JP6233519B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

ＪＰ２００５−２５９４３９Ａには、高圧タンクから燃料電池に供給されるアノードガス（水素ガス）によりコンプレッサを駆動し、当該コンプレッサによりカソードガス（空気）を燃料電池に供給するものが開示されている。

また、コンプレッサによりカソードガスを燃料電池に供給するものとは直接的に関連しないが、ＪＰ２００３−３１２４４Ａには、燃料電池システムにおけるアノードオフガス循環装置が開示されている。アノードオフガス循環装置は、燃料電池から排出されたアノードオフガスをアノード供給通路に還流させるコンプレッサと、燃料電池から排出されるカソードオフガスにより駆動されて当該コンプレッサを回転させるタービンと、を備えている。

ＪＰ２００５−２５９４３９Ａに開示された燃料電池システムのように、高圧タンクから燃料電池に供給されるアノードガスだけでコンプレッサを駆動するように構成すると、アノードガスが燃料電池に供給されない場合には、コンプレッサを駆動できず、燃料電池にカソードガスを供給することができない。一方、電動モータだけでコンプレッサを駆動するように構成すると、コンプレッサを駆動するために電動モータに要求される動力性能が高くなって電動モータの大型化を招く。

本発明の目的は、コンプレッサ駆動用の駆動モータの小型化が可能な燃料電池システムを提供することである。

本発明のある態様によれば、アノードガス及びカソードガスが供給される燃料電池を備える燃料電池システムが提供される。燃料電池システムは、燃料電池にカソードガスを供給するコンプレッサと、駆動モータと駆動モータ以外を動力源とする駆動体との少なくとも２つを備えて前記コンプレッサを駆動する駆動装置と、を備え、駆動体の動力源として燃料電池システムが有するエネルギ源を用いる。

図１は、本発明の第１実施形態によるカソードガス供給装置を備える燃料電池システムの概略構成図である。 図２Ａは、クラッチ締結状態のカソードガス供給装置を示す断面図である。 図２Ｂは、クラッチ解放状態のカソードガス供給装置を示す断面図である。 図３は、本発明の第１実施形態によるカソードガス供給装置の制御について説明するフローチャートである。 図４は、目標コンプレッサ吸入流量の算出方法について説明するフローチャートである。 図５は、作動流体としてのアノードガスの圧力に基づいて、タービンホイールの出力可能トルクを算出するテーブルである。 図６は、本発明の第２実施形態によるカソードガス供給装置の断面図である。 図７は、第１又は第２実施形態によるカソードガス供給装置を備える燃料電池システムのその他の変形例である。 図８は、第１又は第２実施形態によるカソードガス供給装置を備える燃料電池システムの一変形例である。 図９は、作動流体としてのアノードガスの圧力及び温度に基づいて、タービンの出力可能トルクを算出するマップである。

以下、図面等を参照して、本発明の実施形態について説明する。

＜第１実施形態＞
図１を参照して、本発明の第１実施形態による車両用の燃料電池システム１００について説明する。

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１１０と、カソードガス給排装置１２０と、アノードガス給排装置１３０と、コントローラ１４０と、を備える。

燃料電池スタック１１０は、複数の燃料電池を積層した積層電池である。燃料電池スタック１１０は、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて、車両の走行に必要な電力を発電する。この発電電力は、燃料電池システムを運転するときに使用される各種の補機や、車輪駆動用モータで使用される。

カソードガス給排装置１２０は、燃料電池スタック１１０にカソードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１１０から排出されるカソードオフガスを外部に排出する。カソードガス給排装置１２０は、カソードガス供給通路１２１と、カソードガス排出通路１２２と、ガスフィルタ１２３と、カソードガス供給装置１と、カソードガスクーラ１２４と、水分回収装置（Water Recovery Device；以下「ＷＲＤ」という。）１２５と、カソード調圧弁１２６と、バイパス通路１２７と、バイパス弁１２８と、カソード圧力センサ１４１と、第１エアフローセンサ１４２と、第２エアフローセンサ１４３と、を備える。

カソードガス供給通路１２１は、燃料電池スタック１１０に供給されるカソードガスが流れる通路である。カソードガス供給通路１２１の一端はガスフィルタ１２３に接続され、他端は燃料電池スタック１１０のカソードガス入口部に接続される。

カソードガス排出通路１２２は、燃料電池スタック１１０から排出されるカソードオフガスが流れる通路である。カソードガス排出通路１２２の一端は燃料電池スタック１１０のカソードガス出口部に接続され、他端は開口端として形成される。カソードオフガスは、カソードガスや電極反応によって生じた水蒸気等を含む混合ガスである。

ガスフィルタ１２３は、カソードガス供給通路１２１の先端に設けられる。ガスフィルタ１２３は、カソードガス供給通路１２１に取り込まれる空気（カソードガス）に含まれる塵や埃等を除去する。

カソードガス供給装置１は、ガスフィルタ１２３より下流側のカソードガス供給通路１２１に設けられる。カソードガス供給装置１は、ガスフィルタ１２３で異物が取り除かれたカソードガスを燃料電池スタック１１０に供給する。カソードガス供給装置１の詳細については、図２Ａ及び図２Ｂを参照して説明する。

