JP2019046761A - 燃料電池システム - Google Patents

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和貴 岡崎
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Abstract

【課題】電動モータの消費電力を低減することができるとともに、燃料電池スタックの発電効率の低下を抑制すること。
【解決手段】制御装置３０は、回転軸１４の回転数が浮上回転数に達するまでは、三方弁３３が、供給流路１８を介した電動圧縮機１２から燃料電池スタック１１への空気の流れ、及び供給流路１８及びバイパス流路３２を介した電動圧縮機１２から排出流路２４への空気の流れの双方の流れを許容する第１切替状態となるように三方弁３３の弁切替位置を制御する。また、制御装置３０は、回転軸１４の回転数が浮上回転数に達するまでは、導入流路２５を介してタービン室２３に導入される排出ガスの流れが、排出ガスによってタービン効率が最大となるように圧力調整弁２６の開度を制御し、排出ガスによりタービンホイール１９が回転する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。
近年、燃料ガスである水素と酸化剤ガスである空気に含まれる酸素とを化学反応させて発電を行う燃料電池スタックを備える燃料電池システムを搭載した車両が実用化されている。燃料電池システムは、空気を圧縮する電動圧縮機を備えている。電動圧縮機は、ハウジングと、ハウジング内に収容される回転軸と、ハウジング内に収容されるとともに回転軸を回転させる電動モータと、ハウジング内に収容されるとともに回転軸が回転することにより駆動して空気を圧縮する圧縮部と、を有している。
また、燃料電池システムの中には、燃料電池スタックから排出される排出ガスによって回転するタービンホイールを有するタービンを備えているものもある。タービンホイールは、電動圧縮機の回転軸と同軸に連結されている。このような燃料電池システムでは、排出ガスの運動エネルギにより、タービンホイールを回転させることで、回転エネルギに変換している。このタービンで発生した回転エネルギは、回転軸を回転させる電動モータの負荷を低減する。よって、回転軸を回転させるために必要な電動モータの消費電力が低減される。
タービンは、タービンホイールを収容するタービン室と、タービン室に繋がる流路の流路断面積を可変とし、タービン室に導入される排出ガスの圧力を調整する圧力調整弁（ノズルベーン）と、を備えている。圧力調整弁は、タービン室に導かれる排出ガスの圧力を調整することにより、タービンホイールの回転数を調整する。また、燃料電池システムにおいては、燃料電池スタック内の湿度を調整するために、燃料電池スタックへ供給される空気の圧力を調整している。この燃料電池スタックへ供給される空気の圧力の調整は、タービン室に繋がる流路の流路断面積を圧力調整弁によって調整することにより行われる。
ところで、燃料電池システムでは、水素及び空気を燃料電池スタックに供給して、水素と酸素とを化学反応させることにより発電を行うため、燃料電池スタックに供給される空気及び水素に油などが混入すると、燃料電池スタックの発電効率が低下する虞がある。このため、例えば特許文献１では、回転軸をハウジングに対して回転可能に支持するために、油を必要としない空気動圧軸受を用いている。空気動圧軸受は、回転軸の回転数が所定値に達するまでは、回転軸と接触した状態で回転軸を支持する。そして、回転軸の回転数が所定値に達すると、回転軸と空気動圧軸受との間に生じる動圧によって、回転軸が空気動圧軸受に対して浮上し、空気動圧軸受は、回転軸と非接触の状態で回転軸を支持する。
特開２０１３−９３１３４号公報
しかしながら、空気動圧軸受を用いた場合、回転軸の回転数が、回転軸が空気動圧軸受に対して浮上する浮上回転数に達するまでは、回転軸が空気動圧軸受と接触した状態で回転するため、電動モータに大きな負荷が掛かり、回転軸を回転させるために必要な電動モータの消費電力が増大してしまう。
また、回転軸の回転数が浮上回転数に達するまでは、回転軸が空気動圧軸受と接触した状態で回転するため、この状態が長く続くほど、回転軸と空気動圧軸受とが摺動する時間が長くなり、耐久性が悪化する。よって、回転軸の回転数が浮上回転数に達するまでの時間を極力短くすることが好ましいが、回転軸の回転数を急激に上昇させると、電動圧縮機の圧縮部で圧縮された空気が燃料電池スタックに過剰に供給されることになり、燃料電池スタック内の湿度が低下して、燃料電池スタックの発電効率の低下を招く。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、電動モータの消費電力を低減することができるとともに、燃料電池スタックの発電効率の低下を抑制することができる燃料電池システムを提供することにある。
