JP2024016740A - 流体供給装置および燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮性流体を良好な精度で供給すると共に消費エネルギをより低減させる。
【解決手段】流体供給装置は、圧縮性流体の供給流路に設置され供給流路内の圧縮性流体を圧送する第１ポンプと、供給流路における第１ポンプの下流側に設置され供給流路内の圧縮性流体を圧送する第２ポンプと、供給流路を流れる圧縮性流体の流量を検出する流量センサと、制御装置と、を備える。制御装置は、第１応答特性をもって流量センサにより検出される流量が目標流量となるようにフィードバック制御により第１ポンプを制御すると共に、少なくとも所定条件下において第１応答特性と応答性が異なる第２応答特性をもってフィードバック制御により第２ポンプを制御する。
【選択図】図２

Description

本明細書は、流体供給装置および燃料電池システムについて開示する。

従来、液体を吐出するポンプを複数組み合わせて構成された液体圧送装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この装置では、液体を吸入して圧送する第１のポンプと、第１のポンプの吐出口に接続されて該吐出口から圧送されてきた液体を更に加圧して吐出する第２のポンプと、を備え、２つのポンプ間で気泡が混入しないように、第１のポンプは、第２のポンプよりも吐出量の大きな規格のポンプにより構成されている。

特開２００３－２９３８８３号公報

上述した流体供給装置では、液体（非圧縮性流体）を供給するための構成については記載されているものの、圧縮性流体を供給することについては何ら言及されていない。

本開示は、圧縮性流体を良好な精度で供給すると共に消費エネルギをより低減させることを主目的とする。

本開示の流体供給装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本開示の流体供給装置は、
圧縮性流体を供給する流体供給装置であって、
前記圧縮性流体の供給流路に設置され、該供給流路内の圧縮性流体を圧送する第１ポンプと、
前記供給流路における前記第１ポンプの下流側に設置され、該供給流路内の圧縮性流体を圧送する第２ポンプと、
前記供給流路を流れる圧縮性流体の流量を検出する流量センサと、
第１応答特性をもって前記流量センサにより検出される流量が目標流量となるようにフィードバック制御により前記第１ポンプを制御すると共に、少なくとも所定条件下において前記第１応答特性と応答性が異なる第２応答特性をもって前記フィードバック制御により前記第２ポンプを制御する制御装置と、
を備えることを要旨とする。

この本開示の流体供給装置では、供給流路内の圧縮性流体を圧送する第１ポンプと、供給流路における第１ポンプの下流側に設置された第２ポンプと、を備え、それぞれ流量センサにより検出される流量が目標流量となるようにフィードバック制御する。第１ポンプと第２ポンプとを直列に連結することで、必要量の圧縮性流体をそれぞれ小さいデューティで各ポンプを駆動して供給することができ、消費エネルギをより低減させることができる。また、第１応答特性で第１ポンプをフィードバック制御すると共に、少なくとも所定条件下において第１応答特性とは応答性が異なる第２応答特性で第２ポンプをフィードバック制御するから、複数のポンプで応答性が一致することによる制御性の悪化（オーバーシュートやアンダーシュート）を抑制することが可能である。これらの結果、圧縮性流体を良好な精度で供給すると共に消費エネルギをより低減させることができる。

こうした本開示の流体供給装置において、前記所定条件は、前記流量センサにより検出される流量が所定範囲内に収束するまでの期間であってもよい。この場合、前記第２応答特性は、前記第１応答特性よりも応答性が速い状態から前記流量センサにより検出される流量が前記所定範囲内に収束するまで前記目標流量に近づくにつれて前記第１応答特性に近づくように変化し、前記流量センサにより検出される流量が前記所定範囲内に収束すると、前記第１応答特性と一致するようにしてもよい。こうすれば、目標流量に対する流量の応答性と収束性とを良好にすることができる。

