JP2008123833A - 燃料ガス供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料ガス源に接続された燃料ガス流路中に配置された流量制限装置の制御量を適正にすること。
【解決手段】燃料タンク４２にタンク内圧力Ｐ１を検出する圧力センサ４７を設け、燃料ガス流路４１のうち元弁４３下流側における２次圧力Ｐ２を検出する圧力センサ４４を設け、圧力センサ４４の検出による２次圧力Ｐ２が第２基準圧力Ｐｔｈ２よりも少ない場合には圧力センサ４７の検出によるタンク内圧力Ｐ１を測定し、タンク内圧力Ｐ１が第１基準圧力Ｐｔｈ１以上である場合には元弁４３の電流値を上げて燃料ガスの供給量を一定量増量し、２次圧力Ｐ２が第２基準圧力Ｐｔｈ２以上になった場合には元弁４３の電流値を一定として燃料ガス供給量を一定に維持する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料ガス供給装置に関し、特に、燃料ガス源に接続された燃料ガス流路中に配置された流量制限装置の燃料ガス供給制御の精度向上に有効な技術に関する。

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。この種の車両には、水素ガスを燃料ガスとして燃料電池に供給するための燃料ガス供給装置が設置されている。燃料ガス供給装置としては、例えば、高圧タンクから排出される燃料ガスを減圧する調圧弁（レギュレータ）と、調圧弁よりも下流側に配置されて、非通電時に燃料供給路を遮断し、通電時には制御信号により燃料供給路を開閉する遮断弁（電磁制御弁）などを備えたものが提案されている（特許文献１参照）。この装置においては、調圧弁に不具合が生じた際には、その下流側の遮断弁に過大な圧力がかかり、遮断弁が開閉できなくなることを考慮し、調圧弁と遮断弁との間のガス状態に基づいて調圧弁の異常を検知する異常検知手段を設け、調圧弁の異常に対処する構成が採用されている。

特開２００６−１０８０２４号公報

ところで、燃料タンク内の燃料ガスを燃料電池に供給するに際して、遮断弁（電磁弁）に所定の電流を流して単に開弁させる構成では、燃料タンク内のガス圧力の変化に対応することができなくなる。すなわち、燃料タンクの下流側に遮断弁（電磁弁）を配置した場合、遮断弁の動作に必要な力は、上流側の燃料タンク内のガス圧力によって変動するため、遮断弁（電磁弁）に所定の電流を流すだけでは、燃料タンク内のガス圧力の上昇によっては遮断弁（電磁弁）の開弁が不十分となり、燃料電池に十分な燃料ガスを供給することができず、燃料ガス不足になる。一方、遮断弁（電磁弁）の開弁量を大きな値に設定しすぎると、燃料供給路を構成する配管の圧力が上がりすぎたり、開弁のための電流が過剰に消費されたりすることになる。

そこで、本発明は、燃料ガス源に接続された燃料ガス流路中に配置された流量制限装置（弁手段等）の制御量を適正にすることを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は、燃料ガス源から流量制限装置を介して燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置において、該燃料ガス源の圧力に対応させて該流量制限装置の制御量を変更可能に構成したものである。

このように構成することにより、燃料ガス源の圧力に対応させて流量制限装置の制御量が変更されるため、燃料ガス源の圧力が変動しても流量制限装置の制御量を適正にすることができ、燃料ガス源からの燃料ガスを、燃料電池などの動力源に安定して供給することができる。

燃料ガス供給装置を構成するに際しては、以下の要素を付加することができる。
好適には、前記燃料ガス源の第１圧力を検出する第１圧力センサを備え、該第１圧力が所定の第１基準圧力以上である場合に前記流量制限装置の制御量を一定量上げるようにする。

係る構成によれば、第１圧力センサにより、燃料ガス源の第１圧力が所定の第１基準圧力以上になったことが検出されたときに、流量制限装置の制御量を一定量上げることで、燃料ガス源の圧力が上昇しても、下流側の動力源などに燃料ガスを十分に供給することができる。

好適には、前記流量制限装置の下流側の第２圧力を検出する第２圧力センサを備え、該第２圧力が所定の第２基準圧力以上になった場合に、前記流量制限装置の制御量を維持するようにする。

係る構成によれば、第２圧力センサにより、流量制限装置の下流側の第２圧力が所定の第２基準圧力以上になったときに、流量制限装置の制御量を維持することで、下流側の動力源などに常に安定した量の燃料ガスを供給することができる。

