(57)【要約】【課題】  燃料電池の円滑な始動、特に低温下での始動性を向上する。【解決手段】  燃料電池１に空気を供給する空気供給通路Ｌ０、Ｌ１と、上記空気供給通路Ｌ０、Ｌ１に設けられたタンク６と、上記タンク６に加圧空気を供給する加圧空気供給手段２と、上記加圧空気供給手段２により上記タンク６に加圧空気を供給する加圧空気供給制御手段２０と、上記タンク６に蓄えられた加圧空気を燃料電池１の始動時に燃料電池１に供給する燃料電池ガス供給制御手段２０、８と、を備えることを特徴とする燃料電池の制御装置である。【選択図】図１
2006032171.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池に空気を供給する空気供給通路と、
前記空気供給通路に設けられたタンクと、
前記タンクに加圧空気を供給する加圧空気供給手段と、
前記加圧空気供給手段により前記タンクに加圧空気を供給する加圧空気供給制御手段と、
前記タンクに蓄えられた加圧空気を前記燃料電池の始動時に燃料電池に供給する燃料電池ガス供給制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池の制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池の制御装置において、
前記加圧空気供給制御手段は、前記燃料電池の余剰電力を利用してタンクに加圧空気を供給することを特徴とする燃料電池の制御装置。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池の制御装置において、さらに、
前記燃料電池に供給する前記燃料ガスを貯蔵する燃料ガスタンクと、
前記燃料ガスタンクから燃料ガスを燃料電池に供給する燃料ガス供給通路と、
前記燃料ガス供給通路上に設けられた膨張タービンと、
前記膨張タービンの回転により発電を行う発電機と、を備え、
前記余剰電力は前記発電機により発電された電力を含むことを特徴とする燃料電池の制御装置。
【請求項４】
請求項１に記載の燃料電池の制御装置において、さらに、
前記燃料電池に供給する燃料ガスを貯蔵する燃料ガスタンクと、
前記燃料ガスタンクから燃料ガスを燃料電池に供給する燃料ガス供給通路と、
前記燃料ガス供給通路上に設けられた膨張タービンと、
前記加圧空気供給手段により供給される加圧空気を前記タンクと前記燃料電池とに分配する加圧空気分配手段と、を備え、
前記加圧空気供給手段は前記膨張タービンと機械的に接続されて駆動されるポンプであり、前記加圧空気供給制御手段は、前記ポンプの回転数が所定回転数以上のときに前記加圧空気分配手段により前記タンクに加圧空気を供給することを特徴とする燃料電池の制御装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池の制御装置において、さらに、
前記タンクに蓄えられた空気圧力を検出する手段と、
前記燃料電池内に空気が供給される空気極側の残留ガス圧力を検出する手段と、を備え、
前記燃料電池ガス供給制御手段は、前記空気圧力が前記残留ガス圧力を上回る場合に、前記加圧空気を燃料電池に供給する燃料電池の制御装置。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池の制御装置において、さらに、
電力を利用して前記燃料電池に空気を供給する空気供給手段と、
・    前記空気圧力が前記残留ガス圧力を下回る場合に前記空気供給手段により燃料電池に空気を供給する空気供給制御手段とを備える燃料電池の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池では、始動時の発電の安定性を向上させることが１つの課題とされている。特に、空気極側に供給する空気をコンプレッサで供給する場合に、一般的には、通常運転時に充電した二次電池によりコンプレッサを駆動し、さらには、燃料電池自体の発電によりコンプレッサを駆動し、空気を供給する方式が採用される。しかし、このような方式によると、低温下では、二次電池の出力が低下するためコンプレッサに十分な駆動力を投入できず、円滑な始動ができない場合が生じ得る。
【０００３】
なお、燃料電池の出力電力と負荷の必要消費電力とを調整する一般的な技術としては下記特許文献１から６が知られている。しかしながら、いずれの先行技術においても、二次電池出力の低下に伴い燃料電池の始動が不安定になることに対する配慮はなかった。
【特許文献１】特開２００３−２０８９１４号公報
【特許文献２】特開２００３−３０８８５８号公報
【特許文献３】特開２００１−１９７７９１号公報
【特許文献４】特開２００３−１２３８２２号公報
【特許文献５】特開平６−６８８９２号公報
