(57)【要約】【課題】一つのモータによって第１のガス供給装置と第２のガス供給装置とを駆動するガス供給システムのコストを低減する。【解決手段】ガス供給システムは、モータから直接伝達されるモータの動力により第１のガスを供給する第１のガス供給装置と、モータの動力により駆動される駆動部を備え、駆動部に伝達されるモータの動力により第２のガスを供給する第２のガス供給装置とを備える。さらに、モータと第２のガス供給装置との間を仕切るハウジング壁を有し、モータ及び第１のガス供給装置、又は、第２のガス供給装置の少なくとも一方を気密に覆うハウジングと、ハウジング壁に対してモータ側に設けられ、モータの動力をハウジング壁を介して非接触で駆動部に伝達する動力伝達装置と、を備える。【選択図】図２
2016223427.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のガスと、第２のガスとをそれぞれ圧送するガス供給システムであって、
モータから直接伝達される前記モータの動力により前記第１のガスを供給する第１のガス供給装置と、
前記モータの動力により駆動される駆動部を備え、当該駆動部に伝達される前記モータの動力により前記第２のガスを供給する第２のガス供給装置と、
前記モータと前記第２のガス供給装置との間を仕切るハウジング壁を有し、前記モータ及び前記第１のガス供給装置、又は、前記第２のガス供給装置の少なくとも一方を気密に覆うハウジングと、
前記ハウジング壁に対して前記モータの側に設けられ、前記モータの動力を前記ハウジング壁を介して非接触で前記駆動部に伝達する動力伝達装置と、
を備えるガス供給システム。
【請求項２】
請求項１に記載のガス供給システムであって、
前記モータの動力により回転されると共に、前記第１のガス供給装置及び前記動力伝達装置にモータの回転動力を伝達する回転軸を備え、
前記駆動部は、前記モータからの回転動力を非接触で伝達される回転部品である、
ガス供給システム。
【請求項３】
請求項２に記載のガス供給システムであって、
前記動力伝達装置は、前記モータの回転動力を磁力によって前記駆動部に伝達する、
ガス供給システム。
【請求項４】
請求項３に記載のガス供給システムであって、
前記ハウジング壁と前記動力伝達装置との間、又は前記ハウジング壁と前記駆動部との間に設けられた、前記動力伝達装置と前記駆動部との間の磁界を遮る高透磁率部材と、
前記動力伝達装置と前記駆動部との間で生じる磁力を変化させるように、前記高透磁率部材の位置を制御する高透磁率部材制御部と、
を更に備えるガス供給システム。
【請求項５】
請求項３に記載のガス供給システムであって、
前記動力伝達装置は、通電量を変化させることにより、前記動力伝達装置と前記駆動部との間で生じる磁力を変化させる電磁石を備える、
ガス供給システム。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のガス供給システムと、
アノードとカソードとを有する燃料電池と、を備え、
前記第１のガスは、前記カソードに供給されるガスであり、
前記第２のガスは、前記アノードに供給されるガスである、
燃料電池システム。
【請求項７】
回転して動力を発生するモータと、
第１のガスを供給する第１のガス供給装置と、
前記第１のガス供給装置と前記モータとを接続する第１ガス供給駆動軸と、
前記モータの動力を伝達するための磁力を発生する磁力発生部と、
前記モータと前記磁力発生部とを接続する第２ガス供給駆動軸と、
前記磁力発生部の磁力により回転して第２のガスを供給する第２のガス供給装置と、
前記モータの回転数を制御するモータ制御部と、
前記モータの回転数に基づいて、前記磁力発生部の磁力を制御する磁力制御部と、
を備えるガス供給システム。
【請求項８】
請求項７に記載のガス供給システムであって、
前記モータ制御部は、前記第１のガス及び前記第２のガスにより動作する動作部の出力に基づいて、前記モータの回転数を制御する、
ガス供給システム。
【請求項９】
請求項８に記載のガス供給システムであって、
前記磁力制御部は、前記モータの回転数と前記動作部の内部状態とに基づいて、前記磁力発生部の磁力を制御する、
ガス供給システム。
【請求項１０】
請求項８に記載のガス供給システムであって、
前記磁力制御部は、前記動作部の運転状態に応じて、前記磁力発生部の磁力を所定値に固定する、
ガス供給システム。
【請求項１１】
請求項９に記載のガス供給システムであって、
前記磁力制御部は、前記動作部が暖機運転状態、停止運転状態、又は過渡運転状態である場合に、前記磁力発生部の磁力を所定値に固定する、
ガス供給システム。
【請求項１２】
請求項７から請求項１１までのいずれか１項に記載のガス供給システムであって、
前記磁力制御部は、前記第２のガス供給装置が凍結状態である場合には、前記磁力発生部の磁力を増加させる、
ガス供給システム。
【請求項１３】
請求項７から請求項１２までのいずれか１項に記載のガス供給システムであって、
前記動作部は、アノードとカソードとを有する燃料電池である、
ガス供給システム。
【請求項１４】
請求項１３に記載のガス供給システムであって、
前記第１のガスは、前記カソードに供給されるガスであり、
前記第２のガスは、前記アノードに供給されるガスである、
ガス供給システム。
【請求項１５】
請求項７から請求項１４までのいずれか１項に記載のガス供給システムであって、
前記磁力発生部は、前記モータと前記第２のガス供給装置との間を仕切るハウジング壁を有する、
ガス供給システム。
【請求項１６】
回転して動力を発生するモータと、
第１のガスを供給する第１のガス供給装置と、
前記モータと前記第１のガス供給装置とを接続する第１ガス供給駆動軸と、
前記モータの動力を伝達するための磁力を発生する磁力発生部と、
前記モータと前記磁力発生部とを接続する第２ガス供給駆動軸と、
前記磁力発生部の磁力により回転して第２のガスを供給する第２のガス供給装置と、を備えるガス供給システムの制御方法であって、
前記モータの回転数を制御し、
前記モータの回転数に基づいて、前記磁力発生部の磁力を制御する、
ガス供給システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１のガスと第２のガスとをそれぞれ圧送するガス供給システムと、これを備える燃料電池システムと、ガス供給システムの制御方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料電池の燃料極に供給される水素を含むアノードガスと、空気極に供給される酸素を含むカソードガスとを用いた電気化学反応により、発電を行うシステムである。アノードガスの供給手段として、燃料電池アノード流路出口から燃料電池アノード流路入口までを繋ぐ循環流路を配備し、モータにより駆動される水素循環装置を循環流路に備え、アノードガスを循環流路内で循環させる手法が知られている。一方、カソードガスの供給手段としては、例えば大気中から取り込んだ空気を、モータの動力により供給するエアコンプレッサ等の空気供給装置が知られている。
【０００３】
燃料電池ガス供給システムの小型化を図るために、特許文献１は、水素循環装置である水素ポンプと空気供給装置であるエアポンプとを一つのモータの動力により駆動する燃料電池用ポンプを開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２１４６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の燃料電池用ポンプにあっては、モータから軸を介してエアポンプに直接動力が伝達されると共に、水素ポンプにはモータから変速機を介して動力が伝達される。このような構成では変速機が必要になるため、一つのモータで複数のガス供給装置を駆動するガス供給システムを製造するにはコストが増加してしまうという課題があった。
【０００６】
このような課題に鑑み、本発明は、一つのモータによって第１のガス供給装置と第２のガス供給装置とが駆動されるガス供給システムのコストを低減できるガス供給システム及び燃料電池システムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は以下のような解決手段によって上述の課題を解決する。
【０００８】
本発明のある態様によれば、ガス供給システムは、モータから直接伝達されるその動力により第１のガスを供給する第１のガス供給装置と、モータの動力により駆動される駆動部を備え、駆動部に伝達されるモータの動力により第２のガスを供給する第２のガス供給装置とを備える。さらに、モータと第２のガス供給装置との間を仕切るハウジング壁を有し、モータ及び第１のガス供給装置、又は、第２のガス供給装置の少なくとも一方を気密に覆うハウジングと、ハウジング壁に対してモータ側に設けられ、モータの動力をハウジング壁を介して非接触で駆動部に動力伝達を行う動力伝達装置と、を備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のある態様によれば、第１のガス供給装置に直接伝達されるモータの動力を第２のガス供給装置に対しては非接触で伝達することにより、変速機が不要になるので、ガス供給システムのコストを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】図２は、本実施形態におけるガス供給システムの概略構成図である。
【図３】図３は、本実施形態における、水素循環ブロアの側から見た動力伝達装置（２５ａ）の概略構成図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本実施形態における磁力遮断板の全閉状態を表す概略構成図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本実施形態における磁力遮断板の動作を表す概略構成図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、本実施形態における磁力遮断板の全開状態を表す概略構成図である。
【図５】図５は、本発明の第２実施形態における、水素循環ブロアの側から見た動力伝達装置（２５ｂ）の概略構成図である。
【図６】図６は、本実施形態におけるガス供給システムを制御する制御装置の機能構成の一例を示すブロック図である。
【図７】図７は、モータの回転数と水素循環ブロアの回転数との関係を示す水素循環流量マップの一例を示す観念図である。
【図８】図８は、水素循環ブロアの回転数とモータの回転軸に設けられた多極磁気ディスクからの磁力線通過量との関係を示す磁力制御マップの一例を示す観念図である。
【図９】図９は、本発明の第３実施形態における磁力線通過量演算部の機能構成の一例を示すブロック図である。
【図１０】図１０は、本発明の第４実施形態における磁力線通過量演算部の機能構成の一例を示すブロック図である。
