JP2006032171A

JP2006032171A - Control unit of fuel cell

Info

Publication number: JP2006032171A
Application number: JP2004210660A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Kumei; 秀之久米井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-07-16
Filing date: 2004-07-16
Publication date: 2006-02-02

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve smooth starting and especially starting characteristics of a fuel cell at low temperatures. SOLUTION: This is a control device of the fuel cell provided with air supply passages L0, L1 to supply air to the fuel cell 1, tanks 6 installed at the air supply passages L0, L1, a pressurized air supply means 2 to supply the pressurized air to the tanks 6, a pressurized air supply control means 20 to supply the pressurized air to the tanks 6 by the pressurized air supply means 2, and fuel cell gas supply control means 20, 8 to supply the pressurized air stored in the tanks 6 to the fuel cell 1 in starting the fuel cell 1. COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、燃料電池の制御装置に関する。 The present invention relates to a control device for a fuel cell.

燃料電池では、始動時の発電の安定性を向上させることが１つの課題とされている。特に、空気極側に供給する空気をコンプレッサで供給する場合に、一般的には、通常運転時に充電した二次電池によりコンプレッサを駆動し、さらには、燃料電池自体の発電によりコンプレッサを駆動し、空気を供給する方式が採用される。しかし、このような方式によると、低温下では、二次電池の出力が低下するためコンプレッサに十分な駆動力を投入できず、円滑な始動ができない場合が生じ得る。 In a fuel cell, improving the stability of power generation at the time of starting is considered as one problem. In particular, when air supplied to the air electrode side is supplied by a compressor, the compressor is generally driven by a secondary battery charged during normal operation, and further, the compressor is driven by power generation of the fuel cell itself, A method of supplying air is adopted. However, according to such a method, at a low temperature, the output of the secondary battery decreases, so that a sufficient driving force cannot be applied to the compressor, and a smooth start may not be possible.

なお、燃料電池の出力電力と負荷の必要消費電力とを調整する一般的な技術としては下記特許文献１から６が知られている。しかしながら、いずれの先行技術においても、二次電池出力の低下に伴い燃料電池の始動が不安定になることに対する配慮はなかった。
特開２００３−２０８９１４号公報特開２００３−３０８８５８号公報特開２００１−１９７７９１号公報特開２００３−１２３８２２号公報特開平６−６８８９２号公報特開２００１−９５１０８号公報 The following Patent Documents 1 to 6 are known as general techniques for adjusting the output power of the fuel cell and the required power consumption of the load. However, in any of the prior arts, there has been no consideration for the start of the fuel cell becoming unstable as the output of the secondary battery decreases.
JP 2003-208914 A JP 2003-308858 A JP 2001-197791 A JP 2003-123822 A JP-A-6-68892 JP 2001-95108 A

本発明の目的は、燃料電池の円滑な始動、特に低温下での安定的な始動に寄与する技術を提供することである。 An object of the present invention is to provide a technique that contributes to a smooth start of a fuel cell, in particular, a stable start at a low temperature.

本発明は上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、本発明は、燃料電池と、上記燃料電池に空気を供給する空気供給通路と、上記空気供給通路に設けられたタンクと、上記タンクに加圧空気を供給する加圧空気供給手段と、上記加圧空気供給手段により上記タンクに加圧空気を供給する加圧空気供給制御手段と、上記タンクに蓄えられた加圧空気を上記燃料電池の始動時に燃料電池に供給する燃料電池ガス供給制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池の制御装置である。 In order to solve the above problems, the present invention employs the following means. That is, the present invention comprises a fuel cell, an air supply passage for supplying air to the fuel cell, a tank provided in the air supply passage, a pressurized air supply means for supplying pressurized air to the tank, Pressurized air supply control means for supplying pressurized air to the tank by the pressurized air supply means, and fuel cell gas supply control for supplying pressurized air stored in the tank to the fuel cell at the start of the fuel cell And a fuel cell control device.

本発明によれば、始動時にタンクから燃料電池に高圧空気を供給することで燃料電池あるいは燃料電池に備えた二次電池の出力に依存せずに安定して高圧空気を供給できるので、燃料電池の始動性が向上する。 According to the present invention, high-pressure air can be stably supplied without depending on the output of the fuel cell or the secondary battery provided in the fuel cell by supplying high-pressure air from the tank to the fuel cell at the time of starting. The startability of the is improved.

上記燃料電池の制御装置において、上記加圧空気供給制御手段は、上記燃料電池の余剰電力を利用してタンクに加圧空気を供給するようにしてもよい。そのような構成とすることで余剰電力の有効利用を図ることができる。 In the fuel cell control device, the pressurized air supply control means may supply pressurized air to the tank using surplus power of the fuel cell. With such a configuration, it is possible to effectively use surplus power.

上記燃料電池の制御装置において、さらに、上記燃料電池に供給する上記燃料ガスを貯蔵する燃料ガスタンクと、上記燃料ガスタンクから燃料ガスを燃料電池に供給する燃料ガス供給通路と、上記燃料ガス供給通路上に設けられた膨張タービンと、上記膨張タービンの回転により発電を行う発電機と、を備え、上記余剰電力は上記発電機により発電された電力を含むようにしてもよい。このような構成とすることで、燃料ガスの有効利用を図るとともに、燃料電池の始動性を向上できる。 In the fuel cell control device, a fuel gas tank for storing the fuel gas supplied to the fuel cell, a fuel gas supply passage for supplying fuel gas from the fuel gas tank to the fuel cell, and a fuel gas supply passage on the fuel gas supply passage And an electric power generator that generates electric power by rotation of the expansion turbine, and the surplus electric power may include electric power generated by the electric generator. With such a configuration, the fuel gas can be effectively used and the startability of the fuel cell can be improved.

上記燃料電池の制御装置において、さらに、上記燃料電池に供給する燃料ガスを貯蔵する燃料ガスタンクと、上記燃料ガスタンクから燃料ガスを燃料電池に供給する燃料ガス供給通路と、上記燃料ガス供給通路上に設けられた膨張タービンと、上記加圧空気供給手段により供給される加圧空気を上記タンクと上記燃料電池とに分配する加圧空気分配手段と、を備え、上記加圧空気供給手段は上記膨張タービンと機械的に接続されて駆動されるポンプであり、上記加圧空気供給制御手段は、上記ポンプの回転数が所定回転数以上のときに上記加圧空気分配手段により上記タンクに加圧空気を供給するようにしてもよい。このような構成とすることで、ポンプの回転数に余剰がある場合にタンクに加圧空気を供給し、余剰エネルギの有効利用を図るとともに燃料電池の始動性を向上できる。 In the control apparatus for the fuel cell, a fuel gas tank for storing fuel gas to be supplied to the fuel cell, a fuel gas supply passage for supplying fuel gas from the fuel gas tank to the fuel cell, and a fuel gas supply passage on the fuel gas supply passage An expansion turbine provided, and pressurized air distribution means for distributing the pressurized air supplied by the pressurized air supply means to the tank and the fuel cell, wherein the pressurized air supply means is the expansion air. A pump that is mechanically connected to a turbine and driven, and the pressurized air supply control means is configured to supply pressurized air to the tank by the pressurized air distribution means when the rotational speed of the pump is equal to or higher than a predetermined rotational speed. May be supplied. With such a configuration, when there is a surplus in the number of revolutions of the pump, pressurized air is supplied to the tank so that surplus energy can be used effectively and the startability of the fuel cell can be improved.

上記燃料電池の制御装置において、さらに、上記タンクに蓄えられた空気圧力を検出する手段と、上記燃料電池内に空気が供給される空気極側の残留ガス圧力を検出する手段と、をさらに備え、上記燃料電池ガス供給制御手段は、上記空気圧力が上記残留ガス圧力を上回る場合に、上記加圧空気を燃料電池に供給するようにしてもよい。このような構成とすることで、タンクの空気圧力が十分に確保されている場合に、タンクの加圧空気を燃料電池に供給し、タンクの空気が消費されるとポンプにより空気を燃料電池に供給することができる。 The fuel cell control device further includes means for detecting an air pressure stored in the tank, and means for detecting a residual gas pressure on the air electrode side where air is supplied into the fuel cell. The fuel cell gas supply control means may supply the pressurized air to the fuel cell when the air pressure exceeds the residual gas pressure. With such a configuration, when the air pressure in the tank is sufficiently secured, the pressurized air in the tank is supplied to the fuel cell, and when the tank air is consumed, the air is supplied to the fuel cell by the pump. Can be supplied.

