KR102139197B1 - 연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

연료 전지 시스템은, 연료 전지에 공기를 공급하는 컴프레서(310)를 구동시키는 모터(320)와, 컴프레서를 보조하는 터빈(330)과, 바이패스 유로(230)를 개폐하는 바이패스 밸브(240)와, 제어부(500)를 구비한다. 제어부(500)는, 요구 공기 유량이, 역치 이상인 경우에는, 바이패스 밸브(240)를 폐쇄 상태로 하고, 요구 공기 유량에 대응하는 유량의 공기를 연료 전지에 유통시키도록 모터(320)를 제어하고, 요구 공기 유량이, 역치를 하회할 경우에는, 바이패스 밸브(240)를 개방 상태로 해서 바이패스 유로(230)에도 공기를 유통시킴과 함께, 요구 공기 유량에 대응하는 유량의 공기를 연료 전지에 유통시키도록 모터(320)를 제어한다.

Description

연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 제어 방법{FUEL CELL SYSTEM AND CONTROL METHOD OF FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 제어 방법에 관한 것이다.
연료 전지 시스템에 대해서, 예를 들어 일본 특허 공개 제2013-182781에는, 연료 전지의 캐소드에 공기를 공급하는 공기 공급 회전기가, 구동 모터와, 캐소드 오프 가스가 갖는 에너지에 의해 회전하는 익스팬더에 의해 구동되는 것이 개시되어 있다.
일본 특허 공개 제2013-182781에 기재된 연료 전지 시스템에서는, 연료 전지의 요구 출력 전력이 작은 운전 상태에서는, 연료 전지가 요구하는 공기의 유량은 적기 때문에, 공기 공급 회전기(컴프레서)가 토출하는 공기의 유량은 작아진다. 이 경우, 익스팬더(터빈)에의 캐소드 오프 가스의 공급 유량도 작아져, 터빈에 의한 구동력이 작아지기 때문에, 컴프레서의 효율은 저하되고, 연료 전지 시스템의 연비가 악화될 가능성이 있다.
본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것이며, 이하의 형태로서 실현하는 것이 가능하다.
(1) 본 발명의 일 형태에 의하면, 연료 전지 시스템이 제공된다. 이 연료 전지 시스템은, 연료 전지와; 상기 연료 전지에 공기를 공급하기 위한 공기 공급 유로와; 상기 연료 전지로부터 공기를 배출하기 위한 공기 배출 유로와; 상기 공기 공급 유로에 공기를 공급하는 컴프레서와; 상기 컴프레서를 구동시키기 위한 모터와; 상기 공기 배출 유로에 배치되어, 상기 모터에 의한 상기 컴프레서의 구동을 보조하는 터빈과; 상기 공기 공급 유로에서의 상기 컴프레서의 하류측과, 상기 공기 배출 유로에서의 상기 터빈의 상류측을 연통하는 바이패스 유로와; 상기 바이패스 유로를 개폐하는 바이패스 밸브와; 상기 연료 전지의 발전에 요구되는 공기의 유량인 요구 공기 유량에 따라, 상기 모터의 구동과 상기 바이패스 밸브의 개폐를 제어하는 제어부를 구비한다. 상기 제어부는, 상기 요구 공기 유량이, 미리 정해진 역치를 하회하지 않을 경우에는, 상기 바이패스 밸브를 폐쇄 상태로 하고, 상기 요구 공기 유량에 대응하는 유량의 공기를 상기 연료 전지에 유통시키도록 상기 모터의 구동을 제어하는 제1 제어를 행하고; 상기 요구 공기 유량이, 상기 미리 정해진 역치를 하회할 경우에는, 상기 바이패스 밸브를 개방 상태로 해서 상기 바이패스 유로에도 공기를 유통시킴과 함께, 상기 요구 공기 유량에 대응하는 유량의 공기를 상기 연료 전지에 유통시키도록 상기 모터의 구동을 제어하는 제2 제어를 행한다. 이 형태의 연료 전지 시스템에 의하면, 요구 공기 유량이 작은 경우에, 컴프레서가 공급하는 공기는, 연료 전지뿐만 아니라, 바이패스 유로를 통해서 컴프레서의 구동을 보조하기 위한 터빈에도 직접적으로 공급된다. 이 때문에, 연료 전지에 공급되는 공기의 유량을 저하시키지 않고, 컴프레서를 구동하기 위한 모터의 소비 전력을 저감할 수 있어, 연료 전지 시스템의 연비를 향상시킬 수 있다.
(2) 상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 미리 정해진 역치는, 상기 연료 전지 시스템에 있어서 상기 컴프레서가 토출하는 공기의 유량에 대한 상기 모터의 소비 전력이 극소가 되는 유량에 기초해서 정해진 값이어도 된다. 이 형태의 연료 전지 시스템에 의하면, 연료 전지 시스템의 연비를 더욱 향상시킬 수 있다.
(3) 상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제어부는, 단위 시간당 상기 요구 공기 유량의 증가량이, 미리 정해진 증가량 이상인 경우에는, 상기 요구 공기 유량이 상기 미리 정해진 역치를 하회하는지 여부에 관계없이, 상기 바이패스 밸브를 폐쇄 상태로 해도 된다. 이 형태의 연료 전지 시스템에 의하면, 단위 시간당 요구 공기 유량의 증가량이, 미리 정해진 증가량 이상으로 되는 경우에, 증가한 요구 공기 유량에 대응하는 유량의 공기가, 바이패스 유로에 흐르는 것을 억제할 수 있다. 이 때문에, 요구 공기 유량의 증가량이 미리 정해진 증가량 이상으로 되었을 경우에, 연료 전지에의 공기의 공급이 지연되는 것을 억제할 수 있다.
(4) 상기 형태의 연료 전지 시스템은, 상기 바이패스 유로에서의 상기 바이패스 밸브의 하류측에 접속되어, 상기 바이패스 유로를 흐르는 공기를 저류하기 위한 축압 탱크를 구비해도 된다. 이 형태의 연료 전지 시스템에 의하면, 제2 제어 시에, 바이패스 유로를 흐르는 공기의 일부를, 축압 탱크에 저류할 수 있으므로, 제어가 전환되어 바이패스 밸브가 폐쇄 상태로 되었을 경우에도, 제2 제어 시에 축압 탱크에 저류해 둔 공기를 터빈에 공급할 수 있다. 이 때문에, 바이패스 밸브가 폐쇄 상태로 되어 있는 경우에도, 모터에 의한 컴프레서의 구동을 보조하기 위한, 터빈에 의한 구동력을 증가시킬 수 있다.
(5) 상기 형태의 연료 전지 시스템은, 상기 공기 배출 유로에서의 상기 터빈의 상류측이면서 또한 상기 바이패스 유로와 상기 공기 배출 유로의 접속부의 하류측에 배치되어, 상기 연료 전지 내를 흐르는 공기의 압력을 조절하기 위한 압력 조절 밸브를 구비해도 된다. 이 형태의 연료 전지 시스템에 의하면, 압력 조절 밸브보다 상류측의 압력의 급격한 변동을 억제할 수 있다. 이 때문에, 예를 들어 바이패스 밸브의 개폐에 수반하여, 연료 전지 내의 압력이 급격하게 저하되는 것을 억제할 수 있다.
(6) 상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 압력 조절 밸브의 밸브 박스는, 상기 터빈의 터빈 하우징과 일체로 형성되고, 상기 압력 조절 밸브의 밸브체는, 상기 터빈에서의 터빈 휠의 상류측에 배치되어도 된다. 이 형태의 연료 전지 시스템에 의하면, 압력 조절 밸브의 개방도를 조절함으로써, 터빈 휠에 분사되는 공기의 유속을 변화시킬 수 있다. 이 때문에, 연료 전지 시스템의 구성을 간소화할 수 있음과 함께, 모터에 의한 컴프레서의 구동을 보조하기 위한, 터빈에 의한 구동력을 증가시킬 수 있다.