【図１１】図１１は、本実施形態におけるガス供給システムを制御する制御方法に関する処理手順の一例を示すフローチャートである。
【図１２】図１２は、磁力遮断板を介して多極磁気ディスクから水素循環ブロアへの磁力を制御する磁力制御処理の一例を示すフローチャートである。
【図１３】図１３は、本発明の第５実施形態における燃料電池システムの概略構成図である。
【図１４】図１４は、本実施形態における制御装置の機能構成の一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、添付された図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
【００１２】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システムの概略構成図である。
【００１３】
燃料電池システム１は、ガス供給システム２と、内部状態測定装置３と、冷却システム４と、燃料電池スタック１０とを備える。また、燃料電池システム１は、水素供給源１３と、アノードガス供給流路１４と、アノードガス還流流路１５と、カソードガス供給流路１６と、バイパス流路１６ａと、バイパス弁１６ｂと、カソードガス排出流路１７と、エゼクタ１８とを備える。さらに、燃料電池システム１は、ガス供給システム２を制御する制御装置１００を備える。なお、燃料電池システム１の各部には、温度センサ、圧力センサ、バルブ、気液分離器などの補器が備えられるが、図１ではこれらの補器の図示を省略している。
【００１４】
ガス供給システム２は、燃料電池スタック１０に発電用のガスを供給するためのシステムである。ガス供給システム２は、水素を供給する水素循環ブロア１９と、空気を供給する空気コンプレッサ２０と、モータ２１と、磁力発生部２２と、モータ２１のトルクを検出するトルクセンサ２３とを含む。
【００１５】
燃料電池スタック１０は、発電動作を行う動作部である。燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池単位セルを積層した構造を有しており、単位セルの水素極（アノード極）１１と酸素極（カソード極）１２に、アノードガスとしての水素とカソードガスとしての空気をそれぞれ供給することにより、発電を行う。
【００１６】
燃料電池の各単位セルは、電解質の両面にそれぞれカーボンに白金を担持した触媒層を
接合して電極を形成して膜電極接合体とし、膜電極接合体の両面にセパレータを配設する
ことで水素ガス流路と酸素ガス流路とを各単位セルの膜電極接合体上に構成する。
【００１７】
水素供給源１３は、燃料電池スタック１０にアノードガスとしての水素を供給するものであり、本実施形態では高圧の水素ガスを貯蔵する水素タンクである。なお、水素供給源は水素タンクに限定されない。
【００１８】
アノードガス供給流路１４は、一端を水素供給源１３と、他端を燃料電池スタック１０のアノードガス入口と接続される流路である。アノードガスは、水素供給源１３からアノードガス供給流路１４を通して燃料電池スタック１０へ供給される。アノードガス供給流路１４には、エゼクタ１８が備えられる。
【００１９】
アノードガス還流流路１５は、一端が燃料電池スタック１０のアノードガス出口と接続され、他端がアノードガス供給流路１４に備えられたエゼクタ１８と接続される流路である。これにより、アノードガス出口より排出されたガスは、アノードガス還流流路１５、エゼクタ１８、アノードガス供給流路１４を介して、再び燃料電池スタック１０に導入される。このように、燃料電池システムのアノード系で循環流路が構成される。
【００２０】
エゼクタ１８は、水素供給源１３から供給されるアノードガスをエゼクタ１８内の絞りにより高速化し、アノードガス還流流路１５を流れるアノードガスに対して高速化されたアノードガスの巻き込み力を作用させる。これにより、アノード系の循環流路内に循環流を生じさせる。
【００２１】
アノードガス還流流路１５には、ガス供給システム２の水素循環ブロア１９が設けられる。水素循環ブロア１９は、アノードガス還流流路１５を流れるアノードガスを供給し、エゼクタ１８と共に、循環流路内に循環流を引き起こす。これにより、燃料電池のアノード極１１に十分な量の水素を供給し、アノード極１１上の水素濃度の偏りを低減させることができる。
【００２２】
アノードガス還流流路１５には、さらに、図示しない気液分離器や、排水弁、パージ弁、パージ流路、などの補器が設けられる。パージ弁の開放により、循環流路内に溜まった窒素ガスがパージ流路を通して排出される。また、気液分離器は燃料電池スタック１０から排出された生成水を貯蔵し、排水弁を通して適宜、燃料電池システム１の外に排出する。なお、気液分離器は水素循環ブロア１９の上流側に設けられることが望ましい。
【００２３】
空気コンプレッサ２０は、大気中からカソードガスである空気を取り込み、カソードガス供給流路１６へ供給する。カソードガス供給流路１６は空気コンプレッサ２０と燃料電池スタック１０のカソードガス入口とを接続する流路であり、圧縮された空気からなるカソードガスを燃料電池スタック１０のカソードガス入口へ導入する。燃料電池スタック１０のカソードガス出口から排出されたカソードガスは、カソードガス排出流路１７を通して、燃料電池システム１の外へ排出される。
【００２４】
バイパス流路１６ａは、カソードガスが燃料電池スタック１０を迂回するようにカソードガス供給流路１６とカソードガス排出流路１７とを接続する流路である。バイパス流路１６ａに設けられたバイパス弁１６ｂは、空気コンプレッサ２０から燃料電池スタック１０に供給されるカソードガスの一部をカソードガス排出流路１７に排出する。カソードガス排出流路１７には、アノードガス還流流路１５に設けられたパージ流路が接続されており、窒素ガスと共に排出される水素がカソードガスにより希釈される。
【００２５】
モータ２１は、水素循環ブロア１９及び空気コンプレッサ２０の共通の動力源であり、電力により回転駆動して動力を発生する。本実施形態では、燃料電池スタック１０、又は不図示の二次電池から出力される電力を交流電力に変換するインバータがモータ２１に備えられている。
【００２６】
磁力発生部２２は、水素循環ブロア１９の駆動部に作用する磁力を発生するものであり、モータ２１の回転動力を水素循環ブロア１９に伝達する。磁力発生部２２の磁力は、制御装置１００によって制御される。
【００２７】
内部状態測定装置３は、燃料電池スタック１０の内部状態を測定する装置である。例えば、内部状態測定装置３は、燃料電池スタック１０の温度や、窒素濃度、水素濃度、電解質膜の含水量を示す湿潤度、等を測定する。
【００２８】
燃料電池スタック１０においては、電解質膜の湿潤度が低くなり過ぎると発電性能が低下し、電解質膜の湿潤度が高くなり過ぎるとフラッディングが発生するおそれがある。そのため、内部状態測定装置３は、電解質膜の湿潤度と相関のある燃料電池スタック１０の高周波数抵抗（ＨＦＲ：High Frequency Resistance）を測定する。電解質膜の湿潤度が高くなるほど、燃料電池スタック１０のＨＦＲは小さくなり、電解質膜の湿潤度が低くなるほど、ＨＦＲは大きくなる。
【００２９】
具体的には、内部状態測定装置３は、燃料電池スタック１０の電解質膜に応答する周波数の交流電流を燃料電池スタック１０に供給し、燃料電池スタック１０の出力電圧の交流成分を検出する。内部状態測定装置３は、検出した交流成分の振幅と、出力した交流電流の振幅とに基づいて燃料電池スタック１０のＨＦＲを算出し、そのＨＦＲを制御装置１００に出力する。交流電流の周波数は、例えば１ｋＨｚ（キロヘルツ）に設定される。
【００３０】
冷却システム４は、燃料電池スタック１０を冷却するためのシステムであり、冷却水循環通路４１と、冷却水ポンプ４２と、ラジエータ４３と、温度センサ４４及び４５とを含む。
【００３１】
冷却水循環通路４１は、燃料電池スタック１０に冷却水を循環させる通路である。冷却水循環通路４１の一端は、燃料電池スタック１０の冷却水入口孔に接続され、他端は、燃料電池スタック１０の冷却水出口孔に接続される。
【００３２】
冷却水ポンプ４２は、冷却水循環通路４１に設けられる。冷却水ポンプ４２は、ラジエータ４３を介して燃料電池スタック１０に冷却水を供給する。冷却水ポンプ４２の回転数は、制御装置１００によって制御される。
【００３３】
ラジエータ４３は、冷却水ポンプ４２よりも下流の冷却水循環通路４１に設けられる。ラジエータ４３は、燃料電池スタック１０の内部で温められた冷却水をファンによって冷却する。
【００３４】
温度センサ４４及び４５は、冷却水循環通路４１を循環する冷却水の温度を検出する。本実施形態では、冷却水の温度は燃料電池スタック１０の温度として用いられる。温度センサ４４及び４５は、それぞれ、検出した冷却水の温度を示す検出信号を制御装置１００に出力する。
【００３５】
制御装置１００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ーで構成される。
【００３６】
制御装置１００は、内部状態測定装置３、負荷装置５、トルクセンサ２３、温度センサ４４及び４５等の各出力信号を受信する。負荷装置５は、燃料電池スタック１０に接続される電気負荷であり、負荷装置５からは、燃料電池スタック１０に対して要求される要求電力が制御装置１００に出力される。例えば、車両に搭載された燃料電池システム１では、アクセルペダルの踏込み量が大きくなるほど、負荷装置５の要求電力は大きくなる。これらの出力信号は、燃料電池システム１の運転状態に関するパラメータとして用いられる。
【００３７】
制御装置１００は、燃料電池システム１の運転状態に関するパラメータに応じて、モータ２１の回転数を制御する。例えば、制御装置１００は、負荷装置５の要求電力に基づいて、燃料電池スタック１０に供給されるカソードガスの流量、及びアノードガスの流量の各々の目標値を演算する。制御装置１００は、演算したカソードガス流量の目標値に基づいてモータ２１の回転数（回転速度）を制御し、モータ２１の回転数に基づいて、アノードガス流量の目標値に対応する水素循環ブロア１９の回転数となるように、磁力発生部２２の磁力を制御する。
【００３８】
図２は本実施形態のガス供給システム２の概略構成図である。
【００３９】
本実施形態のガス供給システム２は、水素循環ブロア１９と、空気コンプレッサ２０と、これらを駆動するモータ２１と、磁力発生部２２と、モータ２１から動力を入力される回転軸２４とを備える。磁力発生部２２は、モータ２１の動力を伝達するための磁力を発生するものである。磁力発生部２２は、回転軸２４が接続される動力伝達装置２５ａと、磁力遮断板２６と、モータ２１と水素循環ブロア１９との間を仕切るハウジング壁３３とを備える。また、ガス供給システム２は、空気側ハウジング２７と、水素側ハウジング２８とを備える。
【００４０】
