BR102018070721A2 - Sistema de célula de combustível e método de con-trole do sistema de célula de combustível - Google Patents

Abstract

sistema de célula de combustível e método de con- trole do sistema de célula de combustível. a presente invenção refere-se a um sistema de célula de combustível que inclui um motor (320) que aciona um compressor (310) que supre ar para uma célula de combustível, uma turbina (330) que auxilia o compressor, uma válvula de derivação (240) que abre e fecha o percurso de fluxo de derivação (230) e um controlador (500). quando uma taxa de fluxo de ar necessária for igual ou maior do que um valor limiar, o controlador (500) fechará a válvula de derivação (240) e controlará o motor (320) para fazer com que o ar flua através da célula de combustível em uma taxa de fluxo correspondendo à taxa de fluxo de ar necessária. quando a taxa de fluxo de ar necessária for menor do que o valor limiar, o controlador (500) abrirá a válvula de derivação (240) para fazer com que o ar flua através do percurso de fluxo de derivação e controlará o motor (320) para fazer com que o ar flua através da célula de combustível na taxa de fluxo correspondendo à taxa de fluxo de ar necessária.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para SISTEMA DE CÉLULA DE COMBUSTÍVEL E MÉTODO DE CONTROLE DO SISTEMA DE CÉLULA DE COMBUSTÍVEL.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

1. Campo da Invenção [0001] A presente invenção refere-se a um sistema de célula de combustível e a um método de controle do sistema de célula de combustível.

2. Descrição da Técnica Relacionada [0002] Em relação a um sistema de célula de combustível, a Publicação de Pedido de Patente Japonesa Não Examinada No. 2013182781 (JP 2013-182781 A), por exemplo, descreve uma máquina rotativa de suprimento de ar que é acionada por um motor de acionamento e um expansor que gira por energia de um gás de escape do catodo para suprir ar para um catodo de uma célula de combustível.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO [0003] No sistema de célula de combustível descrito no documento JP 2013-182781 A, uma taxa de fluxo de ar necessária para uma célula de combustível é pequena em um estado de operação no qual uma potência de saída necessária da célula de combustível é pequena. Por isso, uma taxa de fluxo de ar descarregado pela máquina rotativa de suprimento de ar (compressor) diminui. Neste caso, uma taxa de fluxo de suprimento do gás de escape do catodo suprido para o expansor (turbina) também diminui e uma força motriz pela turbina diminui. Desse modo, há a possibilidade de a eficiência do compressor diminuir e uma economia de combustível do sistema de célula de combustível se deteriorar.

[0004] A invenção foi criada para solucionar o problema acima mencionado e pode ser realizada nas seguintes formas.

[0005] (1) Um primeiro aspecto da invenção refere-se a um siste

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2/31 ma de célula de combustível que inclui uma célula de combustível, um percurso de fluxo de suprimento de ar, um percurso de fluxo de descarga de ar, um compressor, um motor, uma turbina, um percurso de fluxo de derivação, uma válvula de derivação e um controlador. O percurso de fluxo de suprimento de ar é configurado para suprir ar para a célula de combustível. O percurso de fluxo de descarga de ar é configurado para descarregar ar da célula de combustível. O compressor é configurado para suprir ar para o percurso de fluxo de suprimento de ar. O motor é configurado para acionar o compressor. A turbina é disposta no percurso de fluxo de descarga de ar para auxiliar o acionamento do compressor pelo motor. O percurso de fluxo de derivação é configurado para trazer um lado a jusante do compressor no percurso de fluxo de suprimento de ar para comunicação com um lado à montante da turbina no percurso de fluxo de descarga de ar. A válvula de derivação é configurada para abrir e fechar o percurso de fluxo de derivação. O controlador é configurado para controlar o acionamento do motor e a abertura e o fechamento da válvula de derivação de acordo com uma taxa de fluxo de ar necessária que é uma taxa de fluxo de ar necessária para a geração de energia da célula de combustível. Quando a taxa de fluxo de ar necessária for igual ou maior do que um valor limiar predeterminado, o controlador executará um primeiro controle no qual (i) a válvula de derivação é fechada e (ii) o acionamento do motor é controlado para fazer com que o ar flua através da célula de combustível em uma taxa de fluxo correspondendo à taxa de fluxo de ar necessária, e quando a taxa de fluxo de ar necessária for mais baixa do que o valor limiar predeterminado, o controlador executará um segundo controle no qual (i) a válvula de derivação para fazer com que o ar flua também através do percurso de fluxo de derivação está aberta e (ii) o acionamento do motor é controlado para fazer com que o ar flua através da célula de combustível na taxa de fluxo correspon

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3/31 dendo à taxa de fluxo de ar necessária. Com o sistema de célula de combustível desta forma, quando a taxa de fluxo de ar necessária for baixa, o ar suprido pelo compressor será diretamente suprido não apenas para a célula de combustível, mas também para a turbina para auxiliar o acionamento do compressor através do percurso de fluxo de derivação. Portanto, é possível reduzir o consumo de energia do motor para acionar o compressor, sem diminuir a taxa de fluxo do ar suprido para a célula de combustível. Isto permite aperfeiçoar a economia de combustível do sistema de célula de combustível.

[0006] (2) No sistema de célula de combustível, de acordo com o aspecto acima descrito, o valor limiar predeterminado pode ser um valor determinado com base em uma taxa de fluxo na qual o consumo de energia do motor com relação a uma taxa de fluxo de ar descarregado do compressor no sistema de célula de combustível se torna mínimo. Com este sistema de célula de combustível, é possível adicionalmente aperfeiçoar a economia de combustível do sistema de célula de combustível.

[0007] (3) No sistema de célula de combustível, de acordo com o aspecto acima descrito, quando uma quantidade de aumento da taxa de fluxo de ar necessária por unidade de tempo for igual ou maior do que uma quantidade de aumento predeterminada, o controlador poderá fechar a válvula de derivação, não obstante se a taxa de fluxo de ar necessária é ou não mais baixa do que o valor limiar predeterminado. Com este sistema de célula de combustível, quando a quantidade de aumento da taxa de fluxo de ar necessária por unidade de tempo for aumentada para ou acima da quantidade de aumento predeterminada, será possível impedir que o ar apresentando a taxa de fluxo correspondendo à taxa de fluxo de ar necessária aumentada flua para o percurso de fluxo de derivação. Como resultado, quando a quantidade de aumento da taxa de fluxo de ar necessária por unidade de tempo for

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4/31 aumentada para ou acima da quantidade de aumento predeterminada, será possível suprimir um retardo no suprimento de ar para a célula de combustível.

[0008] (4) O sistema de célula de combustível, de acordo com o aspecto acima descrito, pode adicionalmente incluir um tanque acumulador conectado a um lado à jusante da válvula de derivação no percurso de fluxo de derivação e configurado para armazenar o ar que flui através do percurso de fluxo de derivação. Com este sistema de célula de combustível, uma parte do ar que flui através do percurso de fluxo de derivação pode ser armazenada no tanque acumulador durante o segundo controle. Portanto, mesmo quando o controle for comutado e a válvula de derivação estiver fechada, o ar armazenado no tanque acumulador durante o segundo controle poderá ser suprido para a turbina. Portanto, mesmo quando a válvula de derivação estiver em um estado fechado, será possível aumentar a força motriz pela turbina para auxiliar o acionamento do compressor pelo motor.

[0009] (5) O sistema de célula de combustível, de acordo com o aspecto acima descrito, pode adicionalmente incluir uma válvula reguladora de pressão disposta em um lado à montante da turbina no percurso de fluxo de descarga de ar e em um lado à jusante de uma porção de conexão entre o percurso de fluxo de derivação e o percurso de fluxo de descarga de ar e configurada para regular a pressão do ar que flui através da célula de combustível. Com este sistema de célula de combustível, é possível suprimir a flutuação abrupta da pressão no lado à montante da válvula reguladora de pressão. Desse modo, é possível impedir que a pressão dentro da célula de combustível rapidamente diminua juntamente com, por exemplo, a abertura e o fechamento da válvula de derivação.

