特表 2022-553667 燃料電池システムを作動させる方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2022-12-26

(54)【発明の名称】燃料電池システムを作動させる方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04746 20160101AFI20221219BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20221219BHJP

   H01M 8/04992 20160101ALI20221219BHJP

   H01M 8/04111 20160101ALI20221219BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04746

H01M8/04 Z

H01M8/04992

H01M8/04 J

H01M8/04111

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022522794

(86)(22)【出願日】2020-09-18

(85)【翻訳文提出日】2022-04-15

(86)【国際出願番号】 EP2020076146

(87)【国際公開番号】W WO2021083578

(87)【国際公開日】2021-05-06

(31)【優先権主張番号】102019216624.5

(32)【優先日】2019-10-29

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】591245473

【氏名又は名称】ロベルト・ボッシュ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツング

【氏名又は名称原語表記】ＲＯＢＥＲＴ ＢＯＳＣＨ ＧＭＢＨ

(74)【代理人】

【識別番号】100177839

【弁理士】

【氏名又は名称】大場 玲児

(74)【代理人】

【識別番号】100172340

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 始

(74)【代理人】

【識別番号】100182626

【弁理士】

【氏名又は名称】八島 剛

(72)【発明者】

【氏名】バイエルレ，ニコル

(72)【発明者】

【氏名】ブラウン，ヨッヘン

【テーマコード（参考）】

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H127AB04

5H127BB02

5H127BB12

5H127BB37

5H127BB39

5H127DC24

5H127DC28

5H127DC32

5H127DC34

5H127DC38

(57)【要約】

本発明は、酸化剤を含むガス質量流がガス給送部（３）を介して供給される燃料電池スタック（２）を備え、ガス給送部（３）が、電気モータにより駆動される少なくとも１つの圧縮機（７、８）を有する第１圧縮機段（５）と、カソード質量流およびカソード圧を有するカソード流路を備える燃料電池スタック（２）の排気ガス質量流で駆動可能なタービン（１２）により駆動される圧縮機（１１）を有する第２圧縮機段（１０）と、を備え、第１圧縮機段（５）の圧縮機（７、８）を可変回転数で駆動することができ、第２圧縮機段（１０）のタービン（１２）に、タービンバイパスバルブ（１６）を有するタービンバイパス（１５）が割り当てられ、燃料電池スタック（２）に、スタックバイパスバルブ（１８）を有するスタックバイパス（１７）が割り当てられ、燃料電池スタック（２）の下流にスタック後バルブ（１９）が接続されている、燃料電池システム（１）を作動させる方法に関する。燃料電池システム（１）の作動を簡単にする、および／または改善するために、燃料電池システム（１）の作動中に、動作ストラテジにおいて、カソード質量流制御のための制御量およびカソード圧制御のための制御量が切り替えられる。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

酸化剤を含むガス質量流がガス給送部（３）を介して供給される燃料電池スタック（２）を備え、前記ガス給送部（３）が、電気モータにより駆動される少なくとも１つの圧縮機（７、８）を有する第１圧縮機段（５）と、カソード質量流およびカソード圧を有するカソード流路を備える前記燃料電池スタック（２）の排気ガス質量流で駆動可能なタービン（１２）により駆動される圧縮機（１１）を有する第２圧縮機段（１０）と、を備え、前記第１圧縮機段（５）の前記圧縮機（７、８）を可変回転数で駆動することができ、前記第２圧縮機段（１０）の前記タービン（１２）に、タービンバイパスバルブ（１６）を有するタービンバイパス（１５）が割り当てられ、前記燃料電池スタック（２）に、スタックバイパスバルブ（１８）を有するスタックバイパス（１７）が割り当てられ、前記燃料電池スタック（２）の下流にスタック後バルブ（１９）が接続されている、燃料電池システム（１）を作動させる方法において、前記燃料電池システム（１）の作動中に、動作ストラテジにおいて、カソード質量流制御（３２）のための制御量およびカソード圧制御（３１）のための制御量が切り替えられることを特徴とする、方法。

