特許 7517354 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-08

(45)【発行日】2024-07-17

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04746 20160101AFI20240709BHJP

   H01M 8/249 20160101ALI20240709BHJP

   H01M 8/04313 20160101ALI20240709BHJP

   H01M 8/0438 20160101ALI20240709BHJP

   H01M 8/0432 20160101ALI20240709BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04746

H01M8/249

H01M8/04313

H01M8/0438

H01M8/0432

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2022014433

(22)【出願日】2022-02-01

(65)【公開番号】P2023112559

(43)【公開日】2023-08-14

【審査請求日】2023-12-19

(73)【特許権者】

【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】浅沼 大作

【審査官】大内 俊彦

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－８７５８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１９８１６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平６－６０８９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－１２３１４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－２９４４０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／００８７２８３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１８－１２９１３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０２３－５４９９４０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／００－ ８／２４９５

Ｂ６０Ｌ ５０／００－５８／４０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池システムであって、
気体が流れる共通流路と、
前記共通流路から分岐する第１流路及び第２流路と、
前記第１流路に接続された第１燃料電池と、
前記第１流路に設けられており、前記気体を前記第１流路から前記第１燃料電池へ送出する第１コンプレッサと、
前記第２流路に接続された第２燃料電池と、
前記第２流路に設けられており、前記気体を前記第２流路から前記第２燃料電池へ送出する第２コンプレッサと、
前記第１コンプレッサと前記第２コンプレッサを制御する制御装置、
を有し、
前記制御装置が、前記第１燃料電池に対する発電要求量が前記第２燃料電池に対する発電要求量よりも高いときに、前記第１コンプレッサを動作させるとともに、前記第２コンプレッサを前記第１コンプレッサの回転数よりも低いとともに下限回転数よりも高い回転数で動作させる不均衡動作を実行し、
前記制御装置が、前記不均衡動作において、前記第１流路の気体流量が高いほど前記下限回転数を高くする、
燃料電池システム。

【請求項2】

大気圧を検出する大気圧センサをさらに有し、
前記共通流路の上流端が大気に開放されており、
前記気体が空気であり、
前記制御装置が、前記不均衡動作において、前記大気圧センサで検出される大気圧に応じて前記下限回転数を変更する、
請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

前記制御装置が、前記不均衡動作において、前記大気圧センサで検出される大気圧が低いほど前記下限回転数を高くする、
請求項２に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

前記燃料電池システム内で前記気体の温度を検出する温度センサをさらに有し、
前記制御装置が、前記不均衡動作において、前記温度センサで検出される温度に応じて前記下限回転数を変更する、
請求項１～３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

【請求項5】

前記制御装置が、前記不均衡動作において、前記温度センサで検出される温度が高いほど前記下限回転数を高くする、
請求項４に記載の燃料電池システム。

【請求項6】

前記下限回転数が前記第２流路内で前記気体の逆流が生じない回転数である、請求項１～５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】

本明細書に開示の技術は、燃料電池システムに関する。

【0002】

特許文献１に開示の燃料電池システムは、２つの燃料電池と、２つのコンプレッサと、気体供給路を有している。気体供給路には複数の弁が設けられている。複数の弁によって、気体供給路内で気体が流れる流路を変更することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０２０－０５７４６０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１の燃料電池システムでは、気体供給路に設けられた複数の弁によって気体が流れる流路を変更する。気体供給路に弁を設けると、気体供給路で生じる圧損が大きくなる。本明細書では、弁を用いずに気体が流れる流路を適切に変更する技術を提案する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本明細書が開示する燃料電池システムは、気体が流れる共通流路と、前記共通流路から分岐する第１流路及び第２流路と、前記第１流路に接続された第１燃料電池と、前記第１流路に設けられているとともに前記気体を前記第１流路から前記第１燃料電池へ送出する第１コンプレッサと、前記第２流路に接続された第２燃料電池と、前記第２流路に設けられているとともに前記気体を前記第２流路から前記第２燃料電池へ送出する第２コンプレッサと、前記第１コンプレッサと前記第２コンプレッサを制御する制御装置、を有する。前記制御装置が、前記第１燃料電池に対する発電要求量が前記第２燃料電池に対する発電要求量よりも高いときに、前記第１コンプレッサを動作させるとともに、前記第２コンプレッサを前記第１コンプレッサの回転数よりも低いとともに下限回転数よりも高い回転数で動作させる不均衡動作を実行する。前記制御装置が、前記不均衡動作において、前記第１流路の気体流量が高いほど前記下限回転数を高くする。

