JP5011980B2 - Coordinated cooling system for fuel cell and air conditioning - Google Patents

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Description

本発明は燃料電池と空調の協調冷却システムに係り、特に、燃料電池冷却系と空調冷却系との間で冷媒を共通化して協調制御を行う燃料電池と空調の協調冷却システムに関する。   The present invention relates to a coordinated cooling system for a fuel cell and an air conditioner, and more particularly to a coordinated cooling system for a fuel cell and an air conditioner that performs coordinated control by sharing a refrigerant between the fuel cell cooling system and the air conditioning cooling system.

環境に与える影響が少ないことから、車両に燃料電池の搭載が行われている。燃料電池は、例えば燃料電池スタックのアノード側に水素等の燃料ガスを供給し、カソード側に酸素を含む酸化ガス、例えば空気を供給し、電解質膜を通しての反応によって必要な電力を取り出す。この反応のために燃料電池は発熱し、その冷却のために燃料電池スタック内に冷却水等の冷媒を流し、これをラジエータ等で冷却することが行われる。また燃料電池の起動時に低温であると、燃料電池を暖めるために、ヒータ等で冷媒を適当な温度に加熱することが行われる。このように、燃料電池スタックに冷媒を流し、その温度を調整することが行われる。   Since there is little impact on the environment, fuel cells are installed in vehicles. In the fuel cell, for example, a fuel gas such as hydrogen is supplied to the anode side of the fuel cell stack, an oxidizing gas containing oxygen such as air is supplied to the cathode side, and necessary electric power is taken out by a reaction through the electrolyte membrane. The fuel cell generates heat due to this reaction, and a coolant such as cooling water is allowed to flow through the fuel cell stack for cooling, and this is cooled with a radiator or the like. When the temperature of the fuel cell is low, the refrigerant is heated to an appropriate temperature with a heater or the like in order to warm the fuel cell. In this way, the refrigerant is allowed to flow through the fuel cell stack and its temperature is adjusted.

また、車両の室内の冷暖房のためには、一般的に、冷媒ガスの圧縮と蒸発のサイクルを行うヒートポンプ式を用いることができるが、燃料電池スタックの冷却に用いた冷却水等の冷媒の廃熱を利用することもできる。   In general, a heat pump system that performs a compression and evaporation cycle of refrigerant gas can be used for cooling and heating the interior of a vehicle. However, waste of refrigerant such as cooling water used for cooling the fuel cell stack can be used. Heat can also be used.

例えば、特許文献1には、燃料電池の冷却水循環系と、車両室内空調用冷媒循環系とを用いた車両用空調装置の構成が述べられている。車両室内空調は、空調用冷媒が通る室内熱交換器と、温水によって空気を暖める温水式ヒータコアとで行なわれ、冷暖房の切換は、四方弁の操作により室内熱交換器に高圧冷媒を通して暖房し、低圧冷媒を通して冷房することで行われる。ここでは、燃料電池の冷却水循環系を2つの開閉弁の開閉によって第1温水回路と第2温水回路との2つに分離することも、これらの温水回路を接続状態にすることもできることが開示されている。分離されたときに、第1温水回路は、燃料電池から出た冷却水が再び燃料電池に戻るので、燃料電池の廃熱で水温を上昇させることができる。また分離されたときに第2温水回路は、循環水と車室内空調用の高圧冷媒との間で熱交換する水冷媒熱交換器と、温水式ヒータコアとを循環するので、高圧冷媒の放熱により冷却水が加熱され温水式ヒータコアの温水の温度を上昇させることができる。2つの温水回路が接続されるときは、冷却水は空調用高圧冷媒の放熱に加えて燃料電池の廃熱によっても加熱され、温水式ヒータコアに供給される。なお、ここではヒータコアの名称が用いられているが、電気式のいわゆるヒータが設けられているのではなく、温水の熱を用いて送風をあたためるもので、その意味では、むしろヒートコアと呼ぶことができる。   For example, Patent Document 1 describes the configuration of a vehicle air conditioner that uses a coolant circulation system for a fuel cell and a refrigerant circulation system for vehicle interior air conditioning. Vehicle interior air conditioning is performed by an indoor heat exchanger through which air-conditioning refrigerant passes and a hot water heater core that warms the air with hot water, and air conditioning is switched by heating the indoor heat exchanger through high-pressure refrigerant by operating a four-way valve, It is performed by cooling through a low-pressure refrigerant. Here, it is disclosed that the cooling water circulation system of the fuel cell can be separated into two of the first hot water circuit and the second hot water circuit by opening and closing two on-off valves, or these hot water circuits can be connected. Has been. When separated, the first hot water circuit can raise the water temperature by the waste heat of the fuel cell because the cooling water discharged from the fuel cell returns to the fuel cell again. When separated, the second hot water circuit circulates between the water refrigerant heat exchanger that exchanges heat between the circulating water and the high pressure refrigerant for air conditioning in the vehicle interior and the hot water heater core. The cooling water is heated, and the temperature of the hot water in the hot water heater core can be raised. When the two hot water circuits are connected, the cooling water is heated not only by the heat radiation of the air conditioning high-pressure refrigerant but also by the waste heat of the fuel cell and supplied to the hot water heater core. In addition, although the name of a heater core is used here, it does not have what is called an electric heater but is used to warm air using the heat of hot water. it can.

特開2005−263200号公報JP 2005-263200 A

このように、温水式ヒートコアを用いて、燃料電池の冷却水循環系の廃熱を車両室内空調に利用する燃料電池と空調の協調制御が行われている。ここでは、ヒートコアは、温水の熱を用いて送風を温める暖房器として機能しているが、別の観点からみれば、暖房と同時に、燃料電池の冷却水の熱を放熱している放熱器の機能も有している。そこで、夏場のように、燃料電池側の冷却系であるラジエータの放熱能力が不足するときに、ヒートコアの放熱機能を利用できれば便利である。しかし、ヒートコアは暖房器でもあるので、そのままでは、例えば夏場に暖房が入ることになり、不都合である。   As described above, cooperative control of the fuel cell and the air conditioning is performed using the waste water of the cooling water circulation system of the fuel cell for the air conditioning in the vehicle interior using the hot water heat core. Here, the heat core functions as a heater that heats the air using the heat of hot water, but from another point of view, the heat core dissipates heat from the cooling water of the fuel cell simultaneously with heating. It also has a function. Therefore, it is convenient if the heat dissipation function of the heat core can be used when the heat dissipation capability of the radiator that is the cooling system on the fuel cell side is insufficient, such as in summer. However, since the heat core is also a heater, if it is left as it is, for example, heating will enter in the summer, which is inconvenient.

本発明は、ヒートコアを放熱器としても利用可能とする燃料電池と空調の協調冷却システムを提供することである。   An object of the present invention is to provide a fuel cell and air conditioning cooperative cooling system that can use a heat core as a radiator.

本発明に係る燃料電池及び空調の協調冷却システムは、燃料電池冷却系と空調冷却系との間で冷媒を共通化して協調制御を行う協調冷却システムであって、燃料電池スタックとラジエータとの間で冷媒を循環させる燃料電池側循環流路と、冷媒を流して送風との間で熱交換するヒートコアを配置する空調側熱交換流路、及び空調側熱交換流路の両端を接続する接続流路を有する空調側循環流路と、燃料電池側循環流路と空調側循環流路との間に設けられる制御弁であって、燃料電池側循環流路と空調側循環流路とを遮断する遮断状態と、空調側循環流路の接続流路を開放して空調側熱交換流路を燃料電池側循環流路に並列に連結して燃料電池側冷媒と空調側冷媒とを共通化する連結状態との間を切り換える制御弁と、ヒートコアと熱交換した後の送風の方向を、室内と室外とに切り換える送風切換手段と、を備え、制御弁は、空調側の暖房要求の有無に関らず、燃料電池側冷媒の温度に応じて、燃料電池側循環流路と空調側循環流路との間を遮断状態から連結状態に切り換え、ヒートコアを介して燃料電池側冷媒の熱を放熱させ、制御弁によって燃料電池側循環流路と空調側循環流路との間が遮断状態から連結状態に切り換えられた際に、空調側の冷房要求があるときには、送風切換手段は、送風の方向を室外に切り換えて、ヒートコアを介して燃料電池側冷媒の熱を外気に放熱させることを特徴とする。 A coordinated cooling system for a fuel cell and an air conditioner according to the present invention is a coordinated cooling system that performs coordinated control by sharing a refrigerant between a fuel cell cooling system and an air conditioning cooling system, and is provided between a fuel cell stack and a radiator. The fuel cell-side circulation channel for circulating the refrigerant in the air-conditioner, the air-conditioning-side heat exchange channel for arranging the heat core that exchanges heat between the refrigerant and the air flow, and the connection flow that connects both ends of the air-conditioning-side heat exchange channel interrupting the air-conditioning-side circulation flow path, a control valve provided between the fuel cell side circulation flow path and the air-conditioning-side circulation flow path, and a fuel cell side circulation passage and the air conditioning side circulation flow path having a road Open the connection channel of the air conditioning side circulation channel and connect the air conditioning side heat exchange channel in parallel with the fuel cell side circulation channel to share the fuel cell side refrigerant and the air conditioning side refrigerant Control valve for switching between connected state and heat exchange with heat core The direction of blowing of, comprising a blowing switching means for switching on the inside and outside, the control valve is regardless of whether the air conditioning side of the heating demand, in accordance with the temperature of the fuel cell side refrigerant, the fuel cell side circulation The flow path and the air conditioning side circulation flow path are switched from a cut-off state to a connected state, the heat of the fuel cell side refrigerant is radiated through the heat core, and the fuel cell side circulation flow path and the air conditioning side circulation flow path are When the air conditioner side is switched from the shut-off state to the connected state, and there is a cooling request on the air conditioning side, the air blowing switching means switches the direction of the air blowing to the outside and transfers the heat of the fuel cell side refrigerant to the outside air via the heat core. It is radiated to the characterized Rukoto.

また、本発明に係る燃料電池及び空調の協調制御システムにおいて、制御弁によって燃料電池側循環流路と空調側循環流路との間が遮断状態から連結状態に切り換えられた際に、空調側の冷房要求がないときには、送風切換手段は、送風の方向を室内に切り換えて、ヒートコアを介して燃料電池側冷媒の熱を室内に放熱させることが好ましい。 Further, in the fuel cell and air conditioning cooperative control system according to the present invention, when the control valve is switched from the cutoff state to the connected state between the fuel cell side circulation passage and the air conditioning side circulation passage , the air conditioning side When there is no cooling request, it is preferable that the air blowing switching means switch the air blowing direction into the room and dissipate the heat of the fuel cell side refrigerant into the room through the heat core.

また、本発明に係る燃料電池及び空調の協調制御システムにおいて、制御弁は、前記燃料電池側循環流路からの分岐流路と前記空調側熱交換流路と前記接続流路の3つの流路が集まる接続点に設けられる三方弁であることが好ましい。
In the fuel cell and air conditioning cooperative control system according to the present invention, the control valve includes three flow paths: a branch flow path from the fuel cell side circulation flow path, the air conditioning side heat exchange flow path, and the connection flow path. three-way valve der Rukoto provided at the connection point to gather are preferred.

