JP2017126540A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
従来から反応ガスである燃料ガスと、反応ガスである酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を有する燃料電池システムがある。 2. Description of the Related Art Conventionally, there is a fuel cell system having a fuel cell that generates power by an electrochemical reaction between a fuel gas that is a reaction gas and an oxidizing gas that is a reaction gas.
この燃料電池システムは、燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路と、燃料電池に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給流路とを備える。この酸化ガス供給流路には、酸化ガス（空気）を圧縮して、該圧縮した空気を燃料電池に供給するエアコンプレッサが配設されている（下記特許文献１）。 The fuel cell system includes a fuel gas supply channel for supplying fuel gas to the fuel cell and an oxidizing gas supply channel for supplying oxidizing gas to the fuel cell. An air compressor that compresses oxidizing gas (air) and supplies the compressed air to the fuel cell is disposed in the oxidizing gas supply channel (Patent Document 1 below).
上記エアコンプレッサでは、ケース（筐体）内を通るシャフト（軸）に取り付けられたインペラが回転すると、吸入された空気が圧縮されて燃料電池に供給されるようになっている。 In the air compressor, when an impeller attached to a shaft (shaft) passing through a case (housing) rotates, the sucked air is compressed and supplied to the fuel cell.
ところで、エアコンプレッサ内でオイルが用いられる場合、燃料電池車両停止時に、傾斜による重力や毛細管現象により、エアコンプレッサの筐体と羽根の軸との間にオイルが侵入するおそれがある。その状態でエアコンプレッサを始動させると、羽根側にオイルが侵入し、酸化ガス供給流路を通って燃料電池にオイルが侵入して出力低下につながる可能性がある。 By the way, when oil is used in the air compressor, when the fuel cell vehicle is stopped, there is a possibility that the oil may enter between the casing of the air compressor and the shaft of the blade due to gravity due to inclination or a capillary phenomenon. If the air compressor is started in this state, oil may enter the blade side, and oil may enter the fuel cell through the oxidizing gas supply flow path, leading to a decrease in output.
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池始動時にオイルが燃料電池に流入することを抑えることができる燃料電池システムを提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a fuel cell system capable of suppressing oil from flowing into the fuel cell when the fuel cell is started.
上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池システムにおいて、燃料電池と、前記燃料電池に酸化ガスを供給するエアコンプレッサと、前記エアコンプレッサから供給される酸化ガスを、前記燃料電池を通さずに排出するバイパス流路と、前記バイパス流路への酸化ガスの供給量を調整するバイパス流路調整弁と、前記エアコンプレッサの筐体から突出する羽根の回転数及び前記バイパス流路調整弁の開度を調整可能な制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池の始動時に、前記エアコンプレッサの羽根部での圧力が、前記筐体と前記羽根の軸との間にあるオイルを前記筐体内に押し出すことができる所定圧力以上となるように、前記羽根の回転数及び前記バイパス流路調整弁の少なくとも一方を制御し、所定圧力以上の状態を一定時間以上保持することを特徴とする。 In order to solve the above problems, a fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell, an air compressor that supplies an oxidizing gas to the fuel cell, and an oxidizing gas that is supplied from the air compressor. A bypass passage for discharging without passing through a fuel cell; a bypass passage adjustment valve for adjusting the amount of oxidizing gas supplied to the bypass passage; and the number of rotations of blades protruding from the casing of the air compressor and the bypass A control unit capable of adjusting an opening degree of the flow path adjustment valve, wherein the control unit is configured such that when the fuel cell is started, the pressure at the blade portion of the air compressor is the housing and the shaft of the blade. And controlling at least one of the number of rotations of the blades and the bypass flow path adjustment valve so that the oil pressure is higher than a predetermined pressure at which oil can be pushed into the housing. Characterized by holding the above state constant pressure time or more.
かかる構成によれば、制御部は、燃料電池の始動時に、エアコンプレッサの羽根部での圧力を、筐体と羽根の軸との間にあるオイルを筐体内に押し出すことができる所定圧力以上となるように、羽根の回転数及びバイパス流路調整弁の少なくとも一方を制御し、所定圧力以上の状態を一定時間以上保持する。これにより、羽根側にオイルが進入することを抑制できるので、燃料電池の通常運転時に羽根側にオイルが進入し、酸化ガス供給流路を通って燃料電池に流入することを抑えることができる。 According to such a configuration, when the fuel cell is started, the control unit causes the pressure at the blade portion of the air compressor to be equal to or higher than a predetermined pressure at which oil between the housing and the blade shaft can be pushed into the housing. Thus, at least one of the rotation speed of the blades and the bypass flow path adjustment valve is controlled, and a state of a predetermined pressure or higher is maintained for a predetermined time or longer. Thereby, since oil can be prevented from entering the blade side, it is possible to suppress oil from entering the blade side during normal operation of the fuel cell and flowing into the fuel cell through the oxidizing gas supply channel.
本発明によれば、燃料電池始動時にエアコンプレッサ内で用いられるオイルが燃料電池に流入することを抑制することができる燃料電池システムを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell system which can suppress that the oil used in an air compressor at the time of fuel cell starting flows into a fuel cell can be provided.
