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JP5835151B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description

本発明は、燃料電池の技術に関する。   The present invention relates to fuel cell technology.

燃料電池の出力を制御する方法として、燃料電池へ供給するカソードガスの供給圧力を制御する技術が知られている(下記特許文献1)。燃料電池には、カソードガスの供給圧力を高くすると、出力が上昇と言う特性がある。下記特許文献1には、燃料電池から排出されるカソードオフガスの背圧を背圧弁を閉方向に制御することによって上昇させ、結果として、カソードガスの供給圧力を上昇させて燃料電池の出力を高める技術が記載されている。   As a method for controlling the output of the fuel cell, a technique for controlling the supply pressure of cathode gas supplied to the fuel cell is known (Patent Document 1 below). The fuel cell has a characteristic that the output increases when the supply pressure of the cathode gas is increased. In the following Patent Document 1, the back pressure of the cathode off gas discharged from the fuel cell is increased by controlling the back pressure valve in the closing direction, and as a result, the cathode gas supply pressure is increased to increase the output of the fuel cell. The technology is described.

特開平2009−004160号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2009-004160

しかし、背圧制御によってカソードガスの供給圧力を上昇させると、圧力上昇にともなって高温になったカソードガスが燃料電池に供給され、燃料電池が備える電解質膜が乾燥し、出力性能の低下や電解質膜の劣化が生じる虞があると指摘されていた。また、燃料電池に供給される手前で、インタークーラなどの冷却装置によってカソードガスを冷却する場合においても、背圧上昇によって急激にカソードガスが高温になった場合には、冷却装置で冷却される前に燃料電池にカソードガスが供給されてしまうといった問題も指摘されていた。   However, when the supply pressure of the cathode gas is increased by back pressure control, the cathode gas that has become hot as the pressure increases is supplied to the fuel cell, and the electrolyte membrane included in the fuel cell dries, resulting in a decrease in output performance or electrolyte. It has been pointed out that there is a risk of film deterioration. In addition, even when the cathode gas is cooled by a cooling device such as an intercooler just before being supplied to the fuel cell, if the cathode gas suddenly becomes high due to an increase in back pressure, it is cooled by the cooling device. Previously, the problem of cathode gas being supplied to the fuel cell was also pointed out.

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。
(1)本発明の第一の形態は、燃料電池システムであって、燃料電池と、カソードガスを供給するガス供給部と、前記ガス供給部から前記燃料電池に前記カソードガスを流通させる供給流路と、前記燃料電池から排出されるカソードオフガスを流通させる排出流路と、前記カソードオフガスの背圧を調整する背圧調整部と、前記ガス供給部から前記燃料電池を介さずに前記排出流路に前記カソードガスを流通させるバイパス流路と、前記ガス供給部から供給されるカソードガスを、前記供給流路または前記バイパス流路のいずれか一方に流通させるように、前記二つの流路の切り替えを行う切替部と、前記ガス供給部から供給された前記カソードガスの温度を検知する温度検知部と、前記背圧調整部によって前記背圧を制御するとともに、前記温度検知部が前記カソードガスの温度が所定温度を上回ったことを検知した場合に、前記バイパス流路に前記カソードガスが流通するように前記切替部を制御する制御部と、を備える燃料電池システムとして提供される。
)本発明の第二の形態によれば、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;カソードガスを供給するガス供給部と;前記ガス供給部から前記燃料電池に前記カソードガスを流通させる供給流路と;前記燃料電池から排出されるカソードオフガスを流通させる排出流路と;前記カソードオフガスの背圧を調整する背圧調整部と;前記ガス供給部から前記燃料電池を介さずに前記排出流路に前記カソードガスを流通させるバイパス流路と;前記ガス供給部から供給されるカソードガスを、前記供給流路または前記バイパス流路のいずれか一方に流通させるように、前記二つの流路の切り替えを行う切替部と;前記ガス供給部から供給された前記カソードガスの温度を検知する温度検知部と;前記背圧調整部が前記背圧を上昇させ、前記温度検知部が前記カソードガスの温度が所定温度を上回ったことを検知した場合に、前記バイパス流路に前記カソードガスが流通するように前記切替部を制御する制御部と;を備える。この形態の燃料電池システムによると、背圧を上昇させることによってカソードガスが所定温度を上回って上昇した場合に、燃料電池をバイパスさせてカソードガスを流通させる。従って、高温のカソードガスを燃料電池に供給することを回避することができる。
SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms.
(1) A first aspect of the present invention is a fuel cell system, which is a fuel cell, a gas supply unit that supplies cathode gas, and a supply flow that distributes the cathode gas from the gas supply unit to the fuel cell. A discharge passage for flowing a cathode off gas discharged from the fuel cell, a back pressure adjusting unit for adjusting a back pressure of the cathode off gas, and the discharge flow from the gas supply unit without passing through the fuel cell. A bypass channel for circulating the cathode gas in the channel, and a cathode gas supplied from the gas supply unit so that the cathode channel supplied to either the supply channel or the bypass channel The back pressure is controlled by a switching unit that performs switching, a temperature detection unit that detects the temperature of the cathode gas supplied from the gas supply unit, and the back pressure adjustment unit, A fuel cell system comprising: a control unit that controls the switching unit so that the cathode gas flows through the bypass channel when the temperature detection unit detects that the temperature of the cathode gas exceeds a predetermined temperature. Offered as.
( 2 ) According to the second aspect of the present invention, a fuel cell system is provided. The fuel cell system includes: a fuel cell; a gas supply unit that supplies a cathode gas; a supply channel that distributes the cathode gas from the gas supply unit to the fuel cell; and a cathode off-gas that is discharged from the fuel cell. A discharge flow path for flowing; a back pressure adjusting section for adjusting a back pressure of the cathode off gas; a bypass flow path for flowing the cathode gas from the gas supply section to the discharge flow path without passing through the fuel cell; A switching unit that switches between the two flow paths so that the cathode gas supplied from the gas supply part flows through either the supply flow path or the bypass flow path; and supplied from the gas supply part A temperature detecting unit for detecting the temperature of the cathode gas generated; the back pressure adjusting unit increases the back pressure; and the temperature detecting unit sets the temperature of the cathode gas to a predetermined temperature. When it is detected that exceeds the said cathode gas to the bypass passage and a control section for controlling the switching unit so as to flow; comprises. According to the fuel cell system of this embodiment, when the cathode gas rises above a predetermined temperature by increasing the back pressure, the fuel cell is bypassed and the cathode gas is circulated. Accordingly, it is possible to avoid supplying a high-temperature cathode gas to the fuel cell.

