JP5074669B2 - Fuel cell system - Google Patents

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Description

本発明は、起動時等の低温時に好適な運転が可能な燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system that can be suitably operated at a low temperature such as at the time of startup.

燃料電池は、暖機前の低温時に運転特性が低いため、低温始動性能を向上させる工夫が望まれる。低温始動性能や再起動性能を向上させるためのシステムとして、例えば、特開2004−39524号公報には、大容量燃料電池と小容量燃料電池とを直列に配置するものが提案されていた。この装置では、起動時に小容量燃料電池のみを発電させ、大容量燃料電池からの空気と小容量燃料電池からの余剰の水素を燃焼器に供給して燃焼させ、この燃焼ガスを小容量燃料電池の空気極に導くように構成した燃料電池発電装置が提案されていた(特許文献1)。この従来の装置では、低温始動時に水素を燃焼させることで水分を含む燃焼ガスを小容量燃料電池に供給するため、小容量燃料電池の暖機運転が効率よく行われ、この結果システムの起動時間が短縮できるものとされていた。
特開2004−39524号公報(0008、0009) 特開2003−288911号公報
Since the fuel cell has low operating characteristics at a low temperature before warm-up, a device for improving the low-temperature starting performance is desired. As a system for improving the cold start performance and the restart performance, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-39524 proposes a system in which a large capacity fuel cell and a small capacity fuel cell are arranged in series. In this device, only a small-capacity fuel cell is generated at startup, air from the large-capacity fuel cell and surplus hydrogen from the small-capacity fuel cell are supplied to the combustor and burned, and the combustion gas is discharged into the small-capacity fuel cell. There has been proposed a fuel cell power generator configured to lead to the air electrode (Patent Document 1). In this conventional apparatus, combustion gas containing moisture is supplied to the small-capacity fuel cell by burning hydrogen at the low-temperature start, so that the small-capacity fuel cell is efficiently warmed up. Was supposed to be shortened.
JP 2004-39524 A (0008, 0009) JP 2003-288911 A

しかしながら、上記従来の燃料電池発電装置では、小容量燃料電池の温度対出力の特性について特に考慮されていなかった。この燃料電池発電装置では、大容量燃料電池と小容量燃料電池との間で温度対出力特性は同じとして取り扱っていると推察される。例えば、さらに燃焼器を設け、水素を燃焼させてその燃焼ガスを供給して小容量燃料電池を加熱するという加熱処理を必要としているからである。そして、この従来型の燃料電池発電装置では、小容量燃料電池が暖機される前の始動直後には小容量燃料電池が十分な効率で動作をしていないため、低い発電量しか得られていなかった。このため、従来の燃料電池発電装置の低温始動特性にはまだ改善の余地があったのである。   However, in the conventional fuel cell power generator, temperature vs. output characteristics of the small capacity fuel cell are not particularly considered. In this fuel cell power generator, it is presumed that the large-capacity fuel cell and the small-capacity fuel cell are treated as having the same temperature versus output characteristics. This is because, for example, a heat treatment is required in which a combustor is further provided, hydrogen is burned and the combustion gas is supplied to heat the small-capacity fuel cell. In this conventional fuel cell power generation apparatus, since the small capacity fuel cell is not operating with sufficient efficiency immediately after the start before the small capacity fuel cell is warmed up, only a low power generation amount is obtained. There wasn't. For this reason, there is still room for improvement in the low-temperature starting characteristics of the conventional fuel cell power generator.

そこで、本発明は、低温時に比較的高い出力で発電可能な燃料電池システムを提供することを課題とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of generating power with a relatively high output at low temperatures.

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、互いに異なる温度対出力特性を有する複数の燃料電池と、始動時に、複数の燃料電池のうち、より低い温度側で効率的に発電する温度対出力特性を有する燃料電池を選択して発電させる制御装置と、を備える。   In order to solve the above problems, a fuel cell system according to the present invention efficiently generates power at a lower temperature side among a plurality of fuel cells having different temperature-to-output characteristics and a plurality of fuel cells at the time of starting. And a control device that generates power by selecting a fuel cell having temperature vs. output characteristics.

また、本発明の燃料電池システムは、互いに異なる温度対出力特性を有する複数の燃料電池と、複数の燃料電池の各々を冷却するための冷媒が循環する複数の冷却経路と、冷媒を循環させる強制循環装置と、冷媒の温度を検出する温度検出装置と、温度検出装置により検出された冷媒の温度が所定の温度より低い場合に、複数の燃料電池のうち、より低い温度側で効率的に発電する温度対出力特性を有する燃料電池を選択して発電させる制御装置と、を備え、それぞれの冷却経路は一部に共通の冷却経路が形成されており、強制循環装置は、共通の冷却経路に設けられている。 The fuel cell system of the present invention includes a plurality of fuel cells having different temperature-to-output characteristics, a plurality of cooling paths through which a refrigerant for cooling each of the plurality of fuel cells circulates, and a forced circulation of the refrigerant. a circulation device, a temperature detection device for detecting the temperature of the refrigerant, when the temperature of the refrigerant detected by the temperature detector is lower than a predetermined temperature, among the plurality of fuel cells, efficient power generation at a lower temperature side a control device for power generation by selecting a fuel cell having a temperature versus output characteristic which includes a respective cooling path is common cooling path part is formed, the forced circulation device, the common cooling path Is provided.

本発明の構成によれば、複数の燃料電池には異なる温度−出力特性を有するように調整されている。そして、温度が所定の温度より低い場合、例えば、始動時や再起動時の暖機前の状態においても、低い温度で効率的に発電する温度−出力特性を備えた燃料電池が選択されて始動されるので、暖機前から選択された燃料電池における効率のよい運転が行われる。このため、暖機が全くされない状態でも相対的に高い出力が得られる。
また上記構成によれば、共通の冷却経路に強制循環装置を備えるので、相対的に低温で起動される燃料電池の運転により上昇した冷媒が、相対的に高い温度で高い効率を示す燃料電池に供給される。このため、相対的に高い温度で運転される燃料電池の暖機時間を短縮させることができる。また、共通の強制循環装置を備えるので、部品点数を削減可能である。
According to the configuration of the present invention, the plurality of fuel cells are adjusted to have different temperature-output characteristics. When the temperature is lower than a predetermined temperature, for example, even in a state before warming up at the time of starting or restarting, a fuel cell having a temperature-output characteristic that efficiently generates power at a low temperature is selected and started. Therefore, efficient operation in the fuel cell selected before warm-up is performed. For this reason, a relatively high output can be obtained even when the engine is not warmed up at all.
Further, according to the above configuration, since the forced circulation device is provided in the common cooling path, the refrigerant that has risen due to the operation of the fuel cell that is started at a relatively low temperature becomes a fuel cell that exhibits high efficiency at a relatively high temperature. Supplied. For this reason, the warm-up time of the fuel cell operated at a relatively high temperature can be shortened. In addition, since the common forced circulation device is provided, the number of parts can be reduced.

ここで、共通の冷却経路に、冷媒を加熱する加熱装置をさらに備えることは好ましい。相対的に高い温度で効率のよい燃料電池の適正運転温度が一定以上高い場合に、加熱装置により十分冷媒の温度を上げておくことで、一定以上高い温度で適正に運転される燃料電池の暖機時間であっても短縮させることが可能である。   Here, it is preferable to further include a heating device for heating the refrigerant in the common cooling path. If the proper operating temperature of a fuel cell that is efficient at a relatively high temperature is higher than a certain level, the temperature of the fuel cell that is properly operated at a temperature higher than a certain level can be increased by sufficiently raising the temperature of the refrigerant with a heating device. Even machine time can be reduced.

すなわち、より低い温度側で効率的に発電する燃料電池が運転している場合に、加熱装置により冷媒を加熱させることが好ましい。このように構成すれば、相対的に低い温度で効率的な燃料電池のみが運転されている間に冷媒温度を十分上げることが可能だからである。   That is, when the fuel cell that efficiently generates power at a lower temperature is operating, it is preferable to heat the refrigerant by the heating device. This is because it is possible to sufficiently raise the refrigerant temperature while only an efficient fuel cell is operated at a relatively low temperature.

本発明では、冷媒の温度が所定の温度より高くなった場合に、複数の燃料電池のうち、より高い温度側で効率的に発電する燃料電池を選択して発電させる。この構成によれば、冷媒の温度が十分上がってくれば、相対的に高い温度で効率的な燃料電池の適正運転温度範囲となるので、この相対的に高い温度で効率的な燃料電池に運転を切り替えることが適当だからである。   In the present invention, when the temperature of the refrigerant becomes higher than a predetermined temperature, a fuel cell that efficiently generates power on a higher temperature side is selected from the plurality of fuel cells to generate power. According to this configuration, if the temperature of the refrigerant is sufficiently increased, an appropriate fuel cell operating temperature range that is efficient at a relatively high temperature is obtained. It is because it is appropriate to switch.