上記燃料電池の制御装置において、さらに、電力を利用して上記燃料電池に空気を供給する空気供給手段と、上記空気圧力が上記残留ガス圧力を下回る場合に上記空気供給手段により燃料電池に空気を供給する空気供給制御手段とを備えるようにしてもよい。したがって、この燃料電池の制御装置では、タンクの加圧空気を消費した後には、空気供給手段により空気が燃料電池に供給される。 In the control apparatus for the fuel cell, an air supply means for supplying air to the fuel cell using electric power, and when the air pressure is lower than the residual gas pressure, air is supplied to the fuel cell by the air supply means. You may make it provide the air supply control means to supply. Therefore, in this fuel cell control device, air is supplied to the fuel cell by the air supply means after the pressurized air in the tank is consumed.

なお、空気供給手段と加圧空気供給手段とは、同一の構成要素で兼用してもよい。また、空気供給制御手段と加圧空気供給制御手段とは、同一の制御装置上でコンピュータプログラムにより実現してもよい。 The air supply means and the pressurized air supply means may be shared by the same component. The air supply control means and the pressurized air supply control means may be realized by a computer program on the same control device.

本発明によれば、燃料電池の円滑な始動、特に低温下での始動の安定性を向上させることができる。 According to the present invention, it is possible to improve the stability of a smooth start of a fuel cell, particularly at a low temperature.

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態という）に係る燃料電池について説明する。以下の実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成に限定されない。 Hereinafter, a fuel cell according to the best mode for carrying out the present invention (hereinafter referred to as an embodiment) will be described with reference to the drawings. The configuration of the following embodiment is an exemplification, and the present invention is not limited to the configuration of the embodiment.

《第１実施形態》
以下、図１および図２の図面を参照して本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを説明する。この燃料電池システムが本発明の燃料電池の制御装置に相当する。図１は、第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 << First Embodiment >>
Hereinafter, a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. This fuel cell system corresponds to the fuel cell control device of the present invention. FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to the first embodiment.

図１に示すように、この燃料電池は、燃料電池本体１と、燃料電池本体１の空気極側に加圧空気を供給するコンプレッサ２と、コンプレッサ２からの加圧空気を減圧して燃料電池本体１に供給する減圧弁７と、コンプレッサ２からの加圧空気を分岐して蓄えるエアタンク６と、コンプレッサ２からの加圧空気のエアタンク６への通過を制御する遮断弁１８と、エアタンク６からの加圧空気の逆流を防止する逆止弁１９と、エアタンク６に蓄えられた加圧空気を減圧して燃料電池本体１の空気極に供給する減圧弁８と、エアタンク６内のガス圧力を検出する圧力センサ１４と、燃料電池本体１の空気極の排気側にて空気極内の圧力を調整する背圧弁９と、燃料電池本体１の空気極側のガス圧力を検出する圧力センサ１５と、燃料電池本体１から電力を供給される負荷５と、負荷５または負荷５と連係してユーザに各種のエネルギを提供するシステム（例えば車両）に制動を加える回動制動装置３と、この回動制動装置３において発生する回生エネルギを蓄積するバッテリ４と、バッテリ４の出力電圧を検出する電圧センサ１７と、回生制動装置３の出力電力のコンプレッサ２への投入を制御するスイッチＳＷ１と、燃料電池システム全体を制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit）２０とを有している。なお、図１では、水素極側の構成要素は省略されている。 As shown in FIG. 1, this fuel cell includes a fuel cell main body 1, a compressor 2 that supplies pressurized air to the air electrode side of the fuel cell main body 1, and a fuel cell that depressurizes the pressurized air from the compressor 2. From the pressure reducing valve 7 supplied to the main body 1, the air tank 6 that branches and stores the pressurized air from the compressor 2, the shut-off valve 18 that controls the passage of the pressurized air from the compressor 2 to the air tank 6, and the air tank 6 A check valve 19 for preventing the backflow of the pressurized air, a pressure reducing valve 8 for depressurizing the pressurized air stored in the air tank 6 and supplying it to the air electrode of the fuel cell body 1, and a gas pressure in the air tank 6. A pressure sensor 14 for detecting, a back pressure valve 9 for adjusting the pressure in the air electrode on the exhaust side of the air electrode of the fuel cell body 1, and a pressure sensor 15 for detecting a gas pressure on the air electrode side of the fuel cell body 1. From the fuel cell body 1 A load 5 to which a force is supplied, a rotation braking device 3 that applies braking to the load 5 or a system (for example, a vehicle) that provides various energy to the user in association with the load 5, and is generated in the rotation braking device 3 The battery 4 that stores the regenerative energy to be stored, the voltage sensor 17 that detects the output voltage of the battery 4, the switch SW1 that controls the input of the output power of the regenerative braking device 3 to the compressor 2, and the entire fuel cell system. An ECU (Electronic Control Unit) 20 is included. In FIG. 1, components on the hydrogen electrode side are omitted.

燃料電池本体１は、膜−電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータとを含むセルを直列に接続し、複数階層に積層したものから構成される。膜−電極接合体は、水素をプロトンと電子に分離する水素極と、水素極で生成されたプロトンを空気極に伝導する電解質膜と、空気極に伝導したプロトンと酸素と外部回路を通じて水素極から伝導した電子により水を生成する空気極とを含む。 The fuel cell main body 1 is configured by connecting cells including a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator in series and stacking them in a plurality of layers. The membrane-electrode assembly includes a hydrogen electrode that separates hydrogen into protons and electrons, an electrolyte membrane that conducts protons generated at the hydrogen electrode to the air electrode, protons and oxygen that are conducted to the air electrode, and an external circuit through an external circuit. And an air electrode for generating water by electrons conducted from.

コンプレッサ２（加圧空気供給手段に相当）は、燃料電池本体１に酸化剤である空気を供給する。コンプレッサ２から供給される空気は、空気供給通路Ｌ０およびＬ０から分岐する空気供給通路Ｌ１を通過し、さらに減圧弁７により供給圧力が所定値に減圧され、燃料電池本体１の空気極に供給される。 The compressor 2 (corresponding to pressurized air supply means) supplies air as an oxidant to the fuel cell main body 1. The air supplied from the compressor 2 passes through the air supply passage L1 branched from the air supply passages L0 and L0. Further, the supply pressure is reduced to a predetermined value by the pressure reducing valve 7, and is supplied to the air electrode of the fuel cell body 1. The

また、本実施形態のシステムでは、空気供給通路Ｌ０から分岐する空気供給通路Ｌ１が、遮断弁１８および逆止弁１９を通じてエアタンク６に導入される。遮断弁１８が開弁した状態では、コンプレッサ２から供給される空気の一部は、エアタンク６に蓄えられることになる。また、エアタンク６の上流側には、逆止弁１９が備えられている。したがって、コンプレッサ２から空気供給通路Ｌ０、Ｌ１、遮断弁１８を通じてエアタンク６に導入された圧縮空気は、空気供給通路Ｌ１に逆流することはない。 In the system of the present embodiment, the air supply passage L1 branched from the air supply passage L0 is introduced into the air tank 6 through the shut-off valve 18 and the check valve 19. In a state where the shut-off valve 18 is opened, a part of the air supplied from the compressor 2 is stored in the air tank 6. A check valve 19 is provided on the upstream side of the air tank 6. Therefore, the compressed air introduced from the compressor 2 to the air tank 6 through the air supply passages L0 and L1 and the shutoff valve 18 does not flow back into the air supply passage L1.

エアタンク６の空気もまた、減圧弁８を介して燃料電池本体１の空気極側に導入される。エアタンク６のガス圧力および燃料電池本体１の空気極側のガス圧力は、各々、圧力センサ１４および１５により監視され、ＥＣＵ２０に逐次報告されている。ＥＣＵ２０は、燃料電池の始動時、減圧弁８を開弁して所定の供給圧力で、エアタンク６内の加圧空気を燃料電池本体１の空気極側に供給する。 The air in the air tank 6 is also introduced to the air electrode side of the fuel cell main body 1 through the pressure reducing valve 8. The gas pressure in the air tank 6 and the gas pressure on the air electrode side of the fuel cell main body 1 are monitored by the pressure sensors 14 and 15, respectively, and are sequentially reported to the ECU 20. When starting the fuel cell, the ECU 20 opens the pressure reducing valve 8 and supplies the pressurized air in the air tank 6 to the air electrode side of the fuel cell main body 1 at a predetermined supply pressure.

