JP2016115622A - Fuel cell system, and control method for fuel cell system - Google Patents

Fuel cell system, and control method for fuel cell system Download PDF

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亘 大津
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雅樹 安藤
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剛 ▲高▼橋
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To effectively use air flowing in a branch pipe branching from an air supply pipe.SOLUTION: A fuel cell system comprises: a fuel cell stack 10 for generating power by using hydrogen gas and oxygen gas in the air; an air supply pipe 41 connected to an inlet of an air passage in the fuel cell stack; a turbo compressor 44 that is disposed in the air supply pipe and pneumatically sends air; a cathode off-gas pipe 46 connected to an outlet of the air passage; a cathode off-gas control valve 48 that is disposed in the cathode off-gas pipe and controls pressure in the air passage; a branch pipe 75 branching from the air supply pipe's position downstream from the turbo compressor; branch flow control valves 71, 47 for controlling a flow rate of air flowing from the air supply pipe into the fuel cell stack and a flow rate of air flowing into the branch pipe; an oxygen enrichment device 70 that is disposed in the branch pipe and generates oxygen enriched air having a high oxygen concentration from air flowing into the branch pipe; and a supply device 73 for supplying the oxygen enriched air to the air supply pipe.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell system and a control method for the fuel cell system.

水素ガスと空気との電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、燃料電池スタック内に形成された空気通路の入口に連結された空気供給管と、空気供給管内に配置され、空気を圧送するコンプレッサと、空気通路の出口に連結されたカソードオフガス管と、カソードオフガス管内に配置され、空気通路の圧力を制御するカソードオフガス制御弁と、を備えた、燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。   A fuel cell stack that generates electric power by an electrochemical reaction between hydrogen gas and air, an air supply pipe connected to an inlet of an air passage formed in the fuel cell stack, and an air supply pipe arranged to pump air There is known a fuel cell system including a compressor that performs the above operation, a cathode offgas pipe connected to the outlet of the air passage, and a cathode offgas control valve that is disposed in the cathode offgas pipe and controls the pressure of the air passage ( For example, see Patent Document 1).

燃料電池スタックでは、燃料電池スタック内で水分が減少して、乾燥状態が発生する場合がある。例えば、燃料電池スタック内に形成された空気流路の入口近傍の領域では、空気の流速が比較的速いため、空気に持ち去られる水分が比較的多い。そのため、例えば燃料電池スタックの発電量が少ないとき、すなわち水分の生成が少ないときには空気に持ち去られる水分が生成水よりも多くなり、乾燥状態が起き易い。そこで、特許文献１の燃料電池スタックでは、空気流路入口近傍の水分が減少したときには、例えば燃料電池スタックへ供給する空気の流量を少なくして、空気に持ち去られる水分を少なくしたり、空気流路内の圧力を高くして、空気中の水分を凝縮したりしている。   In the fuel cell stack, moisture may decrease in the fuel cell stack and a dry state may occur. For example, in the region near the inlet of the air flow path formed in the fuel cell stack, the air flow rate is relatively fast, so that a relatively large amount of moisture is carried away by the air. Therefore, for example, when the power generation amount of the fuel cell stack is small, that is, when the generation of moisture is small, the moisture taken away by the air is more than the generated water, and a dry state is likely to occur. Therefore, in the fuel cell stack of Patent Document 1, when the moisture near the inlet of the air flow path decreases, for example, the flow rate of air supplied to the fuel cell stack is reduced to reduce the moisture taken away by the air, The pressure in the road is increased to condense moisture in the air.

ここで、コンプレッサとしてターボコンプレッサを用いている場合、ターボコンプレッサから吐出される空気の流量を少なくし、空気の圧力を高く設定すると、ターボコンプレッサから実際に吐出される空気の流量及び空気供給管内の圧力がそれぞれ大きく振動する、いわゆるサージングが発生するおそれがある。サージングの発生を抑制する方法としては、ターボコンプレッサから吐出される空気流量を、燃料電池スタックの目標空気流量よりも多い量に設定する方法が考えられる。その場合、燃料電池システムでは、ターボコンプレッサ下流の空気供給管から分岐する分岐管が更に設けられ、目標空気流量の空気が燃料電池スタックに供給されると共に、残りの空気、すなわち余剰の空気が分岐管内に流れ込むようにされる。分岐管内に流れ込んだ余剰の空気はマフラを介して又はそのまま外部へ排出される。このような燃料電池システムでは、燃料電池スタックに供給される空気の流量を少なく維持しつつ、ターボコンプレッサから吐出される空気流量を多くすることで、乾燥状態を抑制しながらサージングの発生を抑制できる。   Here, when a turbo compressor is used as the compressor, if the flow rate of air discharged from the turbo compressor is reduced and the air pressure is set high, the flow rate of air actually discharged from the turbo compressor and the air supply pipe There is a risk of so-called surging, in which the pressure vibrates greatly. As a method for suppressing the occurrence of surging, a method is conceivable in which the air flow rate discharged from the turbo compressor is set to an amount larger than the target air flow rate of the fuel cell stack. In that case, in the fuel cell system, a branch pipe branched from the air supply pipe downstream of the turbo compressor is further provided so that air of a target air flow rate is supplied to the fuel cell stack and the remaining air, that is, excess air is branched. It is made to flow into the pipe. Excess air flowing into the branch pipe is discharged to the outside through the muffler or as it is. In such a fuel cell system, it is possible to suppress the occurrence of surging while suppressing the dry state by increasing the air flow rate discharged from the turbo compressor while maintaining a low flow rate of air supplied to the fuel cell stack. .

特許第５１０４９５０号公報Japanese Patent No. 5104950

しかし、上記の燃料電池システムでは、上述されたように、分岐管内に流れ込んだ空気はマフラを介して又はそのまま外部へ排出される。すなわち、分岐管内に流れ込んだ余剰の空気は何ら利用されることなく外部へ排出されてしまう。したがって、上記の燃料電池システムでは、余剰の空気の有するエネルギを有効に利用することができない。分岐管内を流れる空気のエネルギを有効に利用できる技術が望まれる。   However, in the above fuel cell system, as described above, the air flowing into the branch pipe is discharged to the outside through the muffler or as it is. That is, surplus air that has flowed into the branch pipe is discharged to the outside without being used at all. Therefore, in the fuel cell system described above, the energy of excess air cannot be used effectively. A technique that can effectively use the energy of the air flowing in the branch pipe is desired.

本発明の一の観点によれば、水素ガスと空気中の酸素ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタック内に形成された空気通路の入口に連結された空気供給管と、前記空気供給管内に配置され、空気を圧送するターボコンプレッサと、前記空気通路の出口に連結されたカソードオフガス管と、前記カソードオフガス管内に配置され、前記空気通路の圧力を制御するカソードオフガス制御弁と、前記ターボコンプレッサ下流の前記空気供給管から分岐する分岐管と、前記空気供給管から前記燃料電池スタックに流れ込む空気の流量と前記分岐管内へ流れ込む空気の流量とを制御する分岐流れ制御弁と、前記分岐管内に配置され、前記分岐管内に流れ込んだ空気から酸素濃度の高い酸素富化空気を生成する酸素富化装置と、前記酸素富化空気を前記空気供給管に供給する供給装置と、を備える、燃料電池システムが提供される。   According to one aspect of the present invention, a fuel cell stack that generates electric power by an electrochemical reaction between hydrogen gas and oxygen gas in the air, and an inlet of an air passage formed in the fuel cell stack are connected. An air supply pipe, a turbo compressor arranged in the air supply pipe and pumping air, a cathode offgas pipe connected to an outlet of the air passage, and a cathode offgas pipe arranged in the cathode offgas pipe to control the pressure of the air passage A cathode off-gas control valve for controlling, a branch pipe branched from the air supply pipe downstream of the turbo compressor, and a flow rate of air flowing from the air supply pipe into the fuel cell stack and a flow rate of air flowing into the branch pipe A branch flow control valve and an oxygen-enriched air having a high oxygen concentration are generated from the air that is disposed in the branch pipe and flows into the branch pipe. Comprising a Mototomi apparatus, and a supply device for supplying the oxygen-enriched air to the air supply pipe, the fuel cell system is provided.

本発明の他の観点によれば、水素ガスと空気中の酸素ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタック内に形成された空気通路の入口に連結された空気供給管と、前記空気供給管内に配置され、空気を圧送するターボコンプレッサと、前記空気通路の出口に連結されたカソードオフガス管と、前記カソードオフガス管内に配置され、前記空気通路の圧力を制御するカソードオフガス制御弁と、前記ターボコンプレッサ下流の前記空気供給管から分岐する分岐管と、前記空気供給管から前記燃料電池スタックに流れ込む空気の流量と前記分岐管内へ流れ込む空気の流量とを制御する分岐流れ制御弁と、前記分岐管内に配置され、前記分岐管内に流れ込んだ空気から酸素濃度の高い酸素富化空気を生成することが可能な酸素富化装置と、前記酸素富化空気を前記空気供給管に供給する供給装置と、を備えた燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池スタック内の乾燥状態が検知又は予測されたとき、乾燥状態を解消するために、前記カソードオフガス制御弁により、前記空気通路の圧力を高めるステップと、前記酸素富化装置により、前記酸素富化空気を生成するステップと、前記供給装置により、前記酸素富化空気を前記空気供給管に供給して前記酸素富化空気を含む空気を形成するステップと、前記分岐流れ制御弁により、前記生成された酸素富化空気を含む空気を、前記酸素富化空気が供給されない場合の前記燃料電池スタックへの目標空気流量よりも減少させつつ、前記燃料電池スタックへ供給するステップと、を備える、燃料電池システムの制御方法が提供される。   According to another aspect of the present invention, the fuel cell stack generates electric power by an electrochemical reaction between hydrogen gas and oxygen gas in the air, and is connected to an inlet of an air passage formed in the fuel cell stack. An air supply pipe, a turbo compressor arranged in the air supply pipe and pumping air, a cathode offgas pipe connected to an outlet of the air passage, and a cathode offgas pipe arranged in the cathode offgas pipe to control the pressure of the air passage A cathode off-gas control valve for controlling, a branch pipe branched from the air supply pipe downstream of the turbo compressor, and a flow rate of air flowing from the air supply pipe into the fuel cell stack and a flow rate of air flowing into the branch pipe A branch flow control valve and an oxygen-enriched air having a high oxygen concentration are generated from the air that is disposed in the branch pipe and flows into the branch pipe. And a supply device that supplies the oxygen-enriched air to the air supply pipe, wherein the dry state in the fuel cell stack is detected. Or, when predicted, in order to eliminate the dry condition, the cathode offgas control valve increases the pressure of the air passage, the oxygen enricher generates the oxygen enriched air, and Supplying the oxygen-enriched air to the air supply pipe by a supply device to form air containing the oxygen-enriched air; and air containing the oxygen-enriched air generated by the branch flow control valve Supplying to the fuel cell stack while reducing the target air flow rate to the fuel cell stack when the oxygen-enriched air is not supplied. Control method of a battery system is provided.

空気供給管から分岐する分岐管内を流れる空気のエネルギを有効に利用できる。   The energy of the air flowing through the branch pipe branched from the air supply pipe can be used effectively.

燃料電池システムの構成図である。It is a block diagram of a fuel cell system. 酸素富化装置の断面図である。It is sectional drawing of an oxygen enrichment apparatus. 乾燥抑制のための空気通路内の目標圧力のマップを示す図である。It is a figure which shows the map of the target pressure in the air path for drying suppression. ターボコンプレッサの特性を模式的に示すグラフである。It is a graph which shows typically the characteristic of a turbo compressor. 目標空気吐出流量の算出方法を説明するグラフである。It is a graph explaining the calculation method of target air discharge flow rate. サージング抑制のための余剰分のマップを示す図である。It is a figure which shows the map of the surplus for a surging suppression. 酸素富化空気の酸素濃度及び流量のマップを示す図である。It is a figure which shows the map of the oxygen concentration and flow volume of oxygen enriched air. 空気配管中の各位置での流量、圧力及び酸素濃度を示す図である。It is a figure which shows the flow volume, pressure, and oxygen concentration in each position in an air piping. 空気供給制御の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 of air supply control. 別の実施例の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 of another Example. 更に別の実施例の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 of another Example. 更に別の実施例の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 of another Example. 更に別の実施例の目標空気吐出流量の算出方法を説明するグラフである。It is a graph explaining the calculation method of the target air discharge flow volume of another Example. 乾燥抑制のための余剰分のマップを示す図である。It is a figure which shows the map of the surplus for drying suppression.

図１を参照すると、燃料電池システムＡは燃料電池スタック１０を備える。燃料電池スタック１０は積層方向に互いに積層された複数の燃料電池単セルを含む積層体を備える。積層体の各燃料電池単セルは膜電極接合体２０を含む。膜電極接合体２０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。アノード極及びカソード極は、それぞれガス拡散層と電極触媒層とを含む。   Referring to FIG. 1, the fuel cell system A includes a fuel cell stack 10. The fuel cell stack 10 includes a stacked body including a plurality of fuel cell single cells stacked in the stacking direction. Each fuel cell single cell of the laminate includes a membrane electrode assembly 20. The membrane electrode assembly 20 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. The anode electrode and the cathode electrode each include a gas diffusion layer and an electrode catalyst layer.

