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JP6908881B2 - Fuel cell system - Google Patents

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JP6908881B2 JP2017083875A JP2017083875A JP6908881B2 JP 6908881 B2 JP6908881 B2 JP 6908881B2 JP 2017083875 A JP2017083875 A JP 2017083875A JP 2017083875 A JP2017083875 A JP 2017083875A JP 6908881 B2 JP6908881 B2 JP 6908881B2
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Description

本発明は燃料電池システムに関わる。 The present invention relates to a fuel cell system.

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。 The fuel cell has a stack structure in which a plurality of single cells are stacked in series, and each single cell has an anode electrode arranged on one surface of the electrolyte membrane and a cathode electrode arranged on the other surface. It has a membrane-electrode assembly. By supplying fuel gas (hydrogen gas) and oxidation gas (air) to the membrane-electrode assembly, an electrochemical reaction occurs and chemical energy is converted into electrical energy. Among them, the polymer electrolyte electrolyte fuel cell, which uses a polymer electrolyte membrane as an electrolyte, is expected to be used as an in-vehicle power source for electric vehicles because it is low in cost, easy to be compact, and has a high output density. Has been done. In this type of electric vehicle, from the viewpoint of downsizing the in-vehicle power source and reducing the cost, for example, as proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-123550, for humidifying the air supplied to the fuel cell. There is a tendency to adopt a so-called non-humidifying system without a humidifying device and to adopt a turbo compressor as an air compressor for supplying air to a fuel cell. Further, in such a non-humidifying system, in order to maintain the electrolyte membrane of the fuel cell in an appropriate wet state, the back pressure of the air supplied to the fuel cell is increased to reduce the volume flow rate, and the air is taken away from the inside of the fuel cell. The amount of water is reduced.

特開2009−123550号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2009-123550

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。 However, if the air flow rate required for the fuel cell is also reduced as the load required for the fuel cell is reduced, the operation of the turbo compressor may become unstable. Surging may occur as a cause of unstable operation of the turbo compressor. Surging is a phenomenon in which air flow rate and air pressure fluctuate violently (pulsate) periodically. In order to stabilize the operation of the turbo compressor, it is desirable to suppress the occurrence of surging.

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。 Therefore, an object of the present invention is to propose a fuel cell system capable of stabilizing the operation of a turbo compressor.

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。 In order to solve the above-mentioned problems, the fuel cell system according to the present invention includes (i) a fuel cell, (ii) an air supply flow path for supplying air to the fuel cell, and (iii) a fuel cell through the air supply flow path. A turbo compressor that supplies air to the fuel cell, and (iv) a bypass passage that branches off from the air supply flow path and discharges the air supplied from the turbo compressor by bypassing the fuel cell, and (v). ) A flow rate adjusting valve for adjusting the flow rate of air flowing through the bypass flow path, and (vi) a control device for controlling the rotation speed of the turbo compressor and the valve opening degree of the flow rate adjusting valve are provided. The control device estimates that the operating point of the turbo compressor falls within the surging region, which is determined by the air flow rate and air pressure required for the fuel cell to generate the target power, and the operating point of the turbo compressor falls within the surging region. Compared to when it is estimated that the operating point of the turbo compressor does not enter the surging area so that it does not enter, the rotation speed of the turbo compressor is gradually reduced, and the surplus caused by the gradual decrease in the rotation speed of the turbo compressor. The valve opening of the flow control valve is controlled so that air is discharged through the bypass flow path.

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。 According to the fuel cell system according to the present invention, the operation of the turbo compressor can be stabilized.

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。It is explanatory drawing which shows the outline of the structure of the fuel cell system which concerns on this embodiment. 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。It is explanatory drawing of the surging characteristic map which concerns on this embodiment. 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。It is explanatory drawing which shows the control method of the turbo compressor when the required load of a fuel cell is reduced. 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。It is explanatory drawing which shows the control method of the turbo compressor when the required load of a fuel cell is reduced. 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。It is explanatory drawing which shows the control method of the turbo compressor when the required load of a fuel cell is reduced. 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。It is explanatory drawing which shows the control method of the turbo compressor when the required load of a fuel cell is reduced. 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。It is a flowchart which shows the control flow of the turbo compressor which concerns on this embodiment.

