(57)【要約】【課題】運転停止後に空気中の酸素が燃料電池内に流入することを抑止できる燃料電池システムを提供すること。【解決手段】燃料電池システム１０において、圧縮機１２は、ディフューザ流路の流路断面積を調整する流路調整部１４を備えるとともに、該流路調整部１４はディフューザ流路を遮断可能である。電動タービン３０は、タービン室と吸入室とを繋ぐ連通路の流路断面積を調整する圧力調整部２９を備えるとともに、圧力調整部２９は連通路を遮断可能である。【選択図】図１
2018150832.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池内に形成された空気流路の入口に繋がる供給流路と、
前記供給流路に位置し、前記燃料電池に空気を圧縮して吐出する圧縮機と、
前記空気流路の出口に繋がる排出流路と、
前記排出流路に位置し、前記燃料電池から排出された空気を取り込んで排気エネルギを回収する回生機と、を備えた燃料電池システムであって、
前記供給流路を遮断可能とする供給側遮断機構を備えるとともに、
前記回生機は、
該回生機に取り込まれた空気によって回転するタービンホイールと、
前記タービンホイールを収容したタービン室と、
前記タービン室に繋がり、前記排出流路の空気を前記タービン室に導入する連通路と、
前記連通路の流路断面積を調整して前記燃料電池に供給される空気の圧力を調整する圧力調整部と、を備え、
前記圧力調整部は、前記連通路を遮断可能であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記圧縮機は、ディフューザ流路と、前記ディフューザ流路の流路断面積を調整する流路調整部と、を備え、前記流路調整部は、前記ディフューザ流路を遮断可能であり、前記供給側遮断機構は、前記流路調整部である請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
燃料電池と、
前記燃料電池内に形成された空気流路の入口に繋がる供給流路と、
前記供給流路に位置し、前記燃料電池に空気を圧縮して吐出する圧縮機と、
前記空気流路の出口に繋がる排出流路と、
前記排出流路に位置し、前記燃料電池に供給する空気の圧力を調整する圧力調整部と、を備えた燃料電池システムであって、
前記排出流路を遮断可能とする排出側遮断機構を備えるとともに、
前記圧縮機は、
ディフューザ流路と、
前記ディフューザ流路の流路断面積を調整する流路調整部と、を備え、
前記流路調整部は、前記ディフューザ流路を遮断可能であることを特徴とす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、車両に搭載される燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
水素と空気中の酸素とを化学反応させて発電を行う燃料電池スタックを有する燃料電池システムを搭載した車両が実用化されている（例えば、特許文献１参照）。一般に、燃料電池スタックは電解質膜を挟んで酸素極と水素極とを対設したセルをセパレータによって挟持した状態で複数積層して構成されている。また、燃料電池システムは圧縮機を備える。圧縮機は、大気から吸入した空気を圧縮し、圧縮した空気を燃料電池スタック内に設けられた空気流路に供給する。また、燃料電池システムは回生機を備える。回生機は、燃料電池スタックの空気流路から排出された空気の排気エネルギを、空気が大気に排出される前に機械的エネルギとして回収する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−３１５５１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、燃料電池システムの運転が停止された後、燃料電池スタック内の空気流路の入口よりも空気の流通方向上流側にある流路、及び空気流路の出口よりも空気の流通方向下流側にある流路のいずれかが大気開放されていると、流路を介して燃料電池スタック内に空気中の酸素が入り込む。燃料電池スタック内に入り込んだ酸素の一部は、電解質膜を通過し、燃料電池スタックの水素極に流れる。すると、水素極には、水素と酸素が混在し、燃料電池システムの次回起動時に、酸素極にエアを流した際に、異常電位が発生し、酸素極の触媒が劣化する場合がある。
【０００５】
本発明の目的は、運転停止後に空気中の酸素が燃料電池内に流入することを抑止できる燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記問題点を解決するための燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池内に形成された空気流路の入口に繋がる供給流路と、前記供給流路に位置し、前記燃料電池に空気を圧縮して吐出する圧縮機と、前記空気流路の出口に繋がる排出流路と、前記排出流路に位置し、前記燃料電池から排出された空気を取り込んで排気エネルギを回収する回生機と、を備えた燃料電池システムであって、前記供給流路を遮断可能とする供給側遮断機構を備えるとともに、前記回生機は、該回生機に取り込まれた空気によって回転するタービンホイールと、前記タービンホイールを収容したタービン室と、前記タービン室に繋がり、前記排出流路の空気を前記タービン室に導入する連通路と、前記連通路の流路断面積を調整して前記燃料電池に供給される空気の圧力を調整する圧力調整部と、を備え、前記圧力調整部は、前記連通路を遮断可能であることを要旨とする。
