JP2012190605A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料タンクの無効残量を少なくする。
【解決手段】燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１の燃料である水素ガスを貯蔵する水素タンク２と、水素タンク２から燃料電池スタック１に水素ガスを供給する水素供給流路３と、水素供給流路３上に設けられた減圧弁５と、水素供給流路３上であって減圧弁５の下流に配置された中圧デバイス８と、水素供給流路３上であって減圧弁５の下流且つ中圧デバイス８の上流に配置された逆止弁６とを備えた燃料電池システムであって、逆止弁６のクラッキング圧は、中圧デバイス８のシール性確保に必要な下限圧力に関連付けた所定圧力値に設定されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、燃料電池システムに関するものである。

燃料タンクに貯蔵された燃料ガス（例えば水素）を燃料電池に供給して発電を行う燃料電池システムでは、燃料タンク内の燃料ガス量を知ることが重要な場合がある。この手法として、燃料タンク内の圧力を圧力センサで検出し、検出されたタンク圧に基づいて燃料タンク内に残っている燃料ガス質量を算出推定することが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、燃料タンクに貯蔵された高圧の燃料ガスを減圧弁で減圧してから燃料電池に供給する燃料電池システムでは、減圧弁で減圧された圧力（二次圧力）を圧力センサで検出し、検出された二次圧力値に基づいて燃料タンク内の圧力を推定する方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００５−２４０８５４号公報 特開２０１０−１７４９１２号公報

ところで、燃料タンクの燃料を燃料電池に供給する燃料供給流路上には、遮断弁や、減圧弁や、流量調整手段や、加湿器等種々のデバイスが設けられている。これらデバイスには当然のことながら燃料ガスが漏洩しないようなシール構造が施されている。そして、そのシール構造に、燃料ガスの圧力を受けたシール部材がシール面に圧接することでシール面圧を確保するタイプのものを採用しているデバイスも多い。このシール構造を採用したデバイスでは、シール性を確保するために必要な燃料ガスの下限圧力（以下、シール性確保下限圧力という）があり、このシール性確保下限圧力よりも下回る圧力で燃料ガスを該デバイスに供給すると、十分なシール性が得られない虞がある。

そこで、出願人は、これらデバイスよりも上流の燃料供給流路内の圧力を圧力センサで検出し、検出された圧力がシール性確保下限圧力以下である場合に燃料タンクの直ぐ下流にある遮断弁を閉弁し、燃料ガスの供給を停止するシステムを考えている。この場合、遮断弁を閉弁した時点で燃料タンクに残留する燃料ガスは、利用できない燃料ガス（以下、無効燃料という）ということとなる。

ところで、圧力センサで検出される圧力はセンサ誤差を含んでいるため、遮断弁を閉弁する圧力（以下、弁閉弁圧力という）を設定する際には、このセンサ誤差を考慮して設定する必要がある。例えば、デバイスのシール性確保下限圧力が５００ｋＰａであり、圧力センサの誤差が±５００ｋＰａである場合には、閉弁圧力を１０００ｋＰａに設定する必要がある。

しかしながら、このように圧力センサのセンサ誤差が大きいと、無効燃料の量（以下、無効残量という）が多くなるという課題がある。無効残量が多いと、利用可能な燃料ガス量が相対的に少なくなるため、燃料電池システムの稼働時間が短くなり、例えば燃料電池システムが燃料電池車両に搭載されている場合には、航続距離が短くなってしまう

そこで、この発明は、無効残量を少なくすることができる燃料電池システムを提供するものである。

この発明に係る燃料電池システムでは、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項１に係る発明は、燃料電池（例えば、後述する実施例における１）と、前記燃料電池の燃料を貯蔵する燃料タンク（例えば、後述する実施例における水素タンク２）と、前記燃料タンクから前記燃料電池に燃料を供給する燃料供給流路（例えば、後述する実施例における水素供給流路３）と、前記燃料供給流路上に配置された燃料電池用デバイス（例えば、後述する実施例における中圧デバイス８等）と、前記燃料供給流路上であって前記燃料電池用デバイスの上流に配置され、クラッキング圧を前記燃料電池用デバイスのシール性確保に必要な下限圧力に関連付けた所定圧力値に設定されている逆止弁（例えば、後述する実施例における逆止弁６）と、を備えることを特徴とする燃料電池システムである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記燃料供給流路上であって前記逆止弁の下流且つ前記燃料電池用デバイスの上流に、検査流体導入ポート（例えば、後述する実施例における検査ガス導入ポート１１）を備えることを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、燃料タンク内の圧力がシール性確保下限圧力を下回ることを防止することができ、また、燃料タンクの無効残量を少なくすることができる。

請求項２に係る発明によれば、燃料タンクの無効残量を少なくすることができるとともに、逆止弁よりも下流の燃料供給流路に対し流体を導入して行う検査を、検査流体導入ポートから検査流体を導入して行うことができる。また、検査流体の消費量を低減することができる。

