JP2015170447A - fuel cell system - Google Patents

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敦雄 飯尾
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce the amount of energy required for driving a cooling pump, while maintaining high generation efficiency of fuel cells.SOLUTION: A cooling pump 32 of a fuel cell system A is driven by one or both of a turbine 32t arranged in a cathode off-gas passage 24, and an electric motor 32m for driving the cooling pump. The fuel cell system A also includes a fuel cell bypass passage 27 detouring the fuel cell 1, and a fuel cell bypass control valve 28 for controlling the amount of oxidant gas flowing through the fuel cell bypass passage. When generating power from the fuel cell, the fuel cell bypass control valve is controlled so that the total amount of oxidant gas from a compressor 23 is fed to the fuel cell, and the target value of the amount of cooling water fed by the electric motor is set by subtracting the amount of cooling water fed by the turbine from the target amount of cooling water.

Description

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

燃料電池セルと、燃料電池セル内に形成された酸化剤ガス通路の入口に連結された酸化剤ガス供給路と、酸化剤ガス供給路内に配置されて酸化剤ガスを圧送するコンプレッサと、酸化剤ガス通路の出口に連結されたカソードオフガス通路と、燃料電池セル内に形成された冷却水通路の入口に連結された冷却水供給路と、冷却水供給路内に配置されて冷却水を圧送する冷却水ポンプと、カソードオフガス通路内に配置されてカソードオフガス通路内を流れるカソードオフガスにより駆動されるタービンと、を備え、冷却水ポンプはタービンのみ又は冷却水ポンプ駆動用電気モータ及びタービン両方により駆動される、燃料電池システムが公知である（特許文献１参照）。   A fuel cell, an oxidant gas supply path connected to an inlet of an oxidant gas passage formed in the fuel battery cell, a compressor disposed in the oxidant gas supply path and pumping the oxidant gas; The cathode off-gas passage connected to the outlet of the agent gas passage, the cooling water supply passage connected to the inlet of the cooling water passage formed in the fuel cell, and the cooling water disposed in the cooling water supply passage are pumped. A cooling water pump, and a turbine driven by the cathode offgas disposed in the cathode offgas passage and flowing in the cathode offgas passage, wherein the cooling water pump is a turbine alone or by both an electric motor and a turbine for driving the cooling water pump. A fuel cell system to be driven is known (see Patent Document 1).

特開２０１０−０８０２７０号公報JP 2010-080270 A

上述の燃料電池システムでは、コンプレッサからの酸化剤ガスの全量が常時燃料電池セルに流入する。このため、燃料電池セルで発電する必要がないときにコンプレッサが駆動されると、燃料電池セルに酸化剤ガスが送られることになる。その結果、燃料電池セル、特に燃料電池セル内に設けられた膜電極接合体が乾燥するおそれがある。燃料電池セルが乾燥すると、次いで燃料電池セルで発電すべきときに発電効率が低くなるおそれがある。   In the fuel cell system described above, the entire amount of oxidant gas from the compressor always flows into the fuel cell. For this reason, when the compressor is driven when it is not necessary to generate power in the fuel cell, the oxidant gas is sent to the fuel cell. As a result, the fuel cell, particularly the membrane electrode assembly provided in the fuel cell may be dried. When the fuel cell is dried, the power generation efficiency may be lowered when the fuel cell is to generate power next time.

本発明によれば、燃料電池セルと、燃料電池セル内に形成された酸化剤ガス通路の入口に連結された酸化剤ガス供給路と、酸化剤ガス供給路内に配置されて酸化剤ガスを圧送するコンプレッサと、酸化剤ガス通路の出口に連結されたカソードオフガス通路と、燃料電池セル内に形成された冷却水通路の入口に連結された冷却水供給路と、冷却水供給路内に配置されて冷却水を圧送する冷却水ポンプと、カソードオフガス通路内に配置されてカソードオフガス通路内を流れるカソードオフガスにより駆動されるタービンと、を備え、冷却水ポンプは冷却水ポンプ駆動用電気モータ及びタービンの一方又は両方により駆動される、燃料電池システムであって、燃料電池セルを迂回して酸化剤ガス供給路とカソードオフガス通路とを互いに連結する燃料電池バイパス通路と、燃料電池バイパス通路内を流れる酸化剤ガスの量を制御する燃料電池バイパス制御弁と、を更に備え、酸化剤ガス供給路内を流れる酸化剤ガスの少なくとも一部が燃料電池バイパス通路を介し燃料電池セルを迂回できるようにし、燃料電池セルで発電すべきときには、コンプレッサが駆動されると共に、コンプレッサからの酸化剤ガスの全量が燃料電池セルに送られるように燃料電池バイパス制御弁が制御され、更に、タービンにより冷却水ポンプが駆動されると共に、冷却水ポンプ駆動用電気モータによる冷却水量の目標値が目標冷却水量からタービンによる冷却水量を差し引いた残りに設定され、冷却水ポンプ駆動用電気モータによる冷却水量がその目標量となるように冷却水ポンプ駆動用電気モータが制御され、燃料電池セルで発電すべきでないときに冷却水ポンプを駆動するときには、コンプレッサからの酸化剤ガスの全量が燃料電池バイパス通路に送られるように燃料電池バイパス制御弁が制御され、更に、冷却水温を目標温度範囲内に維持しながら、冷却水ポンプ駆動用電気モータの消費電力量とコンプレッサの消費電力量との合計が最適値になるように、コンプレッサ及び冷却水ポンプ駆動用電気モータが制御される、燃料電池システムが提供される。   According to the present invention, the fuel cell, the oxidant gas supply passage connected to the inlet of the oxidant gas passage formed in the fuel cell, and the oxidant gas disposed in the oxidant gas supply passage. Compressor for pumping, cathode off-gas passage connected to the outlet of the oxidant gas passage, cooling water supply passage connected to the inlet of the cooling water passage formed in the fuel cell, and disposed in the cooling water supply passage A cooling water pump that pumps the cooling water, and a turbine that is disposed in the cathode offgas passage and is driven by the cathode offgas that flows in the cathode offgas passage, the cooling water pump including an electric motor for driving the cooling water pump, and A fuel cell system driven by one or both of the turbines, wherein the oxidant gas supply path and the cathode off-gas path are connected to each other, bypassing the fuel cell A fuel cell bypass passage and a fuel cell bypass control valve for controlling the amount of oxidant gas flowing in the fuel cell bypass passage, wherein at least part of the oxidant gas flowing in the oxidant gas supply passage is a fuel cell. Fuel cell bypass control so that the fuel cell can be bypassed through the bypass passage, and when the fuel cell is to generate power, the compressor is driven and the entire amount of oxidant gas from the compressor is sent to the fuel cell. The valve is controlled, the cooling water pump is driven by the turbine, and the target value of the cooling water amount by the electric motor for driving the cooling water pump is set to the remainder obtained by subtracting the cooling water amount from the turbine from the target cooling water amount. The electric motor for driving the cooling water pump is controlled so that the cooling water amount by the electric motor for driving the pump becomes the target amount. When the cooling water pump is driven when power should not be generated by the fuel cell, the fuel cell bypass control valve is controlled so that the entire amount of the oxidant gas from the compressor is sent to the fuel cell bypass passage. The electric motor for driving the compressor and the cooling water pump is controlled so that the sum of the power consumption of the electric motor for driving the cooling water pump and the power consumption of the compressor becomes an optimum value while maintaining the temperature within the target temperature range. A fuel cell system is provided.

燃料電池セルの発電効率を高く維持しつつ、冷却ポンプを駆動するのに必要なエネルギ量を低減することができる。   The amount of energy required to drive the cooling pump can be reduced while maintaining the power generation efficiency of the fuel cell.

燃料電池システムの全体図である。1 is an overall view of a fuel cell system. 燃料電池バイパス制御弁の制御例を実行するルーチンを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the routine which performs the control example of a fuel cell bypass control valve. コンプレッサの消費電力を示す図である。It is a figure which shows the power consumption of a compressor. モータ冷却水量割合ｒＱＷＭのマップを示す図である。It is a figure which shows the map of motor cooling water amount ratio rQWM. 図１に示される燃料電池システムの冷却制御を実行するルーチンを示すフローチャートである。2 is a flowchart showing a routine for performing cooling control of the fuel cell system shown in FIG. 1. 本発明による別の実施例の燃料電池システムの全体図である。It is a general view of the fuel cell system of another Example by this invention. タービンバイパス制御弁及び燃料電池バイパス制御弁の制御例を実行するルーチンを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the routine which performs the control example of a turbine bypass control valve and a fuel cell bypass control valve. コンプレッサの消費電力を示す図である。It is a figure which shows the power consumption of a compressor. 図６に示される燃料電池システムの冷却制御を実行するルーチンを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the routine which performs cooling control of the fuel cell system shown by FIG. 図６に示される燃料電池システムの冷却制御を実行するルーチンを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the routine which performs cooling control of the fuel cell system shown by FIG.

図１を参照すると、燃料電池システムＡは燃料電池セル１を備える。燃料電池セル１は膜電極接合体（図示しない）を有する。膜電極接合体は膜状の電解質と、電解質の一側に形成されたアノード極と、電解質の他側に形成されたカソード極とを備える。これらアノード極及びカソード極は一方ではＤＣ／ＤＣコンバータ及びインバータ２を介して例えば車両駆動用の電気モータ３に電気的に接続され、他方ではＤＣ／ＤＣコンバータ４を介して蓄電器５に電気的に接続される。図１に示される燃料電池システムＡでは蓄電器５はバッテリから構成される。また、燃料電池セル１内には、アノード極に燃料ガスを供給するための燃料ガス通路１０と、カソード極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路２０とが形成される。燃料電池セル１内には更に、燃料電池セル１に冷却水を供給するための冷却水通路３０が形成される。   Referring to FIG. 1, the fuel cell system A includes a fuel cell 1. The fuel cell 1 has a membrane electrode assembly (not shown). The membrane electrode assembly includes a membrane electrolyte, an anode electrode formed on one side of the electrolyte, and a cathode electrode formed on the other side of the electrolyte. These anode and cathode electrodes are electrically connected to, for example, an electric motor 3 for driving a vehicle via a DC / DC converter and an inverter 2 on the one hand, and electrically connected to a battery 5 via a DC / DC converter 4 on the other hand. Connected. In the fuel cell system A shown in FIG. 1, the battery 5 is composed of a battery. In the fuel cell 1, a fuel gas passage 10 for supplying fuel gas to the anode electrode and an oxidant gas passage 20 for supplying oxidant gas to the cathode electrode are formed. A cooling water passage 30 for supplying cooling water to the fuel battery cell 1 is further formed in the fuel battery cell 1.

なお、図１に示される燃料電池システムＡでは、複数の燃料電池セル１が設けられ、これら燃料電池セル１が互いに直列的に積層されることにより燃料電池スタックが形成されている。この場合、上述の燃料ガス通路１０、酸化剤ガス通路２０、冷却水通路３０、アノード極及びカソード極はそれぞれ互いに連結される。   In the fuel cell system A shown in FIG. 1, a plurality of fuel cells 1 are provided, and the fuel cells 1 are stacked in series to form a fuel cell stack. In this case, the fuel gas passage 10, the oxidant gas passage 20, the cooling water passage 30, the anode electrode, and the cathode electrode are connected to each other.