好適には、前記燃料ガス源の第１圧力を検出する第１圧力センサと、前記流量制限装置の下流側の第２圧力を検出する第２圧力センサとを備え、該第２圧力が所定の第２基準圧力より少ない場合には、該第１圧力を検出し、該第１圧力が所定の第１基準圧力以上である場合に前記流量制限装置の制御量を一定量上げ、該第２圧力が所定の第２基準圧力以上になった場合に、前記流量制限装置の制御量を維持するようにする。

係る構成によれば、第２圧力センサの検出による第２圧力が所定の第２基準圧力より少ない場合には、第１圧力センサにより第１圧力を検出し、第１圧力が所定の第１基準圧力以上である場合には流量制御弁の制御量を一定量上げることで、燃料ガス源の圧力が上昇しても、下流側の動力源などに十分な量の燃料ガスを供給することができる。一方、下流側の動力源などに対して、燃料ガスの供給量を増量している過程で、第２圧力が所定の第２基準圧力以上になった場合には、流量制限装置の制御量を維持することで、下流側の動力源などに常に安定した量の燃料ガスを供給することができる。

好適には、前記第２圧力の上昇が観測できない場合であって、前記第１圧力が所定の第１基準圧力より低いときには、前記流量制限装置に異常があることを告知する手段を備えるようにする。

係る構成によれば、第２圧力の上昇が観測できないことを条件に、第１圧力が所定の第１基準圧力よりも低いときには、下流側の動力源などに十分な量の燃料ガスが供給されていない状況下にあって、燃料ガス源の圧力である第１圧力が所定の第１基準圧力よりも低いことは、流量制限装置の制御量が正常でないとして、すなわち、流量制限装置に異常があるとして、その旨を告知することができる。

本発明によれば、燃料ガス源の圧力が変動しても流量制限装置の制御量を適正な状態にすることができる。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明が適応された燃料電池システムの配管系統を中心とするシステム構成図である。図１において、燃料電池システム１０は、燃料電池２０に燃料ガス（水素ガス）を供給するための燃料ガス供給系統と、燃料電池２０に酸化ガス（空気）を供給するための酸化ガス供給系統と、燃料電池２０を冷却するための冷却系統とを備えて構成されている。

燃料電池２０は、フッ素系樹脂などにより形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜などから成る高分子電解質膜２１の両面にアノード極２２とカソード極２３をスクリーン印刷などで形成した膜・電極接合体２４を備えている。膜・電極接合体２４の両面は、燃料ガス、酸化ガス、冷却水の流路を有するセパレータ（図示せず）によってサンドイッチされ、このセパレータとアノード極２２およびカソード極２３との間に、それぞれ溝状のアノードガスチャンネル２５およびカソードガスチャンネル２６を形成している。アノード極２２では、次の（１）式の酸化反応が生じ、カソード極２３では、次の（２）式の還元反応が生じる。２次電池２０全体としては、次の（３）式の起電反応が生じる。

Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-・・・（１）
（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ・・・（２）
Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ・・・（３）

なお、同図では説明の便宜上、膜・電極接合体２４、アノードガスチャンネル２５およびカソードガスチャンネル２６からなる単位セルの構造を模式的に図示しているが、実際には、上述したセパレータを介して複数の単位セルが直列に接続したスタック構造を備えている。

燃料電池システム１０の冷却系統には、冷却水を循環させる冷却路３１、燃料電池２０から排水される冷却水の温度を検出する温度センサ３２、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）３３、ラジエータ３３へ流入する冷却水の水量を調整するバルブ３４、冷却水を加圧して循環させる冷却水ポンプ３５、燃料電池２０に供給される冷却水の温度を検出する温度センサ３６などが設けられている。

燃料電池システム１０の燃料ガス供給系統には、アノードガスチャンネル２５に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路４１と、アノードガスチャンネル２５から排気される燃料オフガスを燃料ガス流路４１に循環させるための循環流路（循環経路）５１が配管されており、これらのガス流路によって燃料ガス循環系統が構成されている。

燃料ガス流路４１は、燃料ガス供給装置の一要素として構成されており、この燃料ガス流路４１には、燃料ガス源となる燃料タンク４２からの燃料ガスの供給／停止を制御する元弁（電磁弁）４３、燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ４４、燃料ガスの圧力調整を行うレギュレータ４５、燃料電池２０の燃料ガス供給口（入口）を開閉する遮断弁４６などが設置されている。元弁４３は、本発明において制御すべき流量制限装置に相当している。

