JP2008059922A - Fuel cell system - Google Patents

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Ryosuke Naito
了輔 内藤
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system enabled to efficiently raise temperature of a fuel cell in a simple structure. <P>SOLUTION: The fuel cell system 10 circulates cooling liquid among a fuel cell 12, an FC radiator 86, and a compressor 68, and is enabled to change a flow channel of the cooling liquid to a bypass tube 94 by operation of a switching valve 92. Further, pressure of air supplied to the fuel cell is adjusted by a regulator valve 74. A control unit 78, in starting up the fuel cell, drives a circulation pump 88 through selection of the bypass tube by the switching valve when a temperature detected by a temperature sensor 96 is low, and at the same time, closes the regulator valve to drive the compressor. With this, temperature of the fuel cell can be raised by heat generated by the compressor driven at a high load, and air getting high in temperature by being compressed by the compressor. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池を用い、車両などに搭載可能な燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system that uses a polymer electrolyte fuel cell and can be mounted on a vehicle or the like.

車両などに搭載可能な固体高分子型燃料電池（以下、燃料電池とする）は、一般に、水素イオンを透過するイオン交換性の高分子膜（高分子電解質膜）を電解質とし、この電解質をカソードとアノードの二枚の拡散電極で挟持した膜電極接合体を備え、この膜電極接合体を一対のセパレータで挟持すると共に、膜電極接合体とそれぞれのセパレータとの間に流路を形成し、一方の流路へ燃料としての水素ガスを供給し、他方の流路へ酸化剤としての空気（酸素）を供給することで、発電動作を行なうようになっている。   In general, a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as a fuel cell) that can be mounted on a vehicle or the like uses an ion-exchange polymer membrane (polymer electrolyte membrane) that transmits hydrogen ions as an electrolyte, and this electrolyte serves as a cathode. And a membrane electrode assembly sandwiched between two diffusion electrodes of the anode, and sandwiching the membrane electrode assembly with a pair of separators, and forming a flow path between the membrane electrode assembly and each separator, The power generation operation is performed by supplying hydrogen gas as a fuel to one flow path and supplying air (oxygen) as an oxidant to the other flow path.

このとき、水素ガス及び酸素の供給圧を高くすることにより、効率的な発電動作が可能となる。ここから、燃料電池を用いて発電を行なう燃料電池システムでは、水素タンクから高圧の水素ガスを燃料電池へ供給すると共に、コンプレッサによって圧縮した空気を燃料電池へ供給するようにしている。   At this time, an efficient power generation operation can be performed by increasing the supply pressure of hydrogen gas and oxygen. Thus, in a fuel cell system that generates power using a fuel cell, high-pressure hydrogen gas is supplied from a hydrogen tank to the fuel cell, and air compressed by a compressor is supplied to the fuel cell.

また、燃料電池では、発電動作によって発熱し温度上昇が生じることから、燃料電池システムでは、冷却用熱交換器であるラジエータを設け、ラジエータと燃料電池との間で冷却液を循環させることにより、燃料電池の温度上昇を抑えるようにしている。   In addition, in a fuel cell, heat is generated by a power generation operation and a temperature rise occurs. Therefore, in the fuel cell system, a radiator that is a heat exchanger for cooling is provided, and a coolant is circulated between the radiator and the fuel cell. The temperature rise of the fuel cell is suppressed.

ところで、燃料電池（固体高分子型燃料電池）は、イオン導電性を維持するために、高分子電解質膜を適度に加湿しておく必要がある。このために、燃料電池は、発電停止状態で、０°Ｃ以下の低温域に保持されると、高分子電解質の内部や電極近傍に存在する水分が凍結して、燃料ガス（水素ガスや空気）のガス拡散が阻害されたり、高分子電解質膜でのイオン伝導率が低下してしまい、燃料電池の起動ができなかったり、起動できても発電効率が著しく低下してしまう。   By the way, in the fuel cell (solid polymer fuel cell), the polymer electrolyte membrane needs to be appropriately humidified in order to maintain ionic conductivity. For this reason, when the fuel cell is maintained in a low temperature range of 0 ° C. or lower when power generation is stopped, the moisture present inside the polymer electrolyte and in the vicinity of the electrode freezes, and fuel gas (hydrogen gas or air) ) Gas diffusion is hindered, the ionic conductivity in the polymer electrolyte membrane is reduced, and the fuel cell cannot be started, or even if it can be started, the power generation efficiency is significantly reduced.

ここから、特許文献１では、冷却媒体を加熱する加熱手段を設け、加熱手段と燃料電池との間で加熱した冷却媒体を循環することにより、燃料電池を加熱して、氷点下の環境であっても、燃料電池を迅速にかつ確実に動作するように提案している。   From here, in Patent Document 1, a heating means for heating the cooling medium is provided, and the cooling medium heated between the heating means and the fuel cell is circulated to heat the fuel cell, so that the environment is below freezing point. Also propose to operate the fuel cell quickly and reliably.

また、特許文献２では、コンプレッサによって圧縮した空気を、放熱器を通して燃料電池に供給するときに、放熱器をバイパスするバイパス通路を設け、コンプレッサによって圧縮されて昇温された空気を、バイパス通路を通して燃料電池へ供給することにより、燃料電池の暖機を行なうように提案している。
特開２００５−４４６６８号公報 特開２００５−２３５４９２号公報 Moreover, in patent document 2, when supplying the air compressed by the compressor to the fuel cell through the radiator, a bypass passage that bypasses the radiator is provided, and the air that has been compressed by the compressor and heated is passed through the bypass passage. It has been proposed to warm up the fuel cell by supplying it to the fuel cell.
JP 2005-44668 A JP 2005-235492 A

しかしながら、燃料電池の暖機専用の加熱手段及び冷却媒体の循環機構を設けることは、燃料電池システムの大型化及びコストアップを生じさせてしまう。また、コンプレッサで圧縮した空気を燃料電池へ供給して暖機を行なうことは、必ずしもエネルギーの効率利用を図りうるものではない。   However, the provision of heating means dedicated to warming up the fuel cell and a cooling medium circulation mechanism increase the size and cost of the fuel cell system. Further, supplying air compressed by a compressor to a fuel cell and performing warm-up does not necessarily achieve efficient use of energy.

本発明は上記事実に鑑みてなされたものであり、低温環境下で燃料電池を効率的に暖機して発電動作可能とする燃料電池システムを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described facts, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system that can efficiently warm up a fuel cell in a low-temperature environment and enable a power generation operation.

上記目的を達成するために本発明は、燃料電池に空気ないし酸化ガスと水素ガスを供給して、燃料電池の電池反応によって発電する燃料電池システムであって、燃料電池の内部温度を検出する温度検出手段と、前記燃料電池へ供給する前記空気ないし酸化ガスを圧縮するコンプレッサと、前記コンプレッサの圧縮圧を調整する調圧手段と、燃料電池、コンプレッサ及び冷却用熱交換器との間で形成される冷却液の循環路と、前記循環路内で前記冷却液を循環する循環手段と、前記循環路に設けられて前記放熱用熱交換器をバイパス可能とする冷却液の循環路を形成するバイパス手段と、前記冷却液の循環経路を前記放熱用熱交換器と前記バイパス手段との間で切り換える切換手段と、前記温度検出手段によって検出する温度が予め設定された第１の温度より低いときに、前記調圧手段によって前記コンプレッサの吐出圧を上昇させてコンプレッサを駆動すると共に、前記切換手段によって前記冷却液の循環経路をバイパス手段に切り換えて前記循環手段を駆動する起動制御手段と、を含むことを特徴とする。   In order to achieve the above object, the present invention provides a fuel cell system in which air or oxidizing gas and hydrogen gas are supplied to a fuel cell to generate power by the cell reaction of the fuel cell, and the temperature at which the internal temperature of the fuel cell is detected. It is formed between a detecting means, a compressor for compressing the air or oxidizing gas supplied to the fuel cell, a pressure adjusting means for adjusting the compression pressure of the compressor, and the fuel cell, the compressor, and a cooling heat exchanger. A coolant circulation path, a circulation means for circulating the coolant in the circulation path, and a bypass provided in the circulation path so as to bypass the heat exchanger for heat dissipation. The temperature detected by the temperature detecting means, the switching means for switching the circulation path of the coolant between the heat exchanger for heat radiation and the bypass means, and the temperature detecting means are preset. When the temperature is lower than 1, the discharge pressure of the compressor is increased by the pressure adjusting means to drive the compressor, and the circulating means is switched to the bypass means by the switching means to drive the circulating means. And an activation control means.