燃料ガス通路１０の入口には燃料ガス供給路１１が連結され、燃料ガス供給路１１は燃料ガス源１２に連結される。本発明による実施例では燃料ガスは水素から形成され、燃料ガス源１２は水素タンクから形成される。燃料ガス供給路１１内には燃料ガス供給路１１内を流れる燃料ガスの量を制御する燃料ガス制御弁１３が配置される。一方、燃料ガス通路１０の出口にはアノードオフガス通路１４が連結され、アノードオフガス通路１４内にはアノードオフガス通路１４内を流れるアノードオフガスの量を制御するアノードオフガス制御弁１５が配置される。燃料ガス制御弁１３が開弁されると、燃料ガス源１２内の燃料ガスが燃料ガス供給路１１を介して燃料電池セル１内の燃料ガス通路１０内に供給される。このとき燃料ガス通路１０から流出するガス、すなわちアノードオフガスはアノードオフガス通路１４内に流入する。   A fuel gas supply path 11 is connected to the inlet of the fuel gas passage 10, and the fuel gas supply path 11 is connected to a fuel gas source 12. In an embodiment according to the present invention, the fuel gas is formed from hydrogen and the fuel gas source 12 is formed from a hydrogen tank. A fuel gas control valve 13 that controls the amount of fuel gas flowing in the fuel gas supply path 11 is disposed in the fuel gas supply path 11. On the other hand, an anode offgas passage 14 is connected to the outlet of the fuel gas passage 10, and an anode offgas control valve 15 that controls the amount of anode offgas flowing in the anode offgas passage 14 is disposed in the anode offgas passage 14. When the fuel gas control valve 13 is opened, the fuel gas in the fuel gas source 12 is supplied into the fuel gas passage 10 in the fuel cell 1 through the fuel gas supply passage 11. At this time, the gas flowing out from the fuel gas passage 10, that is, the anode off-gas flows into the anode off-gas passage 14.

また、酸化剤ガス通路２０の入口には酸化剤ガス供給路２１が連結され、酸化剤ガス供給路２１は酸化剤ガス源２２に連結される。本発明による実施例では酸化剤ガスは空気から形成され、酸化剤ガス源２２は大気から形成される。酸化剤ガス供給路２１内には酸化剤ガスを圧送するコンプレッサ２３が配置される。一方、酸化剤ガス通路２０の出口にはカソードオフガス通路２４が連結される。コンプレッサ２３が駆動されると、酸化剤ガス源２２内の酸化剤ガスが酸化剤ガス供給路２１を介して燃料電池セル１内の酸化剤ガス通路２０内に供給される。このとき酸化剤ガス通路２０から流出するガス、すなわちカソードオフガスはカソードオフガス通路２４内に流入する。   An oxidant gas supply path 21 is connected to the inlet of the oxidant gas path 20, and the oxidant gas supply path 21 is connected to an oxidant gas source 22. In an embodiment according to the invention, the oxidant gas is formed from air and the oxidant gas source 22 is formed from the atmosphere. A compressor 23 that pumps the oxidant gas is disposed in the oxidant gas supply path 21. On the other hand, a cathode off-gas passage 24 is connected to the outlet of the oxidant gas passage 20. When the compressor 23 is driven, the oxidant gas in the oxidant gas source 22 is supplied into the oxidant gas passage 20 in the fuel cell 1 through the oxidant gas supply passage 21. At this time, the gas flowing out from the oxidant gas passage 20, that is, the cathode off gas, flows into the cathode off gas passage 24.

更に、冷却水通路３０の入口には冷却水供給路３１の一端が連結され、冷却水供給路３１の出口には冷却水供給路３１の他端が連結される。冷却水供給路３１内には冷却水を圧送する冷却水ポンプ３２と、ラジエータ３３とが配置される。ラジエータ３３上流の冷却水供給路３１と、ラジエータ３３と冷却水ポンプ３２間の冷却水供給路３１とはラジエータバイパス通路３４により互いに連結される。また、ラジエータバイパス通路３４内を流れる冷却水量をそれぞれ制御するラジエータバイパス制御弁３５が設けられる。図１に示される燃料電池システムＡではラジエータバイパス制御弁３５は三方弁から形成され、ラジエータバイパス通路３４の入口に配置される。冷却水ポンプ３２が駆動されると、冷却水ポンプ３２から吐出された冷却水は冷却水供給路３１を介して燃料電池セル１内の冷却水通路３０内に流入し、次いで冷却水通路３０を通って冷却水供給路３１内に流入し、ラジエータ３３又はラジエータバイパス通路３４を介して冷却水ポンプ３２に戻る。なお、通常は、冷却水がラジエータバイパス通路３４に送られるようにラジエータバイパス制御弁３５が制御される。冷却水温をラジエータ３３により低下させる必要があるときには冷却水の一部又は全部がラジエータ３３に送られるようにラジエータバイパス制御弁３５が制御される。   Further, one end of the cooling water supply path 31 is connected to the inlet of the cooling water passage 30, and the other end of the cooling water supply path 31 is connected to the outlet of the cooling water supply path 31. A cooling water pump 32 that pumps cooling water and a radiator 33 are disposed in the cooling water supply path 31. The cooling water supply passage 31 upstream of the radiator 33 and the cooling water supply passage 31 between the radiator 33 and the cooling water pump 32 are connected to each other by a radiator bypass passage 34. A radiator bypass control valve 35 is provided for controlling the amount of cooling water flowing through the radiator bypass passage 34. In the fuel cell system A shown in FIG. 1, the radiator bypass control valve 35 is formed of a three-way valve and is disposed at the inlet of the radiator bypass passage 34. When the cooling water pump 32 is driven, the cooling water discharged from the cooling water pump 32 flows into the cooling water passage 30 in the fuel cell 1 through the cooling water supply passage 31, and then passes through the cooling water passage 30. Then, it flows into the cooling water supply passage 31 and returns to the cooling water pump 32 through the radiator 33 or the radiator bypass passage 34. Normally, the radiator bypass control valve 35 is controlled so that the cooling water is sent to the radiator bypass passage 34. When it is necessary to lower the cooling water temperature by the radiator 33, the radiator bypass control valve 35 is controlled so that a part or all of the cooling water is sent to the radiator 33.

また、カソードオフガス通路２４内にはタービン３２ｔが配置される。このタービン３２ｔはタービン３２ｔに送られたカソードオフガスによって駆動される。   A turbine 32t is disposed in the cathode offgas passage 24. The turbine 32t is driven by the cathode off gas sent to the turbine 32t.

上述した冷却水ポンプ３２は冷却水ポンプ駆動用電気モータ３２ｍ及びタービン３２ｔの一方又は両方により駆動される。   The above-described cooling water pump 32 is driven by one or both of the cooling water pump driving electric motor 32m and the turbine 32t.

図１に示される燃料電池システムＡには更に、燃料電池セル１を迂回して酸化剤ガス供給路２１とカソードオフガス通路２４とを互いに連結する燃料電池バイパス通路２７と、燃料電池バイパス通路２７内を流れる酸化剤ガスの量を制御する燃料電池バイパス制御弁２８とが設けられる。図１に示される燃料電池システムＡでは燃料電池バイパス制御弁２８は三方弁から形成され、燃料電池バイパス通路２７の入口に配置される。その結果、酸化剤ガス供給路２１内を流れる酸化剤ガスの少なくとも一部が燃料電池バイパス通路２７を介して燃料電池セル１を迂回することができる。なお、図１に示される燃料電池システムＡでは、燃料電池セル１からカソードオフガス通路２４内に流入したカソードオフガスと、燃料電池バイパス通路２７からカソードオフガス通路２４内に流入した未使用の酸化剤ガスとをまとめてカソードオフガスと称している。   The fuel cell system A shown in FIG. 1 further includes a fuel cell bypass passage 27 that bypasses the fuel cell 1 and connects the oxidant gas supply passage 21 and the cathode offgas passage 24 to each other; And a fuel cell bypass control valve 28 for controlling the amount of oxidant gas flowing therethrough. In the fuel cell system A shown in FIG. 1, the fuel cell bypass control valve 28 is formed of a three-way valve and is disposed at the inlet of the fuel cell bypass passage 27. As a result, at least a part of the oxidant gas flowing in the oxidant gas supply passage 21 can bypass the fuel cell 1 via the fuel cell bypass passage 27. In the fuel cell system A shown in FIG. 1, the cathode offgas that flows from the fuel cell 1 into the cathode offgas passage 24 and the unused oxidant gas that flows from the fuel cell bypass passage 27 into the cathode offgas passage 24. Are collectively referred to as cathode off-gas.

電子制御ユニット５０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス５１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）５２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）５３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）５４、入力ポート５５及び出力ポート５６を具備する。燃料電池セル１内の冷却水通路３０に隣接する冷却水供給路３１には冷却水の温度を検出する温度センサ４０が取り付けられる。温度センサ４０により検出される冷却水温は燃料電池セル１の温度を表している。温度センサ４０の出力信号は対応するＡＤ変換器５７を介して入力ポート５５に入力される。一方、出力ポート５６は対応する駆動回路５８を介して燃料ガス制御弁１３、アノードオフガス制御弁１５、コンプレッサ２３、燃料電池バイパス制御弁２８、冷却水ポンプ駆動用電気モータ３２ｍ、及びラジエータバイパス制御弁３５に接続される。   The electronic control unit 50 is composed of a digital computer, and is connected to each other by a bidirectional bus 51. A ROM (read only memory) 52, a RAM (random access memory) 53, a CPU (microprocessor) 54, an input port 55, and an output port 56. It comprises. A temperature sensor 40 for detecting the temperature of the cooling water is attached to the cooling water supply passage 31 adjacent to the cooling water passage 30 in the fuel cell 1. The coolant temperature detected by the temperature sensor 40 represents the temperature of the fuel cell 1. The output signal of the temperature sensor 40 is input to the input port 55 via the corresponding AD converter 57. On the other hand, the output port 56 is connected to the fuel gas control valve 13, the anode off-gas control valve 15, the compressor 23, the fuel cell bypass control valve 28, the cooling water pump drive electric motor 32m, and the radiator bypass control valve via the corresponding drive circuit 58. 35.

燃料電池セル１で発電すべきときには、燃料ガス制御弁１３が開弁されて燃料ガスが燃料電池セル１に供給されると共に、コンプレッサ２３が駆動されて酸化剤ガスが燃料電池セル１に供給される。その結果、燃料電池セル１において燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応（Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ）が生じ、それにより電気エネルギが発生される。この発生された電気エネルギは車両駆動用電気モータ３に送られ、それによりモータ３が駆動される。あるいは、発生された電気エネルギは蓄電器５に送られ、蓄えられる。 When power is to be generated in the fuel cell 1, the fuel gas control valve 13 is opened to supply the fuel gas to the fuel cell 1, and the compressor 23 is driven to supply the oxidant gas to the fuel cell 1. The As a result, an electrochemical reaction (O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O) occurs between the fuel gas and the oxidant gas in the fuel cell 1, thereby generating electric energy. The generated electric energy is sent to the electric motor 3 for driving the vehicle, whereby the motor 3 is driven. Alternatively, the generated electric energy is sent to the battery 5 and stored.

