JP2013093134A

JP2013093134A - Fuel cell system

Info

Publication number: JP2013093134A
Application number: JP2011233070A
Authority: JP
Inventors: Seiji Honda; 清二本多
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2011-10-24
Filing date: 2011-10-24
Publication date: 2013-05-16

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system that increases power generation efficiency and energy efficiency.SOLUTION: A fuel cell system includes: an air supply passage 32 that is connected to an air inlet 11c that allows air to enter a fuel cell stack 11 therethrough; a compressor 15 that supplies the air to the air supply passage 32; an expander turbine 19 that has a rotating shaft that is coaxially coupled to a rotating shaft of the compressor 15; an air dynamic pressure bearing 22 that supports the rotating shafts of the compressor 15 and the expander turbine 19 by means of part of the air that is supplied to the air supply passage 32 by the compressor 15; and a vortex tube 23 that separates the air discharged from the air dynamic pressure bearing 22, into high-temperature air and low-temperature air. A high-temperature-air discharge port 23b, through which the high-temperature air is discharged from the vortex tube 23, is connected to an air supply port 19a of the expander turbine 19.

Description

この発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.

従来、例えば、燃料電池による発電に加えて、燃料電池から排出された空気を作動流体としてタービン発電機により発電を行なう複合的な発電システムが知られている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。 Conventionally, for example, in addition to power generation by a fuel cell, a complex power generation system that generates power by a turbine generator using air discharged from the fuel cell as a working fluid is known (for example, Patent Document 1 and Patent Document 2). reference).

また、従来、例えば、コンプレッサとタービンとを連結する共通の回転軸をコンプレッサによって圧縮された空気（圧縮空気）によって支持する空気動圧軸受において、圧縮空気の一部または全てを流通させる流路を軸受ケーシング内の軸受部周囲に設けて、この流路を流通する圧縮空気によって軸受部の冷却を行なう気体軸受が知られている（例えば、特許文献３参照）。
この気体軸受では、回転軸が高速回転することで発生する摩擦熱による軸受部の温度上昇を圧縮空気による冷却によって抑制することができると共に、この冷却により温度上昇した圧縮空気が保有する熱を熱交換器により回収可能である。 Further, conventionally, for example, in an air dynamic pressure bearing that supports a common rotating shaft that connects a compressor and a turbine with air compressed by the compressor (compressed air), a flow path through which part or all of the compressed air flows is provided. There is known a gas bearing that is provided around a bearing portion in a bearing casing and cools the bearing portion with compressed air flowing through the flow path (see, for example, Patent Document 3).
In this gas bearing, the temperature rise of the bearing portion due to frictional heat generated when the rotating shaft rotates at high speed can be suppressed by cooling with compressed air, and the heat held by the compressed air whose temperature has increased by this cooling is heated. It can be recovered by an exchanger.

また、従来、例えば、燃料電池から排出された空気を、ボルテックスチューブに導入して低温側空気および高温側空気に分離して、圧縮機および燃料電池の冷却あるいは燃料電池および加湿器の加熱に再利用する燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献４参照）。 Conventionally, for example, air discharged from a fuel cell is introduced into a vortex tube and separated into low-temperature side air and high-temperature side air, and then reused for cooling the compressor and the fuel cell or heating the fuel cell and the humidifier. A fuel cell system to be used is known (for example, see Patent Document 4).

特開平６−２２３８５１号公報Japanese Patent Laid-Open No. 6-223851 特開２００４−１１１１２７号公報JP 2004-11127 A 実開昭６３−４９０２２号公報Japanese Utility Model Publication No. 63-49022 特開２００８−２２６６７６号公報JP 2008-226676 A

ところで、上記従来技術に係る発電システムにおいては、タービン発電機によるエネルギー回収量を増大させて、システム全体での発電効率を向上させることが望まれている。
また、上記従来技術に係る気体軸受においては、圧縮空気が保有するエンタルピーが回収されるだけであり、圧縮空気のエネルギー回収量を増大させることが望まれている。
また、上記従来技術に係る燃料電池システムにおいては、燃料電池から排出された空気の熱が回収されるだけであり、エネルギー回収量を増大させることが望まれている。 By the way, in the power generation system according to the above prior art, it is desired to increase the amount of energy recovered by the turbine generator to improve the power generation efficiency of the entire system.
Further, in the gas bearing according to the above prior art, only the enthalpy possessed by the compressed air is recovered, and it is desired to increase the energy recovery amount of the compressed air.
Further, in the fuel cell system according to the above prior art, only the heat of the air discharged from the fuel cell is recovered, and it is desired to increase the energy recovery amount.

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、発電効率およびエネルギー効率を向上させることが可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a fuel cell system capable of improving power generation efficiency and energy efficiency.

上記課題を解決して係る目的を達成するために、本発明の請求項１に係る燃料電池システムは、燃料および酸化剤により発電する燃料電池（例えば、実施の形態での燃料電池スタック１１）と、前記酸化剤を含む空気を前記燃料電池の内部に導入する空気導入口（例えば、実施の形態での空気導入口１１ｃ）に接続された空気供給流路（例えば、実施の形態での空気供給流路３２）と、前記燃料電池の内部から前記空気を排出する空気排出口（例えば、実施の形態での空気排出口１１ｄ）に接続された空気排出流路（例えば、実施の形態での空気排出流路３３）と、前記空気供給流路に接続されて前記空気供給流路に前記空気を供給する空気供給回転機（例えば、実施の形態でのコンプレッサ１５）と、前記空気排出流路に配置されて前記空気供給回転機の回転軸と同軸に連結された回転軸を有するエキスパンダ（例えば、実施の形態でのエキスパンダタービン１９）と、前記空気供給流路から分岐した分岐空気流路（例えば、実施の形態での分岐空気流路３４）と、前記分岐空気流路に接続されて前記空気供給回転機によって前記空気供給流路に供給された前記空気のうち前記分岐空気流路に分流した分流空気によって前記空気供給回転機の回転軸を支持する空気動圧軸受部（例えば、実施の形態での空気動圧軸受部２２）と、を備える燃料電池システムであって、前記空気動圧軸受部から前記分流空気を排出する分流空気排出口（例えば、実施の形態での分流空気排出口２２ｂ）に接続されて前記分流空気を高温側空気と低温側空気とに分離するボルテックスチューブ（例えば、実施の形態でのボルテックスチューブ２３）を備え、前記ボルテックスチューブから前記高温側空気を吐出する高温側空気吐出口（例えば、実施の形態での高温側空気吐出口２３ｂ）は、前記空気を前記エキスパンダに供給する空気供給口（例えば、実施の形態での空気供給口１９ａ）に接続されている。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, a fuel cell system according to claim 1 of the present invention includes a fuel cell (for example, fuel cell stack 11 in the embodiment) that generates electric power using fuel and an oxidant. , An air supply passage (for example, air supply in the embodiment) connected to an air inlet (for example, the air inlet 11c in the embodiment) for introducing air containing the oxidant into the fuel cell. A flow path 32) and an air discharge flow path (for example, air in the embodiment) connected to an air discharge port (for example, the air discharge port 11d in the embodiment) that discharges the air from the inside of the fuel cell. A discharge flow path 33), an air supply rotating machine (for example, the compressor 15 in the embodiment) connected to the air supply flow path and supplying the air to the air supply flow path, and the air discharge flow path Placed in the sky An expander (for example, an expander turbine 19 in the embodiment) having a rotation shaft that is coaxially connected to a rotation shaft of the supply rotating machine, and a branch air flow channel (for example, implementation) branched from the air supply flow channel Branch air flow path 34) in the form, and the diverted air that is connected to the branch air flow path and is divided into the branch air flow path among the air supplied to the air supply flow path by the air supply rotating machine An air dynamic pressure bearing portion (for example, an air dynamic pressure bearing portion 22 in the embodiment) that supports a rotating shaft of the air supply rotating machine, wherein the fuel cell system includes: A vortex tube (for example, for separating the divided air into high-temperature side air and low-temperature side air connected to a divided-flow air discharge port (for example, the divided-air discharge port 22b in the embodiment) that discharges the divided air. A high-temperature side air discharge port (for example, a high-temperature side air discharge port 23b in the embodiment) that includes the vortex tube 23) in the embodiment and discharges the high-temperature side air from the vortex tube. It is connected to an air supply port (for example, an air supply port 19a in the embodiment) that supplies the panda.