【請求項2】

動作領域Ａにおいて、圧力比が高い場合に前記タービンバイパスバルブ（１６）が閉じたままであり、前記カソード質量流を調整するために、前記動作領域Ａにおいて前記スタック後バルブ（１９）が使用されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記圧力比を調整するために、前記動作領域Ａにおいて前記第１圧縮機段（５）の前記圧縮機（７、８）の回転数が使用されることを特徴とする、請求項２に記載の方法。

【請求項4】

動作領域Ｂにおいて、圧力比が小さい場合に前記スタック後バルブ（１９）が完全に開かれたままであり、前記カソード質量流を調整するために、前記動作領域Ｂにおいて前記第１圧縮機段（５）の前記圧縮機（７、８）の前記回転数が使用され、前記圧力が前記タービンバイパス（１５）により制御されることを特徴とする、請求項２または３に記載の方法。

【請求項5】

動作領域Ｃにおいて前記カソード質量流が前記スタックバイパスバルブ（１８）を用いて付加的に低減され、前記圧力が、前記動作領域Ａでのように、前記回転数により制御されることを特徴とする、請求項４に記載の方法。

【請求項6】

前記スタック後バルブ（１９）が完全に開かれている／開かれる場合、または制御器要求が変更された場合に、前記動作領域Ａから動作領域Ｂへの切替えが行われることを特徴とする、請求項４または５に記載の方法。

【請求項7】

前記タービンバイパスバルブ（１６）が完全に閉じられている／閉じられる場合、または制御器要求が変更された場合に、前記動作領域Ｂから動作領域Ａへの切替えが行われることを特徴とする、請求項６に記載の方法。

【請求項8】

目標質量流が最低質量流未満に低下した場合に、前記動作領域Ａから動作領域Ｃへの切替えが行われ、前記目標質量流が前記最低質量流を上回る場合に、前記動作領域Ｃから動作領域Ａへの切替えが行われることを特徴とする、請求項７に記載の方法。

【請求項9】

予備制御を有するＰＩＤ制御器（７１、７６、９１、９７）が使用されることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項に記載の方法。

【請求項10】

コンピュータプログラムを有するコンピュータプログラム製品であって、前記コンピュータプログラムがプログラミング可能なコンピュータ装置で実行される場合に、請求項１から９までのいずれか１項に記載の方法を実行するためのソフトウェア手段を有する、コンピュータプログラム製品。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、酸化剤を含むガス質量流がガス給送部を介して供給される燃料電池スタックを備え、ガス給送部が、電気モータにより駆動される少なくとも１つの圧縮機を有する第１圧縮機段と、カソード質量流およびカソード圧を有するカソード流路を備える燃料電池スタックの排気ガス質量流で駆動可能なタービンにより駆動される圧縮機を有する第２圧縮機段と、を備え、第１圧縮機段の圧縮機を可変回転数で駆動することができ、第２圧縮機段のタービンに、タービンバイパスバルブを有するタービンバイパスが割り当てられ、燃料電池スタックに、スタックバイパスバルブを有するスタックバイパスが割り当てられ、燃料電池スタックの下流にスタック後バルブ（Ｎａｃｈｓｔａｃｋｖｅｎｔｉｌ）が接続されている、燃料電池システムを作動させる方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１から、燃料電池と、圧縮機と、圧縮機を電気的に駆動するための駆動装置と、制御機器と、を有する燃料電池システムが知られ、制御機器は、電気的に駆動される圧縮機の圧縮機ポンピングを検出するように設定され、制御は、駆動装置に作用する負荷モーメントに駆動モーメントを適合させるように設定され、圧縮機の目標回転数にもとづいて駆動装置の駆動モーメントが検知され、圧縮機の目標回転数にもとづいて駆動装置の目標電流が検知され、目標電流にもとづいて駆動装置を駆動するための電圧が生成され、駆動装置の実電流および圧縮機の実回転数が検出され、駆動モーメントと負荷モーメントから生じる駆動装置の回転モーメントにもとづいて圧縮機の実回転数が検知され、生じる回転モーメントの変化にもとづいて、ならびに目標回転数および目標電流にもとづいて圧縮機ポンピングが検出される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】独国特許出願公開第１０２０１２２２４０５２号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明の課題は、請求項１の前提部に記載の燃料電池システムの作動を簡単にする、および／または改善することである。

