JP2008262852A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水素と酸素との電気化学反応により発電する燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、空調のための冷凍サイクルを搭載している車両、船舶及びポータブル発電機等の移動体用発電機に適用して有効である。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and power generation for moving bodies such as vehicles, ships, and portable generators equipped with a refrigeration cycle for air conditioning. It is effective when applied to a machine.
従来より、燃料電池を走行用駆動源とする燃料電池車両では、空調用ヒートポンプを構成する圧縮機から吐出された高温冷媒により、燃料電池の冷却水を昇温させ、高温となった冷却水を車室内の暖房用熱源として用いるシステムが知られている(例えば、特許文献1参照)。このシステムでは、燃料電池の廃熱を利用して車室内を暖房することでヒートポンプシステムの効率向上を図っている。
しかしながら、特許文献1に記載の燃料電池システムでは、燃料電池の始動時や燃料電池の負荷が小さい場合に、冷却水温度が低い状態となり充分な暖房能力が得られないことがある。 However, in the fuel cell system described in Patent Document 1, when the fuel cell is started or when the load on the fuel cell is small, the cooling water temperature may be low and sufficient heating capacity may not be obtained.
本発明は上記点に鑑み、ヒートポンプを用いて暖房を行う燃料電池システムにおいて、暖房時の即効性を向上させるとともに、暖房時のヒートポンプの効率向上を図ることを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above points, an object of the present invention is to improve the immediate effect during heating and to improve the efficiency of the heat pump during heating in a fuel cell system that performs heating using a heat pump.
上記目的を達成するため、本発明では、酸化剤ガスと燃料ガスを電気化学反応させて発電する燃料電池(10)と、燃料電池(10)に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給経路(13)と、酸化剤ガス供給経路(13)に設けられ、酸化剤ガスを燃料電池(10)に圧送する酸化剤ガス供給装置(15)と、冷媒を圧縮する圧縮機(41)と、空調用空気と圧縮機(41)から吐出される冷媒とを熱交換させる第1熱交換器(34)と、外気と冷媒とを熱交換させる第2熱交換器(42)と、空調用空気と酸化剤ガス供給装置(15)から吐出され、燃料電池(10)に供給される前の酸化剤ガスとを熱交換させる第3熱交換器(33)とを備え、空調用空気による暖房が行われる暖房運転時には、圧縮機(41)から吐出される冷媒が、第1熱交換器(34)で空調用空気を加熱するとともに、酸化剤ガス供給装置(15)から吐出される酸化剤ガスが、第3熱交換器(33)で空調用空気を加熱することを特徴とする。 In order to achieve the above object, in the present invention, a fuel cell (10) for generating electric power by electrochemically reacting an oxidant gas and a fuel gas, and an oxidant gas supply path (for supplying the oxidant gas to the fuel cell (10)) ( 13), an oxidant gas supply device (15) that is provided in the oxidant gas supply path (13) and pumps the oxidant gas to the fuel cell (10), a compressor (41) that compresses the refrigerant, and an air conditioner. A first heat exchanger (34) for exchanging heat between the working air and the refrigerant discharged from the compressor (41), a second heat exchanger (42) for exchanging heat between the outside air and the refrigerant, and air for air conditioning A third heat exchanger (33) for exchanging heat with the oxidant gas discharged from the oxidant gas supply device (15) and supplied to the fuel cell (10), and is heated by air for air conditioning; During the heating operation, the refrigerant discharged from the compressor (41) The air for air conditioning is heated by one heat exchanger (34), and the oxidant gas discharged from the oxidant gas supply device (15) heats the air for air conditioning by the third heat exchanger (33). Features.
これにより、暖房時には、酸化剤ガス供給装置(15)で断熱圧縮され高温となった酸化剤ガスの熱、および圧縮機(41)にて圧縮され高温となった冷媒の熱を利用して空調用空気を加熱することで、燃料電池(10)の運転開始直後から車室内の暖房を行うことができる。これにより、暖房の即効性を向上させることができる。さらに、これまで廃棄されていた酸化剤ガス供給装置(15)で断熱圧縮され高温となった酸化剤ガスの熱を有効利用して、空調用空気を加熱することで、圧縮機(41)の負荷を低減することができ、暖房時のシステム効率を向上させることができる。 Thus, during heating, air conditioning is performed using the heat of the oxidant gas that is adiabatically compressed by the oxidant gas supply device (15) and becomes a high temperature, and the heat of the refrigerant that is compressed by the compressor (41) and becomes a high temperature. By heating the working air, the passenger compartment can be heated immediately after the start of the operation of the fuel cell (10). Thereby, the immediate effect of heating can be improved. Furthermore, the air of the compressor (41) is heated by effectively using the heat of the oxidant gas that has been adiabatically compressed by the oxidant gas supply device (15) that has been disposed of up to now to increase the temperature. The load can be reduced, and the system efficiency during heating can be improved.