以下添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. It should be noted that the following description of the preferred embodiment is merely an example, and is not intended to limit the present invention, its application, or its use.
図１は、本発明の実施形態としての燃料電池システムの概略構成を示す図である。本実施形態における燃料電池システムは、燃料電池を駆動動力源とする燃料電池車両に搭載される。 FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system as an embodiment of the present invention. The fuel cell system according to this embodiment is mounted on a fuel cell vehicle that uses a fuel cell as a driving power source.
図１に示すように、燃料電池システムＦＳは、燃料電池ＦＣと、燃料ガス供給系ＦＳＳと、酸化ガス供給系ＡＳＳとを備える。燃料ガス供給系ＦＳＳは、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池ＦＣに供給するための系である。酸化ガス供給系ＡＳＳは、酸化ガスとしての空気を燃料電池ＦＣに供給するための系である。 As shown in FIG. 1, the fuel cell system FS includes a fuel cell FC, a fuel gas supply system FSS, and an oxidizing gas supply system ASS. The fuel gas supply system FSS is a system for supplying hydrogen gas as fuel gas to the fuel cell FC. The oxidizing gas supply system ASS is a system for supplying air as an oxidizing gas to the fuel cell FC.
燃料電池ＦＣは、多数のセル（アノード、カソード、及び電解質を備える単一の電池（発電体））を直列に積層してなる固体高分子電解質形のセルスタックとして構成されている。この燃料電池ＦＣの通常運転時には、アノードにおいて式（１）で表される酸化反応が生じ、且つ、カソードにおいて式（２）で表される還元反応が生じる。その結果、燃料電池ＦＣ全体として、式（３）で表される起電反応が生じる。
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- …（１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ …（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ …（３）
The fuel cell FC is configured as a solid polymer electrolyte type cell stack in which a large number of cells (a single battery (power generator) including an anode, a cathode, and an electrolyte) are stacked in series. During normal operation of the fuel cell FC, an oxidation reaction represented by the formula (1) occurs at the anode, and a reduction reaction represented by the formula (2) occurs at the cathode. As a result, the electromotive reaction represented by the formula (3) occurs in the entire fuel cell FC.
H 2 → 2H + + 2e − (1)
(1/2) O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O (2)
H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O (3)
燃料ガス供給系ＦＳＳは、高圧水素タンクＦＴと、主止弁ＥＶａと、リリーフ弁ＤＶと、インジェクタＩＮＪと、圧力センサＰａ、Ｐｂ、Ｐｆとを備える。 The fuel gas supply system FSS includes a high-pressure hydrogen tank FT, a main stop valve EVa, a relief valve DV, an injector INJ, and pressure sensors Pa, Pb, and Pf.
高圧水素タンクＦＴは、高圧（例えば３５ＭＰａ〜７０ＭＰａ）の水素ガスを貯蔵するものである。この高圧水素タンクＦＴには、水素ガスを充填するための充填口から延びるガス配管が取り付けられており、当該ガス配管には、高圧水素タンクＦＴ側から順に、主止弁ＥＶａ、圧力センサＰｆ、リリーフ弁ＤＶ、圧力センサＰｂ、インジェクタＩＮＪ、圧力センサＰａが設けられている。 The high-pressure hydrogen tank FT stores high-pressure (for example, 35 MPa to 70 MPa) hydrogen gas. A gas pipe extending from a filling port for filling hydrogen gas is attached to the high-pressure hydrogen tank FT, and the main stop valve EVa, the pressure sensor Pf, A relief valve DV, a pressure sensor Pb, an injector INJ, and a pressure sensor Pa are provided.
主止弁ＥＶａは、高圧水素タンクＦＴから燃料電池ＦＣに向かう水素ガスの供給を遮断又は許容するための電磁弁である。 The main stop valve EVa is an electromagnetic valve for blocking or allowing the supply of hydrogen gas from the high-pressure hydrogen tank FT toward the fuel cell FC.
リリーフ弁ＤＶは、インジェクタＩＮＪの上流側に配設され、燃料ガスの燃料電池ＦＣに対する供給圧力を調整する調整弁である。インジェクタＩＮＪの上流側にリリーフ弁ＤＶを配置することにより、インジェクタＩＮＪの上流側圧力を効果的に低減させることができる。 The relief valve DV is an adjustment valve that is arranged on the upstream side of the injector INJ and adjusts the supply pressure of the fuel gas to the fuel cell FC. By disposing the relief valve DV upstream of the injector INJ, the upstream pressure of the injector INJ can be effectively reduced.
インジェクタＩＮＪは、燃料電池ＦＣへの燃料ガス供給量を制御する電磁弁である。詳細には、インジェクタＩＮＪは、弁体を電磁駆動力で所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタＩＮＪの弁体は、電磁駆動装置であるソレノイドにより駆動され、コントロールユニットＥＣＵから出力される制御信号によってインジェクタＩＮＪのガス噴射時間及びガス噴射時期が制御される。インジェクタＩＮＪの上流側（図１ではインジェクタＩＮＪの右側）及び下流側には、それぞれ圧力センサＰｂ、Ｐａが設けられている。 The injector INJ is an electromagnetic valve that controls the amount of fuel gas supplied to the fuel cell FC. Specifically, the injector INJ is an electromagnetically driven on-off valve that can adjust a gas flow rate and a gas pressure by driving a valve body with an electromagnetic driving force at a predetermined driving cycle and separating it from a valve seat. . The valve body of the injector INJ is driven by a solenoid that is an electromagnetic drive device, and the gas injection time and gas injection timing of the injector INJ are controlled by a control signal output from the control unit ECU. Pressure sensors Pb and Pa are provided on the upstream side (right side of the injector INJ in FIG. 1) and the downstream side of the injector INJ, respectively.
