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JP7718248B2 - fuel cell device - Google Patents
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JP7718248B2 - fuel cell device - Google Patents

fuel cell device

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JP7718248B2 JP2021189392A JP2021189392A JP7718248B2 JP 7718248 B2 JP7718248 B2 JP 7718248B2 JP 2021189392 A JP2021189392 A JP 2021189392A JP 2021189392 A JP2021189392 A JP 2021189392A JP 7718248 B2 JP7718248 B2 JP 7718248B2
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Description

本発明は、燃料電池装置に関する。 The present invention relates to a fuel cell device.

燃料電池を備える車載用の燃料電池装置が知られている。燃料電池は、燃料としての例えば水素と供給される空気に含まれる酸素との酸化還元反応により発電し、かつ水を生成する。酸化還元反応は、温度が低いと効率が低下する。このため、低温の燃料電池は、反応しなかった水素を無駄に排出し、十分に発電できず、自ら暖機する能力が低い。また、車載用の燃料電池装置は、冬には氷点下の環境に曝される場合がある。そのような場合には、装置内の水分が凍ってしまう。したがって、燃料電池装置は、始動時に燃料電池を昇温させる暖機機構を備えている。 Onboard fuel cell devices equipped with fuel cells are known. Fuel cells generate electricity and produce water through an oxidation-reduction reaction between fuel, such as hydrogen, and oxygen contained in the supplied air. The efficiency of oxidation-reduction reactions decreases at low temperatures. As a result, low-temperature fuel cells wastefully discharge unreacted hydrogen, are unable to generate sufficient electricity, and have a low ability to warm up themselves. Furthermore, onboard fuel cell devices may be exposed to sub-zero temperatures in winter. In such cases, the water inside the device freezes. Therefore, fuel cell devices are equipped with a warm-up mechanism that warms the fuel cell when the device is started.

特開2000―195533号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-195533

従来の燃料電池装置は、空気を反応させる空気室と、空気室に空気を供給する供給路と、供給路に設けられた圧縮機と、を備えている。また、従来の燃料電池装置は、空気を圧縮機で断熱圧縮して昇温して空気室に流入させる暖機機構を備えている。従来の燃料電池装置は、空気室から排出される空気を再び供給路に流入させて、空気の断熱圧縮を繰り返し、空気を充分に昇温させる。 A conventional fuel cell device includes an air chamber where air reacts, a supply channel that supplies air to the air chamber, and a compressor installed in the supply channel. Conventional fuel cell devices also include a warm-up mechanism that uses the compressor to adiabatically compress and heat the air before inflowing it into the air chamber. Conventional fuel cell devices allow air discharged from the air chamber to flow back into the supply channel, repeatedly adiabatically compressing the air and sufficiently heating the air.

しかしながら、氷点下まで低温になった燃料電池装置では、発電の際に生成された水が装置内で凍結して氷になる。氷は、燃料電池に空気を供給する供給路、燃料電池の空気室、および燃料電池から空気を排出する排出路などに付着する。昇温した空気を燃料電池に供給すると、装置内の氷が剥離して空気室に吹き込まれる虞がある。吹き込まれた氷は、空気室に面する電極膜およびガス拡散層を損傷する可能性がある。 However, in fuel cell devices that are cooled to below freezing, the water produced during power generation freezes inside the device and turns into ice. This ice adheres to the supply channel that supplies air to the fuel cell, the fuel cell's air chamber, and the exhaust channel that discharges air from the fuel cell. When heated air is supplied to the fuel cell, there is a risk that the ice inside the device will peel off and be blown into the air chamber. This blown ice could damage the electrode membrane and gas diffusion layer that face the air chamber.

そこで、本発明は、信頼性の高い暖機が可能な燃料電池装置を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention aims to provide a fuel cell device that can be warmed up with high reliability.

前記の課題を解決するため本発明に係る燃料電池装置は、ケースと、前記ケースに収容される燃料電池と、前記燃料電池に接続される供給路と、前記供給路に設けられて前記供給路内の空気を圧縮して前記燃料電池へ送り込むブロワーと、前記供給路の前記ブロワーより下流側と前記ブロワーより上流側とを接続する循環路と、前記供給路の前記ブロワーより下流側かつ前記供給路と前記循環路との接続部分より下流側に設けられて前記供給路における前記空気の流れを許可または遮断する第1開閉機構と、前記供給路の前記ブロワーより下流側かつ前記第1開閉機構より上流側に接続されて前記ケース内に前記空気を放出する放出路と、前記循環路に設けられて前記循環路での前記空気の流れを許可または遮断する第2開閉機構と、前記放出路に設けられて前記放出路での前記空気の流れを許可または遮断する第3開閉機構と、を備える。 To solve the above problems, the fuel cell device of the present invention comprises a case, a fuel cell housed in the case, a supply path connected to the fuel cell, a blower provided in the supply path that compresses air in the supply path and sends it to the fuel cell, a circulation path connecting the supply path downstream of the blower with the supply path upstream of the blower, a first opening/closing mechanism provided in the supply path downstream of the blower and downstream of the connection between the supply path and the circulation path and that allows or blocks the flow of air in the supply path, a discharge path connected to the supply path downstream of the blower and upstream of the first opening/closing mechanism and that releases the air into the case, a second opening/closing mechanism provided in the circulation path and that allows or blocks the flow of air in the circulation path, and a third opening/closing mechanism provided in the discharge path and that allows or blocks the flow of air in the discharge path.

本発明によれば、信頼性の高い暖機が可能な燃料電池装置を提供できる。 The present invention provides a fuel cell device that can be warmed up with high reliability.

本発明の実施形態に係る燃料電池装置を示す構成図。1 is a configuration diagram showing a fuel cell device according to an embodiment of the present invention; 本発明の実施形態における空気路を示す拡大図。FIG. 10 is an enlarged view of an air passage in an embodiment of the present invention. 本発明に係る実施形態の燃料電池装置の動作を示すフローチャート。4 is a flowchart showing the operation of the fuel cell device according to the embodiment of the present invention. 本発明に係る実施形態の燃料電池装置の動作を示すタイムチャート。3 is a time chart showing the operation of the fuel cell device according to the embodiment of the present invention. 本発明に係る実施形態のコントローラーの始動過程の動作を示すフローチャート。4 is a flowchart showing the operation of a startup process of a controller according to an embodiment of the present invention. (A)横軸に時間をとり縦軸に温度をとって燃料電池装置の動作時の燃料電池の温度変化を示すグラフ、(B)横軸に時間をとり縦軸に温度をとって燃料電池装置の動作時の供給路および循環路の空気の温度変化を示すグラフ。(A) A graph showing the temperature change of a fuel cell during operation of a fuel cell device, with time on the horizontal axis and temperature on the vertical axis; (B) a graph showing the temperature change of air in the supply path and circulation path during operation of a fuel cell device, with time on the horizontal axis and temperature on the vertical axis. 本発明に係る実施形態のコントローラーの暖気過程の動作を示すフローチャート。4 is a flowchart showing the operation of a warm-up process of a controller according to an embodiment of the present invention. 本発明に係る実施形態のコントローラーの発電過程の動作を示すフローチャート。4 is a flowchart showing the operation of a power generation process of a controller according to an embodiment of the present invention.

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

本発明に係る燃料電池装置の実施形態について図1から図8を参照して説明する。なお、複数の図面中、同一または相当する構成には同一の符号がふされている。 An embodiment of a fuel cell device according to the present invention will be described with reference to Figures 1 to 8. Note that the same or corresponding components are designated by the same reference numerals throughout the drawings.

図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池装置を示す構成図である。 Figure 1 is a diagram showing the configuration of a fuel cell device according to an embodiment of the present invention.

燃料電池装置1は、内部空間を有するケース2を備えている。また、燃料電池装置1は、燃料電池3と、燃料電池3に接続された空気路4および水素路(図示せず)と、燃料電池3に風を送るファン5と、複数の温度センサー6と、コントローラー7と、バッテリー8とを備えている。これらは、ケース2に収納されている。なお、主要構造を明示するため、図1は、燃料電池3のうちの一部のみを断面で図示している。 The fuel cell device 1 includes a case 2 with an internal space. The fuel cell device 1 also includes a fuel cell 3, an air path 4 and a hydrogen path (not shown) connected to the fuel cell 3, a fan 5 that blows air to the fuel cell 3, multiple temperature sensors 6, a controller 7, and a battery 8. These are housed in the case 2. Note that in order to clearly show the main structure, Figure 1 shows only a portion of the fuel cell 3 in cross section.

ケース2は、閉じた箱状体である。ケース2は、壁面に複数の貫通孔11を有している。ケース2の内部空間は、貫通孔11を介して外部空間に繋がっている。ケース2は、例えば金属板によって形成されている。なお、ケース2は、一部が開放した箱状体でもよい。 The case 2 is a closed box-shaped body. The case 2 has multiple through-holes 11 in its wall. The internal space of the case 2 is connected to the external space via the through-holes 11. The case 2 is formed, for example, from a metal plate. However, the case 2 may also be a box-shaped body with a portion open.

燃料電池3は、板状のセパレーター13が少なくとも二つ重ねられた積層構造を有している。セパレーター13は、積層方向に貫通する複数の貫通孔(図示せず)を有する。燃料電池3は、隣接する一対のセパレーター13の間に電極膜14と、電極膜14の表裏にそれぞれ設けられたガス拡散層15、16とを備えている。燃料電池3は、最も外側の二つのセパレーター13の外側面に接する二つのマニホールドプレート17と、マニホールドプレート17の内部空間の一部である空気室18および水素室19と、触媒層(図示せず)と、を備えている。 The fuel cell 3 has a laminated structure in which at least two plate-shaped separators 13 are stacked. The separators 13 have multiple through-holes (not shown) that penetrate in the stacking direction. The fuel cell 3 has an electrode membrane 14 between a pair of adjacent separators 13, and gas diffusion layers 15, 16 provided on the front and back of the electrode membrane 14, respectively. The fuel cell 3 also has two manifold plates 17 that contact the outer surfaces of the two outermost separators 13, an air chamber 18 and a hydrogen chamber 19 that form part of the internal space of the manifold plate 17, and a catalyst layer (not shown).

電極膜14の表面および裏面は、燃料電池3の積層方向に略直交している。空気室18および水素室19は、マニホールドプレート17の内壁面によって区画された空間であり、マニホールドプレート17のセパレーター13側の面で例えば開口している。空気室18は、セパレーター13を介してガス拡散層15と電極膜14の例えば表面とに対向している。水素室19は、セパレーター13を介してガス拡散層16と電極膜14の例えば裏面とに対向している。 The front and back surfaces of the electrode membrane 14 are approximately perpendicular to the stacking direction of the fuel cell 3. The air chamber 18 and hydrogen chamber 19 are spaces defined by the inner wall surface of the manifold plate 17 and are, for example, open on the surface of the manifold plate 17 facing the separator 13. The air chamber 18 faces the gas diffusion layer 15 and, for example, the front surface of the electrode membrane 14, with the separator 13 interposed between them. The hydrogen chamber 19 faces the gas diffusion layer 16 and, for example, the back surface of the electrode membrane 14, with the separator 13 interposed between them.