燃料電池単セルのアノード極は一側に隣接する他の燃料電池単セルのカソード極に、カソード極は他側に隣接する他の燃料電池単セルのアノード極にそれぞれ電気的に接続される。積層体の一端側の燃料電池単セルのアノード極と他端側の燃料電池単セルのカソード極とは燃料電池スタック１０の電極を構成する。燃料電池スタック１０の電極はＤＣ／ＤＣコンバータ１１を介してインバータ１２に電気的に接続され、インバータ１２はモータジェネレータ１３に電気的に接続される。また、燃料電池システムＡは蓄電器１４を備えており、この蓄電器１４はＤＣ／ＤＣコンバータ１５を介して上述のインバータ１２に電気的に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は燃料電池スタック１０からの電圧を高めてインバータ１２に送るためのものであり、インバータ１２はＤＣ／ＤＣコンバータ１１又は蓄電器１４からの直流電流を交流電流に変換するためのものである。ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は燃料電池スタック１０又はモータジェネレータ１３から蓄電器１４への電圧を低くし、又は蓄電器１４からモータジェネレータ１３への電圧を高くするためのものである。なお、図１に示される燃料電池システムＡでは蓄電器１４はバッテリから構成される。   The anode electrode of the fuel cell unit cell is electrically connected to the cathode electrode of another fuel cell unit cell adjacent to one side, and the cathode electrode is electrically connected to the anode electrode of another fuel cell unit cell adjacent to the other side. The anode electrode of the fuel cell single cell on one end side of the laminate and the cathode electrode of the fuel cell single cell on the other end side constitute an electrode of the fuel cell stack 10. The electrode of the fuel cell stack 10 is electrically connected to the inverter 12 via the DC / DC converter 11, and the inverter 12 is electrically connected to the motor generator 13. Further, the fuel cell system A includes a capacitor 14, and this capacitor 14 is electrically connected to the above-described inverter 12 via a DC / DC converter 15. The DC / DC converter 11 is for increasing the voltage from the fuel cell stack 10 and sending it to the inverter 12, and the inverter 12 is for converting the direct current from the DC / DC converter 11 or the capacitor 14 into an alternating current. It is. The DC / DC converter 15 is for reducing the voltage from the fuel cell stack 10 or the motor generator 13 to the battery 14 or increasing the voltage from the battery 14 to the motor generator 13. In the fuel cell system A shown in FIG. 1, the battery 14 is composed of a battery.

また、燃料電池単セル内には、アノード極に水素ガスを供給するための水素ガス流通路と、カソード極に空気を供給するための空気流通路と、燃料電池単セルに冷却水を供給するための冷却水流通路とがそれぞれ形成される。複数の燃料電池単セルの水素ガス流通路を並列に接続し、複数の燃料電池単セルの空気流通路を並列に接続し、及び、複数の燃料電池単セルの冷却水流通路を並列に接続することにより、燃料電池スタック１０には水素ガス通路３０、空気通路４０、及び、冷却水通路５０がそれぞれ形成される。水素ガス通路３０、空気通路４０、及び、冷却水通路５０は、それぞれ水素ガス用マニホールド、空気用マニホールド、及び、冷却水用マニホールドを含む。   Further, in the single fuel cell, a hydrogen gas flow passage for supplying hydrogen gas to the anode electrode, an air flow passage for supplying air to the cathode electrode, and cooling water is supplied to the single fuel cell. Cooling water flow passages are formed respectively. The hydrogen gas flow paths of the plurality of fuel cell single cells are connected in parallel, the air flow paths of the plurality of fuel cell single cells are connected in parallel, and the cooling water flow paths of the plurality of fuel cell single cells are connected in parallel. As a result, the hydrogen gas passage 30, the air passage 40, and the cooling water passage 50 are formed in the fuel cell stack 10. The hydrogen gas passage 30, the air passage 40, and the cooling water passage 50 each include a hydrogen gas manifold, an air manifold, and a cooling water manifold.

水素ガス通路３０の入口には水素ガス供給管３１が連結され、水素ガス供給管３１は水素ガス源３２に連結される。図１に示される実施例では、水素ガス源３２は水素タンクから形成される。水素ガス供給管３１内には上流側から順に、遮断弁３３と、水素ガス供給管３１内の水素ガスの圧力を調整するレギュレータ３４と、水素ガス源３２からの水素ガスを燃料電池スタック１０に供給するための水素ガスインジェクタ３５と、が配置される。一方、水素ガス通路３０の出口にはアノードオフガス管３６が連結される。遮断弁３３が開弁されかつ水素ガスインジェクタ３５が開弁されると、水素ガス源３２内の水素ガスが水素ガス供給管３１を介して燃料電池スタック１０内の水素ガス通路３０内に供給される。このとき水素ガス通路３０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管３６内に流入する。アノードオフガス管３６内には上流側から順に、アノードオフガスを気液分離する気液分離器３７と、気液分離器３７に蓄積された液体の排出を制御する排出制御弁３８が配置される。気液分離器３７の上部には水素ガス循環管８２の入口が連通され、水素ガス供給管３１における水素ガスインジェクタ３５よりも下流の箇所には水素ガス循環管８２の出口が連通される。水素ガス循環管８２内には、気液分離器３７内の気体、すなわち気液分離されたアノードオフガスを圧送する水素ガス循環ポンプ３９が配置される。水素ガス循環ポンプ３９が駆動されると、気液分離器３７に蓄積されたアノードオフガスが水素ガス供給管３１へ循環される。   A hydrogen gas supply pipe 31 is connected to the inlet of the hydrogen gas passage 30, and the hydrogen gas supply pipe 31 is connected to a hydrogen gas source 32. In the embodiment shown in FIG. 1, the hydrogen gas source 32 is formed from a hydrogen tank. In the hydrogen gas supply pipe 31, the shutoff valve 33, the regulator 34 for adjusting the pressure of the hydrogen gas in the hydrogen gas supply pipe 31, and the hydrogen gas from the hydrogen gas source 32 are supplied to the fuel cell stack 10 in order from the upstream side. A hydrogen gas injector 35 for supply is arranged. On the other hand, an anode off gas pipe 36 is connected to the outlet of the hydrogen gas passage 30. When the shut-off valve 33 is opened and the hydrogen gas injector 35 is opened, the hydrogen gas in the hydrogen gas source 32 is supplied into the hydrogen gas passage 30 in the fuel cell stack 10 through the hydrogen gas supply pipe 31. The At this time, the gas flowing out from the hydrogen gas passage 30, that is, the anode off gas, flows into the anode off gas pipe 36. A gas-liquid separator 37 that gas-liquid separates the anode off-gas and a discharge control valve 38 that controls the discharge of the liquid accumulated in the gas-liquid separator 37 are disposed in the anode off-gas pipe 36 in order from the upstream side. The upper part of the gas-liquid separator 37 communicates with the inlet of the hydrogen gas circulation pipe 82, and the hydrogen gas supply pipe 31 communicates with the outlet of the hydrogen gas circulation pipe 82 at a location downstream of the hydrogen gas injector 35. In the hydrogen gas circulation pipe 82, a hydrogen gas circulation pump 39 that pressure-feeds the gas in the gas-liquid separator 37, that is, the gas-liquid separated anode off-gas, is disposed. When the hydrogen gas circulation pump 39 is driven, the anode off gas accumulated in the gas-liquid separator 37 is circulated to the hydrogen gas supply pipe 31.

また、空気通路４０の入口には空気供給管４１が連結され、空気供給管４１は空気源４２に連結される。図１に示される実施例では、空気源４２は大気から形成される。空気供給管４１内には上流側から順に、ガスクリーナ４３と、空気を圧送するターボコンプレッサ４４と、ターボコンプレッサ４４から燃料電池スタック１０に送られる空気を冷却するためのインタークーラ４５と、燃料電池スタック１０へ供給される空気の流量を調整する流量調整弁４７とが配置される。一方、空気通路４０の出口にはカソードオフガス管４６が連結される。ターボコンプレッサ４４が駆動されると、空気供給管４１におけるターボコンプレッサ４４よりも上流側の上流側空気供給管４１Ｕを介して吸入された空気が、空気供給管４１におけるターボコンプレッサ４４よりも下流側の下流側空気供給管４１Ｄを介して燃料電池スタック１０内の空気通路４０内に供給される。このとき空気通路４０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管４６内に流入する。カソードオフガス管４６内には上流側から順に、カソードオフガス管４６内を流れるカソードオフガスの流量又は燃料電池スタック１０の空気通路４０内の圧力を制御するカソードオフガス制御弁４８と、アノードオフガスを希釈するための希釈器８３とが配置される。図１に示される実施例では、ターボコンプレッサ４４は遠心式又は軸流式のターボコンプレッサから構成される。小型化などの面から、遠心式のターボコンプレッサが好適に用いられる。   An air supply pipe 41 is connected to the inlet of the air passage 40, and the air supply pipe 41 is connected to an air source 42. In the embodiment shown in FIG. 1, the air source 42 is formed from the atmosphere. In the air supply pipe 41, in order from the upstream side, a gas cleaner 43, a turbo compressor 44 for pumping air, an intercooler 45 for cooling air sent from the turbo compressor 44 to the fuel cell stack 10, and a fuel cell A flow rate adjusting valve 47 that adjusts the flow rate of air supplied to the stack 10 is disposed. On the other hand, a cathode offgas pipe 46 is connected to the outlet of the air passage 40. When the turbo compressor 44 is driven, the air sucked through the upstream air supply pipe 41U upstream of the turbo compressor 44 in the air supply pipe 41 is downstream of the turbo compressor 44 in the air supply pipe 41. The air is supplied into the air passage 40 in the fuel cell stack 10 through the downstream air supply pipe 41D. At this time, the gas flowing out from the air passage 40, that is, the cathode off gas, flows into the cathode off gas pipe 46. In the cathode offgas pipe 46, the cathode offgas control valve 48 for controlling the flow rate of the cathode offgas flowing in the cathode offgas pipe 46 or the pressure in the air passage 40 of the fuel cell stack 10 in order from the upstream side, and the anode offgas are diluted. A diluter 83 is arranged. In the embodiment shown in FIG. 1, the turbo compressor 44 is constituted by a centrifugal or axial flow type turbo compressor. A centrifugal turbo compressor is preferably used in terms of downsizing and the like.

また、図１に示される燃料電池システムＡには、下流側空気供給管４１Ｄから分岐する分岐管７５が設けられる。すなわち、下流側空気供給管４１Ｄに分岐管７５の入口が連結される。図１に示される実施例では、カソードオフガス制御弁４８下流のカソードオフガス管４６に分岐管７５の出口が連結される。言い換えると、下流側空気供給管４１Ｄとカソードオフガス管４６とは分岐管７５により互いに連結される。分岐管７５内には下流側空気供給管４１Ｄから分岐管７５内への流路の開閉を制御するゲート弁７１が配置されている。ターボコンプレッサ４４が燃料電池スタック１０へ供給すべき流量よりも多い空気を下流側空気供給管４１Ｄへ吐出するとき、燃料電池スタック１０へ供給すべき流量の空気は流量調整弁４７を介して燃料電池スタック１０へ供給され、残りの空気はゲート弁７１から分岐管７５へ供給される。したがって、流量調整弁４７及びゲート弁７１は、下流側空気供給管４１Ｄから燃料電池スタック１０へ供給される空気の流量と分岐管７５内へ流れ込む空気の流量とを制御する分岐流れ制御弁と見ることができる。図示しない別の実施例では、ゲート弁７１の代わりに流量調整弁が配置され、流量調整弁４７の代わりにゲート弁が配置される。図示しない更に別の実施例では、ゲート弁７１の代わりに流量調整弁が配置され、流量調整弁４７の代わりに何も配置されない。   Further, the fuel cell system A shown in FIG. 1 is provided with a branch pipe 75 branched from the downstream air supply pipe 41D. That is, the inlet of the branch pipe 75 is connected to the downstream air supply pipe 41D. In the embodiment shown in FIG. 1, the outlet of the branch pipe 75 is connected to the cathode offgas pipe 46 downstream of the cathode offgas control valve 48. In other words, the downstream air supply pipe 41 </ b> D and the cathode offgas pipe 46 are connected to each other by the branch pipe 75. A gate valve 71 that controls the opening and closing of the flow path from the downstream air supply pipe 41 </ b> D into the branch pipe 75 is disposed in the branch pipe 75. When the turbo compressor 44 discharges more air than the flow rate to be supplied to the fuel cell stack 10 to the downstream air supply pipe 41D, the flow rate air to be supplied to the fuel cell stack 10 is supplied to the fuel cell via the flow rate adjustment valve 47. The air is supplied to the stack 10 and the remaining air is supplied from the gate valve 71 to the branch pipe 75. Therefore, the flow rate adjusting valve 47 and the gate valve 71 are regarded as branch flow control valves that control the flow rate of air supplied from the downstream air supply pipe 41D to the fuel cell stack 10 and the flow rate of air flowing into the branch pipe 75. be able to. In another embodiment (not shown), a flow rate adjustment valve is arranged instead of the gate valve 71, and a gate valve is arranged instead of the flow rate adjustment valve 47. In still another embodiment (not shown), a flow rate adjusting valve is arranged instead of the gate valve 71, and nothing is arranged instead of the flow rate adjusting valve 47.

ゲート弁７１の下流側の分岐管７５内には、酸素富化装置７０が配置されている。酸素富化装置７０は、図２に示すように、酸素ガス及び窒素ガスのうちの一方を他方よりも透過し易い透過膜９０を有している。酸素富化装置７０は、空気を供給され、酸素ガス及び窒素ガスのうちの一方が透過膜を透過し、他方が透過しないことにより、酸素濃度の高い酸素富化空気と、窒素濃度が高い窒素富化空気とを生成する。透過膜としては例えば中空糸膜、分離膜及び富化膜が挙げられ、材料としては例えば高分子材料やセラミックス材料が挙げられる。図２に示す実施例では透過膜９０として酸素が窒素よりも透過し易い酸素透過膜を用いる。酸素富化装置７０には、空気を導入する空気入口９１と、酸素富化空気を送出する酸素富化空気出口９２と、窒素富化空気を排出する窒素富化空気出口９３とが形成されている。空気入口９１及び窒素富化空気出口９３には分岐管７５が連結されている。酸素富化空気出口９２には戻り管７６が連結され、戻り管７６は上流側空気供給管４１Ｕに連結されている。   An oxygen enrichment device 70 is disposed in the branch pipe 75 on the downstream side of the gate valve 71. As shown in FIG. 2, the oxygen enrichment device 70 includes a permeable film 90 that easily transmits one of oxygen gas and nitrogen gas than the other. The oxygen enrichment apparatus 70 is supplied with air, and one of oxygen gas and nitrogen gas permeates through the permeable membrane and the other does not permeate, so that oxygen enriched air having a high oxygen concentration and nitrogen having a high nitrogen concentration. Producing enriched air. Examples of the permeable membrane include a hollow fiber membrane, a separation membrane, and an enriched membrane. Examples of the material include a polymer material and a ceramic material. In the embodiment shown in FIG. 2, an oxygen permeable film that allows oxygen to permeate more easily than nitrogen is used as the permeable film 90. The oxygen enrichment apparatus 70 is formed with an air inlet 91 for introducing air, an oxygen enriched air outlet 92 for sending oxygen enriched air, and a nitrogen enriched air outlet 93 for discharging nitrogen enriched air. Yes. A branch pipe 75 is connected to the air inlet 91 and the nitrogen-enriched air outlet 93. A return pipe 76 is connected to the oxygen-enriched air outlet 92, and the return pipe 76 is connected to the upstream air supply pipe 41U.

