JP6816526B2

JP6816526B2 - Fuel cell system

Info

Publication number: JP6816526B2
Application number: JP2017007234A
Authority: JP
Inventors: 雄一郎早瀬
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-01-19
Filing date: 2017-01-19
Publication date: 2021-01-20
Anticipated expiration: 2037-01-19
Also published as: JP2018116855A

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、燃料電池システムにおいて、複数のコンプレッサを用いて燃料電池にカソードガスを供給する技術が知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１に開示の燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池に供給されるカソードガスが流通するカソードガス供給路と、燃料電池から排出されたカソード排ガスが流通するカソードガス排出路と、を備える。また特許文献１に開示の燃料電池システムは、カソードガス供給路に設けられたモータ駆動の第１コンプレッサと、カソードガス供給路のうち第１コンプレッサよりも下流側に設けられたモータ駆動の第２コンプレッサとを有する。第１コンプレッサは、カソードガス排出路を流通するカソード排ガスによって駆動するエキスパンダ（タービン）を有する。 Conventionally, in a fuel cell system, a technique of supplying cathode gas to a fuel cell by using a plurality of compressors is known (for example, Patent Document 1). The fuel cell system disclosed in Patent Document 1 includes a fuel cell, a cathode gas supply path through which the cathode gas supplied to the fuel cell flows, and a cathode gas discharge path through which the cathode gas discharged from the fuel cell flows. Be prepared. Further, the fuel cell system disclosed in Patent Document 1 includes a motor-driven first compressor provided in the cathode gas supply path and a motor-driven second compressor provided in the cathode gas supply path on the downstream side of the first compressor. Has a compressor. The first compressor has an expander (turbine) driven by the cathode exhaust gas flowing through the cathode gas discharge path.

また従来、燃料電池システムにおいて、カソードガス供給路において、モータ駆動のコンプレッサと、モータ駆動のコンプレッサよりも下流側にエキスパンダによって駆動するコンプレッサとを配置する技術が知られている（例えば、特許文献２）。 Further, conventionally, in a fuel cell system, a technique of arranging a motor-driven compressor and a compressor driven by an expander on the downstream side of the motor-driven compressor in the cathode gas supply path has been known (for example, patent documents). 2).

特開２００９−３０１８４５号公報JP-A-2009-301845 特開２００６−２６９３７１号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2006-269371

特許文献１に開示の燃料電池システムでは、燃料電池車両が定常走行を行っているときは、第２コンプレッサのみが駆動し、燃料電池車両の加速時には第１コンプレッサと第２コンプレッサとが駆動する。コンプレッサを通過したカソードガスは、圧縮されることで温度が上昇する。特許文献１に開示の燃料電池システムでは、エキスパンダを有する第１コンプレッサが駆動した場合、温度が上昇したカソードガスが第２コンプレッサに流入し、また、第２コンプレッサを通過する過程においてカソードガスの温度がさらに上昇する恐れがある。これにより、特許文献１に開示の燃料電池システムにおいて、定常走行時よりも更に温度が上昇したカソードガスが第２コンプレッサを通過するため、第２コンプレッサが熱応力の影響を受けやすくなり、性能などの信頼性が低下する恐れがあった。 In the fuel cell system disclosed in Patent Document 1, only the second compressor is driven when the fuel cell vehicle is in steady running, and the first compressor and the second compressor are driven when the fuel cell vehicle is accelerating. The temperature of the cathode gas that has passed through the compressor rises as it is compressed. In the fuel cell system disclosed in Patent Document 1, when the first compressor having an expander is driven, the cathode gas whose temperature has risen flows into the second compressor, and in the process of passing through the second compressor, the cathode gas The temperature may rise further. As a result, in the fuel cell system disclosed in Patent Document 1, the cathode gas whose temperature has risen further than during steady running passes through the second compressor, so that the second compressor is easily affected by thermal stress, and the performance and the like. There was a risk that the reliability of the

また、特許文献２に開示の燃料電池システムでは、モータ駆動のコンプレッサがエキスパンダを有するコンプレッサよりも上流側に配置されている。これにより、モータ駆動のコンプレッサの温度が過度に上昇することを抑制できる。しかしながら、エキスパンダを有するコンプレッサは、エキスパンダのみによって動力が供給されるため、燃料電池からの要求発電量に応じたカソードガスの目標供給流量および目標供給圧力に十分に対応できない恐れがあった。特許文献２に開示の燃料電池システムにおいて、目標供給流量および目標供給圧力に十分に対応するためには、モータを大きくする必要がある。モータを大きくした場合、低負荷（低回転数）で運転するときのフリクションが小型のモータよりも増大するため、モータによって駆動する２つのコンプレッサを用いた場合よりも、低負荷時の運転効率が低下する恐れがある。 Further, in the fuel cell system disclosed in Patent Document 2, the motor-driven compressor is arranged on the upstream side of the compressor having the expander. As a result, it is possible to prevent the temperature of the motor-driven compressor from rising excessively. However, since the compressor having an expander is powered only by the expander, there is a possibility that the target supply flow rate and the target supply pressure of the cathode gas according to the required power generation amount from the fuel cell cannot be sufficiently supported. In the fuel cell system disclosed in Patent Document 2, it is necessary to increase the size of the motor in order to sufficiently correspond to the target supply flow rate and the target supply pressure. When the motor is enlarged, the friction when operating at a low load (low rotation speed) increases compared to a small motor, so the operating efficiency at a low load is higher than when two compressors driven by the motor are used. It may decrease.