上記構成により、燃料電池及び空調の協調冷却システムは、ヒートコアと熱交換した後の送風の方向を、室内と室外とに切り換える送風切換手段を有する。たとえば、ヒートコアの暖房器としての機能を利用するか否かで送風を切り換えることで、ヒートコアの放熱機能を十分に利用できるようになる。   With the above configuration, the coordinated cooling system for the fuel cell and the air conditioner has the air blowing switching means for switching the direction of the air blowing after heat exchange with the heat core between the room and the outdoor. For example, by switching the air flow depending on whether or not the function of the heat core as a heater is used, the heat dissipation function of the heat core can be fully utilized.

また、制御弁は、空調側の暖房要求の有無に関らず、燃料電池側冷媒の温度に応じて、遮断状態から連結状態に切り換え、ヒートコアを介して燃料電池側冷媒の熱を放熱させるので、燃料電池側の冷却系であるラジエータの放熱能力が不足するとき等に、ヒートコアを第2のラジエータとして用いることができる。   In addition, the control valve switches from the shut-off state to the connected state according to the temperature of the fuel cell side refrigerant regardless of whether the air conditioning side has a heating request, and dissipates the heat of the fuel cell side refrigerant through the heat core. The heat core can be used as the second radiator when the heat dissipation capability of the radiator, which is the fuel cell side cooling system, is insufficient.

また、送風の方向を室外に切り換えて、ヒートコアを介して燃料電池側冷媒の熱を外気に放熱させるので、空調系が暖房を要求していないときでも、ヒートコアの放熱機能を利用することができる。   In addition, since the direction of the air flow is switched to the outside and the heat of the fuel cell side refrigerant is dissipated to the outside air through the heat core, the heat core heat dissipation function can be used even when the air conditioning system does not require heating. .

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。以下では、燃料電池と空調の協調冷却システムに用いられる共通化冷媒として、冷却水を用いるものとして説明するが、冷却水以外の流体冷媒であってもよい。また、燃料電池スタック側の冷却系にエアコンプレッサ(ACP)に関して協調的な冷却を行うものとしたが、ACPに関する協調的な冷却を含まない構成とすることもできる。また、空調側の冷却系に、共通化冷媒と空調用ヒートポンプとの間で熱交換するAC熱交換器と、ヒートコアとが配置されるものとして説明するが、これら以外の要素を空調側冷却系に含む構成とすることもできる。例えば、補助ヒータ等を空調側冷却系に含むものとしてもよい。また、場合によってはAC熱交換器を省略してもよい。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Below, although demonstrated as what uses cooling water as a common refrigerant | coolant used for the cooperative cooling system of a fuel cell and an air conditioning, fluid refrigerants other than cooling water may be sufficient. In addition, although the cooling system on the fuel cell stack side performs cooperative cooling with respect to the air compressor (ACP), a configuration that does not include cooperative cooling with respect to the ACP may be employed. In addition, the AC heat exchanger that exchanges heat between the common refrigerant and the air conditioning heat pump and the heat core will be described as being arranged in the cooling system on the air conditioning side. It can also be set as the structure included in. For example, an auxiliary heater or the like may be included in the air conditioning side cooling system. In some cases, the AC heat exchanger may be omitted.

燃料電池と空調の協調冷却システムは、燃料電池の運転システムに適用される冷却システムであるので、最初に燃料電池の運転システムの構成を説明し、その後に、燃料電池と空調の協調冷却システムを述べる。   Since the fuel cell and air conditioning cooperative cooling system is a cooling system applied to the fuel cell operating system, the configuration of the fuel cell operating system will be described first, and then the fuel cell and air conditioning cooperative cooling system will be installed. State.

図1は燃料電池と空調の協調冷却システムが適用される燃料電池運転システム10の構成図である。燃料電池運転システム10は、運転システム本体部20と、運転システム本体部20の各要素をシステム全体として制御する制御部70とを含んで構成されている。   FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell operation system 10 to which a cooperative cooling system of a fuel cell and air conditioning is applied. The fuel cell operation system 10 includes an operation system main body 20 and a control unit 70 that controls each element of the operation system main body 20 as the entire system.

運転システム本体部20は、燃料電池セルが複数積層されて燃料電池スタック22と呼ばれる燃料電池本体及び、燃料電池スタック22のアノード側に配置される水素ガス供給のための各要素と、カソード側に配置される空気供給のための各要素を含んで構成される。   The operation system main body 20 includes a fuel cell main body called a fuel cell stack 22 in which a plurality of fuel cells are stacked, elements for supplying hydrogen gas arranged on the anode side of the fuel cell stack 22, and a cathode side. It is comprised including each element for the air supply arrange | positioned.

燃料電池スタック22は、電解質膜の両側に触媒電極層を配置したMEA(Membrane Electrode Assembly)の両外側にセパレータを配置して挟持した単電池を複数個組み合わせて積層したものである。燃料電池スタック22は、アノード側に水素等の燃料ガスを供給し、カソード側に酸素を含む酸化ガス、例えば空気を供給し、電解質膜を通しての電池化学反応によって発電し、必要な電力を取り出す機能を有する。なお、発電された電力は、FC発電電力検出部68によって検出され、検出された発電電力のデータは、制御部70に伝送される。   The fuel cell stack 22 is formed by laminating a plurality of unit cells in which separators are arranged and sandwiched on both outer sides of an MEA (Membrane Electrode Assembly) in which catalyst electrode layers are arranged on both sides of an electrolyte membrane. The fuel cell stack 22 has a function of supplying a fuel gas such as hydrogen to the anode side, supplying an oxidizing gas containing oxygen, for example, air, to the cathode side, generating power by a cell chemical reaction through the electrolyte membrane, and taking out necessary power. Have The generated power is detected by the FC generated power detection unit 68, and the data of the detected generated power is transmitted to the control unit 70.

アノード側の水素ガス源24は、燃料ガスとしての水素を供給するタンクである。水素ガス源24に接続されるレギュレータ26は、水素ガス源24からのガスを適当な圧力と流量に調整する機能を有する。レギュレータ26の出力口に設けられる圧力計28は、供給水素圧力を検出する測定器である。レギュレータ26の出力口は燃料電池スタック22のアノード側入口に接続され、適当な圧力と流量に調整された燃料ガスが燃料電池スタック22に供給される。   The anode-side hydrogen gas source 24 is a tank that supplies hydrogen as a fuel gas. The regulator 26 connected to the hydrogen gas source 24 has a function of adjusting the gas from the hydrogen gas source 24 to an appropriate pressure and flow rate. A pressure gauge 28 provided at the output port of the regulator 26 is a measuring instrument that detects the supply hydrogen pressure. The output port of the regulator 26 is connected to the anode side inlet of the fuel cell stack 22, and the fuel gas adjusted to an appropriate pressure and flow rate is supplied to the fuel cell stack 22.

燃料電池スタック22のアノード側出口に接続される分流器32は、アノード側出口からの排出ガスの不純物ガス濃度が高まってきたときに、排気バルブ34を通して希釈器64に流すためのものである。このときの排気ガスは、窒素の他に反応生成物の水も含む水素ガスである。また、分流器32の後でさらにアノード側入口との間に設けられる循環昇圧器30は、アノード側出口から戻ってくるガスの水素分圧を高めて再びアノード側入口に戻し再利用する機能を有する水素ポンプである。   The flow divider 32 connected to the anode side outlet of the fuel cell stack 22 is for flowing the impurity gas concentration of the exhaust gas from the anode side outlet to the diluter 64 through the exhaust valve 34. The exhaust gas at this time is a hydrogen gas containing reaction product water in addition to nitrogen. The circulation booster 30 provided between the shunt 32 and the anode side inlet further has a function of increasing the hydrogen partial pressure of the gas returning from the anode side outlet and returning it to the anode side inlet for reuse. It has a hydrogen pump.

カソード側の酸化ガス源40は、実際には大気を用いることができる。酸化ガス源40である大気はフィルタ42を通してからカソード側に供給される。フィルタ42の後に設けられる流量計44は、酸化ガス源40からの全供給流量を検出するフローメータである。また、フィルタ42の後に設けられる酸化ガス温度計46は、酸化ガス源40からのガスの温度を検出する機能を有する。   The oxidant gas source 40 on the cathode side can actually use the atmosphere. The atmospheric air as the oxidizing gas source 40 is supplied to the cathode side through the filter 42. The flow meter 44 provided after the filter 42 is a flow meter that detects the total supply flow rate from the oxidizing gas source 40. The oxidizing gas thermometer 46 provided after the filter 42 has a function of detecting the temperature of the gas from the oxidizing gas source 40.

エアコンプレッサ(ACP)48は、モータ50によって酸化ガスを容積圧縮してその圧力を高める気体昇圧機である。またACP48は、制御部70の制御の下で、その回転速度(毎分当りの回転数)を可変して、所定量の酸化ガスを提供する機能を有する。すなわち、酸化ガスの所要流量が大きいときは、モータ50の回転速度を上げ、逆に酸化ガスの所要流量が小さいときは、モータ50の回転速度を下げる。ACP消費電力検出部52は、ACP48の消費電力、具体的にはモータ50の消費電力を検出する機能を有する測定器である。モータ50は、回転速度を上げると消費電力が大きくなり、回転速度を下げると消費電力が小さくなるので、消費電力は、モータの回転速度、あるいは酸化ガス流量に密接に関連する。   The air compressor (ACP) 48 is a gas booster that compresses the volume of oxidizing gas by the motor 50 to increase its pressure. In addition, the ACP 48 has a function of providing a predetermined amount of oxidizing gas by changing the rotation speed (the number of rotations per minute) under the control of the control unit 70. That is, when the required flow rate of the oxidizing gas is large, the rotational speed of the motor 50 is increased. Conversely, when the required flow rate of the oxidizing gas is small, the rotational speed of the motor 50 is decreased. The ACP power consumption detection unit 52 is a measuring instrument having a function of detecting the power consumption of the ACP 48, specifically, the power consumption of the motor 50. The motor 50 increases power consumption when the rotation speed is increased, and decreases power consumption when the rotation speed is decreased. Therefore, the power consumption is closely related to the motor rotation speed or the oxidizing gas flow rate.

加湿器54は、酸化ガスを適度に湿らせ、燃料電池スタック22での燃料電池反応を効率よく行わせる機能を有するものである。加湿器54により適度に湿らせられた酸化ガスは、燃料電池スタック22のカソード側入口に供給され、カソード側出口から排気される。このときに、排気とともに反応生成物である水も排出される。燃料電池スタック22は反応により高温になるので、排出される水は水蒸気となっており、この水蒸気が加湿器54に供給され、酸化ガスを適度に湿らせる。このように、加湿器54は、酸化ガスに水蒸気の水分を適当に与える機能を有するもので、いわゆる中空糸を用いたガス交換器を用いることができる。   The humidifier 54 has a function of appropriately humidifying the oxidizing gas and efficiently performing the fuel cell reaction in the fuel cell stack 22. The oxidizing gas appropriately moistened by the humidifier 54 is supplied to the cathode side inlet of the fuel cell stack 22 and exhausted from the cathode side outlet. At this time, water as a reaction product is also discharged together with the exhaust. Since the fuel cell stack 22 is heated to a high temperature by the reaction, the discharged water is water vapor, and this water vapor is supplied to the humidifier 54 to appropriately wet the oxidizing gas. As described above, the humidifier 54 has a function of appropriately giving water vapor to the oxidizing gas, and a gas exchanger using a so-called hollow fiber can be used.

