JP2016136496A - 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】酸化剤ガスを運転条件に応じて変更しつつ、サージングを発生させないようにターボコンプレッサの流路面積を変更する。
【解決手段】燃料電池システムＡは、燃料電池スタック１０と、酸化剤ガス供給管４１と、酸化剤ガス供給管内に配置されたターボコンプレッサ４４と、カソードオフガス管４６と、カソードオフガス管内に配置された調圧弁４７とを備える。ターボコンプレッサは、ディフューザ１１３の流路面積を第１及び第２の流路面積間で切り替え可能である。ターボコンプレッサの動作点が属しうる領域に、第１の流路面積では第１の非サージング領域及び第１のサージング領域、第２の流路面積では第２の非サージング領域及び第２のサージング領域が夫々区画される。第１の非サージング領域及び第２の非サージング領域の一方から他方に動作点が移動されるとき、両非サージング領域が重なる領域内に動作点が属するときディフューザの流路面積が切り替えられる。
【選択図】図１
【解決手段】燃料電池システムＡは、燃料電池スタック１０と、酸化剤ガス供給管４１と、酸化剤ガス供給管内に配置されたターボコンプレッサ４４と、カソードオフガス管４６と、カソードオフガス管内に配置された調圧弁４７とを備える。ターボコンプレッサは、ディフューザ１１３の流路面積を第１及び第２の流路面積間で切り替え可能である。ターボコンプレッサの動作点が属しうる領域に、第１の流路面積では第１の非サージング領域及び第１のサージング領域、第２の流路面積では第２の非サージング領域及び第２のサージング領域が夫々区画される。第１の非サージング領域及び第２の非サージング領域の一方から他方に動作点が移動されるとき、両非サージング領域が重なる領域内に動作点が属するときディフューザの流路面積が切り替えられる。
【選択図】図１
Description
本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法に関する。
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、燃料電池スタック内に形成された酸化剤ガス通路の入口に連結された酸化剤ガス供給管と、酸化剤ガス供給管内に配置され、酸化剤ガスを圧送するターボコンプレッサと、酸化剤ガス通路の出口に連結されたカソードオフガス管と、カソードオフガス管内に配置され、酸化剤ガス通路の圧力を制御する調圧弁と、を備える、燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
燃料電池スタックの温度が高くなると、燃料電池スタック内で気化する水分の量が多くなるので、酸化剤ガスによって燃料電池スタックから持ち去られる水分の量は多くなる。そうなると、燃料電池スタック内の水分が不足して、燃料電池スタック内の燃料電池単セルの膜電極接合体が乾燥してしまうおそれがある。特に、高負荷運転から低負荷運転に切り替えられた直後のように、燃料電池スタックの温度が高いことに加えて、燃料電池スタックの発電すべき電力が少なく、燃料電池スタックで生成される水分が少ない場合には、水分の持ち去りの影響は大きい。そこで、燃料電池システムでは、燃料電池スタックの温度が高く、かつ、燃料電池スタックの発電すべき電力が少ないとき、燃料電池スタック内の乾燥を防止するために、燃料電池スタック内の酸化剤ガスの圧力を高く設定し、水分の凝縮効果などにより、酸化剤ガスによって燃料電池スタックから持ち去さられる水分の量を少なくする、という方法で対処する場合がある。
上記されたように、燃料電池スタックの温度が高く、燃料電池スタックの発電すべき電力が少ない、すなわち酸化剤ガス流量が少ない場合には、燃料電池スタックが乾燥するおそれがあるため、燃料電池スタック内の酸化剤ガスの圧力は高く設定される必要がある。しかしながら、酸化剤ガス流量が少ないときに酸化剤ガスの圧力が高く設定されると、ターボコンプレッサから実際に吐出される酸化剤ガス流量及び酸化剤ガス供給管内の圧力がそれぞれ大きく振動する、いわゆるサージングが発生するおそれがある。ここで、詳しくは後述するが、ターボコンプレッサにおいてサージングが発生することを回避する方法として、ディフューザの流路面積を変更する技術が考えられる。すなわち、おおまかに言うと、酸化剤ガス流量が多く酸化剤ガスの圧力が低いときにはディフューザの流路面積が大きな第１の流路面積に設定され、酸化剤ガス流量が少なく酸化剤ガスの圧力が高いときには流路面積が小さな第２の流路面積に設定される。この場合、酸化剤ガス流量及び圧力に応じて、流路面積を第１の流路面積と第２の流路面積との間で切り換える必要がある。ところが、サージングの発生を確実に阻止しつつ流路面積を切り換えるのは必ずしも容易なことではない。酸化剤ガスの流量及び圧力を運転条件に応じて変更しつつ、サージングを発生させないようにターボコンプレッサの流路面積を変更可能な技術が望まれている。
本発明の一の観点によれば、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタック内に形成された酸化剤ガス通路の入口に連結された酸化剤ガス供給管と、前記酸化剤ガス供給管内に配置され、酸化剤ガスを圧送するターボコンプレッサと、前記酸化剤ガス通路の出口に連結されたカソードオフガス管と、前記カソードオフガス管内に配置され、前記酸化剤ガス通路の圧力を制御する調圧弁と、を備え、前記ターボコンプレッサは、ディフューザの流路面積を互いに異なる第１の流路面積及び第２の流路面積との間で切り替え可能であり、前記ターボコンプレッサの入口の圧力に対する出口の圧力の比である圧力比及び前記ターボコンプレッサからの酸化剤ガス流量により定まる前記ターボコンプレッサの動作点が属しうる領域内に、前記ディフューザの前記流路面積が前記第１の流路面積のときに前記ターボコンプレッサにサージングが生じない第１の非サージング領域及び前記ターボコンプレッサにサージングが生じうる第１のサージング領域が区画されると共に、前記ディフューザの前記流路面積が前記第２の流路面積のときに前記ターボコンプレッサにサージングが生じない第２の非サージング領域及び前記ターボコンプレッサにサージングが生じうる第２のサージング領域が区画されており、前記第１の非サージング領域が、前記第２の非サージング領域に重なっている重複領域と前記第２の非サージング領域に重なっていない第１の非重複領域とに区分されると共に、前記第２の非サージング領域が、前記第１の非サージング領域に重なっている前記重複領域と前記第１の非サージング領域に重なっていない第２の非重複領域とに区分されており、前記ターボコンプレッサの動作点が前記第１の非重複領域内に属するときには前記ディフューザの流路面積を前記第１の流路面積に設定し、前記ターボコンプレッサの動作点が前記第２の非重複領域内に属するときには前記ディフューザの流路面積を前記第２の流路面積に設定し、前記ターボコンプレッサの動作点が前記第１の非重複領域から前記重複領域を通って前記第２の非重複領域まで移動するとき、又は、前記第２の非重複領域から前記重複領域を通って前記第１の非重複領域まで移動するときには、前記ターボコンプレッサの動作点が前記重複領域内に属するときに前記ターボコンプレッサの前記ディフューザの前記流路面積を前記第１の流路面積と第２の流路面積との間で切り替える、燃料電池システムが提供される。