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。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to each figure. Here, the same reference numerals indicate the same elements, and duplicate description will be omitted.
FIG. 1 is an explanatory diagram showing an outline of the configuration of the fuel cell system 10 according to the present embodiment. The fuel cell system 10 mainly includes a fuel cell 20, an oxidation gas supply system 30, a fuel gas supply system 40, and a control device 50. The fuel cell 20 has a stack structure in which a plurality of single cells are stacked. The single cell sandwiches the anode pole 21 formed on one surface of the electrolyte membrane made of an ion exchange membrane, the cathode pole 22 formed on the other surface of the electrolyte membrane, and the anode pole 21 and the cathode pole 22 from both sides. It has a pair of separators. At the anode pole 21, the electrochemical reaction of the formula (1) occurs, and at the cathode pole 22, the electrochemical reaction of the formula (2) occurs. By such an electrochemical reaction, a single cell generates an electromotive force of about 1 volt. When the fuel cell 20 is used as an in-vehicle power supply system, hundreds of single cells are stacked.

2H2→4H++4e- …(1)
++4e-+O2→2H2O …(2)
2H 2 → 4H + + 4e - ... (1)
H + + 4e - + O 2 → 2H 2 O ... (2)

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。 The oxidation gas supply system 30 supplies air as an oxidation gas to the cathode electrode 22 of the fuel cell 20. The oxidation gas supply system 30 includes an air supply flow path 31 that supplies air to the fuel cell 20, an air off gas flow path 32 that discharges air off gas from the fuel cell 20, and an air off gas branching from the air supply flow path 31. A bypass flow path 33 connected to the flow path 32 is provided. A turbo compressor CP is provided on the upstream side of the air supply flow path 31 from the position where the bypass flow path 33 branches from the air supply flow path 31. The turbo compressor CP supplies the air taken in from the atmosphere through the air cleaner AC to the fuel cell 20 through the air supply flow path 31. The turbo compressor CP is a turbo type blower. For example, a centrifugal air compressor in which an impeller called an impeller rotates to compress air, or an axial flow type air in which a moving blade called a rotor rotates to compress air. Including compressor etc. The air supply flow path 31 is supplied to the fuel cell 20 with a shutoff valve V1 that selectively shuts off the supply of air to the fuel cell 20, a pressure gauge P1 that measures the pressure on the discharge side of the turbo compressor CP, and the fuel cell 20. A flow meter Q for measuring the flow rate of air is provided. The air-off gas flow path 32 is provided with a pressure regulating valve V2 for adjusting the air pressure in the fuel cell 20 and a pressure gauge P2 for measuring the air pressure in the air-off gas flow path 32. The bypass flow path 33 bypasses the fuel cell 20 and discharges the air supplied from the turbo compressor CP. The bypass flow path 33 is provided with a flow rate adjusting valve V3 that adjusts the flow rate of air flowing through the bypass flow path 33. The air off gas flowing through the air off gas flow path 32 is discharged to the atmosphere through the muffler MF.

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。 The fuel gas supply system 40 supplies hydrogen gas as a fuel gas to the anode pole 21 of the fuel cell 20. The fuel gas supply system 40 is provided with a hydrogen supply flow path 41 that supplies hydrogen gas released from the hydrogen supply device AS to the fuel cell 20, and a hydrogen off gas flow path 42 that discharges hydrogen off gas from the fuel cell 20. There is. The hydrogen supply device AS is, for example, a hydrogen tank for storing high-pressure hydrogen gas.