さらに、本発明の請求項２に係る燃料電池システムは、前記空気供給流路に配置されて前記空気を冷却する熱交換器（例えば、実施の形態での熱交換器１６）を備え、前記ボルテックスチューブから前記低温側空気を吐出する低温側空気吐出口（例えば、実施の形態での低温側空気吐出口２３ｃ）は、冷媒を前記熱交換器に供給する冷媒供給口（例えば、実施の形態での冷媒供給口１６ａ）に接続されている。 Furthermore, the fuel cell system according to claim 2 of the present invention includes a heat exchanger (for example, the heat exchanger 16 in the embodiment) that is disposed in the air supply flow path and cools the air, and the vortex A low temperature side air discharge port (for example, the low temperature side air discharge port 23c in the embodiment) that discharges the low temperature side air from the tube is a refrigerant supply port (for example, in the embodiment) that supplies the refrigerant to the heat exchanger. The refrigerant supply port 16a) is connected.

さらに、本発明の請求項３に係る燃料電池システムは、前記ボルテックスチューブに設けられて開度に応じて前記高温側空気と前記低温側空気との温度を調整する温度調節バルブ（例えば、実施の形態での温度調節バルブ２３ｄ）と、前記燃料電池の運転状態を取得する運転状態取得手段（例えば、実施の形態での熱交換器出口温度センサ４１、タービン上流温度センサ４３）と、前記運転状態取得手段により取得された前記運転状態に応じて前記温度調節バルブの前記開度を制御する制御手段（例えば、実施の形態での制御装置２４）と、を備え、前記制御手段は、前記燃料電池の負荷が所定値以下の低負荷の場合には、前記高温側空気の温度が上昇するように前記開度を制御し、前記燃料電池の負荷が前記所定値よりも高い高負荷の場合には、前記低温側空気の温度が下降するように前記開度を制御する。 Furthermore, a fuel cell system according to claim 3 of the present invention is a temperature control valve (for example, an implementation) that is provided in the vortex tube and adjusts the temperature of the high temperature side air and the low temperature side air according to the opening degree. Temperature control valve 23d) in the embodiment, operation state acquisition means for acquiring the operation state of the fuel cell (for example, heat exchanger outlet temperature sensor 41, turbine upstream temperature sensor 43 in the embodiment), and the operation state Control means for controlling the opening degree of the temperature control valve according to the operating state acquired by the acquisition means (for example, the control device 24 in the embodiment), and the control means includes the fuel cell When the load of the fuel cell is a low load equal to or less than a predetermined value, the opening degree is controlled so that the temperature of the high temperature side air rises, and the load of the fuel cell is a high load higher than the predetermined value The temperature of the cold side air to control the degree of opening so as to descend.

さらに、本発明の請求項４に係る燃料電池システムは、前記空気供給流路に配置されて前記空気を冷却する熱交換器（例えば、実施の形態での熱交換器１６）と、前記空気供給流路と前記空気排出流路とに接続された加湿器（例えば、実施の形態での加湿器１７）と、前記ボルテックスチューブの前記高温側空気吐出口と前記エキスパンダの前記空気供給口とを接続する流路（例えば、実施の形態での高温側流路３５および第１流路６１ａ）に配置されて、前記高温側空気を前記空気供給口または冷媒を前記熱交換器に供給する冷媒供給口（例えば、実施の形態での冷媒供給口１６ａ）に切り替えて排出可能な第１切替弁（例えば、実施の形態での第１切替弁５１）と、前記ボルテックスチューブから前記低温側空気を吐出する低温側空気吐出口（例えば、実施の形態での低温側空気吐出口２３ｃ）と前記冷媒供給口とを接続する流路（例えば、実施の形態での低温側流路３６および第１流路６２ａ）に配置されて、前記低温側空気を前記冷媒供給口または大気中に切り替えて排出可能な第２切替弁（例えば、実施の形態での第２切替弁５２）と、前記空気供給流路および前記空気排出流路の少なくとも何れか一方に設けられて前記空気の温度を検出する温度センサ（例えば、実施の形態での燃料電池出口温度センサ４２）と、を備え、前記制御手段は、前記温度センサにより検出された前記温度に基づいて前記燃料電池の運転状態が過加湿状態であるか否かを判定し、この判定結果において前記燃料電池の運転状態が過加湿状態であると判定した場合には、前記高温側空気を前記熱交換器の前記冷媒供給口に排出するように前記第１切替弁を制御すると共に、前記低温側空気を大気中に排出するように前記第２切替弁を制御する。 Furthermore, the fuel cell system according to claim 4 of the present invention includes a heat exchanger (for example, the heat exchanger 16 in the embodiment) that is disposed in the air supply flow path to cool the air, and the air supply. A humidifier connected to the flow path and the air discharge flow path (for example, the humidifier 17 in the embodiment), the high-temperature side air discharge port of the vortex tube, and the air supply port of the expander. Refrigerant supply that is disposed in a flow path to be connected (for example, the high temperature side flow path 35 and the first flow path 61a in the embodiment) and supplies the high temperature side air to the air supply port or the refrigerant to the heat exchanger. The first switching valve (for example, the first switching valve 51 in the embodiment) that can be switched to the outlet (for example, the refrigerant supply port 16a in the embodiment) and the low temperature side air is discharged from the vortex tube. Low-temperature side air discharge It is disposed in a flow path (for example, the low temperature side flow path 36 and the first flow path 62a in the embodiment) that connects the opening (for example, the low temperature side air discharge opening 23c in the embodiment) and the refrigerant supply port. A second switching valve (for example, the second switching valve 52 in the embodiment) capable of switching and discharging the low temperature side air to the refrigerant supply port or the atmosphere, the air supply flow path, and the air discharge flow A temperature sensor (for example, a fuel cell outlet temperature sensor 42 in the embodiment) provided on at least one of the paths to detect the temperature of the air, and the control means is detected by the temperature sensor. It is determined whether or not the operating state of the fuel cell is an overhumidified state based on the temperature, and if it is determined in the determination result that the operating state of the fuel cell is an overhumidified state, the high temperature Said side air Controls the first switching valve to discharge the coolant supply port of the exchanger, the cold side air controls the second switching valve so as to discharge into the atmosphere.

本発明の請求項１に係る燃料電池システムによれば、空気供給回転機によって空気供給流路に供給された空気の一部（分流空気）は、空気供給回転機およびエキスパンダの回転軸を支持する空気動圧軸受部を流通した後に、ボルテックスチューブにおいて高温側空気と低温側空気とに分離され、このうち高温側空気がエキスパンダに供給される。 According to the fuel cell system of the first aspect of the present invention, a part of the air (divided air) supplied to the air supply flow path by the air supply rotator supports the rotation shafts of the air supply rotator and the expander. After flowing through the air dynamic pressure bearing portion, the vortex tube is separated into high-temperature side air and low-temperature side air, and among these, the high-temperature side air is supplied to the expander.

これにより、分流空気によって回転軸の支持および冷却を行なうと共に、高温側空気によってエキスパンダを駆動することができ、分流空気のエネルギーを効率よく回収することができる。
しかも、ボルテックスチューブから吐出された高温側空気のエネルギーをエキスパンダの駆動エネルギーとして回収することによって、例えば空気動圧軸受部を流通した分流空気によってエキスパンダを駆動する場合に比べて、空気供給回転機による過給および回転軸の冷却によって得られた分流空気の熱エネルギーを有効に利用してエキスパンダの回生動力を増大させることができる。
これにより、空気供給回転機の駆動に要する消費電力を低減することができ、燃料電池システムの発電効率およびエネルギー効率を向上させることができる。 As a result, the rotating shaft is supported and cooled by the diverted air, and the expander can be driven by the high-temperature air, so that the energy of the diverted air can be efficiently recovered.
In addition, by recovering the energy of the high-temperature air discharged from the vortex tube as the drive energy for the expander, for example, compared to the case where the expander is driven by the diverted air flowing through the air dynamic pressure bearing part, the air supply rotation The regenerative power of the expander can be increased by effectively using the thermal energy of the diverted air obtained by supercharging by the machine and cooling of the rotating shaft.
Thereby, the power consumption required for driving the air supply rotating machine can be reduced, and the power generation efficiency and energy efficiency of the fuel cell system can be improved.

本発明の請求項２に係る燃料電池システムによれば、ボルテックスチューブから吐出された低温側空気によって熱交換器の放熱効率を向上させることができ、空気供給回転機によって空気供給流路に供給された空気を効率よく冷却することができ、システムのエネルギー効率を向上させることができる。 According to the fuel cell system of the second aspect of the present invention, the heat radiation efficiency of the heat exchanger can be improved by the low temperature side air discharged from the vortex tube, and the heat supply efficiency is supplied to the air supply flow path by the air supply rotating machine. The air can be efficiently cooled, and the energy efficiency of the system can be improved.

