JP2000315510A

JP2000315510A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2000315510A
Application number: JP11123315A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Ogawa; 隆行小川
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1999-04-30
Filing date: 1999-04-30
Publication date: 2000-11-14

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料電池に供給する酸化ガスの圧力の過渡応
答性に優れるとともに、燃料電池の背圧制御可能な燃料
電池システムを提供することを課題とする。【解決手段】燃料電池２に水素を含有する燃料ガスと
酸素を含有する酸化ガスを供給し、燃料ガスと酸化ガス
を反応させて発電を行う燃料電池システム１において、
燃料電池システム１から排出される排気ガスが導入さ
れ、供給する酸化ガスを加圧する際にノズルの開度調節
により圧力制御可能なバリアブルジオメトリ型ターボチ
ャージャ４を備えることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池システム
に関し、特に、バリアブルジオメトリ型ターボチャージ
ャにより燃料電池に供給する酸化ガスの圧力を制御可能
な燃料電池システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電地システムは、水素ガスを含む燃
料ガスを燃料電池のアノード電極（陰極）に供給すると
ともに、空気等の酸素ガスを含む酸化ガスを燃料電池の
カソード電極（陽極）に供給し、発電を行う燃料電池を
中核とした発電システムである。この燃料電池システム
は、化学エネルギを直接電気エネルギに変換するもので
あり、高い発電効率を有する。また、近年、燃料電池シ
ステムを搭載し、この電気エネルギを動力源とした車両
が開発されている。

【０００３】燃料電池システムは、カソード電極に発電
に必要な流量と圧力を有する酸化ガス（空気）を供給す
るために、酸化ガス供給部を備える。酸化ガス供給部と
しては、モータによって駆動される圧縮機で加圧すると
ともに、燃料電池システムから排出される排気ガスのエ
ネルギを排気タービンによって回収して同軸に取り付け
られたコンプレッサにより２段加圧するものがある。ま
た、モータ、排気タービンおよびコンプレッサが一体化
した圧縮機により加圧するもの等がある。

【０００４】図９に従来の燃料電池システムにおける酸
化ガス供給部の構成図を示す。燃料電池システム５１
は、燃料電池５２のアノード電極に燃料ガスが供給され
るとともに、燃料電池５２のカソード電極に酸化ガスが
供給される。燃料ガスは、改質器５３で（メタノール＋
水）の気体燃料を改質した水素ガスである。他方、酸化
ガスは、ターボチャージャ５４およびモータ６２により
駆動された圧縮機６１で加圧された空気である。さら
に、燃料電池５２から排出される燃料ガスと酸化ガスが
燃焼器５５に導入され、燃焼される。そして、この燃焼
による熱エネルギによって蒸発器５６で（メタノール＋
水）の液体燃料を蒸発させ、（メタノール＋水）の気体
燃料となって改質器５３に供給される。また、燃焼器５
５から排出される排気ガスがターボチャージャ５４に導
入される。ターボチャージャ５４は、排気ガスで排気タ
ービン５４ａを回転し、排気タービン５４ａに直結され
たコンプレッサ５４ｂで空気を圧縮して加圧する。な
お、アノード極調圧弁５９は燃料電池５２内の燃料ガス
の圧力を制御し、カソード極調圧弁６０は燃料電池５２
内の酸化ガスの圧力を制御する。また、アノード極圧力
センサ５７は燃料電池５２に供給される燃料ガスの圧力
を測定し、カソード極圧力センサ５８は燃料電池５２に
供給される酸化ガスの圧力を測定する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、アノー
ド極調圧弁５９とカソード極調圧弁６０による燃料電池
５２内の圧力制御性を確保するため、燃焼器５５に導入
される燃料ガスや酸化ガスの圧力を十分に上げることが
できない。そのため、ターボチャージャ５４の排気ター
ビン５４ａの入口での排気ガスの圧力を十分に上げるこ
とができない。したがって、ターボチャージャ５４が、
排気ガスによって回収するエネルギ量が制限される。さ
らに、車両に搭載された場合、加速時等の過渡状態の際
には燃料電池５２の発電量を急激に増大させなければな
らない。そのために、急激に酸化ガスの圧力を上げなけ
ればならないが、前記した制限により、ターボチャージ
ャ５４の過渡応答性がターボラグのために確保すること
ができない。また、燃料電池５２の背圧を制御するため
に、アノード極およびカソード極にアノード極調圧弁５
９またはカソード極調圧弁６０が各々必要となるため、
燃料電池システム５１におけるスペースや重量という点
で問題となる。

