JP6597586B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。
特許文献１には、タービンで駆動されるコンプレッサを有する燃料電池システムが開示されている。コンプレッサは燃料電池の水素循環経路に配置されており、タービンは燃料電池の空気経路におけるカソード排ガス経路に配置されている。コンプレッサとタービンは、タービン軸を介して連結されている。タービンは、燃料電池から排出された排出空気に駆動されるとともに、タービン軸を介してコンプレッサを駆動し、水素を循環させる。
特開２００８−２１０５３９号公報
一般に、タービンとコンプレッサの効率は、それぞれの回転数に依存する。また、タービンが高効率となる回転数とコンプレッサが高効率となる回転数は異なる場合が多い。しかしながら、上述した従来技術では、タービンとコンプレッサはタービン軸で直結されているので、それらの効率を十分に高めることができないという問題がある。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の
形態として実現することが可能である。
本発明の第１の形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池と、コンプレッサ回転軸を有し、前記燃料電池にカソードガスを供給するコンプレッサと、タービン回転軸を有し、前記燃料電池から排出されたカソード排ガスによって駆動されるタービンと、モータ回転軸を有し、前記コンプレッサと前記タービンとの間に配置される電動モータと、前記コンプレッサ回転軸と前記モータ回転軸に連結され、前記コンプレッサと前記電動モータとの間の変速を行う第１変速機と、前記タービン回転軸と前記モータ回転軸に連結され、前記タービンと前記電動モータとの間の変速を行う第２変速機と、を備え、前記第１変速機の変速比と前記第２変速機の変速比は、前記電動モータの回転数が常に前記コンプレッサの回転数及び前記タービンの回転数よりも低く、かつ、前記コンプレッサの回転数が常に前記タービンの回転数よりも高くなるように設定されている。
本発明の第２の形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池と、コンプレッサ回転軸を有し、前記燃料電池にカソードガスを供給するコンプレッサと、タービン回転軸を有し、前記燃料電池から排出されたカソード排ガスによって駆動されるタービンと、モータ回転軸を有し、前記コンプレッサを挟んで前記タービンと反対側の位置に配置される電動モータと、前記コンプレッサ回転軸と前記モータ回転軸に連結され、前記コンプレッサと前記電動モータとの間の変速を行う第１変速機と、前記タービン回転軸と前記コンプレッサ回転軸に連結され、前記タービンと前記コンプレッサとの間の変速を行う第２変速機と、を備え、前記第１変速機の変速比と前記第２変速機の変速比は、前記電動モータの回転数が常に前記コンプレッサの回転数及び前記タービンの回転数よりも低く、かつ、前記コンプレッサの回転数が常に前記タービンの回転数よりも高くなるように設定されている。
本発明の第３の形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池と、コンプレッサ回転軸を有し、前記燃料電池にカソードガスを供給するコンプレッサと、タービン回転軸を有し、前記燃料電池から排出されたカソード排ガスによって駆動されるタービンと、モータ回転軸を有し、前記タービンを挟んで前記コンプレッサと反対側の位置に配置される電動モータと、前記コンプレッサ回転軸と前記タービン回転軸に連結され、前記コンプレッサと前記タービンとの間の変速を行う第１変速機と、前記モータ回転軸と前記タービン回転軸に連結され、前記電動モータと前記タービンとの間の変速を行う第２変速機と、を備え、前記第１変速機の変速比と前記第２変速機の変速比は、前記電動モータの回転数が常に前記コンプレッサの回転数及び前記タービンの回転数よりも低く、かつ、前記コンプレッサの回転数が常に前記タービンの回転数よりも高くなるように設定されている。
尚、本発明は以下の形態としても実現できる。
