燃料電池用コンプレッサの停止制御装置
【課題】電動コンプレッサの耐久性及び回転安定性を向上させる。
【解決手段】ガス動圧軸受１４４でロータシャフト１４３を支持するモータ１４５によって駆動され、燃料電池２のカソード電極にカソードガスを供給する燃料電池用コンプレッサ１４の停止制御装置であって、ロータシャフト１４３を正回転させる外力の付加を停止してロータシャフト１４３の回転を低下させる第１ブレーキ手段（Ｓ６）と、燃料電池２のアノード電極に供給されるアノードガスの圧力と大気圧との差圧が所定圧よりも小さくなった後に、ロータシャフト１４３を逆回転させる外力を付加してロータシャフト１４３の回転を低下させる第２ブレーキ手段（Ｓ８）と、を備えることを特徴とする。
【解決手段】ガス動圧軸受１４４でロータシャフト１４３を支持するモータ１４５によって駆動され、燃料電池２のカソード電極にカソードガスを供給する燃料電池用コンプレッサ１４の停止制御装置であって、ロータシャフト１４３を正回転させる外力の付加を停止してロータシャフト１４３の回転を低下させる第１ブレーキ手段（Ｓ６）と、燃料電池２のアノード電極に供給されるアノードガスの圧力と大気圧との差圧が所定圧よりも小さくなった後に、ロータシャフト１４３を逆回転させる外力を付加してロータシャフト１４３の回転を低下させる第２ブレーキ手段（Ｓ８）と、を備えることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池用コンプレッサの停止制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のコンプレッサのモータとして、ロータシャフトをガス動圧軸受と磁気軸受とで支持するものがある（例えば、特許文献１参照）。これにより、低速回転時のガス動圧軸受とロータシャフトとの接触を回避して、モータの耐久性を向上させていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−９２６４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら前述した従来のコンプレッサのモータでは、高速回転時にロータシャフトが磁気軸受の影響を受け、回転安定性が悪化するという問題点があった。
【０００５】
本発明はこのような従来の問題点に着目してなされたものであり、コンプレッサのモータの耐久性を確保しつつ、高速回転時の回転安定性も確保することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、以下のような解決手段によって前記課題を解決する。
【０００７】
本発明は、ガス動圧軸受でロータシャフトを支持するモータによって駆動され、燃料電池のカソード電極にカソードガスを供給する燃料電池用コンプレッサの停止制御装置である。本発明による燃料電池用コンプレッサの停止制御装置は、前記ロータシャフトを正回転させる外力の付加を停止するとともに、燃料電池のアノード電極に供給されるアノードガスの圧力と大気圧との差圧が所定圧よりも小さくなった後は、ロータシャフトを逆回転させる外力を付加してロータシャフトの回転を低下させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ロータシャフトをガス動圧軸受のみによって支持しているので、高速回転時の回転安定性を確保できる。
【０００９】
また、回転速度の低下にともなってロータシャフトとガス動圧軸受とが接触するが、アノードガスの圧力と大気圧との差圧が所定圧よりも小さくなった後は、ロータシャフトを逆回転させる外力を付加して速やかにロータシャフトを停止させる。そのため、ガス動圧軸受とロータシャフトとの接触時間を短くできるとともに、急停止によってアノード電極とカソード電極との極間差圧が大きくなりすぎることもない。その結果、ガス動圧軸受及びロータシャフトの部分摩耗を抑制でき、モータの耐久性を確保できるとともに、電解質膜の劣化も抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】燃料電池システムの概略図である。
【図２】電動コンプレッサの縦断面図である。
【図３】図２のIII-III線に沿う断面図である。
【図４】第１実施形態による電動コンプレッサの停止制御について説明するフローチャートである。
【図５】第１実施形態による電動コンプレッサの停止制御の動作について説明する図である。
【図６】第２実施形態による電動コンプレッサの停止制御について説明するフローチャートである。
【図７】第２実施形態による電動コンプレッサの停止制御の動作について説明する図である。
【図８】第３実施形態による電動コンプレッサの停止制御について説明するフローチャートである。
【図９】第３実施形態による電動コンプレッサの停止制御の動作について説明する図である。
【図１０】第４実施形態による電動コンプレッサの停止制御について説明するフローチャートである。
【図１１】第５実施形態による電動コンプレッサの停止制御について説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１２】
（第１実施形態）
燃料電池は電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とによって挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。
【００１３】
アノード電極 ： ２Ｈ2 →４Ｈ+ ＋４ｅ- …(１)
カソード電極 ： ４Ｈ+ ＋４ｅ- ＋Ｏ2 →２Ｈ2Ｏ …(２)
この（１）（２）の電極反応によって燃料電池は１ボルト程度の起電力を生じる。
【００１４】
このような燃料電池を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両駆動用の電力を取り出す。
【００１５】
図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池システム１の概略図である。
【００１６】
燃料電池システム１は、燃料電池スタック２と、燃料タンク３と、アノードガス供給通路４と、アノードガス排出通路５と、カソードガス供給通路６と、カソードガス排出通路７と、排気通路８と、ＤＣ−ＤＣコンバータ９と、バッテリ１０と、駆動モータ用インバータ１１と、駆動モータ１２と、コンプレッサ用インバータ１３と、電動コンプレッサ１４と、コントローラ１５と、大気圧センサ１６と、を備える。
【００１７】
燃料電池スタック２は、積層された複数枚の燃料電池を含み、車両の駆動に必要な電力を発電する。
【００１８】
燃料タンク３は、燃料電池スタック２に供給するアノードガスを高圧状態で貯蔵する。本実施形態ではアノードガスとして水素を使用している。
【００１９】
アノードガス供給通路４は、一端部が燃料タンク３に接続され、他端部が燃料電池スタック２のアノードガス入口孔２１に接続される。アノードガス供給通路４には、上流から順に、調圧弁４１と、圧力センサ４２と、が設けられる。
【００２０】
調圧弁４１は、燃料タンク３から供給されるアノードガスの圧力を減圧する。
【００２１】
圧力センサ４２は、燃料電池スタック２に供給されるアノードガスの圧力を検出する。
【００２２】
アノードガス排出通路５は、一端部が燃料電池スタック２のアノードガス出口孔２２に接続され、他端部がカソードガス排出通路７に挿入される。本実施形態では、このようにアノードガス排出通路５をカソードガス排出通路７に挿入させて、アノードオフガスをカソードオフガスと混合させた上で外気に排出している。また、アノードガス排出通路５には、遮断弁５１が設けられる。
【００２３】
遮断弁５１は、カソードガス排出通路７に流入させるアノードオフガスの流量を調整する。
【００２４】
カソードガス供給通路６は、一端部が外気取り入れ口を形成し、他端部が燃料電池スタック２のカソードガス入口孔２３に接続される。
【００２５】
カソードガス排出通路７は、一端部が燃料電池スタック２のカソードガス出口孔２４に接続され、他端部が排気通路８に接続する。
【００２６】
排気通路８は、一端部がカソードガス排出通路７と接続し、他端部が排気口を形成する。排気通路８には、アノードオフガスとカソードオフガスとの混合ガス（以下「排ガス」という）中の水素濃度を検出する水素濃度センサ８１が設けられる。
【００２７】
ＤＣ−ＤＣコンバータ９は、燃料電池スタック２に電気的に接続される。ＤＣ−ＤＣコンバータ９は、燃料電池スタック２の出力電圧を駆動モータ１２やコンプレッサモータに適した電圧まで降圧させる。
【００２８】
バッテリ１０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ９に電気的に接続される。バッテリ１０は、アイドルストップ時など、燃料電池スタック２から電力が供給されないときや、車両の急加速時に必要な電力を蓄える。本実施形態ではバッテリ１０として充放電可能なリチウムイオン電池などの二次電池を使用しているが、充放電可能であればキャパシタなどのその他の蓄電手段を使用しても良い。