水素室19は、水素路に繋がっている。水素室19は、水素路によって、水素(H)ガスを供給され、反応後のガスを排出する。空気室18は、空気路4によって、空気を供給され、反応後の空気を排出する。 The hydrogen chamber 19 is connected to a hydrogen passage. The hydrogen chamber 19 is supplied with hydrogen (H 2 ) gas through the hydrogen passage and discharges the gas after reaction. The air chamber 18 is supplied with air through the air passage 4 and discharges the air after reaction.

ファン5は、ケース2の内部空間において燃料電池3の近傍に配置されている。ファン5は、吐出面21と吸込面22とを有している。吐出面21は、例えばケース2の内壁面に向けられ、吸込面22は、例えば燃料電池3、具体的には、燃料電池3の水素室19に向けられている。ファン5は、吸込面22から吐出面21に向かって空気を流すため、燃料電池3の周囲の空気を吸込面22から吸い込んで吐出面21から吐き出す。このように、ファン5は、燃料電池3の周囲に空気の流れを作る。 The fan 5 is positioned near the fuel cell 3 in the internal space of the case 2. The fan 5 has a discharge surface 21 and a suction surface 22. The discharge surface 21 faces, for example, toward the inner wall surface of the case 2, and the suction surface 22 faces, for example, toward the fuel cell 3, specifically, toward the hydrogen chamber 19 of the fuel cell 3. The fan 5 causes air to flow from the suction surface 22 toward the discharge surface 21, thereby drawing in air around the fuel cell 3 through the suction surface 22 and expelling it from the discharge surface 21. In this way, the fan 5 creates an air flow around the fuel cell 3.

図2は、本発明の実施形態における空気路を示す拡大図である。主要構造を明示するため、図2はリリーフバルブ33を省略している。 Figure 2 is an enlarged view showing the air passage in an embodiment of the present invention. To clearly show the main structure, Figure 2 omits the relief valve 33.

図1および図2に示すように、空気路4は、燃料電池3の空気室18にケース2内の空気を送り込む供給路25と、供給路25の例えば2カ所を接続する循環路26と、供給路25に接続される放出路27と、燃料電池3の空気室18から空気を排出する排出路28と、を備えている。供給路25、循環路26、放出路27、および排出路28は、例えば、それぞれ少なくとも1つ以上のダクト、パイプまたはホース等の配管を含んでいる。 As shown in Figures 1 and 2, the air path 4 includes a supply path 25 that sends air from within the case 2 to the air chamber 18 of the fuel cell 3, a circulation path 26 that connects, for example, two points on the supply path 25, a discharge path 27 that connects to the supply path 25, and a discharge path 28 that discharges air from the air chamber 18 of the fuel cell 3. The supply path 25, circulation path 26, discharge path 27, and discharge path 28 each include, for example, at least one duct, pipe, hose, or other piping.

また、空気路4は、供給路25に設けられるブロワー29と、ブロワー29の上流側に設けられる上流側バルブ31と、ブロワー29の下流側に設けられる下流側バルブ32と、循環路26に設けられるリリーフバルブ33と、を有している。ブロワー29は、流入側から空気を吸い込み、流出側から空気を吹き出す。これにより、ブロワー29は、上流側バルブ31側から供給路25内の空気を吸い込んで圧縮し、下流側バルブ32側へ圧縮した空気を吐出する。リリーフバルブ33は、循環路26の空気が設定圧を超えると循環路26の空気圧を下げる。 The air path 4 also has a blower 29 installed in the supply path 25, an upstream valve 31 installed upstream of the blower 29, a downstream valve 32 installed downstream of the blower 29, and a relief valve 33 installed in the circulation path 26. The blower 29 draws in air from the inlet side and blows out air from the outlet side. As a result, the blower 29 draws in air in the supply path 25 from the upstream valve 31 side, compresses it, and discharges the compressed air to the downstream valve 32 side. The relief valve 33 reduces the air pressure in the circulation path 26 when the air in the circulation path 26 exceeds the set pressure.

以後、説明の便宜上のため、空気路4を構成するいずれかの配管において、上端とはその配管の上流側の端部をいい、下端とはその配管の下流側の端部をいう。 Hereinafter, for the sake of convenience, the upper end of any of the pipes that make up the air passage 4 refers to the upstream end of that pipe, and the lower end refers to the downstream end of that pipe.

供給路25の上端は、空気の吸込口を含み、供給路25の下端は、空気の吐出口を含んでいる。供給路25の吐出口は、燃料電池3の空気室18に接続されている。供給路25の吸込口は、ケース2の壁面に対向している。供給路25の吸込口は、例えばケース2の貫通孔11に隣接している。 The upper end of the supply path 25 includes an air inlet, and the lower end of the supply path 25 includes an air outlet. The outlet of the supply path 25 is connected to the air chamber 18 of the fuel cell 3. The inlet of the supply path 25 faces the wall surface of the case 2. The inlet of the supply path 25 is adjacent to, for example, the through-hole 11 of the case 2.

供給路25は、ブロワー29が設けられる圧縮路34と、供給路25の下端を含む導入路35と、を含んでいる。圧縮路34の上端は、供給路25の吸込口を含んでいる。この上端とブロワー29との間に上流側バルブ31が配置されている。圧縮路34の下端と導入路35の上端とは、下流側バルブ32を介して接続されている。導入路35の下端は、供給路25の吐出口を含んでいる。 The supply path 25 includes a compression path 34 in which the blower 29 is provided, and an introduction path 35 that includes the lower end of the supply path 25. The upper end of the compression path 34 includes the suction port of the supply path 25. An upstream valve 31 is disposed between this upper end and the blower 29. The lower end of the compression path 34 and the upper end of the introduction path 35 are connected via a downstream valve 32. The lower end of the introduction path 35 includes the discharge port of the supply path 25.

循環路26の上端は、供給路25のブロワー29より下流側に下流側バルブ32を介して接続されている。循環路26の下端は、供給路25のブロワー29より上流側に上流側バルブ31を介して接続されている。このように、循環路26は、供給路25のブロワー29より下流側とブロワー29より上流側とを接続している。 The upper end of the circulation path 26 is connected to the downstream side of the blower 29 of the supply path 25 via a downstream valve 32. The lower end of the circulation path 26 is connected to the upstream side of the blower 29 of the supply path 25 via an upstream valve 31. In this way, the circulation path 26 connects the downstream side of the blower 29 of the supply path 25 with the upstream side of the blower 29.

放出路27の上端は、供給路25のブロワー29より下流側に下流側バルブ32を介して接続されている。放出路27の下端は、放出路27の吐出口である。放出路27の下端は、燃料電池3側に配置されることが好ましい。また、放出路27の下端は、具体的には、燃料電池3の空気室18側に配置されている。さらに、放出路27の下端は、具体的には、燃料電池3の周囲であってファン5から離れた場所に配置されている。 The upper end of the discharge path 27 is connected to the supply path 25 downstream of the blower 29 via a downstream valve 32. The lower end of the discharge path 27 is the outlet of the discharge path 27. The lower end of the discharge path 27 is preferably located on the fuel cell 3 side. Furthermore, the lower end of the discharge path 27 is specifically located on the air chamber 18 side of the fuel cell 3. Furthermore, the lower end of the discharge path 27 is specifically located around the fuel cell 3 and away from the fan 5.

上流側バルブ31は、例えば電磁式の三方弁である。上流側バルブ31は、供給路25で開閉し、かつ循環路26の下端で開閉する。なお、上流側バルブ31は、供給路25および循環路26のそれぞれを個別に開閉する複数のバルブであっても良い。 The upstream valve 31 is, for example, an electromagnetic three-way valve. The upstream valve 31 opens and closes at the supply path 25 and at the lower end of the circulation path 26. Note that the upstream valve 31 may also be multiple valves that open and close the supply path 25 and the circulation path 26 individually.

図2に示すように、上流側バルブ31は、三つのポート36a、36b、36cを有する。上流側バルブ31は、開放動作によって、ポート36aおよびポート36bを繋げ、ポート36cとポート36bを繋げる。ポート36aおよびポート36bは、供給路25に接続されている。詳細には、ポート36aは、ポート36bより上流側に接続され、ポート36bは、ブロワー29より上流側に接続されている。ポート36cは、循環路26の下端に接続されている。ポート36cは、例えばポート36aとポート36bの間に配置されている。ポート36aは、ポート36bおよびポート36cより供給路25の上端側に配置されている。 As shown in FIG. 2, the upstream valve 31 has three ports 36a, 36b, and 36c. When opened, the upstream valve 31 connects ports 36a and 36b, and ports 36c and 36b. Ports 36a and 36b are connected to the supply path 25. Specifically, port 36a is connected upstream of port 36b, and port 36b is connected upstream of the blower 29. Port 36c is connected to the lower end of the circulation path 26. Port 36c is located, for example, between ports 36a and 36b. Port 36a is located closer to the upper end of the supply path 25 than ports 36b and 36c.

上流側バルブ31は、上流開閉機構38を有する。上流開閉機構38は、ポート36aとポート36bとの間の空気の流れを制御する上流第1開閉機構39と、ポート36cとポート36bとの間の空気の流れを制御する上流第2開閉機構41と、を含む。上流第1開閉機構39は、供給路25の上流第2開閉機構41より上流側に設けられている。 The upstream valve 31 has an upstream opening/closing mechanism 38. The upstream opening/closing mechanism 38 includes a first upstream opening/closing mechanism 39 that controls the flow of air between ports 36a and 36b, and a second upstream opening/closing mechanism 41 that controls the flow of air between ports 36c and 36b. The first upstream opening/closing mechanism 39 is located upstream of the second upstream opening/closing mechanism 41 on the supply path 25.

上流第1開閉機構39は、ポート36aとポート36bとの間、つまり、供給路25のブロワー29より上流側の部分の空気の流れを許可または遮断する。詳細には、上流第1開閉機構39は、供給路25の上端からブロワー29の流入側への空気の流れを許可または遮断する。 The upstream first opening/closing mechanism 39 allows or blocks the flow of air between ports 36a and 36b, i.e., the portion of the supply path 25 upstream of the blower 29. Specifically, the upstream first opening/closing mechanism 39 allows or blocks the flow of air from the upper end of the supply path 25 to the inlet side of the blower 29.

上流第2開閉機構41は、ポート36cとポート36bとの間、つまり、循環路26の下端と供給路25のブロワー29の上流側との間の空気の流れを許可または遮断する。詳細には、上流第2開閉機構41は、循環路26の下端からブロワー29の流入側への空気の流れを許可または遮断する。 The upstream second opening/closing mechanism 41 allows or blocks the flow of air between port 36c and port 36b, that is, between the lower end of the circulation path 26 and the upstream side of the blower 29 of the supply path 25. In particular, the upstream second opening/closing mechanism 41 allows or blocks the flow of air from the lower end of the circulation path 26 to the inlet side of the blower 29.

下流側バルブ32は、例えば電磁式の四方弁である。下流側バルブ32は、供給路25で開閉し、循環路26の上端で開閉し、かつ放出路27の上端で開閉する。なお、下流側バルブ32は、供給路25、循環路26、および放出路27のそれぞれを個別に開閉する複数のバルブであってもよい。 The downstream valve 32 is, for example, an electromagnetic four-way valve. The downstream valve 32 opens and closes at the supply path 25, at the upper end of the circulation path 26, and at the upper end of the discharge path 27. Note that the downstream valve 32 may be multiple valves that individually open and close the supply path 25, the circulation path 26, and the discharge path 27.