ここで、上記の酸化ガス源40と、燃料電池スタック22のカソード側入口とを接続する流路のことを入口側流路と呼ぶことができる。これに対応して、燃料電池スタック22のカソード側出口から排気側へ接続される流路を出口側流路と呼ぶことができる。酸化ガスの経路である酸化ガス経路66は、酸化ガス源40から加湿器54を経由して入口側流路より燃料電池スタック22の内部に入り、出口側流路から加湿器54を経由して外気へと延びる。   Here, the flow path connecting the oxidizing gas source 40 and the cathode side inlet of the fuel cell stack 22 can be referred to as an inlet side flow path. Correspondingly, the flow path connected from the cathode side outlet of the fuel cell stack 22 to the exhaust side can be called an outlet side flow path. The oxidizing gas path 66 that is an oxidizing gas path enters the fuel cell stack 22 from the inlet side channel through the humidifier 54 from the oxidizing gas source 40, and passes through the humidifier 54 from the outlet side channel. Extends to the open air.

出口側流路のカソード側出口に設けられる圧力計56は、カソード側出口のガス圧を検出する機能を有する。また出口側流路に設けられる調圧弁60は、背圧弁とも呼ばれるが、カソード側出口のガス圧を調整し、燃料電池スタック22への酸化ガスの流量を調整する機能を有する弁で、例えばバタフライ弁のように流路の実効開口を調整できる弁を用いることができる。調圧弁60の出力口は、上記の加湿器54に接続されるので、調圧弁60を出たガスは加湿器54に水蒸気を供給した後、再び戻って、希釈器64に入り、その後外部に排出される。   The pressure gauge 56 provided at the cathode side outlet of the outlet side channel has a function of detecting the gas pressure at the cathode side outlet. The pressure regulating valve 60 provided in the outlet side flow path is also referred to as a back pressure valve, and is a valve having a function of adjusting the gas pressure at the cathode side outlet and adjusting the flow rate of the oxidizing gas to the fuel cell stack 22. A valve that can adjust the effective opening of the flow path, such as a valve, can be used. Since the output port of the pressure regulating valve 60 is connected to the humidifier 54 described above, the gas that has exited the pressure regulating valve 60 supplies water vapor to the humidifier 54 and then returns to enter the diluter 64 and then to the outside. Discharged.

希釈器64は、アノード側の排気バルブ34からの水素混じりの排水、及び、カソード側の水蒸気混じりでさらにMEAを通して漏れてくる水素混じりの排気を集め、適当な水素濃度として外部に排出するためのバッファ容器である。   The diluter 64 collects the waste water containing hydrogen from the exhaust valve 34 on the anode side and the exhaust gas containing hydrogen leaking through the MEA due to the water vapor on the cathode side, and discharges it to the outside as an appropriate hydrogen concentration. It is a buffer container.

制御部70は、運転システム本体部20の上記の各要素をシステム全体として制御するもので、いわゆる燃料電池CPUと呼ばれることがある。例えば、制御部70は、要求発電量と、FC発電電力検出部68から伝送される発電電力のデータとに基づいて、ACP48の回転数制御を行い、また、調圧弁60の制御を行う機能を有する。なお、制御部70は、後述の協調冷却制御部150の機能を併せ持つことができる。これらの機能はソフトウェアで実現でき、具体的には、対応する燃料電池運転プログラム等を実行することで実現できる。これらの機能の一部をハードウェアで実現することもできる。   The control unit 70 controls the above-described elements of the operation system main body unit 20 as a whole system, and is sometimes called a so-called fuel cell CPU. For example, the control unit 70 has a function of controlling the rotational speed of the ACP 48 and controlling the pressure regulating valve 60 based on the required power generation amount and the generated power data transmitted from the FC generated power detection unit 68. Have. In addition, the control part 70 can have the function of the cooperation cooling control part 150 mentioned later. These functions can be realized by software, specifically, by executing a corresponding fuel cell operation program or the like. Some of these functions can also be realized by hardware.

このような燃料電池運転システム10において、燃料電池スタック22は燃料ガスと酸化ガスとの間の反応により発熱する。また、ACP48もその運転に伴い、モータ50等が発熱する。さらに、燃料電池スタック22のカソード側に供給される酸化ガスの温度は適当であることが好ましい。   In such a fuel cell operation system 10, the fuel cell stack 22 generates heat due to a reaction between the fuel gas and the oxidizing gas. The ACP 48 also generates heat from the motor 50 and the like during its operation. Furthermore, it is preferable that the temperature of the oxidizing gas supplied to the cathode side of the fuel cell stack 22 is appropriate.

また、燃料電池運転システム10が車両に搭載されるときは、車室内の空調のために空調システムが設けられるが、例えば車室内が冷え切っているときなど、燃料電池スタック22の廃熱が利用できるならば、それを用いて車室内を短時間で適度な温度にすることが望まれる。一方、燃料電池スタック22の起動時において、低温の燃料電池スタック22を空調システムの要素を用いて暖機できれば、燃料電池スタック22の早期の稼動が可能になる。   In addition, when the fuel cell operation system 10 is mounted on a vehicle, an air conditioning system is provided for air conditioning in the vehicle interior, but waste heat from the fuel cell stack 22 is used, for example, when the vehicle interior is cold. If possible, it is desirable to use it to bring the interior of the vehicle to an appropriate temperature in a short time. On the other hand, if the low-temperature fuel cell stack 22 can be warmed up using elements of the air conditioning system at the time of starting the fuel cell stack 22, the fuel cell stack 22 can be operated at an early stage.

このように、燃料電池運転システム10を構成する要素と、空調システムを構成する要素との間で、その冷却等について協調的に制御を行うことで、燃料電池の運転と空調運転とを全体として効率的なものとすることができる。そのために燃料電池と空調の協調冷却システムが設けられる。   As described above, the operation of the fuel cell and the air conditioning operation as a whole are performed by cooperatively controlling the cooling and the like between the elements constituting the fuel cell operation system 10 and the elements constituting the air conditioning system. It can be efficient. For this purpose, a cooperative cooling system for fuel cells and air conditioning is provided.

なお、以下において、燃料電池スタックをラジエータで冷却する冷却流路を主冷却流路とし、主冷却流路に並列に冷媒を分流する冷却流路を分流冷却流路として説明する。主冷却流路と分流冷却流路を流れる冷媒は、水を主成分とするものである。そして、分流冷却流路に設けられる熱交換器として、ACP48の冷却用のものと、車室内空調に用いられるものとを説明する。   In the following description, a cooling flow path for cooling the fuel cell stack with a radiator will be referred to as a main cooling flow path, and a cooling flow path for diverting refrigerant in parallel to the main cooling flow path will be described as a diversion cooling flow path. The refrigerant flowing through the main cooling flow path and the shunt cooling flow path is mainly composed of water. Then, the heat exchanger provided in the shunt cooling flow path will be described for cooling the ACP 48 and used for vehicle interior air conditioning.

ACP48の冷却用のものは、ラジエータを第1の熱交換器と考えて、第2熱交換器と呼ぶことにする。この場合の第2熱交換器は、従来ACP48を独立して冷却するためのインタクーラを、分流された冷媒で熱交換することにして、冷却システムとして統合を図った形態となっているが、もちろん、インタクーラを従来通り独立の冷却系のままとし、第2熱交換器を他の要素の冷却に用いるものとしてもよい。   For the cooling of the ACP 48, the radiator is regarded as the first heat exchanger and is referred to as the second heat exchanger. In this case, the second heat exchanger is configured to be integrated as a cooling system by exchanging heat with an intercooler for independently cooling the conventional ACP 48 using the diverted refrigerant. The intercooler may be maintained as an independent cooling system as before, and the second heat exchanger may be used for cooling other elements.

車室内空調に用いられるものは、分流された冷媒の熱をブロワからの送風との間で熱交換を行うものと、空調システムの冷媒ガスと分流冷却流路の冷媒との間で熱交換を行うものとを用いるが、これらを区別し、前者をヒートコア、後者をAC熱交換器と呼ぶことにする。なお、ACとは、Air Conditionerの頭文字を用いたもので、空調系を指す。   What is used for vehicle interior air conditioning is heat exchange between the heat of the divided refrigerant and the air blown from the blower, and heat exchange between the refrigerant gas of the air conditioning system and the refrigerant of the diverted cooling flow path. These are distinguished from each other, and the former will be referred to as a heat core and the latter as an AC heat exchanger. AC is an acronym for Air Conditioner and refers to an air conditioning system.

また、空調システムは、冷媒ガスの圧縮と膨張のサイクルを行って冷暖房を行ういわゆるヒートポンプを用いる。例えば冷房を行うときは、コンプレッサによって冷媒ガスを圧縮し、高温化して室外熱交換器で送風と熱交換し、膨張弁で低温化して室内熱交換器で送風と熱交換して冷風を室内に送り込む。なお、暖房を行うときはその逆に、圧縮して高温化した冷媒ガスを室内熱交換器で送風と熱交換して温風を室内に送り込む。以下では、ヒートポンプを冷房に用い、室内熱交換器は送風と熱交換して冷風を車室内に送り込むものとする。そして、室外熱交換器と直列にAC熱交換器を配置し、高温化した冷媒ガスをAC熱交換器に流す構成をとる。このように、ヒートポンプ式の空調システムには、室内熱交換器と室外熱交換器とが用いられるが、これらは、主冷却流路または分流冷却流路に用いられる冷媒である冷却水と熱交換するものではない。AC熱交換器は、空調システムの冷媒ガスと、分流冷却流路に用いられる冷媒である冷却水と熱交換するもので、室内熱交換器、室外熱交換器とは別に設けられる。   The air conditioning system uses a so-called heat pump that performs cooling and heating by performing a cycle of compression and expansion of refrigerant gas. For example, when cooling is performed, the refrigerant gas is compressed by a compressor, heated to an air heat exchange with an outdoor heat exchanger, cooled with an expansion valve, cooled with an indoor heat exchanger to exchange air with the air, and the cold air is brought indoors. Send it in. When heating is performed, conversely, the refrigerant gas, which has been compressed and heated, is heat-exchanged with blown air by an indoor heat exchanger, and warm air is sent into the room. In the following description, it is assumed that a heat pump is used for cooling, and the indoor heat exchanger exchanges heat with air and sends cold air into the passenger compartment. And the AC heat exchanger is arrange | positioned in series with an outdoor heat exchanger, and the structure which flows the refrigerant gas which raised temperature into an AC heat exchanger is taken. As described above, an indoor heat exchanger and an outdoor heat exchanger are used in a heat pump type air conditioning system, which exchanges heat with cooling water that is a refrigerant used in the main cooling flow path or the diverted cooling flow path. Not what you want. The AC heat exchanger exchanges heat with the refrigerant gas of the air conditioning system and the cooling water that is the refrigerant used in the shunt cooling flow path, and is provided separately from the indoor heat exchanger and the outdoor heat exchanger.

