JP3598946B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、オイルフリー圧縮機を用いた燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池システムとしては、例えば、図１２に示すように、オイルフリー圧縮機（オイルレス圧縮機とも呼ばれる）１０１を用いて圧縮空気を燃料電池１０３に供給し発電を行うようにしたものが知られている。ここで、オイルフリー圧縮機とは、発生する圧縮空気中に油分を含まないように考慮した圧縮機のことである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の燃料電池システムにあっては、以下の問題があった。
【０００４】
まず、この燃料電池システムで用いる圧縮機１０１がオイルフリー式の圧縮機であるためにオイルセパレータが圧縮機１０１の下流に設けられていないことから、圧縮機１０１のオイル封入部と圧縮空気との間のオイルシールが破損した場合、潤滑オイルが燃料電池１０３に流入して燃料電池１０３が破損することを防止するために、圧縮機１０１を急停止させる必要がある。
【０００５】
しかし、圧縮機１０１を急停止させると、燃料電池１０３内の空気と水素の圧力バランスが大きく崩れて、燃料電池１０３内の膜が破損するおそれがある。
【０００６】
また、当該燃料電池システムを搭載した車両においては、圧縮機１０１を急停止させると、燃料電池１０３の発電が停止してしまうため、走行不可能（車両停止）となってしまう。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的としては、オイルフリー式の空気供給装置にオイル漏れが発生したときでも、燃料電池を保護しつつ空気供給装置の運転を続行す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。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記課題を解決するため、燃料ガスと空気を用いて電力を発生する燃料電池と、燃料電池に空気を供給するオイルフリー式の空気供給装置とを備えた燃料電池システムにおいて、前記空気供給装置の下流でかつ前記燃料電池の上流に設けられ、空気中のオイルミストを除去するオイルセパレータと、前記オイルセパレータをバイパスするバイパス通路と、前記バイパス通路を開閉して前記空気供給装置からの空気の流れを切り換える切換弁と、前記バイパス通路の下流でかつ前記燃料電池の上流に設けられ、空気中の固形物をろ過作用により除去するフィルタと、前記空気供給装置からの吐出空気の流量を測定する流量測定手段と、前記空気供給装置からの吐出空気の圧力を測定する圧力測定手段と、前記空気供給装置の回転数を測定する回転数測定手段と、前記空気供給装置からの吐出空気の流量および圧力ならびに前記空気供給装置の回転数に基づいて、前記空気供給装置にオイル漏れが発生しているか否かを判定するオイル漏れ判定手段と、前記空気供給装置にオイル漏れが発生していると判定された場合、前記空気供給装置から前記燃料電池への空気の流れを前記バイパス通路経由から前記オイルセパレータ経由に切り換えるように前記切換弁を制御する制御手段とを有することを要旨とする。
【０００９】
請求項２記載の発明は、上記課題を解決するため、前記流量測定手段は、熱線式の流量計であり、前記空気供給装置の下流でかつ前記フィルタの上流に設けられていることを要旨とする。
【００１０】
請求項３記載の発明は、上記課題を解決するため、前記流量測定手段は、フィルタの上流と下流の圧力差を計測する差圧計であり、前記オイル漏れ判定手段は、前記フィルタの上流と下流の圧力差、前記空気供給装置からの吐出空気の圧力および前記空気供給装置の回転数に基づいて、前記空気供給装置にオイル漏れが発生しているか否かを判定することを要旨とする。
【００１１】
請求項４記載の発明は、上記課題を解決するため、前記フィルタに活性炭層を設けたことを要旨とする。
【００１２】
請求項５記載の発明は、上記課題を解決するため、前記空気供給装置のオイル封入部の壁面に設けられ、前記オイル封入部を大気開放する開放弁をさらに有し、前記制御手段は、前記空気供給装置にオイル漏れが発生していると判定された場合、前記空気供給装置から前記燃料電池への空気の流れを前記バイパス通路経由から前記オイルセパレータ経由に切り換えるように前記切換弁を制御すると同時に、前記開放弁を開くように前記開放弁を制御することを要旨とする。
【００１３】
請求項６記載の発明は、上記課題を解決するため、前記制御手段は、前記空気供給装置にオイル漏れが発生していると判定された場合、前記空気供給装置から前記燃料電池への空気の流れを前記バイパス通路経由から前記オイルセパレータ経由に切り換えるように前記切換弁を制御すると同時に、前記空気供給装置の回転数に定格よりも低い回転数を上限値として設定し、この上限値以下の回転数で運転するように前記空気供給装置を制御することを要旨とする。
【００１４】
請求項７記載の発明は、上記課題を解決するため、前記制御手段は、前記空気供給装置にオイル漏れが発生していると判定された場合、前記空気供給装置から前記燃料電池への空気の流れを前記バイパス通路経由から前記オイルセパレータ経由に切り換えるように前記切換弁を制御すると同時に、前記空気供給装置からの吐出空気の圧力に下限値を設定し、この下限値以上の吐出圧力で運転するように前記空気供給装置を制御することを要旨とする。
【００１５】
【発明の効果】
請求項１記載の本発明によれば、オイルフリー式の空気供給装置と燃料電池との間にオイルセパレータ、バイパス通路および切換弁を設け、空気供給装置からの吐出空気の流量および圧力ならびに空気供給装置の回転数に基づいて、空気供給装置にオイル漏れが発生しているか否かを判定し、空気供給装置にオイル漏れが発生していると判定された場合、空気供給装置から燃料電池への空気の流れをバイパス通路経由からオイルセパレータ経由に切り換えるように切換弁を制御することで、すなわち、オイル漏れが検知されていないときはオイルセパレータをバイパスさせ、オイル漏れが検知されたときは空気の流れをオイルセパレータ経由に切り換えることで、オイルフリー式の空気供給装置にオイル漏れが発生したときでも、燃料電池を保護しつつ空気供給装置の運転を続行することができる。すなわち、オイルセパレータを通過させることで、燃料電池ヘオイルが流入することを防止することができ、したがって、同時に、空気供給装置を急停止させることなく運転を続行することができるため、空気供給装置の急停止による燃料電池の膜の破損をも防止することができる。
【００１６】
請求項２記載の本発明によれば、熱線式の流量計を空気供給装置の下流でかつフィルタの上流に設けることで、圧力と回転数に対する流量の特性に影響を及ぼさない程度の微少なオイル漏れでも検知することができ、かつ、オイル漏れが圧力と回転数に対する流量の特性に影響を及ぼすようになる前にオイル漏れを検知することができるため、より確実に燃料電池を保護することができる。
【００１７】
請求項３記載の本発明によれば、流量計の代わりに差圧計を設けることで、高価な流量計を省略することができ、コストの低減を図ることができる。
【００１８】
請求項４記載の本発明によれば、フィルタに活性炭層を設けることで、オイル漏れ発生時に燃料電池に流入する空気のオイル濃度をより一層低く保つことができる。
【００１９】
請求項５記載の本発明によれば、空気供給装置のオイル封入部の壁面に開放弁を設け、切換弁をバイパス通路経由からオイルセパレータ経由に切り換えると同時に開放弁を開くことで、オイル封入部の圧力が大気開放されて低下し、シール部において圧力の高いロータ側からオイル封入部への空気の流れが形成されるので、シールの破損によるオイル封入部からロータへ漏れるオイルの量を低減することができる。
【００２０】
