JP2007042375A - Fuel cell system - Google Patents

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Hidetsugu Izuhara
英嗣 伊豆原
Yuichi Sakagami
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system heating air supplied to a fuel cell to warm up the fuel cell in an early stage while suppressing increase of an overvoltage of the fuel cell. <P>SOLUTION: This fuel cell system is provided with: the fuel cell 10 obtaining power by electrochemically reacting hydrogen and oxygen; a gas compressor 21 adiabatically compressing air containing oxygen and supplying it to the fuel cell 10 through an air supply path 20a; and a heater 26 for heating the air on the upstream side of the compressor 21 in the air gas supply path 20a. The heater 26 is supplied with power from the fuel cell 10. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、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。   The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell that generates electric energy by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and is effective when applied to a mobile generator such as a vehicle, a ship, and a portable generator. .

車両用等の駆動源として考えられている高分子電解質型燃料電池では、低温時には発電効率が低いため、低温起動時等に充分な発電能力が得られないという問題がある。このような問題に対し、空気を常圧で燃料電池に供給する燃料電池システムにおいて、供給空気を加熱して燃料電池を暖機して始動時の発電効率を向上させる方法が提案されている(特許文献1参照)。
特開2002−093445号公報
A polymer electrolyte fuel cell that is considered as a driving source for vehicles or the like has a problem that power generation efficiency is low at low temperatures, so that sufficient power generation capacity cannot be obtained at low temperature startup. In order to solve such a problem, in a fuel cell system that supplies air to the fuel cell at normal pressure, a method has been proposed in which the supplied air is heated to warm up the fuel cell to improve the power generation efficiency at the start ( Patent Document 1).
JP 2002-093445 A

しかしながら、特許文献1に記載の構成では、空気を常圧で燃料電池に供給するため、燃料電池の過電圧が大きくなり発電特性が低下するという問題がある。   However, in the configuration described in Patent Document 1, since air is supplied to the fuel cell at normal pressure, there is a problem that the overvoltage of the fuel cell increases and the power generation characteristics deteriorate.

本発明は上記点に鑑み、燃料電池の過電圧が大きくなることを抑制しつつ、燃料電池に供給される空気を加熱して燃料電池を早期に暖機する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。   In view of the above, the present invention provides a fuel cell system that can quickly warm up a fuel cell by heating air supplied to the fuel cell while suppressing an increase in overvoltage of the fuel cell. With the goal.

上記目的を達成するため、本発明の第1の特徴は、水素と空気に含まれる酸素とを電気化学反応させて電力を得る燃料電池(10)と、空気供給経路(20a)を介して燃料電池(10)に空気を断熱圧縮して供給するガス圧縮機(21)と、空気ガス供給経路(20a)におけるガス圧縮機(21)の上流側に設けられ、ガス圧縮機に吸入される空気を加熱するための加熱装置(26)とを備えることである。   In order to achieve the above object, the first feature of the present invention is that a fuel cell (10) that obtains electric power by electrochemically reacting hydrogen and oxygen contained in air and a fuel via an air supply path (20a). A gas compressor (21) that supplies air to the battery (10) after adiabatic compression, and air that is provided upstream of the gas compressor (21) in the air gas supply path (20a) and is sucked into the gas compressor And a heating device (26) for heating.

このように、圧縮機(21)により燃料電池(10)に空気を供給する燃料電池システムにおいて、圧縮機(21)の上流側に加熱装置(26)を設け、圧縮機(21)の吸入空気を加熱することで、燃料電池(10)に供給される空気を効率よく昇温させることができ、燃料電池(10)のカソード側の触媒層を早期に昇温させることができる。そして、燃料電池10に高温の圧縮空気を供給することができ、カソードの過電圧を低下させて燃料電池(10)の発電特性を向上させることができ、燃料電池(10)の自己発熱を促進して燃料電池(10)を早期に昇温させることができる。   Thus, in the fuel cell system that supplies air to the fuel cell (10) by the compressor (21), the heating device (26) is provided on the upstream side of the compressor (21), and the intake air of the compressor (21) is provided. Is heated, the temperature of air supplied to the fuel cell (10) can be raised efficiently, and the temperature of the catalyst layer on the cathode side of the fuel cell (10) can be raised quickly. Then, high-temperature compressed air can be supplied to the fuel cell 10, the cathode overvoltage can be reduced, the power generation characteristics of the fuel cell 10 can be improved, and the self-heating of the fuel cell 10 can be promoted. Thus, the temperature of the fuel cell (10) can be raised quickly.

