JP2023509159A - 燃料電池システムを動作させる方法 - Google Patents

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Abstract

Figure 2023509159000001
【課題】
本発明は、電気モータによって駆動される空気圧縮機により圧縮された空気が供給される燃料電池を備える燃料電池システムを動作させる方法に関する。
【解決手段】
空気圧縮機の作動範囲を特性マップ（２０）に表示可能であり、特性マップがサージ限界（２６）およびチョーク限界（２８）を有し、電気モータによって駆動される空気圧縮機の制御器に格納されている。燃料電池システムの寿命を延ばすために、電気モータによって駆動される空気圧縮機の作動中に少なくとも１つの電流信号が検出され、かつ特性マップ（２０）に格納されたプレサージ限界値（２９）と比較され、電気モータによって駆動される空気圧縮機の作動中、同様に特性マップ（２０）に格納されたサージ限界値に到達されないように電気モータによって駆動される空気圧縮機が的確に制御される。
【選択図】図３

Description

本発明は、電気モータによって駆動される空気圧縮機により圧縮された空気が供給される燃料電池を備える燃料電池システムを動作させる方法に関し、空気圧縮機の作動範囲を特性マップに表示可能であり、特性マップがサージ限界およびチョーク限界を有し、電気モータによって駆動される空気圧縮機の制御器に格納されている。本発明は、さらに、このような燃料電池システムに関する。
特許文献１から、給気流を生成するコンプレッサを備える燃料電池システムが知られ、モータの制御器にコンプレッサのコンプレッサ特性マップが記憶され、制御器は、コンプレッサの吐出圧と温度を決定し、コンプレッサがサージ状態に移行することを防ぐために、コンプレッサの回転数と質量流量計からの空気流信号から、システムが作動するコンプレッサ特性マップ上の地点が決定される。
米国特許第７，７７１，８８３号明細書
本発明の課題は、燃料電池システムの動作を簡素化することである。
上記課題は、電気モータによって駆動される空気圧縮機により圧縮された空気が供給される燃料電池を備える燃料電池システムを動作させる方法であって、空気圧縮機の作動範囲を特性マップに表示可能であり、特性マップがサージ限界およびチョーク限界を有し、電気モータによって駆動される空気圧縮機の制御器に格納されている、方法では、電気モータによって駆動される空気圧縮機の作動中に少なくとも１つの電流信号が検出され、かつ特性マップに格納されたプレサージ限界値と比較され、電気モータによって駆動される空気圧縮機の作動中、同様に特性マップに格納されたサージ限界値に到達されないように、電気モータによって駆動される空気圧縮機が的確に制御されることによって解決される。空気圧縮機は、コンプレッサとも呼ばれ得る。クレームされる方法では、電気モータによって駆動される空気圧縮機の作動中にサージ限界に達することを回避するために、先見的に処置がとられる。それによって燃料電池システムの寿命を著しく向上させることができる。その場合、空気圧縮機の作動中にサージ限界に到達されないように、電気モータによって駆動される空気圧縮機が制御される電流信号を的確に変化させる。
方法の好ましい一実施例は、格納された特性マップにおいて、電気モータによって駆動される空気圧縮機の動作点とともに、電流比上に圧力比がプロットされていることを特徴とする。電気モータによって駆動される空気圧縮機を備える燃料電池システムが直列動作で使用される前に、燃料電池システムの試験において特性マップが作成されることが有利である。特性マップによって、燃料電池システムの作動中の開ループ制御および閉ループ制御の手間を効果的に削減することができる。
方法の別の好ましい一実施例は、プレサージ限界曲線が、安全距離範囲の分だけサージ限界から離間させてあることを特徴とする。安全距離範囲の大きさの適当な選択により、電気モータによって駆動される空気圧縮機の作動中にプレサージ限界に決して到達されないか、または決して到達されないに等しいことを比較的少ない手間で達成することができる。
方法の別の好ましい一実施例は、特性マップが、電気モータによって駆動される空気圧縮機のサージ限界に相対する電気モータによって駆動される空気圧縮機の動作点の位置を決定するために使用されることを特徴とする。その場合、上記の先見的な処置がとられる必要があるかどうかを簡単な比較によって少ない手間で検知することができる。
方法の別の好ましい実施例は、サージ限界に相対する電気モータによって駆動される空気圧縮機の動作点を適合させるために、電流信号を変化させることを特徴とする。効率の比較的大きい損失なしにサージ限界の到達を防ぐために、これを場合によっては繰り返し、もしくは段階的に行うことができる。
方法の別の好ましい一実施例は、電気モータによって駆動される空気圧縮機が永久励磁同期機を備えることを特徴とする。電気モータによって駆動される空気圧縮機の作動中、サージ限界の到達を防ぐために、永久励磁同期機が異なった電流、電流信号、もしくは異なった周波数で制御されることが有利である。
電気モータによって駆動される空気圧縮機により圧縮された空気が供給される燃料電池を備える燃料電池システムであって、空気圧縮機の作動範囲を特性マップに表示可能であり、特性マップがサージ限界およびチョーク限界を有し、電気モータによって駆動される空気圧縮機の制御器に格納されている、燃料電池システムでは、上記課題は、代替的または追加的に、特性マップが、空気圧縮機の電気モータ駆動装置の電流比および圧力比に依存するプレサージ限界曲線を含むことによって解決される。それにより燃料電池システムの作動中にサージ限界の到達を簡単な方法で確実に防ぐことができる。
