WO2013129521A1 - 燃料電池システム - Google Patents

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WO2013129521A1
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flow rate
compressor
stack
fuel cell
cathode
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祥朋 浅井
武田　大
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日産自動車株式会社
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • This invention relates to a fuel cell system.
  • the cathode compressor is operated so that the flow rate of air supplied to the fuel cell stack becomes a target flow rate necessary for power generation.
  • the cathode compressor supplies more air than is necessary for power generation (air amount for surge avoidance)
  • the compressor supplies a larger flow rate than the amount of air necessary for power generation and is unnecessary for the stack.
  • the flow rate is supplied to the bypass flow path using a bypass valve.
  • JP2009-123550A the compressor supplies a flow rate for avoiding surges, and the control of the bypass valve controls the air supplied to the fuel cell stack by an air flow rate sensor provided on the stack inlet side downstream of the bypass flow path. The amount is detected, and the opening degree of the control valve is fed back so that this flow rate becomes the target flow rate of the stack.
  • the compressor control since the compressor control is open control, there is a concern that the compressor flow rate becomes higher than the flow rate to be supplied.
  • the flow rate supplied to the stack can be made the target flow rate of the stack by increasing the opening of the bypass valve.
  • the supply flow rate of the compressor is larger than the flow rate for avoiding the surge, this cannot be reduced by the open control, and there is a concern that the power consumption of the compressor increases.
  • An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of preventing an unnecessary increase in power consumption of a compressor.
  • One aspect of the fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell stack, a cathode compressor that supplies a cathode gas, a cathode flow path that is connected to the fuel cell stack and through which the cathode gas flows, and more than the fuel cell stack.
  • a bypass channel that branches from the upstream cathode channel and bypasses the fuel cell stack, a bypass valve that is provided in the bypass channel and adjusts the cathode flow rate that flows through the bypass channel, and is supplied to the fuel cell stack
  • the fuel cell system includes a stack flow sensor for detecting a cathode flow rate and a compressor flow sensor for detecting a cathode flow rate sucked into the cathode compressor.
  • a stack request flow rate calculation unit that calculates a flow rate required for the stack according to the state of the fuel cell, and a compressor request flow rate calculation unit that calculates a flow rate that the compressor should flow according to a request different from the above request.
  • the cathode compressor is controlled based on the compressor required flow rate and the compressor flow rate detected by the compressor flow rate sensor, and the stack required flow rate and the stack flow rate sensor detected by the stack flow rate sensor.
  • a control unit for controlling the bypass valve based on the flow rate is further included.
  • FIG. 1 is a diagram showing a main part (cathode gas system) of a fuel cell system according to the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a control unit of the first embodiment of the fuel cell system according to the present invention.
  • FIG. 3A is a diagram illustrating a surge avoidance flow rate.
  • FIG. 3B is a diagram illustrating the hydrogen dilution flow rate.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the operational effects of the first embodiment.
  • FIG. 5 is a block diagram showing a control unit of the second embodiment of the fuel cell system according to the present invention.
  • FIG. 6 is a timing chart for explaining the effects of the second embodiment obtained when the generated current increases.
  • FIG. 7A is a control flowchart of the bypass valve closing operation.
  • FIG. 7B is a control flowchart of the bypass valve closing operation.
  • FIG. 8 is a timing chart for explaining the operational effects of the second embodiment obtained when the generated current decreases.
  • FIG. 1 is a diagram showing a main part (cathode gas system) of a fuel cell system according to the present invention.
  • the fuel cell system 1 includes a fuel cell stack 10, a cathode compressor 20, a bypass valve 30, and an air pressure regulating valve 40.
  • the fuel cell stack 10 is supplied with cathode gas and anode gas to generate electric power.
  • the cathode compressor 20 pumps air.
  • the cathode compressor 20 is provided in the cathode channel 51.
  • the cathode channel 51 is connected to the fuel cell stack 10. The air flowed by the cathode compressor 20 flows through the cathode channel 51.
  • the bypass valve 30 is provided in the middle of the bypass flow path 52.
  • the bypass channel 52 branches from the cathode channel 51 upstream of the fuel cell stack 10 and merges with the cathode channel 51 downstream of the fuel cell stack 10. Part of the air pumped by the cathode compressor 20 (excess air not required by the fuel cell stack 10) branches and flows in the bypass flow path 52.
  • the bypass valve 30 adjusts the cathode flow rate flowing through the bypass flow path 52.
  • the air pressure regulating valve 40 is provided in the cathode flow path 51 downstream of the fuel cell stack 10 and upstream of the junction of the bypass flow path 52.
  • the smaller the opening of the air pressure regulating valve 40 the higher the pressure in the cathode channel 51.
  • the larger the opening of the air pressure regulating valve 40 the lower the pressure in the cathode flow path 51.
  • a compressor flow rate sensor 61 is provided in the cathode flow path 51 upstream of the cathode compressor 20.
  • the compressor flow rate sensor 61 detects a cathode flow rate (compressor intake flow rate F1) sucked into the cathode compressor 20.
  • a pressure sensor 62 and a stack flow rate sensor 63 are provided in the cathode flow path 51 downstream of the branch portion of the bypass flow path 52 and upstream of the fuel cell stack 10.
  • the pressure sensor 62 detects the cathode pressure (stack inlet pressure P) at the inlet of the fuel cell stack 10.
  • the stack flow rate sensor 63 detects the cathode flow rate (stack supply flow rate F2) supplied to the fuel cell stack 10.
  • anode gas (hydrogen) is also supplied to the fuel cell stack 10.
  • the fuel cell stack 10 generates a power generation reaction with the cathode gas (oxygen) and the anode gas (hydrogen).