(7) 상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 바이패스 유로는, 상기 터빈의 터빈 하우징 내에 접속되어 있고, 상기 바이패스 밸브의 밸브 박스는, 상기 터빈 하우징과 일체로 형성되고, 상기 바이패스 밸브의 밸브체는, 상기 터빈에서의 터빈 휠의 상류측에 배치되어도 된다. 이 형태의 연료 전지 시스템에 의하면, 연료 전지 시스템의 구성을 간소화할 수 있다.
(8) 상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 바이패스 유로는, 상기 터빈의 터빈 하우징 내에 접속되어 있고, 상기 바이패스 유로로부터 상기 터빈 하우징 내에 유입하는 공기가 상기 터빈의 터빈 휠의 회전을 촉진하는 방향으로 흐르도록, 상기 바이패스 유로의 상기 터빈 하우징 내에서의 개구부의 방향이 정해져 있어도 된다. 이 형태의 연료 전지 시스템에 의하면, 바이패스 유로로부터 터빈 하우징 내에 유입하는 공기가, 터빈 휠의 회전을 촉진한다. 이 때문에, 연료 전지 시스템의 구성을 간소화할 수 있음과 함께, 모터에 의한 컴프레서의 구동을 보조하기 위한, 터빈에 의한 구동력을 증가시킬 수 있다.
(9) 상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제어부는, 상기 모터의 회전수를 일정하게 유지하도록, 상기 제2 제어를 행해도 된다. 이 형태의 연료 전지 시스템에 의하면, 제2 제어 시에 있어서의 모터의 소비 전력의 상승을 억제할 수 있다. 이 때문에, 연료 전지 시스템의 연비를 더욱 향상시킬 수 있다.
(10) 상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제어부는, 상기 컴프레서에 흡입되는 공기의 압력과 상기 컴프레서로부터 토출되는 공기의 압력의 비인 압력비를 일정하게 유지하도록, 상기 제2 제어를 행해도 된다. 이 형태의 연료 전지 시스템에 의하면, 제2 제어 시에 있어서의 연료 전지 내의 압력의 저하를 억제할 수 있으므로, 연료 전지의 전해질막이 건조하여, 연료 전지의 발전 전력이 저하되는 것을 억제할 수 있다. 이 때문에, 연료 전지 시스템의 연비를 더욱 향상시킬 수 있다.
(11) 본 발명의 제2 형태는, 연료 전지와, 상기 연료 전지에 공기를 공급하기 위한 공기 공급 유로와, 상기 연료 전지로부터 공기를 배출하기 위한 공기 배출 유로와, 상기 공기 공급 유로에 공기를 공급하는 컴프레서와, 상기 컴프레서를 구동시키기 위한 모터와, 상기 공기 배출 유로에 배치되어, 상기 모터에 의한 상기 컴프레서의 구동을 보조하는 터빈과, 상기 공기 공급 유로에서의 상기 컴프레서의 하류측과, 상기 공기 배출 유로에서의 상기 터빈의 상류측을 연통하는 바이패스 유로와, 상기 바이패스 유로를 개폐하는 바이패스 밸브를 구비하는 연료 전지 시스템의 제어 방법에 관한 것이다. 상기 방법은, 상기 연료 전지의 발전에 요구되는 공기의 유량인 요구 공기 유량이, 미리 정해진 역치 이상인 경우에는, 상기 바이패스 밸브를 폐쇄 상태로 하고, 상기 요구 공기 유량에 대응하는 유량의 공기를 상기 연료 전지에 유통시키도록 상기 모터의 구동을 제어하는 제1 제어를 행하는 것과, 상기 요구 공기 유량이, 상기 미리 정해진 역치를 하회할 경우에는, 상기 바이패스 밸브를 개방 상태로 해서 상기 바이패스 유로에도 공기를 유통시킴과 함께, 상기 요구 공기 유량에 대응하는 유량의 공기를 상기 연료 전지에 유통시키도록 상기 모터의 구동을 제어하는 제2 제어를 행하는 것을 구비한다.
본 발명은 연료 전지 시스템 이외의 다양한 형태로 실현하는 것도 가능하다. 예를 들어, 연료 전지 차량이나, 바이패스 밸브의 개폐 방법 등의 형태로 실현할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예의 특징, 이점, 및 기술적 및 산업적 의의는 첨부된 도면을 참조하여 이하에서 설명되며, 동일한 도면 부호는 동일한 요소를 나타낸다.
도 1은 제1 실시 형태에서의 연료 전지 시스템의 개략을 도시하는 설명도이다.
도 2는 컴프레서의 토출 공기량과 소비 전력의 관계를 도시하는 설명도이다.
도 3은 제1 실시 형태에서의 바이패스 제어 처리의 내용을 나타내는 흐름도이다.
도 4는 바이패스 밸브 목표 개방도 맵을 도시하는 설명도이다.
도 5는 컴프레서의 성능 특성을 도시하는 설명도이다.
도 6은 제2 실시 형태에서의 바이패스 판단 처리의 내용을 나타내는 흐름도이다.
도 7은 제3 실시 형태에서의 연료 전지 시스템의 개략을 도시하는 설명도이다.
도 8은 제3 실시 형태에서의 바이패스 판단 처리의 내용을 나타내는 흐름도이다.
도 9는 제4 실시 형태에서의 연료 전지 시스템의 개략을 도시하는 설명도이다.
도 10은 제5 실시 형태에서의 연료 전지 시스템의 개략을 도시하는 설명도이다.
도 11은 제6 실시 형태의 터빈을 도시하는 단면 모식도이다.
도 12는 제7 실시 형태에서의 터빈을 도시하는 단면 모식도이다.
A. 제1 실시 형태
도 1은, 제1 실시 형태에서의 연료 전지 시스템(10)의 개략을 도시하는 설명도이다. 본 실시 형태에서의 연료 전지 시스템(10)은, 예를 들어 연료 전지 차량에 탑재되어, 연료 전지 차량의 구동용 모터를 구동시키기 위한 발전 장치로서 사용된다. 연료 전지 시스템(10)은, 정치형의 발전 장치로서 사용해도 된다. 연료 전지 시스템(10)은, 연료 전지(100)와, 공기 공급 유로(210)와, 공기 배출 유로(220)와, 바이패스 유로(230)와, 바이패스 밸브(240)와, 컴프레서(310)와, 모터(320)와, 터빈(330)과, 제어부(500)를 구비하고 있다. 본 명세서의 "상류측" 및 "하류측"은 각각 공기의 흐름 방향의 상류측 및 하류측의 것이다.
본 실시 형태의 연료 전지(100)는, 고체 고분자형의 연료 전지이다. 연료 전지(100)는, 복수의 셀이 적층된 스택 구조를 갖는다. 각 셀은, 전해질막의 양면에 전극 촉매층을 갖는 막전극 접합체와, 막전극 접합체를 끼움 지지하는 한 쌍의 세퍼레이터를 구비하고 있다. 각 셀은, 막전극 접합체의 애노드측에 연료 가스인 수소 가스가 공급되고, 캐소드측에 산화 가스인 공기가 공급됨으로써, 전기 화학 반응에 의해 기전력을 발생한다. 각 셀끼리는 직렬로 접속되어 있다. 또한, 연료 전지(100)에는, 연료 전지(100)를 냉각하기 위한 냉매가 순환하는 냉각수 유로가 접속되어 있어도 된다.
공기 공급 유로(210)는, 연료 전지(100)의 캐소드측에 공기를 공급하기 위한 유로이다.