本発明の請求項３に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の負荷が所定値以下の低負荷の場合には、ボルテックスチューブから吐出される高温側空気の温度を上昇させることで、エキスパンダの回生動力を増大させることができ、発電効率およびエネルギー効率を向上させることができる。
一方、燃料電池の負荷が所定値よりも高い高負荷の場合には、ボルテックスチューブから吐出される低温側空気の温度を下降させることで、熱交換器の放熱効率を向上させることができ、空気供給回転機によって空気供給流路に供給された空気を効率よく冷却することができ、システムのエネルギー効率を向上させることができる。 According to the fuel cell system of claim 3 of the present invention, when the load of the fuel cell is a low load equal to or less than a predetermined value, the temperature of the high-temperature side air discharged from the vortex tube is increased, thereby expanding the expander. The regenerative power can be increased, and the power generation efficiency and energy efficiency can be improved.
On the other hand, when the load of the fuel cell is a high load higher than a predetermined value, the heat dissipation efficiency of the heat exchanger can be improved by lowering the temperature of the low-temperature side air discharged from the vortex tube. The air supplied to the air supply flow path by the supply rotating machine can be efficiently cooled, and the energy efficiency of the system can be improved.

本発明の請求項４に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の運転状態が過加湿状態である場合には、加湿器から燃料電池の内部に導入される空気の温度を上昇させることによって空気の含有水蒸気量を増大させることができ、加湿器の加湿性能を向上させることができる。 According to the fuel cell system of claim 4 of the present invention, when the operating state of the fuel cell is an overhumidified state, the air is introduced by increasing the temperature of the air introduced from the humidifier into the fuel cell. The amount of water vapor contained can be increased, and the humidifying performance of the humidifier can be improved.

本発明の実施の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 an embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows operation | movement of the fuel cell system which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態の変形例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 the modification of embodiment of this invention. 本発明の実施の形態の変形例に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows operation | movement of the fuel cell system which concerns on the modification of embodiment of this invention.

以下、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムについて添付図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, a fuel cell system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

本実施の形態による燃料電池システム１０は、例えば車両用の電源として搭載され、図１に示すように、燃料電池スタック１１と、燃料タンク１２と、燃料供給弁１３と、エゼクタ１４と、コンプレッサ１５と、熱交換器１６と、加湿器１７と、圧力制御弁１８と、エキスパンダタービン１９と、モータ２０と、モータケーシング２１と、空気動圧軸受部２２と、ボルテックスチューブ２３と、制御装置２４とを備えて構成されている。 A fuel cell system 10 according to the present embodiment is mounted as a power source for a vehicle, for example. As shown in FIG. 1, a fuel cell stack 11, a fuel tank 12, a fuel supply valve 13, an ejector 14, and a compressor 15 are provided. , Heat exchanger 16, humidifier 17, pressure control valve 18, expander turbine 19, motor 20, motor casing 21, air dynamic pressure bearing portion 22, vortex tube 23, and control device 24. And is configured.

燃料電池スタック１１は、陽イオン交換膜などからなる固体高分子電解質膜を、アノード触媒およびガス拡散層からなる燃料極（アノード）と、カソード触媒およびガス拡散層からなる酸素極（カソード）とで挟持してなる電解質電極構造体を、更に一対のセパレータで挟持してなる燃料電池セルを多数組積層して構成され、燃料電池セルの積層体は一対のエンドプレートによって積層方向の両側から挟み込まれている。 The fuel cell stack 11 includes a solid polymer electrolyte membrane composed of a cation exchange membrane, a fuel electrode (anode) composed of an anode catalyst and a gas diffusion layer, and an oxygen electrode (cathode) composed of a cathode catalyst and a gas diffusion layer. The electrolyte electrode structure is sandwiched between a plurality of fuel battery cells that are sandwiched between a pair of separators. The fuel cell stack is sandwiched between a pair of end plates from both sides in the stacking direction. ing.

燃料電池スタック１１のカソードには、酸素を含む酸化剤ガス（反応ガス）である空気が供給され、アノードには、水素からなる燃料ガス（反応ガス）が供給される。
そして、アノードのアノード触媒上で触媒反応によりイオン化された水素は、適度に加湿された固体高分子電解質膜を介してカソードへと移動し、この移動に伴って発生する電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。
この発電時にカソードにおいては、水素イオンと電子と酸素が反応して水が生成され、燃料電池スタック１１のカソードを通過して外部に排出された排出ガスは湿潤状態になっている。 Air that is an oxidant gas (reaction gas) containing oxygen is supplied to the cathode of the fuel cell stack 11, and a fuel gas (reaction gas) made of hydrogen is supplied to the anode.
Then, hydrogen ionized by the catalytic reaction on the anode catalyst of the anode moves to the cathode through the moderately humidified solid polymer electrolyte membrane, and electrons generated by this movement are taken out to an external circuit. It is used as direct current electric energy.
At the time of power generation, hydrogen ions, electrons, and oxygen react at the cathode to generate water, and the exhaust gas discharged through the cathode of the fuel cell stack 11 is in a wet state.

燃料タンク１２は、内部に貯留された水素を、燃料供給弁１３を介して水素供給流路３１に供給する。
燃料供給弁１３は、例えばコンプレッサ１５から供給される空気の圧力を信号圧として、この信号圧に応じた所定範囲の圧力で水素を排出する空気式の比例圧力制御弁などである。 The fuel tank 12 supplies the hydrogen stored therein to the hydrogen supply channel 31 via the fuel supply valve 13.
The fuel supply valve 13 is, for example, a pneumatic proportional pressure control valve that discharges hydrogen at a pressure within a predetermined range corresponding to the signal pressure using the pressure of air supplied from the compressor 15 as a signal pressure.

エゼクタ１４は、例えば、水素供給流路３１に接続されたノズル１４ａと、燃料電池スタック１１の内部のアノードに水素を導入可能な水素導入口１１ａに接続された流体排出管１４ｂと、燃料電池スタック１１の内部のアノードから水素を排出可能な水素排出口１１ｂに接続された副流導入管１４ｃとを備えている。
エゼクタ１４は、燃料電池スタック１１のアノードを通過して水素排出口１１ｂから排出された未反応の水素（排出ガス）の少なくとも一部を、燃料供給弁１３から供給された水素に混合して、燃料電池スタック１１のアノードに再び供給する。 The ejector 14 includes, for example, a nozzle 14 a connected to the hydrogen supply channel 31, a fluid discharge pipe 14 b connected to a hydrogen inlet 11 a that can introduce hydrogen into the anode inside the fuel cell stack 11, and a fuel cell stack. 11 is provided with a sub-flow introduction pipe 14c connected to a hydrogen discharge port 11b capable of discharging hydrogen from an anode inside.
The ejector 14 mixes at least a part of unreacted hydrogen (exhaust gas) discharged from the hydrogen discharge port 11b through the anode of the fuel cell stack 11 with hydrogen supplied from the fuel supply valve 13, The fuel cell stack 11 is supplied again to the anode.

なお、燃料電池スタック１１のアノードを通過して水素排出口１１ｂから排出された未反応の排出ガスのうち、エゼクタ１４を介して循環する排出ガス以外の排出ガスは、例えば、希釈器（図示略）によって水素濃度が所定水素濃度以下に希釈されたのちに外部（例えば、大気中など）に排出される。 Of the unreacted exhaust gas discharged from the hydrogen discharge port 11b through the anode of the fuel cell stack 11, exhaust gases other than the exhaust gas circulated through the ejector 14 are, for example, a diluter (not shown). ), The hydrogen concentration is diluted to a predetermined hydrogen concentration or less and then discharged to the outside (for example, in the atmosphere).

コンプレッサ１５は、例えば制御装置２４により駆動制御されるモータ２０の動力により作動し、外部から空気を取り込んで圧縮し、この圧縮後の空気を空気供給流路３２に排出する。 The compressor 15 is operated by, for example, the power of the motor 20 that is driven and controlled by the control device 24, takes in air from the outside, compresses the air, and discharges the compressed air to the air supply flow path 32.

熱交換器１６は、例えば空気供給流路３２上においてコンプレッサ１５と加湿器１７との間に配置され、コンプレッサ１５から排出された空気を、冷媒供給口１６ａから供給される冷媒（例えば、大気および後述する低温側空気）により冷却し、この冷却後の空気を加湿器１７に排出する。 The heat exchanger 16 is disposed between the compressor 15 and the humidifier 17 on the air supply flow path 32, for example, and the air discharged from the compressor 15 is supplied to the refrigerant (for example, the atmosphere and the air supplied from the refrigerant supply port 16a). The air after cooling is discharged to the humidifier 17.

なお、空気供給流路３２上において熱交換器１６と加湿器１７との間には、熱交換器１６から排出された空気の温度（熱交換器出口温度）Ｔａを検出する熱交換器出口温度センサ４１が配置されている。 In addition, between the heat exchanger 16 and the humidifier 17 on the air supply channel 32, the heat exchanger outlet temperature for detecting the temperature (heat exchanger outlet temperature) Ta of the air discharged from the heat exchanger 16. A sensor 41 is arranged.

