JP4645805B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、起動時に燃料電池を短時間で加圧するための改良技術に関する。

近年、水素ガスと空気中の酸素との電気化学反応により発電を行う燃料電池を動力源とする燃料電池搭載車両の開発が行われている。車両に搭載される燃料電池システムとしては、水素タンクと燃料電池入口とにそれぞれタンク主止弁とスタック入口弁とを備え、システム起動時にこれらタンク主止弁とスタック入口弁を開放するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−１７２０２５号公報

しかしながら、起動時にタンク主止弁とスタック入口弁を同時に開けた場合には、容積の大きい低圧部（スタック＋配管）に対して、高圧燃料タンクから大流量で燃料が供給されるため、配管中の共鳴により異音が発生するという問題点がある。
そこで、本発明は、高圧燃料タンクと燃料電池との間に設けられた複数の遮断弁の開放タイミングを工夫することで、上記課題を解決することを目的とする。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、高圧燃料タンクと、燃料電池と高圧燃料タンクとを連通する連通路と、高圧燃料タンクと燃料電池との間に設けられた複数の遮断弁と、遮断弁を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、燃料電池への燃料供給開始時に、上流側の遮断弁を開けた後に、下流側の遮断弁を開ける。この複数の遮断弁の中には、高圧燃料タンクに一体に設けられた遮断弁が含まれていてもよい。

かかる構成においては、まず、上流側の遮断弁を開け、該遮断弁よりも下流側の連通路の配管圧を上昇させてから、下流側の遮断弁を開ける。つまり、先に配管圧を高めた後に燃料電池に燃料を供給することで、段階的に燃料を供給するため、大流量の燃料が長時間配管内を流れることを抑制することができる。

本発明の燃料電池システムは、前記上流側の遮断弁を開けた後、該遮断弁よりも上流側の圧力と下流側の圧力との差圧が所定値以下となった後に、下流側の遮断弁を開ける構成でもよい。
このように構成することにより、大流量の燃料が長時間配管内を流れることをより有効に抑制することができる。

本発明の燃料電池システムは、上流側の遮断弁がパイロット弁と主弁とを備え、下流側の遮断弁が直動型遮断弁である構成でもよい。

このような構成において、遮断弁の一次圧と二次圧との差が大きい場合には、主弁は開放されず、パイロット弁のみが開放される。したがって、燃料供給開始時に上流側の遮断弁と下流側の遮断弁を同時に開放してしまうと、パイロット弁からの燃料供給量が主弁からのそれに比べて少ないことから、段階的な燃料供給ができないという不具合を生ずる。
しかしながら、本発明の燃料電池システムは、上流側の遮断弁を開けた後に、下流側の遮断弁を開けることによって、上流側の遮断弁の一次圧と二次圧との差を減らして主弁を開けた後に、下流側の遮断弁を開けることが可能になり、段階的な燃料供給が可能となる。

本発明の燃料電池システムは、上流側の遮断弁と下流側の遮断弁との間に、パイロット弁と主弁とを備えたパイロット型遮断弁を配設し、該パイロット型遮断弁の二次圧が所定値以下となった後に下流側の遮断弁を開ける構成でもよい。
このように構成することにより、上記不具合を生ずることなく、より確実に昇圧された燃料の供給が可能となる。

本発明の燃料電池システムは、高圧燃料タンクを複数並列に備えていてもよい。
このような構成においては、高圧燃料タンクの下流に互いに並列して設けられた全ての遮断弁を開けた後、そのうちのいずれかの遮断弁の前後差圧（一次圧と二次圧との差圧）が所定値以下となった後に、下流側の遮断弁を開放する。

本発明の燃料電池システムによれば、先に配管圧を高めた後に燃料電池に燃料を供給することで、段階的に燃料を供給するため、大流量の燃料が長時間配管内を流れることを抑制することができる。したがって、連通路の配管圧が低下している時に燃料供給が開始される場合であっても、過渡的な配管圧の低下を有効に防止し得て、連通路での共鳴による異音の発生を抑制することができる。

次に本発明を実施するための好適な実施形態を、図面を参照しながら説明する。以下に説明する実施形態は、電気自動車等の移動体に搭載する燃料電池システムであるが、本発明の一形態に過ぎず、その他定置用等の燃料電池システムにも適用可能である。

