(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムに流入される空気流量を確認する流量センサと；
流入された空気を圧縮させて、シャフトがｉｄｌｅ ｒｐｍ以上になるとき、前記シャフトがフォイルから浮上するようにするためエアフォイルベアリングが備えられる空気圧縮機と；
前記燃料電池システムと連結される流量調節手段と；
制御部と；を含み、
前記制御部は、
前記空気圧縮機のｉｄｌｅ ｒｐｍが前記空気圧縮機の要求ｒｐｍ以上であるのかを判断し、
前記空気圧縮機のｉｄｌｅ ｒｐｍが前記空気圧縮機の要求ｒｐｍ以上であると判断される場合、前記空気圧縮機をｉｄｌｅ ｒｐｍで駆動し、
前記空気圧縮機のｉｄｌｅ ｒｐｍが前記空気圧縮機の要求ｒｐｍを超過すると判断される場合、前記燃料電池システムに流入される空気供給を減少させるため、前記流量調節手段を調節し、
前記流量調節手段は、前記空気圧縮機の最小運転回転数以上により供給される空気量が、前記燃料電池システムで要求する空気量を超過する場合、過剰供給される空気を再循環させるバイパスバルブであり、
前記空気圧縮機で圧縮された空気の供給を受けて一部を再循環させるライン；をさらに含み、
前記空気圧縮機の最小運転回転数により供給される空気量が、前記燃料電池システムで要求する空気量以下の場合、前記バイパスバルブによって空気再循環を解除させることを特徴とすることを特徴とする燃料電池システム構造。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システム構造を用いた燃料電池システムの再循環方法において、
燃料電池システムで空気圧縮機のデータを確認する第１段階と；
前記第１段階で空気圧縮機のデータを確認した後、前記空気圧縮機のｉｄｌｅ ｒｐｍが前記空気圧縮機の要求ｒｐｍ以上であるのかを判断する第２段階と；
前記第２段階で空気圧縮機のｉｄｌｅ ｒｐｍが空気圧縮機の要求ｒｐｍ以上の場合、前記空気圧縮機をｉｄｌｅ ｒｐｍで運転する第３段階と；
前記第３段階以後のバイパスバルブの開閉を確認する第６段階と；
前記第６段階でバイパスバルブの閉鎖時に前記バイパスバルブの開度量を高めて再循環流量を増大させる第７段階と；
を含むことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項３】
前記第６段階で前記バイパスバルブの開放時に前記バイパスバルブの開度量を高める第７−１段階；
をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項４】
前記第２段階で空気圧縮機のｉｄｌｅ ｒｐｍが前記空気圧縮機の要求ｒｐｍ未満の場合、前記バイパスバルブの開閉を確認する第６−１段階；
をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項５】
前記第６−１段階で前記バイパスバルブが閉鎖されている場合、前記空気圧縮機のｒｐｍを上昇させて供給流量を増大させる第７−２段階；
をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項６】
前記第６−１段階で前記バイパスバルブが開放されている場合、前記空気圧縮機のｒｐｍを上昇させて、供給流量を増大させ、前記バイパスバルブを閉鎖させる第７−３段階；をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項７】
前記第１段階で確認する前記空気圧縮機のデータは、空気圧縮機の要求ｒｐｍと、空気圧縮機のｉｄｌｅ ｒｐｍと、燃料電池システムの要求空気量及び実際空気量とを含むことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システムの制御方法。
【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用いられるエアフォイルベアリングを適用した空気圧縮機の安定的な運転のための構造及び方法に関し、特に燃料電池システムに適用された空気圧縮機の過剰空気供給を制限するための構造及び方法と過剰供給された空気を再循環させるための燃料電池システム構造及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に燃料電池システムには空気供給が必須なので、空気圧縮機が備えられる。
【０００３】