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、燃料電池、燃料電池の運転方法、燃料電池車両、燃料電池車両の制御方法などの形態で実現することができる。   Note that the present invention can be realized in various modes. For example, it can be realized in the form of a fuel cell, a fuel cell driving method, a fuel cell vehicle, a fuel cell vehicle control method, and the like.

燃料電池システム10の構成を説明する説明図である。1 is an explanatory diagram illustrating a configuration of a fuel cell system 10. FIG. カソードガス供給処理の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of a cathode gas supply process. 背圧と入口ガス温度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between back pressure and inlet gas temperature.

A.第1実施形態:
(A1)燃料電池の構成:
図1は、本発明の第1実施形態としての燃料電池システム10の構成を説明する説明図である。燃料電池システム10は、燃料電池によって発電した電力を動力源として走行する燃料電池車両(以下、単に車両とも呼ぶ)に搭載される電源供給システムである。その他、燃料電池システム10を家庭用または商業用の発電システムとして適用するとしてもよい。本説明においては、主に燃料電池システム10におけるガス供給系統について説明するとともに、特にカソードガス供給系統を中心に説明をする。
A. First embodiment:
(A1) Configuration of fuel cell:
FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating the configuration of a fuel cell system 10 as a first embodiment of the present invention. The fuel cell system 10 is a power supply system that is mounted on a fuel cell vehicle (hereinafter also simply referred to as a vehicle) that travels using power generated by the fuel cell as a power source. In addition, the fuel cell system 10 may be applied as a household or commercial power generation system. In this description, the gas supply system in the fuel cell system 10 will be mainly described, and in particular, the description will focus on the cathode gas supply system.

燃料電池システム10は、燃料電池20と、カソードガス供給系統30と、アノードガス供給系統50と、冷却系統60と、制御部70とを備える。燃料電池20は、酸化ガス(カソードガス)と燃料ガス(アノードガス)とによる電気化学反応によって発電する固体高分子型の燃料電池である。燃料電池20は、電解質膜の両側に触媒電極およびセパレータを積層した燃料電池単セルを、所定の方向に複数積層したスタック構造を有する。本実施形態では、カソードガスは空気であり、アノードガスは水素ガスである。   The fuel cell system 10 includes a fuel cell 20, a cathode gas supply system 30, an anode gas supply system 50, a cooling system 60, and a control unit 70. The fuel cell 20 is a solid polymer fuel cell that generates electric power through an electrochemical reaction between an oxidizing gas (cathode gas) and a fuel gas (anode gas). The fuel cell 20 has a stack structure in which a plurality of fuel cell single cells in which catalyst electrodes and separators are laminated on both sides of an electrolyte membrane are laminated in a predetermined direction. In the present embodiment, the cathode gas is air and the anode gas is hydrogen gas.