【０００６】そこで、本発明の課題は、燃料電池に供給
する酸化ガスの圧力の過渡応答性に優れるとともに、燃
料電池の背圧制御可能な燃料電池システムを提供するこ
とにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決した本発
明に係る燃料電池システムは、燃料電池に水素を含有す
る燃料ガスと酸素を含有する酸化ガスを供給し、前記燃
料ガスと前記酸化ガスを反応させて発電を行う燃料電池
システムにおいて、前記燃料電池システムから排出され
る排気ガスが導入され、前記供給する酸化ガスを加圧す
る際にノズルの開度調節により圧力制御可能なバリアブ
ルジオメトリ型ターボチャージャを備えることを特徴と
する。この燃料電池システムによれば、バリアブルジオ
メトリ型ターボチャージャのノズルの開度を調節するこ
とによって、排気タービンに導入される排気ガスの流入
速度を制御できるとともに、燃料電池の背圧を制御する
ことができる。そのため、排気タービンの回転数を制御
でき（ひいては、コンプレッサの回転数を制御でき）、
燃料電池に供給する酸化ガスの圧力の過渡状態時の応答
性を向上させることができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る燃料電池シス
テムの実施の形態を図面を参照して説明する。図１は燃
料電池システムの酸化ガス供給部の第１実施形態の構成
図、図２は燃料電池システムの酸化ガス供給部の第２実
施形態の構成図、図３は燃料電池システムの酸化ガス供
給部の第３実施形態の構成図、図４は燃料電池システム
に具備されるバリアブルジオメトリ型ターボチャージャ
の排気タービンの断面図、図５は第１実施形態の酸化ガ
ス供給部の制御フローチャート、図６は第２実施形態の
酸化ガス供給部の制御フローチャート、図７は第３実施
形態の酸化ガス供給部の制御フローチャート、図８は燃
料電池システムにおける過渡時の酸化ガスの圧力応答特
性を示すグラフである。

【０００９】本実施の形態における燃料電池システム
は、固体高分子型燃料電池を備える。燃料ガスは、メタ
ノールと水を混合した液体燃料を蒸発させて気体燃料と
した後、改質器で改質した水素ガスを使用する。酸化ガ
スは、空気を使用する。また、本実施の形態における燃
料電池システムは、車両に搭載し、燃料電池で発生する
電気エネルギによってモータを駆動するものとする。そ
のため、車両の加速時等には、燃料電池の発電量を急激
に必要とする過渡状態がある。ちなみに、燃料としてメ
タノールを使用するのは、車両に燃料電池システムを搭
載する場合に、給油する作業性や走行距離等がガソリン
エンジンを搭載する車両と比較して遜色ないからであ
る。

【００１０】まず、図１を参照して、第１実施形態の燃
料電池システムにおける酸化ガス供給部の構成について
説明する。燃料電池システム１は、燃料電池２に改質器
３から燃料ガスが供給され、酸化ガス供給部により加圧
された酸化ガス（空気）が供給されて、燃料電池２で電
気化学反応して発電する。なお、酸化ガス供給部は、主
として、バリアブルジオメトリ型ターボチャージャ（Va
riable Geometry Turbo charger ：以下、ＶＧＴと記載
する）４からなる。なお、ＶＧＴ４は、可変ノズル型の
ターボチャージャである。

【００１１】燃料電池２は、固体高分子電解質膜を挟ん
でアノード電極とカソード電極とを対設した燃料電池構
造体をセパレータによって挟持して複数積層して構成さ
れている。燃料電池２は、アノード電極に燃料ガスが供
給され、カソード電極に酸化ガスが供給される。そし
て、燃料ガスがイオン化して固体高分子電解質膜内に流
れ、電気エネルギを発生する。

