CN106575782B - 燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

燃料电池系统具备：压缩机，其向燃料电池供给正极气体；以及驱动装置，其至少具备驱动马达和以驱动马达以外为动力源的驱动体这两方来驱动压缩机，其中，将燃料电池系统所具有的能量源用作驱动体的动力源。

Description

燃料电池系统

技术领域

本发明涉及一种燃料电池系统。

背景技术

在JP2005-259439A中公开了以下内容：利用从高压罐向燃料电池供给的负极气体(氢气)来驱动压缩机，通过该压缩机向燃料电池供给正极气体(空气)。

另外，虽然与通过压缩机向燃料电池供给正极气体没有直接关联，但是在JP2003-31244A中公开了一种燃料电池系统中的负极排气循环装置。负极排气循环装置具备：压缩机，其使从燃料电池排出的负极排气回流到负极供给通路；以及涡轮，其被从燃料电池排出的正极排气所驱动，使该压缩机进行旋转。

发明内容

当如JP2005-259439A中公开的燃料电池系统那样构成为仅利用从高压罐向燃料电池供给的负极气体来驱动压缩机时，在不向燃料电池供给负极气体的情况下，无法驱动压缩机，从而无法向燃料电池供给正极气体。另一方面，当构成为仅利用电动马达来驱动压缩机时，为了驱动压缩机而对电动马达要求的动力性能变高，从而招致电动马达的大型化。

本发明的目的在于提供一种能够使压缩机驱动用的驱动马达小型化的燃料电池系统。

用于解决问题的方案

根据本发明的某个方式，提供一种具备被供给负极气体和正极气体的燃料电池的燃料电池系统。燃料电池系统具备：压缩机，其向燃料电池供给正极气体；以及驱动装置，其至少具备驱动马达和以驱动马达以外为动力源的驱动体这两方来驱动所述压缩机，其中，使用燃料电池系统所具有的能量源来作为驱动体的动力源。

附图说明

图1是本发明的第一实施方式的具备正极气体供给装置的燃料电池系统的概要结构图。

图2A是表示离合器接合状态的正极气体供给装置的截面图。

图2B是表示离合器分离状态的正极气体供给装置的截面图。

图3是说明本发明的第一实施方式的正极气体供给装置的控制的流程图。

图4是说明目标压缩机吸入流量的计算方法的流程图。

图5是基于作为工作流体的负极气体的压力来计算涡轮的可输出转矩的表。

图6是本发明的第二实施方式的正极气体供给装置的截面图。

图7是第一实施方式或第二实施方式的具备正极气体供给装置的燃料电池系统的其它变形例。

图8是第一实施方式或第二实施方式的具备正极气体供给装置的燃料电池系统的一个变形例。

图9是基于作为工作流体的负极气体的压力和温度来计算涡轮的可输出转矩的图表。

具体实施方式

下面，参照附图等来说明本发明的实施方式。

<第一实施方式>

参照图1来说明本发明的第一实施方式的车辆用的燃料电池系统100。

燃料电池系统100具备燃料电池堆110、正极气体供排装置120、负极气体供排装置130以及控制器140。

燃料电池堆110是层叠多个燃料电池而成的层叠电池。燃料电池堆110接受负极气体和正极气体的供给，发出车辆行驶所需的电力。该发电电力被在运转燃料电池系统时使用的各种辅机、车轮驱动用马达所使用。

正极气体供排装置120向燃料电池堆110供给正极气体，并且将从燃料电池堆110排出的正极排气排出到外部。正极气体供排装置120具备正极气体供给通路121、正极气体排出通路122、气体过滤器123、正极气体供给装置1、正极气体冷却器124、水分回收装置(Water Recovery Device；以下称为“WRD”。)125、正极压力调节阀126、旁路通路127、旁路阀128、正极压力传感器141、第一气流传感器142以及第二气流传感器143。

正极气体供给通路121是流通向燃料电池堆110供给的正极气体的通路。正极气体供给通路121的一端连接于气体过滤器123，另一端连接于燃料电池堆110的正极气体入口部。

正极气体排出通路122是流通从燃料电池堆110排出的正极排气的通路。正极气体排出通路122的一端连接于燃料电池堆110的正极气体出口部，另一端形成为开口端。正极排气是包含正极气体、通过电极反应而产生的水蒸气等的混合气体。

