JP5272328B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、車室暖房システムと連携する燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system that cooperates with a vehicle compartment heating system.
燃料電池の各セルは、電解質膜の両面をガス拡散電極(燃料ガス電極(アノード)及び酸化剤ガス電極(カソード))で挟み更にその両側をガス供給路の設けられたセパレータで挟むようにしてそれぞれ形成される。燃料電池は、このような各セルにおいて、アノード側に設けられた流路に供給される燃料ガスとカソード側に設けられた流路に供給される酸化剤ガスとを電解質膜を介してそれぞれ反応させることにより発電を行っている。 Each cell of the fuel cell is formed such that both sides of the electrolyte membrane are sandwiched between gas diffusion electrodes (fuel gas electrode (anode) and oxidant gas electrode (cathode)) and both sides are sandwiched between separators provided with gas supply paths. Is done. In each of such cells, the fuel cell reacts with the fuel gas supplied to the flow path provided on the anode side and the oxidant gas supplied to the flow path provided on the cathode side via the electrolyte membrane. To generate electricity.
各セルにおける酸化剤ガスと燃料ガスとの反応時には発熱が生じる。この発熱によりセルが高温に成り過ぎると、電解質膜の乾燥等により燃料電池の発電効率が低下する。これにより、燃料電池システムでは冷却液循環経路が設けられ、この経路から燃料電池スタック内に供給される冷却液により各セルで生じた熱がスタック外に運搬される。なお、各セルで加熱された冷却液は、この冷却液循環経路上に設けられたラジエータ等の冷却手段により大気と熱交換を行う。 Heat is generated during the reaction between the oxidant gas and the fuel gas in each cell. If the cell becomes too hot due to this heat generation, the power generation efficiency of the fuel cell decreases due to drying of the electrolyte membrane or the like. Thus, a coolant circulation path is provided in the fuel cell system, and heat generated in each cell is transported outside the stack by the coolant supplied from this path into the fuel cell stack. The coolant heated in each cell exchanges heat with the atmosphere by a cooling means such as a radiator provided on the coolant circulation path.
一方、各セルの運転温度が低い場合にも、各セル内の水分が凍結する等により燃料電池の発電効率が低下する。そこで、燃料電池の運転開始前に効率よく暖機する手法が提案されている。下記特許文献1では、燃料電池により蓄電池を充電しこの蓄電池により給電されるヒートポンプを用いて、車室内の空調と共に運転開始前の燃料電池を暖機する手法が提案されている。下記特許文献2では、複数の燃料電池スタックにおいて、所定の燃料電池スタックにおいて加熱された循環水を他の燃料電池スタックの暖機に利用する手法が提案されている。 On the other hand, even when the operating temperature of each cell is low, the power generation efficiency of the fuel cell decreases due to, for example, freezing of water in each cell. Therefore, a method for efficiently warming up the fuel cell before starting operation has been proposed. Patent Document 1 below proposes a method of warming up a fuel cell before the start of operation together with air conditioning in a vehicle interior using a heat pump that is charged with the fuel cell and fed by the storage battery. Patent Document 2 below proposes a method of using circulating water heated in a predetermined fuel cell stack to warm up other fuel cell stacks in a plurality of fuel cell stacks.
その他、本願発明に係る先行技術文献として以下のような文献が開示されている。 In addition, the following documents are disclosed as prior art documents related to the present invention.
下記特許文献3には、車両の駆動モータの発電用に用いられるメイン燃料電池と、エアコンプレッサ、車両電気部品等の補機駆動の発電用に用いられるサブ燃料電池と、の2つの燃料電池を搭載する車両が提案されている。下記特許文献4には、第1の燃料電池と第2の燃料電池とを備え、第2の燃料電池により第1の燃料電池のために備えられたブロア、ポンプ等の補機を駆動する手法が提案されている。下記特許文献5には、各燃料電池スタック間の接続状態をリレー等で切り替えることにより、停止時又は緊急時の燃料電池の出力電圧を電力消費なく低下させる手法が提案されている。
ところで、上記特許文献2で提案されているような燃料電池の排熱を有効利用する手法等、燃料電池システム全体としてのエネルギー効率を高める技術が研究されている。例えば、燃料電池を駆動モータ等の発電用に利用する車両において、この燃料電池の排熱を車室暖房等に利用する手法が考えられる。この手法では、燃料電池の排熱が高温に保たれることが望ましい。 By the way, a technique for improving the energy efficiency of the entire fuel cell system, such as a method of effectively utilizing the exhaust heat of the fuel cell as proposed in Patent Document 2, has been studied. For example, in a vehicle that uses a fuel cell for power generation such as a drive motor, a method of using the exhaust heat of the fuel cell for vehicle compartment heating or the like can be considered. In this method, it is desirable to keep the exhaust heat of the fuel cell at a high temperature.
しかしながら、燃料電池システムとして、燃料電池の排熱温度を高温に保つようにすることは難しい。燃料電池の排熱温度は発電量に依存し、この発電量は主に駆動モータ等の負荷装置からの要求により変動する。 However, it is difficult for the fuel cell system to keep the exhaust heat temperature of the fuel cell at a high temperature. The exhaust heat temperature of the fuel cell depends on the power generation amount, and this power generation amount fluctuates mainly by a request from a load device such as a drive motor.
従って、燃料電池システムの排熱温度を一定に保つためには、強力な断熱機能を付与する手法や所定量の発電を継続させる手法が考えられる。 Therefore, in order to keep the exhaust heat temperature of the fuel cell system constant, a method of providing a strong heat insulation function or a method of continuing a predetermined amount of power generation can be considered.
しかしながら、前者の手法では、燃料電池システム全体に断熱機能を付与することはシステムとして実現性が困難である。後者の方法では、排熱温度を高温に保つために出力される電力の消費先の問題等、エネルギー効率の低下が懸念される。 However, in the former method, it is difficult to provide a heat insulation function to the entire fuel cell system as a system. In the latter method, there is a concern about a decrease in energy efficiency such as a problem of a consumption destination of electric power output to keep the exhaust heat temperature at a high temperature.
本発明の目的は、エネルギー効率を維持しながら車室暖房システムに効率のよい暖房を行わせる燃料電池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 system that allows a passenger compartment heating system to perform efficient heating while maintaining energy efficiency.
本発明は、上述した課題を解決するために以下の手段を採用する。即ち、本発明に係る燃料電池システムは、走行用モータに電力を供給する第1の燃料電池と、この第1の燃料電池よりも小さい電力を出力し、車室暖房装置にこの出力電力を供給する第2の燃料電池と、この第2の燃料電池内の熱を回収するための冷却液を循環させる冷却液循環経路であって、熱媒体を車室内空気と熱交換させる室内熱交換器へ、第2の燃料電池から送出される冷却液を熱媒体として送る第1の冷却液循環経路と、を備える。 The present invention employs the following means in order to solve the above-described problems. That is, the fuel cell system according to the present invention outputs a first fuel cell that supplies electric power to the motor for traveling, and electric power smaller than the first fuel cell, and supplies this output electric power to the vehicle interior heating device. A coolant circulation path for circulating a second fuel cell and a coolant for recovering heat in the second fuel cell to an indoor heat exchanger for exchanging heat with the air in the vehicle interior And a first coolant circulation path for sending the coolant sent from the second fuel cell as a heat medium.
