(57)【要約】【課題】システムに使用されている駆動モータの駆動効率を高めることができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池１と、カソード流体供給路２と、カソードオフ流体排出路３と、アノード流体供給路４と、アノードオフ流体排出路５と、機器に接続され機器を駆動させる駆動モータ７と、駆動モータ７の回転駆動をアシストさせるタービン８と、カソードオフ流体排出路３を流れるカソードオフ流体またはアノードオフ流体排出路５を流れるアノードオフ流体を加熱させるための加熱部９とを有する。【選択図】図１
2010170925.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード流体が供給されるカソードとアノード流体が供給されるアノードとを有する燃料電池と、
前記燃料電池の前記カソードに前記カソード流体を供給するカソード流体供給路と、
前記燃料電池の前記カソードから排出されたカソードオフ流体を排出させるカソードオフ流体排出路と、
前記燃料電池の前記アノードに前記アノード流体を供給するアノード流体供給路と、
前記燃料電池の前記アノードから排出されたアノードオフ流体を排出させるアノードオフ流体排出路と、
機器に接続され前記機器を駆動させる駆動モータと、
前記駆動モータに連結または連結可能に設けられ、前記カソードオフ流体排出路または前記アノードオフ流体排出路に設けられ前記燃料電池から排出された前記カソードオフ流体または前記アノードオフ流体により回転されて前記駆動モータの回転駆動をアシストさせるタービンと、
前記カソードオフ流体排出路または前記アノードオフ流体排出路において前記タービンと前記燃料電池との間に設けられ、前記カソードオフ流体排出路を流れる前記カソードオフ流体または前記アノードオフ流体排出路を流れる前記アノードオフ流体を加熱させるための加熱部とを具備する燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１において、前記機器は、前記カソード流体供給路に設けられ前記カソード流体を前記燃料電池の前記カソードに搬送させるカソード流体搬送機器、前記アノード流体供給路に設けられ前記アノード流体を前記燃料電池の前記アノードに搬送させるアノード流体搬送機器、前記燃料電池またはエンジンを冷却させる冷媒を搬送させる冷媒搬送機器のうちの少なくとも一つである燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２において、前記カソード流体排出路または前記アノード流体排出路は、ガスを加熱膨張させる圧力室を前記タービンの上流に有する燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１〜３のうちの一項において、前記カソード流体排出路または前記アノード流体排出路は、ガスの膨張量が過剰であるときガスが前記タービンを迂回する迂回路と、前記迂回路を流れるガスの流量を制御する迂回バルブとを有する燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１〜４のうちの一項において、前記駆動モータは発電機として働くことが可能であり、前記駆動モータおよび／または他のモータが発電機として働いて回生電力を発生させるとき、前記加熱部は、前記回生電力のうち余剰の電力を熱エネルギとして消費する燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１〜５のうちの一項において、電力を蓄電可能な蓄電装置が設けられており、前記駆動モータおよび／または他のモータが発電機として働いて回生電力を発生させるとき、前記蓄電装置は、前記回生電力のうち余剰の電力を蓄電する燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１〜５のうちの一項において、電力を蓄電可能な蓄電装置が設けられており、前記駆動モータおよび／または他のモータが発電機として働いて回生電力を発生させるとき、前記蓄電装置が満充電状態である場合、または、満充電状態になるおそれがある場合において、前記蓄電装置は満充電状態を回避すべく放電される燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１〜７のうちの一項において、前記燃料電池システムは、走行用モータを有する車両に搭載されており、前記車両の走行状況に応じて前記走行用モータおよび／または前記駆動モータにより発生する回生電力量を予測し、且つ、予測される前記回生電力量に応じて前記蓄電装置に帯電されている電力を前記加熱部で熱エネルギとして消費させることにより、前記蓄電装置の満充電状態を回避し、前記蓄電装置を蓄電可能状態にさせる燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池のカソードにカソード流体を供給するカソード流体供給路と、燃料電池のカソードから排出されたカソードオフ流体を排出させるカソードオフ流体排出路と、燃料電池のアノードにアノード流体を供給するアノード流体供給路と、燃料電池のアノードから排出されたアノードオフ流体を排出させるアノードオフ流体排出路と、カソード流体供給路に設けられた圧縮機とを有する（特許文献１、２）。圧縮機は駆動モータで回転するように形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１００７５２号公報
【特許文献２】特開２００７−２７４８６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池システムでは、駆動モータの駆動効率を更に高めることが要請されている。
【０００５】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、駆動モータの駆動効率を高めることができる燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る燃料電池システムは、（ｉ）カソード流体が供給させるカソードとアノード流体が供給されるアノードとを有する燃料電池と、（ｉｉ）燃料電池のカソードにカソード流体を供給するカソード流体供給路と、（ｉｉｉ）燃料電池のカソードから排出されたカソードオフ流体を排出させるカソードオフ流体排出路と、（ｉｖ）燃料電池のアノードにアノード流体を供給するアノード流体供給路と、（ｖ）燃料電池のアノードから排出されたアノードオフ流体を排出させるアノードオフ流体排出路と、機器に接続され機器を駆動させる駆動モータと、（ｖｉ）駆動モータに連結または連結可能に設けられ、カソードオフ流体排出路またはアノードオフ流体排出路に設けられ燃料電池から排出されたカソードオフ流体またはアノードオフ流体により回転されて駆動モータの回転駆動をアシストさせるタービンと、（ｖｉｉ）カソードオフ流体排出路またはアノードオフ流体排出路においてタービンと燃料電池との間に設けられ、カソードオフ流体排出路を流れるカソードオフ流体またはアノードオフ流体排出路を流れるアノードオフ流体を加熱させるための加熱部とを具備する。
【０００７】
駆動モータは、システムで用いられている機器に接続されており、機器を駆動させる。タービンはカソードオフ流体排出路またはアノードオフ流体排出路に設けられており、且つ、駆動モータに連結されており、燃料電池から排出されたカソードオフ流体またはアノードオフ流体により回転される。このようにタービンが回転されると、タービンと連動する駆動モータの回転駆動をアシストできる。このため、駆動モータの駆動効率を高めることができる。よって駆動モータが消費する電力を節約したり、あるいは、駆動モータがアシストする機器の駆動力を高めることができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、燃料電池から排出されたカソードオフ流体またはアノードオフ流体によりタービンが回転されると、駆動モータの回転駆動はアシストされる。このため、駆動モータの駆動効率を高めることができる。よって駆動モータが消費する電力を節約したり、あるいは、駆動モータがアシストする機器の駆動力を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例１に係り、燃料電池システムのシステム図である。
【図２】実施例１に係り、電気ヒータの使用形態を示す図である。
【図３】実施例１に係り、電気ヒータの使用形態を示す図である。
【図４】実施例２に係り、燃料電池システムのシステム図である。
【図５】実施例３に係り、燃料電池システムのシステム図である。
【図６】実施例５に係り、燃料電池システムのシステム図である。
【図７】実施例６に係り、燃料電池システムのシステム図である。
【図８】実施例７に係り、制御部が実行するフローチャートである。
【図９】実施例８に係り、燃料電池システムのシステム図である。
【図１０】実施例９に係り、燃料電池システムのシステム図である。
【図１１】モデル試験機を示す構成図である。
【図１２】Ｂｒａｙｔｏｎサイクルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
駆動モータは、システムに搭載されている機器に接続されており、機器を駆動させる。この機器は、システムに搭載されている機器であれば何でも良い。機器は、好ましくは、カソード流体供給路に設けられカソード流体を燃料電池のカソードに搬送させるカソード流体搬送機器、アノード流体供給路に設けられアノード流体を燃料電池のアノードに搬送させるアノード流体搬送機器、燃料電池またはエンジンを冷却させる冷媒を搬送させる冷媒搬送機器のうちの少なくとも一つである。流体はガスが好ましい。駆動モータは発電機として働くことが可能であることが好ましい。このように駆動モータおよび／または他のモータが発電機として働くと、回生電力を発電させるとともに回生ブレーキ作用を発揮する。
【００１１】
タービンは、カソードオフ流体排出路に設けられていることが好ましい。従って、タービンは、燃料電池から排出されたカソードオフ流体により回転され、駆動モータの回転駆動をアシストさせる。但し、タービンは、アノードオフ流体排出路に設けられていても良い。加熱部は、好ましくは、カソードオフ流体排出路においてタービンと燃料電池との間に設けられている。加熱部は熱エネルギを発生させるものをいい、電気ヒータが好ましい。
【００１２】
また加熱部は、アノードオフ流体排出路においてタービンと燃料電池との間に設けられていても良い。この場合、加熱部は、アノードオフ流体排出路を流れるアノードオフ流体を加熱させる。加熱部で加熱されるアノードオフ流体は、水素等のアノード活物質を含まない方が好ましい。このため燃料電池のアノードから排出されたアノードオフ流体に残留する水素等のアノード活物質を燃焼等で予め除去させた後、そのアノードオフ流体を加熱部で加熱させることが好ましい。
【００１３】
本発明によれば、加熱部で加熱するガスとしては、相対湿度が相対的に低い乾燥したガスでも良いし、相対湿度が相対的に高い湿ったガスでも良い。
【００１４】
本発明の一視点によれば、カソード流体排出路またはアノード流体排出路は、ガスを加熱膨張させる圧力室をタービンの上流に有することができる。この場合、タービンの回転効率を高めることができる。
【００１５】
またカソードオフ流体またはアノードオフ流体がガスである場合には、ガスが液相状の水分を含むことがある。この場合、加熱部でガスが加熱されると、液相の水分が気相になり、その体積膨脹が大きい。このためガスの体積が増加しすぎ、タービンの回転が過剰になるおそれがある。このような場合には、カソード流体排出路またアノード流体排出路は、ガスの膨張量が過剰であるときガスがタービンを迂回する迂回路と、迂回路を流れる流量を制御する迂回バルブとを有することができる。この場合、タービンが過剰に回転駆動することが抑制される。
【００１６】
本発明の一視点によれば、駆動モータおよび／または他のモータが発電機として働いて回生電力を発生させるとき、加熱部は、回生電力のうち余剰の電力を熱エネルギとして消費することができる。この場合、駆動モータおよび／または他のモータが発電させた回生電力の余剰の電力を消費できる。
【００１７】
本発明の一視点によれば、電力を蓄電可能な蓄電装置が設けられており、駆動モータが発電機として働いて回生電力を発生させるとき、蓄電装置は、回生電力のうち余剰の電力を蓄電することができる。この場合、蓄電装置に蓄電できる。加熱部の加熱量を制御すべく、加熱部へ供給される電力を制御する制御部が設けられていることが好ましい。
【００１８】
蓄電装置が満充電状態である場合、または、満充電状態になるおそれがある場合には、駆動モータおよび／または他のモータが発電機として働いて回生電力を発電したとしても、蓄電装置にそれ以上蓄電できないおそれがある。そこで、本発明の一視点によれば、駆動モータおよび／または他のモータが発電機として働いて回生電力を発生させるとき、蓄電装置が満充電状態である場合、または、満充電状態になるおそれがある場合において、蓄電装置は満充電状態を回避すべく放電される。これにより蓄電装置が充電可能状態となり、回生電力を蓄電装置に蓄電できる。なお、満充電状態になるおそれがある場合とは、満充電状態の充電量が相対的に１００とするとき、９０以上、９５以上の充電状態を意味する。
【００１９】
本発明の一視点によれば、燃料電池システムは、走行用モータを有する車両に搭載されており、車両の走行状況に応じて走行用モータおよび／または駆動モータにより発生する回生電力量を予測し、且つ、予測される回生電力量に応じて蓄電装置に帯電されている電力を加熱部で熱エネルギとして消費させることにより、蓄電装置の満充電状態を回避し、蓄電装置を蓄電可能状態にさせることができる。この場合、走行用モータおよび／または駆動モータが発電した回生電力を蓄電装置に蓄電できる。
【実施例１】
【００２０】
以下、本発明の実施例１について図１〜図３を参照して具体的に説明する。燃料電池システムは車両に走行駆動用として搭載されているタイプであり、（ｉ）カソードガス（例えば酸素含有ガス、酸素ガス）が供給されるカソード１０とアノードガス（例えば水素含有ガス、水素ガス）が供給されるアノード１１とアノードとカソードとで挟まれた電解質膜１２とを有する燃料電池１と、（ｉｉ）燃料電池１のカソード１０にカソードガスを供給するためのカソード流体供給路としてのカソードガス供給路２と、（ｉｉｉ）燃料電池１のカソード１０から排出されたカソードオフガスを排出させるためのカソードオフ流体排出路としてのカソードオフガス排出路３と、（ｉｖ）燃料電池１のアノード１１にアノードガスを供給するためのアノード流体供給路としてのアノードガス供給路４と、（ｖ）燃料電池１のアノード１１から排出されたアノードオフガスを排出させるためのアノードオフ流体排出路としてのアノードオフガス排出路５と、（ｖｉ）カソードガス供給路２に設けられた機器として機能するカソードガス搬送機器である圧縮機６と、（ｖｉｉ）圧縮機６に接続され圧縮機６を駆動させるための駆動モータ７と、（ｖｉｉｉ）カソードオフガス排出路３に設けられ燃料電池１のカソード１０から排出されたカソードオフガスにより回転されて駆動モータ７の回転駆動をアシストさせるためのタービンとして機能する回転可能なエキスパンド部８と、（ｉｘ）カソードオフガス排出路３においてエキスパンド部８と燃料電池１との間に設けられた加熱部として機能する電気ヒータ９とを備えている。
【００２１】
加熱部である電気ヒータ９は、カソードオフガス排出路３を流れるカソードオフガスを加熱させる。オフガスは、燃料電池１から排出された発電反応後のガスを意味する。加湿器２２は、加湿能力をもつ加湿部２３と、吸湿能力をもつ吸湿部２５と、吸湿部２５で吸湿させた水分を加湿部２３に供給する膜部２４とを一体に有する。吸湿部２５で吸湿された水分が加湿用の水分となる。
【００２２】
カソードガス供給路２は、外気と燃料電池１のカソード１０とを繋ぐ通路であり、塵除去用のフィルタ２０と、圧縮機６と、加湿器２２の加湿部２３とを直列に有する。ここで、圧縮機６に替えて、ファン、ブロア、ポンプでも良く、要するにカソードガスを燃料電池１のカソード１０に搬送できるカソードガス搬送機器であれば良い。
【００２３】
カソードオフガス排出路３は、燃料電池１のカソード１０から排出されたカソードオフガスを外気に排出させる通路であり、燃料電池１および車両の運転状態に応じて燃料電池１のカソード１０の圧力を制御するための圧力調整弁３１と、加湿器２２のうちカソードオフガスを吸湿させる吸湿部２５と、カソードオフガスを加熱させる電気ヒータ９と、エキスパンド部８とを直列に有する。エキスパンド部８は、カソードオフガスの圧力エネルギおよび熱エネルギを機械エネルギに変換させる。エキスパンド部８は、圧力エネルギおよび熱エネルギを有するカソードオフガスにより回転される羽根を有する。エキスパンド部８は圧縮機６および駆動モータ７と共通する軸６ｋで接続されているが、これに限定されるものではない。要するには、エキスパンド部８、圧縮機６および駆動モータ７が連動するものであれば良い。カソードオフガスによりエキスパンド部８が回転されると、駆動モータ７の回転駆動がアシストされ、ひいては圧縮機６の回転駆動がアシストされる。よって駆動モータ７の消費電力が節約される。
【００２４】
アノードガス供給路４は、燃料電池１のアノードにアノードガスを供給する通路であり、アノードガスを供給するガス供給源４０と、遮断弁４２と、アノードガスの圧力を調整する圧力調整弁４４とを有する。アノードオフガス排出路５は、アノードガス供給路４に繋がる循環路４６と、循環路４６の分岐部４６ｃから分岐された排出路４７とを有する。循環路４６は、アノードオフガスをアノードガス供給路４に帰還させる循環ポンプ４８（機器）を有する。排出路４７は排出弁４９を有する。循環ポンプ４８は駆動モータ７ａにより回転駆動される。
【００２５】
燃料電池１と車両走行用の走行用モータ１００とを接続させる主回路１０２が設けられている。燃料電池１が発電した直流電力は主変換器１０３（インバータ）で交流電力に変換されて走行用モータ１００に給電され、走行用モータ１００が回転する。これにより車両の車輪駆動力が発生し、車両が走行する。
【００２６】
図１に示すように、上記した電気ヒータ９はエキスパンド部８の上流に位置すると共に、加湿器２２の吸湿部２５の下流に位置する。電気ヒータ９は、ヒータ回路９０を介して主回路１０２に接続されており、ひいては主回路１０２を介して蓄電装置１１０および燃料電池１に接続されている。ヒータ回路９０はヒータ用のスイッチング素子９１を有する。スイッチング素子９１がターンオンされると、蓄電装置１１０または燃料電池１から電気ヒータ９は給電されて発熱する。スイッチング素子９１がターンオフされると、蓄電装置１１０および燃料電池１に対して電気ヒータ９に断電され、発熱は停止される。スイッチング素子９１のデューティ値が制御されると、電気ヒータ９の単位時間あたりの発熱量が制御される。なおヒータ回路９０はモータ回路７０と並列に主回路１０２に接続されている。
【００２７】
２次電池またはキャパシタからなる充電および放電可能な蓄電装置１１０が設けられている。蓄電装置１１０は充放電用変換器１１４（ＤＣ／ＤＣコンバータ）を有する蓄電回路１１２を介して主回路１０２に接続されている。車両発進時、車両加速時、車両が坂道を登るとき等のように大きな電力が走行用モータ１００に必要とされる場合には、燃料電池１からの電力だけでなく、または、燃料電池１の電力ではなく、蓄電装置１１０に蓄電されている電力を走行用モータ１００に給電する。これに対して、車両減速時、車両が坂道を連続的に降りるとき等のようにう、電力があまり走行用モータ１００に必要とされない場合には、走行用モータ１００および／または駆動モータ７が発電機として働き、回生電力を発生させるとともに回生ブレーキを発生させる回生制動を行うことができる。
【００２８】
走行用モータ１００の回生制動によって回生された回生電力は、主変換器１０３（インバータ）を介して直流電力に変換され、充放電用変換器１１４（ＤＣ／ＤＣコンバータ）を介して蓄電装置１１０に蓄電される。充放電用変換器１１４（ＤＣ／ＤＣコンバータ）は、蓄電装置１１０と燃料電池１とが同じ電圧となるように電圧変換を行い、制御部からの制御信号により蓄電装置１１０に対して充電または放電を実行できる。主回路１０２において燃料電池１と充放電用変換器１１４（ＤＣ／ＤＣコンバータ）との間にはダイオード１０５が設けられている。これにより主変換器１０３で回生された電流が燃料電池１に流れ込むことが阻止されており、燃料電池１の損傷が抑えられている。
【００２９】
圧縮機６を駆動させる駆動モータ７は、モータ用副変換器７３ｆおよびモータ回路７０を介して主回路１０２に接続されている。循環ポンプ４８を駆動させる駆動モータ７ａはポンプ用副変換器７３ｓおよびポンプ回路４５を介して主回路１０２に接続されている。結果として、圧縮機６を駆動させる駆動モータ７と、循環ポンプ４８を駆動させる駆動モータ７ａとは、主回路１０２を介して燃料電池１および蓄電装置１１０に接続されており、燃料電池１または蓄電装置１１０により駆動可能とされている。なお、主回路１０２に対して、モータ回路７０，ポンプ回路４５、蓄電回路１１２は並列とされている。
【００３０】
駆動モータ７の回転数信号、車速センサからの車速信号、走行用の走行用モータ１００の回転数信号、運転席に装備されているアクセルペダルの踏込センサからのアクセル踏込量信号（アクセル操作量信号）、運転席に装備されているブレーキペダルの踏込センサからのブレーキ踏込量信号（ブレーキ操作量信号）、蓄電装置１１０の充電量を検知する充電センサからの充電量信号、燃料電池１の発電電圧の信号、燃料電池１の発電電流の信号、燃料電池に内蔵されている冷却通路を流れる冷媒の温度信号、循環ポンプ４８を駆動させるモータ７ａの回転数信号、圧縮機６の回転数信号、加湿器２２の温度信号、燃料電池１の温度信号、エンジンが車両に搭載されている場合には、エンジン回転数の信号等が、制御部１８にそれぞれ入力される。制御部１８は、電気ヒータ９を制御するスイッチング素子９１、蓄電装置１１０、走行用モータ１００、駆動モータ７、駆動モータ７ａ、圧力調整弁３１、遮断弁４２、排出弁４９等を制御する信号を出力する。
【００３１】
さて燃料電池１が発電する場合について説明する。蓄電装置１１０および／または燃料電池１からの電力により駆動モータ７が回転駆動する。すると圧縮機６が駆動し、空気であるカソードガスがカソードガス供給路２および加湿器２２の加湿部２３を介して燃料電池１のカソード１０の入口１０ｉに供給される。また、遮断弁３１が開放されると、ガス供給源４０のアノードガスはアノードガス供給路４および圧力調整弁４４を介して燃料電池１のアノード１１に供給される。これにより燃料電池１が発電する。ここで、燃料電池１のカソード１０の出口１０ｐから排出された発熱反応後のカソードオフガス（カソードガスよりも高温且つ高湿）は、カソードオフガス排出路３の圧力調整弁３１、加湿器２２の吸湿部２５、電気ヒータ９を介してエキスパンド部８に供給され、エキスパンド部８を回転させ、その後、外気に放出される。また、燃料電池１のアノード１１から排出されたアノードオフガスは、まだ水素を残留させているため、アノードオフガス排出路５の循環ポンプ４８により分岐部４６ｘからアノードガス供給路４に帰還され、再び、燃料電池１のアノード１１に供給される。なお、排出弁４９は適宜開放され、アノードオフガスを大気に放出させる。
【００３２】
燃料電池１の運転時には、前述したように、燃料電池１のカソード１０から排出されたカソードオフガス（発電反応後の空気）は、カソードオフガス排出路３の圧力調整弁３１、加湿器２２の吸湿部２５を通過し、電気ヒータ９を介してエキスパンド部８に供給され、エキスパンド部８を回転させる。このようにカソードオフガスは、エキスパンド部８に供給される直前において、電気ヒータ９で加熱される。このためエキスパンド部８に供給される直前において、カソードオフガスが膨張し、同一質量であっても体積流量が増加する。このためエキスパンド部８が回転する効率が高くなり、エキスパンド部８による回収動力を高めることができる。ひいてはエキスパンド部８は、駆動モータ７の回転駆動をアシストさせ、ひいては圧縮機６の回転駆動をアシストさせる。このため、電気ヒータ９がオフされている場合よりも、駆動モータ７の駆動効率、圧縮機６の駆動効率を高めることができる。よって圧縮機６を駆動させるにあたり駆動モータ７が消費する電力を節約できる。あるいは、電気ヒータ９がオフの場合と同一の電力が駆動モータ７に供給される場合には、駆動モータ７がアシストする圧縮機６の回転駆動力を高めることができる。カソードオフガスが電気ヒータ９により加熱されたとしても、カソードオフガスはエキスパンド部８を流れた後に外気に直ちに放出されるため、カソードオフガス排出路３における過熱は抑制される。
