特開 2025-123013 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】P2025123013

(43)【公開日】2025-08-22

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04746 20160101AFI20250815BHJP

   H01M 8/249 20160101ALI20250815BHJP

   H01M 8/0438 20160101ALI20250815BHJP

   H01M 8/04858 20160101ALI20250815BHJP

   H01M 8/04014 20160101ALI20250815BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04746

H01M8/249

H01M8/0438

H01M8/04858

H01M8/04014

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2024018828

(22)【出願日】2024-02-09

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000110

【氏名又は名称】弁理士法人 快友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】橋本 晋

(72)【発明者】

【氏名】安藤 諭

(72)【発明者】

【氏名】片岡 隆平

(72)【発明者】

【氏名】堀口 大

【テーマコード（参考）】

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H126AA22

5H127AB04

5H127AB14

5H127AB17

5H127AC02

5H127AC05

5H127AC17

5H127BA02

5H127BB02

5H127BB12

5H127BB13

5H127BB22

5H127BB37

5H127BB39

5H127CC01

5H127DB22

5H127DB23

5H127DB29

5H127DC22

5H127DC23

5H127DC24

5H127DC90

(57)【要約】

【課題】ターボ式コンプレッサのサージングを回避する。
【解決手段】燃料電池システムは、複数の燃料電池スタックと、複数の燃料電池スタックの各々に酸化ガスを供給するターボ式コンプレッサを有する酸化ガス供給ユニットと、要求された出力に応じて、複数の燃料電池スタックに対する要求運転数、並びに、酸化ガス供給ユニットに指令する酸化ガスの目標供給圧力及び目標供給流量を決定する制御装置と、を備える。酸化ガス供給ユニットは、ターボ式コンプレッサの吐出流量に対して、複数の燃料電池スタックへ供給される供給流量の割合である供給率を調整する調整機構を有する。制御装置は、ターボ式コンプレッサにおける圧力比を監視しており、圧力比が所定の閾値を上回るときに、調整機構を制御して、供給率を低下させる。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の燃料電池スタックと、
前記複数の燃料電池スタックの各々に酸化ガスを供給するターボ式コンプレッサを有する酸化ガス供給ユニットと、
要求された出力に応じて、前記複数の燃料電池スタックに対する要求運転数、並びに、前記酸化ガス供給ユニットに指令する前記酸化ガスの目標供給圧力及び目標供給流量を決定する制御装置と、
を備え、
前記酸化ガス供給ユニットは、前記ターボ式コンプレッサの吐出流量に対して、前記複数の燃料電池スタックへ供給される供給流量の割合である供給率を調整する調整機構を有し、
前記制御装置は、前記ターボ式コンプレッサにおける圧力比を監視しており、前記圧力比が所定の閾値を上回るときに、前記調整機構を制御して、前記供給率を低下させる、燃料電池システム。

【請求項2】

前記調整機構は、
前記ターボ式コンプレッサの吐出側と吸入側とを互いに接続する還流経路と、
前記還流経路に設けられた流量調整弁と、を有する、
請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

前記酸化ガス供給ユニットは、前記ターボ式コンプレッサから吐出された前記酸化ガスを冷却するインタークーラをさらに有し、
前記還流経路は、前記インタークーラよりも上流側において、前記ターボ式コンプレッサの吐出側と吸入側とを互いに接続している、請求項２に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

前記酸化ガス供給ユニットは、前記ターボ式コンプレッサから吐出された前記酸化ガスを冷却するインタークーラをさらに有し、
前記還流経路は、前記インタークーラよりも下流側において、前記ターボ式コンプレッサの吐出側と吸入側とを互いに接続している、請求項２に記載の燃料電池システム。

【請求項5】

前記酸化ガス供給ユニットは、
前記ターボ式コンプレッサから前記複数の燃料電池スタックへ前記酸化ガスを供給する酸化ガス供給経路と、
前記複数の燃料電池スタックから前記酸化ガスのオフガスを排出するオフガス排出経路と、を有し、
前記調整機構は、前記酸化ガス供給経路と前記オフガス排出経路とを互いに接続する分流経路と、前記分流経路に設けられた流量調整弁と、を有する、請求項１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】

本明細書が開示する技術は、燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１に、燃料電池システムが記載されている。この燃料電池システムは、複数の燃料電池スタックと、複数の燃料電池スタックの各々に酸化ガスを供給する酸化ガス供給ユニットと、複数の燃料電池スタックの各々を冷却する冷媒を供給する冷却ユニットと、酸化ガス供給ユニットに指令する酸化ガスの目標供給流量、並びに、冷却ユニットに指令する冷媒の目標供給流量を決定する制御装置と、を備える。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２２－１５６９０６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

燃料電池スタックでは、要求される出力（即ち、発電電力）と、燃料電池スタックの温度とに応じて、燃料電池スタックへ供給すべき酸化ガスの供給圧力及び供給流量が決定される。例えば、燃料電池スタックの温度が一定であれば、燃料電池スタックに要求される出力が大きくなるほど、酸化ガスの供給圧力及び供給流量を増大させる必要がある。このとき、酸化ガスの供給にターボ式コンプレッサが採用されていると、当該コンプレッサにおける圧力比が増大することによって、サージングが発生するおそれがある。特に、複数の燃料電池スタックを備える燃料電池システムでは、システム全体に要求される出力に応じて、運転する燃料電池スタックの数を減少させることがある。この場合、運転を継続する燃料電池スタックでは、要求される出力が急激に上昇することから、サージングが発生するおそれが高くなる。