ここで、冷媒の温度が、所定の温度範囲にある場合に、複数の燃料電池を同時に発電させるようにしてもよい。例えば、相対的に低い温度で効率的に発電する燃料電池が運転可能であって、かつ、相対的に高い温度で効率的に発電する燃料電池も動作可能な温度範囲になっていれば、双方を運転させることで、総合出力を上げることができ、また、冷媒温度も、より早く上昇させることが可能だからである。   Here, when the temperature of the refrigerant is within a predetermined temperature range, a plurality of fuel cells may generate power simultaneously. For example, if a fuel cell that efficiently generates electricity at a relatively low temperature can be operated and the fuel cell that efficiently generates electricity at a relatively high temperature falls within the operable temperature range, both This is because the total output can be increased by operating the engine, and the refrigerant temperature can be increased more quickly.

すなわち、このような燃料電池システムでは、冷媒の温度が第1の温度より低い場合に、より低い温度側で効率的に発電する燃料電池を運転させ、冷媒の温度が第1の温度より高い第2の温度以上である場合に、より高い温度側で効率的に発電する燃料電池を運転させ、冷媒の温度が第1の温度以上であって第2の温度より低い場合に、複数の燃料電池を共に運転させることとなる。   That is, in such a fuel cell system, when the temperature of the refrigerant is lower than the first temperature, the fuel cell that efficiently generates power on the lower temperature side is operated, and the temperature of the refrigerant is higher than the first temperature. A fuel cell that efficiently generates power on a higher temperature side when the temperature is equal to or higher than 2, and a plurality of fuel cells when the temperature of the refrigerant is equal to or higher than the first temperature and lower than the second temperature. Will be driven together.

また本発明の燃料電池システムは、所定の温度対出力特性を有する第1の燃料電池と、第1の燃料電池における所定の温度対出力特性に比べ、より低い温度側に出力の最大値がある第2の燃料電池と、第1の燃料電池または第2の燃料電池を冷却する冷媒の温度を測定する温度検出装置と、温度検出装置で検出された冷媒の温度が所定の温度より低い場合に、第2の燃料電池により優先的に発電させ、所定の温度より高い場合に第1の燃料電池により優先的に発電させる制御装置と、第1の燃料電池に冷媒を供給させる第1の冷却経路と、該第1の冷却経路と共通の冷媒を第2の燃料電池に供給させる第2の冷却経路と、第1の冷却経路と第2の冷却経路とを切り替える切換手段と、を備え、切換手段は、第2の燃料電池が発電している場合には第1の燃料電池および第2の燃料電池の双方に冷媒を供給させ、第1の燃料電池が発電している場合には第1の燃料電池に冷媒を供給させる。   The fuel cell system of the present invention has a maximum output value on the lower temperature side as compared with the first fuel cell having a predetermined temperature-to-output characteristic and the predetermined temperature-to-output characteristic in the first fuel cell. A second fuel cell, a temperature detection device that measures the temperature of a refrigerant that cools the first fuel cell or the second fuel cell, and a temperature of the refrigerant detected by the temperature detection device is lower than a predetermined temperature. A control device that preferentially generates power by the second fuel cell and preferentially generates power by the first fuel cell when the temperature is higher than a predetermined temperature, and a first cooling path that supplies refrigerant to the first fuel cell And a second cooling path for supplying the second fuel cell with a refrigerant common to the first cooling path, and a switching means for switching between the first cooling path and the second cooling path. If the second fuel cell is generating electricity It is to supply the refrigerant to both the first fuel cell and a second fuel cell, when the first fuel cell is generating is to supply the refrigerant to the first fuel cell.

具体的な本発明の実施例である。比較的低温時には、相対的に低い温度で動作可能な第2の燃料電池により発電を開始し、冷媒を加温しながら運転し、この冷媒の温度上昇により、第1の燃料電池が出力可能な温度になったら、該第1の燃料電池による運転に切り替えられる。このため、システムを迅速に起動し、その後温度に応じて大きな出力を取り出すことが可能である。   It is a specific embodiment of the present invention. When the temperature is relatively low, power generation is started by the second fuel cell that can operate at a relatively low temperature, the fuel cell is operated while the refrigerant is heated, and the first fuel cell can output due to the temperature rise of the refrigerant. When the temperature reaches, the operation is switched to the first fuel cell. For this reason, it is possible to start the system quickly and then to extract a large output according to the temperature.

本発明によれば、始動時等の低温時に、相対的に低い温度で効率的な温度対出力特性を備えた燃料電池が選択されるので、暖機前から出力の高い効率のよい運転が行われる。暖機が全くされない初期状態でも相対的に高い出力が得られる。   According to the present invention, a fuel cell having an efficient temperature-to-output characteristic is selected at a relatively low temperature at a low temperature such as at the time of start-up, so that an efficient operation with a high output can be performed before warm-up. Is called. A relatively high output can be obtained even in the initial state where no warm-up is performed.

本発明の好適な実施の形態を図面に基づいて説明する。以下の実施形態は、本発明の燃料電池システムを、移動体である電気自動車に搭載した例に関する。これら実施形態は、本発明の例示であり、本発明は以下の実施形態に限定されることなく種々に変形して実施可能である。   A preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The following embodiment relates to an example in which the fuel cell system of the present invention is mounted on an electric vehicle that is a moving body. These embodiments are exemplifications of the present invention, and the present invention is not limited to the following embodiments and can be variously modified and implemented.

(実施形態1)
本発明の実施形態1は、所定の温度を基準に、二つの燃料電池の運転を切り替える発明に関する。
図1に、電気自動車に搭載された本発明の燃料電池システムの概略ブロック図を示す。
図1に示すように、本燃料電池システムは、主たる動力源である燃料電池10を冷却するための冷却経路1と、従たる動力源である燃料電池26を冷却するための冷却経路2とが、一部共通経路となって構成されている。
(Embodiment 1)
Embodiment 1 of the present invention relates to an invention for switching the operation of two fuel cells based on a predetermined temperature.
FIG. 1 shows a schematic block diagram of a fuel cell system of the present invention mounted on an electric vehicle.
As shown in FIG. 1, this fuel cell system has a cooling path 1 for cooling a fuel cell 10 as a main power source and a cooling path 2 for cooling a fuel cell 26 as a sub power source. , Partly configured as a common path.

すなわち、冷却経路1と冷却経路2とは、一部区間である共通経路において二つの冷却経路が合流している。共通経路上に、循環ポンプ12、冷却装置14、及び冷媒タンク16が設けられている。冷却経路1と冷却経路2とは、循環ポンプ12の上流で合流し、冷媒タンク16の下流の分岐点で冷却経路1と冷却経路2とに分かれている。なお、冷媒とは、純水に防錆効果と凍結防止能力を向上させるための公知の添加物、例えばエチレングリコール等を加えたものをいい、その種類に限定はない。   That is, the cooling path 1 and the cooling path 2 are formed by joining two cooling paths in a common path that is a partial section. A circulation pump 12, a cooling device 14, and a refrigerant tank 16 are provided on the common path. The cooling path 1 and the cooling path 2 merge upstream of the circulation pump 12, and are divided into a cooling path 1 and a cooling path 2 at a branch point downstream of the refrigerant tank 16. In addition, a refrigerant | coolant means what added the well-known additive, for example, ethylene glycol etc., for improving a rust prevention effect and freezing prevention capability to pure water, and there is no limitation in the kind.

冷却経路2の、冷却経路1との合流点前には、本発明の切換手段に係る遮断弁28が設けられている。制御部3が遮断弁28を制御することによって、冷却経路2及び冷却経路1の双方に冷媒を循環させるか冷却経路1のみに冷媒を循環させるかを制御可能になっている。具体的には、遮断弁28が閉弁された場合、冷媒は冷却経路1のみの循環し、遮断弁28が開弁された場合、冷媒は冷却経路1と冷却経路2の双方を流れるようになっている。   A shut-off valve 28 according to the switching means of the present invention is provided before the junction of the cooling path 2 and the cooling path 1. The control unit 3 controls the shut-off valve 28 to control whether the refrigerant is circulated in both the cooling path 2 and the cooling path 1 or only in the cooling path 1. Specifically, when the shutoff valve 28 is closed, the refrigerant circulates only in the cooling path 1, and when the shutoff valve 28 is opened, the refrigerant flows through both the cooling path 1 and the cooling path 2. It has become.

なお、冷却経路1と冷却経路2との分流点または/および合流点に三方弁やロータリーバルブを設けるように構成してもよい。このように構成すれば、冷却経路1と冷却経路2とのいずれか、または、双方に選択的に冷媒を流すように制御可能となる。また、冷却経路1と冷却経路2とに流す冷媒の量を調整可能となる。   In addition, you may comprise so that a three-way valve and a rotary valve may be provided in the branch point of the cooling path | route 1 and the cooling path | route 2, and / or a confluence | merging point. If comprised in this way, it will become controllable so that a refrigerant | coolant may be selectively sent through either the cooling path 1 or the cooling path 2, or both. In addition, the amount of refrigerant flowing through the cooling path 1 and the cooling path 2 can be adjusted.

共通経路上に設けられる循環ポンプ12は、本発明の強制循環装置に係り、制御部3の制御に基づき、共通経路中の冷媒(冷却液)を強制的に循環させることが可能になっている。なお、循環ポンプに代えてエジェクタのような強制的に流れを生じさせる装置を適用することも可能である。   The circulation pump 12 provided on the common path is related to the forced circulation device of the present invention, and can forcibly circulate the refrigerant (coolant) in the common path based on the control of the control unit 3. . It is also possible to apply a device that forcibly generates a flow, such as an ejector, instead of the circulation pump.