したがって、酸素富化空気は戻り管７６に送出される。このとき、酸素富化装置７０は、ターボコンプレッサ４４が吐出する空気の圧力と戻り管７６内の圧力との圧力差、すなわち透過膜の一側と他側との圧力差により駆動され、酸素富化空気を生成する。言い換えると、酸素富化装置７０は分岐管７５へ分岐された空気のエネルギを利用して酸素富化空気を生成している。図１に示す実施例では、更に、戻り管７６内にはポンプ７３が配置されている。ポンプ７３は、戻り管７６内の酸素富化空気を吸引し、吸引された酸素富化空気を上流側空気供給管４１Ｕ側の戻り管７６へ圧送する。したがって、ポンプ７３により、酸素富化空気出口９２側の戻り管７６内の圧力をポンプ７３がない場合よりも低圧にでき、すなわち透過膜の一側と他側との圧力差をポンプ７３がない場合よりも大きくでき、それにより酸素富化空気中の酸素濃度をより高くできる。図示しない更に別の実施例では、ポンプ７３の代わりにブロアが配置される。図示しない更に別の実施例では、ポンプ７３は省略される。   Accordingly, oxygen enriched air is delivered to the return pipe 76. At this time, the oxygen enricher 70 is driven by the pressure difference between the pressure of the air discharged from the turbo compressor 44 and the pressure in the return pipe 76, that is, the pressure difference between one side of the permeable membrane and the other side. Generate chemical air. In other words, the oxygen enricher 70 generates oxygen-enriched air using the energy of the air branched into the branch pipe 75. In the embodiment shown in FIG. 1, a pump 73 is further disposed in the return pipe 76. The pump 73 sucks oxygen-enriched air in the return pipe 76, and pumps the sucked oxygen-enriched air to the return pipe 76 on the upstream air supply pipe 41U side. Therefore, the pressure in the return pipe 76 on the oxygen-enriched air outlet 92 side can be made lower than that without the pump 73 by the pump 73, that is, the pressure difference between one side of the permeable membrane and the other side is not provided by the pump 73. The oxygen concentration in the oxygen-enriched air can be made higher. In still another embodiment not shown, a blower is arranged instead of the pump 73. In yet another embodiment not shown, the pump 73 is omitted.

一方、窒素富化空気は分岐管７５に排出される。酸素富化装置７０の下流側の分岐管７５内には、調圧弁７２が配置されている。調圧弁７２は酸素富化装置７０内の圧力を、酸素富化空気を生成するのに適した圧力に制御する。図示しない別の実施例では調圧弁７２は省略される。   On the other hand, the nitrogen-enriched air is discharged to the branch pipe 75. A pressure regulating valve 72 is disposed in the branch pipe 75 on the downstream side of the oxygen enricher 70. The pressure regulating valve 72 controls the pressure in the oxygen enricher 70 to a pressure suitable for generating oxygen enriched air. In another embodiment not shown, the pressure regulating valve 72 is omitted.

ゲート弁７１が開弁され、空気供給管４１を流れる空気の少なくとも一部が燃料電池スタック１０へ向かわずに分岐管７５に流れ込むと、この空気から酸素富化装置７０が酸素富化空気及び窒素富化空気を生成する。酸素富化空気は、ポンプ７３により吸引され、戻り管７６を介して上流側空気供給管４１Ｕへ供給されて、外部から供給され上流側空気供給管４１Ｕ内を流れる空気に混合される。このように、戻り管７６とポンプ７３とは、酸素富化空気を上流側空気供給管４１Ｕに供給する供給装置と見ることができる。一方、窒素富化空気は、調圧弁７２により降圧されて、分岐管７５を介してカソードオフガス制御弁４８よりも下流側のカソードオフガス管４６へ供給される。   When the gate valve 71 is opened and at least part of the air flowing through the air supply pipe 41 flows into the branch pipe 75 without going to the fuel cell stack 10, the oxygen enrichment device 70 uses the oxygen enriched air and nitrogen from this air. Generate enriched air. The oxygen-enriched air is sucked by the pump 73, supplied to the upstream air supply pipe 41U through the return pipe 76, and mixed with the air supplied from the outside and flowing in the upstream air supply pipe 41U. Thus, the return pipe 76 and the pump 73 can be regarded as a supply device that supplies oxygen-enriched air to the upstream air supply pipe 41U. On the other hand, the nitrogen-enriched air is reduced in pressure by the pressure regulating valve 72 and supplied to the cathode offgas pipe 46 downstream of the cathode offgas control valve 48 via the branch pipe 75.

分岐管７５の出口下流のカソードオフガス管４６内には希釈器８３が設けられる。この希釈器８３にはアノードオフガス管３６の出口が連結される。アノードオフガス管３６の排出制御弁３８が例えば所定の周期で一時的に開弁されると、気液分離器３７に蓄積された液体、すなわち水分がアノードオフガスと共にアノードオフガス管３６から希釈器８３へ排出される。希釈器８３では、希釈器８３から大気に排出されるガス中の水素ガス濃度が許容値以下になるように、アノードオフガスに含まれる水素ガスがカソードオフガスにより希釈される。なお、希釈器８３に流入するカソードオフガスには、分岐管７５からの窒素富化空気も含まれる。   A diluter 83 is provided in the cathode offgas pipe 46 downstream of the outlet of the branch pipe 75. The diluter 83 is connected to the outlet of the anode off gas pipe 36. When the discharge control valve 38 of the anode off-gas pipe 36 is temporarily opened, for example, at a predetermined cycle, the liquid accumulated in the gas-liquid separator 37, that is, moisture, together with the anode off-gas, is transferred from the anode off-gas pipe 36 to the diluter 83. Discharged. In the diluter 83, the hydrogen gas contained in the anode off gas is diluted with the cathode off gas so that the hydrogen gas concentration in the gas discharged from the diluter 83 to the atmosphere is below the allowable value. The cathode off gas flowing into the diluter 83 also includes nitrogen-enriched air from the branch pipe 75.

また、冷却水通路５０の入口には冷却水供給管５１の一端が連結され、冷却水供給管５１の出口には冷却水供給管５１の他端が連結される。冷却水供給管５１内には冷却水を圧送する冷却水ポンプ５２と、ラジエータ５３とが配置される。ラジエータ５３上流の冷却水供給管５１と、ラジエータ５３下流であってラジエータ５３と冷却水ポンプ５２間の冷却水供給管５１とはラジエータバイパス管５４により互いに連結される。また、ラジエータバイパス管５４内を流れる冷却水量を制御するラジエータバイパス制御弁５５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５５は三方弁から形成され、ラジエータバイパス管５４の入口に配置される。冷却水ポンプ５２が駆動されると、冷却水ポンプ５２から吐出された冷却水は冷却水供給管５１を介して燃料電池スタック１０内の冷却水通路５０内に流入し、次いで冷却水通路５０を通って冷却水供給管５１内に流入し、ラジエータ５３又はラジエータバイパス管５４を介して冷却水ポンプ５２に戻る。   One end of the cooling water supply pipe 51 is connected to the inlet of the cooling water passage 50, and the other end of the cooling water supply pipe 51 is connected to the outlet of the cooling water supply pipe 51. A cooling water pump 52 that pumps cooling water and a radiator 53 are disposed in the cooling water supply pipe 51. The cooling water supply pipe 51 upstream of the radiator 53 and the cooling water supply pipe 51 downstream of the radiator 53 and between the radiator 53 and the cooling water pump 52 are connected to each other by a radiator bypass pipe 54. Further, a radiator bypass control valve 55 that controls the amount of cooling water flowing in the radiator bypass pipe 54 is provided. In the fuel cell system A shown in FIG. 1, the radiator bypass control valve 55 is formed of a three-way valve and is disposed at the inlet of the radiator bypass pipe 54. When the cooling water pump 52 is driven, the cooling water discharged from the cooling water pump 52 flows into the cooling water passage 50 in the fuel cell stack 10 through the cooling water supply pipe 51, and then passes through the cooling water passage 50. Then, it flows into the cooling water supply pipe 51 and returns to the cooling water pump 52 via the radiator 53 or the radiator bypass pipe 54.

電子制御ユニット６０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス６１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）６２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）６３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）６４、入力ポート６５及び出力ポート６６を具備する。下流側空気供給管４１Ｄには下流側空気供給管４１Ｄ内の圧力を検出する圧力センサ８０が取り付けられる。また、酸素富化装置７０の酸素富化空気出口９２近傍の戻り管７６には戻り管７６内の圧力を検出する圧力センサ８４が取り付けられる。また、酸素富化装置７０には空気の温度を検出する温度センサ（図示されず）が取り付けられる。また、燃料電池スタック１０内の冷却水通路５０に隣接する冷却水供給管５１には冷却水の温度を検出する温度センサ８１が取り付けられる。圧力センサ８０、圧力センサ８４、温度センサ（図示されず）、及び温度センサ８１の出力信号は対応するＡＤ変換器６７を介して入力ポート６５に入力される。一方、出力ポート６６は対応する駆動回路６８を介して遮断弁３３、レギュレータ３４、水素ガスインジェクタ３５、排出制御弁３８、水素ガス循環ポンプ３９、ターボコンプレッサ４４、流量調整弁４７、カソードオフガス制御弁４８、ゲート弁７１、調圧弁７２、ポンプ７３、冷却水ポンプ５２、及びラジエータバイパス制御弁５５に電気的に接続される。   The electronic control unit 60 is composed of a digital computer, and is connected to each other by a bidirectional bus 61. It comprises. A pressure sensor 80 for detecting the pressure in the downstream air supply pipe 41D is attached to the downstream air supply pipe 41D. A pressure sensor 84 that detects the pressure in the return pipe 76 is attached to the return pipe 76 in the vicinity of the oxygen-enriched air outlet 92 of the oxygen enricher 70. Further, the oxygen enricher 70 is provided with a temperature sensor (not shown) for detecting the temperature of air. A temperature sensor 81 for detecting the temperature of the cooling water is attached to the cooling water supply pipe 51 adjacent to the cooling water passage 50 in the fuel cell stack 10. Output signals of the pressure sensor 80, the pressure sensor 84, the temperature sensor (not shown), and the temperature sensor 81 are input to the input port 65 via the corresponding AD converter 67. On the other hand, the output port 66 is connected to the shut-off valve 33, the regulator 34, the hydrogen gas injector 35, the discharge control valve 38, the hydrogen gas circulation pump 39, the turbo compressor 44, the flow rate adjusting valve 47, and the cathode off gas control valve via the corresponding drive circuit 68. 48, the gate valve 71, the pressure regulating valve 72, the pump 73, the cooling water pump 52, and the radiator bypass control valve 55 are electrically connected.

ところで、燃料電池スタック１０で発電すべきときには遮断弁３３及び水素ガスインジェクタ３５が開弁され、水素ガスが燃料電池スタック１０に供給される。また、ターボコンプレッサ４４が駆動され、空気が燃料電池スタック１０に供給される。その結果、燃料電池単セルにおいて電気化学反応（Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−，（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ）が起こり、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モータジェネレータ１３に送られる。その結果、モータジェネレータ１３が車両駆動用の電気モータとして作動され、電動車両が駆動される。一方、例えば車両制動時にはモータジェネレータ１３が回生装置として作動し、このとき回生された電気エネルギは蓄電器１４に蓄えられる。 By the way, when the fuel cell stack 10 is to generate power, the shut-off valve 33 and the hydrogen gas injector 35 are opened, and hydrogen gas is supplied to the fuel cell stack 10. Further, the turbo compressor 44 is driven, and air is supplied to the fuel cell stack 10. As a result, an electrochemical reaction (H 2 → 2H + + 2e − , (1/2) O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O) occurs in the single fuel cell, and electric energy is generated. The generated electrical energy is sent to the motor generator 13. As a result, the motor generator 13 is operated as an electric motor for driving the vehicle, and the electric vehicle is driven. On the other hand, for example, when the vehicle is braked, the motor generator 13 operates as a regenerative device, and the electrical energy regenerated at this time is stored in the capacitor 14.

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モータジェネレータ１３の負荷及び蓄電器１４の蓄電量に応じて燃料電池スタック１０の目標電流値が求められる。次いで、燃料電池スタック１０の出力電流値を目標電流値にするのに必要な水素ガス流量及び酸素ガス流量、すなわち目標水素ガス流量及び目標酸素ガス流量が求められ、目標酸素ガス流量に基づいて目標空気流量ＱＯＸＳが求められる。次いで、燃料電池スタック１０に送られる水素ガス流量が目標水素ガス流量となるようにレギュレータ３４及び水素ガスインジェクタ３５が制御され、燃料電池スタック１０に送られる空気流量が目標空気流量ＱＯＸＳとなるようにターボコンプレッサ４４及び流量調整弁４７が制御される。言い換えると、分岐管７５に空気が流れ込まないときには、ターボコンプレッサ４４から吐出される空気流量の目標値、すなわち目標空気吐出流量ＱＯＸＰは、目標空気流量ＱＯＸＳに設定される。   In the fuel cell system A shown in FIG. 1, when power generation is to be performed, a target current value of the fuel cell stack 10 is obtained in accordance with, for example, the load of the motor generator 13 expressed by the amount of depression of the accelerator pedal and the charged amount of the battery 14. It is done. Next, a hydrogen gas flow rate and an oxygen gas flow rate necessary for setting the output current value of the fuel cell stack 10 to a target current value, that is, a target hydrogen gas flow rate and a target oxygen gas flow rate are obtained, and a target is determined based on the target oxygen gas flow rate. An air flow rate QOXS is determined. Next, the regulator 34 and the hydrogen gas injector 35 are controlled so that the hydrogen gas flow rate sent to the fuel cell stack 10 becomes the target hydrogen gas flow rate, and the air flow rate sent to the fuel cell stack 10 becomes the target air flow rate QOXS. The turbo compressor 44 and the flow rate adjustment valve 47 are controlled. In other words, when air does not flow into the branch pipe 75, the target value of the air flow rate discharged from the turbo compressor 44, that is, the target air discharge flow rate QOXP is set to the target air flow rate QOXS.

