JP7081312B2

JP7081312B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP7081312B2
Application number: JP2018107434A
Authority: JP
Inventors: 雄一郎早瀬
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-06-05
Filing date: 2018-06-05
Publication date: 2022-06-07
Anticipated expiration: 2038-06-05
Also published as: US20190372140A1; DE102019113138A1; CN110571455A; JP2019212475A; CN110571455B; US10950881B2

Description

本開示は、燃料電池システムの技術に関する。

従来、燃料電池システムにおいて、酸化剤ガス供給路にコンプレッサを配置し、カソード排ガスの排出路にタービン（エキスパンダ）を配置する技術が知られている（特許文献１）。従来の技術では、タービンはウェイストゲートバイパスを有する。タービンによって回収した動力は、カソードガスを吐出するコンプレッサの動力として用いられる。

特開２００５－１３５９１０号公報

燃料電池システムが、カソード排ガスの排出路にタービンを有する場合、このタービンが流路抵抗となるため、タービン側の流路抵抗よりも高い吐出圧力でカソードガスを燃料電池スタックに送り出す必要が生じる。タービン側の流路抵抗は、タービンに流入するカソード排ガスの流量に応じて変化する。ウェイストゲートバイパスによって、タービン吸気口からタービン排気口へとカソード排ガスをバイパスさせる場合、燃料電池スタック内のカソードガスの圧力が急激に低下する恐れがある。燃料電池スタック内のカソードガスの圧力が、要求発電量に必要なカソードガスの圧力よりも急激に低下した場合、要求発電量を満足できず燃料電池車両の運転性能が低下する恐れが生じ得る。

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本開示の一形態によれば、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、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに供給されるカソードガスが流通する供給路と、前記燃料電池スタックよりも下流側に位置するカソード排ガスが流通する排出路と、前記供給路に配置され、モータによって駆動するコンプレッサと、前記排出路に配置されたタービンであって、コンプレッサと連結され、前記カソード排ガスによって駆動するタービンと、前記タービンよりも上流側の位置で前記排出路から分岐し、前記タービンを通過することなく前記カソード排ガスを排出させるバイパス路と、開度が調整されることで、前記タービンに流入する前記カソード排ガスの流量割合と、前記バイパス路に流入する前記カソード排ガスの流量割合とを調整する分流弁と、前記燃料電池システムの動作を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記バイパス路に流入する前記カソード排ガスの流量割合を増加させることに伴って前記モータに供給する電流値を上昇させる場合は、前記電流値を上昇させて前記コンプレッサの吐出圧力を上昇させた後に、前記分流弁の開度を変化させることで前記バイパス路に流入する前記カソード排ガスの流量割合を増加させる第１の制御と、前記バイパス路に流入する前記カソード排ガスの流量割合を減少させることに伴って前記電流値を下降させる場合は、前記分流弁の開度を変化させることで前記バイパス路に流入する前記カソード排ガスの流量割合を減少させた後に、前記電流値を下降させて前記コンプレッサの吐出圧力を低下させる第２の制御と、の少なくともいずれか一つの制御を実行する。この形態によれば、モータに供給する電流値を上昇させることでコンプレッサの吐出圧力を上昇させた後に、バイパス路に流入するカソード排ガスの流量割合を増加させる第１の制御を実行することで、燃料電池スタック内のカソードガスの圧力が急激に低下することを抑制できる。これにより、燃料電池スタックの発電量が要求発電量よりも低下する可能性を低減できる。またこの形態によれば、バイパス路に流入するカソード排ガスの流量割合を減少させた後に、モータに供給する電流値を下降させてコンプレッサの吐出圧力を低下させる第２の制御を実行することで、燃料電池スタック内のカソードガスの圧力が急激に低下することを抑制できる。これにより、燃料電池スタックの発電量が要求発電量よりも低下する可能性を低減できる。
（２）本開示の他の一形態によれば、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、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに供給されるカソードガスが流通する供給路と、前記燃料電池スタックよりも下流側に位置するカソード排ガスが流通する排出路と、前記供給路に配置され、モータによって駆動する第１コンプレッサと、前記供給路に配置され、前記第１コンプレッサよりも下流側に配置された第２コンプレッサと、前記排出路に配置されたタービンであって、前記第２コンプレッサと連結され、前記カソード排ガスによって駆動するタービンと、前記タービンよりも上流側の位置で前記排出路から分岐し、前記タービンを通過することなく前記カソード排ガスを排出させるバイパス路と、開度が調整されることで、前記タービンに流入する前記カソード排ガスの流量割合と、前記バイパス路に流入する前記カソード排ガスの流量割合とを調整する分流弁と、前記燃料電池システムの動作を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記バイパス路に流入する前記カソード排ガスの流量割合を増加させることに伴って前記モータに供給する電流値を上昇させる場合は、前記電流値を上昇させて前記第１コンプレッサの吐出圧力を上昇させた後に、前記分流弁の開度を変化させることで前記バイパス路に流入する前記カソード排ガスの流量割合を増加させる第１の制御と、前記バイパス路に流入する前記カソード排ガスの流量割合を減少させることに伴って前記電流値を下降させる場合は、前記分流弁の開度を変化させることで前記バイパス路に流入する前記カソード排ガスの流量割合を減少させた後に、前記電流値を下降させて前記第１コンプレッサの吐出圧力を低下させる第２の制御と、の少なくともいずれか一つの制御を実行する。この形態によれば、モータに供給する電流値を上昇させることで第１コンプレッサの吐出圧力を上昇させた後に、バイパス路に流入するカソード排ガスの流量割合を増加させる第１の制御を実行することで、燃料電池スタック内のカソードガスの圧力が急激に低下することを抑制できる。これにより、燃料電池スタックの発電量が要求発電量よりも低下する可能性を低減できる。またこの形態によれば、バイパス路に流入するカソード排ガスの流量割合を減少させた後に、モータに供給する電流値を下降させて第１コンプレッサの吐出圧力を低下させる第２の制御を実行することで、燃料電池スタック内のカソードガスの圧力が急激に低下することを抑制できる。これにより、燃料電池スタックの発電量が要求発電量よりも低下する可能性を低減できる。
（３）上記形態であって、さらに、二次電池を備え、前記制御部は、前記二次電池の充電量が満充電の場合には、前記分流弁の開度を制御して前記カソード排ガスの全量を前記バイパス路に流入させてもよい。この形態によれば、二次電池の充電量が満充電の場合には、タービン側にはカソード排ガスが供給されないので、コンプレッサの消費電力を増大できる。これにより、二次電池の過充電を抑制できるので、二次電池が劣化する可能性を低減できる。