このような、空気圧縮機にはボールベアリングのような接触式ベアリングが主に用いられてきた。しかし、接触式ベアリングは、ベアリングの摩擦による回転数の制限があるため、最近は圧縮機の回転数問題を克服するためにエアフォイルベアリングの使用が増加している。
【０００４】
一方、エアフォイルベアリングを用いる場合、ベアリングによる回転数に制限が殆どないので高速運転が可能であり、圧縮機の大きさを減らすことができ、非接触運転なので騷音が低減される長所がある。
【０００５】
しかし、燃料電池システムで要求される空気量が少ないとき、エアフォイルベアリングを適用したターボ型圧縮機の運転回転数（ｒｐｍ）を減らしながら、空気供給量を減らすこととなるが、エアフォイルベアリングを適用した空気圧縮機の運転回転数が浮上回転数領域またはその以下となれば、ローターとベアリングとの間に多くの接触が発生し、ベアリングの表面を摩耗させるか、破損を誘発して空気圧縮機の耐久性を低下させる問題点があった。
【０００６】
また、圧縮機のローターに対するベアリングの支持力が低くなり、外部衝撃時に回転しているローターとベアリングまたはハウジングとの間の衝突による部品の破損危険性が増加するようになる。
【０００７】
一方、要求空気量が少ないとしても運転回転数（ｒｐｍ）を浮上回転数以上に増加させる場合、空気供給量が多くなるため、燃料電池システムに必要な加湿量が不足となり、ＭＥＡ（ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  ｅａｓｓｅｍｂｌｙ）などが乾燥されるようになるドライアウト現象が発生する問題点があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】韓国公開特許第１０−２００６−００１４１５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、前記問題点を解消するための燃料電池システム構造及び方法と、燃料電池システムに適用された空気圧縮機の過剰空気供給を制限する構造及び方法に関するものであって、エアフォイルベアリングを適用した圧縮機を含む燃料電池システムの運転安定性の確保を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
このような本発明は、燃料電池システムに流入される空気流量を確認する流量センサと；流入された空気を圧縮させて、エアフォイルベアリングが備えられて最小運転回転数以上を維持する空気圧縮機と；前記燃料電池システムと連結される流量調節手段；を含むことにより達成される。
【００１１】
前記流量調節手段は、前記燃料電池システムと連結されて背圧と空気供給量を調節する背圧調節バルブが適用されるようにするのが好ましい。
【００１２】
前記空気圧縮機の最小運転回転数以上により供給される空気量が前記燃料電池システムで要求される空気量を超過する場合、前記背圧調節バルブの開度を調節するようにするのが好ましい。
【００１３】
一方、本発明において、前記流量調節手段は、前記空気圧縮機の最小運転回転数以上により供給される空気量が、前記燃料電池システムで要求する空気量を超過する場合、過剰供給される空気を再循環させるバイパスバルブであることを特徴とし、前記空気圧縮機で圧縮された空気の供給を受けて一部を再循環させるライン；をさらに含むようにするのが好ましい。
【００１４】
前記空気圧縮機の最小運転回転数により供給される空気量が、前記燃料電池システムで要求する空気量以下の場合、前記バイパスバルブによって空気再循環を解除させるようにするのが好ましい。
【００１５】
また、本発明は、燃料電池システム構造を用いた燃料電池システムの運転方法において、燃料電池システムで空気圧縮機のデータを確認する第１段階と；前記第１段階で空気圧縮機のデータを確認した後、前記空気圧縮機のｉｄｌｅ ｒｐｍが前記空気圧縮機の要求ｒｐｍ以上であるのかを判断する第２段階と；前記第２段階で空気圧縮機のｉｄｌｅ ｒｐｍが空気圧縮機の要求ｒｐｍ以上の場合、前記空気圧縮機のｉｄｌｅ ｒｐｍを運転する第３段階と；前記第３段階以後に背圧調節バルブの開度を調節して供給流量を低下させる第４段階と；を含むことにより達成される。
【００１６】
前記第２段階で前記空気圧縮機のｉｄｌｅ ｒｐｍが前記空気圧縮機の要求ｒｐｍ未満の場合、前記空気圧縮機のｒｐｍを上昇させて、前記背圧調節バルブを開放させて供給流量を増加させる第５段階；を含むようにするのが好ましい。
【００１７】
