(57)【要約】  燃料電池の制御装置は、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つのコンプレッサ駆動源を含んでコンプレッサ駆動源によりコンプレッサを駆動させる駆動装置と、制御部と、を備える。制御部は、燃料電池の運転状態に基づいて動力源の状態を制御し、動力源の状態に基づいてコンプレッサ駆動源の中から使用する駆動源を選択する。
2016013092.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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つのコンプレッサ駆動源を含み、前記コンプレッサ駆動源により前記コンプレッサを駆動させる駆動装置と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記燃料電池の運転状態に基づいて、前記動力源の状態を制御し、
前記動力源の状態に基づいて、前記コンプレッサ駆動源の中から使用する駆動源を選択する、
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であって、
前記駆動装置は、前記駆動体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、
前記制御部は、前記動力源の状態に基づいて、前記クラッチを制御する共に前記駆動モータを制御する、
燃料電池の制御装置。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池の制御装置であって、
前記駆動装置は、前記駆動体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、
前記制御部は、前記燃料電池の運転状態に基づいて前記駆動モータを制御するとともに、前記駆動モータの駆動力を前記駆動体の駆動力で補うように、前記動力源の状態に基づいて前記クラッチを制御する、
燃料電池の制御装置。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれか一つに記載の燃料電池の制御装置であって、
前記動力源として、前記燃料電池に供給されるアノードガスを用いた、
燃料電池の制御装置。
【請求項５】
請求項２又は３に記載の燃料電池の制御装置であって、
前記動力源として、前記燃料電池に供給されるアノードガスを用い、
前記制御部は、前記燃料電池の要求により前記燃料電池にアノードガスを供給しない運転状態になったときは、前記クラッチを解放し、前記駆動モータのみで前記コンプレッサを駆動させる、
燃料電池の制御装置。
【請求項６】
請求項２又は３に記載の燃料電池の制御装置であって、
前記動力源として、前記燃料電池に供給されるアノードガスを用い、
前記制御部は、前記燃料電池の起動中初期又は停止中後期には、前記クラッチを解放し、前記駆動モータのみで前記コンプレッサを駆動させる、
燃料電池の制御装置。
【請求項７】
請求項２又は３に記載の燃料電池の制御装置であって、
前記動力源として、前記燃料電池に供給されるアノードガスを用い、
前記制御部は、前記燃料電池にアノードガスを供給しつつ間欠的にカソードガスを供給する運転状態になったときは、前記クラッチを締結及び解放させることで前記燃料電池に間欠的にカソードガスを供給する、
燃料電池の制御装置。
【請求項８】
請求項１から３までのいずれか一つに記載の燃料電池の制御装置であって、
前記動力源として、空調用配管を循環する冷媒を用いた、
燃料電池の制御装置。
【請求項９】
請求項８に記載の燃料電池の制御装置であって、
前記制御部は、前記燃料電池の要求と空調要求とに基づいて、前記冷媒の圧力又は流量を協調制御する、
燃料電池の制御装置。
【請求項１０】
請求項１から３までのいずれか一つに記載の燃料電池の制御装置であって、
前記動力源として、前記コンプレッサから吐出された余剰のカソードガスを蓄える畜圧タンクから供給される圧縮空気を用いた、
燃料電池の制御装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の燃料電池の制御装置であって、
前記コンプレッサから吐出された余剰のカソードガスを前記畜圧タンクに導入するための導入通路に開閉弁を備え、
前記制御部は、前記コンプレッサが前記燃料電池の発電に不要な余剰のカソードガスを吐出しているときに、前記開閉弁を開弁する、
燃料電池の制御装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の燃料電池の制御装置であって、
前記コンプレッサから吐出されたカソードガスの一部を、前記燃料電池を迂回させて排出するためのバイパス通路と、
前記バイパス通路に設けられて、前記バイパス通路を流れるカソードガスの流量を調整するためのバイパス弁と、
を備え、
前記制御部は、前記コンプレッサが燃料電池システムから排出される排ガス中の水素濃度を希釈するために発電に不要な余剰のカソードガスを吐出しているときは、前記開閉弁の開弁を禁止する、
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】
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）又は電動モータのいずれか一方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カソードガス供給装置を備えた燃料電池システムが開示されている。【０００３】
また、カソードガス供給装置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するコンプレッサと、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。
【発明の概要】
【０００４】
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。
【０００５】
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を図ることである。
【０００６】
本発明のある態様によれば、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つのコンプレッサ駆動源を含んでコンプレッサ駆動源によりコンプレッサを駆動させる駆動装置と、制御部と、を備える燃料電池の制御装置が提供される。制御部は、燃料電池システムの運転状態に基づいて動力源の状態を制御し、動力源の状態に基づいてコンプレッサ駆動源の中から使用する駆動源を選択する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。
【図２Ａ】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】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】図３は、本発明の第１実施形態による燃料電池システムのカソードガス供給制御について説明するフローチャートである。
【図４】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】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、タービンの出力可能トルクを算出するテーブルである。
