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JP2004063118A - Fuel cell system - Google Patents

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JP2004063118A
JP2004063118A JP2002216285A JP2002216285A JP2004063118A JP 2004063118 A JP2004063118 A JP 2004063118A JP 2002216285 A JP2002216285 A JP 2002216285A JP 2002216285 A JP2002216285 A JP 2002216285A JP 2004063118 A JP2004063118 A JP 2004063118A
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JP
Japan
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refrigerant
fuel cell
stack
temperature
antifreeze
Prior art date
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Pending
Application number
JP2002216285A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Shinichi Makino
牧野 眞一
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Nissan Motor Co Ltd filed Critical Nissan Motor Co Ltd
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746Pressure; Flow
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
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    • H01M8/04268Heating of fuel cells during the start-up of the fuel cells
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Abstract

【課題】暖機時の消費エネルギを抑制した燃料電池システムを提供する。
【解決手段】スタック1と、スタック1内部を不凍液が通過する不凍液経路2と、不凍液を加熱する不凍液加熱手段3と、不凍液経路2に不凍液を供給する不凍液ポンプ11と、を備える。さらに、不凍液の流通方向を切替える切替え弁21〜24と、を備え、スタック1の加温途中に不凍液の流通方向を少なくとも一回は切替える。例えば、暖機目標温度Tとスタック内部入口温度Tinの差と暖機初期のスタック温度Tとスタック内部出口温度Toutとの差が等しくなったら、スタック1内の不凍液の流通方向を切替える。
【選択図】   図2
An object of the present invention is to provide a fuel cell system in which energy consumption during warm-up is suppressed.
The stack includes an antifreeze liquid passage through which an antifreeze passes through the inside of the stack, an antifreeze heating means for heating the antifreeze, and an antifreeze pump for supplying the antifreeze to the antifreeze passage. Further, there are provided switching valves 21 to 24 for switching a flow direction of the antifreeze, and the flow direction of the antifreeze is switched at least once during heating of the stack 1. For example, when the difference between the target warm-up temperature T 1 and the stack internal inlet temperature T in and the difference between the initial stack warm-up temperature T 0 and the stack internal outlet temperature T out become equal, the flow direction of the antifreeze in the stack 1 is changed. Switch.
[Selection] Fig. 2

Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は燃料電池システム、特に燃料電池スタックの暖機を行うための構成に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般的に、燃料電池システムの暖機時(氷点下時など)には、燃焼器や加熱ヒーターなどを用いて冷媒(例えば、不凍液)を加熱して、それをスタックへ供給することでスタックの暖機を行う方法が知られている。このような方法においては、加熱した冷媒をスタックの一方向から供給した場合、冷媒の入口側と出口側で温度差が生じる。そのため、スタックを均一に昇温できず、暖機の目標温度を超えた昇温をしなければならないので、無駄なエネルギをスタックの暖機に投入しなければならない。
【0003】
このような問題に対して、特開平10−340734号公報には、燃料電池スタック内部の温度分布が大きくなった場合に、冷媒ポンプの駆動力を増加させる方法が開示されている。冷媒ポンプの駆動力を増加させることで、冷却水の単位時間当たりの流量を増加させることができ、入口側と出口側の温度差を小さくすることができる。
【0004】
【発明が解決しようとしている問題点】
従来の燃料電池システムでは加熱された冷媒が燃料電池スタックへ一方向に供給される構成になっている。そのため、図1に示すように、スタックの起動直後の温度Tから暖機目標温度Tへ暖機しようとする場合、スタックの入口側では高温に、出口側で低温になり、冷媒の流通方向に関して均一に昇温することができない。そして、入口側が暖機目標温度Tを超えて加熱されていても、出口側は暖機目標温度Tに達することができない状態が生じる。このようなときにも、出口側が暖機目標温度Tを超えるまで加温し続けなければならず、入口側は暖機目標T以上の余分な昇温を行うことになり、無駄なエネルギを消費する。
【0005】
そこで、特開平10−340734号公報においては、ポンプの駆動力を大きくして入口側と出口側の温度分布を小さくしている。しかしながら、このような方法では、ポンプの消費電力が大きくなり、発電のできない、または、発電量の少ない氷点下では、大型の二次電池からの電力供給に頼らなければならないという問題があった。
【0006】
そこで本発明は、上記の問題を鑑みて、エネルギ消費を抑制した起動を行うことができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【0007】
【問題点を解決するための手段】
本発明は、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタック内部を冷媒が通過する冷媒経路と、前記冷媒を加熱する冷媒加熱手段と、前記冷媒経路に冷媒を供給する冷媒供給手段と、を備える。さらに、前記冷媒の流通方向を切替える切替え手段と、前記燃料電池スタックの加温途中に、冷媒の流通方向を少なくとも一回は切替える切替え制御手段と、を備える。
【0008】
【作用及び効果】
燃料電池スタックの加温途中に、冷媒の流通方向を少なくとも一回は切替えることで、低温である出口側に高温の冷媒を流すことができるので、燃料電池スタック内の温度の勾配を低減することができる。これにより、エネルギ消費を過大に増加することなく温度分布を平均化することができるので、起動時に消費するエネルギを低減することができる。
【0009】
【発明の実施の形態】
第1の実施形態に用いる燃料電池システムの冷媒経路、ここでは不凍液経路の模式図を図2に示す。
【0010】
スタック1は、水素と酸素の電気化学反応を生じることにより発電を行う装置である。スタック1は、環境温度が氷点下等の起動時には暖機する必要があり、本実施形態では、スタック1に加熱した冷媒、ここでは不凍液を循環させることにより暖機する。
【0011】
スタック1内の不凍液の流通路の一端を第一端部33とし、他端を第二端部34とする。第一端部33、第二端部34のそれぞれには熱電対33a、34aを配置し、スタック1内の端部の温度を検出する。不凍液は、この第一端部33または第二端部34のどちらか一方からスタック1内に導入され、他方から排出される。
【0012】
第一端部33または第二端部34のどちらか一方から排出された不凍液を、再び他方(導入側)に循環させる経路を不凍液経路2とする。不凍液経路2には、不凍液を圧送する不凍液ポンプ11と不凍液の加熱を行う不凍液加熱手段3を備える。
【0013】
環境温度が氷点下等の燃料電池の暖機が必要な起動時においては、燃料電池スタック1を昇温するために不凍液加熱手段3を用いて不凍液を加熱し、不凍液ポンプ11を用いて不凍液経路2に流通させる。不凍液加熱手段3としては、例えば、燃料電池システムで使用する燃料と空気を直接供給して燃焼する燃焼器や、電熱ヒータ等が考えられる。
【0014】
次に不凍液経路2の形状を説明する。
【0015】
不凍液経路2は、第一端部33から第一分岐部31に延び、第一分岐部31で第一排出切替え弁21側と第一供給切替え弁22側に分岐する。また、第二端部34から第二分岐部34に延び、第二分岐部34では第二供給切替え弁23側と第二排出切替え弁24側に分岐する。
【0016】
第一分岐点31から分岐した第一排出切替え弁21側と、第二分岐点32から分岐した第二排出切替え弁24側は、それぞれ第一排出切替え弁21、第二排出切替え弁24を介して合流する。
【0017】
その後、不凍液ポンプ11と不凍液加熱手段3を介して、第一供給切替え弁22側と第二供給切替え弁23側に分岐し、第一供給切替え弁22を介して第一分岐点31に、第二供給切替え弁24を介して第二分岐点32に接続する。
【0018】
