CN109860668B - 燃料电池系统及涡轮机的控制方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种燃料电池系统及涡轮机的控制方法。燃料电池系统具备：涡轮机，具有调整涡轮机的上游侧压力与下游侧压力之间的差压的可变机构，利用差压来回收阴极废气的能量的至少一部分，并通过回收了的能量来辅助电动机的驱动；及控制部，驱动可变机构来使回收的能量增减，控制部取得与从涡轮机排出的阴极废气的温度相关的相关温度，在相关温度比涡轮机可能会冻结的预先确定的阈值温度低时，进行不使开度成为预先确定的开度以下的冻结避免控制。

Description

燃料电池系统及涡轮机的控制方法
技术领域
本发明涉及具备对压缩机的驱动进行辅助的涡轮机的燃料电池系统及涡轮机的控制方法。
背景技术
一直以来，已知有具备向燃料电池供给阴极气体的压缩机的燃料电池系统。在日本特开2012-221657所记载的燃料电池系统中，利用通过燃料电池的发热而温度上升后的阴极废气的能量来使涡轮机旋转，利用通过该旋转而产生的动力来辅助压缩机的驱动。
发明内容
然而，在日本特开2012-221657所记载的燃料电池系统中，存在阴极废气的能量回收量不够这一问题。于是，本发明的发明人尝试了通过缩窄阴极废气的流路而增大涡轮机的上游侧压力与下游侧压力之间的差压来使能量回收量增加。然而，发现了存在如下问题：若缩窄阴极废气的流路，则会因阴极废气的膨胀而导致温度下降，因此，存在因阴极废气中大量包含的水蒸气而导致涡轮机结露并冻结的可能性。
本发明的第一方案涉及一种燃料电池系统，具备：燃料电池；压缩机，向所述燃料电池供给阴极气体；电动机，驱动所述压缩机；阴极气体排出路，供从所述燃料电池排出的阴极废气流通；涡轮机，配置于所述阴极气体排出路而由所述阴极废气驱动，具有可变机构，该可变机构使通过所述涡轮机的所述阴极废气的流路的开度可变来调整所述涡轮机的上游侧压力与下游侧压力之间的差压，所述涡轮机利用所述差压来回收所述阴极废气的能量的至少一部分，并通过回收了的所述能量来辅助所述电动机的驱动；及控制部，驱动所述可变机构来使回收的所述能量增减。所述控制部构成为：取得与从所述涡轮机排出的所述阴极废气的第一温度相关的相关温度；在所述相关温度比所述涡轮机可能会冻结的预先确定的阈值温度低时，进行使所述开度不成为预先确定的开度以下的冻结避免控制。根据该燃料电池系统，由于取得与第一温度相关的相关温度，在相关温度比涡轮机可能会冻结的预先确定的阈值温度低时，使开度不成为预先确定的开度以下，所以能够抑制阴极废气的能量回收量的减少并抑制从涡轮机排出的阴极废气的第一温度下降，能够抑制涡轮机的冻结。
所述控制部可以构成为，作为所述冻结避免控制而使所述开度增加。这样一来，由于在相关温度比涡轮机可能会冻结的预先确定的阈值温度低时使开度增加，所以能够抑制从涡轮机排出的阴极废气的膨胀而进一步抑制阴极废气的第一温度下降，能够进一步抑制涡轮机的冻结。
所述控制部可以构成为，取得向所述压缩机导入前的所述阴极气体的第二温度作为所述相关温度。这样一来，由于取得向压缩机导入前的阴极气体的第二温度作为相关温度，所以能够高精度地检测出处于涡轮机可能会冻结的低温环境下。
所述控制部可以构成为，在所述相关温度比所述阈值温度低且为从所述燃料电池系统起动起预先确定的时间以内的情况下，进行所述冻结避免控制。这样一来，由于在相关温度比阈值温度低且为从燃料电池系统起动起预先确定的时间以内的情况下进行冻结避免控制，所以能够抑制在从起动起经过预先确定的时间而涡轮机冻结的可能性低的情况下也禁止使开度减少从而阴极废气的能量回收量减少。
燃料电池系统可以还具备温度传感器，该温度传感器检测从所述燃料电池排出且向所述涡轮机导入之前的所述阴极废气的第三温度。所述控制部可以构成为：基于检测到的所述阴极废气的第三温度来推定所述第一温度；取得推定出的所述第一温度作为所述相关温度。这样一来，由于基于检测到的阴极废气的第三温度来推定第一温度，取得所推定的第一温度作为相关温度，所以能够使用与实际的第一温度的相关性高的温度来控制开度。
所述控制部可以构成为，作为所述冻结避免控制，求出所述相关温度会变得与所述阈值温度相等的所述开度，将所述开度控制成求出的所述开度。这样一来，由于以使推定出的第一温度与阈值温度相等的方式求出开度，并将开度控制成求出的开度，所以能够抑制开度过度增加而阴极废气的能量回收量减少。
本发明的第二方案涉及一种涡轮机的控制方法，所述涡轮机由从燃料电池排出的阴极废气驱动而回收所述阴极废气的能量的至少一部分，并通过回收了的所述能量来辅助向所述燃料电池供给所述阴极气体的压缩机的驱动用电动机的驱动。该控制方法包括：取得与从所述涡轮机排出的所述阴极废气的第一温度相关的相关温度；及在所述相关温度比所述涡轮机可能会冻结的预先确定的阈值温度低时，使通过所述涡轮机的所述阴极废气的流路的开度不成为预先确定的开度以下。