【課題を解決するための手段】

【0005】

上記課題は、請求項１の前提部に記載の燃料電池システムを作動させる方法において、燃料電池システムの作動中に、動作ストラテジにおいて、カソード質量流制御のための制御量およびカソード圧制御のための制御量が切り替えられることにより解決される。制御量は、特に調節可能な目標回転数、および調節可能なバルブである。バルブは、タービンバイパスバルブ、スタックバイパスバルブ、およびスタック後バルブである。特許請求される方法は、燃料電池スタックにおける圧力レベル、および燃料電池スタックを通る質量流に関する制御または制御器構造に関係する。制御器構造または制御は、圧力比としてのみならず圧力として、すなわち絶対圧力または相対圧力として実現することができる。圧力という用語は、他に記載されない限り、カソード流路におけるカソード圧に該当する。カソード流路内の圧力損失を測定および／または算出することができる。測定された、および／または、例えば適切なモデルを用いて算出された圧力損失は、制御において、またはその予備制御においてともに考慮することができる。スタック後バルブは、燃料電池スタックとタービンとの間に配置されている。燃料電池スタックとスタック後バルブとの間には、所望により、例えば加湿器の形のガス調質ユニットをさらに配置することができる。実施形態によっては、スタック後バルブをタービンの下流に接続することもできる。カソード圧力制御は、簡略化して圧力制御とも呼ばれ、上述のように、圧力比制御として形成することもできる。

【0006】

方法の好ましい一実施例は、動作領域Ａにおいて、圧力比が高い場合にタービンバイパスバルブが閉じたままであり、カソード質量流を調整するために、動作領域Ａにおいてスタック後バルブが使用されることを特徴とする。高い圧力比は質量流に依存する。質量流上に圧力または圧力比がプロットされているデカルト座標図における動作領域Ａと動作領域Ｂとの間の分離線を境界とみなすことができる。境界上ではスタック後バルブが開であり、タービンバイパスは閉である。

【0007】

方法の別の好ましい実施例は、圧力比を調整するために、動作領域Ａにおいて第１圧縮機段の圧縮機の回転数が使用されることを特徴とする。スタック後バルブを用いてカソード流路の特性を調節することができる。

【0008】

方法の別の好ましい実施例は、動作領域Ｂにおいて圧力比が小さい場合にスタック後バルブが完全に開かれたままであり、カソード質量流を調整するために、動作領域Ｂにおいて第１圧縮機段の圧縮機の回転数が使用され、圧力がタービンバイパスを介して制御されることを特徴とする。その場合、動作領域Ｂは、第１圧縮機段の圧縮機のサージ限界（Ｓｔｏｐｆｇｒｅｎｚｅ）によって下限設定される。小さい、または低い圧力比は質量流に依存する。質量流上に圧力または圧力比がプロットされているデカルト座標図における領域Ａと領域Ｂとの間の分離線を境界とみなすことができる。境界上ではスタック後バルブが開であり、タービンバイパスは閉である。

【0009】

方法の別の好ましい実施例は、動作領域Ｃにおいて、カソード質量流がスタックバイパスバルブを用いて付加的に低減され、圧力は、動作領域Ａでのように回転数により制御されることを特徴とする。質量流は、スタック後バルブを用いて、２つの圧縮機段のポンプ限界が順守される範囲内でのみ低減されることが有利である。両方の圧縮機段を通る質量流がポンプ限界を下回るならば、燃料電池スタックを通る質量流を、スタックバイパスバルブを用いて付加的に低減することができる。