不凍液経路2を上記のように形成し、第一端部33と第二端部34と、を交互に入口とし、また他方を出口とすることで、スタック1内の不凍液の流れの方向を逆転する。例えば、図3に示すように、第一供給側切替え弁22、第二排出側切替え弁24を開き、第一排出側切替え弁21、第二供給側切替え弁23を閉じる。これにより、不凍液は、不凍液加熱手段3において温度調整した後に第一供給側切替え弁22、第一分岐点31を介して、第一端部33からスタック1に導入され、スタック1を暖機する。その後、第二端部34から排出され、第二分岐点32、第二排出側切替え弁24を介して不凍液ポンプ11に導入され、再び循環する。
【0019】
一方、図4に示すようにすることで、スタック1内の不凍液の流れ方向を図3の向きと逆方向にすることができる。つまり、第二供給側切替え弁23、第一排出側切替え弁21を開き、第二排出側切替え弁24、第一供給側切替え弁22を閉じる。これにより、不凍液は、不凍液加熱手段3において温度調整した後に、第二供給側切替え弁23、第二分岐点32を介して第二端部34からスタック1内に取り込まれて暖機を行う。その後、第一端部33から排出され、第一分岐点31、第一排出側切替え弁21を介して不凍液ポンプ11に導入され再び循環する。
【0020】
図3の状態では、スタック1の第一端部33側が高温、第二端部34に向かうにつれて低温になるが、図4のように不凍液流通方向を切替えると、高温の不凍液はそれまで低温だった第二端部34側に流れ込む。これによりスタック1の低温部分を重点的に昇温することができるので、スタック1の温度分布を低減することができる。
【0021】
また、このような燃料電池システム、特にスタック1の暖機運転の制御をコントローラ100において行う。コントローラ100へは熱電対33a、34aの出力結果を入力し、各弁の開閉および不凍液ポンプ11の回転数の制御を行う。
【0022】
次に、コントローラ100における燃料電池システムの起動時の制御方法を図7に示すフローチャートを用いて説明する。
【0023】
暖機運転がスタートしたら、まずステップS10において、暖機目標温度Tを設定する。また、暖機前のスタック1内部の温度Tを熱電対33a、34aのどちらか一方を用いて測定する。ここで、起動開始直後には、どちらの熱電対33a、34aで測定してもほぼ同じ値が検出されるので、どちらを用いてもかまわない。
【0024】
次に、ステップS11において、不凍液加熱手段3による不凍液の加熱を開始する。また、図3のように、第一供給側切替え弁22、第二排出側切替え弁24のみを開くことで、不凍液を第一端部33から第二端部34に向かって流通させる。続いてステップS12において、熱電対33aを用いてスタック1の不凍液入口部の内部温度であるスタック内部入口温度Tinを、また熱電対34aを用いてスタック1の不凍液出口部の内部温度であるスタック内部出口温度Toutを検出する。
【0025】
次に、ステップS13において、TinとT−(Tout−T)とを比較して大小を判断する。TinがT−(Tout−T)以下と判断された場合にはステップS12に戻り再びスタック内部入口・出口温度Tin、Toutの測定を行う。TinがT−(Tout−T)より大きくなるまでその状態で暖機を継続し、TinがT−(Tout−T)より大きいと判断されたら、ステップS14に進み、不凍液の流通方向を切替える。ここでは図3から図4のように切替えるため、第一供給側切替え弁22、第二排出側切替え弁24を閉じ、第二供給側切替え弁23、第一排出側切替え弁21を開く。
【0026】
このように不凍液の流通方向を切替えたらステップS15においてスタック内部入口温度Tinを検出する。ステップS16において、スタック内部入口温度Tinが暖機目標温度T達しているかどうかを判断する。暖機目標温度Tに達していなければステップS15に戻り、暖機を継続する。ステップS16において、スタック内部入口温度Tinが暖機目標温度Tに達したら、ステップS17に進み、不凍液加熱手段3を停止して暖機を終了する。
【0027】
このように、スタック内部入口温度TinがT−(Tout−T)に達した時点で流通方向を切替えることにより、図9に示すように、台形ABFEの面積と台形CDEFの面積が同じとなるような温度で不凍液の流通方向を切替えることができる。ここで、台形ABFEの面積はスタック1にすでに与えた熱量、台形CDEFの面積はスタック1に与えなければならない残りの熱量を示すので、これらが同じ量となる温度で不凍液の流通方向を切替えることになる。これにより、最も少ない切替え弁で、また最も少ない切替え回数で、無駄な暖機を避けることができる。
【0028】
次に、本実施形態における効果を説明する。
【0029】
本実施形態は、スタック1と、スタック1内部に不凍液を流通させる不凍液経路2と、不凍液を加熱する不凍液加熱手段3と、不凍液経路2に不凍液を供給する不凍液供給手段、ここでは不凍液ポンプ11と、を備える。さらに不凍液の流通方向を切替える切替え手段としての切替え弁21〜24とを備え、スタック1の加温途中に、ステップS14において不凍液の流通方向を少なくとも一回は切替える。流通方向を切替えることで、低温であった出口側に高温の不凍液を供給することができるので、スタック1内の不凍液の流れ方向の温度分布を低減することができる。これにより、起動時に無駄にスタック1を暖機するのを抑制できるので、暖機時のエネルギ消費を低減することができる。
【0030】
ここでは、スタック内部入口温度Tinを推定または検出するスタック入口温度検出手段、ここでは熱電対33aを備える。ここで、切替え回数が一回であり、起動直後の状態が図3のようであれば熱電対33a、図4であれば熱電対34a、切替え回数が複数であれば熱電対33a、34aがスタック入口温度検出手段に相当する。
【0031】
スタック入口温度検出手段によりスタック内部入口温度Tinを検出し、これが所定の温度を超えた場合に不凍液の流通方向、特にスタック1内を流れる不凍液の流通方向を切替える。これにより、スタック1の内部温度が暖機目標温度T以上になるのを抑制し、無駄に消費する加熱エネルギを低減することができる。
【0032】
ここでは、スタック1の暖機目標温度Tを設定し、暖機目標温度Tとスタック内部入口温度Tinとの温度差と、暖機初期のスタック1の温度Tとスタック内部出口温度Toutとの温度差と、が等しくなったら不凍液の流通方向を切替える。これにより、不凍液からスタック1へすでに供給した熱量と、これから供給する熱量が等しい時点で不凍液の流通方向を切替えることができ、一回の切替えで無駄なエネルギ消費を効率良く低減することができる。
【0033】
また、スタック1を暖機する流体として冷媒を用いるために既存の構成で暖機できるとともに、冷媒として不凍液を用いることで、冷媒を解凍する必要がなくなり、暖機時に消費するエネルギ量を低減できるとともに、起動時間を短縮することができる。
【0034】
また、上記のような効果を、不凍液経路2の形状と切替え弁21〜24のみの簡単な構成で実現でき、また低コストで実現することができる。
【0035】
なお、当然であるが、図3に示す状態と図4に示す状態の順番は問わず、暖機直後に図4の状態となるようにしてもよい。また、暖機終了の判断をスタック内部入口温度Tinにより判断しているが、スタック内部出口温度Toutにより判断してもよい。さらに、スタック1の不凍液出入口の内部温度Tin、Toutを測定する熱電対33a、34aを備えたが、スタック1内部の温度分布が推定できる場合にはスタック1内部の温度のいずれかの箇所の温度を検出すればよい。この場合には、検出したスタック1内部の温度からスタック内部入口・出口温度Tin、Toutを推定することで、本実施形態と同様の制御を行うことができる。また、スタック1から排出された不凍液温度等からスタック1の内部温度が推定できるような場合には、その不凍液温度を検出してもよい。
【0036】
さらに、上記のような効果を得るための構成は、図2に限られるわけではなく、例えば図5に示したように三方弁25、26を用いた方法や、図6に示すような逆回転運転が可能な不凍液ポンプ12を用いる方法も考えられる。
【0037】
図5においては、図2における切替え弁21、22の替わりに第一分岐点31に三方弁25を、切替え弁23、24の替わりに第二分岐点32に三方弁26を配置する。三方弁25、26の不凍液が供給される側を吸入部25a、26aとし、スタック1に面する側を端部側25c、26cとし、もう一方の排出側を排出部25b、26bとする。三方弁25において、吸入部25aと端部側25cを流通させ、三方弁26において端部側26cと排出部26bを連通させる。このように設定することで、図3と同様にスタック1内を不凍液が第一端部33から第二端部34に流れるようにすることができる。
【0038】
一方、三方弁26において、吸入部26aと端部側26cを連通させ、三方弁25において、端部側25cと排出部25bを連通させることにより図4と同様にスタック1内を不凍液が第二端部34から第一端部33に流れるように設定することができる。
【0039】
図6においては、スタック1の第一端部33と第二端部34を逆回転運転が可能な不凍液ポンプ12に接続する。これにより、不凍液ポンプ12の回転を逆転させることで、図3、図4の状態を切替えることができる。
【0040】
次に、第2の実施形態について説明する。ここで用いる燃料電池システムの冷媒経路を第1の実施形態と同様の構成(図2〜図4)とする。本実施形態の制御を示すフローチャートを図8に示す。
【0041】
暖機運転がスタートしたら、まずステップS20〜S22においては図7ステップS10〜S12と同様に、暖機目標温度Tを設定し、スタック内部温度Tを測定し、不凍液の加熱・供給を開始してからスタック内部入口・出口温度Tin、Toutを検出する。ステップS3において、Toutと(T−Tin)+Tとの大小関係を判断する。Toutが小さいと判断されたら、ステップS22に戻り再びTin、Toutを検出し、それを繰り返す。Toutが(T−Tin)+Tより大きくなるまでそのままの状態で暖機を継続し、ステップS23においてToutが大きいと判断されたらステップS24に進む。
【0042】
次にステップS24において、切替え弁を図3から図4のように切替えることによりスタック1内を流通する不凍液の流通方向の切替えを行う。
【0043】
不凍液の流通方向の切替えを行ったら、ステップS25〜S27において、第1の実施形態におけるステップS15〜S17と同様に暖機目標温度Tに達するまで暖機を継続し、暖機目標温度Tに達したら暖機を終了する。
【0044】
このように操作することで、図9において台形ABFEの面積、つまりスタック1に既に与えた熱量と、台形CDEFの面積、つまりスタック1に与えなければならない残りの熱量が同じになる時点で、不凍液の流通方向を切替える。ここではスタック内部出口温度Toutが、(T−Tin)+Tとなった時点で、上記のように与えられた熱量と残りの熱量とが等しくなるので、Toutが(T−Tin)+Tより大きくなった時点で不凍液の流通方向を切替える。これにより、最も少ない切替え弁の切替え回数で、無駄な暖機を避けることができる。
【0045】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【0046】
スタック内部出口温度Toutを推定または検出するスタック出口温度検出手段、ここでは熱電対34aを備える。ここで、切替え回数が一回であり、起動直後の状態が図3のようであれば熱電対34a、図4のようであれば熱電対33a、切替え回数が複数であれば熱電対33a、34aがスタック出口温度検出手段に相当する。