（第１の実施形態）
図１に第１の実施形態に係る燃料電池システムのシステム構成図を示す。この図に示すように、当該燃料電池システムは、燃料電池スタック（燃料電池）１０に燃料である水素ガスを供給するための系統（以下、燃料系１）、空気を供給するための系統２、及び燃料電池スタック１０を冷却するための系統（不図示）を備えて構成されている。

燃料電池スタック１０は、水素ガス、空気、冷却水の流路を有するセパレータと、一対のセパレータで挟み込まれたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）とから構成されるセルとを複数積層したスタック構造を備えている。

燃料電池スタック１０に水素ガスを供給するための燃料系１は、水素ガスの供給源から順に、配管（連通路）１ａに並列接続された複数（４本）の水素タンク（高圧燃料タンク）１１、主止弁（上流側の遮断弁）ＳＶ１〜４、主止弁ＳＶ１〜４−調圧弁Ｒｅｇ１〜４間の配管圧を検出（監視）する圧力センサＰ１〜４、調圧弁Ｒｅｇ１〜４、圧力センサＰ５、調圧弁Ｒｅｇ５、圧力センサＰ６、調圧弁Ｒｅｇ６、圧力センサＰ７、ＦＣ入口弁（下流側の遮断弁）ＳＶ＿in、及び燃料電池スタック１０の他、図１に図示はないが、各水素タンク１１の内圧を検出（監視）する圧力センサ等も備えている。

水素タンク１１は、高圧水素タンクであるが、高圧水素タンクに代えて、水素吸蔵合金を用いた水素タンク、改質ガスによる水素供給機構、液体水素タンクから水素を供給するタンク、液化ガス燃料を貯蔵するタンク等を適用可能である。

主止弁ＳＶ１〜４は、例えば図３〜図５に示すように、主弁３１とそれを駆動（開弁）するパイロット弁４１とを備え、一次側５１の圧力（以下、一次圧）と二次側５２の圧力（以下、二次圧）との差圧が所定値以下のときに主弁３１が開放されるように設定された、いわゆるパイロット（間接作動）式のバルブ構造をなし、各水素タンク１１からの水素ガス供給の有無を制御する。以下に、その概略の構成と作用について説明する。

パイロット弁４１は、バネ４２の弾発力によりステム４３の先端に当接するよう図示下方に常時付勢されており、ソレノイド４４への通電による電磁力によって、バネ４２の付勢力に抗してステム４３から離間する方向（図示上方）に移動可能とされている。他方、主止弁３１は、フィードバック穴３２を有するダイヤフラム３３及びステム４３と一体をなすように設けられており、ステム４３及びパイロット弁４１を介して、バネ４２の弾発力により弁座３４に当接するよう図示下方に付勢されている。

そして、制御部２０からの制御信号を受けてソレノイド４４が通電状態になると、図４に示すように、パイロット弁４１が図示上方に移動して開き、圧力作用室５３内の水素ガスがステム４３の内部を通って二次側５２に流れ込む。すると、圧力作用室５３の圧力が減少するので、一次圧によりダイヤフラム３３が図示上方に移動し（図５）、それに伴い主弁３１がバネ４２の弾発力に抗して図示上方に移動して開き、一次側（上流側）５１の水素ガスが二次側（下流側）へと流れ込む。

このように、主止弁ＳＶ１〜４のような主弁３１とそれを駆動（開弁）するパイロット弁４１とを備えたパイロット型遮断弁は、一次圧と二次圧との差圧が大きいと、主弁３１は開かずにパイロット弁４１のみが開いているので、一次側５１から二次側５２への供給流量は少なく、一次圧と二次圧との差圧が所定値以下になって初めて主弁３１が開くので、一次側５１から二次側５２への供給流量が確保されるまでに時間のかかる構成となっている。

調圧弁Ｒｅｇ１〜４はタンク圧力を所定の高圧（例えば、３Ｍｐａ）に減圧し、調圧弁Ｒｅｇ５はこの高圧に減圧された水素ガスを中圧（例えば、１Ｍｐａ）に減圧し、調圧弁Ｒｅｇ６はこの中圧に減圧された水素ガスを低圧（例えば、０．２ＭＰａ）に減圧する。
ＦＣ入口弁ＳＶ＿inは、燃料電池スタック１０への水素ガス供給の有無を制御する。