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
形態：燃料電池システムであって、燃料電池と、前記燃料電池に供給されるカソードガスが流通するカソードガス供給路と、前記燃料電池から排出されたカソード排ガスが流通するカソードガス排出路と、前記カソードガス供給路に配置された、第１モータによって駆動する第１コンプレッサと、前記カソードガス供給路のうちで、前記第１コンプレッサよりも下流側に配置された第２モータによって駆動する第２コンプレッサと、前記第２モータを介して前記第２コンプレッサと連結され、前記カソード排ガスによって駆動するタービンと、前記燃料電池システムの動作を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池の要求発電量に応じて定まる、前記燃料電池へ供給する前記カソードガスの目標流量および目標圧力が、予め定めた範囲内にある場合に前記第１コンプレッサを駆動させることで前記燃料電池に前記カソードガスを供給し、前記目標流量および前記目標圧力が、前記予め定めた範囲から外れる場合に前記第１コンプレッサおよび前記第２コンプレッサを駆動させることで前記燃料電池に前記カソードガスを供給し、前記予め定めた範囲から外れる場合に前記第１コンプレッサおよび前記第２コンプレッサを駆動させる場合には、タービン翼の周方向の回転速度であるタービン周速Ｕと前記タービンに流入する前記カソード排ガスの温度と圧力との関数によって表される断熱速度Ｃとによって定まる速度比（Ｕ／Ｃ）が、予め定めた値となるように前記第２コンプレッサの回転数を決定し、次いで、前記目標流量と決定した前記回転数とを用いて前記第１コンプレッサの回転数を決定する、燃料電池システム。
この形態によれば、モータによって駆動する第１コンプレッサおよび第２コンプレッサを用いることにより、燃料電池システムの運転効率の低下を抑制できる。また、この形態によれば、第２コンプレッサが第１コンプレッサより下流側に配置されているため、第２コンプレッサが駆動された場合でも、第１コンプレッサに加熱されたカソードガスが流入する可能性を低減できる。これにより、第１コンプレッサが熱応力の影響を受けることを抑制できる。 The present invention has been made to solve at least a part of the above-mentioned problems, and can be realized as the following forms.
Form: A fuel cell system, wherein a fuel cell, a cathode gas supply path through which the cathode gas supplied to the fuel cell flows, a cathode gas discharge path through which the cathode gas discharged from the fuel cell flows, and the like. A first compressor driven by a first motor arranged in a cathode gas supply path and a second compressor driven by a second motor arranged downstream of the first compressor in the cathode gas supply path. A turbine connected to the second compressor via the second motor and driven by the cathode exhaust gas, and a control unit for controlling the operation of the fuel cell system. The control unit is the fuel cell. When the target flow rate and target pressure of the cathode gas supplied to the fuel cell, which are determined according to the required power generation amount, are within a predetermined range, the first compressor is driven to cause the fuel cell to have the cathode. The gas is supplied, and when the target flow rate and the target pressure deviate from the predetermined ranges, the first compressor and the second compressor are driven to supply the cathode gas to the fuel cell, and the cathode gas is supplied in advance. When the first compressor and the second compressor are driven when the range is out of the specified range, the temperature and pressure of the turbine peripheral speed U, which is the rotational speed in the circumferential direction of the turbine blade, and the cathode gas gas flowing into the turbine. The rotation speed of the second compressor is determined so that the velocity ratio (U / C) determined by the adiabatic velocity C represented by the function of and becomes a predetermined value, and then the target flow rate is determined. A fuel cell system that determines the number of revolutions of the first compressor using the number of revolutions.
According to this embodiment, by using the first compressor and the second compressor driven by the motor, it is possible to suppress a decrease in the operating efficiency of the fuel cell system. Further, according to this embodiment, since the second compressor is arranged on the downstream side of the first compressor, there is a possibility that the heated cathode gas may flow into the first compressor even when the second compressor is driven. Can be reduced. As a result, it is possible to prevent the first compressor from being affected by thermal stress.

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池に供給されるカソードガスが流通するカソードガス供給路と、前記燃料電池から排出されたカソード排ガスが流通するカソードガス排出路と、前記カソードガス供給路に配置された、第１モータによって駆動する第１コンプレッサと、前記カソードガス供給路のうちで、前記第１コンプレッサよりも下流側に配置された第２モータによって駆動する第２コンプレッサと、前記第２モータを介して前記第２コンプレッサと連結され、前記カソード排ガスによって駆動するタービンと、前記燃料電池システムの動作を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池の要求発電量に応じて定まる、前記燃料電池へ供給する前記カソードガスの目標流量および目標圧力が、予め定めた範囲内にある場合に前記第１コンプレッサを駆動させることで前記燃料電池に前記カソードガスを供給し、前記目標流量および前記目標圧力が、前記予め定めた範囲から外れる場合に前記第１コンプレッサおよび前記第２コンプレッサを駆動させることで前記燃料電池に前記カソードガスを供給する。この形態によれば、モータによって駆動する第１コンプレッサおよび第２コンプレッサを用いることにより、燃料電池システムの運転効率の低下を抑制できる。また、この形態によれば、第２コンプレッサが第１コンプレッサより下流側に配置されているため、第２コンプレッサが駆動された場合でも、第１コンプレッサに加熱されたカソードガスが流入する可能性を低減できる。これにより、第１コンプレッサが熱応力の影響を受けることを抑制できる。 (1) According to one embodiment of the present invention, a fuel cell system is provided. This fuel cell system includes a fuel cell, a cathode gas supply path through which the cathode gas supplied to the fuel cell flows, a cathode gas discharge path through which the cathode exhaust gas discharged from the fuel cell flows, and the cathode gas supply. The first compressor driven by the first motor arranged on the road, the second compressor driven by the second motor arranged on the downstream side of the first compressor in the cathode gas supply path, and the above. The control unit includes a turbine that is connected to the second compressor via a second motor and is driven by the cathode exhaust gas, and a control unit that controls the operation of the fuel cell system. The control unit generates power required by the fuel cell. When the target flow rate and target pressure of the cathode gas supplied to the fuel cell, which are determined according to the amount, are within a predetermined range, the cathode gas is supplied to the fuel cell by driving the first compressor. Then, when the target flow rate and the target pressure deviate from the predetermined ranges, the cathode gas is supplied to the fuel cell by driving the first compressor and the second compressor. According to this embodiment, by using the first compressor and the second compressor driven by the motor, it is possible to suppress a decrease in the operating efficiency of the fuel cell system. Further, according to this embodiment, since the second compressor is arranged on the downstream side of the first compressor, there is a possibility that the heated cathode gas may flow into the first compressor even when the second compressor is driven. Can be reduced. As a result, it is possible to prevent the first compressor from being affected by thermal stress.

本発明は、上記の燃料電池システム以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池システムの制御方法、燃料電池システムを備える車両などの態様で実現できる。 The present invention can be realized in various forms other than the above-mentioned fuel cell system, and can be realized, for example, in a control method of the fuel cell system, a vehicle provided with the fuel cell system, and the like.

本発明の実施形態における燃料電池システムを模式的に示す説明図。The explanatory view which shows typically the fuel cell system in embodiment of this invention. タービンの概略説明図。Schematic diagram of the turbine. タービン効率と、速度比との関係を示すグラフ。A graph showing the relationship between turbine efficiency and speed ratio. 第１コンプレッサマップの概念図。Conceptual diagram of the first compressor map. ＥＣＵが実行する制御フローを示す図。The figure which shows the control flow executed by the ECU. ステップＳ２０の処理フローを示す図。The figure which shows the processing flow of step S20. ステップＳ１２の処理フローを示す図。The figure which shows the processing flow of step S12.

