JP7035964B2

JP7035964B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP7035964B2
Application number: JP2018205528A
Authority: JP
Inventors: 晃一郎池田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-10-31
Filing date: 2018-10-31
Publication date: 2022-03-15
Anticipated expiration: 2038-10-31
Also published as: JP2020072011A

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来、カソードオフガスを駆動源とする回生器を備えた燃料電池システムが知られている。例えば、特許文献１には、回生器として機能するタービンを備えた燃料電池システムが開示されている。

特開２０１５－１７０４４０号公報

ところで、燃料電池システムは、その稼働状況によっては、少量のカソードオフガスしか得られない場合がある。少量のカソードオフガスしか得られない場合に、回生器にカソードオフガスを供給しても回生の効果を得られないことが想定される。特許文献１では、少量のカソードオフガスしか得られない状況における回生器の駆動については考慮されておらず、回生効率が低い状態で回生器を駆動せざるを得ない場合があった。

そこで、本明細書開示の燃料電池システムは、カソードオフガスのエネルギを効率よく利用し、燃料電池システムにおける回生効率を向上することを課題とする。

本明細書に開示された燃料電池システムは、複数の燃料電池スタックを備えた燃料電池システムであって、前記複数の燃料電池スタック毎に設けられ、それぞれ圧縮器が配置された複数のカソードガス供給流路と、前記複数の燃料電池スタック毎に設けられ、それぞれ前記圧縮器と共通する駆動シャフト上に設けられた回生器が配置されると共に、前記回生器へのカソードオフガスの流入を停止する封止弁が設けられた複数のカソードオフガス流路と、前記複数のカソードオフガス流路を前記回生器の上流側で接続する連通流路と、前記連通流路に設けられ、前記連通流路におけるカソードオフガスの流通状態を切り替える切替弁と、前記複数の燃料電池スタックの少なくとも一つの燃料電池スタックから排出されるカソードオフガスの流量が予め定められた閾値よりも少ない場合に、前記切替弁を開弁すると共に、前記封止弁毎に開閉状態を制御して、少なくとも一つの前記回生器を停止させ、前記停止させた回生器以外の回生器へ前記複数の燃料電池スタックから排出されたカソードオフガスを供給する制御部と、を備える。

本明細書開示の燃料電池システムによれば、カソードオフガスのエネルギを効率よく利用し、燃料電池システムにおける回生効率を向上することができる。

図１は第１実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す構成図である。図２は第１回生器と第２回生器におけるカソードオフガス流量と回生効率の関係を示すグラフである。図３は第１回生器（第２回生器）にカソードオフガスを集合させた場合の回生効率を示すグラフである。図４は第１実施形態の燃料電池システムの制御の一例を示すフローチャートである。図５はカソードオフガス流量の算出の一例を示すフローチャートである。図６は第２実施形態の燃料電池システムの制御の一例を示すフローチャートである。図７は第３実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す構成図である。図８は第３実施形態の燃料電池システムの制御の一例を示すフローチャートである。図９は第３実施形態の燃料電池システムにおいて第１回生器にカソードオフガスを集合させた場合の回生効率を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては細部が省略されて描かれている場合もある。

（第１実施形態）
Ａ．燃料電池システムの全体構成
図１を参照すると、燃料電池システム１は、第１燃料電池系統１００、第２燃料電池系統２００及び制御部としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）２を備える。

第１燃料電池系統１００は、第１燃料電池スタック１０１を備える。第１燃料電池スタック１０１は、燃料電池セルを積層して形成されている。各燃料電池セルは、膜状の電解質と、電解質の一側に形成されたアノード極と、電解質の他側に形成されたカソード極とを備えた膜電極接合体を有する。アノード極及びカソード極は一方ではＤＣ／ＤＣコンバータ及びインバータを介して、例えば、車両駆動用の電気モータに電気的に接続され、他方ではＤＣ／ＤＣコンバータを介して蓄電器に電気的に接続される。なお、図１において、膜電極接合体、ＤＣ／ＤＣコンバータ、インバータ及び蓄電池等の図示は省略されている。

第１燃料電池スタック１０１内には、アノード極にアノードガスを供給するアノードガス流路１１０と、カソード極にカソードガスを供給するカソードガス流路１２０と、第１燃料電池スタック１０１内に冷却水を供給するための冷却水流路１３０が形成されている。また、第１燃料電池スタック１０１には、第１燃料電池スタック１０１の電流値Ｉを測定する電流計１４０が接続されている。

アノードガス流路１１０の入口には、アノードガス供給流路１１１の一端が接続されている。アノードガス供給流路１１１の他端には、アノードガスである水素が貯留された水素タンク１１２が接続されている。アノードガス供給流路には、アノードガス流路１１０へ供給するアノードガス流量を調整するレギュレータ１１３が配置されている。アノードガス流路１１０の出口には、アノードガス流路１１０から排出されるアノードオフガスが流れるアノードオフガス流路１１４が接続されている。