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池と、コンプレッサ回転軸を有し、前記燃料電池にカソードガスを供給するコンプレッサと、タービン回転軸を有し、前記燃料電池から排出されたカソード排ガスによって駆動されるタービンと、モータ回転軸を有し、前記コンプレッサと前記タービンとの間に配置される電動モータと、前記コンプレッサ回転軸と前記モータ回転軸に連結され、前記コンプレッサと前記電動モータとの間の変速を行う第１変速機と、前記タービン回転軸と前記モータ回転軸に連結され、前記タービンと前記電動モータとの間の変速を行う第２変速機と、を備え、前記第１変速機の変速比と前記第２変速機の変速比は、前記電動モータの回転数が前記コンプレッサの回転数及び前記タービンの回転数よりも低く、かつ、前記コンプレッサの回転数が前記タービンの回転数よりも高くなるように設定されている。
この形態の燃料電池システムによれば、第１変速機と第２変速機により、電動モータの回転数がコンプレッサの回転数及びタービンの回転数よりも低く、かつ、コンプレッサの回転数がタービンの回転数よりも高くなるように連結が行われているので、コンプレッサとタービンの効率を十分に高めることができる。
（２）本発明の他の形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池と、コンプレッサ回転軸を有し、前記燃料電池にカソードガスを供給するコンプレッサと、タービン回転軸を有し、前記燃料電池から排出されたカソード排ガスによって駆動されるタービンと、モータ回転軸を有し、前記コンプレッサを挟んで前記タービンと反対側の位置に配置される電動モータと、前記コンプレッサ回転軸と前記モータ回転軸に連結され、前記コンプレッサと前記電動モータとの間の変速を行う第１変速機と、前記タービン回転軸と前記コンプレッサ回転軸に連結され、前記タービンと前記コンプレッサとの間の変速を行う第２変速機と、を備え、前記第１変速機の変速比と前記第２変速機の変速比は、前記電動モータの回転数が前記コンプレッサの回転数及び前記タービンの回転数よりも低く、かつ、前記コンプレッサの回転数が前記タービンの回転数よりも高くなるように設定されている。
この形態の燃料電池システムによれば、第１変速機と第２変速機により、電動モータの回転数がコンプレッサの回転数及びタービンの回転数よりも低く、かつ、コンプレッサの回転数がタービンの回転数よりも高くなるように連結が行われているので、コンプレッサとタービンの効率を十分に高めることができる。
（３）本発明の他の形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池と、コンプレッサ回転軸を有し、前記燃料電池にカソードガスを供給するコンプレッサと、タービン回転軸を有し、前記燃料電池から排出されたカソード排ガスによって駆動されるタービンと、モータ回転軸を有し、前記タービンを挟んで前記コンプレッサと反対側の位置に配置される電動モータと、前記コンプレッサ回転軸と前記タービン回転軸に連結され、前記コンプレッサと前記タービンとの間の変速を行う第１変速機と、前記モータ回転軸と前記タービン回転軸に連結され、前記電動モータと前記タービンとの間の変速を行う第２変速機と、を備え、前記第１変速機の変速比と前記第２変速機の変速比は、前記電動モータの回転数が前記コンプレッサの回転数及び前記タービンの回転数よりも低く、かつ、前記コンプレッサの回転数が前記タービンの回転数よりも高くなるように設定されている。
この形態の燃料電池システムによれば、第１変速機と第２変速機により、電動モータの回転数がコンプレッサの回転数及びタービンの回転数よりも低く、かつ、コンプレッサの回転数がタービンの回転数よりも高くなるように連結が行われているので、コンプレッサとタービンの効率を十分に高めることができる。
（４）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記コンプレッサ回転軸と、前記モータ回転軸と、前記タービン回転軸とは、同一直線上に配列されていてもよい。
この形態の燃料電池システムによれば、コンプレッサと、タービンと、電動モータの回転動作中のバランスを保つことができ、かつ、それらの機器をコンパクトに組み合わせることができる。
本発明は、上記以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池用コンプレッサユニット等の形態で実現することができる。
