JP2022106428A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

To raise the temperature of air without changing the flow rate and pressure of air discharged from an air compressor.SOLUTION: A fuel cell system 10 includes a fuel cell stack 21, an air compressor 41 for pumping air to the fuel cell stack 21, a humidifier 43 that humidifies air discharged from the air compressor 41, a pressure regulating valve 45 for regulating the pressure of air sucked into the air compressor 41, and a control device 51 that controls at least the opening of the pressure regulating valve 45 and the pressure ratio of the air compressor 41.SELECTED DRAWING: Figure 1

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.

従来から、例えば下記特許文献１、２に示されるような、燃料電池スタックを備える燃料電池システムが知られている。燃料電池スタックは、燃料ガスと、空気中の酸素と、を反応させて発電する。空気は、エアーコンプレッサーによって燃料電池スタックに圧送される。
一般に、この種の燃料電池システムでは、空気が燃料電池スタックに供給される前に、空気が加湿されて空気の湿度が調整される。 Conventionally, a fuel cell system including a fuel cell stack as shown in Patent Documents 1 and 2 below has been known. The fuel cell stack generates electricity by reacting fuel gas with oxygen in the air. Air is pumped into the fuel cell stack by an air compressor.
Generally, in this type of fuel cell system, the air is humidified to regulate the humidity of the air before it is supplied to the fuel cell stack.

特開２０１８－５６０４９号公報JP-A-2018-56049 国際公開第２０１２／０７０１０１号International Publication No. 2012/070101

上記燃料電池システムにおいて、本願発明者は以下の課題を見出した。すなわち、低温状態の燃料電池システムが起動される場合、低温の空気が加湿されて燃料電池スタックに供給される。このとき、空気中に結露水が発生する。この結露水が影響し、燃料電池スタックにおける発電が不安定になる。 In the above fuel cell system, the inventor of the present application has found the following problems. That is, when the low temperature fuel cell system is activated, the cold air is humidified and supplied to the fuel cell stack. At this time, dew condensation water is generated in the air. This dew condensation water affects the power generation in the fuel cell stack and becomes unstable.

この課題を解決するため、本願発明者は、エアーコンプレッサーの断熱圧縮を利用することに想到した。すなわち、エアーコンプレッサーから吐出される空気の温度は、エアーコンプレッサーの圧力比に比例する。そのため、エアーコンプレッサーの圧力比を高めることで、エアーコンプレッサーから吐出される空気の温度を高めることができる。 In order to solve this problem, the inventor of the present application has come up with the idea of utilizing adiabatic compression of an air compressor. That is, the temperature of the air discharged from the air compressor is proportional to the pressure ratio of the air compressor. Therefore, by increasing the pressure ratio of the air compressor, the temperature of the air discharged from the air compressor can be increased.

しかしながら、燃料電池スタックに供給される空気の圧力自体を変えることはできない。そのため、エアーコンプレッサーの圧力比を高めた場合、エアーコンプレッサーから吐出される空気の一部を、燃料電池スタックを介さずに排出する（バイパスさせる）必要が生じる。そのため、エアーコンプレッサーによって空気を過剰に吐出する必要が生じる。 However, the pressure of the air supplied to the fuel cell stack itself cannot be changed. Therefore, when the pressure ratio of the air compressor is increased, it becomes necessary to discharge (bypass) a part of the air discharged from the air compressor without passing through the fuel cell stack. Therefore, it becomes necessary to discharge excess air by the air compressor.

本発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、エアーコンプレッサーから吐出される空気の流量や空気の圧力を変更することなく空気の温度を上昇させることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to raise the temperature of air without changing the flow rate of air discharged from an air compressor or the pressure of air.

＜１＞本発明の一態様に係る燃料電池システム（例えば、実施形態での燃料電池システム１０）は、燃料電池スタック（例えば、実施形態での燃料電池スタック２１）と、前記燃料電池スタックに空気を圧送するエアーコンプレッサー（例えば、実施形態でのエアーコンプレッサー４１）と、前記エアーコンプレッサーから吐出される空気を加湿する加湿器（例えば、実施形態での加湿器４３）と、前記エアーコンプレッサーに吸入される空気の圧力を調整する圧力調整弁（例えば、実施形態での圧力調整弁４５）と、少なくとも前記圧力調整弁の開度および前記エアーコンプレッサーの圧力比を制御する制御装置（例えば、実施形態での制御装置５１）と、を備えている。 <1> The fuel cell system according to one aspect of the present invention (for example, the fuel cell system 10 in the embodiment) includes a fuel cell stack (for example, the fuel cell stack 21 in the embodiment) and air in the fuel cell stack. Is sucked into the air compressor (for example, the air compressor 41 in the embodiment), the humidifier that humidifies the air discharged from the air compressor (for example, the humidifier 43 in the embodiment), and the air compressor. A pressure regulating valve for adjusting the pressure of the air (for example, the pressure regulating valve 45 in the embodiment) and a control device for controlling at least the opening degree of the pressure regulating valve and the pressure ratio of the air compressor (for example, in the embodiment). 51) and the control device 51).