ところで、燃料電池スタック１０では、運転条件によっては燃料電池スタック１０内で水分が減少して乾燥状態になる場合がある。例えば燃料電池スタック１０の運転が高負荷運転から低負荷運転に切り換えられた直後には、ターボコンプレッサ４４が目標空気流量ＱＯＸＳの空気を供給すると、燃料電池スタック１０が乾燥するおそれがある。これは、高負荷運転直後で燃料電池スタック１０の温度が比較的高く、すなわち水が蒸発し易く、加えて、低負荷運転開始で発電量が比較的少なく、すなわち燃料電池スタック１０で生成される水分が少ないからである。したがって、燃料電池スタック１０の運転条件を確認することで、燃料電池スタック１０が既に乾燥状態にあることを検知するか、又は、今後乾燥状態になるであろうことを予測することができる。すなわち、乾燥状態が発生し得る燃料電池スタック１０の温度範囲及び空気の流量範囲を予め実験等で確認し、それら温度範囲及び流量範囲のデータをＲＯＭ６２に予め記憶しておく。そして、燃料電池スタック１０の温度及び目標空気流量ＱＯＸＳがそれら温度範囲及び流量範囲にあるか否かを運転中に上記データを参照して確認することで、乾燥状態を検知又は予測することができる。   By the way, in the fuel cell stack 10, depending on the operating conditions, moisture may decrease in the fuel cell stack 10 and may be in a dry state. For example, immediately after the operation of the fuel cell stack 10 is switched from the high load operation to the low load operation, if the turbo compressor 44 supplies air with the target air flow rate QOXS, the fuel cell stack 10 may be dried. This is because the temperature of the fuel cell stack 10 is relatively high immediately after the high load operation, that is, water is likely to evaporate. In addition, the power generation amount is relatively small at the start of the low load operation, that is, the fuel cell stack 10 is generated. It is because there is little moisture. Therefore, by confirming the operating conditions of the fuel cell stack 10, it can be detected that the fuel cell stack 10 is already in a dry state, or it can be predicted that the fuel cell stack 10 will be in a dry state in the future. That is, the temperature range and air flow range of the fuel cell stack 10 in which a dry state may occur are confirmed in advance by experiments or the like, and data on the temperature range and flow range are stored in the ROM 62 in advance. The dry state can be detected or predicted by confirming whether or not the temperature of the fuel cell stack 10 and the target air flow rate QOXS are within the temperature range and the flow rate range with reference to the above data during operation. .

そこで、図１に示される燃料電池システムＡでは、上記の確認が運転中に適宜行われ、乾燥状態が検知又は予測された場合には、燃料電池スタック１０の乾燥を抑制し、所定量以上の水分が確保されるようにする乾燥抑制制御が行われる。すなわち、カソードオフガス制御弁４８の開度が一時的に小さくされる。その結果、空気流量が一時的に減少して、カソードオフガスにより持ち去られる水の量が低減される。また、燃料電池スタック１０の空気通路４０内の圧力が高められる。その結果、空気通路４０内で凝縮する水の量が増大される。この乾燥抑制制御では、燃料電池スタック１０の空気通路４０内の圧力が目標とする圧力になるようにカソードオフガス制御弁４８が調整される。ここで、乾燥抑制制御のための空気通路４０内の目標圧力ＰＢＡは、例えば燃料電池スタック１０の温度及び目標空気流量ＱＯＸＳの関数として予め求められており、図３に示されるマップの形でＲＯＭ６２内に予め記憶されている。したがって、乾燥抑制制御では、燃料電池スタック１０の温度及び目標空気流量ＱＯＸＳに基づいて図３に示されるマップから目標圧力ＰＢＡが取得され、空気通路４０内の圧力が目標圧力ＰＢＡになるようにカソードオフガス制御弁４８の開度が制御される。ただし、図１の実施例では、燃料電池スタック１０の温度としては温度センサ８１で検出される冷却水の温度が用いられ、空気通路４０内の圧力としては圧力センサ８０で検出される下流側空気供給管４１Ｄ内の圧力が用いられる。一方、燃料電池スタック１０で乾燥抑制制御を行わない運転、すなわち通常運転では、カソードオフガス制御弁４８は例えば全開とされる。図示しない別の実施例では、空気通路４０内の圧力を目標圧力ＰＢＡにするのではなく、空気通路４０内の圧力を所定の圧力だけ増加させ、例えば所定時間経過後も温度が下がらない場合など必要に応じて更に所定の圧力だけ増加させる。   Therefore, in the fuel cell system A shown in FIG. 1, when the above check is appropriately performed during operation, and when the dry state is detected or predicted, the fuel cell stack 10 is prevented from drying and a predetermined amount or more is suppressed. Drying suppression control is performed to ensure moisture. That is, the opening degree of the cathode offgas control valve 48 is temporarily reduced. As a result, the air flow rate is temporarily reduced, reducing the amount of water carried away by the cathode offgas. Further, the pressure in the air passage 40 of the fuel cell stack 10 is increased. As a result, the amount of water condensed in the air passage 40 is increased. In this dry suppression control, the cathode offgas control valve 48 is adjusted so that the pressure in the air passage 40 of the fuel cell stack 10 becomes a target pressure. Here, the target pressure PBA in the air passage 40 for drying suppression control is obtained in advance as a function of, for example, the temperature of the fuel cell stack 10 and the target air flow rate QOXS, and in the form of a map shown in FIG. Is stored in advance. Therefore, in the drying suppression control, the target pressure PBA is acquired from the map shown in FIG. 3 based on the temperature of the fuel cell stack 10 and the target air flow rate QOXS, and the cathode is set so that the pressure in the air passage 40 becomes the target pressure PBA. The opening degree of the off gas control valve 48 is controlled. However, in the embodiment of FIG. 1, the temperature of the cooling water detected by the temperature sensor 81 is used as the temperature of the fuel cell stack 10, and the downstream air detected by the pressure sensor 80 is used as the pressure in the air passage 40. The pressure in the supply pipe 41D is used. On the other hand, in the operation in which the fuel cell stack 10 does not perform the drying suppression control, that is, the normal operation, the cathode offgas control valve 48 is fully opened, for example. In another embodiment (not shown), the pressure in the air passage 40 is not set to the target pressure PBA, but the pressure in the air passage 40 is increased by a predetermined pressure. For example, the temperature does not decrease even after a predetermined time elapses. If necessary, the pressure is further increased by a predetermined pressure.

ここで、乾燥を抑制するために、ターボコンプレッサ４４において空気流量が少なく維持され、空気の圧力が高く設定されると、サージングが発生するおそれがある。そこで図１に示す燃料電池システムＡでは、その場合、サージングが発生するおそれがある場合には、乾燥を抑制しつつサージングを回避するように、更にサージング抑制制御が行われる。すなわち、ターボコンプレッサ４４の目標空気吐出流量ＱＯＸＰを、目標空気流量ＱＯＸＳから増加させる。以下、図４及び図５を参照しながら、サージング抑制制御における、ターボコンプレッサ４４の目標空気吐出流量ＱＯＸＰの算出方法について説明する。図４及び図５はターボコンプレッサ４４の特性を示している。図４及び図５において、縦軸はターボコンプレッサ４４の入口における圧力に対するターボコンプレッサ４４の出口における圧力の比である圧力比を示しており、横軸はターボコンプレッサ４４から吐出される空気の流量を示している。なお、ターボコンプレッサ４４の入口における圧力は大気圧と考えることができる。一方、ターボコンプレッサ４４の出口における圧力は圧力センサ８０により検出されると共に、カソードオフガス制御弁４８により制御される空気通路４０内の圧力に応じて定まる。   Here, in order to suppress drying, if the air flow rate is kept low in the turbo compressor 44 and the air pressure is set high, surging may occur. Therefore, in the fuel cell system A shown in FIG. 1, if surging may occur, surging suppression control is further performed so as to avoid surging while suppressing drying. That is, the target air discharge flow rate QOXP of the turbo compressor 44 is increased from the target air flow rate QOXS. Hereinafter, a method for calculating the target air discharge flow rate QOXP of the turbo compressor 44 in the surging suppression control will be described with reference to FIGS. 4 and 5. 4 and 5 show the characteristics of the turbo compressor 44. FIG. 4 and 5, the vertical axis indicates the pressure ratio that is the ratio of the pressure at the outlet of the turbo compressor 44 to the pressure at the inlet of the turbo compressor 44, and the horizontal axis indicates the flow rate of the air discharged from the turbo compressor 44. Show. The pressure at the inlet of the turbo compressor 44 can be considered as atmospheric pressure. On the other hand, the pressure at the outlet of the turbo compressor 44 is detected by the pressure sensor 80 and determined according to the pressure in the air passage 40 controlled by the cathode offgas control valve 48.

図４を参照すると、圧力比及び空気吐出流量により定まるターボコンプレッサ４４の作動状態領域（ターボコンプレッサ４４の動作点が属し得る領域）にサージング領域ＳＡと非サージング領域ＮＳＡとが区画される。サージング領域ＳＡは、空気吐出流量が限界吐出流量ＱＯＸＰＬよりも少ない領域であり、ターボコンプレッサ４４の作動状態、すなわち動作点がサージング領域ＳＡに属するときにはサージングが発生するおそれがある。例えば、ターボコンプレッサ４４の動作点がＥａで表されるとき、すなわち圧力比がＰｒａであり空気吐出流量がＱＯＸＰａであるときである。一方、非サージング領域ＮＳＡは、空気吐出流量が限界吐出流量ＱＯＸＰＬよりも多い領域であり、ターボコンプレッサ４４の動作点が非サージング領域ＮＳＡに属するときにはサージングが発生しない。例えば、ターボコンプレッサ４４の動作点がＥｂで表されるとき、すなわち圧力比がＰｒｂであり空気吐出流量がＱＯＸＰｂであるときである。ただし、限界吐出流量ＱＯＸＰＬは圧力比が大きくなるにつれて多くなる。したがって、ターボコンプレッサ４４には、圧力比が低くかつ空気吐出流量が多い側に非サージング領域ＮＳＡが区画されると共に、圧力比が高くかつ空気吐出流量が少ない側にサージング領域ＳＡが区画されている。   Referring to FIG. 4, a surging area SA and a non-surging area NSA are divided into an operating state area of the turbo compressor 44 (an area where the operating point of the turbo compressor 44 can belong) determined by the pressure ratio and the air discharge flow rate. The surging area SA is an area where the air discharge flow rate is smaller than the limit discharge flow rate QOXPL, and surging may occur when the operating state of the turbo compressor 44, that is, the operating point belongs to the surging area SA. For example, when the operating point of the turbo compressor 44 is represented by Ea, that is, when the pressure ratio is Pra and the air discharge flow rate is QOXPa. On the other hand, the non-surging area NSA is an area where the air discharge flow rate is larger than the limit discharge flow rate QOXPL, and surging does not occur when the operating point of the turbo compressor 44 belongs to the non-surging area NSA. For example, when the operating point of the turbo compressor 44 is represented by Eb, that is, when the pressure ratio is Prb and the air discharge flow rate is QOXPb. However, the limit discharge flow rate QOXPL increases as the pressure ratio increases. Therefore, in the turbo compressor 44, the non-surging area NSA is defined on the side where the pressure ratio is low and the air discharge flow rate is large, and the surging area SA is defined on the side where the pressure ratio is high and the air discharge flow rate is small. .

図５を参照すると、乾燥抑制制御により高く設定された空気の圧力に基づく圧力比Ｐｒ１のもとでターボコンプレッサ４４からの空気吐出流量を上述した目標空気流量ＱＯＸＳに設定した場合のターボコンプレッサ４４の動作点はＥｓ１であり、サージング領域ＳＡ内に属している。この場合、圧力比Ｐｒ１のもとで、目標空気流量ＱＯＸＳにサージング抑制のための余剰分ΔＱＯＸ１を加算したものを目標空気吐出流量ＱＯＸＰに設定すれば、このときのターボコンプレッサ４４の動作点Ｅｐ１は非サージング領域ＮＳＡ内に属することになる。ただし、動作点Ｅｐ１の目標空気吐出流量ＱＯＸＰは限界吐出流量ＱＯＸＰＬより大きければよく、したがって余剰分ΔＱＯＸ１は動作点Ｅｐ１の目標空気吐出流量ＱＯＸＰが限界吐出流量ＱＯＸＰＬより大きくなる任意の値に設定することができる。ここで、サージング抑制のための余剰分ΔＱＯＸ１は例えば圧力比及び目標空気流量ＱＯＸＳの関数としてあらかじめ求められており、図６に示されるマップの形でＲＯＭ６２内にあらかじめ記憶されている。   Referring to FIG. 5, the turbo compressor 44 in the case where the air discharge flow rate from the turbo compressor 44 is set to the above-described target air flow rate QOXS under the pressure ratio Pr1 based on the air pressure set high by the drying suppression control. The operating point is Es1 and belongs to the surging area SA. In this case, the operating point Ep1 of the turbo compressor 44 at this time can be obtained by setting the target air discharge flow rate QOXP obtained by adding the surplus ΔQOX1 for suppressing surging to the target air flow rate QOXS under the pressure ratio Pr1. It belongs to the non-surging area NSA. However, the target air discharge flow rate QOXP at the operating point Ep1 only needs to be larger than the limit discharge flow rate QOXPL, and therefore the surplus ΔQOX1 is set to an arbitrary value at which the target air discharge flow rate QOXP at the operating point Ep1 becomes larger than the limit discharge flow rate QOXPL. Can do. Here, the surplus ΔQOX1 for suppressing surging is obtained in advance as a function of the pressure ratio and the target air flow rate QOXS, for example, and stored in advance in the ROM 62 in the form of a map shown in FIG.