冷却装置14は、共通経路を流れる冷媒の熱を奪うことが可能な構成を備えるものである。当該冷却装置14はオプショナルな構成要素である。冷却装置14の構造に限定はないが、典型的な構成としては、例えば、ラジエータとファンとの組合せからなる強制空冷装置が考えられる。ラジエータは、冷媒が多数の配管に分流されて流れるようになっており、配管には空気との接触面積を多くするためのフィンが多数設けられている。フィンの間を空気が流通する際に、熱交換により、冷媒が冷却されるような構造を備えている。ファンは、制御部3によって強制的に空気流を生じさせるもので、停車時等、自然な空気流が得られない環境であっても所望する冷却を可能とするものである。なお、冷却装置としては、コンデンサ等の構成を備えることにより、空冷を上回る冷却性能を持たせてもよい。   The cooling device 14 has a configuration capable of depriving the heat of the refrigerant flowing through the common path. The cooling device 14 is an optional component. The structure of the cooling device 14 is not limited, but as a typical configuration, for example, a forced air cooling device composed of a combination of a radiator and a fan is conceivable. The radiator is configured such that the refrigerant is divided into a plurality of pipes and flows, and the pipes are provided with a large number of fins for increasing the contact area with the air. When the air flows between the fins, the refrigerant is cooled by heat exchange. The fan forcibly generates an air flow by the control unit 3 and enables desired cooling even in an environment where a natural air flow cannot be obtained such as when the vehicle is stopped. In addition, as a cooling device, you may give the cooling performance which exceeds air cooling by providing structures, such as a capacitor | condenser.

冷媒タンク16は、余剰な冷媒を貯留しておく貯留槽である。特に、本冷媒タンク16内には、ヒータ20が冷媒と熱交換可能に収容されている。ヒータ20は、制御部3の制御により電気的に切断・接続されるスイッチ24を介して、バッテリ22に電気的に接続されている。スイッチ24が投入されることにより、ヒータ20は発熱し、冷媒を加熱することができるようになっている。当該ヒータ20もオプショナルな構成要素であり、燃料電池26による発熱量が多い場合や温暖な地方での利用に限定される場合等には、無くてもよい構成である。   The refrigerant tank 16 is a storage tank that stores excess refrigerant. In particular, the heater 20 is accommodated in the refrigerant tank 16 so as to be able to exchange heat with the refrigerant. The heater 20 is electrically connected to the battery 22 via a switch 24 that is electrically disconnected and connected under the control of the control unit 3. When the switch 24 is turned on, the heater 20 generates heat and can heat the refrigerant. The heater 20 is also an optional component, and may be omitted when the amount of heat generated by the fuel cell 26 is large or when it is limited to use in a warm region.

燃料電池10の入口には冷媒入口温度を計測可能な温度センサTinが設けられ、出口には冷媒出口温度を計測可能な温度センサToutが設けられている。これら温度センサはいずれか一つのみでもよい。また冷却経路2に設けられていてもよい。当該実施形態では、冷媒が共通経路によって共有化されているので、いずれの配管位置の温度であっても、冷媒温度を適切に測定可能である。特に、燃料電池26が動作中である場合、温度センサTinによって、燃料電池26の内部温度を計測可能であり、温度センサToutによって、燃料電池10の内部温度を計測可能である。   A temperature sensor Tin capable of measuring the refrigerant inlet temperature is provided at the inlet of the fuel cell 10, and a temperature sensor Tout capable of measuring the refrigerant outlet temperature is provided at the outlet. Any one of these temperature sensors may be provided. Further, it may be provided in the cooling path 2. In this embodiment, since the refrigerant is shared by the common path, the refrigerant temperature can be appropriately measured at any piping position. In particular, when the fuel cell 26 is in operation, the internal temperature of the fuel cell 26 can be measured by the temperature sensor Tin, and the internal temperature of the fuel cell 10 can be measured by the temperature sensor Tout.

燃料電池10及び燃料電池26は、それぞれ単セルという発電構造体を複数積層したスタック構造を備えている。基本的に、単セルは、MEA(Membrane Electrode Assembly)といわれる発電体を、燃料ガスである水素ガス、酸化ガスである空気、本発明に係る冷媒の流路がそれぞれ設けられたセパレータ一対によって挟み込んだ構造を備えている。MEAは高分子電解質膜をアノード及びカソードの二つの電極を挟み込んで構成されている。アノードはアノード用触媒層を多孔質支持層上に設けてあり、カソードはカソード用触媒層を多孔質支持層上に設けてある。燃料電池10は、通常運転用の燃料電池であって、高出力が可能なように多数の単セルがスタックされている。燃料電池26は、低温起動用の燃料電池であって、始動時のシステム駆動に足りるだけの比較的小さな出力で発電可能な構造となっている。   The fuel cell 10 and the fuel cell 26 each have a stack structure in which a plurality of power generation structures called single cells are stacked. Basically, a single cell sandwiches a power generation body called MEA (Membrane Electrode Assembly) between a pair of separators each provided with hydrogen gas as a fuel gas, air as an oxidizing gas, and a flow path of a refrigerant according to the present invention. It has a structure. The MEA is configured by sandwiching a polymer electrolyte membrane between two electrodes, an anode and a cathode. The anode has an anode catalyst layer provided on the porous support layer, and the cathode has a cathode catalyst layer provided on the porous support layer. The fuel cell 10 is a fuel cell for normal operation, and a large number of single cells are stacked so that high output is possible. The fuel cell 26 is a fuel cell for starting at a low temperature, and has a structure capable of generating electric power with a relatively small output sufficient to drive the system at the time of starting.

燃料電池10には、遮断弁30及び遮断弁32が開弁されることによって水素ガスが供給され、遮断弁34及び遮断弁36が開弁されることによって空気が供給される。また燃料電池26には、遮断弁40及び遮断弁42が開弁されることによって水素ガスが供給され、遮断弁44及び遮断弁46が開弁されることによって空気が供給される。これら遮断弁はいずれも制御部3によってその開弁や閉弁が制御可能になっている。   Hydrogen gas is supplied to the fuel cell 10 by opening the shutoff valve 30 and the shutoff valve 32, and air is supplied by opening the shutoff valve 34 and the shutoff valve 36. Further, hydrogen gas is supplied to the fuel cell 26 by opening the shutoff valve 40 and the shutoff valve 42, and air is supplied by opening the shutoff valve 44 and the shutoff valve 46. All of these shut-off valves can be controlled to be opened and closed by the control unit 3.

燃料電池10及び燃料電池26に水素ガスを供給する水素ガス供給系は、水素ガスを充填貯蔵する水素タンク、水素タンクからの水素ガス供給を制御する各種遮断弁、水素ガスの圧力を調整する調圧弁、水素オフガスの水分を除去する気液分離器、不純物を取り除くパージ弁、水素ガスを流動させるポンプ等の構成を備える。このような水素ガス供給系としては、共用の構成を備えていても独立した系であってもよい。共用の構成を備えることとし、上記遮断弁の制御により、両燃料電池に対する水素ガスの供給を制御する構成とする方が経済的である。   The hydrogen gas supply system that supplies hydrogen gas to the fuel cell 10 and the fuel cell 26 includes a hydrogen tank that is charged and stored with hydrogen gas, various shut-off valves that control the supply of hydrogen gas from the hydrogen tank, and a pressure regulator that adjusts the pressure of the hydrogen gas. It includes a pressure valve, a gas-liquid separator that removes moisture from the hydrogen off-gas, a purge valve that removes impurities, a pump that causes hydrogen gas to flow, and the like. Such a hydrogen gas supply system may be a shared system or an independent system. It is more economical to provide a common configuration and to control the supply of hydrogen gas to both fuel cells by controlling the shutoff valve.

また燃料電池10及び燃料電池26に空気を供給する空気供給系は、ラジエータ等から空気を取り込むエアクリーナ、空気を圧縮供給するコンプレッサ、空気オフガスとの間で湿度の交換を行う加湿器、空気オフガスからの過剰な水分を取り除く気液分離器、水素オフガスを空気オフガスで希釈するための希釈器、配管中のノイズを消音する消音器等を備える。このような空気供給系は、水素ガスと同様に、共用の構成を備えていても独立した系であってもよい。共用の構成を備えることとし、上記遮断弁の制御により、両燃料電池に対する空気の供給を制御する構成とする方が経済的である。   The air supply system that supplies air to the fuel cell 10 and the fuel cell 26 includes an air cleaner that takes in air from a radiator, a compressor that supplies air, a humidifier that exchanges humidity with the air off gas, and an air off gas. A gas-liquid separator that removes excess water, a diluter for diluting hydrogen off-gas with air off-gas, and a silencer that silences noise in the piping. Such an air supply system, like hydrogen gas, may have a common configuration or an independent system. It is more economical to provide a common configuration and to control the supply of air to both fuel cells by controlling the shutoff valve.