圧縮機(21)の下流側で圧縮後の空気を加熱する場合には、空気の流速がないため熱交換効率が悪いのに対し、本発明のように圧縮機(21)の上流側に加熱装置(26)を配置することで、空気の流速がある状態で熱交換が行われるので、熱交換効率がよく、空気を加熱しやすい。さらに、加熱装置(26)による加熱と同時に圧縮機(21)の吐出圧を上昇させることで、燃料電池(10)に供給される空気をより高温にすることができる。   When the compressed air is heated on the downstream side of the compressor (21), the heat exchange efficiency is poor because there is no air flow rate, whereas the upstream side of the compressor (21) is heated as in the present invention. By arranging the device (26), heat exchange is performed in a state where there is a flow velocity of air, so that heat exchange efficiency is good and air is easily heated. Furthermore, the air supplied to the fuel cell (10) can be raised to a higher temperature by increasing the discharge pressure of the compressor (21) simultaneously with the heating by the heating device (26).

また、加熱装置(26)は、電気ヒータと熱交換器が一体的に構成されているものを用いることで、加熱装置(26)をコンパクトにできる。   Moreover, a heating apparatus (26) can be made compact by using what an electric heater and a heat exchanger are comprised integrally.

本発明の第2の特徴は、加熱装置(26)は、燃料電池(10)から電力供給されることである。これにより、燃料電池(10)の発電量を増加させることができ、自己発熱量を増加させることができる。さらに、加熱装置(26)で燃料電池(10)に供給される空気を加熱することで、燃料電池(10)で増加させた発電電力を熱として回収することができる。   The second feature of the present invention is that the heating device (26) is supplied with power from the fuel cell (10). Thereby, the electric power generation amount of a fuel cell (10) can be increased, and the self-heating amount can be increased. Furthermore, by heating the air supplied to the fuel cell (10) by the heating device (26), the generated power increased by the fuel cell (10) can be recovered as heat.

本発明の第3の特徴は、燃料電池(10)の温度を検出する第1の温度センサ(17)を備え、第1の温度センサ(17)で検出した燃料電池(10)の温度に基づいて加熱装置(26)による空気の加熱を制御することである。これにより、燃料電池(10)に供給される空気の温度を、燃料電池温度に応じて適切に調整することができる。   A third feature of the present invention includes a first temperature sensor (17) for detecting the temperature of the fuel cell (10), and is based on the temperature of the fuel cell (10) detected by the first temperature sensor (17). And controlling the heating of the air by the heating device (26). Thereby, the temperature of the air supplied to the fuel cell (10) can be appropriately adjusted according to the fuel cell temperature.

本発明の第4の特徴は、外気温を検出する第2の温度センサ(18)を備え、第2の温度センサ(18)で検出した外気温に基づいて加熱装置(26)による空気の加熱を制御することである。これにより、燃料電池(10)に供給される空気の温度を、外気温度に応じて適切に調整することができる。   The fourth feature of the present invention includes a second temperature sensor (18) for detecting the outside air temperature, and heating the air by the heating device (26) based on the outside air temperature detected by the second temperature sensor (18). Is to control. Thereby, the temperature of the air supplied to the fuel cell (10) can be appropriately adjusted according to the outside air temperature.

本発明の第5の特徴は、燃料電池(10)とガス圧縮機(21)と加熱装置(26)は車両に搭載され、燃料電池(10)は車両の走行用駆動源として用いられ、ガス圧縮機(21)から吐出された空気は、車室内に供給可能に構成されていることである。これにより、空調装置による空気加熱温度が低い場合でも、車室内を暖房することが可能となる。   A fifth feature of the present invention is that the fuel cell (10), the gas compressor (21), and the heating device (26) are mounted on a vehicle, the fuel cell (10) is used as a driving source for the vehicle, and the gas The air discharged from the compressor (21) is configured to be supplied into the vehicle compartment. Thereby, even when the air heating temperature by the air conditioner is low, the passenger compartment can be 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3に基づいて説明する。本実施形態は、燃料電池システムを、燃料電池を走行用駆動源として走行する電気自動車(燃料電池車両)に搭載したものである。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In this embodiment, the fuel cell system is mounted on an electric vehicle (fuel cell vehicle) that travels using the fuel cell as a drive source for travel.

図1は、本実施形態の燃料電池システムの全体構成を示している。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(FCスタック)10を備えている。燃料電池10は、車両走行用のモータジェネレータ11、二次電池12、補機15等の電気機器に電力を供給するように構成されている。   FIG. 1 shows the overall configuration of the fuel cell system of the present embodiment. As shown in FIG. 1, the fuel cell system of the present embodiment includes a fuel cell (FC stack) 10 that generates electric power by utilizing an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. The fuel cell 10 is configured to supply electric power to electric devices such as a motor generator 11, a secondary battery 12, and an auxiliary machine 15 for driving the vehicle.