本開示は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池システムの制御方法、燃料電池システムを搭載した車両などの形態で実現することができる。

本開示の第１実施形態における燃料電池システムを模式的に示す説明図。燃料電池システムの電気的構成を示す概念図。コンプレッサの性能特性について説明するための図。ＥＣＵが実行する第１のフローチャート。分流弁の開度を変更する際の、モータ電流値について説明するための図。図４のステップＳ１４およびステップＳ１６を概念的に説明するための図。ＥＣＵが実行する第２のフローチャートである。本開示の第２実施形態における燃料電池システムの電気的構成を示す概念図。ＥＣＵが実行するフローチャート。本開示の第３実施形態における燃料電池システムを模式的に示す説明図。

Ａ．第１実施形態：
図１は、本開示の第１実施形態における燃料電池システム１０を模式的に示す説明図である。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１５と、アノードガス給排系２０と、カソードガス給排系３０と、制御部としてのＥＣＵ４０とを備える。ＥＣＵ４０は、燃料電池システム１０の動作を制御する。燃料電池スタック１５は、アノードガスとカソードガスとを反応させて発電する。燃料電池システム１０は、動力源として車両に搭載されている。

アノードガス給排系２０は、アノードガスタンク２１０と、アノードガス供給路２２０と、アノードガス循環路２３０と、主止弁２５０と、調圧弁２６０と、圧力センサ２７０と、循環ポンプ２８０と、気液分離器２９０と、排気排水弁２９５と、排気排水路２４０とを備える。

アノードガスタンク２１０は、例えば高圧の水素ガスを貯蔵している。アノードガスタンク２１０は、アノードガス供給路２２０を介して燃料電池スタック１５と接続されている。アノードガス供給路２２０には、アノードガスタンク２１０側から、主止弁２５０と、調圧弁２６０と、圧力センサ２７０とがこの順に設けられている。主止弁２５０は、ＥＣＵ４０からの指示に応じてアノードガスタンク２１０からのアノードガスの供給をオン、オフする。調圧弁２６０は、ＥＣＵ４０からの指示に応じて燃料電池スタック１５に供給されるアノードガスの圧力を調整する。圧力センサ２７０は、燃料電池スタック１５に供給されるアノードガスの圧力を検出する。圧力センサ２７０の検出結果は、ＥＣＵ４０に送信される。

アノードガス循環路２３０は、燃料電池スタック１５とアノードガス供給路２２０とに接続され、燃料電池スタック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２２０に循環させる。アノードガス循環路２３０には、気液分離器２９０と、ＥＣＵ４０によって制御される循環ポンプ２８０とが設けられている。気液分離器２９０は、燃料電池スタック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、アノード排ガスに含まれる不純物ガス、例えば窒素ガスも液水とともに分離される。未使用の水素ガスを含むアノード排ガスは、循環ポンプ２８０によってアノードガス供給路２２０に循環される。排気排水弁２９５は、ＥＣＵ４０からの指示に応じて所定のタイミングで開状態となる。これにより、分離された液水と窒素ガスが、排気排水路２４０を通過してシステム外に放出される。

カソードガス給排系３０は、カソードガス供給路３２０と、カソードガス排出路３４０と、供給ガスバイパス路３１７と、バイパス路としてのタービンバイパス路３４２と、を備える。カソードガス給排系３０は、カソードガス供給路３２０によってカソードガスとしての空気を燃料電池スタック１５に供給すると共に、燃料電池スタック１５から排出されたカソード排ガス（未使用のカソードガス）をシステム外に排出する。