[0010] (6) No sistema de célula de combustível, de acordo com o aspecto acima descrito, uma caixa de válvulas da válvula reguladora

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5/31 de pressão pode ser formada integralmente com um alojamento de turbina da turbina, e um corpo de válvula da válvula reguladora de pressão pode ser disposto em um lado à montante de uma roda de turbina na turbina. Com este sistema de célula de combustível, com o ajuste do grau de abertura da válvula reguladora de pressão, é possível mudar a velocidade de fluxo do ar soprado para a roda de turbina. Por isso, a configuração do sistema de célula de combustível pode ser simplificada, e a força motriz pela turbina para auxiliar o acionamento do compressor pelo motor pode ser aumentada.

[0011] (7) No sistema de célula de combustível, de acordo com o aspecto acima descrito, o percurso de fluxo de derivação pode ser conectado ao interior de um alojamento de turbina da turbina, uma caixa de válvulas da válvula de derivação pode ser formada integralmente com o alojamento de turbina, e um corpo de válvula da válvula de derivação pode ser disposto em um lado a montante de uma roda de turbina na turbina. Com este sistema de célula de combustível, é possível simplificar a configuração do sistema de célula de combustível.

[0012] (8) No sistema de célula de combustível, de acordo com o aspecto acima descrito, o percurso de fluxo de derivação pode ser conectado ao interior de um alojamento de turbina da turbina, e uma abertura do percurso de fluxo de derivação no alojamento de turbina pode ser orientada para fazer com que o ar flua do percurso de fluxo de derivação para o alojamento de turbina para fluir em tal direção de modo a promover a rotação de uma roda de turbina da turbina. Com este sistema de célula de combustível, o ar que flui para o alojamento de turbina do percurso de fluxo de derivação promove a rotação da roda de turbina. Por isso, a configuração do sistema de célula de combustível pode ser simplificada, e a força motriz pela turbina para auxiliar o acionamento do compressor pelo motor pode ser aumentada.

[0013] (9) No sistema de célula de combustível, de acordo com o

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6/31 aspecto acima descrito, o controlador pode executar o segundo controle com uma velocidade de rotação do motor sendo mantida constante. Com este sistema de célula de combustível, é possível suprimir um aumento no consumo de energia do motor durante o segundo controle. Portanto, é possível aperfeiçoar a economia de energia do sistema de célula de combustível.

[0014] (10) No sistema de célula de combustível, de acordo com o aspecto acima descrito, o controlador pode executar o segundo controle com uma relação de pressão sendo mantida constante, a relação de pressão sendo uma relação de uma pressão do ar sugado no compressor e uma pressão do ar descarregado do compressor. Com este sistema de célula de combustível, é possível suprimir um decréscimo na pressão na célula de combustível durante o segundo controle. Portanto, é possível suprimir um decréscimo na potência elétrica gerada pela célula de combustível devido à secagem da membrana eletrolítica da célula de combustível. Isto permite adicionalmente aperfeiçoar a economia de combustível do sistema de célula de combustível.

[0015] (11) Um segundo aspecto da presente invenção refere-se a um método de controle de um sistema de célula de combustível, que inclui uma célula de combustível, um percurso de fluxo de suprimento de ar configurado para suprir ar para a célula de combustível, um percurso de fluxo de descarga de ar configurado para descarregar o ar da célula de combustível, um compressor configurado para suprir o ar para o percurso de fluxo de suprimento de ar, um motor configurado para acionar o compressor, uma turbina disposta no percurso de fluxo de descarga de ar para auxiliar o acionamento do compressor pelo motor, um percurso de fluxo de derivação configurado para trazer um lado a jusante do compressor no percurso de fluxo de suprimento de ar para comunicação com um lado a montante da turbina no percurso de fluxo de descarga de ar, e uma válvula de derivação configurada para abrir

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7/31 e fechar o percurso de fluxo de derivação. Quando uma taxa de fluxo de ar necessária que é uma taxa de fluxo de ar necessária para a geração de energia da célula de combustível for igual ou maior do que um valor limiar predeterminado, executar um primeiro controle no qual (i) a válvula de derivação é aberta e (ii) o acionamento do motor é controlado para fazer com que o ar flua através da célula de combustível em uma taxa de fluxo correspondendo à taxa de fluxo de ar necessária. Quando a taxa de fluxo de ar necessária for mais baixa do que o valor limiar predeterminado, executar um segundo controle no qual (i) a válvula de derivação é fechada para fazer com que o ar também flua através do percurso de fluxo de derivação e (ii) o acionamento do motor é controlado para fazer com que o ar flua através da célula de combustível na taxa de fluxo correspondendo à taxa de fluxo de ar necessária.

[0016] A invenção pode também ser realizada em várias formas que não o sistema de célula de combustível. Por exemplo, a invenção pode ser realizada na forma de um veículo de célula de combustível, um método de abrir e fechar uma válvula de derivação, e semelhante.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [0017] Características, vantagens e significância técnica e industrial de concretizações exemplificativas da invenção serão descritas abaixo com referência aos desenhos anexos, nos quais numerais semelhantes indicam elementos semelhantes, e nos quais:

[0018] a Figura 1 é um diagrama explicativo que mostra um esboço de um sistema de célula de combustível de acordo com uma primeira concretização;

[0019] a Figura 2 é um diagrama explicativo que mostra uma relação entre uma quantidade de ar descarregado de um compressor e o consumo de energia;

[0020] a Figura 3 é um fluxograma que mostra conteúdos de um

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8/31 processo de controle de derivação de acordo com a primeira concretização;

[0021] a Figura 4 é um diagrama explicativo que mostra um mapa de grau de abertura alvo de válvula de derivação;

[0022] a Figura 5 é um diagrama explicativo que mostra as características de desempenho do compressor;

[0023] a Figura 6 é um fluxograma que mostra os conteúdos de um processo de determinação de derivação de acordo com uma segunda concretização;

[0024] a Figura 7 é um diagrama explicativo que mostra um esboço de um sistema de célula de combustível de acordo com uma terceira concretização;

[0025] a Figura 8 é um fluxograma que mostra conteúdos de um processo de determinação de derivação de acordo com a terceira concretização;

[0026] a Figura 9 é um diagrama explicativo que mostra um esboço de um sistema de célula de combustível de acordo com uma quarta concretização;

[0027] a Figura 10 é um diagrama explicativo que mostra um esboço de um sistema de célula de combustível de acordo com uma quinta concretização;

[0028] a Figura 11 é uma vista esquemática em seção que mostra uma turbina de acordo com uma sexta concretização; e [0029] a Figura 12 é uma vista esquemática em seção que mostra uma turbina de acordo com uma sétima concretização.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS CONCRETIZAÇÕES [0030] A. Primeira Concretização [0031] A Figura 1 é um diagrama explicativo que mostra um esboço de um sistema de célula de combustível 10 de acordo com uma primeira concretização. O sistema de célula de combustível 10 de

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9/31 acordo com a presente concretização é montado, por exemplo, em um veículo de célula de combustível e é usado como um dispositivo de geração de energia para acionar um motor de acionamento do veículo de célula de combustível. O sistema de célula de combustível 10 pode ser usado como um dispositivo de geração de energia estacionário. O sistema de célula de combustível 10 inclui uma célula de combustível 100, um percurso de fluxo de suprimento de ar 210, um percurso de fluxo de descarga de ar 220, um percurso de fluxo de derivação 230, uma válvula de derivação 240, um compressor 310, um motor 320, uma turbina 330 e um controlador 500. Adiante, os termos lado à montante e lado à jusante na especificação referem-se a um lado à montante e a um lado à jusante em uma direção de fluxo do ar, respectivamente.