加湿器１７は、例えば、空気を燃料電池スタック１１の内部のカソードに導入可能な空気導入口１１ｃに接続された空気供給流路３２と、燃料電池スタック１１の内部のカソードから空気（排出空気）を排出可能な空気排出口１１ｄに接続された空気排出流路３３とに、掛け渡されるようにして接続されている。 The humidifier 17 includes, for example, air (exhaust air) from the air supply channel 32 connected to the air inlet 11c through which air can be introduced into the cathode inside the fuel cell stack 11, and the cathode inside the fuel cell stack 11. Is connected to the air discharge passage 33 connected to the air discharge port 11d capable of discharging the air.

加湿器１７は、例えば中空糸膜などの水透過膜を備え、熱交換器１６から排出された空気と燃料電池スタック１１の空気排出口１１ｄから排出された排出空気とを、水透過膜を介して接触させることで、排出空気に含まれる水分（特に、水蒸気）のうち水透過膜の膜穴を透過した水分を空気に添加する。
これにより、燃料電池スタック１１の空気排出口１１ｄから排出された排出空気を加湿用のガスとして用いて、熱交換器１６から排出された空気を加湿する。そして、加湿後の空気を燃料電池スタック１１の空気導入口１１ｃに排出すると共に、加湿用のガスとして用いた後の排出空気を空気排出流路３３に排出する。 The humidifier 17 includes a water permeable membrane such as a hollow fiber membrane, and the air discharged from the heat exchanger 16 and the discharged air discharged from the air discharge port 11d of the fuel cell stack 11 are passed through the water permeable membrane. In this way, the moisture (especially water vapor) contained in the discharged air is added to the air that has permeated through the membrane holes of the water permeable membrane.
Accordingly, the air discharged from the heat exchanger 16 is humidified using the exhausted air discharged from the air discharge port 11d of the fuel cell stack 11 as a humidifying gas. Then, the humidified air is discharged to the air inlet 11 c of the fuel cell stack 11, and the discharged air after being used as the humidifying gas is discharged to the air discharge channel 33.

なお、空気排出流路３３上において燃料電池スタック１１の空気排出口１１ｄと加湿器１７との間には、空気排出口１１ｄから排出された空気の温度（燃料電池出口温度）Ｔｂを検出する燃料電池出口温度センサ４２が配置されている。 A fuel that detects the temperature (fuel cell outlet temperature) Tb of the air discharged from the air discharge port 11d between the air discharge port 11d of the fuel cell stack 11 and the humidifier 17 on the air discharge channel 33. A battery outlet temperature sensor 42 is arranged.

圧力制御弁１８は、例えば空気排出流路３３上において加湿器１７とエキスパンダタービン１９との間に配置され、燃料電池スタック１１のカソードの空気の圧力を制御装置２４の制御に応じた所定範囲の圧力に制御する。そして、加湿器１７から排出された排出空気をエキスパンダタービン１９の空気供給口１９ａに供給する。 For example, the pressure control valve 18 is disposed between the humidifier 17 and the expander turbine 19 on the air discharge passage 33, and the pressure of the cathode air of the fuel cell stack 11 is in a predetermined range according to the control of the control device 24. To control the pressure. Then, the exhaust air discharged from the humidifier 17 is supplied to the air supply port 19 a of the expander turbine 19.

エキスパンダタービン１９は、例えば空気供給口１９ａに供給された流体（例えば、排出空気および後述する高温側空気）によって回生動力を発生し、流体のエネルギーをエキスパンダタービン１９の駆動エネルギーとして回収する。 The expander turbine 19 generates regenerative power by, for example, fluid (for example, exhaust air and high-temperature side air described later) supplied to the air supply port 19 a, and recovers fluid energy as drive energy for the expander turbine 19.

なお、空気排出流路３３上において圧力制御弁１８とエキスパンダタービン１９の空気供給口１９ａとの間には、空気供給口１９ａに供給される排出空気の温度（タービン上流温度）Ｔを検出するタービン上流温度センサ４３が配置されている。 A temperature (turbine upstream temperature) T of the exhaust air supplied to the air supply port 19a is detected between the pressure control valve 18 and the air supply port 19a of the expander turbine 19 on the air discharge flow path 33. A turbine upstream temperature sensor 43 is arranged.

モータ２０は、例えば制御装置２４により駆動制御され、コンプレッサ１５およびエキスパンダタービン１９において共通の回転軸とされる回転軸２０ａを備えている。
つまり、モータ２０を内部に収容するモータケーシング２１から外部に突出する回転軸２０ａの一端は、コンプレッサ１５の回転軸と同軸に連結され、回転軸２０ａの他端は、エキスパンダタービン１９の回転軸と同軸に連結されている。
これにより、コンプレッサ１５は、モータ２０およびエキスパンダタービン１９の動力によって駆動される。 The motor 20 includes, for example, a rotation shaft 20 a that is driven and controlled by the control device 24 and serves as a common rotation shaft in the compressor 15 and the expander turbine 19.
In other words, one end of the rotating shaft 20 a that protrudes outside from the motor casing 21 that houses the motor 20 is connected coaxially to the rotating shaft of the compressor 15, and the other end of the rotating shaft 20 a is the rotating shaft of the expander turbine 19. It is connected to the same axis.
Thereby, the compressor 15 is driven by the power of the motor 20 and the expander turbine 19.

空気動圧軸受部２２は、例えばモータケーシング２１の内部に設けられ、空気供給流路３２から分岐する分岐空気流路３４に接続され、コンプレッサ１５によって空気供給流路３２に供給された空気のうち、分岐空気流路３４に分流した分流空気によって、モータ２０の回転軸２０ａをモータケーシング２１に対して回転可能に支持する。 The air dynamic pressure bearing portion 22 is provided, for example, inside the motor casing 21 and is connected to a branch air flow path 34 that branches from the air supply flow path 32. Of the air supplied to the air supply flow path 32 by the compressor 15, The rotating shaft 20a of the motor 20 is rotatably supported with respect to the motor casing 21 by the diverted air that is diverted to the branch air flow path 34.

空気動圧軸受部２２は、例えば、分岐空気流路３４に接続されて内部に分流空気を導入可能な分流空気導入口２２ａと、ボルテックスチューブ２３に接続されて内部から分流空気を排出可能な分流空気排出口２２ｂとを備えている。 For example, the air dynamic pressure bearing portion 22 is connected to the branch air flow path 34 and is connected to the branch air passage 22a to be able to introduce the shunt air therein, and to the vortex tube 23 to be able to discharge the shunt air from the inside. And an air outlet 22b.

ボルテックスチューブ２３は、例えば、空気動圧軸受部２２の分流空気排出口２２ｂに接続された空気供給口２３ａと、高温側流路３５によってエキスパンダタービン１９の空気供給口１９ａに接続された高温側空気吐出口２３ｂと、低温側流路３６によって熱交換器１６の冷媒供給口１６ａに接続された低温側空気吐出口２３ｃとを備えている。 The vortex tube 23 includes, for example, an air supply port 23a connected to the diverted air discharge port 22b of the air dynamic pressure bearing 22 and a high temperature side connected to the air supply port 19a of the expander turbine 19 by a high temperature side channel 35. The air discharge port 23b and the low temperature side air discharge port 23c connected to the refrigerant supply port 16a of the heat exchanger 16 by the low temperature side flow path 36 are provided.

ボルテックスチューブ２３は、例えば空気供給口２３ａから内部に供給された分流空気を、この分流空気よりも高温の高温側空気と分流空気よりも低温の低温側空気とに分離し、高温側空気を高温側空気吐出口２３ｂから高温側流路３５に吐出し、低温側空気を低温側空気吐出口２３ｃから低温側流路３６に吐出する。 The vortex tube 23 separates, for example, the divided air supplied from the air supply port 23a into a high temperature side air having a higher temperature than the divided air and a low temperature side air having a lower temperature than the divided air. The low-temperature side air is discharged from the low-temperature side air discharge port 23 c to the low-temperature side flow channel 36.

ボルテックスチューブ２３は、例えば制御装置２４により制御される開度に応じて、高温側空気と低温側空気との分離度合い（例えば、流量比率など）、つまり高温側空気と低温側空気との温度を調整する温度調節バルブ２３ｄを備えている。
温度調節バルブ２３ｄは、例えば、高温側空気が温度調節バルブ２３ｄを通過して高温側空気吐出口２３ｂから高温側流路３５に吐出されるようにして、ボルテックスチューブ２３の内部に配置されている。 The vortex tube 23 adjusts the degree of separation between the high-temperature side air and the low-temperature side air (for example, the flow rate ratio), that is, the temperature between the high-temperature side air and the low-temperature side air according to the opening degree controlled by the control device 24, for example. A temperature control valve 23d for adjustment is provided.
The temperature adjustment valve 23d is disposed inside the vortex tube 23 so that, for example, high temperature side air passes through the temperature adjustment valve 23d and is discharged from the high temperature side air discharge port 23b to the high temperature side flow path 35. .