カソードガス供給路３２０は、燃料電池スタック１５に供給されるカソードガスが流通する。カソードガス供給路３２０には、エアクリーナ３０１と、大気圧センサ３０２と、外気温センサ３０４と、エアフローメータ３０６と、コンプレッサ３３１と、インタークーラ３２９と、供給ガス温度センサ３１０と、供給ガス圧力センサ３１２と、入口側調圧弁３１５と、が配置されている。エアクリーナ３０１は、カソードガスを取り込む時に塵埃を除去する。大気圧センサ３０２は、大気圧を検出する。外気温センサ３０４は、取り込む前のカソードガスの温度を検出する。エアフローメータ３０６は、取り込んだカソードガスの量を検出する。各要素３０２，３０４，３０６による検出結果は、ＥＣＵ４０に送信される。コンプレッサ３３１は、モータ３３２を有し、このモータ３３２を駆動することで下流側へとカソードガスを吐出する。モータ３３２は、制御部であるＥＣＵ４０によって制御される。インタークーラ３２９は、コンプレッサ３３１から吐出されたカソードガスを冷却する。供給ガス温度センサ３１０は、コンプレッサ３３１およびインタークーラ３２９よりも下流側に配置され、燃料電池スタック１５に供給されるカソードガスの温度を検出する。供給ガス圧力センサ３１２は、コンプレッサ３３１およびインタークーラ３２９よりも下流側に配置され、燃料電池スタック１５に供給されるカソードガスの圧力を検出する。供給ガス温度センサ３１０および供給ガス圧力センサ３１２の検出結果はＥＣＵ４０に送信される。入口側調圧弁３１５は、ＥＣＵ４０によって開度が調整されることで、燃料電池スタック１５に供給されるカソードガスの圧力を調整する。

カソードガス排出路３４０は、燃料電池スタック１５よりも下流側に位置するカソード排ガスが流通する。具体的には、燃料電池スタック１５から排出されたカソード排ガスや、供給ガスバイパス路３１７を介してカソード排ガスが流通する。カソードガス排出路３４０には、出口側調圧弁３１８と、分流弁３１９と、タービン３３３とが配置されている。

出口側調圧弁３１８は、ＥＣＵ４０によって開度が調整されることで燃料電池スタック１５におけるカソードガスの圧力を調整する。カソードガス排出路３４０のうち、タービン３３３よりも下流側部分には排気排水路２４０の下流端が接続されている。また、カソードガス排出路３４０のうち、排気排水路２４０の接続部分よりも下流側にはマフラー３８が配置されている。マフラー３８は、カソード排ガスの排気音を減少させる。

分流弁３１９は、ＥＣＵ４０によって開度が調整されることで、タービン３３３に流入するカソード排ガスの流量割合と、タービンバイパス路３４２に流入するカソード排ガスの流量割合とを調整する。このため、分流弁３１９は、ウェイストゲートバルブとも呼ばれる。本実施形態では、分流弁３１９はポペット弁を用いている。一般にポペット弁は、開度を一段階変化させた場合における、タービンバイパス路３４２の有効断面積の変化割合が比較的大きい。つまり、ポペット弁の開度を変化させた場合、燃料電池スタック１５のカソード側の圧力が大きく変動し、発電量を安定に維持することができない場合が生じ得る。なお、分流弁３１９は、カソードガス排出路３４０のうちで、タービンバイパス路３４２が接続された部分に配置されている。

タービン３３３は、分流弁３１９よりも下流側に配置されている。タービン３３３は、コンプレッサ３３１と同軸上に位置し、モータ３３２を介してコンプレッサ３３１に連結されている。タービン３３３は、カソード排ガスによって駆動する。タービン３３３の回転によって生じた動力は、モータ３３２の補助的な動力として用いられる。

タービンバイパス路３４２は、タービン３３３よりも上流側の位置で、カソードガス排出路３４０から分岐する。タービンバイパス路３４２の下流端は、タービン３３３よりも下流側においてカソードガス排出路３４０に合流する。つまり、タービンバイパス路３４２は、タービン３３３を通過することなくカソード排ガスを排出させる流路である。

供給ガスバイパス路３１７は、一端がカソードガス供給路３２０に接続され、他端がカソードガス排出路３４０に接続されている。供給ガスバイパス路３１７は、コンプレッサ３３１によって燃料電池スタック１５に向けて吐出されたカソードガスを、燃料電池スタック１５を通過させることなくカソードガス排出路３４０に流通させる流路である。供給ガスバイパス路３１７にはバイパス調圧弁３１６が配置されている。バイパス調圧弁３１６は、ＥＣＵ４０によって開度が調整されることで、供給ガスバイパス路３１７に流入するカソードガスの流量を調整する。

図２は、燃料電池システム１０の電気的構成を示す概念図である。燃料電池システム１０は、ＦＤＣ９５と、ＤＣ／ＡＣインバータ９８と、セル電圧計９１と、電流センサ９２とを備える。

セル電圧計９１は、燃料電池スタック１５の全ての単セル１５１それぞれと接続されており、全ての単セル１５１それぞれを対象にセル電圧を計測する。セル電圧計９１は、その計測結果をＥＣＵ４０に送信する。電流センサ９２は、燃料電池スタック１５による出力電流の値を計測し、ＥＣＵ４０に送信する。

