特開 2022-156949 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022156949

(43)【公開日】2022-10-14

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20221006BHJP

   H01M 8/04746 20160101ALI20221006BHJP

   H01M 8/0432 20160101ALI20221006BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 Z

H01M8/04 J

H01M8/04746

H01M8/0432

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021060895

(22)【出願日】2021-03-31

(71)【出願人】

【識別番号】000003218

【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機

(74)【代理人】

【識別番号】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(72)【発明者】

【氏名】森 英文

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 潤也

【テーマコード（参考）】

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H127AB04

5H127AC03

5H127BA02

5H127BB02

5H127BB12

5H127BB20

5H127BB37

5H127BB39

5H127BB40

5H127CC07

5H127DB71

5H127DB74

5H127DB92

5H127DC34

(57)【要約】

【課題】タービン室内に存在する水がモータ室に侵入することを抑制すること。
【解決手段】制御部４５が、モータ室Ｓ１内の圧力がタービン室Ｓ３内の圧力を下回らないように制御弁４４の開度を調整するため、タービン室Ｓ３内に存在する水がモータ室Ｓ１に侵入してしまうことが抑制される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに供給される空気を圧縮する圧縮部、前記圧縮部を駆動する電動モータ、及び前記電動モータの回転軸の回転を補助するタービンホイールを有する流体機械と、
前記電動モータが収容されるモータ室、前記タービンホイールが収容されるタービン室、及び前記モータ室と前記タービン室とを隔てるとともに前記回転軸が貫通する隔壁を有するハウジングと、
前記圧縮部で圧縮された空気を前記燃料電池スタックへ供給する供給流路と、
前記燃料電池スタックから前記タービン室へ空気を排出する排出流路と、
前記供給流路から分岐して前記供給流路を流れる空気の一部を前記モータ室へ導入する上流側分岐流路と、
前記モータ室から空気を排出する下流側分岐流路と、
前記モータ室に導入される空気を冷却するインタークーラと、を備える燃料電池システムであって、
前記下流側分岐流路に設けられ、当該下流側分岐流路の流路断面積を調整する制御弁と、
前記制御弁の開度を調整するように制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記モータ室内の圧力が前記タービン室内の圧力を下回らないように、前記制御弁の開度を調整することを特徴とする燃料電池システム。

【請求項2】

前記モータ室には、前記電動モータの温度を検出する温度センサが設けられ、
前記制御部は、前記温度センサにより検出された前記電動モータの温度が所定の温度よりも低いとき、前記制御弁の開度を小さく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。

【請求項3】

前記ハウジングは、前記圧縮部のインペラを収容するインペラ室を有し、
前記制御部は、前記供給流路の圧力を検出する圧力センサにより検出された圧力と前記ハウジングの外部の大気圧を検出する大気圧センサにより検出された圧力との差から前記モータ室内の圧力を推定し、前記インペラ室に吸入される空気の流量を検出する流量センサにより検出される空気の流量から前記タービン室内の圧力を推定し、前記モータ室内の圧力が前記タービン室内の圧力を下回らないように前記制御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。

【請求項4】

前記燃料電池スタックは冷却水回路の冷却水によって冷却され、
前記排出流路には、流路断面積を調整する圧力調整弁が設けられ、
前記制御部は、前記冷却水の温度を検出する水温センサにより検出された温度が、予め設定された上限温度を下回っている場合に前記圧力調整弁の開度を全開となるように調整し、前記水温センサにより検出された温度が、予め設定された上限温度に達している場合に前記圧力調整弁の開度を全開の状態から小さくなるように調整することを特徴とする請求項１～請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池システムは、燃料電池スタックと、流体機械と、を備えている。例えば特許文献１のような流体機械は、圧縮部と、電動モータと、タービンホイールと、を有している。圧縮部は、燃料電池スタックに供給される空気を圧縮する。電動モータは、圧縮部を駆動する。タービンホイールは、電動モータの回転軸の回転を補助する。また、燃料電池システムは、ハウジングを備えている。ハウジングは、モータ室、及びタービン室を有している。モータ室には、電動モータが収容されている。タービン室には、タービンホイールが収容されている。ハウジングは、モータ室とタービン室とを隔てる隔壁を有している。回転軸は、隔壁を貫通している。