本発明の別の観点によれば、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタック内に形成された酸化剤ガス通路の入口に連結された酸化剤ガス供給管と、前記酸化剤ガス供給管内に配置され、酸化剤ガスを圧送するターボコンプレッサと、前記酸化剤ガス通路の出口に連結されたカソードオフガス管と、前記カソードオフガス管内に配置され、前記酸化剤ガス通路の圧力を制御する調圧弁と、を備え、前記ターボコンプレッサは、ディフューザの流路面積を互いに異なる第１の流路面積及び第２の流路面積との間で切り替え可能であり、前記ターボコンプレッサの入口の圧力に対する出口の圧力の比である圧力比及び前記ターボコンプレッサからの酸化剤ガス流量により定まる前記ターボコンプレッサの動作点が属しうる領域内に、前記ディフューザの前記流路面積が前記第１の流路面積のときに前記ターボコンプレッサにサージングが生じない第１の非サージング領域及び前記ターボコンプレッサにサージングが生じうる第１のサージング領域が区画されると共に、前記ディフューザの前記流路面積が前記第２の流路面積のときに前記ターボコンプレッサにサージングが生じない第２の非サージング領域及び前記ターボコンプレッサにサージングが生じうる第２のサージング領域が区画されており、前記第１の非サージング領域が、前記第２の非サージング領域に重なっている重複領域と前記第２の非サージング領域に重なっていない第１の非重複領域とに区分されると共に、前記第２の非サージング領域が、前記第１の非サージング領域に重なっている前記重複領域と前記第１の非サージング領域に重なっていない第２の非重複領域とに区分されている燃料電池システムの制御方法であって、前記ターボコンプレッサの動作点が前記第１の非重複領域内に属するときには前記ディフューザの流路面積を前記第１の流路面積に設定し、前記ターボコンプレッサの動作点が前記第２の非重複領域内に属するときには前記ディフューザの流路面積を前記第２の流路面積に設定し、前記ターボコンプレッサの動作点が前記第１の非重複領域から前記重複領域を通って前記第２の非重複領域まで移動するとき、又は、前記第２の非重複領域から前記重複領域を通って前記第１の非重複領域まで移動するときには、前記ターボコンプレッサの動作点が前記重複領域内に属するときに前記ターボコンプレッサの前記ディフューザの前記流路面積を前記第１の流路面積と第２の流路面積との間で切り替える、燃料電池システムの制御方法が提供される。
酸化剤ガスの流量及び圧力を運転条件に応じて変更しつつ、サージングを発生させないようにターボコンプレッサの流路面積を変更できる。
図１を参照すると、燃料電池システムＡは燃料電池スタック１０を備える。燃料電池スタック１０は積層方向に互いに積層された複数の燃料電池単セルを含む積層体を備える。積層体の各燃料電池単セルは膜電極接合体２０を含む。膜電極接合体２０は膜状の電解質と、電解質の一側に形成されたアノード極と、電解質の他側に形成されたカソード極とを備える。
燃料電池単セルのアノード極は一側に隣接する他の燃料電池単セルのカソード極に、カソード極は他側に隣接する他の燃料電池単セルのアノード極にそれぞれ電気的に接続される。積層体の一端側の燃料電池単セルのアノード極と他端側の燃料電池単セルのカソード極とは燃料電池スタック１０の電極を構成する。燃料電池スタック１０の電極はＤＣ／ＤＣコンバータ１１を介してインバータ１２に電気的に接続され、インバータ１２はモータジェネレータ１３に電気的に接続される。また、燃料電池システムＡは蓄電器１４を備えており、この蓄電器１４はＤＣ／ＤＣコンバータ１５を介して上述のインバータ１２に電気的に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は燃料電池スタック１０からの電圧を高めてインバータ１２に送るためのものであり、インバータ１２はＤＣ／ＤＣコンバータ１１又は蓄電器１４からの直流電流を交流電流に変換するためのものである。ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は燃料電池スタック１０又はモータジェネレータ１３から蓄電器１４への電圧を低くし、又は蓄電器１４からモータジェネレータ１３への電圧を高くするためのものである。なお、図１に示される燃料電池システムＡでは蓄電器１４はバッテリから構成される。
また、燃料電池単セル内には、アノード極に燃料ガスを供給するための燃料ガス流通路と、カソード極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流通路と、燃料電池単セルに冷却水を供給するための冷却水流通路とがそれぞれ形成される。複数の燃料電池単セルの燃料ガス流通路を並列に接続し、複数の燃料電池単セルの酸化剤ガス流通路を並列に接続し、及び、複数の燃料電池単セルの冷却水流通路を並列に接続することにより、燃料電池スタック１０には燃料ガス通路３０、酸化剤ガス通路４０、及び、冷却水通路５０がそれぞれ形成される。
燃料ガス通路３０の入口である燃料ガス供給口には燃料ガス供給管３１が連結され、燃料ガス供給管３１は燃料ガス源３２に連結される。図１に示される実施例では、燃料ガスは水素ガスから形成され、燃料ガス源３２は水素タンクから形成される。燃料ガス供給管３１内には上流側から順に、遮断弁３３と、燃料ガス供給管３１内の燃料ガスの圧力を調整するレギュレータ３４と、燃料ガス源３２からの燃料ガスを燃料電池スタック１０に供給するための燃料ガスインジェクタ３５と、が配置される。一方、燃料ガス通路３０の出口である燃料ガス排出口にはアノードオフガス管３６が連結される。遮断弁３３が開弁されかつ燃料ガスインジェクタ３５が開弁されると、燃料ガス源３２内の燃料ガスが燃料ガス供給管３１を介して燃料電池スタック１０内の燃料ガス通路３０内に供給される。このとき燃料ガス通路３０から流出するガス、すなわちアノードオフガスはアノードオフガス管３６内に流入する。アノードオフガス管３６内には上流側から順に、アノードオフガスを気液分離する気液分離器３７と、気液分離器３７に蓄積された液体の排出を制御する排出制御弁３８が配置される。気液分離器３７の上部には燃料ガス循環管８１の入口が連通され、燃料ガス供給管３１における燃料ガスインジェクタ３５よりも下流の箇所には燃料ガス循環管８１の出口が連通される。燃料ガス循環管８１内には、気液分離器３７内の気体、すなわち気液分離されたアノードオフガスを圧送する燃料ガス循環ポンプ３９が配置される。燃料ガス循環ポンプ３９が駆動されると、気液分離器３７に蓄積されたアノードオフガスが燃料ガス供給管３１へ循環される。