図２Ａに示すように、カソードガス供給装置１は、カソードガスを圧送するコンプレッサ１０と、コンプレッサ１０を駆動する駆動装置１１と、を備える。駆動装置１１は、コンプレッサ１０を駆動する第１の駆動源としての電動モータ２０と、コンプレッサ１０を駆動する第２の駆動源としてのタービン３０と、電動モータ２０とタービン３０との間に設けられるクラッチ４０と、を備える。そして、本実施形態では、タービン３０に対してタービン３０を駆動するための作動流体を供給する作動流体供給装置５０として、燃料電池スタック１１０にアノードガスを供給するための高圧タンク１３１を用い、高圧タンク１３１から供給されるアノードガスを作動流体として利用している。すなわち、タービン３０の動力源としてアノードガスを使用している。このように、駆動装置１１は、電動モータ２０と、電動モータ２０以外を動力源とするタービン３０と、の少なくとも２つのコンプレッサ駆動源を含み、これらのコンプレッサ駆動源によりコンプレッサ１０を駆動させる。

コンプレッサ１０は、カソードガス供給通路１２１内に設けられる。コンプレッサ１０は、ガスフィルタ１２３とカソードガスクーラ１２４との間に配置される。コンプレッサ１０は、回転駆動されることで、燃料電池スタック１１０にカソードガスを供給するように構成されている。コンプレッサ１０は、電動モータ２０及びタービン３０の一方又は双方の動力のいずれかにより駆動される。

電動モータ２０は、カソードガス供給通路１２１とアノードガス供給通路１３２の間に配置される。電動モータ２０は、モータケース２１と、モータケース２１の内周面に固定されるステータ２２と、ステータ２２の内側に回転可能に配置されるロータ２３と、ロータ２３に設けられた出力回転軸２４と、を備える。

電動モータ２０は、外部電源等から電力の供給を受けて回転駆動する電動機としての機能と、外力によって回転駆動されることで発電する発電機としての機能とを有する。

電動モータ２０の出力回転軸２４の一端はコンプレッサ１０に接続され、出力回転軸２４の他端はクラッチ４０を介してタービン３０に接続される。

タービン３０は、アノードガス供給通路１３２内に設けられる。タービン３０は、高圧タンク１３１とアノード調圧弁１３３との間に配置される。タービン３０は、高圧タンク１３１から燃料電池スタック１１０に供給されるアノードガス（作動流体）により回転駆動されるように構成されている。すなわちタービン３０は、アノードガスの有するエネルギを駆動力に変換するものである。本実施形態では、燃料電池スタック１１０にアノードガスを供給するための高圧タンク１３１を、タービン３０に作動流体を供給する作動流体供給装置５０として利用している。タービン３０の回転駆動力は、クラッチ４０及び電動モータ２０の出力回転軸２４を介してコンプレッサ１０に伝達される。

コンプレッサ１０、電動モータ２０、及びタービン３０は、コンプレッサ１０の回転中心軸と、電動モータ２０の出力回転軸２４と、タービン３０の回転中心軸とが同軸となるように配置される。このように配置することで、カソードガス供給装置１をコンパクトな構成とすることができる。

クラッチ４０は、電動モータ２０の出力回転軸２４とタービン３０との接続状態を切り換える動力伝達装置である。図２Ａに示すように、クラッチ４０が接続された状態（半クラッチの状態も含む）では、電動モータ２０の出力回転軸２４とタービン３０とが接続される。図２Ｂに示すように、クラッチ４０が解放された状態では、電動モータ２０の出力回転軸２４とタービン３０との接続が遮断される。

カソードガス供給装置１では、コンプレッサ１０の駆動に関し、電動モータ２０とタービン３０とがそれぞれ独立した駆動源として機能する。

すなわち、図２Ａに示すクラッチ接続状態では、コンプレッサ１０を、アノードガスの供給を受けて回転駆動するタービン３０の回転駆動力だけで駆動して、カソードガスを燃料電池スタック１１０に供給することができる。また図２Ａに示すクラッチ接続状態では、コンプレッサ１０を、電力により回転駆動する電動モータ２０の回転駆動力と、アノードガスの供給を受けて回転駆動するタービン３０の回転駆動力とにより駆動して、カソードガスを燃料電池スタック１１０に供給することもできる。

一方で、図２Ｂに示すクラッチ解放状態では、コンプレッサ１０を、電力により回転駆動する電動モータ２０の回転駆動力だけで駆動して、カソードガスを燃料電池スタック１１０に供給することができる。このように、コンプレッサ１０を電動モータ２０の回転駆動力だけで駆動するときは、タービン３０を切り離すことでタービン３０が電動モータ２０の負荷となるのを防止する。これにより、タービン３０が負荷となって電動モータ２０の応答性が低下するのを防止できる。

図１に戻り、カソードガスクーラ１２４は、カソードガス供給装置１よりも下流のカソードガス供給通路１２１に設けられる。カソードガスクーラ１２４は、カソードガス供給装置１から吐出されたカソードガスを冷却する。