請求項６記載の本発明によれば、切換弁をバイパス通路経由からオイルセパレータ経由に切り換えると同時に、空気供給装置の回転数に上限値を設定し、この上限値以下の回転数で空気供給装置を運転することで、オイル潤滑部が潤滑不良による焼付きによって破損することを防止することができる。また、この場合、空気供給装置の流量が制限されるので、オイルセパレータを小型化するとともに、オイルセパレータの出入口付近の空気通路をバイパス通路よりも細くすることができ、システムの小型軽量化、コスト低減を図ることができる。
【００２１】
請求項７記載の本発明によれば、切換弁をバイパス通路経由からオイルセパレータ経由に切り換えると同時に、空気供給装置の吐出圧力に下限値を設定し、この下限値以上の吐出圧力で空気供給装置を運転することで、空気圧（の差）によってオイル封入部からロータ側ヘオイルが流入することを防止することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００２３】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【００２４】
図１に示す燃料電池システムでは、空気供給系として、燃料電池１の上流に、燃料電池１に圧縮空気を供給するオイルフリー式の圧縮機（オイルフリー圧縮機、以下単に「圧縮機」という）３が設けられており、両者は空気通路５によって接続されている。この空気通路５には、フィルタ７が設けられ、このフィルタ７の上流には、オイルセパレータ９と、このオイルセパレータ９をバイパスするバイパス通路１１と、このバイパス通路１１を開閉して圧縮機３からの空気の流れを切り換える切換弁１３とが設けられている。圧縮機３は、モータ１５によって回転駆動される。なお、フィルタ７は、ろ過器として、空気をろ材によりろ過しその中に浮遊混入している固形物や汚染物質を除去して空気を清浄にする装置であり、オイルセパレータ９は、空気に微細なオイルミストが入らないようにこれを除去するいわば油分除去用フィルタである。
【００２５】
図１において、空気は、圧縮機３に吸入され、圧縮される。そして、圧縮機３で圧縮された空気は、通常時（すなわち、オイル漏れのない正常時）、空気通路５（の一部）、バイパス通路１１およびフィルタ７を通過して燃料電池１に流入する。燃料電池１を出た空気は、空気排ガスとして圧力制御弁１７を通過して燃料改質器（図示せず）から大気に排出される。
【００２６】
ここで、圧縮機３から吐出される圧縮空気は、その流量を流量計１９で、その圧力を圧力計２１でそれぞれ計測している。また、圧縮機３の回転数は、回転計２３で計測している。流量計１９、圧力計２１および回転計２３は、当該燃料電池システムを制御するためのコントロールユニット２５にそれぞれ接続されており、それぞれの測定信号をコントロールユニット２５へ出力する。
【００２７】
コントロールユニット２５は、内部に制御プログラムおよび制御マップを記憶したＲＯＭ、制御時のワークエリアとなるＲＡＭを有しており、流量計１９、圧力計２１および回転計２３からの測定信号に基づいてオイル漏れが発生したか否かを判定し、この判定結果に応じた制御信号を切換弁１３およびモータ１５に出力する。すなわち、コントロールユニット２５は、切換弁１３の切換動作を制御するとともに、圧縮機３を回転させるモータ１５の回転数をも制御する。
【００２８】
具体的には、コントロールユニット２５は、流量計１９、圧力計２１および回転計２３からの測定信号を常にモニタしており、あらかじめ記憶されている図２に示すオイル漏れ判定用の流量マップを用いて、モニタした値に基づいてオイル漏れの発生の有無を判定する。より具体的には、圧力計２１と回転計２３から読み込まれた圧力Ｐと回転数Ｒに基づいて、図２に示す圧力―回転数に対応する流量マップに割り当てられた基準流量Ｑｆを内部ＲＯＭから読み込み、流量計１９から読み込まれた流量Ｑａをマップ上の基準流量Ｑｆの値と比較する。
【００２９】
ここで、流量の比較によるオイル漏れ判定基準について、オイルフリー圧縮機の１つとして現在広く用いられているリショルム圧縮機を例にとって説明する。なお、リショルム圧縮機の一例は、図３に示すとおりである。
【００３０】
リショルム圧縮機のベアリング２７ａ，２７ｂとロータ２９ａ，２９ｂの間のシール３１ａ，３１ｂが破損してギヤケース３３内のオイル封入部３５のオイルがロータ２９ａ，２９ｂの側に流入した場合、オイルフリー式であるリショルム圧縮機では、オスロータ２９ｂとメスロータ２９ａの間およびロータ２９ａ，２９ｂとケーシング３７の間の隙間がそれぞれオイルによってシールされるため、体積効率が飛躍的に高くなる。このため、オイル漏れが発生した場合には、圧力Ｐと回転数Ｒに対する測定流量Ｑａが、オイル漏れが発生していない正常時の場合であるマップ上の基準流量Ｑｆの値よりも大きくなる。
【００３１】
そこで、圧力Ｐと回転数Ｒに対する測定流量Ｑａがマップ上の基準流量Ｑｆの値よりも大きくなると、オイル漏れが発生したと判断する。
【００３２】
そして、オイル漏れが発生したと判断した場合は、切換弁１３をバイパス通路１１の側（バイパス通路経由）からオイルセパレータ９の側（オイルセパレータ経由）に切り替える。その理由は、次のとおりである。
【００３３】
オイルセパレータ９は、拡張室にて流速を低下させ、さらに非常に厚いろ材を通過させることで、オイルミストをトラップする装置であり、圧力損失が非常に大きくなっている。これに対し、フィルタ７は、異物の混入を嫌う燃料電池システムにおいては不可欠の要素であり、大気中の微細な塵をろ過するためのものであって、ろ材が薄く圧力損失が極めて低いため、低濃度のオイルはろ過することができるが、高濃度のオイルはろ過することができず、下流にオイルを流してしまう。このため、オイル漏れ発生時には、圧縮空気をフィルタ７に流入する前に一旦オイルセパレータ９に流入させて空気中のオイル濃度を大きく下げておく必要がある。
【００３４】
次に、図２に示すオイル漏れ判定用の流量マップを参照して、図４に示す制御フローチャートに従って燃料電池システムの制御動作を説明する。なお、図４に示す制御フローチャートおよび図２に示す流量マップは、コントロールユニット２５の内部ＲＯＭに制御プログラムおよびデータテーブルとして記憶されている。
【００３５】
まず、ステップＳ１０では、コントロールユニット２５は、圧縮機３に設けられた回転計２３から圧縮機３の回転数Ｒを読み込む。そして、ステップＳ２０では、圧縮機３の下流（ここでは、空気出口付近の空気通路）に設けられた圧力計２１から圧縮空気の圧力Ｐを読み込む。そして、ステップＳ３０では、圧縮機３の上流（ここでは、空気入口付近の空気通路）に設けられた流量計１９から空気の流量（圧縮空気の流量と同じ）Ｑａを読み込む。なお、ステップＳ１０〜ステップＳ３０の各処理を実行する順番は、これに限定されるわけではなく、任意の組合せが可能である。
【００３６】
ここで、ステップＳ４０では、コントロールユニット２５は、圧力計２１と回転計２３から読み込まれた圧力Ｐと回転数Ｒに基づいて、図２に示す圧力―回転数に対応する流量マップに割り当てられた基準流量Ｑｆを内部ＲＯＭから読み込み、流量計１９から読み込まれた流量Ｑａをマップ上の基準流量Ｑｆの値と比較する。
【００３７】
そして、ステップＳ５０では、この比較結果に基づいて圧縮機３にオイル漏れが発生しているか否かを判定する。この判定は、読み込んだ流量Ｑａの値の方がマップ上の基準流量Ｑｆの値よりも大きい（Ｑａ＞Ｑｆ）か否かを判断することによって行われる。読み込んだ流量Ｑａの値がマップ上の基準流量Ｑｆの値よりも大きい（Ｑａ＞Ｑｆ）場合は（Ｓ５０：ＹＥＳ）、オイル漏れが発生していると判断して、ステップＳ６０に進み、読み込んだ流量Ｑａの値がマップ上の基準流量Ｑｆの値以下である（Ｑａ≦Ｑｆ）場合は（Ｓ５０：ＮＯ）、オイル漏れが発生していないと判断して、ステップＳ１０に戻り、オイル漏れに対するモニタ動作を続行する。
【００３８】
ステップＳ６０では、切換弁１３に対し、切換弁１３をオイルセパレータ経由に切り換えるための制御信号を送る。これを受けた切換弁１３では、制御信号に応じて圧縮空気の流れをバイパス通路経由からオイルセパレータ経由に切り換えて圧縮機３からの圧縮空気をオイルセパレータ９に供給する。