【図６】図６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。
【図７】図７は、本発明の第２実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。
【図８】図８は、本発明の第２実施形態による流体供給装置の概略構成図である。
【図９】図９は、本発明の第２実施形態による燃料電池システムのカソードガス供給制御について説明するフローチャートである。
【図１０】図１０は、作動流体としての冷媒の圧力に基づいて、タービンの出力可能トルクを算出するテーブルである。
【図１１】図１１は、本発明の第２実施形態の流体供給装置の一変形例である。
【図１２】図１２は、本発明の第３実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。
【図１３】図１３は、本発明の第３実施形態による燃料電池システムのカソードガス供給制御について説明するフローチャートである。
【図１４】図１４は、作動流体としての圧縮空気に基づいて、タービンの出力可能トルクを算出するテーブルである。
【図１５】図１５は、本発明の第３実施形態による開閉弁の制御について説明するフローチャートである。
【図１６】図１６は、本発明の第４実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。
【図１７】図１７は、本発明の第４実施形態による開閉弁の制御について説明するフローチャートである。
【図１８】図１８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一変形例である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
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。
【０００９】
＜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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。このように、カソードガス供給装置１は、電動モータ２０と、動力源となるアノードガスのエネルギを駆動力に変換するタービン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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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（若しくは燃料電池スタック１１０）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。
【００６４】
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（若しくは燃料電池スタック１１０）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（若しくは燃料電池スタック１１０）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（若しくは燃料電池スタック１１０）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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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（若しくは燃料電池スタック１１０）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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
このようにコントローラ１４０は、燃料電池システム１００の運転状態に応じて、タービン３０の動力源となるアノードガスの圧力又は流量を制御し、アノードガスの圧力又は流量に基づいて、コンプレッサ１０を駆動する駆動源を選択する。すなわち、タービン３０の動力源となるアノードガスの圧力又は流量に基づいて、クラッチ４０を制御するとともに電動モータ２０の出力を制御することで、コンプレッサ１０を駆動する駆動源が選択される。
【００８３】
具体的には、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１０の目標出力トルクを算出し、作動流体としてのアノードガスの圧力又は流量に基づいてタービン３０の出力可能トルクを算出し、コンプレッサ１０の目標出力トルクとタービン３０の出力可能トルクとに基づいて、クラッチ４０を制御するとともに電動モータ２０の出力を制御する。
【００８４】
すなわちコントローラ１４０は、タービン３０の出力可能トルクがコンプレッサ１０の目標出力トルク以上のときは（差分トルク≦０）、クラッチ４０を接続状態にすると共に、電動モータ２０の出力トルクをゼロに制御し、タービン３０の出力のみでコンプレッサ１０を駆動する。
【００８５】
また、コントローラ１４０は、タービンの出力可能トルクがゼロのときは、電動モータ２０の出力トルクを目標出力トルクに制御し、電動モータ２０の出力のみでコンプレッサ１０を駆動する。この場合は、クラッチ４０を解放状態としても良いし、接続状態としても良い。また、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がクラッチ接続閾値以上のときは、クラッチ４０を解放状態にして電動モータ２０の出力トルクを目標出力トルクに制御し、電動モータ２０の出力のみでコンプレッサ１０を駆動する。
【００８６】
さらに、コントローラ１４０は、タービン３０の出力可能トルクがコンプレッサ１０の目標出力トルクよりも小さいときは（差分トルク＞０）、クラッチ４０を接続状態にすると共に、電動モータ２０の出力とタービン３０の出力とでコンプレッサ１０を駆動する。
【００８７】
上記した本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
【００８８】
本実施形態による燃料電池の制御装置は、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、駆動モータ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つのコンプレッサ駆動源を含み、これらコンプレッサ駆動源によりコンプレッサ１０を駆動させる駆動装置１１と、制御部としてのコントローラ１４０と、を備え、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、動力源となるアノードガスの状態（圧力又は流量）を制御し、アノードガスの状態に基づいて、コンプレッサ駆動源の中から使用する駆動源を選択する。
【００８９】
そのため、本実施形態によれば、動力源の状態に応じた適切な動力割合で電動モータ２０及びタービン３０を駆動して、コンプレッサ１０を駆動することができる。したがって、コンプレッサ１０を駆動する際の電動モータ２０の負担を下げることができ、電動モータ２０の小型化、ひいてはカソードガス供給装置１の小型化を図ることができる。
【００９０】