  • Waste gas (hydrogen offgas) that has not been consumed in the power generation reaction is mixed into the cathode flow path 51 downstream of the air pressure regulating valve 40, diluted with the cathode gas, and discharged to the atmosphere.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a control unit of the first embodiment of the fuel cell system according to the present invention.
  • the control unit 70 of the fuel cell system according to the present invention includes a 2-input 2-output FB control unit 71, a maximum selection unit 72, a compressor FB control unit 73, and a bypass valve FB control unit 74.
  • the 2-input 2-output FB control unit 71 has two outputs (air pressure regulating valve command so that the two inputs (stack supply flow rate F2 and stack inlet pressure P) converge to target values (target stack supply flow rate and target stack inlet pressure). Value and stack demand target compressor intake flow rate).
  • the 2-input 2-output FB control unit 71 is set with an arithmetic expression that models the system, and calculates the air pressure control valve command value and the stack required target compressor intake flow rate based on the arithmetic expression.
  • the stack required target compressor suction flow rate corresponds to the “second compressor required flow rate” in the claims.
  • the target stack supply flow rate and the target stack inlet pressure are set based on the target output required for the fuel cell stack.
  • the maximum selection unit 72 selects the maximum value from the stack required target compressor intake flow rate, surge avoidance flow rate, and hydrogen dilution flow rate, and sets it as the target compressor intake flow rate.
  • the surge avoidance flow rate and the hydrogen dilution flow rate and the reason for doing so will be described with reference to FIGS. 3A and 3B.
  • the cathode compressor 20 is a turbo compressor.
  • the turbo compressor has characteristics as shown in FIG. 3A, and operation is prohibited in a region where a surge may occur (surge region). For example, consider the case where the operating point set based on the target output required for the fuel cell stack is P11 (compressor supply flow rate Q11, compressor front-rear pressure ratio r1). This operating point P11 exists in the surge region. If the compressor is operated at such an operating point P11, a surge may occur. Therefore, in such a case, it is necessary to escape from the surge region by operating the compressor with an air amount Q12 larger than the air amount Q11 set based on the target output required for the fuel cell stack.
  • the air amount Q12 is a lower limit flow rate for operating the compressor, and this lower limit flow rate (compressor lower limit flow rate) is a surge avoidance flow rate.
  • the compressor needs to be operated at a flow rate larger than the compressor lower limit flow rate (surge avoidance flow rate).
  • the waste gas (hydrogen off-gas) that has not been consumed in power generation is diluted with the cathode gas and discharged to the atmosphere.
  • the amount of air required for dilution is shown as in FIG. 3B. If the output current required for the fuel cell stack is I1, the amount of air necessary for power generation (the amount of air to be supplied to the fuel cell stack) is Q21. On the other hand, when the output current required for the fuel cell stack is I1, the amount of air necessary for diluting hydrogen is Q22. Therefore, in such a case, it is necessary to operate the compressor with an air amount Q22 larger than the air amount Q21 necessary for power generation.
  • the air amount Q22 is the lower limit flow rate for operating the compressor, and this lower limit flow rate (compressor lower limit flow rate) is the hydrogen dilution flow rate.
  • the compressor needs to be operated at a flow rate larger than the compressor lower limit flow rate (hydrogen dilution flow rate).
  • the maximum selection unit 72 selects the maximum value from the stack required target compressor intake flow rate, surge avoidance flow rate, and hydrogen dilution flow rate, and sets it as the target compressor intake flow rate.
  • ⁇ Q1 Q12 ⁇ Q11
  • ⁇ Q2 Q22 ⁇ Q21
  • ⁇ Q1 Q12 ⁇ Q11
  • Q22 ⁇ Q21 an amount of air surplus for power generation of the fuel cell stack, although it is necessary for diluting hydrogen. Supplying such excess air to the fuel cell stack may adversely affect the operability of the fuel cell stack. Therefore, such surplus air flows to the bypass channel 52 without being supplied to the fuel cell stack.
  • the compressor FB control unit 73 determines the compressor command value so that the flow rate (compressor suction flow rate F1 or stack supply flow rate F2) detected by the sensor converges to the target amount (target compressor suction flow rate). Specifically, depending on the component proportional to the deviation of the sensor amount relative to the target amount (target compressor intake flow rate) and the component (integral component) obtained by integrating the deviation of the sensor amount relative to the target amount (target compressor intake flow rate) over time, Feedback control (PI control) is performed to determine the compressor command value. When the cathode flow rate supplied to the fuel cell stack is smaller than the above-described compressor lower limit flow rate (that is, when it is necessary to bypass excess air), the compressor FB control unit 73 sets the compressor intake flow rate F1.
  • the stack supply flow rate F2 is set to the target amount (target stack). Determine the compressor command value so that it converges to the supply flow rate. In this case, since there is no surplus air and bypassing is not performed, the target stack supply flow rate becomes equal to the target compressor intake flow rate.
  • the bypass valve FB control unit 74 determines the bypass valve command value so that the stack supply flow rate F2 converges to the target amount (target stack supply flow rate). Specifically, a component proportional to the deviation of the stack supply flow rate F2 with respect to the target amount (target stack supply flow rate), or a component obtained by time integration of the deviation of the stack supply flow rate F2 with respect to the target amount (target stack supply flow rate) (integration component) Accordingly, feedback control (PI control) is performed to determine the bypass valve command value.
  • PI control feedback control
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the effects of the first embodiment.