本開示の燃料電池システムは、
燃料ガスおよびエアの供給を受けて発電する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記エアの供給流路に設置され、該供給路内のエアを圧送する第１ポンプと、
前記供給流路における前記第１ポンプの下流側に設置され、該供給路内のエアを圧送する第２ポンプと、
前記供給流路を流れるエアの流量を検出する流量センサと、
第１応答特性をもって前記流量センサにより検出される流量が目標流量となるようにフィードバック制御により前記第１ポンプを制御すると共に、少なくとも所定条件下において前記第１応答特性と応答性が異なる第２応答特性をもって前記フィードバック制御により前記第２ポンプを制御する制御装置と、
を備えることを要旨とする。

この本開示の燃料電池システムでは、上述した本開示の流体供給装置と同様の構成を備えるため、本開示の流体供給装置が奏する効果と同様の効果、例えば、エア（圧縮性流体）を良好な精度で供給すると共に消費エネルギをより低減させるといった効果を奏することができる。

本実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。 エア供給装置の概略構成図である。 エア供給量制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。 応答性倍率設定用マップの一例を示す説明図である。 エアポンプを単体で使用した場合の圧力－流量特性と動作ラインの一例を示す説明図である。 ２台のエアポンプを連結して使用した場合の圧力－流量特性と動作ラインの一例を示す説明図である。 エアポンプを単体で使用した場合と２台のエアポンプを連結して使用した場合のそれぞれのデューティに対する流量、騒音および消費電力の各実験データを示す説明図である。

本開示を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、本実施形態の燃料電池システム１０の概略構成図であり、図２は、エア供給装置５０の概略構成図である。本実施形態の燃料電池システム１０は、図１に示すように、アノードガス中の水素とカソードガス中の酸素との電気化学反応により発電する燃料電池スタック２１を含む発電モジュール２０と、発電モジュール２０にアノードガスの原料となる原燃料ガス（例えば天然ガスやＬＰガス）を供給する原燃料ガス供給装置３０と、発電モジュール２０に原燃料ガスからアノードガスへの改質（水蒸気改質）に必要な改質水を供給する改質水供給装置４０と、発電モジュール２０（燃料電池スタック２１）にカソードガスとしてのエアを供給するエア供給装置５０と、発電モジュール２０において発生した排熱を回収する排熱回収装置６０と、システム全体をコントロールする制御装置１００と、を備える。

発電モジュール２０は、燃料電池スタック２１や、気化器２２、改質器２３、燃焼器２４、複数（２つ）の熱交換器２６，２７を含み、これらは、断熱性を有するモジュールケース２９に収容されている。

燃料電池スタック２１は、酸化ジルコニウム等の電解質と当該電解質を挟持するアノードおよびカソードとをそれぞれ有する複数の固体酸化物形の単セルを備える。各単セルのアノードには、アノードガスが流れるアノードガス通路が接続されている。また、各単セルのカソードには、カソードガスが流れるカソードガス通路が接続されている。燃料電池スタック２１の近傍には、温度センサ１１２が設置されている。温度センサ１１２は、燃料電池スタック２１の温度に相関する温度（スタック相関温度Ｔｓｔ）を検出する。

発電モジュール２０の気化器２２および改質器２３は、モジュールケース２９内の燃料電池スタック２１の上方に配設される。また、燃料電池スタック２１と気化器２２および改質器２３との間には、燃料電池スタック２１の作動や、気化器２２および改質器２３での反応に必要な熱を発生させる燃焼器２４が配設される。

気化器２２は、燃焼器２４からの熱により原燃料ガス供給装置３０からの原燃料ガスと改質水供給装置４０からの改質水とを加熱し、原燃料ガスを予熱すると共に改質水を蒸発させて水蒸気を生成する。気化器２２により予熱された原燃料ガスは、水蒸気と混合され、その混合ガスは、当該気化器２２から改質器２３に流入する。また、改質器２３の入口付近には、当該改質器２３に流入する混合ガスの温度を検出する温度センサ１１１が設置されている。

改質器２３は、その内部に充填された例えばＲｕ系またはＮｉ系の改質触媒を有し、燃焼器２４からの熱の存在下で、改質触媒による気化器２２からの混合ガスの反応（水蒸気改質反応）によって水素ガスと一酸化炭素とを生成する。更に、改質器２３は、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気との反応（一酸化炭素シフト反応）によって水素ガスと二酸化炭素とを生成する。これにより、改質器２３によって、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の原燃料ガス等を含むアノードガスが生成されることになる。改質器２３により生成されたアノードガスは、アノードガス配管７１を通って各単セルのアノードガス通路へ流入し、アノードに供給される。

