JP2009170224A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムにおいて、ガス供給流路を通じて高圧水素タンクから燃料電池に水素ガスを供給する際に、異音が生じることを十分に抑制する。
【解決手段】高圧水素タンク３０の水素ガスをガス供給流路３１を通じて燃料電池１０に供給する燃料電池システム１において、高圧水素タンク３０の出力部３０ａのガス供給流路３１に設けられ、パイロット弁６１と主弁６０とを備えたタンク電磁弁３３と、パイロット弁６１を開放してから、予め定められた設定時間Ｔが経過した後に主弁６０を開放するように、タンク電磁弁３３を制御可能な制御装置１３と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料ガスタンクの燃料ガスをガス流路を通じて燃料電池に供給する燃料電池システムに関する。

例えば自動車等の車両に搭載される燃料電池システムは、燃料ガスタンクの高圧の燃料ガスをガス流路を通じて燃料電池に供給し、その燃料電池により燃料ガスと酸化ガスを電気化学反応させて発電を行っている。この燃料電池システムのガス流路には、通常、燃料ガスタンクの出力部に設けられた遮断弁や、ガス圧を減圧させる減圧弁、燃料電池に所定の圧力のガスを供給するための調圧弁などが設けられている。

ところで、上述の燃料電池システムの起動時には、例えば燃料ガスタンクの出力部の遮断弁と、燃料電池の入口側の調圧弁が開放され、燃料ガスタンク内の高圧ガスが低圧のガス流路内に流れ込む。このため、ガス流路内には、大流量のガスが流れ込み、その大きな圧力差により例えば管路や減圧弁の弁体が振動し、異音を発生させることがある。

かかる問題を解決することを目的とする技術は、特許文献１〜３に記載されているが、さらに静かな燃料電池システムの起動を実現することが望まれている。

特開２００６−１２０３６３号公報 特開２００５−３２７６３５号公報 特開２００６−３３１８８４号公報

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、燃料電池システムにおいて、ガス流路を通じて燃料ガスタンクから燃料電池に燃料ガスを供給する際に、異音が生じることを十分に抑制することをその目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、燃料ガスタンクの燃料ガスをガス流路を通じて燃料電池に供給する燃料電池システムであって、燃料ガスタンクの出力部に設けられ、パイロット弁と主弁とを備えた遮断弁と、前記パイロット弁を開放してから、予め定められた設定時間が経過した後に主弁を開放するように、遮断弁を制御可能な制御装置と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、燃料ガスタンクの出力部の遮断弁において、前記パイロット弁を開放してから設定時間経過した後に主弁を開放することができるので、ガス供給開始時にガス流路の下流側に流れるガス流量を抑えて、遮断弁の上流側と下流側との圧力差を徐々に減らすことができる。このため、ガス流路の管路や減圧弁などの振動を抑え、異音の発生を抑制できる。また、パイロット弁の開放により下流側との圧力差を減らした状態で、主弁を開放するので、このときの管路や減圧弁などの振動の発生や異音の発生も抑えることができる。この結果、燃料ガス供給開始時の異音の発生を十分に抑制することができる。

上記燃料電池システムにおいて、前記遮断弁よりも下流側の前記ガス流路内の圧力を検出する圧力センサを有し、前記制御装置は、前記圧力センサによる圧力の検出結果に基づいて、前記圧力が所定の閾値よりも低い場合には、前記パイロット弁を開放してから前記設定時間が経過した後に主弁を開放し、前記圧力が所定の閾値よりも高い場合には、前記パイロット弁を開放してから前記設定時間が経過する前に主弁を開放するようにしてもよい。かかる場合、遮断弁の上流側と下流側の圧力差が大きく異音が発生する可能性がある場合にのみ、主弁の開放を遅らせることができるので、ガス供給時間の無用な遅延を防止できる。