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。 The control device 50 is an electronic control unit including a processor 51, a storage resource 52, and an input / output interface 53. The processor 51 has an air flow rate (target air flow rate) and a hydrogen flow rate (target air flow rate) required for the fuel cell 20 to generate the generated power (target power) required for the fuel cell 20 according to the required load of the fuel cell 20. The target hydrogen flow rate) is calculated, measurement signals from various sensors (for example, flow meter Q and pressure gauges P1 and P2) are input through the input / output interface 53, and the target air flow rate and the target hydrogen flow rate are supplied to the fuel cell 20. Each part of the fuel cell system 10 (for example, the rotation speed of the turbo compressor CP and the valve opening degree of each of the shutoff valve V1, the pressure regulating valve V2, and the flow rate adjusting valve V3) is controlled so as to be performed. The storage resource 52 is a storage area provided by various memories such as a random access memory and a read-only memory. The surging characteristic map 60 is stored in the storage resource 52.

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。 The surging characteristic map 60 will be described with reference to FIG. The horizontal axis of FIG. 2 shows the air flow rate of the turbo compressor CP, and the vertical axis shows the air pressure on the discharge side of the turbo compressor CP. The line connecting the operating points of the turbo compressor CP at the limit where surging does not occur is called the surging limit line 61. Here, the operating point of the turbo compressor CP means an operating state determined by the air flow rate and the air pressure of the turbo compressor CP. The surging characteristic map 60 holds the surging limit line 61 as map data. Under the same air flow rate, surging occurs at air pressures higher than the air pressure on the surging limit line 61 corresponding to that air flow rate. The set of operating points of the turbo compressor CP where surging occurs is called a surging region. On the other hand, a set of operating points of the turbo compressor CP in which surging does not occur is called a non-surging region. For example, the air pressure on the surging limit line 61 corresponding to the air flow rate Q0 is set to P2, and 0 <P1 <P2 <P3. In this case, the operating point A1 of the turbo compressor CP when the air flow rate is Q0 and the air pressure is P1 exists in the non-surging region. On the other hand, the operating point A3 of the turbo compressor CP when the air flow rate is Q0 and the air pressure is P3 exists in the surging region.

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。 Next, a method of controlling the turbo compressor CP when the required load of the fuel cell 20 is reduced will be described with reference to FIGS. 3 to 7. Here, the horizontal axis of FIGS. 3 to 5 shows the air flow rate of the turbo compressor CP, and the vertical axis shows the ratio of the air pressure between the intake side and the discharge side of the turbo compressor CP. As shown in FIG. 3, when the operating point A of the turbo compressor CP exists in the non-surging region away from the surging limit line 61, the turbo compressor CP responds to the reduction of the required load of the fuel cell 20. The locus 62 of the operating point A of the turbo compressor CP remains in the non-surging region even if the rotation speed of the turbo compressor CP is reduced. Therefore, even if the rotation speed of the turbo compressor CP is reduced in response to the reduction in the required load of the fuel cell 20, surging does not occur. On the other hand, as shown in FIG. 4, when the operating point A of the turbo compressor CP exists in the non-surging region near the surging limit line 61, the rate of decrease in the rotation speed of the turbo compressor CP is limited. If the rotation speed of the turbo compressor CP is reduced in response to the reduction of the required load of the fuel cell 20, the locus 62 of the operating point A of the turbo compressor CP enters the surging region from the non-surging region. As a result, surging will occur.