컴프레서(310)는, 공기 공급 유로(210)의 상류측에 배치되어 있다. 컴프레서(310)는, 흡입측으로부터 대기 중의 공기를 흡입하고, 컴프레서(310) 내에서 공기를 가압하여, 토출측으로부터 공기 공급 유로(210)에 가압된 공기를 공급한다. 컴프레서(310)는, 컴프레서 휠(311)과, 컴프레서 하우징(312)을 포함하고 있다. 컴프레서 휠(311)은, 회전에 의해 공기를 가압하기 위한 임펠러이며, 모터(320)에 의해 구동된다. 컴프레서 하우징(312)은, 컴프레서 휠(311)을 수용하는 컴프레서(310)의 본체부이다. 컴프레서(310)의 흡입측으로부터 컴프레서 하우징(312) 내에 흡입된 공기는, 컴프레서 휠(311)의 회전에 의해 원심력이 부여되고, 컴프레서 하우징(312)의 내벽에 압박됨으로써 가압되어, 컴프레서(310)의 토출측으로부터 토출된다. 본 실시 형태에서는, 컴프레서(310)로서, 원심식 압축기를 사용하고 있다. 또한, 컴프레서(310)로서는, 축류식 압축기를 사용해도 된다.
모터(320)는, 컴프레서(310)를 구동시키기 위한 전동기이다.
공기 배출 유로(220)는, 연료 전지(100)의 캐소드측으로부터 공기를 배출하기 위한 유로이다.
터빈(330)은, 공기 배출 유로(220)에 배치되어 있다. 터빈(330)은, 모터(320)에 의한 컴프레서(310)의 구동을 보조한다. 터빈(330)은, 터빈 휠(331)과, 터빈 하우징(332)을 포함하고 있다. 터빈 휠(331)은, 회전에 의해 컴프레서(310)의 구동을 보조하기 위한 임펠러이며, 터빈(330) 내를 흐르는 공기에 의해 구동된다. 터빈 하우징(332)은, 터빈 휠(331)을 수용하는 터빈(330)의 본체부이다. 터빈(330)의 흡입측으로부터 터빈 하우징(332) 내에 유입한 공기에 의해, 터빈 하우징(332) 내에 배치되어 있는 터빈 휠(331)이 회전한다. 즉, 터빈(330)은, 공기의 운동 에너지를, 터빈 휠(331)을 회전시키는 동력으로 변환한다. 터빈 휠(331)과, 모터(320)와, 컴프레서 휠(311)은, 공통의 회전축(340)에 의해 접속되어 있다. 이 때문에, 컴프레서 휠(311)을 회전시키기 위한 모터(320)의 구동은, 터빈 휠(331)의 회전에 의해 보조된다. 터빈 휠(331)을 회전시킨 공기는, 터빈(330)의 토출측으로부터 배출된다.
바이패스 유로(230)는, 공기 공급 유로(210)에서의 컴프레서(310)의 하류측과, 공기 배출 유로(220)에서의 터빈(330)의 상류측을 연통하는 유로이다. 바이패스 유로(230)는, 연료 전지(100) 내의 공기의 유로보다도 압력 손실이 작다.
바이패스 밸브(240)는, 바이패스 유로(230)에 배치되어 있다. 바이패스 밸브(240)는, 바이패스 유로(230)를 개폐하는 밸브이다. 본 실시 형태에서는, 바이패스 밸브(240)로서 버터플라이 밸브를 사용하고 있다. 또한, 바이패스 밸브(240)로서는, 글로브 밸브를 사용할 수도 있다.
본 실시 형태에서는, 공기 배출 유로(220)에, 압력 조절 밸브(221)가 배치되어 있다. 보다 상세하게는, 압력 조절 밸브(221)는, 공기 배출 유로(220)에 있어서 연료 전지(100)의 하류측이며 바이패스 유로(230)와 공기 배출 유로(220)의 접속부의 상류측에 배치되어 있다. 압력 조절 밸브(221)는, 연료 전지(100) 내를 흐르는 공기의 압력을 조절하기 위한 밸브이다.
제어부(500)는, CPU와, 메모리와, 각 부품이 접속되는 인터페이스 회로를 구비한 컴퓨터로서 구성되어 있다. CPU는, 메모리에 기억된 제어 프로그램을 실행함으로써, 요구 공기 유량에 따라, 모터(320)의 구동과 바이패스 밸브(240)의 개폐를 제어한다. 「요구 공기 유량」이란, 연료 전지(100)의 발전에 요구되는 공기의 유량이다. 예를 들어, 연료 전지 차량에서는, 제어부(500)는, 연료 전지 차량의 액셀러레이터의 개방도에 따라서 연료 전지(100)의 발전 전력을 증감시키기 위해, 요구 공기 유량을 증감시킨다. 또한, 본 명세서에서는, 「유량」이란, 질량 유량이라는 의미로 사용한다.
도 2는, 연료 전지 시스템(10)에 있어서 컴프레서(310)가 토출하는 공기의 유량(토출 공기량)과, 컴프레서(310)를 구동하는 모터(320)의 소비 전력의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 2에 도시하는 그래프에서는, 바이패스 밸브(240)는 항상 폐쇄 상태로 되어 있는 경우에 있어서의, 컴프레서(310)의 토출 공기량과 모터(320)의 소비 전력의 관계를 나타내고 있다. 도 2에 도시하는 그래프의 횡축은, 컴프레서(310)의 토출 공기량을 나타내고 있다. 종축은, 모터(320)의 소비 전력을 나타내고 있다. 컴프레서(310)의 토출 공기량이 많은 영역에서는, 컴프레서(310)의 토출 공기량을 증가시키면, 모터(320)의 소비 전력은 증가한다. 한편, 컴프레서(310)의 토출 공기량이 적은 영역에서는, 컴프레서(310)의 토출 공기량을 감소시키면, 터빈(330)에 의한 구동력이, 터빈 휠(331)의 구름 마찰 등에 기인해서 저하되어, 모터(320)의 소비 전력이 증가한다. 그 때문에, 도 2에 도시하는 그래프에는, 컴프레서(310)의 토출 공기량에 대한 모터(320)의 소비 전력이 극소가 되는 유량이 존재한다. 이하에서는, 모터(320)의 소비 전력이 극소가 되는 유량보다도, 컴프레서(310)의 토출 공기량이 작아지는 범위를, 「저효율 영역」이라고 한다.
컴프레서(310)의 토출 공기량은, 요구 공기 유량에 따라서 결정된다. 요구 공기 유량은, 연료 전지 차량이라면, 액셀러레이터 개방도 등에 따라서 결정된다. 그 때문에, 액셀러레이터 개방도가 작은 경우에는, 요구 공기 유량도 작아지고, 그것에 수반하여, 컴프레서(310)가 저효율 영역에서 구동되어, 모터(320)의 소비 전력이 증가하는 경우가 있다. 그래서, 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(10)은, 다음으로 설명하는 바이패스 제어를 행함으로써, 컴프레서(310)의 토출 공기량을 증가시켜, 터빈(330)에 의한 구동력을 증가시킴으로써, 모터(320)의 소비 전력을 저감한다.
도 3은, 바이패스 제어 처리의 내용을 나타내는 흐름도이다. 본 명세서에서, 「바이패스 제어」란, 제어부(500)가, 요구 공기 유량에 기초하여 바이패스 밸브(240)의 개폐를 행함으로써, 바이패스 유로(230)에 흐르는 공기의 유량을 조절하는 처리를 말한다. 이 처리는, 연료 전지(100)의 발전이 개시되었을 때 개시되어, 연료 전지(100)의 발전이 정지될 때까지 계속해서 주회한다.
제어부(500)는, 먼저, 요구 공기 유량이, 미리 정해진 역치를 하회하는지 여부를 판정한다(스텝 S110). 본 실시 형태에서는, 「미리 정해진 역치」는, 컴프레서(310)의 효율에 기초해서 정해져 있다. 구체적으로는, 역치는, 연료 전지 시스템(10)에 있어서 컴프레서(310)의 토출 공기량에 대한 모터(320)의 소비 전력이 극소가 되는 유량(Gmin)(도 2 참조)의 값으로 하고 있다. 또한, 이 값은, 연료 전지 시스템(10)에 있어서 컴프레서(310)의 토출 공기량에 대한 모터(320)의 소비 전력이 극소가 되는 유량(Gmin)에 기초해서 정해진 값에 상당한다. 역치는, 유량(Gmin)에 일치하는 값에 한하지 않고, 유량(Gmin)보다 약간 작은 값으로 해도 된다.