そこで図１に示される燃料電池システムＡでは、目標圧力ＰＢＡから算出された圧力比Ｐｒ１と目標空気流量ＱＯＸＳとにより定まるターボコンプレッサ４４の動作点Ｅｓ１がサージング領域ＳＡ内に属するか否かが判別され、ターボコンプレッサ４４の動作点Ｅｓ１がサージング領域ＳＡ内に属すると判別されたときには目標空気流量ＱＯＸＳに余剰分ΔＱＯＸ１を加算することにより目標空気吐出流量ＱＯＸＰが算出される（ＱＯＸＰ＝ＱＯＸＳ＋ΔＱＯＸ１）。この場合、図６のマップからサージング抑制のための余剰分ΔＱＯＸ１が算出される。これに対し、ターボコンプレッサ４４の動作点Ｅｓ１が非サージング領域ＮＳＡ内に属すると判別されたときには目標空気吐出流量ＱＯＸＰが目標空気流量ＱＯＸＳに設定される。このようにすると、サージングの発生を抑制することができる。   Therefore, in the fuel cell system A shown in FIG. 1, it is determined whether or not the operating point Es1 of the turbo compressor 44 determined by the pressure ratio Pr1 calculated from the target pressure PBA and the target air flow rate QOXS belongs to the surging area SA. When it is determined that the operating point Es1 of the turbo compressor 44 belongs to the surging area SA, the target air discharge flow rate QOXP is calculated by adding the surplus ΔQOX1 to the target air flow rate QOXS (QOXP = QOXS + ΔQOX1). In this case, a surplus ΔQOX1 for suppressing surging is calculated from the map of FIG. On the other hand, when it is determined that the operating point Es1 of the turbo compressor 44 belongs to the non-surging region NSA, the target air discharge flow rate QOXP is set to the target air flow rate QOXS. In this way, the occurrence of surging can be suppressed.

目標空気吐出流量ＱＯＸＰが算出されると、ターボコンプレッサ４４から実際に吐出される空気流量が目標空気吐出流量ＱＯＸＰになるように、ターボコンプレッサ４４が制御される。   When the target air discharge flow rate QOXP is calculated, the turbo compressor 44 is controlled so that the air flow rate actually discharged from the turbo compressor 44 becomes the target air discharge flow rate QOXP.

ここで、図５に示される実施例では、サージングの発生を抑制するために、目標空気吐出流量ＱＯＸＰが目標空気流量ＱＯＸＳよりも多く設定される。この場合、空気を目標空気吐出流量ＱＯＸＰだけ燃料電池スタック１０に供給すると、すなわち目標空気流量ＱＯＸＳよりも多量の空気を燃料電池スタック１０に供給すると、燃料電池スタック１０の例えば膜電極接合体２０が乾燥するおそれがある。そこで図１に示される燃料電池システムＡでは、目標空気流量ＱＯＸＳの空気が燃料電池スタック１０に送られ、かつ、余剰分ΔＱＯＸの空気が分岐管７５内に流れ込むように、流量調整弁４７及びゲート弁７１が制御される。酸素富化装置７０では、分岐管７５内に流れ込んだ空気から酸素濃度が高い酸素富化空気と、窒素濃度が高い窒素富化空気とが生成される。酸素富化空気は、ポンプ７３に吸引され、空気供給管４１へ圧送される。それにより、酸素富化空気が外気から導入された通常の空気と混合され、酸素富化空気を含む空気が形成されて、ターボコンプレッサ４４へ供給される。すなわち、ターボコンプレッサ４４が吐出する空気では、酸素富化空気と通常の空気とが混合され、酸素濃度が通常の空気よりも高くなる。一方、窒素富化空気は調圧弁７２を介してカソードオフガス管４６から外部へ排出される。   Here, in the embodiment shown in FIG. 5, the target air discharge flow rate QOXP is set larger than the target air flow rate QOXS in order to suppress the occurrence of surging. In this case, if air is supplied to the fuel cell stack 10 by the target air discharge flow rate QOXP, that is, if a larger amount of air than the target air flow rate QOXS is supplied to the fuel cell stack 10, for example, the membrane electrode assembly 20 of the fuel cell stack 10 There is a risk of drying. Therefore, in the fuel cell system A shown in FIG. 1, the flow rate adjusting valve 47 and the gate are supplied so that the air of the target air flow rate QOXS is sent to the fuel cell stack 10 and the excess amount ΔQOX of air flows into the branch pipe 75. The valve 71 is controlled. In the oxygen enrichment device 70, oxygen-enriched air having a high oxygen concentration and nitrogen-enriched air having a high nitrogen concentration are generated from the air flowing into the branch pipe 75. The oxygen-enriched air is sucked into the pump 73 and pumped to the air supply pipe 41. Thereby, oxygen-enriched air is mixed with normal air introduced from the outside air, and air containing oxygen-enriched air is formed and supplied to the turbo compressor 44. That is, in the air discharged from the turbo compressor 44, oxygen-enriched air and normal air are mixed, and the oxygen concentration becomes higher than that of normal air. On the other hand, the nitrogen-enriched air is discharged from the cathode offgas pipe 46 to the outside through the pressure regulating valve 72.

ここで、酸素富化装置７０から送出される酸素富化空気の酸素濃度及び流量は、酸素富化装置７０で用いる透過膜の特性（選択率、ガス透過係数）が既知の場合、空気入口９１での空気の流量と、空気入口９１と酸素富化空気出口９２との間の空気の圧力差と、空気の温度と、空気入口９１での空気の酸素濃度とに基づいて計算することができる。ここでは、酸素富化空気の酸素濃度ＤＯＸ及び流量ＱＯＵＴが、例えば空気入口９１と酸素富化空気出口９２との間の空気の圧力差ΔＰＤと、空気の温度ＴＡと、空気入口９１での酸素濃度ＤＩＮとの関数として、空気入口９１での空気の単位流量あたりの値として、予め求められており、図７に示されるマップの形でＲＯＭ６２内にあらかじめ記憶されている。図１に示す実施例では、空気入口９１での空気の流量として余剰分ΔＱＯＸの値が用いられ、空気入口９１と酸素富化空気出口９２との間の空気の圧力差ΔＰＤとして圧力センサ８０の値と圧力センサ８４の値との差が用いられ、空気の温度ＴＡとして酸素富化装置７０の温度センサ（図示せず）の値が用いられ、空気の酸素濃度ＤＩＮの初期値として２１％が用いられる。そして、図７のマップの値を参照して、空気入口９１での空気の単位流量あたりの酸素富化空気の酸素濃度ＤＯＸ及び流量ＱＯＵＴが抽出され、それらの値に余剰分ΔＱＯＸを掛けることで、酸素富化装置７０から送出される酸素富化空気の酸素濃度及び流量が算出される。   Here, the oxygen concentration and flow rate of the oxygen-enriched air delivered from the oxygen-enriching device 70 are the air inlet 91 when the characteristics (selectivity, gas permeability coefficient) of the permeable membrane used in the oxygen-enriching device 70 are known. Based on the air flow rate, the air pressure difference between the air inlet 91 and the oxygen-enriched air outlet 92, the air temperature, and the oxygen concentration of the air at the air inlet 91. . Here, the oxygen concentration DOX and the flow rate QOUT of the oxygen-enriched air are, for example, the air pressure difference ΔPD between the air inlet 91 and the oxygen-enriched air outlet 92, the air temperature TA, and the oxygen at the air inlet 91. A value per unit flow rate of air at the air inlet 91 as a function of the concentration DIN is obtained in advance and stored in advance in the ROM 62 in the form of a map shown in FIG. In the embodiment shown in FIG. 1, the value of the surplus ΔQOX is used as the air flow rate at the air inlet 91, and the pressure difference of the pressure sensor 80 is calculated as the air pressure difference ΔPD between the air inlet 91 and the oxygen-enriched air outlet 92. The difference between the value and the value of the pressure sensor 84 is used, the value of the temperature sensor (not shown) of the oxygen enricher 70 is used as the air temperature TA, and 21% is the initial value of the oxygen concentration DIN of the air. Used. Then, referring to the map values in FIG. 7, the oxygen concentration DOX and the flow rate QOUT of the oxygen-enriched air per unit flow rate of air at the air inlet 91 are extracted, and these values are multiplied by the surplus ΔQOX. Then, the oxygen concentration and flow rate of the oxygen-enriched air sent from the oxygen enricher 70 are calculated.

その後、酸素濃度及び流量が計算された酸素富化空気が空気供給管４１に戻されて通常の空気と混合され、酸素濃度が高められた空気が生成されて、その一部が再び酸素富化装置７０に供給されて、再び酸素富化空気が生成される。このとき生成される酸素富化空気の酸素濃度及び流量は、上記方法で計算される。ただし、供給される空気の酸素濃度、すなわち空気入口９１での酸素濃度については、前回計算された酸素富化空気の酸素濃度及び流量と、ターボコンプレッサ４４の目標空気吐出流量ＱＯＸＰとに基づいて計算される。   Thereafter, the oxygen-enriched air whose oxygen concentration and flow rate have been calculated is returned to the air supply pipe 41 and mixed with normal air to generate air with an increased oxygen concentration, part of which is again oxygen-enriched. Supplyed to the device 70, oxygen-enriched air is again generated. The oxygen concentration and flow rate of the oxygen-enriched air produced at this time are calculated by the above method. However, the oxygen concentration of the supplied air, that is, the oxygen concentration at the air inlet 91 is calculated based on the oxygen concentration and flow rate of the oxygen-enriched air calculated previously and the target air discharge flow rate QOXP of the turbo compressor 44. Is done.

以下、酸素富化空気と通常の空気との混合、及び、酸素富化空気の生成が繰り返される。その結果、酸素富化装置７０から送出される酸素富化空気の酸素濃度は概ね目標値に収束する。言い換えると、目標値に収束するようにポンプ７３により、空気入口９１と酸素富化空気出口９２との間の空気の圧力差が制御される。例えば、酸素濃度が目標値に達した場合、ポンプ７３による吸引を弱めて、酸素濃度がそれ以上高くならないようにする。それにより、ポンプ７３による不要なエネルギの消費を抑えることができる。   Hereinafter, mixing of oxygen-enriched air and normal air and generation of oxygen-enriched air are repeated. As a result, the oxygen concentration of the oxygen-enriched air sent from the oxygen enricher 70 converges to the target value. In other words, the air pressure difference between the air inlet 91 and the oxygen-enriched air outlet 92 is controlled by the pump 73 so as to converge to the target value. For example, when the oxygen concentration reaches the target value, the suction by the pump 73 is weakened so that the oxygen concentration does not increase any more. Thereby, unnecessary energy consumption by the pump 73 can be suppressed.

図８は、燃料電池システムＡにおける空気流量、空気圧力、及び酸素濃度の計算を行った位置Ｚ１〜Ｚ５を示す概略図である。ただし、計算において、空気入口９１での空気流量として余剰分ΔＱＯＸの値、空気入口９１の圧力として圧力センサ８０の値、酸素富化空気出口９２の圧力として圧力センサ８４の値、空気の温度として酸素富化装置７０の温度センサの値、ターボコンプレッサ４４の空気吐出流量として目標空気吐出流量ＱＯＸＰの値、酸素富化空気の濃度及び流量としては図７のマップの値、及び、通常の空気での酸素濃度の２１％と大気圧１０１ｋＰａ．ａｂｓを用いた。各位置での空気流量、空気圧力及び酸素ガス濃度は、位置Ｚ１では１０００ＮＬ／ｍｉｎ．、１０１ｋＰａ.ａｂｓ及び２１％であり、位置Ｚ２では１５００ＮＬ／ｍｉｎ．、１４３ｋＰａ.ａｂｓ及び３０％であり、位置Ｚ３では１０００ＮＬ／ｍｉｎ．、１４２ｋＰａ.ａｂｓ及び３０％であり、位置Ｚ４では５００ＮＬ／ｍｉｎ．、１４２ｋＰａ.ａｂｓ及び３０％であり、位置Ｚ５では５００ＮＬ／ｍｉｎ．、４２ｋＰａ.ａｂｓ及び４８％である。この場合、燃料電池スタック１０へ供給される空気中の酸素濃度は３０％であり、通常の空気の酸素濃度である２１％と比較して、約１．５倍高くなる。   FIG. 8 is a schematic diagram illustrating positions Z1 to Z5 where the calculation of the air flow rate, the air pressure, and the oxygen concentration in the fuel cell system A is performed. However, in the calculation, the value of the excess ΔQOX as the air flow rate at the air inlet 91, the value of the pressure sensor 80 as the pressure of the air inlet 91, the value of the pressure sensor 84 as the pressure of the oxygen-enriched air outlet 92, and the temperature of the air The value of the temperature sensor of the oxygen enrichment device 70, the value of the target air discharge flow rate QOXP as the air discharge flow rate of the turbo compressor 44, the concentration and flow rate of the oxygen enriched air are the values in the map of FIG. Of oxygen concentration and atmospheric pressure 101 kPa. Abs was used. The air flow rate, air pressure, and oxygen gas concentration at each position were 1000 NL / min. , 101 kPa.abs and 21%, and at position Z2, 1500 NL / min. 143 kPa.abs and 30%, and at position Z3, 1000 NL / min. 142 kPa.abs and 30%, and at position Z4, 500 NL / min. 142 kPa.abs and 30%, and at position Z5, 500 NL / min. 42 kPa.abs and 48%. In this case, the oxygen concentration in the air supplied to the fuel cell stack 10 is 30%, which is about 1.5 times higher than the normal air oxygen concentration of 21%.

