JP7119945B2

JP7119945B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP7119945B2
Application number: JP2018220943A
Authority: JP
Inventors: 礼森永
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-11-27
Filing date: 2018-11-27
Publication date: 2022-08-17
Anticipated expiration: 2038-11-27
Also published as: JP2020087720A

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池車などに搭載される燃料電池システムが研究開発されている（例えば特許文献１及び２参照）。燃料電池車は、例えば長い下り坂を走行しているとき、車両のモータから発生する回生電力によりブレーキトルクが得られる。この回生電力の余剰分は燃料電池システムの二次電池に充電される。

このとき、回生電力の余剰分を充電するための二次電池の空き容量が不足している場合、燃料電池システムは、例えばエアコンプレッサのモータの回転数を増加させることにより回生電力の余剰分を消費する。

特開２０１０－１４６７５０号公報特開２０１７－１１７５１７号公報

しかし、例えば特許文献２の燃料電池システムのように、エアコンプレッサのモータがエアの排出系のタービンと同一の回転軸に接続されている場合、タービンの回転がエアコンプレッサのモータの回転を補助することにより回転数が過剰に増加するため、エアコンプレッサのモータのコイルや磁石が加熱することがある。この場合、回生電力の余剰分が十分に消費されるようにエアコンプレッサを連続運転することが不可能となるため、車両のモータの回生電力を利用することができないおそれがある。

そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、二次電池に十分な空き容量がない場合でも、車両を駆動するモータの回生電力を利用することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本明細書に記載の燃料電池システムは、第１モータにより駆動される車両に搭載される燃料電池システムにおいて、酸化剤ガス及び燃料ガスの化学反応により発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに設けられた前記酸化剤ガスの入口に接続された供給路と、前記燃料電池スタックに設けられた前記酸化剤ガスの出口に接続された排出路と、前記燃料電池スタックが発電した電力の少なくとも一部を充電する二次電池と、前記二次電池の充電量を検出する検出部と、前記燃料電池スタックが発電した電力の一部、及び前記第１モータから発生する回生電力の一部が供給される第２モータを備え、前記供給路を流れる前記酸化剤ガスを前記第２モータの回転により圧縮する圧縮機と、前記排出路から流れ込む前記酸化剤ガスを膨張させ、前記酸化剤ガスの膨張により得られる動力を、前記第２モータに伝達する膨張機と、前記排出路から前記膨張機に流れ込む前記酸化剤ガスの流量を調整する調整手段と、前記二次電池の充電量が所定量以上である場合、前記排出路から前記膨張機に流れ込む前記酸化剤ガスの流量が減少するように前記調整手段を制御する制御装置とを有し、前記圧縮機及び前記膨張機は、前記第２モータの回転軸により互いに接続され、前記回転軸はエアベアリングを備え、前記調整手段は、調整した前記流量に応じて前記酸化剤ガスの一部を前記供給路から前記エアベアリングを経由して前記膨張機の下流側の前記排出路に排出させる。

上記の構成において、制御装置は、前記二次電池の充電量が所定量以上である場合、前記圧縮機を駆動するモータの回転数を増加させてもよい。

本発明によれば、二次電池に十分な空き容量がない場合でも、車両を駆動するモータの回生電力を利用することができる。

第１実施例の燃料電池システムを示す構成図である。エキスパンダの動作領域の一例を示す図である。エキスパンダの膨張比の一例を示す図である。ＥＣＵの処理の一例を示すフローチャートである。第２実施例の燃料電池システムを示す構成図である。第３実施例の燃料電池システムを示す構成図である。

（第１実施例の燃料電池システム）
図１は、第１実施例の燃料電池システムを示す構成図である。燃料電池システムは、一例として、車両モータ２４により駆動される燃料電池車に搭載される。なお、燃料電池車は車両の一例である。

燃料電池システムは、燃料電池スタック（ＦＣ）１、エアクリーナ１０、エアコンプレッサ１１、インタークーラ１２、制御弁１３、封止弁１４、調圧弁１５、エキスパンダ１６、コンプレッサモータ１７、回転軸１８、分流弁１９、タンク３０、供給弁３１、インジェクタ３２、ラジエータ４０、及びポンプ４１を有する。また、燃料電池システムは、ＥＣＵ（Electric Control Unit）６、ＤＣ－ＤＣコンバータ２０，２２、インバータ２１、二次電池２３、車両モータ２４、カソード供給路Ｒ１ａ、カソード排出路Ｒ２ａ、アノード供給路Ｒ１ｂ、アノード排出路Ｒ２ｂ、バイパス流路Ｒ３ａ、調整流路Ｒ４ａ、冷却水路Ｒ３０、冷却水供給路Ｒ３２、及び冷却水排出路Ｒ３１を有する。さらに燃料電池システムは、温度センサ５０，５３，５７、フローメータ５１、圧力センサ５４，５５，５６、及び大気圧センサ５８を有する。