上記燃料電池10及び燃料電池26において、単セルは直列接続され、両端に高い電圧を生じるようになっている。燃料電池26のアノードーカソード間の出力電圧は、制御部3で制御可能なスイッチ50を介してコンバータ52の一次側に入力され、燃料電池10の出力電圧に適合するように電圧変換されて二次側に出力されるようになっている。コンバータ52の二次側は、燃料電池10のアノードーカソード間に接続されている。燃料電池10の出力電圧は、さらにコンバータ54の一次側に入力され、図示しないバッテリの電圧に適合するように電圧変換されて二次側に出力されるようになっている。コンバータ54の二次側は、図示しないバッテリ、さらに電力消費源である図示しないトラクションモータ等に接続されている。ヒータ20に電力を供給するバッテリ22は、このいずれかのコンバータ出力によって充電されるようになっている。   In the fuel cell 10 and the fuel cell 26, single cells are connected in series so that a high voltage is generated at both ends. The output voltage between the anode and cathode of the fuel cell 26 is input to the primary side of the converter 52 via the switch 50 that can be controlled by the control unit 3, and is converted into a voltage that matches the output voltage of the fuel cell 10. It is output to the next side. The secondary side of the converter 52 is connected between the anode and cathode of the fuel cell 10. The output voltage of the fuel cell 10 is further input to the primary side of the converter 54, converted to a voltage that matches the voltage of a battery (not shown), and output to the secondary side. The secondary side of the converter 54 is connected to a battery (not shown), a traction motor (not shown) that is a power consumption source, and the like. The battery 22 that supplies power to the heater 20 is charged by any one of the converter outputs.

制御部3は、CPU、RAM、ROM、インターフェース回路等を有する汎用コンピュータとしての構成を備えている。制御部3は、内蔵ROM等に格納されているソフトウェアプログラムを順次実行することにより、本発明の燃料電池制御方法を実行させることが可能になっている。   The control unit 3 has a configuration as a general-purpose computer having a CPU, a RAM, a ROM, an interface circuit, and the like. The control unit 3 can execute the fuel cell control method of the present invention by sequentially executing software programs stored in a built-in ROM or the like.

ここで、本実施形態において、燃料電池10及び燃料電池26は、互いに異なる温度対出力特性を有する点に特徴がある。具体的には、燃料電池10は、相対的に高い温度において出力が高くなる温度−出力特性を示す一方、燃料電池26は、相対的に低い温度において出力が高くなる温度−出力特性を示す。言い換えれば、燃料電池10は、比較的高い温度帯に出力の最大値があり、燃料電池26は、比較的低い温度帯に出力の最大値がある。   Here, the present embodiment is characterized in that the fuel cell 10 and the fuel cell 26 have different temperature-to-output characteristics. Specifically, the fuel cell 10 exhibits a temperature-output characteristic in which the output increases at a relatively high temperature, while the fuel cell 26 exhibits a temperature-output characteristic in which the output increases at a relatively low temperature. In other words, the fuel cell 10 has a maximum output value in a relatively high temperature zone, and the fuel cell 26 has a maximum output value in a relatively low temperature zone.

図4に、燃料電池10及び燃料電池26のそれぞれの温度−出力特性を示す。
図4に示すように、燃料電池10は、比較的高い出力で発電するもので、環境温度(冷媒温度)60〜70℃付近において最大出力が出るようになっている。すなわち、通常運転用の燃料電池10は、例えば環境温度10℃から発電することは可能になっているが、その温度では効率が悪く、環境温度50℃を超えてから最大出力に近い出力で発電することが可能になっている。これに対し、低温起動用の燃料電池26は、環境温度−20℃付近から発電可能になっており、環境温度20〜30℃付近において最大出力が出るようになっている。その代わり、この燃料電池26は、始動時等、初期動作に足りるだけの比較的低い発電出力を有している。このように、燃料電池26は、燃料電池10に比べ、相対的に低い温度で最大出力を出せるため、始動時や低温時であっても暖機をすることなく短時間で発電が可能である。図4の特性から、本実施形態における低温起動用の燃料電池26の動作可能領域は−20〜40℃、通常運転用の燃料電池10の動作可能領域は、10〜90℃で、40〜80℃がより好ましいものといえる。
FIG. 4 shows the temperature-output characteristics of the fuel cell 10 and the fuel cell 26, respectively.
As shown in FIG. 4, the fuel cell 10 generates power at a relatively high output, and a maximum output is obtained in the vicinity of an environmental temperature (refrigerant temperature) of 60 to 70 ° C. That is, the fuel cell 10 for normal operation can generate power from, for example, an environmental temperature of 10 ° C., but is inefficient at that temperature, and generates power at an output close to the maximum output after the environmental temperature exceeds 50 ° C. It is possible to do. On the other hand, the fuel cell 26 for starting at low temperature can generate power from around the ambient temperature of −20 ° C., and the maximum output comes out at around the ambient temperature of 20 to 30 ° C. Instead, the fuel cell 26 has a relatively low power generation output sufficient for initial operation, such as at the time of startup. Thus, since the fuel cell 26 can output the maximum output at a relatively low temperature compared to the fuel cell 10, it can generate power in a short time without warming up even at the start or at a low temperature. . From the characteristics of FIG. 4, the operable region of the low temperature startup fuel cell 26 in this embodiment is −20 to 40 ° C., and the operable region of the fuel cell 10 for normal operation is 10 to 90 ° C. and 40 to 80 ° C. It can be said that ° C is more preferable.

このような燃料電池ごとの温度−出力特性は、いろいろな要素により相違させることが可能である。例えば、各単セルの流路構造、MEAの仕様や材料の相違による。一般にMEAの保水性が低いように燃料電池を構成すると、運転温度が50℃を超える場合に出力が低下する傾向にある。   Such temperature-output characteristics for each fuel cell can be varied depending on various factors. For example, it depends on the flow path structure of each single cell, the MEA specifications and the material. In general, when a fuel cell is configured such that the water retention of MEA is low, the output tends to decrease when the operating temperature exceeds 50 ° C.

本発明では、冷媒の温度が所定のしきい値温度TLより低い場合に、燃料電池26により優先的に発電させ、この温度TLより高い場合に、燃料電池10により優先的に発電させるように制御するものである。温度―出力特性の相違は必ずしも燃料電池の出力量とは相関しない。   In the present invention, when the temperature of the refrigerant is lower than the predetermined threshold temperature TL, the fuel cell 26 preferentially generates power, and when the refrigerant temperature is higher than the temperature TL, the fuel cell 10 preferentially generates power. To do. The difference in temperature-output characteristics does not necessarily correlate with the output amount of the fuel cell.

図2のフローチャートを参照して、本実施形態の動作を説明する。
図2に示す処理は、起動時または再起動時に適用することが通常である。但し、通常運転中に定期的に実施すれば、極端に環境温度が下がっている場合に燃料電池を切り替えることができる。
まず循環ポンプ12が駆動される(S1)。既に駆動されている場合にはその動作が継続される。循環ポンプ12の駆動により冷媒の循環が始まることにより、温度が均一化され、適正な温度計測が行える。
The operation of the present embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG.
The process shown in FIG. 2 is usually applied at the time of startup or restart. However, if it is carried out periodically during normal operation, the fuel cell can be switched when the environmental temperature is extremely low.
First, the circulation pump 12 is driven (S1). If already driven, the operation is continued. When the circulation of the refrigerant is started by driving the circulation pump 12, the temperature becomes uniform and appropriate temperature measurement can be performed.

次いで、温度センサTinからの検出信号が取り込まれ、冷媒の温度tが測定される(S2)。冷媒の温度tが、しきい値温度TLより低かった場合(S3:YES)、低温起動用の燃料電池26を運転開始させる温度と判断される。このため、冷媒の循環を冷却経路2にも及ぼさせるために、遮断弁28が開弁される(S4)。すなわち、冷却経路2及び冷却経路1にともに冷媒を循環させるため、循環ポンプ12が所定の回転数で駆動される。   Next, the detection signal from the temperature sensor Tin is taken in, and the refrigerant temperature t is measured (S2). When the temperature t of the refrigerant is lower than the threshold temperature TL (S3: YES), it is determined that the temperature of the fuel cell 26 for low temperature startup is started. For this reason, the shutoff valve 28 is opened in order to extend the circulation of the refrigerant to the cooling path 2 (S4). That is, in order to circulate the refrigerant through both the cooling path 2 and the cooling path 1, the circulation pump 12 is driven at a predetermined rotational speed.

また、オプションにより、スイッチ24が投入されて、冷媒温度を上昇させるためのヒータ20にバッテリ22から電流を供給される(S5)。これにより、冷媒タンク16中の冷媒がヒータ20に供給される電力に応じたエネルギーで加熱される。ヒータによる強制加熱は、例えば冷媒温度が所定温度より低く、燃料電池26の運転による発熱だけでは、燃料電池10が効率的に運転可能な温度にまで冷媒温度が上昇するのに時間がかかる場合や、燃料電池26が効率的に行える温度よりも冷媒温度が低い場合等が考えられる。例えば冷媒温度が極低温(―20℃)〜氷点以下(≦0℃)の場合にはヒータ20を使う、というように設定できる。   Further, as an option, the switch 24 is turned on, and current is supplied from the battery 22 to the heater 20 for raising the refrigerant temperature (S5). Thereby, the refrigerant in the refrigerant tank 16 is heated with energy corresponding to the electric power supplied to the heater 20. The forced heating by the heater is, for example, when the refrigerant temperature is lower than a predetermined temperature, and it takes time for the refrigerant temperature to rise to a temperature at which the fuel cell 10 can be efficiently operated only by heat generated by the operation of the fuel cell 26. A case where the refrigerant temperature is lower than the temperature that the fuel cell 26 can efficiently perform is considered. For example, when the refrigerant temperature is extremely low (−20 ° C.) to below the freezing point (≦ 0 ° C.), the heater 20 is used.