また、前記遮断弁の下流側のガス流路には、ガス圧を減圧する減圧弁と、ガス圧を調整して燃料電池側に所定の圧力の燃料ガスを供給する調圧弁が設けられていてもよい。

本発明によれば、燃料ガスの供給開始時に生じる異音を十分に抑制することができるので、燃料電池システムをより静かに起動させることができる。

以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態に係る燃料電池システム１の構成の概略を示す説明図である。

燃料電池システム１は、図１に示すように反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池１０と、燃料電池１０に酸化ガス（例えば空気）を供給する酸化ガス配管系１１と、燃料電池１０に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス配管系１２と、システム全体を統合制御する制御装置１３等を備えている。

燃料電池１０は、反応ガスの供給を受けて発電する単電池を所要数積層して構成されたスタック構造を有している。

水素ガス配管系１２は、高圧（例えば７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留した複数（例えば４つ）の燃料ガスタンクとしての高圧水素タンク３０と、高圧水素タンク３０の水素ガスを燃料電池１０に供給するためのガス流路としてのガス供給流路３１と、燃料電池１０から排出された水素オフガスをガス供給流路３１に戻すための循環流路３２を備えている。

なお、高圧水素タンク３０に代えて、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、を燃料供給源として採用することもできる。また、水素吸蔵合金を有するタンクを燃料供給源として採用してもよい。

ガス供給流路３１には、例えば各高圧水素タンク３０の出力部３０ａに設けられ、各高圧水素タンク３０の元弁として機能し、各高圧水素タンク３０から燃料電池１０側への水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁としてのタンク電磁弁３３と、高圧の水素ガスの圧力を予め設定した中程度の圧力（中圧）に減圧する中圧減圧弁３４と、マニュアル弁３５と、中圧の水素ガスの圧力を予め設定した低い圧力に減圧する低圧減圧弁３６と、水素ガスの流量やガス圧を高精度に調整して水素ガスを燃料電池１０側に供給する調圧弁としての水素ガス供給弁（インジェクタ）３７が、上流側からこの順で設けられている。なお、タンク電磁弁３３の具体的な構成については後述する。

また、ガス供給流路３１には、例えば中圧減圧弁３４の下流側のガス圧を検出（監視）する圧力センサ４０、低圧減圧弁３６の下流側のガス圧を検出（監視）する圧力センサ４１、水素ガス供給弁３７の下流側のガス圧を検出（監視）する圧力センサ４２が設けられている。

循環流路３２には、水素オフガスから水や不純物を除去するイオン交換器（図示せず）や、循環流路３２内の水素オフガスを加圧してガス供給流路３１側へ圧送する水素ポンプ（図示せず）などが設けられている。

酸化ガス配管系１１には、図示しない加湿器により加湿された酸化ガスを燃料電池１０に供給する供給流路５０と、燃料電池１０から排出された酸化オフガスを加湿器に送り、その後外部に排出する排出流路５１などが設けられている。

制御装置１３は、例えば内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プログラムに従って所望の演算を実行して、上記ガス供給流路３１の各弁３３〜３７の動作制御など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。

次に、上述のタンク電磁弁３３の構成について説明する。

タンク電磁弁３３は、例えば図２、図３及び図４に示すように、主弁６０とそれを駆動（開弁）するパイロット弁６１とを備え、一次側（上流側）Ａの圧力（以下、一次圧）と二次側（下流側）Ｂの圧力（以下、二次圧）との差圧が所定値以下になったときに主弁６０が開放されるように設定可能な、いわゆるパイロット（間接作動）式のバルブ構造を有している。

パイロット弁６１は、例えば図２に示すようにバネ７０の弾性力によりステム７１の先端に当接するよう図示下方に常時付勢されている。ステム７１の中央には、二次側Ｂに通じる上下方向の通気路７１ａが形成されている。パイロット弁６１は、この通気路７１ａを閉鎖するようにステム７１に当接している。 パイロット弁６１は、ソレノイド７２による電磁力によって、バネ７０の付勢力に抗してステム７１から離間する方向（図示上方）に移動可能になっている。