低温状態の燃料電池システムが起動される場合、制御装置が圧力調整弁の開度を下げ、エアーコンプレッサーに吸入される空気の圧力を低下させる。このままではエアーコンプレッサーから吐出される空気の圧力も低下する。そこで本態様では、制御装置が圧力調整弁の開度を下げる一方で、制御装置がエアーコンプレッサーの圧力比を上げる。これにより、エアーコンプレッサーに吸入される空気の圧力が低下しても、エアーコンプレッサーから吐出される空気の圧力が維持可能である。エアーコンプレッサーから吐出される空気の圧力が維持されることで、この空気が、燃料電池スタックに対してバイパスされることなく圧送される。しかも、前述したように、エアーコンプレッサーの圧力比が高められているので、燃料電池スタックに圧送される空気の温度が高められる。
以上より、本態様に係る燃料電池システムによれば、エアーコンプレッサーから吐出される空気の流量や空気の圧力を変更することなく空気の温度を上昇させることができる。 When the low temperature fuel cell system is activated, the control device reduces the opening of the pressure regulating valve to reduce the pressure of the air sucked into the air compressor. If nothing is done, the pressure of the air discharged from the air compressor will also decrease. Therefore, in this embodiment, the control device lowers the opening degree of the pressure regulating valve, while the control device raises the pressure ratio of the air compressor. As a result, even if the pressure of the air sucked into the air compressor decreases, the pressure of the air discharged from the air compressor can be maintained. By maintaining the pressure of the air discharged from the air compressor, this air is pumped to the fuel cell stack without being bypassed. Moreover, as described above, since the pressure ratio of the air compressor is increased, the temperature of the air pumped to the fuel cell stack is increased.
From the above, according to the fuel cell system according to the present embodiment, the temperature of the air can be raised without changing the flow rate of the air discharged from the air compressor or the pressure of the air.

＜２＞上記＜１＞に係る燃料電池システムでは、前記エアーコンプレッサーから吐出される空気の温度を検出するセンサ（例えば、実施形態でのセンサ４４）を更に備え、前記制御装置は、前記センサの検出結果に基づいて前記圧力調整弁の開度および前記エアーコンプレッサーの圧力比を制御する、構成を採用してもよい。 <2> The fuel cell system according to <1> further includes a sensor (for example, the sensor 44 in the embodiment) that detects the temperature of the air discharged from the air compressor, and the control device is the sensor of the sensor. A configuration may be adopted in which the opening degree of the pressure regulating valve and the pressure ratio of the air compressor are controlled based on the detection result.

制御装置が、センサの検出結果に基づいて圧力調整弁の開度およびエアーコンプレッサーの圧力比を制御する。センサは、エアーコンプレッサーから吐出される空気の温度を検出する。したがって、エアーコンプレッサーから吐出される空気の温度に応じて、この空気の温度を適切に調整することができる。 The control device controls the opening degree of the pressure regulating valve and the pressure ratio of the air compressor based on the detection result of the sensor. The sensor detects the temperature of the air discharged from the air compressor. Therefore, the temperature of the air can be appropriately adjusted according to the temperature of the air discharged from the air compressor.

＜３＞上記＜２＞に係る燃料電池システムでは、前記制御装置は、前記センサが検出する前記温度が低下したときには、前記圧力調整弁の開度を下げて前記エアーコンプレッサーの圧力比を上げ、前記センサが検出する前記温度が上昇したときには、前記圧力調整弁の開度を上げて前記エアーコンプレッサーの圧力比を下げる、構成を採用してもよい。 <3> In the fuel cell system according to <2>, when the temperature detected by the sensor drops, the control device lowers the opening degree of the pressure adjusting valve to raise the pressure ratio of the air compressor. When the temperature detected by the sensor rises, the opening degree of the pressure adjusting valve may be increased to lower the pressure ratio of the air compressor.

センサが検出する空気の温度が低下したときには、制御装置が、圧力調整弁の開度を下げてエアーコンプレッサーの圧力比を上げる。センサが検出する空気の温度が上昇したときには、制御装置が、圧力調整弁の開度を上げてエアーコンプレッサーの圧力比を下げる。したがって、エアーコンプレッサーから吐出される空気の温度の変化に応じて、この空気の温度を適切に調整することができる。 When the temperature of the air detected by the sensor drops, the control device lowers the opening degree of the pressure regulating valve to raise the pressure ratio of the air compressor. When the temperature of the air detected by the sensor rises, the control device increases the opening degree of the pressure regulating valve and lowers the pressure ratio of the air compressor. Therefore, the temperature of the air can be appropriately adjusted according to the change in the temperature of the air discharged from the air compressor.

