JP6504526B2

JP6504526B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP6504526B2
Application number: JP2016011055A
Authority: JP
Inventors: 良一難波
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-01-22
Filing date: 2016-01-22
Publication date: 2019-04-24
Anticipated expiration: 2036-01-22
Also published as: JP2017130430A

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムにおいて、エアコンプレッサによるサージを抑制するために、酸化ガス供給路上の圧力センサまたは流量センサによって検出された圧力、流量の変化に基づいてサージングの発生を検知していた例がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−０７６２４３号公報

しかしながら、従来は、コンプレッサがサージ領域にて動作しているかどうかを事前に調査したマップを基に判断しているため、インペラ劣化などの影響でマップ条件が変化してしまった際に判断を誤り、サージ領域にてコンプレッサを動かしてしまうことがあった。この結果、ＮＶ発生、インペラ耐久性低下、極間差圧発生による燃料電池スタック（特に電解質）の耐久性低下を引き起こすおそれが生じる。

そこで、本発明は、サージ領域を回避して運転することが可能となり、また、ＮＶ抑制、インペラ耐久性向上、極間差圧発生による燃料電池スタックの耐久性低下を回避することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

かかる課題を解決するべく、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、該燃料電池の電圧を検出する電圧センサと、前記燃料電池に酸化ガスを供給するエアコンプレッサと、該エアコンプレッサがサージ状態かどうかを検出する検出部と、制御装置と、を備え、
前記検出部は、前記電圧センサが検出した前記燃料電池の電圧変動が周期的である場合に、前記エアコンプレッサがサージングしていると検出し、前記制御装置は、該検出信号を受けてサージ回避制御を実行する。

本発明によれば、サージ領域を回避して運転することが可能となる。また、ＮＶ抑制、インペラ耐久性向上、極間差圧発生による燃料電池スタックの耐久性低下を回避することができる。

インペラの一例を示す斜視図である。周期Ｔ１について説明する図である。スタック内の液水挙動によるスタック出力変動の例を示すグラフである。コンプレッササージ現象時間でスタック出力が変動する例を示すグラフである。燃料電池システムにおける制御実施例を示すフローチャートである。

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する（図１〜図５参照）。

本実施形態の燃料電池システムは、図示してはいないが、スタック、エア供給流路、ターボコンプレッサ、スタック出力検知装置（セルモニタなど）、ターボコンプレッサ回転数検知装置、制御装置などを備えたシステムとして構成されている。

制御装置は、スタックの出力変動周期がターボコンプレッサ回転数をインペラ１０の翼枚数で割ったものの整数倍の周期であるとき、コンプレッササージ領域と判断し、サージ回避制御を行う。コンプレッサはインペラ１０の翼を用いて空気を圧縮していることから、本実施形態では、サージ領域では圧力がインペラ１０の回転数とその翼枚数次第で圧力脈動の周期が変化することに着目している。

なお、サージ回避制御技術は、既存の技術（例えば特開２００９−１２３５５０に記載の技術など）を用いる等でもよく、その技術自体は特に限定されない。

ここで、Ｔ１を以下のように定義する。
Ｔ１：コンプレッサ出口をインペラ翼１枚が通過する時間
すなわち、Ｔ１は、インペラ１０が１周するまでに要する時間をインペラ１０の翼枚数で割ったものである（図１、図２参照）。

スタック内の液水挙動がスタック出力電圧に影響する場合などは、周期が一定ではなくランダムだが（図３参照）、コンプレッサのサージ領域では、時間Ｔ１の整数倍の周期で、スタック出力電圧が変動することを検知し（図４参照）、サージ回避制御を実行する。

なお、スタック出力電圧は全セル電圧の平均をとっても構わないが、特に、分配器から最も離れた奥側セルあるいはその周辺のセルの電圧を検知すると、さらにサージ検出がしやすい。また、スタックの出力変動周期に関しては、最大最小範囲は任意に設定可能だが、一般的には最大２[sec]までを最大値とし、それ以上の変動周期であった際はサージ領域と判定しない。最小値は0.05[msec]とする。

続いて、本実施形態の燃料電池システムにおける制御実施例を説明する（図５参照）。

まず、電圧変動周期Ｔが、Ｔ１（コンプレッサ回転速度／インペラ翼枚数）の整数倍（整数Ｎは１以上）かどうかを判断する（ステップＳＰ１）。Ｎとしては、１以上の整数を任意に設定することが可能である。

電圧変動周期ＴがＴ１の整数倍に該当する場合は（ステップＳＰ１にてＹＥＳ）、引き続き、Ｔが
Ｔmin≦Ｔ≦Ｔmax
に該当するかどうか判断する（ステップＳＰ２）。ＴminとＴmaxは、スタックの出力変動周期に関してそれぞれ任意にあらかじめ設定される最小値と最大値であり、例えば、Ｔmin＝0.05[msec]、Ｔmax＝２[sec]として初期設定される。

上記ステップＳＰ２にてＹＥＳの場合、検出部は、電圧センサが検出した燃料電池の電圧変動が周期的であり、エアコンプレッサがサージングしていると検出する。該検出結果を受けた制御装置は命令信号を送信し、サージ回避制御を実行させて（ステップＳＰ３）、一連の制御を終了させる。

一方、ステップＳＰ１にてＮＯの場合、ステップＳＰ２にてＮＯの場合は、いずれもステップＳＰ１に戻る（図５参照）。

ここまで説明したように、本実施形態の燃料電池システムによれば、サージ領域を回避して運転することが可能となる。また、ＮＶ抑制、インペラ１０の耐久性向上、極間差圧発生による燃料電池スタック（特に電解質膜）の耐久性が低下するのを回避できる。

また、その他にも以下のような利点がある。

・従来技術のように事前に取得したマップをもとにサージ判定するよりも、本実施形態のように実運転時の結果を基に制御フィードバックするほうが正しい制御が可能である。

・スタック電圧の脈動からサージ判定するため、非常に感度高くサージ検出することが可能である。スタックの反応過電圧はエア側が大半を占めているため、その反応過電圧の挙動からエア側の現象を捉えやすい。

・サージを圧力変動で検知する技術もあるが、本実施形態のごとく電圧検知による場合、圧力センサが不要であり、燃料電池システムの中で省略することのできない電圧検知手段（セルモニタ等）のみでサージを検出することが可能である。

・スタック流路および配管容積分の空気圧縮には少なからずタイムラグが発生し、コンプレッサ出口の圧力の感度はその他の部品の容積によって感度が低下してしまうのに対し、本実施形態に置けるような電圧変化でのサージ検出は、化学反応での検出と同義であるといえ、タイムラグなくかつ精度よく検出することを可能とする。

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。

本発明は、エアコンプレッサを備えた燃料電池システムに適用して好適である。

１０…インペラ

Claims

燃料電池と、該燃料電池の電圧を検出する電圧センサと、前記燃料電池に酸化ガスを供給するエアコンプレッサと、該エアコンプレッサがサージ状態かどうかを検出する検出部と、制御装置と、を備え、
前記検出部は、前記電圧センサが検出した前記燃料電池の電圧変動の周期Ｔが、Ｔ１（前記エアコンプレッサの回転速度／前記エアコンプレッサのインペラ翼の枚数）の整数倍である場合に、前記エアコンプレッサがサージングしていると検出し、前記制御装置は、該検出信号を受けてサージ回避制御を実行する、燃料電池システム。