요구 공기 유량이, 미리 정해진 역치를 하회하지 않을 경우에는(스텝 S110: "아니오"), 제어부(500)는, 바이패스 밸브(240)를 폐쇄 상태로 하고(스텝 S120), 요구 공기 유량에 대응하는 유량의 공기를 연료 전지(100)에 유통시키도록, 모터(320)의 구동을 제어한다. 이 제어를 「제1 제어」라고 한다.
한편, 요구 공기 유량이, 미리 정해진 역치를 하회할 경우(스텝 S110: "예"), 즉, 컴프레서(310)의 토출 공기량이 저효율 영역에 있을 경우에는, 제어부(500)는, 바이패스 밸브(240)의 개방도를 제어하여, 바이패스 유로(230)에도 공기를 유통시킴과 함께, 요구 공기 유량에 대응하는 유량의 공기를 연료 전지(100)에 유통시키도록, 모터(320)의 구동을 제어한다. 이 제어를 「제2 제어」라고 한다. 보다 구체적으로는, 먼저, 제어부(500)는, 요구 공기 유량과 역치의 차분(ΔG)을 구한다(스텝 S130). 이어서, 제어부(500)는, 메모리에 기억된 바이패스 밸브 목표 개방도 맵으로부터, 바이패스 밸브(240)의 목표 개방도를 결정한다(스텝 S140).
도 4는, 바이패스 밸브 목표 개방도 맵을 도시하는 설명도이다. 바이패스 밸브 목표 개방도 맵에는, 요구 공기 유량과 역치의 차분(ΔG)과, 요구 공기 압력에 따라, 바이패스 밸브(240)의 목표 개방도가 대응지어져 기록되어 있다. 「목표 개방도」란, 바이패스 밸브(240)의 개방도의 목표값이다. 바이패스 밸브 목표 개방도 맵은, 미리 행하여지는 시험에 의해, 요구 공기 유량과 역치의 차분(ΔG)과, 요구 공기 압력에 따라, 적절한 바이패스 밸브(240)의 개방도를 구함으로써 얻어진다. 「요구 공기 압력」이란, 연료 전지(100)의 발전에 요구되는 공기의 압력이다. 연료 전지(100) 내를 흐르는 공기의 압력은, 요구 공기 압력이 되도록, 제어부(500)가, 압력 조절 밸브(221)나, 컴프레서(310)에 흡입되는 공기의 압력(흡입 공기 압력)과 컴프레서(310)로부터 토출되는 공기의 압력(토출 공기 압력)의 비인 압력비를 제어함으로써 조절된다. 또한, 스텝 S140에서, 제어부(500)는, 바이패스 밸브 목표 개방도 맵을 참조하는 것이 아니라, 미리 정해진 함수에 기초하여 바이패스 밸브(240)의 목표 개방도를 산출해도 된다.
바이패스 밸브(240)의 목표 개방도를 결정한 후, 제어부(500)는, 바이패스 밸브(240)를 목표 개방도까지 개방하고(도 3, 스텝 S150), 요구 공기 유량에 대응하는 유량의 공기를 연료 전지(100)에 유통시키도록, 모터(320)의 구동을 제어한다. 본 실시 형태에서는, 제어부(500)는, 모터(320)의 회전수를 일정하게 유지하면서 제2 제어를 행한다. 또한, 본 실시 형태에서는, 제어부(500)는, 컴프레서(310)의 흡입 공기 압력과 컴프레서(310)의 토출 공기 압력의 비인 압력비를 일정하게 유지하면서, 제2 제어를 행한다.
도 5는, 컴프레서(310)의 성능 특성을 도시하는 설명도이다. 컴프레서(310)의 성능 특성은, 컴프레서(310)의 성능 시험에 의해 얻어진다. 횡축은, 컴프레서(310)의 토출 공기량을 나타낸다. 종축은, 컴프레서(310)의 압력비를 나타낸다. 등회전 라인은, 컴프레서(310)의 회전수가 동일할 경우의 동작점을 연결한 선이다. 등효율 라인은, 컴프레서(310)의 효율이 동등한 동작점을 연결한 선이다. 작동 한계 라인은, 선회 실속 등에 의해 컴프레서(310)가 공기를 압송할 수 없게 되는 동작점을 연결한 선이다.
도 5를 사용하여, 제2 제어에 의한 작용을 설명한다. 컴프레서(310)의 회전수(모터(320)의 회전수)를 일정하게 한 상태이면서 또한 컴프레서(310)의 압력비를 거의 일정하게 한 상태에서, 바이패스 밸브(240)를 바이패스 밸브 목표 개방도 맵에 의해 구한 목표 개방도까지 개방하면(도 3, 스텝 S150), 컴프레서(310)보다 하류측의 압력 손실이 저하되기 때문에, 컴프레서(310)에 흡입되는 공기의 유량이 커지고, 컴프레서(310)의 토출 공기량은 증가한다. 컴프레서(310)의 토출 공기량이 증가함으로써, 컴프레서(310)의 동작점은, 요구 공기 유량에 따른 동작점(Pa)에서, 보다 효율이 높은 동작점(Pb)으로 이행한다.
컴프레서(310)의 토출 공기량의 증가에 수반하여, 요구 공기 유량을 초과하는 유량의 공기(잉여 공기)가 발생한다. 그러나, 이때, 바이패스 밸브(240)의 개방도가, 요구 공기 유량에 대응하는 유량의 공기를 연료 전지(100)에 유통시킴과 함께, 잉여 공기를 바이패스 유로(230)에 유통시키는 개방도로, 제어부(500)에 의해 조절되기 때문에, 연료 전지(100)에 공급되는 공기의 유량은 변화하지 않는다.
잉여 공기는, 연료 전지(100) 내를 경유하지 않고, 바이패스 유로(230)를 통해서 터빈(330)에 공급된다. 터빈(330)에 공급되는 공기의 유량은, 연료 전지(100)로부터 배출된 공기의 유량과, 바이패스 유로(230)에 의해 바이패스된 잉여 공기의 유량의 합계가 되기 때문에, 터빈(330)에 공급되는 공기의 유량은 증가한다. 또한, 바이패스 유로(230)를 통해서 터빈(330)에 공급되는 공기는, 연료 전지(100)의 발전에 의해 산소를 소비하지 않기 때문에, 유량을 유지한 채 터빈(330)에 공급된다. 또한, 바이패스 유로(230)를 흐르는 잉여 공기는, 컴프레서(310)에 의해 압축되어, 연료 전지(100)로부터 배출되는 공기보다도 고온으로 되어 있기 때문에, 공기 배출 유로(220) 내의 연료 전지(100)의 배수는 잉여 공기에 의해 증발시켜져서 터빈(330)에 공급된다. 이 때문에, 모터(320)에 의한 컴프레서(310)의 구동을 보조하기 위한, 터빈(330)에 의한 구동력이 증가한다.