下流側バルブ32は、四つのポート37a、37b、37c、37dを有する。下流側バルブ32は、開放動作によってポート37aおよびポート37bを繋げ、ポート37aおよびポート37cを繋げ、ポート37aおよびポート37dを繋げる。ポート37aおよびポート37bは、供給路25に接続されている。詳細には、ポート37aは、ブロワー29の下流側に接続され、ポート37bは、ポート37aより下流側に接続されている。ポート37cは、循環路26の上端に接続され、ポート37dは、放出路27の上端に接続されている。ポート37cおよびポート37dは、例えばポート37aとポート37bとの間に配置されている。ポート37bは、ポート37a、ポート37cおよびポート37dより供給路25の下流側に配置されている。 The downstream valve 32 has four ports 37a, 37b, 37c, and 37d. When opened, the downstream valve 32 connects ports 37a and 37b, ports 37a and 37c, and ports 37a and 37d. Ports 37a and 37b are connected to the supply path 25. Specifically, port 37a is connected downstream of the blower 29, and port 37b is connected downstream of port 37a. Port 37c is connected to the upper end of the circulation path 26, and port 37d is connected to the upper end of the discharge path 27. Ports 37c and 37d are located, for example, between ports 37a and 37b. Port 37b is located downstream of ports 37a, 37c, and 37d in the supply path 25.

下流側バルブ32は、下流開閉機構42を有する。下流開閉機構42は、ポート37aおよびポート37bの間の空気の流れを制御する下流第1開閉機構43と、ポート37aおよびポート37cの間の空気の流れを制御する下流第2開閉機構44と、ポート37aおよびポート37dの間の空気の流れを制御する下流第3開閉機構45とを含む。下流第1開閉機構43は、供給路25の下流第2開閉機構44および下流第3開閉機構45より下流側に設けられている。 The downstream valve 32 has a downstream opening and closing mechanism 42. The downstream opening and closing mechanism 42 includes a downstream first opening and closing mechanism 43 that controls the flow of air between ports 37a and 37b, a downstream second opening and closing mechanism 44 that controls the flow of air between ports 37a and 37c, and a downstream third opening and closing mechanism 45 that controls the flow of air between ports 37a and 37d. The downstream first opening and closing mechanism 43 is located downstream of the downstream second opening and closing mechanism 44 and the downstream third opening and closing mechanism 45 on the supply path 25.

下流第1開閉機構43は、ポート37aおよびポート37bの間、つまり、供給路25のブロワー29より下流側の部分の空気の流れを許可または遮断する。詳細には、下流第1開閉機構43は、ブロワーの流出側から供給路25の下端への空気の流れを許可または遮断する。 The downstream first opening/closing mechanism 43 allows or blocks the flow of air between ports 37a and 37b, i.e., the portion of the supply path 25 downstream of the blower 29. Specifically, the downstream first opening/closing mechanism 43 allows or blocks the flow of air from the outlet side of the blower to the lower end of the supply path 25.

下流第2開閉機構44は、ポート37aおよびポート37cの間、つまり、供給路25のブロワー29の下流側と循環路26の上端との間の空気の流れを許可または遮断する。詳細には、下流第2開閉機構44は、ブロワー29の流出側から循環路26の上端への空気の流れを許可または遮断する。また、下流第2開閉機構44は、循環路26の空気の流れを許可または遮断する。 The downstream second opening/closing mechanism 44 allows or blocks the flow of air between ports 37a and 37c, that is, between the downstream side of the blower 29 of the supply path 25 and the upper end of the circulation path 26. In particular, the downstream second opening/closing mechanism 44 allows or blocks the flow of air from the outlet side of the blower 29 to the upper end of the circulation path 26. The downstream second opening/closing mechanism 44 also allows or blocks the flow of air in the circulation path 26.

下流第3開閉機構45は、ポート37aおよびポート37dの間、つまり、供給路25のブロワー29の下流側と放出路27の上端との間の空気の流れを許可または遮断する。詳細には、下流第3開閉機構45は、ブロワー29の流出側から放出路27の上端への空気の流れを許可または遮断する。また、下流第3開閉機構45は、放出路27の空気の流れを許可または遮断する。 The downstream third opening and closing mechanism 45 allows or blocks the flow of air between port 37a and port 37d, that is, between the downstream side of the blower 29 of the supply path 25 and the upper end of the discharge path 27. In particular, the downstream third opening and closing mechanism 45 allows or blocks the flow of air from the outlet side of the blower 29 to the upper end of the discharge path 27. The downstream third opening and closing mechanism 45 also allows or blocks the flow of air through the discharge path 27.

このような上流開閉機構38と下流開閉機構42は、供給路25、循環路26、および放出路27に始動流路47、循環流路48、放出流路49、および供給流路51を形成する。 Such an upstream opening/closing mechanism 38 and downstream opening/closing mechanism 42 form a starting flow path 47, a circulation flow path 48, a discharge flow path 49, and a supply flow path 51 in the supply path 25, circulation path 26, and discharge path 27.

始動流路47は、燃料電池装置1の始動時の流路である。始動流路47では、例えば、図2に示す実線矢印のように空気が流れる。このような始動流路47は、供給路25の吸込口から下流側バルブ32までの部分と循環路26とによる流路であり、上流第1開閉機構39、上流第2開閉機構41、および下流第2開閉機構44を開放し、かつ下流第1開閉機構43および下流第3開閉機構45を閉鎖することによって形成される。下流第1開閉機構43および下流第3開閉機構45を閉鎖することにより、始動流路47は空気室18に繋がる導入路35と放出路27とから離隔される。 The startup flow path 47 is the flow path used when the fuel cell device 1 is started. Air flows through the startup flow path 47, for example, as indicated by the solid arrows in FIG. 2 . This startup flow path 47 is a flow path formed by the portion of the supply path 25 from the suction port to the downstream valve 32 and the circulation path 26, and is formed by opening the upstream first opening/closing mechanism 39, the upstream second opening/closing mechanism 41, and the downstream second opening/closing mechanism 44, and closing the downstream first opening/closing mechanism 43 and the downstream third opening/closing mechanism 45. By closing the downstream first opening/closing mechanism 43 and the downstream third opening/closing mechanism 45, the startup flow path 47 is isolated from the inlet path 35 and the discharge path 27, which are connected to the air chamber 18.

循環流路48は、空気を循環させてブロワー29で繰り返し圧縮するための流路である。循環流路48では、例えば、図2に示す一点鎖線矢印のように空気が流れる。このような循環流路48は、供給路25の上流側バルブ31から下流側バルブ32までの部分と循環路26とによる閉じた流路であり、上流第2開閉機構41および下流第2開閉機構44を開放し、かつ上流第1開閉機構39、下流第1開閉機構43および下流第3開閉機構45を閉鎖することにより形成される。上流第1開閉機構39、下流第1開閉機構43および下流第3開閉機構45を閉鎖することにより、循環流路48は供給路25の上端、導入路35および放出路27から離隔する。 The circulation flow path 48 is a flow path for circulating air and repeatedly compressing it with the blower 29. In the circulation flow path 48, air flows, for example, as indicated by the dashed arrows in FIG. 2 . This circulation flow path 48 is a closed flow path formed by the portion of the supply path 25 from the upstream valve 31 to the downstream valve 32 and the circulation path 26, and is formed by opening the upstream second opening/closing mechanism 41 and the downstream second opening/closing mechanism 44 and closing the upstream first opening/closing mechanism 39, the downstream first opening/closing mechanism 43, and the downstream third opening/closing mechanism 45. Closing the upstream first opening/closing mechanism 39, the downstream first opening/closing mechanism 43, and the downstream third opening/closing mechanism 45 separates the circulation flow path 48 from the upper end of the supply path 25, the inlet path 35, and the outlet path 27.

放出流路49は、供給路25等の空気路4の空気をケース2内に放出するための流路である。放出流路49では、例えば、図2に示す二点鎖線矢印のように空気が流れる。このような放出流路49は、供給路25の吸込口から下流側バルブ32までの部分と循環路26と放出路27とによる流路であり、上流第1開閉機構39、上流第2開閉機構41、下流第2開閉機構44、および下流第3開閉機構45を開放し、かつ下流第1開閉機構43を閉鎖することにより形成される。下流第1開閉機構43を閉鎖することにより、放出流路49は空気室18に繋がる導入路35から離隔する。 The discharge flow path 49 is a flow path for discharging air from the air paths 4, such as the supply path 25, into the case 2. In the discharge flow path 49, air flows, for example, as indicated by the dashed-two-dot arrows in FIG. 2 . This discharge flow path 49 is a flow path that includes the portion from the suction port of the supply path 25 to the downstream valve 32, the circulation path 26, and the discharge path 27, and is formed by opening the upstream first opening/closing mechanism 39, the upstream second opening/closing mechanism 41, the downstream second opening/closing mechanism 44, and the downstream third opening/closing mechanism 45, and closing the downstream first opening/closing mechanism 43. Closing the downstream first opening/closing mechanism 43 separates the discharge flow path 49 from the introduction path 35 that connects to the air chamber 18.

供給流路51は、燃料電池3の空気室18に空気を供給するための流路である。供給流路51では、例えば、図2に示す破線矢印のように空気が流れる。このような供給流路51は、供給路25の吸込口から吐出口までの部分による流路であり、上流第1開閉機構39および下流第1開閉機構43を開放し、上流第2開閉機構41、下流第2開閉機構44および下流第3開閉機構45を閉鎖することによって形成される。上流第2開閉機構41、下流第2開閉機構44、および下流第3開閉機構45を閉鎖することにより、供給流路51は循環路26および放出路27から離隔する。 The supply flow path 51 is a flow path for supplying air to the air chamber 18 of the fuel cell 3. Air flows through the supply flow path 51, for example, as indicated by the dashed arrow in FIG. 2 . This supply flow path 51 is a flow path from the intake port to the discharge port of the supply path 25, and is formed by opening the upstream first opening/closing mechanism 39 and the downstream first opening/closing mechanism 43 and closing the upstream second opening/closing mechanism 41, the downstream second opening/closing mechanism 44, and the downstream third opening/closing mechanism 45. Closing the upstream second opening/closing mechanism 41, the downstream second opening/closing mechanism 44, and the downstream third opening/closing mechanism 45 isolates the supply flow path 51 from the circulation path 26 and the discharge path 27.

排出路28は、上端に空気の吸込口が配置され、下端に空気の吐出口が配置されている。排出路28の吸込口は、燃料電池3の空気室18に接続されている。排出路28の吸込口は、供給路25の吐出口から離隔し、その間に空気室18が介在している。排出路28の下端は、例えば、供給路25の一部に接続されていてもよく、ケース2内に配置されていてもよい。 The exhaust path 28 has an air intake port at its upper end and an air exhaust port at its lower end. The intake port of the exhaust path 28 is connected to the air chamber 18 of the fuel cell 3. The intake port of the exhaust path 28 is spaced apart from the exhaust port of the supply path 25, with the air chamber 18 interposed between them. The lower end of the exhaust path 28 may be connected to a portion of the supply path 25, for example, or may be located within the case 2.