また、本発明は、燃料電池に空気ないし酸化ガスと水素ガスを供給して、燃料電池の電池反応によって発電する燃料電池システムであって、燃料電池の内部温度を検出する温度検出手段と、前記燃料電池へ供給する前記空気ないし酸化ガスを圧縮するコンプレッサと、前記コンプレッサの圧縮圧を調整する調圧手段と、燃料電池と冷却用熱交換器との間で形成される冷却液の循環路と、前記循環路内で前記冷却液を循環する循環手段と、前記放熱用熱交換器をバイパスして冷却液と前記コンプレッサとの間で熱交換可能とするバイパス手段と、前記冷却液の循環経路を前記放熱用熱交換器と前記バイパス手段との間で切り換える切換手段と、前記温度検出手段によって検出する温度が予め設定された第１の温度より低いときに、前記調圧手段によって前記コンプレッサの吐出圧を上昇させてコンプレッサを駆動すると共に、前記切換手段によって前記冷却液の循環経路をバイパス手段に切り換えて前記循環手段を駆動する起動制御手段と、を含むことを特徴とする。   The present invention also provides a fuel cell system that supplies air or an oxidizing gas and hydrogen gas to a fuel cell and generates power by a cell reaction of the fuel cell, the temperature detecting means for detecting the internal temperature of the fuel cell, A compressor for compressing the air or oxidizing gas supplied to the fuel cell, pressure adjusting means for adjusting the compression pressure of the compressor, and a coolant circulation path formed between the fuel cell and the cooling heat exchanger; A circulation means for circulating the cooling liquid in the circulation path; a bypass means for bypassing the heat-dissipating heat exchanger and enabling heat exchange between the cooling liquid and the compressor; and a circulation path for the cooling liquid Switching means for switching between the heat exchanger for heat dissipation and the bypass means, and when the temperature detected by the temperature detecting means is lower than a preset first temperature, the pressure adjusting means Therefore, the compressor includes driving the compressor by increasing the discharge pressure of the compressor, and switching control means to switch the circulation path of the coolant to the bypass means to drive the circulation means. .

この発明によれば、燃料電池に所定圧力の水素ガスとコンプレッサによって圧縮した空気ないし酸化ガスを供給して、燃料電池の発電動作を行なう。このとき、循環手段を作動させて、燃料電池と冷却用熱交換器の間、又は、燃料電池、コンプレッサ及び冷却用熱交換器との間で冷却液を循環することにより、燃料電池の温度上昇と共にコンプレッサの温度上昇を抑える。   According to this invention, hydrogen gas at a predetermined pressure and air or oxidizing gas compressed by a compressor are supplied to the fuel cell, and the power generation operation of the fuel cell is performed. At this time, the temperature of the fuel cell rises by operating the circulation means and circulating the coolant between the fuel cell and the cooling heat exchanger or between the fuel cell, the compressor and the cooling heat exchanger. At the same time, it suppresses the temperature rise of the compressor.

一方、燃料電池を起動するときに、燃料電池の内部温度が第１の温度よりも低いときには、切換手段によってバイパス手段を選択して循環手段を作動させると共に、調圧バルブによってコンプレッサの吐出圧が高くなるようにしてコンプレッサを駆動する。   On the other hand, when starting the fuel cell, if the internal temperature of the fuel cell is lower than the first temperature, the bypass means is selected by the switching means to operate the circulation means, and the discharge pressure of the compressor is controlled by the pressure regulating valve. Drive the compressor so that it is higher.

コンプレッサは、吐出圧が高くなることにより高負荷となり発熱量が増加する。このコンプレッサと燃料電池との間で冷却液を循環することにより、コンプレッサによって加熱された冷却液によって燃料電池の昇温が図られる。   The compressor has a high load due to the high discharge pressure, and the amount of heat generation increases. By circulating the coolant between the compressor and the fuel cell, the temperature of the fuel cell is increased by the coolant heated by the compressor.

これにより、燃料電池の内部に凍結等が生じて起動が困難なときに、燃料電池を加熱するための特別な熱源を設けること無く、効率的に燃料電池を加熱して起動可能な状態とすることができる。   As a result, when it is difficult to start up due to freezing or the like inside the fuel cell, the fuel cell can be efficiently heated to start without providing a special heat source for heating the fuel cell. be able to.

このような、本発明においては、燃料電池と冷却用熱交換器の間のみで冷却液が循環されるか、又は、燃料電池用の放熱用熱交換と別にコンプレッサ用の放熱用熱交換器が設けられ、燃料電池とコンプレッサとが別々に循環される冷却液によって冷却されるときには、コンプレッサと燃料電池との間で冷却液が循環されるようにバイパス手段を設けて、冷却液の循環経路を切り換えるものであれば良い。   In the present invention, the coolant is circulated only between the fuel cell and the cooling heat exchanger, or a heat radiation heat exchanger for the compressor is provided separately from the heat radiation heat exchange for the fuel cell. When the fuel cell and the compressor are cooled by a coolant that is separately circulated, a bypass means is provided so that the coolant is circulated between the compressor and the fuel cell, and a coolant circulation path is provided. Anything can be used.

請求項２の発明は、前記調圧手段を、前記燃料電池からの前記空気ないし酸化ガスの排出側に設けていることを特徴とする。   The invention according to claim 2 is characterized in that the pressure adjusting means is provided on a discharge side of the air or oxidizing gas from the fuel cell.

この発明によれば、調圧手段を燃料電池の排出側に設け、燃料電池の発電動作を行なうときに、燃料電池に所定圧力に圧縮された空気ないし酸化ガスを供給できるようにしている。   According to the present invention, the pressure regulating means is provided on the discharge side of the fuel cell so that when the fuel cell performs a power generation operation, air or oxidizing gas compressed to a predetermined pressure can be supplied to the fuel cell.

また、燃料電池の温度が第１の温度よりも低いときには、コンプレッサが高負荷で駆動されることにより、コンプレッサによって高い圧縮率で圧縮された空気を燃料電池へ供給する。   When the temperature of the fuel cell is lower than the first temperature, the compressor is driven with a high load, so that air compressed at a high compression rate by the compressor is supplied to the fuel cell.

コンプレッサでは、空気ないし酸化ガスを圧縮することにより、燃料電池に供給される空気が高温となり、コンプレッサで発生された熱と、空気ないし酸化ガスの熱によって燃料電池を昇温することができる。   In the compressor, by compressing air or oxidizing gas, the air supplied to the fuel cell becomes high temperature, and the temperature of the fuel cell can be raised by the heat generated by the compressor and the heat of the air or oxidizing gas.

これにより、燃料電池の昇温を、より効率的に短時間で行なうことができる。   As a result, the temperature of the fuel cell can be increased more efficiently in a short time.

請求項３に係る発明は、前記第１の温度よりも高い第２の温度が設定され、前記温度検出手段の検出温度が第１の温度より高く、第２の温度よりも低いときに、前記起動制御手段が、前記切換手段によって前記冷却液の循環経路をバイパス手段に切り換えて前記循環手段を駆動して、前記燃料電池の発電動作させることを特徴とする。   In the invention according to claim 3, when the second temperature higher than the first temperature is set, and the detected temperature of the temperature detecting means is higher than the first temperature and lower than the second temperature, The start control means switches the coolant circulation path to the bypass means by the switching means and drives the circulation means to cause the fuel cell to perform a power generation operation.

この発明によれば、燃料電池の温度が第１の温度を超えて起動可能となると、燃料電池を起動すると共に、放熱用熱交換器をバイパスして、コンプレッサと燃料電池との間で冷却液の循環を行う。   According to this invention, when the temperature of the fuel cell exceeds the first temperature and can be started, the fuel cell is started, and the coolant is bypassed between the heat exchanger for heat dissipation and the coolant between the compressor and the fuel cell. Circulate.

これにより、燃料電池が電池反応を行なうときに発する熱と、コンプレッサが発する熱によって燃料電池の昇温を図ることができ、燃料電池を迅速に、定常の発電動作状態とすることができる。   As a result, the temperature of the fuel cell can be increased by the heat generated when the fuel cell performs a cell reaction and the heat generated by the compressor, and the fuel cell can be quickly brought into a steady power generation operation state.

なお、第２の温度としては、燃料電池が、効率的に発電可能となる温度の下限を適用することができる。   As the second temperature, a lower limit of the temperature at which the fuel cell can efficiently generate power can be applied.

