(57)【要約】【課題】ターボ形エアコンプレッサを用いて空気を燃料電池に供給する燃料電池システムにおいて、燃料電池に供給する空気流量が少ない場合にターボ形エアコンプレッサの動作が不安定になることを抑制する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池に空気を供給するための空気供給流路と、燃料電池に空気を供給するターボ形エアコンプレッサと、空気供給流路と連通して燃料電池を経由しないで空気を排出するバイパス流路と、バイパス流路を通る空気量を調整するためのバイパス流量調整部と、要求空気流量に応じてバイパス流量調整部を制御する制御部と、を備えている。制御部は、要求空気流量がターボ形エアコンプレッサの予め定められた下限流量よりも少ない場合に、バイパス流路を通る空気流量を利用してターボ形エアコンプレッサの供給空気流量を下限流量以上に維持しつつ燃料電池に供給する空気流量を調整する。【選択図】図１
2009123550.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池に空気を供給するための空気供給流路と、
前記空気供給流路を介して前記燃料電池に空気を供給するターボ形エアコンプレッサと、
前記空気供給流路と連通して前記燃料電池を経由しないで空気を排出するバイパス流路と、
前記バイパス流路に配置され前記バイパス流路を通る空気量を調整するためのバイパス流量調整部と、
前記燃料電池に要求される要求空気流量に応じて、前記バイパス流量調整部を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記要求空気流量が前記ターボ形エアコンプレッサの予め定められた下限流量よりも少ない場合に、前記バイパス流路を通る空気流量を利用して前記ターボ形エアコンプレッサの供給空気流量を前記下限流量以上に維持しつつ、前記燃料電池に供給する空気流量を調整する、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、さらに、
前記燃料電池における空気圧を調整する調圧バルブを備え、
前記制御部は、前記燃料電池に要求される要求空気圧に応じて、前記調圧バルブを制御して前記燃料電池における空気圧を前記要求空気圧に近づける、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記要求空気流量が前記下限流量以上の場合には前記バイパス流路に空気が流れないように前記バイパス流量調整部を制御し、前記要求空気流量が前記下限流量よりも少ない場合には前記バイパス流路に空気を流すように前記バイパス流量調整部を制御する、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に空気を供給する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムとして、酸化剤ガスとしての空気をエアコンプレッサを用いて燃料電池に供給するものがある（下記特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１２３００６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池システムに用いられるエアコンプレッサとして遠心式エアコンプレッサがある。この遠心式エアコンプレッサでは、インペラ（羽根車）と呼ばれる回転体が筐体内部で回転して空気を圧縮する。この遠心式エアコンプレッサを燃料電池システムにおいて酸化剤ガス（空気）を燃料電池に供給するために用いた場合に、燃料電池に供給する空気流量が少ないと遠心式エアコンプレッサの動作が不安定になるという問題があった。
【０００５】
このような遠心式エアコンプレッサの動作不安定の原因としては、例えば、サージングの発生が考えられる。サージングとは、空気流量と空気圧とが周期的に激しく変動（脈動）する現象である。サージングが発生すると、インペラやコンプレッサの筐体（ケース）に強度の衝撃が加わってエアコンプレッサが損傷したり、供給空気流量のコントロールが不可能になったりする。