【0047】
スタック出口温度検出手段によりスタック内部出口温度Toutを検出し、Toutが所定の温度を超えた場合に不凍液の流通方向を切替える。これにより、スタック1の内部温度が暖機の目標温度T以上になるのを抑制し、無駄に消費するエネルギを低減することができる。
【0048】
また、第1の実施形態と同様に、暖機目標温度Tとスタック内部入口温度Tinとの温度差と、暖機初期のスタック内部出口温度Toutとの温度差と、が等しくなったら不凍液の流通方向を切替える。これにより、不凍液からスタック1へすでに供給した熱量と、これから供給する熱量が等しい時点で不凍液の流通方向を切替えることができ、一回の切替えで無駄なエネルギ消費を効率良く低減することができる。
【0049】
なお、本実施形態も、第1実施形態と同様に図5、図6に示したような燃料電池システムにも適用することができる。
【0050】
次に第3の実施形態について説明する。燃料電池システムの構成を第1の実施形態と同様とする。ただし、端部33、34には、さらに、流通する不凍液の温度を検出する熱電対33b、34bを配置する。本実施形態に用いる制御フローを図10に示す。
【0051】
暖機がスタートしたらステップS30に進む。ステップS10と同様に暖機目標温度Tを設定し、スタック内部温度Tを測定する。ステップS31において、スタック1を温度TからTまで暖機するのに必要な熱量Qstuckを、予め実験等で測定しておいたスタック1の熱容量Cstuckと温度差(T−T)より算出する。
【0052】
ステップS32においてステップS11と同様に不凍液の加熱を開始するとともに、切替え弁を図3のように設定して不凍液をスタック1に流通させる。ステップS33において、熱電対33bからスタック1へ流入する不凍液の温度である不凍液入口温度Tin_LLCと、熱電対34bからスタック1から流出する不凍液の温度である不凍液出口温度Tout_LLCを測定する。
【0053】
ステップS34に進み、不凍液の質量流量GLLCを測定する。これは、例えば流量センサ等を設けてもよいが、ここでは不凍液ポンプ11の回転数等から求めることができる。次に、ステップS35においては、不凍液からスタック1へ移動した熱量を、予め実験等で求めておいた不凍液の比熱C_LLCと不凍液質量流量GLLCと温度差(Tin_LLC−Tout_LLC)との時間積分から算出する。
【0054】
続いて、ステップS36において、不凍液からスタック1へ移動した熱量QLL がスタック1を暖機するのに必要な熱量Qstuckの半分を超えているかどうかを判断する。QLLCがQstuck/2を超えていなければステップS33に戻り、再び不凍液からスタック1へ移動した熱量QLLCを求める。
【0055】
ステップS36においてQLLCがQstuck/2を超えれば、ステップS37に進み、切替え弁を図4のように切替えて、スタック1内を流通する不凍液の流通方向を切替える。
【0056】
不凍液の流通方向の切替えを行ったら、ステップS38〜S40において、第1の実施形態におけるステップS15〜S17と同様に暖機目標温度Tに達するまで暖機を継続し、暖機目標温度Tに達したら暖機を終了する。
【0057】
以上のような操作により、スタック1が半分暖機されたところで、不凍液の流通方向を切替えることができ、最も少ない切替え弁の切替え回数で、無駄な暖機を避けることができる。
【0058】
次に、本実施形態の効果を説明する。
【0059】
スタック1の不凍液入口部の不凍液の温度を検出する不凍液入口温度検出手段、ここでは熱電対33bと、スタック1の不凍液出口部の不凍液の温度を検出する不凍液出口温度検出手段、ここでは熱電対34bを備える。さらに、不凍液の入口温度と出口温度から不凍液からスタック1へ移動した熱を算出する熱量算出手段(ステップS35に相当)と、を備える。不凍液からスタック1へ移動した熱量が所定の値を超えたら不凍液の流通方向を切替える。これにより、不凍液からスタック1へ移動する熱量が、スタック1を暖機目標温度Tまで暖機するのに必要な熱量以上になるのを避けることができるため、暖機の際の消費エネルギを低減することができる。
【0060】
さらに、ステップS31における動作のように、スタック1を暖機するまでに不凍液から移動する総熱量Qstuckを算出する総熱量算出手段を備え、不凍液からスタック1へ移動した熱量が総熱量Qstuckの半分を超えたら不凍液の流通方向を切替える。これにより、スタック1が半分暖機されたところで不凍液の流通方向を切替えるので、最も少ない切替え回数で無駄な暖機を避けることができ、消費エネルギを低減することができる。
【0061】
次に、第4の実施形態について説明する。燃料電池システムの構成を第1の実施形態と同様とし、不凍液の流通方向を切替える制御を図11のフローチャートを用いて説明する。ここでは、スタック内部入口温度Tinとスタック内部出口温度Toutとの温度差を所定の値程度に抑えることで、スタック1内の温度分布を抑制する。
【0062】
暖機運転がスタートしたら、ステップS50において暖機目標温度Tを設定する。ステップS51において不凍液の加熱を開始するとともに、切替え弁を図3のように設定してスタック1への不凍液の供給を開始する。
【0063】
ステップS52において、熱電対33aからスタック内部入口温度Tinを、また、熱電対34aを用いてスタック内部出口温度Toutを検出する。次にステップS53で、温度差(Tin−Tout)が所定の温度、例えば2℃を超えたかどうかを判断する。所定の温度を超えるまでステップS52、S53を繰り返し、ステップS53において超えたと判断されたら、ステップS54に進む。
【0064】
ステップS54において、切替え弁を図4のように切替えることにより、スタック1内の不凍液の流通方向を切替える。次にステップS55においてToutとTとの大小を比較して、Tout>Tである場合にはさらに暖機が必要であると判断してステップS52に戻る。
【0065】
このようにステップS52〜S55を繰り返している間、つまり暖機中は、スタック内部入口・出口温度Tin、Toutの温度差が所定の温度、ここでは2℃より大きくなったら不凍液の流通方向を切替える制御を繰り返す。ただし、不凍液の流れが図4の状態である場合は、熱電対33aの出力をTout、熱電対34aの出力をTinとする。ステップS55においてToutがT以上になったと判断されたらステップS56に進み、不凍液加熱手段3を停止して暖機を終了する。ここで、暖機運転の終了は、スタック内部入口温度Tinが暖機目標温度Tに達したかどうかで判断してもよい。
【0066】
以上のように操作することにより、スタック1の内部の温度分布を所定の温度(例えば2℃)以下に保つことができ、所定温度以内の均一な昇温が可能となる。
【0067】
次に、本実施形態における効果を説明する。
【0068】
スタック1の不凍液入口部におけるスタック内部入口温度Tinを検出するスタック入口温度検出手段、ここでは熱電対33aまたは34aと、スタック内部出口温度Toutを検出するスタック出口温度検出手段、ここでは熱電対34aまたは33aと、を備える。スタック内部入口温度Tinとスタック内部出口温度Toutとの温度差が所定の値を超えたら不凍液の流通方向を切替える。
【0069】
このように制御することで、スタック1の不凍液の出入口部の内部温度差を所定の値程度に抑えることができ、スタック1内の温度分布を抑制することができるので均一に昇温することができる。これにより、暖機時にスタック1に生じる温度分布が原因でスタック1全体を昇温する際に無駄に消費するエネルギを低減することができるので、効率のよい暖機を行うことができる。
【0070】
次に、第5の実施形態について説明する。本実施形態に用いる燃料電池システム、特にスタック1の冷却システムの構成を第1の実施形態と同様とし、暖機時の不凍液の流通に関する制御を図12に示すフローチャートに示す。
【0071】
ここで、図2、図5のように不凍液の流通方向を弁により切替える場合、時間0の瞬時で弁を切替えることは不可能である。そのため、弁の切替えを行っている間、不凍液加熱手段3を流れる不凍液の流速が遅くなり、不凍液の局所的な昇温と加熱手段の一時的な加温が生じる。また、図6のように逆回転運転が可能な不凍液ポンプ12を用いて流通方向を切替える場合でも、不凍液ポンプ12の正転から反転までの間に不凍液加熱手段3を流れる不凍液の流速が遅くなり、不凍液の局所的な加熱と不凍液加熱手段3の一時的な昇温が生じる。
【0072】
そこで本実施形態では、このような不凍液の温度分布を低減するため、不凍液の流通方向を切替えている間、不凍液加熱手段3の出力を小さくする。ここでは、不凍液の流通方向が切替えられて流量が減少してから、再び切替え前と同等の流量に戻るまでの時間tshtmrを予め実験等で求めておき、コントローラ100に記憶させておく。また、コントローラ100には不凍液加熱手段3の出力を減少させた時点でタイマー値tmrをリセットするとともにカウントを始めるタイマーを内蔵しておく。
【0073】
次に、暖機時の制御フローを図12のフローチャートを用いて説明する。
【0074】
ステップS10〜S14においては、第1の実施形態と同様とする。ステップS14において、不凍液の流通方向を切替えたら、ステップS65において不凍液加熱手段3の出力を低減する。出力低減方法としては、不凍液加熱手段3が燃焼器の場合には供給燃料を低減させる、電熱ヒーターの場合には供給電源を低減させる等が考えられる。
【0075】
ステップS66において、コントローラ100に内蔵したタイマーのタイマー値tmrが所定値tsthmrを超えたかどうかを判断する。タイマー値tmrが所定値tshtmrを超えるまでカウントを続け、超えたらステップS67に進み、不凍液加熱手段3の出力を回復する。
【0076】
その後、ステップS15〜S17において、第1の実施形態と同様にスタック内部入口温度Tinが暖機目標温度Tに達するまで暖機を継続し、暖機目標温度Tに達したら不凍液加熱手段3を停止して暖機を終了する。
【0077】
次に本実施形態に効果を説明する。ここでは、第1の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【0078】
不凍液の流通方向を切替える間は、不凍液加熱手段3において不凍液に移動する熱量を低減する。流通方向を切替える際には、不凍液の流量が減少して不凍液加熱手段3を流れる不凍液が局所的に加熱されるが、不凍液加熱手段3から不凍液へ移動する熱量を減少させることにより不凍液の異常な昇温を避けることができる。これにより、スタック1が局所的に昇温するのを防ぐことができ、安定した暖機を行うことができる。
【0079】
なお、ここでは不凍液加熱手段3の出力を抑制する時間tsthmrを実験等により予め求めたが、流量センサ等によりスタック1に供給される不凍液流量を検出し、不凍液流量が切替え前と同等の流量となったら不凍液加熱手段3の出力を通常に戻すように制御することもできる。
【0080】
また、本実施形態では、不凍液流通方向の切替えの判断は、第1の実施形態と同様としたが、第2〜4の実施形態の切替えのフローにも適用できる。
【0081】
