JP6881225B2 - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムに関して、例えば、特許文献１には、燃料電池のカソードに空気を供給する空気供給回転機が、駆動モータと、カソードオフガスが有するエネルギによって回転するエキスパンダとによって駆動されることが開示されている。

特開２０１３−１８２７８１号公報

特許文献１に記載された燃料電池システムでは、燃料電池の要求出力電力が小さい運転状態では、燃料電池が要求する空気の流量は少ないため、空気供給回転機（コンプレッサ）が吐出する空気の流量は小さくなる。この場合、エキスパンダ（タービン）へのカソードオフガスの供給流量も小さくなり、タービンによる駆動力が小さくなるため、コンプレッサの効率は低下し、燃料電池システムの燃費が悪化する可能性がある。

本発明は、上述の課題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。

（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；前記燃料電池に空気を供給するための空気供給流路と；前記燃料電池から空気を排出するための空気排出流路と；前記空気供給流路に空気を供給するコンプレッサと；前記コンプレッサを駆動させるためのモータと；前記空気排出流路に配置され、前記モータによる前記コンプレッサの駆動を補助するタービンと；前記空気供給流路における前記コンプレッサの下流側と、前記空気排出流路における前記タービンの上流側とを連通するバイパス流路と；前記バイパス流路を開閉するバイパス弁と；前記燃料電池の発電に要求される空気の流量である要求空気流量に応じて、前記モータの駆動と前記バイパス弁の開閉とを制御する制御部と；を備える。前記制御部は、前記要求空気流量が、予め定められた閾値を下回らない場合は、前記バイパス弁を閉状態とし、前記要求空気流量に対応する流量の空気を前記燃料電池に流通させるように前記モータの駆動を制御する第１制御を行い；前記要求空気流量が、前記予め定められた閾値を下回る場合は、前記バイパス弁を開状態として前記バイパス流路にも空気を流通させるとともに、前記要求空気流量に対応する流量の空気を前記燃料電池に流通させるように前記モータの駆動を制御する第２制御を行う。この形態の燃料電池システムによれば、要求空気流量が小さい場合に、コンプレッサの供給する空気は、燃料電池だけでなく、バイパス流路を通じてコンプレッサの駆動を補助するためのタービンにも直接的に供給される。このため、燃料電池に供給される空気の流量を低下させることなく、コンプレッサを駆動するためのモータの消費電力を低減することができ、燃料電池システムの燃費を向上させることができる。

（２）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記予め定められた閾値は、前記燃料電池システムにおいて前記コンプレッサの吐出する空気の流量に対する前記モータの消費電力が極小となる流量に基づいて定められた値であってもよい。この形態の燃料電池システムによれば、燃料電池システムの燃費をより向上させることができる。

（３）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、単位時間当たりの前記要求空気流量の増加量が、予め定められた増加量以上である場合は、前記要求空気流量が前記予め定められた閾値を下回るか否かにかかわらず、前記バイパス弁を閉状態としてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、単位時間当たりの要求空気流量の増加量が、予め定められた増加量以上となる場合に、増加した要求空気流量に対応する流量の空気が、バイパス流路へと流れることを抑制できる。このため、要求空気流量の増加量が予め定められた増加量以上となった場合に、燃料電池への空気の供給が遅れることを抑制することができる。

（４）上記形態の燃料電池システムは、前記バイパス流路における前記バイパス弁の下流側に接続され、前記バイパス流路を流れる空気を貯留するための蓄圧タンクを備えてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、第２制御時に、バイパス流路を流れる空気の一部を、蓄圧タンクに貯留することができるので、制御が切替えられてバイパス弁が閉状態にされた場合にも、第２制御時に蓄圧タンクに貯留しておいた空気を、タービンに供給することができる。このため、バイパス弁が閉状態にされている場合にも、モータによるコンプレッサの駆動を補助するための、タービンによる駆動力を増加させることができる。

（５）上記形態の燃料電池システムは、前記空気排出流路における前記タービンの上流側で、かつ、前記バイパス流路と前記空気排出流路との接続部の下流側に配置され、前記燃料電池内を流れる空気の圧力を調節するための調圧弁を備えてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、調圧弁より上流側の圧力の急激な変動を抑制することができる。このため、例えば、バイパス弁の開閉に伴って、燃料電池内の圧力が急激に低下することを抑制できる。

（６）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記調圧弁の弁箱は、前記タービンのタービンハウジングと一体に形成され、前記調圧弁の弁体は、前記タービンにおけるタービンホイールの上流側に配置されてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、調圧弁の開度を調節することにより、タービンホイールに吹き付けられる空気の流速を変化させることができる。このため、燃料電池システムの構成を簡素化することができるとともに、モータによるコンプレッサの駆動を補助するための、タービンによる駆動力を増加させることができる。

（７）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記バイパス流路は、前記タービンのタービンハウジング内に接続されており、前記バイパス弁の弁箱は、前記タービンハウジングと一体に形成され、前記バイパス弁の弁体は、前記タービンにおけるタービンホイールの上流側に配置されてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、燃料電池システムの構成を簡素化することができる。

（８）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記バイパス流路は、前記タービンのタービンハウジング内に接続されており、前記バイパス流路から前記タービンハウジング内へと流入する空気が前記タービンのタービンホイールの回転を促進する方向に流れるように、前記バイパス流路の前記タービンハウジング内における開口部が方向付けられていてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、バイパス流路からタービンハウジング内に流入する空気が、タービンホイールの回転を促進する。このため、燃料電池システムの構成を簡素化することができるとともに、モータによるコンプレッサの駆動を補助するための、タービンによる駆動力を増加させることができる。

（９）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記モータの回転数を一定に保つように、前記第２制御を行ってもよい。この形態の燃料電池システムによれば、第２制御時におけるモータの消費電力の上昇を抑制できる。このため、燃料電池システムの燃費をより向上させることができる。