【００１２】また、燃料電池２は、供給される燃料ガス
と酸化ガスが全て電気化学反応せずに、一部排出され
る。そのため、燃料電地２の排出口のカソード電極側に
はカソード極調圧弁１０が設けられ、排出される酸化ガ
スの量を調整して、燃料電池２のカソード電極側の背圧
を制御する。ちなみに、アノード電極側の背圧制御につ
いては、後で詳細に説明する。なお、排出される燃料ガ
スと酸化ガスは、燃焼器５に導入され、燃焼するための
燃料として使用される。

【００１３】改質器３は、メタノールと水が混合された
気体燃料を改質し、燃料ガスとして水素ガスを発生す
る。また、この改質反応では、一酸化炭素が発生するた
めに、改質器３と燃料電池２の間には一酸化炭素除去器
（図示せず）が配置され、一酸化炭素が除去される。な
お、改質器３および一酸化炭素除去器（図示せず）にお
いて空気が供給されるため、燃料ガスの圧力が酸化ガス
の圧力より低圧となっている。ちなみに、燃料電池２に
供給される燃料ガスは、アノード極圧力センサ７によっ
て圧力が測定される。

【００１４】燃焼器５は、蒸発器６で必要な熱エネルギ
を発生させるために、燃料電池２から排出される燃料ガ
スと酸化ガスを燃焼する。すなわち、燃焼器５は、燃料
ガスである水素ガスと酸化ガスである空気を燃料として
燃焼させ熱エネルギを蒸発器６に供給するとともに、燃
焼時に発生した排気ガスをＶＧＴ４に供給する。

【００１５】蒸発器６は、改質器３にメタノールと水が
混合された気体燃料を供給するために、メタノールと水
が混合された液体燃料を蒸発させる。すなわち、蒸発器
６は、燃焼器５から供給される熱エネルギによってメタ
ノールと水の混合液を熱し、蒸発させる。

【００１６】酸化ガス供給部は、燃焼器５で発生した排
気ガスによってＶＧＴ４の排気タービン４ａを回転駆動
し、排気タービン４ａにタービン軸４ｃで直結されたコ
ンプレッサ４ｂで空気を圧縮して加圧する。コンプレッ
サ４ｂは、回転にともなってタービン軸４ｃの方向から
空気を吸い込んで、コンプレッサブレード（図示せず）
で空気を圧縮し、圧力を高める。ちなみに、ＶＧＴ４
は、固定ノズル型ターボチャージャに対して、排気ター
ビン４ａのノズル４ｅ，４ｅ，・・・の開度を調整する
ために、ベーン４ｄ，４ｄ，・・・を備える（図４参
照）。また、酸化ガス供給部は、このノズル４ｅの開度
を制御するために、カソード極圧力センサ８や制御装置
９を備える。この制御装置９は、燃料電池システム１の
制御装置に一部として組み込まれてもよいし、別体とし
て設けてもよい。

【００１７】図４を参照して、ＶＧＴ４の排気タービン
４ａの構成について説明する。排気タービン４ａは、排
気ガス導入口４ｈから燃焼器５で発生した排気ガスを導
入する。そして、排気ガス導入口４ｈから導入された排
気ガスは、４つのノズル４ｅ，４ｅ，４ｅ，４ｅを通っ
てタービンブレード４ｆに導かれる。ノズル４ｅ，４
ｅ，４ｅ，４ｅは、タービンブレード４ｆから所定距離
離れた外周に沿って４つ形成され、タービンブレード４
ｆへの排気ガスの噴出口となる。タービンブレード４ｆ
は、多数の羽根４ｇ，・・・で排気ガスを受けて回り、
機械的なエネルギを発生する。

【００１８】ノズル４ｅは、開度を変えることができる
可変ノズルである。ノズル４ｅは、開度を変えるため
に、ベーン４ｄを備える。ベーン４ｄは、タービンブレ
ード４ｆから所定距離離れた外周に沿って配置される動
翼である。なお、ベーン４ｄは、制御装置９からの信号
で電気的に開閉する。ベーン４ｄは、開くに従って、先
端がタービンブレード４ｆに向かって回動する。ちなみ
に、図４（ａ）にベーン４ｄが全開時（すなわち、ノズ
ル４ｅが全開時）を示す。他方、ベーン４ｄは、閉じる
に従って、先端がタービンブレード４ｆから遠ざかる方
向に回動し、全閉時には略環状となる。ちなみに、図４
（ｂ）にベーン４ｄが全閉時（すなわち、ノズル４ｅが
全閉時）を示す。