カソードガス供給系統30は、燃料電池20へカソードガス(空気)を供給するガス供給系統である。カソードガス供給系統30は、ガスが流通する配管として、配管32,33,36と、第1切替配管34と、第2切替配管35とを備える。また、カソードガス供給系統30は、配管に流通するガスを制御するための機器として、コンプレッサ41と、流量センサ42と、インタークーラ43と,温度センサ44と、三方弁45と、圧力センサ46と、背圧弁47とを備える。図示するように、これら機器(コンプレッサ41〜背圧弁47)は制御部70によって動作が制御されている。また、制御部70は、燃料電池20の発電による出力を監視するとともに、カソードガス供給系統30が有する各機器を制御することによって、燃料電池20の出力制御を行う。   The cathode gas supply system 30 is a gas supply system that supplies cathode gas (air) to the fuel cell 20. The cathode gas supply system 30 includes pipes 32, 33, and 36, a first switching pipe 34, and a second switching pipe 35 as pipes through which gas flows. Further, the cathode gas supply system 30 is a device for controlling the gas flowing through the pipe, as a compressor 41, a flow sensor 42, an intercooler 43, a temperature sensor 44, a three-way valve 45, and a pressure sensor 46. The back pressure valve 47 is provided. As shown in the figure, the operation of these devices (the compressor 41 to the back pressure valve 47) is controlled by the control unit 70. In addition, the control unit 70 controls the output of the fuel cell 20 by monitoring the output generated by the power generation of the fuel cell 20 and controlling each device included in the cathode gas supply system 30.

配管32は、外部とコンプレッサ41とを連通する配管である。コンプレッサ41は、配管32を介して外部からカソードガス(空気)を取り込み、圧縮して、配管33に供給する。流量センサ42は、コンプレッサ41によって配管33に供給されるカソードガスの流量を計測する。制御部70は、流量センサ42から流量の値を取得し、フィードバック制御によって、コンプレッサ41から配管33に供給するカソードガスの流量を制御する。   The pipe 32 is a pipe that communicates the outside with the compressor 41. The compressor 41 takes in the cathode gas (air) from the outside through the pipe 32, compresses it, and supplies it to the pipe 33. The flow rate sensor 42 measures the flow rate of the cathode gas supplied to the pipe 33 by the compressor 41. The control unit 70 acquires the value of the flow rate from the flow sensor 42 and controls the flow rate of the cathode gas supplied from the compressor 41 to the pipe 33 by feedback control.

配管33はインタークーラ43を介して三方弁45に接続されている。インタークーラ43は、配管33を流通するカソードガスを冷却する。インタークーラ43の内部には、冷却系統60から供給される冷却水が循環しており、インタークーラ43はこの冷却水によって配管33に流通するカソードガスを冷却する。また。配管33には、温度センサ44が設置されており、配管33を流通するカソードガスの温度(以下、入口ガス温度とも呼ぶ)を計測する。制御部70は、温度センサ44から入口ガス温度の値を取得し、フィードバック制御によって、インタークーラ43を制御する。このような制御によって、制御部70は、配管33を流通するカソードガスのガス温度の制御を行う。   The pipe 33 is connected to the three-way valve 45 via the intercooler 43. The intercooler 43 cools the cathode gas flowing through the pipe 33. The cooling water supplied from the cooling system 60 circulates inside the intercooler 43, and the intercooler 43 cools the cathode gas flowing through the pipe 33 with this cooling water. Also. A temperature sensor 44 is installed in the pipe 33 and measures the temperature of the cathode gas flowing through the pipe 33 (hereinafter also referred to as inlet gas temperature). The controller 70 acquires the value of the inlet gas temperature from the temperature sensor 44 and controls the intercooler 43 by feedback control. With such control, the control unit 70 controls the gas temperature of the cathode gas flowing through the pipe 33.

三方弁45は、配管33を流通するカソードガスを、第1切替配管34または第2切替配管35のいずれか一方に流通させる切替弁である。三方弁45の切替動作は、後述するカソードガス供給処理によって制御部70が行う。第1切替配管34は、カソードガスを燃料電池20に供給する配管である。第1切替配管34を介して燃料電池20に供給されたカソードガスは、アノードガス供給系統50によって燃料電池20に供給されたアノードガスとの電気化学反応によって発電に供され、カソードオフガスとして配管36、背圧弁47を介して外部に排出される。一方、第2切替配管35は、燃料電池20をバイパスして配管36に接続される配管である。第2切替配管35を流通したカソードガスは、配管36、背圧弁47を介して外部へ排出される。   The three-way valve 45 is a switching valve that allows the cathode gas flowing through the pipe 33 to flow through either the first switching pipe 34 or the second switching pipe 35. The switching operation of the three-way valve 45 is performed by the control unit 70 by a cathode gas supply process described later. The first switching pipe 34 is a pipe that supplies the cathode gas to the fuel cell 20. The cathode gas supplied to the fuel cell 20 via the first switching pipe 34 is used for power generation by an electrochemical reaction with the anode gas supplied to the fuel cell 20 by the anode gas supply system 50, and the pipe 36 serves as a cathode offgas. Then, it is discharged to the outside through the back pressure valve 47. On the other hand, the second switching pipe 35 is a pipe that bypasses the fuel cell 20 and is connected to the pipe 36. The cathode gas flowing through the second switching pipe 35 is discharged to the outside through the pipe 36 and the back pressure valve 47.

