JP2010055816A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】通常運転においてはエネルギー消費の少ない高効率運転ができ、高負荷、低圧、低温の環境においては高出力運転が可能であるコンパクトで低騒音な圧縮機を備える燃料電池システムを提供することを目的とする。
【解決手段】酸化剤ガスがコンプレッサ部１４ａから燃料電池２までの酸化剤ガス供給流路１１を流通し燃料電池２の酸化剤ガス流路を経過して酸化剤ガス排出流路１２から大気へ排出する第１流路２９と、酸化剤ガスがコンプレッサ部１４ａから燃料電池２までの酸化剤ガス供給流路１１に設けた分岐部Ｓからタービン部１４ｂを通過し酸化剤ガス供給流路１２の分岐部Ｓと燃料電池２との間に設けた流入部Ｐに流入する第２流路と、第１流路２９と、第２流路３０とを切替える制御装置７とを備え、高効率運転モードと高圧運転モードの運転モードにより制御装置７が第１流路２９と第２流路３０との切替えを行なう。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料電池システムの酸化剤ガスの圧力制御に関する。

燃料電池では、燃料には水素、酸化剤としては酸素を含む空気が用いられ、水素は燃料側電極の触媒の作用によって水素イオンと電子に分離され、分離された電子が外部負荷を移動し電力として取り出される。水素イオンは電解質膜を通して酸化剤極に移動し、酸化剤側電極の触媒の作用で水素イオンと外部の負荷を回ってきた電子と酸素が結合して水が生成される。

このような、燃料電池システムにおいては、酸化剤としての空気を燃料電池システムに供給するために空気圧縮機が用いられ、空気圧縮機は、燃料ガスの供給量又は発電量に基づいて必要空気量が算出され、この必要空気流量が供給されるように空気圧縮機の回転速度を制御している。そして坂道を登る際等の大きな出力が必要になったときには、通常より大きな空気流量の供給が必要であるため、圧縮機のコンプレッサ部と対向側に電動機を挟んで１軸上に膨張機が設けられ、排気エネルギーを膨張機で回収し、回収したエネルギーによって電動機をアシストし大流量を得るようにしている。また通常運転時は排気エネルギーを膨張機で回収し電動機をアシストすることによって低電力で運転でき効率化を図っている（例えば、特許文献１）。
また、特許文献２には、圧縮機とは別体でターボチャージャが設けられ、圧縮機から吐出された酸化剤ガスを、燃料電池からの排気によって駆動されるターボチャージャで増圧して対応しているものがある。
特開Ｈ７−１４５９９号公報 特開２００２−５６８６５号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された従来技術では、排気エネルギーを膨張機で回収し電動機をアシストしているため、低電力で圧縮機の作動ができるが、より高圧縮の酸化剤ガスを得るためにコンプレッサの回転翼外周部の周速を音速程度以上になるように設定しなければならない場合があり、許容される騒音からコンプレッサの回転翼を高速回転させようとしても、限界があるという問題がある。

また上記特許文献２に記載された従来技術では、別体でターボチャージャが設けられ、２段で酸化剤ガスの圧縮がされるため高圧化はできるが、コストが高くなるとともに、圧縮機が２つになるため大きな騒音が発生するという問題がある。

本発明は、通常運転においてはエネルギー消費の少ない高効率運転ができ、高負荷、低圧、低温の環境においては高出力運転が可能であるコンパクトで低騒音な圧縮機を備える燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の特徴は、燃料極および酸化剤極にそれぞれ供給された燃料ガスおよび酸化剤ガスによって発電する燃料電池と、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給流路にコンプレッサ部が配設され、前記燃料電池の反応後の前記酸化剤ガスを前記燃料電池から排出するための酸化剤ガス排出流路にタービン部が配設されたターボチャージャ圧縮機と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記酸化剤ガスが前記コンプレッサ部から前記燃料電池までの前記酸化剤ガス供給流路を流通し前記燃料電池の酸化剤ガス流路を経過して前記酸化剤ガス排出流路から大気へ排出する第１流路と、前記酸化剤ガスが前記コンプレッサ部から前記燃料電池までの前記酸化剤ガス供給流路に設けた分岐部から前記タービン部を通過し前記酸化剤ガス供給流路の前記分岐部と前記燃料電池との間に設けた流入部に流入する第２流路と、前記第１流路と前記第２流路とを切替える制御装置とを備え、高効率運転モードと高圧運転モードの運転モードにより前記制御装置が前記第１流路と第２流路との切替えを行なうことである。

請求項２に係る発明の特徴は、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記酸化剤ガス供給流路の前記分岐部と前記酸化剤ガス排出流路の前記タービン部の出口とを連通する第１分岐路と、前記酸化剤ガス排出流路の前記タービン部と前記燃料電池との間に設けられたバイパス部から該バイパス部と、前記酸化剤ガス供給流路の前記分岐部と前燃料電池との間に設けられた前記流入部とを連通する第２分岐路と、前記酸化剤ガス排出流路の前記燃料電池と前記バイパス部との間に設けられた排出部と、前記酸化剤ガス排出流路の前記排出部から分岐した大気排出路と、を備え、前記第２流路が第１分岐路、前記タービン部、前記タービン部から前記バイパス部までの前記酸化剤ガス排出流路、第２分岐路を順次経過して前記酸化剤ガス供給流路に流入し前記燃料電池の前記酸化剤ガス流路から前記酸化剤ガス排出流路の前記排出部を介して前記大気排出路に繋がることである。