通常、圧縮機(41)により圧縮され高温となった冷媒の温度は、酸化剤ガス供給装置(15)により加圧され高温になった酸化剤ガスの温度よりも高温となる。そのため、空調用空気流れ上流側から第3熱交換器(33)、第1熱交換器(34)の順に配置し、第3熱交換器(33)を通過した空調用空気が第1熱交換器(34)を通過するように構成することで、空調用空気の加熱を効率よく行なうことができる。 Usually, the temperature of the refrigerant compressed by the compressor (41) and increased to a high temperature is higher than the temperature of the oxidant gas pressurized by the oxidant gas supply device (15) and increased to a high temperature. Therefore, the air conditioning air that has been arranged in the order of the third heat exchanger (33) and the first heat exchanger (34) from the upstream side of the air conditioning air flow and passed through the third heat exchanger (33) is the first heat exchange. By configuring to pass through the vessel (34), the air-conditioning air can be efficiently heated.
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
以下、本発明の一実施形態について図1、図2に基づいて説明する。本実施形態は、本発明の燃料電池システムを、燃料電池10を電源として走行する電気自動車(燃料電池車両)に適用した例であり、冷凍サイクルにより車室内の暖房および冷房を行うように構成されている。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The present embodiment is an example in which the fuel cell system of the present invention is applied to an electric vehicle (fuel cell vehicle) that runs using the
図1は、本実施形態の燃料電池システムの概念図である。図1に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池10を備えている。本実施形態では燃料電池10として固体高分子型燃料電池を用いており、基本単位となるセルが複数積層されて構成されている。なお、本発明は固体高分子型以外の燃料電池にも適用可能である。
FIG. 1 is a conceptual diagram of the fuel cell system of the present embodiment. As shown in FIG. 1, the fuel cell system of this embodiment includes a
燃料電池10では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり発電する。なお、水素が本発明の燃料ガスに相当し、酸素(空気)が本発明の酸化剤ガスに相当している。
In the
アノード(水素極)2H2→4H++4e−
カソード(酸素極)4H++O2+4e−→2H2O
全体 2H2+O2→2H2O
燃料電池システムには、燃料電池10の水素極(アノード)に供給される水素が通過する水素供給経路11と、燃料電池10の水素極から排出される水素極側排ガスが通過する水素排出経路12が設けられている。水素供給経路11の最上流部には、燃料電池10の水素極に水素を供給するための水素供給装置(図示せず)が設けられている。水素供給装置として、例えば高圧の水素が充填された水素タンクを用いることができる。
Anode (hydrogen electrode) 2H 2 → 4H + + 4e −
Cathode (oxygen electrode) 4H + + O 2 + 4e − → 2H 2 O
Overall 2H 2 + O 2 → 2H 2 O
The fuel cell system includes a
燃料電池システムには、燃料電池10の酸素極(カソード)に供給される酸素(空気)が通過する空気供給経路13と、燃料電池10の酸素極から排出される排出空気が通過する空気排出経路14が設けられている。空気供給経路13には、空気を供給するための空気供給装置15が設けられている。空気供給装置15として、例えば空気を圧送するコンプレッサ機を用いることができる。なお、空気供給経路13が、本発明の酸化剤ガス供給経路に相当し、空気供給装置15が、本発明の酸化剤ガス供給装置に相当している。
The fuel cell system includes an
空気供給経路13における空気供給装置15の下流側には、後述する第1加熱用室内器33が設けられている。第1加熱用室内器33は、空気供給装置15により断熱圧縮された空気の熱と後述する空調装置の空調ケース30内を流れる空調用空気とを熱交換するための熱交換器である。そのため、空気は、空気供給装置15により圧縮され、第1加熱用室内器33を介して燃料電池10に供給される。
On the downstream side of the
燃料電池システムには、車室内の空調を行う空調装置が設けられている。空調装置は、車室内に供給される空調用空気が流れる送風路を構成する空調ケース30を備えている。空調ケース30内には、送風機31、室内熱交換器(以下、「室内器」という。)32〜34、エアミックスドア35が設けられている。室内器32〜34は、冷却用室内器32と第1加熱用室内器33と第2加熱用室内器34からなる。なお、冷却用室内器32が本発明の第2熱交換器に相当し、第1加熱用室内器33が本発明の第3熱交換器に相当し、第2加熱用室内器34が本発明の第1熱交換器に相当している。
