JP6881240B2 - 燃料電池システムおよびタービンの制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、コンプレッサの駆動を補助するタービンを備える燃料電池システムに関する。
従来から、燃料電池にカソードガスを供給するコンプレッサを備える燃料電池システムが知られている。特許文献１に記載の燃料電池システムでは、燃料電池の発熱によって温度が上昇したカソード排ガスのエネルギによりタービンを回転させ、かかる回転で発生する動力によりコンプレッサの駆動を補助している。
特開２０１２−２２１６５７号公報
しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、カソード排ガスのエネルギ回収量が十分ではないという問題があった。そこで、本発明の発明者は、カソード排ガスの流路を狭くしてタービン前後の差圧を大きくすることにより、エネルギ回収量を増加させることを試みた。ところが、カソード排ガスの流路を狭くすると、カソード排ガスの膨張により温度が低下するので、カソード排ガスに多量に含まれる水蒸気によってタービンが結露して凍結する可能性があるという問題があることを見出した。
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、以下の形態として実現することが可能である。
（１）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；前記燃料電池にカソードガスを供給するコンプレッサと；前記コンプレッサを駆動するモータと；前記燃料電池から排出される前記カソードガスの排ガスが流通するカソードガス排出路と；前記カソードガス排出路に配置されて前記排ガスによって駆動されるタービンであって、前記タービンを通過する前記排ガスの流路の開度を可変して前記タービン前後の差圧を調整する可変機構を有し、前記差圧を利用して前記排ガスのエネルギの少なくとも一部を回収し、回収した前記エネルギによって前記モータの駆動を補助するタービンと；前記可変機構を駆動して、回収する前記エネルギを増減する制御部と；を備え；前記制御部は；前記タービンから排出される前記排ガスの排出温度と相関する相関温度を取得し；前記相関温度が、前記タービンが凍結するおそれのある予め定められた閾値温度よりも低いとき、前記開度を予め定められた開度以下にしない凍結回避制御を行なう。この形態の燃料電池システムによれば、排出温度と相関する相関温度を取得し、相関温度が、タービンが凍結するおそれのある予め定められた閾値温度よりも低いとき、開度を予め定められた開度以下にしないので、カソード排ガスのエネルギ回収量の減少を抑制しつつ、タービンから排出される排ガスの温度が低下することを抑制でき、タービンの凍結を抑制できる。
（２）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記凍結回避制御として、前記開度を増加させてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、タービンが凍結するおそれのある予め定められた閾値温度よりも相関温度が低いとき、開度を増加させるので、タービンから排出される排ガスの膨張を抑制して、排ガスの温度が低下することをより抑制でき、タービンの凍結をより抑制できる。
（３）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記相関温度として、前記コンプレッサに導入される前の前記カソードガスの温度を取得してもよい。この形態の燃料電池システムによれば、相関温度として、コンプレッサに導入される前のカソードガスの温度を取得するので、タービンが凍結するおそれのある低温環境下であることを精度よく検出できる。
（４）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記相関温度が前記閾値温度よりも低く、かつ、前記燃料電池システムが始動してから予め定められた時間以内である場合に、前記凍結回避制御を行なってもよい。この形態の燃料電池システムによれば、相関温度が閾値温度よりも低く、かつ、燃料電池システムが始動してから予め定められた時間以内である場合に、凍結回避制御を行なうので、始動してから予め定められた時間を過ぎてタービンが凍結する可能性が低い場合にも開度を減少させることを禁止してしまって、カソード排ガスのエネルギ回収量が減少することを抑制できる。
（５）上記形態の燃料電池システムにおいて、さらに、前記燃料電池から排出されて前記タービンに導入される前の前記排ガスの温度を検出する温度センサを備え；前記制御部は；検出された前記排ガスの温度に基づいて前記排出温度を推定し；前記相関温度として、推定された前記排出温度を取得してもよい。この形態の燃料電池システムによれば、検出された排ガスの温度に基づいて排出温度を推定し、相関温度として推定された排出温度を取得するので、実際の排出温度と相関性の高い温度を用いて開度を制御できる。
（６）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記凍結回避制御として、前記相関温度が前記閾値温度と等しくなる前記開度を求め、前記開度を求められた前記開度に制御してもよい。この形態の燃料電池システムによれば、推定された排出温度が閾値温度と等しくなるように開度を求め、開度を求められた開度に制御するので、開度が過度に増加されてカソード排ガスのエネルギ回収量が減少することを抑制できる。
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、タービンの制御方法、燃料電池システムの制御方法、燃料電池システムを備える車両などの形態で実現することができる。
燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。 ユニットの概略構成を示す説明図である。 図２の３−３線に沿った断面を示す断面図である。 図２の３−３線に沿った断面を示す断面図である。 通常制御の際に用いるタービン特性ＭＡＰの一例を示す説明図である。 凍結回避制御の手順を示すフローチャートである。 凍結判定処理の手順を示すフローチャートである。 第２実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。 第２実施形態における凍結回避制御の手順を示すフローチャートである。 第２実施形態における凍結判定処理の手順を示すフローチャートである。 タービン効率を示すタービン特性ＭＡＰの一例を示す説明図である。 タービン効率を示すタービン特性ＭＡＰの一例を示す説明図である。
Ａ．第１実施形態：
Ａ−１．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の一実施形態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。燃料電池システム１０は、駆動用電源を供給するためのシステムとして、図示しない燃料電池車両に搭載されている。
燃料電池システム１０は、燃料電池１５と、冷却系２０と、アノードガス給排系３０と、タービン付きコンプレッサユニット１００（以下、単に「ユニット１００」とも呼ぶ）と、カソードガス供給系４０と、カソードガス排出系７０と、制御部９０とを備える。
燃料電池１５は、いわゆる固体高分子型燃料電池であり、反応ガス（アノードガスおよびカソードガス）の供給を受けて発電する。燃料電池１５は、単セルが複数積層されたスタック構造を有する。
冷却系２０は、燃料電池１５を冷却する。冷却系２０は、冷媒供給路２１と、冷媒排出路２２と、ラジエータ２３と、冷媒ポンプ２４とを備える。
冷媒供給路２１は、冷媒としての冷却水を燃料電池１５に供給する。なお、冷却水に代えて、エチレングリコール等の不凍液や空気等を用いてもよい。冷媒排出路２２は、燃料電池１５から排出された冷媒をラジエータ２３へと送る。ラジエータ２３は、冷媒を放熱する。冷媒ポンプ２４は、冷媒供給路２１に配置され、冷媒を循環させる。
アノードガス給排系３０は、アノードガスとしての水素を燃料電池１５に供給し、排出する。アノードガス給排系３０は、アノードガスタンク３１と、アノードガス供給路３２と、主止弁３３と、調圧弁３４と、アノードガス循環路３５と、気液分離器３６と、循環ポンプ３７と、排気排水弁３８と、排気排水路３９とを備える。
アノードガスタンク３１は、高圧の水素を貯蔵している。アノードガス供給路３２は、アノードガスタンク３１と燃料電池１５とを接続している。アノードガス供給路３２には、主止弁３３と調圧弁３４とが配置されている。主止弁３３は、制御部９０からの指示に応じてアノードガスタンク３１からのアノードガスの供給をオンオフする。調圧弁３４は、主止弁３３の下流側に配置され、制御部９０からの指示に応じて燃料電池１５に供給するアノードガスの圧力を調整する。
アノードガス循環路３５は、燃料電池１５とアノードガス供給路３２とに接続され、燃料電池１５から排出されたアノード排ガスをアノードガス供給路３２に循環させる。アノードガス循環路３５には、気液分離器３６と、循環ポンプ３７とが設けられている。気液分離器３６は、燃料電池１５から排出された液水混じりのアノード排ガスから液水を分離する。また、気液分離器３６は、アノード排ガスに含まれる不純物ガス、例えば窒素ガスも分離する。未使用の水素ガスを含むアノード排ガスは、循環ポンプ３７によってアノードガス供給路３２に循環される。排気排水弁３８は、制御部９０からの指示に応じて所定のタイミングで開弁する。これにより、分離された液水と窒素ガスとが、排気排水路３９を通過してシステム外に放出される。
ユニット１００は、コンプレッサ６０とタービン８０とを備える。コンプレッサ６０は、カソードガス供給系４０に組み込まれ、タービン８０は、カソードガス排出系７０に組み込まれている。コンプレッサ６０とタービン８０とは、モータ６２を介して連結されている。ユニット１００は、カソード排ガスのエネルギを回収するとともに、回収されたエネルギを補助的な動力として用いてカソードガスを燃料電池１５へと圧送する。
図２は、ユニット１００の概略構成を示す説明図である。なお、図２では、ユニット１００の一部を、モータ６２の軸線ＣＸを含む断面図で示している。
コンプレッサ６０は、ハウジング６１と、モータ６２と、シャフト６３と、インペラ６４と、入口ダクト６５と、コンプレッサスクロール６６とを有する。コンプレッサ６０は、カソードガスとしての空気を吸入して圧縮し、図１に示す燃料電池１５へと圧送する。
ハウジング６１は、コンプレッサ６０の各要素を内部に収容する。モータ６２は、制御部９０からの指示に応じて作動してコンプレッサ６０を駆動する。シャフト６３は、モータ６２の回転軸として構成され、モータ６２の回転トルクをインペラ６４に伝達する。インペラ６４は、羽根車により構成され、自身が回転する際の遠心力によって、入口ダクト６５から吸入したカソードガスを圧縮してコンプレッサスクロール６６へと押し出す。入口ダクト６５は、図１に示すカソードガス供給系４０の上流側供給路４１と接続されている。図２に示すコンプレッサスクロール６６は、渦状の外観形状を有し、圧縮されたカソードガスを図１に示すカソードガス供給系４０の下流側供給路５１へと導出する。
タービン８０は、タービンハウジング８１と、タービンホイール８２と、タービンスクロール８３と、出口ダクト８４と、可変機構８５とを有する。タービン８０は、図１に示す燃料電池１５から排出されたカソード排ガスのエネルギの少なくとも一部を回収し、回収したエネルギによってモータ６２の駆動を補助する。