【0003】

燃料電池システムは、供給流路と、排出流路と、を備えている。供給流路は、圧縮部で圧縮された空気を燃料電池スタックへ供給する。排出流路は、燃料電池スタックからタービン室へ空気を排出する。また、燃料電池システムは、上流側分岐流路と、下流側分岐流路と、を備えている場合がある。上流側分岐流路は、供給流路から分岐して供給流路を流れる空気の一部をモータ室へ導入する。下流側分岐流路は、モータ室から空気を排出する。さらに、このような燃料電池システムは、インタークーラを備えている。インタークーラは、モータ室に導入される空気を冷却する。このように、モータ室に導入される空気がインタークーラによって冷却されているため、圧縮部で圧縮された空気を利用して電動モータを冷却することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１５－１５５６９６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところが、このような燃料電池システムにおいては、燃料電池スタックから排出される空気には、燃料電池スタックが発電した際に生成される水が含まれている。したがって、燃料電池スタックから排出流路を介してタービン室へ導入される空気には、水が含まれている。このとき、モータ室内の圧力が、タービン室内の圧力を下回ると、タービン室内に存在する水が、隔壁と回転軸との間を介してモータ室に侵入する虞がある。モータ室に水が侵入してしまうと、電動モータに悪影響を与えてしまう虞がある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するための燃料電池システムは、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに供給される空気を圧縮する圧縮部、前記圧縮部を駆動する電動モータ、及び前記電動モータの回転軸の回転を補助するタービンホイールを有する流体機械と、前記電動モータが収容されるモータ室、前記タービンホイールが収容されるタービン室、及び前記モータ室と前記タービン室とを隔てるとともに前記回転軸が貫通する隔壁を有するハウジングと、前記圧縮部で圧縮された空気を前記燃料電池スタックへ供給する供給流路と、前記燃料電池スタックから前記タービン室へ空気を排出する排出流路と、前記供給流路から分岐して前記供給流路を流れる空気の一部を前記モータ室へ導入する上流側分岐流路と、前記モータ室から空気を排出する下流側分岐流路と、前記モータ室に導入される空気を冷却するインタークーラと、を備える燃料電池システムであって、前記下流側分岐流路に設けられ、当該下流側分岐流路の流路断面積を調整する制御弁と、前記制御弁の開度を調整するように制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記モータ室内の圧力が前記タービン室内の圧力を下回らないように、前記制御弁の開度を調整する。

【0007】

これによれば、制御部が、モータ室内の圧力がタービン室内の圧力を下回らないように、制御弁の開度を調整するため、タービン室内に存在する水がモータ室に侵入してしまうことを抑制することができる。

【0008】

上記燃料電池システムにおいて、前記モータ室には、前記電動モータの温度を検出する温度センサが設けられ、前記制御部は、前記温度センサにより検出された前記電動モータの温度が所定の温度よりも低いとき、前記制御弁の開度を小さくするとよい。

【0009】

これによれば、制御部が、温度センサにより検出された電動モータの温度が所定の温度よりも低いとき、制御弁の開度を小さくすることで、モータ室内の圧力が高くなる。これにより、供給流路から分岐して上流側分岐流路を介してモータ室内へ導入される空気の流量を少なくすることができる。したがって、電動モータの温度が所定の温度よりも低く、電動モータをそれ以上冷却する必要が無い場合に、モータ室内へ導入する空気の流量を少なくし、供給流路を流れる空気を燃料電池スタックへ効率良く供給することができる。

【0010】

上記燃料電池システムにおいて、前記ハウジングは、前記圧縮部のインペラを収容するインペラ室を有し、前記制御部は、前記供給流路の圧力を検出する圧力センサにより検出された圧力と前記ハウジングの外部の大気圧を検出する大気圧センサにより検出された圧力との差から前記モータ室内の圧力を推定し、前記インペラ室に吸入される空気の流量を検出する流量センサにより検出される空気の流量から前記タービン室内の圧力を推定し、前記モータ室内の圧力が前記タービン室内の圧力を下回らないように前記制御弁の開度を調整するとよい。

【0011】

これによれば、制御部が、圧力センサにより検出される圧力と大気圧センサにより検出される圧力との差から、モータ室内の圧力を推定している。したがって、大気圧センサにより検出される圧力をモータ室内の圧力を推定するパラメータとして用いている。よって、高地のように大気圧が低く、結果として、タービン室内の圧力が比較的高くなりがちな条件であっても、推定したモータ室内の圧力がタービン室内の圧力を下回らないように制御弁の開度を調整し易くすることができる。

