СИСТЕМА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМОЙ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 2019 года по МПК H01M8/04 H01M8/4225 H01M8/4298 

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Область техники, к которой относится изобретение

[0001] Изобретение относится к системе топливных элементов и способу управления системой топливных элементов.

2. Описание предшествующего уровня техники

[0002] Что касается системы топливных элементов, в публикации японской нерассмотренной заявки на патент №. 2013-182781 (JP 2013-182781 A) раскрыта, например, вращающаяся машина подачи воздуха, которая приводится в действие приводным двигателем, а также детандер, вращаемый энергией катодного отработанного газа для подачи воздуха на катод топливного элемента.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0003] В системе топливных элементов, описанной в JP 2013-182781 A, расход воздуха, необходимого для топливного элемента, является небольшим в рабочем состоянии, в котором требуемая выходная мощность топливного элемента является небольшой. Поэтому расход воздуха, выпускаемого вращающейся машиной подачи воздуха (компрессором), снижается. В этом случае расход подачи катодного отработанного газа, подаваемого в детандер (турбину), таким образом, уменьшается, а тяговое усилие турбины снижается. Таким образом, существует вероятность того, что эффективность системы топливных элементов снизится и ухудшится экономия топлива в системе топливных элементов.

[0004] Изобретение было сделано для решения вышеупомянутой проблемы и может быть реализовано в следующих формах.

[0005] (1) Первый объект изобретения относится к системе топливных элементов, включающей в себя топливный элемент, тракт движения подаваемого воздуха, тракт движения выпускаемого воздуха, компрессор, электродвигатель, турбину, перепускной тракт движения потока, перепускной клапан и контроллер. Тракт движения подаваемого воздуха сконфигурирован для подачи воздуха на топливный элемент. Тракт движения выпускаемого воздуха сконфигурирован для выпуска воздуха из топливного элемента. Компрессор сконфигурирован для подачи воздуха в тракт движения подаваемого воздуха. Электродвигатель сконфигурирован для привода компрессора. Турбина расположена в тракте движения выпускаемого воздуха для содействия приводу компрессора электродвигателем. Перепускной тракт движения потока сконфигурирован для соединения стороны ниже по потоку компрессора в тракте движения подаваемого воздуха со стороной выше по потоку турбины в тракте движения выпускаемого воздуха. Перепускной клапан сконфигурирован для открытия и закрытия перепускного тракта движения потока. Контроллер сконфигурирован для управления работой электродвигателя и открытия и закрытия перепускного клапана в соответствии с требуемым расходом воздуха, который представляет собой расход воздуха, необходимый для выработки энергии топливным элементом. Когда требуемый расход воздуха равен или превышает заранее заданное пороговое значение, контроллер выполняет первое управление, в котором (i) перепускной клапан закрыт и (ii) выполняется управление работой электродвигателя так, чтобы вызвать прохождение воздуха через топливный элемент с расходом, соответствующим требуемому расходу воздуха, а когда требуемый расход воздуха ниже заранее заданного порогового значения, контроллер выполняет второе управление, при котором (i) перепускной клапан открыт для протекания воздуха через перепускной тракт движения потока, и (ii) выполняется управление работой электродвигателя так, чтобы также вызвать прохождение воздуха через топливный элемент с расходом, соответствующим требуемому расходу воздуха. При использовании системы топливных элементов этой формы, когда требуемый расход воздуха низкий, воздух, подаваемый компрессором, также подается не только на топливный элемент, но и на турбину для содействия приводу компрессора через перепускной тракт движения потока. Таким образом, можно снизить энергопотребление электродвигателя для привода компрессора без снижения расхода топлива, подаваемого на топливный элемент. Это позволяет улучшить топливную экономичность системы топливных элементов.

[0006] (2) В системе топливных элементов в соответствии с объектом изобретения, описанным выше, заранее заданное пороговое значение может представлять собой значение, определяемое на основе расхода, при котором отношение энергопотребления электродвигателя к расходу воздуха, выпускаемого компрессором в системе топливных элементов, становится минимальным. С помощью этой системы топливных элементов можно дополнительно улучшить топливную экономичность системы топливных элементов

[0007] (3) В системе топливных элементов в соответствии с объектом изобретения, описанным выше, когда величина приращения требуемого расхода воздуха в единицу времени равна или превышает заранее заданную величину приращения, контроллер может закрыть перепускной клапан независимо от того, ниже ли требуемый расход воздуха заранее заданного порогового значения. При использовании этой системы топливных элементов, когда величина приращения требуемого расхода воздуха за единицу времени увеличивается до или выше заранее заданной величины приращения, можно предотвращать протекание потока воздуха, имеющего расход, соответствующий увеличенному требуемому расходу воздуха, к перепускному тракту движения потока. В результате, когда величина приращения требуемого расхода воздуха в единицу времени увеличивается до или выше заранее заданной величины приращения, можно устранить задержку подачи воздуха на топливный элемент.

[0008] (4) Система топливных элементов в соответствии с объектом, описанным выше, может дополнительно включать в себя аккумуляторный бачок, соединенный со стороной ниже по потоку перепускного клапана перепускного тракта движения потока и сконфигурированный для хранения воздуха, проходящего через перепускной тракт движения потока. С помощью этой системы топливных элементов, часть воздуха, проходящего через перепускной тракт движения потока, может храниться в аккумуляторном бачке во время второго управления. Поэтому, даже когда управление переключается, и перепускной клапан закрыт, воздух, хранящийся в аккумуляторном бачке во время второго управления, может подаваться в турбину. Поэтому, даже когда перепускной клапан находится в закрытом состоянии, можно увеличить тяговое усилие турбины для содействия приводу компрессора электродвигателем.

[0009] (5) Система топливных элементов в соответствии с объектом, описанным выше, может дополнительно содержать клапан регулирования давления, расположенный на стороне выше по потоку турбины в тракте движения выпускаемого воздуха, и на стороне ниже по потоку соединительного участка между перепускным трактом движения потока и трактом движения выпускаемого воздуха, и сконфигурированный для регулирования давления воздуха, протекающего через топливный элемент. С помощью этой системы топливных элементов можно устранять резкое колебание давления на стороне выше по потоку клапана регулирования давления. Таким образом, можно предотвратить быстрое снижение давления в топливном элементе, например, при открытии и закрытии перепускного клапана.

[0010] (6) В системе топливных элементов в соответствии с объектом изобретения, описанным выше, клапанная коробка клапана регулирования давления может быть выполнена за одно целое с кожухом турбины, и корпус клапана регулирования давления может быть расположен на стороне выше по потоку турбинного колеса в турбине. Благодаря этой системе топливных элементов, регулируя степень открытия клапана регулирования давления, можно изменить расход воздуха, вдуваемого в турбинное колесо. Поэтому можно упростить конфигурацию системы топливных элементов, и можно увеличить тяговое усилие турбины для содействия приводу компрессора электродвигателем.

[0011] (7) В системе топливных элементов в соответствии с объектом изобретения, описанным выше, перепускной тракт движения потока может быть соединен с внутренней частью кожуха турбины, клапанная коробка перепускного клапана может быть выполнена за одно целое с кожухом турбины, а корпус перепускного клапана может быть расположен на стороне выше по потоку турбинного колеса в турбине. Такая система топливных элементов позволяет упростить конфигурацию системы топливных элементов.

