(57)【要約】【課題】コンプレッサ駆動装置を備えたシステム全体のエネルギ効率を高める。【解決手段】駆動モータ以外を動力源とする駆動体を少なくとも備えてコンプレッサを駆動させるコンプレッサ駆動装置は、駆動体の動力源として、コンプレッサ駆動装置を備えたシステムの外部から供給される圧力媒体を用いる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動モータ以外を動力源とする駆動体を少なくとも備えてコンプレッサを駆動させるコンプレッサ駆動装置であって、
前記駆動体の動力源として、前記コンプレッサ駆動装置を備えたシステムの外部から供給される圧力媒体を用いた、
コンプレッサ駆動装置。
【請求項２】
請求項１に記載のコンプレッサ駆動装置であって、
前記コンプレッサ駆動装置は、駆動モータと前記駆動体との少なくとも２つを備えてコンプレッサを駆動する、
コンプレッサ駆動装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のコンプレッサ駆動装置であって、
前記駆動体の動力源として、空調用の配管を循環する高圧側の冷媒を用いた、
コンプレッサ駆動装置。
【請求項４】
請求項１又は２に記載のコンプレッサ駆動装置であって、
前記駆動体の動力源として、空調用の配管を循環する低圧側の冷媒を用いた、
コンプレッサ駆動装置。
【請求項５】
請求項１又は２に記載のコンプレッサ駆動装置であって、
前記駆動体の動力源として、前記コンプレッサから吐出された余剰の流体を蓄える畜圧タンク内の圧縮流体を用いた、
コンプレッサ駆動装置。
【請求項６】
請求項５に記載のコンプレッサ駆動装置であって、
前記畜圧タンクには、前記コンプレッサから吐出された流体を利用する流体利用機器に供給される流体の圧力を調整する調圧弁の上流から分岐させた余剰の流体が供給される、
コンプレッサ駆動装置。
【請求項７】
請求項１又は２に記載のコンプレッサ駆動装置であって、
前記駆動体の動力源として、前記コンプレッサ駆動装置が搭載された車両走行時の走行風を用いた、
コンプレッサ駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンプレッサ駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のコンプレッサ駆動装置として、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ものがある（特許文献１参照）。
【０００３】
また、コンプレッサによりカソードガスを燃料電池に供給するものとは直接的に関連しないが、燃料電池システムにおけるアノードオフガス循環装置として、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を、燃料電池から排出されるカソードオフガスによって回転させられるタービンで駆動するものがある（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２５９４３９号公報
【特許文献２】特開２００３−３１２４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前述した従来のコンプレッサ駆動装置のように、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、電動モータを駆動するために電力が消費されるため、システム全体のエネルギ効率は低下する。
【０００６】
本発明の目的は、アノードガスが燃料電池に供給されない場合であってもコンプレッサの駆動を可能とし、システム全体のエネルギ効率を高めることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のある態様によるコンプレッサ駆動装置は、駆動モータ以外を動力源とする駆動体を少なくとも備えてコンプレッサを駆動させ、駆動体の動力源としてコンプレッサ駆動装置を備えたシステムの外部から供給される圧力媒体を用いる。
【発明の効果】
【０００８】
このコンプレッサ駆動装置によれば、駆動体の動力源としてコンプレッサ駆動装置を備えた例えば燃料電池システムの外部から供給される圧力媒体を用いるので、アノードガスが供給されているか否かに関わらず、圧力媒体によって駆動体を駆動してコンプレッサを駆動できる。また、コンプレッサ駆動装置を備えたシステムの外部から供給される圧力媒体による駆動体が駆動されるため、システム全体のエネルギ効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【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２】図２は、本発明の第１実施形態による流体供給装置の概略構成図である。
【図３Ａ】図３Ａ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３Ｂ】図３Ｂ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４】図４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５】図５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６】図６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７】図７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８】図８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９】図９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１０】図１０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１１】図１１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１２】図１２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１３】図１３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１４】図１４は、本発明の第５実施形態によるカソードガス供給装置を示す断面図である。
【図１５】図１５は、本発明の第３及び第４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】
【００１０】
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。
【００１１】
＜第１実施形態＞
図１及び図２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。
【００１２】
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。
【００１３】