Ａ．実施形態：
Ａ−１．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の実施形態における燃料電池システム１０を模式的に示す説明図である。燃料電池システム１０は、燃料電池１５と、アノードガス給排系２０と、カソードガス給排系３０と、制御部としてのＥＣＵ４０とを備える。ＥＣＵ４０は、燃料電池システム１０の動作を制御する。燃料電池１５は、アノードガスとカソードガスとを反応させて発電する。燃料電池システム１０は、動力源として車両に搭載されている。 A. Embodiment:
A-1. Fuel cell system configuration:
FIG. 1 is an explanatory diagram schematically showing a fuel cell system 10 according to an embodiment of the present invention. The fuel cell system 10 includes a fuel cell 15, an anode gas supply / discharge system 20, a cathode gas supply / discharge system 30, and an ECU 40 as a control unit. The ECU 40 controls the operation of the fuel cell system 10. The fuel cell 15 generates electricity by reacting the anode gas and the cathode gas. The fuel cell system 10 is mounted on the vehicle as a power source.

アノードガス給排系２２０は、アノードガスタンク２１０と、配管としてのアノードガス供給路２２と、配管としてのアノードガス循環路２３０と、主止弁２５０と、調圧弁２６０と、圧力センサ２７０と、循環ポンプ２８０と、気液分離器２９０と、排気排水弁２９５と、配管としての排気排水路２４０とを備える。 The anode gas supply / discharge system 220 circulates with an anode gas tank 210, an anode gas supply path 22 as a pipe, an anode gas circulation path 230 as a pipe, a main stop valve 250, a pressure regulating valve 260, and a pressure sensor 270. It includes a pump 280, a gas-liquid separator 290, an exhaust drain valve 295, and an exhaust drain passage 240 as piping.

アノードガスタンク２１０は、例えば高圧の水素ガスを貯蔵している。アノードガスタンク２１０は、アノードガス供給路２２０を介して燃料電池１５と接続されている。アノードガス供給路２２０には、アノードガスタンク２１０側から、主止弁２５０と、調圧弁２６０と、圧力センサ２７０とがこの順に設けられている。主止弁２５０は、ＥＣＵ４０からの指示に応じてアノードガスタンク２１０からのアノードガスの供給をオン、オフする。調圧弁２６０は、ＥＣＵ４０からの指示に応じて燃料電池１５に供給されるアノードガスの圧力を調整する。圧力センサ２７０は、燃料電池１５に供給されるアノードガスの圧力を検出する。圧力センサ２７０の検出結果は、ＥＣＵ４０に送信される。 The anode gas tank 210 stores, for example, high-pressure hydrogen gas. The anode gas tank 210 is connected to the fuel cell 15 via the anode gas supply path 220. The anode gas supply path 220 is provided with a main stop valve 250, a pressure regulating valve 260, and a pressure sensor 270 in this order from the anode gas tank 210 side. The main stop valve 250 turns on and off the supply of the anode gas from the anode gas tank 210 according to the instruction from the ECU 40. The pressure regulating valve 260 adjusts the pressure of the anode gas supplied to the fuel cell 15 in response to an instruction from the ECU 40. The pressure sensor 270 detects the pressure of the anode gas supplied to the fuel cell 15. The detection result of the pressure sensor 270 is transmitted to the ECU 40.

アノードガス循環路２３０は、燃料電池１５とアノードガス供給路２２０とに接続され、燃料電池１５から排出されたアノード排ガスをアノードガス供給路２２０に循環させる。アノードガス循環路２３０には、気液分離器２９０と、ＥＣＵ４０によって制御される循環ポンプ２８０とが設けられている。気液分離器２９０は、燃料電池１５から排出された液水混じりのアノード排ガスから液水を分離する。また、アノード排ガスに含まれる不純物ガス、例えば窒素ガスも液水とともに分離される。未使用の水素ガスを含むアノード排ガスは、循環ポンプ２８０によってアノードガス供給路２２０に循環される。排気排水弁２９５は、ＥＣＵ４０からの指示に応じて所定のタイミングで開状態となる。これにより、分離された液水と窒素ガスが、排気排水路２４０を通過してシステム外に放出される。 The anode gas circulation path 230 is connected to the fuel cell 15 and the anode gas supply path 220, and the anode exhaust gas discharged from the fuel cell 15 is circulated in the anode gas supply path 220. The anode gas circulation path 230 is provided with a gas-liquid separator 290 and a circulation pump 280 controlled by the ECU 40. The gas-liquid separator 290 separates the liquid water from the anode exhaust gas mixed with the liquid water discharged from the fuel cell 15. Impurity gas contained in the anode exhaust gas, for example, nitrogen gas, is also separated together with the liquid water. The anodic exhaust gas containing unused hydrogen gas is circulated to the anodic gas supply path 220 by the circulation pump 280. The exhaust / drain valve 295 is opened at a predetermined timing according to an instruction from the ECU 40. As a result, the separated liquid water and nitrogen gas are discharged to the outside of the system through the exhaust drainage channel 240.

カソードガス給排系３０は、配管としてのカソードガス供給路３２０と、配管としてのカソードガス排出路３４０と、備える。カソードガス給排系３０は、カソードガス供給路３２０によってカソードガスとしての空気を燃料電池１５に供給すると共に、燃料電池１５から排出されたカソード排ガス（未使用のカソードガス）をシステム外に排出する。 The cathode gas supply / discharge system 30 includes a cathode gas supply path 320 as a pipe and a cathode gas discharge path 340 as a pipe. The cathode gas supply / exhaust system 30 supplies air as a cathode gas to the fuel cell 15 through the cathode gas supply path 320, and discharges the cathode exhaust gas (unused cathode gas) discharged from the fuel cell 15 to the outside of the system. ..

カソードガス供給路３２０は、上流側供給路３２６と、下流側供給路３２７と、バイパス供給路３２８とを備える。カソードガス供給路３２０は、燃料電池１５に供給されるカソードガスが流通する。 The cathode gas supply path 320 includes an upstream supply path 326, a downstream supply path 327, and a bypass supply path 328. The cathode gas supply path 320 circulates the cathode gas supplied to the fuel cell 15.