カソードガス流路１２０の入口には、カソードガス供給流路１２１の一端が接続されている。カソードガス供給流路１２１の他端は、大気開放されており、カソードガス流路１２０に大気を取り込む。カソードガス供給流路１２１には、第１圧縮器１２２ａが配置されている。第１圧縮器１２２ａは、駆動シャフト１２２ｃを介して第１モータ１２２ｂによって駆動され、カソードガスをカソードガス流路へ圧送する。カソードガス流路１２０の出口には、カソードガス流路１２０から排出されるカソードオフガスが流れるカソードオフガス流路１２４が接続されている。カソードオフガス流路１２４には、第１回生器１２２ｄが配置されている。第１回生器１２２ｄは、タービンであり、第１圧縮器１２２ａを駆動する駆動シャフト１２２ｃ上に設けられている。これにより、第１圧縮器１２２ａは、第１モータ１２２ｂと第１回生器１２２ｄの一方又は両方によって駆動される。第１回生器１２２ｄは、第１圧縮器１２２ａの回転を補助する補助動力となる。カソードオフガス流路１２４の第１回生器１２２ｄの下流側には、第１封止弁１２５が設けられている。第１封止弁１２５を閉弁することで、第１回生器１２２ｄへのカソードオフガスの流入を止め、第１回生器１２２ｄを停止することができる。第１回生器１２２ｄには、その回転数を計測する回転数計１２３が設けられている。

冷却水流路１３０の入口には、冷却水供給流路１３１の一端が接続されている。冷却水供給流路１３１の他端は、第１冷却水チラー１３２に接続されている。冷却水流路１３０の出口には、冷却水排水流路１３３の一端が接続されている。冷却水排水流路１３３の他端は、第１冷却水チラー１３２に接続されている。冷却水は、冷却水流路１３０と第１冷却水チラー１３２との間を循環し、第１燃料電池スタック１０１を冷却する。

第２燃料電池系統２００は、第１燃料電池系統１００と同様の構成を有する。すなわち、第２燃料電池系統２００は、第２燃料電池スタック２０１、アノードガス流路２１０、アノードガス供給流路２１１、水素タンク２１２、レギュレータ２１３、アノードオフガス流路２１４を備える。また、第２燃料電池系統２００は、カソードガス流路２２０、カソードガス供給流路２２１、第２圧縮器２２２ａ、第２モータ２２２ｂ、駆動シャフト２２２ｃ、第２回生器２２２ｄ、回転数計２２３、カソードオフガス流路２２４、第２封止弁２２５を備える。さらに、第２燃料電池系統２００は、冷却水流路２３０、冷却水供給流路２３１、第２冷却水チラー２３２、冷却水排水流路２３３を備える。また、第２燃料電池スタック２０１には、第２燃料電池スタック２０１の電流値Ｉを測定する電流計２４０が接続されている。これらの構成要素は、第１燃料電池系統１００において対応する構成要素と共通するので、その詳細な説明は省略する。

このように、燃料電池システム１は、第１燃料電池系統１００と第２燃料電池系統２００を備えることで、複数の燃料電池スタック１０１，２０１、複数のカソードガス供給流路１２１，２２１、複数のカソードオフガス流路１２４，２２４を備える。燃料電池システム１は、第１燃料電池系統１００に属するカソードオフガス流路１２４と第２燃料電池系統２００に属するカソードオフガス流路２２４を接続する連通流路１０を備えている。連通流路１０は、カソードオフガス流路１２４の第１回生器１２２ｄの上流側と第２回生器２２２ｄの上流側とを接続している。連通流路１０には、連通流路１０におけるカソードオフガスの流通状態を切り替える切替弁１１が設けられている。切替弁１１が開弁されると、カソードオフガス流路１２４,２２４間でカソードオフガスの流通が可能となり、切替弁１１が閉弁されると、カソードオフガス流路１２４，２２４間でカソードオフガスの流通が遮断される。

ＥＣＵ２は、ハードウェア構成として、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を有する演算回路と、プログラムメモリやデータメモリその他のＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）等を有する記憶装置等からなるマイクロコンピュータを主に備える。ＥＣＵ４は、機能的に、出力制御部３、カソードガス消費量算出部４、カソードオフガス流量算出部５、回生器作動制御部６、第１圧縮器コントロール部７及び第２圧縮器コントロール部８を有している。

