JP2009076243A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system.
燃料ガス(例えば、水素)と酸化剤ガス(例えば、酸素)との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池を備える燃料電池システムでは、燃料電池のアノードには、一般に、燃料ガスとしての水素が、燃料電池に対する出力要求に応じて、例えば、水素タンクから水素供給配管を介して供給される。また、燃料電池のカソードには、一般に、酸化剤ガスとして、エアコンプレッサによって圧縮された圧縮空気が、燃料電池に対する出力要求に応じて、空気供給配管を介して供給される。そして、従来、燃料電池システムにおいて、空気供給配管内の圧力を調整するための種々の技術が提案されている。 A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas (for example, hydrogen) and an oxidant gas (for example, oxygen) has attracted attention as an energy source. In a fuel cell system including this fuel cell, hydrogen as a fuel gas is generally supplied to the anode of the fuel cell, for example, from a hydrogen tank via a hydrogen supply pipe in response to an output request for the fuel cell. In general, compressed air compressed by an air compressor is supplied to the cathode of the fuel cell as an oxidant gas via an air supply pipe in response to an output request to the fuel cell. Conventionally, various techniques for adjusting the pressure in the air supply pipe have been proposed in the fuel cell system.
ところで、エアコンプレッサでは、低流量、高圧縮の運転条件において、サージングが発生することが知られている。そして、エアコンプレッサにおいてサージングが発生すると、エアコンプレッサや、燃料電池システムの故障を招くおそれがある。 By the way, in an air compressor, it is known that surging occurs under operating conditions of low flow rate and high compression. If surging occurs in the air compressor, the air compressor or the fuel cell system may be damaged.
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池システムにおいて、空気供給配管に接続されたエアコンプレッサにおけるサージングによる故障を抑制、または、防止することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to suppress or prevent failure due to surging in an air compressor connected to an air supply pipe in a fuel cell system.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために以下の形態又は適用例として実現することが可能である。 The present invention can be realized as the following forms or application examples in order to solve at least a part of the above-described problems.
[適用例1]燃料電池システムであって、水素と酸素との電気化学反応によって発電を行う燃料電池と、前記燃料電池のカソードに、前記酸素を含む空気を供給するための空気供給配管と、前記空気供給配管に接続され、前記空気を圧縮して前記空気供給配管に流すためのエアコンプレッサと、前記燃料電池に対する出力要求に応じて、前記エアコンプレッサが備えるモータの回転数を制御するモータ制御部と、前記エアコンプレッサにおけるサージングの発生を検出するサージング検出部と、前記サージング検出部によって、前記サージングの発生が検出されたときに、前記サージングを解消するように、前記空気供給配管内の圧力を制御する圧力制御部と、を備える燃料電池システム。 [Application Example 1] A fuel cell system, wherein a fuel cell generates power by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, an air supply pipe for supplying air containing oxygen to the cathode of the fuel cell, An air compressor connected to the air supply pipe for compressing the air and flowing it through the air supply pipe, and a motor control for controlling the number of revolutions of a motor provided in the air compressor in response to an output request to the fuel cell A surging detector that detects occurrence of surging in the air compressor, and a pressure in the air supply pipe so as to eliminate the surging when the occurrence of surging is detected by the surging detector And a pressure control unit for controlling the fuel cell system.
先に説明したように、エアコンプレッサでは、低流量、高圧縮の運転条件において、サージングが発生する。そして、エアコンプレッサにおいて、サージングが発生する運転条件は、エアコンプレッサの仕様や、性能に応じて予め知得可能である。 As described above, in the air compressor, surging occurs under operating conditions of low flow rate and high compression. In the air compressor, the operating condition in which surging occurs can be known in advance according to the specifications and performance of the air compressor.
適用例1の燃料電池システムでは、サージング検出部によって、エアコンプレッサにおけるサージングの発生が検出されたときに、そのサージングを解消するように、圧力制御部が、空気供給配管内の圧力を制御する。したがって、エアコンプレッサにおいてサージングが発生したときに、そのときのエアコンプレッサの運転条件が、サージングが発生する運転条件を満たさないようにすることができる。この結果、燃料電池システムにおいて、空気供給配管に接続されたエアコンプレッサにおけるサージングによる故障を抑制することができる。 In the fuel cell system of Application Example 1, when the surging detection unit detects the occurrence of surging in the air compressor, the pressure control unit controls the pressure in the air supply pipe so as to eliminate the surging. Therefore, when surging occurs in the air compressor, the operating condition of the air compressor at that time can be prevented from satisfying the operating condition where surging occurs. As a result, in the fuel cell system, failure due to surging in the air compressor connected to the air supply pipe can be suppressed.
[適用例2]適用例1記載の燃料電池システムであって、前記圧力制御部は、前記サージング検出部によって、前記サージングの発生が検出されたときに、前記出力要求に関わらず、前記モータの回転数を制御することによって、前記空気供給配管内の圧力を制御する、燃料電池システム。 [Application Example 2] The fuel cell system according to Application Example 1, wherein the pressure control unit detects the occurrence of the surging by the surging detection unit regardless of the output request. A fuel cell system that controls a pressure in the air supply pipe by controlling a rotation speed.
適用例2の燃料電池システムでは、エアコンプレッサにおいてサージングが発生したときに、エアコンプレッサが備えるモータの回転数を、燃料電池に対する出力要求に関わらず制御することによって、空気供給配管内の圧力を制御する。したがって、エアコンプレッサの運転条件が、サージングが発生する運転条件を満たさないようにすることができる。 In the fuel cell system of Application Example 2, when surging occurs in the air compressor, the pressure in the air supply pipe is controlled by controlling the rotation speed of the motor included in the air compressor regardless of the output request to the fuel cell. To do. Therefore, the operating condition of the air compressor can be prevented from satisfying the operating condition where surging occurs.
[適用例3]適用例2記載の燃料電池システムであって、前記圧力制御部は、前記サージング検出部によって、前記サージングの発生が検出されたときに、該サージングの発生が検出されたときの前記空気供給配管内の圧力、および、前記空気供給配管内を流れる空気の流量を取得し、前記モータの回転数を、前記圧力、および、前記流量に基づいて規定された所定の回転数未満の回転数であって、0回転/分を除く回転数に低下させる、燃料電池システム。 [Application Example 3] The fuel cell system according to Application Example 2, wherein the pressure control unit detects the occurrence of surging when the surging detection unit detects the occurrence of surging. The pressure in the air supply pipe and the flow rate of air flowing in the air supply pipe are acquired, and the rotation speed of the motor is less than a predetermined rotation speed defined based on the pressure and the flow rate. A fuel cell system that reduces the rotational speed to a rotational speed other than 0 revolutions / minute.
[適用例4]適用例2記載の燃料電池システムであって、前記圧力制御部は、前記サージング検出部によって、前記サージングの発生が検出されたときに、前記サージングの発生が検出されたときの前記空気供給配管内の圧力、および、前記空気供給配管内を流れる空気の流量を取得し、前記モータの回転数を、前記圧力、および、前記流量に基づいて規定された所定の回転数よりも高い回転数に増大させる、燃料電池システム。 [Application Example 4] The fuel cell system according to Application Example 2, wherein the pressure control unit detects the occurrence of the surging when the surging detection unit detects the occurrence of the surging. The pressure in the air supply pipe and the flow rate of the air flowing in the air supply pipe are acquired, and the rotational speed of the motor is set to be higher than a predetermined rotational speed defined based on the pressure and the flow rate. A fuel cell system that increases the rotational speed.
エアコンプレッサにおいて、サージングが発生する運転領域(運転条件)は、エアコンプレッサの仕様や、性能に応じて予め知得可能である。また、エアコンプレッサにおいて、サージングが発生するモータの回転数は、空気供給配管内の圧力、および、空気供給配管内を流れる空気の流量に応じて変化する。 In the air compressor, the operating region (operating condition) where surging occurs can be known in advance according to the specifications and performance of the air compressor. Further, in the air compressor, the number of rotations of the motor that generates surging varies depending on the pressure in the air supply pipe and the flow rate of the air flowing in the air supply pipe.
適用例3、または、適用例4の燃料電池システムでは、エアコンプレッサにおいてサージングが発生したときに、エアコンプレッサが備えるモータの回転数を低下、あるいは、増大させることによって、エアコンプレッサの運転条件が、サージングが発生する運転条件を満たさないようにすることができる。 In the fuel cell system of Application Example 3 or Application Example 4, when surging occurs in the air compressor, the operating condition of the air compressor is reduced by increasing or decreasing the rotation speed of the motor included in the air compressor. It is possible to prevent the operating condition for generating surging from being satisfied.
[適用例5]適用例1記載の燃料電池システムであって、前記圧力制御部は、前記空気供給配管から分岐して接続され、前記空気供給配管内を流れる空気を外部に排気するための排気管と、前記排気管に配設された排気弁と、を備えており、前記サージング検出部によって、前記サージングの発生が検出されたときに、前記排気弁の開閉制御を行うことによって、前記空気供給配管内の圧力を制御する、燃料電池システム。 [Application Example 5] The fuel cell system according to Application Example 1, wherein the pressure control unit is branched and connected from the air supply pipe and exhausts the air flowing through the air supply pipe to the outside. A pipe and an exhaust valve disposed in the exhaust pipe, and when the occurrence of the surging is detected by the surging detection unit, the exhaust valve is controlled to be opened and closed to thereby control the air. A fuel cell system that controls the pressure in the supply piping.
適用例5の燃料電池システムでは、エアコンプレッサにおいてサージングが発生したときに、上記排気弁の開閉制御を行うことによって、空気供給配管内の圧力を低下させる。こうすることによって、エアコンプレッサの運転条件が、サージングが発生する運転条件を満たさないようにすることができる。 In the fuel cell system of Application Example 5, when surging occurs in the air compressor, the pressure in the air supply pipe is reduced by performing opening / closing control of the exhaust valve. By doing so, the operating condition of the air compressor can be prevented from satisfying the operating condition in which surging occurs.
[適用例6]適用例5記載の燃料電池システムであって、前記排気弁の開閉制御は、前記排気弁の開度、および、開弁時間の少なくとも一方の制御を含む、燃料電池システム。 Application Example 6 The fuel cell system according to Application Example 5, wherein the opening / closing control of the exhaust valve includes control of at least one of an opening degree and a valve opening time of the exhaust valve.
[適用例7]適用例6記載の燃料電池システムであって、前記圧力制御部は、前記サージング検出部によって、前記サージングの発生が検出されたときに、前記サージングの発生が検出されたときの前記空気供給配管内の圧力、および、前記空気供給配管内を流れる空気の流量を取得し、該圧力、および、該、流量に基づいて、前記排気弁の開度、および、開弁時間の少なくとも一方を、前記圧力、および、前記流量に基づいて規定された所定値に設定する、燃料電池システム。 [Application Example 7] The fuel cell system according to Application Example 6, wherein the pressure control unit detects the occurrence of the surging when the surging detection unit detects the occurrence of the surging. Obtaining the pressure in the air supply pipe and the flow rate of air flowing through the air supply pipe, and based on the pressure and the flow rate, at least the opening degree of the exhaust valve and the valve opening time One side is set to the predetermined value prescribed | regulated based on the said pressure and the said flow volume, The fuel cell system.