モータ２１は、電力の供給を受けて回転動力を生み出す。モータ２１には、モータ２１の動力により回転される一本の金属製の回転軸２４が接続される。本実施形態のモータ２１は、燃料電池スタック１０から電力を供給される。
【００４１】
回転軸２４はモータ２１の両側から延出している。回転軸２４の一端は空気側ハウジング２７を貫通して、空気コンプレッサ２０の回転部品（空気側インペラ）２９と接続される。一方、回転軸２４の他端は動力伝達装置２５ａと接続される。すなわち、回転軸２４は、モータ２１と空気コンプレッサ２０とを接続する第１ガス供給駆動軸２４ａと、モータ２１と磁力発生部２５とを接続する第２ガス供給駆動軸２４ｂとにより構成される。
【００４２】
空気コンプレッサ２０は、空気側ハウジング２７に覆われ、回転部品である空気側インペラ２９を備える。空気側ハウジング２７によって空気の流路が構成される。
【００４３】
空気側インペラ２９は複数の羽根を有する金属製の部品であり、空気側ハウジング２７の内部に収容される。空気側インペラ２９は、その中央部が空気側ハウジング２７を貫通する回転軸２４の一端と接続されている。モータ２１から出力された動力は、回転軸２４を介して、直接、空気側インペラ２９に伝達される。空気側インペラ２９は、モータ２１から出力された動力によって回転される。空気側ハウジング２７には空気側インペラ２９の中心軸方向から延出する空気入口流路３０と、空気側インペラ２９の円周に接した方向に延出する空気出口流路３１が設けられる。
【００４４】
本実施形態の空気コンプレッサ２０は、次に示すような遠心式の圧縮方法を用いる。空気入口流路３０から空気側ハウジング２７内に導入された外気は、回転する空気側インペラ２９による遠心力を受け、空気側ハウジング２７の内壁に押し付けられることで高圧化される。その後、空気出口流路３１を通して図１のカソードガス供給流路１６に供給される。
【００４５】
水素循環ブロア１９は、水素側ハウジング２８に気密に覆われている。水素循環ブロア１９は、駆動部の一例である水素側インペラ３２を備える。水素側ハウジング２８は、水素の流路を構成すると共に、ハウジング壁３３を備える。水素側ハウジング２８によって、水素循環ブロア１９とモータ２１とが一体化される。
【００４６】
水素側インペラ３２は、モータ２１からの回転動力を非接触で伝達される回転部品である。水素側インペラ３２は外周に多数の溝を有する円盤状の金属製部品であり、水素側ハウジング２８で囲まれる空間の内部に収容される。水素側インペラ３２の中央部はハウジング壁３３に水素流路側から取りつけられ、中央部を回転軸として、水素側インペラ３２は回転可能に支持されている。なお、水素側インペラ３２の回転軸は、ハウジング壁３３を貫通しない。水素循環ブロア１９は、水素側ハウジング２８によって構成される水素入口流路３４と水素出口流路３５を備え、回転する水素側インペラ３２の外周部に沿って、接線方向から接続される。
【００４７】
本実施形態の水素循環ブロア１９は、次に示すような渦流式の圧縮方法を用いる。アノードガス還流流路１５を流れるアノードガスは、水素入口流路３４を通して水素側ハウジング２８内に導入される。導入されたアノードガスは、水素側インペラ３２がモータの動力で回転されることによって、ハウジング内を内壁に沿って円周方向に進む。その際、水素側インペラ３２の回転に伴って水素側インペラ３２の各溝の中でアノードガスに渦流が生じるため、アノードガスが加速、加圧される。このようにして圧縮されたアノードガスが水素出口流路３５を通してアノードガス還流流路１５に供給される。
【００４８】
本実施形態の動力伝達装置は、回転軸２４の他端と接続される多極磁気ディスク２５ａである。多極磁気ディスク２５ａと水素側インペラ３２とは、ハウジング壁３３を挟んで互いに面するように配置される。多極磁気ディスク２５ａは、ハウジング壁３３に対してモータ２１側に設けられ、ハウジング壁３３を介してモータ２１の動力を非接触で水素側インペラ３２に伝達する。
【００４９】
本実施形態の磁力遮断板２６は、高透磁率部材の一例であって、多極磁気ディスク２５ａとハウジング壁３３の間に配置されている。磁力遮断板２６は、多極磁気ディスク２５ａと水素側インペラ３２との間の磁界を遮ることにより、多極磁気ディスク２５ａと水素側インペラ３２との間の動力伝達を遮断する。磁力遮断板２６は、ハウジング壁３３にモータ２１側から取りつけられる。よって、モータ２１側から、多極磁気ディスク２５ａ、磁力遮断板２６、ハウジング壁３３、水素側インペラ３２の順で配置される。なお、多極磁気ディスク２５ａの回転軸、水素側インペラ３２の回転軸、及び磁力遮断板２６の中心軸は、一直線上に配置されていることが望ましい。
【００５０】
図３は、本実施形態の多極磁気ディスク２５ａを、水素循環ブロア１９の側から見た際の概略構成図である。
【００５１】
図３に示すように、多極磁気ディスク２５ａはディスク形状をしており、多極磁気ディスク２５ａの円形の表面には、複数の永久磁石３６が埋め込まれる。永久磁石３６は、円周方向に沿ってＮ極とＳ極とが交互に正面を向くように配列され、多極磁気ディスク２５ａの表面から磁力線が延出する。
【００５２】
図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃは、本実施形態の磁力遮断板２６と、磁力遮断板２６を動かすモータとギアとの概略構成図である。
【００５３】
本実施形態の磁力遮断板２６は、高透磁率材料で構成される４枚の板２６ａ〜２６ｄである。本実施形態において、磁力遮断板２６は、多極磁気ディスク２５ａと水素側インペラ３２との間の磁界を遮る役割を有する。ガス供給システム２は多極磁気ディスク２５ａと水素側インペラ３２との間で生じる磁力を変化させるように、磁力遮断板２６ａ〜２６ｄの位置を制御する高透磁率部材制御部を更に備える。図４Ａ〜４Ｃは、高透磁率部材制御部の一例として、磁力遮断板２６ａ〜２６ｄを作動させるステッピングモータ３７と、ステッピングモータ３７と磁力遮断板２６ａ〜２６ｄとの間で動力を伝える各種ギア（３８、３９、４０ａ〜４０ｄ）とを示す。
【００５４】
以下に、磁力遮断板２６ａ〜２６ｄの動作を説明する。
【００５５】
図４Ａ、図４Ｃに示すように、４枚の磁力遮断板２６ａ〜２６ｄは、それぞれが４つに分割された円盤の形状をしており、４枚が組み合わさることで、一つの円盤が構成される。図４Ａは磁力遮断板２６ａ〜２６ｄが組み合わされた状態を示し、多極磁気ディスク２５ａと水素側インペラ３２との間に磁力遮断板２６ａ〜２６ｄが挿入される。一方、図４Ｃは磁力遮断板２６ａ〜２６ｄが組み合わされていない状態を示し、磁力遮断板２６ａ〜２６ｄは挿入されない。
【００５６】
それぞれの磁力遮断板２６ａ〜２６ｄは、例えばＦｅ−Ｓｉ−Ａ１系合金や、Ｆｅ−Ｎｉ系合金等の高透磁率材料で構成される。すなわち、多極磁気ディスク２５ａと水素側インペラ３２との間に磁力遮断板２６ａ〜２６ｄが挿入されることにより、多極磁気ディスク２５ａの表面から延出する磁力線は磁力遮断板２６ａ〜２６ｄに沿った方向に通過してしまうため、水素側インペラ３２までは到達しにくくなる。そのため、図４Ａ、図４Ｃに示すように、磁力遮断板２６ａ〜２６ｄを挿入する或いは挿入しないことにより、多極磁気ディスク２５ａと水素側インペラ３２との間で作用する磁力を変化させることができる。
【００５７】
図４Ａ、図４Ｃに示す磁力遮断板２６ａ〜２６ｄの位置は、各種ギア（３８、３９、４０ａ〜４０ｄ）及びステッピングモータ３７により制御される。各種ギア（３８、３９、４０ａ〜４０ｄ）には、磁力遮断板２６ａ〜２６ｄの各々と一体化されたピニオンギア４０ａ〜４０ｄと、ピニオンギア４０ａ〜４０ｄと噛み合うリングギア３９と、リングギア３９と噛みあうウォームギア３８とが含まれる。ステッピングモータ３７は、ウォームギア３８を駆動する。
【００５８】
図４Ａに示すように、円盤として組み合わさった際の、それぞれの磁力遮断板２６ａ〜２６ｄの外周部には、外側に歯をもつ略円柱形のピニオンギア４０ａ〜４０ｄが一体化して備えられる。それぞれのピニオンギア４０ａ〜４０ｄの中心部はモータ２１側からハウジング壁３３に取り付けられている。磁力遮断板２６ａ〜２６ｄはピニオンギア４０ａ〜４０ｄの中心部を軸として、互いに干渉せずに所定範囲を回転できるように配置される。
【００５９】
リングギア３９は内周及び外周を有するリング状の円盤型をしたギアであり、内側の円周面と外側の円周面にそれぞれ歯を備える。リングギア３９は４つのピニオンギア４０ａ〜４０ｄの外周に配置され、リングギア３９の内側の歯が、それぞれのピニオンギア４０ａ〜４０ｄの歯とかみ合うように配置される。
【００６０】
ウォームギア３８は略円柱型のねじ歯車であり、ウォームギア３８の歯が、リングギア３９の外側の歯とかみ合うように配置される。ウォームギア３８がねじ歯の回転方向に回転されると、それに伴ってリングギアが図４Ａの時計方向に回転される。
【００６１】
ステッピングモータ３７は、印加されるパルス電力によって段階的に駆動されるモータである。ステッピングモータ３７はウォームギア３８と軸を介して接続され、ステッピングモータ３７の回転により、ウォームギア３８が円周方向に段階的に回転される。ステッピングモータ３７は、例えば、水素側ハウジング２８に固定される。
【００６２】
以上のような構成により、ステッピングモータ３７及び各種ギア（３８、３９、４０ａ〜４０ｄ）は、４枚の磁力遮断板２６ａ〜２６ｄの開閉を同時に行うことができる。そのため、多極磁気ディスク２５ａから延出し、水素側インペラ３２を通る磁力線（磁束）の割合を変化させることができる。
【００６３】
図４Ａは、磁力遮断板２６ａ〜２６ｄが完全に閉じられた状態を表す概略構成図である。この場合、４枚の磁力遮断板２６ａ〜２６ｄは互いに組み合わさり、閉口されている。この状態では、多極磁気ディスク２５ａより延びる磁力線は、ほとんど水素側インペラ３２に到達しない。
【００６４】
図４Ｂは、４枚の磁力遮断板２６ａ〜２６ｄの内の１枚の動作を表す概略構成図である。図４Ｂに示すように、それぞれの磁力遮断板２６ａ〜２６ｄは、各ピニオンギア４０ａ〜４０ｄを中心とした円弧に沿うように分割されている。そのため、４枚の磁力遮断板２６ａ〜２６ｄは、互いに干渉されることなく、ピニオンギアを中心に回転することができる。
【００６５】
磁力遮断板２６ａ〜２６ｄはステッピングモータ３７を動力源として動作する。まずステッピングモータ３７によってウォームギア３８が回転され、次にリングギア３９を介して各ピニオンギア４０ａ〜４０ｄに動力が伝わり、ピニオンギア４０ａ〜４０ｄの回転に伴い磁力遮断板２６ａ〜２６ｄが回転される。その際、ステッピングモータ３７の段階的な回転により、指定した角度だけ、磁力遮断板を回転させることができる。なお、図４Ｂでは、４枚の磁力遮断板２６ａ〜２６ｄの独立した動作が可能であることを示すために、１枚の磁力遮断板２６ａのみの動作を示したが、実際は４枚の磁力遮断板２６ａ〜２６ｄを同時に動作させることもできる。
