(57)【要約】【課題】発電効率およびエネルギー効率を向上させる。【解決手段】燃料電池スタック１１に空気を導入する空気導入口１１ｃに接続された空気供給流路３２と、空気供給流路３２に空気を供給するコンプレッサ１５と、コンプレッサ１５の回転軸と同軸に連結された回転軸を有するエキスパンダタービン１９と、コンプレッサ１５によって空気供給流路３２に供給された空気の一部によってコンプレッサ１５およびエキスパンダタービン１９の回転軸を支持する空気動圧軸受部２２と、空気動圧軸受部２２から排出された空気を高温側空気と低温側空気とに分離するボルテックスチューブ２３とを備え、ボルテックスチューブ２３から高温側空気を吐出する高温側空気吐出口２３ｂは、エキスパンダタービン１９の空気供給口１９ａに接続されている。【選択図】図１
2013093134.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料および酸化剤により発電する燃料電池と、
前記酸化剤を含む空気を前記燃料電池の内部に導入する空気導入口に接続された空気供給流路と、
前記燃料電池の内部から前記空気を排出する空気排出口に接続された空気排出流路と、
前記空気供給流路に接続されて前記空気供給流路に前記空気を供給する空気供給回転機と、
前記空気排出流路に配置されて前記空気供給回転機の回転軸と同軸に連結された回転軸を有するエキスパンダと、
前記空気供給流路から分岐した分岐空気流路と、
前記分岐空気流路に接続されて前記空気供給回転機によって前記空気供給流路に供給された前記空気のうち前記分岐空気流路に分流した分流空気によって前記空気供給回転機の回転軸を支持する空気動圧軸受部と、を備える燃料電池システムであって、
前記空気動圧軸受部から前記分流空気を排出する分流空気排出口に接続されて前記分流空気を高温側空気と低温側空気とに分離するボルテックスチューブを備え、
前記ボルテックスチューブから前記高温側空気を吐出する高温側空気吐出口は、前記空気を前記エキスパンダに供給する空気供給口に接続されている
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記空気供給流路に配置されて前記空気を冷却する熱交換器を備え、
前記ボルテックスチューブから前記低温側空気を吐出する低温側空気吐出口は、冷媒を前記熱交換器に供給する冷媒供給口に接続されている
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記ボルテックスチューブに設けられて開度に応じて前記高温側空気と前記低温側空気との温度を調整する温度調節バルブと、
前記燃料電池の運転状態を取得する運転状態取得手段と、
前記運転状態取得手段により取得された前記運転状態に応じて前記温度調節バルブの前記開度を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記燃料電池の負荷が所定値以下の低負荷の場合には、前記高温側空気の温度が上昇するように前記開度を制御し、前記燃料電池の負荷が前記所定値よりも高い高負荷の場合には、前記低温側空気の温度が下降するように前記開度を制御する
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記空気供給流路に配置されて前記空気を冷却する熱交換器と、
前記空気供給流路と前記空気排出流路とに接続された加湿器と、
前記ボルテックスチューブの前記高温側空気吐出口と前記エキスパンダの前記空気供給口とを接続する流路に配置されて、前記高温側空気を前記空気供給口または冷媒を前記熱交換器に供給する冷媒供給口に切り替えて排出可能な第１切替弁と、
前記ボルテックスチューブから前記低温側空気を吐出する低温側空気吐出口と前記冷媒供給口とを接続する流路に配置されて、前記低温側空気を前記冷媒供給口または大気中に切り替えて排出可能な第２切替弁と、
前記空気供給流路および前記空気排出流路の少なくとも何れか一方に設けられて前記空気の温度を検出する温度センサと、を備え、
前記制御手段は、前記温度センサにより検出された前記温度に基づいて前記燃料電池の運転状態が過加湿状態であるか否かを判定し、この判定結果において前記燃料電池の運転状態が過加湿状態であると判定した場合には、前記高温側空気を前記熱交換器の前記冷媒供給口に排出するように前記第１切替弁を制御すると共に、前記低温側空気を大気中に排出するように前記第２切替弁を制御する
ことを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１つに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、燃料電池による発電に加えて、燃料電池から排出された空気を作動流体としてタービン発電機により発電を行なう複合的な発電システムが知られている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。
【０００３】