燃料電池スタック１０に空気を供給する系統２は、図１では図示を省略しているが、外気を浄化して燃料電池システムに取り入れるエアクリーナ、取り入れられた空気を制御部２０の制御に従って圧縮し供給する空気量や空気圧を変更するコンプレッサ、圧縮された空気に対し、空気オフガスと水分の交換を行って適度な湿度を加える加湿器等を備えており、燃料電池スタック１０の冷却系は、ラジエタ、ファン、及び冷却ポンプを備えている。

制御部２０はＥＣＵ等の公知のコンピュータシステムであり、複数のコンピュータの相互通信によって構成されていてもよい。制御部２０は、コンプレッサ等各種補機類の駆動量を決定する制御信号を出力したり、後に説明する手順（図２）によって、水素タンク１１内に配設された圧力センサや燃料系１の各所に配設された圧力センサＰ１〜Ｐ７からの検出信号に基づき、各主止弁ＳＶ１〜４、調圧弁Ｒｅｇ１〜６、及びＦＣ入口弁ＳＶ＿inの開閉を制御する制御信号を出力する制御手段として機能する。

次に、図２のフローチャートを参照しながら、この燃料電池システムで実施される起動時の弁制御処理について、その一例を説明する。

まず、例えば運転者がイグニッションキーをＯＮにすると、制御部２０は全ての水素タンク１１の主止弁ＳＶ１〜４（以下、主止弁ＳＶｎと略記することがある。）に対して開弁制御信号を出力し、全ての主止弁ＳＶ１〜４を開放する（ステップＳ１）。このとき、ＦＣ入口弁ＳＶ＿inは閉鎖されている。

次に制御部２０は、各水素タンク１１内に配設された圧力センサと、主止弁ＳＶ１〜４−調圧弁Ｒｅｇ１〜４間に配設された圧力センサＰ１〜Ｐ４からの検出信号を参照して、各水素タンク１１内の圧力（遮断弁よりも上流側の圧力）Ｐ１０〜Ｐ４０と、主止弁ＳＶ１〜４−調圧弁Ｒｅｇ１〜４間の圧力（遮断弁よりも下流側の圧力）Ｐ１〜Ｐ４を検出する（ステップＳ３）。次いで、これら圧力Ｐ１０〜Ｐ４０と圧力Ｐ１〜Ｐ４との差圧、言い換えれば、主止弁ＳＶ１〜４の一次圧と二次圧との差圧（以下、差圧Ｐｎ０−Ｐｎという。ただし、ｎ＝１〜４）と、パイロット弁によって主弁が開放される所定の差圧（以下、所定値Ｐ＿ｏｐ）とを比較する（ステップＳ５）。

そして、差圧Ｐｎ０−Ｐｎのいずれかが所定値Ｐ＿ｏｐ未満になるまで（ステップＳ５：ＹＥＳ）、主止弁ＳＶ１〜４の開放状態とＦＣ入口弁ＳＶ＿inの閉鎖状態が維持され（ステップＳ５：ＮＯ）、差圧Ｐｎ０−Ｐｎのいずれかが所定値Ｐ＿ｏｐ未満になると（ステップＳ５：ＹＥＳ）、制御部２０はＦＣ入口弁ＳＶ＿inに対して開弁制御信号を出力し、ＦＣ入口弁ＳＶ＿inを開放する（ステップＳ７）。以上で、システム起動時の弁制御処理は終了する。

この燃料電池システムの弁制御処理によれば、主止弁ＳＶ１〜４の一次圧と二次圧との差圧Ｐｎ０−Ｐｎが所定値Ｐ＿ｏｐ未満になってから、つまり、燃料系１におけるＦＣ入口弁ＳＶ＿inよりも上流側の配管圧が十分に上昇してから、燃料電池スタック１０への加圧が開始される。つまり、先に配管圧を高めてから燃料電池スタック１０に水素ガスを供給することで、段階的に水素ガスを供給するようにしたため、大流量の水素ガスが長時間配管１ａ内を流れることを抑制することができる。

したがって、例えば燃料電池システムを長期間放置していたとき等のように、燃料系１の配管圧力が低下している時に水素ガス供給が開始される場合であっても、過渡的な配管圧の低下を有効に防止し得て、配管１ａや調圧弁Ｒｅｇ１〜６での共鳴による異音の発生を抑制することができる。また、段階的な水素ガス供給を行うことによって、燃料電池スタック１０の加圧時間を短縮することもできる。