上流側供給路３２６には、エアクリーナ３０１と、大気圧センサ３０２と、外気温センサ３０４と、エアフローメータ３０６とが設けられている。エアクリーナ３０１は、カソードガスを取り込む時に塵埃を除去する。大気圧センサ３０２は、大気圧を検出する。外気温センサ３０４は、取り込む前のカソードガスの温度を検出する。エアフローメータ３０６は、取り込んだカソードガスの量を検出する。各要素３０２，３０４，３０６による検出結果は、ＥＣＵ４０に送信される。上流側供給路３２６のうちで、エアクリーナ３０１およびエアフローメータ３０６よりも下流側には、第１コンプレッサ３２１が配置されている。第１コンプレッサ３２１は、第１モータ３２２を駆動することで下流側へとカソードガスを吐出する。第１モータ３２２は、ＥＣＵ４０によって制御される。 The upstream supply path 326 is provided with an air cleaner 301, an atmospheric pressure sensor 302, an outside air temperature sensor 304, and an air flow meter 306. The air cleaner 301 removes dust when taking in the cathode gas. The atmospheric pressure sensor 302 detects the atmospheric pressure. The outside air temperature sensor 304 detects the temperature of the cathode gas before it is taken in. The air flow meter 306 detects the amount of cathode gas taken in. The detection results of the elements 302, 304, and 306 are transmitted to the ECU 40. The first compressor 321 is arranged on the downstream side of the upstream supply path 326 with respect to the air cleaner 301 and the air flow meter 306. The first compressor 321 drives the first motor 322 to discharge the cathode gas to the downstream side. The first motor 322 is controlled by the ECU 40.

上流側供給路３２６と下流側供給路３２７とバイパス供給路３２８との接続部分には、三方弁３１６が配置されている。三方弁３１６は、ＥＣＵ４０からの指示に応じて、第１連通状態と第２連通状態とを切り替え可能である。第１連通状態とは、バイパス供給路３２８を経由することなく上流側供給路３２６と下流側供給路３２７とが直接に連通する状態である。第２連通状態とは、バイパス供給路３２８を経由して上流側供給路３２６と下流側供給路３２７とが連通する状態である。 A three-way valve 316 is arranged at a connecting portion between the upstream side supply path 326, the downstream side supply path 327, and the bypass supply path 328. The three-way valve 316 can switch between the first communication state and the second communication state in response to an instruction from the ECU 40. The first communication state is a state in which the upstream side supply path 326 and the downstream side supply path 327 directly communicate with each other without passing through the bypass supply path 328. The second communication state is a state in which the upstream side supply path 326 and the downstream side supply path 327 communicate with each other via the bypass supply path 328.

下流側供給路３２７のうち、バイパス供給路３２８の下流端が接続された部分よりも下流側には、インタークーラー３２９が配置されている。インタークーラー３２９は、燃料電池１５に供給されるカソードガスを冷却する。また下流側供給路３２７のうちインタークーラー３２９よりも下流側には、供給ガス温度センサ３１０と供給ガス圧力センサ３１２とが配置されている。供給ガス温度センサ３１０は、燃料電池１５に供給されるカソードガスの温度を検出し、検出結果をＥＣＵ４０に送信する。供給ガス圧力センサ３１２は、燃料電池１５に供給されるカソードガスの圧力を検出し、検出結果をＥＣＵ４０に送信する。 The intercooler 329 is arranged on the downstream side of the downstream supply path 327 with respect to the portion to which the downstream end of the bypass supply path 328 is connected. The intercooler 329 cools the cathode gas supplied to the fuel cell 15. A supply gas temperature sensor 310 and a supply gas pressure sensor 312 are arranged on the downstream side of the downstream supply path 327 on the downstream side of the intercooler 329. The supply gas temperature sensor 310 detects the temperature of the cathode gas supplied to the fuel cell 15 and transmits the detection result to the ECU 40. The supply gas pressure sensor 312 detects the pressure of the cathode gas supplied to the fuel cell 15 and transmits the detection result to the ECU 40.

バイパス供給路３２８には、第２コンプレッサ３３１が配置されている。第２コンプレッサ３３１は、第２モータ３３２およびタービン３３３によって駆動する。第２コンプレッサ３３１は、下流側へとカソードガスを吐出する。タービン３３３は、第２コンプレッサ３３１と同軸上に位置し、第２モータ３３２を介して第２コンプレッサ３３１に連結されている。タービン３３３は、カソードガス排出路３４０に配置され、カソード排ガスによって駆動（回転）する。タービン３３３の回転によって生じた動力は、第２モータ３３２の補助的な動力として用いられる。第２コンプレッサ３３１は、後述するタービン効率を考慮して、第１コンプレッサ３２１よりも低速で回転するように設定されることが好ましい。 A second compressor 331 is arranged in the bypass supply path 328. The second compressor 331 is driven by the second motor 332 and the turbine 333. The second compressor 331 discharges the cathode gas to the downstream side. The turbine 333 is located coaxially with the second compressor 331 and is connected to the second compressor 331 via the second motor 332. The turbine 333 is arranged in the cathode gas discharge path 340 and is driven (rotated) by the cathode exhaust gas. The power generated by the rotation of the turbine 333 is used as an auxiliary power for the second motor 332. The second compressor 331 is preferably set to rotate at a lower speed than the first compressor 321 in consideration of the turbine efficiency described later.

カソードガス排出路３４０は、燃料電池１５から排出されたカソード排ガスが流通する。カソードガス排出路３４０のうち、タービン３３３よりも上流側には調圧弁３１８が配置されている。調圧弁３１８は、ＥＣＵ４０からの指示に応じて燃料電池１５におけるカソードガスの圧力を調整する。カソードガス排出路３４０のうち、タービン３３３よりも下流側部分には排気排水路２４０の下流端が接続されている。また、カソードガス排出路３４０のうち、排気排水路２４０の接続部分よりも下流側にはマフラー３８が配置されている。マフラー３８は、カソード排ガスの排気音を減少させる。 The cathode exhaust gas discharged from the fuel cell 15 flows through the cathode gas discharge path 340. A pressure regulating valve 318 is arranged on the upstream side of the cathode gas discharge path 340 with respect to the turbine 333. The pressure regulating valve 318 adjusts the pressure of the cathode gas in the fuel cell 15 in response to an instruction from the ECU 40. The downstream end of the exhaust gas discharge passage 240 is connected to the portion of the cathode gas discharge passage 340 on the downstream side of the turbine 333. Further, in the cathode gas discharge passage 340, the muffler 38 is arranged on the downstream side of the connection portion of the exhaust drainage passage 240. The muffler 38 reduces the exhaust noise of the cathode exhaust gas.

また、燃料電池システム１０は、図示しない、燃料電池１５を冷却するための冷却系を有していてもよい。 Further, the fuel cell system 10 may have a cooling system (not shown) for cooling the fuel cell 15.

