JP2016009592A - 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ターボコンプレッサでのサージングの発生を防止しつつ、ターボコンプレッサから酸化剤ガス供給管内に送出され分岐管へ分岐された酸化剤ガスを有効利用する。
【解決手段】燃料電池システムＡは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応で発電する燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック内の酸化剤ガス通路の入口に連結された酸化剤ガス供給管４１と、酸化剤ガス供給管内に配置され、酸化剤ガスを圧送するターボコンプレッサ４４と、ターボコンプレッサ下流の酸化剤ガス供給管から分岐する分岐管４９と、酸化剤ガス供給管から分岐管内へ流れ込む酸化剤ガスの量を制御する分岐流れ制御弁４８と、分岐管内に配置され、分岐管内を流れる酸化剤ガスにより駆動されるタービン５２ｔと、燃料電池スタック内の冷却水通路に連結された冷却水供給管５１と、冷却水供給管内に配置され、冷却水を送出し、少なくともタービンにより駆動される冷却水ポンプ５２とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法に関する。

燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、燃料電池スタック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管と、酸化剤ガス供給管内に配置され、酸化剤ガスを圧送するターボコンプレッサと、ターボコンプレッサ下流の酸化剤ガス供給管から分岐する分岐管と、酸化剤ガス供給管から分岐管内へ流れ込む酸化剤ガスの量を制御する分岐流れ制御弁と、を備えた、燃料電池システムが公知である（特許文献１参照）。

ターボコンプレッサから吐出される酸化剤ガス量を少なく設定すると、ターボコンプレッサから実際に吐出される酸化剤ガス量及び酸化剤ガス供給管内の圧力がそれぞれ大きく振動する、いわゆるサージングが発生するおそれがある。そこで特許文献１では、サージングの発生を抑制するために、ターボコンプレッサから吐出される酸化剤ガス量を、燃料電池スタックの目標酸化剤ガス供給量よりも多い量に設定している。その上で、燃料電池スタックに供給される酸化剤ガス量が目標酸化剤ガス供給量となるように分岐流れ制御弁が制御される。この場合、残りの酸化剤ガス、すなわち余剰の酸化剤ガスは分岐管内に流れ込む。分岐管内に流れ込んだ酸化剤ガスは次いで、マフラを介して又はそのまま外部へ排出される。

特開２００９−１２３５５０号公報

しかしながら、特許文献１では、上述したように、分岐管内に流れ込んだ空気は、マフラを介して又はそのまま外部へ排出される。すなわち、分岐管内に流れ込んだ余剰の酸化剤ガスは何ら利用されることなく外部へ排出されてしまう。したがって、特許文献１では、余剰の酸化剤ガスの有するエネルギを有効に利用することができない。

本発明の一の観点によれば、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタック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管と、前記酸化剤ガス供給管内に配置され、酸化剤ガスを圧送するターボコンプレッサと、前記ターボコンプレッサ下流の前記酸化剤ガス供給管から分岐する分岐管と、前記酸化剤ガス供給管から前記分岐管内へ流れ込む酸化剤ガスの量を制御する分岐流れ制御弁と、前記分岐管内に配置され、前記分岐管内を流れる酸化剤ガスにより駆動されるタービンと、前記燃料電池スタック内に形成された冷却水通路に連結された冷却水供給管と、前記冷却水供給管内に配置され、冷却水を送出する冷却水ポンプであって、少なくとも前記タービンにより駆動される冷却水ポンプと、を備えた、燃料電池システムが提供される。

本発明の他の観点によれば、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタック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管と、前記酸化剤ガス供給管内に配置され、酸化剤ガスを圧送するターボコンプレッサと、前記ターボコンプレッサ下流の前記酸化剤ガス供給管から分岐する分岐管と、前記酸化剤ガス供給管から前記分岐管内へ流れ込む酸化剤ガスの量を制御する分岐流れ制御弁と、前記分岐管内に配置され、前記分岐管内を流れる酸化剤ガスにより駆動されるタービンと、前記燃料電池スタック内に形成された冷却水通路に連結された冷却水供給管と、前記冷却水供給管内に配置され、冷却水を送出する冷却水ポンプであって、少なくとも前記タービンにより駆動される冷却水ポンプと、を備えており、前記ターボコンプレッサから吐出された酸化剤ガス量の少なくとも一部が前記分岐管内に流れ込むように前記分岐流れ制御弁を制御し、それにより前記タービンを駆動して前記冷却水ポンプを駆動する、燃料電池システムの制御方法が提供される。

ターボコンプレッサでのサージングの発生を防止しつつ、ターボコンプレッサから酸化剤ガス供給管内に送出され分岐管へ分岐された酸化剤ガスのエネルギを有効に利用できる。

燃料電池システムの構成図である。 ターボコンプレッサの特性を模式的に示すグラフである。 目標酸化剤ガス吐出量ＱＯＸＰの算出方法を説明する、図２と同様のグラフである。 サージング抑制のための余剰分ΔＱＯＸ１のマップを示す図である。 酸化剤ガス供給制御のルーチンを示すフローチャートである。 余剰分の算出ルーチンを示すフローチャートである。 冷却水供給制御のルーチンを示すフローチャートである。 別の実施例における希釈のための余剰分ΔＱＯＸ２のマップを示す図である。 別の実施例における余剰分の算出ルーチンを示すフローチャートである。 更に別の実施例における冷却水増量のための余剰分ΔＱＯＸ３のマップを示す図である。 更に別の実施例における余剰分の算出ルーチンを示すフローチャートである。 本発明による別の実施例の燃料電池システムの構成図である。 本発明による別の実施例の酸化剤ガス供給制御のルーチンを示すフローチャートである。 本発明による更に別の実施例の燃料電池システムの構成図である。 本発明による更に別の実施例の燃料電池システムの構成図である。 本発明による更に別の実施例の燃料電池システムの構成図である。