インジェクタＩＮＪから燃料電池ＦＣに供給された燃料ガスは、燃料電池ＦＣの内部で起電反応に供された後、オフガス（燃料オフガス）として燃料電池ＦＣから排出される。こうして燃料電池ＦＣから排出された燃料オフガスは、必要に応じて、一時貯留部Ｒに溜められる。それから、燃料オフガスの一部は、図示は省略するが、インジェクタＩＮＪから供給される燃料ガスと共に燃料電池ＦＣに再供給される。一方で、燃料オフガスの他の一部は、排気排水弁ＥＶｂの作動によって、酸化オフガスと共にマフラーＭＦを通して排出される。 The fuel gas supplied from the injector INJ to the fuel cell FC is subjected to an electromotive reaction inside the fuel cell FC and then discharged from the fuel cell FC as off-gas (fuel off-gas). The fuel off gas discharged from the fuel cell FC in this manner is stored in the temporary storage portion R as necessary. Then, although not shown, a part of the fuel off gas is resupplied to the fuel cell FC together with the fuel gas supplied from the injector INJ. On the other hand, the other part of the fuel off-gas is discharged through the muffler MF together with the oxidizing off-gas by the operation of the exhaust drain valve EVb.
続いて、酸化ガス供給系ＡＳＳについて説明する。酸化ガス供給系ＡＳＳは、酸化ガスとしての空気を燃料電池ＦＣに供給するための系である。酸化ガス供給系ＡＳＳを構成する配管としては、酸化ガス流路ＡＳ１と、酸化オフガス流路ＡＳ２と、燃料電池ＦＣをバイパスして酸化ガス流路ＡＳ１と酸化オフガス流路ＡＳ２とを繋ぐバイパス流路ＡＳ３とを備える。 Next, the oxidizing gas supply system ASS will be described. The oxidizing gas supply system ASS is a system for supplying air as an oxidizing gas to the fuel cell FC. The piping constituting the oxidizing gas supply system ASS includes an oxidizing gas channel AS1, an oxidizing off gas channel AS2, and a bypass channel that bypasses the fuel cell FC and connects the oxidizing gas channel AS1 and the oxidizing off gas channel AS2. AS3.
酸化ガス流路ＡＳ１は、燃料電池ＦＣのカソード側に接続され、燃料電池ＦＣに酸化ガスを供給する流路である。酸化ガス流路ＡＳ１には、その上流側から順に、エアクリーナＡＣＬと、エアコンプレッサＡＣＰと、調整弁Ｖａ等が配設されている。 The oxidizing gas channel AS1 is a channel that is connected to the cathode side of the fuel cell FC and supplies the oxidizing gas to the fuel cell FC. In the oxidizing gas flow path AS1, an air cleaner ACL, an air compressor ACP, an adjustment valve Va, and the like are arranged in this order from the upstream side.
エアクリーナＡＣＬは、エアコンプレッサＡＣＰによって吸入される空気から不純物を除去する。このエアクリーナＡＣＬには、温度センサＴｒ、吸引される大気圧を測定するための大気圧センサＰｒ、空気流量を測定するためのエアフローメータＳｒが設けられている。 The air cleaner ACL removes impurities from the air sucked by the air compressor ACP. This air cleaner ACL is provided with a temperature sensor Tr, an atmospheric pressure sensor Pr for measuring the sucked atmospheric pressure, and an air flow meter Sr for measuring the air flow rate.
エアコンプレッサＡＣＰは、エアクリーナＡＣＬを介して大気から空気を吸入して圧縮し、圧縮した空気を酸化ガス流路ＡＳ１内に送り出す装置である。詳細には、エアコンプレッサＡＣＰは、図３に示されるコンプレッサハウジングＨ内に収容されたインペラＷ（羽根）が回転することで空気を圧縮し、当該圧縮した空気を燃料電池ＦＣに送り出す。インペラＷは、ケースＣｈ（筐体）内を通るシャフトＡｘの先端に取り付けられ、このシャフトＡｘが電動モータＭｓの駆動によって回転することでインペラＷが回転し、圧縮した空気が送り出される。この電動モータＭｓの駆動は、コントロールユニットＥＣＵによって制御される。なお、シャフトＡｘには、当該シャフトＡｘを回転可能に受ける軸受機構Ｂが設けられ、シャフトＡｘを軸として回転するインペラＷは、ケースＣｈから突出して設けられている。 The air compressor ACP is a device that sucks air from the atmosphere through the air cleaner ACL, compresses the air, and sends the compressed air into the oxidizing gas flow path AS1. Specifically, the air compressor ACP compresses the air by rotating the impeller W (blade) accommodated in the compressor housing H shown in FIG. 3, and sends the compressed air to the fuel cell FC. The impeller W is attached to the tip end of the shaft Ax passing through the case Ch (housing), and the impeller W is rotated by rotating the shaft Ax by driving of the electric motor Ms, and compressed air is sent out. The drive of the electric motor Ms is controlled by the control unit ECU. The shaft Ax is provided with a bearing mechanism B that rotatably receives the shaft Ax, and an impeller W that rotates about the shaft Ax is provided so as to protrude from the case Ch.