タービンハウジング８１は、ハウジング６１と一体に形成され、タービン８０の各要素を内部に収容する。タービンホイール８２は、羽根車により構成され、カソード排ガスのエネルギによって回転する。タービンホイール８２は、シャフト６３を介してインペラ６４と連結されている。タービンホイール８２の回転によって生じた動力は、モータ６２に伝達されてモータ６２の補助的な動力として用いられる。タービンスクロール８３は、渦状の外観形状を有し、図１に示すカソードガス排出路７１と接続されて、燃料電池１５から排出されるカソード排ガスをタービンハウジング８１の内部に取り込む。図２に示す出口ダクト８４は、タービンホイール８２を通過したカソード排ガスを図１に示すカソードガス排出路７１、より具体的には、マフラー７８に向かう側へと導出する。タービン８０を通過したカソード排ガスの温度は、タービン８０の膨張仕事によって低下する。
可変機構８５は、いわゆる可変ノズル式の構成を有し、タービン８０を通過するカソード排ガスの流路の開度（以下、単に「開度」とも呼ぶ）を可変し、タービン８０前後の差圧を調整する。なお、タービン８０を通過するカソード排ガスの流路の開度は、可変機構８５の開度とも呼ぶ。可変機構８５は、可変機構駆動モータ８６と、複数の可変ベーン８７と、複数の軸部８８とを有する。可変機構駆動モータ８６は、制御部９０からの指示に応じて各可変ベーン８７を回動させる。
図３および図４は、図２の３−３線に沿ったタービン８０の断面を示す断面図である。図３では、開度が比較的大きい場合（開度大）を、図４では、開度が比較的小さい場合（開度小）を、それぞれ模式的に示している。
可変ベーン８７は、タービンホイール８２よりも径方向外側において、周方向に複数並んで配置されている。各可変ベーン８７は、各軸部８８を中心として所定の角度だけ回動可能にそれぞれ構成されている。各軸部８８は、図示しないユニゾンリングとリンク機構とを介して可変機構駆動モータ８６と接続されている。各可変ベーン８７が回動することにより、隣接する可変ベーン８７間の隙間の大きさが変化し、開度が変更される。
カソード排ガスの流れる流路断面積は、開度が大きい場合に大きく、開度が小さい場合に小さい。開度は、例えば、全開状態における流路断面積を１００％としたときの、実際の流路断面積の割合により示されてもよい。開度が減少されると、タービン８０前後のカソード排ガスの差圧が大きくなり、タービンホイール８２を通過するカソード排ガスの膨張比が増大する。
ここで、カソード排ガスの膨張比とは、タービン８０の出口におけるカソード排ガスの圧力Ｐ６（以下、単に「出口圧力Ｐ６」とも呼ぶ）に対する、タービン８０の入口におけるカソード排ガスの圧力Ｐ４（以下、単に「入口圧力Ｐ４」とも呼ぶ）の割合を意味する。一般に、膨張比（Ｐ４／Ｐ６）が大きいほど、タービン８０の出口におけるカソード排ガスの温度Ｔ６（以下、「排出温度Ｔ６」とも呼ぶ）が低下する。
図１に示すカソードガス供給系４０は、カソードガスを燃料電池１５に供給する。カソードガス供給系４０は、上述したユニット１００のコンプレッサ６０に加えて、上流側供給路４１と、エアクリーナ４２と、大気圧センサ４３と、エアクリーナ温度センサ４４と、エアフロメータ４５と、下流側供給路５１と、インタークーラ５２と、供給ガス温度センサ５３と、供給ガス圧力センサ５４と、入口弁５５とを有する。
上流側供給路４１は、カソードガス供給系４０のうち、コンプレッサ６０よりも上流側の流路を構成している。エアクリーナ４２は、カソードガスを取り込む際の塵埃を除去する。大気圧センサ４３は、大気圧を検出する。エアクリーナ温度センサ４４は、外気温を検出する。エアフロメータ４５は、エアクリーナ４２に取り込まれたカソードガスの量を検出する。大気圧センサ４３とエアクリーナ温度センサ４４とエアフロメータ４５とによる検出結果は、制御部９０へと送信される。
下流側供給路５１は、カソードガス供給系４０のうち、コンプレッサ６０よりも下流側の流路を構成している。インタークーラ５２は、コンプレッサ６０により圧縮されて温度が上昇したカソードガスを冷却する。供給ガス温度センサ５３は、燃料電池１５に供給されるカソードガスの温度を測定する。供給ガス圧力センサ５４は、燃料電池１５に供給されるカソードガスの圧力を測定する。入口弁５５は、下流側供給路５１において、バイパス流路７３との接続部位よりも燃料電池１５の近くに配置されている。入口弁５５は、制御部９０からの指示に応じてカソードガスの流量を調整する。
カソードガス排出系７０は、カソードガスを燃料電池１５から排出する。カソードガス排出系７０は、上述したユニット１００のタービン８０に加えて、カソードガス排出路７１と、調圧弁７２と、バイパス流路７３と、バイパス弁７４と、マフラー７８とを有する。
カソードガス排出路７１には、燃料電池１５から排出されたカソード排ガスが流通する。調圧弁７２は、カソードガス排出路７１において、バイパス流路７３との接続部位よりも燃料電池１５の近くに配置されている。調圧弁７２は、制御部９０からの指示に応じて燃料電池１５におけるカソードガスの圧力を調整する。バイパス流路７３は、下流側供給路５１とカソードガス排出路７１とを接続する。バイパス弁７４は、バイパス流路７３に配置されている。バイパス弁７４は、制御部９０からの指示に応じてバイパス流路７３を流れるカソードガスの流量を調整する。
カソードガス排出路７１のうち、タービン８０よりも下流側には、アノードガス給排系３０の排気排水路３９の下流端が接続されている。カソードガス排出路７１のうち、排気排水路３９の接続部位よりも下流側には、マフラー７８が配置されている。マフラー７８は、カソード排ガスの排気音を低減させる。