また、従来、例えば、コンプレッサとタービンとを連結する共通の回転軸をコンプレッサによって圧縮された空気（圧縮空気）によって支持する空気動圧軸受において、圧縮空気の一部または全てを流通させる流路を軸受ケーシング内の軸受部周囲に設けて、この流路を流通する圧縮空気によって軸受部の冷却を行なう気体軸受が知られている（例えば、特許文献３参照）。
この気体軸受では、回転軸が高速回転することで発生する摩擦熱による軸受部の温度上昇を圧縮空気による冷却によって抑制することができると共に、この冷却により温度上昇した圧縮空気が保有する熱を熱交換器により回収可能である。
【０００４】
また、従来、例えば、燃料電池から排出された空気を、ボルテックスチューブに導入して低温側空気および高温側空気に分離して、圧縮機および燃料電池の冷却あるいは燃料電池および加湿器の加熱に再利用する燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−２２３８５１号公報
【特許文献２】特開２００４−１１１１２７号公報
【特許文献３】実開昭６３−４９０２２号公報
【特許文献４】特開２００８−２２６６７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記従来技術に係る発電システムにおいては、タービン発電機によるエネルギー回収量を増大させて、システム全体での発電効率を向上させることが望まれている。
また、上記従来技術に係る気体軸受においては、圧縮空気が保有するエンタルピーが回収されるだけであり、圧縮空気のエネルギー回収量を増大させることが望まれている。
また、上記従来技術に係る燃料電池システムにおいては、燃料電池から排出された空気の熱が回収されるだけであり、エネルギー回収量を増大させることが望まれている。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、発電効率およびエネルギー効率を向上させることが可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決して係る目的を達成するために、本発明の請求項１に係る燃料電池システムは、燃料および酸化剤により発電する燃料電池（例えば、実施の形態での燃料電池スタック１１）と、前記酸化剤を含む空気を前記燃料電池の内部に導入する空気導入口（例えば、実施の形態での空気導入口１１ｃ）に接続された空気供給流路（例えば、実施の形態での空気供給流路３２）と、前記燃料電池の内部から前記空気を排出する空気排出口（例えば、実施の形態での空気排出口１１ｄ）に接続された空気排出流路（例えば、実施の形態での空気排出流路３３）と、前記空気供給流路に接続されて前記空気供給流路に前記空気を供給する空気供給回転機（例えば、実施の形態でのコンプレッサ１５）と、前記空気排出流路に配置されて前記空気供給回転機の回転軸と同軸に連結された回転軸を有するエキスパンダ（例えば、実施の形態でのエキスパンダタービン１９）と、前記空気供給流路から分岐した分岐空気流路（例えば、実施の形態での分岐空気流路３４）と、前記分岐空気流路に接続されて前記空気供給回転機によって前記空気供給流路に供給された前記空気のうち前記分岐空気流路に分流した分流空気によって前記空気供給回転機の回転軸を支持する空気動圧軸受部（例えば、実施の形態での空気動圧軸受部２２）と、を備える燃料電池システムであって、前記空気動圧軸受部から前記分流空気を排出する分流空気排出口（例えば、実施の形態での分流空気排出口２２ｂ）に接続されて前記分流空気を高温側空気と低温側空気とに分離するボルテックスチューブ（例えば、実施の形態でのボルテックスチューブ２３）を備え、前記ボルテックスチューブから前記高温側空気を吐出する高温側空気吐出口（例えば、実施の形態での高温側空気吐出口２３ｂ）は、前記空気を前記エキスパンダに供給する空気供給口（例えば、実施の形態での空気供給口１９ａ）に接続されている。
【０００９】
さらに、本発明の請求項２に係る燃料電池システムは、前記空気供給流路に配置されて前記空気を冷却する熱交換器（例えば、実施の形態での熱交換器１６）を備え、前記ボルテックスチューブから前記低温側空気を吐出する低温側空気吐出口（例えば、実施の形態での低温側空気吐出口２３ｃ）は、冷媒を前記熱交換器に供給する冷媒供給口（例えば、実施の形態での冷媒供給口１６ａ）に接続されている。
【００１０】
さらに、本発明の請求項３に係る燃料電池システムは、前記ボルテックスチューブに設けられて開度に応じて前記高温側空気と前記低温側空気との温度を調整する温度調節バルブ（例えば、実施の形態での温度調節バルブ２３ｄ）と、前記燃料電池の運転状態を取得する運転状態取得手段（例えば、実施の形態での熱交換器出口温度センサ４１、タービン上流温度センサ４３）と、前記運転状態取得手段により取得された前記運転状態に応じて前記温度調節バルブの前記開度を制御する制御手段（例えば、実施の形態での制御装置２４）と、を備え、前記制御手段は、前記燃料電池の負荷が所定値以下の低負荷の場合には、前記高温側空気の温度が上昇するように前記開度を制御し、前記燃料電池の負荷が前記所定値よりも高い高負荷の場合には、前記低温側空気の温度が下降するように前記開度を制御する。
【００１１】