  • the compressor FB control unit 73 allows the compressor intake flow rate F1 to converge to the target amount (target compressor intake flow rate) when surplus air needs to be bypassed. Determine the command value. Then, the bypass valve is controlled so that the stack supply flow rate F2 converges to the target amount (target stack supply flow rate). In this way, there is an effect that the stack supply flow rate is operated by the bypass valve and the compressor. Since the supply flow rate of the compressor is prevented from being excessively increased and the bypass valve is opened accordingly, unnecessary increase in power consumption of the compressor is prevented.
  • the compressor command value is determined so that the stack supply flow rate F2 converges to the target amount (target stack supply flow rate).
  • target stack supply flow rate can be controlled to the target amount even if the bypass valve varies.
  • the stack supply flow rate approaches the target amount, and the supply flow rate from the compressor is able to observe the lower limit restriction. Even if the bypass valve varies, an excellent effect of improving fuel efficiency without increasing the power consumption of the compressor can be obtained.
  • FIG. 5 is a block diagram showing a control unit of the second embodiment of the fuel cell system according to the present invention.
  • a control block 75 for performing bypass valve forced closing control is included.
  • the bypass valve forced closing control 75 includes an adding unit 751, a condition determining unit 752, an adding unit 753, a condition determining unit 754, and a forced closing flag output unit 755.
  • the addition unit 751 outputs a value obtained by adding a margin to the compressor lower limit flow rate.
  • This margin is not indispensable, and the size of the margin may be appropriately set according to the component specifications used in the system configuration, the sensor error, and the control design result of the portion for obtaining the stack required compressor flow rate.
  • the condition determination unit 752 determines whether or not the target stack flow rate is larger than a value obtained by adding a margin to the compressor lower limit flow rate. If the determination result is affirmative, the condition determination unit 752 outputs 1 as the output 1. If the determination result is negative, the condition determination unit 752 outputs 0 as the output 1.
  • the addition unit 753 outputs a value obtained by adding a margin to the compressor lower limit flow rate.
  • This margin is not indispensable, and the size of the margin may be appropriately set according to the component specifications used in the system configuration, the sensor error, and the control design result of the portion for obtaining the stack required compressor flow rate.
  • the condition determination unit 754 determines whether or not the stack request compressor flow rate is larger than a value obtained by adding a margin to the compressor lower limit flow rate. The condition determination unit 754 outputs 1 as the output 2 if the determination result is affirmative. If the determination result is negative, the condition determination unit 754 outputs 0 as the output 2.
  • the forced closing flag output unit 755 controls the bypass valve to be forcibly closed if the output 1 of the condition determination unit 752 is 1 or the output 2 of the condition determination unit 754 is 1. If the output 1 of the condition determination unit 752 is 0 and the output 2 of the condition determination unit 754 is 0, the forced closing flag output unit 755 cancels the forced closing control of the bypass valve.
  • FIG. 6 is a timing chart for explaining the effects of the second embodiment obtained when the generated current increases.
  • condition determination unit 752 outputs 1 as output 1
  • the control shown in FIG. 2 is cyclically executed.
  • the respective lines are shown so as not to overlap each other.
  • the generated current required for the fuel cell stack is small (FIG. 6A), and the air flow rate q12 required to realize the generated current is also small (FIG. 6C). Accordingly, the compressor flow rate may be small, but operation below the compressor lower limit flow rate is not possible. Therefore, the compressor is operated at the compressor lower limit flow rate q11 (FIG. 6B). Then, the surplus flow q11-q12 for power generation is passed through the bypass channel (FIG. 6D).
  • the generated current required for the fuel cell stack increases (FIG. 6A), and accordingly, the target amount of air flow (target stack flow) required to realize the generated current increases. It becomes q13 (FIG. 6 (C)) and exceeds the compressor lower limit flow rate.
  • the condition determination unit 752 outputs 1 as the output 1, the bypass valve forced closing flag is turned on (FIG. 6E), and the bypass valve closing flow rate is not closed. Reduced in less time than sometimes.
  • the compressor command value is generated by the FB control unit so that the stack supply flow rate follows the target amount. Therefore, if the deviation between the stack supply flow rate and the target amount is large, the target compressor intake air flow rate increases with time due to the integral calculation of the FB control unit (FIG. 6B).
  • the bypass valve closing operation is not executed at time t11, so that the operation is slower than when it is executed.
  • the stack supply flow rate coincides with the target value, so that the operation amount of the FB controller for the compressor flow rate does not change (broken line in FIG. 6B).
  • the bypass flow rate remains large (broken line in FIG. 6D).
  • the power consumption of the compressor is large (broken line in FIG. 6F). That is, in such a state, the supply flow rate of the compressor is unnecessarily excessive, and the power consumption of the compressor is unnecessarily increased.
  • the bypass valve forced closing control is executed and the bypass flow rate is prevented from being held, and the bypass flow rate is reduced (solid line in FIG. 6D).
  • the control shown in FIG. 2 is cyclically executed. Even if the bypass flow rate is likely to be maintained, the bypass valve forced close control is executed and the bypass flow rate is reduced. It affects the stack supply flow rate and the stack inlet pressure. If this is triggered and the control block diagram of FIG. 2 is cyclically executed, then the opening of the bypass valve becomes smaller and the bypass flow rate decreases. As a result, the compressor flow rate decreases as shown by the solid line in FIG. Therefore, the power consumption of the compressor is reduced (solid line in FIG. 6F), the power consumption of the compressor is low after time t13, and an unnecessary increase in the power consumption of the compressor is prevented.
  • the bypass valve closing operation is performed by, for example, calculating the bypass valve operation amount when the bypass valve forced close flag is turned on.