また、本実施形態によれば、駆動装置１１は、駆動体としてのタービン３０の駆動力をコンプレッサ１０に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。そしてコントローラ１４０は、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を制御する共に電動モータ２０を制御する。したがって、アノードガスが有するエネルギを有効に活用してタービン３０を駆動しつつ、電動モータ２０の駆動力を利用してコンプレッサ１０を駆動することができる。
【００９１】
そのため、例えば電動モータだけでコンプレッサを駆動するようなカソードガス供給装置と比べて、コンプレッサ１０を駆動するために電動モータ２０に要求される動力性能を抑えることができる。よって、電動モータ２０の小型化、ひいてはカソードガス供給装置１の小型化を図ることができる。また、電動モータ２０を小型化することで、カソードガス供給装置１の製造コストを低減することが可能となる。
【００９２】
また、燃料電池システム１００若しくは燃料電池スタック１１０の運転状態に応じて応答性や制御性に優れる電動モータ２０によりコンプレッサ１０を駆動することができる。そのため、例えば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を駆動するようなカソードガス供給装置と比べて、緻密なカソードガス流量の制御が可能となる。さらに、高圧タンク１３１から燃料電池スタック１１０にアノードガスを供給しない運転状態のときであっても、電動モータ２０によりコンプレッサ１０を駆動することができる。
【００９３】
また、本実施形態によれば、コントローラ１４０は、例えばアイドルストップ制御時など、燃料電池システム１００若しくは燃料電池スタック１１０の要求により燃料電池スタック１１０にアノードガスを供給しない運転状態になったときは、クラッチ４０を解放し、電動モータ２０のみでコンプレッサ１０を駆動させる。そのため、アイドルストップ制御時にタービン３０が電動モータ２０の負荷となるのを防止できる。
【００９４】
また、本実施形態によれば、コントローラ１４０は、燃料電池システム１００若しくは燃料電池スタック１１０の起動中初期又は停止中後期には、クラッチ４０を解放し、電動モータ２０のみでコンプレッサ１０を駆動させる。そのため、燃料電池システム１００の起動中初期には、アノードガスを供給せずに電動モータ２０のみでコンプレッサ１０を駆動してカソードガスを供給できるので、起動中初期に水素希釈が不十分になるのを防止できる。さらにタービン３０が電動モータ２０の負荷となるのを防止できる。また、起動中後期においてもタービン３０が電動モータ２０の負荷となるのを防止できる。
【００９５】
また、本実施形態によれば、タービン３０の動力源として燃料電池スタック１１０に供給されるアノードガスを用いているので、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、カソードガス供給装置１のタービン３０周りの部品の温度上昇を抑制することが可能となる。
【００９６】
また、本実施形態では、コントローラ１４０は、タービン３０の出力可能トルクがコンプレッサ１０の目標出力トルク以上のときは（差分トルク≦０）、電動モータ２０の出力トルクをゼロに制御し、タービン３０の出力のみでコンプレッサ１０を駆動する。このように、タービン３０の出力可能トルクがコンプレッサ１０の目標出力トルク以上のときは、タービン３０のみでコンプレッサ１０を駆動するようにすることで、アノードガスのエネルギを有効活用して電動モータ２０の消費電力を抑えることができる。
【００９７】
また、本実施形態では、コントローラ１４０は、タービン３０の出力可能トルクがゼロのときは、電動モータ２０の出力トルクを目標出力トルクに制御し、電動モータ２０の出力のみでコンプレッサ１０を駆動する。したがって、たとえ作動流体供給装置５０からアノードガスが供給されない運転状態であっても、電動モータ２０でコンプレッサ１０を駆動して、コンプレッサ１０の出力を目標出力トルクに制御することができる。
【００９８】
また、本実施形態では、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がクラッチ接続閾値（所定閾値）以上のときは、クラッチ４０を解放状態にして電動モータ２０の出力トルクを目標出力トルクに制御し、電動モータ２０の出力のみでコンプレッサ１０を駆動する。これにより、タービン３０の出力が不足しているときや、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たときであっても、応答性や制御性に優れる電動モータ２０によって素早く、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することができる。また、クラッチ４０が解放状態にされるので、タービン３０が電動モータ２０の負荷になることもないので、より応答良く電動モータ２０によってコンプレッサ１０を制御することができる。
【００９９】
また、本実施形態では、コントローラ１４０は、タービン３０の出力可能トルクがコンプレッサ１０の目標出力トルクよりも小さいときは（差分トルク＞０）、電動モータ２０の出力とタービン３０の出力とでコンプレッサ１０を駆動する。これにより、電動モータ２０のみで駆動する場合よりも、コンプレッサ１０を駆動する際に電動モータ２０に要求される出力トルクを抑えることができるので、電動モータ２０の消費電力を抑えることができる。
【０１００】
なお、本実施形態では、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６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６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。
【０１０１】
また、本実施形態では、タービン３０のみでコンプレッサ１０を駆動する場合に、コンプレッサ１０の出力トルクが目標出力トルクよりも大きいタービン３０の出力可能トルクとなっていた。そのため、コンプレッサ吸入流量が目標コンプレッサ吸入流量よりも多くなっていた。そこで、タービン３０のみでコンプレッサ１０を駆動するときは、コンプレッサ１０の出力トルクが目標出力トルクとなるように、例えばクラッチ４０を半クラッチ状態としてクラッチ４０の伝達トルク容量を制御することもできる。具体的には、コンプレッサ吸入流量が目標コンプレッサ吸入流量となるように、クラッチ４０の伝達トルク容量をフィードバック制御する。
【０１０２】
ここで、燃料電池スタック１１０を低負荷で定常運転しているときは、アノードガスを一定圧で供給しながら、燃料電池スタック１１０内のカソード側に溜まった水を除去するために、目標コンプレッサ吸入流量（カソードガスの圧力）を周期的に増減させて間欠的にカソードガスを供給する運転状態に切り替わることがある。
【０１０３】
したがって、燃料電池スタック１１０が低負荷で定常運転されていて、例えばタービン３０のみでコンプレッサ１０を駆動できる運転状態となったときに、コンプレッサ１０の出力トルクが目標出力トルクとなるようにクラッチ４０の伝達トルク容量を制御するようにすれば、タービン３０のみでコンプレッサ１０を駆動する場合であっても、コンプレッサ吸入流量を目標コンプレッサ吸入流量に制御することができる。
【０１０４】