【００３９】
この結果、第１の実施の形態に関する効果としては、通常時は、圧縮空気を圧力損失の大きいオイルセパレータ９を通さずに運転することで、圧縮機３の仕事を低減して効率の良い運転を行い、一方で、圧縮機３のオイル漏れ発生時は、オイル漏れを検知して切換弁１３をオイルセパレータ経由に切り換えることで、オイル漏れを検知してから切換弁１３をオイルセパレータ経由に切り換えるまでの短時間の間に流出したオイルについては低濃度のためフィルタ７でろ過することができ、また、切換弁１３をオイルセパレータ経由に切り換えた後はオイルセパレータ９でオイルを除去した後の空気を燃料電池１に供給し続けることができるので、圧縮機３のオイル漏れ発生時においても、オイルの流入による燃料電池１の破損を防止することができ、かつ、圧縮機３の急停止による燃料電池１内の膜の破損をも防止することができる。
【００４０】
また、この燃料電池システムを搭載した車両においては、圧縮機３のオイル漏れ発生時でも圧縮機３は運転を続けることができるので、圧縮機３の急停止による車両の急停止を防止することができる。
【００４１】
なお、オイルフリー式の空気供給装置は、オイルフリー圧縮機に限定されるわけではなく、圧縮機よりも昇圧レベルの低いオイルフリー式の送風機であってもよい。
【００４２】
（第２の実施の形態）
図５は、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。なお、第２の実施の形態は、図１に示す第１の実施の形態に対応する燃料電池システムと同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略することとする。
【００４３】
第２の実施の形態の特徴は、図５に示すように、圧縮機３の下流でかつ切換弁１３の上流に熱線式の流量計３９を設けたことにある。この熱線式流量計３９は、空気通路に細かい抵抗線を張り、空気に持ち去られる熱量から圧縮空気の流量を測定する計器である。この熱線式流量計３９は、コントロールユニット２５に接続されており、コントロールユニット２５へその測定信号を送り込む。
【００４４】
熱線式流量計３９では、オイルが抵抗線に付着すれば抵抗線の熱が奪われるため、測定される流量（測定値）が実際の流量（実際値）よりも大きくなる。本実施の形態では、熱線式流量計３９のかかる特性（オイル漏れがあれば流量の測定値が実際値よりも大きくなる）を利用して、圧縮機３のオイル漏れを検知し、切換弁１３をバイパス通路経由からオイルセパレータ経由に切り換える。
【００４５】
なお、燃料電池システムの制御動作は、図２に示す流量マップを参照し、図４に示す制御フローチャートに従って説明することができるが、第１の実施の形態において説明した内容と同様であるので、その説明を省略することとする。
【００４６】
また、第２の実施の形態に関する効果は、上述した第１の実施の形態に関する効果に加えて、熱線式流量計３９を圧縮機３の下流でかつ切換弁１３の上流に設けることで、圧力と回転数に対する流量の特性に影響を及ぼさない程度の微少なオイル漏れでも検知することができ、かつ、オイル漏れが圧力と回転数に対する流量の特性に影響を及ぼすようになる前にオイル漏れを検知することができるため、より確実に燃料電池１を保護することができる。
【００４７】
（第３の実施の形態）
図６は、本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。なお、第３の実施の形態は、図１に示す第１の実施の形態に対応する燃料電池システムと同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略することとする。
【００４８】
第３の実施の形態の特徴は、空気の流量を直接的または間接的に計測する手段として、図６に示すように、図１に示す流量計１９（流量を直接的に計測する手段）の代わりに、フィルタ７の上流と下流の圧力差を計測する差圧計４１（流量を間接的に計測する手段）をフィルタ７に取り付けたことにある。この差圧計４１は、コントロールユニット２５に接続されており、コントロールユニット２５へその測定信号を送り込む。
【００４９】
燃料電池システムの制御動作は、図２に示す流量マップおよび図４に示す制御フローチャートにおける制御パラメータの１つである流量を差圧に代えることによって、第１の実施の形態において説明した内容とほぼ同様に説明することができるので、その詳細な説明は省略し、簡単に説明することとする。
【００５０】
コントロールユニット２５は、差圧計４１、圧力計２１および回転計２３からの測定信号を常にモニタしており、あらかじめ記憶されているオイル漏れ判定用の差圧マップを用いて、モニタした値に基づいてオイル漏れの発生の有無を判定する。より具体的には、圧力計２１と回転計２３から読み込まれた圧力と回転数に基づいて、圧力―回転数に対応する差圧マップに割り当てられた基準差圧を内部ＲＯＭから読み込み、差圧計４１から読み込まれた差圧をマップ上の基準差圧の値と比較する。そして、モニタしている差圧がマップ上の基準差圧に対して急激に増加したとき（例えば、所定時間内に所定値以上増加したとき）、オイル漏れが発生した判断して、切換弁１３をバイパス通路経由からオイルセパレータ経由に切り換える。
【００５１】
この結果、第３の実施の形態に関する効果は、上述した第１の実施の形態に関する効果に加えて、流量計１９の代わりに差圧計４１を設けることで、高価な流量計１９を省略することができ、コストの低減を図ることができる。
【００５２】
（第４の実施の形態）
図７は、本発明の第４の実施の形態に係る燃料電池システムに用いられるフィルタの構造を示す図である。なお、第４の実施の形態は、図１に示す第１の実施の形態に対応する燃料電池システムと同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略することとする。
【００５３】
第４の実施の形態の特徴は、図７に示すように、フィルタ７の内部にろ材４３に加えて活性炭層４５を設けたことにある。活性炭は、物理的吸着以外に化学的吸着をするので、圧縮空気中に含まれる微小なオイルミストの除去に効果がある。
【００５４】
なお、燃料電池システムの制御動作は、図２に示す流量マップを参照し、図４に示す制御フローチャートに従って説明することができるが、第１の実施の形態において説明した内容と同様であるので、その説明を省略することとする。
【００５５】
また、第４の実施の形態に関する効果は、上述した第１の実施の形態に関する効果に加えて、フィルタ７の内部にろ材４３に加えて活性炭層４５を設けることで、オイル漏れ発生時に燃料電池１に流入する圧縮空気のオイル濃度をより一層低く保つことができる。
【００５６】
（第５の実施の形態）
図８は、本発明の第５の実施の形態に係る燃料電池システムに用いられるリショルム圧縮機の一例を示す図である。なお、第５の実施の形態は、図１に示す第１の実施の形態に対応する燃料電池システムと同じ構成を有しており、その説明を省略するとともに、その燃料電池システムに用いられる図３に示すリショルム圧縮機と同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略することとする。
【００５７】
第５の実施の形態の特徴は、図８に示すように、圧縮機３のギヤケース３３内のオイル封入部３５の壁面にオイル封入部３５を大気開放する開放弁４７を設けたことにある。この開放弁４７は、コントロールユニット２５に接続されており、コントロールユニット２５からの制御信号に応じて弁を開放する。
【００５８】
次に、図９に示す制御フローチャートに従って燃料電池システムの制御動作を説明する。なお、図９に示す制御フローチャートは、コントロールユニット２５の内部ＲＯＭに制御プログラムとして記憶されている。
【００５９】
本実施の形態では、図９に示すように、ステップＳ７０を図４に示すフローチャートに挿入している。