气体过滤器123设置于正极气体供给通路121的前端。气体过滤器123将取入到正极气体供给通路121的空气(正极气体)中含有的尘、埃等去除。

正极气体供给装置1设置于比气体过滤器123更靠下游侧的正极气体供给通路121。正极气体供给装置1向燃料电池堆110供给已通过气体过滤器123去除了异物的正极气体。参照图2A和图2B来说明正极气体供给装置1的详情。

如图2A所示，正极气体供给装置1具备加压输送正极气体的压缩机10以及驱动压缩机10的驱动装置11。驱动装置11具备作为驱动压缩机10的第一驱动源的电动马达20、作为驱动压缩机10的第二驱动源的涡轮30以及设置于电动马达20与涡轮30之间的离合器40。而且，在本实施方式中，使用用于向燃料电池堆110供给负极气体的高压罐131，来作为对涡轮30供给用于驱动涡轮30的工作流体的工作流体供给装置50，使用从高压罐131供给的负极气体来作为工作流体。即，将负极气体用作涡轮30的动力源。这样，驱动装置11至少包括电动马达20和以电动马达20以外为动力源的涡轮30这两个压缩机驱动源，通过这些压缩机驱动源来驱动压缩机10。

压缩机10设置于正极气体供给通路121内。压缩机10配置于气体过滤器123与正极气体冷却器124之间。压缩机10构成为通过被驱动旋转来向燃料电池堆110供给正极气体。通过电动马达20和涡轮30的一方或双方的动力来驱动压缩机10。

电动马达20配置于正极气体供给通路121与负极气体供给通路132之间。电动马达20具备马达机壳21、固定于马达机壳21的内周面的定子22、以能够旋转的方式配置于定子22的内侧的转子23以及设置于转子23的输出旋转轴24。

电动马达20具有从外部电源等接受电力的供给来驱动旋转的作为电动机的功能以及通过被外力驱动旋转来进行发电的作为发电机的功能。

电动马达20的输出旋转轴24的一端连接于压缩机10，输出旋转轴24的另一端经由离合器40而与涡轮30连接。

涡轮30设置于负极气体供给通路132内。涡轮30配置于高压罐131与负极压力调节阀133之间。涡轮30构成为被从高压罐131向燃料电池堆110供给的负极气体(工作流体)驱动旋转。即，涡轮30将负极气体所具有的能量转换为驱动力。在本实施方式中，将用于向燃料电池堆110供给负极气体的高压罐131用作向涡轮30供给工作流体的工作流体供给装置50。涡轮30的旋转驱动力经由离合器40和电动马达20的输出旋转轴24被传递到压缩机10。

压缩机10、电动马达20以及涡轮30被配置成压缩机10的旋转中心轴、电动马达20的输出旋转轴24以及涡轮30的旋转中心轴为相同的轴。通过像这样配置，能够使正极气体供给装置1为小型的结构。

离合器40是对电动马达20的输出旋转轴24与涡轮30的连接状态进行切换的动力传递装置。在如图2A所示那样离合器40连接的状态(也包括半离合的状态)下，电动马达20的输出旋转轴24与涡轮30被连接。在如图2B所示那样离合器40分离的状态下，电动马达20的输出旋转轴24与涡轮30的连接被切断。

在正极气体供给装置1中，关于压缩机10的驱动，电动马达20和涡轮30各自作为独立的驱动源而发挥功能。

即，在图2A所示的离合器连接状态下，能够仅通过受负极气体的供给驱动而进行旋转的涡轮30的旋转驱动力来驱动压缩机10，从而向燃料电池堆110供给正极气体。另外，在图2A所示的离合器连接状态下，也能够通过利用电力驱动进行旋转的电动马达20的旋转驱动力以及受负极气体的供给驱动而进行旋转的涡轮30的旋转驱动力来驱动压缩机10，从而向燃料电池堆110供给正极气体。

另一方面，在图2B所示的离合器分离状态下，能够仅通过利用电力驱动进行旋转的电动马达20的旋转驱动力来驱动压缩机10，从而向燃料电池堆110供给正极气体。在像这样仅通过电动马达20的旋转驱动力来驱动压缩机10时，通过切断与涡轮30的连接来防止涡轮30成为电动马达20的负荷。由此，能够防止涡轮30成为负荷而电动马达20的响应性降低。