このように、燃料電池スタック１１０にアノードガスを供給しつつ間欠的にカソードガスを供給する運転状態になったときは、クラッチ４０を締結及び解放させることで燃料電池スタック１１０に間欠的にカソードガスを供給すれば、目標コンプレッサ吸入流量が周期的に増減したとしても、電動モータ２０を駆動せずにタービン３０のみでコンプレッサ吸入流量を目標コンプレッサ吸入流量に制御することができる。よって、目標コンプレッサ吸入流量を実現しながら、電動モータ２０の消費電力を抑えることができる。
【０１０５】
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を設けなかった場合は、差分トルクがゼロ以下のときはタービン３０のみでコンプレッサ１０を駆動し、差分トルクがゼロよりも大きければ電動モータ２０とタービン３０とでコンプレッサ１０を駆動すれば良い。このようにしても、上記と同様の効果を得ることができる。
【０１０６】
また本実施形態では、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を制御する共に電動モータ２０を制御していたが、以下のように電動モータ２０及びクラッチ４０を制御するようにしてもよい。すなわち、燃料電池システム１００の運転状態に基づいて、電動モータ２０を制御するとともに、電動モータ２０の駆動力をタービン３０の駆動力で補うように、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を制御しても良い。
【０１０７】
電動モータ２０を小型化すると、燃料電池システム１００の運転状態に応じたコンプレッサ１０の目標出力トルクを電動モータ２０の駆動力だけでは賄いきれなくなる場合がある。このような場合は、電動モータ２０の駆動力をタービン３０の駆動力で補うように、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を制御してやればよい。クラッチ４０は、単に接続状態とするだけでもよいし、コンプレッサ１０の出力トルクが目標出力トルクとなるように、例えばクラッチ４０を半クラッチ状態としてクラッチ４０の伝達トルク容量を制御しても良い。具体的には、コンプレッサ吸入流量が目標コンプレッサ吸入流量となるように、クラッチ４０の伝達トルク容量をフィードバック制御すれば良い。
【０１０８】
＜第２実施形態＞
次に図７及び図８を参照して、本発明の第２実施形態について説明する。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。
【０１０９】
図７は、本発明の第２実施形態による車両用の燃料電池システム１００の概略構成図である。
【０１１０】
図７に示すように、本実施形態による燃料電池システム１００の作動流体供給装置５０は、アノードガスとは異なる作動流体をタービン３０に供給してタービン３０を駆動するように構成される。本実施形態では、燃料電池システム１００を搭載した車両等の室内の温度を調整する空調装置５０Ａを、作動流体供給装置５０として利用する。
【０１１１】
図８は、空調装置５０Ａの概略構成図である。
【０１１２】
図８に示すように、空調装置５０Ａは、室内に調温された空気を導入するための通路となる空調ダクト５１と、インテークドア５２と、ブロア５３と、エアミックスドア５４と、を備える。また、空調装置５０Ａは、空調ダクト５１内の空気を加熱・冷却するための装置として、冷媒用コンプレッサ６１と、室内コンデンサ６２と、室外熱交換器６３と、エバポレータ６４と、アキュムレータ６５と、これらを冷媒が循環可能なように接続する配管６６Ａ−６６Ｄと、を備える。
【０１１３】
インテークドア５２は、空調ダクト５１に導入する空気を、室内の空気（内気）又は室外の空気（外気）のいずれか一方に切り替えるものである。インテークドア５２は、コントローラ１４０によってその位置が制御され、室内の空気を導入するときは外気導入口５２Ａを閉鎖し、室外の空気を導入するときは内気導入口５２Ｂを閉鎖する。
【０１１４】
ブロア５３は、外気導入口５２Ａ又は内気導入口５２Ｂを介して吸入した空気を室内に向けて送風する。
【０１１５】
エアミックスドア５４は、冷房時と暖房時とで空調ダクト５１内の空気の流れを切り替えるものである。エアミックスドア５４は、コントローラ１４０によってその位置が制御される。エアミックスドア５４は、冷房時には、後述する室内コンデンサ６２に空気が流入しないように、室内コンデンサ６２の前面と対向する位置（図８の実線の位置）に制御される。一方、暖房時には、室内コンデンサに空気が流入するように、室内コンデンサ６２の前面と対向しない位置（図８の破線の位置）に制御される。
【０１１６】
冷媒用コンプレッサ６１は、配管６６Ｄの冷媒を吸入して圧縮し、高温高圧となった冷媒を配管６６Ａに吐出する。配管６６Ａには、冷媒用コンプレッサ６１から吐出された冷媒の圧力を検出する冷媒用圧力センサ６９が設けられる。
【０１１７】
室内コンデンサ６２は、空調ダクト５１内に配置される。室内コンデンサ６２は、暖房時に熱交換器として機能し、配管６６Ａを流れてきた高温高圧の冷媒と、空調ダクト５１内の空気と、の間で熱交換を行い、空調ダクト５１内の空気を加熱する。一方、室内コンデンサ６２は、冷房時にはエアミックスドア５４が室内コンデンサ６２に空気が流入しないようにしているので熱交換器として機能せず、配管６６Ａを流れてきた高温高圧の冷媒をそのまま通過させる。
【０１１８】
室内コンデンサ６２を通過した冷媒が流れる配管６６Ｂには、第１膨張弁６７Ａと、第１膨張弁６７Ａに対して並列に配置された電磁弁６７Ｂと、が設けられる。
【０１１９】
第１膨張弁６７Ａは、冷媒を膨張させて減圧させることで、冷媒の温度を低下させる。
【０１２０】
電磁弁６７Ｂは、コントローラ１４０によって開閉制御される。電磁弁５７Ｂは、暖房時に閉弁されて、冷媒が第１膨張弁５７Ａ側の配管６６Ｂを流れるように冷媒の流路を切り替える。一方、冷房時に開弁されて、冷媒が電磁弁５７Ｂ側の配管６６Ｂを流れるように冷媒の流路を切り替える。
【０１２１】
室外熱交換器６３は、配管６６Ｂを流れてきた高温高圧の冷媒と、コンデンサファン６３Ａによって吸い込まれた室外の空気と、の間で熱交換を行う。室外熱交換器６３に導入された高温高圧の冷媒は、室外熱交換器６３で冷却されて、中温高圧の冷媒となって配管６６Ｃに排出される。
【０１２２】
配管６６Ｃには、三方弁６８Ａと、第２膨張弁６８Ｂと、が設けられる。
【０１２３】
三方弁６８Ａは、冷媒の流路を切り替えるものであって、コントローラ１４０によって制御される。三方弁６８は、暖房時には冷媒が配管６６Ｄに流れるように冷媒の流路を切り替える。一方、冷房時には冷媒が第２膨張弁６８Ｂを介してエバポレータ６４に流れるように冷媒の流路を切り替える。
【０１２４】
第２膨張弁６８Ｂは、冷媒を膨張させて減圧させることで、冷媒の温度を低下させる。冷房時には、配管６６Ｃを流れる中温高圧の冷媒は、第２膨張弁６８Ｂによって冷却され、低温低圧の冷媒となってエバポレータ６４に導入される。
【０１２５】
エバポレータ６４は、室内コンデンサ６２よりも上流の空調ダクト５１内に配置される。エバポレータ６４は、冷房時に第２膨張弁６８Ｂを通過して配管６６Ｃを流れてきた低温低圧の冷媒と、空調ダクト５１内の空気と、の間で熱交換を行い、空調ダクト５１内の空気を冷却すると共に加湿する。
【０１２６】
アキュムレータ６５は、冷媒用コンプレッサ６１に吸入される冷媒が流れる配管６６Ｄに設けられる。アキュムレータ６５は、配管６６Ａ−６６Ｄを循環する余剰の冷媒を一時的に蓄えると共に、冷媒の気液を分離してガス冷媒を冷媒用コンプレッサ６１に吸入させる。
【０１２７】