【0006】

この燃料電池システムでは、第１コンプレッサを動作させることによって第１流路に気体を流して第１燃料電池で発電を行うことができる。また、第２コンプレッサを動作させることによって第２流路に気体を流して第２燃料電池で発電を行うことができる。また、第１コンプレッサと第２コンプレッサを動作させることで、第１燃料電池と第２燃料電池で発電を行うことができる。このように、この燃料電池システムによれば、動作させるコンプレッサを変更することによって気体が流れる流路を変更することができる。また、制御装置は、第１燃料電池に対する発電要求量が第２燃料電池に対する発電要求量よりも高いときに、第１コンプレッサを動作させるとともに、第２コンプレッサを第１コンプレッサの回転数よりも低い回転数で動作させる不均衡動作を実行する。不均衡動作においては、第１燃料電池に対する発電要求量に応じて第１コンプレッサの回転数（すなわち、第１流路の気体流量）が変化する。不均衡動作において第１流路の気体流量が高くなると、第２流路の上流部の圧力が低くなり、第２流路で気体の逆流が生じるおそれがある。したがって、制御装置は、不均衡動作において、第１流路の気体流量が高いほど第２コンプレッサの下限回転数を高くする。これによって、不均衡動作において第１流路の気体流量が上昇した場合でも、第２流路における気体の逆流を防止することができる。このように、この燃料電池システムによれば、弁を用いずに気体の流路を変更可能であるとともに、不均衡動作において第２流路における気体の逆流を適切に防止できる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】実施形態の燃料電池システムのブロック図。

【図2】燃料電池システムのコンプレッサよりも上流側の部分の斜視図。

【図3】逆流防止制御を実施しない場合の分岐流路３４ｂの空気流量のシミュレーション結果を示すグラフ。

【図4】コンプレッサ４６ｂに対する逆流防止制御を示すブロック線図。

【図5】空気流量、大気圧、及び、空気温度に基づいて下限回転数を算出するマップを示す図。

【図6】逆流防止制御を実施する場合の分岐流路３４ｂの空気流量のシミュレーション結果を示すグラフ。

【図7】コンプレッサ４６ａに対する逆流防止制御を示すブロック線図。

【発明を実施するための形態】

【0008】

本明細書が開示する一例の燃料電池システムは、大気圧を検出する大気圧センサをさらに有していてもよい。前記共通流路の上流端が大気に開放されていてもよい。前記気体が空気であってもよい。前記制御装置が、前記不均衡動作において、前記大気圧センサで検出される大気圧に応じて前記下限回転数を変更してもよい。

【0009】

共通流路の上流端が大気に開放されている場合には、不均衡動作時における第２流路の上流部の圧力が大気圧の影響を受ける。したがって、第２流路での気体の逆流を防止できる第２コンプレッサの回転数は、大気圧によって変化する。この燃料電池システムによれば、大気圧センサで検出される大気圧に応じて第２コンプレッサの下限回転数を変更するので、第２流路における気体の逆流をより好適に防止できる。

【0010】

本明細書が開示する一例の燃料電池システムでは、前記制御装置が、前記不均衡動作において、前記大気圧センサで検出される大気圧が低いほど前記下限回転数を高くしてもよい。

【0011】

この構成によれば、大気圧センサで検出される大気圧に応じて下限回転数を適切に変更できる。

【0012】

本明細書が開示する一例の燃料電池システムは、前記燃料電池システム内で前記気体の温度を検出する温度センサをさらに有していてもよい。前記制御装置が、前記不均衡動作において、前記温度センサで検出される温度に応じて前記下限回転数を変更してもよい。