[0032] A célula de combustível 100 da presente concretização é uma célula de combustível do tipo polímero sólido. A célula de combustível 100 apresenta uma estrutura de pilha na qual é empilhada uma pluralidade de células. Cada célula inclui uma montagem de eletrodo de membrana apresentando camadas de catalisador de eletrodos em ambos os lados de uma membrana eletrolítica, e um par de separadores que sanduicham a montagem de eletrodo de membrana. Em cada célula, um gás de hidrogênio como um gás de combustível é suprido a um lado do ânodo da montagem de eletrodo de membrana e ar como um gás de oxidação é suprido para um lado do catodo da montagem de eletrodo de membrana, por meio do qual uma força eletromotiva é gerada por uma reação eletroquímica. As respectivas células são conectadas em série. Um percurso de fluxo de refrigerante através do qual circula um refrigerante para resfriar a célula de combustível 100 pode ser conectado à célula de combustível 100.

[0033] O percurso de fluxo de suprimento de ar 210 é um percurso de fluxo para suprir ar para o lado do catodo da célula de combustível

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100.

[0034] O compressor 310 é disposto em um lado a montante do percurso de fluxo de suprimento de ar 210. O compressor 310 suga um ar na atmosfera proveniente de um lado de sucção, pressuriza o ar no compressor 310, e supre ar pressurizado de um lado de descarga para o percurso de fluxo de suprimento de ar 210. O compressor 310 inclui uma roda de compressor 311 e um alojamento de compressor 312. A roda do compressor 311 é um impulsor para pressurizar o ar por rotação e é acionado pelo motor 320. O alojamento de compressor 312 é o corpo principal do compressor 310 para acomodar a roda de compressor 311. O ar sugado no alojamento de compressor 312 proveniente do lado de sucção do compressor 310 recebe uma força centrífuga pela rotação da roda do compressor 311. O ar é pressurizado sendo pressionado contra uma parede interna do alojamento de compressor 312 e é descarregado do lado de descarga do compressor 310. Na presente concretização, um compressor centrífugo é usado como o compressor 310. Como o compressor 310 pode ser usado um compressor tipo fluxo axial.

[0035] O motor 320 é um motor elétrico para acionar o compressor 310.

[0036] O percurso de fluxo de descarga de ar 220 é um percurso de fluxo para descarregar ar do lado do catodo da célula de combustível 100.

[0037] A turbina 330 é disposta no percurso de fluxo de descarga de ar 220. A turbina 330 auxilia o acionamento do compressor 310 pelo motor 320. A turbina 330 inclui uma roda de turbina 331 e um alojamento de turbina 332. A roda de turbina 331 é um impulsor para auxiliar o acionamento do compressor 310 por rotação e é acionada por ar que flui na turbina 330. O alojamento de turbina 332 é o corpo principal da turbina 330 que acomoda a roda de turbina 331. A roda de turbina

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331 disposta no alojamento de turbina 332 é girada pelo ar que flui para o alojamento da turbina 332 a partir de um lado de sucção da turbina 330. Isto é, a turbina 330 converte a energia cinética do ar em energia para girar a roda de turbina 331. A roda de turbina 331, o motor 320, e a roda de compressor 311 são conectados por um eixo de rotação comum 340. Por isso, o acionamento do motor 320 para girar a roda do compressor 311 é auxiliado pela rotação da roda de turbina 331. O ar que girou a roda de turbina 331 é descarregado de um lado de descarga da turbina 330.

[0038] O percurso de fluxo de derivação 230 é um percurso de fluxo que traz um lado a jusante do compressor 310 no percurso de fluxo de suprimento de ar 210 e um lado a montante da turbina 330 no percurso de fluxo de descarga de ar 220 para comunicação um com o outro. O percurso de fluxo de derivação 230 tem uma menor perda de pressão do que o percurso de fluxo de ar na célula de combustível 100.

[0039] A válvula de derivação 240 é disposta no percurso de fluxo de derivação 230. A válvula de derivação 240 é uma válvula que abre e fecha o percurso de fluxo de derivação 230. Na presente concretização, uma válvula borboleta é usada como a válvula de derivação 240. Alternativamente, uma válvula globo pode ser usada como a válvula de derivação 240.

[0040] Na presente concretização, uma válvula reguladora de pressão 221 é disposta no percurso de fluxo de descarga de ar 220. Mais especificamente, a válvula reguladora de pressão 221 é disposta em um lado a jusante da célula de combustível 100 no percurso de fluxo de descarga de ar 220 e em um lado a montante de uma porção de conexão entre o percurso de fluxo de derivação 230 e o percurso de fluxo de descarga de ar 220. A válvula reguladora de pressão 221 é uma válvula para regular uma pressão do ar que flui na célula de com

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12/31 bustível 100.

[0041] O controlador 500 é configurado como um computador que inclui uma CPU, uma memória e um circuito de interface, ao qual é conectado cada componente. Com a execução de um programa de controle armazenado na memória, a CPU controla o acionamento do motor 320 e a abertura e o fechamento da válvula de derivação 240 de acordo com uma taxa de fluxo de ar necessária. O termo taxa de fluxo de ar necessária refere-se a uma taxa de fluxo de ar necessária para a geração de energia na célula de combustível 100. Por exemplo, em um veículo de célula de combustível, o controlador 500 aumenta ou diminui a taxa de fluxo de ar necessária a fim de aumentar ou diminuir uma energia gerada na célula de combustível 100 de acordo com um grau de abertura de um acelerador do veículo de célula de combustível. Nesta especificação, o termo taxa de fluxo é usado para indicar uma taxa de fluxo de massa.

[0042] A Figura 2 é um gráfico que mostra uma relação entre uma taxa de fluxo (quantidade de ar de descarga) do ar descarregado do compressor 310 e um consumo de energia do motor 320 para acionar o compressor 310 no sistema de célula de combustível 10. O gráfico mostrado na Figura 2 ilustra a relação entre a quantidade de ar descarregado do compressor 310 e o consumo de energia do motor 320, quando a válvula de derivação 240 for sempre mantida em um estado fechado. O eixo horizontal do gráfico mostrado na Figura 2 indica a quantidade de ar descarregado do compressor 310. O eixo vertical indica o consumo de energia do motor 320. Em uma região onde a quantidade de ar descarregado do compressor 310 é grande, o consumo de energia do motor 320 aumenta à medida que a quantidade de ar descarregado do compressor 310 é aumentada. Por outro lado, em uma região onde a quantidade de ar descarregado do compressor 310 é pequena, quando a quantidade de ar descarregado do compressor

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310 for diminuída, a força motriz pela turbina 330 diminuirá devido a um atrito de rolamento da roda de turbina 331, e o consumo de energia do motor 320 aumentará. Por isso, no gráfico mostrado na Figura 2, há uma taxa de fluxo na qual o consumo de energia do motor 320 com relação à quantidade de ar descarregado do compressor 310 se torna mínimo. Adiante, uma faixa na qual a quantidade de ar descarregado do compressor 310 é menor do que a taxa de fluxo na qual o consumo de energia do motor 320 se tonar mínimo será referida como uma região de baixa eficiência.

[0043] A quantidade de ar descarregado do compressor 310 é determinada de acordo com a taxa de fluxo de ar necessária. No caso de um veículo de célula de combustível, a taxa de fluxo de ar necessária é determinada de acordo com o grau de abertura do acelerador ou semelhante. Portanto, quando o grau de abertura do acelerador for pequeno, a taxa de fluxo de ar necessária também será pequena. Consequentemente, o compressor 310 é acionado na região de baixa eficiência, e o consumo de energia do motor 320 pode aumentar em alguns casos. Desse modo, o sistema de célula de combustível 10 da presente concretização executa um controle de derivação descrito abaixo para aumentar a quantidade de ar descarregado do compressor 310. Como resultado, a força motriz pela turbina 330 é aumentada e o consumo de energia do motor 320 é diminuído.