適用例7の燃料電池システムでは、エアコンプレッサにおいてサージングが発生したときに、上記排気弁の開度、および、開弁時間の少なくとも一方を、所定値に設定して制御することによって、空気供給配管内の圧力を低下させる。こうすることによって、エアコンプレッサの運転条件が、サージングが発生する運転条件を満たさないようにすることができる。なお、上記排気弁の開度、および、開弁時間の少なくとも一方は、エアコンプレッサにおけるサージングを解消可能な範囲内で、任意に設定可能である。 In the fuel cell system of Application Example 7, when surging occurs in the air compressor, at least one of the opening degree of the exhaust valve and the valve opening time is controlled to be set to a predetermined value, thereby controlling the air supply pipe. Reduce the pressure inside. By doing so, the operating condition of the air compressor can be prevented from satisfying the operating condition in which surging occurs. Note that at least one of the opening degree and the valve opening time of the exhaust valve can be arbitrarily set within a range in which surging in the air compressor can be eliminated.
[適用例8]適用例5ないし7のいずれかに記載の燃料電池システムであって、前記サージング検出部として、前記空気供給配管内の圧力を検出する圧力センサを備え、前記排気管は、前記空気供給配管において、前記圧力センサと前記燃料電池との間の部位に接続されている、燃料電池システム。 Application Example 8 In the fuel cell system according to any one of Application Examples 5 to 7, the surging detection unit includes a pressure sensor that detects a pressure in the air supply pipe, and the exhaust pipe includes The fuel cell system connected to the site | part between the said pressure sensor and the said fuel cell in air supply piping.
こうすることによって、空気供給配管において、上記圧力センサを上記排気弁と燃料電池との間の部位に配設する場合と比較して、エアコンプレッサにおけるサージングを、精度よく検出することができる。 By doing so, surging in the air compressor can be detected with higher precision than in the case where the pressure sensor is disposed in a portion between the exhaust valve and the fuel cell in the air supply pipe.
[適用例9]適用例1ないし7のいずれかに記載の燃料電池システムであって、前記サージング検出部は、前記空気供給配管内の圧力を検出する圧力センサと、前記空気供給配管内を流れる空気の流量を検出する流量センサと、前記エアコンプレッサの振動を検出する振動センサと、のうちの少なくとも1つを備える、燃料電池システム。 Application Example 9 In the fuel cell system according to any one of Application Examples 1 to 7, the surging detection unit flows through the pressure sensor that detects the pressure in the air supply pipe and the air supply pipe. A fuel cell system comprising at least one of a flow sensor for detecting a flow rate of air and a vibration sensor for detecting vibration of the air compressor.
エアコンプレッサにおいてサージングが発生した場合、空気供給配管内の圧力の変化率の絶対値は、サージングが発生していない場合と比較して大きくなる。また、エアコンプレッサにおいてサージングが発生した場合、空気供給配管内を流れる空気の流量の変化率の絶対値は、サージングが発生していない場合と比較して大きくなる。また、エアコンプレッサにおいてサージングが発生した場合、エアコンプレッサが備えるモータの振動の周波数は、サージングが発生していない場合と比較して小さくなる。 When surging occurs in the air compressor, the absolute value of the rate of change in pressure in the air supply pipe is larger than when surging does not occur. Further, when surging occurs in the air compressor, the absolute value of the rate of change of the flow rate of the air flowing through the air supply pipe becomes larger than when surging does not occur. Further, when surging occurs in the air compressor, the vibration frequency of the motor included in the air compressor is smaller than that in the case where surging does not occur.
適用例9の燃料電池システムでは、サージング検出部が、上記圧力センサと、上記流量センサと、上記振動センサとのうちの少なくとも1つを備えるので、エアコンプレッサにおけるサージングを、容易に検出することができる。 In the fuel cell system of Application Example 9, since the surging detection unit includes at least one of the pressure sensor, the flow rate sensor, and the vibration sensor, surging in the air compressor can be easily detected. it can.
[適用例10]燃料電池システムであって、水素と酸素との電気化学反応によって発電を行う燃料電池と、前記燃料電池のカソードに、前記酸素を含む空気を供給するための空気供給配管と、前記空気供給配管に接続され、前記空気を圧縮して前記空気供給配管に流すためのエアコンプレッサと、前記燃料電池に対する出力要求に応じて、前記エアコンプレッサが備えるモータの回転数を制御する制御部と、前記空気供給配管内の圧力、および、前記空気供給配管内を流れる空気の流量を取得し、該圧力、および、該流量に基づいて、前記エアコンプレッサにおけるサージングを回避するように、前記空気供給配管内の圧力を制御する圧力制御部と、を備える燃料電池システム。 Application Example 10 In a fuel cell system, a fuel cell that generates power by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, an air supply pipe for supplying the oxygen-containing air to the cathode of the fuel cell, An air compressor connected to the air supply pipe for compressing the air and flowing it through the air supply pipe, and a controller for controlling the number of revolutions of a motor included in the air compressor in response to an output request to the fuel cell And the pressure in the air supply pipe and the flow rate of the air flowing in the air supply pipe are acquired, and the air is avoided so as to avoid surging in the air compressor based on the pressure and the flow rate. And a pressure control unit that controls the pressure in the supply pipe.
先に説明したように、エアコンプレッサでは、低流量、高圧縮の運転条件において、サージングが発生する。そして、エアコンプレッサにおいて、サージングが発生する運転条件は、エアコンプレッサの仕様や、性能に応じて予め知得可能である。 As described above, in the air compressor, surging occurs under operating conditions of low flow rate and high compression. In the air compressor, the operating condition in which surging occurs can be known in advance according to the specifications and performance of the air compressor.
適用例10の燃料電池システムでは、圧力制御部が、空気供給配管内の圧力、および、空気供給配管内を流れる空気の流量に基づいて、エアコンプレッサにおいてサージングが発生しないように、すなわち、予め、エアコンプレッサの運転条件が、サージングが発生する運転条件を満たさないように、空気供給配管内の圧力を制御する。したがって、燃料電池システムにおいて、空気供給配管に接続されたエアコンプレッサにおけるサージングによる故障を防止することができる。 In the fuel cell system of Application Example 10, the pressure control unit prevents surging from occurring in the air compressor based on the pressure in the air supply pipe and the flow rate of the air flowing in the air supply pipe. The pressure in the air supply pipe is controlled so that the operating condition of the air compressor does not satisfy the operating condition in which surging occurs. Therefore, in the fuel cell system, failure due to surging in the air compressor connected to the air supply pipe can be prevented.
[適用例11]適用例10記載の燃料電池システムであって、前記圧力制御部は、前記出力要求に対応する前記モータの回転数が、前記エアコンプレッサにおいて前記サージングが発生する回転数であるか否かを判断し、前記出力要求に対応する前記モータの回転数が、前記エアコンプレッサにおいて前記サージングが発生する回転数であると判断したときに、前記出力要求に関わらず、前記モータの回転数を制御することによって、前記空気供給配管内の圧力を制御する、燃料電池システム。 [Application Example 11] The fuel cell system according to Application Example 10, wherein the pressure control unit determines whether the rotation speed of the motor corresponding to the output request is the rotation speed at which the surging occurs in the air compressor. Whether or not the rotation speed of the motor corresponding to the output request is the rotation speed at which the surging occurs in the air compressor, regardless of the output request. The fuel cell system which controls the pressure in the said air supply piping by controlling.
適用例11の燃料電池システムでは、燃料電池に対する要求出力に対応した回転数でエアコンプレッサを運転すると、エアコンプレッサにおいてサージングが発生すると判断されたときに、燃料電池に対する出力要求に関わらず、エアコンプレッサが備えるモータの回転数を制御することによって、空気供給配管内の圧力を制御する。したがって、予め、エアコンプレッサの運転条件が、サージングが発生する運転条件を満たさないようにすることができる。 In the fuel cell system of Application Example 11, when the air compressor is operated at a rotation speed corresponding to the required output for the fuel cell, it is determined that surging occurs in the air compressor, regardless of the output request for the fuel cell. The pressure in the air supply pipe is controlled by controlling the number of rotations of the motor included in. Therefore, it is possible to prevent the operating condition of the air compressor from satisfying the operating condition in which surging occurs in advance.
[適用例12]適用例11記載の燃料電池システムであって、前記圧力制御部は、前記出力要求に対応する前記モータの回転数が、前記エアコンプレッサにおいて前記サージングが発生する回転数であると判断したときに、前記圧力、および、前記流量に基づいて、前記モータの回転数を、前記圧力、および、前記流量に基づいて規定された所定の回転数未満の回転数であって、0回転/分を除く回転数に低下させる、燃料電池システム。 Application Example 12 In the fuel cell system according to Application Example 11, in the pressure control unit, the rotation speed of the motor corresponding to the output request is a rotation speed at which the surging occurs in the air compressor. When judged, based on the pressure and the flow rate, the rotational speed of the motor is less than a predetermined rotational speed defined based on the pressure and the flow rate, and is 0 rotation A fuel cell system that reduces the rotational speed to less than / min.
[適用例13]適用例11記載の燃料電池システムであって、前記圧力制御部は、前記出力要求に対応する前記モータの回転数が、前記エアコンプレッサにおいて前記サージングが発生する回転数であると判断したときに、前記圧力、および、前記流量に基づいて、前記モータの回転数を、前記圧力、および、前記流量に基づいて規定された所定の回転数よりも高い回転数に増大させる、燃料電池システム。 Application Example 13 In the fuel cell system according to Application Example 11, in the pressure control unit, the rotation speed of the motor corresponding to the output request is a rotation speed at which the surging occurs in the air compressor. A fuel that, when determined, increases the rotational speed of the motor based on the pressure and the flow rate to a rotational speed higher than a predetermined rotational speed defined based on the pressure and the flow rate; Battery system.
適用例12、または、適用例13の燃料電池システムでは、燃料電池に対する要求出力に対応した回転数でエアコンプレッサを運転すると、エアコンプレッサにおいてサージングが発生すると判断されたときに、エアコンプレッサが備えるモータの回転数を、燃料電池に対する出力要求に対応した回転数よりも低下、あるいは、増大させることによって、予め、エアコンプレッサの運転条件が、サージングが発生する運転条件を満たさないようにすることができる。 In the fuel cell system of Application Example 12 or Application Example 13, when it is determined that surging occurs in the air compressor when the air compressor is operated at a rotational speed corresponding to the required output for the fuel cell, the motor included in the air compressor The operating condition of the air compressor can be prevented from satisfying the operating condition for generating surging in advance by lowering or increasing the rotating speed of the air compressor below the rotational speed corresponding to the output request for the fuel cell. .
[適用例14]適用例10記載の燃料電池システムであって、前記圧力制御部は、前記空気供給配管から分岐して接続され、前記空気供給配管内を流れる空気を外部に排気するための排気管と、前記排気管に配設された排気弁と、を備えており、前記出力要求に対応する前記モータの回転数が、前記エアコンプレッサにおいて前記サージングが発生する回転数であると判断したときに、前記排気弁の開閉制御を行うことによって、前記空気供給配管内の圧力を制御する、燃料電池システム。 [Application Example 14] The fuel cell system according to Application Example 10, wherein the pressure control unit is branched and connected from the air supply pipe and exhausts the air flowing in the air supply pipe to the outside. And when the rotational speed of the motor corresponding to the output request is determined to be the rotational speed at which the surging occurs in the air compressor. In addition, the fuel cell system controls the pressure in the air supply pipe by controlling the opening and closing of the exhaust valve.