そして、エアタンク６のガス圧力が燃料電池本体１の空気極側のガス圧力以下になると、ＥＣＵ２０は、減圧弁８を閉弁し、エアタンク６からの加圧空気の燃料電池本体１への供給を停止する。その後は、コンプレッサ２から空気供給通路Ｌ０、Ｌ２および減圧弁７を通じて燃料電池本体１に空気が供給されることになる。ＥＣＵ２０は、不図示のセンサにより、燃料電池の出力電圧（または、出力電流、電力等）を監視している。燃料電池の出力が安定すると、ＥＣＵ２０は遮断弁１８を開弁する。その結果、空気供給通路Ｌ０、Ｌ１を通じてエアタンク６には、加圧空気が蓄えられてゆき、次回の始動時に使用されことになる。 When the gas pressure in the air tank 6 becomes equal to or lower than the gas pressure on the air electrode side of the fuel cell main body 1, the ECU 20 closes the pressure reducing valve 8 and supplies the pressurized air from the air tank 6 to the fuel cell main body 1. Stop. Thereafter, air is supplied from the compressor 2 to the fuel cell body 1 through the air supply passages L0 and L2 and the pressure reducing valve 7. The ECU 20 monitors the output voltage (or output current, power, etc.) of the fuel cell with a sensor (not shown). When the output of the fuel cell is stabilized, the ECU 20 opens the shut-off valve 18. As a result, the pressurized air is stored in the air tank 6 through the air supply passages L0 and L1, and is used at the next start.

以上述べた減圧弁７、８については、下流側に伝達される圧力を制御できる機能のもの
であれば、その構成に制限はない。電磁力によりその開口部の開度または開閉の時間間隔を制御されるものでもよい。また、ダイヤフラムによりその開口部の開度を制御されるものでもよい。 The pressure reducing valves 7 and 8 described above are not limited in their configuration as long as they have a function capable of controlling the pressure transmitted to the downstream side. The opening degree of the opening or the time interval of opening and closing may be controlled by electromagnetic force. Moreover, the opening degree of the opening may be controlled by a diaphragm.

背圧弁９は、燃料電池本体１の空気極側の圧力が所定値になるように、ＥＣＵ２０によりその開度または開閉の時間間隔を制御される。ただし、その構成に関しては、制限はなく、電磁力によりその開口部の開度または開閉の時間間隔を制御されるものでもよい。また、ダイヤフラムによりその開口部の開度を制御されるものでもよい。 The back pressure valve 9 is controlled by the ECU 20 in terms of its opening or opening / closing time interval so that the pressure on the air electrode side of the fuel cell main body 1 becomes a predetermined value. However, there is no restriction | limiting regarding the structure, The opening degree of the opening part or the time interval of opening and closing may be controlled by electromagnetic force. Moreover, the opening degree of the opening may be controlled by a diaphragm.

遮断弁１８は、ＥＣＵ２０の制御により、コンプレッサ２からエアタンク６に通じる空気供給通路Ｌ１を開閉する。本実施形態において、遮断弁１８は、例えば、電磁力により開閉できる開口部を有する構造のものであれば、その構成に限定はない。 The shut-off valve 18 opens and closes the air supply passage L 1 leading from the compressor 2 to the air tank 6 under the control of the ECU 20. In the present embodiment, the configuration of the shut-off valve 18 is not limited as long as it has a structure having an opening that can be opened and closed by electromagnetic force.

逆止弁１９は、コンプレッサ２からエアタンク６に向かうガスの流れ（以下、順方向と呼ぶ）を通過させるが、逆方向のガスの流れを阻止する。本実施形態において、逆止弁１９そのものの構成に限定はない。 The check valve 19 allows a gas flow (hereinafter referred to as a forward direction) from the compressor 2 to the air tank 6 to pass therethrough but prevents a reverse gas flow. In the present embodiment, the configuration of the check valve 19 itself is not limited.

ＥＣＵ２０は、コンプレッサ２、遮断弁１８、減圧弁７、８、背圧弁９、スイッチＳＷ１および回生制動装置３等、本燃料電池システムの各構成要素を制御し、燃料電池の始動、発電の制御、および燃料電池の停止等の処理を実行する。ＥＣＵ２０は、ＣＰＵ、メモリ、入出力インターフェース等を含む。ＥＣＵ２０は、不図示の入出力インターフェースを介してコンプレッサ２、遮断弁１８、減圧弁７、８、背圧弁９、スイッチＳＷ１および回生制動装置３等の制御回路に接続されている。 The ECU 20 controls each component of the fuel cell system, such as the compressor 2, the shutoff valve 18, the pressure reducing valves 7, 8, the back pressure valve 9, the switch SW1, the regenerative braking device 3, and the like. Further, processing such as stopping the fuel cell is executed. The ECU 20 includes a CPU, a memory, an input / output interface, and the like. The ECU 20 is connected to control circuits such as the compressor 2, the shutoff valve 18, the pressure reducing valves 7, 8, the back pressure valve 9, the switch SW1, and the regenerative braking device 3 through an input / output interface (not shown).

負荷５は、例えば、車両を駆動するモータであり、燃料電池本体１から供給される電力を機械的な動力に変換する。負荷５によって駆動される車両には、回生制動装置３が備えられ、進行速度を制御する。回生制動装置３は、例えば、回生ブレーキである。車両に制動を加えると、回生制動装置３は発電機として機能し電力を発生する。また、回生制動装置３は、車両が十分に加速後、慣性にて走行中または下り坂にて惰行中に発電機として機能するものでもよい。回生制動装置３の原理は、電動機の回転軸に外部から回転力を加えることで発電機として機能する現象として知られている。いずれにしても、回生制動装置３は、負荷５に供給された電力から余剰のエネルギを抽出し、回生電力として出力する。 The load 5 is, for example, a motor that drives the vehicle, and converts electric power supplied from the fuel cell main body 1 into mechanical power. The vehicle driven by the load 5 is provided with a regenerative braking device 3 and controls the traveling speed. The regenerative braking device 3 is, for example, a regenerative brake. When braking is applied to the vehicle, the regenerative braking device 3 functions as a generator and generates electric power. In addition, the regenerative braking device 3 may function as a generator while the vehicle is sufficiently accelerated and traveling in inertia or coasting on a downhill. The principle of the regenerative braking device 3 is known as a phenomenon that functions as a generator by applying a rotational force from the outside to the rotating shaft of the electric motor. In any case, the regenerative braking device 3 extracts surplus energy from the power supplied to the load 5 and outputs it as regenerative power.

バッテリ４は負荷変動の吸収に使用される。すなわち、回生制動装置３に発生する電力は通常はバッテリ４を充電する。そして、負荷５の要求電力が燃料電池本体１の発電量を上回った場合、バッテリ４に蓄積された電力が負荷５に供給される。また、その場合、バッテリ４に蓄積された電力は、コンプレッサ２の駆動にも使用される。なお、バッテリ４の充電量（例えば、出力電圧）は、電圧センサ１７により監視され逐次ＥＣＵ２０に報告される。 The battery 4 is used for absorbing load fluctuations. That is, the electric power generated in the regenerative braking device 3 normally charges the battery 4. When the required power of the load 5 exceeds the power generation amount of the fuel cell main body 1, the power stored in the battery 4 is supplied to the load 5. In that case, the electric power stored in the battery 4 is also used to drive the compressor 2. In addition, the charge amount (for example, output voltage) of the battery 4 is monitored by the voltage sensor 17 and is sequentially reported to the ECU 20.

本実施形態の燃料電池システムでは、バッテリ４が完全に充電され、さらに、燃料電池本体１の発電量が負荷５の必要電力および空気極側の要求空気量に対応するコンプレッサ２の必要電力を充足する場合には、回生制動装置３で発電される回生電力がコンプレッサ２の駆動に重畳して投入される。この回生電力の追加により、コンプレッサ２から出力される加圧空気は増加され、その加圧空気の一部がエアタンク６に蓄えられる。 In the fuel cell system of this embodiment, the battery 4 is fully charged, and the power generation amount of the fuel cell body 1 satisfies the required power of the compressor 2 corresponding to the required power of the load 5 and the required air amount on the air electrode side. In this case, the regenerative electric power generated by the regenerative braking device 3 is superposed on the drive of the compressor 2. By adding this regenerative electric power, the pressurized air output from the compressor 2 is increased, and a part of the pressurized air is stored in the air tank 6.

以下、図１にしたがって、燃料電池システムの運転時の処理を説明する。通常の運転時、ＥＣＵ２０は、電圧センサ１７によりバッテリ４の出力電圧を監視し、充電が十分でない場合、バッテリ４を充電する。その場合、ＥＣＵ２０は、スイッチＳＷ１を開放する。これにより、回生制動装置３からの回生電力は、コンプレッサ２に消費されることなく、
バッテリ４の充電に使用される。このとき、コンプレッサ２は、燃料電池本体１にて発電される電力により駆動されることになる。 Hereinafter, the process during operation of the fuel cell system will be described with reference to FIG. During normal operation, the ECU 20 monitors the output voltage of the battery 4 with the voltage sensor 17 and charges the battery 4 when charging is not sufficient. In that case, the ECU 20 opens the switch SW1. Thereby, the regenerative electric power from the regenerative braking device 3 is not consumed by the compressor 2,
Used for charging the battery 4. At this time, the compressor 2 is driven by electric power generated by the fuel cell main body 1.