【0010】

方法の別の好ましい実施例は、スタック後バルブが完全に開かれている／開かれる場合、または制御器要求が変更された場合に、動作領域Ａから動作領域Ｂへの切替えが行われることを特徴とする。制御器要求の変更は、目標値が急激に変化した場合に、どの動作領域に変更されるのか２つの目標量、すなわち目標圧力および目標質量流からすでに読み取ることができるということを意味する。

【0011】

方法の別の好ましい実施例は、タービンバイパスバルブが完全に閉じられている／閉じられる場合に、または制御器要求が変更された場合に、動作領域Ｂから動作領域Ａへの切替えが行われることを特徴とする。制御器要求の変更は、目標値が急激に変化した場合に、どの動作領域に変更されるのかを２つの目標量、すなわち目標圧力および目標質量流からすでに読み取ることができるということを意味する。

【0012】

方法の別の好ましい実施例は、目標質量流が最低質量流未満に低下する場合に、動作領域Ａから動作領域Ｃへの切替えが行われ、目標質量流が最低質量流を上回る場合に、動作領域Ｃから動作領域Ａへの切替えが行われることを特徴とする。燃料電池スタックを通る質量流が目標質量流と呼ばれ、この目標質量流は、制御の目標値として予め設定される。スタック質量流は、圧縮機質量流からバイパス質量流を差し引いたものに相当する。

【0013】

方法の別の好ましい実施例は、予備制御を有するＰＩＤ制御器が使用されることを特徴とする。制御と予備制御とは所望により、例えば燃料電池システムからのセンサ値、燃料電池制御部の計算モデルからの値、周囲パラメータなどの複数の入力パラメータを考慮する。これは特に、スタック温度、周囲圧力または海面上の現在高さ、周囲温度等である。

【0014】

本発明は、さらに、上記の方法により燃料電池システムを作動させるシステムに関する。

【0015】

本発明は、場合によっては、上述の燃料電池システムを有する駆動装置を備える車両にも関する。本発明は、場合によっては、上記の燃料電池システムの移動式使用または据置式使用にも関する。

【0016】

本発明は、さらに、コンピュータプログラムを有するコンピュータプログラム製品であって、コンピュータプログラムがプログラミング可能なコンピュータ装置で実行される場合に、上記の方法を実行するためのソフトウェア手段を有する、コンピュータプログラム製品に関する。コンピュータ装置は、例えば燃料電池システムの制御機器である。

【0017】

本発明の他の利点、特徴、および詳細は、図面を参照しながら様々な実施例が詳細に説明される以下の記載から明らかになる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】２つの圧縮機段を有する燃料電池システムの模式図である。

【図2】カソード質量流上にカソード圧がプロットされているデカルト座標図である。

【図3】動作領域Ｃにおける制御の図である。

【図4】動作領域Ａにおける制御の図である。

【図5】動作領域Ｂにおける制御の図である。

【図6】動作領域Ａにおける制御に関するデカルト座標図である。

【図7】動作領域Ｂにおける制御に関するデカルト座標図である。

【図8】動作領域Ａのための予備制御を有するＰＩＤ制御器の可能な変形形態の模式図である。

【図9】動作領域Ｂのための予備制御を有するＰＩＤ制御器の可能な変形形態の図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

図１は、燃料電池スタック２を有する燃料電池システム１を示す。ガス給送部３を介して酸化剤、特に酸素を含む空気がガス質量流４の形で燃料電池スタック２に供給される。ガス給送部３は、第１圧縮機段５と第２圧縮機段１０を備える。