適用例14の燃料電池システムでは、燃料電池に対する要求出力に対応した回転数でエアコンプレッサを運転すると、エアコンプレッサにおいてサージングが発生すると判断されたときに、上記排気弁の開閉制御を行うことによって、空気供給配管内の圧力を低下させる。こうすることによって、予め、エアコンプレッサの運転条件が、サージングが発生する運転条件を満たさないようにすることができる。 In the fuel cell system of Application Example 14, when the air compressor is operated at a rotational speed corresponding to the required output for the fuel cell, when it is determined that surging occurs in the air compressor, the opening / closing control of the exhaust valve is performed. Reduce the pressure in the air supply piping. By doing so, it is possible to prevent the operating condition of the air compressor from satisfying the operating condition in which surging occurs in advance.
[適用例15]適用例14記載の燃料電池システムであって、前記排気弁の開閉制御は、前記排気弁の開度、および、開弁時間の少なくとも一方の制御を含む、燃料電池システム。 Application Example 15 The fuel cell system according to Application Example 14, wherein the opening / closing control of the exhaust valve includes control of at least one of an opening degree and a valve opening time of the exhaust valve.
[適用例16]適用例15記載の燃料電池システムであって、前記圧力制御部は、前記出力要求に対応する前記モータの回転数が、前記エアコンプレッサにおいて前記サージングが発生する回転数であると判断したときに、前記排気弁の開度、および、開弁時間の少なくとも一方を、前記圧力、および、前記流量に基づいて規定された所定値に設定する、燃料電池システム。 Application Example 16 In the fuel cell system according to Application Example 15, in the pressure control unit, the rotation speed of the motor corresponding to the output request is a rotation speed at which the surging occurs in the air compressor. A fuel cell system that, when determined, sets at least one of an opening degree and a valve opening time of the exhaust valve to a predetermined value defined based on the pressure and the flow rate.
適用例16の燃料電池システムでは、燃料電池に対する要求出力に対応した回転数でエアコンプレッサを運転すると、エアコンプレッサにおいてサージングが発生すると判断されたときに、上記排気弁の開度、および、開弁時間の少なくとも一方を、所定値に設定して制御することによって、空気供給配管内の圧力を低下させる。こうすることによって、予め、エアコンプレッサの運転条件が、サージングが発生する運転条件を満たさないようにすることができる。なお、上記排気弁の開度、および、開弁時間の少なくとも一方は、エアコンプレッサにおけるサージングを回避可能な範囲内で、任意に設定可能である。 In the fuel cell system of Application Example 16, when it is determined that surging occurs in the air compressor when the air compressor is operated at a rotational speed corresponding to the required output for the fuel cell, the opening degree of the exhaust valve and the valve opening are determined. By controlling at least one of the times by setting to a predetermined value, the pressure in the air supply pipe is reduced. By doing so, it is possible to prevent the operating condition of the air compressor from satisfying the operating condition in which surging occurs in advance. Note that at least one of the opening degree and the valve opening time of the exhaust valve can be arbitrarily set within a range in which surging in the air compressor can be avoided.
[適用例17]適用例1ないし16のいずれかに記載の燃料電池システムであって、前記エアコンプレッサは、ターボ式のエアコンプレッサである、燃料電池システム。 Application Example 17 The fuel cell system according to any one of Application Examples 1 to 16, wherein the air compressor is a turbo type air compressor.
サージングは、ターボ式のエアコンプレッサにおいて発生しやすいので、本適用例は特に効果的である。 Since surging is likely to occur in a turbo type air compressor, this application example is particularly effective.
[適用例18]適用例1ないし17のいずれかに記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池システムは、車載用である、燃料電池システム。 [Application Example 18] The fuel cell system according to any one of Application Examples 1 to 17, wherein the fuel cell system is for vehicle use.
車載用の燃料電池システムでは、車両の運転者のアクセルの操作に応じて、燃料電池に対する出力要求が急激に変化するため、燃料電池に対する出力要求が急激に変化しにくい燃料電池システムと比較して、サージングが発生しやすい。したがって、上述した燃料電池システムを車載用に用いることは、特に好適である。 In the fuel cell system for in-vehicle use, the output requirement for the fuel cell changes abruptly according to the accelerator operation of the driver of the vehicle, so that the output requirement for the fuel cell is less likely to change abruptly. , Surging is likely to occur. Therefore, it is particularly suitable to use the above-described fuel cell system for in-vehicle use.
本発明は、上述の燃料電池システムとしての構成の他、燃料電池システムの制御方法の発明として構成することもできる。また、これらを実現するコンピュータプログラム、およびそのプログラムを記録した記録媒体、そのプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など種々の態様で実現することが可能である。なお、それぞれの態様において、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。 The present invention can be configured as an invention of a control method of a fuel cell system in addition to the above-described configuration as a fuel cell system. Further, the present invention can be realized in various modes such as a computer program that realizes these, a recording medium that records the program, and a data signal that includes the program and is embodied in a carrier wave. In addition, in each aspect, it is possible to apply the various additional elements shown above.
本発明をコンピュータプログラムまたはそのプログラムを記録した記録媒体等として構成する場合には、燃料電池システムの動作を制御するプログラム全体として構成するものとしてもよいし、本発明の機能を果たす部分のみを構成するものとしてもよい。また、記録媒体としては、フレキシブルディスクやCD−ROM、DVD−ROM、光磁気ディスク、ICカード、ROMカートリッジ、パンチカード、バーコードなどの符号が印刷された印刷物、コンピュータの内部記憶装置(RAMやROMなどのメモリ)および外部記憶装置などコンピュータが読み取り可能な種々の媒体を利用できる。 When the present invention is configured as a computer program or a recording medium storing the program, the entire program for controlling the operation of the fuel cell system may be configured, or only the portion that performs the function of the present invention is configured. It is good also as what to do. The recording medium includes a flexible disk, a CD-ROM, a DVD-ROM, a magneto-optical disk, an IC card, a ROM cartridge, a punch card, a printed matter on which a code such as a barcode is printed, a computer internal storage device (RAM or Various types of computer-readable media such as a memory such as a ROM and an external storage device can be used.
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
A.第1実施例:
A1.燃料電池システムの構成:
図1は、本発明の第1実施例としての燃料電池システム100の概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム100は、いわゆる電気自動車に、動力源として搭載される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described based on examples.
A. First embodiment:
A1. Configuration of fuel cell system:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a
この燃料電池システム100において、燃料電池スタック10は、水素と酸素との電気化学反応によって発電するセルを複数積層させた積層体である。各セルは、プロトン伝導性を有する電解質膜を挟んで、アノード(水素極)と、カソード(酸素極)とを配置した構成となっている(図示省略)。本実施例では、電解質膜として、ナフィオン(登録商標)等の固体高分子膜を利用する固体高分子型のセルを用いるものとしたが、これに限らず、種々のタイプを利用可能である。
In the
燃料電池スタック10のアノードには、水素供給配管23を介して、高圧水素を貯蔵した水素タンク20から、燃料ガスとしての水素が供給される。水素タンク20の代わりに、例えば、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素を生成する水素生成装置を用いるものとしてもよい。
Hydrogen as fuel gas is supplied to the anode of the
水素タンク20に貯蔵された高圧水素は、水素タンク20の出口に設けられたシャットバルブ21、レギュレータ22等によって圧力、および、供給量が調整されて、燃料電池スタック10のアノードに供給される。そして、アノードからの排気ガス(以下、アノードオフガスと呼ぶ)は、配管24を介して、気液分離器25に導入される。気液分離器25は、アノードオフガスに含まれる水と、燃料電池スタック10による発電で未消費の水素とを分離する。気液分離器25によって分離された水素は、循環配管26を介して、水素供給配管23に再循環させることができる。循環配管26における気液分離器25と循環ポンプ27との間には、配管28が分岐して接続されており、この配管28には、パージ弁29が配設されている。このパージ弁29が閉じられている間は、アノードオフガス、すなわち、気液分離器25によって分離された水素は、循環配管26を介して、再び燃料電池スタック10に循環される。こうすることによって、水素を有効利用することができる。なお、アノードオフガスの圧力は、燃料電池スタック10での発電によって水素が消費された結果、比較的低い状態となっているため、循環配管26には、アノードオフガスの再循環時に、アノードオフガスを加圧するための循環ポンプ27が配設されている。
The high pressure hydrogen stored in the
アノードオフガスの再循環中、水素は発電で消費される一方、水素以外の不純物、例えば、カソード側からアノード側に電解質膜を介して透過した窒素などは、消費されずに残留するため、アノードオフガス中の不純物の濃度は、徐々に増大する。このとき、パージ弁29が開弁されると、後述するように、アノードオフガスは、配管28を介して、希釈器50に導入され、希釈器50において、カソードオフガスによって希釈された後、燃料電池システム100の外部に排出される。こうすることによって、アノードオフガス中の不純物の濃度を低減することができる。ただし、この際、水素も同時に排出されるため、燃費向上の観点から、パージ弁29の開弁頻度は、極力抑えることが好ましい。