本发明也能够以燃料电池系统、涡轮机的控制方法以外的各种方式来实现。例如，能够以燃料电池系统的控制方法、具备燃料电池系统的车辆等方式来实现。
附图说明
本发明的典型实施例的特征、优点及技术上和工业上的重要性将会在下面参照附图来进行说明，在这些附图中，相同标号表示相同要素。
图1是示出第一实施方式的燃料电池系统的概略结构的说明图。
图2是示出单元的概略结构的说明图。
图3是示出沿着图2的3-3线的截面的剖视图。
图4是示出沿着图2的3-3线的截面的剖视图。
图5是示出在通常控制时使用的涡轮机特性映射的一例的说明图。
图6是示出冻结避免控制的步骤的流程图。
图7是示出冻结判定处理的步骤的流程图。
图8是示出第二实施方式的燃料电池系统的概略结构的说明图。
图9是示出第二实施方式中的冻结避免控制的步骤的流程图。
图10是示出第二实施方式中的冻结判定处理的步骤的流程图。
图11是示出表示涡轮机效率的涡轮机特性映射的一例的说明图。
图12是示出表示涡轮机效率的涡轮机特性映射的一例的说明图。
具体实施方式
A.第一实施方式：
A-1.燃料电池系统的结构：
图1是示出作为本发明的一实施方式的燃料电池系统的概略结构的说明图。燃料电池系统10作为用于供给驱动用电源的系统而搭载于未图示的燃料电池车辆。
燃料电池系统10具备燃料电池15、冷却系统20、阳极气体供排系统30、带涡轮机的压缩机单元100(以下，也简称作“单元100”)、阴极气体供给系统40、阴极气体排出系统70及控制部90。
燃料电池15是所谓的固体高分子型燃料电池，接受反应气体(阳极气体及阴极气体)的供给而发电。燃料电池15具有层叠多个单电池而成的堆叠构造。
冷却系统20对燃料电池15进行冷却。冷却系统20具备制冷剂供给路21、制冷剂排出路22、散热器23及制冷剂泵24。
制冷剂供给路21将作为制冷剂的冷却水向燃料电池15供给。需要说明的是，也可以取代冷却水而使用乙二醇等不冻液或空气等。制冷剂排出路22将从燃料电池15排出的制冷剂向散热器23输送。散热器23使制冷剂散热。制冷剂泵24配置于制冷剂供给路21，使制冷剂循环。
阳极气体供排系统30将作为阳极气体的氢向燃料电池15供给并排出。阳极气体供排系统30具备阳极气体罐31、阳极气体供给路32、主截止阀33、调压阀34、阳极气体循环路35、气液分离器36、循环泵37、阳极废气排水阀38及阳极废气排水路39。
阳极气体罐31贮藏有高压的氢。阳极气体供给路32将阳极气体罐31与燃料电池15连接。在阳极气体供给路32配置有主截止阀33和调压阀34。主截止阀33的根据来自控制部90的指示而将阳极气体从阳极气体罐31的供给连通/切断。调压阀34配置于主截止阀33的下游侧，根据来自控制部90的指示而调整向燃料电池15供给的阳极气体的压力。
阳极气体循环路35连接于燃料电池15和阳极气体供给路32，使从燃料电池15排出的阳极废气向阳极气体供给路32循环。在阳极气体循环路35设置有气液分离器36和循环泵37。气液分离器36从自燃料电池15排出的混有液态水的阳极废气中分离出液态水。另外，气液分离器36也分离出阳极废气所包含的杂质气体，例如氮气。包含未使用的氢气的阳极废气通过循环泵37而向阳极气体供给路32循环。排气排水阀38根据来自控制部90的指示而在规定的定时开阀。由此，分离出的液态水和氮气通过排气排水路39而向系统外放出。
单元100具备压缩机60和涡轮机80。压缩机60内置于阴极气体供给系统40，涡轮机80内置于阴极气体排出系统70。压缩机60和涡轮机80经由电动机62而连结。单元100回收阴极废气的能量，并且将回收了的能量用作辅助性的动力而将阴极气体向燃料电池15压送。
图2是示出单元100的概略结构的说明图。需要说明的是，在图2中，以包含电动机62的轴线CX的剖视图示出了单元100的一部分。
压缩机60具有壳体61、电动机62、轴63、叶轮64、入口通道65及压缩机涡管66。压缩机60将作为阴极气体的空气吸入并压缩，向图1所示的燃料电池15压送。
壳体61将压缩机60的各要素收容于内部。电动机62根据来自控制部90的指示进行工作而驱动压缩机60。轴63构成为电动机62的旋转轴，将电动机62的旋转转矩向叶轮64传递。叶轮64由叶轮构成，利用自身旋转时的离心力将从入口通道65吸入的阴极气体压缩并向压缩机涡管66推出。入口通道65与图1所示的阴极气体供给系统40的上游侧供给路41连接。图2所示的压缩机涡管66具有漩涡状的外观形状，将压缩后的阴极气体向图1所示的阴极气体供给系统40的下游侧供给路51导出。
