JP2019133750A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムにおいて、ターボコンプレッサの目標動作点として設定可能な範囲を大きくする。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池に空気を供給するための空気供給流路と、空気供給流路に設けられ、空気供給流路に空気を供給するためのターボコンプレッサと、空気供給流路におけるターボコンプレッサよりも上流側に設けられたスロットル弁と、ターボコンプレッサが燃料電池の発電に要求される空気の流量および圧力比として定まる要求動作点で動作するように、ターボコンプレッサを制御するとともに、要求動作点がターボコンプレッサにサージングが生じる動作点の範囲であるサージング領域に含まれると判断した場合は、要求動作点がサージング領域に含まれないと判断した場合よりもスロットル弁の開度を小さくする制御部とを備える。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムに関して、例えば、特許文献１には、燃料電池の要求する空気流量及び空気圧とで定められるターボコンプレッサの要求動作点が、サージング領域に含まれる場合は、ターボコンプレッサの目標動作点をサージング領域に含まれない動作点にすることが開示されている。「サージング領域」とは、ターボコンプレッサにサージングが生じる動作点の範囲を意味する。

特開２００９−１２３５５０号公報

特許文献１に記載された燃料電池システムでは、ターボコンプレッサの有するサージング領域は、流量と圧力比との関係を表す特性マップ上、大きな範囲を占めている。そのため、ターボコンプレッサの目標動作点として設定可能な動作点の範囲が小さい。

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、以下の形態として実現することが可能である。

本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、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；前記空気供給流路に設けられ、前記空気供給流路に空気を供給するためのターボコンプレッサと；前記空気供給流路における前記ターボコンプレッサよりも上流側に設けられたスロットル弁と；前記ターボコンプレッサが前記燃料電池の発電に要求される空気の流量および圧力比として定まる要求動作点で動作するように、前記ターボコンプレッサを制御するとともに、前記要求動作点が前記ターボコンプレッサにサージングが生じる動作点の範囲であるサージング領域に含まれると判断した場合は、前記要求動作点が前記サージング領域に含まれないと判断した場合よりも前記スロットル弁の開度を小さくする制御部と；を備える。
この形態の燃料電池システムによれば、ターボコンプレッサの要求動作点がサージング領域に含まれる場合は、スロットル弁の開度が小さくされることによって、サージング限界線が低流量側に移動する。このため、ターボコンプレッサの目標動作点として設定可能な動作点の範囲が大きくなる。

本発明は、燃料電池システム以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池システムの制御方法や、燃料電池車両や、ターボコンプレッサのサージング抑制方法等の形態で実現することができる。

第１実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す説明図。 ターボコンプレッサの性能特性を示すコンプレッサマップ。 スロットル弁開度制御の処理内容を示すフローチャート。 スロットル弁の開度とサージング限界線との関係を示す説明図。 スロットル弁の開度とターボコンプレッサの効率との関係を示す説明図。

Ａ．第１実施形態
図１は、第１実施形態における燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。本実施形態の燃料電池システム１０は、例えば、燃料電池車両に搭載され、燃料電池車両の駆動用モータを駆動させるための発電装置として用いられる。燃料電池システム１０は、定置型の発電装置として用いてもよい。燃料電池システム１０は、燃料電池１００と、空気供給流路２１０と、エアクリーナ２１１と、スロットル弁２１２と、ターボコンプレッサ２１３と、モータ２１４と、インタークーラ２１５と、入口弁２１６と、空気排出流路２２０と、調圧弁２２１と、バイパス流路２３０と、バイパス弁２３１と、制御部３００とを備えている。

本実施形態の燃料電池１００は、固体高分子形の燃料電池である。燃料電池１００は、複数のセルが積層したスタック構造を有する。各セルは、電解質膜の両面に電極触媒層を有する膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持する一対のセパレータとを備えている。各セルは、膜電極接合体のアノード側に燃料ガスである水素ガスが供給され、カソード側に酸化ガスである空気が供給されることにより、電気化学反応により起電力を発生する。各セル同士は、直列に接続されている。尚、燃料電池１００には、燃料電池１００を冷却するための冷媒が循環する冷却水流路が接続されていてもよい。

空気供給流路２１０は、燃料電池１００のカソード側に空気を供給するための流路である。空気供給流路２１０の入口近傍には、エアクリーナ２１１が設けられており、空気供給流路２１０内に導入された空気中の異物は、エアクリーナ２１１によって除去される。