【００２９】
駆動モータ用インバータ１１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ９及びバッテリ１０に対してそれぞれ並列に電気的に接続される。駆動モータ用インバータ１１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ９を介して燃料電池スタック２から供給される直流電流又はバッテリ１０から供給される直流電流を任意の周波数の三相交流電流に変換して駆動モータ１２に出力する。
【００３０】
駆動モータ１２は、駆動モータ用インバータ１１に電気的に接続される。駆動モータ１２は、駆動モータ用インバータ１１から出力された三相交流電流によって作動し、車両を駆動させるトルクを発生する。
【００３１】
コンプレッサ用インバータ１３は、ＤＣ−ＤＣコンバータ９及びバッテリ１０に対してそれぞれ並列に電気的に接続される。コンプレッサ用インバータ１３は、ＤＣ−ＤＣコンバータ９を介して燃料電池スタック２から供給される直流電流又はバッテリ１０から供給される直流電流を三相交流電流に変換して電動コンプレッサ１４に出力する。
【００３２】
電動コンプレッサ１４は遠心式のコンプレッサであり、コンプレッサ部１４ａとモータ部１４ｂとを備える。コンプレッサ部１４ａは、カソードガス供給通路６に設けられる。モータ部１４ｂは、コンプレッサ用インバータ１３に電気的に接続される。電動コンプレッサ１４は、コンプレッサ用インバータ１３から出力された三相交流電流によって作動し、外部から取り込んだ空気を圧縮して燃料電池スタック２に供給する。電動コンプレッサ１４の詳細については図２及び図３を参照して後述する。
【００３３】
コントローラ１５は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ１５には、前述した圧力センサ４２や水素濃度センサ８１の他にも燃料電池スタックの発電状態を検出する各種センサからの信号が入力される。
【００３４】
コントローラ１５は、これらの入力信号に基づいて駆動モータ用インバータ１１及びコンプレッサ用インバータ１３を制御して交流電流の周波数を連続的に変更し、駆動モータ１２及び電動コンプレッサ１４の回転速度を連続的に変更する。
【００３５】
大気圧センサ１６は、車外の大気圧を測定し、信号をコントローラ１５に入力する。
【００３６】
図２は、電動コンプレッサ１４の縦断面図である。
【００３７】
モータ部１４ｂのモータハウジング１４１に内部には、ステータ１４２と、ロータシャフト１４３と、空気動圧軸受１４４と、を備えるモータ１４５が設けられる。
【００３８】
ステータ１４２は、モータハウジング１４１の内周に固定される。ステータ１４２には三相交流電流が流れるコイルが巻かれている。
【００３９】
ロータシャフト１４３は、空気動圧軸受１４４によってモータハウジング１４１に回転自在に支持される。ロータシャフト１４３には永久磁石が埋設されており、三相交流電流が印加されたときにステータ１４２が形成する回転磁界に同期して回転する。ロータシャフト１４３は、軸方向に延びる小径部１４３ａと、小径部１４３ａの一端部側に設けられる円板状の大径部１４３ｂと、を備える。
【００４０】
空気動圧軸受１４４は、ロータシャフト１４３の小径部１４３ａの両端をラジアル方向（径方向）から支持する一対のラジアル軸受１４４ａと、ロータシャフト１４３の大径部１４３ｂの外縁部をアキシアル方向（軸方向）から支持するアキシアル軸受１４４ｂと、を備える。
【００４１】
コンプレッサ部１４ａのコンプレッサハウジング１４６の内部には、ロータシャフト１４３の一端部に設けられてロータシャフト１４３と一体となって回転するインペラ１４７が配置される。インペラ１４７が回転することによって吸気口１４８からコンプレッサハウジング１４６の内部に流入してきた空気が圧縮され、吐出路１４９を通ってカソードガス供給通路６に吐出される。
【００４２】
図３は、図２のIII-III線に沿う断面図であり、ラジアル軸受１４４ａについて説明する図である。図３（Ａ）は、ロータシャフト１４３が所定回転速度未満で回転しているときの断面図であり、図３（Ｂ）は、ロータシャフト１４３が所定回転速度以上で回転しているときに断面図である。
【００４３】
ラジアル軸受１４４ａは、モータハウジング１４１とロータシャフト１４３との間に複数のトップフォイル１５０を備える。トップフォイル１５０は、モータハウジング１４１の内周に、周方向に等間隔で設けられる。
【００４４】
図３（Ａ）に示すように、ロータシャフト１４３が所定回転速度未満で回転しているときは、ロータシャフト１４３はトップフォイル１５０と接触した状態で回転する。
【００４５】
一方で、図３（Ｂ）に示すように、ロータシャフト１４３が所定回転速度以上で回転しているときは、ロータシャフト１４３とトップフォイル１５０との間に生じる動圧によって、ロータシャフト１４３がトップフォイル１５０から浮いた状態で回転する。つまり、ロータシャフト１４３はトップフォイル１５０と非接触状態で保持されて回転する。
【００４６】
アキシアル軸受１４４ｂもほぼ同様の構造をしており、ロータシャフト１４３が所定回転速度以上で回転しているときは、ロータシャフト１４３の大径部１４３ｂがアキシアル軸受１４４ｂのトップフォイルから浮いた状態で回転する。
【００４７】
このように空気動圧軸受１４４は、ロータシャフト１４３が所定回転速度未満で回転しているときにはトップフォイル１５０と接触した状態で回転する。そのため、電動コンプレッサ１４の起動停止が繰り返されると、ロータシャフト１４３やトップフォイル１５０の部分摩耗によってモータ１４５が劣化するという問題点がある。そこで本実施形態では、電動コンプレッサ１４を停止させるときに、以下の停止制御を実施する。
【００４８】
図４は、本実施形態による電動コンプレッサ１４の停止制御について説明するフローチャートである。コントローラ１５は、本ルーチンを所定の演算周期（例えば１０ｍｓ）で実行する。
【００４９】
ステップＳ１において、コントローラ１５は、電動コンプレッサ１４の停止条件が成立しているか否かを判定する。コントローラ１５は、燃料電池スタック２の発電を停止するとき（例えばアイドルストップを実施するときやキーオフされたとき）に電動コンプレッサ１４の停止条件が成立していると判定する。コントローラ１５は、電動コンプレッサ１４の停止条件が成立していればステップＳ２に処理を移行する。一方で、電動コンプレッサ１４の停止条件が成立していなければ今回の処理を終了する。
【００５０】
ステップＳ２において、コントローラ１５は、電動コンプレッサ１４の回転速度がゼロより大きいか否かを判定する。コントローラ１５は、電動コンプレッサ１４の回転速度がゼロであればステップＳ３に処理を移行する。一方で、電動コンプレッサ１４の回転速度がゼロより大きければステップＳ５に処理を移行する。
【００５１】
ステップＳ３において、コントローラ１５は、強制制動フラグを０にリセットする。
【００５２】
ステップＳ４において、コントローラ１５は、電動コンプレッサ１４のステータ１４２に対する三相交流電流の印加を停止する。
【００５３】
ステップＳ５において、コントローラ１５は、強制制動フラグが１にセットされているか否かを判定する。コントローラ１５は、強制制動フラグが１にセットされていればステップＳ８に処理を移行する。一方で、強制制動フラグが０にセットされていればステップＳ６に処理を移行する。
【００５４】
ステップＳ６において、コントローラ１５は、電動コンプレッサ１４のステータ１４２に対する三相交流電流の印加を停止する。
【００５５】
ステップＳ７において、コントローラ１５は、アノードガス圧と大気圧との差圧が、電解質膜が破損するおそれのある所定の限界圧よりも低くなったか否かを判定する。コントローラ１５は、差圧が限界圧より低ければステップＳ８に処理を以降する。一方で、差圧が限界圧より高ければ今回の処理を終了する。
【００５６】
ステップＳ８において、コントローラ１５は、三相交流電流の相回転方向を変更してステータ１４２が形成する回転磁界の向きを通常時に対して逆転させる。これにより、ロータシャフト１４３には、ロータシャフト１４３の回転を強制的に止める制動力が加わる。
【００５７】
ステップＳ９において、コントローラ１５は、強制制動フラグを１にセットする。
【００５８】
図５は、本実施形態による電動コンプレッサ１４の停止制御の動作について説明する図である。
【００５９】