上記課題を解決する燃料電池システムは、酸化剤ガスを圧縮する電動圧縮機と、前記電動圧縮機によって圧縮された前記酸化剤ガスが供給される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックから排出される排出ガスによって回転するタービンホイールを有するタービンと、前記電動圧縮機と前記燃料電池スタックとを接続するとともに前記電動圧縮機によって圧縮された前記酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに供給する供給流路と、前記燃料電池スタックと前記タービンとを接続するとともに前記燃料電池スタックから排出される排出ガスが流れる排出流路と、を備え、前記電動圧縮機は、ハウジングと、前記ハウジング内に収容される回転軸と、前記ハウジング内に収容されるとともに前記回転軸を回転させる電動モータと、前記ハウジング内に収容されるとともに前記回転軸に連結され、前記回転軸が回転することにより駆動して前記酸化剤ガスを圧縮する圧縮部と、を有し、前記タービンホイールは、前記回転軸に連結されるとともに前記排出ガスにより回転し、前記タービンは、前記タービンホイールを収容するタービン室と、前記タービン室と前記排出流路とを繋ぐとともに前記排出流路を流れる排出ガスを前記タービン室に導入する導入流路と、前記導入流路の流路断面積を調整して前記燃料電池スタックに供給される前記酸化剤ガスの圧力を調整する圧力調整弁と、を有し、前記回転軸が空気動圧軸受によって前記ハウジングに対して回転可能に支持されている燃料電池システムであって、前記供給流路と前記排出流路とを前記燃料電池スタックを迂回して繋ぐバイパス流路と、前記回転軸の回転数が、前記回転軸が前記空気動圧軸受に対して浮上する浮上回転数に達するまでは、前記供給流路を介した前記電動圧縮機から前記燃料電池スタックへの前記酸化剤ガスの流れ、及び前記供給流路及び前記バイパス流路を介した前記電動圧縮機から前記排出流路への前記酸化剤ガスの流れの双方の流れを許容するように前記酸化剤ガスが流れる流路を切り替える流路切替部と、前記回転軸の回転数が前記浮上回転数に達するまでは、前記導入流路を介して前記タービン室に導入される排出ガスの流れが、前記排出ガスによって前記タービンの効率が最大となるように前記圧力調整弁の開度を調整する弁開度調整部と、を備えた。
ここで、「タービンの効率」とは、排出ガスの運動エネルギが、タービンホイールを回転させることにより回転エネルギに変換される割合のことを言う。つまり、タービン自身の性能を示す。
これによれば、回転軸の回転数が浮上回転数に達するまでの間、タービンの効率が最大となるように圧力調整弁の開度を調整するため、タービンホイールが回転することにより発生する回転エネルギが、回転軸を回転させる電動モータの負荷を低減し、回転軸を回転させるために必要な電動モータの消費電力を低減することができる。また、回転軸の回転数が浮上回転数に達するまでの間では、供給流路を流れる酸化剤ガスの一部が、バイパス流路を介して排出流路へ流れるため、回転軸の回転数が浮上回転数に達するまでの間に、電動圧縮機の圧縮部で圧縮された酸化剤ガスが燃料電池スタックに過剰に供給されてしまうことが抑制される。その結果、燃料電池スタック内の湿度が低下してしまうことを抑制することができ、燃料電池スタックの発電効率の低下を抑制することができる。
上記燃料電池システムにおいて、前記流路切替部は、前記回転軸の回転数が、前記浮上回転数に達した後は、前記供給流路を介した前記電動圧縮機から前記燃料電池スタックへの前記酸化剤ガスの流れを許容し、前記供給流路及び前記バイパス流路を介した前記電動圧縮機から前記排出流路への前記酸化剤ガスの流れを遮断するとよい。
これによれば、回転軸の回転数が浮上回転数に達した後は、電動圧縮機の圧縮部で圧縮された酸化剤ガスの全てを、供給流路を介して電動圧縮機から燃料電池スタックへ供給することができる。
上記燃料電池システムにおいて、前記弁開度調整部は、前記回転軸の回転数が、前記浮上回転数に達した後は、前記燃料電池スタックの要求発電量となるように前記圧力調整弁の開度を調整するとよい。