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（水素ガス）及びカソードガス（空気）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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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、カソードガスを圧送するコンプレッサ１０と、コンプレッサ駆動装置１１と、を備える。コンプレッサ駆動装置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、後述するクラッチ４０（図３Ａ参照）と、を備える。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２、図３Ａ及び図３Ｂを参照して後述する。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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によって開度が制御され、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。
【００２２】
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。
【００２３】
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によって開度が制御され、バイパス通路１２７を通過するカソードガスの流量を調整する。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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を高圧状態に保って貯蔵するガス貯蔵容器である。
【００２９】
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。
【００３０】
アノード調圧弁１３３は、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によって開度が制御され、燃料電池スタック１１０に供給されるアノードガスの圧力を調整する。
【００３１】
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。
【００３２】
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が開かれた時にバッファタンク１３６よりも下流のカソードガス排出通路１２２に排出される。
【００３３】
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。
【００３４】
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、混合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。
【００３５】
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。
【００３６】
エゼクタ１３８は、アノード調圧弁１３３とアノード圧力センサ１３４との間のアノードガス供給通路１３２に設けられる。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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を検出する。
【００４０】
カソードガス供給装置１のタービン３０に対しては、タービン３０を駆動するための作動流体が、燃料電池システム１００の外部に設けられた作動流体供給装置５０から供給される。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。
【００４１】
図２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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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２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６２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２の破線の位置）に制御される。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
配管６６Ｃには、三方弁６８Ａと、第２膨張弁６８Ｂと、が設けられる。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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の動力源として圧力媒体を用い、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。
【００５８】
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。
【００５９】
コントローラ１４０は、燃料電池システム１００を統括的に制御する制御装置である。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。
【００６０】
コントローラ１４０には、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。
【００６１】
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や作動流体供給装置５０、還流ポンプ１３９Ａ、冷媒用コンプレッサ６１、各種弁１２６，１２６，１３３，１３７，６７Ｂ，６８Ａ等を制御する。
【００６２】
次に、図３Ａ及び図３Ｂを参照して、第１実施形態によるカソードガス供給装置１について説明する。
【００６３】
図３Ａに示すように、カソードガス供給装置１は、コンプレッサ１０と、コンプレッサ駆動装置１１と、を備える。コンプレッサ駆動装置１１は、電動モータ２０と、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。
【００６４】
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。
【００６５】
電動モータ２０は、カソードガス供給通路１２１の外部に配置される。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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
タービン３０は、流量調整弁７１よりも下流の配管７０に設けられる。タービン３０は、配管６６Ａを流れる高圧の冷媒（作動流体）により回転駆動されるように構成されている。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。
【００６９】
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。
【００７０】
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り、コントローラ１４０によって接続状態が切り換えられる。図３Ａ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３Ｂ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。
【００７１】
このように、カソードガス供給装置１は、電動モータ２０と、動力源となる冷媒（圧力媒体）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つを備えてコンプレッサ１０を駆動させる。
【００７２】