図1に示すように、バッテリー8は、コントローラー7または燃料電池装置1の外部機器に電源を供給できる。バッテリー8は、ケース2内の供給路25の近傍に設けられていることが好ましい。バッテリー8は、例えばリチウム(Li)イオンバッテリーである。 As shown in FIG. 1, the battery 8 can supply power to the controller 7 or to devices external to the fuel cell device 1. The battery 8 is preferably provided near the supply path 25 inside the case 2. The battery 8 is, for example, a lithium (Li) ion battery.

複数の温度センサー6は、燃料電池3の温度を検知する第1温度センサー54と、循環路26の空気の温度を検知する第2温度センサー55と、ケース2内の空気の温度を検知する第3温度センサー56とを含む。第1温度センサー54、第2温度センサー55、および第3温度センサー56は、それぞれの対象の温度を検知して温度情報d1、d2、d3を生成する。 The multiple temperature sensors 6 include a first temperature sensor 54 that detects the temperature of the fuel cell 3, a second temperature sensor 55 that detects the temperature of the air in the circulation path 26, and a third temperature sensor 56 that detects the temperature of the air inside the case 2. The first temperature sensor 54, second temperature sensor 55, and third temperature sensor 56 detect the temperatures of their respective objects and generate temperature information d1, d2, and d3.

第1温度センサー54は、例えば、燃料電池3において中心側の燃料電池3の温度を検知することが好ましい。第2温度センサー55は、循環路26の下端側における空気の温度を検知することが好ましく、循環路26のリリーフバルブ33より下流側の空気の温度を検知することが好ましい。第3温度センサー56は、ファン5または燃料電池3近傍の空気の温度を検知することが好ましく、ファン5の吸込面22近傍の空気の温度を検知してもよい。また、第3温度センサー56は、ファン5または燃料電池3の温度を検知してもよい。 The first temperature sensor 54 preferably detects the temperature of the fuel cell 3 at the center of the fuel cell 3, for example. The second temperature sensor 55 preferably detects the temperature of the air at the lower end of the circulation path 26, and preferably detects the temperature of the air downstream of the relief valve 33 of the circulation path 26. The third temperature sensor 56 preferably detects the temperature of the air near the fan 5 or the fuel cell 3, and may detect the temperature of the air near the suction surface 22 of the fan 5. The third temperature sensor 56 may also detect the temperature of the fan 5 or the fuel cell 3.

コントローラー7は、中央演算処理装置(CPU)および記憶装置(メモリ)等を備えている。コントローラー7は、記憶装置に記憶されたプログラムを読み取って実行することにより、例えば温度センサー制御部、ファン制御部、ブロワー制御部、および開閉機構制御部として機能する。コントローラー7は、燃料電池装置1内のバッテリー8または他のバッテリー(図示せず)から電源が供給されている。コントローラー7は、温度センサー6、ファン5、ブロワー29、上流側バルブ31、下流側バルブ32、排出路28や水素路の流量を制御するバルブ(図示せず)などに、例えばケーブル等を介して電気的に接続されている。 The controller 7 is equipped with a central processing unit (CPU) and a storage device (memory). By reading and executing programs stored in the storage device, the controller 7 functions as, for example, a temperature sensor control unit, a fan control unit, a blower control unit, and an opening/closing mechanism control unit. The controller 7 is supplied with power from the battery 8 within the fuel cell device 1 or another battery (not shown). The controller 7 is electrically connected to the temperature sensor 6, the fan 5, the blower 29, the upstream valve 31, the downstream valve 32, and valves (not shown) that control the flow rate of the discharge channel 28 and the hydrogen channel, for example, via cables, etc.

コントローラー7は、温度センサー6に温度を検知させ、温度情報をコントローラー7に送信させる。具体的には、コントローラー7は、温度を検知させる温度検知命令r1を各温度センサー6に送信し、それぞれの温度情報d1、d2、d3を各温度センサー6から受信する。コントローラー7は、ファン5に駆動命令r2および停止命令を送信する。コントローラー7は、ブロワー29に駆動命令r3および停止命令を送信する。 The controller 7 causes the temperature sensors 6 to detect temperatures and transmit temperature information to the controller 7. Specifically, the controller 7 transmits a temperature detection command r1 to each temperature sensor 6 to detect the temperature, and receives the respective temperature information d1, d2, and d3 from each temperature sensor 6. The controller 7 transmits a drive command r2 and a stop command to the fan 5. The controller 7 transmits a drive command r3 and a stop command to the blower 29.

コントローラー7は、上流開閉機構38および下流開閉機構42の開閉を制御する。具体的には、コントローラー7は、上流開閉機構38および下流開閉機構42の開閉状態に関する開閉情報を上流開閉機構38および下流開閉機構42に送信する。開閉情報は、例えば、始動開閉情報r4、循環開閉情報r5、放出開閉情報r6、および供給開閉情報r7を含んでいる。始動開閉情報r4は、空気路4で始動流路47を形成するための上流開閉機構38および下流開閉機構42の開閉情報である。循環開閉情報r5は、空気路4で循環流路48を形成するための上流開閉機構38および下流開閉機構42の開閉情報である。放出開閉情報r6は、空気路4で放出流路49を形成するための上流開閉機構38および下流開閉機構42の開閉情報である。供給開閉情報r7は、空気路4で供給流路51を形成するための上流開閉機構38および下流開閉機構42の開閉情報である。 The controller 7 controls the opening and closing of the upstream opening and closing mechanism 38 and the downstream opening and closing mechanism 42. Specifically, the controller 7 transmits opening and closing information regarding the opening and closing states of the upstream opening and closing mechanism 38 and the downstream opening and closing mechanism 42 to the upstream opening and closing mechanism 38 and the downstream opening and closing mechanism 42. The opening and closing information includes, for example, start opening and closing information r4, circulation opening and closing information r5, discharge opening and closing information r6, and supply opening and closing information r7. The start opening and closing information r4 is opening and closing information for the upstream opening and closing mechanism 38 and the downstream opening and closing mechanism 42 to form a start flow path 47 in the air path 4. The circulation opening and closing information r5 is opening and closing information for the upstream opening and closing mechanism 38 and the downstream opening and closing mechanism 42 to form a circulation flow path 48 in the air path 4. The discharge opening and closing information r6 is opening and closing information for the upstream opening and closing mechanism 38 and the downstream opening and closing mechanism 42 to form a discharge flow path 49 in the air path 4. The supply opening and closing information r7 is opening and closing information for the upstream opening and closing mechanism 38 and the downstream opening and closing mechanism 42 to form a supply flow path 51 in the air path 4.

以下、本発明の実施形態に係る燃料電池装置の動作について説明する。 The operation of a fuel cell device according to an embodiment of the present invention will now be described.

図3は、本発明に係る実施形態の燃料電池装置の動作を示すフローチャートである。 Figure 3 is a flowchart showing the operation of a fuel cell device according to an embodiment of the present invention.

図4は、本発明に係る実施形態の上流開閉機構および下流開閉機構の開閉動作を示すタイムチャートである。 Figure 4 is a time chart showing the opening and closing operations of the upstream opening and closing mechanism and downstream opening and closing mechanism in an embodiment of the present invention.

図3および図4に示すように、燃料電池装置1は、燃料電池装置1の始動時の始動過程T1と、燃料電池装置1内を暖気する暖気過程T2と、燃料電池3が発電する発電過程T3とでそれぞれ異なる動作をする。暖気過程T2は、1以上の暖気サイクルT4を含む。暖気サイクルT4は、空気を断熱圧縮して加熱する圧縮過程T5と、加熱した空気をケース2内に放出する放出過程T6と、を含む。なお、図4では、暖気過程T2で暖気サイクルT4が二回行われた場合を例示している。 As shown in Figures 3 and 4, the fuel cell device 1 operates differently during the startup process T1 when the fuel cell device 1 is started, the warm-up process T2 in which air is warmed up inside the fuel cell device 1, and the power generation process T3 in which the fuel cell 3 generates power. The warm-up process T2 includes one or more warm-up cycles T4. The warm-up cycle T4 includes a compression process T5 in which air is adiabatically compressed and heated, and a discharge process T6 in which the heated air is discharged into the case 2. Note that Figure 4 illustrates an example in which the warm-up cycle T4 is performed twice during the warm-up process T2.

図5は、本発明に係る実施形態のコントローラーの始動過程の動作を示すフローチャートである。 Figure 5 is a flowchart showing the operation of the startup process of a controller according to an embodiment of the present invention.

図5に示すように、まず、始動過程T1で、運転手によるエンジン起動などの操作によりコントローラー7が始動する(ステップS1)。コントローラー7は、温度センサー6、ファン5、ブロワー29、上流側バルブ31、下流側バルブ32などを通電状態もしくは通電可能な状態にする。コントローラー7は、第1温度センサー54に温度検知命令r1を送信する。第1温度センサー54は燃料電池3の温度情報d1を取得し、コントローラー7は、この温度情報d1を受信する(ステップS2)。 As shown in Figure 5, first, during the start-up process T1, the controller 7 is started by an operation such as starting the engine by the driver (step S1). The controller 7 places the temperature sensor 6, fan 5, blower 29, upstream valve 31, downstream valve 32, etc. in an energized or energizable state. The controller 7 sends a temperature detection command r1 to the first temperature sensor 54. The first temperature sensor 54 acquires temperature information d1 of the fuel cell 3, and the controller 7 receives this temperature information d1 (step S2).

図2および図5に示すように、コントローラー7は、次に上流開閉機構38および下流開閉機構42に始動流路47を形成するための始動開閉情報r4を送信する(ステップS3)。これにより、上流開閉機構38および下流開閉機構42は、空気路4で始動流路47を形成する所定の開閉状態に切り替わり、始動流路47が空気路4に形成される。 As shown in Figures 2 and 5, the controller 7 then transmits startup opening/closing information r4 to the upstream opening/closing mechanism 38 and the downstream opening/closing mechanism 42 to form the startup flow path 47 (step S3). As a result, the upstream opening/closing mechanism 38 and the downstream opening/closing mechanism 42 switch to a predetermined opening/closing state that forms the startup flow path 47 in the air path 4, and the startup flow path 47 is formed in the air path 4.

次に、コントローラー7は、ブロワー29に駆動命令r3を送信する(ステップS4)。これにより、ブロワー29は、駆動し、始動流路47でブロワー29の上流側から下流側に向かって空気を送る。このため、始動流路47の空気は、供給路25の吸込口から始動流路47に流入して始動流路47内を循環し、かつ導入路35と放出路27には流れない。このため、仮に始動流路47の内壁面に氷が付着している場合に、空気の流れによって剥離した氷が、導入路35から空気室18に吹き込むことがない。図2の実線矢印で示すように、始動流路47の空気流れF1は、具体的には、供給路25の吸込口から流入し、上流第1開閉機構39、ブロワー29、下流第2開閉機構44、循環路26、および上流第2開閉機構41を通過する。 Next, the controller 7 sends a drive command r3 to the blower 29 (step S4). This activates the blower 29, sending air from the upstream side of the blower 29 to the downstream side through the start-up flow path 47. Therefore, the air in the start-up flow path 47 flows into the start-up flow path 47 from the suction port of the supply path 25 and circulates within the start-up flow path 47, without flowing into the introduction path 35 or the discharge path 27. Therefore, even if ice adheres to the inner wall surface of the start-up flow path 47, the ice detached by the air flow will not be blown into the air chamber 18 from the introduction path 35. As shown by the solid arrows in Figure 2, the air flow F1 in the start-up flow path 47 specifically flows in from the suction port of the supply path 25 and passes through the upstream first opening/closing mechanism 39, the blower 29, the downstream second opening/closing mechanism 44, the circulation path 26, and the upstream second opening/closing mechanism 41.