[0012] (8) В системе топливных элементов в соответствии с объектом, описанным выше, перепускной тракт движения потока может быть подсоединен к внутренней части кожуха турбины, а отверстие тракта движения потока в корпусе турбины может быть ориентировано так, чтобы поток воздуха, вытекающий из тракта движения потока, поступал в кожух турбины, чтобы течь в таком направлении, чтобы способствовать вращению турбинного колеса турбины. Благодаря этой системе топливных элементов, воздух, втекающий в корпус турбины из тракта движения потока, способствует вращению турбинного колеса. Поэтому конфигурация системы топливных элементов может быть упрощена, а тяговое усилие турбины для содействия приводу компрессора может быть увеличено.

[0013] (9). В системе топливных элементов в соответствии с объектом изобретения, описанным выше, контроллер может выполнять второе управление с постоянным числом оборотов электродвигателя. С помощью этой системы топливных элементов можно предотвратить увеличение расхода энергии электродвигателя во время второго управления. Таким образом, можно повысить топливную экономичность системы топливных элементов.

[0014] (10) В системе топливных элементов в соответствии с объектом изобретения, описанным выше, контроллер может выполнять второе управление с постоянным отношением давлений, при этом отношение давлений представляет собой отношение давления воздуха, всасываемого в компрессор, и давления воздуха, выпускаемого из компрессора. С помощью этой системы топливных элементов можно предотвратить падение давления в топливном элементе во время второго управления. Поэтому можно предотвратить уменьшение электрической энергии, генерируемой топливным элементом, из-за высыхания электролитной мембраны топливного элемента. Это позволяет дополнительно повысить топливную эффективность системы топливных элементов

[0015] (11) Второй объект настоящего изобретения относится к способу управления системой топливных элементов, содержащей топливный элемент, тракт движения подаваемого воздуха, сконфигурированный для подачи воздуха к топливному элементу, тракт движения выпускаемого воздуха, сконфигурированный для выпуска воздуха из топливного элемента, компрессор, сконфигурированный для подачи воздуха в тракт движения подаваемого воздуха, электродвигатель, сконфигурированный для привода компрессора, турбину, расположенную в тракте движения выпускаемого воздуха, для содействия приводу компрессора электродвигателем, перепускной тракт движения потока, сконфигурированный для приведения стороны ниже по потоку компрессора в сообщение со стороной выше по потоку турбины в тракте движения выпускаемого воздуха, и перепускной клапан, сконфигурированный для открытия и закрытия перепускного тракта движения потока, при этом способ включает в себя: при условии, что требуемый расход воздуха, который является расходом воздуха, необходимым для выработки электроэнергии топливным элементом, равен или выше заранее заданного порогового значения, выполнение первого управления, при котором (i) перепускной клапан закрыт и (ii) выполняется управление работой электродвигателя, чтобы вызвать прохождение воздуха через топливный элемент с расходом, соответствующим требуемому расходу воздуха. При условии, что требуемый расход воздуха ниже, чем заранее заданное пороговое значение, выполняется второе управление, при котором (i) перепускной клапан открыт для протекания воздуха через тракт движения потока и (ii)выполняется управление работой электродвигателя, чтобы вызвать прохождение воздуха через топливный элемент при расходе, соответствующем требуемому расходу воздуха.

[0016] Изобретение также может быть реализовано в различных формах, отличных от системы топливных элементов. Например, изобретение может быть реализовано в виде транспортного средства на топливном элементе, способа открытия и закрытия перепускного клапана и тому подобного.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0017] Признаки, преимущества, а также техническая и промышленная значимость примеров осуществления изобретения будут описаны ниже со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых одинаковые ссылочные позиции обозначают одинаковые элементы, и:

Фиг. 1 представляет собой пояснительную схему, показывающую контур системы топливных элементов в соответствии с первым примером осуществления изобретения;

Фиг. 2 представляет собой пояснительную схему, показывающую взаимосвязь между количеством воздуха, выпускаемым компрессором, и энергопотреблением;

Фиг. 3 представляет собой блок-схему, показывающую процесс управления перепуском в соответствии с первым примером осуществления изобретения;

Фиг. 4 представляет собой таблицу, поясняющую работу перепускного клапана;

Фиг. 5 представляет собой пояснительную схему, показывающую рабочие характеристики компрессора;

Фиг. 6 представляет собой блок-схему, показывающую процесс определения перепуска в соответствии со вторым примером осуществления изобретения;

Фиг. 7 представляет собой пояснительную схему, показывающую систему топливных элементов в соответствии с третьим примером осуществления изобретения;

Фиг. 8 представляет собой блок-схему, показывающую процесс определения перепуска согласно третьему примеру осуществления изобретения;

Фиг. 9 представляет собой пояснительную схему, показывающую систему топливных элементов в соответствии с четвертым примером осуществления изобретения;

Фиг. 10 представляет собой пояснительную схему, показывающую систему топливных элементов в соответствии с пятым примером осуществления изобретения;

Фиг. 11 представляет собой схематический вид в разрезе, показывающий турбину согласно шестому примером осуществления изобретения; и

Фиг. 12 представляет собой схематический вид в разрезе, показывающий турбину в соответствии с седьмым примером осуществления изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРИМЕРОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0018] A. Первый пример осуществления изобретения

Фиг. 1 представляет собой пояснительную схему, показывающую элементы системы 10 топливных элементов согласно первому примеру осуществления изобретения. Система 10 топливных элементов в соответствии с настоящим примером осуществления изобретения установлена, например, на транспортном средстве на топливных элементах и используется в качестве устройства выработки электроэнергии для приведения в действие приводного электродвигателя транспортного средства на топливных элементах. Система 10 топливных элементов может использоваться в качестве стационарного устройства для выработки электроэнергии. Система 10 топливных элементов включает в себя топливный элемент 100, тракт 210 движения подаваемого воздуха, тракт 220 движения выпускаемого воздуха, перепускной тракт 230 движения потока, перепускной клапан 240, компрессор 310, электродвигатель 320, турбину 330 и контроллер 500. В дальнейшем «сторона выше по потоку» и «сторона ниже по потоку» в описании относятся к верхней по потоку стороне и нижней по потоку стороне в направление потока воздуха, соответственно.

[0019] Топливный элемент 100 настоящего примера осуществления изобретения представляет собой топливный элемент твердого полимерного типа. Топливный элемент 100 имеет слоистую конструкцию, в которой множество ячеек уложены слоями. Каждая ячейка включает в себя узел мембранного электрода с электродными слоями катализатора на обеих сторонах мембраны электролита и пару сепараторов, зажимающих между собой узел мембранного электрода. В каждой ячейке водородный газ в качестве топливного газа подается на анодную сторону узла мембранного электрода, а воздух в качестве окислительного газа подается на катодную сторону узла мембранного электрода, в результате чего электрохимической реакцией генерируется электродвижущая сила, Соответствующие элементы соединены последовательно. Тракт движения потока охладителя, через который циркулирует охладитель для охлаждения топливного элемента 100, может быть соединен с топливным элементом 100.

[0020] Тракт 210 движения подаваемого воздуха является трактом движения для подачи воздуха на катодную сторону топливного элемента 100.

[0021] Компрессор 310 расположен на стороне выше по потоку от тракта 210 движения подаваемого воздуха. Компрессор 310 всасывает воздух атмосферы со стороны всасывания, создает давление воздуха в компрессоре 310 и подает сжатый воздух на выпускную сторону тракта 210 движения подаваемого воздуха. Компрессор 310 включает в себя колесо 311 компрессора и корпус 312 компрессора. Колесо 311 компрессора является рабочим колесом для создания давления воздуха путем вращения, и оно приводится в действие электродвигателем 320. Корпус 312 компрессора является основным корпусом компрессора 310 для размещения в нем колеса 311 компрессора. Воздуху, всасываемому в корпус 312 компрессора со стороны всасывания компрессора 310, придается центробежная сила за счет вращения колеса 311 компрессора. Воздух под давлением прижимается к внутренней стенке корпуса 312 компрессора и выпускается со стороны выпуска компрессора 310. В настоящем примере осуществления изобретения в качестве компрессора 310 используется центробежный компрессор. В качестве компрессора 310 может использоваться компрессор с осевым направлением потока.