【０００６】
なお、上述した問題は、遠心式エアコンプレッサに限らず、動翼（ロータ）が回転して圧縮を行う軸流式のコンプレッサにおいても発生し得る。すなわち、ターボ形エアコンプレッサにおいて発生し得る。
【０００７】
本発明は、ターボ形エアコンプレッサを用いて空気を燃料電池に供給する燃料電池システムにおいて、燃料電池に供給する空気流量が少ない場合にターボ形エアコンプレッサの動作が不安定になることを抑制することが可能な技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００９】
［適用例１］燃料電池システムであって、燃料電池と、前記燃料電池に空気を供給するための空気供給流路と、前記空気供給流路を介して前記燃料電池に空気を供給するターボ形エアコンプレッサと、前記空気供給流路と連通して前記燃料電池を経由しないで空気を排出するバイパス流路と、前記バイパス流路に配置され前記バイパス流路を通る空気量を調整するためのバイパス流量調整部と、前記燃料電池に要求される要求空気流量に応じて、前記バイパス流量調整部を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記要求空気流量が前記ターボ形エアコンプレッサの予め定められた下限流量よりも少ない場合に、前記バイパス流路を通る空気流量を利用して前記ターボ形エアコンプレッサの供給空気流量を前記下限流量以上に維持しつつ、前記燃料電池に供給する空気流量を調整する、燃料電池システム。
【００１０】
適用例１の燃料電池システムでは、要求空気量が下限流量よりも少ない場合に、バイパス流路を通る空気流量を利用してターボ形エアコンプレッサの供給空気流量を下限流量以上に維持しつつ燃料電池に供給する空気量を調整するので、燃料電池に供給する空気流量が少ない場合にターボ形エアコンプレッサの動作が不安定になることを抑制することができる。なお、「ターボ形エアコンプレッサ」という語句は、ターボ形の送風機をも含む広い意味を有している。また、「下限流量」とは、ターボ形エアコンプレッサが正常動作可能な空気流量範囲の下限を意味し、例えば、サージングが発生せずに動作可能な下限流量を意味する。
【００１１】
［適用例２］適用例１に記載の燃料電池システムであって、さらに、前記燃料電池における空気圧を調整する調圧バルブを備え、前記制御部は、前記燃料電池に要求される要求空気圧に応じて、前記調圧バルブを制御して前記燃料電池における空気圧を前記要求空気圧に近づける、燃料電池システム。
【００１２】
このようにすることで、燃料電池に要求される空気流量を、要求される空気圧において燃料電池に供給することができる。
【００１３】
［適用例３］適用例１または適用例２に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記要求空気流量が前記下限流量以上の場合には前記バイパス流路に空気が流れないように前記バイパス流量調整部を制御し、前記要求空気流量が前記下限流量よりも少ない場合には前記バイパス流路に空気を流すように前記バイパス流量調整部を制御する、燃料電池システム。
【００１４】
このようにすることで、要求空気量が下限流量以上の場合にはバイパス流路に空気が流れないので、ターボ形エアコンプレッサが送り出す全空気量は、バイパス流路に空気を流す場合に比べて少なくて済み、ターボ形エアコンプレッサの消費電力を低く抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１の実施例：
Ｂ．第２の実施例：
Ｃ．第３の実施例：
Ｄ．第４の実施例：
Ｅ．変形例：
【００１６】
Ａ．第１の実施例：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム１０００は、例えば、電気車両に用いることが可能であり、燃料電池１００と、エアクリーナ３２と、エアコンプレッサ３４と、マフラ３６と、流量計５２と、温度計５４と、２つの圧力計５６，５８と、流量調整バルブ４２と、背圧バルブ４４と、制御ユニット２０と、バイパス流路７０と、２つの空気供給流路６２，６４と、２つの空気排出流路９２，９４と、を備えている。