なお、ボルテックスチューブ２３の高温側空気吐出口２３ｂとエキスパンダタービン１９の空気供給口１９ａとを接続する高温側流路３５上には、高温側空気の温度（高温側温度）Ｔ１を検出する高温側温度センサ４４が配置されている。 In addition, on the high temperature side flow path 35 connecting the high temperature side air discharge port 23b of the vortex tube 23 and the air supply port 19a of the expander turbine 19, a high temperature for detecting the temperature (high temperature side temperature) T1 of the high temperature side air. A side temperature sensor 44 is arranged.

制御装置２４は、例えば、車両に搭載された走行駆動用のモータやファンなどのように、燃料電池スタック１１から電力が供給される各種の動力源の出力に対して設定される動力要求を取得し、動力要求に応じて必要とされる燃料電池スタック１１の出力（要求出力）を設定する。そして、要求出力に応じて、燃料電池スタック１１の運転状態（例えば、モータ２０の出力および圧力制御弁１８の開度など）を制御する。 The control device 24 obtains a power request set for the output of various power sources to which power is supplied from the fuel cell stack 11, such as a driving motor or fan mounted on the vehicle. Then, the output (required output) of the fuel cell stack 11 required according to the power demand is set. Then, the operating state of the fuel cell stack 11 (for example, the output of the motor 20 and the opening degree of the pressure control valve 18) is controlled according to the required output.

また、制御装置２４は、例えば、各温度センサ４１，…，４４から出力される検出結果の信号と、燃料電池スタック１１の温度、電流、電圧などを検出する各センサから出力される検出結果の信号となどに基づき、燃料電池スタック１１の運転状態を取得し、取得した運転状態に応じてボルテックスチューブ２３の温度調節バルブ２３ｄの開度を制御する。 Further, the control device 24, for example, the detection result signal output from each temperature sensor 41,..., 44 and the detection result output from each sensor that detects the temperature, current, voltage, etc. of the fuel cell stack 11. Based on the signal and the like, the operating state of the fuel cell stack 11 is acquired, and the opening degree of the temperature control valve 23d of the vortex tube 23 is controlled according to the acquired operating state.

より詳細には、制御装置２４は、例えば、熱交換器出口温度センサ４１により検出された熱交換器出口温度Ｔａは所定の要求温度（例えば、加湿器１７において所望の加湿能力を確保するために必要とされる熱交換器１６から排出された空気に対する所定の要求温度など）よりも高いか否かを判定する。
そして、熱交換器出口温度Ｔａが所定の要求温度よりも高い場合には、燃料電池スタック１１の負荷が所定値よりも高い高負荷であると判定し、一方、熱交換器出口温度Ｔａが要求温度以下である場合には、燃料電池スタック１１の負荷が所定値以下の低負荷であると判定する。 More specifically, for example, the control device 24 determines that the heat exchanger outlet temperature Ta detected by the heat exchanger outlet temperature sensor 41 is a predetermined required temperature (for example, in order to ensure a desired humidifying capacity in the humidifier 17. It is determined whether the temperature is higher than a predetermined required temperature for the air exhausted from the required heat exchanger 16.
When the heat exchanger outlet temperature Ta is higher than the predetermined required temperature, it is determined that the load of the fuel cell stack 11 is a high load higher than the predetermined value, while the heat exchanger outlet temperature Ta is required. When the temperature is equal to or lower than the temperature, it is determined that the load of the fuel cell stack 11 is a low load equal to or lower than a predetermined value.

そして、制御装置２４は、例えば、燃料電池スタック１１の負荷が所定値以下の低負荷の場合には、タービン上流温度センサ４３により検出されたタービン上流温度Ｔは高温側温度センサ４４により検出された高温側温度Ｔ１より低いか否かを判定する。
そして、タービン上流温度Ｔが高温側温度Ｔ１より低い場合には、ボルテックスチューブ２３の高温側空気吐出口２３ｂから吐出される高温側空気の温度が上昇するように温度調節バルブ２３ｄの開度を制御する。これにより、エキスパンダタービン１９の回生動力を増大させる。
一方、タービン上流温度Ｔが高温側温度Ｔ１以上の場合には、温度調節バルブ２３ｄの開度を、この時点での開度に維持、つまり高温側空気と低温側空気との分離度合い（例えば、流量比率など）を維持する。 For example, when the load of the fuel cell stack 11 is a low load equal to or less than a predetermined value, the control device 24 detects the turbine upstream temperature T detected by the turbine upstream temperature sensor 43 by the high temperature side temperature sensor 44. It is determined whether the temperature is lower than the high temperature side temperature T1.
When the turbine upstream temperature T is lower than the high temperature side temperature T1, the opening degree of the temperature control valve 23d is controlled so that the temperature of the high temperature side air discharged from the high temperature side air discharge port 23b of the vortex tube 23 rises. To do. Thereby, the regenerative power of the expander turbine 19 is increased.
On the other hand, when the turbine upstream temperature T is equal to or higher than the high temperature side temperature T1, the opening degree of the temperature control valve 23d is maintained at the opening degree at this time, that is, the degree of separation between the high temperature side air and the low temperature side air (for example, Maintain flow rate ratio).

また、制御装置２４は、例えば、燃料電池スタック１１の負荷が所定値よりも高い高負荷の場合には、ボルテックスチューブ２３の低温側空気吐出口２３ｃから吐出される低温側空気の温度が下降するように温度調節バルブ２３ｄの開度を制御する。これにより、熱交換器１６の抜熱量を増大させる。 Further, for example, when the load of the fuel cell stack 11 is a high load higher than a predetermined value, the control device 24 reduces the temperature of the low temperature side air discharged from the low temperature side air discharge port 23c of the vortex tube 23. Thus, the opening degree of the temperature control valve 23d is controlled. Thereby, the heat removal amount of the heat exchanger 16 is increased.

本実施の形態による燃料電池システム１０は上記構成を備えており、次に、燃料電池システム１０の動作、特に、ボルテックスチューブ２３の温度調節バルブ２３ｄの開度を制御する動作について説明する。 The fuel cell system 10 according to the present embodiment has the above-described configuration. Next, an operation of the fuel cell system 10, particularly an operation of controlling the opening degree of the temperature control valve 23d of the vortex tube 23 will be described.

先ず、例えば図２に示すように、車両のイグニッションスイッチがＯＮとされた場合などにおける燃料電池システム１０の始動時において、ステップＳ０１においては、モータ２０の回転駆動を開始することによって、コンプレッサ１５の駆動を開始する。 First, as shown in FIG. 2, for example, when the fuel cell system 10 is started when the ignition switch of the vehicle is turned on, in step S01, the rotation of the motor 20 is started to start the rotation of the compressor 15. Start driving.

これにより、コンプレッサ１５によって空気供給流路３２に供給された空気の一部は、分流空気として分岐空気流路３４に分流して、回転軸２０ａを支持する空気動圧軸受部２２を流通した後にボルテックスチューブ２３に供給される。
そして、ボルテックスチューブ２３によって高温側空気と低温側空気とに分離された分流空気のうち、高温側空気はエキスパンダタービン１９に供給されて、燃料電池スタック１１の空気排出口１１ｄから排出された排出空気がエキスパンダタービン１９に供給されるのに先立って、エキスパンダタービン１９の回転を開始させる。 Thereby, after a part of the air supplied to the air supply flow path 32 by the compressor 15 is diverted to the branch air flow path 34 as the diverted air, after passing through the air dynamic pressure bearing portion 22 that supports the rotating shaft 20a. Supplied to the vortex tube 23.
Of the divided air separated into the high temperature side air and the low temperature side air by the vortex tube 23, the high temperature side air is supplied to the expander turbine 19 and discharged from the air discharge port 11 d of the fuel cell stack 11. Prior to the air being supplied to the expander turbine 19, the rotation of the expander turbine 19 is started.