時刻ｔ１で電動コンプレッサ１４の停止条件が成立すると、コントローラ１５は電動コンプレッサ１４への三相交流電流の印加を停止する。これにより、インペラ１４７が吐出路１４９からの圧力（背圧）を受けて電動コンプレッサ１４の回転速度（ロータシャフト１４３の回転速度）が低下する。以下、この背圧による制動力のことを「背圧ブレーキ」という。
【００６０】
アノードガス圧と大気圧との差圧が、電解質膜が劣化するおそれのある所定の限界圧より小さくなる時刻ｔ２までは、この背圧ブレーキによって電動コンプレッサ１４の回転速度を低下させる。
【００６１】
時刻ｔ２でアノードガス圧と大気圧との差圧が所定の限界圧より小さくなると、コントローラ１５は電動コンプレッサ１４への三相交流電流の印加を再開する。このときコントローラ１５は、三相交流電流の相回転方向を通常時とは変更させて、ステータ１４２が形成する回転磁界の向きを通常時に対して逆転させる。これにより、ロータシャフト１４３の回転を止める方向のトルクを発生させる。以下、このステータ１４２が形成する回転磁界の向きを逆転させることによる制動力のことを「電気ブレーキ」という。電気ブレーキをかけているときも、ロータシャフト１４３には背圧ブレーキがかかっている。
【００６２】
このように時刻ｔ２以降は、背圧ブレーキと電気ブレーキとによって電動コンプレッサ１４の回転速度を低下させる。そのため、背圧ブレーキのみによって電動コンプレッサ１４を停止させる場合と比較して、電動コンプレッサ１４を速やかに停止させることができる。
【００６３】
これにより、ロータシャフト１４３の回転速度の低下によってロータシャフト１４３とトップフォイル１５０が接触した後、短い時間でロータシャフト１４３を停止させることができる。したがって、ロータシャフト１４３とトップフォイル１５０との摺動距離を短くできるので、ロータシャフト１４３やトップフォイル１５０の部分摩耗を抑制することができる。
【００６４】
以上説明した本実施形態によれば、電動コンプレッサ１４を停止するとき、背圧ブレーキと電気ブレーキとによってロータシャフト１４３の回転速度を低下させる。
【００６５】
これにより、背圧ブレーキのみによって電動コンプレッサ１４を停止させる場合と比較して、電動コンプレッサ１４を速やかに停止させることができる。そのため、ロータシャフト１４３の回転速度の低下によってロータシャフト１４３とトップフォイル１５０が接触した後、短い時間でロータシャフト１４３を停止させることができる。したがって、ロータシャフト１４３とトップフォイル１５０との摺動距離を短くできるので、ロータシャフト１４３やトップフォイル１５０の部分摩耗を抑制することができる。その結果、電動コンプレッサ１４の起動停止が頻繁に実施される状況下においても、電動コンプレッサ１４の耐久性を確保できる。
【００６６】
また、本実施形態によれば、アノードガス圧と大気圧との差圧が所定の限界圧より小さくなったときに電気ブレーキをかける。
【００６７】
ロータシャフト１４３に電気ブレーキをかけると、電動コンプレッサ１４を速やかに停止させることができる。しかしながら、そのときのアノードガス圧が大気圧に対して高すぎると、電動コンプレッサ１４の急停止に伴うカソードガス圧の低下によってアノード電極のガス圧とカソード電極のガス圧との差圧が大きくなりすぎてしまうことがある。そうすると、電解質膜が劣化する可能性がある。
【００６８】
そこで、本実施形態では、アノードガス圧と大気圧との差圧が所定の限界圧より小さくなったとき、すなわちアノードガス圧が十分に低下したときに電気ブレーキをかけて電動コンプレッサ１４を急停止させるので、電解質膜の劣化を抑制することができる。
【００６９】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本発明の第２実施形態は、アノードガス圧と大気圧との差圧が所定の限界圧より小さくなったときに回生を実施する点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点について説明する。なお、以下に示す各実施形態では前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。
【００７０】
本実施形態では、背圧ブレーキで電動コンプレッサ１４の回転速度を停止させているときに、インバータを制御して電動コンプレッサ１４のモータ１４５をジェネレータとして機能させて回生を実施し、ロータシャフト１４３の回転を止める方向のトルクを発生させる。以下、この回生による制動力を「回生ブレーキ」という。
【００７１】
図６は、本実施形態による電動コンプレッサ１４の停止制御について説明するフローチャートである。コントローラ１５は、本ルーチンを所定の演算周期（例えば１０ｍｓ）で実行する。
【００７２】
ステップＳ１からステップＳ５、ステップＳ７及びステップＳ９の処理は第１実施形態と同様なので、ここでは説明を省略する。
【００７３】
ステップＳ２１において、コントローラ１５は、インバータを制御して電動コンプレッサ１４の回転速度を所定の回生許可速度に制御する。
【００７４】
ステップＳ２２において、コントローラ１５は、バッテリ１０の蓄電量が回生許可量よりも少ないか否かを判定する。コントローラ１５は、バッテリ１０の蓄電量が回生許可量よりも少なければステップＳ７に処理を移行する。一方で、バッテリ１０の蓄電量が回生許可量よりも多ければステップＳ２３に処理を移行する。
【００７５】
ステップＳ２３において、コントローラ１５は、バッテリ１０の電力を消費してバッテリ１０の蓄電量を回生許可量まで低下させる。
【００７６】
ステップＳ２４において、コントローラ１５は、電動コンプレッサ１４の回転速度が回生許可速度になっているか否かを判定する。コントローラ１５は、電動コンプレッサ１４の回転速度が回生許可速度であればステップＳ２４に処理を移行する。一方で、電動コンプレッサ１４の回転速度が回生許可速度より大きければ今回の処理を終了する。
【００７７】
ステップＳ２５において、コントローラ１５は、インバータを制御して回生を実施し、バッテリ１０を充電する。
【００７８】
図７は、本実施形態による電動コンプレッサ１４の停止制御の動作について説明する図である。
【００７９】
電動コンプレッサ１４の停止条件が成立すると、コントローラ１５はインバータを制御して電動コンプレッサ１４のモータ１４５に印加する三相交流電流の周波数を制御し、電動コンプレッサ１４の回転速度を所定の回生許可速度に維持する。そして、バッテリ１０の蓄電量が所定の回生許可量になるまでバッテリ１０の電力を消費する。
【００８０】
時刻ｔ２１で、電動コンプレッサ１４の回転速度が回生許可速度に維持され、かつ、バッテリ１０の蓄電量が回生許可量に維持された状態で、アノードガス圧と大気圧との差圧が所定の限界圧より小さくなると、コントローラ１５は回生を実施する。
【００８１】
これにより、時刻ｔ２１以降は、背圧ブレーキと回生ブレーキとによって電動コンプレッサ１４の回転速度を速やかに低下させることができる。なお、本実施形態では、回生許可速度からの回生によってバッテリ１０に充電される電力量が、バッテリ１０の最大充電量から回生許可量を引いた電力量とほぼ等しくなるように、回生許可速度及び回生許可量を設定している。したがって、電動コンプレッサ１４が停止するまでの間、確実に回生ブレーキによる制動力を得ることができる。
【００８２】
以上説明した本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果が得られるとともに、以下の効果を得ることができる。
【００８３】
すなわち、回生ブレーキは、電気ブレーキと比較してロータシャフト１４３に対して極端な外力を加えることがないので、ブレーキ時にロータシャフト１４３を振動させることが少ない。そのため、電動コンプレッサ１４の停止時におけるロータシャフト１４３とトップフォイル１５０との接触をより一層抑えることができる。
【００８４】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本発明の第３実施形態は、電動コンプレッサ１４の回転速度が所定のアイドル回転速度より小さくなったときに電気ブレーキをかける点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点について説明する。
【００８５】
図８は、本実施形態による電動コンプレッサ１４の停止制御について説明するフローチャートである。コントローラ１５は、本ルーチンを所定の演算周期（例えば１０ｍｓ）で実行する。
【００８６】
ステップＳ１からステップＳ５、ステップＳ８及びステップＳ９の処理は第１実施形態と同様なので、ここでは説明を省略する。
【００８７】
ステップＳ３１において、コントローラ１５は、燃料電池スタック２がアイドル運転状態となるようにアノードガス及びカソードガスの供給量を制御する。具体的には、調圧弁４１の開度を制御するとともに、コンプレッサ用インバータ１３を制御して電動コンプレッサ１４の回転速度を所定のアイドル回転速度に制御する。なお、ここでいうアイドル運転状態とは、燃料電池スタック２を駆動するために必要な補機類が消費する電力のみを発電する状態のことをいう。
