(57)【要約】【課題】  反応ガスの供給手段としてルーツ式ポンプを用いた燃料電池システムに関し、システム停止時のルーツ式ポンプの凍結を防止する。【解決手段】  反応ガスの吸入口１２０と吐出口１２２がほぼ鉛直方向に位置するようにルーツ式ポンプ１０を配置し、システム停止時には、逆方向に回転する二枚のロータ１１４，１１６上に水が溜まらない角度でロータ１１４，１１６の回転を停止する。【選択図】      図３
2007059333.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
逆方向に回転する二枚のロータを備えたルーツ式ポンプを用いて燃料電池に反応ガスを供給する燃料電池システムにおいて、
前記ルーツ式ポンプは、反応ガスの吸入口と吐出口がほぼ鉛直方向に位置するように配置され、
システム停止時には、前記ロータ上に水が溜まらない角度で前記ロータの回転を停止することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記ロータの凹部に水が溜まらない角度で前記ロータの回転を停止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。
【請求項３】
前記ロータ上に水が溜まらない角度範囲内で前記ロータを所定回数往復動させてから、前記角度範囲内の所定角度で前記ロータの回転を停止することを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記二枚のロータがなす角度が９０度のときを前記ロータの基準位置としたとき、前記基準位置から４５度あるいは１３５度回転した位置で前記ロータの回転を停止することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項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し、詳しくは、燃料電池に反応ガスを供給する手段として、逆方向に回転する二枚のロータにより反応ガスを圧縮するルーツ式ポンプを用いた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、大気中から空気を取り込んで燃料電池に供給する送気手段としてポンプを備えている。ポンプにはスクリュー式やルーツ式等の種々の形式が存在するが、例えば、特許文献１に記載された燃料電池システムでは、二枚のロータを有するルーツ式ポンプが送気手段として用いられている。
【特許文献１】特開２００４−１６４９５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、空気中には水分が含まれているため、システム停止時に大気温が氷点下まで下がった場合、空気中の水分がシステム内で氷結する可能性がある。空気中の水分の氷結はポンプ内でも起こりうる現象であり、ポンプ内で水分が氷結した場合には、システム起動時にポンプを作動させることができなくなってしまう。
【０００４】
前記のルーツ式ポンプは、スクリュー式等の他の形式のポンプに比較して内部に入った水を外に出しやすい構造になっている。しかし、ロータの停止時にロータの凹部に水が溜まっていると、その水が氷結した場合には、二枚のロータ間に氷が挟み込まれることになってロータの回転が不可能になる可能性がある。
【０００５】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、システム停止時にルーツ式ポンプが凍結することの無い燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、逆方向に回転する二枚のロータを備えたルーツ式ポンプを用いて燃料電池に反応ガスを供給する燃料電池システムにおいて、
前記ルーツ式ポンプは、反応ガスの吸入口と吐出口がほぼ鉛直方向に位置するように配置され、
システム停止時には、前記ロータ上に水が溜まらない角度で前記ロータの回転を停止することを特徴としている。
【０００７】
第２の発明は、第１の発明において、
前記ロータの凹部に水が溜まらない角度で前記ロータの回転を停止することを特徴としている。
【０００８】
第３の発明は、第１又は第２の発明において、
前記ロータ上に水が溜まらない角度範囲内で前記ロータを所定回数往復動させてから、前記角度範囲内の所定角度で前記ロータの回転を停止することを特徴としている。
【０００９】
第４の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、
前記二枚のロータがなす角度が９０度のときを前記ロータの基準位置としたとき、前記基準位置から４５度あるいは１３５度回転した位置で前記ロータの回転を停止することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