ＷＲＤ１２５は、カソードガスクーラ１２４よりも下流のカソードガス供給通路１２１に設けられる。ＷＲＤ１２５は、カソードガス供給通路１２１の下流部とカソードガス排出通路１２２の上流部とに跨るように設けられる。ＷＲＤ１２５は、カソードガス排出通路１２２を流れるカソードオフガス中の水分を回収し、その回収した水分でカソードガス供給通路１２１を流れるカソードガスを加湿する。

カソード調圧弁１２６は、ＷＲＤ１２５よりも下流のカソードガス排出通路１２２に設けられる。カソード調圧弁１２６は、コントローラ１４０によって開閉制御され、燃料電池スタック１１０に供給されるカソードガスの圧力を調整する。

バイパス通路１２７は、カソードガス供給装置１から供給されたカソードガスの一部を、燃料電池スタック１１０を経由させずにカソードガス排出通路１２２に直接排出するように構成された通路である。バイパス通路１２７の一端はカソードガス供給装置１とカソードガスクーラ１２４との間のカソードガス供給通路１２１に接続され、他端はカソード調圧弁１２６よりも下流のカソードガス排出通路１２２に接続される。

バイパス弁１２８は、バイパス通路１２７に設けられる。バイパス弁１２８は、コントローラ１４０によって開閉制御され、バイパス通路１２７を通過するカソードガスの流量（バイパス流量）を調整する。

カソード圧力センサ１４１は、カソードガスクーラ１２４とＷＲＤ１２５との間のカソードガス供給通路１２１に設けられる。カソード圧力センサ１４１は、燃料電池スタック１１０に供給されるカソードガスの圧力を検出する。

第１エアフローセンサ１４２は、コンプレッサ１０よりも上流のカソードガス供給通路１２１に設けられる。第１エアフローセンサ１４２は、コンプレッサ１０に吸入されるカソードガスの流量（以下「コンプレッサ吸入流量」という。）を検出する。以下では、この第１エアフローセンサ１４２の検出値を「検出コンプレッサ吸入流量」という。

第２エアフローセンサ１４３は、カソードガスクーラ１２４とＷＲＤ１２５との間のカソードガス供給通路１２１に設けられる。第２エアフローセンサ４２は、コンプレッサ１０から吐出されたカソードガスのうち、燃料電池スタック１１０に供給されるカソードガスの流量（以下「スタック供給流量」という。）を検出する。スタック供給流量は、コンプレッサ供給流量からバイパス流量を引いた流量である。以下では、この第２エアフローセンサ４２の検出値を「検出スタック供給流量」という。

次に、アノードガス給排装置１３０について説明する。アノードガス給排装置１３０は、燃料電池スタック１１０にアノードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１１０から排出されるアノードオフガスをカソードガス排出通路１２２に排出する。アノードガス給排装置１３０は、高圧タンク１３１と、アノードガス供給通路１３２と、アノード調圧弁１３３と、アノードガス排出通路１３５と、バッファタンク１３６と、パージ弁１３７と、アノード圧力センサ１４４と、を備える。

高圧タンク１３１は、燃料電池スタック１１０に供給するアノードガス（水素ガス）を高圧状態に保って貯蔵するガス貯蔵容器である。本実施形態では、この高圧タンク１３１が、タービン３０に作動流体を供給するための作動流体供給装置５０としての役割も果たしている。

アノードガス供給通路１３２は、高圧タンク１３１から排出されるアノードガスを燃料電池スタック１１０に供給する通路である。アノードガス供給通路１３２の一端は高圧タンク１３１に接続され、他端は燃料電池スタック１１０のアノードガス入口部に接続される。高圧タンク１３１とカソードガス供給装置１のタービン３０との間のアノードガス供給通路１３２には、タービン３０に供給される作動流体としてのアノードガスの圧力を検出する作動流体用圧力センサ１３２Ａが設けられる。

アノード調圧弁１３３は、カソードガス供給装置１のタービン３０よりも下流のアノードガス供給通路１３２に設けられる。アノード調圧弁１３３は、コントローラ１４０によって開閉制御され、燃料電池スタック１１０に供給されるアノードガスの圧力及び流量を調整する。

アノードガス排出通路１３５は、燃料電池スタック１１０から排出されたアノードオフガスを流す通路である。アノードガス排出通路１３５の一端は燃料電池スタック１１０のアノードガス出口部に接続され、他端はカソード調圧弁１２６よりも下流のカソードガス排出通路１２２に接続される。

バッファタンク１３６は、アノードガス排出通路１３５に設けられる。バッファタンク１３６は、アノードガス排出通路１３５を流れてきたアノードオフガスを一時的に蓄える容器である。バッファタンク１３６に溜められたアノードオフガスは、パージ弁１３７が開かれる時にカソードガス排出通路１２２に排出される。

パージ弁１３７は、バッファタンク１３６よりも下流のアノードガス排出通路１３５に設けられる。パージ弁１３７は、コントローラ１４０によって開閉制御され、アノードガス排出通路１３５からカソードガス排出通路１２２に排出するアノードオフガスの流量（パージ流量）を制御する。