【0013】

気体の密度が気体の温度によって変化するので、不均衡動作時における第２流路の上流部の圧力は、気体の温度の影響を受ける。したがって、第２流路での気体の逆流を防止できる第２コンプレッサの回転数は、気体の温度によって変化する。この燃料電池システムによれば、温度センサで検出される気体の温度に応じて第２コンプレッサの下限回転数を変更するので、第２流路における気体の逆流をより好適に防止できる。

【0014】

本明細書が開示する一例の燃料電池システムでは、前記制御装置が、前記不均衡動作において、前記温度センサで検出される温度が高いほど前記下限回転数を高くしてもよい。

【0015】

この構成によれば、温度センサで検出される温度に応じて下限回転数を適切に変更できる。

【0016】

本明細書が開示する一例の燃料電池システムでは、前記下限回転数が前記第２流路内で前記気体の逆流が生じない回転数であってもよい。

【0017】

図１に示す実施形態の燃料電池システム１０は、車両に搭載されている。燃料電池システム１０は、２つの燃料電池２０ａ、２０ｂを有しており、燃料電池２０ａ、２０ｂのそれぞれで発電を行う。燃料電池２０ａ、２０ｂで生成された電力は、車両の走行用モータに供給される。燃料電池システム１０は、燃料電池２０ａ、２０ｂのそれぞれに空気を供給する空気供給装置３０を有している。また、図示していないが、燃料電池システム１０は、燃料電池２０ａ、２０ｂのそれぞれに水素を供給する水素供給装置を有している。燃料電池２０ａ、２０ｂは、供給された空気と水素を反応させて発電を行う。

【0018】

図１、２に示すように、空気供給装置３０は、共通流路３２、分岐流路３４ａ、及び、分岐流路３４ｂを有している。共通流路３２の上流端には、空気吸入口３３が設けられている。共通流路３２は、空気吸入口３３で大気に開放されている。分岐流路３４ａ、３４ｂは、共通流路３２から分岐した流路である。共通流路３２の下流端に、分岐流路３４ａ、３４ｂの上流端が接続されている。分岐流路３４ａの下流端に燃料電池２０ａが接続されている。燃料電池２０ａには、排出流路３６ａが接続されている。共通流路３２から分岐流路３４ａに流入した空気は、燃料電池２０ａに供給される。燃料電池２０ａを通過した空気は、排出流路３６ａを介して燃料電池システム１０の外部に排出される。分岐流路３４ｂの下流端に燃料電池２０ｂが接続されている。燃料電池２０ｂには、排出流路３６ｂが接続されている。共通流路３２から分岐流路３４ｂに流入した空気は、燃料電池２０ｂに供給される。燃料電池２０ｂを通過した空気は、排出流路３６ｂを介して燃料電池システム１０の外部に排出される。

【0019】

共通流路３２には、エアクリーナー４０が設けられている。エアクリーナー４０は、共通流路３２内を流れる空気中から異物を除去する。

【0020】

分岐流路３４ａには、流量センサ４２ａ、温度センサ４４ａ、及び、コンプレッサ４６ａが設けられている。流量センサ４２ａは、分岐流路３４ａ内を流れる空気の流量Ｆａを検出する。温度センサ４４ａは、分岐流路３４ａ内を流れる空気の温度Ｔａを検出する。コンプレッサ４６ａは、流量センサ４２ａと温度センサ４４ａの下流側の分岐流路３４ａに設置されている。コンプレッサ４６ａは、分岐流路３４ａ内の空気を加圧しながら下流側へ送出する。コンプレッサ４６ａが動作すると、空気吸入口３３から共通流路３２内に空気が流入し、共通流路３２内に流入した空気が分岐流路３４ａと燃料電池２０ａを経て排出流路３６ａへ流れる。