【００１９】ＶＧＴ４は、ベーン４ｄの開閉によるノズ
ル４ｅの開度調節により、タービンブレード４ｆに導入
される排気ガスの流入速度を制御し、タービンブレード
４ｆの回転数を制御する。すなわち、排気ガス導入口４
ｈから導入される排気ガスの流量が一定の場合、ノズル
４ｅが絞られる（閉められる）と、排気ガスのタービン
ブレード４ｆへの流入速度が増加する。そのため、ター
ビンブレード４ｆの羽根４ｇ，・・・に当たる排気ガス
の運動量が大きくなり、タービンブレード４ｆの回転数
が増す。さらに、タービン軸４ｃを介してコンプレッサ
ブレード（図示せず）の回転数が増し、急速に空気を圧
縮する。

【００２０】ちなみに、酸化ガスを急激に加圧する場合
には、制御装置９からベーン４ｄを全閉する信号がベー
ン４ｄに送信される。すると、ベーン４ｄが全閉し、す
なわちノズル４ｅが全閉する（図４（ｂ）参照）。その
ため、タービンブレード４ｆに導入される排気ガスの流
入速度が増加し、タービンブレード４ｆが高速回転す
る。その結果、タービンブレード４ｆに直結されたコン
プレッサブレード（図示せず）が高速回転し、空気が急
激に圧縮され、空気が急加圧される。

【００２１】また、ＶＧＴ４は、ベーン４ｄの開閉によ
るノズル４ｅの開度調節により、排気ガスを排出する側
の圧力を調整することができる。すなわち、ノズル４ｅ
を閉めるに従って、導入される排気ガスの圧力が上昇す
る。さらに、燃料電池２から排出される燃料ガスと酸化
ガスの圧力（背圧）が上昇する。そのため、通常、燃料
電池２の排出側に設けられるアノード側とカソード側の
調圧弁の役割をノズル４ｅの開度調節で行うことができ
る。なお、前記したように燃料ガスが酸化ガスより低圧
であるためにアノード側の圧力調整を行い易いので、燃
料電池システム１は、アノード側の調圧弁の代わりにノ
ズル４ｅの開度調節で、アノード側の背圧調整を行う。

【００２２】制御装置９は、車両のモータ出力に応じて
燃料電池２の発電量を演算し、その発電量を発生させる
ために必要な燃料電池２に供給する酸化ガスの流量およ
び圧力を演算する。そして、その酸化ガスの流量および
圧力を得るために、ＶＧＴ４のノズル４ｅの開度（すな
わち、ベーン４ｄの開度）を演算する。さらに、制御装
置９は、カソード極圧力センサ８から燃料電池２に供給
される酸化ガスの実測圧力値を取り込み、目標となる酸
化ガスの流量および圧力（演算値）となるように、フィ
ードバック制御する。

【００２３】次に、図５のフローチャートに沿って、燃
料電池システム１の酸化ガス供給部の制御を説明する。
車両が始動されると、車両のアクセル開度を検出する
（Ｓ１０１）。そして、アクセル開度に対応して、車両
を駆動するためのモータ出力を演算し、モータ出力値を
求める（Ｓ１０２）。

【００２４】制御装置９は、モータ出力値に必要な燃料
電池２の発電量を演算する（Ｓ１０３）。さらに、この
発電量を発生させるために燃料電池２に供給する酸化ガ
ス（空気）の流量および圧力を演算する（Ｓ１０４）。
酸化ガスの流量と圧力が決定すると、制御装置９は、Ｖ
ＧＴ４のコンプレッサ４ｂのコンプレッサブレードの回
転数を演算し、さらに排気タービン４ａのタービンブレ
ード４ｆの回転数を演算する。そして、制御装置９は、
タービンブレード４ｆの回転数が決まると、ノズル４ｅ
の開度（すなわち、ベーン４ｄの開度）を演算する（Ｓ
１０５）。