（１０）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記コンプレッサに吸入される空気の圧力と前記コンプレッサから吐出される空気の圧力との比である圧力比を一定に保つように、前記第２制御を行ってもよい。この形態の燃料電池システムによれば、第２制御時における燃料電池内の圧力の低下を抑制することができるので、燃料電池の電解質膜が乾燥して、燃料電池の発電電力が低下することを抑制できる。このため、燃料電池システムの燃費をより向上させることができる。

本発明は、燃料電池システム以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池車両や、バイパス弁の開閉方法等の形態で実現することができる。

第１実施形態における燃料電池システムの概略を示す説明図。 コンプレッサの吐出空気量と消費電力との関係を示す説明図。 第１実施形態におけるバイパス制御処理の内容を示すフローチャート。 バイパス弁目標開度マップを示す説明図。 コンプレッサの性能特性を示す説明図。 第２実施形態におけるバイパス判断処理の内容を示すフローチャート。 第３実施形態における燃料電池システムの概略を示す説明図。 第３実施形態におけるバイパス判断処理の内容を示すフローチャート。 他の実施形態１における燃料電池システムの概略を示す説明図。 他の実施形態２における燃料電池システムの概略を示す説明図。 他の実施形態３におけるタービンを示す断面模式図。 他の実施形態４におけるタービンを示す断面模式図。

Ａ．第１実施形態
図１は、第１実施形態における燃料電池システム１０の概略を示す説明図である。本実施形態での燃料電池システム１０は、例えば、燃料電池車両に搭載され、燃料電池車両の駆動用モータを駆動させるための発電装置として用いられる。燃料電池システム１０は、定置型の発電装置として用いてもよい。燃料電池システム１０は、燃料電池１００と、空気供給流路２１０と、空気排出流路２２０と、バイパス流路２３０と、バイパス弁２４０と、コンプレッサ３１０と、モータ３２０と、タービン３３０と、制御部５００とを備えている。

本実施形態の燃料電池１００は、固体高分子形の燃料電池である。燃料電池１００は、複数のセルが積層したスタック構造を有する。各セルは、電解質膜の両面に電極触媒層を有する膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持する一対のセパレータとを備えている。各セルは、膜電極接合体のアノード側に燃料ガスである水素ガスが供給され、カソード側に酸化ガスである空気が供給されることにより、電気化学反応により起電力を発生する。各セル同士は、直列に接続されている。尚、燃料電池１００には、燃料電池１００を冷却するための冷媒が循環する冷却水流路が接続されていてもよい。

空気供給流路２１０は、燃料電池１００のカソード側に空気を供給するための流路である。

コンプレッサ３１０は、空気供給流路２１０の上流側に配置されている。コンプレッサ３１０は、吸入側から大気中の空気を吸い込んで、コンプレッサ３１０内にて空気を加圧し、吐出側から空気供給流路２１０に加圧された空気を供給する。コンプレッサ３１０は、コンプレッサホイール３１１と、コンプレッサハウジング３１２とを含んでいる。コンプレッサホイール３１１は、回転により空気を加圧するための羽根車であり、モータ３２０によって駆動される。コンプレッサハウジング３１２は、コンプレッサホイール３１１を収容するコンプレッサ３１０の本体部である。コンプレッサ３１０の吸入側からコンプレッサハウジング３１２内に吸入された空気は、コンプレッサホイール３１１の回転により遠心力が与えられ、コンプレッサハウジング３１２の内壁に押し付けられることによって加圧され、コンプレッサ３１０の吐出側から吐出される。本実施形態では、コンプレッサ３１０として、遠心式圧縮機を用いている。尚、コンプレッサ３１０としては、軸流式圧縮機を用いてもよい。

モータ３２０は、コンプレッサ３１０を駆動させるための電動機である。

空気排出流路２２０は、燃料電池１００のカソード側から空気を排出するための流路である。

タービン３３０は、空気排出流路２２０に配置されている。タービン３３０は、モータ３２０によるコンプレッサ３１０の駆動を補助する。タービン３３０は、タービンホイール３３１と、タービンハウジング３３２とを含んでいる。タービンホイール３３１は、回転によりコンプレッサ３１０の駆動を補助するための羽根車であり、タービン３３０内を流れる空気によって駆動される。タービンハウジング３３２は、タービンホイール３３１を収容するタービン３３０の本体部である。タービン３３０の吸入側からタービンハウジング３３２内に流入した空気によって、タービンハウジング３３２内に配置されているタービンホイール３３１が回転する。つまり、タービン３３０は、空気の運動エネルギを、タービンホイール３３１を回転させる動力に変換する。タービンホイール３３１と、モータ３２０と、コンプレッサホイール３１１とは、共通の回転軸３４０によって接続されている。このため、コンプレッサホイール３１１を回転させるためのモータ３２０の駆動は、タービンホイール３３１の回転により補助される。タービンホイール３３１を回転させた空気は、タービン３３０の吐出側から排出される。

バイパス流路２３０は、空気供給流路２１０におけるコンプレッサ３１０の下流側と、空気排出流路２２０におけるタービン３３０の上流側とを連通する流路である。バイパス流路２３０は、燃料電池１００内の空気の流路よりも圧力損失が小さい。

バイパス弁２４０は、バイパス流路２３０に配置されている。バイパス弁２４０は、バイパス流路２３０を開閉する弁である。本実施形態では、バイパス弁２４０として、バタフライバルブを用いている。尚、バイパス弁２４０としては、グローブバルブを用いることもできる。

本実施形態では、空気排出流路２２０に、調圧弁２２１が配置されている。より詳しくは、調圧弁２２１は、空気排出流路２２０において燃料電池１００の下流側であってバイパス流路２３０と空気排出流路２２０との接続部の上流側に配置されている。調圧弁２２１は、燃料電池１００内を流れる空気の圧力を調節するための弁である。