出力制御部３は、アクセル開度センサ９、レギュレータ１１３，２１３と電気的に接続されている。出力制御部３は、第１圧縮器コントロール部７を介して第１圧縮器１２２ａと電気的に接続され、また、第２圧縮器コントロール部８を介して第２圧縮器２２２ａと電気的に接続されている。出力制御部３は、アクセル開度センサ９の信号に基づいて、燃料電池スタック１０１，２０１に対する要求出力を算出する。そして、出力制御部３は、算出した要求出力に基づいて第１燃料電池スタック１０１及び第２燃料電池スタック２０１に必要なアノードガス供給量が得られるようにレギュレータ１１３，２１３に制御信号を出力する。出力制御部３は、また、第１圧縮器コントロール部７と第２圧縮器コントロール部８に対し、要求出力に基づき第１燃料電池スタック１０１及び第２燃料電池スタック２０１に必要なカソードガス供給量Ｆｉｎ１，２が得られるように制御信号を出力する。第１圧縮器コントロール部７は、第１燃料電池スタック１０１に必要なカソードガス供給量Ｆｉｎ１が得られるように第１モータ１２２ｂの回転数を制御する。同様に、第２圧縮器コントロール部８は、第２燃料電池スタック２０１に必要なカソードガス供給量Ｆｉｎ２が得られるように第２モータ２２２ｂの回転数を制御する。

カソードガス消費量算出部４は、第１燃料電池スタック１０１におけるカソードガス消費量Ｆｃｏｎ１と、第２燃料電池スタック２０１におけるカソードガス消費量Ｆｃｏｎ２を算出する。カソードガス消費量Ｆｃｏｎ１は第１燃料電池スタック１０１における実際の電流値Ｉを用い、例えば、下記の式１によって算出される。
式１Ｆｃｏｎ１＝（ｎ×Ｉ×２２．４×６０）／（４×９６５００×０．２１）
ここで、定数「ｎ」は、第１燃料電池スタック１０１が有する燃料電池セルの枚数、定数「２２．４」は、エア量（モル）を体積（リットル）に換算するための係数、定数「６０」は、分を秒に換算するための係数、定数「９６５００」はファラデー定数、定数「０．２１」は空気中の酸素含有率である。電流値Ｉは、電流計１４０によって測定された値が用いられる。カソードガス消費量Ｆｃｏｎ２も同様に算出することができる。

カソードオフガス流量算出部５は、第１燃料電池スタック１０１から排出されるカソードオフガス流量Ｆｏｆｆ１と、第２燃料電池スタック２０１から排出されるカソードオフガス流量Ｆｏｆｆ２を算出する。カソードオフガス流量Ｆｏｆｆ１は、第１燃料電池スタック１０１に供給されたカソードガス供給量Ｆｉｎ１から第１燃料電池スタック１０１におけるカソードガス消費量Ｆｃｏｎ１を差し引くことで算出される。カソードオフガス流量Ｆｏｆｆ２は、第２燃料電池スタック２０１に供給されたカソードガス供給量Ｆｉｎ２から第２燃料電池スタック２０１におけるカソードガス消費量Ｆｃｏｎ２を差し引くことで算出される。

回生器作動制御部６は、回転数計１２３，２２３、第１封止弁１２５、第２封止弁２２５及び切替弁１１と電気的に接続されている。回生器作動制御部６は、カソードオフガス流量算出部５によって算出されたカソードオフガス流量Ｆｏｆｆ１，Ｆｏｆｆ２に基づいて、第１回生器１２２ｄと第２回生器２２２ｄのいずれか一方を作動させるのか、両方を作動させるのかを判断する。そして、その判断結果に基づいて、第１封止弁１２５、第２封止弁２２５及び切替弁１１をどのような状態とするのかを決定する。回転数計１２３，２２３の計測結果は、作動させる回生器を選定する際に考慮される。これらの制御の詳しい内容については、後に説明する。

ここで、図２及び図３を参照して、第１回生器１２２ｄ及び第２回生器２２２ｄの特性について説明する。図２を参照すると、第１回生器１２２ｄは、カソードオフガス流量Ｆｏｆｆ１が増えるほど、回生効率が高くなる。すなわち、カソードオフガス流量Ｆｏｆｆ１が増えるほど、第１圧縮器１２２ａの補助動力としての効率が向上する。しかしながら、例えば、図２におけるＦｏｆｆ１ａのように、カソードオフガス流量Ｆｏｆｆ１が閾値Ｆｅｖｅｎよりも少ない場合、第１回生器１２２ｄの回生効率は、０％よりも低くなる。このため、第１回生器１２２ｄは、例えば、図２におけるＦｏｆｆ１ｂのように、カソードオフガス流量Ｆｏｆｆ１が閾値Ｆｅｖｅｎよりも多くなる領域で作動させることが望ましい。閾値Ｆｅｖｅｎは、第１回生器１２２ｄの回生効率がプラスとなる領域とマイナスとなる領域との分岐点となるカソードオフガス流量Ｆｏｆｆ１の値である。閾値Ｆｅｖｅｎは、回生器の仕様に基づいて定まる値である。