本発明では、第1の燃料電池と第2の燃料電池とが別々に設けられ、第1の燃料電池により走行用モータを駆動させるための電力が発電され、第2の燃料電池により車室暖房システムに含まれる車室暖房装置を駆動させるための電力が発電される。更に、第2の燃料電池を冷却するために第1の冷却液循環経路を循環される冷却液は、この第2の燃料電池の排熱を含んだ状態で室内熱交換器へ送られ、車室内空気との熱交換に利用される。 In the present invention, the first fuel cell and the second fuel cell are separately provided, the first fuel cell generates electric power for driving the traveling motor, and the second fuel cell generates the vehicle interior heating. Electric power for driving the passenger compartment heating device included in the system is generated. Further, the coolant circulated through the first coolant circulation path for cooling the second fuel cell is sent to the indoor heat exchanger in a state including the exhaust heat of the second fuel cell, and the vehicle Used for heat exchange with room air.
これにより、本発明によれば、車室暖房システムに依存することなく走行用モータの要求電力に応じて、第1の燃料電池の効率運転を独自に行うことができ、かつ、第2の燃料電池の排熱を車室暖房システムで利用することができる。よって、本発明に係る燃料電池システムは、エネルギー効率を維持しながら車室暖房システムに効率のよい暖房を行わせることができる。 Thus, according to the present invention, the efficient operation of the first fuel cell can be independently performed according to the required power of the traveling motor without depending on the passenger compartment heating system, and the second fuel The exhaust heat of the battery can be used in the passenger compartment heating system. Therefore, the fuel cell system according to the present invention can cause the passenger compartment heating system to perform efficient heating while maintaining energy efficiency.
更に、本発明によれば、第2の燃料電池は、第1の燃料電池よりも小さい電力を出力し、車室暖房システムの電力を供給するためのものであるため例えば略定常の発電を行うようにすれば、この第2の燃料電池の発電に関する制御装置を簡易な構成で実現することができ、システムを小型化することができる。 Furthermore, according to the present invention, the second fuel cell outputs a smaller electric power than the first fuel cell and supplies electric power for the passenger compartment heating system. By so doing, it is possible to realize a control device related to power generation of the second fuel cell with a simple configuration, and to reduce the size of the system.
本発明において好ましくは、上記第1の冷却液循環経路を、第2の燃料電池から送出された冷却液が上記車室暖房装置により熱処理された冷媒と熱交換器において熱交換した後に上記室内熱交換器に送られるように形成し、第1の燃料電池内の熱を回収するための冷却液を循環させる冷却液循環経路であって、第2の燃料電池から送出された冷却液と熱交換させるために第1の燃料電池から送出される冷却液を当該熱交換器に送る第2の冷却液循環経路を更に備えるように構成する。 Preferably, in the present invention, the indoor heat after the first coolant circulation path exchanges heat in the heat exchanger between the coolant sent from the second fuel cell and the refrigerant heat-treated by the vehicle compartment heating device. A coolant circulation path formed to be sent to the exchanger and circulating a coolant for recovering the heat in the first fuel cell, and exchanges heat with the coolant sent from the second fuel cell. In order to achieve this, a second coolant circulation path for sending the coolant sent from the first fuel cell to the heat exchanger is further provided.
このような構成では、室内熱交換器の熱媒体として利用される第2の燃料電池からの冷却液は、この第2の燃料電池から出力される電力で動作する車室暖房装置により熱処理された冷媒と共に第1の燃料電池を循環する冷却液と熱交換される。 In such a configuration, the coolant from the second fuel cell that is used as the heat medium of the indoor heat exchanger is heat-treated by the vehicle interior heating device that operates with the electric power output from the second fuel cell. Heat is exchanged with the coolant circulating in the first fuel cell together with the refrigerant.
従って、このような構成によれば、第2の燃料電池からの出力電力及び排熱を共に車室暖房システムで効率よく利用することができ、更に、第1の燃料電池の排熱も車室暖房システムで利用することができる。このとき、第2の燃料電池からの出力電力及び排熱を利用することで暖房性能を維持することは可能であることから、第1の燃料電池の排熱は予備的に利用することができる。よって、暖房性能を確保するために第1の燃料電池の排熱温度を維持する制御を行わなくてもよい。 Therefore, according to such a configuration, both the output power and the exhaust heat from the second fuel cell can be efficiently used in the vehicle compartment heating system, and the exhaust heat of the first fuel cell is also used in the vehicle compartment. Can be used in heating systems. At this time, since the heating performance can be maintained by using the output power and the exhaust heat from the second fuel cell, the exhaust heat of the first fuel cell can be used preliminarily. . Therefore, it is not necessary to perform control for maintaining the exhaust heat temperature of the first fuel cell in order to ensure the heating performance.
更に、本発明において好ましくは、上記第2の冷却液循環経路内の冷却液温度を計測する温度計測手段と、上記第2の冷却液循環経路に含まれる経路のうち、第1の燃料電池から送出される冷却液が上記熱交換器を通過して循環する経路と同冷却液が上記熱交換器を迂回して循環する経路とを切り替える切替弁と、当該温度計測手段により計測された冷却液温度が所定温度より高い場合に、この切替弁を、第1の燃料電池から送出される冷却液が上記熱交換器を通過して循環するように切り替える制御手段とを更に備えるように構成する。 Furthermore, in the present invention, it is preferable that the temperature measuring means for measuring the coolant temperature in the second coolant circulation path and the first fuel cell among the paths included in the second coolant circulation path. A switching valve that switches between a path through which the coolant to be circulated passes through the heat exchanger and a path through which the coolant circulates around the heat exchanger, and the coolant measured by the temperature measuring means When the temperature is higher than a predetermined temperature, the switching valve is further configured to include a control unit that switches the coolant sent from the first fuel cell to circulate through the heat exchanger.
このような構成では、第1の燃料電池の排熱を含む冷却液の温度が所定温度より高い場合に、この第1の燃料電池からの冷却液が、室内熱交換器の熱媒体として利用される第2の燃料電池からの冷却液との熱交換に利用される。 In such a configuration, when the temperature of the coolant including the exhaust heat of the first fuel cell is higher than a predetermined temperature, the coolant from the first fuel cell is used as a heat medium for the indoor heat exchanger. It is used for heat exchange with the coolant from the second fuel cell.
従って、このような構成によれば、第1の燃料電池の排熱を選択的に車室暖房システムで利用することが可能となるため、より効率の良い暖房を行うことができる。 Therefore, according to such a configuration, the exhaust heat of the first fuel cell can be selectively used in the vehicle compartment heating system, so that more efficient heating can be performed.
本発明では、第2の燃料電池は、第2の燃料電池の排熱温度や車室内温度等によっては出力電力を上記車室暖房装置で全て消費する必要のない場合がある。このような場合における第2の燃料電池から出力される電力のうちの余剰電力を消費する方法としては、当該車室暖房装置に含まれ得る例えばヒートポンプや膨張弁等の制御により消費する方法がある。しかしながら、このような消費方法では、第2の燃料電池からの出力電力を有効に利用していないとも言える。 In the present invention, the second fuel cell may not need to consume all of the output power by the vehicle interior heating device depending on the exhaust heat temperature, vehicle interior temperature, and the like of the second fuel cell. As a method of consuming surplus power out of the power output from the second fuel cell in such a case, there is a method of consuming by control of, for example, a heat pump or an expansion valve that can be included in the vehicle interior heating device. . However, it can be said that such a consumption method does not effectively use the output power from the second fuel cell.