請求項３に係る発明の特徴は、請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、前記酸化剤ガス供給流路の前記分岐部と前記流入部との間に第１バルブが配設され、第２バルブが前記酸化剤ガス排出流路の前記バイパス部と前記排出部との間に配設され、第３バルブが前記酸化剤ガス排出流路の前記タービン部の前記出口下流に配設され、第４バルブが前記第１分岐路に配設され、第５バルブが前記第２分岐路に配設され、第６バルブが前記大気排出路に配設され、前記高効率運転モードでは第１バルブ乃至第３バルブを開弁して第４バルブ乃至第６バルブを閉弁し、前記高圧運転モードでは第１バルブ乃至第３バルブを閉弁して第４バルブ乃至第６バルブを開弁することである。

請求項４に係る発明の特徴は、請求項１乃至請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御装置はアクセル開度を検出するアクセル開度検出手段と、前記アクセル開度に対応する車速を検出する車速検出手段と、事前に取得された所定のアクセル開度に対応する車速のデータを記憶する記憶手段とをさらに備え、前記アクセル開度検出手段によって検出された所定のアクセル開度に対応する前記車速検出手段によって検出された前記車速が、前記記憶手段に記憶された当該所定のアクセル開度に対応する車速より所定量以上小さいときに前記高効率運転モードから前記高圧運転モードへの切替えを行なうことである。

請求項５に係る発明の特徴は、請求項１乃至請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は外気圧を検出する外気圧検出手段をさらに備え、外気圧検出手段によって検出された値が所定の値を下回ったときに前記高効率運転モードから前記高圧運転モードへの切替えを行なうことである。

請求項６に係る発明の特徴は、請求項１乃至請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は気温を検出する外気温検出手段をさらに備え、前記外気温検出手段によって検出された値が所定の値を下回ったときに前記高効率運転モードから前記高圧運転モードへの切替えを行なうことである。

請求項７に係る発明の特徴は、請求項１乃至請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御装置はアクセル開度検出手段と、車速検出手段と、事前に取得された所定のアクセル開度に対応する車速のデータを記憶する記憶手段と、外気圧検出手段と、外気温検出手段と、をさらに備え、前記アクセル開度検出手段によって検出された所定のアクセル開度に対応する前記車速検出手段によって検出された前記車速が、前記記憶手段に記憶された当該所定のアクセル開度に対応する車速より所定量以上小さいとき、前記外気圧検出手段によって検出された値が所定の値を下回ったとき、または前記外気温検出手段によって検出された値が所定の値を下回ったときの少なくとも一つに該当したときに前記高効率運転モードから前記高圧運転モードへの切替えを行なうことである。

上記のように構成した請求項１に係る発明においては、高効率運転モードと、高圧運転モードの２つの運転モードに対応してそれぞれ第1および第２流路が設けられ、制御装置によって第1流路と第２流路との切替えが行なわれる。これにより適切なタイミングで運転モードの切替えが行なわれるのでスムースな運転が実現できる。

上記のように構成した請求項２に係る発明においては、第２流路が第１分岐路、タービン部、タービン部からバイパス部までの酸化剤ガス排出流路、第２分岐路を順次経過して酸化剤ガス供給流路に流入し燃料電池の酸化剤ガス流路から酸化剤ガス排出流路の排出部を介して大気排出路に繋がる経路で構成され、第１流路と第２流路との切替えが、制御装置によって行なわれる。これにより１台の圧縮機で高効率運転と、高圧運転の２運転モードを実現でき、よってコンパクトにシステムが構成できて、小型化、低コスト化、低騒音化が図れる。

上記のように構成した請求項３に係る発明においては、高効率運転モードと高圧運転モードの２つの運転モードに応じて設定される第1および第２流路は、第１流路および第２流路上にそれぞれ設けられた第１乃至第６バルブをそれぞれ組合せて作動させ、切替えられる。これにより第１乃至第６バルブのＯＮ、ＯＦＦの組み合わせのみの簡易な制御で高効率運転と、高圧運転の２運転モードの切り替えを実現でき、よって制御の負荷が低減できて、低コスト化が図れる。

上記のように構成した請求項４に係る発明においては、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、アクセル開度検出手段と、車速検出手段と、をさらに備え、アクセル開度検出手段によって検出された所定のアクセル開度に対応する車速検出手段によって検出された車速が、記憶手段に記憶された当該所定のアクセル開度に対応する車速より所定量以上小さいときに制御装置によって高効率運転モードから前記高圧運転モードへの切替えが行なわれる。これにより通常は高効率な運転ができるとともに、高負荷時にスムースな運転が実現される。

上記のように構成した請求項５に係る発明においては、高効率運転モードから高圧運転モードへの切替えを、外気圧検出手段によって検出された値が所定の値を下回ったときに制御装置によって行なう。これにより外気圧が低いときでも必要な圧力の酸化剤ガスを燃料電池に供給できスムースな運転が実現できる。

上記のように構成した請求項６に係る発明においては、高効率運転モードから高圧運転モードへの切替えを、外気温検出手段により検出された値が所定の値を下回ったときに制御装置によって行なう。これにより外気温が燃料電池システムの運転に適さない温度に低下したとき高圧運転モードに切替えることにより、酸化剤ガスを圧縮するときに発生する熱により燃料電池を暖めることができるためスムースな運転が実現される。

上記のように構成した請求項７に係る発明においては、アクセル開度検出手段によって検出された所定のアクセル開度に対応する車速検出手段によって検出された車速が、記憶手段に記憶された当該所定のアクセル開度に対応する車速より所定量以上小さいとき、外気圧検出手段によって検出された値が所定の値を下回ったとき、または外気温検出手段によって検出された値が所定の値を下回ったときの少なくとも一つに該当したときに制御装置によって高効率運転モードから高圧運転モードへの切替えが行なわれる。これにより、より確実に運転モード切替えのタイミングの検出が可能になり、スムースな運転が実現される。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。図１は、燃料電池システム１の構成図である。本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載することができるが、もちろん車両のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型電源にも適用可能である。