涡轮机80具有涡轮机壳体81、涡轮机叶轮82、涡轮机涡管83、出口通道84及可变机构85。涡轮机80对从图1所示的燃料电池15排出的阴极废气的能量的至少一部分进行回收，并通过回收了的能量来辅助电动机62的驱动。
涡轮机壳体81与壳体61一体形成，将涡轮机80的各要素收容于内部。涡轮机叶轮82由叶轮构成，利用阴极废气的能量进行旋转。涡轮机叶轮82经由轴63与叶轮64连结。通过涡轮机叶轮82的旋转而产生的动力向电动机62传递而用作电动机62的辅助性的动力。涡轮机涡管83具有漩涡状的外观形状，与图1所示的阴极气体排出路71连接，将从燃料电池15排出的阴极废气向涡轮机壳体81的内部取入。图2所示的出口通道84将通过涡轮机叶轮82后的阴极废气向图1所示的阴极气体排出路71(更具体而言是朝向消音器78的一侧)导出。通过涡轮机80后的阴极废气的温度因涡轮机80的膨胀做功而下降。
可变机构85具有所谓的可变嘴式的结构，使通过涡轮机80的阴极废气的流路的开度(以下也简称作“开度”)可变，调整涡轮机80的上游侧压力与下游侧压力之间的差压。需要说明的是，通过涡轮机80的阴极废气的流路的开度也称作可变机构85的开度。可变机构85具有可变机构驱动电动机86、多个可变叶片87及多个轴部88。可变机构驱动电动机86根据来自控制部90的指示而使各可变叶片87转动。
图3及图4是示出沿着图2的3-3线的涡轮机80的截面的剖视图。在图3中示意性地示出了开度比较大的情况(开度大)，在图4中示意性地示出了开度比较小的情况(开度小)。
可变叶片87在比涡轮机叶轮82靠径向外侧处沿周向并列配置有多个。各可变叶片87分别构成为能够以各轴部88为中心转动规定的角度。各轴部88经由未图示的同步环和连杆机构而与可变机构驱动电动机86连接。通过各可变叶片87转动，相邻的可变叶片87之间的间隙的大小发生变化，开度发生变更。
阴极废气所流动的流路截面积在开度大的情况下大，在开度小的情况下小。开度例如可以由使全开状态下的流路截面积为100％时的实际的流路截面积的比例来表示。当开度减小时，涡轮机80的上游侧压力与下游侧压力的阴极废气的差压变大，通过涡轮机叶轮82的阴极废气的膨胀比增大。
在此，阴极废气的膨胀比是指涡轮机80的入口处的阴极废气的压力P4(以下，也简称作“入口压力P4”)相对于涡轮机80的出口处的阴极废气的压力P6(以下，也简称作“出口压力P6”)的比例。一般来说，膨胀比(P4/P6)越大，则涡轮机80的出口处的阴极废气的温度T6(以下，也称作“排出温度T6”)越下降。
图1所示的阴极气体供给系统40将阴极气体向燃料电池15供给。阴极气体供给系统40除了上述的单元100的压缩机60之外，还具有上游侧供给路41、空气滤清器42、大气压传感器43、空气滤清器温度传感器44、空气流量计45、下游侧供给路51、中冷器52、供给气体温度传感器53、供给气体压力传感器54及入口阀55。
上游侧供给路41构成了阴极气体供给系统40中的比压缩机60靠上游侧的流路。空气滤清器42将取入阴极气体时的尘埃除去。大气压传感器43检测大气压。空气滤清器温度传感器44检测环境温度。空气流量计45检测取入到空气滤清器42的阴极气体的量。大气压传感器43、空气滤清器温度传感器44及空气流量计45的检测结果向控制部90发送。
下游侧供给路51构成了阴极气体供给系统40中的比压缩机60靠下游侧的流路。中冷器52对由压缩机60压缩而温度上升了的阴极气体进行冷却。供给气体温度传感器53测定向燃料电池15供给的阴极气体的温度。供给气体压力传感器54测定向燃料电池15供给的阴极气体的压力。入口阀55在下游侧供给路51上配置于比与旁通流路73连接的连接部位靠近燃料电池15处。入口阀55根据来自控制部90的指示而调整阴极气体的流量。
阴极气体排出系统70将阴极气体从燃料电池15排出。阴极气体排出系统70除了上述的单元100的涡轮机80之外，还具有阴极气体排出路71、调压阀72、旁通流路73、旁通阀74及消音器78。
在阴极气体排出路71中流通从燃料电池15排出的阴极废气。调压阀72在阴极气体排出路71上配置于比与旁通流路73连接的连接部位靠近燃料电池15处。调压阀72根据来自控制部90的指示而调整燃料电池15中的阴极气体的压力。旁通流路73将下游侧供给路51与阴极气体排出路71连接。旁通阀74配置于旁通流路73。旁通阀74根据来自控制部90的指示而调整在旁通流路73中流动的阴极气体的流量。
