JP2018113168A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】油が燃料電池スタックまで到達することを抑制する技術を提供する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池スタックと、空気流路と、エアコンプレッサと、上流弁と、下流弁と、制御部と、を備え、エアコンプレッサは、空気を上流弁から下流弁へ送り出す回転体を収容する回転体収容部と、回転体を駆動するモータを収容し、一部が油により満たされているモータ収容部と、モータ収容部から回転体収容部へ油が染み出すことを封止するメカニカルシールと、を備え、制御部は、燃料電池システムの停止時において、下流弁を閉めた後に、回転体を回転させ、回転中又は回転後に上流弁を閉めることにより、回転体収容部の中の圧力を、モータ収容部の中の圧力よりも高くする。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来より、燃料電池スタックと、燃料電池スタックに空気を送り出すエアコンプレッサと、を備える燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１）。

特開２０１５−２１６００２号公報

通常、エアコンプレッサはモータを備え、モータを収容するモータ収容部には、モータの摩擦を減らすために潤滑油が含まれている。しかし、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、エアコンプレッサ内に含まれる潤滑油が燃料電池スタックへ浸入する虞があり、この結果として、燃料電池スタックの出力が低下する虞があった。特に、エアコンプレッサ内モータの高速回転を実現させるため、エアコンプレッサ内にメカニカルシールを用いた場合において、エアコンプレッサ内の潤滑油が燃料電池スタックへ浸入する虞があった。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。こ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対して空気の供給及び排出を行う空気流路と、前記空気流路に設けられ、前記燃料電池スタックへ空気を送り出すエアコンプレッサと、前記エアコンプレッサよりも前記空気流路の上流側に設けられた上流弁と、前記エアコンプレッサよりも前記空気流路の下流側に設けられた下流弁と、少なくとも、前記エアコンプレッサ、前記上流弁及び前記下流弁を制御する制御部と、を備え、前記エアコンプレッサは、前記空気を前記上流弁から前記下流弁へ送り出す回転体を収容する回転体収容部と、前記回転体を駆動するモータを収容し、一部が油により満たされているモータ収容部と、前記モータ収容部から前記回転体収容部へ前記油が染み出すことを封止するメカニカルシールと、を備え、前記制御部は、前記燃料電池システムの停止時において、前記下流弁を閉めた後に、前記回転体を回転させ、前記回転中又は前記回転後に前記上流弁を閉めることにより、前記回転体収容部の中の圧力を、前記モータ収容部の中の圧力よりも高くする。この形態の燃料電池システムによれば、回転体収容部の中の圧力をモータ収容部の中の圧力よりも高くすることによって、モータ収容部内の油が回転体収容部内に漏れることを抑制できる。この結果として、油が燃料電池スタックへ浸入することを抑制できることにより、燃料電池システムの出力が低下することを抑制できる。

本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムの制御方法などの形態で実現することができる。

本発明の一実施形態である燃料電池システムを示す概略図である。 エアコンプレッサを示す概略断面図である。 制御部によって実行されるシステム停止処理のフローチャートである。 第２実施形態におけるシステム停止処理のフローチャートである。 第３実施形態におけるシステム停止処理のフローチャートである。 第４実施形態におけるシステム停止処理のフローチャートである。

Ａ．第１実施形態
Ａ１．燃料電池システム
図１は、本発明の一実施形態である燃料電池システム１０を示す概略図である。燃料電池システム１０は、例えば、燃料電池車に用いることが可能である。本実施形態において、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック（以下、単に「燃料電池」と呼ぶ）１００と、エアコンプレッサ３４と、空気流路６０と、燃料ガス流路８２と、を備える。

燃料電池１００は、燃料ガスである水素と酸化剤ガスである酸素との供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。水素は、図示しない水素タンクから供給され、燃料ガス流路８２を通って燃料電池１００のアノード１００ａに供給され、電気化学反応に用いられる。電気化学反応に用いられなかった水素は、オフガスとして燃料電池１００の外部へ排出される。一方、酸素は、空気流路６０を通って燃料電池１００のカソード１００ｃに供給され、電気化学反応に用いられる。電気化学反応に用いられなかった酸素は、オフガスとして燃料電池１００の外部へ放出される。

空気流路６０は、燃料電池１００に対して空気の供給及び排出を行う流路である。空気流路６０は、燃料電池１００へ空気を供給する空気供給流路６２と、燃料電池１００から空気を排出する空気排出流路６４と、空気供給流路６２と空気排出流路６４とを連通するバイパス流路６６と、を備える。

空気供給流路６２には、燃料電池１００へ空気を送り出すエアコンプレッサ３４と、圧力計４４が設けられている。圧力計４４は、後述する回転体収容部１７０の内部の圧力を測定する圧力計である。圧力計４４は、バイパス流路６６と連結する部分より上流側であって、エアコンプレッサ３４よりも下流側に設けられている。また、空気流路６０には、エアコンプレッサ３４よりも上流側に上流弁３３が設けられ、エアコンプレッサ３４よりも下流側に下流弁３５が設けられている。