ところで、エアコンプレッサＡＣＰ内でオイルを用いる場合、ケースＣｈ内のオイルがインペラＷ側に流出しないように、オイルシールＳが軸受機構Ｂの近傍に設けられている。燃料電池車両の通常運転時では、このオイルシールＳによって、インペラＷ側へのオイル漏れが抑制されている。 Incidentally, when oil is used in the air compressor ACP, an oil seal S is provided in the vicinity of the bearing mechanism B so that the oil in the case Ch does not flow out to the impeller W side. During normal operation of the fuel cell vehicle, oil leakage to the impeller W side is suppressed by the oil seal S.
しかしながら、燃料電池車両の停止時には、傾斜による重力や毛細管現象により、オイルシールＳからオイルが漏れ出て、ケースＣｈとインペラＷのシャフトＡｘとの間にオイルＯ（図３参照）が侵入するおそれがある。この状態でエアコンプレッサＡＣＰを始動させると、当該侵入したオイルＯがインペラＷ側に流入し、酸化ガス流路ＡＳ１内を通って燃料電池ＦＣにオイルＯが流入するおそれがある。燃料電池ＦＣにオイルＯが流入すると、燃料電池ＦＣの出力低下につながる可能性があるため、オイル漏れを防ぐことが望ましい。 However, when the fuel cell vehicle is stopped, the oil leaks from the oil seal S due to gravity or capillary action due to the inclination, and the oil O (see FIG. 3) may enter between the case Ch and the shaft Ax of the impeller W. There is. When the air compressor ACP is started in this state, the oil O that has entered may flow into the impeller W, and the oil O may flow into the fuel cell FC through the oxidizing gas passage AS1. If oil O flows into the fuel cell FC, it may lead to a decrease in the output of the fuel cell FC, so it is desirable to prevent oil leakage.
そこで本実施形態では、燃料電池車両の始動時に、燃料電池ＦＣへの空気供給経路を遮断した状態でエアコンプレッサＡＣＰを駆動し、所定圧力の状態を一定時間以上保持するようにして、インペラＷ側へのオイル漏れを抑制している。詳細は、図２のフローチャートを参照しながら後述する。 Therefore, in the present embodiment, when the fuel cell vehicle is started, the air compressor ACP is driven in a state where the air supply path to the fuel cell FC is shut off, and the predetermined pressure state is maintained for a certain period of time or longer. Oil leakage to the is suppressed. Details will be described later with reference to the flowchart of FIG.
図１に戻り、酸化ガス供給系ＡＳＳにおいて、エアコンプレッサＡＣＰの下流側には温度センサＴｓ、圧力センサＰｓが配設されている。圧力センサＰｓは、エアコンプレッサＡＣＰの出口圧を測定する。温度センサＴｓは、エアコンプレッサＡＣＰ付近の温度を測定する。 Returning to FIG. 1, in the oxidizing gas supply system ASS, a temperature sensor Ts and a pressure sensor Ps are disposed downstream of the air compressor ACP. The pressure sensor Ps measures the outlet pressure of the air compressor ACP. The temperature sensor Ts measures the temperature near the air compressor ACP.
調整弁Ｖａは、エアコンプレッサＡＣＰの下流側に配置された分岐部Ｄ１の下流側且つ燃料電池ＦＣの上流側に配設され、燃料電池ＦＣに供給される酸化ガスの供給量を調整する電磁バルブである。調整弁Ｖａを開くと、エアコンプレッサＡＣＰを介して圧縮された圧縮空気（酸化ガス）が、燃料電池ＦＣのカソード側に供給される。 The regulating valve Va is disposed on the downstream side of the branch part D1 disposed on the downstream side of the air compressor ACP and on the upstream side of the fuel cell FC, and adjusts the supply amount of the oxidizing gas supplied to the fuel cell FC. It is. When the regulating valve Va is opened, compressed air (oxidized gas) compressed through the air compressor ACP is supplied to the cathode side of the fuel cell FC.
