JP2015170440A

JP2015170440A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2015170440A
Application number: JP2014043755A
Authority: JP
Inventors: 敦雄飯尾; Atsuo Iio
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-03-06
Filing date: 2014-03-06
Publication date: 2015-09-28

Abstract

【課題】燃料電池システムの消費エネルギ量を低減する。【解決手段】燃料電池システムＡは、カソードオフガス通路２４内に配置されてカソードオフガス通路内を流れるカソードオフガスにより駆動されるタービン３２ｔを備え、冷却水ポンプ３２は冷却水ポンプ駆動用電気モータ３２ｍ及びタービン３２ｔの一方又は両方により駆動される。タービン３２ｔを迂回してタービン上流のカソードオフガス通路とタービン下流のカソードオフガス通路とを互いに連結するタービンバイパス通路２５と、タービンバイパス通路内を流れるカソードオフガスの量を制御するタービンバイパス制御弁２６とを更に備え、カソードオフガス通路内を流れるガスの少なくとも一部がタービンバイパス通路を介しタービンを迂回できるようにする。【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システムに関する。

燃料電池セルと、燃料電池セル内に形成された酸化剤ガス通路の入口に連結された酸化剤ガス供給路と、酸化剤ガス供給路内に配置されて酸化剤ガスを圧送するコンプレッサと、酸化剤ガス通路の出口に連結されたカソードオフガス通路と、燃料電池セル内に形成された冷却水通路の入口に連結された冷却水供給路と、冷却水供給路内に配置されて冷却水を圧送する冷却水ポンプと、カソードオフガス通路内に配置されてカソードオフガス通路内を流れるカソードオフガスにより駆動されるタービンと、を備え、冷却水ポンプはタービンのみ又は冷却水ポンプ駆動用電気モータ及びタービン両方により駆動される、燃料電池システムが公知である（特許文献１参照）。

特開２０１０−０８０２７０号公報

上述の燃料電池システムでは、カソードオフガスの全量が常時タービンに流入し、常時タービンが駆動される。このため、コンプレッサが駆動されたときには、タービンにより冷却水ポンプを駆動する必要がなくても、タービンが駆動されてしまう。あるいは、カソードオフガス量が多いときにはタービンが必要以上に駆動され、冷却水量が必要以上に多くなるおそれがある。ところが、カソードオフガスがタービンに流入してタービンを駆動する場合には、例えばカソードオフガスがタービンに流入しない場合に比べて、カソードオフガス通路の圧力損失が増大するので、コンプレッサの負荷すなわち消費エネルギ量が増大する。したがって、上述の燃料電池システムでは、燃料電池システムの消費エネルギ量が多いという問題点がある。

本発明によれば、燃料電池セルと、燃料電池セル内に形成された酸化剤ガス通路の入口に連結された酸化剤ガス供給路と、酸化剤ガス供給路内に配置されて酸化剤ガスを圧送するコンプレッサと、酸化剤ガス通路の出口に連結されたカソードオフガス通路と、燃料電池セル内に形成された冷却水通路の入口に連結された冷却水供給路と、冷却水供給路内に配置されて冷却水を圧送する冷却水ポンプと、カソードオフガス通路内に配置されてカソードオフガス通路内を流れるカソードオフガスにより駆動されるタービンと、を備え、冷却水ポンプは冷却水ポンプ駆動用電気モータ及びタービンの一方又は両方により駆動される、燃料電池システムであって、タービンを迂回してタービン上流のカソードオフガス通路とタービン下流のカソードオフガス通路とを互いに連結するタービンバイパス通路と、タービンバイパス通路内を流れるカソードオフガスの量を制御するタービンバイパス制御弁と、を更に備え、カソードオフガス通路内を流れるガスの少なくとも一部がタービンバイパス通路を介しタービンを迂回できるようにした、燃料電池システムが提供される。

燃料電池システムの消費エネルギ量を低減することができる。

燃料電池システムの全体図である。タービンバイパス制御弁の制御例を実行するルーチンを示すフローチャートである。コンプレッサの消費電力量を示す図である。モータ冷却水量割合ｒＱＷＭのマップを示す図である。冷却制御を実行するルーチンを示すフローチャートである。冷却制御を実行するルーチンを示すフローチャートである。