また、本発明は、燃料電池システムの構造を用いた燃料電池システムの再循環方法において、燃料電池システムで空気圧縮機のデータを確認する第１段階と；前記第１段階で空気圧縮機のデータを確認した後、前記空気圧縮機のｉｄｌｅ ｒｐｍが前記空気圧縮機の要求ｒｐｍ以上であるのかを判断する第２段階と；前記第２段階で空気圧縮機のｉｄｌｅ ｒｐｍが空気圧縮機の要求ｒｐｍ以上の場合、前記空気圧縮機のｉｄｌｅ ｒｐｍを運転する第３段階と；前記第３段階以後にバイパスバルブの開閉を確認する第６段階と；前記第６段階でバイパスバルブの閉鎖時に前記バイパスバルブの開度量を高めて再循環流量を増大させる第７段階；を含むことにより達成される。
【００１８】
前記第６段階で前記バイパスの開放時に前記バイパスバルブの開度量を高める第７−１段階；をさらに含むようにするのが好ましい。
【００１９】
前記第２段階で空気圧縮機のｉｄｌｅ ｒｐｍが前記空気圧縮機の要求ｒｐｍ未満の場合、前記バイパスバルブの開閉を確認する第６−１段階；をさらに含むようにするのが好ましい。
【００２０】
前記第６−１段階で前記バイパスバルブが閉鎖されている場合、前記空気圧縮機のｒｐｍを上昇させて供給流量を増大させる第７−２段階；をさらに含むようにするのが好ましい。
【００２１】
前記第６−１段階で前記バイパスバルブが開放されている場合、前記空気圧縮機のｒｐｍを上昇させて、供給流量を増大させて、前記バイパスバルブを閉鎖させる第７−３段階；をさらに含むようにするのが好ましい。
【００２２】
前記第１段階で確認する前記空気圧縮機のデータは、空気圧縮機の要求ｒｐｍと、空気圧縮機のｉｄｌｅ ｒｐｍと、燃料電池システムの要求空気量及び実際空気量を含むようにするのが好ましい。
【発明の効果】
【００２３】
以上のような本発明は、エアフォイルベアリングが適用された空気圧縮機の耐久性及び耐磨耗性を確保しながら、過剰空気供給を制限または再循環させることにより燃料電池システムの要求空気量に合わせて供給するので、空気の過剰供給によるスタックを含む燃料電池システムの乾燥現象を防止し、商品性と安全性を向上させることに効果がある発明である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の燃料電池システム構造を示す構造図である。
【図２】本発明の燃料電池システム構造の他の実施例を示す構造図である。
【図３】本発明の燃料電池システムの運転方法を示すフローチャートである。
【図４】本発明の燃料電池システムの運転方法の他の実施例を示すフローチャートである。
【図５】本発明の燃料電池システムの運転方法の空気流量変動状態を示すグラフである。
【図６】本発明の燃料電池システム構造の空気供給量制御状態を示すグラフである。
【図７】本発明の燃料電池システム構造の空気供給量制御状態を示すグラフである。
【図８】本発明の燃料電池システムの運転方法の空気流量変動状態を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明の実施例を、図を参照して詳しく説明する。
【００２６】
本発明の燃料電池システム構造は、図１に示すように流量センサ１００と、エアフォイルベアリングが備えられる空気圧縮機２００と、燃料電池システムと連結する背圧調節バルブ４００である流量調節手段とを含む。
【００２７】
流量センサ１００は、燃料電池システム３００に流入される空気をフィルタリングして空気の流量を確認する。
【００２８】
空気圧縮機２００は流入された空気を圧縮させ、エアフォイルベアリングが備えられて最小運転回転数を維持することができるようにする。
【００２９】
一方、エアフォイルベアリングはエアベアリングの一つの形態であって、シャフトが充分に速やかに回転されれば、空気のような作動流体がシャフトからフォイル（ｆｏｉｌ）を押し出すことにより、シャフトとフォイルとの間にこれ以上接触がなくなる。
【００３０】
このとき、シャフトとフォイルは粘性効果によってフォイルとシャフトとの間に空気を押し入れて、回転により発生された高い圧力の空気によって分離支持されながら浮上するようになる。
【００３１】
また、本発明は空気圧縮機２００で圧縮された空気の供給を受けて、流量調節手段は背圧調節バルブ４００が適用されるようにして、燃料電池システム３００と連結されて空気供給量を調節することを特徴とする。
【００３２】
空気圧縮機２００の最小運転回転数により供給される空気量が、燃料電池システム３００で要求される空気量を超過する場合、背圧調節バルブ４００の開度を調節する。
【００３３】
すなわち、空気圧縮機２００の最小運転回転数で供給される空気量が、燃料電池システム３００で要求する空気量より多いとき、背圧調節バルブ４００の開度を調節して空気供給量を制御する。
【００３４】