＜４＞上記＜１＞から＜３＞のいずれか１項に係る燃料電池システムでは、前記制御装置は、前記エアーコンプレッサーを停止させているときに前記圧力調整弁を開弁する、構成を採用してもよい。 <4> In the fuel cell system according to any one of <1> to <3>, the control device adopts a configuration in which the pressure adjusting valve is opened when the air compressor is stopped. You may.

制御装置は、エアーコンプレッサーを停止させているときに、圧力調整弁を開弁する。したがって、エアーコンプレッサーが停止しているときに、仮に制御装置が故障などしても、その後の燃料電池システムの起動時に圧力調整弁が閉弁されたままとなることがない。よって、燃料電池システムが、燃料電池スタックへの空気の供給に対するフェイルセーフを実装することができる。 The control device opens the pressure regulating valve when the air compressor is stopped. Therefore, even if the control device fails while the air compressor is stopped, the pressure regulating valve does not remain closed when the fuel cell system is started thereafter. Thus, the fuel cell system can implement fail-safe for the supply of air to the fuel cell stack.

本発明によれば、エアーコンプレッサーから吐出される空気の流量や空気の圧力を変更することなく空気の温度を上昇させることができる。 According to the present invention, the temperature of the air can be raised without changing the flow rate of the air discharged from the air compressor or the pressure of the air.

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの模式図である。It is a schematic diagram of the fuel cell system which concerns on one Embodiment of this invention.

以下、図１を参照し、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１０を説明する。
実施形態の燃料電池システム１０は、例えばトラック及びバス等の大型の車両に搭載される。車両は、例えば、燃料電池システム１０及び蓄電装置等の電源と、電源に接続される走行駆動用等の回転電機とを備える。 Hereinafter, the fuel cell system 10 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
The fuel cell system 10 of the embodiment is mounted on a large vehicle such as a truck and a bus. The vehicle includes, for example, a power source for the fuel cell system 10 and a power storage device, and a rotary electric machine for traveling drive connected to the power source.

燃料電池システム１０は、燃料電池スタック２１と、燃料タンク３１と、エアーコンプレッサー４１と、制御装置５１と、を備えている。 The fuel cell system 10 includes a fuel cell stack 21, a fuel tank 31, an air compressor 41, and a control device 51.

燃料電池スタック２１は、例えば、固体高分子形燃料電池である。例えば、固体高分子形燃料電池は、積層された複数の燃料電池セルと、複数の燃料電池セルの積層体を挟み込む一対のエンドプレートとを備える。燃料電池セルは、電解質電極構造体と、電解質電極構造体を挟み込む一対のセパレータと備える。電解質電極構造体は、固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜を挟み込む燃料極及び酸素極とを備える。固体高分子電解質膜は、陽イオン交換膜等を備える。燃料極（アノード）は、アノード触媒及びガス拡散層等を備える。酸素極（カソード）は、カソード触媒及びガス拡散層等を備える。 The fuel cell stack 21 is, for example, a polymer electrolyte fuel cell. For example, a polymer electrolyte fuel cell includes a plurality of stacked fuel cell cells and a pair of end plates that sandwich a laminated body of the plurality of fuel cell cells. The fuel cell includes an electrolyte electrode structure and a pair of separators that sandwich the electrolyte electrode structure. The electrolyte electrode structure includes a solid polyelectrolyte membrane, and a fuel electrode and an oxygen electrode that sandwich the solid polyelectrolyte membrane. The solid polymer electrolyte membrane includes a cation exchange membrane and the like. The fuel electrode (anode) includes an anode catalyst, a gas diffusion layer, and the like. The oxygen electrode (cathode) includes a cathode catalyst, a gas diffusion layer, and the like.

燃料電池スタック２１は、燃料タンク３１からアノードに供給される燃料ガスと、エアーコンプレッサー４１からカソードに供給される酸素を含む空気等の酸化剤ガスとの触媒反応によって発電する。
燃料タンク３１は、例えば水素等の燃料を貯留する。燃料タンク３１は、開閉弁３２を介して燃料電池スタック２１のアノードに接続されている。燃料タンク３１は、燃料を燃料電池スタック２１に供給する。開閉弁３２は、燃料電池スタック２１に対する燃料の供給有無及び圧力等を切り替える。 The fuel cell stack 21 generates power by a catalytic reaction between the fuel gas supplied from the fuel tank 31 to the anode and the oxidizing agent gas such as air containing oxygen supplied from the air compressor 41 to the cathode.
The fuel tank 31 stores fuel such as hydrogen. The fuel tank 31 is connected to the anode of the fuel cell stack 21 via an on-off valve 32. The fuel tank 31 supplies fuel to the fuel cell stack 21. The on-off valve 32 switches whether or not fuel is supplied to the fuel cell stack 21, pressure, and the like.