以上説明したように本発明によれば、コンプレッサが高負荷で駆動しながら、コンプレッサと燃料電池との間で冷却液の循環を行うことにより、簡単な構成で効率的に燃料電池の昇温を計ることができる。   As described above, according to the present invention, the coolant is circulated between the compressor and the fuel cell while the compressor is driven at a high load, thereby efficiently increasing the temperature of the fuel cell with a simple configuration. Can be measured.

また、本発明では、コンプレッサと燃料電池との間で冷却液を循環しながら、コンプレッサを高負荷で駆動するときに発生する高温高圧の空気ないし酸化ガスを燃料電池へ供給することにより、より効率的に燃料電池の昇温を図ることができる。   Further, according to the present invention, the cooling liquid is circulated between the compressor and the fuel cell, and the high-temperature and high-pressure air or oxidizing gas generated when the compressor is driven at a high load is supplied to the fuel cell. In particular, the temperature of the fuel cell can be increased.

以下に、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。図１には、本実施の形態に係る燃料電池システム１０の概略構成を示している。この燃料電池システム１０は、スタック構造を有する燃料電池（ＦＣ）１２を備えている。なお、燃料電池１２のスタックは、例えば、１００個の単セルが積層されて構成されている。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a schematic configuration of a fuel cell system 10 according to the present embodiment. The fuel cell system 10 includes a fuel cell (FC) 12 having a stack structure. In addition, the stack of the fuel cell 12 is configured by stacking, for example, 100 single cells.

図２に示されるように、燃料電池１２は、フッ素系イオン交換樹脂膜（高分子電解質膜）１４がアノード拡散電極１６とカソード拡散電極１８とに挟持された構造の膜電極接合体２０が、一対のセパレータ２２、２４に挟持されている。また、燃料電池１２では、膜電極接合体２０とセパレータ２２との間に水素ガス（Ｈ２）を通して供給／排出を行なう水素ガス流路（燃料流路）２６が形成され、膜電極接合体２０とセパレータ２４との間に空気（エア）を通して供給／排出を行なうエア流路（酸化ガス流路）２８が形成されている。 As shown in FIG. 2, the fuel cell 12 includes a membrane electrode assembly 20 having a structure in which a fluorine-based ion exchange resin membrane (polymer electrolyte membrane) 14 is sandwiched between an anode diffusion electrode 16 and a cathode diffusion electrode 18. It is sandwiched between a pair of separators 22 and 24. Further, in the fuel cell 12, a hydrogen gas flow path (fuel flow path) 26 for supplying / discharging hydrogen gas (H 2 ) through the membrane electrode assembly 20 and the separator 22 is formed. An air passage (oxidizing gas passage) 28 is formed between the separator 24 and the separator 24 for supplying / discharging air (air).

高分子電解質膜１４は、イオン導電性を有する電解質で形成することができ、一般にパーフルオロスルホン酸膜などが用いられる。この高分子電解質膜は、通常、イオン導電性を高めることから湿潤状態とされ、水素ガスが供給されることにより得られるアノード側の水素イオンが良好にイオン伝導して、カソード側に移動できるようにしている。なお、高分子電解質膜１４の湿潤状態は、例えば、燃料である水素ガスないしカソード側の酸素を含む空気を加湿することにより得られる。   The polymer electrolyte membrane 14 can be formed of an ionic conductive electrolyte, and a perfluorosulfonic acid membrane or the like is generally used. This polymer electrolyte membrane is usually in a wet state because it enhances ionic conductivity, so that hydrogen ions on the anode side obtained by supplying hydrogen gas can conduct well and move to the cathode side. I have to. The wet state of the polymer electrolyte membrane 14 is obtained, for example, by humidifying air containing hydrogen gas as a fuel or oxygen on the cathode side.

アノード拡散電極１６及びカソード拡散電極１８は、電気化学反応を担う触媒層及び、集電体として機能する拡散層と構成され、アノード拡散電極１６は、高分子電解質膜１４側から順に、アノード触媒層３０と拡散層３２とが積層されて形成され、カソード拡散電極１８は、高分子電解質膜１４側から順に、カソード触媒層３４と拡散層３６とが順に積層されて形成されている。   The anode diffusion electrode 16 and the cathode diffusion electrode 18 are configured as a catalyst layer responsible for an electrochemical reaction and a diffusion layer functioning as a current collector. The anode diffusion electrode 16 is an anode catalyst layer in order from the polymer electrolyte membrane 14 side. The cathode diffusion electrode 18 is formed by sequentially laminating a cathode catalyst layer 34 and a diffusion layer 36 in order from the polymer electrolyte membrane 14 side.

アノード触媒層３０及びカソード触媒層３４は、高分子電解質膜１４の表面に、触媒とする白金又は白金と他の金属との合金を塗布して形成される。このときの塗布は、白金又は白金と他の金属の合金を担持したカーボン粉を作製し、このカーボン粉を適当に有機溶媒に分散させ、これに滴量の電解質溶液を添加してペースト化し、高分子電解質膜１４へスクリーン印刷などにより塗布する。また、前記カーボン粉を含有するペーストを膜成形して形成したシートを高分子電解質膜１４上にプレスしたり、白金等を高分子電解質膜１４と対向する側の拡散層３２、３６の表面に塗布するようにしても良い。   The anode catalyst layer 30 and the cathode catalyst layer 34 are formed by applying platinum or an alloy of platinum and other metals as a catalyst to the surface of the polymer electrolyte membrane 14. The coating at this time is to produce a carbon powder carrying platinum or an alloy of platinum and other metals, disperse this carbon powder in an organic solvent appropriately, add a drop amount of an electrolyte solution to make a paste, It is applied to the polymer electrolyte membrane 14 by screen printing or the like. Further, a sheet formed by film-forming the paste containing the carbon powder is pressed on the polymer electrolyte membrane 14, or platinum or the like is applied to the surfaces of the diffusion layers 32 and 36 on the side facing the polymer electrolyte membrane 14. You may make it apply | coat.

アノード拡散電極１６及びカソード拡散電極１８の拡散層３２、３６は、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスなどが用いられる。なお、カーボンクロスのほか、炭素繊維から成るカーボンペーパーやカーボンフェルトなどで構成した形態であっても良い。   The diffusion layers 32 and 36 of the anode diffusion electrode 16 and the cathode diffusion electrode 18 are made of carbon cloth woven with carbon fiber yarns. In addition to the carbon cloth, a form made of carbon paper or carbon felt made of carbon fiber may be used.

セパレータ２２、２４は、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンなどのガス不透過の導電性部材によって形成される。このセパレータ２２、２４は、複数の単セルを積層してスタック構造を形成するときに、一つのセパレータ２２又はセパレータ２４が二つの膜電極接合体２０の間で共有され、セパレータ２２、２４の両側の面に流路が形成される。例えば、セパレータ２２は、隣接する単セルのセパレータ２４を成し、セパレータ２４は、隣接する単セルのセパレータ２２を成す。   The separators 22 and 24 are formed of, for example, a gas-impermeable conductive member such as dense carbon that has been made to be gas-impermeable by compressing carbon. The separators 22 and 24 are formed by stacking a plurality of single cells to form a stack structure, and one separator 22 or the separator 24 is shared between the two membrane electrode assemblies 20, A flow path is formed on the surface. For example, the separator 22 forms an adjacent single cell separator 24, and the separator 24 forms an adjacent single cell separator 22.

燃料電池１２は、スタック構造における水素ガス流路２６に、水素（Ｈ２）密度の高い水素ガスが供給され、エア流路２８に酸素（Ｏ２）を含む空気が供給され、下記式で表される電気化学反応（電池反応）によって外部に電力を供給することができる。 In the fuel cell 12, hydrogen gas having a high hydrogen (H 2 ) density is supplied to the hydrogen gas passage 26 in the stack structure, and air containing oxygen (O 2 ) is supplied to the air passage 28. Electric power can be supplied to the outside by an electrochemical reaction (battery reaction).

Ｈ２ → ２Ｈ＋＋２ｅ−
（1/2）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ− → Ｈ２Ｏ
Ｈ２＋（1/2）Ｏ２ → Ｈ２Ｏ
図１に示されるように、燃料電池１２には、アノード側に、水素供給管３８及び排出管４０のそれぞれの一端が接続されており、水素供給配管３８は、単セルが積層されたスタック構造の水素ガス流路２６の供給口に連通され、排出管４０は、水素ガス流路２６の排出口に連通されている（何れも図示省略）。 H 2 → 2H + + 2e −
(1/2) O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O
H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O
As shown in FIG. 1, the fuel cell 12 has one end of a hydrogen supply pipe 38 and a discharge pipe 40 connected to the anode side, and the hydrogen supply pipe 38 has a stack structure in which single cells are stacked. The hydrogen gas flow path 26 communicates with the supply port, and the discharge pipe 40 communicates with the hydrogen gas flow path 26 (all are not shown).