The fuel cell system is provided with an air conditioner for air conditioning the vehicle interior. The air conditioner includes an
これらの機器は、空調用空気流れ上流側から送風機31、冷却用室内器32、エアミックスドア35、第1加熱用室内器33、第2加熱用室内器34の順で配置されている。冷却用室内器32、第2加熱用室内器34は、後述する冷凍サイクル内に設けられており、冷媒と空調用空気との間で熱交換を行うように構成されている。第1加熱用室内器33は、上述のように燃料電池10の空気供給経路13に設けられており、空気供給装置15により加圧され高温になった空気と空調用空気との間で熱交換を行うように構成されている。
These devices are arranged in the order of the
エアミックスドア35は、加熱用室内器33、34の上流側に設けられており、図示しない電気モータ等によって作動するように構成されている。エアミックスドア35は、開度調整により加熱用室内器33、34を通過する風量割合を調整でき、後述の制御部100により開度制御が行われる。
The
燃料電池システムには、車室内の暖房および冷房を行うための冷凍サイクルを備えている。冷凍サイクルには、冷媒が循環する冷媒循環経路40が設けられている。冷媒循環経路40は、内部に冷媒が封入された配管として構成されている。冷媒としては、例えばHFC−134aやCO2などを用いることができる。
The fuel cell system includes a refrigeration cycle for heating and cooling the passenger compartment. The refrigeration cycle is provided with a
冷媒循環経路40の経路内には、冷媒流れ上流側から順に、圧縮機41、第2加熱用室内器34、室外用熱交換器(以下、「室外器」という。)42、暖房用減圧器43、冷房用減圧器44、冷却用室内器32等が設けられている。圧縮機41は、気体状態の冷媒を圧縮して吐出するように構成されている。第2加熱用室内器34には、圧縮機41により圧縮され高温となった冷媒が流入する。室外器42は冷媒と外気との間で熱交換を行い、冷房時には冷媒を凝縮液化させ、暖房時には冷媒を気化させるように構成されている。冷媒循環経路40には、室外器42の上流側に暖房用減圧器43が設けられている。
In the
暖房用減圧器43は、開度調整が可能であり、全開機能を有する電動式膨張弁である。また、暖房用減圧器43は、暖房時には室外器42に低温低圧の冷媒を流入させるために絞り弁として用いられる。なお、冷房時には暖房用減圧器43の開度を全開状態にすることで、室外器42に高温高圧の冷媒を流入させている。
The
冷媒循環経路40における冷却用室内器32の上流側には冷房用減圧器44が設けられている。冷房用減圧器44は、液体状態の冷媒を低圧に減圧し、低圧の気液2相状態とするように構成されている。冷房用減圧器44は機械式膨張弁であり、冷却用室内器32の出口冷媒温度に応じて冷媒流量を調整し、冷却用室内器32の出口冷媒の過熱度が所定の値に近づくようにしている。冷房用減圧器44からの低圧冷媒は冷却用室内器32に流入する。冷却用室内器32に流入した低圧冷媒は空調ケース30内の空気から吸熱して蒸発する。
A cooling
冷媒循環経路40には、冷却用室内器32をバイパスさせるための冷媒バイパス経路45が設けられている。冷媒の流路を冷却用室内器32側あるいは冷媒バイパス経路45側に切り替えるために、冷媒循環経路40における冷媒バイパス経路45との分岐点と冷房用減圧器44との間に第1冷媒流路切替弁46が設けられ、冷媒バイパス経路45に第2冷媒流路切替弁47が設けられている。暖房時には、第2冷媒流路切替弁47を開放し、第1冷媒流路切替弁46を閉鎖して、冷媒が冷媒バイパス経路45を流れるようにし、冷房時には、第2冷媒流路切替弁47を閉鎖し、第1冷媒流路切替弁46を開放して、冷媒が冷却用室内器32を流れるようにする。
The
図2は、燃料電池システムに設けられた制御部(ECU)100の入出力を示すブロック図である。図2に示すように、燃料電池システムには各種制御を行う制御手段としての制御部100が設けられている。制御部100は、CPU、ROM、RAM等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。制御部100には、各種センサからのセンサ信号等が入力される。また、制御部100は、演算結果に基づいて空気供給装置15、送風機31、エアミックスドア35、圧縮機41、暖房用減圧器43、冷房用減圧器44、冷媒流路切替弁46、47等に制御信号を出力する。なお、本実施形態では、燃料電池システムの制御および空調制御を同一の制御部100で制御しているが、それぞれ個別にECUを設けて異なるECU間で通信を行うようにしてもよい。
FIG. 2 is a block diagram showing input / output of a control unit (ECU) 100 provided in the fuel cell system. As shown in FIG. 2, the fuel cell system is provided with a
次に、暖房時における燃料電池システムの作動を図3に基づいて説明する。図3は暖房時における冷凍サイクルの冷媒の流れを示している。 Next, the operation of the fuel cell system during heating will be described with reference to FIG. FIG. 3 shows the refrigerant flow in the refrigeration cycle during heating.