燃料電池スタック１は、固体高分子形の複数の単セルの積層体であり、酸化剤ガス及び燃料ガスの化学反応により発電する。燃料ガスは例えば水素ガスであり、酸化剤ガスは例えば空気である。

燃料電池スタック１には、酸化剤ガスが流入する入口マニホルド１０ａと、酸化剤ガスが排出される出口マニホルド１０ｂが設けられている。入口マニホルド１０ａは、酸化剤ガスの入口の一例であり、燃料電池スタック１に供給される酸化剤ガスが流れるカソード供給路Ｒ１ａと接続されている。出口マニホルド１０ｂは、酸化剤ガスの出口の一例であり、燃料電池スタック１から排出された酸化剤ガスが流れるカソード排出路Ｒ２ａと接続されている。

カソード供給路Ｒ１ａには、エアクリーナ１０、エアコンプレッサ１１、インタークーラ１２、封止弁１４、温度センサ５０，５３、フローメータ５１、及び圧力センサ５４が接続されている。エアクリーナ１０は、例えば、大気から導入された酸化剤ガス中の塵などを除去するフィルタを備える。エアクリーナを通過した酸化剤ガスはエアコンプレッサ１１に導入される。

エアコンプレッサ１１は、圧縮機の一例であり、カソード供給路Ｒ１ａを流れる酸化剤ガスをモータ１７の回転により圧縮する。圧縮された酸化剤ガスはインタークーラ１２に導入される。

インタークーラ１２は、圧縮により昇温した酸化剤ガスを熱交換により冷却する。インタークーラ１２は、冷却水供給路Ｒ３２及び冷却水排出路Ｒ３１に接続されている。燃料電池スタック１の冷却水は、冷却水路Ｒ３０から冷却水供給路Ｒ３２を流れてインタークーラ１２に供給される。

インタークーラ１２は、酸化剤ガスと冷却水の間で熱交換を行うことにより酸化剤ガスを冷却する。冷却に用いられた冷却水は、インタークーラ１２から冷却水排出路Ｒ３１を流れて冷却水路Ｒ３０に戻る。冷却された酸化剤ガスは、封止弁１４が開放されている場合、封止弁１４を介して入口マニホルド１０ａに流入する。

温度センサ５０は、エアクリーナ１０の上流側かつエアコンプレッサ１１の下流側のカソード供給路Ｒ１ａを流れる酸化剤ガスの温度を検出する。温度センサ５３は、インタークーラ１２の上流側かつ封止弁１４の下流側のカソード供給路Ｒ１ａを流れる酸化剤ガスの温度を検出する。

フローメータ５１は、エアクリーナ１０の上流側かつエアコンプレッサ１１の下流側のカソード供給路Ｒ１ａを流れる酸化剤ガスの流量を検出する。圧力センサ５４は、インタークーラ１２の上流側かつ封止弁１４の下流側のカソード供給路Ｒ１ａを流れる酸化剤ガスの圧力を検出する。

また、カソード供給路Ｒ１ａには調整流路Ｒ４ａの一端が接続されている。調整流路Ｒ４ａの他端は制御弁１３の一方のポートに接続されている。制御弁１３の他方のポートは大気中に開放されている。

調整流路Ｒ４ａは、インタークーラ１２の上流側かつ封止弁１４の下流側のカソード供給路Ｒ１ａに接続されている。制御弁１３が開放されると、カソード供給路Ｒ１ａを流れる酸化剤ガスの少なくとも一部は、調整流路Ｒ４ａを流れて大気中に放出される。

一方、カソード排出路Ｒ２ａには、調圧弁１５、エキスパンダ１６、及び圧力センサ５５，５６が接続されている。燃料電池スタック１から排出された酸化剤ガス（カソードオフガス）は、調圧弁１５が開放されている場合、出口マニホルド１０ｂから調圧弁１５を流れてエキスパンダ１６に流れ込む。