このように、本発明は、上記実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で様々な変更が成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の燃料電池システムの暖機時のスタック内部温度の分布図である。
【図2】第1の実施形態における燃料電池システムの一部の構成図である。
【図3】第1の実施形態の不凍液の流通制御の第一説明図である。
【図4】第1の実施形態の不凍液の流通制御の第二説明図である。
【図5】第1の実施形態の燃料電池システムと同様の効果を持つ構成例である。
【図6】第1の実施形態の燃料電池システムと同様の交換を持つ構成例である。
【図7】第1の実施形態における不凍液の流通制御のフローチャートである。
【図8】第2の実施形態における不凍液の流通制御のフローチャートである。
【図9】第2の実施形態における不凍液からスタックへ移動する熱量の説明図である。
【図10】第3の実施形態における不凍液の流通制御のフローチャートである。
【図11】第4の実施形態における不凍液の流通制御のフローチャートである。
【図12】第5の実施形態における不凍液の流通制御のフローチャートである。
【符号の説明】
1  スタック(燃料電池スタック)
2  不凍液経路
3  不凍液加熱手段
11 不凍液ポンプ(冷媒供給手段)
12 不凍液ポンプ(冷媒液供給手段、切替え手段)
21 第一排出側切替え弁(切替え手段)
22 第一供給側切替え弁(切替え手段)
23 第二供給側切替え弁(切替え手段)
24 第二排出側切替え弁(切替え手段)
25 三方弁(切替え手段)
26 三方弁(切替え手段)
33a、34a 熱電対(スタック入口温度検出手段またはスタック出口温度検出手段)
33b、34b 熱電対(不凍液入口温度検出手段または不凍液出口温度検出手段)
切替え制御手段・・・S14、S24、S37、S54
熱量算出手段・・・S35
総熱量算出手段・・・S31
目標暖機設定手段・・・S10、S20、S30、S50
[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a configuration for warming up a fuel cell stack.
[0002]
[Prior art]
Generally, when the fuel cell system is warmed up (eg, below freezing), a coolant (eg, antifreeze) is heated using a combustor or a heater, and supplied to the stack to warm the stack. Methods of performing the machine are known. In such a method, when the heated refrigerant is supplied from one direction of the stack, a temperature difference occurs between the inlet side and the outlet side of the refrigerant. Therefore, the temperature of the stack cannot be raised uniformly, and the temperature must be raised beyond the target temperature of the warm-up. Therefore, wasteful energy must be supplied to the warm-up of the stack.
[0003]
To cope with such a problem, Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 10-340734 discloses a method of increasing the driving force of the refrigerant pump when the temperature distribution inside the fuel cell stack increases. By increasing the driving force of the refrigerant pump, the flow rate of the cooling water per unit time can be increased, and the temperature difference between the inlet side and the outlet side can be reduced.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional fuel cell system, the heated refrigerant is supplied to the fuel cell stack in one direction. Therefore, as shown in FIG.0Warm-up target temperature T1When warming up the stack, the temperature becomes high at the inlet side of the stack and becomes low at the outlet side, so that the temperature cannot be raised uniformly in the flow direction of the refrigerant. And the inlet side is the warm-up target temperature T1The heating target temperature T1Can not be reached. In such a case, the outlet side is also set to the warm-up target temperature T.1Must be continued until the temperature exceeds T1The above-mentioned extra temperature rise is performed, and wasteful energy is consumed.
[0005]
Therefore, in JP-A-10-340734, the driving force of the pump is increased to reduce the temperature distribution on the inlet side and the outlet side. However, in such a method, there is a problem that the power consumption of the pump becomes large and power cannot be generated, or power must be supplied from a large secondary battery at a temperature below freezing point where the amount of power generation is small.
[0006]
In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of performing startup with reduced energy consumption.
[0007]
[Means for solving the problem]
The present invention includes a fuel cell stack, a refrigerant path through which a refrigerant passes through the inside of the fuel cell stack, refrigerant heating means for heating the refrigerant, and refrigerant supply means for supplying a refrigerant to the refrigerant path. The fuel cell system further includes switching means for switching the flow direction of the refrigerant, and switching control means for switching the flow direction of the refrigerant at least once during heating of the fuel cell stack.
[0008]
[Action and effect]
By switching the flow direction of the refrigerant at least once during the heating of the fuel cell stack, the high-temperature refrigerant can flow to the low-temperature outlet side, thereby reducing the temperature gradient in the fuel cell stack. Can be. Thereby, the temperature distribution can be averaged without excessively increasing the energy consumption, so that the energy consumed at startup can be reduced.
[0009]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 2 is a schematic view of a refrigerant path of the fuel cell system used in the first embodiment, here, an antifreeze liquid path.
[0010]
The stack 1 is a device that generates power by causing an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. The stack 1 needs to be warmed up at the time of startup when the environmental temperature is below freezing. In the present embodiment, the stack 1 is warmed up by circulating a heated refrigerant, here, an antifreeze.