配管36に設置された圧力センサ46は、配管36を流通するカソードオフガスの背圧を計測する。背圧弁47は、弁の開度によって背圧を調整する調整弁である。制御部70は、圧力センサ46から取得した背圧の値に基づいて背圧弁47の開度を調整することによって背圧の制御を行う。一般的に、燃料電池の特性として、カソードガスの供給圧力を高くすると発電性能が高くなることが知られている。例えば、燃料電池に対する要求出力が高い場合には、背圧弁47を閉める方向に制御(以下、閉制御とも呼ぶ)することによって、カソードガスの供給圧力を上昇させ、燃料電池からの出力を増加させることができる。背圧制御によって燃料電池の出力を制御する技術については、公知の技術であるので(例えば、上記特許文献1)、説明は省略する。   A pressure sensor 46 installed in the pipe 36 measures the back pressure of the cathode off gas flowing through the pipe 36. The back pressure valve 47 is an adjustment valve that adjusts the back pressure according to the opening of the valve. The controller 70 controls the back pressure by adjusting the opening of the back pressure valve 47 based on the back pressure value acquired from the pressure sensor 46. In general, it is known as a characteristic of a fuel cell that the power generation performance increases when the supply pressure of the cathode gas is increased. For example, when the required output to the fuel cell is high, the supply pressure of the cathode gas is increased and the output from the fuel cell is increased by controlling the back pressure valve 47 in the closing direction (hereinafter also referred to as closing control). be able to. Since the technique for controlling the output of the fuel cell by back pressure control is a known technique (for example, Patent Document 1), description thereof is omitted.

アノードガス供給系統50は、燃料電池20へアノードガスを供給するためのガス供給系統である。アノードガス供給系統50は、水素タンク51と、配管52,53とを備える。水素タンク51のアノードガス(水素ガス)は、配管52を介して燃料電池20に供給される。燃料電池20に供給されたアノードガスは、カソードガス供給系統30によって燃料電池20に供給されたカソードガスとの電気化学反応により発電に供され、アノードオフガスとして配管53を介して外部に排出される。その他、アノードガス供給系統50は、アノードオフガスに含まれる水素ガスをアノードガスとして再利用するためのガス流通システム(図示省略)を有している。   The anode gas supply system 50 is a gas supply system for supplying anode gas to the fuel cell 20. The anode gas supply system 50 includes a hydrogen tank 51 and pipes 52 and 53. The anode gas (hydrogen gas) in the hydrogen tank 51 is supplied to the fuel cell 20 via the pipe 52. The anode gas supplied to the fuel cell 20 is supplied to the power generation by an electrochemical reaction with the cathode gas supplied to the fuel cell 20 by the cathode gas supply system 30 and is discharged to the outside through the pipe 53 as an anode off gas. . In addition, the anode gas supply system 50 has a gas distribution system (not shown) for reusing hydrogen gas contained in the anode off gas as the anode gas.

冷却系統60は、燃料電池20およびインタークーラ43に冷却水を循環させ冷却するためのシステムである。冷却系統60は、配管61〜64と、ポンプ65と、ラジエータ66と、ロータリー弁67と、温度センサ68とを備える。配管61〜64には冷却水が流通している。ポンプ65は、冷却水に圧力を加え、各配管に冷却水を循環させる。配管61は、燃料電池20内を連通しており、配管61を循環する冷却水は燃料電池20を冷却する。配管63,64は、インタークーラ43に冷却水を循環させるための配管である。   The cooling system 60 is a system for circulating and cooling cooling water through the fuel cell 20 and the intercooler 43. The cooling system 60 includes pipes 61 to 64, a pump 65, a radiator 66, a rotary valve 67, and a temperature sensor 68. Cooling water flows through the pipes 61 to 64. The pump 65 applies pressure to the cooling water and circulates the cooling water through each pipe. The pipe 61 communicates with the inside of the fuel cell 20, and the cooling water circulating through the pipe 61 cools the fuel cell 20. The pipes 63 and 64 are pipes for circulating cooling water through the intercooler 43.

