(57)【要約】【課題】燃料電池システムにおいて、反応ガスを加圧し吐出する加圧ポンプにルーツ式ポンプを使用する場合に、燃料電池に油が流入することを有効に防止する等、油に起因する不都合を解消し、かつ、搭載性の向上を図ることである。【解決手段】燃料電池システムは、反応ガスである水素ガスを加圧して吐出する加圧ポンプであり、２軸回転式ポンプである、ルーツ式ポンプである水素ポンプ４６と、制御部とを備える。水素ポンプ４６は、ケーシング６６内に互いに平行に回転可能に設けられた２個のロータ回転軸６８，７０の外径側に設けられ、互いに対向する２個の繭形ロータ７２，７４と、各ロータ回転軸６８，７０の一部によりそれぞれのモータ駆動軸８６，８８を構成する２個のモータ５８，６０とを備える。制御部は、２個のモータ５８，６０を同期して逆方向に回転させるように各モータ５８，６０の回転駆動を制御する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、
供給された反応ガスを加圧して吐出する加圧ポンプと、
制御部と、を備える燃料電池システムであって、
加圧ポンプは、
ケーシング内に互いに平行に回転可能に設けられた２個のロータ回転軸と、
各ロータ回転軸の外径側に設けられ、互いに対向する２個のロータと、
ケーシングに設けられ、反応ガスを取り入れる吸入口と、
ケーシングに設けられ、反応ガスを送り出す吐出口と、
各ロータ回転軸の一部によりそれぞれのモータ駆動軸を構成する２個のモータと、を備える２軸回転式ポンプであり、
制御部は、２個のモータを同期して逆方向に回転させるように各モータの回転駆動を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
加圧ポンプは、各ロータ回転軸の外径側に設けられ、互いに対向する２個のロータである、２個の繭形ロータを備える、容積圧縮型のルーツ式ポンプ式であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
２個のロータ回転軸に、互いの回転を同期させるための互いに噛み合う２個の歯車を結合していないことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１に記載の燃料電池システムにおいて、
２個のモータは、ケーシングの両側に設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１に記載の燃料電池システムにおいて、
制御部は、
２個のモータの一方のモータを定速で回転または停止させると同時に、他方のモータを加速または減速させた後に、２個のモータを同期して回転させる場合の２個のモータの少なくとも１個のモータを回転させるのに必要な回転トルクを検出する回転制御回転トルク検出手段と、
２個のモータの少なくとも１個のモータの検出された回転トルクが最小になる最適条件で、２個のモータが同期して回転するように、２個のモータの駆動を制御する最適条件モータ駆動制御手段と、を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、
回転制御回転トルク検出手段は、燃料電池の発電運転停止時、または燃料電池に接続された負荷に対するトルク指令が一定である場合において、２個のモータの一方のモータを定速で回転または停止させると同時に、他方のモータを加速または減速させた後に、２個のモータを同期して回転させる場合の２個のモータの少なくとも１個のモータを回転させるのに必要な回転トルクを検出することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、
車両に搭載され、車両の駆動源である走行用モータに直接または蓄電部を介して電力を供給する車両搭載用燃料電池システムとして使用し、
さらに、回転制御回転トルク検出手段は、車両側から燃料電池起動指令信号が入力された場合に、２個のモータの一方のモータを定速で回転または停止させると同時に、他方のモータを加速または減速させた後に、２個のモータを同期して回転させる場合の２個のモータの少なくとも１個のモータを回転させるのに必要な回転トルクを検出することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、
車両に搭載され、車両の駆動源である走行用モータに直接または蓄電部を介して電力を供給する車両搭載用燃料電池システムとして使用し、
さらに、回転制御回転トルク検出手段は、車両側から燃料電池の起動停止指令信号が入力された場合に、２個のモータの一方のモータを定速で回転または停止させると同時に、他方のモータを加速または減速させた後に、２個のモータを同期して回転させる場合の２個のモータの少なくとも１個のモータを回転させるのに必要な回転トルクを検出することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、
車両に搭載され、車両の駆動源である走行用モータに直接または蓄電部を介して電力を供給する車両搭載用燃料電池システムとして使用し、
さらに、回転制御回転トルク検出手段は、車両側から、車両の走行停止時に走行用モータを定速で空回りさせ続けること、または燃料電池の負荷が変動しにくいアイドル運転状態で燃料電池に発電させること、または車両の走行時に減速しても走行用モータから回生電力を取り出さないことを指示するアイドル運転指令信号が入力された場合に、２個のモータの一方のモータを定速で回転または停止させると同時に、他方のモータを加速または減速させた後に、２個のモータを同期して回転させる場合の２個のモータの少なくとも１個のモータを回転させるのに必要な回転トルクを検出することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、
車両に搭載され、車両の駆動源である走行用モータに直接または蓄電部を介して電力を供給する車両搭載用燃料電池システムとして使用し、
さらに、回転制御回転トルク検出手段は、車両側から、燃料電池に要求される要求発電量が予め設定される所定値以下の場合に燃料電池の発電運転を停止させ、再度所定値を超える場合に発電運転を再開させる間欠モードにおいて燃料電池の発電運転を停止させることを指示する間欠モード中発電停止指令信号が入力された場合に、２個のモータの一方のモータを定速で回転または停止させると同時に、他方のモータを加速または減速させた後に、２個のモータを同期して回転させる場合の２個のモータの少なくとも１個のモータを回転させるのに必要な回転トルクを検出することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、
燃料電池から燃料ガス系ガスを排出するための排出流路と、
燃料電池から排出された燃料ガス系ガスを燃料電池に還流させるための循環流路と、
排出流路に接続された排気排水流路に設けられた排出弁と、を備え、
加圧ポンプは、循環流路に設けられ、反応ガスである燃料ガス系ガスを加圧し吐出する循環ポンプであり、
回転制御回転トルク検出手段は、燃料電池の発電運転停止時に排出弁を開弁させ、加圧ポンプを予め設定される所定時間駆動し続ける掃気処理時に、２個のモータの一方のモータを定速で回転または停止させると同時に、他方のモータを加速または減速させた後に、２個のモータを同期して回転させる場合の２個のモータの少なくとも１個のモータを回転させるのに必要な回転トルクを検出することを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、供給された反応ガスを加圧して吐出する加圧ポンプと、を備える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、例えば水素を含む水素ガスと、反応ガスである酸化ガス、例えば空気との電気化学反応により発電する燃料電池である、燃料電池スタックを有する燃料電池システムが考えられている。燃料電池スタックは、例えばアノード側電極、電解質膜およびカソード側電極から成る膜−電極アセンブリ（ＭＥＡ）とセパレータとを１組の燃料電池セルとして、これを複数組積層することにより構成している。すなわち、各燃料電池セルは、高分子イオン交換膜から成る電解質膜の一方の面にアノード側電極を、他方の面にカソード側電極を、それぞれ配置して、さらに両側にセパレータを設けることにより構成している。そして、このような燃料電池セルを複数組積層し、さらに集電板、絶縁板およびエンドプレートで狭持することにより、高電圧を発生する燃料電池スタックを構成する。
【０００３】
このような燃料電池では、アノード側電極に燃料ガスを供給すると共に、カソード側電極に酸化ガスを供給する。これにより、燃料ガスおよび酸化ガスが電気化学反応に供されて、起電力を発生する。
【０００４】