図6(A)は、横軸に時間をとり縦軸に温度をとって燃料電池装置の動作時の燃料電池の温度変化を示すグラフである。図6(B)は、横軸に時間をとり縦軸に温度をとって燃料電池装置の動作時の供給路または循環路の空気の温度変化を示すグラフである。図6(A)および図6(B)では、図4に合わせて、暖気サイクルT4が二回行われた場合を例示している。 Figure 6(A) is a graph showing the temperature change of the fuel cell during operation of the fuel cell device, with time on the horizontal axis and temperature on the vertical axis. Figure 6(B) is a graph showing the temperature change of the air in the supply path or circulation path during operation of the fuel cell device, with time on the horizontal axis and temperature on the vertical axis. Figures 6(A) and 6(B) illustrate the case where the warm-up cycle T4 is performed twice, in line with Figure 4.

図5および図6(A)に示すように、次に、コントローラー7は、第1温度センサー54の温度情報d1が第1設定温度t1以下であるかを判断する(ステップS5)。第1設定温度t1は、例えば摂氏0度である。第1温度センサー54が検知した燃料電池3の温度が第1設定温度t1以下である場合は、空気路4および燃料電池3の空気室18に残存する水(HO)が凍結している可能性があり、かつ燃料電池3の発電効率が低い。このため、燃料電池装置1は、コントローラー7が第1温度センサー54の温度情報d1を第1設定温度t1以下であると判断した場合、始動過程T1を終了して暖気過程T2に移行し、コントローラー7が第1温度センサー54の温度情報d1を第1設定温度t1より高いと判断した場合、始動過程T1を終了して発電過程T3に移行する。 As shown in FIGS. 5 and 6A, the controller 7 then determines whether the temperature information d1 from the first temperature sensor 54 is equal to or lower than a first set temperature t1 (step S5). The first set temperature t1 is, for example, 0 degrees Celsius. If the temperature of the fuel cell 3 detected by the first temperature sensor 54 is equal to or lower than the first set temperature t1, the water ( H2O ) remaining in the air passage 4 and the air chamber 18 of the fuel cell 3 may be frozen, and the power generation efficiency of the fuel cell 3 may be low. Therefore, if the controller 7 determines that the temperature information d1 from the first temperature sensor 54 is equal to or lower than the first set temperature t1, the fuel cell device 1 terminates the startup process T1 and transitions to a warm-up process T2. If the controller 7 determines that the temperature information d1 from the first temperature sensor 54 is higher than the first set temperature t1, the fuel cell device 1 terminates the startup process T1 and transitions to a power generation process T3.

図7は、本発明に係る実施形態のコントローラーの暖気過程の動作を示すフローチャートである。 Figure 7 is a flowchart showing the operation of the warm-up process of a controller in an embodiment of the present invention.

図2および図7に示すように、暖気過程T2では、燃料電池装置1は先ず暖気サイクルT4の圧縮過程T5に移行する。圧縮過程T5で、コントローラー7は、先ず上流開閉機構38および下流開閉機構42に循環開閉情報r5を送信する(ステップS6)。これにより、上流開閉機構38および下流開閉機構42は、空気路4で循環流路48を形成する所定の開閉状態に切り替わり、循環流路48が空気路4に形成される。 As shown in Figures 2 and 7, during the warm-up process T2, the fuel cell device 1 first transitions to the compression process T5 of the warm-up cycle T4. During the compression process T5, the controller 7 first transmits circulation opening/closing information r5 to the upstream opening/closing mechanism 38 and the downstream opening/closing mechanism 42 (step S6). As a result, the upstream opening/closing mechanism 38 and the downstream opening/closing mechanism 42 switch to a predetermined opening/closing state that forms a circulation flow path 48 in the air path 4, and the circulation flow path 48 is formed in the air path 4.

循環流路48の空気は、ブロワー29によって閉じた循環流路48を循環し、かつ供給路25の上端、導入路35、および放出路27には流れない。図2の一点鎖線矢印で示すように、循環流路48の空気流れF2は、例えばブロワー29、下流第2開閉機構44、循環路26、および上流第2開閉機構41を通過して循環流路48を循環する。図6(B)に示すように、この圧縮過程T5の循環の際に、循環流路48の空気は、断熱圧縮されて温度が上昇する。また、循環流路48の空気の温度が上昇するにしたがって、循環流路48が形成された供給路25および循環路26に熱が伝わる。さらに、導入路35および放出路27にも徐々に熱が伝わり、例えばケース2内の空気、燃料電池3、およびバッテリー8にも徐々に熱が伝わる。図6(B)に示すように、このように循環流路48の温度上昇した空気の熱は、バッテリー8および燃料電池3を少しずつ暖機し、ケース2内の空気を少しずつ暖気する。 The air in the circulation flow path 48 is circulated through the closed circulation flow path 48 by the blower 29, and does not flow into the upper end of the supply path 25, the inlet path 35, or the discharge path 27. As shown by the dashed-dotted arrows in FIG. 2 , the air flow F2 in the circulation flow path 48 passes through, for example, the blower 29, the downstream second opening/closing mechanism 44, the circulation path 26, and the upstream second opening/closing mechanism 41 before circulating through the circulation flow path 48. As shown in FIG. 6(B) , during this compression process T5, the air in the circulation flow path 48 is adiabatically compressed and its temperature rises. Furthermore, as the temperature of the air in the circulation flow path 48 rises, heat is transferred to the supply path 25 and the circulation path 26 in which the circulation flow path 48 is formed. Furthermore, heat is gradually transferred to the inlet path 35 and the discharge path 27, and, for example, to the air in the case 2, the fuel cell 3, and the battery 8. As shown in Figure 6 (B), the heat from the air whose temperature has increased in the circulation flow path 48 gradually warms up the battery 8 and fuel cell 3, and gradually warms the air inside the case 2.

一方、循環流路48の空気の圧力が許容上限圧力などの所定圧力を超えると、例えば循環流路48の空気は、リリーフバルブ33によって一部が放出されて減圧する。このため、循環流路48の空気の圧力は、例えば許容上限の圧力を超えない。この場合、リリーフバルブ33から放出された空気は、ケース2内の空気を僅かに暖気する。 On the other hand, if the air pressure in the circulation flow path 48 exceeds a predetermined pressure, such as the allowable upper limit pressure, some of the air in the circulation flow path 48 is released by the relief valve 33, reducing the pressure. As a result, the air pressure in the circulation flow path 48 does not exceed the allowable upper limit pressure, for example. In this case, the air released from the relief valve 33 slightly warms the air in the case 2.

図2および図7に示すように、循環開閉情報r5を送信した一定期間の経過後、コントローラー7は、第2温度センサー55に温度検知命令r1を送信し、第2温度センサー55は、循環路26内の空気の温度情報d2を取得し、コントローラー7にこの温度情報d2を送信する(ステップS7)。次に、コントローラー7は、第2温度センサー55の温度情報d2が第2設定温度t2以上であるかを判断する(ステップS8)。図6(B)に示すように、第2設定温度t2は、第1設定温度t1より高い。第2設定温度t2以上の温度を有する循環流路48の空気は、ケース2の内部空間に放出すると、ケース2内の空気を効果的に暖気し、燃料電池3、ファン5およびバッテリー8を効果的に暖めることができる。 As shown in FIGS. 2 and 7, after a certain period of time has elapsed since the circulation opening/closing information r5 was sent, the controller 7 sends a temperature detection command r1 to the second temperature sensor 55. The second temperature sensor 55 then acquires temperature information d2 of the air in the circulation path 26 and sends this temperature information d2 to the controller 7 (step S7). Next, the controller 7 determines whether the temperature information d2 from the second temperature sensor 55 is equal to or higher than the second set temperature t2 (step S8). As shown in FIG. 6(B), the second set temperature t2 is higher than the first set temperature t1. When the air in the circulation path 48 having a temperature equal to or higher than the second set temperature t2 is released into the internal space of the case 2, it effectively warms the air in the case 2, thereby effectively warming the fuel cell 3, fan 5, and battery 8.

このため、燃料電池装置1は、コントローラー7が第2温度センサー55の温度情報d2を第2設定温度t2以上であると判断した場合、燃料電池装置1は圧縮過程T5を終了して放出過程T6に移行する。コントローラー7が第2温度センサー55の温度情報d2を第2設定温度t2より低いと判断した場合、さらに一定期間圧縮過程T5を続けて循環流路48の空気を断熱圧縮して昇温する。その後、コントローラー7は、再び第2温度センサー55に温度検知命令r1を送信して温度情報d2を取得し(ステップS7)、温度情報d2を第2設定温度t2以上であるかを判断する(ステップS8)。このように、コントローラー7が循環流路48の空気の温度を第2設定温度t2以上と判断するまで、この圧縮過程T5を続ける。 Therefore, when the controller 7 determines that the temperature information d2 from the second temperature sensor 55 is equal to or higher than the second set temperature t2, the fuel cell device 1 terminates the compression process T5 and transitions to the discharge process T6. When the controller 7 determines that the temperature information d2 from the second temperature sensor 55 is lower than the second set temperature t2, the compression process T5 continues for a certain period of time to adiabatically compress the air in the circulation flow path 48 and raise its temperature. The controller 7 then again sends a temperature detection command r1 to the second temperature sensor 55 to obtain the temperature information d2 (step S7) and determines whether the temperature information d2 is equal to or higher than the second set temperature t2 (step S8). In this way, the compression process T5 continues until the controller 7 determines that the temperature of the air in the circulation flow path 48 is equal to or higher than the second set temperature t2.

図2および図7に示すように、放出過程T6で、コントローラー7は、先ず上流開閉機構38および下流開閉機構42に放出開閉情報r6を送信する(ステップS9)。これにより、上流開閉機構38および下流開閉機構42は、空気路4で放出流路49を形成する所定の開閉状態に切り替わり、放出流路49が空気路4に形成される。 As shown in Figures 2 and 7, during the discharge process T6, the controller 7 first transmits discharge opening/closing information r6 to the upstream opening/closing mechanism 38 and the downstream opening/closing mechanism 42 (step S9). As a result, the upstream opening/closing mechanism 38 and the downstream opening/closing mechanism 42 switch to a predetermined open/close state that forms a discharge flow path 49 in the air path 4, and the discharge flow path 49 is formed in the air path 4.