【0012】

上記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックは冷却水回路の冷却水によって冷却され、前記排出流路には、流路断面積を調整する圧力調整弁が設けられ、前記制御部は、前記冷却水の温度を検出する水温センサにより検出された温度が、予め設定された上限温度を下回っている場合に前記圧力調整弁の開度を全開となるように調整し、前記水温センサにより検出された温度が、予め設定された上限温度に達している場合に前記圧力調整弁の開度を全開の状態から小さくなるように調整するとよい。

【0013】

これによれば、制御部が、水温センサにより検出された温度が、予め設定された上限温度に達している場合に圧力調整弁の開度を全開の状態から小さくなるように調整する。したがって、燃料電池スタックに供給される空気の圧力が高くなるため、燃料電池スタック内の湿度が予め定められた所望の湿度に調整される。その結果、水温センサにより検出された冷却水の温度が、予め設定された上限温度に達していても、燃料電池スタックの発電が効率良く行われる。

【発明の効果】

【0014】

この発明によれば、タービン室内に存在する水がモータ室に侵入することを抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】実施形態における燃料電池システムの概略構成図。

【図2】別の実施形態における燃料電池システムの概略構成図。

【発明を実施するための形態】

【0016】

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。
＜燃料電池システム１０の全体構成＞
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、流体機械２０と、を備えている。流体機械２０は、燃料電池スタック１１に空気を供給する。燃料電池スタック１１は、図示しない複数の電池セルを有している。各電池セルは、酸素極と、水素極と、両極の間に配置された電解質膜と、が積層されることによって構成されている。燃料電池スタック１１は、燃料ガスである水素と空気中の酸素とを化学反応させることにより発電する。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る。これにより、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。

【0017】

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から排出される。また、燃料電池スタック１１が発電すると、燃料電池スタック１１の内部には、水素と酸素との化学反応によって水が生成される。したがって、燃料電池スタック１１から排出される空気には、燃料電池スタック１１が発電した際に生成される水が含まれている。

【0018】

燃料電池スタック１１は、供給口１１ａと、排出口１１ｂと、空気流路１１ｃと、を有している。供給口１１ａには、空気が供給される。排出口１１ｂからは、空気が排出される。空気流路１１ｃは、供給口１１ａと排出口１１ｂとを接続する。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に向かって流れる。

【0019】

＜流体機械２０の構成＞
燃料電池システム１０は、ハウジング２１を備えている。ハウジング２１は、流体機械２０のハウジングである。ハウジング２１は、モータ室Ｓ１、インペラ室Ｓ２、及びタービン室Ｓ３を有している。さらに、流体機械２０は、電動モータ２３を有している。電動モータ２３は、回転軸２２を有している。

【0020】

ハウジング２１は、第１隔壁２１ａと、第２隔壁２１ｂと、を有している。第１隔壁２１ａは、ハウジング２１内をモータ室Ｓ１とタービン室Ｓ３とに仕切る。回転軸２２の一端は、第１隔壁２１ａを貫通してタービン室Ｓ３内に突出している。したがって、第１隔壁２１ａは、モータ室Ｓ１とタービン室Ｓ３とを隔てるとともに回転軸２２が貫通する隔壁である。

【0021】

第２隔壁２１ｂは、ハウジング２１内をモータ室Ｓ１とインペラ室Ｓ２とに仕切る。回転軸２２の他端は、第２隔壁２１ｂを貫通してインペラ室Ｓ２内に突出している。モータ室Ｓ１には、電動モータ２３が収容されている。インペラ室Ｓ２には、インペラ２５が収容されている。タービン室Ｓ３には、タービンホイール２４が収容されている。

【0022】

回転軸２２の一端には、タービンホイール２４が取り付けられている。回転軸２２の他端には、インペラ２５が取り付けられている。電動モータ２３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する。そして、回転軸２２は、電動モータ２３の駆動に伴い回転する。

【0023】

ハウジング２１は、吸入口２１ｃと、吐出口２１ｄと、供給口２１ｅと、排出口２１ｆと、供給口２１ｇと、排出口２１ｈと、を有している。吸入口２１ｃは、インペラ室Ｓ２に連通している。吐出口２１ｄは、インペラ室Ｓ２に連通している。供給口２１ｅは、モータ室Ｓ１に連通している。排出口２１ｆは、モータ室Ｓ１に連通している。供給口２１ｇは、タービン室Ｓ３に連通している。排出口２１ｈは、タービン室Ｓ３に連通している。