本実施形態では燃料電池10として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となる燃料電池セル100が複数積層されて構成されている。各燃料電池セル100は、プロトン伝導性のイオン交換膜からなる電解質膜とその両側面に配置された電極とから構成されている。電極は触媒層とガス拡散層とから構成されている。一方の電極は、酸化剤ガスとしての空気が供給される空気極(カソード)として構成され、他方の電極は、燃料ガスとしての水素が供給される水素極(アノード)として構成されている。   In the present embodiment, a solid polymer electrolyte fuel cell is used as the fuel cell 10, and a plurality of fuel cells 100 serving as a basic unit are stacked. Each fuel cell 100 is composed of an electrolyte membrane made of a proton conductive ion exchange membrane and electrodes arranged on both side surfaces thereof. The electrode is composed of a catalyst layer and a gas diffusion layer. One electrode is configured as an air electrode (cathode) to which air as an oxidant gas is supplied, and the other electrode is configured as a hydrogen electrode (anode) to which hydrogen as a fuel gas is supplied.

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電気エネルギーが発生する。   In the fuel cell 10, the following electrochemical reaction between hydrogen and oxygen occurs to generate electric energy.

(水素極側) H2→2H++2e-
(酸素極側) 2H++1/2O2+2e-→H2
燃料電池10と二次電池12との間は、双方向に電力を伝達可能なDC−DCコンバータ13を介して電気的に接続されている。このDC−DCコンバータ13は、燃料電池10から二次電池12、あるいは二次電池12から燃料電池10への、電力の流れをコントロールするものである。
(Hydrogen electrode side) H 2 → 2H + + 2e
(Oxygen electrode side) 2H + + 1 / 2O 2 + 2e → H 2 O
The fuel cell 10 and the secondary battery 12 are electrically connected via a DC-DC converter 13 capable of transmitting power in both directions. The DC-DC converter 13 controls the flow of electric power from the fuel cell 10 to the secondary battery 12 or from the secondary battery 12 to the fuel cell 10.

燃料電池10および二次電池12とモータジェネレータ11との間に第1インバータ14が配置されている。この第1インバータ14により、モータジェネレータ11の機能、すなわち、電動機としての機能と発電機としての機能が切り換えられるようになっている。   A first inverter 14 is arranged between the fuel cell 10 and the secondary battery 12 and the motor generator 11. The function of the motor generator 11, that is, the function as an electric motor and the function as a generator are switched by the first inverter 14.

そして、DC−DCコンバータ13と第1インバータ14の作動により、例えば、急加速時などに急激に大きな電力が必要になった場合には、燃料電池10からだけでなく二次電池12からもモータジェネレータ11に電力を供給することができる。また、燃料電池10の発電時に余った電力や、モータジェネレータ11によって回生された電力を、二次電池12に蓄えることができる。   When the DC-DC converter 13 and the first inverter 14 are operated, for example, when a large amount of electric power is suddenly required during sudden acceleration, the motor is driven not only from the fuel cell 10 but also from the secondary battery 12. Electric power can be supplied to the generator 11. Further, the surplus power during the power generation of the fuel cell 10 and the power regenerated by the motor generator 11 can be stored in the secondary battery 12.

燃料電池10および二次電池12と補機15との間に第2インバータ16が配置されている。補機15は、燃料電池10を運転するために必要な電力機器であり、後述の圧縮機21を駆動する電動モータ22やウォータポンプ41を駆動する電動モータ42が含まれる。   A second inverter 16 is arranged between the fuel cell 10 and the secondary battery 12 and the auxiliary machine 15. The auxiliary machine 15 is a power device necessary for operating the fuel cell 10, and includes an electric motor 22 that drives a compressor 21, which will be described later, and an electric motor 42 that drives a water pump 41.

燃料電池システムには、燃料電池10の温度を検出する第1の温度センサ17と、外気温を検出する第2の温度センサ18が設けられている。   The fuel cell system is provided with a first temperature sensor 17 that detects the temperature of the fuel cell 10 and a second temperature sensor 18 that detects the outside air temperature.