制御部５００は、ＣＰＵと、メモリと、各部品が接続されるインターフェース回路とを備えたコンピュータとして構成されている。ＣＰＵは、メモリに記憶された制御プログラムを実行することにより、要求空気流量に応じて、モータ３２０の駆動とバイパス弁２４０の開閉とを制御する。「要求空気流量」とは、燃料電池１００の発電に要求される空気の流量である。例えば、燃料電池車両においては、制御部５００は、燃料電池車両のアクセルの開度に応じて燃料電池１００の発電電力を増減させるために、要求空気流量を増減させる。尚、本明細書では、「流量」とは、質量流量との意味で用いる。

図２は、燃料電池システム１０においてコンプレッサ３１０が吐出する空気の流量（吐出空気量）と、コンプレッサ３１０を駆動するモータ３２０の消費電力との関係を示すグラフである。図２に示すグラフでは、バイパス弁２４０は常に閉状態とされている場合における、コンプレッサ３１０の吐出空気量とモータ３２０の消費電力との関係を表している。図２に示すグラフの横軸は、コンプレッサ３１０の吐出空気量を示している。縦軸は、モータ３２０の消費電力を示している。コンプレッサ３１０の吐出空気量が多い領域においては、コンプレッサ３１０の吐出空気量を増加させると、モータ３２０の消費電力は増加する。一方、コンプレッサ３１０の吐出空気量が少ない領域においては、コンプレッサ３１０の吐出空気量を減少させると、タービン３３０による駆動力が、タービンホイール３３１の転がり摩擦等に起因して低下し、モータ３２０の消費電力が増加する。そのため、図２に示すグラフには、コンプレッサ３１０の吐出空気量に対するモータ３２０の消費電力が極小となる流量が存在する。以下では、モータ３２０の消費電力が極小となる流量よりも、コンプレッサ３１０の吐出空気量が小さくなる範囲を、「低効率領域」という。

コンプレッサ３１０の吐出空気量は、要求空気流量に応じて決定される。要求空気流量は、燃料電池車両であれば、アクセル開度等に応じて決定される。そのため、アクセル開度が小さい場合には、要求空気流量も小さくなり、それに伴い、コンプレッサ３１０が低効率領域において駆動され、モータ３２０の消費電力が増加する場合がある。そこで、本実施形態の燃料電池システム１０は、次に説明するバイパス制御を行うことにより、コンプレッサ３１０の吐出空気量を増加させ、タービン３３０による駆動力を増加させることにより、モータ３２０の消費電力を低減する。

図３は、バイパス制御処理の内容を示すフローチャートである。本明細書にて、「バイパス制御」とは、制御部５００が、要求空気流量に基づいてバイパス弁２４０の開閉を行うことにより、バイパス流路２３０に流れる空気の流量を調節する処理のことをいう。この処理は、燃料電池１００の発電が開始されたときに開始され、燃料電池１００の発電が停止するまで周回し続ける。

制御部５００は、まず、要求空気流量が、予め定められた閾値を下回るか否かを判定する（ステップＳ１１０）。本実施形態では、「予め定められた閾値」は、コンプレッサ３１０の効率に基づいて定められている。具体的には、閾値は、燃料電池システム１０においてコンプレッサ３１０の吐出空気量に対するモータ３２０の消費電力が極小となる流量Ｇｍｉｎ（図２参照）の値としている。尚、この値は、燃料電池システム１０においてコンプレッサ３１０の吐出空気量に対するモータ３２０の消費電力が極小となる流量Ｇｍｉｎに基づいて定められた値に相当する。閾値は、流量Ｇｍｉｎに一致する値に限らず、流量Ｇｍｉｎよりやや小さい値としてもよい。

要求空気流量が、予め定められた閾値を下回らない場合は（ステップＳ１１０：ＮＯ）、制御部５００は、バイパス弁２４０を閉状態とし（ステップＳ１２０）、要求空気流量に対応する流量の空気を燃料電池１００に流通させるように、モータ３２０の駆動を制御する。この制御のことを「第１制御」という。

一方、要求空気流量が、予め定められた閾値を下回る場合（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、つまり、コンプレッサ３１０の吐出空気量が低効率領域にある場合には、制御部５００は、バイパス弁２４０の開度を制御して、バイパス流路２３０にも空気を流通させるとともに、要求空気流量に対応する流量の空気を燃料電池１００に流通させるように、モータ３２０の駆動を制御する。この制御のことを「第２制御」という。より具体的には、まず、制御部５００は、要求空気流量と閾値との差分ΔＧを求める（ステップＳ１３０）。次に、制御部５００は、メモリに記憶されたバイパス弁目標開度マップから、バイパス弁２４０の目標開度を決定する（ステップＳ１４０）。

図４は、バイパス弁目標開度マップを示す説明図である。バイパス弁目標開度マップには、要求空気流量と閾値との差分ΔＧと、要求空気圧力とに応じて、バイパス弁２４０の目標開度が対応付けて記録されている。「目標開度」とは、バイパス弁２４０の開度の目標値である。バイパス弁目標開度マップは、予め行われる試験により、要求空気流量と閾値との差分ΔＧと、要求空気圧力とに応じて、適切なバイパス弁２４０の開度を求めることにより得られる。「要求空気圧力」とは、燃料電池１００の発電に要求される空気の圧力である。燃料電池１００内を流れる空気の圧力は、要求空気圧力となるよう、制御部５００が、調圧弁２２１や、コンプレッサ３１０に吸入される空気の圧力（吸入空気圧力）とコンプレッサ３１０から吐出される空気の圧力（吐出空気圧力）との比である圧力比を制御することにより調節される。尚、ステップＳ１４０において、制御部５００は、バイパス弁目標開度マップを参照するのではなく、予め定められた関数に基づいてバイパス弁２４０の目標開度を算出してもよい。