【0024】

燃料電池システム１０は、供給流路３０と、排出流路３１と、を備えている。供給流路３０の一端は、燃料電池スタック１１の供給口１１ａに接続されている。供給流路３０の他端は、吐出口２１ｄに接続されている。

【0025】

排出流路３１の一端は、燃料電池スタック１１の排出口１１ｂに接続されている。排出流路３１の他端は、供給口２１ｇに接続されている。排出流路３１には、圧力調整弁４２が設けられている。圧力調整弁４２は、排出流路３１の流路断面積を調整する。

【0026】

燃料電池システム１０は、第１外部流路３６と、第２外部流路３７と、を備えている。第１外部流路３６の一端は、大気に開放されている。第１外部流路３６の他端は、吸入口２１ｃに接続されている。第２外部流路３７の一端は、排出口２１ｈに接続されている。第２外部流路３７の他端は、大気に開放されている。

【0027】

＜空気の流れについて＞
電動モータ２３が駆動に伴い回転軸２２が回転すると、インペラ２５が回転軸２２と一体的に回転する。したがって、電動モータ２３は、インペラ２５を駆動する。

【0028】

そして、インペラ２５が駆動すると、外部の空気が第１外部流路３６及び吸入口２１ｃを介してインペラ室Ｓ２に吸入される。インペラ室Ｓ２内に吸入された空気は、インペラ２５によって圧縮される。そして、圧縮された空気は、吐出口２１ｄから供給流路３０へ吐出される。吐出口２１ｄから供給流路３０へ吐出された空気は、供給流路３０及び供給口１１ａを介して燃料電池スタック１１に供給される。したがって、インペラ室Ｓ２及びインペラ２５は、燃料電池スタック１１に供給される空気を圧縮する圧縮部Ｃ１を構成している。そして、供給流路３０は、流体機械２０で圧縮された空気を燃料電池スタック１１に供給する。

【0029】

排出口１１ｂから排出される空気は、排出流路３１及び供給口２１ｇを介してタービン室Ｓ３へ排出される。したがって、排出流路３１は、燃料電池スタック１１からタービン室Ｓ３へ空気を排出する。タービン室Ｓ３へ排出された空気は、タービン室Ｓ３を流れる途中でタービンホイール２４を回転させる。これにより、回転軸２２は、電動モータ２３の駆動による回転に加え、燃料電池スタック１１から排出された空気により回転するタービンホイール２４の回転によっても回転する。したがって、タービンホイール２４は、電動モータ２３の回転軸２２の回転を補助する。そして、タービン室Ｓ３を流れる空気は、排出口２１ｈから第２外部流路３７へ排出され、第２外部流路３７を介して大気へ排出される。

【0030】

燃料電池システム１０は、上流側分岐流路３３と、下流側分岐流路３４と、を備えている。上流側分岐流路３３の一端は、供給流路３０の途中に接続されている。上流側分岐流路３３の他端は、供給口２１ｅに接続されている。上流側分岐流路３３は、供給流路３０から分岐して供給流路３０を流れる空気の一部を供給口２１ｅを介してモータ室Ｓ１へ導入する。

【0031】

燃料電池システム１０は、インタークーラ３５を備えている。インタークーラ３５は、上流側分岐流路３３に設けられている。インタークーラ３５は、上流側分岐流路３３を流れる空気を冷却する。したがって、インタークーラ３５は、モータ室Ｓ１に導入される空気を冷却する。そして、モータ室Ｓ１へ導入された空気は、モータ室Ｓ１を通過する際に、電動モータ２３を冷却し、排出口２１ｆから排出される。

【0032】

下流側分岐流路３４の一端は、排出口２１ｆに接続されている。下流側分岐流路３４の他端は、第２外部流路３７に接続されている。また、燃料電池システム１０は、制御弁４４を備えている。制御弁４４は、下流側分岐流路３４に設けられている。制御弁４４は、下流側分岐流路３４の流路断面積を調整し、下流側分岐流路３４を流れる空気の流量を調整する。排出口２１ｆから排出された空気は、下流側分岐流路３４を介して第２外部流路３７に流入する。そして、下流側分岐流路３４から第２外部流路３７に流入した空気は、排出口２１ｈから第２外部流路３７へ排出される空気と共に第２外部流路３７を介して大気へ排出される。