【０００７】
これによれば、供給流路は供給側遮断機構によって遮断可能であり、排出流路は、回生機の連通路において圧力調整部によって遮断可能である。このため、燃料電池システムの運転が停止された後、供給側遮断機構により供給流路を遮断し、圧力調整部により連通路を遮断して排出流路を遮断することで、燃料電池を大気から遮断することができる。その結果として、燃料電池システムの運転停止後は、燃料電池内に空気中の酸素が流入することを抑止し、燃料電池システムの次回起動時に、燃料電池における異常電位の発生に伴う酸素極の触媒劣化を抑止できる。そして、排出流路の遮断は、回生機の連通路の流路断面積を調整する圧力調整部といった、回生機が備える構成に機能を追加して可能にしている。
【０００８】
また、燃料電池システムについて、前記圧縮機は、ディフューザ流路と、前記ディフューザ流路の流路断面積を調整する流路調整部と、を備え、前記流路調整部は、前記ディフューザ流路を遮断可能であり、前記供給側遮断機構は、前記流路調整部であってもよい。
【０００９】
これによれば、流路調整部によってディフューザ流路を遮断することで、供給流路が遮断可能となる。このように、供給流路の遮断は、圧縮機のディフューザ流路の流路断面積を調整する流路調整部といった圧縮機の構成に機能を追加して可能にしている。したがって、開閉弁といった部品を追加せずに燃料電池を大気から遮断することができる。
【００１０】
上記問題点を解決するための燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池内に形成された空気流路の入口に繋がる供給流路と、前記供給流路に位置し、前記燃料電池に空気を圧縮して吐出する圧縮機と、前記空気流路の出口に繋がる排出流路と、前記排出流路に位置し、前記燃料電池に供給する空気の圧力を調整する圧力調整部と、を備えた燃料電池システムであって、前記排出流路を遮断可能とする排出側遮断機構を備えるとともに、前記圧縮機は、ディフューザ流路と、前記ディフューザ流路の流路断面積を調整する流路調整部と、を備え、前記流路調整部は、前記ディフューザ流路を遮断可能であることを要旨とする。
【００１１】
これによれば、排出流路は排出側遮断機構によって遮断可能であり、供給流路は、圧縮機のディフューザ流路において流路調整部によって遮断可能である。このため、燃料電池システムの運転が停止された後、流路調整部により供給流路を遮断し、排出側遮断機構により排出流路を遮断することで、燃料電池を大気から遮断することができる。その結果として、燃料電池システムの運転停止後は、燃料電池内に空気中の酸素が流入することを抑止し、燃料電池システムの次回起動時に、燃料電池における異常電位の発生に伴う酸素極の触媒劣化を抑止できる。そして、供給流路の遮断は、圧縮機のディフューザ流路の流路断面積を調整する流路調整部といった圧縮機が備える構成に機能を追加して可能にしている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、運転停止後に空気中の酸素が燃料電池内に流入することを抑止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施形態における燃料電池システムの概略構成図。
【図２】第１の実施形態における電動タービンを示す部分断面図。
【図３】圧力調整部を示す部分断面図。
【図４】連通路又はディフューザ流路を遮断した状態を示す部分断面図。
【図５】圧縮機を示す部分断面図。
【図６】第２の実施形態における燃料電池システムの概略構成図。
【図７】別例における燃料電池システムの概略構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（第１の実施形態）
以下、燃料電池システムを具体化した第１の実施形態を図１〜図５にしたがって説明する。本実施形態の燃料電池システムは車両（燃料電池車）に搭載されている。
【００１５】
図１に示すように、燃料電池システム１０は、燃料電池としての燃料電池スタック１１と、吸入口１２ａから供給された空気を圧縮して吐出口１２ｂから吐出する圧縮機１２とを備えている。圧縮機１２は、電動モータで駆動するターボ式の電動圧縮機である。燃料電池スタック１１は、図示しないが電解質膜を挟んで酸素極と水素極とを対設したセルを複数直列に積層して構成されている。燃料電池スタック１１は、図示しない水素供給部から供給された水素と、圧縮機１２によって供給された空気中の酸素とを化学反応させて発電を行う。燃料電池スタック１１は、圧縮機１２によって供給された空気が流通する空気流路２３を内部に備える。
【００１６】
燃料電池スタック１１は、図示しない走行用モータに電気的に接続されている。走行用モータは、燃料電池スタック１１を電力源として駆動する。走行用モータの動力は、図示しない動力伝達機構を介して車軸に伝達され、燃料電池車は、アクセル開度に応じた車速で走行する。
【００１７】