図2は、燃料電池と空調の協調冷却システム80の構成を示す図である。燃料電池と空調の協調冷却システム80は、協調冷却システム本体部82と、協調冷却制御部150とを含んで構成される。ここで、図2は、車両用燃料電池システムについて、協調冷却のための要素を抜き出して示したもので、図1で説明した燃料電池運転システム10と、この燃料電池と空調の協調冷却システムとは、あいまって、1つの車両用燃料電池システムを構成するものである。したがって、図2の協調冷却システム本体部82は、図1の運転システム本体部20と共に、車両用燃料電池システムにおけるシステム本体部を構成するものである。また、上記のように、協調冷却制御部150は、図1で説明した制御部70の一部として構成されることができる。   FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a cooperative cooling system 80 for fuel cells and air conditioning. The fuel cell and air conditioning cooperative cooling system 80 includes a cooperative cooling system main body 82 and a cooperative cooling control unit 150. Here, FIG. 2 shows elements for cooperative cooling extracted from the fuel cell system for a vehicle. The fuel cell operation system 10 described in FIG. 1 and the cooperative cooling system for this fuel cell and air conditioning are shown in FIG. Together, they constitute one vehicle fuel cell system. Therefore, the cooperative cooling system main body 82 in FIG. 2 constitutes the system main body in the vehicle fuel cell system together with the operation system main body 20 in FIG. Further, as described above, the cooperative cooling control unit 150 can be configured as a part of the control unit 70 described in FIG.

図2に示されるように、協調冷却システム本体部82は、燃料電池運転システム10におけるカソード側の冷却システムと、空調システム130とを含んで構成される。もちろん、場合によっては、アノード側の冷却システムを含むものとしてもよい。なお、協調冷却システム本体部82を構成するものではないが、空調された空気が供給される対象として、車室内8が図2に示されている。   As shown in FIG. 2, the cooperative cooling system main body 82 includes a cooling system on the cathode side in the fuel cell operation system 10 and an air conditioning system 130. Of course, depending on the case, a cooling system on the anode side may be included. In addition, although it does not comprise the cooperative cooling system main-body part 82, the vehicle interior 8 is shown by FIG. 2 as an object to which the air-conditioned air is supplied.

図2において、燃料電池運転システム10の要素としては、燃料電池スタック22と、カソード側の要素として、ACP48、モータ50、加湿器54、酸化ガス経路66が示されている。酸化ガス経路66は細い線で示され、これに対して、冷媒の流れる流路が太い線で示してある。   In FIG. 2, the fuel cell stack 22 is shown as elements of the fuel cell operating system 10, and the ACP 48, the motor 50, the humidifier 54, and the oxidizing gas path 66 are shown as elements on the cathode side. The oxidizing gas path 66 is indicated by a thin line, whereas the flow path through which the refrigerant flows is indicated by a thick line.

冷媒の流れる流路は、大別して、燃料電池スタック22とラジエータ100との間で冷媒を循環させる燃料電池側循環流路と、空調システム130に関連して空調のために冷媒を循環させる空調側循環流路とに分けることができる。ここで、両者を区別して、前者をFC循環流路、後者をAC循環流路と呼ぶことにする。FCは、Fuel Cellの頭文字をとったもので、燃料電池系を指す。協調冷却においては、燃料電池スタック22の運転状況、空調システム130の運転状況等に応じ、FC循環流路とAC循環流路との間を遮断し、あるいは両者を連結することが行われる。両者を遮断するときは、冷媒はそれぞれの循環流路を相互に独立して流れることになる。したがって、FC循環流路とAC循環流路を流れる冷媒は物質的には同じものであるが、温度、流量、流速等が異なることがあるので、両者を区別し、FC循環流路を流れる冷媒をFC側冷媒、AC循環流路を流れる冷媒をAC側冷媒と呼ぶことができる。   The flow path through which the refrigerant flows is roughly divided into a fuel cell side circulation path for circulating the refrigerant between the fuel cell stack 22 and the radiator 100, and an air conditioning side for circulating the refrigerant for air conditioning in relation to the air conditioning system 130. It can be divided into a circulation channel. Here, the two are distinguished, and the former is called an FC circulation flow path and the latter is called an AC circulation flow path. FC is an acronym for Fuel Cell and refers to a fuel cell system. In the cooperative cooling, the FC circulation flow path and the AC circulation flow path are blocked or connected in accordance with the operation status of the fuel cell stack 22, the operation status of the air conditioning system 130, and the like. When both are cut off, the refrigerant flows through each circulation channel independently of each other. Therefore, the refrigerant flowing through the FC circulation channel and the AC circulation channel are physically the same, but the temperature, the flow rate, the flow velocity, and the like may be different. Can be referred to as the FC-side refrigerant, and the refrigerant flowing through the AC circulation channel can be referred to as the AC-side refrigerant.

別の見方をすると、協調冷却システム本体部82は、冷媒の流れる流路として、主冷却流路84が設けられ、さらに、この主冷却流路84に並列に配置され、同じ冷媒を分流する分流冷却流路86、90が設けられる。分流冷却流路86は、ACP48のためのものであり、分流冷却流路90は、空調のためのものである。ここで、主冷却流路84と、ACP48のための分流冷却流路86とは、FC循環流路を構成する。空調のための分流冷却流路90は、AC循環流路を構成する。   From another viewpoint, the cooperative cooling system main body 82 is provided with a main cooling flow path 84 as a flow path through which the refrigerant flows, and is further arranged in parallel with the main cooling flow path 84 to separate the same refrigerant. Cooling channels 86 and 90 are provided. The diversion cooling flow path 86 is for the ACP 48, and the diversion cooling flow path 90 is for air conditioning. Here, the main cooling flow path 84 and the diversion cooling flow path 86 for the ACP 48 constitute an FC circulation flow path. The shunt cooling channel 90 for air conditioning constitutes an AC circulation channel.

冷媒としては、水を主体としたLLC(Long Life Coolant)等を用いることができる。以下では、空調システム130の冷媒ガスと区別するため、LLC等を用いる冷媒を、単に冷却水と呼ぶことにする。   As the refrigerant, LLC (Long Life Coolant) mainly composed of water can be used. Below, in order to distinguish with the refrigerant gas of the air conditioning system 130, the refrigerant | coolant which uses LLC etc. will only be called cooling water.

主冷却流路84には、ファン102を備えるラジエータ100と、加熱用のヒータ104と、ヒータ104に冷却水を適当に分流するための三方弁106と、FC側冷媒である冷却水を循環させるためのFC冷媒ポンプ(WP1)108が配置される。主冷却流路84を流れる冷却水は、ラジエータ100と燃料電池スタック22との間で循環し、温度が上昇した燃料電池スタック22の熱を冷却水によって運び出し、ラジエータ100で冷却し、再び燃料電池スタック22に戻す機能を有する。   In the main cooling flow path 84, the radiator 100 including the fan 102, the heater 104 for heating, the three-way valve 106 for appropriately diverting the cooling water to the heater 104, and the cooling water as the FC-side refrigerant are circulated. FC refrigerant pump (WP1) 108 is disposed for this purpose. The cooling water flowing through the main cooling flow path 84 circulates between the radiator 100 and the fuel cell stack 22, the heat of the fuel cell stack 22 whose temperature has risen is carried away by the cooling water, cooled by the radiator 100, and again the fuel cell. It has a function of returning to the stack 22.

主冷却流路84の燃料電池スタック22の出口側には、FC側冷媒の温度である冷却水温度を検出するためのFC冷媒温度検出手段として、FC冷却水温度計112が設けられる。FC冷却水温度計112の検出データは、協調冷却制御部150に伝送される。   An FC cooling water thermometer 112 is provided on the outlet side of the fuel cell stack 22 in the main cooling flow path 84 as FC refrigerant temperature detecting means for detecting the cooling water temperature that is the temperature of the FC side refrigerant. Detection data of the FC cooling water thermometer 112 is transmitted to the cooperative cooling control unit 150.

なお、加湿器54は、上記のように燃料電池スタック22のカソード側に酸化ガスを供給するガス入口及びガス出口に対し並列に配置されるが、主冷却流路84の冷却水は加湿器54を通らない。すなわち、加湿器54は、主冷却流路84の冷却水によっては冷却されない。もっとも、加湿器54に冷却が必要な場合等において、主冷却流路84を加湿器54の中を通過させ、主冷却流路84の冷却水によって加湿器との間で熱交換を行うものとしてもよい。   The humidifier 54 is arranged in parallel to the gas inlet and the gas outlet for supplying the oxidizing gas to the cathode side of the fuel cell stack 22 as described above, but the cooling water in the main cooling flow path 84 is supplied from the humidifier 54. Do not pass. That is, the humidifier 54 is not cooled by the cooling water in the main cooling channel 84. Of course, when the humidifier 54 needs to be cooled, the main cooling channel 84 is passed through the humidifier 54, and heat is exchanged with the humidifier by the cooling water of the main cooling channel 84. Also good.

ACP48のための分流冷却流路86は、主冷却流路84に並列に配置される。そして、主冷却流路84の冷却水が燃料電池スタック22からラジエータ100に向かって戻される排出側流路から冷却水が取り入れられ、主冷却流路84の冷却水がラジエータ100から燃料電池スタック22に向かって流れる供給側流路に分流された冷却水が戻される。分流冷却流路86は、ACP48のモータ50側から第2熱交換器110に入り、そこで、ACP48から加湿器54及び燃料電池スタック22に供給される圧縮酸化ガスが流れる酸化ガス経路66に対しても熱交換を行い、その後主冷却流路84に戻される。したがって、第2熱交換器110は、酸化ガスの温度を調整する機能を有する。従来、この機能は、インタクーラと呼ばれる独立の冷却系で実行されているが、図2の構成では、この従来のインタクーラの機能を、ラジエータ100から燃料電池スタック22に至る冷却系と冷却水を共通化して統合する形態となっている。   A shunt cooling channel 86 for the ACP 48 is arranged in parallel with the main cooling channel 84. Then, the cooling water is taken in from the discharge-side flow path in which the cooling water in the main cooling flow path 84 is returned from the fuel cell stack 22 toward the radiator 100, and the cooling water in the main cooling flow path 84 is transferred from the radiator 100 to the fuel cell stack 22. The cooling water that has been diverted to the supply-side flow path that flows toward is returned. The shunt cooling flow path 86 enters the second heat exchanger 110 from the motor 50 side of the ACP 48, where the compressed oxidizing gas supplied from the ACP 48 to the humidifier 54 and the fuel cell stack 22 flows to the oxidizing gas path 66. Heat exchange is then performed and then returned to the main cooling channel 84. Therefore, the second heat exchanger 110 has a function of adjusting the temperature of the oxidizing gas. Conventionally, this function is executed by an independent cooling system called an intercooler. However, in the configuration of FIG. 2, this conventional intercooler function is shared by the cooling system from the radiator 100 to the fuel cell stack 22 and the cooling water. It has become a form to be integrated.

ここでFC冷媒ポンプ108は、主冷却流路84の供給側流路に設けられ、分流冷却流路86の冷却水戻し分流位置の下流側に設けられる。図2に即して述べれば、第2熱交換器110は、ラジエータ100の下流側であってFC冷媒ポンプ108の上流側から冷却水が取り入れられる。つまり、FC冷媒ポンプ108の上流側において冷却水が流れるものとして、ラジエータ100と第2熱交換器110があり、FC冷媒ポンプ108の下流側において冷却水が流れるものとして燃料電池スタック22がある。   Here, the FC refrigerant pump 108 is provided in the supply side flow path of the main cooling flow path 84, and is provided downstream of the cooling water return diversion position of the diversion cooling flow path 86. Referring to FIG. 2, the second heat exchanger 110 receives cooling water from the downstream side of the radiator 100 and the upstream side of the FC refrigerant pump 108. That is, the radiator 100 and the second heat exchanger 110 are provided as the coolant flows upstream of the FC refrigerant pump 108, and the fuel cell stack 22 is provided as the coolant flows downstream of the FC refrigerant pump 108.