燃料電池システム１は、燃料電池２と、酸化剤ガスとしての空気（酸素）を燃料電池２に供給する酸化剤ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４と、検出手段（アクセル開度検出手段、外気圧検出手段、外気温検出手段）からの検出データに基づいて運転モードを制御する制御装置７と、を備えている。

燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単セルを積層したスタック構造を備えている。単セルは、イオン交換膜（例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等）からなる電解質の一方の面に空気極（カソード）を有し、他方の面に燃料極（アノード）を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの酸化剤ガス流路２ａに酸化剤ガスが供給され、他方のセパレータの燃料ガス流路２ｂに燃料ガスが供給される。供給された燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により、燃料電池２は電力を発生する。燃料電池２での電気化学反応は発熱反応であり、固体高分子電解質型の燃料電池２の温度は、およそ６０〜８０℃となる。

酸化剤ガス配管系３は、基本的な流路として燃料電池２に供給される酸化剤ガスが流れる供給流路１１と、燃料電池２から排出された酸化剤オフガスが流れる排出流路１２と、を有している。

供給流路１１は燃料電池２内の酸化剤ガス流路２ａと連通し、また第４バルブ３６、第５バルブ４５を介して排出流路１２に連通している。供給流路１１には、上流からエアクリーナ１３と、酸化剤ガス（外気）を取り込み燃料電池２の空気極に供給する図２に示すターボチャージャ圧縮機１４のコンプレッサ側のコンプレッサ部１４ａの第１遠心翼１８と、後述する運転モード切替え用の第１バルブ３４と、ターボチャージャ圧縮機１４によって燃料電池２に圧送される酸化剤ガスを加湿する加湿器１５と、が設けられている。加湿器１５は、供給流路１１を流れる低湿潤状態の酸化剤ガスと、排出流路１２を流れる高湿潤状態の酸化剤オフガスとの間で水分交換を行い、燃料電池２に供給される酸化剤ガスを適度に加湿するものである。

排出流路１２は上流から加湿器１５と、後述する運転モード切替え用の第２バルブ３５と、図２に示すターボチャージャ圧縮機１４のタービン部１４ｂの第２遠心翼１９と、第３バルブ４６とが設けられている。

図２に示すように、ターボチャージャ圧縮機１４は、ハウジング２０と、モータＭ１と、回転軸５と、回転軸５の一端に固定されたコンプレッサ部１４ａの第１遠心翼１８と、回転軸５の他端に固定されたタービン部１４ｂの第２遠心翼１９と、ハウジング２０に固定され回転軸５を低摺動抵抗で回転可能に支持する２個の軸受け８と、によって構成される。

ハウジング２０はターボチャージャ圧縮機１４の外形を形成するものであり、例えばアルミ等の金属材料によって形成され、図略のブラケット等を介して車両に固定される。

ハウジング２０は、コンプレッサ部１４ａ側に、酸化剤ガスを吸入する入力口３１と、吸入され導入された酸化剤ガスを昇圧する機能をもつ狭い円環状通路であるディフーザ１０ａと、ディフーザ１０ａを通過した酸化剤ガスが旋廻する渦巻状通路であるスクロール室９ａと、圧縮されて昇圧された酸化剤ガスを導出する出力口３２と、を備える。

またタービン部１４ｂ側には、タービン部１４ｂ内の酸化剤オフガスを排出する機能およびコンプレッサ部１４ａで圧縮された圧縮酸化剤ガスを導入する機能をもつ出口３９と、酸化剤オフガスの導入および第２遠心翼１９により圧縮された酸化剤ガスの導出機能を持つ入口３８とを備える。そして出口３９から導入された酸化剤ガスを圧縮する機能および入口３８から導入された酸化剤オフガスを減圧する機能をもつ狭い円環状通路であるディフーザ１０ｂと、酸化剤ガスが旋廻する渦巻状通路であるスクロール室９ｂと、を備える。

モータＭ１はハウジング２０の中央部に収容されている。モータＭ１は燃料電池システム１が要求する発電量に応じて酸化剤ガスを燃料電池２に圧送するために、制御装置７によってインバータ６５を介して回転制御される。モータＭ１は永久磁石によって形成される回転子４８と、ステータ５０ａとステータ５０ａに巻回されるコイル５０ｂからなる固定子４９とによって構成され、固定子４９はハウジング２０に固定される。モータＭ１のコイル５０ｂに周期的に電流を通電することによって電磁場（磁界）を発生させ、発生した電磁場と回転子４８の永久磁石の磁界とを、吸引、反発させ、これを繰り返すことにより回転を継続させるものである。

回転軸５は、回転子４８の回転中心に固定され、モータＭ１の回転子４８の回転と同期して回転軸中心に回転される。また回転軸５は、延在された両端にそれぞれコンプレッサ部１４ａの第１遠心翼１８と、タービン部１４ｂの第２遠心翼１９とが固定されている。これにより回転軸５はモータＭ１と、第１遠心翼１８および第２遠心翼１９とのお互いの力を伝達する。

コンプレッサ部１４ａの第１遠心翼１８は、モータＭ１の所定方向への回転によって、酸化剤ガスである空気を外部からコンプレッサ部１４ａ内に入力口３１を介して吸入するためのものである。そして吸入された空気がディフューザ１０ａを通過することにより圧縮されるよう構成されている。このような作動がされるように第１遠心翼１８の羽根形状は形成されている。

タービン部１４ｂの第２遠心翼１９は、燃料電池システム１の運転モードに応じて２つの機能を備える。１つ目の機能は、高効率運転モードにおいて燃料電池２から排出された酸化剤オフガスが入口３８から導入され、酸化剤オフガスの流れによって第２遠心翼１９が回転されて、回転されることにより発生した機械エネルギーをモータＭ１に還元し、モータＭ１の負荷を軽減するものである。２つ目の機能は、高圧運転モードにおいて、タービン部１４ｂの出口３９から導入された圧縮酸化剤ガスをディフューザ１０ｂに圧送し更に高圧縮するものである。第２遠心翼１９は２つの機能を満足するよう羽根形状が形成されている。