水素供給管３８の他端には、水素ガスが高圧充填される水素タンク４２が連結され、これにより、水素タンク４２内の水素ガスが、燃料電池１２へ供給可能となっている。また、水素供給管３８には、中間部にシャットバルブ４４、高圧レギュレータ４６、低圧レギュレータ４８及び、シャットバルブ５０が水素タンク４２側から順に配設されており、シャットバルブ４４、高圧レギュレータ４６、低圧レギュレータ４８及びシャットバルブ５０の開閉状態を制御することにより、水素ガスの供給量及び供給圧力の調整がなされるようになっている。   A hydrogen tank 42 filled with hydrogen gas at a high pressure is connected to the other end of the hydrogen supply pipe 38, whereby the hydrogen gas in the hydrogen tank 42 can be supplied to the fuel cell 12. Further, in the hydrogen supply pipe 38, a shut valve 44, a high pressure regulator 46, a low pressure regulator 48, and a shut valve 50 are sequentially arranged from the hydrogen tank 42 side in the middle portion, and the shut valve 44, the high pressure regulator 46, the low pressure By controlling the open / close state of the regulator 48 and the shut valve 50, the supply amount and supply pressure of the hydrogen gas are adjusted.

なお、水素タンク４２に換えて、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素を生成し、生成した水素ガスが燃料電池１２のアノード側に供給されるものであっても良い。   Instead of the hydrogen tank 42, hydrogen may be generated by a reforming reaction using alcohol, hydrocarbon, aldehyde or the like as a raw material, and the generated hydrogen gas may be supplied to the anode side of the fuel cell 12. .

排出管４０には、シャットバルブ５２、水素ポンプ５４を備え、他端が逆止弁５６を介して水素供給管３８に連結されており、燃料電池１２から排出ガス（アノードオフガス）が、排出管４０に排出される。また、排出管４０には、シャットバルブ５８が設けられた排出配管６０の一端が接続されており、排出配管６０の他端が希釈器６２に接続されている。   The discharge pipe 40 includes a shut valve 52 and a hydrogen pump 54, and the other end is connected to the hydrogen supply pipe 38 via a check valve 56, and exhaust gas (anode off gas) is discharged from the fuel cell 12 to the discharge pipe. 40 is discharged. In addition, one end of a discharge pipe 60 provided with a shut valve 58 is connected to the discharge pipe 40, and the other end of the discharge pipe 60 is connected to a diluter 62.

これにより、排出配管６０のシャットバルブ５８が閉じられている状態では、アノードオフガスが水素ポンプ５４によって加圧されて、水素供給管３８へ戻され、燃料電池１２へ循環供給される。   Thereby, in a state where the shut valve 58 of the discharge pipe 60 is closed, the anode off gas is pressurized by the hydrogen pump 54, returned to the hydrogen supply pipe 38, and circulated and supplied to the fuel cell 12.

燃料電池１２から排出されるアノードオフガスには、発電運転で消費されなかった水素が残量しており、このアノードオフガスを循環することにより、水素の有効活用を図る。   The anode off-gas discharged from the fuel cell 12 has a remaining amount of hydrogen that has not been consumed in the power generation operation, and the anode off-gas is circulated to effectively use the hydrogen.

また、アノードオフガス中には、例えば、カソードから高分子電解質膜１４を透過してきて消費されずに残留した窒素などの不純物が含まれ、アノードオフガスが循環されることによりこの不純物濃度が徐々に増加する。このときに、シャットバルブ５８を開くことにより、不純物を含んだアノードオフガスを排出して、不純物の循環量を減少させることができる。   In addition, the anode off gas contains, for example, impurities such as nitrogen that have permeated through the polymer electrolyte membrane 14 from the cathode and remained without being consumed, and this impurity concentration gradually increases as the anode off gas is circulated. To do. At this time, by opening the shut valve 58, the anode off gas containing impurities can be discharged, and the amount of impurities circulating can be reduced.

なお、シャットバルブ５８を開くことにより排出配管６０へ排出されるアノードオフガスは、希釈器６２で空気によって希釈されて外部に排気される。このとき、水素も同時に排出されるため、シャットバルブ５８の開度を極力抑えることが燃費向上を図る上で好ましい。また、シャットバルブ４４、５０、５２は、例えば緊急時などで、特に水素を閉じ込める場合に使用される。   The anode off gas discharged to the discharge pipe 60 by opening the shut valve 58 is diluted with air by the diluter 62 and exhausted to the outside. At this time, since hydrogen is also discharged at the same time, it is preferable to suppress the opening degree of the shut valve 58 as much as possible in order to improve fuel efficiency. Further, the shut valves 44, 50, 52 are used, for example, in an emergency, for example, when hydrogen is confined.

一方、燃料電池１２には、カソード側に、エア供給管６４及び排出配管６６の一端が接続され、エア供給管６４がエア流路２８の供給口に連通され、排出配管６６がエア流路２８の排出口に連通されている。エア供給管６４には、コンプレッサ６８及び加湿器７０が設けられると共に、他端側に給気ダクト７２が設けられている。これにより、コンプレッサ６８が回転駆動されると、給気ダクト７２から図示しないフィルタを介してエア（空気）が吸引され、加湿器７０によって加湿されながら所定の供給圧で燃料電池１２に供給される。   On the other hand, one end of an air supply pipe 64 and a discharge pipe 66 is connected to the fuel cell 12 on the cathode side, the air supply pipe 64 communicates with a supply port of the air flow path 28, and the discharge pipe 66 is connected to the air flow path 28. It is connected to the discharge port. The air supply pipe 64 is provided with a compressor 68 and a humidifier 70, and an air supply duct 72 is provided on the other end side. Thus, when the compressor 68 is driven to rotate, air (air) is sucked from the air supply duct 72 through a filter (not shown), and is supplied to the fuel cell 12 at a predetermined supply pressure while being humidified by the humidifier 70. .

排気配管６６には、調圧バルブ７４が設けられ、他端にマフラ７６が設けられている。これにより、電池反応によって酸素密度が低くなって燃料電池１２のカソード側から排出される排出空気（カソードオフガス）及び生成水が排気配管６６からマフラ７６を介して外部に排気される。また、コンプレッサ６８によって圧縮されて燃料電池１２へ供給される空気の供給圧は、調圧バルブ７４の開度が制御されることにより調整される。   The exhaust pipe 66 is provided with a pressure regulating valve 74, and a muffler 76 is provided at the other end. As a result, the oxygen density is lowered by the cell reaction, and the exhaust air (cathode offgas) and generated water discharged from the cathode side of the fuel cell 12 are exhausted from the exhaust pipe 66 to the outside through the muffler 76. The supply pressure of the air compressed by the compressor 68 and supplied to the fuel cell 12 is adjusted by controlling the opening degree of the pressure regulating valve 74.

一方、燃料電池システム１０には、コントロールユニット７８が設けられている。このコントロールユニット７８には、コンプレッサ６８、各バルブ及び図示しない各種のセンサが接続されている。   On the other hand, the fuel cell system 10 is provided with a control unit 78. The control unit 78 is connected to the compressor 68, each valve, and various sensors (not shown).

このコントロールユニット７８は、車両に設けられているバッテリ８０から供給される電力によって作動し、バッテリ８０から供給される電力によってコンプレッサ６８を駆動すると共に各バルブを作動させて燃料電池１２の発電動作を制御する。   The control unit 78 is operated by the electric power supplied from the battery 80 provided in the vehicle, drives the compressor 68 by the electric power supplied from the battery 80, and operates each valve to perform the power generation operation of the fuel cell 12. Control.