[0022] Электродвигатель 320 представляет собой электродвигатель для привода компрессора 310.

[0023] Тракт 220 движения выпускаемого воздуха представляет собой тракт движения потока для выпуска воздуха с катодной стороны топливного элемента 100.

[0024] Турбина 330 расположена в тракте 220 движения выпускаемого воздуха. Турбина 330 содействует тяговому усилию компрессора 310 посредством электродвигателя 320. Турбина 330 включает в себя турбинное колесо 331 и кожух 332 турбины. Турбинное колесо 331 представляет собой рабочее колесо для содействия приводу компрессора 310 посредством вращения и приводится в движение воздухом, поступающим в турбину 330. Кожух 332 турбины является основным корпусом турбины 330, который вмещает в себя турбинное колесо 331. Турбинное колесо 331, расположенное в кожухе 332 турбины, вращается посредством воздуха, поступающего в кожух 332 турбины с всасывающей стороны турбины 330. То есть турбина 330 преобразует кинетическую энергию воздуха в энергию вращения турбинного колеса 331. Турбинное колесо 331, электродвигатель 320 и колесо 311 компрессора соединены общим вращающимся валом 340. Таким образом, приведение в действие электродвигателя 320 для вращения колеса 311 компрессора осуществляется вращением турбинного колеса 331. Воздух, который поворачивал турбинное колесо 331, выпускается с выпускной стороны турбины 330.

[0025] Перепускной тракт 230 движения потока является трактом движения потока, который соединяет друг с другом нижнюю по потоку сторону компрессора 310 в тракте 210 движения подаваемого воздуха и верхнюю по потоку сторону турбины 330 в тракте 220 движения выпускаемого воздуха. Перепускной тракт 230 движения потока имеет меньшие потери давления, чем тракт движения потока воздуха в топливном элементе 100.

[0026] Перепускной клапан 240 расположен на перепускном тракте 230 движения потока. Перепускной клапан 240 представляет собой клапан, который открывает и закрывает перепускной тракт 230 движения потока. В настоящем примере осуществления изобретения в качестве перепускного клапана 240 используется дроссельный клапан. В качестве альтернативы, в качестве перепускного клапана 240 можно использовать запорный клапан 240.

[0027] В настоящем примере осуществления изобретения в тракте 220 движения выпускаемого воздуха расположен клапан 221 регулирования давления. Более конкретно, клапан 221 регулирования давления расположен на стороне ниже по потоку топливного элемента 100, который находится в тракте 220 для движения выпускаемого воздуха и на стороне выше по потоку соединительного участка между перепускным трактом 230 движения потока и трактом 220 движения выпускаемого воздуха. Клапан 221 регулирования давления представляет собой клапан для регулирования давления воздуха, текущего в топливном элементе 100.

[0028] Контроллер 500 выполнен как компьютер, включающий ЦП, запоминающее устройство и устройство сопряжения, к которому подсоединен каждый компонент. Путем исполнения программы управления, хранящейся в запоминающем устройстве, ЦП управляет работой электродвигателя 320, а также открыванием и закрыванием перепускного клапана 240 согласно требуемому расходу. Термин "требуемый расход воздуха" означает расход воздуха, необходимый для выработки электроэнергии в топливном элементе 100. Например, в транспортном средстве на топливном элементе контроллер 500 увеличивает или уменьшает требуемый расход воздуха для того, чтобы увеличить или уменьшить электроэнергию, генерируемую в топливном элементе 100 в соответствии со степенью открытия акселератора транспортного средства на топливном элементе. В этом описании термин «расход» используется для обозначения массового расхода.

[0029] Фиг. 2 представляет собой диаграмму, показывающую взаимосвязь между расходом (количеством выпущенного воздуха) воздуха, выпускаемого компрессором 310, и энергопотреблением электродвигателя 320 для привода компрессора 310 в системе 10 топливных элементов. Диаграмма, показанная на фиг. 2, иллюстрирует взаимосвязь между количеством воздуха, выпускаемого компрессором 310, и энергией, потребляемой электродвигателем 320, когда перепускной клапан 240 всегда поддерживается в закрытом состоянии. Горизонтальная ось диаграммы, показанной на фиг. 2, показывает количество воздуха, выпускаемого компрессором 310. Вертикальная ось обозначает энергопотребление электродвигателя 320. В области, где количество воздуха, выпускаемого компрессором 310, является большим, энергопотребление электродвигателя 320 увеличивается с увеличением количества воздуха, выпускаемого компрессором 310. С другой стороны, в области, где количество воздуха, выпускаемого компрессором 310, является небольшим, при уменьшении количества воздуха, выпускаемого компрессором 310, тяговое усилие турбины 330 уменьшается из-за трения качения колеса 331 турбины, увеличивается энергопотребление электродвигателя 320. Поэтому на диаграмме, показанной на фиг. 2, показан расход, при котором энергопотребление электродвигателя 320 относительно количества воздуха, выпускаемого компрессором 310, становится минимальным. В дальнейшем диапазон, в котором количество воздуха, выпускаемого компрессором 310, меньше, чем расход, при котором энергопотребление электродвигателя 320 становится минимальным, будет называться «областью с низким КПД».

[0030] Количество воздуха, выпускаемого компрессором 310, определяется в соответствии с требуемым расходом воздуха. В случае транспортного средства на топливном элементе требуемый расход воздуха определяется в соответствии со степенью открытия акселератора или тому подобного. Поэтому, когда степень открытия ускорителя мала, требуемый расход воздуха также становится малым. Соответственно, компрессор 310 работает в области с низким КПД, и в некоторых случаях энергопотребление электродвигателя 320 может увеличиться. Таким образом, система 10 топливных элементов согласно настоящему примеру осуществления изобретения выполняет перепускное управление, описанное ниже, для увеличения количества воздуха, выпускаемого компрессором 310. В результате тяговое усилие турбины 330 увеличивается, а энергопотребление электродвигателя 320 уменьшается.

[0031] На фиг. 3 представлена блок-схема, показывающая процесс управления перепуском. В этом описании термин «управление перепуском» относится к процессу, в котором контроллер 500 регулирует расход воздуха, проходящего через перепускной тракт 230 движения потока путем открытия и закрытия перепускного клапана 240 на основе требуемого расхода потока воздуха. Процесс управления перепуском начинается, когда запускается выработка электроэнергии топливным элементом 100, и продолжает происходить до тех пор, пока выработка электроэнергии топливным элементом 100 не прекратится.

[0032] Сначала контроллер 500 определяет, действительно или нет требуемый расход потока воздуха ниже заранее заданного порогового значения (этап S110). В настоящем примере осуществления изобретения «заранее заданное пороговое значение» определяется на основе КПД компрессора 310. В частности, пороговое значение является значением Gmin расхода потока (см. фиг. 2), при котором энергопотребление электродвигателя 320 по отношению к количеству воздуха, выпускаемого компрессором 310, становится минимальным в системе 10 топливных элементов. Кроме того, пороговое значение может соответствовать значению, определенному на основе значения Gmin расхода потока, при котором энергопотребление электродвигателя 320 относительно количество воздуха, выпускаемого компрессором 310, становится минимальным в системе 10 топливных элементов. Пороговое значение не ограничивается величиной, равной значению Gmin расхода потока и может быть величиной, немного меньшей, чем Gmin.

