(57)【要約】【課題】低温始動時に、モーターの部品の焼き付きを抑制することができ、耐久性を向上させる燃料電池用電動コンプレッサを提供する。【解決手段】  本発明に係る燃料電池用電動コンプレッサ２２０は、モーター２２１と、モーター２２１の駆動を制御するインバータ５１０と、を備え、インバータ５１０は、モーター２２１室内のオイルの温度が所定値未満であるときの誘起電圧と巻線電流の位相差が、モーター２２１室内のオイルの温度が所定値以上のときの誘起電圧と巻線電流の位相差よりも大きくなるように、モーターへ供給する印加電圧と巻線電流を制御する。【選択図】図２
2017135017.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に酸化ガスを供給する燃料電池用電動コンプレッサにおいて、
前記燃料電池用電動コンプレッサを駆動するモーターと、
前記モーターの駆動を制御するインバータと、を備え、
前記インバータは、前記モーター室内のオイルの温度が所定値未満であるときの誘起電圧と巻線電流の位相差が、前記モーター室内のオイルの温度が所定値以上のときの誘起電圧と巻線電流の位相差よりも大きくなるように、モーターへ供給する印加電圧と巻線電流を制御することを特徴とする燃料電池用電動コンプレッサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用電動コンプレッサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、運転効率および環境性に優れる電源として燃料電池が注目されている。例えば、固体高分子電解質膜型の燃料電池は、アノード電極に燃料ガスとして水素を供給し、カソード電極に酸化ガスとして酸素又は空気を供給することにより、電気化学反応にて電力を発電する。
【０００３】
このような燃料電池を有する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、この酸化ガス供給流路には、酸化ガスを圧縮して燃料電池に供給するためのコンプレッサが設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−０７３４４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、コンプレッサを駆動するモーターの室内には、モーターの部品（例えばメカニカルシールやベアリング）の潤滑等に必要なオイルが用いられる。しかし、低温始動時には、オイルの粘度が高くなっているため、オイルポンプによってオイルをモーター室内に十分に循環できないことがある。長時間オイルがモーター室内に循環されないと、モーターの部品の焼き付きが発生するおそれがある。
【０００６】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、低温始動時に、燃料電池用電動コンプレッサを駆動するモーターの部品の焼き付きを抑制することができ、耐久性を向上させることをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池用電動コンプレッサは、燃料電池に酸化ガスを供給する燃料電池用電動コンプレッサにおいて、前記燃料電池用電動コンプレッサを駆動するモーターと、前記モーターの駆動を制御するインバータと、を備え、前記インバータは、前記モーター室内のオイルの温度が所定値未満であるときの誘起電圧と巻線電流の位相差が、前記モーター室内のオイルの温度が所定値以上のときの誘起電圧と巻線電流の位相差よりも大きくなるように、モーターへ供給する印加電圧と巻線電流を制御することを特徴とする。
【０００８】
かかる構成によれば、燃料電池用電動コンプレッサを駆動するモーターの室内に用いられるオイルの温度が所定値未満の場合には、オイルの温度が所定値以上のときの誘起電圧と巻線電流の位相差よりも位相差が大きくなるように、インバータからモーターへの印加電圧と巻線電流を制御する。このように位相差を大きくして効率を低下させて運転することでモーターの発熱量を増やすことができ、モーターの室内に用いられるオイルの温度を短時間で上昇させることができる。そのため、オイルの粘度が低下し、オイルポンプにより短時間でオイルを循環させることができるので、低温始動時でもモーターの部品の焼き付きの発生を抑制して耐久性を向上させることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る燃料電池用電動コンプレッサによれば、低温始動時に、燃料電池用電動コンプレッサを駆動するモーターの部品の焼き付きを抑制することができ、耐久性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】燃料電池へ酸化ガスを供給する酸化ガス供給系を示す概略構成図である。