なお、上記回生電力の他、負荷５の要求電力以上の発電量がある場合に、燃料電池本体１によりバッテリ４を充電してもよい。そのため、ＥＣＵ２０が負荷５の要求発電量（例えば、車両のアクセル操作量等ユーザからの指示による）と、燃料電池本体１から出力される電力（電流と電圧）とを比較し、要求電力以上の発電量がある場合に、不図示のスイッチにより燃料電池本体１の出力電力をバッテリ４に投入するようにすればよい。 In addition to the above regenerative power, the battery 4 may be charged by the fuel cell main body 1 when there is a power generation amount equal to or greater than the required power of the load 5. Therefore, the ECU 20 compares the required power generation amount of the load 5 (for example, according to an instruction from the user such as the accelerator operation amount of the vehicle) with the power (current and voltage) output from the fuel cell main body 1 and exceeds the required power. When there is a power generation amount, the output power of the fuel cell main body 1 may be input to the battery 4 by a switch (not shown).

また、ＥＣＵ２０は、バッテリ４の充電中、コンプレッサ２からエアタンク６に通じる遮断弁１８、およびエアタンク６から燃料電池本体１に通じる減圧弁８を閉弁状態にする。したがって、この間、コンプレッサ２からの加圧空気は、減圧弁７を通じて燃料電池本体１に供給される。このようにして、通常運転中、バッテリ４が充電されるまでの間、コンプレッサ２は、燃料電池本体１の電力により駆動され、回生制動装置３の電力はバッテリ４を充電する。また、コンプレッサ２から吐出された加圧空気は、減圧弁７を通じて燃料電池本体１に供給される。 Further, the ECU 20 closes the shutoff valve 18 that communicates from the compressor 2 to the air tank 6 and the pressure reducing valve 8 that communicates from the air tank 6 to the fuel cell body 1 while the battery 4 is being charged. Accordingly, during this time, the pressurized air from the compressor 2 is supplied to the fuel cell body 1 through the pressure reducing valve 7. In this way, during the normal operation until the battery 4 is charged, the compressor 2 is driven by the electric power of the fuel cell main body 1, and the electric power of the regenerative braking device 3 charges the battery 4. Further, the pressurized air discharged from the compressor 2 is supplied to the fuel cell main body 1 through the pressure reducing valve 7.

バッテリ４が完全に充電されると、ＥＣＵ２０は、スイッチＳＷ１を閉じる。これにより、燃料電池本体１からの電力に加えて、回生制動装置３からの電力がコンプレッサ２の駆動に使用される。その結果、コンプレッサ２の出力が増加する。さらに、ＥＣＵ２０は、エアタンク６に通じる遮断弁１８を開弁状態にする。また、ＥＣＵ２０は、エアタンク６から燃料電池本体１に通じる空気供給通路上の減圧弁８を閉弁状態で維持する。これにより、コンプレッサ２からの加圧空気の一部は、遮断弁１８を通じてエアタンク６に供給される（この処理を実行するＥＣＵ２０が加圧空気供給制御手段に相当する）。また、一部の加圧空気は、減圧弁７にて圧力が調整され燃料電池本体１に供給される。 When the battery 4 is fully charged, the ECU 20 closes the switch SW1. Thereby, in addition to the electric power from the fuel cell main body 1, the electric power from the regenerative braking device 3 is used for driving the compressor 2. As a result, the output of the compressor 2 increases. Further, the ECU 20 opens the shut-off valve 18 communicating with the air tank 6. Further, the ECU 20 maintains the pressure reducing valve 8 on the air supply passage leading from the air tank 6 to the fuel cell main body 1 in a closed state. Thereby, a part of the pressurized air from the compressor 2 is supplied to the air tank 6 through the shut-off valve 18 (the ECU 20 that executes this process corresponds to the pressurized air supply control means). Further, a part of the pressurized air is supplied to the fuel cell main body 1 after the pressure is adjusted by the pressure reducing valve 7.

したがって、回生制動装置３にて回生電力が発生した場合には、コンプレッサ２は、通常運転時の要求空気量以上の加圧空気を出力することになる。この要求空気量以上の加圧空気は、遮断弁１８および逆止弁１９を通じてエアタンク６に送り込まれる。 Therefore, when regenerative electric power is generated in the regenerative braking device 3, the compressor 2 outputs pressurized air that exceeds the required air amount during normal operation. The pressurized air exceeding the required air amount is sent into the air tank 6 through the shutoff valve 18 and the check valve 19.

なお、エアタンク６内の空気の圧力がコンプレッサ２からの加圧空気の圧力以上になると、コンプレッサ２は、加圧空気をエアタンク６に送り込むことができなくなる。その場合には、回生制動装置３からの電力によるコンプレッサ２の加圧空気は減圧弁７を通じて燃料電池本体１に送り込まれ、燃料電池本体１の空気極側のガス圧力は、背圧弁９により制御されることになる。 When the pressure of the air in the air tank 6 becomes equal to or higher than the pressure of the pressurized air from the compressor 2, the compressor 2 cannot send the pressurized air to the air tank 6. In that case, the pressurized air of the compressor 2 by the electric power from the regenerative braking device 3 is sent to the fuel cell main body 1 through the pressure reducing valve 7, and the gas pressure on the air electrode side of the fuel cell main body 1 is controlled by the back pressure valve 9. Will be.

以上のようにして蓄積されたエアタンク６内の加圧空気は、次回の燃料電池始動時に使用されることになる。また、バッテリ４に蓄積された電力は、負荷５における要求発電量が燃料電池本体１の発電量を上回ったときに負荷５にて消費される。 The compressed air in the air tank 6 accumulated as described above is used at the next fuel cell start. The electric power stored in the battery 4 is consumed by the load 5 when the required power generation amount at the load 5 exceeds the power generation amount of the fuel cell main body 1.

図２は、燃料電池の始動時に、図１に示したＥＣＵ２０で実行される空気極側への空気供給制御処理を示すフローチャートである（この処理を実行するＥＣＵ２０が燃料電池ガス供給制御手段に相当する）。この処理は、燃料電池（ＦＣとも呼ぶ）の始動時、燃料電池システムの他の構成要素の制御、例えば、水素極側の制御処理とともに並行して実行される。 2 is a flowchart showing an air supply control process to the air electrode side executed by the ECU 20 shown in FIG. 1 when the fuel cell is started (the ECU 20 executing this process corresponds to a fuel cell gas supply control means). To do). This process is executed in parallel with the control of other components of the fuel cell system, for example, the control process on the hydrogen electrode side, when the fuel cell (also referred to as FC) is started.

この処理では、ＥＣＵ２０は、まず、エアタンク６内に蓄積された空気の圧力（以下、この圧力を残圧という）が燃料電池本体１の空気極側の残留ガス圧力（以下、これを背圧と呼ぶ）以上か否かを判定する（Ｓ１）。 In this processing, the ECU 20 first determines that the pressure of the air accumulated in the air tank 6 (hereinafter referred to as residual pressure) is the residual gas pressure on the air electrode side of the fuel cell body 1 (hereinafter referred to as back pressure). (S1).

そして、エアタンク６の残圧が燃料電池本体１の背圧以上の場合に、ＥＣＵ２０は、エアタンク６より空気を燃料電池本体１に供給する（Ｓ２）。その後、ＥＣＵ２０は、制御をＳ１に戻す。 Then, when the residual pressure in the air tank 6 is equal to or higher than the back pressure of the fuel cell main body 1, the ECU 20 supplies air from the air tank 6 to the fuel cell main body 1 (S2). Thereafter, the ECU 20 returns the control to S1.

一方、エアタンク６の残圧が燃料電池本体１の背圧未満の場合に、ＥＣＵ２０は、バッテリ４の電力によりコンプレッサを運転する（Ｓ３）。 On the other hand, when the residual pressure of the air tank 6 is less than the back pressure of the fuel cell main body 1, the ECU 20 operates the compressor with the electric power of the battery 4 (S3).