【0005】

上記の実情を鑑み、本明細書は、ターボ式コンプレッサのサージングを回避するための技術を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

前述したように、燃料電池スタックに要求される出力が増大すると、燃料電池スタックに対する酸化ガスの供給圧力及び供給流量を増大させる必要がある。そのために、ターボ式コンプレッサでは、圧力比及び酸化ガスの吐出流量を増大させる必要がある。この点に関して、ターボ式コンプレッサでは、圧力比がある上限値を超えることで、サージングが発生するおそれが高まる。但し、その上限値は一定ではなく、ターボ式コンプレッサの吐出流量が増大するほど、その上限値も高くなっていく。従って、ターボ式コンプレッサにおける圧力比が増大したときに、当該コンプレッサにおける酸化ガスの吐出流量も併せて増大させることができれば、コンプレッサのサージングを回避することができる。そして、コンプレッサにおける酸化ガスの吐出流量に対して、燃料電池スタックに供給される供給流量の割合を調整することができれば、燃料電池スタックに適量の酸化ガスを供給することができる。

【0007】

以上の知見に基づき、本明細書が開示する技術は、燃料電池システムに具現化される。その第１の態様において、燃料電池システムは、複数の燃料電池スタックと、前記複数の燃料電池スタックの各々に酸化ガスを供給するターボ式コンプレッサを有する酸化ガス供給ユニットと、要求された出力に応じて、前記複数の燃料電池スタックに対する要求運転数、並びに、前記酸化ガス供給ユニットに指令する前記酸化ガスの目標供給圧力及び目標供給流量を決定する制御装置と、を備える。前記酸化ガス供給ユニットは、前記ターボ式コンプレッサの吐出流量に対して、前記複数の燃料電池スタックへ供給される供給流量の割合である供給率を調整する調整機構を有する。前記制御装置は、前記ターボ式コンプレッサにおける圧力比を監視しており、前記圧力比が所定の閾値を上回るときに、前記調整機構を制御して、前記供給率を低下させる。

【0008】

上記の構成によると、例えば、運転させる（即ち、発電させる）燃料電池スタックの数を減少させることで、ターボ式コンプレッサにおける圧力比が増大したときに、ターボ式コンプレッサにおける酸化ガスの吐出流量を優先的に増大させることができる。これにより、ターボ式コンプレッサのサージングを回避することができる。

【0009】

第２の態様では、前記第１の態様において、調整機構は、ターボ式コンプレッサの吐出側と吸入側とを互いに接続する還流経路と、還流経路に設けられた流量調整弁とを有してもよい。このような構成によると、還流経路を介して、吐出側から吸入側へ酸化ガスを送出することができ、ターボ式コンプレッサにおける酸化ガスの吐出流量を優先的に増大させることができる。

【0010】

第３の態様では、前記第１又は前記第２の態様において、酸化ガス供給ユニットは、ターボ式コンプレッサから吐出された前記酸化ガスを冷却するインタークーラをさらに有してもよい。この場合、還流経路は、インタークーラよりも上流側において、ターボ式コンプレッサの吐出側と吸入側とを互いに接続していてもよい。このような構成によると、吐出側から吸入側に送出される酸化ガスはインタークーラを通過しないため、燃料電池スタックに供給される酸化ガスのみをインタークーラによって冷却することができる。

【0011】

第４の態様では、前記第１又は前記第２の態様において、酸化ガス供給ユニットは、ターボ式コンプレッサから吐出された酸化ガスを冷却するインタークーラをさらに有してもよい。この場合、還流経路は、インタークーラよりも下流側において、ターボ式コンプレッサの吐出側と吸入側とを互いに接続していてもよい。このような構成によると、ターボ式コンプレッサが吸入する酸化ガスの温度が低くなり、コンプレッサにおいて所定の圧力比を実現するために必要とされるエネルギーを低減することができる。

【0012】

第５の態様では、前記第１から前記第４の態様のいずれかにおいて、酸化ガス供給ユニットは、ターボ式コンプレッサから複数の燃料電池スタックへ酸化ガスを供給する酸化ガス供給経路と、複数の燃料電池スタックから酸化ガスのオフガスを排出するオフガス排出経路とを有してもよい。この場合、調整機構は、酸化ガス供給経路とオフガス排出経路とを互いに接続する分流経路と、分流経路に設けられた流量調整弁とを有してもよい。このような構成によると、分流経路を介して、酸化ガス供給経路からオフガス排出経路へ酸化ガスを排出することができ、ターボ式コンプレッサにおける酸化ガスの吐出流量を優先的に増大させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】実施例１の燃料電池システム１０の構成を概略的に示す図。

【図2】燃料電池スタック１２、１４に対して要求された出力に応じて、制御装置３６が、酸化ガス供給ユニット２０に指令する酸化ガスの目標供給圧力及び目標供給流量の関係を示す図。実線Ｕ１～Ｕ４のそれぞれは、燃料電池スタック１２、１４の異なる温度について、酸化ガスの供給流量と酸化ガスの供給圧力との関係を示す。破線Ｐ１～Ｐ５のそれぞれは、燃料電池スタック１２、１４の異なる電流（即ち、発電電力）について、酸化ガスの供給流量と酸化ガスの供給圧力との関係を示す。なお、数字が大きいものほど温度が高い、又は電力が大きいことを意味する。