[0044] A Figura 3 é um fluxograma que mostra os conteúdos de um processo de controle de derivação. Nesta especificação, o termo controle de derivação refere-se a um processo no qual o controlador 500 ajusta uma taxa de fluxo de ar que flui através do percurso de fluxo de derivação 230 com a abertura e o fechamento da válvula de derivação 240 com base na taxa de fluxo de ar necessária. O processo de controle de derivação será iniciado quando a geração de energia da célula de combustível 100 for iniciada, e continuará a circular até que a

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14/31 geração de energia da célula de combustível 100 seja interrompida. [0045] Primeiro, o controlador 500 determina se a taxa de fluxo de ar necessária é ou não mais baixa do que um valor limiar predeterminado (etapa S110). Na presente concretização, o valor limiar predeterminado é determinado com base na eficiência do compressor 310. Especificamente, o valor limiar é um valor de uma taxa de fluxo Gmin (vide Figura 2) na qual o consumo de energia do motor 320 com relação à quantidade de ar descarregado do compressor 310 se torna mínimo no sistema de célula de combustível 10. Também, o valor limiar pode corresponder a um valor determinado com base na taxa de fluxo Gmin na qual o consumo de energia do motor 320 com relação à quantidade de ar descarregado do compressor 310 se torna mínimo no sistema de célula de combustível 10. O valor limiar não é limitado a um valor igual à taxa de fluxo Gmin e pode ser um valor ligeiramente menor do que a taxa de fluxo Gmin.

[0046] Se a taxa de fluxo de ar necessária não for mais baixa do que o valor limiar predeterminado (etapa S110: NÃO), o controlador 500 fechará a válvula de derivação 240 (etapa S120), e controlará o acionamento do motor 320 de modo que o ar seja forçado a fluir através da célula de combustível 100 em uma taxa de fluxo que corresponde à taxa de fluxo de ar necessária. Este controle é referido como primeiro controle.

[0047] Por outro lado, se a taxa de fluxo de ar necessária for mais baixa do que o valor limiar predeterminado (etapa S110: SIM), isto é, se a quantidade de ar descarregado do compressor 310 estiver na região de baixa eficiência, o controlador 500 controlará o grau de abertura da válvula de derivação 240 de modo que o ar seja também forçado a fluir através do percurso de fluxo de derivação 230, e controlará o acionamento do motor 320 de modo que o ar seja forçado a fluir através da célula de combustível 100 na taxa de fluxo correspondendo à

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15/31 taxa de fluxo de ar necessária. Este controle é referido como segundo controle. Mais especificamente, primeiro, o controlador 500 obtém uma diferença AG entre a taxa de fluxo de ar necessária e o valor limiar (etapa S130). Em seguida, o controlador 500 determina um grau de abertura alvo da válvula de derivação 240 de um mapa de grau de abertura alvo de válvula de derivação armazenado na memória (etapa SUO).

[0048] A Figura 4 é um diagrama explicativo que mostra o mapa de grau de abertura alvo de válvula de derivação. No mapa de grau de abertura alvo de válvula de derivação, o grau de abertura alvo da válvula de derivação 240 é registrado em associação com a pressão de ar necessária e a diferença AG entre a taxa de fluxo de ar necessária e o valor limiar. O termo grau de abertura alvo refere-se a um valor alvo do grau de abertura da válvula de derivação 240. O mapa de grau de abertura alvo de válvula de derivação pode ser adquirido com a obtenção de um grau de abertura apropriado da válvula de derivação 240 de acordo com a diferença AG entre a taxa de fluxo de ar necessária e o valor limiar, e a pressão de ar necessária, por um teste que é executado de antemão O termo pressão de ar necessária refere-se a uma pressão de ar necessária para a geração de energia da célula de combustível 100. A pressão do ar que flui na célula de combustível 100 é regulada de modo a se tornar a pressão de ar necessária, visto que o controlador 500 controla uma válvula reguladora de pressão 221 ou uma relação de pressão que é uma relação da pressão (pressão de ar de sucção) do ar sugado no compressor 310 e a pressão (pressão de ar de descarga) do ar descarregado do compressor 310. Na etapa S140, o controlador 500 pode calcular o grau de abertura alvo da válvula de derivação 240 com base em uma função predeterminada, em vez de se referir ao mapa de grau de abertura alvo de válvula de derivação.

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16/31 [0049] Após a determinação do grau de abertura alvo da válvula de derivação 240, o controlador 500 abre a válvula de derivação 240 no grau de abertura alvo (etapa S150 na Figura 3) e controla o acionamento do motor 320 de modo que o ar seja forçado a fluir através da célula de combustível 100 na taxa de fluxo correspondendo à taxa de fluxo de ar necessária. Na presente concretização, o controlador 500 executa o segundo controle enquanto mantém constante um número de rotações do motor 320. Além disso, na presente concretização, o controlador 500 executa o segundo controle enquanto mantém constante a relação de pressão que é a relação da pressão de ar de sucção do compressor 310 e a pressão de ar de descarga do compressor 310.

[0050] A Figura 5 é um diagrama explicativo que mostra as características de desempenho do compressor 310. As características de desempenho do compressor 310 são obtidas por meio de um teste de desempenho do compressor 310. O eixo horizontal indica a quantidade de ar descarregado do compressor 310. O eixo vertical indica a relação de pressão do compressor 310. A linha de rotação igual é uma linha que conecta pontos de operação nos quais o número de rotações do compressor 310 permanece o mesmo. A linha de igual eficiência é uma linha que conecta os pontos de operação nos quais a eficiência do compressor 310 permanece a mesma. A linha de limite de operação é uma linha que conecta pontos de operação nos quais o compressor 310 não pode bombear ar devido a uma parada de rotação ou semelhante.

[0051] A operação pelo segundo controle será descrita com referência à Figura 5. Em um estado no qual o número de rotações do compressor 310 (o número de rotação do motor 320) é mantido constante e em um estado no qual a relação de pressão do compressor 310 é mantida substancialmente constante (etapa S150 na Figura 3),

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17/31 quando a válvula de derivação 240 estiver aberta no grau de abertura alvo obtido com o uso do mapa de grau de abertura alvo de válvula de derivação, uma perda de pressão no lado à jusante do compressor 310 irá diminuir. Portanto, a taxa de fluxo do ar sugado no compressor 310 e a quantidade de ar descarregado do compressor 310 aumentam. Visto que a quantidade de ar descarregado do compressor 310 aumenta, o ponto de operação do compressor 310 se desloca do ponto de operação Pa correspondendo à taxa de fluxo de ar necessária para o ponto de operação Pb que mostra uma maior eficiência do que o ponto de operação Pa.

[0052] Visto que a quantidade de ar descarregado do compressor 310 aumenta, é gerado ar (ar excedente) apresentando uma taxa de fluxo que excede a taxa de fluxo de ar necessária. Contudo, neste momento, o controlador 500 ajusta o grau de abertura da válvula de derivação 240 em um grau de abertura no qual o ar com a taxa de fluxo correspondendo à taxa de fluxo de ar necessária é forçado a fluir através da célula de combustível 100 e no qual o ar excedente é forçado a fluir através do percurso de fluxo de derivação 230. Por isso, a taxa de fluxo do ar suprido para a célula de combustível 100 não muda.

[0053] O ar excedente é suprido para a turbina 330 via o percurso de fluxo de derivação 230 sem passar através do interior da célula de combustível 100. Já que a taxa de fluxo do ar suprido para a turbina 330 é a soma da taxa de fluxo do ar descarregado da célula de combustível 100 e da taxa de fluxo do ar excedente contornado pelo percurso de fluxo de derivação 230, a taxa de fluxo do ar suprido para a turbina 330 aumenta. O ar suprido para a turbina 330 via o percurso de fluxo de derivação 230 é suprido para a turbina 330 enquanto mantém a taxa de fluxo, porque o oxigênio não é consumido pela geração de energia da célula de combustível 100. Além disso, o ar excedente que

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18/31 flui através do percurso de fluxo de derivação 230 é comprimido pelo compressor 310 e apresenta uma maior temperatura do que o ar descarregado da célula de combustível 100. Por isso, a água drenada da célula de combustível 100 no percurso de fluxo de descarga de ar 220 é evaporada pelo ar excedente e é suprida para a turbina 330. Isto aumenta a força motriz da turbina 330 para auxiliar o acionamento do compressor 310 pelo motor 320.