エキスパンダ１６は、膨張機の一例であり、カソード排出路Ｒ２ａから流れ込む酸化剤ガスを膨張させ、酸化剤ガスの膨張により得られる動力をコンプレッサモータ１７に伝達する。エキスパンダ１６及びエアコンプレッサ１１のタービンは、コンプレッサモータ１７の回転軸１８と接続されている。エキスパンダ１６は、カソード排出路Ｒ２ａから流れ込む酸化剤ガスによりタービンを回転させ、その動力を、回転軸１８を介してコンプレッサモータ１７に伝達する。

エアコンプレッサ１１は、コンプレッサモータ１７の回転により酸化剤ガスを圧縮する。コンプレッサモータ１７は、燃料電池スタック１が発電した電力の一部が供給されることで回転するが、車両モータ２４から回生電力が発生している場合、その余剰分が供給される。コンプレッサモータ１７の回転は、エキスパンダ１６のタービンの回転により補助される。なお、コンプレッサモータ１７は第２モータの一例である。

エキスパンダ１６により膨張した酸化剤ガスは大気に排出される。後述するように、応力によるタービンの劣化を防止するため、エキスパンダ１６の上流側の酸化剤ガスの圧力は、エキスパンダ１６の下流側の圧力より高いほうが望ましい。

また、圧力センサ５５は、エキスパンダ１６の上流側のカソード排出路Ｒ２ａを流れる酸化剤ガスの圧力を検出する。圧力センサ５６は、エキスパンダ１６の下流側のカソード排出路Ｒ２ａを流れる酸化剤ガスの圧力を検出する。

また、カソード供給路Ｒ１ａとカソード排出路Ｒ２ａは、バイパス流路Ｒ３ａにより接続されている。バイパス流路Ｒ３ａの一端は、インタークーラ１２の上流側かつ封止弁１４の下流側のカソード供給路Ｒ１ａに接続され、バイパス流路Ｒ３ａの他端は、調圧弁１５の下流側かつエキスパンダ１６の上流側のカソード排出路Ｒ２ａに接続されている。

このため、酸化剤ガスは、カソード供給路Ｒ１ａからバイパス流路Ｒ３ａを流れてカソード排出路Ｒ２ａに流れることができる。バイパス流路Ｒ３ａには分流弁１９が接続されている。バイパス流路Ｒ３ａを流れる酸化剤ガスの圧力は、調圧弁１５が閉じている場合、分流弁１９の開度に応じて変化する。

酸化剤ガスは、封止弁１４及び調圧弁１５が閉じられている場合、制御弁１３及び分流弁１９を開くことにより経路Ｄに沿って流れる。カソード供給路Ｒ１ａを流れる酸化剤ガスの一部は調整流路Ｒ４ａ及び制御弁１３を流れて大気に排出され、酸化剤ガスの残りはバイパス流路Ｒ３ａ及びカソード排出路Ｒ２ａを流れてエキスパンダ１６に流れ込む。このため、エキスパンダ１６に流れ込む酸化剤ガスの流量は、制御弁１３の開度に応じて制御可能である。

このように、制御弁１３は、カソード排出路Ｒ２ａからエキスパンダ１６に流れ込む酸化剤ガスの流量を調整する。なお、制御弁１３は、エキスパンダ１６に流れ込む酸化剤ガスの流量の調整手段の一例である。なお、調整手段としては、制御弁１３に限定されず、例えばカソード供給路Ｒ１ａ内部と大気とを遮断するシャッターを開閉するシャッター機構などが設けられてもよい。

また、燃料電池スタック１は、燃料電池スタック１に供給される燃料ガスが流れるアノード供給路Ｒ１ｂと、燃料電池スタック１から排出された燃料ガスが流れるアノード排出路Ｒ２ｂとに接続されている。なお、燃料電池スタック１には、アノード供給路Ｒ１ｂ及びアノード排出路Ｒ２ｂとそれぞれ接続された燃料ガスの入口マニホルド及び出口マニホルド（不図示）が設けられている。

アノード供給路Ｒ１ｂには、タンク３０、供給弁３１、インジェクタ３２が接続されている。タンク３０は燃料ガスを蓄圧する。供給弁３１はタンク３０からインジェクタ３２に流れ込む燃料ガスの流量を調整する。インジェクタ３２は、供給弁３１から流れ込んだ燃料ガスを燃料電池スタック１に向けて噴射する。

また、燃料電池スタック１は、冷却水が循環する冷却水路Ｒ３０と接続されている。なお、燃料電池スタック１には、冷却水路Ｒ３０と接続された冷却水の入口マニホルド及び出口マニホルド（不図示）が設けられている。