バイパス弁２４０の目標開度を決定した後、制御部５００は、バイパス弁２４０を目標開度まで開き（図３、ステップＳ１５０）、要求空気流量に対応する流量の空気を燃料電池１００に流通させるように、モータ３２０の駆動を制御する。本実施形態では、制御部５００は、モータ３２０の回転数を一定に保ちつつ、第２制御を行う。また、本実施形態では、制御部５００は、コンプレッサ３１０の吸入空気圧力とコンプレッサ３１０の吐出空気圧力との比である圧力比を一定に保ちつつ、第２制御を行う。

図５は、コンプレッサ３１０の性能特性を示す説明図である。コンプレッサ３１０の性能特性は、コンプレッサ３１０の性能試験により得られる。横軸は、コンプレッサ３１０の吐出空気量を示す。縦軸は、コンプレッサ３１０の圧力比を示す。等回転ラインは、コンプレッサ３１０の回転数が同一の場合の動作点を結んだ線である。等効率ラインは、コンプレッサ３１０の効率が等しい動作点を結んだ線である。作動限界ラインは、旋回失速等によりコンプレッサ３１０が空気を圧送できなくなる動作点を結んだ線である。

図５を用いて、第２制御による作用を説明する。コンプレッサ３１０の回転数（モータ３２０の回転数）を一定にした状態、かつ、コンプレッサ３１０の圧力比をほぼ一定にした状態で、バイパス弁２４０をバイパス弁目標開度マップにより求めた目標開度まで開くと（図３、ステップＳ１５０）、コンプレッサ３１０より下流側の圧力損失が低下するため、コンプレッサ３１０に吸入される空気の流量が大きくなり、コンプレッサ３１０の吐出空気量は増加する。コンプレッサ３１０の吐出空気量が増加することにより、コンプレッサ３１０の動作点は、要求空気流量に応じた動作点Ｐａから、より効率の高い動作点Ｐｂに移行する。

コンプレッサ３１０の吐出空気量の増加に伴い、要求空気流量を超える流量の空気（余剰空気）が発生する。しかし、このとき、バイパス弁２４０の開度が、要求空気流量に対応する流量の空気を燃料電池１００に流通させるとともに、余剰空気をバイパス流路２３０に流通させる開度に、制御部５００により調節されるため、燃料電池１００へ供給される空気の流量は変化しない。

余剰空気は、燃料電池１００内を経由せず、バイパス流路２３０を介してタービン３３０に供給される。タービン３３０に供給される空気の流量は、燃料電池１００から排出された空気の流量と、バイパス流路２３０によりバイパスされた余剰空気の流量との合計になるため、タービン３３０に供給される空気の流量は増加する。尚、バイパス流路２３０を介してタービン３３０に供給される空気は、燃料電池１００の発電により酸素を消費されないため、流量を維持したままタービン３３０に供給される。また、バイパス流路２３０を流れる余剰空気は、コンプレッサ３１０により圧縮されて、燃料電池１００から排出される空気よりも高温となっているため、空気排出流路２２０内の燃料電池１００の排水は余剰空気により蒸発させられ、タービン３３０に供給される。このため、モータ３２０によるコンプレッサ３１０の駆動を補助するための、タービン３３０による駆動力が増加する。

以上で説明した本実施形態の燃料電池システム１０によれば、要求空気流量が小さい場合に、コンプレッサ３１０が供給する空気は、燃料電池１００だけでなく、バイパス流路２３０を通じてコンプレッサ３１０の駆動を補助するためのタービン３３０にも直接的に供給される。このため、燃料電池１００に供給される空気の流量を低下させることなく、コンプレッサ３１０を駆動するためのモータ３２０の消費電力を低減することができ、燃料電池システム１０の燃費を向上させることができる。

また、本実施形態では、前述した第２制御を実行するか否かを判定するための閾値を、燃料電池システム１０においてコンプレッサ３１０の吐出空気量に対するモータ３２０の消費電力が極小となる流量Ｇｍｉｎに基づいて定められた値としている。そのため、要求空気流量が、コンプレッサ３１０の低効率領域に該当する場合に、コンプレッサ３１０の吐出空気量を効率の良い領域に強制的に移行させることができる。また、本実施形態では、閾値を、燃料電池システム１０においてコンプレッサ３１０の吐出空気量に対するモータ３２０の消費電力が極小となる流量Ｇｍｉｎの値としているので、第２制御においてコンプレッサ３１０を駆動するためのモータ３２０の消費電力を最小限とすることができる。

また、本実施形態では、モータ３２０の回転数を一定に保ちつつ、第２制御を行うので、第２制御時におけるモータ３２０の消費電力の上昇を抑制できる。

また、本実施形態では、コンプレッサ３１０の圧力比を一定に保ちつつ、第２制御を行う。ここで、コンプレッサ３１０の吸入空気圧力は、大気圧と同程度であり、急激な変化は生じにくい。そのため、コンプレッサ３１０の圧力比を一定に保ちつつ、第２制御を行うことにより、第２制御時における燃料電池１００内の圧力の低下を抑制することができる。また、燃料電池１００内の圧力が低下すると、水の沸点が低下し、燃料電池１００の電解質膜は乾燥しやすくなる。電解質膜が乾燥すると、電解質膜のイオン伝導性が低下し、燃料電池１００の発電電力は低下する。そのため、第２制御時における燃料電池１００内の圧力の低下を抑制することにより、燃料電池１００の発電電力が低下することを抑制することができる。