また、カソードガスとしてのエアは、カソードガス配管７２を介して各単セルのカソードガス通路へ流入し、カソードに供給される。各単セルのカソードでは、酸化物イオン（Ｏ^2-）が生成され、当該酸化物イオンが電解質を透過してアノードで水素や一酸化炭素と反応することにより電気エネルギが得られる。

各単セルにおいて電気化学反応（発電）に使用されなかったアノードガス（以下、「アノードオフガス」という）は、アノードオフガス配管７３を通って凝縮器６２に供給され、凝縮器６２により冷却させられてアノードオフガスに含まれる水蒸気の少なくとも一部が除去された後、アノードオフガス配管７４を通って燃焼器２４に供給される。アノードオフガス配管７３，７４には熱交換器２６が設置され、アノードオフガス配管７４を流れるアノードオフガス（凝縮器６２を通過した後のアノードオフガス）は、熱交換器２６において燃料電池スタック２１からアノードオフガス配管７３を流れる高温のアノードオフガス（凝縮器６２を通過する前のアノードオフガス）との熱交換により昇温させられる。また、各単セルにおいて電気化学反応（発電）に使用されなかったカソードガス（以下、「カソードオフガス」という）は、カソードオフガス配管７５を通って燃焼器２４に供給される。

燃焼器２４に流入したアノードオフガスは、水素や一酸化炭素等の燃料成分を含む可燃性ガスであり、燃焼器２４に流入した酸素を含むカソードオフガスと混合される。そして、燃焼器２４で混合ガスが燃焼することにより、燃料電池スタック２１の作動や、気化器２２での原燃料ガスの予熱や水蒸気の生成、改質器２３での水蒸気改質反応等に必要な熱が発生することになる。また、燃焼器２４では、未燃燃料を含む燃焼排ガスが生成され、当該燃焼排ガスは、燃焼排ガス配管７６を通り、熱交換器２７および燃焼触媒２８を経て外気へ排出される。燃焼触媒２８は、燃焼排ガス中の未燃燃料を再燃焼させるための酸化触媒である。

原燃料ガス供給装置３０は、原燃料ガスを供給する原燃料供給源１と気化器２２とを接続する原燃料ガス供給管３１と、当該原燃料ガス供給管３１に対して上流から順に並ぶように設置された開閉弁（２連弁）３２，３３、流量センサ３９、ガスポンプ３６および脱硫器３８を有する。原燃料ガスは、ガスポンプ３６を作動させることで、原燃料供給源１から脱硫器３８を介して気化器２２へと圧送（供給）される。流量センサ３９は、原燃料ガス供給管３１を流れる原燃料ガスの単位時間当りの流量（ガス流量Ｆｇ）を検出する。

改質水供給装置４０は、改質水を貯留する改質水タンク４２と、改質水タンク４２と気化器２２とを接続する改質水供給管４１と、改質水供給管４１に設置された改質水ポンプ４３と、を有する。改質水タンク４２内の改質水は、改質水ポンプ４３を作動させることで、当該改質水ポンプ４３により気化器２２へと圧送（供給）される。

エア供給装置５０は、図１および図２に示すように、モジュールケース２９内に設置されたカソードガス配管７２に接続されるエア供給管５１と、エア供給管５１の入口に設置されたエアフィルタ５２と、エア供給管５１に対して上流から順に並ぶように設置された第１エアポンプ５３、第２エアポンプ５４および流量センサ５５と、を有する。第１および第２エアポンプ５３，５４は、例えば、羽根車の回転による遠心力によって吸い込まれたエアを圧縮して吐出する遠心式のエアブロワとして構成される。第１エアポンプ５３の吸入口には、エアフィルタ５２が接続され、第１エアポンプの吐出口には、第２エアポンプの吸入口が接続される。すなわち、第１エアポンプ５３と第２エアポンプ５４とは、エアフィルタ５２に対して直列に連結されている。流量センサ５５は、第２エアポンプ５４の吐出口側に設置され、エア供給管５１を流れるエアの流量（エア流量Ｆａ）を検出する。第１および第２エアポンプ５３を作動させることで、カソードガスとしてのエアは、エアフィルタ５２を介してエア供給管５１に吸引され、カソードガス配管７２を通って燃料電池スタック２１（カソード）へと圧送（供給）される。カソードガス配管７２を流れるエアは、熱交換器２７において燃焼排ガス配管７６を流れる高温の燃焼排ガスと熱交換されて昇温させられる。