【特許文献６】特開２００１−９５１０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、燃料電池の円滑な始動、特に低温下での安定的な始動に寄与する技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、本発明は、燃料電池と、上記燃料電池に空気を供給する空気供給通路と、上記空気供給通路に設けられたタンクと、上記タンクに加圧空気を供給する加圧空気供給手段と、上記加圧空気供給手段により上記タンクに加圧空気を供給する加圧空気供給制御手段と、上記タンクに蓄えられた加圧空気を上記燃料電池の始動時に燃料電池に供給する燃料電池ガス供給制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池の制御装置である。
【０００６】
本発明によれば、始動時にタンクから燃料電池に高圧空気を供給することで燃料電池あるいは燃料電池に備えた二次電池の出力に依存せずに安定して高圧空気を供給できるので、燃料電池の始動性が向上する。
【０００７】
上記燃料電池の制御装置において、上記加圧空気供給制御手段は、上記燃料電池の余剰電力を利用してタンクに加圧空気を供給するようにしてもよい。そのような構成とすることで余剰電力の有効利用を図ることができる。
【０００８】
上記燃料電池の制御装置において、さらに、上記燃料電池に供給する上記燃料ガスを貯蔵する燃料ガスタンクと、上記燃料ガスタンクから燃料ガスを燃料電池に供給する燃料ガス供給通路と、上記燃料ガス供給通路上に設けられた膨張タービンと、上記膨張タービンの回転により発電を行う発電機と、を備え、上記余剰電力は上記発電機により発電された電力を含むようにしてもよい。このような構成とすることで、燃料ガスの有効利用を図るとともに、燃料電池の始動性を向上できる。
【０００９】
上記燃料電池の制御装置において、さらに、上記燃料電池に供給する燃料ガスを貯蔵する燃料ガスタンクと、上記燃料ガスタンクから燃料ガスを燃料電池に供給する燃料ガス供給通路と、上記燃料ガス供給通路上に設けられた膨張タービンと、上記加圧空気供給手段により供給される加圧空気を上記タンクと上記燃料電池とに分配する加圧空気分配手段と、を備え、上記加圧空気供給手段は上記膨張タービンと機械的に接続されて駆動されるポンプであり、上記加圧空気供給制御手段は、上記ポンプの回転数が所定回転数以上のときに上記加圧空気分配手段により上記タンクに加圧空気を供給するようにしてもよい。このような構成とすることで、ポンプの回転数に余剰がある場合にタンクに加圧空気を供給し、余剰エネルギの有効利用を図るとともに燃料電池の始動性を向上できる。
【００１０】
上記燃料電池の制御装置において、さらに、上記タンクに蓄えられた空気圧力を検出する手段と、上記燃料電池内に空気が供給される空気極側の残留ガス圧力を検出する手段と、をさらに備え、上記燃料電池ガス供給制御手段は、上記空気圧力が上記残留ガス圧力を上回る場合に、上記加圧空気を燃料電池に供給するようにしてもよい。このような構成とすることで、タンクの空気圧力が十分に確保されている場合に、タンクの加圧空気を燃料電池に供給し、タンクの空気が消費されるとポンプにより空気を燃料電池に供給することができる。
【００１１】
上記燃料電池の制御装置において、さらに、電力を利用して上記燃料電池に空気を供給する空気供給手段と、上記空気圧力が上記残留ガス圧力を下回る場合に上記空気供給手段により燃料電池に空気を供給する空気供給制御手段とを備えるようにしてもよい。したがって、この燃料電池の制御装置では、タンクの加圧空気を消費した後には、空気供給手段により空気が燃料電池に供給される。
【００１２】
なお、空気供給手段と加圧空気供給手段とは、同一の構成要素で兼用してもよい。また、空気供給制御手段と加圧空気供給制御手段とは、同一の制御装置上でコンピュータプログラムにより実現してもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、燃料電池の円滑な始動、特に低温下での始動の安定性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態という）に係る燃料電池について説明する。以下の実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成に限定されない。
【００１５】
《第１実施形態》
以下、図１および図２の図面を参照して本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを説明する。この燃料電池システムが本発明の燃料電池の制御装置に相当する。図１は、第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【００１６】