パージ弁１３７が開弁されてパージ制御が実行されると、アノードオフガスは、アノードガス排出通路１３５及びカソードガス排出通路１２２を通じて外部に排出される。この時、アノードオフガスは、カソードガス排出通路１２２内でカソードオフガスと混合される。このようにアノードオフガスとカソードオフガスとを混合させて外部に排出することで、排出ガス中の水素濃度が排出許容濃度以下の値に設定される。

アノードガス給排装置１３０は、アノードオフガスをアノードガス供給通路１３２に還流するため、エゼクタ１３８、還流通路１３９、及び還流ポンプ１３９Ａをさらに備えている。

エゼクタ１３８は、アノード調圧弁１３３とアノード圧力センサ１４４との間のアノードガス供給通路１３２に設けられる。

還流通路１３９は、アノードガス排出通路１３５のアノードオフガスをアノードガス供給通路１３２に導く通路である。還流通路１３９の一端はアノードガス排出通路１３５のバッファタンク１３６に接続され、他端はアノードガス供給通路１３２のエゼクタ１３８に接続される。

還流通路１３９には、還流ポンプ１３９Ａが設けられる。還流ポンプ１３９Ａは、必要に応じて駆動され、燃料電池スタック１１０から排出されたアノードオフガスをアノードガス排出通路１３５側からアノードガス供給通路１３２側に圧送する。

アノード圧力センサ１４４は、アノード調圧弁１３３よりも下流のアノードガス供給通路１３２に設けられる。アノード圧力センサ１４４は、燃料電池スタック１１０のアノードガス入口部の近傍に配置される。アノード圧力センサ１４４は、燃料電池スタック１１０に供給されるアノードガスの圧力（＝後述するタービン３０に供給される作動流体としてのアノードガスの圧力）を検出する。

上記のように構成される燃料電池システム１００は、当該システムを統括的に制御する制御装置としてのコントローラ１４０を有している。

コントローラ１４０は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。

コントローラ１４０には、前述したカソード圧力センサ１４１等の各種センサからの信号の他、燃料電池スタック１１０の出力電圧を検出する電圧センサ１４５や、燃料電池スタック１１０の出力電流を検出する電流センサ１４６、車両のアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルストロークセンサ１４７などの燃料電池システム１００の運転状態を検出する各種センサからの信号が入力される。

コントローラ１４０は、これらセンサの検出信号等に基づいて、カソードガス供給装置１や、還流ポンプ１３９Ａ、各種弁１２６，１２８，１３３，１３７等を制御する。

以下、図３のフローチャートを参照して、コントローラ１４０が実施する第１実施形態による燃料電池システム１００のカソードガスの供給制御について説明する。コントローラ１４０は、このルーチンを所定の演算周期で繰り返し実行する。

ステップＳ１において、コントローラ１４０は、車両駆動用の走行モータ（図示せず）の要求電力や補機の要求電力、バッテリ（図示せず）の充放電要求に基づいて、燃料電池スタック１１０の目標発電電力を算出する。

ステップＳ２において、コントローラ１４０は、燃料電池システム１００の運転状態に基づいて、コンプレッサ吸入流量の目標値（以下「目標コンプレッサ吸入流量」という。）を算出する。目標コンプレッサ吸入流量の具体的な算出方法については、図４を参照して説明する。

図４は、目標コンプレッサ吸入流量の算出方法について説明するフローチャートである。

ステップＳ２１において、コントローラ１４０は、目標発電電力に基づいて、スタック供給流量の目標値（以下「目標スタック供給流量」という。）を算出する。目標スタック供給流量は、目標発電電力を発電したときに、燃料電池スタック１１０のカソード電極内で電極反応に必要な酸素分圧を確保するために必要なスタック供給流量に相当する。換言すれば、目標スタック供給流量は、目標発電電力を発電するために必要なスタック供給流量に相当する。目標スタック供給流量は、目標発電電力が大きいときほど大きくなる。

ステップＳ２２において、コントローラ１４０は、検出スタック供給流量と目標スタック供給流量との偏差に基づいて、検出スタック供給流量を目標スタック供給流量にするために必要なコンプレッサ吸入流量を、発電要求コンプレッサ吸入流量として算出する。

ステップＳ２３において、コントローラ１４０は、目標発電電力に基づいて、希釈要求コンプレッサ吸入流量を算出する。希釈要求コンプレッサ吸入流量は、燃料電池システム１００の外部に排出される排出ガスの水素濃度を、排出許容濃度以下にするために必要なコンプレッサ吸入流量である。本実施形態では、目標発電電力が大きいときほど希釈要求コンプレッサ吸入流量が大きくなるようにしているが、目標発電電力にかかわらず一定値としても構わない。

ステップＳ２４において、コントローラ１４０は、発電要求コンプレッサ吸入流量と希釈要求コンプレッサ吸入流量とに基づいて、目標コンプレッサ吸入流量を算出する。具体的には、発電要求と希釈要求の両者を満足させるために、発電要求コンプレッサ吸入流量及び希釈要求コンプレッサ吸入流量のうちの大きい方を、目標コンプレッサ吸入流量として算出する。なお、本実施形態では、発電要求コンプレッサ吸入流量及び希釈要求コンプレッサ吸入流量のうちの大きい方を、目標コンプレッサ吸入流量として算出しているが、例えばコンプレッサ１０でサージを回避するために必要なカソードガス流量（サージ要求コンプレッサ吸入流量）と、上記２つの要求コンプレッサ吸入流量の最も大きいものを目標コンプレッサ吸入流量として算出しても良い。