【0020】

第１圧縮機段５は、電気モータ６によって駆動される２つの並列接続された圧縮機７、８を備える。第１圧縮機段５の上流にエアフィルタ９が接続されている。

【0021】

第２圧縮機段１０は、圧縮機１１とタービン１２を備える。圧縮機１１は、シャフト１３によってタービン１２と駆動接続されている。この目的で、タービン１２が燃料電池スタック２の排気ガス質量流１４で駆動される。

【0022】

タービン１２には、タービンバイパスバルブ１６を有するタービンバイパス１５が割り当てられている。燃料電池スタック２には、スタックバイパスバルブ１８を有するスタックバイパス１７が割り当てられている。燃料電池スタック２の下流に、スタック後バルブ１９が接続されている。スタック後バルブ１９は、ガス調質ユニット２０とタービン１２との間に配置されている。

【0023】

例えば加湿器を備えるガス調質ユニット２０が任意的であることが破線の矩形で示唆されている。特に周囲空気の形のガス質量流４が周囲から取り込まれることが矩形２１で示唆されている。排気ガス質量流１４は周囲２１に供給される。第２圧縮機段１０の圧縮機１１に、圧縮機バイパスバルブ２３を有する圧縮機バイパス２２が割り当てられている。

【0024】

図２～図８において、要求されるカソード質量流と要求されるカソード圧が図１の燃料電池スタック２でどのように調整または制御され得るのかが示される。調整または制御は、電気モータ６により可変の第１圧縮機段５の回転数を用いて、タービンバイパスバルブ１６を用いて、およびスタックバイパスバルブ１８を用いて行われる。

【0025】

カソード質量流制御およびカソード圧力制御のための動作ストラテジを巧みに切り替えることによって、燃料電池システムの全動作領域を利用可能にするロバストな開ループ制御または閉ループ制御が提供される。タービン（図１の１２）の複雑な調節装置は省略できる。それによりシステムコストを低減することができる。さらに、氷形成によりブロックされた可変タービンジオメトリのタービンの除氷など手間のかかるシステム措置が回避される。

【0026】

図２は、ｘ軸２５とｙ軸２６を有するデカルト座標図を示す。ｘ軸２５上にカソード質量流が適切な度量単位でプロットされている。

【0027】

ｙ軸２６上には適切な圧力単位でカソード圧、または相応の圧力比がプロットされている。合計３つの動作領域が大文字のＡ、Ｂ、Ｃで示されている。したがって、圧力比と圧力とを互いに換算することができる。

【0028】

図２の座標図の起点から３つの分離線２７、２８、２９が延びている。分離線２７は、動作領域ＡとＣとの間の境界である。分離線２８は、動作領域ＡとＢとの間の境界である。分離線２９は、動作領域Ｂの下境界である。

【0029】

動作領域Ａにおける制御は以下のとおりである。圧力比が高い場合にタービンバイパスバルブ１６が閉じている。スタック後バルブ１９を用いて、カソード流路の特性を調節することができ、すなわちシステム特性曲線（Ａｎｌａｇｅｎｋｅｎｎｌｉｎｉｅ）が、描かれた分離線２８からポンプ限界の方向にシフトする。その場合、カソード質量流を調整するためにスタック後バルブ１９が使用される。

【0030】

任意的な予備制御において、回転数に依存したスタック後バルブ１９が完全に開いた場合の質量流の特性曲線ＫＬ２（図８の矩形７３を参照）が記憶される。別の特性曲線ＫＬ３（図８の矩形７５を参照）は、スタック後バルブ１９のバルブ位置に依存した質量流減少率を含む。

【0031】

第１圧縮機段５の回転数は、圧力比を調整するために使用される。任意的な予備制御において、圧力比に依存した回転数の特性曲線ＫＬ１（図８の矩形７２を参照）が保存される。

【0032】

動作領域Ｂにおける制御は以下のとおりである。圧力比が小さい場合、スタック後バルブ１９は完全に開かれている。第１圧縮機段５の回転数により質量流が制御される。タービンバイパスバルブ１６により圧力が制御される。領域Ｂは、サージ限界である分離線２９によって下限設定される。