【００６０】
ステップＳ１０〜Ｓ６０は、図４に示すフローチャートの各ステップと同様であるので、その説明を省略する。
【００６１】
そして、ステップＳ７０では、コントロールユニット２５は、開放弁４７に対し、開放弁４７を開くための制御信号を送る。これを受けた開放弁４７では、制御信号に応じて弁を開放してオイル封入部３５を大気開放する。
【００６２】
この結果、第５の実施の形態に関する効果は、上述した第１の実施の形態に関する効果に加えて、圧縮機３のオイル封入部３５の壁面に開放弁４７を設け、切換弁１３をバイパス通路経由からオイルセパレータ経由に切り換えると同時に開放弁４７を開くことで、オイル封入部３５の圧力が大気開放されて低下し、シール部３１ａ，３１ｂにおいて圧力の高いロータ２９ａ，２９ｂ側からオイル封入部３５への空気の流れが形成されるので、シール３１ａ，３１ｂの破損によるオイル封入部３５からロータ２９ａ，２９ｂへ漏れるオイルの量を低減することができる。
【００６３】
（第６の実施の形態）
図１０は、本発明の第６の実施の形態に係る燃料電池システムの制御動作を説明するための制御フローチャートである。なお、第６の実施の形態は、図１に示す第１の実施の形態に対応する燃料電池システムと同じ構成を有しており、その説明を省略することとする。また、図１０に示す制御フローチャートは、コントロールユニットの内部ＲＯＭに制御プログラムとして記憶されている。
【００６４】
本実施の形態の特徴は、図１０に示すように、ステップＳ８０を図４に示すフローチャートに挿入して、切換弁１３をバイパス通路経由からオイルセパレータ経由に切り換えると同時に、圧縮機３の回転数に上限値を設定し、この上限値以下の回転数で圧縮機３を運転することにある。
【００６５】
ステップＳ１０〜Ｓ６０は、図４に示すフローチャートの各ステップと同様であるので、その説明を省略する。
【００６６】
そして、ステップＳ８０では、コントロールユニット２５は、圧縮機３の回転数に対し定格よりも低い回転数を上限値として設定し、この上限値以下の回転数で圧縮機３を運転させるよう、モータ１５に駆動信号を送る。
【００６７】
この結果、第６の実施の形態に関する効果は、上述した第１の実施の形態に関する効果に加えて、切換弁１３をバイパス通路経由からオイルセパレータ経由に切り換えると同時に、圧縮機１３の回転数に上限値を設定し、この上限値以下の回転数で圧縮機１３を運転することで、オイル潤滑部が潤滑不良による焼付きによって破損することを防止することができる。また、この場合、圧縮機３の流量が制限されるので、オイルセパレータ９を小型化するとともに、オイルセパレータ９の出入口付近の空気通路５ａ，５ｂをバイパス通路１１よりも細くすることができ、システムの小型軽量化、コスト低減を図ることができる。
【００６８】
（第７の実施の形態）
図１１は、本発明の第７の実施の形態に係る燃料電池システムの制御動作を説明するための制御フローチャートである。なお、第７の実施の形態は、図１に示す第１の実施の形態に対応する燃料電池システムと同じ構成を有しており、その説明を省略することとする。また、図１１に示す制御フローチャートは、コントロールユニットの内部ＲＯＭに制御プログラムとして記憶されている。
【００６９】
本実施の形態の特徴は、図１１に示すように、ステップＳ９０を図４に示すフローチャートに挿入して、切換弁１３をバイパス通路経由からオイルセパレータ経由に切り換えると同時に、圧縮機３の吐出圧力に下限値を設定し、停止まではこの下限値以上の吐出圧力で圧縮機３を運転することにある。
【００７０】
ステップＳ１０〜Ｓ６０は、図４に示すフローチャートの各ステップと同様であるので、その説明を省略する。
【００７１】
そして、ステップＳ９０では、コントロールユニット２５は、圧縮機３の吐出圧力に対して下限値を設定し、停止まではこの下限値以上の吐出圧力で圧縮機３を運転させるよう、モータ１５に駆動信号を送る。
【００７２】
この結果、第７の実施の形態に関する効果は、上述した第１の実施の形態に関する効果に加えて、切換弁１３をバイパス通路経由からオイルセパレータ経由に切り換えると同時に、圧縮機３の吐出圧力に下限値を設定し、停止まではこの下限値以上の吐出圧力で圧縮機３を運転することで、空気圧（の差）によってオイル封入部３５からロータ２９ａ，２９ｂ側ヘオイルが流入することを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】オイル漏れ判定用の流量マップを示す概念図である。
【図３】オイルフリー圧縮機の一例を示す構成図である。
【図４】第１の実施の形態の燃料電池システムの制御動作を説明するための制御フローチャートである。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図７】本発明の第４の実施の形態に係る燃料電池システムに用いられるフィルタの構造を示す図である。
【図８】本発明の第５の実施の形態に係る燃料電池システムに用いられるオイルフリー圧縮機の一例を示す構成図である。
【図９】第５の実施の形態の燃料電池システムの制御動作を説明するための制御フローチャートである。
【図１０】第６の実施の形態の燃料電池システムの制御動作を説明するための制御フローチャートである。
【図１１】第７の実施の形態の燃料電池システムの制御動作を説明するための制御フローチャートである。
【図１２】従来の燃料電池システムの構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池
３ オイルフリー圧縮機
５ 空気通路
７ フィルタ
９ オイルセパレータ
１１ バイパス通路
１３ 切換弁
１５ モータ
１７ 圧力制御弁
１９ 流量計
２１ 圧力計
２３ 回転計
２５ コントロールユニット
２６ 入力軸
２７ａ，２７ｂ ベアリング
２９ａ，２９ｂ ロータ
３１ａ，３１ｂ シール
３３ ギヤケース
３４ ギヤ
３５ オイル封入部
３７ ケーシング
３９ 熱線式流量計
４１ 差圧計
４２ フィルタケース
４３ ろ材
４５ 活性炭層
４７ 開放弁
【発明の属する技術分野】
本発明は、オイルフリー圧縮機を用いた燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池システムとしては、例えば、図１２に示すように、オイルフリー圧縮機（オイルレス圧縮機とも呼ばれる）１０１を用いて圧縮空気を燃料電池１０３に供給し発電を行うようにしたものが知られている。ここで、オイルフリー圧縮機とは、発生する圧縮空気中に油分を含まないように考慮した圧縮機のことである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の燃料電池システムにあっては、以下の問題があった。
【０００４】
まず、この燃料電池システムで用いる圧縮機１０１がオイルフリー式の圧縮機であるためにオイルセパレータが圧縮機１０１の下流に設けられていないことから、圧縮機１０１のオイル封入部と圧縮空気との間のオイルシールが破損した場合、潤滑オイルが燃料電池１０３に流入して燃料電池１０３が破損することを防止するために、圧縮機１０１を急停止させる必要がある。
【０００５】
しかし、圧縮機１０１を急停止させると、燃料電池１０３内の空気と水素の圧力バランスが大きく崩れて、燃料電池１０３内の膜が破損するおそれがある。
【０００６】