これにより、燃料電池システム１０では、水素タンク４２から所定圧力の水素ガスが燃料電池１２の水素ガス流路２６へ供給されると共に、コンプレッサ６８によって圧縮した空気が燃料電池１２のエア流路２８へ供給され、燃料電池１２内で電気化学反応（電池反応）が行なわれることにより発電された電力が出力される。このとき、燃料電池システム１０では、燃料電池１２へ供給する水素ガス及び空気の圧力を高くすることにより、反応速度を上昇させて発電効率の向上を図るようにしている。このような燃料電池システム１０の基本的構成は、公知の構成を適用することができる。   As a result, in the fuel cell system 10, hydrogen gas at a predetermined pressure is supplied from the hydrogen tank 42 to the hydrogen gas passage 26 of the fuel cell 12, and air compressed by the compressor 68 is supplied to the air passage 28 of the fuel cell 12. The electric power generated by the electrochemical reaction (cell reaction) in the fuel cell 12 is supplied. At this time, in the fuel cell system 10, by increasing the pressure of the hydrogen gas and air supplied to the fuel cell 12, the reaction rate is increased to improve the power generation efficiency. A known configuration can be applied to the basic configuration of such a fuel cell system 10.

ところで、燃料電池システム１０では、燃料電池１２に冷却液配管８２、８４の一端が接続され、この冷却液配管８２、８４の他端は、燃料電池用の熱交換器（ＦＣラジエータ８６とする）に接続している。また、冷却液配管８４には、中間部に循環ポンプ８８が設けられている。   By the way, in the fuel cell system 10, one end of the coolant pipes 82 and 84 is connected to the fuel cell 12, and the other end of the coolant pipes 82 and 84 is a fuel cell heat exchanger (referred to as an FC radiator 86). Connected to. The coolant pipe 84 is provided with a circulation pump 88 in the middle.

循環ポンプ８８は、コントロールユニット７８に接続されており、コントロールユニット７８に制御されて作動することにより、燃料電池１２とＦＣラジエータ８６の間で、冷却液の循環がなされる。   The circulation pump 88 is connected to the control unit 78, and operates under the control of the control unit 78, whereby the coolant is circulated between the fuel cell 12 and the FC radiator 86.

ＦＣラジエータ８６は、例えば、車両の走行ないし冷却ファン９０の作動によって車両前方側（矢印ＦＲ方向側）から外気が冷却風として導風されるようになっており、これにより、ＦＣラジエータ８６では、冷却風と冷却液との間で熱交換が行われるようになっている。   The FC radiator 86 is configured such that outside air is guided as cooling air from the front side of the vehicle (arrow FR direction side) by running the vehicle or operating the cooling fan 90, for example. Heat exchange is performed between the cooling air and the coolant.

燃料電池１２では、電池反応によって発熱し、温度上昇が生じる。このときに、ＦＣラジエータ８６で冷却した冷却液を、燃料電池１２内を循環されることにより、燃料電池１２の昇温が抑えられる。コントロールユニット７８では、冷却液を循環して燃料電池１２の冷却を行うことにより、燃料電池１２の温度を最も高い発電効率が得られる温度範囲に維持するようにしている。   In the fuel cell 12, heat is generated by a cell reaction, and a temperature rise occurs. At this time, the coolant cooled by the FC radiator 86 is circulated through the fuel cell 12, thereby suppressing the temperature rise of the fuel cell 12. In the control unit 78, the coolant is circulated to cool the fuel cell 12, so that the temperature of the fuel cell 12 is maintained within a temperature range in which the highest power generation efficiency can be obtained.

また、燃料電池システム１０では、冷却液配管８４の中間部にコンプレッサ６８が設けられており、循環ポンプ８８が作動されることにより、ＦＣラジエータ８６から燃料電池１２へ循環される冷却液がコンプレッサ６８を通過するようにしている。   Further, in the fuel cell system 10, a compressor 68 is provided at an intermediate portion of the coolant pipe 84, and the coolant circulated from the FC radiator 86 to the fuel cell 12 is operated by operating the circulation pump 88. To pass through.

燃料電池システム１０では、コンプレッサ６８で空気を圧縮して燃料電池１２へ供給するようにしており、コンプレッサ６８で空気の圧縮を行なうことにより、コンプレッサ６８に温度上昇が生じる。このときに、コンプレッサ６８へ冷却液が循環されることにより、コンプレッサ６８の温度上昇が抑えられるようにしている。   In the fuel cell system 10, air is compressed by the compressor 68 and supplied to the fuel cell 12. When the compressor 68 compresses the air, the compressor 68 rises in temperature. At this time, the coolant is circulated to the compressor 68 so that the temperature rise of the compressor 68 is suppressed.

一方、燃料電池システム１０は、冷却液配管８２の中間部に三方弁などを用いた切換バルブ９２が設けられており、この切換バルブ９２にバイパス管９４の一端が接続されている。また、このバイパス管９４は、他端がコンプレッサ６８とＦＣラジエータ８６の間で冷却液配管８４に接続している。   On the other hand, the fuel cell system 10 is provided with a switching valve 92 using a three-way valve or the like at an intermediate portion of the coolant pipe 82, and one end of a bypass pipe 94 is connected to the switching valve 92. The other end of the bypass pipe 94 is connected to the coolant pipe 84 between the compressor 68 and the FC radiator 86.

切換バルブ９２は、コントロールユニット７８に接続しており、コントロールユニット７８は、切換バルブ９２を作動することにより、冷却液の流路を、ＦＣラジエータ８６を通過する流路と、ＦＣラジエータ８６をバイパスする流路に切り換える。   The switching valve 92 is connected to the control unit 78, and the control unit 78 operates the switching valve 92, thereby bypassing the flow path of the coolant and the flow path passing through the FC radiator 86 and the FC radiator 86. Switch to the flow path.

これにより、冷却液の流路がＦＣラジエータ８６を通過する流路となると、ＦＣラジエータ８６、コンプレッサ６８及び燃料電池１２の間で冷却液が循環される。また、冷却液の流路がＦＣラジエータ８６をバイパスする流路（バイパス管９４）に切り換えられることにより、コンプレッサ６８と燃料電池１２との間で冷却液が循環される。   Thus, when the flow path of the coolant becomes a flow path that passes through the FC radiator 86, the coolant is circulated between the FC radiator 86, the compressor 68, and the fuel cell 12. In addition, the coolant is circulated between the compressor 68 and the fuel cell 12 by switching the coolant flow path to a flow path (bypass pipe 94) that bypasses the FC radiator 86.

また、燃料電池１２には、内部の温度（内部温度ＴＢ）を検知する温度センサ９６が設けられており、この温度センサ９６がコントロールユニット７８に接続している。 Further, the fuel cell 12 is provided with a temperature sensor 96 that detects an internal temperature (internal temperature T B ), and this temperature sensor 96 is connected to the control unit 78.

燃料電池システム１０のコントロールユニット７８では、燃料電池１２を起動するときに、温度センサ９６によって燃料電池１２の内部温度ＴＢを検出し、内部温度ＴＢが低いと燃料電池１２を暖機する。 In the control unit 78 of the fuel cell system 10, when starting the fuel cell 12, to detect the internal temperature T B of the fuel cell 12 by the temperature sensor 96, to warm up the fuel cell 12 and the internal temperature T B.

このとき、燃料電池１２を起動しながら暖機を行なうときの第１の温度とする下限温度ＴＬと、第２の温度とする上限温度ＴＨを設定している。この下限温度ＴＬは、燃料電池１２の内部に凍結等が生じて燃料電池１２の起動が困難と判断しうる温度となっており、また、上限温度ＴＨは、燃料電池１２の起動は可能であるが、適正運転状態に達してはいないと判断しうる温度に設定されている。 In this case, it is set with the lower limit temperature T L to the first temperature when performing warm-up while starting the fuel cell 12, the maximum temperature T H of the second temperature. The lower limit temperature T L, the startup of the fuel cell 12 inside the freezing or the like occurs in the fuel cell 12 has a temperature which can be determined with difficulty, also, the upper limit temperature T H, the activation of the fuel cell 12 is possible However, it is set to a temperature at which it can be determined that the proper operating state has not been reached.

コントロールユニット７８では、燃料電池１２の内部温度ＴＢが下限温度ＴＬを超えるまでは、燃料電池１２の起動を停止すると共に、コンプレッサ６８を駆動し、コンプレッサ６８と燃料電池１２との間で冷却液の循環を行う。 In the control unit 78, until the internal temperature T B of the fuel cell 12 exceeds the lower limit temperature T L, it stops the activation of the fuel cell 12, to drive the compressor 68, cooling between the compressor 68 and the fuel cell 12 Circulate the liquid.