[0011]
One end of the flow path of the antifreeze in the stack 1 is defined as a first end 33 and the other end is defined as a second end 34. Thermocouples 33 a and 34 a are arranged at the first end 33 and the second end 34, respectively, to detect the temperature of the end in the stack 1. The antifreeze is introduced into the stack 1 from one of the first end 33 and the second end 34 and discharged from the other.
[0012]
The path through which the antifreeze discharged from either the first end 33 or the second end 34 is circulated again to the other (introduction side) is referred to as an antifreeze path 2. The antifreeze passage 2 includes an antifreeze pump 11 for pumping the antifreeze and antifreeze heating means 3 for heating the antifreeze.
[0013]
At the time of startup when the fuel cell needs to be warmed up when the environmental temperature is below freezing, the antifreeze is heated by using the antifreeze heating means 3 to raise the temperature of the fuel cell stack 1, and the antifreeze path 2 is used by using the antifreeze pump 11. Distribute to As the antifreeze heating means 3, for example, a combustor that directly supplies and burns fuel and air used in the fuel cell system, an electric heater, or the like can be considered.
[0014]
Next, the shape of the antifreeze passage 2 will be described.
[0015]
The antifreeze liquid path 2 extends from the first end 33 to the first branch 31, and branches at the first branch 31 toward the first discharge switching valve 21 and the first supply switching valve 22. The second branch 34 extends from the second end 34 to the second branch 34, and branches to the second supply switching valve 23 and the second discharge switching valve 24.
[0016]
The first discharge switching valve 21 side branched from the first branch point 31 and the second discharge switching valve 24 side branched from the second branch point 32 are respectively connected via the first discharge switching valve 21 and the second discharge switching valve 24. To join.
[0017]
After that, it branches to the first supply switching valve 22 side and the second supply switching valve 23 side via the antifreeze liquid pump 11 and the antifreeze liquid heating means 3, and to the first branch point 31 via the first supply switching valve 22, It is connected to the second branch point 32 via the two-supply switching valve 24.
[0018]
The direction of the flow of the antifreeze in the stack 1 is reversed by forming the antifreeze liquid path 2 as described above, alternately using the first end 33 and the second end 34 as an inlet and the other as an outlet. I do. For example, as shown in FIG. 3, the first supply-side switching valve 22 and the second discharge-side switching valve 24 are opened, and the first discharge-side switching valve 21 and the second supply-side switching valve 23 are closed. Thereby, the antifreeze is introduced into the stack 1 from the first end 33 via the first supply-side switching valve 22 and the first branch point 31 after the temperature of the antifreeze is adjusted by the antifreeze heating means 3, and the stack 1 is warmed up. . Thereafter, the water is discharged from the second end 34, introduced into the antifreeze pump 11 via the second branch point 32 and the second discharge side switching valve 24, and circulated again.
[0019]
On the other hand, by making it as shown in FIG. 4, the flow direction of the antifreeze in the stack 1 can be made opposite to the direction of FIG. That is, the second supply-side switching valve 23 and the first discharge-side switching valve 21 are opened, and the second discharge-side switching valve 24 and the first supply-side switching valve 22 are closed. Thus, after the antifreeze liquid is adjusted in temperature by the antifreeze heating means 3, the antifreeze liquid is taken into the stack 1 from the second end portion 34 via the second supply-side switching valve 23 and the second branch point 32 to warm up. Thereafter, the liquid is discharged from the first end 33, introduced into the antifreeze pump 11 via the first branch point 31, and the first discharge side switching valve 21, and circulated again.
[0020]
In the state shown in FIG. 3, the temperature of the first end 33 of the stack 1 becomes high, and the temperature becomes low toward the second end 34. However, when the direction of the antifreeze flow is switched as shown in FIG. Into the second end 34 side. Accordingly, the temperature of the low-temperature portion of the stack 1 can be primarily increased, so that the temperature distribution of the stack 1 can be reduced.
[0021]
Further, the controller 100 controls such a fuel cell system, in particular, the warm-up operation of the stack 1. The output results of the thermocouples 33a and 34a are input to the controller 100 to control the opening and closing of each valve and the rotation speed of the antifreeze liquid pump 11.
[0022]
Next, a control method of the controller 100 when starting up the fuel cell system will be described with reference to a flowchart shown in FIG.
[0023]
When the warm-up operation starts, first, in step S10, the warm-up target temperature T1Set. In addition, the temperature T inside the stack 1 before the warm-up is performed.0Is measured using one of the thermocouples 33a and 34a. Here, immediately after the start of the activation, almost the same value is detected regardless of which of the thermocouples 33a and 34a is measured, and either thermocouple may be used.
[0024]
Next, in step S11, heating of the antifreeze by the antifreeze heating means 3 is started. In addition, as shown in FIG. 3, by opening only the first supply-side switching valve 22 and the second discharge-side switching valve 24, the antifreeze flows from the first end 33 to the second end 34. Subsequently, in step S12, using the thermocouple 33a, the stack internal inlet temperature T, which is the internal temperature of the antifreeze liquid inlet of the stack 1, is used.inThe stack internal outlet temperature T, which is the internal temperature of the antifreeze liquid outlet of the stack 1 using the thermocouple 34a.outIs detected.
[0025]
Next, in step S13, TinAnd T1− (Tout-T0) To determine the magnitude. TinIs T1− (Tout-T0If it is determined that the following, the flow returns to step S12, and the stack internal inlet / outlet temperature T is returned again.in, ToutMeasurement. TinIs T1− (Tout-T0) Continue warming up in that state until it becomesinIs T1− (Tout-T0If it is determined to be larger than the above, the process proceeds to step S14, and the flow direction of the antifreeze is switched. Here, in order to switch as shown in FIG. 3 to FIG. 4, the first supply side switching valve 22 and the second discharge side switching valve 24 are closed, and the second supply side switching valve 23 and the first discharge side switching valve 21 are opened.
[0026]
When the direction of flow of the antifreeze liquid is switched in this way, in step S15, the stack internal entrance temperature TinIs detected. In step S16, the stack internal inlet temperature TinIs the warm-up target temperature T1Determine if it has been reached. Warm-up target temperature T1If not, the process returns to step S15 to continue warming up. In step S16, the stack internal inlet temperature TinIs the warm-up target temperature T1Is reached, the process proceeds to step S17, the antifreeze heating means 3 is stopped, and the warm-up is ended.
[0027]
Thus, the stack internal inlet temperature TinIs T1− (Tout-T09), the flow direction of the antifreeze can be switched at a temperature at which the area of the trapezoid ABFE and the area of the trapezoid CDEF become the same as shown in FIG. Here, the area of the trapezoidal ABFE indicates the amount of heat already given to the stack 1, and the area of the trapezoidal CDEF indicates the remaining amount of heat to be given to the stack 1. Therefore, it is necessary to switch the flow direction of the antifreeze at a temperature at which these amounts become the same. become. Thus, useless warm-up can be avoided with the least number of switching valves and with the least number of switching times.
[0028]
Next, effects of the present embodiment will be described.
[0029]
This embodiment includes a stack 1, an antifreeze passage 2 for flowing antifreeze through the stack 1, an antifreeze heating means 3 for heating the antifreeze, and an antifreeze supply means for supplying antifreeze to the antifreeze passage 2, here, an antifreeze pump 11. , Is provided. Further, there are provided switching valves 21 to 24 as switching means for switching the flow direction of the antifreeze, and during the heating of the stack 1, the flow direction of the antifreeze is switched at least once in step S14. By switching the flow direction, a high-temperature antifreeze solution can be supplied to the outlet side at a low temperature, so that the temperature distribution in the flow direction of the antifreeze solution in the stack 1 can be reduced. Thus, it is possible to suppress unnecessary warm-up of the stack 1 at the time of startup, and it is possible to reduce energy consumption during warm-up.
[0030]
Here, the stack internal inlet temperature TinIs provided with a stack entrance temperature detecting means for estimating or detecting the temperature of the fuel cell, here a thermocouple 33a. Here, the number of times of switching is one, and the thermocouple 33a is in the state immediately after the start-up as shown in FIG. 3, the thermocouple 34a is in FIG. 4, and the thermocouples 33a, 34a are in the stacked state if the number of times of switching is plural. It corresponds to an inlet temperature detecting means.
[0031]
The stack inlet temperature T is determined by the stack inlet temperature detecting means.inIs detected, and when the temperature exceeds a predetermined temperature, the flow direction of the antifreeze, particularly the flow direction of the antifreeze flowing in the stack 1 is switched. As a result, the internal temperature of the stack 1 becomes the warm-up target temperature T.1It is possible to suppress the above, and to reduce unnecessary heating energy.