返回到图1，正极气体冷却器124设置于比正极气体供给装置1更靠下游的正极气体供给通路121。正极气体冷却器124对从正极气体供给装置1喷出的正极气体进行冷却。

WRD 125设置于比正极气体冷却器124更靠下游的正极气体供给通路121。WRD 125被设置成横跨正极气体供给通路121的下游部和正极气体排出通路122的上游部。WRD 125回收在正极气体排出通路122中流动的正极排气中的水分，利用所回收的该水分来加湿在正极气体供给通路121中流动的正极气体。

正极压力调节阀126设置于比WRD 125更靠下游的正极气体排出通路122。正极压力调节阀126由控制器140来控制开闭，对向燃料电池堆110供给的正极气体的压力进行调整。

旁路通路127是构成为使从正极气体供给装置1供给的正极气体的一部分不经由燃料电池堆110而直接排出到正极气体排出通路122的通路。旁路通路127的一端连接于正极气体供给装置1与正极气体冷却器124之间的正极气体供给通路121，另一端连接于比正极压力调节阀126更靠下游的正极气体排出通路122。

旁路阀128设置于旁路通路127。旁路阀128由控制器140来控制开闭，对通过旁路通路127的正极气体的流量(旁路流量)进行调整。

正极压力传感器141设置于正极气体冷却器124与WRD 125之间的正极气体供给通路121。正极压力传感器141检测向燃料电池堆110供给的正极气体的压力。

第一气流传感器142设置于比压缩机10更靠上游的正极气体供给通路121。第一气流传感器142检测吸入到压缩机10的正极气体的流量(以下称为“压缩机吸入流量”。)。下面，将该第一气流传感器142的检测值称为“检测压缩机吸入流量”。

第二气流传感器143设置于正极气体冷却器124与WRD 125之间的正极气体供给通路121。第二气流传感器143检测从压缩机10喷出的正极气体中的向燃料电池堆110供给的正极气体的流量(以下称为“堆供给流量”。)。堆供给流量是压缩机供给流量减去旁路流量而得到的流量。下面，将该第二气流传感器143的检测值称为“检测堆供给流量”。

接着，说明负极气体供排装置130。负极气体供排装置130向燃料电池堆110供给负极气体，并且将从燃料电池堆110排出的负极排气排出到正极气体排出通路122。负极气体供排装置130具备高压罐131、负极气体供给通路132、负极压力调节阀133、负极气体排出通路135、缓冲罐136、放气阀137以及负极压力传感器144。

高压罐131是将要向燃料电池堆110供给的负极气体(氢气)保持为高压状态来贮存的气体贮存容器。在本实施方式中，该高压罐131还作为用于向涡轮30供给工作流体的工作流体供给装置50而发挥作用。

负极气体供给通路132是将从高压罐131排出的负极气体供给到燃料电池堆110的通路。负极气体供给通路132的一端连接于高压罐131，另一端连接于燃料电池堆110的负极气体入口部。在高压罐131与正极气体供给装置1的涡轮30之间的负极气体供给通路132上设置有对向涡轮30供给的作为工作流体的负极气体的压力进行检测的工作流体用压力传感器132A。

负极压力调节阀133设置于比正极气体供给装置1的涡轮30更靠下游的负极气体供给通路132。负极压力调节阀133由控制器140来控制开闭，对向燃料电池堆110供给的负极气体的压力和流量进行调整。

负极气体排出通路135是流通从燃料电池堆110排出的负极排气的通路。负极气体排出通路135的一端连接于燃料电池堆110的负极气体出口部，另一端连接于比正极压力调节阀126更靠下游的正极气体排出通路122。

缓冲罐136设置于负极气体排出通路135。缓冲罐136是暂时蓄积通过负极气体排出通路135流过来的负极排气的容器。积存在缓冲罐136中的负极排气在放气阀137被打开时排出到正极气体排出通路122。

放气阀137设置于比缓冲罐136更靠下游的负极气体排出通路135。放气阀137由控制器140来控制开闭，对从负极气体排出通路135向正极气体排出通路122排出的负极排气的流量(放气流量)进行控制。

当打开放气阀137来执行放气控制时，负极排气通过负极气体排出通路135和正极气体排出通路122排出到外部。此时，负极排气在正极气体排出通路122内与正极排气混合。通过像这样使负极排气与正极排气混合后排出到外部，排出气体中的氢浓度被设定为排出容许浓度以下的值。