【図3】コンプレッサ２２のサージング制約ラインＳＬを示す。点線Ｌ１～Ｌ５のそれぞれは、コンプレッサ２２の異なる回転数について、酸化ガスの吐出流量とコンプレッサ２２における圧力比との関係を示す。なお、数字が大きいものほど回転数が大きいことを意味する。

【図4】制御装置３６が実行する第１の処理を示すフローチャート。

【図5】図５（Ａ）－（Ｇ）は、図４に示す第１の処理における各種パラメータの経時的変化を示す。図５（Ｂ）において、曲線Ｉ１は、第１燃料電池スタック１２の電流を示し、曲線Ｉ２は、第２燃料電池スタック１４の電流を示す。図５（Ｅ）において、曲線ＯＶ１は、第１燃料電池スタック１２の出口弁３０の開度を示し、曲線ＯＶ２は、第２燃料電池スタック１４の出口弁３０の開度を示す。図５（Ｆ）において、曲線ＩＶ１は、第１燃料電池スタック１２の入口弁２６の開度を示し、曲線ＩＶ２は、第２燃料電池スタック１４の入口弁２６の開度を示す。

【図6】制御装置３６が実行する第２の処理を示すフローチャート。

【図7】実施例２の燃料電池システム１１０の構成を概略的に示す図。

【図8】実施例３の燃料電池システム２１０の構成を概略的に示す図。

【発明を実施するための形態】

【0014】

（実施例１）図面を参照して、本実施例の燃料電池システム１０について説明する。燃料電池システム１０は、移動体（例えば、自動車、バス、トラック、電車、船舶、飛行機）や定置用燃料電池装置等に搭載され、外部から要求される出力に応じて電力を出力する発電システムである。

【0015】

図１に示すように、燃料電池システム１０は、複数の燃料電池スタック１２、１４を備える。各燃料電池スタック１２、１４は、複数の燃料電池セルが積層された構造を有する。各燃料電池スタック１２、１４は、アノード側供給口（不図示）と、カソード側供給口１６ａと、アノード側排出口（不図示）と、カソード側排出口１６ｂとを備える。各燃料電池スタック１２、１４のアノード側供給口及びカソード側供給口１６ａは、燃料電池スタック１２、１４内で、複数の燃料電池セルの各々に接続されている。各燃料電池スタック１２、１４は、アノード側供給口から取り入れた燃料ガスと、カソード側供給口１６ａから取り入れた酸化ガスとを、複数の燃料電池セル内で化学反応させることによって発電する。複数の燃料電池スタック１２、１４を通過したガス（即ち、オフガス）は、アノード側排出口及びカソード側排出口１６ｂから外部へ排出される。

【0016】

複数の燃料電池スタック１２、１４には、第１燃料電池スタック１２と、第２燃料電池スタック１４とが含まれる。本実施例において、第１燃料電池スタック１２は、第２燃料電池スタック１４と、電気的に並列に接続されている。但し、複数の燃料電池スタック１２、１４の数は特に限定されず、二以上であればよい。なお、本実施例の燃料電池システム１０では、燃料ガスとして水素ガスが使用され、酸化ガスとして空気が使用される。空気には、酸化剤として酸素が含まれている。

【0017】

図１に示すように、燃料電池システム１０は、複数の電力制御ユニット１８をさらに備える。本実施例において、電力制御ユニット１８は、昇圧コンバータを有している。電力制御ユニット１８は、各燃料電池スタック１２、１４と電気的に接続されている。電力制御ユニット１８は、燃料電池スタック１２、１４からの発電電力を昇圧して、外部へ出力することができる。特に限定されないが、電力制御ユニット１８は、昇圧コンバータに加えて、インバータをさらに備えてもよい。

【0018】

図１に示すように、燃料電池システム１０は、酸化ガス供給ユニット２０と、制御装置３６とをさらに備える。酸化ガス供給ユニット２０は、複数の燃料電池スタック１２、１４の各々に、酸化ガス（空気）を供給するためのユニットである。酸化ガス供給ユニット２０は、コンプレッサ２２と、インタークーラ５０と、酸化ガス供給経路２４と、複数の入口弁２６と、オフガス排出経路２８と、複数の出口弁３０と、分流経路３２と、分流弁３４とを備える。制御装置３６は、燃料電池スタック１２、１４の運転を開始し、その運転を停止することができる。

【0019】

コンプレッサ２２は、ターボ式のコンプレッサである。コンプレッサ２２は、酸化ガス供給経路２４に設けられており、外部から取り込んだ空気を圧縮して、複数の燃料電池スタック１２、１４へ供給する。酸化ガス供給経路２４は、コンプレッサ２２が吐出する酸化ガスを、複数の燃料電池スタック１２、１４へ供給するための経路である。酸化ガス供給経路２４は、第１酸化ガス供給経路２４ａと、第２酸化ガス供給経路２４ｂとを備える。第１酸化ガス供給経路２４ａは、第１燃料電池スタック１２のカソード側供給口１６ａに接続されており、コンプレッサ２２からの酸化ガスを第１燃料電池スタック１２に供給する。第２酸化ガス供給経路２４ｂは、第２燃料電池スタック１４のカソード側供給口１６ａに接続されており、コンプレッサ２２からの酸化ガスを第２燃料電池スタック１４に供給する。第１酸化ガス供給経路２４ａ及び第２酸化ガス供給経路２４ｂは、分岐点Ｂ１において互いに接続されている。