図３に戻り、ステップＳ３において、コントローラ１４０は、燃料電池システム１００の運転状態に応じて変化する目標コンプレッサ吸入流量に基づいて、コンプレッサ１０の目標出力トルクを算出する。コンプレッサ１０の目標出力トルクは、検出コンプレッサ吸入流量を目標コンプレッサ吸入流量にするために必要なコンプレッサ１０の出力トルクに相当する。

ステップＳ４において、コントローラ１４０は、高圧タンク１３１からタービン３０に供給される作動流体としてのアノードガスが有するエネルギ量に基づいて、タービン３０の出力可能トルクを算出する。具体的には、図５のテーブルに示すように、タービン３０に供給される作動流体としてのアノードガスの圧力に基づいて、タービン３０の出力可能トルクを算出する。アノードガスが有するエネルギ量と相関関係にあるパラメータとしては、圧力以外にも流量が挙げられるので、アノードガスの流量に基づいてタービン３０の出力可能トルクを算出することもできる。

なお、タービン３０に供給される作動流体としてのアノードガスの圧力、すなわち燃料電池スタック１１０に供給されるアノードガスの圧力は、燃料電池システム１００の運転状態に基づいて制御されている。具体的には、燃料電池スタック１１０に供給されるアノードガスの圧力が、燃料電池スタック１１０に供給されるカソードガスの圧力以上となるように、コントローラ１４０が燃料電池システム１００の運転状態に基づいてアノード調圧弁１３３の開度を制御している。

ステップＳ５において、コントローラ１４０は、クラッチ４０の接続が許可されている運転状態か否かを判定する。本実施形態では、燃料電池システム１００の要求によりアノードガスが燃料電池スタック１１０に供給されない運転状態の場合、例えばアイドルストップ制御時にカソードガスのみを燃料電池スタック１１０に供給する運転状態の場合、コントローラ１４０はクラッチ４０の接続が許可されていない運転状態であるとしてステップＳ１１の処理に進む。また、燃料電池システム１００の起動中初期は、水素希釈を確実なものとするためにカソードガスのみを供給し、起動中後期からアノードガスを供給するようにしているため、この場合もクラッチ４０の接続を許可せずにステップＳ１１の処理に進む。さらに燃料電池システム１００の停止中後期もカソードガスのみを供給するようにしているので、この場合もクラッチ４０の接続を許可せずにステップＳ１１の処理に進む。このようにシステム起動中初期や停止中後期、アイドルストップ制御時等にカソードガスのみを燃料電池スタック１１０に供給する運転状態の場合、コントローラ１４０はクラッチ４０の接続が許可されていない運転状態であるとしてステップＳ１１の処理に進む。一方でコントローラ１４０は、アノードガスが燃料電池スタック１１０に供給される通常の運転状態の場合は、クラッチ４０の接続が許可されている運転状態であるとしてステップＳ６の処理に進む。このように、コントローラ１４０は、タービン３０の動力源となるアノードガスの状態に基づいてクラッチ４０を制御している。

なお、アノードガスが燃料電池スタック１１０に供給されない運転状態というのは、換言すれば、タービン３０の出力可能トルクがゼロとなる運転状態のときであり、タービン３０が回転していない運転状態のときである。したがって、ステップＳ５においてクラッチ４０の接続が許可されていない運転状態と判定したときは、クラッチ４０を解放状態とせずに、直接ステップＳ１２に進んでもよい。ただし、この場合はタービン３０が電動モータ２０の負荷として作用してしまうので、本実施形態のようにクラッチ４０を解放状態とした方が望ましい。

ステップＳ６において、コントローラ１４０は、コンプレッサ１０の目標出力トルクからタービン３０の出力可能トルクを減じた差分トルクを算出する。

ステップＳ７において、コントローラ１４０は、クラッチ４０を接続するか否かを判定する。具体的には、差分トルクが所定のクラッチ接続閾値（所定閾値）未満か否かを判定する。

コントローラ１４０は、差分トルクがクラッチ接続閾値未満であれば、クラッチ４０を接続状態として、電動モータ２０とタービン３０とでコンプレッサ１０を駆動するか、又はタービン３０のみでコンプレッサ１０を駆動すべく、ステップＳ７の処理に進む。一方でコントローラ１４０は、差分トルクがクラッチ接続閾値以上であれば、クラッチ４０を解放状態として電動モータ２０のみでコンプレッサ１０を駆動すべく、ステップＳ１１の処理に進む。

差分トルクがクラッチ接続閾値以上のときに電動モータ２０のみでコンプレッサ１０を駆動するのは以下の理由による。すなわち、差分トルクがクラッチ接続閾値以上となるのは、例えば、燃料電池スタック１１０にアノードガスの供給を開始した直後など、アノードガスの圧力が十分に立ち上がる前でタービン３０の出力可能トルクが小さいときが挙げられる。このような場合は、タービン３０によって得られる動力が小さいので、電動モータ２０のみでコンプレッサ１０を駆動した方が安定したカソードガスの供給を行うことができるためである。