【0021】

分岐流路３４ｂには、流量センサ４２ｂ、温度センサ４４ｂ、及び、コンプレッサ４６ｂが設けられている。流量センサ４２ｂは、分岐流路３４ｂ内を流れる空気の流量Ｆｂを検出する。温度センサ４４ｂは、分岐流路３４ｂ内を流れる空気の温度Ｔｂを検出する。コンプレッサ４６ｂは、流量センサ４２ｂと温度センサ４４ｂの下流側の分岐流路３４ｂに設置されている。コンプレッサ４６ｂは、分岐流路３４ｂ内の空気を加圧しながら下流側へ送出する。コンプレッサ４６ｂが動作すると、空気吸入口３３から共通流路３２内に空気が流入し、共通流路３２内に流入した空気が分岐流路３４ｂと燃料電池２０ｂを経て排出流路３６ｂへ流れる。

【0022】

燃料電池システム１０は、大気圧センサ５２を有している。大気圧センサ５２は、車両外部の大気圧Ｐを検出する。

【0023】

燃料電池システム１０は、制御装置５０を有している。制御装置５０は、流量センサ４２ａ、４２ｂ、温度センサ４４ａ、４４ｂ、コンプレッサ４６ａ、４６ｂ、及び、大気圧センサ５２に電気的に接続されている。制御装置５０は、コンプレッサ４６ａ、４６ｂを制御する。

【0024】

制御装置５０には、図示しない演算回路から燃料電池２０ａに対する発電要求量と燃料電池２０ｂに対する発電要求量が入力される。制御装置５０は、燃料電池２０ａに対する発電要求量が高いほどコンプレッサ４６ａの回転数を高くし、燃料電池２０ｂに対する発電要求量が高いほどコンプレッサ４６ｂの回転数を高くする。コンプレッサ４６ａの回転数がコンプレッサ４６ｂの回転数よりも高ければ、分岐流路３４ａに分岐流路３４ｂよりも高い流量で空気が流れる。コンプレッサ４６ｂの回転数がコンプレッサ４６ａの回転数よりも高ければ、分岐流路３４ｂに分岐流路３４ａよりも高い流量で空気が流れる。コンプレッサ４６ａの回転数とコンプレッサ４６ｂの回転数が等しければ、分岐流路３４ａと分岐流路３４ｂにほぼ均等に空気が流れる。このように、制御装置５０がコンプレッサ４６ａ、４６ｂの回転数を制御することで、空気が流れる流路を変更することができる。

【0025】

後に詳述するが、制御装置５０は、コンプレッサ４６ａ、４６ｂに対して、燃料電池システム１０の内部での空気の逆流を防止する逆流防止制御を実行する。言い換えると、逆流防止制御を行わないと、燃料電池システム１０の内部での空気の逆流が生じる場合がある。以下に、逆流防止制御を行わない場合に生じる空気の逆流について説明する。燃料電池２０ａに対する発電要求が高く、燃料電池２０ｂに対する発電要求が低い場合、制御装置５０は、コンプレッサ４６ａを高い回転数で動作させ、コンプレッサ４６ｂを低い回転数で動作させる。この場合、コンプレッサ４６ａを高い回転数で動作させるので、共通流路３２から分岐流路３４ａに流れる空気流量が高くなる。このように空気が流れると、分岐流路３４ｂの上流端近傍で分岐流路３４ｂ内の気圧が低下する。上述したように、コンプレッサ４６ａの回転数は燃料電池２０ａに対する発電要求に応じて変化する。燃料電池２０ａに対する発電要求の上昇によってコンプレッサ４６ａの回転数が上昇した場合には、分岐流路３４ａの空気流量が上昇し、分岐流路３４ｂの上流端近傍で非常に低い気圧が発生する。コンプレッサ４６ｂの回転数が低い状態で分岐流路３４ｂの上流端近傍で非常に低い気圧が発生すると、分岐流路３４ｂ内の空気が逆流する。