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。
【００７３】
すなわち、図３Ａに示すクラッチ接続状態では、コンプレッサ１０を、冷媒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。
【００７４】
タービン３０の回転駆動力は、冷媒用圧力センサ６９によって検出される冷媒圧力に応じて変化し、冷媒圧力が高いときほど大きくなる。したがって、冷媒用コンプレッサ６１により冷媒圧力を調整してタービン３０の回転駆動力を制御することで、コンプレッサ１０の回転速度を制御することができる。なお、これ以外にも、例えば流量調整弁７１によってタービン３０に供給される冷媒の圧力（流量）を調整することでタービン３０の回転駆動力を制御することもできる。また、クラッチ４０の伝達トルク容量を制御することでコンプレッサの回転速度を制御することもできる。
【００７５】
また、図３Ａ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、冷媒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。
【００７６】
一方で、図３Ｂ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。
【００７７】
このようにカソードガス供給装置１は、電動モータ２０の駆動力、タービン３０の駆動力、電動モータ２０及びタービン３０の双方の駆動力のいずれかによりコンプレッサ１０を駆動できるように構成されている。
【００７８】
以下、図４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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
図５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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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目標コンプレッサ吸入流量として算出しても良い。
【００８６】
図４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。
【００８７】
ステップＳ４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６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。冷媒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、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。
【００８８】
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、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Ｓ１３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。
【００８９】
なお、冷媒を循環させることができない場合というのは、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Ｓ１４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。
【００９０】
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。
【００９１】
ステップＳ７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。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Ｓ８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Ｓ９の処理に進む。
【００９２】
ステップＳ８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。
【００９３】
このように本実施形態では、燃料電池システム１００の運転状態に応じて変化する差分トルクに基づいて、冷媒用コンプレッサ６１を制御するようにしている。すなわち、タービン３０の出力可能トルクが相対的に小さいときは、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、電動モータ２０の出力を抑えることができるようにしている。
【００９４】
ステップＳ９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未満か否かを判定する。クラッチ接続閾値は、冷媒圧力昇圧閾値よりも大きい値である。
【００９５】
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Ｓ１０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Ｓ１３の処理に進む。
【００９６】
ステップＳ１０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。
【００９７】
ステップＳ１１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。
【００９８】
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。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。
【００９９】
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。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。
【０１００】
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。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。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。
【０１０１】
ステップＳ１２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。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１２７へ流れるようにしている。
【０１０２】
ステップＳ１３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。
【０１０３】
ステップＳ１４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。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。このように、コンプレッサ１０が電動モータ２０のみで駆動される運転状態としては、例えば空調装置５０Ａの起動直後など、冷媒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。
【０１０４】
なお、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Ｓ１３でクラッチを解放状態とせず、接続状態のままにすることもできる。