そこで、本発明は、第1の燃料電池と走行用モータとを接続する電力線に設けられた接続点と、第2の燃料電池と車室暖房装置とを接続する電力線に設けられた接続点とを接続する中継電力線の途中に直流・直流(DC/DC)コンバータを更に備えるように構成する。 Therefore, the present invention provides a connection point provided on a power line connecting the first fuel cell and the traveling motor, and a connection point provided on a power line connecting the second fuel cell and the vehicle interior heating device. A direct current / direct current (DC / DC) converter is further provided in the middle of the relay power line connecting the two.
このような構成では、この直流・直流コンバータが、第2の燃料電池からの出力電力のうちの余剰電力が走行用モータの駆動のための電力として必要に応じて利用されるように制御する。 In such a configuration, the DC / DC converter controls so that the surplus power of the output power from the second fuel cell is used as necessary for driving the driving motor.
従って、このような構成によれば、第1の燃料電池及び第2の燃料電池において出力される電力を共に有効に利用することができ、エネルギー効率を高めることができる。 Therefore, according to such a configuration, both the electric power output from the first fuel cell and the second fuel cell can be effectively used, and the energy efficiency can be improved.
更に、このような構成において好ましくは、第2の燃料電池から出力される電力のうち上記直流・直流コンバータを通過する電力を直流・直流コンバータの損失特性に基づいて制御する電力制御手段を更に備えるように構成する。 Furthermore, in such a configuration, it is preferable that power control means for controlling power passing through the DC / DC converter out of power output from the second fuel cell based on loss characteristics of the DC / DC converter is further provided. Configure as follows.
このような構成によれば、直流・直流コンバータの損失特性を加味して電力損失が少なくなるように第2の燃料電池からの出力電力を選択的に利用することができるため、一層エネルギー効率を高めることができる。 According to such a configuration, it is possible to selectively use the output power from the second fuel cell so that the power loss is reduced in consideration of the loss characteristics of the DC / DC converter. Can be increased.
このような電力制御手段は、具体的には例えば次のような構成で実現することができる。 Specifically, such power control means can be realized by the following configuration, for example.
すなわち、上記電力制御手段が、走行用モータの要求電力のうち第1の燃料電池により供給されるべき電力の不足電力及び第2の燃料電池から出力される電力のうち車室暖房装置により消費されない余剰電力をそれぞれ得ることにより、上記直流・直流コンバータを通過する電力を算出する通過電力算出手段と、上記直流・直流コンバータの損失特性に基づいて、当該通過電力算出手段により算出された通過電力の直流・直流コンバータにおける電力損失が大きくならないように車室暖房装置の消費電力を制御する消費電力制御手段とを有するように構成する。 That is, the electric power control means is not consumed by the vehicle compartment heating device among the insufficient electric power to be supplied by the first fuel cell and the electric power output from the second fuel cell among the required electric power of the driving motor. By obtaining surplus power respectively, the passing power calculation means for calculating the power passing through the DC / DC converter and the passing power calculated by the passing power calculation means based on the loss characteristics of the DC / DC converter. Power consumption control means for controlling the power consumption of the passenger compartment heating device is provided so that power loss in the DC / DC converter does not increase.
なお、当該通過電力算出手段により算出される上記直流・直流コンバータを通過する電力は、電流・電圧計等により計測されるように構成してもよく、上記直流・直流コンバータの損失特性については通過電力と電力損失との関係情報をメモリ等に予め保持されるようにしてもよい。 The power passing through the DC / DC converter calculated by the passing power calculation means may be configured to be measured by a current / voltmeter or the like, and the loss characteristics of the DC / DC converter are passed through. Information on the relationship between power and power loss may be stored in advance in a memory or the like.
本発明によれば、エネルギー効率を維持しながら車室暖房システムに効率のよい暖房を行わせる燃料電池システムを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell system which makes a vehicle interior heating system perform efficient heating can be provided, maintaining energy efficiency.
以下、図面を参照して、本発明における各実施形態の燃料電池システムについてそれぞれ説明する。なお、以下に述べる各実施形態の構成はそれぞれ例示であり、本発明は以下の実施形態の構成に限定されるものではない。 Hereinafter, the fuel cell system of each embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the structure of each embodiment described below is an illustration, respectively, and this invention is not limited to the structure of the following embodiment.
[第一実施形態]
以下、本発明の第一実施形態としての燃料電池システム及びヒートポンプ式暖房システム(以降、単に暖房システムとも表記する)について説明する。本発明の第一実施形態としての燃料電池システム及び暖房システムは共に自動車等の車両に搭載される。
[First embodiment]
Hereinafter, a fuel cell system and a heat pump heating system (hereinafter also simply referred to as a heating system) as a first embodiment of the present invention will be described. Both the fuel cell system and the heating system as the first embodiment of the present invention are mounted on a vehicle such as an automobile.
〔システム構成〕
図1は、本発明の第一実施形態としての燃料電池システム及び暖房システムの構成例を示す図である。
〔System configuration〕
FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a fuel cell system and a heating system as a first embodiment of the present invention.
〈燃料電池システム〉
本実施形態における燃料電池システムは、燃料電池メインスタック(以降、メインFCと表記する)21、燃料電池サブスタック(以降、サブFCと表記する)22、エアコンプレッサ24及び25、レギュレータ23、圧力調整弁26、温度センサ28、三方弁29、メインFC21用のECU(Electric Control Unit)(以降、メインECUと表記
する)51、サブFC22用のECU(以降、サブECUと表記する)52等を備える。
<Fuel cell system>
The fuel cell system according to the present embodiment includes a fuel cell main stack (hereinafter referred to as main FC) 21, a fuel cell sub stack (hereinafter referred to as sub FC) 22,
本実施形態における燃料電池システムは、車両の推進力を得るための走行用駆動モータ20等の負荷装置への電力を供給するメインFC21(本発明の第1の燃料電池に相当する)と、本実施形態における暖房システムを構成するヒートポンプ等の負荷装置への電力を供給するサブFC22(本発明の第2の燃料電池に相当する)とを備える。
The fuel cell system according to the present embodiment includes a main FC 21 (corresponding to the first fuel cell of the present invention) that supplies power to a load device such as a
メインFC21及びサブFC22は、電解質膜を燃料ガス電極(以降、アノードと表記する)と酸化剤ガス電極(以降、カソードと表記する)とで挟み、更にそれら電極の両側をガス供給路の設けられたセパレータで挟むように形成されるセルが所定数積層されたセルスタックをそれぞれ備えている。メインFC21及びサブFC22は、燃料ガス入口、
燃料ガス出口、酸化剤ガス入口、酸化剤ガス出口、冷却液入口、冷却液出口をそれぞれ有している。
The
Each has a fuel gas outlet, an oxidant gas inlet, an oxidant gas outlet, a coolant inlet, and a coolant outlet.