本発明でエアフォイルベアリングを採用した空気圧縮機２００が適用された燃料電池システム３００において、エアフォイル（ａｉｒ ｆｏｉｌ）を適用したターボ型圧縮機の最小運転回転数は、外部衝撃にも耐え得る支持力（ｌｏａｄ ｃａｐａｃｉｔｙ）を維持するために必要な最小限の回転数（ｒｐｍ＿ｍｉｎ）で駆動するようにする。
【００３５】
例えば、回転体のｌｉｆｔ−ｏｆｆ（浮上）時点（トルクまたは圧縮機モータの消耗電流測定などで可能）と各ＲＰＭ別にｌｏａｄ ｃａｐａｃｉｔｙ（負荷容量）を測定し、車両で加えられる衝撃を考慮して回転体の最小ＲＰＭを決定する。
【００３６】
このとき、空気圧縮機２００の最小運転回転数で供給される空気量が、燃料電池システム３００で要求する空気量より多いとき、背圧調節バルブ４００の開度を調節して空気供給量を制御する。
【００３７】
一方、図６及び図７に示すように、ローターが浮上するようになれば、接触により発生する摩擦力がなくなるに伴って軸にかかるトルクが最小となり、このとき、浮上ｒｐｍ以上、そして外部加振に耐え得る最低支持力を確保することができるｒｐｍを最小ｒｐｍとして設定し、最小ｒｐｍで供給される空気量が燃料電池システム３００で要求する空気量より多いときは、背圧調節バルブ４００の開度を閉めて燃料電池システム３００の要求に合わせて空気供給量を制御する。
【００３８】
一方、本発明である燃料電池システム構造の他の実施例は、図２に示すように燃料電池システム３００に流入される空気流量を確認する流量センサ１００と、流入された空気を圧縮させ、エアフォイルベアリングが備えられて最小運転回転数を維持する空気圧縮機２００と、空気圧縮機２００で圧縮された空気の供給を受けて一部を再循環させるライン（図示せず）と、燃料電池システムと連結するバイパスバルブ５００である流量調節手段とを含む。
【００３９】
このとき、バイパスバルブ５００は、空気圧縮機２００の最小運転回転数により供給される空気量が、燃料電池システム３００で要求する空気量を超過する場合、過剰供給される空気を再循環させる。
【００４０】
一方、本発明の実施例は、空気圧縮機２００で圧縮された空気の供給を受けて燃料電池システム３００で再循環させることを特徴とする。
【００４１】
ここで、流量センサ１００と、空気圧縮機２００と、燃料電池システム３００は、以前の実施例で前述したところと同一であるため、重複説明は略する。
【００４２】
ライン（図示せず）は、空気圧縮機２００で圧縮された空気の供給を受けて一部を再循環させる。
【００４３】
バイパスバルブ５００は、空気圧縮機２００の後段から圧縮機２００の前段へ一部の空気を再循環するものであって、空気圧縮機２００の空気量と燃料電池システム３００の要求空気量を比較して空気を再循環させる。
【００４４】
すなわち、空気圧縮機２００の最小運転回転数により供給される空気量が燃料電池システム３００で要求する空気量より多いときは、バイパスバルブ５００を開いて過剰供給される流量を再循環し、最小運転回転数により供給される空気量が燃料電池システム３００で要求する空気量以下の場合には、バイパスバルブ５００を閉めて空気再循環を解除させる。
【００４５】
本発明の燃料電池システムの制御方法は、図３に示すように燃料電池システム３００の空気圧縮機２００のデータを確認する第１段階（Ｓ１０）と、空気圧縮機２００のｉｄｌｅ ｒｐｍ（アイドル回転数）と空気圧縮機２００の要求ｒｐｍ（要求回転数）を比較判断する第２段階（Ｓ２０）と、空気圧縮機２００のｉｄｌｅ ｒｐｍを運転する第３段階（Ｓ３０）と、背圧調節バルブ４００を閉鎖させて流量を低下させる第４段階（Ｓ４０）を含む。
【００４６】
第１段階（Ｓ１０）は、燃料電池システム３００から空気圧縮機２００のデータを確認する段階である。
【００４７】
このとき、空気圧縮機２００のデータは、圧縮機２００の要求ｒｐｍ、圧縮機２００のｉｄｌｅ ｒｐｍ、要求空気量及び実際空気量を含むようにするのが好ましい。
【００４８】
第２段階（Ｓ２０）は、第１段階（Ｓ１０）で空気圧縮機２００のデータを確認した後、空気圧縮機２００のｉｄｌｅ ｒｐｍが空気圧縮機２００の要求ｒｐｍ以上であるのかを判断する段階である。
【００４９】
第３段階（Ｓ３０）は、第２段階（Ｓ２０）で空気圧縮機２００のｉｄｌｅ ｒｐｍが空気圧縮機２００の要求ｒｐｍ以上の場合、空気圧縮機２００のｉｄｌｅ ｒｐｍを運転する（空気圧縮機２００をｉｄｌｅ ｒｐｍにて運転させる）。
【００５０】
また、第４段階（Ｓ４０）は、第３段階（Ｓ３０）で空気圧縮機２００のｉｄｌｅ ｒｐｍを運転した以後、背圧調節バルブ４００を閉鎖させて供給流量を低下させるようにする。