さらに、本発明の請求項４に係る燃料電池システムは、前記空気供給流路に配置されて前記空気を冷却する熱交換器（例えば、実施の形態での熱交換器１６）と、前記空気供給流路と前記空気排出流路とに接続された加湿器（例えば、実施の形態での加湿器１７）と、前記ボルテックスチューブの前記高温側空気吐出口と前記エキスパンダの前記空気供給口とを接続する流路（例えば、実施の形態での高温側流路３５および第１流路６１ａ）に配置されて、前記高温側空気を前記空気供給口または冷媒を前記熱交換器に供給する冷媒供給口（例えば、実施の形態での冷媒供給口１６ａ）に切り替えて排出可能な第１切替弁（例えば、実施の形態での第１切替弁５１）と、前記ボルテックスチューブから前記低温側空気を吐出する低温側空気吐出口（例えば、実施の形態での低温側空気吐出口２３ｃ）と前記冷媒供給口とを接続する流路（例えば、実施の形態での低温側流路３６および第１流路６２ａ）に配置されて、前記低温側空気を前記冷媒供給口または大気中に切り替えて排出可能な第２切替弁（例えば、実施の形態での第２切替弁５２）と、前記空気供給流路および前記空気排出流路の少なくとも何れか一方に設けられて前記空気の温度を検出する温度センサ（例えば、実施の形態での燃料電池出口温度センサ４２）と、を備え、前記制御手段は、前記温度センサにより検出された前記温度に基づいて前記燃料電池の運転状態が過加湿状態であるか否かを判定し、この判定結果において前記燃料電池の運転状態が過加湿状態であると判定した場合には、前記高温側空気を前記熱交換器の前記冷媒供給口に排出するように前記第１切替弁を制御すると共に、前記低温側空気を大気中に排出するように前記第２切替弁を制御する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の請求項１に係る燃料電池システムによれば、空気供給回転機によって空気供給流路に供給された空気の一部（分流空気）は、空気供給回転機およびエキスパンダの回転軸を支持する空気動圧軸受部を流通した後に、ボルテックスチューブにおいて高温側空気と低温側空気とに分離され、このうち高温側空気がエキスパンダに供給される。
【００１３】
これにより、分流空気によって回転軸の支持および冷却を行なうと共に、高温側空気によってエキスパンダを駆動することができ、分流空気のエネルギーを効率よく回収することができる。
しかも、ボルテックスチューブから吐出された高温側空気のエネルギーをエキスパンダの駆動エネルギーとして回収することによって、例えば空気動圧軸受部を流通した分流空気によってエキスパンダを駆動する場合に比べて、空気供給回転機による過給および回転軸の冷却によって得られた分流空気の熱エネルギーを有効に利用してエキスパンダの回生動力を増大させることができる。
これにより、空気供給回転機の駆動に要する消費電力を低減することができ、燃料電池システムの発電効率およびエネルギー効率を向上させることができる。
【００１４】
本発明の請求項２に係る燃料電池システムによれば、ボルテックスチューブから吐出された低温側空気によって熱交換器の放熱効率を向上させることができ、空気供給回転機によって空気供給流路に供給された空気を効率よく冷却することができ、システムのエネルギー効率を向上させることができる。
【００１５】
本発明の請求項３に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の負荷が所定値以下の低負荷の場合には、ボルテックスチューブから吐出される高温側空気の温度を上昇させることで、エキスパンダの回生動力を増大させることができ、発電効率およびエネルギー効率を向上させることができる。
一方、燃料電池の負荷が所定値よりも高い高負荷の場合には、ボルテックスチューブから吐出される低温側空気の温度を下降させることで、熱交換器の放熱効率を向上させることができ、空気供給回転機によって空気供給流路に供給された空気を効率よく冷却することができ、システムのエネルギー効率を向上させることができる。
【００１６】
本発明の請求項４に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の運転状態が過加湿状態である場合には、加湿器から燃料電池の内部に導入される空気の温度を上昇させることによって空気の含有水蒸気量を増大させることができ、加湿器の加湿性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施の形態の変形例に係る燃料電池システムの構成図である。
【図４】本発明の実施の形態の変形例に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムについて添付図面を参照しながら説明する。
【００１９】
本実施の形態による燃料電池システム１０は、例えば車両用の電源として搭載され、図１に示すように、燃料電池スタック１１と、燃料タンク１２と、燃料供給弁１３と、エゼクタ１４と、コンプレッサ１５と、熱交換器１６と、加湿器１７と、圧力制御弁１８と、エキスパンダタービン１９と、モータ２０と、モータケーシング２１と、空気動圧軸受部２２と、ボルテックスチューブ２３と、制御装置２４とを備えて構成されている。
【００２０】
