冷却装置の動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows operation | movement of the cooling device of a fuel cell. 本発明の一実施形態に係る燃料電池の冷却装置において温度と負荷圧力に基づいて冷媒の水量を補正するためのマップの一例を示す図面である。1 is a drawing showing an example of a map for correcting the amount of refrigerant water based on temperature and load pressure in a fuel cell cooling device according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係る電池の冷却装置において許容圧力と水量との関係を示すマップの一例を示す図面である。It is drawing which shows an example of the map which shows the relationship between an allowable pressure and the amount of water in the battery cooling device which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る電池の冷却装置において燃料電池システムが要求するシステム要求最低圧力と電流との関係を示本発明の別の実施形態に係る燃料電池の冷却装置の概略を説明する模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram illustrating the relationship between the minimum required system pressure and current required by the fuel cell system in the battery cooling device according to one embodiment of the present invention, and illustrating the outline of the fuel cell cooling device according to another embodiment of the present invention. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

１ 燃料電池
２ ラジエータ
３ タンク
４ サーモスタット
５ ＥＣＵ
３７ 水位センサ 1 Fuel cell
2 Radiator
3 tanks
4 Thermostat
5 ECU
37 Water level sensor

Claims (3)

アノード極に燃料ガス、カソード極に空気中の酸素の供給を受けることによって発電する燃料電池と、
前記燃料電池の冷媒を冷却するための冷却用熱交換器と、
前記燃料電池の出口から、前記燃料電池の冷却によって加熱された冷媒を冷却する冷却用熱交換器を介して前記燃料電池の入口へ前記冷媒を循環させる循環流路と、
前記燃料電池へ供給する空気の一部または燃料電池から排出された空気の一部を導入する空気圧信号配管および前記循環流路の冷媒の一部を導入する配管と接続されて、前記冷媒の一部を蓄えておくことが可能なタンクと、
を備えた燃料電池の冷却装置であって、
前記タンク内の冷媒量を検出する冷媒量検出手段と、
前記燃料電池へ供給される空気または前記燃料電池から排出される空気の圧力を制御する空気圧制御手段とを有しており、
前記冷媒量検出手段で検出した冷媒量に応じて前記空気圧制御手段は空気の圧力を制御することを特徴とする燃料電池の冷却装置。 A fuel cell that generates electricity by receiving supply of fuel gas at the anode and oxygen in the air at the cathode; and
A cooling heat exchanger for cooling the fuel cell refrigerant;
A circulation flow path for circulating the refrigerant from the outlet of the fuel cell to the inlet of the fuel cell via a cooling heat exchanger that cools the refrigerant heated by cooling the fuel cell;
One of the refrigerant is connected to a pneumatic signal pipe for introducing a part of the air supplied to the fuel cell or a part of the air discharged from the fuel cell and a pipe for introducing a part of the refrigerant of the circulation channel. A tank that can store parts,
A fuel cell cooling device comprising:
Refrigerant amount detecting means for detecting the amount of refrigerant in the tank;
Air pressure control means for controlling the pressure of the air supplied to the fuel cell or the air discharged from the fuel cell;
The fuel cell cooling device according to claim 1, wherein the air pressure control means controls the pressure of air in accordance with the refrigerant quantity detected by the refrigerant quantity detection means. 前記冷媒量が所定値未満の場合は、前記空気圧制御手段は、前記燃料電池へ供給する空気の圧力または前記燃料電池から排出される空気の圧力を所定の上限値を超えないように制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の冷却装置。   When the amount of refrigerant is less than a predetermined value, the air pressure control means controls the pressure of air supplied to the fuel cell or the pressure of air discharged from the fuel cell so as not to exceed a predetermined upper limit value. The fuel cell cooling device according to claim 1. 前記冷媒量が少ない程、前記空気圧制御手段は、前記燃料電池へ供給する空気または前記燃料電池から排出される空気の圧力を低くすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池の冷却装置。   3. The fuel according to claim 1, wherein the air pressure control unit lowers the pressure of the air supplied to the fuel cell or the air discharged from the fuel cell as the refrigerant amount decreases. Battery cooling device.
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