燃料ガスタンク(図示せず)等から送出されレギュレータ23により圧力調整された燃料ガス(例えば水素ガス)は、配管61を通り、燃料ガス入口からメインFC21及びサブFC22内部へそれぞれ流入し、各セルのアノードにそれぞれ供給される。一方、エアフィルタ等を介して大気から取り込まれ、エアコンプレッサ24で圧縮された酸化剤ガス(例えば圧縮空気)は、配管62を通り、酸化剤ガス入口からメインFC21内部へ流入し、各セルのカソードに供給される。同様に、エアコンプレッサ25で圧縮された酸化剤ガスは、配管63を通り、酸化剤ガス入口からサブFC22内部へ流入し、各セルのカソードに供給される。
A fuel gas (for example, hydrogen gas) sent from a fuel gas tank (not shown) or the like and pressure-adjusted by the
メインFC21及びサブFC22は、各セルにおいてこのように供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを電解質膜を介してそれぞれ反応させることにより発電を行う。発電に供されなかった燃料ガス(以降、アノードオフガスと表記する)は燃料ガス出口から排出され、発電に供されなかった酸化剤ガス(以降、カソードオフガスと表記する)は酸化剤ガス出口から排出される。なお、圧力調整弁26及び27は、メインFC21及びサブFC22の酸化剤ガス出口に繋がる配管にそれぞれ配置され、酸化剤ガスの背圧を調整する。
The
なお、本発明は、このようなメインFC21及びサブFC22における、酸化剤ガスの供給手法及びカソードオフガスの排出手法、燃料ガスの供給手法及びアノードオフガスの排出手法、発電量の制御手法を限定するものではない。よって、燃料ガスの循環経路が設けられていてもよいし、各経路に他の制御機器が備えられていてもよい。
The present invention limits the oxidant gas supply method, cathode off-gas discharge method, fuel gas supply method, anode off-gas discharge method, and power generation amount control method in the
メインFC21は、蓄電池71と共にインバータ19に対して並列に接続される。これにより、メインFC21により供給される直流電圧は、蓄電池71及びインバータ19に印加される。インバータ19は、メインFC21から供給される直流電力を3相交流電力に変換し、駆動モータ20へ送る。駆動モータ20は、この交流電力によって車輪軸を回転させる。メインFC21により発電された電力は、主にこの駆動モータ20の動力源として利用される。蓄電池71は、例えば二次電池であり、メインFC21から出力される電力を充電し、充電された電力を放電する。なお、本発明は、この蓄電池71の有無を限定するものでも、メインFC21の負荷装置を走行用駆動モータ20に限定するものでもない。
The
更に、メインFC21とインバータ19とを繋ぐ電力線と蓄電池71とインバータ19とを結ぶ電力線の間には直流・直流(DC/DC)コンバータ(以降、単にコンバータ若しくはDC/DCと表記する)72が接続される。コンバータ72は、昇降圧電圧変換器として動作し、メインFC21から蓄電池71への電力供給の制御、メインFC21と蓄電池55とのインバータ19への出力電力比の制御等を行う。
Further, a direct current / direct current (DC / DC) converter (hereinafter simply referred to as a converter or DC / DC) 72 is connected between a power line connecting the
メインFC21は、駆動モータ20からの要求電力量に応じた電力が発電されるようにメインECU51により制御される。メインECU51は、メインFC21の発電量を制御するべく、レギュレータ23、エアコンプレッサ24、圧力調整弁26等を制御する。
The
サブFC22は、後述する暖房システムで利用されるヒートポンプのための駆動モータ31にインバータ32を介して接続される。サブFC22により発電された電力は、このヒートポンプ用駆動モータ31の動力源として利用される。インバータ32は、サブFC22から供給される直流電力を3相交流電力に変換し、モータ31へ送る。
The
サブFC22は、本実施形態における暖房システムへの電力供給を目的としているため
、メインFC21の出力電力よりも小さい電力を発電すればよいように構成される。これは、サブFC22のセル数及びセル面積の少なくとも1つをメインFC21のものよりも少なく(小さく)することで実現することができるため、サブFC22自体を小型化することができる。
Since the
同目的のため、サブFC22は、所定の目標電力量を発電すればよいように略定常運転される。従って、サブFC22の発電量を調整するためのエアコンプレッサ25、圧力調整弁27等に対する制御は、サブFC22の発電量が当該目標電力量となるように制御されればよいため、簡易なものとすることができる。但し、このような利点を捨て、サブFC22の発電量が負荷装置の要求電力に応じて制御されるように構成してもよい。なお、サブFC22は、暖房システムを構成するヒートポンプ以外の他の負荷装置への電力を供給するように構成されてもよい。
For this purpose, the
更に、メインFC21及びサブFC22は、発電時の発熱によりスタック自体が高温となるのを防ぐために、冷却水等の冷却液の循環経路をそれぞれ備える。この循環経路から各燃料電池スタック内に供給される冷却液により各セルで生じた熱が各燃料電池スタック外にそれぞれ運搬される。メインFC21の冷却液循環経路が本発明の第2の冷却液循環経路に相当し、サブFC22の冷却液循環経路が本発明の第1の冷却液循環経路に相当する。
Further, the
メインFC21の冷却液循環経路は、メインFC21内部を循環した冷却液が排出される冷却液出口と繋がる配管1とこの配管1から分岐する配管3と配管1及び3と三方弁29を介して繋がり当該冷却液を燃料電池内へ再供給する配管2とから構成される。ここで、配管1には、配管3と分岐されてから三方弁29に繋がるまでの間に後述する暖房システムを構成する熱交換器30が設置される。
The coolant circulation path of the
更に、メインFC21の冷却液循環経路には、メインFC21の冷却液出口近辺の配管1に温度センサ28が設けられている。この温度センサ28は、本発明の温度計測手段に相当し、冷却液の温度を計測し、計測結果をメインECU51へ送る。
Furthermore, a
三方弁29は、熱交換器30を通過した冷却液が配管1から流入する口と、メインFC21の冷却液出口から排出された冷却液が配管3から流入する口と、流入する冷却液を配管2へ送る口とを有する。三方弁29は、本発明の切替弁に相当し、メインECU51によりこれら流入口及び送出口の開閉を制御される。これにより、メインFC21から排出された冷却液が、熱交換器30を通りメインFC21へ再供給されるか、配管3を経由することで熱交換器30を通らずメインFC21へ再供給されるかが切り替えられる。
The three-way valve 29 has a port through which the coolant that has passed through the
メインECU51は、CPU(Central Processing Unit)、メモリ、入出力インタフェ