図１を参照すると、燃料電池システムＡは燃料電池セル１を備える。燃料電池セル１は膜電極接合体（図示しない）を有する。膜電極接合体は膜状の電解質と、電解質の一側に形成されたアノード極と、電解質の他側に形成されたカソード極とを備える。これらアノード極及びカソード極は一方ではＤＣ／ＤＣコンバータ及びインバータ２を介して例えば車両駆動用の電気モータ３に電気的に接続され、他方ではＤＣ／ＤＣコンバータ４を介して蓄電器５に電気的に接続される。図１に示される燃料電池システムＡでは蓄電器５はバッテリから構成される。また、燃料電池セル１内には、アノード極に燃料ガスを供給するための燃料ガス通路１０と、カソード極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路２０とが形成される。燃料電池セル１内には更に、燃料電池セル１に冷却水を供給するための冷却水通路３０が形成される。

なお、図１に示される燃料電池システムＡでは、複数の燃料電池セル１が設けられ、これら燃料電池セル１が互いに直列的に積層されることにより燃料電池スタックが形成されている。この場合、上述の燃料ガス通路１０、酸化剤ガス通路２０、冷却水通路３０、アノード極及びカソード極はそれぞれ互いに連結される。

燃料ガス通路１０の入口には燃料ガス供給路１１が連結され、燃料ガス供給路１１は燃料ガス源１２に連結される。本発明による実施例では燃料ガスは水素から形成され、燃料ガス源１２は水素タンクから形成される。燃料ガス供給路１１内には燃料ガス供給路１１内を流れる燃料ガスの量を制御する燃料ガス制御弁１３が配置される。一方、燃料ガス通路１０の出口にはアノードオフガス通路１４が連結され、アノードオフガス通路１４内にはアノードオフガス通路１４内を流れるアノードオフガスの量を制御するアノードオフガス制御弁１５が配置される。燃料ガス制御弁１３が開弁されると、燃料ガス源１２内の燃料ガスが燃料ガス供給路１１を介して燃料電池セル１内の燃料ガス通路１０内に供給される。このとき燃料ガス通路１０から流出するガス、すなわちアノードオフガスはアノードオフガス通路１４内に流入する。

また、酸化剤ガス通路２０の入口には酸化剤ガス供給路２１が連結され、酸化剤ガス供給路２１は酸化剤ガス源２２に連結される。本発明による実施例では酸化剤ガスは空気から形成され、酸化剤ガス源２２は大気から形成される。酸化剤ガス供給路２１内には酸化剤ガスを圧送するコンプレッサ２３が配置される。一方、酸化剤ガス通路２０の出口にはカソードオフガス通路２４が連結される。コンプレッサ２３が駆動されると、酸化剤ガス源２２内の酸化剤ガスが酸化剤ガス供給路２１を介して燃料電池セル１内の酸化剤ガス通路２０内に供給される。このとき酸化剤ガス通路２０から流出するガス、すなわちカソードオフガスはカソードオフガス通路２４内に流入する。

更に、冷却水通路３０の入口には冷却水供給路３１の一端が連結され、冷却水供給路３１の出口には冷却水供給路３１の他端が連結される。冷却水供給路３１内には冷却水を圧送する冷却水ポンプ３２と、ラジエータ３３とが配置される。ラジエータ３３上流の冷却水供給路３１と、ラジエータ３３と冷却水ポンプ３２間の冷却水供給路３１とはラジエータバイパス通路３４により互いに連結される。また、ラジエータバイパス通路３４内を流れる冷却水量をそれぞれ制御するラジエータバイパス制御弁３５が設けられる。図１に示される燃料電池システムＡではラジエータバイパス制御弁３５は三方弁から形成され、ラジエータバイパス通路３４の入口に配置される。冷却水ポンプ３２が駆動されると、冷却水ポンプ３２から吐出された冷却水は冷却水供給路３１を介して燃料電池セル１内の冷却水通路３０内に流入し、次いで冷却水通路３０を通って冷却水供給路３１内に流入し、ラジエータ３３又はラジエータバイパス通路３４を介して冷却水ポンプ３２に戻る。なお、通常は、冷却水がラジエータバイパス通路３４に送られるようにラジエータバイパス制御弁３５が制御される。冷却水温をラジエータ３３により低下させる必要があるときには冷却水の一部又は全部がラジエータ３３に送られるようにラジエータバイパス制御弁３５が制御される。