ＦＤＣ９５は、ＤＣ／ＤＣコンバータとして構成された回路である。ＦＤＣ９５は、ＥＣＵ４０から送信される電流指令値に基づき、燃料電池スタック１５による出力電流を制御する。電流指令値とは、燃料電池スタック１５による出力電流の目標値となる値であり、ＥＣＵ４０によって設定される。ＥＣＵ４０は、燃料電池スタック１５の要求電力量を用いて要求電流値を算出することで電流指令値を生成する。ＥＣＵ４０は、例えば、燃料電池車両のアクセルの開度に応じて要求電力量を決定する。

ＦＤＣ９５は、入力電圧計およびインピーダンス計としての機能を有する。具体的には、ＦＤＣ９５は、入力電圧の値を計測してＥＣＵ４０に送信する。ＦＤＣ９５は、交流インピーダンス法を用いて燃料電池スタック１５のインピーダンスを計測する。本実施形態において用いられるインピーダンスの周波数は、高周波を含み、具体的には１００Ｈｚ～１ｋＨｚを含む。ＦＤＣ９５は、入力電圧を昇圧してＤＣ／ＡＣインバータ９８に供給する。

ＤＣ／ＡＣインバータ９８は、燃料電池スタック１５と負荷２５５とに接続されている。ＤＣ／ＡＣインバータ９８は、燃料電池スタック１５から出力される直流電力を交流電力へと変換し、負荷２５５に供給する。

図３は、コンプレッサ３３１の性能特性について説明するための図である。図３において、縦軸はコンプレッサ３３１の圧力比（出口圧力／入口圧力）を表し、横軸はコンプレッサ３３１の吐出流量を表している。コンプレッサ３３１の動作点は、圧力比と吐出流量との組み合わせで定められる。サージラインは、コンプレッサ３３１にサージングが生じる境界線であり、例えば圧力比が上昇してサージラインを超えるとコンプレッサ３３１にサージングが生じる。図３に示す作動線ＡＬは、分流弁３１９が全閉状態であり、カソード排ガスの全量がタービン３３３に流入する場合における、コンプレッサ３３１の作動限界を示すラインである。つまり、作動線ＡＬよりも圧力比が小さい領域である作動不可領域ＲＡＬ（シングルハッチングで示す領域ＲＡＬ）では、タービン３３３内の流路抵抗が高くなり、コンプレッサ３３１によって効率良くカソードガスを吐出できない。よって、コンプレッサ３３１の動作点が作動線ＡＬに到達する前に、ＥＣＵ４０は、分流弁３１９の開度を調整してカソード排ガスの少なくとも一部をタービンバイパス路３４２に流入させる。これにより、タービンバイパス路３４２にカソード排ガスを流入させた場合の作動線ＡＬは一点鎖線で示すように、図３に示す作動線ＡＬよりも下側の位置に変更になる。

図３に示す要求ラインＲＬは、燃料電池スタック１５からの要求発電量によりＥＣＵ４０が演算したコンプレッサ３３１の動作点を時系列に結ぶラインである。図３に示す要求ラインＲＬは、例えば、燃料電池システム１０を搭載する車両からの加速要求があった場合である。この場合、要求ラインＲＬと作動線ＡＬとが交わる部分である、要求ラインＲＬ上の動作点Ｎｐに到達するよりも前に、分流弁３１９によってカソード排ガスの一部をタービンバイパス路３４２に流入させる制御がＥＣＵ４０によって行われる。

図４は、ＥＣＵ４０が実行する第１のフローチャートである。ＥＣＵ４０は、燃料電池システム１０を制御する通常の処理（例えば、アノードガスの供給量制御）に加えて、第１のフローチャートに示す処理を所定の時間間隔で繰り返し実行する。以下では、分流弁３１９の開度がゼロ（全閉）でありカソード排ガスの全量がタービン３３３に流入する状態から、分流弁３１９の開度を予め定めた値まで上げる場合のＥＣＵ４０の処理内容を例に説明する。

まずＥＣＵ４０は、要求ラインＲＬ上の現在の動作点と、作動線ＡＬとを比較して、分流弁３１９の開度を上げる予定であるか否かを判定する（ステップＳ１０）。例えば、次の動作点に移行した場合に、作動線ＡＬに到達または作動線ＡＬを超える場合には分流弁３１９の開度を上げる予定であると判定する。

ステップＳ１０において「Ｎｏ」の判定である場合は、本ルーチンは終了する。一方で、ステップＳ１０において「Ｙｅｓ」の判定である場合、ＥＣＵ４０は、分流弁３１９の開度の変更前後における、状態量の変化を算出する（ステップＳ１２）。状態量は、変更後の分流弁３１９の開度と、コンプレッサ３３１の出口側における圧力の変化量（「圧力変化量」とも呼ぶ。）と、圧力の変化によるコンプレッサ３３１の仕事量の変化量と、モータ３３２の電流値の変化量とを含む。