このようにして、燃料電池の始動時には、エアタンク６の残圧が燃料電池本体１の残圧程度になるまで、エアタンク６内の加圧空気が減圧弁８を通じて燃料電池本体１の空気極側に供給されることになる。このような構成および制御により、本燃料電池システムの始動時には、ＥＣＵ２０はエアタンク６の加圧空気を燃料電池本体１に供給することで始動時の酸化剤ガスである空気を十分に供給することができる。したがって、低温下、特に氷点下で燃料電池が長時間停止し、バッテリ４および燃料電池本体１からの供給電力が十分でない場合でも、バッテリ４の電力に頼ることなく、空気を安定して空気極側に供給できる。 In this way, when the fuel cell is started, the pressurized air in the air tank 6 passes through the pressure reducing valve 8 to the air electrode side of the fuel cell main body 1 until the residual pressure in the air tank 6 becomes about the residual pressure in the fuel cell main body 1. Will be supplied. With such a configuration and control, at the start of the fuel cell system, the ECU 20 can sufficiently supply air, which is the oxidant gas at the start, by supplying the pressurized air from the air tank 6 to the fuel cell main body 1. it can. Accordingly, even when the fuel cell is stopped for a long time at a low temperature, particularly below freezing point, and the power supplied from the battery 4 and the fuel cell main body 1 is not sufficient, the air can be stably stabilized without depending on the power of the battery 4. Can supply.

また、本実施形態の燃料電池によれば、回生制動装置３に発生した回生電力によりバッテリ４の充電が完了した後は、回生電力がコンプレッサ２の駆動に使用され、加圧空気がエアタンク６に蓄積される。したがって、バッテリ４に加えてエアタンク６によっても余剰電力を蓄積でき、エネルギ効率をさらに向上できる。 Further, according to the fuel cell of this embodiment, after the charging of the battery 4 is completed by the regenerative power generated in the regenerative braking device 3, the regenerative power is used for driving the compressor 2, and the pressurized air is supplied to the air tank 6. Accumulated. Therefore, surplus electric power can be accumulated by the air tank 6 in addition to the battery 4, and the energy efficiency can be further improved.

上記実施形態では、エアタンク６の入口側に逆止弁１９を設けてエアタンク６からの加圧空気の逆流を防止した。しかし、本発明の実施において逆止弁１９は必ずしも必要ではない。すなわち、回生制動装置３からの回生電力によりコンプレッサ２を駆動し、減圧弁７の上流側の空気供給通路Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２に加圧空気を滞留させるとその加圧空気の圧力と釣り合うだけの加圧空気がエアタンク６に導入されることになる。 In the above embodiment, the check valve 19 is provided on the inlet side of the air tank 6 to prevent the backflow of pressurized air from the air tank 6. However, the check valve 19 is not always necessary in the practice of the present invention. That is, when the compressor 2 is driven by the regenerative electric power from the regenerative braking device 3 and the pressurized air is retained in the air supply passages L0, L1, and L2 on the upstream side of the pressure reducing valve 7, only the pressure of the pressurized air is balanced. Pressurized air is introduced into the air tank 6.

したがって、コンプレッサ２に電力が供給され、コンプレッサ２からの加圧空気の圧力がエアタンク６内の空気圧力を上回る限り、加圧空気の一部はエアタンク６に流れる。そのような構成では、ＥＣＵ２０は、回生電力が低下し、コンプレッサ２の出力が低下して、空気供給通路Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２内の圧力が低下した場合に、遮断弁１８を閉弁すればよい。 Therefore, as long as electric power is supplied to the compressor 2 and the pressure of the pressurized air from the compressor 2 exceeds the air pressure in the air tank 6, a part of the pressurized air flows into the air tank 6. In such a configuration, the ECU 20 only needs to close the shutoff valve 18 when the regenerative electric power decreases, the output of the compressor 2 decreases, and the pressure in the air supply passages L0, L1, and L2 decreases. .

したがって、ＥＣＵ２０が回生制動装置３に発生する回生電力、コンプレッサ２の出力、または空気供給通路Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２内の圧力を検知できるセンサがあり、かつ、エアタンク６内の空気圧力を検知できる圧力センサ１４が設けられていれば、逆止弁１９がなくても、ＥＣＵ２０の制御によりエアタンク６に加圧空気を貯蔵できる。なお、逆止弁１９がない構成で、空気供給通路Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２内の圧力が低下したか否かは、エアタンク６内の圧力を監視し、その圧力が低下したか否かによって推定してもよい。 Therefore, the ECU 20 has a sensor that can detect the regenerative power generated in the regenerative braking device 3, the output of the compressor 2, or the pressure in the air supply passages L0, L1, and L2, and the pressure that can detect the air pressure in the air tank 6. If the sensor 14 is provided, the pressurized air can be stored in the air tank 6 under the control of the ECU 20 without the check valve 19. In the configuration without the check valve 19, whether or not the pressure in the air supply passages L0, L1, and L2 has decreased is estimated by monitoring the pressure in the air tank 6 and whether or not the pressure has decreased. May be.

上記実施形態では、燃料電池の始動時に、図２に示した始動制御（空気極側への空気供給制御処理）が実行されるものとして説明した。しかし、本発明の実施はこのような手順には限定されない。例えば、本実施形態で説明した始動制御は、バッテリの出力が低下してしまうと想定される低温時にのみ行うようにしてもよい。例えば、燃料電池システムの外部筐体、または燃料電池を搭載する装置（車両）等の外部筐体に設置した温度センサにより気温を検知し、所定の気温以下の場合に本実施形態で説明した始動制御を実行するようにすればよい。 In the embodiment described above, the start control (air supply control processing to the air electrode side) shown in FIG. 2 is executed when the fuel cell is started. However, the implementation of the present invention is not limited to such a procedure. For example, the start control described in the present embodiment may be performed only at a low temperature at which the output of the battery is assumed to decrease. For example, when the temperature is detected by a temperature sensor installed in an external housing of the fuel cell system or an external housing such as a device (vehicle) on which the fuel cell is mounted, the start described in the present embodiment when the temperature is below a predetermined temperature What is necessary is just to perform control.

《第２実施形態》
以下、図３の図面を参照して本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムを説明する
。図３は、第２実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。上記第１実施形態では、通常の運転時に、燃料電池本体１にて発生する電力またはバッテリ４に蓄積された電力の他、回生制動装置３にて発生する電力によってコンプレッサ２を駆動した。そして、コンプレッサ２から出力される加圧空気のうち、燃料電池本体１で要求される空気量以上の空気をエアタンク６に蓄積しておき、始動時に、エアタンク６の加圧空気を燃料電池本体１に供給する燃料電池システムについて説明した。 << Second Embodiment >>
Hereinafter, a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a configuration diagram of a fuel cell system according to the second embodiment. In the first embodiment, the compressor 2 is driven by electric power generated by the regenerative braking device 3 in addition to electric power generated in the fuel cell main body 1 or electric power accumulated in the battery 4 during normal operation. Of the pressurized air output from the compressor 2, air that is equal to or greater than the amount of air required by the fuel cell main body 1 is accumulated in the air tank 6. The fuel cell system to be supplied to has been described.

本実施形態では、回生制動装置３で発生する電力を用いる代わりに水素タンク１０内の加圧水素によって膨張タービン１１を回転させ、膨張タービン１１に連動する発電機１３によりコンプレッサ２を駆動する燃料電池システムの例を説明する。本実施形態の燃料電池システムの他の構成および作用は、第１実施形態の場合と同様である。そこで、同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。 In the present embodiment, a fuel cell system in which the expansion turbine 11 is rotated by pressurized hydrogen in the hydrogen tank 10 instead of using the electric power generated by the regenerative braking device 3, and the compressor 2 is driven by the generator 13 linked to the expansion turbine 11. An example will be described. Other configurations and operations of the fuel cell system of the present embodiment are the same as those of the first embodiment. Therefore, the same components are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted.

図３に示すように、本燃料電池システムでは、水素極側には、水素タンク１０（燃料ガスタンクに相当）からの加圧水素が水素供給通路Ｌ３（燃料ガス供給通路に相当）を通って燃料電池本体１の水素極側に供給される。この水素供給通路Ｌ３には、膨張タービン１１および減圧弁１２が設けられている。また、膨張タービン１１の回転軸には所定のカップリング手段（ギヤ、またはベルト等）を介して発電機１３の回転軸が連結されている。発電機１３の出力端子はバッテリ４の端子に接続されるとともに、スイッチＳＷ２を介してコンプレッサ２の不図示の電源入力端子に接続されている。 As shown in FIG. 3, in this fuel cell system, pressurized hydrogen from a hydrogen tank 10 (corresponding to a fuel gas tank) passes through a hydrogen supply passage L3 (corresponding to a fuel gas supply passage) on the hydrogen electrode side. It is supplied to the hydrogen electrode side of the main body 1. The hydrogen supply passage L3 is provided with an expansion turbine 11 and a pressure reducing valve 12. The rotation shaft of the generator 13 is connected to the rotation shaft of the expansion turbine 11 via predetermined coupling means (gear, belt, or the like). The output terminal of the generator 13 is connected to the terminal of the battery 4 and is connected to a power input terminal (not shown) of the compressor 2 via the switch SW2.