【００８８】
ステップＳ３２において、コントローラ１５は、燃料電池スタック２がアイドル運転状態となったか否かを判定する。具体的には、燃料電池スタック２の発電電圧が所定のアイドル電圧になったか否かを判定する。コントローラ１５は、燃料電池スタック２がアイドル運転状態となっていればステップＳ８に処理を移行する。一方で、燃料電池スタック２がアイドル運転状態となっていなければ今回の処理を終了する。
【００８９】
図９は、本実施形態による電動コンプレッサ１４の停止制御の動作について説明する図である。
【００９０】
電動コンプレッサ１４の停止条件が成立すると、コントローラ１５は調圧弁４１の開度を制御するとともに、コンプレッサ用インバータ１３を制御して電動コンプレッサ１４の回転速度を所定のアイドル回転速度に制御して、燃料電池スタック２をアイドル運転状態とする。そして、時刻ｔ３１で燃料電池スタック２がアイドル運転状態になると、電気ブレーキをかけて電動コンプレッサ１４を停止させる。
【００９１】
ここで、電動コンプレッサ１４は加速度と同じ減速加速度で回転速度を低下させることができるが、遠心式の場合には急減速させるとサージ領域に入ってしまうおそれがある。そのため、減速加速度を最大加速度よりも小さくする傾向にある。
【００９２】
しかしながら、アイドル運転状態のときの発電量は、定格発電量と比べて非常に小さく、アノードガス圧及びカソードガス圧も小さくなる。そのため、電気ブレーキをかける前の電動コンプレッサ１４の吐出圧が十分に低く、急減速させてもサージ領域に入るおそれがほとんどない。
【００９３】
したがって、本実施形態によれば、最大加速度と同じ減速加速度の電気ブレーキをかけることができる。そのため、第１実施形態よりも短い時間でロータシャフト１４３を停止させることができる。また、アイドル運転状態のときには、差圧も限界圧より小さくなっているので、電解質膜を劣化させることもない。
【００９４】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。本発明の第４実施形態は、排気通路８を流れる排気中の水素濃度が所定濃度より低くなってから電気ブレーキをかける点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点について説明する。
【００９５】
図１０は、本実施形態による電動コンプレッサ１４の停止制御について説明するフローチャートである。コントローラ１５は、本ルーチンを所定の演算周期（例えば１０ｍｓ）で実行する。
【００９６】
ステップＳ４１において、コントローラ１５は、排気通路８を流れる排気中の水素濃度が、引火のおそれがない濃度（以下「可燃限界濃度」という）よりも低いか否かを判定する。コントローラ１５は、水素濃度が可燃限界濃度よりも低ければステップＳ８に処理を移行する。一方で、水素濃度が可燃限界濃度よりも高ければ今回の処理を終了する。
【００９７】
以上説明した本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果が得られる他に、水素濃度の高い排気を車外に排出するのを抑制できる。
【００９８】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について説明する。本発明の第５実施形態は、遮断弁５１を閉じた後に電気ブレーキをかける点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点について説明する。
【００９９】
図１１は、本実施形態による電動コンプレッサ１４の停止制御について説明するフローチャートである。コントローラ１５は、本ルーチンを所定の演算周期（例えば１０ｍｓ）で実行する。
【０１００】
ステップＳ５１において、コントローラ１５は、遮断弁５１を閉じる。
【０１０１】
以上説明した本実施形態によれば、電動コンプレッサ１４からの空気の供給が止まる前に遮断弁５１を閉じるので、排気通路８へのアノードオフガスの流入を防止することができる。したがって、第１実施形態と同様の効果が得られる他に、水素濃度の高い排気を車外に排出するのを抑制できる。
【０１０２】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【０１０３】
例えば、本実施形態ではロータシャフト１４３を逆回転させる外力として電気ブレーキ及び回生ブレーキを適用したが、物理的な接触によってロータシャフト１４３を逆回転させる外力を付加しても良い。
【０１０４】
また、流体軸受の媒体は空気に限らず気体（ガス）であれば良い。
【符号の説明】
【０１０５】
２ 燃料電池スタック（燃料電池）
５ アノードガス排出通路
７ カソードガス排出通路
８ 排気通路（カソードガス排出通路）
１０ バッテリ（蓄電手段）
１４ 電動コンプレッサ（燃料電池用コンプレッサ）
５１ 遮断弁（開閉弁）
８１ 水素濃度センサ
１４２ ステータ
１４３ ロータシャフト
１４４ 空気動圧軸受（ガス動圧軸受）
１４５ モータ
Ｓ６ 第１ブレーキ手段
Ｓ８ 第２ブレーキ手段
Ｓ２１ 第１ブレーキ手段
Ｓ２５ 第２ブレーキ手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池用コンプレッサの停止制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のコンプレッサのモータとして、ロータシャフトをガス動圧軸受と磁気軸受とで支持するものがある（例えば、特許文献１参照）。これにより、低速回転時のガス動圧軸受とロータシャフトとの接触を回避して、モータの耐久性を向上させていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−９２６４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら前述した従来のコンプレッサのモータでは、高速回転時にロータシャフトが磁気軸受の影響を受け、回転安定性が悪化するという問題点があった。
【０００５】
本発明はこのような従来の問題点に着目してなされたものであり、コンプレッサのモータの耐久性を確保しつつ、高速回転時の回転安定性も確保することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、以下のような解決手段によって前記課題を解決する。
【０００７】
本発明は、ガス動圧軸受でロータシャフトを支持するモータによって駆動され、燃料電池のカソード電極にカソードガスを供給する燃料電池用コンプレッサの停止制御装置である。本発明による燃料電池用コンプレッサの停止制御装置は、前記ロータシャフトを正回転させる外力の付加を停止するとともに、燃料電池のアノード電極に供給されるアノードガスの圧力と大気圧との差圧が所定圧よりも小さくなった後は、ロータシャフトを逆回転させる外力を付加してロータシャフトの回転を低下させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ロータシャフトをガス動圧軸受のみによって支持しているので、高速回転時の回転安定性を確保できる。
【０００９】
また、回転速度の低下にともなってロータシャフトとガス動圧軸受とが接触するが、アノードガスの圧力と大気圧との差圧が所定圧よりも小さくなった後は、ロータシャフトを逆回転させる外力を付加して速やかにロータシャフトを停止させる。そのため、ガス動圧軸受とロータシャフトとの接触時間を短くできるとともに、急停止によってアノード電極とカソード電極との極間差圧が大きくなりすぎることもない。その結果、ガス動圧軸受及びロータシャフトの部分摩耗を抑制でき、モータの耐久性を確保できるとともに、電解質膜の劣化も抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】燃料電池システムの概略図である。
【図２】電動コンプレッサの縦断面図である。
【図３】図２のIII-III線に沿う断面図である。
【図４】第１実施形態による電動コンプレッサの停止制御について説明するフローチャートである。
【図５】第１実施形態による電動コンプレッサの停止制御の動作について説明する図である。
【図６】第２実施形態による電動コンプレッサの停止制御について説明するフローチャートである。
【図７】第２実施形態による電動コンプレッサの停止制御の動作について説明する図である。
【図８】第３実施形態による電動コンプレッサの停止制御について説明するフローチャートである。
【図９】第３実施形態による電動コンプレッサの停止制御の動作について説明する図である。