燃料電池システム１０は、回生機としての電動タービン３０を備える。電動タービン３０では、燃料電池スタック１１から排出された空気の排気エネルギが機械的エネルギとして取り出され、電動タービン３０の電動モータが発電機として機能して電動モータに回生電力が発生する。電動モータに発生した回生電力はバッテリに蓄電され、例えば、走行用モータの電力源として用いられる。
【００１８】
燃料電池システム１０は、外部から空気が流入する圧縮機用配管２０を備えている。圧縮機用配管２０の一端部２０ａは、圧縮機１２の吸入口１２ａに接続され、圧縮機用配管２０の他端部２０ｂは大気開放されている。
【００１９】
また、燃料電池システム１０は、圧縮機１２の吐出口１２ｂと燃料電池スタック１１の空気流路２３の入口２３ａとの間を繋ぐ配管２１を備えている。本実施形態では、圧縮機用配管２０と、配管２１とで供給流路２４が構成され、この供給流路２４の途中に圧縮機１２が位置し、圧縮機１２も供給流路２４の一部を構成している。また、供給流路２４は、圧縮機用配管２０の他端部２０ｂにより、大気開放されている。
【００２０】
燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１１の空気流路２３の出口２３ｂと電動タービン３０の吸入口３０ａとの間を繋ぐ接続配管２５を備えている。電動タービン３０の吸入口３０ａによって、燃料電池スタック１１から排出された空気が電動タービン３０に取り込まれる。また、燃料電池システム１０は、大気に空気を排出するタービン用配管２２を備えている。タービン用配管２２の一端部２２ａは、電動タービン３０の排出口３０ｂに接続され、タービン用配管２２の他端部２２ｂは、大気開放されている。本実施形態では、接続配管２５と、タービン用配管２２とで排出流路２６が構成され、この排出流路２６の途中に電動タービン３０が位置し、電動タービン３０も排出流路２６の一部を構成している。また、排出流路２６は、タービン用配管２２の他端部２２ｂにより、大気開放されている。
【００２１】
図２に示すように、電動タービン３０は、ハウジング３２と、電動モータＭと、燃料電池スタック１１から排出された空気によって回転するタービンホイール３１と、燃料電池スタック１１に供給される空気の圧力を調整する圧力調整部２９と、を備えている。
【００２２】
電動タービン３０は、該電動タービン３０の外郭を構成するものであって、電動モータＭ、タービンホイール３１及び圧力調整部２９が収容されたハウジング３２を備えている。ハウジング３２は、例えば全体として略筒状（詳細には円筒状）となっている。
【００２３】
ハウジング３２は、電動モータＭが収容されたモータハウジング３３と、空気が排出される排出口３０ｂが形成されたタービンハウジング３４と、モータハウジング３３とタービンハウジング３４との間に設けられたプレート３５と、を備える。電動タービン３０の排出口３０ｂは、ハウジング３２の軸線方向の一端に設けられている。排出口３０ｂから見てハウジング３２の軸線方向に、タービンハウジング３４、プレート３５及びモータハウジング３３の順に配列されている。モータハウジング３３、プレート３５及びタービンハウジング３４は金属製であり、例えば、アルミニウム製である。
【００２４】
タービンハウジング３４は、本体部３４ｄにおけるプレート３５側とは反対側の一端面３４ａから突出したボス３４ｅを有している。ボス３４ｅは、本体部３４ｄの貫通孔４１の周縁部から立設している。排出口３０ｂは、ボス３４ｅによって形成された開口であり、貫通孔４１と連通している。
【００２５】
タービンハウジング３４は、貫通孔４１の径方向外側に円環状の収容室用凹部５４を備える。また、タービンハウジング３４は、収容室用凹部５４よりも径方向外側に円環状の吸入室５２を備える。吸入室５２は、電動タービン３０の吸入口３０ａに連通している。そして、タービンハウジング３４において、軸線方向の他端面３４ｂに、弾性部材としてのダイヤフラム６１が接合されて収容室用凹部５４が閉塞され、収容室用凹部５４とダイヤフラム６１とにより収容室６０が区画されている。また、電動タービン３０は、ダイヤフラム６１が接合された状態のタービンハウジング３４の他端面３４ｂと、タービンハウジング３４に組付けられたプレート３５とによって区画された連通路５３を備えている。この連通路５３は、吸入室５２に連通している。
【００２６】
プレート３５は、円板状であり、軸線方向の両板面３５ａ，３５ｂのうち、第１板面３５ａがモータハウジング３３側に位置しており、第２板面３５ｂがタービンハウジング３４側に位置している。プレート３５は、第２板面３５ｂから軸線方向に円形状に凹む凹部３６を備えている。
【００２７】
また、プレート３５は、プレート３５を軸線方向に貫通し、モータハウジング３３内とタービンハウジング３４内とを連通する回転軸挿通孔３５ｃを備えている。回転軸挿通孔３５ｃには、回転軸３９が挿通されている。回転軸３９の一部は、回転軸挿通孔３５ｃを介してタービンハウジング３４内に配置されている。回転軸挿通孔３５ｃを区画する内周面と回転軸３９の周面との間には、シール部材４０が設けられている。
【００２８】