燃料電池システムには、燃料電池10の酸素極側に空気(酸化剤ガス)を供給するための空気供給経路20aと、燃料電池10からの空気を排出するための空気排出経路20bと、燃料電池10の水素極側に水素(燃料ガス)を供給するための水素供給経路30aと、燃料電池10からの未反応水素ガス等を排出するための水素排出経路30bとが設けられている。   The fuel cell system includes an air supply path 20a for supplying air (oxidant gas) to the oxygen electrode side of the fuel cell 10, an air discharge path 20b for discharging air from the fuel cell 10, and a fuel cell. A hydrogen supply path 30a for supplying hydrogen (fuel gas) to the hydrogen electrode side of 10 and a hydrogen discharge path 30b for discharging unreacted hydrogen gas and the like from the fuel cell 10 are provided.

空気供給経路20aには、空気圧送用の送風機21が設けられている。この送風機21は電動モータ22によって駆動される。空気排出経路20bには、空気排出経路20bを開閉する空気排出経路開閉弁24が設けられている。燃料電池10に空気を供給する際には、空気排出経路開閉弁24を開弁するとともに、電動モータ22によって圧縮機21を駆動する。補機としての電動モータ22は、インバータ23を介して二次電池12と接続されている。   The air supply path 20a is provided with a blower 21 for air pressure feeding. The blower 21 is driven by an electric motor 22. The air discharge path 20b is provided with an air discharge path opening / closing valve 24 that opens and closes the air discharge path 20b. When supplying air to the fuel cell 10, the air discharge path opening / closing valve 24 is opened and the compressor 21 is driven by the electric motor 22. The electric motor 22 as an auxiliary machine is connected to the secondary battery 12 via the inverter 23.

空気供給経路20aと空気排出経路20bには、加湿器25が設けられている。この加湿器25は、燃料電池10から排出される湿った排気空気に含まれる水分を用いて圧縮機21の吐出後の空気を加湿するものであり、これにより、燃料電池10内の固体高分子電解質膜を水分を含んだ湿潤状態にして、発電運転時における電気化学反応が良好に行われるようにしている。   A humidifier 25 is provided in the air supply path 20a and the air discharge path 20b. The humidifier 25 humidifies the air discharged from the compressor 21 using moisture contained in the humid exhaust air discharged from the fuel cell 10, whereby the solid polymer in the fuel cell 10 is obtained. The electrolyte membrane is in a wet state containing moisture so that an electrochemical reaction can be satisfactorily performed during power generation operation.

空気供給経路20aにおける圧縮機21の上流側には、加熱装置26が設けられている。加熱装置26は圧縮機21に吸入される空気を加熱し、燃料電池10に供給される空気を昇温させるものである。加熱装置26は、燃料電池10あるいは二次電池12からの電力供給で作動する。また、加熱装置26は、電気ヒータと熱交換器が一体的に構成されており、コンパクトな構成となっている。   A heating device 26 is provided on the upstream side of the compressor 21 in the air supply path 20a. The heating device 26 heats the air sucked into the compressor 21 and raises the temperature of the air supplied to the fuel cell 10. The heating device 26 operates by supplying power from the fuel cell 10 or the secondary battery 12. In addition, the heating device 26 has a compact configuration in which an electric heater and a heat exchanger are integrally formed.

図2は、圧縮機21で圧縮される前後の空気の温度を示している。外気温は−30℃とする。圧縮機21では断熱圧縮が行われるので、圧縮後の空気温度は圧縮率に比例し、さらに圧縮前の空気温度が高いほど、圧縮後の空気温度が高くなる。このため、加熱装置26で圧縮機21に吸入される空気を加熱することで、圧縮後の空気温度を高くすることができる。   FIG. 2 shows the temperature of the air before and after being compressed by the compressor 21. The outside temperature is -30 ° C. Since the compressor 21 performs adiabatic compression, the air temperature after compression is proportional to the compression rate, and the higher the air temperature before compression, the higher the air temperature after compression. For this reason, the air temperature after compression can be made high by heating the air sucked into the compressor 21 by the heating device 26.

圧縮機21の下流側で圧縮後の空気を加熱する場合には、空気の流速がないため熱交換効率が悪い。これに対し、本実施形態のように圧縮機21の上流側に加熱装置26を配置することで、空気の流速がある状態で熱交換が行われるので、熱交換効率がよく、空気を加熱しやすい。また、圧縮前の空気は低温(本例では−30℃)であり、加熱装置26による加熱温度との温度差が大きいので、熱交換効率がよい。   When heating the compressed air on the downstream side of the compressor 21, the heat exchange efficiency is poor because there is no air flow rate. In contrast, by arranging the heating device 26 on the upstream side of the compressor 21 as in the present embodiment, heat exchange is performed in a state where there is a flow rate of air, so heat exchange efficiency is good and air is heated. Cheap. Moreover, since the air before compression is low temperature (-30 degreeC in this example) and the temperature difference with the heating temperature by the heating apparatus 26 is large, heat exchange efficiency is good.