尚、図５に示されているように、コンプレッサ３１０の吐出空気量が少ない状態から、モータ３２０の回転数を一定に保ちつつ、コンプレッサ３１０の吐出空気量を一定量以上増加させると、コンプレッサ３１０の圧力比が徐々に低下していく。この場合、燃料電池１００の要求空気圧力に応じたコンプレッサ３１０の圧力比を保つためには、コンプレッサ３１０の圧力比の低下に応じて、モータ３２０の回転数を増加させる必要が生じ、モータ３２０の消費電力が増加する。しかし、本実施形態では、モータ３２０の回転数を一定に保つとともに、コンプレッサ３１０の圧力比が低下しない領域内、すなわち、コンプレッサ３１０の圧力比が一定の状態で第２制御を行うので、モータ３２０の消費電力を上昇させることなく、コンプレッサ３１０の吐出空気量を増加させることができる。特に、本実施形態では、低効率領域において、タービン３３０によってモータ３２０の回転力を補助できるので、モータ３２０の回転数を維持したまま、モータ３２０の消費電力を低下させることができる。尚、本実施形態では、モータ３２０の回転数とコンプレッサ３１０の圧力比とを一定に保つこととしたが、モータ３２０の消費電力が増加しない範囲で、モータ３２０の回転数とコンプレッサ３１０の圧力比との内いずれか一方を変動させてもよい。

尚、本実施形態では、「予め定められた閾値」は、コンプレッサ３１０の効率に基づいて定められている。これに対して、「予め定められた閾値」は、コンプレッサ３１０の吐出空気量に基づいて定められてもよい。例えば、閾値は、コンプレッサ３１０の吐出空気量を、流量の大きい領域と流量の小さい領域とに区別し、その境界となる値を用いて定められてもよい。この場合であっても、コンプレッサ３１０が低効率領域にて駆動されることを抑制することができる。

Ｂ．第２実施形態
図６は、第２実施形態におけるバイパス判断処理の内容を示すフローチャートである。この処理は、図３に示したバイパス制御処理を実行するか否かを判断するための処理である。この処理は、燃料電池１００の発電が開始されたときに開始され、燃料電池１００の発電が停止するまで周回し続ける。第２実施形態では、燃料電池システム１０の構成は第１実施形態（図１）と同じである。

第２実施形態の燃料電池システム１０では、制御部５００は、まず、現在の時刻ｔ２よりΔｔ秒前（例えば、１秒前）の時刻ｔ１における要求空気流量Ｇ１を取得し（ステップＳ２１０）、現在の時刻ｔ２における要求空気流量Ｇ２を取得する（ステップＳ２２０）。次に、制御部５００は、時刻ｔ１における要求空気流量Ｇ１と時刻ｔ２における要求空気流量Ｇ２とを用いて、単位時間当たりの要求空気流量の増加量を求め（ステップＳ２３０）、単位時間当たりの要求空気流量の増加量が、予め定められた増加量以上であるか否かを判定する（ステップＳ２４０）。単位時間当たりの要求空気流量の増加量が、予め定められた値以上である場合は（ステップＳ２４０：ＹＥＳ）、制御部５００は、要求空気流量が閾値を下回るか否かにかかわらず、バイパス弁２４０を閉状態とし（ステップＳ２５０）、要求空気流量に対応する流量の空気を燃料電池１００に流通させるように、モータ３２０の駆動を制御する。その後、再びステップＳ２１０に戻る。一方、単位時間当たりの要求空気流量の増加量が、予め定められた値以上でない場合は（ステップＳ２４０：ＮＯ）、制御部５００は、第１実施形態と同様に、バイパス制御を実行する（ステップＳ２６０）。その後、再びステップＳ２１０から処理を開始する。

以上で説明した本実施形態の燃料電池システム１０では、単位時間当たりの要求空気流量の増加量が、予め定められた増加量以上である場合には、要求空気流量が閾値を下回るか否かにかかわらず、バイパス弁２４０が閉状態とされ、要求空気流量に対応する流量の空気を燃料電池１００に流通させるように、モータ３２０の駆動が制御される。このため、単位時間当たりの要求空気流量の増加量が、予め定められた増加量以上に急増した場合に、増加した要求空気流量に対応する流量の空気の一部が、燃料電池１００に供給されることなく、バイパス流路２３０へと流れることを防止できる。この結果、要求空気流量の急増時に、燃料電池１００に対して空気の供給が遅れることを抑制できる。燃料電池車両においては、アクセルが踏み込まれ、燃料電池車両の消費電力の増加に応じて燃料電池１００の要求空気流量が増加してから、増加した要求空気流量に対応する流量の空気が、実際に燃料電池１００に供給されるまでの時間が遅れることを抑制できる。このため、加速要求に対するレスポンスが遅れることによるドライバビリティの低下を抑制することができる。

Ｃ．第３実施形態
図７は、第３実施形態における燃料電池システム１０ｃの概略を示す説明図である。第３実施形態の燃料電池システム１０ｃでは、燃料電池システム１０ｃが、蓄圧タンク４１０と、タンク圧力センサ４１１と、第１タンク弁４２０と、第２タンク弁４３０とを備えていることが第１実施形態（図１）と異なる。また、第３実施形態では、バイパス制御を実行するための条件が第１実施形態（図３）と異なる。

蓄圧タンク４１０は、バイパス流路２３０におけるバイパス弁２４０の下流側に接続されている。蓄圧タンク４１０は、バイパス流路２３０を流れる空気を貯留するためのタンクである。

タンク圧力センサ４１１は、蓄圧タンク４１０内に貯留された空気の圧力を取得するための圧力センサである。

第１タンク弁４２０は、蓄圧タンク４１０とバイパス流路２３０との接続部に配置されている。第１タンク弁４２０は、蓄圧タンク４１０とバイパス流路２３０との接続を開閉するための弁である。

第２タンク弁４３０は、バイパス流路２３０における蓄圧タンク４１０の下流側に配置されている。第２タンク弁４３０は、バイパス流路２３０の開閉をするための弁である。

図８は、第３実施形態におけるバイパス判断処理の内容を示すフローチャートである。この処理は、燃料電池１００の発電が開始されたときに開始され、燃料電池１００の発電が停止するまで周回し続ける。第３実施形態における要求空気流量増加時のバイパス制御の処理の内容は、図６に示した第２実施形態における要求空気流量増加時のバイパス制御の処理と一部が同じである。そのため、図８において、図６と同じ処理内容については、図６と同じステップ番号を用いている。