この場合、図１に示される燃料電池システムＡでは、発電すべきときには、例えばアクセルペダルの踏み込み量により表される車両駆動用電気モータ３の負荷及び蓄電器５の蓄電量に応じて燃料電池セル１の目標電流値が求められる。次いで、燃料電池セル１の出力電流値を目標電流値にするのに必要な燃料ガス量及び酸化剤ガス量、すなわち目標燃料ガス量及び目標酸化剤ガス量が求められる。次いで、燃料電池セル１に送られる燃料ガス量及び酸化剤ガス量がそれぞれ目標燃料ガス量及び目標酸化剤ガス量になるように燃料ガス制御弁１３及びコンプレッサ２３がそれぞれ制御される。言い換えると、コンプレッサ２３からの酸化剤ガス量が目標酸化剤ガス量に維持されるようにコンプレッサ２３が駆動される。   In this case, in the fuel cell system A shown in FIG. 1, when power generation is to be performed, for example, the fuel cell 1 according to the load of the electric motor 3 for driving the vehicle expressed by the amount of depression of the accelerator pedal and the charged amount of the battery 5. Target current value is obtained. Next, the fuel gas amount and the oxidant gas amount necessary for setting the output current value of the fuel cell 1 to the target current value, that is, the target fuel gas amount and the target oxidant gas amount are obtained. Next, the fuel gas control valve 13 and the compressor 23 are respectively controlled so that the fuel gas amount and the oxidant gas amount sent to the fuel battery cell 1 become the target fuel gas amount and the target oxidant gas amount, respectively. In other words, the compressor 23 is driven so that the oxidant gas amount from the compressor 23 is maintained at the target oxidant gas amount.

一方、上述したように、冷却水ポンプ３２は冷却水ポンプ駆動用電気モータ３２ｍ及びタービン３２ｔの一方又は両方により駆動される。電気モータ３２ｍにより冷却水ポンプ３２を駆動すべきときには電気モータ３２ｍに電力が供給される。タービン３２ｔにより冷却水ポンプ３２を駆動すべきときには、カソードオフガスがタービン３２ｔに送られる。ここで、タービン３２ｔに送られるカソードオフガス量が多くなるにつれてタービン３２ｔによる冷却水量が多くなる。なお、冷却水ポンプ３２からの冷却水量は電気モータ３２ｍによる冷却水量とタービン３２ｔによる冷却水量との合計と考えることができる。   On the other hand, as described above, the cooling water pump 32 is driven by one or both of the cooling water pump driving electric motor 32m and the turbine 32t. When the cooling water pump 32 is to be driven by the electric motor 32m, electric power is supplied to the electric motor 32m. When the cooling water pump 32 is to be driven by the turbine 32t, the cathode off gas is sent to the turbine 32t. Here, the amount of cooling water by the turbine 32t increases as the amount of cathode off-gas sent to the turbine 32t increases. The amount of cooling water from the cooling water pump 32 can be considered as the sum of the amount of cooling water by the electric motor 32m and the amount of cooling water by the turbine 32t.

次に、燃料電池バイパス制御弁２８の制御の基本的な考え方について説明する。   Next, the basic concept of control of the fuel cell bypass control valve 28 will be described.

図１に示される燃料電池システムＡでは、上述したように、コンプレッサ２３からの酸化剤ガス量が目標電流値に応じて求められる。したがって、燃料電池セル１で発電すべきでないときには、基本的には、コンプレッサ２３が駆動されない。
ところが、例えば発電作用の停止直後に燃料電池セル１の温度が過度に高いときもあり、このとき燃料電池セル１を冷却する必要がある。
そこで図１に示される燃料電池システムＡでは、燃料電池セル１を冷却すべきときには、燃料電池セル１で発電すべきでなくても、冷却水ポンプ３２が駆動される。この場合、タービン３２ｔにより冷却水ポンプ３２を駆動すべきときには、コンプレッサ２３が駆動され、このとき生ずるカソードオフガスがタービン３２ｔに送られる。 In the fuel cell system A shown in FIG. 1, as described above, the amount of oxidant gas from the compressor 23 is obtained according to the target current value. Therefore, when the fuel cell 1 should not generate power, the compressor 23 is basically not driven.
However, for example, the temperature of the fuel cell 1 may be excessively high immediately after the power generation operation is stopped. At this time, the fuel cell 1 needs to be cooled.
Therefore, in the fuel cell system A shown in FIG. 1, when the fuel cell 1 is to be cooled, the cooling water pump 32 is driven even if the fuel cell 1 should not generate power. In this case, when the cooling water pump 32 is to be driven by the turbine 32t, the compressor 23 is driven, and the cathode off gas generated at this time is sent to the turbine 32t.

ところが、燃料電池セル１で発電すべきでないときには燃料電池セル１に燃料ガスが供給されない。このため、発電すべきでないときに酸化剤ガスが燃料電池セル１に送られると、燃料電池セル１で上述の電気化学反応が生じず、燃料電池セル１、特に膜電極接合体が乾燥するおそれがある。燃料電池セル１が乾燥すると、次いで燃料電池セル１で発電すべきときに発電効率が低くなるおそれがある。   However, fuel gas is not supplied to the fuel cell 1 when the fuel cell 1 should not generate power. For this reason, if oxidant gas is sent to the fuel battery cell 1 when power generation should not be performed, the above-described electrochemical reaction does not occur in the fuel battery cell 1, and the fuel battery cell 1, particularly the membrane electrode assembly may be dried. There is. When the fuel cell 1 is dried, the power generation efficiency may be lowered when the fuel cell 1 is to generate power next time.

そこで図１に示される燃料電池システムＡでは、燃料電池セル１で発電すべきでないときにコンプレッサ２３が駆動されているときには、コンプレッサ２３からの酸化剤ガス量の全部が燃料電池バイパス通路２７に送られるように燃料電池バイパス制御弁２８の弁位置ないし開度が制御される。すなわち、コンプレッサ２３からの酸化剤ガスが燃料電池バイパス通路２７を介し燃料電池セル１を迂回される。その結果、タービン３２ｔを駆動しつつ燃料電池セル１が乾燥するのが抑制され、燃料電池セル１の発電効率が高く維持される。   Therefore, in the fuel cell system A shown in FIG. 1, when the compressor 23 is driven when the fuel cell 1 should not generate power, the entire amount of oxidant gas from the compressor 23 is sent to the fuel cell bypass passage 27. Thus, the valve position or opening of the fuel cell bypass control valve 28 is controlled. That is, the oxidant gas from the compressor 23 is bypassed the fuel cell 1 through the fuel cell bypass passage 27. As a result, drying of the fuel cell 1 is suppressed while driving the turbine 32t, and the power generation efficiency of the fuel cell 1 is maintained high.

また、燃料電池バイパス通路２７の流路抵抗は燃料電池セル１内の酸化剤ガス通路２０の流路抵抗よりも小さい。したがって、コンプレッサ２３からの酸化剤ガスが燃料電池バイパス通路２７を介し燃料電池セル１を迂回されるようにすることにより、コンプレッサ２３からの酸化剤ガス量を必要量に維持するためのコンプレッサ２３の消費電力量が少なく維持される。   Further, the flow resistance of the fuel cell bypass passage 27 is smaller than the flow resistance of the oxidant gas passage 20 in the fuel cell 1. Therefore, by allowing the oxidant gas from the compressor 23 to bypass the fuel cell 1 via the fuel cell bypass passage 27, the compressor 23 for maintaining the amount of oxidant gas from the compressor 23 at a necessary amount. Low power consumption is maintained.

これに対し、燃料電池セル１で発電すべきときには、コンプレッサ２３が駆動されると共に、コンプレッサ２３からの酸化剤ガス量の全部が燃料電池セル１に送られるように燃料電池バイパス制御弁２８が制御される。この場合、コンプレッサ２３から送られる酸化剤ガス量が目標酸化剤ガス量となるようにコンプレッサ２３が制御される。   On the other hand, when the fuel cell 1 is to generate power, the compressor 23 is driven and the fuel cell bypass control valve 28 is controlled so that the entire amount of oxidant gas from the compressor 23 is sent to the fuel cell 1. Is done. In this case, the compressor 23 is controlled so that the amount of oxidant gas sent from the compressor 23 becomes the target amount of oxidant gas.

図２は燃料電池バイパス制御弁２８の制御例を実行するルーチンを示している。このルーチンは一定時間ごとの割り込みによって実行される。   FIG. 2 shows a routine for executing an example of control of the fuel cell bypass control valve 28. This routine is executed by interruption at regular intervals.

図２を参照すると、ステップ２００では燃料電池セル１で発電すべきか否かが判別される。燃料電池セル１で発電すべきときには次いでステップ２０１に進み、コンプレッサ２３からの酸化剤ガス量の全部が燃料電池セル１に送られるように燃料電池バイパス制御弁２８が制御される。これに対し、燃料電池セル１で発電すべきでないときにはステップ２００からステップ２０２に進み、コンプレッサ２３が駆動されているか否かが判別される。コンプレッサ２３が駆動されていないときには処理サイクルを終了する。コンプレッサ２３が駆動されているときにはステップ２０３に進み、コンプレッサ２３からの酸化剤ガスの全部が燃料電池バイパス通路２７に送られるように燃料電池バイパス制御弁２８が制御される。   Referring to FIG. 2, in step 200, it is determined whether or not the fuel cell 1 should generate power. When power is to be generated in the fuel cell 1, the process proceeds to step 201 where the fuel cell bypass control valve 28 is controlled so that the entire amount of oxidant gas from the compressor 23 is sent to the fuel cell 1. In contrast, when the fuel cell 1 should not generate power, the routine proceeds from step 200 to step 202, where it is determined whether or not the compressor 23 is being driven. When the compressor 23 is not driven, the processing cycle is terminated. When the compressor 23 is being driven, the routine proceeds to step 203, where the fuel cell bypass control valve 28 is controlled so that all of the oxidant gas from the compressor 23 is sent to the fuel cell bypass passage 27.

なお、何らかの理由でコンプレッサ２３からの酸化剤ガス量が目標電流値に応じて定まる目標酸化剤ガス量よりも多くされた場合には、酸化剤ガスが目標酸化剤ガス量だけ燃料電池セル１に送られかつ残りの酸化剤ガスが燃料電池バイパス通路２７内に送られるように、燃料電池バイパス制御弁２８が制御される。   If for some reason the amount of oxidant gas from the compressor 23 is made larger than the target oxidant gas amount determined according to the target current value, the oxidant gas is supplied to the fuel cell 1 by the target oxidant gas amount. The fuel cell bypass control valve 28 is controlled such that it is sent and the remaining oxidant gas is sent into the fuel cell bypass passage 27.

したがって、概念的に表現すると、酸化剤ガス供給路２１内を流れる酸化剤ガスの少なくとも一部が燃料電池バイパス通路２７を介し燃料電池セル１を迂回されるということになる。   Therefore, conceptually, at least a part of the oxidant gas flowing in the oxidant gas supply path 21 is bypassed the fuel cell 1 via the fuel cell bypass path 27.

ところで、コンプレッサ２３からの酸化剤ガス量に対する燃料電池バイパス通路２７に送られる酸化剤ガス量の割合を燃料電池バイパス割合ｒＦＣＢと称すると、図３は、種々の燃料電池バイパス割合ｒＦＣＢのもとでコンプレッサ２３からの酸化剤ガス量を一定量に維持するのに必要なコンプレッサ２３の消費電力量ＱＥＣを示している。燃料電池バイパス割合ｒＦＣＢが小さくなるにつれて燃料電池セル１に送られる酸化剤ガス量が多くなり、燃料電池セル１の流路抵抗は燃料電池バイパス通路２７の流路抵抗よりも大きい。したがって、図３からわかるように、燃料電池バイパス割合ｒＦＣＢが小さくなるにつれて消費電力量ＱＥＣが大きくなる。   By the way, when the ratio of the oxidant gas amount sent to the fuel cell bypass passage 27 to the oxidant gas amount from the compressor 23 is referred to as a fuel cell bypass ratio rFCB, FIG. 3 shows various fuel cell bypass ratios rFCB. A power consumption amount QEC of the compressor 23 necessary for maintaining the oxidant gas amount from the compressor 23 at a constant amount is shown. As the fuel cell bypass ratio rFCB decreases, the amount of oxidant gas sent to the fuel cell 1 increases, and the flow resistance of the fuel cell 1 is larger than the flow resistance of the fuel cell bypass 27. Therefore, as can be seen from FIG. 3, the power consumption QEC increases as the fuel cell bypass ratio rFCB decreases.