また、当該燃料電池システムを搭載した車両においては、圧縮機１０１を急停止させると、燃料電池１０３の発電が停止してしまうため、走行不可能（車両停止）となってしまう。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的としては、オイルフリー式の空気供給装置にオイル漏れが発生したときでも、燃料電池を保護しつつ空気供給装置の運転を続行す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。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記課題を解決するため、燃料ガスと空気を用いて電力を発生する燃料電池と、燃料電池に空気を供給するオイルフリー式の空気供給装置とを備えた燃料電池システムにおいて、前記空気供給装置の下流でかつ前記燃料電池の上流に設けられ、空気中のオイルミストを除去するオイルセパレータと、前記オイルセパレータをバイパスするバイパス通路と、前記バイパス通路を開閉して前記空気供給装置からの空気の流れを切り換える切換弁と、前記バイパス通路の下流でかつ前記燃料電池の上流に設けられ、空気中の固形物をろ過作用により除去するフィルタと、前記空気供給装置からの吐出空気の流量を測定する流量測定手段と、前記空気供給装置からの吐出空気の圧力を測定する圧力測定手段と、前記空気供給装置の回転数を測定する回転数測定手段と、前記空気供給装置からの吐出空気の流量および圧力ならびに前記空気供給装置の回転数に基づいて、前記空気供給装置にオイル漏れが発生しているか否かを判定するオイル漏れ判定手段と、前記空気供給装置にオイル漏れが発生していると判定された場合、前記空気供給装置から前記燃料電池への空気の流れを前記バイパス通路経由から前記オイルセパレータ経由に切り換えるように前記切換弁を制御する制御手段とを有することを要旨とする。
【０００９】
請求項２記載の発明は、上記課題を解決するため、前記流量測定手段は、熱線式の流量計であり、前記空気供給装置の下流でかつ前記フィルタの上流に設けられていることを要旨とする。
【００１０】
請求項３記載の発明は、上記課題を解決するため、前記流量測定手段は、フィルタの上流と下流の圧力差を計測する差圧計であり、前記オイル漏れ判定手段は、前記フィルタの上流と下流の圧力差、前記空気供給装置からの吐出空気の圧力および前記空気供給装置の回転数に基づいて、前記空気供給装置にオイル漏れが発生しているか否かを判定することを要旨とする。
【００１１】
請求項４記載の発明は、上記課題を解決するため、前記フィルタに活性炭層を設けたことを要旨とする。
【００１２】
請求項５記載の発明は、上記課題を解決するため、前記空気供給装置のオイル封入部の壁面に設けられ、前記オイル封入部を大気開放する開放弁をさらに有し、前記制御手段は、前記空気供給装置にオイル漏れが発生していると判定された場合、前記空気供給装置から前記燃料電池への空気の流れを前記バイパス通路経由から前記オイルセパレータ経由に切り換えるように前記切換弁を制御すると同時に、前記開放弁を開くように前記開放弁を制御することを要旨とする。
【００１３】
請求項６記載の発明は、上記課題を解決するため、前記制御手段は、前記空気供給装置にオイル漏れが発生していると判定された場合、前記空気供給装置から前記燃料電池への空気の流れを前記バイパス通路経由から前記オイルセパレータ経由に切り換えるように前記切換弁を制御すると同時に、前記空気供給装置の回転数に定格よりも低い回転数を上限値として設定し、この上限値以下の回転数で運転するように前記空気供給装置を制御することを要旨とする。
【００１４】
請求項７記載の発明は、上記課題を解決するため、前記制御手段は、前記空気供給装置にオイル漏れが発生していると判定された場合、前記空気供給装置から前記燃料電池への空気の流れを前記バイパス通路経由から前記オイルセパレータ経由に切り換えるように前記切換弁を制御すると同時に、前記空気供給装置からの吐出空気の圧力に下限値を設定し、この下限値以上の吐出圧力で運転するように前記空気供給装置を制御することを要旨とする。
【００１５】
【発明の効果】
請求項１記載の本発明によれば、オイルフリー式の空気供給装置と燃料電池との間にオイルセパレータ、バイパス通路および切換弁を設け、空気供給装置からの吐出空気の流量および圧力ならびに空気供給装置の回転数に基づいて、空気供給装置にオイル漏れが発生しているか否かを判定し、空気供給装置にオイル漏れが発生していると判定された場合、空気供給装置から燃料電池への空気の流れをバイパス通路経由からオイルセパレータ経由に切り換えるように切換弁を制御することで、すなわち、オイル漏れが検知されていないときはオイルセパレータをバイパスさせ、オイル漏れが検知されたときは空気の流れをオイルセパレータ経由に切り換えることで、オイルフリー式の空気供給装置にオイル漏れが発生したときでも、燃料電池を保護しつつ空気供給装置の運転を続行することができる。すなわち、オイルセパレータを通過させることで、燃料電池ヘオイルが流入することを防止することができ、したがって、同時に、空気供給装置を急停止させることなく運転を続行することができるため、空気供給装置の急停止による燃料電池の膜の破損をも防止することができる。
【００１６】
請求項２記載の本発明によれば、熱線式の流量計を空気供給装置の下流でかつフィルタの上流に設けることで、圧力と回転数に対する流量の特性に影響を及ぼさない程度の微少なオイル漏れでも検知することができ、かつ、オイル漏れが圧力と回転数に対する流量の特性に影響を及ぼすようになる前にオイル漏れを検知することができるため、より確実に燃料電池を保護することができる。
【００１７】
請求項３記載の本発明によれば、流量計の代わりに差圧計を設けることで、高価な流量計を省略することができ、コストの低減を図ることができる。
【００１８】
請求項４記載の本発明によれば、フィルタに活性炭層を設けることで、オイル漏れ発生時に燃料電池に流入する空気のオイル濃度をより一層低く保つことができる。
【００１９】
請求項５記載の本発明によれば、空気供給装置のオイル封入部の壁面に開放弁を設け、切換弁をバイパス通路経由からオイルセパレータ経由に切り換えると同時に開放弁を開くことで、オイル封入部の圧力が大気開放されて低下し、シール部において圧力の高いロータ側からオイル封入部への空気の流れが形成されるので、シールの破損によるオイル封入部からロータへ漏れるオイルの量を低減することができる。
【００２０】
請求項６記載の本発明によれば、切換弁をバイパス通路経由からオイルセパレータ経由に切り換えると同時に、空気供給装置の回転数に上限値を設定し、この上限値以下の回転数で空気供給装置を運転することで、オイル潤滑部が潤滑不良による焼付きによって破損することを防止することができる。また、この場合、空気供給装置の流量が制限されるので、オイルセパレータを小型化するとともに、オイルセパレータの出入口付近の空気通路をバイパス通路よりも細くすることができ、システムの小型軽量化、コスト低減を図ることができる。
【００２１】
請求項７記載の本発明によれば、切換弁をバイパス通路経由からオイルセパレータ経由に切り換えると同時に、空気供給装置の吐出圧力に下限値を設定し、この下限値以上の吐出圧力で空気供給装置を運転することで、空気圧（の差）によってオイル封入部からロータ側ヘオイルが流入することを防止することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００２３】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【００２４】
図１に示す燃料電池システムでは、空気供給系として、燃料電池１の上流に、燃料電池１に圧縮空気を供給するオイルフリー式の圧縮機（オイルフリー圧縮機、以下単に「圧縮機」という）３が設けられており、両者は空気通路５によって接続されている。この空気通路５には、フィルタ７が設けられ、このフィルタ７の上流には、オイルセパレータ９と、このオイルセパレータ９をバイパスするバイパス通路１１と、このバイパス通路１１を開閉して圧縮機３からの空気の流れを切り換える切換弁１３とが設けられている。圧縮機３は、モータ１５によって回転駆動される。なお、フィルタ７は、ろ過器として、空気をろ材によりろ過しその中に浮遊混入している固形物や汚染物質を除去して空気を清浄にする装置であり、オイルセパレータ９は、空気に微細なオイルミストが入らないようにこれを除去するいわば油分除去用フィルタである。
【００２５】