【００３３】
本実施例によれば、燃料電池１が運転されているとき、電気ヒータ９を連続的に発熱させておけば、エキスパンド部８が駆動モータ７および圧縮機６を連続的にアシストでき、駆動モータ７への給電量を継続的に減少させることができる。また、アシストさせることが必要なときのみに、電気ヒータ９をオンさせて発熱させ、エキスパンド部８により駆動モータ７および圧縮機６をアシストさせても良い。
【００３４】
本実施例では、図１に示すように、電気ヒータ９は吸湿部２５の下流に配置されており、吸湿部２５で吸湿させた後の比較的乾燥したカソードガスを電気ヒータ９で加熱させることにしている。この場合、カソードガスは吸湿部２５で吸湿されているため、過剰の水分を含んでおらず、電気ヒータ９の熱エネルギが水分の気化に過剰に消費されることが抑制され、カソードガスの温度を効率よく高め、カソードガスの体積流量を増加させるのに貢献できる。もっとも、電気ヒータ９は吸湿部２５の上流に配置されていても良い。
【００３５】
図２は、電気ヒータ９がカソードオフガスを加熱させる一例を示す。図２に示すように、カソードオフガスを流すカソードオフガス排出路３はパイプ３００で形成されている。このパイプ３００の外周壁面に電気ヒータ９がスパイラル状にほぼ同軸的に巻回されている。この場合、電気ヒータ９を取り付ける構造のコンパクト化が図られる。なおパイプ３００の内部に電気ヒータを配置しても良い。
【００３６】
図３は、電気ヒータ９がカソードオフガスを加熱させる別例を示す。図３に示すように、カソードオフガスを流すカソードオフガス排出路３は、エキスパンド部８の上流において、圧力室３５０を有する。圧力室３５０の外部には電気ヒータ９がスパイラル状に巻回されて配置されている。電気ヒータ９が発熱すると、圧力室３５０のカソードガスを加熱させた膨張させ、その体積流量を増加させることが期待できる。ここで、圧力室３５０の流路断面積はカソードオフガス排出路３の流路断面積よりも大きいため、ガスの流速が低速となり、ガスを加熱させる加熱時間が確保される。圧力室３５０と燃料電池１のカソード１０との間には逆止弁３６０が設けられていることが好ましい。逆止弁３６０は、燃料電池１のカソード１０から圧力室３５０にガスが流れることを許容するものの、圧力室３５０から燃料電池１のカソード１０にガスが流れることを許容しない。これにより燃料電池１のカソード１０への逆流が防止される。逆流しない場合には、逆止弁３６０を廃止しても良い。
【実施例２】
【００３７】
図４は実施例２を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。以下、実施例１と相違する部分を中心として説明する。  カソードオフガス排出路３において、電気ヒータ９とエキスパンド部８との間にカソードオフガスの膨張度合を検知する温度センサまたは圧力センサ等からなるセンサ９５が設けられている。センサ９５の信号は制御部１８に入力される。カソードオフガスの膨張が不足する場合には、スイッチング素子９１のオン時間を増加して電気ヒータ９の発熱量を増加させる。カソードオフガスが膨張しすぎた場合には、スイッチング素子９１のオフ時間を増加して電気ヒータ９の発熱量を減少させる。殊に、燃料電池１から排出されたカソードオフガスに液相状の水分が含まれている場合には、電気ヒータ９でカソードオフガスを水の沸点以上に加熱させれば、液相状の水の水蒸気化が促進され、カソードオフガスの膨張量が過大となるため、エキスパンド部８の回転量が増加し、圧縮機６をアシストさせるアシスト量も増加する。この場合、駆動モータ７への給電量を増加させることができる。
【００３８】
ところで、カソードガスおよびアノードガスの流量に拘わらず、燃料電池１の発電電圧が低下すると、制御部１８は燃料電池１の内部においてフラッディングが発生していると推測する。フラッディングは、液相状の水が燃料電池１の内部のガス通路を塞いでいることを意味する。フラッディングはカソード１０で発生し易い。このように制御部１８がフラッディングの発生を推測すると、制御部１８は電気ヒータ９の発熱量を増加させ、カソードオフガスの温度を上昇させると共にカソードオフガスの体積流量を増加させ、エキスパンド部８のアシスト力を高め、ひいては圧縮機６を回転数を高め、燃料電池１のカソード１０に供給するカソードガスの単位時間あたりの流量を増加させる。これにより燃料電池１のカソード１０に滞留している液相状の水を燃料電池１の外部に積極的に追い出すことができる。フラッディングが抑えられ、燃料電池１の発電電圧が元に戻ると、電気ヒータ９の発熱量を低下させたり０にしたりできる。この場合、アノードガスの流量を必ずしも増加させなくても良い。
【００３９】
あるいは本実施例によれば、フラッディングの発生が推測されるとき、制御部１８は、電気ヒータ９を所定時間Ｔ１オンさせると共に所定時間Ｔ２オフさせることを間欠的に繰り返すことができる。これによりカソードオフガスの体積流量を間欠的に変動させ、ひいては圧縮機６の回転数を間欠的に増減させ、燃料電池１のカソード１０に供給するカソードガスの単位時間あたりの流量を間欠的に増減させることができる。この場合、燃料電池１のカソード１０に滞留している液相状の水を動かすトリガー力を発生させることが期待される。
【実施例３】
【００４０】