【００５１】
一方、第２段階（Ｓ２０）で空気圧縮機２００のｉｄｌｅ ｒｐｍが空気圧縮機２００の要求ｒｐｍ未満の場合には空気圧縮機２００のｒｐｍを上昇させて、背圧調節バルブ４００を開放させて供給流量を増加させる第５段階（Ｓ５０）に移動させるようにする。
【００５２】
すなわち、本発明は、図５に示すように背圧調節バルブ４００の開度によって燃料電池システム３００のスタックに供給される空気流量が変動されるようにして、燃料電池システム３００の要求空気量に合わせて供給することにより、空気の過剰供給によるスタックを含む燃料電池システム３００の乾燥現象を防止し、商品性と安全性を向上させることができるようにする。
【００５３】
また、本発明である燃料電池システムの制御方法の他の実施例は、図４に示すように、燃料電池システム３００で空気圧縮機２００のデータを確認する第１段階（Ｓ１０）と、第１段階（Ｓ１０）で空気圧縮機２００のデータを確認した後、空気圧縮機２００のｉｄｌｅ ｒｐｍが空気圧縮機２００の要求ｒｐｍ以上であるのかを判断する第２段階（Ｓ２０）と、第２段階（Ｓ２０）で空気圧縮機２００のｉｄｌｅ ｒｐｍが空気圧縮機２００の要求ｒｐｍ以上の場合、空気圧縮機２００のｉｄｌｅ ｒｐｍを運転する第３段階（Ｓ３０）と、第３段階（Ｓ３０）以後にバイパスバルブ５００の開閉を確認する第６段階（Ｓ６０）と、第６段階（Ｓ６０）でバイパスバルブ５００の閉鎖時にバイパスバルブ５００の開度量を高めて再循環流量を増大させる第７段階（Ｓ７０）とを含むことを特徴とする。
【００５４】
ここで、空気圧縮機２００のデータを確認する第１段階（Ｓ１０）と、ｒｐｍを比較判断する第２段階（Ｓ２０）と、空気圧縮機２００のｉｄｌｅ ｒｐｍを運転する第３段階（Ｓ３０）とは、以前の実施例で詳述したところと同一なので重複説明は略する。
【００５５】
第６段階（Ｓ６０）は、第３段階（Ｓ３０）で圧縮機２００のｉｄｌｅ ｒｐｍ運転以後、バイパスバルブ５００の開閉を確認する。
【００５６】
第７段階（Ｓ７０）は、第６段階（Ｓ６０）でバイパスバルブ５００を閉鎖している場合には、バイパスバルブ５００の開度量を高めて再循環流量を増大させる。
【００５７】
このとき、第６段階（Ｓ６０）でバイパスを開放している場合には、バイパスバルブ５００の開度量を高める第７−１段階（Ｓ７１）をさらに含むようにするのが好ましい。
【００５８】
一方、第２段階（Ｓ２０）で空気圧縮機２００のｉｄｌｅ ｒｐｍが空気圧縮機２００の要求ｒｐｍ未満の場合、バイパスバルブ５００の開閉を確認する第６−１段階（Ｓ６１）に移動されるようにする。
【００５９】
このとき、第６−１段階（Ｓ６１）でバイパスバルブ５００が閉鎖されている場合には、空気圧縮機２００のｒｐｍを上昇させて供給流量を増大させる第７−２段階（Ｓ７２）に移動されるようにする。
【００６０】
また、第６−１段階（Ｓ６１）でバイパスバルブ５００が開放されている場合には、空気圧縮機２００のｒｐｍを上昇させて供給流量を増大させ、バイパスバルブ５００を閉鎖させる第７−３段階（Ｓ７３）に移動されるようにする。
【００６１】
すなわち、本発明は、図８に示すようにバイパスバルブ５００の開度によって燃料電池システム３００のスタックに供給される空気流量が変動されるようにし、燃料電池システム３００の要求空気量に合わせて供給することにより、空気の過剰供給によるスタックを含む燃料電池システム３００の乾燥現象を防止し、商品性と安全性を向上させることができるようにする。
【００６２】
以上のように、本発明はたとえ限定された実施例と図面により説明されたとしても、本発明はこれにより限定されず、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者によって本発明の技術思想と下記に記載する特許請求の範囲内で多様な修正及び変形が可能であることは勿論である。
【符号の説明】
【００６３】
１００  流量センサ
２００  空気圧縮機
３００  燃料電池システム
４００  背圧調節バルブ
５００  バイパスバルブ
Ｓ１０  第１段階
Ｓ２０  第２段階
Ｓ３０  第３段階
Ｓ４０  第４段階
Ｓ５０  第５段階
Ｓ６０  第６段階
Ｓ７０  第７段階
【図１】
0006656828.tif 000002
【図２】
0006656828.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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