図２は、タービン３３３の概略説明図である。図３は、タービン効率η_ｔと、速度比（Ｕ／Ｃ）との関係を示すグラフである。図２に示すように、タービン３３３は、ハウジング３３７と、ハウジング３３７内に配置されたタービン翼３３８とを有するラジアルタービンである。図４に示すように、タービン効率η_ｔは、速度比（Ｕ／Ｃ）がＶ１の地点で最高値を示す。ここで、「Ｕ」は、タービン周速（タービン翼３３８の周方向の回転速度）であり、タービン翼３３８の回転数Ｎ（ｒｐｍ）と、タービン翼３３８の外径Ｄとの積によって表される。また「Ｃ」は、断熱速度であり、流入するカソード排ガスの温度と圧力との関数によって表される。断熱速度Ｃは、ある温度と圧力とを有するガスを、所定の温度と圧力まで膨張させたときに得られる理論的なガス速度を意味する。図２に示す符号Ｗは、タービン翼３３８に流入するガス（ここでは、カソード排ガス）の相対流入速度である。 FIG. 2 is a schematic explanatory view of the turbine 333. FIG. 3 is a graph showing the relationship between the turbine efficiency η _t and the speed ratio (U / C). As shown in FIG. 2, the turbine 333 is a radial turbine having a housing 337 and turbine blades 338 arranged within the housing 337. As shown in FIG. 4, the turbine efficiency η _t shows the highest value at the point where the speed ratio (U / C) is V1. Here, "U" is the peripheral speed of the turbine (rotational speed of the turbine blade 338 in the circumferential direction), and is represented by the product of the rotation speed N (rpm) of the turbine blade 338 and the outer diameter D of the turbine blade 338. Turbine. Further, "C" is an adiabatic rate and is represented by a function of the temperature and pressure of the inflowing cathode exhaust gas. The adiabatic velocity C means a theoretical gas velocity obtained when a gas having a certain temperature and pressure is expanded to a predetermined temperature and pressure. Reference numeral W shown in FIG. 2 is a relative inflow rate of the gas (here, cathode exhaust gas) flowing into the turbine blade 338.

図３に示すように、タービン効率η_ｔは、速度比（Ｕ／Ｃ）がＶ１において最大効率を示す。ここで、第２コンプレッサ３３１とタービン３３３とでは、効率良く動作できる回転数が異なり、燃料電池１５からの要求に応じて第２コンプレッサ３３１の回転数を先に決定した場合、速度比（Ｕ／Ｃ）は過大となりタービン効率η_ｔが著しく低下する場合がある。 As shown in FIG. 3, the turbine efficiency η _t shows the maximum efficiency when the speed ratio (U / C) is V1. Here, the rotation speeds that can be efficiently operated differ between the second compressor 331 and the turbine 333, and when the rotation speed of the second compressor 331 is determined first in response to the request from the fuel cell 15, the speed ratio (U / C) may become excessive and the turbine efficiency η _t may be significantly reduced.

図４は、第１コンプレッサ３２１の第１コンプレッサマップの概念図である。第１コンプレッサマップは、ＥＣＵ４０に記憶されている。第１コンプレッサマップは、横軸に規定された空気流量と縦軸に規定された吸気圧力比とによって定まる第１コンプレッサ３２１の回転数ＲＡを表した二次元マップである。吸気圧力比は、大気圧に対するブースト圧の絶対圧の割合である。 FIG. 4 is a conceptual diagram of the first compressor map of the first compressor 321. The first compressor map is stored in the ECU 40. The first compressor map is a two-dimensional map showing the rotation speed RA of the first compressor 321 determined by the air flow rate defined on the horizontal axis and the intake pressure ratio defined on the vertical axis. The intake pressure ratio is the ratio of the absolute pressure of the boost pressure to the atmospheric pressure.

図４には、回転数ＲＡとして代表して回転数Ｒ１〜Ｒ５のラインを示している。回転数Ｒ１から回転数Ｒ５に向かうに従い、回転数は大きくなる。なお、第１コンプレッサ３２１の最大回転数は回転数Ｒ５である。また、第１コンプレッサマップには、空気流量と吸気圧力比とによって定まるコンプレッサの効率が規定されている。図４には、代表して効率Ｅ１〜Ｅ４のラインを示している。効率Ｅ１〜Ｅ４のうちで、効率Ｅ１が最も高い効率であり、効率Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４の順で効率が低くなる。なお、第２コンプレッサ３３１の第２コンプレッサマップも、ＥＣＵ４０に記憶されている。 FIG. 4 shows the lines of the rotation speeds R1 to R5 as the rotation speed RA as a representative. The rotation speed increases from the rotation speed R1 to the rotation speed R5. The maximum rotation speed of the first compressor 321 is the rotation speed R5. Further, the first compressor map defines the efficiency of the compressor, which is determined by the air flow rate and the intake pressure ratio. FIG. 4 shows the lines of efficiencies E1 to E4 as a representative. Among the efficiencies E1 to E4, the efficiency E1 is the highest efficiency, and the efficiencies E2, E3, and E4 decrease in this order. The second compressor map of the second compressor 331 is also stored in the ECU 40.

Ａ−２．ＥＣＵの制御フロー：
図５は、ＥＣＵ４０が実行する制御フローを示す図である。図６は、ステップＳ２０の処理フローを示す図である。図７は、ステップＳ１２の処理フローを示す図である。図５に示す制御フローは、所定のタイミング毎に実行される。 A-2. ECU control flow:
FIG. 5 is a diagram showing a control flow executed by the ECU 40. FIG. 6 is a diagram showing a processing flow of step S20. FIG. 7 is a diagram showing a processing flow in step S12. The control flow shown in FIG. 5 is executed at predetermined timing intervals.