タービンホイール３１は、該タービンホイール３１の回転軸線方向に延び、かつ、回転軸３９が挿通された挿通孔３１ｃを有している。タービンホイール３１は、回転軸３９における貫通孔４１内に突出している部分が挿通孔３１ｃに挿通された状態で、回転軸３９と一体回転するように同回転軸３９に取り付けられている。
【００２９】
タービンホイール３１は、貫通孔４１内に配置されており、貫通孔４１の内壁面４２とプレート３５の第２板面３５ｂとによって区画されたタービン室５０に収容されている。つまり、ハウジング３２はタービンホイール３１が収容されたタービン室５０を有している。タービン室５０と排出口３０ｂとは連通している。また、タービン室５０と吸入口３０ａとは、吸入室５２と連通路５３によって接続されている。
【００３０】
タービンハウジング３４は、収容室用凹部５４と貫通孔４１とを隔てる円筒状の第１区画壁３７を備えるとともに、収容室用凹部５４と吸入室５２とを隔てる第２区画壁３８を備えている。タービンハウジング３４は、他端面３４ｂのうち、第１区画壁３７の先端面に円環状の第１端面３７ｃを有する。タービンハウジング３４は、他端面３４ｂのうち、第２区画壁３８の先端面に円環状の第２端面３８ｃを有する。第１端面３７ｃと第２端面３８ｃは、タービンハウジング３４の軸線方向において同じ位置にある。
【００３１】
図２又は図３に示すように、上記収容室６０は、タービンハウジング３４の他端面３４ｂから円筒状に凹む形状である。収容室６０は、収容室用凹部５４をダイヤフラム６１で閉塞して区画されている。弾性部材としてのダイヤフラム６１は、金属の薄板製及び円盤状である。ダイヤフラム６１は、中央部に開口部６１ａを有する。ダイヤフラム６１の内周縁部６１ｂと、タービンハウジング３４の第１端面３７ｃとは、第１溶接部６２ａによって接合されている。第１溶接部６２ａは、回転軸３９回りの全周に亘って、ダイヤフラム６１の内周縁部６１ｂと第１区画壁３７の第１端面３７ｃとを溶接している。第１溶接部６２ａは円環状である。
【００３２】
また、ダイヤフラム６１の外周縁部６１ｃと、タービンハウジング３４の第２端面３８ｃとは、第２溶接部６２ｂによって接合されている。第２溶接部６２ｂは、回転軸３９回りの全周に亘って、ダイヤフラム６１の外周縁部６１ｃと第２区画壁３８の第２端面３８ｃとを溶接している。第２溶接部６２ｂは円環状である。ダイヤフラム６１とタービンハウジング３４とは溶接され、結果として、収容室６０は連通路５３から区画されている。収容室６０は、第１溶接部６２ａ及び第２溶接部６２ｂによって気密にシールされている。
【００３３】
連通路５３は、ダイヤフラム６１を含むタービンハウジング３４の他端面３４ｂと、プレート３５の第２板面３５ｂとによって区画された流路である。よって、連通路５３の一部はダイヤフラム６１によって区画されている。また、連通路５３は、タービン室５０よりもタービンホイール３１の径方向外側に配置されており、タービンホイール３１を囲むように環状（詳細には円環状）に形成されている。上述したように電動タービン３０は、排出流路２６の一部を構成していることから、電動タービン３０の吸入室５２、連通路５３、タービン室５０及び貫通孔４１は排出流路２６の一部を構成している。
【００３４】
また、ダイヤフラム６１は、流路形成面６１ｄの全面が第２板面３５ｂに対向している。本実施形態では、プレート３５の第２板面３５ｂが、ハウジング３２が備える流路形成面として機能し、ダイヤフラム６１の流路形成面６１ｄと共に連通路５３の一部を区画する。また、ダイヤフラム６１は、タービンハウジング３４の軸線方向において、収容室６０と連通路５３との間に介在し、収容室６０と連通路５３とを隔てている。
【００３５】
電動タービン３０において、吸入室５２には、燃料電池スタック１１から排出された空気が流入する。吸入室５２から連通路５３に流入した空気はタービン室５０に流入する。そして、タービン室５０に流入した空気によりタービンホイール３１が回転され、空気の排気エネルギが機械的エネルギとして取り出される。タービン室５０に流入した空気は、排出口３０ｂから排出される。
【００３６】
次に、電動タービン３０に内蔵された圧力調整部２９について説明する。圧力調整部２９は、上述した収容室６０と、連通路５３と、ダイヤフラム６１と、ダイヤフラム６１を弾性変形させる可動機構７０と、を備えている。
【００３７】
電動タービン３０が備える可動機構７０は、収容室６０に収容されている。可動機構７０は、連通路５３の流路断面積を調整するためにダイヤフラム６１を弾性変形させる。可動機構７０は、ステッピングモータ７１を備える。ステッピングモータ７１は、第２区画壁３８の内周面３８ａに固定された円筒状のステータ７２と、ステータ７２の内周側に配設された円筒状のロータ７３とを有する。
【００３８】
ステータ７２は、円筒状のステータコアと、ステータコアに形成されたティースに巻回されたコイルとを有している。ロータ７３は、収容室用凹部５４の底面５４ａに対向した一端面７３ａからダイヤフラム６１に対向した他端面７３ｂまで一定の内径を有する。ロータ７３は、一端面７３ａから軸線方向の途中位置まで一定の外径を有し、この途中位置までステータ７２の内周面に対向している。ロータ７３は、上記途中位置より他端面７３ｂに至る外周面にネジ溝７４を備える。
【００３９】