在阴极气体排出路71中的比涡轮机80靠下游侧处连接着阳极气体供排系统30的排气排水路39的下游端。在阴极气体排出路71中的比排气排水路39的连接部位靠下游侧处配置有消音器78。消音器78降低阴极废气的排气音。
控制部90是具备中央处理装置(CPU：Central Processing Unit(中央处理单元))和主存储装置的微型计算机，构成为电子控制单元。控制部90控制燃料电池系统10的动作。控制部90取得来自大气压传感器43、空气滤清器温度传感器44、空气流量计45、供给气体温度传感器53、供给气体压力传感器54等各种传感器的输出信号。另外，控制部90向主截止阀33、调压阀34、排气排水阀38、入口阀55、调压阀72、旁通阀74等各种阀和电动机62、可变机构驱动电动机86、制冷剂泵24、循环泵37等与燃料电池15的发电相关的各部分输出驱动信号。控制部90通过驱动可变机构85来使从阴极废气回收的能量的量增减。另外，控制部90进行后述的冻结避免控制。
作为通常控制，控制部90通过根据阴极废气的流量决定并控制上述的开度，来使阴极废气的能量回收量增加。在本实施方式中，首先决定阴极废气的膨胀比的目标值(以下，也称作“目标膨胀比”)，通过参照示出该目标膨胀比、阴极废气的流量及开度之间的关系的涡轮机特性映射来决定开度。
在本实施方式中，作为目标膨胀比，使用根据燃料电池15的出口处的压力P3(以下，也简称作“燃料电池出口压力P3”)而确定的膨胀比P4/P6的上限值。在本实施方式中，燃料电池出口压力P3基于由供给气体压力传感器54测定出的压力和入口阀55、调压阀72及旁通阀74的开度而考虑燃料电池15等处的压损来求出。需要说明的是，燃料电池出口压力P3也可以通过在调压阀72设置压力传感器来测定。另外，在本实施方式中，出口压力P6作为由大气压传感器43检测到的大气压的近似值而求出，但也可以考虑消音器78等处的压损而对大气压应用修正系数来求出。为了使燃料电池15内的压力成为合适值，入口压力P4优选不比燃料电池出口压力P3大。因而，入口压力P4的上限值依赖于燃料电池出口压力P3。因此，根据出口压力P6和燃料电池出口压力P3而膨胀比P4/P6的上限值确定，目标膨胀比决定。
图5是示出在通常控制时使用的涡轮机特性映射的一例的说明图。在图5中，纵轴表示膨胀比P4/P6，横轴表示向涡轮机80流入的阴极废气的流量G4。在图5中，为了便于说明而示出开度比较大的情况(开度大)和开度比较小的情况(开度小)的两条曲线，省略了开度不同的其他曲线的图示。需要说明的是，涡轮机特性映射预先存储于控制部90的主存储装置。
在本实施方式中，作为向涡轮机80流入的阴极废气的流量G4，使用由空气流量计45检测到的阴极气体的流量。需要说明的是，也可以取代于此而对由空气流量计45检测到的阴极气体的流量应用修正系数来算出，还可以在阴极气体排出路71设置流量传感器而进行测定。
作为通常控制，控制部90通过参照图5所示的涡轮机特性映射而根据阴极废气的流量G4与所决定的目标膨胀比的交点来决定开度。需要说明的是，在图5中，作为一例而示出了阴极废气的流量G4为x且目标膨胀比为y的情况。由于位于x与y的交点R1上的曲线是“开度大”的曲线，所以控制部90将开度决定为“开度大”。控制部90以使可变机构85的开度成为所决定的开度的方式向可变机构驱动电动机86输出驱动信号。
在阴极废气中大量包含有因燃料电池15的化学反应而产生的生成水即水蒸气和液滴。因而，若在通过涡轮机80时阴极废气的温度下降，则涡轮机叶轮82和涡轮机壳体81等可能会因阴极废气中大量包含的水蒸气或液滴而结露并冻结。这样的涡轮机80的冻结尤其可能会在环境温度低的寒冷地发生。于是，在本实施方式的燃料电池系统10中，通过执行以下说明的冻结避免控制来抑制从涡轮机80排出的阴极废气的排出温度T6的下降，抑制涡轮机80的温度下降，抑制涡轮机80的冻结。
A-2.冻结避免控制：
图6是示出冻结避免控制的步骤的流程图。冻结避免控制在燃料电池搭载车辆的启动开关(未图示)被按下而燃料电池系统10起动之后反复执行。需要说明的是，冻结避免控制可以在燃料电池系统10起动的同时执行，也可以在其他的任意定时执行。
控制部90进行冻结判定处理(步骤S300)。冻结判定处理是判定涡轮机80是否有可能冻结的处理。
图7是示出冻结判定处理的步骤的流程图。控制部90取得由空气滤清器温度传感器44测定出的环境温度T0(步骤S310)。控制部90判定所取得的环境温度T0是否比预先确定的阈值温度Tmin低(步骤S320)。阈值温度Tmin是与涡轮机80有可能冻结的排出温度T6相关的温度，预先存储于控制部90的主存储装置。在本实施方式中，阈值温度Tmin设定为5℃，但也可以设定为与涡轮机80有可能冻结的排出温度T6相关的其他的任意温度。