ラジエータ66は、燃料電池20およびインタークーラ43の冷却によって温度が上昇した冷却水を冷却する。ラジエータ66によって冷却された冷却水は、再び配管61〜64を循環する。ロータリー弁67は、その開度によって、燃料電池20およびインタークーラ43への冷却水の循環流量を調整する。ロータリー弁67の開度は制御部70によって制御される。温度センサ68は、配管61を流通する冷却水の温度を計測する。制御部70は、温度センサ68から取得した温度に基づいて、冷却水の温度を管理する。以上説明した構成によって、燃料電池システム10は発電を行う。   The radiator 66 cools the cooling water whose temperature has increased due to the cooling of the fuel cell 20 and the intercooler 43. The cooling water cooled by the radiator 66 is circulated through the pipes 61 to 64 again. The rotary valve 67 adjusts the circulation flow rate of the cooling water to the fuel cell 20 and the intercooler 43 according to the opening degree. The opening degree of the rotary valve 67 is controlled by the control unit 70. The temperature sensor 68 measures the temperature of the cooling water flowing through the pipe 61. The control unit 70 manages the temperature of the cooling water based on the temperature acquired from the temperature sensor 68. With the configuration described above, the fuel cell system 10 generates power.

(A2)カソードガス供給処理:
次に、制御部70が行うカソードガス供給処理について説明する。カソードガス供給処理は、制御部70が、カソードガス供給系統30が備える各機器を制御することによって、燃料電池20に供給されるカソードガスを制御する処理である。図2は、カソードガス供給処理の流れについて説明するフローチャートである。運転者の操作によって車両の電源スイッチ(図示省略)がオンになると、制御部70は、カソードガス供給処理を開始する。制御部70は、カソードガス供給処理を開始すると、コンプレッサ41を動作させて、燃料電池20にカソードガスの供給を行う(ステップS102)。このとき、制御部70は、三方弁45を制御し、初期状態として第1切替配管34を用いて燃料電池20にカソードガスを供給する。
(A2) Cathode gas supply process:
Next, the cathode gas supply process performed by the control unit 70 will be described. The cathode gas supply process is a process in which the control unit 70 controls the cathode gas supplied to the fuel cell 20 by controlling each device provided in the cathode gas supply system 30. FIG. 2 is a flowchart for explaining the flow of the cathode gas supply process. When a vehicle power switch (not shown) is turned on by a driver's operation, the control unit 70 starts a cathode gas supply process. When starting the cathode gas supply process, the controller 70 operates the compressor 41 to supply the cathode gas to the fuel cell 20 (step S102). At this time, the control unit 70 controls the three-way valve 45 and supplies the cathode gas to the fuel cell 20 using the first switching pipe 34 as an initial state.

カソードガスの供給開始後、制御部70は、車両の動力源として要求される電力量に応じて、背圧弁47の開度を制御する背圧制御を行う(ステップS104)。具体的には、車両の運転者によるアクセル踏込量に応じて背圧弁47の開度を制御し、燃料電池20の出力を制御する。制御部70は、燃料電池20の出力を上げる場合には、背圧弁47を閉制御し背圧を上げる(以下、背圧上昇制御とも呼ぶ)。逆に、燃料電池20の出力を下げる場合には、背圧弁47を開制御し背圧を下げる。   After starting the supply of the cathode gas, the control unit 70 performs back pressure control for controlling the opening degree of the back pressure valve 47 in accordance with the amount of power required as the power source of the vehicle (step S104). Specifically, the opening of the back pressure valve 47 is controlled according to the accelerator depression amount by the driver of the vehicle, and the output of the fuel cell 20 is controlled. When the output of the fuel cell 20 is increased, the control unit 70 closes the back pressure valve 47 to increase the back pressure (hereinafter also referred to as back pressure increase control). On the contrary, when the output of the fuel cell 20 is lowered, the back pressure valve 47 is controlled to be opened to lower the back pressure.