【００１７】
燃料電池１００は、固体高分子形の燃料電池であり、電解質膜（図示省略）を備えている。図示せざる水素タンクから供給される燃料ガスとしての水素ガスは、燃料ガス流路８２を通ってアノード１００ａに供給されて電気化学反応に用いられる。電気化学反応に用いられなかった水素ガスは、オフガスとして燃料電池１００の外部へと排出される。一方、燃料電池１００のカソード１００ｃには、酸化剤ガスとしての空気が酸化剤ガス流路８０を通って供給される。カソード１００ｃにおいて電気化学反応に用いられなかった空気は、オフガスとして燃料電池１００の外部へと排出される。なお、燃料電池１００として、固体高分子形燃料電池に代えて、リン酸形燃料電池など他の形式の燃料電池を採用することもできる。
【００１８】
エアクリーナ３２は、エアコンプレッサ３４によって吸入される空気から不純物を除去する。エアコンプレッサ３４は、エアクリーナ３２を介して大気から空気を吸入して圧縮し、圧縮空気を燃料電池１００のカソード１００ｃに向けて送り出す。エアコンプレッサ３４は、回転体が筐体内で回転することで空気を圧縮するいわゆるターボ形エアコンプレッサである。エアコンプレッサ３４としては、例えば、インペラが回転して圧縮を行う遠心式のコンプレッサや、動翼（ロータ）が回転して圧縮を行う軸流式のコンプレッサを用いることができる。ここで、回転体（インペラ等）は、図示せざる電動モータによって駆動される。したがって、この電動モータ（図示省略）への印加電圧や電流を調整することで、回転体の回転数を制御してエアコンプレッサ３４出力を制御することができる。なお、電動モータによる駆動に代えてベルト駆動とすることもできる。また、エアコンプレッサに代えて、送風機（ブロア）を採用することもできる。
【００１９】
流量計５２は、空気供給流路６４に配置されており、空気供給流路６４を流れる空気の流量を計測することができる。温度計５４は、空気供給流路６４における温度を測定することができる。圧力計５６は、空気排出流路９２に配置されており、空気排出流路９２における空気圧を測定することができる。圧力計５８は、空気供給流路６２に配置されており、エアコンプレッサ３４の排出側の圧力を測定することができる。
【００２０】
背圧バルブ４４は、空気排出流路９２に配置されており、一次側となるカソード１００ｃ側の空気圧を一定に保つように調整することができる。流量調整バルブ４２は、バイパス流路７０に配置されており、バイパス流路７０を通る空気量を調整することができる。これら流量調整バルブ４２と背圧バルブ４４とは、いずれも電磁バルブである。なお、流量調整バルブ４２は、請求項におけるバイパス流量調整部に相当する。また、背圧バルブ４４は、請求項における調圧バルブに相当する。
【００２１】
制御ユニット２０は、ＣＰＵ２０ａと、ＲＡＭ２０ｃと、ＲＯＭ２０ｄとを備えている。ＣＰＵ２０ａは、ＲＯＭ２０ｄ内に記憶されている制御用プログラム（図示省略）を実行することによって、制御部２０ｂとして機能する。ＲＯＭ２０ｄには、サージング特性マップ２０ｅと、エアコンプレッサ動作マップ２０ｆと、流量調整バルブ動作マップ２０ｇとが予め記憶されている。なお、これらの動作マップ２０ｅ，２０ｆ，２０ｇについては後述する。制御ユニット２０は、流量調整バルブ４２とケーブルによって接続されている。同様に、制御ユニット２０は、背圧バルブ４４と、流量計５２と、温度計５４と、圧力計５６と、圧力計５８とに対してそれぞれケーブルで接続されている。したがって、制御部２０ｂは、流量計５２や温度計５４や圧力計５６や圧力計５８における測定値を取得することができ、また、流量調整バルブ４２や背圧バルブ４４を制御することができる。
【００２２】