排熱回収装置６０は、湯水を貯留する貯湯タンク６１と、燃料電池スタック２１からアノードオフガス配管７３を流れるアノードオフガスと湯水とを熱交換してアノードオフガス中に含まれる水蒸気を凝縮させる凝縮器６２と、貯湯タンク６１と凝縮器６２とに接続された循環配管６３と、循環配管６３に組み込まれた循環ポンプ６４と、を有する。貯湯タンク６１内に貯留されている湯水は、循環ポンプ６４を作動させることで、凝縮器６２へと導入され、凝縮器６２でアノードオフガスとの熱交換によって昇温させられた後、貯湯タンク６１へと返送される。

また、凝縮器６２におけるアノードオフガス側の通路出口には、凝縮水配管４４とアノードオフガス配管７４とが接続されており、アノードオフガス中の水蒸気が貯湯タンク６１からの湯水との熱交換により凝縮することにより得られた凝縮水は、凝縮水配管４４を通って改質水タンク４２内に導入される。なお、改質水タンク４２には、凝縮水配管４４を通過した凝縮水を精製する図示しない水精製器が設置されている。また、上述したように、凝縮器６２において水蒸気が除去されたアノードオフガスは、アノードオフガス配管７４を通って燃焼器２４に供給される。

燃料電池スタック２１の出力端子には、パワーコンディショナ８０の入力端子が接続され、当該パワーコンディショナ８０の出力端子は、図示しないリレーを介して電力系統２から負荷４への電力ライン３に接続されている。パワーコンディショナ８０は、燃料電池スタック２１から出力された直流電力を所定電圧（例えば、ＤＣ２５０Ｖ～３００Ｖ）の直流電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータや、変換された直流電力を電力系統と連系可能な電圧（例えば、ＡＣ２００Ｖ）の交流電力に変換するインバータを有する。これにより、燃料電池スタック２１からの直流電力を交流電力に変換して家電製品等の負荷４に供給することが可能となる。パワーコンディショナ８０には電源基板８１が接続されている。電源基板８１は、燃料電池スタック２１からの直流電力や電力系統２からの交流電源を低圧の直流電力に変換して、ガスポンプ３６や改質水ポンプ４３、第１および第２エアポンプ５３，５４、循環ポンプ６４の各駆動回路、流量センサ３９，５５や温度センサ１１１，１１２等のセンサ類、制御装置１００へ供給する。また、パワーコンディショナ８０や電源基板８１等が配置される補機室には、当該パワーコンディショナ８０や電源基板８１を冷却するための図示しない冷却ファンや換気ファンが配置されている。冷却ファンは、パワーコンディショナ８０や電源基板８１の発熱部に空気を送り込んで空気との熱交換により発熱部を冷却する。発熱部を冷却して昇温した空気は、換気ファンにより大気中に排出される。

制御装置１００は、ＣＰＵ１０１を中心としたマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵ１０１の他に処理プログラムを記憶するＲＯＭ１０２と、データを一時的に記憶するＲＡＭ１０３と、図示しない入出力ポートと、を備える。制御装置１００には、流量センサ３９，５５や温度センサ１１１，１１２等からの各種検出信号が入力ポートを介して入力されている。また、制御装置１００からは、開閉弁３２，３３のソレノイドや、ガスポンプ３６のポンプモータ、改質水ポンプ４３のポンプモータ、第１および第２エアポンプ５３，５４のポンプモータ、循環ポンプ６４のポンプモータ等への各種制御信号が出力ポートを介して出力されている。また、制御装置１００には、無線式または有線式の通信回線を介して図示しないリモコンが接続される。制御装置１００は、燃料電池システム１０のユーザにより操作された当該リモコンからの信号に基づいて各種制御を実行する。