また、酸化剤ガス通路４０の入口である酸化剤ガス供給口には酸化剤ガス供給管４１が連結され、酸化剤ガス供給管４１は酸化剤ガス源４２に連結される。図１に示される実施例では、酸化剤ガスは空気から形成され、酸化剤ガス源４２は大気から形成される。酸化剤ガス供給管４１内には上流側から順に、ガスクリーナ４３と、酸化剤ガスを圧送するターボコンプレッサ４４と、ターボコンプレッサ４４から燃料電池スタック１０に送られる酸化剤ガスを冷却するためのインタークーラ４５と、が配置される。一方、酸化剤ガス通路４０の出口である酸化剤ガス排出口にはカソードオフガス管４６が連結される。ターボコンプレッサ４４が駆動されると、酸化剤ガス供給管４１におけるターボコンプレッサ４４よりも上流側の上流側酸化剤ガス供給管４１Ｕを介して吸入された酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給管４１におけるターボコンプレッサ４４よりも下流側の下流側酸化剤ガス供給管４１Ｄを介して燃料電池スタック１０内の酸化剤ガス通路４０内に供給される。このとき酸化剤ガス通路４０から流出するガス、すなわちカソードオフガスはカソードオフガス管４６内に流入する。カソードオフガス管４６内には上流側から順に、カソードオフガス管４６内を流れるカソードオフガスの流量又は燃料電池スタック１０の酸化剤ガス通路４０内の圧力を制御する調圧弁４７と、マフラー８０とが配置される。アノードオフガス管３６の出口は、調圧弁４７とマフラー８０との間に連結される。アノードオフガス管３６の排出制御弁３８が例えば所定の周期で一時的に開弁されると、気液分離器３７に蓄積された液体、すなわち水分がアノードオフガスと共にアノードオフガス管３６からカソードオフガス管４６へ排出される。
ターボコンプレッサ４４は遠心式又は軸流式のターボコンプレッサから構成される。小型化などの面から、遠心式のターボコンプレッサが好適に用いられる。ターボコンプレッサ４４はディフューザの流路面積を変更可能であり、すなわちターボコンプレッサでサージングが起こらない作動領域である非サージング領域を変更可能である。例えば、流路面積が小さくされると、酸化剤ガス流量がより少ない作動領域までサージングの発生が防止される。ターボコンプレッサ４４は、ディフューザの流路面積を変更するための駆動部４９に接続される。
また、冷却水通路５０の入口には冷却水供給管５１の一端が連結され、冷却水供給管５１の出口には冷却水供給管５１の他端が連結される。冷却水供給管５１内には冷却水を圧送する冷却水ポンプ５２と、ラジエータ５３とが配置される。ラジエータ５３上流の冷却水供給管５１と、ラジエータ５３下流であってラジエータ５３と冷却水ポンプ５２間の冷却水供給管５１とはラジエータバイパス管５４により互いに連結される。また、ラジエータバイパス管５４内を流れる冷却水量を制御するラジエータバイパス制御弁５５が設けられる。図１に示される燃料電池システムＡではラジエータバイパス制御弁５５は三方弁から形成され、ラジエータバイパス管５４の入口に配置される。また、冷却水ポンプ５２下流側の冷却水供給管５１にインタークーラ用水供給管５６の一端が連結され、インタークーラ４５にインタークーラ用水供給管５６の他端が連結される。また、インタークーラ４５にインタークーラ用水排出管５７の一端が連結され、ラジエータバイパス制御弁５５上流側の冷却水供給管５１にインタークーラ用水排出管５７の他端が連結される。冷却水ポンプ５２が駆動されると、冷却水ポンプ５２から吐出された冷却水は冷却水供給管５１を介して燃料電池スタック１０内の冷却水通路５０内に流入し、次いで冷却水通路５０を通って冷却水供給管５１内に流入し、ラジエータ５３又はラジエータバイパス管５４を介して冷却水ポンプ５２に戻る。また、冷却水供給管５１を流通する冷却水はインタークーラ用水供給管５６を介してインタークーラ４５内を流通し、インタークーラ用水排出管５７を介して冷却水供給管５１に戻る。
電子制御ユニット６０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス６１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）６２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）６３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）６４、入力ポート６５及び出力ポート６６を具備する。下流側酸化剤ガス供給管４１Ｄには下流側酸化剤ガス供給管４１Ｄ内の圧力を検出する圧力センサ７０が取り付けられる。また、燃料電池スタック１０内の冷却水通路５０に隣接する冷却水供給管５１には冷却水の温度を検出する温度センサ７１が取り付けられる。圧力センサ７０及び温度センサ７１の出力信号は対応するＡＤ変換器６７を介して入力ポート６５に入力される。一方、出力ポート６６は対応する駆動回路６８を介して遮断弁３３、レギュレータ３４、燃料ガスインジェクタ３５、排出制御弁３８、燃料ガス循環ポンプ３９、ターボコンプレッサ４４、調圧弁４７、駆動部４９、冷却水ポンプ５２、及びラジエータバイパス制御弁５５に電気的に接続される。
ところで、燃料電池スタック１０で発電すべきときには遮断弁３３及び燃料ガスインジェクタ３５が開弁され、水素ガスが燃料電池スタック１０に供給される。また、ターボコンプレッサ４４が駆動され、空気が燃料電池スタック１０に供給される。その結果、燃料電池単セルにおいて電気化学反応（Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−，（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ）が起こり、電気エネルギが発生される。この発生された電気エネルギはモータジェネレータ１３に送られる。その結果、モータジェネレータ１３が車両駆動用の電気モータとして作動され、電動車両が駆動される。一方、例えば車両制動時にはモータジェネレータ１３が回生装置として作動し、このとき回生された電気エネルギは蓄電器１４に蓄えられる。
図１に示される燃料電池システムＡでは、発電すべきときには、例えばアクセルペダルの踏み込み量により表されるモータジェネレータ１３の負荷及び蓄電器１４の蓄電量に応じて燃料電池スタック１０の目標電流値が求められる。次いで、燃料電池スタック１０の出力電流値を目標電流値にするのに必要な燃料ガス流量及び酸化剤ガス流量、すなわち目標燃料ガス流量及び目標酸化剤ガス流量ＱＯＸＳが求められる。次いで、燃料電池スタック１０に送られる燃料ガス流量が目標燃料ガス流量となるようにレギュレータ３４及び燃料ガスインジェクタ３５が制御され、燃料電池スタック１０に送られる酸化剤ガス流量が目標酸化剤ガス流量ＱＯＸＳとなるようにターボコンプレッサ４４が制御される。
ここで、例えば燃料電池スタック１０の運転が高負荷運転から低負荷運転に切り替えられた直後には、ターボコンプレッサ４４が目標酸化剤ガス流量ＱＯＸＳの酸化剤ガスを圧力を変更せずに供給すると、燃料電池スタック１０が乾燥するおそれがある。これは、燃料電池スタック１０の温度が比較的高く、また、低負荷運転時に燃料電池スタック１０で生成される水の量が少ないからである。そこで図１に示される燃料電池システムＡでは、燃料電池スタック１０の乾燥を抑制し、所定量以上の水分が確保されるようにする乾燥抑制制御が行われる。すなわち、調圧弁４７の開度が一時的に小さくされる。その結果、酸化剤ガス流量が減少して、カソードオフガスにより持ち去られる水の量が低減される。また、燃料電池スタック１０の酸化剤ガス通路４０内の圧力が高められ、酸化剤ガス通路４０内で凝縮する水の量が増大される。この乾燥抑制制御では、燃料電池スタック１０の酸化剤ガス通路４０内の圧力が目標とする圧力になるように調圧弁４７が調整される。ここで、乾燥抑制のための酸化剤ガス通路４０内の目標圧力ＰＢＡは、例えば燃料電池スタック１０の温度及び目標酸化剤ガス流量ＱＯＸＳの関数として予め求められており、図２に示されるマップの形でＲＯＭ６２内に予め記憶されている。したがって、乾燥抑制制御では、燃料電池スタック１０の温度及び目標酸化剤ガス流量ＱＯＸＳに基づいて図２に示されるマップから目標圧力ＰＢＡが取得され、酸化剤ガス通路４０内の圧力が目標圧力ＰＢＡになるように調圧弁４７の開度が制御される。ただし、燃料電池スタック１０の温度としては温度センサ７１で検出される冷却水の温度が用いられる。酸化剤ガス通路４０内の圧力としては圧力センサ７０で検出される下流側酸化剤ガス供給管４１Ｄ内の圧力が用いられる。一方、燃料電池スタック１０で乾燥抑制制御を行わない運転、すなわち通常運転では、調圧弁４７は例えば全開とされる。