【００２５】ベーン４ｄの開度が決まると、制御装置９
は、ベーン４ｄに信号を送信する。そして、その信号の
情報により、ベーン４ｄは開閉し、演算されたノズル４
ｅの開度となる（Ｓ１０６）。すると、ＶＧＴ４に流入
する排気ガスは、設定された開度のノズル４ｅで絞られ
て、タービンブレード４ｆに導入される。

【００２６】また、カソード極圧力センサ８では、燃料
電池２に供給される酸化ガス（空気）の圧力が検出され
る。そして、この検出値が制御装置９に送信される（Ｓ
１０７）。さらに、この圧力の検出値と酸化ガスが流れ
る管の径等から酸化ガスの流量を演算する（Ｓ１０
７）。

【００２７】そして、制御装置９は、酸化ガス（空気）
の流量および圧力の演算値と検出値を比較する（Ｓ１０
８）。演算値と検出値が一致する場合には処理を終了
し、演算値と検出値が一致しない場合には、Ｓ１０５に
移り、処理を繰り返し実行する。

【００２８】この燃料電池システム１によれば、ＶＧＴ
４のノズル４ｅの開度調節により、燃料電池２に供給す
る酸化ガスの圧力および燃料電池２の背圧を制御するこ
とができる。そのため、アクセルが開かれた加速時等の
過渡状態において、酸化ガスの圧力応答性が向上する。
また、アノード側の調圧弁を削減でき、燃料電池システ
ム１は、小型軽量化する。

【００２９】次に、図２を参照して、第２実施形態の燃
料電池システムにおける酸化ガス供給部の構成について
説明する。燃料電池システム１１は、第１実施形態の燃
料電池システム１に対して酸化ガス供給部の構成が異な
る。なお、酸化ガス供給部は、主として、ＶＧＴ１４お
よびモータ１２からなる。なお、ＶＧＴ１４は、可変ノ
ズル型のターボチャージャである。なお、燃料電池シス
テム１１において第１実施形態の燃料電池システム１と
同一の符号で示す構成要素については、同一の構成およ
び作用を有するので、詳細な説明を省略する。

【００３０】酸化ガス供給部は、燃焼器５で発生した排
気ガスによってＶＧＴ１４の排気タービン１４ａを回転
駆動し、排気タービン１４ａにタービン軸１４ｃで直結
されたコンプレッサ１４ｂで空気を圧縮して加圧する。
コンプレッサ１４ｂは、回転にともなってタービン軸１
４ｃの方向から空気を吸い込んで、コンプレッサブレー
ド（図示せず）で空気を圧縮し、圧力を高める。さら
に、コンプレッサ１４ｂは、モータ１２に繋がれ、モー
タ１２により外部から機械的に回転数が制御される。ち
なみに、ＶＧＴ１４は、第１実施形態のＶＧＴ４に対し
てモータ１２による回転数制御を受ける以外は同一の構
造および作用を有し、固定ノズル型ターボチャージャに
対して、排気タービン１４ａのノズル４ｅ，４ｅ，・・
・の開度を調整するために、ベーン４ｄ，４ｄ，・・・
を備える（図４参照）。また、酸化ガス供給部は、この
ノズル４ｅの開度を制御するために、カソード極圧力セ
ンサ８や制御装置１９を備える。この制御装置１９は、
燃料電池システム１１の制御装置に一部として組み込ま
れてもよいし、別体として設けてもよい。

【００３１】ＶＧＴ１４の排気タービン１４ａの構成お
よび作用も、第１実施形態のＶＧＴ４の排気タービン４
ａと同一の構成および作用を有するので、詳細な説明は
省略する。モータ１２は、ＶＧＴ１４のコンプレッサ１
４ｂのコンプレッサブレード（図示せず）に電磁クラッ
チ等を介して繋がれ、コンプレッサブレード（図示せ
ず）の回転数を外部から制御する。