また、燃料電池システムにおいて、このような燃料電池スタックに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路と、燃料電池スタックから燃料ガス系ガスを排出する燃料ガス系排出流路と、燃料電池スタックから排出された燃料ガス系ガスを燃料電池スタックに還流させるための循環流路と、燃料電池スタックに酸化ガスを供給するための酸化ガス供給流路と、燃料電池スタックから酸化ガス系ガスを排出する酸化ガス系排出流路とを備えることが考えられている。また、循環流路に供給された燃料ガス系ガスを加圧し吐出する加圧ポンプを備え、加圧ポンプを容積圧縮式ポンプであるルーツ式ポンプにより構成することが考えられている。
【０００５】
ルーツ式ポンプは、互いに同期して逆方向に回転する２個の繭形ロータにより、吸入口から送り込まれた燃料ガス系ガスを容積圧縮してから吐出口を通じて吐出する。従来から、このようなルーツ式ポンプにおいて、２個の繭形ロータを同期して駆動するために、各繭形ロータを固定した２個の回転軸にそれぞれタイミングギヤと呼ばれる歯車を固定して、両歯車を噛合させるとともに、２個の回転軸の一方の回転軸をモータで駆動することが考えられている。この場合、モータで駆動する一方の回転軸は駆動軸となり、２個の回転軸の他方の回転軸は、一方の回転軸から歯車を介して回転力が伝達される従動軸となる。
【０００６】
特許文献１には、一対の回転軸に設けられたルーツ型ロータが互いに噛み合いながら反対方向に回転する容積圧縮機であって、一対の回転軸に接続された一対のモータロータを具備するブラシレス直流モータを設け、モータロータは互いに同期して反対方向に回転するように構成される容積圧縮機が記載されている。
【０００７】
また、特許文献２には、ハウジング内に第一回転軸、第二回転軸を収納し、各回転軸の上側に筒型の上部ロータ、下側に下部ロータが回転軸にかん合されている容積真空ポンプであって、各ロータの外周面にねじ溝が、互いに噛み合うように形成され、第一回転軸、第二回転軸はＡＣサーボモータにより回転する容積真空ポンプが記載されている。また、下部ねじ溝は第一のポンプ部分であり、上部ねじ溝は第二のポンプ部分であるとされている。また、第一のポンプ、第二のポンプの形態として、ルーツ型であってもよいとされている。
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−３２９０８４号公報
【特許文献２】特開平１１−２４１６９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来から燃料電池システムを構成する加圧ポンプとして使用することが考えられているルーツ式ポンプの場合、従動軸を回転させるために駆動軸と従動軸とにタイミングギヤと呼ばれる歯車をそれぞれ固定して、両歯車同士を噛合させている。このため、両歯車の潤滑のために油を使用して、歯車の耐久性を高くすることが考えられている。ただし、このように油を使用する場合には、ポンプの故障時に燃料電池スタックに油が流れ込むのを有効に防止する面から改良の余地がある。もし燃料電池スタック内に油が流れ込んでしまった場合には、燃料電池スタックの交換の必要が生じる。また、油を使用する場合には、繭形ロータ部分等、油の流入を防止する必要がある部分と歯車の噛合部との間にオイルシール等を設ける必要があるが、オイルシールの摺動抵抗によりポンプ駆動用のモータの回転抵抗が過度に高くなる可能性がある。また、この場合には、燃料電池システムの保守・点検に要するコストが高くなる原因となる。
【００１０】
また、駆動軸と従動軸とを回転させる駆動源として、駆動軸に固定した１個のモータのみを使用する場合には、モータの直径が大きくなる等によりルーツ式ポンプが大型化してルーツ式ポンプを設置する設置空間に対する設置自由度が大きく制限される可能性がある。
【００１１】
また、燃料電池システムが、車両に搭載され、車両の駆動源である走行用モータに直接またはバッテリ等の蓄電部を介して電力を供給する燃料電池車搭載用として使用される場合には、燃料電池車が氷点下等の低温環境で運転停止をした状態で長期間放置される等、燃料電池車が低温環境で使用または放置される可能性が考えられ、その場合にルーツ式ポンプの構成部品が凍結すると、燃料電池システムの運転や再起動を有効に行えなくなる可能性がある。このため、燃料電池システム用ルーツ式ポンプにおいて、低温環境で使用または放置される場合でも、構成部品を有効に凍結しにくくする手段の実現が望まれている。
【００１２】
また、上記では、燃料ガス系ガスを加圧し吐出する加圧ポンプをルーツ式ポンプとした場合に生じる不都合を説明したが、酸化ガス供給流路の上流側に設けて、酸化ガスを加圧し吐出するエアコンプレッサ等の、他の反応ガスの加圧・吐出にルーツ式ポンプを使用する場合も同様の不都合が生じる可能性がある。また、燃料ガス系ガスを加圧し吐出する加圧ポンプ、または、酸化ガスを加圧し吐出するエアコンプレッサ等の、他の反応ガスの加圧・吐出に、ルーツ式ポンプ以外のねじ式ポンプ等の２軸回転式ポンプを使用する場合も上記と同様の不都合が生じる可能性がある。２軸回転式ポンプは、互いに平行に設けられる回転可能な２個のロータ回転軸と、２個のロータ回転軸の外径側に設けられた繭形ロータ、ねじ形状ロータ等の外周面を非円筒面とするロータとを備え、２個のロータ回転軸の互いの位相の関係を規制する必要がある。
【００１３】
これに対して、特許文献１，２のいずれにもルーツ式ポンプ等の２軸回転式ポンプを燃料電池システムに使用することは、これを示唆する事項を含めて開示されていない。
【００１４】
本発明は、上記の課題の少なくとも１の課題を解決すべく発明したもので、本発明の目的は、燃料電池システムにおいて、反応ガスを加圧し吐出する加圧ポンプにルーツ式ポンプ等の２軸回転式ポンプを使用する場合に、燃料電池に油が流入することを有効に防止する等、油に起因する不都合を解消し、かつ、搭載性の向上を図ることである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係る燃料電池システムは、反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、供給された反応ガスを加圧して吐出する加圧ポンプと、制御部と、を備える燃料電池システムであって、加圧ポンプは、ケーシング内に互いに平行に回転可能に設けられた２個のロータ回転軸と、各ロータ回転軸の外径側に設けられ、互いに対向する２個のロータと、ケーシングに設けられ、反応ガスを取り入れる吸入口と、ケーシングに設けられ、反応ガスを送り出す吐出口と、各ロータ回転軸の一部によりそれぞれのモータ駆動軸を構成する２個のモータと、を備える２軸回転式ポンプであり、制御部は、２個のモータを同期して逆方向に回転させるように各モータの回転駆動を制御することを特徴とする燃料電池システムである。
【００１６】
上記の燃料電池システムによれば、２個のロータを設けた２個のロータ回転軸の一部により２個のモータのモータ駆動軸を構成するため、２個のロータ回転軸を、歯車機構を介することなく、２個のモータにより回転駆動させることができる。このため、１個のモータにより２個のロータ回転軸を回転させる場合と異なり、２個のロータ回転軸に互いに大きな力で噛み合う歯車を有する歯車機構を設ける必要がなくなる。したがって、歯車の潤滑のための油を使用する必要がなくなり、油が燃料電池に流入したり、オイルシールによる摺動抵抗が発生したり、燃料電池システムの保守・点検に要するコストが高くなる等の、油に起因する不都合を有効に防止できる。また、各モータは、２個のロータ回転軸の互いに別のロータ回転軸のみを駆動すればよいため、各モータの小型化を図れ、加圧ポンプの設置空間に対する加圧ポンプの設置自由度の向上を図れる。
【００１７】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、好ましくは、２個のロータの外周面は非円筒面であり、２個のロータ回転軸の互いの位相の関係が変化した場合に、各モータを回転させるのに必要な回転トルクが変化する。
【００１８】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、好ましくは、加圧ポンプは、各ロータ回転軸の外径側に設けられ、互いに対向する２個のロータである、２個の繭形ロータを備える、容積圧縮型のルーツ式ポンプ式である。
【００１９】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、好ましくは、２個のロータ回転軸に、互いの回転を同期させるための互いに噛み合う２個の歯車を結合していない。
【００２０】
上記の燃料電池システムによれば、歯車をなくせるか、または少なくできる。