図１を参照すると、燃料電池システムＡは燃料電池スタック１０を備える。燃料電池スタック１０は積層方向に互いに積層された複数の燃料電池単セルを備える。各燃料電池単セルは膜電極接合体２０を含む。膜電極接合体２０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。

燃料電池単セルのアノード極及びカソード極はそれぞれ直列に電気的に接続され、燃料電池スタック１０の電極を構成する。燃料電池スタック１０の電極はＤＣ／ＤＣコンバータ１１を介してインバータ１２に電気的に接続され、インバータ１２はモータジェネレータ１３に電気的に接続される。また、燃料電池システムＡは蓄電器１４を備えており、この蓄電器１４はＤＣ／ＤＣコンバータ１５を介して上述のインバータ１２に電気的に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は燃料電池スタック１０からの電圧を高めてインバータ１２に送るためのものであり、インバータ１２はＤＣ／ＤＣコンバータ１１又は蓄電器１４からの直流電流を交流電流に変換するためのものである。ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は燃料電池スタック１０又はモータジェネレータ１３から蓄電器１４への電圧を低くし、又は蓄電器１４からモータジェネレータ１３への電圧を高くするためのものである。なお、図１に示される燃料電池システムＡでは蓄電器１４はバッテリから構成される。

また、燃料電池単セル内には、アノード極に燃料ガスを供給するための燃料ガス流通路と、カソード極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流通路と、燃料電池単セルに冷却水を供給するための冷却水流通路とがそれぞれ形成される。複数の燃料電池単セルの燃料ガス流通路、酸化剤ガス流通路、及び冷却水流通路をそれぞれ直列に接続することにより、燃料電池スタック１０には燃料ガス通路３０、酸化剤ガス通路４０、及び冷却水通路５０がそれぞれ形成される。

燃料ガス通路３０の入口には燃料ガス供給管３１が連結され、燃料ガス供給管３１は燃料ガス源３２に連結される。図１に示される実施例では、燃料ガスは水素ガスから形成され、燃料ガス源３２は水素タンクから形成される。燃料ガス供給管３１内には上流側から順に、遮断弁３３と、燃料ガス供給管３１内の燃料ガスの圧力を調整するレギュレータ３４と、燃料ガス源３２からの燃料ガスを燃料電池スタック１０に供給するための燃料ガスインジェクタ３５と、が配置される。一方、燃料ガス通路３０の出口にはアノードオフガス管３６が連結される。遮断弁３３が開弁されかつ燃料ガスインジェクタ３５が開弁されると、燃料ガス源３２内の燃料ガスが燃料ガス供給管３１を介して燃料電池スタック１０内の燃料ガス通路３０内に供給される。このとき燃料ガス通路３０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管３６内に流入する。アノードオフガス管３６内にはアノードオフガス管３６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３７が配置される。

また、酸化剤ガス通路４０の入口には酸化剤ガス供給管４１が連結され、酸化剤ガス供給管４１は酸化剤ガス源４２に連結される。図１に示される実施例では、酸化剤ガスは空気から形成され、酸化剤ガス源４２は大気から形成される。酸化剤ガス供給管４１内には上流側から順に、ガスクリーナ４３と、酸化剤ガスを圧送するターボコンプレッサ４４と、ターボコンプレッサ４４から燃料電池スタック１０に送られる酸化剤ガスを冷却するためのインタークーラ４５と、が配置される。一方、酸化剤ガス通路４０の出口にはカソードオフガス管４６が連結される。ターボコンプレッサ４４が駆動されると、酸化剤ガスが酸化剤ガス供給管４１を介して燃料電池スタック１０内の酸化剤ガス通路４０内に供給される。このとき酸化剤ガス通路４０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管４６内に流入する。カソードオフガス管４６内にはカソードオフガス管４６内を流れるカソードオフガスの量又は燃料電池スタック１０の酸化剤ガス通路４０内の圧力を制御するカソードオフガス制御弁４７が配置される。図１に示される実施例では、ターボコンプレッサ４４は遠心式又は軸流式のターボコンプレッサから構成される。小型化などの面から、遠心式のターボコンプレッサが好適に用いられる。

また、冷却水通路５０の入口には冷却水供給管５１の一端が連結され、冷却水供給管５１の出口には冷却水供給管５１の他端が連結される。冷却水供給管５１内には冷却水を圧送する冷却水ポンプ５２と、ラジエータ５３とが配置される。ラジエータ５３上流の冷却水供給管５１と、ラジエータ５３と冷却水ポンプ５２間の冷却水供給管５１とはラジエータバイパス管５４により互いに連結される。また、ラジエータバイパス管５４内を流れる冷却水量を制御するラジエータバイパス制御弁５５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５５は三方弁から形成され、ラジエータバイパス管５４の入口に配置される。冷却水ポンプ５２が駆動されると、冷却水ポンプ５２から吐出された冷却水は冷却水供給管５１を介して燃料電池スタック１０内の冷却水通路５０内に流入し、次いで冷却水通路５０を通って冷却水供給管５１内に流入し、ラジエータ５３又はラジエータバイパス管５４を介して冷却水ポンプ５２に戻る。

また、図１に示される燃料電池システムＡには、ターボコンプレッサ４４下流の酸化剤ガス供給管４１から分岐する分岐管４９が設けられる。すなわち、ターボコンプレッサ４４下流の酸化剤ガス供給管４１に分岐管４９の入口が連結される。図１に示される実施例では、カソードオフガス制御弁４７下流のカソードオフガス管４６に分岐管４９の出口が連結される。言い換えると、酸化剤ガス供給管４１とカソードオフガス管４６とは分岐管４９により互いに連結される。また、酸化剤ガス供給管４１から分岐管４９内へ流れ込む酸化剤ガスの量を制御する分岐流れ制御弁４８が設けられる。図１に示される燃料電池システムＡでは分岐流れ制御弁４８は三方弁から形成され、分岐管４９の入口に配置される。その結果、酸化剤ガス供給管４１を流れる酸化剤ガスの少なくとも一部が燃料電池スタック１０へ向かわずに分岐管４９に流れ込むことできる。