制御部９０は、中央処理装置（ＣＰＵ：Central Processing Unit）と主記憶装置とを備えるマイクロコンピュータであり、電子制御ユニットとして構成されている。制御部９０は、燃料電池システム１０の動作を制御する。制御部９０は、大気圧センサ４３、エアクリーナ温度センサ４４、エアフロメータ４５、供給ガス温度センサ５３、供給ガス圧力センサ５４等の各種センサからの出力信号を取得する。また、主止弁３３、調圧弁３４、排気排水弁３８、入口弁５５、調圧弁７２、バイパス弁７４等の各種弁や、モータ６２、可変機構駆動モータ８６、冷媒ポンプ２４、循環ポンプ３７等、燃料電池１５の発電に関わる各部に駆動信号を出力する。制御部９０は、可変機構８５を駆動することにより、カソード排ガスから回収するエネルギの量を増減させる。また、制御部９０は、後述する凍結回避制御を行なう。
制御部９０は、通常制御として、カソード排ガスの流量に応じて上述の開度を決定して制御することにより、カソード排ガスのエネルギ回収量を増加させている。本実施形態では、まず、カソード排ガスの膨張比の目標値（以下、「目標膨張比」とも呼ぶ）を決定し、かかる目標膨張比とカソード排ガスの流量と開度との関係を示すタービン特性ＭＡＰを参照することにより、開度を決定する。
本実施形態では、目標膨張比として、燃料電池１５の出口における圧力Ｐ３（以下、単に「燃料電池出口圧力Ｐ３」とも呼ぶ）に応じて定められる膨張比Ｐ４／Ｐ６の上限値を用いる。本実施形態において、燃料電池出口圧力Ｐ３は、供給ガス圧力センサ５４により測定された圧力と、入口弁５５、調圧弁７２、およびバイパス弁７４の開度とに基づいて、燃料電池１５等での圧損を考慮して求められる。なお、燃料電池出口圧力Ｐ３は、調圧弁７２に圧力センサを設けて測定されてもよい。また、本実施形態において、出口圧力Ｐ６は、大気圧センサ４３により検出された大気圧の近似値として求められるが、マフラー７８等における圧損を考慮して大気圧に補正係数を適用して求められてもよい。入口圧力Ｐ４は、燃料電池１５内の圧力を適正値とするために、燃料電池出口圧力Ｐ３よりも大きくないことが好ましい。このため、入口圧力Ｐ４の上限値は、燃料電池出口圧力Ｐ３に依存する。したがって、出口圧力Ｐ６と燃料電池出口圧力Ｐ３とによって膨張比Ｐ４／Ｐ６の上限値が定まり、目標膨張比が決定される。
図５は、通常制御の際に用いるタービン特性ＭＡＰの一例を示す説明図である。図５において、縦軸は、膨張比Ｐ４／Ｐ６を示し、横軸は、タービン８０に流入するカソード排ガスの流量Ｇ４を示している。図５では、説明の便宜上、開度が比較的大きい場合（開度大）と開度が比較的小さい場合（開度小）との２つの曲線を示し、開度が異なる他の曲線の図示を省略している。なお、タービン特性ＭＡＰは、制御部９０の主記憶装置に予め記憶されている。
本実施形態では、タービン８０に流入するカソード排ガスの流量Ｇ４として、エアフロメータ４５により検出されたカソードガスの流量を用いる。なお、これに代えて、エアフロメータ４５により検出されたカソードガスの流量に補正係数を適用して算出されてもよく、カソードガス排出路７１に流量センサを設けて測定されてもよい。
制御部９０は、通常制御として、図５に示すタービン特性ＭＡＰを参照することにより、カソード排ガスの流量Ｇ４と決定された目標膨張比との交点から、開度を決定する。なお、図５では、カソード排ガスの流量Ｇ４がｘであり、目標膨張比がｙである場合を一例として示している。ｘとｙとの交点Ｒ１上に位置する曲線が「開度大」の曲線であるため、制御部９０は、開度を「開度大」に決定する。制御部９０は、可変機構８５の開度を、決定された開度にするように可変機構駆動モータ８６へと駆動信号を出力する。
ところで、カソード排ガスには、燃料電池１５の化学反応により生じた生成水である水蒸気や液滴が多量に含まれている。このため、タービン８０を通過する際にカソード排ガスの温度が低下すると、カソード排ガスに多量に含まれる水蒸気や液滴により、タービンホイール８２やタービンハウジング８１等が結露して凍結するおそれがある。このようなタービン８０の凍結は、特に、外気温の低い寒冷地において発生するおそれがある。そこで、本実施形態の燃料電池システム１０では、以下に説明する凍結回避制御を実行することにより、タービン８０から排出されるカソード排ガスの排出温度Ｔ６の低下を抑制し、タービン８０の温度低下を抑制し、タービン８０の凍結を抑制する。
Ａ−２．凍結回避制御：
図６は、凍結回避制御の手順を示すフローチャートである。凍結回避制御は、燃料電池搭載車両のスタータースイッチ（図示せず）が押されて燃料電池システム１０が起動した後、繰り返し実行される。なお、凍結回避制御は、燃料電池システム１０の起動と同時に実行されてもよく、他の任意のタイミングで実行されてもよい。
制御部９０は、凍結判定処理を行なう（ステップＳ３００）。凍結判定処理とは、タービン８０が凍結する可能性が有るか否かを判定する処理を意味する。
図７は、凍結判定処理の手順を示すフローチャートである。制御部９０は、エアクリーナ温度センサ４４により測定された外気温Ｔ０を取得する（ステップＳ３１０）。制御部９０は、取得された外気温Ｔ０が、予め定められた閾値温度Ｔｍｉｎよりも低いか否かを判定する（ステップＳ３２０）。閾値温度Ｔｍｉｎは、タービン８０が凍結するおそれのある排出温度Ｔ６と相関する温度を意味し、制御部９０の主記憶装置に予め記憶されている。本実施形態において、閾値温度Ｔｍｉｎは、５℃に設定されているが、タービン８０が凍結するおそれのある排出温度Ｔ６と相関する他の任意の温度に設定されてもよい。
ステップＳ３２０において、外気温Ｔ０が閾値温度Ｔｍｉｎよりも低くないと判定された場合（ステップＳ３２０：ＮＯ）、制御部９０は、凍結の可能性が無いと判定し（ステップＳ３５０）、凍結判定処理を終了して図６に示す凍結回避制御に戻る。
他方、図７に示すステップＳ３２０において、外気温Ｔ０が閾値温度Ｔｍｉｎよりも低いと判定された場合（ステップＳ３２０：ＹＥＳ）、制御部９０は、燃料電池システム１０が始動直後の状態であるか否かを判定する（ステップＳ３３０）。具体的には、燃料電池システム１０が始動してからＸ秒以内であるか否かを判定する。Ｘ秒は、予め定められて制御部９０の主記憶装置に記憶されている。本実施形態において、Ｘ秒は、６０秒に設定されているが、燃料電池システム１０が始動直後の状態であることを示す他の任意の値に設定されてもよい。