図１に示すように、この燃料電池は、燃料電池本体１と、燃料電池本体１の空気極側に加圧空気を供給するコンプレッサ２と、コンプレッサ２からの加圧空気を減圧して燃料電池本体１に供給する減圧弁７と、コンプレッサ２からの加圧空気を分岐して蓄えるエアタンク６と、コンプレッサ２からの加圧空気のエアタンク６への通過を制御する遮断弁１８と、エアタンク６からの加圧空気の逆流を防止する逆止弁１９と、エアタンク６に蓄えられた加圧空気を減圧して燃料電池本体１の空気極に供給する減圧弁８と、エアタンク６内のガス圧力を検出する圧力センサ１４と、燃料電池本体１の空気極の排気側にて空気極内の圧力を調整する背圧弁９と、燃料電池本体１の空気極側のガス圧力を検出する圧力センサ１５と、燃料電池本体１から電力を供給される負荷５と、負荷５または負荷５と連係してユーザに各種のエネルギを提供するシステム（例えば車両）に制動を加える回動制動装置３と、この回動制動装置３において発生する回生エネルギを蓄積するバッテリ４と、バッテリ４の出力電圧を検出する電圧センサ１７と、回生制動装置３の出力電力のコンプレッサ２への投入を制御するスイッチＳＷ１と、燃料電池システム全体を制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit）２０とを有している。なお、図１では、水素極側の構成要素は省略されている。
【００１７】
燃料電池本体１は、膜−電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータとを含むセルを直列に接続し、複数階層に積層したものから構成される。膜−電極接合体は、水素をプロトンと電子に分離する水素極と、水素極で生成されたプロトンを空気極に伝導する電解質膜と、空気極に伝導したプロトンと酸素と外部回路を通じて水素極から伝導した電子により水を生成する空気極とを含む。
【００１８】
コンプレッサ２（加圧空気供給手段に相当）は、燃料電池本体１に酸化剤である空気を供給する。コンプレッサ２から供給される空気は、空気供給通路Ｌ０およびＬ０から分岐する空気供給通路Ｌ１を通過し、さらに減圧弁７により供給圧力が所定値に減圧され、燃料電池本体１の空気極に供給される。
【００１９】
また、本実施形態のシステムでは、空気供給通路Ｌ０から分岐する空気供給通路Ｌ１が、遮断弁１８および逆止弁１９を通じてエアタンク６に導入される。遮断弁１８が開弁した状態では、コンプレッサ２から供給される空気の一部は、エアタンク６に蓄えられることになる。また、エアタンク６の上流側には、逆止弁１９が備えられている。したがって、コンプレッサ２から空気供給通路Ｌ０、Ｌ１、遮断弁１８を通じてエアタンク６に導入された圧縮空気は、空気供給通路Ｌ１に逆流することはない。
【００２０】
エアタンク６の空気もまた、減圧弁８を介して燃料電池本体１の空気極側に導入される。エアタンク６のガス圧力および燃料電池本体１の空気極側のガス圧力は、各々、圧力センサ１４および１５により監視され、ＥＣＵ２０に逐次報告されている。ＥＣＵ２０は、燃料電池の始動時、減圧弁８を開弁して所定の供給圧力で、エアタンク６内の加圧空気を燃料電池本体１の空気極側に供給する。
【００２１】
そして、エアタンク６のガス圧力が燃料電池本体１の空気極側のガス圧力以下になると、ＥＣＵ２０は、減圧弁８を閉弁し、エアタンク６からの加圧空気の燃料電池本体１への供給を停止する。その後は、コンプレッサ２から空気供給通路Ｌ０、Ｌ２および減圧弁７を通じて燃料電池本体１に空気が供給されることになる。ＥＣＵ２０は、不図示のセンサにより、燃料電池の出力電圧（または、出力電流、電力等）を監視している。燃料電池の出力が安定すると、ＥＣＵ２０は遮断弁１８を開弁する。その結果、空気供給通路Ｌ０、Ｌ１を通じてエアタンク６には、加圧空気が蓄えられてゆき、次回の始動時に使用されことになる。
【００２２】
以上述べた減圧弁７、８については、下流側に伝達される圧力を制御できる機能のもの
であれば、その構成に制限はない。電磁力によりその開口部の開度または開閉の時間間隔を制御されるものでもよい。また、ダイヤフラムによりその開口部の開度を制御されるものでもよい。
【００２３】
背圧弁９は、燃料電池本体１の空気極側の圧力が所定値になるように、ＥＣＵ２０によりその開度または開閉の時間間隔を制御される。ただし、その構成に関しては、制限はなく、電磁力によりその開口部の開度または開閉の時間間隔を制御されるものでもよい。また、ダイヤフラムによりその開口部の開度を制御されるものでもよい。
【００２４】
遮断弁１８は、ＥＣＵ２０の制御により、コンプレッサ２からエアタンク６に通じる空気供給通路Ｌ１を開閉する。本実施形態において、遮断弁１８は、例えば、電磁力により開閉できる開口部を有する構造のものであれば、その構成に限定はない。
【００２５】
逆止弁１９は、コンプレッサ２からエアタンク６に向かうガスの流れ（以下、順方向と呼ぶ）を通過させるが、逆方向のガスの流れを阻止する。本実施形態において、逆止弁１９そのものの構成に限定はない。
【００２６】
ＥＣＵ２０は、コンプレッサ２、遮断弁１８、減圧弁７、８、背圧弁９、スイッチＳＷ１および回生制動装置３等、本燃料電池システムの各構成要素を制御し、燃料電池の始動、発電の制御、および燃料電池の停止等の処理を実行する。ＥＣＵ２０は、ＣＰＵ、メモリ、入出力インターフェース等を含む。ＥＣＵ２０は、不図示の入出力インターフェースを介してコンプレッサ２、遮断弁１８、減圧弁７、８、背圧弁９、スイッチＳＷ１および回生制動装置３等の制御回路に接続されている。