【００２１】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、好ましくは、２個のモータは、ケーシングの両側に設けられている。
【００２２】
上記の燃料電池システムによれば、ケーシングの両側から２個のモータの回転に伴って発生する熱が、ケーシング内の構成部品に効率よくほぼ均一に伝達しやすくなる。このため、燃料電池システムを車両に搭載され、車両の駆動源である走行用モータに直接またはバッテリ等の蓄電部を介して電力を供給する燃料電池車搭載用として使用する場合で、燃料電池車が低温環境で使用される場合でも、加圧ポンプの構成部品を有効に凍結しにくくでき、燃料電池システムの運転や再起動を有効に行いやすくなる。
【００２３】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、好ましくは、制御部は、２個のモータの一方のモータを定速で回転または停止させると同時に、他方のモータを加速または減速させた後に、２個のモータを同期して回転させる場合の２個のモータの少なくとも１個のモータを回転させるのに必要な回転トルクを検出する回転制御回転トルク検出手段と、２個のモータの少なくとも１個のモータの検出された回転トルクが最小になる最適条件で、２個のモータが同期して回転するように、２個のモータの駆動を制御する最適条件モータ駆動制御手段と、を有する。
【００２４】
上記の燃料電池システムによれば、２個のモータの位相差が、２個のモータを回転させるのに必要な回転トルクが最小になる適正位相差からずれた場合でも、２個のモータの位相差を適正位相差に修正することができ、モータを駆動するための消費エネルギの低減を図れる。
【００２５】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、好ましくは、回転制御回転トルク検出手段は、燃料電池の発電運転停止時、または燃料電池に接続された負荷に対するトルク指令が一定である場合において、２個のモータの一方のモータを定速で回転または停止させると同時に、他方のモータを加速または減速させた後に、２個のモータを同期して回転させる場合の２個のモータの少なくとも１個のモータを回転させるのに必要な回転トルクを検出する。
【００２６】
上記の燃料電池システムによれば、燃料電池に対する要求発電量が小さく、または要求発電量の変動が生じにくい状況で、回転制御回転トルク検出手段により、少なくとも１個のモータの回転トルクを検出できる。このため、モータの回転トルクの検出精度を有効に高くでき、モータを駆動するための消費エネルギの低減をより有効に図れる。しかも燃料電池システムを使用する商品の商品性の低下を抑えることができる。
【００２７】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、好ましくは、車両に搭載され、車両の駆動源である走行用モータに直接または蓄電部を介して電力を供給する車両搭載用燃料電池システムとして使用し、さらに、回転制御回転トルク検出手段は、車両側から燃料電池起動指令信号が入力された場合に、２個のモータの一方のモータを定速で回転または停止させると同時に、他方のモータを加速または減速させた後に、２個のモータを同期して回転させる場合の２個のモータの少なくとも１個のモータを回転させるのに必要な回転トルクを検出する。
【００２８】
上記の燃料電池システムによれば、燃料電池に対する要求発電量が小さく、または０か、または要求発電量の変動が生じにくい状況で、回転制御回転トルク検出手段により、少なくとも１個のモータの回転トルクを検出できる。このため、モータの回転トルクの検出精度を有効に高くでき、モータを駆動するための消費エネルギの低減をより有効に図れる。しかも燃料電池システムを使用する燃料電池搭載車両の商品性の低下を抑えることができる。
【００２９】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、好ましくは、車両に搭載され、車両の駆動源である走行用モータに直接または蓄電部を介して電力を供給する車両搭載用燃料電池システムとして使用し、さらに、回転制御回転トルク検出手段は、車両側から燃料電池の起動停止指令信号が入力された場合に、２個のモータの一方のモータを定速で回転または停止させると同時に、他方のモータを加速または減速させた後に、２個のモータを同期して回転させる場合の２個のモータの少なくとも１個のモータを回転させるのに必要な回転トルクを検出する。
【００３０】
上記の燃料電池システムによれば、燃料電池に対する要求発電量が小さく、または０か、または要求発電量の変動が生じにくい状況で、回転制御回転トルク検出手段により、少なくとも１個のモータの回転トルクを検出できる。このため、モータの回転トルクの検出精度を有効に高くでき、モータを駆動するための消費エネルギの低減をより有効に図れる。しかも燃料電池システムを使用する燃料電池搭載車両の商品性の低下を抑えることができる。
【００３１】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、好ましくは、車両に搭載され、車両の駆動源である走行用モータに直接または蓄電部を介して電力を供給する車両搭載用燃料電池システムとして使用し、さらに、回転制御回転トルク検出手段は、車両側から、車両の走行停止時に走行用モータを定速で空回りさせ続けること、または燃料電池の負荷が変動しにくいアイドル運転状態で燃料電池に発電させること、または車両の走行時に減速しても走行用モータから回生電力を取り出さないことを指示するアイドル運転指令信号が入力された場合に、２個のモータの一方のモータを定速で回転または停止させると同時に、他方のモータを加速または減速させた後に、２個のモータを同期して回転させる場合の２個のモータの少なくとも１個のモータを回転させるのに必要な回転トルクを検出する。
【００３２】
上記の燃料電池システムによれば、燃料電池に対する要求発電量が小さく、または０か、または要求発電量の変動が生じにくい状況で、回転制御回転トルク検出手段により、少なくとも１個のモータの回転トルクを検出できる。このため、モータの回転トルクの検出精度を有効に高くでき、モータを駆動するための消費エネルギの低減をより有効に図れる。しかも燃料電池システムを使用する燃料電池搭載車両の商品性の低下を抑えることができる。
【００３３】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、好ましくは、車両に搭載され、車両の駆動源である走行用モータに直接または蓄電部を介して電力を供給する車両搭載用燃料電池システムとして使用し、さらに、回転制御回転トルク検出手段は、車両側から、燃料電池に要求される要求発電量が予め設定される所定値以下の場合に燃料電池の発電運転を停止させ、再度所定値を超える場合に発電運転を再開させる間欠モードにおいて燃料電池の発電運転を停止させることを指示する間欠モード中発電停止指令信号が入力された場合に、２個のモータの一方のモータを定速で回転または停止させると同時に、他方のモータを加速または減速させた後に、２個のモータを同期して回転させる場合の２個のモータの少なくとも１個のモータを回転させるのに必要な回転トルクを検出する。
【００３４】
上記の燃料電池システムによれば、燃料電池に対する要求発電量が小さく、または０か、または要求発電量の変動が生じにくい状況で、回転制御回転トルク検出手段により、少なくとも１個のモータの回転トルクを検出できる。このため、モータの回転トルクの検出精度を有効に高くでき、モータを駆動するための消費エネルギの低減をより有効に図れる。しかも燃料電池システムを使用する燃料電池搭載車両の商品性の低下を抑えることができる。
【００３５】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、好ましくは、燃料電池から燃料ガス系ガスを排出するための排出流路と、燃料電池から排出された燃料ガス系ガスを燃料電池に還流させるための循環流路と、排出流路に接続された排気排水流路に設けられた排出弁と、を備え、加圧ポンプは、循環流路に設けられ、反応ガスである燃料ガス系ガスを加圧し吐出する循環ポンプであり、回転制御回転トルク検出手段は、燃料電池の発電運転停止時に排出弁を開弁させ、加圧ポンプを予め設定される所定時間駆動し続ける掃気処理時に、２個のモータの一方のモータを定速で回転または停止させると同時に、他方のモータを加速または減速させた後に、２個のモータを同期して回転させる場合の２個のモータの少なくとも１個のモータを回転させるのに必要な回転トルクを検出する。
【００３６】