【００６６】
このようにして、磁力遮断板２６ａ〜２６ｄの開口部の面積を調節することにより、多極磁気ディスク２５ａから延び水素側インペラ３２まで通過する磁力線の割合を任意に変化させることができる。
【００６７】
図４Ｃは、４枚の磁力遮断板２６ａ〜２６ｄが完全に開放された状態を表す概略構成図である。４枚の磁力遮断板２６ａ〜２６ｄが開放された場合、リングギア３９内に略円形の開口部が形成される。この状態では、多極磁気ディスク２５ａより延出する殆どの磁力線が水素側インペラ３２を通過することができる。
【００６８】
なお、磁力遮断板２６ａ〜２６ｄの構造は、これに限定されず、磁力遮断板２６ａ〜２６ｄの枚数や、動作方法を適宜変更することができる。例えば、換気扇に用いられるシャッターの構造のように、複数の長方形型の板を備え、それぞれの板の長辺を軸として回転させることで、開口部の面積を変化させてもよい。また、カメラの絞り羽根の構造ように、互いに重なる羽根を用いて開口部の面積を変化させてもよい。
【００６９】
以上を踏まえ、本実施形態のガス供給システムの駆動方法について説明する。
【００７０】
まず、モータ２１が回転軸２４を回転させることにより、空気コンプレッサ２０の空気側インペラ２９が回転されるとともに、動力伝達装置であるの多極磁気ディスク２５ａが回転される。多極磁気ディスク２５ａの表面には永久磁石３６が埋め込まれているため、回転軸２４を中心として回転する磁界が生み出される。
【００７１】
ここで、断続装置の磁力遮断板２６ａ〜２６ｄが全開または半開の場合、磁力遮断板２６ａ〜２６ｄの開口部を通過した回転磁界はハウジング壁３３を貫通し、水素循環ブロア１９の水素側インペラ３２に、誘導起電力を生じさせる。そして、水素側インペラ３２に誘導された渦電流が、多極磁気ディスク２５ａによる回転磁界と相互作用することで、水素側インペラ３２に回転トルクが発生し、水素側インペラ３２が回転される。このようにして、多極磁気ディスク２５ａは、モータ２１の回転動力を磁力によって水素側インペラ３２に伝達することができる。水素側インペラ３２に発生するトルクは、多極磁気ディスク２５ａと水素側インペラ３２との回転数の差、すなわち滑りに比例して大きくなる。最終的に水素側インペラ３２の回転数は、多極磁気ディスク２５ａの回転数と比較して、滑りの分だけ小さい回転数に制御される。
【００７２】
磁力遮断板２６ａ〜２６ｄによって磁力線の一部が遮断されると、多極磁気ディスク２５ａと水素側インペラ３２との間に生じる相互作用が弱まる。その場合、水素側インペラ３２と、多極磁気ディスク２５ａとの滑りが大きくなり、水素側インペラ３２が減速されることになる。このようにして、水素循環ブロア１９の動力を磁力遮断板２６ａ〜２６ｄの開度により調節することができる。
【００７３】
一方で、断続装置の磁力遮断板２６ａ〜２６ｄが完全に閉じられた場合、多極磁気ディスク２５ａから延びる磁力線は、水素側インペラ３２にほとんど届かなくなる。空気コンプレッサ２０のみを駆動させ、水素循環ブロア１９を停止したままにする、という運転を行うことができる。
【００７４】
以上のように、本実施形態のガス供給システム２は、１つのモータ２１の動力により、水素循環ブロア１９と空気コンプレッサ２０を駆動できると共に、それぞれの供給装置（１９、２０）を個別に制御することができる。これにより、供給装置（１９、２０）ごとにモータを設ける必要がなくなり、ガス供給システムを小型化、軽量化できる。更に、モータが１つのみで良いため、システムのコストを低減できる。
【００７５】
さらに、本実施形態のガス供給システム２によれば、水素側インペラ３２が、水素側ハウジング２８によって覆われた状態で、モータ２１と水素循環ブロア１９との間のハウジング壁３３を介して非接触で伝わる動力により駆動される。そのため、回転軸２４がハウジング壁３３を貫通する必要がなく、水素の軸貫通部を通した別区画への漏出が防止される。このため、燃料電池システム１の燃費を向上させることができる。
【００７６】
回転軸２４は、モータ２１の動力により回転されると共に、空気コンプレッサ２０及び多極磁気ディスク２５ａにモータ２１の回転動力を伝達する。水素側インペラ３２は、モータ２１からの回転動力を非接触で伝達される回転部品である。これにより、任意の回転数を選択することにより、供給する空気及び水素の量を容易に制御することができる。
【００７７】
渦電流と回転磁界との相互作用によって、多極磁気ディスク２５ａは、モータ２１の回転動力を磁力によって水素側インペラ３２に伝達する。これにより、多極磁気ディスク２５ａは、モータ２１の動力を、ハウジング壁３３を介して非接触で水素側インペラ３２に伝達することができる。
【００７８】
図４Ａ〜図４Ｃに示したように、ステッピングモータ３７及び各種ギア（３８、３９、４０ａ〜４０ｄ）は、４枚の磁力遮断板２６ａ〜２６ｄの開閉を同時に行うことができる。そのため、多極磁気ディスク２５ａから延出し、水素側インペラ３２を通る磁力線（磁束）の割合を変化させることができる。
【００７９】
また、本実施形態のガス供給システムによりアノードガスとカソードガスの供給を行う燃料電池システム１によれば、空気コンプレッサ２０をモータ２１と接続するとともに、空気コンプレッサ２０と比較して出力の小さい水素循環ブロア１９に動力伝達部（多極磁気ディスク２５ａ）を介してモータ２１の動力を伝えることになる。そのため、１つのモータの動力で、システムをより効率的に動かすことができる。
【００８０】
さらに、本実施形態の燃料電池システム１は、水素循環ブロア１９を水素側ハウジング２８で気密に覆うことで、水素循環ブロア１９から空気コンプレッサ２０への水素の漏出を防止することができる。これにより、水素と酸素がガス供給システム内で混合し、そこで生じる化学反応により消費されることがなくなる。そのため、燃料電池における発電に用いられるべき水素ガスが別の場所で消費される、無駄な消費を防止することができる。
【００８１】
（第２実施形態）
図５は水素循環ブロア１９の側から見た、第２実施形態における動力伝達装置（多極磁気ディスク２５ｂ）の概略構成図である。
【００８２】
なお、以下の各実施形態において、先の実施形態と同様の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００８３】
図５に示すように、第２実施形態の多極磁気ディスク２５ｂは、ディスク形状をしており、多極磁気ディスク２５ｂの円形の表面に、複数の電磁石５１が埋め込まれる。その際、各電磁石５１に電流を流した際に生じる磁界の向きが、円周方向に沿って１つおきに多極磁気ディスク２５ｂの正面側を向くように、巻線の向きと電流の向きとが決定される。
【００８４】
本実施形態のガス供給システムによれば、先の実施形態と同様の作用効果を奏すると共に、電磁石５１への通電量により、モータ２１と水素循環ブロア１９との間で伝達される動力を変化させることができる。これにより、より幅広く空気コンプレッサ２０と水素循環ブロア１９との動力を制御することが可能となる。
【００８５】
また、本実施形態のガス供給システムでは、断続装置の磁力遮断板を設置しなくとも、電磁石５１への通電量を変化させることで、水素循環ブロア１９の動力を変化させることができる。そのため、ガス供給システムをより小型化、軽量化できると共に、システム簡素化によるコスト削減に繋げることができる。
【００８６】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態におけるガス供給システム２の制御手法について図面を参照して詳細に説明する。本実施形態では、第１実施形態の構成と同様の構成である。
【００８７】
図６は、本発明の第３実施形態における制御装置１００の機能構成の一例を示すブロック図である。
【００８８】
制御装置１００は、目標空気流量演算部１１０と磁力制御部１２０とを備える。
【００８９】
目標空気流量演算部１１０は、モータ２１の回転数を制御するモータ制御部を構成する。目標空気流量演算部１１０は、固定空気流量出力部１１１と、負荷要求空気流量演算部１１２と、目標空気流量設定部１１３とを備える。
【００９０】
磁力制御部１２０は、磁力発生部２２の磁力を制御するものであり、目標水素流量演算部１３０と磁力線通過量演算部１４０とを備える。目標水素流量演算部１３０は、水素循環ブロア１９から燃料電池スタック１０に供給されるべき水素の流量を示す目標水素流量を演算するものであり、基本水素流量演算部１３１と流量補正部１３２とを備える。
【００９１】
目標空気流量演算部１１０は、空気コンプレッサ２０から燃料電池スタック１０に供給されるべき空気の流量を示す目標空気流量を演算する。本実施形態では、目標空気流量演算部１１０は、負荷装置５の要求電力に基づいて、空気コンプレッサ２０の目標回転数Ｎｃを、目標空気流量として算出する。
【００９２】
固定空気流量出力部１１１は、負荷装置５の要求電力に関わらず一定の空気流量を示す固定空気流量を目標空気流量設定部１１３に出力する。本実施形態では、固定空気流量出力部１１１は、燃料電池システム１の運転状態に応じて、空気コンプレッサ２０の固定回転数を固定空気流量として出力する。
【００９３】
固定空気流量出力部１１１は、燃料電池システム１が暖機運転を実施しているか否かを示す暖機運転フラグに応じて、燃料電池スタック１０の暖機に必要となる空気コンプレッサ２０の固定回転数を出力する。暖機に必要となる固定回転数は、例えば、燃料電池スタック１０の発電量を多くして自己発熱量が増加するように、燃料電池スタック１０が安定して発電できる範囲におけるモータ２１の回転数の上限値に設定される。
【００９４】
暖機運転フラグは、暖機運転を実施するときに「１」に設定され、暖機運転の実施を停止するときに「０」に設定される。例えば、暖機運転フラグは、燃料電池スタック１０の温度として温度センサ４４からの検出値に基づいて設定される。この例では、検出値が所定の温度、例えば５０℃以下であるときには、暖機運転フラグが「１」に設定され、検出値が所定の温度よりも大きいときには、暖機運転フラグが「０」に設定される。
【００９５】
このため、固定空気流量出力部１１１は、暖機運転フラグが「１」を示す場合には、暖機に必要となる空気コンプレッサ２０の固定回転数を出力し、暖機運転フラグが「０」を示す場合には、固定回転数の出力を停止してゼロを出力する。
【００９６】
また、固定空気流量出力部１１１は、燃料電池システム１が停止運転を実施しているか否かを示す停止運転フラグに応じて、燃料電池スタック１０の発電の停止に必要となる空気コンプレッサ２０の固定回転数を出力する。発電の停止に必要となる固定回転数は、パージ流路からカソードガス排出流路１７に排出される水素がカソードガスにより十分に希釈されるように、例えばモータ２１が安定して運転できる回転数の上限値に設定される。
【００９７】