燃料電池システム１０の始動直後は、燃料電池１５の温度があまり上昇していないため、燃料電池１５から排出されるカソード排ガスの温度が低い場合がある。このため、燃料電池システム１０の始動直後は、タービン８０が凍結する可能性が比較的高い。
ステップＳ３３０において、燃料電池システム１０が始動直後の状態でないと判定された場合（ステップＳ３３０：ＮＯ）、制御部９０は、凍結の可能性が無いと判定し（ステップＳ３５０）、凍結判定処理を終了して図６に示す凍結回避制御に戻る。
他方、図７に示すステップＳ３３０において、燃料電池システム１０が始動直後の状態であると判定された場合（ステップＳ３３０：ＹＥＳ）、制御部９０は、凍結の可能性が有ると判定し（ステップＳ３４０）、凍結判定処理を終了して図６に示す凍結回避制御に戻る。
図６に示す凍結回避制御において、ステップＳ３００の凍結判定処理の結果、凍結の可能性が有ると判定されたか否かを検出する（ステップＳ２１０）。ステップＳ２１０において、凍結の可能性が無いと検出された場合（ステップＳ２１０：ＮＯ）、上述のステップＳ３００に戻る。
他方、ステップＳ２１０において、凍結の可能性が有ると検出された場合（ステップＳ２１０：ＹＥＳ）、制御部９０は、可変機構８５の開度、換言すると、タービン８０を通過するカソード排ガスの流路の開度を増加させる（ステップＳ２２０）。より具体的には、制御部９０は、可変機構駆動モータ８６に指令を出力することにより、各可変ベーン８７を回動させて開度を増加させる。開度を増加させるとは、ステップＳ２２０の実行前に比べて開度を増加させることを意味する。本実施形態では、開度を３０％分増加させるが、１０％分や２０％分等、他の任意の開度分だけ増加させてもよい。また、タービン８０を通過するカソード排ガスの膨張比が比較的小さくカソード排ガスの温度低下の度合いが比較的小さくなるような、タービン８０が凍結する可能性の低い比較的大きな開度を予め設定しておき、かかる開度よりも可変機構８５の開度を増加させてもよい。
開度を増加させると、流路断面積が増大してカソード排ガスの圧損が小さくなるので、膨張比Ｐ４／Ｐ６が小さくなる。このため、タービン８０から排出されるカソード排ガスの膨張が抑制されて排出温度Ｔ６の低下が抑制され、タービン８０の温度低下が抑制され、タービン８０の凍結が抑制される。ステップＳ２２０の後、ステップＳ３００に戻る。
本実施形態において、外気温Ｔ０は、課題を解決するための手段における相関温度の下位概念と、コンプレッサに導入される前のカソードガスの温度の下位概念とに相当する。
以上説明した本実施形態の燃料電池システム１０によれば、外気温Ｔ０が閾値温度Ｔｍｉｎよりも低く、かつ、燃料電池システム１０が始動直後の状態である場合に、開度を増加させる。これにより、カソード排ガスの膨張比Ｐ４／Ｐ６を減少できるので、タービン８０から排出されるカソード排ガスの膨張を抑制して排出温度Ｔ６の低下を抑制できる。したがって、タービン８０の温度低下を抑制でき、タービン８０の凍結を抑制できる。
タービン８０の凍結は、外気温Ｔ０の低い寒冷地において特に発生しやすい。本実施形態の燃料電池システム１０によれば、外気温Ｔ０に基づいて凍結判定処理を実行するので、タービン８０が凍結するおそれのある低温環境下であることを精度よく検出できる。
また、燃料電池システム１０が始動直後である場合にタービン８０が凍結する可能性が有ると判定し、始動直後でない場合にタービン８０が凍結する可能性が無いと判定する。このため、燃料電池システム１０が始動してから予め定められた時間を過ぎて、燃料電池１５の温度が上昇してカソード排ガスの温度が上昇してタービン８０が凍結する可能性が低い場合に、凍結の可能性が有ると判定して開度を過度に増加させてしまうことを抑制でき、カソード排ガスのエネルギ回収量が減少することを抑制できる。
Ｂ．第２実施形態：
図８は、第２実施形態の燃料電池システム１０ａの概略構成を示す説明図である。第２実施形態の燃料電池システム１０ａは、タービン入口温度センサ７５ａをさらに備える点と、凍結回避制御および凍結判定処理の具体的な手段とにおいて、第１実施形態の燃料電池システム１０と異なる。その他の構成は第１実施形態の燃料電池システム１０と同じであるので、同一の構成および同一の手順には同一の符号を付し、それらの詳細な説明を省略する。
タービン入口温度センサ７５ａは、カソードガス排出系７０ａのカソードガス排出路７１において、調圧弁７２とタービン８０との間に配置されている。タービン入口温度センサ７５ａは、タービン８０に導入されるカソード排ガスの温度Ｔ４（以下、「入口温度Ｔ４」とも呼ぶ）を検出する。タービン入口温度センサ７５ａによる検出結果は、制御部９０へと送信される。
図９は、第２実施形態における凍結回避制御の手順を示すフローチャートである。まず、凍結判定処理が実行される（ステップＳ５００）。
図１０は、第２実施形態における凍結判定処理の手順を示すフローチャートである。制御部９０は、タービン入口温度センサ７５ａにより検出された入口温度Ｔ４を取得する（ステップＳ５１０）。制御部９０は、取得された入口温度Ｔ４とタービン効率ηｔを示すタービン特性ＭＡＰとに基づいて、上述の通常制御を実行した場合における、タービン８０から排出されるタービン排ガスの排出温度Ｔ６を推定する（ステップＳ５２０）。
ここで、タービン効率ηｔは、下記式（１）に示すように、タービン８０の入口における断熱変化での仕事率（Ｌｔ）ａｄに対するタービン８０の出口における仕事率Ｌｔの割合として求められる。
Figure 0006881240
 タービン８０の入口における断熱変化での仕事率（Ｌｔ）ａｄは、下記式（２）により求められ、タービン８０の出口における仕事率Ｌｔは、下記式（３）により求められる。