  • a method of forgetting by multiplying the previous value of the integral calculation of the controller by a factor smaller than 1, or a deviation that reduces the bypass valve passage flow rate among deviations entering the FB controller is increased by a predetermined ratio, or a predetermined deviation Fixed at a predetermined value, or corrected so as to be equal to or less than a predetermined deviation. This is shown in a flowchart in FIGS. 7A and 7B.
  • FIG. 8 is a timing chart for explaining the effects of the second embodiment obtained when the generated current decreases.
  • the generated current required for the fuel cell stack decreases (FIG. 8 (A)), and accordingly, the target amount of air flow (target stack flow) required to realize the generated current decreases.
  • the compressor flow rate may be small, but operation below the compressor lower limit flow rate is not possible. Therefore, the compressor operates with the compressor lower limit flow rate set as the target compressor suction flow rate (FIG. 8B).
  • the compressor intake flow rate matches the target compressor intake flow rate at time t22. Since the cathode gas need not be bypassed, the bypass flow rate is zero (FIG. 8C), and therefore the stack supply flow rate (detected value) matches the compressor intake flow rate (detected value).
  • the control block diagram of FIG. 2 is cyclically executed without executing the bypass valve forced closing control shown in FIG. As shown, the target compressor intake flow rate is maintained constant, which may bypass excess flow that does not need to be supplied to the stack. In such a state, the power consumption of the compressor is large (broken line in FIG. 8E). That is, in such a state, the supply flow rate of the compressor is unnecessarily excessive, and the power consumption of the compressor is unnecessarily increased.
  • the bypass valve forced close control is executed, and the bypass flow rate is always maintained at zero.
  • the target compressor intake flow rate decreases as shown in FIG. 8B so that the stack supply flow rate reaches the target amount. Therefore, the power consumption of the compressor is reduced (solid line in FIG. 8E).

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Abstract

　燃料電池スタックと、コンプレッサーと、カソード流路と、カソード流路から分岐して燃料電池スタックをバイパスするバイパス流路と、バイパス流量を調整するバイパス弁と、スタックに供給される流量を検出するスタック流量センサーと、コンプレッサーの吸入流量を検出するコンプレッサー流量センサーと、を備えた燃料電池システムであって、燃料電池の状態に応じてスタックに必要な流量を算出するスタック要求流量算出部と、上記要求とは異なる要求でコンプレッサーが流すべき流量を算出するコンプレッサー要求流量算出部とを備え、スタック要求流量よりもコンプレッサー要求流量が大きい場合は、コンプレッサー要求流量と、コンプレッサー流量センサーで検出されるコンプレッサー流量に基づいてコンプレッサーを制御すると共に、スタック要求流量とスタック流量センサーで検出されるスタック流量に基づいてバイパス弁を制御する制御部と、を含む。

Description

燃料電池システム
　この発明は、燃料電池システムに関する。