図１において、空気は、圧縮機３に吸入され、圧縮される。そして、圧縮機３で圧縮された空気は、通常時（すなわち、オイル漏れのない正常時）、空気通路５（の一部）、バイパス通路１１およびフィルタ７を通過して燃料電池１に流入する。燃料電池１を出た空気は、空気排ガスとして圧力制御弁１７を通過して燃料改質器（図示せず）から大気に排出される。
【００２６】
ここで、圧縮機３から吐出される圧縮空気は、その流量を流量計１９で、その圧力を圧力計２１でそれぞれ計測している。また、圧縮機３の回転数は、回転計２３で計測している。流量計１９、圧力計２１および回転計２３は、当該燃料電池システムを制御するためのコントロールユニット２５にそれぞれ接続されており、それぞれの測定信号をコントロールユニット２５へ出力する。
【００２７】
コントロールユニット２５は、内部に制御プログラムおよび制御マップを記憶したＲＯＭ、制御時のワークエリアとなるＲＡＭを有しており、流量計１９、圧力計２１および回転計２３からの測定信号に基づいてオイル漏れが発生したか否かを判定し、この判定結果に応じた制御信号を切換弁１３およびモータ１５に出力する。すなわち、コントロールユニット２５は、切換弁１３の切換動作を制御するとともに、圧縮機３を回転させるモータ１５の回転数をも制御する。
【００２８】
具体的には、コントロールユニット２５は、流量計１９、圧力計２１および回転計２３からの測定信号を常にモニタしており、あらかじめ記憶されている図２に示すオイル漏れ判定用の流量マップを用いて、モニタした値に基づいてオイル漏れの発生の有無を判定する。より具体的には、圧力計２１と回転計２３から読み込まれた圧力Ｐと回転数Ｒに基づいて、図２に示す圧力―回転数に対応する流量マップに割り当てられた基準流量Ｑｆを内部ＲＯＭから読み込み、流量計１９から読み込まれた流量Ｑａをマップ上の基準流量Ｑｆの値と比較する。
【００２９】
ここで、流量の比較によるオイル漏れ判定基準について、オイルフリー圧縮機の１つとして現在広く用いられているリショルム圧縮機を例にとって説明する。なお、リショルム圧縮機の一例は、図３に示すとおりである。
【００３０】
リショルム圧縮機のベアリング２７ａ，２７ｂとロータ２９ａ，２９ｂの間のシール３１ａ，３１ｂが破損してギヤケース３３内のオイル封入部３５のオイルがロータ２９ａ，２９ｂの側に流入した場合、オイルフリー式であるリショルム圧縮機では、オスロータ２９ｂとメスロータ２９ａの間およびロータ２９ａ，２９ｂとケーシング３７の間の隙間がそれぞれオイルによってシールされるため、体積効率が飛躍的に高くなる。このため、オイル漏れが発生した場合には、圧力Ｐと回転数Ｒに対する測定流量Ｑａが、オイル漏れが発生していない正常時の場合であるマップ上の基準流量Ｑｆの値よりも大きくなる。
【００３１】
そこで、圧力Ｐと回転数Ｒに対する測定流量Ｑａがマップ上の基準流量Ｑｆの値よりも大きくなると、オイル漏れが発生したと判断する。
【００３２】
そして、オイル漏れが発生したと判断した場合は、切換弁１３をバイパス通路１１の側（バイパス通路経由）からオイルセパレータ９の側（オイルセパレータ経由）に切り替える。その理由は、次のとおりである。
【００３３】
オイルセパレータ９は、拡張室にて流速を低下させ、さらに非常に厚いろ材を通過させることで、オイルミストをトラップする装置であり、圧力損失が非常に大きくなっている。これに対し、フィルタ７は、異物の混入を嫌う燃料電池システムにおいては不可欠の要素であり、大気中の微細な塵をろ過するためのものであって、ろ材が薄く圧力損失が極めて低いため、低濃度のオイルはろ過することができるが、高濃度のオイルはろ過することができず、下流にオイルを流してしまう。このため、オイル漏れ発生時には、圧縮空気をフィルタ７に流入する前に一旦オイルセパレータ９に流入させて空気中のオイル濃度を大きく下げておく必要がある。
【００３４】
次に、図２に示すオイル漏れ判定用の流量マップを参照して、図４に示す制御フローチャートに従って燃料電池システムの制御動作を説明する。なお、図４に示す制御フローチャートおよび図２に示す流量マップは、コントロールユニット２５の内部ＲＯＭに制御プログラムおよびデータテーブルとして記憶されている。
【００３５】
まず、ステップＳ１０では、コントロールユニット２５は、圧縮機３に設けられた回転計２３から圧縮機３の回転数Ｒを読み込む。そして、ステップＳ２０では、圧縮機３の下流（ここでは、空気出口付近の空気通路）に設けられた圧力計２１から圧縮空気の圧力Ｐを読み込む。そして、ステップＳ３０では、圧縮機３の上流（ここでは、空気入口付近の空気通路）に設けられた流量計１９から空気の流量（圧縮空気の流量と同じ）Ｑａを読み込む。なお、ステップＳ１０〜ステップＳ３０の各処理を実行する順番は、これに限定されるわけではなく、任意の組合せが可能である。
【００３６】
ここで、ステップＳ４０では、コントロールユニット２５は、圧力計２１と回転計２３から読み込まれた圧力Ｐと回転数Ｒに基づいて、図２に示す圧力―回転数に対応する流量マップに割り当てられた基準流量Ｑｆを内部ＲＯＭから読み込み、流量計１９から読み込まれた流量Ｑａをマップ上の基準流量Ｑｆの値と比較する。
【００３７】
そして、ステップＳ５０では、この比較結果に基づいて圧縮機３にオイル漏れが発生しているか否かを判定する。この判定は、読み込んだ流量Ｑａの値の方がマップ上の基準流量Ｑｆの値よりも大きい（Ｑａ＞Ｑｆ）か否かを判断することによって行われる。読み込んだ流量Ｑａの値がマップ上の基準流量Ｑｆの値よりも大きい（Ｑａ＞Ｑｆ）場合は（Ｓ５０：ＹＥＳ）、オイル漏れが発生していると判断して、ステップＳ６０に進み、読み込んだ流量Ｑａの値がマップ上の基準流量Ｑｆの値以下である（Ｑａ≦Ｑｆ）場合は（Ｓ５０：ＮＯ）、オイル漏れが発生していないと判断して、ステップＳ１０に戻り、オイル漏れに対するモニタ動作を続行する。
【００３８】
ステップＳ６０では、切換弁１３に対し、切換弁１３をオイルセパレータ経由に切り換えるための制御信号を送る。これを受けた切換弁１３では、制御信号に応じて圧縮空気の流れをバイパス通路経由からオイルセパレータ経由に切り換えて圧縮機３からの圧縮空気をオイルセパレータ９に供給する。
【００３９】
この結果、第１の実施の形態に関する効果としては、通常時は、圧縮空気を圧力損失の大きいオイルセパレータ９を通さずに運転することで、圧縮機３の仕事を低減して効率の良い運転を行い、一方で、圧縮機３のオイル漏れ発生時は、オイル漏れを検知して切換弁１３をオイルセパレータ経由に切り換えることで、オイル漏れを検知してから切換弁１３をオイルセパレータ経由に切り換えるまでの短時間の間に流出したオイルについては低濃度のためフィルタ７でろ過することができ、また、切換弁１３をオイルセパレータ経由に切り換えた後はオイルセパレータ９でオイルを除去した後の空気を燃料電池１に供給し続けることができるので、圧縮機３のオイル漏れ発生時においても、オイルの流入による燃料電池１の破損を防止することができ、かつ、圧縮機３の急停止による燃料電池１内の膜の破損をも防止することができる。
【００４０】
また、この燃料電池システムを搭載した車両においては、圧縮機３のオイル漏れ発生時でも圧縮機３は運転を続けることができるので、圧縮機３の急停止による車両の急停止を防止することができる。
【００４１】
なお、オイルフリー式の空気供給装置は、オイルフリー圧縮機に限定されるわけではなく、圧縮機よりも昇圧レベルの低いオイルフリー式の送風機であってもよい。
【００４２】
（第２の実施の形態）
図５は、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。なお、第２の実施の形態は、図１に示す第１の実施の形態に対応する燃料電池システムと同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略することとする。
【００４３】
第２の実施の形態の特徴は、図５に示すように、圧縮機３の下流でかつ切換弁１３の上流に熱線式の流量計３９を設けたことにある。この熱線式流量計３９は、空気通路に細かい抵抗線を張り、空気に持ち去られる熱量から圧縮空気の流量を測定する計器である。この熱線式流量計３９は、コントロールユニット２５に接続されており、コントロールユニット２５へその測定信号を送り込む。