このときに、コントロールユニット７８では、調圧バルブ７４を閉じて、コンプレッサ６８の負荷を大きくすることにより、コンプレッサ６８が発する熱で冷却液を加熱して燃料電池１２の昇温を図ると共に、コンプレッサ６８によって圧縮されることにより昇温された空気を燃料電池１２へ供給することにより燃料電池１２の昇温を図る。   At this time, the control unit 78 closes the pressure regulating valve 74 and increases the load of the compressor 68, thereby heating the coolant with the heat generated by the compressor 68 to increase the temperature of the fuel cell 12, and the compressor The temperature of the fuel cell 12 is raised by supplying the air heated by the compression by the air 68 to the fuel cell 12.

また、コントロールユニット７８では、内部温度ＴＢが下限温度ＴＬと上限温度ＴＨの範囲であるときには、燃料電池１２の空気の供給圧が所定圧となるように調圧バルブ７４を開いて燃料電池１２を起動し、コンプレッサ６８によって加熱された冷却液と、燃料電池１２が発電動作を行なうことにより生じる熱によって燃料電池１２の昇温を図るようにしている。 Further, the control unit 78, when the internal temperature T B is in the range of minimum temperature T L and the upper limit temperature T H is a pressure regulating valve 74 so that the supply pressure of the air in the fuel cell 12 becomes a predetermined pressure to open the fuel The battery 12 is activated, and the temperature of the fuel cell 12 is increased by the coolant heated by the compressor 68 and the heat generated by the fuel cell 12 performing a power generation operation.

このように構成されている燃料電池システム１０では、燃料電池１２の起動指示が入力されることにより、コントロールユニット７８が、各バルブを作動すると共に、コンプレッサ６８を駆動する。これにより、水素タンク４２から所定圧力の水素ガスが、燃料電池１２のスタックの水素ガス供給路２６へ供給されると共に、加湿器７０によって加湿された後、コンプレッサ６８によって圧縮された空気がエア流路２８へ供給される。   In the fuel cell system 10 configured as described above, when a start instruction for the fuel cell 12 is input, the control unit 78 operates each valve and drives the compressor 68. As a result, hydrogen gas of a predetermined pressure is supplied from the hydrogen tank 42 to the hydrogen gas supply path 26 of the stack of the fuel cell 12, and after being humidified by the humidifier 70, the air compressed by the compressor 68 flows into the air flow. Supplied to the path 28.

これにより、燃料電池１２では、電気化学反応が発生して、これにより生じる電力を出力する。   Thereby, in the fuel cell 12, an electrochemical reaction occurs, and electric power generated thereby is output.

また、コントロールユニット７８では、燃料電池１２の発電動作に応じて循環ポンプ８８を作動させる。切換バルブ９２は、通常、冷却液がＦＣラジエータ８６へ循環されるように切り換えられており、これにより、燃料電池１２、ＦＣラジエータ８６及びコンプレッサ６８の間で冷却液が循環され、燃料電池１２及びコンプレッサ６８の温度上昇を抑える。   Further, the control unit 78 operates the circulation pump 88 according to the power generation operation of the fuel cell 12. The switching valve 92 is normally switched so that the coolant is circulated to the FC radiator 86, whereby the coolant is circulated among the fuel cell 12, the FC radiator 86, and the compressor 68. The rise in temperature of the compressor 68 is suppressed.

これにより、燃料電池システム１０では、燃料電池１２の効率的な発電動作が行なわれる。このような燃料電池システム１０は、公知の基本的構成を適用することができる。   Thereby, in the fuel cell system 10, an efficient power generation operation of the fuel cell 12 is performed. A known basic configuration can be applied to such a fuel cell system 10.

ところで、燃料電池１２では、加湿器７０によって加湿された空気が供給されることにより、高分子電解質膜１４が湿潤状態に保たれ、これにより、イオン導電性が高められている。このような燃料電池１２が、発電停止状態で、例えば氷点下以下などの低温域にあると単セル内で水分の凍結等が生じ、起動が困難となったり、起動ができたとしても発電効率が極めて低下した状態となる。   By the way, in the fuel cell 12, when the air humidified by the humidifier 70 is supplied, the polymer electrolyte membrane 14 is kept in a wet state, thereby improving the ionic conductivity. When such a fuel cell 12 is in a power generation stopped state, for example, in a low temperature range such as below freezing point, moisture freezes in the single cell, and even if it becomes difficult to start or power generation efficiency is improved. It will be in a very lowered state.

ここから、コントロールユニット７８では、燃料電池１２の起動指示が入力されたときに、燃料電池１２の内部温度ＴＢが低くなっていると、燃料電池１２の暖機を行うことにより、燃料電池１２の確実な起動と、起動直後から効率的な発電運転が可能となるようにしている。 From here, the control unit 78, when the startup instruction of the fuel cell 12 is input, the internal temperature T B of the fuel cell 12 is low, by performing the warm-up of the fuel cell 12, fuel cell 12 It is possible to ensure that power can be efficiently started and efficient power generation operation immediately after startup.

ここで、図３を参照しながら、コントロールユニット７８によって実行される起動制御を説明する。なお、燃料電池システム１０では、燃料電池１２の起動指示が入力されると起動制御を行い、起動制御が終了すると、通常制御へ移行するようにしている。   Here, the startup control executed by the control unit 78 will be described with reference to FIG. In the fuel cell system 10, the start control is performed when the start instruction of the fuel cell 12 is input, and the normal control is shifted to the end when the start control ends.

このフローチャートでは、最初のステップ１００で燃料電池１２の起動指示が入力されたか否かを確認し、起動指示が入力されるとステップ１００で肯定判定して起動制御を開始する。   In this flowchart, it is confirmed in the first step 100 whether or not a start instruction for the fuel cell 12 has been input. When the start instruction is input, an affirmative determination is made in step 100 and start control is started.

この起動制御では、先ず、ステップ１０２で、温度センサ９６によって検出する燃料電池１２の内部温度ＴＢを読み込み、次のステップ１０４では、内部温度ＴＢが、下限温度ＴＬ以下か否かを確認する。このときの下限温度ＴＬとしては、例えば、燃料電池１２内で水分の凍結が生じている可能性のある温度（例えば０°Ｃ）などを適用することができる。 In this activation control, first, confirmed in step 102, reads the internal temperature T B of the fuel cell 12 detected by the temperature sensor 96, the next step 104, the internal temperature T B is, whether more than the lower limit temperature T L To do. As the lower limit temperature TL at this time, for example, a temperature (for example, 0 ° C.) at which moisture may be frozen in the fuel cell 12 can be applied.

ここで、例えば、車両の駐車環境が低温域であり、内部温度ＴＢが下限温度ＴＬに達していないときには、ステップ１０４で肯定判定してステップ１０６へ移行する。このステップ１０６では、燃料電池１２のカソード側の排出管路６６に設けている調圧バルブ７４を閉状態とすることにより、コンプレッサ６８を駆動したときに、吐出圧が高くなるように設定し、コンプレッサ６８が高負荷となるようにする。なお、このときの調圧バルブ７４の設定圧は、コンプレッサ６８の許容範囲で、燃料電池１２の単セルの耐圧範囲内となるようにしている。 Here, for example, vehicle parking environment is a low temperature range, when the internal temperature T B does not reach the lower limit temperature T L, the process proceeds to step 106 and an affirmative determination is made in step 104. In this step 106, the pressure regulating valve 74 provided in the discharge pipe 66 on the cathode side of the fuel cell 12 is closed to set the discharge pressure to be high when the compressor 68 is driven, The compressor 68 is set to have a high load. Note that the set pressure of the pressure regulating valve 74 at this time is set within the allowable range of the compressor 68 and within the pressure resistance range of the single cell of the fuel cell 12.

これと共に、ステップ１０８では、切換バルブ９２を操作して、冷却液が会いパス路９４へ流れえるようにする。   At the same time, in step 108, the switching valve 92 is operated to allow the coolant to meet and flow to the path 94.

この後、ステップ１１０では、コンプレッサ６８の駆動を開始し、ステップ１１２では、循環ポンプ８８の駆動を開始する。これにより、コンプレッサ６８が高負荷で駆動されると共に、コンプレッサ６８と燃料電池１２との間で冷却液が循環される。   Thereafter, in step 110, driving of the compressor 68 is started, and in step 112, driving of the circulation pump 88 is started. As a result, the compressor 68 is driven with a high load, and the coolant is circulated between the compressor 68 and the fuel cell 12.