図2および図7に示すように、圧縮過程T5によって第2設定温度t2以上の温度になった放出流路49の空気は、ブロワー29が放出流路49で駆動しているため、供給路25の吸込口から流入したケース2内の空気と共に放出流路49を流れる。このとき、放出流路49の空気は、導入路35には流れない。図2の二点鎖線矢印に示すように、放出流路49の空気流れF3は、主流F4と分流F5とを含む。主流F4は、上流第1開閉機構39、ブロワー29、下流第3開閉機構45、および放出路27を通過して放出路27の吐出口から放出される。分流F5は、例えば、下流側バルブ32で主流から分かれ、下流第2開閉機構44、循環路26、および上流第2開閉機構41を通過し、上流側バルブ31で再び主流F4に合流する。 As shown in Figures 2 and 7, the air in the discharge flow path 49, whose temperature has risen to or exceeds the second set temperature t2 during the compression process T5, flows through the discharge flow path 49 together with the air inside the case 2 that has flowed in from the intake port of the supply path 25 because the blower 29 is driven by the discharge flow path 49. At this time, the air in the discharge flow path 49 does not flow into the introduction path 35. As shown by the dashed-dotted arrow in Figure 2, the air flow F3 in the discharge flow path 49 includes a main flow F4 and a diverted flow F5. The main flow F4 passes through the upstream first opening/closing mechanism 39, the blower 29, the downstream third opening/closing mechanism 45, and the discharge path 27 before being released from the outlet of the discharge path 27. The diverted flow F5, for example, branches off from the main flow at the downstream valve 32, passes through the downstream second opening/closing mechanism 44, the circulation path 26, and the upstream second opening/closing mechanism 41, and rejoins the main flow F4 at the upstream valve 31.

放出流路49から放出された空気は、ケース2内で拡散され、かつケース2内の空気の温度を効果的に上昇する。図6(A)に示すように、これにより、燃料電池3、排出路28および導入路35等に熱が伝わり易い。また、放出路27は、下端を燃料電池3側に、具体的には燃料電池3の周囲に配置されているため、燃料電池3、およびその周辺の空気の温度が上昇し易い。図6(B)に示すように、放出流路49の空気は、暖気した空気を放出し、供給路25の吸込口からケース2内の空気が流入し続けるため、温度が低下する。 The air released from the discharge flow path 49 is diffused within the case 2, effectively raising the temperature of the air within the case 2. As shown in Figure 6(A), this facilitates heat transfer to the fuel cell 3, discharge path 28, and inlet path 35. Furthermore, because the lower end of the discharge path 27 is located on the fuel cell 3 side, specifically around the fuel cell 3, the temperature of the fuel cell 3 and the air around it tends to rise. As shown in Figure 6(B), the temperature of the air in the discharge flow path 49 drops as warm air is released and air from within the case 2 continues to flow in through the intake port of the supply path 25.

図7に示すように、次に、コントローラー7は、第3温度センサー56に温度検知命令r1を送信し、第3温度センサー56は、ケース2内の空気の温度情報d3を取得し、コントローラー7はこの温度情報d3を取得する(ステップS10)。次に、コントローラー7は、第3温度センサー56の温度情報d3が第3設定温度t3以上であるかを判断する(ステップS11)。第3設定温度t3は、例えば第1設定温度t1より高く、第2設定温度t2より低い。第3設定温度t3以上の温度を有するケース2内の空気は、ファン5によって燃料電池3の周囲に沿って流動させられると、燃料電池3に効果的に熱を与えることができる。 As shown in FIG. 7 , the controller 7 then sends a temperature detection command r1 to the third temperature sensor 56, which then acquires temperature information d3 of the air inside the case 2. The controller 7 then acquires this temperature information d3 (step S10). Next, the controller 7 determines whether the temperature information d3 from the third temperature sensor 56 is equal to or higher than the third set temperature t3 (step S11). The third set temperature t3 is, for example, higher than the first set temperature t1 and lower than the second set temperature t2. When the air inside the case 2, which has a temperature equal to or higher than the third set temperature t3, is forced to flow around the fuel cell 3 by the fan 5, it can effectively provide heat to the fuel cell 3.

このため、コントローラー7が第3温度センサー56の温度情報d3を第3設定温度t3以上であると判断した場合、コントローラー7は、ファン5に駆動命令r2を送信する(ステップS12)。これにより、ファン5は、燃料電池3に風を送って燃料電池3に熱を与える。コントローラー7が第3温度センサー56の温度情報d3を第3設定温度t3より低いと判断した場合、燃料電池装置1は、放出過程T6を終了して次の暖気サイクルT4に移行し、同様に圧縮過程T5および放出過程T6を行う。このように、コントローラー7がケース2内の空気の温度を第3設定温度t3以上と判断するまで、この暖気サイクルT4を繰り返す。 For this reason, if the controller 7 determines that the temperature information d3 from the third temperature sensor 56 is equal to or higher than the third set temperature t3, the controller 7 sends a drive command r2 to the fan 5 (step S12). This causes the fan 5 to blow air onto the fuel cell 3, providing heat to the fuel cell 3. If the controller 7 determines that the temperature information d3 from the third temperature sensor 56 is lower than the third set temperature t3, the fuel cell device 1 ends the discharge process T6 and moves on to the next warm-up cycle T4, similarly performing the compression process T5 and the discharge process T6. In this way, this warm-up cycle T4 is repeated until the controller 7 determines that the temperature of the air inside the case 2 is equal to or higher than the third set temperature t3.

ファン5に駆動命令r2を送信した所定期間の経過後、コントローラー7は、第1温度センサー54に温度検知命令r1を送信し、第1温度センサー54は、燃料電池3の温度情報d1を取得し、コントローラー7にこの温度情報d1を送信する(ステップS13)。次に、コントローラー7は、第1温度センサー54の温度情報d1が第4設定温度t4より高いか判断する(ステップS14)。図6(A)に示すように、第4設定温度t4は、例えば第1設定温度t1と同じであり、第1設定温度t1より高くてもよい。燃料電池3の温度が第4設定温度t4より高い場合、排出路28や導入路35等の空気路4および燃料電池3の空気室18に残存する水が液体であることが予測できる。また、燃料電池3の温度が第4設定温度t4より高い場合、燃料電池3が暖機され、かつ空気路4とケース2内の空気が暖まっていることが予測できる。 After a predetermined period of time has elapsed since the drive command r2 was sent to the fan 5, the controller 7 sends a temperature detection command r1 to the first temperature sensor 54. The first temperature sensor 54 then acquires temperature information d1 from the fuel cell 3 and transmits this temperature information d1 to the controller 7 (step S13). Next, the controller 7 determines whether the temperature information d1 from the first temperature sensor 54 is higher than a fourth set temperature t4 (step S14). As shown in FIG. 6A, the fourth set temperature t4 may be the same as or higher than the first set temperature t1. If the temperature of the fuel cell 3 is higher than the fourth set temperature t4, it can be predicted that the water remaining in the air passages 4, such as the exhaust passage 28 and the inlet passage 35, and in the air chamber 18 of the fuel cell 3 is liquid. Furthermore, if the temperature of the fuel cell 3 is higher than the fourth set temperature t4, it can be predicted that the fuel cell 3 has warmed up and that the air passage 4 and the air in the case 2 have warmed up.

このため、コントローラー7が第1温度センサー54の温度情報d1を第4設定温度t4より高いと判断した場合、燃料電池装置1は、暖気過程T2を終了して発電過程T3に移行する。コントローラー7が第1温度センサー54の温度情報d1を第4設定温度t4以下であると判断した場合、燃料電池装置1は、放出過程T6を終了して次の暖気サイクルT4に移行し、同様に圧縮過程T5および放出過程T6を行う。 For this reason, if the controller 7 determines that the temperature information d1 from the first temperature sensor 54 is higher than the fourth set temperature t4, the fuel cell device 1 ends the warm-up process T2 and transitions to the power generation process T3. If the controller 7 determines that the temperature information d1 from the first temperature sensor 54 is equal to or lower than the fourth set temperature t4, the fuel cell device 1 ends the discharge process T6 and transitions to the next warm-up cycle T4, and similarly performs the compression process T5 and discharge process T6.

図8は、本発明に係る実施形態のコントローラーの発電過程の動作を示すフローチャートである。 Figure 8 is a flowchart showing the operation of the power generation process of a controller in an embodiment of the present invention.

図2および図8に示すように、発電過程T3で、先ずコントローラー7は、上流開閉機構38および下流開閉機構42に供給開閉情報r7を送信する(ステップS15)。これにより、上流開閉機構38および下流開閉機構42は、空気路4で供給流路51を形成する所定の開閉状態に切り替わり、供給流路51が空気路4に形成される。この場合、コントローラー7は、例えば、先ず供給開閉情報r7を上流開閉機構38に送信し、上流開閉機構38が所定の開閉状態に切り替わった後、下流開閉機構42に供給開閉情報r7を送信し、下流開閉機構42が所定の開閉状態に切り替わることが好ましい。 As shown in Figures 2 and 8, during power generation process T3, the controller 7 first transmits supply opening/closing information r7 to the upstream opening/closing mechanism 38 and the downstream opening/closing mechanism 42 (step S15). As a result, the upstream opening/closing mechanism 38 and the downstream opening/closing mechanism 42 switch to a predetermined opening/closing state that forms a supply flow path 51 in the air path 4, and the supply flow path 51 is formed in the air path 4. In this case, it is preferable that the controller 7, for example, first transmits the supply opening/closing information r7 to the upstream opening/closing mechanism 38, and after the upstream opening/closing mechanism 38 switches to the predetermined opening/closing state, transmits the supply opening/closing information r7 to the downstream opening/closing mechanism 42, and the downstream opening/closing mechanism 42 switches to the predetermined opening/closing state.

供給流路51の空気は、ブロワー29が供給流路51で駆動しているため、供給路25の吸込口から流入したケース2内の空気と共に供給流路51を流れる。このとき、供給流路51の空気は、例えば循環路26および放出路27には流れない。図2の破線矢印で示すように、供給流路51の空気流れF6は、上流第1開閉機構39、ブロワー29、下流第1開閉機構43、および導入路35を通過する。また、供給流路51の空気流れF6は、循環路26の上端および放出路27の上端に入り込まずに流れるため、損失が少ない。さらに、供給流路51の空気は、空気室18および排出路28を流れる。このとき、供給流路51の空気は、供給流路51、空気室18、および排出路28に残存する水を下流側に向かって押し、水は下流側に流れていく。空気室18に流れ込んだ水は、セパレーター13を通過してもガス拡散層15および電極膜14を傷つけない。このように、空気室18には、供給流路51からケース2内の空気が供給され続ける。この供給流路51の空気の温度は、例えば、第4設定温度t4より高い。 Because the blower 29 is driven by the supply flow path 51, the air in the supply flow path 51 flows through the supply flow path 51 along with the air inside the case 2 that flows in through the suction port of the supply path 25. At this time, the air in the supply flow path 51 does not flow, for example, into the circulation path 26 or the discharge path 27. As shown by the dashed arrows in Figure 2, the air flow F6 in the supply flow path 51 passes through the upstream first opening/closing mechanism 39, the blower 29, the downstream first opening/closing mechanism 43, and the introduction path 35. Furthermore, because the air flow F6 in the supply flow path 51 does not enter the upper end of the circulation path 26 or the upper end of the discharge path 27, loss is minimal. Furthermore, the air in the supply flow path 51 flows through the air chamber 18 and the discharge path 28. At this time, the air in the supply flow path 51 pushes the water remaining in the supply flow path 51, the air chamber 18, and the discharge path 28 downstream, causing the water to flow downstream. Water that flows into the air chamber 18 does not damage the gas diffusion layer 15 or electrode membrane 14 even when it passes through the separator 13. In this way, air from inside the case 2 continues to be supplied to the air chamber 18 from the supply flow path 51. The temperature of the air in this supply flow path 51 is higher than the fourth set temperature t4, for example.