停止運転フラグは、停止運転を実施するときに「１」に設定され、停止運転の実施を停止するときに「０」に設定される。例えば、停止運転フラグは、燃料電池システム１の運転を開始するための操作キーがＯＮからＯＦＦに切り替えられた場合に停止指令が発行され、停止運転フラグが「１」に設定され、操作キーがＯＮに設定されたときには、停止運転フラグが「０」に設定される。
【００９８】
このため、固定空気流量出力部１１１は、停止運転フラグが「１」を示す場合には、発電の停止に必要となる空気コンプレッサ２０の固定回転数を出力し、停止運転フラグが「０」を示す場合には、固定回転数の出力を停止する。
【００９９】
なお、本実施形態では固定空気流量出力部１１１から出力される固定回転数を所定の範囲におけるモータ２１の回転数の上限値に設定したが、これに限られず、モータ２１の回転数の上限値よりも低い値に設定するようにしてもよい。
【０１００】
負荷要求空気流量演算部１１２は、燃料電池スタック１０の発電に最低限必要となる空気流量を示す負荷要求空気流量を演算する。本実施形態では、負荷要求空気流量演算部１１２は、スタック目標電流に基づいて、燃料電池スタック１０に供給される空気の流量が負荷要求空気流量となるように設定された空気コンプレッサ２０の負荷要求回転数を算出する。
【０１０１】
スタック目標電流は、負荷装置５の要求電流に基づいて算出されるパラメータである。例えば、スタック目標電流は、燃料電池スタック１０のＩＶ（電流電圧）特性を示すマップを用いて負荷装置５の要求電力となる電流値に設定される。スタック目標流量が大きくなるほど、目標空気流量演算部１１０により算出される負荷要求回転数は大きくなる。
【０１０２】
例えば、負荷要求空気流量演算部１１２には、スタック目標電流と空気コンプレッサ２０の回転数との関係を示す空気流量マップが予め記録される。負荷要求空気流量演算部１１２は、スタック目標電流を取得すると、空気流量マップを参照し、取得したスタック目標電流に関係付けられた空気コンプレッサ２０の回転数を算出する。負荷要求空気流量演算部１１２は、算出した空気コンプレッサ２０の回転数を、負荷要求回転数として目標空気流量設定部１１３に出力する。
【０１０３】
目標空気流量設定部１１３は、固定空気流量出力部１１１からの固定回転数と、負荷要求空気流量演算部１１２からの負荷要求回転数とのうち大きい方の値を、空気コンプレッサ２０の目標回転数Ｎｃに設定する。目標空気流量設定部１１３は、空気コンプレッサ２０の目標回転数Ｎｃをモータ２１の回転数指令値としてモータ２１のインバータに出力すると共に基本水素流量演算部１２１に出力する。
【０１０４】
また、目標空気流量設定部１１３は、固定空気流量出力部１１１からの固定回転数が負荷要求空気流量演算部１１２からの負荷要求回転数よりも大きい場合には、固定回転数と負荷要求回転数との差分を算出する。制御装置１００は、算出された差分に基づいて、燃料電池スタック１０への過剰な空気流量を算出し、その過剰な空気流量を、バイパス流路１６ａを通して排出するようにバイパス弁１６ｂの開度を制御する。これにより、燃料電池スタック１０に過剰な空気が供給されて電解質膜が過乾燥となるのを回避できる。
【０１０５】
磁力制御部１２０は、目標空気流量演算部１１０から出力されるモータ２１の回転数指令値に基づいて、磁力遮断板２６ａ〜２６ｄの各々の開度を制御する。すなわち、磁力制御部１２０は、モータ２１の回転数に基づいて、磁力発生部２２の磁力を制御する。
【０１０６】
目標水素流量演算部１３０は、空気コンプレッサ２０の目標回転数Ｎｃと、スタック状態信号線１０１からの信号とに基づいて、アノードガス還流流路１５を循環する水素の流量を目標水素流量に設定するための水素循環ブロア１９の目標回転数Ｎａを算出する。
【０１０７】
スタック状態信号線１０１には、燃料電池スタック１０の温度であるスタック温度と電解質膜の湿潤度である膜湿潤度とが入力される。本実施形態では、スタック温度として温度センサ４４から出力されるスタック出口水温を示す信号が用いられ、膜湿潤度として内部状態測定装置３から出力されるＨＦＲが用いられる。
【０１０８】
基本水素流量演算部１３１は、空気コンプレッサ２０の目標回転数Ｎｃに基づいて、目標水素流量の基本値となる基本水素流量を演算する。
【０１０９】
また、基本水素流量演算部１３１は、燃料電池スタック１０が異常状態となるのを回避するために、スタック温度に応じて基本水素流量を補正する。スタック温度が低下するほど、水蒸気が液化しやすくなるので、燃料電池スタック１０におけるアノードガス流路及びカソードガス流路内の液水が増加し、フラッディングを起こしやすくなる。この対策として、基本水素流量演算部１２１は、スタック温度の低下に伴って燃料電池スタック１０内の液水が増加しないように、基本水素流量を補正する。
【０１１０】
本実施形態の燃料電池スタック１０においては、図１に示したようにアノード極１１を流れるアノードガスの流れ向きと対向する向きにカソードガスがカソード極１２を流れる。このような構成では、アノードガス還流流路１５を循環する水素の流量が増加するほど、カソード極１２からアノード極１１に透過してくる水蒸気がアノードガス中に吸収されやすくなり、アノードガス還流流路１５を循環する水蒸気量が増加する。これに伴って、燃料電池スタック１０内の水蒸気量が増加し、燃料電池スタック１０で液水が増加し易くなる。したがって、基本水素流量演算部１３１は、スタック温度が低くなるほど、燃料電池スタック１０内の液水の増加が抑制されるように、基本水素流量を小さくする。
【０１１１】
本実施形態では、空気コンプレッサ２０の目標回転数と、基本水素流量に対応する水素循環ブロア１９の基本回転数との関係を示す水素循環流量マップがスタック温度ごとに基本水素流量演算部１３１に予め記憶される。水素循環流量マップについては図７を参照して説明する。
【０１１２】
基本水素流量演算部１３１は、スタック温度を取得すると、そのスタック温度により特定される水素循環流量マップを参照し、空気コンプレッサ２０の目標回転数Ｎｃに関係付けられた水素循環ブロア１９の基本回転数を算出する。基本水素流量演算部１３１は、算出した水素循環ブロア１９の基本回転数を流量補正部１３２に出力する。
【０１１３】
流量補正部１３２は、燃料電池スタック１０の湿潤状態を発電に適した状態に維持する機能を有する。流量補正部１３２は、燃料電池スタック１０の膜湿潤度に応じて水素循環ブロア１９の目標回転数Ｎａを補正する。
【０１１４】
流量補正部１３２は、燃料電池スタック１０の膜湿潤度が低くなるほど、水素循環ブロア１９の基本回転数を大きくする。これにより、燃料電池スタック１０内の水蒸気量が増加するので、膜湿潤度が低くなり過ぎるのを抑制することができる。反対に、流量補正部１２２は、燃料電池スタック１０の膜湿潤度が高くなるほど、水素循環ブロア１９の基本回転数を小さくする。これにより、燃料電池スタック１０内の水蒸気量が減少するので、電解質膜の湿潤度が高くなり過ぎるのを抑制することができる。
【０１１５】
本実施形態では、流量補正部１３２は、内部状態測定装置３から燃料電池スタック１０のＨＦＲを取得し、そのＨＦＲの大きさに応じて、水素循環ブロア１９の基本回転数を増減させる。流量補正部１２２は、増減した基本回転数を、水素循環ブロア１９の目標回転数Ｎａとして磁力線通過量演算部１４０に出力する。
【０１１６】
具体的には、流量補正部１３２は、燃料電池スタック１０のＨＦＲを補正値として水素循環ブロア１９の基本回転数に乗算することにより、水素循環ブロア１９の目標回転数Ｎａを算出する。これにより、燃料電池スタック１０のＨＦＲが大きくなるほど、すなわち乾燥して膜湿潤度が低下するほど、水素循環ブロア１９の目標回転数Ｎａが大きくなるので、燃料電池スタック１０の電解質膜の過乾燥を抑制することができる。反対に、燃料電池スタック１０のＨＦＲが小さくなるほど、すなわち湿って膜湿潤度が高くなるほど、水素循環ブロア１９の目標回転数Ｎａが小さくなるので、燃料電池スタック１０のフラッディングの発生を抑制することができる。
【０１１７】
磁力線通過量演算部１４０は、水素循環ブロア１９の目標回転数Ｎａに基づいて、磁力遮断板２６ａ〜２６ｄを介して多極磁気ディスク２５ａから水素側インペラ３２へ通過する磁力線の通過量を示す磁力線通過量の指令値を演算する。
【０１１８】
磁力線通過量演算部１４０は、水素循環ブロア１９の目標回転数Ｎａが大きくなるほど、磁力線通過量指令値を大きくする。これにより、磁力発生部２２の磁力が増減されるので、モータ２１の動力を用いて水素循環ブロア１９の回転数を目標回転数Ｎａに設定することが可能となる。
【０１１９】
本実施形態では、水素循環ブロア１９の回転数と磁力線通過量との関係を示す磁力制御マップが磁力線通過量演算部１４０に予め記憶される。磁力制御マップについては図８を参照して詳細に説明する。磁力線通過量演算部１４０は、水素循環ブロア１９の目標回転数Ｎａを取得すると、磁力制御マップを参照し、目標回転数Ｎａに関係付けられた磁力線通過量を算出する。磁力線通過量演算部１４０は、算出結果を磁力線通過量指令値としてステッピングモータ３７に出力する。
【０１２０】
このように、磁力制御部１２０は、モータ２１の回転数指令値と、燃料電池スタック１０の内部状態とに基づいて、モータ２１から水素循環ブロア１９への磁力発生部２２の磁力を増減させる。
【０１２１】
なお、磁力制御部１２０に用いられるモータ２１の回転数指令値に代えて、モータ２１の回転数の推定値又は検出値を用いるようにしてもよい。これにより、水素循環ブロア１９の回転数をより精度良く制御することができる。また、目標空気流量演算部１１０に用いられるスタック目標電流に代えて、燃料電池スタック１０の出力電流又は出力電力の検出値を用いてもよい。これにより、燃料電池スタック１０の出力電流に関する検出値と目標値とが乖離する過渡運転状態において、モータ２１の回転数の急激な変動を抑制することができる。
【０１２２】
図７は、基本水素流量演算部１３１に記録される水素循環流量マップの一例を示す観念図である。
【０１２３】
図７に示すように、空気コンプレッサ２０の目標回転数Ｎｃが大きくなるほど、燃料電池スタック１０の発電に必要な水素の流量が増加するので、水素循環ブロア１９の目標回転数Ｎａは大きくなる。また、空気コンプレッサ２０の回転数を固定した場合には、スタック温度が低くなるほど、燃料電池スタック１０内の液水が増加しやすくなるため、水素循環ブロア１９の目標回転数Ｎａを小さくする。上述のとおり、水素循環ブロア１９の回転数を小さくするほど、燃料電池スタック１０内の水蒸気量が低下するので、フラッディングの発生を抑制することができる。
【０１２４】
図８は、磁力線通過量演算部１４０に記録される磁力制御マップの一例を示す観念図である。この磁力制御マップにおいては、水素循環ブロア１９の目標回転数Ｎａが大きくなるほど、水素循環ブロア１９への磁力線通過量が大きくなる。このため、水素循環ブロア１９の目標回転数Ｎａが大きくなるほど、水素循環ブロア１９に伝達されるべきモータ２１の回転動力が大きくなる。このように、磁力発生部２２の磁力を増減させることにより、空気コンプレッサ２０の回転数とは独立して水素循環ブロア１９の回転数を制御することが可能となる。