ース等により構成されており、CPUがメモリに格納された制御プログラムを実行することによってメインFC21の冷却液循環経路における流路制御を行う。メインECU51は、本発明の制御手段に相当する。具体的には、メインECU51は、以下のように冷却液流路制御を行う。メインECU51は、温度センサ28からの出力により冷却液が所定閾値温度より高いと判断すると、冷却液が熱交換器30を通過して循環するように三方弁29を制御する。逆に、メインECU51は、冷却液が所定閾値温度より低いと判断すると、冷却液が熱交換器30を通らず循環するように三方弁29を制御する。このような制御により、メインFC21の排熱を当該暖房システムで有効に利用する。
The
一方、サブFC22の冷却液循環経路は、サブFC22内部を循環した冷却液が排出される冷却液出口と繋がり当該冷却液を熱交換器30に送り込む配管4と、熱交換器30を通過した冷却液が送出され当該冷却液をエバポレータ40に送り込む配管5と、エバポレ
ータ40を通過した冷却液が送出され当該冷却液をサブFC22内へ再供給する配管6と、から構成される。このような構成により、サブFC22の冷却液循環経路を循環する冷却液は、サブFC22自体の冷却媒体としてのみでなく、車室空間に熱を搬送する熱媒体としても利用される。このような構成により、サブFC22の排熱が暖房システムで有効に利用される。サブFC22の冷却液循環経路の詳細については後述する。
On the other hand, the coolant circulation path of the
〈暖房システム〉
本実施形態における暖房システムは、熱交換器30、ヒートポンプを構成するモータ31及びコンプレッサ33、外部熱交換器35、三方弁36及び38、膨張弁37及び39、エバポレータ40、フラップ41、サブECU52等を備える。
<Heating system>
The heating system in the present embodiment includes a
本実施形態における暖房システムは、CO2等の冷媒が循環される冷媒循環経路を持つ
。この冷媒循環経路を循環する冷媒は、メインFC21の冷却液循環経路を循環する冷却液と共に、熱交換器30において、サブFC22の冷却液循環経路を循環する冷却液と熱交換を行う。以下、本実施形態における暖房システムが備える冷媒循環経路を構成する各機器についてそれぞれ説明する。
The heating system in the present embodiment has a refrigerant circulation path through which a refrigerant such as CO 2 is circulated. The refrigerant circulating in this refrigerant circulation path exchanges heat with the coolant circulating in the coolant circulation path of the
ヒートポンプは、本発明の車室暖房装置に相当し、コンプレッサ33及びモータ31等から構成される。ヒートポンプでは、モータ31がサブFC22により発電された電力により駆動し、このモータ31の動力でコンプレッサ33が作動する。
The heat pump corresponds to the passenger compartment heating device of the present invention, and includes a
ヒートポンプは、三方弁36により外部熱交換器35を通過した冷媒がそのままヒートポンプに送り込まれるように制御されている場合には、外部熱交換器35を通過した冷媒を配管12から受ける。一方で、ヒートポンプは、三方弁36により外部熱交換器35を通過した冷媒が膨張弁39及び熱交換器30を通過するように制御されている場合には、熱交換器30を通過した冷媒を配管11及び12を経由して受ける。ヒートポンプは、このようにして送り込まれた冷媒をコンプレッサ33により圧縮し送出する。ヒートポンプは、その回転数等がサブECU52により制御される。ヒートポンプにより圧縮された冷媒は、配管13へ送出される。
When the heat pump is controlled so that the refrigerant that has passed through the
三方弁38は、ヒートポンプにより圧縮された冷媒が配管13から流入する口と、この流入してきた冷媒を配管14へ送り出す口と、この流入してきた冷媒を配管15へ送り出す口と、を有する。三方弁38は、サブECU52により、これら流入口及び送出口の開閉を制御される。これにより、冷媒は、配管14を経由して熱交換器30を通過するか、配管15を経由することにより熱交換器30を通過せず循環するかが切り替えられる。配管14に送り出された冷媒は、熱交換器30でサブFC22を循環する冷却液と熱交換した後、膨張弁37に送り込まれる。一方、配管15を流れる冷媒は、その後、配管7に送り込まれる。
The three-
膨張弁37は、熱交換器30を通過した冷媒の通る配管14と配管7との間に設置される。膨張弁37は、熱交換器30により熱交換され送り込まれた冷媒を減圧する。膨張弁37により減圧された冷媒は、配管7に送り出される。
The
外部熱交換器35は、配管7と配管8との間に設置される。外部熱交換器35は、三方弁38により冷媒が熱交換器30を通過するように制御されている場合には、膨張弁37により減圧された冷媒を配管7から受ける。一方、外部熱交換器35は、三方弁38により冷媒が熱交換器30を通過しないように制御されている場合には、ヒートポンプにより加圧された冷媒を配管15を経由して配管7から受ける。外部熱交換器35は、この冷媒と外気とを熱交換させる。外気との熱交換により外気温度と略同等となった冷媒は、配管8に送り出される。
The
三方弁36は、外気との熱交換により外気温度と略同等となった冷媒が配管8から流入する口と、この流入する冷媒を配管9へ送り出す口と、この流入してきた冷媒を配管12へ送り出す口と、を有する。三方弁36は、サブECU52により、これら流入口及び送出口の開閉を制御される。すなわち、三方弁36は、冷媒がそのままヒートポンプに送り込まれるように当該冷媒を配管12へ送り出すか、冷媒が膨張弁39及び熱交換器30を経由してヒートポンプに送り込まれるように当該冷媒を配管9へ送り出すかを切り替える。
The three-
膨張弁39は、配管9と配管10との間に設置される。膨張弁39は、外気温度と略同等の温度となった冷媒を配管9から受け、この冷媒を減圧する。膨張弁39により減圧された冷媒は、配管10へ送り出される。膨張弁39により減圧された冷媒は、配管10を通り、熱交換器30へ送り込まれる。冷媒は、熱交換器30でサブFC22を循環する冷却液と熱交換を行い、配管11へ送り出される。配管11へ送り出された冷媒は、配管112を経由してヒートポンプに送り込まれる。
The
冷媒循環経路は、概略として、加熱時循環経路と冷却時循環経路とを有する。もちろん、これら加熱時循環経路及び冷却時循環経路が共に作用する場合もある。 The refrigerant circulation path generally includes a heating circulation path and a cooling circulation path. Of course, the heating circulation path and the cooling circulation path may act together.