また、圧縮機21の吸入空気温度が同一の場合、圧縮機21による圧縮率が高い方が圧縮後の空気温度を高くすることができる。このため、必要に応じて圧縮機21の吐出圧を高くすることで、燃料電池10に供給される空気の昇温をアシストする。   Further, when the intake air temperature of the compressor 21 is the same, the higher the compression rate by the compressor 21, the higher the air temperature after compression. For this reason, the temperature rise of the air supplied to the fuel cell 10 is assisted by increasing the discharge pressure of the compressor 21 as necessary.

また、空気供給経路20aにおける圧縮機21と加湿器25との間に、車室内を空気を供給するための空調用空気供給経路27が接続されている。空調用空気供給経路27には、流量調整弁28が設けられ、空調用空気供給経路27の他端側は、車室内を空調する空調装置29に接続されている。空調装置29に供給された加熱空気は、車室内への吹き出し空気として用いられる。   In addition, an air conditioning air supply path 27 for supplying air into the vehicle interior is connected between the compressor 21 and the humidifier 25 in the air supply path 20a. The air conditioning air supply path 27 is provided with a flow rate adjusting valve 28, and the other end of the air conditioning air supply path 27 is connected to an air conditioner 29 that air-conditions the passenger compartment. The heated air supplied to the air conditioner 29 is used as blown air into the passenger compartment.

水素供給経路30aには、水素ガスが充填された水素ボンベ31、燃料電池10に供給される水素の圧力を調整する水素調圧弁32、および水素供給経路30aを開閉する水素供給経路開閉弁33が設けられている。水素排出経路30bには、水素排出経路30bを開閉する水素排出経路開閉弁34が設けられている。   The hydrogen supply path 30a includes a hydrogen cylinder 31 filled with hydrogen gas, a hydrogen pressure regulating valve 32 for adjusting the pressure of hydrogen supplied to the fuel cell 10, and a hydrogen supply path opening / closing valve 33 for opening and closing the hydrogen supply path 30a. Is provided. The hydrogen discharge path 30b is provided with a hydrogen discharge path opening / closing valve 34 that opens and closes the hydrogen discharge path 30b.

燃料電池10に水素を供給する際には、水素供給経路開閉弁33を開弁するとともに、水素調圧弁32によって所望の水素圧力に調整する。水素排出経路30bは、運転条件に応じて水素排出経路開閉弁34によって開閉される。水素排出経路30bは、未反応水素ガス、蒸気(あるいは水)、および酸素極から固体高分子電解質膜を通過して混入した窒素、酸素などを排出する。   When supplying hydrogen to the fuel cell 10, the hydrogen supply path opening / closing valve 33 is opened and adjusted to a desired hydrogen pressure by the hydrogen pressure regulating valve 32. The hydrogen discharge path 30b is opened and closed by a hydrogen discharge path opening / closing valve 34 in accordance with operating conditions. The hydrogen discharge path 30b discharges unreacted hydrogen gas, steam (or water), nitrogen, oxygen, and the like mixed through the solid polymer electrolyte membrane from the oxygen electrode.

燃料電池10は発電に伴い熱を生じる。このため、燃料電池システムには、燃料電池10を冷却して作動温度が電気化学反応に適した温度(例えば80℃程度)となるようにする冷却システム40〜44が設けられている。   The fuel cell 10 generates heat with power generation. For this reason, the fuel cell system is provided with cooling systems 40 to 44 that cool the fuel cell 10 so that the operating temperature becomes a temperature suitable for the electrochemical reaction (for example, about 80 ° C.).

冷却システムには、燃料電池10に冷却水(熱媒体)を循環させる冷却水経路40、冷却水を循環させるウォータポンプ41、ウォータポンプ41を駆動する電動モータ42、ファン44を備えたラジエータ43が設けられている。燃料電池10で発生した熱は、冷却水を介してラジエータ43で系外に排出される。このような冷却系によって、ウォータポンプ41による流量制御、およびファン44による風量制御で、燃料電池10の冷却量制御を行うことができる。補機としての電動モータ42は、図示を省略しているが、送風機用電動モータ22と同様、インバータを介して二次電池12と接続されている。   The cooling system includes a cooling water path 40 that circulates cooling water (heat medium) in the fuel cell 10, a water pump 41 that circulates the cooling water, an electric motor 42 that drives the water pump 41, and a radiator 43 that includes a fan 44. Is provided. The heat generated in the fuel cell 10 is discharged out of the system by the radiator 43 through the cooling water. With such a cooling system, the cooling amount control of the fuel cell 10 can be performed by the flow rate control by the water pump 41 and the air volume control by the fan 44. Although not shown, the electric motor 42 as an auxiliary machine is connected to the secondary battery 12 via an inverter, like the blower electric motor 22.