エアーコンプレッサー４１は、燃料電池システム１０の発電時に燃料電池スタック２１のカソードに酸化剤ガスとしての空気を供給する。エアーコンプレッサー４１は、燃料電池スタック２１のカソードに接続されている。エアーコンプレッサー４１は、燃料電池スタック２１に空気を圧送する。エアーコンプレッサー４１は、例えば、燃料電池スタック２１から供給される電力によって駆動してもよく、燃料電池スタック２１とは異なる電源から供給される電力によって駆動してもよい。燃料電池スタック２１とは異なる電源としては、例えば、前記車両の他の電源などが挙げられる。 The air compressor 41 supplies air as an oxidant gas to the cathode of the fuel cell stack 21 during power generation of the fuel cell system 10. The air compressor 41 is connected to the cathode of the fuel cell stack 21. The air compressor 41 pumps air to the fuel cell stack 21. The air compressor 41 may be driven by, for example, the electric power supplied from the fuel cell stack 21, or may be driven by the electric power supplied from a power source different from that of the fuel cell stack 21. Examples of the power source different from the fuel cell stack 21 include other power sources of the vehicle.

以下では、エアーコンプレッサー４１から燃料電池スタック２１に供給される空気の流れについて、エアーコンプレッサー４１から燃料電池スタック２１に向かう方向を下流といい、その反対を上流という。 Hereinafter, regarding the flow of air supplied from the air compressor 41 to the fuel cell stack 21, the direction from the air compressor 41 toward the fuel cell stack 21 is referred to as a downstream, and the opposite is referred to as an upstream.

エアーコンプレッサー４１と燃料電池スタック２１との間には、熱交換器４２と、加湿器４３と、センサ４４と、が設けられている。熱交換器４２、加湿器４３およびセンサ４４は、エアーコンプレッサー４１の下流に設けられ、かつ、燃料電池スタック２１の上流に設けられている。 A heat exchanger 42, a humidifier 43, and a sensor 44 are provided between the air compressor 41 and the fuel cell stack 21. The heat exchanger 42, the humidifier 43, and the sensor 44 are provided downstream of the air compressor 41 and upstream of the fuel cell stack 21.

熱交換器４２は、エアーコンプレッサー４１から吐出される空気の温度を調整する。熱交換器４２としては、例えば、空冷インタークーラーや、水冷インタークーラーなどが挙げられる。
熱交換器４２は、空気を徐熱してもよく、加熱してもよい。例えば、空気が目標温度よりも高温の時には、熱交換器４２が空気を徐熱してもよい。例えば、空気が目標温度よりも低温の時には、熱交換器４２が空気を加熱してもよい。 The heat exchanger 42 adjusts the temperature of the air discharged from the air compressor 41. Examples of the heat exchanger 42 include an air-cooled intercooler and a water-cooled intercooler.
The heat exchanger 42 may slowly heat the air or may heat the air. For example, when the air temperature is higher than the target temperature, the heat exchanger 42 may slowly heat the air. For example, when the air is cooler than the target temperature, the heat exchanger 42 may heat the air.

燃料電池システム１０の低温起動時には、エアーコンプレッサー４１から吐出される空気が低温である。そのため、熱交換器４２が空気を加熱することが好ましい。しかしながら、熱交換器４２はなくてもよい。なお本実施形態では、熱交換器４２からの加熱のみでは、燃料電池システム１０の低温起動時に求められる空気の昇温が実現できない。熱交換器４２は、後述するようなエアーコンプレッサー４１による空気の加熱を補助する。
ここで低温起動時としては、例えば、車両停止後、加湿器４３が冷え切る前に燃料電池システム１０が再起動され、加湿器４３よりも冷たい空気が加湿器４３に送られるとき等が挙げられる。 When the fuel cell system 10 is started at a low temperature, the air discharged from the air compressor 41 is at a low temperature. Therefore, it is preferable that the heat exchanger 42 heats the air. However, the heat exchanger 42 may not be present. In the present embodiment, it is not possible to realize the temperature rise of the air required at the time of starting the fuel cell system 10 at a low temperature only by heating from the heat exchanger 42. The heat exchanger 42 assists in heating the air by the air compressor 41 as described later.
Here, examples of the low temperature start-up include, for example, when the fuel cell system 10 is restarted after the vehicle is stopped and before the humidifier 43 has cooled down, and air colder than the humidifier 43 is sent to the humidifier 43. ..