上記の燃料電池システムによれば、掃気処理の面から加圧ポンプの加圧力を変動させることが要求されない状況で、回転制御回転トルク検出手段により、少なくとも１個のモータの回転トルクを検出できる。このため、モータの回転トルクの検出精度を有効に高くでき、モータを駆動するための消費エネルギの低減をより有効に図れる。しかも、モータは高回転で長時間駆動させるため、加圧ポンプの構成部品の熱膨張により２個のロータ間、及びロータとケーシングとの間の隙間が小さくなりやすくなり、２個のモータの適正な位相差をより精度よく求めやすくなる。
【発明の効果】
【００３７】
本発明に係る燃料電池システムによれば、この結果、反応ガスを加圧し吐出する加圧ポンプにルーツ式ポンプ等の２軸回転式ポンプを使用する場合に、油に起因する不都合を解消できるとともに、搭載性の向上を図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下において、図面を用いて本発明に係る実施の形態の１例につき詳細に説明する。図１は、本発明に係る実施の形態の燃料電池システムを搭載した燃料電池車の基本構成図である。図２は、本実施の形態の燃料電池システムの基本構成図である。図３は、図２に示す水素ポンプを示す略断面図である。図４は、図３のＡ−Ａ略断面図である。図５は、本実施の形態で、モータの回転トルクが最小になる条件で２個のモータを同期して回転させる最適条件モータ駆動制御方法を示すフローチャートである。図６は、本実施の形態において、水素ポンプを構成する２個のモータの仮想位相差と、１個のモータの回転トルクの検出値との関係の１例を示す図である。図７は、従来から考えられている燃料電池システム用水素ポンプの１例の略図である。
【００３９】
図１に示すように、燃料電池搭載車両である燃料電池車１０は、車両の前側に、燃料電池である燃料電池スタック（ＦＣ）１２と、蓄電部であり二次電池であるバッテリ１４とを搭載している。燃料電池スタック１２とバッテリ１４とを接続することにより、燃料電池スタック１２で発電した電力をバッテリ１４に供給することにより、バッテリ１４を充電する。また、バッテリ１４及び燃料電池スタック１２と、車両の左右方向（図１の上下方向）両側に設けた車両の駆動源である、２個の走行用モータ１６とを、図示しない昇圧コンバータやインバータを介して接続し、バッテリ１４または燃料電池スタック１２からの電力を各走行用モータ１６に供給可能としている。各走行用モータ１６の回転軸は、図示しないクラッチ機構を介して車輪１８に結合され、各走行用モータ１６の駆動により車輪１８が駆動されるようにしている。なお、燃料電池スタック１２と各走行用モータ１６とを接続せず、燃料電池スタック１２からはバッテリ１４を介して各走行用モータ１６に電力を供給することもできる。
【００４０】
なお、燃料電池車１０に走行用モータ１６を１個のみ設けて、走行用モータ１６と２個の車輪１８を駆動する図示しない車軸とを、クラッチ機構を含む動力伝達機構を介して動力の伝達可能に結合することもできる。この場合には、バッテリ１４から１個の走行用モータ１６に電力を供給可能とする。なお、本実施の形態では、上記のクラッチ機構を省略することもできる。なお、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池車１０に搭載するものに限定するものではなく、他の用途に使用することもできる。
【００４１】
次に、燃料電池スタック１２を含む燃料電池システムについて説明する。図２に示すように、燃料電池システム２０は、燃料電池スタック１２と、制御部２２とを備える。燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池セルを積層するとともに、燃料電池スタック１２の積層方向両端部に、集電板と、エンドプレートとを設けている。そして、複数の燃料電池セルと集電板とエンドプレートとをタイロッド、ナット等で締め付けている。なお、集電板とエンドプレートとの間に絶縁板を設けることもできる。
【００４２】
各燃料電池セルの詳細図は省略するが、例えば、電解質膜をアノード電極とカソード電極とにより狭持して成る膜−アセンブリと、その両側のセパレータとを備えたものとする。また、アノード電極（以下、単に「アノード」という。）には燃料ガスであり、水素含有ガスである水素ガスを供給可能とし、カソード側電極（以下、単に「カソード」という。）には酸化ガスである空気を供給可能としている。そして、アノードで触媒反応により発生した水素イオン、すなわちプロトンＨ+を、電解質膜を介してカソードまで移動させ、カソードで酸素と電気化学反応を起こさせることにより、水を生成する。また、アノードからカソードへ外部回路を通じて電子を移動させることにより起電力を発生する。すなわち、図１に示す、複数の燃料電池セルを積層した燃料電池スタック１２は、それぞれ反応ガスである、酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する。
【００４３】
燃料電池システム２０は、空気を燃料電池スタック１２に供給し、燃料電池スタック１２から電気化学反応に供された後の空気であり、酸化ガス系ガスである空気オフガスを排出するための酸化ガス経路２４と、水素ガスを燃料電池スタック１２に供給し、燃料電池スタック１２から電気化学反応に供された後の水素ガスであり、燃料ガス系ガスである水素オフガスを排出するための燃料ガス経路２６とを備える。酸化ガス経路２４は、空気を燃料電池スタック１２に供給するための酸化ガス供給流路２８と、燃料電池スタック１２から空気オフガスを排出するための酸化ガス系排出流路３０とを備える。また、酸化ガス供給流路２８の上流部に、エアコンプレッサ３２を設けている。そして、エアコンプレッサ３２により加圧された空気が、加湿器３４で加湿された後、燃料電池スタック１２のカソード側の酸化ガス流路に供給されるようにしている。
【００４４】
燃料電池スタック１２に供給され、各燃料電池セルで電気化学反応に供された後の空気オフガスは、燃料電池スタック１２から酸化ガス系排出流路３０を通じて排出された後、加湿器３４を通過してから図示しない圧力制御弁を介して大気に排出される。加湿器３４は、燃料電池スタック１２から排出された後の空気オフガスから得た水分を、燃料電池スタック１２に供給される前の空気に与えて、加湿する役目を果たす。
【００４５】
また、燃料ガス経路２６は、水素ガスを燃料電池スタック１２に供給するための燃料ガス供給流路３８と、燃料電池スタック１２から水素オフガスを排出するための燃料ガス系排出流路４０と、燃料ガス系循環流路４２とを備える。水素オフガスには、未反応の水素も含まれる。また、燃料ガス供給流路３８の上流部に、燃料ガス供給装置である、高圧水素タンク等の図示しない水素ガス供給装置を設けている。そして、水素ガス供給装置から電磁弁である燃料ガス供給弁４４を介して燃料電池スタック１２に水素ガスが供給されるようにしている。
【００４６】
燃料電池スタック１２に設けられたアノード側の燃料ガス内部流路に供給され、電気化学反応に供された後の水素オフガスは、燃料電池スタック１２から燃料ガス系排出流路４０を通じて排出される。燃料ガス系循環流路４２は、燃料電池スタック１２から排出された、未反応の水素ガスを含む水素オフガスを、燃料ガス供給流路３８に戻し、燃料電池スタック１２に還流させるために設けている。
【００４７】
また、燃料ガス系循環流路４２に、燃料ガス循環ポンプであり、加圧ポンプである水素ポンプ４６を設けている。水素ポンプ４６は、水素オフガスを、燃料ガス系循環流路４２を通じて燃料ガス供給流路３８に戻し、水素ガス供給装置から送られる新たな水素ガスと合流させてから、再び燃料電池スタック１２に供給する。水素ポンプ４６は、バッテリ１４（図１）及び燃料電池スタック１２に接続され、燃料電池スタック１２からバッテリ１４を介して、またはバッテリ１４を介さずに電力を供給されて駆動する。水素ポンプ４６は、回転数を調節可能としている。
【００４８】
また、燃料ガス系排出流路４０のガス下流端に接続した排気排水流路４８に、電磁弁であり、排出弁であるパージ弁５０を設けている。燃料ガス系排出流路４０と排気排水流路４８との接続部に設けられた図示しない気液分離器を介して、ガス下流側に送られたガスおよび水分は、酸化ガス系排出流路３０を通じて送られる空気オフガスと、図示しない希釈器で合流させ、水素濃度を十分に低下させてから外部に排出させるようにしている。
【００４９】
また、エアコンプレッサ３２、水素ポンプ４６、燃料ガス供給弁４４、パージ弁５０は、それぞれ制御部２２に接続している。制御部２２は、ＥＣＵと呼ばれるもので、エアコンプレッサ３２、水素ポンプ４６に駆動を制御する制御信号を出力するとともに、燃料ガス供給弁４４及びパージ弁５０の開閉を制御するための制御信号を出力する。また、制御部２２は、モータ駆動制御手段５２と、回転制御回転トルク検出手段５４と、最適条件モータ駆動制御手段５６とを有する。
【００５０】