负极气体供排装置130还具备引射器138、回流通路139以及回流泵139A以使负极排气回流到负极气体供给通路132。

引射器138设置于负极压力调节阀133与负极压力传感器144之间的负极气体供给通路132。

回流通路139是将负极气体排出通路135的负极排气引导到负极气体供给通路132的通路。回流通路139的一端连接于负极气体排出通路135的缓冲罐136，另一端连接于负极气体供给通路132的引射器138。

回流通路139上设置有回流泵139A。回流泵139A根据需要被驱动，将从燃料电池堆110排出的负极排气从负极气体排出通路135侧加压输送到负极气体供给通路132侧。

负极压力传感器144设置于比负极压力调节阀133更靠下游的负极气体供给通路132。负极压力传感器144配置于燃料电池堆110的负极气体入口部的附近。负极压力传感器144对向燃料电池堆110供给的负极气体的压力(＝后述的向涡轮30供给的作为工作流体的负极气体的压力)进行检测。

如上所述那样构成的燃料电池系统100具有作为统一控制该系统的控制装置的控制器140。

控制器140由具备中央运算装置(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)以及输入输出接口(I/O接口)的微计算机构成。

除了来自前述的正极压力传感器141等各种传感器的信号以外，来自检测燃料电池堆110的输出电压的电压传感器145、检测燃料电池堆110的输出电流的电流传感器146、检测车辆的加速踏板的踏下量的加速行程传感器147等检测燃料电池系统100的运转状态的各种传感器的信号也被输入到控制器140。

控制器140基于这些传感器的检测信号等来控制正极气体供给装置1、回流泵139A、各种阀126、128、133、137等。

下面，参照图3的流程图来说明控制器140所实施的第一实施方式的燃料电池系统100的正极气体的供给控制。控制器140以规定的运算周期重复执行该例程。

在步骤S1中，控制器140基于车辆驱动用的行驶马达(未图示)的要求电力、辅机的要求电力、电池(未图示)的充放电要求来计算燃料电池堆110的目标发电电力。

在步骤S2中，控制器140基于燃料电池系统100的运转状态来计算压缩机吸入流量的目标值(以下称为“目标压缩机吸入流量”。)。参照图4来说明目标压缩机吸入流量的具体计算方法。

图4是说明目标压缩机吸入流量的计算方法的流程图。

在步骤S21中，控制器140基于目标发电电力来计算堆供给流量的目标值(以下称为“目标堆供给流量”。)。目标堆供给流量相当于在发出目标发电电力时为了在燃料电池堆110的正极电极内确保电极反应所需的氧分压而需要的堆供给流量。换言之，目标堆供给流量相当于发出目标发电电力所需的堆供给流量。目标发电电力越大时，目标堆供给流量越大。

在步骤S22中，控制器140基于检测堆供给流量与目标堆供给流量的偏差来计算使检测堆供给流量为目标堆供给流量所需的压缩机吸入流量，作为发电要求压缩机吸入流量。

在步骤S23中，控制器140基于目标发电电力来计算稀释要求压缩机吸入流量。稀释要求压缩机吸入流量是使排出到燃料电池系统100的外部的排出气体的氢浓度为排出容许浓度以下所需的压缩机吸入流量。在本实施方式中，目标发电电力越大时，使稀释要求压缩机吸入流量越大，但是也可以与目标发电电力无关地设为固定值。

在步骤S24中，控制器140基于发电要求压缩机吸入流量和稀释要求压缩机吸入流量来计算目标压缩机吸入流量。具体地说，为了使发电要求和稀释要求这两者得到满足，计算发电要求压缩机吸入流量和稀释要求压缩机吸入流量中较大的一方来作为目标压缩机吸入流量。此外，在本实施方式中，计算了发电要求压缩机吸入流量和稀释要求压缩机吸入流量中较大的一方来作为目标压缩机吸入流量，但是例如也可以计算在压缩机10中避免浪涌所需的正极气体流量(浪涌要求压缩机吸入流量)与上述两个要求压缩机吸入流量中的最大的一个来作为目标压缩机吸入流量。