次いで、水素ガス供給系及び空気供給系の各補機が起動される。また、遮断弁40、42、44、46が開弁されて、低温起動用の燃料電池26に水素ガス及び空気が供給されるようになる(S6)。このとき、遮断弁30、32、34、36は未だ閉弁されているので、通常運転用の燃料電池10は発電を停止したままである。以上の処理により、燃料電池26のみに電気化学反応を生じ、アノード−カソード間に電圧が生じるようになる。そして燃料電池26が運転されるにつれ電気化学反応に対応して発生する熱で、場合によってはヒータ20によって生ずる熱で、冷媒温度が上昇する。この冷媒は冷却経路2と冷却経路1とを共に循環しているので、冷却経路1から燃料電池10内部のセパレータに供給されて、燃料電池10を徐々に暖めていく。   Subsequently, each auxiliary machine of a hydrogen gas supply system and an air supply system is started. Further, the shutoff valves 40, 42, 44, 46 are opened, and hydrogen gas and air are supplied to the fuel cell 26 for cold start (S6). At this time, since the shut-off valves 30, 32, 34, and 36 are still closed, the fuel cell 10 for normal operation still stops power generation. By the above processing, an electrochemical reaction occurs only in the fuel cell 26, and a voltage is generated between the anode and the cathode. Then, as the fuel cell 26 is operated, the refrigerant temperature rises due to heat generated in response to the electrochemical reaction, and in some cases, heat generated by the heater 20. Since this refrigerant circulates through the cooling path 2 and the cooling path 1, it is supplied from the cooling path 1 to the separator inside the fuel cell 10, and gradually warms the fuel cell 10.

図3Aに、上記切換により冷媒が循環する経路を実線で示す。図3Aに示すように、共通経路を循環ポンプ12の駆動で流れる冷媒は、ヒータ20の電源投入による熱で加熱され、燃料電池26の発電による熱で加熱され、動作していない燃料電池10を内部から暖めて再び共通経路に戻される。   In FIG. 3A, a path through which the refrigerant circulates by the switching is indicated by a solid line. As shown in FIG. 3A, the refrigerant flowing by driving the circulation pump 12 through the common path is heated by the heat generated when the heater 20 is turned on, heated by the heat generated by the power generation of the fuel cell 26, and is not operated. It is warmed from the inside and returned to the common path again.

一方、冷媒の温度tが、しきい値温度TL以上であった場合(S3:NO)、既に冷媒の温度が通常運転用の燃料電池10に適する程度になっているので、通常運転用の燃料電池10の運転を開始させる。まず、冷媒を冷却経路1のみに循環させるため、遮断弁28が閉弁される(S10)。また、冷却経路1に冷媒を循環させるために適する回転数で、循環ポンプ12が駆動される。   On the other hand, when the refrigerant temperature t is equal to or higher than the threshold temperature TL (S3: NO), the refrigerant temperature is already suitable for the fuel cell 10 for normal operation. The operation of the battery 10 is started. First, in order to circulate the refrigerant only in the cooling path 1, the shutoff valve 28 is closed (S10). Further, the circulation pump 12 is driven at a rotation speed suitable for circulating the refrigerant in the cooling path 1.

ヒータ20が投入されていた場合には、既に冷媒温度が十分に上昇したものとして、スイッチ24が切断され、ヒータ20による加熱が停止させられる(S11)。   If the heater 20 has been turned on, it is assumed that the refrigerant temperature has already risen sufficiently, and the switch 24 is disconnected, and heating by the heater 20 is stopped (S11).

そして、水素ガス及び空気が、燃料電池10にのみ供給されるように、低温起動用の燃料電池26の遮断弁40、42、44、46が閉弁される一方、通常運転用の燃料電池10の遮断弁30、32、34、36が開弁される(S12)。これらの処理により、冷媒は冷却経路1のみに循環し、燃料電池10のみが発電するようになる。   Then, the shut-off valves 40, 42, 44, 46 of the cold start fuel cell 26 are closed so that hydrogen gas and air are supplied only to the fuel cell 10, while the fuel cell 10 for normal operation is closed. The shut-off valves 30, 32, 34, and 36 are opened (S12). By these processes, the refrigerant circulates only in the cooling path 1 and only the fuel cell 10 generates power.

図3Bに、上記切換により冷媒が循環する経路を実線で示す。図3Bに示すように、冷媒は、燃料電池26には流れることなく、冷却経路1のみを流れる。ヒータ20は電源が切断されているので、結局燃料電池10の動作による熱で暖められることになる。冷媒の温度が高くなりすぎるようであれば、オプションにより、冷却装置14が駆動されて、冷媒温度が調整される。   In FIG. 3B, a path through which the refrigerant circulates by the switching is indicated by a solid line. As shown in FIG. 3B, the refrigerant flows only in the cooling path 1 without flowing into the fuel cell 26. Since the power source of the heater 20 is cut off, the heater 20 is eventually heated by the heat generated by the operation of the fuel cell 10. If the temperature of the refrigerant seems to be too high, the cooling device 14 is optionally driven to adjust the refrigerant temperature.

なお、上記しきい値TLは、低温起動用の燃料電池26が最大値を示す温度よりは高く、通常運転用の燃料電池10が最大値を示す温度よりは低い中間の温度に設定することが好ましい。本実施形態では、図4に示すように、低温起動用の燃料電池26の出力ピークは、20〜30℃付近にあり、通常運転用の燃料電池10は60〜70℃に出力ピークがあるので、例えば、しきい値TLを40℃付近に設定すればよい。   The threshold value TL may be set to an intermediate temperature that is higher than the temperature at which the low temperature startup fuel cell 26 exhibits the maximum value and lower than the temperature at which the normal operation fuel cell 10 exhibits the maximum value. preferable. In the present embodiment, as shown in FIG. 4, the output peak of the fuel cell 26 for low temperature startup is in the vicinity of 20 to 30 ° C., and the fuel cell 10 for normal operation has an output peak at 60 to 70 ° C. For example, the threshold value TL may be set around 40 ° C.

なお、上記実施形態では、冷媒の温度がしきい値より低いか否かで燃料電池を選択していたが、システムの始動時または所定時間を経過した後の再起動時には、燃料電池全体の温度が下がっているという仮定のもの、始動時(再起動時)か否かで燃料電池を切り替えるように構成してもよい。すなわち、システムが起動時であったり、所定時間経過しての再起動時であった場合には、燃料電池26のみを選択して起動させたり、燃料電池26と燃料電池10とを共に起動させたりすることができる。そして、一定時間経過後、または、上記実施形態と同様に冷媒温度が一定以上であった場合に、燃料電池10のみによる運転をさせるように構成してもよい。   In the above embodiment, the fuel cell is selected based on whether or not the temperature of the refrigerant is lower than the threshold value. However, when the system is started or restarted after a predetermined time has elapsed, the temperature of the entire fuel cell is determined. The fuel cell may be switched depending on the assumption that the battery is lowered or not (when restarting). That is, when the system is activated or restarted after a predetermined time has elapsed, only the fuel cell 26 is selected and activated, or both the fuel cell 26 and the fuel cell 10 are activated. Can be. And you may comprise so that the driving | operation by only the fuel cell 10 may be carried out after fixed time progress, or when a refrigerant | coolant temperature is more than fixed like the said embodiment.

また、上記実施形態では、各燃料電池の出力はコンバータを介した並列接続になっていたが、直列接続としてもよい。また、それぞれ独立させて電力系統を構成してもよい。   Moreover, in the said embodiment, although the output of each fuel cell was connected in parallel via the converter, it is good also as a series connection. Moreover, you may comprise an electric power grid | system separately, respectively.

以上説明したように、本実施形態1の構成によれば、2つの燃料電池10及び26は異なる温度−出力特性を有するように調整されている。そして、しきい値TLより低い温度では、低い温度で効率的に発電する温度−出力特性を備えた燃料電池26が選択されて始動されるので、暖機前から選択された燃料電池における効率のよい運転が行われる。このため、暖機が全くされない状態でも相対的に高い出力が得られる。   As described above, according to the configuration of the first embodiment, the two fuel cells 10 and 26 are adjusted to have different temperature-output characteristics. At a temperature lower than the threshold value TL, the fuel cell 26 having a temperature-output characteristic that efficiently generates power at a low temperature is selected and started. Therefore, the efficiency of the fuel cell selected before warm-up is improved. Good driving is done. For this reason, a relatively high output can be obtained even when the engine is not warmed up at all.