燃料電池スタック１１は、陽イオン交換膜などからなる固体高分子電解質膜を、アノード触媒およびガス拡散層からなる燃料極（アノード）と、カソード触媒およびガス拡散層からなる酸素極（カソード）とで挟持してなる電解質電極構造体を、更に一対のセパレータで挟持してなる燃料電池セルを多数組積層して構成され、燃料電池セルの積層体は一対のエンドプレートによって積層方向の両側から挟み込まれている。
【００２１】
燃料電池スタック１１のカソードには、酸素を含む酸化剤ガス（反応ガス）である空気が供給され、アノードには、水素からなる燃料ガス（反応ガス）が供給される。
そして、アノードのアノード触媒上で触媒反応によりイオン化された水素は、適度に加湿された固体高分子電解質膜を介してカソードへと移動し、この移動に伴って発生する電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。
この発電時にカソードにおいては、水素イオンと電子と酸素が反応して水が生成され、燃料電池スタック１１のカソードを通過して外部に排出された排出ガスは湿潤状態になっている。
【００２２】
燃料タンク１２は、内部に貯留された水素を、燃料供給弁１３を介して水素供給流路３１に供給する。
燃料供給弁１３は、例えばコンプレッサ１５から供給される空気の圧力を信号圧として、この信号圧に応じた所定範囲の圧力で水素を排出する空気式の比例圧力制御弁などである。
【００２３】
エゼクタ１４は、例えば、水素供給流路３１に接続されたノズル１４ａと、燃料電池スタック１１の内部のアノードに水素を導入可能な水素導入口１１ａに接続された流体排出管１４ｂと、燃料電池スタック１１の内部のアノードから水素を排出可能な水素排出口１１ｂに接続された副流導入管１４ｃとを備えている。
エゼクタ１４は、燃料電池スタック１１のアノードを通過して水素排出口１１ｂから排出された未反応の水素（排出ガス）の少なくとも一部を、燃料供給弁１３から供給された水素に混合して、燃料電池スタック１１のアノードに再び供給する。
【００２４】
なお、燃料電池スタック１１のアノードを通過して水素排出口１１ｂから排出された未反応の排出ガスのうち、エゼクタ１４を介して循環する排出ガス以外の排出ガスは、例えば、希釈器（図示略）によって水素濃度が所定水素濃度以下に希釈されたのちに外部（例えば、大気中など）に排出される。
【００２５】
コンプレッサ１５は、例えば制御装置２４により駆動制御されるモータ２０の動力により作動し、外部から空気を取り込んで圧縮し、この圧縮後の空気を空気供給流路３２に排出する。
【００２６】
熱交換器１６は、例えば空気供給流路３２上においてコンプレッサ１５と加湿器１７との間に配置され、コンプレッサ１５から排出された空気を、冷媒供給口１６ａから供給される冷媒（例えば、大気および後述する低温側空気）により冷却し、この冷却後の空気を加湿器１７に排出する。
【００２７】
なお、空気供給流路３２上において熱交換器１６と加湿器１７との間には、熱交換器１６から排出された空気の温度（熱交換器出口温度）Ｔａを検出する熱交換器出口温度センサ４１が配置されている。
【００２８】
加湿器１７は、例えば、空気を燃料電池スタック１１の内部のカソードに導入可能な空気導入口１１ｃに接続された空気供給流路３２と、燃料電池スタック１１の内部のカソードから空気（排出空気）を排出可能な空気排出口１１ｄに接続された空気排出流路３３とに、掛け渡されるようにして接続されている。
【００２９】
加湿器１７は、例えば中空糸膜などの水透過膜を備え、熱交換器１６から排出された空気と燃料電池スタック１１の空気排出口１１ｄから排出された排出空気とを、水透過膜を介して接触させることで、排出空気に含まれる水分（特に、水蒸気）のうち水透過膜の膜穴を透過した水分を空気に添加する。
これにより、燃料電池スタック１１の空気排出口１１ｄから排出された排出空気を加湿用のガスとして用いて、熱交換器１６から排出された空気を加湿する。そして、加湿後の空気を燃料電池スタック１１の空気導入口１１ｃに排出すると共に、加湿用のガスとして用いた後の排出空気を空気排出流路３３に排出する。
【００３０】
なお、空気排出流路３３上において燃料電池スタック１１の空気排出口１１ｄと加湿器１７との間には、空気排出口１１ｄから排出された空気の温度（燃料電池出口温度）Ｔｂを検出する燃料電池出口温度センサ４２が配置されている。
【００３１】
圧力制御弁１８は、例えば空気排出流路３３上において加湿器１７とエキスパンダタービン１９との間に配置され、燃料電池スタック１１のカソードの空気の圧力を制御装置２４の制御に応じた所定範囲の圧力に制御する。そして、加湿器１７から排出された排出空気をエキスパンダタービン１９の空気供給口１９ａに供給する。
【００３２】
エキスパンダタービン１９は、例えば空気供給口１９ａに供給された流体（例えば、排出空気および後述する高温側空気）によって回生動力を発生し、流体のエネルギーをエキスパンダタービン１９の駆動エネルギーとして回収する。
【００３３】
なお、空気排出流路３３上において圧力制御弁１８とエキスパンダタービン１９の空気供給口１９ａとの間には、空気供給口１９ａに供給される排出空気の温度（タービン上流温度）Ｔを検出するタービン上流温度センサ４３が配置されている。