冷却水路Ｒ３０には、ラジエータ４０、ポンプ４１、及び温度センサ５７が接続されている。ラジエータ４０は、例えばファンを回転させることにより冷却水を冷却する。ポンプ４１は冷却水を圧送する。これにより、冷却水はラジエータ４０と燃料電池スタック１の間で冷却水路Ｒ３０を循環する。

また、冷却水の一部は、冷却水路Ｒ３０から冷却水供給路Ｒ３２を流れてインタークーラ１２に供給され、酸化剤ガスの冷却に用いられる。冷却に用いられた酸化剤ガスは、インタークーラ１２から冷却水排出路Ｒ３１を流れて冷却水路Ｒ３０に戻る。これにより、冷却水はラジエータ４０とインタークーラ１２の間でも循環する。

また、燃料電池スタック１は、ＤＣ－ＤＣコンバータ２０，２２、インバータ２１、二次電池２３、及び車両モータ２４と電気的に接続されている。ＤＣ－ＤＣコンバータ２０は、トランジスタなどのスイッチング素子を含み、スイッチング素子のスイッチング制御により燃料電池スタック１の出力電圧を昇圧する。インバータ２１は、トランスやトランジスタなどを含み、燃料電池スタック１の出力電流を直流電流から交流電流に変換する。インバータ２１には、燃料電池車の車輪（不図示）を駆動する車両モータ２４が接続されている。車両モータ２４は交流電流により回転することにより燃料電池車を駆動する。なお、車両モータ２４は第１モータの一例である。

二次電池２３は、燃料電池スタック１が発電した電力の余剰分を充電する。ＤＣ－ＤＣコンバータ２２は、トランジスタなどのスイッチング素子を含み、スイッチング素子のスイッチング制御により二次電池２３の出力電圧を昇圧する。二次電池２３の電力は、例えばインバータ２２を介して車両モータ２４に供給される。二次電池２３には、二次電池２３の充電量、つまり残存容量（SOC: State Of Charge）を検出するＳＯＣセンサ５９が設けられている。なお、ＳＯＣセンサ５９は検出部の一例である。

ＥＣＵ６は燃料電池システムを制御する。ＥＣＵ６は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）回路を含み、ＣＰＵを駆動するソフトウェアに従って動作する。

ＥＣＵ６は、温度センサ５０，５３，５７、フローメータ５１、及び圧力センサ５４，５５，５６から検出結果を取得し、さらに、大気圧を検出する大気圧センサ５８から検出結果を取得する。

また、ＥＣＵ６は、制御弁１３、封止弁１４、調圧弁１５、及び分流弁１９の各開度を制御する。ＥＣＵ６は、ラジエータ４０のファンの回転数を制御することにより冷却水の温度を制御する。ＥＣＵ６は、コンプレッサモータ１７の回転数を制御することによりエアコンプレッサ１１の酸化剤ガスの圧力比を制御する。なお、ＥＣＵ６は制御装置の一例である。

例えば燃料電池車が長い下り坂を走行しているとき、車両モータ２４は回生電力を発生する。回生電力は例えばブレーキトルクなどに利用されるが、その余剰分はインバータ２１及びＤＣ－ＤＣコンバータ２２を介して二次電池２３に充電される。

しかし、エアコンプレッサ１１を駆動するコンプレッサモータ１７がエキスパンダ１６のタービンと同一の回転軸１８に接続されているため、タービンの回転がコンプレッサモータ１７の回転を補助することにより回転数が過剰に増加するため、コンプレッサモータ１７のコイルや磁石が加熱することがある。この場合、回生電力の余剰分が十分に消費されるようにエアコンプレッサ１１を連続運転することが不可能となるため、車両モータ２４の回生電力を利用することができないおそれがある。

そこで、ＥＣＵ６は、二次電池２３の空き容量が、回生電力の余剰分に対して不足している場合、制御弁１３を開放することによりエキスパンダ１６への酸化剤ガスの流入量を減らす。このため、エキスパンダ１６に流れ込んだ酸化剤ガスの膨張により得られる動力が減少するため、コンプレッサモータ１７の回転トルクの補助も減少する。

したがって、エアコンプレッサ１１の消費電力は、コンプレッサモータ１７の回転数が一定であっても、回転トルクの補助が減少する前より増加する。これにより、車両モータ２４の回生電力の余剰分がエアコンプレッサ１１により消費されるため、二次電池２３に十分な空き容量がない場合でも回生電力を利用することが可能である。なお、回生電力は他の補器類でも消費することは可能であるが、エアコンプレッサ１１は補器類よりも消費電力が大きいため、より効果的に回生電力の余剰分を消費することができる。