さらに、この燃料電池システムは水素タンク１１を複数並列に備え、システム起動時の弁制御処理においては、図２のフローチャートに示すように、主止弁ＳＶ１〜４の一次圧と二次圧との差圧Ｐｎ０−Ｐｎのいずれか１つでも所定値Ｐ＿ｏｐ未満になったら、ＦＣ入口弁ＳＶ＿inを開放するように構成されているので、水素タンク１１が単数の燃料電池システムと比べて、加圧時間の更なる短縮が可能である。

なお、上記燃料電池システムでは、全ての水素タンク１１の主止弁ＳＶ１〜４を開放し（ステップＳ１）、いずれか１つの水素タンク１１で「差圧Ｐｎ０−Ｐｎ ＜ 所定値Ｐ＿ｏｐ」の条件を満たせば（ステップＳ５：ＹＥＳ）、ＦＣ入口弁ＳＶ＿inを開放する（ステップＳ７）構成としたが、このような構成に限らず、例えば、ある１つの水素タンク１１の主止弁ＳＶｎ（ｎ＝１〜４のいずれか）を開放した後、この主止弁ＳＶｎの一次圧と二次圧との差圧Ｐｎ０−Ｐｎ（ｎ＝１〜４のいずれか）と所定値Ｐ＿ｏｐとを比較し、「差圧Ｐｎ０−Ｐｎ ＜ 所定値Ｐ＿ｏｐ」の条件を満たしたときに、ＦＣ入口弁ＳＶ＿inを開放するようにしてもよい。

また、水素タンク１１内に圧力センサを備えていない等の理由により、主止弁ＳＶｎの一次圧を検出（監視）することができない場合には、図２のステップＳ５の「差圧Ｐｎ０−Ｐｎ ＜ 所定値Ｐ＿ｏｐ」に代えて、「差圧Ｐｎ‘−Ｐｎ ＜ 所定値Ｐ＿ｏｐ」としてもよい。この「差圧Ｐｎ’−Ｐｎ」は、圧力センサＰｎで検出した各主止弁ＳＶｎの二次圧の今回検出値Ｐｎと前回記憶値Ｐｎ‘との差圧を意味する。

（第２の実施形態）
図６に第２の実施形態に係る燃料電池システムのシステム構成図を示す。この図に示すように、当該燃料電池システムは、燃料系１に遮断弁（パイロット型遮断弁）ＳＶ５と遮断弁（パイロット型遮断弁）ＳＶ６を備えている点で、上記第１の実施形態と相違し、その他のシステム構成は共通している。以下、第１の実施形態と共通する構成要素については図１と同一の符号を付してその説明を省略し、相違点を中心に説明する。

遮断弁ＳＶ５は、調圧弁Ｒｅｇ１〜４−調圧弁５間において圧力センサＰ５よりも上流側（調圧弁Ｒｅｇ１〜４側）に配設されている。遮断弁ＳＶ６は、調圧弁Ｒｅｇ５−調圧弁６間において圧力センサＰ６よりも上流側（調圧弁Ｒｅｇ５側）に配設されている。

これら遮断弁ＳＶ５，ＳＶ６は、主弁とそれを駆動（開弁）するパイロット弁とを備え、一次圧と二次圧との差圧が所定値以下のときに主弁が開放されるように設定されたパイロット式のバルブ構造をなし、水素タンク１１から燃料電池スタック１１への水素ガス供給の有無を制御する。遮断弁ＳＶ５，ＳＶ６の構成及び作用は、主止弁ＳＶ１〜４と同様であるから説明は省略する。

次に、図６を参照しながら、この燃料電池システムで実現されるシステム起動時における弁制御処理の一例について、適宜図２のフローチャートも参照しつつ説明する。

上記第１の実施形態に係る図２のフローチャートでは、「差圧Ｐｎ０−Ｐｎ ＜ 所定値Ｐ＿ｏｐ」の条件を満たせば（ステップＳ５：ＹＥＳ）、ＦＣ入口弁ＳＶ＿inを開放（ステップＳ７）していたが、本実施の形態では、遮断弁ＳＶ５，ＳＶ６の二次圧Ｐ５，Ｐ６を圧力センサＰ５，Ｐ６で検出し、「二次圧Ｐ５又は／及び二次圧Ｐ６ ＞ 所定値」の条件を満たすまではＦＣ入口弁ＳＶ＿inの開放を禁止し、かかる条件を満たした後にＦＣ入口弁ＳＶ＿inを開放する。