【００３４】
モータ２０は、例えば制御装置２４により駆動制御され、コンプレッサ１５およびエキスパンダタービン１９において共通の回転軸とされる回転軸２０ａを備えている。
つまり、モータ２０を内部に収容するモータケーシング２１から外部に突出する回転軸２０ａの一端は、コンプレッサ１５の回転軸と同軸に連結され、回転軸２０ａの他端は、エキスパンダタービン１９の回転軸と同軸に連結されている。
これにより、コンプレッサ１５は、モータ２０およびエキスパンダタービン１９の動力によって駆動される。
【００３５】
空気動圧軸受部２２は、例えばモータケーシング２１の内部に設けられ、空気供給流路３２から分岐する分岐空気流路３４に接続され、コンプレッサ１５によって空気供給流路３２に供給された空気のうち、分岐空気流路３４に分流した分流空気によって、モータ２０の回転軸２０ａをモータケーシング２１に対して回転可能に支持する。
【００３６】
空気動圧軸受部２２は、例えば、分岐空気流路３４に接続されて内部に分流空気を導入可能な分流空気導入口２２ａと、ボルテックスチューブ２３に接続されて内部から分流空気を排出可能な分流空気排出口２２ｂとを備えている。
【００３７】
ボルテックスチューブ２３は、例えば、空気動圧軸受部２２の分流空気排出口２２ｂに接続された空気供給口２３ａと、高温側流路３５によってエキスパンダタービン１９の空気供給口１９ａに接続された高温側空気吐出口２３ｂと、低温側流路３６によって熱交換器１６の冷媒供給口１６ａに接続された低温側空気吐出口２３ｃとを備えている。
【００３８】
ボルテックスチューブ２３は、例えば空気供給口２３ａから内部に供給された分流空気を、この分流空気よりも高温の高温側空気と分流空気よりも低温の低温側空気とに分離し、高温側空気を高温側空気吐出口２３ｂから高温側流路３５に吐出し、低温側空気を低温側空気吐出口２３ｃから低温側流路３６に吐出する。
【００３９】
ボルテックスチューブ２３は、例えば制御装置２４により制御される開度に応じて、高温側空気と低温側空気との分離度合い（例えば、流量比率など）、つまり高温側空気と低温側空気との温度を調整する温度調節バルブ２３ｄを備えている。
温度調節バルブ２３ｄは、例えば、高温側空気が温度調節バルブ２３ｄを通過して高温側空気吐出口２３ｂから高温側流路３５に吐出されるようにして、ボルテックスチューブ２３の内部に配置されている。
【００４０】
なお、ボルテックスチューブ２３の高温側空気吐出口２３ｂとエキスパンダタービン１９の空気供給口１９ａとを接続する高温側流路３５上には、高温側空気の温度（高温側温度）Ｔ１を検出する高温側温度センサ４４が配置されている。
【００４１】
制御装置２４は、例えば、車両に搭載された走行駆動用のモータやファンなどのように、燃料電池スタック１１から電力が供給される各種の動力源の出力に対して設定される動力要求を取得し、動力要求に応じて必要とされる燃料電池スタック１１の出力（要求出力）を設定する。そして、要求出力に応じて、燃料電池スタック１１の運転状態（例えば、モータ２０の出力および圧力制御弁１８の開度など）を制御する。
【００４２】
また、制御装置２４は、例えば、各温度センサ４１，…，４４から出力される検出結果の信号と、燃料電池スタック１１の温度、電流、電圧などを検出する各センサから出力される検出結果の信号となどに基づき、燃料電池スタック１１の運転状態を取得し、取得した運転状態に応じてボルテックスチューブ２３の温度調節バルブ２３ｄの開度を制御する。
【００４３】
より詳細には、制御装置２４は、例えば、熱交換器出口温度センサ４１により検出された熱交換器出口温度Ｔａは所定の要求温度（例えば、加湿器１７において所望の加湿能力を確保するために必要とされる熱交換器１６から排出された空気に対する所定の要求温度など）よりも高いか否かを判定する。
そして、熱交換器出口温度Ｔａが所定の要求温度よりも高い場合には、燃料電池スタック１１の負荷が所定値よりも高い高負荷であると判定し、一方、熱交換器出口温度Ｔａが要求温度以下である場合には、燃料電池スタック１１の負荷が所定値以下の低負荷であると判定する。
【００４４】
そして、制御装置２４は、例えば、燃料電池スタック１１の負荷が所定値以下の低負荷の場合には、タービン上流温度センサ４３により検出されたタービン上流温度Ｔは高温側温度センサ４４により検出された高温側温度Ｔ１より低いか否かを判定する。
そして、タービン上流温度Ｔが高温側温度Ｔ１より低い場合には、ボルテックスチューブ２３の高温側空気吐出口２３ｂから吐出される高温側空気の温度が上昇するように温度調節バルブ２３ｄの開度を制御する。これにより、エキスパンダタービン１９の回生動力を増大させる。
一方、タービン上流温度Ｔが高温側温度Ｔ１以上の場合には、温度調節バルブ２３ｄの開度を、この時点での開度に維持、つまり高温側空気と低温側空気との分離度合い（例えば、流量比率など）を維持する。
【００４５】
また、制御装置２４は、例えば、燃料電池スタック１１の負荷が所定値よりも高い高負荷の場合には、ボルテックスチューブ２３の低温側空気吐出口２３ｃから吐出される低温側空気の温度が下降するように温度調節バルブ２３ｄの開度を制御する。これにより、熱交換器１６の抜熱量を増大させる。
