JP2009123550A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池に空気を供給する技術に関する。 The present invention relates to a technique for supplying air to a fuel cell.
燃料電池システムとして、酸化剤ガスとしての空気をエアコンプレッサを用いて燃料電池に供給するものがある(下記特許文献1参照)。
Some fuel cell systems supply air as an oxidant gas to a fuel cell using an air compressor (see
燃料電池システムに用いられるエアコンプレッサとして遠心式エアコンプレッサがある。この遠心式エアコンプレッサでは、インペラ(羽根車)と呼ばれる回転体が筐体内部で回転して空気を圧縮する。この遠心式エアコンプレッサを燃料電池システムにおいて酸化剤ガス(空気)を燃料電池に供給するために用いた場合に、燃料電池に供給する空気流量が少ないと遠心式エアコンプレッサの動作が不安定になるという問題があった。 There is a centrifugal air compressor as an air compressor used in a fuel cell system. In this centrifugal air compressor, a rotating body called an impeller (an impeller) rotates inside the casing to compress air. When this centrifugal air compressor is used to supply oxidant gas (air) to a fuel cell in a fuel cell system, the operation of the centrifugal air compressor becomes unstable if the flow rate of air supplied to the fuel cell is small. There was a problem.
このような遠心式エアコンプレッサの動作不安定の原因としては、例えば、サージングの発生が考えられる。サージングとは、空気流量と空気圧とが周期的に激しく変動(脈動)する現象である。サージングが発生すると、インペラやコンプレッサの筐体(ケース)に強度の衝撃が加わってエアコンプレッサが損傷したり、供給空気流量のコントロールが不可能になったりする。 As a cause of such unstable operation of the centrifugal air compressor, for example, occurrence of surging can be considered. Surging is a phenomenon in which the air flow rate and air pressure fluctuate significantly (pulsates) periodically. When surging occurs, a strong impact is applied to the impeller and the casing (case) of the compressor to damage the air compressor and control of the supply air flow rate becomes impossible.
なお、上述した問題は、遠心式エアコンプレッサに限らず、動翼(ロータ)が回転して圧縮を行う軸流式のコンプレッサにおいても発生し得る。すなわち、ターボ形エアコンプレッサにおいて発生し得る。 The above-described problem may occur not only in a centrifugal air compressor but also in an axial flow compressor in which a moving blade (rotor) rotates and performs compression. That is, it can occur in a turbo air compressor.
本発明は、ターボ形エアコンプレッサを用いて空気を燃料電池に供給する燃料電池システムにおいて、燃料電池に供給する空気流量が少ない場合にターボ形エアコンプレッサの動作が不安定になることを抑制することが可能な技術を提供することを目的とする。 The present invention suppresses the operation of a turbo air compressor from becoming unstable when the flow rate of air supplied to the fuel cell is small in a fuel cell system that supplies air to the fuel cell using a turbo air compressor. It aims at providing the technology that can be.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
[適用例1]燃料電池システムであって、燃料電池と、前記燃料電池に空気を供給するための空気供給流路と、前記空気供給流路を介して前記燃料電池に空気を供給するターボ形エアコンプレッサと、前記空気供給流路と連通して前記燃料電池を経由しないで空気を排出するバイパス流路と、前記バイパス流路に配置され前記バイパス流路を通る空気量を調整するためのバイパス流量調整部と、前記燃料電池に要求される要求空気流量に応じて、前記バイパス流量調整部を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記要求空気流量が前記ターボ形エアコンプレッサの予め定められた下限流量よりも少ない場合に、前記バイパス流路を通る空気流量を利用して前記ターボ形エアコンプレッサの供給空気流量を前記下限流量以上に維持しつつ、前記燃料電池に供給する空気流量を調整する、燃料電池システム。 Application Example 1 A fuel cell system, a fuel cell, an air supply channel for supplying air to the fuel cell, and a turbo type for supplying air to the fuel cell via the air supply channel An air compressor, a bypass channel that communicates with the air supply channel and exhausts air without passing through the fuel cell, and a bypass that is disposed in the bypass channel and adjusts the amount of air passing through the bypass channel A flow rate adjusting unit; and a control unit that controls the bypass flow rate adjusting unit according to a required air flow rate required for the fuel cell, wherein the control unit has the required air flow rate of the turbo type air compressor. When the flow rate is smaller than a predetermined lower limit flow rate, the supply air flow rate of the turbo air compressor is maintained at the lower limit flow rate or more using the air flow rate through the bypass flow path. Adjusting the air flow rate supplied to the fuel cell, the fuel cell system.