【0033】

動作領域Ｂにおける回転数の予備制御として、スタック後バルブ１９が開いた場合の回転数に対する質量流の特性曲線ＫＬ４（図９の矩形９２を参照）を保存することができる（領域Ａの特性曲線）。圧力比を低減するために、回転数ＫＬ６に依存した第１圧縮機段５の回転数および圧力比に対する第２圧縮機段１０の最大圧力比を有する特性曲線ＫＬ５（図９の矩形９４を参照）と、タービンバイパスバルブ１６のバルブ位置に依存した第２圧縮機段１０の圧力比の低減率を有する特性曲線ＫＬ７（図９の矩形９６を参照）とを記憶することができる。

【0034】

領域Ｃにおける制御は以下のとおりである。スタック後バルブ１９を用いて、２つの圧縮機段５および１０のポンプ限界が順守される（領域Ａ）範囲内で質量流を低減することしか許されない。圧縮機段５および１０を通る質量流がポンプ限界を下回るならば、燃料電池スタック２を通る質量流を、スタックバイパスバルブ１８を用いてさらに低減することができる。

【0035】

予備制御として、動作領域Ｃにおいて、ポンプ限界の質量流減少上にバルブ位置がプロットされている特性曲線を保存することができる。

【0036】

種々異なる領域における制御をそれぞれ予備制御あり、またはなしで実現することができる。制御器として、例えば予備制御を有するＰＩＤ制御器を使用することができる。

【0037】

図３～図５において、提案される制御または制御器構造が、圧力レベルに関して、圧力比と圧力（絶対圧力または相対圧力）として実現され得ることが示されている。図３～図５は、制御器および切替えに関する概観を示す。図３は、動作領域Ｃでの制御を示す。図４は、動作領域Ａにおける制御を示す。図５は、動作領域Ｂにおける制御を示す。

【0038】

矩形３１は、圧力制御を象徴する。矩形３２は、質量流制御を象徴する。矩形３３は、略してループとも呼ばれる制御対象系を象徴する。矢印３４は、目標圧力を象徴する。矢印３５は、略して圧力とも呼ばれる実圧力を象徴する。矢印３６は、目標質量流を象徴する。矢印３７は、略して質量流とも呼ばれる実質量流を象徴する。矢印３８は、ポンプ限界を象徴する。矢印３９は、第１圧縮機段５の圧縮機回転数を象徴する。

【0039】

参照符号１７は、図１でのように、スタックバイパスを表す。参照符号１９は、同様に図１でのようにスタック後バルブを表す。

【0040】

図３において、矢印４１は、タービンバイパス（図１の１５）が閉じていることを示す。図４において、矢印４２は、さらにスタックバイパス（図１の１７）が閉じていることを示す。図５において、矢印４３は、スタック後バルブ１９が開いていることを示す。図５において、さらに、矢印４４は第１圧縮機段５の回転数を示す。

【0041】

スタック後バルブ１９が完全に開かれている／開かれる場合に領域Ａから領域Ｂへの切替えが行われる。さらに、例えば制御器要求が変更された場合に、予め定められた圧力および質量流を用いて領域Ａから領域Ｂへの切替えが行われる。制御器要求の変更は、目標値が急激に変化した場合に、どの動作領域に変更されるのかを２つの目標量、すなわち目標圧力および目標質量流からすでに読み取ることができるということを意味する。

【0042】

燃料電池スタック２を通る質量流が目標質量流と呼ばれる。相応の目標値が、例えば、燃料電池システム１の制御部に記憶される。スタック質量流とも呼ばれるスタックを通る質量流は、圧縮機段５および１０によって提供された圧縮機質量流から、場合によって存在するバイパス質量流を差し引いて求められる。領域Ａから領域Ｂ、すなわち図４から図５に切り替えられた場合、スタック後バルブ１９は開状態に移る。