また、差分トルクがクラッチ接続閾値以上となるのは、例えば急加速時等に過渡的にコンプレッサ１０の目標出力トルクが急増し、タービン３０の出力可能トルクがコンプレッサ１０の目標出力トルクに対して小さくなったときが挙げられる。このような場合は、応答性や制御性に優れる電動モータ２０のみでコンプレッサ１０を駆動した方が、素早く、また精度良くコンプレッサ１０の出力トルクを目標出力トルクに制御でき、過渡時の制御性能を向上させることができるためである。

このように本実施形態では、差分トルクに応じて、コンプレッサ１０を電動モータ２０のみで駆動するか、タービン３０のみで駆動するか、又は電動モータ２０とタービン３０とで駆動するかを切り替えるようにしている。ここで、差分トルクは、動力源となるアノードガスの状態（圧力や流量）に応じて変化する。

つまり本実施形態では、動力源となるアノードガスの状態に応じて、電動モータ２０及びタービン３０の一方又は双方によってコンプレッサ１０を駆動するかを選択し、燃料電池システム１００の運転状態に応じた適切な駆動源でコンプレッサ１０を駆動できるようにしている。前述のクラッチ接続閾値は、燃料電池システム１００の運転状態に応じた適切な駆動源でコンプレッサ１０を駆動できるように適宜設定すれば良いものである。

ステップＳ８において、コントローラ１４０は、クラッチ４０を接続状態とする。

ステップＳ９において、コントローラ１４０は、電動モータ２０の出力トルクを、アノードガスの圧力又は流量に基づいて定まるタービン３０の出力可能トルクに応じて制御することで、電動モータ２０とタービン３０とでコンプレッサ１０を駆動するか、又はタービン３０のみでコンプレッサ１０を駆動する。

具体的には、コントローラ１４０は、ステップＳ６で算出した差分トルクがゼロよりも大きければ（出力可能トルクが目標出力トルクよりも小さければ）、電動モータ２０の目標出力トルクを差分トルクに設定し、電動モータ２０とタービン３０とでコンプレッサ１０を駆動する。すなわち、電動モータ２０で差分トルクを発生させると共に、タービン３０で出力可能トルクを発生させることでコンプレッサ１０の出力トルクをステップＳ３で算出した目標出力トルクに制御する。このように、コンプレッサ１０が電動モータ２０とタービン３０とで駆動される運転状態としては、例えば燃料電池スタック１１０が高負荷で定常運転されているときが挙げられる。

一方でコントローラ１４０は、ステップＳ６で算出した差分トルクがゼロ以下であれば（出力可能トルクが目標出力トルク以上であれば）、電動モータ２０の目標出力トルクをゼロに設定し、タービン３０のみでコンプレッサ１０を駆動する。このように、コンプレッサ１０がタービン３０のみで駆動される運転状態としては、例えば燃料電池スタック１１０が低負荷で定常運転されているときが挙げられる。

なお、タービン３０のみでコンプレッサ１０が駆動される場合は、ステップＳ３で算出したコンプレッサ１０の目標出力トルク以上のトルク（＝出力可能トルク）でコンプレッサ１０が駆動されることになる。したがって、コンプレッサ吸入流量が目標コンプレッサ吸入流量以上となってしまうが、燃料電池スタック１１０にとって不要な余剰なカソードガスは、以下のステップＳ１０のバイパス弁制御によってバイパス通路１２７に流され、問題が生じないようになっている。

ステップＳ１０において、コントローラ１４０は、検出スタック供給流量と目標スタック供給流量との偏差に基づいて、検出スタック供給流量が目標スタック供給流量となるようにバイパス弁１２８をフィードバック制御する。

タービン３０のみでコンプレッサ１０が駆動される場合や、希釈要求コンプレッサ吸入流量が目標コンプレッサ吸入流量として設定されている場合などは、スタック要求コンプレッサ供給流量以上のカソードガスがコンプレッサ１０から吐出されることになる。そのため、発電に不要な余剰なカソードガスが燃料電池スタック１１０に供給されることになる。したがって、このように検出スタック供給流量が目標スタック供給流量となるようにバイパス弁１２８をフィードバック制御して、発電に不要な余剰なカソードガスがバイパス通路２８へ流れるようにしている。

ステップＳ１１において、コントローラ１４０は、クラッチ４０を解放状態とする。

ステップＳ１２において、コントローラ１４０は、電動モータ２０の目標出力トルクを、ステップＳ３で算出したコンプレッサ１０の目標出力トルクに設定して、電動モータ２０のみでコンプレッサ１０を駆動する。このように、差分トルクがクラッチ接続閾値以上となる運転状態としては、例えば燃料電池スタック１１０にアノードガスの供給を開始した直後など、アノードガスの圧力が十分に立ち上がる前でタービン３０の出力可能トルクがコンプレッサ１０の目標出力トルクに対して小さいときが挙げられる。また、例えば急加速時等に過渡的にコンプレッサ１０の目標出力トルクが急増し、タービン３０の出力可能トルクがコンプレッサ１０の目標出力トルクに対して小さくなったときが挙げられる。