暖房モードと冷房モードを含む空調モード切替処理は、乗員が空調モード切替スイッチ(図示せず)を操作することにより行われる。あるいは、空調コントロールパネルに設けられた温度コントロールレバー(図示せず)の値、冷凍サイクルスイッチ(図示せず)の状態、検出した外気温度、内気温度等により、空調モードを演算により自動判定してもよい。なお、空調制御に先立って燃料電池10は運転開始されており、空気供給装置15で断熱圧縮された空気が第2加熱用室内器34に循環しているものとする。
The air conditioning mode switching process including the heating mode and the cooling mode is performed by an occupant operating an air conditioning mode switching switch (not shown). Alternatively, the air conditioning mode is automatically determined by calculation based on the value of a temperature control lever (not shown) provided on the air conditioning control panel, the state of the refrigeration cycle switch (not shown), the detected outside air temperature, the inside air temperature, etc. Also good. It is assumed that the operation of the
暖房時には、送風機31を駆動するとともに、エアミックスドア35の開度を目標空調温度に応じて制御し、加熱用熱交換器33、34を通過する空調用空気の割合を調整する。
During heating, the
空調用空気が第1加熱用熱交換器33を通過することで、空気供給装置で断熱圧縮された高圧かつ高温の空気の熱が空調用空気に伝熱され、空調用空気が加熱される。これにより、空気供給装置15で断熱圧縮された空気の熱を有効利用して、車室内の暖房を行うことができる。ここで、燃料電池10の始動時等のように燃料電池10の負荷が高い場合は、燃料電池10の発電量を大きくする必要があり、空気供給装置15からの空気の供給量は増大する。このとき、空気供給装置15から供給される空気は、燃料電池10内での圧損等によって、より高圧かつ高温の状態になる。
When the air for air conditioning passes through the
このように、空気供給装置15で断熱圧縮された空気は、燃料電池10の運転開始直後から直ちに高温になる。このため、空気供給装置15で断熱圧縮された空気を用いた空調用空気の加熱は即効性を有しており、燃料電池10の運転開始直後から車室内の暖房を行なうことができる。
Thus, the air adiabatically compressed by the
第1加熱用熱交換器33にて放熱された空気は、燃料電池10に供給される。このような作動を行うことで、これまで廃棄されていた空気供給装置15で断熱圧縮された空気の熱を、暖房に用いて有効利用することができるので、暖房に必要な消費エネルギーを削減でき、結果として車両効率を向上できる。
The air radiated by the first
また、暖房時には、第2冷媒流路切替弁47を開放し、第1冷媒流路切替弁46を閉鎖して、冷媒が冷却用室内器32をバイパスして冷媒バイパス経路45を流れるようにする。圧縮機41にて圧縮された高圧かつ高温(例えば150℃程度)の冷媒は第2加熱用室内器34に流入し、冷媒の熱が第2加熱用室内器34を介して空調用空気に伝熱され空調用空気が加熱される。これにより、冷凍サイクルで発生した熱を利用して車室内の暖房を行うことができる。
During heating, the second refrigerant
このように、圧縮機41にて圧縮された冷媒は、燃料電池10の運転開始直後から直ちに高温になる。このため、冷凍サイクルの冷媒を用いた空調用空気の加熱は即効性を有しており、燃料電池10の運転開始直後から車室内の暖房を行うことができる。
As described above, the refrigerant compressed by the
第2加熱用室内器34から流出した冷媒は、暖房用減圧器43にて減圧され、低温(例えば−40℃程度)となる。暖房用減圧器43から流出した冷媒は、室外器42にて外気から熱を受け取って温度上昇する。
The refrigerant flowing out of the second heating
室外器42で昇温した冷媒は、冷媒バイパス経路45を介して圧縮機41に循環する。
The refrigerant whose temperature has been increased in the
以上のように、本実施形態の燃料電池システムによれば、暖房時には、空気供給装置15で断熱圧縮され高温となった空気の熱、および圧縮機41にて圧縮され高温となった冷媒の熱を利用して空調用空気を加熱することで、燃料電池10の運転開始直後から車室内の暖房を行うことができる。これにより、暖房の即効性を向上させることができる。
As described above, according to the fuel cell system of the present embodiment, at the time of heating, the heat of air that is adiabatically compressed by the