次に、ステップＳ０２においては、熱交換器出口温度Ｔａは所定の要求温度よりも高いか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、後述するステップＳ０５に進む。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ０３に進む。
そして、ステップＳ０３においては、ボルテックスチューブ２３の低温側空気吐出口２３ｃから吐出される低温側空気の温度が下降するように温度調節バルブ２３ｄの開度を制御する。
これにより、ステップＳ０４において、熱交換器１６の抜熱量を増大させ、後述するステップＳ０９に進む。 Next, in step S02, it is determined whether or not the heat exchanger outlet temperature Ta is higher than a predetermined required temperature.
If this determination is “NO”, the flow proceeds to step S 05 described later.
On the other hand, if the determination is “YES”, the flow proceeds to step S03.
In step S03, the opening degree of the temperature adjustment valve 23d is controlled so that the temperature of the low temperature side air discharged from the low temperature side air discharge port 23c of the vortex tube 23 decreases.
Thereby, in step S04, the heat removal amount of the heat exchanger 16 is increased, and the process proceeds to step S09 described later.

また、ステップＳ０５においては、タービン上流温度Ｔは高温側温度Ｔ１より低いか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ０６に進み、このステップＳ０６においては、温度調節バルブ２３ｄの開度を、この時点での開度に維持、つまり高温側空気と低温側空気との分離度合い（例えば、流量比率など）を維持し、後述するステップＳ０９に進む。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ０７に進む。 Moreover, in step S05, it is determined whether the turbine upstream temperature T is lower than the high temperature side temperature T1.
If this determination is “NO”, the flow proceeds to step S 06, where the opening degree of the temperature control valve 23 d is maintained at the opening degree at this time, that is, the high temperature side air and the low temperature side air The separation degree (for example, the flow rate ratio) is maintained, and the process proceeds to step S09 described later.
On the other hand, if this determination is “YES”, the flow proceeds to step S07.

そして、ステップＳ０７においては、ボルテックスチューブ２３の高温側空気吐出口２３ｂから吐出される高温側空気の温度が上昇するように温度調節バルブ２３ｄの開度を制御する。
これにより、ステップＳ０８においては、エキスパンダタービン１９の回生動力を増大させる。 In step S07, the opening degree of the temperature adjustment valve 23d is controlled so that the temperature of the high temperature side air discharged from the high temperature side air discharge port 23b of the vortex tube 23 increases.
Thereby, in step S08, the regenerative power of the expander turbine 19 is increased.

そして、ステップＳ０９においては、車両のイグニッションスイッチがＯＦＦとされたか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、上述したステップＳ０１に戻る。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、このステップＳ１０に進み、このステップＳ１０においては、温度調節バルブ２３ｄの開度を所定の初期値に初期化、つまり高温側空気と低温側空気との分離度合い（例えば、流量比率など）を所定の初期値（例えば、１：１の流量比率など）に初期化して、エンドに進む。 In step S09, it is determined whether or not the ignition switch of the vehicle is turned off.
If this determination is “NO”, the flow returns to step S 01 described above.
On the other hand, if this determination is “YES”, the flow proceeds to step S 10, in which the opening of the temperature adjustment valve 23 d is initialized to a predetermined initial value, that is, high-temperature side air and low-temperature side air Is separated to a predetermined initial value (e.g., a flow rate ratio of 1: 1), and the process proceeds to the end.

上述したように、本実施の形態による燃料電池システム１０によれば、コンプレッサ１５によって空気供給流路３２に供給された空気の一部（分流空気）は、コンプレッサ１５およびエキスパンダタービン１９において共通の回転軸とされるモータ２０の回転軸２０ａを支持する空気動圧軸受部２２を流通した後に、ボルテックスチューブ２３において高温側空気と低温側空気とに分離され、このうち高温側空気がエキスパンダタービン１９に供給される。 As described above, according to the fuel cell system 10 according to the present embodiment, a part of the air (divided air) supplied to the air supply flow path 32 by the compressor 15 is common to the compressor 15 and the expander turbine 19. After passing through the air dynamic pressure bearing portion 22 that supports the rotating shaft 20a of the motor 20 as a rotating shaft, the vortex tube 23 is separated into high-temperature side air and low-temperature side air, of which the high-temperature side air is expanded. 19 is supplied.

これにより、分流空気によって回転軸２０ａの支持および冷却を行なうと共に、高温側空気によってエキスパンダタービン１９を駆動することができ、分流空気のエネルギーを効率よく回収することができる。
しかも、ボルテックスチューブ２３から吐出された高温側空気のエネルギーをエキスパンダタービン１９の駆動エネルギーとして回収することによって、例えば空気動圧軸受部２２を流通した分流空気によって直接にエキスパンダタービン１９を駆動する場合に比べて、コンプレッサ１５による過給およびモータ２０の冷却によって得られた分流空気の熱エネルギーを有効に利用してエキスパンダタービン１９の回生動力を増大させることができる。
これにより、コンプレッサ１５の駆動に要する消費電力を低減することができ、燃料電池システム１０の発電効率およびエネルギー効率を向上させることができる。 Accordingly, the rotating shaft 20a is supported and cooled by the diverted air, and the expander turbine 19 can be driven by the high temperature side air, so that the energy of the diverted air can be efficiently recovered.
In addition, by recovering the energy of the high-temperature side air discharged from the vortex tube 23 as the drive energy of the expander turbine 19, the expander turbine 19 is directly driven by, for example, the shunt air flowing through the air dynamic pressure bearing portion 22. Compared to the case, the regenerative power of the expander turbine 19 can be increased by effectively using the thermal energy of the divided air obtained by supercharging by the compressor 15 and cooling of the motor 20.
Thereby, the power consumption required for driving the compressor 15 can be reduced, and the power generation efficiency and energy efficiency of the fuel cell system 10 can be improved.

さらに、ボルテックスチューブ２３から吐出された低温側空気によって熱交換器１６の放熱効率を向上させることができ、コンプレッサ１５によって空気供給流路３２に供給された空気を効率よく冷却することができ、燃料電池システム１０のエネルギー効率を向上させることができる。 Furthermore, the heat radiation efficiency of the heat exchanger 16 can be improved by the low-temperature side air discharged from the vortex tube 23, the air supplied to the air supply flow path 32 by the compressor 15 can be efficiently cooled, and the fuel The energy efficiency of the battery system 10 can be improved.

さらに、燃料電池スタック１１の負荷が所定値以下の低負荷の場合には、ボルテックスチューブ２３から吐出される高温側空気の温度を上昇させることで、この高温側空気によって駆動されるエキスパンダタービン１９の回生動力を増大させることができ、燃料電池システム１０の発電効率およびエネルギー効率を向上させることができる。 Further, when the load of the fuel cell stack 11 is a low load of a predetermined value or less, the expander turbine 19 driven by the high temperature side air is raised by increasing the temperature of the high temperature side air discharged from the vortex tube 23. The regenerative power of the fuel cell system 10 can be increased, and the power generation efficiency and energy efficiency of the fuel cell system 10 can be improved.

一方、燃料電池スタック１１の負荷が所定値よりも高い高負荷の場合には、ボルテックスチューブ２３から吐出される低温側空気の温度を下降させることで、熱交換器１６の放熱効率を向上させることができ、コンプレッサ１５によって空気供給流路３２に供給された空気を効率よく冷却することができ、燃料電池システム１０のエネルギー効率を向上させることができる。 On the other hand, when the load of the fuel cell stack 11 is a high load higher than a predetermined value, the heat radiation efficiency of the heat exchanger 16 is improved by lowering the temperature of the low temperature side air discharged from the vortex tube 23. Thus, the air supplied to the air supply flow path 32 by the compressor 15 can be efficiently cooled, and the energy efficiency of the fuel cell system 10 can be improved.

なお、上述した実施の形態においては、例えば図３に示す変形例に係る燃料電池システム１０のように、高温側流路３５上に設けられた第１切替弁５１と、低温側流路３６上に設けられた第２切替弁５２とを備えてもよい。 In the above-described embodiment, for example, as in the fuel cell system 10 according to the modification shown in FIG. 3, the first switching valve 51 provided on the high temperature side channel 35 and the low temperature side channel 36 are provided. And a second switching valve 52 provided in the above.

第１切替弁５１は、例えば制御装置２４の制御によって入力を初期設定の第１出力から第２出力に切り替える方向制御弁であって、高温側流路３５によってボルテックスチューブ２３の高温側空気吐出口２３ｂに接続された入力接続端５１ａと、第１流路６１ａによってエキスパンダタービン１９の空気供給口１９ａに接続された第１出力接続端５１ｂと、第２流路６１ｂによって熱交換器１６の冷媒供給口１６ａに接続された第２出力接続端５１ｃとを備えている。
第１切替弁５１は、初期設定の状態（つまり、制御装置２４から切替指示が出力されていない状態）では入力接続端５１ａを第１出力接続端５１ｂに接続し、制御装置２４から出力される切替指示によって入力接続端５１ａを第２出力接続端５１ｃに切り替えて接続する。 The first switching valve 51 is a directional control valve that switches the input from the first output to the second output, for example, under the control of the control device 24, and is a high temperature side air discharge port of the vortex tube 23 by the high temperature side flow path 35. The refrigerant of the heat exchanger 16 is connected to the input connection end 51a connected to 23b, the first output connection end 51b connected to the air supply port 19a of the expander turbine 19 by the first flow path 61a, and the second flow path 61b. And a second output connection end 51c connected to the supply port 16a.
The first switching valve 51 connects the input connection end 51 a to the first output connection end 51 b in the initial setting state (that is, the state where the switching instruction is not output from the control device 24), and is output from the control device 24. In response to the switching instruction, the input connection end 51a is switched to the second output connection end 51c for connection.