次に、図１に示される燃料電池システムＡにおける冷却制御について説明する。   Next, cooling control in the fuel cell system A shown in FIG. 1 will be described.

図１に示される燃料電池システムＡでは、燃料電池セル１の温度を表す冷却水温があらかじめ定められた目標温度範囲内に維持されるように冷却水ポンプ３２からの冷却水量が制御される。すなわち、図１に示される燃料電池システムＡでは、まず、冷却水温をあらかじめ定められた目標温度範囲内に維持するのに必要な冷却水量、すなわち目標冷却水量ＱＷＸが冷却水温の目標値と、燃料電池セル１から流出する冷却水と燃料電池セル１に流入する冷却水の温度差の目標値とから求められる。ここで、燃料電池セル１で発電すべきときにはコンプレッサ２３が駆動されており、このときコンプレッサ２３からの酸化剤ガス量、すなわちカソードオフガス通路２４内に流入するカソードオフガス量は目標電流値に応じてあらかじめ決まっている。また、図１に示される燃料電池システムＡでは、カソードオフガス通路２４内に流入したカソードオフガスの全量がタービン３２ｔに送られる。したがって、発電すべきときにはタービン３２ｔが駆動され、タービン３２ｔによる冷却水量ＱＷＴは目標電流値に応じてあらかじめ決まっている。そこで図１に示される燃料電池システムＡでは、電気モータ３２ｍによる冷却水量の目標値ＱＷＭＸが目標冷却水量ＱＷＸからタービン３２ｔによる冷却水量ＱＷＴを差し引いた残り（ＱＷＸ−ＱＷＴ）に設定される。次いで、電気モータ３２ｍによる冷却水量がその目標量ＱＷＭＸとなるように電気モータ３２ｍが制御される。なお、この場合、コンプレッサ２３からの酸化剤ガスの全量が燃料電池セル１に送られるように燃料電池バイパス制御弁２８が制御される。   In the fuel cell system A shown in FIG. 1, the amount of cooling water from the cooling water pump 32 is controlled so that the cooling water temperature representing the temperature of the fuel cell 1 is maintained within a predetermined target temperature range. That is, in the fuel cell system A shown in FIG. 1, first, the amount of cooling water necessary to maintain the cooling water temperature within a predetermined target temperature range, that is, the target cooling water amount QWX is the target value of the cooling water temperature, the fuel It is obtained from the target value of the temperature difference between the cooling water flowing out from the battery cell 1 and the cooling water flowing into the fuel battery cell 1. Here, when the fuel cell 1 is to generate electric power, the compressor 23 is driven. At this time, the amount of oxidant gas from the compressor 23, that is, the amount of cathode offgas flowing into the cathode offgas passage 24, depends on the target current value. It is decided in advance. Further, in the fuel cell system A shown in FIG. 1, the entire amount of cathode offgas flowing into the cathode offgas passage 24 is sent to the turbine 32t. Therefore, when power generation is to be performed, the turbine 32t is driven, and the cooling water amount QWT by the turbine 32t is determined in advance according to the target current value. Therefore, in the fuel cell system A shown in FIG. 1, the target value QWMX of the cooling water amount by the electric motor 32m is set to the remainder (QWX-QWT) obtained by subtracting the cooling water amount QWT from the turbine 32t from the target cooling water amount QWX. Next, the electric motor 32m is controlled so that the cooling water amount by the electric motor 32m becomes the target amount QWMX. In this case, the fuel cell bypass control valve 28 is controlled so that the entire amount of the oxidant gas from the compressor 23 is sent to the fuel cell 1.

すなわち、目標冷却水量ＱＷＸがタービン３２ｔによる冷却水量ＱＷＴ以下のとき、すなわちタービン３２ｔのみで目標冷却水量ＱＷＸを賄うことができるときには、タービン３２ｔのみが駆動され、冷却水ポンプ駆動用電気モータ３２ｍは停止される。一方、目標冷却水量ＱＷＸがタービン３２ｔによる冷却水量ＱＷＴよりも多いとき、すなわちタービン３２ｔのみで目標冷却水量ＱＷＸを賄うことができないときには、タービン３２ｔに加えて冷却水ポンプ駆動用電気モータ３２ｍが駆動され、冷却水ポンプ駆動用電気モータ３２ｍによる冷却水量の目標量ＱＷＭＸが目標冷却水量ＱＷＸに対するタービン３２ｔによる冷却水量ＱＷＴの不足分（ＱＷＸ−ＱＷＴ）に設定される。その結果、カソードオフガスを冷却水ポンプ３２の駆動のために有効利用することができ、冷却水ポンプ駆動用電気モータ３２ｍの駆動を最小限に抑えることができる。したがって、冷却ポンプ３２を駆動するのに必要なエネルギを抑制することができる。   That is, when the target cooling water amount QWX is less than or equal to the cooling water amount QWT by the turbine 32t, that is, when the target cooling water amount QWX can be covered only by the turbine 32t, only the turbine 32t is driven and the cooling water pump driving electric motor 32m is stopped. Is done. On the other hand, when the target cooling water amount QWX is larger than the cooling water amount QWT by the turbine 32t, that is, when the target cooling water amount QWX cannot be covered only by the turbine 32t, the cooling water pump driving electric motor 32m is driven in addition to the turbine 32t. The target amount QWMX of the cooling water amount by the electric motor 32m for driving the cooling water pump is set to the shortage amount (QWX-QWT) of the cooling water amount QWT by the turbine 32t with respect to the target cooling water amount QWX. As a result, the cathode off gas can be effectively used for driving the cooling water pump 32, and the driving of the electric motor 32m for driving the cooling water pump can be minimized. Therefore, energy required to drive the cooling pump 32 can be suppressed.

したがって、概念的に表現すると、燃料電池セル１で発電すべきときには、コンプレッサ２３が駆動されると共に、コンプレッサ２３からの酸化剤ガスの全量が燃料電池セル１に送られるように燃料電池バイパス制御弁２８が制御され、更に、タービン３２ｔにより冷却水ポンプ３２が駆動されると共に、冷却水ポンプ駆動用電気モータ３２ｍによる冷却水量の目標値ＱＷＭＸが目標冷却水量ＱＷＸからタービン３２ｔによる冷却水量ＱＷＴを差し引いた残り（ＱＷＸ−ＱＷＴ）に設定され、冷却水ポンプ駆動用電気モータ３２ｍによる冷却水量がその目標量ＱＷＭＸとなるように冷却水ポンプ駆動用電気モータ３２ｍが制御されるということになる。   Therefore, conceptually expressed, when the fuel cell 1 is to generate power, the fuel cell bypass control valve is driven so that the compressor 23 is driven and the entire amount of the oxidant gas from the compressor 23 is sent to the fuel cell 1. 28, the cooling water pump 32 is driven by the turbine 32t, and the target value QWMX of the cooling water amount by the electric motor 32m for driving the cooling water pump is obtained by subtracting the cooling water amount QWT by the turbine 32t from the target cooling water amount QWX. The remaining (QWX-QWT) is set, and the cooling water pump driving electric motor 32m is controlled so that the cooling water amount by the cooling water pump driving electric motor 32m becomes the target amount QWMX.

一方、燃料電池セル１で発電すべきでないときに冷却水ポンプ３２を駆動するときには、燃料電池バイパス割合ｒＦＣＢは１に設定され、すなわちコンプレッサ２３からの酸化剤ガスの全量が燃料電池バイパス通路２７に送られるように燃料電池バイパス制御弁２８が制御される。その上で、目標冷却水量ＱＷＸが求められ、次いで冷却水ポンプ３２からの冷却水量を目標冷却水量ＱＷＸにするのに必要な電気モータ３２ｍによる冷却水量の目標量ＱＷＭＸとタービン３２ｔによる冷却水量の目標量ＱＷＴＸとの組み合わせが求められる。次いで、電気モータ３２ｍによる冷却水量がその目標量ＱＷＭＸとなるように電気モータ３２ｍが制御される。また、タービン３２ｔによる冷却水量をその目標量ＱＷＴＸにするのに必要な、タービン３２ｔに送られるカソードオフガス量の目標量ＱＣＧＴＸが求められ、タービン３２ｔに送られるカソードオフガス量がその目標量ＱＣＧＴＸとなるようにコンプレッサ２３からの酸化剤ガス量が制御される。このように、図１に示される燃料電池システムＡでは、発電すべきでなくても必要に応じてコンプレッサ２３が駆動される。   On the other hand, when the coolant pump 32 is driven when the fuel cell 1 should not generate power, the fuel cell bypass ratio rFCB is set to 1, that is, the entire amount of oxidant gas from the compressor 23 is supplied to the fuel cell bypass passage 27. The fuel cell bypass control valve 28 is controlled to be sent. After that, the target cooling water amount QWX is obtained, and then the target amount QWMX of the cooling water amount by the electric motor 32m and the target of the cooling water amount by the turbine 32t necessary to set the cooling water amount from the cooling water pump 32 to the target cooling water amount QWX. A combination with the quantity QWTX is required. Next, the electric motor 32m is controlled so that the cooling water amount by the electric motor 32m becomes the target amount QWMX. Further, the target amount QCGTX of the cathode off-gas amount sent to the turbine 32t, which is necessary for setting the cooling water amount by the turbine 32t to the target amount QWTX, is obtained, and the cathode off-gas amount sent to the turbine 32t becomes the target amount QCGTX. Thus, the amount of oxidant gas from the compressor 23 is controlled. As described above, in the fuel cell system A shown in FIG. 1, the compressor 23 is driven as necessary even if power generation should not be performed.

図１に示される燃料電池システムＡにおいて、燃料電池セル１で発電すべきでないときに冷却水ポンプ３２を駆動するときの、電気モータ３２ｍによる冷却水量の目標量ＱＷＭＸとタービン３２ｔによる冷却水量の目標量ＱＷＴＸとの組み合わせは例えば次のようにして求められる。目標冷却水量ＱＷＸに対する電気モータ３２ｍによる冷却水量の目標量ＱＷＭＸの割合をモータ冷却水量割合ｒＱＷＭと称すると、電気モータ３２ｍによる冷却水量の目標量ＱＷＭＸはＱＷＸ・ｒＱＷＭで表され、タービン３２ｔによる冷却水量の目標値ＱＷＴＸはＱＷＸ・（１−ｒＱＷＭ）で表される。図１に示される燃料電池システムＡでは、電気モータ３２の消費電力量とコンプレッサ２３の消費電力量の合計を最適値、例えば最小値にするモータ冷却水量割合ｒＱＷＭが目標冷却水量ＱＷＸの関数としてあらかじめ求められており、図４に示されるマップの形であらかじめＲＯＭ５２内に記憶されている。   In the fuel cell system A shown in FIG. 1, when the coolant pump 32 is driven when the fuel cell 1 should not generate power, the target coolant amount QWMX by the electric motor 32m and the target coolant amount by the turbine 32t are driven. The combination with the quantity QWTX is obtained as follows, for example. When the ratio of the target amount QWMX of the cooling water amount by the electric motor 32m to the target cooling water amount QWX is referred to as the motor cooling water amount ratio rQWM, the target amount QWMX of the cooling water amount by the electric motor 32m is expressed by QWX · rQWM, and the cooling water amount by the turbine 32t The target value QWTX is represented by QWX · (1-rQWM). In the fuel cell system A shown in FIG. 1, the motor cooling water amount ratio rQWM that makes the sum of the power consumption of the electric motor 32 and the power consumption of the compressor 23 an optimum value, for example, the minimum value, is obtained in advance as a function of the target cooling water amount QWX. It is calculated and stored in the ROM 52 in advance in the form of a map shown in FIG.