制御部２２には、燃料電池システム２０のイグニッションスイッチとして機能する図示しない起動スイッチが接続されており、起動スイッチからオン状態に対応する発電開始信号、すなわち燃料電池起動指令信号を受け取ることを条件に、発電開始処理が実行され、オフ状態に対応する発電停止信号を受け取ることを条件に、発電運転停止処理が実行される。
【００５１】
制御部２２は、発電開始処理実行時、及び、燃料電池スタック１２の通常運転時に、エアコンプレッサ３２を回転駆動させるとともに、燃料ガス供給弁４４を開弁し、燃料電池スタック１２に酸化ガス供給流路２８を通じて空気を供給し、同じく燃料ガス供給流路３８を通じて水素ガスを供給する。また、モータ駆動制御手段５２は、通常運転時に水素ポンプ４６に設けた、後述する２個のモータ５８，６０（図３）を駆動させる。
【００５２】
また、制御部２２は、起動スイッチのオフに対応する燃料電池スタック１２の発電運転停止指令、すなわち起動停止指令信号を受け取ることを条件に、エアコンプレッサ３２の回転駆動を停止させて（オフさせて）、エアコンプレッサ３２から燃料電池スタック１２への空気の加圧供給を停止させるとともに、燃料ガス供給弁４４を閉じて、水素ガス供給装置から燃料電池スタック１２への水素ガスの供給を停止させる機能を有する。また、制御部２２は、発電運転停止指令を受け取ることを条件に、水素ポンプ４６の回転駆動を停止させて（オフさせて）、水素ポンプ４６による燃料ガス系循環流路４２から燃料ガス供給流路３８への水素ガスの還流を停止させる機能を有する。
【００５３】
さらに、制御部２２は、燃料電池スタック１２の発電運転停止指令を受け取った場合に、エアコンプレッサ３２の回転駆動を停止させるとともに、水素ポンプ４６の回転駆動を停止させる前に、燃料電池スタック１２内から残留水分を掃気する、すなわちパージする掃気処理を行うように、パージ弁５０の開閉と水素ポンプ４６及びエアコンプレッサ３２の駆動とを制御する機能も有する。すなわち、掃気処理を行う場合には、制御部２２は、燃料電池スタック１２の発電運転停止時にパージ弁５０を開弁させるとともに、エアコンプレッサ３２と、水素ポンプ４６とを、それぞれ予め設定される所定時間、定速で、すなわち一定回転速度で駆動し続けて、燃料電池スタック１２のカソード側の流路及びアノード側の流路内の残留水分を掃気する、すなわち除去するように、パージ弁５０の開閉とエアコンプレッサ３２及び水素ポンプ４６の駆動とを制御する。
【００５４】
次に、図３、図４を用いて、加圧ポンプである水素ポンプ４６の構成を詳しく説明する。図３、図４に示すように、水素ポンプ４６は、２軸回転式ポンプである、容積圧縮型のルーツ式ポンプ式であり、吸入口６２（図４）から供給された水素オフガスを加圧して吐出口６４（図４）を通じて吐出する。すなわち、水素ポンプ４６は、ケーシング６６内に互いに平行に回転可能に設けられた、すなわち回転可能に支持された２個のロータ回転軸６８，７０と、それぞれ外周面が非円筒面である２個の繭形ロータ７２，７４と、吸入口６２と、吐出口６４と、２個のモータ５８，６０とを備える。２個の繭形ロータ７２，７４は、２個のロータ回転軸６８，７０の外径側に固定した状態で設けられ、両繭形ロータ７２，７４同士で互いに対向させている。
【００５５】
図４に示すように、吸入口６２と吐出口６４とは、それぞれケーシング６６の反対側に設けている。吸入口６２は、ケーシング６６内に水素オフガスを取り入れ、吐出口６４は、ケーシング６６内から水素オフガスを送り出す。図３に戻り、２個のモータは、ケーシング６６の外側に設けている。すなわち、ケーシング６６に関して両側に、すなわちケーシング６６を介して反対側に、２個のモータ５８，６０を構成するモータケース７６，７８を固定している。各モータ５８，６０は、ロータ回転軸６８，７０において、モータケース７６，７８の内側に位置する部分に設けたモータロータ８０と、モータケース７６，７８の内側に固定され、モータロータ８０と径方向に対向するモータステータ８２とを備える。各モータ５８，６０は、例えば３相交流モータで、永久磁石型同期モータ、リラクタンスモータ、誘導モータ等である。
【００５６】
各ロータ回転軸６８，７０の一部は、ケーシング６６内に挿入している。図４に示すように、ケーシング６６内に、断面が略楕円の柱状のロータ空間８４を設けている。２個の繭形ロータ７２，７４は、各ロータ回転軸６８，７０の一部でロータ空間８４内に位置する部分に固定している。すなわち、２個の繭形ロータ７２，７４は、各ロータ回転軸６８，７０の外径側に、互いの位相差が、例えば９０度等の予め設定される所定角度に維持されて固定した状態で設けており、両繭形ロータ７２，７４を互いに対向させている。また、各ロータ回転軸６８，７０の一部で、図３に示す、各モータケース７６，７８内に位置する部分により、各モータ５８，６０を構成するモータ駆動軸８６，８８を構成している。
【００５７】
なお、図４に矢印α、βで示すように、２個のモータ５８，６０（図３）は互いに逆方向に回転する。本明細書全体で、「２個のモータ５８，６０の位相差」とは、図４に示すように、モータ駆動軸８６，８８（図３）を含むロータ回転軸６８，７０の軸方向に関して一方向に見た場合に、それぞれのロータ回転軸６８，７０を通る互いに平行な基準平面Ｓ１、Ｓ２に対してそれぞれの回転にしたがって大きくなるロータ回転軸６８，７０の位相θ２、θ１の間の差であり、図４では例えば（θ２−θ１）を意味する。
【００５８】
また、２個のロータ回転軸６８，７０には、互いの回転を同期させるための互いに噛み合う２個の歯車は結合していない。すなわち、本実施の形態では、２個のロータ回転軸６８，７０を同期回転させるためのタイミングギヤ等の歯車は存在しない。また、２個のロータ回転軸６８，７０の互いの位相の関係が変化した場合には、各モータ５８，６０を回転させるのに必要な回転トルクが変化する。また、２個のロータ回転軸６８，７０の互いの位相の関係である位相差が、適正位相差から過度に大きくずれた場合には、２個の繭形ロータ７２，７４が強く衝合して水素ポンプ４６を正常に機能させることができなくなる可能性がある。このため、２個のロータ回転軸６８，７０は互いの位相の関係を規制する必要がある。
【００５９】
図２に戻って示すように、このような水素ポンプ４６の駆動は、制御部２２により制御する。すなわち、制御部２２が有するモータ駆動制御手段は、２個のモータ５８，６０（図３）を同期して逆方向に回転させるように各モータ５８，６０の回転駆動を制御する。
【００６０】
また、本実施の形態では、図３に示すように、２個のモータ５８，６０のモータ駆動軸８６，８８を含むロータ回転軸６８，７０にタイミングギヤ等の互いに係合する歯車を結合しないのにもかかわらず、２個のモータ５８，６０を適切な位相差で同期して回転駆動することができるようにしている。このために、２個のモータ５８，６０の少なくとも一方のモータ５８（または６０）を回転させるのに必要な回転トルクが最小になる条件で、２個のモータ５８，６０を同期して逆方向に回転駆動するようにしている。
【００６１】
より具体的には、図２に示す、制御部２２が有する回転制御回転トルク検出手段５４は、図３に示す、２個のモータ５８，６０の一方のモータ５８（または６０、以下、同じ。）を定速で回転または停止させると同時に、他方のモータ６０（または５０、以下同じ。）を加速または減速させた後に、２個のモータ５８，６０を再度同期して逆方向に回転させる場合の、２個のモータ５８，６０の少なくとも１個のモータ５８（または６０）を回転させるのに必要な回転トルクを検出する。
【００６２】
また、図２に示す、最適条件モータ駆動制御手段５６は、図３に示す、２個のモータ５８，６０の少なくとも１個のモータ５８（または６０）の検出された回転トルクが最小になる条件で、２個のモータ５８，６０が同期して回転するように、２個のモータ５８，６０の駆動を制御する。すなわち、２個の繭形ロータ７２，７４が、回転時に互いに摺れたり、熱膨張で互いに強く押し付け合ったりする等により、２個のモータ５８，６０を回転させるのに必要な必要回転トルクが大きくなる可能性がある。また、必要回転トルクは、２個のモータ５８，６０の位相差が適正位相差、例えば９０度等からずれた場合にずれ量の増大にしたがって大きくなる。本実施の形態では、このような現象に着目して、必要回転トルクが最小になる条件で２個のモータ５８，６０が同期して回転するようにすることにより、２個のロータ回転軸６８，７０にタイミングギヤ等の互いに係合する歯車を結合しないのにもかかわらず、２個のモータ５８，６０を適切な位相差で同期して回転駆動することができるようにしている。
【００６３】