背圧制御開始後、制御部70は、温度センサ44から入口ガス温度の値を取得する。制御部70は、入口ガス温度の値によって三方弁45を制御し、第1切替配管34を介して燃料電池20にカソードガスを供給するか、第2切替配管35によって燃料電池20をバイパスしてカソードガスを流通させるかの判断を行う。具体的には、制御部70は、取得した入口ガス温度が、所定値α以下の場合には(ステップS106:NO)、三方弁45を制御し第1切替配管34を介して燃料電池20にカソードガスを供給する(ステップS108)。本実施形態の場合、初期状態として第1切替配管34を用いるように三方弁45を制御しているので(ステップS102参照)、第1切替配管34によって供給すると判断した場合には、三方弁45の実際の動作は伴わない。   After starting the back pressure control, the control unit 70 acquires the value of the inlet gas temperature from the temperature sensor 44. The control unit 70 controls the three-way valve 45 according to the value of the inlet gas temperature and supplies the cathode gas to the fuel cell 20 via the first switching pipe 34 or bypasses the fuel cell 20 via the second switching pipe 35. Judge whether to distribute cathode gas. Specifically, when the acquired inlet gas temperature is equal to or lower than the predetermined value α (step S106: NO), the control unit 70 controls the three-way valve 45 to the fuel cell 20 via the first switching pipe 34. Cathode gas is supplied (step S108). In the case of this embodiment, since the three-way valve 45 is controlled so as to use the first switching pipe 34 as an initial state (see step S102), when it is determined that the first switching pipe 34 supplies the three-way valve 45, The actual operation of is not accompanied.

一方、入口ガス温度が所定値αより大きい場合には(ステップS106:YES)、制御部70は、三方弁45によって、第2切替配管35によって燃料電池20をバイパスしてカソードガスを流通させる(ステップS110)。制御部70は、このようなステップS102〜ステップS110の処理を、車両の電源スイッチがオフになるまで繰り返し行う(ステップS112)。このようにして制御部70はカソードガス供給処理を行う。なお、第2切替配管35によって燃料電池20をバイパスしてカソードガスを流通させている期間は、車両に必要な電力は、車両が別途備えるバッテリー(図示省略)から供給を行う。   On the other hand, when the inlet gas temperature is higher than the predetermined value α (step S106: YES), the control unit 70 causes the three-way valve 45 to bypass the fuel cell 20 through the second switching pipe 35 and distribute the cathode gas ( Step S110). The control unit 70 repeats the processes in steps S102 to S110 until the power switch of the vehicle is turned off (step S112). In this way, the control unit 70 performs the cathode gas supply process. Note that during the period in which the second switching pipe 35 bypasses the fuel cell 20 to circulate the cathode gas, the electric power necessary for the vehicle is supplied from a battery (not shown) provided separately in the vehicle.

次に、本実施形態におけるカソードガス供給処理を、グラフによって説明する。図3は、カソードガス供給処理を行った際の、背圧と入口ガス温度との関係を示すグラフである。グラフの横軸は時間を表す。図示した「CA背圧」は、カソードオフガスの背圧を示す。CA背圧は圧力センサ46で計測した圧力値である。入口ガス温度は、温度センサ44で計測した値である。   Next, the cathode gas supply process in this embodiment will be described with reference to a graph. FIG. 3 is a graph showing the relationship between the back pressure and the inlet gas temperature when the cathode gas supply process is performed. The horizontal axis of the graph represents time. The illustrated “CA back pressure” indicates the back pressure of the cathode off gas. The CA back pressure is a pressure value measured by the pressure sensor 46. The inlet gas temperature is a value measured by the temperature sensor 44.

上述したように、制御部70がカソードガス供給処理を開始した初期状態は、第1切替配管34によって燃料電池20にカソードガスの供給を行う。制御部70が燃料電池20の出力を上げるために背圧上昇制御を開始すると、背圧は上昇する。背圧が上昇すると、配管33に流通するカソードガスの供給圧力も上昇する。カソードガスは、圧力の上昇によって温度が上昇する。   As described above, in the initial state where the control unit 70 starts the cathode gas supply process, the cathode gas is supplied to the fuel cell 20 through the first switching pipe 34. When the control unit 70 starts back pressure increase control in order to increase the output of the fuel cell 20, the back pressure increases. When the back pressure increases, the supply pressure of the cathode gas flowing through the pipe 33 also increases. The temperature of the cathode gas increases as the pressure increases.

制御部70は、温度センサ44によって入口ガス温度の上昇を検知し、インタークーラ43を制御することによってカソードガスの冷却を行う。このときカソードガスの温度上昇に対してインタークーラ43による冷却の応答が遅い場合、カソードガスの入口ガス温度は急上昇する。そして、制御部70は、温度センサ44によって入口ガス温度がαを上回ったことを検知した場合、三方弁45を制御し、第2切替配管35によって燃料電池20をバイパスしてカソードガスを流通させる。   The controller 70 detects an increase in the inlet gas temperature by the temperature sensor 44 and controls the intercooler 43 to cool the cathode gas. At this time, when the cooling response by the intercooler 43 is slow with respect to the temperature rise of the cathode gas, the cathode gas inlet gas temperature rises rapidly. When the temperature sensor 44 detects that the inlet gas temperature has exceeded α, the control unit 70 controls the three-way valve 45 and bypasses the fuel cell 20 by the second switching pipe 35 to allow the cathode gas to flow. .