燃料電池システムには、各種制御を行う制御部(ECU)50が設けられている。制御部50は、CPU、ROM、RAM、I/Oなどを備えた周知のマイクロコンピュータによって構成され、ROMなどに記憶されたプログラムに従って各種演算などの処理を実行する。制御部50には、各種負荷からの要求電力信号、温度センサ17、18からの温度検出信号等が入力される。また、制御部50は、二次電池12、DC−DCコンバータ13、第1インバータ14、第2インバータ16、電動モータ22、空気排出経路開閉弁23、加熱装置26、水素調圧弁32、水素供給経路開閉弁33、水素排出経路開閉弁34、電動モータ42、ファン44等に制御信号を出力するように構成されている。   The fuel cell system is provided with a control unit (ECU) 50 that performs various controls. The control unit 50 is configured by a known microcomputer including a CPU, a ROM, a RAM, an I / O, and the like, and executes processing such as various calculations according to a program stored in the ROM. The controller 50 is input with required power signals from various loads, temperature detection signals from the temperature sensors 17 and 18, and the like. The control unit 50 includes a secondary battery 12, a DC-DC converter 13, a first inverter 14, a second inverter 16, an electric motor 22, an air discharge path on / off valve 23, a heating device 26, a hydrogen pressure regulating valve 32, and a hydrogen supply. A control signal is output to the path opening / closing valve 33, the hydrogen discharge path opening / closing valve 34, the electric motor 42, the fan 44, and the like.

次に、本実施形態の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、制御部50のCPUがROMに格納された制御プログラムに基づいて行う制御の流れを示すフローチャートである。   Next, the operation of the fuel cell system of this embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a flowchart showing a flow of control performed by the CPU of the control unit 50 based on a control program stored in the ROM.

まず、第2の温度センサ18で外気温度TOUTを検出し(S10)、外気温度TOUTが第1所定温度T1を下回っているか否かを判定する(S11)。この結果、外気温度TOUTが第1所定温度T1を下回っていないと判定された場合には、S10に戻る。なお、第1所定温度T1は、加熱装置26による加熱を行うか否かの基準値であり、任意に設定することができる。 First, the outside temperature T OUT is detected by the second temperature sensor 18 (S10), and it is determined whether or not the outside temperature T OUT is lower than the first predetermined temperature T1 (S11). As a result, when it is determined that the outside air temperature T OUT is not lower than the first predetermined temperature T1, the process returns to S10. The first predetermined temperature T1 is a reference value as to whether or not heating by the heating device 26 is performed, and can be arbitrarily set.

一方、外気温度TOUTが第1所定温度T1を下回っていると判定された場合には、第1の温度センサ17で燃料電池10の温度TFCを検出し(S12)、燃料電池温度TFCが第2所定温度T2を下回っているか否かを判定する(S13)。この結果、燃料電池温度TFCが第2所定温度T2を下回っていないと判定された場合には、S10に戻る、なお、第2所定温度T2は、加熱装置26による加熱を行うか否かの基準値であり、任意に設定することができる。 On the other hand, when it is determined that the outside air temperature T OUT is lower than the first predetermined temperature T1, the first temperature sensor 17 detects the temperature T FC of the fuel cell 10 (S12), and the fuel cell temperature T FC. Is lower than the second predetermined temperature T2 (S13). As a result, when the fuel cell temperature T FC is determined to not lower than the second predetermined temperature T2, the process returns to S10, It should be noted that the second predetermined temperature T2, whether performing heating by the heating device 26 It is a reference value and can be set arbitrarily.

一方、燃料電池温度TFCが第2所定温度T2を下回っていると判定された場合には、加熱装置26に通電し、加熱装置26により圧縮機21の吸入空気の加熱を行う(S14)。これにより、燃料電池10に加熱された空気が供給される。 On the other hand, when the fuel cell temperature T FC is determined to below a second predetermined temperature T2 is energized heating device 26, for heating the intake air of the compressor 21 by the heating device 26 (S14). Thereby, heated air is supplied to the fuel cell 10.