すなわち、目標冷却水量ＱＷＸが求められると、図４に示されるマップからモータ冷却水量割合ｒＱＷＭが求められ、次いでモータ冷却水量割合ｒＱＷＭを用いて、電気モータ３２ｍによる冷却水量の目標量ＱＷＭＸ（＝ＱＷＸ・ｒＱＷＭ）及びタービン３２ｔによる冷却水量の目標値ＱＷＴＸ（＝ＱＷＸ・（１−ｒＱＷＭ））がそれぞれ求められる。   That is, when the target cooling water amount QWX is obtained, the motor cooling water amount ratio rQWM is obtained from the map shown in FIG. 4, and then the target amount QWMX (= QWX) of the cooling water amount by the electric motor 32m is obtained using the motor cooling water amount ratio rQWM. RQWM) and a target value QWTX (= QWX · (1−rQWM)) of the cooling water amount by the turbine 32t are obtained.

なお、求められたモータ冷却水量割合ｒＱＷＭが１のときには電気モータ３２のみが駆動されることになり、求められたモータ冷却水量割合ｒＱＷＭがゼロのときにはコンプレッサ２３のみが駆動されることになる。また、求められたモータ冷却水量割合ｒＱＷＭが０から１のときには電気モータ３２及びコンプレッサ２３の両方が駆動される。   It should be noted that only the electric motor 32 is driven when the determined motor cooling water amount ratio rQWM is 1, and only the compressor 23 is driven when the determined motor cooling water ratio rQWM is zero. Further, when the obtained motor cooling water amount ratio rQWM is from 0 to 1, both the electric motor 32 and the compressor 23 are driven.

したがって、概念的に表現すると、燃料電池セル１で発電すべきでないときに冷却水ポンプ３２を駆動するときには、コンプレッサ２３からの酸化剤ガスの全量が燃料電池バイパス通路２７に送られるように燃料電池バイパス制御弁２８が制御され、更に、冷却水温を目標温度範囲内に維持しながら、冷却水ポンプ駆動用電気モータ３２ｍの消費電力量とコンプレッサ２３の消費電力量との合計が最適値になるように、コンプレッサ２３及び冷却水ポンプ駆動用電気モータ３２ｍが制御されるということになる。   Therefore, conceptually expressed, when the coolant pump 32 is driven when the fuel cell 1 should not generate power, the fuel cell is configured such that the entire amount of the oxidant gas from the compressor 23 is sent to the fuel cell bypass passage 27. The bypass control valve 28 is controlled, and the sum of the power consumption amount of the cooling water pump driving electric motor 32m and the power consumption amount of the compressor 23 becomes an optimum value while maintaining the cooling water temperature within the target temperature range. In addition, the compressor 23 and the electric motor 32m for driving the cooling water pump are controlled.

図５は図１に示される燃料電池システムＡの冷却制御を実行するルーチンを示している。このルーチンは一定時間ごとの割り込みによって実行される。   FIG. 5 shows a routine for executing the cooling control of the fuel cell system A shown in FIG. This routine is executed by interruption at regular intervals.

図５を参照すると、ステップ２５０では目標冷却水量ＱＷＸが算出される。続くステップ２５１では燃料電池セル１で発電すべきか否かが判別される。燃料電池セル１で発電すべきときには次いでステップ２５２に進み、電気モータ３２ｍによる冷却水量の目標量ＱＷＭＸが算出される（ＱＷＭＸ＝ＱＷＸ−ＱＷＴ）。続くステップ２５３では燃料電池バイパス割合ｒＦＣＢがゼロになるように、すなわちコンプレッサ２３からの酸化剤ガスの全量が燃料電池セル１に送られるように、燃料電池バイパス制御弁２８が制御される。続くステップ２５４では電気モータ３２ｍによる冷却水量がその目標量ＱＷＭＸとなるように電気モータ３２ｍが制御される。   Referring to FIG. 5, in step 250, a target cooling water amount QWX is calculated. In the subsequent step 251, it is determined whether or not the fuel cell 1 should generate power. When power is to be generated in the fuel cell 1, the routine proceeds to step 252, where the target amount QWMX of the cooling water amount by the electric motor 32m is calculated (QWMX = QWX-QWT). In the subsequent step 253, the fuel cell bypass control valve 28 is controlled so that the fuel cell bypass ratio rFCB becomes zero, that is, the entire amount of oxidant gas from the compressor 23 is sent to the fuel cell 1. In the following step 254, the electric motor 32m is controlled so that the amount of cooling water by the electric motor 32m becomes the target amount QWMX.

これに対し、燃料電池セル１で発電すべきでないときにはステップ２５１からステップ２５５に進み、図４のマップからモータ冷却水量割合ｒＱＷＭが算出される。続くステップ２５６では電気モータ３２ｍによる冷却水量の目標量ＱＷＭＸとタービン３２ｔによる冷却水量の目標量ＱＷＴＸとの組み合わせが算出される。続くステップ２５７では、タービン３２ｔに送られるカソードオフガス量の目標量ＱＣＧＴＸが算出される。続くステップ２５８では、燃料電池バイパス割合ｒＦＣＢが１になるように、すなわちコンプレッサ２３からの酸化剤ガスの全量が燃料電池バイパス通路２７に送られるように、燃料電池バイパス制御弁２８が制御される。続くステップ２５９では、電気モータ３２ｍによる冷却水量がその目標量ＱＷＭＸとなるように電気モータ３２ｍが制御されると共に、タービン３２ｔに送られるカソードオフガス量がその目標量ＱＣＧＴＸとなるようにコンプレッサ２３が制御される。   On the other hand, when the fuel cell 1 should not generate power, the process proceeds from step 251 to step 255, and the motor cooling water amount ratio rQWM is calculated from the map of FIG. In the following step 256, a combination of the target amount QWMX of the cooling water amount by the electric motor 32m and the target amount QWTX of the cooling water amount by the turbine 32t is calculated. In the subsequent step 257, a target amount QCGTX of the cathode off gas amount sent to the turbine 32t is calculated. In the subsequent step 258, the fuel cell bypass control valve 28 is controlled so that the fuel cell bypass ratio rFCB becomes 1, that is, the entire amount of oxidant gas from the compressor 23 is sent to the fuel cell bypass passage 27. In the following step 259, the electric motor 32m is controlled so that the cooling water amount by the electric motor 32m becomes the target amount QWMX, and the compressor 23 is controlled so that the cathode off-gas amount sent to the turbine 32t becomes the target amount QCGTX. Is done.

次に、図６を参照して燃料電池システムＡの別の実施例を説明する。   Next, another embodiment of the fuel cell system A will be described with reference to FIG.

図６に示される燃料電池システムＡは、タービン３２ｔを迂回してタービン３２ｔ上流のカソードオフガス通路２４とタービン３２ｔ下流のカソードオフガス通路２４とを互いに連結するタービンバイパス通路２５と、タービンバイパス通路２５内を流れるカソードオフガスの量を制御するタービンバイパス制御弁２６とが更に設けられる点で図１に示される燃料電池システムＡと構成を異にしている。図６に示される燃料電池システムＡではタービンバイパス制御弁２６は三方弁から形成され、タービンバイパス通路２５の入口に配置される。その結果、カソードオフガス通路２４内を流れるカソードオフガスの少なくとも一部がタービンバイパス通路２５を介してタービン３２ｔを迂回することができる。   The fuel cell system A shown in FIG. 6 includes a turbine bypass passage 25 that bypasses the turbine 32t and connects the cathode offgas passage 24 upstream of the turbine 32t and the cathode offgas passage 24 downstream of the turbine 32t to each other. 1 is different from the fuel cell system A shown in FIG. 1 in that a turbine bypass control valve 26 for controlling the amount of the cathode off-gas flowing therethrough is further provided. In the fuel cell system A shown in FIG. 6, the turbine bypass control valve 26 is formed of a three-way valve and is disposed at the inlet of the turbine bypass passage 25. As a result, at least a part of the cathode offgas flowing in the cathode offgas passage 24 can bypass the turbine 32 t via the turbine bypass passage 25.

次に、タービンバイパス制御弁２６の制御の基本的な考え方について説明する。   Next, the basic concept of control of the turbine bypass control valve 26 will be described.

燃料電池セル１で発電作用が行われると上述の電気化学反応により水分が発生する。このため、発電作用が停止されたとき、すなわち燃料電池システムＡが停止されたときに燃料電池セル１内に水分が残存し、この残存水分が凍結するおそれがある。   When a power generation operation is performed in the fuel battery cell 1, moisture is generated by the electrochemical reaction described above. For this reason, when the power generation action is stopped, that is, when the fuel cell system A is stopped, moisture remains in the fuel cell 1 and the remaining moisture may freeze.

そこで図６に示される燃料電池システムＡでは、燃料電池システムＡの停止処理時に一定時間だけコンプレッサ２３が駆動され、燃料電池セル１に送られる酸化剤ガスにより燃料電池セル１が掃気される。その結果、燃料電池セル１内に残存する水分が低減され、残存水分が燃料電池セル１内で凍結するのが抑制される。   Therefore, in the fuel cell system A shown in FIG. 6, the compressor 23 is driven for a predetermined time during the stop process of the fuel cell system A, and the fuel cell 1 is scavenged by the oxidant gas sent to the fuel cell 1. As a result, the moisture remaining in the fuel battery cell 1 is reduced, and the remaining moisture is prevented from freezing in the fuel battery cell 1.

このようにコンプレッサ２３が駆動されると、カソードオフガスがカソードオフガス通路２４内に流入する。ここで、タービン３２ｔの流路抵抗ないし圧力損失はタービンバイパス通路２５の流路抵抗ないし圧力損失よりも大きい。したがって、カソードオフガス通路２４内のカソードオフガスがタービン３２ｔに送られると、コンプレッサ２３からの酸化剤ガス量を一定量に維持するために必要なコンプレッサ２３の負荷すなわち消費電力量が増大してしまう。   When the compressor 23 is driven in this way, the cathode offgas flows into the cathode offgas passage 24. Here, the flow path resistance or pressure loss of the turbine 32 t is larger than the flow path resistance or pressure loss of the turbine bypass passage 25. Therefore, when the cathode offgas in the cathode offgas passage 24 is sent to the turbine 32t, the load on the compressor 23, that is, the amount of power consumption required to maintain the oxidant gas amount from the compressor 23 at a constant amount increases.

そこで、図６に示される燃料電池システムＡでは、コンプレッサ２３が駆動されているときにタービン３２ｔを駆動すべきでないときには、カソードオフガスの全量がタービンバイパス通路２５に送られるようにタービンバイパス制御弁２６が制御される。その結果、コンプレッサ２３の消費電力量が少なく維持される。したがって、燃料電池システムＡ１が効率的に作動される。   Therefore, in the fuel cell system A shown in FIG. 6, when the turbine 32 t should not be driven when the compressor 23 is driven, the turbine bypass control valve 26 is configured so that the entire amount of the cathode off-gas is sent to the turbine bypass passage 25. Is controlled. As a result, the power consumption of the compressor 23 is kept small. Therefore, the fuel cell system A1 is operated efficiently.

これに対し、コンプレッサ２３が駆動されているときにタービン３２ｔを駆動すべきときには、カソードオフガスの一部又は全部がタービンバイパス通路２５に送られるようにタービンバイパス制御弁２６が制御される。その結果、タービン３２ｔが駆動され、それにより冷却水ポンプ３２が駆動される。   On the other hand, when the turbine 32 t is to be driven while the compressor 23 is being driven, the turbine bypass control valve 26 is controlled so that a part or all of the cathode off-gas is sent to the turbine bypass passage 25. As a result, the turbine 32t is driven, thereby driving the cooling water pump 32.