バイパス流路ＡＳ３は、酸化ガス流路ＡＳ１からの酸化ガスを、燃料電池ＦＣをバイパスして酸化オフガス流路ＡＳ２に流すための流路である。具体的には、バイパス流路ＡＳ３は、調整弁Ｖａの上流側における分岐部Ｄ１において酸化ガス流路ＡＳ１から分岐し、調整弁Ｖｂの下流側における合流部Ｄ２において酸化オフガス流路ＡＳ２に合流するように設けられている。このバイパス流路ＡＳ３には、電磁バルブであるバイパス流路調整弁Ｖｃが配設され、このバイパス流路調整弁Ｖｃの開度調整によりバイパス流路ＡＳ３内を流れる酸化ガスの流量を調整することができる。バイパス流路調整弁Ｖｃを開き、調整弁Ｖａ、Ｖｃを閉じると、酸化ガス流路ＡＳ１内を流れる酸化ガスは、燃料電池ＦＣを通ることなく酸化オフガス流路ＡＳ２に流れ、排出される。 The bypass passage AS3 is a passage for allowing the oxidizing gas from the oxidizing gas passage AS1 to flow through the oxidation off-gas passage AS2 bypassing the fuel cell FC. Specifically, the bypass flow path AS3 branches from the oxidation gas flow path AS1 at the branch portion D1 on the upstream side of the adjustment valve Va, and merges with the oxidation off-gas flow path AS2 at the merge portion D2 on the downstream side of the adjustment valve Vb. It is provided as follows. The bypass passage AS3 is provided with a bypass passage adjustment valve Vc that is an electromagnetic valve, and the flow rate of the oxidizing gas flowing through the bypass passage AS3 is adjusted by adjusting the opening degree of the bypass passage adjustment valve Vc. Can do. When the bypass flow path adjustment valve Vc is opened and the adjustment valves Va and Vc are closed, the oxidizing gas flowing in the oxidizing gas flow path AS1 flows into the oxidizing off gas flow path AS2 without passing through the fuel cell FC, and is discharged.
酸化オフガス流路ＡＳ２には、調整弁Ｖｂ、マフラーＭＦが設けられている。調整弁Ｖｂは、燃料電池ＦＣの下流側且つバイパス流路ＡＳ３に合流する合流部Ｄ２の上流側に配設され、燃料電池ＦＣから排出された酸化オフガスの流量を調整する電磁バルブである。調整弁Ｖｂを開くと、燃料電池ＦＣからの酸化オフガスが酸化オフガス流路ＡＳ２内を流れ、マフラーＭＦを通して排出される。なお、調整弁Ｖａ、Ｖｂ、バイパス流路調整弁Ｖｃとしては、弁を開閉可能なものであれば、いずれの方式の弁を選択することができる。 The oxidizing off gas flow path AS2 is provided with a regulating valve Vb and a muffler MF. The regulating valve Vb is an electromagnetic valve that is disposed on the downstream side of the fuel cell FC and on the upstream side of the merging portion D2 that merges with the bypass flow path AS3, and adjusts the flow rate of the oxidizing off gas discharged from the fuel cell FC. When the regulating valve Vb is opened, the oxidizing off gas from the fuel cell FC flows through the oxidizing off gas flow path AS2, and is discharged through the muffler MF. As the regulating valves Va and Vb and the bypass flow regulating valve Vc, any type of valve can be selected as long as the valves can be opened and closed.
燃料電池システムＦＳの統合的な制御手段であるコントロールユニットＥＣＵ（制御部）は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び入出力インタフェースを備えるコンピュータシステムであり、燃料電池システムＦＳの各部を制御するものである。例えば、コントロールユニットＥＣＵは、エアコンプレッサＡＣＰのケースＣｈから突出するインペラＷの回転数及びバイパス流路調整弁Ｖｃの開度を制御することができる。詳細は後述するが、コントロールユニットＥＣＵは、燃料電池ＦＣの始動時に、エアコンプレッサＡＣＰのインペラＷ背面の圧力（エアコンプレッサＡＣＰの羽根部での圧力）が、ケースＣｈとインペラＷのシャフトＡｘとの間にあるオイルОをインペラＣｈ内に押し出すことができる所定圧力以上となるように、インペラＷの回転数及びバイパス流路調整弁Ｖｃの少なくとも一方を制御し、所定圧力以上の状態を一定時間以上保持する。 A control unit ECU (control unit) that is an integrated control unit of the fuel cell system FS is a computer system including a CPU, a ROM, a RAM, and an input / output interface, and controls each unit of the fuel cell system FS. . For example, the control unit ECU can control the rotation speed of the impeller W protruding from the case Ch of the air compressor ACP and the opening degree of the bypass flow path adjustment valve Vc. Although details will be described later, when the fuel cell FC is started, the control unit ECU determines that the pressure on the back surface of the impeller W of the air compressor ACP (pressure on the blade portion of the air compressor ACP) is between the case Ch and the shaft Ax of the impeller W. At least one of the rotation speed of the impeller W and the bypass flow regulating valve Vc is controlled so that the oil О in between is at or above a predetermined pressure at which the oil O can be pushed into the impeller Ch. Hold.
続いて、本実施形態における燃料電池システムの制御フローについて説明する。図２は、燃料電池システム１の酸化ガス供給系ＡＳＳの制御方法を示すフローチャートである。図２に示すステップＳ１１０〜Ｓ１６０の工程は、燃料電池ＦＣを搭載した燃料電池システムの始動時に行われ、ステップＳ１６０の工程が終了すると、燃料電池システムの通常制御に移行する。 Subsequently, a control flow of the fuel cell system in the present embodiment will be described. FIG. 2 is a flowchart showing a method for controlling the oxidizing gas supply system ASS of the fuel cell system 1. Steps S110 to S160 shown in FIG. 2 are performed at the start of the fuel cell system equipped with the fuel cell FC, and when the step S160 is completed, the routine proceeds to normal control of the fuel cell system.