【０１０５】
以上説明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。
【０１０６】
本実施形態によるコンプレッサ駆動装置１１は、駆動モータとしての電動モータ２０以外を動力源とする駆動体としてのタービン３０を少なくとも備えてコンプレッサ１０を駆動させる。そして、タービン３０の動力源として、コンプレッサ駆動装置１１を備えた燃料電池システム１００の外部から供給される圧力媒体としての空調用の冷媒を用いるので、アノードガスが燃料電池スタック１１０に供給されない場合であってもコンプレッサ１０を駆動でき、燃料電池システム１００全体のエネルギ効率を高めることができる。
【０１０７】
また、本実施形態によるコンプレッサ駆動装置１１は、電動モータ２０とタービン３０との少なくとも２つを備えてコンプレッサ１０を駆動する。そのため、電動モータ２０の駆動力のみならず、必要に応じて圧力媒体のエネルギを利用して駆動されるタービン３０の駆動力のみでコンプレッサ１０を駆動することもできるし、電動モータ２０及びタービン３０の双方の駆動力でコンプレッサ１０駆動することもできる。したがって、例えば電動モータ２０だけでコンプレッサを駆動するようなものと比べて、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。
【０１０８】
また、本実施形態によるコンプレッサ駆動装置１１は、タービン３０の動力源として、空調用の配管６６Ａ−６６Ｄを循環する高圧側の冷媒を用いた。このように、配管６６Ａ−６６Ｄを循環している冷媒のうち、相対的に高圧な冷媒によってタービン３０を駆動することで、タービン３０の回転駆動力を高めることができる。そのため、電動モータ２０をより小型化することができる。さらに、空調用の冷媒にはオイル分が含まれているため、この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。
【０１０９】
また、本実施形態によるコンプレッサ駆動装置１１は、コンプレッサ１０、電動モータ２０、及びタービン３０が同軸上に設けられているので、コンプレッサ駆動装置１１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。
【０１１０】
また、本実施形態によるコンプレッサ駆動装置１１は、電動モータ２０の出力回転軸２４の一端がコンプレッサ１０に接続され、出力回転軸２４の他端がクラッチ４０を介してタービン３０に接続されている。したがって、クラッチ４０を解放することで、電動モータ２０のみによりコンプレッサ１０を駆動させることができる。これにより、タービン３０自体が電動モータ２０の負荷になることを防止でき、電動モータ２０の電力消費効率を高めることが可能となる。
【０１１１】
＜第２実施形態＞
次に図７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。
【０１１２】
本実施形態は、燃料電池システム１００の構成は図１に示した第１実施形態のものと同様であるが、作動流体供給装置５０として利用する空調装置５０Ａの構成が第１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。
【０１１３】
図７は、本実施形態において作動流体供給装置５０として利用する空調装置５０Ａの概略構成図である。
【０１１４】
図７に示すように、本実施形態では、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。配管８０は、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、で構成される。配管８０Ａには、流量調整弁７１が設けられる。
【０１１５】
このように、本実施形態における作動流体供給装置としての空調装置５０Ａは、冷媒用コンプレッサ６１に吸入される冷媒を作動流体として供給するように構成されている。すなわち、本実施形態によるコンプレッサ駆動装置１１は、タービン３０の動力源として、空調用の配管６６Ａ−６６Ｄを循環する低圧側の冷媒を用いている。このように配管６６Ａ−６６Ｄを循環している冷媒のうち、相対的に温度の低い冷媒によってタービン３０を駆動することで、第１実施形態と同様の効果が得られると共に、タービン３０を冷却することも可能となる。
【０１１６】
＜第３実施形態＞
次に図８を参照して、本発明の第３実施形態について説明する。
【０１１７】
本実施形態は、作動流体供給装置５０の構成が第１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。
【０１１８】
図８は、本実施形態による燃料電池システム１００の概略構成図である。図８に示すように、本実施形態では、作動流体供給装置５０として、圧縮空気を蓄える畜圧タンク９０燃料電池システム１００の外部に備える。そしてタービン３０を、畜圧タンク９０に蓄えた圧縮空気（圧縮カソードガス）によって駆動する。
【０１１９】
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導入通路として、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。
【０１２０】
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に供給される冷媒圧力を調整することで制御される。
【０１２１】
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。
【０１２２】
以下、図９のフローチャートを参照して、コントローラ１４０が実施する本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。
【０１２３】
ステップＳ１からステップＳ３までの処理は第１実施形態と同様である。
【０１２４】
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１０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。
【０１２５】
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Ｓ１３の処理に進み、そうでなければステップＳ６の処理に進む。
【０１２６】
ステップＳ６以降の処理も第１実施形態と同様であり、ステップＳ１１の処理に進んだ場合は、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ければ（差分トルク＞０）、流量調整弁７１を全開にして電動モータ２０とタービン３０とでコンプレッサ１０を駆動する。そして、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であれば（差分トルク≦０）、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の開度を制御して、タービン３０の出力のみでコンプレッサ１０を駆動する。
【０１２７】
一方、ステップＳ１４の処理に進んだ場合は、流量調整弁７１を全閉にして、電動モータ２０のみでコンプレッサ１０を駆動する。
【０１２８】
図１１は、カソードガスの供給制御と並行してコントローラ１４０が実施する本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。
【０１２９】
ステップＳ２１０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Ｓ２１１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Ｓ２１４の処理に進む。