第１の発明によれば、反応ガスの吸入口と吐出口がほぼ鉛直方向に位置するようにルーツ式ポンプを配置することで、ロータハウジング内の水分はロータハウジング内に溜まることなく吸入口或いは吐出口から外部へ排出される。また、二枚のロータの回転は、各ロータ上に水が溜まらない角度で停止されるので、ロータ上に水が溜まることもない。したがって、システム停止時に氷点下になった場合であっても、反応ガス中に含まれる水分によってルーツ式ポンプが凍結してしまうことはない。
【００１１】
特に、第２の発明によれば、停止時に最も水の溜まりやすいロータの凹部に水が溜まることを防止することができる。
【００１２】
第３の発明によれば、ロータ上に水が溜まらない角度範囲内でロータを往復動させ、ロータに付着している水分を確実に除去してからロータを完全停止することで、システム停止時のルーツ式ポンプの凍結をより確実に防止できる。
【００１３】
第４の発明によれば、二枚のロータのいずれにおいても、その上に水が溜まることを確実に防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図１乃至図６を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明が適用される燃料電池システムの概略構成を示す図である。この図に示すように、燃料電池システムは、燃料電池スタック２を備えている。燃料電池スタック２は、複数枚の燃料電池セルを積層されて構成されている。
【００１５】
燃料電池スタック２には、空気が供給されるエア供給ライン４０が接続されている。エア供給ライン４０の入口にはエアクリーナ４が取り付けられ、エアクリーナ４の下流にルーツ式ポンプ１０が配置されている。ルーツ式ポンプ１０はモータ１２によって回転駆動される。ルーツ式ポンプ１０の回転角度は、モータ１２に取り付けられた角度センサ１４によって測定することができる。このルーツ式ポンプ１０の作動によって大気中からエア供給ライン４に空気が取り込まれ、燃料電池スタック２に供給される。
【００１６】
燃料電池スタック２内を通過した空気は、オフガス排気ライン４２にオフガス（カソードオフガス）として排出される。オフガス排気ライン４２は後述する希釈器３６に接続され、カソードオフガスは希釈器３６で希釈用ガスとして使用される。また、オフガス排気ライン４２とエア供給ライン４０におけるルーツ式ポンプ１０の下流との間には、加湿器６が設けられている。加湿器６は、オフガス排気ライン４２のカソードオフガスから水分を奪い、奪った水分をエア供給ライン４０の空気に付与している。
【００１７】
また、燃料電池スタック２には、水素が供給される水素供給ライン４４が接続されている。水素供給ライン４４の上流端は高圧水素タンク３０に接続され、その下流にレギュレータ３２が配置されている。水素はレギュレータ３２で減圧され所望の圧力に調整されてから燃料電池スタック２に供給される。
【００１８】
燃料電池スタック２内を通過した水素は、オフガス循環ライン４６にオフガス（アノードオフガス）として排出される。オフガス循環ライン４６の下流端は、水素供給ライン４４におけるレギュレータ３２の下流に接続されている。オフガス循環ライン４６には、ルーツ式ポンプ２０が配置されている。ルーツ式ポンプ２０はモータ２２によって回転駆動される。ルーツ式ポンプ２０の回転角度は、モータ２２に取り付けられた角度センサ２４によって測定することができる。このルーツ式ポンプ２０の作動によってアノードオフガスは再び水素供給ライン４４に送り出される。
【００１９】
オフガス循環ライン４６におけるルーツ式ポンプ２０の上流には、アノードオフガスをオフガス循環ライン４６から排出するためのオフガス排気ライン４８が接続されている。オフガス排気ライン４８の途中には排気弁３４が配置され、その下流端は希釈器３６に接続されている。排気弁３４は所定のタイミングで開かれ、排気弁３４が開くことでオフガス循環ライン４６に滞留している窒素等の不純物がオフガス排気ライン４８を通って外部に放出される。その際、アノードオフガス中に残存している水素は、希釈器３６内で希釈用ガスによって十分に低い濃度まで希釈される。
【００２０】
図２は、本実施形態にかかるルーツ式ポンプ１０の構成を示す図である。ルーツ式ポンプ１０は、ロータハウジング１１２内に二枚のロータ１１４，１１６を備えている。本実施形態にかかるロータ１１４，１１６はエンベロープ形であるが、サイクロイド形やインボリュート形など他の外形形状を有するロータであってもよい。二枚のロータ１１４，１１６は図中に矢印で示すようにに逆方向に回転し、互いに９０度位相をずらされている。
なお、ここでは、図２に示すように、第１のロータ１１４の中心線が両ロータ１１４，１１６の軸を通る第１基準線L0に一致し、第２のロータ１１６の中心線が第２のロータ１１６の軸を通り第１基準線L0に直交する第２基準線R0に一致するとき、そのときの各ロータ１１４，１１６の位置（回転角度）を各ロータ１１４，１１６の基準位置として定義する。
【００２１】