During the recirculation of the anode off gas, hydrogen is consumed by power generation, while impurities other than hydrogen, for example, nitrogen permeated from the cathode side to the anode side through the electrolyte membrane remains without being consumed. The concentration of impurities inside increases gradually. At this time, when the
燃料電池スタック10のカソードには、酸素を含有した酸化剤ガスとして、圧縮空気が供給される。空気は、エアクリーナ30から吸入され、モータ32mを備えるエアコンプレッサ32によって圧縮され、空気供給配管34から燃料電池スタック10のカソードに供給される。そして、本実施例では、空気供給配管34には、空気供給配管34内の圧力を検出するための圧力センサ37と、空気供給配管34内を流れる空気の流量を検出するための流量センサ38とが配設されている。カソードからの排気ガス(以下、カソードオフガスと呼ぶ)は、配管36に流出する。なお、配管36には、エア調圧弁35が配設されており、このエア調圧弁35を制御することによって、燃料電池スタック10内の空気の圧力を制御することができる。
The cathode of the
配管36に流出したカソードオフガス、および、パージ弁29を開弁したときに配管28に流出したアノードオフガスは、希釈器50に導入される。希釈器50は、アノードオフガスと、カソードオフガスとを混合することによって、アノードオフガスに含まれる水素の濃度を希釈する。希釈器50から排出された排出ガスは、配管60を介して、燃料電池システム100の外部に排出される。
The cathode offgas that has flowed into the
燃料電池スタック10は、上述した電気化学反応によって発熱するため、燃料電池スタック10には、冷却水も供給される。この冷却水は、循環ポンプ41によって、冷却水用の配管42を流れ、ラジエータ40によって冷却されて、燃料電池スタック10に供給される。なお、配管42には、図示するように、ラジエータ40を通さずに、冷却水を循環させるためのバイパス配管43が接続されており、さらに、配管42とバイパス配管43との一方の接続部には、三方弁44が配設されている。したがって、三方弁44を切り換えることによって、ラジエータ40を通さずに、配管42、および、バイパス配管43を介して、冷却水を循環させることも可能である。また、配管42には、図示するように、配管46を介してイオン交換器45が接続されている。このイオン交換器45は、燃料電池スタック10の導電率の上昇の原因となる、冷却水に含まれる各種イオンを除去する。
Since the
燃料電池システム100の運転は、制御ユニット70によって制御される。制御ユニット70は、内部にCPU、RAM、ROM等を備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ROMに記憶されたプログラムに従って、燃料電池スタック10に対する出力要求や、各種センサの出力等に基づいて、各種バルブや、循環ポンプ27,41や、エアコンプレッサ32の駆動等、システムの運転を制御する。制御ユニット70は、本発明におけるモータ制御部、圧力制御部に相当する。
The operation of the
なお、本実施例の燃料電池システム100において、エアコンプレッサ32は、ターボ式のエアコンプレッサであり、低流量、高圧縮の運転条件において、サージングが発生しやすい。そこで、本実施例の燃料電池システム100では、エアコンプレッサ32においてサージングが発生した場合に、このサージングを解消するための運転制御が行われる。以下、エアコンプレッサ32におけるサージングを解消するための運転制御について説明する。
In the
A2.運転制御処理:
図2は、第1実施例の燃料電池システム100の運転制御処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、燃料電池システム100の運転中、すなわち、燃料電池スタック10に対する出力要求に応じて、燃料電池スタック10のアノード、および、カソードに、水素、および、空気がそれぞれ供給されているときに、制御ユニット70のCPUが繰り返し実行する処理である。
A2. Operation control processing:
FIG. 2 is a flowchart showing a flow of operation control processing of the
まず、CPUは、圧力センサ37、および、流量センサ38によって、それぞれ、空気供給配管34内の圧力P、および、空気供給配管34内を流れる空気の流量Frを検出し(ステップS100)、各検出値をRAMに記憶する。これらの各検出値は、後述するように、エアコンプレッサ32においてサージングが発生したか否かの判断、および、エアコンプレッサ32においてサージングが発生したときのエアコンプレッサ32が備えるモータ32mの回転数の制御に用いられる。
First, the CPU detects the pressure P in the
次に、CPUは、空気供給配管34内の圧力Pの変化率ΔPを算出し(ステップS110)、圧力Pの変化率の絶対値|ΔP|が、所定の閾値Pthよりも大きいか否かを判断する(ステップS120)。圧力Pの変化率の絶対値|ΔP|が、閾値Pthよりも大きい場合には(ステップS120:YES)、CPUは、エアコンプレッサ32においてサージングが発生したものと判断して、燃料電池スタック10に対する出力要求に関わらず、エアコンプレッサ32が備えるモータ32mの回転数を、所定の回転数(0回転/分を除く)に低下させる(ステップS130)。本実施例において、圧力センサ37、および、制御ユニット70は、本発明におけるサージング検出部に相当する。
Next, the CPU calculates a change rate ΔP of the pressure P in the air supply pipe 34 (step S110), and determines whether or not the absolute value | ΔP | of the change rate of the pressure P is larger than a predetermined threshold value Pth. Judgment is made (step S120). When the absolute value | ΔP | of the rate of change of the pressure P is larger than the threshold value Pth (step S120: YES), the CPU determines that surging has occurred in the
なお、本実施例では、このときのモータ32mの回転数として、エアコンプレッサ32においてサージングが発生したと判断されたとき、つまり、エアコンプレッサ32におけるサージングが検出されたときの空気供給配管34内の圧力P、および、空気供給配管34内を流れる空気の流量Frに基づいて予め規定された値が用いられるものとした。この値は、エアコンプレッサ32による空気の供給条件、すなわち、エアコンプレッサ32の運転条件に応じて変化する値であり、エアコンプレッサ32におけるサージングを解消可能な範囲内で設定されている。本実施例では、空気供給配管34内の圧力P、および、空気供給配管34内を流れる空気の流量Frと、設定すべきモータ32mの回転数との関係を記録したマップが、予めROMに記憶されているものとした。
In this embodiment, when it is determined that surging has occurred in the
ステップS120において、空気供給配管34内の圧力Pの変化率の絶対値|ΔP|が、閾値Pth以下である場合には(ステップS120:NO)、CPUは、エアコンプレッサ32においてサージングが発生していないものと判断して、上述した運転制御処理を終了し、ステップS100に戻る。
In step S120, when the absolute value | ΔP | of the rate of change of the pressure P in the
以上説明した第1実施例の燃料電池システム100によれば、エアコンプレッサ32におけるサージングの発生が検出されたときに、燃料電池スタック10に対する出力要求に関わらず、上記サージングを解消するように、エアコンプレッサ32が備えるモータ32mの回転数を所定の回転数に低下させる。こうすることによって、エアコンプレッサ32におけるサージングを速やかに解消し、燃料電池システム100において、エアコンプレッサ32のサージングによる故障を抑制することができる。
According to the
B.第2実施例:
第2実施例の燃料電池システムの構成は、先に説明した第1実施例の燃料電池システム100と同じであり、各部の詳細な説明は省略する。なお、第2実施例の燃料電池システムでは、制御ユニット70が行う運転制御の内容、具体的には、エアコンプレッサ32におけるサージングの検出方法が、第1実施例と異なっている。以下、第2実施例の燃料電池システムの運転制御について説明する。
B. Second embodiment:
The configuration of the fuel cell system of the second embodiment is the same as that of the
図3は、第2実施例の燃料電池システムの運転制御処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、燃料電池システムの運転中、すなわち、燃料電池スタック10に対する出力要求に応じて、燃料電池スタック10のアノード、および、カソードに、水素、および、空気がそれぞれ供給されているときに、制御ユニット70のCPUが繰り返し実行する処理である。
FIG. 3 is a flowchart showing a flow of operation control processing of the fuel cell system of the second embodiment. This process is performed during operation of the fuel cell system, that is, when hydrogen and air are respectively supplied to the anode and the cathode of the
まず、CPUは、圧力センサ37、および、流量センサ38によって、それぞれ、空気供給配管34内の圧力P、および、空気供給配管34内を流れる空気の流量Frを検出し(ステップS200)、各検出値をRAMに記憶する。これらの各検出値は、後述するように、エアコンプレッサ32においてサージングが発生したか否かの判断、および、エアコンプレッサ32においてサージングが発生したときのエアコンプレッサ32が備えるモータ32mの回転数の制御に用いられる。
First, the CPU detects the pressure P in the
次に、CPUは、空気供給配管34内を流れる空気の流量Frの変化率ΔFrを算出し(ステップS210)、流量Frの変化率の絶対値|ΔFr|が、所定の閾値Frthよりも大きいか否かを判断する(ステップS220)。流量Frの変化率の絶対値|ΔFr|が、閾値Frthよりも大きい場合には(ステップS220:YES)、CPUは、エアコンプレッサ32においてサージングが発生したものと判断して、燃料電池スタック10に対する出力要求に関わらず、エアコンプレッサ32が備えるモータ32mの回転数を、所定の回転数(0回転/分を除く)に低下させる(ステップS230)。本実施例において、流量センサ38、および、制御ユニット70は、本発明におけるサージング検出部に相当する。
Next, the CPU calculates a change rate ΔFr of the flow rate Fr of the air flowing in the air supply pipe 34 (step S210), and whether the absolute value | ΔFr | of the change rate of the flow rate Fr is greater than a predetermined threshold value Frth. It is determined whether or not (step S220). When the absolute value | ΔFr | of the rate of change of the flow rate Fr is larger than the threshold value Frth (step S220: YES), the CPU determines that surging has occurred in the
なお、本実施例においても、第1実施例と同様に、このときのモータ32mの回転数として、エアコンプレッサ32においてサージングが発生したと判断されたとき、つまり、エアコンプレッサ32におけるサージングが検出されたときの34内の圧力P、および、空気供給配管34内を流れる空気の流量Frに基づいて予め規定された値が用いられるものとした。この値は、エアコンプレッサ32による空気の供給条件、すなわち、エアコンプレッサ32の運転条件に応じて変化する値であり、エアコンプレッサ32におけるサージングを解消可能な範囲内で設定されている。本実施例においても、空気供給配管34内の圧力P、および、空気供給配管34内を流れる空気の流量Frと、設定すべきモータ32mの回転数との関係を記録したマップが、予めROMに記憶されているものとした。
Also in this embodiment, as in the first embodiment, when it is determined that surging has occurred in the
ステップS220において、空気供給配管34内を流れる空気の流量Frの変化率の絶対値|ΔFr|が、閾値Frth以下である場合には(ステップS220:NO)、CPUは、エアコンプレッサ32においてサージングが発生していないものと判断して、上述した運転制御処理を終了し、ステップS200に戻る。
In step S220, when the absolute value | ΔFr | of the rate of change of the flow rate Fr of the air flowing in the
以上説明した第2実施例の燃料電池システムによっても、先に説明した第1実施例の燃料電池システム100と同様に、エアコンプレッサ32におけるサージングの発生が検出されたときに、燃料電池スタック10に対する出力要求に関わらず、上記サージングを解消するように、エアコンプレッサ32が備えるモータ32mの回転数を所定の回転数に低下させる。こうすることによって、エアコンプレッサ32におけるサージングを速やかに解消し、燃料電池システムにおいて、エアコンプレッサ32のサージングによる故障を抑制することができる。
Also in the fuel cell system of the second embodiment described above, when the occurrence of surging in the
C.第3実施例:
図4は、本発明の第3実施例としての燃料電池システム100Aの概略構成を示す説明図である。第3実施例の燃料電池システム100Aの構成は、先に説明した第1実施例の燃料電池システム100とほぼ同じであり、各部の詳細な説明は省略する。なお、第3実施例の100Aでは、エアコンプレッサ32に、振動センサ33が設けられており、この振動センサ33を用いて、エアコンプレッサ32におけるサージングを検出する。また、第3実施例の燃料電池システム100Aでは、制御ユニット70Aが実行する運転制御の内容が、第1実施例と異なっている。以下、第3実施例の燃料電池システム100Aの運転制御について説明する。
C. Third embodiment:
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a
図5は、第3実施例の燃料電池システム100Aの運転制御処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、燃料電池システム100Aの運転中、すなわち、燃料電池スタック10に対する出力要求に応じて、燃料電池スタック10のアノード、および、カソードに、水素、および、空気がそれぞれ供給されているときに、制御ユニット70AのCPUが繰り返し実行する処理である。
FIG. 5 is a flowchart showing a flow of operation control processing of the
まず、CPUは、圧力センサ37、および、流量センサ38によって、それぞれ、空気供給配管34内の圧力P、および、空気供給配管34内を流れる空気の流量Frを検出し(ステップS300)、各検出値をRAMに記憶する。これらの各検出値は、後述するように、エアコンプレッサ32においてサージングが発生したときのエアコンプレッサ32が備えるモータ32mの回転数の制御に用いられる。
First, the CPU detects the pressure P in the
次に、CPUは、振動センサ33によって、エアコンプレッサ32が備えるモータ32mの振動を検出し、その周波数fを算出して(ステップS310)、周波数fが、所定の閾値fth未満であるか否かを判断する(ステップS320)。周波数fが、閾値fth未満である場合には(ステップS320:YES)、CPUは、エアコンプレッサ32においてサージングが発生したものと判断して、燃料電池スタック10に対する出力要求に関わらず、エアコンプレッサ32が備えるモータ32mの回転数を、所定の回転数(0回転/分を除く)に低下させる(ステップS330)。本実施例において、振動センサ33、および、制御ユニット70Aは、本発明におけるサージング検出部に相当する。
Next, the CPU detects vibration of the
なお、本実施例においても、第1実施例、および、第2実施例と同様に、このときのモータ32mの回転数として、エアコンプレッサ32においてサージングが発生したと判断されたとき、つまり、エアコンプレッサ32におけるサージングが検出されたときの空気供給配管34内の圧力P、および、空気供給配管34内を流れる空気の流量Frに基づいて予め規定された値が用いられるものとした。この値は、エアコンプレッサ32による空気の供給条件、すなわち、エアコンプレッサ32の運転条件に応じて変化する値であり、エアコンプレッサ32におけるサージングを解消可能な範囲内で設定されている。本実施例においても、空気供給配管34内の圧力P、および、空気供給配管34内を流れる空気の流量Frと、設定すべきモータ32mの回転数との関係を記録したマップが、予めROMに記憶されているものとした。
Also in this embodiment, as in the first and second embodiments, when it is determined that surging has occurred in the
ステップS320において、エアコンプレッサ32が備えるモータ32mの振動の周波数fが、閾値fth以上である場合には(ステップS320:NO)、CPUは、エアコンプレッサ32においてサージングが発生していないものと判断して、上述した運転制御処理を終了し、ステップS300に戻る。
If the vibration frequency f of the
以上説明した第3実施例の燃料電池システムによっても、先に説明した第1実施例の燃料電池システム100と同様に、エアコンプレッサ32におけるサージングの発生が検出されたときに、燃料電池スタック10に対する出力要求に関わらず、上記サージングを解消するように、エアコンプレッサ32が備えるモータ32mの回転数を所定の回転数に低下させる。こうすることによって、エアコンプレッサ32におけるサージングを速やかに解消し、燃料電池システムにおいて、エアコンプレッサ32のサージングによる故障を抑制することができる。
Also in the fuel cell system of the third embodiment described above, when the occurrence of surging in the
D.第4実施例:
図6は、本発明の第4実施例としての燃料電池システム100Bの概略構成を示す説明図である。第4実施例の燃料電池システム100Bの構成は、先に説明した第1実施例の燃料電池システム100とほぼ同じであり、各部の詳細な説明は省略する。なお、第4実施例の燃料電池システム100Bでは、空気供給配管34における圧力センサ37と燃料電池スタック10との間の部位から、排気管39が分岐して接続されており、この排気管39には、排気弁39Vrが配設されている。本実施例では、排気弁39Vrは、開度を調整可能な排気弁を用いるものとした。また、第4実施例の燃料電池システム100Bでは、制御ユニット70Bが実行する運転制御の内容が、第1実施例と異なっている。以下、第4実施例の燃料電池システム100Bの運転制御について説明する。
D. Fourth embodiment:
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a
図7は、第4実施例の燃料電池システム100Bの運転制御処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、燃料電池システム100Bの運転中、すなわち、燃料電池スタック10に対する出力要求に応じて、燃料電池スタック10のアノード、および、カソードに、水素、および、空気がそれぞれ供給されているときに、制御ユニット70BのCPUが繰り返し実行する処理である。
FIG. 7 is a flowchart showing a flow of operation control processing of the
まず、CPUは、圧力センサ37、および、流量センサ38によって、それぞれ、空気供給配管34内の圧力P、および、空気供給配管34内を流れる空気の流量Frを検出し(ステップS400)、各検出値をRAMに記憶する。これらの各検出値は、後述するように、エアコンプレッサ32においてサージングが発生したか否かの判断、および、エアコンプレッサ32においてサージングが発生したときの排気弁39Vrの開閉制御に用いられる。
First, the CPU detects the pressure P in the
次に、CPUは、空気供給配管34内の圧力Pの変化率ΔPを算出し(ステップS410)、圧力Pの変化率の絶対値|ΔP|が、所定の閾値Pthよりも大きいか否かを判断する(ステップS420)。圧力Pの変化率の絶対値|ΔP|が、閾値Pthよりも大きい場合には(ステップS420:YES)、CPUは、エアコンプレッサ32においてサージングが発生したものと判断して、排気弁39Vrを開弁し(ステップS430)、空気供給配管34内の圧力を低下させる。本実施例において、圧力センサ37、および、制御ユニット70Bは、本発明におけるサージング検出部に相当する。
Next, the CPU calculates a change rate ΔP of the pressure P in the air supply pipe 34 (step S410), and determines whether or not the absolute value | ΔP | of the change rate of the pressure P is larger than a predetermined threshold value Pth. Judgment is made (step S420). When the absolute value | ΔP | of the change rate of the pressure P is larger than the threshold value Pth (step S420: YES), the CPU determines that surging has occurred in the
なお、本実施例では、このときの排気弁39Vrの開度、および、開弁時間として、エアコンプレッサ32においてサージングが発生したとき、つまり、エアコンプレッサ32におけるサージングが検出されたときの空気供給配管34内の圧力P、および、空気供給配管34内を流れる空気の流量Frに基づいて予め規定された値がそれぞれ用いられるものとした。これらの値は、エアコンプレッサ32による空気の供給条件、すなわち、エアコンプレッサ32の運転条件に応じて変化する値であり、エアコンプレッサ32におけるサージングを解消可能な範囲内でそれぞれ設定されている。本実施例では、空気供給配管34内の圧力P、および、空気供給配管34内を流れる空気の流量Frと、設定すべき排気弁39Vrの開度、および、開弁時間との関係を記録したマップが、予めROMに記憶されているものとした。
In the present embodiment, when surging occurs in the
ステップS420において、空気供給配管34内の圧力Pの変化率の絶対値|ΔP|が、閾値Pth以下である場合には(ステップS420:NO)、CPUは、エアコンプレッサ32においてサージングが発生していないものと判断して、上述した運転制御処理を終了し、ステップS400に戻る。
In step S420, if the absolute value | ΔP | of the rate of change of the pressure P in the
以上説明した第4実施例の燃料電池システム100Bによれば、エアコンプレッサ32におけるサージングの発生が検出されたときに、上記サージングを解消するように、排気弁39Vrを開弁して、空気供給配管34内の圧力を低下させる。こうすることによって、エアコンプレッサ32におけるサージングを速やかに解消し、燃料電池システム100Bにおいて、エアコンプレッサ32のサージングによる故障を抑制することができる。
According to the
E.第5実施例:
第5実施例の燃料電池システムの構成は、先に説明した第4実施例の燃料電池システム100Bと同じであり、各部の詳細な説明は省略する。なお、第5実施例の燃料電池システムでは、制御ユニット70Bが実行する運転制御の内容、具体的には、エアコンプレッサ32におけるサージングの検出方法が、第4実施例と異なっている。以下、第5実施例の燃料電池システムの運転制御について説明する。
E. Example 5:
The configuration of the fuel cell system of the fifth embodiment is the same as that of the
図8は、第5実施例の燃料電池システムの運転制御処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、燃料電池システムの運転中、すなわち、燃料電池スタック10に対する出力要求に応じて、燃料電池スタック10のアノード、および、カソードに、水素、および、空気がそれぞれ供給されているときに、制御ユニット70AのCPUが繰り返し実行する処理である。
FIG. 8 is a flowchart showing a flow of operation control processing of the fuel cell system of the fifth embodiment. This process is performed during operation of the fuel cell system, that is, when hydrogen and air are respectively supplied to the anode and the cathode of the
まず、CPUは、圧力センサ37、および、流量センサ38によって、それぞれ、空気供給配管34内の圧力P、および、空気供給配管34内を流れる空気の流量Frを検出し(ステップS500)、各検出値をRAMに記憶する。これらの各検出値は、後述するように、エアコンプレッサ32においてサージングが発生したか否かの判断、および、エアコンプレッサ32においてサージングが発生したときの排気弁39Vrの開閉制御に用いられる。
First, the CPU detects the pressure P in the
次に、CPUは、空気供給配管34内を流れる空気の流量Frの変化率ΔFrを算出し(ステップS510)、流量Frの変化率の絶対値|ΔFr|が、所定の閾値Frthよりも大きいか否かを判断する(ステップS520)。流量Frの変化率の絶対値|ΔFr|が、閾値Frthよりも大きい場合には(ステップS520:YES)、CPUは、エアコンプレッサ32においてサージングが発生したものと判断して、排気弁39Vrを開弁し(ステップS530)、空気供給配管34内の圧力を低下させる。本実施例において、流量センサ38、および、制御ユニット70は、本発明におけるサージング検出部に相当する。
Next, the CPU calculates a change rate ΔFr of the flow rate Fr of the air flowing in the air supply pipe 34 (step S510), and whether the absolute value | ΔFr | of the change rate of the flow rate Fr is larger than a predetermined threshold value Frth. It is determined whether or not (step S520). When the absolute value | ΔFr | of the change rate of the flow rate Fr is larger than the threshold value Frth (step S520: YES), the CPU determines that surging has occurred in the
なお、本実施例においても、第4実施例と同様に、このときの排気弁39Vrの開度、および、開弁時間として、エアコンプレッサ32においてサージングが発生したと判断されたとき、つまり、エアコンプレッサ32におけるサージングが検出されたときの空気供給配管34内の圧力P、および、空気供給配管34内を流れる空気の流量Frに基づいて予め規定された値がそれぞれ用いられるものとした。これらの値は、エアコンプレッサ32による空気の供給条件、すなわち、エアコンプレッサ32の運転条件に応じて変化する値であり、エアコンプレッサ32におけるサージングを解消可能な範囲内でそれぞれ設定されている。そして、本実施例においても、空気供給配管34内の圧力P、および、空気供給配管34内を流れる空気の流量Frと、設定すべき排気弁39Vrの開度、および、開弁時間との関係を記録したマップが、予めROMに記憶されているものとした。
Also in this embodiment, as in the fourth embodiment, when it is determined that surging has occurred in the
ステップS520において、空気供給配管34内を流れる空気の流量Frの変化率の絶対値|ΔFr|が、閾値Frth以下である場合には(ステップS520:NO)、CPUは、エアコンプレッサ32においてサージングが発生していないものと判断して、上述した運転制御処理を終了し、ステップS500に戻る。
In step S520, when the absolute value | ΔFr | of the change rate of the flow rate Fr of the air flowing in the
以上説明した第5実施例の燃料電池システムによっても、先に説明した第4実施例の燃料電池システム100Bと同様に、エアコンプレッサ32におけるサージングの発生が検出されたときに、上記サージングを解消するように、排気弁39Vrを開弁して、空気供給配管34内の圧力を低下させる。こうすることによって、エアコンプレッサ32におけるサージングを速やかに解消し、燃料電池システムにおいて、エアコンプレッサ32のサージングによる故障を抑制することができる。
The fuel cell system of the fifth embodiment described above also eliminates the surging when the occurrence of surging in the
F.第6実施例:
図9は、本発明の第6実施例としての燃料電池システム100Cの概略構成を示す説明図である。第6実施例の燃料電池システム100Cの構成は、先に説明した第4実施例の燃料電池システム100とほぼ同じであり、各部の詳細な説明は省略する。なお、第6実施例の100Cでは、エアコンプレッサ32に、振動センサ33が設けられており、この振動センサ33を用いて、エアコンプレッサ32におけるサージングを検出する。また、第6実施例の燃料電池システム100Cでは、制御ユニット70Cが実行する運転制御の内容が、第4実施例と異なっている。以下、第6実施例の燃料電池システム100Cの運転制御について説明する。
F. Example 6:
FIG. 9 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a
図10は、第6実施例の燃料電池システム100Cの運転制御処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、燃料電池システム100Cの運転中、すなわち、燃料電池スタック10に対する出力要求に応じて、燃料電池スタック10のアノード、および、カソードに、水素、および、空気がそれぞれ供給されているときに、制御ユニット70CのCPUが繰り返し実行する処理である。
FIG. 10 is a flowchart showing a flow of operation control processing of the
まず、CPUは、圧力センサ37、および、流量センサ38によって、それぞれ、空気供給配管34内の圧力P、および、空気供給配管34内を流れる空気の流量Frを検出し(ステップS600)、各検出値をRAMに記憶する。これらの各検出値は、後述するように、エアコンプレッサ32においてサージングが発生したときの排気弁39Vrの開閉制御に用いられる。
First, the CPU detects the pressure P in the
次に、CPUは、振動センサ33によって、エアコンプレッサ32が備えるモータ32mの振動を検出し、その周波数fを算出して(ステップS610)、周波数fが、所定の閾値fth未満であるか否かを判断する(ステップS620)。周波数fが、閾値fth未満である場合には(ステップS620:YES)、CPUは、エアコンプレッサ32においてサージングが発生したものと判断して、排気弁39Vrを開弁し(ステップS630)、空気供給配管34内の圧力を低下させる。本実施例において、振動センサ33、および、制御ユニット70Cは、本発明におけるサージング検出部に相当する。
Next, the CPU detects the vibration of the
なお、本実施例においても、このときの排気弁39Vrの開度、および、開弁時間として、エアコンプレッサ32においてサージングが発生したととき、つまり、エアコンプレッサ32におけるサージングが検出されたときの空気供給配管34内の圧力P、および、空気供給配管34内を流れる空気の流量Frに基づいて予め規定された値がそれぞれ用いられるものとした。これらの値は、エアコンプレッサ32による空気の供給条件、すなわち、エアコンプレッサ32の運転条件に応じて変化する値であり、エアコンプレッサ32におけるサージングを解消可能な範囲内でそれぞれ設定されている。本実施例においても、空気供給配管34内の圧力P、および、空気供給配管34内を流れる空気の流量Frと、設定すべき排気弁39Vrの開度、および、開弁時間との関係を記録したマップが、予めROMに記憶されているものとした。
In the present embodiment as well, when surging occurs in the
ステップS620において、エアコンプレッサ32が備えるモータ32mの振動の周波数fが、閾値fth以上である場合には(ステップS620:NO)、CPUは、エアコンプレッサ32においてサージングが発生していないものと判断して、上述した運転制御処理を終了し、ステップS600に戻る。
In step S620, when the vibration frequency f of the
以上説明した第6実施例の燃料電池システムによっても、先に説明した第4実施例の燃料電池システム100Bと同様に、エアコンプレッサ32におけるサージングの発生が検出されたときに、上記サージングを解消するように、排気弁39Vrを開弁して、空気供給配管34内の圧力を低下させる。こうすることによって、エアコンプレッサ32におけるサージングを速やかに解消し、燃料電池システムにおいて、エアコンプレッサ32のサージングによる故障を抑制することができる。
The fuel cell system of the sixth embodiment described above also eliminates the surging when the occurrence of surging in the
G.第7実施例:
第7実施例の燃料電池システムの構成は、先に説明した第1実施例の燃料電池システム100と同じであり、各部の詳細な説明は省略する。なお、第7実施例の燃料電池システムでは、制御ユニット70が行う運転制御の内容が、第1実施例と異なっている。また、先に説明した第1実施例ないし第6実施例の燃料電池システムでは、エアコンプレッサ32におけるサージングが検出されたときに、このサージングを解消するための運転制御を行うものとしたが、本実施例では、予め、エアコンプレッサ32におけるサージングを回避する運転制御を行う。以下、第7実施例の燃料電池システムの運転制御について説明する。
G. Seventh embodiment:
The configuration of the fuel cell system of the seventh embodiment is the same as that of the
図11は、第7実施例の燃料電池システムの運転制御処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、燃料電池システムの運転中、すなわち、燃料電池スタック10に対する出力要求に応じて、燃料電池スタック10のアノード、および、カソードに、水素、および、空気がそれぞれ供給されているときに、制御ユニット70のCPUが繰り返し実行する処理である。
FIG. 11 is a flowchart showing a flow of operation control processing of the fuel cell system of the seventh embodiment. This process is performed during operation of the fuel cell system, that is, when hydrogen and air are respectively supplied to the anode and the cathode of the
まず、CPUは、圧力センサ37、および、流量センサ38によって、それぞれ、空気供給配管34内の圧力P、および、空気供給配管34内を流れる空気の流量Frを検出し(ステップS700)、各検出値に基づいて、エアコンプレッサ32においてサージングが発生するモータ32mの回転数Rsを予測する(ステップS710)。なお、エアコンプレッサ32においてサージングが発生するモータ32mの回転数Rsは、圧力P、および、流量Frに応じて変化し、本実施例では、この回転数Rsは、Rs1≦Rs≦Rs2(Rs1:下限値、Rs2:上限値)であるものとする。
First, the CPU detects the pressure P in the
次に、CPUは、燃料電池スタック10に対する出力要求に対応するモータ32mの回転数Rが、Rs1≦R≦Rs2であるか否かを判断する(ステップS720)。燃料電池スタック10に対する出力要求に対応するモータ32mの回転数Rが、Rs1≦R≦Rs2である場合には(ステップS720:YES)、CPUは、モータ32mの回転数を、燃料電池スタック10に対する出力要求に応じた回転数Rとすると、エアコンプレッサ32においてサージングが発生するものと判断し、モータ32mの回転数Rを、燃料電池スタック10に対する出力要求に関わらず、エアコンプレッサ32においてサージングが発生しない回転数に設定する。本実施例では、モータ32mの回転数Rを、R<Rs1を満たす値(0回転/分を除く)に設定するものとした。なお、モータ32mの回転数Rを、R>Rs2を満たす値としてもよい。
Next, the CPU determines whether or not the rotational speed R of the
ステップS720において、燃料電池スタック10に対する出力要求に対応するモータ32mの回転数Rが、Rs1≦R≦Rs2でない場合には(ステップS720:NO)、CPUは、モータ32mの回転数を、燃料電池スタック10に対する出力要求に応じた回転数Rとしても、エアコンプレッサ32においてサージングが発生しないものと判断して、上述した運転制御処理を終了し、ステップS700に戻る。
In step S720, when the rotational speed R of the
以上説明した第7実施例の燃料電池システムによれば、エアコンプレッサ32におけるサージングの発生が予測されたときに、燃料電池スタック10に対する出力要求に関わらず、上記サージングを回避するように、エアコンプレッサ32が備えるモータ32mの回転数を所定の回転数に低下させる。こうすることによって、燃料電池システムにおいて、エアコンプレッサ32のサージングによる故障を防止することができる。
According to the fuel cell system of the seventh embodiment described above, when the occurrence of surging in the
H.第8実施例:
第8実施例の燃料電池システムの構成は、先に説明した第4実施例の燃料電池システム100Bと同じであり、各部の詳細な説明は省略する。なお、第8実施例の燃料電池システムでは、制御ユニット70Bが実行する運転制御の内容が、第4実施例と異なっている。また、本実施例においても、先に説明した第7実施例と同様に、予め、エアコンプレッサ32におけるサージングを回避する運転制御を行う。以下、第8実施例の燃料電池システムの運転制御について説明する。
H. Example 8:
The configuration of the fuel cell system of the eighth embodiment is the same as that of the
図12は、第8実施例の燃料電池システムの運転制御処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、燃料電池システムの運転中、すなわち、燃料電池スタック10に対する出力要求に応じて、燃料電池スタック10のアノード、および、カソードに、水素、および、空気がそれぞれ供給されているときに、制御ユニット70BのCPUが繰り返し実行する処理である。
FIG. 12 is a flowchart showing a flow of operation control processing of the fuel cell system of the eighth embodiment. This process is performed during operation of the fuel cell system, that is, when hydrogen and air are respectively supplied to the anode and the cathode of the
まず、CPUは、圧力センサ37、および、流量センサ38によって、それぞれ、空気供給配管34内の圧力P、および、空気供給配管34内を流れる空気の流量Frを検出し(ステップS800)、各検出値に基づいて、エアコンプレッサ32においてサージングが発生するモータ32mの回転数Rsを予測する(ステップS810)。なお、エアコンプレッサ32においてサージングが発生するモータ32mの回転数Rsは、圧力P、および、流量Frに応じて変化し、本実施例においても、この回転数Rsは、Rs1≦Rs≦Rs2(Rs1:下限値、Rs2:上限値)であるものとする。
First, the CPU detects the pressure P in the
次に、CPUは、燃料電池スタック10に対する出力要求に対応するモータ32mの回転数Rが、Rs1≦R≦Rs2であるか否かを判断する(ステップS820)。燃料電池スタック10に対する出力要求に対応するモータ32mの回転数Rが、Rs1≦R≦Rs2である場合には(ステップS820:YES)、CPUは、モータ32mの回転数を、燃料電池スタック10に対する出力要求に応じた回転数Rとすると、エアコンプレッサ32においてサージングが発生するものと判断し、排気弁39Vrを開弁して(ステップS830)、空気供給配管34内の圧力を低下させる。このときの排気弁39Vrの開度、および、開弁時間は、モータ32mの回転数を、燃料電池スタック10に対する出力要求に応じた回転数Rとしても、空気供給配管34内の圧力が、エアコンプレッサ32においてサージングが発生しない圧力となる範囲内でそれぞれ設定されている。
Next, the CPU determines whether or not the rotational speed R of the
ステップS720において、燃料電池スタック10に対する出力要求に対応するモータ32mの回転数Rが、Rs1≦R≦Rs2でない場合には(ステップS720:NO)、CPUは、モータ32mの回転数を、燃料電池スタック10に対する出力要求に応じた回転数Rとしても、エアコンプレッサ32においてサージングが発生しないものと判断して、上述した運転制御処理を終了し、ステップS700に戻る。
In step S720, when the rotational speed R of the
以上説明した第8実施例の燃料電池システムによれば、エアコンプレッサ32におけるサージングの発生が予測されたときに、上記サージングを回避するように、排気弁39Vrを開弁して、空気供給配管34内の圧力を低下させる。こうすることによって、燃料電池システムにおいて、エアコンプレッサ32のサージングによる故障を防止することができる。
According to the fuel cell system of the eighth embodiment described above, when the occurrence of surging in the
I.変形例:
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
I. Variations:
As mentioned above, although several embodiment of this invention was described, this invention is not limited to such embodiment at all, and implementation in a various aspect is possible within the range which does not deviate from the summary. It is. For example, the following modifications are possible.
I1.変形例1:
上記第1実施例ないし第3実施例では、運転制御処理において、エアコンプレッサ32におけるサージングが検出されたときに、モータ32mの回転数を、予め規定された所定の回転数に低下させるものとしたが、本発明は、これに限られない。
I1. Modification 1:
In the first to third embodiments, in the operation control process, when surging in the
図13は、第1実施例の変形例としての運転制御処理の流れを示すフローチャートである。 FIG. 13 is a flowchart showing a flow of operation control processing as a modification of the first embodiment.