（ステップＳ１１０）
まず、燃料電池始動後、調整弁Ｖａ、Ｖｂを閉じ、燃料電池ＦＣへの空気の供給を遮断する。つまり、酸化ガス流路ＡＳ１内に導入された空気が、燃料電池ＦＣを通ることなくバイパス流路ＡＳ３を介して酸化オフガス流路ＡＳ２に流れるように、調整弁Ｖａ、Ｖｂを閉じる。
(Step S110)
First, after starting the fuel cell, the regulating valves Va and Vb are closed, and the supply of air to the fuel cell FC is shut off. That is, the regulating valves Va and Vb are closed so that the air introduced into the oxidizing gas passage AS1 flows into the oxidizing off-gas passage AS2 via the bypass passage AS3 without passing through the fuel cell FC.
（ステップＳ１２０）
次いで、エアコンプレッサＡＣＰを駆動し、大気から吸入した空気を圧縮して下流側に供給し、バイパス流路ＡＳ３内に空気を流す。
(Step S120)
Next, the air compressor ACP is driven, the air sucked from the atmosphere is compressed and supplied to the downstream side, and the air flows in the bypass flow path AS3.
（ステップＳ１３０）
次いで、バイパス流路調整弁Ｖｃの開度をコントロールユニットＥＣＵにより調整し、バイパス流路ＡＳ３内を流れる空気の流量を制御する。本実施形態では、バイパス流路調整弁Ｖｃの開度は、以下で説明するステップＳ１４０における圧力条件を満たすように調整される。
(Step S130)
Next, the opening degree of the bypass flow path adjustment valve Vc is adjusted by the control unit ECU, and the flow rate of the air flowing through the bypass flow path AS3 is controlled. In the present embodiment, the opening degree of the bypass flow path adjustment valve Vc is adjusted so as to satisfy the pressure condition in step S140 described below.
（ステップＳ１４０）
次いで、エアコンプレッサＡＣＰのインペラＷ背面の圧力（エアコンプレッサＡＣＰの羽根部での圧力）が、下記式（Ａ）を満たすＰｃ以上であるか否かがコントロールユニットＥＣＵにより判定される。下記式（Ａ）を満たすＰｃ以上である場合には（ステップＳ１４０（ＹＥＳ））、ステップＳ１５０に進む。下記式（Ａ）を満たすＰｃ以上でない場合には（ステップＳ１４０（ＮＯ））、ステップＳ１３０に戻り、再度バイパス流路調整弁Ｖｃの開度を調整し、エアコンプレッサＡＣＰのインペラＷ背面の圧力が下記式（Ａ）を満たすＰｃ以上となるまで繰り返す。なお、下記式（Ａ）を満たすＰｃが本発明における「所定圧力」に相当するものである。
Ａ×（Ｐｃ−Ｐケース）≧Ｆ・・・（Ａ）
上記式（Ａ）における、Ａはオイル受圧面積（シャフトＡｘとカラーＣとのクリアランス部分の面積）を示し、Ｐｃはコンプレッサ圧（エアコンプレッサＡＣＰのインペラＷ背面の圧力）を示し、ＰケースはケースＣｈの内圧を示し、Ｆはオイル粘性抵抗を示す。
(Step S140)
Next, the control unit ECU determines whether the pressure on the back surface of the impeller W of the air compressor ACP (pressure at the blade portion of the air compressor ACP) is equal to or higher than Pc that satisfies the following formula (A). When it is Pc or more that satisfies the following formula (A) (step S140 (YES)), the process proceeds to step S150. If it is not greater than or equal to Pc satisfying the following expression (A) (step S140 (NO)), the process returns to step S130, the opening degree of the bypass flow path adjustment valve Vc is adjusted again, and the pressure on the back surface of the impeller W of the air compressor ACP is It repeats until it becomes more than Pc which satisfy | fills following formula (A). Note that Pc satisfying the following formula (A) corresponds to the “predetermined pressure” in the present invention.
A × (Pc-P case) ≧ F (A)
In the above formula (A), A represents the oil pressure receiving area (the area of the clearance between the shaft Ax and the collar C), Pc represents the compressor pressure (pressure on the back surface of the impeller W of the air compressor ACP), and P case represents the case Ch indicates the internal pressure, and F indicates oil viscosity resistance.
上述したステップＳ１３０において、バイパス流路調整弁Ｖｃの開度調整をすることにより圧力（エアコンプレッサＡＣＰのインペラＷ背面の圧力）を調整する代わりに、インペラＷの回転数を制御することにより圧力を調整しても良い。また、バイパス流路調整弁Ｖｃの開度調整及びインペラＷの回転数を制御することにより圧力を調整しても良い。バイパス流路調整弁Ｖｃの開度を小さくすると、エアコンプレッサＡＣＰのインペラＷ背面の圧力は上昇し、また、インペラＷの回転数を上昇させると、エアコンプレッサＡＣＰのインペラＷ背面の圧力は上昇する。 In step S130 described above, instead of adjusting the pressure (pressure on the back surface of the impeller W of the air compressor ACP) by adjusting the opening degree of the bypass flow path adjustment valve Vc, the pressure is controlled by controlling the rotation speed of the impeller W. You may adjust it. Further, the pressure may be adjusted by adjusting the opening degree of the bypass flow path adjustment valve Vc and the rotational speed of the impeller W. When the opening degree of the bypass flow regulating valve Vc is reduced, the pressure on the back surface of the impeller W of the air compressor ACP increases, and when the rotation speed of the impeller W is increased, the pressure on the back surface of the impeller W of the air compressor ACP increases. .
