JP2018113170A

JP2018113170A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2018113170A
Application number: JP2017003136A
Authority: JP
Inventors: 良一難波; Ryoichi Nanba
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-01-12
Filing date: 2017-01-12
Publication date: 2018-07-19
Anticipated expiration: 2037-01-12
Also published as: JP6848448B2

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、空気供給流路と、空気排出流路と、バイパス流路と、エアコンプレッサと、シャット弁と、バイパス弁と、制御部と、を備え、エアコンプレッサは、空気を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、燃料電池システムは、さらに、モータ収容部の中の温度を取得する温度取得部を備え、制御部は、燃料電池システムの停止時において、前記バイパス弁を開け、かつ、シャット弁を閉めた後に、回転体を回転させ、モータ収容部の中の温度が予め定められた温度以下となったとき、回転体を停止させる。【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へ空気を供給する空気供給流路と、前記燃料電池スタックから空気を排出する空気排出流路と、前記空気供給流路と前記空気排出流路とを連通するバイパス流路と、前記空気供給流路に設けられ、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、前記バイパス流路と連通する部分よりも前記空気供給流路の下流側に設けられたシャット弁と、前記バイパス流路に設けられたバイパス弁と、少なくとも、前記エアコンプレッサと前記シャット弁と前記バイパス弁とを制御する制御部と、を備え、前記エアコンプレッサは、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、前記燃料電池システムは、さらに、前記モータ収容部の中の温度を取得する温度取得部を備え、前記制御部は、前記燃料電池システムの停止時において、前記バイパス弁を開け、かつ、前記シャット弁を閉めた後に、前記回転体を回転させ、前記モータ収容部の中の温度が予め定められた温度以下となったとき、前記回転体を停止させる。この形態の燃料電池システムによれば、回転体を回転させることによって、モータ収容部の中の温度を低下させることにより、モータ収容部内の油の粘度が上がるため、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る。この結果として、油が燃料電池スタックまで到達することによって、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冷却処理のフローチャートである。潤滑油の粘度とモータ収容部１５０内の温度との関係を示す図である。

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。本実施形態では、シャット弁３６、バイパス弁３８として、いずれも電磁弁を用いる。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とシャット弁３６とバイパス弁３８とを制御する。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、空気を送り出す回転体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、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冷却処理のフローチャートである。冷却処理とは、回転体１６０を回転させることによりモータ収容部１５０の中の温度を下げる処理をいう。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がオフに設定された場合に、冷却処理が実行される。

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、バイパス弁３８は開け、かつ、シャット弁３６を閉める（工程Ｓ１１０）。

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Ｓ１２０）。本実施形態では、制御部２０ｂは、回転体１６０を５０００ｒｐｍで３０秒間回転させる。

その後、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以下であるか否かを判断する（工程Ｓ１３０）。

図４は、モータ収容部１５０内の潤滑油の粘度と、モータ収容部１５０内の温度との関係を示す図である。図４において、縦軸はモータ収容部１５０内の潤滑油の粘度を示し、横軸はモータ収容部１５０内の温度を示す。用いる潤滑油により、潤滑油の粘度と、モータ収容部１５０内の温度との関係は異なるが、一般的に、モータ収容部１５０内の温度が低いほどモータ収容部１５０内の潤滑油の粘度は低くなる。図４において、モータ収容部１５０内の温度が温度Ｔｘの場合、モータ収容部１５０内の潤滑油の粘度は粘度μｘとなる。予め定められた温度Ｔｘは、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可能な粘度となる温度である。予め定められた温度Ｔｘは、シミュレーションにより予め設定された温度であり、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する観点から、７０℃以下が好ましく、５０℃以下がより好ましい。本実施形態では、予め定められた温度Ｔｘを４０℃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より大きい場合（工程Ｓ１３０：Ｎｏ（図３参照））、フローは工程Ｓ１２０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以下である場合（工程Ｓ１３０：Ｙｅｓ）、制御部２０ｂは、エアコンプレッサ３４の回転体１６０を停止させる。以上により、冷却処理を終了する。

本実施形態では、エアコンプレッサ３４の回転体１６０を回転させることによって、モータ収容部１５０の中の温度を予め定められた温度Ｔｘ以下まで低下させる。これにより、モータ収容部１５０内の油の粘度が高くなるため、モータ収容部１５０内の油の粘度が低い場合と比較して、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、油が燃料電池スタックまで到達することによって、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、回転体１６０を回転させる（工程Ｓ１２０）前に、シャット弁３６が閉められる（工程Ｓ１１０）。このため、回転体１６０が回転することによって、エアコンプレッサ３４から送り出された空気は、燃料電池１００に入るのではなく、バイパス流路６６を通って空気排出流路６４から排出される。この結果、冷却処理によって燃料電池１００内が乾燥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、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の回転数とその回転数における累積時間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。

Ｂ２．変形例２
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。また、上述の実施形態では、回転体１６０を回転させることにより、モータ収容部１５０の中の温度を低下させるが、これに限られない。例えば、回転体１６０を回転させることに加えて、モータ収容部１５０内の油を循環させることにより、モータ収容部１５０の中の温度を低下させてもよい。このようにすることにより、より効率的に、モータ収容部１５０の中の温度を低下させることができる。

Ｂ３．変形例３
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がオフにされた時としたが、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の停止時が挙げられる。

Ｂ４．変形例４
上述の実施形態では、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が、これに限られない。例えば、温度計のセンサ部分は、モータ収容部１５０内であって、メカニカルシール１８０の近傍に設けてられてもよく、モータ収容部１５０の外部において接する位置に設けられてもよい。

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
２０…制御ユニット
２０ａ…ＣＰＵ
２０ｂ…制御部
２０ｃ…ＲＡＭ
２０ｄ…ＲＯＭ
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
Ｔｘ…温度
Ｔｙ…温度

Claims

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供給する空気供給流路と、
前記燃料電池スタックから空気を排出する空気排出流路と、
前記空気供給流路と前記空気排出流路とを連通するバイパス流路と、
前記空気供給流路に設けられ、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、
前記バイパス流路と連通する部分よりも前記空気供給流路の下流側に設けられたシャット弁と、
前記バイパス流路に設けられたバイパス弁と、
少なくとも、前記エアコンプレッサと前記シャット弁と前記バイパス弁とを制御する制御部と、を備え、
前記エアコンプレッサは、
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、
前記燃料電池システムは、さらに、前記モータ収容部の中の温度を取得する温度取得部を備え、
前記制御部は、前記燃料電池システムの停止時において、前記バイパス弁を開け、かつ、前記シャット弁を閉めた後に、前記回転体を回転させ、前記モータ収容部の中の温度が予め定められた温度以下となったとき、前記回転体を停止させる、燃料電池システム。