上記した本実施形態による燃料電池システム１００によれば、以下の効果を得ることができる。

アノードガス及びカソードガスが供給される燃料電池スタック１１０を備える燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１１０にカソードガスを供給するコンプレッサ１０と、駆動モータとしての電動モータ２０と、電動モータ２０以外を動力源とする駆動体としてのタービン３０と、の少なくとも２つを備えてコンプレッサ１０を駆動する駆動装置１１と、を備える。そして、タービン３０の動力源として、燃料電池システム１００が有するエネルギ源を用いた。

これにより、電動モータ２０と、電動モータ２０以外を動力源として駆動されるタービン３０と、の少なくとも２つによってコンプレッサ１０を駆動することができるので、電動モータ２０の動力性能を抑えて電動モータ２０を小型化することができる。また、製造コストを低減することが可能となる。そして、タービン３０の動力源として、燃料電池システム１００が有するエネルギ源を使用するので、新たにタービン３０の動力源を追加する必要がなく、燃料電池システム１００が有するエネルギ源を無駄なく使用することができる。

また、必要に応じて応答性に優れる電動モータ２０の駆動力でコンプレッサ１０を駆動することができるので、高圧タンクから燃料電池スタックに供給されるアノードガスだけでコンプレッサが駆動される従来のカソードガス供給装置と比べて、燃料電池スタック１１０にカソードガスを供給するためのコンプレッサ１０の応答性を改善することができる。したがって、燃料電池システム１００の運転状態に応じた適切なカソードガス供給を実現することが可能となる。

また本実施形態では、電動モータ２０及びタービン３０が同軸上に配置されているので、カソードガス供給装置１を小型化することできる。

また、本実施形態では、タービン３０の動力源として、燃料電池スタック１１０に供給される高圧のアノードガスを用いたので、高圧のアノードガスを有効活用でき、燃料電池システム１００におけるエネルギ効率を高めることが可能となる。高圧タンク１３１から排出される際にアノードガスの温度は低下するため、比較的低温のアノードガスがタービン３０に供給されることとなり、タービン３０周りの部品の温度上昇を抑制することが可能となる。

特に本実施形態では、タービン３０に供給される高圧のアノードガスは、高圧タンク１３１の下流から導入され、燃料電池スタック１１０に供給されるアノードガスの圧力を調整するアノード調圧弁１３３の上流に戻される。そのため、タービン３０自体が高圧タンク１３１から排出されたアノードガスを減圧する圧力損失部材として機能するため、タービン３０の下流に設けられるアノード調圧弁１３３を小型化することができる。このようにアノード調圧弁１３３が小型化されることで、アノード調圧弁１３３の弁体が小さくなり、アノード調圧弁１３３の応答性を高めることが可能となる。

また本実施形態では、タービン３０の駆動力をコンプレッサ１０の伝達する動力伝達経路としての出力回転軸２４にクラッチ４０を備える。そのため、アノードガスが燃料電池スタック１１０に供給されない運転状態の場合など、必要に応じてクラッチ４０を解放することで、電動モータ２０のみによりコンプレッサ１０を駆動させることができる。これにより、アノードガスが燃料電池スタック１１０に供給されない場合などに、タービン３０自体が電動モータ２０の負荷になることを防止でき、電動モータ２０での電力消費効率を高めることが可能となる。

なお、本実施形態による燃料電池システム１００では、タービン３０よりも下流のアノードガス供給通路１３２にアノード調圧弁１３３を配置した。しかしながら、アノードガスがタービン３０を通過することで、アノードガス圧力が燃料電池スタック１１０での発電に最適な圧力まで低下する場合には、タービン３０の下流にアノード調圧弁１３３を設ける必要はない。

また、本実施形態では、電動モータ２０とタービン３０とをクラッチ４０を介して接続しているが、クラッチ４０は必ずしも設ける必要はない。クラッチ４０を省略することで、駆動装置１１をより小型化することができる。

＜第２実施形態＞
図６を参照して、本発明の第２実施形態によるカソードガス供給装置１について説明する。なお、以下の実施形態では、第１実施形態と同じ機能を果たす構成等には同一の符号を用い、重複する説明を適宜省略する。

図６に示すように、第２実施形態によるカソードガス供給装置１は、駆動装置１１の構成が第１実施形態と相違する。より具体的には、駆動装置１１は、タービン３０と共に回転するフライホイール３１を備えている。

フライホイール３１は、円板状の錘部材であって、タービン３０の回転中心軸に固定される。フライホイール３１、電動モータ２０、及びコンプレッサ１０は同軸上に配置される。フライホイール３１は、クラッチ４０よりもタービン３０寄りの位置であって、アノードガス供給通路１３２の外側に設けられる。なお、フライホイール３１は、アノードガス供給通路１３２内に設けられてもよい。

このように、本実施形態による駆動装置１１は、駆動体としてのタービン３０と共に回転するフライホイール３１を備えるので、タービン３０の回転エネルギをフライホイール３１に蓄えることができる。このようにフライホイール３１に回転エネルギを蓄えることで、クラッチ４０の締結時におけるコンプレッサ１０の回転数の低下を抑制することが可能となる。これにより、クラッチ４０の締結直後にカソードガス供給量が一時的に低下してしまうことを防止でき、燃料電池システム１００の運転状態に応じた適切なカソードガス供給を実現することが可能となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