Figure 0006881240
Figure 0006881240
 ここで、Ｃｐｇは比熱、κは比熱比（Ｃｐ／Ｃｖ）を示している。なお、Ｃｐは定圧比熱、Ｃｖは定容比熱を示している。また、上記式（２）は、下記式（４）を適用することにより、下記式（５）に置き換えることができる。
Figure 0006881240
Figure 0006881240
 したがって、上記式（１）、（３）、（５）より、排出温度Ｔ６を示す下記式（６）が導かれる。
Figure 0006881240
図１１および図１２は、タービン効率ηｔを示すタービン特性ＭＡＰの一例を示す説明図である。図１１は、開度が比較的大きい場合（開度大）を示し、図１２は、開度が比較的小さい場合（開度小）を示している。図１１および図１２において、縦軸は、タービン効率ηｔを示し、横軸は、膨張比Ｐ４／Ｐ６を示している。図１１および図１２では、説明の便宜上、タービンホイール８２の回転速度に対応する４つの曲線をそれぞれ代表して示し、回転速度が異なる他の曲線の図示を省略している。また、回転速度を、駆動可能な最大の回転速度を１００％としたときの、実際の回転速度の割合により示している。なお、制御部９０の主記憶装置は、図１１および図１２に示すタービン特性ＭＡＰに加えて、開度の異なる複数のタービン特性ＭＡＰを記憶している。
上述の通常制御では、膨張比Ｐ４／Ｐ６が目標膨張比に設定され、開度が図５に示すタービン特性ＭＡＰから決定される。制御部９０は、通常制御を実行した場合の開度に応じたタービン効率ηｔを示すタービン特性ＭＡＰを参照することにより、タービンホイール８２の回転速度と膨張比Ｐ４／Ｐ６とに基づいてタービン効率ηｔを求めることができる。
制御部９０は、図１０に示すステップＳ５２０において、排出温度Ｔ６を示す上記式（６）に、通常制御を実行した場合における膨張比Ｐ４／Ｐ６とタービン効率ηｔとを適用して、排出温度Ｔ６を推定する。
制御部９０は、推定された排出温度Ｔ６を取得し、推定された排出温度Ｔ６が、予め定められた閾値温度Ｔｍｉｎよりも低いか否かを判定する（ステップＳ５３０）。閾値温度Ｔｍｉｎは、例えば５℃に設定されている。
ステップＳ５３０において、推定された排出温度Ｔ６が閾値温度Ｔｍｉｎよりも低くないと判定された場合（ステップＳ５３０：ＮＯ）、制御部９０は、凍結の可能性が無いと判定し（ステップＳ５５０）、凍結判定処理を終了して図９に示す凍結回避制御に戻る。
他方、図１０に示すステップＳ５３０において、推定された排出温度Ｔ６が閾値温度Ｔｍｉｎよりも低いと判定された場合（ステップＳ５３０：ＹＥＳ）、制御部９０は、凍結の可能性が有ると判定し（ステップＳ５４０）、凍結判定処理を終了して図９に示す凍結回避制御に戻る。
図９に示す凍結回避制御において、ステップＳ５００の凍結判定処理の結果、凍結の可能性が有ると判定されたか否かを検出する（ステップＳ４１０）。ステップＳ４１０において、凍結の可能性が無いと検出された場合（ステップＳ４１０：ＮＯ）、上述のステップＳ５００に戻る。
他方、ステップＳ４１０において、凍結の可能性が有ると検出された場合（ステップＳ４１０：ＹＥＳ）、制御部９０は、排出温度Ｔ６が閾値温度Ｔｍｉｎと等しくなる開度を求める（ステップＳ４２０）。より具体的には、制御部９０は、上記式（６）に排出温度Ｔ６として閾値温度Ｔｍｉｎを適用し、また、通常制御を実行した場合におけるタービン効率ηｔを適用して、膨張比Ｐ４／Ｐ６を算出する。次に、制御部９０は、図５に示すタービン特性ＭＡＰを参照することにより、算出された膨張比Ｐ４／Ｐ６とカソード排ガスの流量Ｇ４とに応じた開度を求める。
制御部９０は、可変機構駆動モータ８６に対して、可変機構８５の開度をステップＳ４２０で求められた開度にする指示を出力する（ステップＳ４３０）。これにより、可変機構８５の開度が増加され（ステップＳ４４０）、ステップＳ５００に戻る。開度の増加に伴って排出温度Ｔ６が上昇して閾値温度Ｔｍｉｎと等しくなるので、排出温度Ｔ６の低下が抑制され、タービン８０の温度低下が抑制され、タービン８０の凍結が抑制される。
本実施形態において、タービン入口温度センサ７５ａは、課題を解決するための手段における燃料電池から排出されてタービンに導入される前の排ガスの温度を検出する温度センサの下位概念に相当し、入口温度Ｔ４は、課題を解決するための手段における燃料電池から排出されてタービンに導入される前の排ガスの温度の下位概念に相当し、推定された排出温度Ｔ６は、課題を解決するための手段における相関温度の下位概念に相当する。
以上説明した第２実施形態における凍結回避制御は、第１実施形態の凍結回避制御と同様な効果を奏する。加えて、排出温度Ｔ６を推定するので、実際の排出温度Ｔ６と相関性の高い温度を用いて開度を制御できる。また、タービンの出口と物理的に近接する位置にあるタービンの入口温度Ｔ４に基づいて排出温度Ｔ６を推定するので、排出温度Ｔ６の推定精度の低下を抑制でき、凍結判定処理の判定精度の低下を抑制できる。
また、制御部９０は、排出温度Ｔ６が閾値温度Ｔｍｉｎと等しくなる開度を求め、求められた開度と等しくなるように可変機構８５の開度を増加させる。このため、開度が過度に増加されることを抑制できるので、膨張比Ｐ４／Ｐ６が過度に低下してカソード排ガスのエネルギ回収量が減少することを抑制できる。
Ｃ．他の実施形態：
Ｃ−１．他の実施形態１：