まず、CPUは、圧力センサ37によって、空気供給配管34内の圧力Pを検出し(ステップS100a)、その検出値をRAMに記憶する。この検出値は、後述するように、エアコンプレッサ32においてサージングが発生しているか否かの判断に用いられる。
First, the CPU detects the pressure P in the
次に、CPUは、空気供給配管34内の圧力Pの変化率ΔPを算出し(ステップS110)、圧力Pの変化率の絶対値|ΔP|が、所定の閾値Pthよりも大きいか否かを判断する(ステップS120)。圧力Pの変化率の絶対値|ΔP|が、所定の閾値Pth以下である場合には(ステップS120:NO)、CPUは、エアコンプレッサ32においてサージングが発生していないものと判断して、運転制御処理を終了し、ステップS100aに戻る。
Next, the CPU calculates a change rate ΔP of the pressure P in the air supply pipe 34 (step S110), and determines whether or not the absolute value | ΔP | of the change rate of the pressure P is larger than a predetermined threshold value Pth. Judgment is made (step S120). When the absolute value | ΔP | of the rate of change of the pressure P is equal to or less than the predetermined threshold value Pth (step S120: NO), the CPU determines that surging has not occurred in the
一方、圧力Pの変化率の絶対値|ΔP|が、閾値Pthよりも大きい場合には(ステップS120:YES)、CPUは、エアコンプレッサ32においてサージングが発生しているものと判断して、燃料電池スタック10に対する出力要求に関わらず、エアコンプレッサ32が備えるモータ32mの回転数を低下させる(ステップS130a)。このとき、低下させる回転数は、任意に設定可能である。
On the other hand, when the absolute value | ΔP | of the rate of change of the pressure P is larger than the threshold value Pth (step S120: YES), the CPU determines that surging has occurred in the
そして、CPUは、再度、圧力センサ37によって、空気供給配管34内の圧力Pを検出し(ステップS140)、圧力Pの変化率ΔPを算出し(ステップS150)、圧力Pの変化率の絶対値|ΔP|が、所定の閾値Pthよりも大きいか否かを判断する(ステップS160)。圧力Pの変化率の絶対値|ΔP|が、閾値Pth以下である場合には(ステップS160:NO)、CPUは、エアコンプレッサ32におけるサージングが解消されたものと判断して、上述した運転制御処理を終了し、ステップS100aに戻る。
Then, the CPU again detects the pressure P in the
ステップS160において、圧力Pの変化率の絶対値|ΔP|が、閾値Pthよりも大きい場合には(ステップS160:YES)、CPUは、エアコンプレッサ32におけるサージングが解消されていないものと判断して、ステップS130aに戻り、上述した運転制御処理を継続する。
In step S160, when the absolute value | ΔP | of the rate of change of the pressure P is larger than the threshold value Pth (step S160: YES), the CPU determines that surging in the
図14は、第2実施例の変形例としての運転制御処理の流れを示すフローチャートである。 FIG. 14 is a flowchart showing a flow of operation control processing as a modification of the second embodiment.
まず、CPUは、流量センサ38によって、空気供給配管34内を流れる空気の流量Frを検出し(ステップS200a)、その検出値をRAMに記憶する。この検出値は、後述するように、エアコンプレッサ32においてサージングが発生しているか否かの判断に用いられる。
First, the CPU detects the flow rate Fr of air flowing through the
次に、CPUは、空気供給配管34内を流れる空気の流量Frの変化率ΔFrを算出し(ステップS210)、流量Frの変化率の絶対値|ΔFr|が、所定の閾値Frthよりも大きいか否かを判断する(ステップS220)。流量Frの変化率の絶対値|ΔFr|が、閾値Frth以下である場合には(ステップS220:NO)、CPUは、エアコンプレッサ32においてサージングが発生していないものと判断して、運転制御処理を終了し、ステップS200aに戻る。
Next, the CPU calculates a change rate ΔFr of the flow rate Fr of the air flowing in the air supply pipe 34 (step S210), and whether the absolute value | ΔFr | of the change rate of the flow rate Fr is greater than a predetermined threshold value Frth. It is determined whether or not (step S220). When the absolute value | ΔFr | of the change rate of the flow rate Fr is equal to or less than the threshold value Frth (step S220: NO), the CPU determines that surging has not occurred in the
一方、流量Frの変化率の絶対値|ΔFr|が、閾値Frthよりも大きい場合には(ステップS220:YES)、CPUは、エアコンプレッサ32においてサージングが発生しているものと判断して、燃料電池スタック10に対する出力要求に関わらず、エアコンプレッサ32が備えるモータ32mの回転数を低下させる(ステップS230a)。このとき、低下させる回転数は、任意に設定可能である。
On the other hand, when the absolute value | ΔFr | of the change rate of the flow rate Fr is larger than the threshold value Frth (step S220: YES), the CPU determines that surging has occurred in the
そして、CPUは、再度、流量センサ38によって、空気供給配管34内を流れる空気の流量Frを検出し(ステップS240)、流量Frの変化率ΔFrを算出し(ステップS250)、流量Frの変化率の絶対値|ΔFr|が、所定の閾値Frthよりも大きいか否かを判断する(ステップS260)。流量Frの変化率の絶対値|ΔFr|が、閾値Frth以下である場合には(ステップS260:NO)、CPUは、エアコンプレッサ32におけるサージングが解消されたものと判断して、運転制御処理を終了し、ステップS200aに戻る。
The CPU again detects the flow rate Fr of the air flowing through the
ステップS260において、流量Frの変化率の絶対値|ΔFr|が、閾値Frthよりも大きい場合には(ステップS260:YES)、CPUは、エアコンプレッサ32におけるサージングが解消されていないものと判断して、ステップS230aに戻り、上述した運転制御処理を継続する。
If the absolute value | ΔFr | of the change rate of the flow rate Fr is larger than the threshold value Frth in step S260 (step S260: YES), the CPU determines that surging in the
図15は、第3実施例の変形例としての運転制御処理の流れを示すフローチャートである。 FIG. 15 is a flowchart showing a flow of operation control processing as a modification of the third embodiment.
まず、CPUは、振動センサ33によって、エアコンプレッサ32が備えるモータ32mの振動を検出し、その周波数fを算出して(ステップS310)、周波数fが、所定の閾値fth未満であるか否かを判断する(ステップS320)。周波数fが、所定の閾値fth以上である場合には(ステップS320:NO)、CPUは、エアコンプレッサ32においてサージングが発生していないものと判断して、運転制御処理を終了し、ステップS310に戻る。
First, the CPU detects vibration of the
一方、周波数fが、閾値fth未満である場合には(ステップS320:YES)、CPUは、エアコンプレッサ32においてサージングが発生しているものと判断して、燃料電池スタック10に対する出力要求に関わらず、エアコンプレッサ32が備えるモータ32mの回転数を低下させる(ステップS330a)。このとき、低下させる回転数は、任意に設定可能である。
On the other hand, when the frequency f is less than the threshold value fth (step S320: YES), the CPU determines that surging has occurred in the
そして、CPUは、再度、振動センサ33によって、エアコンプレッサ32が備えるモータ32mの振動を検出し、その周波数fを算出して(ステップS340)、周波数fが、所定の閾値fth未満であるか否かを判断する(ステップS350)。周波数fが、所定の閾値fth以上である場合には(ステップS350:NO)、CPUは、エアコンプレッサ32においてサージングが解消されたものと判断して、運転制御処理を終了し、ステップS310に戻る。
Then, the CPU again detects the vibration of the
ステップS350において、周波数fが、閾値fth未満である場合には(ステップS350:NO)、CPUは、エアコンプレッサ32におけるサージングが解消されていないものと判断して、ステップS330aに戻り、上述した運転制御処理を継続する。
In step S350, when the frequency f is less than the threshold value fth (step S350: NO), the CPU determines that surging in the
以上説明した変形例としての燃料電池システムの運転制御処理によっても、先に説明した第1実施例ないし第3実施例の燃料電池システムと同様に、エアコンプレッサ32のサージングによる故障を抑制することができる。
Also by the operation control process of the fuel cell system as the modified example described above, the failure due to the surging of the
I2.変形例2:
上記第1実施例ないし第3実施例、および、変形例1では、燃料電池システムの運転制御処理において、エアコンプレッサ32におけるサージングが検出されたときに、モータ32mの回転数を低下させるものとしたが、増大させるものとしてもよい。
I2. Modification 2:
In the first to third embodiments and the first modification, when the surging in the
I3.変形例3:
上記第4実施例ないし第6実施例、および、第8実施例では、燃料電池システムの運転制御処理において、排気弁39Vrの開度、および、開弁時間を制御するものとしたが、これらのうちの少なくとも一方を制御するものとすればよい。
I3. Modification 3:
In the fourth to sixth embodiments and the eighth embodiment, the opening degree and the valve opening time of the exhaust valve 39Vr are controlled in the operation control process of the fuel cell system. It suffices to control at least one of them.
I4.変形例4:
図6に示した燃料電池システム100B、および、図9に示した燃料電池システム100Cでは、空気供給配管34において、圧力センサ37と燃料電池スタック10との間の部位から、排気管39が分岐して接続されているものとしたが、本発明は、これに限られない。
I4. Modification 4:
In the
I5.変形例5:
上記実施例では、エアコンプレッサ32は、ターボ式のエアコンプレッサであるものとしたが、本発明は、これに限られず、他のタイプのエアコンプレッサを適用するようにしてもよい。
I5. Modification 5:
In the above embodiment, the
I6.変形例6:
上記実施例では、燃料電池システムは、電気自動車に搭載されるものとしたが、本発明は、これに限られず、例えば、据え置き型の燃料電池システムとしてもよい。ただし、車載用の燃料電池システムでは、車両の運転者のアクセルの操作に応じて、燃料電池スタック10に対する出力要求が急激に変化するため、燃料電池スタック10に対する出力要求が急激に変化しにくい燃料電池システムと比較して、サージングが発生しやすい。したがって、上述した燃料電池システムを車載用に用いると、特に好適である。
I6. Modification 6:
In the above embodiment, the fuel cell system is mounted on an electric vehicle. However, the present invention is not limited to this, and may be, for example, a stationary fuel cell system. However, in the in-vehicle fuel cell system, since the output request for the
I7.変形例7:
上記実施例、および、変形例では、エアコンプレッサ32に備えられたモータ32mの回転数を低下させたり、排気弁39Vrを開弁したりすることによって、空気供給配管34内の圧力を低下させたり、あるいは、エアコンプレッサ32に備えられたモータ32mの回転数を増大させることによって、空気供給配管34内の圧力を増大させて、エアコンプレッサ32におけるサージングを解消、または、回避するものとしたが、本発明は、これに限られない。本発明は、一般に、空気供給配管34内の圧力を制御することによって、エアコンプレッサ32におけるサージングを解消、または、回避するものであり、上述した手段以外の他の手段によって、空気供給配管34内の圧力を制御することによって、エアコンプレッサ32におけるサージングを解消、または、回避するようにしてもよい。
I7. Modification 7:
In the above embodiment and the modification, the pressure in the
100,100A,100B,100C…燃料電池システム
10…燃料電池スタック
20…水素タンク
21…シャットバルブ
22…レギュレータ
23…水素供給配管
24…配管
25…気液分離器
26…循環配管
27…循環ポンプ
28…配管
29…パージ弁
30…エアクリーナ
32…エアコンプレッサ
32m…モータ
33…振動センサ
34…空気供給配管
35…エア調圧弁
36…配管
37…圧力センサ
38…流量センサ
39…排気管
39Vr…排気弁
40…ラジエータ
41…循環ポンプ
42…配管
43…バイパス配管
44…三方弁
45…イオン交換器
46…配管
50…希釈器
60…配管
70,70A,70B,70C…制御ユニット
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100,100A, 100B, 100C ...