元弁４３は、図２に示すように、燃料タンク４２内の圧力（上流側圧力）に対応して開弁に必要な力（電流）が変動する。本実施例では、燃料タンク４２の圧力に応じて元弁４３の制御電流（通電電流）を変化させることで、燃料ガスの流量を適正に制御できるように構成されている。

そこで、本実施例においては、燃料タンク４２内の圧力（第１圧力）を検出する圧力センサ（第１圧力センサ）４７を燃料タンク４２に設置するとともに、燃料ガス流路４１の流路途中に、元弁４３の下流側における燃料ガスの圧力（第２圧力）を検出する圧力センサ（第２圧力センサ）４４を設け、圧力センサ４７の検出による圧力が所定の第１基準圧力以上である場合には、元弁４３の制御量（電流値）を一定量上げ、圧力センサ４４の検出による圧力が所定の第２基準圧力以上になった場合には、元弁４３の制御量（電流値）を維持することとしている。

この場合、圧力センサ４４の検出による圧力（第２圧力）が所定の第２基準圧力以上の場合には元弁４３による開弁が十分に行われ、動力源である燃料電池２０には十分な燃料ガスが供給されているとして、圧力センサ４４の検出による圧力（第２圧力）が所定の第２基準圧力よりも少ない場合にのみ圧力センサ４７によって燃料タンク４２内の圧力を検出し、この圧力センサ４７の検出圧力を基に元弁４３の開弁を制御することとしている。

一方、循環流路５１には、燃料電池２０からの燃料オフガスを排出する遮断弁５２、燃料オフガスから水分を回収する気液分離器５３、気液分離器５３によって回収した水を図示しないタンクに回収する排水弁５４、モータによって駆動される循環ポンプ（加圧手段）５５、燃料ガス流路４１の燃料ガスが循環流路５１側に逆流するのを防止する逆流阻止弁５６などが設置されている。

循環ポンプ５５は、制御部８０の制御に基づき、アノードガスチャンネル２５を通過する際に、圧力損失を受けた燃料オフガスを圧縮して適度なガス圧まで昇圧させ、燃料ガス流路４１に還流させる。この燃料オフガスは、燃料ガス流路４１で燃料タンク４２から供給される燃料ガスと合流した後、燃料電池２０に供給されて再利用される。

さらに、循環流路５１には、燃料ガス循環系統から排気された燃料オフガスを、希釈器（例えば水素濃度低減装置）６２を介して車外に排気するための排気流路６１が分岐して配管されている。排気流路６１には排気弁（排気手段）６３が設置されており、燃料オフガスの排気制御を行えるように構成されている。排気弁６３を開閉することで、燃料電池２０内の循環を繰り返して、不純濃度が増加した燃料オフガスを外部に排出し、新規の燃料ガスを導入してセル電圧の低下を防止することができる。また、循環流路５１の内圧に脈動を起こし、ガス流路に蓄積した水分を除去することもできる。

一方、燃料電池システム１０の酸化ガス供給系統には、カソードガスチャンネル２６に酸化ガスを供給するための酸化ガス流路７１と、カソードガスチャンネル２６から排気されるカソードオフガスを排気するためのカソードオフガス流路７２が配管されている。酸化ガス流路７１には、大気から取り込んだエアに含まれる粉塵などを除去するエアフィルタ７４、モータによって駆動されるエアコンプレッサ７５などから構成され、圧縮エアを酸化ガスとして酸化ガス流路７１に供給する酸化ガス供給装置７３が設置されている。

また、酸化ガス供給装置７３の下流に配置された加湿器７６では、燃料電池２０の電池反応で生じた生成水によって高湿潤状態となったカソードオフガスと、大気より取り込んだ低湿潤状態の酸化ガスとの間で水分交換が行われる。カソードガスチャンネル２６の背圧はカソードオフガス流路７２に設置された圧力調整弁７７によってほぼ一定圧に調圧される。カソードオフガス流路７２を流れるカソードオフガスは、設計に応じて気液分離器７８やマフラ７９などを経由して車外に排気され、またその一部は希釈器６２に流れ込み、希釈器６２内に滞留する燃料オフガスを混合希釈して車外に排気される。