可動機構７０は、ロータ７３のネジ溝７４に、図示しないボールを介して螺着された円筒状の押圧部材７５を備える。押圧部材７５は内周面にネジ溝７５ａを備える。また、押圧部材７５は、図示しない回り止め機構により、タービンハウジング３４の軸線方向へ移動可能な状態に回り止めされている。そして、ステータ７２のコイルが通電されることによりロータ７３が回転すると、ロータ７３の回転運動は、ボールを介して押圧部材７５の直線運動に変換され、押圧部材７５は、回り止め機構により回り止めされつつ、タービンハウジング３４の軸線方向に移動する。押圧部材７５の先端面７５ｂはダイヤフラム６１の流路形成面６１ｄとは反対側の押圧面６１ｅに接触している。
【００４０】
図３に示すように、押圧部材７５の先端面７５ｂが、第１区画壁３７の第１端面３７ｃ及び第２区画壁３８の第２端面３８ｃと同一平面上にある場合、押圧部材７５によるダイヤフラム６１の押圧は無く、ダイヤフラム６１は平坦である。押圧部材７５によるダイヤフラム６１の押圧が無い状態では、連通路５３の流路断面積が最大となる。なお、連通路５３の流路断面積とは、連通路５３をハウジング３２の軸線方向に沿う断面で見たときの、ダイヤフラム６１の流路形成面６１ｄと、プレート３５の第２板面３５ｂとの間に形成される流路の面積のことである。
【００４１】
本実施形態では、ロータ７３を第１の方向に回転させると、押圧部材７５はダイヤフラム６１に向けて移動する。ダイヤフラム６１が押圧部材７５によって押圧されると、ダイヤフラム６１が弾性変形する。その結果、ダイヤフラム６１の流路形成面６１ｄが、プレート３５の第２板面３５ｂに近付く。すると、連通路５３の流路断面積が小さくなる。ロータ７３の回転数を制御し、押圧部材７５の突出量を制御することで、連通路５３の流路断面積が調整される。
【００４２】
そして、図４に示すように、ダイヤフラム６１の流路形成面６１ｄが、第２板面３５ｂに押し当てられると、連通路５３が周方向の全体に亘ってシールされ、全閉状態となる。すなわち、タービン室５０を含む貫通孔４１と吸入室５２との間がダイヤフラム６１によって遮断される。したがって、圧力調整部２９は、連通路５３を含んだ排出流路２６を遮断する機能を有するとともに、排出側遮断機構として機能する。
【００４３】
ダイヤフラム６１が第２板面３５ｂに向けて突出した状態で、ロータ７３を第１の方向とは逆の第２の方向に回転させると、ダイヤフラム６１を押圧した押圧部材７５はダイヤフラム６１から離れる方向に向けて移動する。そして、押圧部材７５の先端面７５ｂが、第１区画壁３７の第１端面３７ｃ及び第２区画壁３８の第２端面３８ｃと同一平面上にまで移動すると、押圧部材７５によるダイヤフラム６１の押圧が解除される。すると、ダイヤフラム６１が原形状に復帰し、連通路５３の流路断面積が最大となる。
【００４４】
図１に示すように、燃料電池システム１０は、制御装置８０を備える。制御装置８０は、可動機構７０のステッピングモータ７１を制御する。制御装置８０は、燃料電池スタック１１における湿度に基づいて、燃料電池スタック１１に供給する空気の圧力を算出する。そして、算出された空気の圧力となるように、制御装置８０は、可動機構７０を制御して連通路５３における流路断面積を調整する。
【００４５】
例えば、燃料電池スタック１１の湿度が高い場合には、燃料電池スタック１１へ供給する空気の圧力を低くする。この場合は、制御装置８０は、ステッピングモータ７１を制御してロータ７３を第２方向へ回転させる。そして、押圧部材７５を、ダイヤフラム６１を押圧しない位置に移動させ、連通路５３の流路断面積を最大とする。
【００４６】
一方、燃料電池スタック１１の湿度が低い場合には、燃料電池スタック１１へ供給する空気の圧力を高くする。この場合は、制御装置８０は、ステッピングモータ７１を制御してロータ７３を第１方向へ回転させる。そして、押圧部材７５を、ダイヤフラム６１を押圧する位置に移動させ、連通路５３の流路断面積を絞り、最大より小さくする。
【００４７】
次に、圧縮機１２について説明する。なお、圧縮機１２の構造は、電動タービン３０と概ね同じ構成であるため、重複する構成の部材は、同じ部材名称及び部材番号を付し、重複する説明は省略する。
【００４８】
図５に示すように、圧縮機１２は、ハウジング３２と、電動モータＭと、インペラ１３と、圧縮機１２内の流路断面積を調整する流路調整部１４と、を備える。
圧縮機１２は、該圧縮機１２の外郭を構成するものであって、電動モータＭ、インペラ１３及び流路調整部１４が収容されたハウジング３２を備えている。ハウジング３２は、例えば全体として略筒状（詳細には円筒状）となっている。
【００４９】
ハウジング３２は、電動モータＭが収容されたモータハウジング３３と、空気が吸入される吸入口１２ａが形成されたコンプレッサハウジング１５と、モータハウジング３３とコンプレッサハウジング１５との間に設けられたプレート３５を備えている。吸入口１２ａは、ハウジング３２の軸線方向の一端に設けられている。吸入口１２ａから見てハウジング３２の軸線方向に、コンプレッサハウジング１５、プレート３５及びモータハウジング３３の順に配列されている。また、モータハウジング３３、プレート３５及びコンプレッサハウジング１５は金属製であり、例えば、アルミニウム製である。
【００５０】