したがって、この構成で、仮に空調のための分流冷却流路90を分離するものとすれば、(ラジエータ100を流れる冷却水量)+(第2熱交換器110を流れる冷却水量)=冷却水総量=(燃料電池スタック22を流れる冷却水量)となるので、燃料電池スタック22にかなり多くの冷却水量を供給できる。これにより、燃料電池スタック22の温度が高すぎるときは迅速にその熱をラジエータ100側に運び出すことができる。また、(ラジエータ100を流れる冷却水量)と(第2熱交換器110を流れる冷却水量)との比率も、これらの流路抵抗の比率等で定めることができ、あるいは、分流比率を制御する制御弁を用いて、これらを流れる冷却水量を定め、ラジエータ100と、第2熱交換器110とを協調的に作動させることができる。   Therefore, in this configuration, if the shunt cooling flow path 90 for air conditioning is separated, (the amount of cooling water flowing through the radiator 100) + (the amount of cooling water flowing through the second heat exchanger 110) = the total amount of cooling water = Therefore, a considerably large amount of cooling water can be supplied to the fuel cell stack 22. As a result, when the temperature of the fuel cell stack 22 is too high, the heat can be quickly carried out to the radiator 100 side. Further, the ratio of (the amount of cooling water flowing through the radiator 100) and (the amount of cooling water flowing through the second heat exchanger 110) can also be determined by the ratio of these flow path resistances, or the control for controlling the diversion ratio. Using the valves, the amount of cooling water flowing through these can be determined, and the radiator 100 and the second heat exchanger 110 can be operated cooperatively.

また、分流冷却流路86が主冷却流路84と並列に設けられるので、第2熱交換器110から排出される冷却水の温度と、燃料電池スタック22から排出される冷却水の温度との差を少なくすることができる。前者は、加湿器54の酸化ガス入口側の酸化ガス温度を規定し、後者は、加湿器54の酸化ガス出口の温度を規定するので、これにより、加湿器54のガス入口両端の温度差を少なくすることができ、中空糸構造のものを用いる場合でも両端温度差による損傷を抑制することができる。   Further, since the shunt cooling flow path 86 is provided in parallel with the main cooling flow path 84, the temperature of the cooling water discharged from the second heat exchanger 110 and the temperature of the cooling water discharged from the fuel cell stack 22 are The difference can be reduced. The former defines the oxidizing gas temperature on the oxidizing gas inlet side of the humidifier 54, and the latter defines the temperature of the oxidizing gas outlet of the humidifier 54, so that the temperature difference between both ends of the gas inlet of the humidifier 54 is determined. Even when a hollow fiber structure is used, damage due to temperature differences at both ends can be suppressed.

図2の協調冷却システム本体部82においては、ACP48のための分流冷却流路86に加えてさらに、空調のための分流冷却流路90が設けられている。空調のための分流冷却流路90には、上記のようにAC循環流路を構成するものであるが、その経路の中に2つの熱交換器と、AC側冷媒を循環させるAC冷媒ポンプ(WP2)126とを含む。2つの熱交換器の1つは、ヒートコア120であり、他の1つはAC熱交換器124である。そして、AC循環流路である分流冷却流路90は、この2つの熱交換器が配置される流路と、その流路の両端を接続する流路とから構成される。前者をAC熱交換流路94とよび、後者を接続流路92と呼ぶことにする。   In the cooperative cooling system main body 82 of FIG. 2, in addition to the shunt cooling flow path 86 for the ACP 48, a shunt cooling flow path 90 for air conditioning is further provided. The shunt cooling flow path 90 for air conditioning constitutes an AC circulation flow path as described above, and includes two heat exchangers and an AC refrigerant pump that circulates the AC-side refrigerant in the path ( WP2) 126. One of the two heat exchangers is a heat core 120 and the other is an AC heat exchanger 124. And the shunt cooling flow path 90 which is AC circulation flow path is comprised from the flow path in which these two heat exchangers are arrange | positioned, and the flow path which connects the both ends of the flow path. The former is called an AC heat exchange flow path 94 and the latter is called a connection flow path 92.

AC熱交換流路94の両端はそれぞれ接続流路92に接続されるが、その2つの接続点と、FC循環流路との間は、それぞれ分岐流路85と、延長流路91とで接続される。そして、AC熱交換流路94と接続流路92と、FC循環流路からの分岐流路85の3つの流路が集まる接続点に、三方弁96が設けられる。なお、図2の例では、AC熱交換流路94と接続流路92と、FC循環流路への延長流路91の3つの流路が集まる接続点には三方弁が設けられていないが、場合によっては、ここにも三方弁を設けることができる。
三方弁96の作用については後述する。
Both ends of the AC heat exchange flow path 94 are connected to the connection flow path 92, and the two connection points and the FC circulation flow path are connected by the branch flow path 85 and the extension flow path 91, respectively. Is done. And the three-way valve 96 is provided in the connection point where three flow paths, the AC heat exchange flow path 94, the connection flow path 92, and the branch flow path 85 from the FC circulation flow path gather. In the example of FIG. 2, the three-way valve is not provided at the connection point where the three heat flow paths 94, the connection flow path 92, and the extension flow path 91 to the FC circulation flow path gather. In some cases, a three-way valve can also be provided here.
The operation of the three-way valve 96 will be described later.

ヒートコア120は、AC側冷媒である冷却水を流す管路部材で、その外側をブロワ122からの送風を流すことで、AC側冷媒と送風との間で熱交換を行うものである。例えば、AC側冷媒が暖かいときは、ブロワ122からの送風を暖め、これを車室内8に供給することで、車室内の暖房をすることができる。このように、ヒートコア120は温水の熱を利用して空調を行うもので、いわば、温水ヒータである。   The heat core 120 is a pipe member that flows cooling water, which is an AC-side refrigerant, and exchanges heat between the AC-side refrigerant and the air by flowing air from the blower 122 on the outside. For example, when the AC-side refrigerant is warm, the air from the blower 122 is warmed and supplied to the vehicle interior 8 to heat the vehicle interior. Thus, the heat core 120 performs air conditioning using the heat of hot water, so to speak, it is a hot water heater.

AC熱交換器124は、空調システム130の冷媒ガスとAC側冷媒である冷却水との間で熱交換を行うものである。空調システム130は、上記のように、炭酸ガス等の冷媒ガスの圧縮と蒸発のサイクルを行うヒートポンプ式のもので、膨張して低温化した冷媒ガスを用いて室内熱交換器138において室内空気との熱交換が行われ冷風が車室内に送り込まれ、一方で圧縮され高温化された冷媒ガスの廃熱が室外熱交換器134によって室外に放出される。図2では、空調システム130の構成要素として、冷媒ガスの圧縮を行うコンプレッサ(CP)132、室外熱交換器134、冷媒ガスを膨張させる膨張弁(EV)136、室内熱交換器138、室外熱交換器134における廃熱を外気に放出するためのファン140が示されている。そして、冷房要求があるとき、冷媒ガスは、コンプレッサ132とAC熱交換器124と室外熱交換器134と膨張弁136と室内熱交換器138とを結ぶ循環経路の中を循環する。AC熱交換器124の内部には、この空調システム130のガス冷媒と、冷却水とが流れるので、ガス冷媒と冷却水との間で熱交換を行うことができる。例えば熱いガス冷媒の熱を冷却水に与え、冷却水を暖めることができる。   The AC heat exchanger 124 performs heat exchange between the refrigerant gas of the air conditioning system 130 and the cooling water that is the AC-side refrigerant. As described above, the air conditioning system 130 is a heat pump type that performs a cycle of compression and evaporation of a refrigerant gas such as carbon dioxide gas, and the indoor heat exchanger 138 The cold air is sent into the passenger compartment and the waste heat of the compressed and heated refrigerant gas is released to the outside by the outdoor heat exchanger 134. In FIG. 2, as components of the air conditioning system 130, a compressor (CP) 132 that compresses refrigerant gas, an outdoor heat exchanger 134, an expansion valve (EV) 136 that expands refrigerant gas, an indoor heat exchanger 138, outdoor heat A fan 140 is shown for releasing waste heat in the exchanger 134 to the outside air. When there is a cooling request, the refrigerant gas circulates in a circulation path connecting the compressor 132, the AC heat exchanger 124, the outdoor heat exchanger 134, the expansion valve 136, and the indoor heat exchanger 138. Since the gas refrigerant of the air conditioning system 130 and the cooling water flow inside the AC heat exchanger 124, heat exchange can be performed between the gas refrigerant and the cooling water. For example, the heat of the hot gas refrigerant can be applied to the cooling water to warm the cooling water.

空調システム130に加えて、ヒートコア120とAC熱交換器124とを利用する空調は次のように行うことができる。ユーザ等から冷房要求があるときは、コンプレッサ132を駆動する。そして圧縮された冷媒ガスを膨張弁136で膨張させて低温化し、室内熱交換器138においてブロワ122からの送風と熱交換し、送風の熱を奪って冷風とし、車室内8に送り込む。ユーザ等から暖房要求があるときは、燃料電池スタック22によって暖められ主冷却流路84から分流してきた温水をヒートコア120に流し、ブロワ122からの送風を暖めて温風とし、車室内に送り込む。このとき、AC熱交換器124でも熱い冷媒ガスと冷却水との間で熱交換が行われ、冷却水が暖められるので、より、効果的に温風とすることができる。ユーザ等からドライ送風の要求があるときは、コンプレッサ132の駆動による室内熱交換器138における冷風と、ヒートコア120からの温風とを断続的に車室内に送込む。このように、燃料電池スタック22の廃熱、空調システム130の廃熱を利用し、電力を用いるヒータを設けることなく、冷房、暖房、ドライ送風を行うことができる。   In addition to the air conditioning system 130, air conditioning using the heat core 120 and the AC heat exchanger 124 can be performed as follows. When there is a cooling request from the user or the like, the compressor 132 is driven. Then, the compressed refrigerant gas is expanded by the expansion valve 136 to lower the temperature, and is exchanged with the blown air from the blower 122 in the indoor heat exchanger 138. The heat of the blown air is taken to cool air and is sent into the vehicle interior 8. When there is a heating request from a user or the like, warm water warmed by the fuel cell stack 22 and diverted from the main cooling flow path 84 is caused to flow to the heat core 120, and air blown from the blower 122 is warmed to warm air and sent into the passenger compartment. At this time, the AC heat exchanger 124 also performs heat exchange between the hot refrigerant gas and the cooling water, and the cooling water is warmed, so that the warm air can be more effectively generated. When a user or the like requests dry air blowing, the cool air in the indoor heat exchanger 138 driven by the compressor 132 and the warm air from the heat core 120 are intermittently sent into the vehicle interior. In this way, the waste heat of the fuel cell stack 22 and the waste heat of the air conditioning system 130 are used, and cooling, heating, and dry air blowing can be performed without providing a heater that uses electric power.