【0033】

＜冷却水回路Ｗ１の構成＞
燃料電池システム１０は、冷却水回路Ｗ１を備えている。冷却水回路Ｗ１は、ポンプＰ１と、ラジエータＲ１と、を有している。冷却水回路Ｗ１には、燃料電池スタック１１を冷却するための冷却水（ＬＬＣ）が循環する。ポンプＰ１は、冷却水回路Ｗ１を流れる冷却水を圧送する。冷却水回路Ｗ１を流れる冷却水は、ラジエータＲ１を通過する際に、ラジエータＲ１を介した外気との熱交換が行われることで冷却される。燃料電池スタック１１は、ラジエータＲ１を通過後の冷却水によって冷却される。したがって、燃料電池スタック１１は冷却水回路Ｗ１の冷却水によって冷却される。

【0034】

＜燃料電池システム１０の電気的構成＞
燃料電池システム１０は、制御部４５を備えている。制御部４５は、中央処理制御装置（ＣＰＵ）を備えている。また、制御部４５は、各種プログラムやマップ等を予め記憶した読出専用メモリ（ＲＯＭ）、ＣＰＵの演算結果等を一時記憶するランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）等により構成されるメモリを備えている。

【0035】

制御部４５は、電動モータ２３に電気的に接続されている。制御部４５には、電動モータ２３の駆動を制御するプログラムが予め記憶されている。制御部４５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する。そして、制御部４５は、要求発電量に基づいて、燃料電池スタック１１に供給される空気の目標流量を算出し、燃料電池スタック１１に供給される空気の流量が目標流量となるように、電動モータ２３の駆動を制御する。

【0036】

制御部４５は、圧力調整弁４２に電気的に接続されている。制御部４５には、圧力調整弁４２の開度を調整するプログラムが予め記憶されている。さらに、制御部４５は、制御弁４４に電気的に接続されている。制御部４５には、制御弁４４の開度を調整するプログラムが予め記憶されている。

【0037】

燃料電池システム１０は、水温センサ４６を備えている。水温センサ４６は、冷却水回路Ｗ１を流れる冷却水の温度を検出する。制御部４５は、水温センサ４６と電気的に接続されている。そして、水温センサ４６により検出された冷却水の温度に関する検出信号が制御部４５に送信される。制御部４５には、水温センサ４６により検出された冷却水の温度が、予め設定された上限温度に達しているか否かを判定するプログラムが予め記憶されている。

【0038】

燃料電池システム１０は、圧力センサ４７を備えている。圧力センサ４７は、供給流路３０の圧力を検出する。供給流路３０の圧力は、燃料電池スタック１１に供給される空気の圧力である。制御部４５は、圧力センサ４７と電気的に接続されている。そして、圧力センサ４７により検出された圧力に関する検出信号が制御部４５に送信される。

【0039】

制御部４５には、水温センサ４６により検出された冷却水の温度が、予め設定された上限温度を下回っていると判定したときには、圧力調整弁４２の開度が全開となるように圧力調整弁４２の開度を調整するプログラムが予め記憶されている。また、制御部４５には、水温センサ４６により検出された冷却水の温度が、予め設定された上限温度に達していると判定したときには、圧力調整弁４２の開度を全開の状態から小さくなるように圧力調整弁４２の開度を調整するプログラムが予め記憶されている。そして、制御部４５には、圧力センサ４７により検出される圧力が、予め設定された所望の圧力に達するまで圧力調整弁４２の開度を小さくするプログラムが予め記憶されている。

【0040】

燃料電池システム１０は、流量センサ４０を備えている。流量センサ４０は、第１外部流路３６を流れる空気の流量を検出する。制御部４５は、流量センサ４０と電気的に接続されている。そして、流量センサ４０により検出された空気の流量に関する検出信号が制御部４５に送信される。