また、本実施形態1の構成によれば、冷却経路1及び冷却経路2には、一部共通の冷却経路が構成されている。そして、共通の冷却経路に冷媒を循環させる循環ポンプ12を備えるので、先に駆動される燃料電池26の反応熱により、より高い温度で効率的に発電する温度−出力特性を備える燃料電池10を効果的に暖めることができる。このため、相対的に高い温度で運転される燃料電池10の暖機時間を短縮させることができる。また、補機を共通の冷却経路上で兼用させることができるので、独立した冷却経路を設ける場合に比べ、部品点数を削減可能である。   Further, according to the configuration of the first embodiment, the cooling path 1 and the cooling path 2 are partially configured as a cooling path. And since the circulation pump 12 which circulates a refrigerant | coolant to a common cooling path | route is provided, the fuel cell 10 provided with the temperature-output characteristic which generates electric power efficiently at a higher temperature with the reaction heat of the fuel cell 26 driven previously is provided. It can warm up effectively. For this reason, the warm-up time of the fuel cell 10 operated at a relatively high temperature can be shortened. In addition, since the auxiliary machines can be shared on a common cooling path, the number of parts can be reduced as compared with the case where an independent cooling path is provided.

また、本実施形態1の構成によれば、冷媒を加熱するヒータ20を備えるので、冷媒の温度が極端に低い場合や、相対的に高い温度で効率のよい燃料電池の適正運転温度がかなり高い場合であっても、燃料電池の暖機時間を短縮させることが可能である。   Further, according to the configuration of the first embodiment, since the heater 20 for heating the refrigerant is provided, when the temperature of the refrigerant is extremely low, or the appropriate operating temperature of the fuel cell that is efficient at a relatively high temperature is considerably high. Even in this case, it is possible to shorten the warm-up time of the fuel cell.

また、本実施形態1の構成によれば、より低い温度側で効率的に発電する燃料電池26が運転している場合に、ヒータ20で加熱させるので、起動時間の短い燃料電池26のみが運転されている間に冷媒温度を十分上げ、高出力の燃料電池10を起動させるための暖機をさせることが可能である。   Further, according to the configuration of the first embodiment, when the fuel cell 26 that efficiently generates power at a lower temperature side is operating, the heater 20 heats the fuel cell 26, so that only the fuel cell 26 with a short startup time is operated. During this time, it is possible to sufficiently raise the refrigerant temperature and to warm up the fuel cell 10 with high output.

また、本実施形態1の構成によれば、冷媒の温度がしきい値TL以上になった場合に、複数の燃料電池のうち、より高い温度側で効率的に発電する燃料電池10が選択されるので、冷媒温度に応じてその温度で発電効率のよい燃料電池を選択可能である。   Further, according to the configuration of the first embodiment, the fuel cell 10 that efficiently generates power on the higher temperature side is selected from the plurality of fuel cells when the temperature of the refrigerant becomes equal to or higher than the threshold value TL. Therefore, it is possible to select a fuel cell with good power generation efficiency at the temperature according to the refrigerant temperature.

(実施形態2)
本発明の実施形態2は、所定の温度範囲で、二つの燃料電池を共に運転させる発明に関する。
図5に、本実施形態2における燃料電池システムの概略ブロック図を示す。
図5に示すように、本燃料電池システムは、基本的に上記実施形態1と同様のシステム構成を備える。但し、本実施形態2における燃料電池システムに、冷却経路1にも制御部3により開弁/閉弁の制御が可能な遮断弁29を備える点で異なる。この冷却経路1に設けられた遮断弁29と、冷却経路2に設けられた前述の遮断弁28とは、制御部3により独立して開弁/閉弁が制御可能になっている。すなわち、遮断弁28を閉弁させ、遮断弁29を開弁させることで、冷媒を冷却経路1のみに循環させることができる。また、遮断弁28を開弁させ、遮断弁29を閉弁させることで、冷媒を冷却経路2のみに循環させることができる。さらに遮断弁28と29とを共に開弁させることで、冷媒を冷却経路1及び冷却経路2の双方に循環させることもできる。
(Embodiment 2)
Embodiment 2 of the present invention relates to an invention for operating two fuel cells together in a predetermined temperature range.
FIG. 5 shows a schematic block diagram of the fuel cell system according to the second embodiment.
As shown in FIG. 5, the fuel cell system basically has the same system configuration as that of the first embodiment. However, the fuel cell system according to the second embodiment is different in that the cooling path 1 includes a shutoff valve 29 that can be controlled to be opened / closed by the control unit 3. The shutoff valve 29 provided in the cooling path 1 and the shutoff valve 28 provided in the cooling path 2 can be controlled to be opened / closed independently by the control unit 3. That is, by closing the shut-off valve 28 and opening the shut-off valve 29, the refrigerant can be circulated only in the cooling path 1. Further, the coolant can be circulated only in the cooling path 2 by opening the shut-off valve 28 and closing the shut-off valve 29. Furthermore, the refrigerant can be circulated through both the cooling path 1 and the cooling path 2 by opening both the shut-off valves 28 and 29.

次に図6のフローチャートを参照して、本実施形態2の動作を説明する。
図6に示す処理は、起動時または再起動時に適用することが通常である。但し、通常運転中に定期的に実施すれば、極端に環境温度が下がっている場合に燃料電池を切り替えることができる。
まず循環ポンプ12が駆動される(S20)。既に駆動されている場合にはその動作が継続される。循環ポンプ12の駆動により冷媒の循環が始まることにより、温度が均一化され、適正な温度計測が行える。
Next, the operation of the second embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG.
The process shown in FIG. 6 is usually applied at the time of startup or restart. However, if it is carried out periodically during normal operation, the fuel cell can be switched when the environmental temperature is extremely low.
First, the circulation pump 12 is driven (S20). If already driven, the operation is continued. When the circulation of the refrigerant is started by driving the circulation pump 12, the temperature becomes uniform and appropriate temperature measurement can be performed.

次いで、温度センサTinからの検出信号が取り込まれ、冷媒の温度tが測定される(S21)。冷媒の温度tが、第1しきい値温度T1より低かった場合(S22:YES)、少なくとも低温起動用の燃料電池26を運転すべき温度と判断される。図4に示すように、この第1しきい値温度T1は、低温起動用の燃料電池26が発電可能であり出力が低下しない程度の上限の温度とすることが好ましい。この温度では、また冷媒の温度は相対的に低めであると判断されるので、オプションにより、スイッチ24が投入されて、冷媒温度を上昇させるためのヒータ20にバッテリ22から電流を供給される(S23)。これにより、冷媒タンク16中の冷媒がヒータ20に供給される電力に応じたエネルギーで加熱される。   Next, a detection signal from the temperature sensor Tin is taken in, and the refrigerant temperature t is measured (S21). When the temperature t of the refrigerant is lower than the first threshold temperature T1 (S22: YES), it is determined that the fuel cell 26 for starting at least the low temperature should be operated. As shown in FIG. 4, the first threshold temperature T1 is preferably set to an upper limit temperature at which the low temperature startup fuel cell 26 can generate power and the output does not decrease. At this temperature, it is determined that the temperature of the refrigerant is relatively low. Therefore, as an option, the switch 24 is turned on to supply current from the battery 22 to the heater 20 for increasing the refrigerant temperature ( S23). Thereby, the refrigerant in the refrigerant tank 16 is heated with energy corresponding to the electric power supplied to the heater 20.

さらに、冷媒の温度tが今度は、第1しきい値温度T1よりも低い第2しきい値温度T2より低いか否かが判断される(S24)。図4に示すように、この第2しきい値温度T2は、通常運転用の燃料電池10が効率は悪いながらも発電可能な程度の下限の温度とすることが好ましい。冷媒の温度tがこの第2しきい値温度T2よりも低かった場合(S24:YES)、通常運転用の燃料電池10の運転には適さない程冷媒の温度が低いことを意味している。このため、低温起動用の燃料電池26のみを運転させる必要がある。冷媒の循環を冷却経路2にのみ及ぼさせるために、遮断弁28が開弁され、遮断弁29が閉弁される(S25)。この制御により、冷媒は冷却経路2のみに循環可能とされ、循環ポンプ12の回転数で循環する。   Further, it is determined whether or not the refrigerant temperature t is lower than a second threshold temperature T2 that is lower than the first threshold temperature T1 (S24). As shown in FIG. 4, it is preferable that the second threshold temperature T2 is a lower limit temperature at which the fuel cell 10 for normal operation can generate power while having low efficiency. If the refrigerant temperature t is lower than the second threshold temperature T2 (S24: YES), it means that the refrigerant temperature is too low to be suitable for the operation of the fuel cell 10 for normal operation. For this reason, it is necessary to operate only the fuel cell 26 for cold start. In order to allow the circulation of the refrigerant only to the cooling path 2, the shutoff valve 28 is opened and the shutoff valve 29 is closed (S25). By this control, the refrigerant can be circulated only in the cooling path 2 and circulates at the rotational speed of the circulation pump 12.

次いで、水素ガス供給系及び空気供給系の各補機が起動される。また、遮断弁40、42、44、46が開弁されて、低温起動用の燃料電池26に水素ガス及び空気が供給されるようになる(S26)。このとき、遮断弁30、32、34、36は未だ閉弁されているので、通常運転用の燃料電池10は発電を停止したままである。以上の処理により、燃料電池26のみに電気化学反応を生じ、アノード−カソード間に電圧が生じるようになる。そして燃料電池26が運転されるにつれ電気化学反応に対応して発生する熱で、場合によってはヒータ20によって生ずる熱で、冷媒温度が上昇する。この冷媒は冷却経路2と冷却経路1とを共に循環しているので、冷却経路1から燃料電池10内部のセパレータに供給されて、燃料電池10を徐々に暖めていく。   Subsequently, each auxiliary machine of a hydrogen gas supply system and an air supply system is started. Further, the shut-off valves 40, 42, 44, and 46 are opened, and hydrogen gas and air are supplied to the fuel cell 26 for cold start (S26). At this time, since the shut-off valves 30, 32, 34, and 36 are still closed, the fuel cell 10 for normal operation still stops power generation. By the above processing, an electrochemical reaction occurs only in the fuel cell 26, and a voltage is generated between the anode and the cathode. Then, as the fuel cell 26 is operated, the refrigerant temperature rises due to heat generated in response to the electrochemical reaction, and in some cases, heat generated by the heater 20. Since this refrigerant circulates through the cooling path 2 and the cooling path 1, it is supplied from the cooling path 1 to the separator inside the fuel cell 10, and gradually warms the fuel cell 10.