【図１０】第４実施形態による電動コンプレッサの停止制御について説明するフローチャートである。
【図１１】第５実施形態による電動コンプレッサの停止制御について説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１２】
（第１実施形態）
燃料電池は電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とによって挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。
【００１３】
アノード電極 ： ２Ｈ2 →４Ｈ+ ＋４ｅ- …(１)
カソード電極 ： ４Ｈ+ ＋４ｅ- ＋Ｏ2 →２Ｈ2Ｏ …(２)
この（１）（２）の電極反応によって燃料電池は１ボルト程度の起電力を生じる。
【００１４】
このような燃料電池を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両駆動用の電力を取り出す。
【００１５】
図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池システム１の概略図である。
【００１６】
燃料電池システム１は、燃料電池スタック２と、燃料タンク３と、アノードガス供給通路４と、アノードガス排出通路５と、カソードガス供給通路６と、カソードガス排出通路７と、排気通路８と、ＤＣ−ＤＣコンバータ９と、バッテリ１０と、駆動モータ用インバータ１１と、駆動モータ１２と、コンプレッサ用インバータ１３と、電動コンプレッサ１４と、コントローラ１５と、大気圧センサ１６と、を備える。
【００１７】
燃料電池スタック２は、積層された複数枚の燃料電池を含み、車両の駆動に必要な電力を発電する。
【００１８】
燃料タンク３は、燃料電池スタック２に供給するアノードガスを高圧状態で貯蔵する。本実施形態ではアノードガスとして水素を使用している。
【００１９】
アノードガス供給通路４は、一端部が燃料タンク３に接続され、他端部が燃料電池スタック２のアノードガス入口孔２１に接続される。アノードガス供給通路４には、上流から順に、調圧弁４１と、圧力センサ４２と、が設けられる。
【００２０】
調圧弁４１は、燃料タンク３から供給されるアノードガスの圧力を減圧する。
【００２１】
圧力センサ４２は、燃料電池スタック２に供給されるアノードガスの圧力を検出する。
【００２２】
アノードガス排出通路５は、一端部が燃料電池スタック２のアノードガス出口孔２２に接続され、他端部がカソードガス排出通路７に挿入される。本実施形態では、このようにアノードガス排出通路５をカソードガス排出通路７に挿入させて、アノードオフガスをカソードオフガスと混合させた上で外気に排出している。また、アノードガス排出通路５には、遮断弁５１が設けられる。
【００２３】
遮断弁５１は、カソードガス排出通路７に流入させるアノードオフガスの流量を調整する。
【００２４】
カソードガス供給通路６は、一端部が外気取り入れ口を形成し、他端部が燃料電池スタック２のカソードガス入口孔２３に接続される。
【００２５】
カソードガス排出通路７は、一端部が燃料電池スタック２のカソードガス出口孔２４に接続され、他端部が排気通路８に接続する。
【００２６】
排気通路８は、一端部がカソードガス排出通路７と接続し、他端部が排気口を形成する。排気通路８には、アノードオフガスとカソードオフガスとの混合ガス（以下「排ガス」という）中の水素濃度を検出する水素濃度センサ８１が設けられる。
【００２７】
ＤＣ−ＤＣコンバータ９は、燃料電池スタック２に電気的に接続される。ＤＣ−ＤＣコンバータ９は、燃料電池スタック２の出力電圧を駆動モータ１２やコンプレッサモータに適した電圧まで降圧させる。
【００２８】
バッテリ１０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ９に電気的に接続される。バッテリ１０は、アイドルストップ時など、燃料電池スタック２から電力が供給されないときや、車両の急加速時に必要な電力を蓄える。本実施形態ではバッテリ１０として充放電可能なリチウムイオン電池などの二次電池を使用しているが、充放電可能であればキャパシタなどのその他の蓄電手段を使用しても良い。
【００２９】
駆動モータ用インバータ１１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ９及びバッテリ１０に対してそれぞれ並列に電気的に接続される。駆動モータ用インバータ１１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ９を介して燃料電池スタック２から供給される直流電流又はバッテリ１０から供給される直流電流を任意の周波数の三相交流電流に変換して駆動モータ１２に出力する。
【００３０】
駆動モータ１２は、駆動モータ用インバータ１１に電気的に接続される。駆動モータ１２は、駆動モータ用インバータ１１から出力された三相交流電流によって作動し、車両を駆動させるトルクを発生する。
【００３１】
コンプレッサ用インバータ１３は、ＤＣ−ＤＣコンバータ９及びバッテリ１０に対してそれぞれ並列に電気的に接続される。コンプレッサ用インバータ１３は、ＤＣ−ＤＣコンバータ９を介して燃料電池スタック２から供給される直流電流又はバッテリ１０から供給される直流電流を三相交流電流に変換して電動コンプレッサ１４に出力する。
【００３２】
電動コンプレッサ１４は遠心式のコンプレッサであり、コンプレッサ部１４ａとモータ部１４ｂとを備える。コンプレッサ部１４ａは、カソードガス供給通路６に設けられる。モータ部１４ｂは、コンプレッサ用インバータ１３に電気的に接続される。電動コンプレッサ１４は、コンプレッサ用インバータ１３から出力された三相交流電流によって作動し、外部から取り込んだ空気を圧縮して燃料電池スタック２に供給する。電動コンプレッサ１４の詳細については図２及び図３を参照して後述する。
【００３３】
コントローラ１５は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ１５には、前述した圧力センサ４２や水素濃度センサ８１の他にも燃料電池スタックの発電状態を検出する各種センサからの信号が入力される。
【００３４】
コントローラ１５は、これらの入力信号に基づいて駆動モータ用インバータ１１及びコンプレッサ用インバータ１３を制御して交流電流の周波数を連続的に変更し、駆動モータ１２及び電動コンプレッサ１４の回転速度を連続的に変更する。
【００３５】
大気圧センサ１６は、車外の大気圧を測定し、信号をコントローラ１５に入力する。
【００３６】
図２は、電動コンプレッサ１４の縦断面図である。
【００３７】
モータ部１４ｂのモータハウジング１４１に内部には、ステータ１４２と、ロータシャフト１４３と、空気動圧軸受１４４と、を備えるモータ１４５が設けられる。
【００３８】
ステータ１４２は、モータハウジング１４１の内周に固定される。ステータ１４２には三相交流電流が流れるコイルが巻かれている。
【００３９】
ロータシャフト１４３は、空気動圧軸受１４４によってモータハウジング１４１に回転自在に支持される。ロータシャフト１４３には永久磁石が埋設されており、三相交流電流が印加されたときにステータ１４２が形成する回転磁界に同期して回転する。ロータシャフト１４３は、軸方向に延びる小径部１４３ａと、小径部１４３ａの一端部側に設けられる円板状の大径部１４３ｂと、を備える。
【００４０】
空気動圧軸受１４４は、ロータシャフト１４３の小径部１４３ａの両端をラジアル方向（径方向）から支持する一対のラジアル軸受１４４ａと、ロータシャフト１４３の大径部１４３ｂの外縁部をアキシアル方向（軸方向）から支持するアキシアル軸受１４４ｂと、を備える。
【００４１】
コンプレッサ部１４ａのコンプレッサハウジング１４６の内部には、ロータシャフト１４３の一端部に設けられてロータシャフト１４３と一体となって回転するインペラ１４７が配置される。インペラ１４７が回転することによって吸気口１４８からコンプレッサハウジング１４６の内部に流入してきた空気が圧縮され、吐出路１４９を通ってカソードガス供給通路６に吐出される。
【００４２】
図３は、図２のIII-III線に沿う断面図であり、ラジアル軸受１４４ａについて説明する図である。図３（Ａ）は、ロータシャフト１４３が所定回転速度未満で回転しているときの断面図であり、図３（Ｂ）は、ロータシャフト１４３が所定回転速度以上で回転しているときに断面図である。
【００４３】
ラジアル軸受１４４ａは、モータハウジング１４１とロータシャフト１４３との間に複数のトップフォイル１５０を備える。トップフォイル１５０は、モータハウジング１４１の内周に、周方向に等間隔で設けられる。
【００４４】
図３（Ａ）に示すように、ロータシャフト１４３が所定回転速度未満で回転しているときは、ロータシャフト１４３はトップフォイル１５０と接触した状態で回転する。