次に、図３及び図４を参照しながら、ターボコンプレッサ４４の構成について更に説明する。ただし、図３は図４のＢ３−Ｂ３断面図であり、図４は図３のＢ４−Ｂ４断面図である。
図３及び図４に示される実施例では、ターボコンプレッサ４４は、遠心型のターボコンプレッサであり、ケーシング１０１とケーシング１０２とを図示しない接合手段により接合することにより構成される。ケーシング１０２は、円形のバックプレート１０６を備える。バックプレート１０６には、シール機能付の軸受１０５を介して回転軸１０４が回転可能に支持される。回転軸１０４にはインペラ１０３が固定される。回転軸１０４が軸心線Ｃを中心にして図示しない電気モータにより回転され、それによりインペラ１０３が回転する。インペラ１０３は、図３の上方から下方に向かって内径が拡がる湾曲周面上に均等な間隔で取り付けられた複数の翼１０３ａを含む。
ケーシング１０１は内部に、図３の上方から下方に向かって、内径が単調に減少する吸入口１１０と、内径が概ね一定の流路１１１と、内径が単調に増加する漏斗状の空間１１２とを有し、吸入口１１０と流路１１１と空間１１２とはこの順に互いに連結する。空間１１２内にはインペラ１０３が配置される。また、空間１１２における流路１１１と反対側の、漏斗状の末広がり部分の外周部には、ディフューザ１１３が連通される。ディフューザ１１３は、軸心線Ｃに垂直な方向に放射状に延びる酸化剤ガスの流路である。ディフューザ１１３の外周側には連通空間１１４を介して蝸牛状のボリュート１１５が連通される。したがって、上流側酸化剤ガス供給管４１Ｕ内の酸化剤ガスは、インペラ１０３の回転により吸入口１１０から吸入され、インペラ１０３の遠心力により圧縮されながらディフューザ１１３へ供給されて、ディフューザ１１３によりさらに圧縮される。ディフューザ１１３により圧縮された酸化剤ガスは連通空間１１４及びボリュート１１５を介して吐出口（図示せず）から下流側酸化剤ガス供給管４１Ｄへ送出される。
バックプレート１０６は、ディフューザ１１３よりも内側の部分であり、インペラ１０３の下方に配置された内側バックプレート１０６ａと、ディフューザ１１３よりも外側の部分であり、ケーシング１０１と接合された外側バックプレート１０６ｂとで構成される。
ディフューザ１１３は、上側のディフューザ壁１１６の一方の面と、ディフューザ壁１１６と対向する下側のディフューザ壁１０７の上面とによって区画される。ディフューザ壁１１６はケーシング１０１の一部であって、軸心線Ｃ方向に対して垂直な環状の壁面で構成される。ディフューザ壁１１６の他方の面によりボリュート１１５が区画される。ディフューザ壁１０７は軸心線Ｃ方向に対して垂直な環状の壁面で構成される。ディフューザ壁１０７は、軸心線Ｃ方向に移動可能である。ディフューザ壁１０７の内周部及び外周部には挟着板１２３によって固定された環状の可撓性部材１０８、１０９が設けられる。すなわち、可撓性部材１０８の外周部及び可撓性部材１０９の内周部はそれぞれ挟着板１２３によって、ディフューザ壁１０７に固定される。また、可撓性部材１０８の内周部は挟着板１２１によって内側バックプレート１０６ａに固定され、可撓性部材１０９の外周部は挟着板１２２によって外側バックプレート１０６ｂに固定される。したがって、ディフューザ壁１０７はバックプレート１０６に、可撓性部材１０８、１０９によって、軸心線Ｃ方向に移動可能に支持される。このとき、可撓性部材１０８、１０９は、ディフューザ壁１０７とともにディフューザ１１３の一側面を形成する。
ケーシング１０２の下側にはディフューザ壁１０７を移動するための移動部１２４が設けられ、移動部１２４は移動部１２４を駆動する駆動部４９に接続される。移動部１２４及び駆動部４９は例えば油圧回路であり、移動部１２４にはディフューザ壁１０７を移動させるための作動油が充填され、駆動部４９は移動部１２４の作動油の圧力を制御する。図３に示す状態から、駆動部４９が移動部１２４の作動油に圧力を印加すると、作動油による挟着板１２３を下側から押し上げる力が働くことで、図５に示すように、ディフューザ壁１０７がディフューザ壁１１６に近づく。すなわちディフューザ１１３の流路面積が小さくなる。このとき、可撓性部材１０８、１０９は上方へ撓む。一方、図５に示す状態から、駆動部４９が作動油に印加した圧力を開放すると、作動油による挟着板１２３を下側から押し上げる力が働かなくなり、可撓性部材１０８、１０９が元の形状に戻るように下方へ撓むことで、図３に示すように、ディフューザ壁１０７がディフューザ壁１１６から離れる。すなわちディフューザの流路面積が大きくなる。図示しない別の実施例では、駆動部４９が作動油を吸引することで可撓性部材１０８、１０９が元の形状に戻るよう下方へ撓む。また、図示しない更に別の実施例では、移動部１２４及び駆動部４９は、油圧ではなく空気圧を用いる。また、図示しない更に別の実施例では、移動部１２４及び駆動部４９はそれぞれリンク機構及びそのリンク機構を駆動する駆動装置である。
図３に示される状態は、駆動部４９が作動油に圧力を印加せず、可撓性部材１０８、１０９が通常の形状の状態であり、ディフューザ壁１０７がディフューザ壁１１６に対して離れた状態である。この場合、ディフューザ壁１０７とディフューザ壁１１６との距離ｄは長く、距離ｄ１となり、ディフューザ１１３の流路面積は大きくなる。一方、図５に示される状態は、駆動部４９が作動油に圧力を印加して、ディフューザ壁１０７がディフューザ壁１１６の向きに移動して、可撓性部材１０８、１０９が収縮した状態であり、ディフューザ壁１０７がディフューザ壁１１６に対して近づいた状態である。この場合、ディフューザ壁１０７とディフューザ壁１１６との距離ｄは短く、距離ｄ２となり、ディフューザ１１３の流路面積は小さくなる。
本発明による実施例では、図３〜図５のターボコンプレッサ４４は、ディフューザ壁１０７とディフューザ壁１１６との距離ｄ及びディフューザ１１３の流路面積が、図３に示される距離ｄ１で流路面積が大きい第１の流路面積である場合と、図５に示される距離がｄ２で流路面積が小さい第２の流路面積である場合とのいずれかを取るように、駆動部４９及び移動部１２４が制御されるものとする。その場合、乾燥抑制制御を行わない通常運転の状態にはターボコンプレッサ４４に対して図３に示される距離ｄ１（第１の流路面積）が設定され、サージングが発生するおそれがある状態にはターボコンプレッサ４４に対して図５に示される距離ｄ２（第２の流路面積）が設定されるものとする。言い換えると、ディフューザ壁１０７とディフューザ壁１１６との距離ｄ及びディフューザ１１３の流路面積は２段階で制御される。なお、別の実施例では、ディフューザ壁１０７とディフューザ壁１１６との距離ｄ及びディフューザ１１３の流路面積が、油圧を制御することで、２段階ではなく３段階以上、又は、連続的に制御される。この場合、上述の第１の流路面積及び第２の流路面積は、互いに異なる任意の２つの流路面積に設定される。例えば、第１の流路面積はディフューザ１１３がとりうる最大の流路面積に設定され、第２の流路面積はディフューザ１１３がとりうる最少の流路面積に設定される。