コンプレッサ６８は、高負荷で駆動されることにより温度上昇が生じ、この温度上昇によって加熱された冷却液が燃料電池１２へ循環されることにより、燃料電池１２の昇温が図られる。また、コンプレッサ６８では、空気の圧縮を行なうようになっており、これにより、コンプレッサ６８から吐出される空気が高温となる。   The compressor 68 is driven at a high load to increase its temperature, and the coolant heated by the increase in temperature is circulated to the fuel cell 12 so that the temperature of the fuel cell 12 is increased. Further, the compressor 68 compresses air, so that the air discharged from the compressor 68 becomes high temperature.

また、燃料電池システム１０では、コンプレッサ６８の吐出圧を、燃料電池１２の排出側に設けている調圧バルブ７４よって調整するようにしており、コンプレッサ６８によって昇温された空気は、燃料電池１２に供給されて、燃料電池１２の昇温を行なう。   Further, in the fuel cell system 10, the discharge pressure of the compressor 68 is adjusted by a pressure regulating valve 74 provided on the discharge side of the fuel cell 12, and the air heated by the compressor 68 is supplied to the fuel cell 12. To raise the temperature of the fuel cell 12.

このように、燃料電池システム１０では、コンプレッサ６８を高負荷で駆動することにより発生される熱と、コンプレッサ６８が圧縮を行なうことにより温度が上昇された空気によって並行して燃料電池１２の暖機を行なうので、効率的にかつ的確に燃料電池１２の昇温を行なうことができる。   Thus, in the fuel cell system 10, the fuel cell 12 is warmed up in parallel by the heat generated by driving the compressor 68 with a high load and the air whose temperature has been increased by the compressor 68 performing compression. Therefore, the temperature of the fuel cell 12 can be raised efficiently and accurately.

このようにして燃料電池１２の昇温を行ないながら、ステップ１１４では、温度センサ９６によって検出する燃料電池１２の内部温度ＴＢを読み込み、ステップ１１６では、内部温度ＴＢが下限温度ＴＬを超えたか否か、すなわち、燃料電池１２が動作可能な温度に達したか否かを確認する。 While performing the Atsushi Nobori of the fuel cell 12 Thus, in step 114, it reads the internal temperature T B of the fuel cell 12 detected by the temperature sensor 96, in step 116, beyond the lower limit temperature T L is the internal temperature T B Whether or not the fuel cell 12 has reached an operable temperature is confirmed.

これにより、燃料電池１２の内部温度ＴＢが下限温度ＴＬを超えると、ステップ１１６で肯定判定してステップ１１８へ移行する。なお、燃料電池１２の起動指示が入力されたときに、燃料電池１２の内部温度ＴＢが下限温度ＴＬを超えているときには、ステップ１０４で否定判定してステップ１１８へ移行する。 Thus, the internal temperature T B of the fuel cell 12 exceeds the lower limit temperature T L, to migrate affirmative determination is made in step 116 to step 118. Incidentally, when the startup instruction of the fuel cell 12 is input, when the internal temperature T B of the fuel cell 12 exceeds the lower limit temperature T L, the process proceeds to step 118 makes a negative decision in step 104.

このステップ１１８では、燃料電池１２へ供給される空気の圧力が、燃料電池１２の発電動作を行なうときの圧力となるように調圧バルブ７４を開く。また、ステップ１２０では、切換バルブ９２を操作して、冷却液がバイパス路９４を流れるように切り換える。なお、既に切換バルブ９２の切換操作が行なわれているときには、その操作状態を保持する。   In this step 118, the pressure regulating valve 74 is opened so that the pressure of the air supplied to the fuel cell 12 becomes the pressure when the fuel cell 12 performs the power generation operation. In step 120, the switching valve 92 is operated so that the coolant flows through the bypass 94. Note that when the switching operation of the switching valve 92 has already been performed, the operation state is maintained.

これと共に、ステップ１２２では、コンプレッサ６８を駆動することにより、調圧バルブ７４の設定圧力に応じた空気を燃料電池１２へ供給すると共に、水素タンク４２から所定圧力の水素ガスを燃料電池１２へ供給することにより燃料電池１２を起動する。このとき、循環ポンプ８８を駆動することにより、コンプレッサ６８と燃料電池１２との間で冷却液を循環する。   At the same time, in step 122, by driving the compressor 68, air corresponding to the set pressure of the pressure regulating valve 74 is supplied to the fuel cell 12, and hydrogen gas at a predetermined pressure is supplied from the hydrogen tank 42 to the fuel cell 12. By doing so, the fuel cell 12 is started. At this time, the coolant is circulated between the compressor 68 and the fuel cell 12 by driving the circulation pump 88.

これにより、燃料電池１２では、発電動作を行なうことにより発生する熱と、コンプレッサ６８の熱によって加熱された冷却液とによって昇温が図られる。   Thereby, in the fuel cell 12, the temperature is raised by the heat generated by performing the power generation operation and the coolant heated by the heat of the compressor 68.

この後、ステップ１２４では、温度センサ９６によって検出する燃料電池１２の内部温度ＴＢを読み込み、ステップ１２６では、内部温度ＴＢが上限温度ＴＨに達したか否かを確認する。このときの上限温度ＴＨは、暖機を必要とする上限の温度であり、燃料電池１２が適正に発電動作可能な温度の下限温度としている。 Thereafter, in step 124, it reads the internal temperature T B of the fuel cell 12 detected by the temperature sensor 96, in step 126, the internal temperature T B to verify whether it has reached the upper limit temperature T H. Maximum temperature T H of this time, the temperature of the upper limit that require warm-up, the fuel cell 12 is the lower limit temperature of the proper power operable temperature.

ここで、燃料電池１２が昇温され、内部温度ＴＢが上限温度ＴＨに達すると、ステップ１２６で肯定判定してステップ１２８へ移行する。このステップ１２８では、切換バルブ９２を操作することにより冷却液がＦＣラジエータ８６へ循環されるように冷却液の流路を切り換え、燃料電池１２の起動制御を終了し、通常の発電制御へ移行する。 Here, the fuel cell 12 is heated, the internal temperature T B reaches the upper limit temperature T H, the process proceeds to step 128 and an affirmative determination is made in step 126. In this step 128, the flow path of the coolant is switched by operating the switching valve 92 so that the coolant is circulated to the FC radiator 86, the start-up control of the fuel cell 12 is terminated, and the normal power generation control is shifted to. .

このように、燃料電池システム１０では、燃料電池１２を起動するときに、燃料電池１２の内部温度ＴＢが下限温度ＴＬに達していないときには、コンプレッサ６８を高負荷で運転して、このときに発生する熱によって燃料電池１２の昇温を図る。また、コンプレッサ６８によって圧縮されて昇温された空気を燃料電池１２へ供給することにより、コンプレッサ６８を駆動することにより発生する熱を有効に利用し、効率的に燃料電池１２の昇温を行うことができる。 Thus, in the fuel cell system 10, when starting the fuel cell 12, when the internal temperature T B of the fuel cell 12 has not reached the lower limit temperature T L is driving a compressor 68 at high load, this time The temperature of the fuel cell 12 is increased by the heat generated in the fuel cell. Further, by supplying the air heated by the compressor 68 and heated to the fuel cell 12, the heat generated by driving the compressor 68 is effectively used, and the temperature of the fuel cell 12 is efficiently increased. be able to.

このとき、燃料電池１２とコンプレッサ６８を冷却する冷却液の循環経路に切換バルブ９２とバイパス路９４を設ける簡単な構成で達成することができる。   At this time, this can be achieved with a simple configuration in which the switching valve 92 and the bypass 94 are provided in the coolant circulation path for cooling the fuel cell 12 and the compressor 68.

一方、本実施の形態では、予め燃料電池１２、ＦＣラジエータ８６及びコンプレッサ６８の間で冷却液が循環される燃料電池システム１０を例に説明したが、通常の冷却液の循環を燃料電池とＦＣラジエータとの間で行い、低温域での起動時に、ＦＣラジエータをバイパスする管路が、コンプレッサに密接するか接触するなどして、コンプレッサと冷媒との間で熱交換が可能となるようにした構成であっても良い。   On the other hand, in the present embodiment, the fuel cell system 10 in which the coolant is circulated in advance between the fuel cell 12, the FC radiator 86, and the compressor 68 has been described as an example. Performed with the radiator, and when starting in a low temperature range, the pipe bypassing the FC radiator is in close contact with or in contact with the compressor so that heat can be exchanged between the compressor and the refrigerant. It may be a configuration.

