JP2018181771A - Fuel cell system - Google Patents
Fuel cell system Download PDFInfo
- Publication number
- JP2018181771A JP2018181771A JP2017083875A JP2017083875A JP2018181771A JP 2018181771 A JP2018181771 A JP 2018181771A JP 2017083875 A JP2017083875 A JP 2017083875A JP 2017083875 A JP2017083875 A JP 2017083875A JP 2018181771 A JP2018181771 A JP 2018181771A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- turbo compressor
- fuel cell
- air
- flow rate
- surging
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
【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７A fuel cell system capable of stabilizing the operation of a turbo compressor is proposed. When it is estimated that the operating point of the turbo compressor, which is determined by the air flow rate and the air pressure required for the fuel cell to generate the target power, falls within the surging region (step 703; YES), the operation of the turbo compressor is performed. In order to prevent the point from entering the surging region, the rotational speed of the turbo compressor is gently reduced, and the excess air generated by the gentle reduction of the rotational speed of the turbo compressor is discharged through the bypass flow path. The valve opening is controlled (step 707). [Selection] Figure 7
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 unit cells are stacked in series, and in each unit cell, an anode is disposed on one side of the electrolyte membrane, and a cathode is disposed on the other side. A membrane-electrode assembly. Supplying a fuel gas (hydrogen gas) and an oxidizing gas (air) to the membrane-electrode assembly causes an electrochemical reaction to convert chemical energy into electrical energy. Above all, a solid polymer electrolyte fuel cell using a solid polymer membrane as an electrolyte is expected to be used as an on-vehicle power source of an electric vehicle because it can be easily made compact at low cost and has a high output density. It is done. In this type of electric vehicle, for example, as proposed in JP 2009-123550 A, for humidifying the air supplied to the fuel cell, from the viewpoint of reducing the size and cost of the on-vehicle power source. There is a tendency to adopt a turbo compressor as an air compressor for supplying air to a fuel cell while adopting a so-called non-humidifying system in which a humidifying device is not provided. In addition, in such a non-humidifying system, in order to maintain the electrolyte membrane of the fuel cell in a proper wet state, the back pressure of air supplied to the fuel cell is increased to reduce the volumetric flow rate, and the fuel cell can be carried away from inside The water content is reduced.
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 along with the reduction of the required load of the fuel cell, the operation of the turbo compressor may become unstable. Surging may occur as a cause of instability of the turbo compressor operation. Surging is a phenomenon in which the air flow rate and the air pressure cyclically fluctuate (pulsate) cyclically. 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。 Then, this invention makes it a subject to propose the fuel cell system which can stabilize operation | movement 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, a fuel cell system according to the present invention comprises (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. (Iv) a bypass passage that branches from the air supply passage, and which discharges the air supplied from the turbo compressor by bypassing the fuel cell (v) A flow control valve for adjusting the flow rate of air flowing through the bypass flow path; and (vi) a control device for controlling the rotational speed of the turbo compressor and the valve opening degree of the flow control valve. The controller estimates that the turbo compressor operating point falls within the surging area, which is determined by the air flow rate and air pressure required of the fuel cell to generate the target power, and the turbo compressor operating point falls within the surging area In order not to enter, the rotational speed of the turbo compressor is slowly reduced compared to when it is estimated that the operating point of the turbo compressor does not fall within the surging region, and surplus generated by the gradual reduction of the rotational speed of the turbo compressor The degree of opening of the flow control valve is controlled so that air is exhausted 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.
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 the drawings. Here, the same reference numerals indicate the same elements, and redundant description will be omitted.
FIG. 1 is an explanatory view showing an outline of a configuration of a fuel cell system 10 according to the present embodiment. The fuel cell system 10 mainly includes a fuel cell 20, an oxidizing 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. A single cell sandwiches an anode 21 formed on one side of an electrolyte membrane comprising an ion exchange membrane, a cathode 22 formed on the other side of the electrolyte membrane, an anode 21 and a cathode 22 from both sides. And a pair of separators. The electrochemical reaction of formula (1) occurs at the anode electrode 21, and the electrochemical reaction of formula (2) occurs at the cathode electrode 22. Such an electrochemical reaction causes a single cell to generate an electromotive force of about 1 volt. When the fuel cell 20 is used as a vehicle-mounted power supply system, several hundreds of single cells are stacked.