【0020】

酸化ガス供給経路２４は、第３酸化ガス供給経路２４ｃと、第４酸化ガス供給経路２４ｄとをさらに備える。第３酸化ガス供給経路２４ｃは、分岐点Ｂ１とコンプレッサ２２との間を延びており、コンプレッサ２２を第１酸化ガス供給経路２４ａ及び第２酸化ガス供給経路２４ｂへ接続している。第３酸化ガス供給経路２４ｃは、コンプレッサ２２の吐出側に位置しており、コンプレッサ２２から吐出される酸化ガスを、第１酸化ガス供給経路２４ａ及び第２酸化ガス供給経路２４ｂへ供給する。第４酸化ガス供給経路２４ｄは、コンプレッサ２２の吸入側に位置しており、外部から取り込まれた空気をコンプレッサ２２へ供給する。なお、特に限定されないが、燃料電池システム１０は、外部から取り込んだ空気から塵や埃等の異物を取り除くエアクリーナをさらに備えてもよい。

【0021】

オフガス排出経路２８は、複数の燃料電池スタック１２、１４から酸化ガスのオフガスを排出するための経路である。オフガス排出経路２８は、複数の燃料電池スタック１２、１４のそれぞれにおいて、カソード側排出口１６ｂに接続されている。

【0022】

インタークーラ５０は、第３酸化ガス供給経路２４ｃに設けられている。インタークーラ５０は、コンプレッサ２２から吐出された酸化ガスを冷却する。これにより、コンプレッサ２２から吐出された酸化ガスは、インタークーラ５０によって冷却された後に、複数の燃料電池スタック１２、１４へ供給される。なお、インタークーラ５０は、水冷式であってもよいし、空冷式であってもよい。

【0023】

複数の入口弁２６は、それぞれ複数の燃料電池スタック１２、１４において、カソード側供給口１６ａに設けられている。複数の出口弁３０は、それぞれ複数の燃料電池スタック１２、１４において、カソード側排出口１６ｂに設けられている。

【0024】

分流経路３２は、酸化ガス供給経路２４とオフガス排出経路２８とを互いに接続している。一例ではあるが、本実施例における分流経路３２は、第３酸化ガス供給経路２４ｃから分岐して、オフガス排出経路２８へ接続されている。分流経路３２には、分流弁３４が設けられている。入口弁２６、出口弁３０及び分流弁３４は、開度が調整可能な制御弁である。入口弁２６、出口弁３０及び分流弁３４の動作（開度）は、制御装置３６によって制御される。制御装置３６は、コンプレッサ２２、各入口弁２６、各出口弁３０及び分流弁３４の動作を制御することで、複数の燃料電池スタック１２、１４のそれぞれに供給される酸化ガスの供給圧力及び供給流量を調節することができる。

【0025】

図１に示すように、酸化ガス供給ユニット２０は、還流経路５２と、還流弁５４とをさらに備える。還流経路５２は、コンプレッサ２２の吸入側に位置する第４酸化ガス供給経路２４ｄと、コンプレッサ２２の吐出側に位置する第３酸化ガス供給経路２４ｃとを互いに接続している。還流経路５２には、還流弁５４が設けられている。還流弁５４の動作（開度）は、制御装置３６によって制御される。制御装置３６は、還流弁５４の動作を制御することで、コンプレッサ２２から吐出された酸化ガスの一部を、第３酸化ガス供給経路２４ｃから第４酸化ガス供給経路２４ｄへ送出することができる。これにより、制御装置３６は、コンプレッサ２２の吐出流量に対して、複数の燃料電池スタック１２、１４へ供給される供給流量の割合である供給率（以下、単に供給率と称することがある）を調整することができる。

【0026】

図示省略するが、燃料電池システム１０は、燃料ガス供給ユニットをさらに備える。燃料ガス供給ユニットは、燃料ガス（水素ガス）を燃料電池スタック１２、１４に供給するためのユニットである。

【0027】

図１に示すように、燃料電池システム１０は、冷却ユニット３８をさらに備える。冷却ユニット３８は、複数の燃料電池スタック１２、１４の各々を冷却するためのユニットである。冷却ユニット３８は、ラジエータ４０と、循環経路４２と、ポンプ４４と、複数の温度センサ４６、４８とを備える。ラジエータ４０は、循環経路４２内を循環する冷媒から熱を放出する。循環経路４２は、ラジエータ４０から燃料電池スタック１２、１４へ冷媒を供給する往路４２ａと、燃料電池スタック１２、１４からラジエータ４０に冷媒を戻す復路４２ｂとを備える。ポンプ４４は、往路４２ａに設けられている。