[0033] Если требуемый расход воздуха не ниже заранее заданного порогового значения (этап S110: НЕТ), контроллер 500 закрывает перепускной клапан 240 (этап S120) и управляет работой электродвигателя 320, так что воздух вынужден протекать через топливный элемент 100 с расходом, соответствующим требуемому расходу воздуха. Это управление называется «первым управлением».

[0034] С другой стороны, если требуемый расход воздуха ниже, чем заранее заданное пороговое значение (этап S110: ДА) то есть, если количество воздуха, выпускаемого компрессором 310, находится в области низкого КПД, контроллер 500 управляет степенью открытия перепускного клапана 240, так, чтобы воздух вынужден был течь через перепускной тракт 230 движения потока, и управляет работой электродвигателя 320, так, чтобы вызвать прохождение воздуха через топливный элемент 100 с расходом, соответствующим требуемому расходу воздуха. Более конкретно, сначала контроллер 500 получает разность ΔG между требуемым расходом воздуха и пороговым значением (этап S130). Далее, контроллер 500 определяет целевую степень открытия перепускного клапана 240 из карты целевой степени открытия перепускного клапана, сохраненной в запоминающем устройстве (этап S140).

[0035] Фиг. 4 представляет собой пояснительную диаграмму, показывающую карту целевой степени открытия перепускного клапана. На карте целевой степени открытия перепускного клапана целевая степень открытия перепускного клапана 240 регистрируется в сочетании с требуемым давлением воздуха и разностью ΔG между требуемым расходом воздуха и пороговым значением. Термин «целевая степень открытия» относится к целевому значению степени открытия перепускного клапана 240. Карта целевой степени открытия перепускного клапана может быть получена путем получения соответствующей степени открытия перепускного клапана 240 в соответствии с разностью ΔG между требуемым расходом воздуха, пороговым значением и требуемым давлением воздуха, посредством тестового испытания, которое выполняется заранее. Термин «требуемое давление воздуха» относится к давлению воздуха, необходимому для выработки электроэнергии топливным элементом 100. Давление воздуха, протекающего в топливном элементе 100, регулируется так, чтобы стать требуемым давлением воздуха, поскольку контроллер 500 управляет клапаном 221 регулирования давления или отношением давления, которое представляет собой отношение давления (давления всасываемого воздуха) воздуха, всасываемого в компрессор 310, и давления (давления выпускаемого воздуха) воздуха, выпускаемого из компрессора 310. На этапе S140 контроллер 500 может рассчитать целевую степень открытия перепускного клапана 240 на основе заранее заданной функции вместо того, чтобы обращаться к карте целевой степени открытия перепускного клапана.

[0036] После определения целевой степени открытия перепускного клапана 240 контроллер 500 открывает перепускной клапан 240 при целевой степени раскрытия (этап S150 на фиг. 3) и управляет работой электродвигателя 320, так, чтобы вызвать прохождение воздуха через топливный элемент 100 с расходом, соответствующим требуемому расходу воздуха. В настоящем примере осуществления изобретения контроллер 500 выполняет второе управление, сохраняя при этом число оборотов электродвигателя 320 постоянным. Кроме того, в настоящем примере осуществления изобретения контроллер 500 выполняет второе управление и поддерживает постоянное отношение давлений, которое является отношением давления воздуха, всасываемого компрессором 310, и давления воздуха, выпускаемого компрессором 310.

[0037] Фиг. 5 представляет собой пояснительную диаграмму, показывающую рабочие характеристики компрессора 310. Рабочие характеристики компрессора 310 получают посредством тестового испытания компрессора 310. Горизонтальная ось обозначает количество воздуха, выпускаемого компрессором 310. Вертикальная ось обозначает отношение давлений компрессора 310. Линия равномерного вращения представляет собой линию, которая соединяет рабочие точки, в которых число оборотов компрессора 310 остается неизменным. Линия равного КПД представляет собой линию, соединяющую рабочие точки, в которых КПД компрессора 310 остается неизменным. Рабочая предельная линия представляет собой линию, которая соединяет точки, соответствующие параметрам, при которых компрессор 310 не может нагнетать воздух из-за прекращения вращения или пр.

[0038] Работа с использованием второго управления будет описана со ссылкой на фиг. 5. В состоянии, в котором число оборотов компрессора 310 (число оборотов электродвигателя 320) поддерживается постоянным, и в состоянии, в котором отношение давлений компрессора 310 поддерживается по существу постоянным (этап S150 на фиг. 3), когда перепускной клапан 240 открывается до целевой степени открытия, полученной с использованием карты целевой степени открытия перепускного клапана, потери давления на стороне ниже по потоку от компрессора 310 уменьшаются. Поэтому расход воздуха, всасываемого в компрессор 310, возрастает, а количество воздуха, выпускаемого компрессором 310, увеличивается. По мере увеличения количество воздуха, выпускаемого компрессором 310, рабочая точка компрессора 310 смещается от рабочей точки Pa, соответствующей требуемому расходу воздуха, к рабочей точке Pb, показывающей более высокий КПД, чем рабочая точка Pa.

[0039] По мере увеличения количества воздуха, выпускаемого компрессором 310, увеличивается количество воздуха (избыточный воздух), имеющего расход, превышающий требуемый расход воздуха. Однако в это время контроллер 500 меняет степень открытия перепускного клапана 240 на степень открытия, при которой воздух, имеющий расход, соответствующий требуемому расходу воздуха, вынужден течь через топливный элемент 100, и при котором избыток воздуха вынужден течь через перепускной тракт 230 движения потока. Поэтому расход воздуха, подаваемого на топливный элемент 100, не меняется.

[0040] Избыточный воздух подается в турбину 330 через перепускной тракт 230 движения потока без прохождения внутрь топливного элемента 100. Поскольку расход воздуха, подаваемого в турбину 330, представляет собой сумму расхода воздуха, выпускаемого из топливного элемента 100 и расхода избыточного воздуха, проходящего через перепускной тракт 230 движения потока, расход воздуха, подаваемого в турбину 330, увеличивается. Поэтому дренированная вода топливного элемента 100 в воздушном тракте 220 движения выпускаемого воздуха испаряется избыточным воздухом и подается в турбину 330. Это увеличивает тяговое усилие турбины 330 для содействия приводу компрессора 310 электродвигателем 320.

[0041] Посредством системы 10 топливных элементов согласно настоящему изобретению, описанной выше, когда требуемый расход воздуха мал, воздух, подаваемый компрессором 310, непосредственно подается не только на топливный элемент 100, но и на турбину 330 для содействия приводу компрессора 310 через перепускной тракт 230 движения потока. Поэтому можно снизить потребляемую мощность электродвигателя 320 для привода компрессора 310 без снижения расхода воздуха, подаваемого на топливный элемент 100. Это позволяет повысить топливную экономичность системы 10 топливных элементов.