上記実施形態では、凍結の可能性が有ると判定された場合に（ステップＳ２１０およびステップＳ４１０：ＹＥＳ）、開度を増加させていたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、凍結の可能性が有ると判定された場合に（ステップＳ２１０およびステップＳ４１０：ＹＥＳ）、開度を所定開度以下にしないように制御してもよい。所定開度は、開度が所定開度よりも大きい場合に、タービン８０が凍結する可能性の低い比較的大きな開度として予め設定されていてもよい。換言すると、タービン８０を通過するカソード排ガスの膨張比が比較的小さくカソード排ガスの温度低下の度合いが比較的小さい開度が、所定開度として予め設定されていてもよい。かかる構成によっても、上記実施形態の燃料電池システム１０、１０ａと同様な効果を奏する。加えて、現状の開度が所定開度よりも大きい場合に、開度が所定開度以下とならない範囲において開度を減少させてもよいので、タービン８０の凍結を抑制しつつ、カソード排ガスのエネルギ回収量が減少することを抑制できる。また、例えば、凍結の可能性が有ると判定された場合に（ステップＳ２１０およびステップＳ４１０：ＹＥＳ）、開度を維持してもよい。開度を維持するとは、ステップＳ２１０およびステップＳ４１０の判断の後に開度を変更しないことを意味する。かかる構成によれば、開度が過度に増加されてカソード排ガスのエネルギ回収量が減少することを抑制できる。すなわち一般には、相関温度が、タービン８０が凍結するおそれのある予め定められた閾値温度Ｔｍｉｎよりも低いとき、開度を予め定められた開度以下にしない凍結回避制御を行なってもよい。かかる構成によっても、上記実施形態の燃料電池システム１０、１０ａと同様な効果を奏する。
Ｃ−２．他の実施形態２：
第２実施形態の凍結回避制御において、排出温度Ｔ６が閾値温度Ｔｍｉｎと等しくなる開度を検出せずに、開度を一律に増加させてもよい。換言すると、第２実施形態において、第１実施形態と同様の凍結回避制御を実行してもよい。この構成または上記第１実施形態の凍結回避制御において、外気温Ｔ０または推定された排出温度Ｔ６と閾値温度Ｔｍｉｎとの温度差に応じて、開度を段階的に増加させてもよい。例えば、外気温Ｔ０または推定された排出温度Ｔ６と閾値温度Ｔｍｉｎとの差が５℃未満の場合に開度を２０％分増加させ、差が５℃以上の場合に３０％分増加させてもよい。このような構成によっても、上記実施形態の燃料電池システム１０、１０ａと同様な効果を奏する。
Ｃ−３．他の実施形態３：
第１実施形態の凍結判定処理において、ステップＳ３３０を省略してもよい。すなわち、燃料電池システム１０が始動直後の状態であるか否かに関わらず、凍結判定処理を実行してもよい。また、エアクリーナ温度センサ４４による検出に代えて、インターネットを介して外気温Ｔ０を取得する構成であってもよい。また、外気温Ｔ０に代えて、上流側供給路４１に配置される他の温度センサにより測定される、コンプレッサ６０に導入される前のカソードガスの温度を用いて凍結判定処理を実行してもよい。かかる構成によっても、第１実施形態の燃料電池システム１０と同様な効果を奏する。
Ｃ−４．他の実施形態４：
第１実施形態において、第２実施形態の燃料電池システム１０ａが備えるタービン入口温度センサ７５ａにより検出されたタービンの入口温度Ｔ４を用いて、凍結判定処理を実行する態様であってもよい。かかる態様においては、コンプレッサ６０および燃料電池１５を通過したカソードガスによってタービンの入口温度Ｔ４が外気温Ｔ０よりも高いことが想定されるため、閾値温度Ｔｍｉｎをより高い値に設定してもよい。例えば、閾値温度Ｔｍｉｎを１０℃に設定してもよい。かかる構成によっても、第１実施形態の燃料電池システム１０と同様な効果を奏する。
Ｃ−５．他の実施形態５：
上記実施形態の凍結回避制御では、図７および図１０に示すフローチャートにより凍結判定処理を行なっていたが、制御部９０の主記憶装置に予め記憶されているＭＡＰを用いて凍結回避制御を行なってもよい。例えば、凍結判定処理に代えて、開度の少なくとも下限値と相関温度とを、タービン８０の凍結を回避可能な対応関係を示すＭＡＰとして予め記憶しておき、取得された相関温度をかかるＭＡＰに適用して参照することにより、開度を下限値よりも大きくしてもよい。また、上記実施形態では、通常制御における開度の決定において、図５に示すタービン特性ＭＡＰを用いていたが、タービン特性ＭＡＰに代えて、カソード排ガスの流量Ｇ４と膨張比Ｐ４／Ｐ６と開度との関係を示す関係式を用いることにより、開度を決定してもよい。また、第２実施形態におけるタービン効率ηｔの算出において、入口温度Ｔ４をさらに反映させたタービン特性ＭＡＰを用いてもよく、入口温度Ｔ４に応じた補正係数を適用してもよい。このような構成によっても、上記実施形態の燃料電池システム１０、１０ａと同様な効果を奏する。
Ｃ−６．他の実施形態６：
第２実施形態の燃料電池システム１０ａにおけるシステム構成は、あくまで一例であり、種々変更可能である。例えば、タービン入口温度センサ７５ａにより測定される入口温度Ｔ４に代えて、燃料電池１５から排出されてタービン８０に導入される前のカソード排ガスの温度を用いてもよい。この構成では、例えば、燃料電池１５の出口等に配置される他の温度センサによりカソード排ガスの温度が測定されてもよい。また、例えば、タービン８０の入口圧力Ｐ４を測定する圧力センサや、タービン８０の出口圧力Ｐ６を測定する圧力センサをさらに備えていてもよく、かかる圧力センサにより測定された値に基づいて膨張比Ｐ４／Ｐ６を求めてもよい。また、例えば、排出温度Ｔ６を測定する温度センサをさらに備えることにより、ステップＳ５１０およびステップＳ５２０を省略し、かかる温度センサにより測定された排出温度Ｔ６に基づいて凍結判定処理を実行してもよい。かかる構成によっても、第２実施形態の燃料電池システム１０ａと同様な効果を奏する。
Ｃ−７．他の実施形態７：
上記実施形態において、可変機構８５は、いわゆる可変ノズル式の構成であったが、本発明はこれに限定されるものではない。可変機構８５は、可動フラップ式、および可変ノズル幅式等の、タービン８０を通過するカソード排ガスの流路の開度を可変してタービン８０前後の差圧を調整可能な他の任意の構成であってもよい。かかる構成によっても、上記実施形態の燃料電池システム１０、１０ａと同様な効果を奏する。