具体的には、次のようにして、モータ５８，６０の必要回転トルクが最小になる条件でモータ５８，６０を同期して回転させる最適条件モータ駆動制御方法を行う。なお、以下の説明では、図１から図４に示した要素と同一の要素には同一符号を付して説明する。図５に示すように、まず、ステップＳ１で、回転制御回転トルク検出手段５４は、最適条件モータ駆動制御を行う前提条件が成立しているか否かを判定し、成立していると判定されたならばステップＳ２に移行する。前提条件は、予め設定し記憶部に記憶させている条件で、例えば、燃料電池スタック１２の発電運転停止時であること、または燃料電池スタック１２に接続された負荷である走行用モータ１６に対するトルク指令が一定であることとする。また、前提条件は、車両側から燃料電池起動指令信号、燃料電池起動停止指令信号、車両の走行停止時に走行用モータ１６を定速で、クラッチ機構の切断により空回りさせ続けること、または燃料電池スタック１２の負荷が変動しにくいアイドル運転状態で燃料電池スタック１２に発電させること、または車両の走行時に減速しても走行用モータ１６から回生電力を取り出さないことを指示するアイドル運転指令信号、燃料電池スタック１２に要求される要求発電量が予め設定される所定値以下の場合に燃料電池スタック１２の発電運転を停止させ、再度要求発電量が所定値を超える場合に発電運転を再開させる間欠モードにおいて、燃料電池スタック１２の発電運転を停止させることを指示する間欠モード中発電停止指令信号のいずれか１が入力されたこととすることもできる。また、前提条件は、車両側から燃料電池起動指令信号が入力された後において、アクセルペダルの踏み込みによる走行用モータ１６の加速指令が入力される前とすることもできる。
【００６４】
いずれにしても前提条件が成立すれば、ステップＳ２の加速検出処理に移行する。次いで、ステップＳ３で、回転制御回転トルク検出手段５４は、予め設定された一定時間Ａにおいて、２個のモータ５８，６０の一方のモータ５８を定速回転または回転停止させた状態で、他方のモータ６０を予め設定される一定の加速度で、加速させる。例えば、２個のモータ５８，６０を５００回転／秒の回転速度で回転させている場合に、一方のモータ５８の回転速度を５００回転／秒としたまま、他方のモータ６０をＡ時間５０１回転／秒に加速させた後に、他方のモータ６０の回転速度を５００回転／秒に戻す。この結果、２個のモータ５８，６０の位相差が初期状態からずれる。例えば、初期状態で２個のモータ５８，６０の位相差が９０度であると仮定している場合に、他方のモータ６０の加速後にθ１が大きくなることにより、仮定される仮想位相差は、θ２−θ１が小さくなり、例えば８９度等にずれる。
【００６５】
次いで、図５のステップＳ４で回転制御回転トルク検出手段５４は、１個のモータ５８（または６０、以下同じ。）を回転させるのに必要な回転トルクを検出し、検出値を、現在の仮定される仮想位相差に関連付けて、制御部２２が有する記憶部に記憶させる。例えば、一方のモータ５８を所定の回転速度、例えば５００回転／秒で回転させ続けるのに必要な一方のモータ５８の回転トルクを検出し、検出された回転トルクの検出値を記憶部に、現在の仮定される仮想位相差と関連付けて記憶させる。
【００６６】
次いで、図５のステップＳ５で、Ｓ２からＳ４までの加速検出処理を予め定められた所定回数Ｎ回繰り返したか否かを判定し、この判定結果が否定である場合にはステップＳ５で判定結果が肯定となるまで、ステップＳ２からＳ５の工程を繰り返す。また、各加速検出処理で他方のモータ６０を加速させるので、加速検出処理の回数に応じて２個のモータ５８，６０の仮想位相差が小さくなる。
【００６７】
図５のステップＳ５で加速検出処理がＮ回繰り返されたと判定された場合には、ステップＳ６で、回転制御回転トルク検出手段５４は、２個のモータ５８，６０の位相差を初期、すなわち初回の加速検出処理を行う前の仮想位相差、例えば９０度に戻すように、２個のモータ５８，６０のいずれかを加速または減速させるように両モータ５８，６０の駆動を制御する。
【００６８】
次いで、ステップＳ７の減速検出処理に移行し、ステップＳ８で、回転制御回転トルク検出手段５４は、予め設定された一定時間Ａにおいて、２個のモータ５８，６０の一方のモータ５８を定速回転または回転停止させた状態で、他方のモータ６０を予め設定される一定の加速度で、減速させる。例えば、２個のモータ５８，６０を５００回転／秒の回転速度で回転させている場合に、一方のモータ５８の回転速度を５００回転／秒としたまま、他方のモータ６０をＡ時間４９９回転／秒に減速させた後に、他方のモータ６０の回転速度を５００回転／秒に戻す。この結果、２個のモータ５８，６０の仮想位相差が初期状態からずれる。例えば、初期状態で２個のモータ５８，６０の仮想位相差が９０度であると仮定している場合に、他方のモータ６０の減速後にθ１が小さくなることにより、仮定される仮想位相差は、θ２−θ１が大きくなり、例えば９１度等にずれる。
【００６９】
次いで、図５のステップＳ９で回転制御回転トルク検出手段５４は、１個のモータ５８を回転させるのに必要な回転トルクを検出し、検出値を、現在の仮定される仮想位相差に関連付けて、制御部２２が有する記憶部に記憶させる。例えば、一方のモータ５８を所定の回転速度、例えば５００回転／秒で回転させ続けるのに必要な一方のモータ５８の回転トルクを検出し、検出された回転トルクの検出値を記憶部に、現在の仮定される仮想位相差と関連付けて記憶させる。
【００７０】
次いで、図５のステップＳ１０で、Ｓ７からＳ９までの減速検出処理を予め定められた所定回数Ｎ回繰り返したか否かを判定し、この判定結果が否定である場合にはステップＳ１０で判定結果が肯定となるまで、ステップＳ７からＳ１０の工程を繰り返す。また、各減速検出処理で他方のモータ６０を減速させるので、減速検出処理の回数に応じて２個のモータ５８，６０の仮想位相差が大きくなる。
【００７１】
図５のステップＳ１０で減速検出処理がＮ回繰り返されたと判定された場合には、ステップＳ１１で、最適条件モータ駆動制御手段５６は、複数の検出された回転トルクの検出値が最小となる場合の仮想位相差を算出する。例えば、図６では、検出した１個のモータ５８の回転トルクと仮想位相差との関係の１例を表しており、仮想位相差γで１個のモータ５８の回転トルクが最小になっている。この場合には、最適条件モータ駆動制御手段５６は、最小トルク検出の仮想位相差としてγを算出する。なお、仮想位相差γでの最小となるモータ５８の回転トルクは、２個の繭形ロータ７２，７４間の隙間の発生による不感域に対応する。
【００７２】
次いで、図５のステップＳ１２で、最適条件モータ駆動制御手段５６は、最小回転トルクが検出されたのと同じ条件に設定した状態で、２個のモータ５８，６０を同期して逆方向に回転駆動するように、両モータ５８，６０の駆動を制御する。具体的には、仮想位相差γの条件に合わせるように、予め設定された一定時間Ａにおいて、２個のモータ５８，６０の他方のモータ６０を定速で回転または停止させると同時に、一方のモータ５８を予め設定される一定の減速度で減速させ、この工程を２個のモータの仮想位相差がγになるまで繰り返す。これにより、２個のモータ５８，６０の位相差条件が最小回転トルク検出の条件に設定される。このため、例えば、２個のモータ５８，６０の仮想位相差が９０度でモータ５８，６０の回転抵抗が最小になるとした場合に、仮想位相差が９０度からずれている場合でも、回転制御回転トルク検出手段５４と、最適条件モータ駆動制御手段５６とにより、２個のモータ５８，６０の仮想位相差を適正位相差である、９０度に自動修正できる。なお、仮想位相差が実際の位相差と一致するか否かは、初期状態の仮想位相差が初期状態の実際の位相差と一致しているか否かによるが、本実施の形態によれば、実際の正確な位相差を検出することなく、回転トルクが最小になるように２個のモータ５８，６０の位相差を自動修正した状態で、２個のモータ５８，６０を同期して駆動できる。
【００７３】
また、繭形ロータ７２，７４の形状等に応じて２個のモータ５８，６０の位相差が９０度以外、例えば８７度等で回転トルクが最小になることも考えられるが、最適条件モータ駆動制御手段５６により、２個のモータ５８，６０の位相差を、回転トルクが最小になる例えば８７度等の位相差に修正することができる。また、２個のモータ５８，６０の位相差は、例えば０．１度等、予め設定される所定の角度分ずつずらせて、ずらせた位相差に対応する回転トルクの検出値を求めることもできる。
【００７４】