【0041】

ところで、燃料電池システム１０においては、インペラ室Ｓ２を通過する空気の流量が小さいときに吐出口２１ｄから供給流路３０に吐出される吐出圧力が高いと、インペラ室Ｓ２を通過する空気の流れに逆流が生じるサージングが発生することが知られている。インペラ室Ｓ２を通過する空気の流量は、第１外部流路３６を流れる空気の流量であり、流量センサ４０により検出される空気の流量である。したがって、流量センサ４０は、インペラ室Ｓ２に吸入される空気の流量を検出していると言える。吐出口２１ｄから供給流路３０に吐出される吐出圧力は、供給流路３０の圧力であり、圧力センサ４７により検出される圧力である。

【0042】

そこで、本実施形態では、インペラ室Ｓ２を通過する空気において、サージングを回避するために最低限必要な流量が、圧力センサ４７により検出される圧力に対応付けられて予め実験等によって求められている。そして、制御部４５には、流量センサ４０により検出される空気の流量が、圧力センサ４７によって検出される圧力に対応付けられた最低限必要な空気の流量を上回るように、電動モータ２３を駆動するプログラムが予め記憶されている。

【0043】

また、第１外部流路３６を流れる空気の流量と、タービン室Ｓ３内の圧力とは相関関係がある。そして、制御部４５には、流量センサ４０により検出された空気の流量からタービン室Ｓ３内の圧力を推定するタービン室圧力推定マップが予め記憶されている。

【0044】

燃料電池システム１０は、大気圧センサ４１を備えている。大気圧センサ４１は、ハウジング２１の外部の大気圧を検出する。制御部４５は、大気圧センサ４１と電気的に接続されている。そして、大気圧センサ４１により検出された圧力に関する検出信号が制御部４５に送信される。

【0045】

ここで、圧力センサ４７により検出される圧力は、モータ室Ｓ１よりも空気の流れ方向の上流側の圧力に相当し、大気圧センサ４１により検出される圧力は、モータ室Ｓ１よりも空気の流れ方向の下流側の圧力に相当する。したがって、圧力センサ４７により検出される圧力と大気圧センサ４１により検出される圧力との差から、モータ室Ｓ１内の圧力が推定可能である。したがって、制御部４５には、圧力センサ４７により検出される圧力と大気圧センサ４１により検出される圧力との差からモータ室Ｓ１内の圧力を推定するモータ室圧力推定マップが予め記憶されている。

【0046】

そして、制御部４５には、モータ室圧力推定マップにより推定されたモータ室Ｓ１内の圧力が、タービン室圧力推定マップにより推定されたタービン室Ｓ３内の圧力を下回らないように、制御弁４４の開度を調整する弁開度マップが予め記憶されている。したがって、制御部４５は、モータ室Ｓ１内の圧力、及びタービン室Ｓ３内の圧力に応じて、制御弁４４の開度を調整し、モータ室Ｓ１内の圧力がタービン室Ｓ３内の圧力を下回らないように、制御弁４４の開度を調整する。モータ室Ｓ１内の圧力は、制御部４５の開度が小さくなるほど高くなっていき、制御部４５の開度が大きくなるほど低くなっていく。

【0047】

燃料電池システム１０は、温度センサ４３を備えている。温度センサ４３は、モータ室Ｓ１に設けられている。温度センサ４３は、電動モータ２３の温度を検出する。制御部４５は、温度センサ４３と電気的に接続されている。そして、温度センサ４３により検出された温度に関する検出信号が制御部４５に送信される。そして、制御部４５には、温度センサ４３により検出された温度が所定の温度よりも低いとき、制御弁４４の開度を小さくするプログラムが予め記憶されている。したがって、制御部４５は、電動モータ２３の温度が所定の温度よりも低いとき、制御弁４４の開度を小さくする。

【0048】

＜作用＞
次に、本実施形態の作用について説明する。
制御部４５は、水温センサ４６により検出された冷却水の温度が、予め設定された上限温度を下回っていると判定したときには、圧力調整弁４２の開度が全開となるように圧力調整弁４２の開度を調整する。そして、燃料電池スタック１１に供給される空気の流量が目標流量となるように電動モータ２３の駆動を制御する。このとき、制御部４５は、流量センサ４０により検出される空気の流量が、圧力センサ４７によって検出される圧力に対応付けられた最低限必要な空気の流量を上回るように、電動モータ２３を駆動する。これにより、インペラ室Ｓ２を通過する空気の流れに逆流が生じるといったサージングの発生が抑制されている。