本実施形態において、下流弁３５として、シャット弁３６と、調圧弁３７と、バイパス弁３８とが挙げられる。シャット弁３６は、燃料電池１００へ入る空気量を調整する弁である。シャット弁３６は、空気供給流路６２に設けられており、バイパス流路６６と連結する部分より下流側であって、燃料電池１００よりも上流側に設けられている。調圧弁３７は、燃料電池１００のカソード１００ｃ側の空気量を調整する弁である。調圧弁３７は、空気排出流路６４に設けられており、バイパス流路６６と連結する部分よりも上流側であって、燃料電池１００よりも下流側に設けられている。バイパス弁３８は、バイパス流路６６を通る空気量を調整する弁であり、バイパス流路６６に設けられている。なお、本実施形態では、下流弁３５が、３つ設けられているが、２つ以下でもよく、４つ以上でもよい。

制御ユニット２０は、ＣＰＵ２０ａと、ＲＡＭ２０ｃと、ＲＯＭ２０ｄとを備える。ＣＰＵ２０ａは、ＲＯＭ２０ｄ内に記憶されている制御用プログラム（図示せず）を実行することにより、制御部２０ｂとして機能する。制御ユニット２０は、燃料電池システム１０を構成する各機器とケーブルで接続されているため、制御部２０ｂは、燃料電池システム１０を制御することができる。本実施形態において、制御部２０ｂは、少なくとも、エアコンプレッサ３４、上流弁３３及び下流弁３５を制御する。起動スイッチ５０は、利用者が燃料電池１００の起動及び停止を行うためのスイッチである。

詳細な処理内容は後述するが、制御部２０ｂは、起動スイッチ５０がオフとされた後において、下流弁３５を閉めた後に、エアコンプレッサ３４の回転体１６０を回転させ、その後、上流弁３３を閉める機能を備える。

Ａ２．エアコンプレッサ
図２は、エアコンプレッサ３４を示す概略断面図である。エアコンプレッサ３４は、シャフト１２０と、回転体１６０と、回転体を収容する回転体収容部１７０と、回転体１６０を駆動するモータ１９０と、モータ１９０を収容するモータ収容部１５０とを備える。本実施形態において、回転体１６０としてインペラを用いるが、例えば、ギアを用いてもよい。モータ１９０は、ソレノイド１１０と、ロータ１３０と、マグネット１４０とを備える。ソレノイド１１０は、モータ収容部１５０内の温度を計測する温度計４２を備える。本実施形態では、温度計４２として、熱電対温度計を用いる。

モータ収容部１５０は、一部が油により満たされている。本実施形態において、モータ収容部１５０は、潤滑油により一部が満たされている。モータ収容部１５０内の潤滑油は、図示しないポンプによって、モータ収容部１５０内を循環している。また、エアコンプレッサ３４は、モータ収容部１５０から回転体収容部１７０へ潤滑油が染み出すことを封止するメカニカルシール１８０を備える。

メカニカルシール１８０は、固定環１８２と回転環１８４とを備える。固定環１８２は、モータ収容部１５０に固定されている。回転環１８４はシャフト１２０に固定されている。シャフト１２０が回転する際、回転環１８４は回転するが、固定環１８２は回転しない。このため、シャフト１２０が回転する際、固定環１８２と回転環１８４との間にミクロン単位の隙間を保持しながら、固定環１８２と回転環１８４とが摺り合う。これにより、シャフト１２０の高速回転を実現しつつ、モータ収容部１５０に含まれる潤滑油が固定環１８２と回転環１８４との間から回転体収容部１７０へ漏れ出すことを抑制する。

Ａ３．システム停止処理のフローチャート
図３は、制御部２０ｂによって実行されるシステム停止処理のフローチャートである。このシステム停止処理は、燃料電池システム１０の停止時に実行される。本実施形態では、利用者によって起動スイッチ５０がオフにされた場合に実行される。

利用者によって起動スイッチ５０がオフにされると、まず、制御部２０ｂは、下流弁３５を閉める（工程Ｓ１２０）。本実施形態では、下流弁３５として、バイパス弁３８及びシャット弁３６が閉まる。

次に、制御部２０ｂは、モータ収容部１５０内の圧力Ｐｘを推測する（工程Ｓ１３０）。本実施形態では、制御部２０ｂは、モータ収容部１５０内に設けられた温度計４２により、モータ収容部１５０内の温度を測定する。そして、制御部２０ｂは、この温度を用いて、モータ収容部１５０内の圧力Ｐｘを推測する。なお、モータ収容部１５０内に圧力計を備えてもよく、この圧力計によりモータ収容部１５０内の圧力Ｐｘを測定してもよい。