次に、こうして構成された燃料電池システム１０の動作について説明する。制御装置１００のＣＰＵ１０１は、システム起動が要求されると、脱硫器３８に燃料成分を吸着させる燃料吸着処理や、発電モジュール２０内をエアの供給によってパージするパージ処理、燃焼器２４に燃料とエアとを供給してその混合ガスを着火させる着火処理、気化器２２に原燃料ガスと改質水とを供給して改質器２３において水蒸気改質反応を生起させる水蒸気改質処理を順次実行してシステムを起動する。

システム起動が完了すると、ＣＰＵ１０１は、システムに要求される要求出力に応じた電流（電流指令Ｉｒｅｑ）が燃料電池スタック２１から出力されるよう原燃料ガス、改質水およびエアの供給量を制御して発電を開始する。原燃料ガスの供給量の制御は、燃料利用率Ｕｆが目標利用率Ｕｆｔａｇに一致するように電流指令Ｉｒｅｑに応じたガス流量を目標ガス流量Ｆｇｔａｇに設定し、流量センサ３９により検出されるガス流量Ｆｇが設定した目標ガス流量Ｆｇｔａｇに一致するようにフィードバック制御によりガスポンプ３６を制御することにより行なわれる。なお、燃料利用率Ｕｆは、アノードに供給したアノードガスの量に対する発電に利用されたアノードガスの量の割合である。改質水の供給量の制御は、改質器２３におけるスチームカーボン比ＳＣが目標比ＳＣｔａｇに一致するように目標ガス流量Ｆｇｔａｇに基づいて目標改質水流量Ｆｗｔａｇを設定し、設定した目標改質水流量Ｆｗｔａｇの改質水が供給されるよう改質水ポンプ４３を制御することにより行なわれる。なお、スチームカーボン比ＳＣは、原燃料ガス中の炭化水素に含まれる炭素と水蒸気改質のために添加される水蒸気とのモル比である。エアの供給量の制御は、温度センサ１１２により検出される温度（スタック相関温度）Ｔｓｔが目標温度Ｔｓｔｔａｇに一致するようにフィードバック制御により目標エア流量Ｆａｔａｇを設定し、流量センサ５５により検出されるエア流量Ｆａが設定した目標エア流量Ｆａｔａｇに一致するようにフィードバック制御により第１および第２エアポンプ５３，５４を制御することにより行なわれる。なお、エア供給量の制御の詳細については後述する。

システム停止が要求されると、ＣＰＵ９１は、温度センサ１１２により検出されるスタック相関温度Ｔｓｔが停止許可温度以下になるまで、高温雰囲気下において燃料電池スタック２１（電極）が酸化劣化しない程度の流量を目標ガス流量Ｆｇｔａｇに設定してガスポンプ３６を制御すると共に燃料電池スタック２１を冷却するのに必要な流量を目標エア流量Ｆａｔａｇに設定して第１および第２エアポンプ５３，５４を制御する。そして、スタック相関温度Ｔｓｔが停止許可温度以下になると、ガスポンプ３６や第１および第２エアポンプ５３，５４を停止して、システムを停止させる。

続いて、エアの供給量の制御について更に詳細に説明する。図３は、制御装置１００のＣＰＵ１０１により実行されるエア供給量制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、発電中に所定時間毎（例えば、数ｍｓｅｃ毎や数十ｍｓｅｃ毎）に繰り返し実行される。

エア供給量制御ルーチンが実行されると、制御装置１００のＣＰＵ１０１は、まず、流量センサ５５からのエア流量Ｆａを入力する（ステップＳ１００）。続いて、ＣＰＵ１０１は、入力したエア流量Ｆａと目標エア流量Ｆａｔａｇとに基づいて次式（１）より第１エアポンプ５３のデューティＤ１を設定する（ステップＳ１１０）。ここで、式（１）は、エア流量Ｆａを目標エア流量Ｆａｔａｇに一致させるためのフィードバック制御（比例積分制御）における関係式であり、式（１）中、「ｋｐ１」は、比例項におけるゲインを示し、「ｋｉ１」は、積分項におけるゲインを示す。

D1=kp1・(Fa-Fatag)+ki1・∫(Fa-Fatag)dt …（１）

次に、ＣＰＵ１０１は、流量変化率γを算出する（ステップＳ１２０）。流量変化率γは、フィードバック制御の際の目標エア流量Ｆａｔａｇに対するエア流量Ｆａの変化の割合を示すパラメータであり、本実施形態では、次式（２）により算出される。

γ=(Fatag-Fa)/Fa …（２）

そして、ＣＰＵ１０１は、流量変化率γに基づいて応答性倍率αを設定し（ステップＳ１３０）、エア流量Ｆａと目標エア流量Ｆａｔａｇと応答性倍率αとに基づいて次式（３）～（５）より第２エアポンプ５４のデューティＤ２を設定する（ステップＳ１４０）。式（３）は、式（１）と同様に、エア流量Ｆａを目標エア流量Ｆａｔａｇに一致させるためのフィードバック制御（比例積分制御）における関係式であり、式（３）中、「ｋｐ２」は、比例項におけるゲインを示し、「ｋｉ２」は、積分項におけるゲインを示す。ゲインｋｐ２は、式（４）に示すように、ゲインｋｐ１に応答性倍率αを乗じて算出され、ゲインｋｉ２は、式（５）に示すように、ゲインｋｉ１に応答性倍率αを乗じて算出される。応答性倍率αは流量変化率γに応じて値１以上で設定されるため、第２エアポンプ５４の応答性は、第１エアポンプ５３と同じ応答性とそれよりも速い応答性との間で変化する。

D2=kp2・(Fa-Fatag)+ki2・∫(Fa-Fatag)dt …（３）
kp2=kp1・α …（４）
ki2=ki1・α …（５）

ＣＰＵ１０１は、こうしてデューティＤ１，Ｄ２を設定すると、デューティＤ１で第１エアポンプ５３を駆動する駆動回路のスイッチング素子をスイッチング制御すると共に、デューティＤ２で第２エアポンプ５４を駆動する駆動回路のスイッチング素子をスイッチング制御する（ステップＳ１５０）。そして、ＣＰＵ１０１は、システムが停止したか否かを判定し（ステップＳ１６０）、システムが停止していないと判定すると、ステップＳ１００に戻って処理を繰り返し、システムが停止したと判定すると、第１および第２エアポンプ５３，５４の駆動を停止して（ステップＳ１７０）、エア供給量制御ルーチンを終了する。

応答性倍率αの設定は、本実施形態では、流量変化率γと応答性倍率αとの関係を予め求めて応答性倍率設定用マップとしてＲＯＭ１０２に記憶しておき、流量変化率γが与えられると、マップから対応する応答性倍率αを導出することにより行なうものとした。応答性倍率設定用マップの一例を図４に示す。応答性倍率αは、流量変化率γが第１範囲（－５０％～＋５０％）外にあるときには、値１よりも大きな一定値（値３）が設定され、第１範囲内に入ると、流量変化率γが絶対値として小さくなるにつれて、値１に向かって徐々に小さくなるように設定され、第２範囲（－１０％～＋１０％）内に入ると、値１に固定される。第２エアポンプ５４のゲインｋｐ２，ｋｉ２は、第１エアポンプ５３のゲインｋｐ１，ｋｉ１に応答性倍率αを乗じて設定されるため、流量変化率γが第１範囲外のときには、第２エアポンプ５４の応答性は、第１エアポンプ５３の応答性よりも速くなり、第１範囲内に入ると、流量変化率γが絶対値として小さくなるにつれて、第１エアポンプ５３の応答性に近づくこととなる。このように、エア流量Ｆａと目標エア流量Ｆａｔａｇとの偏差が大きいときには、２台のエアポンプ（第１および第２エアポンプ５３，５４）でフィードバック制御の際の応答性を異ならせることで、応答性が一致することによる制御性の悪化（オーバーシュートやアンダーシュート）を抑制することができる。なお、第２エアポンプ５４のゲインｋｐ２，ｋｉ２は、常時、第１エアポンプ５３のゲインｋｐ１，ｋｉ１と異ならせてもよい。