在步骤S320中判定为环境温度T0不比阈值温度Tmin低的情况下(步骤S320：否)，控制部90判定为不存在冻结的可能性(步骤S350)，结束冻结判定处理而返回图6所示的冻结避免控制。
另一方面，在图7所示的步骤S320中判定为环境温度T0比阈值温度Tmin低的情况下(步骤S320：是)，控制部90判定燃料电池系统10是否为刚起动后的状态(步骤S330)。具体而言，判定是否从燃料电池系统10起动起为X秒以内。X秒预先确定并存储于控制部90的主存储装置。在本实施方式中，X秒设定为60秒，但也可以设定为表示燃料电池系统10为刚起动后的状态的其他的任意值。
在燃料电池系统10刚起动后，由于燃料电池15的温度还没怎么上升，所以有时从燃料电池15排出的阴极废气的温度低。因而，在燃料电池系统10刚起动后，涡轮机80冻结的可能性比较高。
在步骤S330中判定为燃料电池系统10不为刚起动后的状态的情况下(步骤S330：否)，控制部90判定为不存在冻结的可能性(步骤S350)，结束冻结判定处理而返回图6所示的冻结避免控制。
另一方面，在图7所示的步骤S330中判定为燃料电池系统10为刚起动后的状态的情况下(步骤S330：是)，控制部90判定为存在冻结的可能性(步骤S340)，结束冻结判定处理而返回图6所示的冻结避免控制。
在图6所示的冻结避免控制中，检测步骤S300的冻结判定处理的结果是否是判定为存在冻结的可能性(步骤S210)。在步骤S210中检测为不存在冻结的可能性的的情况下(步骤S210：否)，返回上述的步骤S300。
另一方面，在步骤S210中检测为存在冻结的可能性的情况下(步骤S210：是)，控制部90使可变机构85的开度增加，换言之，使通过涡轮机80的阴极废气的流路的开度增加(步骤S220)。更具体而言，控制部90通过向可变机构驱动电动机86输出指令来使各可变叶片87转动而使开度增加。使开度增加是指与执行步骤S220前相比使开度增加。在本实施方式中，使开度增加30％，但也可以使其增加10％、20％等其他的任意开度量。另外，也可以预先设定通过涡轮机80的阴极废气的膨胀比比较小而阴极废气的温度下降的程度比较小的涡轮机80冻结的可能性低的比较大的开度，与该开度相比使可变机构85的开度增加。
若使开度增加，则流路截面积增大而阴极废气的压损变小，所以膨胀比P4/P6变小。因而，能够抑制从涡轮机80排出的阴极废气的膨胀而抑制排出温度T6的下降，能够抑制涡轮机80的温度下降，能够抑制涡轮机80的冻结。在步骤S220之后，返回步骤S300。
在本实施方式中，环境温度T0可视为发明内容中的相关温度的下位概念和向压缩机导入前的阴极气体的温度的下位概念。
根据以上说明的本实施方式的燃料电池系统10，在环境温度T0比阈值温度Tmin低且燃料电池系统10为刚起动后的状态的情况下，使开度增加。由此，能够使阴极废气的膨胀比P4/P6减小，所以能够抑制从涡轮机80排出的阴极废气的膨胀而抑制排出温度T6的下降。因此，能够抑制涡轮机80的温度下降，能够抑制涡轮机80的冻结。
涡轮机80的冻结在环境温度T0低的寒冷地尤其容易发生。根据本实施方式的燃料电池系统10，由于基于环境温度T0来执行冻结判定处理，所以能够高精度地检测出处于涡轮机80可能会冻结的低温环境下。
另外，在燃料电池系统10刚起动后的情况下判定为存在涡轮机80冻结的可能性，在不是刚起动后的情况下判定为不存在涡轮机80冻结的可能性。因而，在从燃料电池系统10起动起经过了预先确定的时间，燃料电池15的温度上升而阴极废气的温度上升从而涡轮机80冻结的可能性低的情况下，能够抑制判定为存在冻结的可能性而使开度过度增加，能够抑制阴极废气的能量回收量减少。
B.第二实施方式：
图8是示出第二实施方式的燃料电池系统10a的概略结构的说明图。第二实施方式的燃料电池系统10a在进一步具备涡轮机入口温度传感器75a这一点和冻结避免控制及冻结判定处理的具体手段上与第一实施方式的燃料电池系统10不同。其他结构与第一实施方式的燃料电池系统10相同，所以对同一结构及同一步骤标注相同标号并省略它们的详细说明。
涡轮机入口温度传感器75a在阴极气体排出系统70a的阴极气体排出路71上配置于调压阀72与涡轮机80之间。涡轮机入口温度传感器75a检测向涡轮机80导入的阴极废气的温度T4(以下，也称作“入口温度T4”)。涡轮机入口温度传感器75a的检测结果向控制部90发送。
图9是示出第二实施方式中的冻结避免控制的步骤的流程图。首先，执行冻结判定处理(步骤S500)。