スロットル弁２１２は、空気供給流路２１０におけるエアクリーナ２１１よりも下流側に設けられている。スロットル弁２１２は、空気供給流路２１０の流路抵抗を調整するための弁である。本実施形態では、スロットル弁２１２として、バタフライバルブが用いられており、ＤＣモータにより駆動される電動弁として構成されている。制御部３００が、ＤＣモータの駆動を制御することにより、スロットル弁２１２の開度は制御される。

ターボコンプレッサ２１３は、空気供給流路２１０におけるスロットル弁２１２よりも下流側に設けられている。本実施形態のターボコンプレッサ２１３は、遠心式圧縮機である。ターボコンプレッサ２１３は、モータ２１４によって駆動される。ターボコンプレッサ２１３は、吸入側から大気中の空気を吸い込んで、ターボコンプレッサ２１３内に設けられた羽根車の回転によって空気を加圧し、吐出側から空気供給流路２１０に加圧された空気を供給する。ターボコンプレッサ２１３によって圧縮されて高温となった空気は、空気供給流路２１０におけるターボコンプレッサ２１３よりも下流側に設けられたインタークーラ２１５によって冷却される。尚、ターボコンプレッサ２１３として、軸流式圧縮機を用いてもよい。

入口弁２１６は、空気供給流路２１０におけるターボコンプレッサ２１３よりも下流側に設けられている。入口弁２１６は、空気供給流路２１０の流路抵抗を調整するための弁である。本実施形態では、入口弁２１６として、バタフライバルブが用いられており、ＤＣモータにより駆動される電動弁として構成されている。制御部３００が、ＤＣモータの駆動を制御することにより、入口弁２１６の開度は制御される。

空気排出流路２２０は、燃料電池１００のカソード側から空気（カソードオフガス）を排出するための流路である。

調圧弁２２１は、空気排出流路２２０に設けられている。調圧弁２２１は、空気排出流路２２０の流路抵抗を調整するための弁である。本実施形態では、調圧弁２２１として、バタフライバルブが用いられており、ＤＣモータにより駆動される電動弁として構成されている。制御部３００が、ＤＣモータの駆動を制御することにより、調圧弁２２１の開度は制御される。

バイパス流路２３０は、空気供給流路２１０内の空気を、燃料電池１００を介することなく排出するための流路である。本実施形態のバイパス流路２３０は、ターボコンプレッサ２１３と入口弁２１６との間における空気供給流路２１０と、調圧弁２２１よりも下流側における空気排出流路２２０とを連通しており、空気排出流路２２０を介して空気を排出する。

バイパス弁２３１は、バイパス流路２３０に設けられている。バイパス弁２３１は、バイパス流路２３０の流路抵抗を調整するための弁である。本実施形態では、バイパス弁２３１として、バタフライバルブが用いられており、ＤＣモータにより駆動される電動弁として構成されている。制御部３００が、ＤＣモータの駆動を制御することにより、バイパス弁２３１の開度は制御される。

制御部３００は、ＣＰＵと、メモリと、各部品が接続されるインターフェース回路とを備えたコンピュータとして構成されている。ＣＰＵは、メモリに記憶された制御プログラムを実行することにより、ターボコンプレッサ２１３が燃料電池１００の発電に要求される空気の流量および圧力比として定まる要求動作点で動作するように、ターボコンプレッサ２１３（モータ２１４）を制御するとともに、スロットル弁２１２の開度と、バイパス弁２３１の開度とを制御する。

図２は、ターボコンプレッサ２１３の性能特性を示すコンプレッサマップである。横軸は、ターボコンプレッサ２１３の吐出空気量を表している。縦軸は、ターボコンプレッサ２１３の圧力比を表している。「吐出空気量」とは、単位時間にターボコンプレッサ２１３から吐出される空気量を意味する。「圧力比」とは、ターボコンプレッサ２１３の吸入側の空気圧（吸入空気圧）に対する吐出側の空気圧（吐出空気圧）の比を意味する。コンプレッサマップは、ターボコンプレッサ２１３の吐出空気量と圧力比と回転数との関係を予め計測することによって得られる。図２には、３つの圧力曲線Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃを示している。同じ圧力曲線上では、ターボコンプレッサ２１３が駆動される回転数は同じである。図２の上側に位置する圧力曲線ほど、ターボコンプレッサ２１３の回転数は大きい。ターボコンプレッサ２１３の吐出空気量および圧力比によって定まるターボコンプレッサ２１３の運転状態を表す点を、「動作点」と呼ぶ。