変更後の分流弁３１９の開度は、供給ガス圧力センサ３１２が検出した圧力と、分流弁３１９の開度との関係を定めた開度マップを用いて算出される。

圧力変化量は、分流弁３１９の開度と、圧力変化量との関係を定めた開度圧力マップを用いて算出される。仕事量の変化量は以下の式（１）～式（４）を用いて算出される。

ここで、（Ｌｃ）ａｄはコンプレッサ３３１の断熱仕事であり、Ｃｐａは定圧比熱、Ｋは比熱比、Ｇａはコンプレッサ３３１に流入する質量流量、Ｔ１はコンプレッサ３３１の入口温度、Ｐ１はコンプレッサ３３１の入口圧力、Ｐ３はコンプレッサ３３１の出口圧力である。

質量流量Ｇａはエアフローメータ３０６の検出値を用い、入口温度Ｔ１は外気温センサ３０４の検出値を用い、入口圧力Ｐ１は大気圧センサ３０２の検出値を用い、出口圧力Ｐ３は供給ガス圧力センサ３１２の検出値を用いる。

ここで、Ｗｘは変化前のコンプレッサ３３１の必要仕事であり、ηｃｘは変化前のコンプレッサ３３１の効率である。コンプレッサ３３１の効率は、予め定められたマップによって求められる。

ここで、Ｗｙは変化後のコンプレッサ３３１の必要仕事であり、ηｃｙは変化後のコンプレッサ３３１の効率である。

ここで、Ｌｃは仕事量の変化量である。

上記式（４）の変化量Ｌｃは、分流弁３１９の開度を上げてコンプレッサ３３１の出口圧力を低下させた場合は、コンプレッサ３３１の出口圧力の低下に伴い必要となったコンプレッサ３３１の仕事量（上乗せ仕事）を表す。

ＥＣＵ４０は、モータ３３２の電流値の変化量を、以下の式（５）～式（７）を用いて算出する。

ここで、MWはモータ３３２の出力（Ｗ）であり、Ｔはモータ３３２のトルク、Ｎｔはモータ３３２の回転速度である。

ここで、Ｋｔはトルク定数、Ｉａはモータ電流値である。

ここで、△Ｉａはモータ電流値の変化量である。

次に、ＥＣＵ４０は、燃料電池システム１０が備える電源回路に対して、ステップＳ１２で算出したモータ３３２の電流値となるように、モータ３３２に供給する電流値（モータ電流値）を変化させる指令（電流変更指令）を送信する（ステップＳ１４）。具体的にはステップＳ１４では、モータ電流値を上昇させる指令を送信する。電流変更指令を送信した後に、ＥＣＵ４０は、予め定めた遅延時間ｔｄだけ経過した後に、ステップＳ１２で算出した分流弁３１９の開度となるように分流弁３１９に開度変更指令を送信する（ステップＳ１６）。具体的にはステップＳ１６では、分流弁３１９の開度を上げてタービンバイパス路３４２に流入するカソード排ガスの流量割合を増加させる。遅延時間ｔｄは、分流弁３１９の開度を上げることに起因して燃料電池スタック１５内のカソードガスの圧力が目標カソードガス圧よりも過度に低下することを抑制できれば、任意の時間を採用できる。本実施形態では、遅延時間ｔｄは０．１秒である。

図５は、分流弁３１９の開度を変更する際の、モータ３３２に供給する電流値（モータ電流値）について説明するための図である。図６は、図４のステップＳ１４およびステップＳ１６を概念的に説明するための図である。

例えば、車両から加速要求があった場合は、加速要求から求まる燃料電池スタック１５の発電量に応じて、ＥＣＵ４０はモータ電流値を予め算出する。ＥＣＵ４０は、算出したモータ電流値となるように電源回路に指令を送信して、モータ電流値を制御する。ここで、分流弁３１９が全閉状態のときに、モータ電流値を上昇させたときに、図５に示す時間ｔ３の時点で、コンプレッサ３３１の動作点が作動線ＡＬに到達する場合には、ＥＣＵ４０は以下を実行する。つまり、ＥＣＵ４０は、時間ｔ３よりも前の時点でステップＳ１０において「Ｙｅｓ」の判定を行い、状態量変化を算出する。そして、図５および図６に示すように時間ｔ１において電流変更指令を電源回路に送信し、時間ｔ１から遅延時間ｔｄだけ経過後の時間ｔ２の時点で分流弁３１９に開度変更指令を送信する。なお、図５において、図中の一点鎖線は、分流弁３１９の開度を変更することなく一定に維持した場合におけるモータ電流値を表している。

図７は、ＥＣＵ４０が実行する第２のフローチャートである。第２のフローチャートは、所定の時間間隔で繰り返し実行される。以下では、分流弁３１９の開度が１００％（全開）であり、カソード排ガスの全量がタービンバイパス路３４２に流入する状態から、分流弁３１９の開度を予め定めた値まで下げる場合のＥＣＵ４０の処理内容を例に説明する。図４に示すステップと同じステップについては同一の符号を付すと共に説明を省略する。