なお、第２回生器２２２ｄは、第１回生器１２２ｄと同一物であり、同一の特性を有している。このため、例えば、図２におけるＦｏｆｆ２ａのように、カソードオフガス流量Ｆｏｆｆ２が閾値Ｆｅｖｅｎよりも少ない場合、第２回生器２２２ｄの回生効率は、０％よりも低くなる。このため、第２回生器２２２ｄは、例えば、図２におけるＦｏｆｆ２ｂのように、カソードオフガス流量Ｆｏｆｆ２が閾値Ｆｅｖｅｎよりも多くなる領域で作動させることが望ましい。

そこで、本実施形態の燃料電池システム１は、図３に示すように、カソードオフガス流量Ｆｏｆｆ１とカソードオフガス流量Ｆｏｆｆ２を合流させ、いずれか一方の回生器を駆動し、他方の回生器を停止させる。例えば、燃料電池システム１は、カソードオフガス流量Ｆｏｆｆ１とカソードオフガス流量Ｆｏｆｆ２を合流させて第１回生器１２２ｄへ供給することで、第１回生器１２２ｄを駆動し、第２回生器２２２ｄを停止させる。これにより、第１回生器１２２ｄをカソードオフガス流量が閾値Ｆｅｖｅｎよりも多い領域で作動させることができ、回生効率を向上させることができる。なお、作動させる回生器は、第２回生器２２２ｄであってもよい。燃料電池システム１は、回生器の回生効率を高めるためにいずれの回生器を選択してもよいが、回生器のメンテナンス時期や交換時期を考慮して作動させる回生器を選定することが望ましい。作動させる回生器の選定については、後に説明する。

Ｂ．回生器作動制御
つぎに、図４及び図５を参照して、燃料電池システム１において行われる回生器作動制御の一例について説明する。回生器作動制御は、回生器作動制御部６によって行われる。図４を参照すると、回生器作動制御部６は、ステップＳ１において、第１燃料電池スタック１０１から排出されたカソードオフガス流量Ｆｏｆｆ１を取得する。カソードオフガス流量Ｆｏｆｆ１は、図５に示すフローチャートに基づいて算出される。ステップＳ２１では、カソードガス供給量Ｆｉｎ１が算出される。カソードガス供給量Ｆｉｎ１は、出力制御部３が算出した要求出力に基づいて算出される。ステップＳ２２では、カソードオフガス流量算出部５によってカソードガス消費量Ｆｃｏｎ１が算出される。カソードガス消費量Ｆｃｏｎ１は、例えば、上述の式１によって算出される。ステップＳ２３では、カソードオフガス流量算出部５によってカソードオフガス流量Ｆｏｆｆ１が算出される。カソードオフガス流量Ｆｏｆｆ１は、カソードガス供給量Ｆｉｎ１からカソードガス消費量Ｆｃｏｎ１を差し引くことで算出される。回生器作動制御部６は、算出されたカソードオフガス流量Ｆｏｆｆ１を取得する。

再び図４に戻って、ステップＳ２では、回生器作動制御部６は、ステップＳ１で取得したカソードオフガス流量Ｆｏｆｆ１が予め定められた閾値Ｆｅｖｅｎよりも少ないか否かを判断する。ステップＳ２でＮＯと判断したときは、ステップＳ３へ進む。

回生器作動制御部６は、ステップＳ３において、第２燃料電池スタック２０１から排出されたカソードオフガス流量Ｆｏｆｆ２を取得する。カソードオフガス流量Ｆｏｆｆ２は、ステップＳ１におけるカソードオフガス流量Ｆｏｆｆ１と同様に取得される。ステップＳ３に引き続いて行われるステップＳ４では、回生器作動制御部６は、ステップＳ３で取得したカソードオフガス流量Ｆｏｆｆ２が予め定められた閾値Ｆｅｖｅｎよりも少ないか否かを判断する。

回生器作動制御部６は、ステップＳ４でＹＥＳと判断したときは、ステップＳ５を実行する。なお、回生器作動制御部６は、ステップＳ２でＹＥＳと判定した場合にもステップＳ５を実行する。すなわち、第１燃料電池スタック１０１のカソードオフガス流量Ｆｏｆｆ１と第２燃料電池スタック２０１のカソードオフガス流量Ｆｏｆｆ２の少なくともいずれか一方が閾値Ｆｅｖｅｎよりも少ない場合には、ステップＳ５を実行する。