第３実施形態の燃料電池システム１０ｃでは、制御部５００は、まず、現在の時刻ｔ２よりΔｔ秒前（例えば、１秒前）の時刻ｔ１における要求空気流量Ｇ１を取得し（ステップＳ２１０）、現在の時刻ｔ２における要求空気流量Ｇ２を取得する（ステップＳ２２０）。次に、制御部５００は、時刻ｔ１における要求空気流量Ｇ１と時刻ｔ２における要求空気流量Ｇ２とを用いて、単位時間当たりの要求空気流量の増加量を求め（ステップＳ２３０）、単位時間当たりの要求空気流量の増加量が、予め定められた増加量以上であるか否かを判定する（ステップＳ２４０）。

単位時間当たりの要求空気流量の増加量が、予め定められた値以上である場合は（ステップＳ２４０：ＹＥＳ）、制御部５００は、タンク内圧力がタンク目標圧力以上であるか否かを判定する（ステップＳ３１０）。「タンク内圧力」とは、タンク圧力センサ４１１により取得される圧力であり、実際に蓄圧タンク４１０内に貯留されている空気の圧力である。「タンク目標圧力」とは、蓄圧タンク４１０内に貯留する空気の圧力の目標値である。タンク目標圧力は、蓄圧タンク４１０内に貯留された空気をタービン３３０に供給することにより、モータ３２０の消費電力を低減するのに適した圧力として予め定めることができる。タンク内圧力がタンク目標圧力以上である場合は（ステップＳ３１０：ＹＥＳ）、バイパス弁２４０を閉状態とし、第１タンク弁４２０と、第２タンク弁４３０とを開状態とする（ステップＳ３２０）。このため、タンク内圧力がタンク目標圧力以上である場合は、蓄圧タンク４１０内に貯留された空気が、バイパス流路２３０から空気供給流路２１０へと逆流することを防止しつつ、蓄圧タンク４１０内に貯留された高圧の空気をタービン３３０へ供給することができる。ステップＳ３２０の後、この処理は、再度、ステップＳ２１０に戻る。一方、タンク内圧力がタンク目標圧力以上でない場合は（ステップＳ３１０：ＮＯ）、制御部５００は、バイパス弁２４０と、第１タンク弁４２０と、第２タンク弁４３０とを閉状態とする（ステップＳ３３０）。このため、タンク内圧力がタンク目標圧力に達しておらず、要求空気流量に対するモータ３２０の消費電力の低減効果が小さい場合は、蓄圧タンク４１０内に貯留された空気は開放されない。尚、ステップＳ３３０において、第１タンク弁４２０と、第２タンク弁４３０との内、いずれか一方が開状態であってもよい。ステップＳ３３０の後、この処理は、再度、ステップＳ２１０に戻る。

上記ステップＳ２４０において、単位時間当たりの要求空気流量の増加量が、予め定められた値以上でない場合は（ステップＳ２４０：ＮＯ）、制御部５００は、第１実施形態と同様に、バイパス制御を実行し、要求空気流量が、予め定められた閾値を下回るか否かを判定する（ステップＳ１１０）。要求空気流量が、予め定められた閾値を下回らない場合（ステップＳ１１０：ＮＯ）、制御部５００は、第１制御を実行し、バイパス弁２４０を閉状態とする（図３、ステップＳ１２０）。その後、制御部５００は、前述のステップＳ３１０に処理を移行させる。一方、要求空気流量が、予め定められた閾値を下回る場合（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、制御部５００は、第２制御を実行する（図３、ステップＳ１３０〜Ｓ１５０）。その後、制御部５００は、タンク内圧力が要求空気圧力またはタンク目標圧力以上であるか否かの判定を行う（ステップＳ３４０）。タンク内圧力が要求空気圧力またはタンク目標圧力以上である場合（ステップＳ３４０：ＹＥＳ）、制御部５００は、バイパス弁２４０と、第２タンク弁４３０とを開状態とし、第１タンク弁４２０を閉状態とする（ステップＳ３５０）。このため、蓄圧タンク４１０内に貯留された空気が、バイパス流路２３０から空気供給流路２１０へと逆流することを防止しつつ、コンプレッサ３１０から吐出された空気を、バイパス流路２３０を介して、空気供給流路２１０から空気排出流路２２０へとバイパスさせることができる。一方、タンク内圧力が要求空気圧力またはタンク目標圧力以上でない場合は（ステップＳ３４０：ＮＯ）、制御部５００は、バイパス弁２４０と、第１タンク弁４２０と、第２タンク弁４３０とを開状態とする（ステップＳ３６０）。このため、バイパス流路２３０を介して、空気供給流路２１０から空気排出流路２２０へと空気をバイパスさせつつ、バイパスさせる空気の一部を蓄圧タンク４１０内に貯留することができる。

以上で説明した本実施形態の燃料電池システム１０ｃでは、第２制御時に、バイパス流路２３０を流れる余剰空気の一部を、蓄圧タンク４１０内に貯留することができる。また、バイパス弁２４０が閉状態にされた場合にも、第２制御時に蓄圧タンク４１０内に貯留しておいた空気を、タービン３３０に供給することができる。このため、バイパス弁２４０が閉状態にされている場合にも、モータ３２０によるコンプレッサ３１０の駆動を補助するためのタービン３３０による駆動力を増加させることができる。燃料電池車両においては、第２実施形態と同様に、アクセルが踏み込まれた際に、増加した要求空気流量に対応する流量の空気が、実際に燃料電池１００に供給されるまでの時間が遅れることを抑制できる。さらに、低効率領域以外での運転時（例えば、高速道路での定常走行時）や、加速要求があった場合に、バイパス弁２４０が閉状態にされていても、タービン３３０による駆動力を増加させることができる。このため、加速要求に対するレスポンスが遅れることによるドライバビリティの低下を抑制することができるとともに、燃料電池車両の加速性能を向上させることができる。