【0026】

例えば、図３は、逆流防止制御を実行しない場合の分岐流路３４ｂの空気流量をシミュレーションした結果を示している。図３の期間Ａ１では、車両のアクセル開度が低下し、車速が低下している。このため、図示していないが、期間Ａ１において、燃料電池２０ｂに対する発電要求量が低下する。なお、図示していないが、期間Ａ１において、燃料電池２０ａに対する発電要求量は高い値に維持されており、分岐流路３４ａにおける空気流量は高い値に維持されている。期間Ａ１では、燃料電池２０ｂに対する発電要求量が低下するので、制御装置５０はコンプレッサ４６ｂの回転数を低下させる。例えば、期間Ａ１の初期では、制御装置５０は、コンプレッサ４６ｂの回転数を７４８ｒｐｍｍまで低下させている。その結果、期間Ａ１の初期において、分岐流路３４ｂ内の空気流量がマイナスの値（すなわち、－２０２ＮＬ／ｍｉｎ）まで低下している。すなわち、分岐流路３４ｂにおいて空気の逆流が生じている。なお、図３では、期間Ａ１におけるコンプレッサ４６ｂの回転数の最低値が７４８ｒｐｍｍであるが、期間Ａ１においてコンプレッサ４６ｂの回転数がさらに低下する場合には、分岐流路３４ｂ内で空気の逆流がより生じ易くなる。例えば、期間Ａ１においてコンプレッサ４６ｂの回転数をゼロまで低下させる場合（すなわち、コンプレッサ４６ｂを停止させる場合）には、図３よりもさらに空気の逆流が生じ易い。

【0027】

分岐流路３４ｂ内の空気が逆流すると、燃料電池２０ｂが正常に動作することができない。また、分岐流路３４ｂ内の空気が逆流すると、燃料電池２０ｂや排出流路３６ｂ内に存在する異物が分岐流路３４ｂと分岐流路３４ａを介して燃料電池２０ａ内に流れ込み、不具合が生じるおそれがある。なお、燃料電池２０ｂに対する発電要求量が高く、燃料電池２０ａに対する発電要求量が低い場合（すなわち、コンプレッサ４６ｂを高い回転数で動作させ、コンプレッサ４６ａを低い回転数で動作させる場合）には、分岐流路３４ａ内で空気の逆流が生じる。

【0028】

次に、空気の逆流を防止する逆流防止制御について説明する。図４は、制御装置５０がコンプレッサ４６ｂを制御する処理を示すブロック線図である。燃料電池システム１０の動作中に、制御装置５０は図４の処理を繰り返し実行する。制御装置５０は、制御ブロックＢｂ１において、燃料電池２０ｂに対する発電要求量等に基づいてコンプレッサ４６ｂの目標回転数Ｒｂｔを算出する。ここでは、制御装置５０は、燃料電池２０ｂに対する発電要求量が高いほど、高い目標回転数Ｒｂｔを算出する。また、制御装置５０は、制御ブロックＢｂ２において、コンプレッサ４６ｂの下限回転数Ｒｂｍｉｎを算出する。制御ブロックＢｂ２については、後に詳述する。また、制御装置５０は、コンプレッサ４６ｂの上限回転数Ｒｂｍａｘを取得する。上限回転数Ｒｂｍａｘは、制御装置５０が固定値として記憶していてもよいし、燃料電池システム１０の状態に応じて制御装置５０が算出してもよい。制御ブロックＢｂ３では、制御装置５０は、指令回転数Ｒｂｉを算出する。制御装置５０は、目標回転数Ｒｂｔが上限回転数Ｒｂｍａｘよりも低く下限回転数Ｒｂｍｉｎよりも高い値であるときは、目標回転数Ｒｂｔを指令回転数Ｒｂｉとして算出する。また、制御装置５０は、目標回転数Ｒｂｔが上限回転数Ｒｂｍａｘ以上の値であるときは、上限回転数Ｒｂｍａｘを指令回転数Ｒｂｉとして算出する。また、制御装置５０は、目標回転数Ｒｂｔが下限回転数Ｒｂｍｉｎ以下の値であるときは、下限回転数Ｒｂｍｉｎを指令回転数Ｒｂｉとして算出する。制御装置５０は、コンプレッサ４６ｂの回転数が指令回転数Ｒｂｉと一致するように、コンプレッサ４６ｂを制御する。このように、制御装置５０は、燃料電池２０ｂに対する発電要求量が低い場合であっても、コンプレッサ４６ｂを下限回転数Ｒｂｍｉｎ以上の回転数で動作させる。