本発明の第１実施形態における燃料電池システムを模式的に示す説明図。 第１実施形態におけるコンプレッサユニットの説明図。 タービンの効率と断熱速度比の関係を示す図。 第２実施形態におけるコンプレッサユニットの説明図。 第３実施形態におけるコンプレッサユニットの説明図。
・第１実施形態：
図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システム７００を模式的に示す説明図である。燃料電池システム７００は、燃料電池６００と、ＦＣ冷却系５００と、アノードガス供給系２００と、カソードガス供給排出系１００とを備える。燃料電池６００は、アノードガスとカソードガスを反応させて発電する。燃料電池システム７００は、車両の動力源として車両に搭載されるものとしてもよく、定置型の燃料電池システムとしてもよい。
ＦＣ冷却系５００は、冷媒供給管５１０と、冷媒排出管５２０と、ラジエータ５３０と、バイパス管５４０と、三方弁５４５と、冷媒ポンプ５７０と、を備える。冷媒としては、例えば、水、エチレングリコール等の不凍水、空気などが用いられる。冷媒ポンプ５７０は、冷媒供給管５１０に設けられており、冷媒を燃料電池６００に供給する。三方弁５４５は、ラジエータ５３０とバイパス管５４０への冷媒の流量を調節するための弁である。ラジエータ５３０には、ラジエータファン５３５が設けられている。
アノードガス供給系２００は、アノードガスタンク２１０と、アノードガス供給管２２０と、アノードガス還流管２３０と、主止弁２５０と、調圧弁２６０と、供給ガス圧力センサ２７０と、アノードガスポンプ２８０と、気液分離器２９０と、排気排水弁２９５と、排気排水管２４０とを備える。アノードガスタンク２１０は、例えば高圧の水素ガスを貯蔵している。アノードガスタンク２１０は、アノードガス供給管２２０を介して燃料電池６００と接続されている。アノードガス供給管２２０には、アノードガスタンク２１０側から、主止弁２５０と、調圧弁２６０と、供給ガス圧力センサ２７０とがこの順に設けられている。主止弁２５０は、アノードガスタンク２１０からのアノードガスの供給をオン、オフする。調圧弁２６０は、燃料電池６００に供給されるアノードガスの圧力を調整する。供給ガス圧力センサ２７０は、燃料電池６００に供給されるアノードガスの圧力を測定する。
アノードガス還流管２３０は、燃料電池６００とアノードガス供給管２２０とに接続され、燃料電池６００から排出されたアノード排ガスをアノードガス供給管２２０に還流させる。アノードガス還流管２３０には、気液分離器２９０と、アノードガスポンプ２８０とが設けられている。気液分離器２９０は、燃料電池６００から排出された液水混じりのアノード排ガスから液水を分離する。また、アノード排ガスに含まれる不純物ガス、例えば窒素ガスも液水とともに分離される。未使用の水素ガスを含むアノード排ガスは、アノードガスポンプ２８０によって駆動され、アノードガス供給管２２０に還流される。分離された液水と窒素ガスは、気液分離器２９０に接続された排気排水弁２９５と排気排水管２４０を通過してシステム外に放出される。
カソードガス供給排出系１００は、カソードガス供給管１０１,１０２と、バイパス管１０３と、カソードガス排出管１０４,１０５と、エアクリーナ１１０と、インタークーラー１２０と、分流弁１３０と、調圧弁１４０と、サイレンサー１５０と、コンプレッサユニット１６０とを備える。カソードガス供給排出系１００は、コンプレッサユニット１６０によって空気（カソードガス）をシステム内に取り組み、燃料電池６００に供給した後、未使用の空気（カソード排ガス）をシステム外に排出する。
第１カソードガス供給管１０１には、エアクリーナ１１０と、大気圧センサ３５０と、外気温センサ３６０と、エアフローメータ３７０とが設けられている。エアクリーナ１１０は、カソードガスを取り込む時に塵埃を除去する。大気圧センサ３５０は、大気圧を測定する。外気温センサ３６０は、取り込む前のカソードガスの温度を測定する。エアフローメータ３７０は、取り込んだカソードガスの量を測定する。第２カソードガス供給管１０２には、インタークーラー１２０と、分流弁１３０と、供給ガス温度センサ３８０と、供給ガス圧力センサ３９０とが設けられている。インタークーラー１２０は、燃料電池６００に供給されるカソードガスを冷却する。供給ガス温度センサ３８０は、燃料電池６００に供給されるカソードガスの温度を測定し、供給ガス圧力センサ３９０は、燃料電池６００に供給されるカソードガスの圧力を測定する。分流弁１３０は、バイパス管１０３に接続され、カソードガスを燃料電池６００と、バイパス管１０３とに分流する。