【００２７】
負荷５は、例えば、車両を駆動するモータであり、燃料電池本体１から供給される電力を機械的な動力に変換する。負荷５によって駆動される車両には、回生制動装置３が備えられ、進行速度を制御する。回生制動装置３は、例えば、回生ブレーキである。車両に制動を加えると、回生制動装置３は発電機として機能し電力を発生する。また、回生制動装置３は、車両が十分に加速後、慣性にて走行中または下り坂にて惰行中に発電機として機能するものでもよい。回生制動装置３の原理は、電動機の回転軸に外部から回転力を加えることで発電機として機能する現象として知られている。いずれにしても、回生制動装置３は、負荷５に供給された電力から余剰のエネルギを抽出し、回生電力として出力する。
【００２８】
バッテリ４は負荷変動の吸収に使用される。すなわち、回生制動装置３に発生する電力は通常はバッテリ４を充電する。そして、負荷５の要求電力が燃料電池本体１の発電量を上回った場合、バッテリ４に蓄積された電力が負荷５に供給される。また、その場合、バッテリ４に蓄積された電力は、コンプレッサ２の駆動にも使用される。なお、バッテリ４の充電量（例えば、出力電圧）は、電圧センサ１７により監視され逐次ＥＣＵ２０に報告される。
【００２９】
本実施形態の燃料電池システムでは、バッテリ４が完全に充電され、さらに、燃料電池本体１の発電量が負荷５の必要電力および空気極側の要求空気量に対応するコンプレッサ２の必要電力を充足する場合には、回生制動装置３で発電される回生電力がコンプレッサ２の駆動に重畳して投入される。この回生電力の追加により、コンプレッサ２から出力される加圧空気は増加され、その加圧空気の一部がエアタンク６に蓄えられる。
【００３０】
以下、図１にしたがって、燃料電池システムの運転時の処理を説明する。通常の運転時、ＥＣＵ２０は、電圧センサ１７によりバッテリ４の出力電圧を監視し、充電が十分でない場合、バッテリ４を充電する。その場合、ＥＣＵ２０は、スイッチＳＷ１を開放する。これにより、回生制動装置３からの回生電力は、コンプレッサ２に消費されることなく、
バッテリ４の充電に使用される。このとき、コンプレッサ２は、燃料電池本体１にて発電される電力により駆動されることになる。
【００３１】
なお、上記回生電力の他、負荷５の要求電力以上の発電量がある場合に、燃料電池本体１によりバッテリ４を充電してもよい。そのため、ＥＣＵ２０が負荷５の要求発電量（例えば、車両のアクセル操作量等ユーザからの指示による）と、燃料電池本体１から出力される電力（電流と電圧）とを比較し、要求電力以上の発電量がある場合に、不図示のスイッチにより燃料電池本体１の出力電力をバッテリ４に投入するようにすればよい。
【００３２】
また、ＥＣＵ２０は、バッテリ４の充電中、コンプレッサ２からエアタンク６に通じる遮断弁１８、およびエアタンク６から燃料電池本体１に通じる減圧弁８を閉弁状態にする。したがって、この間、コンプレッサ２からの加圧空気は、減圧弁７を通じて燃料電池本体１に供給される。このようにして、通常運転中、バッテリ４が充電されるまでの間、コンプレッサ２は、燃料電池本体１の電力により駆動され、回生制動装置３の電力はバッテリ４を充電する。また、コンプレッサ２から吐出された加圧空気は、減圧弁７を通じて燃料電池本体１に供給される。
【００３３】
バッテリ４が完全に充電されると、ＥＣＵ２０は、スイッチＳＷ１を閉じる。これにより、燃料電池本体１からの電力に加えて、回生制動装置３からの電力がコンプレッサ２の駆動に使用される。その結果、コンプレッサ２の出力が増加する。さらに、ＥＣＵ２０は、エアタンク６に通じる遮断弁１８を開弁状態にする。また、ＥＣＵ２０は、エアタンク６から燃料電池本体１に通じる空気供給通路上の減圧弁８を閉弁状態で維持する。これにより、コンプレッサ２からの加圧空気の一部は、遮断弁１８を通じてエアタンク６に供給される（この処理を実行するＥＣＵ２０が加圧空気供給制御手段に相当する）。また、一部の加圧空気は、減圧弁７にて圧力が調整され燃料電池本体１に供給される。
【００３４】
したがって、回生制動装置３にて回生電力が発生した場合には、コンプレッサ２は、通常運転時の要求空気量以上の加圧空気を出力することになる。この要求空気量以上の加圧空気は、遮断弁１８および逆止弁１９を通じてエアタンク６に送り込まれる。
【００３５】
なお、エアタンク６内の空気の圧力がコンプレッサ２からの加圧空気の圧力以上になると、コンプレッサ２は、加圧空気をエアタンク６に送り込むことができなくなる。その場合には、回生制動装置３からの電力によるコンプレッサ２の加圧空気は減圧弁７を通じて燃料電池本体１に送り込まれ、燃料電池本体１の空気極側のガス圧力は、背圧弁９により制御されることになる。
【００３６】