また、回転制御回転トルク検出手段５４により、２個のモータ５８，６０の一方のモータ５８を停止させると同時に、他方のモータ６０を加速させることにより、仮想位相差をずらせた後に、２個のモータを同期して回転させる場合の２個のモータの少なくとも１個のモータを回転させるのに必要な回転トルクを検出するようにすることもできる。また、図５に示した最適条件モータ駆動制御方法において、加速検出処理の後に減速検出処理を行うのではなく、減速検出処理の後に加速検出処理を行うようにすることもできる。また、図５に示した最適条件モータ駆動制御方法において、回転制御回転トルク検出手段５４により複数回の加速検出処理または減速検出処理を行う場合に、最適条件モータ駆動制御手段５６は、前回の加速検出処理または減速検出処理で記憶した検出回転トルクに対して、現在の加速検出処理または減速検出処理で記憶した検出回転トルクが大きくなる場合に、２個のモータ５８，６０の位相差を前回の仮想位相差に修正するように、２個のモータ５８，６０の駆動をフィードバック制御することもできる。この場合には、回転制御回転トルク検出手段５４は、前回の仮想位相差に修正された後、前回と異なる複数回の減速検出処理または加速検出処理を行い、最適条件モータ駆動制御手段５６は、その検出処理中の前回の減速検出処理または加速検出処理で記憶した検出回転トルクに対して、現在の減速検出処理または加速検出処理で記憶した検出回転トルクが大きくなる場合に、２個のモータ５８，６０の位相差を前回の仮想位相差に修正することで、１個のモータ５８（または６０）の検出された回転トルクが最小になる最適条件で、２個のモータ５８，６０が同期して回転するように、２個のモータ５８，６０の駆動を制御する。
【００７５】
なお、上記の図５のステップＳ１における前提条件は、燃料電池スタック１２の発電運転停止時にパージ弁５０を開弁させ、水素ポンプ４６を予め設定される所定時間駆動し続ける掃気処理時とすることもできる。すなわち、回転制御回転トルク検出手段５４は、掃気処理時に、２個のモータ５８，６０の一方のモータ５８（または他方のモータ６０）を定速で回転または停止させると同時に、他方のモータ６０（または一方のモータ５８）を加速または減速させた後に、２個のモータ５８，６０を同期して回転させる場合の２個のモータ５８，６０の少なくとも１個のモータ５８（または６０）の回転抵抗または回転トルクを検出するようにすることもできる。
【００７６】
このような本実施の形態の燃料電池システムによれば、２個の繭形ロータ７２，７４を設けた２個のロータ回転軸６８，７０の一部により２個のモータ５８，６０のモータ駆動軸８６，８８を構成するため、２個のロータ回転軸６８，７０を、歯車機構を介することなく、２個のモータ５８，６０により回転駆動させることができる。このため、１個のモータ５８，６０により２個のロータ回転軸６８，７０を回転させる場合と異なり、２個のロータ回転軸６８，７０に互いに大きな力で噛み合うタイミングギヤ等の歯車を有する歯車機構を設ける必要がなくなる。したがって、歯車の潤滑のための油を使用する必要がなくなり、油が燃料電池に流入したり、オイルシールによる摺動抵抗が発生したり、燃料電池システム２０の保守・点検に要するコストが高くなる等の、油に起因する不都合を有効に防止できる。
【００７７】
また、各モータ５８，６０は、２個のロータ回転軸６８，７０の互いに別のロータ回転軸６８（または７０）のみを駆動すればよいため、各モータ５８，６０の小型化を図れ、ルーツ式ポンプである水素ポンプ４６の設置空間に対する水素ポンプ４６の設置自由度の向上を図れる。この結果、水素オフガスを加圧し吐出する水素ポンプ４６にルーツ式ポンプを使用する場合に、油に起因する不都合を解消できるとともに、搭載性の向上を図れる。
【００７８】
これに対して、図７は、本発明から外れる構成による不都合を説明するための、従来から考えられている燃料電池システム用水素ポンプの１例の略図を示している。図７に示す従来例の水素ポンプ４６ａは、ルーツ式ポンプであり、図示しないケーシング内に２個の繭形ロータ７２，７４を回転可能に配置するとともに、１個のモータ９２を構成するモータ駆動軸９４のケーシング内に突出した部分に、１個の繭形ロータ７２，７４を固定し、モータ駆動軸９４を２個の軸受９６により、ケーシング、またはモータ９２を構成する図示しないモータケース内に回転可能に支持している。また、ケーシング内に従動軸９８を、軸受９６により回転可能に支持している。従動軸９８とモータ駆動軸９４とにタイミングギヤである２個の歯車１００，１０２を固定するとともに、２個の歯車１００，１０２同士を噛合させている。
【００７９】
モータ駆動軸９４とモータケースまたはケーシングとの間、及び、従動軸９８とケーシングとの間にそれぞれシール部材１０４を設けて、歯車１００，１０２部分に潤滑のために封入する油が繭形ロータ７２，７４設置部分や、外部に漏れ出ることを防止している。このような従来例の水素ポンプ４６ａの場合には、例えば、１個のモータ９２から２個の繭形ロータ７２，７４に５０％ずつのトルクが伝達される。このような従来例の水素ポンプ４６ａの場合には、油が必要になるので、シール部材１０４が必要になり、シール部材１０４の摺動抵抗によりモータ９２の回転抵抗が大きくなる可能性がある等、油に起因する不都合が生じる可能性がある。これに対して、本実施の形態によれば、図３、図４に示したように、水素ポンプ４６に油を使用せずに済むため、各モータ５８，６０の回転抵抗を小さくできる等、油に起因する不都合を解消できる。
【００８０】
また、本実施の形態では、２個のロータ回転軸６８，７０に、互いの回転を同期させるための互いに噛み合う２個の歯車を結合していないので、燃料電池システム２０において、歯車をなくせるか、または少なくできる。
【００８１】
また、２個のモータ５８，６０は、ケーシング６６の両側に設けているので、ケーシング６６の両側から２個のモータ５８，６０の回転に伴って発生する熱が、ケーシング６６内の構成部品に効率よくほぼ均一に伝達しやすくなる。このため、本実施の形態のように、燃料電池システム２０を車両に搭載され、車両の駆動源である走行用モータ１６に直接またはバッテリ１４を介して電力を供給する燃料電池車１０搭載用として使用する場合で、燃料電池車１０が氷点下等の低温環境で使用される場合でも、ルーツ式ポンプである水素ポンプ４６の構成部品を有効に凍結しにくくでき、燃料電池システム２０の運転や再起動を有効に行いやすくなる。
【００８２】
また、モータ５８，６０で発生した熱は、モータ駆動軸８６，８８を含むロータ回転軸６８，７０を通じてケーシング６６内の構成部品等、他の部品に伝達、すなわち放熱される。これに対して、本実施の形態のように、水素ポンプ４６に用いるモータ５８，６０を２個とすることにより、モータ５８，６０から有効な熱伝達を行える熱伝達部分の面積を大きくして、モータ５８，６０の出力向上を有効に行いやすくできる。
【００８３】
また、制御部２２は、２個のモータ５８，６０の一方のモータ５８（または６０）を定速で回転または停止させると同時に、他方のモータ６０（または５８）を加速または減速させた後に、２個のモータ５８，６０を同期して回転させる場合の２個のモータ５８，６０の少なくとも１個のモータ５８（または６０）を回転させるのに必要な回転トルクを検出する回転制御回転トルク検出手段５４と、２個のモータ５８，６０の少なくとも１個のモータ５８（または６０）の検出された回転トルクが最小になる最適条件で、２個のモータ５８，６０が同期して回転するように、２個のモータ５８，６０の駆動を制御する最適条件モータ駆動制御手段５６と、を有する。このため、２個のモータ５８，６０の位相差が、２個のモータ５８，６０の回転トルクが最小になる適正位相差からずれた場合でも、２個のモータ５８，６０の位相差を適正位相差に修正することができ、モータ５８，６０を駆動するための消費エネルギの低減を図れる。また、この場合には、水素ポンプ４６の組立時に、２個のモータ５８，６０の位相差を高精度に設定した状態で組み立てるという工程を行う必要がなくなる。すなわち、組立時には２個のモータ５８，６０の位相差を高精度に設定する必要がなく、組立後、使用開始時に適正位相差に修正すればよい。
【００８４】
また、回転制御回転トルク検出手段５４は、燃料電池スタック１２の発電運転停止時、または燃料電池スタック１２に接続された負荷である走行用モータ１６に対するトルク指令が一定である場合において、２個のモータ５８，６０の一方のモータ５８（または６０）を定速で回転または停止させると同時に、他方のモータ５８（または６０）を加速または減速させた後に、２個のモータ５８，６０を同期して回転させる場合の２個のモータ５８，６０の少なくとも１個のモータ５８（または６０）を回転させるのに必要な回転トルクを検出する。このため、燃料電池スタック１２に対する要求発電量が小さく、または要求発電量の変動が生じにくい状況で、回転制御回転トルク検出手段５４により、少なくとも１個のモータ５８（または６０）の回転トルクを検出できる。このため、モータ５８，６０の回転トルクの検出精度を有効に高くでき、モータ５８，６０を駆動するための消費エネルギの低減をより有効に図れる。しかも燃料電池システム２０を使用する商品である燃料電池車１０の商品性の低下を抑えることができる。
【００８５】