これによれば、回転軸の回転数が浮上回転数に達した後は、燃料電池スタックにおいて、要求発電量に応じた発電を行うことができる。
この発明によれば、電動モータの消費電力を低減することができるとともに、燃料電池スタックの発電効率の低下を抑制することができる。
実施形態における燃料電池システムの概略構成図。 別の実施形態における燃料電池システムの概略構成図。
以下、燃料電池システムを具体化した一実施形態を図１にしたがって説明する。本実施形態の燃料電池システムは、例えば、燃料電池車などの車両に搭載されている。
図１に示すように、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１１と、酸化剤ガスである空気を圧縮する電動圧縮機１２と、を備えている。燃料電池スタック１１には、電動圧縮機１２によって圧縮された空気が供給される。燃料電池スタック１１は、例えば、複数のセルを有している。各セルは、酸素極と、水素極と、両極の間に配置された電解質膜とが積層されて構成されている。そして、燃料電池スタック１１は、燃料ガスである水素と空気に含まれる酸素とを化学反応させて発電を行う。なお、酸化剤ガスとしては、酸素を含むガスであれば任意である。
燃料電池スタック１１は、図示しない走行用モータに電気的に接続されている。走行用モータは、燃料電池スタック１１により発電された電力を電力源として駆動する。走行用モータの動力は、図示しない動力伝達機構を介して車軸に伝達され、車両は、アクセルペダルのアクセル開度に応じた車速で走行する。
燃料電池スタック１１の発電に寄与する酸素は、空気中に２割程度しか存在しないことから、燃料電池スタック１１に供給された空気の８割程度は、燃料電池スタック１１の発電に寄与されることなく燃料電池スタック１１から排出ガスとして排出される。
燃料電池スタック１１は、空気が供給される供給口１１ａと、空気が排出ガスとして排出される排出口１１ｂと、供給口１１ａと排出口１１ｂとを繋ぐ空気流路１１ｃと、を有している。空気流路１１ｃでは、供給口１１ａから供給された空気が排出口１１ｂに向けて流れる。
電動圧縮機１２は、ハウジング１３と、ハウジング１３内に収容される回転軸１４と、ハウジング１３内に収容されるとともに回転軸１４を回転させる電動モータ１５と、ハウジング１３内に収容されるとともに回転軸１４に連結され、回転軸１４が回転することにより駆動して空気を圧縮する圧縮部１６と、を有している。
電動モータ１５は、図示しないバッテリから電力が供給されることにより駆動して回転軸１４を回転させる。また、本実施形態において、圧縮部１６は、回転軸１４の一端部に連結され、回転軸１４と一体的に回転するインペラであり、電動圧縮機１２では、インペラが回転することにより圧縮動作が行われる。なお、圧縮部１６の具体的な型式は、本実施形態のようなインペラ式に限らず任意であり、例えば、スクロール式やルーツ式などであってもよい。
ハウジング１３は、空気が吸入される吸入口１３ａと、空気が吐出される吐出口１３ｂと、を有している。また、燃料電池システム１０は、圧縮機用流路１７を備えている。圧縮機用流路１７は、例えば、配管等で構成されている。圧縮機用流路１７の一端は大気に開放されており、圧縮機用流路１７の他端は吸入口１３ａに接続されている。そして、外部からの空気が圧縮機用流路１７を流れて吸入口１３ａに吸入される。圧縮部１６は、吸入口１３ａから吸入された空気を圧縮する。そして、圧縮部１６で圧縮された空気は吐出口１３ｂから吐出される。
燃料電池システム１０は、電動圧縮機１２と燃料電池スタック１１とを接続する供給流路１８を備えている。供給流路１８は、例えば、配管等で構成されている。供給流路１８の一端は吐出口１３ｂに接続されるとともに、供給流路１８の他端は供給口１１ａに接続されている。そして、吐出口１３ｂから吐出された空気は、供給流路１８を流れて供給口１１ａに供給される。よって、供給流路１８は、電動圧縮機１２と燃料電池スタック１１とを接続するとともに電動圧縮機１２によって圧縮された空気を燃料電池スタック１１に供給する流路である。
燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１１から排出される排出ガスによって回転するタービンホイール１９を有するタービン２０を備えている。タービン２０は、タービンハウジング２２を有している。タービンハウジング２２は、ハウジング１３における回転軸１４の他端部側に連結されている。よって、本実施形態において、電動圧縮機１２とタービン２０とは一体化されている。