ステップＳ５では、回生器作動制御部６は、カソードオフガス流量Ｆｏｆｆ１とカソードオフガス流量Ｆｏｆｆ２とを合算した値が閾値Ｆｅｖｅｎ以上であるか否かを判断する。ステップＳ５でＹＥＳと判断したときは、ステップＳ６へ進む。ステップＳ６では、回生器作動制御部６は、切替弁１１を開弁する。これにより、連通流路１０を通じて第１燃料電池系統１００のカソードオフガス流路１２４と第２燃料電池系統２００のカソードオフガス流路２２４とが連通状態とされる。

ステップＳ６に引き続いて行われるステップＳ７では、回生器作動制御部６は、第１回生器１２２ｄの総回転数であるＮｔｕｒｂ１が、第２回生器２２２ｄの総回転数であるＮｔｕｒｂ２よりも多いか否かを判断する。ここで総回転数とは、第１回生器１２２ｄや第２回生器２２２ｄが新品の状態やオーバーホールされた状態からの積算された回転数である。積算された回転数は、回転数計１２３，２２３によって計測されている。ステップＳ７でＮｔｕｒｂ１とＮｔｕｒｂ２を比較しているのは、作動させる回生器を選定するためである。その際、使用頻度が低い回生器を選定し、使用頻度が低い回生器を優先的に稼働させることで第１回生器１２２ｄと第２回生器２２２ｄの使用頻度を近づけることができる。第１回生器１２２ｄと第２回生器２２２ｄの使用頻度を近づけ、平準化することで、第１回生器１２２ｄと第２回生器２２２ｄのメンテナンス時期や交換時期を一致させることができる。

回生器作動制御部６は、ステップＳ７でＹＥＳと判断したときは、ステップＳ８へ進み、第１封止弁１２５を閉弁する。ステップＳ７でＹＥＳと判断したときは、第１回生器１２２ｄの使用頻度が高い場合であるので、第１回生器１２２ｄを停止させるために第１封止弁１２５を閉弁する。これにより、第１燃料電池スタック１０１から排出されたカソードオフガス流量が連通流路１０を通じて第２回生器２２２ｄへ流れ込む。この結果、第２回生器２２２ｄは、図３で示すように閾値Ｆｅｖｅｎよりも多いＦｏｆｆ１＋Ｆｏｆｆ２で駆動され、回生効率が向上する。また、この際、使用頻度が高い第１回生器１２２ｄを停止させた状態で第２回生器２２２ｄを作動させるため、両者の使用頻度を平準化することができる。

回生器作動制御部６は、ステップＳ８に引き続いて行われるステップＳ９において、それまでのＮｔｕｒｂ２の値に今回の回生器作動制御によって駆動された第２回生器２２２ｄの回転数を加算し、加算された値を新たなＮｔｕｒｂ２として記録を更新する。ステップＳ９の後、一連の処理は、リターンとなり、ステップＳ１からの処理を繰り返す。

一方、回生器作動制御部６は、ステップＳ７でＮＯと判断したときは、ステップＳ１０へ進み、第２封止弁２２５を閉弁する。ステップＳ７でＮＯと判断したときは、第２回生器２２２ｄの使用頻度が高い場合であるので、第２回生器２２２ｄを停止させるために第２封止弁２２５を閉弁する。これにより、第２燃料電池スタック２０１から排出されたカソードオフガス流量が連通流路１０を通じて第１回生器１２２ｄへ流れ込む。この結果、第１回生器１２２ｄは、図３で示すように閾値Ｆｅｖｅｎよりも多いＦｏｆｆ１＋Ｆｏｆｆ２で駆動され、回生効率が向上する。また、第２回生器２２２ｄを停止させた状態で第１回生器１２２ｄを作動させるため、両者の使用頻度を平準化することができる。

回生器作動制御部６は、ステップＳ１０に引き続いて行われるステップＳ１１において、それまでのＮｔｕｒｂ１の値に今回の回生器作動制御によって駆動された第１回生器１２２ｄの回転数を加算し、加算された値を新たなＮｔｕｒｂ１として記録を更新する。ステップＳ１１の後、一連の処理は、リターンとなり、ステップＳ１からの処理を繰り返す。

つぎに、回生器作動制御部６がステップＳ４でＮＯと判断し、ステップＳ１２へ進んだ場合について説明する。ステップＳ４でＮＯと判断された場合は、カソードオフガス流量Ｆｏｆｆ１とカソードオフガス流量Ｆｏｆｆ２のいずれもが閾値Ｆｅｖｅｎよりも多い場合である。この場合、第１回生器１２２ｄはＦｏｆｆ１のみによる駆動であっても、回生効率が０％よりも高い側で作動することができ、同様に、第２回生器２２２ｄはＦｏｆｆ２のみによる駆動であっても、回生効率が０％よりも高い側で作動することができる。このため、回生器作動制御部６は、ステップＳ１２において、切替弁１１を閉弁し、第１封止弁１２５と第２封止弁２２５をそれぞれ開弁する。これにより、第１回生器１２２ｄと第２回生器２２２ｄがそれぞれ作動する。