バイパス流路７０は、一端が空気供給流路６２と連通し他端が空気排出流路９４と連通している。すなわち、バイパス流路７０は、燃料電池１００を経由しない空気の流路を形成している。したがって、エアコンプレッサ３４から送出された空気は、流量調整バルブ４２の開度に応じて一部がバイパス流路７０に流入して、燃料電池１００を経由せずに空気排出流路９４から大気へと排出される。なお、流量調整バルブ４２が閉じられている場合には、エアコンプレッサ３４から送出された空気は全て燃料電池１００に供給される。
【００２３】
図２は、図１に示すエアコンプレッサ３４の動作特性を示す説明図である。図２において、横軸はエアコンプレッサ３４から送出される空気流量を示し、縦軸はエアコンプレッサ３４の排出側圧力を示す。また、エアコンプレッサ３４の動作ラインの例として、動作ラインＬａ，Ｌｂ，Ｌｃ，Ｌｄ，Ｌｅを記載している。エアコンプレッサ３４では、回転体（インペラ等）の回転数を一定にして背圧を変化させると、その回転数に応じた動作ライン（例えば、動作ラインＬａ，Ｌｂ，Ｌｃ）に沿って動作点が移動する。ここで、３つの動作ラインＬａ，Ｌｂ，Ｌｃは、この順番に回転数が低くなっている。例えば、背圧を徐々に下げていくと、動作点は、動作ラインＬａ，Ｌｂ，Ｌｃを左上から右下へと移動する。一方、背圧を徐々に上昇させると、動作ラインＬａ，Ｌｂ，Ｌｃを右下から左上へと移動する。
【００２４】
また、エアコンプレッサ３４では、背圧を一定にして回転体の回転数を変化させると、その背圧に応じた動作ライン（例えば、動作ラインＬｄ，Ｌｅ）に沿って動作点が移動する。ここで、２つの動作ラインＬｄ，Ｌｅは、この順番に背圧が低くなっている。そして、回転体の回転数を徐々に下げていくと、動作点は、動作ラインＬｄ，Ｌｅを右上から左下へと移動していく。なお、このようなエアコンプレッサ動作特性は、図１に示す燃料電池システム１０００において実験により求めることができる。
【００２５】
ここで、エアコンプレッサ３４は、ターボ形エアコンプレッサであるため、この形式のエアコンプレッサの特徴として空気流量が比較的少ない場合においてサージングが発生し得る。サージングとは、空気流量と空気圧とが周期的に激しく変動（脈動）する現象である。
【００２６】
図３は、図１に示すエアコンプレッサ３４におけるサージングの発生特性を示す説明図である。図３において、横軸はエアコンプレッサ３４における空気流量であり、縦軸はエアコンプレッサ３４の排出側の空気圧である。図３では、サージングが起こらない限界の条件をサージング限界ラインＬ１として示している。そして、このサージング限界ラインＬ１よりも左側は、サージングが発生する領域（以下、「サージング域」と呼ぶ）であり、サージング限界ラインＬ１を含んで右側は、サージングが発生しない領域（以下、「通常域」と呼ぶ）である。
【００２７】
エアコンプレッサ３４においては、同じ空気圧では、比較的流量が少ない場合にサージングが発生し、同じ流量では、比較的空気圧が高い場合にサージングが発生する傾向を有する。サージング限界ラインＬ１は、実験により求めることができる。具体的には、例えば、燃料電池システム１０００（図１）において、流量調整バルブ４２を閉じたままの状態で、エアコンプレッサ３４の出力（空気流量）を段階的に下げていきサージングが発生しないぎりぎりの流量（下限流量）を見つける。そして、この作業をエアコンプレッサ３４の排出側圧力を変えて行うことで、図２に示すようなサージング限界ラインＬ１を求めることができる。なお、流量調整バルブ４２が開いた状態であっても、サージング限界ラインＬ１はほぼ同じラインとなる。そして、燃料電池システム１０００では、ＲＯＭ２０ｄ（図１）内にサージング特性マップ２０ｅとしてこのサージング特性（サージング限界ラインＬ１）が記憶されている。
【００２８】
燃料電池１００の要求する空気流量及び空気圧とで定められる要求動作点がサージング域に含まれる場合、その要求動作点となるようにエアコンプレッサ３４等を制御すると、サージングが発生してしまう。サージングが発生するとインペラ等の回転体やエアコンプレッサ３４の筐体に極度の衝撃を与えて損傷させるおそれがある。また、ターボ形エアコンプレッサでは回転体の回転速度によって空気流量を調整することができるが、サージングが発生すると、空気の流れが不安定となって空気流量の調整が困難となる。そこで、燃料電池システム１０００では、バイパス流路７０を通る空気の流量を調整してサージングの発生を抑制するようにしている。なお、要求動作点が通常域内である場合には、流量調整バルブ４２は閉じておりバイパス流路７０には空気は流れていない。