分岐管４９内には、分岐管４９内を流れる酸化剤ガスにより駆動されるタービン５２ｔが配置される。上述した冷却水供給管５１内に配置された冷却水ポンプ５２は、タービン５２ｔ及び冷却水ポンプ駆動用電気モータ５２ｍにより駆動される。分岐管４９内に酸化剤ガスが流れこむと、この酸化剤ガスによりタービン５２ｔが駆動され、したがってタービン５２ｔにより冷却水ポンプ５２が駆動される。ここで、タービン５２ｔに送られる酸化剤ガス量が多くなるにつれてタービン５２ｔによる冷却水量が多くなる。あるいは、電気モータ５２ｍに電力が供給されると、電気モータ５２ｍにより冷却水ポンプ５２が駆動される。なお、冷却水ポンプ５２からの冷却水量は電気モータ５２ｍによる冷却水量とタービン５２ｔによる冷却水量との合計と考えることができる。図示しない別の実施例では、冷却水ポンプ５２は、タービン５２ｔのみ、又は、タービン５２ｔと、電気モータ５２ｍとは異なる駆動源とにより駆動される。

分岐管４９の出口下流のカソードオフガス管４６内には希釈器８０が設けられる。この希釈器８０にはアノードオフガス管３６の出口が連結される。希釈器８０では、希釈器８０から大気に排出されるガス中の燃料ガス濃度が許容値以下になるように、アノードオフガスに含まれる燃料ガスがカソードオフガスにより希釈される。なお、希釈器８０に流入するカソードオフガスには、分岐管４９からの酸化剤ガスも含まれる。

電子制御ユニット６０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス６１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）６２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）６３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）６４、入力ポート６５及び出力ポート６６を具備する。ターボコンプレッサ４４と分岐流れ制御弁４８との間における酸化剤ガス供給管４１には酸化剤ガス供給管４１内の圧力を検出する圧力センサ７０が取り付けられる。また、燃料電池スタック１０内の冷却水通路５０に隣接する冷却水供給管５１には冷却水の温度を検出する温度センサ７１が取り付けられる。圧力センサ７０及び温度センサ７１の出力信号は対応するＡＤ変換器６７を介して入力ポート６５に入力される。一方、出力ポート６６は対応する駆動回路６８を介して遮断弁３３、レギュレータ３４、燃料ガスインジェクタ３５、アノードオフガス制御弁３７、ターボコンプレッサ４４、カソードオフガス制御弁４７、冷却水ポンプ駆動用電気モータ５２ｍ、及びラジエータバイパス制御弁５５に電気的に接続される。

ところで、燃料電池スタック１０で発電すべきときには遮断弁３３及び燃料ガスインジェクタ３５が開弁され、水素ガスが燃料電池スタック１０に供給される。また、ターボコンプレッサ４４が駆動され、空気が燃料電池スタック１０に供給される。その結果、燃料電池単セルにおいて電気化学反応（Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻，（１／２）Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ）が起こり、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モータジェネレータ１３に送られる。その結果、モータジェネレータ１３が車両駆動用の電気モータとして作動され、電動車両が駆動される。一方、例えば車両制動時にはモータジェネレータ１３が回生装置として作動し、このとき回生された電気エネルギは蓄電器１４に蓄えられる。

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モータジェネレータ１３の負荷及び蓄電器１４の蓄電量に応じて燃料電池スタック１０の目標電流値が求められる。次いで、燃料電池スタック１０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供給量及び目標酸化剤ガス供給量ＱＯＸＳが求められる。次いで、燃料電池スタック１０に送られる燃料ガス量が目標燃料ガス供給量となるようにレギュレータ３４及び燃料ガスインジェクタ３５が制御され、燃料電池スタック１０に送られる酸化剤ガス量が目標酸化剤ガス供給量ＱＯＸＳとなるようにターボコンプレッサ４４及び分岐流れ制御弁４８が制御される。

次に、図２及び図３を参照しながら、ターボコンプレッサ４４から吐出される酸化剤ガス量の目標値、すなわち目標酸化剤ガス吐出量の算出方法について説明する。図２及び図３はターボコンプレッサ４４の特性を示している。図２及び図３において、縦軸はターボコンプレッサ４４の入口における圧力に対するターボコンプレッサ４４の出口における圧力の比である圧力比を示しており、横軸はターボコンプレッサ４４から吐出される酸化剤ガス量を示している。なお、ターボコンプレッサ４４の入口における圧力は大気圧と考えることができる。一方、ターボコンプレッサ４４の出口における圧力は圧力センサ７０により検出されると共に、カソードオフガス制御弁４７により制御される酸化剤ガス通路４０内の圧力に応じて定まる。

図２を参照すると、圧縮比及び酸化剤ガス吐出量により定まるターボコンプレッサ４４の作動状態領域がサージ領域ＳＡと非サージ領域ＮＳＡとに区画される。サージ領域ＳＡは、酸化剤ガス吐出量が限界吐出量ＱＯＸＰＬよりも少ない領域であり、ターボコンプレッサ４４の作動状態がサージ領域ＳＡに属するときにはサージングが発生するおそれがある。一方、非サージ領域ＮＳＡは、酸化剤ガス吐出量が限界吐出量ＱＯＸＰＬよりも多い領域であり、ターボコンプレッサ４４の作動状態が非サージ領域ＮＳＡに属するときにはサージングが発生しない。なお、限界吐出量ＱＯＸＰＬは圧力比に応じて定まり、具体的には圧力比が大きくなるにつれて多くなる。

すなわち、ターボコンプレッサ４４の作動状態がＥａで表されるとき、すなわち圧力比がＰｒａであり酸化剤ガス吐出量がＱＯＸＰａであるときには、ターボコンプレッサ４４の作動状態Ｅａはサージ領域ＳＡ内に属する。一方、ターボコンプレッサ４４の作動状態がＥｂで表されるとき、すなわち圧力比がＰｒｂであり酸化剤ガス吐出量がＱＯＸＰｂであるときには、ターボコンプレッサ４４の作動状態Ｅｂは非サージ領域ＮＳＡ内に属する。