また、タービン２０は、タービンハウジング２２内に形成されるタービン室２３を有している。タービン室２３は、タービンホイール１９を収容する。回転軸１４の他端部は、ハウジング１３からタービン室２３内に突出している。そして、回転軸１４の他端部には、タービンホイール１９が連結されている。よって、タービンホイール１９は、回転軸１４に連結されるとともに排出ガスにより回転する。タービンホイール１９は、羽根が形成されたインペラである。
タービンハウジング２２は、排出ガスが導入される導入口２２ａと、タービン室２３を通過した排出ガスが排出される排出口２２ｂと、を有している。また、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１１とタービン２０とを接続する排出流路２４を備えている。排出流路２４は、例えば、配管等で構成されている。排出流路２４の一端は排出口１１ｂに接続されるとともに、排出流路２４の他端は導入口２２ａに接続されている。そして、排出口１１ｂから排出された排出ガスは、排出流路２４を流れて導入口２２ａに導入される。よって、排出流路２４は、燃料電池スタック１１とタービン２０とを接続するとともに燃料電池スタック１１から排出される排出ガスが流れる流路である。
タービン２０は、タービン室２３と排出流路２４とを繋ぐとともに排出流路２４を流れる排出ガスをタービン室２３に導入する導入流路２５を有している。導入流路２５は、タービンハウジング２２内に形成されるとともに、導入口２２ａとタービン室２３とを連通する。よって、導入流路２５は、導入口２２ａを介して排出流路２４に接続されている。
タービン２０は、導入流路２５の流路断面積を調整して燃料電池スタック１１に供給される空気の圧力を調整する圧力調整弁２６を有している。圧力調整弁２６は、例えば、タービンホイール１９の外周の位置に周方向に複数配列されるノズルベーンと、複数のノズルベーンを回動させる回動機構部と、を有している。そして、回動機構部によって複数のノズルベーンが回動することにより、導入流路２５の流路断面積が調整される。
燃料電池スタック１１は、制御装置３０を備えている。制御装置３０は、電動モータ１５と電気的に接続されている。そして、制御装置３０は、電動モータ１５の駆動を制御する。また、制御装置３０は、圧力調整弁２６と電気的に接続されている。制御装置３０は、アクセルペダルの操作態様等に基づいて燃料電池スタック１１に要求される要求発電量を算出し、その要求発電量に基づいて、圧力調整弁２６の目標開度を導出する。そして、制御装置３０は、圧力調整弁２６の開度が、導出された目標開度となるように圧力調整弁２６の開度を制御する。そして、制御装置３０により圧力調整弁２６の開度が制御されることにより、燃料電池スタック１１に供給される空気の圧力が調整される。なお、圧力調整弁２６の開度は、複数のノズルベーンの回動角度である。そして、燃料電池スタック１１に供給される空気の圧力が調整されることにより、燃料電池スタック１１内の湿度が調整される。燃料電池スタック１１内の湿度は、燃料電池スタック１１の発電を効率良く行うために、予め定められた所望の湿度に調整される。
また、圧力調整弁２６によって導入流路２５の流路断面積が調整されることにより、導入流路２５からタービン室２３に導入される排出ガスの圧力が調整される。タービンホイール１９は、圧力調整弁２６を通過した排出ガスが吹き付けられることによって回転する。タービン２０においては、タービンホイール１９が排出ガスによって回転することにより回転エネルギが発生する。即ち、排出ガスの運動エネルギを、タービンホイール１９が回転することによって、回転エネルギに変換している。このタービン２０で発生した回転エネルギは、回転軸１４を回転させる電動モータ１５の負荷を低減する。
回転軸１４は、空気動圧軸受３１によってハウジング１３に対して回転可能に支持されている。本実施形態において、空気動圧軸受３１は、回転軸１４の回転軸線方向において、電動モータ１５を挟んだ両側に一つずつ配置されている。よって、空気動圧軸受３１は、回転軸１４の回転軸線方向において、圧縮部１６と電動モータ１５との間、及び電動モータ１５とタービンホイール１９との間に一つずつ配置されている。
空気動圧軸受３１は、回転軸１４の回転数が所定値に達するまでは、回転軸１４と接触した状態で回転軸１４を支持する。そして、回転軸１４の回転数が所定値に達すると、回転軸１４と空気動圧軸受３１との間に生じる動圧によって、回転軸１４が空気動圧軸受３１に対して浮上し、空気動圧軸受３１は、回転軸１４と非接触の状態で回転軸１４を支持する。