圧縮機１２は、貫通孔４１の内壁面４２とプレート３５の第２板面３５ｂとによって区画されたインペラ室１６をハウジング３２内に備えている。インペラ室１６は、タービン室５０と同じ円錐台形状となっている。また、インペラ１３は、タービンホイール３１と同じ形状である。
【００５１】
次に、圧縮機１２に内蔵された流路調整部１４について説明する。流路調整部１４は、圧縮機１２の吐出室１７とインペラ室１６との間を繋ぐディフューザ流路１８と、ディフューザ流路１８に面するダイヤフラム６１と、ダイヤフラム６１を弾性変形させる可動機構７０と、可動機構７０を収容した収容室６０と、を備えている。収容室６０、ダイヤフラム６１及び可動機構７０は、電動タービン３０と同じ構造である。また、ディフューザ流路１８は、電動タービン３０の連通路５３と同じ形状である。
【００５２】
圧縮機１２は、コンプレッサハウジング１５における収容室６０よりも径方向外側に吐出室１７を備える。吐出室１７は、コンプレッサハウジング１５における収容室６０の周りに配置されている。吐出室１７は、圧縮機１２の吐出口１２ｂに連通している。
【００５３】
圧縮機１２において、ディフューザ流路１８には、インペラ１３によって圧縮された空気が流入する。ディフューザ流路１８を通った空気は吐出室１７に流入する。インペラ室１６と吐出室１７とはディフューザ流路１８を介して連通している。そして、インペラ１３によって圧縮された流体は、ディフューザ流路１８を通ることによって、更に圧縮されて吐出室１７に流入し、該吐出室１７から吐出される。
【００５４】
圧縮機１２は、供給流路２４の一部を構成しており、圧縮機１２の貫通孔４１、インペラ室１６、ディフューザ流路１８、及び吐出室１７は、供給流路２４の一部を構成している。
【００５５】
流路調整部１４において、可動機構７０は、ダイヤフラム６１を弾性変形させる。押圧部材７５によるダイヤフラム６１の押圧が無い状態では、ディフューザ流路１８の流路断面積が最大となる。なお、ディフューザ流路１８の流路断面積とは、ディフューザ流路１８をハウジング３２の軸線方向に沿う断面で見たときの、ダイヤフラム６１の流路形成面６１ｄと、プレート３５の第２板面３５ｂとの間に形成される流路の面積のことである。そして、ステッピングモータ７１におけるロータ７３の回転数を制御し、押圧部材７５のディフューザ流路１８への突出量を制御することで、第２板面３５ｂに向けたダイヤフラム６１の突出量が制御され、ディフューザ流路１８の流路断面積が調整される。
【００５６】
そして、図４に示すように、ダイヤフラム６１の流路形成面６１ｄが、第２板面３５ｂに押し当てられると、ディフューザ流路１８が周方向の全体に亘ってシールされ、全閉状態となる。その結果、ディフューザ流路１８がダイヤフラム６１によって遮断される。したがって、流路調整部１４は、ディフューザ流路１８を含んだ供給流路２４を遮断する機能を有するとともに、供給側遮断機構として機能する。
【００５７】
図１に示すように、燃料電池システム１０において、制御装置８０は、圧縮機１２の可動機構７０を制御する。例えば、燃料電池スタック１１の温度が高く、燃料電池スタック１１の発電すべき電力が少ない、すなわち空気流路２３に供給される空気の流量が少ない場合には、燃料電池スタック１１が乾燥するおそれがある。この場合、制御装置８０は、電動タービン３０の圧力調整部２９を制御し、燃料電池スタック１１内の空気の圧力を高く設定する。しかし、圧縮機１２から燃料電池スタック１１に供給される空気の流量が少ないときに、空気の圧力が高く設定されると、圧縮機１２において、空気が良好に圧縮されず、圧縮機１２にサージ現象が発生するおそれがある。
【００５８】
このサージ現象の発生を回避するため、制御装置８０は、ディフューザ流路１８の流路断面積を小さくする。制御装置８０は、ステッピングモータ７１を制御してロータ７３を第１方向へ回転させる。そして、押圧部材７５を、ダイヤフラム６１を押圧する位置に移動させ、ディフューザ流路１８の流路断面積を絞り、最大より小さくする。すると、空気が良好に圧縮され、サージ現象の発生が回避可能となる。
【００５９】
次に、燃料電池システム１０の作用を記載する。
燃料電池システム１０においては、運転が停止された後、制御装置８０により、圧縮機１２の流路調整部１４を駆動させ、ディフューザ流路１８をダイヤフラム６１によって遮断する。同様に、制御装置８０により、電動タービン３０の圧力調整部２９を駆動させ、連通路５３をダイヤフラム６１によって遮断する。その結果、圧縮機１２におけるディフューザ流路１８において、供給流路２４が遮断され、燃料電池スタック１１において、空気流路２３の入口２３ａよりも上流側が大気から遮断される。また、電動タービン３０における連通路５３において、排出流路２６が遮断され、燃料電池スタック１１において、空気流路２３の出口２３ｂよりも下流側が大気から遮断される。その結果、燃料電池スタック１１の運転停止後、燃料電池スタック１１の空気流路２３に空気（酸素）が流入することが抑制される。
【００６０】