このように空調装置５０Ａは、冷房時にはブロア５３から送風された空気をエバポレータ６４で冷却して室内に導入する。一方、暖房時にはブロア５３から送風された空気を室内コンデンサ６２で加熱し、さらに必要に応じて室内コンデンサ６２の下流に配置されたＰＴＣヒータ５５によって加熱して室内に導入する。
【０１２８】
そして本実施形態では、空調装置５０Ａの配管６６Ａ−６６Ｄを循環する冷媒を、タービン３０を回転駆動させるための作動流体として使用する。つまり、タービン３０の動力源として空調用の配管６６Ａ−６６Ｄを循環する冷媒を用い、具体的には配管６６Ａを流れる高圧の冷媒を作動流体として使用する。
【０１２９】
そのために本実施形態では、相対的に高圧の冷媒が流れる配管６６Ａから分岐して配管６６Ｂに接続される配管７０を空調装置５０Ａに設け、配管７０にタービン３０を配置するようにした。配管７０は、配管６６Ａとタービン３０の吸入口とを接続する配管７０Ａと、タービン３０の排出口と配管６６Ｂとを接続する配管７０Ｂと、で構成される。配管７０Ａには、タービン３０に吸入される冷媒の流量を調整する流量調整弁７１が設けられる。
【０１３０】
以下、図９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２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。第１実施形態と同様の処理を行うステップについては第１実施形態と同様のステップ番号を付して説明を省略する。
【０１３１】
ステップＳ２０１において、コントローラ１４０は、タービン３０に供給される作動流体としての冷媒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１０のテーブルに示すように、冷媒用圧力センサ６９で検出された冷媒の圧力に基づいて、タービン３０の出力可能トルクを算出する。なお、第１実施形態と同様に冷媒の流量に基づいて、タービン３０の出力可能トルクを算出することもできる。
【０１３２】
ステップＳ２０２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か否かを判定する。本実施形態では、例えば空調装置５０Ａが故障していて冷媒を循環させることができない場合等は、コントローラ１４０はクラッチ４０の接続を許可せずにステップＳ１１の処理に進む。一方でコントローラ１４０は、冷媒を循環させることが可能な場合は、クラッチ４０の接続を許可してステップＳ６の処理に進む。
【０１３３】
ステップＳ２０３において、コントローラ１４０は、冷媒圧力を昇圧させるか否かを判定する。具体的には、コントローラ１４０は、差分トルクが所定の冷媒圧力昇圧閾値以上か否かを判定する。冷媒圧力昇圧閾値は、クラッチ接続閾値よりも小さい値である。コントローラ１４０は、差分トルクが冷媒圧力昇圧閾値以上であれば、冷媒圧力を昇圧させるためにステップＳ２０４の処理に進む。一方でコントローラ１４０は、差分トルクが冷媒圧力昇圧閾値未満であれば、冷媒圧力を現状のままとしてステップＳ７の処理に進む。
【０１３４】
ステップＳ２０４において、コントローラ１４０は、冷媒用コンプレッサ６１の出力トルクを、空調要求により設定されている通常の出力トルクから増大させることで冷媒圧力を昇圧させ、タービン３０の出力可能トルクを増大させる。これにより、差分トルクを減少させる。つまり本実施形態では、燃料電池システム１００（若しくは燃料電池スタック１１０）の要求と空調要求とに基づいて、冷媒の圧力又は流量を協調制御している。なお、冷媒用コンプレッサ６１の通常の出力トルクは、車内の室温を自動的に設定するオートモードのときは、その自動的に設定された室温に応じて設定される。また車内の室温をドライバ等が任意に設定するマニュアルモードのときは、任意に設定された室温に応じて設定される。
【０１３５】
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、動力源となる冷媒の状態（圧力や流量）に応じて変化する。
【０１３６】
つまり本実施形態では、動力源となる冷媒の状態に応じて、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。前述の冷媒圧力昇圧閾値は、電動モータ２０及びタービン３０の出力トルクの割合を、燃料電池システム１００の運転状態に応じた適切な割合としてコンプレッサ１０を駆動できるように適宜設定すれば良いものである。
【０１３７】
ステップＳ２０５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、冷媒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可変制御することで、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。
【０１３８】
具体的には、コントローラ１４０は、タービン３０の出力可能トルクがコンプレッサ１０の目標出力トルクよりも小さいときは（差分トルク＞０）、流量調整弁７１を全開にすると共に電動モータ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。
【０１３９】
一方でコントローラ１４０は、タービン３０の出力可能トルクがコンプレッサ１０の目標出力トルク以上のときは（差分トルク≦０）、電動モータ２０の出力トルクをゼロに制御し、タービン３０の出力のみでコンプレッサ１０を駆動する。
【０１４０】
タービン３０のみでコンプレッサ１０を駆動する場合は、流量調整弁７１を全開にしてしまうと、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。そこで本実施形態では、タービン３０のみでコンプレッサ１０を駆動する場合は、タービン３０の出力トルクが目標出力トルクとなるように流量調整弁７１の開度を制御する。具体的には、コンプレッサ吸入流量が目標コンプレッサ吸入流量となるように、流量調整弁７１をフィードバック制御する。
【０１４１】
なお、流量調整弁７１を全開として、第１実施形態のようにバイパス弁制御によって燃料電池スタック１１０にとって不要な余剰なカソードガスをバイパス通路１２７に流すようにしても良い。
【０１４２】
ステップＳ２０６において、コントローラ１４０は、流量調整弁７１を全閉にすると共に、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、流量調整弁７１を全閉にすることで、無駄にタービン３０を駆動しなくて済む。
【０１４３】
なお、本実施形態では、流量調整弁７１を全閉にすることでタービン３０を駆動しなくて済むので、タービン３０が負荷になるものの、ステップＳ１１でクラッチ４０を解放状態とせず、接続状態のままにすることもできる。
【０１４４】
上記した第２実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
【０１４５】
本実施形態によれば、タービン３０の動力源として、空調用の配管６６Ａ−６６Ｄを循環する冷媒を用いる。そして、コントローラ１４０は、燃料電池システム１００（若しくは燃料電池スタック１１０）の運転状態に基づいて、動力源となる冷媒の状態（圧力又は流量）を制御し、冷媒の状態に基づいて、コンプレッサ駆動源の中から使用する駆動源を選択するので、第１実施形態と同様の効果が得られる。また、空調用の冷媒に含まれるオイル分によってタービン３０の軸受等を潤滑することができる。さらに、冷媒によってタービン３０を駆動するので、アノードガスが供給されない運転状態であっても、タービン３０を駆動することができる。