【0029】

燃料電池２０ａに対する発電要求量が燃料電池２０ｂに対する発電要求量よりも高い場合には、制御装置５０は、コンプレッサ４６ｂをコンプレッサ４６ａの回転数よりも低い回転数で動作させる不均衡動作を実行する。不均衡動作中においても、制御装置５０は、図４に従ってコンプレッサ４６ｂを下限回転数Ｒｂｍｉｎ以上の回転数で動作させる。例えば、不均衡動作中に燃料電池２０ｂに対する発電要求量がゼロになっても、制御装置５０は、コンプレッサ４６ｂを下限回転数Ｒｂｍｉｎ以上の回転数で動作させる。

【0030】

図４に示すように、制御装置５０は、空気流量Ｆａ、大気圧Ｐ、及び、空気温度Ｔに基づいてコンプレッサ４６ｂの下限回転数Ｒｂｍｉｎを算出する。なお、空気流量Ｆａは、流量センサ４２ａで検出される分岐流路３４ａの空気流量である。また、大気圧Ｐは、大気圧センサ５２で検出される車両外部の大気圧である。また、空気温度Ｔは、温度センサ４４ａで検出される空気温度Ｔａまたは温度センサ４４ｂで検出される空気温度Ｔｂである。制御装置５０は、図５に示すマップを記憶しており、このマップに基づいて下限回転数Ｒｂｍｉｎを算出する。例えば、空気流量Ｆａが２０００ＮＬ／ｍｉｎであり、空気温度Ｔが２０℃であり、大気圧Ｐが９０ｋＰａの場合には、制御装置５０は下限回転数Ｒｂｍｉｎとして９２１ｒｐｍを算出する。また、例えば、空気流量Ｆａが４０００ＮＬ／ｍｉｎであり、空気温度Ｔが５０℃であり、大気圧Ｐが８０ｋＰａの場合には、制御装置５０は下限回転数Ｒｂｍｉｎとして２１８８ｒｐｍを算出する。

【0031】

図５に示すように、制御装置５０は、空気流量Ｆａが高いほど、下限回転数Ｒｂｍｉｎを高くする。また、制御装置５０は、大気圧Ｐが低いほど、下限回転数Ｒｂｍｉｎを高くする。また、制御装置５０は、空気温度Ｔが高いほど、下限回転数Ｒｂｍｉｎを高くする。

【0032】

上述したように、コンプレッサ４６ａの回転数が高く、コンプレッサ４６ｂの回転数が低い場合、分岐流路３４ｂの上流端近傍で低い気圧が発生する。また、上述したように、分岐流路３４ｂの上流端近傍で発生する低い気圧は、分岐流路３４ａの空気流量Ｆａが高いほど低くなる。これに対し、図５に示すように、制御装置５０は、分岐流路３４ａの空気流量Ｆａが高いほど、コンプレッサ４６ｂの下限回転数Ｒｂｍｉｎを高くする。この構成によれば、分岐流路３４ａの空気流量Ｆａが高いほど（すなわち、分岐流路３４ｂの上流端近傍の気圧が低いほど）、コンプレッサ４６ｂの下限回転数Ｒｂｍｉｎが高くなり、コンプレッサ４６ｂが空気を下流側へ送り出す能力の下限値が高くなる。したがって、不均衡動作中に分岐流路３４ａの空気流量Ｆａの上昇によって分岐流路３４ｂの上流端近傍の気圧が低下しても、分岐流路３４ｂにおける空気の逆流を防止できる。