すなわち、通常は、冷却液によって燃料電池のみを冷却する構成であるときに、バイパス管９４がコンプレッサと冷却液との間で熱交換可能に設けたものであっても良い。   That is, normally, when only the fuel cell is cooled by the coolant, the bypass pipe 94 may be provided so that heat can be exchanged between the compressor and the coolant.

また、燃料電池１２の冷却回路と分離してコンプレッサ６８の冷却回路が設けられているときには、それぞれの冷却回路のラジエータ（冷却用放熱器）をバイパスして燃料電池１２とコンプレッサ６８との間で冷却液を循環する冷却回路を形成するように冷却回路の切り換えが行われるものであっても良い。   Further, when the cooling circuit of the compressor 68 is provided separately from the cooling circuit of the fuel cell 12, the radiator (cooling radiator) of each cooling circuit is bypassed between the fuel cell 12 and the compressor 68. The cooling circuit may be switched so as to form a cooling circuit for circulating the coolant.

なお、以上説明した本実施の形態は、本発明の一例を示すものであり、本発明の構成を限定するものではない。例えば、本実施の形態では、燃料電池１２の排出側に設けた調圧バルブ７４を閉じることにより、コンプレッサ６８が高負荷で駆動されるようにしたが、これに限らず、コンプレッサ６８と燃料電池１２との間で、シャットバルブや調圧バルブを設けて、コンプレッサ６８が高負荷で駆動されるようにしても良い。   The present embodiment described above shows an example of the present invention and does not limit the configuration of the present invention. For example, in the present embodiment, the compressor 68 is driven at a high load by closing the pressure regulating valve 74 provided on the discharge side of the fuel cell 12, but the present invention is not limited to this, and the compressor 68 and the fuel cell are not limited thereto. 12 may be provided with a shut valve or a pressure regulating valve so that the compressor 68 is driven at a high load.

また、本実施の形態では、燃料電池システム１０を例に説明したが、本発明は、これに限らず、個体高分子型燃料電池を用いて発電を行う任意の構成の燃料電池システムに適用することができる。   In the present embodiment, the fuel cell system 10 has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and the present invention is applied to a fuel cell system having an arbitrary configuration that generates power using a solid polymer fuel cell. be able to.

本実施の形態に適用した燃料電池システムの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the fuel cell system applied to this Embodiment. 燃料電池を形成する単セルの一例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows an example of the single cell which forms a fuel cell. 起動制御の一例を示す流れ図である。It is a flowchart which shows an example of starting control.

符号の説明Explanation of symbols

１０ 燃料電池システム
１２ 燃料電池
１４ 高分子電解質膜
１６ アノード拡散電極
１８ カソード拡散電極
４２ 水素タンク
６４ エア供給配管
６６ 排出配管
６８ コンプレッサ
７４ 調圧バルブ（調圧手段）
７８ コントロールユニット（起動制御手段）
８２、８４ 冷却液配管（循環手段）
８６ ＦＣラジエータ（放熱用熱交換器）
８８ 循環ポンプ（循環手段）
９２ 切換バルブ（切換手段）
９４ バイパス管（バイパス手段）
９６ 温度センサ（温度検出手段） DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell system 12 Fuel cell 14 Polymer electrolyte membrane 16 Anode diffusion electrode 18 Cathode diffusion electrode 42 Hydrogen tank 64 Air supply piping 66 Discharge piping 68 Compressor 74 Pressure regulation valve (pressure regulation means)
78 Control unit (startup control means)
82, 84 Coolant piping (circulation means)
86 FC radiator (heat exchanger for heat dissipation)
88 Circulation pump (circulation means)
92 Switching valve (switching means)
94 Bypass pipe (bypass means)
96 Temperature sensor (temperature detection means)

Claims (4)

燃料電池に空気ないし酸化ガスと水素ガスを供給して、燃料電池の電池反応によって発電する燃料電池システムであって、
燃料電池の内部温度を検出する温度検出手段と、
前記燃料電池へ供給する前記空気ないし酸化ガスを圧縮するコンプレッサと、
前記コンプレッサの圧縮圧を調整する調圧手段と、
燃料電池、コンプレッサ及び冷却用熱交換器との間で形成される冷却液の循環路と、
前記循環路内で前記冷却液を循環する循環手段と、
前記循環路に設けられて前記放熱用熱交換器をバイパス可能とする冷却液の循環路を形成するバイパス手段と、
前記冷却液の循環経路を前記放熱用熱交換器と前記バイパス手段との間で切り換える切換手段と、
前記温度検出手段によって検出する温度が予め設定された第１の温度より低いときに、前記調圧手段によって前記コンプレッサの吐出圧を上昇させてコンプレッサを駆動すると共に、前記切換手段によって前記冷却液の循環経路をバイパス手段に切り換えて前記循環手段を駆動する起動制御手段と、
を含むことを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell system that supplies air or an oxidizing gas and hydrogen gas to a fuel cell and generates power by a cell reaction of the fuel cell,
Temperature detecting means for detecting the internal temperature of the fuel cell;
A compressor for compressing the air or oxidizing gas supplied to the fuel cell;
Pressure adjusting means for adjusting the compression pressure of the compressor;
A coolant circulation path formed between the fuel cell, the compressor and the cooling heat exchanger;
A circulating means for circulating the coolant in the circulation path;
A bypass means provided in the circulation path to form a coolant circulation path capable of bypassing the heat dissipation heat exchanger;
Switching means for switching the circulation path of the coolant between the heat dissipation heat exchanger and the bypass means;
When the temperature detected by the temperature detecting means is lower than a preset first temperature, the pressure regulating means increases the discharge pressure of the compressor to drive the compressor, and the switching means causes the cooling liquid to be discharged. Start control means for switching the circulation path to bypass means to drive the circulation means;
A fuel cell system comprising: 燃料電池に空気ないし酸化ガスと水素ガスを供給して、燃料電池の電池反応によって発電する燃料電池システムであって、
燃料電池の内部温度を検出する温度検出手段と、
前記燃料電池へ供給する前記空気ないし酸化ガスを圧縮するコンプレッサと、
前記コンプレッサの圧縮圧を調整する調圧手段と、
燃料電池と冷却用熱交換器との間で形成される冷却液の循環路と、
前記循環路内で前記冷却液を循環する循環手段と、
前記放熱用熱交換器をバイパスして冷却液と前記コンプレッサとの間で熱交換可能とするバイパス手段と、
前記冷却液の循環経路を前記放熱用熱交換器と前記バイパス手段との間で切り換える切換手段と、
前記温度検出手段によって検出する温度が予め設定された第１の温度より低いときに、前記調圧手段によって前記コンプレッサの吐出圧を上昇させてコンプレッサを駆動すると共に、前記切換手段によって前記冷却液の循環経路をバイパス手段に切り換えて前記循環手段を駆動する起動制御手段と、
を含むことを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell system that supplies air or an oxidizing gas and hydrogen gas to a fuel cell and generates power by a cell reaction of the fuel cell,
Temperature detecting means for detecting the internal temperature of the fuel cell;
A compressor for compressing the air or oxidizing gas supplied to the fuel cell;
Pressure adjusting means for adjusting the compression pressure of the compressor;
A coolant circulation path formed between the fuel cell and the cooling heat exchanger;
A circulating means for circulating the coolant in the circulation path;
Bypass means for bypassing the heat-dissipating heat exchanger and enabling heat exchange between the coolant and the compressor;
Switching means for switching the circulation path of the coolant between the heat dissipation heat exchanger and the bypass means;
When the temperature detected by the temperature detecting means is lower than a preset first temperature, the pressure regulating means increases the discharge pressure of the compressor to drive the compressor, and the switching means causes the cooling liquid to be discharged. Start control means for switching the circulation path to bypass means to drive the circulation means;
A fuel cell system comprising: 前記調圧手段を、前記燃料電池からの前記空気ないし酸化ガスの排出側に設けていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。   3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the pressure adjusting unit is provided on a discharge side of the air or the oxidizing gas from the fuel cell. 4. 前記第１の温度よりも高い第２の温度が設定され、前記温度検出手段の検出温度が第１の温度より高く、第２の温度よりも低いときに、前記起動制御手段が、前記切換手段によって前記冷却液の循環経路をバイパス手段に切り換えて前記循環手段を駆動して、前記燃料電池の発電動作させることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
When the second temperature higher than the first temperature is set and the temperature detected by the temperature detecting means is higher than the first temperature and lower than the second temperature, the activation control means is configured to switch the switching means. The fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the circulation path of the coolant is switched to a bypass means to drive the circulation means to cause the fuel cell to perform a power generation operation. system.
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