이상에서 설명한 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(10)에 의하면, 요구 공기 유량이 작은 경우에, 컴프레서(310)가 공급하는 공기는, 연료 전지(100)뿐만 아니라, 바이패스 유로(230)를 통해서 컴프레서(310)의 구동을 보조하기 위한 터빈(330)에도 직접적으로 공급된다. 이 때문에, 연료 전지(100)에 공급되는 공기의 유량을 저하시키지 않고, 컴프레서(310)를 구동하기 위한 모터(320)의 소비 전력을 저감할 수 있어, 연료 전지 시스템(10)의 연비를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 상술한 제2 제어를 실행할지 여부를 판정하기 위한 역치를, 연료 전지 시스템(10)에 있어서 컴프레서(310)의 토출 공기량에 대한 모터(320)의 소비 전력이 극소가 되는 유량(Gmin)에 기초해서 정해진 값으로 하고 있다. 그 때문에, 요구 공기 유량이, 컴프레서(310)의 저효율 영역에 해당할 경우에, 컴프레서(310)의 토출 공기량을 효율이 좋은 영역으로 강제적으로 이행시킬 수 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 역치를, 연료 전지 시스템(10)에 있어서 컴프레서(310)의 토출 공기량에 대한 모터(320)의 소비 전력이 극소가 되는 유량(Gmin)의 값으로 하고 있으므로, 제2 제어에 있어서 컴프레서(310)를 구동하기 위한 모터(320)의 소비 전력을 최소한으로 할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 모터(320)의 회전수를 일정하게 유지하면서, 제2 제어를 행하므로, 제2 제어 시에 있어서의 모터(320)의 소비 전력의 상승을 억제할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 컴프레서(310)의 압력비를 일정하게 유지하면서, 제2 제어를 행한다. 여기서, 컴프레서(310)의 흡입 공기 압력은, 대기압과 동일한 정도이고, 급격한 변화는 발생하기 어렵다. 그 때문에, 컴프레서(310)의 압력비를 일정하게 유지하면서, 제2 제어를 행함으로써, 제2 제어 시에 있어서의 연료 전지(100) 내의 압력의 저하를 억제할 수 있다. 또한, 연료 전지(100) 내의 압력이 저하되면, 물의 비점이 저하되어, 연료 전지(100)의 전해질막은 건조하기 쉬워진다. 전해질막이 건조하면, 전해질막의 이온 전도성이 저하되고, 연료 전지(100)의 발전 전력은 저하된다. 그 때문에, 제2 제어 시에 있어서의 연료 전지(100) 내의 압력의 저하를 억제함으로써, 연료 전지(100)의 발전 전력이 저하되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 도 5에 도시하고 있는 바와 같이, 컴프레서(310)의 토출 공기량이 적은 상태에서, 모터(320)의 회전수를 일정하게 유지하면서, 컴프레서(310)의 토출 공기량을 일정량 이상 증가시키면, 컴프레서(310)의 압력비가 서서히 저하되어 간다. 이 경우, 연료 전지(100)의 요구 공기 압력에 따른 컴프레서(310)의 압력비를 유지하기 위해서는, 컴프레서(310)의 압력비의 저하에 따라, 모터(320)의 회전수를 증가시킬 필요가 발생하여, 모터(320)의 소비 전력이 증가한다. 그러나, 본 실시 형태에서는, 모터(320)의 회전수를 일정하게 유지함과 함께, 컴프레서(310)의 압력비가 저하되지 않는 영역 내, 즉, 컴프레서(310)의 압력비가 일정한 상태에서 제2 제어를 행하므로, 모터(320)의 소비 전력을 상승시키지 않고, 컴프레서(310)의 토출 공기량을 증가시킬 수 있다. 특히, 본 실시 형태에서는, 저효율 영역에서, 터빈(330)에 의해 모터(320)의 회전력을 보조할 수 있으므로, 모터(320)의 회전수를 유지한 채, 모터(320)의 소비 전력을 저하시킬 수 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 모터(320)의 회전수와 컴프레서(310)의 압력비를 일정하게 유지하는 것으로 했지만, 모터(320)의 소비 전력이 증가하지 않는 범위에서, 모터(320)의 회전수와 컴프레서(310)의 압력비 중 어느 한쪽을 변동시켜도 된다.
또한, 본 실시 형태에서는, 「미리 정해진 역치」는, 컴프레서(310)의 효율에 기초해서 정해져 있다. 이에 반해, 「미리 정해진 역치」는, 컴프레서(310)의 토출 공기량에 기초해서 정해져도 된다. 예를 들어, 역치는, 컴프레서(310)의 토출 공기량을, 유량이 큰 영역과 유량이 작은 영역으로 구별하고, 그 경계가 되는 값을 사용해서 정해져도 된다. 이 경우에도, 컴프레서(310)가 저효율 영역에서 구동되는 것을 억제할 수 있다.
B. 제2 실시 형태
도 6은, 제2 실시 형태에서의 바이패스 판단 처리의 내용을 나타내는 흐름도이다. 이 처리는, 도 3에 도시한 바이패스 제어 처리를 실행할지 여부를 판단하기 위한 처리이다. 이 처리는, 연료 전지(100)의 발전이 개시되었을 때 개시되어, 연료 전지(100)의 발전이 정지될 때까지 계속해서 주회한다. 제2 실시 형태에서는, 연료 전지 시스템(10)의 구성은 제1 실시 형태(도 1)와 동일하다.
제2 실시 형태의 연료 전지 시스템(10)에서는, 제어부(500)는, 먼저, 현재의 시각 t2보다 Δt초 전(예를 들어, 1초 전)의 시각 t1에서의 요구 공기 유량(G1)을 취득하고(스텝 S210), 현재의 시각 t2에서의 요구 공기 유량(G2)을 취득한다(스텝 S220). 이어서, 제어부(500)는, 시각 t1에서의 요구 공기 유량(G1)과 시각 t2에서의 요구 공기 유량(G2)을 사용하여, 단위 시간당 요구 공기 유량의 증가량을 구하고(스텝 S230), 단위 시간당 요구 공기 유량의 증가량이, 미리 정해진 증가량 이상인지 여부를 판정한다(스텝 S240). 단위 시간당 요구 공기 유량의 증가량이, 미리 정해진 값 이상인 경우에는(스텝 S240: "예"), 제어부(500)는, 요구 공기 유량이 역치를 하회하는지 여부에 관계없이, 바이패스 밸브(240)를 폐쇄 상태로 하고(스텝 S250), 요구 공기 유량에 대응하는 유량의 공기를 연료 전지(100)에 유통시키도록, 모터(320)의 구동을 제어한다. 그 후, 다시 스텝 S210으로 돌아간다. 한편, 단위 시간당 요구 공기 유량의 증가량이, 미리 정해진 값보다 작은 경우에는(스텝 S240: "아니오"), 제어부(500)는, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 바이패스 제어를 실행한다(스텝 S260). 그 후, 다시 스텝 S210부터 처리를 개시한다.
이상에서 설명한 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(10)에서는, 단위 시간당 요구 공기 유량의 증가량이, 미리 정해진 증가량 이상인 경우에는, 요구 공기 유량이 역치를 하회하는지 여부에 관계없이, 바이패스 밸브(240)가 폐쇄 상태로 되고, 요구 공기 유량에 대응하는 유량의 공기를 연료 전지(100)에 유통시키도록, 모터(320)의 구동이 제어된다. 이 때문에, 단위 시간당 요구 공기 유량의 증가량이, 미리 정해진 증가량 이상으로 급증했을 경우에, 증가한 요구 공기 유량에 대응하는 유량의 공기의 일부가, 연료 전지(100)에 공급되지 않고, 바이패스 유로(230)에 흐르는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, 요구 공기 유량의 급증 시에, 연료 전지(100)에 대하여 공기의 공급이 지연되는 것을 억제할 수 있다. 연료 전지 차량에 있어서는, 액셀러레이터가 답입되고, 연료 전지 차량의 소비 전력의 증가에 따라서 연료 전지(100)의 요구 공기 유량이 증가하고 나서, 증가한 요구 공기 유량에 대응하는 유량의 공기가, 실제로 연료 전지(100)에 공급될 때까지의 시간이 지연되는 것을 억제할 수 있다. 이 때문에, 가속 요구에 대한 리스펀스가 지연됨으로 인한 드라이버빌리티의 저하를 억제할 수 있다.
C. 제3 실시 형태
도 7은, 제3 실시 형태에서의 연료 전지 시스템(10c)의 개략을 도시하는 설명도이다. 제3 실시 형태의 연료 전지 시스템(10c)에서는, 연료 전지 시스템(10c)이, 축압 탱크(410)와, 탱크 압력 센서(411)와, 제1 탱크 밸브(420)와, 제2 탱크 밸브(430)를 구비하고 있는 것이 제1 실시 형태(도 1)와 상이하다. 또한, 제3 실시 형태에서는, 바이패스 제어를 실행하기 위한 조건이 제1 실시 형태(도 3)와 상이하다.