主弁６０は、例えばフィードバック穴７３を有するダイヤフラム７４と、上記ステム７１と一体をなすように設けられている。主弁６０は、パイロット弁６１及びステム７１を介したバネ７０による弾性力と、圧力作用室Ｃの圧力により下方の弁座７５に当接するよう図示下方に付勢されている。

ソレノイド７２が通電状態になり、電磁力によりパイロット弁６１が押し上げられると、図３に示すようにステム７１の通気路７１ａが開口し、圧力作用室Ｃ内の水素ガスがステム７１の通気路７１ａに流れ込み、二次側Ｂに流れる。このとき、圧力作用室Ｃの圧力が減少するので、一次側Ａの水素ガスがダイヤフラム７４のフィードバック穴７３を通じて圧力作用室Ｃに徐々に流れ込み、その水素ガスがステム７１の通気路７１ａを通じて二次側Ｂに流れ込む。このとき、一次圧によりダイヤフラム７４が図示上方に移動しようとするが、一次圧と二次圧との差が大きい場合には、主弁６０が弁座７５に押し付けられて、主弁６０が開かない。したがって、このときパイロット弁６１のみが開いた状態になり、通気路７１ａを通じて一次側Ａから二次側Ｂに少流量の水素ガスが流れる。

また、パイロット弁６１の開放により一次側Ａの水素ガスが二次側Ｂに流れて、一次圧と二次圧との差が次第に小さくなると、一次圧によるダイヤフラム７４の上昇力が、圧力作用室Ｃの圧力による押し下げ力を上回るので、図４に示すように主弁６０が図示上方に移動して開放され、主弁６０と弁座７５との間から一次側Ａから二次側Ｂに比較的大流量の水素ガスが流れる。また、このとき、パイロット弁６１も開放されており、通気路７１ａからも水素ガスが流れる。

このように、タンク電磁弁３３は、パイロット弁６１のみを開放する段階と、その後主弁６０を開放する段階を有する。このパイロット弁６１のみを開放している時間や、主弁６０を開放するタイミングは、例えば圧力作用室Ｃ内の圧力調整や、ソレノイド７２によるパイロット弁６１の上昇移動量の設定などにより制御できる。この制御は、上述の制御装置１３により行われる。制御装置１３では、例えばパイロット弁６１のみを開放してから、予め定められた設定時間Ｔが経過した後に主弁６０を開放するように、タンク電磁弁３３を制御する。設定時間Ｔは、例えば実験やシュミュレーションなどにより求められ、主弁６０が開放された際に異音が生じない時間が定められる。

次に、以上のように構成された燃料電池システム１の作用について説明する。例えば燃料電池システム１の起動時に、高圧水素タンク３０の高圧の水素ガスがガス供給流路３１を通じて燃料電池１０に供給される際には、先ず、高圧水素タンク３０の出力部３０ａのタンク電磁弁３３のパイロット弁６１が開放される。これにより、高圧水素タンク３０の高圧の水素ガスが低圧のガス供給流路３１の下流側に少流量で流れ込む。このとき、ガス供給流路３１におけるガス流量が少ないので、管路や中圧減圧弁３４、低圧減圧弁３６において振動が生じ異音が生じることが抑制される。

その後、パイロット弁６１を開放してから設定時間Ｔが経過した後に、タンク電磁弁３３の主弁６０が開放され、所望の流量の水素ガスがガス供給流路３１に流れる。このとき、当初のパイロット弁６１の開放によるガスの流入により、タンク電磁弁３３の上流側と下流側の圧力差が小さくなっているため、管路や中圧減圧弁３４、低圧減圧弁３６において振動が生じ異音が生じることが抑制される。

ガス供給流路３１に供給された水素ガスは、中圧減圧弁３４、低圧減圧弁３６で徐々に減圧され、水素ガス供給弁３７で所定の流量、圧力に調整されて燃料電池１０に供給される。