Ｃ−８．他の実施形態８：
上記実施形態において、タービン８０は、モータ６２を介してコンプレッサ６０と連結され、カソード排ガスから回収したエネルギによってモータ６２の駆動を補助していたが、カソード排ガスのエネルギをタービン８０の動力として回収し、回収した動力によって他のモータを回転させて発電する電力でモータ６２の駆動を補助してもよい。すなわち一般には、タービン８０は、タービン８０前後の差圧を利用してカソード排ガスのエネルギの少なくとも一部を回収し、回収したエネルギによってモータ６２の駆動を補助してもよい。また、上記実施形態において、燃料電池システム１０、１０ａは、燃料電池車両に搭載されて用いられていたが、他の任意の移動体に搭載されてもよく、定置型燃料電池として用いられてもよい。
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、１０ａ…燃料電池システム
１５…燃料電池
２０…冷却系
２１…冷媒供給路
２２…冷媒排出路
２３…ラジエータ
２４…冷媒ポンプ
３０…アノードガス給排系
３１…アノードガスタンク
３２…アノードガス供給路
３３…主止弁
３４…調圧弁
３５…アノードガス循環路
３６…気液分離器
３７…循環ポンプ
３８…排気排水弁
３９…排気排水路
４０…カソードガス供給系
４１…上流側供給路
４２…エアクリーナ
４３…大気圧センサ
４４…エアクリーナ温度センサ
４５…エアフロメータ
５１…下流側供給路
５２…インタークーラ
５３…供給ガス温度センサ
５４…供給ガス圧力センサ
５５…入口弁
６０…コンプレッサ
６１…ハウジング
６２…モータ
６３…シャフト
６４…インペラ
６５…入口ダクト
６６…コンプレッサスクロール
７０、７０ａ…カソードガス排出系
７１…カソードガス排出路
７２…調圧弁
７３…バイパス流路
７４…バイパス弁
７５ａ…タービン入口温度センサ
７８…マフラー
８０…タービン
８１…タービンハウジング
８２…タービンホイール
８３…タービンスクロール
８４…出口ダクト
８５…可変機構
８６…可変機構駆動モータ
８７…可変ベーン
８８…軸部
９０…制御部
１００…タービン付きコンプレッサユニット
ＣＸ…軸線
Ｇ４…流量
Ｐ３…燃料電池出口圧力
Ｐ４…入口圧力
Ｐ６…出口圧力
Ｐ４／Ｐ６…膨張比
Ｒ１…交点
Ｔ０…外気温
Ｔ４…入口温度
Ｔ６…排出温度
Ｔｍｉｎ…閾値温度
ηｔ…タービン効率

Claims (7)

  1. 燃料電池システムであって、
    燃料電池と、
    前記燃料電池にカソードガスを供給するコンプレッサと、
    前記コンプレッサを駆動するモータと、
    前記燃料電池から排出される前記カソードガスの排ガスが流通するカソードガス排出路と、
    前記カソードガス排出路に配置されて前記排ガスによって駆動されるタービンであって、前記タービンを通過する前記排ガスの流路の開度を可変して前記タービン前後の差圧を調整する可変機構を有し、前記差圧を利用して前記排ガスのエネルギの少なくとも一部を回収し、回収した前記エネルギによって前記モータの駆動を補助するタービンと、
    前記可変機構を駆動して、回収する前記エネルギを増減する制御部と、
    を備え、
    前記制御部は、
    前記タービンから排出される前記排ガスの排出温度と相関する相関温度を取得し、
    前記相関温度が、前記タービンが凍結するおそれのある予め定められた閾値温度よりも低いとき、前記開度を予め定められた開度以下にしない凍結回避制御を行なう、
    燃料電池システム。
  2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
    前記制御部は、前記凍結回避制御として、前記開度を増加させる、
    燃料電池システム。
  3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムであって、
    前記制御部は、前記相関温度として、前記コンプレッサに導入される前の前記カソードガスの温度を取得する、
    燃料電池システム。
  4. 請求項３に記載の燃料電池システムであって、
    前記制御部は、前記相関温度が前記閾値温度よりも低く、かつ、前記燃料電池システムが始動してから予め定められた時間以内である場合に、前記凍結回避制御を行なう、
    燃料電池システム。
  5. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムであって、
    さらに、前記燃料電池から排出されて前記タービンに導入される前の前記排ガスの温度を検出する温度センサを備え、
    前記制御部は、
    検出された前記排ガスの温度に基づいて前記排出温度を推定し、
    前記相関温度として、推定された前記排出温度を取得する、
    燃料電池システム。
  6. 請求項５に記載の燃料電池システムであって、
    前記制御部は、前記凍結回避制御として、前記相関温度が前記閾値温度と等しくなる前記開度を求め、前記開度を求められた前記開度に制御する、
    燃料電池システム。
  7. 燃料電池から排出されるカソードガスの排ガスによって駆動されて前記排ガスのエネルギの少なくとも一部を回収し、回収した前記エネルギによって、前記燃料電池に前記カソードガスを供給するコンプレッサの駆動用モータの駆動を補助するタービンの制御方法であって、
    前記タービンから排出される前記排ガスの排出温度と相関する相関温度を取得する工程と、
    前記相関温度が、前記タービンが凍結するおそれのある予め定められた閾値温度よりも低いとき、前記タービンを通過する前記排ガスの流路の開度を予め定められた開度以下にしない工程と、
    を備える、タービンの制御方法。
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