【０１４６】
また、本実施形態では、コントローラ１４０が、燃料電池システム１００（若しくは燃料電池スタック１１０）の要求と空調要求とに基づいて、冷媒の圧力又は流量を協調制御するようにしている。
【０１４７】
したがって、例えばタービン３０の出力が低ければ、電動モータ２０よりも消費電力の少ない冷媒用コンプレッサ６１によって冷媒の圧力又は流量を昇圧させて、タービン３０の出力を増加させることができるので、電動モータ２０の出力を抑えることができる。したがって、電動モータ２０の小型化が可能になると共に、燃料電池システム１００のエネルギ効率も高めることが可能となる。
【０１４８】
なお、本実施形態では、タービン３０を駆動するための作動流体として、配管６６Ａ−６６Ｄを循環している冷媒のうち、冷媒用コンプレッサ６１から吐出された相対的に高圧な冷媒を利用していたが、図１１に示すように、冷媒用コンプレッサ６１に吸入される相対的に温度の低い冷媒を利用することもできる。
【０１４９】
具体的には、配管６６Ａ−６６Ｄを循環している冷媒のうち、冷媒用コンプレッサ６１に吸入される相対的に温度の低い冷媒が流れる配管６６Ｄから分岐して、再び配管６６Ｄに接続される配管８０を空調装置５０Ａに設け、配管８０にタービン３０を配置する。そして配管８０を、配管６６Ｄとタービン３０の吸入口とを接続する配管８０Ａと、タービン３０の排出口と配管６６Ｄとを接続する配管８０Ｂとで構成し、配管８０Ｂに流量調整弁７１を設ける。
【０１５０】
このように構成しても、上記と同様の効果が得られる他、冷媒用コンプレッサ６１に吸入される相対的に温度の低い冷媒によってタービン３０を駆動することができるので、タービン３０を冷却することが可能となる。
【０１５１】
＜第３実施形態＞
次に図１２を参照して、本発明の第３実施形態について説明する。
【０１５２】
本実施形態は、作動流体供給装置５０の構成が第２実施形態のものと相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
【０１５３】
図１２に示すように、本実施形態による作動流体供給装置５０は、圧縮空気を蓄える畜圧タンク９０を備え、カソードガス供給装置１のタービン３０に対して、畜圧タンク９０に蓄えた圧縮空気を、タービン３０を駆動するための作動流体として供給する。
【０１５４】
そのために本実施形態による作動流体供給装置５０は、畜圧タンク９０に蓄えた圧縮空気をタービン３０に供給するための通路として、畜圧タンク９０とタービン３０の吸入口とを接続する配管９１を備える。また、畜圧タンク９０に圧縮空気としてのカソードガスを導入するための通路として、カソードガス供給通路１２１とバイパス通路１２７との接続部１２１Ａよりも上流のカソードガス供給通路１２１から分岐して、畜圧タンク９０に接続される配管９２を備える。さらに、タービン３０を駆動した圧縮空気を排出するための通路として、タービン３０の排出口と、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と、を接続する配管９５を備える。
【０１５５】
畜圧タンク９０には、畜圧タンク９０内の圧力を検出する圧縮空気用圧力センサ９３が設けられる。畜圧タンク９０と配管９１との接続部には、コントローラ１４０によって開閉制御され、タービン３０に供給する圧縮空気の流量を調整する第１実施形態と同様の流量調整弁７１が設けられる。タービン３０の回転駆動力は、畜圧タンク９０内の圧力に応じて流量調整弁７１を制御し、タービン３０に供給される圧縮空気の圧力又は流量を調整することで制御される。
【０１５６】
配管９２には、コントローラ１４０によって開閉制御され、畜圧タンク９０に圧縮空気を導入するときに開かれる開閉弁９４が設けられる。
【０１５７】
以下、図１３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３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。
【０１５８】
ステップＳ３０１において、コントローラ１４０は、タービン３０に供給される作動流体としての圧縮空気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１４のテーブルに示すように、圧縮空気用圧力センサ９３で検出された圧縮空気の圧力に基づいて、タービン３０の出力可能トルクを算出する。なお、第１実施形態と同様に、タービン３０に供給される圧縮空気の流量に基づいて、タービン３０の出力可能トルクを算出することもできる。
【０１５９】
ステップＳ３０２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を判定する。コントローラ１４０は、例えば圧縮空気用圧力センサ９３で検出された圧縮空気の圧力が所定圧力以下となっており、畜圧タンク内の圧力が極端に低くなっている運転状態のときは、クラッチ４０の接続を許可せずにステップＳ１１の処理に進み、そうでなければステップＳ６に進む。
【０１６０】
図１５は、カソードガス供給装置１の制御と並行してコントローラ１４０が実施する第３実施形態による開閉弁９４の制御について説明するフローチャートである。
【０１６１】
ステップＳ３１０において、コントローラ１４０は、カソードガスを導入できるだけの空き容量が畜圧タンク９０にあるか否かの畜圧許可判定を行う。具体的には、コントローラ１４０は、圧縮空気用圧力センサ９３で検出された畜圧タンク９０内の圧縮空気の圧力が、畜圧許可閾値未満か否かを判定する。コントローラ１４０は、畜圧タンク９０内の圧縮空気の圧力が畜圧許可閾値未満であれば、空き容量があると判定してステップＳ３１１の処理に進む。一方でコントローラ１４０は、畜圧タンク９０内の圧縮空気の圧力が畜圧許可閾値以上であれば、空き容量がないと判定してステップＳ３１４の処理に進む。
【０１６２】
ステップＳ３１１において、コントローラ１４０は、コンプレッサ１０が目標コンプレッサ吸入流量以上のカソードガスを吸入しているか否かを判定する。具体的には、コントローラ１４０は、検出コンプレッサ吸入流量が目標コンプレッサ吸入流量よりも大きいか否かを判定する。コントローラ１４０は、検出コンプレッサ吸入流量が目標コンプレッサ吸入流量よりも大きければ、コンプレッサ１０が必要以上のカソードガスを吸入していて余剰のカソードガスを畜圧タンク９０に導入する余裕があると判定し、ステップＳ３１２の処理に進む。一方でコントローラ１４０は、検出コンプレッサ吸入流量が目標コンプレッサ吸入流量以下であれば、ステップＳ３１４の処理に進む。
【０１６３】
ステップＳ３１２において、コントローラ１４０は、圧縮空気用圧力センサ９３で検出された畜圧タンク９０内の圧縮空気の圧力と、カソード圧力センサ１４１で検出された燃料電池スタック１１０に供給されるカソードガスの圧力と、の差圧が所定値以上か否かを判定する。コントローラ１４０は、差圧が所定値以上であれば、コンプレッサ１０から吐出されたカソードガスを畜圧タンク９０に導入するべくステップＳ３１３の処理に進む。一方でコントローラ１４０は、差圧が所定値未満であれば、ステップＳ３１４の処理に進む。このような判定を行うのは、畜圧タンク９０内の圧縮空気の圧力が、燃料電池スタック１１０に供給されるカソードガスの圧力よりもある程度高い状態で開閉弁９４を開くようにしないと、コンプレッサ１０から吐出されたカソードガスが必要以上に畜圧タンク９０側の配管９２に流れてしまい、燃料電池スタック１１０側のカソードガス供給通路１２１に発電に必要なカソードガスが流れなくおそれがあるためである。
