JP2018113169A - 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】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へ空気を送り出すエアコンプレッサと、少なくとも、前記エアコンプレッサ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、前記回転体収容部から前記モータ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、前記燃料電池システムは、さらに、前記モータ収容部の中と外とを連通する圧抜き弁と、前記モータ収容部の中の温度を取得する温度取得部と、を備え、前記制御部は、前記モータ収容部の中の温度が予め定められた温度以上となったとき、前記圧抜き弁の開閉を行う。【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へ空気を送り出すエアコンプレッサと、少なくとも、前記エアコンプレッサ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、前記回転体収容部から前記モータ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、前記燃料電池システムは、さらに、前記モータ収容部の中と外とを連通する圧抜き弁と、前記モータ収容部の中の温度を取得する温度取得部と、を備え、前記制御部は、前記モータ収容部の中の温度が予め定められた温度以上となったとき、前記圧抜き弁の開閉を行う。この形態の燃料電池システムによれば、モータ収容部の中の温度が予め定められた温度以上となったとき、圧抜き弁の開閉を行うことにより、モータ収容部の中の温度が下がった時におけるモータ収容部の中の圧力は、回転体収容部の中の圧力よりも低くなる。このため、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、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。

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圧抜き処理のフローチャートである。

Ａ．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。

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。

燃料電池システム１０は、さらに、モータ収容部１５０の中と外とを連通する圧抜き弁４１と、モータ収容部１５０の中の温度を取得する温度取得部４２と、を備える。本実施形態において、圧抜き弁４１として電磁弁を用いる。本実施形態において、温度取得部４２として、熱電対温度計を用い、熱電対温度計のセンサ部分はソレノイド１１０に巻きつけられている。

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圧抜き処理のフローチャートである。圧抜き処理とは、モータ収容部１５０の中の温度が予め定められた温度以上となったときに、圧抜き弁４１の開閉を行う処理をいう。本実施形態では、燃料電池システム１０の利用者によって起動スイッチ５０がオンに設定された場合に、圧抜き処理が実行される。

利用者によって起動スイッチ５０がオンにされると、まず、制御部２０ｂは、予め定められた時間ｔ１が経過するまで待機する（工程Ｓ１０５）。本実施形態では、時間ｔ１を５分とする。

次に、制御部２０ｂは、温度取得部４２により取得したモータ収容部１５０内の温度Ｔｙが、予め定められた温度Ｔｘ以上であるか否かを判断する（工程Ｓ１１０）。予め定められた温度Ｔｘは、モータ収容部１５０の中の温度が下がった時におけるモータ収容部１５０の中の圧力が回転体収容部１７０の中の圧力よりも低くなる温度である。温度Ｔｘは、５０℃以上が好ましく、８０℃以上がより好ましい。本実施形態では、温度Ｔｘを８０℃とする。

モータ収容部１５０内の温度Ｔｙが、予め定められた温度Ｔｘ未満である場合（工程Ｓ１１０：Ｎｏ）、フローは工程Ｓ１０５に戻る。一方、モータ収容部１５０内の温度Ｔｙが、予め定められた温度Ｔｘ以上である場合（工程Ｓ１１０：Ｙｅｓ）、制御部２０ｂは、圧抜き弁４１の開閉を行う（工程Ｓ１２０）。本実施形態では、制御部２０ｂは、圧抜き弁４１を０．５秒間空けた後に閉める。以上により、圧抜き処理を終了する。

本実施形態では、モータ収容部１５０の中の温度が予め定められた温度Ｔｘ以上となったとき、圧抜き弁４１の開閉を行う。これにより、モータ収容部１５０の中の温度が下がった際に、モータ収容部１５０の中の圧力は、大気圧に比べて低くなる。この結果、モータ収容部１５０の中の圧力は、大気圧と同等以上である回転体収容部１７０の中の圧力よりも低くなることによって、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、モータ収容部１５０内の油が回転体収容部１７０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１００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。

Ｂ．変形例
Ｂ１．変形例１
上述の実施形態では、圧抜き処理を１回だけ行うが、複数回行ってもよい。また、本実施形態では、燃料電池システム１０の利用者によって起動スイッチ５０がオンに設定された場合に圧抜き処理が実行されるが、これに限られない。モータ収容部１５０の中の温度が予め定められた温度以上となったとき、圧抜き弁の開閉をいつ行ってもよい。例えば、起動スイッチ５０がオフに設定された場合に圧抜き処理を実行してもよい。

Ｂ２．変形例２
上述の実施形態では、温度取得部４２は温度計であったが、これに限られない。例えば、予めモータ１９０の回転数及び回転時間を計測する計測部をシャフト１２０やモータ１９０などに設けてもよい。そして、制御部２０ｂは、モータ１９０の回転数が予め設定された回転数Ｒ以上である累積時間Ｙを計測することにより、モータ収容部１５０内の温度を推測してもよい。例えば、回転数Ｒを３０ｋｒｐｍと設定し、累積時間Ｙを１２００秒と設定してもよい。

Ｂ３．変形例３
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、循環させていなくてもよい。

Ｂ４．変形例４
上述の燃料電池システム１０において、さらに、エアコンプレッサ３４（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を備えてもよい。そして、上述の実施形態に記載の圧抜き処理に加え、さらに、大気圧計３２により計測した大気圧が、モータ収容部１５０内の圧力Ｐｘよりも低い場合に、圧抜き弁４１を開閉する追加圧抜き処理をしてもよい。このようにすることにより、モータ収容部１５０内の圧力Ｐｘを大気圧にすることができ、この結果として、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。なお、この追加圧抜き処理は、例えば、燃料電池システム１０の停止時に実行してもよい。燃料電池システム１０の停止時としては、例えば、利用者によって起動スイッチ５０がオフにされた時や、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の停止時が挙げられる。

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
２０…制御ユニット
２０ａ…ＣＰＵ
２０ｂ…制御部
２０ｃ…ＲＡＭ
２０ｄ…ＲＯＭ
３２…大気圧計
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
４１…圧抜き弁
４２…温度取得部
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
Ｒ…回転数
Ｔｘ…温度
Ｔｙ…温度
Ｙ…累積時間
ｔ１…時間

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へ空気を送り出すエアコンプレッサと、
   少なくとも、前記エアコンプレッサ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、
   前記回転体収容部から前記モータ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、
   前記燃料電池システムは、さらに、前記モータ収容部の中と外とを連通する圧抜き弁と、前記モータ収容部の中の温度を取得する温度取得部と、を備え、
   前記制御部は、前記モータ収容部の中の温度が予め定められた温度以上となったとき、前記圧抜き弁の開閉を行う、燃料電池システム。

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