上記のように、ターボコンプレッサ４４に供給され、ターボコンプレッサ４４から吐出される空気では、酸素富化空気と通常の空気とが混合されているので、酸素濃度が通常の空気よりも高くなる。例えば、図８に示す例では、ターボコンプレッサ４４から吐出される空気の酸素濃度は３０％になる。そのため、目標空気流量ＱＯＸＳを削減しないまま燃料電池スタック１０へ空気を供給すると、不必要に多くの酸素ガスを供給すること、すなわち目標酸素ガス流量より多くの酸素ガスを供給することになり、酸素ガスが無駄に消費されるおそれがある。そこで図１に示す実施例では、ターボコンプレッサ４４からその空気を圧送するときには、燃料電池スタック１０へ供給される酸素ガス流量が、酸素富化空気が供給されない場合の燃料電池スタック１０への目標酸素ガス流量以上となるように維持されつつ、燃料電池スタック１０へ供給される空気の流量が、酸素富化空気が供給されない場合の目標空気流量よりも減少される。すなわち、図１に示す実施例では、燃料電池スタック１０へ供給される酸素の流量を目標酸素ガス流量以上に維持しつつ、燃料電池スタック１０へ供給されるその空気の流量を目標空気流量よりも削減するように、流量調整弁４７が制御される。その場合でも、目標酸素ガス流量は維持されるので、燃料電池スタック１０の発電には何ら影響はない。図８に示す例では、燃料電池スタック１０へ供給される酸素ガス流量を目標酸素ガス流量のまま維持する場合、燃料電池スタック１０へ供給する空気の流量を、通常の空気を用いた場合の目標空気流量よりも約３３％削減することができる。なお、ターボコンプレッサ４４から圧送される空気流量はサージング抑制制御のために目標空気吐出流量ＱＯＸＰに維持される。   As described above, in the air supplied to the turbo compressor 44 and discharged from the turbo compressor 44, oxygen-enriched air and normal air are mixed, so that the oxygen concentration is higher than that of normal air. For example, in the example shown in FIG. 8, the oxygen concentration of the air discharged from the turbo compressor 44 is 30%. Therefore, if air is supplied to the fuel cell stack 10 without reducing the target air flow rate QOXS, an unnecessarily large amount of oxygen gas is supplied, that is, more oxygen gas than the target oxygen gas flow rate is supplied. There is a risk that gas is wasted. Therefore, in the embodiment shown in FIG. 1, when the air is pumped from the turbo compressor 44, the flow rate of oxygen gas supplied to the fuel cell stack 10 is the target oxygen to the fuel cell stack 10 when oxygen-enriched air is not supplied. While maintaining the gas flow rate to be equal to or higher than the gas flow rate, the flow rate of air supplied to the fuel cell stack 10 is reduced from the target air flow rate when oxygen-enriched air is not supplied. That is, in the embodiment shown in FIG. 1, while maintaining the flow rate of oxygen supplied to the fuel cell stack 10 to be equal to or higher than the target oxygen gas flow rate, the flow rate of air supplied to the fuel cell stack 10 is higher than the target air flow rate. The flow rate adjustment valve 47 is controlled so as to reduce. Even in that case, since the target oxygen gas flow rate is maintained, there is no influence on the power generation of the fuel cell stack 10. In the example shown in FIG. 8, when the flow rate of oxygen gas supplied to the fuel cell stack 10 is maintained at the target oxygen gas flow rate, the flow rate of air supplied to the fuel cell stack 10 is the target when normal air is used. The air flow rate can be reduced by about 33%. The air flow rate pumped from the turbo compressor 44 is maintained at the target air discharge flow rate QOXP for surging suppression control.

この場合、燃料電池スタック１０に供給すべき空気流量が削減されるので、燃料電池スタック１０内での水分の持ち去りが減少して、乾燥状態の改善効果を向上させることができる。すなわち、分岐管７５内を流れる空気のエネルギを酸素富化装置７０で酸素富化空気を製造することに用いることで、乾燥状態の改善効果を高められる。このように本実施例では、燃料電池スタック１０内の乾燥状態を抑制しつつ、分岐管７５内を流れる空気の有するエネルギを有効に利用することができる。   In this case, since the air flow rate to be supplied to the fuel cell stack 10 is reduced, the removal of moisture in the fuel cell stack 10 is reduced, and the effect of improving the dry state can be improved. That is, by using the energy of the air flowing through the branch pipe 75 to produce oxygen-enriched air with the oxygen enrichment device 70, the effect of improving the dry state can be enhanced. As described above, in this embodiment, the energy of the air flowing in the branch pipe 75 can be effectively used while suppressing the dry state in the fuel cell stack 10.

また、水分の持ち去りが減少することから、カソードオフガス制御弁４８を調整して、燃料電池スタック１０での空気通路４０の圧力を高い状態から低い状態に下げることも可能である。その場合、ターボコンプレッサ４４から吐出される空気の圧力を低減できるので、ターボコンプレッサ４４の駆動に要するエネルギを削減することができる。すなわち、酸素富化装置７０で酸素富化空気を製造することにより、燃料電池スタック１０内の乾燥状態を抑制するために必要なエネルギを削減できる。   Further, since moisture removal is reduced, the cathode offgas control valve 48 can be adjusted to reduce the pressure of the air passage 40 in the fuel cell stack 10 from a high state to a low state. In that case, since the pressure of the air discharged from the turbo compressor 44 can be reduced, the energy required for driving the turbo compressor 44 can be reduced. That is, by producing oxygen-enriched air with the oxygen enricher 70, the energy required to suppress the dry state in the fuel cell stack 10 can be reduced.

図９は図１の燃料電池システムＡにおける空気供給制御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。図９を参照すると、ステップ１００では目標電流値に基づいて、目標空気流量ＱＯＸＳが算出される。続くステップ１０１では燃料電池スタック１０の乾燥状態が検知又は予測される。すなわち、燃料電池スタック１０の温度が温度センサ８１により検出され、燃料電池スタック１０の温度及び目標空気流量ＱＯＸＳに基づいて、所定の温度範囲及び流量範囲のデータを参照して、乾燥状態が検知され又は予測されるか否かが判別される。乾燥状態が検知され又は予測されるときには、次いでステップ１０２に進み、図３に示されるマップを参照して、燃料電池スタック１０の温度及び目標空気流量ＱＯＸＳに基づいて、燃料電池スタック１０内の空気通路４０の目標圧力ＰＢＡが決定される。続くステップ１０３では空気通路４０の目標圧力ＰＢＡに基づいて圧力比が算出され、算出された圧力比及び目標空気流量ＱＯＸＳに基づいて、ターボコンプレッサ４４の動作点が決定される。続くステップ１０４では空気通路４０の圧力に基づき算出された圧力比及び目標空気流量ＱＯＸＳに基づいて、図５のグラフを示すデータを参照して、ターボコンプレッサ４４の動作点がサージング領域ＳＡにあるか否かが判別される。ターボコンプレッサ４４の動作点がサージング領域ＳＡであるときには次いでステップ１０５に進み、図６のマップからサージング抑制のための余剰分ΔＱＯＸ１が算出される。そして、目標空気吐出流量ＱＯＸＰが目標空気流量ＱＯＸＳと余剰分ΔＱＯＸ１との和に設定される。すなわち、ターボコンプレッサ４４の動作点が非サージング領域ＮＳＡに変更される。続くステップ１０６では、空気通路４０の圧力が目標圧力ＰＢＡになるようにカソードオフガス制御弁４８が調整され、目標空気流量ＱＯＸＳの空気が燃料電池スタック１０へ供給され、余剰分ΔＱＯＸ１の空気が酸素富化装置７０へ供給されるように流量調整弁４７が調整され、ゲート弁７１が開弁される。続くステップ１０７では、ターボコンプレッサ４４がステップ１０５で変更された動作点で駆動される。続くステップ１０８では、燃料電池スタック１０に供給される酸素富化空気を含む空気の酸素濃度が算出される。続くステップ１０９では、燃料電池スタック１０へ供給される酸素流量が、酸素富化空気が供給されない場合の燃料電池スタック１０への目標酸素流量以上に維持されつつ、燃料電池スタック１０へ供給される酸素富化空気を含む空気の流量が、酸素富化空気が供給されない場合の目標空気流量よりも削減される。これに対し、ステップ１０２で乾燥状態が検知され又は予測されないときには、次いでステップ１１０に進み、目標空気吐出流量が目標空気流量に設定され、それによりターボコンプレッサ４４の動作点が決定される。続くステップ１１１では、ステップ１０４でターボコンプレッサ４４の動作点が非サージング領域ＮＳＡであるときも含めて、空気通路４０の圧力が所定の圧力になるようにカソードオフガス制御弁４８が調整され、目標空気流量ＱＯＸＳの空気が燃料電池スタック１０へ供給されるように流量調整弁４７が調整され、空気が酸素富化装置７０へ供給されないようにゲート弁７１が開弁される。次いでステップ１１２ではターボコンプレッサ４４がステップ１１０又はステップ１０３で決定された動作点で駆動される。   FIG. 9 shows an air supply control routine in the fuel cell system A of FIG. This routine is executed by interruption at regular intervals. Referring to FIG. 9, in step 100, the target air flow rate QOXS is calculated based on the target current value. In the subsequent step 101, the dry state of the fuel cell stack 10 is detected or predicted. That is, the temperature of the fuel cell stack 10 is detected by the temperature sensor 81, and the dry state is detected based on the temperature of the fuel cell stack 10 and the target air flow rate QOXS with reference to data of a predetermined temperature range and flow rate range. Alternatively, it is determined whether or not it is predicted. When a dry condition is detected or predicted, the process then proceeds to step 102 and the air in the fuel cell stack 10 is determined based on the temperature of the fuel cell stack 10 and the target air flow rate QOXS with reference to the map shown in FIG. A target pressure PBA in the passage 40 is determined. In the subsequent step 103, the pressure ratio is calculated based on the target pressure PBA of the air passage 40, and the operating point of the turbo compressor 44 is determined based on the calculated pressure ratio and the target air flow rate QOXS. In the following step 104, based on the pressure ratio calculated based on the pressure of the air passage 40 and the target air flow rate QOXS, whether the operating point of the turbo compressor 44 is in the surging area SA with reference to the data shown in the graph of FIG. It is determined whether or not. When the operating point of the turbo compressor 44 is in the surging area SA, the routine proceeds to step 105, where a surplus ΔQOX1 for suppressing surging is calculated from the map of FIG. Then, the target air discharge flow rate QOXP is set to the sum of the target air flow rate QOXS and the surplus ΔQOX1. That is, the operating point of the turbo compressor 44 is changed to the non-surging area NSA. In the subsequent step 106, the cathode offgas control valve 48 is adjusted so that the pressure of the air passage 40 becomes the target pressure PBA, the air of the target air flow rate QOXS is supplied to the fuel cell stack 10, and the air of the surplus ΔQOX1 is enriched with oxygen. The flow rate adjustment valve 47 is adjusted so as to be supplied to the control device 70, and the gate valve 71 is opened. In subsequent step 107, the turbo compressor 44 is driven at the operating point changed in step 105. In the subsequent step 108, the oxygen concentration of the air containing the oxygen-enriched air supplied to the fuel cell stack 10 is calculated. In the following step 109, the oxygen supplied to the fuel cell stack 10 is maintained while the oxygen flow rate supplied to the fuel cell stack 10 is maintained higher than the target oxygen flow rate to the fuel cell stack 10 when oxygen-enriched air is not supplied. The flow rate of air containing enriched air is reduced from the target air flow rate when oxygen-enriched air is not supplied. On the other hand, when the dry state is not detected or predicted in step 102, the process proceeds to step 110, where the target air discharge flow rate is set to the target air flow rate, thereby determining the operating point of the turbo compressor 44. In the following step 111, the cathode offgas control valve 48 is adjusted so that the pressure of the air passage 40 becomes a predetermined pressure including the case where the operating point of the turbo compressor 44 is the non-surging region NSA in step 104, and the target air The flow rate adjustment valve 47 is adjusted so that the air with the flow rate QOXS is supplied to the fuel cell stack 10, and the gate valve 71 is opened so that the air is not supplied to the oxygen enricher 70. Next, at step 112, the turbo compressor 44 is driven at the operating point determined at step 110 or step 103.

次に、図１０を参照して燃料電池システムＡの別の実施例について説明する。この実施例では、乾燥状態の検知の方法が図１に示す実施例と相違する。以下相違点について主に説明する。   Next, another embodiment of the fuel cell system A will be described with reference to FIG. In this embodiment, the dry state detection method is different from the embodiment shown in FIG. The differences will be mainly described below.

図１０に示される燃料電池システムＡでは、燃料電池スタック１０の出力電流値及び出力電圧値を計測する出力センサ１６が設けられている。燃料電池スタック１０の乾燥状態の検知は、例えば、以下のようにして行う。燃料電池スタック１０の抵抗値を温度ごとに出力センサ１６で予め計測して基準値とする。そして、運転中において、水素ガスや空気の供給に異常がなく、計測した抵抗値がその基準値よりも所定の値以上大きい場合に、乾燥状態と判別する。   In the fuel cell system A shown in FIG. 10, an output sensor 16 that measures the output current value and the output voltage value of the fuel cell stack 10 is provided. For example, the dry state of the fuel cell stack 10 is detected as follows. The resistance value of the fuel cell stack 10 is measured in advance by the output sensor 16 for each temperature and used as a reference value. Then, during operation, when there is no abnormality in the supply of hydrogen gas or air and the measured resistance value is larger than the reference value by a predetermined value or more, it is determined as a dry state.