第２切替弁５２は、例えば制御装置２４の制御によって入力を初期設定の第１出力から第２出力に切り替える方向制御弁であって、低温側流路３６によってボルテックスチューブ２３の低温側空気吐出口２３ｃに接続された入力接続端５２ａと、第１流路６２ａによって熱交換器１６の冷媒供給口１６ａに接続された第１出力接続端５２ｂと、第２流路６２ｂによって大気中に開放された第２出力接続端５２ｃとを備えている。
第２切替弁５２は、初期設定の状態（つまり、制御装置２４から切替指示が出力されていない状態）では入力接続端５２ａを第１出力接続端５２ｂに接続し、制御装置２４から出力される切替指示によって入力接続端５２ａを第２出力接続端５２ｃに切り替えて接続する。 The second switching valve 52 is a directional control valve that switches the input from the first output to the second output, for example, under the control of the control device 24, and is a low temperature side air outlet of the vortex tube 23 by the low temperature side flow path 36. The input connection end 52a connected to 23c, the first output connection end 52b connected to the refrigerant supply port 16a of the heat exchanger 16 by the first flow path 62a, and the second flow path 62b opened to the atmosphere. And a second output connection end 52c.
The second switching valve 52 connects the input connection end 52 a to the first output connection end 52 b in the initial setting state (that is, the state where the switching instruction is not output from the control device 24), and is output from the control device 24. In response to the switching instruction, the input connection end 52a is switched to the second output connection end 52c for connection.

そして、制御装置２４は、例えば、燃料電池出口温度センサ４２から出力される燃料電池出口温度Ｔｂの検出結果の信号に基づき、燃料電池スタック１１の運転状態として加湿状態を取得し、取得した加湿状態に応じて第１切替弁５１および第２切替弁５２を制御する。 Then, for example, the control device 24 acquires the humidified state as the operation state of the fuel cell stack 11 based on the detection result signal of the fuel cell outlet temperature Tb output from the fuel cell outlet temperature sensor 42, and acquires the humidified state. Accordingly, the first switching valve 51 and the second switching valve 52 are controlled.

より詳細には、制御装置２４は、例えば、燃料電池出口温度センサ４２により検出された燃料電池出口温度Ｔｂに基づき、燃料電池出口温度Ｔｂと燃料電池スタック１１の空気排出口１１ｄから排出される排出空気の相対湿度との対応関係を示す所定のマップなどを参照して、排出空気の湿度（燃料電池出口湿度）Ｈａは所定値（例えば、１００％ＲＨの相対湿度）よりも高い過加湿状態であるか否かを判定する。 More specifically, the control device 24, for example, based on the fuel cell outlet temperature Tb detected by the fuel cell outlet temperature sensor 42, the exhaust discharged from the fuel cell outlet temperature Tb and the air outlet 11 d of the fuel cell stack 11. With reference to a predetermined map showing the correspondence relationship with the relative humidity of air, the exhaust air humidity (fuel cell outlet humidity) Ha is in an overhumidified state higher than a predetermined value (for example, 100% RH relative humidity). It is determined whether or not there is.

そして、燃料電池出口湿度Ｈａが所定値（例えば、１００％ＲＨの相対湿度）よりも高い場合には、第１切替弁５１の入力接続端５１ａを第１出力接続端５１ｂから第２出力接続端５１ｃに切り替えて接続し、第２切替弁５２の入力接続端５２ａを第１出力接続端５２ｂから第２出力接続端５２ｃに切り替えて接続する。 When the fuel cell outlet humidity Ha is higher than a predetermined value (for example, relative humidity of 100% RH), the input connection end 51a of the first switching valve 51 is changed from the first output connection end 51b to the second output connection end. The input connection end 52a of the second switching valve 52 is switched from the first output connection end 52b to the second output connection end 52c for connection.

これにより、高温側空気を熱交換器１６の冷媒供給口１６ａに排出させ、低温側空気を大気中に排出させ、熱交換器１６の抜熱量を減少させることによって、熱交換器１６から加湿器１７に排出される空気の温度を上昇させ、加湿器１７を加熱すると共に、加湿器１７から燃料電池スタック１１の内部のカソードに導入される空気の温度および含有水蒸気量を増大させる。 As a result, the high-temperature side air is discharged to the refrigerant supply port 16a of the heat exchanger 16, the low-temperature side air is discharged to the atmosphere, and the heat removal amount of the heat exchanger 16 is reduced. The temperature of the air discharged to 17 is increased to heat the humidifier 17 and the temperature of the air introduced from the humidifier 17 to the cathode inside the fuel cell stack 11 and the amount of water vapor are increased.

次に、上記構成を備えた変形例による燃料電池システム１０の動作、特に、ボルテックスチューブ２３の温度調節バルブ２３ｄの開度を制御する動作について説明する。 Next, the operation of the fuel cell system 10 according to the modified example having the above configuration, particularly, the operation for controlling the opening degree of the temperature control valve 23d of the vortex tube 23 will be described.

先ず、例えば図４に示すように、車両のイグニッションスイッチがＯＮとされた場合などにおける燃料電池システム１０の始動時において、ステップＳ１１においては、モータ２０の回転駆動を開始することによって、コンプレッサ１５の駆動を開始する。 First, as shown in FIG. 4, for example, when the fuel cell system 10 is started when the ignition switch of the vehicle is turned on, in step S <b> 11, the rotation drive of the motor 20 is started to start the compressor 15. Start driving.

次に、ステップＳ１２においては、熱交換器出口温度Ｔａは所定の要求温度よりも高いか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、後述するステップＳ１５に進む。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ１３に進む。
そして、ステップＳ１３においては、ボルテックスチューブ２３の低温側空気吐出口２３ｃから吐出される低温側空気の温度が下降するように温度調節バルブ２３ｄの開度を制御する。
これにより、ステップＳ１４において、熱交換器１６の抜熱量を増大させ、後述するステップＳ２２に進む。 Next, in step S12, it is determined whether or not the heat exchanger outlet temperature Ta is higher than a predetermined required temperature.
If this determination is “NO”, the flow proceeds to step S 15 described later.
On the other hand, if the determination is “YES”, the flow proceeds to step S13.
In step S13, the opening degree of the temperature adjustment valve 23d is controlled so that the temperature of the low temperature side air discharged from the low temperature side air discharge port 23c of the vortex tube 23 decreases.
Thereby, in step S14, the heat removal amount of the heat exchanger 16 is increased, and the process proceeds to step S22 described later.

また、ステップＳ１５においては、燃料電池出口湿度Ｈａは１００％ＲＨの相対湿度よりも高いか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、後述するステップＳ１８に進む。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ１６に進む。 In step S15, it is determined whether the fuel cell outlet humidity Ha is higher than the relative humidity of 100% RH.
If this determination is “NO”, the flow proceeds to step S 18 described later.
On the other hand, if this determination is “YES”, the flow proceeds to step S16.

そして、ステップＳ１６においては、ボルテックスチューブ２３の高温側空気吐出口２３ｂから吐出される高温側空気の温度が上昇するように温度調節バルブ２３ｄの開度を制御し、高温側空気が熱交換器１６の冷媒供給口１６ａに排出されるように第１切替弁５１の入力接続端５１ａを第１出力接続端５１ｂから第２出力接続端５１ｃに切り替えて接続し、低温側空気が大気中に排出されるように第２切替弁５２の入力接続端５２ａを第１出力接続端５２ｂから第２出力接続端５２ｃに切り替えて接続する。
これにより、ステップＳ１７において、熱交換器１６の抜熱量を減少させ、後述するステップＳ２２に進む。 In step S16, the opening degree of the temperature adjustment valve 23d is controlled so that the temperature of the high-temperature side air discharged from the high-temperature side air discharge port 23b of the vortex tube 23 is increased. The input connection end 51a of the first switching valve 51 is switched from the first output connection end 51b to the second output connection end 51c so as to be discharged to the refrigerant supply port 16a, and the low temperature side air is discharged into the atmosphere. In this way, the input connection end 52a of the second switching valve 52 is switched from the first output connection end 52b to the second output connection end 52c for connection.
Thereby, in step S17, the heat removal amount of the heat exchanger 16 is reduced, and it progresses to step S22 mentioned later.