【0028】

複数の温度センサ４６、４８には、第１温度センサ４６と、第２温度センサ４８とが含まれる。第１温度センサ４６は、復路４２ｂにおける第１燃料電池スタック１２の出口に設けられており、第１燃料電池スタック１２を通過後の冷媒の温度を検出する。第２温度センサ４８は、復路４２ｂにおける第２燃料電池スタック１４の出口に設けられており、第２燃料電池スタック１４を通過後の冷媒の温度を検出する。冷媒は、各燃料電池スタック１２、１４内の複数の燃料電池セルを通過する際に、燃料電池セルから熱を吸収している。そのため、各温度センサ４８による検出値、即ち、各燃料電池スタック１２、１４の出口における冷媒の温度は、燃料電池スタック１２、１４の実温度と相関を有する。ここで、燃料電池スタック１２、１４の実温度は、燃料電池スタック１２、１４の実際の温度を意味する。

【0029】

制御装置３６は、冷却ユニット３８に指令する燃料電池スタック１２、１４の目標冷却温度を決定する。そして、制御装置３６は、温度センサ４６、４８による検出値に基づいて、ポンプ４４を制御して、燃料電池スタック１２、１４に供給される冷媒の流量を調整することで、燃料電池スタック１２、１４の温度が目標冷却温度となるように、燃料電池スタック１２、１４を冷却する。一例ではあるが、冷媒は水である。なお、他の実施形態において、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２、１４毎に個別の冷却ユニット３８を備えてもよい。

【0030】

図１に示すように、燃料電池システム１０は、第１圧力センサ５６と、第２圧力センサ５８とをさらに備える。第１圧力センサ５６は、第４酸化ガス供給経路２４ｄに設けられており、コンプレッサ２２に吸入される酸化ガス（空気）の圧力を検出する。第２圧力センサ５８は、第３酸化ガス供給経路２４ｃに設けられており、コンプレッサ２２から吐出された酸化ガス（空気）の圧力を検出する。各圧力センサ５６、５８による検出値は、制御装置３６によって取得される。各圧力センサ５６、５８による検出値に基づいて、制御装置３６は、コンプレッサ２２における圧力比を算出し、監視している。

【0031】

図１に示すように、燃料電池システム１０は、第３温度センサ６０と、流量センサ６２とをさらに備える。第３温度センサ６０は、第３酸化ガス供給経路２４ｃにおいて、インタークーラ５０の出口側に設けられている。これにより、第３温度センサ６０は、インタークーラ５０によって冷却された酸化ガスの温度を検出する。流量センサ６２は、第４酸化ガス供給経路２４ｄに設けられており、コンプレッサ２２によって吸引される酸化ガスの流量を検出する。これらのセンサ６０、６２による検出値は、制御装置３６によって取得される。

【0032】

制御装置３６は、燃料電池システム１０に要求される出力に応じて、運転すべき燃料電池スタック１２、１４の数を変更することができる。例えば、燃料電池システム１０に要求される出力が比較的に小さい場合、制御装置３６は、二つの燃料電池スタック１２、１４の一方の運転を停止する。これにより、発電効率の低下を回避することができる。

【0033】

運転する燃料電池スタック１２、１４の数が決定されると、各燃料電池スタック１２、１４に対して要求される出力が定まる。各燃料電池スタック１２、１４では、要求される出力（即ち、発電電力）と、燃料電池スタック１２、１４の温度とに応じて、各燃料電池スタック１２、１４へ供給すべき酸化ガスの供給圧力及び供給流量が決定される。図２に示すように、例えば、燃料電池スタック１２、１４の温度が一定であれば、燃料電池スタック１２、１４に要求される出力が大きくなるほど、酸化ガスの供給圧力及び供給流量を増大させる必要がある。特に、運転する燃料電池スタック１２、１４の数が減少する場合、運転を継続する燃料電池スタック１２（又は１４）では、要求される出力が急激に上昇することから、酸化ガスの供給圧力及び供給流量も大きく増大させる必要がある。

【0034】

この点に関して、本実施例の燃料電池システム１０では、酸化ガスの供給にターボ式のコンプレッサ２２が採用されている。そのため、燃料電池スタック１２、１４への酸化ガスの供給圧力を増大させるために、コンプレッサ２２における圧力比を増大させると、コンプレッサ２２のサージングが発生するおそれがある。そのことから、図３に示すように、燃料電池システム１０では、コンプレッサ２２の動作点（圧力比と吐出流量との組み合わせ）に対して、サージング制約ラインＳＬ１、ＳＬ２が定められている。即ち、コンプレッサ２２の動作点が、サージング制約ラインＳＬ１、ＳＬ２を超えると、コンプレッサ２２においてサージングが発生するおそれがある。特に、運転する燃料電池スタック１２、１４の数が減少するときのように、燃料電池スタック１２（又は１４）に要求される出力が急激に上昇したときは、コンプレッサ２２の動作点が、サージング制約ラインＳＬ１、ＳＬ２を超えるおそれが高まる。