２Ｈ2→４Ｈ+＋４ｅ- …（１）
Ｈ+＋４ｅ-＋Ｏ2→２Ｈ2Ｏ …（２）
2H 2 → 4H + + 4e - ... (1)
H + + 4 e − + O 2 → 2 H 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 oxidizing gas supply system 30 supplies air as the oxidizing gas to the cathode 22 of the fuel cell 20. In the oxidizing gas supply system 30, there are provided an air supply passage 31 for supplying air to the fuel cell 20, an air off gas passage 32 for discharging the air off gas from the fuel cell 20, and an air off gas branched from the air supply passage 31. A bypass channel 33 connected to the channel 32 is provided. A turbo compressor CP is provided on the upstream side of the air supply flow passage 31 with respect to a point where the bypass flow passage 33 branches from the air supply flow passage 31. The turbo compressor CP supplies air taken in from the atmosphere through the air cleaner AC to the fuel cell 20 through the air supply passage 31. The turbo compressor CP is a turbo type fan, and for example, a centrifugal air compressor that an impeller called an impeller rotates to compress air, or an axial flow air type that a rotor called a rotor rotates to compress air. Including a compressor etc. The air supply flow path 31 is supplied with a shutoff valve V1 for selectively blocking the supply of air to the fuel cell 20, a pressure gauge P1 for measuring the pressure on the discharge side of the turbo compressor CP, and the fuel cell 20. A flowmeter Q for measuring the flow rate of air is provided. The air off gas passage 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 passage 32. The bypass flow path 33 bypasses the fuel cell 20 and discharges the air supplied from the turbo compressor CP. The bypass flow passage 33 is provided with a flow rate adjustment valve V3 for adjusting the flow rate of air flowing through the bypass flow passage 33. The air off gas flowing through the air off gas passage 32 is exhausted 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 the fuel gas to the anode 21 of the fuel cell 20. The fuel gas supply system 40 is provided with a hydrogen supply flow channel 41 for supplying the fuel cell 20 with hydrogen gas released from the hydrogen supply device AS, and a hydrogen off gas flow channel 42 for discharging the hydrogen off gas from the fuel cell 20 There is. The hydrogen supply device AS is, for example, a hydrogen tank that stores 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 provided with a processor 51, a storage resource 52, and an input / output interface 53. The processor 51 controls the air flow rate (target air flow rate) and hydrogen 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, and 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. As described above, each part of the fuel cell system 10 (for example, the rotational speed of the turbo compressor CP and the opening degree of each of the shutoff valve V1, the pressure regulating valve V2, and the flow regulating valve V3) is controlled. The storage resource 52 is a storage area provided by various memories such as a random access memory and a read only memory. In the storage resource 52, a surging characteristic map 60 is stored.
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 in FIG. 2 indicates the air flow rate of the turbo compressor CP, and the vertical axis indicates the air pressure on the exhaust side of the turbo compressor CP. A line connecting the operating points of the turbo compressor CP at a limit where no surging occurs is referred to as a surging limit line 61. Here, the operating point of the turbo compressor CP means an operating state determined from the air flow rate and 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 an air pressure higher than the air pressure on the surging limit line 61 corresponding to the air flow rate. A set of operating points of the turbo compressor CP where surging occurs is called a surging area. On the other hand, a set of operating points of the turbo compressor CP where surging does not occur is called a non-surging area. For example, the air pressure on the surging limit line 61 corresponding to the air flow rate Q0 is P2, and 0 <P1 <P2 <P3. In this case, when the air flow rate is Q0 and the air pressure is P1, the operating point A1 of the turbo compressor CP exists in the non-surging region. On the other hand, when the air flow rate is Q0 and the air pressure is P3, the operating point A3 of the turbo compressor CP 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 control method of 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 axes in FIGS. 3 to 5 indicate the air flow rate of the turbo compressor CP, and the vertical axes indicate the ratio of the air pressure between the suction 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 is present in the non-surging area away from the surging limit line 61, the turbo compressor CP is reduced according to the reduction of the required load of the fuel cell 20. The trajectory 62 of the operating point A of the turbocompressor CP remains within the non-surging area even if the rotational speed of the turbo compressor CP is reduced. Therefore, even if the rotational speed of the turbo compressor CP is reduced according to the reduction of 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 is in the non-surge area near the surging limit line 61, the speed of reduction of the rotational speed of the turbo compressor CP is limited. Instead, if the rotational speed of the turbo compressor CP is reduced according to the reduction of the load requirement of the fuel cell 20, the trajectory 62 of the operating point A of the turbo compressor CP enters the surging area from the non-surging area. As a result, surging occurs.