次に、図６及び図７を参照しながら、ディフューザ１１３の流路面積とターボコンプレッサ４４の圧力−流量曲線との関係について説明する。図６及び図７は、ターボコンプレッサ４４の特性を示す。縦軸はターボコンプレッサ４４の入口における圧力に対するターボコンプレッサ４４の出口における圧力の比である圧力比を示し、横軸はターボコンプレッサ４４から吐出される酸化剤ガス流量を示す。ただし、ターボコンプレッサ４４の出口における圧力は圧力センサ７０により検出されると共に、調圧弁４７により制御される酸化剤ガス通路４０内の圧力に応じて定まる。一方、ターボコンプレッサ４４の入口における圧力は大気圧と考えることができる。したがって、ターボコンプレッサ４４の出口における圧力が増加すると、圧力比も増加する。
図６はディフューザ壁１０７がディフューザ壁１１６に対して離れた状態、すなわちディフューザ壁１０７とディフューザ壁１１６との距離は長くｄ１であり、ディフューザ１１３の流路面積が大きい第１の流路面積である場合を示す（図３）。図６を参照すると、圧力比及び酸化剤ガス流量により定まるターボコンプレッサ４４の作動状態領域に第１のサージング領域ＳＡ１と第１の非サージング領域ＮＳＡ１とが区画される。第１のサージング領域ＳＡ１は、圧力比が限界圧力比ＲＰＬ１よりも高い領域であり、ターボコンプレッサ４４の作動状態が第１のサージング領域ＳＡ１に属するときにはサージングが発生するおそれがある。一方、第１の非サージング領域ＮＳＡ１は、圧力比が限界圧力比ＲＰＬ１よりも低い領域であり、ターボコンプレッサ４４の作動状態が第１の非サージング領域ＮＳＡ１に属するときにはサージングが発生しない。なお、限界圧力比ＲＰＬ１は酸化剤ガス流量に応じて定まり、具体的には酸化剤ガス流量が多くなるにつれて高くなる。
すなわち、ターボコンプレッサ４４の作動状態がＥａで表されるとき、すなわち圧力比がＲＰａであり酸化剤ガス流量がＱＯＰａであるときには、ターボコンプレッサ４４の作動状態Ｅａは第１のサージング領域ＳＡ１内に属する。一方、ターボコンプレッサ４４の作動状態がＥｂで表されるとき、すなわち圧力比がＲＰｂであり酸化剤ガス流量がＱＯＰｂであるときには、ターボコンプレッサ４４の作動状態Ｅｂは第１の非サージング領域ＮＳＡ１内に属する。
一方、図７はディフューザ壁１０７がディフューザ壁１１６に対して近づいた状態、すなわちディフューザ壁１０７とディフューザ壁１１６との距離ｄは短くｄ２であり、ディフューザ１１３の流路面積が小さい第２の流路面積である場合を示す（図５）。図７を参照すると、圧力比及び酸化剤ガス流量により定まるターボコンプレッサ４４の作動状態領域に第２のサージング領域ＳＡ２と第２の非サージング領域ＮＳＡ２とが区画される。第２のサージング領域ＳＡ２は、圧力比が限界圧力比ＲＰＬ２よりも高い領域であり、ターボコンプレッサ４４の作動状態が第２のサージング領域ＳＡ２に属するときにはサージングが発生するおそれがある。一方、第２の非サージング領域ＮＳＡ２は、圧力比が限界圧力比ＲＰＬ２よりも低い領域であり、ターボコンプレッサ４４の作動状態が第２の非サージング領域ＮＳＡ２に属するときにはサージングが発生しない。なお、限界圧力比ＲＰＬ２は酸化剤ガス流量に応じて定まり、具体的には酸化剤ガス流量が大きくなるにつれて高くなり、ピークを過ぎると酸化剤ガス流量が大きくなるにつれて低くなる。
すなわち、ターボコンプレッサ４４の作動状態がＥ１で表されるとき、すなわち圧力比がＲＰ１であり酸化剤ガス流量がＱＯＰ１であるときには、ターボコンプレッサ４４の作動状態Ｅ１は第２のサージング領域ＳＡ２内に属する。一方、ターボコンプレッサ４４の作動状態がＥ２で表されるとき、すなわち圧力比がＲＰ２であり酸化剤ガス流量がＱＯＰ２であるときには、ターボコンプレッサ４４の作動状態Ｅ２は第２の非サージング領域ＮＳＡ２内に属する。ただし、限界圧力比ＲＰＬ２は、図６の限界圧力比ＲＰＬ１よりも高圧力比側に存在している。
図８は、ディフューザ１１３が第１の流路面積である場合（図６）とディフューザ１１３が第２の流路面積である場合（図７）とを併せて示す。このとき、図８において、Ｅｓは、ターボコンプレッサ４４からの酸化剤ガス流量を上述した目標酸化剤ガス流量ＱＯＸＳに制御しつつ、圧力比をＲＰＳに設定した場合のターボコンプレッサ４４の作動状態を表す。図８に示される例ではターボコンプレッサ４４の作動状態Ｅｓは、ディフューザ１１３が第１の流路面積である場合、図６の作動状態Ｅａと同様に、第１のサージング領域ＳＡ１内に属している。この場合、ディフューザ１１３の流路面積を第２の流路面積に変更すると、ターボコンプレッサ４４の作動状態Ｅｓは、図７の作動状態Ｅ２と同様に、第２の非サージング領域ＮＳＡ２内に属することになる。すなわち、目標酸化剤ガス流量ＱＯＸＳの下で圧力比ＲＰＳを変更せずに、ディフューザ１１３の流路面積を小さくすることで、ターボコンプレッサ４４の作動状態Ｅｓを、サージング領域から非サージング領域に変更することができる。言い換えると、ターボコンプレッサ４４では、ディフューザ１１３の流路面積が変更可能であることで、ディフューザ１１３の流路面積が固定されている場合と比較して、非サージング領域が高圧力比側に拡張される、ということができる。なお、圧力比を一定とすれば非サージング領域が低酸化剤ガス流量側に拡張される、とみることもできる。それにより、ターボコンプレッサ４４では、高圧力比、低酸化剤ガス流量であっても、サージングの発生が抑制される。
以下では、ターボコンプレッサ４４の作動状態を動作点ともいう。このとき、図８のターボコンプレッサ４４の圧力−流量曲線を再掲した図９において、ターボコンプレッサ４４の圧力比及びターボコンプレッサ４４からの酸化剤ガス流量により定まるターボコンプレッサ４４の動作点が属しうる領域内では、第１の非サージング領域ＮＳＡ１が、第２の非サージング領域ＮＳＡ２に重なっている重複領域ＯＬＡと第２の非サージング領域ＮＳＡ２に重なっていない第１の非重複領域ＵＯＬＡ１とに区分されると共に、第２の非サージング領域ＮＳＡ２が、第１の非サージング領域ＮＳＡ１に重なっている重複領域ＯＬＡと第１の非サージング領域ＮＳＡ１に重なっていない第２の非重複領域ＵＯＬＡ２とに区分されている。更に、ターボコンプレッサ４４の動作点が属しうる領域内には、第１のサージング領域ＳＡ１と第２のサージング領域ＳＡ２とが重なる共通サージング領域ＣＳＡが区画される。図９に示す実施例では、動作点が第1の非重複領域ＵＯＬＡ１にあるときにはターボコンプレッサ４４の流路面積は第１の流路面積に制御され、動作点が第２の非重複領域ＵＯＬＡ２にあるときにはターボコンプレッサ４４の流路面積は第２の流路面積に制御される。ここで、ターボコンプレッサ４４の第１の非重複領域ＵＯＬＡ１、重複領域ＯＬＡ、第２の非重複領域ＵＯＬＡ２を示す図９のグラフのデータは、ＲＯＭ６２内に予め記憶されている。