[0032]
Here, the warm-up target temperature T of the stack 11And set the warm-up target temperature T1And stack internal inlet temperature Tin, And the temperature T of the stack 1 at the beginning of warm-up0And stack internal outlet temperature ToutWhen the temperature difference becomes equal, the flow direction of the antifreeze is switched. Thereby, the flow direction of the antifreeze can be switched at the time when the amount of heat already supplied from the antifreeze to the stack 1 is equal to the amount of heat to be supplied, and wasteful energy consumption can be efficiently reduced by one switching.
[0033]
Further, since the refrigerant is used as the fluid for warming up the stack 1, it is possible to warm up with the existing configuration, and by using the antifreeze liquid as the refrigerant, it is not necessary to defrost the refrigerant, and the amount of energy consumed at the time of warming up can be reduced. At the same time, the startup time can be reduced.
[0034]
Further, the above effects can be realized with a simple configuration of only the shape of the antifreeze liquid path 2 and the switching valves 21 to 24, and can be realized at low cost.
[0035]
Note that it goes without saying that the state shown in FIG. 3 and the state shown in FIG. 4 may be in any order, and the state shown in FIG. Also, the end of the warm-up is determined based on the stack internal inlet temperature T.inThe stack internal outlet temperature ToutMay be determined by Furthermore, the internal temperature T of the antifreeze liquid inlet / outlet of the stack 1in, ToutAre provided, but if the temperature distribution inside the stack 1 can be estimated, the temperature at any point of the temperature inside the stack 1 may be detected. In this case, the stack internal inlet / outlet temperature T is calculated from the detected internal temperature of the stack 1.in, ToutIs estimated, the same control as in the present embodiment can be performed. When the internal temperature of the stack 1 can be estimated from the temperature of the antifreeze discharged from the stack 1 or the like, the temperature of the antifreeze may be detected.
[0036]
Further, the configuration for obtaining the above-described effects is not limited to FIG. 2. For example, a method using the three-way valves 25 and 26 as shown in FIG. 5 or a reverse rotation as shown in FIG. 6. A method of using the operable antifreeze pump 12 is also conceivable.
[0037]
5, a three-way valve 25 is arranged at a first branch point 31 instead of the switching valves 21 and 22 in FIG. 2, and a three-way valve 26 is arranged at a second branch point 32 instead of the switching valves 23 and 24. The sides of the three-way valves 25 and 26 to which the antifreeze is supplied are referred to as suction portions 25a and 26a, the side facing the stack 1 is referred to as end portions 25c and 26c, and the other discharge side is referred to as discharge portions 25b and 26b. In the three-way valve 25, the suction part 25a and the end part 25c are circulated, and in the three-way valve 26, the end part 26c and the discharge part 26b communicate. With this setting, the antifreeze can flow from the first end 33 to the second end 34 in the stack 1 as in FIG.
[0038]
On the other hand, in the three-way valve 26, the suction portion 26a communicates with the end portion 26c, and in the three-way valve 25, the end portion 25c communicates with the discharge portion 25b. It can be set to flow from the end 34 to the first end 33.
[0039]
In FIG. 6, the first end 33 and the second end 34 of the stack 1 are connected to the antifreeze pump 12 capable of reverse rotation operation. Thus, the state of FIGS. 3 and 4 can be switched by reversing the rotation of the antifreeze pump 12.
[0040]
Next, a second embodiment will be described. The refrigerant path of the fuel cell system used here has the same configuration as in the first embodiment (FIGS. 2 to 4). FIG. 8 is a flowchart showing the control of this embodiment.
[0041]
When the warm-up operation is started, first, in steps S20 to S22, similarly to steps S10 to S12 in FIG.1And the stack internal temperature T0Is measured, and after the heating / supply of the antifreeze liquid is started, the inlet / outlet temperature T inside the stack is measured.in, ToutIs detected. In step S3, ToutAnd (T1-Tin) + T0Judge the magnitude relationship with ToutIs smaller, the process returns to step S22 and again Tin, ToutAnd repeat it. ToutIs (T1-Tin) + T0The warm-up is continued as it is until it becomes larger, and at step S23 ToutIs determined to be larger, the process proceeds to step S24.
[0042]
Next, in step S24, the flow direction of the antifreeze flowing through the stack 1 is switched by switching the switching valve as shown in FIGS.
[0043]
After switching the direction of the flow of the antifreeze, in steps S25 to S27, similarly to steps S15 to S17 in the first embodiment, the warm-up target temperature T is set.1Until the warm-up target temperature T1When it reaches, finish the warm-up.
[0044]
By operating in this manner, the antifreeze liquid becomes equal to the area of the trapezoidal ABFE in FIG. Switch the direction of distribution. Here, the stack internal outlet temperature ToutIs (T1-Tin) + T0At the point in time, since the heat quantity given as described above and the remaining heat quantity become equal, ToutIs (T1-Tin) + T0When it becomes larger, the flow direction of the antifreeze is switched. Thus, unnecessary warm-up can be avoided with the least number of switching of the switching valve.
[0045]
Next, effects of the present embodiment will be described.
[0046]
Stack internal outlet temperature ToutIs provided with a stack outlet temperature detecting means for estimating or detecting the temperature of the fuel cell, here a thermocouple 34a. Here, the number of times of switching is one, and the thermocouple 34a if the state immediately after startup is as shown in FIG. 3, the thermocouple 33a if it is as shown in FIG. 4, and the thermocouples 33a and 34a if the number of times of switching is plural. Corresponds to the stack outlet temperature detecting means.
[0047]
Stack outlet temperature T by stack outlet temperature detecting meansoutAnd ToutSwitches the flow direction of the antifreeze when the temperature exceeds a predetermined temperature. As a result, the internal temperature of the stack 1 becomes the target temperature T for warm-up.1It is possible to suppress the above, and to reduce wastefully consumed energy.
[0048]
Further, similarly to the first embodiment, the warm-up target temperature T1And stack internal inlet temperature TinAnd the stack internal outlet temperature T at the beginning of warm-upoutWhen the temperature difference becomes equal, the flow direction of the antifreeze is switched. Thereby, the flow direction of the antifreeze can be switched at the time when the amount of heat already supplied from the antifreeze to the stack 1 is equal to the amount of heat to be supplied, and wasteful energy consumption can be efficiently reduced by one switching.
[0049]
Note that this embodiment can also be applied to the fuel cell system as shown in FIGS. 5 and 6, similarly to the first embodiment.
[0050]
Next, a third embodiment will be described. The configuration of the fuel cell system is the same as that of the first embodiment. However, thermocouples 33b and 34b for detecting the temperature of the flowing antifreeze are further disposed at the ends 33 and 34. FIG. 10 shows a control flow used in the present embodiment.
[0051]
When the warm-up starts, the process proceeds to step S30. Similar to step S10, the warm-up target temperature T1And the stack internal temperature T0Is measured. In step S31, the stack 1 is set to the temperature T.0To T1Heat required to warm up to QstackIs the heat capacity C of the stack 1 measured in advance through experiments and the like.stackAnd temperature difference (T1-T0).
[0052]
In step S32, the heating of the antifreeze is started as in step S11, and the switching valve is set as shown in FIG. At step S33, the antifreeze inlet temperature T, which is the temperature of the antifreeze flowing into the stack 1 from the thermocouple 33b.in_LLCAnd the antifreeze outlet temperature T which is the temperature of the antifreeze flowing out of the stack 1 from the thermocouple 34b.out_LLCIs measured.
[0053]
Proceeding to step S34, the mass flow rate G of the antifreeze liquidLLCIs measured. For example, a flow sensor or the like may be provided, but here, it can be obtained from the rotation speed of the antifreeze pump 11 or the like. Next, in step S35, the amount of heat transferred from the antifreeze to the stack 1 is determined by the specific heat CP_LLCAnd antifreeze mass flow rate GLLCAnd temperature difference (Tin_LLC-Tout_LLC) And time integration.
[0054]
Subsequently, in step S36, the amount of heat Q transferred from the antifreeze to the stack 1LL CHeat required to warm up stack 1stackTo determine if it exceeds half. QLLCIs QstackIf it does not exceed / 2, the process returns to step S33, and the amount of heat Q transferred from the antifreeze to the stack 1 again.LLCAsk for.
[0055]
In step S36, QLLCIs QstackIf / 2 is exceeded, the process proceeds to step S37, and the switching valve is switched as shown in FIG. 4 to switch the flow direction of the antifreeze flowing in the stack 1.
[0056]
After switching the direction of the flow of the antifreeze, in steps S38 to S40, similarly to steps S15 to S17 in the first embodiment, the warm-up target temperature T is set.1Until the warm-up target temperature T1When it reaches, finish the warm-up.