制御部８０は、例えばマイクロコンピュータを用いて構成されており、各流路に設置された温度センサＴ、圧力センサＰからのセンサ信号を受け取り、電池運転の状態、例えば電力負荷に応じて、各モータを駆動して循環ポンプ５９とエアコンプレッサ７４の回転数を調整し、さらに、各種の弁の開閉制御または弁開度の調整などを行う。なお、制御部８０には、元弁４３に異常があることを告知する手段として、制御部８０からの制御信号（表示信号）に従って元弁４３などの異常の有無を表示する表示器８２が接続されている。表示器８２は、ディスプレイに対するインジケータの表示、ランプ等であり、その形態に限定はない。

以下、燃料ガス供給装置の作用を図３のフローチャートにしたがって説明する。
まず、タイミングｔ０で制御部８０からの制御信号が元弁４３に供給され、元弁４３に所定の電流が流れると元弁４３が開かれ、燃料タンク４２内の燃料ガスが元弁４３を介して燃料ガス流路４１に排出される（Ｓ１）。このとき、図４（Ａ）に示すように、燃料タンク４２内の圧力（タンク内圧力）Ｐ１は、元弁４３の開弁にしたがって順次低下する。一方、圧力センサ４４の検出による圧力（２次圧力）Ｐ２は、図４（Ｂ）に示すように、燃料ガス流路４１に燃料ガスが導入されるに伴って順次増加する。

次に、タイミングｔ１において、制御部８０は、圧力センサ４４の検出圧力（第２圧力）から２次圧力Ｐ２を測定し（Ｓ２）、この２次圧力Ｐ２と第２基準圧力Ｐｔｈ２とを比較し（図４（Ｂ）参照）、２次圧力Ｐ２が所定の第２基準圧力Ｐｔｈ２以上になったか否かを判定する（Ｓ３）。すなわち、２次圧力Ｐ２が正常な圧力まで上昇したか否かを判定し、２次圧力Ｐ２が十分に上昇したときには、燃料タンク４２内の燃料ガスの圧力に対応して元弁４３が十分に開かれているとして、このルーチンでの処理を終了する。

一方、２次圧力Ｐ２が十分に上昇していないときには、制御部８０は、圧力センサ４７の検出圧力（第１圧力）から燃料タンク４２内の圧力（タンク内圧力）Ｐ１を測定する（Ｓ４）。次に、制御部８０は、タンク内圧力Ｐ１と第１基準圧力Ｐｔｈ１とを比較し（図４（Ａ）参照）、タンク内圧力Ｐ１が第１基準圧力Ｐｔｈ１よりも高いか否かを判定する（Ｓ５）。このときタンク内圧力Ｐ１が第１基準圧力Ｐｔｈ１よりも高いときには、燃料タンク４２内の圧力に対応して元弁４３が十分開かれていないとして、制御部８０は、元弁４３に対する電流値を上げるための処理を行う（Ｓ６）。

この後は、ステップＳ１に戻り、再びステップＳ１〜Ｓ３の処理が繰り返される。
これらの処理の過程で、例えば、２次圧力Ｐ２が十分に上昇したときには（Ｓ３）、このルーチンでの処理を終了し、２次圧力Ｐ２が十分に上昇しないときには、２次圧力Ｐ２の上昇が観測できないとして、タンク内圧力Ｐ１を測定し（Ｓ４）、タンク内圧力Ｐ１が第１基準圧力Ｐｔｈ１よりも高いか否かを判定する（Ｓ５）。タンク内圧力Ｐ１が第１基準圧力Ｐｔｈ１よりも低いときには、タンク内圧力Ｐ１が低圧なのに元弁４３が開弁していないことを示しているため、元弁４３に異常があるとして、表示器８２により、元弁４３に異常がある旨の告知表示を行い、このルーチンでの処理を終了する（Ｓ７）。

本実施例によれば、燃料タンク４２の圧力が変動しても元弁４３の電流値（制御量）を適正な状態にすることができる。さらに、圧力センサ４４の検出による２次圧力Ｐ２が所定の第２基準圧力Ｐｔｈ２より少ない場合には、圧力センサ４７によりタンク内圧力Ｐ１を検出し、タンク内圧力Ｐ１が所定の第１基準圧力Ｐｔｈ１以上である場合には元弁４３の電流値を一定量上げることで、燃料タンク４２の圧力が上昇しても、下流側の燃料電池２０に十分な量の燃料ガスを供給することができるとともに、下流側の燃料電池２０に対して、燃料ガスの供給量を増量している過程で、２次圧力Ｐ２が所定の第２基準圧力Ｐｔｈ２以上になった場合には、元弁４３の電流値を維持することで、下流側の燃料電池２０に常に安定した量の燃料ガスを供給することができる。