図３において、Ｅｓは、圧力比Ｐｒ１のもとでターボコンプレッサ４４からの酸化剤ガス吐出量を上述した目標酸化剤ガス供給量ＱＯＸＳに設定した場合のターボコンプレッサ４４の作動状態を表しており、図３に示される例ではターボコンプレッサ４４の作動状態Ｅｓはサージ領域ＳＡ内に属している。この場合、圧力比Ｐｒ１のもとで、目標酸化剤ガス供給量ＱＯＸＳにサージング抑制のための余剰分ΔＱＯＸ１を加算したものを目標酸化剤ガス吐出量ＱＯＸＰに設定すれば、このときのターボコンプレッサ４４の作動状態Ｅｐは非サージ領域ＮＳＡ内に属することになる。ここで、サージング抑制のための余剰分ΔＱＯＸ１は例えば圧力比及び目標酸化剤ガス供給量ＱＯＸＳ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ＲＯＭ６２内にあらかじめ記憶されている。

そこで図１に示される燃料電池システムＡでは、圧力比と目標酸化剤ガス供給量ＱＯＸＳとにより定まるターボコンプレッサ４４の作動状態Ｅｓがサージ領域ＳＡ内に属するか否かが判別され、ターボコンプレッサ４４の作動状態Ｅｓがサージ領域ＳＡ内に属すると判別されたときには目標酸化剤ガス供給量ＱＯＸＳに余剰分ΔＱＯＸを加算することにより目標酸化剤ガス吐出量ＱＯＸＰが算出される（ＱＯＸＰ＝ＱＯＸＳ＋ΔＱＯＸ）。この場合、図４のマップからサージング抑制のための余剰分ΔＱＯＸ１が算出され、サージング抑制のための余剰分ΔＱＯＸ１が余剰分ΔＱＯＸに設定される。これに対し、ターボコンプレッサ４４の作動状態Ｅｓが非サージ領域ＮＳＡ内に属すると判別されたときには目標酸化剤ガス吐出量ＱＯＸＰが目標酸化剤ガス供給量ＱＯＸＳに設定される。このようにすると、サージングの発生を抑制することができる。

目標酸化剤ガス吐出量ＱＯＸＰが算出されると、ターボコンプレッサ４４から実際に吐出される酸化剤ガス量が目標酸化剤ガス吐出量ＱＯＸＰになるように、ターボコンプレッサ４４が制御される。

なお、例えば燃料電池スタック１０の運転が高負荷運転から低負荷運転に切り換えられた直後には、燃料電池スタック１０が乾燥するおそれがある。これは、燃料電池スタック１０の温度が比較的高く、また、低負荷運転時に燃料電池スタック１０で生成される水の量が少ないからである。そこで図１に示される燃料電池システムＡでは、燃料電池スタック１０の乾燥を抑制する乾燥抑制制御が行われる。すなわち、カソードオフガス制御弁４７の開度が一時的に小さくされる。その結果、カソードオフガスにより持ち去られる水の量が低減される。また、燃料電池スタック１０の酸化剤ガス通路４０内の圧力が高められ、酸化剤ガス通路４０内で凝縮する水の量が増大される。このように酸化剤ガス通路４０内の圧力が高められると、上述の圧力比が高められる。ところが、圧力比が高くなると、図２からわかるようにサージングが発生しやすくなる。そこで、図１に示される燃料電池システムＡでは、圧力比を維持しつつ目標酸化剤ガス吐出量ＱＯＸＰを目標酸化剤ガス供給量ＱＯＸＳよりも多く設定することにより、サージングの発生を抑制している。

図３に示される例では、サージングの発生を抑制するために、目標酸化剤ガス吐出量ＱＯＸＰが目標酸化剤ガス供給量ＱＯＸＳよりも多く設定される。この場合、酸化剤ガスを目標酸化剤ガス吐出量ＱＯＸＰだけ燃料電池スタック１０に供給すると、すなわち目標酸化剤ガス供給量ＱＯＸＳよりも多量の酸化剤ガスを燃料電池スタック１０に供給すると、燃料電池スタック１０の例えば膜電極接合体２０が乾燥するおそれがある。

そこで図１に示される燃料電池システムＡでは、酸化剤ガスが目標酸化剤ガス供給量ＱＯＸＳだけ燃料電池スタック１０に送られ、かつ、酸化剤ガスが余剰分ΔＱＯＸだけ分岐管４９内に流れ込むように、分岐流れ制御弁４８が制御される。その結果、燃料電池スタック１０の乾燥が抑制される。

この点、ターボコンプレッサ４４から吐出された酸化剤ガスの一部が燃料電池スタック１０に送られ、残りが分岐管４９に送られる、という見方もできる。

このように分岐管４９内に酸化剤ガスが流れ込むと、分岐管４９内を流れる酸化剤ガスによりタービン５２ｔが駆動される。その結果、冷却水ポンプ５２が駆動される。したがって、分岐管４９内を流れる酸化剤ガスのもつエネルギを有効利用することができる。

一方、図１に示される燃料電池システムＡでは、燃料電池スタック１０の温度を表す冷却水温が予め設定された目標温度範囲内に維持されるように冷却水ポンプ５２からの冷却水量が制御される。具体的には、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ＱＷが算出される。また、分岐管４９内を流れる酸化剤ガス量に基づいてタービン５２ｔによる冷却水量ＱＷＴが算出される。次いで、目標冷却水量ＱＷからタービン５２ｔによる冷却水量ＱＷＴを差し引くことにより、電気モータ５２ｍによる冷却水量ＱＷＭが算出される（ＱＷＭ＝ＱＷ−ＱＷＴ）。次いで、電気モータ５２ｍによる実際の冷却水量がＱＷＭになるように電気モータ５２ｍが制御される。