減圧弁１２の構成は、第１実施形態の減圧弁７および８と同様である。また、膨張タービン１１は、加圧したガス（水素）を減圧して回転軸の回りに設けた羽根に受けて、ガスが膨張する際のエネルギによって回転軸を回転させる構造のものであれば、その構成には限定されない。また、発電機１３については、膨張タービン１１の回転軸とカップリング手段を通じて接続される回転体（ロータ）を有し、回転体の回転により電力を発生するものであれば、その構成に限定はない。 The configuration of the pressure reducing valve 12 is the same as the pressure reducing valves 7 and 8 of the first embodiment. Further, the expansion turbine 11 has a structure in which the pressurized gas (hydrogen) is decompressed and received by blades provided around the rotation shaft, and the rotation shaft is rotated by energy when the gas expands. The configuration is not limited. The generator 13 has a rotating body (rotor) connected to the rotating shaft of the expansion turbine 11 through coupling means, and the generator 13 is limited in its configuration as long as it generates electric power by rotating the rotating body. Absent.

以下、図３の構成にしたがって、本燃料電池の制御処理を説明する。なお、本実施形態においても、負荷５は車両を駆動するモータであると想定する。 Hereinafter, the control process of the fuel cell will be described according to the configuration of FIG. In this embodiment, it is assumed that the load 5 is a motor that drives the vehicle.

（１）通常走行時、ＥＣＵ２０の制御により、水素タンク１０に蓄えた高圧水素が膨張タービン１１に導入される。その高圧水素を減圧する際のエネルギが膨張タービン１１により取り出され、膨張タービン１１の回転力で発電機１３にて電力が発生する。このとき膨張タービン１１を出た水素は減圧弁１２により適正な圧力に減圧された後、燃料電池本体１に供給される。 (1) During normal travel, high-pressure hydrogen stored in the hydrogen tank 10 is introduced into the expansion turbine 11 under the control of the ECU 20. The energy for decompressing the high-pressure hydrogen is taken out by the expansion turbine 11, and electric power is generated in the generator 13 by the rotational force of the expansion turbine 11. At this time, the hydrogen exiting the expansion turbine 11 is reduced to an appropriate pressure by the pressure reducing valve 12 and then supplied to the fuel cell main body 1.

（２）ＥＣＵ２０は、電圧センサ１７によりバッテリ４の出力電圧を監視している。バッテリ４の充電が十分でない場合、ＥＣＵ２０は、スイッチＳＷ２を開放する。その結果、発電機１３により発電された電力を用いてバッテリ４が充電される。このとき、ＥＣＵ２０は、エアタンク６に通じる遮断弁１８および減圧弁８を閉弁状態に制御する。その結果、コンプレッサ２から吐出された空気は減圧弁７を通じて燃料電池本体１に供給される。このとき、コンプレッサ２の電力は燃料電池本体１から供給される。 (2) The ECU 20 monitors the output voltage of the battery 4 by the voltage sensor 17. When the battery 4 is not sufficiently charged, the ECU 20 opens the switch SW2. As a result, the battery 4 is charged using the electric power generated by the generator 13. At this time, the ECU 20 controls the shutoff valve 18 and the pressure reducing valve 8 communicating with the air tank 6 to be closed. As a result, the air discharged from the compressor 2 is supplied to the fuel cell body 1 through the pressure reducing valve 7. At this time, the electric power of the compressor 2 is supplied from the fuel cell main body 1.

（３）発電機１３により発電された電力により、バッテリ４が完全に充電されると、ＥＣＵ２０は、スイッチＳＷ２を閉じ、発電機１３からコンプレッサ２に電力を供給する。その結果、燃料電池本体１からの電力に加えて、発電機１３の電力がコンプレッサ２に追加して投入され、コンプレッサ２の出力が増加する。さらに、ＥＣＵ２０は、遮断弁１８を開弁し、コンプレッサ２からの加圧空気をエアタンク６に貯蔵する。このとき、ＥＣＵ２０は、燃料電池本体１には減圧弁７にて圧力を調整して空気を供給する。 (3) When the battery 4 is completely charged by the power generated by the generator 13, the ECU 20 closes the switch SW2 and supplies power from the generator 13 to the compressor 2. As a result, in addition to the power from the fuel cell main body 1, the power of the generator 13 is additionally supplied to the compressor 2, and the output of the compressor 2 increases. Further, the ECU 20 opens the shut-off valve 18 and stores the pressurized air from the compressor 2 in the air tank 6. At this time, the ECU 20 supplies air to the fuel cell body 1 by adjusting the pressure by the pressure reducing valve 7.

エアタンク６に貯蔵された圧縮空気は、燃料電池を始動する際に減圧弁８を通して燃料電池に供給される。この手順は第１実施形態の場合と同様である。これにより高圧水素供給時のエネルギを圧縮空気という形で貯蔵し、始動時にコンプレッサ２にて電力を消費することなく始動できるので、エネルギ効率を高めることができる。また、氷点下においてはバッテリ４および燃料電池本体１の出力が低下するため、始動時になるべく電力を消費しないことが望まれる。本発明により始動時に必要な電力を削減できるため、低温始動性が向上する。 The compressed air stored in the air tank 6 is supplied to the fuel cell through the pressure reducing valve 8 when starting the fuel cell. This procedure is the same as in the first embodiment. As a result, energy at the time of high-pressure hydrogen supply is stored in the form of compressed air, and the compressor 2 can be started without consuming electric power at the time of starting, so that energy efficiency can be improved. Further, since the outputs of the battery 4 and the fuel cell main body 1 are reduced below freezing point, it is desirable that power is not consumed as much as possible at the time of starting. According to the present invention, electric power required at the time of starting can be reduced, so that the low temperature starting performance is improved.

《第３実施形態》
以下、図４の図面を参照して本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを説明する。図４は、第３実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。上記第１実施形態では、通常の運転時に、燃料電池本体１にて発生する電力またはバッテリ４に蓄積された電力の他、回生制動装置３にて発生する電力によってコンプレッサ２の出力を増加し、その加圧空気の一部をエアタンク６に蓄積しておき、始動時に、エアタンク６内の加圧空気を燃料電池本体１に供給する燃料電池システムについて説明した。また、第２実施形態では、高圧水素のエネルギにより膨張タービン１１および発電機１３を駆動した。そして、発電機１３から出力される電力によりコンプレッサ２の出力を増加し、その加圧空気をエアタンク６に蓄積しておき、始動時に、エアタンク６内の加圧空気を燃料電池本体１に供給する燃料電池システムについて説明した。 << Third Embodiment >>
Hereinafter, the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a configuration diagram of a fuel cell system according to the third embodiment. In the first embodiment, during normal operation, the output of the compressor 2 is increased by the electric power generated by the regenerative braking device 3 in addition to the electric power generated by the fuel cell main body 1 or the electric power accumulated in the battery 4, The fuel cell system has been described in which a part of the pressurized air is accumulated in the air tank 6 and the pressurized air in the air tank 6 is supplied to the fuel cell main body 1 at the start. In the second embodiment, the expansion turbine 11 and the generator 13 are driven by the energy of high-pressure hydrogen. Then, the output of the compressor 2 is increased by the electric power output from the generator 13, the pressurized air is accumulated in the air tank 6, and the pressurized air in the air tank 6 is supplied to the fuel cell main body 1 at the start. The fuel cell system has been described.

本実施形態では、発電機１３を使用せず、上記膨張タービン１１に発生する回転エネルギを直接コンプレッサ２に伝達する燃料電池システムについて説明する。他の構成および作用は第１実施形態の場合と同様である。そこで、第１実施形態または第２実施形態の場合と同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。 In this embodiment, a fuel cell system that directly transmits rotational energy generated in the expansion turbine 11 to the compressor 2 without using the generator 13 will be described. Other configurations and operations are the same as those in the first embodiment. Therefore, the same components as those in the first embodiment or the second embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.

図４に示すように、本燃料電池システムでは、水素極側には、水素タンク１０からの加圧水素が水素供給通路Ｌ３、膨張タービン１１、水素供給通路Ｌ４および減圧弁１２を通って燃料電池本体１の水素極側に供給される。 As shown in FIG. 4, in the present fuel cell system, pressurized hydrogen from the hydrogen tank 10 passes through the hydrogen supply passage L3, the expansion turbine 11, the hydrogen supply passage L4, and the pressure reducing valve 12 on the hydrogen electrode side. 1 is supplied to the hydrogen electrode side.