加湿器４３は、エアーコンプレッサー４１から吐出される空気を加湿する。加湿器４３は、熱交換器４２と燃料電池スタック２１との間に配置されている。加湿器４３は、熱交換器４２を通過した空気を加湿する。加湿器４３は、燃料電池スタック２１内の湿度が適切な湿度範囲となるように、空気を加湿する。
センサ４４は、エアーコンプレッサー４１から吐出される空気の温度を検出する。センサ４４は、熱交換器４２と加湿器４３との間に配置されている。センサ４４は、熱交換器４２を通過した空気の温度を測定する。 The humidifier 43 humidifies the air discharged from the air compressor 41. The humidifier 43 is arranged between the heat exchanger 42 and the fuel cell stack 21. The humidifier 43 humidifies the air that has passed through the heat exchanger 42. The humidifier 43 humidifies the air so that the humidity in the fuel cell stack 21 is within an appropriate humidity range.
The sensor 44 detects the temperature of the air discharged from the air compressor 41. The sensor 44 is arranged between the heat exchanger 42 and the humidifier 43. The sensor 44 measures the temperature of the air that has passed through the heat exchanger 42.

そして本実施形態では、エアーコンプレッサー４１の上流には、圧力調整弁４５が設けられている。圧力調整弁４５は、エアーコンプレッサー４１に吸入される空気の圧力を調整する。圧力調整弁４５としては、例えばバタフライバルブなどが挙げられる。 In the present embodiment, the pressure adjusting valve 45 is provided upstream of the air compressor 41. The pressure adjusting valve 45 adjusts the pressure of the air sucked into the air compressor 41. Examples of the pressure regulating valve 45 include a butterfly valve and the like.

制御装置５１は、燃料電池システム１０の動作を統合的に制御する。
制御装置５１は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などのプロセッサによって所定のプログラムが実行されることにより機能するソフトウェア機能部である。ソフトウェア機能部は、ＣＰＵなどのプロセッサ、プログラムを格納するＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、データを一時的に記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）及びタイマーなどの電子回路を備えるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）である。制御装置５１の少なくとも一部は、ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）などの集積回路であってもよい。 The control device 51 integrally controls the operation of the fuel cell system 10.
The control device 51 is a software function unit that functions by executing a predetermined program by a processor such as a CPU (Central Processing Unit). The software function unit is an ECU (Electronic Control Unit) including a processor such as a CPU, a ROM (Read Only Memory) for storing a program, a RAM (Random Access Memory) for temporarily storing data, and an electronic circuit such as a timer. .. At least a part of the control device 51 may be an integrated circuit such as an LSI (Large Scale Integration).

制御装置５１は、各構成を制御する。本実施形態では、制御装置５１は、開閉弁３２、エアーコンプレッサー４１、熱交換器４２、加湿器４３、センサ４４、圧力調整弁４５それぞれに接続されている。制御装置５１は、開閉弁３２、エアーコンプレッサー４１、熱交換器４２、加湿器４３および圧力調整弁４５それぞれを制御する。制御装置５１は、センサ４４の検出結果を取得する。 The control device 51 controls each configuration. In the present embodiment, the control device 51 is connected to each of the on-off valve 32, the air compressor 41, the heat exchanger 42, the humidifier 43, the sensor 44, and the pressure regulating valve 45. The control device 51 controls each of the on-off valve 32, the air compressor 41, the heat exchanger 42, the humidifier 43, and the pressure regulating valve 45. The control device 51 acquires the detection result of the sensor 44.

制御装置５１は、少なくとも圧力調整弁４５の開度およびエアーコンプレッサー４１の圧力比を制御する。制御装置５１は、圧力調整弁４５の開度およびエアーコンプレッサー４１の圧力比を連動して制御する。制御装置５１は、圧力調整弁４５の開度を上げるときには、エアーコンプレッサー４１の圧力比を下げる。制御装置５１は、圧力調整弁４５の開度を下げるときには、エアーコンプレッサー４１の圧力比を上げる。なお制御装置５１は、例えば、エアーコンプレッサー４１の駆動源となるモーターの回転数を制御することにより、エアーコンプレッサー４１の圧力比を制御する。 The control device 51 controls at least the opening degree of the pressure regulating valve 45 and the pressure ratio of the air compressor 41. The control device 51 controls the opening degree of the pressure adjusting valve 45 and the pressure ratio of the air compressor 41 in conjunction with each other. The control device 51 lowers the pressure ratio of the air compressor 41 when increasing the opening degree of the pressure adjusting valve 45. The control device 51 raises the pressure ratio of the air compressor 41 when lowering the opening degree of the pressure regulating valve 45. The control device 51 controls the pressure ratio of the air compressor 41 by, for example, controlling the rotation speed of the motor that is the drive source of the air compressor 41.