【００４４】
熱線式流量計３９では、オイルが抵抗線に付着すれば抵抗線の熱が奪われるため、測定される流量（測定値）が実際の流量（実際値）よりも大きくなる。本実施の形態では、熱線式流量計３９のかかる特性（オイル漏れがあれば流量の測定値が実際値よりも大きくなる）を利用して、圧縮機３のオイル漏れを検知し、切換弁１３をバイパス通路経由からオイルセパレータ経由に切り換える。
【００４５】
なお、燃料電池システムの制御動作は、図２に示す流量マップを参照し、図４に示す制御フローチャートに従って説明することができるが、第１の実施の形態において説明した内容と同様であるので、その説明を省略することとする。
【００４６】
また、第２の実施の形態に関する効果は、上述した第１の実施の形態に関する効果に加えて、熱線式流量計３９を圧縮機３の下流でかつ切換弁１３の上流に設けることで、圧力と回転数に対する流量の特性に影響を及ぼさない程度の微少なオイル漏れでも検知することができ、かつ、オイル漏れが圧力と回転数に対する流量の特性に影響を及ぼすようになる前にオイル漏れを検知することができるため、より確実に燃料電池１を保護することができる。
【００４７】
（第３の実施の形態）
図６は、本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。なお、第３の実施の形態は、図１に示す第１の実施の形態に対応する燃料電池システムと同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略することとする。
【００４８】
第３の実施の形態の特徴は、空気の流量を直接的または間接的に計測する手段として、図６に示すように、図１に示す流量計１９（流量を直接的に計測する手段）の代わりに、フィルタ７の上流と下流の圧力差を計測する差圧計４１（流量を間接的に計測する手段）をフィルタ７に取り付けたことにある。この差圧計４１は、コントロールユニット２５に接続されており、コントロールユニット２５へその測定信号を送り込む。
【００４９】
燃料電池システムの制御動作は、図２に示す流量マップおよび図４に示す制御フローチャートにおける制御パラメータの１つである流量を差圧に代えることによって、第１の実施の形態において説明した内容とほぼ同様に説明することができるので、その詳細な説明は省略し、簡単に説明することとする。
【００５０】
コントロールユニット２５は、差圧計４１、圧力計２１および回転計２３からの測定信号を常にモニタしており、あらかじめ記憶されているオイル漏れ判定用の差圧マップを用いて、モニタした値に基づいてオイル漏れの発生の有無を判定する。より具体的には、圧力計２１と回転計２３から読み込まれた圧力と回転数に基づいて、圧力―回転数に対応する差圧マップに割り当てられた基準差圧を内部ＲＯＭから読み込み、差圧計４１から読み込まれた差圧をマップ上の基準差圧の値と比較する。そして、モニタしている差圧がマップ上の基準差圧に対して急激に増加したとき（例えば、所定時間内に所定値以上増加したとき）、オイル漏れが発生した判断して、切換弁１３をバイパス通路経由からオイルセパレータ経由に切り換える。
【００５１】
この結果、第３の実施の形態に関する効果は、上述した第１の実施の形態に関する効果に加えて、流量計１９の代わりに差圧計４１を設けることで、高価な流量計１９を省略することができ、コストの低減を図ることができる。
【００５２】
（第４の実施の形態）
図７は、本発明の第４の実施の形態に係る燃料電池システムに用いられるフィルタの構造を示す図である。なお、第４の実施の形態は、図１に示す第１の実施の形態に対応する燃料電池システムと同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略することとする。
【００５３】
第４の実施の形態の特徴は、図７に示すように、フィルタ７の内部にろ材４３に加えて活性炭層４５を設けたことにある。活性炭は、物理的吸着以外に化学的吸着をするので、圧縮空気中に含まれる微小なオイルミストの除去に効果がある。
【００５４】
なお、燃料電池システムの制御動作は、図２に示す流量マップを参照し、図４に示す制御フローチャートに従って説明することができるが、第１の実施の形態において説明した内容と同様であるので、その説明を省略することとする。
【００５５】
また、第４の実施の形態に関する効果は、上述した第１の実施の形態に関する効果に加えて、フィルタ７の内部にろ材４３に加えて活性炭層４５を設けることで、オイル漏れ発生時に燃料電池１に流入する圧縮空気のオイル濃度をより一層低く保つことができる。
【００５６】
（第５の実施の形態）
図８は、本発明の第５の実施の形態に係る燃料電池システムに用いられるリショルム圧縮機の一例を示す図である。なお、第５の実施の形態は、図１に示す第１の実施の形態に対応する燃料電池システムと同じ構成を有しており、その説明を省略するとともに、その燃料電池システムに用いられる図３に示すリショルム圧縮機と同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略することとする。
【００５７】
第５の実施の形態の特徴は、図８に示すように、圧縮機３のギヤケース３３内のオイル封入部３５の壁面にオイル封入部３５を大気開放する開放弁４７を設けたことにある。この開放弁４７は、コントロールユニット２５に接続されており、コントロールユニット２５からの制御信号に応じて弁を開放する。
【００５８】
次に、図９に示す制御フローチャートに従って燃料電池システムの制御動作を説明する。なお、図９に示す制御フローチャートは、コントロールユニット２５の内部ＲＯＭに制御プログラムとして記憶されている。
【００５９】
本実施の形態では、図９に示すように、ステップＳ７０を図４に示すフローチャートに挿入している。
【００６０】
ステップＳ１０〜Ｓ６０は、図４に示すフローチャートの各ステップと同様であるので、その説明を省略する。
【００６１】
そして、ステップＳ７０では、コントロールユニット２５は、開放弁４７に対し、開放弁４７を開くための制御信号を送る。これを受けた開放弁４７では、制御信号に応じて弁を開放してオイル封入部３５を大気開放する。
【００６２】
この結果、第５の実施の形態に関する効果は、上述した第１の実施の形態に関する効果に加えて、圧縮機３のオイル封入部３５の壁面に開放弁４７を設け、切換弁１３をバイパス通路経由からオイルセパレータ経由に切り換えると同時に開放弁４７を開くことで、オイル封入部３５の圧力が大気開放されて低下し、シール部３１ａ，３１ｂにおいて圧力の高いロータ２９ａ，２９ｂ側からオイル封入部３５への空気の流れが形成されるので、シール３１ａ，３１ｂの破損によるオイル封入部３５からロータ２９ａ，２９ｂへ漏れるオイルの量を低減することができる。
【００６３】
（第６の実施の形態）
図１０は、本発明の第６の実施の形態に係る燃料電池システムの制御動作を説明するための制御フローチャートである。なお、第６の実施の形態は、図１に示す第１の実施の形態に対応する燃料電池システムと同じ構成を有しており、その説明を省略することとする。また、図１０に示す制御フローチャートは、コントロールユニットの内部ＲＯＭに制御プログラムとして記憶されている。
【００６４】
本実施の形態の特徴は、図１０に示すように、ステップＳ８０を図４に示すフローチャートに挿入して、切換弁１３をバイパス通路経由からオイルセパレータ経由に切り換えると同時に、圧縮機３の回転数に上限値を設定し、この上限値以下の回転数で圧縮機３を運転することにある。
【００６５】
ステップＳ１０〜Ｓ６０は、図４に示すフローチャートの各ステップと同様であるので、その説明を省略する。
【００６６】
そして、ステップＳ８０では、コントロールユニット２５は、圧縮機３の回転数に対し定格よりも低い回転数を上限値として設定し、この上限値以下の回転数で圧縮機３を運転させるよう、モータ１５に駆動信号を送る。