第１カソードガス排出管１０４には、調圧弁１４０が設けられている。調圧弁１４０の下流側の第１カソードガス排出管１０４には、バイパス管１０３の下流部分が接続されている。調圧弁１４０は、燃料電池６００におけるカソードガスの圧力を調整する。第２カソードガス排出管１０５には、アノードガス供給系２００の排気排水管２４０の下流部分が接続されている。第２カソードガス排出管１０５の出口には、サイレンサー１５０が設けられている。サイレンサー１５０は、カソード排ガスの排気音を減少させる。
なお、第１カソードガス供給管１０１及び第２カソードガス供給管１０２はそれぞれ、コンプレッサユニット１６０のコンプレッサ１６１の入口及び出口に接続されている。また、第１カソードガス排出管１０４及び第２カソードガス排出管１０５はそれぞれ、コンプレッサユニット１６０のタービン１６５の入口及び出口に接続されている。
図２は、コンプレッサユニット１６０の説明図である。コンプレッサユニット１６０は、コンプレッサ１６１と、タービン１６５と、電動モータ１６３と、第１変速機１６２と、第２変速機１６４とを備える。コンプレッサ１６１は、コンプレッサ回転軸６１を有し、コンプレッサ回転軸６１の回転に応じてガスを圧縮する圧縮機である。コンプレッサ１６１としては、例えば遠心式コンプレッサや、軸流式コンプレッサ、回転式コンプレッサが使用可能である。但し、十分な圧力を得るためには、遠心式コンプレッサを使用することが好ましい。コンプレッサ１６１は、第１カソードガス供給管１０１から供給されたカソードガスを圧縮し、第２カソードガス供給管１０２を介して燃料電池６００（図１）に供給する。
タービン１６５は、タービン回転軸６５を有し、ガスの駆動により回転するガスタービンである。タービン１６５としては、例えばラジアル型タービンが使用可能である。タービン１６５は、燃料電池６００から第１カソードガス排出管１０４を介して排出されたカソード排ガスによって駆動されて回転する。
電動モータ１６３は、モータ回転軸６３を有し、コンプレッサ１６１とタービン１６５との間に配置されている。電動モータ１６３は、モータ回転軸６３と一体に形成されたローター３１と、ステーター３３と、軸受３５とを有する。ローター３１の表面には、磁石３２が設けられている。ステーター３３の内面には、電磁コイル３４が設けられている。
第１変速機１６２は、コンプレッサ１６１と電動モータ１６３との間に配置されている。本実施形態において、第１変速機１６２はプラネタリギア変速機であり、中央のサンギア２１と、サンギア２１の周囲に設けられた複数のプラネタリギア２２と、外周のリングギア２３とを有する。サンギア２１は、コンプレッサ１６１のコンプレッサ回転軸６１と連結されたサンギア回転軸６２Ｓ（第１回転軸）を有する。リングギア２３は、電動モータ１６３のモータ回転軸６３と連結されたリングギア回転軸６２Ｌを有する。複数のプラネタリギア２２は、プラネタリキャリア（図示省略）に連結されて支持されている。本実施形態では、プラネタリキャリアを固定してサンギア２１とリングギア２３それぞれを回転させ、コンプレッサ１６１と電動モータ１６３との間の変速を行う。このとき、コンプレッサ回転軸６１とモータ回転軸６３は、逆方向に回転する。
第２変速機１６４は、第１変速機１６２とほぼ同様なプラネタリギア変速機であり、タービン１６５と電動モータ１６３との間に配置されている。第２変速機１６４は、サンギア４１と、複数のプラネタリギア４２と、リングギア４３とを有する。サンギア４１はタービン１６５のタービン回転軸６５と連結されたサンギア回転軸６４Ｓ（第２回転軸）を有し、リングギア４３は電動モータ１６３のモータ回転軸６３と連結されたリングギア回転軸６４Ｌを有する。第２変速機１６４も、第１変速機１６２と同様に、プラネタリキャリアを固定してサンギア４１とリングギア４３それぞれを回転させ、タービン１６５と電動モータ１６３との間の変速を行う。このとき、タービン回転軸６５とモータ回転軸６３は、逆方向に回転する。