図２は、エキスパンダ１６の動作領域Ｓの一例を示す図である。図２において、横軸は、エキスパンダ１６に流れ込む酸化剤ガスの流量を示し、縦軸は、エアコンプレッサ１１の圧力比（吐出圧／吸入圧）を示す。動作領域Ｓは、線分Ｌを境として、回生電力の余剰分を消費するためのエアコンプレッサ１１の連続運転が可能である領域Ｓ１と、不可能である領域Ｓ２とに分かれる。

例えばＥＣＵ６は、二次電池２３の空き容量が不足している場合、エアコンプレッサ１１の消費電力を所要量まで増加させるため、エアコンプレッサ１１が動作する動作点をＰｏからＰ１，Ｐ２に変更する。動作点Ｐ１は、エキスパンダ１６に流れ込む酸化剤ガスの流量が多い場合の動作点であり、動作点Ｐ２は、エキスパンダ１６に流れ込む酸化剤ガスの流量が少ない場合の動作点である。

コンプレッサモータ１７の回転数は、エキスパンダ１６に流れ込む酸化剤ガスの流量が多いほど、増加する。これは、酸化剤ガスの流量が多いほど、エキスパンダ１６からコンプレッサモータ１７に対する回転トルクの補助量が増加するためである。

したがって、エアコンプレッサ１１は、消費電力が同じ所要量まで増加する場合でも、酸化剤ガスの流量が多ければ、動作点が連続運転の不可能な領域Ｓ２の動作点Ｐ１に遷移し、酸化剤ガスの流量が少なければ、動作点が連続運転の可能な領域Ｓ１の動作点Ｐ２に遷移する。ここで、動作点Ｐ１の圧力比は、コンプレッサモータ１７の回転数に応じて動作点Ｐ２の圧力比より高くなる。

図３は、エキスパンダ１６の膨張比（入口側圧力／出口側圧力）の一例を示す図である。横軸は、エキスパンダ１６に流入する酸化剤ガスの流量を示し、縦軸は膨張比を示す。

矢印Ｖで示されるように、エキスパンダ１６に流入する酸化剤ガスの流量が少ないほど、エキスパンダ１６の膨張比は低下するため、エアコンプレッサ１１の消費電力は増加する。このため、ＥＣＵ６は、エキスパンダ１６に流入する酸化剤ガスの流量が減少するように制御弁１３を制御する。

図４は、ＥＣＵ６の処理の一例を示すフローチャートである。本処理は、一例として、燃料電池車が長い下り坂を走行しているとき、車両モータ２４から発生する回生電力によりブレーキトルクを確保する場合に実行される。なお、本処理の実行前、供給弁３１、分流弁１９、封止弁１４、及び調圧弁１５は開き、制御弁１３は閉じている。

本処理において、ＥＣＵ６は、燃料電池スタック１が乾燥状態であるか否かを判定し（ステップＳｔ１～Ｓｔ３）、乾燥状態である場合、燃料電池スタック１からの水分の持ち去りが抑制されるように封止弁１４及び調圧弁１５を閉じる（ステップＳｔ６）。これによりバイパス流路Ｒ３ａを流れる酸化剤ガスの流量が増加し、エキスパンダ１６に流れ込む酸化剤ガスの流量も増加するが、ＥＣＵ６は、制御弁１３を開くことにより酸化剤ガスの流量の増加を抑制する（ステップＳｔ７）。以下に各処理を説明する。

ＥＣＵ６は、温度センサ５７から取得される冷却水の温度Ｔを閾値Ｔｏと比較する（ステップＳｔ１）。Ｔ≦Ｔｏが成立する場合（ステップＳｔ１のＮｏ）、ステップＳｔ１の処理が再び実行される。

Ｔ＞Ｔｏが成立する場合（ステップＳｔ１のＹｅｓ）、ＥＣＵ６は、フローメータ５１から取得される酸化剤ガスの流量Ｆを閾値Ｆｏと比較する（ステップＳｔ２）。Ｆ≧Ｆｏが成立する場合（ステップＳｔ２のＮｏ）、ステップＳｔ１の処理が再び実行される。