[0042] Кроме того, в настоящем примере осуществления изобретения пороговое значение для определения того, выполнять ли или не выполнять описанное выше второе управление, назначается равным значению, определяемому исходя из значения Gmin расхода потока, при котором энергопотребление электродвигателя 320 по отношению к количеству воздуха, выпускаемого компрессором 310, становится минимальным в системе 10 топливных элементов. Поэтому, когда необходимый расход воздуха соответствует области низкого КПД компрессора 310, величина количества воздуха, выпускаемого компрессором 310, может быть принудительно перемещена в область высокого КПД. Кроме того, в настоящем примере осуществления изобретения пороговое значение назначается равным значению Gmin расхода потока, при котором энергопотребление электродвигателя 320 по отношению к количеству воздуха, выпускаемого компрессором 310, становится минимальным в системе 10 топливных элементов. Поэтому можно минимизировать энергопотребление электродвигателя 320 для привода компрессора 310 при втором управлении.

[0043] Кроме того, в настоящем примере осуществления изобретения второе управление выполняется при сохранении числа оборотов электродвигателя 320 постоянным. Как следствие, можно предотвратить увеличение энергопотребления электродвигателя 320 во время выполнения второго управления.

[0044] Кроме того, в настоящем примере осуществления изобретения выполняется второе управление при сохранении отношения давлений компрессора 310 постоянным. В связи с этим давление всасывания воздуха компрессора 310 примерно такое же, что и атмосферное давление, и трудно не заметить внезапное изменение. Поэтому посредством выполнения второго управления при сохранении при этом отношения давлений компрессора 310 постоянным возможно предотвратить снижение давления внутри топливного элемента 100 во время выполнения второго управления. Кроме того, если давление в топливном элементе 100 уменьшается, точка кипения воды снижается, и электролитическая мембрана топливного элемента 100 легко высыхает. Если электролитическая мембран высыхает, ионная проводимость мембраны также уменьшается, и электроэнергия, генерируемая топливным элементом 100, снижается. Поэтому, устраняя снижение давления внутри топливного элемента 100 во время выполнения второго управления, можно предотвращать снижение электроэнергии, генерируемой топливным элементом 100.

[0045] Как показано на фиг. 5, когда количества воздуха, выпускаемого компрессором 310, увеличивается на определенную величину или больше в состоянии, в котором количество воздуха, выпускаемого компрессором 310, невелико, при этом число оборотов электродвигателя 320 постоянно, отношение давлений компрессора 310 постепенно уменьшается. В этом случае, чтобы поддерживать отношение давлений компрессора 310 в соответствии с требуемым давлением воздуха топливного элемента 100, необходимо увеличить число оборотов электродвигателя 320 в ответ на уменьшение отношения давлений компрессора 310. Это приводит к увеличению энергопотребления электродвигателя 320. Однако в настоящем примере осуществления изобретения число оборотов электродвигателя 320 поддерживается постоянным, и второе управление выполняется в области, где отношение давлений компрессора 310 не уменьшается, то есть в состоянии, в котором отношение давлений компрессора 310 является постоянным. Поэтому можно увеличить количество воздуха, выпускаемого компрессором 310, без увеличения энергопотребления электродвигателя 320. В частности, в данном примере осуществления изобретения сила вращения электродвигателя 320 может помогать турбине 330 в области низкого КПД. Поэтому можно уменьшить энергопотребление электродвигателя 320, поддерживая при этом число оборотов электродвигателя 320. В настоящем примере осуществления изобретения число оборотов электродвигателя 320 и отношение давлений компрессора 310 поддерживаются постоянными. Однако либо число оборотов электродвигателя 320, либо отношение давлений компрессора 310 может измениться в пределах диапазона, в котором энергопотребление электродвигателя 320 не увеличивается.

[0046] В настоящем примере осуществления изобретения «заранее заданное пороговое значение» определяется на основе КПД компрессора 310. В качестве альтернативного варианта «заранее заданное пороговое значение» может быть определено на основе количества воздуха, выпускаемого компрессором 310. Например, количество воздуха, выпускаемого компрессором 310, можно разделить на область с большим расходом и область с низким расходом, а пороговое значение можно определить, используя значение, служащее границей между двумя областями. Даже в этом случае можно предотвратить работу компрессора 310 в области низкого КПД.

[0047] B. Второй пример осуществления изобретения

Фиг. 6 представляет собой блок-схему, показывающую процесс определения перепуска в соответствии со вторым примером осуществления изобретения. Этот процесс представляет собой процесс для определения того, выполнять ли процесс управления перепуском, показанный на фиг. 3. Этот процесс запускается, когда начинается выработка электроэнергии топливным элементом и продолжает происходить до тех пор, пока не прекратится выработка электроэнергии топливным элементом 100. Во втором примере осуществления изобретения конфигурация системы 10 топливных элементов такая же, что и в первом примере осуществления изобретения (фиг. 1).

[0048] В системе 10 топливных элементов второго примера осуществления изобретения контроллер 500 получает требуемый расход G1 воздуха в момент t1, который составляет опережает на Δt секунд (например, одну секунду) момент t2 времени, которое является текущим временем (этап S210), а затем получает требуемый расход G2 воздуха в момент t2 времени (этап S220). Затем контроллер 500 получает величину приращения требуемого расхода воздуха в единицу времени с использованием требуемого расхода G1 воздуха в момент t1 времени и требуемого расхода G2 воздуха в момент t2 времени (этап S230) и определяет, равно или превышает величина приращения требуемого расхода воздуха в единицу времени заранее заданное значение величины приращения (этап S240). Когда величина приращения требуемого расхода воздуха в единицу времени равна или больше, чем заранее заданная величина приращения (этап S240: ДА), контроллер 500 закрывает перепускной клапан 240 независимо от того, ниже ли требуемый расход воздуха, чем пороговое значение (шаг модель s250), и управляет работой электродвигателя 320 таким образом, что воздух вынужден течь через топливный элемент 100 с расходом, соответствующим требуемому расходу воздуха. После этого процесс возвращается на этап S210. С другой стороны, когда величина приращения требуемого расхода воздуха в единицу времени меньше заранее заданной величины приращения (этап S240: НЕТ), контроллер 500 осуществляет управление перепуском, как и в первом примере осуществления изобретения (этап 260). После этого процесс снова начинается с этапа S210.

[0049] В системе 10 топливных элементов настоящего примера осуществления изобретения, описанном выше, когда величина приращения требуемого расхода воздуха в единицу времени равна или больше, чем заранее заданная величина приращения, перепускной клапан 240 закрывается независимо от того, меньше ли требуемый расход воздуха порогового значения, и работа электродвигателя 320 регулируется таким образом, чтобы вызвать прохождение воздуха через топливный элемент 100 с расходом, соответствующим требуемому расходу воздуха. Поэтому, когда величина приращения требуемого расхода воздуха в единицу времени резко увеличивается до или выше заранее заданной величины приращения, можно предотвратить протекание части воздуха, имеющей расход, соответствующий увеличенному требуемому расходу воздуха, в направлении перепускного тракта 230 движения потока без подачи на топливный элемент 100. В результате, когда требуемый расход воздуха быстро увеличивается, можно предотвратить задержку подачи воздуха на топливный элемент 100. В транспортном средстве на топливных элементах можно предотвратить задержку по времени с момента времени, когда нажимается акселератор, и требуемый расход воздуха топливного элемента 100 увеличивается в ответ на увеличение энергопотребления транспортным средством на топливных элементах, до момента времени, когда воздух, имеющий расход, соответствующий увеличенному требуемому расходу воздуха, фактически подается на топливный элемент 100. Поэтому можно предотвратить снижение управляемости из-за задержки ответа на запрос ускорения.