なお、第１変速機１６２の変速比と第２変速機１６４の変速比は、電動モータ１６３の回転数がコンプレッサ１６１の回転数及びタービン１６５の回転数よりも低く、かつ、コンプレッサ１６１の回転数がタービン１６５の回転数よりも高くなるように設定されている。この理由は後述する。第１変速機１６２の変速比と第２変速機１６４の変速比は、それぞれ一定値である。但し、これらの変速機１６２，１６４の一方又は両方の変速比を可変としてもよい。
コンプレッサユニット１６０の起動時に、電動モータ１６３のモータ回転軸６３を回転させると、第１変速機１６２を介してコンプレッサ回転軸６１が回転し、コンプレッサ１６１が駆動される。通常動作時の電動モータ１６３の回転数は、コンプレッサ１６１の回転数よりも低く設定されている。すなわち、電動モータ１６３側を基準とした第１変速機１６２の変速比Ｇ１は、１よりも大きな値に設定されている。コンプレッサ１６１が運転し始めると、第１カソードガス供給管１０１から供給されたカソードガスが圧縮され、燃料電池６００に供給される。
なお、コンプレッサユニット１６０の起動時において、電動モータ１６３のモータ回転軸６３の回転は、更に、第２変速機１６４を介してタービン回転軸６５を回転させ、これに応じてタービン１６５を駆動する。また、燃料電池６００から排出されたカソード排ガスが第１カソードガス排出管１０４を介してタービン１６５に供給されると、タービン１６５がカソード排ガスによって駆動される。特に、燃料電池６００が十分に昇温した状態では、カソード排ガスがかなり高温（例えば約１００℃）になるので、その熱エネルギーを利用してタービン１６５の駆動が行われる。この状態では、タービン１６５はモータ回転軸６３の回転を補助する駆動源として機能する。
なお、通常動作時には、電動モータ１６３の回転数がタービン１６５の回転数よりも低く、かつ、コンプレッサ１６１の回転数がタービン１６５の回転数よりも高くなるように設定されている。すなわち、電動モータ１６３側を基準とした第２変速機１６４の変速比Ｇ２は、１よりも大きく、第１変速機１６２の変速比Ｇ１よりも小さな値に設定されている。
ここで、コンプレッサ１６１は大気圧のカソードガスを圧縮しているのに対し、タービン１６５は圧縮されたカソード排ガスを膨張させるものであるため、タービン１６５におけるガスの流れは、コンプレッサ１６１におけるガスの流れよりも遅い。このため、タービン１６５が高効率となる回転数は、コンプレッサ１６１が高効率となる回転数よりも低く、それぞれの最高回転数は高効率を維持できる値に設定される。また、一般に、電動モータ１６３の最高回転数は、コンプレッサ１６１及びタービン１６５の最高回転数よりも低い。よって、例えば、最高回転数が１５００００〜２５００００ｒｐｍのコンプレッサ１６１と、最高回転数が７５０００〜１５００００ｒｐｍのタービン１６５と、最高回転数が１５０００〜２００００ｒｐｍの電動モータ１６３とを用いることができる。
図３は、タービン１６５の効率ηと断熱速度比（Ｕ／Ｃ）の関係を示す図である。Ｕはタービン１６５の動翼の周速［ｍ／ｓ］であり、Ｃは断熱熱落差による速度［ｍ／ｓ］である。この例では、タービン１６５は、断熱速度比（Ｕ／Ｃ）が特定の値Ｘ付近に達すると効率が最大になる。タービン１６５の回転数は、断熱速度比と正比例である。図３によれば、仮に、タービン１６５がコンプレッサ１６１と同様な回転数（断熱速度比（Ｕ／Ｃ）がＸの時の回転数よりも高い回転数）で回転すると、効率が著しく低下する。本実施形態において、第１変速機１６２及び第２変速機１６４により、電動モータ１６３の回転数がコンプレッサ１６１の回転数及びタービン１６５の回転数よりも低く、かつ、コンプレッサ１６１の回転数がタービン１６５の回転数よりも高くなるように設定されているので、電動モータ１６３と、コンプレッサ１６１と、タービン１６５の効率をそれぞれ高めることができる。
なお、コンプレッサ回転軸６１と、モータ回転軸６３と、タービン回転軸６５とは、同一直線上に配列されている。こうすれば、コンプレッサ１６１と電動モータ１６３とタービン１６５の回転動作中のバランスを保つことができ、安定性を高めることができる。また、これらの機器を同一直線上に配列することにより、コンプレッサユニット１６０をコンパクトに設計することができる。但し、コンプレッサ回転軸６１と、モータ回転軸６３と、タービン回転軸６５とを同一直線上に配列しなくてもよい。