なお、図2で示すように、ブロワ122は、ヒートコア120の送風用と、空調システム130の室内熱交換器138の送風用とを兼ねることができる。ヒートコア120の温風と、室内熱交換器138の冷風とが干渉することを避けるために、ブロワ122の送風の向きを変更する送風方向切換機構148を設けることができる。送風方向切換機構148は、例えば、ヒートコア120のみを経由して車室内に送風する場合、室内熱交換器138のみを経由して車室内に送風する場合、ヒートコア120と室内熱交換器138の双方を経由して車室内に送風する場合、の間で切換を行うものとすることができる。また、ヒートコア120を経由せずに送風する場合に、ヒートコア120を経由した送風を車室外に放出するようにすることもできる。このような送風方向切換機構148は、例えば、送風流路を変更する弁、あるいは送風壁の移動機構等を用いることができる。   As shown in FIG. 2, the blower 122 can serve both for blowing the heat core 120 and blowing the indoor heat exchanger 138 of the air conditioning system 130. In order to avoid interference between the warm air of the heat core 120 and the cool air of the indoor heat exchanger 138, a blowing direction switching mechanism 148 that changes the direction of blowing of the blower 122 can be provided. For example, when the air blowing direction switching mechanism 148 blows air into the vehicle interior only through the heat core 120, or when air flows into the vehicle interior only through the indoor heat exchanger 138, both the heat core 120 and the indoor heat exchanger 138 are used. When the air is blown into the vehicle interior via, it can be switched between. In addition, when the air is blown without passing through the heat core 120, the air blown through the heat core 120 can be discharged outside the passenger compartment. As such a blowing direction switching mechanism 148, for example, a valve that changes the blowing passage, a moving mechanism of the blowing wall, or the like can be used.

図3は、送風方向切換機構148の詳細な構成と作用を示す図である。送風方向切換機構148は、ヒートコア120と室内熱交換器138との間に送風壁の移動機構を設け、送風壁を図示されていないアクチュエータによってその位置を変更するものである。必要があれば、室内熱交換器138の前にシャッタ機構139を設けてもよい。送風方向切換機構148の制御は、協調冷却制御部150によって行われ、その制御手順の詳細は後述する。   FIG. 3 is a diagram illustrating a detailed configuration and operation of the air blowing direction switching mechanism 148. The blowing direction switching mechanism 148 is provided with a ventilation wall moving mechanism between the heat core 120 and the indoor heat exchanger 138, and the position of the blowing wall is changed by an actuator (not shown). If necessary, a shutter mechanism 139 may be provided in front of the indoor heat exchanger 138. Control of the blowing direction switching mechanism 148 is performed by the cooperative cooling control unit 150, and details of the control procedure will be described later.

図3(a)は、送風方向切換機構148が、送風の向きをヒートコア120から室内熱交換器138の方となるように送風壁の位置を変更する場合である。ここでは、ブロワ122からの送風は、ヒートコア120と室内熱交換器138とを経由して暖められ、車室内8に送られるので、暖房モードと呼ぶことができる。例えば、空調が暖房要求またはドライ送風要求を受けるときは、この暖房モードの送風方向を用いることができる。   FIG. 3A shows a case where the air blowing direction switching mechanism 148 changes the position of the air blowing wall so that the direction of air blowing is from the heat core 120 toward the indoor heat exchanger 138. Here, since the air blown from the blower 122 is warmed through the heat core 120 and the indoor heat exchanger 138 and sent to the vehicle interior 8, it can be called a heating mode. For example, when the air conditioner receives a heating request or a dry blowing request, the blowing direction of the heating mode can be used.

図3(b)は、送風方向切換機構148が、送風の向きをヒートコア120から車室内8の方へ向かうように送風壁の位置を変更する場合である。ここでは、ブロワ122からの送風は、ヒートコア120を経由して暖められ、車室内8に送られるので、やはり暖房モードの1種であるが、ヒートポンプによる暖房を用いることなく、ヒートコア120からの温風のみで十分な暖房ができる場合である。   FIG. 3B shows a case where the air blowing direction switching mechanism 148 changes the position of the air blowing wall so that the direction of air blowing is directed from the heat core 120 toward the vehicle interior 8. Here, since the air blown from the blower 122 is warmed through the heat core 120 and sent to the vehicle interior 8, it is still one type of heating mode, but the temperature from the heat core 120 is not used without heating by the heat pump. This is the case when sufficient heating can be achieved with only wind.

図3(c)は、送風方向切換機構148が、送風の向きをヒートコア120から車室外9の方へ向かうように送風壁の位置を変更する場合である。ここでは、ヒートコア120が放熱器として用いられ、ヒートコア120の熱がブロワ122からの送風によって奪われて、車室外9に放出されるので、放熱モードと呼ぶことができる。例えば、車室内8は暖房を必要としないとき等で、ヒートコア120から冷却水の熱を放熱したい場合に、この放熱モードの送風方向を用いることができる。   FIG. 3C shows a case where the air blowing direction switching mechanism 148 changes the position of the air blowing wall so that the direction of air blowing is directed from the heat core 120 toward the outside 9 of the passenger compartment. Here, the heat core 120 is used as a radiator, and the heat of the heat core 120 is taken away by the air blown from the blower 122 and released to the outside 9 of the passenger compartment. For example, when the vehicle interior 8 does not need heating, and when it is desired to dissipate the heat of the cooling water from the heat core 120, the air blowing direction in the heat dissipation mode can be used.

再び図2に戻り、空調システム130の室外熱交換器134のためのファン140は、FC循環流路のためのラジエータ100に用いられるファン102と兼用するものとすることができる。あるいは、ファン140とファン102とを同じ領域に並べ、共にラジエータ100と室外熱交換器134とを送風するものとすることができる。この配置をとるときは、燃料電池スタック22の運転状況、空調システム130の運転状況に応じて、送風量を加減することができる。例えば、ファン102、ファン140を共に駆動して、送風量を最大にし、またはいずれか一方を駆動して送風量を少なくして燃費を向上させ、また、車両が走行中で、走行風を利用することができる場合に、いずれのファンも駆動を停止するものとすることができる。   Returning to FIG. 2 again, the fan 140 for the outdoor heat exchanger 134 of the air conditioning system 130 can also be used as the fan 102 used in the radiator 100 for the FC circulation flow path. Alternatively, the fan 140 and the fan 102 can be arranged in the same region, and both the radiator 100 and the outdoor heat exchanger 134 can be blown. When this arrangement is adopted, the amount of blown air can be adjusted according to the operating status of the fuel cell stack 22 and the operating status of the air conditioning system 130. For example, both the fan 102 and the fan 140 are driven to maximize the amount of air flow, or one of them is driven to reduce the amount of air flow to improve fuel efficiency. Any fan can stop driving if it can.

三方弁96は、協調冷却制御部150の制御の下で、その接続の仕方が変更される制御弁である。上記のように、三方弁96は、AC熱交換流路94の一方端と、接続流路92の一方端と、主冷却流路84から分岐した分岐流路85と、3つの流路が集まる合流点に設けられる。三方弁96の接続の制御は、燃料電池スタック22の運転状況、空調システム130の運転状況等に基づき、次の2つの状態を切り換えることで行われる。   The three-way valve 96 is a control valve whose connection is changed under the control of the cooperative cooling control unit 150. As described above, the three-way valve 96 gathers three flow paths, one end of the AC heat exchange flow path 94, one end of the connection flow path 92, the branch flow path 85 branched from the main cooling flow path 84. Provided at the junction. The control of the connection of the three-way valve 96 is performed by switching between the following two states based on the operating status of the fuel cell stack 22, the operating status of the air conditioning system 130, and the like.

1つは、FC循環流路の主冷却流路84と、AC循環流路である分流冷却流路90とを遮断する遮断状態である。もう1つは、AC循環流路の接続流路92を開放し、AC熱交換流路94をFC循環流路に並列に連結してFC側冷媒とAC側冷媒とを共通化する連結状態である。具体的には、三方弁96の流れる向きを、接続流路92とAC熱交換流路94とを接続し、分岐流路85とは接続しないようにするときが遮断状態である。また、AC熱交換流路94と分岐流路85とを接続し、接続流路92を接続しないようにするときが連結状態である。   One is a blocking state in which the main cooling channel 84 of the FC circulation channel and the shunt cooling channel 90 which is the AC circulation channel are blocked. The other is a connection state in which the connection flow path 92 of the AC circulation flow path is opened and the AC heat exchange flow path 94 is connected in parallel to the FC circulation flow path to share the FC side refrigerant and the AC side refrigerant. is there. Specifically, the flow direction of the three-way valve 96 is a blocking state when the connection channel 92 and the AC heat exchange channel 94 are connected and not connected to the branch channel 85. The AC heat exchange flow path 94 and the branch flow path 85 are connected and the connection flow path 92 is not connected is in a connected state.

図3に遮断状態、図4に連結状態の様子を示す。遮断状態においては、燃料電池スタック22側の冷却水が循環するFC循環流路と、空調側の冷却水が循環するAC循環流路との間が完全に遮断され、FC循環流路とAC循環流路とが完全に分離される。FC循環流路には、燃料電池スタック22とラジエータ100との間をFC冷媒ポンプ108によって、FC側冷媒である冷却水が循環する。そして、ACP48のための分流冷却流路86が、主冷却流路84に並列に設けられる。AC循環流路は、三方弁96によって接続流路92とAC熱交換流路94とが接続され、ヒートコア120とAC熱交換器124とを通って、AC側冷媒である冷却水がAC冷媒ポンプ126によって循環する。   FIG. 3 shows the shut-off state, and FIG. 4 shows the connected state. In the shut-off state, the FC circulation passage through which the cooling water on the fuel cell stack 22 circulates and the AC circulation passage through which the cooling water on the air conditioning side circulates are completely cut off. The flow path is completely separated. In the FC circulation flow path, the coolant that is the FC-side refrigerant circulates between the fuel cell stack 22 and the radiator 100 by the FC refrigerant pump 108. A shunt cooling channel 86 for the ACP 48 is provided in parallel with the main cooling channel 84. In the AC circulation flow path, the connection flow path 92 and the AC heat exchange flow path 94 are connected by a three-way valve 96, and the cooling water, which is the AC-side refrigerant, passes through the heat core 120 and the AC heat exchanger 124. Circulate by 126.