【００４６】
本実施の形態による燃料電池システム１０は上記構成を備えており、次に、燃料電池システム１０の動作、特に、ボルテックスチューブ２３の温度調節バルブ２３ｄの開度を制御する動作について説明する。
【００４７】
先ず、例えば図２に示すように、車両のイグニッションスイッチがＯＮとされた場合などにおける燃料電池システム１０の始動時において、ステップＳ０１においては、モータ２０の回転駆動を開始することによって、コンプレッサ１５の駆動を開始する。
【００４８】
これにより、コンプレッサ１５によって空気供給流路３２に供給された空気の一部は、分流空気として分岐空気流路３４に分流して、回転軸２０ａを支持する空気動圧軸受部２２を流通した後にボルテックスチューブ２３に供給される。
そして、ボルテックスチューブ２３によって高温側空気と低温側空気とに分離された分流空気のうち、高温側空気はエキスパンダタービン１９に供給されて、燃料電池スタック１１の空気排出口１１ｄから排出された排出空気がエキスパンダタービン１９に供給されるのに先立って、エキスパンダタービン１９の回転を開始させる。
【００４９】
次に、ステップＳ０２においては、熱交換器出口温度Ｔａは所定の要求温度よりも高いか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、後述するステップＳ０５に進む。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ０３に進む。
そして、ステップＳ０３においては、ボルテックスチューブ２３の低温側空気吐出口２３ｃから吐出される低温側空気の温度が下降するように温度調節バルブ２３ｄの開度を制御する。
これにより、ステップＳ０４において、熱交換器１６の抜熱量を増大させ、後述するステップＳ０９に進む。
【００５０】
また、ステップＳ０５においては、タービン上流温度Ｔは高温側温度Ｔ１より低いか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ０６に進み、このステップＳ０６においては、温度調節バルブ２３ｄの開度を、この時点での開度に維持、つまり高温側空気と低温側空気との分離度合い（例えば、流量比率など）を維持し、後述するステップＳ０９に進む。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ０７に進む。
【００５１】
そして、ステップＳ０７においては、ボルテックスチューブ２３の高温側空気吐出口２３ｂから吐出される高温側空気の温度が上昇するように温度調節バルブ２３ｄの開度を制御する。
これにより、ステップＳ０８においては、エキスパンダタービン１９の回生動力を増大させる。
【００５２】
そして、ステップＳ０９においては、車両のイグニッションスイッチがＯＦＦとされたか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、上述したステップＳ０１に戻る。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、このステップＳ１０に進み、このステップＳ１０においては、温度調節バルブ２３ｄの開度を所定の初期値に初期化、つまり高温側空気と低温側空気との分離度合い（例えば、流量比率など）を所定の初期値（例えば、１：１の流量比率など）に初期化して、エンドに進む。
【００５３】
上述したように、本実施の形態による燃料電池システム１０によれば、コンプレッサ１５によって空気供給流路３２に供給された空気の一部（分流空気）は、コンプレッサ１５およびエキスパンダタービン１９において共通の回転軸とされるモータ２０の回転軸２０ａを支持する空気動圧軸受部２２を流通した後に、ボルテックスチューブ２３において高温側空気と低温側空気とに分離され、このうち高温側空気がエキスパンダタービン１９に供給される。
【００５４】
これにより、分流空気によって回転軸２０ａの支持および冷却を行なうと共に、高温側空気によってエキスパンダタービン１９を駆動することができ、分流空気のエネルギーを効率よく回収することができる。
しかも、ボルテックスチューブ２３から吐出された高温側空気のエネルギーをエキスパンダタービン１９の駆動エネルギーとして回収することによって、例えば空気動圧軸受部２２を流通した分流空気によって直接にエキスパンダタービン１９を駆動する場合に比べて、コンプレッサ１５による過給およびモータ２０の冷却によって得られた分流空気の熱エネルギーを有効に利用してエキスパンダタービン１９の回生動力を増大させることができる。
これにより、コンプレッサ１５の駆動に要する消費電力を低減することができ、燃料電池システム１０の発電効率およびエネルギー効率を向上させることができる。
【００５５】
さらに、ボルテックスチューブ２３から吐出された低温側空気によって熱交換器１６の放熱効率を向上させることができ、コンプレッサ１５によって空気供給流路３２に供給された空気を効率よく冷却することができ、燃料電池システム１０のエネルギー効率を向上させることができる。
【００５６】