Ｆ＜Ｆｏが成立する場合（ステップＳｔ２のＹｅｓ）、ＥＣＵ６は、燃料電池スタック１内の水収支を閾値Ｗと比較する（ステップＳｔ３）。水収支は、例えばカソード供給路Ｒ１ａ内及びカソード排出路Ｒ２ａ内の酸化剤ガスの流量、圧力、及び温度などから算出される。水収支＞Ｗが成立する場合（ステップＳｔ３のＮｏ）、ステップＳｔ１の処理が再び実行される。

ＥＣＵ６は、水収支≦Ｗが成立する場合（ステップＳｔ３のＹｅｓ）、燃料電池スタック１が乾燥状態であると判定し、ステップＳｔ４以降の処理により乾燥状態を抑制する。このとき、ＥＣＵ６は、回生電力の余剰分に対して二次電池２３の空き容量が十分であるか否かを判定して（ステップＳｔ４）、その判定結果に応じた乾燥状態の抑制処理を行う。

ＥＣＵ６は、ＳＯＣセンサ５９から取得される二次電池２３の充電量を閾値ＴＨと比較する（ステップＳｔ４）。充電量＜ＴＨが成立する場合（ステップＳｔ４のＮｏ）、回生電力の余剰分に対して二次電池２３の空き容量が十分であるため、ＥＣＵ６は、燃料電池スタック１の発電量が増加するようにインジェクタ３２に対し燃料ガスの噴射量の増加制御を行う（ステップＳｔ１２）。燃料電池スタック１の発電量が増加すると、その発電により生成される水分量が増加する。なお、閾値ＴＨは、例えば回生電力の余剰分の推測値から決定される。

次にＥＣＵ６は、燃料電池スタック１の含水量の増加制御を行う（ステップＳｔ１３）。このとき、ＥＣＵ６は、例えば調圧弁１５の開度を調整し、または冷却水の温度が低下するようにラジエータ４０を制御する。これにより、燃料電池スタック１の乾燥状態が抑制される。

また、充電量≧ＴＨが成立する場合（ステップＳｔ４のＹｅｓ）、二次電池２３の空き容量が不十分であるため、ＥＣＵ６は、燃料電池スタック１が発電した電力が二次電池２３に充電できないと判定し、発電が停止するようにインジェクタ３２に対して燃料ガスの噴射停止制御を行う（ステップＳｔ５）。これにより、二次電池２３が過充電となることが防止される。

次にＥＣＵ６は、燃料電池スタック１の乾燥状態が抑制されるように封止弁１４及び調圧弁１５を閉じる（ステップＳｔ６）。封止弁１４及び調圧弁１５が閉じると、酸化剤ガスは燃料電池スタック１内に流れ込まないため、燃料電池スタック１内の水分が酸化剤ガスの流れにより持ち去られることが防止される。

次にＥＣＵ６は、カソード供給路Ｒ１ａを流れる酸化剤ガスの一部が大気に排出されるように制御弁１３を開く（ステップＳｔ７）。これにより、カソード供給路Ｒ１ａから分流弁１９を流れてカソード排出路Ｒ２ａに流れ込む酸化剤ガスの流量が制御弁１３の閉塞時より減少するため、エキスパンダ１６に流れ込む酸化剤ガスの流量も減少する。

このように、ＥＣＵ６は、二次電池２３の充電量が閾値ＴＨ以上である場合、カソード排出路Ｒ２ａからエキスパンダ１６に流れ込む酸化剤ガスの流量が減少するように制御弁１３の開度を制御する。このため、エキスパンダ１６から回転軸１８を介してコンプレッサモータ１７に伝達される動力が減少するので、エアコンプレッサ１１の消費電力が増加する。したがって、車両モータ２４から発生した回生電力の余剰分がエアコンプレッサ１１により消費され、回生電力の利用が可能となる。

次にＥＣＵ６は、エアコンプレッサ１１を駆動するコンプレッサモータ１７の回転数を増加させる（ステップＳｔ８）。このため、エアコンプレッサ１１の消費電力がさらに増加する。このとき、ＥＣＵ６は、図２を参照して述べたように、エアコンプレッサ１１の動作点が、連続運転の可能な領域Ｓ１内の動作点Ｐ２となるように回転数（圧力比）を制御するため、コンプレッサモータ１７のコイルや磁石が加熱することにより連続運転が不可能となることが抑制される。