また、カソードオフガス通路２４内にはタービン３２ｔが配置される。このタービン３２ｔはタービン３２ｔに送られたカソードオフガスによって駆動される。

上述した冷却水ポンプ３２は冷却水ポンプ駆動用電気モータ３２ｍ及びタービン３２ｔの一方又は両方により駆動される。

図１に示される燃料電池システムＡには更に、タービン３２ｔを迂回してタービン３２ｔ上流のカソードオフガス通路２４とタービン３２ｔ下流のカソードオフガス通路２４とを互いに連結するタービンバイパス通路２５と、タービンバイパス通路２５内を流れるカソードオフガスの量を制御するタービンバイパス制御弁２６とが設けられる。図１に示される燃料電池システムＡではタービンバイパス制御弁２６は三方弁から形成され、タービンバイパス通路２５の入口に配置される。その結果、カソードオフガス通路２４内を流れるカソードオフガスの少なくとも一部がタービンバイパス通路２５を介してタービン３２ｔを迂回することができる。

電子制御ユニット５０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス５１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）５２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）５３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）５４、入力ポート５５及び出力ポート５６を具備する。燃料電池セル１内の冷却水通路３０に隣接する冷却水供給路３１には冷却水の温度を検出する温度センサ４０が取り付けられる。温度センサ４０により検出される冷却水温は燃料電池セル１の温度を表している。温度センサ４０の出力信号は対応するＡＤ変換器５７を介して入力ポート５５に入力される。一方、出力ポート５６は対応する駆動回路５８を介して燃料ガス制御弁１３、アノードオフガス制御弁１５、コンプレッサ２３、タービンバイパス制御弁２６、冷却水ポンプ駆動用電気モータ３２ｍ、及びラジエータバイパス制御弁３５に接続される。

燃料電池セル１で発電すべきときには、燃料ガス制御弁１３が開弁されて燃料ガスが燃料電池セル１に供給されると共に、コンプレッサ２３が駆動されて酸化剤ガスが燃料電池セル１に供給される。その結果、燃料電池セル１において燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応（Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ）が生じ、それにより電気エネルギが発生される。この発生された電気エネルギは車両駆動用電気モータ３に送られ、それによりモータ３が駆動される。あるいは、発生された電気エネルギは蓄電器５に送られ、蓄えられる。

この場合、図１に示される燃料電池システムＡでは、発電すべきときには、例えばアクセルペダルの踏み込み量により表される車両駆動用電気モータ３の負荷及び蓄電器５の蓄電量に応じて燃料電池セル１の目標電流値が求められる。次いで、燃料電池セル１の出力電流値を目標電流値にするのに必要な燃料ガス量及び酸化剤ガス量、すなわち目標燃料ガス量及び目標酸化剤ガス量が求められる。次いで、燃料電池セル１に送られる燃料ガス量及び酸化剤ガス量がそれぞれ目標燃料ガス量及び目標酸化剤ガス量になるように燃料ガス制御弁１３及びコンプレッサ２３がそれぞれ制御される。言い換えると、コンプレッサ２３からの酸化剤ガス量が目標酸化剤ガス量に維持されるようにコンプレッサ２３が駆動される。

一方、上述したように、冷却水ポンプ３２は冷却水ポンプ駆動用電気モータ３２ｍ及びタービン３２ｔの一方又は両方により駆動される。電気モータ３２ｍにより冷却水ポンプ３２を駆動すべきときには電気モータ３２ｍに電力が供給される。タービン３２ｔにより冷却水ポンプ３２を駆動すべきときには、タービン３２ｔにカソードオフガスが送られるようにタービンバイパス制御弁２６の弁位置ないし開度が制御される。ここで、タービン３２ｔに送られるカソードオフガス量が多くなるにつれてタービン３２ｔによる冷却水量が多くなる。なお、冷却水ポンプ３２からの冷却水量は電気モータ３２ｍによる冷却水量とタービン３２ｔによる冷却水量との合計と考えることができる。

次に、タービンバイパス制御弁２６の制御の基本的な考え方について説明する。

燃料電池セル１で発電作用が行われると上述の電気化学反応により水分が発生する。このため、発電作用が停止されたとき、すなわち燃料電池システムＡが停止されたときに燃料電池セル１内に水分が残存し、この残存水分が凍結するおそれがある。