燃料電池システム１０は、供給流路１８と排出流路２４とを燃料電池スタック１１を迂回して繋ぐバイパス流路３２を備えている。バイパス流路３２は、例えば、配管等で構成されている。バイパス流路３２の一端は供給流路１８の途中に接続されるとともに、バイパス流路３２の他端は排出流路２４の途中に接続されている。
燃料電池システム１０は、供給流路１８とバイパス流路３２との接続箇所に配設される三方弁３３を備えている。三方弁３３は、制御装置３０と電気的に接続されている。制御装置３０は、三方弁３３の弁切替位置を制御する。
三方弁３３は、制御装置３０によって弁切替位置が制御されることにより、供給流路１８を介した電動圧縮機１２から燃料電池スタック１１への空気の流れ、及び供給流路１８及びバイパス流路３２を介した電動圧縮機１２から排出流路２４への空気の流れの双方の流れを許容する第１切替状態に切替可能である。また、三方弁３３は、制御装置３０によって弁切替位置が制御されることにより、供給流路１８を介した電動圧縮機１２から燃料電池スタック１１への空気の流れを許容し、且つバイパス流路３２を介した供給流路１８から排出流路２４への空気の流れを遮断する第２切替状態に切替可能である。
また、燃料電池システム１０は、回転軸１４の回転数を検出する回転数検出部３４を備えている。回転数検出部３４は、制御装置３０と電気的に接続されている。そして、回転数検出部３４により検出された検出信号は、制御装置３０に送信される。
制御装置３０は、回転数検出部３４により検出された回転軸１４の回転数が、回転軸１４が空気動圧軸受３１に対して浮上する浮上回転数に達するまでは、三方弁３３が第１切替状態となるように三方弁３３の弁切替位置を制御する。よって、制御装置３０及び三方弁３３は、回転軸１４の回転数が浮上回転数に達するまでは、供給流路１８を介した電動圧縮機１２から燃料電池スタック１１への空気の流れ、及び供給流路１８及びバイパス流路３２を介した電動圧縮機１２から排出流路２４への空気の流れの双方の流れを許容するように空気が流れる流路を切り替える流路切替部を構成している。
また、制御装置３０は、回転数検出部３４により検出された回転軸１４の回転数が浮上回転数に達するまでは、導入流路２５を介してタービン室２３に導入される排出ガスの流れが、排出ガスによってタービン２０の効率が最大となるように圧力調整弁２６の開度を制御する。よって、制御装置３０は、回転軸１４の回転数が浮上回転数に達するまでは、導入流路２５を介してタービン室２３に導入される排出ガスの流れが、排出ガスによってタービン２０の効率が最大となるように圧力調整弁２６の開度を調整する弁開度調整部としても機能する。なお、以下の説明において、「タービン２０の効率」を、単に「タービン効率」と記載する。
ここで、「タービン効率」とは、排出ガスの運動エネルギが、タービンホイール１９を回転させることにより回転エネルギに変換される割合のことを言う。つまり、タービン２０自身の性能を示す。
そして、導入流路２５を介してタービン室２３に導入される排出ガスの流れが、排出ガスによってタービン２０の効率が最大となるような圧力調整弁２６の開度とは、圧力調整弁２６を通過する排出ガスが、タービンホイール１９の羽根に最適に吹き付けられるように流れる開度である。この圧力調整弁２６の開度は、タービンホイール１９の羽根の形状などに応じて予め決められている。
次に、本実施形態の作用について説明する。
燃料電池システム１０の起動時においては、制御装置３０は、三方弁３３が第１切替状態となるように三方弁３３の弁切替位置を制御する。さらに、制御装置３０は、導入流路２５を介してタービン室２３に導入される排出ガスの流れが、排出ガスによってタービン効率が最大となるように圧力調整弁２６の開度を制御し、排出ガスによりタービンホイール１９が回転する。
続いて、制御装置３０は、電動モータ１５の駆動を制御し、回転軸１４を回転させる。これにより、圧縮部１６が駆動し、圧縮機用流路１７及び吸入口１３ａを介して電動圧縮機１２に吸入された空気が圧縮部１６により圧縮される。そして、圧縮部１６により圧縮された空気は、吐出口１３ｂ及び供給流路１８を介して電動圧縮機１２から燃料電池スタック１１に供給される。また、三方弁３３が第１切替状態に切り替えられているため、供給流路１８を流れる空気の一部が、バイパス流路３２を介して排出流路２４へ排出ガスとして流れる。
