(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、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。
【請求項２】
前記エアコンプレッサの温度を検出する温度センサを更に備え、
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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）。
【０００４】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１４６７８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【発明の効果】
【００１０】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図２】燃料電池始動時の酸化ガス供給系の制御方法を示すフローチャートである。
【図３】エアコンプレッサのインペラ周辺の構成を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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）
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
（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。
【００３６】
（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。
【００３７】
（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。
【００３８】
（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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
（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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【符号の説明】
【００４５】
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）
【図１】
0006465408.tif 000002
【図２】
0006465408.tif 000003
【図３】
0006465408.tif 000004