[0057]
With the above operation, the flow direction of the antifreeze can be switched when the stack 1 is half warmed up, and unnecessary warming up can be avoided with the least number of switching of the switching valve.
[0058]
Next, effects of the present embodiment will be described.
[0059]
Antifreeze inlet temperature detecting means for detecting the temperature of antifreeze at the antifreeze inlet of the stack 1, here a thermocouple 33b, and antifreeze outlet temperature detecting means for detecting the temperature of antifreeze at the antifreeze outlet of the stack 1, here thermocouple 34b Is provided. Further, there is provided a calorie calculating means (corresponding to step S35) for calculating heat transferred from the antifreeze to the stack 1 from the inlet temperature and the outlet temperature of the antifreeze. When the amount of heat transferred from the antifreeze to the stack 1 exceeds a predetermined value, the flow direction of the antifreeze is switched. As a result, the amount of heat transferred from the antifreeze to the stack 1 causes the stack 1 to warm1Since it is possible to avoid the amount of heat required to warm up to the maximum, it is possible to reduce energy consumption at the time of warming up.
[0060]
Further, as in the operation in step S31, the total amount of heat Q transferred from the antifreeze until the stack 1 is warmed up.stackIs calculated, and the amount of heat transferred from the antifreeze to the stack 1 is determined by the total heat amount Q.stackIf it exceeds half of the value, switch the flow direction of the antifreeze. Thereby, the flow direction of the antifreeze liquid is switched when the stack 1 is half warmed up, so that unnecessary warming up can be avoided with the least number of switching times, and energy consumption can be reduced.
[0061]
Next, a fourth embodiment will be described. The configuration of the fuel cell system is the same as that of the first embodiment, and control for switching the flow direction of the antifreeze will be described with reference to the flowchart of FIG. Here, the stack internal inlet temperature TinAnd stack internal outlet temperature ToutThe temperature distribution in the stack 1 is suppressed by suppressing the temperature difference from the temperature difference to a predetermined value.
[0062]
After the warm-up operation is started, in step S50, the warm-up target temperature T1Set. In step S51, heating of the antifreeze is started, and the switching valve is set as shown in FIG. 3 to start supplying the antifreeze to the stack 1.
[0063]
In step S52, the stack internal inlet temperature T is obtained from the thermocouple 33a.inAnd a stack internal outlet temperature T using a thermocouple 34a.outIs detected. Next, in step S53, the temperature difference (Tin-Tout) Exceeds a predetermined temperature, for example, 2 ° C. Steps S52 and S53 are repeated until the temperature exceeds a predetermined temperature. If it is determined in step S53 that the temperature has exceeded, the process proceeds to step S54.
[0064]
In step S54, the flow direction of the antifreeze in the stack 1 is switched by switching the switching valve as shown in FIG. Next, in step S55, ToutAnd T1Compare the size without> T1If so, it is determined that further warm-up is necessary, and the process returns to step S52.
[0065]
While the steps S52 to S55 are repeated in this way, that is, during warm-up, the stack internal inlet / outlet temperature Tin, ToutWhen the temperature difference becomes larger than a predetermined temperature, here 2 ° C., the control for switching the flow direction of the antifreeze is repeated. However, when the flow of the antifreeze is in the state of FIG. 4, the output of the thermocouple 33a is set to T.out, The output of the thermocouple 34a is TinAnd In step S55, ToutIs T1If it is determined that the above has been reached, the process proceeds to step S56, in which the antifreeze liquid heating means 3 is stopped and the warm-up is ended. Here, the end of the warm-up operation is determined by the stack internal inlet temperature TinIs the warm-up target temperature T1May be determined based on whether or not the number has been reached.
[0066]
By operating as described above, the temperature distribution inside the stack 1 can be maintained at a predetermined temperature (for example, 2 ° C.) or lower, and a uniform temperature rise within the predetermined temperature becomes possible.
[0067]
Next, effects of the present embodiment will be described.
[0068]
Stack internal inlet temperature T at the antifreeze inlet of stack 1inTemperature detection means for detecting the temperature of the stack, here the thermocouple 33a or 34a, and the stack internal temperature Tout, A thermocouple 34a or 33a in this case. Stack internal inlet temperature TinAnd stack internal outlet temperature ToutWhen the temperature difference with the temperature exceeds the predetermined value, the flow direction of the antifreeze is switched.
[0069]
By performing such control, the internal temperature difference between the entrance and exit of the antifreeze of the stack 1 can be suppressed to about a predetermined value, and the temperature distribution in the stack 1 can be suppressed, so that the temperature can be uniformly increased. it can. This makes it possible to reduce wasteful energy consumption when raising the temperature of the entire stack 1 due to the temperature distribution generated in the stack 1 at the time of warming-up, so that efficient warming-up can be performed.
[0070]
Next, a fifth embodiment will be described. The configuration of the fuel cell system used in the present embodiment, particularly the cooling system of the stack 1, is the same as that of the first embodiment, and the control regarding the flow of the antifreeze during warm-up is shown in the flowchart of FIG.
[0071]
Here, when the flow direction of the antifreeze is switched by a valve as shown in FIGS. 2 and 5, it is impossible to switch the valve at the instant of time 0. Therefore, while the valve is being switched, the flow rate of the antifreeze flowing through the antifreeze heating means 3 becomes slow, causing a local temperature rise of the antifreeze and temporary heating of the heating means. Further, even when the flow direction is switched using the antifreeze pump 12 capable of reverse rotation as shown in FIG. 6, the flow rate of the antifreeze flowing through the antifreeze heating means 3 during the period from the normal rotation to the reversal of the antifreeze pump 12 becomes slow. As a result, local heating of the antifreeze and temporary rise in the temperature of the antifreeze heating means 3 occur.
[0072]
Therefore, in the present embodiment, in order to reduce such a temperature distribution of the antifreeze, the output of the antifreeze heating means 3 is reduced while the flow direction of the antifreeze is switched. Here, the time t from when the flow direction of the antifreeze liquid is switched to decrease the flow rate until the flow rate returns to the same flow rate as before the switching is returned.shtmrIs obtained in advance by an experiment or the like, and stored in the controller 100. When the output of the antifreeze heating means 3 is reduced, the timer value tmrA timer is built in to reset and start counting.
[0073]
Next, a control flow during warm-up will be described with reference to the flowchart in FIG.
[0074]
Steps S10 to S14 are the same as in the first embodiment. If the flow direction of the antifreeze is switched in step S14, the output of the antifreeze heating means 3 is reduced in step S65. As the output reduction method, when the antifreeze heating means 3 is a combustor, the supplied fuel is reduced, and when the antifreeze heating means 3 is an electric heater, the supply power is reduced.
[0075]
In step S66, the timer value t of the timer built in the controller 100mrIs a predetermined value tsthmrIs determined. Timer value tmrIs a predetermined value tshtmrCounting, and if so, the process proceeds to step S67 to recover the output of the antifreeze heating means 3.
[0076]
Thereafter, in steps S15 to S17, as in the first embodiment, the stack internal inlet temperature TinIs the warm-up target temperature T1Until the warm-up target temperature T1Is reached, the antifreeze heating means 3 is stopped and the warm-up is finished.
[0077]
Next, effects of the present embodiment will be described. Here, only the effects different from those of the first embodiment will be described.
[0078]
While switching the flow direction of the antifreeze, the amount of heat transferred to the antifreeze in the antifreeze heating means 3 is reduced. When the flow direction is switched, the flow rate of the antifreeze is reduced and the antifreeze flowing through the antifreeze heating means 3 is locally heated. Temperature rise can be avoided. Thereby, it is possible to prevent the temperature of the stack 1 from locally increasing, and to perform a stable warm-up.
[0079]
Here, the time t during which the output of the antifreeze heating means 3 is suppressed is tsthmrIs determined in advance by experiments or the like, but the flow rate sensor or the like detects the flow rate of the antifreeze supplied to the stack 1 and controls the output of the antifreeze heating means 3 to return to normal when the flow rate of the antifreeze becomes equal to that before switching. You can also.
[0080]
Further, in the present embodiment, the determination of the switching of the antifreeze liquid flowing direction is the same as that of the first embodiment, but the determination can be applied to the switching flow of the second to fourth embodiments.
[0081]
As described above, the present invention is not limited to the above embodiment, and it goes without saying that various modifications can be made within the scope of the technical idea described in the claims.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a distribution diagram of a stack internal temperature when a conventional fuel cell system is warmed up.
FIG. 2 is a configuration diagram of a part of the fuel cell system according to the first embodiment.