【００６７】
この結果、第６の実施の形態に関する効果は、上述した第１の実施の形態に関する効果に加えて、切換弁１３をバイパス通路経由からオイルセパレータ経由に切り換えると同時に、圧縮機１３の回転数に上限値を設定し、この上限値以下の回転数で圧縮機１３を運転することで、オイル潤滑部が潤滑不良による焼付きによって破損することを防止することができる。また、この場合、圧縮機３の流量が制限されるので、オイルセパレータ９を小型化するとともに、オイルセパレータ９の出入口付近の空気通路５ａ，５ｂをバイパス通路１１よりも細くすることができ、システムの小型軽量化、コスト低減を図ることができる。
【００６８】
（第７の実施の形態）
図１１は、本発明の第７の実施の形態に係る燃料電池システムの制御動作を説明するための制御フローチャートである。なお、第７の実施の形態は、図１に示す第１の実施の形態に対応する燃料電池システムと同じ構成を有しており、その説明を省略することとする。また、図１１に示す制御フローチャートは、コントロールユニットの内部ＲＯＭに制御プログラムとして記憶されている。
【００６９】
本実施の形態の特徴は、図１１に示すように、ステップＳ９０を図４に示すフローチャートに挿入して、切換弁１３をバイパス通路経由からオイルセパレータ経由に切り換えると同時に、圧縮機３の吐出圧力に下限値を設定し、停止まではこの下限値以上の吐出圧力で圧縮機３を運転することにある。
【００７０】
ステップＳ１０〜Ｓ６０は、図４に示すフローチャートの各ステップと同様であるので、その説明を省略する。
【００７１】
そして、ステップＳ９０では、コントロールユニット２５は、圧縮機３の吐出圧力に対して下限値を設定し、停止まではこの下限値以上の吐出圧力で圧縮機３を運転させるよう、モータ１５に駆動信号を送る。
【００７２】
この結果、第７の実施の形態に関する効果は、上述した第１の実施の形態に関する効果に加えて、切換弁１３をバイパス通路経由からオイルセパレータ経由に切り換えると同時に、圧縮機３の吐出圧力に下限値を設定し、停止まではこの下限値以上の吐出圧力で圧縮機３を運転することで、空気圧（の差）によってオイル封入部３５からロータ２９ａ，２９ｂ側ヘオイルが流入することを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】オイル漏れ判定用の流量マップを示す概念図である。
【図３】オイルフリー圧縮機の一例を示す構成図である。
【図４】第１の実施の形態の燃料電池システムの制御動作を説明するための制御フローチャートである。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図７】本発明の第４の実施の形態に係る燃料電池システムに用いられるフィルタの構造を示す図である。
【図８】本発明の第５の実施の形態に係る燃料電池システムに用いられるオイルフリー圧縮機の一例を示す構成図である。
【図９】第５の実施の形態の燃料電池システムの制御動作を説明するための制御フローチャートである。
【図１０】第６の実施の形態の燃料電池システムの制御動作を説明するための制御フローチャートである。
【図１１】第７の実施の形態の燃料電池システムの制御動作を説明するための制御フローチャートである。
【図１２】従来の燃料電池システムの構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池
３ オイルフリー圧縮機
５ 空気通路
７ フィルタ
９ オイルセパレータ
１１ バイパス通路
１３ 切換弁
１５ モータ
１７ 圧力制御弁
１９ 流量計
２１ 圧力計
２３ 回転計
２５ コントロールユニット
２６ 入力軸
２７ａ，２７ｂ ベアリング
２９ａ，２９ｂ ロータ
３１ａ，３１ｂ シール
３３ ギヤケース
３４ ギヤ
３５ オイル封入部
３７ ケーシング
３９ 熱線式流量計
４１ 差圧計
４２ フィルタケース
４３ ろ材
４５ 活性炭層
４７ 開放弁
Claims (7)
- 燃料ガスと空気を用いて電力を発生する燃料電池と、
燃料電池に空気を供給するオイルフリー式の空気供給装置とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記空気供給装置の下流でかつ前記燃料電池の上流に設けられ、空気中のオイルミストを除去するオイルセパレータと、
前記オイルセパレータをバイパスするバイパス通路と、
前記バイパス通路を開閉して前記空気供給装置からの空気の流れを切り換える切換弁と、
前記バイパス通路の下流でかつ前記燃料電池の上流に設けられ、空気中の固形物をろ過作用により除去するフィルタと、
前記空気供給装置からの吐出空気の流量を測定する流量測定手段と、
前記空気供給装置からの吐出空気の圧力を測定する圧力測定手段と、
前記空気供給装置の回転数を測定する回転数測定手段と、
前記空気供給装置からの吐出空気の流量および圧力ならびに前記空気供給装置の回転数に基づいて、前記空気供給装置にオイル漏れが発生しているか否かを判定するオイル漏れ判定手段と、
前記空気供給装置にオイル漏れが発生していると判定された場合、前記空気供給装置から前記燃料電池への空気の流れを前記バイパス通路経由から前記オイルセパレータ経由に切り換えるように前記切換弁を制御する制御手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。 - 前記流量測定手段は、
熱線式の流量計であり、前記空気供給装置の下流でかつ前記フィルタの上流に設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。 - 前記流量測定手段は、
フィルタの上流と下流の圧力差を計測する差圧計であり、
前記オイル漏れ判定手段は、
前記フィルタの上流と下流の圧力差、前記空気供給装置からの吐出空気の圧力および前記空気供給装置の回転数に基づいて、前記空気供給装置にオイル漏れが発生しているか否かを判定することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。 - 前記フィルタに活性炭層を設けたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
- 前記空気供給装置のオイル封入部の壁面に設けられ、前記オイル封入部を大気開放する開放弁をさらに有し、
前記制御手段は、
前記空気供給装置にオイル漏れが発生していると判定された場合、前記空気供給装置から前記燃料電池への空気の流れを前記バイパス通路経由から前記オイルセパレータ経由に切り換えるように前記切換弁を制御すると同時に、前記開放弁を開くように前記開放弁を制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。 - 前記制御手段は、
前記空気供給装置にオイル漏れが発生していると判定された場合、前記空気供給装置から前記燃料電池への空気の流れを前記バイパス通路経由から前記オイルセパレータ経由に切り換えるように前記切換弁を制御すると同時に、前記空気供給装置の回転数に定格よりも低い回転数を上限値として設定し、この上限値以下の回転数で運転するように前記空気供給装置を制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。 - 前記制御手段は、
前記空気供給装置にオイル漏れが発生していると判定された場合、前記空気供給装置から前記燃料電池への空気の流れを前記バイパス通路経由から前記オイルセパレータ経由に切り換えるように前記切換弁を制御すると同時に、前記空気供給装置からの吐出空気の圧力に下限値を設定し、この下限値以上の吐出圧力で運転するように前記空気供給装置を制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
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