そこで図１に示される燃料電池システムＡでは、燃料電池システムＡの停止処理時に一定時間だけコンプレッサ２３が駆動され、燃料電池セル１に送られる酸化剤ガスにより燃料電池セル１が掃気される。その結果、燃料電池セル１内に残存する水分が低減され、残存水分が燃料電池セル１内で凍結するのが抑制される。

このようにコンプレッサ２３が駆動されると、カソードオフガスがカソードオフガス通路２４内に流入する。ここで、タービン３２ｔの流路抵抗ないし圧力損失はタービンバイパス通路２５の流路抵抗ないし圧力損失よりも大きい。したがって、カソードオフガス通路２４内のカソードオフガスがタービン３２ｔに送られると、コンプレッサ２３からの酸化剤ガス量を一定量に維持するために必要なコンプレッサ２３の負荷すなわち消費電力量が増大してしまう。

そこで、図１に示される燃料電池システムＡでは、コンプレッサ２３が駆動されているときにタービン３２ｔを駆動すべきでないときには、カソードオフガスの全量がタービンバイパス通路２５に送られるようにタービンバイパス制御弁２６が制御される。その結果、コンプレッサ２３の消費電力量が少なく維持される。したがって、燃料電池システムＡ１が効率的に作動される。

これに対し、コンプレッサ２３が駆動されているときにタービン３２ｔを駆動すべきときには、カソードオフガスの一部又は全部がタービンバイパス通路２５に送られるようにタービンバイパス制御弁２６が制御される。その結果、タービン３２ｔが駆動され、それにより冷却水ポンプ３２が駆動される。

図２はタービンバイパス制御弁２６の制御例を実行するルーチンを示している。このルーチンは一定時間ごとの割り込みによって実行される。

図２を参照すると、ステップ１００ではコンプレッサ２３が駆動されているか否かが判別される。コンプレッサ２３が駆動されていないときには処理サイクルを終了する。コンプレッサ２３が駆動されているときにはステップ１０１に進み、タービン３２ｔを駆動すべきか否かが判別される。タービン３２ｔを駆動すべきときにはステップ１０２に進み、カソードオフガス通路２４内を流れるカソードオフガスの一部又は全部がタービン３２ｔに送られ、残りがタービンバイパス通路２５に送られるようにタービンバイパス制御弁２６が制御される。これに対し、タービン３２ｔを駆動すべきでないときにはステップ１０１からステップ１０３に進み、カソードオフガス通路２４内を流れるカソードオフガスの全部がタービンバイパス通路２５に送られるようにタービンバイパス制御弁２６が制御される。

ところで、カソードオフガス通路２４を流れるカソードオフガス量に対するタービンバイパス通路２５に送られるカソードオフガス量の割合をタービンバイパス割合と称すると、図３は、種々のタービンバイパス割合ｒＴＢのもとでコンプレッサ２３からの酸化剤ガス量を一定量に維持するのに必要なコンプレッサ２３の消費電力量ＱＥＣを示している。タービンバイパス割合ｒＴＢが小さくなるにつれてタービン３２ｔに送られるカソードオフガス量が多くなり、タービン３２ｔの流路抵抗はタービンバイパス通路２５の流路抵抗よりも大きい。したがって、図３からわかるように、タービンバイパス割合ｒＴＢが小さくなるにつれて消費電力量ＱＥＣが大きくなる。

次に、図１に示される燃料電池システムＡにおける燃料電池セル１の冷却制御について説明する。

図１に示される燃料電池システムＡでは、燃料電池セル１の温度を表す冷却水温があらかじめ定められた目標温度範囲内に維持されるように冷却水ポンプ３２からの冷却水量が制御される。すなわち、図１に示される燃料電池システムＡでは、まず、冷却水温をあらかじめ定められた目標温度範囲内に維持するのに必要な冷却水量、すなわち目標冷却水量ＱＷＸが冷却水温の目標値と、燃料電池セル１から流出する冷却水と燃料電池セル１に流入する冷却水の温度差の目標値とから求められる。ここで、燃料電池セル１で発電すべきときにはコンプレッサ２３が駆動されており、このときコンプレッサ２３からの酸化剤ガス量、すなわちカソードオフガス通路２４内に流入するカソードオフガス量は目標電流値に応じてあらかじめ決まっている。