【０１２５】
本発明の第３実施形態によれば、ガス供給システム２は、回転して動力を発生するモータ２１と、第１のガス供給装置を構成する空気コンプレッサ２０と、空気コンプレッサ２０とモータ２１とを接続する第１ガス供給駆動軸２４ａとを備える。また、ガス供給システム２は、第２のガス供給装置を構成する水素循環ブロア１９と、水素循環ブロア１９に対しモータ２１の動力を伝達するための磁力を発生する磁力発生部２２と、モータ２１と磁力発生部２２とを接続する第２ガス供給駆動軸２４ｂとを備える。そして、ガス供給システム２を制御する制御装置１００は、モータ２１の回転数を制御するモータ制御部を構成する目標空気流量演算部１１０と、モータ２１の回転数に基づいて磁力発生部２２の磁力を制御する磁力制御部１２０とを備える。
【０１２６】
このため、ガス供給システム２は、空気コンプレッサ２０の回転数が目標回転数Ｎｃとなるようにモータ２１の回転数を制御し、モータ２１の回転数に基づいて、水素循環ブロア１９の回転数が目標回転数Ｎａとなるように磁力発生部２２の磁力を制御する。
【０１２７】
このように、磁力発生部２２の磁力を利用して水素循環ブロア１９の動力を変化させるので、モータ２１の回転数が急激に変化したとしても、水素循環ブロア１９の回転状態に対して急激な変動を与えることを抑制することができる。したがって、空気コンプレッサ２０の変動に伴う水素循環ブロア１９への変動を抑制しつつ、空気コンプレッサ２０と水素循環ブロア１９とを独立して制御することができる。
【０１２８】
また、本実施形態によれば、磁力制御部１２０は、モータ２１の回転数と、水素及び空気により動作する燃料電池スタック１０の内部状態とに基づいて、磁力発生部２２の磁力を増減させる。燃料電池スタック１０の内部状態としては、例えば、液水の滞留状態や、電解質膜の湿潤状態、窒素濃度などが挙げられる。
【０１２９】
磁力制御部１２０は、例えば、スタック温度が低くなるほど、磁力発生部２２の磁力を減少させる。これにより、アノードガス還流流路１５を循環する水素の流量が減少するので、燃料電池スタック１０内の液水の増加を抑制することができる。また、磁力制御部１２０は、電解質膜の湿潤度が目標値よりも低いときには、燃料電池スタック１０内の水蒸気量が増加するように、磁力発生部２２の磁力を増加させる。反対に、磁力制御部１２０は、電解質膜の湿潤度が目標値よりも高いときには、燃料電池スタック１０内の水蒸気量が減少するように、磁力発生部２２の磁力を減少させる。
【０１３０】
このように、燃料電池スタック１０の内部状態に応じて磁力発生部２２の磁力を増減させることにより、フラッディングの発生を抑制することができ、また、電解質膜の湿潤状態を発電に適した状態に維持することができる。したがって、燃料電池スタック１０の発電性能の低下を抑制することができる。
【０１３１】
また、本実施形態によれば、燃料電池スタック１０の発電に必要となる空気を供給する空気コンプレッサ２０をモータ２１と接続すると共に、電解質膜の湿潤状態を操作するための水素循環ブロア１９に磁力発生部２２を介してモータ２１の動力を伝える。これにより、簡易な構成により、負荷装置５からの電力要求に対する発電の応答性を確保しつつ、電解質膜の湿潤状態を適切に維持することができる。
【０１３２】
（第４実施形態）
なお、第３実施形態では水素循環ブロア１９の目標回転数Ｎａの変化に応じて磁力発生部２２の磁力を変化させたが、次の実施形態では燃料電池システム１の運転状態によっては磁力発生部２２の磁力を固定してもよい。そのため、燃料電池システム１の運転状態に応じて磁力発生部２２の磁力を固定する実施形態について次図を参照して説明する。
【０１３３】
図９は、本発明の第４実施形態における磁力線通過量演算部１４０の機能構成の一例を示すブロック図である。
【０１３４】
磁力線通過量演算部１４０は、システム運転状態判断部１４１と、指令値切替器１４２ａ及び１４２ｂと、通常運転通過量演算部１４３と、特定運転通過量演算部１４４とを含む。
【０１３５】
システム運転状態判断部１４１は、燃料電池システム１が通常運転状態か、特定運転状態かの判断を行う。特定運転状態には、暖機運転状態、停止運転状態、及び過渡運転状態が含まれる。
【０１３６】
システム運転状態判断部１４１は、上述のとおり、暖機運転フラグ、及び停止運転フラグのいずれか一方が「１」を示す場合には、燃料電池システム１が特定運転状態であると判断する。また、システム運転状態判断部１４１は、燃料電池システム１が過渡運転状態か否かを示す過渡運転フラグが「１」を示す場合にも、燃料電池システム１が特定運転状態であると判断する。
【０１３７】
過渡運転フラグは、過渡運転が実施される場合に「１」に設定され、過渡運転の実施が停止される場合に「０」に設定される。例えば、過渡運転フラグは、燃料電池システム１を搭載した車両においてアクセルペダルが踏み込まれた場合に「１」に設定され、アクセルペダルが踏み込まれていない場合に「０」に設定される。
【０１３８】
また、燃料電池スタック１０の電力と二次電池の電力との合成電力を負荷装置５に供給する構成においては、二次電池のＳＯＣ（State Of Charge）が放電下限値に達して放電できない状態になった場合に、過渡運転フラグが「１」に設定される。このように、過渡運転フラグは、スタック目標電流の単位時間あたりの増加幅が所定値を超えた場合に「１」に設定され、スタック目標電流の単位時間あたりの増加幅が所定値以下である場合に「０」に設定される。
【０１３９】
システム運転状態判断部１４１は、燃料電池システム１が特定運転状態であると判断した場合には、磁力発生部２２の磁力を固定するための磁力固定信号を指令値切替器１４２ａ及び１４２ｂに出力する。一方、システム運転状態判断部１４１は、燃料電池システム１が特定運転状態以外の通常運転状態であると判断した場合には、磁力発生部２２の磁力を制御するための磁力制御信号を指令値切替器１４２ａ及び１４２ｂに出力する。
【０１４０】
指令値切替器１４２ａ及び１４２ｂは、システム運転状態判断部１４１から磁力制御信号を受信すると、目標水素流量演算部１３０から水素循環ブロア１９の目標回転数Ｎａを通常運転通過量演算部１４３に入力する。これと共に、指令値切替器１４２ａ及び１４２ｂは、通常運転通過量演算部１４３からの磁力線通過量指令値をステッピングモータ３７に出力する。
【０１４１】
一方、指令値切替器１４２ａ及び１４２ｂは、システム運転状態判断部１４１から磁力固定信号を受信すると、目標水素流量演算部１３０からの水素循環ブロア１９の目標回転数Ｎａを特定運転通過量演算部１４４に入力する。これと共に、指令値切替器１４２ａ及び１４２ｂは、特定運転通過量演算部１４４からの磁力線通過量指令値をステッピングモータ３７に出力する。
【０１４２】
通常運転通過量演算部１４３は、図８に示した磁力制御マップを有し、水素循環ブロア１９の目標回転数Ｎａを取得すると、磁力制御マップを参照し、目標回転数Ｎａに関係付けられた磁力線通過量を指令値として出力する。
【０１４３】
特定運転通過量演算部１４４は、水素循環ブロア１９の目標回転数Ｎａに関わらず、磁力線通過量を上限値に固定した磁力固定マップを有する。このため、特定運転通過量演算部１４４は、水素循環ブロア１９の目標回転数Ｎａを取得すると、一定の磁力線通過量指令値を出力する。これにより、図４Ｃに示したように、磁力遮断板２６ａ〜２６ｄが全開状態となり、モータ２１から水素循環ブロア１９に伝達される動力が最大となる。
【０１４４】
このように、燃料電池システム１が暖機運転状態、停止運転状態、及び過渡運転状態のいずれかの運転状態であるときには、磁力線通過量指令値が、予め定められた上限値に設定されるので、アノードガス還流流路１５を循環する水素の循環流量が最大となる。
【０１４５】
これにより、燃料電池システム１が暖機運転状態のときには、燃料電池スタック１０の発電に必要な水素が十分に確保されるので、発電による自己発熱を促進することができる。また、燃料電池システム１が停止運転状態のときには、燃料電池スタック１０に滞留する水蒸気や窒素などの不純物をパージ弁から排出しやすくなるので、不純物の排出量を増加させることができる。さらに、燃料電池システム１が過渡運転状態のときには、燃料電池スタック１０に十分な水素が供給されるので、水素不足による電解質膜の劣化を抑制することができる。
【０１４６】
なお、本実施形態では特定運転通過量演算部１４４の磁力固定マップに設定された磁力線通過量を上限値に設定したが、燃料電池システムの設計等に合わせて、磁力線通過量を上限値よりも小さな値に設定してもよい。また、本実施形態では暖機運転状態、停止運転状態、過渡運転状態の各運転状態において同一の磁力線通過量に設定したが、運転状態ごとに異なる磁力線通過量を設定してもよい。このような場合であっても本実施形態と同様の作用効果を得ることが可能である。
【０１４７】
本発明の第４実施形態によれば、磁力制御部１２０は、燃料電池システム１が特定運転状態であるときには、モータ２１の回転数に関わらず、モータ２１から水素循環ブロア１９への磁力線通過量を固定する。これにより、余計な演算処理を実行することなく、燃料電池スタック１０の発電性能の低下を抑制することができる。
【０１４８】
（第５実施形態）
次に、水素循環ブロア１９が凍結したときのガス供給システム２の動作について説明する。水素循環ブロア１９には、燃料電池スタック１０の発電に伴う生成水が水素と共に流入するため、燃料電池システム１の周囲温度が氷点よりも低下すると、水素循環ブロア１９に付着した生成水が凍結して水素側インペラ３２が動かなくなる可能性がある。この対策について次の実施形態で詳細に説明する。
【０１４９】
図１０は、本発明の第５実施形態における磁力線通過量演算部１４０の機能構成の一例を示すブロック図である。
【０１５０】
磁力線通過量演算部１４０は、図９に示したシステム運転状態判断部１４１及び特定運転通過量演算部１４４に代えて、ブロア凍結状態判断部１５１及び凍結対策通過量演算部１５４を備えている。
【０１５１】
ブロア凍結状態判断部１５１は、水素循環ブロア１９が凍結状態か否かを判断する。
【０１５２】
本実施形態では、ブロア凍結状態判断部１５１は、水素循環ブロア１９の温度であるブロア温度が所定の温度閾値、例えば０℃よりも低い場合には、水素循環ブロア１９が凍結状態であると判断する。
【０１５３】
ブロア温度としては、本実施形態では温度センサ４４からのスタック入口水温が用いられる。あるいは、水素循環ブロア１９のハウジング壁３３に水素循環ブロア１９の内部温度を検出する温度センサを設け、その温度センサからの検出信号を用いてもよい。
【０１５４】