図4に示されるように、連結状態においては、FC循環流路にAC循環流路が並列に連結される。すなわち、FC循環流路の主冷却流路84において、ラジエータ100の上流側であって、燃料電池スタック22の下流側、FC冷却水温度計112の下流側のところから分岐流路85が分岐し、三方弁96によって、AC熱交換流路94の一端側と分岐流路85とが接続され、接続流路92が分離される。AC熱交換流路94の他端側は、延びて、FC循環流路の主冷却流路84に接続する延長流路91となる。延長流路91は、FC循環流路の主冷却流路84において、ラジエータ100の下流側、FC冷媒ポンプ108の下流側であって、燃料電池スタック22の上流側に接続される。したがって、連結状態においては、FC循環流路から取り入れられた冷却水が、分岐流路85、AC熱交換流路94、延長流路91を通って、AC冷媒ポンプ126、ヒートコア120、AC熱交換器124を流れながら、再びFC循環流路に戻される。   As shown in FIG. 4, in the connected state, the AC circulation channel is connected in parallel to the FC circulation channel. That is, in the main cooling flow path 84 of the FC circulation flow path, the branch flow path 85 is branched from the upstream side of the radiator 100, the downstream side of the fuel cell stack 22, and the downstream side of the FC cooling water thermometer 112. The one-way side of the AC heat exchange channel 94 and the branch channel 85 are connected by the three-way valve 96, and the connection channel 92 is separated. The other end side of the AC heat exchange flow path 94 extends and becomes an extended flow path 91 connected to the main cooling flow path 84 of the FC circulation flow path. The extension channel 91 is connected to the downstream side of the radiator 100 and the downstream side of the FC refrigerant pump 108 and the upstream side of the fuel cell stack 22 in the main cooling channel 84 of the FC circulation channel. Therefore, in the connected state, the cooling water taken from the FC circulation flow path passes through the branch flow path 85, the AC heat exchange flow path 94, and the extension flow path 91 to pass through the AC refrigerant pump 126, the heat core 120, and the AC heat exchange. While flowing through the vessel 124, it is returned to the FC circulation flow path again.

この連結状態における構成では、(ラジエータ100を流れる冷媒量)+(第2熱交換器110を流れる冷媒量)=冷媒総量=(燃料電池スタック22を流れる冷媒量)+(ヒートコア120、AC熱交換器124を流れる冷媒量)となるので、燃料電池スタック22に適当な冷媒量を供給しながら、空調のために冷媒を供給できる。   In this connected state, (amount of refrigerant flowing through radiator 100) + (amount of refrigerant flowing through second heat exchanger 110) = total amount of refrigerant = (amount of refrigerant flowing through fuel cell stack 22) + (heat core 120, AC heat exchange) Therefore, the refrigerant can be supplied for air conditioning while supplying an appropriate amount of refrigerant to the fuel cell stack 22.

すなわち、この構成により、燃料電池スタック22の運転によって暖められラジエータ100によって適当な温度に維持されて循環している冷媒である冷却水を空調のために供給できる。なお、燃料電池スタック22が十分暖まっていないときには、三方弁96を遮断状態にすることで、冷たい冷媒を空調側のAC循環流路に送り込まないようにできる。   That is, with this configuration, it is possible to supply cooling water, which is a coolant that is warmed by the operation of the fuel cell stack 22 and maintained at an appropriate temperature by the radiator 100 and circulated, for air conditioning. When the fuel cell stack 22 is not sufficiently warmed, the cold refrigerant can be prevented from being fed into the AC circulation channel on the air conditioning side by closing the three-way valve 96.

このように、燃料電池スタック22のためのFC循環流路と、車室空調のためのAC循環流路とについて冷媒を共通化し、燃料電池スタック22の温度と車室内温度とに応じて三方弁96の開閉を制御することで、燃料電池スタック22の冷却系と、車室空調系とを、協調的制御の下で統合することができる。   In this way, the refrigerant is shared between the FC circulation path for the fuel cell stack 22 and the AC circulation path for the passenger compartment air conditioning, and the three-way valve is set according to the temperature of the fuel cell stack 22 and the passenger compartment temperature. By controlling the opening and closing of 96, the cooling system of the fuel cell stack 22 and the passenger compartment air conditioning system can be integrated under cooperative control.

再び図2に戻り、協調冷却制御部150は、協調冷却システム本体部82の上記の各要素をシステム全体として制御するものである。かかる協調冷却制御部150はコンピュータで構成でき、上記のように、図1で説明した制御部70の機能と共に、燃料電池CPUのような1つのコンピュータとして構成できる。   Returning to FIG. 2 again, the cooperative cooling control unit 150 controls the above-described elements of the cooperative cooling system main body 82 as the entire system. The cooperative cooling control unit 150 can be configured by a computer, and as described above, can be configured as one computer such as a fuel cell CPU together with the function of the control unit 70 described in FIG.

協調冷却制御部150は、燃料電池スタック22の運転状況及び空調システム130の運転状況に応じて、燃料電池側の冷却水の循環と空調側の冷却水の循環とを、協調的に制御する機能を有する。特にここでは、協調冷却制御部150は、燃料電池スタック22の運転状況、空調システム130の運転状況に応じて、制御弁である三方弁96について、遮断状態と連結状態との間の切換制御を実行する遮断・連結切換モジュール152と、燃料電池スタック22の冷却水温度に基づいて、送風方向切換機構148の送風方向を切り換える送風方向切換モジュール154とを含んで構成される。これらの機能はソフトウェアで実現でき、具体的には、対応する燃料電池と空調の協調冷却プログラム等を実行することで実現できる。これらの機能の一部をハードウェアで実現することもできる。   The cooperative cooling control unit 150 functions to cooperatively control the circulation of the cooling water on the fuel cell side and the circulation of the cooling water on the air conditioning side in accordance with the operation state of the fuel cell stack 22 and the operation state of the air conditioning system 130. Have In particular, here, the cooperative cooling control unit 150 performs switching control between the shut-off state and the connected state for the three-way valve 96 that is a control valve in accordance with the operation state of the fuel cell stack 22 and the operation state of the air conditioning system 130. The shut-off / connection switching module 152 to be executed and the blowing direction switching module 154 for switching the blowing direction of the blowing direction switching mechanism 148 based on the cooling water temperature of the fuel cell stack 22 are configured. These functions can be realized by software, specifically, by executing a corresponding cooling program for the fuel cell and air conditioning. Some of these functions can also be realized by hardware.

上記構成の燃料電池と空調の協調冷却システム80の作用に付き、特に、送風方向切換モジュール154の機能について、図6を用いて説明する。なお、以下では、図1から図5における符号を用いて説明する。図6は、燃料電池と空調の協調冷却において、送風方向切換の手順を示すフローチャートである。これらの手順は、燃料電池と空調の協調冷却プログラムの各処理手順に対応する。   A function of the air blowing direction switching module 154 will be described with reference to FIG. In the following description, the reference numerals in FIGS. 1 to 5 are used. FIG. 6 is a flowchart showing a procedure for switching the blowing direction in the cooperative cooling of the fuel cell and the air conditioning. These procedures correspond to the respective processing procedures of the cooperative cooling program for the fuel cell and the air conditioning.

送風方向切換機構148は、上記のように、暖房モードと放熱モードの送風方向を有する。制御弁である三方弁96が遮断状態にあるときは、空調系の状況、すなわち冷房、暖房、ドライ送風の要求内容に応じて、2つの暖房モードと放熱モードの3つの送風方向の間で適切な空調となるように切換を実行することができる。   As described above, the air blowing direction switching mechanism 148 has the air blowing directions of the heating mode and the heat dissipation mode. When the three-way valve 96, which is a control valve, is in the shut-off state, it is appropriate between the three heating directions of the two heating modes and the heat dissipation mode depending on the condition of the air conditioning system, that is, the cooling, heating, and dry blowing requirements. Switching can be executed so as to achieve a proper air conditioning.

三方弁96が遮断状態にあるときは、FC冷媒ポンプ108によって燃料電池スタック22とラジエータ100との間でFC冷媒であるFC冷却水が循環され、燃料電池スタック22の温度が適切に維持される。しかし、ラジエータ100の放熱能力には限界があるので、その放熱能力を超えると、FC冷却水の温度が燃料電池スタック22の運転に適した温度を外れることが生じ得る。   When the three-way valve 96 is in the shut-off state, FC cooling water as FC refrigerant is circulated between the fuel cell stack 22 and the radiator 100 by the FC refrigerant pump 108, and the temperature of the fuel cell stack 22 is appropriately maintained. . However, since the heat dissipation capability of the radiator 100 is limited, if the heat dissipation capability is exceeded, the temperature of the FC cooling water may deviate from the temperature suitable for the operation of the fuel cell stack 22.

そこで、図6に示されるように、FC冷却水温度計112によって検出されるFC冷却水温度θFCが予め定めた閾値水温θHを超えるか否かが判断される(S10)。閾値水温θHは、ラジエータ100の放熱能力、FC冷媒ポンプ108の吐出能力等により、FC循環流路とAC循環流路とを連結してヒートコア120の放熱能力を用いるほうがよい、とされる温度に設定される。たとえば、θFC=75℃程度とすることができる。 Therefore, as shown in FIG. 6, it is determined whether or not the FC cooling water temperature θ FC detected by the FC cooling water thermometer 112 exceeds a predetermined threshold water temperature θ H (S10). The threshold water temperature θ H is a temperature at which it is better to use the heat dissipation capacity of the heat core 120 by connecting the FC circulation path and the AC circulation path, depending on the heat dissipation capacity of the radiator 100, the discharge capacity of the FC refrigerant pump 108, and the like. Set to For example, θ FC can be set to about 75 ° C.

S10において判断が肯定されるとS12に進み、制御弁である三方弁96が連結状態とされる(S12)。これにより、高温のFC冷却水が分岐流路85を経由してAC循環流路に分流される。この機能は、協調冷却制御部150の遮断・連結切換モジュール152によって実行される。   If the determination is affirmed in S10, the process proceeds to S12, and the three-way valve 96, which is a control valve, is connected (S12). As a result, the high-temperature FC cooling water is diverted to the AC circulation channel via the branch channel 85. This function is executed by the cutoff / connection switching module 152 of the cooperative cooling control unit 150.

そして、空調系において冷房要求があるか否かが判断される(S14)。冷房要求がある場合は、ヒートコア120によって放熱された送風を車室内8に送り込めないので、送風方向切換機構148に指令を出し、ブロワ122の風向を車室外9へ向けさせる放熱モードの送風方向とする(S16)。放熱モードの送風方向は、図3(c)で説明した方向である。これにより、FC循環流路から分流されてきた高温の冷却水の熱がヒートコア120においてブロワ122の送風によって奪われ、放熱して温度が低下する。温度が低下した冷却水は、延長流路91を経由して再びFC循環流路に戻され、FC循環流路を流れる冷却水の温度を全体として下げる働きをする。このようにして、ヒートコア120を、燃料電池スタック22の冷却水に対する放熱器として、既にあるラジエータ100の働きを補う第2ラジエータとして利用することができる。   Then, it is determined whether or not there is a cooling request in the air conditioning system (S14). When there is a cooling request, since the air radiated by the heat core 120 cannot be sent to the vehicle interior 8, a command is sent to the air flow direction switching mechanism 148, and the air blowing direction in the heat dissipation mode that directs the air direction of the blower 122 toward the outside 9 of the vehicle interior (S16). The air blowing direction in the heat dissipation mode is the direction described with reference to FIG. As a result, the heat of the high-temperature cooling water that has been diverted from the FC circulation channel is taken away by the blower 122 in the heat core 120, dissipates heat, and the temperature decreases. The cooling water whose temperature has decreased is returned to the FC circulation channel again via the extension channel 91, and acts to lower the temperature of the cooling water flowing through the FC circulation channel as a whole. In this manner, the heat core 120 can be used as a second radiator that supplements the function of the existing radiator 100 as a radiator for the cooling water of the fuel cell stack 22.