【００２９】
具体的には、現在の動作点が通常域内の動作点Ａ（図３）である場合に、燃料電池１００の要求する動作点がサージング域内の動作点Ｂであるものとする。この動作点Ｂは、現在の動作点Ａの空気流量Ｑ０よりも少ない空気流量Ｑ１であり、かつ、動作点Ａの空気圧Ｐ０よりも低い空気圧Ｐ１である。なお、このような動作点Ｂを要求する場合としては、例えば、燃料電池システム１０００が電気車両に搭載されており、ユーザが電気車両を減速させるためにアクセルから足を離した場合などが考えられる。制御部２０ｂは、要求動作点が、サージング域に含まれているか否かをサージング特性マップ２０ｅ（図１，３）に基づいて判断する。
【００３０】
そして、要求動作点がサージング域に含まれていると判断した場合、制御部２０ｂは、目標動作点を要求動作点である動作点Ｂではなく動作点Ｃに設定する。この動作点Ｃは、空気圧は動作点Ｂと同じＰ１であるが、空気流量は動作点Ｂの空気流量Ｑ１よりも多いＱ２であり、通常域に含まれている。そして、制御部２０ｂは、この目標動作点である動作点Ｃに向かって、エアコンプレッサ３４と、流量調整バルブ４２と、背圧バルブ４４とを制御する。
【００３１】
具体的な制御動作としては、制御部２０ｂは、まず、回転体の回転数はそのままで背圧バルブ４４を制御して空気圧を上昇させる（ステップ［１］）。この場合、上述した動作特性（図２）の通り動作点は左上に移動する。このとき、回転体の回転数はそのままで空気圧が上昇するので、空気は流れにくくなって空気流量は減少する。そして、空気圧が所定の圧力まで上昇すると、次に、制御部２０ｂは、背圧を一定に保ったまま、エアコンプレッサ動作マップ２０ｆ（図１）に基づいて、エアコンプレッサ３４を制御して回転体の回転数を低下させ、空気流量をＱ２となるように調整する（ステップ［２］）。
【００３２】
図４は、図１に示すエアコンプレッサ動作マップ２０ｆを模式的に示す説明図である。図４において、横軸は燃料電池１００への要求空気圧を示し、縦軸はエアコンプレッサ３４の目標空気流量を示す。なお、図３に示すサージング限界ラインＬ１を参考に示している。エアコンプレッサ動作マップ２０ｆでは、要求空気圧に応じた目標空気流量（目標空気流量ラインＬ２）が予め定められている。ここで、目標空気流量ラインＬ２は、サージング限界ラインＬ１よりも若干上側に位置している。すなわち、各要求空気圧において、目標空気流量は、サージングが発生しない下限流量よりも若干多くなるように設定されている。したがって、制御部２０ｂは、この目標空気流量ラインＬ２に基づき、要求空気圧が前述のＰ１である場合に、目標空気流量としてＱ１よりも若干多いＱ２を得ることができ、空気流量をＱ２となるようにエアコンプレッサ３４を制御することができる。
【００３３】
そして、制御部２０ｂは、エアコンプレッサ３４が動作点Ｃ（図３）で動作すると、流量調整バルブ４２を制御して、要求動作点Ｂと要求動作点Ｃとの空気流量の差分に相当する流量Ｑ３（Ｑ２−Ｑ１）の空気をバイパス流路７０に流入するように調整する。このとき、制御部２０ｂは、流量調整バルブ動作マップ２０ｇ（図１）に基づいて流量調整バルブ４２の開度を制御する。
【００３４】