さらに、燃料電池スタック１１の負荷が所定値以下の低負荷の場合には、ボルテックスチューブ２３から吐出される高温側空気の温度を上昇させることで、この高温側空気によって駆動されるエキスパンダタービン１９の回生動力を増大させることができ、燃料電池システム１０の発電効率およびエネルギー効率を向上させることができる。
【００５７】
一方、燃料電池スタック１１の負荷が所定値よりも高い高負荷の場合には、ボルテックスチューブ２３から吐出される低温側空気の温度を下降させることで、熱交換器１６の放熱効率を向上させることができ、コンプレッサ１５によって空気供給流路３２に供給された空気を効率よく冷却することができ、燃料電池システム１０のエネルギー効率を向上させることができる。
【００５８】
なお、上述した実施の形態においては、例えば図３に示す変形例に係る燃料電池システム１０のように、高温側流路３５上に設けられた第１切替弁５１と、低温側流路３６上に設けられた第２切替弁５２とを備えてもよい。
【００５９】
第１切替弁５１は、例えば制御装置２４の制御によって入力を初期設定の第１出力から第２出力に切り替える方向制御弁であって、高温側流路３５によってボルテックスチューブ２３の高温側空気吐出口２３ｂに接続された入力接続端５１ａと、第１流路６１ａによってエキスパンダタービン１９の空気供給口１９ａに接続された第１出力接続端５１ｂと、第２流路６１ｂによって熱交換器１６の冷媒供給口１６ａに接続された第２出力接続端５１ｃとを備えている。
第１切替弁５１は、初期設定の状態（つまり、制御装置２４から切替指示が出力されていない状態）では入力接続端５１ａを第１出力接続端５１ｂに接続し、制御装置２４から出力される切替指示によって入力接続端５１ａを第２出力接続端５１ｃに切り替えて接続する。
【００６０】
第２切替弁５２は、例えば制御装置２４の制御によって入力を初期設定の第１出力から第２出力に切り替える方向制御弁であって、低温側流路３６によってボルテックスチューブ２３の低温側空気吐出口２３ｃに接続された入力接続端５２ａと、第１流路６２ａによって熱交換器１６の冷媒供給口１６ａに接続された第１出力接続端５２ｂと、第２流路６２ｂによって大気中に開放された第２出力接続端５２ｃとを備えている。
第２切替弁５２は、初期設定の状態（つまり、制御装置２４から切替指示が出力されていない状態）では入力接続端５２ａを第１出力接続端５２ｂに接続し、制御装置２４から出力される切替指示によって入力接続端５２ａを第２出力接続端５２ｃに切り替えて接続する。
【００６１】
そして、制御装置２４は、例えば、燃料電池出口温度センサ４２から出力される燃料電池出口温度Ｔｂの検出結果の信号に基づき、燃料電池スタック１１の運転状態として加湿状態を取得し、取得した加湿状態に応じて第１切替弁５１および第２切替弁５２を制御する。
【００６２】
より詳細には、制御装置２４は、例えば、燃料電池出口温度センサ４２により検出された燃料電池出口温度Ｔｂに基づき、燃料電池出口温度Ｔｂと燃料電池スタック１１の空気排出口１１ｄから排出される排出空気の相対湿度との対応関係を示す所定のマップなどを参照して、排出空気の湿度（燃料電池出口湿度）Ｈａは所定値（例えば、１００％ＲＨの相対湿度）よりも高い過加湿状態であるか否かを判定する。
【００６３】
そして、燃料電池出口湿度Ｈａが所定値（例えば、１００％ＲＨの相対湿度）よりも高い場合には、第１切替弁５１の入力接続端５１ａを第１出力接続端５１ｂから第２出力接続端５１ｃに切り替えて接続し、第２切替弁５２の入力接続端５２ａを第１出力接続端５２ｂから第２出力接続端５２ｃに切り替えて接続する。
【００６４】
これにより、高温側空気を熱交換器１６の冷媒供給口１６ａに排出させ、低温側空気を大気中に排出させ、熱交換器１６の抜熱量を減少させることによって、熱交換器１６から加湿器１７に排出される空気の温度を上昇させ、加湿器１７を加熱すると共に、加湿器１７から燃料電池スタック１１の内部のカソードに導入される空気の温度および含有水蒸気量を増大させる。
【００６５】
次に、上記構成を備えた変形例による燃料電池システム１０の動作、特に、ボルテックスチューブ２３の温度調節バルブ２３ｄの開度を制御する動作について説明する。
【００６６】
先ず、例えば図４に示すように、車両のイグニッションスイッチがＯＮとされた場合などにおける燃料電池システム１０の始動時において、ステップＳ１１においては、モータ２０の回転駆動を開始することによって、コンプレッサ１５の駆動を開始する。
【００６７】
これにより、コンプレッサ１５によって空気供給流路３２に供給された空気の一部は、分流空気として分岐空気流路３４に分流して、回転軸２０ａを支持する空気動圧軸受部２２を流通した後にボルテックスチューブ２３に供給される。
そして、ボルテックスチューブ２３によって高温側空気と低温側空気とに分離された分流空気のうち、高温側空気はエキスパンダタービン１９に供給されて、燃料電池スタック１１の空気排出口１１ｄから排出された排出空気がエキスパンダタービン１９に供給されるのに先立って、エキスパンダタービン１９の回転を開始させる。
【００６８】