[0054] Com o sistema de célula de combustível 10 da presente concretização acima descrita, quando a taxa de fluxo de ar necessária for pequena, o ar suprido pelo compressor 310 será diretamente suprido não apenas para a célula de combustível 100, mas também para a turbina 330 para auxiliar o acionamento do compressor 310 através do percurso de fluxo de derivação 230. Portanto, é possível reduzir o consumo de energia do motor 320 para acionar o compressor 310 sem diminuir a taxa de fluxo do ar suprido para a célula de combustível 100. Isto permite aperfeiçoar a economia de combustível do sistema de célula de combustível 10.

[0055] Além disso, na presente concretização, o valor limiar para determinar se o segundo controle acima descrito é ou não executado é ajustado em um valor determinado com base na taxa de fluxo Gmin na qual o consumo de energia do motor 320 com relação à quantidade de ar descarregado do compressor 310 se torna mínimo no sistema de célula de combustível 10. Portanto, quando a taxa de fluxo de ar necessária corresponder à região de baixa eficiência do compressor 310, a quantidade de ar descarregado do compressor 310 poderá ser forçadamente deslocada para uma região de alta eficiência. Além disso, na presente concretização, o valor limiar é ajustado no valor da taxa de fluxo Gmin na qual o consumo de energia do motor 320 com relação à quantidade de ar descarregado do compressor 310 se torna mínimo no sistema de célula de combustível 10. Portanto, é possível mi

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19/31 nimizar o consumo de energia do motor 320 para acionar o compressor 310 no segundo controle.

[0056] Além disso, na presente concretização, o segundo controle é executado enquanto mantém o número de rotações do motor 320 constante. Portanto, é possível suprimir o aumento no consumo de energia do motor 320 durante o segundo controle.

[0057] Além disso, na presente concretização, o segundo controle é executado enquanto mantém a relação de pressão do compressor 310 constante. Sob este aspecto, a pressão de ar de sucção do compressor 310 é aproximadamente a mesma que a pressão atmosférica e é difícil sofrer uma mudança repentina. Portanto, com a execução do secundo controle enquanto mantém a relação de pressão do compressor 310 constante, é possível suprimir um decréscimo na pressão dentro da célula de combustível 100 no momento do segundo controle. Além disso, se a pressão na célula de combustível 100 diminuir, um ponto de ebulição da água diminuirá e a membrana eletrolítica da célula de combustível 100 facilmente secará. Se a membrana eletrolítica secar, a condutividade iônica da membrana eletrolítica diminuirá e a força gerada da célula de combustível 100 diminuirá. Portanto, com a supressão do decréscimo na pressão dentro da célula de combustível 100 no momento do segundo controle, é possível suprimir o decréscimo na energia gerada da célula de combustível 100.

[0058] Conforme mostrado na Figura 5, quando a quantidade de ar descarregado do compressor 310 for aumentada por certa quantidade ou mais em um estado no qual a quantidade de ar descarregado do compressor 310 é pequena, enquanto mantém o número de rotações do motor 320 constante, a relação de pressão do compressor 310 gradualmente diminui. Neste caso, a fim de manter a relação de pressão do compressor 310 de acordo com a pressão de ar necessária da célula de combustível 100, é necessário aumentar o número de rotações

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20/31 do motor 320 em resposta ao decréscimo na relação de pressão do compressor 310. Isto resulta em um aumento no consumo de energia do motor 320. Contudo, na presente concretização, o número de rotações do motor 320 é mantido constante, e o segundo controle é executado em uma região onde a relação de pressão do compressor 310 não diminui, isto é, em um estado no qual a relação de pressão do compressor 310 é constante. Portanto, é possível aumentar a quantidade de ar descarregado do compressor 310 sem aumentar o consumo de energia do motor 320. Em particular, na presente concretização, a força rotacional do motor 320 pode ser auxiliada pela turbina 330 na região de baixa eficiência. Portanto, é possível reduzir o consumo de energia do motor 320 enquanto mantém o número de rotações do motor 320. Na presente concretização, o número de rotações do motor 320 e a relação de pressão do compressor 310 são mantidos constantes. Contudo, um dos números de rotações do motor 320 ou a relação de pressão do compressor 310 podem ser alterados dentro de uma faixa na qual o consumo de energia do motor 320 não aumenta.

[0059] Na presente concretização, o valor limiar predeterminado é determinado com base na eficiência do compressor 310. Alternativamente, o valor limiar predeterminado pode ser determinado com base na quantidade de ar descarregado do compressor 310. Por exemplo, a quantidade de ar descarregado do compressor 310 pode ser dividida em uma região apresentando uma grande taxa de fluxo e uma região apresentando uma pequena taxa de fluxo, e o valor limiar pode ser determinado com o uso de um valor que serve como um limite entre as duas regiões. Mesmo neste caso, é possível suprimir o acionamento do compressor 310 na região de baixa eficiência.

[0060] B. Segunda Concretização [0061] A Figura 6 é um fluxograma que mostra conteúdos de um processo de determinação de derivação de acordo com uma segunda

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21/31 concretização. Este processo é um processo para determinar se executa ou não o processo de controle de derivação mostrado na Figura

3. Este processo será iniciado quando a geração de energia da célula de combustível 100 for iniciada, e continuará a circular até que a geração de energia da célula de combustível 100 seja interrompida. Na segunda concretização, a configuração do sistema de célula de combustível 10 é igual àquela da primeira concretização (Figura 1).

[0062] No sistema de célula de combustível 10 da segunda concretização, o controlador 500 adquire uma taxa de fluxo de ar necessária G1 no tempo t1 que é At segundo (por exemplo, um segundo) antes do tempo t2 que é um tempo atual (etapa S210), e então adquire uma taxa de fluxo de ar necessária G2 no tempo t2 (etapa S220). Em seguida, o controlador 500 obtém uma quantidade de aumento da taxa de fluxo de ar necessária por unidade de tempo usando a taxa de fluxo de ar necessária G1 no tempo t1 e a taxa de fluxo de ar necessária G2 no tempo t2 (etapa S230), e determina se a quantidade de aumento da taxa de fluxo de ar necessária por unidade de tempo é ou não igual ou maior do que uma quantidade de aumento predeterminada (etapa S240). Quando a quantidade de aumento da taxa de fluxo de ar necessária por unidade de tempo for igual ou maior do que a quantidade de aumento predeterminada (etapa S240: SIM), o controlador 500 fechará a válvula de derivação 240, não obstante se a taxa de fluxo de ar necessária é ou não mais baixa do que o valor limiar (etapa S250), e controlará o acionamento do motor 320 de modo que o ar seja forçado a fluir através da célula de combustível 100 em uma taxa de fluxo correspondendo à taxa de fluxo de ar necessária. Depois disso, o processo retorna para a etapa S210. Por outro lado, quando a quantidade de aumento da taxa de fluxo de ar necessária por unidade de tempo for menor do que a quantidade de aumento predeterminada (etapa S240: NÃO), o controlador 500 executará o controle de derivação co

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22/31 mo na primeira concretização (etapa S260). Depois disso, o processo é novamente iniciado na etapa S210.

[0063] No sistema de célula de combustível 10 da presente concretização acima descrita, quando a quantidade de aumento da taxa de fluxo de ar necessária por unidade de tempo for igual ou maior do que a quantidade de aumento predeterminada, a válvula de derivação 240 será fechada, não obstante se a taxa de fluxo de ar necessária é ou não mais baixa do que o valor limiar, e o acionamento do motor 320 será controlado de modo que o ar seja forçado a fluir através da célula de combustível 100 em uma taxa de fluxo correspondendo à taxa de fluxo de ar necessária. Portanto, quando a quantidade de aumento da taxa de fluxo de ar necessária por unidade de tempo for acentuadamente aumentada para ou acima da quantidade de aumento predeterminada, será possível impedir que uma parte do ar que apresenta a taxa de fluxo correspondendo à taxa de fluxo de ar necessária aumentada flua para o percurso de fluxo de derivação 230 sem ser suprida para a célula de combustível 100. Como resultado, quando a taxa de fluxo de ar necessária aumentar rapidamente, será possível suprimir um retardo no suprimento de ar para a célula de combustível 100. Em um veículo de célula de combustível, é possível suprimir um retardo no tempo a partir de um tempo em que um acelerador é pisado e a taxa de fluxo de ar necessária da célula de combustível 100 é aumentada em resposta ao aumento no consumo de energia do veículo de célula de combustível para um tempo em que o ar apresentando uma taxa de fluxo correspondendo à taxa de fluxo de ar necessária aumentada for, de fato, suprido para a célula de combustível 100. Portanto, é possível suprimir a deterioração de dirigibilidade devido a um retardo de uma resposta a uma solicitação de aceleração.