【0033】

また、上述したように、共通流路３２は空気吸入口３３で大気に開放されている。したがって、不均衡動作中における分岐流路３４ｂの上流端近傍の気圧は、大気圧の影響を受ける。すなわち、大気圧が低いほど分岐流路３４ｂの上流端近傍の気圧が低くなり易い。したがって、コンプレッサ４６ａの回転数が高く、コンプレッサ４６ｂの回転数が低い場合、大気圧が低いほど分岐流路３４ｂの上流端近傍の気圧が低くなり易い。これに対し、図５に示すように、制御装置５０は、大気圧Ｐが低いほど、コンプレッサ４６ｂの下限回転数Ｒｂｍｉｎを高くする。この構成によれば、大気圧Ｐが低いほど（すなわち、分岐流路３４ｂの上流端近傍の気圧が低いほど）、コンプレッサ４６ｂの下限回転数Ｒｂｍｉｎが高くなり、コンプレッサ４６ｂが空気を下流側へ送り出す能力の下限値が高くなる。したがって、大気圧Ｐが低いときに不均衡動作が実行されても、分岐流路３４ｂにおける空気の逆流を防止できる。

【0034】

また、空気の密度が空気の温度によって変化するので、不均衡動作中における分岐流路３４ｂの上流端近傍の気圧は、燃料電池システム１０内の空気温度Ｔの影響を受ける。シミュレーションにより、空気温度Ｔが高いほど分岐流路３４ｂの上流端近傍の気圧が低くなり易いことが判明した。これに対し、図５に示すように、制御装置５０は、空気温度Ｔが高いほど、コンプレッサ４６ｂの下限回転数Ｒｂｍｉｎを高くする。この構成によれば、空気温度Ｔが高いほど（すなわち、分岐流路３４ｂの上流端近傍の気圧が低いほど）、コンプレッサ４６ｂの下限回転数Ｒｂｍｉｎが高くなり、コンプレッサ４６ｂが空気を下流側へ送り出す能力の下限値が高くなる。したがって、空気温度Ｔが高いときに不均衡動作が実行されても、分岐流路３４ｂにおける空気の逆流を防止できる。

【0035】

図６は、図３と同じ条件において逆流防止制御を実行した場合の分岐流路３４ｂの空気流量の変化を示している。図６では、期間Ａ１におけるコンプレッサ４６ｂの回転数の最低値が、１１９１ｒｐｍであり、図３における最低値（すなわち、７４８ｒｐｍ）よりも高い。その結果、図６では、期間Ａ１における分岐流路３４ｂ内の空気流量の最低値が、４９．１ＮＬ／ｍｉｎであり、正の値である。すなわち、期間Ａ１において、分岐流路３４ｂで空気の逆流が生じていない。このように、逆流防止制御によれば、分岐流路３４ｂでの空気の逆流を防止できる。