また、３つの回転軸６１，６３，６５のうち、中央に配置されたモータ回転軸６３は、他の２つの回転軸６１，６５とは逆方向に回転する。従って、これらの機器の回転軸動作中のバランスが特に優れているという利点がある。
なお、第１変速機１６２と第２変速機１６４としては、プラネタリギア変速機の代わりに、他の種類の変速機を使用してもよい。また、第２変速機１６４と電動モータ１６３との間に、クラッチを設けてもよい。こうすれば、コンプレッサ１６１の運転開始の段階で、タービン１６５と第２変速機を電動モータ１６３から切り離すことにより、電動モータ１６３の消費電力を削減できる。
以上説明したように、第１実施形態では、第１変速機１６２の変速比と第２変速機１６４の変速比が、電動モータ１６３の回転数がコンプレッサ１６１の回転数及びタービン１６５の回転数よりも低く、かつ、コンプレッサ１６１の回転数がタービン１６５の回転数よりも高くなるように設定されているので、電動モータ１６３と、コンプレッサ１６１と、タービン１６５の効率をそれぞれ高めることができる。
・第２実施形態：
図４は、第２実施形態におけるコンプレッサユニット１６０ａの説明図であり、第１実施形態の図２に対応した図である。図２に示す第１実施形態との違いは、コンプレッサ１６１と、タービン１６５と、電動モータ１６３と、第１変速機１６２と、第２変速機１６４ａの配置位置であり、他の構成は第１実施形態とほぼ同様である。
図４において、電動モータ１６３は、コンプレッサ１６１を挟んでタービン１６５と反対側の位置に配置されている。第２変速機１６４ａは、コンプレッサ１６１とタービン１６５との間に配置されている。第２変速機１６４ａのサンギア回転軸６４Ｓはコンプレッサ回転軸６１と連結されており、リングギア回転軸６４Ｌはタービン回転軸６５と連結されている。第２変速機１６４ａは、タービン１６５とコンプレッサ１６１との間の変速を行う。第２実施形態においても、第１変速機１６２の変速比と第２変速機１６４ａの変速比は、電動モータ１６３の回転数がコンプレッサ１６１の回転数及びタービン１６５の回転数よりも低く、かつ、コンプレッサ１６１の回転数がタービン１６５の回転数よりも高くなるように設定されている。こうすれば、電動モータ１６３と、コンプレッサ１６１と、タービン１６５の効率をそれぞれ高めることができる。
・第３実施形態：
図５は、第３実施形態におけるコンプレッサユニット１６０ｂの説明図であり、第１実施形態の図２に対応した図である。図２に示す第１実施形態との違いは、コンプレッサ１６１と、タービン１６５と、電動モータ１６３と、第１変速機１６２ｂと、第２変速機１６４の配置位置であり、他の構成は第１実施形態とほぼ同様である。
図５において、電動モータ１６３は、タービン１６５を挟んでコンプレッサ１６１と反対側の位置に配置されている。第１変速機１６２ｂは、コンプレッサ１６１とタービン１６５との間に配置されている。第１変速機１６２ｂのサンギア回転軸６２Ｓはコンプレッサ回転軸６１と連結されており、リングギア回転軸６２Ｌはタービン回転軸６５と連結されている。第１変速機１６２ｂは、タービン１６５とコンプレッサ１６１との間の変速を行う。第３実施形態においても、第１変速機１６２ｂの変速比と第２変速機１６４の変速比は、電動モータ１６３の回転数がコンプレッサ１６１の回転数及びタービン１６５の回転数よりも低く、かつ、コンプレッサ１６１の回転数がタービン１６５の回転数よりも高くなるように設定されている。こうすれば、電動モータ１６３と、コンプレッサ１６１と、タービン１６５の効率をそれぞれ高めることができる。
本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
２１…サンギア
２２…プラネタリギア
２３…リングギア
３１…ローター
３２…磁石
３３…ステーター
３４…電磁コイル
３５…軸受
４１…サンギア
４２…プラネタリギア
４３…リングギア
６１…コンプレッサ回転軸
６２Ｌ…リングギア回転軸
６２Ｓ…サンギア回転軸
６３…モータ回転軸
６４Ｌ…リングギア回転軸
６４Ｓ…サンギア回転軸
６５…タービン回転軸
１００…カソードガス供給排出系
１０１…第１カソードガス供給管
１０２…第２カソードガス供給管
１０３…バイパス管
１０４…第１カソードガス排出管
１０５…第２カソードガス排出管
１１０…エアクリーナ
１２０…インタークーラー
１３０…分流弁
１４０…調圧弁