ここで、カソードオフガス量の全部がタービン３２ｔに送られるようにタービンバイパス制御弁２６を制御したと仮定したときのタービン３２ｔによる冷却水量を仮定タービン冷却水量ＱＷＴＡと称すると、目標冷却水量ＱＷＸが仮定タービン冷却水量ＱＷＴＡ以下のときには、タービン３２ｔによる冷却水量ＱＷＴを目標冷却水量ＱＷＸにするのに必要なタービンバイパス割合ｒＴＢが算出される。次いで、実際のタービンバイパス割合が算出されたタービンバイパス割合ｒＴＢになるようにタービンバイパス制御弁２６が制御される。この場合、冷却水ポンプ駆動用電気モータ３２ｍによる冷却水量の目標量ＱＷＭＸはゼロに設定され、したがって冷却水ポンプ駆動用電気モータ３２ｍは停止される。

これに対し、目標冷却水量ＱＷＸが仮定タービン冷却水量ＱＷＴＡよりも多いときには、カソードオフガスの全部がタービン３２ｔに送られるように、すなわちタービンバイパス割合ｒＴＢがゼロになるように、タービンバイパス制御弁２６が制御される。また、電気モータ３２ｍによる冷却水量の目標値ＱＷＭＸが、目標冷却水量ＱＷＸからタービン３２ｔによる冷却水量ＱＷＴを差し引いた残り（ＱＷＸ−ＱＷＴ）に設定される。なお、この場合のタービン３２ｔによる冷却水量ＱＷＴは仮定タービン冷却水量ＱＷＴＡに等しい。次いで、電気モータ３２ｍによる冷却水量がその目標量ＱＷＭＸとなるように電気モータ３２ｍが制御される。

すなわち、タービン３２ｔのみで目標冷却水量ＱＷＸを賄うことができるときには、タービン３２ｔのみが駆動され、冷却水ポンプ駆動用電気モータ３２ｍは停止される。この場合、タービン３２ｔによる冷却水量ＱＷＴが目標冷却水量ＱＷＸになるようにタービン３２ｔに送られるカソードオフガス量が制御される。一方、タービン３２ｔのみで目標冷却水量ＱＷＸを賄うことができないときには、タービン３２ｔに加えて冷却水ポンプ駆動用電気モータ３２ｍが駆動され、冷却水ポンプ駆動用電気モータ３２ｍによる冷却水量の目標量ＱＷＭＸが目標冷却水量ＱＷＸに対するタービン３２ｔによる冷却水量ＱＷＴの不足分（ＱＷＸ−ＱＷＴ）に設定される。

したがって、概念的に表現すると、燃料電池セル１で発電すべきときには、コンプレッサ２３が駆動されると共に、タービン３２ｔのみで目標冷却水量を賄うことができるときにはタービン３２ｔによる冷却水量ＱＷＴが目標冷却水量ＱＷＸとなるようにタービン３２ｔに送られるカソードオフガス量を制御すべくタービンバイパス制御弁２６が制御されると共に、冷却水ポンプ駆動用電気モータ３２ｍが停止され、タービン３２ｔのみで目標冷却水量ＱＷＸを賄うことができないときには、カソードオフガスの全量がタービン３２ｔに送られるようにタービンバイパス制御弁２６が制御されると共に、冷却水ポンプ駆動用電気モータ３２ｍによる冷却水量の目標値ＱＷＭＸが目標冷却水量ＱＷＸからタービン３２ｔによる冷却水量ＱＷＴを差し引いた残り（ＱＷＸ−ＱＷＴ）に設定され、冷却水ポンプ駆動用電気モータ３２ｍによる冷却水量がその目標量ＱＷＭＸとなるように冷却水ポンプ駆動用電気モータ３２ｍが制御されるということになる。

これに対し、燃料電池セル１で発電すべきでないときに冷却水ポンプ３２を駆動するときには、タービンバイパス割合ｒＴＢはゼロに設定され、すなわちカソードオフガスの全量がタービン３２ｔに送られるようにタービンバイパス制御弁２６が制御される。その上で、目標冷却水量ＱＷＸが求められ、次いで冷却水ポンプ３２からの冷却水量を目標冷却水量ＱＷＸにするのに必要な電気モータ３２ｍによる冷却水量の目標量ＱＷＭＸとタービン３２ｔによる冷却水量の目標量ＱＷＴＸとの組み合わせが求められる。次いで、電気モータ３２ｍによる冷却水量がその目標量ＱＷＭＸとなるように電気モータ３２ｍが制御される。また、タービン３２ｔによる冷却水量をその目標量ＱＷＴＸにするのに必要な、タービン３２ｔに送られるカソードオフガス量の目標量ＱＣＧＴＸが求められ、タービン３２ｔに送られるカソードオフガス量がその目標量ＱＣＧＴＸとなるようにコンプレッサ２３からの酸化剤ガス量が制御される。