ターボチャージャ圧縮機１４から圧送される酸化剤ガスは上述のとおり２つの運転モードにおいてそれぞれ異なる流路（第１流路２９、第２流路３０）を通るよう構成されている。１つ目が第１流路２９を通る、通常の運転時に適用され燃費のよい効率的な運転を行なうための高効率運転モードである。２つ目が第２流路３０を通る、急な坂道を登るとき等の高負荷に対応するための高負荷環境時や、高地で運転されるとき等では、外気圧が通常の運転時より低く導入される酸化剤ガスの圧力も低いために発電効率が落ちる酸化剤ガス低圧環境時、および外気温が非常に低く燃料電池の起動、運転を行うために急速に燃料電池を暖機する必要がある時に適用される高圧運転モードである。

つまり高圧運転モードは高効率運転モードに比べて高圧縮することで酸化剤ガスの圧力を高効率モード時より高めて（圧力が高くなることで流速が増し、燃料電池に供給できる流量も増加する）燃料電池に供給でき、また高圧縮することによって発生する熱を取り出したりするためのものである。第１流路２９および第２流路３０には流路の切替えを行なうための第１乃至第６バルブ３４、３５、４６、３６、４５、３７が備えられている。

まず高効率運転モード時に酸化剤ガス通路となる第１流路２９について図１、図２に基づいて説明する。第１流路２９はターボチャージャ圧縮機１４のコンプレッサ部１４ａの出力口３２と、燃料電池２の酸化剤ガス入口２ａａとの間が接続され、接続された流路に第１バルブ３４が介在されている。また燃料電池２の酸化剤ガス出口２ａｂとタービン部の入口３８とが接続され、接続された流路に第２バルブ３５が介在されている。さらに排出路４７が、一端を前記タービン部１４ｂの出口３９に接続され他端を大気に接続されて設けられ、第３バルブ４６が排出路４７上に介在されている。さらにターボチャージャ圧縮機１４のタービン部１４ｂの入口３８から出口３９の流路、燃料電池２の酸化剤ガス流路２ａを加えて第１流路２９が構成されている。

次に高圧運転モード時に酸化剤ガスが通る第２流路３０について図１、図２に基づいて説明する。第２流路３０は、第１分岐路５５、第２分岐路１７および大気排出路４０によって構成される。第１分岐路５５は一端がコンプレッサ部１４ａの出力口３２と第１バルブ３４との間の分岐部Ｓで接続され、他端がタービン部１４ｂの出口３９に接続され、第１分岐路５５上に第４バルブ３６が介在されている。また第２分岐路１７は一端が第１バルブ３４と燃料電池２の酸化剤ガス入口２ａａとの間の、加湿器１５よりも上流の流入部Ｐで接続され、他端が第２バルブ３５とタービン部１４ｂの入口３８との間のバイパス部Ｑで接続され、第２分岐路１７上に第５バルブ４５が介在されている。さらに大気排出路４０は一端が燃料電池２の酸化剤ガス出口２ａｂと第２バルブ３５との間の、加湿器１５よりも下流の排出部Ｒで接続され、他端が大気に接続され、大気排出路４０上に第６バルブ３７が介在されている。さらに供給流路１１の流入部Ｐから酸化剤ガス入口２ａａまでの流路、燃料電池２の酸化剤ガス流路２ａ、排出流路１２の酸化剤ガス出口２ａｂから排出部Ｒまでの流路を加えて第２流路３０が構成されている。ここで、供給流路１１の流入部Ｐから酸化剤ガス入口２ａａまでの流路、燃料電池２の酸化剤ガス流路２ａ、排出流路１２の酸化剤ガス出口２ａｂから排出部Ｒまでの流路は第１流路と兼用している。このように第２流路の一部を第１流路と兼用することでコンパクト化、低コスト化を図ることができる。なお、第１乃至第６バルブ３４、３５、４６、３６、４５、３７は通電時開となるノーマルクローズタイプの電磁弁である。

次に燃料ガス配管系４は図１に示すように、水素供給源２１と、水素供給源２１から燃料電池２に供給される燃料ガスである水素ガスが流れる供給流路２２と、供給流路２２に設けられている、上流から順番に元弁２６と、調圧弁２７と、遮断弁２８と、燃料電池２の燃料ガス流路２ｂと、水素オフガスが排出される排出流路２３とから構成されている。元弁２６を開くことで水素供給源２１から供給流路２２に流出した水素ガスは、調圧弁２７で減圧され、遮断弁２８を経て、燃料電池２の燃料ガス流路２ｂに供給されたのち、未使用の水素ガスは水素オフガス排出流路２３を通り、図略の水素希釈器を介して大気に排出される。

制御装置７は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プログラムに従って所望の演算を実行して、運転モード切替えバルブの制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。

制御装置７は、図示しない車両が置かれる環境の気温を検出する所定の位置に設けられた外気温検出手段４４である外気温センサ５１や、外気圧を検出する所定の位置に設けられた外気圧検出手段４３である外気圧センサ５２からの検出信号が入力される。また制御装置７は、車両のアクセル開度を検出するアクセル部に設けられたアクセル開度検出手段４１であるアクセル開度センサ５３や、車両の車速を検出する車軸に設けられた車速検出手段４２である回転速度センサ５４などの各種センサからの検出信号が入力され、第１バルブ３４乃至第６バルブ３７およびターボチャージャ圧縮機１４のモータＭ１に制御信号を出力する。