ロータハウジング１１２には、ロータ１１４，１１６を挟んで吸入口１２０と吐出口１２２が形成されている。吸入口１２０から吸入された空気は、ロータ１１４，１１６の回転により圧縮されて吐出口１２２から吐き出される。本実施形態の燃料電池システムでは、吸入口１２０が吐出口１２２に対して鉛直方向のほぼ真上に位置するように、ルーツ式ポンプ１０の設置が行われている。このようにルーツ式ポンプ１０を設置することで、吸入口１２０からロータハウジング１１２内に水が入ったとしても、水はそのままロータハウジング１１２内に溜まることはなく、吐出口１２２から外部へ排出される。
【００２２】
なお、図示は省略するが、オフガス循環ライン４６に配置されるルーツ式ポンプ２０の構成は、以上説明したルーツ式ポンプ１０の構成と同構成である。また、ルーツ式ポンプ２０は、ルーツ式ポンプ１０と同じく、吸入口が吐出口に対して鉛直方向のほぼ真上に位置するように設置されている。
【００２３】
各ルーツ式ポンプ１０，２０は、制御装置６０によってその回転を制御されている。制御装置６０は、燃料電池スタック２の負加に応じた電力を各モータ１２，２２に供給することで各ルーツ式ポンプ１０，２０の回転数を制御し、空気の供給量やアノードオフガスの循環量を調整している。
【００２４】
本実施形態の燃料電池システムは、システム停止に伴い制御装置６０がルーツ式ポンプ１０，２０の回転を停止するときに実施する回転停止制御に特徴を有している。なお、制御装置６０がルーツ式ポンプ１０，２０の回転を停止するケースとしては、燃料電池車の運転終了時のように燃料電池システム全体を長期間停止させるケースと、電力の需要と供給とのバランスから燃料電池スタック２の発電を一時的に停止させるケースとがある。本実施形態にかかる回転停止制御は、システムの長期停止時に起こりうるルーツ式ポンプ１０，２０の凍結対策としてなされるものであり、前者のケースを対象としている。
【００２５】
まず、従来実施されていた一般的な回転停止制御について説明する。従来の回転停止制御では、燃料電池システムを停止するシステム停止信号が発せられたとき、モータへの電力の供給を即座に停止し、ルーツ式ポンプの回転を停止するようになっていた。この場合、回転が完全停止したときのロータの位置（回転角度）は一定にはならなかった。
【００２６】
本実施形態にかかる回転停止制御では、図３あるいは図５に示すように、所定の回転角度までロータ１１４，１１６を回転させてからルーツ式ポンプ１０の回転を停止する。具体的には、図３に示すように、前述の基準位置から正転方向に４５度回転した位置で各ロータ１１４，１１６を停止させるか、図５に示すように、基準位置から正転方向に１３５度回転した位置で各ロータ１１４，１１６を停止させる。制御装置６０は、基準位置から正転方向に４５度回転した位置（図３に示す位置）を各ロータ１１４，１１６の第１基本停止位置として設定し、１３５度回転した位置（図５に示す位置）を各ロータ１１４，１１６の第２基本停止位置として設定している。そして、システム停止信号が発せられたときの回転角度に応じて、第１基本停止位置と第２基本停止位置の何れかを選択する。
【００２７】
制御装置６０は、各ロータ１１４，１１６を第１基本停止位置あるいは第２基本停止位置で停止させた後、所定の角度範囲内で所定回数往復動させる。具体的には、各ロータ１１４，１１６を第１基本停止位置で停止させる場合には、基準位置から正転方向に３５度（図４Ａに示す回転角度）を下限とし、５５度（図４Ｂに示す回転角度）を上限とする角度範囲(第１許容停止範囲)内で各ロータ１１４，１１６を往復動させる。そして、所定回数往復動させた後、再び第１基本停止位置で停止させる。また、各ロータ１１４，１１６を第２基本停止位置で停止させる場合には、基準位置から正転方向に１２５度（図６Ａに示す回転角度）を下限とし、１４５度（図６Ｂに示す回転角度）を上限とする角度範囲(第２許容停止範囲)内で各ロータ１１４，１１６を往復動させる。そして、所定回数往復動させた後、再び第２基本停止位置で停止させる。
【００２８】
上記の第１基本停止位置や第２基本停止位置では、左右のロータ１１４，１１６は平行になり、ともに鉛直方向に対して４５度傾いた状態となる。この状態であれば、左右どちらのロータ１１４，１１６においても、その中央付近の凹部１１４ａ，１１４ｂ，１１６ａ，１１６ｂに水が溜まることはない。第１基本停止位置や第２基本停止位置は、それぞれ凹部１１４ａ，１１４ｂ，１１６ａ，１１６ｂに水が溜まることがない最適停止位置である。したがって、各ロータ１１４，１１６を第１基本停止位置や第２基本停止位置で停止させることで、仮にシステム停止時に大気温が氷点下まで下がったとしても、ルーツ式ポンプ１０が凍結してしまうことはない。
【００２９】
また、上記の第１許容停止範囲は、ロータ１１４，１１６の凹部１１４ａ，１１６ａに水が溜まることのない角度範囲であり、第２許容停止範囲は、ロータ１１４，１１６の凹部１１４ｂ，１１６ｂに水が溜まることのない角度範囲である。本実施形態にかかる回転停止制御では、上記のように、第１許容停止範囲内あるいは第２許容停止範囲内でロータ１１４，１１６を往復動させる。これにより、ロータ１１４，１１６に付着している水分を確実に除去してからロータ１１４，１１６を完全停止することができ、システム停止時のルーツ式ポンプ１０の凍結をより確実に防止できる。