適用例1の燃料電池システムでは、要求空気量が下限流量よりも少ない場合に、バイパス流路を通る空気流量を利用してターボ形エアコンプレッサの供給空気流量を下限流量以上に維持しつつ燃料電池に供給する空気量を調整するので、燃料電池に供給する空気流量が少ない場合にターボ形エアコンプレッサの動作が不安定になることを抑制することができる。なお、「ターボ形エアコンプレッサ」という語句は、ターボ形の送風機をも含む広い意味を有している。また、「下限流量」とは、ターボ形エアコンプレッサが正常動作可能な空気流量範囲の下限を意味し、例えば、サージングが発生せずに動作可能な下限流量を意味する。 In the fuel cell system of Application Example 1, when the required air amount is less than the lower limit flow rate, the fuel cell is maintained while maintaining the supply air flow rate of the turbo air compressor at or above the lower limit flow rate using the air flow rate passing through the bypass flow path. Since the amount of air supplied to the fuel cell is adjusted, it is possible to prevent the operation of the turbo air compressor from becoming unstable when the flow rate of air supplied to the fuel cell is small. The phrase “turbo type air compressor” has a broad meaning including a turbo type blower. Further, the “lower limit flow rate” means a lower limit of an air flow range in which the turbo air compressor can normally operate. For example, it means a lower limit flow rate at which surging does not occur.
[適用例2]適用例1に記載の燃料電池システムであって、さらに、前記燃料電池における空気圧を調整する調圧バルブを備え、前記制御部は、前記燃料電池に要求される要求空気圧に応じて、前記調圧バルブを制御して前記燃料電池における空気圧を前記要求空気圧に近づける、燃料電池システム。 Application Example 2 The fuel cell system according to Application Example 1, further including a pressure regulating valve that adjusts air pressure in the fuel cell, wherein the control unit responds to a required air pressure required for the fuel cell. And controlling the pressure regulating valve to bring the air pressure in the fuel cell closer to the required air pressure.
このようにすることで、燃料電池に要求される空気流量を、要求される空気圧において燃料電池に供給することができる。 In this way, the air flow rate required for the fuel cell can be supplied to the fuel cell at the required air pressure.
[適用例3]適用例1または適用例2に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記要求空気流量が前記下限流量以上の場合には前記バイパス流路に空気が流れないように前記バイパス流量調整部を制御し、前記要求空気流量が前記下限流量よりも少ない場合には前記バイパス流路に空気を流すように前記バイパス流量調整部を制御する、燃料電池システム。 Application Example 3 In the fuel cell system according to Application Example 1 or Application Example 2, the control unit may prevent the air from flowing through the bypass flow path when the required air flow rate is equal to or higher than the lower limit flow rate. A fuel cell system that controls a bypass flow rate adjustment unit and controls the bypass flow rate adjustment unit so that air flows through the bypass flow path when the required air flow rate is smaller than the lower limit flow rate.
このようにすることで、要求空気量が下限流量以上の場合にはバイパス流路に空気が流れないので、ターボ形エアコンプレッサが送り出す全空気量は、バイパス流路に空気を流す場合に比べて少なくて済み、ターボ形エアコンプレッサの消費電力を低く抑えることができる。 In this way, when the required air amount is equal to or greater than the lower limit flow rate, air does not flow through the bypass flow path, so the total air amount sent out by the turbo air compressor is compared to when air flows through the bypass flow path. Less power is required, and the power consumption of the turbo air compressor can be kept low.
以下、本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
A.第1の実施例:
B.第2の実施例:
C.第3の実施例:
D.第4の実施例:
E.変形例:
Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in the following order based on examples.