また、ステップＳ１８においては、タービン上流温度Ｔは高温側温度Ｔ１より低いか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ１９に進み、このステップＳ１９においては、温度調節バルブ２３ｄの開度を、この時点での開度に維持、つまり高温側空気と低温側空気との分離度合い（例えば、流量比率など）を維持し、後述するステップＳ２２に進む。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ２０に進む。 In step S18, it is determined whether the turbine upstream temperature T is lower than the high temperature side temperature T1.
When the determination result is “NO”, the process proceeds to step S19, and in this step S19, the opening degree of the temperature control valve 23d is maintained at the opening degree at this time, that is, the high temperature side air and the low temperature side air The separation degree (for example, the flow rate ratio) is maintained, and the process proceeds to step S22 described later.
On the other hand, if the determination is “YES”, the flow proceeds to step S20.

そして、ステップＳ２０においては、ボルテックスチューブ２３の高温側空気吐出口２３ｂから吐出される高温側空気の温度が上昇するように温度調節バルブ２３ｄの開度を制御する。
これにより、ステップＳ２１においては、エキスパンダタービン１９の回生動力を増大させる。 In step S20, the opening degree of the temperature control valve 23d is controlled so that the temperature of the high temperature side air discharged from the high temperature side air discharge port 23b of the vortex tube 23 increases.
Thereby, in step S21, the regenerative power of the expander turbine 19 is increased.

そして、ステップＳ２２においては、車両のイグニッションスイッチがＯＦＦとされたか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、上述したステップＳ１１に戻る。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、このステップＳ２３に進み、このステップＳ２３においては、温度調節バルブ２３ｄの開度を所定の初期値に初期化、つまり高温側空気と低温側空気との分離度合い（例えば、流量比率など）を所定の初期値（例えば、１：１の流量比率など）に初期化して、エンドに進む。 In step S22, it is determined whether or not the ignition switch of the vehicle is turned off.
If this determination is “NO”, the flow returns to step S 11 described above.
On the other hand, if this determination is “YES”, the flow proceeds to step S 23, in which the opening of the temperature adjustment valve 23 d is initialized to a predetermined initial value, that is, high-temperature side air and low-temperature side air Is separated to a predetermined initial value (e.g., a flow rate ratio of 1: 1), and the process proceeds to the end.

この変形例による燃料電池システム１０によれば、燃料電池スタック１１の運転状態が過加湿状態である場合には、熱交換器１６の抜熱量を減少させることによって、熱交換器１６から加湿器１７に排出される空気の温度を上昇させ、加湿器１７を加熱すると共に、加湿器１７から燃料電池スタック１１の内部のカソードに導入される空気の温度および含有水蒸気量を増大させる。これにより、加湿器１７の加湿性能を向上させることができる。 According to the fuel cell system 10 according to this modification, when the operating state of the fuel cell stack 11 is an overhumidified state, the heat exchanger 16 to the humidifier 17 are reduced by reducing the amount of heat removed from the heat exchanger 16. The temperature of the air discharged into the fuel cell is raised, the humidifier 17 is heated, and the temperature of the air introduced from the humidifier 17 to the cathode inside the fuel cell stack 11 and the amount of water vapor are increased. Thereby, the humidification performance of the humidifier 17 can be improved.

以上、説明した本実施形態は、本発明を実施するうえでの一例を示すものであり、本発明が前記した実施形態に限定して解釈されるものではないことは言うまでもない。 The present embodiment described above shows an example in carrying out the present invention, and it goes without saying that the present invention is not construed as being limited to the above-described embodiment.

１０燃料電池システム
１１燃料電池スタック（燃料電池）
１１ａ水素導入口
１１ｂ水素排出口
１１ｃ空気導入口
１１ｄ空気排出口
１５コンプレッサ（空気供給回転機）
１６熱交換器
１６ａ冷媒供給口
１７加湿器
１９エキスパンダタービン（エキスパンダ）
１９ａ空気供給口
２２空気動圧軸受部
２２ｂ分流空気排出口
２３ボルテックスチューブ
２３ａ空気供給口
２３ｂ高温側空気吐出口
２３ｃ低温側空気吐出口
２３ｄ温度調節バルブ
２４制御装置（制御手段）
３２空気供給流路
３３空気排出流路
３４分岐空気流路
３５高温側流路（流路）
３６低温側流路（流路）
４１熱交換器出口温度センサ（運転状態取得手段）
４２燃料電池出口温度センサ（温度センサ）
４３タービン上流温度センサ（運転状態取得手段）
５１第１切替弁
５２第２切替弁
６１ａ第１流路（流路）
６２ａ第１流路（流路） 10 Fuel Cell System 11 Fuel Cell Stack (Fuel Cell)
11a Hydrogen inlet 11b Hydrogen outlet 11c Air inlet 11d Air outlet 15 Compressor (air supply rotating machine)
16 Heat exchanger 16a Refrigerant supply port 17 Humidifier 19 Expander turbine (expander)
19a Air supply port 22 Air dynamic pressure bearing portion 22b Split air discharge port 23 Vortex tube 23a Air supply port 23b High temperature side air discharge port 23c Low temperature side air discharge port 23d Temperature control valve 24 Control device (control means)
32 Air supply flow path 33 Air discharge flow path 34 Branch air flow path 35 High temperature side flow path (flow path)
36 Low-temperature channel (channel)
41 Heat exchanger outlet temperature sensor (operating state acquisition means)
42 Fuel cell outlet temperature sensor (temperature sensor)
43 Turbine upstream temperature sensor (operating state acquisition means)
51 1st switching valve 52 2nd switching valve 61a 1st flow path (flow path)
62a First flow path (flow path)

Claims

A fuel cell for generating electricity with fuel and an oxidant;
An air supply passage connected to an air inlet for introducing air containing the oxidant into the fuel cell;
An air discharge passage connected to an air discharge port for discharging the air from the inside of the fuel cell;
An air supply rotating machine connected to the air supply channel and supplying the air to the air supply channel;
An expander having a rotation shaft disposed in the air discharge flow path and connected coaxially with the rotation shaft of the air supply rotating machine;
A branched air channel branched from the air supply channel;
The rotating shaft of the air supply rotator is supported by the diverted air that is connected to the branch air flow path and is divided into the branch air flow path among the air supplied to the air supply flow path by the air supply rotator. An air dynamic pressure bearing portion, and a fuel cell system comprising:
A vortex tube connected to a diverted air discharge port for discharging the diverted air from the air dynamic pressure bearing portion and separating the diverted air into high temperature side air and low temperature side air;
A fuel cell system, wherein a high temperature side air discharge port for discharging the high temperature side air from the vortex tube is connected to an air supply port for supplying the air to the expander.

A heat exchanger disposed in the air supply channel for cooling the air;
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein a low temperature side air discharge port that discharges the low temperature side air from the vortex tube is connected to a refrigerant supply port that supplies a refrigerant to the heat exchanger.

A temperature control valve provided in the vortex tube to adjust the temperature of the high temperature side air and the low temperature side air according to the opening;
Operating state acquisition means for acquiring the operating state of the fuel cell;
Control means for controlling the opening degree of the temperature control valve according to the operation state acquired by the operation state acquisition unit,
The control means controls the opening so that the temperature of the high-temperature side air rises when the load of the fuel cell is a low load equal to or less than a predetermined value, and the load of the fuel cell is less than the predetermined value. 3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the opening degree is controlled so that the temperature of the low-temperature side air decreases when the load is high and high.

A heat exchanger disposed in the air supply flow path for cooling the air;
A humidifier connected to the air supply flow path and the air discharge flow path;
A refrigerant that is disposed in a flow path connecting the high temperature side air discharge port of the vortex tube and the air supply port of the expander, and supplies the high temperature side air to the air supply port or a refrigerant to the heat exchanger. A first switching valve capable of switching to a supply port and discharging;
It is arranged in a flow path connecting the low temperature side air discharge port for discharging the low temperature side air from the vortex tube and the refrigerant supply port, and the low temperature side air can be switched and discharged to the refrigerant supply port or the atmosphere. A second switching valve;
A temperature sensor provided in at least one of the air supply flow path and the air discharge flow path to detect the temperature of the air, and
The control means determines whether or not the operating state of the fuel cell is an overhumidified state based on the temperature detected by the temperature sensor, and in the determination result, the operating state of the fuel cell is an overhumidified state. When it is determined that the high temperature side air is discharged to the refrigerant supply port of the heat exchanger, the first switching valve is controlled and the low temperature side air is discharged to the atmosphere. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein the second switching valve is controlled.