　ＪＰ２００９－１２３５５０Ａの燃料電池システムでは、燃料電池スタックへ供給する空気の流量が、発電に必要な目標流量になるようにカソードコンプレッサーを操作する。そしてカソードコンプレッサーが、発電に必要な空気量よりも多く空気を供給するときには(サージ回避のための空気量)、コンプレッサーは発電に必要な空気量よりも大きな流量を供給すると共に、スタックにとって不要な流量分はバイパス弁を使ってバイパス流路に供給している。
　ＪＰ２００９－１２３５５０Ａでは、コンプレッサーはサージ回避のための流量を供給すると共に、バイパス弁の制御は、バイパス流路よりも下流のスタック入口側に設けられた空気流量センサーで燃料電池スタックに供給される空気量を検出し、そして、この流量がスタックの目標流量となるように制御弁の開度をフィードバックする。ＪＰ２００９－１２３５５０Ａの制御では、コンプレッサーの制御がオープン制御であるため、コンプレッサー流量が供給すべき流量よりも多くなることが懸念される。
　このような場合でも、バイパス弁の開度が大きくなることでスタックに供給される流量をスタックの目標流量とすることができる。しかしながら、そもそもコンプレッサーの供給流量がサージ回避のための流量よりも多くなっている場合は、オープン制御ではこれを小さくすることができず、コンプレッサーの消費電力が増大してしまうことが懸念される。
　本発明は、このような従来の問題点に着目してなされた。本発明の目的は、コンプレッサーの消費電力が無用に増大することを防止することができる燃料電池システムを提供することである。
　本発明による燃料電池システムのひとつの態様は、燃料電池スタックと、カソードガスを供給するカソードコンプレッサーと、前記燃料電池スタックに接続されて前記カソードガスが流れるカソード流路と、前記燃料電池スタックよりも上流のカソード流路から分岐して、燃料電池スタックをバイパスするバイパス流路と、前記バイパス流路に設けられ、バイパス流路を流れるカソード流量を調整するバイパス弁と、前記燃料電池スタックに供給されるカソード流量を検出するスタック流量センサーと、前記カソードコンプレッサーに吸入されるカソード流量を検出するコンプレッサー流量センサーと、を備えた燃料電池システムである。そして、燃料電池の状態に応じてスタックに必要な流量を算出するスタック要求流量算出部と、上記要求とは異なる要求でコンプレッサーが流すべき流量を算出するコンプレッサー要求流量算出部とを備え、スタック要求流量よりもコンプレッサー要求流量が大きい場合は、前記コンプレッサー要求流量と、コンプレッサー流量センサーで検出されるコンプレッサー流量に基づいて前記カソードコンプレッサーを制御するとともに、前記スタック要求流量とスタック流量センサーで検出されるスタック流量に基づいて前記バイパス弁を制御する制御部をさらに含む。
　本発明の実施形態、本発明の利点は、添付された図面とともに以下に詳細に説明される。
図１は、本発明による燃料電池システムの主要部分(カソードガス系)を示す図である。 図２は、本発明による燃料電池システムの第１実施形態の制御部を示すブロック図である。 図３Ａは、サージ回避流量について説明する図である。 図３Ｂは、水素希釈流量について説明する図である。 図４は、第１実施形態の作用効果を説明する図である。 図５は、本発明による燃料電池システムの第２実施形態の制御部を示すブロック図である。 図６は、発電電流が上がるときに得られる第２実施形態の作用効果を説明するタイミングチャートである。 図７Ａは、バイパス弁閉動作の制御フローチャートである。 図７Ｂは、バイパス弁閉動作の制御フローチャートである。 図８は、発電電流が下がるときに得られる第２実施形態の作用効果を説明するタイミングチャートである。
（第１実施形態）
　図１は、本発明による燃料電池システムの主要部分(カソードガス系)を示す図である。
　燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、カソードコンプレッサー２０と、バイパス弁３０と、空気調圧弁４０と、を含む。
　燃料電池スタック１０は、カソードガス及びアノードガスが供給されて電力を発生する。
　カソードコンプレッサー２０は、空気を圧送する。カソードコンプレッサー２０は、カソード流路５１に設けられる。カソード流路５１は、燃料電池スタック１０に接続される。カソード流路５１には、カソードコンプレッサー２０が圧送した空気が流れる。
　バイパス弁３０は、バイパス流路５２の途中に設けられる。バイパス流路５２は、燃料電池スタック１０よりも上流のカソード流路５１から分岐して、燃料電池スタック１０よりも下流のカソード流路５１に合流する。バイパス流路５２には、カソードコンプレッサー２０が圧送した空気の一部(燃料電池スタック１０が必要としない余剰の空気)が分岐して流れる。バイパス弁３０は、バイパス流路５２を流れるカソード流量を調整する。
　空気調圧弁４０は、燃料電池スタック１０よりも下流であってバイパス流路５２の合流部よりも上流のカソード流路５１に設けられる。空気調圧弁４０の開度が小さいほどカソード流路５１の圧力が高くなる。空気調圧弁４０の開度が大きいほどカソード流路５１の圧力が低くなる。
　カソードコンプレッサー２０よりも上流のカソード流路５１には、コンプレッサー流量センサー６１が設けられる。このコンプレッサー流量センサー６１は、カソードコンプレッサー２０に吸入されるカソード流量(コンプレッサー吸入流量Ｆ１)を検出する。
　バイパス流路５２の分岐部よりも下流であって燃料電池スタック１０よりも上流のカソード流路５１には、圧力センサー６２及びスタック流量センサー６３が設けられる。圧力センサー６２は、燃料電池スタック１０の入口のカソード圧力(スタック入口圧力Ｐ)を検出する。スタック流量センサー６３は、燃料電池スタック１０に供給されるカソード流量(スタック供給流量Ｆ２)を検出する。
　なお図示は省略されるが、燃料電池スタック１０には、アノードガス(水素)も供給される。燃料電池スタック１０は、カソードガス(酸素)及びアノードガス(水素)で発電反応を発生する。発電反応で消費されなかった廃ガス(水素オフガス)は、空気調圧弁４０よりも下流のカソード流路５１に混入され、カソードガスで希釈されて大気に排出される。
　図２は、本発明による燃料電池システムの第１実施形態の制御部を示すブロック図である。