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 is in the non-surge area near the surging limit line 61, the operating point A of the turbo compressor CP does not enter the surging area Thus, the rotational speed of the turbo compressor CP is gradually reduced compared to when it is estimated that the operating point A of the turbo compressor CP does not fall within the surging region (FIG. 3). Here, "to gradually reduce the rotational speed of the turbo compressor CP" means to lower the upper limit of the reduction speed of the rotational speed of the turbo compressor CP. Thus, when the required load of the fuel cell 20 is reduced, the trajectory 62 of the operating point A of the turbo compressor CP can be kept within the non-surging region by gradually reducing the rotational speed of the turbo compressor CP. it can. The torque rate of the turbo compressor CP is calculated so that the rotational speed of the turbo compressor CP is reduced more gradually as the operating point A of the turbo compressor CP is closer to the surging limit line 61, and the turbo according to the calculated torque rate. It is desirable to reduce the speed of reduction of the rotational speed 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 a battery that stores the generated power of the fuel cell 20) and the air flow rate in the fuel cell 20 (for example, cathode volume, And the response characteristics of the valve, etc.). When the rotational 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 control valve V3 so that the excess air generated by the gradual decrease of the rotational 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 excess 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 response of the flow rate adjustment valve V3 is lower than that of the turbo compressor CP, the turbo according to the reduction of the required load of the fuel cell 20 without gradually reducing the rotational speed of the turbo compressor CP. When the rotational speed of the compressor CP is reduced, the turbo compressor CP is kept closed (that is, the ratio of the air pressure between the suction side and the discharge side of the turbo compressor CP is high) while the flow control valve V3 is closed. Surging occurs because the air flow from the air decreases.
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 the flow of control 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 determined based on measurement signals from the pressure gauge P1 and the flow meter Q. Next, the controller 50 estimates whether the operating point of the turbo compressor CP falls within the surging region, which is determined by the air flow rate and air pressure required of the fuel cell 20 to generate the target power (step 703). For example, when the operating point of the turbo compressor CP is separated from the surging limit line 61 by an interval equal to or more than the threshold, the turbo compressor CP may be reduced even if the rotational speed of the turbo compressor CP is reduced. The operating point of the compressor CP can be estimated to be within the non-surging area. On the other hand, when the operating point of the turbo compressor CP is close to the surging limit line 61 at intervals smaller than the threshold value, the rotational speed of the turbo compressor CP is reduced according to the reduction of the required load of the fuel cell 20. The operating point of the CP can be estimated to be in the surging area from the non-surging area. This threshold value can be determined in advance from factors that affect the characteristics of the turbo compressor CP and the air flow rate in the fuel cell 20 (for example, the cathode volume, the response characteristic of the valve, etc.).
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 controller 50 estimates that the operating point of the turbo compressor CP falls within the surging area (step 703; YES), it calculates the target air flow rate of the fuel cell 20 (step 704), and the operating point of the turbo compressor CP A torque rate required to gradually reduce the rotational speed of the turbo compressor CP so as not to fall within the surging region is calculated (step 705). Next, the control device 50 calculates the valve opening degree of the flow rate adjustment valve V3 for causing the excess air to flow to 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 at step 705, and opens the flow control valve V3 at the valve opening degree calculated at step 706 (step 707). On the other hand, when control device 50 estimates that the operating point of turbo compressor CP does not fall within the surging region (step 703; NO), the fuel cell 20 request is made without gradually reducing the rotational speed of turbo compressor CP. In response to the reduction in load, the rotational speed of the turbo compressor CP 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。 Thus, according to the present embodiment, when it is estimated that the operating point of the turbo compressor CP falls within the surging region, the rotational speed of the turbo compressor CP is set 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 adjustment valve V3 so that the excess air generated by the gradual reduction of the rotational speed of the turbo compressor CP is discharged through the bypass flow path 33. In the state where the ratio of the air pressure between the and the exhaust side is high, it is possible to suppress the reduction of the air flow rate from the turbo compressor CP. This can prevent the occurrence of surging in advance.