図５は実施例３を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。以下、実施例１と相違する部分を中心として説明する。モータ回路７０は圧縮機用制御部７４を有する。圧縮機用制御部７４は、駆動モータ７を回転駆動させるモータ駆動回路７５と、平滑用のリアクトル７６と、平滑用のコンデンサ７７と、電気ヒータ９をオンオフさせるためのヒータ用スイッチング素子９１と、駆動モータ７をオンオフさせるためのオンオフ用スイッチング素子９１ｃとを有する。オンオフ用スイッチング素子９１ｃがターンオンして駆動モータ７が回転駆動して圧縮機６が駆動しているときにおいて、ヒータ用スイッチング素子９１がターンオンすると、電気ヒータ９に給電され、電気ヒータ９が発熱し、カソードオフガス排出路３のカソードオフガスを加熱させる。従って、加熱されて体積膨脹されたカソードオフガスがエキスパンド部８に供給されエキスパンド部８を回転させるため、エキスパンド部８の駆動効率を向上させる。ひいては駆動モータ７をアシストさせ、圧縮機６の駆動効率を高めることができる。
【００４１】
ここで、オンオフ用スイッチング素子９１ｃがターンオフして駆動モータ７が停止して圧縮機６が停止すれば、ヒータ用スイッチング素子９１のオンオフに拘わらず、電気ヒータ９はオフとされ、発熱が停止される。なお、本実施例においても、実施例１と同様に、電気ヒータ９はスパイラル状に巻回されていても良いし（図２参照）、電気ヒータ９をもつ圧力室３５０がカソードオフガス排出路３に設けられていても良い（図３参照）。
【実施例４】
【００４２】
本実施例は実施例１、２と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有するため、図１〜図３を準用する。例えば車両が減速するとき、坂道を下るとき、高負荷運転からアイドリング運転になるとき、あるいは、車両を停止させるとき等の場合には、走行用モータ１００が発電機として働く。また上記した場合には、燃料電池１に要請される発電出力が大きく低下するため、カソード１０へのカソードガスの供給を停止させる場合がある。この場合、制御部１８は副変換器７３ｆを制御し、駆動モータ７への給電量を０とし、駆動モータ７をモータではなく、発電機として適宜働かせることがある。
【００４３】
このように走行用モータ１００および駆動モータ７は発電機として働く場合には、走行用モータ１００および／または駆動モータ７より回生電力がそれぞれ発生すると共に、走行用モータ１００および／または駆動モータ７に回生ブレーキがそれぞれ作用する。このように駆動モータ７に回生ブレーキが作用すると、圧縮機６の回転速度が迅速に低下し、圧縮機６が燃料電池１のカソード１０に供給するカソードガスの流量が迅速に低下し、燃料電池１の発電出力が応答性よく低下する。なお、上記した回生電力は電気ヒータ９により消費されることが好ましい。このように駆動モータ７が回生ブレーキとして使用されると、圧縮機６の回転にブレーキを作用させることができるため、燃料電池１の発電出力を応答性よく低下させることができる。なお、蓄電装置１１０が充電可能な状態であれば、上記した回生電力を蓄電装置１１０に充放電用変換器１１４を介して蓄電させても良い。
【実施例５】
【００４４】
図６は実施例５を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。以下、実施例１と相違する部分を中心として説明する。加湿器は設けられていない。燃料電池１は発電反応により水を生成させる。従って燃料電池１のカソード１０から排出されたカソードオフガスは、液相または気相の水分を含むことが多い。本実施例によれば、加湿部および吸湿部を有する加湿器が設けられていない。このため、燃料電池１のカソード１０から排出されてエキスパンド部８に向かうカソードオフガスは、吸湿部で吸湿されておらず、液相または気相の水分を含むことが多い。
【００４５】
水分が液相であれば、カソードオフガスが電気ヒータ９で加熱されると、カソードオフガスに含まれている液相の水分が蒸発することがある。この場合、液相の水が水蒸発化して体積を増加させるため、カソードオフガスの体積増加比が大きくなり、電気ヒータ９がオフの場合に比較してカソード１０カソードオフガスの増圧の程度は高くなり、エキスパンド部８における回収効率が増加する。ひいてはエキスパンド部８のアシスト力が増加され、駆動モータ７の駆動効率が増加し、圧縮機６の駆動効率が増加する。そのぶん駆動モータ７への給電量を低下させることができる。なおカソードオフガスの加熱温度としては、水の沸点以下でも良いし、以上でも良い。水の沸点以上であれば、液相状の水の水蒸気化が促進され、カソードオフガスの増圧率が高まり、エキスパンド部８によりアシスト力が高まる。
【００４６】
なお他の実施例についても、燃料電池１の電解質膜１２の材質にもよるが、加湿器２２を廃止させることもできる。この場合、カソードガスは加湿器２２の吸湿部２５で冷却されないため、エキスパンド部８に供給されるカソードオフガスの温度は相対的に高温となり、カソードオフガスの体積流量を高めるのに有利であり、エキスパンド部８の効率を高めるのに有利である。なお、本実施例においても、実施例１と同様に、電気ヒータ９はスパイラル状に巻回されていても良いし（図２参照）、電気ヒータ９をもつ圧力室がカソードオフガス排出路３に設けられていても良い（図３参照）。
【実施例６】
【００４７】
図７は実施例６を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。前述したように、燃料電池１から排出されたカソードオフガスは液相または気相の水分を含むことが多い。燃料電池１から排出されエキスパンド部８に向かうカソードオフガスは、液相または気相の水分を含むことが多い。水分が液相であれば、カソードオフガスが電気ヒータ９で加熱されると、カソードオフガスに含まれている液相の水分が蒸発することがある。この場合、カソードオフガスの増圧の程度は過剰に高くなるおそれがある。この場合、カソードオフガスが膨張して体積流量が過剰に増加するおそれがある。このためエキスパンド部８が回転する効率が過剰に増加され、駆動モータ７への給電量を制限したとしても、燃料電池１のカソード１０に要請されるカソードガスの流量に対して、圧縮機６の回転駆動が過剰となるおそれがある。かといって、電気ヒータ９をオフとさせたくない場合がある。例えば、満充電状態の蓄電装置１１０を積極的に放電させたい場合である。