FIG. 3 is a first explanatory diagram of antifreeze flow control according to the first embodiment;
FIG. 4 is a second explanatory diagram of the flow control of the antifreeze according to the first embodiment.
FIG. 5 is a configuration example having effects similar to those of the fuel cell system according to the first embodiment.
FIG. 6 is a configuration example having the same replacement as the fuel cell system of the first embodiment.
FIG. 7 is a flowchart of antifreeze liquid flow control according to the first embodiment.
FIG. 8 is a flowchart of the flow control of the antifreeze in the second embodiment.
FIG. 9 is an explanatory diagram of the amount of heat transferred from the antifreeze to the stack in the second embodiment.
FIG. 10 is a flowchart of antifreeze flow control in the third embodiment.
FIG. 11 is a flowchart of antifreeze liquid flow control according to a fourth embodiment.
FIG. 12 is a flowchart of a flow control of antifreeze in a fifth embodiment.
[Explanation of symbols]
1 stack (fuel cell stack)
2) Antifreeze route
3) Antifreeze heating means
11 Antifreeze pump (refrigerant supply means)
12 Antifreeze liquid pump (refrigerant liquid supply means, switching means)
21 # First discharge side switching valve (switching means)
22 First supply side switching valve (switching means)
23 Second supply side switching valve (switching means)
24 ° second discharge side switching valve (switching means)
25 mm three-way valve (switching means)
26 three-way valve (switching means)
33a, 34a thermocouple (stack inlet temperature detecting means or stack outlet temperature detecting means)
33b, 34b thermocouple (antifreeze liquid inlet temperature detecting means or antifreeze liquid outlet temperature detecting means)
Switching control means S14, S24, S37, S54
Calorific value calculation means S35
Total calorie calculation means S31
Target warm-up setting means S10, S20, S30, S50

Claims (9)

燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタック内部に冷媒を通過させる冷媒経路と、
前記冷媒を加熱する冷媒加熱手段と、
前記冷媒経路に冷媒を供給する冷媒供給手段と、
前記燃料電池スタック内の冷媒の流通方向を切替える切替え手段と、
前記燃料電池スタックの加温途中に、前記燃料電池スタック内の冷媒の流通方向を少なくとも一回は切替える切替え制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell stack,
A refrigerant path for passing a refrigerant inside the fuel cell stack,
Refrigerant heating means for heating the refrigerant,
Refrigerant supply means for supplying a refrigerant to the refrigerant path,
Switching means for switching the flow direction of the refrigerant in the fuel cell stack,
Switching control means for switching the flow direction of the refrigerant in the fuel cell stack at least once during the heating of the fuel cell stack.
前記燃料電池スタックの冷媒の入口部における内部温度を推定または検出するスタック入口温度検出手段を備え、
前記スタック入口温度検出手段により前記燃料電池スタックの冷媒入口部における内部温度を推定または検出し、前記冷媒入口部の内部温度が所定の温度を超えた場合に、前記燃料電池スタック内の冷媒の流通方向を切替える請求項1に記載の燃料電池システム。
The fuel cell stack further includes a stack inlet temperature detecting unit that estimates or detects an internal temperature at an inlet portion of a refrigerant of the fuel cell stack,
The stack inlet temperature detecting means estimates or detects the internal temperature at the refrigerant inlet of the fuel cell stack. The fuel cell system according to claim 1, wherein the direction is switched.
前記燃料電池スタックの冷媒の出口部における内部温度を推定または検出するスタック出口温度検出手段を備え、
前記スタック出口温度検出手段により前記燃料電池スタックの冷媒出口部における内部温度を推定または検出し、前記冷媒出口部の内部温度が所定の温度を超えた場合に、前記燃料電池スタック内の冷媒の流通方向を切替える請求項1に記載の燃料電池システム。
The fuel cell stack further includes a stack outlet temperature detecting unit that estimates or detects an internal temperature at an outlet of a refrigerant of the fuel cell stack,
The internal temperature at the refrigerant outlet of the fuel cell stack is estimated or detected by the stack outlet temperature detecting means, and when the internal temperature of the refrigerant outlet exceeds a predetermined temperature, circulation of the refrigerant in the fuel cell stack is performed. The fuel cell system according to claim 1, wherein the direction is switched.
前記燃料電池スタックの暖機目標温度を設定する暖機目標温度設定手段と、
前記燃料電池スタックの冷媒の入口部における内部温度を推定または検出するスタック入口温度検出手段と、
前記燃料電池スタックの冷媒の出口部における内部温度を推定または検出するスタック出口温度検出手段と、を備え、
前記暖機目標温度と前記燃料電池スタックの冷媒入口部における内部温度との温度差と、暖機初期の前記燃料電池スタックの内部温度と冷媒出口部における内部温度との温度差と、が等しくなったら前記燃料電池スタック内の冷媒の流通方向を切替える請求項1に記載の燃料電池システム。
A warm-up target temperature setting means for setting a warm-up target temperature of the fuel cell stack;
Stack inlet temperature detecting means for estimating or detecting the internal temperature at the inlet of the refrigerant of the fuel cell stack,
Stack exit temperature detection means for estimating or detecting the internal temperature at the outlet of the refrigerant of the fuel cell stack,
The temperature difference between the warm-up target temperature and the internal temperature at the refrigerant inlet of the fuel cell stack is equal to the temperature difference between the internal temperature of the fuel cell stack and the internal temperature at the refrigerant outlet at the initial stage of warm-up. 2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the flow direction of the refrigerant in the fuel cell stack is switched.
前記燃料電池スタックの冷媒入口部の冷媒の温度を検出する冷媒入口温度検出手段と、
前記燃料電池スタックの冷媒出口部の冷媒の温度を検出する冷媒出口温度検出手段と、
前記冷媒入口温度と前記冷媒出口温度から前記冷媒から前記燃料電池スタックへ移動した熱を算出する熱量算出手段と、を備え、
前記冷媒から前記燃料電池スタックへ移動した熱量が所定の値を超えたら前記燃料電池スタック内の冷媒の流通方向を切替える請求項1に記載の燃料電池システム。
Refrigerant inlet temperature detecting means for detecting the temperature of the refrigerant at the refrigerant inlet of the fuel cell stack,
Refrigerant outlet temperature detecting means for detecting the temperature of the refrigerant at the refrigerant outlet of the fuel cell stack,
Calorific value calculating means for calculating heat transferred from the refrigerant to the fuel cell stack from the refrigerant inlet temperature and the refrigerant outlet temperature,
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein a flow direction of the refrigerant in the fuel cell stack is switched when an amount of heat transferred from the refrigerant to the fuel cell stack exceeds a predetermined value.
前記燃料電池スタックを暖機するまでに前記冷媒から移動する総熱量を算出する総熱量算出手段を備え、
前記冷媒から前記燃料電池スタックへ移動した熱量が前記総熱量の半分を超えたら前記燃料電池スタック内の冷媒の流通方向を切替える請求項5に記載の燃料電池システム。
A total calorie calculation means for calculating a total calorie moving from the refrigerant before warming up the fuel cell stack,
6. The fuel cell system according to claim 5, wherein a flow direction of the refrigerant in the fuel cell stack is switched when an amount of heat transferred from the refrigerant to the fuel cell stack exceeds half of the total amount of heat.
前記燃料電池スタックの冷媒入口部における内部温度を推定または検出するスタック入口温度検出手段と、
前記燃料電池スタックの冷媒出口部における内部温度を推定または検出するスタック出口温度検出手段と、を備え、
前記スタック入口温度検出手段と前記スタック出口温度検出手段との出力値の差が所定の値を超えたら、前記燃料電池スタック内の冷媒の流通方向を切替える請求項1に記載の燃料電池システム。
Stack inlet temperature detecting means for estimating or detecting the internal temperature at the refrigerant inlet of the fuel cell stack,
Stack exit temperature detection means for estimating or detecting the internal temperature at the refrigerant outlet of the fuel cell stack,
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein a flow direction of the refrigerant in the fuel cell stack is switched when a difference between an output value of the stack inlet temperature detecting unit and an output value of the stack outlet temperature detecting unit exceeds a predetermined value.
前記冷媒の流通方向を切替える間は、前記冷媒加熱手段において冷媒に移動する熱量を低減する請求項1から7のいずれか一つに記載の燃料電池システム。The fuel cell system according to any one of claims 1 to 7, wherein the amount of heat transferred to the refrigerant in the refrigerant heating unit is reduced while switching a flow direction of the refrigerant. 前記冷媒として不凍液を用いる請求項1から8のいずれか一つに記載の燃料電池システム。9. The fuel cell system according to claim 1, wherein an antifreeze is used as the refrigerant.
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