また、元弁４３の電流値を上げた後、２次圧力Ｐ２が十分に上昇しないときには、２次圧力Ｐ２の上昇が観測できないとして、タンク内圧力Ｐ１を測定し、タンク内圧力Ｐ１が第１基準圧力Ｐｔｈ１よりも低いときには、元弁４３に異常があるとして、表示器８２により、元弁４３に異常がある旨を運転者などに告知することができる。

（変形例）
本発明は上記実施例に限定されることなく、種々に変形して適用することが可能である。
例えば、前記実施例においては、制御部８０の処理として、タンク内圧力Ｐ１が上昇しているときには、元弁４３の電流値を一回上げるものについて述べたが、図３における処理（ステップＳ１〜Ｓ６）を２回以上繰り返すこともできる。この場合、燃料タンク４２の圧力の変動に対して、元弁４３に対する開弁制御を円滑に行うことができ、タンク内圧力Ｐ１が変動しても、燃料電池２０に対して燃料ガスを円滑に供給することができる。

また、上記実施例では、２次圧力として元弁４３の下流であってレギュレータ４５の上流の配管内の圧力を検出する圧力センサ４４の検出圧力を参照していたが、さらに下流の圧力センサ（例えば、圧力センサ４８）の検出圧力を２次圧力として用いてもよい。

また、上記実施例では、元弁４３に異常があると判定された場合に表示器８２にその旨を告知していたが、音声（音響）により異常を告知するように構成してもよい。音声による異常告知であれば、運転者が運転中であって表示器を見ることができないような場合でも適時に元弁異常を知らせることができる。

本発明が適用された燃料電池システムの構成図である。 電磁弁に必要な制御電流と上流側圧力（タンク内圧力）との関係を示す特性図である。 燃料ガス供給装置の作用を説明するためのフローチャートである。 （Ａ）は第１基準圧力と第１圧力センサの検出出力との関係を示す特性図、（Ｂ）は第２基準圧力と第２圧力センサの検出出力との関係を示す特性図である。

符号の説明

１０ 燃料電池システム、２０ 燃料電池、４１ 燃料ガス流路、 ４２ 燃料タンク、４３ 電磁弁（流量制限装置）、４７ 圧力センサ（第１圧力センサ）、４４ 圧力センサ（第２圧力センサ）、８０ 制御部

Claims (5)

1. 燃料ガス源から流量制限装置を介して燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置において、該燃料ガス源の圧力に対応させて該流量制限装置の制御量を変更可能に構成したことを特徴とする燃料ガス供給装置。
2. 請求項１に記載の燃料ガス供給装置において、
   前記燃料ガス源の第１圧力を検出する第１圧力センサを備え、該第１圧力が所定の第１基準圧力以上である場合に前記流量制限装置の制御量を一定量上げることを特徴とする燃料ガス供給装置。
3. 請求項２に記載の燃料ガス供給装置において、
   前記流量制限装置の下流側の第２圧力を検出する第２圧力センサを備え、
   該第２圧力が所定の第２基準圧力以上になった場合に、前記流量制限装置の制御量を維持することを特徴とする燃料ガス供給装置。
4. 請求項１に記載の燃料ガス供給装置において、
   前記燃料ガス源の第１圧力を検出する第１圧力センサと、
   前記流量制限装置の下流側の第２圧力を検出する第２圧力センサとを備え、
   該第２圧力が所定の第２基準圧力より少ない場合には、該第１圧力を検出し、
   該第１圧力が所定の第１基準圧力以上である場合に前記流量制限装置の制御量を一定量上げ、
   該第２圧力が所定の第２基準圧力以上になった場合に、前記流量制限装置の制御量を維持することを特徴とする燃料ガス供給装置。
5. 請求項２または４に記載の燃料ガス供給装置において、
   前記第２圧力の上昇が観測できない場合であって、前記第１圧力が所定の第１基準圧力より低いときには、前記流量制限装置に異常があることを告知する手段を備えることを特徴とする燃料ガス供給装置。

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