ここで、加熱時循環経路とは、熱交換器30へ送り込まれる冷媒が外気温度よりも高くなるように循環される経路であり、三方弁38が冷媒をより多く配管14へ送り出すように制御され、三方弁36が冷媒をより多く配管12へ送り出すように制御される。これにより、加熱時循環経路では冷媒は次のように循環される。膨張弁37により減圧された冷媒が、外部熱交換器35により外気温度と略同等温度とされ、その後、ヒートポンプで加圧される。よって、ヒートポンプから送出され熱交換器30へ送り込まれる冷媒は、高圧状態かつ外気温度よりも高温状態となっている。
Here, the heating circulation path is a path through which the refrigerant sent to the
一方、冷却時循環経路とは、熱交換器30へ送り込まれる冷媒が外気温度よりも低くなるように循環される経路であり、三方弁38が冷媒をより多く配管15へ送り出すように制御され、三方弁36が冷媒をより多く配管9へ送り出すように制御される。これにより、冷却時循環経路では冷媒は次のように循環される。ヒートポンプにより加圧された冷媒が、外部熱交換器35により外気温度と略同等温度とされ、その後、膨張弁39により減圧される。よって、膨張弁39から送出され熱交換器30へ送り込まれる冷媒は、低圧状態かつ外気温度よりも低温状態となっている。
On the other hand, the cooling circulation path is a path through which the refrigerant sent to the
熱交換器30は、本発明の熱交換器に相当し、メインFC21の排熱を回収し配管1から送り込まれる冷却液及び上述の冷媒循環経路を循環する冷媒に、サブFC22において循環される冷却液と熱交換させる。熱交換器30により冷媒等と熱交換され過熱されたサブFC22において循環される冷却液は、エバポレータ40に送られる。
The
エバポレータ40は、本発明の室内熱交換器に相当し、サブFC22の冷却液循環経路を構成する配管5と配管6との間に設置される。エバポレータ40は、サブFC22の冷却液循環経路を循環する冷却液を配管5から受け、この冷却液を車両室内の空気と熱交換させる。
The
フラップ41は、エバポレータ40を通過する風量を調節する。フラップ41の開度により、エバポレータ40を通過する風量が増えれば熱交換される空気が多くなり、エバポレータ40を通過する風量が減れば熱交換される空気が少なくなる。フラップ41の開度は、サブECU52により制御される。
The
サブECU52は、CPU(Central Processing Unit)、メモリ、入出力インタフェー
ス等により構成されており、CPUがメモリに格納された制御プログラムを実行することによって本実施形態における暖房システムを制御する。具体的には、例えば、サブECU52は、エバポレータ40からの吐出温度を計測する吐出温度センサ(図示せず)、車室内温度を計測する室内温度センサ(図示せず)等からの計測値、及び室内設定温度等に基づいて、吐出温度目標値を決定する。サブECU52は、吐出温度センサの計測値がこの吐出温度目標値となるように、三方弁36及び38、ヒートポンプの回転数、並びにフラップ41の開度等を制御する。サブECU52は、本発明の電力制御手段、通過電力算出手段及び消費電力制御手段に相当する。なお、本発明は、サブECU52による暖房システムの制御手法を限定するものではないため、制御手法の詳細については説明を省略する。
The
〔第一実施形態の作用及び効果〕
以下、上述した第一実施形態としての燃料電池システム及び暖房システムの作用及び効果について述べる。
[Operation and effect of the first embodiment]
Hereinafter, the operation and effect of the fuel cell system and the heating system as the first embodiment will be described.
本実施形態における燃料電池システムでは、メインFC21が車両の車輪等を回転させるための駆動モータ20等の負荷装置への電力を供給し、サブFC22が暖房システムを構成する負荷装置への電力を供給する。
In the fuel cell system according to the present embodiment, the
これにより、車両の動力源となるメインFC21は、暖房システムの制御状態に関わらず、駆動モータ20の要求発電量に応じた電力を発電するように、メインECU51により制御される。一方、サブFC22は、暖房システムを構成するヒートポンプ内のモータ31の動力源として、所定の目標電力量を定常運転により供給する。
Thereby, the
従って、本実施形態における燃料電池システムによれば、車両の動力源となる電力を供給するメインFC21と暖房システムの動力源となる電力を供給するサブFC22とが独立して動作するため、各々が担当する負荷装置に対して効率の良い発電を行うことが可能である。
Therefore, according to the fuel cell system in the present embodiment, the
更に、サブFC22は、目標電力量を発電可能な定常発電を行えばよく、サブFC22の発電量に関連するエアコンプレッサ等への制御を簡易化することができるため、サブFC22の燃料電池システムを簡易な構成で実現することができる。
Further, the
ここで、サブFC22により供給される電力により作動するヒートポンプは、本実施形態における暖房システムを構成する冷媒循環経路の冷媒を圧縮等することにより熱を生じさせる。ヒートポンプにより熱処理された冷媒は、熱交換器30に送られる。
Here, the heat pump operated by the electric power supplied from the
本実施形態における燃料電池システムでは、サブFC22自体の熱を冷却するための冷却液循環経路に本実施形態における暖房システムを構成する熱交換器30及びエバポレータ40が設けられることにより、サブFC22を循環する冷却液を空調空間に熱を運搬する熱媒体としても利用する。これにより、サブFC22内の排熱を回収した冷却液は、熱交換器30により当該冷媒と熱交換を行うことにより更に加熱された状態で、エバポレータ40により車室内空気と熱交換を行う。
In the fuel cell system in the present embodiment, the
本実施形態における暖房システムは、サブFC22により生成された電力により作動するヒートポンプの作用で生じた熱とこのサブFC22の排熱とを併せて暖房システムで利用することにより、高いエネルギー効率で効率よく暖房を行う。
The heating system in the present embodiment uses the heat generated by the action of the heat pump that is operated by the electric power generated by the
更に、メインFC21自体の熱を冷却するために循環される冷却液もメインECU51
においてこの冷却液温度が所定温度より高いと判断された場合に当該熱交換器30に送られる。これにより、熱交換器30では、冷媒と共にメインFC21を循環する冷却液が選択的に、空調空間に熱を搬送するサブFC22の冷却液と熱交換する。
Furthermore, the coolant that is circulated to cool the heat of the
When it is determined that the coolant temperature is higher than a predetermined temperature, the heat is sent to the
従って、本実施形態における暖房システムによれば、メインFC21の排熱も更に有効利用され、高いエネルギー効率で効率よく暖房を行うことができる。
Therefore, according to the heating system in the present embodiment, the exhaust heat of the
[第二実施形態]
以下、本発明の第二実施形態としての燃料電池システム及びヒートポンプ式暖房システム(以降、単に暖房システムとも表記する)について説明する。
[Second Embodiment]
Hereinafter, a fuel cell system and a heat pump heating system (hereinafter also simply referred to as a heating system) as a second embodiment of the present invention will be described.
上述の第一実施形態における燃料電池システム及び暖房システムでは、サブFC22により生成された電力の受け入れ先は主にヒートポンプであったため、サブFC22により生成された電力が暖房システムにとって過大となる場合には、三方弁38及び36の開閉制御等により暖房システム内の熱制御の効率を下げることで対応されていた。すなわち、ヒートポンプの回転数を上げながらも、上記加熱時循環経路と冷却時循環経路とを併せて動作させることにより、結果として車室内温度が設定温度となるように制御されていた。これは、第一実施形態の暖房システムが、冷媒の冷却時循環経路の配管10及び11と、冷媒の加熱時循環経路の配管14とをいずれも熱交換器30へ繋げる構成を持つことにより実現されていた。
In the fuel cell system and the heating system in the first embodiment described above, the receiving destination of the electric power generated by the
しかしながら、このような制御では、サブFC22により発電された電力が有効に利用されているとは言えずエネルギー損失が生じていた。従って、本発明の第二実施形態としての燃料電池システムでは、サブFC22により生成された電力をメインFC21の負荷装置へ受け渡すことにより、エネルギー損失を低減する。
However, in such control, it cannot be said that the electric power generated by the
〔システム構成〕
図2は、本発明の第二実施形態としての燃料電池システム及び暖房システムの構成例を示す図である。
〔System configuration〕
FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of a fuel cell system and a heating system as a second embodiment of the present invention.