ターボコンプレッサ２１３の吐出空気量を低下させていくと、旋回失速等により空気を圧送できなくなるサージングが発生する。本明細書では、ターボコンプレッサ２１３にサージングが生じる動作点の範囲を「サージング領域」と呼ぶ。サージング領域に含まれない動作点の範囲の限界を表す線を「サージング限界線」と呼ぶ。サージング限界線は、吐出空気量を圧力曲線に沿って低流量側に減少させていき、サージングが発生しない限界の動作点を求め、これを複数の圧力曲線に対して行い、それぞれの圧力曲線ごとに求められたサージングが発生しない限界の動作点同士を結ぶことによって得られる。

本明細書では、ターボコンプレッサ２１３が燃料電池１００の発電に要求される吐出空気量および圧力比として定まる動作点を「要求動作点」と呼ぶ。要求動作点は、燃料電池１００の発電に要求される空気量（要求空気量）および空気圧（要求空気圧）に応じて変更される。制御部３００は、例えば、ミリ秒オーダー間隔の制御タイミングごとに、要求動作点に応じてターボコンプレッサ２１３の目標動作点を設定する。燃料電池システム１０が燃料電池車両に搭載されている場合、燃料電池車両の運転者がアクセルを緩めると、燃料電池１００に要求される発電電力が低下する。燃料電池１００に要求される発電電力が低下することによって、要求空気量と要求空気圧とが低下し、要求動作点が変更される。

図３は、第１実施形態におけるスロットル弁２１２の開度制御の処理内容を示すフローチャートである。この処理は、要求動作点が変更された際に、制御部３００によって実行される。まず、制御部３００は、要求動作点を取得する（ステップＳ１１０）。次に、制御部３００は、図２に示したコンプレッサマップに基づいて、要求動作点に応じたターボコンプレッサ２１３の目標回転数を決定する（ステップＳ１２０）。

次に、制御部３００は、要求動作点がサージング領域に含まれるか否かを判定する（ステップＳ１３０）。本実施形態では、制御部３００は、要求動作点における圧力比が要求動作点と同一空気量のサージング限界線上における動作点での圧力比を超えるか否かを判定することにより、要求動作点がサージング領域に含まれるか否かを判定する。要求動作点がサージング領域に含まれないと判断した場合（ステップＳ１３０：ＮＯ）、制御部３００は、要求動作点を目標動作点として、ターボコンプレッサ２１３がその目標動作点で動作するように、ステップＳ１２０にて決定した目標回転数でターボコンプレッサ２１３を駆動する（ステップＳ２００）。一方、要求動作点がサージング領域に含まれると判断した場合（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）、制御部３００は、要求動作点がサージング領域に含まれないと判断した場合よりも小さい開度となるように、スロットル弁２１２の目標開度を決定する（ステップＳ１４０）。

図４は、スロットル弁２１２の開度とサージング限界線との関係を示す説明図である。横軸は、ターボコンプレッサ２１３の吐出空気量を表している。縦軸は、ターボコンプレッサ２１３の圧力比を表している。図４には、スロットル弁２１２の開度が、それぞれ、開度Ａの場合におけるサージング限界線ＳＬ１と、開度Ｂの場合におけるサージング限界線ＳＬ２と、開度Ｃの場合におけるサージング限界線ＳＬ３と、開度Ｄの場合におけるサージング限界線ＳＬ４とを表している。スロットル弁２１２の開度は、大きい順から、開度Ａ、開度Ｂ、開度Ｃ、開度Ｄである。開度が小さくされる前のスロットル弁２１２の開度は、開度Ａである。スロットル弁２１２の開度を小さくすると、空気供給流路２１０の流路抵抗が大きくなるため、ターボコンプレッサ２１３の吐出空気量を保つためには、ターボコンプレッサ２１３を駆動するためのモータ２１４のトルクを大きくする必要がある。したがって、空気を圧送するためのトルクが大きくなるため、同一空気量でのサージングが発生しない限界の圧力比は大きくなり、サージング限界線は、より低流量側へ移動する。

例えば、図４に示す動作点Ｐが要求動作点である場合、動作点Ｐにおける圧力比が、動作点Ｐと同一空気量のサージング限界線ＳＬ１上における動作点での圧力比を超えないため、制御部３００は、要求動作点がサージング領域に含まれないと判断し（図３、ステップＳ１３０：ＮＯ）、スロットル弁２１２を開度Ａのまま維持する。一方、図４に示す動作点Ｑが要求動作点である場合、動作点Ｑと同一空気量のサージング限界線ＳＬ１上における動作点での圧力比を超えるため、制御部３００は、要求動作点がサージング領域に含まれると判断し（図３、ステップＳ１３０：ＹＥＳ）、要求動作点がサージング領域外の動作点となるように、スロットル弁２１２の目標開度を開度Ａよりも小さい開度Ｂに決定する（図３、ステップＳ１４０）。