その後、インタークーラ43によって安定的にカソードガスの冷却が行われると、カソードガスの温度は下降する。制御部70は、温度センサ44によって入口ガス温度がα以下になったことを検知すると、三方弁45を制御し、第1切替配管34によって燃料電池20にカソードガスの供給を行う。   Thereafter, when the cathode gas is stably cooled by the intercooler 43, the temperature of the cathode gas decreases. When the temperature sensor 44 detects that the inlet gas temperature has become less than or equal to α, the control unit 70 controls the three-way valve 45 and supplies the cathode gas to the fuel cell 20 through the first switching pipe 34.

以上説明したように、燃料電池システム10は、カソードガス供給処理における背圧上昇制御によって、カソードガスの入口ガス温度がαを上回った場合に、カソードガスの流通経路を第1切替配管34から第2切替配管35に切り替える。そして、燃料電池20をバイパスしてカソードガスを流通させる。従って、背圧上昇制御によって一時的に高温になったカソードガスを燃料電池20に供給することを回避することができる。結果として、燃料電池の劣化および性能低下を抑制することができる。   As described above, the fuel cell system 10 changes the cathode gas flow path from the first switching pipe 34 to the first switching pipe 34 when the inlet gas temperature of the cathode gas exceeds α by back pressure increase control in the cathode gas supply process. Switch to 2 switching pipe 35. Then, the fuel cell 20 is bypassed and the cathode gas is circulated. Accordingly, it is possible to avoid supplying the fuel cell 20 with the cathode gas that has been temporarily brought to a high temperature by the back pressure increase control. As a result, it is possible to suppress deterioration and performance deterioration of the fuel cell.

B.変形例:
なお、この発明は上記の実施形態や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
(B1)変形例1:
上記実施形態においては、第1切替配管34と第2切替配管35との切り替えは、三方弁を1つを用いて行ったが、それに限ることなく、例えば、第2切替配管35と配管36との接続部に、さらに三方弁を備えるとしてもよい。また、逆止弁を2つを用いて切り替えるとしてもよい。このようにしても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
B. Variation:
The present invention is not limited to the above-described embodiments and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
(B1) Modification 1:
In the above-described embodiment, the switching between the first switching pipe 34 and the second switching pipe 35 is performed using one three-way valve. However, the present invention is not limited to this, for example, the second switching pipe 35 and the pipe 36. A three-way valve may be further provided in the connecting portion. Also, the check valves may be switched using two. Even if it does in this way, the effect similar to the said embodiment can be acquired.

(B2)変形例2:
上記実施形態においては、背圧調整部として、背圧弁47を採用したが、それに限ることなく、他の方法によって背圧を制御するとしてもよい。例えば、流路断面積を調整可能な配管を配管36の一部に採用するとしてもよい。その他、流路断面積が異なる複数の配管を配管36に一部に採用し、これらの配管を切り替えてカソードオフガスを流通させることによって、背圧を制御するとしてもよい。
(B2) Modification 2:
In the above embodiment, the back pressure valve 47 is employed as the back pressure adjusting unit. However, the back pressure may be controlled by other methods without being limited thereto. For example, a pipe that can adjust the cross-sectional area of the flow path may be adopted as a part of the pipe 36. In addition, the back pressure may be controlled by adopting a plurality of pipes having different channel cross-sectional areas as a part of the pipe 36 and switching the pipes to circulate the cathode off gas.

(B3)変形例3:
上記実施形態においては、入口ガス温度を温度センサ44によって実際に計測して、所定値αを上回ったか否かを検知したが、それに限ることなく、背圧上昇制御を開始した時点で入口ガス温度が上昇することを推定して、三方弁45を制御して、第2切替配管35にカソードガスが流通するように制御してもよい。その他、背圧上昇制御開始から所定時間経過後に、三方弁45を制御して、第2切替配管35にカソードガスが流通するように制御してもよい。
(B3) Modification 3:
In the above embodiment, the inlet gas temperature is actually measured by the temperature sensor 44 and it is detected whether or not it exceeds the predetermined value α. However, the present invention is not limited to this, and the inlet gas temperature is started when the back pressure increase control is started. May be estimated, and the three-way valve 45 may be controlled so that the cathode gas flows through the second switching pipe 35. In addition, the three-way valve 45 may be controlled after a predetermined time has elapsed from the start of the back pressure increase control so that the cathode gas flows through the second switching pipe 35.