本実施形態では、制御装置５１は、エアーコンプレッサー４１を稼働させているとき、センサ４４の検出結果に基づいて圧力調整弁４５の開度およびエアーコンプレッサー４１の圧力比を制御する。センサ４４が検出する空気の温度が低下したときには、制御装置５１が、圧力調整弁４５の開度を下げてエアーコンプレッサー４１の圧力比を上げる。センサ４４が検出する空気の温度が上昇したときには、制御装置５１が圧力調整弁４５の開度を上げてエアーコンプレッサー４１の圧力比を下げる。 In the present embodiment, when the air compressor 41 is operating, the control device 51 controls the opening degree of the pressure adjusting valve 45 and the pressure ratio of the air compressor 41 based on the detection result of the sensor 44. When the temperature of the air detected by the sensor 44 drops, the control device 51 lowers the opening degree of the pressure regulating valve 45 to raise the pressure ratio of the air compressor 41. When the temperature of the air detected by the sensor 44 rises, the control device 51 raises the opening degree of the pressure regulating valve 45 and lowers the pressure ratio of the air compressor 41.

すなわち、本実施形態では、制御装置５１が、現時点でのセンサ４４の検出結果と、過去におけるセンサ４４の検出結果と、を比較して、圧力調整弁４５の開度およびエアーコンプレッサー４１の圧力比を制御する。言い換えると、制御装置５１が、センサ４４の検出結果の経時的な変化に基づいて、圧力調整弁４５の開度およびエアーコンプレッサー４１の圧力比を制御する。 That is, in the present embodiment, the control device 51 compares the detection result of the sensor 44 at the present time with the detection result of the sensor 44 in the past, and compares the opening degree of the pressure adjusting valve 45 with the pressure ratio of the air compressor 41. To control. In other words, the control device 51 controls the opening degree of the pressure regulating valve 45 and the pressure ratio of the air compressor 41 based on the change over time of the detection result of the sensor 44.

なおこれに代えて、制御装置５１が、現時点でのセンサ４４の検出結果と、温度の目標値（閾値）と、を比較して、圧力調整弁４５の開度およびエアーコンプレッサー４１の圧力比を制御してもよい。言い換えると、制御装置５１が、センサ４４の検出結果と目標値との差異に基づいて、圧力調整弁４５の開度およびエアーコンプレッサー４１の圧力比を制御してもよい。この場合、制御装置５１が、前記目標値を記憶しておくことができる。 Instead, the control device 51 compares the current detection result of the sensor 44 with the target value (threshold value) of the temperature, and determines the opening degree of the pressure regulating valve 45 and the pressure ratio of the air compressor 41. You may control it. In other words, the control device 51 may control the opening degree of the pressure regulating valve 45 and the pressure ratio of the air compressor 41 based on the difference between the detection result of the sensor 44 and the target value. In this case, the control device 51 can store the target value.

また本実施形態では、制御装置５１は、エアーコンプレッサー４１を停止させているときに、圧力調整弁４５を開弁する。したがって、エアーコンプレッサー４１が停止しているときに、仮に制御装置５１が故障などしても、その後の燃料電池システム１０の起動時に圧力調整弁４５が閉弁されたままとなることがない。よって、燃料電池システム１０が、燃料電池スタック２１への空気の供給に対するフェイルセーフを実装することができる。 Further, in the present embodiment, the control device 51 opens the pressure adjusting valve 45 when the air compressor 41 is stopped. Therefore, even if the control device 51 fails while the air compressor 41 is stopped, the pressure adjusting valve 45 does not remain closed when the fuel cell system 10 is started thereafter. Therefore, the fuel cell system 10 can implement fail-safe against the supply of air to the fuel cell stack 21.

次に、上記燃料電池システム１０の起動方法（運転方法）の一例を説明する。 Next, an example of the starting method (operating method) of the fuel cell system 10 will be described.

例えば、停止していた燃料電池システム１０を起動させるとき等、燃料電池システム１０の低温起動時には、エアーコンプレッサー４１が吸引する空気の温度が低い。その結果、空気が熱交換器４２によって加熱されたとしても、空気の温度が、燃料電池スタック２１に供給されるために適切な温度まで上昇しないことがある。 For example, when the fuel cell system 10 is started at a low temperature, such as when the stopped fuel cell system 10 is started, the temperature of the air sucked by the air compressor 41 is low. As a result, even if the air is heated by the heat exchanger 42, the temperature of the air may not rise to an appropriate temperature for being supplied to the fuel cell stack 21.