なお、酸化剤ガスが分岐管４９内に流れ込まない場合には、タービン５２ｔは駆動されず、したがってタービン５２ｔによる冷却水量ＱＷＴはゼロとなる。この場合、電気モータ５２ｍによる冷却水量ＱＷＭが目標冷却水量ＱＷになるように電気モータ５２ｍが制御される。

図５は図１の燃料電池システムＡにおける酸化剤ガス供給制御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を参照すると、ステップ１００では目標酸化剤ガス供給量ＱＯＸＳが算出される。続くステップ１０１では余剰分ΔＱＯＸが算出される。続くステップ１０２では目標酸化剤ガス吐出量ＱＯＸＰが算出される（ＱＯＸＰ＝ＱＯＸＳ＋ΔＱＯＸ）。続くステップ１０３では、ターボコンプレッサ４４からの酸化剤ガス吐出量が目標酸化剤ガス吐出量ＱＯＸＰになるようにターボコンプレッサ４４が駆動される。続くステップ１０４では目標酸化剤ガス吐出量ＱＯＸＰが目標酸化剤ガス供給量ＱＯＸＳよりも多いか否かが判別される。ＱＯＸＰ＞ＱＯＸＳのときには次いでステップ１０５に進み、ターボコンプレッサ４４から吐出された酸化剤ガスの一部、すなわち目標酸化剤ガス供給量ＱＯＸＳの酸化剤ガスが燃料電池スタック１０に供給され、かつ、ターボコンプレッサ４４から吐出された酸化剤ガスの残り、すなわち余剰分ΔＱＯＸの酸化剤ガスが分岐管４９に供給されるように、分岐流れ制御弁４８が制御される。これに対し、ＱＯＸＰ≦ＱＯＸＳのときにはステップ１０４からステップ１０６に進み、ターボコンプレッサ４４から吐出された酸化剤ガスの全量が燃料電池スタック１０に供給されるように、分岐流れ制御弁４８が制御される。

図６は図１の燃料電池システムＡにおける余剰分ΔＱＯＸの算出ルーチンを示している。このルーチンは例えば図５のステップ１０１で実行される。
図６を参照すると、ステップ２００では圧力比と目標酸化剤ガス供給量ＱＯＸＳとにより定まるターボコンプレッサ４４の作動状態がサージ領域ＳＡ内に属するか否かが判別される。ターボコンプレッサ４４の作動状態がサージ領域ＳＡ内に属するときには次いでステップ２０１に進み、図４のマップからサージング抑制のための余剰分ΔＱＯＸ１が算出される。次いでステップ２０３に進む。これに対し、ターボコンプレッサ４４の作動状態が非サージ領域ＮＳＡ内に属するときにはステップ２００からステップ２０２に進み、サージング抑制のための余剰分ΔＱＯＸ１がゼロに設定される。次いでステップ２０３に進む。ステップ２０３ではサージング抑制のための余剰分ΔＱＯＸ１が余剰分ΔＱＯＸに設定される。

図７は図１の燃料電池システムＡにおける冷却水供給制御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７を参照すると、ステップ３００では目標冷却水量ＱＷが算出される。続くステップ３０１では、余剰分ΔＱＯＸに基づいてタービン５２ｔによる冷却水量ＱＷＴが算出される。続くステップ３０２では冷却水ポンプ駆動用電気モータ５２ｍによる冷却水量ＱＷＭが算出される（ＱＷＭ＝ＱＷ−ＱＷＴ）。続くステップ３０３では電気モータ５２ｍによる実際の冷却水量がＱＷＭになるように、電気モータ５２ｍが駆動される。

次に、図１に示される燃料電池システムＡの別の実施例を説明する。
例えば燃料電池スタック１０に始動時には、燃料電池スタック１０に多量の燃料ガスが送られ、それにより燃料電池スタック１０が速やかに始動されるようにしている。この場合、アノードオフガス管３６内には高濃度の燃料ガスが送り込まれ、それにより許容値を越える高濃度の燃料ガスが大気に排出されるおそれがある。

そこで図１に示される燃料電池システムＡの別の実施例では、希釈器８０から排出されるガス中の燃料ガス濃度が許容値を越えるか否かを判別し、燃料ガス濃度が許容値を越えると判別されたときには、目標酸化剤ガス吐出量ＱＯＸＰを目標酸化剤ガス供給量ＱＯＸＳよりも希釈のための余剰分ΔＱＯＸ２だけ多く設定している。その上で、希釈のための余剰分ΔＱＯＸ２を分岐管４９に送り込み、それによって希釈器８０に送り込まれるカソードオフガス量が増大するようにしている。ここで、希釈のための余剰分ΔＱＯＸ２は希釈器８０から排出されるガス中の燃料ガス濃度を許容値以下にするのに必要な酸化剤ガス量であり、例えば目標酸化剤ガス供給量ＱＯＸＳ及び目標燃料ガス供給量ＱＦＳの関数として図８に示されるマップの形でＲＯＭ６２内にあらかじめ記憶されている。その結果、希釈器８０から排出される燃料ガス濃度を許容値以下に維持することができる。このとき、分岐管４９内を流れる酸化剤ガスによりタービン５２ｔが駆動され、したがってエネルギを有効利用することができる。なお、希釈器８０から排出される燃料ガス濃度が許容値を越えるか否かは、例えば目標酸化剤ガス供給量ＱＯＸＳ及び目標燃料ガス供給量ＱＦＳに基づいて判別される。図示しない別の実施例では、希釈器８０下流のカソードオフガス管４６に設けられた燃料ガス濃度センサの出力に基づいて判別される。