图10是示出第二实施方式中的冻结判定处理的步骤的流程图。控制部90取得由涡轮机入口温度传感器75a检测到的入口温度T4(步骤S510)。控制部90基于示出所取得的入口温度T4和涡轮机效率ηt的涡轮机特性映射，来推定执行了上述的通常控制时的从涡轮机80排出的涡轮机废气的排出温度T6(步骤S520)。
在此，如下述式(1)所示，涡轮机效率ηt作为涡轮机80的出口处的功率Lt相对于涡轮机80的入口处的隔热变化下的功率(Lt)ad的比例而求出。
ηt＝Lt/(Lt)ad···(1)
涡轮机80的入口处的隔热变化下的功率(Lt)ad通过下述式(2)来求出，涡轮机80的出口处的功率Lt通过下述式(3)来求出。
Figure BDA0001840965450000151
Lt＝Cpg×G4(T4-T6)···(3)
在此，Cpg表示比热，κ表示比热比(Cp/Cv)。需要说明的是，Cp表示定压比热，Cv表示定容比热。另外，上述式(2)能够通过应用下述式(4)而置换为下述式(5)。
Figure BDA0001840965450000152
(Lt)ad＝Cpg×G4×T4(1-A)···(5)
因此，根据上述式(1)、(3)、(5)可导出表示排出温度T6的下述式(6)。
T6＝T4-T4×ηt×(1-A)···(6)
图11及图12是示出表示涡轮机效率ηt的涡轮机特性映射的一例的说明图。图11示出了开度比较大的情况(开度大)，图12示出了开度比较小的情况(开度小)。在图11及图12中，纵轴表示涡轮机效率ηt，横轴表示膨胀比P4/P6。在图11及图12中，为了便于说明而将与涡轮机叶轮82的转速对应的四条曲线分别作为代表而示出，省略了转速不同的其他曲线的图示。另外，将转速以使可驱动的最大的转速为100％时的实际的转速的比例示出。需要说明的是，控制部90的主存储装置除了图11及图12所示的涡轮机特性映射之外，还存储有开度不同的多个涡轮机特性映射。
在上述的通常控制中，膨胀比P4/P6设定为目标膨胀比，开度根据图5所示的涡轮机特性映射来决定。控制部90通过参照示出执行了通常控制时的与开度对应的涡轮机效率ηt的涡轮机特性映射，能够基于涡轮机叶轮82的转速和膨胀比P4/P6来求出涡轮机效率ηt。
控制部90在图10所示的步骤S520中对表示排出温度T6的上述式(6)应用执行了通常控制时的膨胀比P4/P6和涡轮机效率ηt来推定排出温度T6。
控制部90取得所推定的排出温度T6，并判定所推定的排出温度T6是否比预先确定的阈值温度Tmin低(步骤S530)。阈值温度Tmin设定为例如5℃。
在步骤S530中判定为所推定的排出温度T6不比阈值温度Tmin低的情况下(步骤S530：否)，控制部90判定为不存在冻结的可能性(步骤S550)，结束冻结判定处理而返回图9所示的冻结避免控制。
另一方面，在图10所示的步骤S530中判定为所推定的排出温度T6比阈值温度Tmin低的情况下(步骤S530：是)，控制部90判定为存在冻结的可能性(步骤S540)，结束冻结判定处理而返回图9所示的冻结避免控制。
在图9所示的冻结避免控制中，检测步骤S500的冻结判定处理的结果是否是判定为存在冻结的可能性(步骤S410)。在步骤S410中检测为不存在冻结的可能性的情况下(步骤S410：否)，返回上述的步骤S500。
另一方面，在步骤S410中检测为存在冻结的可能性的情况下(步骤S410：是)，控制部90求出排出温度T6会变得与阈值温度Tmin相等的开度(步骤S420)。更具体而言，控制部90对上述式(6)应用阈值温度Tmin作为排出温度T6并应用执行了通常控制时的涡轮机效率ηt，来算出膨胀比P4/P6。接着，控制部90通过参照图5所示的涡轮机特性映射来求出与算出的膨胀比P4/P6和阴极废气的流量G4对应的开度。
控制部90对可变机构驱动电动机86输出使可变机构85的开度成为在步骤S420中求出的开度的指示(步骤S430)。由此，可变机构85的开度增加(步骤S440)，返回步骤S500。伴随于开度的增加，排出温度T6上升而变得与阈值温度Tmin相等，所以能够抑制排出温度T6的下降，能够抑制涡轮机80的温度下降，能够抑制涡轮机80的冻结。
在本实施方式中，涡轮机入口温度传感器75a可视为发明内容中的检测从燃料电池排出且向涡轮机导入前的阴极废气的温度的温度传感器的下位概念，入口温度T4可视为发明内容中的从燃料电池排出且向涡轮机导入前的阴极废气的温度的下位概念，所推定的排出温度T6可视为发明内容中的相关温度的下位概念。
以上说明的第二实施方式中的冻结避免控制起到与第一实施方式的冻结避免控制同样的效果。除此之外，由于推定排出温度T6，所以能够使用与实际的排出温度T6相关性高的温度来控制开度。另外，由于基于处于与涡轮机的出口物理上接近的位置的涡轮机的入口温度T4来推定排出温度T6，所以能够抑制排出温度T6的推定精度的下降，能够抑制冻结判定处理的判定精度的下降。