ところで、一般に、ターボコンプレッサ４４からの実際の酸化剤ガス流量がＱＯＸｘ１のときに、目標酸化剤ガス流量が変更されそれにより酸化剤ガス流量がＱＯＸｘ２になるようにターボコンプレッサ４４が制御されると、実際の酸化剤ガス流量はＱＯＸｘ１からＱＯＸｘ２まで遅れをもって変化する。同様に、実際の圧力比がＲＰｘ１のときに、目標圧力が変更されそれにより酸化剤ガス通路４０内の圧力が目標圧力になるように調圧弁４７が制御されると、実際の圧力比はＲＰｘ１から目標圧力に対応するＲＰｘ２まで遅れをもって変化する。したがって、図１０に示されるように、動作点は、酸化剤ガス流量ＱＯＸｘ１及び圧力比ＲＰｘ１により定まる動作点Ｅｘ１から、目標酸化剤ガス流量ＱＯＸｘ２及び目標圧力に対応する圧力比ＲＰｘ２により定まる動作点Ｅｘ２まで、曲線Ｘ１に沿って、移動する。このため、目標酸化剤ガス流量及び目標圧力が新たな値に変更されてからしばらくの間は、実際の動作点は目標動作点に一致していない。
以上に基づいて、図１に示される燃料電池システムＡでは、例えば、図１１に示すように、現在の動作点Ｅｓ１が第１の非重複領域ＵＯＬＡ１に属し、すなわち現在の流路面積が第１の流路面積のとき、動作点を第２の非重複領域ＵＯＬＡ２に属する目標とする動作点Ｅｓ２へ移動させるには以下の制御が行われる。まず、現在の動作点が第１の非重複領域ＵＯＬＡ１、第２の非重複領域ＵＯＬＡ２及び重複領域ＯＬＡのいずれに属するかが判別される。現在の動作点Ｅｓ１が第１の非重複領域ＵＯＬＡ１に属する場合には、図９のグラフのデータに基づいて、目標圧力ＰＢＡに対応した圧力比と目標酸化剤ガス流量ＱＯＸＳとにより定まる、ターボコンプレッサ４４が目標とする動作点Ｅｓ２が第２の非重複領域ＵＯＬＡ２に属するか否かが判別される。そして、目標とする動作点Ｅｓ２が第２の非重複領域ＵＯＬＡ２に属すると判別されたときには、動作点は図１１の例では曲線Ｙ１に沿って、第１の非重複領域ＵＯＬＡ１、重複領域ＯＬＡ及び第２の非重複領域ＵＯＬＡ２を順次移動する。ここで、ターボコンプレッサ４４の動作点が第１の非重複領域ＵＯＬＡ１の現在の動作点Ｅｓ１から重複領域ＯＬＡを通って第２の非重複領域ＵＯＬＡ２の目標とする動作点Ｅｓ２へ移動してゆく途中で、動作点が重複領域ＯＬＡに属する動作点Ｅｓ０１のときに、ディフューザ１１３の流路面積が第１の流路面積から第２の流路面積に切り替えられる。すなわち、ディフューザ壁１１６とディフューザ壁１０７との距離ｄが距離ｄ２に切り替えられる。その後、動作点は第２の非重複領域ＵＯＬＡ２の目標とする動作点Ｅｓ２へ移動する。言い換えると、ターボコンプレッサ４４の動作点が第２の非サージング領域ＮＳＡ２に入る。これに対し、ターボコンプレッサ４４が目標とする動作点Ｅｓ２が第２の非重複領域ＵＯＬＡ２に属さないと判別されたときには、ディフューザ１１３の流路面積が第１の流路面積に維持される。
一方、例えば、図１２に示すように、現在の動作点Ｅｓ３が第２の非重複領域ＵＯＬＡ２に属し、すなわち現在の流路面積が第２の流路面積のとき、動作点を第１の非重複領域ＵＯＬＡ１内に属する目標とする動作点Ｅｓ４へ移動させるには以下の制御が行われる。現在の動作点Ｅｓ３が第２の非重複領域ＵＯＬＡ２に属する場合には、図９のグラフのデータに基づいて、目標圧力ＰＢＡに対応した圧力比と目標酸化剤ガス流量ＱＯＸＳとにより定まる、ターボコンプレッサ４４が目標とする動作点Ｅｓ４が第１の非重複領域ＵＯＬＡ１に属するか否かが判別される。そして、目標とする動作点Ｅｓ４が第１の非重複領域ＵＯＬＡ１に属すると判別されたときには、動作点は図１２の例では曲線Ｙ２に沿って、第２の非重複領域ＵＯＬＡ２、重複領域ＯＬＡ及び第１の非重複領域ＵＯＬＡ１を順次移動する。ここで、ターボコンプレッサ４４の動作点が第２の非重複領域ＵＯＬＡ２の現在の動作点Ｅｓ３から重複領域ＯＬＡを通って第１の非重複領域ＵＯＬＡ１の目標とする動作点Ｅｓ４へ移動してゆく途中で、動作点が重複領域ＯＬＡに属する動作点Ｅｓ０２のときに、ディフューザ１１３の流路面積が第２の流路面積から第１の流路面積に切り替えられる。すなわち、ディフューザ壁１１６とディフューザ壁１０７との距離ｄが距離ｄ１に切り替えられる。その後、動作点は第１の非重複領域ＵＯＬＡ１の目標とする動作点Ｅｓ４へ移動する。言い換えると、ターボコンプレッサ４４の動作点が第１の非サージング領域ＮＳＡ１に入る。これに対し、ターボコンプレッサ４４が目標とする動作点Ｅｓ４が第１の非重複領域ＵＯＬＡ１に属さないと判別されたときには、ディフューザ１１３の流路面積が第２の流路面積に維持される。
また、現在の動作点が重複領域ＯＬＡの場合、目標の動作点に応じて直ちにディフューザ１１３の流路面積が変更される。すなわち、目標の動作点が第１の非重複領域ＵＯＬＡ１に属する場合、流路面積が第１の流路面積に変更、又は第１の流路面積に維持される。また、目標の動作点が第２の非重複領域ＵＯＬＡ２に属する場合、流路面積が第２の流路面積に変更、又は第２の流路面積に維持される。また、目標の動作点が重複領域ＯＬＡに属する場合、流路面積がその時の流路面積に維持される。
このように、本実施例では、ターボコンプレッサ４４の酸化剤ガス流量及び圧力で定まる動作点が、例えば、第１の非重複領域ＵＯＬＡ１に属する現在の動作点から重複領域ＯＬＡを通って第２の非重複領域ＵＯＬＡ２に属する目標の動作点へ移動するとき、動作点が重複領域ＯＬＡに属するときに、ターボコンプレッサ４４の流路面積を第１の流路面積から第２の流路面積へ変更している。このとき、流路面積の変更を重複領域ＯＬＡで行っているので、ターボコンプレッサ４４にサージングが発生することはない。動作点が、例えば、第２の非重複領域ＵＯＬＡ２に属する現在の動作点から重複領域ＯＬＡを通って第１の非重複領域ＵＯＬＡ１に属する目標の動作点へ移動するときも同様である。したがって、燃料電池スタック１０に供給する酸化剤ガスの流量及び圧力を、燃料電池スタック１０の運転条件に応じて変更しつつ、サージングを発生させないようにターボコンプレッサ４４の流路面積を変更することができる。
ここで、例えば第１の非重複領域ＵＯＬＡ１から第２の非重複領域ＵＯＬＡ２へ動作点を移動するとき、動作点が重複領域ＯＬＡ以外の領域に属するときに流路面積を切り替えることは以下の点で不適切である。例えば目標とする動作点が第２の非重複領域ＵＯＬＡ２に属する場合であっても、実際の動作点が未だ第１の非重複領域ＵＯＬＡ１に属するときに流路面積を第１の流路面積から第２の流路面積に切り替えると、第２の流路面積のターボコンプレッサ４４にとって第１の非重複領域ＵＯＬＡ１は第２のサージング領域ＳＡ２であるため、ターボコンプレッサ４４にサージングが発生してしまうおそれがある。また、例えば動作点が第２の非重複領域ＵＯＬＡ２に属した後に流路面積を第１の流路面積から第２の流路面積に切り替えると、第１の流路面積のターボコンプレッサ４４にとって第２の非重複領域ＵＯＬＡ２は第１のサージング領域ＳＡ１であるため、動作点が第２の非重複領域ＵＯＬＡ２に入ってから流路面積を切り替えるまでにターボコンプレッサ４４にサージングが発生してしまうおそれがある。ディフューザ１１３の動作遅れのことを考えると、サージングが発生している時間が長くなるおそれもある。このことは、第２の非重複領域ＵＯＬＡ２から第１の非重複領域ＵＯＬＡ１へ動作点を移動するとき、動作点が重複領域ＯＬＡ以外の領域に属するときに流路面積を切り替える場合にも同様に当てはまる。本実施例では、動作点が重複領域ＯＬＡに属するときに流路面積を切り替えることで、上記のようなサージングの発生を防止できる。それにより、動作点を移動させつつ、すなわち酸化剤ガスの流量及び圧力を変更しつつ、サージングを発生させないようにターボコンプレッサの流路面積を変更することができる。