次に本実施形態におけるシステムの動作について、図１乃至図６を参照しながら説明する。本燃料電池システム１を用いた車両においては、運転者が図示しないアクセルを踏むことにより、踏んだアクセル開度がアクセル開度検出手段４１であるアクセル開度センサ５３によって検出され、検出された値が制御装置７に送信される。

制御装置７は送信された検出データに基づき、燃料電池２での必要な発電量を導出し、導出された発電量に基づいて燃料電池２に供給すべき酸化剤ガスの供給量が導出される。

制御装置７は、導出された必要酸化剤ガス量データに基づき、ターボチャージャ圧縮機１４のモータＭ１の回転数を制御し、必要量の酸化剤ガスを燃料電池２の酸化剤極に供給する。そして酸化剤極に供給された酸化剤ガスと燃料極に供給された水素とが、交換膜を介して反応し必要な発電量が発電される。

次に通常運転モードである高効率運転モードの場合のターボチャージャ圧縮機１４の動作について図２に基づいて詳細に説明する。高効率運転モードでは、酸化剤ガスである空気は、ターボチャージャ圧縮機１４のモータＭ１の回転により大気からエアクリーナ１３を介してターボチャージャ圧縮機１４のコンプレッサ部１４ａの入力口３１に吸込まれる。吸い込まれた酸化剤ガスは第１遠心翼１８の外周で高速の運動エネルギーを得て、狭い円環状の通路であるディフューザ１０ａを通過し運動エネルギーが圧力エネルギーに変換されて圧縮され昇圧する。更に渦巻き状の通路であるスクロール室９ａを通り出力口３２より導出される。出力口３２から導出された圧縮酸化剤ガスは、上述した第１流路２９（破線）を通り燃料電池２に供給される。このとき第１バルブ３４、第２バルブ３５、第３バルブ４６は通電されて開弁され、第４バルブ３６、第５バルブ４５、第６バルブ３７は閉弁し、第２流路には圧縮酸化剤ガスは供給されない。燃料電池２で反応された反応後の酸化剤オフガスは排出流路１２を通り、通電され開弁された第２バルブ３５を通ってターボチャージャ圧縮機１４のタービン部１４ｂの入口３８に導入される。入口３８に導入されたのちタービン部１４ｂのスクロール室９ｂ、ディフューザ１０ｂを順番に通過し第２遠心翼１９に供給され、第２遠心翼１９を回転する動力として作用されて、タービン部１４ｂの出口３９より、開弁された第３バルブ４６を介して排出路４７を通り大気に排出される。よってモータＭ１への入力電力はモータＭ１と同軸に配置される第２遠心翼１９の補助により軽減され効率的な低燃費運転を行なうことができる。

次に高圧運転モードの場合のターボチャージャ圧縮機１４の動作について図２に基づいて詳細に説明する。高圧運転モードは、高効率運転モード時に使用された第１流路２９を第２流路３０に切替えることによって行なう。第２流路３０への切替えは、制御装置７によって第４、第５および第６バルブ３６、４５、３７に通電し開弁し、第１、第２および第３バルブ３４、３５、４６への通電を解除し閉弁することにより実現する。

高圧運転モードにおいては、酸化剤ガスである空気は、高効率運転モードのときと同様のプロセスでターボチャージャ圧縮機１４のコンプレッサ部１４ａの出力口３２から圧縮された酸化剤ガスとして導出される。出力口３２から導出された圧縮酸化剤ガスは、ターボチャージャ圧縮機１４のタービン部１４ｂの出口３９に、開弁された第４バルブ３６を介して圧送される。出口３９から導入された圧縮酸化剤ガスはタービン部１４ｂ内の第２遠心翼１９の外周で高速の運動エネルギーを得て、円環状の通路であるディフューザ１０ｂを通過し運動エネルギーが圧力エネルギーに変換されることにより、さらに増圧されてスクロール室９ｂを通り入口３８より導出される。このようにコンプレッサ部１４ａで圧縮された酸化剤ガスをさらにタービン部１４ｂで圧縮することで、モータＭ１の回転数を増すことなく酸化剤ガスの増圧が可能となるため、第１遠心翼１８および第２遠心翼１９の周速を音速以下に抑えることができ騒音の問題が解決できる。

そして上述した第２流路上のバイパス部Ｑと、流入部Ｐと、バイパス部Ｑと流入部Ｐの間に設けられた第２分岐路１７と、を開弁された第５バルブ４５を介して通過し、燃料電池２に高圧縮の酸化剤ガスとして供給する。よって高効率運転モード時に対して、酸化剤ガスの圧力が高くなり流量が増すことで、大きな量の発電がされるので急な坂道や加速が必要な高負荷状態でスムースに走行可能となる。また気圧が低い高地における低圧環境状態では、酸化剤ガスの圧力をモータＭ１の回転数を増すことなく効率よく上げることができ燃料電池の発電に対し適性な圧力を維持する。さらに酸化剤ガスがコンプレッサ部１４ａとタービン部１４ｂとで２段に圧縮されることで酸化剤ガスがコンプレッサ部１４ａだけで圧縮されたときより酸化剤ガスの温度を高くすることができるので燃料電池２の暖機が必要なときに燃料電池２を効率よく加温することができる。燃料電池２から反応後の酸化剤オフガスが排出されるときは、排出流路１２において加湿器１５を通過したのち、第２バルブ３５の手前、即ち上流側の排出部Ｒで分岐された大気排出路４０から、通電されて開弁された第６バルブ３７を介して大気に排出される。

次に運転モードの切替えの制御について図３のフローチャート１に基づいて説明する。まず高効率運転モードにて走行している状態を想定して説明する。

ステップＳ１０でスタートし、ステップＳ１１において、運転者によって踏まれたアクセル踏量がアクセル開度センサ５３によってアクセル開度として検出され制御装置７に送信される。