축압 탱크(410)는, 바이패스 유로(230)에서의 바이패스 밸브(240)의 하류측에 접속되어 있다. 축압 탱크(410)는, 바이패스 유로(230)를 흐르는 공기를 저류하기 위한 탱크이다.
탱크 압력 센서(411)는, 축압 탱크(410) 내에 저류된 공기의 압력을 취득하기 위한 압력 센서이다.
제1 탱크 밸브(420)는, 축압 탱크(410)와 바이패스 유로(230)의 접속부에 배치되어 있다. 제1 탱크 밸브(420)는, 축압 탱크(410)와 바이패스 유로(230)의 접속을 개폐하기 위한 밸브이다.
제2 탱크 밸브(430)는, 바이패스 유로(230)에서의 축압 탱크(410)의 하류측에 배치되어 있다. 제2 탱크 밸브(430)는, 바이패스 유로(230)의 개폐를 하기 위한 밸브이다.
도 8은, 제3 실시 형태에서의 바이패스 판단 처리의 내용을 나타내는 흐름도이다. 이 처리는, 연료 전지(100)의 발전이 개시되었을 때 개시되어, 연료 전지(100)의 발전이 정지될 때까지 계속해서 주회한다. 제3 실시 형태에서의 요구 공기 유량 증가 시의 바이패스 제어의 처리의 내용은, 도 6에 나타낸 제2 실시 형태에서의 요구 공기 유량 증가 시의 바이패스 제어의 처리와 일부가 동일하다. 그 때문에, 도 8에서, 도 6과 동일한 처리 내용에 대해서는, 도 6과 동일한 스텝 번호를 사용하고 있다.
제3 실시 형태의 연료 전지 시스템(10c)에서는, 제어부(500)는, 먼저, 현재의 시각 t2보다 Δt초 전(예를 들어, 1초 전)의 시각 t1에서의 요구 공기 유량(G1)을 취득하고(스텝 S210), 현재의 시각 t2에서의 요구 공기 유량(G2)을 취득한다(스텝 S220). 이어서, 제어부(500)는, 시각 t1에서의 요구 공기 유량(G1)과 시각 t2에서의 요구 공기 유량(G2)을 사용하여, 단위 시간당 요구 공기 유량의 증가량을 구하고(스텝 S230), 단위 시간당 요구 공기 유량의 증가량이, 미리 정해진 증가량 이상인지 여부를 판정한다(스텝 S240).
단위 시간당 요구 공기 유량의 증가량이, 미리 정해진 값 이상인 경우에는(스텝 S240: "예"), 제어부(500)는, 탱크 내 압력이 탱크 목표 압력 이상인지 여부를 판정한다(스텝 S310). 「탱크 내 압력」이란, 탱크 압력 센서(411)에 의해 취득되는 압력이며, 실제로 축압 탱크(410) 내에 저류되어 있는 공기의 압력이다. 「탱크 목표 압력」이란, 축압 탱크(410) 내에 저류하는 공기의 압력의 목표값이다. 탱크 목표 압력은, 축압 탱크(410) 내에 저류된 공기를 터빈(330)에 공급함으로써, 모터(320)의 소비 전력을 저감하기에 적합한 압력으로서 미리 정할 수 있다. 탱크 내 압력이 탱크 목표 압력 이상인 경우에는(스텝 S310: "예"), 바이패스 밸브(240)를 폐쇄 상태로 하고, 제1 탱크 밸브(420)와, 제2 탱크 밸브(430)를 개방 상태로 한다(스텝 S320). 이 때문에, 탱크 내 압력이 탱크 목표 압력 이상인 경우에는, 축압 탱크(410) 내에 저류된 공기가, 바이패스 유로(230)로부터 공기 공급 유로(210)로 역류하는 것을 방지하면서, 축압 탱크(410) 내에 저류된 고압의 공기를 터빈(330)에 공급할 수 있다. 스텝 S320 후, 이 처리는, 다시 스텝 S210으로 돌아간다. 한편, 탱크 내 압력이 탱크 목표 압력보다 작은 경우에는(스텝 S310: "아니오"), 제어부(500)는, 바이패스 밸브(240)와, 제1 탱크 밸브(420)와, 제2 탱크 밸브(430)를 폐쇄 상태로 한다(스텝 S330). 이 때문에, 탱크 내 압력이 탱크 목표 압력에 달하지 않고, 요구 공기 유량에 대한 모터(320)의 소비 전력의 저감 효과가 작은 경우에는, 축압 탱크(410) 내에 저류된 공기는 개방되지 않는다. 또한, 스텝 S330에서, 제1 탱크 밸브(420)와, 제2 탱크 밸브(430) 중, 어느 한쪽이 개방 상태이어도 된다. 스텝 S330 후, 이 처리는, 다시 스텝 S210으로 돌아간다.
상기 스텝 S240에서, 단위 시간당 요구 공기 유량의 증가량이, 미리 정해진 값보다 작은 경우에는(스텝 S240: "아니오"), 제어부(500)는, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 바이패스 제어를 실행하고, 요구 공기 유량이, 미리 정해진 역치를 하회하는지 여부를 판정한다(스텝 S110). 요구 공기 유량이, 미리 정해진 역치를 하회하지 않을 경우(스텝 S110: "아니오"), 제어부(500)는, 제1 제어를 실행하고, 바이패스 밸브(240)를 폐쇄 상태로 한다(도 3, 스텝 S120). 그 후, 제어부(500)는, 상술한 스텝 S310으로 처리를 이행시킨다. 한편, 요구 공기 유량이, 미리 정해진 역치를 하회할 경우(스텝 S110: "예"), 제어부(500)는, 제2 제어를 실행한다(도 3, 스텝 S130 내지 S150). 그 후, 제어부(500)는, 탱크 내 압력이 요구 공기 압력 또는 탱크 목표 압력 이상인지 여부의 판정을 행한다(스텝 S340). 탱크 내 압력이 요구 공기 압력 또는 탱크 목표 압력 이상인 경우(스텝 S340: "예"), 제어부(500)는, 바이패스 밸브(240)와, 제2 탱크 밸브(430)를 개방 상태로 하고, 제1 탱크 밸브(420)를 폐쇄 상태로 한다(스텝 S350). 이 때문에, 축압 탱크(410) 내에 저류된 공기가, 바이패스 유로(230)로부터 공기 공급 유로(210)로 역류하는 것을 방지하면서, 컴프레서(310)로부터 토출된 공기를, 바이패스 유로(230)를 통해서, 공기 공급 유로(210)로부터 공기 배출 유로(220)에 바이패스시킬 수 있다. 한편, 탱크 내 압력이 요구 공기 압력 또는 탱크 목표 압력보다 작은 경우에는(스텝 S340: "아니오"), 제어부(500)는, 바이패스 밸브(240)와, 제1 탱크 밸브(420)와, 제2 탱크 밸브(430)를 개방 상태로 한다(스텝 S360). 이 때문에, 바이패스 유로(230)를 통해서, 공기 공급 유로(210)로부터 공기 배출 유로(220)에 공기를 바이패스시키면서, 바이패스시키는 공기의 일부를 축압 탱크(410) 내에 저류할 수 있다.