一方、燃料ガス濃度が許容値を越えないと判別されたときには、希釈のための余剰分ΔＱＯＸ２はゼロに設定される。この場合、酸化剤ガスは分岐管４９内に送り込まれない。

図１に示される燃料電池システムＡの別の実施例でも、サージング抑制のための余剰分ΔＱＯＸ１が図４のマップから算出される。その上で、サージング抑制のための余剰分ΔＱＯＸ１と、希釈のための余剰分ΔＱＯＸ２とが比較され、多い方が余剰分ΔＱＯＸに設定される。すなわち、サージング抑制のための余剰分ΔＱＯＸ１が希釈のための余剰分ΔＱＯＸ２よりも多いときには、サージング抑制のための余剰分ΔＱＯＸ１が余剰分ΔＱＯＸに設定される。これに対し、希釈のための余剰分ΔＱＯＸ２がサージング抑制のための余剰分ΔＱＯＸ１よりも多いときには、サージング抑制のための余剰分ΔＱＯＸ１が余剰分ΔＱＯＸに設定される。このようにすると、サージングの発生を抑制しつつ、燃料ガス濃度を許容値以下に維持することができ、同時に、余剰分ΔＱＯＸが過剰に多くなるのが抑制される。

図９は、図１に示される燃料電池システムＡの別の実施例における余剰分ΔＱＯＸの算出ルーチンを示している。このルーチンは例えば図５のステップ１０１で実行される。
図９を参照すると、ステップ２００では圧力比と目標酸化剤ガス供給量ＱＯＸＳとにより定まるターボコンプレッサ４４の作動状態がサージ領域ＳＡ内に属するか否かが判別される。ターボコンプレッサ４４の作動状態がサージ領域ＳＡ内に属するときには次いでステップ２０１に進み、図４のマップからサージング抑制のための余剰分ΔＱＯＸ１が算出される。次いでステップ２００ａに進む。これに対し、ターボコンプレッサ４４の作動状態が非サージ領域ＮＳＡ内に属するときにはステップ２００からステップ２０２に進み、サージング抑制のための余剰分ΔＱＯＸ１がゼロに設定される。次いでステップ２００ａに進む。ステップ２００ａでは、希釈器８０から排出される燃料ガス濃度が許容値を越えるか否かが判別される。燃料ガス濃度が許容値を越えると判別されたときには次いでステップ２０１ａに進み、図８のマップから希釈のための余剰分ΔＱＯＸ２が算出される。次いでステップ２０３ａに進む。これに対し、燃料ガス濃度が許容値を越えないと判別されたときにはステップ２００ａからステップ２０２ａに進み、希釈のための余剰分ΔＱＯＸ２がゼロに設定される。次いでステップ２０３ａに進む。ステップ２０３ａでは、サージング抑制のための余剰分ΔＱＯＸ１と、希釈のための余剰分ΔＱＯＸ２とのうち多いほうが余剰分ΔＱＯＸに設定される。なお、図９において、関数Ｍ（ｘ，ｙ）はｘとｙとのうち大きい方を示すものである。

次に、図１に示される燃料電池システムＡの更に別の実施例を説明する。
コストや設置空間のことを考えると、冷却水ポンプ駆動用電気モータ５２ｍとして、電気モータの能力、すなわち電気モータによる冷却水量の最大値ができるだけ少ない電気モータを用いるのが好ましい。ところが、最大冷却水量ＱＷＭＭが少ない電気モータ５２ｍを用いると、目標冷却水量ＱＷが電気モータ５２ｍによる最大冷却水量ＱＷＭＭよりも多くなるおそれがある。すなわち、目標冷却水量ＱＷを電気モータ５２ｍのみにより賄えないおそれがある。

そこで図１に示される燃料電池システムＡの更に別の実施例では、目標冷却水量ＱＷが電気モータ５２ｍによる最大冷却水量ＱＷＭＭよりも多いか否かを判別し、目標冷却水量ＱＷが電気モータ５２ｍによる最大冷却水量ＱＷＭＭよりも多いときには、目標酸化剤ガス吐出量ＱＯＸＰを目標酸化剤ガス供給量ＱＯＸＳよりも冷却水増量のための余剰分ΔＱＯＸ３だけ多く設定している。その上で、冷却水増量のための余剰分ΔＱＯＸ３を分岐管４９に送り込み、それによってタービン５２ｔによる冷却水量が増大するようにしている。ここで、電気モータ５２ｍによる冷却水量ＱＷＭを最大冷却水量ＱＷＭＭに設定した場合には、冷却水増量のための余剰分ΔＱＯＸ３は、タービン５２ｔによる冷却水量ＱＷＴを冷却水の不足分（＝ＱＷ−ＱＷＭＭ）にするのに必要な酸化剤ガス量であり、例えば目標酸化剤ガス供給量ＱＯＸＳ及び目標冷却水量ＱＷの関数として図１０に示されるマップの形でＲＯＭ６２内にあらかじめ記憶されている。その結果、冷却水ポンプ５２からの冷却水量を目標冷却水量ＱＷに一致させることができ、燃料電池スタック１０の温度を目標温度範囲内に維持することができる。このとき、分岐管４９内を流れる酸化剤ガスによりタービン５２ｔが駆動され、したがってエネルギを有効利用することができる。

一方、目標冷却水量ＱＷが電気モータ５２ｍによる最大冷却水量ＱＷＭＭよりも少ないときには、冷却水増量のための余剰分ΔＱＯＸ３はゼロに設定される。この場合、酸化剤ガスは分岐管４９内に送り込まれない。

図１に示される燃料電池システムＡの更に別の実施例でも、サージング抑制のための余剰分ΔＱＯＸ１が図４のマップから算出される。その上で、サージング抑制のための余剰分ΔＱＯＸ１と、冷却水増量のための余剰分ΔＱＯＸ３とが比較され、多い方が余剰分ΔＱＯＸに設定される。このようにすると、サージングの発生を抑制しつつ、燃料電池スタック１０の温度を目標温度範囲内に維持することができ、同時に、余剰分ΔＱＯＸが過剰に多くなるのが抑制される。