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 using the turbo compressor CP, the 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 is possible. In addition, by discharging the excess air through the bypass flow path 33 without supplying the excess air to the fuel cell 20, the generation of the excess power can be suppressed. As a result, a large capacity battery for storing surplus power is not required, and the configuration of the fuel cell system 10 can be simplified and downsized.
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 the purpose of facilitating the understanding of the present invention, and are not for the purpose of limiting the present invention. The present invention can be modified / improved without departing from the gist thereof, and the present invention also includes the equivalents thereof. That is, those skilled in the art with appropriate design changes to the embodiments are also included in the scope of the present invention as long as they have the features of the present invention. For example, the elements included in the embodiment and the arrangement thereof are not limited to those illustrated, and can be appropriately changed. Further, the positional relationship such as top, bottom, left, and right is not limited to the illustrated ratio unless otherwise specified. In addition, the elements included in the embodiment can be combined as much as technically possible, and combinations of these are included in the scope of the present invention as long as they include the features of the present invention.
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 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell system 20 ... Fuel cell 21 ... Anode 22 ... Cathode 30 ... Oxidized 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 ... Cutoff valve V2 ... Pressure adjustment valve V3 ... Flow rate adjustment valve
Claims (1)
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 fuel cells,
An air supply channel for supplying air to the fuel cell;
A turbo compressor for supplying air to the fuel cell through the air supply passage;
A bypass passage branched from the air supply passage, for discharging the air supplied from the turbo compressor by bypassing the fuel cell;
A flow control valve for adjusting the flow rate of air flowing through the bypass flow path;
A controller configured to control a rotational speed of the turbo compressor and a valve opening degree of the flow rate adjustment valve;
The controller estimates that the operating point of the turbo compressor falls within the surging area, which is determined by the air flow rate and air pressure required of the fuel cell to generate target power, and the operating point of the turbo compressor is The rotational speed of the turbo compressor is gradually reduced compared to when it is estimated that the operating point of the turbo compressor does not fall within the surging area so that the turbo compressor does not fall within the surging area. A fuel cell system, which controls the opening degree of the flow rate adjustment valve such that surplus air generated by a gradual decrease in rotational speed is discharged through the bypass flow passage.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2017083875A JP6908881B2 (en) | 2017-04-20 | 2017-04-20 | Fuel cell system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2017083875A JP6908881B2 (en) | 2017-04-20 | 2017-04-20 | Fuel cell system |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2018181771A true JP2018181771A (en) | 2018-11-15 |
| JP6908881B2 JP6908881B2 (en) | 2021-07-28 |
Family
ID=64275973
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2017083875A Active JP6908881B2 (en) | 2017-04-20 | 2017-04-20 | Fuel cell system |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP6908881B2 (en) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10930953B2 (en) | 2018-01-24 | 2021-02-23 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system and method of controlling fuel cell system |
| CN112563544A (en) * | 2020-12-11 | 2021-03-26 | 北京理工大学 | Method and device for controlling air compressor of fuel cell under low current |
| JP2021061213A (en) * | 2019-10-09 | 2021-04-15 | スズキ株式会社 | Fuel cell system |
| CN113851679A (en) * | 2021-11-12 | 2021-12-28 | 北京亿华通科技股份有限公司 | An integrated air control device and vehicle fuel cell engine |
| US11223057B2 (en) | 2019-03-01 | 2022-01-11 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system |