燃料電池システムの好ましい一実施例は、空気圧縮機の電気モータ駆動装置が、特性マップにおける動作点の位置に依存して異なった周波数で制御される永久励磁同期機を備えていることを特徴とする。それにより多大な開ループ制御技術的もしくは閉ループ制御技術的な手間なしに、電気モータによって駆動される空気圧縮機の作動中にサージ限界の到達を回避することができる。
本発明は、さらに、コンピュータプログラムがコンピュータで実行される場合に上記の方法を実行するためのソフトウェア手段を有する、コンピュータプログラムを備えるコンピュータプログラム製品に関する。コンピュータは、例えば燃料電池システムにおける空気圧縮機の電気モータ駆動装置のための制御器である。
電気モータによって駆動される空気圧縮機により圧縮された空気が供給される燃料電池を備える燃料電池システムのための特性マップであって、空気圧縮機の作動範囲を特性マップに表示可能であり、特性マップがサージ限界およびチョーク限界を有し、電気モータによって駆動される空気圧縮機の制御器に格納されている、特性マップでは、上記課題は、代替的または追加的に、特性マップに、電気モータによって駆動される空気圧縮機の動作点、およびプレサージ限界曲線とともに、電流比上に圧力比がプロットされていることによって解決される。
本発明の他の利点、特徴、および詳細は、図面を参照しながらいくつかの実施例について詳しく説明される以下の記載から明らかになる。
燃料電池と電気モータによって駆動される空気圧縮機と、圧力センサ装置とを備える燃料電池システムの模式図である。 圧力センサ装置はないが、燃料電池に供給される空気質量流を測定するための測定装置を備える図１のものと類似の燃料電池システムの図である。 図１および図２による燃料電池システムの制御器に格納されるサージ限界、チョーク限界、およびプレサージ限界を含む特性マップの図である。 時間上に電流信号のプロファイルがプロットされたデカルト座標線図である。 電流信号が変化した図４のものと類似の図である。
図１および図２において、燃料電池２と電気モータによって駆動される空気圧縮機３とを備える燃料電池システム１が模式的に示されている。同じまたは類似の部品を示すために同じ参照符号が使用される。燃料電池システム１は、冒頭で評価された特許文献１に開示されている燃料電池システムといくらか類似の構造である。
図１および図２において、エアフィルタ５を介して空気圧縮機３に供給される空気が矢印４によって示唆されている。空気圧縮機５は、電気モータ駆動装置６によって駆動される。電気モータ駆動装置６は、制御器７を有する永久励磁同期機８として形成されている。
燃料電池２の空気出口にはバルブ装置９が配置されている。上述の特徴は、図１および図２に示される燃料電池システム１で同じに形成されている。次に、図１および図２に示される燃料電池システム１の相違に言及される。
図１に示される燃料電池システム１は、空気圧縮機３によって燃料電池２に供給される圧縮された空気の圧力が検出される圧力センサ装置１０を備える。矢印１１によって、電気モータ駆動装置６の制御器７が圧力センサ装置１０と制御的に接続されていることが示唆される。矢印１２によって、制御器７が、バルブ装置９と制御的に接続されていることが示唆される。
図２に示される燃料電池システム１では、圧力センサ装置（図１の１０）の代わりに、エアフィルタ５と空気圧縮機３との間で空気質量流が検出される測定装置１４が設けられている。図２において、電気モータ駆動装置６の制御器７が測定装置１４と制御的に接続されていることが矢印１５によって示唆される。
図３において、電気モータによって駆動される空気圧縮機（図１および図２の３）の動作のための特性マップ２０がデカルト座標線図で示されている。ｘ軸２１上には、電流比Ｉ対Ｉｍａｘがプロットされている。ｙ軸２２上には、圧力比ｐ対ｐｍａｘがプロットされている。
特性マップ２０には、空気圧縮機の作動中の３つの動作点２３、２４、２５が例示的に描かれている。特性マップ２０は、サージ限界２６とチョーク限界２８とを含む。さらに、特性マップ２０は、プレサージ限界曲線２７を含む。プレサージ限界曲線２７は、サージ限界２６から離間させてある。
図４および図５において、２つの別のデカルト座標線図が示されている。ｘ軸３１上には、時間が適当な時間単位でプロットされている。ｙ軸３２上には、単位時間当たりの電流信号の周波数がプロットされている。２つの線図において、異なった周波数を有する２つの電流信号３３、３４のプロファイルが示されている。
コンプレッサとも呼ばれる空気圧縮機３のサージ限界２６の近くでの動作は、回避されるべきである。空気圧縮機３の電気モータ駆動装置６である永久励磁同期機８の制御は、図４および図５に示唆されるように、制御された電流の回転磁界を用いて行われる。その場合、電流と永久励磁同期機８の永久磁石とは、吸い込まれた空気４を圧縮するために機械的モーメントを生じさせる。
圧力と温度から、あるいは直接、空気圧縮機３の測定された空気質量流、および電流信号３３、３４の既知の周波数から空気圧縮機３の動作点２３～２５が決定される。その場合、それぞれの動作点、例えば２４は、制御器７に記憶された特性マップ２０と比較される。
動作点がプレサージ限界曲線２７の近くに位置する場合、サージ限界２６に対して適当な安全距離を保つために、回転磁界の周波数を適合させることができる。
１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３ 空気圧縮機
４ 矢印、空気
５ エアフィルタ
６ 電気モータ駆動装置
７ 制御器
８ 永久励磁同期機
９ バルブ装置
１０ 圧力センサ装置
１１ 矢印
１２ 矢印
１４ 測定装置
１５ 矢印
２０ 特性マップ
２１ ｘ軸
２２ ｙ軸
２３ 動作点
２４ 動作点
２５ 動作点
２６ サージ限界
２７ プレサージ限界曲線
２８ チョーク限界
２９ プレサージ限界値
３０ サージ限界値
３１ ｘ軸
３２ ｙ軸
３３ 電流信号
３４ 電流信号