　本発明による燃料電池システムの制御部７０は、２入力２出力ＦＢ制御部７１と、最大選択部７２と、コンプレッサーＦＢ制御部７３と、バイパス弁ＦＢ制御部７４と、を含む。
　２入力２出力ＦＢ制御部７１は、２入力(スタック供給流量Ｆ２及びスタック入口圧力Ｐ)が目標値(目標スタック供給流量及び目標スタック入口圧力)に収束するように、２出力(空気調圧弁指令値及びスタック要求目標コンプレッサー吸入流量)を決定する。具体的には、２入力２出力ＦＢ制御部７１には、システムをモデル化した演算式が設定されており、この演算式に基づいて空気調圧弁指令値及びスタック要求目標コンプレッサー吸入流量を演算する。なおスタック要求目標コンプレッサー吸入流量が、請求項の「第２のコンプレッサー要求流量」に相当する。また目標スタック供給流量及び目標スタック入口圧力は、燃料電池スタックに要求される目標出力に基づいて設定されている。
　最大選択部７２は、スタック要求目標コンプレッサー吸入流量、サージ回避流量及び水素希釈流量のうち最大値を選択して、目標コンプレッサー吸入流量として設定する。サージ回避流量及び水素希釈流量について並びにこのようにする理由については図３Ａ及び図３Ｂが参照されて説明される。
　カソードコンプレッサー２０は、ターボコンプレッサーである。ターボコンプレッサーには、図３Ａに示されるような特性があり、サージが発生するおそれがある領域(サージ領域)では運転が禁止される。たとえば燃料電池スタックに要求される目標出力に基づいて設定される運転点がＰ１１(コンプレッサー供給流量Ｑ１１，コンプレッサー前後圧力比ｒ１)であった場合を考える。この運転点Ｐ１１は、サージ領域に存在する。このような運転点Ｐ１１でコンプレッサーを運転すると、サージが発生するおそれがある。そこでこのような場合は、燃料電池スタックに要求される目標出力に基づいて設定される空気量Ｑ１１よりも大きな空気量Ｑ１２で、コンプレッサーを運転することで、サージ領域から脱する必要がある。すなわちこの場合は、空気量Ｑ１２がコンプレッサーを運転するうえでの下限流量であり、この下限流量(コンプレッサー下限流量)がサージ回避流量である。コンプレッサーは、このコンプレッサー下限流量(サージ回避流量)よりも大きな流量で運転される必要がある。
　また本発明による燃料電池システムでは、上述のように、発電で消費されなかった廃ガス(水素オフガス)は、カソードガスで希釈されて大気に排出される。希釈に必要な空気量は、図３Ｂのように示される。燃料電池スタックに要求される出力電流がＩ１であれば、発電に必要な空気量(燃料電池スタックに供給すべき空気量)は、Ｑ２１である。これに対して、燃料電池スタックに要求される出力電流がＩ１であるときに、水素を希釈するために必要な空気量は、Ｑ２２である。そこでこのような場合は、発電に必要な空気量Ｑ２１よりも大きな空気量Ｑ２２で、コンプレッサーを運転する必要がある。すなわちこの場合は、空気量Ｑ２２がコンプレッサーを運転するうえでの下限流量であり、この下限流量(コンプレッサー下限流量)が水素希釈流量である。コンプレッサーは、このコンプレッサー下限流量(水素希釈流量)よりも大きな流量で運転される必要がある。
　このような理由によって、最大選択部７２は、スタック要求目標コンプレッサー吸入流量、サージ回避流量及び水素希釈流量のうち最大値を選択して、目標コンプレッサー吸入流量として設定する。
　なおΔＱ１(＝Ｑ１２－Ｑ１１)は、サージを回避するためには必要であるものの、燃料電池スタックの発電には余剰な空気量である。またΔＱ２(＝Ｑ２２－Ｑ２１)は、水素を希釈するためには必要であるものの、燃料電池スタックの発電には余剰な空気量である。このような余剰な空気を燃料電池スタックに供給しては、燃料電池スタックの運転性に悪影響を及ぼす可能性がある。そこで、このような余剰な空気は、燃料電池スタックに供給することなく、バイパス流路５２に流すのである。
　再び図２に戻る。
　コンプレッサーＦＢ制御部７３は、センサーで検出した流量(コンプレッサー吸入流量Ｆ１又はスタック供給流量Ｆ２)が目標量(目標コンプレッサー吸入流量)に収束するように、コンプレッサー指令値を決定する。具体的には、目標量(目標コンプレッサー吸入流量)に対するセンサー量の偏差に比例する成分や、目標量(目標コンプレッサー吸入流量)に対するセンサー量の偏差を時間積算した成分(積分成分)に応じて、フィードバック制御(ＰＩ制御)して、コンプレッサー指令値を決定する。なおコンプレッサーＦＢ制御部７３は、燃料電池スタックに供給されるカソード流量が、上述のコンプレッサー下限流量よりも小さい場合には(すなわち余剰の空気をバイパスさせる必要がある場合には)、コンプレッサー吸入流量Ｆ１が目標量(目標コンプレッサー吸入流量)に収束するように、コンプレッサー指令値を決定する。また燃料電池スタックに供給されるカソード流量が、上述のコンプレッサー下限流量よりも大きい場合には(すなわち余剰の空気がなくバイパスの必要がない場合には)、スタック供給流量Ｆ２が目標量(目標スタック供給流量)に収束するように、コンプレッサー指令値を決定する。なおこの場合は、余剰の空気がなくバイパスさせないので、目標スタック供給流量は、目標コンプレッサー吸入流量に等しくなる。
　バイパス弁ＦＢ制御部７４は、スタック供給流量Ｆ２が目標量(目標スタック供給流量)に収束するように、バイパス弁指令値を決定する。具体的には、目標量(目標スタック供給流量)に対するスタック供給流量Ｆ２の偏差に比例する成分や、目標量(目標スタック供給流量)に対するスタック供給流量Ｆ２の偏差を時間積算した成分(積分成分)に応じて、フィードバック制御(ＰＩ制御)して、バイパス弁指令値を決定する。
　図４は、第１実施形態の作用効果を説明する図である。
　比較形態(特許文献１の方式)では、上述のように、バイパス弁やコンプレッサーの性能ばらつき(個体ばらつき)などによっては、バイパス流量が大きくなってしまい、それを補填するために、図４に破線で示されるように、コンプレッサーの供給流量が増量される。したがってコンプレッサーの消費電力が増大してしまう。