このように低温状態の燃料電池システム１０が起動される場合、制御装置５１が圧力調整弁４５の開度を下げ、エアーコンプレッサー４１に吸入される空気の圧力を低下させる。このままではエアーコンプレッサー４１から吐出される空気の圧力も低下する。そこで本実施形態では、制御装置５１が圧力調整弁４５の開度を下げる一方で、制御装置５１がエアーコンプレッサー４１の圧力比を上げる。これにより、エアーコンプレッサー４１に吸入される空気の圧力が低下しても、エアーコンプレッサー４１から吐出される空気の圧力が維持可能である。エアーコンプレッサー４１から吐出される空気の圧力が維持されることで、この空気が、燃料電池スタック２１に対してバイパスされることなく圧送される。しかも、前述したように、エアーコンプレッサー４１の圧力比が高められているので、燃料電池スタック２１に圧送される空気の温度が高められる。 When the fuel cell system 10 in the low temperature state is started in this way, the control device 51 lowers the opening degree of the pressure regulating valve 45 and lowers the pressure of the air sucked into the air compressor 41. If nothing is done, the pressure of the air discharged from the air compressor 41 will also decrease. Therefore, in the present embodiment, the control device 51 lowers the opening degree of the pressure adjusting valve 45, while the control device 51 raises the pressure ratio of the air compressor 41. As a result, even if the pressure of the air sucked into the air compressor 41 decreases, the pressure of the air discharged from the air compressor 41 can be maintained. By maintaining the pressure of the air discharged from the air compressor 41, this air is pumped to the fuel cell stack 21 without being bypassed. Moreover, as described above, since the pressure ratio of the air compressor 41 is increased, the temperature of the air pumped to the fuel cell stack 21 is increased.

なお本実施形態では、燃料電池システム１０が低温起動状態を脱するまで、制御装置５１は、このような圧力調整弁４５の制御およびエアーコンプレッサー４１の制御を実施する。
燃料電池システム１０が低温起動状態を脱したか否かの判定は、例えば、以下に一例として挙げる構成により実現することができる。すなわち、この構成では、燃料電池システム１０が、エアーコンプレッサー４１の上流に配置された温度センサを備える。温度センサは、エアーコンプレッサー４１に吸入される空気の温度を検出する。制御装置５１は、温度センサの検出結果に基づいて、エアーコンプレッサー４１に吸入される空気の温度が所定の温度以上になった場合、低温起動状態を脱したと判定することができる。
燃料電池システム１０が低温起動状態を脱したか否かは、上記の方法の他、例えば、エアーコンプレッサー４１が運転し始めた後、所定時間が経過したか否かに基づいて、制御装置５１が判定してもよい。更に、燃料電池システム１０が低温起動状態を脱したか否かは、前記温度センサにより検出された空気の温度が、加湿器４３の温度よりも高いか否かに基づいて、制御装置５１が判定してもよい。 In the present embodiment, the control device 51 controls the pressure regulating valve 45 and the air compressor 41 until the fuel cell system 10 exits the low temperature start state.
The determination of whether or not the fuel cell system 10 has exited the low temperature start state can be realized, for example, by the configuration given as an example below. That is, in this configuration, the fuel cell system 10 includes a temperature sensor located upstream of the air compressor 41. The temperature sensor detects the temperature of the air sucked into the air compressor 41. Based on the detection result of the temperature sensor, the control device 51 can determine that the low temperature start state has been exited when the temperature of the air sucked into the air compressor 41 exceeds a predetermined temperature.
Whether or not the fuel cell system 10 has exited the low temperature start state is determined by, for example, whether or not a predetermined time has elapsed after the air compressor 41 starts operating, in addition to the above method. You may judge. Further, whether or not the fuel cell system 10 has exited the low temperature start state is determined by the control device 51 based on whether or not the temperature of the air detected by the temperature sensor is higher than the temperature of the humidifier 43. You may.

以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池システム１０によれば、エアーコンプレッサー４１から吐出される空気の流量や空気の圧力を変更することなく空気の温度を上昇させることができる。 As described above, according to the fuel cell system 10 according to the present embodiment, the temperature of the air can be raised without changing the flow rate of the air discharged from the air compressor 41 or the pressure of the air.