図１に示される燃料電池システムＡにおいて、燃料電池セル１で発電すべきでないときに冷却水ポンプ３２を駆動するときの、電気モータ３２ｍによる冷却水量の目標量ＱＷＭＸとタービン３２ｔによる冷却水量の目標量ＱＷＴＸとの組み合わせは例えば次のようにして求められる。目標冷却水量ＱＷＸに対する電気モータ３２ｍによる冷却水量の目標量ＱＷＭＸの割合をモータ冷却水量割合ｒＱＷＭと称すると、電気モータ３２ｍによる冷却水量の目標量ＱＷＭＸはＱＷＸ・ｒＱＷＭで表され、タービン３２ｔによる冷却水量の目標値ＱＷＴＸはＱＷＸ・（１−ｒＱＷＭ）で表される。図１に示される燃料電池システムＡでは、電気モータ３２の消費電力量とコンプレッサ２３の消費電力量の合計を最適値、例えば最小値にするモータ冷却水量割合ｒＱＷＭが目標冷却水量ＱＷＸの関数としてあらかじめ求められており、図４に示されるマップの形であらかじめＲＯＭ５２内に記憶されている。

すなわち、目標冷却水量ＱＷＸが求められると、図４に示されるマップからモータ冷却水量割合ｒＱＷＭが求められ、次いでモータ冷却水量割合ｒＱＷＭを用いて、電気モータ３２ｍによる冷却水量の目標量ＱＷＭＸ（＝ＱＷＸ・ｒＱＷＭ）及びタービン３２ｔによる冷却水量の目標値ＱＷＴＸ（＝ＱＷＸ・（１−ｒＱＷＭ））がそれぞれ求められる。

なお、求められたモータ冷却水量割合ｒＱＷＭが１のときには電気モータ３２のみが駆動されることになり、求められたモータ冷却水量割合ｒＱＷＭがゼロのときにはコンプレッサ２３のみが駆動されることになる。また、求められたモータ冷却水量割合ｒＱＷＭが０から１のときには電気モータ３２及びコンプレッサ２３の両方が駆動される。

したがって、概念的に表現すると、燃料電池セル１で発電すべきでないときに冷却水ポンプ３２を駆動するときには、カソードオフガスの全量がタービンに送られるようにタービンバイパス制御弁２６が制御され、更に、冷却水温を目標温度範囲内に維持しながら、冷却水ポンプ駆動用電気モータ３２ｍの消費電力量とコンプレッサ２３の消費電力量との合計が最適値になるように、コンプレッサ２３及び冷却水ポンプ駆動用電気モータ３２ｍが制御されるということになる。

図５及び図６は図１に示される燃料電池システムＡの冷却制御を実行するルーチンを示している。このルーチンは一定時間ごとの割り込みによって実行される。

図５及び図６を参照すると、ステップ１５０では目標冷却水量ＱＷＸが算出される。続くステップ１５１では燃料電池セル１で発電すべきか否かが判別される。燃料電池セル１で発電すべきときには次いでステップ１５２に進み、仮想タービン冷却水量ＱＷＴＡが算出される。続くステップ１５３では目標冷却水量ＱＷＸが仮想タービン冷却水量ＱＷＴＡ以下であるか否かが判別される。ＱＷＸ≦ＱＷＴＡのとき、すなわちタービン３２ｔのみで目標冷却水量ＱＷＸを賄うことができるときには次いでステップ１５４に進み、タービン３２ｔによる冷却水量ＱＷＴを目標冷却水量ＱＷＸにするのに必要なタービンバイパス割合ｒＴＢが算出され、実際のタービンバイパス割合が算出されたタービンバイパス割合ｒＴＢになるようにタービンバイパス制御弁２６が制御される。続くステップ１５５では電気モータ３２ｍによる冷却水量の目標量ＱＷＭＸがゼロに設定される。一方、ＱＷＸ＞ＱＷＴＡのとき、すなわちタービン３２ｔのみで目標冷却水量ＱＷＸを賄うことができないときにはステップ１５３からステップ１５６に進み、タービンバイパス割合ｒＴＢがゼロになるように、すなわちカソードオフガスの全量がタービン３２ｔに送られるように、タービンバイパス制御弁２６が制御される。続くステップ１５７では、電気モータ３２ｍによる冷却水量の目標量ＱＷＭＸが算出される（ＱＷＭＸ＝ＱＷＸ−ＱＷＴ）。続くステップ１５８では、電気モータ３２ｍによる冷却水量がその目標量ＱＷＭＸとなるように電気モータ３２ｍが制御される。