另外，控制部90求出排出温度T6会变得与阈值温度Tmin相等的开度，以与所求出的开度相等的方式使可变机构85的开度增加。因而，能够抑制开度过度增加，所以能够抑制膨胀比P4/P6过度下降而阴极废气的能量回收量减少。
C.变形例：
C-1.第一变形例：
在上述实施方式中，在判定为存在冻结的可能性的情况下(步骤S210及步骤S410：是)，使开度增加，但本发明并不限定于此。例如，也可以在判定为存在冻结的可能性的情况下(步骤S210及步骤S410：是)，以不使开度成为规定开度以下的方式进行控制。规定开度可以作为涡轮机80冻结的可能性低的比较大的开度而预先设定。换言之，可以将通过涡轮机80的阴极废气的膨胀比比较小而阴极废气的温度下降的程度比较小的开度预先设定为规定开度。通过该结构，也起到与上述实施方式的燃料电池系统10、10a同样的效果。除此之外，在当前的开度比规定开度大的情况下，也可以在开度不会成为规定开度以下的范围内使开度减小，因此能够抑制涡轮机80的冻结并抑制阴极废气的能量回收量减少。另外，例如，也可以在判定为存在冻结的可能性的情况下(步骤S210及步骤S410：是)维持开度。维持开度是指在步骤S210及步骤S410的判断之后不变更开度。根据该结构，能够抑制开度过度增加而阴极废气的能量回收量减少。即，一般来说，也可以在相关温度比涡轮机80可能会冻结的预先确定的阈值温度Tmin低时进行不使开度成为预先确定的开度以下的冻结避免控制。通过该结构，也起到与上述实施方式的燃料电池系统10、10a同样的效果。
C-2.第二变形例：
在第二实施方式的冻结避免控制中，也可以不检测排出温度T6会变得与阈值温度Tmin相等的开度而使开度一样地增加。换言之，在第二实施方式中，也可以进行与第一实施方式同样的冻结避免控制。在该结构或上述第一实施方式的冻结避免控制中，也可以根据环境温度T0或所推定的排出温度T6与阈值温度Tmin的温度差而使开度阶段性地增加。例如，可以在环境温度T0或所推定的排出温度T6与阈值温度Tmin之差小于5℃的情况下使开度增加20％，在差为5℃以上的情况下使其增加30％。通过这样的结构，也起到与上述实施方式的燃料电池系统10、10a同样的效果。
C-3.第三变形例：
在第一实施方式的冻结判定处理中，也可以省略步骤S330。即，也可以无论燃料电池系统10是否为刚起动后的状态都执行冻结判定处理。另外，也可以是取代空气滤清器温度传感器44的检测而经由网络来取得环境温度T0的结构。另外，也可以取代环境温度T0而使用由配置于上游侧供给路41的其他温度传感器测定的向压缩机60导入前的阴极气体的温度来执行冻结判定处理。通过该结构，也起到与第一实施方式的燃料电池系统10同样的效果。
C-4.第四变形例：
在第一实施方式中，也可以是使用由第二实施方式的燃料电池系统10a所具备的涡轮机入口温度传感器75a检测到的涡轮机的入口温度T4来执行冻结判定处理的方案。在该方案中，由于可设想涡轮机的入口温度T4会因通过压缩机60及燃料电池15后的阴极气体而比环境温度T0高，所以也可以将阈值温度Tmin设定为更高的值。例如，可以将阈值温度Tmin设定为10℃。通过该结构，也起到与第一实施方式的燃料电池系统10同样的效果。
C-5.第五变形例：
在上述实施方式的冻结避免控制中，通过图7及图10所示的流程图来执行冻结判定处理，但也可以使用在控制部90的主存储装置中预先存储的映射来进行冻结避免控制。例如，也可以取代冻结判定处理而将开度的至少下限值和相关温度作为表示能够避免涡轮机80的冻结的对应关系的映射预先存储，通过将取得的相关温度应用于该映射而进行参照，来使开度比下限值大。另外，在上述实施方式中，在通常控制中的开度的决定中，使用图5所示的涡轮机特性映射，但也可以取代涡轮机特性映射而通过使用表示阴极废气的流量G4、膨胀比P4/P6及开度之间的关系的关系式来决定开度。另外，在第二实施方式中的涡轮机效率ηt的算出中，也可以使用进一步反映了入口温度T4的涡轮机特性映射，还可以应用与入口温度T4对应的修正系数。根据这样的结构，也起到与上述实施方式的燃料电池系统10、10a同样的效果。
C-6.第六变形例：
第二实施方式的燃料电池系统10a的系统结构只是一例，能够进行各种变更。例如，也可以取代由涡轮机入口温度传感器75a测定的入口温度T4而使用从燃料电池15排出后向涡轮机80导入前的阴极废气的温度。在该结构中，例如也可以利用配置于燃料电池15的出口等的其他温度传感器来测定阴极废气的温度。另外，例如，也可以进一步具备测定涡轮机80的入口压力P4的压力传感器和测定涡轮机80的出口压力P6的压力传感器，基于由上述压力传感器测定出的值来求出膨胀比P4/P6。另外，例如，也可以通过进一步具备测定排出温度T6的温度传感器而省略步骤S510及步骤S520，基于由该温度传感器测定出的排出温度T6来执行冻结判定处理。根据该结构，也起到与第二实施方式的燃料电池系统10a同样的效果。