【０１３０】
ステップＳ２１１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Ｓ２１２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Ｓ２１４の処理に進む。
【０１３１】
ステップＳ２１２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Ｓ２１３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Ｓ２１４の処理に進む。
【０１３２】
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。
【０１３３】
ステップＳ２１３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。
【０１３４】
ステップＳ２１４において、コントローラ１４０は、開閉弁９４を閉じる。
【０１３５】
以上説明した本実施形態によるコンプレッサ駆動装置１１は、タービン３０の動力源として、コンプレッサ１０から吐出された余剰の流体を蓄える畜圧タンク９０内の圧縮流体（圧縮空気）を用いたので、コンプレッサ１０から吐出された余剰のカソードガスを有効活用でき、燃料電池システム１００のエネルギ効率を高めることができる。
【０１３６】
また、畜圧タンク９０には、コンプレッサ１０から吐出されたカソードガスを利用する燃料電池スタック１１０（流体利用機器）に供給されるカソードガスの圧力を調整するカソード調圧弁１２６の上流から分岐させた余剰のカソードガスが供給される。これにより、カソード調圧弁１２６によって調圧される前の高圧のカソードガスを畜圧タンク９０に供給することができるので、より多くのカソードガスを畜圧タンク９０に充填することができる。
【０１３７】
また本実施形態では、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から分岐させたカソードガスを畜圧タンク９０に導入するようにしている。そのため、例えばコンプレッサ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先に畜圧タンク９０側に導入することができる。したがって、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できるので、バイパス弁１２８の弁体を小さくすることができる。よって、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、バイパス弁１２８の弁体を小さくすることで、バイパス弁１２８の応答性を向上させることができる。
【０１３８】
＜第４実施形態＞
次に図１２及び図１３を参照して、本発明の第４実施形態について説明する。
【０１３９】
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。
【０１４０】
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、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。
【０１４１】
本実施形態において、燃料電池システム１００のカソードガスの供給制御は第３実施形態と同様であるが、開閉弁９４の制御は第３実施形態と相違している。図１３は、カソードガスの供給制御と並行してコントローラ１４０が実施する本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。
【０１４２】
ステップＳ３１１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Ｓ３１２の処理に進み、閉じられていればステップＳ２１４の処理に進む。
【０１４３】
ステップＳ３１２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Ｓ２１４の処理に進み、そうでなければステップＳ３１３の処理に進む。
【０１４４】
ステップＳ３１３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Ｓ２１３の処理に進む、そうでなければステップＳ２１４の処理に進む。
【０１４５】
以上説明した本実施形態によれば、バイパス弁１２８よりも下流のバイパス通路１２７から分岐させたカソードガスを畜圧タンク９０に導入するようにしている。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。
【０１４６】
＜第５実施形態＞
次に図１４を参照して、本発明の第５実施形態について説明する。本発明の第５実施形態は、コンプレッサ駆動装置１１の構成が第１実施形態と相違する。以下その相違点を中心に説明する。
【０１４７】
図１４に示すように、本実施形態によるコンプレッサ駆動装置１１は、タービン３０と共に回転するフライホイール３１を備えている。
【０１４８】
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、配管７０の外側に設けられる。なお、フライホイール３１は、配管７０内に設けられてもよい。
【０１４９】
以上説明した本実施形態によるコンプレッサ駆動装置１１は、タービン３０と共に回転するフライホイール３１を備えるので、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る。
【０１５０】
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。
【０１５１】
第１から第５実施形態によるコンプレッサ駆動装置１１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を駆動するために使用されているが、このような用途に限らず、例えば流体利用機器としての油圧機器等に作動油を供給するためのコンプレッサなど、各種のコンプレッサを駆動するものとして使用できる。
【０１５２】
第１から第５実施形態によるコンプレッサ駆動装置１１は、タービン３０によってコンプレッサ１０を駆動しているが、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によってコンプレッサ１０を駆動することもできる。
【０１５３】
また、第３及び第４実施形態による作動流体供給装置５０の変形例として、例えば図１５に示すように、ＷＲＤ１２５とカソード調圧弁１２６との間のカソードガス排出通路１２２から配管９５を介して畜圧タンク９０にカソードガスを導入することもできる。
【０１５４】
また、作動流体供給装置５０は、作動流体をカソードガス供給装置１のタービン３０に供給するものであれば良く、例えば走行風を作動流体としてタービン３０に供給することもできる。すなわち、タービン３０の動力源として、コンプレッサ駆動装置１１が搭載された車両走行時の走行風を用いても良い。
【符号の説明】
【０１５５】
１０    コンプレッサ
１１    コンプレッサ駆動装置
２０    電動モータ（駆動モータ）
３０    タービン（駆動体）
６６Ａ−６６Ｄ    配管
９０    畜圧タンク
１００  燃料電池システム（システム）
１１０  燃料電池スタック（流体利用機器）
１２６  カソード調圧弁（調圧弁）
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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