さらに、加熱装置26による加熱のみでは燃料電池10に供給される空気の昇温が充分でない場合等には、必要に応じて圧縮機21の吐出圧を上昇させる(S15)。これにより、燃料電池10に供給される空気の温度をより高くすることができる。   Furthermore, when the temperature of the air supplied to the fuel cell 10 is not sufficiently raised only by heating by the heating device 26, the discharge pressure of the compressor 21 is increased as necessary (S15). Thereby, the temperature of the air supplied to the fuel cell 10 can be made higher.

次に、車室内の暖房が必要か否かを判定する(S16)。車室内の暖房の要否は、例えば暖房用スイッチがオンにされているか否かで判定することができる。この結果、車室内の暖房が必要であると判定された場合には、流量調整弁28の開度を大きくし、空気供給経路20aを流れる高温の空気を空調装置29に供給する(S17)。   Next, it is determined whether heating of the passenger compartment is necessary (S16). The necessity of heating the passenger compartment can be determined, for example, based on whether or not the heating switch is turned on. As a result, when it is determined that heating of the passenger compartment is necessary, the opening degree of the flow rate adjustment valve 28 is increased, and hot air flowing through the air supply path 20a is supplied to the air conditioner 29 (S17).

以上のように、圧縮機21により燃料電池10に空気を供給する燃料電池システムにおいて、圧縮機21の上流側に加熱装置26を設け、圧縮機21の吸入空気を加熱することで、燃料電池10に供給される空気を効率よく昇温させることができる。これにより、燃料電池10のカソード側に高温の空気が供給され、燃料電池10のカソード側の触媒層を早期に昇温させることができる。さらに、燃料電池10に高温の圧縮空気を供給することで、空気の拡散性を向上させることができる。この結果、カソードの過電圧を低下させて燃料電池10の発電特性を向上させることができ、燃料電池10の自己発熱を促進して燃料電池10を早期に昇温させることができ、燃料電池10内部に存在する水が凍結することを防ぐことができる。   As described above, in the fuel cell system that supplies air to the fuel cell 10 by the compressor 21, the heating device 26 is provided on the upstream side of the compressor 21, and the intake air of the compressor 21 is heated, whereby the fuel cell 10 The temperature of the air supplied to can be increased efficiently. Thereby, high-temperature air is supplied to the cathode side of the fuel cell 10, and the temperature of the catalyst layer on the cathode side of the fuel cell 10 can be raised quickly. Furthermore, the diffusibility of air can be improved by supplying high-temperature compressed air to the fuel cell 10. As a result, the cathode overvoltage can be reduced to improve the power generation characteristics of the fuel cell 10, the self-heating of the fuel cell 10 can be promoted, and the temperature of the fuel cell 10 can be raised quickly. It is possible to prevent water existing in the water from freezing.

また、燃料電池10を昇温させるには自己発熱量を増加させることが効果的である。このためには、反応水素量を増加させ、燃料電池10から電流を多く取り出す必要がある。そこで、燃料電池10から電気ヒータを用いた加熱装置26に電力供給することで、燃料電池10の発電量を増加させ自己発熱量を増加させることができる。そして、加熱装置26で燃料電池10に供給される空気を加熱することで、燃料電池10で増加させた発電電力を熱として回収することができる。さらに、燃料電池10の作動電圧を低下させることで発電効率を低下させ、自己発熱量を増加させる場合にも、燃料電池10から加熱装置26に電力供給することが有効である。   In order to raise the temperature of the fuel cell 10, it is effective to increase the self-heating value. For this purpose, it is necessary to increase the amount of reaction hydrogen and extract a large amount of current from the fuel cell 10. Therefore, by supplying electric power from the fuel cell 10 to the heating device 26 using an electric heater, it is possible to increase the power generation amount of the fuel cell 10 and increase the amount of self-heating. Then, by heating the air supplied to the fuel cell 10 by the heating device 26, the generated power increased by the fuel cell 10 can be recovered as heat. Furthermore, it is also effective to supply power from the fuel cell 10 to the heating device 26 when the power generation efficiency is lowered by reducing the operating voltage of the fuel cell 10 and the self-heating value is increased.

また、圧縮機21の出口から高温の空気を空調装置29に供給することで、空調装置29による空気加熱温度が低い場合でも、車室内を暖房することが可能となる。   Further, by supplying high-temperature air from the outlet of the compressor 21 to the air conditioner 29, the vehicle interior can be heated even when the air heating temperature by the air conditioner 29 is low.