【0043】

タービンバイパスバルブ１６が完全に閉じられている／閉じられる場合、領域Ｂから領域Ａへの切替えが行われる。さらに、例えば制御器要求が変更された場合、予め定められた圧力および質量流を用いて領域Ｂから領域Ａへの切替えが行われる。図５から図４に切り替えられた場合、タービンバイパス１５が完全に閉じた状態に移る。

【0044】

目標質量流が、ポンプ限界に依存する最低質量流未満に低下した場合、領域Ａから領域Ｃへの切替えが行われる。質量流制御のアクティブ化は、スタックバイパスバルブ１８によって行われる。

【0045】

目標質量流が、ポンプ限界に依存する最低質量流を上回る場合、領域Ｃから領域Ａへの切替えが行われる。質量流制御の非アクティブ化は、スタックバイパスバルブ１８によって行われる。

【0046】

任意的に、制御器切替えごとに、不都合な切り替わり（Ｔｏｇｇｅｌｎ）を回避するために、相応のヒステリシスを使用することもできる。ヒステリシスは、時間ヒステリシス、質量流ヒステリシス、または圧力領域ヒステリシスであり得る。

【0047】

コンポーネント保護、あるいは圧縮機段５および１０の圧縮機のポンプ保護に関して安全性を考慮することが有利である。安全上の理由から、動作領域Ａから動作領域Ｃへの切替えがポンプ特性曲線に達する前に行われる。

【0048】

図に示されるものとは違い、制御バルブとして形成されたスタック後バルブ１９を、図１に示されるようなタービン１２の前にではなく、タービン１２の後の排気ガス流方向に配置することもできる。

【0049】

図６において、ｘ軸４８とｙ軸４９を有するデカルト座標図が示されている。ｘ軸４８上に第１圧縮機段５の質量流が適切な単位でプロットされている。ｙ軸４９上には、第１圧縮機段５の圧力または圧力比がプロットされている。

【0050】

図６において、回転数が増加するにつれて圧力が上昇することが垂直方向の矢印５０で示されている。図６において、スタック後バルブを用いて、ほぼ同じ圧力比で質量流の減少が行われることが水平方向矢印５１で示唆されている。図６は、領域Ａにおける制御に関するものである。

【0051】

図７は、領域Ｂにおける制御に関するものである。ｘ軸５４上に、第２圧縮機段１０を通る質量流がプロットされている。ｙ軸５５上には、第２圧縮機段１０の圧力または圧力比がプロットされている。図７において、タービンバイパスバルブが開くことによって第２圧縮機段１０の回転数が低減されることが矢印５６で示唆されている。それに応じて、第２圧縮機段１０の圧力または圧力比が小さくなる。

【0052】

図８において、領域Ａに関する予備制御を有するＰＩＤ制御器の可能な変形形態が示されている。図９において、領域Ｂに関する予備制御を有するＰＩＤ制御器の可能な変形形態が示されている。

【0053】

図８において、矩形７１～７８によって制御器または制御構造が示唆されている。矩形７１は、ＰＩＤ制御器を象徴する。矩形７２は、特性曲線ＫＬ１を用いる予備制御を象徴する。矩形７３は、特性曲線ＫＬ２を用いる予備制御を象徴する。矩形７４は、６４および６５から構成される部分を象徴する。矩形７５は、特性曲線ＫＬ３を用いた予備制御を象徴する。矩形７６は、ＰＩＤ制御器を象徴する。矩形７７および７８は、付加的な結合器（ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｖｅｒｋｎｕｅｐｆｕｎｇｅｎ）を象徴する。

【0054】

６０は実圧力を表す。６１は目標圧力を表す。６２および６３は目標回転数を表す。６４は、スタック後バルブが開かれた場合の質量流を表す。６５は、ポンプ特性曲線に制限される目標質量流を表す。６６は実質量流を表す。６７および６８は、スタック後バルブのバルブ位置を表す。