【００３２】制御装置１９は、車両のモータ出力に応じ
て燃料電池２の発電量を演算し、その発電量を発生させ
るために必要な燃料電池２に供給する酸化ガスの流量お
よび圧力を演算する。そして、その酸化ガスの流量およ
び圧力を得るために、ＶＧＴ１４のノズル４ｅの開度
（すなわち、ベーン４ｄの開度）を演算するとともに、
モータ１２の回転数を演算する。さらに、制御装置１９
は、カソード極圧力センサ８から燃料電池２に供給され
る酸化ガスの実測圧力値を取り込み、目標となる酸化ガ
スの流量および圧力（演算値）となるように、フィード
バック制御する。

【００３３】次に、図６のフローチャートに沿って、燃
料電池システム１１の酸化ガス供給部の制御を説明す
る。なお、図６のフローチャートにおいてＳ２０１〜Ｓ
２０４は、図５のフローチャートのＳ１０１〜Ｓ１０４
と同じ制御なので、説明を省略する。

【００３４】酸化ガスの流量と圧力が決定すると、制御
装置１９は、ＶＧＴ１４のコンプレッサ１４ｂのコンプ
レッサブレードの回転数を演算し、その回転数に必要な
モータ１２の回転数と排気タービン１４ａのタービンブ
レード４ｆの回転数を演算する。そして、制御装置１９
は、タービンブレード４ｆの回転数が決まると、ノズル
４ｅの開度（すなわち、ベーン４ｄの開度）を演算する
（Ｓ２０５）。

【００３５】ベーン４ｄの開度が決まると、制御装置１
９は、ベーン４ｄとモータ１２に信号を送信する。そし
て、その信号の情報により、ベーン４ｄは開閉し、演算
されたノズル４ｅの開度となる（Ｓ２０６）。また、モ
ータ１２は回転し、演算された回転数となる（Ｓ２０
６）。すると、ＶＧＴ１４に流入する排気ガスは、設定
された開度のノズル４ｅで絞られて、タービンブレード
４ｆに導入される。また、モータ１２の回転数によって
コンプレッサブレード（図示せず）の回転数を制御す
る。

【００３６】また、カソード極圧力センサ８では、燃料
電池２に供給される酸化ガス（空気）の圧力が検出され
る。そして、この検出値が制御装置１９に送信される
（Ｓ２０７）。さらに、この圧力の検出値と酸化ガスが
流れる管の径等から酸化ガスの流量を演算する（Ｓ２０
７）。

【００３７】そして、制御装置１９は、酸化ガス（空
気）の流量および圧力の演算値と検出値を比較する（Ｓ
２０８）。演算値と検出値が一致する場合には処理を終
了し、演算値と検出値が一致しない場合には、Ｓ２０５
に移り、処理を繰り返し実行する。

【００３８】この燃料電池システム１１によれば、ＶＧ
Ｔ１４のノズル４ｅの開度調節により、燃料電池２に供
給する酸化ガスの圧力および燃料電池２の背圧を制御す
ることができる。そのため、アクセルが開かれた加速時
等の過渡状態において、酸化ガスの圧力応答性が向上す
る。また、アノード側の調圧弁を削減でき、燃料電池シ
ステム１１は、小型軽量化する。

【００３９】次に、図３を参照して、第３実施形態の燃
料電池システムにおける酸化ガス供給部の構成について
説明する。燃料電池システム２１は、第１実施形態の燃
料電池システム１に対して酸化ガス供給部の構成が異な
る。なお、酸化ガス供給部は、主として、ＶＧＴ２４お
よびモータ２２と圧縮機２３からなる。なお、ＶＧＴ２
４は、可変ノズル型のターボチャージャである。なお、
燃料電池システム２１において第１実施形態の燃料電池
システム１と同一の符号で示す構成要素については、同
一の構成および作用を有するので、詳細な説明を省略す
る。