(他の実施形態)
なお、上記実施形態では、外気温度TOUTに基づいて加熱装置26による加熱を行うか否かを決定したが、外気温度TOUTに基づいて加熱装置26による加熱温度を調整するように構成してもよい。例えば、外気温度TOUTが低い場合には、加熱装置26による加熱温度を高くし、外気温度TOUTが高い場合には、加熱装置26による加熱温度を高くすればよい。
(Other embodiments)
In the above embodiment, to determine whether to perform heating by the heating device 26 based on the outside air temperature T OUT, and configured to adjust the heating temperature by the heating device 26 based on the outside air temperature T OUT Also good. For example, when the outside air temperature T OUT is low, the heating temperature by the heating device 26 may be increased, and when the outside air temperature T OUT is high, the heating temperature by the heating device 26 may be increased.

同様に、上記実施形態では、燃料電池温度TFCに基づいて加熱装置26による加熱を行うか否かを決定したが、燃料電池温度TFC基づいて加熱装置26による加熱温度を調整するように構成してもよい。例えば、燃料電池温度TFCが低い場合には、加熱装置26による加熱温度を高くし、燃料電池温度TFCが高い場合には、加熱装置26による加熱温度を高くすればよい。 Similarly, in the above embodiment, to determine whether to perform heating by the heating device 26 based on the fuel cell temperature T FC, configured to adjust the heating temperature by the heating device 26 based on the fuel cell temperature T FC May be. For example, when the fuel cell temperature T FC is low, the heating temperature by the heating device 26 may be increased, and when the fuel cell temperature T FC is high, the heating temperature by the heating device 26 may be increased.

上記実施形態の燃料電池システムの概念図である。It is a conceptual diagram of the fuel cell system of the said embodiment. 圧縮機で圧縮される前後の空気の温度を示す図表である。It is a graph which shows the temperature of the air before and behind compressed with a compressor. 上記実施形態の燃料電池システムの作動を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the action | operation of the fuel cell system of the said embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

10…燃料電池、17…第1の温度センサ、18…第2の温度センサ、20a…空気供給経路、21…圧縮機、26…加熱装置、50…制御部。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell, 17 ... 1st temperature sensor, 18 ... 2nd temperature sensor, 20a ... Air supply path, 21 ... Compressor, 26 ... Heating device, 50 ... Control part.

Claims (5)

水素と空気に含まれる酸素とを電気化学反応させて電力を得る燃料電池(10)と、
空気供給経路(20a)を介して前記燃料電池(10)に空気を断熱圧縮して供給するガス圧縮機(21)と、
前記空気ガス供給経路(20a)における前記ガス圧縮機(21)の上流側に設けられ、前記ガス圧縮機(21)に吸入される空気を加熱する加熱装置(26)とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell (10) for obtaining electric power by electrochemical reaction of hydrogen and oxygen contained in air;
A gas compressor (21) for supplying air by adiabatic compression to the fuel cell (10) via an air supply path (20a);
A heating device (26) provided on the upstream side of the gas compressor (21) in the air gas supply path (20a) and heating air sucked into the gas compressor (21). Fuel cell system.
前記加熱装置(26)は、前記燃料電池(10)から電力供給されることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein the heating device (26) is supplied with electric power from the fuel cell (10). 前記燃料電池(10)の温度を検出する第1の温度センサ(17)を備え、前記第1の温度センサ(17)で検出した前記燃料電池(10)の温度に基づいて前記加熱装置(26)による空気の加熱を制御することを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池システム。 A first temperature sensor (17) for detecting the temperature of the fuel cell (10) is provided, and the heating device (26) based on the temperature of the fuel cell (10) detected by the first temperature sensor (17). 3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the heating of the air is controlled. 外気温を検出する第2の温度センサ(18)を備え、前記第2の温度センサ(18)で検出した外気温に基づいて前記加熱装置(26)による空気の加熱を制御することを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1つに記載の燃料電池システム。 A second temperature sensor (18) for detecting an outside air temperature is provided, and heating of air by the heating device (26) is controlled based on the outside air temperature detected by the second temperature sensor (18). The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3. 前記燃料電池(10)とガス圧縮機(21)と加熱装置(26)は車両に搭載され、前記燃料電池(10)は前記車両の走行用駆動源として用いられ、
前記ガス圧縮機(21)から吐出された空気は、車室内に供給可能に構成されていることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1つに記載の燃料電池システム。
The fuel cell (10), the gas compressor (21), and the heating device (26) are mounted on a vehicle, and the fuel cell (10) is used as a driving source for the vehicle.
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein the air discharged from the gas compressor (21) is configured to be supplied into a passenger compartment.
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