図１１は、図１に示される燃料電池システムＡの更に別の実施例における余剰分ΔＱＯＸの算出ルーチンを示している。このルーチンは例えば図５のステップ１０１で実行される。
図１１を参照すると、ステップ２００では圧力比と目標酸化剤ガス供給量ＱＯＸＳとにより定まるターボコンプレッサ４４の作動状態がサージ領域ＳＡ内に属するか否かが判別される。ターボコンプレッサ４４の作動状態がサージ領域ＳＡ内に属するときには次いでステップ２０１に進み、図４のマップからサージング抑制のための余剰分ΔＱＯＸ１が算出される。次いでステップ２００ｂに進む。これに対し、ターボコンプレッサ４４の作動状態が非サージ領域ＮＳＡ内に属するときにはステップ２００からステップ２０２に進み、サージング抑制のための余剰分ΔＱＯＸ１がゼロに設定される。次いでステップ２００ｂに進む。ステップ２００ｂでは、目標冷却水量ＱＷが電気モータ５２ｍによる最大冷却水量ＱＷＭＭよりも多いか否かが判別される。ＱＷ＞ＱＷＭＭのときには次いでステップ２０１ｂに進み、図１０のマップから冷却水増量のための余剰分ΔＱＯＸ３が算出される。次いでステップ２０３ｂに進む。これに対し、ＱＷ≦ＱＷＭＭのときにはステップ２００ｂからステップ２０２ｂに進み、冷却水増量のための余剰分ΔＱＯＸ３がゼロに設定される。次いでステップ２０３ｂに進む。ステップ２０３ｂでは、サージング抑制のための余剰分ΔＱＯＸ１と、冷却水増量のための余剰分ΔＱＯＸ３とのうち多いほうが余剰分ΔＱＯＸに設定される。

なお、図１に示される燃料電池システムＡの更に別の実施例において、燃料電池スタック１０で発電すべきでないとき、すなわち目標酸化剤ガス供給量ＱＯＸＳがゼロのときに、目標酸化剤ガス吐出量ＱＯＸＰが目標酸化剤ガス供給量ＱＯＸＳよりも余剰分ΔＱＯＸだけ多く設定された場合には、ターボコンプレッサ４４から吐出されたすべての酸化剤ガスが分岐管４９内に送り込まれるということになる。

次に、図１２を参照して、本発明による別の実施例の燃料電池システムＡについて説明する。以下では、図１に示される燃料電池システムＡとの相違点について説明する。
図１２を参照すると、燃料電池システムＡは、タービン５２ｔ上流の分岐管４９から分岐する追加の分岐管４９ａと、追加の分岐管４９ａ内へ流れ込む酸化剤ガスの量を制御する追加の分岐流れ制御弁４８ａと、を更に備える。

追加の分岐管４９ａの入口は、分岐流れ制御弁４８とタービン５２ｔとの間の分岐管４９に連結される。図１２に示される燃料電池システムＡでは、追加の分岐管４９ａの出口は、タービン５２ｔ下流の分岐管４９に連結される。図１２に示される燃料電池システムＡでは追加の分岐流れ制御弁４８ａは三方弁から形成され、追加の分岐管４９ａの入口に配置される。その結果、分岐管４９を流れる酸化剤ガスの少なくとも一部はタービン５２ｔへ向かわずに追加の分岐管４９ａに流入できる。すなわち、酸化剤ガスの少なくとも一部はタービン５２ｔを迂回できる。

図１２に示される燃料電池システムＡでも、図１に示される燃料電池システムＡと同様に、目標酸化剤ガス吐出量ＱＯＸＰが目標酸化剤ガス供給量ＱＯＸＳよりも多く設定され、それにより余剰分ΔＱＯＸが分岐管４９に送り込まれる。ところが、図１に示される燃料電池システムＡでは、余剰分ΔＱＯＸの酸化剤ガスが分岐管４９に送り込まれたときには、常にタービン５２tが駆動され、したがって常に冷却水ポンプ５２が駆動される。このため、燃料電池スタック１０を冷却する必要がない場合、すなわち冷却水ポンプ５２を駆動する必要がない場合であっても、冷却水ポンプ５２が駆動されるおそれがある。

そこで図１２に示される燃料電池システムＡでは、分岐管４９内に流れ込んだ酸化剤ガスによりタービン５２ｔを駆動すべきか否かが判別され、分岐管４９内の酸化剤ガスによりタービン５２ｔを駆動すべきでないときには、分岐管４９内の酸化剤ガスの全量が追加の分岐管４９ａ内に流れ込むように、追加の分岐流れ制御弁４８ａが制御される。その結果、タービン５２ｔが駆動されず、したがって燃料電池スタック１０が過度に冷却されるのが阻止される。また、ターボコンプレッサ４４の負荷が低減され、したがってターボコンプレッサ４４の消費電力が低減される。

一方、分岐管４９内の酸化剤ガスによりタービン５２ｔを駆動すべきときには、分岐管４９内の酸化剤ガスの一部又は全部がタービン５２ｔに送られるように、追加の分岐流れ制御弁４８ａが制御される。その結果、エネルギを有効利用することができる。

なお、分岐管４９内に流れ込んだ酸化剤ガスによりタービン５２ｔを駆動すべきか否かは、例えば燃料電池スタック１０の温度に基づいて判別される。また、分岐管４９内の酸化剤ガスによりタービン５２ｔを駆動すべきときにタービン５２ｔに送られる酸化剤ガスの量は、例えば燃料電池スタック１０の温度に基づいて算出される。