【0035】

コンプレッサ２２のサージングを回避するためには、コンプレッサ２２の動作点を、サージング制約ラインＳＬ１（又はＳＬ２）以下に維持する必要がある。ここで、サージング制約ラインＳＬ１（又はＳＬ２）が示すように、コンプレッサ２２では、圧力比がある上限値を超えることで、サージングが発生するおそれが高まる。但し、その上限値は一定ではなく、コンプレッサ２２の吐出流量が増大するほど、その上限値も高くなっていく。従って、コンプレッサ２２における圧力比が増大したときに、コンプレッサ２２における酸化ガスの吐出流量も併せて増大させることができれば、コンプレッサ２２のサージングを回避することができる。そして、コンプレッサ２２における酸化ガスの吐出流量を増大させた場合でも、その吐出流量に対して燃料電池スタック１２、１４に供給される供給流量の割合を調整することができれば、燃料電池スタック１２、１４に適量の酸化ガスを供給することができる。

【0036】

この知見を踏まえて、本実施例の制御装置３６は、図４に示す第１の処理を繰り返し実行可能に構成されている。制御装置３６は、第１の処理を繰り返し実行することにより、コンプレッサ２２の吐出流量に対して、複数の燃料電池スタック１２、１４へ供給される供給流量の割合である供給率を調整することができる。

【0037】

図４に示すように、制御装置３６は、外部から要求された出力ＰＲを取得する（Ｓ１０）。ステップＳ１０で取得した出力ＰＲに基づいて、制御装置３６は、燃料電池スタック１２、１４に対する要求運転数を算出する（Ｓ１２）。さらに、制御装置３６は、各燃料電池スタック１２、１４に対する目標電流（即ち、目標発電電力）を算出する（Ｓ１４）。制御装置３６は、Ｓ１４で決定した目標電流に応じて、酸化ガス供給ユニット２０に指令する酸化ガスの目標供給圧力を算出するとともに（Ｓ１６）、酸化ガス供給ユニット２０に指令する酸化ガスの目標供給流量を算出する（Ｓ１８）。本実施例の制御装置３６は、酸化ガス供給ユニット２０に指令する酸化ガスの目標供給圧力及び目標供給流量の関係（図２参照）を記述するマップを予め記憶している。そのため、制御装置３６は、予め記憶したマップが記述する関係に基づいて、実運転数に応じた酸化ガスの目標供給圧力及び目標供給流量を算出する。その後、制御装置３６は、算出した値に従って各部を制御する。

【0038】

制御装置３６は、コンプレッサ２２の吐出流量を取得する（Ｓ２０）。前述したように、コンプレッサ２２に吸入される酸化ガスの吸入流量は、流量センサ６２によって検出される。例えば、第３酸化ガス供給経路２４ｃ内の酸化ガスの圧力が上昇した場合には、コンプレッサ２２による酸化ガスの吐出流量は減少する。また、第３酸化ガス供給経路２４ｃ内の酸化ガスの低下した場合には、コンプレッサ２２による酸化ガスの吐出流量は増加する。そして、制御装置３６は、第２圧力センサ５８による検出値と、流量センサ６２による検出値とから、コンプレッサ２２の吐出流量を推定することができる。但し、他の実施形態として、燃料電池システム１０は、コンプレッサ２２の吐出流量を検出する流量センサをさらに備え、制御装置３６は、当該流量センサによる検出値を取得してもよい。

【0039】

制御装置３６は、コンプレッサ２２における圧力比ＣＰを取得する（Ｓ２２）。前述したように、制御装置３６は、各圧力センサ５６、５８による検出値に基づいて、コンプレッサ２２における圧力比を算出し、監視している。

【0040】

次に、制御装置３６は、還流弁５４の開度ＷＲを取得する（Ｓ２４）。前述したように、還流弁５４の開度ＷＲは、制御装置３６によって制御されるため、制御装置３６は、還流弁５４の開度ＷＲを取得することができる。

【0041】

制御装置３６は、燃料電池スタック１２、１４の運転数を減少させる遷移中であるのか否かを判定する（Ｓ２６）。ここで、燃料電池スタック１２、１４の運転数を減少させる遷移中とは、二つの燃料電池スタック１２、１４が運転している状態から、片方の燃料電池スタック１２、１４のみが運転している状態（即ち、単独運転の状態）に移行するまでの期間をいう。この期間では、図５の時刻Ｒ１から時刻Ｒ３までの範囲に示すように、コンプレッサ２２による酸化ガスの吐出流量等の各種パラメータが大きく変動しており、コンプレッサ２２のサージングが比較的に発生しやすくなっている。

【0042】

ステップＳ２６でＮＯの場合、制御装置３６は、サージング制約圧力ＳＰとして、第１圧力値Ａ１を設定する（Ｓ３０）。ステップＳ３０において、制御装置３６は、先ず、サージング制約ラインＳＬとして、図３に示す第１サージング制約ラインＳＬ１を採用する。制御装置３６は、第１サージング制約ラインＳＬ１上で、Ｓ２０で取得したコンプレッサ２２の吐出流量となる圧力値を第１圧力値Ａ１として決定する。