図３に戻り、スロットル弁２１２の開度を小さくすると、後述するように、ターボコンプレッサ２１３の効率が低下する。そこで、制御部３００は、ターボコンプレッサ２１３の効率の低下が大きいか否かを判定する（ステップＳ１５０）。本実施形態では、ステップＳ１４０にて決定したスロットル弁２１２の目標開度が限界スロットル開度よりも小さい場合は、スロットル弁２１２の開度を小さくすることに伴うターボコンプレッサ２１３の効率の低下が大きいと判断する。「限界スロットル開度」とは、ターボコンプレッサ２１３の効率の低下が小さい範囲内となるように予め定めたスロットル弁２１２の開度である。限界スロットル開度は、予め行われる試験によって、スロットル弁２１２の開度とターボコンプレッサ２１３の効率との関係を求めることによって定めることができる。限界スロットル開度は、例えば、スロットル弁２１２を全閉状態から１５度開いた開度とすることができる。

スロットル弁２１２の開度を小さくすることに伴うターボコンプレッサ２１３の効率の低下が大きくないと判断した場合（ステップＳ１５０：ＮＯ）、制御部３００は、要求動作点を目標動作点として、ターボコンプレッサ２１３が目標動作点で動作するように、ステップＳ１２０にて決定した目標回転数でターボコンプレッサ２１３を駆動するとともに、ステップＳ１４０にて決定した目標開度となるように、スロットル弁２１２を駆動する（ステップＳ１９０）。

一方、スロットル弁２１２の開度を小さくすることに伴うターボコンプレッサ２１３の効率の低下が大きいと判断した場合（ステップＳ１５０：ＹＥＳ）、制御部３００は、ステップＳ１４０にて決定したスロットル弁２１２の目標開度を、限界スロットル開度に更新する（ステップＳ１６０）。ステップＳ１６０の後、制御部３００は、限界スロットル開度までスロットル弁２１２の開度を小さくした際のサージング領域外の動作点でターボコンプレッサ２１３が動作するように、バイパス弁２３１の目標開度を決定する（ステップＳ１７０）。ステップＳ１７０の後、制御部３００は、ステップＳ１２０にて決定した目標回転数でターボコンプレッサ２１３を駆動するとともに、ステップＳ１７０にて決定した開度となるようにバイパス弁２３１を駆動し、限界スロットル開度となるようにスロットル弁２１２の開度を駆動する（ステップＳ１８０）。

図５は、スロットル弁２１２の開度とターボコンプレッサ２１３の効率との関係を示す説明図である。横軸は、ターボコンプレッサ２１３の吐出空気量を表している。縦軸は、ターボコンプレッサ２１３の効率を表している。図５の上側であるほど効率が高いことを表している。図５には、スロットル弁２１２の開度が、それぞれ、開度Ａの場合における効率曲線ＥＣ１と、開度Ｂの場合における効率曲線ＥＣ２と、開度Ｃの場合における効率曲線ＥＣ３と、開度Ｄの場合における効率曲線ＥＣ４を表している。前述のとおり、スロットル弁２１２の開度を小さくすると、空気供給流路２１０の流路抵抗が大きくなるため、ターボコンプレッサ２１３の吐出空気量を保つためには、ターボコンプレッサ２１３を駆動するためのモータ２１４のトルクを大きくする必要がある。そのため、図５に示すように、スロットル弁２１２の開度が小さいほど、ターボコンプレッサ２１３の効率は低下する。開度Ｂの場合における効率は、開度Ａの場合における効率と同程度である。開度Ｃの場合における効率と、開度Ｄの場合における効率は、開度Ａの場合における効率よりも低い。そのため、本実施形態では、開度Ｂを限界スロットル開度とする。