次に、コントローラー7は、水素路に水素の流通を開始させる(ステップS16)。これにより、水素室19に水素が供給され、水素室19の水素と空気室18の酸素との酸化還元反応が始まり、燃料電池3は発電を開始する。コントローラー7は、例えば、運転手によるエンジン停止などの操作により、温度センサー6、ファン5、ブロワー29、上流側バルブ31、下流側バルブ32等への通電を停止し、水素路に水素の流通を停止させる。これにより、燃料電池装置1は、発電過程T3が終了する。 Next, the controller 7 starts the flow of hydrogen through the hydrogen path (step S16). This supplies hydrogen to the hydrogen chamber 19, initiating an oxidation-reduction reaction between the hydrogen in the hydrogen chamber 19 and the oxygen in the air chamber 18, and the fuel cell 3 begins generating electricity. For example, when the driver stops the engine, the controller 7 stops the supply of electricity to the temperature sensor 6, fan 5, blower 29, upstream valve 31, downstream valve 32, etc., and stops the flow of hydrogen through the hydrogen path. This marks the end of the power generation process T3 in the fuel cell device 1.

図1に示すように、放出路27と下流第3開閉機構45は、例えば、設けられなくてもよい。この場合、燃料電池装置1は、循環流路48が形成された空気路4からの伝熱によって暖機され、または、リリーフバルブ33から排出される空気がケース2内の空気を暖気する。また、放出路27および下流第3開閉機構45が設けられない場合、燃料電池装置1は、循環流路48から伝熱させた冷媒を用いて燃料電池3を暖機させてもよく、循環路26を燃料電池3の周囲に配置することにより燃料電池3を直接暖機してもよい。 As shown in FIG. 1, the discharge path 27 and downstream third opening/closing mechanism 45 may not be provided, for example. In this case, the fuel cell device 1 is warmed up by heat transfer from the air path 4 in which the circulation path 48 is formed, or the air discharged from the relief valve 33 warms the air inside the case 2. Furthermore, if the discharge path 27 and downstream third opening/closing mechanism 45 are not provided, the fuel cell device 1 may warm up the fuel cell 3 using refrigerant whose heat has been transferred from the circulation path 48, or the fuel cell 3 may be warmed up directly by arranging the circulation path 26 around the fuel cell 3.

燃料電池3以外の空気路4、水素路、ファン5などの他の構成は、その一部がケース2に覆われておらず、外部に露出していてもよい。リリーフバルブ33は、循環路26に設けられているが、供給路25の上流第1開閉機構39の下流側かつ下流第1開閉機構43の上流側に設けられていてもよい。 Other components, such as the air passage 4, hydrogen passage, and fan 5, other than the fuel cell 3, may be partially uncovered by the case 2 and exposed to the outside. The relief valve 33 is provided in the circulation passage 26, but may also be provided downstream of the upstream first opening/closing mechanism 39 and upstream of the downstream first opening/closing mechanism 43 of the supply passage 25.

第1温度センサー54は、燃料電池3の温度を検知するが、これに限らない。第1温度センサー54は、例えば、ケース2内の他の構成、好ましくは、燃料電池3の近傍の他の構成の温度を検知してもよく、これらの周辺の空気の温度を検知してもよい。第2温度センサー55は、循環路26の空気の温度を検知するが、これに限らない。第2温度センサー55は、例えば、供給路25の、詳細には、ブロワー29の上流側の空気の温度を検知してもよく、循環路26または供給路25の温度を検知してもよい。 The first temperature sensor 54 detects the temperature of the fuel cell 3, but is not limited to this. The first temperature sensor 54 may, for example, detect the temperature of other components within the case 2, preferably other components near the fuel cell 3, or may detect the temperature of the air around these components. The second temperature sensor 55 detects the temperature of the air in the circulation path 26, but is not limited to this. The second temperature sensor 55 may, for example, detect the temperature of the air in the supply path 25, specifically upstream of the blower 29, or may detect the temperature of the circulation path 26 or the supply path 25.

本実施形態に係る燃料電池装置1は、燃料電池3の空気室18に接続される供給路25と、供給路25に設けられて供給路25内の空気を圧縮して燃料電池3に送り込むブロワー29と、供給路25のブロワー29より下流側かつブロワー29より上流側とを接続する循環路26と、供給路25のブロワー29より下流側、かつ供給路25および循環路26の接続部分より下流側に設けられて供給路25における空気の流れを許可または遮断する下流第1開閉機構43と、を備えている。このため、燃料電池装置1は、例えば始動後の暖機運転の際に、供給路25および循環路26で空気を循環させて断熱圧縮を繰り返す。そのため、燃料電池装置1は、空気の温度を効率的に上昇させて暖機できる。 The fuel cell device 1 according to this embodiment includes a supply path 25 connected to the air chamber 18 of the fuel cell 3; a blower 29 provided in the supply path 25 that compresses the air in the supply path 25 and sends it to the fuel cell 3; a circulation path 26 connecting the downstream side of the blower 29 and the upstream side of the supply path 25; and a downstream first opening/closing mechanism 43 provided in the supply path 25 downstream of the blower 29 and downstream of the connection between the supply path 25 and the circulation path 26 that allows or blocks the flow of air in the supply path 25. Therefore, during warm-up operation after startup, for example, the fuel cell device 1 circulates air through the supply path 25 and the circulation path 26, repeatedly performing adiabatic compression. This allows the fuel cell device 1 to efficiently increase the air temperature and warm up.

また、燃料電池装置1は、下流第1開閉機構43を閉鎖した供給路25および循環路26で空気を断熱圧縮する。このため、燃料電池装置1は、燃料電池3の空気室18に空気を流入させずに空気を昇温する。したがって、燃料電池3の温度が例えば氷点下である場合、空気路4および空気室18の内壁面に付着する氷が、空気の循環によって剥離して空気室18に吹き込むことを防いでいる。このように、燃料電池装置1は、暖機運転の際に空気室18に対向するガス拡散層15および電極膜14が傷付くことを抑止できる。 Furthermore, the fuel cell device 1 adiabatically compresses air in the supply path 25 and circulation path 26 with the downstream first opening/closing mechanism 43 closed. As a result, the fuel cell device 1 heats the air without allowing it to flow into the air chamber 18 of the fuel cell 3. Therefore, when the temperature of the fuel cell 3 is below freezing, for example, ice adhering to the inner wall surfaces of the air path 4 and air chamber 18 is prevented from being detached by air circulation and blown into the air chamber 18. In this way, the fuel cell device 1 can prevent damage to the gas diffusion layer 15 and electrode film 14 facing the air chamber 18 during warm-up operation.

さらに、燃料電池装置1は、供給路25のブロワー29より下流側かつ下流第1開閉機構43より上流側に接続されてケース2内に空気を放出する放出路27と、放出路27に設けられて放出路27での空気の流れを許可または遮断する下流第3開閉機構45と、を備えている。これにより、燃料電池装置1は、下流第3開閉機構45を開放して放出路27から昇温した空気をケース2内に放出する。このため、燃料電池装置1は、昇温した空気によって燃料電池3、下流側バルブ32より下流の導入路35や排出路28等の空気路4、およびケース2内の空気を暖める。また、供給路25は、ケース2内の空気を吸込んで空気の昇温と放出を繰り返して、段階的に空気を暖気できる。このように、燃料電池装置1は効果的に暖機できる。 Furthermore, the fuel cell device 1 includes a discharge path 27 connected to the supply path 25 downstream of the blower 29 and upstream of the first downstream opening/closing mechanism 43 to discharge air into the case 2, and a third downstream opening/closing mechanism 45 provided on the discharge path 27 to allow or block the flow of air through the discharge path 27. As a result, the fuel cell device 1 opens the third downstream opening/closing mechanism 45 to discharge heated air from the discharge path 27 into the case 2. As a result, the fuel cell device 1 uses the heated air to warm the fuel cell 3, the air paths 4 downstream of the downstream valve 32, such as the inlet path 35 and outlet path 28, and the air inside the case 2. The supply path 25 also draws in air from the case 2, repeatedly heating and releasing the air, thereby warming the air in stages. In this way, the fuel cell device 1 can be effectively warmed up.

また、本実施形態に係る燃料電池装置1は、少なくとも三方向において選択的に開閉する下流側バルブ32を備えている。下流第1開閉機構43、下流第2開閉機構44および下流第3開閉機構45は、下流側バルブ32に一体で設けられている。これにより、燃料電池装置1は、循環路26の上端および放出路27の上端にそれぞれ下流第2開閉機構44および下流第3開閉機構45を設けている。そのため、燃料電池装置1は、供給流路51の空気流れF6および放出流路49の空気流れF3の損失を低減できる。 The fuel cell device 1 according to this embodiment also includes a downstream valve 32 that selectively opens and closes in at least three directions. The downstream first opening and closing mechanism 43, downstream second opening and closing mechanism 44, and downstream third opening and closing mechanism 45 are integrally provided on the downstream valve 32. As a result, the fuel cell device 1 is provided with the downstream second opening and closing mechanism 44 and downstream third opening and closing mechanism 45 at the upper end of the circulation path 26 and the upper end of the discharge path 27, respectively. As a result, the fuel cell device 1 can reduce losses in the air flow F6 in the supply flow path 51 and the air flow F3 in the discharge flow path 49.

また、本実施形態に係る燃料電池装置1は、燃料電池3に対向して設けられて燃料電池3の周囲に沿って空気を流動させるファン5を備えている。放出路27の下端は、燃料電池3側に配置されている。これにより、ファン5は、暖気された空気を燃料電池3の周囲に沿って流して、燃料電池3を効果的に暖機できる。 The fuel cell device 1 according to this embodiment also includes a fan 5 that faces the fuel cell 3 and causes air to flow around the fuel cell 3. The lower end of the discharge path 27 is located on the fuel cell 3 side. This allows the fan 5 to flow heated air around the fuel cell 3, effectively warming up the fuel cell 3.

さらに、本実施形態に係る燃料電池装置1は、ケース2内の少なくとも一部の温度を検知する第1温度センサー54を備えている。第1温度センサー54が検知した温度が第1設定温度t1以下である場合、下流第1開閉機構43および下流第3開閉機構45を閉鎖し、かつ下流第2開閉機構44を開放して循環路26に空気を流し、第1温度センサー54が検知した温度が第1設定温度t1より高い場合、下流第3開閉機構45を閉鎖し、かつ下流第1開閉機構43を開放して燃料電池3に空気を流す。これにより、燃料電池装置1は、例えば、燃料電池3の暖機が必要な温度として第1設定温度t1を設定する。第1温度センサー54の検知温度が第1設定温度t1以下である場合、燃料電池装置1は、供給路25および循環路26で空気を循環させて断熱圧縮を繰り返し、空気を暖気して燃料電池3を暖機できる。一方、第1温度センサー54の検知温度が第1設定温度t1より高い場合、燃料電池装置1は、供給路25から燃料電池3に空気を流して発電を開始できる。 Furthermore, the fuel cell device 1 according to this embodiment is equipped with a first temperature sensor 54 that detects the temperature of at least a portion of the interior of the case 2. When the temperature detected by the first temperature sensor 54 is equal to or lower than the first set temperature t1, the downstream first opening/closing mechanism 43 and the downstream third opening/closing mechanism 45 are closed, and the downstream second opening/closing mechanism 44 is opened, allowing air to flow through the circulation path 26. When the temperature detected by the first temperature sensor 54 is higher than the first set temperature t1, the downstream third opening/closing mechanism 45 is closed, and the downstream first opening/closing mechanism 43 is opened, allowing air to flow through the fuel cell 3. As a result, the fuel cell device 1 sets the first set temperature t1, for example, as the temperature at which the fuel cell 3 must be warmed up. When the temperature detected by the first temperature sensor 54 is equal to or lower than the first set temperature t1, the fuel cell device 1 circulates air through the supply path 25 and the circulation path 26, repeatedly performing adiabatic compression to warm the air and thereby warm up the fuel cell 3. On the other hand, when the temperature detected by the first temperature sensor 54 is higher than the first set temperature t1, the fuel cell device 1 can start generating electricity by flowing air from the supply path 25 to the fuel cell 3.