【００４８】
そこで図７に示すように、燃料電池１のカソード１０から排出された水分を含むカソードオフガスの一部または全部がエキスパンド部８を流れず、エキスパンド部８を迂回するように迂回路３５が、カソードオフガス排出路３に分岐部３５ｘから分岐されている。迂回路３５の開度を調整することにより迂回路３５を流れる流量を制御する迂回バルブ３６が、迂回路３５に設けられている。迂回バルブ３６の開度が制御されれば、迂回路３５を流れる流量が制御され、ひいてはエキスパンド部８に供給されるカソードガスの流量が制御されるため、電気ヒータ９を発熱させつつ、圧縮機６の過剰な回転駆動を抑えることができる。なお、迂回路３５とカソードオフガス排出路３との分岐部３５ｘは、電気ヒータ９で消費される熱エネルギを高めるべく、電気ヒータ９の下流に配置されているが、これに限らず、電気ヒータ９の上流に配置されていても良い。
【実施例７】
【００４９】
図８は実施例７を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有するため、図１〜図３を準用する。蓄電装置１１０が満充電状態であれば、走行用モータ１００および／または駆動モータ７が発電機として働いて回生電力を発電したとしても、蓄電装置１１０にそれ以上充電できないおそれがある。そこで、車両に搭載されている制御部１８は、燃料電池１の運転要請に応じて発生する走行用モータ１００および／または駆動モータ７による回生電力量を予測し、且つ、予測される回生電力量に応じて蓄電装置１１０の電力を電気ヒータ９で熱エネルギとして消費させる。これにより蓄電装置１１０の満充電状態を回避し、蓄電装置１１０を蓄電可能状態にさせることができる。
【００５０】
換言すると、燃料電池１が発電運転されるとき、燃料電池１のカソード１０に要請されるカソードガスの流量は、アノードガスの流量と共に、車両の走行状況に応じて変動する。例えば、車両が減速するとき、車両が坂道を下るとき、高負荷運転からアイドリング運転になるとき、車両が停止するとき、燃料電池１に要請される発電出力が低下するか、０となる。従って、カソードガスを燃料電池１のカソード１０に供給する圧縮機６の単位時間あたりの回転駆動量は、低下するか０となる。
【００５１】
上記したように車両が減速するとき、坂道を下るとき、高負荷運転からアイドリング運転になるとき、あるいは、車両を停止させるとき等のように、燃料電池１に要請される発電出力が大きく低下するとき等の場合には、制御部１８は主変換器１０３を制御し、走行用モータ１００をモータではなく発電機として適宜働かせると共に、副変換器７３ｆを制御し、駆動モータ７をモータではなく発電機として適宜働かせる。このように走行用モータ１００および／または駆動モータ７が発電機として働くため、走行用モータ１００および／または駆動モータ７より回生電力がそれぞれ発生すると共に、走行用モータ１００および／または駆動モータ７に回生ブレーキがそれぞれ作用する。
【００５２】
この場合、圧縮機６の回転速度が急激に低下し、圧縮機６が燃料電池１のカソード１０に供給するカソードガスの流量が急激に低下し、燃料電池１の発電出力が効果的に制限され、上記した車両の走行状況に迅速に対応できる。なお回生電力は蓄電装置１１０に蓄電される。
【００５３】
ところで、回生電力が発生したとしても、蓄電装置１１０が既に満充電状態であり、回生電力を蓄電装置１１０に蓄電できない場合がある。この場合には、回生ブレーキをかけることができず、燃料電池１のカソード１０に供給するカソードガスの流量を充分に低下させることができないおそれがある。そこで、制御部１８は、図８に示す制御を実施し、各種センサの検知信号を読み込み（ステップＳ１０２）、燃料電池１の発電電力を低下させる要請の有無を判定する（ステップＳ１０４）。車両の減速時、坂道を降りるとき、アイドリング時などのように、燃料電池１の発電電力を低下させる要請があれば（ステップＳ１０４のＹＥＳ）、車両の走行状態または燃料電池１の運転要請に応じて発生する走行用モータ１００および／または駆動モータ７による回生電力量Ｐｗを各検知信号に基づいて予め予測する（ステップＳ１０６）。この場合、車速センサからの車速信号、走行用の走行用モータ１００の回転数信号、アクセルペダルの踏込センサからのアクセル踏込量信号（アクセル操作量信号）、ブレーキペダルの踏込センサからのブレーキ踏込量信号（ブレーキ操作量信号）等に基づいて、回生電力量Ｐｗを予測することができる。殊に、ブレーキ踏込量は基本的には回生電力量Ｐｗに対応するため、ブレーキペダルの踏込センサからのブレーキ踏込量に基づいて、回生電力量Ｐｗを予測することができる。
【００５４】
蓄電装置１１０の充電量を検知する充電センサからの充電量信号、予測された回生電力量Ｐｗ等に基づいて、制御部１８は、蓄電装置１１０が満充電状態であるか、あるいは、満充電状態になるおそれがあるか否か判定する（ステップＳ１０８）。蓄電装置１１０が満充電状態であるとき、あるいは、満充電状態になるおそれがあるときには（ステップＳ１０８のＹＥＳ）、予測される回生電力量に応じて蓄電装置１１０を放電させておく（ステップＳ１１０）。具体的には、スイッチング素子９１をオンにし、蓄電装置１１０に蓄電されている電力を電気ヒータ９で熱エネルギとして消費させておく。放電量を増加させるには、スイッチング素子９１のオン時間を長くし、電気ヒータ９の発熱量を増加させる。放電量が少ないときには、スイッチング素子９１のオン時間を短くし、電気ヒータ９の発熱量を少なめとさせる。
【００５５】
このようにして放電が終了すれば（ステップＳ１１２のＹＥＳ）、蓄電装置１１０の満充電状態が回避され、蓄電装置１１０が蓄電可能状態に維持されるため、制御部１８は蓄電許可の信号を出力する（ステップＳ１１４）。従って走行用モータ１００および／または駆動モータ７が発電した回生電力を蓄電装置１１０に良好に蓄電させることができる。更に、走行用モータ１００および／または駆動モータ７に回生ブレーキを作用させることができる。従って、駆動モータ７ひいては駆動モータ７で回転される圧縮機６を迅速に減速または停止させることができる。