S14において冷房要求があると判断されない場合は、ヒートコア120によって放熱された送風を車室内8に送り込むことができるので、送風方向切換機構148に指令を出し、ブロワ122の風向を車室内8へ向けさせる暖房モードの送風方向とする(S18)。暖房モードの送風方向は、図3(a),(b)で説明した方向である。これにより、FC循環流路から分流されてきた高温の冷却水の熱がヒートコア120においてブロワ122の送風との間で熱交換され、暖められた風が車室内8に送込まれる。これとともに、FC循環流路から分流されてきた高温の冷却水の熱がヒートコア120において奪われ、放熱して温度が低下する。温度が低下した冷却水は、延長流路91を経由して再びFC循環流路に戻され、FC循環流路を流れる冷却水の温度を全体として下げる働きをする。この場合でも、ヒートコア120は、燃料電池スタック22の冷却水に対する放熱器として働く。   If it is not determined that there is a cooling request in S14, the air radiated by the heat core 120 can be sent into the vehicle interior 8, so a command is issued to the air flow direction switching mechanism 148 and the air direction of the blower 122 is directed toward the vehicle interior 8. The air blowing direction in the heating mode is set (S18). The air blowing direction in the heating mode is the direction described with reference to FIGS. As a result, the heat of the high-temperature cooling water that has been diverted from the FC circulation channel is heat-exchanged with the blower 122 in the heat core 120, and the warmed wind is sent into the vehicle interior 8. At the same time, the heat of the high-temperature cooling water that has been diverted from the FC circulation channel is taken away by the heat core 120, and the heat is dissipated to lower the temperature. The cooling water whose temperature has decreased is returned to the FC circulation channel again via the extension channel 91, and acts to lower the temperature of the cooling water flowing through the FC circulation channel as a whole. Even in this case, the heat core 120 functions as a radiator for the cooling water of the fuel cell stack 22.

このように、空調側の暖房要求の有無に関らず、燃料電池側冷媒の温度に応じて、遮断状態から連結状態に切り換え、ヒートコアを介して燃料電池側冷媒の熱を放熱させることで、燃料電池側冷媒の温度を適切な範囲に低下させることができる。また、その際、ヒートコアと熱交換した後の送風の方向を、車室内と車室外とに切り換えることで、空調系の要求と、冷却水の放熱とを両立させることができる。   In this way, regardless of whether there is a heating request on the air conditioning side, according to the temperature of the fuel cell side refrigerant, switching from the cut-off state to the connected state, by dissipating the heat of the fuel cell side refrigerant through the heat core, The temperature of the fuel cell side refrigerant can be lowered to an appropriate range. Further, at that time, by switching the direction of the air blow after heat exchange with the heat core between the vehicle interior and the exterior of the vehicle interior, it is possible to satisfy both the requirements of the air conditioning system and the heat radiation of the cooling water.

本発明に係る実施の形態における燃料電池と空調の協調冷却システムが適用される燃料電池運転システムの構成図である。1 is a configuration diagram of a fuel cell operation system to which a cooperative cooling system of a fuel cell and an air conditioner according to an embodiment of the present invention is applied. 本発明に係る実施の形態において、燃料電池と空調の協調冷却システムの構成を示す図である。In embodiment which concerns on this invention, it is a figure which shows the structure of the coordinated cooling system of a fuel cell and an air conditioning. 本発明に係る実施の形態において、送風方向切換機能の構成と作用を説明する図である。In embodiment which concerns on this invention, it is a figure explaining the structure and effect | action of a ventilation direction switching function. 本発明に係る実施の形態において、三方弁が遮断状態のときの協調冷却システム本体部の様子を示す図である。In embodiment which concerns on this invention, it is a figure which shows the mode of the cooperative cooling system main-body part when a three-way valve is the interruption | blocking state. 本発明に係る実施の形態において、三方弁が連結状態のときの協調冷却システム本体部の様子を示す図である。In embodiment which concerns on this invention, it is a figure which shows the mode of the cooperative cooling system main-body part when a three-way valve is a connection state. 本発明に係る実施の形態において、送風方向切換による燃料電池と空調の協調冷却の手順を示すフローチャートである。In embodiment which concerns on this invention, it is a flowchart which shows the procedure of the coordinated cooling of the fuel cell and air conditioning by ventilation direction switching.

符号の説明Explanation of symbols

8 車室内、9 車室外、10 燃料電池運転システム、20 運転システム本体部、22 燃料電池スタック、24 水素ガス源、26 レギュレータ、28 圧力計、30 循環昇圧器、32 分流器、34 排気バルブ、40 酸化ガス源、42 フィルタ、44 流量計、46 酸化ガス温度計、48 ACP、50 モータ、52 ACP消費電力検出部、54 加湿器、56 圧力計、60 調圧弁、64 希釈器、66 酸化ガス経路、68 FC発電電力検出部、70 制御部、80 協調冷却システム、82 協調冷却システム本体部、84 主冷却流路、85 分岐流路、86,90 分流冷却流路、91 延長流路、92 接続流路、94 AC熱交換流路、96,106 三方弁、100 ラジエータ、102,140 ファン、104 ヒータ、106 三方弁、108 FC冷媒ポンプ、110 第2熱交換器、112 FC冷却水温度計、120 ヒートコア、122 ブロワ、124 AC熱交換器、126 AC冷媒ポンプ、130 空調システム、132 コンプレッサ、134 室外熱交換器、136 膨張弁、138 室内熱交換器、148 送風方向切換機構、149 シャッタ機構、150 協調冷却制御部、152 遮断・連結切換モジュール、154 送風方向切換モジュール。   8 Vehicle interior, 9 Outside vehicle compartment, 10 Fuel cell operation system, 20 Operation system main body, 22 Fuel cell stack, 24 Hydrogen gas source, 26 Regulator, 28 Pressure gauge, 30 Circulation booster, 32 Shunt, 34 Exhaust valve, 40 Oxidizing gas source, 42 Filter, 44 Flow meter, 46 Oxidizing gas thermometer, 48 ACP, 50 Motor, 52 ACP power consumption detector, 54 Humidifier, 56 Pressure gauge, 60 Pressure regulating valve, 64 Diluter, 66 Oxidizing gas Path, 68 FC generated power detection section, 70 control section, 80 cooperative cooling system, 82 cooperative cooling system main body section, 84 main cooling flow path, 85 branch flow path, 86, 90 branch flow cooling flow path, 91 extension flow path, 92 Connection flow path, 94 AC heat exchange flow path, 96,106 Three-way valve, 100 Radiator, 102,140 Fan, 104 106, three-way valve, 108 FC refrigerant pump, 110 second heat exchanger, 112 FC cooling water thermometer, 120 heat core, 122 blower, 124 AC heat exchanger, 126 AC refrigerant pump, 130 air conditioning system, 132 compressor, 134 Outdoor heat exchanger, 136 expansion valve, 138 indoor heat exchanger, 148 air blowing direction switching mechanism, 149 shutter mechanism, 150 cooperative cooling control unit, 152 shut-off / connection switching module, 154 air blowing direction switching module.

Claims (3)

燃料電池冷却系と空調冷却系との間で冷媒を共通化して協調制御を行う協調冷却システムであって、
燃料電池スタックとラジエータとの間で冷媒を循環させる燃料電池側循環流路と、
冷媒を流して送風との間で熱交換するヒートコアを配置する空調側熱交換流路、及び空調側熱交換流路の両端を接続する接続流路を有する空調側循環流路と、
燃料電池側循環流路と空調側循環流路との間に設けられる制御弁であって、燃料電池側循環流路と空調側循環流路とを遮断する遮断状態と、空調側循環流路の接続流路を開放して空調側熱交換流路を燃料電池側循環流路に並列に連結して燃料電池側冷媒と空調側冷媒とを共通化する連結状態との間を切り換える制御弁と、
ヒートコアと熱交換した後の送風の方向を、室内と室外とに切り換える送風切換手段と、
を備え
制御弁は、空調側の暖房要求の有無に関らず、燃料電池側冷媒の温度に応じて、燃料電池側循環流路と空調側循環流路との間を遮断状態から連結状態に切り換え、ヒートコアを介して燃料電池側冷媒の熱を放熱させ、
制御弁によって燃料電池側循環流路と空調側循環流路との間が遮断状態から連結状態に切り換えられた際に、空調側の冷房要求があるときには、送風切換手段は、送風の方向を室外に切り換えて、ヒートコアを介して燃料電池側冷媒の熱を外気に放熱させることを特徴とする燃料電池及び空調の協調冷却システム。
A cooperative cooling system that performs cooperative control by sharing a refrigerant between a fuel cell cooling system and an air conditioning cooling system,
A fuel cell side circulation passage for circulating a refrigerant between the fuel cell stack and the radiator;
An air conditioning side heat exchange channel in which a heat core for exchanging heat between the refrigerant and the air flow is disposed , and an air conditioning side circulation channel having a connection channel connecting both ends of the air conditioning side heat exchange channel;
A control valve provided between the fuel cell side circulation flow path and the air-conditioning-side circulation flow path, a cut-off state in which the fuel cell-side circulating passage and the air conditioning side circulation flow passage, the air conditioning-side circulating passage A control valve for switching between a connection state in which the fuel cell side refrigerant and the air conditioning side refrigerant are shared by opening the connection flow path and connecting the air conditioning side heat exchange flow path in parallel to the fuel cell side circulation flow path ,
A ventilation switching means for switching the direction of ventilation after heat exchange with the heat core between indoors and outdoors,
Equipped with a,
Regardless of whether there is a heating request on the air conditioning side, the control valve switches between the fuel cell side circulation channel and the air conditioning side circulation channel from the cutoff state to the connected state according to the temperature of the fuel cell side refrigerant, The heat of the fuel cell side refrigerant is dissipated through the heat core,
When the control valve switches between the fuel cell side circulation channel and the air conditioning side circulation channel from the shut-off state to the connected state, and there is a cooling request on the air conditioning side, the air blowing switching means switched, the fuel cell and the air conditioning cooperative cooling system, characterized in Rukoto heat of the fuel cell-side refrigerant is radiated to the outside air through the heat core to.
請求項1に記載の燃料電池及び空調の協調冷却システムにおいて、
制御弁によって燃料電池側循環流路と空調側循環流路との間が遮断状態から連結状態に切り換えられた際に、空調側の冷房要求がないときには、送風切換手段は、送風の方向を室内に切り換えて、ヒートコアを介して燃料電池側冷媒の熱を室内に放熱させることを特徴とする燃料電池及び空調の協調冷却システム。
The fuel cell and air conditioning cooperative cooling system according to claim 1,
When the control valve is switched from the shut-off state to the connected state between the fuel cell side circulation channel and the air conditioning side circulation channel, if there is no cooling request on the air conditioning side, the air blowing switching means the switching, the fuel cell and the air conditioning cooperative cooling system, characterized in that to dissipate the heat of the fuel cell side refrigerant into the room through the heat core.
請求項に記載の燃料電池及び空調の協調冷却システムにおいて、
制御弁は、前記燃料電池側循環流路からの分岐流路と前記空調側熱交換流路と前記接続流路の3つの流路が集まる接続点に設けられる三方弁であることを特徴とする燃料電池及び空調の協調冷却システム。
The fuel cell and air conditioning cooperative cooling system according to claim 1 ,
Control valve, and wherein the three-way valve der Rukoto provided three flow paths gather connection points of the branch flow path and said air-conditioning-side heat exchange passage the connecting flow path from the fuel cell-side circulating passage Coordinated cooling system for fuel cell and air conditioning.
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