【0055】

図９において、矩形９１はＰＩＤ制御器を象徴する。矩形９２は、特性曲線ＫＬ４を用いる予備制御を象徴する。矩形９３は、特性曲線ＫＬ６を用いる予備制御を象徴する。矩形９４は、特性曲線ＫＬ５を用いる予備制御を象徴する。矩形９５は、第２圧縮機段の圧力比の一部分を象徴する。矩形９６は、特性曲線ＫＬ７を用いる予備制御を象徴する。矩形９７は、ＰＩＤ制御器を象徴する。矩形９８および９９は、付加的結合器を象徴する。

【0056】

８０は実質量流を象徴する。８１は目標質量流を象徴する。８２および８３は目標回転数を象徴する。８４はスタック温度を象徴する。８５は、第１圧縮機段の圧力または圧力比を象徴する。８６は、第２圧縮機段の最大圧力または最大圧力比を象徴する。８７は、目標圧力または目標圧力比を象徴する。８８は、実圧力または実圧力比を象徴する。８９および９０は、タービンバイパスバルブのバルブ位置を象徴する。

【0057】

特許請求される方法は、１つには燃料電池システムを有する車両駆動装置の動作ストラテジにおいて使用され得る。これは商用車量でもあり得る。しかし特許請求される方法は、燃料電池システムを有する、例えば建設機械などの移動型作業機械にも使用することができる。

【符号の説明】

【0058】

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池スタック
３ ガス給送部
４ ガス質量流
５ 第１圧縮機段
６ 電気モータ
７ 圧縮機
８ 圧縮機
９ エアフィルタ
１０ 第２圧縮機段
１１ 圧縮機
１２ タービン
１３ シャフト
１４ 排気ガス質量流
１５ タービンバイパス
１６ タービンバイパスバルブ
１７ スタックバイパス
１８ スタックバイパスバルブ
１９ スタック後バルブ
２０ ガス調質ユニット
２１ 矩形、周囲
２２ 圧縮機バイパス
２３ 圧縮機バイパスバルブ
２５ ｘ軸
２６ ｙ軸
２７ 分離線
２８ 分離線
２９ 分離線
３１ 矩形
３２ 矩形
３３ 矩形
３４ 矢印
３５ 矢印
３６ 矢印
３７ 矢印
３８ 矢印
３９ 矢印
４１ 矢印
４２ 矢印
４３ 矢印
４４ 矢印
４８ ｘ軸
４９ ｙ軸
５０ 矢印
５１ 矢印
５４ ｘ軸
５５ ｙ軸
５６ 矢印
６０ 実圧力
６１ 目標圧力
６２、６３ 目標回転数
６４ 質量流
６５ 目標質量流
６６ 実質量流
６７、６８ スタック後バルブのバルブ位置
７１ 矩形、ＰＩＤ制御器
７２ 矩形
７３ 矩形
７４ 矩形
７５ 矩形
７６ 矩形、ＰＩＤ制御器
７７ 矩形
７８ 矩形
８０ 実質量流
８１ 目標質量流
８２ 目標回転数
８３ 目標回転数
８４ スタック温度
８５ 第１圧縮機段の圧力、圧力比
８６ 第２圧縮機段の最大圧力、最大圧力比
８７ 目標圧力、目標圧力比
８８ 実圧力、実圧力比
８９、９０ タービンバイパスバルブのバルブ位置
９１ 矩形、ＰＩＤ制御器
９２ 矩形
９３ 矩形
９４ 矩形
９５ 矩形
９６ 矩形
９７ 矩形、ＰＩＤ制御器
９８ 矩形
９９ 矩形
Ａ、Ｂ、Ｃ 動作領域
ＫＬ１～ＫＬ７ 特性曲線

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【国際調査報告】