A. First embodiment:
B. Second embodiment:
C. Third embodiment:
D. Fourth embodiment:
E. Variations:
A.第1の実施例:
図1は、本発明の一実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム1000は、例えば、電気車両に用いることが可能であり、燃料電池100と、エアクリーナ32と、エアコンプレッサ34と、マフラ36と、流量計52と、温度計54と、2つの圧力計56,58と、流量調整バルブ42と、背圧バルブ44と、制御ユニット20と、バイパス流路70と、2つの空気供給流路62,64と、2つの空気排出流路92,94と、を備えている。
A. First embodiment:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system as an embodiment of the present invention. The
燃料電池100は、固体高分子形の燃料電池であり、電解質膜(図示省略)を備えている。図示せざる水素タンクから供給される燃料ガスとしての水素ガスは、燃料ガス流路82を通ってアノード100aに供給されて電気化学反応に用いられる。電気化学反応に用いられなかった水素ガスは、オフガスとして燃料電池100の外部へと排出される。一方、燃料電池100のカソード100cには、酸化剤ガスとしての空気が酸化剤ガス流路80を通って供給される。カソード100cにおいて電気化学反応に用いられなかった空気は、オフガスとして燃料電池100の外部へと排出される。なお、燃料電池100として、固体高分子形燃料電池に代えて、リン酸形燃料電池など他の形式の燃料電池を採用することもできる。
The
エアクリーナ32は、エアコンプレッサ34によって吸入される空気から不純物を除去する。エアコンプレッサ34は、エアクリーナ32を介して大気から空気を吸入して圧縮し、圧縮空気を燃料電池100のカソード100cに向けて送り出す。エアコンプレッサ34は、回転体が筐体内で回転することで空気を圧縮するいわゆるターボ形エアコンプレッサである。エアコンプレッサ34としては、例えば、インペラが回転して圧縮を行う遠心式のコンプレッサや、動翼(ロータ)が回転して圧縮を行う軸流式のコンプレッサを用いることができる。ここで、回転体(インペラ等)は、図示せざる電動モータによって駆動される。したがって、この電動モータ(図示省略)への印加電圧や電流を調整することで、回転体の回転数を制御してエアコンプレッサ34出力を制御することができる。なお、電動モータによる駆動に代えてベルト駆動とすることもできる。また、エアコンプレッサに代えて、送風機(ブロア)を採用することもできる。
The
流量計52は、空気供給流路64に配置されており、空気供給流路64を流れる空気の流量を計測することができる。温度計54は、空気供給流路64における温度を測定することができる。圧力計56は、空気排出流路92に配置されており、空気排出流路92における空気圧を測定することができる。圧力計58は、空気供給流路62に配置されており、エアコンプレッサ34の排出側の圧力を測定することができる。
The
背圧バルブ44は、空気排出流路92に配置されており、一次側となるカソード100c側の空気圧を一定に保つように調整することができる。流量調整バルブ42は、バイパス流路70に配置されており、バイパス流路70を通る空気量を調整することができる。これら流量調整バルブ42と背圧バルブ44とは、いずれも電磁バルブである。なお、流量調整バルブ42は、請求項におけるバイパス流量調整部に相当する。また、背圧バルブ44は、請求項における調圧バルブに相当する。
The
制御ユニット20は、CPU20aと、RAM20cと、ROM20dとを備えている。CPU20aは、ROM20d内に記憶されている制御用プログラム(図示省略)を実行することによって、制御部20bとして機能する。ROM20dには、サージング特性マップ20eと、エアコンプレッサ動作マップ20fと、流量調整バルブ動作マップ20gとが予め記憶されている。なお、これらの動作マップ20e,20f,20gについては後述する。制御ユニット20は、流量調整バルブ42とケーブルによって接続されている。同様に、制御ユニット20は、背圧バルブ44と、流量計52と、温度計54と、圧力計56と、圧力計58とに対してそれぞれケーブルで接続されている。したがって、制御部20bは、流量計52や温度計54や圧力計56や圧力計58における測定値を取得することができ、また、流量調整バルブ42や背圧バルブ44を制御することができる。
The
バイパス流路70は、一端が空気供給流路62と連通し他端が空気排出流路94と連通している。すなわち、バイパス流路70は、燃料電池100を経由しない空気の流路を形成している。したがって、エアコンプレッサ34から送出された空気は、流量調整バルブ42の開度に応じて一部がバイパス流路70に流入して、燃料電池100を経由せずに空気排出流路94から大気へと排出される。なお、流量調整バルブ42が閉じられている場合には、エアコンプレッサ34から送出された空気は全て燃料電池100に供給される。
The
図2は、図1に示すエアコンプレッサ34の動作特性を示す説明図である。図2において、横軸はエアコンプレッサ34から送出される空気流量を示し、縦軸はエアコンプレッサ34の排出側圧力を示す。また、エアコンプレッサ34の動作ラインの例として、動作ラインLa,Lb,Lc,Ld,Leを記載している。エアコンプレッサ34では、回転体(インペラ等)の回転数を一定にして背圧を変化させると、その回転数に応じた動作ライン(例えば、動作ラインLa,Lb,Lc)に沿って動作点が移動する。ここで、3つの動作ラインLa,Lb,Lcは、この順番に回転数が低くなっている。例えば、背圧を徐々に下げていくと、動作点は、動作ラインLa,Lb,Lcを左上から右下へと移動する。一方、背圧を徐々に上昇させると、動作ラインLa,Lb,Lcを右下から左上へと移動する。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing operating characteristics of the