１５０…サイレンサー
１６０，１６０ａ，１６０ｂ…コンプレッサユニット
１６１…コンプレッサ
１６２，１６２ｂ…第１変速機
１６３…電動モータ
１６４，１６４ａ…第２変速機
１６５…タービン
２００…アノードガス供給系
２１０…アノードガスタンク
２２０…アノードガス供給管
２３０…アノードガス還流管
２４０…排気排水管
２５０…主止弁
２６０…調圧弁
２７０…供給ガス圧力センサ
２８０…アノードガスポンプ
２９０…気液分離器
２９５…排気排水弁
３５０…大気圧センサ
３６０…外気温センサ
３７０…エアフローメータ
３８０…供給ガス温度センサ
３９０…供給ガス圧力センサ
５００…ＦＣ冷却系
５１０…冷媒供給管
５２０…冷媒排出管
５３０…ラジエータ
５３５…ラジエータファン
５４０…バイパス管
５４５…三方弁
５７０…冷媒ポンプ
６００…燃料電池
７００…燃料電池システム

Claims (4)

  1. 燃料電池システムであって、
    燃料電池と、
    コンプレッサ回転軸を有し、前記燃料電池にカソードガスを供給するコンプレッサと、
    タービン回転軸を有し、前記燃料電池から排出されたカソード排ガスによって駆動されるタービンと、
    モータ回転軸を有し、前記コンプレッサと前記タービンとの間に配置される電動モータと、
    前記コンプレッサ回転軸と前記モータ回転軸に連結され、前記コンプレッサと前記電動モータとの間の変速を行う第１変速機と、
    前記タービン回転軸と前記モータ回転軸に連結され、前記タービンと前記電動モータとの間の変速を行う第２変速機と、
    を備え、
    前記第１変速機の変速比と前記第２変速機の変速比は、前記電動モータの回転数が常に前記コンプレッサの回転数及び前記タービンの回転数よりも低く、かつ、前記コンプレッサの回転数が常に前記タービンの回転数よりも高くなるように設定されている、
    燃料電池システム。
  2. 燃料電池システムであって、
    燃料電池と、
    コンプレッサ回転軸を有し、前記燃料電池にカソードガスを供給するコンプレッサと、
    タービン回転軸を有し、前記燃料電池から排出されたカソード排ガスによって駆動されるタービンと、
    モータ回転軸を有し、前記コンプレッサを挟んで前記タービンと反対側の位置に配置される電動モータと、
    前記コンプレッサ回転軸と前記モータ回転軸に連結され、前記コンプレッサと前記電動モータとの間の変速を行う第１変速機と、
    前記タービン回転軸と前記コンプレッサ回転軸に連結され、前記タービンと前記コンプレッサとの間の変速を行う第２変速機と、
    を備え、
    前記第１変速機の変速比と前記第２変速機の変速比は、前記電動モータの回転数が常に前記コンプレッサの回転数及び前記タービンの回転数よりも低く、かつ、前記コンプレッサの回転数が常に前記タービンの回転数よりも高くなるように設定されている、
    燃料電池システム。
  3. 燃料電池システムであって、
    燃料電池と、
    コンプレッサ回転軸を有し、前記燃料電池にカソードガスを供給するコンプレッサと、
    タービン回転軸を有し、前記燃料電池から排出されたカソード排ガスによって駆動されるタービンと、
    モータ回転軸を有し、前記タービンを挟んで前記コンプレッサと反対側の位置に配置される電動モータと、
    前記コンプレッサ回転軸と前記タービン回転軸に連結され、前記コンプレッサと前記タービンとの間の変速を行う第１変速機と、
    前記モータ回転軸と前記タービン回転軸に連結され、前記電動モータと前記タービンとの間の変速を行う第２変速機と、
    を備え、
    前記第１変速機の変速比と前記第２変速機の変速比は、前記電動モータの回転数が常に前記コンプレッサの回転数及び前記タービンの回転数よりも低く、かつ、前記コンプレッサの回転数が常に前記タービンの回転数よりも高くなるように設定されている、
    燃料電池システム。
  4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記コンプレッサ回転軸と、前記モータ回転軸と、前記タービン回転軸とは、同一直線上に配列されている、
    燃料電池システム。
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