尚、本実施形態での燃料電池システム１０ｃでは、第１タンク弁４２０と第２タンク弁４３０とを備えているが、これらは、必須の構成要素ではない。第１タンク弁４２０と第２タンク弁４３０とが備えられていなくても、第２制御時には、蓄圧タンク４１０内に空気を貯留することができるので、バイパス弁２４０が閉じられた際に、蓄圧タンク４１０内に貯留された空気をタービン３３０に供給することが可能である。したがって、このような態様であっても、バイパス弁２４０が閉状態にされていても、タービン３３０による駆動力を増加させることができる。

Ｄ．他の実施形態１
図９は、他の実施形態１における燃料電池システム１０ｄの概略を示す説明図である。図１に示した燃料電池システム１０において、調圧弁２２１は、空気排出流路２２０における燃料電池１００の下流側であってバイパス流路２３０と空気排出流路２２０との接続部の上流側に配置されている。これに対して、本実施形態では、図９に示すように、調圧弁２２１は、空気排出流路２２０におけるタービン３３０の上流側であってバイパス流路２３０と空気排出流路２２０との接続部の下流側に配置されている。これにより、調圧弁２２１より上流側の圧力の急激な変動を抑制することができる。このため、バイパス弁２４０の開閉に伴って、燃料電池１００内の圧力が急激に低下することを抑制できる。

Ｅ．他の実施形態２
図１０は、他の実施形態２における燃料電池システム１０ｅの概略を示す説明図である。図９に示した燃料電池システム１０ｄにおいて、調圧弁２２１と、タービンハウジング３３２とは、それぞれが別個に設けられている。これに対して、本実施形態では、図１０に示すように、調圧弁２２１ｅとタービンハウジング３３２ｅとは、一体化されている。より具体的には、調圧弁２２１ｅの弁箱は、タービンハウジング３３２ｅと一体に形成され、調圧弁２２１ｅの弁体は、タービン３３０ｅにおけるタービンホイール３３１の上流側に配置されている。例えば、本実施形態のタービン３３０ｅは、タービン３３０ｅの空気吸入口と調圧弁２２１ｅとが一体に形成されている可変ノズルターボによって構成されてもよい。これにより、調圧弁２２１ｅの開度を調節することにより、タービンホイール３３１に吹き付けられる空気の流速を変化させることができる。このため、燃料電池システム１０ｅの構成を簡素化することができるとともに、モータ３２０によるコンプレッサ３１０の駆動を補助するための、タービン３３０ｅによる駆動力を増加させることができる。

Ｆ．他の実施形態３
図１１は、他の実施形態３におけるタービン３３０ｆを示す断面模式図である。図１に示した燃料電池システム１０において、バイパス流路２３０は、空気排出流路２２０に接続されている。これに対して、本実施形態では、図１１に示すように、バイパス流路２３０は、タービン３３０ｆのタービンハウジング３３２ｆ内に直接接続されており、バイパス弁２４０ｆの弁箱は、タービンハウジング３３２ｆと一体に形成され、バイパス弁２４０ｆの弁体は、タービン３３０ｆにおけるタービンホイール３３１の上流側に配置されている。これにより、燃料電池システム１０の構成を簡素化することができる。

Ｇ．他の実施形態４
図１２は、他の実施形態４におけるタービン３３０ｇを示す断面模式図である。図１１に示したタービン３３０ｆでは、バイパス流路２３０は、タービン３３０ｆのタービンハウジング３３２ｆ内に直接接続されている。これに対して、本実施形態では、図１２に示すように、バイパス流路２３０は、タービン３３０ｇのタービンハウジング３３２ｇ内に直接接続されており、かつ、バイパス流路２３０からタービンハウジング３３２ｇ内へと流入する空気がタービン３３０ｇのタービンホイール３３１の回転を促進する方向に流れるように、バイパス流路２３０のタービンハウジング３３２ｇ内における開口部２３１が方向付けられている。これにより、バイパス流路２３０からタービンハウジング３３２ｇ内に流入する空気が、タービンホイール３３１の回転を阻害せず、タービンホイール３３１の回転を促進する。このため、燃料電池システム１０の構成を簡素化することができるとともに、モータ３２０によるコンプレッサ３１０の駆動を補助するための、タービン３３０ｇによる駆動力を増加させることができる。

Ｈ．他の実施形態５
図７に示した燃料電池システム１０ｃにおいて、蓄圧タンク４１０とバイパス流路２３０との接続部には、第１タンク弁４２０が配置されており、第１タンク弁４２０が、蓄圧タンク４１０の空気の入口と出口とを兼ねている。これに対して、蓄圧タンク４１０とバイパス流路２３０との接続部に、蓄圧タンク４１０の空気の入口と出口とを別個に設け、入口側と出口側とのそれぞれに、蓄圧タンク４１０とバイパス流路２３０との接続を開閉するための弁を配置してもよい。この場合、蓄圧タンクに空気を貯留する際には（図８、ステップＳ３６０）、入口側の弁は開状態とされ、出口側の弁は閉状態とされる。また、蓄圧タンクに貯留された空気を開放する際には（図８、ステップＳ３２０）、入口側の弁は閉状態とされ、出口側の弁は開状態とされる。この形態の燃料電池システム１０であっても、第３実施形態と同様の効果を奏することができる。