一方、燃料電池バイパス制御弁２８は図１に示される燃料電池システムＡと同様に制御される。   On the other hand, the fuel cell bypass control valve 28 is controlled similarly to the fuel cell system A shown in FIG.

図７はタービンバイパス制御弁２６及び燃料電池バイパス制御弁２８の制御例を実行するルーチンを示している。このルーチンは一定時間ごとの割り込みによって実行される。   FIG. 7 shows a routine for executing a control example of the turbine bypass control valve 26 and the fuel cell bypass control valve 28. This routine is executed by interruption at regular intervals.

図７を参照すると、ステップ３００では燃料電池セル１で発電すべきか否かが判別される。燃料電池セル１で発電すべきときには次いでステップ３０１に進み、コンプレッサ２３からの酸化剤ガス量の全部が燃料電池セル１に送られるように燃料電池バイパス制御弁２８が制御される。次いでステップ３０４に進む。これに対し、燃料電池セル１で発電すべきでないときにはステップ３００からステップ３０２に進み、コンプレッサ２３が駆動されているか否かが判別される。コンプレッサ２３が駆動されていないときにはステップ３０４に進む。コンプレッサ２３が駆動されているときにはステップ３０２からステップ３０３に進み、コンプレッサ２３からの酸化剤ガスの全部が燃料電池バイパス通路２７に送られるように燃料電池バイパス制御弁２８が制御される。次いでステップ３０４に進む。   Referring to FIG. 7, in step 300, it is determined whether or not the fuel cell 1 should generate power. When power is to be generated in the fuel cell 1, the process proceeds to step 301 where the fuel cell bypass control valve 28 is controlled so that the entire amount of oxidant gas from the compressor 23 is sent to the fuel cell 1. Next, the routine proceeds to step 304. In contrast, when the fuel cell 1 should not generate power, the routine proceeds from step 300 to step 302, where it is determined whether or not the compressor 23 is being driven. When the compressor 23 is not driven, the routine proceeds to step 304. When the compressor 23 is being driven, the routine proceeds from step 302 to step 303, and the fuel cell bypass control valve 28 is controlled so that all of the oxidant gas from the compressor 23 is sent to the fuel cell bypass passage 27. Next, the routine proceeds to step 304.

ステップ３０４ではタービン３２ｔを駆動すべきか否かが判別される。タービン３２ｔを駆動すべきときにはステップ３０５に進み、カソードオフガス通路２４内を流れるカソードオフガスの一部又は全部がタービン３２ｔに送られ、残りがタービンバイパス通路２５に送られるようにタービンバイパス制御弁２６が制御される。これに対し、タービン３２ｔを駆動すべきでないときにはステップ３０４からステップ３０６に進み、カソードオフガス通路２４内を流れるカソードオフガスの全部がタービンバイパス通路２５に送られるようにタービンバイパス制御弁２６が制御される。   In step 304, it is determined whether or not the turbine 32t should be driven. When the turbine 32t is to be driven, the routine proceeds to step 305, where the turbine bypass control valve 26 is set so that part or all of the cathode offgas flowing in the cathode offgas passage 24 is sent to the turbine 32t and the rest is sent to the turbine bypass passage 25. Be controlled. On the other hand, when the turbine 32 t should not be driven, the routine proceeds from step 304 to step 306, and the turbine bypass control valve 26 is controlled so that all of the cathode offgas flowing in the cathode offgas passage 24 is sent to the turbine bypass passage 25. .

ところで、カソードオフガス通路２４を流れるカソードオフガス量に対するタービンバイパス通路２５に送られるカソードオフガス量の割合をタービンバイパス割合と称すると、図８は、種々のタービンバイパス割合ｒＴＢ及び燃料電池バイパス割合ｒＦＣＢのもとでコンプレッサ２３からの酸化剤ガス量を一定量に維持するのに必要なコンプレッサ２３の消費電力量ＱＥＣを示している。燃料電池バイパス割合ｒＦＣＢが小さくなるにつれて燃料電池セル１に送られる酸化剤ガス量が多くなり、燃料電池セル１の流路抵抗は燃料電池バイパス通路２７の流路抵抗よりも大きい。また、タービンバイパス割合ｒＴＢが小さくなるにつれてタービン３２ｔに送られるカソードオフガス量が多くなり、タービン３２ｔの流路抵抗はタービンバイパス通路２５の流路抵抗よりも大きい。したがって、図８からわかるように、燃料電池バイパス割合ｒＦＣＢが小さくなるにつれて消費電力量ＱＥＣが多くなり、タービンバイパス割合ｒＴＢが小さくなるにつれて消費電力量ＱＥＣが多くなる。   By the way, if the ratio of the amount of cathode offgas sent to the turbine bypass passage 25 to the amount of cathode offgas flowing through the cathode offgas passage 24 is referred to as turbine bypass ratio, FIG. 8 shows various turbine bypass ratios rTB and fuel cell bypass ratios rFCB. The power consumption amount QEC of the compressor 23 necessary for maintaining the oxidant gas amount from the compressor 23 at a constant amount is shown. As the fuel cell bypass ratio rFCB decreases, the amount of oxidant gas sent to the fuel cell 1 increases, and the flow resistance of the fuel cell 1 is larger than the flow resistance of the fuel cell bypass 27. Further, as the turbine bypass ratio rTB decreases, the amount of cathode off-gas sent to the turbine 32t increases, and the flow path resistance of the turbine 32t is larger than the flow path resistance of the turbine bypass path 25. Therefore, as can be seen from FIG. 8, the power consumption QEC increases as the fuel cell bypass ratio rFCB decreases, and the power consumption QEC increases as the turbine bypass ratio rTB decreases.

次に、図６に示される燃料電池システムＡにおける燃料電池セル１の冷却制御について説明する。   Next, cooling control of the fuel cell 1 in the fuel cell system A shown in FIG. 6 will be described.

図６に示される燃料電池システムＡでも、燃料電池セル１の温度を表す冷却水温があらかじめ定められた目標温度範囲内に維持されるように冷却水ポンプ３２からの冷却水量が制御される。すなわち、図６に示される燃料電池システムＡでは、まず目標冷却水量ＱＷＸが求められる。燃料電池セル１で発電すべきときにはコンプレッサ２３が駆動されており、このときコンプレッサ２３からの酸化剤ガス量、すなわちカソードオフガス通路２４内に流入するカソードオフガス量は目標電流値に応じてあらかじめ決まっている。   Also in the fuel cell system A shown in FIG. 6, the amount of cooling water from the cooling water pump 32 is controlled so that the cooling water temperature representing the temperature of the fuel cell 1 is maintained within a predetermined target temperature range. That is, in the fuel cell system A shown in FIG. 6, first, the target cooling water amount QWX is obtained. When the fuel cell 1 is to generate electric power, the compressor 23 is driven. At this time, the amount of oxidant gas from the compressor 23, that is, the amount of cathode offgas flowing into the cathode offgas passage 24 is determined in advance according to the target current value. Yes.

ここで、カソードオフガス量の全部がタービン３２ｔに送られるようにタービンバイパス制御弁２６を制御したと仮定したときのタービン３２ｔによる冷却水量を仮定タービン冷却水量ＱＷＴＡと称すると、目標冷却水量ＱＷＸが仮定タービン冷却水量ＱＷＴＡ以下のときには、タービン３２ｔによる冷却水量ＱＷＴを目標冷却水量ＱＷＸにするのに必要なタービンバイパス割合ｒＴＢが算出される。次いで、実際のタービンバイパス割合が算出されたタービンバイパス割合ｒＴＢになるようにタービンバイパス制御弁２６が制御される。この場合、冷却水ポンプ駆動用電気モータ３２ｍによる冷却水量の目標量ＱＷＭＸはゼロに設定され、したがって冷却水ポンプ駆動用電気モータ３２ｍは停止される。   Here, assuming that the cooling water amount by the turbine 32t when the turbine bypass control valve 26 is controlled so that the entire cathode off-gas amount is sent to the turbine 32t is referred to as an assumed turbine cooling water amount QWTA, the target cooling water amount QWX is assumed. When the turbine cooling water amount QWTA or less, the turbine bypass ratio rTB necessary for setting the cooling water amount QWT by the turbine 32t to the target cooling water amount QWX is calculated. Next, the turbine bypass control valve 26 is controlled so that the actual turbine bypass ratio becomes the calculated turbine bypass ratio rTB. In this case, the target amount QWMX of the cooling water amount by the electric motor 32m for driving the cooling water pump is set to zero, and therefore the electric motor 32m for driving the cooling water pump is stopped.

これに対し、目標冷却水量ＱＷＸが仮定タービン冷却水量ＱＷＴＡよりも多いときには、カソードオフガスの全部がタービン３２ｔに送られるように、すなわちタービンバイパス割合ｒＴＢがゼロになるように、タービンバイパス制御弁２６が制御される。また、電気モータ３２ｍによる冷却水量の目標値ＱＷＭＸが、目標冷却水量ＱＷＸからタービン３２ｔによる冷却水量ＱＷＴを差し引いた残り（ＱＷＸ−ＱＷＴ）に設定される。なお、この場合のタービン３２ｔによる冷却水量ＱＷＴは仮定タービン冷却水量ＱＷＴＡに等しい。次いで、電気モータ３２ｍによる冷却水量がその目標量ＱＷＭＸとなるように電気モータ３２ｍが制御される。   On the other hand, when the target cooling water amount QWX is larger than the assumed turbine cooling water amount QWTA, the turbine bypass control valve 26 is set so that all of the cathode off-gas is sent to the turbine 32t, that is, the turbine bypass ratio rTB is zero. Be controlled. Further, the target value QWMX of the cooling water amount by the electric motor 32m is set to the remainder (QWX-QWT) obtained by subtracting the cooling water amount QWT by the turbine 32t from the target cooling water amount QWX. In this case, the cooling water amount QWT by the turbine 32t is equal to the assumed turbine cooling water amount QWTA. Next, the electric motor 32m is controlled so that the cooling water amount by the electric motor 32m becomes the target amount QWMX.

すなわち、タービン３２ｔのみで目標冷却水量ＱＷＸを賄うことができるときには、タービン３２ｔのみが駆動され、冷却水ポンプ駆動用電気モータ３２ｍは停止される。この場合、タービン３２ｔによる冷却水量ＱＷＴが目標冷却水量ＱＷＸになるようにタービン３２ｔに送られるカソードオフガス量が制御される。一方、タービン３２ｔのみで目標冷却水量ＱＷＸを賄うことができないときには、タービン３２ｔに加えて冷却水ポンプ駆動用電気モータ３２ｍが駆動され、冷却水ポンプ駆動用電気モータ３２ｍによる冷却水量の目標量ＱＷＭＸが目標冷却水量ＱＷＸに対するタービン３２ｔによる冷却水量ＱＷＴの不足分（ＱＷＸ−ＱＷＴ）に設定される。   That is, when the target cooling water amount QWX can be covered only by the turbine 32t, only the turbine 32t is driven and the cooling water pump driving electric motor 32m is stopped. In this case, the cathode off-gas amount sent to the turbine 32t is controlled so that the cooling water amount QWT by the turbine 32t becomes the target cooling water amount QWX. On the other hand, when the target cooling water amount QWX cannot be covered only by the turbine 32t, the electric motor 32m for driving the cooling water pump is driven in addition to the turbine 32t, and the target amount QWMX of the cooling water amount by the electric motor 32m for driving the cooling water pump is It is set to a shortage (QWX−QWT) of the cooling water amount QWT by the turbine 32t with respect to the target cooling water amount QWX.