あるいは、図１０に示される燃料電池システムＡでは、燃料電池スタック１０の空気通路４０の入口側に圧力センサ８０が設けられているだけでなく、出口側にも圧力センサ８４が設けられている。燃料電池スタック１０の乾燥状態の検知は、例えば、以下のようにして行う。空気通路４０の入口側の圧力と出口側の圧力との差、すなわち空気通路４０の圧損を圧力センサ８０、８４で予め計測して基準値とする。そして、運転中において、水素ガスや空気の供給に異常がなく、計測した圧損がその基準値よりも所定の値以上小さい場合に、乾燥状態と判別する。   Alternatively, in the fuel cell system A shown in FIG. 10, not only the pressure sensor 80 is provided on the inlet side of the air passage 40 of the fuel cell stack 10, but also the pressure sensor 84 is provided on the outlet side. For example, the dry state of the fuel cell stack 10 is detected as follows. The difference between the pressure on the inlet side and the pressure on the outlet side of the air passage 40, that is, the pressure loss of the air passage 40, is measured in advance by the pressure sensors 80 and 84 and used as a reference value. During operation, when there is no abnormality in the supply of hydrogen gas or air and the measured pressure loss is smaller than the reference value by a predetermined value or more, it is determined as a dry state.

これらの場合にも、図１の場合と同様の効果を奏することができる。   In these cases, the same effect as in the case of FIG. 1 can be obtained.

次に、図１１を参照して燃料電池システムＡの更に別の実施例について説明する。この実施例では、空気供給管４１、分岐管７５及びカソードオフガス管４６における弁の構成が図１に示す実施例と相違する。以下相違点について主に説明する。   Next, still another embodiment of the fuel cell system A will be described with reference to FIG. In this embodiment, the configuration of the valves in the air supply pipe 41, the branch pipe 75, and the cathode offgas pipe 46 is different from the embodiment shown in FIG. The differences will be mainly described below.

図１１に示される燃料電池システムＡでは、流量調整弁４７及びゲート弁７１の代わりに、分岐管７５の入口側に三方弁で形成された分岐流れ制御弁７１ａが配置されている。分岐流れ制御弁７１ａは、ターボコンプレッサ４４から酸素富化装置７０へ供給される空気の流量と燃料電池スタック１０へ供給される空気の流量とを制御する。例えば、ターボコンプレッサ４４のサージングを抑制する制御を行うときには、ターボコンプレッサ４４から供給される空気の一部が酸素富化装置７０へ供給され、残りが燃料電池スタック１０へ供給されるようにバルブ位置が制御される。一方、ターボコンプレッサ４４のサージングを抑制する制御を行わないときには、ターボコンプレッサ４４から供給される空気が酸素富化装置７０へ供給されず、燃料電池スタック１０のみへ供給されるようにバルブ位置が制御される。   In the fuel cell system A shown in FIG. 11, a branch flow control valve 71 a formed by a three-way valve is disposed on the inlet side of the branch pipe 75 instead of the flow rate adjustment valve 47 and the gate valve 71. The branch flow control valve 71 a controls the flow rate of air supplied from the turbo compressor 44 to the oxygen enrichment device 70 and the flow rate of air supplied to the fuel cell stack 10. For example, when performing control to suppress surging of the turbo compressor 44, the valve position is set so that a part of the air supplied from the turbo compressor 44 is supplied to the oxygen enricher 70 and the rest is supplied to the fuel cell stack 10. Is controlled. On the other hand, when the control for suppressing the surging of the turbo compressor 44 is not performed, the valve position is controlled so that the air supplied from the turbo compressor 44 is not supplied to the oxygen enrichment device 70 but only to the fuel cell stack 10. Is done.

また、カソードオフガス制御弁４８及び調圧弁７２の代わりに分岐管７５の出口側に三方弁で形成された分岐流れ制御弁７２ａが配置されている。分岐流れ制御弁７２ａは、空気通路４０内の圧力を制御し、また、分岐管７５から供給される窒素富化空気を空気通路４０の出口から送出されカソードオフガス管４６を流れるカソードオフガスに混合させる。例えば、燃料電池スタック１０の乾燥抑制制御を行うときには、空気通路４０内の圧力を高めるようなバルブ位置、すなわち燃料電池スタック１０から希釈器８３へ向かう流路側のバルブ開度が小さくなるようにして、空気通路４０内の圧力を高める。その場合、分岐管７５から希釈器８３へ向かう流路側のバルブ開度が大きくなり、酸素富化装置７０へ供給される空気の流量が増え得るが、酸素富化装置７０へ供給される空気の流量は分岐流れ制御弁７１ａの開度で制御される。一方、分岐流れ制御弁７２ａは、乾燥状態を抑制する制御を行わないときには、燃料電池スタック１０から希釈器８３へ向かう流路のバルブ開度が全開とされ、したがって分岐管７５から希釈器８３へ向かう流路側のバルブ開度が全閉とされる。   Further, instead of the cathode offgas control valve 48 and the pressure regulating valve 72, a branch flow control valve 72 a formed by a three-way valve is disposed on the outlet side of the branch pipe 75. The branch flow control valve 72 a controls the pressure in the air passage 40, and mixes the nitrogen-enriched air supplied from the branch pipe 75 with the cathode off gas flowing from the outlet of the air passage 40 and flowing through the cathode off gas pipe 46. . For example, when dry suppression control of the fuel cell stack 10 is performed, the valve position that increases the pressure in the air passage 40, that is, the valve opening on the flow path side from the fuel cell stack 10 to the diluter 83 is made small. The pressure in the air passage 40 is increased. In that case, the valve opening on the flow path side from the branch pipe 75 to the diluter 83 increases, and the flow rate of the air supplied to the oxygen enrichment device 70 may increase, but the air supplied to the oxygen enrichment device 70 The flow rate is controlled by the opening degree of the branch flow control valve 71a. On the other hand, when the branch flow control valve 72a is not controlled to suppress the dry state, the valve opening degree of the flow path from the fuel cell stack 10 to the diluter 83 is fully opened, and accordingly, the branch pipe 75 to the diluter 83 is opened. The valve opening on the flow path side is fully closed.

この場合にも図１の場合と同様の効果を奏することができる。加えて、弁の数が減るので、製造コストを削減できる。   In this case, the same effect as in the case of FIG. 1 can be obtained. In addition, since the number of valves is reduced, manufacturing costs can be reduced.

次に、図１２を参照して燃料電池システムＡの更に別の実施例について説明する。この実施例では、燃料電池システムＡが水素ガス非循環式の燃料電池システムである点が図１に示す実施例と相違する。以下相違点について主に説明する。   Next, still another embodiment of the fuel cell system A will be described with reference to FIG. This embodiment is different from the embodiment shown in FIG. 1 in that the fuel cell system A is a hydrogen gas non-circulating fuel cell system. The differences will be mainly described below.

図１に示される燃料電池システムＡは、水素ガス通路３０の出口と水素ガス供給管３１とがアノードオフガス管３６及び水素ガス循環管８２で接続され、水素ガスを含むアノードオフガスが水素ガス供給管３１へ循環されるシステム、すなわち水素ガス循環式の燃料電池システムである。一方、図１２に示される燃料電池システムＡは、水素ガス循環管８２及び水素ガス循環ポンプ３９が除かれている。すなわち、図１２示される燃料電池システムＡは、水素ガス通路３０の出口と水素ガス供給管３１とが分離され、水素ガスを含むアノードオフガスが水素ガス供給管３１へ循環されないシステム、すなわち水素ガス非循環式の燃料電池システムである。水素ガス循環式の燃料電池システムでは循環する水素ガスにより持ち去られた水分が再び燃料電池スタックへ運ばれ得るが、水素ガス非循環式の燃料電池システムでは水素ガスが循環しないため、持ち去られた水分は再び燃料電池スタックへ戻らず、したがって相対的に乾燥状態が発生し易い。しかし、図１２に示される水素ガス非循環式の燃料電池システムではこのような課題を解決することができる。   In the fuel cell system A shown in FIG. 1, the outlet of the hydrogen gas passage 30 and the hydrogen gas supply pipe 31 are connected by an anode off gas pipe 36 and a hydrogen gas circulation pipe 82, and the anode off gas containing hydrogen gas is a hydrogen gas supply pipe. 31 is a system that circulates to 31, that is, a hydrogen gas circulation fuel cell system. On the other hand, the fuel cell system A shown in FIG. 12 excludes the hydrogen gas circulation pipe 82 and the hydrogen gas circulation pump 39. That is, the fuel cell system A shown in FIG. 12 is a system in which the outlet of the hydrogen gas passage 30 and the hydrogen gas supply pipe 31 are separated, and the anode off gas containing hydrogen gas is not circulated to the hydrogen gas supply pipe 31, This is a circulation type fuel cell system. In the hydrogen gas circulation type fuel cell system, the moisture removed by the circulating hydrogen gas can be transported again to the fuel cell stack, but in the hydrogen gas non-circulation type fuel cell system, the hydrogen gas does not circulate. Does not return to the fuel cell stack again, and therefore a relatively dry state is likely to occur. However, the hydrogen gas non-circulating fuel cell system shown in FIG. 12 can solve such a problem.

次に、燃料電池システムＡの更に別の実施例について説明する。この実施例では、戻り管７６の出口側がカソードオフガス管４６に連結されていない点が図１に示す実施例と相違する。以下相違点について主に説明する。   Next, still another embodiment of the fuel cell system A will be described. This embodiment is different from the embodiment shown in FIG. 1 in that the outlet side of the return pipe 76 is not connected to the cathode offgas pipe 46. The differences will be mainly described below.

本実施例の燃料電池システムＡでは、戻り管７６の出口がカソードオフガス管４６に連結されず、他の配管や機器（図示せず）に連結されるか、又は、解放される。この場合にも図１の場合と同様の効果を奏することができる。加えて、戻り管７６の出口が他の配管や機器に連結されている場合には、窒素富化空気を他の用途に利用できる。   In the fuel cell system A of the present embodiment, the outlet of the return pipe 76 is not connected to the cathode offgas pipe 46, but is connected to other piping or equipment (not shown) or released. In this case, the same effect as in the case of FIG. 1 can be obtained. In addition, when the outlet of the return pipe 76 is connected to other piping or equipment, the nitrogen-enriched air can be used for other purposes.

次に、図１３及び図１４を参照して燃料電池システムＡの更に別の実施例について説明する。この実施例では、サージングを抑制する制御を行う必要がない場合でも酸素富化装置７０を用いる点が図１に示す実施例と相違する。以下相違点について主に説明する。   Next, still another embodiment of the fuel cell system A will be described with reference to FIGS. 13 and 14. This embodiment is different from the embodiment shown in FIG. 1 in that the oxygen enricher 70 is used even when it is not necessary to perform control for suppressing surging. The differences will be mainly described below.

図５に示す実施例では、圧力比Ｐｒ１のもとでターボコンプレッサ４４からの空気吐出流量を上述した目標空気流量ＱＯＸＳに設定した場合のターボコンプレッサ４４の動作点Ｅｓ１はサージング領域ＳＡ内に属している。しかし、図１３示す実施例では、圧力比Ｐｒ２のもとでターボコンプレッサ４４からの空気吐出流量を上述した目標空気流量ＱＯＸＳに設定した場合のターボコンプレッサ４４の動作点Ｅｓ２は非サージング領域ＮＳＡ内に属している。したがって、サージングを抑制する制御を行う必要が無く、よって圧力比Ｐｒ２のもとで、目標空気流量ＱＯＸＳに余剰分ΔＱＯＸ１を加算する必要はない。しかし、本実施例では、図１４に示す余剰分ΔＱＯＸ２を目標空気流量ＱＯＸＳに加算して、その余剰分ΔＱＯＸ２を酸素富化装置７０に供給するようにする。それにより、ターボコンプレッサ４４から吐出される空気の酸素濃度を高くして、燃料電池スタック１０へ供給される酸素ガスの目標酸素ガス流量を維持しつつ、燃料電池スタック１０へ供給される空気流量を目標空気流量よりも低減することができる。その結果、燃料電池スタック１０に供給すべき空気流量が削減されるので、燃料電池スタック１０内での水分の持ち去りが減少して、乾燥状態の改善効果を向上させることができる。   In the embodiment shown in FIG. 5, the operating point Es1 of the turbo compressor 44 when the air discharge flow rate from the turbo compressor 44 is set to the above-described target air flow rate QOXS under the pressure ratio Pr1 belongs to the surging area SA. Yes. However, in the embodiment shown in FIG. 13, the operating point Es2 of the turbo compressor 44 when the air discharge flow rate from the turbo compressor 44 is set to the above-described target air flow rate QOXS under the pressure ratio Pr2 is within the non-surging region NSA. belong to. Therefore, it is not necessary to perform control to suppress surging, and therefore it is not necessary to add the surplus ΔQOX1 to the target air flow rate QOXS under the pressure ratio Pr2. However, in this embodiment, the surplus ΔQOX2 shown in FIG. 14 is added to the target air flow rate QOXS, and the surplus ΔQOX2 is supplied to the oxygen enricher 70. Accordingly, the oxygen concentration of the air discharged from the turbo compressor 44 is increased, and the target oxygen gas flow rate of the oxygen gas supplied to the fuel cell stack 10 is maintained, and the air flow rate supplied to the fuel cell stack 10 is increased. The target air flow rate can be reduced. As a result, since the air flow rate to be supplied to the fuel cell stack 10 is reduced, the removal of moisture in the fuel cell stack 10 is reduced, and the effect of improving the dry state can be improved.