一方、冷媒の温度tがこの第2しきい値温度T2以上であった場合(S24:NO)、冷媒の温度tは、第1のしきい値温度T1と第2のしきい値温度T2との間の温度範囲にある。この温度範囲では、通常運転用の燃料電池10も低温起動用の燃料電池26とも発電可能な温度であることを意味している。このため、双方の燃料電池10及び燃料電池26を運転させるため、遮断弁28及び遮断弁29がともに開弁される(S28)。この制御により、冷媒は冷却経路1及び冷却経路2の双方に循環可能とされる。   On the other hand, when the refrigerant temperature t is equal to or higher than the second threshold temperature T2 (S24: NO), the refrigerant temperature t is equal to the first threshold temperature T1 and the second threshold temperature T2. Is in the temperature range between. In this temperature range, it means that both the fuel cell 10 for normal operation and the fuel cell 26 for cold start can generate power. For this reason, in order to operate both the fuel cells 10 and the fuel cell 26, both the shutoff valve 28 and the shutoff valve 29 are opened (S28). By this control, the refrigerant can be circulated in both the cooling path 1 and the cooling path 2.

そして、水素ガス及び空気が、燃料電池10及び燃料電池26の双方に供給されるように、総ての遮断弁30、32、34、36、40、42、44、46が開弁される(S29)。これらの処理により、冷媒は冷却経路1及び冷却経路2をともに循環し、燃料電池10及び燃料電池26の双方が発電するようになる。   Then, all the shut-off valves 30, 32, 34, 36, 40, 42, 44, 46 are opened so that hydrogen gas and air are supplied to both the fuel cell 10 and the fuel cell 26 ( S29). Through these processes, the refrigerant circulates through both the cooling path 1 and the cooling path 2, and both the fuel cell 10 and the fuel cell 26 generate power.

また、上記ステップS22で、冷媒温度tが第1しきい値温度T1以上であった場合(S22:NO)、少なくとも低温起動用の燃料電池26は運転に適さない程度に冷媒温度が高くなっていることを意味する。そこで、ヒータ20が投入されていた場合には、既に冷媒温度が十分に上昇したものとして、スイッチ24が切断され、ヒータ20による加熱が停止させられる(S30)。   In step S22, when the refrigerant temperature t is equal to or higher than the first threshold temperature T1 (S22: NO), at least the temperature of the low-temperature startup fuel cell 26 is not suitable for operation. Means that Therefore, if the heater 20 is turned on, it is assumed that the refrigerant temperature has already risen sufficiently, and the switch 24 is disconnected, and heating by the heater 20 is stopped (S30).

そして、冷媒が冷却経路1のみを循環するように、遮断弁28が閉弁され、遮断弁29が開弁される(S31)。そして、水素ガス及び空気が、燃料電池10にのみ供給されるように、低温起動用の燃料電池26の遮断弁40、42、44、46が閉弁される一方、通常運転用の燃料電池10の遮断弁30、32、34、36が開弁される(S32)。これらの処理により、冷媒は冷却経路1のみに循環し、燃料電池10のみが発電するようになる。   Then, the shutoff valve 28 is closed and the shutoff valve 29 is opened so that the refrigerant circulates only through the cooling path 1 (S31). Then, the shut-off valves 40, 42, 44, 46 of the cold start fuel cell 26 are closed so that hydrogen gas and air are supplied only to the fuel cell 10, while the fuel cell 10 for normal operation is closed. The shut-off valves 30, 32, 34, and 36 are opened (S32). By these processes, the refrigerant circulates only in the cooling path 1 and only the fuel cell 10 generates power.

以上、本実施形態2の構成によれば、実施形態1と同様の作用効果を奏する。
特に実施形態2によれば、冷媒の温度が、第1しきい値温度T1と第2しきい値温度T2との間の温度範囲にある場合に、2つの燃料電池10及び26が同時に発電するので、そのような温度範囲にある場合に、総合出力を上げることができ、また、冷媒温度も、より早く上昇させることが可能となる。
As mentioned above, according to the structure of this Embodiment 2, there exists an effect similar to Embodiment 1. FIG.
In particular, according to the second embodiment, when the temperature of the refrigerant is in the temperature range between the first threshold temperature T1 and the second threshold temperature T2, the two fuel cells 10 and 26 generate power simultaneously. Therefore, the total output can be increased when the temperature is within such a temperature range, and the refrigerant temperature can be increased more quickly.

(実施形態3)
本発明の実施形態3は、複数の燃料電池スタックを、同一の筐体内に収納した例に関する。
図7に、本実施形態3の燃料電池システムの概略ブロック図を示す。
図7に示すように、本燃料電池システムは、一つの燃料電池10が、同一に締結荷重管理された二つのスタックブロック101と102とに分割されている点に特徴がある。スタックブロック101に相当する部分が、上記実施形態の通常運転用の燃料電池に相当し、スタックブロック102に相当する部分が、上記実施形態の低温起動用の燃料電池に相当するように、温度―出力特性が調整されて構成されている。それぞれの燃料電池に対する周辺構造については、実施形態1または2と同様に考えることができる。
(Embodiment 3)
Embodiment 3 of the present invention relates to an example in which a plurality of fuel cell stacks are housed in the same casing.
FIG. 7 is a schematic block diagram of the fuel cell system according to the third embodiment.
As shown in FIG. 7, the present fuel cell system is characterized in that one fuel cell 10 is divided into two stack blocks 101 and 102 in which the same fastening load is managed. The portion corresponding to the stack block 101 corresponds to the fuel cell for normal operation of the above embodiment, and the portion corresponding to the stack block 102 corresponds to the fuel cell for low temperature startup of the above embodiment. The output characteristics are adjusted. The peripheral structure for each fuel cell can be considered in the same manner as in the first or second embodiment.

本実施形態3による動作は、上記実施形態と全く同様に考えることができる。すなわち、遮断弁28により、冷却経路2を有効にしたり無効にしたりする場合には、実施形態1と同様に遮断弁28を開弁させたり閉弁させたりすることで制御することができる。また、遮断弁29をさらに冷却経路1に設ける場合には、実施形態2と同様に動作させることができる。   The operation according to the third embodiment can be considered in the same manner as in the above embodiment. That is, when the cooling path 2 is enabled or disabled by the shutoff valve 28, it can be controlled by opening or closing the shutoff valve 28 as in the first embodiment. Further, when the shut-off valve 29 is further provided in the cooling path 1, it can be operated in the same manner as in the second embodiment.

本実施形態3によれば、燃料電池の構造を一つの筐体に同一に締結荷重管理して複数の燃料電池を設けたことと等価に構成したので、スペースの無駄無く本発明の作用効果を得ることができる。また、燃料電池の筐体を一つとしたので、経済的でもある。   According to the third embodiment, the structure of the fuel cell is configured to be equivalent to the case where a plurality of fuel cells are provided by managing the same fastening load in one housing, so that the effects of the present invention can be achieved without wasting space. Obtainable. Moreover, since the fuel cell has a single casing, it is economical.

また、冷却経路を通常の燃料電池システムと同様に、複数のスタックブロックに共通して流れる共通の冷却経路とすることもできる。このように構成すれば、低温起動用のスタックブロックにおける発熱が直接通常運転用のスタックブロックに及ぼされるので、暖機時間を短縮化することが可能である。   In addition, the cooling path can be a common cooling path that flows in common to the plurality of stack blocks, similarly to a normal fuel cell system. With this configuration, heat generation in the stack block for low-temperature startup is directly exerted on the stack block for normal operation, so that the warm-up time can be shortened.

(変形例)
本発明は上記実施形態に限定されることなく種々に変形して適用することが可能である。
例えば、図8に示すように、複数の燃料電池10及び26における電力系を直列接続として出力を取り出すように構成してもよい。このように構成すれば、コンバータの数を少なくすることが可能であり経済的である。このとき、発電していない燃料電池の方を電気的にバイパスするような構成を備えることが好ましい。
(Modification)
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be variously modified and applied.
For example, as shown in FIG. 8, the power system in the plurality of fuel cells 10 and 26 may be configured to be connected in series so as to extract the output. If comprised in this way, it is possible to reduce the number of converters and it is economical. At this time, it is preferable to provide a configuration that electrically bypasses the fuel cell that is not generating power.