【００４０】酸化ガス供給部は、燃焼器５で発生した排
気ガスによってＶＧＴ２４の排気タービン２４ａを回転
駆動し、排気タービン２４ａにタービン軸２４ｃで直結
されたコンプレッサ２４ｂで空気を圧縮して加圧すると
ともに、モータ２２で回転駆動する圧縮機２３で空気の
流量とＶＧＴ２４のコンプレッサ２４ｂに入力される空
気の圧力を制御する。コンプレッサ２４ｂは、回転にと
もなってタービン軸２４ｃの方向から空気を吸い込ん
で、コンプレッサブレード（図示せず）で空気を圧縮
し、圧力を高める。ちなみに、ＶＧＴ２４は、第１実施
形態のＶＧＴ４と同一の構造および作用を有し、固定ノ
ズル型ターボチャージャに対して、排気タービン２４ａ
にノズル４ｅ，４ｅ，・・・の開度を調整するために、
ベーン４ｄ，４ｄ，・・・を備える（図４参照）。ま
た、酸化ガス供給部は、このノズル４ｅの開度を制御す
るために、カソード極圧力センサ８や制御装置２９を備
える。この制御装置２９は、燃料電池システム２１の制
御装置に一部として組み込まれてもよいし、別体として
設けてもよい。

【００４１】ＶＧＴ２４の排気タービン２４ａの構成お
よび作用も、第１実施形態のＶＧＴ４の排気タービン４
ａと同一の構成および作用を有するので、詳細な説明は
省略する。モータ２２は、圧縮機２３のブレード（図示
せず）に電磁クラッチ等を介して繋がれ、前記ブレード
（図示せず）を回転駆動する。圧縮機２３は、ＶＧＴ２
４のコンプレッサ２４ｂの空気の流入側に接続される。
そして、圧縮機２３は、モータ２２にブレード（図示せ
ず）が回転駆動され、空気を圧縮して、空気の流量を調
整するとともに、コンプレッサ２４ｂに流入する空気の
圧力を調整する。したがって、燃料電池２に供給される
酸化ガス（空気）は、ＶＧＴ２４に加圧されるととも
に、圧縮機２３に流量が調整される。

【００４２】制御装置２９は、車両のモータ出力に応じ
て燃料電池２の発電量を演算し、その発電量を発生させ
るために必要な燃料電池２に供給する酸化ガスの流量お
よび圧力を演算する。そして、その酸化ガスの流量およ
び圧力を得るために、ＶＧＴ２４のノズル４ｅの開度
（すなわち、ベーン４ｄの開度）を演算するとともに、
モータ２２の回転数を演算する。さらに、制御装置２９
は、カソード極圧力センサ８から燃料電池２に供給され
る酸化ガスの実測圧力値を取り込み、目標となる酸化ガ
スの流量および圧力（演算値）となるように、フィード
バック制御する。

【００４３】次に、図７のフローチャートに沿って、燃
料電池システム２１の酸化ガス供給部の制御を説明す
る。なお、図７のフローチャートにおいてＳ３０１〜Ｓ
３０４は、図５のフローチャートのＳ１０１〜Ｓ１０４
と同じ制御なので、説明を省略する。

【００４４】酸化ガスの流量と圧力が決定すると、制御
装置２９は、燃料電池２に供給する酸化ガスの流量を得
るために、圧縮機２３の回転数、すなわちモータ２２の
回転数を演算する（Ｓ３０５）。圧縮機２３の回転数が
決定すると、ＶＧＴ２４のコンプレッサ２４ｂに流入す
る酸化ガスの圧力が決定する。そこで、燃料電池２に供
給する酸化ガスの圧力を得るために、ＶＧＴ２４のコン
プレッサ２４ｂのコンプレッサブレードの回転数を演算
し、排気タービン２４ａのタービンブレード４ｆの回転
数を演算する。そして、制御装置２９は、タービンブレ
ード４ｆの回転数が決まると、ノズル４ｅの開度（すな
わち、ベーン４ｄの開度）を演算する（Ｓ３０５）。

【００４５】ベーン４ｄの開度およびモータ２２の回転
数が決まると、制御装置２９は、ベーン４ｄとモータ２
２に信号を送信する。そして、その信号の情報により、
ベーン４ｄは開閉し、演算されたノズル４ｅの開度とな
る（Ｓ３０６）。また、モータ２２は回転し、演算され
た回転数となる（Ｓ３０６）。すると、圧縮機２２のブ
レードが設定された回転数で回転して酸化ガスを圧縮
し、さらにＶＧＴ２４に流入する排気ガスは、設定され
た開度のノズル４ｅで絞られて、タービンブレード４ｆ
に導入される。