また、膨張タービン１１の回転軸には所定のカップリング手段（ギヤ、またはベルト等）を介してコンプレッサ２の回転軸が連結される。その結果、膨張タービン１１で発生する回転エネルギが減速されてコンプレッサの回転軸に伝達される。したがって、通常の運転状態では、コンプレッサ２は、燃料電池本体１またはバッテリ４から供給されるエネルギに加えて膨張タービン１１からの回転エネルギが重畳され、出力が増加する。 In addition, the rotation shaft of the compressor 2 is connected to the rotation shaft of the expansion turbine 11 via predetermined coupling means (gear, belt, or the like). As a result, the rotational energy generated in the expansion turbine 11 is decelerated and transmitted to the rotating shaft of the compressor. Therefore, in a normal operation state, the compressor 2 is superposed with the rotational energy from the expansion turbine 11 in addition to the energy supplied from the fuel cell main body 1 or the battery 4, and the output increases.

コンプレッサ２からの加圧空気は、第１実施形態および第２実施形態の場合と同様、減圧弁７の通路とは分岐して遮断弁１８および逆止弁１９を通じてエアタンク６に蓄積される。 Pressurized air from the compressor 2 branches off from the passage of the pressure reducing valve 7 and accumulates in the air tank 6 through the shutoff valve 18 and the check valve 19 as in the first and second embodiments.

以下、図４の構成にしたがって、本燃料電池の制御処理を説明する。 Hereinafter, the control process of the fuel cell will be described according to the configuration of FIG.

（１）通常走行時、水素タンク１０に蓄えた高圧水素を減圧する際のエネルギを膨張タービン１１により取り出し、膨張タービン１１の回転力でコンプレッサ２を回転させる。なお、コンプレッサ２は膨張タービン１１の回転力の他に燃料電池本体１およびバッテリ４の電力によっても駆動される。 (1) During normal travel, the energy for decompressing the high-pressure hydrogen stored in the hydrogen tank 10 is taken out by the expansion turbine 11, and the compressor 2 is rotated by the rotational force of the expansion turbine 11. The compressor 2 is driven not only by the rotational force of the expansion turbine 11 but also by the electric power of the fuel cell main body 1 and the battery 4.

（２）このとき膨張タービン１１を出た水素は減圧弁７により適正な圧力に減圧された後、燃料電池本体１に供給される。また、このときエアタンク６入口側の遮断弁１８および出口側の減圧弁８は閉じた状態にあり、コンルッサ２から吐出された空気はすべて燃料
電池本体１に供給される。 (2) At this time, the hydrogen exiting the expansion turbine 11 is depressurized to an appropriate pressure by the pressure reducing valve 7 and then supplied to the fuel cell main body 1. At this time, the shutoff valve 18 on the inlet side of the air tank 6 and the pressure reducing valve 8 on the outlet side are closed, and all the air discharged from the compressor 2 is supplied to the fuel cell body 1.

（３）ＥＣＵ２０は、負荷５の必要電力からコンプレッサ２の必要出力（空気の吐出量）を算出する。コンプレッサ２の必要出力に相当する動力よりも膨張タービン１１の回転力の方が大きい場合は、ＥＣＵ２０は遮断弁１８を開弁する。その結果、コンプレッサ２の余剰出力による加圧空気はエアタンク６に貯蔵される（図４に示した空気供給通路Ｌ０−Ｌ３が加圧空気分配手段に相当する）。このとき、ＥＣＵ２０は燃料電池本体１には減圧弁７にて圧力を調整して空気を供給する。 (3) The ECU 20 calculates the required output (air discharge amount) of the compressor 2 from the required power of the load 5. When the rotational force of the expansion turbine 11 is greater than the power corresponding to the required output of the compressor 2, the ECU 20 opens the shutoff valve 18. As a result, the compressed air generated by the surplus output of the compressor 2 is stored in the air tank 6 (the air supply passages L0 to L3 shown in FIG. 4 correspond to the pressurized air distributing means). At this time, the ECU 20 supplies air to the fuel cell body 1 by adjusting the pressure by the pressure reducing valve 7.

（４）エアタンク６に貯蔵した圧縮空気は、燃料電池を始動する際に減圧弁８を通して燃料電池に供給される。 (4) The compressed air stored in the air tank 6 is supplied to the fuel cell through the pressure reducing valve 8 when starting the fuel cell.

図５に、エアタンク６に加圧空気を供給する際のＥＣＵ２０の制御処理の詳細を示す。この処理では、ＥＣＵ２０は、まず、車両からの要求電力を検知する（Ｓ１１）。要求電力は、アクセル等車両の操作部の操作量から検知できる。ＥＣＵ２０は、その要求電力から燃料電池本体１で必要な空気量を求め、さらにその空気量を提供するためのコンプレッサ２の要求回転数に換算する。 FIG. 5 shows details of a control process of the ECU 20 when supplying pressurized air to the air tank 6. In this process, the ECU 20 first detects the required power from the vehicle (S11). The required power can be detected from the operation amount of the operation unit of the vehicle such as an accelerator. ECU20 calculates | requires the air quantity required in the fuel cell main body 1 from the request | requirement electric power, and also converts into the request | requirement rotation speed of the compressor 2 for providing the air quantity.

次に、ＥＣＵ２０は、膨張タービン１１により駆動されて回転するコンプレッサ２の回転軸の駆動回転数を不図示の回転速度センサにより検知する（Ｓ１２）。 Next, the ECU 20 detects the rotational speed of the rotating shaft of the compressor 2 that is driven and rotated by the expansion turbine 11 using a rotational speed sensor (not shown) (S12).

次に、ＥＣＵ２０は、上記駆動回転数が要求回転数を超えているか否かを判定する（Ｓ１３）。そして、駆動回転数が要求回転数を超えている場合、ＥＣＵ２０は、エアタンク６に通じる遮断弁１８を開弁する（Ｓ１４）。一方、駆動回転数が要求回転数を超えていない場合、ＥＣＵ２０は、エアタンク６に通じる遮断弁１８を閉弁する（Ｓ１５）。その後、ＥＣＵ２０は、制御をＳ１１に戻す。 Next, the ECU 20 determines whether or not the drive rotational speed exceeds the required rotational speed (S13). If the drive rotational speed exceeds the required rotational speed, the ECU 20 opens the shut-off valve 18 communicating with the air tank 6 (S14). On the other hand, if the drive rotational speed does not exceed the required rotational speed, the ECU 20 closes the shut-off valve 18 communicating with the air tank 6 (S15). Thereafter, the ECU 20 returns the control to S11.

以上述べたように、本実施形態の燃料電池システムによれば、高圧水素供給時のエネルギを圧縮空気という形で貯蔵し、始動時にコンプレッサ２にて電力を消費することなく始動できるので、エネルギ効率を高めることができる。特に、本実施形態の構成では、膨張タービン１１の動力を電力に変換することなく直接コンプレッサ２に伝達できるので、システムの構成を単純化することができる。また、氷点下においてはバッテリ４および燃料電池本体１の出力が低下するため、始動時になるべく電力を消費しないことが望まれる。本発明により始動時に必要な電力を削減できるため、低温始動性が向上する。 As described above, according to the fuel cell system of the present embodiment, the energy at the time of supplying high-pressure hydrogen is stored in the form of compressed air, and the engine 2 can be started without consuming electric power at the time of starting. Can be increased. In particular, in the configuration of the present embodiment, the power of the expansion turbine 11 can be directly transmitted to the compressor 2 without converting it into electric power, so that the configuration of the system can be simplified. Further, since the outputs of the battery 4 and the fuel cell main body 1 are reduced below freezing point, it is desirable that power is not consumed as much as possible at the time of starting. According to the present invention, electric power required at the time of starting can be reduced, so that the low temperature starting performance is improved.

《第４実施形態》
以下、図６の図面を参照して本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムを説明する。図６は、第４実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。図６に示すように、本実施形態では、コンプレッサ２に加えてさらにエアタンク６の充填専用のコンプレッサ２Ａが設けられている。コンプレッサ２Ａは、回生制動装置３の発電する電力で駆動するように構成されている。他の構成および作用は第１実施形態の場合と同様である。そこで、第１実施形態の場合と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。 << 4th Embodiment >>
Hereinafter, a fuel cell system according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a configuration diagram of a fuel cell system according to the fourth embodiment. As shown in FIG. 6, in this embodiment, in addition to the compressor 2, a compressor 2 A dedicated to filling the air tank 6 is further provided. The compressor 2A is configured to be driven by the electric power generated by the regenerative braking device 3. Other configurations and operations are the same as those in the first embodiment. Therefore, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

通常の運転時、ＥＣＵ２０は、電圧センサ１７によりバッテリ４の出力電圧を監視し、充電が十分でない場合、バッテリ４を充電する。その場合、ＥＣＵ２０は、スイッチＳＷ３を開放する。これにより、回生制動装置３からの電力は、コンプレッサ２Ａに消費されることなく、バッテリ４の充電に使用される。一方、コンプレッサ２は、燃料電池本体１にて発電される電力により駆動され、燃料電池本体１に空気を供給する。 During normal operation, the ECU 20 monitors the output voltage of the battery 4 with the voltage sensor 17 and charges the battery 4 when charging is not sufficient. In that case, the ECU 20 opens the switch SW3. Thereby, the electric power from the regenerative braking device 3 is used for charging the battery 4 without being consumed by the compressor 2A. On the other hand, the compressor 2 is driven by electric power generated by the fuel cell main body 1 and supplies air to the fuel cell main body 1.