返回到图3，在步骤S3中，控制器140基于与燃料电池系统100的运转状态相应地变化的目标压缩机吸入流量来计算压缩机10的目标输出转矩。压缩机10的目标输出转矩相当于使检测压缩机吸入流量为目标压缩机吸入流量所需的压缩机10的输出转矩。

在步骤S4中，控制器140基于从高压罐131向涡轮30供给的作为工作流体的负极气体所具有的能量来计算涡轮30的可输出转矩。具体地说，如图5的表所示，基于向涡轮30供给的作为工作流体的负极气体的压力来计算涡轮30的可输出转矩。作为与负极气体所具有的能量具有相关性的参数，除了压力以外还能够列举出流量，因此也能够基于负极气体的流量来计算涡轮30的可输出转矩。

此外，基于燃料电池系统100的运转状态来控制向涡轮30供给的作为工作流体的负极气体的压力、即向燃料电池堆110供给的负极气体的压力。具体地说，控制器140基于燃料电池系统100的运转状态来控制负极压力调节阀133的开度，使得向燃料电池堆110供给的负极气体的压力为向燃料电池堆110供给的正极气体的压力以上。

在步骤S5中，控制器140判定是否为允许离合器40的连接的运转状态。在本实施方式中，在根据燃料电池系统100的要求而不向燃料电池堆110供给负极气体的运转状态的情况下、例如在怠速停止控制时仅将正极气体供给到燃料电池堆110的运转状态的情况下，控制器140设为处于不允许离合器40的连接的运转状态，进入步骤S11的处理。另外，在燃料电池系统100的启动中初期，为了可靠地进行氢稀释而仅供给正极气体，在启动中后期供给负极气体，因此在该情况下也不允许离合器40的连接而进入步骤S11的处理。并且，在燃料电池系统100的停止中后期也仅供给正极气体，因此在该情况下也不允许离合器40的连接而进入步骤S11的处理。这样，在系统启动中初期或停止中后期、怠速停止控制时等仅将正极气体供给到燃料电池堆110的运转状态的情况下，控制器140设为处于不允许离合器40的连接的运转状态而进入步骤S11的处理。另一方面，在向燃料电池堆110供给负极气体的通常的运转状态的情况下，控制器140设为处于允许离合器40的连接的运转状态而进入步骤S6的处理。这样，控制器140基于作为涡轮30的动力源的负极气体的状态来控制离合器40。

此外，不向燃料电池堆110供给负极气体的运转状态换言之是在涡轮30的可输出转矩为零的运转状态之时、涡轮30不旋转的运转状态之时。因而，在通过步骤S5判定为处于不允许离合器40的连接的运转状态时，也可以不使离合器40为分离状态而直接进入步骤S12。但是，在该情况下涡轮30会作为电动马达20的负荷而进行作用，因此优选的是如本实施方式那样使离合器40为分离状态。

在步骤S6中，控制器140计算从压缩机10的目标输出转矩减去涡轮30的可输出转矩而得到的差分转矩。

在步骤S7中，控制器140判定是否连接离合器40。具体地说，判定差分转矩是否小于规定的离合器连接阈值(规定阈值)。

如果差分转矩小于离合器连接阈值，则控制器140进入步骤S8的处理以将离合器40设为连接状态，通过电动马达20和涡轮30对压缩机10进行驱动或者仅通过涡轮30对压缩机10进行驱动。另一方面，如果差分转矩为离合器连接阈值以上，则控制器140进入步骤S11的处理以将离合器40设为分离状态，仅通过电动马达20对压缩机10进行驱动。

在差分转矩为离合器连接阈值以上时仅通过电动马达20对压缩机10进行驱动是基于以下的理由。即，关于差分转矩为离合器连接阈值以上，例如能够列举出刚开始向燃料电池堆110供给负极气体后等、在负极气体的压力充分上升之前涡轮30的可输出转矩小之时。这是因为，在这种情况下，通过涡轮30得到的动力小，因此仅通过电动马达20来驱动压缩机10能够更稳定地供给正极气体。

另外，关于差分转矩为离合器连接阈值以上，例如能够列举出在突然加速时等压缩机10的目标输出转矩过渡性地突增、涡轮30的可输出转矩相对于压缩机10的目标输出转矩而言小之时。这是因为，在这种情况下，仅通过响应性、控制性优异的电动马达20来驱动压缩机10能够更迅速地且更高精度地将压缩机10的输出转矩控制为目标输出转矩，从而能够提高过渡时的控制性能。