〈燃料電池システム〉
第2実施形態としての燃料電池システムは、メインFC21とインバータ19とを繋ぐ電力線に設けられた接続点81とサブFC22とインバータ32とを繋ぐ電力線に設けられた接続点82との間をコンバータ75を介する中継電力線で接続する。すなわち、インバータ19に対してメインFC21とサブFC22とが並列に接続される。コンバータ75は、メインFC21からの出力電力とサブFC22からの出力電力との間の出力比を制御する。コンバータ72は、蓄電池71の出力(充電時には入力)とコンバータ75により制御されたメインFC21及びサブFC22間の総出力との間の出力比を制御する。
<Fuel cell system>
In the fuel cell system as the second embodiment, a
このような構成により、サブFC22から出力される電力であって暖房システムで消費しきらず余った電力(以降、サブFC22の余剰電力と表記する)をインバータ19(駆動モータ20)で消費することができる。
With such a configuration, the electric power output from the
〈暖房システム〉
本実施形態としての暖房システムは、上述の燃料電池システムにおいてサブFC22の余剰電力が駆動モータ20により消費されることから、このサブFC22の余剰電力を消費するための構成をなくすことができる。すなわち、本実施形態における暖房システムは、冷媒の加熱時循環経路の配管14のみを熱交換器30へ繋げ、冷媒の冷却時循環経路を冷房用エバポレータ46に繋げる構成を備える。
<Heating system>
In the heating system according to the present embodiment, since the surplus power of the
よって、第二実施形態における暖房システムは、第一実施形態の暖房システムに対して、暖房用エバポレータ45、冷房用エバポレータ46を更に備え、この冷房用エバポレータ46に冷媒の冷却時循環経路の配管10及び11が接続される構成を持つ。このように冷房用エバポレータ46を更に備えることにより、第二実施形態における暖房システムでは、除湿暖房を実現することができる。なお、本暖房システムを構成するその他の機能部については第一実施形態と同様のため、ここでは説明を省略する。
Therefore, the heating system in the second embodiment further includes a
〔ECUによる制御〕
更に、第二実施形態としての燃料電池システムは、コンバータ75の特性を加味して選択的にサブFC22の余剰電力が駆動モータ20で利用されるように構成されてもよい。コンバータ75は、通過電力が所定の電力を超えると電力損失の増加率が高くなり、エネルギー効率が下がる特性を持つものがある。第二実施形態における燃料電池システムは、このようなコンバータ75における電力損失を少なくし、よりエネルギー効率の高いシステムを実現するために、メインFC21を制御するメインECU51とサブFC22及び暖房システムを制御するサブECU52とを連携させる。
[Control by ECU]
Furthermore, the fuel cell system as the second embodiment may be configured such that the surplus power of the
第二実施形態では、メインECU51及びサブECU52は次のように制御する。
In the second embodiment, the
メインECU51は、駆動モータ20の要求電力、蓄電池71の充電状態、メインFC21の発電量等を取得して、駆動モータ20の要求電力のうちメインFC21で供給すべき電力で現状足りない電力(以降、メインFC21の不足電力と表記する)を算出する。駆動モータ20の要求電力、蓄電池71の充電状態、メインFC21の発電量は、それぞれ図示されていないセンサ等により計測され、メインECU51に送られるようにしてもよい。メインECU51は、このメインFC21の不足電力に関する情報をサブECU52へ送る。
The
サブECU52は、ヒートポンプの回転数の計測値を得ることにより、ヒートポンプの消費電力を算出する。サブECU52は、更に、サブFC22の発電量を得る。サブFC22の発電量は、電力量計(図示せず)等により計測されてもよいし、サブFC22が定常発電であることからその目標電力量を予め保持するようにしてもよい。サブECU52は、サブFC22の発電量からヒートポンプの消費電力を差し引いて、サブFC22の余剰電力を算出する。
The
サブECU52は、このサブFC22の余剰電力とメインECU51から送られるメインFC21の不足電力とからサブFC22側からメインFC21側へ通過する電力を算出する。
The
サブECU52は、コンバータ75の損失特性に関するデータをメモリ等に保持する。コンバータ75の損失特性に関するデータとは、例えば、通過電力と電力損失との相対表である。これにより、サブECU52は、上述のように算出された通過電力がコンバータ75においてエネルギー効率を下げる(電力損失が増加する)電力となるか否かを判断する。サブECU52は、この判断により当該電力がコンバータ75においてエネルギー効率を下げる(電力損失が増加する)電力量となると判断すると、ヒートポンプの回転数を上げるように制御する。
Sub-ECU 52 holds data relating to the loss characteristics of
このような制御により、サブFC22からコンバータ75へ通過する電力に応じて電力損失が増加する場合には、暖房システムで余剰電力を消費するように制御される。これにより、メインFC21で発電される電力及びサブFC22で発電される電力をコンバータ75によるエネルギー損失を加味しつついずれもシステム全体として有効利用することができ、ひいてはシステム全体としてエネルギー損失を低減させることができる。
By such control, when the power loss increases according to the power passing from the
なお、コンバータ75を通過する電力を計測する電力量計を当該中継電力線に設置し、サブECU52は、この計測された通過電力に応じて、暖房システムでの消費電力を制御するようにしてもよい。
It should be noted that a watt-hour meter that measures the power passing through the
〔第二実施形態の作用及び効果〕
以下、上述した第二実施形態としての燃料電池システム及び暖房システムの作用及び効果について述べる。
[Operation and effect of the second embodiment]
Hereinafter, the operation and effect of the fuel cell system and the heating system as the second embodiment described above will be described.