이상에서 설명한 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(10c)에서는, 제2 제어 시에, 바이패스 유로(230)를 흐르는 잉여 공기의 일부를, 축압 탱크(410) 내에 저류할 수 있다. 또한, 바이패스 밸브(240)가 폐쇄 상태로 되었을 경우에도, 제2 제어 시에 축압 탱크(410) 내에 저류해 둔 공기를, 터빈(330)에 공급할 수 있다. 이 때문에, 바이패스 밸브(240)가 폐쇄 상태로 되어 있는 경우에도, 모터(320)에 의한 컴프레서(310)의 구동을 보조하기 위한 터빈(330)에 의한 구동력을 증가시킬 수 있다. 연료 전지 차량에서는, 제2 실시 형태와 마찬가지로, 액셀러레이터가 답입되었을 때, 증가한 요구 공기 유량에 대응하는 유량의 공기가, 실제로 연료 전지(100)에 공급될 때까지의 시간이 지연되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 저효율 영역 이외에서의 운전 시(예를 들어, 고속 도로에서의 정상 주행 시)나, 가속 요구가 있었을 경우에, 바이패스 밸브(240)가 폐쇄 상태로 되어 있어도, 터빈(330)에 의한 구동력을 증가시킬 수 있다. 이 때문에, 가속 요구에 대한 리스펀스가 지연됨으로 인한 드라이버빌리티의 저하를 억제할 수 있음과 함께, 연료 전지 차량의 가속 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서의 연료 전지 시스템(10c)에서는, 제1 탱크 밸브(420)와 제2 탱크 밸브(430)를 구비하고 있지만, 이들은, 필수의 구성 요소가 아니다. 제1 탱크 밸브(420)와 제2 탱크 밸브(430)가 구비되어 있지 않아도, 제2 제어 시에는, 축압 탱크(410) 내에 공기를 저류할 수 있으므로, 바이패스 밸브(240)가 폐쇄되었을 때, 축압 탱크(410) 내에 저류된 공기를 터빈(330)에 공급하는 것이 가능하다. 따라서, 이러한 양태라도, 바이패스 밸브(240)가 폐쇄 상태로 되어 있어도, 터빈(330)에 의한 구동력을 증가시킬 수 있다.
D. 제4 실시 형태
도 9는, 제4 실시 형태에서의 연료 전지 시스템(10d)의 개략을 도시하는 설명도이다. 도 1에 도시한 연료 전지 시스템(10)에 있어서, 압력 조절 밸브(221)는, 공기 배출 유로(220)에서의 연료 전지(100)의 하류측이며 바이패스 유로(230)와 공기 배출 유로(220)의 접속부의 상류측에 배치되어 있다. 이에 반해, 본 실시 형태에서는, 도 9에 도시하는 바와 같이, 압력 조절 밸브(221)는, 공기 배출 유로(220)에서의 터빈(330)의 상류측이며 바이패스 유로(230)와 공기 배출 유로(220)의 접속부의 하류측에 배치되어 있다. 이에 의해, 압력 조절 밸브(221)보다 상류측의 압력의 급격한 변동을 억제할 수 있다. 이 때문에, 바이패스 밸브(240)의 개폐에 수반하여, 연료 전지(100) 내의 압력이 급격하게 저하되는 것을 억제할 수 있다.
E. 제5 실시 형태
도 10은, 제5 실시 형태에서의 연료 전지 시스템(10e)의 개략을 도시하는 설명도이다. 도 9에 나타낸 연료 전지 시스템(10d)에 있어서, 압력 조절 밸브(221)와 터빈 하우징(332)은, 각각이 별개로 설치되어 있다. 이에 반해, 본 실시 형태에서는, 도 10에 도시하는 바와 같이, 압력 조절 밸브(221e)와 터빈 하우징(332e)은 일체화되어 있다. 보다 구체적으로는, 압력 조절 밸브(221e)의 밸브 박스는, 터빈 하우징(332e)과 일체로 형성되고, 압력 조절 밸브(221e)의 밸브체는, 터빈(330e)에서의 터빈 휠(331)의 상류측에 배치되어 있다. 예를 들어, 본 실시 형태의 터빈(330e)은, 터빈(330e)의 공기 흡입구와 압력 조절 밸브(221e)가 일체로 형성되어 있는 가변 노즐 터보에 의해 구성되어도 된다. 이에 의해, 압력 조절 밸브(221e)의 개방도를 조절함으로써, 터빈 휠(331)에 분사되는 공기의 유속을 변화시킬 수 있다. 이 때문에, 연료 전지 시스템(10e)의 구성을 간소화할 수 있음과 함께, 모터(320)에 의한 컴프레서(310)의 구동을 보조하기 위한, 터빈(330e)에 의한 구동력을 증가시킬 수 있다.
F. 제6 실시 형태
도 11은, 제6 실시 형태에서의 터빈(330f)을 도시하는 단면 모식도이다. 도 1에 도시한 연료 전지 시스템(10)에 있어서, 바이패스 유로(230)는, 공기 배출 유로(220)에 접속되어 있다. 이에 반해, 본 실시 형태에서는, 도 11에 도시한 바와 같이, 바이패스 유로(230)는, 터빈(330f)의 터빈 하우징(332f) 내에 직접 접속되어 있고, 바이패스 밸브(240f)의 밸브 박스는, 터빈 하우징(332f)과 일체로 형성되고, 바이패스 밸브(240f)의 밸브체는, 터빈(330f)에서의 터빈 휠(331)의 상류측에 배치되어 있다. 이에 의해, 연료 전지 시스템(10)의 구성을 간소화할 수 있다.
G. 제7 실시 형태
도 12는, 제7 실시 형태에서의 터빈(330g)을 도시하는 단면 모식도이다. 도 11에 도시한 터빈(330f)에서는, 바이패스 유로(230)는, 터빈(330f)의 터빈 하우징(332f) 내에 직접 접속되어 있다. 이에 반해, 본 실시 형태에서는, 도 12에 도시하는 바와 같이, 바이패스 유로(230)는, 터빈(330g)의 터빈 하우징(332g) 내에 직접 접속되어 있고, 또한 바이패스 유로(230)로부터 터빈 하우징(332g) 내에 유입하는 공기가 터빈(330g)의 터빈 휠(331)의 회전을 촉진하는 방향으로 흐르도록, 바이패스 유로(230)의 터빈 하우징(332g) 내에서의 개구부(231)의 방향이 정해져 있다. 이에 의해, 바이패스 유로(230)로부터 터빈 하우징(332g) 내에 유입하는 공기가, 터빈 휠(331)의 회전을 저해하지 않고, 터빈 휠(331)의 회전을 촉진한다. 이 때문에, 연료 전지 시스템(10)의 구성을 간소화할 수 있음과 함께, 모터(320)에 의한 컴프레서(310)의 구동을 보조하기 위한, 터빈(330g)에 의한 구동력을 증가시킬 수 있다.
H. 제8 실시 형태
도 7에 나타낸 연료 전지 시스템(10c)에 있어서, 축압 탱크(410)와 바이패스 유로(230)의 접속부에는, 제1 탱크 밸브(420)가 배치되어 있고, 제1 탱크 밸브(420)가, 축압 탱크(410)의 공기의 입구와 출구를 겸하고 있다. 이에 반해, 축압 탱크(410)와 바이패스 유로(230)의 접속부에, 축압 탱크(410)의 공기의 입구와 출구를 별개로 설치하고, 입구측과 출구측 각각에, 축압 탱크(410)와 바이패스 유로(230)의 접속을 개폐하기 위한 밸브를 배치해도 된다. 이 경우, 축압 탱크에 공기를 저류할 때는(도 8, 스텝 S360), 입구측의 밸브는 개방 상태로 되고, 출구측의 밸브는 폐쇄 상태로 된다. 또한, 축압 탱크에 저류된 공기를 개방할 때는(도 8, 스텝 S320), 입구측의 밸브는 폐쇄 상태로 되고, 출구측의 밸브는 개방 상태로 된다. 이 형태의 연료 전지 시스템(10)에서도, 제3 실시 형태와 마찬가지의 효과를 발휘할 수 있다.