ＥＣＵ４０は、燃料電池１５の要求発電量に応じて定まる目標流量と目標圧力が、予め定めた範囲内であるか否かを判定する（ステップＳ５）。目標圧力は、大気圧に対する供給圧力の割合（供給圧力／大気圧）によって表される。ＥＣＵ４０は、要求発電量と、燃料電池１５へ供給するカソードガスの目標流量および目標圧力とを一意に対応付けたマップを用いて目標流量および目標圧力を決定する。予め定めた範囲とは、例えば、第１コンプレッサ３２１の駆動のみで効率良く運転できる範囲であり、例えば、第１コンプレッサマップにおける所定の効率（例えば図４の効率Ｅ４）以上の効率で運転できる範囲内の空気流量（目標流量）と吸気圧力比（目標圧力）がとる範囲である。また例えば、予め定めた範囲とは、燃料電池車両が定速運転や加速の程度が小さい運転を行っている場合などの燃料電池１５から要求される要求発電量が比較的小さい場合における目標流量および目標圧力がとる範囲であってもよい。つまり、燃料電池１５から要求される要求発電量が予め定めた閾値以下である場合に、後述するステップＳ１０、ステップＳ２０を実行し、要求発電量が閾値より大きい場合に、後述するステップＳ１１、ステップＳ１２を実行してもよい。 The ECU 40 determines whether or not the target flow rate and the target pressure determined according to the required power generation amount of the fuel cell 15 are within the predetermined ranges (step S5). The target pressure is expressed by the ratio of the supply pressure to the atmospheric pressure (supply pressure / atmospheric pressure). The ECU 40 determines the target flow rate and target pressure using a map that uniquely associates the required power generation amount with the target flow rate and target pressure of the cathode gas supplied to the fuel cell 15. The predetermined range is, for example, a range in which efficient operation can be performed only by driving the first compressor 321. For example, a range in which operation can be performed with an efficiency equal to or higher than a predetermined efficiency in the first compressor map (for example, efficiency E4 in FIG. 4). This is the range taken by the air flow rate (target flow rate) and the intake pressure ratio (target pressure). Further, for example, the predetermined range includes the target flow rate when the required power generation amount required from the fuel cell 15 is relatively small, such as when the fuel cell vehicle is operating at a constant speed or operating at a small degree of acceleration. It may be within the range taken by the target pressure. That is, when the required power generation amount required from the fuel cell 15 is equal to or less than a predetermined threshold value, steps S10 and S20 described later are executed, and when the required power generation amount is larger than the threshold value, steps S11 and step S12 described later are executed. S12 may be executed.

ステップＳ５において、目標流量および目標圧力が予め定めた範囲内にある場合、ＥＣＵ４０は、三方弁３１６を制御して、上流側供給路３２６と下流側供給路３２７とが直接に連通する第１連通状態とする（ステップＳ１０）。そして、ＥＣＵ４０は、第１コンプレッサ３２１のみを駆動させる（ステップＳ２０）。 In step S5, when the target flow rate and the target pressure are within the predetermined ranges, the ECU 40 controls the three-way valve 316 to directly communicate the upstream side supply path 326 and the downstream side supply path 327 with the first communication. The state is set (step S10). Then, the ECU 40 drives only the first compressor 321 (step S20).

ステップＳ５において、目標流量および目標圧力が予め定めた範囲から外れる場合、ＥＣＵ４０は、三方弁３１６を制御して、バイパス供給路３２８を経由して上流側供給路３２６と下流側供給路３２７とが連通する第２連通状態とする（ステップＳ１１）。目標流量および目標圧力が予め定めた範囲から外れる場合とは、例えば、燃料電池車両の加速の程度が大きい運転や坂道をのぼる運転など高負荷運転を行っている場合などの燃料電池１５から要求される要求発電量が比較的大きい場合における目標流量および目標圧力がとる範囲である。ステップＳ１１の次に、ＥＣＵ４０は、第１コンプレッサ３２１および第２コンプレッサ３３１を駆動させる（ステップＳ１２）。 In step S5, when the target flow rate and the target pressure deviate from the predetermined ranges, the ECU 40 controls the three-way valve 316 to connect the upstream supply path 326 and the downstream supply path 327 via the bypass supply path 328. The second communication state of communication is set (step S11). The case where the target flow rate and the target pressure deviate from the predetermined range is required from the fuel cell 15, for example, when the fuel cell vehicle is performing a high load operation such as a large degree of acceleration or a hill climbing operation. This is the range taken by the target flow rate and target pressure when the required power generation amount is relatively large. After step S11, the ECU 40 drives the first compressor 321 and the second compressor 331 (step S12).

ステップＳ１２またはステップＳ２０の次に、ＥＣＵ４０は、調圧弁３１８（図１）の開度を設定する（ステップＳ１４）。ステップＳ１４の前にステップＳ２０が実行された場合、ＥＣＵ４０は、目標流量と目標圧力と第１コンプレッサ３２１の回転数ＲＡとによって一意に定まる第１開度マップを用いて開度を設定する。また、ステップＳ１４の前にステップＳ１２が実行された場合、ＥＣＵ４０は目標流量と目標圧力と第１コンプレッサ３２１の回転数ＲＡと第２コンプレッサ３３１の回転数ＲＢとによって一意に定まる第２開度マップを用いて開度を設定する。第１開度マップおよび第２開度マップは、ＥＣＵ４０に記憶されている。ステップＳ１４の次に、ＥＣＵ４０は、大気圧センサ３０２の圧力Ｐ１と、供給ガス圧力センサ３１２の圧力Ｐ２との検出圧力比（Ｐ２／Ｐ１）が、目標圧力と一致するかどうかを判定する（ステップＳ１６）。検出圧力比（Ｐ２／Ｐ１）と目標圧力とが一致する場合は、制御フローは終了される。検出圧力比（Ｐ２／Ｐ１）が目標圧力よりも低い場合は、ＥＣＵ４０は、検出圧力比（Ｐ２／Ｐ１）が目標圧力に一致するように、調圧弁３１８の開度を下げる（ステップＳ１８）。また、検出圧力比（Ｐ２／Ｐ１）が目標圧力よりも高い場合は、ＥＣＵ４０は、検出圧力比（Ｐ２／Ｐ１）が目標圧力に一致するように、調圧弁３１８の開度を上げる（ステップＳ１９）。なお、ステップＳ１６以降の処理は省略してもよい。 Following step S12 or step S20, the ECU 40 sets the opening degree of the pressure regulating valve 318 (FIG. 1) (step S14). When step S20 is executed before step S14, the ECU 40 sets the opening degree using the first opening degree map uniquely determined by the target flow rate, the target pressure, and the rotation speed RA of the first compressor 321. When step S12 is executed before step S14, the ECU 40 has a second opening degree map uniquely determined by the target flow rate, the target pressure, the rotation speed RA of the first compressor 321 and the rotation speed RB of the second compressor 331. Use to set the opening. The first opening degree map and the second opening degree map are stored in the ECU 40. After step S14, the ECU 40 determines whether or not the detected pressure ratio (P2 / P1) between the pressure P1 of the atmospheric pressure sensor 302 and the pressure P2 of the supply gas pressure sensor 312 matches the target pressure (step). S16). When the detected pressure ratio (P2 / P1) and the target pressure match, the control flow is terminated. When the detected pressure ratio (P2 / P1) is lower than the target pressure, the ECU 40 lowers the opening degree of the pressure regulating valve 318 so that the detected pressure ratio (P2 / P1) matches the target pressure (step S18). When the detected pressure ratio (P2 / P1) is higher than the target pressure, the ECU 40 increases the opening degree of the pressure regulating valve 318 so that the detected pressure ratio (P2 / P1) matches the target pressure (step S19). ). The processing after step S16 may be omitted.