回生器作動制御部６は、ステップＳ１２に引き続いて行われるステップＳ１３において、それまでのＮｔｕｒｂ１の値に今回の回生器作動制御によって駆動された第１回生器１２２ｄの回転数を加算し、加算された値を新たなＮｔｕｒｂ１として記録を更新する。また、回生器作動制御部６は、それまでのＮｔｕｒｂ２の値に今回の回生器作動制御によって駆動された第２回生器２２２ｄの回転数を加算し、加算された値を新たなＮｔｕｒｂ２として記録を更新する。ステップＳ１３の後、一連の処理は、リターンとなり、ステップＳ１からの処理を繰り返す。

このように、本実施形態の燃料電池システム１は、第１燃料電池スタック１０１から排出されたカソードオフガス流量と第２燃料電池スタック２０１から排出されたカソードオフガス流量を合算して用いることができる。この結果、カソードオフガスのエネルギを効率よく利用し、燃料電池システム１における回生効率を向上することができる。

なお、本実施形態では、回生器作動制御部６は、ステップＳ５でＮＯと判断した場合、すなわち、Ｆｏｆｆ１とＦｏｆｆ２を合算してもＦｅｖｅｎをよりも少ない場合にもステップＳ１２及びステップＳ１３を行う。ステップＳ５を経由してステップＳ１２を行う場合、第１回生器１２２ｄと第２回生器２２２ｄは、いずれも閾値Ｆｅｖｅｎよりも少ないカソードオフガス流量で駆動される。このように、ステップＳ５でＮＯと判断される場合には、第１回生器１２２ｄと第２回生器２２２ｄの双方が依然として少ないカソードオフガス流量で駆動された状態となっている。このような状態を改善する態様については、以下の第２実施形態において説明する。

（第２実施形態）
つぎに、図６を参照しつつ、第２実施形態について説明する。第２実施形態は、第１実施形態の燃料電池システム１とハード構成は共通しており、回生器作動制御の一部が異なっている。

図６に示したフローチャートを図４に示したフローチャートと比較すると、図６に示したフローチャートでは、ステップＳ５が削除され、制御が簡略化されている。ステップＳ５の削除により、第２実施形態では、ステップＳ２又はステップＳ４でＹＥＳと判断された場合には、Ｆｏｆｆ１＋Ｆｏｆｆ２が閾値Ｆｅｖｅｎよりも多いか少ないかに拘わらず、ステップＳ６～ステップＳ１１が行われる。

このため、第１実施形態のステップＳ５において、回生器作動制御部６がＮＯと判断したときのように、Ｆｏｆｆ１＋Ｆｏｆｆ２が閾値Ｆｅｖｅｎよりも少ない場合も想定されるが、この場合であっても、選定された一つの回生器を駆動するカソードオフガス流量は増える。この結果、選定された一つの回生器をより回生効率が高い領域で作動させることができるようになる。

（第３実施形態）
つぎに、図７から図９を参照して、第３実施形態の燃料電池システム５１について説明する。第３実施形態の燃料電池システム５１は、第１実施形態の燃料電池システム１の構成に加えて、第３燃料電池系統３００を備えている。第３燃料電池系統３００は、第１燃料電池系統１００や第２燃料電池系統２００と同様の構成を有する。すなわち、第３燃料電池系統３００は、第３燃料電池スタック３０１、アノードガス流路３１０、アノードガス供給流路３１１、水素タンク３１２、レギュレータ３１３、アノードオフガス流路３１４を備える。また、第３燃料電池系統３００は、カソードガス流路３２０、カソードガス供給流路３２１、第３圧縮器３２２ａ、第３モータ３２２ｂ、駆動シャフト３２２ｃ、第３回生器３２２ｄ、回転数計３２３、カソードオフガス流路３２４、第３封止弁３２５を備える。さらに、第３燃料電池系統３００は、冷却水流路３３０、冷却水供給流路３３１、第３冷却水チラー３３２、冷却水排水流路３３３を備える。また、第３燃料電池スタック３０１には、第３燃料電池スタック３０１の電流値Ｉを測定する電流計３４０が接続されている。また、これに伴って、ＥＣＵ２内に第３圧縮器コントロール部５２が設けられている。これらの構成要素は、第１燃料電池系統１００、第２燃料電池系統２００において対応する構成要素と共通するので、その詳細な説明は省略する。