図５は、図１に示す流量調整バルブ動作マップ２０ｇを模式的に示す説明図である。図５において、横軸は要求空気流量を示し、縦軸は流量調整バルブ４２の開度を示す。流量調整バルブ動作マップ２０ｇでは、要求空気圧ごとに、要求空気流量に応じた流量調整バルブ４２の開度が予め定められている。例えば、前述のように要求空気圧がＰ１であり要求空気流量がＱ１である場合、流量調整バルブ４２の開度はＲ１となっている。なお、この開度Ｒ１は、燃料電池システム１０００においてカソード側空気圧がＰ１である場合にバイパス流路７０を通る空気流量がＱ３となるように予め実験によって定められている。したがって、制御部２０ｂが流量調整バルブ４２の開度をＲ１となるように制御することで、バイパス流路７０に流れる空気流量はＱ３となり、空気供給流路６４を介してカソード１００ｃに流れ込む空気流量はＱ１（Ｑ２−Ｑ３）となる。そうすると、燃料電池１００に対して要求空気圧Ｐ１で要求空気流量Ｑ１の空気を供給することができる。また、このとき、エアコンプレッサ３４では、通常域内の動作点Ｃで動作するので、サージングの発生を回避することができる。
【００３５】
以上説明したように、燃料電池システム１０００では、燃料電池１００の要求空気流量が下限流量よりも少ない場合に、下限流量よりも若干多い流量を目標空気流量としてエアコンプレッサ３４を制御すると共に、要求空気流量と目標空気流量との差分に相当する流量Ｑ３の空気をバイパス流路７０を介して排出するので、エアコンプレッサ３４におけるサージングの発生を抑制することができ、燃料電池１００に安定して空気を供給することができる。また、要求空気圧となるように背圧バルブ４４やエアコンプレッサ３４を制御するので、燃料電池１００の要求する要求空気圧を実現することができる。また、目標空気流量として下限流量よりも若干多い程度の流量を設定するので、下限流量よりも十分多い流量を目標空気流量に設定する場合に比べて、エアコンプレッサ３４における消費電力を低く抑えることができる。
【００３６】
Ｂ．第２の実施例：
図６は、第２の実施例におけるエアコンプレッサ３４の動作点の変化を示す説明図である。第２の実施例における燃料電池システムは、要求動作点がサージング域内である場合の目標動作点が動作点Ｄとなる点において、燃料電池システム１０００（図１）と異なり、他の構成は、第１の実施例と同じである。
【００３７】
具体的には、第２の実施例における目標動作点Ｄは、空気圧は要求動作点Ｂにおける要求空気圧Ｐ１と同じであり、空気流量は、要求流量Ｑ１よりも多いＱ４である。ここで、流量Ｑ４は、第１の実施例における目標動作点であった動作点Ｃの空気流量Ｑ２よりも多い。すなわち、第１の実施例における動作点Ｃは、サージング限界ラインＬ１に比較的近い領域に設定されていたが、動作点Ｄは、サージング限界ラインＬ１から比較的遠い領域に設定されている。この場合、制御部２０ｂは、第１の実施例とは異なり、ステップ［１］において回転体の回転数はそのままで背圧バルブ４４を制御して空気圧を低下させる。そうすると、動作点は右下に移動することとなる。このとき、回転体の回転数はそのままで空気圧が低下するので、空気は流れ易くなって空気流量は上昇する。そして、空気圧が所定の圧力まで低下すると、制御部２０ｂは、第１の実施例と同様にステップ［２］を実行する。このとき、制御部２０ｂは、空気流量がＱ４となるように調整する。なお、ステップ［１］において空気圧を上昇させるか低下させるかは、現在の動作点と目標動作点と動作ライン（図２）とを考慮して制御部２０ｂが決定することができる。
【００３８】
このような構成を有する第２の実施例の燃料電池システムは、要求空気流量Ｑ１と動作点Ｄにおける空気流量Ｑ４との差分Ｑ５をバイパス流路７０を介して排出することで、第１の実施例における燃料電池システム１０００と同じ効果を奏する。
【００３９】
Ｃ．第３の実施例：
図７は、第３の実施例におけるエアコンプレッサ３４の動作点の変化を示す説明図である。第３の実施例における燃料電池システムは、要求動作点がサージング域内である場合に、エアコンプレッサ３４における空気流量を調整しない点において、燃料電池システム１０００（図１）と異なり、他の構成は、第１の実施例と同じである。
【００４０】