図６に示すようにステップＳ２０では、ＥＣＵ４０は目標流量および目標圧力と、第１コンプレッサマップからコンプレッサ２６の回転数ＲＡを決定する（ステップＳ２０２）。具体的にはＥＣＵ４０は、第１コンプレッサマップのうちで、空気流量に目標圧力を当てはめ、吸気圧力比に目標圧力を当てはめることで、回転数ＲＡを決定する。ステップＳ２０２の次に、ＥＣＵ４０は、第１モータ３２２にステップＳ２０２で決定した回転数ＲＡとなるように駆動指示を行うと共に、第２モータ３３２に対して停止指示を行う（ステップＳ２０４）。なお、第１モータ３２２と第１コンプレッサ３２１との回転数は同じである。 As shown in FIG. 6, in step S20, the ECU 40 determines the target flow rate and the target pressure, and the rotation speed RA of the compressor 26 from the first compressor map (step S202). Specifically, the ECU 40 determines the rotation speed RA by applying the target pressure to the air flow rate and the target pressure to the intake pressure ratio in the first compressor map. After step S202, the ECU 40 gives a drive instruction to the first motor 322 so that the rotation speed RA is determined in step S202, and also gives a stop instruction to the second motor 332 (step S204). The rotation speeds of the first motor 322 and the first compressor 321 are the same.

図７に示すようにステップＳ１２では、ＥＣＵ４０は、断熱速度Ｃを算出する（ステップＳ１２１）。具体的には、ＥＣＵ４０は、供給ガス温度センサ３１０と供給ガス圧力センサ３１２によって下流側供給路３２７を流通するカソードガスの温度と圧力とを検出する。検出したカソードガスの温度および圧力と、燃料電池１５の発熱量と、調圧弁３１８やタービン３３３などによる圧力損失とに基づいて、ＥＣＵ４０はタービン３３３に流入するカソード排ガスの温度と圧力とを推定する。そして推定した温度と圧力と、エアフローメータ３０６によって検出したカソードガスの量とに基づいて、予め定めた式を用いて断熱速度Ｃを算出する。 As shown in FIG. 7, in step S12, the ECU 40 calculates the heat insulation speed C (step S121). Specifically, the ECU 40 detects the temperature and pressure of the cathode gas flowing through the downstream supply path 327 by the supply gas temperature sensor 310 and the supply gas pressure sensor 312. The ECU 40 estimates the temperature and pressure of the cathode exhaust gas flowing into the turbine 333 based on the detected temperature and pressure of the cathode gas, the calorific value of the fuel cell 15, and the pressure loss due to the pressure regulating valve 318, the turbine 333, and the like. .. Then, based on the estimated temperature and pressure and the amount of cathode gas detected by the air flow meter 306, the heat insulation rate C is calculated using a predetermined formula.

ステップＳ１２１の次に、ＥＣＵ４０は、速度比（Ｕ／Ｃ）が所定の値となるように、第２コンプレッサ３３１の回転数ＲＢを決定する（ステップＳ１２２）。本実施形態では、タービン効率η_ｔが最高値となる速度比（Ｕ／Ｃ）となるように、回転数ＲＢを決定する。なお、第２コンプレッサ３３１とタービン３３３とは同軸上に配置されており、回転数は同じになる。次にＥＣＵ４０は、燃料電池１５の要求発電量に応じて定まる目標流量と、決定した回転数ＲＢと、第２コンプレッサマップとに基づいて第２コンプレッサ３３１の吸気圧力比（第２吸気圧力比）を決定する（ステップＳ１２３）。 After step S121, the ECU 40 determines the rotation speed RB of the second compressor 331 so that the speed ratio (U / C) becomes a predetermined value (step S122). In the present embodiment, the rotation speed RB is determined so that the turbine efficiency η _t becomes the maximum speed ratio (U / C). The second compressor 331 and the turbine 333 are arranged coaxially, and the rotation speeds are the same. Next, the ECU 40 determines the intake pressure ratio of the second compressor 331 (second intake pressure ratio) based on the target flow rate determined according to the required power generation amount of the fuel cell 15, the determined rotation speed RB, and the second compressor map. Is determined (step S123).

次に、ＥＣＵ４０は、燃料電池１５の要求発電量に応じて定まる目標圧力とステップＳ１２３で決定した第２吸気圧力比とに基づいて第１コンプレッサ３２１の吸気圧力比（第１吸気圧力比）を算出する（ステップＳ１２４）。具体的には、ＥＣＵ４０は、第１吸気圧力比と第２吸気圧力比との積が目標圧力となる関係式を用いて第１吸気圧力比を算出する。次にＥＣＵ４０は、算出した第１吸気圧力比と、燃料電池１５の要求発電量に応じて定まる目標流量と、第１コンプレッサマップとに基づいて第１コンプレッサ３２１の回転数ＲＡを決定する（ステップＳ１２５）。ＥＣＵ４０は、ステップＳ１２２で決定した回転数ＲＢとなるように第２モータ３３２に対して駆動指示を行うと共に、ステップＳ１２５で決定した回転数ＲＡとなるように第１モータ３２２に対して駆動指示を行う（ステップＳ１２６）。 Next, the ECU 40 sets the intake pressure ratio (first intake pressure ratio) of the first compressor 321 based on the target pressure determined according to the required power generation amount of the fuel cell 15 and the second intake pressure ratio determined in step S123. Calculate (step S124). Specifically, the ECU 40 calculates the first intake pressure ratio using a relational expression in which the product of the first intake pressure ratio and the second intake pressure ratio is the target pressure. Next, the ECU 40 determines the rotation speed RA of the first compressor 321 based on the calculated first intake pressure ratio, the target flow rate determined according to the required power generation amount of the fuel cell 15, and the first compressor map (step). S125). The ECU 40 gives a drive instruction to the second motor 332 so as to have the rotation speed RB determined in step S122, and also gives a drive instruction to the first motor 322 so as to have the rotation speed RA determined in step S125. (Step S126).

以上のように、ＥＣＵ４０は、燃料電池１５の要求発電量に応じて定まる、燃料電池１５へ供給するカソードガスの目標流量および目標圧力が、予め定めた範囲内にある場合に第１コンプレッサ３２１を駆動させることで燃料電池１５にカソードガスを供給している。また、ＥＣＵ４０は、目標流量および目標圧力が、予め定めた範囲から外れる場合に第１コンプレッサ３２１および前記第２コンプレッサ３３１を駆動させることで燃料電池１５にカソードガスを供給している。 As described above, the ECU 40 uses the first compressor 321 when the target flow rate and the target pressure of the cathode gas supplied to the fuel cell 15, which are determined according to the required power generation amount of the fuel cell 15, are within the predetermined ranges. The cathode gas is supplied to the fuel cell 15 by driving the fuel cell 15. Further, the ECU 40 supplies the cathode gas to the fuel cell 15 by driving the first compressor 321 and the second compressor 331 when the target flow rate and the target pressure deviate from the predetermined ranges.