また、燃料電池スタック１１から排出流路２４へ排出された排出ガス、及び供給流路１８からバイパス流路３２を介して排出流路２４へ排出ガスとして流出した空気は、導入口２２ａ及び導入流路２５を介してタービン室２３に導入される。そして、タービン室２３に導入された排出ガスによってタービンホイール１９が回転する。タービン室２３を通過した排出ガスは、排出口２２ｂを介して外部へ排出される。
制御装置３０は、回転数検出部３４により検出された回転軸１４の回転数が浮上回転数に達するまでは、導入流路２５を介してタービン室２３に導入される排出ガスの流れが、排出ガスによってタービン効率が最大となるように圧力調整弁２６の開度を制御し、排出ガスによりタービンホイール１９が回転する。よって、回転軸１４の回転数が浮上回転数に達するまでの間、タービン効率が最大となるように圧力調整弁２６の開度を調整し、タービンホイール１９が回転することにより発生する回転エネルギが、回転軸１４を回転させる電動モータ１５の負荷を低減する。
また、制御装置３０は、回転数検出部３４により検出された回転軸１４の回転数が浮上回転数に達するまでは、三方弁３３が第１切替状態となるように三方弁３３の弁切替位置を制御する。よって、回転軸１４の回転数が浮上回転数に達するまでの間では、供給流路１８を流れる空気の一部が、バイパス流路３２を介して排出流路２４へ流れるため、回転軸１４の回転数が浮上回転数に達するまでの間に、電動圧縮機１２の圧縮部１６で圧縮された空気が燃料電池スタック１１に過剰に供給されてしまうことが抑制される。その結果、燃料電池スタック１１内の湿度が低下してしまうことが抑制され、燃料電池スタック１１の発電効率の低下が抑制される。
制御装置３０は、回転数検出部３４により検出された回転軸１４の回転数が浮上回転数に達すると、三方弁３３が第２切替状態となるように三方弁３３の弁切替位置を制御する。つまり、流路切替部を構成する制御装置３０及び三方弁３３は、回転軸１４の回転数が浮上回転数に達した後は、供給流路１８を介した電動圧縮機１２から燃料電池スタック１１への空気の流れを許容し、供給流路１８及びバイパス流路３２を介した電動圧縮機１２から排出流路２４への空気の流れを遮断する。これにより、電動圧縮機１２の圧縮部１６で圧縮された空気の全てが、供給流路１８を介して電動圧縮機１２から燃料電池スタック１１へ供給される。
そして、制御装置３０は、回転数検出部３４により検出された回転軸１４の回転数が浮上回転数に達すると、圧力調整弁２６の開度が、燃料電池スタック１１に要求される要求発電量に基づいて導出された目標開度となるように圧力調整弁２６の開度を制御する。つまり、制御装置３０は、回転軸１４の回転数が浮上回転数に達した後は、燃料電池スタック１１の要求発電量となるように圧力調整弁２６の開度を調整する。これにより、燃料電池スタック１１では、制御装置３０で算出された要求発電量に応じた発電が行われる。
上記実施形態では以下の効果を得ることができる。
（１）回転軸１４の回転数が浮上回転数に達するまでの間、タービン効率が最大となるように圧力調整弁２６の開度を調整し、排出ガスによりタービンホイール１９が回転する。従って、タービンホイール１９が回転することにより発生する回転エネルギが、回転軸１４を回転させる電動モータ１５の負荷を低減し、回転軸１４を回転させるために必要な電動モータ１５の消費電力を低減することができる。また、回転軸１４の回転数が浮上回転数に達するまでの間では、供給流路１８を流れる空気の一部が、バイパス流路３２を介して排出流路２４へ流れるため、回転軸１４の回転数が浮上回転数に達するまでの間に、電動圧縮機１２の圧縮部１６で圧縮された空気が燃料電池スタック１１に過剰に供給されてしまうことが抑制される。その結果、燃料電池スタック１１内の湿度が低下してしまうことを抑制することができ、燃料電池スタック１１の発電効率の低下を抑制することができる。
（２）回転軸１４の回転数が浮上回転数に達した後は、供給流路１８を介した電動圧縮機１２から燃料電池スタック１１への空気の流れが許容され、供給流路１８及びバイパス流路３２を介した電動圧縮機１２から排出流路２４への空気の流れが遮断される。よって、回転軸１４の回転数が浮上回転数に達した後は、電動圧縮機１２の圧縮部１６で圧縮された空気の全てを、供給流路１８を介して電動圧縮機１２から燃料電池スタック１１へ供給することができる。
（３）制御装置３０は、回転軸１４の回転数が浮上回転数に達した後は、燃料電池スタック１１の要求発電量となるように圧力調整弁２６の開度を調整する。よって、回転軸１４の回転数が浮上回転数に達した後は、燃料電池スタック１１において、要求発電量に応じた発電を行うことができる。