| US11611094B2 (en) | 2018-02-21 | 2023-03-21 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system and method of controlling fuel cell system |
| JP2023145826A (en) * | 2022-03-29 | 2023-10-12 | 本田技研工業株式会社 | fuel cell system |
| JP2023170862A (en) * | 2022-05-20 | 2023-12-01 | トヨタ自動車株式会社 | fuel cell system |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009123550A (en) * | 2007-11-15 | 2009-06-04 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system |
| JP2009181925A (en) * | 2008-02-01 | 2009-08-13 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system |
| JP2017143020A (en) * | 2016-02-12 | 2017-08-17 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell system and control method thereof |
-
2017
- 2017-04-20 JP JP2017083875A patent/JP6908881B2/en active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009123550A (en) * | 2007-11-15 | 2009-06-04 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system |
| JP2009181925A (en) * | 2008-02-01 | 2009-08-13 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system |
| JP2017143020A (en) * | 2016-02-12 | 2017-08-17 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell system and control method thereof |
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10930953B2 (en) | 2018-01-24 | 2021-02-23 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system and method of controlling fuel cell system |
| US11611094B2 (en) | 2018-02-21 | 2023-03-21 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system and method of controlling fuel cell system |
| US11223057B2 (en) | 2019-03-01 | 2022-01-11 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system |
| JP2021061213A (en) * | 2019-10-09 | 2021-04-15 | スズキ株式会社 | Fuel cell system |
| JP7298430B2 (en) | 2019-10-09 | 2023-06-27 | スズキ株式会社 | fuel cell system |
| CN112563544A (en) * | 2020-12-11 | 2021-03-26 | 北京理工大学 | Method and device for controlling air compressor of fuel cell under low current |
| CN113851679A (en) * | 2021-11-12 | 2021-12-28 | 北京亿华通科技股份有限公司 | An integrated air control device and vehicle fuel cell engine |
| JP2023145826A (en) * | 2022-03-29 | 2023-10-12 | 本田技研工業株式会社 | fuel cell system |
| JP7441877B2 (en) | 2022-03-29 | 2024-03-01 | 本田技研工業株式会社 | fuel cell system |
| JP2023170862A (en) * | 2022-05-20 | 2023-12-01 | トヨタ自動車株式会社 | fuel cell system |
| JP7552652B2 (en) | 2022-05-20 | 2024-09-18 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel Cell Systems |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP6908881B2 (en) | 2021-07-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6908881B2 (en) | Fuel cell system | |
| CN110190302B (en) | Fuel cell system and control method for fuel cell system | |
| CN101868881B (en) | Fuel cell system | |
| JP4548453B2 (en) | FUEL CELL SYSTEM AND CONTROL DEVICE FOR FUEL CELL SYSTEM | |
| CN104380510B (en) | Fuel cell system | |
| CN108780905B (en) | Fuel cell system, control device thereof, and control method of fuel cell system | |
| JP2009123550A (en) | Fuel cell system | |
| US10290887B2 (en) | Fuel cell system and method for operating such a system | |
| US10115989B2 (en) | Operation method of fuel cell system and fuel cell system | |
| JPWO2013157488A1 (en) | Fuel cell system | |
| CN105591128A (en) | Fuel cell system | |
| US8580447B2 (en) | Fuel cell system and control method for the same | |
| CN101454934A (en) | Fuel cell system | |
| JP5136415B2 (en) | Fuel cell system | |
| JP2007172971A (en) | Fuel cell system | |
| CN101730955B (en) | Fuel cell control device and fuel cell system | |
| JP2013134866A (en) | Fuel cell system and fuel cell system control method | |
| JP5812516B2 (en) | Fuel cell system | |
| JP6200009B2 (en) | Operation method of fuel cell system | |
| JP5720584B2 (en) | Fuel cell system and control method thereof | |
| JP4675605B2 (en) | Fuel cell oxidant supply device | |
| JP6136185B2 (en) | Fuel cell system | |
| JP5273032B2 (en) | Fuel cell control device and fuel cell system | |
| JP2016134258A (en) | Control device for fuel cell system | |
| JP6287010B2 (en) | Fuel cell system |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20191220 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20201014 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20201029 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20210602 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20210615 |
|
| R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 6908881 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |