(57)【要約】【課題】ターボコンプレッサの動作を安定化させることのできる燃料電池システムを提案する。【解決手段】目標電力を発電するために燃料電池に要求される空気流量及び空気圧力により定まる、ターボコンプレッサの動作点がサージング領域内に入ると推定すると（ステップ７０３；ＹＥＳ）、ターボコンプレッサの動作点がサージング領域内に入らないように、ターボコンプレッサの回転数を緩やかに低下させるとともに、ターボコンプレッサの回転数の緩やかな低下により生じる余剰空気がバイパス流路を通じて排出されるように流量調整弁の弁開度を制御する（ステップ７０７）。【選択図】図７
2018181771.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池に空気を供給する空気供給流路と、
前記空気供給流路を通じて前記燃料電池に空気を供給するターボコンプレッサと、
前記空気供給流路から分岐するバイパス通路であって、前記ターボコンプレッサから供給される空気を、前記燃料電池を迂回して、排出するバイパス流路と、
前記バイパス流路を流れる空気の流量を調整する流量調整弁と、
前記ターボコンプレッサの回転速度及び前記流量調整弁の弁開度を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、目標電力を発電するために前記燃料電池に要求される空気流量及び空気圧力により定まる、前記ターボコンプレッサの動作点がサージング領域内に入ると推定すると、前記ターボコンプレッサの動作点が前記サージング領域内に入らないように、前記ターボコンプレッサの動作点が前記サージング領域内に入らないと推定されるときと比較して、前記ターボコンプレッサの回転数を緩やかに低下させ、前記ターボコンプレッサの回転数の緩やかな低下により生じる余剰空気が前記バイパス流路を通じて排出されるように前記流量調整弁の弁開度を制御する、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムに関わる。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、複数の単セルを直列に積層してなるスタック構造を有しており、各単セルは、電解質膜の一方の面にアノード極を配置し、他方の面にカソード極を配置してなる膜−電極接合体を有する。膜−電極接合体に燃料ガス（水素ガス）及び酸化ガス（空気）を供給することで電気化学反応が生じ、化学エネルギーが電気エネルギーに変換される。なかでも、固体高分子膜を電解質として用いる固体高分子電解質型燃料電池は、低コストでコンパクト化が容易であり、しかも高い出力密度を有することから、電気自動車の車載電力源としての用途が期待されている。この種の電気自動車では、車載電力源の小型化及びコスト低下を図る観点から、例えば、特開２００９−１２３５５０号公報において提案されているように、燃料電池に供給される空気を加湿するための加湿装置を設けない、所謂、無加湿システムを採用するとともに、燃料電池に空気を供給するエアコンプレッサとして、ターボコンプレッサを採用する傾向がある。また、このような無加湿システムでは、燃料電池の電解質膜を適度な湿潤状態に維持するために、燃料電池に供給される空気の背圧を高めて体積流量を減らし、燃料電池内部から持ち去られる水分量を低減している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１２３５５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、燃料電池の要求負荷の低減に伴い、燃料電池に要求される空気流量も低減すると、ターボコンプレッサの動作が不安定になることがある。ターボコンプレッサの動作が不安定になる原因としては、サージングの発生が考えられる。サージングとは、空気流量と空気圧力とが周期的に激しく変動（脈動）する現象である。ターボコンプレッサの動作を安定化させるためには、サージングの発生を抑制するのが望ましい。
【０００５】
そこで、本発明は、ターボコンプレッサの動作を安定化させることのできる燃料電池システムを提案することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の課題を解決するため、本発明に関わる燃料電池システムは、（i）燃料電池と、（ii）燃料電池に空気を供給する空気供給流路と、（iii）空気供給流路を通じて燃料電池に空気を供給するターボコンプレッサと、（iv）空気供給流路から分岐するバイパス通路であって、ターボコンプレッサから供給される空気を、燃料電池を迂回して、排出するバイパス流路と、（v）バイパス流路を流れる空気の流量を調整する流量調整弁と、（vi）ターボコンプレッサの回転速度及び流量調整弁の弁開度を制御する制御装置と、を備える。制御装置は、目標電力を発電するために燃料電池に要求される空気流量及び空気圧力により定まる、ターボコンプレッサの動作点がサージング領域内に入ると推定すると、ターボコンプレッサの動作点がサージング領域内に入らないように、ターボコンプレッサの動作点がサージング領域内に入らないと推定されるときと比較して、ターボコンプレッサの回転数を緩やかに低下させ、ターボコンプレッサの回転数の緩やかな低下により生じる余剰空気がバイパス流路を通じて排出されるように流量調整弁の弁開度を制御する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に関わる燃料電池システムによれば、ターボコンプレッサの動作を安定化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの構成の概略を示す説明図である。
【図２】本実施形態に係るサージング特性マップの説明図である。
【図３】燃料電池の要求負荷が低減したときのターボコンプレッサの制御方法を示す説明図である。
【図４】燃料電池の要求負荷が低減したときのターボコンプレッサの制御方法を示す説明図である。
【図５】燃料電池の要求負荷が低減したときのターボコンプレッサの制御方法を示す説明図である。
【図６】燃料電池の要求負荷が低減したときのターボコンプレッサの制御方法を示す説明図である。
【図７】本実施形態に係るターボコンプレッサの制御の流れを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、各図を参照しながら本発明の実施形態について説明する。ここで、同一符号は同一の要素を示すものとし、重複する説明は省略する。
図１は、本実施形態に係る燃料電池システム１０の構成の概略を示す説明図である。燃料電池システム１０は、主に、燃料電池２０と、酸化ガス供給系３０と、燃料ガス供給系４０と、制御装置５０とを備えている。燃料電池２０は、複数の単セルを積層してなるスタック構造を有している。単セルは、イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面に形成されたアノード極２１と、電解質膜の他方の面に形成されたカソード極２２と、アノード極２１及びカソード極２２を両側から挟み込む一対のセパレータとを備えている。アノード極２１では、（１）式の電気化学反応が生じ、カソード極２２では、（２）式の電気化学反応が生じる。このような電気化学反応により、単セルは約１ボルト程度の起電力を発生する。燃料電池２０を車載用の電源システムとして使用する場合には、数百枚の単セルが積層される。
【００１０】
２Ｈ2→４Ｈ+＋４ｅ-  …（１）
Ｈ+＋４ｅ-＋Ｏ2→２Ｈ2Ｏ  …（２）
【００１１】
酸化ガス供給系３０は、酸化ガスとしての空気を燃料電池２０のカソード極２２に供給する。酸化ガス供給系３０には、燃料電池２０に空気を供給する空気供給流路３１と、燃料電池２０から空気オフガスを排出する空気オフガス流路３２と、空気供給流路３１から分岐して空気オフガス流路３２に接続するバイパス流路３３とが設けられている。空気供給流路３１からバイパス流路３３が分岐する箇所よりも空気供給流路３１の上流側には、ターボコンプレッサＣＰが設けられている。ターボコンプレッサＣＰは、エアクリーナＡＣを通じて大気から取り込んだ空気を、空気供給流路３１を通じて、燃料電池２０に供給する。ターボコンプレッサＣＰは、ターボ型の送風機であり、例えば、インペラと呼ばれる羽根車が回転して空気を圧縮する遠心式エアコンプレッサや、ロータと呼ばれる動翼が回転して空気を圧縮する軸流式エアコンプレッサなどを含む。空気供給流路３１には、燃料電池２０への空気の供給を選択的に遮断する遮断弁Ｖ１と、ターボコンプレッサＣＰの排出側の圧力を計測する圧力計Ｐ１と、燃料電池２０に供給される空気の流量を計測する流量計Ｑとが設けられている。空気オフガス流路３２には、燃料電池２０内の空気圧力を調整する調圧弁Ｖ２と、空気オフガス流路３２の空気圧力を計測する圧力計Ｐ２とが設けられている。バイパス流路３３は、ターボコンプレッサＣＰから供給される空気を、燃料電池２０を迂回して、排出する。バイパス流路３３には、バイパス流路３３を流れる空気の流量を調整する流量調整弁Ｖ３が設けられている。空気オフガス流路３２を流れる空気オフガスは、マフラーＭＦを通じて、大気へ排出される。
【００１２】
燃料ガス供給系４０は、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２０のアノード極２１に供給する。燃料ガス供給系４０には、水素供給装置ＡＳから放出される水素ガスを燃料電池２０に供給する水素供給流路４１と、燃料電池２０から水素オフガスを排出する水素オフガス流路４２が設けられている。水素供給装置ＡＳは、例えば、高圧水素ガスを貯蔵する水素タンクである。
【００１３】
制御装置５０は、プロセッサ５１、記憶資源５２、及び入出力インタフェース５３を備える電子制御ユニットである。プロセッサ５１は、燃料電池２０の要求負荷に応じて、燃料電池２０に要求される発電電力（目標電力）を発電するために燃料電池２０に要求される空気流量（目標空気流量）及び水素流量（目標水素流量）を算出し、入出力インタフェース５３を通じて各種センサ類（例えば、流量計Ｑ及び圧力計Ｐ１，Ｐ２）からの計測信号を入力し、目標空気流量及び目標水素流量が燃料電池２０に供給されるように、燃料電池システム１０の各部（例えば、ターボコンプレッサＣＰの回転速度、並びに、遮断弁Ｖ１、調圧弁Ｖ２、及び流量調整弁Ｖ３のそれぞれの弁開度など）を制御する。記憶資源５２は、ランダムアクセスメモリやリードオンリメモリなどの各種メモリが提供する記憶領域である。記憶資源５２には、サージング特性マップ６０が記憶されている。
【００１４】
図２を参照しながら、サージング特性マップ６０について説明する。図２の横軸は、ターボコンプレッサＣＰの空気流量を示し、縦軸は、ターボコンプレッサＣＰの排出側の空気圧力を示す。サージングが生じない限界における、ターボコンプレッサＣＰの動作点を連ねたラインをサージング限界ライン６１と呼ぶ。ここで、ターボコンプレッサＣＰの動作点とは、ターボコンプレッサＣＰの空気流量及び空気圧力から定まる運転状態を意味する。サージング特性マップ６０は、サージング限界ライン６１をマップデータとして保持している。同一の空気流量の下では、その空気流量に対応するサージング限界ライン６１上の空気圧力よりも高い空気圧力では、サージングが生じる。サージングが生じるターボコンプレッサＣＰの動作点の集合をサージング領域と呼ぶ。一方、サージングが生じないターボコンプレッサＣＰの動作点の集合を非サージング領域と呼ぶ。例えば、空気流量Ｑ０に対応するサージング限界ライン６１上の空気圧力をＰ２とし、且つ、０＜Ｐ１＜Ｐ２＜Ｐ３とする。この場合、空気流量をＱ０とし、空気圧力をＰ１とするときのターボコンプレッサＣＰの動作点Ａ１は、非サージング領域に存在している。一方、空気流量をＱ０とし、空気圧力をＰ３とするときのターボコンプレッサＣＰの動作点Ａ３は、サージング領域に存在している。
【００１５】
次に、燃料電池２０の要求負荷が低減したときのターボコンプレッサＣＰの制御方法について、図３から図７を参照しながら説明する。ここで、図３から図５の横軸は、ターボコンプレッサＣＰの空気流量を示し、縦軸は、ターボコンプレッサＣＰの吸入側と排出側との間の空気圧力の比を示す。図３に示すように、ターボコンプレッサＣＰの動作点Ａがサージング限界ライン６１から離れた非サージング領域内に存在している場合には、燃料電池２０の要求負荷の低減に応じて、ターボコンプレッサＣＰの回転速度を低下させたとしても、ターボコンプレッサＣＰの動作点Ａの軌跡６２は、非サージング領域内に留まる。このため、燃料電池２０の要求負荷の低減に応じて、ターボコンプレッサＣＰの回転速度を低下させたとしても、サージングは生じない。これに対し、図４に示すように、ターボコンプレッサＣＰの動作点Ａがサージング限界ライン６１に近い非サージング領域内に存在している場合には、ターボコンプレッサＣＰの回転数の低下速度を制限せずに、燃料電池２０の要求負荷の低減に応じて、ターボコンプレッサＣＰの回転速度を低下させると、ターボコンプレッサＣＰの動作点Ａの軌跡６２は、非サージング領域からサージング領域内に入ってしまう。この結果、サージングが生じることになる。