また、ブロア凍結状態判断部１５１は、トルクセンサ２３からモータ２１のトルクを取得し、そのトルクが所定のトルク閾値よりも低い場合には、水素循環ブロア１９が凍結状態であると判断する。あるいは、モータ２１の回転数を検出する回転数センサをモータ２１に設け、ブロア凍結状態判断部１５１は、その回転センサからの検出信号に応じて凍結状態を判断するものであってもよい。
【０１５５】
なお、ブロア凍結状態判断部１５１は、モータ２１のトルクがトルク閾値以下であり、かつ、ブロア温度が温度閾値以下である場合に限り、水素循環ブロア１９が凍結状態であると判断してもよい。
【０１５６】
ブロア凍結状態判断部１５１は、水素循環ブロア１９が凍結状態であると判断した場合には、水素循環ブロア１９の凍結を抑制するための凍結抑制信号を指令値切替器１４２ａ及び１４２ｂに出力する。ブロア凍結状態判断部１５１は、水素循環ブロア１９が凍結状態でないと判断した場合には、磁力制御信号を指令値切替器１４２ａ及び１４２ｂに出力する。
【０１５７】
指令値切替器１４２ａ及び１４２ｂは、ブロア凍結状態判断部１５１から磁力制御信号を受信すると、目標水素流量演算部１３０からの水素循環ブロア１９の目標回転数Ｎａを通常運転通過量演算部１４３に入力する。これと共に、指令値切替器１４２ａ及び１４２ｂは、通常運転通過量演算部１４３からの磁力線通過量指令値をステッピングモータ３７に出力する。
【０１５８】
一方、指令値切替器１４２ａ及び１４２ｂは、ブロア凍結状態判断部１５１から凍結抑制信号を受信すると、目標水素流量演算部１３０からの水素循環ブロア１９の目標回転数Ｎａを凍結対策通過量演算部１５４に入力する。これと共に指令値切替器１４２ａ及び１４２ｂは、凍結対策通過量演算部１５４からの磁力線通過量指令値をステッピングモータ３７に出力する。
【０１５９】
凍結対策通過量演算部１５４は、水素循環ブロア１９での発熱を促進するための凍結対策マップを有する。凍結対策マップでは、磁力線通過量が、図８に示した磁力制御マップの設定値よりも大きな値に設定されている。水素循環ブロア１９が凍結して水素側インペラ３２が回転していない状態では、多極磁気ディスク２５ａから水素側インペラ３２への磁場が乱れて水素側インペラ３２に渦電流が発生する。そのため、磁力制御マップを用いる場合に比べて、磁力発生部２２の磁力を増加させることにより、水素側インペラ３２が発熱しやすくなる。このため、早期に水素循環ブロア１９を解凍することができる。
【０１６０】
さらに、凍結対策マップでは、水素循環ブロア１９の回転数が小さくなるほど、磁力発生部２２の磁力線通過量が小さくなる。これにより、図９に示した特定運転通過量演算部１４４の磁力固定マップを用いる場合に比べて、水素循環ブロア１９が解凍した時に水素側インペラ３２の回転数が急激に増加するのを低減でき、水素循環ブロア１９の振動や異音の発生を抑制することができる。さらに、水素循環ブロア１９の解凍後の水素側インペラ３２の回転数の上昇に伴うフラッディングの発生を抑制することができる。
【０１６１】
凍結対策通過量演算部１５４は、水素循環ブロア１９の目標回転数Ｎａを取得すると、凍結対策マップに関係付けられた磁力線通過量指令値を、指令値切替器１４２ｂを介してステッピングモータ３７に出力する。
【０１６２】
このように、水素循環ブロア１９が凍結状態であるか否かを判断し、水素循環ブロア１９が凍結状態である場合には、磁力発生部２２の磁力線通過量を、上限値よりも低く、かつ、図８に示した磁力制御マップの設定値よりも高くする。これにより、迅速に水素循環ブロア１９を解凍しつつ、解凍直後の水素循環ブロア１９の異音や振動などを抑制することができる。
【０１６３】
図１１は、本実施形態におけるガス供給システム２の制御方法に関する処理手順の一例を示すフローチャートである。この制御方法は、所定の制御周期（例えば数ミリ秒）で実行される。
【０１６４】
ステップＳ９０１において制御装置１００は、燃料電池システム１が暖機運転状態か否かを判断する。本実施形態では、制御装置１００は、暖機運転フラグが「１」を示す場合には、燃料電池システム１が暖機運転状態であると判断し、暖機運転フラグが「０」を示す場合には、燃料電池システム１が暖機運転状態ではないと判断する。
【０１６５】
ステップＳ９０２において制御装置１００は、燃料電池システム１が暖機運転状態ではないと判断した場合には、燃料電池システム１が停止運転状態であるか否かを判断する。本実施形態では、制御装置１００は、停止運転フラグが「１」を示す場合には、燃料電池システム１が停止運転状態であると判断し、停止運転フラグが「０」を示す場合には、燃料電池システム１が停止運転状態ではないと判断する。
【０１６６】
ステップＳ９０３において制御装置１００は、燃料電池システム１が暖機運転状態ではなく、停止運転状態でもない場合には、負荷装置５の要求電力に基づいてスタック目標電流を算出する。
【０１６７】
ステップＳ９０４において制御装置１００の目標空気流量演算部１１０は、算出したスタック目標電流に基づいて、燃料電池スタック１０に供給されるべき目標空気流量を実現するための空気コンプレッサ２０の目標回転数Ｎｃを算出する。
【０１６８】
ステップＳ９０５において制御装置１００は、算出した空気コンプレッサ２０の目標回転数Ｎｃに基づいてモータ２１の回転数を制御する。
【０１６９】
ステップＳ９０６において制御装置１００の目標水素流量演算部１３０は、空気コンプレッサ２０の目標回転数Ｎｃに基づいて、燃料電池スタック１０に供給されるべき目標水素流量を実現するための水素循環ブロア１９の目標回転数Ｎａを算出する。
【０１７０】
ステップＳ９１０において制御装置１００の磁力線通過量演算部１４０は、水素循環ブロア１９の目標回転数Ｎａに基づいて、磁力発生部２２の磁力を制御する磁力制御処理を実行する。磁力制御処理については次図を参照して詳細に説明する。
【０１７１】
また、ステップＳ９０１で燃料電池システム１が暖機運転状態であるとの判断がなされた場合、又はステップＳ９０２で燃料電池システム１が停止運転状態であるとの判断がなされた場合には、制御装置１００は、ステップＳ９０７の処理に進む。
【０１７２】
ステップＳ９０７において制御装置１００は、燃料電池システム１が暖機運転状態、又は停止運転状態であると判断した場合には、空気コンプレッサ２０の目標回転数Ｎｃを、例えば、モータ２１が安定して回転できる範囲の上限値に設定する。
【０１７３】
ステップＳ９０８において制御装置１００は、モータ２１の回転数指令値を上限値に設定すると、磁力遮断板２６ａ〜２６ｄが全開状態となるように磁力発生部２２の磁力線通過量指令値を上限値に設定する。
【０１７４】
そしてステップＳ９０８及びＳ９１０のうちのいずれかの処理が終了すると、ガス供給システム２の制御方法についての一連の処理手順が完了する。
【０１７５】
このように、燃料電池システム１が暖機運転状態、又は停止運転状態であるときには、空気コンプレッサ２０及び水素循環ブロア１９の両者の回転数を所定の上限値に固定することにより、運転時間を短縮することができる。また、負荷装置５の要求電力に基づいて、空気コンプレッサ２０及び水素循環ブロア１９の回転数を独立して制御することができる。
【０１７６】
図１２は、ステップＳ９１０で実行される磁力制御処理に関する処理手順の一例を示すフローチャートである。
【０１７７】
ステップＳ９１１において制御装置１００は、水素循環ブロア１９が凍結状態か否かを判断する。
【０１７８】
ステップＳ９１２において制御装置１００は、水素循環ブロア１９が凍結状態であると判断した場合には、凍結対策マップを参照し、空気コンプレッサ２０の目標回転数Ｎｃに関係付けられた磁力線通過量を算出する。
【０１７９】
ステップＳ９１３において制御装置１００は、算出された磁力線通過量に基づいて、磁力遮断板２６ａ〜２６ｄの開度を制御する。
【０１８０】
ステップＳ９１３において制御装置１００は、ステップＳ９１１で水素循環ブロア１９が凍結状態ではないと判断した場合には、燃料電池システム１が過渡運転状態であるか否かを判断する。本実施形態では、制御装置１００は、過渡運転フラグが「１」を示す場合には、燃料電池システム１が過渡運転状態であると判断し、過渡運転フラグが「０」を示す場合には、燃料電池システム１が過渡運転状態ではないと判断する。
【０１８１】
ステップＳ９１４において制御装置１００は、燃料電池システム１が過渡運転状態であると判断した場合には、磁力線通過量を、磁力遮断板２６ａ〜２６ｄの開度の上限値に設定する。
【０１８２】
ステップＳ９１５において制御装置１００は、水素循環ブロア１９が凍結状態ではなく、かつ、燃料電池システム１が過渡運転状態でもないと判断した場合には、図８に示した磁力制御マップに関係付けられた磁力線通過量を算出する。
【０１８３】
本発明の第５実施形態によれば、図１０に示したブロア凍結状態判断部１５１によって水素循環ブロア１９が凍結状態であるとの判断がなされた場合には、凍結状態でない場合に比べて、磁力発生部２２の磁力を増加させる。これにより、水素側インペラ３２に渦電流が発生して発熱しやすくなるので、早期に水素循環ブロア１９を解凍することができる。
【０１８４】
なお、本実施形態では水素循環ブロア１９が凍結状態である場合に水素循環ブロア１９の目標回転数Ｎａに応じて磁力発生部２２の磁力を増やしたが、図９の磁力固定マップのように目標回転数Ｎａに関わらず、磁力発生部２２の磁力を上限値に固定してもよい。これにより、水素循環ブロア１９の目標回転数Ｎａが低い領域では、本実施形態に比べてより迅速に水素循環ブロア１９を解凍することができる。この場合には、ブロア凍結状態判断部１５１は、水素側インペラ３２の回転数が所定の回転閾値よりも高くなったときに、指令値切替器１４２ａ及び１４２ｂを通常運転通過量演算部１４３に切り替える。回転閾値は、例えば、通常運転通過量演算部１４３の磁力制御マップの設定値、又は設定値よりも小さな値に設定される。これにより、解凍直後の水素循環ブロア１９の急激な変動を抑制することができる。
【０１８５】
（第６実施形態）
上記実施形態では空気コンプレッサ２０をモータ２１に直接接続し、水素循環ブロア１９を、磁力発生部２２を介してモータ２１に接続したが、空気コンプレッサ２０と水素循環ブロア１９とを入れ替えてもよい。そこで、次の実施形態では空気コンプレッサ２０と水素循環ブロア１９とを入れ替えた構成について簡単に説明する。
【０１８６】
図１３は、本発明の第６実施形態における燃料電池システム１ａの概略構成図である。
【０１８７】
燃料電池システム１ａは、図１に示した燃料電池システム１のガス供給システム２及び制御装置１００に代えて、ガス供給システム２ａ及び制御装置２００を備えている。他の構成については燃料電池システム１の構成と同じであるため、同一符号を付して説明を省略する。
【０１８８】
ガス供給システム２ａは、水素循環ブロア１９をモータ２１に直接接続し、空気コンプレッサ２０を、磁力発生部２２を介してモータ２１に接続されている。その他の構成については、他の実施形態の構成と同様である。