[0064] C. Terceira Concretização [0065] A Figura 7 é um diagrama explicativo que mostra um esbo

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23/31 ço de um sistema de célula de combustível 10c de acordo com uma terceira concretização. O sistema de célula de combustível 10c da terceira concretização difere do sistema de célula de combustível 10 da primeira concretização (Figura 1) em que o sistema de célula de combustível 10c inclui um tanque acumulador 410, um sensor de tanque de pressão 411, uma primeira válvula de tanque 420, e uma segunda válvula de tanque 430. Além disso, na terceira concretização, condições para executar o controle de derivação são diferentes daquelas da primeira concretização (Figura 3).

[0066] O tanque acumulador 410 é conectado a um lado à jusante da válvula de derivação 240 no percurso de fluxo de derivação 230. O tanque acumulador 410 é um tanque para armazenar o ar que flui através do percurso de fluxo de derivação 230.

[0067] O sensor de pressão de tanque 411 é um sensor de pressão para adquirir uma pressão do ar armazenado no tanque acumulador 410.

[0068] A primeira válvula de tanque 420 é disposta em uma porção de conexão entre o tanque acumulador 410 e o percurso de fluxo de derivação 230. A primeira válvula de tanque 420 é uma válvula para abrir e fechar a conexão entre o tanque acumulador 410 e o percurso de fluxo de derivação 230.

[0069] A segunda válvula de tanque 430 é disposta em um lado a jusante do tanque acumulador 410 no percurso de fluxo de derivação 230. A segunda válvula de tanque 430 é uma válvula para abrir e fechar o percurso de fluxo de derivação 230.

[0070] A Figura 8 é um fluxograma que mostra os conteúdos de um processo de determinação de derivação de acordo com uma terceira concretização. Este processo será iniciado quando a geração de energia da célula de combustível 100 for iniciada, e continuará a circular até que a geração de energia da célula de combustível 100 seja

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24/31 interrompida. Os conteúdos do processo de controle de derivação na terceira concretização, quando a taxa de fluxo de ar necessária for aumentada, serão parcialmente iguais aos do processo de controle de derivação na segunda concretização mostrada na Figura 6, quando a taxa de fluxo de ar necessária for aumentada. Por isso, na Figura 8, o mesmo número de etapas que aquelas da Figura 6 é usado para os mesmos conteúdos do processo como aqueles da Figura 6.

[0071] No sistema de célula de combustível 10c da terceira concretização, o controlador 500 adquire a taxa de fluxo de ar necessária G1 no tempo t1 que é At segundo (por exemplo, um segundo) antes do tempo t2 que é um tempo atual (etapa S210), e então adquire a taxa de fluxo de ar necessária G2 no tempo t2 (etapa S220). Em seguida, o controlador 500 obtém a quantidade de aumento da taxa de fluxo de ar necessária por unidade de tempo usando a taxa de fluxo de ar necessária G1 no tempo t1 e a taxa de fluxo de ar necessária G2 no tempo t2 (etapa S230), e determina se a quantidade de aumento da taxa de fluxo de ar necessária por unidade de tempo é ou não igual ou maior do que a quantidade de aumento predeterminada (etapa S240).

[0072] Quando a quantidade de aumento da taxa de fluxo de ar necessária por unidade de tempo for igual ou maior do que a quantidade de aumento predeterminada (etapa S240: SIM), o controlador 500 determinará se uma pressão interna do tanque é ou não igual ou maior do que uma pressão alvo do tanque (Etapa S310). A pressão interna do tanque é uma pressão adquirida pelo sensor de pressão de tanque 411 e é uma pressão do ar efetivamente armazenado no tanque acumulador 410. A pressão alvo do tanque é um valor alvo da pressão do ar armazenado no tanque acumulador 410. A pressão alvo do tanque pode ser determinada de antemão como uma pressão adequada para reduzir o consumo de energia do motor 320 com o suprimento do ar armazenado no tanque acumulador 410 para a turbina

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330. Quando a pressão interna do tanque for igual ou maior do que a pressão alvo do tanque (etapa S310: SIM), a válvula de derivação 240 será fechada e a primeira válvula de tanque 420 e a segunda válvula de tanque 430 serão abertas (etapa S320). Portanto, quando a pressão interna do tanque for igual ou maior do que a pressão alvo do tanque, o ar de alta pressão armazenado no tanque acumulador 410 poderá ser suprido para a turbina 330 enquanto impede que o ar armazenado no tanque acumulador 410 flua de volta do percurso de fluxo de derivação 230 para o percurso de fluxo de suprimento de ar 210. Depois da etapa S320, o processo retorna para a etapa S210 novamente. Por outro lado, quando a pressão interna do tanque for mais baixa do que a pressão alvo do tanque (etapa S310: NÃO), o controlador 500 fechará a válvula de derivação 240, a primeira válvula de tanque 420, e a segunda válvula de tanque 430 (etapa S330). Portanto, quando a pressão interna do tanque não atingir a pressão alvo do tanque e o efeito de reduzir o consumo de energia do motor 320 com relação à taxa de fluxo de ar necessária for pequeno, o ar armazenado no tanque acumulador 410 não será liberado. Incidentalmente, na etapa (S330), a primeira válvula de tanque 420 ou a segunda válvula de tanque 430 podem estar em um estado aberto. Depois da etapa S330, o processo retorna para a etapa S210 novamente.

[0073] Na etapa S240 acima descrita, quando a quantidade de aumento da taxa de fluxo de ar necessária por unidade de tempo for menor do que a quantidade de aumento predeterminada (etapa S240: NÃO), o controlador 500 executará o controle de derivação como na primeira concretização, e determinará se a taxa de fluxo de ar necessária é ou não mais baixa do que o valor limiar predeterminado (etapa S110). Quando a taxa de fluxo de ar necessária não for mais baixa do que o valor limiar predeterminado (etapa S110: NÃO), o controlador 500 executará o primeiro controle e trará a válvula de derivação 240

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26/31 para um estado fechado (etapa S210 na Figura 3). Depois disso, o controlador 500 faz com que o processo proceda para a etapa S310 acima descrita. Por outro lado, quando a taxa de fluxo de ar necessária for mais baixa do que o valor limiar predeterminado (etapa S110: SIM), o controlador 500 executará o segundo controle (etapas S130 a S150 na Figura 3). Depois disso, o controlador 500 determina se a pressão interna do tanque é ou não igual ou mais alta do que a pressão de ar necessária ou pressão alvo do tanque (etapa S340). Quando a pressão interna do tanque for igual ou mais alta do que a pressão de ar necessária ou a pressão alvo do tanque (etapa S340. SIM), o controlador 500 abrirá a válvula de derivação 240 e a segunda válvula de tanque 430, e fechará a primeira válvula de tanque 420 (etapa S350). Por isso, enquanto impede que o ar armazenado no tanque de acumulador 410 flua de volta do percurso de fluxo de derivação 230 para o percurso de fluxo de suprimento de ar 210, o ar descarregado do compressor 310 poderá ser desviado do percurso de fluxo de suprimento de ar 210 para o percurso de fluxo de descarga de ar 220 via o percurso de fluxo de derivação 230. Por outro lado, quando a pressão interna do tanque for mais baixa do que a pressão de ar necessária ou a pressão alvo do tanque (etapa S340: NÃO), o controlador 500 abrirá a válvula de derivação 240, a primeira válvula de tanque 420, e a segunda válvula de tanque 430 (etapa S360). Por isso, enquanto desvia o ar do percurso de fluxo de suprimento de ar 210 para o percurso de fluxo de descarga de ar 220 via o percurso de fluxo de derivação 230, uma parte do ar a ser desviado poderá ser armazenada no tanque acumulador 410.