【0049】

また、燃料電池スタック１１に空気が過剰に供給されると、燃料電池スタック１１内の湿度が低下し、燃料電池スタック１１の発電効率の低下を招く。そこで、本実施形態では、供給流路３０を流れる空気の一部が上流側分岐流路３３へ流入し、上流側分岐流路３３及び供給口２１ｅを介してモータ室Ｓ１へ導入される。したがって、燃料電池スタック１１に空気が過剰に供給されることが回避されている。そして、上流側分岐流路３３及び供給口２１ｅを介してモータ室Ｓ１へ導入された空気によって電動モータ２３が冷却される。

【0050】

一方で、制御部４５は、水温センサ４６により検出された冷却水の温度が、予め設定された上限温度に達していると判定したときには、圧力調整弁４２の開度を全開の状態から小さくなるように圧力調整弁４２の開度を調整する。そして、制御部４５は、圧力センサ４７により検出される圧力が、予め設定された所望の圧力に達するまで圧力調整弁４２の開度を小さくする。これにより、燃料電池スタック１１に供給される空気の圧力が高くなるため、燃料電池スタック１１内の湿度が予め定められた所望の湿度に調整される。その結果、水温センサ４６により検出された冷却水の温度が、予め設定された上限温度に達していても、電池セルの電解質膜の表面が乾いてしまうことが抑制され、燃料電池スタック１１の発電が効率良く行われる。

【0051】

ところで、このような燃料電池システム１０においては、燃料電池スタック１１から排出される空気には水が含まれているため、燃料電池スタック１１から排出流路３１及び供給口２１ｇを介してタービン室Ｓ３へ導入される空気には水が含まれている。したがって、タービン室Ｓ３内には水が存在している。

【0052】

ここで、例えば、制御部４５によって、圧力調整弁４２の開度が全開となるように圧力調整弁４２の開度が調整されている場合、圧力調整弁４２の開度が全開よりも小さい場合に比べると、燃料電池スタック１１に供給される空気の圧力は低くなる。したがって、供給流路３０の圧力が低くなるため、圧力センサ４７により検出される圧力は低くなる。そして、制御部４５は、圧力センサ４７により検出される圧力と大気圧センサ４１により検出される圧力との差から、モータ室Ｓ１内の圧力を推定する。また、制御部４５は、流量センサ４０により検出された空気の流量からタービン室Ｓ３内の圧力を推定する。そして、制御部４５は、推定したモータ室Ｓ１内の圧力が推定したタービン室Ｓ３内の圧力を下回らないように、制御弁４４の開度を調整する。これにより、モータ室Ｓ１内の圧力がタービン室Ｓ３内の圧力を下回ることが抑制されるため、タービン室Ｓ３内に存在する水が、第１隔壁２１ａと回転軸２２との間を介してモータ室Ｓ１に侵入してしまうことが抑制されている。

【0053】

制御部４５は、温度センサ４３により検出された温度が所定の温度よりも低いとき、制御弁４４の開度を小さくする。制御弁４４の開度が小さくなると、モータ室Ｓ１内の圧力が高くなる。これにより、供給流路３０から分岐して上流側分岐流路３３を介してモータ室Ｓ１内へ導入される空気の流量が少なくなる。したがって、電動モータ２３の温度が所定の温度よりも低く、電動モータ２３をそれ以上冷却する必要が無い場合に、モータ室Ｓ１内へ導入する空気の流量が少なくなり、供給流路３０を流れる空気が燃料電池スタック１１へ効率良く供給される。

【0054】

＜効果＞
上記実施形態では以下の効果を得ることができる。
（１）制御部４５が、モータ室Ｓ１内の圧力がタービン室Ｓ３内の圧力を下回らないように、制御弁４４の開度を調整するため、タービン室Ｓ３内に存在する水がモータ室Ｓ１に侵入してしまうことを抑制することができる。

【0055】

（２）制御部４５は、温度センサ４３により検出された電動モータ２３の温度が所定の温度よりも低いとき、制御弁４４の開度を小さくする。これによれば、制御部４５が、電動モータ２３の温度が所定の温度よりも低いとき、制御弁４４の開度を小さくすることで、モータ室内の圧力が高くなる。これにより、供給流路３０から分岐して上流側分岐流路３３を介してモータ室Ｓ１内へ導入される空気の流量を少なくすることができる。したがって、電動モータ２３の温度が所定の温度よりも低く、電動モータ２３をそれ以上冷却する必要が無い場合に、モータ室Ｓ１内へ導入する空気の流量を少なくし、供給流路３０を流れる空気を燃料電池スタック１１へ効率良く供給することができる。