ＥＣＵ４０は、現在のコンプレッサ３３１の動作点と、作動線ＡＬとを比較して、分流弁３１９の開度を下げる予定であるか否かを判定する（ステップＳ１０ａ）。例えば、要求発電量が低下することでコンプレッサ３３１の吐出流量が減少していき、タービンバイパス路３４２へ分流させるカソード排ガスの流量を減少させても作動不可領域ＲＡＬに動作点が入らない場合に、分流弁３１９の開度を下げる予定であると判定する。ＥＣＵ４０は、ステップＳ１０ａの後に、ステップＳ１２を実行する。そしてＥＣＵ４０は、ステップＳ１２で算出した分流弁３１９の開度となるように分流弁３１９に開度変更指令を送信する（ステップＳ１４ａ）。具体的にはステップＳ１４ａでは、分流弁３１９の開度を下げてタービン３３３に流入するカソード排ガスの流量割合を増加させる。開度変更指令を送信した後に、ＥＣＵ４０は、予め定めた遅延時間ｔｄだけ経過した後に、ステップＳ１２で算出したモータ３３２に供給する電流値となるように、電流変更指令をモータ３３２に送信する（ステップＳ１６ａ）。具体的にはステップＳ１６ａでは、モータ電流値を下降させる指令を送信する。

以上のように、上記第１実施形態によれば、分流弁３１９の開度の変化に伴ってモータ電流値を変化させる場合において、分流弁３１９の開度を変化させるタイミングと、モータ電流値を変化させるタイミングとを、予め定めた遅延時間ｔｄだけずらしている。具体的には、ＥＣＵ４０は、タービンバイパス路３４２に流入するカソード排ガスの流量割合を増加させることに伴って、モータ電流値を上昇させる場合は以下の第１の制御を実行する。すなわち、モータ電流値を上昇させてコンプレッサ３３１の吐出圧力を上昇させた後に、分流弁３１９の開度を変化させることでタービンバイパス路３４２に流入するカソード排ガスの流量割合を増加させる第１の制御を実行する（図４のステップＳ１４，Ｓ１６）。これにより、燃料電池スタック１５内のカソードガスの圧力が急激に低下することを抑制できるので燃料電池スタック１５の発電量が要求発電量よりも低下する可能性を低減できる。

また、上記第１実施形態によれば、ＥＣＵ４０は、タービンバイパス路３４２に流入するカソード排ガスの流量割合を減少させることに伴ってモータ電流値を下降させる場合には以下の第２の制御を実行する。すなわち、ＥＣＵ４０は、タービンバイパス路３４２に流入するカソード排ガスの流量割合を減少させた後に、モータ３３２に供給する電流値を下降させてコンプレッサ３３１の吐出圧力を低下させる第２の制御を実行する（図９のステップＳ１４ａ，Ｓ１６ａ）。これにより、コンプレッサ３３１の吐出圧力を低下させる前に、分流弁３１９によって燃料電池スタック１５内のカソードガスの圧力を上昇させているので、燃料電池スタック１５内の圧力が急激に低下することを抑制できる。これにより、燃料電池スタックの発電量が要求発電量よりも低下する可能性を低減できる。

以上のように、第１実施形態によれば、可変ガイドブレードを使用することなく、燃料電池スタック１５内のカソードガスの圧力が急激に低下することを抑制し、燃料電池スタック１５の発電量が要求発電量よりも低下する可能性を低減できる。

Ｂ．第２実施形態：
図８は、本開示の第２実施形態における燃料電池システム１０ａの電気的構成を示す概念図である。第１実施形態の燃料電池システム１０（図２）との異なる点は、二次電池９６とＢＤＣ９７とを備える点である。第１実施形態と同様の構成については、同一符号を付すと共に適宜説明を省略する。なお、第２実施形態の燃料電池システム１０ａは、第１実施形態と同様に、アノードガス給排系２０とカソードガス給排系３０とを備える。

二次電池９６は、リチウムイオン電池で構成され、補助電源として機能する。また二次電池９６は、燃料電池スタック１５への電力の供給と、燃料電池スタック１５によって生じる電力や回生電力の充電とを行う。

ＢＤＣ９７は、ＦＤＣ９５と共にＤＣ／ＤＣコンバータとして構成された回路であり、制御部としてのＥＣＵ４０ａの指令に応じて二次電池９６の充放電を制御する。ＢＤＣ９７は、二次電池９６のＳＯＣ（ＳｔａｔｅＯｆＣｈａｒｇｅ：残容量）を計測し、ＥＣＵ４０ａに送信する。

図９は、ＥＣＵ４０ａが実行するフローチャートである。ＥＣＵ４０ａは、図４や図７に示すフローチャートの他に図９に示すフローチャートも実行する。図９に示すフローチャートは、車両が減速中などの場合において、負荷２５５において発生した回生電力の消費が要求される場合に一定時間間隔ごとに実行される。