制御装置７に、車軸近傍に設けられた車速検出手段４２である回転速度センサ５４の車速データが検出され送信されて、ＲＡＭに記憶される。（ステップＳ１２）。

次に制御装置７は事前に取得され記憶手段であるＲＯＭに記憶されている所定の条件のもと取得された所定のアクセル開度に対応する車速ｐｒｅｖと、走行中に車速検出手段４２によって取得されＲＡＭに記憶された当該アクセル開度に対応する車速ｒｕｎｖとを比較する。そして走行中に検出された車速ｒｕｎｖが事前に取得した車速ｐｒｅｖに対し所定量（例えば事前取得の車速ｐｒｅｖに対し８０％）より小さいか否かの判定を下記（数１）式にて行なう。

（数１）
検出車速ｒｕｎｖ＜（事前取得の車速ｐｒｅｖ）×０．８

そして（数１）式を満たさない、即ち車速は十分速く、高効率運転モードのままでよいと判定したときはｃｈａｎｇｅｆｌａｇを０とする。また（数１）式を満たしたとき、即ち車速は遅く、高圧運転モードへの切り替えが必要と判定したときはｃｈａｎｇｅｆｌａｇを１とたてる（ステップＳ１３）。

次のステップＳ１４ではｃｈａｎｇｅｆｌａｇの確認を行い、ｃｈａｎｇｅｆｌａｇが０であれば、高効率運転モードを維持するため、第１、第２および第３バルブ３４、３５、４７は開弁のままとし、第４、第５、第６バルブ３６、４５、３７は閉弁のままとして（ステップＳ１５）、プログラムを終了する（ステップＳ１６）。

またｃｈａｎｇｅｆｌａｇが１であれば、高圧運転モードに切替える必要があり、第１、第２および第３バルブ３４、３５、４７は通電を解除し閉弁させ、第４、第５および第６バルブ３６、４５，３７には通電し開弁させて、第１流路と第２流路の切替えを行ない（ステップＳ１７）、プログラムを終了する（ステップＳ１８）。

上述の説明より明らかなように、第１の実施形態においては第１流路２９および第２流路３０上にそれぞれ設けられた第１乃至第６バルブ３４、３５、４７、３６、４５、３７をそれぞれ組合せて作動させることにより、１台のターボチャージャ圧縮機１４で、２つの運転モード（高効率運転モード、高圧運転モード）が実現できる。これによりコンパクトにシステムが構成でき、小型化、低コスト化、低騒音化が図れる。

また第１の実施形態においては、事前に取得した所定のアクセル開度における車速と、走行中に車速検出手段４２によって検出された所定のアクセル開度における車速とを比較し検出された車速が、事前に取得した車速より所定量以上小さくなったら高圧運転モードへの切替えが自動で速やかに行なわれる。これにより通常は高効率な運転ができる、とともに急な坂道等の高負荷時や、外気圧が低く酸化剤ガスの圧力が不足して十分な発電量が得られない時にもスムースな運転が実現できる。

次に本発明に係る第２の実施形態について説明する。第２の実施形態については第１の実施形態と、運転モード切替えのための信号の検出手段のみが異なり、その他の構成、作用、運転モードの切替え方法等については同一であるため、同一部分については説明を省略する。また同一部品については同一符号を付し説明する。

第２の実施形態は、所定の位置に設けられた、外気圧検出手段４３である外気圧センサ５２によって検出された値が所定の値（例えば９５０ｈＰａ）を下回った場合に、運転モードを高効率運転モードから高圧運転モードに切替えて、高圧縮の酸化剤ガスを燃料電池２に供給するものである。外気圧の低下に伴って低下した酸化剤ガスの圧力を高圧縮することによって、燃料電池２の化学反応が良好に行われる圧力に昇圧することで燃料電池２の発電量を維持するものである。

図４は第２の実施形態に係る運転モードの切替えの制御を示したフローチャート２である。まず通常の運転モード即ち、高効率運転モードにて走行している状態を想定して説明する。

ステップＳ２０で制御がスタートする。走行中、制御装置７には所定の位置に設けられた外気圧検出手段４３である外気圧センサ５２によって検出されたデータが随時送信される（ステップＳ２１）。

制御装置７は送信された外気圧データが所定の値（例えば９５０ｈＰａ）より小さいか、否かの判定を行なう。所定の値以上の場合はｃｈａｎｇｅｆｌａｇを０とし、所定の値より小さいときはｃｈａｎｇｅｆｌａｇを１とたてる（ステップＳ２２）。

次のステップでｃｈａｎｇｅｆｌａｇの確認を行い（ステップＳ２３）、ｃｈａｎｇｅｆｌａｇが０であれば、高効率運転モードを維持するため第１、第２および第３バルブ３４、３５、４７は開弁のままとし、第４、第５および第６バルブ３６、４５、３７は閉弁のままとして（ステップＳ２４）、プログラムを終了する（ステップＳ２５）。

またｃｈａｎｇｅｆｌａｇが１であれば、高圧運転モードに切替えるため第１、第２および第３バルブ３４、３５、４７は通電を解除し閉弁させ、第４、第５および第６バルブ３６、４５、３７には通電し開弁させて、第１流路２９と第２流路３０の切替えを行ない（ステップＳ２６）、プログラムを終了する（ステップＳ２７）。

上述の説明から明らかなように第２の実施形態においては、高効率運転モードから高圧運転モードへの切替えを、外気圧検出手段４３によって検出された値が所定の値を下回ったとき（気圧が低いとき）に行なうため通常の低地を走行時は高効率な運転ができるとともに、高地に上ったときには、自動で高圧運転モードに切替えがされるため外気圧の低下による酸化剤ガスの圧力不足を補って良好な運転を提供する。