【００４５】
一方で、図３（Ｂ）に示すように、ロータシャフト１４３が所定回転速度以上で回転しているときは、ロータシャフト１４３とトップフォイル１５０との間に生じる動圧によって、ロータシャフト１４３がトップフォイル１５０から浮いた状態で回転する。つまり、ロータシャフト１４３はトップフォイル１５０と非接触状態で保持されて回転する。
【００４６】
アキシアル軸受１４４ｂもほぼ同様の構造をしており、ロータシャフト１４３が所定回転速度以上で回転しているときは、ロータシャフト１４３の大径部１４３ｂがアキシアル軸受１４４ｂのトップフォイルから浮いた状態で回転する。
【００４７】
このように空気動圧軸受１４４は、ロータシャフト１４３が所定回転速度未満で回転しているときにはトップフォイル１５０と接触した状態で回転する。そのため、電動コンプレッサ１４の起動停止が繰り返されると、ロータシャフト１４３やトップフォイル１５０の部分摩耗によってモータ１４５が劣化するという問題点がある。そこで本実施形態では、電動コンプレッサ１４を停止させるときに、以下の停止制御を実施する。
【００４８】
図４は、本実施形態による電動コンプレッサ１４の停止制御について説明するフローチャートである。コントローラ１５は、本ルーチンを所定の演算周期（例えば１０ｍｓ）で実行する。
【００４９】
ステップＳ１において、コントローラ１５は、電動コンプレッサ１４の停止条件が成立しているか否かを判定する。コントローラ１５は、燃料電池スタック２の発電を停止するとき（例えばアイドルストップを実施するときやキーオフされたとき）に電動コンプレッサ１４の停止条件が成立していると判定する。コントローラ１５は、電動コンプレッサ１４の停止条件が成立していればステップＳ２に処理を移行する。一方で、電動コンプレッサ１４の停止条件が成立していなければ今回の処理を終了する。
【００５０】
ステップＳ２において、コントローラ１５は、電動コンプレッサ１４の回転速度がゼロより大きいか否かを判定する。コントローラ１５は、電動コンプレッサ１４の回転速度がゼロであればステップＳ３に処理を移行する。一方で、電動コンプレッサ１４の回転速度がゼロより大きければステップＳ５に処理を移行する。
【００５１】
ステップＳ３において、コントローラ１５は、強制制動フラグを０にリセットする。
【００５２】
ステップＳ４において、コントローラ１５は、電動コンプレッサ１４のステータ１４２に対する三相交流電流の印加を停止する。
【００５３】
ステップＳ５において、コントローラ１５は、強制制動フラグが１にセットされているか否かを判定する。コントローラ１５は、強制制動フラグが１にセットされていればステップＳ８に処理を移行する。一方で、強制制動フラグが０にセットされていればステップＳ６に処理を移行する。
【００５４】
ステップＳ６において、コントローラ１５は、電動コンプレッサ１４のステータ１４２に対する三相交流電流の印加を停止する。
【００５５】
ステップＳ７において、コントローラ１５は、アノードガス圧と大気圧との差圧が、電解質膜が破損するおそれのある所定の限界圧よりも低くなったか否かを判定する。コントローラ１５は、差圧が限界圧より低ければステップＳ８に処理を以降する。一方で、差圧が限界圧より高ければ今回の処理を終了する。
【００５６】
ステップＳ８において、コントローラ１５は、三相交流電流の相回転方向を変更してステータ１４２が形成する回転磁界の向きを通常時に対して逆転させる。これにより、ロータシャフト１４３には、ロータシャフト１４３の回転を強制的に止める制動力が加わる。
【００５７】
ステップＳ９において、コントローラ１５は、強制制動フラグを１にセットする。
【００５８】
図５は、本実施形態による電動コンプレッサ１４の停止制御の動作について説明する図である。
【００５９】
時刻ｔ１で電動コンプレッサ１４の停止条件が成立すると、コントローラ１５は電動コンプレッサ１４への三相交流電流の印加を停止する。これにより、インペラ１４７が吐出路１４９からの圧力（背圧）を受けて電動コンプレッサ１４の回転速度（ロータシャフト１４３の回転速度）が低下する。以下、この背圧による制動力のことを「背圧ブレーキ」という。
【００６０】
アノードガス圧と大気圧との差圧が、電解質膜が劣化するおそれのある所定の限界圧より小さくなる時刻ｔ２までは、この背圧ブレーキによって電動コンプレッサ１４の回転速度を低下させる。
【００６１】
時刻ｔ２でアノードガス圧と大気圧との差圧が所定の限界圧より小さくなると、コントローラ１５は電動コンプレッサ１４への三相交流電流の印加を再開する。このときコントローラ１５は、三相交流電流の相回転方向を通常時とは変更させて、ステータ１４２が形成する回転磁界の向きを通常時に対して逆転させる。これにより、ロータシャフト１４３の回転を止める方向のトルクを発生させる。以下、このステータ１４２が形成する回転磁界の向きを逆転させることによる制動力のことを「電気ブレーキ」という。電気ブレーキをかけているときも、ロータシャフト１４３には背圧ブレーキがかかっている。
【００６２】
このように時刻ｔ２以降は、背圧ブレーキと電気ブレーキとによって電動コンプレッサ１４の回転速度を低下させる。そのため、背圧ブレーキのみによって電動コンプレッサ１４を停止させる場合と比較して、電動コンプレッサ１４を速やかに停止させることができる。
【００６３】
これにより、ロータシャフト１４３の回転速度の低下によってロータシャフト１４３とトップフォイル１５０が接触した後、短い時間でロータシャフト１４３を停止させることができる。したがって、ロータシャフト１４３とトップフォイル１５０との摺動距離を短くできるので、ロータシャフト１４３やトップフォイル１５０の部分摩耗を抑制することができる。
【００６４】
以上説明した本実施形態によれば、電動コンプレッサ１４を停止するとき、背圧ブレーキと電気ブレーキとによってロータシャフト１４３の回転速度を低下させる。
【００６５】
これにより、背圧ブレーキのみによって電動コンプレッサ１４を停止させる場合と比較して、電動コンプレッサ１４を速やかに停止させることができる。そのため、ロータシャフト１４３の回転速度の低下によってロータシャフト１４３とトップフォイル１５０が接触した後、短い時間でロータシャフト１４３を停止させることができる。したがって、ロータシャフト１４３とトップフォイル１５０との摺動距離を短くできるので、ロータシャフト１４３やトップフォイル１５０の部分摩耗を抑制することができる。その結果、電動コンプレッサ１４の起動停止が頻繁に実施される状況下においても、電動コンプレッサ１４の耐久性を確保できる。
【００６６】
また、本実施形態によれば、アノードガス圧と大気圧との差圧が所定の限界圧より小さくなったときに電気ブレーキをかける。
【００６７】
ロータシャフト１４３に電気ブレーキをかけると、電動コンプレッサ１４を速やかに停止させることができる。しかしながら、そのときのアノードガス圧が大気圧に対して高すぎると、電動コンプレッサ１４の急停止に伴うカソードガス圧の低下によってアノード電極のガス圧とカソード電極のガス圧との差圧が大きくなりすぎてしまうことがある。そうすると、電解質膜が劣化する可能性がある。
【００６８】
そこで、本実施形態では、アノードガス圧と大気圧との差圧が所定の限界圧より小さくなったとき、すなわちアノードガス圧が十分に低下したときに電気ブレーキをかけて電動コンプレッサ１４を急停止させるので、電解質膜の劣化を抑制することができる。
【００６９】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本発明の第２実施形態は、アノードガス圧と大気圧との差圧が所定の限界圧より小さくなったときに回生を実施する点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点について説明する。なお、以下に示す各実施形態では前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。
【００７０】
本実施形態では、背圧ブレーキで電動コンプレッサ１４の回転速度を停止させているときに、インバータを制御して電動コンプレッサ１４のモータ１４５をジェネレータとして機能させて回生を実施し、ロータシャフト１４３の回転を止める方向のトルクを発生させる。以下、この回生による制動力を「回生ブレーキ」という。
【００７１】
図６は、本実施形態による電動コンプレッサ１４の停止制御について説明するフローチャートである。コントローラ１５は、本ルーチンを所定の演算周期（例えば１０ｍｓ）で実行する。
【００７２】
ステップＳ１からステップＳ５、ステップＳ７及びステップＳ９の処理は第１実施形態と同様なので、ここでは説明を省略する。
【００７３】
ステップＳ２１において、コントローラ１５は、インバータを制御して電動コンプレッサ１４の回転速度を所定の回生許可速度に制御する。