次に、ステップＳ１２においては、熱交換器出口温度Ｔａは所定の要求温度よりも高いか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、後述するステップＳ１５に進む。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ１３に進む。
そして、ステップＳ１３においては、ボルテックスチューブ２３の低温側空気吐出口２３ｃから吐出される低温側空気の温度が下降するように温度調節バルブ２３ｄの開度を制御する。
これにより、ステップＳ１４において、熱交換器１６の抜熱量を増大させ、後述するステップＳ２２に進む。
【００６９】
また、ステップＳ１５においては、燃料電池出口湿度Ｈａは１００％ＲＨの相対湿度よりも高いか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、後述するステップＳ１８に進む。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ１６に進む。
【００７０】
そして、ステップＳ１６においては、ボルテックスチューブ２３の高温側空気吐出口２３ｂから吐出される高温側空気の温度が上昇するように温度調節バルブ２３ｄの開度を制御し、高温側空気が熱交換器１６の冷媒供給口１６ａに排出されるように第１切替弁５１の入力接続端５１ａを第１出力接続端５１ｂから第２出力接続端５１ｃに切り替えて接続し、低温側空気が大気中に排出されるように第２切替弁５２の入力接続端５２ａを第１出力接続端５２ｂから第２出力接続端５２ｃに切り替えて接続する。
これにより、ステップＳ１７において、熱交換器１６の抜熱量を減少させ、後述するステップＳ２２に進む。
【００７１】
また、ステップＳ１８においては、タービン上流温度Ｔは高温側温度Ｔ１より低いか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ１９に進み、このステップＳ１９においては、温度調節バルブ２３ｄの開度を、この時点での開度に維持、つまり高温側空気と低温側空気との分離度合い（例えば、流量比率など）を維持し、後述するステップＳ２２に進む。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ２０に進む。
【００７２】
そして、ステップＳ２０においては、ボルテックスチューブ２３の高温側空気吐出口２３ｂから吐出される高温側空気の温度が上昇するように温度調節バルブ２３ｄの開度を制御する。
これにより、ステップＳ２１においては、エキスパンダタービン１９の回生動力を増大させる。
【００７３】
そして、ステップＳ２２においては、車両のイグニッションスイッチがＯＦＦとされたか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、上述したステップＳ１１に戻る。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、このステップＳ２３に進み、このステップＳ２３においては、温度調節バルブ２３ｄの開度を所定の初期値に初期化、つまり高温側空気と低温側空気との分離度合い（例えば、流量比率など）を所定の初期値（例えば、１：１の流量比率など）に初期化して、エンドに進む。
【００７４】
この変形例による燃料電池システム１０によれば、燃料電池スタック１１の運転状態が過加湿状態である場合には、熱交換器１６の抜熱量を減少させることによって、熱交換器１６から加湿器１７に排出される空気の温度を上昇させ、加湿器１７を加熱すると共に、加湿器１７から燃料電池スタック１１の内部のカソードに導入される空気の温度および含有水蒸気量を増大させる。これにより、加湿器１７の加湿性能を向上させることができる。
【００７５】
以上、説明した本実施形態は、本発明を実施するうえでの一例を示すものであり、本発明が前記した実施形態に限定して解釈されるものではないことは言うまでもない。
【符号の説明】
【００７６】
１０  燃料電池システム
１１  燃料電池スタック（燃料電池）
１１ａ  水素導入口
１１ｂ  水素排出口
１１ｃ  空気導入口
１１ｄ  空気排出口
１５  コンプレッサ（空気供給回転機）
１６  熱交換器
１６ａ  冷媒供給口
１７  加湿器
１９  エキスパンダタービン（エキスパンダ）
１９ａ  空気供給口
２２  空気動圧軸受部
２２ｂ  分流空気排出口
２３  ボルテックスチューブ
２３ａ  空気供給口
２３ｂ  高温側空気吐出口
２３ｃ  低温側空気吐出口
２３ｄ  温度調節バルブ
２４  制御装置（制御手段）
３２  空気供給流路
３３  空気排出流路
３４  分岐空気流路
３５  高温側流路（流路）
３６  低温側流路（流路）
４１  熱交換器出口温度センサ（運転状態取得手段）
４２  燃料電池出口温度センサ（温度センサ）
４３  タービン上流温度センサ（運転状態取得手段）
５１  第１切替弁
５２  第２切替弁
６１ａ  第１流路（流路）
６２ａ  第１流路（流路）
【図１】
2013093134.tif 000003
【図２】
2013093134.tif 000004
【図３】
2013093134.tif 000005
【図４】
2013093134.tif 000006