【００１６】
そこで、図５に示すように、ターボコンプレッサＣＰの動作点Ａがサージング限界ライン６１に近い非サージング領域内に存在している場合には、ターボコンプレッサＣＰの動作点Ａがサージング領域内に入らないように、ターボコンプレッサＣＰの動作点Ａがサージング領域内に入らないと推定されるとき（図３）と比較して、ターボコンプレッサＣＰの回転数を緩やかに低下させる。ここで、「ターボコンプレッサＣＰの回転数を緩やかに低下させる」とは、ターボコンプレッサＣＰの回転数の低下速度の上限を引き下げることを意味する。このように、燃料電池２０の要求負荷が低減したときに、ターボコンプレッサＣＰの回転数を緩やかに低減させることにより、ターボコンプレッサＣＰの動作点Ａの軌跡６２を非サージング領域内に留まらせることができる。ターボコンプレッサＣＰの動作点Ａがサージング限界ライン６１に近い程、ターボコンプレッサＣＰの回転数がより緩やかに低減するようにターボコンプレッサＣＰのトルクレートを算出し、この算出されたトルクレートに応じてターボコンプレッサＣＰの回転数の低下速度を低減させるのが望ましい。トルクレートは、システム設計（例えば、ターボコンプレッサＣＰの特性、及び燃料電池２０の発電電力を蓄電するバッテリの容量など）や、燃料電池２０内の空気流量に影響を及ぼす因子（例えば、カソード容積、及びバルブの応答特性など）を勘案して最適な値を決定すればよい。なお、ターボコンプレッサＣＰの回転数を緩やかに低下させると、ターボコンプレッサＣＰから供給される空気流量は、燃料電池２０の目標空気流量を超える。そこで、ターボコンプレッサＣＰの回転数の緩やかな低下により生じる余剰空気がバイパス流路３３を通じて排出されるように流量調整弁Ｖ３の弁開度を制御するのが望ましい。ここで、図６の符号６０１は、ターボコンプレッサＣＰから供給される空気流量を示し、符号６０２は、燃料電池２０に供給される空気流量を示す。余剰空気とは、ターボコンプレッサＣＰから供給される空気流量６０１から燃料電池２０に供給される空気流量６０２を差し引いた空気流量を有する空気を意味する。
【００１７】
なお、流量調整弁Ｖ３の応答性がターボコンプレッサＣＰの応答性よりも低い場合には、ターボコンプレッサＣＰの回転数を緩やかに低下させずに、燃料電池２０の要求負荷の低減に応じて、ターボコンプレッサＣＰの回転速度を低下させると、流量調整弁Ｖ３が閉じたままの状態で（即ち、ターボコンプレッサＣＰの吸入側と排出側との間の空気圧力の比が高い状態で）、ターボコンプレッサＣＰからの空気流量が低減するため、サージングが生じてしまう。
【００１８】
図７は、燃料電池２０の要求負荷が低減したときのターボコンプレッサＣＰの制御の流れを示すフローチャートである。制御装置５０は、燃料電池２０の要求負荷が低減したことを検出すると（ステップ７０１；ＹＥＳ）、ターボコンプレッサＣＰの動作点を求める（ステップ７０２）。ターボコンプレッサＣＰの動作点は、圧力計Ｐ１及び流量計Ｑからの計測信号に基づいて求めることができる。次に、制御装置５０は、目標電力を発電するために燃料電池２０に要求される空気流量及び空気圧力により定まる、ターボコンプレッサＣＰの動作点がサージング領域内に入るか否かを推定する（ステップ７０３）。例えば、ターボコンプレッサＣＰの動作点がサージング限界ライン６１から閾値以上の間隔で離れているときには、燃料電池２０の要求負荷の低減に応じて、ターボコンプレッサＣＰの回転速度を低下させたとしても、ターボコンプレッサＣＰの動作点は、非サージング領域内に留まるものと推定できる。一方、ターボコンプレッサＣＰの動作点がサージング限界ライン６１に閾値未満の間隔で近接しているときには、燃料電池２０の要求負荷の低減に応じて、ターボコンプレッサＣＰの回転速度を低下させると、ターボコンプレッサＣＰの動作点は、非サージング領域からサージング領域に入るものと推定できる。この閾値は、例えば、ターボコンプレッサＣＰの特性や燃料電池２０内の空気流量に影響を及ぼす因子（例えば、カソード容積、及びバルブの応答特性など）から予め求めることができる。