这样，在本实施方式中，根据差分转矩来切换是仅通过电动马达20对压缩机10进行驱动、或是仅通过涡轮30对压缩机10进行驱动、还是通过电动马达20和涡轮30对压缩机10进行驱动。在此，差分转矩与作为动力源的负极气体的状态(压力、流量)相应地变化。

也就是说，在本实施方式中，根据作为动力源的负极气体的状态，来选择通过电动马达20和涡轮30中的一方还是双方对压缩机10进行驱动，使得能够通过与燃料电池系统100的运转状态相应的适当的驱动源来驱动压缩机10。前述的离合器连接阈值只要适当设定成能够通过与燃料电池系统100的运转状态相应的适当的驱动源来驱动压缩机10即可。

在步骤S8中，控制器140将离合器40设为连接状态。

在步骤S9中，控制器140根据基于负极气体的压力或流量而决定的涡轮30的可输出转矩来控制电动马达20的输出转矩，由此通过电动马达20和涡轮30对压缩机10进行驱动、或者仅通过涡轮30对压缩机10进行驱动。

具体地说，如果通过步骤S6计算出的差分转矩大于零(如果可输出转矩小于目标输出转矩)，则控制器140将电动马达20的目标输出转矩设定为差分转矩，通过电动马达20和涡轮30对压缩机10进行驱动。即，通过电动马达20产生差分转矩，并且通过涡轮30产生可输出转矩，由此将压缩机10的输出转矩控制为通过步骤S3计算出的目标输出转矩。作为像这样通过电动马达20和涡轮30对压缩机10进行驱动的运转状态，例如能够列举出以高负荷稳定运转燃料电池堆110之时。

另一方面，如果通过步骤S6计算出的差分转矩为零以下(如果可输出转矩为目标输出转矩以上)，则控制器140将电动马达20的目标输出转矩设定为零，仅通过涡轮30对压缩机10进行驱动。作为像这样仅通过涡轮30对压缩机10进行驱动的运转状态，例如能够列举出以低负荷稳定运转燃料电池堆110之时。

此外，在仅通过涡轮30对压缩机10进行驱动的情况下，会以通过步骤S3计算出的压缩机10的目标输出转矩以上的转矩(＝可输出转矩)来驱动压缩机10。因而，压缩机吸入流量会变为目标压缩机吸入流量以上，但是通过以下的步骤S10的旁路阀控制来使对燃料电池堆110来说不需要的剩余的正极气体流向旁路通路127，避免产生问题。

在步骤S10中，控制器140基于检测堆供给流量与目标堆供给流量的偏差，以使检测堆供给流量变为目标堆供给流量的方式对旁路阀128进行反馈控制。

在仅通过涡轮30对压缩机10进行驱动、或稀释要求压缩机吸入流量被设定为目标压缩机吸入流量等情况下，会从压缩机10喷出堆要求压缩机供给流量以上的正极气体。因此，发电所不需要的剩余的正极气体会被供给到燃料电池堆110。因而，像这样以使检测堆供给流量变为目标堆供给流量的方式对旁路阀128进行反馈控制，使发电所不需要的剩余的正极气体流向旁路通路127。

在步骤S11中，控制器140将离合器40设为分离状态。

在步骤S12中，控制器140将电动马达20的目标输出转矩设定为通过步骤S3计算出的压缩机10的目标输出转矩，仅通过电动马达20对压缩机10进行驱动。作为像这样差分转矩为离合器连接阈值以上的运转状态，例如能够列举出刚开始向燃料电池堆110供给负极气体后等、在负极气体的压力充分上升之前涡轮30的可输出转矩相对于压缩机10的目标输出转矩而言小之时。另外，例如能够列举出在突然加速时等压缩机10的目标输出转矩过渡性地突增、涡轮30的可输出转矩相对于压缩机10的目标输出转矩而言小之时。

根据上述的本实施方式的燃料电池系统100，能够得到以下的效果。

具备被供给负极气体和正极气体的燃料电池堆110的燃料电池系统100具备：压缩机10，其向燃料电池堆110供给正极气体；以及驱动装置11，其至少具备作为驱动马达的电动马达20和作为以电动马达20以外为动力源的驱动体的涡轮30这两方来驱动压缩机10。而且，使用燃料电池系统100所具有的能量源来作为涡轮30的动力源。