【００７４】
ステップＳ２２において、コントローラ１５は、バッテリ１０の蓄電量が回生許可量よりも少ないか否かを判定する。コントローラ１５は、バッテリ１０の蓄電量が回生許可量よりも少なければステップＳ７に処理を移行する。一方で、バッテリ１０の蓄電量が回生許可量よりも多ければステップＳ２３に処理を移行する。
【００７５】
ステップＳ２３において、コントローラ１５は、バッテリ１０の電力を消費してバッテリ１０の蓄電量を回生許可量まで低下させる。
【００７６】
ステップＳ２４において、コントローラ１５は、電動コンプレッサ１４の回転速度が回生許可速度になっているか否かを判定する。コントローラ１５は、電動コンプレッサ１４の回転速度が回生許可速度であればステップＳ２４に処理を移行する。一方で、電動コンプレッサ１４の回転速度が回生許可速度より大きければ今回の処理を終了する。
【００７７】
ステップＳ２５において、コントローラ１５は、インバータを制御して回生を実施し、バッテリ１０を充電する。
【００７８】
図７は、本実施形態による電動コンプレッサ１４の停止制御の動作について説明する図である。
【００７９】
電動コンプレッサ１４の停止条件が成立すると、コントローラ１５はインバータを制御して電動コンプレッサ１４のモータ１４５に印加する三相交流電流の周波数を制御し、電動コンプレッサ１４の回転速度を所定の回生許可速度に維持する。そして、バッテリ１０の蓄電量が所定の回生許可量になるまでバッテリ１０の電力を消費する。
【００８０】
時刻ｔ２１で、電動コンプレッサ１４の回転速度が回生許可速度に維持され、かつ、バッテリ１０の蓄電量が回生許可量に維持された状態で、アノードガス圧と大気圧との差圧が所定の限界圧より小さくなると、コントローラ１５は回生を実施する。
【００８１】
これにより、時刻ｔ２１以降は、背圧ブレーキと回生ブレーキとによって電動コンプレッサ１４の回転速度を速やかに低下させることができる。なお、本実施形態では、回生許可速度からの回生によってバッテリ１０に充電される電力量が、バッテリ１０の最大充電量から回生許可量を引いた電力量とほぼ等しくなるように、回生許可速度及び回生許可量を設定している。したがって、電動コンプレッサ１４が停止するまでの間、確実に回生ブレーキによる制動力を得ることができる。
【００８２】
以上説明した本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果が得られるとともに、以下の効果を得ることができる。
【００８３】
すなわち、回生ブレーキは、電気ブレーキと比較してロータシャフト１４３に対して極端な外力を加えることがないので、ブレーキ時にロータシャフト１４３を振動させることが少ない。そのため、電動コンプレッサ１４の停止時におけるロータシャフト１４３とトップフォイル１５０との接触をより一層抑えることができる。
【００８４】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本発明の第３実施形態は、電動コンプレッサ１４の回転速度が所定のアイドル回転速度より小さくなったときに電気ブレーキをかける点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点について説明する。
【００８５】
図８は、本実施形態による電動コンプレッサ１４の停止制御について説明するフローチャートである。コントローラ１５は、本ルーチンを所定の演算周期（例えば１０ｍｓ）で実行する。
【００８６】
ステップＳ１からステップＳ５、ステップＳ８及びステップＳ９の処理は第１実施形態と同様なので、ここでは説明を省略する。
【００８７】
ステップＳ３１において、コントローラ１５は、燃料電池スタック２がアイドル運転状態となるようにアノードガス及びカソードガスの供給量を制御する。具体的には、調圧弁４１の開度を制御するとともに、コンプレッサ用インバータ１３を制御して電動コンプレッサ１４の回転速度を所定のアイドル回転速度に制御する。なお、ここでいうアイドル運転状態とは、燃料電池スタック２を駆動するために必要な補機類が消費する電力のみを発電する状態のことをいう。
【００８８】
ステップＳ３２において、コントローラ１５は、燃料電池スタック２がアイドル運転状態となったか否かを判定する。具体的には、燃料電池スタック２の発電電圧が所定のアイドル電圧になったか否かを判定する。コントローラ１５は、燃料電池スタック２がアイドル運転状態となっていればステップＳ８に処理を移行する。一方で、燃料電池スタック２がアイドル運転状態となっていなければ今回の処理を終了する。
【００８９】
図９は、本実施形態による電動コンプレッサ１４の停止制御の動作について説明する図である。
【００９０】
電動コンプレッサ１４の停止条件が成立すると、コントローラ１５は調圧弁４１の開度を制御するとともに、コンプレッサ用インバータ１３を制御して電動コンプレッサ１４の回転速度を所定のアイドル回転速度に制御して、燃料電池スタック２をアイドル運転状態とする。そして、時刻ｔ３１で燃料電池スタック２がアイドル運転状態になると、電気ブレーキをかけて電動コンプレッサ１４を停止させる。
【００９１】
ここで、電動コンプレッサ１４は加速度と同じ減速加速度で回転速度を低下させることができるが、遠心式の場合には急減速させるとサージ領域に入ってしまうおそれがある。そのため、減速加速度を最大加速度よりも小さくする傾向にある。
【００９２】
しかしながら、アイドル運転状態のときの発電量は、定格発電量と比べて非常に小さく、アノードガス圧及びカソードガス圧も小さくなる。そのため、電気ブレーキをかける前の電動コンプレッサ１４の吐出圧が十分に低く、急減速させてもサージ領域に入るおそれがほとんどない。
【００９３】
したがって、本実施形態によれば、最大加速度と同じ減速加速度の電気ブレーキをかけることができる。そのため、第１実施形態よりも短い時間でロータシャフト１４３を停止させることができる。また、アイドル運転状態のときには、差圧も限界圧より小さくなっているので、電解質膜を劣化させることもない。
【００９４】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。本発明の第４実施形態は、排気通路８を流れる排気中の水素濃度が所定濃度より低くなってから電気ブレーキをかける点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点について説明する。
【００９５】
図１０は、本実施形態による電動コンプレッサ１４の停止制御について説明するフローチャートである。コントローラ１５は、本ルーチンを所定の演算周期（例えば１０ｍｓ）で実行する。
【００９６】
ステップＳ４１において、コントローラ１５は、排気通路８を流れる排気中の水素濃度が、引火のおそれがない濃度（以下「可燃限界濃度」という）よりも低いか否かを判定する。コントローラ１５は、水素濃度が可燃限界濃度よりも低ければステップＳ８に処理を移行する。一方で、水素濃度が可燃限界濃度よりも高ければ今回の処理を終了する。
【００９７】
以上説明した本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果が得られる他に、水素濃度の高い排気を車外に排出するのを抑制できる。
【００９８】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について説明する。本発明の第５実施形態は、遮断弁５１を閉じた後に電気ブレーキをかける点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点について説明する。
【００９９】
図１１は、本実施形態による電動コンプレッサ１４の停止制御について説明するフローチャートである。コントローラ１５は、本ルーチンを所定の演算周期（例えば１０ｍｓ）で実行する。
【０１００】
ステップＳ５１において、コントローラ１５は、遮断弁５１を閉じる。
【０１０１】
以上説明した本実施形態によれば、電動コンプレッサ１４からの空気の供給が止まる前に遮断弁５１を閉じるので、排気通路８へのアノードオフガスの流入を防止することができる。したがって、第１実施形態と同様の効果が得られる他に、水素濃度の高い排気を車外に排出するのを抑制できる。
【０１０２】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【０１０３】
例えば、本実施形態ではロータシャフト１４３を逆回転させる外力として電気ブレーキ及び回生ブレーキを適用したが、物理的な接触によってロータシャフト１４３を逆回転させる外力を付加しても良い。
【０１０４】
また、流体軸受の媒体は空気に限らず気体（ガス）であれば良い。
【符号の説明】
【０１０５】
２ 燃料電池スタック（燃料電池）
５ アノードガス排出通路
７ カソードガス排出通路