燃料電池システム５１は、燃料電池システム１と同様に連通流路１０を備える。但し、燃料電池システム５１の連通流路１０は、第１燃料電池系統１００のカソードオフガス流路１２４、第２燃料電池系統２００のカソードオフガス流路２２４、第３燃料電池系統３００のカソードオフガス流路３２４を接続している。連通流路１０には、カソードオフガス流路１２４とカソードオフガス流路２２４との間に切替弁１１が設けられ、カソードオフガス流路２２４とカソードオフガス流路３２４との間に切替弁５３が設けられている。切替弁５３は、切替弁１１と同様に回生器作動制御部６に電気的に接続されている。

図８を参照すると、ステップＳ１からステップＳ４は、第１実施形態と共通するので詳細な説明は省略する。回生器作動制御部６は、ステップＳ４でＮＯと判断したとき、ステップＳ３１へ進む。

回生器作動制御部６は、ステップＳ３１において、第３燃料電池スタック３０１から排出されたカソードオフガス流量Ｆｏｆｆ３を取得する。カソードオフガス流量Ｆｏｆｆ３は、ステップＳ１におけるカソードオフガス流量Ｆｏｆｆ１と同様に取得される。ステップＳ３１に引き続いて行われるステップＳ３２では、回生器作動制御部６は、ステップＳ３１で取得したカソードオフガス流量Ｆｏｆｆ３が予め定められた閾値Ｆｅｖｅｎよりも少ないか否かを判断する。

回生器作動制御部６は、ステップＳ３２でＹＥＳと判断したときは、ステップＳ３３を実行する。なお、回生器作動制御部６は、ステップＳ２やステップＳ４でＹＥＳと判定した場合にもステップＳ３３を実行する。すなわち、カソードオフガス流量Ｆｏｆｆ１、カソードオフガス流量Ｆｏｆｆ２及びカソードオフガス流量Ｆｏｆｆ３の少なくともいずれか一つが閾値Ｆｅｖｅｎよりも少ない場合には、ステップＳ３３を実行する。

ステップＳ３３では、回生器作動制御部６は、Ｆｏｆｆ１、Ｆｏｆｆ２、Ｆｏｆｆ３を合算した値が閾値Ｆｅｖｅｎ以上であるか否かを判断する。ステップＳ３３でＹＥＳと判断したときは、ステップＳ３４へ進む。ステップＳ３４では、回生器作動制御部６は、切替弁１１及び切替弁５３を開弁する。これにより、連通流路１０を通じて第１燃料電池系統１００のカソードオフガス流路１２４と、第２燃料電池系統２００のカソードオフガス流路２２４と、第３燃料電池系統３００のカソードオフガス流路３２４が連通状態とされる。

回生器作動制御部６は、ステップＳ３４に引き続いて行われるステップＳ３５を行う。ステップＳ３５では、回生器作動制御部６は、第１回生器１２２ｄの総回転数であるＮｔｕｒｂ１、第２回生器２２２ｄの総回転数であるＮｔｕｒｂ２、第３回生器３２２ｄの総回転数であるＮｔｕｒｂ３の大小関係を判定する。これにより、総回転数が最も少ない回生器を選定する。なお、Ｎｔｕｒｂ３は、Ｎｔｕｒｂ１やＮｔｕｒｂ２と同様に、第３回生器３２２ｄの総回転数であり、第３回生器３２２ｄが新品の状態やオーバーホールされた状態からの積算された回転数である。積算される回転数は、回転数計３２３によって計測されている。このように使用頻度が低い圧縮器を選定し、使用頻度が低い圧縮器を優先的に稼働させることで３つの圧縮器の使用頻度を近づけることができる。

燃料電池システム５１は、回生器の回生効率を高めるためにいずれの回生器を選択してもよい。しかしながら、好ましくは、このように３つの圧縮器の使用頻度を近づけ、平準化することで、第１圧縮器１２２ａ、第２圧縮器２２２ａ及び第３圧縮器３２２ａのメンテナンス時期や交換時期を一致させることが望ましい。

回生器作動制御部６は、ステップＳ３５に引き続いて行うステップＳ３６において、選定された回生器が属する系統以外の系統に属する封止弁を閉弁する。例えば、ステップＳ３５で第１回生器１２２ｄが選定された場合、第１封止弁１２５は開弁され、第２燃料電池系統２００に属する第２封止弁２２５と第３燃料電池系統３００に属する第３封止弁３２５が閉弁される。選定された回生器に第１燃料電池スタック１０１、第２燃料電池スタック２０１及び第３燃料電池スタック３０１から排出されたカソードオフガス流量が流れ込む。この結果、選定された回生器は、図９で示すように閾値Ｆｅｖｅｎよりも多いＦｏｆｆ１＋Ｆｏｆｆ２＋Ｆｏｆｆ３で駆動され、回生効率が向上する。