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）燃料電池システム１０の運転停止後は、燃料電池スタック１１内に空気中の酸素が流入することを抑止できる。その結果、燃料電池システム１０の次回起動時に、燃料電池スタック１１内において異常電位の発生に伴う酸素極の触媒劣化を抑止できる。そして、連通路５３及びディフューザ流路１８の遮断は、連通路５３及びディフューザ流路１８の流路断面積を調整する圧力調整部２９及び流路調整部１４といった、電動タービン３０及び圧縮機１２が備える構成に機能を追加して可能にしている。したがって、燃料電池スタック１１を大気から遮断するために、燃料電池システム１０に新たに開閉弁を設置する必要なく、部品を増加させることがない。
【００６１】
（２）また、燃料電池スタック１１内において、残った水素が酸素と反応することを抑止でき、水が生成されることを抑止できるとともに、水素の消費も抑制できる。
（３）圧縮機１２の流路調整部１４と、電動タービン３０の圧力調整部２９とは、それぞれ収容室６０、ダイヤフラム６１及び可動機構７０を有し、同じ構造である。よって、燃料電池スタック１１を大気から遮断するための構成を、圧縮機１２及び電動タービン３０で共通化することができる。したがって、燃料電池スタック１１を大気から遮断するための構成を、圧縮機１２と電動タービン３０とで異なる構成とする場合と比べると、燃料電池システム１０のコストを抑えることができる。
【００６２】
（４）圧縮機１２及び電動タービン３０において、可動機構７０を収容した収容室６０は、ダイヤフラム６１によってディフューザ流路１８及び連通路５３から隔離され、ダイヤフラム６１はコンプレッサハウジング１５及びタービンハウジング３４に対し第１溶接部６２ａ及び第２溶接部６２ｂによって接合されている。そして、第１溶接部６２ａ及び第２溶接部６２ｂによって、ダイヤフラム６１とコンプレッサハウジング１５、及びタービンハウジング３４との接合部はシールされている。したがって、ディフューザ流路１８及び連通路５３に流入した空気が、収容室６０を介して貫通孔４１に流入し、さらには貫通孔４１から配管２１及び接続配管２５を介して空気流路２３に流入することを抑制できる。
【００６３】
（第２の実施形態）
以下、燃料電池システムを具体化した第２の実施形態を図６にしたがって説明する。本実施形態の燃料電池システムは車両（燃料電池車）に搭載されている。
【００６４】
第２の実施形態において、電動タービン３０は、連通路５３の流路断面積を調整する圧力調整部８１を備える。ただし、第２の実施形態の圧力調整部８１は、第１の実施形態と異なり、連通路５３を全閉して遮断する機能を備えない。その一方で、燃料電池システム１０は、排出流路２６を構成する配管である接続配管２５に、排出側遮断機構としての開閉弁８２を備える。開閉弁８２は、接続配管２５を全開又は全閉可能とする。開閉弁８２は制御装置８０と信号接続され、制御装置８０によって開閉が制御される。圧縮機１２については、第１の実施形態と同様に、流路調整部１４はディフューザ流路１８を遮断する機能を備える。
【００６５】
第２の実施形態の燃料電池システム１０においては、運転が停止された後、制御装置８０により、圧縮機１２の流路調整部１４を駆動させ、ディフューザ流路１８を遮断する。また、制御装置８０により、開閉弁８２を全閉方向に駆動させ、接続配管２５を開閉弁８２によって遮断する。
【００６６】
その結果、圧縮機１２におけるディフューザ流路１８において、流路調整部１４によって供給流路２４が遮断され、燃料電池スタック１１において、空気流路２３の入口２３ａよりも上流側が大気から遮断される。また、開閉弁８２によって接続配管２５（排出流路２６）が遮断され、燃料電池スタック１１において、空気流路２３の出口２３ｂよりも下流側が大気から遮断される。その結果、燃料電池スタック１１の運転停止後、燃料電池スタック１１の空気流路２３に空気（酸素）が流入することが抑制され、燃料電池スタック１１内に空気中の酸素が流入することを抑止できる。その結果、燃料電池システム１０の次回起動時に、燃料電池スタック１１内において異常電位の発生に伴う酸素極の触媒劣化を抑止できる。また、燃料電池スタック１１内において、残った水素が酸素と反応することを抑止でき、水が生成されることを抑止できるとともに、水素の消費も抑制できる。
【００６７】
したがって、第２の実施形態によれば、ディフューザ流路１８の遮断は、圧縮機１２の流路調整部１４といった、圧縮機１２が備える構成に機能を追加して可能になり、供給流路２４側の遮断については、開閉弁を必要とせずに行える。なお、この第２の実施形態において、開閉弁８２は、排出流路２６のうちタービン用配管２２に設置されてもよい。
【００６８】
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○  図７に示すように、電動タービン３０の圧力調整部２９は、連通路５３を遮断する遮断機能を備える。また、圧縮機１２は、ディフューザ流路１８の流路断面積を調整する流路調整部８４を備えるが、この流路調整部８４は、ディフューザ流路１８を全閉して遮断する機能を備えない。この場合、供給流路２４を構成する配管である配管２１に、供給側遮断機構としての開閉弁８３を設置する。開閉弁８３は制御装置８０と信号接続され、制御装置８０によって開閉が制御される。
【００６９】