以上のようにして蓄積されたエアタンク６内の加圧空気は、次回の燃料電池始動時に使用されることになる。また、バッテリ４に蓄積された電力は、負荷５における要求発電量が燃料電池本体１の発電量を上回ったときに負荷５にて消費される。
【００３７】
図２は、燃料電池の始動時に、図１に示したＥＣＵ２０で実行される空気極側への空気供給制御処理を示すフローチャートである（この処理を実行するＥＣＵ２０が燃料電池ガス供給制御手段に相当する）。この処理は、燃料電池（ＦＣとも呼ぶ）の始動時、燃料電池システムの他の構成要素の制御、例えば、水素極側の制御処理とともに並行して実行される。
【００３８】
この処理では、ＥＣＵ２０は、まず、エアタンク６内に蓄積された空気の圧力（以下、この圧力を残圧という）が燃料電池本体１の空気極側の残留ガス圧力（以下、これを背圧と呼ぶ）以上か否かを判定する（Ｓ１）。
【００３９】
そして、エアタンク６の残圧が燃料電池本体１の背圧以上の場合に、ＥＣＵ２０は、エアタンク６より空気を燃料電池本体１に供給する（Ｓ２）。その後、ＥＣＵ２０は、制御をＳ１に戻す。
【００４０】
一方、エアタンク６の残圧が燃料電池本体１の背圧未満の場合に、ＥＣＵ２０は、バッテリ４の電力によりコンプレッサを運転する（Ｓ３）。
【００４１】
このようにして、燃料電池の始動時には、エアタンク６の残圧が燃料電池本体１の残圧程度になるまで、エアタンク６内の加圧空気が減圧弁８を通じて燃料電池本体１の空気極側に供給されることになる。このような構成および制御により、本燃料電池システムの始動時には、ＥＣＵ２０はエアタンク６の加圧空気を燃料電池本体１に供給することで始動時の酸化剤ガスである空気を十分に供給することができる。したがって、低温下、特に氷点下で燃料電池が長時間停止し、バッテリ４および燃料電池本体１からの供給電力が十分でない場合でも、バッテリ４の電力に頼ることなく、空気を安定して空気極側に供給できる。
【００４２】
また、本実施形態の燃料電池によれば、回生制動装置３に発生した回生電力によりバッテリ４の充電が完了した後は、回生電力がコンプレッサ２の駆動に使用され、加圧空気がエアタンク６に蓄積される。したがって、バッテリ４に加えてエアタンク６によっても余剰電力を蓄積でき、エネルギ効率をさらに向上できる。
【００４３】
上記実施形態では、エアタンク６の入口側に逆止弁１９を設けてエアタンク６からの加圧空気の逆流を防止した。しかし、本発明の実施において逆止弁１９は必ずしも必要ではない。すなわち、回生制動装置３からの回生電力によりコンプレッサ２を駆動し、減圧弁７の上流側の空気供給通路Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２に加圧空気を滞留させるとその加圧空気の圧力と釣り合うだけの加圧空気がエアタンク６に導入されることになる。
【００４４】
したがって、コンプレッサ２に電力が供給され、コンプレッサ２からの加圧空気の圧力がエアタンク６内の空気圧力を上回る限り、加圧空気の一部はエアタンク６に流れる。そのような構成では、ＥＣＵ２０は、回生電力が低下し、コンプレッサ２の出力が低下して、空気供給通路Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２内の圧力が低下した場合に、遮断弁１８を閉弁すればよい。
【００４５】
したがって、ＥＣＵ２０が回生制動装置３に発生する回生電力、コンプレッサ２の出力、または空気供給通路Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２内の圧力を検知できるセンサがあり、かつ、エアタンク６内の空気圧力を検知できる圧力センサ１４が設けられていれば、逆止弁１９がなくても、ＥＣＵ２０の制御によりエアタンク６に加圧空気を貯蔵できる。なお、逆止弁１９がない構成で、空気供給通路Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２内の圧力が低下したか否かは、エアタンク６内の圧力を監視し、その圧力が低下したか否かによって推定してもよい。
【００４６】
上記実施形態では、燃料電池の始動時に、図２に示した始動制御（空気極側への空気供給制御処理）が実行されるものとして説明した。しかし、本発明の実施はこのような手順には限定されない。例えば、本実施形態で説明した始動制御は、バッテリの出力が低下してしまうと想定される低温時にのみ行うようにしてもよい。例えば、燃料電池システムの外部筐体、または燃料電池を搭載する装置（車両）等の外部筐体に設置した温度センサにより気温を検知し、所定の気温以下の場合に本実施形態で説明した始動制御を実行するようにすればよい。
【００４７】
《第２実施形態》
以下、図３の図面を参照して本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムを説明する