【図２】オイル温度に基づいた制御の切替を説明するためのフローチャートである。
【図３】誘起電圧、巻線電流及び印加電圧について説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【００１２】
図１は、燃料電池へ酸化ガスを供給する酸化ガス供給系の概略構成を示す図である。燃料電池は、アノード電極に燃料ガスとして水素を供給し、カソード電極に酸化ガスとして空気又は酸素を供給することにより、電気化学反応にて電力を発電する。なお、燃料ガス供給系及び冷却系等の構成は、公知のものと同等なので、詳細な説明は省略する。
【００１３】
図１に示す酸化ガス供給系１は、酸化ガス供給管２００と、エアクリーナ２１０と、エアコンプレッサ２２０（燃料電池用電動コンプレッサ）と、インタークーラー２３０と、レゾネータ２４０と、酸化ガス排出管２５０と、マフラー２７０と、バイパス管２９０と、調整弁Ｖａ、Ｖｂ，Ｖｃとを備える。
【００１４】
酸化ガス供給管２００は、燃料電池１００のカソード側に酸化ガスを供給するための流路である。酸化ガス供給管２００には、エアクリーナ２１０と、エアコンプレッサ２２０と、インタークーラー２３０と、レゾネータ２４０と、調整弁Ｖａと、各種センサ（大気圧センサ４０１、圧力センサ４０２、温度センサ４１１、４１２と、エアフローメーター４２１）とが設けられている。
【００１５】
エアクリーナ２１０は、大気中の空気を取り込むときに、空気中のゴミや塵を除去する。このエアクリーナ２１０には、温度センサ４１１、吸引される大気圧を測定するための大気圧センサ４０１、空気流量を測定するためのエアフローメーター４２１が設けられている。
【００１６】
エアコンプレッサ２２０は、空気を圧縮して燃料電池１００に供給する。エアコンプレッサ２２０の下流側に配設された、インタークーラー２３０は圧縮により温度が上昇した空気を冷却し、レゾネータ２４０は吸気音を低減する。エアコンプレッサ２２０を駆動するためのモーター２２１は、制御部５００により制御されて駆動し、これによりエアコンプレッサ２２０を作動させる。モーター２２１は、ＦＣ冷却システムにより冷却されている。
【００１７】
モーター２２１の内部（モーター室内）には、モーターの部品（例えばメカニカルシールやベアリング）の潤滑及び冷却に必要なオイルが用いられる。このオイルは、ＦＣ冷却システムに接続されたオイルクーラ３２０で冷却された後、電動オイルポンプ３１０により加圧されてモーター２２１に供給される。
【００１８】
制御部５００は、モーター２２１を駆動する信号を出力するインバータ５１０と、インバータ５１０を制御するインバータ駆動部（図示略）と、当該インバータ駆動部に制御指令を出すトルク制御部（図示略）とを有する。トルク制御部は、モーター２２１に印加する電圧（印加電圧）に関する情報を出力し、インバータ５１０を介してモーター２２１を制御する。モーター２２１の回転中は、インバータ５１０やインバータ駆動部からトルク制御部へそれぞれモーター２２１の駆動情報（コイルへの通電電流値、回転数とその回転数発生時のトルク）がフィードバックされる。なお、制御部５００は、図１ではエアコンプレッサ２２０やモーター２２１と別体で示されているが、それぞれ一体に構成されていても良い。インバータ５１０を介したモーター２２１の駆動制御の詳細は、後述する。
【００１９】
なお、エアコンプレッサ２２０の下流側には、温度センサ４１２、圧力センサ４０２が配設され、圧力センサ４０２は、エアコンプレッサ２２０の出口圧を測定し、温度センサ４１２は、エアコンプレッサ２２０近傍の温度を測定する。
【００２０】
調整弁Ｖａは、燃料電池１００の上流側に配設され、燃料電池１００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２２０を介して圧縮された圧縮空気（酸化ガス）が、燃料電池１００のカソード電極に供給される。
【００２１】
酸化ガス排出管２５０は、燃料電池１００の下流側に接続され、燃料電池１００からの酸化オフガスを排出するための流路である。酸化ガス排出管２５０には、調整弁Ｖｂ、マフラー２７０が設けられている。調整弁Ｖｂは、燃料電池１００の下流側に配設され、燃料電池１００から排出される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１００からの酸化オフガスが酸化ガス排出管２５０内を流れ、マフラー２７０を通して排出される。
【００２２】