８ 排気通路（カソードガス排出通路）
１０ バッテリ（蓄電手段）
１４ 電動コンプレッサ（燃料電池用コンプレッサ）
５１ 遮断弁（開閉弁）
８１ 水素濃度センサ
１４２ ステータ
１４３ ロータシャフト
１４４ 空気動圧軸受（ガス動圧軸受）
１４５ モータ
Ｓ６ 第１ブレーキ手段
Ｓ８ 第２ブレーキ手段
Ｓ２１ 第１ブレーキ手段
Ｓ２５ 第２ブレーキ手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス動圧軸受でロータシャフトを支持するモータによって駆動され、燃料電池のカソード電極にカソードガスを供給する燃料電池用コンプレッサの停止制御装置であって、
前記ロータシャフトを正回転させる外力の付加を停止して前記ロータシャフトの回転を低下させる第１ブレーキ手段と、
前記燃料電池のアノード電極に供給されるアノードガスの圧力と大気圧との差圧が所定圧よりも小さくなった後に、前記ロータシャフトを逆回転させる外力を付加して前記ロータシャフトの回転を低下させる第２ブレーキ手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池用コンプレッサの停止制御装置。
【請求項２】
前記第２ブレーキ手段は、
前記モータのステータが形成する回転磁界を前記ロータシャフトが正回転しているときとは逆転させて、前記ロータシャフトを逆回転させる外力を付加して前記ロータシャフトの回転を低下させる
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用コンプレッサの停止制御装置。
【請求項３】
前記燃料電池及び前記モータに電気的に接続される充放電可能な蓄電手段を備え、
前記第２ブレーキ手段は、
前記モータをジェネレータとして機能させて回生を実施することで、前記ロータシャフトを逆回転させる外力を付加して前記ロータシャフトの回転を低下させる
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用コンプレッサの停止制御装置。
【請求項４】
前記ロータシャフトを逆回転させる外力を付加する前に、前記蓄電手段に充電可能な電力量が回生による発電電力量以上となるように、前記蓄電手段の蓄電量を調整する
ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池用コンプレッサの停止制御装置。
【請求項５】
前記ロータシャフトを逆回転させる外力を付加する前に、前記燃料電池スタックがアイドル運転状態となるように、前記アノードガス及びカソードガスの供給量を制御する
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用コンプレッサの停止制御装置。
【請求項６】
前記カソード電極から排出されたカソードオフガスが流れるカソードガス排出通路と、
前記カソードガス排出通路に挿入されて、そのカソードガス排出通路内に前記アノード電極から排出されたアノードオフガスを流入させるアノードガス排出通路と、
前記アノードガス排出通路の挿入部よりも下流のカソードガス排出通路に設けられて、カソードガス排出通路内の水素濃度を検出する水素濃度センサと、
を備え、
前記第２ブレーキ手段は、
前記燃料電池のアノード電極に供給されるアノードガスの圧力と大気圧との差圧が所定圧よりも小さくなり、かつ、前記濃度センサによって検出した水素濃度が所定濃度よりも低くなった後に、前記ロータシャフトを逆回転させる外力を付加して前記ロータシャフトの回転を低下させる
ことを特徴とする請求項１から５までのいずれか１つに記載の燃料電池用コンプレッサの停止制御装置。
【請求項７】
前記カソード電極から排出されたカソードオフガスが流れるカソードガス排出通路と、
前記カソードガス排出通路に挿入されて、そのカソードガス排出通路内に前記アノード電極から排出されたアノードオフガスを流入させるアノードガス排出通路と、
前記アノードガス排出通路に設けられて、前記カソードガス排出通路内に流入させるアノードガス量を調節する開閉弁と、
を備え、
前記ロータシャフトを逆回転させる外力を付加する前に、前記開閉弁を全閉とする
ことを特徴とする請求項１から５までのいずれか１つに記載の燃料電池用コンプレッサの停止制御装置。
【請求項１】
ガス動圧軸受でロータシャフトを支持するモータによって駆動され、燃料電池のカソード電極にカソードガスを供給する燃料電池用コンプレッサの停止制御装置であって、
前記ロータシャフトを正回転させる外力の付加を停止して前記ロータシャフトの回転を低下させる第１ブレーキ手段と、
前記燃料電池のアノード電極に供給されるアノードガスの圧力と大気圧との差圧が所定圧よりも小さくなった後に、前記ロータシャフトを逆回転させる外力を付加して前記ロータシャフトの回転を低下させる第２ブレーキ手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池用コンプレッサの停止制御装置。
【請求項２】
前記第２ブレーキ手段は、
前記モータのステータが形成する回転磁界を前記ロータシャフトが正回転しているときとは逆転させて、前記ロータシャフトを逆回転させる外力を付加して前記ロータシャフトの回転を低下させる
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用コンプレッサの停止制御装置。
【請求項３】
前記燃料電池及び前記モータに電気的に接続される充放電可能な蓄電手段を備え、
前記第２ブレーキ手段は、
前記モータをジェネレータとして機能させて回生を実施することで、前記ロータシャフトを逆回転させる外力を付加して前記ロータシャフトの回転を低下させる
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用コンプレッサの停止制御装置。
【請求項４】
前記ロータシャフトを逆回転させる外力を付加する前に、前記蓄電手段に充電可能な電力量が回生による発電電力量以上となるように、前記蓄電手段の蓄電量を調整する
ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池用コンプレッサの停止制御装置。
【請求項５】
前記ロータシャフトを逆回転させる外力を付加する前に、前記燃料電池スタックがアイドル運転状態となるように、前記アノードガス及びカソードガスの供給量を制御する
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用コンプレッサの停止制御装置。
【請求項６】
前記カソード電極から排出されたカソードオフガスが流れるカソードガス排出通路と、
前記カソードガス排出通路に挿入されて、そのカソードガス排出通路内に前記アノード電極から排出されたアノードオフガスを流入させるアノードガス排出通路と、
前記アノードガス排出通路の挿入部よりも下流のカソードガス排出通路に設けられて、カソードガス排出通路内の水素濃度を検出する水素濃度センサと、
を備え、
前記第２ブレーキ手段は、
前記燃料電池のアノード電極に供給されるアノードガスの圧力と大気圧との差圧が所定圧よりも小さくなり、かつ、前記濃度センサによって検出した水素濃度が所定濃度よりも低くなった後に、前記ロータシャフトを逆回転させる外力を付加して前記ロータシャフトの回転を低下させる
ことを特徴とする請求項１から５までのいずれか１つに記載の燃料電池用コンプレッサの停止制御装置。
【請求項７】
前記カソード電極から排出されたカソードオフガスが流れるカソードガス排出通路と、
前記カソードガス排出通路に挿入されて、そのカソードガス排出通路内に前記アノード電極から排出されたアノードオフガスを流入させるアノードガス排出通路と、
前記アノードガス排出通路に設けられて、前記カソードガス排出通路内に流入させるアノードガス量を調節する開閉弁と、
を備え、
前記ロータシャフトを逆回転させる外力を付加する前に、前記開閉弁を全閉とする
ことを特徴とする請求項１から５までのいずれか１つに記載の燃料電池用コンプレッサの停止制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１０−２７０７００（Ｐ２０１０−２７０７００Ａ）
【公開日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１２４０７０（Ｐ２００９−１２４０７０）
【出願日】平成２１年５月２２日（２００９．５．２２）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月２２日（２００９．５．２２）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
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