。図３は、第２実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。上記第１実施形態では、通常の運転時に、燃料電池本体１にて発生する電力またはバッテリ４に蓄積された電力の他、回生制動装置３にて発生する電力によってコンプレッサ２を駆動した。そして、コンプレッサ２から出力される加圧空気のうち、燃料電池本体１で要求される空気量以上の空気をエアタンク６に蓄積しておき、始動時に、エアタンク６の加圧空気を燃料電池本体１に供給する燃料電池システムについて説明した。
【００４８】
本実施形態では、回生制動装置３で発生する電力を用いる代わりに水素タンク１０内の加圧水素によって膨張タービン１１を回転させ、膨張タービン１１に連動する発電機１３によりコンプレッサ２を駆動する燃料電池システムの例を説明する。本実施形態の燃料電池システムの他の構成および作用は、第１実施形態の場合と同様である。そこで、同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００４９】
図３に示すように、本燃料電池システムでは、水素極側には、水素タンク１０（燃料ガスタンクに相当）からの加圧水素が水素供給通路Ｌ３（燃料ガス供給通路に相当）を通って燃料電池本体１の水素極側に供給される。この水素供給通路Ｌ３には、膨張タービン１１および減圧弁１２が設けられている。また、膨張タービン１１の回転軸には所定のカップリング手段（ギヤ、またはベルト等）を介して発電機１３の回転軸が連結されている。発電機１３の出力端子はバッテリ４の端子に接続されるとともに、スイッチＳＷ２を介してコンプレッサ２の不図示の電源入力端子に接続されている。
【００５０】
減圧弁１２の構成は、第１実施形態の減圧弁７および８と同様である。また、膨張タービン１１は、加圧したガス（水素）を減圧して回転軸の回りに設けた羽根に受けて、ガスが膨張する際のエネルギによって回転軸を回転させる構造のものであれば、その構成には限定されない。また、発電機１３については、膨張タービン１１の回転軸とカップリング手段を通じて接続される回転体（ロータ）を有し、回転体の回転により電力を発生するものであれば、その構成に限定はない。
【００５１】
以下、図３の構成にしたがって、本燃料電池の制御処理を説明する。なお、本実施形態においても、負荷５は車両を駆動するモータであると想定する。
【００５２】
（１）通常走行時、ＥＣＵ２０の制御により、水素タンク１０に蓄えた高圧水素が膨張タービン１１に導入される。その高圧水素を減圧する際のエネルギが膨張タービン１１により取り出され、膨張タービン１１の回転力で発電機１３にて電力が発生する。このとき膨張タービン１１を出た水素は減圧弁１２により適正な圧力に減圧された後、燃料電池本体１に供給される。
【００５３】
（２）ＥＣＵ２０は、電圧センサ１７によりバッテリ４の出力電圧を監視している。バッテリ４の充電が十分でない場合、ＥＣＵ２０は、スイッチＳＷ２を開放する。その結果、発電機１３により発電された電力を用いてバッテリ４が充電される。このとき、ＥＣＵ２０は、エアタンク６に通じる遮断弁１８および減圧弁８を閉弁状態に制御する。その結果、コンプレッサ２から吐出された空気は減圧弁７を通じて燃料電池本体１に供給される。このとき、コンプレッサ２の電力は燃料電池本体１から供給される。
【００５４】
（３）発電機１３により発電された電力により、バッテリ４が完全に充電されると、ＥＣＵ２０は、スイッチＳＷ２を閉じ、発電機１３からコンプレッサ２に電力を供給する。その結果、燃料電池本体１からの電力に加えて、発電機１３の電力がコンプレッサ２に追加して投入され、コンプレッサ２の出力が増加する。さらに、ＥＣＵ２０は、遮断弁１８を開弁し、コンプレッサ２からの加圧空気をエアタンク６に貯蔵する。このとき、ＥＣＵ２０は、燃料電池本体１には減圧弁７にて圧力を調整して空気を供給する。
【００５５】
エアタンク６に貯蔵された圧縮空気は、燃料電池を始動する際に減圧弁８を通して燃料電池に供給される。この手順は第１実施形態の場合と同様である。これにより高圧水素供給時のエネルギを圧縮空気という形で貯蔵し、始動時にコンプレッサ２にて電力を消費することなく始動できるので、エネルギ効率を高めることができる。また、氷点下においてはバッテリ４および燃料電池本体１の出力が低下するため、始動時になるべく電力を消費しないことが望まれる。本発明により始動時に必要な電力を削減できるため、低温始動性が向上する。
【００５６】
《第３実施形態》
以下、図４の図面を参照して本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを説明する。図４は、第３実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。上記第１実施形態では、通常の運転時に、燃料電池本体１にて発生する電力またはバッテリ４に蓄積された電力の他、回生制動装置３にて発生する電力によってコンプレッサ２の出力を増加し、その加圧空気の一部をエアタンク６に蓄積しておき、始動時に、エアタンク６内の加圧空気を燃料電池本体１に供給する燃料電池システムについて説明した。また、第２実施形態では、高圧水素のエネルギにより膨張タービン１１および発電機１３を駆動した。そして、発電機１３から出力される電力によりコンプレッサ２の出力を増加し、その加圧空気をエアタンク６に蓄積しておき、始動時に、エアタンク６内の加圧空気を燃料電池本体１に供給する燃料電池システムについて説明した。