【００１９】
制御装置５０は、ターボコンプレッサＣＰの動作点がサージング領域内に入るものと推定すると（ステップ７０３；ＹＥＳ）、燃料電池２０の目標空気流量を算出し（ステップ７０４）、ターボコンプレッサＣＰの動作点がサージング領域内に入らないように、ターボコンプレッサＣＰの回転数を緩やかに低下させるために要するトルクレートを算出する（ステップ７０５）。次いで、制御装置５０は、余剰空気をバイパス流路３３に流すための流量調整弁Ｖ３の弁開度を算出する（ステップ７０６）。次いで、制御装置５０は、ステップ７０５で算出したトルクレートでターボコンプレッサＣＰの回転を制御するとともに、ステップ７０６で算出した弁開度で流量調整弁Ｖ３を開弁する（ステップ７０７）。一方、制御装置５０は、ターボコンプレッサＣＰの動作点がサージング領域内に入らないものと推定すると（ステップ７０３；ＮＯ）、ターボコンプレッサＣＰの回転数を緩やかに低下させずに、燃料電池２０の要求負荷の低減に応じて、ターボコンプレッサＣＰの回転速度を低下させる（ステップ７０８）。
【００２０】
このように、本実施形態によれば、ターボコンプレッサＣＰの動作点がサージング領域内に入るものと推定すると、ターボコンプレッサＣＰの動作点がサージング領域内に入らないようにターボコンプレッサＣＰの回転数を緩やかに低下させ、ターボコンプレッサＣＰの回転数の緩やかな低下により生じる余剰空気がバイパス流路３３を通じて排出されるように流量調整弁Ｖ３の弁開度を制御することにより、ターボコンプレッサＣＰの吸入側と排出側との間の空気圧力の比が高い状態で、ターボコンプレッサＣＰからの空気流量が低減することを抑制できる。これにより、サージングの発生を未然に防ぐことができる。
【００２１】
また、ターボコンプレッサＣＰを用いて燃料電池２０に供給される空気の背圧を高めることにより、燃料電池２０に供給される空気を加湿する加湿装置が不要となり、燃料電池システム１０の構成の簡素化及び小型化が可能となる。また、余剰空気を燃料電池２０に供給せずにバイパス流路３３を通じて排出することにより、余剰電力の発生を抑制できる。これにより、余剰電力を蓄電するための大容量のバッテリが不要となり、燃料電池システム１０の構成の簡素化及び小型化が可能となる。
【００２２】
以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更／改良され得るととともに、本発明にはその等価物も含まれる。即ち、実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、実施形態が備える各要素およびその配置などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図示の比率に限定されるものではない。また、実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
【符号の説明】
【００２３】
１０…燃料電池システム  ２０…燃料電池  ２１…アノード極  ２２…カソード極  ３０…酸化ガス供給系  ３１…空気供給流路  ３２…空気オフガス流路  ３３…バイパス流路  ４０…燃料ガス供給系  ４１…水素供給流路  ４２…水素オフガス流路  ５０…制御装置  ＣＰ…ターボコンプレッサ  Ｖ１…遮断弁  Ｖ２…調圧弁  Ｖ３…流量調整弁
【図１】
2018181771.tif 000003
【図２】
2018181771.tif 000004
【図３】
2018181771.tif 000005
【図４】
2018181771.tif 000006
【図５】
2018181771.tif 000007
【図６】
2018181771.tif 000008
【図７】
2018181771.tif 000009