Claims (10)

  1. 電気モータによって駆動される空気圧縮機（３）により圧縮された空気（４）が供給される燃料電池（２）を備える燃料電池システム（１）を動作させる方法であって、前記空気圧縮機の作動範囲を特性マップ（２０）に表示可能であり、前記特性マップがサージ限界（２６）およびチョーク限界（２８）を有し、前記電気モータによって駆動される空気圧縮機（３）の制御器（７）に格納されている、方法において、前記電気モータによって駆動される空気圧縮機（３）の作動中に少なくとも１つの電流信号（３３、３４）が検出され、かつ前記特性マップ（２０）に格納されたプレサージ限界値（２９）と比較され、前記電気モータによって駆動される空気圧縮機（３）の作動中、同様に前記特性マップ（２０）に格納されたサージ限界値（３０）に到達されないように、前記電気モータによって駆動される空気圧縮機（３）が的確に制御されることを特徴とする、方法。
  2. 前記格納された特性マップ（２０）において、前記電気モータによって駆動される空気圧縮機（３）の動作点（２３、２４、２５）とともに、電流比上に圧力比がプロットされていることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  3. プレサージ限界曲線（２７）は、安全距離範囲の分だけ前記サージ限界（２６）から離間させてあることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
  4. 前記特性マップ（２０）は、前記電気モータによって駆動される空気圧縮機（３）の前記サージ限界（２６）に相対する前記電気モータによって駆動される空気圧縮機（３）の動作点（２４）の位置を決定するために使用されることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法。
  5. 前記サージ限界（２６）に相対する前記電気モータによって駆動される空気圧縮機（３）の前記動作点（２４）を適合させるために、前記電流信号（３３、３４）を変化させることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
  6. 前記電気モータによって駆動される空気圧縮機（３）が永久励磁同期機（８）を備えることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項に記載の方法。
  7. 電気モータによって駆動される空気圧縮機（３）により圧縮された空気（４）が供給される燃料電池（２）を備える燃料電池システム（１）であって、前記空気圧縮機の作動範囲を特性マップ（２０）に表示可能であり、前記特性マップがサージ限界（２６）およびチョーク限界（２８）を有し、前記電気モータによって駆動される空気圧縮機（３）の制御器に格納されている、燃料電池システムにおいて、前記特性マップ（２０）が、前記空気圧縮機（３）の電気モータ駆動装置（６）の電流比および圧力比に依存するプレサージ限界曲線（２７）を含むことを特徴とする、燃料電池システム。
  8. 前記空気圧縮機（３）の前記電気モータ駆動装置（６）が、前記特性マップ（２０）における動作点（２４）の位置に依存して異なった周波数（３３、３４）で制御される永久励磁同期機（８）を備えることを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池システム。
  9. コンピュータプログラムを備えるコンピュータプログラム製品であって、前記コンピュータプログラムがコンピュータで実行される場合に、請求項１から６までのいずれか１項に記載の方法を実行するためのソフトウェア手段を有する、コンピュータプログラム製品。
  10. 電気モータによって駆動される空気圧縮機（３）により圧縮された空気（４）が供給される燃料電池（２）を備える燃料電池システム（１）のための特性マップ（２０）であって、前記空気圧縮機の作動範囲を特性マップ（２０）に表示可能であり、前記特性マップがサージ限界（２６）およびチョーク限界（２９）を有し、前記電気モータによって駆動される空気圧縮機（３）の制御器（７）に格納されている、特性マップにおいて、前記特性マップ（２０）に、前記電気モータによって駆動される空気圧縮機（３）の動作点（２３、２４、２５）およびプレサージ限界曲線（２７）とともに、電流比上に圧力比がプロットされていることを特徴とする、特性マップ。
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