また、これまで廃棄されていた空気供給装置15で断熱圧縮され高温となった空気の熱を有効利用して、空調用空気を加熱することで、冷凍サイクルの冷媒を用いた空調空気の加熱量を低減することができる。そのため、冷凍サイクル内の圧縮機41の動力を低減することができ、暖房時のヒートポンプの効率向上を図ることができる。
Moreover, the heating amount of the air-conditioning air using the refrigerant of the refrigeration cycle by heating the air-conditioning air by effectively using the heat of the air that has been adiabatic and compressed by the
また、圧縮機41により圧縮され高温となった冷媒の温度は、空気供給装置15により加圧され高温になった空気の温度よりも高温となるため、空調用空気流れ上流側から第1加熱用室内器33、第2加熱用室内器34の順に配置することで、空調用空気の加熱を効率よく行なうことができる。
Moreover, since the temperature of the refrigerant | coolant compressed by the
10…燃料電池、13…空気供給経路、15…空気供給装置、30…空調ケース、33…第1加熱用室内器(第3熱交換器)、34…第2加熱用室内器(第1熱交換器)、40…冷媒循環経路、41…圧縮機、42…室外器(第2熱交換器)、45…冷媒バイパス経路、46、47…冷媒流路切替弁、100…制御部。
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記燃料電池(10)に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給経路(13)と、
前記酸化剤ガス供給経路(13)に設けられ、前記酸化剤ガスを前記燃料電池(10)に圧送する酸化剤ガス供給装置(15)と、
冷媒を圧縮する圧縮機(41)と、
前記圧縮機(41)から吐出される冷媒と、空調用空気とを熱交換させる第1熱交換器(34)と、
外気と冷媒とを熱交換させる第2熱交換器(42)と、
前記酸化剤ガス供給装置(15)から吐出され、前記燃料電池(10)に供給される前の前記酸化剤ガスと、空調用空気とを熱交換させる第3熱交換器(33)とを備え、
空調用空気による暖房が行われる暖房運転時には、前記圧縮機(41)から吐出される冷媒が、前記第1熱交換器(34)で空調用空気を加熱するとともに、前記酸化剤ガス供給装置(15)から吐出される前記酸化剤ガスが、前記第3熱交換器(33)で空調用空気を加熱することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell (10) for generating electricity by electrochemically reacting an oxidant gas and a fuel gas;
An oxidant gas supply path (13) for supplying an oxidant gas to the fuel cell (10);
An oxidant gas supply device (15) provided in the oxidant gas supply path (13) and pumping the oxidant gas to the fuel cell (10);
A compressor (41) for compressing the refrigerant;
A first heat exchanger (34) for exchanging heat between the refrigerant discharged from the compressor (41) and the air for air conditioning;
A second heat exchanger (42) for exchanging heat between the outside air and the refrigerant;
A third heat exchanger (33) for exchanging heat between the oxidant gas discharged from the oxidant gas supply device (15) and supplied to the fuel cell (10) and air for air conditioning; ,
During the heating operation in which the air-conditioning air is heated, the refrigerant discharged from the compressor (41) heats the air-conditioning air in the first heat exchanger (34), and the oxidant gas supply device ( 15) The fuel cell system, wherein the oxidant gas discharged from 15) heats air for air conditioning in the third heat exchanger (33).
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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