具体的には、現在の動作点が動作点Ａであり要求動作点がサージング域内の動作点Ｂである場合に、制御部２０ｂは、背圧バルブ４４を制御して空気圧をＰ１となるように調整する（ステップ［１］）。このとき、空気圧がＰ０からＰ１に低下するので、空気は流れ易くなって空気流量は増加してＱ６（＞Ｑ０）となり、動作点Ａから動作点Ｅに移行する。そして、制御部２０ｂは、エアコンプレッサ３４における空気流量を調整せずに（ステップ［２］を実行せずに）、流量調整バルブ４２を制御して開度を調整する。このとき、バイパス流路７０を通る空気量が、要求空気流量Ｑ１と動作点Ｅにおける流量Ｑ６との差分流量Ｑ７となるように、流量調整バルブ４２を開くようにする。なお、このような要求空気流量と流量調整バルブ４２の開度との関係は予め実験により求めておき、流量調整バルブ動作マップ２０ｇとしてＲＯＭ２０ｄに記憶しておく。
【００４１】
このような構成を有する第３の実施例の燃料電池システムは、要求空気流量Ｑ１と動作点Ｅにおける空気流量Ｑ６との差分Ｑ７をバイパス流路７０を介して排出するので、第１の実施例における燃料電池システム１０００と同じ効果を奏する。
【００４２】
Ｄ．第４の実施例：
図８は、第４の実施例におけるエアコンプレッサ３４の動作点の変化を示す説明図である。第４の実施例における燃料電池システムは、現在の動作点が動作点Ｆ（空気圧Ｐ２，空気流量Ｑ１０）である点と、要求動作点がサージング域内である場合に背圧を調整しない点とにおいて燃料電池システム１０００（図１）と異なり、他の構成は第１の実施例と同じである。
【００４３】
具体的には、現在の動作点が通常域内の動作点Ｆ（空気圧Ｐ２，空気流量Ｑ１０）であり要求動作点がサージング域内の動作点Ｂである場合に、制御部２０ｂは、背圧バルブ４４を制御せずに、エアコンプレッサ３４を制御して空気流量がＱ８となるように調整し、動作点Ｆから動作点Ｇに移行させる（ステップ［２］）。そして、制御部２０ｂは、流量調整バルブ４２を制御して、バイパス流路７０を通る空気量が要求空気流量Ｑ１とＱ８との差分流量Ｑ９となるように流量調整バルブ４２を開くようにする。このようにすることで、燃料電池１００に対して要求流量Ｑ１の空気を供給することができると共に、エアコンプレッサ３４におけるサージングの発生を抑制することができる。
【００４４】
Ｅ．第５の実施例：
図９は、第５の実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム１０００ａは、バイパス流路７０の一端が空気排出流路９４と連通していない点において、燃料電池システム１０００（図１）と異なり、他の構成は第１の実施例と同じである。
【００４５】
具体的には、バイパス流路７０において流量調整バルブ４２の下流側は、空気排出流路９４と連通していない。しがって、エアコンプレッサ３４からバイパス流路７０に流入した空気は、空気排出流路９４及びマフラ３６を介さずに大気へと放出される。このような構成を有する燃料電池システム１０００ａは、第１の実施例における燃料電池システム１０００と同じ効果を奏する。
【００４６】
Ｆ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００４７】
Ｆ１．変形例１：
上述した各実施例では、流量調整バルブ４２は、要求動作点がサージング域内である場合に開き、要求動作点が通常域の場合には閉じているものとしたが、これに代えて、要求動作点が通常域であっても所定の開度で開くようにすることができる。この構成では、現在の動作点が通常域内にあり要求動作点をサージング域内に移行しようとする場合に、流量調整バルブ４２の開度をより大きくして流量調整バルブ動作マップ２０ｇに基づき定められる開度となるように制御することで、サージングの発生を抑制することができる。以上の実施例及び変形例からも理解できるように、要求動作点がサージング域内である場合に、流量調整バルブ４２を制御してバイパス流路７０を通る空気流量を増加させることによって、エアコンプレッサ３４の供給空気流量を下限流量よりも少なくせずに、燃料電池１００のカソード１００ｃ側に供給する空気流量を調整する任意の構成を、本発明の燃料電池システムに適用することができる。
【００４８】
Ｆ２．変形例２：