[0074] No sistema de célula de combustível 10c da presente concretização acima descrita, durante o segundo controle, uma parte do ar excedente que flui através do percurso de fluxo de derivação 230 poderá ser armazenada no tanque acumulador 410. Mesmo quando a

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27/31 válvula de derivação 240 estiver fechada, o ar armazenado no tanque acumulador 410 durante o segundo controle poderá ser suprido para a turbina 330. Portanto, mesmo quando a válvula de derivação 240 estiver fechada, será possível aumentar a força motriz da turbina 330 para auxiliar o acionamento do compressor 310 pelo motor 320. Em um veículo de célula de combustível, como na segunda concretização, quando um acelerador for pisado, será possível suprimir um retardo no tempo necessário até que o ar apresentando uma taxa de fluxo correspondendo à taxa de fluxo de ar necessária aumentada seja efetivamente suprido para a célula de combustível 100. Além disso, durante um acionamento do veículo de célula de combustível em uma região diferente da região de baixa eficiência (por exemplo, durante uma viagem constante em uma via expressa) ou quando houver uma solicitação de aceleração, e mesmo que a válvula de derivação 240 esteja em um estado fechado, será possível aumentar a força motriz pela turbina 330. Portanto, é possível suprimir a deterioração de dirigibilidade devido a um retardo de uma resposta a uma solicitação de aceleração e aperfeiçoar o desempenho de aceleração do veículo de célula de combustível.

[0075] O sistema de célula de combustível 10c de acordo com a presente concretização inclui a primeira válvula de tanque 420 e a segunda válvula de tanque 430. Contudo, a primeira válvula de tanque 420 e a segunda válvula de tanque 430 não são componentes essenciais. Mesmo que a primeira válvula de tanque 420 e a segunda válvula de tanque 430 não sejam providas, o ar poderá ser armazenado no tanque acumulador 410 durante o segundo controle. Portanto, quando a válvula de derivação 240 estiver fechada, o ar armazenado no tanque acumulador 410 poderá ser suprido para a turbina 330. Consequentemente, mesmo em tal configuração, mesmo que a válvula de derivação 240 esteja fechada, será possível aumentar a força motriz

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28/31 da turbina 330.

[0076] D. Quarta Concretização [0077] A Figura 9 é um diagrama explicativo que mostra um esboço de um sistema de célula de combustível 10d de acordo com uma quarta concretização. No sistema de célula de combustível 10 mostrado na Figura 1, a válvula reguladora de pressão 221 é disposta no lado à jusante da célula de combustível 100 no percurso de fluxo de descarga de ar 220 e no lado à montante da porção de conexão entre o percurso de fluxo de derivação 230 e o percurso de fluxo de descarga de ar 220. Contudo, na presente concretização, conforme mostrado na Figura 9, a válvula reguladora de pressão 221 é disposta em um lado a montante da turbina 330 no percurso de fluxo de descarga de ar 220 e em um lado à jusante da porção de conexão entre o percurso de fluxo de derivação 230 e o percurso de fluxo de descarga de ar 220. Isto permite suprimir a flutuação abrupta da pressão no lado a montante da válvula reguladora de pressão 221. Portanto, é possível impedir que a pressão dentro da célula de combustível 100 rapidamente diminua juntamente com a abertura e o fechamento da válvula de derivação 240.

[0078] E. Quinta Concretização [0079] A Figura 10 é um diagrama explicativo que mostra um esboço de um sistema de célula de combustível 10e de acordo com uma quinta concretização. No sistema de célula de combustível 10d mostrado na Figura 9, a válvula reguladora de pressão 221 e o alojamento de turbina 332 são separadamente providos. Contudo, na presente concretização, conforme mostrado na Figura 10, uma válvula reguladora de pressão 221 e e um alojamento de turbina 332e são integrados. Mais especificamente, a caixa de válvulas da válvula reguladora de pressão 221 e é formada integralmente com o alojamento de turbina 332e, e o corpo de válvula da válvula reguladora de pressão 221 e é disposto em um lado à montante da roda de turbina 331 em uma turbi

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29/31 na 330e. Por exemplo, a turbina 330e da presente concretização pode ser constituída por um turbocompressor de bocal variável no qual um orifício de sucção de ar da turbina 330e e a válvula reguladora de pressão 221 e são integralmente formados. Desse modo, com o ajuste do grau de abertura da válvula reguladora de pressão 221e, é possível mudar a velocidade de um fluxo do ar soprado para a roda de turbina 331. Por isso, a configuração do sistema de célula de combustível 10e pode ser simplificada, e a força motriz da turbina 330e para auxiliar o acionamento do compressor 310 pelo motor 320 pode ser aumentada. [0080] F. Sexta Concretização [0081] A Figura 11 é uma vista esquemática em seção que mostra uma turbina 330f de acordo com uma sexta concretização. No sistema de célula de combustível 10 mostrado na Figura 1, o percurso de fluxo de derivação 230 é conectado ao percurso de fluxo de descarga de ar 220. Contudo, na presente concretização, conforme mostrado na Figura 11, o percurso de fluxo de derivação 230 é diretamente conectado ao interior de um alojamento de turbina 332f da turbina 330f, uma caixa de válvulas de uma válvula de derivação 240f é integrada com o alojamento de turbina 332f, e um corpo de válvula da válvula de derivação 240f é disposto no lado a montante da roda de turbina 331 na turbina 330f. Desse modo, a configuração do sistema de célula de combustível 10 pode ser simplificada.

[0082] G. Sétima Concretização [0083] A Figura 12 é uma vista esquemática em seção que mostra uma turbina 330g de acordo com uma sétima concretização. Na turbina 330f mostrada na Figura 11, o percurso de fluxo de derivação 230 é diretamente conectado ao interior do alojamento de turbina 332f da turbina 330f. Na presente concretização, conforme mostrado na Figura 12, o percurso de fluxo de derivação 230 é também conectado diretamente ao alojamento de turbina 332g da turbina 330g. Além disso,

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30/31 uma abertura 231 do percurso de fluxo de derivação 230 no alojamento de turbina 332g é orientada de modo que o ar que flui do percurso de fluxo de derivação 230 para o alojamento de turbina 332g flua em tal direção de modo a promover a rotação da roda de turbina 331 da turbina 330g. Como resultado, o ar que flui do percurso de fluxo de derivação 230 para o alojamento de turbina 332g não impede a rotação da roda de turbina 331 e promove a rotação da roda de turbina 331. Por isso, a configuração do sistema de célula de combustível 10 pode ser simplificada, e a força motriz da turbina 330g para auxiliar o acionamento do compressor 310 pelo motor 320 pode ser aumentada. [0084] H. Oitava Concretização [0085] No sistema de célula de combustível 10c mostrado na Figura 7, a primeira válvula de tanque 420 é disposta na porção de conexão entre o tanque acumulador 410 e o percurso de fluxo de derivação 230, e a primeira válvula de tanque 420 também serve como uma entrada de ar e uma saída de ar do tanque acumulador 410. Entretanto, uma entrada de ar e uma saída de ar do tanque acumulador 410 podem ser separadamente providas na porção de conexão entre o tanque acumulador 410 e o percurso de fluxo de derivação 230, e as válvulas para abrir e fechar a conexão entre o tanque acumulador 410 e o percurso de fluxo de derivação 230 podem ser dispostas no lado de entrada e no lado de saída, respectivamente. Neste caso, quando há armazenamento do ar no tanque acumulador (etapa S360 na Figura 8), a válvula do lado de entrada ficará aberta e a válvula do lado de saída ficará fechada. Além disso, quando há liberação do ar armazenado no tanque acumulador (etapa S320 na Figura 8), a válvula do lado de entrada ficará fechada e a válvula do lado de saída ficará aberta. Mesmo no sistema de célula de combustível 10 dessa presente concretização, os mesmos efeitos que aqueles da terceira concretização podem ser obtidos.