【００５７】
本実施形態では、発電機１３を使用せず、上記膨張タービン１１に発生する回転エネルギを直接コンプレッサ２に伝達する燃料電池システムについて説明する。他の構成および作用は第１実施形態の場合と同様である。そこで、第１実施形態または第２実施形態の場合と同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００５８】
図４に示すように、本燃料電池システムでは、水素極側には、水素タンク１０からの加圧水素が水素供給通路Ｌ３、膨張タービン１１、水素供給通路Ｌ４および減圧弁１２を通って燃料電池本体１の水素極側に供給される。
【００５９】
また、膨張タービン１１の回転軸には所定のカップリング手段（ギヤ、またはベルト等）を介してコンプレッサ２の回転軸が連結される。その結果、膨張タービン１１で発生する回転エネルギが減速されてコンプレッサの回転軸に伝達される。したがって、通常の運転状態では、コンプレッサ２は、燃料電池本体１またはバッテリ４から供給されるエネルギに加えて膨張タービン１１からの回転エネルギが重畳され、出力が増加する。
【００６０】
コンプレッサ２からの加圧空気は、第１実施形態および第２実施形態の場合と同様、減圧弁７の通路とは分岐して遮断弁１８および逆止弁１９を通じてエアタンク６に蓄積される。
【００６１】
以下、図４の構成にしたがって、本燃料電池の制御処理を説明する。
【００６２】
（１）通常走行時、水素タンク１０に蓄えた高圧水素を減圧する際のエネルギを膨張タービン１１により取り出し、膨張タービン１１の回転力でコンプレッサ２を回転させる。なお、コンプレッサ２は膨張タービン１１の回転力の他に燃料電池本体１およびバッテリ４の電力によっても駆動される。
【００６３】
（２）このとき膨張タービン１１を出た水素は減圧弁７により適正な圧力に減圧された後、燃料電池本体１に供給される。また、このときエアタンク６入口側の遮断弁１８および出口側の減圧弁８は閉じた状態にあり、コンルッサ２から吐出された空気はすべて燃料
電池本体１に供給される。
【００６４】
（３）ＥＣＵ２０は、負荷５の必要電力からコンプレッサ２の必要出力（空気の吐出量）を算出する。コンプレッサ２の必要出力に相当する動力よりも膨張タービン１１の回転力の方が大きい場合は、ＥＣＵ２０は遮断弁１８を開弁する。その結果、コンプレッサ２の余剰出力による加圧空気はエアタンク６に貯蔵される（図４に示した空気供給通路Ｌ０−Ｌ３が加圧空気分配手段に相当する）。このとき、ＥＣＵ２０は燃料電池本体１には減圧弁７にて圧力を調整して空気を供給する。
【００６５】
（４）エアタンク６に貯蔵した圧縮空気は、燃料電池を始動する際に減圧弁８を通して燃料電池に供給される。
【００６６】
図５に、エアタンク６に加圧空気を供給する際のＥＣＵ２０の制御処理の詳細を示す。この処理では、ＥＣＵ２０は、まず、車両からの要求電力を検知する（Ｓ１１）。要求電力は、アクセル等車両の操作部の操作量から検知できる。ＥＣＵ２０は、その要求電力から燃料電池本体１で必要な空気量を求め、さらにその空気量を提供するためのコンプレッサ２の要求回転数に換算する。
【００６７】
次に、ＥＣＵ２０は、膨張タービン１１により駆動されて回転するコンプレッサ２の回転軸の駆動回転数を不図示の回転速度センサにより検知する（Ｓ１２）。
【００６８】
次に、ＥＣＵ２０は、上記駆動回転数が要求回転数を超えているか否かを判定する（Ｓ１３）。そして、駆動回転数が要求回転数を超えている場合、ＥＣＵ２０は、エアタンク６に通じる遮断弁１８を開弁する（Ｓ１４）。一方、駆動回転数が要求回転数を超えていない場合、ＥＣＵ２０は、エアタンク６に通じる遮断弁１８を閉弁する（Ｓ１５）。その後、ＥＣＵ２０は、制御をＳ１１に戻す。
【００６９】
以上述べたように、本実施形態の燃料電池システムによれば、高圧水素供給時のエネルギを圧縮空気という形で貯蔵し、始動時にコンプレッサ２にて電力を消費することなく始動できるので、エネルギ効率を高めることができる。特に、本実施形態の構成では、膨張タービン１１の動力を電力に変換することなく直接コンプレッサ２に伝達できるので、システムの構成を単純化することができる。また、氷点下においてはバッテリ４および燃料電池本体１の出力が低下するため、始動時になるべく電力を消費しないことが望まれる。本発明により始動時に必要な電力を削減できるため、低温始動性が向上する。
【００７０】
《第４実施形態》