[0050] C. Третий пример осуществления изобретения

Фиг. 7 представляет собой пояснительную схему, показывающую систему 10с топливных элементов согласно третьему примеру осуществления изобретения. Система 10с топливных элементов третьего примера осуществления изобретения отличается от системы 10 топливных элементов первого примера осуществления изобретения (фиг. 1) тем, что система 10с топливных элементов включает в себя аккумуляторный бачок 410, датчик 411 давления в бачке, первый клапан 420 бачка и второй клапан 430 бачка. Кроме того, в третьем примере осуществления изобретения условия для выполнения управления перепуском отличаются от условий первого примера осуществления изобретения (фиг. 3).

[0051] Аккумуляторный бачок 410 соединен со стороной ниже по потоку перепускного клапана 240 в перепускном тракте 230 движения потока. Аккумуляторный бачок 410 представляет собой резервуар для хранения воздуха, проходящего через перепускной тракт 230 движения потока.

[0052] Датчик 411 давления в бачке является датчиком давления для получения значения давления воздуха, находящегося в аккумуляторном бачке 410.

[0053] Первый клапан 420 бачка расположен на соединительном участке между аккумуляторным бачком 410 и перепускным трактом 230 движения потока. Первый клапан 420 бачка представляет собой клапан для открытия и закрытия соединения между аккумуляторным бачком 410 и перепускным трактом 230 движения потока.

[0054] Второй клапан 430 бачка расположен на стороне ниже по потоку от аккумуляторного бачка 410 в тракте 230 движения потока. Второй клапан 430 бачка представляет собой клапан для открывания и закрывания перепускного тракта 230 движения потока.

[0055] Фиг. 8 представляет собой блок-схему, показывающую процесс перепуска в соответствии с третьим примером осуществления изобретения. Этот процесс запускается, когда начинается генерация электроэнергии топливным элементом 100 и продолжается до тех пор, пока не прекратится генерация электроэнергии топливным элементом 100. Содержание процесса управления перепуском в третьем примере осуществления изобретения, когда требуемый расход воздуха увеличивается, частично совпадает с процессом управления перепуском во втором примере осуществления изобретения, показанном на фиг. 6 при увеличении требуемого расхода воздуха. Поэтому на фиг. 8 тот же номер этапа, что и на фиг. 6, используется для того же этапа процесса, что и на фиг. 6.

[0056] В системе 10 топливных элементов третьего примера осуществления изобретения контроллер 500 получает данные по требуемому расходу G1 воздуха в момент t1 времени, который опережает на Δt секунд (например, одну секунду) момент t2 времени, который является текущим временем (этап S210), а затем получает данные по требуемому расходу G2 воздуха в момент t2 времени (этап S220). Затем контроллер 500 получает данные по величине приращения требуемого расхода воздуха в единицу времени с использованием требуемого расхода G1 воздуха в момент t1 времени и требуемого расхода G2 воздуха в момент t2 времени (этап S230) и определяет равна или превышает величина приращения требуемого расхода воздуха в единицу времени заранее заданную величину приращения (этап S240).

[0057] Когда величина приращения требуемого расхода воздуха в единицу времени равна или превышает заранее заданную величину приращения (этап S240: ДА), контроллер 500 определяет, равно ли внутреннее давление бачка или выше, чем целевое давление в бачке (этап S310). «Внутреннее давление в бачке» представляет собой давление, полученное датчиком 411 давления в бачке, и представляет собой давление воздуха, фактически хранящегося в аккумуляторном бачке 410. «Целевое давление в бачке» является целевым значением давления воздуха, находящегося в аккумуляторном бачке 410. Целевое давление в бачке может быть определено заранее в качестве давления, подходящего для снижения энергопотребления электродвигателя 320, путем подачи воздуха, хранящегося в аккумуляторном бачке 410, на турбину 330. Когда внутреннее давление в бачке равно или превышает целевое давление в бачке (этап S310: ДА), перепускной клапан 240 закрывается, а первый клапан 420 бачка и второй клапан 430 бачка открываются (этап S320). Поэтому, когда внутреннее давление в бачке равно или превышает заданное целевое давление в бачке, воздух высокого давления, находящийся в аккумуляторном бачке 410, может подаваться на турбину 330, одновременно предотвращая возврат воздуха, находящегося в аккумуляторном бачке 410, назад от перепускного тракта 230 к тракту 210 движения подаваемого воздуха. После этапа S320 процесс снова возвращается к этапу S210. С другой стороны, когда внутреннее давление в бачке ниже целевого давления в бачке (этап S310: НЕТ), контроллер 500 закрывает перепускной клапан 240, первый клапан 420 бачка и второй клапан 430 бачка (этап S330). Поэтому, когда внутреннее давление в бачке не достигает целевого давления в бачке, а эффект снижения энергопотребления электродвигателя 320 относительно требуемого расхода воздуха мал, воздух, находящийся в аккумуляторном бачке 410, не выпускается. В этой связи на этапе S330 либо клапан 420 первого бачка, либо клапан 430 второго бачка может находиться в открытом состоянии. После этапа S330 процесс снова возвращается к этапу S210.

[0058] На этапе S240, описанном выше, когда величина приращения требуемого расхода воздуха в единицу времени меньше заранее заданной величины приращения (этап S240: NO), контроллер 500 выполняет управление перепуском, как в первом примере осуществления изобретения, и определяет, действительно ли требуемый расход воздуха ниже заранее заданного порогового значения (этап S110). Если требуемый расход воздуха не ниже заранее заданного порогового значения (этап S110: НЕТ), контроллер 500 выполняет первое управление и переводит перепускной клапан 240 в закрытое состояние (этап S120 на фиг. 3). После этого контроллер 500 заставляет процесс перейти к этапу S310, описанному выше. С другой стороны, когда требуемый расход воздуха ниже заранее заданного порогового значения (этап S110: ДА), контроллер 500 выполняет второе управление (этапы S130-S150 на фиг. 3). После этого контроллер 500 определяет, является ли внутреннее давление бачка равным или превышающим требуемое давление воздуха или целевое давление в бачке (этап S340). Когда внутреннее давление в бачке равно или превышает требуемое давление воздуха или целевое давление в бачке (этап S340: ДА), контроллер 500 открывает перепускной клапан 240 и второй клапан 430 бачка и закрывает первый клапан 420 бачка (этап S350). Поэтому, при предотвращении возврата воздуха, находящегося в аккумуляторном бачке 410, от протекания назад из перепускного тракта 230 в тракт 210 движения подаваемого воздуха, воздух, выпускаемый из компрессора 310, может перепускаться из тракта 210 движение подаваемого воздуха в тракт 220 движения выпускаемого воздуха через перепускной тракт 230 движения потока. С другой стороны, когда внутреннее давление в бачке ниже требуемого давления воздуха или целевого давления в бачке (этап S340: НЕТ), контроллер 500 открывает перепускной клапан 240, первый клапан 420 бачка и второй клапан 430 бачка (этап S360). Поэтому, при перепуске воздуха из тракта 210 подачи воздуха в тракт 220 движения выпускаемого воздуха через перепускной тракт 230 движения потока, часть перепускаемого воздуха может накапливаться в аккумуляторном бачке 410.