したがって、概念的に表現すると、燃料電池セル１で発電すべきときには、コンプレッサ２３が駆動されると共に、コンプレッサ２３からの酸化剤ガスの全量が燃料電池セル１に送られるように燃料電池バイパス制御弁２８が制御され、更に、タービン３２ｔのみで目標冷却水量を賄うことができるときにはタービン３２ｔによる冷却水量ＱＷＴが目標冷却水量ＱＷＸとなるようにタービン３２ｔに送られるカソードオフガス量を制御すべくタービンバイパス制御弁２６が制御されると共に、冷却水ポンプ駆動用電気モータ３２ｍが停止され、タービン３２ｔのみで目標冷却水量ＱＷＸを賄うことができないときには、カソードオフガスの全量がタービン３２ｔに送られるようにタービンバイパス制御弁２６が制御されると共に、冷却水ポンプ駆動用電気モータ３２ｍによる冷却水量の目標値ＱＷＭＸが目標冷却水量ＱＷＸからタービン３２ｔによる冷却水量ＱＷＴを差し引いた残り（ＱＷＸ−ＱＷＴ）に設定され、冷却水ポンプ駆動用電気モータ３２ｍによる冷却水量がその目標量ＱＷＭＸとなるように冷却水ポンプ駆動用電気モータ３２ｍが制御されるということになる。   Therefore, conceptually expressed, when the fuel cell 1 is to generate power, the fuel cell bypass control valve is driven so that the compressor 23 is driven and the entire amount of the oxidant gas from the compressor 23 is sent to the fuel cell 1. 28, and when the target cooling water amount can be covered only by the turbine 32t, the turbine bypass control is performed to control the cathode off-gas amount sent to the turbine 32t so that the cooling water amount QWT by the turbine 32t becomes the target cooling water amount QWX. When the valve 26 is controlled and the electric motor 32m for driving the cooling water pump is stopped and the target cooling water amount QWX cannot be covered only by the turbine 32t, the turbine bypass control is performed so that the entire amount of the cathode off-gas is sent to the turbine 32t. The valve 26 is controlled and the cooling water pump The target value QWMX of the cooling water amount by the driving electric motor 32m is set to the remainder (QWX-QWT) obtained by subtracting the cooling water amount QWT by the turbine 32t from the target cooling water amount QWX, and the cooling water amount by the cooling motor driving electric motor 32m is This means that the cooling water pump driving electric motor 32m is controlled so as to achieve the target amount QWMX.

これに対し、燃料電池セル１で発電すべきでないときに冷却水ポンプ３２を駆動するときには、燃料電池バイパス割合ｒＦＣＢは１に設定され、すなわちコンプレッサ２３からの酸化剤ガスの全量が燃料電池バイパス通路２７に送られるように燃料電池バイパス制御弁２８が制御される。また、タービンバイパス割合ｒＴＢはゼロに設定され、すなわちカソードオフガスの全量がタービン３２ｔに送られるようにタービンバイパス制御弁２６が制御される。その上で、目標冷却水量ＱＷＸが求められ、次いで冷却水ポンプ３２からの冷却水量を目標冷却水量ＱＷＸにするのに必要な電気モータ３２ｍによる冷却水量の目標量ＱＷＭＸとタービン３２ｔによる冷却水量の目標量ＱＷＴＸとの組み合わせが求められる。次いで、電気モータ３２ｍによる冷却水量がその目標量ＱＷＭＸとなるように電気モータ３２ｍが制御される。また、タービン３２ｔによる冷却水量をその目標量ＱＷＴＸにするのに必要な、タービン３２ｔに送られるカソードオフガス量の目標量ＱＣＧＴＸが求められ、タービン３２ｔに送られるカソードオフガス量がその目標量ＱＣＧＴＸとなるようにコンプレッサ２３からの酸化剤ガス量が制御される。   On the other hand, when the coolant pump 32 is driven when the fuel cell 1 should not generate power, the fuel cell bypass ratio rFCB is set to 1, that is, the entire amount of the oxidant gas from the compressor 23 is the fuel cell bypass passage. 27, the fuel cell bypass control valve 28 is controlled. Further, the turbine bypass ratio rTB is set to zero, that is, the turbine bypass control valve 26 is controlled so that the entire amount of the cathode off-gas is sent to the turbine 32t. After that, the target cooling water amount QWX is obtained, and then the target amount QWMX of the cooling water amount by the electric motor 32m and the target of the cooling water amount by the turbine 32t necessary to set the cooling water amount from the cooling water pump 32 to the target cooling water amount QWX. A combination with the quantity QWTX is required. Next, the electric motor 32m is controlled so that the cooling water amount by the electric motor 32m becomes the target amount QWMX. Further, the target amount QCGTX of the cathode off-gas amount sent to the turbine 32t, which is necessary for setting the cooling water amount by the turbine 32t to the target amount QWTX, is obtained, and the cathode off-gas amount sent to the turbine 32t becomes the target amount QCGTX. Thus, the amount of oxidant gas from the compressor 23 is controlled.

図６に示される燃料電池システムＡにおいて燃料電池セル１で発電すべきでないときに冷却水ポンプ３２を駆動するときの、電気モータ３２ｍによる冷却水量の目標量ＱＷＭＸとタービン３２ｔによる冷却水量の目標量ＱＷＴＸとの組み合わせは、図１に示される燃料電池システムＡにおいて燃料電池セル１で発電すべきでないときに冷却水ポンプ３２を駆動するときの、電気モータ３２ｍによる冷却水量の目標量ＱＷＭＸとタービン３２ｔによる冷却水量の目標量ＱＷＴＸとの組み合わせと同様に求められる。すなわち、まず目標冷却水量ＱＷＸからモータ冷却水量割合ｒＱＷＭが求められる。次いで、電気モータ３２ｍによる冷却水量の目標量ＱＷＭＸ（＝ＱＷＸ・ｒＱＷＭ）及びタービン３２ｔによる冷却水量の目標値ＱＷＴＸ（＝ＱＷＸ・（１−ｒＱＷＭ））がそれぞれ算出される。   In the fuel cell system A shown in FIG. 6, when the cooling water pump 32 is driven when the fuel cell 1 should not generate power, the target amount QWMX of the cooling water amount by the electric motor 32m and the target amount of the cooling water amount by the turbine 32t. The combination with QWTX is that the target amount QWMX of the cooling water by the electric motor 32m and the turbine 32t when the cooling water pump 32 is driven when the fuel cell 1 should not generate power in the fuel cell system A shown in FIG. It is calculated | required similarly to the combination with the target amount QWTX of the cooling water amount by. That is, first, the motor cooling water amount ratio rQWM is obtained from the target cooling water amount QWX. Next, the target amount QWMX (= QWX · rQWM) of the cooling water amount by the electric motor 32m and the target value QWTX (= QWX · (1−rQWM)) of the cooling water amount by the turbine 32t are respectively calculated.

したがって、概念的に表現すると、燃料電池セル１で発電すべきでないときに冷却水ポンプ３２を駆動するときには、コンプレッサ２３からの酸化剤ガスの全量が燃料電池バイパス通路２７に送られるように燃料電池バイパス制御弁２８が制御されると共にカソードオフガスの全量がタービン３２ｔに送られるようにタービンバイパス制御弁２６が制御され、更に、冷却水温を目標温度範囲内に維持しながら、冷却水ポンプ駆動用電気モータ３２ｍの消費電力量とコンプレッサ２３の消費電力量との合計が最適値になるように、コンプレッサ２３及び冷却水ポンプ駆動用電気モータ３２ｍが制御されるということになる。   Therefore, conceptually expressed, when the coolant pump 32 is driven when the fuel cell 1 should not generate power, the fuel cell is configured such that the entire amount of the oxidant gas from the compressor 23 is sent to the fuel cell bypass passage 27. The bypass control valve 28 is controlled and the turbine bypass control valve 26 is controlled so that the entire amount of the cathode off-gas is sent to the turbine 32t. Further, while maintaining the cooling water temperature within the target temperature range, the electric power for driving the cooling water pump is controlled. The compressor 23 and the electric motor 32m for driving the cooling water pump are controlled so that the sum of the power consumption of the motor 32m and the power consumption of the compressor 23 becomes an optimum value.

図９及び図１０は図６に示される燃料電池システムＡの冷却制御を実行するルーチンを示している。このルーチンは一定時間ごとの割り込みによって実行される。   9 and 10 show a routine for executing the cooling control of the fuel cell system A shown in FIG. This routine is executed by interruption at regular intervals.

図９及び図１０を参照すると、ステップ３５０では目標冷却水量ＱＷＸが算出される。続くステップ３５１では燃料電池セル１で発電すべきか否かが判別される。燃料電池セル１で発電すべきときには次いでステップ３５２に進み、燃料電池バイパス割合ｒＦＣＢがゼロになるように、すなわちコンプレッサ２３からの酸化剤ガスの全量が燃料電池セル１に送られるように、燃料電池バイパス制御弁２８が制御される。続くステップ３５３では仮想タービン冷却水量ＱＷＴＡが算出される。続くステップ３５４では目標冷却水量ＱＷＸが仮想タービン冷却水量ＱＷＴＡ以下であるか否かが判別される。ＱＷＸ≦ＱＷＴＡのとき、すなわちタービン３２ｔのみで目標冷却水量ＱＷＸを賄うことができるときには次いでステップ３５５に進み、タービン３２ｔによる冷却水量ＱＷＴを目標冷却水量ＱＷＸにするのに必要なタービンバイパス割合ｒＴＢが算出され、実際のタービンバイパス割合が算出されたタービンバイパス割合ｒＴＢになるようにタービンバイパス制御弁２６が制御される。続くステップ３５６では電気モータ３２ｍによる冷却水量の目標量ＱＷＭＸがゼロに設定される。一方、ＱＷＸ＞ＱＷＴＡのとき、すなわちタービン３２ｔのみで目標冷却水量ＱＷＸを賄うことができないときにはステップ３５４からステップ３５７に進み、タービンバイパス割合ｒＴＢがゼロになるように、すなわちカソードオフガスの全量がタービン３２ｔに送られるように、タービンバイパス制御弁２６が制御される。続くステップ３５８では、電気モータ３２ｍによる冷却水量の目標量ＱＷＭＸが算出される（ＱＷＭＸ＝ＱＷＸ−ＱＷＴ）。続くステップ３５９では電気モータ３２ｍによる冷却水量がその目標量ＱＷＭＸとなるように電気モータ３２ｍが制御される。   Referring to FIGS. 9 and 10, in step 350, the target cooling water amount QWX is calculated. In the subsequent step 351, it is determined whether or not the fuel cell 1 should generate power. When power generation is to be performed in the fuel cell 1, the process proceeds to step 352 where the fuel cell bypass ratio rFCB is zero, that is, the entire amount of oxidant gas from the compressor 23 is sent to the fuel cell 1. The bypass control valve 28 is controlled. In the subsequent step 353, the virtual turbine cooling water amount QWTA is calculated. In the following step 354, it is determined whether or not the target cooling water amount QWX is equal to or less than the virtual turbine cooling water amount QWTA. When QWX ≦ QWTA, that is, when the target cooling water amount QWX can be covered only by the turbine 32t, the routine proceeds to step 355, where the turbine bypass ratio rTB necessary for making the cooling water amount QWT by the turbine 32t the target cooling water amount QWX is calculated. Then, the turbine bypass control valve 26 is controlled so that the actual turbine bypass ratio becomes the calculated turbine bypass ratio rTB. In the following step 356, the target amount QWMX of the cooling water amount by the electric motor 32m is set to zero. On the other hand, when QWX> QWTA, that is, when the target cooling water amount QWX cannot be covered only by the turbine 32t, the process proceeds from step 354 to step 357 so that the turbine bypass ratio rTB becomes zero, that is, the total amount of cathode offgas is the turbine 32t. The turbine bypass control valve 26 is controlled so as to be sent to the engine. In the subsequent step 358, a target amount QWMX of the cooling water amount by the electric motor 32m is calculated (QWMX = QWX−QWT). In the following step 359, the electric motor 32m is controlled so that the cooling water amount by the electric motor 32m becomes the target amount QWMX.