以下、図６の図面を参照して本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムを説明する。図６は、第４実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。図６に示すように、本実施形態では、コンプレッサ２に加えてさらにエアタンク６の充填専用のコンプレッサ２Ａが設けられている。コンプレッサ２Ａは、回生制動装置３の発電する電力で駆動するように構成されている。他の構成および作用は第１実施形態の場合と同様である。そこで、第１実施形態の場合と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００７１】
通常の運転時、ＥＣＵ２０は、電圧センサ１７によりバッテリ４の出力電圧を監視し、充電が十分でない場合、バッテリ４を充電する。その場合、ＥＣＵ２０は、スイッチＳＷ３を開放する。これにより、回生制動装置３からの電力は、コンプレッサ２Ａに消費されることなく、バッテリ４の充電に使用される。一方、コンプレッサ２は、燃料電池本体１にて発電される電力により駆動され、燃料電池本体１に空気を供給する。
【００７２】
バッテリ４が完全に充電されると、ＥＣＵ２０は、スイッチＳＷ３を閉じる。これにより、回生制動装置３からの電力がコンプレッサ２の駆動に使用される。さらに、ＥＣＵ２０は、エアタンク６から燃料電池本体１に通じる空気供給通路上の減圧弁８を閉弁状態で維持する。これにより、コンプレッサ２Ａからの加圧空気は、エアタンク６に貯蔵される。
【００７３】
したがって、回生制動装置３にて電力が発生した場合には、その回生エネルギによりコンプレッサ２Ａが駆動され、加圧空気がエアタンク６に貯蔵される。このようにして蓄積されたエアタンク６内の加圧空気は、次回の燃料電池始動時に使用される。その結果、第１実施形態から第３実施形態で述べたのと同様、燃料電池のエネルギ効率が向上するとともに、低温下での燃料電池の始動性が向上する。
【００７４】
《第５実施形態》
以下、図７の図面を参照して本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを説明する。図７は、第５実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。図７のように、この燃料電池は、第１実施形態の回生制動装置３と、第２実施形態の膨張タービン１１および発電機１３とを組み合わせて含む構成となっている。ＥＣＵ２０による回生制動装置３、スイッチＳＷ１の制御は、第１実施形態の場合と同様である。また、ＥＣＵ２０による発電機１３、スイッチＳＷ２の制御は、第２実施形態の場合と同様である。さらに、遮断弁１８、減圧弁８の制御、および燃料電池始動時の空気極側への空気供給制御処理は第１実施形態および第２実施形態の場合と同様である。
【００７５】
このような構成により、余剰の回生エネルギの有効利用と、高圧水素の膨張エネルギの有効利用を組み合わせてさらにエネルギ効率の向上を図るとともに、第１実施形態または第２実施形態と同様、低温下での燃料電池の始動性が向上する。
【００７６】
なお、本実施形態は、第１実施形態に示した回生制動装置３と、第２実施形態に示した膨張タービン１１および発電機１３とを組み合わせて利用する燃料電池システムを示した。しかし、このような構成に代えて、例えば、第３実施形態のように、カップリング手段を介して膨張タービン１１の動力を直接コンプレッサ２に伝達するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】ＥＣＵで実行される燃料電池始動時の制御を示すフローチャートである。
【図３】第２実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図４】第３実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図５】エアタンク６に加圧空気を供給する際のＥＣＵ２０の制御処理の詳細を示すフローチャートである。
【図６】第４実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図７】第５実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【符号の説明】
【００７８】
１    燃料電池本体
２    コンプレッサ
３    回生制動装置
４    バッテリ
５    負荷
６    エアタンク
７、８、１２  減圧弁
９    背圧弁
１０    水素タンク
１１    膨張タービン
１３    発電機
１４、１５  圧力センサ
１７    電圧センサ
１８    遮断弁
１９    逆止弁
２０    ＥＣＵ
【図１】
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【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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