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。 Therefore, as shown in FIG. 5, when the operating point A of the turbo compressor CP exists in the non-surging region near the surging limit line 61, the operating point A of the turbo compressor CP does not enter the surging region. As described above, the rotation speed of the turbo compressor CP is gradually reduced as compared with the case where the operating point A of the turbo compressor CP is estimated not to enter the surging region (FIG. 3). Here, "gradually reducing the rotation speed of the turbo compressor CP" means lowering the upper limit of the reduction speed of the rotation speed of the turbo compressor CP. In this way, when the required load of the fuel cell 20 is reduced, the rotation speed of the turbo compressor CP is gradually reduced so that the locus 62 of the operating point A of the turbo compressor CP stays in the non-surging region. can. The torque rate of the turbo compressor CP is calculated so that the operating point A of the turbo compressor CP is closer to the surging limit line 61, the rotation speed of the turbo compressor CP is reduced more slowly, and the turbo is calculated according to the calculated torque rate. It is desirable to reduce the rate of decrease in the number of revolutions of the compressor CP. The torque rate is a factor that affects the system design (for example, the characteristics of the turbo compressor CP and the capacity of the battery that stores the generated power of the fuel cell 20) and the air flow rate in the fuel cell 20 (for example, the cathode volume, etc.). And the response characteristics of the valve, etc.) should be taken into consideration to determine the optimum value. When the rotation speed of the turbo compressor CP is gradually reduced, the air flow rate supplied from the turbo compressor CP exceeds the target air flow rate of the fuel cell 20. Therefore, it is desirable to control the valve opening degree of the flow rate adjusting valve V3 so that the excess air generated by the gradual decrease in the rotation speed of the turbo compressor CP is discharged through the bypass flow path 33. Here, reference numeral 601 in FIG. 6 indicates the air flow rate supplied from the turbo compressor CP, and reference numeral 602 indicates the air flow rate supplied to the fuel cell 20. The surplus air means air having an air flow rate obtained by subtracting the air flow rate 602 supplied to the fuel cell 20 from the air flow rate 601 supplied from the turbo compressor CP.

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。 When the responsiveness of the flow control valve V3 is lower than the responsiveness of the turbo compressor CP, the turbo does not gradually reduce the rotation speed of the turbo compressor CP, but the turbo responds to the reduction of the required load of the fuel cell 20. When the rotation speed of the compressor CP is reduced, the turbo compressor CP is kept closed (that is, the ratio of the air pressure between the intake side and the discharge side of the turbo compressor CP is high). Since the air flow rate from the turbo is reduced, surging occurs.

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。 FIG. 7 is a flowchart showing a control flow of the turbo compressor CP when the required load of the fuel cell 20 is reduced. When the control device 50 detects that the required load of the fuel cell 20 has been reduced (step 701; YES), the control device 50 obtains the operating point of the turbo compressor CP (step 702). The operating point of the turbo compressor CP can be obtained based on the measurement signals from the pressure gauge P1 and the flow meter Q. Next, the control device 50 estimates whether or not the operating point of the turbo compressor CP, which is determined by the air flow rate and air pressure required for the fuel cell 20 to generate the target electric power, falls within the surging region (step). 703). For example, when the operating points of the turbo compressor CP are separated from the surging limit line 61 at intervals equal to or greater than the threshold value, even if the rotation speed of the turbo compressor CP is reduced in response to the reduction of the required load of the fuel cell 20, the turbo It can be estimated that the operating point of the compressor CP remains in the non-surging region. On the other hand, when the operating points of the turbo compressor CP are close to the surging limit line 61 at intervals less than the threshold value, if the rotation speed of the turbo compressor CP is reduced in accordance with the reduction of the required load of the fuel cell 20, the turbo compressor It can be estimated that the operating point of the CP enters the surging region from the non-surging region. This threshold value can be obtained in advance from, for example, the characteristics of the turbo compressor CP and factors that affect the air flow rate in the fuel cell 20 (for example, the cathode volume and the response characteristics of the valve).

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)。 When the control device 50 estimates that the operating point of the turbo compressor CP falls within the surging region (step 703; YES), the control device 50 calculates the target air flow rate of the fuel cell 20 (step 704), and the operating point of the turbo compressor CP is determined. The torque rate required to gradually reduce the rotation speed of the turbo compressor CP so as not to enter the surging region is calculated (step 705). Next, the control device 50 calculates the valve opening degree of the flow rate adjusting valve V3 for flowing the excess air into the bypass flow path 33 (step 706). Next, the control device 50 controls the rotation of the turbo compressor CP at the torque rate calculated in step 705, and opens the flow rate adjusting valve V3 at the valve opening degree calculated in step 706 (step 707). On the other hand, assuming that the operating point of the turbo compressor CP does not fall within the surging region (step 703; NO), the control device 50 requests the fuel cell 20 without gradually reducing the rotation speed of the turbo compressor CP. The rotation speed of the turbo compressor CP is reduced as the load is reduced (step 708).