これに対し、燃料電池セル１で発電すべきでないときにはステップ３５１からステップ３６０に進み、図４のマップからモータ冷却水量割合ｒＱＷＭが算出される。続くステップ３６１では電気モータ３２ｍによる冷却水量の目標量ＱＷＭＸとタービン３２ｔによる冷却水量の目標量ＱＷＴＸとの組み合わせが算出される。続くステップ３６２では、タービン３２ｔに送られるカソードオフガス量の目標量ＱＣＧＴＸが算出される。続くステップ３６３では、燃料電池バイパス割合ｒＦＣＢが１になるように、すなわちコンプレッサ２３からの酸化剤ガスの全量が燃料電池バイパス通路２７に送られるように、燃料電池バイパス制御弁２８が制御される。続くステップ３６４では、タービンバイパス割合ｒＴＢがゼロになるように、すなわちカソードオフガスの全量がタービン３２ｔに送られるように、タービンバイパス制御弁２６が制御される。続くステップ３６５では、電気モータ３２ｍによる冷却水量がその目標量ＱＷＭＸとなるように電気モータ３２ｍが制御されると共に、タービン３２ｔに送られるカソードオフガス量がその目標量ＱＣＧＴＸとなるようにコンプレッサ２３が制御される。   On the other hand, when the fuel cell 1 should not generate power, the process proceeds from step 351 to step 360, and the motor cooling water amount ratio rQWM is calculated from the map of FIG. In the subsequent step 361, a combination of the target amount QWMX of the cooling water amount by the electric motor 32m and the target amount QWTX of the cooling water amount by the turbine 32t is calculated. In the following step 362, a target amount QCGTX of the cathode off gas amount sent to the turbine 32t is calculated. In the following step 363, the fuel cell bypass control valve 28 is controlled so that the fuel cell bypass ratio rFCB becomes 1, that is, the entire amount of oxidant gas from the compressor 23 is sent to the fuel cell bypass passage 27. In the following step 364, the turbine bypass control valve 26 is controlled so that the turbine bypass ratio rTB becomes zero, that is, the entire amount of the cathode off-gas is sent to the turbine 32t. In the following step 365, the electric motor 32m is controlled so that the amount of cooling water by the electric motor 32m becomes the target amount QWMX, and the compressor 23 is controlled so that the cathode off-gas amount sent to the turbine 32t becomes the target amount QCGTX. Is done.

Ａ 燃料電池システム
１ 燃料電池セル
２０ 酸化剤ガス通路
２１ 酸化剤ガス供給路
２３ コンプレッサ
２４ カソードオフガス通路
２５ タービンバイパス通路
２６ タービンバイパス制御弁
２７ 燃料電池バイパス通路
２８ 燃料電池バイパス制御弁
３０ 冷却水通路
３１ 冷却水供給路
３２ 冷却水ポンプ
３２ｍ 冷却水ポンプ駆動用電気モータ
３２ｔ タービン A fuel cell system 1 fuel cell 20 oxidant gas passage 21 oxidant gas supply passage 23 compressor 24 cathode offgas passage 25 turbine bypass passage 26 turbine bypass control valve 27 fuel cell bypass passage 28 fuel cell bypass control valve 30 cooling water passage 31 Cooling water supply path 32 Cooling water pump 32m Electric motor for driving cooling water pump 32t Turbine

Claims (2)

燃料電池セルと、燃料電池セル内に形成された酸化剤ガス通路の入口に連結された酸化剤ガス供給路と、酸化剤ガス供給路内に配置されて酸化剤ガスを圧送するコンプレッサと、酸化剤ガス通路の出口に連結されたカソードオフガス通路と、燃料電池セル内に形成された冷却水通路の入口に連結された冷却水供給路と、冷却水供給路内に配置されて冷却水を圧送する冷却水ポンプと、カソードオフガス通路内に配置されてカソードオフガス通路内を流れるカソードオフガスにより駆動されるタービンと、を備え、冷却水ポンプは冷却水ポンプ駆動用電気モータ及びタービンの一方又は両方により駆動される、燃料電池システムであって、
燃料電池セルを迂回して酸化剤ガス供給路とカソードオフガス通路とを互いに連結する燃料電池バイパス通路と、燃料電池バイパス通路内を流れる酸化剤ガスの量を制御する燃料電池バイパス制御弁と、を更に備え、酸化剤ガス供給路内を流れる酸化剤ガスの少なくとも一部が燃料電池バイパス通路を介し燃料電池セルを迂回できるようにし、
燃料電池セルで発電すべきときには、コンプレッサが駆動されると共に、コンプレッサからの酸化剤ガスの全量が燃料電池セルに送られるように燃料電池バイパス制御弁が制御され、更に、タービンにより冷却水ポンプが駆動されると共に、冷却水ポンプ駆動用電気モータによる冷却水量の目標値が目標冷却水量からタービンによる冷却水量を差し引いた残りに設定され、冷却水ポンプ駆動用電気モータによる冷却水量がその目標量となるように冷却水ポンプ駆動用電気モータが制御され、
燃料電池セルで発電すべきでないときに冷却水ポンプを駆動するときには、コンプレッサからの酸化剤ガスの全量が燃料電池バイパス通路に送られるように燃料電池バイパス制御弁が制御され、更に、冷却水温を目標温度範囲内に維持しながら、冷却水ポンプ駆動用電気モータの消費電力量とコンプレッサの消費電力量との合計が最適値になるように、コンプレッサ及び冷却水ポンプ駆動用電気モータが制御される、
燃料電池システム。 A fuel cell, an oxidant gas supply path connected to an inlet of an oxidant gas passage formed in the fuel battery cell, a compressor disposed in the oxidant gas supply path and pumping the oxidant gas; The cathode off-gas passage connected to the outlet of the agent gas passage, the cooling water supply passage connected to the inlet of the cooling water passage formed in the fuel cell, and the cooling water disposed in the cooling water supply passage are pumped. A cooling water pump, and a turbine driven by the cathode offgas disposed in the cathode offgas passage and flowing in the cathode offgas passage, the cooling water pump being driven by one or both of the electric motor for driving the cooling water pump and the turbine A driven fuel cell system,
A fuel cell bypass passage that bypasses the fuel cell and connects the oxidant gas supply passage and the cathode offgas passage to each other; and a fuel cell bypass control valve that controls the amount of oxidant gas flowing in the fuel cell bypass passage. In addition, at least part of the oxidant gas flowing in the oxidant gas supply path can bypass the fuel cell via the fuel cell bypass path,
When power is to be generated by the fuel cell, the compressor is driven, the fuel cell bypass control valve is controlled so that the entire amount of oxidant gas from the compressor is sent to the fuel cell, and the cooling water pump is further controlled by the turbine. The target value of the cooling water amount by the electric motor for driving the cooling water pump is set to the remainder obtained by subtracting the cooling water amount by the turbine from the target cooling water amount, and the cooling water amount by the electric motor for driving the cooling water pump is set to the target amount. The electric motor for driving the cooling water pump is controlled so that
When the coolant pump is driven when the fuel cell should not generate electricity, the fuel cell bypass control valve is controlled so that the entire amount of the oxidant gas from the compressor is sent to the fuel cell bypass passage, and the coolant temperature is further reduced. While maintaining the target temperature range, the electric motor for driving the compressor and the cooling water pump is controlled so that the sum of the power consumption of the electric motor for driving the cooling water pump and the power consumption of the compressor becomes an optimum value. ,
Fuel cell system. タービンを迂回してタービン上流のカソードオフガス通路とタービン下流のカソードオフガス通路とを互いに連結するタービンバイパス通路と、タービンバイパス通路内を流れるカソードオフガスの量を制御するタービンバイパス制御弁と、を更に備え、カソードオフガス通路内を流れるガスの少なくとも一部がタービンバイパス通路を介しタービンを迂回できるようにし、
燃料電池セルで発電すべきときには、コンプレッサが駆動されると共に、コンプレッサからの酸化剤ガスの全量が燃料電池セルに送られるように燃料電池バイパス制御弁が制御され、更に、タービンのみで目標冷却水量を賄うことができるときにはタービンによる冷却水量が目標冷却水量となるようにタービンに送られるカソードオフガス量を制御すべくタービンバイパス制御弁が制御されると共に、冷却水ポンプ駆動用電気モータが停止され、タービンのみで目標冷却水量を賄うことができないときには、カソードオフガスの全量がタービンに送られるようにタービンバイパス制御弁が制御されると共に、冷却水ポンプ駆動用電気モータによる冷却水量の目標値が目標冷却水量からタービンによる冷却水量を差し引いた残りに設定され、冷却水ポンプ駆動用電気モータによる冷却水量がその目標量となるように冷却水ポンプ駆動用電気モータが制御され、
燃料電池セルで発電すべきでないときに冷却水ポンプを駆動するときには、コンプレッサからの酸化剤ガスの全量が燃料電池バイパス通路に送られるように燃料電池バイパス制御弁が制御されると共にカソードオフガスの全量がタービンに送られるようにタービンバイパス制御弁が制御され、更に、冷却水温を目標温度範囲内に維持しながら、冷却水ポンプ駆動用電気モータの消費電力量とコンプレッサの消費電力量との合計が最適値になるように、コンプレッサ及び冷却水ポンプ駆動用電気モータが制御される、
請求項１に記載の燃料電池システム。 A turbine bypass passage that bypasses the turbine and connects the cathode offgas passage upstream of the turbine and the cathode offgas passage downstream of the turbine, and a turbine bypass control valve that controls the amount of cathode offgas flowing in the turbine bypass passage. Allowing at least a portion of the gas flowing in the cathode off-gas passage to bypass the turbine via the turbine bypass passage;
When power is to be generated by the fuel cell, the compressor is driven, and the fuel cell bypass control valve is controlled so that the entire amount of oxidant gas from the compressor is sent to the fuel cell. The turbine bypass control valve is controlled to control the amount of cathode offgas sent to the turbine so that the amount of cooling water by the turbine becomes the target amount of cooling water, and the electric motor for driving the cooling water pump is stopped, When the target cooling water amount cannot be covered by the turbine alone, the turbine bypass control valve is controlled so that the entire amount of cathode off-gas is sent to the turbine, and the target value of the cooling water amount by the electric motor for driving the cooling water pump is the target cooling amount. Set to the amount of water minus the amount of cooling water from the turbine. Cooling water by the electric motor for the water pump driving the cooling water pump drive electric motor such that the target amount is controlled,
When driving the cooling water pump when the fuel cell should not generate electricity, the fuel cell bypass control valve is controlled and the total amount of cathode off-gas is controlled so that the total amount of oxidant gas from the compressor is sent to the fuel cell bypass passage. The turbine bypass control valve is controlled so that the cooling water temperature is kept within the target temperature range, and the total of the power consumption of the electric motor for driving the cooling water pump and the power consumption of the compressor is The electric motor for driving the compressor and the cooling water pump is controlled so as to be an optimum value.
The fuel cell system according to claim 1.
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