まず、ＥＣＵ４０ａは、ＢＤＣ９７が計測した二次電池９６の残容量を用いて、二次電池９６の充電量が満充電であるか否かを判定する（ステップＳ３０）。二次電池９６の充電量が満充電である場合は、ＥＣＵ４０ａはステップＳ３２，ステップＳ３４を実行する。ステップＳ３２では、バイパス調圧弁３１６を全開とし、入口側調圧弁３１５を全閉とし、出口側調圧弁３１８は全閉とする。これにより、コンプレッサ３３１から吐出されたカソードガスは燃料電池スタック１５に供給されることなく全量が供給ガスバイパス路３１７を介してカソードガス排出路３４０に流入する。ステップＳ３４では、分流弁３１９を全開（開度１００％）とし、供給ガスバイパス路３１７のカソードガス（「カソード排ガス」とも呼ぶ）の全量をタービンバイパス路３４２に流入させる。これにより、タービン３３３側にはカソード排ガスが供給されないため、コンプレッサ３３１の消費電力を増大できる。よって、二次電池９６の過充電を抑制できるので、二次電池９６が劣化する可能性を低減できる。

二次電池９６の充電量が満充電でない場合は、ＥＣＵ４０ａはステップＳ３６，ステップＳ３８を実行する。ステップＳ３６は、ステップＳ３２と同一内容の処理である。ステップＳ３８では、ＥＣＵ４０ａは、作動不可領域ＲＡＬでのコンプレッサ３３１の動作を回避できるように、分流弁３１９の開度を調整する。

上記第２実施形態によれば、第１実施形態と同様の構成を有する点において同様の効果を奏する。例えば、可変ガイドブレードを使用することなく、燃料電池スタック１５内のカソードガスの圧力が急激に低下することを抑制し、燃料電池スタック１５の発電量が要求発電量よりも低下する可能性を低減できる。

Ｃ．第３実施形態：
図１０は、本開示の第３実施形態における燃料電池システム１０ｂを模式的に示す説明図である。第１実施形態の燃料電池システム１０（図１）と異なる点は、モータＭ１によって駆動する第１コンプレッサ３３１ａと、第１コンプレッサ３３１ａの下流側に第２コンプレッサ３３１ｂとを備える点である。第１実施形態と同様の構成については、同一符号を付すと共に適宜説明を省略する。第１コンプレッサ３３１ａおよび第２コンプレッサ３３１ｂは、カソードガス供給路３２０に配置されている。

第１コンプレッサ３３１ａは、タービン３３３と連結されていない点で、第１実施形態のコンプレッサ３３１と異なる。第１コンプレッサ３３１ａはモータ３３２を有し、このモータ３３２を駆動することで下流側へとカソードガスを吐出する。第２コンプレッサ３３１ｂはタービン３３３と連結されている。第２コンプレッサ３３１ｂはタービン３３３の回転によって生じた動力を用いて駆動することで下流側へとカソードガスを吐出する。

第３実施形態のＥＣＵ４０ｂは、第１実施形態のＥＣＵ４０と同様に、燃料電池スタック１５内のカソードガスの圧力が急激に低下することを抑制するために、以下の処理を実行する。つまり、ＥＣＵ４０ｂは、分流弁３１９の開度の変化に伴ってモータ電流値を変化させる場合において、分流弁３１９の開度を変化させるタイミングと、モータ電流値を変化させるタイミングとを、予め定めた遅延時間ｔｄだけずらす。具体的には、ＥＣＵ４０ｂは、タービンバイパス路３４２に流入するカソード排ガスの流量割合を増加させることに伴って、モータ３３２のモータ電流値を上昇させる場合は、以下の処理を実行する。すなわち、モータ電流値を上昇させて第１コンプレッサ３３１ａの吐出圧力を上昇させた後に、分流弁３１９の開度を変化させることでタービンバイパス路３４２に流入するカソード排ガスの流量割合を増加させる第１の制御を実行する（図４のステップＳ１４，Ｓ１６に相当）。また、ＥＣＵ４０ｂは、タービンバイパス路３４２に流入するカソード排ガスの流量割合を減少させることに伴ってモータ電流値を下降させる場合には以下の第２の制御を実行する。すなわち、ＥＣＵ４０ｂは、タービンバイパス路３４２に流入するカソード排ガスの流量割合を減少させた後に、モータ３３２に供給する電流値を下降させて第１コンプレッサ３３１ａの吐出圧力を低下させる第２の制御を実行する（図９のステップＳ１４ａ，Ｓ１６ａに相当。）。第３実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を奏する。例えば、可変ガイドブレードを使用することなく、燃料電池スタック１５内のカソードガスの圧力が急激に低下することを抑制し、燃料電池スタック１５の発電量が要求発電量よりも低下する可能性を低減できる。

Ｄ．他の実施形態：
Ｄ－１．他の実施形態１：
上記各実施形態によれば、分流弁３１９はポペット弁を用いていたが、バタフライ弁などの他の弁を用いてもよい。

Ｄ－２．他の実施形態２：
上記第３実施形態において、さらに第２実施形態のＥＣＵ４０ａが実行する、図９に示す処理を実行してもよい。

Ｄ－３．他の実施形態３：
上記各実施形態では、ＥＣＵ４０，４０ａ，４０ｂは、第１の制御と第２の制御の両方を実行していたが、少なくともいずれか一つの制御を実行してもよい。第１の制御と第２の制御の少なくともいずれか１つの制御を実行することによっても、可変ガイドブレードを使用することなく、燃料電池スタック１５内のカソードガスの圧力が急激に低下することを抑制し、燃料電池スタック１５の発電量が要求発電量よりも低下する可能性を低減できる。