第１及び第２実施形態によるカソードガス供給装置１は、車両用の燃料電池システム１００に搭載されるが、車両以外の移動体や据え置き型の燃料電池システムに搭載されてもよい。

第１及び第２実施形態による駆動装置１１はタービン３０を備えているが、作動流体等の供給を受けて駆動されるピストンモータやダイフラムモータをタービン３０に替えて用いることもできる。

また、第１及び第２実施形態のカソードガス供給装置１を備える燃料電池システム１００では、図７に示すように、高圧タンク１３１とタービン３０との間のアノードガス供給通路１３２に減圧弁１６０を設置してもよい。このように、タービン３０に供給する高圧のアノードガスを、燃料電池スタック１１０に供給されるアノードガスの圧力を減圧する減圧弁１６０の下流から導入することで、一定圧に調整されたアノードガスをタービン３０に供給することができる。したがって、タービン３０を安定的に駆動することができ、コンプレッサ１０の制御性を高めることが可能となる。

また、第１及び第２実施形態において、電動モータ２０をコンプレッサ１０のメイン駆動源とすると共にタービン３０を補助駆動源として、電動モータ２０の回転駆動力では足りない分を補助駆動源となるタービン３０の回転駆動力で補うようにクラッチ４０等を制御するようにしても良い。このようにしても、応答性に優れる電動モータ２０がメイン駆動源となり、作動流体により駆動されるタービン３０が補助駆動源となるため、高圧タンクから燃料電池スタックに供給されるアノードガスだけでコンプレッサが駆動される従来のカソードガス供給装置と比べて、燃料電池スタック１１０にカソードガスを供給するためのコンプレッサ１０の応答性を改善することができる。

また、第１及び第２実施形態では、燃料電池スタック１１０に供給されるアノードガスによりタービン３０が駆動されるように構成されているが、この構成に限られるものではない。例えば、図８に示すように、作動流体供給装置５０からアノードガスとは異なる作動流体、例えば車両において利用される作動流体をタービン３０に供給してタービン３０を駆動するようにしてもよい。このようにしても、第１及び第２実施形態と同様の効果を得ることができる。

作動流体供給装置５０としては、車室内を冷暖房する空調装置や、燃料電池スタック１１０を冷却する冷却装置、走行風等が採用される。作動流体供給装置５０が空調装置である場合には、空調装置内を循環する冷媒が作動流体としてタービン３０に供給される。作動流体供給装置５０が冷却装置である場合には、冷却装置内を循環する冷却水が作動流体としてタービン３０に供給される。

また、第１及び第２実施形態による燃料電池システム１００では、図５のテーブルを参照し、アノードガスの圧力に基づいてタービン３０の出力可能トルクを算出していたが、図９に示すマップを参照し、アノードガスの圧力及び温度に基づいてタービン３０の出力可能トルクを算出することもできる。アノードガスの温度は、例えば高圧タンク１３１とタービン３０との間のアノードガス供給通路１３２に温度センサを設けて検出すれば良い。アノードガスの温度が高くなるほど、アノードガスの密度が上がって作動流体としてのアノードガスの有するエネルギ量も多くなる。したがって、図９のマップに示すように、温度が高くなるほどタービン３０の出力可能トルクが高くなるように補正することで、タービン３０の出力可能トルクを精度良く算出することができる。

Claims (7)

1. アノード及びカソードに作動流体が供給されて発電する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
   前記燃料電池のカソードに作動流体としてのカソードガスを供給するコンプレッサと、
   該コンプレッサを駆動する駆動装置と、
   前記燃料電池システムの運転状態に基づいて前記駆動装置を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記駆動装置は、
   駆動モータと、作動流体としてのアノードガスにより駆動されるタービンの少なくとも２つを有し、
   前記コンプレッサはカソードガスの供給通路内に設けられ、
   前記駆動モータは前記カソードガスの供給通路とアノードガスの供給通路との間に配置されるとともに、
   その出力回転軸の一端が前記コンプレッサに接続され他端が前記タービンに接続される、
   燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記駆動モータ及び前記タービンは同軸上に設けられる、
   燃料電池システム。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池システムであって、
   前記駆動装置は、前記タービンの駆動力を前記コンプレッサに伝達する動力伝達経路にクラッチを備える、
   燃料電池システム。
4. 請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、
   前記タービンの作動流体として、前記燃料電池に供給される高圧のアノードガスを用いた、
   燃料電池システム。
5. 請求項４に記載の燃料電池システムであって、
   前記タービンに供給される高圧のアノードガスは、高圧タンクの下流から導入され、前記燃料電池に供給されるアノードガスの圧力を調整する調圧弁の上流に戻される、
   燃料電池システム。
6. 請求項４に記載の燃料電池システムであって、
   前記タービンに供給される高圧のアノードガスは、前記燃料電池に供給されるアノードガスの圧力を減圧する減圧弁の下流から導入される、
   燃料電池システム。
7. 請求項１から６のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、
   前記駆動装置は、前記タービンと共に回転するフライホイールをさらに備える、
   燃料電池システム。

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