この発明に係る燃料電池システムの概略構成図である。

以下、この発明に係る燃料電池システムの実施例を図１の図面を参照して説明する。なお、この実施例における燃料電池システムは、燃料電池車両に搭載されて駆動源としてのモータ等に電力を供給する態様である。
図１は燃料電池システムの概略構成を示した図であり、図中符号１は、燃料としての水素と酸化剤としての酸素が供給されて発電をする燃料電池スタック（燃料電池）を示している。燃料電池スタック１は、例えば固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）であり、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体）をセパレータ（図示しない）で挟持してなる単セルが複数積層されて構成されている。

燃料電池スタック１には、高圧の水素を貯蔵する水素タンク２から水素供給流路３を介して所定圧力および所定流量の水素が供給されるとともに、図示しない空気供給装置を介して酸素を含む空気が所定圧力および所定流量で供給される。
水素タンク２は、長手方向の両端が略半球状の筒状をなし、その長手方向の一端の開口部２ａに主止弁４が取り付けられており、開口２ａは主止弁４によって塞がれている。主止弁４は水素タンク２の内部と水素供給流路３とを連通・遮断する弁である。

水素供給流路３には、その上流側から、減圧弁５、逆止弁６、リリーフ弁７、中圧デバイス８が設けられており、逆止弁６は減圧弁５の直ぐ下流に配置されている。水素タンク２から放出される高圧（例えば、３５ＭＰａあるいは７０ＭＰａ等）の水素は、減圧弁５によって所定の圧力（例えば、１ＭＰａ以下）に減圧されて中圧デバイス８に供給される。ここで、中圧デバイス８とは、減圧弁５と燃料電池スタック１との間に配置されるデバイスの総称であり、エゼクタ、インジェクタ、加湿器などが含まれる。エゼクタは、燃料電池スタック１から排出される水素オフガスを循環利用するために水素オフガスを再び水素供給流路３に戻すデバイスであり、インジェクタは燃料電池スタック１に供給する水素流量を調整するデバイスであり、加湿器は燃料電池スタック１に供給される水素を加湿するデバイスである。中圧デバイス８としていずれのデバイスが組み込まれるかは燃料電池システムの全体構成により決定される。この実施例において、中圧デバイス８は燃料電池用デバイスを構成する。
なお、中圧デバイス８に対して、減圧弁５よりも上流の水素供給流路３に配置されたデバイスを総称して高圧デバイスと言う。以下、減圧弁５よりも上流側の水素供給流路３を高圧ライン３ａ、減圧弁５よりも下流側の水素供給流路３を中圧ライン３ｂと称す。

水素供給流路３には、減圧弁５よりも上流側に高圧ライン３ａ内のガス圧力を検出する圧力センサ９が設けられ、減圧弁５とリリーフ弁６との間に中圧ライン３ｂ内のガス圧力を検出する圧力センサ１０が設けられている。また、リリーフ弁６と中圧デバイス８との間に検査ガス導入ポート１１が設けられている。検査ガス導入ポート１１はキャップ（図示略）で塞がれており、後述する検査を行うときにのみ前記キャップが取り外される。

逆止弁６は、弁体がスプリングによって閉弁方向に付勢された一般的な構成のものであり、減圧弁５から中圧デバイス８に向かう方向への水素ガスの流通を許可し、その逆の方向への水素ガスの流通を阻止する。
この実施例の燃料電池システムにおいては、逆止弁６が、水素タンク２内のガス圧力が中圧デバイス８のシール性確保下限圧力を下回るのを防止する遮断弁として機能するように、逆止弁６のクラッキング圧が設定されている。

以下、逆止弁６のクラッキング圧の設定方法について詳述する。中圧デバイス８には、シール性確保下限圧力を有するものがあり、この種のデバイスでは、前述したようにシール性確保下限圧力よりも下回る圧力で水素ガスが供給されると十分なシール性が得られない虞があるので、水素供給流路３内のガス圧力がシール性確保下限圧力に達したときには水素タンク２からの水素ガスの供給を停止する必要がある。

特に、同じ水素供給流路３であっても途中の流路抵抗の影響で下流側に行くほどガス圧力が低下すると考えられるので、中圧デバイス８のシール性を確保するためには、中圧ライン３ｂ内のガス圧力がシール性確保下限圧力に達したときに、確実に水素ガスの供給を停止する必要がある。

一方、逆止弁６のクラッキング圧は弁体を閉弁方向に付勢するスプリング荷重によって決まるものであるが、スプリング荷重には５０ｋＰａ程度の個体バラツキ（誤差）がある。

そこで、スプリング荷重の個体バラツキを見込んで逆止弁６のクラッキング圧を設定したときのクラッキング圧の下限値が、シール性確保下限圧力となるようにすれば、減圧弁５よりも下流側の中圧ライン３ｂ内のガス圧力がシール性確保下限圧力あるいはその近くまで下がってきたときに、逆止弁６を確実に閉じることができる。
例えば、中圧デバイス８のシール性確保下限圧力が５００ｋＰａであり、逆止弁６のスプリング荷重のバラツキが±５０ｋＰａである場合には、逆止弁６のクラッキング圧を、シール性確保下限圧力５００ｋＰａにスプリング荷重のバラツキ５０ｋＰａを加算した圧力値５５０ｋＰａに設定する。このようにすると、スプリング荷重のバラツキがマイナス５０ｋＰａである逆止弁６の真のクラッキング圧は５００ｋＰａとなり、スプリング荷重のバラツキがプラス５０ｋＰａである逆止弁６の真のクラッキング圧は６００ｋＰａとなり、この圧力範囲内にて逆止弁６を閉じることができる。この場合において、クラッキング圧の設定値である５５０ｋＰａは、中圧デバイス８（燃料電池用デバイス）のシール性確保下限圧力に関連付けた所定圧力値と言うことができる。