上述した第１の実施例では、現在の動作点Ａ（図３）から動作点Ｃに移行するのに、まず背圧バルブ４４を制御して所定の空気圧となるように調整し（ステップ［１］）、次に、エアコンプレッサ３４を制御して空気流量をＱ２となるように調整する（ステップ［２］）ものであったが、これに代えて、これらステップ［１］，［２］を同時に実行することもできる。また、これらステップ［１］，［２］の実行する順番を入れ替えて、ステップ［２］の次にステップ［１］を実行することもできる。
【００４９】
Ｆ３．変形例３：
上述した実施例において、燃料電池１００への空気の供給が不安定になる原因はサージングの発生であったが、他の任意の理由によって低流量での空気の供給が不安定となり得る場合に、本発明の燃料電池システムを適用することで、空気の安定供給を可能とすることができる。この場合、動作点がサージング域であるか否かを判定するのではなく、要求空気流量が、要求空気圧において安定的にエアコンプレッサ３４が動作可能な下限流量よりも少ないか否かを判定するようにすることができる。なお、この下限流量は、上述した各実施例と同様に、予め実験によって求めてマップとしてＲＯＭ２０ｄに記憶しておくことができる。
【００５０】
Ｆ４．変形例４：
上述した各実施例において、２つの圧力計５６，５８は、空気排出流路９２又は空気供給流路６２に配置されているものとしたが、これらの位置に代えて酸化剤ガス流路８０に配置するようにしてもよい。この場合、サージング特性として、この酸化剤ガス流路８０における空気圧とエアコンプレッサ３４における空気流量との関係を予め実験により求めておき、サージング特性マップ２０ｅとしてＲＯＭ２０ｄに記憶しておくこともできる。なお、圧力計５６を空気供給流路６４に配置することもできる。また、圧力計の数は２つに限らず任意の数とすることもできる。同様に、流量計５２の配置位置も空気供給流路６４に限らず、酸化剤ガス流路８０や空気排出流路９２や空気供給流路６２等の他の箇所に配置することもできる。また、流量計５２の個数も１つに限らず任意の数とすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図。
【図２】図１に示すエアコンプレッサ３４の動作特性を示す説明図。
【図３】図１に示すエアコンプレッサ３４におけるサージングの発生特性を示す説明図。
【図４】図１に示すエアコンプレッサ動作マップ２０ｆを模式的に示す説明図。
【図５】図１に示す流量調整バルブ動作マップ２０ｇを模式的に示す説明図。
【図６】第２の実施例におけるエアコンプレッサ３４の動作点の変化を示す説明図。
【図７】第３の実施例におけるエアコンプレッサ３４の動作点の変化を示す説明図。
【図８】第４の実施例におけるエアコンプレッサ３４の動作点の変化を示す説明図。
【図９】第５の実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図。
【符号の説明】
【００５２】
２０...制御ユニット
２０ａ...ＣＰＵ
２０ｂ...制御部
２０ｃ...ＲＡＭ
２０ｄ...ＲＯＭ
２０ｅ...サージング特性マップ
２０ｆ...エアコンプレッサ動作マップ
２０ｇ...流量調整バルブ動作マップ
３２...エアクリーナ
３４...エアコンプレッサ
３６...マフラ
４２...流量調整バルブ
４４...背圧バルブ
５２...流量計
５４...温度計
５６，５８...圧力計
６２...空気供給流路
６４...空気供給流路
７０...バイパス流路
８０...酸化剤ガス流路
８２...燃料ガス流路
９２...空気排出流路
９４...空気排出流路
１００...燃料電池
１００ａ...アノード
１００ｃ...カソード
１０００，１０００ａ...燃料電池システム
Ａ〜Ｆ...動作点
Ｑ０〜Ｑ１０...空気流量
Ｐ０〜Ｐ２...空気圧
Ｌ１...サージング限界ライン
Ｌ２...目標空気流量ライン
Ｒ１...開度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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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