【０１６４】
ステップＳ３１３において、コントローラ１４０は、開閉弁９４を開き、コンプレッサ１０から吐出されたカソードガスの余剰分を畜圧タンク９０に導入する。
【０１６５】
ステップＳ３１４において、コントローラ１４０は、開閉弁９４を閉じる。
【０１６６】
上記した第３実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
【０１６７】
本実施形態によれば、タービン３０の動力源として、コンプレッサから吐出された余剰のカソードガスを蓄える畜圧タンク９０から供給される圧縮空気を用いる。そして、コントローラ１４０は、燃料電池システム１００（若しくは燃料電池スタック１１０）の運転状態に基づいて、動力源となる圧縮空気の状態（圧力又は流量）を制御し、圧縮空気の状態に基づいて、コンプレッサ駆動源の中から使用する駆動源を選択するので、第１実施形態と同様の効果が得られる。また、圧縮空気によってタービン３０を駆動するので、アノードガスが供給されない運転状態であっても、タービン３０を駆動することができる。
【０１６８】
また本実施形態によれば、コンプレッサから吐出された余剰のカソードガスを畜圧タンク９０に導入するための導入通路としての配管９２に開閉弁９４を備え、コントローラ１４０は、コンプレッサ１０が燃料電池スタック１１０の発電に不要な余剰のカソードガスを吐出しているときに、開閉弁９４を開弁する。
【０１６９】
そのため、コンプレッサ１０が目標コンプレッサ吸入流量以上のカソードガスを吸入しているときに、余剰のカソードガスをまず畜圧タンク９０側に導入することが可能となり、バイパス通路１２７に流す必要のあるカソードガスの流量を少なくすることができる。したがって、バイパス弁１２８の弁体を小さくすることができるのでバイパス弁１２８の小型化及び低コスト化を図ることができる。また余剰のカソードガスを畜圧タンク９０に導入し、有効に再利用することができるので、燃料電池システム１００のエネルギ効率を上げることができる。
【０１７０】
＜第４実施形態＞
次に図１６を参照して、本発明の第４実施形態について説明する。
【０１７１】
本実施形態は、作動流体供給装置５０の構成が第３実施形態のものと相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
【０１７２】
図１６に示すように、本実施形態による作動流体供給装置５０は、バイパス弁１２８よりも下流のバイパス通路１２７から分岐させた配管９６を介して畜圧タンク９０にカソードガスを導入するようにしている。バイパス弁１２８の下流のバイパス通路１２７には、バイパス弁１２８の下流のカソードガスの圧力を検出するバイパス弁下流圧検出センサ１４８が設けられる。
【０１７３】
図１７は、カソードガス供給装置１の制御と並行してコントローラ１４０が実施する第４実施形態による開閉弁９４の制御について説明するフローチャートである。
【０１７４】
ステップＳ４１１において、コントローラ１４０は、コンプレッサ１０から余剰のカソードガスが吐出されている運転状態か否かを判定する。具体的には、コントローラ１４０は、バイパス弁１２８が開かれているか否かを判定する。コントローラ１４０は、バイパス弁１２８が開かれていればステップＳ４１２の処理に進み、閉じられていればステップＳ４１３の処理に進む。
【０１７５】
ステップＳ４１２において、コントローラ１４０は、水素希釈のためにバイパス弁１２８を開いているか否かを判定する。具体的には、コントローラ１４０は、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か否かを判定する。このような判定を行うは、水素希釈のためにバイパス弁１２８を開いているときに、開閉弁９４を開いてカソードガスを畜圧タンク９０に導入してしまうと、十分な水素希釈を行うことができないおそれがあるためである。コントローラ１４０は、水素希釈のためにバイパス弁１２８を開いていればステップＳ３１４の処理に進み、そうでなければステップＳ４１３の処理に進む。
【０１７６】
ステップＳ４１３において、コントローラ１４０は、バイパス弁下流圧検出センサ１４８で検出されたバイパス弁１２８の下流圧が、圧縮空気用圧力センサ９３で検出された畜圧タンク９０内の圧縮空気の圧力よりも大きいか否かを判定する。コントローラ１４０は、バイパス弁１２８の下流圧が畜圧タンク９０内の圧縮空気の圧力よりも大きければステップＳ３１３の処理に進む、そうでなければステップＳ３１４の処理に進む。
【０１７７】
上記した第４実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
【０１７８】
本実施形態では、コンプレッサ１０から吐出されたカソードガスの一部を、燃料電池スタック１１０を迂回させて排出するためのバイパス通路１２７と、バイパス通路１２７に設けられて、バイパス通路１２７を流れるカソードガスの流量を調整するためのバイパス弁１２８と、を備える。そして、コントローラ１４０は、コンプレッサ１０が燃料電池システム１００から排出される排ガス中の水素濃度を希釈するために発電に不要な余剰のカソードガスを吐出しているときは、開閉弁９４の開弁を禁止する。
【０１７９】
そのため、バイパス通路１２７を通過するカソードガスを畜圧タンク９０に導入することができるので、これまではシステム外部に排出されていたカソードガスを有効に再利用することができ、燃料電池システム１００のエネルギ効率を上げることができる。また、排ガス中の水素濃度を希釈するためにバイパス通路１２７にカソードガスを流しているときは開閉弁９４の開弁が禁止されるので、排出ガス中の水素濃度を確実に排出許容濃度以下にすることができる。
【０１８０】
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。
【０１８１】
上記の各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。
【０１８２】
また、上記の各実施形態によるカソードガス供給装置１は、タービン３０をコンプレッサ駆動用の駆動源として備えているが、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駆動源として備えてもよい。
【０１８３】
また、カソードガス供給装置１の構成は、上記の各実施形態のものに限らず、例えば図１８に示すように、タービン３０がフライホイール３１を備えるように構成することもできる。
【０１８４】
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。タービン３０のフライホイール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。
【０１８５】
このようにタービン３０がフライホイール３１を備えるように構成することで、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。
【図１】
2016013092.tif 000003
【図２Ａ】
2016013092.tif 000004
【図２Ｂ】
2016013092.tif 000005
【図３】
2016013092.tif 000006
【図４】
2016013092.tif 000007
【図５】
2016013092.tif 000008
【図６】