また、例えば、図9に示すように、通常運転用の主燃料電池(上記実施形態の燃料電池10に相当)による主たる発電と、低温起動用の副燃料電池(上記実施形態の燃料電池26に相当)による従たる発電との間の切換にヒステリシス特定を持たせてもよい。すなわち、低温側から高温側に温度が上昇する場合には、所定の温度THになるまで従たる副燃料電池により発電され、温度THを超えて初めて主燃料電池に切り替えられる。また高温側から低温側に温度が下降する場合には、温度TL(<TH)より下がって初めて主燃料電池から副燃料電池に切り替えられる。このようにヒステリシスを持たせることで、温度を基準として燃料電池を切り替える構成とした場合に発生しうる、燃料電池切換時に両方の燃料電池間で切替動作が安定せずに繰り返される振動のような現象を防止させることが可能である。   Further, for example, as shown in FIG. 9, main power generation by a main fuel cell for normal operation (corresponding to the fuel cell 10 of the above embodiment) and a sub fuel cell for low temperature start-up (the fuel cell 26 of the above embodiment) Hysteresis specification may be given to the switching between subordinate power generation by the equivalent). That is, when the temperature rises from the low temperature side to the high temperature side, power is generated by the secondary fuel cell until the temperature reaches a predetermined temperature TH, and the main fuel cell is switched to only after the temperature TH is exceeded. Further, when the temperature drops from the high temperature side to the low temperature side, the main fuel cell is switched to the sub fuel cell only after the temperature falls below the temperature TL (<TH). By providing the hysteresis in this way, it can occur when the fuel cell is switched based on the temperature, such as vibration that is repeatedly switched without stabilizing between the two fuel cells when the fuel cell is switched. It is possible to prevent the phenomenon.

さらに、上記実施形態では、二つの燃料電池間の切替のみを説明したが、それ以上の燃料電池間の切替をさえてもよい。すなわち、このような燃料電池システムでは、互いに異なる温度対出力特性を有する複数の燃料電池、冷媒温度を検出する温度センサ、温度センサにより検出された温度において、最も効率的に発電可能な温度対出力特性を有する燃料電池を選択して発電させる制御装置を備える。この構成によれば、その時々の冷媒温度で最も発電効率のよい燃料電池が選択される。   Furthermore, in the above-described embodiment, only switching between two fuel cells has been described, but switching between fuel cells may be performed. That is, in such a fuel cell system, a plurality of fuel cells having different temperature-to-output characteristics, a temperature sensor for detecting the refrigerant temperature, and a temperature-to-output that can generate power most efficiently at the temperature detected by the temperature sensor. A control device for selecting and generating a fuel cell having characteristics is provided. According to this configuration, the fuel cell having the highest power generation efficiency at the current refrigerant temperature is selected.

なお、本発明は、燃料電池システムを搭載する車両、船舶、航空機などの移動体のみならず、ビル、家屋などの閉空間に定置された燃料電池システムにも適用することができる。   Note that the present invention can be applied not only to a moving body such as a vehicle, a ship, and an aircraft equipped with a fuel cell system, but also to a fuel cell system placed in a closed space such as a building or a house.

実施形態1の燃料電池システムのブロック構成図1 is a block diagram of a fuel cell system according to a first embodiment. 実施形態1の動作を説明するフローチャートFlowchart for explaining the operation of the first embodiment 低温時における冷媒の循環の様子Circulation of refrigerant at low temperatures 高温時における冷媒の循環の様子Circulation of refrigerant at high temperatures 複数の燃料電池間における温度−出力特性図Temperature-output characteristics diagram between multiple fuel cells 実施形態2の燃料電池システムのブロック構成図Block configuration diagram of the fuel cell system of Embodiment 2 実施形態2の動作を説明するフローチャートFlowchart for explaining the operation of the second embodiment 実施形態3の燃料電池システムのブロック構成図Block configuration diagram of the fuel cell system of Embodiment 3 変形例の燃料電池システムのブロック構成図Block configuration diagram of fuel cell system according to modification 変形例のヒステリシス特性を持たせる燃料電池間の切替説明図Switching explanatory diagram between fuel cells with hysteresis characteristics of a modified example

符号の説明Explanation of symbols

1、2…冷却経路、3…制御部、10…燃料電池、12…循環ポンプ、14…冷却装置、16 …冷媒タンク、20…ヒータ、22…バッテリ、24…スイッチ、26…燃料電池、28 、29、30、32、34、36、40、42、44、46…遮断弁、50…スイッチ、 52、54…コンバータ、101、102…スタックブロック、Tin、Tout…温度セン サ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 2 ... Cooling path, 3 ... Control part, 10 ... Fuel cell, 12 ... Circulation pump, 14 ... Cooling device, 16 ... Refrigerant tank, 20 ... Heater, 22 ... Battery, 24 ... Switch, 26 ... Fuel cell, 28 29, 30, 32, 34, 36, 40, 42, 44, 46 ... shut-off valve, 50 ... switch, 52, 54 ... converter, 101, 102 ... stack block, Tin, Tout ... temperature sensor

Claims (6)

互いに異なる温度対出力特性を有する複数の燃料電池と、
前記複数の燃料電池の各々を冷却するための冷媒が循環する複数の冷却経路と、
前記冷媒を循環させる強制循環装置と、
前記冷媒の温度を検出する温度検出装置と、
前記温度検出装置により検出された前記冷媒の温度が所定の温度より低い場合に、前記複数の燃料電池のうち、より低い温度側で効率的に発電する温度対出力特性を有する燃料電池を選択して発電させる制御装置と、を備え、
それぞれの前記冷却経路は一部に共通の冷却経路が形成されており、
前記強制循環装置は、前記共通の冷却経路に設けられている、
燃料電池システム。
A plurality of fuel cells having different temperature vs. output characteristics;
A plurality of cooling paths through which a refrigerant for cooling each of the plurality of fuel cells circulates;
A forced circulation device for circulating the refrigerant;
A temperature detection device for detecting the temperature of the refrigerant ;
When the temperature of the refrigerant detected by the temperature detection device is lower than a predetermined temperature, a fuel cell having a temperature-to-output characteristic that efficiently generates power on a lower temperature side is selected from the plurality of fuel cells. and a control unit for generating Te,
Each of the cooling paths has a common cooling path formed in part,
The forced circulation device is provided in the common cooling path,
Fuel cell system.
前記共通の冷却経路に、冷媒を加熱する加熱装置をさらに備える、請求項1に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 1, further comprising a heating device that heats the refrigerant in the common cooling path. より低い温度側で効率的に発電する前記燃料電池が運転している場合に、前記加熱装置により冷媒を加熱させる、請求項2に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 2, wherein when the fuel cell that efficiently generates electric power at a lower temperature side is operating, the refrigerant is heated by the heating device. 前記冷媒の温度が所定の温度より高くなった場合に、前記複数の燃料電池のうち、より高い温度側で効率的に発電する燃料電池を選択して発電させる、請求項1または2に記載の燃料電池システム。   3. The fuel cell according to claim 1, wherein when the temperature of the refrigerant is higher than a predetermined temperature, a fuel cell that efficiently generates power on a higher temperature side is selected from the plurality of fuel cells to generate power. Fuel cell system. 前記冷媒の温度が、所定の温度範囲にある場合に、複数の前記燃料電池を同時に発電させる、請求項1または2に記載の燃料電池システム。   3. The fuel cell system according to claim 1, wherein when the temperature of the refrigerant is in a predetermined temperature range, the plurality of fuel cells are caused to generate power simultaneously. 所定の温度対出力特性を有する第1の燃料電池と、
前記第1の燃料電池における前記所定の温度対出力特性に比べ、より低い温度側に出力の最大値がある第2の燃料電池と、
前記第1の燃料電池または前記第2の燃料電池を冷却する冷媒の温度を測定する温度検出装置と、
前記温度検出装置で検出された冷媒の温度が所定の温度より低い場合に、前記第2の燃料電池により優先的に発電させ、前記所定の温度より高い場合に前記第1の燃料電池により優先的に発電させる制御装置と、
前記第1の燃料電池に冷媒を供給させる第1の冷却経路と、
前記第1の冷却経路と共通の冷媒を前記第2の燃料電池に供給させる第2の冷却経路と、
前記第1の冷却経路と前記第2の冷却経路とを切り替える切換手段と、を備え、
前記切換手段は、該第2の燃料電池が発電している場合には前記第1の燃料電池および前記第2の燃料電池の双方に冷媒を供給させ、前記第1の燃料電池が発電している場合には前記第1の燃料電池に冷媒を供給させることを特徴とする燃料電池システム。
A first fuel cell having predetermined temperature vs. output characteristics;
A second fuel cell having a maximum output value on a lower temperature side compared to the predetermined temperature-to-output characteristic in the first fuel cell;
A temperature detecting device for measuring a temperature of a refrigerant for cooling the first fuel cell or the second fuel cell;
When the temperature of the refrigerant detected by the temperature detection device is lower than a predetermined temperature, the second fuel cell preferentially generates power, and when the temperature is higher than the predetermined temperature, the first fuel cell has priority. A control device for generating electricity,
A first cooling path for supplying a refrigerant to the first fuel cell;
A second cooling path for supplying the second fuel cell with a refrigerant common to the first cooling path;
Switching means for switching between the first cooling path and the second cooling path,
The switching means supplies the refrigerant to both the first fuel cell and the second fuel cell when the second fuel cell is generating power, and the first fuel cell generates power. A fuel cell system, wherein a refrigerant is supplied to the first fuel cell.
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