次に本発明に係る第３の実施形態について説明する。第３の実施形態についても第１の実施形態と、運転モード切替えのための信号の検出手段のみが異なり、その他の構成、作用、運転モードの切替え方法等については同一であるため、同一部分については説明を省略する。また同一部品については同一符号を付し説明する。

第３の実施形態は、所定の位置に設けられた、外気温検出手段４４である外気温センサ５１によって検出された値が所定の値（例えば摂氏０℃）を下回った場合に、運転モードを高効率運転モードから高圧運転モードに切替えて、高圧縮酸化剤ガスを燃料電池２に供給するものである。高圧運転モードに切替えることにより酸化剤ガス温度をより昇温させることができ昇温した熱により燃料電池２を暖機して良好な運転状態を得るものである。

図５は第３の実施形態に係る運転モードの切替えの制御を示したフローチャート３である。まず通常の運転モード即ち、高効率運転モードにて走行している状態を想定して説明する。

ステップＳ３０で制御がスタートする。走行中、制御装置７には所定の位置に設けられた外気温検出手段４４である外気温センサ５１によって検出されたデータが随時送信される（ステップＳ３１）。制御装置７は送信された外気温ｏｔｅｍｐが所定の値（例えば摂氏０℃）より小さいか、否かの判定を行ない、所定の値以上であると判定した場合はｃｈａｎｇｅｆｌａｇを０とし、所定の値より小さいときはｃｈａｎｇｅｆｌａｇを１とたてる（ステップＳ３２）。

次のステップではｃｈａｎｇｅｆｌａｇの確認を行い（ステップＳ３３）、ｃｈａｎｇｅｆｌａｇが０であれば、高効率運転モードを維持するため第１、第２および第３バルブ３４、３５、４７は開弁のままとし、第４、第５および第６バルブ３６、４５、３７は閉弁のままとして（ステップＳ３４）、プログラムを終了する（ステップＳ３５）。

またｃｈａｎｇｅｆｌａｇが１であれば、高圧運転モードに切替えるため第１、第２および第３バルブ３４、３５、４７は通電を解除し閉弁させ、第４、第５および第６バルブ３６、４５、３７には通電し開弁させて、第１流路と第２流路の切替えを行ない（ステップＳ３６）、プログラムを終了する（ステップＳ３７）。

上述の説明から明らかなように、第３の実施形態においては高効率運転モードから高圧運転モードへの切替えを、外気温検出手段４４によって検出された値が所定の値を下回ったときに行なう。これにより外気温が下がって燃料電池システムの運転に適さない状態になっても、運転モードが自動で高圧運転モードに速やかに切替えられるため、熱が発生され燃料電池システムが急速に暖機されるので、スムースに良好な運転状態に移行できる。

次に上記第１乃至第３の実施形態を複合させた形態としての第４の実施形態について説明する。第４の実施形態においては、アクセル開度検出手段４１および車速検出手段４２、外気圧検出手段４３、外気温検出手段４４の全ての検出手段を同時に設け、いずれかのデータがいずれかの条件を満足したときに運転モードの切替えを行なうものである。

図６は第４の実施形態に係る運転モードの切替えの制御を示したフローチャート４である。

ステップＳ４０で制御がスタートする。運転者によって踏まれたアクセル踏量がアクセル開度センサ５３によってアクセル開度として検出され制御装置７に送信される。また図示しない車軸近傍に設けられた車速検出手段４２である回転速度センサ５４の車速データが検出され送信されて、ＲＡＭに記憶される。さらに外気圧検出手段４３である外気圧センサ５２によって検出されたデータ、および外気温検出手段４４である外気温センサ５１によって検出されたデータが随時制御装置７に送信される（ステップＳ４１）。

次にステップＳ４２にてフローチャート１のステップＳ１３と同様に
（数１）
検出車速ｒｕｎｖ＜（事前取得の車速ｐｒｅｖ）×０．８
を満たすか否か判定し、（数１）式を満たしたときはステップＳ４７に移動し高圧運転モードに切替える。また（数１）式を満たさないときはステップＳ４３に移行する。

次にステップＳ４３では、制御装置７は送信された外気圧データｏｐｒｅｓｓが所定の値（例えば９５０ｈＰａ）より小さいか、否かの判定を行なう。所定の値以上の場合は高効率運転モードのままでよいと判定されステップＳ４４に進む。また所定の値より小さいときはステップＳ４７に移行し高圧運転モードに切替える。

次にステップＳ４４では、制御装置７は送信された外気温ｏｔｅｍｐが所定の値（例えば摂氏０℃）より小さいか、否かの判定を行ない、所定の値以上の場合は高効率運転モードのままでよいと判定されステップＳ４５に進み高効率運転モードを維持する。また所定の値より小さいときはステップＳ４７に移行し高圧運転モードに切替える。こうすることにより高負荷環境、低気圧環境、低温環境等を全て網羅でき、より確実に高効率運転モードと高圧運転モードの切替えが可能となり、スムースな運転が実現できる。