2016013092.tif 000009
【図７】
2016013092.tif 000010
【図８】
2016013092.tif 000011
【図９】
2016013092.tif 000012
【図１０】
2016013092.tif 000013
【図１１】
2016013092.tif 000014
【図１２】
2016013092.tif 000015
【図１３】
2016013092.tif 000016
【図１４】
2016013092.tif 000017
【図１５】
2016013092.tif 000018
【図１６】
2016013092.tif 000019
【図１７】
2016013092.tif 000020
【図１８】
2016013092.tif 000021
【手続補正書】
【提出日】平成26年12月5日(2014.12.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項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、
燃料電池に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、
前記燃料電池の運転状態に基づいて前記駆動装置を制御する制御部と、を備え、
前記駆動装置は駆動モータと作動流体により駆動されるタービンの少なくとも２つの駆動源を有し、
前記制御部は、
前記燃料電池の運転状態に基づいてコンプレッサの目標出力トルクを算出し、
作動流体の圧力又は流量に基づいて前記タービンの出力可能トルクを算出し、
コンプレッサの目標出力トルクとタービンの出力可能トルクとに基づいて、前記駆動モータ、前記タービン、又は前記駆動モータ及び前記タービンの双方のいずれかを使用する駆動源として選択する、
燃料電池システム。
【請求項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、
前記制御部は、前記作動流体の状態に基づいて、前記クラッチを制御する共に前記駆動モータを制御する、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１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、
前記制御部は、前記燃料電池の運転状態に基づいて前記駆動モータを制御するとともに、前記駆動モータの駆動力を前記タービンの駆動力で補うように、前記作動流体の状態に基づいて前記クラッチを制御する、
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、
前記作動流体として、前記燃料電池に供給されるアノードガスを用いた、
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項２又は３に記載の燃料電池システムであって、
前記作動流体として、前記燃料電池に供給されるアノードガスを用い、
前記制御部は、前記燃料電池の要求により前記燃料電池にアノードガスを供給しない運転状態になったときは、前記クラッチを解放し、前記駆動モータのみで前記コンプレッサを駆動させる、
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項２又は３に記載の燃料電池システムであって、
前記作動流体として、前記燃料電池に供給されるアノードガスを用い、
前記制御部は、前記燃料電池の起動中初期又は停止中後期には、前記クラッチを解放し、前記駆動モータのみで前記コンプレッサを駆動させる、
燃料電池システム。
【請求項７】
請求項２又は３に記載の燃料電池システムであって、
前記作動流体として、前記燃料電池に供給されるアノードガスを用い、
前記制御部は、前記燃料電池にアノードガスを供給しつつ間欠的にカソードガスを供給する運転状態になったときは、前記クラッチを締結及び解放させることで前記燃料電池に間欠的にカソードガスを供給する、
燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１から３までのいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、
前記作動流体として、空調用配管を循環する冷媒を用いた、
燃料電池システム。
【請求項９】
請求項８に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池の要求と空調要求とに基づいて、前記冷媒の圧力又は流量を協調制御する、
燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項１から３までのいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、
前記作動流体として、前記コンプレッサから吐出された余剰のカソードガスを蓄える蓄圧タンクから供給される圧縮空気を用いた、
燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項１０に記載の燃料電池システムであって、
前記コンプレッサから吐出された余剰のカソードガスを前記蓄圧タンクに導入するための導入通路に開閉弁を備え、
前記制御部は、前記コンプレッサが前記燃料電池の発電に不要な余剰のカソードガスを吐出しているときに、前記開閉弁を開弁する、
燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項１１に記載の燃料電池システムであって、
前記コンプレッサから吐出されたカソードガスの一部を、前記燃料電池を迂回させて排出するためのバイパス通路と、
前記バイパス通路に設けられて、前記バイパス通路を流れるカソードガスの流量を調整するためのバイパス弁と、
を備え、
前記制御部は、前記コンプレッサが燃料電池システムから排出される排ガス中の水素濃度を希釈するために発電に不要な余剰のカソードガスを吐出しているときは、前記開閉弁の開弁を禁止する、
燃料電池システム。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
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］
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）又は電動モータのいずれか一方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カソードガス供給装置を備えた燃料電池システムが開示されている。
［０００３］
また、カソードガス供給装置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するコンプレッサと、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。
発明の概要
［０００４］
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。
［０００５］
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を図ることである。
［０００６］
本発明のある態様によれば、燃料電池にカソードガスを供給するコンプレ
【国際調査報告】
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