Claims (18)
水素と酸素との電気化学反応によって発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池のカソードに、前記酸素を含む空気を供給するための空気供給配管と、
前記空気供給配管に接続され、前記空気を圧縮して前記空気供給配管に流すためのエアコンプレッサと、
前記燃料電池に対する出力要求に応じて、前記エアコンプレッサが備えるモータの回転数を制御するモータ制御部と、
前記エアコンプレッサにおけるサージングの発生を検出するサージング検出部と、
前記サージング検出部によって、前記サージングの発生が検出されたときに、前記サージングを解消するように、前記空気供給配管内の圧力を制御する圧力制御部と、
を備える燃料電池システム。 A fuel cell system,
A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen;
An air supply pipe for supplying the oxygen-containing air to the cathode of the fuel cell;
An air compressor connected to the air supply pipe, for compressing the air and flowing it through the air supply pipe;
In response to an output request for the fuel cell, a motor control unit that controls the number of revolutions of a motor included in the air compressor;
A surging detector that detects the occurrence of surging in the air compressor;
A pressure control unit for controlling the pressure in the air supply pipe so as to eliminate the surging when the surging is detected by the surging detection unit;
A fuel cell system comprising:
前記圧力制御部は、前記サージング検出部によって、前記サージングの発生が検出されたときに、前記出力要求に関わらず、前記モータの回転数を制御することによって、前記空気供給配管内の圧力を制御する、燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein
The pressure control unit controls the pressure in the air supply pipe by controlling the number of revolutions of the motor regardless of the output request when the occurrence of the surging is detected by the surging detection unit. A fuel cell system.
前記圧力制御部は、前記サージング検出部によって、前記サージングの発生が検出されたときに、該サージングの発生が検出されたときの前記空気供給配管内の圧力、および、前記空気供給配管内を流れる空気の流量を取得し、前記モータの回転数を、前記圧力、および、前記流量に基づいて規定された所定の回転数未満の回転数であって、0回転/分を除く回転数に低下させる、燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 2, wherein
The pressure control unit, when the occurrence of surging is detected by the surging detection unit, flows in the air supply pipe when the occurrence of surging is detected, and flows in the air supply pipe The flow rate of air is acquired, and the number of rotations of the motor is reduced to a number of rotations less than a predetermined number of rotations defined based on the pressure and the flow rate and excluding 0 rotations / minute. , Fuel cell system.
前記圧力制御部は、前記サージング検出部によって、前記サージングの発生が検出されたときに、前記サージングの発生が検出されたときの前記空気供給配管内の圧力、および、前記空気供給配管内を流れる空気の流量を取得し、前記モータの回転数を、前記圧力、および、前記流量に基づいて規定された所定の回転数よりも高い回転数に増大させる、燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 2, wherein
When the occurrence of surging is detected by the surging detection unit, the pressure control unit flows through the pressure in the air supply pipe when the occurrence of surging is detected, and the air supply pipe A fuel cell system that acquires a flow rate of air and increases a rotational speed of the motor to a rotational speed higher than a predetermined rotational speed defined based on the pressure and the flow rate.
前記圧力制御部は、
前記空気供給配管から分岐して接続され、前記空気供給配管内を流れる空気を外部に排気するための排気管と、
前記排気管に配設された排気弁と、を備えており、
前記サージング検出部によって、前記サージングの発生が検出されたときに、前記排気弁の開閉制御を行うことによって、前記空気供給配管内の圧力を制御する、燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein
The pressure controller is
An exhaust pipe that is branched from the air supply pipe and connected to exhaust the air flowing in the air supply pipe to the outside;
An exhaust valve disposed in the exhaust pipe,
A fuel cell system, wherein when the occurrence of surging is detected by the surging detection unit, the pressure in the air supply pipe is controlled by performing opening / closing control of the exhaust valve.
前記排気弁の開閉制御は、前記排気弁の開度、および、開弁時間の少なくとも一方の制御を含む、燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 5, wherein
The exhaust valve opening / closing control includes a control of at least one of an opening degree of the exhaust valve and a valve opening time.
前記圧力制御部は、前記サージング検出部によって、前記サージングの発生が検出されたときに、前記サージングの発生が検出されたときの前記空気供給配管内の圧力、および、前記空気供給配管内を流れる空気の流量を取得し、該圧力、および、該、流量に基づいて、前記排気弁の開度、および、開弁時間の少なくとも一方を、前記圧力、および、前記流量に基づいて規定された所定値に設定する、燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 6, wherein
When the occurrence of surging is detected by the surging detection unit, the pressure control unit flows through the pressure in the air supply pipe when the occurrence of surging is detected, and the air supply pipe The flow rate of air is acquired, and based on the pressure and the flow rate, at least one of the opening degree and the valve opening time of the exhaust valve is determined based on the pressure and the flow rate. The fuel cell system to set to the value.
前記サージング検出部として、前記空気供給配管内の圧力を検出する圧力センサを備え、
前記排気管は、前記空気供給配管において、前記圧力センサと前記燃料電池との間の部位に接続されている、燃料電池システム。 A fuel cell system according to any one of claims 5 to 7,
As the surging detection unit, comprising a pressure sensor for detecting the pressure in the air supply pipe,
The said exhaust pipe is a fuel cell system connected to the site | part between the said pressure sensor and the said fuel cell in the said air supply piping.
前記サージング検出部は、
前記空気供給配管内の圧力を検出する圧力センサと、
前記空気供給配管内を流れる空気の流量を検出する流量センサと、
前記エアコンプレッサの振動を検出する振動センサと、
のうちの少なくとも1つを備える、燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 7,
The surging detection unit
A pressure sensor for detecting the pressure in the air supply pipe;
A flow rate sensor for detecting a flow rate of air flowing in the air supply pipe;
A vibration sensor for detecting vibration of the air compressor;
A fuel cell system comprising at least one of the above.
水素と酸素との電気化学反応によって発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池のカソードに、前記酸素を含む空気を供給するための空気供給配管と、
前記空気供給配管に接続され、前記空気を圧縮して前記空気供給配管に流すためのエアコンプレッサと、
前記燃料電池に対する出力要求に応じて、前記エアコンプレッサが備えるモータの回転数を制御する制御部と、
前記空気供給配管内の圧力、および、前記空気供給配管内を流れる空気の流量を取得し、該圧力、および、該流量に基づいて、前記エアコンプレッサにおけるサージングを回避するように、前記空気供給配管内の圧力を制御する圧力制御部と、
を備える燃料電池システム。 A fuel cell system,
A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen;
An air supply pipe for supplying the oxygen-containing air to the cathode of the fuel cell;
An air compressor connected to the air supply pipe, for compressing the air and flowing it through the air supply pipe;
In response to an output request for the fuel cell, a control unit that controls the number of revolutions of a motor included in the air compressor;
The pressure in the air supply pipe and the flow rate of the air flowing in the air supply pipe are acquired, and the air supply pipe is configured to avoid surging in the air compressor based on the pressure and the flow rate. A pressure control unit for controlling the pressure inside,
A fuel cell system comprising:
前記圧力制御部は、前記出力要求に対応する前記モータの回転数が、前記エアコンプレッサにおいて前記サージングが発生する回転数であるか否かを判断し、前記出力要求に対応する前記モータの回転数が、前記エアコンプレッサにおいて前記サージングが発生する回転数であると判断したときに、前記出力要求に関わらず、前記モータの回転数を制御することによって、前記空気供給配管内の圧力を制御する、燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 10, wherein
The pressure control unit determines whether the rotation speed of the motor corresponding to the output request is a rotation speed at which the surging occurs in the air compressor, and the rotation speed of the motor corresponding to the output request. However, when it is determined that the surging occurs in the air compressor, the pressure in the air supply pipe is controlled by controlling the rotation speed of the motor regardless of the output request. Fuel cell system.
前記圧力制御部は、前記出力要求に対応する前記モータの回転数が、前記エアコンプレッサにおいて前記サージングが発生する回転数であると判断したときに、前記圧力、および、前記流量に基づいて、前記モータの回転数を、前記圧力、および、前記流量に基づいて規定された所定の回転数未満の回転数であって、0回転/分を除く回転数に低下させる、燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 11, wherein
The pressure control unit determines that the rotation speed of the motor corresponding to the output request is the rotation speed at which the surging occurs in the air compressor, based on the pressure and the flow rate, A fuel cell system, wherein the number of rotations of the motor is reduced to a number of rotations less than a predetermined number of rotations defined based on the pressure and the flow rate and excluding 0 rotations / minute.
前記圧力制御部は、前記出力要求に対応する前記モータの回転数が、前記エアコンプレッサにおいて前記サージングが発生する回転数であると判断したときに、前記圧力、および、前記流量に基づいて、前記モータの回転数を、前記圧力、および、前記流量に基づいて規定された所定の回転数よりも高い回転数に増大させる、燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 11, wherein
The pressure control unit determines that the rotation speed of the motor corresponding to the output request is a rotation speed at which the surging occurs in the air compressor, based on the pressure and the flow rate, A fuel cell system that increases the rotational speed of a motor to a rotational speed higher than a predetermined rotational speed defined based on the pressure and the flow rate.
前記圧力制御部は、
前記空気供給配管から分岐して接続され、前記空気供給配管内を流れる空気を外部に排気するための排気管と、
前記排気管に配設された排気弁と、を備えており、
前記出力要求に対応する前記モータの回転数が、前記エアコンプレッサにおいて前記サージングが発生する回転数であると判断したときに、前記排気弁の開閉制御を行うことによって、前記空気供給配管内の圧力を制御する、燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 10, wherein
The pressure controller is
An exhaust pipe that is branched from the air supply pipe and connected to exhaust the air flowing in the air supply pipe to the outside;
An exhaust valve disposed in the exhaust pipe,
When it is determined that the rotation speed of the motor corresponding to the output request is the rotation speed at which the surging occurs in the air compressor, the pressure in the air supply pipe is controlled by performing opening / closing control of the exhaust valve. Control the fuel cell system.
前記排気弁の開閉制御は、前記排気弁の開度、および、開弁時間の少なくとも一方の制御を含む、燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 14, wherein
The exhaust valve opening / closing control includes a control of at least one of an opening degree of the exhaust valve and a valve opening time.
前記圧力制御部は、前記出力要求に対応する前記モータの回転数が、前記エアコンプレッサにおいて前記サージングが発生する回転数であると判断したときに、前記排気弁の開度、および、開弁時間の少なくとも一方を、前記圧力、および、前記流量に基づいて規定された所定値に設定する、燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 15, wherein
When the pressure control unit determines that the rotation speed of the motor corresponding to the output request is the rotation speed at which the surging occurs in the air compressor, the opening degree of the exhaust valve and the valve opening time A fuel cell system in which at least one of is set to a predetermined value defined based on the pressure and the flow rate.
前記エアコンプレッサは、ターボ式のエアコンプレッサである、燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 16,
The fuel cell system, wherein the air compressor is a turbo type air compressor.
前記燃料電池システムは、車載用である、燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 17,
The fuel cell system is an on-vehicle fuel cell system.
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