制御装置５１が、センサ４４の検出結果に基づいて圧力調整弁４５の開度およびエアーコンプレッサー４１の圧力比を制御する。センサ４４は、エアーコンプレッサー４１から吐出される空気の温度を検出する。したがって、エアーコンプレッサー４１から吐出される空気の温度に応じて、この空気の温度を適切に調整することができる。 The control device 51 controls the opening degree of the pressure regulating valve 45 and the pressure ratio of the air compressor 41 based on the detection result of the sensor 44. The sensor 44 detects the temperature of the air discharged from the air compressor 41. Therefore, the temperature of the air can be appropriately adjusted according to the temperature of the air discharged from the air compressor 41.

センサ４４が検出する空気の温度が低下したときには、制御装置５１が、圧力調整弁４５の開度を下げてエアーコンプレッサー４１の圧力比を上げる。センサ４４が検出する空気の温度が上昇したときには、制御装置５１が、圧力調整弁４５の開度を上げてエアーコンプレッサー４１の圧力比を下げる。したがって、エアーコンプレッサー４１から吐出される空気の温度の変化に応じて、この空気の温度を適切に調整することができる。 When the temperature of the air detected by the sensor 44 drops, the control device 51 lowers the opening degree of the pressure regulating valve 45 to raise the pressure ratio of the air compressor 41. When the temperature of the air detected by the sensor 44 rises, the control device 51 raises the opening degree of the pressure regulating valve 45 and lowers the pressure ratio of the air compressor 41. Therefore, the temperature of the air can be appropriately adjusted according to the change in the temperature of the air discharged from the air compressor 41.

なお、上述した実施形態では、燃料電池システム１０が、燃料電池スタック２１において発電された電力を走行用の電力又は車載機器の動作用の電力として用いる燃料電池車両に搭載されている例について説明したが、当該システムは、二輪、三輪若しくは四輪等の自動車又は他の移動体（例えば、船舶、飛行体若しくはロボット等）に搭載されてもよく、また、定置型又は可搬型の燃料電池システム１０に搭載されてもよい。 In the above-described embodiment, an example in which the fuel cell system 10 is mounted on a fuel cell vehicle that uses the electric power generated by the fuel cell stack 21 as electric power for traveling or electric power for operation of an in-vehicle device has been described. However, the system may be mounted on an automobile such as a two-wheeled, three-wheeled or four-wheeled vehicle or another moving body (for example, a ship, a flying object, a robot, etc.), and a stationary or portable fuel cell system 10. It may be mounted on.

本発明の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。 The embodiments of the present invention are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, as well as in the scope of the invention described in the claims and the equivalent scope thereof.

１０ 燃料電池システム
２１ 燃料電池スタック
４１ エアーコンプレッサー
４３ 加湿器
４４ センサ
４５ 圧力調整弁
５１ 制御装置 10 Fuel cell system 21 Fuel cell stack 41 Air compressor 43 Humidifier 44 Sensor 45 Pressure control valve 51 Control device

Claims (4)

燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに空気を圧送するエアーコンプレッサーと、
前記エアーコンプレッサーから吐出される空気を加湿する加湿器と、
前記エアーコンプレッサーに吸入される空気の圧力を調整する圧力調整弁と、
少なくとも前記圧力調整弁の開度および前記エアーコンプレッサーの圧力比を制御する制御装置と、を備えている、燃料電池システム。 With the fuel cell stack,
An air compressor that pumps air to the fuel cell stack,
A humidifier that humidifies the air discharged from the air compressor,
A pressure regulating valve that adjusts the pressure of the air sucked into the air compressor,
A fuel cell system comprising at least a control device for controlling the opening degree of the pressure regulating valve and the pressure ratio of the air compressor. 前記エアーコンプレッサーから吐出される空気の温度を検出するセンサを更に備え、
前記制御装置は、前記センサの検出結果に基づいて前記圧力調整弁の開度および前記エアーコンプレッサーの圧力比を制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。 Further equipped with a sensor for detecting the temperature of the air discharged from the air compressor,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the control device controls the opening degree of the pressure regulating valve and the pressure ratio of the air compressor based on the detection result of the sensor. 前記制御装置は、
前記センサが検出する前記温度が低下したときには、前記圧力調整弁の開度を下げて前記エアーコンプレッサーの圧力比を上げ、
前記センサが検出する前記温度が上昇したときには、前記圧力調整弁の開度を上げて前記エアーコンプレッサーの圧力比を下げる、請求項２に記載の燃料電池システム。 The control device is
When the temperature detected by the sensor drops, the opening degree of the pressure regulating valve is lowered to raise the pressure ratio of the air compressor.
The fuel cell system according to claim 2, wherein when the temperature detected by the sensor rises, the opening degree of the pressure regulating valve is increased to lower the pressure ratio of the air compressor. 前記制御装置は、前記エアーコンプレッサーを停止させているときに前記圧力調整弁を開弁する、請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein the control device opens the pressure regulating valve when the air compressor is stopped.
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