由此，能够通过电动马达20和以电动马达20以外为动力源进行驱动的涡轮30这至少两方来驱动压缩机10，因此能够抑制电动马达20的动力性能来使电动马达20小型化。另外，能够降低制造成本。而且，使用燃料电池系统100所具有的能量源来作为涡轮30的动力源，因此无需新追加涡轮30的动力源，能够不浪费地使用燃料电池系统100所具有的能量源。

另外，能够根据需要来利用响应性优异的电动马达20的驱动力对压缩机10进行驱动，因此与仅利用从高压罐向燃料电池堆供给的负极气体对压缩机进行驱动的以往的正极气体供给装置相比，能够改善用于向燃料电池堆110供给正极气体的压缩机10的响应性。因而，能够实现与燃料电池系统100的运转状态相应的适当的正极气体供给。

另外，在本实施方式中，电动马达20和涡轮30同轴地配置，因此能够使正极气体供给装置1小型化。

另外，在本实施方式中，作为涡轮30的动力源，使用向燃料电池堆110供给的高压的负极气体，因此能够有效活用高压的负极气体，能够提高燃料电池系统100中的能量效率。在从高压罐131被排出时负极气体的温度降低，因此会向涡轮30供给比较低温的负极气体，能够抑制涡轮30周围的部件的温度上升。

特别是，在本实施方式中，向涡轮30供给的高压的负极气体从高压罐131的下游被导入，返回到用于调整向燃料电池堆110供给的负极气体的压力的负极压力调节阀133的上游。因此，涡轮30本身作为对从高压罐131排出的负极气体进行减压的压力损耗构件而发挥功能，因此能够使设置于涡轮30的下游的负极压力调节阀133小型化。通过像这样使负极压力调节阀133小型化，负极压力调节阀133的阀体变小，能够提高负极压力调节阀133的响应性。

另外，在本实施方式中，在将涡轮30的驱动力传递到压缩机10的作为动力传递路径的输出旋转轴24上具备离合器40。因此，能够在不向燃料电池堆110供给负极气体的运转状态等情况下根据需要使离合器40分离，由此仅通过电动马达20来驱动压缩机10。由此，能够防止在不向燃料电池堆110供给负极气体等情况下涡轮30自身成为电动马达20的负荷，从而能够提高电动马达20中的电力消耗效率。

此外，在本实施方式的燃料电池系统100中，在比涡轮30更靠下游的负极气体供给通路132上配置有负极压力调节阀133。然而，在负极气体通过涡轮30后负极气体压力降低到最适于利用燃料电池堆110发电的压力的情况下，不需要在涡轮30的下游设置负极压力调节阀133。

另外，在本实施方式中，经由离合器40将电动马达20与涡轮30连接，但是未必要设置离合器40。能够通过省略离合器40来使驱动装置11进一步小型化。

<第二实施方式>

参照图6来说明本发明的第二实施方式的正极气体供给装置1。此外，在下面的实施方式中，对实现与第一实施方式相同的功能的结构等使用相同的标记，适当省略重复的说明。

如图6所示，第二实施方式的正极气体供给装置1在驱动装置11的结构上与第一实施方式不同。更具体地说，驱动装置11具备与涡轮30一起旋转的飞轮31。

飞轮31是圆板状的锤构件，固定于涡轮30的旋转中心轴。飞轮31、电动马达20以及压缩机10同轴地配置。飞轮31位于比离合器40靠近涡轮30的位置，设置于负极气体供给通路132的外侧。此外，飞轮31也可以设置于负极气体供给通路132内。

这样，本实施方式的驱动装置11具备与作为驱动体的涡轮30一起旋转的飞轮31，因此能够将涡轮30的旋转能量蓄积于飞轮31。通过像这样将旋转能量蓄积于飞轮31，能够抑制离合器40接合时的压缩机10的转速的降低。由此，能够防止在离合器40刚接合后正极气体供给量暂时降低，能够实现与燃料电池系统100的运转状态相应的适当的正极气体供给。