上記実施形態によれば、第１モータ３２２によって駆動する第１コンプレッサ３２１、および、第２モータ３３２によって駆動する第２コンプレッサ３３１を用いることにより、燃料電池システム１０の運転効率の低下を抑制できる。また、上記実施形態によれば、第２コンプレッサ３３１が第１コンプレッサ３２１より下流側に配置されているため、第２コンプレッサ３３１が駆動された場合でも、加熱されたカソードガスが第１コンプレッサ３２１に流入する可能性を低減できる。これにより、第１コンプレッサ３２１が熱応力の影響を受けることを抑制できる。 According to the above embodiment, by using the first compressor 321 driven by the first motor 322 and the second compressor 331 driven by the second motor 332, it is possible to suppress a decrease in the operating efficiency of the fuel cell system 10. Further, according to the above embodiment, since the second compressor 331 is arranged on the downstream side of the first compressor 321, even when the second compressor 331 is driven, the heated cathode gas is transferred to the first compressor 321. The possibility of inflow can be reduced. As a result, it is possible to prevent the first compressor 321 from being affected by thermal stress.

また、上記実施形態によれば、第２モータ３３２によって第２コンプレッサ３３１を駆動させる場合、タービン効率η_ｔが最も高くなる速度比（Ｕ／Ｃ）となるように、回転数ＲＢを決定している（図７のステップＳ１２２）。これにより、タービン効率の低下を抑制しつつ第２コンプレッサ３３１を運転できる。また、上記実施形態によれば、目標流量と目標圧力とが予め定めた範囲内である場合には、第１コンプレッサ３２１のみを駆動させ、第２コンプレッサ３３１の駆動は停止されている。これにより、メカフリクションの増加を抑制できる。 Further, according to the above embodiment, when the second compressor 331 is driven by the second motor 332, the rotation speed RB is determined so that the speed ratio (U / C) at which the turbine efficiency η _t becomes the highest is obtained. (Step S122 in FIG. 7). As a result, the second compressor 331 can be operated while suppressing a decrease in turbine efficiency. Further, according to the above embodiment, when the target flow rate and the target pressure are within a predetermined range, only the first compressor 321 is driven, and the driving of the second compressor 331 is stopped. As a result, an increase in mechanical friction can be suppressed.

Ｂ．変形例：
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。 B. Modification example:
The present invention is not limited to the above-described embodiments, examples, and modifications, and can be realized with various configurations within a range not deviating from the gist thereof. For example, the technical features in the embodiments, examples, and modifications corresponding to the technical features in each embodiment described in the column of the outline of the invention may be used to solve some or all of the above-mentioned problems. , It is possible to replace or combine as appropriate in order to achieve a part or all of the above-mentioned effects. Further, if the technical feature is not described as essential in the present specification, it can be appropriately deleted.

１０…燃料電池システム
１５…燃料電池
２０…アノードガス給排系
２６…コンプレッサ
３０…カソードガス給排系
３８…マフラー
２１０…アノードガスタンク
２２０…アノードガス供給路
２３０…アノードガス循環路
２４０…排気排水路
２５０…主止弁
２６０…調圧弁
２７０…圧力センサ
２８０…循環ポンプ
２９０…気液分離器
２９５…排気排水弁
３０１…エアクリーナ
３０２…大気圧センサ
３０４…外気温センサ
３０６…エアフローメータ
３１０…供給ガス温度センサ
３１２…供給ガス圧力センサ
３１６…三方弁
３１８…調圧弁
３２０…カソードガス供給路
３２１…第１コンプレッサ
３２２…第１モータ
３２６…上流側供給路
３２７…下流側供給路
３２８…バイパス供給路
３２９…インタークーラー
３３１…第２コンプレッサ
３３２…第２モータ
３３３…タービン
３３７…ハウジング
３３８…タービン翼
３４０…カソードガス排出路 10 ... Fuel cell system 15 ... Fuel cell 20 ... Anodic gas supply / exhaust system 26 ... Compressor 30 ... Cathode gas supply / exhaust system 38 ... Muffler 210 ... Anodic gas tank 220 ... Anodic gas supply path 230 ... Anodon gas circulation path 240 ... Exhaust / drainage channel 250 ... Main stop valve 260 ... Pressure regulating valve 270 ... Pressure sensor 280 ... Circulation pump 290 ... Gas-liquid separator 295 ... Exhaust drain valve 301 ... Air cleaner 302 ... Atmospheric pressure sensor 304 ... Outside temperature sensor 306 ... Air flow meter 310 ... Supply gas temperature Sensor 312 ... Supply gas pressure sensor 316 ... Three-way valve 318 ... Pressure regulating valve 320 ... Cathode gas supply path 321 ... First compressor 322 ... First motor 326 ... Upstream supply path 327 ... Downstream supply path 328 ... Bypass supply path 329 ... Intercooler 331 ... 2nd compressor 332 ... 2nd motor 333 ... Turbine 337 ... Housing 338 ... Turbine blade 340 ... Cathode gas discharge path

Claims

It ’s a fuel cell system,
With a fuel cell
A cathode gas supply path through which the cathode gas supplied to the fuel cell flows, and
A cathode gas discharge path through which the cathode exhaust gas discharged from the fuel cell flows, and
A first compressor driven by a first motor, which is arranged in the cathode gas supply path,
In the cathode gas supply path, a second compressor driven by a second motor arranged on the downstream side of the first compressor, and
A turbine connected to the second compressor via the second motor and driven by the cathode exhaust gas, and
A control unit that controls the operation of the fuel cell system is provided.
The control unit
The fuel cell is driven by driving the first compressor when the target flow rate and target pressure of the cathode gas supplied to the fuel cell, which are determined according to the required power generation amount of the fuel cell, are within a predetermined range. The cathode gas is supplied to the
When the target flow rate and the target pressure deviate from the predetermined ranges, the first compressor and the second compressor are driven to supply the cathode gas to the fuel cell .
When the first compressor and the second compressor are driven when the range is out of the predetermined range, the turbine peripheral speed U, which is the rotational speed of the turbine blades in the circumferential direction, and the temperature of the cathode exhaust gas flowing into the turbine. The rotation speed of the second compressor is determined so that the speed ratio (U / C) determined by the adiabatic speed C represented by the function of and the pressure becomes a predetermined value, and then the target flow rate and the determination are determined. A fuel cell system in which the rotation speed of the first compressor is determined using the rotation speed .