また、非サージング領域を第１の非サージング領域ＮＳＡ１だけでなく第２の非サージング領域ＮＳＡ２まで実質的に拡張することができるので、乾燥抑制制御のために酸化剤ガス流量が少なく、酸化剤ガスの圧力が高い場合であってもターボコンプレッサ４４でのサージングの発生を抑制できる。
図１３は図１の燃料電池システムＡにおける酸化剤ガス供給制御ルーチンを示している。このルーチンは一定時間ごとの割り込みによって実行される。図１３を参照すると、ステップ１００では燃料電池スタック１０の温度が温度センサ７１により検出される。続くステップ１０１では目標電流値に基づいて、目標酸化剤ガス流量ＱＯＸＳが算出される。続くステップ１０２では燃料電池スタック１０の温度及び目標酸化剤ガス流量ＱＯＸＳに基づいて、図２に示されるマップを参照して、燃料電池スタック１０内の酸化剤ガス通路４０の目標圧力が決定される。続くステップ１０３では酸化剤ガス通路４０の目標圧力に基づいて圧力比が算出され、算出された圧力比及び目標酸化剤ガス流量ＱＯＸＳに基づいて、ターボコンプレッサ４４が目標とする動作点が決定される。続くステップ１０４では酸化剤ガス通路４０の目標圧力及び目標酸化剤ガス流量ＱＯＸＳになるようにターボコンプレッサ４４の酸化剤ガス流量と圧力が制御され、調圧弁４７の開度が制御される。
図１４は、図１の燃料電池システムＡにおける流路面積切り替え制御ルーチンを示している。このルーチンは一定時間ごとの割り込みによって実行される。ステップ２００では、図９のグラフを示すデータを参照して、現在の動作点が第１の非重複領域ＵＯＬＡ１に属するか否かが判別される。現在の動作点が第１の非重複領域ＵＯＬＡ１に属するときにはステップ２０１へ進み、目標の動作点が第２の非重複領域ＵＯＬＡ２に属するか否かが判別される。目標の動作点が第２の非重複領域ＵＯＬＡ２に属するときにはステップ２０２へ進み、動作点が重複領域ＯＬＡに属するまで待ち、動作点が重複領域ＯＬＡに属するようになったときにはステップ２０３へ進み、流路面積を第１の流路面積から第２の流路面積へ切り替える。ステップ２０１において目標の動作点が第２の非重複領域ＵＯＬＡ２に属さないときには流路面積の切り替えは行わない。一方、ステップ２００において現在の動作点が第１の非重複領域ＵＯＬＡ１に属さないときにはステップ２０４へ進み、現在の動作点が第２の非重複領域ＵＯＬＡ２に属するか否かが判別される。現在の動作点が第２の非重複領域ＵＯＬＡ２に属するときにはステップ２０５へ進み、目標の動作点が第１の非重複領域ＵＯＬＡ１に属するか否かが判別される。目標の動作点が第１の非重複領域ＵＯＬＡ１に属するときにはステップ２０６へ進み、動作点が重複領域ＯＬＡに属するまで待ち、動作点が重複領域ＯＬＡに属するようになったときにはステップ２０７へ進み、流路面積を第２の流路面積から第１の流路面積へ切り替える。ステップ２０５において目標の動作点が第１の非重複領域ＵＯＬＡ１に属さないときには流路面積の切り替えは行わない。更に、ステップ２０４において現在の動作点が第２の非重複領域ＵＯＬＡ２に属さないとき、すなわち重複領域に属するときにはステップ２０８進み、重複領域制御を行う。
図１５は、図１４のステップ２０８で実行される重複領域制御ルーチンを示している。ステップ３００では、目標の動作点が第１の非重複領域ＵＯＬＡ１に属するか否かが判別される。目標の動作点が第１の非重複領域ＵＯＬＡ１に属するときにはステップ３０１へ進み、流路面積が第１の流路面積に変更される、又は、第１の流路面積に維持される。一方、ステップ３００において、目標の動作点が第１の非重複領域ＵＯＬＡ１に属さないときにはステップ３０２へ進み、目標の動作点が第２の非重複領域ＵＯＬＡ２に属するか否かが判別される。目標の動作点が第２の非重複領域ＵＯＬＡ２に属するときにはステップ３０３へ進み、流路面積が第２の流路面積に変更される、又は、第２の流路面積に維持される。更に、ステップ３０２において、目標の動作点が第２の非重複領域ＵＯＬＡ２に属さないとき、すなわち重複領域に属するときには流路面積がその時の流路面積に維持される。
次に、図１６を参照して別の実施例について説明する。図１に示される燃料電池システムＡは、燃料ガス通路３０の出口である燃料ガス排出口と燃料ガス供給管３１とがアノードオフガス管３６及び燃料ガス循環管８１で接続され、水素ガスを含むアノードオフガスが燃料ガス供給管３１へ循環されるシステム、すなわち燃料ガス循環式の燃料電池システムである。一方、図１６に示される燃料電池システムＡは、燃料ガス循環管８１及び燃料ガス循環ポンプ３９が除かれている。すなわち、図１６示される燃料電池システムＡは、燃料ガス通路３０の出口である燃料ガス排出口と燃料ガス供給管３１とが分離され、水素ガスを含むアノードオフガスが燃料ガス供給管３１へ循環されないシステム、すなわち燃料ガス非循環式の燃料電池システムである。
燃料ガス循環式の燃料電池システムではアノードオフガスと共に水分も燃料ガス供給管３１へ戻されるが、燃料ガス非循環式の燃料電池システムでは水分が燃料ガス供給管３１へ戻されないので、燃料電池スタック内が乾燥しやすい。本発明による実施例では、燃料ガス非循環式の燃料電池システムでも乾燥抑制が可能である。
この場合にも、図１に示される実施例の燃料電池システムＡと同様の効果を奏することができる。
次に、図１７を参照して更に別の実施例について説明する。図１２に示す実施例では、第２の非重複領域ＵＯＬＡ２内の現在の動作点Ｅｓ３から第１の非重複領域ＵＯＬＡ１内の目標の動作点Ｅｓ４へ動作点が変更されるとき、動作点が曲線Ｙ２に沿って移動する途中で、重複領域ＯＬＡを経由しており、共通サージング領域ＣＳＡを経由していない。一方、図１７に示す実施例では、第２の非重複領域ＵＯＬＡ２内の現在の動作点Ｅｓ５から第１の非重複領域ＵＯＬＡ１内の目標の動作点Ｅｓ６へ動作点が変更されるとき、動作点が曲線Ｙ５に沿って移動すると、重複領域ＯＬＡを経由せず、共通サージング領域ＣＳＡを経由してしまう。そこで更に別の実施例では、まず重複領域ＯＬＡ内に仮の目標の動作点Ｅｓ０３を設定し、すなわち仮の目標の動作点Ｅｓ０３に対応する仮の目標酸化剤ガス流量及び仮の目標圧力を設定し、仮の目標の動作点Ｅｓ０３に向けて制御する。その結果、動作点は図１７の例では曲線Ｙ３に沿って移動する。そして、酸化剤ガス流量及び圧力がその仮の目標酸化剤ガス流量及び仮の目標圧力になった時点、すなわち動作点が重複領域ＯＬＡの動作点Ｅｓ０３になった時点で流路面積の切り替えを行う。その後、本来の目標の動作点Ｅｓ６へ移動すべく、酸化剤ガス流量及び圧力を本来の目標の動作点Ｅｓ６に対応する目標酸化剤ガス流量及び目標圧力に設定し、目標の動作点Ｅｓ６に向けて制御する。その結果、動作点は曲線Ｙ４に沿って移動し、すなわち酸化剤ガス流量及び圧力がその目標酸化剤ガス流量及び目標圧力へ向かって変化する。
この場合にも、流路面積の切り替えが重複領域で行われているので、ターボコンプレッサ４４の運転中にサージングが起きることとはなく、図１に示す実施例の燃料電池システムＡと同様の効果を奏することができる。また、現在の動作点Ｅｓ５と目標の動作点Ｅｓ６との間に共通サージング領域ＣＳＡがあり、動作点を曲線Ｙ５に沿って移動させると、サージングが起きる場合でも、仮の目標の動作点Ｅｓ０３を設定することで、その共通サージング領域ＣＳＡを迂回しつつ、流路面積の切り替えを行うことができる。
Ａ 燃料電池システム
１０ 燃料電池スタック
４０ 酸化剤ガス通路
４１ 酸化剤ガス供給管
４４ ターボコンプレッサ
４６ カソードオフガス管
４７ 調圧弁
１１３ ディフューザ