また、エアコンプレッサ34では、背圧を一定にして回転体の回転数を変化させると、その背圧に応じた動作ライン(例えば、動作ラインLd,Le)に沿って動作点が移動する。ここで、2つの動作ラインLd,Leは、この順番に背圧が低くなっている。そして、回転体の回転数を徐々に下げていくと、動作点は、動作ラインLd,Leを右上から左下へと移動していく。なお、このようなエアコンプレッサ動作特性は、図1に示す燃料電池システム1000において実験により求めることができる。
In the
ここで、エアコンプレッサ34は、ターボ形エアコンプレッサであるため、この形式のエアコンプレッサの特徴として空気流量が比較的少ない場合においてサージングが発生し得る。サージングとは、空気流量と空気圧とが周期的に激しく変動(脈動)する現象である。
Here, since the
図3は、図1に示すエアコンプレッサ34におけるサージングの発生特性を示す説明図である。図3において、横軸はエアコンプレッサ34における空気流量であり、縦軸はエアコンプレッサ34の排出側の空気圧である。図3では、サージングが起こらない限界の条件をサージング限界ラインL1として示している。そして、このサージング限界ラインL1よりも左側は、サージングが発生する領域(以下、「サージング域」と呼ぶ)であり、サージング限界ラインL1を含んで右側は、サージングが発生しない領域(以下、「通常域」と呼ぶ)である。
FIG. 3 is an explanatory view showing the occurrence characteristics of surging in the
エアコンプレッサ34においては、同じ空気圧では、比較的流量が少ない場合にサージングが発生し、同じ流量では、比較的空気圧が高い場合にサージングが発生する傾向を有する。サージング限界ラインL1は、実験により求めることができる。具体的には、例えば、燃料電池システム1000(図1)において、流量調整バルブ42を閉じたままの状態で、エアコンプレッサ34の出力(空気流量)を段階的に下げていきサージングが発生しないぎりぎりの流量(下限流量)を見つける。そして、この作業をエアコンプレッサ34の排出側圧力を変えて行うことで、図2に示すようなサージング限界ラインL1を求めることができる。なお、流量調整バルブ42が開いた状態であっても、サージング限界ラインL1はほぼ同じラインとなる。そして、燃料電池システム1000では、ROM20d(図1)内にサージング特性マップ20eとしてこのサージング特性(サージング限界ラインL1)が記憶されている。
In the
燃料電池100の要求する空気流量及び空気圧とで定められる要求動作点がサージング域に含まれる場合、その要求動作点となるようにエアコンプレッサ34等を制御すると、サージングが発生してしまう。サージングが発生するとインペラ等の回転体やエアコンプレッサ34の筐体に極度の衝撃を与えて損傷させるおそれがある。また、ターボ形エアコンプレッサでは回転体の回転速度によって空気流量を調整することができるが、サージングが発生すると、空気の流れが不安定となって空気流量の調整が困難となる。そこで、燃料電池システム1000では、バイパス流路70を通る空気の流量を調整してサージングの発生を抑制するようにしている。なお、要求動作点が通常域内である場合には、流量調整バルブ42は閉じておりバイパス流路70には空気は流れていない。
If the required operating point determined by the air flow rate and air pressure required by the
具体的には、現在の動作点が通常域内の動作点A(図3)である場合に、燃料電池100の要求する動作点がサージング域内の動作点Bであるものとする。この動作点Bは、現在の動作点Aの空気流量Q0よりも少ない空気流量Q1であり、かつ、動作点Aの空気圧P0よりも低い空気圧P1である。なお、このような動作点Bを要求する場合としては、例えば、燃料電池システム1000が電気車両に搭載されており、ユーザが電気車両を減速させるためにアクセルから足を離した場合などが考えられる。制御部20bは、要求動作点が、サージング域に含まれているか否かをサージング特性マップ20e(図1,3)に基づいて判断する。
Specifically, when the current operating point is the operating point A in the normal range (FIG. 3), the operating point required by the
そして、要求動作点がサージング域に含まれていると判断した場合、制御部20bは、目標動作点を要求動作点である動作点Bではなく動作点Cに設定する。この動作点Cは、空気圧は動作点Bと同じP1であるが、空気流量は動作点Bの空気流量Q1よりも多いQ2であり、通常域に含まれている。そして、制御部20bは、この目標動作点である動作点Cに向かって、エアコンプレッサ34と、流量調整バルブ42と、背圧バルブ44とを制御する。
When it is determined that the requested operating point is included in the surging area, the
具体的な制御動作としては、制御部20bは、まず、回転体の回転数はそのままで背圧バルブ44を制御して空気圧を上昇させる(ステップ[1])。この場合、上述した動作特性(図2)の通り動作点は左上に移動する。このとき、回転体の回転数はそのままで空気圧が上昇するので、空気は流れにくくなって空気流量は減少する。そして、空気圧が所定の圧力まで上昇すると、次に、制御部20bは、背圧を一定に保ったまま、エアコンプレッサ動作マップ20f(図1)に基づいて、エアコンプレッサ34を制御して回転体の回転数を低下させ、空気流量をQ2となるように調整する(ステップ[2])。
As a specific control operation, the
図4は、図1に示すエアコンプレッサ動作マップ20fを模式的に示す説明図である。図4において、横軸は燃料電池100への要求空気圧を示し、縦軸はエアコンプレッサ34の目標空気流量を示す。なお、図3に示すサージング限界ラインL1を参考に示している。エアコンプレッサ動作マップ20fでは、要求空気圧に応じた目標空気流量(目標空気流量ラインL2)が予め定められている。ここで、目標空気流量ラインL2は、サージング限界ラインL1よりも若干上側に位置している。すなわち、各要求空気圧において、目標空気流量は、サージングが発生しない下限流量よりも若干多くなるように設定されている。したがって、制御部20bは、この目標空気流量ラインL2に基づき、要求空気圧が前述のP1である場合に、目標空気流量としてQ1よりも若干多いQ2を得ることができ、空気流量をQ2となるようにエアコンプレッサ34を制御することができる。
FIG. 4 is an explanatory diagram schematically showing the air
そして、制御部20bは、エアコンプレッサ34が動作点C(図3)で動作すると、流量調整バルブ42を制御して、要求動作点Bと要求動作点Cとの空気流量の差分に相当する流量Q3(Q2−Q1)の空気をバイパス流路70に流入するように調整する。このとき、制御部20bは、流量調整バルブ動作マップ20g(図1)に基づいて流量調整バルブ42の開度を制御する。
Then, when the
図5は、図1に示す流量調整バルブ動作マップ20gを模式的に示す説明図である。図5において、横軸は要求空気流量を示し、縦軸は流量調整バルブ42の開度を示す。流量調整バルブ動作マップ20gでは、要求空気圧ごとに、要求空気流量に応じた流量調整バルブ42の開度が予め定められている。例えば、前述のように要求空気圧がP1であり要求空気流量がQ1である場合、流量調整バルブ42の開度はR1となっている。なお、この開度R1は、燃料電池システム1000においてカソード側空気圧がP1である場合にバイパス流路70を通る空気流量がQ3となるように予め実験によって定められている。したがって、制御部20bが流量調整バルブ42の開度をR1となるように制御することで、バイパス流路70に流れる空気流量はQ3となり、空気供給流路64を介してカソード100cに流れ込む空気流量はQ1(Q2−Q3)となる。そうすると、燃料電池100に対して要求空気圧P1で要求空気流量Q1の空気を供給することができる。また、このとき、エアコンプレッサ34では、通常域内の動作点Cで動作するので、サージングの発生を回避することができる。
FIG. 5 is an explanatory diagram schematically showing the flow rate adjustment
以上説明したように、燃料電池システム1000では、燃料電池100の要求空気流量が下限流量よりも少ない場合に、下限流量よりも若干多い流量を目標空気流量としてエアコンプレッサ34を制御すると共に、要求空気流量と目標空気流量との差分に相当する流量Q3の空気をバイパス流路70を介して排出するので、エアコンプレッサ34におけるサージングの発生を抑制することができ、燃料電池100に安定して空気を供給することができる。また、要求空気圧となるように背圧バルブ44やエアコンプレッサ34を制御するので、燃料電池100の要求する要求空気圧を実現することができる。また、目標空気流量として下限流量よりも若干多い程度の流量を設定するので、下限流量よりも十分多い流量を目標空気流量に設定する場合に比べて、エアコンプレッサ34における消費電力を低く抑えることができる。
As described above, in the
B.第2の実施例:
図6は、第2の実施例におけるエアコンプレッサ34の動作点の変化を示す説明図である。第2の実施例における燃料電池システムは、要求動作点がサージング域内である場合の目標動作点が動作点Dとなる点において、燃料電池システム1000(図1)と異なり、他の構成は、第1の実施例と同じである。
B. Second embodiment:
FIG. 6 is an explanatory diagram showing changes in the operating point of the
具体的には、第2の実施例における目標動作点Dは、空気圧は要求動作点Bにおける要求空気圧P1と同じであり、空気流量は、要求流量Q1よりも多いQ4である。ここで、流量Q4は、第1の実施例における目標動作点であった動作点Cの空気流量Q2よりも多い。すなわち、第1の実施例における動作点Cは、サージング限界ラインL1に比較的近い領域に設定されていたが、動作点Dは、サージング限界ラインL1から比較的遠い領域に設定されている。この場合、制御部20bは、第1の実施例とは異なり、ステップ[1]において回転体の回転数はそのままで背圧バルブ44を制御して空気圧を低下させる。そうすると、動作点は右下に移動することとなる。このとき、回転体の回転数はそのままで空気圧が低下するので、空気は流れ易くなって空気流量は上昇する。そして、空気圧が所定の圧力まで低下すると、制御部20bは、第1の実施例と同様にステップ[2]を実行する。このとき、制御部20bは、空気流量がQ4となるように調整する。なお、ステップ[1]において空気圧を上昇させるか低下させるかは、現在の動作点と目標動作点と動作ライン(図2)とを考慮して制御部20bが決定することができる。
Specifically, the target operating point D in the second embodiment has the same air pressure as the required air pressure P1 at the required operating point B, and the air flow rate is Q4, which is higher than the required flow rate Q1. Here, the flow rate Q4 is larger than the air flow rate Q2 at the operating point C, which was the target operating point in the first embodiment. That is, the operating point C in the first embodiment is set in a region relatively close to the surging limit line L1, but the operating point D is set in a region relatively far from the surging limit line L1. In this case, unlike the first embodiment, the
このような構成を有する第2の実施例の燃料電池システムは、要求空気流量Q1と動作点Dにおける空気流量Q4との差分Q5をバイパス流路70を介して排出することで、第1の実施例における燃料電池システム1000と同じ効果を奏する。
In the fuel cell system according to the second embodiment having such a configuration, the difference Q5 between the required air flow rate Q1 and the air flow rate Q4 at the operating point D is discharged through the
C.第3の実施例:
図7は、第3の実施例におけるエアコンプレッサ34の動作点の変化を示す説明図である。第3の実施例における燃料電池システムは、要求動作点がサージング域内である場合に、エアコンプレッサ34における空気流量を調整しない点において、燃料電池システム1000(図1)と異なり、他の構成は、第1の実施例と同じである。
C. Third embodiment:
FIG. 7 is an explanatory diagram showing changes in the operating point of the
具体的には、現在の動作点が動作点Aであり要求動作点がサージング域内の動作点Bである場合に、制御部20bは、背圧バルブ44を制御して空気圧をP1となるように調整する(ステップ[1])。このとき、空気圧がP0からP1に低下するので、空気は流れ易くなって空気流量は増加してQ6(>Q0)となり、動作点Aから動作点Eに移行する。そして、制御部20bは、エアコンプレッサ34における空気流量を調整せずに(ステップ[2]を実行せずに)、流量調整バルブ42を制御して開度を調整する。このとき、バイパス流路70を通る空気量が、要求空気流量Q1と動作点Eにおける流量Q6との差分流量Q7となるように、流量調整バルブ42を開くようにする。なお、このような要求空気流量と流量調整バルブ42の開度との関係は予め実験により求めておき、流量調整バルブ動作マップ20gとしてROM20dに記憶しておく。
Specifically, when the current operating point is the operating point A and the required operating point is the operating point B in the surging area, the
このような構成を有する第3の実施例の燃料電池システムは、要求空気流量Q1と動作点Eにおける空気流量Q6との差分Q7をバイパス流路70を介して排出するので、第1の実施例における燃料電池システム1000と同じ効果を奏する。
In the fuel cell system of the third embodiment having such a configuration, the difference Q7 between the required air flow rate Q1 and the air flow rate Q6 at the operating point E is discharged via the
D.第4の実施例:
図8は、第4の実施例におけるエアコンプレッサ34の動作点の変化を示す説明図である。第4の実施例における燃料電池システムは、現在の動作点が動作点F(空気圧P2,空気流量Q10)である点と、要求動作点がサージング域内である場合に背圧を調整しない点とにおいて燃料電池システム1000(図1)と異なり、他の構成は第1の実施例と同じである。
D. Fourth embodiment:
FIG. 8 is an explanatory diagram showing changes in the operating point of the
具体的には、現在の動作点が通常域内の動作点F(空気圧P2,空気流量Q10)であり要求動作点がサージング域内の動作点Bである場合に、制御部20bは、背圧バルブ44を制御せずに、エアコンプレッサ34を制御して空気流量がQ8となるように調整し、動作点Fから動作点Gに移行させる(ステップ[2])。そして、制御部20bは、流量調整バルブ42を制御して、バイパス流路70を通る空気量が要求空気流量Q1とQ8との差分流量Q9となるように流量調整バルブ42を開くようにする。このようにすることで、燃料電池100に対して要求流量Q1の空気を供給することができると共に、エアコンプレッサ34におけるサージングの発生を抑制することができる。
Specifically, when the current operating point is the operating point F (air pressure P2, air flow rate Q10) in the normal range and the required operating point is the operating point B in the surging range, the
E.第5の実施例:
図9は、第5の実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム1000aは、バイパス流路70の一端が空気排出流路94と連通していない点において、燃料電池システム1000(図1)と異なり、他の構成は第1の実施例と同じである。
E. Fifth embodiment:
FIG. 9 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of the fuel cell system according to the fifth embodiment. This
具体的には、バイパス流路70において流量調整バルブ42の下流側は、空気排出流路94と連通していない。しがって、エアコンプレッサ34からバイパス流路70に流入した空気は、空気排出流路94及びマフラ36を介さずに大気へと放出される。このような構成を有する燃料電池システム1000aは、第1の実施例における燃料電池システム1000と同じ効果を奏する。
Specifically, the downstream side of the flow
F.変形例:
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
F. Variations:
In addition, elements other than the elements claimed in the independent claims among the constituent elements in each of the above embodiments are additional elements and can be omitted as appropriate. The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
F1.変形例1:
上述した各実施例では、流量調整バルブ42は、要求動作点がサージング域内である場合に開き、要求動作点が通常域の場合には閉じているものとしたが、これに代えて、要求動作点が通常域であっても所定の開度で開くようにすることができる。この構成では、現在の動作点が通常域内にあり要求動作点をサージング域内に移行しようとする場合に、流量調整バルブ42の開度をより大きくして流量調整バルブ動作マップ20gに基づき定められる開度となるように制御することで、サージングの発生を抑制することができる。以上の実施例及び変形例からも理解できるように、要求動作点がサージング域内である場合に、流量調整バルブ42を制御してバイパス流路70を通る空気流量を増加させることによって、エアコンプレッサ34の供給空気流量を下限流量よりも少なくせずに、燃料電池100のカソード100c側に供給する空気流量を調整する任意の構成を、本発明の燃料電池システムに適用することができる。
F1. Modification 1:
In each of the above-described embodiments, the flow
F2.変形例2:
上述した第1の実施例では、現在の動作点A(図3)から動作点Cに移行するのに、まず背圧バルブ44を制御して所定の空気圧となるように調整し(ステップ[1])、次に、エアコンプレッサ34を制御して空気流量をQ2となるように調整する(ステップ[2])ものであったが、これに代えて、これらステップ[1],[2]を同時に実行することもできる。また、これらステップ[1],[2]の実行する順番を入れ替えて、ステップ[2]の次にステップ[1]を実行することもできる。
F2. Modification 2:
In the first embodiment described above, in order to shift from the current operating point A (FIG. 3) to the operating point C, the
F3.変形例3:
上述した実施例において、燃料電池100への空気の供給が不安定になる原因はサージングの発生であったが、他の任意の理由によって低流量での空気の供給が不安定となり得る場合に、本発明の燃料電池システムを適用することで、空気の安定供給を可能とすることができる。この場合、動作点がサージング域であるか否かを判定するのではなく、要求空気流量が、要求空気圧において安定的にエアコンプレッサ34が動作可能な下限流量よりも少ないか否かを判定するようにすることができる。なお、この下限流量は、上述した各実施例と同様に、予め実験によって求めてマップとしてROM20dに記憶しておくことができる。
F3. Modification 3:
In the above-described embodiment, the reason why the supply of air to the
F4.変形例4:
上述した各実施例において、2つの圧力計56,58は、空気排出流路92又は空気供給流路62に配置されているものとしたが、これらの位置に代えて酸化剤ガス流路80に配置するようにしてもよい。この場合、サージング特性として、この酸化剤ガス流路80における空気圧とエアコンプレッサ34における空気流量との関係を予め実験により求めておき、サージング特性マップ20eとしてROM20dに記憶しておくこともできる。なお、圧力計56を空気供給流路64に配置することもできる。また、圧力計の数は2つに限らず任意の数とすることもできる。同様に、流量計52の配置位置も空気供給流路64に限らず、酸化剤ガス流路80や空気排出流路92や空気供給流路62等の他の箇所に配置することもできる。また、流量計52の個数も1つに限らず任意の数とすることもできる。
F4. Modification 4:
In each of the above-described embodiments, the two
20...制御ユニット
20a...CPU
20b...制御部
20c...RAM
20d...ROM
20e...サージング特性マップ
20f...エアコンプレッサ動作マップ
20g...流量調整バルブ動作マップ
32...エアクリーナ
34...エアコンプレッサ
36...マフラ
42...流量調整バルブ
44...背圧バルブ
52...流量計
54...温度計
56,58...圧力計
62...空気供給流路
64...空気供給流路
70...バイパス流路
80...酸化剤ガス流路
82...燃料ガス流路
92...空気排出流路
94...空気排出流路
100...燃料電池
100a...アノード
100c...カソード
1000,1000a...燃料電池システム
A〜F...動作点
Q0〜Q10...空気流量
P0〜P2...空気圧
L1...サージング限界ライン
L2...目標空気流量ライン
R1...開度
20 ...
20b ...
20d ... ROM
20e ... Surging characteristics map 20f ... Air
Claims (3)
燃料電池と、
前記燃料電池に空気を供給するための空気供給流路と、
前記空気供給流路を介して前記燃料電池に空気を供給するターボ形エアコンプレッサと、
前記空気供給流路と連通して前記燃料電池を経由しないで空気を排出するバイパス流路と、
前記バイパス流路に配置され前記バイパス流路を通る空気量を調整するためのバイパス流量調整部と、
前記燃料電池に要求される要求空気流量に応じて、前記バイパス流量調整部を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記要求空気流量が前記ターボ形エアコンプレッサの予め定められた下限流量よりも少ない場合に、前記バイパス流路を通る空気流量を利用して前記ターボ形エアコンプレッサの供給空気流量を前記下限流量以上に維持しつつ、前記燃料電池に供給する空気流量を調整する、燃料電池システム。 A fuel cell system,
A fuel cell;
An air supply channel for supplying air to the fuel cell;
A turbo air compressor for supplying air to the fuel cell through the air supply flow path;
A bypass passage communicating with the air supply passage and exhausting air without passing through the fuel cell;
A bypass flow rate adjusting unit for adjusting the amount of air passing through the bypass channel disposed in the bypass channel;
A control unit for controlling the bypass flow rate adjusting unit according to a required air flow rate required for the fuel cell;
With
When the required air flow rate is less than a predetermined lower limit flow rate of the turbo air compressor, the control unit uses the air flow rate through the bypass flow path to reduce the supply air flow rate of the turbo air compressor. A fuel cell system that adjusts a flow rate of air supplied to the fuel cell while maintaining the flow rate at or above the lower limit flow rate.
前記燃料電池における空気圧を調整する調圧バルブを備え、
前記制御部は、前記燃料電池に要求される要求空気圧に応じて、前記調圧バルブを制御して前記燃料電池における空気圧を前記要求空気圧に近づける、燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, further comprising:
A pressure regulating valve for adjusting the air pressure in the fuel cell;
The said control part is a fuel cell system which controls the said pressure regulation valve according to the request | requirement air pressure requested | required of the said fuel cell, and makes the air pressure in the said fuel cell approach the said request | requirement air pressure.
前記制御部は、前記要求空気流量が前記下限流量以上の場合には前記バイパス流路に空気が流れないように前記バイパス流量調整部を制御し、前記要求空気流量が前記下限流量よりも少ない場合には前記バイパス流路に空気を流すように前記バイパス流量調整部を制御する、燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 or 2,
The control unit controls the bypass flow rate adjusting unit so that air does not flow in the bypass flow path when the required air flow rate is equal to or higher than the lower limit flow rate, and the required air flow rate is less than the lower limit flow rate. In the fuel cell system, the bypass flow rate adjusting unit is controlled so that air flows through the bypass flow path.
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