【0036】

また、図７は、制御装置５０がコンプレッサ４６ａを制御する処理を示すブロック線図である。コンプレッサ４６ａは、コンプレッサ４６ｂと略同様に制御される。すなわち、制御装置５０は、制御ブロックＢａ１において、燃料電池２０ａに対する発電要求量等に基づいてコンプレッサ４６ａの目標回転数Ｒａｔを算出する。ここでは、制御装置５０は、燃料電池２０ａに対する発電要求量が高いほど、高い目標回転数Ｒａｔを算出する。また、制御装置５０は、制御ブロックＢａ２において、コンプレッサ４６ａの下限回転数Ｒａｍｉｎを算出する。制御装置５０は、空気流量Ｆｂ、大気圧Ｐ、及び、空気温度Ｔに基づいてコンプレッサ４６ａの下限回転数Ｒａｍｉｎを算出する。なお、空気流量Ｆｂは、流量センサ４２ｂで検出される分岐流路３４ｂの空気流量である。制御装置５０は、図５と同様のマップに従って下限回転数Ｒａｍｉｎを算出する。ここでは、制御装置５０は、空気流量Ｆｂが高いほど下限回転数Ｒａｍｉｎを高くし、大気圧Ｐが低いほど下限回転数Ｒａｍｉｎを高くし、空気温度Ｔが高いほど下限回転数Ｒａｍｉｎを高くする。また、図７に示すように、制御装置５０は、コンプレッサ４６ａの上限回転数Ｒａｍａｘを取得する。上限回転数Ｒａｍａｘは、制御装置５０が固定値として記憶していてもよいし、燃料電池システム１０の状態に応じて制御装置５０が算出してもよい。制御ブロックＢａ３では、制御装置５０は、指令回転数Ｒａｉを算出する。制御装置５０は、目標回転数Ｒａｔが上限回転数Ｒａｍａｘよりも低く下限回転数Ｒａｍｉｎよりも高い値であるときは、目標回転数Ｒａｔを指令回転数Ｒａｉとして算出する。また、制御装置５０は、目標回転数Ｒａｔが上限回転数Ｒａｍａｘ以上の値であるときは、上限回転数Ｒａｍａｘを指令回転数Ｒａｉとして算出する。また、制御装置５０は、目標回転数Ｒａｔが下限回転数Ｒａｍｉｎ以下の値であるときは、下限回転数Ｒａｍｉｎを指令回転数Ｒａｉとして算出する。制御装置５０は、コンプレッサ４６ａの回転数が指令回転数Ｒａｉと一致するように、コンプレッサ４６ａを制御する。このように制御装置５０がコンプレッサ４６ａを制御するので、分岐流路３４ｂの空気流量が分岐流路３４ａの空気流量よりも高くなる不均衡動作が実行されたときに、分岐流路３４ａにおける空気の逆流を防止できる。

【0037】

以上に説明したように、実施形態の燃料電池システム１０によれば、２つのコンプレッサ４６ａ、４６ｂを制御することで、空気の逆流を防止しながら空気の流路を変更できる。すなわち、弁を用いることなく、空気の逆流を防止しながら空気が流れる流路を変更できる。この構成によれば、共通流路３２及び分岐流路３４ａ、３４ｂに設けられる弁の数を減らすことができるので、空気の流路で生じる圧損を減少させることができる。このため、この燃料電池システム１０は、高効率で発電することができる。

【0038】

なお、上記の実施形態では、２つの分岐流路３４ａ、３４ｂを有する燃料電池システム１０について説明した。しかしながら、３つ以上の分岐流路を有する燃料電池システムにおいて、本明細書に開示の技術を適用してもよい。この場合、分岐流路のそれぞれにコンプレッサを設けてもよい。すなわち、燃料電池システムが、３つ以上のコンプレッサを有していてもよい。この場合、各コンプレッサにおいて逆流防止制御を実施することができる。この場合、１つの分岐流路に設けられたコンプレッサの下限回転数を、他の分岐流路のうちの１つまたは複数の空気流量に応じて変更してもよい。

【0039】

また、上記の実施形態の燃料電池システムは、車両に搭載されていた。しかしながら、他の燃料電池システム（例えば、定置型の燃料電池システム）に本明細書に開示の技術を適用してもよい。

【0040】

また、上記の実施形態では、燃料電池に空気を供給する空気供給装置について説明した。しかしながら、他の気体を燃料電池に供給する気体供給装置（例えば、空気以外の酸化ガスを燃料電池に供給する酸化ガス供給装置、水素を燃料電池に供給する水素供給装置等）に本明細書に開示の技術を適用してもよい。

【0041】

以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、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さまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。

【符号の説明】

【0042】

１０ ：燃料電池システム
２０ａ、２０ｂ：燃料電池
３０ ：空気供給装置
３２ ：共通流路
３３ ：空気吸入口
３４ａ、３４ｂ：分岐流路
３６ａ、３６ｂ：排出流路
４０ ：エアクリーナー
４２ａ、４２ｂ：流量センサ
４４ａ、４４ｂ：温度センサ
４６ａ、４６ｂ：コンプレッサ
５０ ：制御装置
５２ ：大気圧センサ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】