次にＥＣＵ６は、エキスパンダ１６のタービンに加わる応力による影響の有無を判定するため、エキスパンダ１６の上流側の圧力Ｐｕ及び下流側の圧力Ｐｄを比較する（ステップＳｔ９）。このとき、ＥＣＵ６は、圧力センサ５５から上流側の圧力Ｐｕを取得し、圧力センサ５６から下流側の圧力Ｐｄを取得する。

Ｐｕ≦Ｐｄが成立する場合（ステップＳｔ９のＮｏ）、エキスパンダ１６のタービンは、その回転方向の反対方向に作用する抵抗力に逆らって回転することになるため、そのときの応力により劣化するおそれがある。

したがって、この場合、ＥＣＵ６は、Ｐｕ＞Ｐｄが成立するように分流弁１９の開度を調整する（ステップＳｔ１１）。これにより、エキスパンダ１６のタービンの劣化が防止される。なお、ＥＣＵ６は、圧力センサ５５，５６がない場合、大気圧センサ５８、圧力センサ５４、温度センサ５０，５３、フローメータ５１の検出結果などから圧力Ｐｕ，Ｐｄを推定してもよい。

次にＥＣＵ６は、再びステップＳｔ９の判定を行い、Ｐｕ＞Ｐｄが成立する場合（ステップＳｔ９のＹｅｓ）、冷却水の温度が低下するようにラジエータ４０を制御する（ステップＳｔ１０）。このとき、ＥＣＵ６は、例えばラジエータ４０のファンの回転数を減少させる。

冷却水の温度が低下すると、インタークーラ１２の冷却能力が向上するため、酸化剤ガスの温度がラジエータ４０の制御前より低下する。これにより、エキスパンダ１６に流れ込む酸化剤ガスのエネルギが減少するため、エキスパンダ１６から回転軸１８を介してコンプレッサモータ１７に伝達される動力がさらに減少する。したがって、より効果的にエアコンプレッサ１１の消費電力が増加する。

このようにして、ＥＣＵ６は処理を実行する。なお、本例では、燃料電池スタック１の乾燥状態を抑制するときにエアコンプレッサ１１の消費電力を増加させる例を挙げたが、これに限定されない。ＥＣＵ６は、乾燥状態を抑制する必要がなく、燃料電池スタック１が通常の発電を行うように封止弁１４及び調圧弁１５が開いている場合でも、制御弁１３を閉じることによりエキスパンダ１６への酸化剤ガスの流入量を減少させることでエアコンプレッサ１１の消費電力を増加させることができる。

（第２実施例の燃料電池システム）
回転軸１８の軸受けがエアベアリングである場合、酸化剤ガスの一部を、エアベアリングを介して大気に放出することによりエキスパンダ１６への酸化剤ガスの流入量を減少させることも可能である。

図５は、第２実施例の燃料電池システムを示す構成図である。図５において、図１と共通する構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。

本例の燃料電池システムは、調整流路Ｒ４ａに代えて、カソード供給路Ｒ１ａから延びる上流側接続流路Ｒ４ｂ、及びカソード排出路Ｒ２ａから延びる下流側接続流路Ｒ４ｃを有する。また、エアコンプレッサ１１及びエキスパンダ１６の回転軸１８には、軸受けとしてエアベアリング１８０が備えられている。

上流側接続流路Ｒ４ｂの一端は、インタークーラ１２の上流側かつ封止弁１４の下流側のカソード供給路Ｒ１ａに接続され、上流側接続流路Ｒ４ｂの他端は、エアコンプレッサ１１側のエアベアリング１８０の側部に接続されている。また、下流側接続流路Ｒ４ｃの一端は、エキスパンダ１６の下流側のカソード排出路Ｒ２ａに接続され、下流側接続流路Ｒ４ｃの他端は、エキスパンダ１６側のエアベアリング１８０の側部に接続されている。

また、上流側接続流路Ｒ４ｂには制御弁１３ａが設けられている。制御弁１３ａは、ＥＣＵ６の制御により開閉される。なお、制御弁１３ａは調整手段の一例である。

符号Ｄａは、酸化剤ガスが流れる経路の一例を示す。カソード供給路Ｒ１ａを流れる酸化剤ガスの一部は、制御弁１３ａの開放時、上流側接続流路Ｒ４ｂからエアベアリング１８０内に流れ込んでエアベアリング１８０を冷却する。酸化剤ガスは、エアベアリング１８０から下流側接続流路Ｒ４ｃに排出されて大気に放出される。