なお、上記式（Ａ）のオイル粘性抵抗Ｆの値及びケース内圧Ｐケースの値は、温度によって変動するため、上記式（Ａ）の条件を満たすＰｃ（所定圧力）の値も、温度によって変動する。このように温度の変動によって上記式（Ａ）の条件を満たす所定圧力の値も異なってくるため、コントロールユニットＥＣＵは、温度センサＴｓ（図１参照）によって測定された温度を考慮した上で、上記式（Ａ）の条件を満たす所定圧力を制御することが好ましい。 Note that the value of the oil viscosity resistance F and the value of the case internal pressure P case in the above formula (A) vary depending on the temperature, so the value of Pc (predetermined pressure) that satisfies the condition of the above formula (A) also varies depending on the temperature. To do. Since the value of the predetermined pressure that satisfies the condition of the above formula (A) also varies depending on the temperature variation in this way, the control unit ECU considers the temperature measured by the temperature sensor Ts (see FIG. 1), It is preferable to control the predetermined pressure that satisfies the condition of the above formula (A).
（ステップＳ１５０、ステップＳ１６０）
次いで、式（Ａ）の条件を満たす圧力を保持し、圧力Ｐｃ以上の圧力でｔ０（一定時間）以上の時間が経過したか否かを判定する。ｔ０以上の時間が経過していなければ（ステップＳ１６０（ＮＯ））、ステップＳ１５０に戻って圧力を保持し、ｔ０以上の時間が経過するまでステップＳ１６０の工程を繰り返す。ｔ０以上の時間が経過していれば、図２に示す制御フローを終了し、燃料電池システムの通常運転の制御（ＦＣシステム通常制御）に移行する。
(Step S150, Step S160)
Next, a pressure that satisfies the condition of the formula (A) is held, and it is determined whether or not a time equal to or greater than t0 (a certain time) has elapsed with a pressure equal to or greater than the pressure Pc. If the time equal to or longer than t0 has not elapsed (step S160 (NO)), the process returns to step S150 to maintain the pressure, and the process of step S160 is repeated until the time equal to or longer than t0 has elapsed. If the time equal to or longer than t0 has elapsed, the control flow shown in FIG. 2 is terminated, and the routine proceeds to control of normal operation of the fuel cell system (FC system normal control).
なお、ステップＳ１６０におけるｔ０は、カラーＣ（図３参照）とシャフトＡｘとの隙間が最大となるときのオイルをケースＣｈ内に運ぶことができる時間を示す。この隙間は、製造公差によるバラツキがあり、この公差によるバラツキの大きさは、製品毎にコントロールユニットＥＣＵに格納されている。 Note that t0 in step S160 indicates the time during which oil can be carried into the case Ch when the gap between the collar C (see FIG. 3) and the shaft Ax is maximized. This gap has a variation due to manufacturing tolerances, and the magnitude of the variation due to this tolerance is stored in the control unit ECU for each product.
以上説明した、本実施形態の燃料電池システムＦＳでは、燃料電池ＦＣに酸化ガスを供給するエアコンプレッサＡＣＰと、エアコンプレッサＡＣＰから供給される酸化ガスを、燃料電池ＦＣを通さずに排出するバイパス流路ＡＳ３と、バイパス流路ＡＳ３への酸化ガスの供給量を調整するバイパス流路調整弁Ｖｃと、エアコンプレッサＡＣＰのケースＣｈから突出するインペラＷの回転数及びバイパス流路調整弁Ｖｃの開度を調整可能なコントロールユニットＥＣＵと、を備え、コントロールユニットＥＣＵは、燃料電池ＦＣの始動時に、エアコンプレッサＡＣＰのインペラＷ背面の圧力（エアコンプレッサＡＣＰの羽根部での圧力）が、ケースＣｈとインペラＷのシャフトＡｘとの間にあるオイルＯをケースＣｈ内に押し出すことができる所定圧力以上となるように、インペラＷの回転数及びバイパス流路調整弁Ｖｃの少なくとも一方を制御し、所定圧力以上の状態を一定時間以上保持することを特徴とする。また本実施形態における燃料電池システムＦＳでは、エアコンプレッサＡＣＰ近傍の温度を検出する温度センサＴｓを更に備え、コントロールユニットＥＣＵは、温度センサＴｓにより検出された温度に基づき上記所定圧力を制御することが好ましい。 In the fuel cell system FS of the present embodiment described above, the air compressor ACP that supplies the oxidizing gas to the fuel cell FC, and the bypass flow that discharges the oxidizing gas supplied from the air compressor ACP without passing through the fuel cell FC. The passage AS3, a bypass passage adjustment valve Vc for adjusting the amount of oxidizing gas supplied to the bypass passage AS3, the rotational speed of the impeller W protruding from the case Ch of the air compressor ACP, and the opening degree of the bypass passage adjustment valve Vc The control unit ECU adjusts the pressure on the back surface of the impeller W of the air compressor ACP (pressure at the blades of the air compressor ACP) when the fuel cell FC is started, to the case Ch and the impeller. Oil O between the shaft Ax of W can be pushed out into the case Ch. So that a constant pressure or more, and controlling at least one of the rotational speed and the bypass flow path adjusting valve Vc of the impeller W, and wherein the holding certain period of time a predetermined pressure or more states. The fuel cell system FS in the present embodiment further includes a temperature sensor Ts that detects the temperature in the vicinity of the air compressor ACP, and the control unit ECU can control the predetermined pressure based on the temperature detected by the temperature sensor Ts. preferable.