回生器作動制御部６は、ステップＳ３６に引き続いて行われるステップＳ３７において、選択された回生器のそれまでのＮｔｕｒｂの値に今回の回生器作動制御によって駆動された回生器の回転数を加算し、加算された値を新たなＮｔｕｒｂとして記録を更新する。ステップＳ３７の後、一連の処理は、リターンとなり、ステップＳ１からの処理を繰り返す。

つぎに、回生器作動制御部６がステップＳ３２でＮＯと判断し、ステップＳ３８へ進んだ場合について説明する。ステップＳ３２でＮＯと判断された場合は、カソードオフガス流量Ｆｏｆｆ１、カソードオフガス流量Ｆｏｆｆ２及びカソードオフガス流量Ｆｏｆｆ３のいずれもが閾値Ｆｅｖｅｎよりも多い場合である。この場合、第１回生器１２２ｄはＦｏｆｆ１のみによる駆動であっても、回生効率が０％よりも高い側で作動することができ、同様に、第２回生器２２２ｄはＦｏｆｆ２のみによる駆動であっても、回生効率が０％よりも高い側で作動することができる。また、第３回生器３２２ｄはＦｏｆｆ３のみによる駆動であっても、回生効率が０％よりも高い側で作動することができる。このため、回生器作動制御部６は、ステップＳ３８において、切替弁１１，５３を閉弁し、第１封止弁１２５、第２封止弁２２５及び第３封止弁３２５をそれぞれ開弁する。これにより、第１回生器１２２ｄ、第２回生器２２２ｄ及び第３回生器３２２ｄがそれぞれ作動する。

回生器作動制御部６は、ステップＳ３８に引き続いて行われるステップＳ３９において、それまでのＮｔｕｒｂ１の値に今回の回生器作動制御によって駆動された第１回生器１２２ｄの回転数を加算し、加算された値を新たなＮｔｕｒｂ１として記録を更新する。また、回生器作動制御部６は、それまでのＮｔｕｒｂ２の値に今回の回生器作動制御によって駆動された第２回生器２２２ｄの回転数を加算し、加算された値を新たなＮｔｕｒｂ２として記録を更新する。さらに、回生器作動制御部６は、それまでのＮｔｕｒｂ３の値に今回の回生器作動制御によって駆動された第３回生器３２２ｄの回転数を加算し、加算された値を新たなＮｔｕｒｂ３として記録を更新する。ステップＳ３９の後、一連の処理は、リターンとなり、ステップＳ１からの処理を繰り返す。

なお、３つの燃料電池系統を備えた場合であっても、第２実施形態のように、ステップＳ３３を削除し、制御を簡略化してもよい。

第３実施形態であっても、第１実施形態や第２実施形態と同様に、カソードオフガスのエネルギを効率よく利用し、燃料電池システム１における回生効率を向上することができる。

なお、このように、３つの燃料電池系統を備えた場合であっても、実施形態１や実施形態２と同様の制御を行うことができる。燃料電池系統の数は、これらに限定されず、４つ以上であってもよい。

上記実施形態は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。

１、５１燃料電池システム
２ＥＣＵ
３出力制御部
１０連通流路
１１切替弁
１０１第１燃料電池スタック
１２２ａ第１圧縮器
１２２ｄ第１回生器
１２４カソードオフガス流路
１２５第１封止弁
２００第２燃料電池系統
２０１第２燃料電池スタック
２２２ａ第２圧縮器
２２２ｄ第２回生器
２２４カソードオフガス流路
２２５第２封止弁
３００第３燃料電池系統
３０１第３燃料電池スタック
３２２ａ第３圧縮器
３２２ｄ第３回生器
３２４カソードオフガス流路
３２５第３封止弁

Claims

複数の燃料電池スタックを備えた燃料電池システムであって、
前記複数の燃料電池スタック毎に設けられ、それぞれ圧縮器が配置された複数のカソードガス供給流路と、
前記複数の燃料電池スタック毎に設けられ、それぞれ前記圧縮器と共通する駆動シャフト上に設けられた回生器が配置されると共に、前記回生器へのカソードオフガスの流入を停止する封止弁が設けられた複数のカソードオフガス流路と、
前記複数のカソードオフガス流路を前記回生器の上流側で接続する連通流路と、
前記連通流路に設けられ、前記連通流路におけるカソードオフガスの流通状態を切り替える切替弁と、
前記複数の燃料電池スタックの少なくとも一つの燃料電池スタックから排出されるカソードオフガスの流量が予め定められた閾値よりも少ない場合に、前記切替弁を開弁すると共に、前記封止弁毎に開閉状態を制御して、少なくとも一つの前記回生器を停止させ、前記停止させた回生器以外の回生器へ前記複数の燃料電池スタックから排出されたカソードオフガスを供給する制御部と、
を備えた燃料電池システム。