C-7.第七变形例：
在上述第一、二实施方式中，可变机构85是所谓的可变嘴式的结构，但本发明不限于此。可变机构85也可以是可动折翼式及可变嘴宽式等能够使通过涡轮机80的阴极废气的流路的开度可变而调整涡轮机80的上游侧压力与下游侧压力的差压的其他的任意结构。根据该结构，也起到与上述实施方式的燃料电池系统10、10a同样的效果。
C-8.第八变形例：
在上述实施方式中，涡轮机80经由电动机62与压缩机60连结，利用从阴极废气回收了的能量来辅助电动机62的驱动，但也可以将阴极废气的能量作为涡轮机80的动力进行回收，通过利用回收了的动力使其他电动机旋转而发电的电力来辅助电动机62的驱动。即，一般来说，涡轮机80可以利用涡轮机80的上游侧压力与下游侧压力的差压来回收阴极废气的能量的至少一部分，并利用回收了的能量来辅助电动机62的驱动。另外，在上述实施方式中，燃料电池系统10、10a搭载于燃料电池车辆而使用，但也可以搭载于其他的任意移动体，还可以作为定置型燃料电池来使用。
本发明不限于上述的实施方式，能够在不脱离其主旨的范围内以各种结构来实现。例如，与发明内容一栏所记载的各方式中的技术特征对应的实施方式中的技术特征能够为了解决上述课题的一部分或全部或者为了达成上述效果的一部分或全部而适当进行替换、组合。另外，只要该技术特征在本说明书中没有作为必要技术特征来说明，就能适当删除。

Claims (7)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，具备：
燃料电池；
压缩机，向所述燃料电池供给阴极气体；
电动机，驱动所述压缩机；
阴极气体排出路，供从所述燃料电池排出的阴极废气流通；
涡轮机，配置于所述阴极气体排出路而由所述阴极废气驱动，具有可变机构，该可变机构使通过所述涡轮机的所述阴极废气的流路的开度可变来调整所述涡轮机的上游侧压力与下游侧压力之间的差压，所述涡轮机利用所述差压来回收所述阴极废气的能量的至少一部分，并通过回收了的所述能量来辅助所述电动机(62)的驱动；以及
控制部，构成为驱动所述可变机构来使回收的所述能量增减，
其中，所述控制部构成为，取得与从所述涡轮机排出的所述阴极废气的第一温度相关的相关温度，在所述相关温度比预测所述涡轮机会冻结的预先确定的阈值温度低时，进行使所述开度不成为预先确定的开度以下的冻结避免控制。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述控制部构成为，作为所述冻结避免控制而使所述开度增加。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述控制部构成为，取得向所述压缩机导入之前的所述阴极气体的第二温度作为所述相关温度。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述控制部构成为，在所述相关温度比所述阈值温度低且为从所述燃料电池系统起动起预先确定的时间以内的情况下，进行所述冻结避免控制。
5.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，
还具备温度传感器，所述温度传感器检测从所述燃料电池排出且向所述涡轮机导入之前的所述阴极废气的第三温度，
其中，所述控制部构成为，基于检测到的所述阴极废气的第三温度来推定所述第一温度，并取得推定出的所述第一温度作为所述相关温度。
6.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述控制部构成为，作为所述冻结避免控制，求出所述相关温度会变得与所述阈值温度相等的所述开度，并将所述开度控制成求出的所述开度。
7.一种涡轮机的控制方法，所述涡轮机由从燃料电池排出的阴极废气驱动而回收所述阴极废气的能量的至少一部分，并通过回收了的所述能量来辅助向所述燃料电池供给阴极气体的压缩机的驱动用电动机的驱动，
其特征在于，包括：
取得与从所述涡轮机排出的所述阴极废气的第一温度相关的相关温度；和
在所述相关温度比预测所述涡轮机会冻结的预先确定的阈值温度低时，使通过所述涡轮机的所述阴极废气的流路的开度不成为预先确定的开度以下。
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