この形態においては、燃料電池システム１０の運転が停止された後、制御装置８０により、配管２１上の開閉弁８３を全閉方向に駆動させ、配管２１を遮断する。また、制御装置８０により、電動タービン３０の圧力調整部２９を駆動させ、連通路５３を遮断する。
【００７０】
その結果、開閉弁８３によって供給流路２４が遮断され、燃料電池スタック１１において、空気流路２３の入口２３ａよりも上流側が大気から遮断される。また、電動タービン３０の圧力調整部２９によって連通路５３が遮断され、燃料電池スタック１１において、空気流路２３の出口２３ｂよりも下流側が大気から遮断される。その結果、燃料電池スタック１１の運転停止後、燃料電池スタック１１の空気流路２３に空気（酸素）が流入することが抑制される。したがって、この実施形態によれば、連通路５３の遮断は、電動タービン３０の圧力調整部２９といった、電動タービン３０が備える構成に機能を追加して可能になり、排出流路２６側の遮断については、開閉弁を必要とせずに行える。なお、この形態において、開閉弁８３は、供給流路２４のうち圧縮機用配管２０に設置されてもよい。
【００７１】
○  ダイヤフラム６１とタービンハウジング３４、及びダイヤフラム６１とコンプレッサハウジング１５は、溶接以外の方法でシールされていてもよい。例えば、ダイヤフラム６１の内周縁部６１ｂと、第１区画壁３７の第１端面３７ｃとの間、及びダイヤフラム６１の外周縁部６１ｃと、第２区画壁３８の第２端面３８ｃとの間にＯリングといったシール部材を介在させてダイヤフラム６１をタービンハウジング３４又はコンプレッサハウジング１５に固定し、Ｏリングをシール部としてもよい。この場合、第１端面３７ｃ及び第２端面３８ｃに円環状の溝を凹設し、その溝にＯリングを装着した状態で、ダイヤフラム６１をタービンハウジング３４又はコンプレッサハウジング１５に接合する。
【００７２】
又は、ダイヤフラム６１の内周縁部６１ｂ及び外周縁部６１ｃをゴムでコーティングし、そのゴムでコーティングした部分を第１区画壁３７の第１端面３７ｃ及び第２区画壁３８の第２端面３８ｃに接触させる。そして、ダイヤフラム６１から第１端面３７ｃ及び第２端面３８ｃにビス等を螺入し、ゴムでコーティングした部分をタービンハウジング３４又はコンプレッサハウジング１５に押し当ててタービンハウジング３４又はコンプレッサハウジング１５に固定する。ゴムのコーティング部をシール部としてもよい。
【００７３】
○  ダイヤフラム６１を弾性変形させてディフューザ流路１８及び連通路５３の流路断面積を調整することができれば、可動機構７０の構成は適宜変更してもよい。例えば、可動機構７０を、ステッピングモータ７１におけるロータ７３の回転運動をカム、レバーを介して直線運動に変換する機構としてもよい。
【００７４】
又は、可動機構７０のステッピングモータ７１に変えて、収容室６０に流体圧シリンダを内蔵し、流体圧シリンダのシリンダチューブに対し出没可能なロッドによってダイヤフラム６１を連通路５３又はディフューザ流路１８に対し出没させてもよい。
【００７５】
○  流路調整部１４と圧力調整部２９とで、可動機構７０や弾性部材の構造は異なっていてもよい。
○  弾性部材は、ダイヤフラム６１ではなく、金属製のベローズであってもよい。
【００７６】
○  弾性部材を、金属の薄板製のダイヤフラム６１に具体化したが、弾性部材はゴムや、可撓性を有する樹脂製のダイヤフラムであってもよい。この場合、ダイヤフラムは、タービンハウジング３４又はコンプレッサハウジング１５に対し、融着等で接合し、融着部をシール部としてもよい。
【００７７】
○  実施形態では、回生機として電動タービン３０に具体化したが、これに限らない。例えば、電動モータＭを備えない構成とし、回転軸３９において、タービンホイール３１が一体化された端部とは反対の端部にコンプレッサホイールを一体化する。そして、燃料電池スタック１１から排出された空気でタービンホイール３１とともに回転するコンプレッサホイールで空気を圧縮し、圧縮された空気を圧縮機１２に供給して、圧縮機１２による空気の圧縮を補助してもよい。
【００７８】
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
（イ）前記供給側遮断機構は、前記供給流路を開閉可能とする開閉弁である。
（ロ）前記排出側遮断機構は、前記排出流路を開閉可能とする開閉弁である。
【符号の説明】
【００７９】
１０…燃料電池システム、１１…燃料電池としての燃料電池スタック、１２…圧縮機、１４，８４…供給側遮断機構としての流路調整部、１８…ディフューザ流路、２３…空気流路、２３ａ…入口、２３ｂ…出口、２４…供給流路、２６…排出流路、２９，８１…排出側遮断機構としての圧力調整部、３０…回生機としての電動タービン、３１…タービンホイール、５０…タービン室、５３…連通路、８２…排出側遮断機構としての開閉弁、８３…供給側遮断機構としての開閉弁。
【図１】
2018150832.tif 000003
【図２】
2018150832.tif 000004
【図３】
2018150832.tif 000005
【図４】
2018150832.tif 000006
【図５】
2018150832.tif 000007
【図６】
2018150832.tif 000008
【図７】
2018150832.tif 000009