　これに対して、本実施形態では、コンプレッサーＦＢ制御部７３は、余剰の空気をバイパスさせる必要がある場合には、コンプレッサー吸入流量Ｆ１が目標量(目標コンプレッサー吸入流量)に収束するように、コンプレッサー指令値を決定する。そして、スタック供給流量Ｆ２が目標量(目標スタック供給流量)に収束するように、バイパス弁を制御する。このようにすれば、バイパス弁とコンプレッサーとによってスタック供給流量が操作されるという作用が得られる。コンプレッサーの供給流量が無用に過大にされることが防止され、それに合わせてバイパス弁が開かれるので、コンプレッサーの消費電力の無用な増大が防止される。
　また余剰の空気がなくバイパスの必要がない場合には、スタック供給流量Ｆ２が目標量(目標スタック供給流量)に収束するように、コンプレッサー指令値が決定される。このようにすることで、バイパス弁にばらつきが生じても、スタック供給流量を目標量に制御できる。さらに、スタック供給流量が目標量に近づくとともに、コンプレッサーからの供給流量は下限値の制約を守ることができるという作用が得られる。そしてバイパス弁にばらつきが生じても、コンプレッサーの消費電力を増大させることがなく燃費が向上するという優れた効果が得られる。
　（第２実施形態）
　図５は、本発明による燃料電池システムの第２実施形態の制御部を示すブロック図である。
　本実施形態では、所定の条件が成立したら、バイパス弁の開度を小さくするようにした。具体的な内容は、図５の制御ブロック図に沿って説明される。
　本実施形態では、第１実施形態の制御ブロックに加えて、バイパス弁強制閉制御を実施するための制御ブロック７５を含む。
　バイパス弁強制閉制御７５は、加算部７５１と、条件判定部７５２と、加算部７５３と、条件判定部７５４と、強制閉フラグ出力部７５５と、を含む。
　加算部７５１は、コンプレッサー下限流量にマージンを加算した値を出力する。なおこのマージンは、必須ではなく、またマージンの大きさも、システム構成に使用している部品仕様や、センサー誤差、スタック要求コンプレッサー流量を求める部分の制御設計結果に応じて適宜設定すればよい。
　条件判定部７５２は、目標スタック流量が、コンプレッサー下限流量にマージンを加算した値よりも大きいか否かを判定する。条件判定部７５２は、判定結果が肯であれば、出力１として１を出力する。条件判定部７５２は、判定結果が否であれば、出力１として０を出力する。
　加算部７５３は、コンプレッサー下限流量にマージンを加算した値を出力する。なおこのマージンは、必須ではなく、またマージンの大きさも、システム構成に使用している部品仕様や、センサー誤差、スタック要求コンプレッサー流量を求める部分の制御設計結果に応じて適宜設定すればよい。
　条件判定部７５４は、スタック要求コンプレッサー流量が、コンプレッサー下限流量にマージンを加算した値よりも大きいか否かを判定する。条件判定部７５４は、判定結果が肯であれば、出力２として１を出力する。条件判定部７５４は、判定結果が否であれば、出力２として０を出力する。
　強制閉フラグ出力部７５５は、条件判定部７５２の出力１が１又は条件判定部７５４の出力２が１であれば、バイパス弁を強制的に閉じるように制御する。強制閉フラグ出力部７５５は、条件判定部７５２の出力１が０及び条件判定部７５４の出力２が０であれば、バイパス弁の強制的な閉制御を解除する。
　図６は、発電電流が上がるときに得られる第２実施形態の作用効果を説明するタイミングチャートである。
　なお図６では、特に、条件判定部７５２が出力１として１を出力する場合で説明する。また基本的には、図２に示された制御がサイクリックに実行されている。また図面の理解を容易にするために、各線は、重ならないようにずらされて示される。
　時刻ｔ１１以前は、燃料電池スタックに要求される発電電流が小さく(図６(Ａ))、発電電流を実現するために必要な空気流量ｑ１２も少ない(図６(Ｃ))。したがってコンプレッサーの流量も少なくてよいが、コンプレッサー下限流量を下回る運転はできない。そこでコンプレッサーは、コンプレッサー下限流量ｑ１１で運転する(図６(Ｂ))。そして、発電に余剰な流量ｑ１１－ｑ１２がバイパス流路に流される(図６(Ｄ))。
　時刻ｔ１１で、燃料電池スタックに要求される発電電流が上昇し(図６(Ａ))、それに合わせて、発電電流を実現するために必要な空気流量の目標量(目標スタック流量)が上昇しｑ１３になって(図６(Ｃ))、コンプレッサー下限流量を上回る。これによって、条件判定部７５２が、出力１として１を出力することとなり、バイパス弁の強制閉フラグがオンになり(図６(Ｅ))、バイパス弁通過流量はバイパス弁閉動作が行われないときよりも短時間で減じられる。
　時刻ｔ１１以降は、スタック供給流量が目標量に追従するように、コンプレッサー指令値がＦＢ制御部で生成される。そのため、スタック供給流量と目標量との偏差が大きいとＦＢ制御部の積分演算によって、時間ととともに目標コンプレッサー吸入空気流量が大きくなる(図６(Ｂ))。
　時刻ｔ１２で、スタック供給流量が目標量に到達する。このため、バイパス弁、コンプレッサー操作量の変化が無くなり定常状態になる。
　このとき、図５に示されるバイパス弁強制閉制御が実行されなければ、時刻ｔ１１でバイパス弁閉動作が実行されないため、実行される場合に比べて動作が遅くなる。また、時刻ｔ１２において、スタック供給流量が目標値に一致するため、コンプレッサー流量のＦＢ制御器の操作量が変化しなくなる(図６(Ｂ)の破線)。そして、バイパス流量も大きい状態のままになる(図６(Ｄ)の破線)。このような状態では、コンプレッサーの消費電力も大きい(図６(Ｆ)の破線)。すなわちこのような状態では、コンプレッサーの供給流量が無用に過大にされて、コンプレッサーの消費電力の無用な増大されてしまうのである。
　これに対して、本実施形態では、バイパス弁強制閉制御が実行されてバイパス流量が保持されてしまうことが回避され、バイパス流量が低下する(図６(Ｄ)の実線)。上述のように、基本的には、図２に示された制御がサイクリックに実行されている。バイパス流量が保持されてしまいそうな事態になっても、バイパス弁強制閉制御が実行されてバイパス流量が低下する。それは、スタック供給流量やスタック入口圧力に影響を及ばす。これがきっかけとなって、図２の制御ブロック図がサイクリックに実行されると、その後、バイパス弁の開度が小さくなって、バイパス流量が低下することとなる。この結果、コンプレッサー流量が、図６(Ｂ)に実線で示されるように、低下する。ゆえに、コンプレッサーの消費電力が下がり(図６(Ｆ)の実線)、時刻ｔ１３以降もコンプレッサーの消費電力が低い状態になり、コンプレッサーの消費電力の無用な増大が防止される。