[0059] В системе 10 топливных элементов настоящего примера осуществления изобретения, описанной выше, во время второго управления часть избыточного воздуха, протекающего через перепускной тракт 230 движения потока, может находиться в аккумуляторном бачке 410. Даже когда перепускной клапан 240 закрыт, воздух, находящийся в аккумуляторном бачке 410 во время второго управления, может подаваться на турбину 330. Поэтому, даже когда перепускной клапан 240 закрыт, можно увеличивать тяговое усилие турбины 330 для содействия приводу компрессора 310 электродвигателем 320. В транспортном средстве на топливном элементе, как во втором примере осуществления изобретения, при нажатии на акселератор, можно предотвратить задержку на время, требующееся до тех пор, пока воздух, имеющий расход, соответствующий увеличенному требуемому расходу воздуха, будет подаваться фактически на топливный элемент 100. Кроме того, во время движения транспортного средства на топливных элементах в области, отличной от области с низким КПД (например, во время устойчивого перемещения по скоростной автомагистрали), или при запросе ускорения, даже если перепускной клапан 240 находится в закрытом состоянии, можно увеличить тяговое усилие турбиной 330. Поэтому можно предотвратить снижение управляемости из-за задержки ответа на запрос ускорения и повысить характеристики ускорения транспортного средства на топливных элементах.

[0060] Система 10 топливных элементов согласно настоящему примеру осуществления изобретения включает в себя первый клапан 420 бачка и второй клапан 430 бачка. Однако первый клапан 420 бачка и второй клапан 430 бачка не являются существенными компонентами. Даже если первый резервуар клапан 420 бачка и второй клапан 430 бачка не установлены, воздух может храниться в аккумуляторном бачке 410 во время второго управления. Поэтому, когда перепускной клапан 240 закрыт, воздух, хранящийся в аккумуляторном бачке 410, может подаваться на турбину 330. Соответственно, даже в такой конфигурации, даже если перепускной клапан 240 закрыт, можно увеличить тяговое усилие турбины 330.

[0061] D. Четвертый пример осуществления изобретения

Фиг. 9 представляет собой пояснительную схему, показывающую систему 10 топливных элементов в соответствии с четвертым примером осуществления изобретения. В системе 10 топливных элементов, показанной на фиг. 1, клапан 221 регулирования давления расположен на стороне ниже по потоку топливного элемента в тракте 220 движения выпускаемого воздуха и на стороне выше по потоку соединительного участка между перепускным трактом 230 движения потока и трактом 220 движения выпускаемого воздуха. Однако в настоящем примере осуществления изобретения, как показано на фиг. 9, клапан 221 регулирования давления расположен на стороне выше по потоку турбины 330 в тракте 220 движения выпускаемого воздуха и на стороне ниже по потоку соединительного участка между перепускным трактом 230 движения потока и трактом 220 движения выпускаемого воздуха. Это позволяет предотвратить внезапное колебание давления на стороне выше по потоку клапана 221 регулирования давления. Поэтому можно предотвратить быстрое падение давления внутри топливного элемента 100, вместе с открытием и закрытием перепускного клапана 240.

[0062] E. Пятый пример осуществления изобретения

Фиг. 10 представляет собой пояснительную схему, показывающая контур системы 10 топливных элементов в соответствии с пятым вариантом осуществления. В системе 10 топливных элементов, показанной на фиг. 9, клапан 221 регулирования давления и кожух 332 турбины установлены отдельно. Однако в настоящем примере осуществления изобретения, как показано на фиг. 10, клапан 221e регулирования давления и кожух 332e турбины выполнены за одно целое. Более конкретно, клапанная коробка клапана 221е регулирования давления выполнена за одно целое с кожухом 332e турбины, а корпус клапана 221e регулирования давления расположен на стороне выше по потоку турбинного колеса 331 в турбине 330е. Например, турбина 330e настоящего примера осуществления изобретения может быть образована турбонагнетателем с соплом переменного сечения, в котором всасывающее отверстие для воздуха в турбине 330е и клапан 221e регулирования давления выполнены за одно целое. Таким образом, регулируя степень открывания клапана 221e регулирования давления, можно изменить скорость потока воздуха, поступающего на турбинное колесо 331. Поэтому конфигурация системы 10 топливных элементов может быть упрощена, а тяговое усилие турбины 330е для содействия приводу компрессора 310 с помощью электродвигателя 320 может быть увеличено.

[0063] F. Шестой пример осуществления изобретения

Фиг. 11 представляет собой схематический вид в разрезе, показывающий турбину 330f в соответствии с шестым примером осуществления изобретения. В системе 10 топливных элементов, показанной на фиг. 1, перепускной тракт 230 движения потока подсоединен к тракту 220 движения выпускаемого воздуха. Однако в настоящем примере осуществления изобретения, как показано на фиг. 11, тракт 230 движения потока непосредственно подключен к внутренней части кожуха 332f турбины 330f, коробка клапана перепускного клапана 240f выполнена за одно целое с кожухом 332f турбины, а корпус клапана перепускного клапана 240f расположен на верхней по потоку стороне турбинного колеса 331 в турбине 330f. Таким образом, конфигурация системы 10 топливных элементов может быть упрощена.

[0064] G. Седьмой пример осуществления изобретения

Фиг. 12 представляет собой схематический вид в разрезе, показывающий турбину 330g согласно седьмому примеру осуществления изобретения. На турбине 330f, показанной на фиг. 11, перепускной тракт 230 движения потока непосредственно соединен с внутренней частью кожуха 332f турбины 330f. В настоящем примере осуществления изобретения, как показано на фиг. 12, перепускной тракт 230 движения потока, таким образом, напрямую соединен с кожухом 332g турбины 330g. Кроме того, отверстие 231 перепускного тракта 230 движения потока в кожухе 332g турбины ориентировано так, что воздух, протекающий из перепускного тракта 230 движения потока в кожух 332g турбины, течет в таком направлении, чтобы содействовать вращению турбинного колеса 331 турбины 330g. В результате воздух, вытекающий из перепускного тракта 230 движения потока в кожух 332g турбины, не препятствует вращению турбинного колеса 331 и способствует вращению турбинного колеса 331. Поэтому конфигурация системы 10 топливных элементов может быть упрощена, и тяговое усилие турбины 330g для содействия приводу компрессора 310 электродвигателем 320 может быть увеличено.

[0065] H. Восьмой пример осуществления изобретения

В системе 10 топливных элементов, показанной на фиг. 7, первый клапан 420 бачка расположен на соединительном участке между аккумуляторным бачком 410 и перепускным трактом 230 движения потока, и первый клапан 420 бачка, таким образом, также служит в качестве впускного воздушного отверстия и выпускного воздушного отверстия аккумуляторного бачка 410. Однако впускное воздушное отверстие и выпускное воздушное отверстие аккумуляторного бачка 410 могут быть отдельно расположены на соединительном участке между аккумуляторным бачком 410 и перепускным трактом 230 движения потока, а клапаны для открытия и закрытия соединения между аккумуляторным бачком 410 и перепускным трактом 230 движения потока могут быть расположены со стороны впуска и выпуска, соответственно. В этом случае, при нахождении воздуха в аккумуляторном бачке (этап S360 на фиг. 8), клапан на стороне впуска открывается, а клапан на стороне выпуска закрывается. Кроме того, при выпускании воздуха, находящегося в аккумуляторном бачке (этап S320 на фиг. 8), клапан на стороне впуска закрывается, а клапан на стороне выпуска открывается. Даже в системе 10 топливных элементов этого примера осуществления изобретения могут быть получены те же результаты, что и в третьем примере осуществления изобретения.

[0066] I. Девятый пример осуществления изобретения

В системе 10 топливных элементов, показанной на фиг. 1, промежуточный охладитель для охлаждения воздуха, проходящего через тракт 210 движения подаваемого воздуха, может быть расположен на стороне выше по потоку топливного элемента 100 в тракте 210 движения подаваемого воздуха и на стороне ниже по потоку соединительного участка между перепускным трактом 230 движения потока и трактом 210 движения подаваемого воздуха. При такой конфигурации температура воздуха, подаваемого на топливный элемент 100, может быть снижена, сушка мембраны электролита топливного элемента 100 может быть предотвращена, и плотность воздуха, подаваемого на топливный элемент 100, может быть увеличена.