I. 제9 실시 형태
도 1에 도시한 연료 전지 시스템(10)에 있어서, 공기 공급 유로(210)에서의 연료 전지(100)의 상류측이며 바이패스 유로(230)와 공기 공급 유로(210)의 접속부의 하류측에, 공기 공급 유로(210)를 흐르는 공기를 냉각하기 위한 인터쿨러가 배치되어도 된다. 이에 의해, 연료 전지(100)에 공급되는 공기의 온도를 저하시킬 수 있고, 연료 전지(100)의 전해질막의 건조를 억제할 수 있음과 함께, 연료 전지(100)에 공급되는 공기의 밀도를 증가시킬 수 있다.
본 발명은 상술한 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 구성으로 실현할 수 있다. 예를 들어, 발명의 내용란에 기재한 각 형태 중의 기술적 특징에 대응하는 실시 형태 중의 기술적 특징은, 상술한 과제의 일부 또는 전부를 해결하기 위해서, 또는, 상술한 효과의 일부 또는 전부를 달성하기 위해서, 적절히 바꾸기나 조합을 행하는 것이 가능하다. 또한, 그 기술적 특징이 본 명세서 중에 필수적인 것으로서 설명되어 있지 않으면, 적절히, 삭제하는 것이 가능하다.

Claims (11)

  1. 연료 전지 시스템에 있어서,
    연료 전지(100)와,
    상기 연료 전지에 공기를 공급하기 위한 공기 공급 유로(210)와,
    상기 연료 전지로부터 공기를 배출하기 위한 공기 배출 유로(220)와,
    상기 공기 공급 유로에 공기를 공급하는 컴프레서(310)와,
    상기 컴프레서를 구동시키기 위한 모터(320)와,
    상기 공기 배출 유로에 배치되어, 상기 모터에 의한 상기 컴프레서의 구동을 보조하는 터빈(330)과,
    상기 공기 공급 유로에서의 상기 컴프레서(310)의 하류측과, 상기 공기 배출 유로에서의 상기 터빈(330)의 상류측을 연통하는 바이패스 유로(230)와,
    상기 바이패스 유로를 개폐하는 바이패스 밸브(240)와,
    상기 연료 전지의 발전에 요구되는 공기의 유량인 요구 공기 유량에 따라, 상기 모터(320)의 구동과 상기 바이패스 밸브(240)의 개폐를 제어하는 제어부(500)를
    포함하고,
    상기 제어부(500)는,
    상기 요구 공기 유량이, 미리 정해진 역치 이상인 경우에는, 상기 바이패스 밸브(240)를 폐쇄 상태로 하고, 상기 요구 공기 유량에 대응하는 유량의 공기를 상기 연료 전지에 유통시키도록 상기 모터(320)의 구동을 제어하는 제1 제어를 행하고,
    상기 요구 공기 유량이, 상기 미리 정해진 역치를 하회할 경우에는, 상기 바이패스 밸브(240)를 개방 상태로 해서 상기 바이패스 유로에도 공기를 유통시킴과 함께, 상기 요구 공기 유량에 대응하는 유량의 공기를 상기 연료 전지에 유통시키도록 상기 모터(320)의 구동을 제어하는 제2 제어를 행하고,
    상기 미리 정해진 역치는, 상기 연료 전지 시스템에 있어서 상기 컴프레서(310)가 토출하는 공기의 유량에 대한 상기 모터(320)의 소비 전력이 극소가 되는 유량에 기초해서 정해진 값인, 연료 전지 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부(500)는, 단위 시간당 상기 요구 공기 유량의 증가량이, 미리 정해진 증가량 이상인 경우에는, 상기 요구 공기 유량이 상기 미리 정해진 역치를 하회하는지 여부에 관계없이, 상기 바이패스 밸브(240)를 폐쇄 상태로 하는, 연료 전지 시스템.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 바이패스 유로에서의 상기 바이패스 밸브(240)의 하류측에 접속되고, 상기 바이패스 유로를 흐르는 공기를 저류하기 위한 축압 탱크(410)를 더 포함하는, 연료 전지 시스템.
  5. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 공기 배출 유로에서의 상기 터빈(330)의 상류측이면서 또한 상기 바이패스 유로(230)와 상기 공기 배출 유로(220)의 접속부의 하류측에 배치되고, 상기 연료 전지 내를 흐르는 공기의 압력을 조절하기 위한 압력 조절 밸브(221)를 더 포함하는, 연료 전지 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 압력 조절 밸브(221e)의 밸브 박스는, 상기 터빈(330e)의 터빈 하우징과 일체로 형성되고,
    상기 압력 조절 밸브(221e)의 밸브체는, 상기 터빈(330e)에서의 터빈 휠(331)의 상류측에 배치되어 있는, 연료 전지 시스템.
  7. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 바이패스 유로(230)는 상기 터빈(330f)의 터빈 하우징(332f) 내에 접속되어 있고,
    상기 바이패스 밸브(240f)의 밸브 박스는, 상기 터빈 하우징(332f)과 일체로 형성되고,
    상기 바이패스 밸브(240f)의 밸브체는, 상기 터빈(330f)에서의 터빈 휠(331)의 상류측에 배치되어 있는, 연료 전지 시스템.
  8. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 바이패스 유로(230)는, 상기 터빈(330g)의 터빈 하우징(332g) 내에 접속되어 있고, 상기 바이패스 유로(230)로부터 상기 터빈 하우징(332g) 내에 유입하는 공기가 상기 터빈(330g)의 터빈 휠(331)의 회전을 촉진하는 방향으로 흐르도록, 상기 바이패스 유로(230)의 상기 터빈 하우징(332g) 내에서의 개구부의 방향이 정해져 있는, 연료 전지 시스템.
  9. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 제어부(500)는, 상기 모터(320)의 회전수를 일정하게 유지하도록, 상기 제2 제어를 행하는, 연료 전지 시스템.
  10. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 제어부(500)는, 상기 컴프레서(310)에 흡입되는 공기의 압력과 상기 컴프레서(310)로부터 토출되는 공기의 압력의 비인 압력비를 일정하게 유지하도록, 상기 제2 제어를 행하는, 연료 전지 시스템.
  11. 연료 전지 시스템의 제어 방법이며,
    상기 연료 전지 시스템은,
    연료 전지(100)와,
    상기 연료 전지에 공기를 공급하기 위한 공기 공급 유로(210)와,
    상기 연료 전지로부터 공기를 배출하기 위한 공기 배출 유로(220)와,
    상기 공기 공급 유로에 공기를 공급하는 컴프레서(310)와,
    상기 컴프레서를 구동시키기 위한 모터(320)와,
    상기 공기 배출 유로에 배치되어, 상기 모터에 의한 상기 컴프레서의 구동을 보조하는 터빈(330)과,
    상기 공기 공급 유로에서의 상기 컴프레서의 하류측과, 상기 공기 배출 유로에서의 상기 터빈의 상류측을 연통하는 바이패스 유로(230)와,
    상기 바이패스 유로를 개폐하는 바이패스 밸브(240)를 구비하고,
    상기 방법은, 상기 연료 전지의 발전에 요구되는 공기의 유량인 요구 공기 유량이, 미리 정해진 역치 이상인 경우에는, 상기 바이패스 밸브(240)를 폐쇄 상태로 하고, 상기 요구 공기 유량에 대응하는 유량의 공기를 상기 연료 전지에 유통시키도록 상기 모터(320)의 구동을 제어하는 제1 제어를 행하는 것(S120)과,
    상기 요구 공기 유량이, 상기 미리 정해진 역치를 하회할 경우에는, 상기 바이패스 밸브(240)를 개방 상태로 해서 상기 바이패스 유로(230)에도 공기를 유통 시킴과 함께, 상기 요구 공기 유량에 대응하는 유량의 공기를 상기 연료 전지에 유통시키도록 상기 모터(320)의 구동을 제어하는 제2 제어를 행하는 것(S130, S140, S150)을 구비하고,
    상기 미리 정해진 역치는, 상기 연료 전지 시스템에 있어서 상기 컴프레서(310)가 토출하는 공기의 유량에 대한 상기 모터(320)의 소비 전력이 극소가 되는 유량에 기초해서 정해진 값인, 연료 전지 시스템의 제어 방법.
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