さらにまた、本実施形態に係る燃料電池装置1によれば、第1温度センサー54は、燃料電池3の温度を検知する。これにより、燃料電池3の暖気が必要な温度として第1設定温度t1を的確に設定できる。 Furthermore, in the fuel cell device 1 according to this embodiment, the first temperature sensor 54 detects the temperature of the fuel cell 3. This allows the first set temperature t1 to be accurately set as the temperature at which the fuel cell 3 needs to be warmed up.

さらにまた、本実施形態に係る燃料電池装置1は、供給路25および循環路26の少なくともいずれかの空気の温度を検知する第2温度センサー55を備えている。第1温度センサー54が検知した温度が第1設定温度t1以下であり、かつ第2温度センサー55が検知した温度が高い第2設定温度t2以上である場合、下流第1開閉機構43を閉鎖し、かつ下流第3開閉機構45を開放する。第2設定温度t2は、第1設定温度t1より高い。これにより、燃料電池装置1は、例えば、昇温した空気を放出路27から放出した場合に、効果的に燃料電池3を暖機できる温度として第2設定温度t2を設定する。第1温度センサー54の検知温度が第1設定温度t1以下であり、かつ第2温度センサー55の検知温度が第2設定温度t2以上である場合、燃料電池装置1は、昇温した空気を放出路27から放出して燃料電池3を効果的に暖機できる。 Furthermore, the fuel cell device 1 according to this embodiment is equipped with a second temperature sensor 55 that detects the temperature of the air in at least one of the supply path 25 and the circulation path 26. When the temperature detected by the first temperature sensor 54 is equal to or lower than the first set temperature t1 and the temperature detected by the second temperature sensor 55 is equal to or higher than the higher second set temperature t2, the downstream first opening/closing mechanism 43 is closed and the downstream third opening/closing mechanism 45 is opened. The second set temperature t2 is higher than the first set temperature t1. As a result, the fuel cell device 1 sets the second set temperature t2 as a temperature that can effectively warm up the fuel cell 3 when heated air is released from the release path 27, for example. When the temperature detected by the first temperature sensor 54 is equal to or lower than the first set temperature t1 and the temperature detected by the second temperature sensor 55 is equal to or higher than the second set temperature t2, the fuel cell device 1 can effectively warm up the fuel cell 3 by releasing heated air from the release path 27.

したがって、本実施形態に係る燃料電池装置1によれば、信頼性の高い暖機ができる。 Therefore, the fuel cell device 1 according to this embodiment enables highly reliable warm-up.

1・・・燃料電池装置、2・・・ケース、3・・・燃料電池、4・・・空気路、5・・・ファン、6・・・温度センサー、7・・・コントローラー、11・・・貫通孔、13・・・セパレーター、14・・・電極膜、15、16・・・ガス拡散層、17・・・マニホールドプレート、18・・・空気室、19・・・水素室、21・・・吐出面、22・・・吸込面、25・・・供給路、26・・・循環路、27・・・放出路、28・・・排出路、29・・・供給路、29・・・ブロワー、31・・・上流側バルブ、32・・・下流側バルブ、33・・・リリーフバルブ、34・・・圧縮路、35・・・導入路、36a~36c・・・ポート、37a~37d・・・ポート、38・・・上流開閉機構、39・・・上流第1開閉機構、41・・・上流第2開閉機構、42・・・下流開閉機構、43・・・下流第1開閉機構、44・・・下流第2開閉機構、45・・・下流第3開閉機構、47・・・始動流路、48・・・循環流路、49・・・放出流路、51・・・供給流路、54・・・第1温度センサー、55・・・第2温度センサー、56・・・第3温度センサー、d1~d3・・・温度情報、F4・・・主流、F5・・・分流、Li・・・リチウム、r1・・・温度検知命令、r2、r3・・・駆動命令、r4・・・始動開閉情報、r5・・・循環開閉情報、r6・・・放出開閉情報、r7・・・供給開閉情報、S1~S16・・・ステップ、t1・・・第1設定温度、t2・・・第2設定温度、t3・・・第3設定温度、t4・・・第4設定温度、T1・・・始動過程、T2・・・暖気過程、T3・・・発電過程、T4・・・暖気サイクル、T5・・・圧縮過程、T6・・・放出過程 1...Fuel cell device, 2...Case, 3...Fuel cell, 4...Air passage, 5...Fan, 6...Temperature sensor, 7...Controller, 11...Through-hole, 13...Separator, 14...Electrode membrane, 15, 16...Gas diffusion layer, 17...Manifold plate, 18...Air chamber, 19...Hydrogen chamber, 21...Discharge surface, 22...Suction surface, 25...Supply channel, 26...Circulation channel, 27...Discharge channel, 28...Discharge channel, 29...Supply channel, 29...Blower, 31...Upstream valve, 32...Downstream valve, 33...Relief valve, 34...Compression channel, 35...Inlet channel, 36a-36c...Ports, 37a-37d...Ports, 38...Upstream opening/closing mechanism, 39...Upstream first opening/closing mechanism, 41...Upstream second opening/closing mechanism, 42...Downstream opening/closing mechanism, 43... ...Downstream first switching mechanism, 44...Downstream second switching mechanism, 45...Downstream third switching mechanism, 47...Starting flow path, 48...Circulation flow path, 49...Discharge flow path, 51...Supply flow path, 54...First temperature sensor, 55...Second temperature sensor, 56...Third temperature sensor, d1-d3...Temperature information, F4...Main flow, F5...Diversion flow, Li...Lithium, r1...Temperature detection command, r2, r3...Drive command, r4...Starting switching information, r5...Circulation switching information, r6...Discharge switching information, r7...Supply switching information, S1-S16...Step, t1...First set temperature, t2...Second set temperature, t3...Third set temperature, t4...Fourth set temperature, T1...Starting process, T2...Warm-up process, T3...Power generation process, T4...Warm-up cycle, T5...Compression process, T6...Discharge process

Claims (6)

ケースと、
前記ケースに収容される燃料電池と、
前記燃料電池に接続される供給路と、
前記供給路に設けられて前記供給路内の空気を圧縮して前記燃料電池へ送り込むブロワーと、
前記供給路の前記ブロワーより下流側と前記ブロワーより上流側とを接続する循環路と、
前記供給路の前記ブロワーより下流側かつ前記供給路と前記循環路との接続部分より下流側に設けられて前記供給路における前記空気の流れを許可または遮断する第1開閉機構と、
前記供給路の前記ブロワーより下流側かつ前記第1開閉機構より上流側に接続されて前記ケース内に前記空気を放出する放出路と、
前記循環路に設けられて前記循環路での前記空気の流れを許可または遮断する第2開閉機構と、
前記放出路に設けられて前記放出路での前記空気の流れを許可または遮断する第3開閉機構と、を備える燃料電池装置。
Case and
a fuel cell housed in the case;
a supply path connected to the fuel cell;
a blower provided in the supply path to compress the air in the supply path and send it to the fuel cell;
a circulation path connecting a downstream side of the blower and an upstream side of the blower in the supply path;
a first opening/closing mechanism that is provided in the supply path downstream of the blower and downstream of a connection between the supply path and the circulation path and that allows or blocks the flow of air in the supply path;
a discharge path connected to the supply path downstream of the blower and upstream of the first opening/closing mechanism, and discharging the air into the case;
a second opening/closing mechanism provided in the circulation path and configured to allow or block the flow of air through the circulation path;
a third opening/closing mechanism provided in the discharge path for allowing or blocking the flow of air in the discharge path.
少なくとも三方向において選択的に開閉するバルブを備え、
前記第1開閉機構、前記第2開閉機構、および前記第3開閉機構は前記バルブに一体に設けられる請求項1に記載の燃料電池装置。
a valve that selectively opens and closes in at least three directions;
2. The fuel cell device according to claim 1, wherein the first opening/closing mechanism, the second opening/closing mechanism, and the third opening/closing mechanism are integrally provided on the valve.
前記燃料電池に対向して設けられて前記燃料電池の周囲に沿って空気を流動させるファンを備え、
前記放出路の下端は、前記燃料電池側に配置される請求項1または2に記載の燃料電池装置。
a fan provided opposite the fuel cell to cause air to flow around the fuel cell;
3. The fuel cell device according to claim 1, wherein a lower end of the discharge path is disposed on the fuel cell side.
前記ケース内の少なくとも一部の温度を検知する第1温度センサーを備え、
前記第1温度センサーが検知した温度が第1設定温度以下である場合、前記第1開閉機構および前記第3開閉機構を閉鎖し、かつ前記第2開閉機構を開放して前記循環路に前記空気を流し、
前記第1温度センサーが検知した温度が前記第1設定温度より高い場合、前記第3開閉機構を閉鎖し、かつ前記第1開閉機構を開放して前記燃料電池に前記空気を流す請求項1~3のいずれか一つに記載の燃料電池装置。
a first temperature sensor for detecting a temperature in at least a part of the case;
when the temperature detected by the first temperature sensor is equal to or lower than a first set temperature, the first opening/closing mechanism and the third opening/closing mechanism are closed and the second opening/closing mechanism is opened to allow the air to flow through the circulation path;
A fuel cell device described in any one of claims 1 to 3, wherein when the temperature detected by the first temperature sensor is higher than the first set temperature, the third opening and closing mechanism is closed and the first opening and closing mechanism is opened to allow the air to flow through the fuel cell.
前記第1温度センサーは、前記燃料電池の温度を検知する請求項4に記載の燃料電池装置。 The fuel cell device described in claim 4, wherein the first temperature sensor detects the temperature of the fuel cell. 前記供給路および前記循環路の少なくともいずれかの前記空気の温度を検知する第2温度センサーと、を備え、
前記第1温度センサーが検知した温度が前記第1設定温度以下であり、かつ前記第2温度センサーが検知した温度が前記第1設定温度より高い第2設定温度以上である場合、前記第1開閉機構を閉鎖し、かつ前記第3開閉機構を開放する請求項4または5に記載の燃料電池装置。
a second temperature sensor that detects the temperature of the air in at least one of the supply path and the circulation path;
6. A fuel cell device as described in claim 4 or 5, wherein when the temperature detected by the first temperature sensor is equal to or lower than the first set temperature and the temperature detected by the second temperature sensor is equal to or higher than a second set temperature that is higher than the first set temperature, the first opening/closing mechanism is closed and the third opening/closing mechanism is opened.
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