Ａ 燃料電池システム
１０ 燃料電池スタック
４１ 空気供給管
４４ ターボコンプレッサ
４６ カソードオフガス管
４７ 流量調整弁
４８ カソードオフガス制御弁４８
７０ 酸素富化装置
７１ 分岐流れ制御弁
７３ 供給装置
７５ 分岐管 A Fuel Cell System 10 Fuel Cell Stack 41 Air Supply Pipe 44 Turbo Compressor 46 Cathode Off Gas Pipe 47 Flow Control Valve 48 Cathode Off Gas Control Valve 48
70 Oxygen enrichment device 71 Branch flow control valve 73 Supply device 75 Branch pipe

Claims (12)

水素ガスと空気中の酸素ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタック内に形成された空気通路の入口に連結された空気供給管と、
前記空気供給管内に配置され、空気を圧送するターボコンプレッサと、
前記空気通路の出口に連結されたカソードオフガス管と、
前記カソードオフガス管内に配置され、前記空気通路の圧力を制御するカソードオフガス制御弁と、
前記ターボコンプレッサ下流の前記空気供給管から分岐する分岐管と、
前記空気供給管から前記燃料電池スタックに流れ込む空気の流量と前記分岐管内へ流れ込む空気の流量とを制御する分岐流れ制御弁と、
前記分岐管内に配置され、前記分岐管内に流れ込んだ空気から酸素濃度の高い酸素富化空気を生成する酸素富化装置と、
前記酸素富化空気を前記空気供給管に供給する供給装置と、
を備える、
燃料電池システム。 A fuel cell stack that generates electric power by an electrochemical reaction between hydrogen gas and oxygen gas in the air;
An air supply pipe connected to an inlet of an air passage formed in the fuel cell stack;
A turbo compressor disposed in the air supply pipe for pumping air;
A cathode offgas pipe connected to an outlet of the air passage;
A cathode offgas control valve disposed in the cathode offgas pipe and controlling the pressure of the air passage;
A branch pipe branched from the air supply pipe downstream of the turbo compressor;
A branch flow control valve that controls a flow rate of air flowing into the fuel cell stack from the air supply pipe and a flow rate of air flowing into the branch pipe;
An oxygen enricher that is disposed in the branch pipe and generates oxygen-enriched air having a high oxygen concentration from the air that has flowed into the branch pipe;
A supply device for supplying the oxygen-enriched air to the air supply pipe;
Comprising
Fuel cell system. 前記燃料電池スタック内の乾燥状態が検知又は予測されたとき、乾燥状態を解消するために、
前記カソードオフガス制御弁により、前記空気通路の圧力を高め、
前記酸素富化装置により、前記酸素富化空気を生成し、
前記供給装置により、前記酸素富化空気を前記空気供給管に供給して前記酸素富化空気を含む空気を形成し、
前記分岐流れ制御弁により、前記生成された酸素富化空気を含む空気を、前記酸素富化空気が供給されない場合の前記燃料電池スタックへの目標空気流量よりも減少させつつ、前記燃料電池スタックへ供給する、
請求項１に記載音燃料電池システム。 When the dry state in the fuel cell stack is detected or predicted, in order to eliminate the dry state,
The cathode offgas control valve increases the pressure of the air passage,
The oxygen-enriched device produces the oxygen-enriched air;
The supply device supplies the oxygen-enriched air to the air supply pipe to form air containing the oxygen-enriched air,
The branch flow control valve reduces the air containing the generated oxygen-enriched air to the fuel cell stack while reducing the target air flow rate to the fuel cell stack when the oxygen-enriched air is not supplied. Supply,
The sound fuel cell system according to claim 1. 前記ターボコンプレッサの入口の圧力に対する出口の圧力の比である圧力比及び空気吐出流量により定まる前記ターボコンプレッサの動作点が属しうる領域のうち、前記圧力比が低くかつ前記空気吐出流量が多い側に前記ターボコンプレッサにサージングが生じない非サージング領域が区画されると共に、前記圧力比が高くかつ前記空気吐出流量が少ない側に前記ターボコンプレッサにサージングが生じうるサージング領域が区画されており、
前記空気通路の圧力を高めたとき、前記ターボコンプレッサの動作点が、前記サージング領域に含まれるときには、前記非サージング領域に含まれるように前記ターボコンプレッサから吐出される空気の流量を前記目標空気流量よりも増量分だけ増量し、前記増量分の空気を前記酸素富化装置へ供給して前記酸素富化空気を生成する、
請求項２に記載の燃料電池システム。 The region where the operating point of the turbo compressor determined by the pressure ratio, which is the ratio of the outlet pressure to the inlet pressure of the turbo compressor, and the air discharge flow rate can belong to the side where the pressure ratio is low and the air discharge flow rate is high. A non-surging region where surging does not occur in the turbo compressor is defined, and a surging region where surging can occur in the turbo compressor is defined on the side where the pressure ratio is high and the air discharge flow rate is small,
When the pressure of the air passage is increased, and the operating point of the turbo compressor is included in the surging region, the flow rate of air discharged from the turbo compressor is set so as to be included in the non-surging region. More than the increased amount, and the increased amount of air is supplied to the oxygen enricher to generate the oxygen enriched air.
The fuel cell system according to claim 2. 前記燃料電池スタックへ供給される酸素流量を、前記酸素富化空気が供給されない場合の前記燃料電池スタックへの目標空気流量に応じて定まる目標酸素流量以上に維持しつつ、前記燃料電池スタックへ供給される前記酸素富化空気を含む空気の流量を前記酸素富化空気が供給されない場合の前記目標空気流量よりも減少させる、
請求項２又は３に記載の燃料電池システム。 Supply to the fuel cell stack while maintaining the oxygen flow rate supplied to the fuel cell stack at or above the target oxygen flow rate determined according to the target air flow rate to the fuel cell stack when the oxygen-enriched air is not supplied Reducing the flow rate of air containing the oxygen-enriched air to be lower than the target air flow rate when the oxygen-enriched air is not supplied.
The fuel cell system according to claim 2 or 3. 前記酸素富化装置は、空気中の窒素よりも酸素が透過し易い酸素透過膜を用いて酸素富化空気を生成する、
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 The oxygen enricher generates oxygen enriched air using an oxygen permeable membrane that allows oxygen to permeate more easily than nitrogen in the air.
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4. 前記供給装置は、
前記酸素富化装置に形成された酸素富化空気の出口と、前記ターボコンプレッサ上流の前記空気供給管とに連結された戻り管と、
前記戻り管内に配置され、前記酸素富化装置で形成された酸素富化空気を前記空気供給管へ圧送する圧送装置と、
を更に備える、
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 The supply device includes:
A return pipe connected to an outlet of oxygen-enriched air formed in the oxygen enricher and the air supply pipe upstream of the turbo compressor;
A pumping device disposed in the return pipe and pumping oxygen-enriched air formed by the oxygen-enriching device to the air supply pipe;
Further comprising
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5. 前記分岐流れ制御弁は、
前記空気供給管と前記分岐管との分岐点よりも下流側の前記空気供給管に配置された流量調整弁と、
前記酸素富化装置よりも上流側の前記分岐管に配置されたゲート弁と、
を含む、
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 The branch flow control valve is
A flow rate adjusting valve disposed in the air supply pipe on the downstream side of a branch point between the air supply pipe and the branch pipe;
A gate valve disposed in the branch pipe upstream of the oxygen enricher;
including,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6. 水素ガスと空気中の酸素ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタック内に形成された空気通路の入口に連結された空気供給管と、
前記空気供給管内に配置され、空気を圧送するターボコンプレッサと、
前記空気通路の出口に連結されたカソードオフガス管と、
前記カソードオフガス管内に配置され、前記空気通路の圧力を制御するカソードオフガス制御弁と、
前記ターボコンプレッサ下流の前記空気供給管から分岐する分岐管と、
前記空気供給管から前記燃料電池スタックに流れ込む空気の流量と前記分岐管内へ流れ込む空気の流量とを制御する分岐流れ制御弁と、
前記分岐管内に配置され、前記分岐管内に流れ込んだ空気から酸素濃度の高い酸素富化空気を生成することが可能な酸素富化装置と、
前記酸素富化空気を前記空気供給管に供給する供給装置と、
を備えた燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池スタック内の乾燥状態が検知又は予測されたとき、乾燥状態を解消するために、
前記カソードオフガス制御弁により、前記空気通路の圧力を高めるステップと、
前記酸素富化装置により、前記酸素富化空気を生成するステップと、
前記供給装置により、前記酸素富化空気を前記空気供給管に供給して前記酸素富化空気を含む空気を形成するステップと、
前記分岐流れ制御弁により、前記生成された酸素富化空気を含む空気を、前記酸素富化空気が供給されない場合の前記燃料電池スタックへの目標空気流量よりも減少させつつ、前記燃料電池スタックへ供給するステップと、
を備える、
燃料電池システムの制御方法。 A fuel cell stack that generates electric power by an electrochemical reaction between hydrogen gas and oxygen gas in the air;
An air supply pipe connected to an inlet of an air passage formed in the fuel cell stack;
A turbo compressor disposed in the air supply pipe for pumping air;
A cathode offgas pipe connected to an outlet of the air passage;
A cathode offgas control valve disposed in the cathode offgas pipe and controlling the pressure of the air passage;
A branch pipe branched from the air supply pipe downstream of the turbo compressor;
A branch flow control valve that controls a flow rate of air flowing into the fuel cell stack from the air supply pipe and a flow rate of air flowing into the branch pipe;
An oxygen enrichment device arranged in the branch pipe and capable of generating oxygen-enriched air having a high oxygen concentration from the air flowing into the branch pipe;
A supply device for supplying the oxygen-enriched air to the air supply pipe;
A control method for a fuel cell system comprising:
When the dry state in the fuel cell stack is detected or predicted, in order to eliminate the dry state,
Increasing the pressure of the air passage by the cathode offgas control valve;
Generating the oxygen-enriched air with the oxygen-enriching device;
Supplying the oxygen-enriched air to the air supply pipe by the supply device to form air containing the oxygen-enriched air;
The branch flow control valve reduces the air containing the generated oxygen-enriched air to the fuel cell stack while reducing the air flow to the fuel cell stack when the oxygen-enriched air is not supplied. Supplying step;
Comprising
Control method of fuel cell system. 前記ターボコンプレッサの入口の圧力に対する出口の圧力の比である圧力比及び空気吐出流量により定まる前記ターボコンプレッサの動作点が属しうる領域のうち、前記圧力比が低くかつ前記空気吐出流量が多い側に前記ターボコンプレッサにサージングが生じない非サージング領域が区画されると共に、前記圧力比が高くかつ前記空気吐出流量が少ない側に前記ターボコンプレッサにサージングが生じうるサージング領域が区画されており、
前記空気通路の圧力を高めるステップは、
前記空気通路の圧力を高めたとき、前記ターボコンプレッサの動作点が、前記サージング領域に含まれるときには、前記非サージング領域に含まれるように前記ターボコンプレッサから吐出される空気の流量を前記目標空気流量よりも増量分だけ増量するステップを含み、
前記酸素富化空気を生成するステップは、
前記増量分の空気を前記酸素富化装置へ供給して前記酸素富化空気を生成するステップを含む、
請求項８に記載の燃料電池システムの制御方法。 The region where the operating point of the turbo compressor determined by the pressure ratio, which is the ratio of the outlet pressure to the inlet pressure of the turbo compressor, and the air discharge flow rate can belong to the side where the pressure ratio is low and the air discharge flow rate is high. A non-surging region where surging does not occur in the turbo compressor is defined, and a surging region where surging can occur in the turbo compressor is defined on the side where the pressure ratio is high and the air discharge flow rate is small,
The step of increasing the pressure of the air passage includes
When the pressure of the air passage is increased, and the operating point of the turbo compressor is included in the surging region, the flow rate of air discharged from the turbo compressor is set so as to be included in the non-surging region. Including a step of increasing the amount by
Generating the oxygen-enriched air comprises:
Supplying the increased amount of air to the oxygen enricher to produce the oxygen enriched air;
The method for controlling a fuel cell system according to claim 8. 前記生成された酸素富化空気を含む空気を、前記目標空気流量よりも減少させつつ、前記燃料電池スタックへ供給するステップにおいて、
前記燃料電池スタックへ供給される酸素流量を、前記酸素富化空気が供給されない場合の前記燃料電池スタックへの目標空気流量に応じて定まる目標酸素流量以上に維持しつつ、前記燃料電池スタックへ供給される前記酸素富化空気を含む空気の流量を前記酸素富化空気が供給されない場合の前記目標空気流量よりも減少させる、
請求項８又は９に記載の燃料電池システムの制御方法。 Supplying the generated oxygen-enriched air to the fuel cell stack while reducing the air containing the oxygen-enriched air below the target air flow rate;
Supply to the fuel cell stack while maintaining the oxygen flow rate supplied to the fuel cell stack at or above the target oxygen flow rate determined according to the target air flow rate to the fuel cell stack when the oxygen-enriched air is not supplied Reducing the flow rate of air containing the oxygen-enriched air to be lower than the target air flow rate when the oxygen-enriched air is not supplied.
The control method of the fuel cell system according to claim 8 or 9. 前記燃料電池システムは、前記酸素富化装置に形成された酸素富化酸素の出口と、前記ターボコンプレッサ上流の前記空気供給管とに連結された戻り管と、前記戻り管内に配置された圧送装置とを更に備え、
前記燃料電池システムの制御方法は、
前記圧送装置により、前記酸素富化装置で形成された酸素富化空気を前記空気供給管へ圧送するステップを更に備える
請求項８乃至１０のいずれか一項に記載の燃料電池システムの制御方法。 The fuel cell system includes an oxygen-enriched oxygen outlet formed in the oxygen-enriching device, a return pipe connected to the air supply pipe upstream of the turbo compressor, and a pressure feeding device disposed in the return pipe And further comprising
The control method of the fuel cell system includes:
The method of controlling a fuel cell system according to any one of claims 8 to 10, further comprising a step of pumping oxygen-enriched air formed by the oxygen-enriching device to the air supply pipe by the pumping device. 前記目標空気流量と前記燃料電池スタックの温度とに基づいて、前記燃料電池スタック内の乾燥状態を検知又は予測するステップを更に備える、
請求項８乃至１１のいずれか一項に記載の燃料電池システムの制御方法。 Detecting or predicting a dry state in the fuel cell stack based on the target air flow rate and the temperature of the fuel cell stack;
The method of controlling a fuel cell system according to any one of claims 8 to 11.
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