（４）回転軸１４の回転数が浮上回転数に達するまでの間、タービンホイール１９が、タービン効率が最大となるように回転するため、回転軸１４の回転数が浮上回転数に達するまでの時間を極力短くすることができ、回転軸１４と空気動圧軸受３１とが摺動する時間を短くすることができる。その結果、回転軸１４及び空気動圧軸受３１の耐久性を向上させることができる。
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 図２に示すように、圧縮機用流路１７に、圧縮機用流路１７を流れる空気の流量を調整する吸入バルブ４０を設けてもよい。吸入バルブ４０は、制御装置３０と電気的に接続されている。制御装置３０は、吸入バルブ４０の開度を制御する。そして、制御装置３０は、回転軸１４の回転数が浮上回転数に達するまでは、吸入バルブ４０の開度を小さくして、電動圧縮機１２に吸入される空気の流量を少なくする。これによれば、回転軸１４の回転数が浮上回転数に達するまでは、電動圧縮機１２の圧縮部１６で圧縮する空気の流量が少なくなるため、圧縮部１６を駆動させるために回転軸１４を回転させる電動モータ１５の消費電力を低減することができる。そして、制御装置３０は、回転軸１４の回転数が浮上回転数に達すると、吸入バルブ４０の開度が全開となるように吸入バルブ４０の開度を制御する。
○ 図２に示す実施形態において、吸入バルブ４０の開度を制御装置３０により電気的に制御せずに、吸入バルブ４０の開度を機械的に調整するようにしてもよい。例えば、回転軸１４の回転数が浮上回転数に達するまでは、圧縮部１６により圧縮された空気の一部を、吸入バルブ４０に還流させて、吸入バルブ４０の弁体に対して背圧として機能させ、弁体が背圧によって動作することにより、吸入バルブ４０の開度を小さくするようにしてもよい。これによれば、回転軸１４の回転数が浮上回転数に達するまでの間に、電動圧縮機１２の圧縮部１６で圧縮された空気が燃料電池スタック１１に過剰に供給されてしまうことが抑制され易くなる。そして、回転軸１４の回転数が浮上回転数に達すると、圧縮部１６により圧縮された空気の一部の吸入バルブ４０への還流を遮断する。すると、吸入バルブ４０の弁体に対して背圧が作用しなくなり、吸入バルブ４０の開度が全開となる。
○ 実施形態において、制御装置３０は、回転数検出部３４により検出された回転軸１４の回転数が浮上回転数に達していたとしても、燃料電池スタック１１に要求される要求発電量が所定値よりも小さいときには、三方弁３３が第１切替状態となるように三方弁３３の弁切替位置を制御するようにしてもよい。これによれば、燃料電池スタック１１に要求される要求発電量が所定値よりも小さいときに、電動圧縮機１２の圧縮部１６で圧縮された空気が燃料電池スタック１１に過剰に供給されてしまうことが抑制される。その結果、燃料電池スタック１１内の湿度が低下してしまうことを抑制することができ、燃料電池スタック１１の発電効率の低下を抑制することができる。
○ 実施形態において、供給流路１８とバイパス流路３２との接続箇所に三方弁３３を配設せずに、供給流路１８におけるバイパス流路３２との接続箇所よりも燃料電池スタック１１側の流路に第１流量制御弁を配設するとともに、バイパス流路３２に第２流量制御弁を配設してもよい。そして、制御装置３０は、例えば、回転軸１４の回転数が浮上回転数に達するまでは、第１流量制御弁の開度が小さくなるように第１流量制御弁の開度を制御するとともに、第２流量制御弁の開度が全開になるように第２流量制御弁の開度を制御する。これによれば、回転軸１４の回転数が浮上回転数に達するまでの間に、電動圧縮機１２の圧縮部１６で圧縮された空気が燃料電池スタック１１に過剰に供給されてしまうことが抑制される。そして、回転軸１４の回転数が浮上回転数に達すると、制御装置３０は、例えば、第１流量制御弁の開度が全開となるように第１流量制御弁の開度を制御するとともに、第２流量制御弁の開度が全閉になるように第２流量制御弁の開度を制御する。この場合、制御装置３０、第１流量制御弁及び第２流量制御弁は、回転軸１４の回転数が浮上回転数に達するまでは、供給流路１８を介した電動圧縮機１２から燃料電池スタック１１への空気の流れ、及び供給流路１８及びバイパス流路３２を介した電動圧縮機１２から排出流路２４への空気の流れの双方の流れを許容するように空気が流れる流路を切り替える流路切替部を構成している。