また、燃料電池システム２０は、車両に搭載され、車両の駆動源である走行用モータ１６に直接またはバッテリ１４を介して電力を供給する車両搭載用燃料電池システムとして使用し、さらに、回転制御回転トルク検出手段５４は、車両側から燃料電池起動指令信号、燃料電池起動停止指令信号、車両の走行停止時に走行用モータ１６を定速で空回りさせ続けること、または燃料電池スタック１２の負荷が変動しにくいアイドル運転状態で燃料電池スタック１２に発電させること、または車両の走行時に減速しても走行用モータ１６から回生電力を取り出さない、すなわち走行用モータ１６により発電させず、走行用モータ１６を単に回転させることを指示するアイドル運転指令信号、燃料電池スタック１２に要求される要求発電量が予め設定される所定値以下の場合に燃料電池スタック１２の発電運転を停止させ、再度所定値を超える場合に発電運転を再開させる間欠モードにおいて燃料電池スタック１２の発電運転を停止させることを指示する間欠モード中発電停止指令信号のいずれか１が入力された場合に、２個のモータ５８，６０の一方のモータ５８（または６０）を定速で回転または停止させると同時に、他方のモータ６０（または５８）を加速または減速させた後に、２個のモータ５８，６０を同期して回転させる場合の２個のモータ５８，６０の少なくとも１個のモータ５８（または６０）を回転させるのに必要な回転トルクを検出する構成とすることもできる。この構成とした場合には、燃料電池スタック１２に対する要求発電量が小さく、または０か、または要求発電量の変動が生じにくい状況で、回転制御回転トルク検出手段５４により、少なくとも１個のモータ５８（または６０）の回転トルクを検出できる。このため、モータ５８，６０の回転トルクの検出精度を有効に高くでき、モータ５８，６０を駆動するための消費エネルギの低減をより有効に図れる。しかも燃料電池システム２０を使用する燃料電池車１０の商品性の低下を抑えることができる。なお、燃料電池スタック１２の負荷が変動しにくいアイドル運転状態で燃料電池スタック１２に発電させる場合とは、例えば、「最低発電量」である、不安定で走行用の機器の電力としては使用できないが、発電か非発電かの判定には使用できる程度の発電量で発電させる場合や、燃料電池スタック１２により走行用としての電力を供給しない場合で、例えば、単に車両停止時に車載ＴＶ等のアクセサリの電源分の電力だけを発電する場合等を含む。
【００８６】
また、燃料電池スタック１２から水素オフガスを排出するための燃料ガス系排出流路４０と、燃料電池スタック１２から排出された水素オフガスを燃料電池スタック１２に還流させるための燃料ガス系循環流路４２と、燃料ガス系排出流路４０に接続された排気排水流路４８に設けられたパージ弁５０と、を備え、水素ポンプ４６は、燃料ガス系循環流路４２に設けられ、水素オフガスを加圧し吐出する循環ポンプであり、回転制御回転トルク検出手段５４は、燃料電池スタック１２の発電運転停止時にパージ弁５０を開弁させ、水素ポンプ４６を予め設定される所定時間駆動し続ける掃気処理時に、２個のモータ５８，６０の一方のモータ５８（または６０）を定速で回転または停止させると同時に、他方のモータ６０（または５８）を加速または減速させた後に、２個のモータ５８，６０を同期して回転させる場合の２個のモータ５８，６０の少なくとも１個のモータ５８（または６０）を回転させるのに必要な回転トルクを検出する構成とすることもできる。この構成とした場合には、掃気処理の面から水素ポンプ４６の加圧力を変動させることが要求されない状況で、回転制御回転トルク検出手段５４により、少なくとも１個のモータ５８（または６０）の回転トルクを検出できる。このため、モータ５８，６０の回転トルクの検出精度を有効に高くでき、モータ５８，６０を駆動するための消費エネルギの低減をより有効に図れる。しかも、モータ５８，６０は高回転で長時間駆動させるため、水素ポンプ４６の構成部品の熱膨張により２個の繭形ロータ７２，７４間、及び繭形ロータ７２，７４とケーシング６６との間の隙間が小さくなりやすくなり、２個のモータ５８，６０の適正な位相差をより精度よく求めやすくなる。
【００８７】
なお、本実施の形態では、モータ５８，６０の回転速度を検出する等の目的のために、それぞれのモータ５８，６０に回転角センサを設けることもできる。また、回転角センサを設ける場合よりもコストの低減を図る等を目的として、従来からＤＣブラスレスモータ等のセンサレス形で使用することが考えられているような、検出電流波形からそれぞれのモータ５８，６０の位置や、複数の位置と対応する時間とから、時間微分したモータ５８，６０の回転速度を検出する方法を用いて、モータ５８，６０の回転速度等を求めることもできる。
【００８８】
また、本実施の形態では、水素オフガスを加圧し吐出する水素ポンプ４６が、ルーツ式ポンプ式である加圧ポンプである場合を説明したが、本発明は、このような構成に限定するものではなく、空気を加圧し吐出するエアコンプレッサ３２を、ルーツ式ポンプ式である加圧ポンプとする場合に本発明を適用することもできる。
【００８９】
また、本実施の形態では、水素ポンプ４６を構成するケーシング６６の両側に２個のモータ５８，６０を設けた場合を説明したが、本発明は、このような構成に限定するものではなく、水素ポンプ４６を構成するケーシング６６の片側のみに２個のモータ５８，６０を設け、２個の繭形ロータ７２，７４を固定したロータ回転軸６８，７０の一部により、２個のモータ５８，６０のモータ駆動軸８６，８８を構成するようにすることもできる。この場合には、ケーシング６６の両側から２個のモータ５８，６０の回転に伴って発生する熱が、ケーシング６６内の構成部品に効率よくほぼ均一に伝達しやすくなるという効果は、本実施の形態に比べて劣る。ただし、この構成の場合でも、２個の繭形ロータ７２，７４を設けた２個のロータ回転軸６８，７０の一部により２個のモータ５８，６０のモータ駆動軸を構成するため、２個のロータ回転軸６８，７０を、歯車機構を介することなく、２個のモータ５８，６０により回転駆動させることができ、油に起因する不都合を有効に防止でき、搭載性の向上を図れるという効果が本実施の形態と同様に得られる。
【００９０】
また、上記では、水素ポンプ４６、またはエアコンプレッサ３２が、ルーツ式ポンプ式である加圧ポンプである場合を説明したが、本発明は、このような構成に限定するものではなく、２個のロータ回転軸の外径側に、繭形ロータ以外のロータ、例えば外周面が非円筒面であるねじ形状のロータを設ける２軸回転式ポンプである加圧ポンプである場合でも、本発明を実施できる。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】本発明に係る実施の形態の燃料電池システムを搭載した燃料電池車の基本構成図である。
【図２】本発明に係る実施の形態の燃料電池システムの基本構成図である。
【図３】図２に示す水素ポンプを示す略断面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ略断面図である。
【図５】本発明に係る実施の形態で、モータの回転トルクが最小になる条件で２個のモータを同期して回転させる最適条件モータ駆動制御方法を示すフローチャートである。
【図６】本発明に係る実施の形態において、水素ポンプを構成する２個のモータの仮想位相差と、１個のモータの回転トルクの検出値との関係の１例を示す図である。
【図７】従来から考えられている燃料電池システム用水素ポンプの１例の略図である。
【符号の説明】
【００９２】
１０  燃料電池車、１２  燃料電池スタック（ＦＣ）、１４  バッテリ、１６  走行用モータ、１８  車輪、２０  燃料電池システム、２２  制御部、２４  酸化ガス経路、２６  燃料ガス経路、２８  酸化ガス供給流路、３０  酸化ガス系排出流路、３２  エアコンプレッサ、３４  加湿器、３８  燃料ガス供給流路、４０  燃料ガス系排出流路、４２  燃料ガス系循環流路、４４  燃料ガス供給流路、４６，４６ａ  水素ポンプ、４８  排気排水流路、５０  パージ弁、５２  モータ駆動制御手段、５４  回転制御回転トルク検出手段、５６  最適条件モータ駆動制御手段、５８，６０  モータ、６２  吸入口、６４  吐出口、６６  ケーシング、６８，７０  ロータ回転軸、７２，７４  繭形ロータ、７６，７８  モータケース、８０  モータロータ、８２  モータステータ、８４  ロータ空間、８６，８８  モータ駆動軸、９２  モータ、９４  モータ駆動軸、９６  軸受、９８  従動軸、１００，１０２  歯車、１０４  シール部材。
【図１】
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【図２】
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【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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