【実施例８】
【００５６】
図９は実施例８を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。以下、実施例１と相違する部分を中心として説明する。エキスパンド部８ａは、機器として機能する循環ポンプ４８を回転駆動させる駆動モータ７ａに接続されている。エキスパンド部８ａはポンプ４８と共通の軸４８ｋに接続されている。但し、これに限定されるものではなく、要するに、エキスパンド部８ａ、駆動モータ７ａ、循環ポンプ４８が連動すれば良い。従ってカソードオフガス排出路３を流れるカソードオフガスによりエキスパンド部８ａが回転駆動すると、駆動モータ７ａはアシストされ、ひいては循環ポンプ４８はアシストされる。
【００５７】
実施例１と同様に、燃料電池１の運転時には、前述したように、燃料電池１のカソード１０から排出されたカソードオフガスは、カソードオフガス排出路３の圧力調整弁３１、加湿器２２の吸湿部２５、電気ヒータ９を介してエキスパンド部８ａに供給され、エキスパンド部８ａを回転駆動させる。このようにカソードオフガスがエキスパンド部８ａに供給される直前において、カソードオフガスは電気ヒータ９で加熱され、体積流量が増加する。このためエキスパンド部８ａが回転する効率が増加される。ひいてはエキスパンド部８ａは、駆動モータ７ａの回転駆動ひいては循環ポンプ４８の回転駆動をアシストさせる。このため、電気ヒータ９がオフされている場合よりも、駆動モータ７ａの駆動効率、循環ポンプ４８の駆動効率を高めることができる。よって循環ポンプ４８を駆動させるにあたり駆動モータ７ａが消費する電力を節約できる。あるいは、駆動モータ７ａによりアシストされるアノードオフガス搬送用の循環ポンプ４８の駆動力を高めることができる。
【実施例９】
【００５８】
図１０は実施例９を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有しており、定置用タイプである。アノードガス供給路４は改質装置に接続されている。改質装置４０１は燃料源４０２に繋がり、燃料源４０２からバルブ４０３を介して供給された燃料原料（例えば都市ガス）からアノードガスを改質反応により生成させる。カソードオフガス排出路３において、電気ヒータ９は加湿器２２の吸湿部２５の上流に配置されている。従って、燃料電池１から排出されたカソードオフガスは、電気ヒータ９で加熱された後、加湿器２２の吸湿部２５の流れ、更に、エキスパンド部８に供給される。この場合、電気ヒータ９で加熱されたカソードオフガスの熱を加湿器２２の吸湿部２５に移動させ、更に加湿部２３に移動させることができる。この場合、加湿部２３を流れるカソードガスを昇温させることができる。ひいてはカソードガスに保持できる水蒸気量を増加させることができる。よって燃料電池１に供給される直前のカソードガスの加湿に貢献できる。乾燥地帯や冬季等のようにカソードガスが乾燥している場合に貢献できる。
【実施例１０】
【００５９】
図１１および図１２は単純化したモデル試験機を示す。図１１に示すように、モデル試験機は、共通軸の一端に固定された圧縮機と、共通軸の他端に固定されたタービンと、圧縮機からタービンに向かう流路に設けられた加熱部として機能する燃焼機とを有する。図１２はＢｒａｙｔｏｎサイクルを示す。状態１→状態２は断熱変化を示す。状態２→状態３は等圧変化を示す。状態３→状態４は断熱変化を示す。状態４→状態５は等圧変化を示す。
【００６０】
圧縮機の入口および出口に対して、圧縮機が外部から吸収する仕事はＬｃは、式（１）で示される。状態１→状態２に向かう断熱変化に関して、式（２）が成立する。タービンが外部にする仕事ＬＴに対して、式（３）が成立する。ここで、Ｔ３はタービンの入口温度を示し、Ｔ４はタービンの出口温度を示す。ｒはＰ２／Ｐ１を示す。Ｐ１は圧縮機の入口のガス圧力を示し、Ｐ２は圧縮機の出口のガス圧力を示す。ＣＰは定圧比熱を示す。ｋは比熱比を示す。式（３）から理解できるように、タービンの入口温度Ｔ３に対して、タービンの出口温度Ｔ４が高温に上昇すれば、タービンが外部にする仕事ＬＴが増加することがわかる。
【００６１】
【数１】
2010170925.tif 000003
【００６２】
【数２】
2010170925.tif 000004
【００６３】
【数３】
2010170925.tif 000005
【実施例１１】
【００６４】
図示はしないものの、システムは、燃料電池１を冷却させる冷却媒体を通過させる冷却路と、冷媒を冷却路に循環させる冷媒ポンプと、冷媒ポンプを駆動させる冷媒用モータとを有する。エキスパンド部８は冷媒用モータの回転駆動をアシストさせるものでも良い。実施例１は車両用の燃料電池システムに適用されているが、定置用の燃料電池システムに適用することもできる。本発明は上記した実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。
【符号の説明】
【００６５】
１は燃料電池、１０はカソード、１１はアノード、１８は制御部、２はカソードガス供給路（カソード流体供給路）、２２は加湿器、２３は加湿部、２５は吸湿部、３はカソードオフガス排出路（カソードオフ流体排出路）、３００はパイプ、３５０は圧力室、３５は迂回路、３６は迂回バルブ、４はアノードガス供給路（アノード流体供給路）、４０はガス供給源、４６は循環路、４８は循環ポンプ、５はアノードオフガス排出路（アノードオフ流体排出路）、６は圧縮機（機器、カソードガス搬送機器）、７は駆動モータ、７３ｆ，７３ｓは副変換器、８はエキスパンド部（タービン）、９は電気ヒータ（加熱部）、９１はスイッチング素子、１００は走行用モータ、１０２は主回路、１１０は蓄電装置、１１２は蓄電回路を示す。
【図１】
2010170925.tif 000006
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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