(B4)変形例4:
上記実施形態においては、三方弁45によって、第1切替配管34か第2切替配管35のいずれか一方のみにカソードガスが流通するように制御したが、それに限ることなく、例えば、入口ガス温度がαを上回った場合に、配管33を流通するカソードガスの80%が第2切替配管35を流通し、20%が第1切替配管34を流通するように三方弁45を制御するとしてもよい。すなわち、入口ガス温度がαを上回った場合に、配管33を流通するカソードガスの少なくとも一部が第2切替配管35に流通するように三方弁45を制御するとしてもよい。
(B4) Modification 4:
In the above-described embodiment, the cathode gas is controlled to flow through only one of the first switching pipe 34 and the second switching pipe 35 by the three-way valve 45. However, the present invention is not limited to this. The three-way valve 45 may be controlled so that 80% of the cathode gas flowing through the pipe 33 flows through the second switching pipe 35 and 20% flows through the first switching pipe 34 when α exceeds. That is, when the inlet gas temperature exceeds α, the three-way valve 45 may be controlled so that at least a part of the cathode gas flowing through the pipe 33 flows through the second switching pipe 35.

10…燃料電池システム
20…燃料電池
30…カソードガス供給系統
32、33,36,37,52,53,61,63…配管
34…第1切替配管
35…第2切替配管
41…コンプレッサ
42…流量センサ
43…インタークーラ
44…温度センサ
45…三方弁
46…圧力センサ
47…背圧弁
50…アノードガス供給系統
51…水素タンク
60…冷却系統
65…ポンプ
66…ラジエータ
67…ロータリー弁
68…温度センサ
70…制御部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell system 20 ... Fuel cell 30 ... Cathode gas supply system 32, 33, 36, 37, 52, 53, 61, 63 ... Piping 34 ... 1st switching piping 35 ... 2nd switching piping 41 ... Compressor 42 ... Flow volume Sensor 43 ... Intercooler 44 ... Temperature sensor 45 ... Three-way valve 46 ... Pressure sensor 47 ... Back pressure valve 50 ... Anode gas supply system 51 ... Hydrogen tank 60 ... Cooling system 65 ... Pump 66 ... Radiator 67 ... Rotary valve 68 ... Temperature sensor 70 ... Control unit

Claims (2)

燃料電池システムであって、
燃料電池と、
カソードガスを供給するガス供給部と、
前記ガス供給部から前記燃料電池に前記カソードガスを流通させる供給流路と、
前記燃料電池から排出されるカソードオフガスを流通させる排出流路と、
前記カソードオフガスの背圧を調整する背圧調整部と、
前記ガス供給部から前記燃料電池を介さずに前記排出流路に前記カソードガスを流通させるバイパス流路と、
前記ガス供給部から供給されるカソードガスを、前記供給流路または前記バイパス流路のいずれか一方に流通させるように、前記二つの流路の切り替えを行う切替部と、
前記ガス供給部から供給された前記カソードガスの温度を検知する温度検知部と、
前記背圧調整部によって前記背圧を制御するとともに、前記温度検知部が前記カソードガスの温度が所定温度を上回ったことを検知した場合に、前記バイパス流路に前記カソードガスが流通するように前記切替部を制御する制御部と
を備える燃料電池システム。
A fuel cell system,
A fuel cell;
A gas supply unit for supplying cathode gas;
A supply flow path for flowing the cathode gas from the gas supply unit to the fuel cell;
A discharge flow path for circulating a cathode off-gas discharged from the fuel cell;
A back pressure adjusting unit for adjusting the back pressure of the cathode off gas;
A bypass flow path for allowing the cathode gas to flow from the gas supply section to the discharge flow path without passing through the fuel cell;
A switching unit that switches between the two flow paths so that the cathode gas supplied from the gas supply unit flows into either the supply flow path or the bypass flow path;
A temperature detection unit for detecting the temperature of the cathode gas supplied from the gas supply unit;
The back pressure is controlled by the back pressure adjusting unit, and when the temperature detecting unit detects that the temperature of the cathode gas exceeds a predetermined temperature, the cathode gas flows through the bypass flow path. A fuel cell system comprising: a control unit that controls the switching unit.
請求項1記載の燃料電池システムであって、  The fuel cell system according to claim 1, wherein
前記制御部は、  The controller is
前記燃料電池に対する要求電力が増加したときに前記背圧を上昇させ、前記燃料電池に対する要求電力が減少したときに前記背圧を低下させる背圧制御と、    Back pressure control for increasing the back pressure when the required power for the fuel cell increases, and for reducing the back pressure when the required power for the fuel cell decreases;
前記背圧を上昇させた後に、前記カソードガスの温度が前記所定温度を上回ったことを検知した場合に、前記バイパス流路に前記カソードガスが流通するように前記切替部を制御する流路切替制御と、    Channel switching for controlling the switching unit so that the cathode gas flows through the bypass channel when it is detected that the temperature of the cathode gas exceeds the predetermined temperature after increasing the back pressure Control,
を実行する、燃料電池システム。  Run the fuel cell system.
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