このように、制御弁１３ａは、開放時、カソード供給路Ｒ１ａを流れる酸化剤ガスを分流させるため、エキスパンダ１６に流れ込む酸化剤ガスの流量を調整することができる。ＥＣＵ６は、図４の同様の処理を実行し、エキスパンダ１６に流れ込む酸化剤ガスの流量を減少させるように制御弁１３ａを制御する。したがって、本例においても、第１実施例の燃料電池システムと同様の効果が得られる。

（第３実施例の燃料電池システム）
エキスパンダ１６に流れ込む酸化剤ガスの流量は、例えば、カソード排出路Ｒ２ａを流れる酸化剤ガスの一部を、エキスパンダ１６を迂回する迂回路に流すことにより減少させることも可能である。

図６は、第３実施例の燃料電池システムを示す構成図である。図６において、図１と共通する構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。

本例の燃料電池システムは、調整流路Ｒ４ａに代えて、カソード排出路Ｒ２ａに接続された迂回路Ｒ４ｄを有する。迂回路Ｒ４ｄは、酸化剤ガスの一部にエキスパンダ１６を迂回させる経路である。迂回路Ｒ４ｄの一端は、調圧弁１５の下流側かつエキスパンダ１６の上流側のカソード排出路Ｒ２ａに接続され、迂回路Ｒ４ｄの他端は、エキスパンダ１６の下流側のカソード排出路Ｒ２ａに接続されている。また、迂回路Ｒ４ｄには、迂回路Ｒ４ｄを流れる酸化剤ガスの流量を調整する制御弁１３ｂが設けられている。なお、制御弁１３ｂは調整手段の一例である。

符号Ｄｂは、酸化剤ガスが流れる経路の一例を示す。カソード排出路Ｒ２ａを流れる酸化剤ガスの一部は、制御弁１３ｂの開放時、迂回路Ｒ４ｄに流れ込み、エキスパンダ１６に流れ込むことなく大気に放出される。

このように、制御弁１３ｂは、開放時、カソード排出路Ｒ２ａを流れる酸化剤ガスを迂回路Ｒ４ｄに分流させるため、エキスパンダ１６に流れ込む酸化剤ガスの流量を調整することができる。ＥＣＵ６は、図４の同様の処理を実行し、エキスパンダ１６に流れ込む酸化剤ガスの流量を減少させるように制御弁１３ｂを制御する。したがって、本例においても、第１実施例の燃料電池システムと同様の効果が得られる。

上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。

１燃料電池スタック
６ＥＣＵ（制御装置）
１０ａ入口マニホルド（入口）
１０ｂ出口マニホルド（出口）
１１エアコンプレッサ
１３，１３ａ，１３ｂ制御弁（調整手段）
１６エキスパンダ
１７コンプレッサモータ（第２モータ）
２３二次電池
２４車両モータ（第１モータ）
５９ＳＯＣセンサ（検出部）
Ｒ１ａカソード供給路（供給路）
Ｒ２ａカソード排出路（排出路）

Claims

第１モータにより駆動される車両に搭載される燃料電池システムにおいて、
酸化剤ガス及び燃料ガスの化学反応により発電する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに設けられた前記酸化剤ガスの入口に接続された供給路と、
前記燃料電池スタックに設けられた前記酸化剤ガスの出口に接続された排出路と、
前記燃料電池スタックが発電した電力の少なくとも一部を充電する二次電池と、
前記二次電池の充電量を検出する検出部と、
前記燃料電池スタックが発電した電力の一部、及び前記第１モータから発生する回生電力の一部が供給される第２モータを備え、前記供給路を流れる前記酸化剤ガスを前記第２モータの回転により圧縮する圧縮機と、
前記排出路から流れ込む前記酸化剤ガスを膨張させ、前記酸化剤ガスの膨張により得られる動力を、前記第２モータに伝達する膨張機と、
前記排出路から前記膨張機に流れ込む前記酸化剤ガスの流量を調整する調整手段と、
前記二次電池の充電量が所定量以上である場合、前記排出路から前記膨張機に流れ込む前記酸化剤ガスの流量が減少するように前記調整手段を制御する制御装置とを有し、
前記圧縮機及び前記膨張機は、前記第２モータの回転軸により互いに接続され、
前記回転軸はエアベアリングを備え、
前記調整手段は、調整した前記流量に応じて前記酸化剤ガスの一部を前記供給路から前記エアベアリングを経由して前記膨張機の下流側の前記排出路に排出させることを特徴とする燃料電池システム。
前記制御装置は、前記二次電池の充電量が所定量以上である場合、前記第２モータの回転数を増加させ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。