１０ 燃料電池スタック
４０ 酸化剤ガス通路
４１ 酸化剤ガス供給管
４４ ターボコンプレッサ
４６ カソードオフガス管
４７ 調圧弁
１１３ ディフューザ
Claims (10)
- 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタック内に形成された酸化剤ガス通路の入口に連結された酸化剤ガス供給管と、
前記酸化剤ガス供給管内に配置され、酸化剤ガスを圧送するターボコンプレッサと、
前記酸化剤ガス通路の出口に連結されたカソードオフガス管と、
前記カソードオフガス管内に配置され、前記酸化剤ガス通路の圧力を制御する調圧弁と、
を備え、
前記ターボコンプレッサは、ディフューザの流路面積を互いに異なる第１の流路面積及び第２の流路面積との間で切り替え可能であり、
前記ターボコンプレッサの入口の圧力に対する出口の圧力の比である圧力比及び前記ターボコンプレッサからの酸化剤ガス流量により定まる前記ターボコンプレッサの動作点が属しうる領域内に、前記ディフューザの前記流路面積が前記第１の流路面積のときに前記ターボコンプレッサにサージングが生じない第１の非サージング領域及び前記ターボコンプレッサにサージングが生じうる第１のサージング領域が区画されると共に、前記ディフューザの前記流路面積が前記第２の流路面積のときに前記ターボコンプレッサにサージングが生じない第２の非サージング領域及び前記ターボコンプレッサにサージングが生じうる第２のサージング領域が区画されており、
前記第１の非サージング領域が、前記第２の非サージング領域に重なっている重複領域と前記第２の非サージング領域に重なっていない第１の非重複領域とに区分されると共に、前記第２の非サージング領域が、前記第１の非サージング領域に重なっている前記重複領域と前記第１の非サージング領域に重なっていない第２の非重複領域とに区分されており、
前記ターボコンプレッサの動作点が前記第１の非重複領域内に属するときには前記ディフューザの流路面積を前記第１の流路面積に設定し、前記ターボコンプレッサの動作点が前記第２の非重複領域内に属するときには前記ディフューザの流路面積を前記第２の流路面積に設定し、
前記ターボコンプレッサの動作点が前記第１の非重複領域から前記重複領域を通って前記第２の非重複領域まで移動するとき、又は、前記第２の非重複領域から前記重複領域を通って前記第１の非重複領域まで移動するときには、前記ターボコンプレッサの動作点が前記重複領域内に属するときに前記ターボコンプレッサの前記ディフューザの前記流路面積を前記第１の流路面積と第２の流路面積との間で切り替える、
燃料電池システム。 - 前記調圧弁は、前記酸化剤ガス通路内の圧力が、前記燃料電池スタックに供給すべき酸化剤ガスの流量としての目標酸化剤ガス流量と前記燃料電池スタックの温度とに基づいて定まる目標圧力になるように制御される、
請求項１に記載の燃料電池システム。 - 前記目標圧力は、前記目標酸化剤ガス流量と前記燃料電池スタックの温度とに基づいて、前記燃料電池スタック内の燃料電池単セルのカソード極側の水分量が所定量よりも低くならないように設定される、
請求項２に記載の燃料電池システム。 - 前記第1の流路面積は、前記ディフューザの最大の流路面積であり、前記第２の流路面積は、前記ディフューザの最小の流路面積である、
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 - 前記ターボコンプレッサは、
前記ディフューザの流路を構成する一対のディフューザ壁と、
前記一対のディフューザ壁間の距離を変更することで、前記流路面積を変更可能な駆動部と、
を含む、
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 - 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタック内に形成された酸化剤ガス通路の入口に連結された酸化剤ガス供給管と、
前記酸化剤ガス供給管内に配置され、酸化剤ガスを圧送するターボコンプレッサと、
前記酸化剤ガス通路の出口に連結されたカソードオフガス管と、
前記カソードオフガス管内に配置され、前記酸化剤ガス通路の圧力を制御する調圧弁と、
を備え、
前記ターボコンプレッサは、ディフューザの流路面積を互いに異なる第１の流路面積及び第２の流路面積との間で切り替え可能であり、
前記ターボコンプレッサの入口の圧力に対する出口の圧力の比である圧力比及び前記ターボコンプレッサからの酸化剤ガス流量により定まる前記ターボコンプレッサの動作点が属しうる領域内に、前記ディフューザの前記流路面積が前記第１の流路面積のときに前記ターボコンプレッサにサージングが生じない第１の非サージング領域及び前記ターボコンプレッサにサージングが生じうる第１のサージング領域が区画されると共に、前記ディフューザの前記流路面積が前記第２の流路面積のときに前記ターボコンプレッサにサージングが生じない第２の非サージング領域及び前記ターボコンプレッサにサージングが生じうる第２のサージング領域が区画されており、
前記第１の非サージング領域が、前記第２の非サージング領域に重なっている重複領域と前記第２の非サージング領域に重なっていない第１の非重複領域とに区分されると共に、前記第２の非サージング領域が、前記第１の非サージング領域に重なっている前記重複領域と前記第１の非サージング領域に重なっていない第２の非重複領域とに区分されている燃料電池システムの制御方法であって、
前記ターボコンプレッサの動作点が前記第１の非重複領域内に属するときには前記ディフューザの流路面積を前記第１の流路面積に設定し、前記ターボコンプレッサの動作点が前記第２の非重複領域内に属するときには前記ディフューザの流路面積を前記第２の流路面積に設定し、
前記ターボコンプレッサの動作点が前記第１の非重複領域から前記重複領域を通って前記第２の非重複領域まで移動するとき、又は、前記第２の非重複領域から前記重複領域を通って前記第１の非重複領域まで移動するときには、前記ターボコンプレッサの動作点が前記重複領域内に属するときに前記ターボコンプレッサの前記ディフューザの前記流路面積を前記第１の流路面積と第２の流路面積との間で切り替える、
燃料電池システムの制御方法。 - 前記調圧弁を、前記酸化剤ガス通路内の圧力が、前記燃料電池スタックに供給すべき酸化剤ガスの流量としての目標酸化剤ガス流量と前記燃料電池スタックの温度とに基づいて定まる目標圧力になるように制御する、
請求項６に記載の燃料電池システムの制御方法。 - 前記目標圧力を、前記目標酸化剤ガス流量と前記燃料電池スタックの温度とに基づいて、前記燃料電池スタック内の燃料電池単セルのカソード極側の水分量が所定量よりも低くならないように設定する、
請求項７に記載の燃料電池システムの制御方法。 - 前記第1の流路面積は、前記ディフューザの最大の流路面積であり、前記第２の流路面積は、前記ディフューザの最小の流路面積である、
請求項６乃至８のいずれか一項に記載の燃料電池システムの制御方法。 - 前記ターボコンプレッサは、
前記ディフューザの流路を構成する一対のディフューザ壁と、
前記一対のディフューザ壁間の距離を変更することで、前記流路面積を変更可能な駆動部と、
を含む、
請求項６乃至９のいずれか一項に記載の燃料電池システムの制御方法。
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