【0043】

これに対して、ステップＳ２６でＹＥＳの場合、制御装置３６は、サージング制約圧力ＳＰとして、第２圧力値Ａ２を設定する（Ｓ２８）。ステップＳ２８において、制御装置３６は、先ず、サージング制約ラインＳＬとして、第２サージング制約ラインＳＬ２を採用する。制御装置３６は、第２サージング制約ラインＳＬ２上で、Ｓ２０で取得したコンプレッサ２２の吐出流量となる圧力値を第２圧力値Ａ２として決定する。第２圧力値Ａ２は、第１圧力値Ａ１よりも小さい値である。図３に示すように、第２サージング制約ラインＳＬ２は、第１サージング制約ラインＳＬ１を下方に移動させたものに相当する。そのため、コンプレッサ２２の吐出流量が一定であれば、第２サージング制約ラインＳＬ２を採用した場合、第１サージング制約ラインＳＬ１を採用した場合よりも、サージング制約圧力ＳＰが小さく設定される。これにより、コンプレッサ２２のサージングがより確実に回避される。

【0044】

制御装置３６は、Ｓ２２で取得したコンプレッサ２２における圧力比ＣＰが、Ｓ２８又はＳ３０で設定したサージング制約圧力ＳＰを上回るのか否かを判定する（Ｓ３２）。ステップＳ３２でＹＥＳの場合、制御装置３６は、還流弁５４の目標開度ＷＴを、Ｓ２４で取得した還流弁５４の開度ＷＲよりも大きくなるように設定する（Ｓ３４）。これにより、還流弁５４の開度は大きくなり、コンプレッサ２２から吐出された酸化ガスのうち、第３酸化ガス供給経路２４ｃから第４酸化ガス供給経路２４ｄへ送出される酸化ガスが増加する。即ち、供給率は低下する。ステップＳ３２でＮＯの場合、制御装置３６は、還流弁５４の目標開度ＷＴを、Ｓ２４で取得した還流弁５４の開度ＷＲ以下となるように設定する（Ｓ３６）。

【0045】

制御装置３６は、酸化ガス供給ユニット２０の入口弁２６に指令する目標開度を算出するとともに（Ｓ３８）、酸化ガス供給ユニット２０の出口弁３０に指令する目標開度を算出する（Ｓ４０）。次いで、制御装置３６は、コンプレッサ２２に指令する目標回転数を算出する（Ｓ４２）。制御装置３６は、算出した値に従って各部を制御して、図４に示す第１の処理の一サイクルを終了する。

【0046】

上記した構成によると、運転させる（即ち、発電させる）燃料電池スタック１２、１４の数を減少させることで、コンプレッサ２２における圧力比が増大したときに、コンプレッサ２２における酸化ガスの吐出流量を優先的に増大させることができる。これにより、コンプレッサ２２のサージングを回避することができる。特に、図４に示す第１の処理では、還流経路５２を介して、吐出側から吸入側へ酸化ガスを送出することができ、それによって、コンプレッサ２２における酸化ガスの吐出流量を優先的に増大させることができる（図５参照）。なお、本明細書における還流経路５２及び還流弁５４は、本技術における調整機構の一例である。本明細書における第１圧力値Ａ１及び第２圧力値Ａ２は、本技術におけるターボ式コンプレッサにおける圧力比に対する所定の閾値の一例である。

【0047】

本実施例において、酸化ガス供給ユニット２０は、コンプレッサ２２から吐出された酸化ガスを冷却するインタークーラ５０を有する。そして、還流経路５２は、コンプレッサ２２の吸入側に位置する第４酸化ガス供給経路２４ｄと、コンプレッサ２２の吐出側に位置する第３酸化ガス供給経路２４ｃとを互いに接続している。特に、第３酸化ガス供給経路２４ｃでは、インタークーラ５０よりも上流側において、還流経路５２が接続されている。このような構成によると、吐出側から吸入側に送出される酸化ガスはインタークーラ５０を通過しないため、燃料電池スタック１２、１４に供給される酸化ガスのみをインタークーラ５０によって冷却することができる。

【0048】

上記した第１の処理では、燃料電池スタック１２、１４の運転数を減少させる遷移中において、コンプレッサ２２における圧力比に対する閾値（ここでは、第２圧力値Ａ２）が低く設定されている。燃料電池スタック１２、１４の運転数を減少させる遷移中では、コンプレッサ２２における酸化ガスの吐出流量や、コンプレッサ２２における圧力比等が大きく変動するため、サージングが比較的に発生しやすくなる。そのため、上記した構成によると、燃料電池スタック１２、１４の運転数を減少させる遷移中においても、コンプレッサ２２のサージングをより確実に回避することができる。なお、図４に示す第１の処理において、制御装置３６は、ステップＳ２６からステップＳ３０までの処理を省略してもよい。即ち、他の実施形態において、制御装置３６は、燃料電池スタック１２、１４の運転数を減少させる遷移中において、コンプレッサ２２における圧力比に対する閾値を低く設定しなくてもよい。

【0049】

また、同様の知見を踏まえて、本実施例の制御装置３６は、図６に示す第２の処理を繰り返し実行可能に構成されている。第２の処理では、図４に示す第１の処理の還流経路５２及び還流弁５４に代えて、分流経路３２及び分流弁３４を用いることで、コンプレッサ２２の吐出流量に対して、複数の燃料電池スタック１２、１４へ供給される供給流量の割合である供給率を調整することができる。第２の処理におけるステップＳ５０からステップＳ８２までの各ステップは、第１の処理におけるステップＳ１０からステップＳ４２までの各ステップに対応している。第２の処理では、サージング制約圧力ＳＰとして、第３圧力値Ａ３又は第４圧力値Ａ４が設定され（Ｓ７８、Ｓ８０）、第４圧力値Ａ４は、第３圧力値Ａ３よりも小さい値である。