さらに、上記の各実施形態においては高効率運転モードから高圧運転モードへの切替えは自動ではなく手動によって行なうようにしてもよい。手動で行なう場合は、各フローチャート１，２，３，４で高圧運転モードへの切替えを行なう各ステップＳ１７、Ｓ２６、Ｓ３６、Ｓ４７において、制御装置７は運転者に対し表示灯を点灯させる等の信号を送信して運転モードの切替えの必要があることを認識させ、所定の位置に設けられた切替えスイッチ切替えさせることにより、第１乃至第６バルブ３４、３５、４７、３６、４５、３７を作動させ流路を切替えるようにすればよい。こうすることにより、例えば高地において定置型電源等として利用する場合等、手動で１度だけ高圧運転モード用に切替えて使用すればよく、低地用のシステムと多くの部分で共通化が図れ、コスト低減を図ることができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 本発明の実施形態に係るターボチャージャ圧縮機の断面図である。 第１の実施形態に係る運転モード切替え制御のためのフローチャートである。 第２の実施形態に係る運転モード切替え制御のためのフローチャートである。 第３の実施形態に係る運転モード切替え制御のためのフローチャートである。 第４の実施形態に係る運転モード切替え制御のためのフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池システム、２…燃料電池、３…酸化剤ガス配管系、７…制御装置、１１…供給流路、１２…排出流路、１４…ターボチャージャ圧縮機、１５…加湿器、１７…第２分岐路、１８…第１遠心翼、１９…第２遠心翼、２９…第１流路、３０…第２流路、３１…コンプレッサ部入力口、３２…コンプレッサ部出力口、３４…第１バルブ、３５…第２バルブ、３６…第４バルブ、３７…第６バルブ、３８…タービン部入口、３９…タービン部出口、４０…大気排出路、４５…第５バルブ、４６…第３バルブ、４７…排出路、５１…外気温センサ、５２…外気圧センサ、５３…アクセル開度センサ、５４…回転速度センサ、５５…第１分岐路、Ｍ１…モータ、Ｐ…流入部、Ｑ…バイパス部、Ｒ…排出部、Ｓ…分岐部。

Claims (7)

1. 燃料極および酸化剤極にそれぞれ供給された燃料ガスおよび酸化剤ガスによって発電する燃料電池と、
   前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給流路にコンプレッサ部が配設され、前記燃料電池の反応後の前記酸化剤ガスを前記燃料電池から排出するための酸化剤ガス排出流路にタービン部が配設されたターボチャージャ圧縮機と、を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記酸化剤ガスが前記コンプレッサ部から前記燃料電池までの前記酸化剤ガス供給流路を流通し前記燃料電池の酸化剤ガス流路を経過して前記酸化剤ガス排出流路から大気へ排出する第１流路と、
   前記酸化剤ガスが前記コンプレッサ部から前記燃料電池までの前記酸化剤ガス供給流路に設けた分岐部から前記タービン部を通過し前記酸化剤ガス供給流路の前記分岐部と前記燃料電池との間に設けた流入部に流入する第２流路と、
   前記第１流路と前記第２流路とを切替える制御装置とを備え、
   高効率運転モードと高圧運転モードの運転モードにより前記制御装置が前記第１流路と第２流路との切替えを行なうことを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記酸化剤ガス供給流路の前記分岐部と前記酸化剤ガス排出流路の前記タービン部の出口とを連通する第１分岐路と、前記酸化剤ガス排出流路の前記タービン部と前記燃料電池との間に設けられたバイパス部から該バイパス部と、前記酸化剤ガス供給流路の前記分岐部と前記燃料電池との間に設けられた前記流入部とを連通する第２分岐路と、前記酸化剤ガス排出流路の前記燃料電池と前記バイパス部との間に設けられた排出部と、前記酸化剤ガス排出流路の前記排出部から分岐した大気排出路と、を備え、
   前記第２流路が第１分岐路、前記タービン部、前記タービン部から前記バイパス部までの前記酸化剤ガス排出流路、第２分岐路を順次経過して前記酸化剤ガス供給流路に流入し前記燃料電池の前記酸化剤ガス流路から前記酸化剤ガス排出流路の前記排出部を介して前記大気排出路に繋がることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、前記酸化剤ガス供給流路の前記分岐部と前記流入部との間に第１バルブが配設され、第２バルブが前記酸化剤ガス排出流路の前記バイパス部と前記排出部との間に配設され、第３バルブが前記酸化剤ガス排出流路の前記タービン部の前記出口下流に配設され、第４バルブが前記第１分岐路に配設され、第５バルブが前記第２分岐路に配設され、第６バルブが前記大気排出路に配設され、
   前記高効率運転モードでは第１バルブ乃至第３バルブを開弁して第４バルブ乃至第６バルブを閉弁し、前記高圧運転モードでは第１バルブ乃至第３バルブを閉弁して第４バルブ乃至第６バルブを開弁することを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１乃至請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御装置はアクセル開度を検出するアクセル開度検出手段と、前記アクセル開度に対応する車速を検出する車速検出手段と、事前に取得された所定のアクセル開度に対応する車速のデータを記憶する記憶手段とをさらに備え、
   前記アクセル開度検出手段によって検出された所定のアクセル開度に対応する前記車速検出手段によって検出された前記車速が、前記記憶手段に記憶された当該所定のアクセル開度に対応する車速より所定量以上小さいときに前記高効率運転モードから前記高圧運転モードへの切替えを行なうことを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１乃至請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は外気圧を検出する外気圧検出手段をさらに備え、外気圧検出手段によって検出された値が所定の値を下回ったときに前記高効率運転モードから前記高圧運転モードへの切替えを行なうことを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項１乃至請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は気温を検出する外気温検出手段をさらに備え、前記外気温検出手段によって検出された値が所定の値を下回ったときに前記高効率運転モードから前記高圧運転モードへの切替えを行なうことを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項１乃至請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御装置はアクセル開度検出手段と、車速検出手段と、事前に取得された所定のアクセル開度に対応する車速のデータを記憶する記憶手段と、外気圧検出手段と、外気温検出手段と、をさらに備え、前記アクセル開度検出手段によって検出された所定のアクセル開度に対応する前記車速検出手段によって検出された前記車速が、前記記憶手段に記憶された当該所定のアクセル開度に対応する車速より所定量以上小さいとき、前記外気圧検出手段によって検出された値が所定の値を下回ったとき、または前記外気温検出手段によって検出された値が所定の値を下回ったときの少なくとも一つに該当したときに前記高効率運転モードから前記高圧運転モードへの切替えを行なうことを特徴とする燃料電池システム。

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