　なお、バイパス弁操作量０がバイパス弁を閉じ、バイパス流量を減じる操作であるとき、バイパス弁閉動作は、たとえば、バイパス弁の強制閉フラグがオンした場合に、バイパス弁操作量を演算するＦＢ制御器の積分演算の前回値を１よりも小さい倍率を乗じて忘却する手法や、ＦＢ制御器に入る偏差のうちバイパス弁通過流量が減じられる偏差を所定の割合で増加させる、あるいは所定の偏差で固定する、所定の偏差以下になるように補正する、などがある。これをフローチャートで示すと図７Ａ及び図７Ｂのようになる。
　図８は、発電電流が下がるときに得られる第２実施形態の作用効果を説明するタイミングチャートである。
　時刻ｔ２１以前は、燃料電池スタックに要求される発電電流が大きく(図８(Ａ))、発電電流を実現するために必要な空気流量ｑ２２も大きく、コンプレッサー下限流量ｑ２１を上回っている(図８(Ｂ))。
　時刻ｔ２１で、燃料電池スタックに要求される発電電流が減少し(図８(Ａ))、それに合わせて、発電電流を実現するために必要な空気流量の目標量(目標スタック流量)が減少してｑ２３になって、コンプレッサー下限流量を下回る(図８(Ｂ))。したがってコンプレッサーの流量も少なくてよいが、コンプレッサー下限流量を下回る運転はできない。そこでコンプレッサーは、コンプレッサー下限流量を目標コンプレッサー吸入流量として運転する(図８(Ｂ))。
　コンプレッサー吸入流量(検出値)は、時刻ｔ２２で目標コンプレッサー吸入流量に一致する。なおカソードガスをバイパスさせる必要は無いので、バイパス流量はゼロであり(図８(Ｃ))、したがって、スタック供給流量(検出値)はコンプレッサー吸入流量(検出値)に一致している。
　スタック供給流量が目標量に到達した後、図５に示されるバイパス弁強制閉制御が実行されることなく、図２の制御ブロック図がサイクリックに実行されていると、時刻ｔ２３以降、破線で示されるように、目標コンプレッサー吸入流量が一定に維持され、それによって、本来スタックに供給する必要がない余剰の流量がバイパスされる可能性がある。このような状態では、コンプレッサーの消費電力も大きい(図８(Ｅ)の破線)。すなわちこのような状態では、コンプレッサーの供給流量が無用に過大にされて、コンプレッサーの消費電力の無用な増大されてしまうのである。
　これに対して、本実施形態では、バイパス弁強制閉制御が実行されてバイパス流量が必ずゼロに維持される。この結果、スタック供給流量が目標量に到達するように、目標コンプレッサー吸入流量が、図８(Ｂ)に示されるように、低下する。ゆえに、コンプレッサーの消費電力が下がる(図８(Ｅ)の実線)。
　時刻ｔ２４でスタック供給流量が目標量に到達した後も、コンプレッサーの消費電力が低い状態になり、コンプレッサーの消費電力の無用な増大が防止される。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
　たとえば、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。
　本願は、２０１２年２月２９日に日本国特許庁に出願された特願２０１２－４３８７３、２０１２年３月１日に日本国特許庁に出願された特願２０１２－４５７３９、２０１３年１月２４日に日本国特許庁に出願された特願２０１３－１１４１５に基づく優先権を主張し、これらの出願の全ての内容は参照によって本明細書に組み込まれる。

Claims (4)

  1. 　燃料電池スタックと、
    　カソードガスを供給するカソードコンプレッサーと、
    　前記燃料電池スタックに接続されて前記カソードガスが流れるカソード流路と、
    　前記燃料電池スタックよりも上流のカソード流路から分岐して、燃料電池スタックをバイパスするバイパス流路と、
    　前記バイパス流路に設けられ、バイパス流路を流れるカソード流量を調整するバイパス弁と、
    　前記燃料電池スタックに供給されるカソード流量を検出するスタック流量センサーと、
    　前記カソードコンプレッサーに吸入されるカソード流量を検出するコンプレッサー流量センサーと、を備えた燃料電池システムであって、
    　燃料電池の状態に応じてスタックに必要な流量を算出するスタック要求流量算出部と、
    　上記要求とは異なる要求でコンプレッサーが流すべき流量を算出するコンプレッサー要求流量算出部とを備え、
    　スタック要求流量よりもコンプレッサー要求流量が大きい場合は、前記コンプレッサー要求流量と、コンプレッサー流量センサーで検出されるコンプレッサー流量に基づいて前記カソードコンプレッサーを制御するとともに、前記スタック要求流量とスタック流量センサーで検出されるスタック流量に基づいて前記バイパス弁を制御する制御部と、
    を含む燃料電池システム。
  2. 　請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
    　前記制御部は、前記スタックの要求流量がコンプレッサー要求流量よりも大きい場合は、前記スタック要求流量と前記スタック流量センサーで検出されるスタック流量とに基づいて前記カソードコンプレッサーを制御する、
    燃料電池システム。
  3. 　請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
    　前記スタック要求流量が前記コンプレッサー要求流量よりも大きくなったときは、前記バイパス弁を強制的に閉弁制御する、
    燃料電池システム。
  4. 　請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
    　前記コンプレッサー要求流量算出部は、さらに、前記燃料電池の状態に基づくスタック要求空気量と実スタック流量との偏差に基いて、第２のコンプレッサー要求流量を算出すると共に、
    　前記コンプレッサー要求流量算出部は、コンプレッサー要求流量と前記第２のコンプレッサー要求流量とのうち、大きい流量でコンプレッサーを制御する、
    燃料電池システム。
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