【００４６】また、カソード極圧力センサ８では、燃料
電池２に供給される酸化ガス（空気）の圧力が検出され
る。そして、この検出値が制御装置２９に送信される
（Ｓ３０７）。さらに、この圧力の検出値と酸化ガスが
流れる管の径等から酸化ガスの流量を演算する（Ｓ３０
７）。

【００４７】そして、制御装置２９は、酸化ガス（空
気）の流量および圧力の演算値と検出値を比較する（Ｓ
３０８）。演算値と検出値が一致する場合には処理を終
了し、演算値と検出値が一致しない場合には、Ｓ３０５
に移り、処理を繰り返し実行する。

【００４８】この燃料電池システム２１によれば、ＶＧ
Ｔ２４のノズル４ｅの開度調節により、燃料電池２に供
給する酸化ガスの圧力および燃料電池２の背圧を制御す
ることができる。そのため、アクセルが開かれた加速時
等の過渡状態において、酸化ガスの圧力応答性が向上す
る。また、アノード側の調圧弁を削減でき、燃料電池シ
ステム２１は、小型軽量化する。

【００４９】ちなみに、図８に示すように、燃料電池シ
ステム１、１１、２１は、ＶＧＴ４、１４、２４を各々
備えているため、アクセルが開かれた加速時において、
従来の固定ノズル型ターボチャージャを備えた燃料電池
システムの酸化ガスを加圧する際の過渡応答性に比べて
非常に優れている。

【００５０】以上、本発明は、前記の実施の形態に限定
されることなく、様々な形態で実施される。例えば、燃
料電池システムを車両に搭載されているものとして説明
したが、燃料電池の発電量を急激に増加させる等の過渡
状態に対応した燃料電地システムには有効に適用するこ
とができる。また、ノズルの開度調節によってアノード
側の背圧を制御したが、カソード側あるいはアノード側
とカソード側の両側の背圧を制御するようにしてもよ
い。

【００５１】

【発明の効果】本発明の燃料電池システムによれば、バ
リアブルジオメトリ型ターボチャージャのノズルの開度
調節によって、燃料電池に供給する酸化ガスの圧力を制
御するとともに、燃料電池の背圧の制御をする。そのた
め、燃料電池に供給する酸化ガスの圧力の過渡応答性が
優れる。さらに、燃料電池の背圧を制御できるので、燃
料電池の排気ガスの排出側に設けられる調圧弁を削減で
き、システムを小型化および軽量化できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る燃料電池システムの酸化ガス供給
部の第１実施形態の構成図である。

【図２】本発明に係る燃料電池システムの酸化ガス供給
部の第２実施形態の構成図である。

【図３】本発明に係る燃料電池システムの酸化ガス供給
部の第３実施形態の構成図である。

【図４】本発明に係る燃料電池システムに具備されるバ
リアブルジオメトリ型ターボチャージャの排気タービン
の断面図であり、（ａ）はノズル全開時、（ｂ）はノズ
ル全閉時である。

【図５】第１実施形態の酸化ガス供給部の制御フローチ
ャートである。

【図６】第２実施形態の酸化ガス供給部の制御フローチ
ャートである。

【図７】第３実施形態の酸化ガス供給部の制御フローチ
ャートである。

【図８】本発明に係る燃料電池システムにおける過渡時
（アクセル開時）の酸化ガスの圧力応答特性を示すグラ
フである。

【図９】従来の燃料電池システムの酸化ガス供給部の構
成図である。

【符号の説明】

１，１１，２１・・・燃料電池システム２・・・燃料電池４，１４，２４・・・バリアブルジオメトリ型ターボチ
ャージャ４ｄ・・・ベーン４ｅ・・・ノズル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料電池に水素を含有する燃料ガスと酸
素を含有する酸化ガスを供給し、前記燃料ガスと前記酸
化ガスを反応させて発電を行う燃料電池システムにおい
て、前記燃料電池システムから排出される排気ガスが導入さ
れ、前記供給する酸化ガスを加圧する際にノズルの開度
調節により圧力制御可能なバリアブルジオメトリ型ター
ボチャージャを備えることを特徴とする燃料電池システ
ム。