[0067] Изобретение не ограничивается вышеописанными примерами осуществления изобретения и может быть реализовано в различных конфигурациях в пределах сущности изобретения. Например, для решения некоторых или всех вышеперечисленных проблем или для достижения некоторых или всех вышеупомянутых результатов, технические признаки в примерах осуществления изобретения, соответствующие техническим признакам в соответствующих формах, описанных в сущности изобретения, могут быть заменены или объединены по мере необходимости. Кроме того, если технические признаки не описаны как существенные в этом описании, они могут быть удалены, если это необходимо.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к система топливных элементов, которая содержит электродвигатель для привода компрессора, который подает воздух на топливный элемент, турбину, содействующую компрессору, перепускной клапан, который открывает и закрывает перепускной тракт движения потока, и контроллер. Когда требуемый расход воздуха равен или превышает пороговое значение, контроллер закрывает перепускной клапан и управляет электродвигателем, чтобы заставить воздух проходить через топливный элемент с расходом, соответствующим требуемому расходу. Когда требуемый расход воздуха ниже порогового значения, контроллер открывает перепускной клапан, чтобы воздух проходил через перепускной тракт движения потока, и управляет электродвигателем, чтобы вызвать прохождение воздуха через топливный элемент с расходом, соответствующим требуемому расходу воздуха. Устранение снижения давления при открытом и закрытом перепускном клапане, а также повышение топливной эффективности системы топливных элементов, является техническим результатом изобретения 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 12 ил., 9 пр.

1. Система топливных элементов, содержащая:

топливный элемент;

тракт движения подаваемого воздуха, сконфигурированный для подачи воздуха на топливный элемент;

тракт движения выпускаемого воздуха, сконфигурированный для выпуска воздуха из топливного элемента;

компрессор, сконфигурированный для подачи воздуха в тракт движения подаваемого воздуха;

электродвигатель, сконфигурированный для привода компрессора;

турбину, расположенную в тракте движения выпускаемого воздуха для содействия приводу компрессора электродвигателем;

перепускной тракт движения потока, сконфигурированный для соединения стороны ниже по потоку компрессора в тракте движения подаваемого воздуха со стороной выше по потоку турбины в тракте движения выпускаемого воздуха;

перевыпускной клапан, сконфигурированный для открытия и закрытия перепускного тракта движения потока; и

контроллер, сконфигурированный для управления работой электродвигателя, и открытия и закрытия перепускного клапана в соответствии с требуемым расходом воздуха, который представляет собой расход воздуха, необходимый для выработки энергии топливным элементом,

при условии, что требуемый расход воздуха равен или превышает заранее заданное пороговое значение, контроллер выполняет первое управление, в котором перепускной клапан закрыт, и выполняется управление работой электродвигателя так, чтобы вызвать прохождение потока воздуха через топливный элемент с расходом, соответствующим требуемому расходу воздуха, и

при условии, что требуемый расход воздуха ниже заранее заданного порогового значения, контроллер выполняет второе управление, в котором перепускной клапан открыт, чтобы вызвать прохождение воздуха через перепускной тракт движения потока, и выполняется управление работой электродвигателя так, чтобы вызвать прохождение потока воздуха через топливный элемент при расходе, соответствующем требуемому расходу воздуха.

2. Система топливных элементов по п. 1, в которой заранее заданное пороговое значение представляет собой значение, определенное на основе расхода, при котором отношение энергопотребления электродвигателя к расходу воздуха, выпускаемого компрессором в системе топливных элементов, становится минимальным.

3. Система топливных элементов по п.1 или 2, в которой, когда величина приращения требуемого расхода воздуха в единицу времени равна или превышает заранее заданную величину приращения, контроллер закрывает перепускной клапан независимо от того, ниже ли требуемый расход воздуха заранее заданного порогового значения.

4. Система топливных элементов по п.1 или 2, дополнительно содержащая аккумуляторный бачок, соединенный со стороной ниже по потоку перепускного клапана в перепускном тракте движения потока и сконфигурированный для хранения воздуха, протекающего через перепускной тракт движения потока.

5. Система топливных элементов по п.1 или 2, дополнительно содержащая клапан регулирования давления, расположенный на стороне выше по потоку турбины в тракте движения выпускаемого воздуха, и на стороне ниже по потоку соединительного участка между перепускным трактом движения потока и трактом движения выпускаемого воздуха, и сконфигурированный для регулирования давления воздуха, протекающего через топливный элемент.

6. Система топливных элементов по п.5, в которой

клапанная коробка клапана регулирования давления выполнена за одно целое с кожухом турбины; и

корпус клапана регулирования давления расположен на стороне выше по потоку турбинного колеса в турбине.

7. Система топливных элементов по п.1 или 2, в которой:

перепускной тракт движения потока соединен с внутренней частью кожуха турбины;

клапанная коробка перепускного клапана выполнена за одно целое с кожухом турбины; и

корпус клапана перепускного клапана расположен на стороне выше по потоку турбинного колеса в турбине.

8. Система топливных элементов по п.1 или 2, в которой перепускной тракт движения потока подсоединен к внутренней части кожуха турбины, а отверстие перепускного тракта движения потока в кожухе турбины ориентировано так, чтобы поток воздуха, вытекающий из перепускного тракта потока, поступал в кожух турбины, чтобы течь в таком направлении, чтобы способствовать вращению турбинного колеса турбины.

9. Система топливных элементов по п.1 или 2, в которой контроллер выполняет второе управление с постоянным числом оборотов электродвигателя.

10. Система топливных элементов по п.1 или 2, в которой контроллер выполняет второе управление с постоянным отношением давлений, при этом отношение давлений представляет собой отношение давления воздуха, всасываемого в компрессор, и давления воздуха, выпускаемого из компрессора.

11. Способ управления системой топливных элементов, содержащей топливный элемент, тракт движения подаваемого воздуха, сконфигурированный для подачи воздуха на топливный элемент, тракт движения выпускаемого воздуха, сконфигурированный для выпуска воздуха из топливного элемента, компрессор, сконфигурированный для подачи воздуха в тракт движения подаваемого воздуха, электродвигатель, сконфигурированный для привода компрессора, турбину, расположенную в тракте движения выпускаемого воздуха для содействия приводу компрессора электродвигателем,

перепускной тракт движения потока, сконфигурированный для приведения стороны ниже по потоку компрессора в тракте движения подаваемого воздуха в сообщение со стороной выше по потоку турбины в тракте движения выпускаемого воздуха, и перепускной клапан, сконфигурированный для открытия и закрытия перепускного тракта движения потока, при этом способ включает в себя:

при условии, что требуемый расход воздуха, который представляет собой расход воздуха, необходимый для выработки электроэнергии топливным элементом, равен или превышает заранее заданное пороговое значение, выполнение первого управления, при котором перепускной клапан закрыт и выполняется управление работой электродвигателя, чтобы вызвать прохождение потока воздуха через топливный элемент с расходом, соответствующим требуемому расходу воздуха; и

при условии, что требуемый расход воздуха ниже заданного порогового значения, выполнение второго управления, при котором перепускной клапан открыт, чтобы вызвать прохождение воздуха через перепускной тракт движения потока, и выполняется управление работой электродвигателя так, чтобы вызвать прохождение потока воздуха через топливный элемент при расходе, соответствующем требуемому расходу воздуха.