Ｉ．他の実施形態６
図１に示した燃料電池システム１０において、空気供給流路２１０における燃料電池１００の上流側であってバイパス流路２３０と空気供給流路２１０との接続部の下流側に、空気供給流路２１０を流れる空気を冷却するためのインタークーラが配置されてもよい。これにより、燃料電池１００に供給される空気の温度を低下させることができ、燃料電池１００の電解質膜の乾燥を抑制することができるとともに、燃料電池１００に供給される空気の密度を増加させることができる。

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。

１０，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ…燃料電池システム
１００…燃料電池
２１０…空気供給流路
２２０…空気排出流路
２２１，２２１ｅ…調圧弁
２３０…バイパス流路
２３１…開口部
２４０，２４０ｆ，２４０ｇ…バイパス弁
３１０…コンプレッサ
３１１…コンプレッサホイール
３１２…コンプレッサハウジング
３２０…モータ
３３０，３３０ｅ，３３０ｆ，３３０ｇ…タービン
３３１…タービンホイール
３３２，３３２ｅ，３３２ｆ，３３２ｇ…タービンハウジング
３４０…回転軸
４１０…蓄圧タンク
４１１…タンク圧力センサ
４２０…第１タンク弁
４３０…第２タンク弁
５００…制御部

Claims (10)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   前記燃料電池に空気を供給するための空気供給流路と、
   前記燃料電池から空気を排出するための空気排出流路と、
   前記空気供給流路に空気を供給するコンプレッサと、
   前記コンプレッサを駆動させるためのモータと、
   前記空気排出流路に配置され、前記モータによる前記コンプレッサの駆動を補助するタービンと、
   前記空気供給流路における前記コンプレッサの下流側と、前記空気排出流路における前記タービンの上流側とを連通するバイパス流路と、
   前記バイパス流路を開閉するバイパス弁と、
   前記燃料電池の発電に要求される空気の流量である要求空気流量に応じて、前記モータの駆動と前記バイパス弁の開閉とを制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記要求空気流量が、予め定められた閾値を下回らない場合は、前記バイパス弁を閉状態とし、前記要求空気流量に対応する流量の空気を前記燃料電池に流通させるように前記モータの駆動を制御する第１制御を行い、
   前記要求空気流量が、前記予め定められた閾値を下回る場合は、前記バイパス弁を開状態として前記バイパス流路にも空気を流通させるとともに、前記要求空気流量に対応する流量の空気を前記燃料電池に流通させるように前記モータの駆動を制御する第２制御を行い、
   前記制御部は、単位時間当たりの前記要求空気流量の増加量が、予め定められた増加量以上である場合は、前記要求空気流量が前記予め定められた閾値を下回るか否かにかかわらず、前記バイパス弁を閉状態とする、
   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であって、
   前記予め定められた閾値は、前記燃料電池システムにおいて前記コンプレッサの吐出する空気の流量に対する前記モータの消費電力が極小となる流量に基づいて定められた値である、
   燃料電池システム。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記バイパス流路における前記バイパス弁の下流側に接続され、前記バイパス流路を流れる空気を貯留するための蓄圧タンクを備える、
   燃料電池システム。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
   前記空気排出流路における前記タービンの上流側で、かつ、前記バイパス流路と前記空気排出流路との接続部の下流側に配置され、前記燃料電池内を流れる空気の圧力を調節するための調圧弁を備える、
   燃料電池システム。
5. 請求項４に記載の燃料電池システムであって、
   前記調圧弁の弁箱は、前記タービンのタービンハウジングと一体に形成され、
   前記調圧弁の弁体は、前記タービンにおけるタービンホイールの上流側に配置されている、
   燃料電池システム。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
   前記バイパス流路は、前記タービンのタービンハウジング内に接続されており、
   前記バイパス弁の弁箱は、前記タービンハウジングと一体に形成され、
   前記バイパス弁の弁体は、前記タービンにおけるタービンホイールの上流側に配置されている、
   燃料電池システム。
7. 請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
   前記バイパス流路は、前記タービンのタービンハウジング内に接続されており、
   前記バイパス流路から前記タービンハウジング内へと流入する空気が前記タービンのタービンホイールの回転を促進する方向に流れるように、前記バイパス流路の前記タービンハウジング内における開口部が方向付けられている、
   燃料電池システム。
8. 請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、前記モータの回転数を一定に保つように、前記第２制御を行う、
   燃料電池システム。
9. 請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、前記コンプレッサに吸入される空気の圧力と前記コンプレッサから吐出される空気の圧力との比である圧力比を一定に保つように、前記第２制御を行う、
   燃料電池システム。
10. 燃料電池システムの制御方法であって、
    前記燃料電池システムは、
    燃料電池と、
    前記燃料電池に空気を供給するための空気供給流路と、
    前記燃料電池から空気を排出するための空気排出流路と、
    前記空気供給流路に空気を供給するコンプレッサと、
    前記コンプレッサを駆動させるためのモータと、
    前記空気排出流路に配置され、前記モータによる前記コンプレッサの駆動を補助するタービンと、
    前記空気供給流路における前記コンプレッサの下流側と、前記空気排出流路における前記タービンの上流側とを連通するバイパス流路と、
    前記バイパス流路を開閉するバイパス弁と、
    を備え、
    前記燃料電池の発電に要求される空気の流量である要求空気流量が、予め定められた閾値を下回らない場合は、前記バイパス弁を閉状態とし、前記要求空気流量に対応する流量の空気を前記燃料電池に流通させるように前記モータの駆動を制御する第１制御を行い、
    前記要求空気流量が、前記予め定められた閾値を下回る場合は、前記バイパス弁を開状態として前記バイパス流路にも空気を流通させるとともに、前記要求空気流量に対応する流量の空気を前記燃料電池に流通させるように前記モータの駆動を制御する第２制御を行い、
    単位時間当たりの前記要求空気流量の増加量が、予め定められた増加量以上である場合は、前記要求空気流量が前記予め定められた閾値を下回るか否かにかかわらず、前記バイパス弁を閉状態とする、
    燃料電池システムの制御方法。

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