このような構成では、ＦＣ入口弁ＳＶ＿inの開放タイミングを決定する際に、主止弁ＳＶ１〜４の一次圧と二次圧との差圧Ｐｎ０−Ｐｎ（図６の監視領域Ｓ１参照）に加えて、燃料電池スタック１０により近い位置（図３の監視領域Ｓ２，Ｓ３参照）での配管圧を監視しているので、より確実に昇圧された水素ガスが燃料電池スタック１０に供給されることになり、共鳴による異音の発生をより効果的に抑制することができると共に、加圧時間の更なる短縮化を図ることができる。

なお、「二次圧Ｐ５又は／及び二次圧Ｐ６ ＞ 所定値」における「所定値」は、システム起動時における配管１ａでの共鳴による異音発生の防止に有効な値に設定されるものであり、燃料電池システムのシステム構成や仕様等に応じて適宜設定される。

（その他の実施形態）
本発明は上記実施形態以外にも種々に変更して適用することが可能である。例えば、燃料電池システムの再起動時等、燃料系１の配管圧力が低下していない場合には、主止弁ＳＶ１〜４を開放した後、ＦＣ入口弁ＳＶ＿inを即開放するようにしてもよい。また、燃料電池への燃料供給開始時に先に開く上流側の遮断弁は、上記実施の形態のように水素タンク１１に一体に設けられた主止弁ＳＶ１〜４に限るものでもない。

さらに、主止弁（上流側遮断弁）ＳＶ１〜４およびＦＣ入口弁（下流側遮断弁）ＳＶ＿inは、直動弁（直動型遮断弁）であっても、パイロット弁であってもよい。弁のタイプに係らず上流側を先に開弁し、下流側を後から開弁することで、共鳴抑制の効果を備えるからである。

ＦＣ入口弁（下流側遮断弁）ＳＶ＿inの開弁タイミングは、主止弁（上流側遮断弁）ＳＶ１〜４の前後の差圧に基づくものでなくてもよい。例えば、主止弁ＳＶ１〜４の開弁から所定時間後にＦＣ入口弁ＳＶ＿inを開弁するなどしてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムのシステム構成を示すブロック図である。 同実施形態のシステム起動時における弁制御処理を説明するフローチャートである。 図１に示す主止弁の一構成例とその動作を説明する要部断面図である。 図３の状態に続き、同主止弁の動作を説明する要部断面図である。 図４の状態に続き、同主止弁の動作を説明する要部断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムのシステム構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ａ…配管（連通路）、１０…燃料電池スタック（燃料電池）、１１…水素タンク（高圧燃料タンク）、２０…制御部、３１…主弁、４１…パイロット弁、ＳＶ＿in…ＦＣ入口弁（下流側の遮断弁）、ＳＶ１〜ＳＶ４…主止弁（上流側の遮断弁）、ＳＶ５〜ＳＶ６…遮断弁（パイロット型遮断弁）

Claims (4)

1. 燃料電池と、高圧燃料タンクと、前記燃料電池と前記高圧燃料タンクとを連通する連通路と、前記高圧燃料タンクと前記燃料電池との間に設けられた複数の遮断弁と、前記複数の遮断弁を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記燃料電池への燃料供給開始時に、上流側の遮断弁を開けた後、前記上流側の遮断弁の上流側の圧力と下流側の圧力との差圧を検出し、検出された差圧が所定値以下となったものと判定された場合に下流側の遮断弁を開けることにより、段階的な燃料ガス供給を行う、
   燃料電池システム。
2. 前記上流側の遮断弁が、パイロット弁と主弁とを有し、
   前記下流側の遮断弁が、直動型遮断弁である、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記上流側の遮断弁と前記下流側の遮断弁との間に、パイロット弁と主弁とを有するパイロット型遮断弁を配設し、
   前記制御部は、前記パイロット型遮断弁の二次圧が所定値以下となった後に前記下流側の遮断弁を開ける、
   請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記高圧燃料タンクを複数並列に備え、
   前記上流側の遮断弁は、前記各高圧燃料タンクの主止弁であり、
   前記下流側の遮断弁は、燃料電池入口弁であり、
   前記制御部は、何れか一つの前記主止弁の上流側の圧力と下流側の圧力との差圧を検出し、検出された差圧が所定値以下となったものと判定された場合に前記燃料電池入口弁を開ける、
   請求項１から３の何れか一項に記載の燃料電池システム。

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