以上の実施の形態によれば、高圧水素タンク３０の出力部のタンク電磁弁３３において、パイロット弁６１を開放してから所定時間Ｔ経過した後に主弁６０を開放するようにしたので、ガス供給開始時にガス供給流路３１の下流側へ流れるガス流量を抑えて、タンク電磁弁３３の上流側と下流側との圧力差を徐々に減らすことができる。このため、管路や中圧減圧弁３４、低圧減圧弁３６の振動を抑え、異音の発生を抑制できる。また、パイロット弁６１の開放により下流側との圧力差を減らした状態で、主弁６０を開放するので、このときの管路や中圧減圧弁３４、低圧減圧弁３６の振動の発生や異音の発生も抑えることができる。この結果、水素ガス供給開始時の異音の発生を十分に抑制することができる。

ところで、以上の実施の形態で記載した燃料電池システム１において、図５に示すようにタンク電磁弁３３よりも下流側のガス供給流路３１内の圧力を検出する圧力センサ８０を設け、制御装置１３は、圧力センサ８０による圧力の検出結果に基づいて、圧力が所定の閾値よりも低い場合には、パイロット弁６１を開放してから設定時間Ｔが経過した後に主弁６０を開放し、圧力が所定の閾値よりも高い場合には、パイロット弁６１を開放してから設定時間Ｔが経過する前に主弁６０を開放するようにしてもよい。例えば圧力センサ８０は、タンク電磁弁３３と中圧減圧弁３４との間に設けられる。かかる場合、タンク電磁弁３３の上流側と下流側との圧力差が大きく異音が発生する可能性がある場合にのみ、主弁６０の開放を遅らせることができるので、ガス供給時間の無用な遅延を防止できる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に相到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば本発明におけるガス流路の構成は、上記実施の形態におけるガス供給流路３１の構成に限られず、他の構成であってもよい。例えば減圧弁の数や配置は上記例に限られない。また、上記実施の形態におけるタンク電磁弁３３は、他の構成を有するものであってもよい。例えばタンク電磁弁３３は、主弁６０の開放タイミングを電気信号等により制御できるものであってもよい。また、以上の実施の形態で記載した燃料電池システム１は、燃料電池車両に搭載するもののみならず、各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に搭載するものであってもよい。また、燃料電池システム１は、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用するものであってもよい。

燃料電池システムの構成の概略を示す説明図である。 主弁とパイロット弁の閉鎖時のタンク電磁弁の構成の要部を示す説明図である。 パイロット弁を開放した時のタンク電磁弁の構成の要部を示す説明図である。 主弁を開放した時のタンク電磁弁の構成の要部を示す説明図である。 圧力センサを備えた燃料電池システムの構成の概略を示す説明図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
１３ 制御装置
３０ 高圧水素タンク
３１ ガス供給流路
３３ タンク電磁弁
６０ 主弁
６１ パイロット弁

Claims (3)

1. 燃料ガスタンクの燃料ガスをガス流路を通じて燃料電池に供給する燃料電池システムであって、
   前記燃料ガスタンクの出力部に設けられ、パイロット弁と主弁とを備えた遮断弁と、
   前記パイロット弁を開放してから、予め定められた設定時間が経過した後に主弁を開放するように、遮断弁を制御可能な制御装置と、を有することを特徴とする、燃料電池システム。
2. 前記遮断弁よりも下流側の前記ガス流路内の圧力を検出する圧力センサを有し、
   前記制御装置は、前記圧力センサによる圧力の検出結果に基づいて、前記圧力が所定の閾値よりも低い場合には、前記パイロット弁を開放してから前記設定時間が経過した後に主弁を開放し、前記圧力が所定の閾値よりも高い場合には、前記パイロット弁を開放してから前記設定時間が経過する前に主弁を開放することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記遮断弁の下流側のガス流路には、ガス圧を減圧する減圧弁と、ガス圧を調整して燃料電池側に所定の圧力の燃料ガスを供給する調圧弁が設けられていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。

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