図１３は、図１２に示される燃料電池システムＡにおける酸化剤ガス供給制御の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１３を参照すると、ステップ１００では目標酸化剤ガス供給量ＱＯＸＳが算出される。続くステップ１０１では余剰分ΔＱＯＸが算出される。続くステップ１０２では目標酸化剤ガス吐出量ＱＯＸＰが算出される（ＱＯＸＰ＝ＱＯＸＳ＋ΔＱＯＸ）。続くステップ１０３では、ターボコンプレッサ４４からの酸化剤ガス吐出量が目標酸化剤ガス吐出量ＱＯＸＰになるようにターボコンプレッサ４４が駆動される。続くステップ１０４では目標酸化剤ガス吐出量ＱＯＸＰが目標酸化剤ガス供給量ＱＯＸＳよりも多いか否かが判別される。ＱＯＸＰ＞ＱＯＸＳのときには次いでステップ１０５に進み、ターボコンプレッサ４４から吐出された酸化剤ガスの一部、すなわち目標酸化剤ガス供給量ＱＯＸＳの酸化剤ガスが燃料電池スタック１０に供給され、かつ、ターボコンプレッサ４４から吐出された酸化剤ガスの残り、すなわち余剰分ΔＱＯＸの酸化剤ガスが分岐管４９に供給されるように、分岐流れ制御弁４８が制御される。次いでステップ１０７に進む。これに対し、ＱＯＸＰ≦ＱＯＸＳのときにはステップ１０４からステップ１０６に進み、ターボコンプレッサ４４から吐出された酸化剤ガスの全量が燃料電池スタック１０に供給されるように、分岐流れ制御弁４８が制御される。

ステップ１０７では、分岐管４９内の酸化剤ガスによりタービン５２ｔを駆動すべきか否かが判別される。分岐管４９内の酸化剤ガスによりタービン５２ｔを駆動すべきでないときにはステップ１０８に進み、分岐管４９内の酸化剤ガスの全量が追加の分岐管４９ａ内に送られるように、追加の分岐流れ制御弁４８ａが制御される。これに対し、分岐管４９内の酸化剤ガスによりタービン５２ｔを駆動すべきときにはステップ１０７からステップ１０９に進み、分岐管４９内の酸化剤ガスの一部又は全量がタービン５２ｔに送られるように、追加の分岐流れ制御弁４８ａが制御される。

なお、図１３のステップ１０１では、図６、図９、又は図１１に示される余剰量算出ルーチンが実行される。

次に、図１４を参照して、本発明による更に別の実施例の燃料電池システムＡについて説明する。図１４に示される実施例では燃料電池システムＡは、分岐管４９の出口がカソードオフガス管４６に連結されておらず、大気に開放されている点で、図１に示される実施例と相違している。この場合にも、図１の実施例と同様の効果を得ることができる。

次に、図１５を参照して、本発明による更に別の実施例の燃料電池システムＡについて説明する。図１５に示される実施例では燃料電池システムＡは、分岐管４９ｂの出口がカソードオフガス管４６に連結されておらず、大気に開放されている点で、図１２に示される実施例と相違している。この場合にも、図１２の実施例と同様の効果を得ることができる。

次に、図１６を参照して、本発明による更に別の実施例の燃料電池システムＡについて説明する。図１６に示される実施例では燃料電池システムＡは、追加の分岐管４９ａの出口が分岐管４９に連結されておらず、大気に開放されている点で、図１５に示される実施例と相違している。この場合にも、図１５の実施例と同様の効果を得ることができる。

なお、図１４から図１６に示される燃料電池システムＡには、図８及び図９を参照して説明した実施例は適用されない。

Ａ 燃料電池システム
１０ 燃料電池スタック
４１ 酸化剤ガス供給管
４４ ターボコンプレッサ
４８ 分岐流れ制御弁
４９ 分岐管
４９ａ 追加の分岐管
４８ａ 追加の分岐流れ制御弁
５１ 冷却水供給管
５２ 冷却水ポンプ
５２ｔ タービン

Claims (4)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタック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管と、
   前記酸化剤ガス供給管内に配置され、酸化剤ガスを圧送するターボコンプレッサと、
   前記ターボコンプレッサ下流の前記酸化剤ガス供給管から分岐する分岐管と、
   前記酸化剤ガス供給管から前記分岐管内へ流れ込む酸化剤ガスの量を制御する分岐流れ制御弁と、
   前記分岐管内に配置され、前記分岐管内を流れる酸化剤ガスにより駆動されるタービンと、
   前記燃料電池スタック内に形成された冷却水通路に連結された冷却水供給管と、
   前記冷却水供給管内に配置され、冷却水を送出する冷却水ポンプであって、少なくとも前記タービンにより駆動される冷却水ポンプと、
   を備えた、燃料電池システム。
2. 前記タービン上流の前記分岐管から分岐する追加の分岐管と、前記追加の分岐管内へ流れ込む酸化剤ガスの量を制御する追加の分岐流れ制御弁と、を更に備えた、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタック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管と、
   前記酸化剤ガス供給管内に配置され、酸化剤ガスを圧送するターボコンプレッサと、
   前記ターボコンプレッサ下流の前記酸化剤ガス供給管から分岐する分岐管と、
   前記酸化剤ガス供給管から前記分岐管内へ流れ込む酸化剤ガスの量を制御する分岐流れ制御弁と、
   前記分岐管内に配置され、前記分岐管内を流れる酸化剤ガスにより駆動されるタービンと、
   前記燃料電池スタック内に形成された冷却水通路に連結された冷却水供給管と、
   前記冷却水供給管内に配置され、冷却水を送出する冷却水ポンプであって、少なくとも前記タービンにより駆動される冷却水ポンプと、
   を備えており、
   前記ターボコンプレッサから吐出された酸化剤ガス量の少なくとも一部が前記分岐管内に流れ込むように前記分岐流れ制御弁を制御し、それにより前記タービンを駆動して前記冷却水ポンプを駆動する、燃料電池システムの制御方法。
4. 前記タービン上流の前記分岐管から分岐する追加の分岐管と、前記追加の分岐管内に流れ込む酸化剤ガスの量を制御する追加の分岐流れ制御弁と、を更に備えており、
   前記分岐管内に流れ込んだ酸化剤ガスの少なくとも一部が前記追加の分岐管内に流れ込むように前記追加の分岐流れ制御弁を制御する、請求項３に記載の燃料電池システムの制御方法。

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