図５は、エアポンプを単体で使用した場合の圧力－流量特性と動作ラインの一例を示す説明図であり、図６は、２台のエアポンプを連結して使用した場合の圧力－流量特性と動作ラインの一例を示す説明図である。連結した２台のエアポンプを使用することにより、単体のエアポンプを使用する場合に比して、圧力－流量特性における圧力範囲を約２倍に拡大することができ、背圧の大きさに拘わらず、必要量のエアを小さいデューティで供給することができる。

図７は、エアポンプを単体で使用した場合と２台のエアポンプを連結して使用した場合のそれぞれのデューティに対する流量、騒音および消費電力の各実験データを示す説明図である。なお、図中、黒丸印は、連結した２台のエアポンプを使用してエアを供給したときのエア流量を示すデータであり、白丸印は、単体のエアポンプを使用してエアを供給したときのエア流量を示すデータであり、黒四角印は、連結した２台のエアポンプを使用してエアを供給したときの騒音レベルを示すデータであり、白四角印は、単体のエアポンプを使用してエアを供給したときの騒音レベルを示すデータであり、黒三角印は、単体のエアポンプを使用してエアを供給したときの消費電力を示すデータであり、白三角印は、連結した２台のエアポンプを使用してエアを供給したときの消費電力（２台合計）を示すデータである。単体のエアポンプを使用した場合、６０％のデューティでエアポンプを駆動すると、エアの流量は２４ＮＬ／ｍｉｎとなり、このときの消費電力は１０．９Ｗであり、騒音は６０．２ｄＢであった。これに対して、連結した２台のエアポンプを使用した場合、同じ流量（２４ＮＬ／ｍｉｎ）のエアを供給するのにそれぞれ４０％のデューティで済み、このときの消費電力は１０．３Ｗであり、騒音は５５．２ｄＢであった。このことから、連結された２台のエアポンプを使用してエア流量を制御することにより、単体のエアポンプを使用した場合よりも、小さいデューティで同一流量のエアを供給することができ、消費電力や騒音を低減させることができることが解る。

以上説明した本実施形態の燃料電池システム１０では、エア供給管５１内のエアを圧送する第１エアポンプ５３と、エア供給管５１における第１エアポンプ５３の下流側に設置された第２エアポンプ５４と、を備え、それぞれ流量センサ５５により検出される流量が目標流量となるようにフィードバック制御する。第１エアポンプ５３と第２エアポンプ５４とを直列に連結することで、必要量のエアをそれぞれ小さいデューティで各エアポンプを駆動して供給することができ、消費エネルギや騒音をより低減させることができる。また、ゲインｋａ１，ｋｉ１をもって第１エアポンプ５３をフィードバック制御すると共に、エア流量Ｆａと目標エア流量Ｆａｔａｇとの偏差が大きい場合にゲインｋａ１，ｋｉ１よりも大きいゲインｋａ２，ｋｉ２をもって第２エアポンプ５４をフィードバック制御することで、２台のエアポンプで応答特性が一致することによる制御性の悪化を抑制することができる。これらの結果、エアを良好な精度で供給すると共に消費エネルギをより低減させることができる。

また、本実施形態の燃料電池システム１０では、第２エアポンプ５４のフィードバック制御に用いるゲインｋａ２，ｋｉ２として、流量変化率γが第１範囲外にあるときには、第１エアポンプ５３のフィードバック制御に用いるゲインｋａ１，ｋｉ１よりも大きな値が設定され、第１範囲内に入ると、流量変化率γが絶対値として小さくなるにつれて、ゲインｋａ１，ｋｉ１に近づくように設定され、第１範囲よりも狭い第２範囲内に入ると、ゲインｋａ１，ｋｉ１と同じ値が設定される。これにより、目標エア流量Ｆａｔａｇに対するエア流量Ｆａの応答性と収束性とを良好にすることができる。

上述した実施形態では、エア供給装置５０は、直列に接続された２台のエアポンプ（第１および第２エアポンプ５３，５４）を備えるものとしたが、直列に接続された３台以上のエアポンプを備えてもよい。この場合、いずれのエアポンプも、流量センサ５５により検出されるエア流量Ｆａが目標エア流量Ｆａｔａｇに一致するようにフィードバック制御するものとし、各エアポンプの応答特性をそれぞれ異ならせてもよい。