【0050】

このような構成によると、運転させる（即ち、発電させる）燃料電池スタック１２、１４の数を減少させることで、コンプレッサ２２における圧力比が増大したときに、分流経路３２を介して、酸化ガス供給経路２４からオフガス排出経路２８へ酸化ガスを排出することができる。これにより、コンプレッサ２２における酸化ガスの吐出流量を優先的に増大させることができる。ここで、本明細書における分流経路３２及び分流弁３４は、本技術における調整機構の一例である。本明細書における第３圧力値Ａ３及び第４圧力値Ａ４は、本技術におけるターボ式コンプレッサにおける圧力比に対する所定の閾値の一例である。

【0051】

特に限定されないが、制御装置３６は、図４に示す第１の処理において、還流経路５２及び還流弁５４に加えて、分流経路３２及び分流弁３４を用いることで、コンプレッサ２２における酸化ガスの吐出流量を優先的に増大させてもよい。

【0052】

（実施例２）図７を参照して、実施例２の燃料電池システム１１０について説明する。図７に示すように、実施例２の燃料電池システム１１０では、実施例１の燃料電池システム１０と比較して、還流経路１５２が設けられている位置が変更されている。その余の構成については、実施例１の燃料電池システム１０と同一であることから、ここでは重複する説明を省略する。

【0053】

図７に示すように、還流経路１５２は、コンプレッサ２２の吸入側に位置する第４酸化ガス供給経路２４ｄと、コンプレッサ２２の吐出側に位置する第３酸化ガス供給経路２４ｃとを互いに接続している。特に、第３酸化ガス供給経路２４ｃでは、インタークーラ５０よりも下流側において、還流経路１５２が接続されている。

【0054】

上記した構成においても、制御装置３６は、実施例１における第１の処理及び／又は第２の処理を繰り返し実行することができる。これにより、コンプレッサ２２のサージングを回避することができる。特に、上記のように、還流経路１５２がインタークーラ５０よりも下流側で接続されていることで、コンプレッサ２２が吸入する酸化ガスの温度が低くなり、コンプレッサ２２において所定の圧力比を実現するために必要とされるエネルギーを低減することができる。

【0055】

（実施例３）図８を参照して、実施例３の燃料電池システム２１０について説明する。図８に示すように、実施例３の燃料電池システム２１０では、実施例１の燃料電池システム１０と比較して、複数の燃料電池スタック１２、１４が電気的に直列に接続されている。その余の構成については、実施例１の燃料電池システム１０と同一であることから、ここでは重複する説明を省略する。

【0056】

図９に示すように、燃料電池システム２１０は、第１リレー６４と、第２リレー６６とをさらに備える。第１リレー６４は、第１燃料電池スタック１２の一方の極と、電力制御ユニット１８の一方の極との間に設けられており、第２リレー６６は、第２燃料電池スタック１４の他方の極と、電力制御ユニット１８の他方の極との間に設けられている。図９に示すように、第１リレー６４及び第２リレー６６がともに第１状態にあるとき、第１燃料電池スタック１２は、第２燃料電池スタック１４と電気的に直列に接続されている。第１リレー６４が第１状態にあり、第２リレー６６が第２状態（点線の位置）にあるときには、燃料電池システム１０は、第１燃料電池スタック１２からの出力のみを外部へ供給する。第２リレー６６が第１状態にあり、第１リレー６４が第２状態（点線の位置）にあるときには、燃料電池システム１０は、第２燃料電池スタック１４からの出力のみを外部へ供給する。

【0057】

上記の構成においても、制御装置３６は、実施例１における第１の処理及び／又は第２の処理を繰り返し実行することができる。これにより、コンプレッサ２２のサージングを回避することができる。

【0058】

また、実施例３の燃料電池システム２１０について、還流経路５２を設ける位置を変更することもできる。即ち、他の実施形態として、実施例２の燃料電池システム１１０と比較して、複数の燃料電池スタック１２、１４が電気的に直列に接続されている燃料電池システムが採用されてもよい。この構成においても、制御装置３６は、実施例１における第１の処理及び／又は第２の処理を繰り返し実行することができ、コンプレッサ２２のサージングを回避することができる。

【0059】

以上、いくつかの具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書又は図面に説明した技術要素は、単独であるいは組み合わせによって技術的有用性を発揮するものである。

【符号の説明】

【0060】

１０：燃料電池システム、 １２、１４：燃料電池スタック、 １６ａ：カソード側供給口、 １６ｂ：カソード側排出口、 １８：電力制御ユニット、 ２０：酸化ガス供給ユニット、 ２２：コンプレッサ、 ２４：酸化ガス供給経路、 ２６：入口弁、 ２８：オフガス排出経路、 ３０：出口弁、 ３２：分流経路、 ３４：分流弁、 ３６：制御装置、 ３８：冷却ユニット、 ４０：ラジエータ、 ４２：循環経路、 ４４：ポンプ、 ４６、４８、６０：温度センサ、 ５０：インタークーラ、 ５２：還流経路、 ５４：還流弁、 ５６、５８：圧力センサ、 ６２：流量センサ、 ６４：第１リレー、 ６６：第２リレー

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】