次に、制御部２０ｂは、エアコンプレッサ３４の回転体１６０を回転させる（工程Ｓ１４０）。本実施形態では、制御部２０ｂは、回転体１６０を２０ｋｒｐｍで５秒間回転させる。

その後、制御部２０ｂは、回転体収容部１７０内の圧力Ｐｙが、モータ収容部１５０内の圧力Ｐｘに対して、以下の式（１）が成り立つか否かを判断する（工程Ｓ１５０）。

Ｐｙ≧Ｐｘ×α （１）

ここで、モータ収容部１５０内の圧力Ｐｘは、工程Ｓ１３０にて推測した値であり、回転体収容部１７０内の圧力Ｐｙは、圧力計４４での測定値である。αは、予め定められた数である。αは、このシステム停止処理に要する制御時間を短くする観点から１．０１以上が好ましく、このシステム停止処理に要する消費電力を少なくする観点から３．００以下が好ましい。本実施形態では、αを１．３とする。

式（１）を満たさない場合（工程Ｓ１５０：Ｎｏ）、フローは工程Ｓ１４０に戻る。一方、式（１）を満たす場合（工程Ｓ１５０：Ｙｅｓ）、制御部２０ｂは、上流弁３３を閉め（工程Ｓ１６０）、回転体１６０を停止させる（工程Ｓ１７０）。以上により、システム停止処理を終了する。

本実施形態では、起動スイッチ５０がオフとされた後において、制御部２０ｂは、まず、下流弁３５を閉めた後に、回転体１６０を回転させ、この回転中に上流弁３３を閉める。これにより、本実施形態の燃料電池システム１０によれば、回転体収容部１７０内の圧力Ｐｙが、モータ収容部１５０内の圧力Ｐｘに対して大きくなる。この結果、モータ収容部１５０内の油に、モータ収容部１５０から回転体収容部１７０へ向かう力が働く。このため、油が回転体収容部１７０へ浸入することを抑制できるため、油が燃料電池１００へ浸入することによって燃料電池システム１０の出力が低下することを抑制できる。

また、本実施形態では、工程Ｓ１２０において、下流弁３５として、バイパス弁３８及びシャット弁３６が閉まる。つまり、下流弁３５として、エアコンプレッサ３４と燃料電池１００との間に設けられたシャット弁３６が閉まることにより、燃料電池１００内の圧力は、回転体収容部１７０内の圧力Ｐｙとは独立した値となる。この結果、回転体収容部１７０内の圧力が高くなることに起因して、燃料電池１００内の圧力が高くなることを抑制できる。

Ｂ．第２実施形態
図４は、第２実施形態におけるシステム停止処理のフローチャートである。第１実施形態と比較して、第２実施形態では、第１実施形態の工程Ｓ１２０の変わりに工程Ｓ１２０Ａを行う点が異なるが、それ以外は同じである。

第２実施形態では、工程Ｓ１２０Ａにおいて、制御部２０ｂは、下流弁３５として、バイパス弁３８及び調圧弁３７を閉める。第２実施形態においても、油がモータ収容部１５０から回転体収容部１７０へ浸入することを抑制できる。

Ｃ．第３実施形態
図５は、第３実施形態におけるシステム停止処理のフローチャートである。第１実施形態と比較して、第３実施形態では、第１実施形態の工程Ｓ１３０、工程Ｓ１４０、及び工程Ｓ１５０の変わりに、工程Ｓ１４０Ａを行う点が異なるが、それ以外は同じである。

第３実施形態では、制御部２０ｂは、エアコンプレッサ３４の回転体１６０を予め定められた回数だけ回転させる（工程Ｓ１４０Ａ）。本実施形態では、制御部２０ｂは、回転体１６０をＸｋｒｐｍでＹ秒間回転させる。ここで、Ｘ及びＹは、燃料電池システム１０の設計時において、上流弁３３と下流弁３５との間の空気流路６０の容積や、メカニカルシール１８０の耐熱などを基に予め設定されている。例えば、制御部２０ｂは、回転体１６０を２０ｋｒｐｍで５秒間回転させる。

第１実施形態と比較して、第３実施形態では、第１実施形態の工程Ｓ１３０、工程Ｓ１４０、及び工程Ｓ１５０の変わりに、工程Ｓ１４０Ａのみを行うことにより、油がモータ収容部１５０から回転体収容部１７０へ浸入することを容易に抑制できる。

Ｄ．第４実施形態
図６は、第４実施形態におけるシステム停止処理のフローチャートである。第１実施形態のフローチャートと比較して、第３実施形態のフローチャートでは、第１実施形態の工程Ｓ１２０の前に工程Ｓ１０５Ａを備える点が異なるが、それ以外は同じである。なお、第３実施形態の燃料電池システム１０Ａは、第１実施形態の燃料電池システム１０と比較して、上流弁３３（図１参照）よりも空気流路６０の上流側に、大気圧を測定する大気圧計３２を備える点が異なるが、それ以外は同じである。