バイパス管２９０は、酸化ガス供給管２００からの酸化ガスを、燃料電池１００をバイパスして酸化ガス排出管２５０に流すための流路である。バイパス管２９０には、調整弁Ｖｃが配設され、この調整弁Ｖｃの開度調整によりバイパス管２９０内を流れる酸化ガスの流量を調整することができる。調整弁Ｖｃを開き、調整弁Ｖａ、Ｖｂを閉じると、酸化ガス供給管２００内を流れる酸化ガスは、燃料電池１００を通ることなく酸化ガス排出管２５０に流れ、マフラー２７０を通して排出される。
【００２３】
続いて、図２及び図３を参照しながら、インバータからモーターへの制御の詳細を説明する。図２は、オイル温度に基づいたインバータの制御の切替を説明するための図である。図３は、誘起電圧、巻線電流及び印加電圧を説明するための図である。なお、図３に示す誘起電圧とは、モーター２２１から発生する電圧を示し、巻線電流とは、インバータ５１０からモーター２２１へ供給する電流を示し、印加電圧とは、インバータ５１０からモーター２２１へ印加する電圧を示す。
【００２４】
（ステップＳ１１）
まず、制御部５００は、モーター２２１室内を循環するオイルの温度が２０℃以上であるか否かを判定する。オイルの温度が２０℃以上であれば（ステップＳ１１（Ｙｅｓ））、通常始動としてステップＳ１２に進み、オイルの温度が２０℃未満であれば（ステップＳ１１（Ｎｏ））、低温始動としてステップＳ１３に進む。
【００２５】
（ステップＳ１２）
オイルの温度が２０℃以上の場合には、インバータ５１０は、最適進角制御を実施する。この最適進角制御においては、図３（Ｂ）に示すように、誘起電圧と巻線電流の位相ずれが０°となるように、インバータ５１０からモーター２２１への印加電圧と巻線電流を制御する。
【００２６】
（ステップＳ１３）
オイルの温度が２０℃以下の場合には、インバータ５１０は、低効率進角制御を実施する。この低効率進角制御においては、図３（Ａ）に示すように、誘起電圧と巻線電流の位相ずれが９０°〜１８０°の範囲となるように、インバータ５１０からモーター２２１へ供給する印加電圧と巻線電流を制御する。言い換えれば、インバータ５１０は、モーター２２１室内のオイルの温度が２０℃未満であるときの誘起電圧と巻線電流の位相差が、モーター２２１室内のオイルの温度が２０℃以上のときの誘起電圧と巻線電流の位相差よりも大きくなるように、モーター２２１へ供給する印加電圧と巻線電流を制御する。
【００２７】
このように本実施形態では、オイル温度が所定値以下（２０℃以下）の場合、すなわち低温始動時の場合には、インバータ５１０からモーター２２１への印加電圧タイミングをずらし、効率を悪化させて運転する（低効率進角制御を実施する）ことで、モーター２２１の発熱量を増やしている。これにより、モーター２２１室内の温度が短時間で上昇し、オイル温度の上昇を促進させてオイルの粘度が低下するので、短時間でオイルポンプによりオイルをモーター２２１室内に圧送することができる。その結果、オイルポンプによりオイルがモーター２２１室内に長時間循環されないということが防止されるので、モーター２２１の部品に焼き付けが抑えられ、耐久性を向上させることができる。
【００２８】
以上説明した、本実施形態では、燃料電池１００に酸化ガスを供給するエアコンプレッサ２２０において、エアコンプレッサ２２０を駆動するモーター２２１と、モーター２２１の駆動を制御するインバータ５１０と、を備え、インバータ５１０は、モーター２２１室内のオイルの温度が所定値（例えば２０℃）未満であるときの誘起電圧と巻線電流の位相差が、モーター２２１室内のオイルの温度が所定値（例えば２０℃）以上のときの誘起電圧と巻線電流の位相差よりも大きくなるように、モーター２２１へ供給する印加電圧と巻線電流を制御する。
【００２９】
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】
【００３０】
１：酸化ガス供給系
１００：燃料電池
２００：酸化ガス供給管
２１０：エアクリーナ
２２０：エアコンプレッサ（燃料電池用電動コンプレッサ）
２２１：モーター
２３０：インタークーラー
２４０：レゾネータ
２５０：酸化ガス排出管
２７０：マフラー
２９０：バイパス管
３１０：電動オイルポンプ
３２０：オイルクーラ
４０１：大気圧センサ
４０２：圧力センサ
４１１、４１２：温度センサ
４２１：エアフローメーター
５００：制御部
５１０：インバータ
Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ：調整弁
【図１】
2017135017.tif 000003
【図２】
2017135017.tif 000004
【図３】
2017135017.tif 000005