例えば、図４に示す動作点Ｑが要求動作点である場合には、スロットル弁２１２の目標開度は、開度Ｂまで小さくされる。図５に示すように、スロットル弁２１２の開度を開度Ａから開度Ｂまで小さくした場合におけるターボコンプレッサ２１３の効率の低下は小さい。この場合、制御部３００は、スロットル弁２１２の開度を小さくすることに伴うターボコンプレッサ２１３の効率の低下が大きくないと判断し（図３、ステップＳ１５０：ＮＯ）、バイパス弁２３１の開度を変更しない。一方、図４に示す動作点Ｒが要求動作点である場合、スロットル弁２１２の目標開度は、開度Ｃまで小さくされる。図５に示すように、スロットル弁２１２の開度を開度Ａから開度Ｃまで小さくした場合におけるターボコンプレッサ２１３の効率の低下は大きい。この場合、制御部３００は、スロットル弁２１２の開度を小さくすることに伴うターボコンプレッサ２１３の効率の低下が大きいと判断し（図３、ステップＳ１５０：ＹＥＳ）、スロットル弁２１２の目標開度を、限界スロットル開度である開度Ｂに更新する（図３、ステップＳ１６０）。図４に示すように、動作点Ｒは、限界スロットル開度である開度Ｂまでスロットル弁２１２の開度を小さくした際のサージング領域内の動作点であるため、制御部３００は、サージング領域外の動作点（例えば、動作点Ｑ）においてターボコンプレッサ２１３が動作するように、バイパス弁２３１の目標開度を決定する（図３、ステップＳ１７０）。

以上で説明した本実施形態の燃料電池システム１０によれば、ターボコンプレッサ２１３の要求動作点がサージング領域に含まれる場合、制御部３００は、スロットル弁２１２の開度を小さくする。このため、サージング限界線が低流量側に移動し、ターボコンプレッサ２１３の目標動作点として設定可能な動作点の範囲が大きくなる。

また、本実施形態では、スロットル弁２１２の開度を小さくすることに伴うターボコンプレッサ２１３の効率の低下が大きい場合、制御部３００は、スロットル弁２１２の目標開度が限界スロットル開度より小さくならないように制限するとともに、限界スロットル開度におけるサージング領域外の動作点でターボコンプレッサ２１３が動作するように、バイパス弁２３１の開度を大きくする。このため、ターボコンプレッサ２１３の目標動作点として設定可能な動作点の範囲の大きさと、ターボコンプレッサ２１３の効率とのバランスを確保することができる。

Ｂ．他の実施形態１
上述した実施形態における燃料電池システム１０では、制御部３００は、スロットル弁２１２の開度を小さくすることに伴うターボコンプレッサ２１３の効率の低下が大きいか否かを判定し、効率の低下が大きい場合には、バイパス弁２３１の開度を大きくしているが（図３、ステップＳ１５０〜ステップＳ１７０）、この処理は行わなくてもよい。この場合であっても、ターボコンプレッサ２１３の目標動作点として設定可能な動作点の範囲を大きくすることができる。

Ｃ．他の実施形態２
上述した実施形態における燃料電池システム１０では、ターボコンプレッサ２１３と、スロットル弁２１２と、バイパス弁２３１とは、同じ制御部３００によって制御されている。これに対して、ターボコンプレッサ２１３と、スロットル弁２１２と、バイパス弁２３１とは、それぞれ別個の制御部によって制御されてもよい。また、制御部３００は、スロットル弁２１２およびバイパス弁２３１とともに、調圧弁２２１を制御してもよい。

Ｄ．他の実施形態３
上述した実施形態における燃料電池システム１０では、バイパス流路２３０は、ターボコンプレッサ２１３と燃料電池１００との間における空気供給流路２１０と、調圧弁２２１よりも下流側における空気排出流路２２０とを連通している。これに対して、バイパス流路２３０は、空気排出流路２２０を介さずに、大気と連通していてもよい。

本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…燃料電池システム
１００…燃料電池
２１０…空気供給流路
２１１…エアクリーナ
２１２…スロットル弁
２１３…ターボコンプレッサ
２１４…モータ
２１５…インタークーラ
２１６…入口弁
２２０…空気排出流路
２２１…調圧弁
２３０…バイパス流路
２３１…バイパス弁
３００…制御部

Claims (1)

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、
   前記空気供給流路に設けられ、前記空気供給流路に空気を供給するためのターボコンプレッサと、
   前記空気供給流路における前記ターボコンプレッサよりも上流側に設けられたスロットル弁と、
   前記ターボコンプレッサが前記燃料電池の発電に要求される空気の流量および圧力比として定まる要求動作点で動作するように、前記ターボコンプレッサを制御するとともに、前記要求動作点が前記ターボコンプレッサにサージングが生じる動作点の範囲であるサージング領域に含まれると判断した場合は、前記要求動作点が前記サージング領域に含まれないと判断した場合よりも前記スロットル弁の開度を小さくする制御部と、
   を備える、燃料電池システム。

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