これに対し、燃料電池セル１で発電すべきでないときにはステップ１５１からステップ１５９に進み、図４のマップからモータ冷却水量割合ｒＱＷＭが算出される。続くステップ１６０では電気モータ３２ｍによる冷却水量の目標量ＱＷＭＸとタービン３２ｔによる冷却水量の目標量ＱＷＴＸとの組み合わせが算出される。続くステップ１６１では、タービン３２ｔに送られるカソードオフガス量の目標量ＱＣＧＴＸが算出される。続くステップ１６２では、タービンバイパス割合ｒＴＢがゼロになるように、すなわちカソードオフガスの全量がタービン３２ｔに送られるように、タービンバイパス制御弁２６が制御される。続くステップ１６３では電気モータ３２ｍによる冷却水量がその目標量ＱＷＭＸとなるように電気モータ３２ｍが制御されると共に、タービン３２ｔに送られるカソードオフガス量がその目標量ＱＣＧＴＸとなるようにコンプレッサ２３が制御される。

Ａ燃料電池システム
１燃料電池セル
２０酸化剤ガス通路
２１酸化剤ガス供給路
２３コンプレッサ
２４カソードオフガス通路
２５タービンバイパス通路
２６タービンバイパス制御弁
３０冷却水通路
３１冷却水供給路
３２冷却水ポンプ
３２ｍ冷却水ポンプ駆動用電気モータ
３２ｔタービン

Claims

燃料電池セルと、燃料電池セル内に形成された酸化剤ガス通路の入口に連結された酸化剤ガス供給路と、酸化剤ガス供給路内に配置されて酸化剤ガスを圧送するコンプレッサと、酸化剤ガス通路の出口に連結されたカソードオフガス通路と、燃料電池セル内に形成された冷却水通路の入口に連結された冷却水供給路と、冷却水供給路内に配置されて冷却水を圧送する冷却水ポンプと、カソードオフガス通路内に配置されてカソードオフガス通路内を流れるカソードオフガスにより駆動されるタービンと、を備え、冷却水ポンプは冷却水ポンプ駆動用電気モータ及びタービンの一方又は両方により駆動される、燃料電池システムであって、
タービンを迂回してタービン上流のカソードオフガス通路とタービン下流のカソードオフガス通路とを互いに連結するタービンバイパス通路と、タービンバイパス通路内を流れるカソードオフガスの量を制御するタービンバイパス制御弁と、を更に備え、カソードオフガス通路内を流れるガスの少なくとも一部がタービンバイパス通路を介しタービンを迂回できるようにした、
燃料電池システム。
燃料電池セルで発電すべきときには、コンプレッサが駆動され、更に、タービンのみで目標冷却水量を賄うことができるときにはタービンによる冷却水量が目標冷却水量となるようにタービンに送られるカソードオフガス量を制御すべくタービンバイパス制御弁が制御されると共に、冷却水ポンプ駆動用電気モータが停止され、タービンのみで目標冷却水量を賄うことができないときには、カソードオフガスの全量がタービンに送られるようにタービンバイパス制御弁が制御されると共に、冷却水ポンプ駆動用電気モータによる冷却水量の目標値が目標冷却水量からタービンによる冷却水量を差し引いた残りに設定され、冷却水ポンプ駆動用電気モータによる冷却水量がその目標量となるように冷却水ポンプ駆動用電気モータが制御される、請求項１に記載の燃料電池システム。
燃料電池セルで発電すべきでないときに冷却水ポンプを駆動するときには、カソードオフガスの全量がタービンに送られるようにタービンバイパス制御弁が制御され、更に、冷却水温を目標温度範囲内に維持しながら、冷却水ポンプ駆動用電気モータの消費電力量とコンプレッサの消費電力量との合計が最適値になるように、コンプレッサ及び冷却水ポンプ駆動用電気モータが制御される、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。