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31/31 [0086] I. Nona Concretização [0087] No sistema de célula de combustível 10 mostrado na Figura 1, um radiador para resfriar o ar que flui através do percurso de fluxo de suprimento de ar 210 pode ser disposto em um lado à montante da célula de combustível 100 no percurso de fluxo de suprimento de ar 210 e em um lado a jusante da porção de conexão entre o percurso de fluxo de derivação 230 e o percurso de fluxo de suprimento de ar 210. Com esta configuração, a temperatura do ar suprido para a célula de combustível 100 pode ser diminuída, a secagem da membrana eletrolítica da célula de combustível 100 pode ser suprimida, e uma densidade do ar suprido para a célula de combustível 100 pode ser aumentada.

[0088] A invenção não é limitada às concretizações acima descritas e pode ser realizada em várias configurações sem se afastar do espírito da invenção. Por exemplo, a fim de solucionar alguns ou todos os problemas acima mencionados, ou a fim de obter alguns ou todos os efeitos acima mencionados, as características técnicas nas concretizações correspondendo às características técnicas nas respectivas formas descritas no Sumário da Invenção podem ser substituídas ou combinadas, conforme necessário. Além disso, a menos que as características técnicas sejam descritas como sendo essenciais nesta especificação, elas podem ser excluídas, conforme apropriado.

Claims (11)

1. REIVINDICAÇÕES

   1. Sistema de célula de combustível, caracterizado pelo fato de compreender:

   uma célula de combustível (100);

   um percurso de fluxo de suprimento de ar (210) configurado para suprir ar para a célula de combustível;

   um percurso de fluxo de descarga de ar (220) configurado para descarregar o ar da célula de combustível;

   um compressor (310) configurado para suprir o ar para o percurso de fluxo de suprimento de ar;

   um motor (320) configurado para acionar o compressor;

   uma turbina (330) disposta no percurso de fluxo de descarga de ar para auxiliar o acionamento do compressor pelo motor;

   um percurso de fluxo de derivação (230) configurado para trazer um lado à jusante do compressor (310) no percurso de fluxo de suprimento de ar para comunicação com um lado à montante da turbina (330) no percurso de fluxo de descarga de ar;

   uma válvula de derivação (240) configurada para abrir e fechar o percurso de fluxo de derivação; e um controlador (500) configurado para controlar o acionamento do motor (320) e a abertura e o fechamento da válvula de derivação (240) de acordo com uma taxa de fluxo de ar necessária que é uma taxa de fluxo de ar necessária para a geração de energia da célula de combustível, em que, quando a taxa de fluxo de ar necessária for igual ou maior do que um valor limiar predeterminado, o controlador (500) executará um primeiro controle no qual (i) a válvula de derivação (240) fica fechada e (ii) o acionamento do motor (320) é controlado para fazer com que o ar flua através da célula de combustível em uma taxa de fluxo correspondendo à taxa de fluxo de ar necessária, e

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2. 2/5 quando a taxa de fluxo de ar necessária for mais baixa do que o valor limiar predeterminado, o controlador (500) executará um segundo controle no qual (i) a válvula de derivação (240) é aberta para fazer com que o ar também flua através do percurso de fluxo de derivação e (ii) o acionamento do motor (320) é controlado para fazer com que o ar flua através da célula de combustível na taxa de fluxo correspondendo à taxa de fluxo de ar necessária.

   2. Sistema de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o valor limiar predeterminado ser um valor determinado com base em uma taxa de fluxo na qual o consumo de energia do motor (320) com relação a uma taxa de fluxo de ar descarregado do compressor (310) no sistema de célula de combustível se torna mínimo.
3. 3. Sistema de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de o controlador (500) fechar a válvula de derivação (240), não obstante se a taxa de fluxo de ar necessária é ou não mais baixa do que o valor limiar predeterminado, quando uma quantidade de aumento da taxa de fluxo de ar necessária por unidade de tempo for igual ou maior do que uma quantidade de aumento predeterminada.
4. 4. Sistema de célula de combustível, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de adicionalmente compreender um tanque acumulador (410) conectado a um lado a jusante da válvula de derivação (240) no percurso de fluxo de derivação e configurado para armazenar o ar que flui através do percurso de fluxo de derivação.
5. 5. Sistema de célula de combustível, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de adicionalmente compreender uma válvula reguladora de pressão (221) disposta no lado a montante da turbina (330) no percurso de fluxo de

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   3/5 descarga de ar e em um lado a jusante de uma porção de conexão entre o percurso de fluxo de derivação (230) e o percurso de fluxo de descarga de ar (220) e configurada para regular uma pressão do ar que flui através da célula de combustível.
6. 6. Sistema de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de:

   uma caixa de válvulas da válvula reguladora de pressão (221 e) ser integralmente formada com um alojamento de turbina da turbina (330e); e um corpo de válvula da válvula reguladora de pressão (221 e) ser disposto em um lado a montante da roda de turbina (331) na turbina (330e).
7. 7. Sistema de célula de combustível, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de:

   o percurso de fluxo de derivação (230) ser conectado ao interior de um alojamento de turbina (332f) da turbina (330f);

   uma caixa de válvulas da válvula de derivação (240f) ser formada integralmente com o alojamento de turbina (332f); e um corpo de válvula da válvula de derivação (240f) ser disposto em um lado à montante de uma roda de turbina (331) na turbina (330f).
8. 8. Sistema de célula de combustível, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de o percurso de fluxo de derivação (230) ser conectado ao interior de um alojamento de turbina (332g) da turbina (330g), e de uma abertura do percurso de fluxo de derivação (230) no alojamento de turbina (332g) ser orientada para fazer com que o ar flua do percurso de fluxo de derivação (230) para o alojamento de turbina (332g) para fluir em tal direção de modo a promover a rotação de uma roda de turbina (331) da turbina (330g).

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   4/5
9. 9. Sistema de célula de combustível, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de o controlador (500) executar o segundo controle com um número de rotações do motor (320) sendo mantido constante.
10. 10. Sistema de célula de combustível, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de o controlador (500) executar o segundo controle com uma relação de pressão sendo mantida constante, a relação de pressão sendo uma relação de uma pressão do ar sugado no compressor (310) e uma pressão do ar descarregado do compressor (310).
11. 11. Método de controle de um sistema de célula de combustível que inclui uma célula de combustível (100), um percurso de fluxo de suprimento de ar (210) configurado para suprir ar para a célula de combustível, um percurso de fluxo de descarga de ar (220) configurado para descarregar o ar da célula de combustível, um compressor (310) configurado para suprir ar para o percurso de fluxo de suprimento de ar, um motor (320) configurado para acionar o compressor, uma turbina (330) disposta no percurso de fluxo de descarga de ar para auxiliar o acionamento do compressor pelo motor, um percurso de fluxo de derivação (230) configurado para trazer um lado à jusante do compressor (310) no percurso de fluxo de suprimento de ar para comunicação com uma lado à montante da turbina (330) no percurso de fluxo de descarga de ar, e uma válvula de derivação (240) configurada para abrir e fechar o percurso de fluxo de derivação, o método sendo caracterizado pelo fato de compreender:

    quando uma taxa de fluxo de ar necessária que é uma taxa de fluxo de ar necessária para a geração de energia da célula de combustível for igual ou maior do que um valor limiar predeterminado, executar um primeiro controle no qual (i) a válvula de derivação (240) fica fechada e (ii) o acionamento do motor (320) é controlado para fazer

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    5/5 com que o ar flua através da célula de combustível em uma taxa de fluxo correspondendo à taxa de fluxo de ar necessária (S120); e quando a taxa de fluxo de ar necessária for mais baixa do que o valor limiar predeterminado, executar um segundo controle no qual (i) a válvula de derivação (240) é aberta para fazer com que o ar também flua através do percurso de fluxo de derivação (230) e (ii) o acionamento do motor (320) é controlado para fazer com que o ar flua através da célula de combustível na taxa de fluxo correspondendo à taxa de fluxo de ar necessária (S130, S140, S150).