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。 As described above, according to the present embodiment, assuming that the operating point of the turbo compressor CP falls within the surging region, the rotation speed of the turbo compressor CP is determined so that the operating point of the turbo compressor CP does not fall within the surging region. The suction side of the turbo compressor CP is controlled by controlling the valve opening degree of the flow rate adjusting valve V3 so that the excess air generated by the gradual decrease in the rotation speed of the turbo compressor CP is discharged through the bypass flow path 33. When the ratio of the air pressure between the turbo compressor and the discharge side is high, it is possible to suppress a decrease in the air flow rate from the turbo compressor CP. As a result, it is possible to prevent the occurrence of surging.

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。 Further, by increasing the back pressure of the air supplied to the fuel cell 20 by using the turbo compressor CP, a humidifying device for humidifying the air supplied to the fuel cell 20 becomes unnecessary, and the configuration of the fuel cell system 10 is simplified. And miniaturization becomes possible. Further, the generation of surplus electric power can be suppressed by discharging the surplus air through the bypass flow path 33 without supplying the surplus air to the fuel cell 20. This eliminates the need for a large-capacity battery for storing surplus electric power, and makes it possible to simplify and downsize the configuration of the fuel cell system 10.

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。 The embodiments described above are for facilitating the understanding of the present invention, and are not for limiting and interpreting the present invention. The present invention can be modified / improved without departing from the spirit of the present invention, and the present invention also includes an equivalent thereof. That is, those skilled in the art with appropriate design changes are also included in the scope of the present invention as long as they have the features of the present invention. For example, each element included in the embodiment and its arrangement are not limited to those illustrated, and can be changed as appropriate. Further, the positional relationship such as up, down, left, and right is not limited to the ratio shown in the figure unless otherwise specified. In addition, the elements included in the embodiment can be combined as much as technically possible, and the combination thereof is also included in the scope of the present invention as long as the features of the present invention are included.

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 10 ... Fuel cell system 20 ... Fuel cell 21 ... Anode pole 22 ... Cathode pole 30 ... Oxidation gas supply system 31 ... Air supply flow path 32 ... Air off gas flow path 33 ... Bypass flow path 40 ... Fuel gas supply system 41 ... Hydrogen supply Flow path 42 ... Hydrogen off-gas flow path 50 ... Control device CP ... Turbo compressor V1 ... Shutoff valve V2 ... Pressure regulating valve V3 ... Flow control valve

Claims (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。
With a fuel cell
An air supply flow path that supplies air to the fuel cell and
A turbo compressor that supplies air to the fuel cell through the air supply flow path,
A bypass passage that branches from the air supply flow path and discharges the air supplied from the turbo compressor by bypassing the fuel cell.
A flow rate adjusting valve that adjusts the flow rate of air flowing through the bypass flow path,
A control device for controlling the rotation speed of the turbo compressor and the valve opening degree of the flow rate adjusting valve is provided.
The control device estimates that the operating point of the turbo compressor, which is determined by the air flow rate and air pressure required for the fuel cell to generate the target power, falls within the surging region, and the operating point of the turbo compressor is determined. The rotation speed of the turbo compressor is gradually reduced as compared with the case where it is estimated that the operating point of the turbo compressor does not enter the surging region so as not to enter the surging region. A fuel cell system that controls the valve opening degree of the flow rate adjusting valve so that excess air generated by a gradual decrease in the number of revolutions is discharged through the bypass flow path.
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