第４実施形態では、工程Ｓ１２０（図６参照）の前に、制御部２０ｂは、第１実施形態と同じ方法で推測したモータ収容部１５０内の圧力Ｐｘが、大気圧計３２により測定した大気圧Ｐｏ以上かどうかを判断する。

モータ収容部１５０内の圧力Ｐｘが大気圧Ｐｏ以上の場合（工程Ｓ１０５：Ｙｅｓ）、フローは工程Ｓ１２０に進む。一方、モータ収容部１５０内の圧力Ｐｘが大気圧Ｐｏ以上ではない場合（工程Ｓ１０５：Ｎｏ）、制御部２０ｂは、回転体１６０を停止させることにより（工程Ｓ１７０）、システム停止処理を終了する。

上流弁３３が開いている場合、大気圧と、回転体収容部１７０内の圧力Ｐｙは同じとなる。このため、例えば、燃料電池システム１０Ａが高地に存在する場合、燃料電池システム１０Ａが低地に存在する場合と比較して、大気圧が低くなるため、相対的にモータ収容部１５０内の圧力Ｐｘが回転体収容部１７０内の圧力Ｐｙよりも高くなる。この結果、油がモータ収容部１５０から回転体収容部１７０へ浸入しやすくなる。しかし、第４実施形態では、工程Ｓ１０５において、制御部２０ｂは、モータ収容部１５０内の圧力Ｐｘが大気圧Ｐｏ以上であるかどうかを判断することにより、大気圧が低いことに起因して、油がモータ収容部１５０から回転体収容部１７０へ浸入することを抑制できる。

Ｅ．変形例
Ｅ１．変形例１：
上述の実施形態では、モータ収容部１５０の潤滑油を循環させているが、循環させてなくてもよい。また、この循環は、起動スイッチ５０がオフとされた直後に停止させてもよい。

Ｅ２．変形例２：
上述の実施形態では、燃料電池システム１０の停止時として、利用者によって起動スイッチ５０がオフにされた場合にシステム停止処理が実行されるが、燃料電池システム１０の停止時は、これに限られない。燃料電池システム１０の停止時として、例えば、燃料電池１００が間欠運転する際における燃料電池システム１０の停止時としてもよい。

Ｅ３．変形例３：
上述の実施形態では、回転体１６０の回転中に上流弁３３を閉める。しかし、これに限られず、回転体１６０の回転後に上流弁３３を閉めてもよい。

本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…燃料電池システム
１０Ａ…燃料電池システム
２０…制御ユニット
２０ａ…ＣＰＵ
２０ｂ…制御部
２０ｃ…ＲＡＭ
２０ｄ…ＲＯＭ
３２…大気圧計
３３…上流弁
３４…エアコンプレッサ
３５…下流弁
３６…シャット弁
３７…調圧弁
３８…バイパス弁
４２…温度計
４４…圧力計
５０…起動スイッチ
６０…空気流路
６２…空気供給流路
６４…空気排出流路
６６…バイパス流路
８２…燃料ガス流路
１００…燃料電池
１００ａ…アノード
１００ｃ…カソード
１１０…ソレノイド
１２０…シャフト
１３０…ロータ
１４０…マグネット
１５０…モータ収容部
１６０…回転体
１７０…回転体収容部
１８０…メカニカルシール
１８２…固定環
１８４…回転環
１９０…モータ
Ｐｘ…圧力
Ｐｙ…圧力

Claims (1)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックに対して空気の供給及び排出を行う空気流路と、
   前記空気流路に設けられ、前記燃料電池スタックへ空気を送り出すエアコンプレッサと、
   前記エアコンプレッサよりも前記空気流路の上流側に設けられた上流弁と、
   前記エアコンプレッサよりも前記空気流路の下流側に設けられた下流弁と、
   少なくとも、前記エアコンプレッサ、前記上流弁及び前記下流弁を制御する制御部と、を備え、
   前記エアコンプレッサは、
   前記空気を前記上流弁から前記下流弁へ送り出す回転体を収容する回転体収容部と、
   前記回転体を駆動するモータを収容し、一部が油により満たされているモータ収容部と、
   前記モータ収容部から前記回転体収容部へ前記油が染み出すことを封止するメカニカルシールと、を備え、
   前記制御部は、前記燃料電池システムの停止時において、前記下流弁を閉めた後に、前記回転体を回転させ、前記回転中又は前記回転後に前記上流弁を閉めることにより、前記回転体収容部の中の圧力を、前記モータ収容部の中の圧力よりも高くする、燃料電池システム。

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