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。 The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to these specific examples. In other words, those specific examples that have been appropriately modified by those skilled in the art are also included in the scope of the present invention as long as they have the characteristics of the present invention. Each element included in each of the specific examples described above and their arrangement, material, condition, shape, size, and the like are not limited to those illustrated, and can be appropriately changed.
ＡＣＬ：エアクリーナ
ＡＣＰ：エアコンプレッサ
ＡＳ１：酸化ガス流路
ＡＳ２：酸化オフガス流路
ＡＳ３：バイパス流路
ＡＳＳ：酸化ガス供給系
Ａｘ：シャフト（軸）
Ｂ：軸受機構
Ｃｈ：ケース（筐体）
Ｄ１：分岐部
Ｄ２：合流部
ＤＶ：リリーフ弁
ＥＣＵ：コントロールユニット
ＥＶａ：主止弁
ＥＶｂ：排気排水弁
Ｆ：オイル粘性抵抗
ＦＣ：燃料電池
ＦＳ：燃料電池システム
ＦＳＳ：燃料ガス供給系
ＦＴ：高圧水素タンク
Ｈ：コンプレッサハウジング
ＩＮＪ：インジェクタ
ＭＦ：マフラー
Ｍｓ：電動モータ
Ｏ：オイル
Ｐｓ：圧力センサ
Ｐｒ：大気圧センサ
Ｓ：オイルシール
Ｔｓ：温度センサ
Ｖａ：調整弁
Ｖｂ：調整弁
Ｖｃ：バイパス流路調整弁
Ｗ：インペラ（羽根）
ACL: air cleaner ACP: air compressor AS1: oxidizing gas flow path AS2: oxidizing off gas flow path AS3: bypass flow path ASS: oxidizing gas supply system Ax: shaft (shaft)
B: Bearing mechanism Ch: Case (housing)
D1: Branch portion D2: Junction portion DV: Relief valve ECU: Control unit EVa: Main stop valve EVb: Exhaust drain valve F: Oil viscosity resistance FC: Fuel cell FS: Fuel cell system FSS: Fuel gas supply system FT: High-pressure hydrogen Tank H: Compressor housing INJ: Injector MF: Muffler Ms: Electric motor O: Oil Ps: Pressure sensor Pr: Atmospheric pressure sensor S: Oil seal Ts: Temperature sensor Va: Adjustment valve Vb: Adjustment valve Vc: Bypass flow path adjustment valve W: Impeller (blade)
Claims (2)
燃料電池と、
前記燃料電池に酸化ガスを供給するエアコンプレッサと、
前記エアコンプレッサから供給される酸化ガスを、前記燃料電池を通さずに排出するバイパス流路と、
前記バイパス流路への酸化ガスの供給量を調整するバイパス流路調整弁と、
前記エアコンプレッサの筐体から突出する羽根の回転数及び前記バイパス流路調整弁の開度を調整可能な制御部と、を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の始動時に、前記エアコンプレッサの羽根部での圧力が、前記筐体と前記羽根の軸との間にあるオイルを前記筐体内に押し出すことができる所定圧力以上となるように、前記羽根の回転数及び前記バイパス流路調整弁の少なくとも一方を制御し、前記所定圧力以上の状態を一定時間以上保持することを特徴とする燃料電池システム。 In the fuel cell system,
A fuel cell;
An air compressor for supplying an oxidizing gas to the fuel cell;
A bypass flow path for discharging the oxidizing gas supplied from the air compressor without passing through the fuel cell;
A bypass flow path adjustment valve that adjusts the supply amount of the oxidizing gas to the bypass flow path;
A control unit capable of adjusting the number of rotations of blades protruding from the casing of the air compressor and the opening of the bypass flow path adjustment valve;
The control unit is configured such that when the fuel cell is started, the pressure at the blade portion of the air compressor is equal to or higher than a predetermined pressure at which oil existing between the housing and the shaft of the blade can be pushed into the housing. As described above, the fuel cell system is characterized in that at least one of the rotational speed of the blades and the bypass flow path adjustment valve is controlled to maintain a state of the predetermined pressure or more for a predetermined time or more.
前記制御部は、前記温度センサにより検出された温度に基づき前記所定圧力を制御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。 A temperature sensor for detecting the temperature of the air compressor;
The fuel cell system according to claim 1, wherein the control unit controls the predetermined pressure based on a temperature detected by the temperature sensor.
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