【００３０】
なお、図を用いた説明は省略するが、制御装置６０は、オフガス循環ライン４６に配置されるルーツ式ポンプ２０に関しても、ルーツ式ポンプ１０と同様の回転停止制御を実行する。アノードオフガスには多くの水分が含まれているので、システム停止時の凍結のおそれはルーツ式ポンプ１０よりもルーツ式ポンプ２０のほうが大きい。しかし、上記の回転停止制御をルーツ式ポンプ２０にも適用し、ロータ上に水が溜まらない角度でロータの回転を停止することで、システム停止時のルーツ式ポンプ２０の凍結を防止することができる。
【００３１】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施してもよい。
【００３２】
上記実施の形態では、ロータ１１４，１１６を最適停止位置である第１基本停止位置あるいは第２基本停止位置で停止させているが、これら最適停止位置から多少ずれていたとしても、上記の第１許容停止範囲あるいは第２許容停止範囲の範囲内であれば、ロータ１１４，１１６上に水が溜まることは防止できる。したがって、ロータ１１４，１１６を第１許容停止範囲あるいは第２許容停止範囲の範囲内で停止させるようにルーツ式ポンプ１０の回転を制御してもよい。
【００３３】
上記実施の形態では、吸入口１２０を吐出口１２２に対して鉛直方向のほぼ真上に位置させているが、逆に、吐出口１２２を吸入口１２０に対して鉛直方向のほぼ真上に位置させてもよい。この場合、ロータハウジング１１２内に入った水は、吸入口１２０から外部へ排出される。
【００３４】
また、本発明が適用される燃料電池システムは、図１に示す構成のものに限定されない。例えば、図７に示す構成の燃料電池システムにも適用可能である。図７では、図１に示す燃料電池システムと同一の要素には同一の符号を付している。このシステムでは、加湿器を設ける代わりに、オフガス排気ライン４２とエア供給ライン４０におけるルーツ式ポンプ１０の上流とを接続するオフガス循環ライン５０が設けられている。オフガス循環ライン５０には、カソードオフガスの循環量を制御するための循環量制御弁８が設けられている。カソードオフガスには多くの水分が含まれているので、このようなシステム構成の場合、システム停止時にルーツ式ポンプ１０が凍結するおそれは大きくなるが、上記実施の形態にかかる回転停止制御を適用することで、システム停止時のルーツ式ポンプ１０の凍結は防止される。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施の形態としての燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態にかかるルーツ式ポンプの構成と各ロータの基準位置を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態にかかる各ロータの第１の基本停止角度を示す図である。
【図４Ａ】本発明の実施の形態にかかる各ロータの第１の許容停止範囲の下限角度を示す図である。
【図４Ｂ】本発明の実施の形態にかかる各ロータの第１の許容停止範囲の上限角度を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態にかかる各ロータの第２の基本停止角度を示す図である。
【図６Ａ】本発明の実施の形態にかかる各ロータの第２の許容停止範囲の下限角度を示す図である。
【図６Ｂ】本発明の実施の形態にかかる各ロータの第２の許容停止範囲の上限角度を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態としての燃料電池システムの構成の変形例を示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
２  燃料電池
４  エアクリーナ
６  加湿器
８  循環量制御弁
１０，２０  ルーツ式ポンプ
１２，２２  モータ
１４，２４  角度センサ
３０  水素タンク
３２  レギュレータ
３４  排気弁
３６  希釈器
４０  エア供給ライン
４２  オフガス排気ライン
４４  水素供給ライン
４６  オフガス循環ライン
４８  オフガス排気ライン
５０  オフガス循環ライン
６０  制御装置
１１２  ロータハウジング
１１４  第１ロータ
１１４ａ，１１４ｂ  凹部
１１６  第２ロータ
１１６ａ，１１６ｂ  凹部
１２０  吸入口
１２２  吐出口
【図１】
2007059333.tif 000003
【図２】
2007059333.tif 000004
【図３】
2007059333.tif 000005
【図４Ａ】
2007059333.tif 000006
【図４Ｂ】
2007059333.tif 000007
【図５】
2007059333.tif 000008
【図６Ａ】
2007059333.tif 000009
【図６Ｂ】
2007059333.tif 000010
【図７】
2007059333.tif 000011