バッテリ４が完全に充電されると、ＥＣＵ２０は、スイッチＳＷ３を閉じる。これにより、回生制動装置３からの電力がコンプレッサ２の駆動に使用される。さらに、ＥＣＵ２０は、エアタンク６から燃料電池本体１に通じる空気供給通路上の減圧弁８を閉弁状態で維持する。これにより、コンプレッサ２Ａからの加圧空気は、エアタンク６に貯蔵される。 When the battery 4 is fully charged, the ECU 20 closes the switch SW3. Thereby, the electric power from the regenerative braking device 3 is used to drive the compressor 2. Further, the ECU 20 maintains the pressure reducing valve 8 on the air supply passage leading from the air tank 6 to the fuel cell main body 1 in a closed state. Thereby, the pressurized air from the compressor 2 A is stored in the air tank 6.

したがって、回生制動装置３にて電力が発生した場合には、その回生エネルギによりコンプレッサ２Ａが駆動され、加圧空気がエアタンク６に貯蔵される。このようにして蓄積されたエアタンク６内の加圧空気は、次回の燃料電池始動時に使用される。その結果、第１実施形態から第３実施形態で述べたのと同様、燃料電池のエネルギ効率が向上するとともに、低温下での燃料電池の始動性が向上する。 Therefore, when electric power is generated in the regenerative braking device 3, the compressor 2 A is driven by the regenerative energy, and the pressurized air is stored in the air tank 6. The pressurized air in the air tank 6 accumulated in this way is used at the next fuel cell start. As a result, as described in the first to third embodiments, the energy efficiency of the fuel cell is improved and the startability of the fuel cell at a low temperature is improved.

《第５実施形態》
以下、図７の図面を参照して本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを説明する。図７は、第５実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。図７のように、この燃料電池は、第１実施形態の回生制動装置３と、第２実施形態の膨張タービン１１および発電機１３とを組み合わせて含む構成となっている。ＥＣＵ２０による回生制動装置３、スイッチＳＷ１の制御は、第１実施形態の場合と同様である。また、ＥＣＵ２０による発電機１３、スイッチＳＷ２の制御は、第２実施形態の場合と同様である。さらに、遮断弁１８、減圧弁８の制御、および燃料電池始動時の空気極側への空気供給制御処理は第１実施形態および第２実施形態の場合と同様である。 << 5th Embodiment >>
Hereinafter, the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a configuration diagram of a fuel cell system according to the fifth embodiment. As shown in FIG. 7, this fuel cell includes a combination of the regenerative braking device 3 of the first embodiment and the expansion turbine 11 and the generator 13 of the second embodiment. The control of the regenerative braking device 3 and the switch SW1 by the ECU 20 is the same as in the case of the first embodiment. Further, the control of the generator 13 and the switch SW2 by the ECU 20 is the same as in the case of the second embodiment. Further, the control of the shut-off valve 18 and the pressure reducing valve 8 and the air supply control processing to the air electrode at the time of starting the fuel cell are the same as those in the first embodiment and the second embodiment.

このような構成により、余剰の回生エネルギの有効利用と、高圧水素の膨張エネルギの有効利用を組み合わせてさらにエネルギ効率の向上を図るとともに、第１実施形態または第２実施形態と同様、低温下での燃料電池の始動性が向上する。 With such a configuration, the effective use of surplus regenerative energy and the effective use of expansion energy of high-pressure hydrogen are combined to further improve energy efficiency, and at a low temperature as in the first or second embodiment. This improves the startability of the fuel cell.

なお、本実施形態は、第１実施形態に示した回生制動装置３と、第２実施形態に示した膨張タービン１１および発電機１３とを組み合わせて利用する燃料電池システムを示した。しかし、このような構成に代えて、例えば、第３実施形態のように、カップリング手段を介して膨張タービン１１の動力を直接コンプレッサ２に伝達するようにしてもよい。 In addition, this embodiment showed the fuel cell system using combining the regenerative braking device 3 shown in 1st Embodiment, and the expansion turbine 11 and the generator 13 shown in 2nd Embodiment. However, instead of such a configuration, for example, as in the third embodiment, the power of the expansion turbine 11 may be directly transmitted to the compressor 2 via the coupling means.

第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to a first embodiment. FIG. ＥＣＵで実行される燃料電池始動時の制御を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control at the time of the fuel cell starting performed by ECU. 第２実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。It is a block diagram of the fuel cell system which concerns on 2nd Embodiment. 第３実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。It is a block diagram of the fuel cell system which concerns on 3rd Embodiment. エアタンク６に加圧空気を供給する際のＥＣＵ２０の制御処理の詳細を示すフローチャートである。4 is a flowchart showing details of a control process of the ECU 20 when supplying pressurized air to the air tank 6; 第４実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。It is a block diagram of the fuel cell system which concerns on 4th Embodiment. 第５実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。It is a block diagram of the fuel cell system which concerns on 5th Embodiment.

Explanation of symbols

１燃料電池本体
２コンプレッサ
３回生制動装置
４バッテリ
５負荷
６エアタンク
７、８、１２減圧弁
９背圧弁
１０水素タンク
１１膨張タービン
１３発電機
１４、１５圧力センサ
１７電圧センサ
１８遮断弁
１９逆止弁
２０ＥＣＵ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell main body 2 Compressor 3 Regenerative braking device 4 Battery 5 Load 6 Air tank 7, 8, 12 Pressure reducing valve 9 Back pressure valve 10 Hydrogen tank 11 Expansion turbine 13 Generator 14, 15 Pressure sensor 17 Voltage sensor 18 Shut-off valve 19 Check valve 20 ECU

Claims

A fuel cell;
An air supply passage for supplying air to the fuel cell;
A tank provided in the air supply passage;
Pressurized air supply means for supplying pressurized air to the tank;
Pressurized air supply control means for supplying pressurized air to the tank by the pressurized air supply means;
Fuel cell gas supply control means for supplying pressurized air stored in the tank to the fuel cell at the start of the fuel cell;
A fuel cell control device comprising:

The fuel cell control device according to claim 1,
The control apparatus for a fuel cell, wherein the pressurized air supply control means supplies pressurized air to the tank using surplus power of the fuel cell.

The fuel cell control device according to claim 2, further comprising:
A fuel gas tank for storing the fuel gas supplied to the fuel cell;
A fuel gas supply passage for supplying fuel gas from the fuel gas tank to the fuel cell;
An expansion turbine provided on the fuel gas supply passage;
A generator for generating power by rotation of the expansion turbine,
The surplus power includes the power generated by the generator, and the control apparatus for a fuel cell.

The fuel cell control device according to claim 1, further comprising:
A fuel gas tank for storing fuel gas to be supplied to the fuel cell;
A fuel gas supply passage for supplying fuel gas from the fuel gas tank to the fuel cell;
An expansion turbine provided on the fuel gas supply passage;
Pressurized air distribution means for distributing the pressurized air supplied by the pressurized air supply means to the tank and the fuel cell,
The pressurized air supply means is a pump that is mechanically connected to the expansion turbine and is driven. The pressurized air supply control means is configured such that the pressurized air is supplied when the rotation speed of the pump is equal to or higher than a predetermined rotation speed. A fuel cell control device, characterized in that pressurized air is supplied to the tank by a distribution means.

The fuel cell control device according to any one of claims 1 to 4, further comprising:
Means for detecting air pressure stored in the tank;
Means for detecting a residual gas pressure on the air electrode side where air is supplied into the fuel cell,
The fuel cell gas supply control means is a fuel cell control device for supplying the pressurized air to the fuel cell when the air pressure exceeds the residual gas pressure.

6. The fuel cell control device according to claim 5, further comprising:
Air supply means for supplying air to the fuel cell using electric power;
A fuel cell control device comprising air supply control means for supplying air to the fuel cell by the air supply means when the air pressure is lower than the residual gas pressure.