つまり、このようにクラッキング圧を設定した逆止弁６を用いると、中圧ライン３ｂ内のガス圧力がシール性確保下限圧力の５００ｋＰａないし６００ｋＰａまで下がってきたときに、逆止弁６を確実に閉じることができるので、水素タンク２のタンク圧力をシール性確保下限圧力より低下するのを阻止することができる。その結果、中圧デバイス８のシール性を確保することができる。

ここで、比較例として、逆止弁６を備えない従来の燃料電池システムにおいて、圧力センサ１０により検出される中圧ライン３ｂ内の圧力に基づいて主止弁４あるいは図示しない遮断弁を閉じることで、水素タンク２内の圧力をシール性確保下限圧力を下回らないようにする場合を考える。中圧デバイス８のシール性確保下限圧力を前記と同じ５００ｋＰａとし、中圧ライン３ｂ内の圧力を検出する圧力センサ１０の検出圧力レンジを５ＭＰａとした場合、圧力センサ１０のセンサ誤差は±２００ｋＰａ程度あるので、主止弁４等を閉弁させるときの圧力を、シール性確保下限圧力にセンサ誤差を加算した圧力、すなわち７００ｋＰａに設定しなければならない。そして、そのように設定した場合、圧力センサ１０のセンサ誤差がマイナス２００ｋＰａであるときには、中圧ライン３ｂ内のガス圧力が５００ｋＰａに下がってきたときに主止弁４等を閉弁するが、圧力センサ１０のセンサ誤差がプラス２００ｋＰａのときには、中圧ライン３ｂ内のガス圧力が９００ｋＰａに下がってきたときに主止弁４等を閉弁することとなる。

このように、逆止弁６のスプリング荷重のバラツキは、圧力センサ１０のセンサ誤差に比べて非常に小さいので、前述のようにクラッキング圧を設定した逆止弁６を用いた実施例の燃料電池システムの方が従来の燃料電池システムに比べて、シール性確保下限圧力との圧力差が小さい圧力範囲で水素ガスの供給停止を実行することができる。
その結果、実施例の燃料電池システムによれば、従来よりも、水素タンク２の無効残量を少なくすることができ、利用可能な燃料ガス量が多くなるので、燃料電池システムの稼働時間が長くなり、燃料電池車両の航続距離が長くなる。
また、この実施例では減圧弁５の下流に逆止弁６を配置しているので、逆止弁６を低圧仕様とすることができ、逆止弁６を小型・軽量にすることができ、コストダウンを図ることができる。

また、この実施例の燃料電池システムでは、減圧弁５の直ぐ下流に逆止弁６が設けられ、逆止弁６の下流に導入ポート１１が設けられているので、この導入ポート１１から検査用ガスを導入すると、検査用ガスは逆止弁６より高圧ライン３ａへの流通を阻止され、中圧ライン３ｂだけに検査用ガスを導入することができる。
これまで、本発明を導入しないこれまでの技術では、検査時に主止弁に設けられた手動バルブを操作して、高圧の充填口から水素タンク２の内部を通さずに検査ガスを導入するようにしていたが、本発明によれば、水素タンク２や高圧ライン３ａとの連通を遮断する操作なしに、中圧ライン３ｂを高圧ライン３ａから切り離して、中圧ライン３ｂに設置されたリリーフ弁７や中圧デバイス８の作動検査や中圧ライン３ｂのリークテスト等を行うことができる。これにより、検査用ガスの消費量を低減することができるとともに、中圧ライン３ｂ上の検査を煩雑な操作を伴うことなく容易に行うことができる。

〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、燃料電池システムは車両用に限るものではなく、定置用であってもよい。

１ 燃料電池スタック（燃料電池）
２ 水素タンク（タンク）
３ 水素供給流路（燃料供給流路）
５ 減圧弁
６ 逆止弁
８ 中圧デバイス（燃料電池用デバイス）
１１ 検査ガス導入ポート（検査流体導入ポート）

Claims (2)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池の燃料を貯蔵する燃料タンクと、
   前記燃料タンクから前記燃料電池に燃料を供給する燃料供給流路と、
   前記燃料供給流路上に配置された燃料電池用デバイスと、
   前記燃料供給流路上であって前記燃料電池用デバイスの上流に配置され、クラッキング圧を前記燃料電池用デバイスのシール性確保に必要な下限圧力に関連付けた所定圧力値に設定されている逆止弁と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料供給流路上であって前記逆止弁の下流且つ前記燃料電池用デバイスの上流に、検査流体導入ポートを備え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。

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