○ 実施形態において、制御装置３０は、例えば、電動モータ１５の消費電力から回転軸１４の回転数を推定し、回転軸１４の回転数が浮上回転数に達したか否かを判断するようにしてもよい。この場合、制御装置３０には、電動モータ１５の消費電力から回転軸１４の回転数が推定可能なマップが予め記憶されている。
○ 実施形態において、圧力調整弁２６の具体的な構成は特に限定されるものではない。要は、圧力調整弁２６は、導入流路２５の流路断面積を調整して燃料電池スタック１１に供給される空気の圧力を調整することができるものであればよい。
○ 実施形態において、燃料電池システム１０は、車両以外に搭載されていてもよい。
１０…燃料電池システム、１１…燃料電池スタック、１２…電動圧縮機、１３…ハウジング、１４…回転軸、１５…電動モータ、１６…圧縮部、１８…供給流路、１９…タービンホイール、２０…タービン、２３…タービン室、２４…排出流路、２５…導入流路、２６…圧力調整弁、３０…流路切替部を構成するとともに弁開度調整部として機能する制御装置、３１…空気動圧軸受、３２…バイパス流路、３３…流路切替部を構成する三方弁。

Claims (3)

  1. 酸化剤ガスを圧縮する電動圧縮機と、
    前記電動圧縮機によって圧縮された前記酸化剤ガスが供給される燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタックから排出される排出ガスによって回転するタービンホイールを有するタービンと、
    前記電動圧縮機と前記燃料電池スタックとを接続するとともに前記電動圧縮機によって圧縮された前記酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに供給する供給流路と、
    前記燃料電池スタックと前記タービンとを接続するとともに前記燃料電池スタックから排出される排出ガスが流れる排出流路と、を備え、
    前記電動圧縮機は、
    ハウジングと、
    前記ハウジング内に収容される回転軸と、
    前記ハウジング内に収容されるとともに前記回転軸を回転させる電動モータと、
    前記ハウジング内に収容されるとともに前記回転軸に連結され、前記回転軸が回転することにより駆動して前記酸化剤ガスを圧縮する圧縮部と、を有し、
    前記タービンホイールは、前記回転軸に連結されるとともに前記排出ガスにより回転し、
    前記タービンは、
    前記タービンホイールを収容するタービン室と、
    前記タービン室と前記排出流路とを繋ぐとともに前記排出流路を流れる排出ガスを前記タービン室に導入する導入流路と、
    前記導入流路の流路断面積を調整して前記燃料電池スタックに供給される前記酸化剤ガスの圧力を調整する圧力調整弁と、を有し、
    前記回転軸が空気動圧軸受によって前記ハウジングに対して回転可能に支持されている燃料電池システムであって、
    前記供給流路と前記排出流路とを前記燃料電池スタックを迂回して繋ぐバイパス流路と、
    前記回転軸の回転数が、前記回転軸が前記空気動圧軸受に対して浮上する浮上回転数に達するまでは、前記供給流路を介した前記電動圧縮機から前記燃料電池スタックへの前記酸化剤ガスの流れ、及び前記供給流路及び前記バイパス流路を介した前記電動圧縮機から前記排出流路への前記酸化剤ガスの流れの双方の流れを許容するように前記酸化剤ガスが流れる流路を切り替える流路切替部と、
    前記回転軸の回転数が前記浮上回転数に達するまでは、前記導入流路を介して前記タービン室に導入される排出ガスの流れが、前記排出ガスによって前記タービンの効率が最大となるように前記圧力調整弁の開度を調整する弁開度調整部と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記流路切替部は、前記回転軸の回転数が、前記浮上回転数に達した後は、前記供給流路を介した前記電動圧縮機から前記燃料電池スタックへの前記酸化剤ガスの流れを許容し、前記供給流路及び前記バイパス流路を介した前記電動圧縮機から前記排出流路への前記酸化剤ガスの流れを遮断することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記弁開度調整部は、前記回転軸の回転数が、前記浮上回転数に達した後は、前記燃料電池スタックの要求発電量となるように前記圧力調整弁の開度を調整することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
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