【0056】

（３）例えば、燃料電池車が高地を走行している場合には、燃料電池車が平地を走行している場合に比べて、大気圧が低くなることから、排出口２１ｈの圧力が低くなって、結果として、タービン室Ｓ３内の圧力が比較的高くなりがちである。このとき、制御部４５が、圧力センサ４７により検出される圧力と大気圧センサ４１により検出される圧力との差から、モータ室Ｓ１内の圧力を推定している。したがって、大気圧センサ４１により検出される圧力をモータ室Ｓ１内の圧力を推定するパラメータとして用いている。よって、高地のように大気圧が低く、結果として、タービン室Ｓ３内の圧力が比較的高くなりがちな条件であっても、推定したモータ室Ｓ１内の圧力がタービン室Ｓ３内の圧力を下回らないように制御弁４４の開度を調整し易くすることができる。

【0057】

（４）制御部４５は、水温センサ４６により検出された温度が、予め設定された上限温度に達している場合に圧力調整弁４２の開度を全開の状態から小さくなるように調整する。したがって、燃料電池スタック１１に供給される空気の圧力が高くなるため、燃料電池スタック１１内の湿度が予め定められた所望の湿度に調整される。その結果、水温センサ４６により検出された冷却水の温度が、予め設定された上限温度に達していても、燃料電池スタック１１の発電が効率良く行われる。

【0058】

（５）制御部４５は、流量センサ４０により検出される空気の流量が、圧力センサ４７によって検出される圧力に対応付けられた最低限必要な空気の流量を上回るように、電動モータ２３を駆動する。これにより、インペラ室Ｓ２を通過する空気の流れに逆流が生じるといったサージングの発生を抑制することができる。また、供給流路３０を流れる空気の一部が上流側分岐流路３３へ流入し、上流側分岐流路３３及び供給口２１ｅを介してモータ室Ｓ１へ導入される。したがって、燃料電池スタック１１に空気が過剰に供給されることを回避することができる。そして、上流側分岐流路３３及び供給口２１ｅを介してモータ室Ｓ１へ導入された空気によって電動モータ２３を冷却することができる。

【0059】

（６）下流側分岐流路３４が第２外部流路３７に接続されている。これによれば、例えば、下流側分岐流路３４が第２外部流路３７に接続されていない場合に比べて、大気へ連通する配管の数を減らすことができる。したがって、燃料電池システム１０の構成を簡素化することができる。

【0060】

＜変更例＞
なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施することができる。上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

【0061】

○ 図２に示すように、インタークーラ３５は、供給流路３０に設けられていてもよい。この場合、インタークーラ３５は、供給流路３０における上流側分岐流路３３が接続される部位よりも流体機械２０寄りに配置される。

【0062】

○ 実施形態において、制御部４５は、水温センサ４６により検出された冷却水の温度以外にも、燃料電池スタック１１への要求発電量と他の各センサの値に応じて、圧力調整弁４２の開度を調整してもよい。

【0063】

○ 実施形態において、燃料電池システム１０は、圧力調整弁４２を備えていなくてもよい。
○ 実施形態において、圧力センサ４７が、排出流路３１における圧力調整弁４２よりも排出口１１ｂ寄りの位置に設けられていてもよい。

【0064】

○ 実施形態において、下流側分岐流路３４は、第２外部流路３７に接続されずに直接大気に開放されていてもよい。
○ 実施形態において、圧縮部Ｃ１は、例えば、スクロール式やルーツ式であってもよい。

【符号の説明】

【0065】

１０…燃料電池システム、１１…燃料電池スタック、２０…流体機械、２１…ハウジング、２１ａ…隔壁である第１隔壁、２２…回転軸、２３…電動モータ、２４…タービンホイール、２５…インペラ、３０…供給流路、３１…排出流路、３３…上流側分岐流路、３４…下流側分岐流路、３５…インタークーラ、４０…流量センサ、４１…大気圧センサ、４２…圧力調整弁、４３…温度センサ、４４…制御弁、４５…制御部、４６…水温センサ、４７…圧力センサ、Ｃ１…圧縮部、Ｓ１…モータ室、Ｓ２…インペラ室、Ｓ３…タービン室、Ｗ１…冷却水回路。

【図1】

【図2】