以上，说明了本发明的实施方式，但是上述实施方式不过示出了本发明的应用例的一部分，其宗旨并不在于将本发明的保护范围限定于上述实施方式的具体结构。

第一实施方式和第二实施方式的正极气体供给装置1搭载于车辆用的燃料电池系统100，但是也可以搭载于车辆以外的移动体、固置型的燃料电池系统。

第一实施方式和第二实施方式的驱动装置11具备涡轮30，但是也能够使用接受工作流体等的供给来进行驱动的柱塞马达、隔膜式马达来代替涡轮30。

另外，在第一实施方式和第二实施方式的具备正极气体供给装置1的燃料电池系统100中，也可以如图7所示那样在高压罐131与涡轮30之间的负极气体供给通路132上设置减压阀160。这样，通过将向涡轮30供给的高压的负极气体从用于降低向燃料电池堆110供给的负极气体的压力的减压阀160的下游导入，能够向涡轮30供给被调整为固定压力的负极气体。因而，能够稳定地驱动涡轮30，能够提高压缩机10的控制性。

另外，在第一实施方式和第二实施方式中，也可以将电动马达20作为压缩机10的主驱动源并且将涡轮30作为辅助驱动源，以利用作为辅助驱动源的涡轮30的旋转驱动力来补充电动马达20的旋转驱动力所不足够的部分的方式控制离合器40等。这样，响应性优异的电动马达20成为主驱动源，由工作流体来驱动的涡轮30成为辅助驱动源，因此与仅利用从高压罐向燃料电池堆供给的负极气体来驱动压缩机的以往的正极气体供给装置相比，也能够改善用于向燃料电池堆110供给正极气体的压缩机10的响应性。

另外，在第一实施方式和第二实施方式中，构成为利用向燃料电池堆110供给的负极气体对涡轮30进行驱动，但是不限于该结构。例如，如图8所示，也可以从工作流体供给装置50向涡轮30供给与负极气体不同的工作流体、例如在车辆中利用的工作流体来驱动涡轮30。这样也能够得到与第一实施方式和第二实施方式同样的效果。

作为工作流体供给装置50，采用对车厢内进行制冷和制热的空调装置、对燃料电池堆110进行冷却的冷却装置、行驶风等。在工作流体供给装置50是空调装置的情况下，将在空调装置内循环的制冷剂作为工作流体供给到涡轮30。在工作流体供给装置50是冷却装置的情况下，将在冷却装置内循环的冷却水作为工作流体供给到涡轮30。

另外，在第一实施方式和第二实施方式的燃料电池系统100中，参照图5的表，基于负极气体的压力来计算涡轮30的可输出转矩，但是也能够参照图9所示的图表，基于负极气体的压力和温度来计算涡轮30的可输出转矩。关于负极气体的温度，只要例如在高压罐131与涡轮30之间的负极气体供给通路132上设置温度传感器即可。负极气体的温度越高，则负极气体的密度越高而作为工作流体的负极气体所具有的能量越多。因而，如图9的图表所示，以温度越高则涡轮30的可输出转矩越高的方式进行校正，由此能够高精度地计算涡轮30的可输出转矩。

Claims (7)

1.一种燃料电池系统，具备工作流体被供给至负极和正极来进行发电的燃料电池，该燃料电池系统具备：

压缩机，其向所述燃料电池的正极供给作为工作流体的正极气体；

驱动装置，其驱动该压缩机；以及

控制装置，其基于所述燃料电池系统的运转状态来控制所述驱动装置，

其中，所述驱动装置至少具备驱动马达和由作为工作流体的负极气体驱动的涡轮这两方，

所述压缩机设置于正极气体的供给通路内，

所述驱动马达配置在所述正极气体的供给通路与负极气体的供给通路之间，并且

所述驱动马达的输出旋转轴的一端连接于所述压缩机，所述驱动马达的输出旋转轴的另一端连接于所述涡轮。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，

所述驱动马达和所述涡轮同轴地设置。

3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，

所述驱动装置在将所述涡轮的驱动力传递到所述压缩机的动力传递路径上具备离合器。

4.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，

使用向所述燃料电池供给的高压的负极气体来作为所述涡轮的工作流体。

5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，

向所述涡轮供给的高压的负极气体从高压罐的下游被导入并返回到压力调节阀的上游，其中，该压力调节阀用于调整向所述燃料电池供给的负极气体的压力。

6.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，

向所述涡轮供给的高压的负极气体从减压阀的下游被导入，其中，该减压阀用于降低向所述燃料电池供给的负极气体的压力。

7.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，

所述驱动装置还具备与所述涡轮一起旋转的飞轮。