なお、本開示は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明をわかりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の変形態様の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の変形態様の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。また、実施形態と変形態様と変形例とを組み合わせてもよい。

１０，１０ａ，１０ｂ…燃料電池システム、１５…燃料電池スタック、２０…アノードガス給排系、３０…カソードガス給排系、３８…マフラー、４０，４０ａ，４０ｂ…ＥＣＵ、９１…セル電圧計、９２…電流センサ、９５・・・ＦＤＣ、９６…二次電池、９７・・・ＢＤＣ、９８…ＤＣ／ＡＣインバータ、１５１…単セル、２１０…アノードガスタンク、２２０…アノードガス供給路、２３０…アノードガス循環路、２４０…排気排水路、２５０…主止弁、２５５…負荷、２６０…調圧弁、２７０…圧力センサ、２８０…循環ポンプ、２９０…気液分離器、２９５…排気排水弁、３０１…エアクリーナ、３０２…大気圧センサ、３０４…外気温センサ、３０６…エアフローメータ、３１０…供給ガス温度センサ、３１２…供給ガス圧力センサ、３１５…入口側調圧弁、３１６…バイパス調圧弁、３１７…供給ガスバイパス路、３１８…出口側調圧弁、３１９…分流弁、３２０…カソードガス供給路、３２９…インタークーラ、３３１…コンプレッサ、３３１ａ…第１コンプレッサ、３３１ｂ…第２コンプレッサ、３３２…モータ、３３３…タービン、３４０…カソードガス排出路、３４２…タービンバイパス路、ＡＬ・・・作動線、ＲＡＬ・・・作動不可領域、ＲＬ・・・要求ライン、Ｎｐ・・・動作点

Claims

燃料電池システムであって、
燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに供給されるカソードガスが流通する供給路と、
前記燃料電池スタックよりも下流側に位置するカソード排ガスが流通する排出路と、
前記供給路に配置され、モータによって駆動するコンプレッサと、
前記排出路に配置されたタービンであって、コンプレッサと連結され、前記カソード排ガスによって駆動するタービンと、
前記タービンよりも上流側の位置で前記排出路から分岐し、前記タービンを通過することなく前記カソード排ガスを排出させるバイパス路と、
開度が調整されることで、前記タービンに流入する前記カソード排ガスの流量割合と、前記バイパス路に流入する前記カソード排ガスの流量割合とを調整する分流弁と、
前記燃料電池システムの動作を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記バイパス路に流入する前記カソード排ガスの流量割合を増加させることに伴って前記モータに供給する電流値を上昇させる場合は、前記電流値を上昇させて前記コンプレッサの吐出圧力を上昇させた後に、前記分流弁の開度を変化させることで前記バイパス路に流入する前記カソード排ガスの流量割合を増加させる第１の制御と、
前記バイパス路に流入する前記カソード排ガスの流量割合を減少させることに伴って前記電流値を下降させる場合は、前記分流弁の開度を変化させることで前記バイパス路に流入する前記カソード排ガスの流量割合を減少させた後に、前記電流値を下降させて前記コンプレッサの吐出圧力を低下させる第２の制御と、の少なくともいずれか一つの制御を実行する、燃料電池システム。
燃料電池システムであって、
燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに供給されるカソードガスが流通する供給路と、
前記燃料電池スタックよりも下流側に位置するカソード排ガスが流通する排出路と、
前記供給路に配置され、モータによって駆動する第１コンプレッサと、
前記供給路に配置され、前記第１コンプレッサよりも下流側に配置された第２コンプレッサと、
前記排出路に配置されたタービンであって、前記第２コンプレッサと連結され、前記カソード排ガスによって駆動するタービンと、
前記タービンよりも上流側の位置で前記排出路から分岐し、前記タービンを通過することなく前記カソード排ガスを排出させるバイパス路と、
開度が調整されることで、前記タービンに流入する前記カソード排ガスの流量割合と、前記バイパス路に流入する前記カソード排ガスの流量割合とを調整する分流弁と、
前記燃料電池システムの動作を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記バイパス路に流入する前記カソード排ガスの流量割合を増加させることに伴って前記モータに供給する電流値を上昇させる場合は、前記電流値を上昇させて前記第１コンプレッサの吐出圧力を上昇させた後に、前記分流弁の開度を変化させることで前記バイパス路に流入する前記カソード排ガスの流量割合を増加させる第１の制御と、
前記バイパス路に流入する前記カソード排ガスの流量割合を減少させることに伴って前記電流値を下降させる場合は、前記分流弁の開度を変化させることで前記バイパス路に流入する前記カソード排ガスの流量割合を減少させた後に、前記電流値を下降させて前記第１コンプレッサの吐出圧力を低下させる第２の制御と、の少なくともいずれか一つの制御を実行する、燃料電池システム。
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、
二次電池を備え、
前記制御部は、
前記二次電池の充電量が満充電の場合には、前記分流弁の開度を制御して前記カソード排ガスの全量を前記バイパス路に流入させる、燃料電池システム。