第二実施形態における燃料電池システムでは、走行用駆動モータ20へ繋がるインバータ19に対して、メインFC21とサブFC22とがコンバータ75を介して並列に接続されるように中継電力線が設けられる。そして、このコンバータ75の制御により、サブFC22により発電された電力のうち暖房システムで消費されない余剰電力が必要に応じてインバータ19に供給され、走行用駆動モータ20の動力源として利用される。
In the fuel cell system according to the second embodiment, a relay power line is provided to the
よって、本実施形態の燃料電池システムによれば、春や秋の中間季等、サブFC22の出力電力を暖房システムで全て消費する必要のない場合においても、メインFC21及びサブFC22において出力される各電力を共に有効に利用することができ、エネルギー効率を高めることができる。
Therefore, according to the fuel cell system of the present embodiment, even when it is not necessary to consume all of the output power of the sub-FC 22 in the heating system, such as in the middle of spring or autumn, each output that is output from the
更に、第二実施形態における燃料電池システム及び暖房システムでは、サブECU52により、サブFC22から出力される電力のうちコンバータ75を通過する電力がコンバータ75の損失特性に基づいて制御される。
Furthermore, in the fuel cell system and the heating system in the second embodiment, the
すなわち、メインECU51において、駆動モータ20の要求電力のうちメインFC21の不足電力が算出され、サブECU52にこの不足電力に関する情報が通知される。サブECU52では、例えばヒートポンプの回転数等に基づくヒートポンプの消費電力が暖房システムの消費電力として算出され、この暖房システムの消費電力とサブFC22の発電量により、サブFC22の余剰電力が算出される。
That is, the
サブECU52において、サブFC22の余剰電力とメインFC21の不足電力とからコンデンサ75を通過する通過電力が取得され、この通過電力がメモリ等に保持されるコンデンサ75の損失特性と比較されることによりコンデンサ75における電力損失が求められる。サブECU52では、この電力損失が大きくならないように当該通過電力を制御するべく、暖房システムでの消費電力を制御する。
In the
これにより、コンバータ75の損失特性を加味して電力損失が少なくなるようにサブFC22からの出力電力が選択的に利用されることができるため、一層エネルギー効率を高めることができる。
As a result, the output power from the
[変形例]
上述の第一実施形態及び第二実施形態としての燃料電池システムでは、メインFC21が走行用駆動モータ20の動力源となり、サブFC22が暖房システムの動力源となっていたが、本発明は、メインFC21の代わりに燃料電池以外の他の動力生成装置を備える構成であっても同様の効果を得ることができる。
[Modification]
In the fuel cell systems as the first embodiment and the second embodiment described above, the
図3は、第一実施形態の変形例としての燃料電池システム及び暖房システムの構成例を示す図である。図3によれば、第一実施形態における燃料電池システムのメインFC21の代わりにエンジン91等が備えられる。エンジン91は、ガソリンエンジン、水素エンジン等である。エンジン91は、これら燃料を燃やして動力を得て、得られた動力により
車輪等を駆動させる。なお、エンジン91が水素エンジンである場合には、サブFC22に供給される燃料ガスとしての水素ガス供給経路から分岐させてエンジン91に当該水素ガスを供給するように構成してもよい。
FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration example of a fuel cell system and a heating system as a modification of the first embodiment. According to FIG. 3, an
このような構成において、エンジン91等の動力生成装置を冷却するための冷却媒体を当該熱交換器30へ選択的に送りこむことにより、第一実施形態と同様の効果を得ることができる。
In such a configuration, the same effect as in the first embodiment can be obtained by selectively sending a cooling medium for cooling the power generation device such as the
図4は、第二実施形態の変形例としての燃料電池システム及び暖房システムの構成例を示す図である。図4によれば、第二実施形態における燃料電池システムのメインFC21の代わりにエンジン91等が備えられる。この変形例では、サブFC22からヒートポンプ駆動用モータ31へ延びる電力線に設けられた接続点82を蓄電池71からインバータ19へ延びる電力線の接続点81と接続する中継電力線が設けられる。これにより、コンバータ72を介して蓄電池71とサブFC22とがインバータ19に対して並列に接続される。
FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration example of a fuel cell system and a heating system as a modification of the second embodiment. According to FIG. 4, an
従って、コンバータ72によりサブFC22の余剰電力が走行用駆動モータ20で選択的に利用されるように制御されることで、上述の第3実施形態と同様の効果を得ることができる。
Therefore, the
19、32 インバータ
20 走行用駆動モータ
21 燃料電池メインスタック(メインFC)
22 燃料電池サブスタック(サブFC)
28 温度センサ
29 三方弁
30 熱交換器
31 ヒートポンプ用駆動モータ
33 コンプレッサ
35 外部熱交換器
36、38 三方弁
37、39 膨張弁
40 エバポレータ
45 暖房用エバポレータ
46 冷房用エバポレータ
51 メインFC21用のECU(Electric Control Unit)(メインECU)
52 サブFC22用のECU(サブECU)
71 蓄電池
72、75 直流・直流(DC/DC)コンバータ
81、82 電力線接続点
91 エンジン(動力生成装置)
19, 32
22 Fuel cell sub stack (sub FC)
28 Temperature sensor 29 Three-
52 ECU for sub FC22 (sub ECU)
71
Claims (5)
前記第1の燃料電池よりも小さい電力を出力し、車室暖房装置にこの出力電力を供給する第2の燃料電池と、
前記第2の燃料電池内の熱を回収するための冷却液を循環させる冷却液循環経路であって、熱媒体を車室内空気と熱交換させる室内熱交換器へ、前記第2の燃料電池から送出される冷却液を熱媒体として送る第1の冷却液循環経路であって、前記第2の燃料電池から送出された冷却液を前記車室暖房装置により熱処理された冷媒と熱交換器において熱交換させた後、この冷却液を前記室内熱交換器に送る第1の冷却液循環経路と、
前記第1の燃料電池内の熱を回収するための冷却液を循環させる冷却液循環経路であって、前記第2の燃料電池から送出された冷却液と熱交換させるために、前記第1の燃料電池から送出される冷却液を前記熱交換器に送る第2の冷却液循環経路と、
を備える燃料電池システム。 A first fuel cell for supplying electric power to the traveling motor;
A second fuel cell that outputs less power than the first fuel cell and supplies the output power to the passenger compartment heating device;
A coolant circulation path for circulating a coolant for recovering heat in the second fuel cell, from the second fuel cell to an indoor heat exchanger for exchanging heat with the vehicle interior air A first coolant circulation path for sending the coolant to be sent out as a heat medium , wherein the coolant sent from the second fuel cell is heated in the heat exchanger and the refrigerant heat-treated by the vehicle compartment heating device. A first coolant circulation path for sending the coolant to the indoor heat exchanger after the replacement;
A coolant circulation path for circulating a coolant for recovering heat in the first fuel cell, wherein the first fuel cell exchanges heat with the coolant sent from the second fuel cell. A second coolant circulation path for sending coolant sent from the fuel cell to the heat exchanger ;
A fuel cell system comprising:
前記第2の冷却液循環経路に含まれる経路のうち、前記第1の燃料電池から送出される冷却液が前記熱交換器を通過して循環する経路と該冷却液が前記熱交換器を迂回して循環する経路とを切り替える切替弁と、
前記温度計測手段により計測された冷却液温度が所定温度より高い場合に、前記切替弁を、前記第1の燃料電池から送出される冷却液が前記熱交換器を通過して循環するように切り替える制御手段と、
を更に備える請求項1に記載の燃料電池システム。 Temperature measuring means for measuring a coolant temperature in the second coolant circulation path;
Of the paths included in the second coolant circulation path, a path through which the coolant sent from the first fuel cell circulates through the heat exchanger and the coolant bypasses the heat exchanger. And a switching valve that switches between circulating paths,
When the coolant temperature measured by the temperature measuring means is higher than a predetermined temperature, the switching valve is switched so that the coolant sent from the first fuel cell circulates through the heat exchanger. Control means;
The fuel cell system according to claim 1 , further comprising:
前記走行用モータの要求電力のうち前記第1の燃料電池により供給されるべき電力の不足電力及び前記第2の燃料電池から出力される電力のうち前記車室暖房装置により消費されない余剰電力をそれぞれ得ることにより、前記直流・直流コンバータを通過する電力を算出する通過電力算出手段と、
前記直流・直流コンバータの損失特性に基づいて、前記通過電力算出手段により算出された通過電力の前記直流・直流コンバータにおける電力損失が大きくならないように前記車室暖房装置における消費電力を制御する消費電力制御手段と、
を有する請求項4に記載の燃料電池システム。 The power control means includes
Of the required power of the travel motor, the insufficient power to be supplied by the first fuel cell and the surplus power that is not consumed by the vehicle compartment heating device among the power output from the second fuel cell, respectively. By obtaining a passing power calculation means for calculating the power passing through the DC / DC converter,
Based on the loss characteristics of the DC / DC converter, the power consumption for controlling the power consumption in the passenger compartment heating device so that the power loss in the DC / DC converter of the passing power calculated by the passing power calculation means does not increase. Control means;
The fuel cell system according to claim 4 , comprising:
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