【０１８９】
制御装置２００は、燃料電池スタック１０の状態に基づいてモータ２１の回転数を制御すると共に、モータ２１の回転数に基づいて磁力発生部２２の磁力を制御する。
【０１９０】
図１４は、本実施形態における制御装置２００の機能構成の一例を示すブロック図である。
【０１９１】
制御装置２００は、目標水素流量演算部２１０と磁力制御部２２０とを備える。目標水素流量演算部２１０は、図６に示した目標水素流量演算部１３０と同様、基本水素流量演算部２１１と流量補正部２１２とを備える。磁力制御部２２０は、図６に示した磁力制御部１２０に対応し、目標空気流量演算部２３０と磁力線通過量演算部２４０とを備える。
【０１９２】
目標水素流量演算部２１０は、スタック状態信号線２０１から出力される信号に基づいて、水素循環ブロア１９の目標回転数Ｎａを演算する。
【０１９３】
基本水素流量演算部２１１は、スタック温度に基づいて、水素循環ブロア１９の基本回転数を演算する。基本水素流量演算部２１１は、スタック温度が低くなるほど、燃料電池スタック１０内の液水が増加しないように、水素循環ブロア１９の基本回転数を大きくする。
【０１９４】
流量補正部２１２は、図６に示した流量補正部１３２と同様に、膜湿潤度に基づいて、水素循環ブロア１９の基本回転数を補正する。具体的には、流量補正部２１２は、膜湿潤度と相関のある燃料電池スタック１０のＨＦＲを水素循環ブロア１９の基本回転数を乗算することにより、水素循環ブロア１９の目標回転数Ｎａを算出する。これにより、図６で述べたとおり、燃料電池スタック１０の電解質膜の湿潤度が高くなるほど、水素循環ブロア１９の目標回転数Ｎａが小さくなり、電解質膜の湿潤度が低くなるほど、目標回転数Ｎａが大きくなる。
【０１９５】
流量補正部２１２は、算出した水素循環ブロア１９の目標回転数Ｎａを、回転数調整部２５０を介してモータ２１及び目標空気流量演算部２３０に出力する。
【０１９６】
目標空気流量演算部２３０は、スタック目標電流と水素循環ブロア１９の目標回転数Ｎａとに基づいて、空気コンプレッサ２０の目標回転数Ｎｃを演算する。
【０１９７】
本実施形態では、目標空気流量演算部２３０は、図６に示した負荷要求空気流量演算部１１２と同様、スタック目標電流に基づいて、空気コンプレッサ２０の負荷要求回転数を算出する。
【０１９８】
さらに、目標空気流量演算部２３０は、水素循環ブロア１９の目標回転数Ｎａに基づいて、燃料電池スタック１０における電解質膜の湿潤状態を目標とする状態に維持するための湿潤要求回転数を算出する。本実施形態では、目標空気流量演算部２３０は、水素循環ブロア１９の目標回転数Ｎａを取得すると、予め定められた湿潤要求流量マップを参照し、水素循環ブロア１９の目標回転数Ｎａに関係付けられた空気コンプレッサ２０の回転数を湿潤要求回転数として算出する。例えば、目標空気流量演算部２３０は、水素循環ブロア１９の目標回転数が大きくなるほど、電解質膜の湿潤度が低いことになるため、空気コンプレッサ２０の湿潤要求回転数を小さくする。
【０１９９】
目標空気流量演算部２３０は、算出した湿潤要求回転数と、スタック目標電流に基づいて算出された負荷要求回転数とのうち大きい方の値を空気コンプレッサ２０の目標回転数Ｎｃに設定する。このように、目標空気流量演算部２３０は、空気コンプレッサ２０の負荷要求回転数よりも低い値とならない範囲で目標回転数Ｎｃを小さくする。
【０２００】
目標空気流量演算部２３０は、空気コンプレッサ２０の目標回転数Ｎｃが水素循環ブロア１９の目標回転数Ｎａよりも大きい場合には、両者の差分である不足回転数を回転数調整部２５０に出力する。なお、目標空気流量演算部２３０は、両者の差分に対して誤差などを考慮した所定の値を不足回転数に加算しても良い。
【０２０１】
空気コンプレッサ２０の目標回転数Ｎｃが、回転数調整部２５０からの目標回転数Ｎａ以下である場合には、目標空気流量演算部２３０は、空気コンプレッサ２０の目標回転数Ｎｃを磁力線通過量演算部２４０に出力する。
【０２０２】
磁力線通過量演算部２４０は、図６に示した磁力線通過量演算部１４０と同様に、空気コンプレッサ２０の目標回転数Ｎｃに基づいて、磁力発生部２２の磁力線通過量を演算する。磁力線通過量演算部２４０は、空気コンプレッサ２０の目標回転数Ｎｃが大きくなるほど、磁力発生部２２の磁力線通過量は大きくする。磁力線通過量演算部２４０は、演算した磁力線通過量を指令値としてステッピングモータ３７に出力する。
【０２０３】
なお、磁力線通過量演算部２４０は、目標空気流量演算部２３０から水素循環ブロア１９の目標回転数Ｎａに対する空気コンプレッサ２０の目標回転数Ｎｃの比率を取得し、その比率に基づいて磁力線通過量指令値を算出するものであってもよい。
【０２０４】
回転数調整部２５０は、目標空気流量演算部２３０から不足回転数を取得すると、その不足回転数を水素循環ブロア１９の目標回転数Ｎａに加算することにより、新たな目標回転数Ｎａを算出する。回転数調整部２５０は、新たな目標回転数Ｎａを、目標空気流量演算部２３０に出力すると共に、モータ２１の回転指令値としてモータ２１のインバータに出力する。
【０２０５】
本発明の第６実施形態によれば、ガス供給システム２ａは、水素循環ブロア１９が目標回転数Ｎａとなるようにモータ２１の回転数を制御し、モータ２１の回転数に基づいて空気コンプレッサ２０が目標回転数Ｎｃとなるように磁力発生部２２の磁力を制御する。これにより、水素循環ブロア１９をモータ２１に接続させると共に磁力発生部２２を介して空気コンプレッサ２０にモータ２１の動力を伝える構成であっても、簡素な構成で水素循環ブロア１９及び空気コンプレッサ２０を独立して制御することができる。
【０２０６】
（その他の実施形態）
本発明のガス供給システムは、その構成が上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各構成部材の形状、個数、配置、および材質等々を適宜変更することが可能である。
【０２０７】
例えば、上記各実施形態の水素側インペラ３２は導電性の金属材料であったが、非導電性の材料のインペラに永久磁石を埋め込んでもよい。その場合は、回転磁石とインペラとの相互作用が強くなり、定常状態におけるすべりが小さくなり、よりインペラの回転数を上げることができる。更に、材料の選択によってインペラを軽量化することが可能であり、ガス供給システムの効率を上げることもできる。
【０２０８】
また、上記各実施形態では、磁力遮断板２６ａ〜２６ｄと水素側インペラ３２とを、ハウジング壁３３を介してそれぞれ反対側に備えたが、磁力遮断板２６ａ〜２６ｄを水素側インペラ３２と共に水素側ハウジング２８によって構成される水素流路内に収めても良い。その場合、水素側ハウジング２８により磁力遮断板２６ａ〜２６ｄが保護される。
【０２０９】
また、第１から第５実施形態までの各実施形態のガス供給システムにおいて、空気コンプレッサ２０とモータ２１の間又はモータ２１と動力伝達装置（多極磁気ディスク２５ａ、２５ｂ）との間に、ギアや変速機等を介して回転数を変換させてもよい。その場合、例えば水素側インペラ３２の回転数を、空気側インペラ２９の回転数より早い回転数に設定する等、水素循環ブロア１９を制御できる範囲を広げることができる。
【０２１０】
更に、水素循環ブロア１９の回転部品は水素側インペラ３２に限らず、別の回転部品を介して水素側インペラ３２を回転させてもよい。
【０２１１】
なお、ガス供給システムの水素循環ブロア１９や空気コンプレッサ２０は、上記各実施形態で述べたような圧縮方式のものに限らない。すなわち、回転部品の回転を動力源とするものであればよく、ルーツ式、過流式、スクロール式、ターボ式等のブロアを幅広く採用できる。なお、水素循環や空気供給を行う装置はブロアに限らず、圧縮機であっても良い。
【０２１２】
そして、上記各実施形態は酸素含有ガスと水素含有ガスとの組み合わせの場合を示したが、勿論この組み合わせに限らず、任意の第１のガスと第２のガスとを、ガス供給システムで供給することができ、同等の効果を奏する。
【０２１３】
その際、上記各実施形態のように、水素側ハウジング２８は第２のガス供給装置（水素循環ブロア１９）を気密に覆う形態に限らず、モータ２１と第１のガス供給装置（空気コンプレッサ２０）を気密に覆ってもよい。この場合でも、第１のガス（カソードガス）は水素循環ブロア１９に漏出されず、同等の効果を奏する。勿論、モータ２１と第１のガス
供給装置（空気コンプレッサ２０）、及び第２のガス供給装置（水素循環ブロア１９）の両方を覆ってもよい。更に、動力伝達装置（多極磁気ディスク２５ａ、２５ｂ）を、モータ２１及び第１のガス供給装置（空気コンプレッサ２０）と共に気密に覆っても構わない
勿論、実施形態のガス供給システムは燃料電池スタック１０にガスを供給するものに限らず、様々なシステムに適用して、ガスの供給を行うことができる。
【０２１４】
なお、上記各実施形態は、適宜組み合わせ可能である。
【符号の説明】
【０２１５】
１１  燃料電池スタック（動作部）
１２  ガス供給システム
１９  水素循環ブロア（第２のガス供給装置）
２０  空気コンプレッサ（第２のガス供給装置）
２１  モータ
１１  アノード極
１２  カソード極
２２  磁力発生部
２４  回転軸
２４ａ  第１ガス供給駆動軸
２４ｂ  第２ガス供給駆動軸
２５ａ、２５ｂ  多極磁気ディスク（動力伝達装置）
２６、２６ａ〜２６ｄ  磁力遮断板
２７  空気側ハウジング（ハウジング）
２８  水素側ハウジング（ハウジング）
３２  水素側インペラ（駆動部）
３３  ハウジング壁
３６  永久磁石
３７  ステッピングモータ（高透磁率部材制御部）
３８  ウォームギア
３９  リングギア
４０ａ〜４０ｄ  ピニオンギア
５１  電磁石
１００  制御装置（モータ制御部、磁力制御部）
１１０  目標空気流量演算部（モータ制御部）
１２０  磁力制御部
【図１】
2016223427.tif 000003
【図２】
2016223427.tif 000004
【図３】
2016223427.tif 000005
【図４Ａ】
2016223427.tif 000006
【図４Ｂ】
2016223427.tif 000007
【図４Ｃ】
2016223427.tif 000008
【図５】
2016223427.tif 000009
【図６】
2016223427.tif 000010
【図７】
2016223427.tif 000011
【図８】
2016223427.tif 000012
【図９】
2016223427.tif 000013
【図１０】
2016223427.tif 000014
【図１１】
2016223427.tif 000015
【図１２】
2016223427.tif 000016
【図１３】
2016223427.tif 000017
【図１４】
2016223427.tif 000018