この本開示の流体供給装置を、燃料電池システム１０に適用して説明したが、これに限定されるものではなく、エア等の圧縮性流体を供給するものであれば、他の如何なるシステムにも適用可能である。

実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施形態では、エア供給装置５０が流体供給装置に相当し、第１エアポンプ５３が第１ポンプに相当し、第２エアポンプ５４が第２ポンプに相当し、流量センサ５５が流量センサに相当し、制御装置１００が制御装置に相当する。また、燃料電池スタック２１が燃料電池に相当する。

なお、実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施形態が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施形態は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本開示を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、流体供給装置や燃料電池システムなどの製造産業に利用可能である。

１ 原燃料供給源、２ 電力系統、３ 電力ライン、４ 負荷、１０ 燃料電池システム、２０ 発電モジュール、２１ 燃料電池スタック、２２ 気化器、２３ 改質器、２４ 燃焼器、２６，２７ 熱交換器、２８ 燃焼触媒、２９ モジュールケース、３０ 原燃料ガス供給装置、３１ 原燃料ガス供給管、３２，３３ 開閉弁、３６ ガスポンプ、３８ 脱硫器、３９ 流量センサ、４０ 改質水供給装置、４１ 改質水供給管、４２ 改質水タンク、４３ 改質水ポンプ、４４ 凝縮水配管、５０ エア供給装置、５１ エア供給管、５２ エアフィルタ、５３ 第１エアポンプ、５４ 第２エアポンプ、５５ 流量センサ、６０ 排熱回収装置、６１ 貯湯タンク、６２ 凝縮器、６３ 循環配管、６４ 循環ポンプ、７１ アノードガス配管、７２ カソードガス配管、７３，７４ アノードオフガス配管、７５ カソードオフガス配管、７６ 燃焼排ガス配管、８０ パワーコンディショナ、８１ 電源基板、１００ 制御装置、１０１ ＣＰＵ、１０２ ＲＯＭ、１０３ ＲＡＭ、１１１，１１２ 温度センサ。

Claims (4)

1. 圧縮性流体を供給する流体供給装置であって、
   前記圧縮性流体の供給流路に設置され、該供給流路内の圧縮性流体を圧送する第１ポンプと、
   前記供給流路における前記第１ポンプの下流側に設置され、該供給流路内の圧縮性流体を圧送する第２ポンプと、
   前記供給流路を流れる圧縮性流体の流量を検出する流量センサと、
   第１応答特性をもって前記流量センサにより検出される流量が目標流量となるようにフィードバック制御により前記第１ポンプを制御すると共に、少なくとも所定条件下において前記第１応答特性と応答性が異なる第２応答特性をもって前記フィードバック制御により前記第２ポンプを制御する制御装置と、
   を備える流体供給装置。
2. 請求項１に記載の流体供給装置であって、
   前記所定条件は、前記流量センサにより検出される流量が所定範囲内に収束するまでの期間である、
   流体供給装置。
3. 請求項２に記載の流体供給装置であって、
   前記第２応答特性は、前記第１応答特性よりも応答性が速い状態から前記流量センサにより検出される流量が前記所定範囲内に収束するまで前記目標流量に近づくにつれて前記第１応答特性に近づくように変化し、前記流量センサにより検出される流量が前記所定範囲内に収束すると、前記第１応答特性と一致する、
   流体供給装置。
4. 燃料ガスおよびエアの供給を受けて発電する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
   前記エアの供給流路に設置され、該供給路内のエアを圧送する第１ポンプと、
   前記供給流路における前記第１ポンプの下流側に設置され、該供給路内のエアを圧送する第２ポンプと、
   前記供給流路を流れるエアの流量を検出する流量センサと、
   第１応答特性をもって前記流量センサにより検出される流量が目標流量となるようにフィードバック制御により前記第１ポンプを制御すると共に、少なくとも所定条件下において前記第１応答特性と応答性が異なる第２応答特性をもって前記フィードバック制御により前記第２ポンプを制御する制御装置と、
   を備える燃料電池システム。

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