JP2017117542A - 燃料電池車両のガス供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】調圧弁での異音によるユーザーへの影響を抑制できるガス供給システムを提供する。【解決手段】燃料電池車両に設けられるガス供給システム５は、車両外から燃料ガスを受け入れる充填口５３から車両内の水素タンク５０に燃料ガスを充填する水素充填流路５２と、水素タンク５０内に充填された燃料ガスを燃料電池２に供給する水素供給流路４１とが並列接続されている。水素供給流路４１の水素タンク５０と燃料電池２との間には、インジェクタ７０と調圧弁６０とが設けられている。制御部６は、車両のイグニッションがＯＦＦの状態で充填口５３から燃料ガスが充填された後、ＯＦＦの状態が所定時間維持された場合にはインジェクタ７０を作動させ、イグニッションがＯＦＦからＯＮになっても前記所定時間が経過する前に燃料電池２が起動されない場合には、燃料電池２の起動前にインジェクタ７０を作動させる。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池車両のガス供給システムに関する。

反応ガスである燃料ガスと酸化ガスの供給を受け、これら反応ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池を備えた燃料電池車両においては、ガス供給システムとして、車両外から燃料ガスを受け入れる充填口から車両内の燃料タンクに燃料ガスを充填する充填ラインと、燃料タンク内に充填された燃料ガスを燃料電池に供給する供給ラインとが並列接続されたものを備えたものがある。燃料タンクと燃料電池とを接続している供給ラインには、燃料タンクからの高圧燃料ガスを所定圧に調圧する調圧弁と、その下流に配置されて燃料電池への燃料ガス供給量を調整するインジェクタとが設けられている（例えば、特許文献１，２参照）。

特開２００９−１６８１６５号公報 特開２００９−１６８１６６号公報

上記のようなガス供給システムでは、車両外から燃料タンクに燃料ガスを充填させるべく、高圧流路の充填口から燃料ガスを充填すると、充填ラインと供給ラインとが並列に配置されているため、充填口から導入された高圧燃料ガスが調圧弁にも供給され、調圧弁に高い圧力が作用する。調圧弁では、樹脂製のシート部材の弁座部に弁体が押し付けられ、これにより、弁座部が加圧されて徐々に弾性変形する。すると、燃料電池へ燃料ガスを供給する際の調圧弁の作動時に、弁座部の形状が元に戻るまで、調圧弁内での燃料ガスの流れが不安定になるので、異音が発生し、ユーザーに違和感を持たせるおそれが生じる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、調圧弁での異音によるユーザーへの影響を抑制できるガス供給システムを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明のガス供給システムは、
燃料ガスと酸化ガスを燃料電池に供給して発電する燃料電池システムを備えた燃料電池車両に設けられる、前記燃料ガスを前記燃料電池へ供給するガス供給システムであって、
前記ガス供給システムは、前記燃料電池車両外から燃料ガスを受け入れる充填口から前記燃料電池車両内の燃料タンクに燃料ガスを充填するガス充填流路と、前記燃料タンク内に充填された燃料ガスを前記燃料電池に供給するガス供給流路とが並列接続された構成とされ、
前記ガス供給流路における前記燃料タンクよりも前記燃料電池側に設けられ、開閉駆動することで前記燃料タンク内の燃料ガスを前記燃料電池へ供給するインジェクタと、
前記ガス供給流路における前記燃料タンクと前記インジェクタとの間に設けられた調圧弁と、
前記インジェクタを制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記燃料電池車両のイグニッションがＯＦＦの状態で前記充填口から燃料ガスが充填された後、前記ＯＦＦの状態が所定時間維持された場合には、前記インジェクタを作動させ、
前記イグニッションがＯＦＦからＯＮになった後に、前記燃料電池が起動されない場合には、前記所定時間が経過する前に前記インジェクタを作動させる。

この構成によれば、燃料ガスの充填後、燃料電池車両のイグニッションがＯＦＦの状態が所定時間維持された場合には、インジェクタを作動させる。
ここで、燃料タンクへ燃料ガスを充填させるべく、充填口から燃料ガスを充填することで、ガス供給流路における充填口と調圧弁との間が高圧となると、調圧弁に高い圧力が作用する。すると、調圧弁では、弁座部に弁体が押し付けられ、弁座部が加圧されて徐々に弾性変形する。したがって、燃料ガスの充填後、燃料電池車両のイグニッションがＯＦＦの状態が所定時間維持された場合では、その後にインジェクタを作動させて燃料タンクの燃料ガスを燃料電池へ供給する際の調圧弁の作動時に、弁座部の形状が元に戻るまで、調圧弁内での燃料ガスの流れが不安定になり、異音が発生するおそれが生じる。
しかしながら、上記構成によれば、制御部が予めインジェクタを作動させておくので、弁座部の形状を基に戻すことが可能になり、燃料電池起動後のユーザーへの異音による違和感を与えないようにすることができる。

一方、調圧弁で異音が発生するおそれが生じるまでの時間である所定時間の経過前は、インジェクタが作動されて調圧弁に燃料ガスが流されても、異音は発生しない。しかしながら、このような場合であっても、イグニッションがＯＮになった際に、燃料ガスの供給が不要な、例えば、燃料電池でなくバッテリで駆動モータを駆動する運転モード（ＥＶモード）などとなると、インジェクタが作動されず、その後に、調圧弁に高い圧力が付与された状態が所定時間経過することがある。このような場合でも、上記構成によれば、制御部は、イグニッションがＯＮになった後、所定時間経過前にインジェクタを作動させておくので、弁座部の形状を基に戻すことが可能になり、燃料電池起動後のユーザーへの異音による違和感を与えないようにすることができる。

本発明のガス供給システムによれば、調圧弁での異音によるユーザーへの影響を抑制できる。

実施形態に係るガス供給システムを備えた燃料電池システムを模式的に示す構成図である。 本実施形態に係るガス供給システムを説明する概略構成図である。 ガス供給システムに設けられた調圧弁の断面図である。 調圧弁の弁座部及び弁体を説明する図であって、（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ調圧弁の一部の概略断面図である。 本実施形態に係るインジェクタの制御例を示すフローチャートである。

以下、本実施形態に係るガス供給システムについて、図面を参照して説明する。
図１は、実施形態に係るガス供給システムを備えた燃料電池システムを模式的に示す構成図である。図２は、本実施形態に係るガス供給システムを説明する概略構成図である。

図１に示すように、本実施形態に係るガス供給システムは、燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして用いられる燃料電池システム１に適用されている。

燃料電池システム１は、反応ガスである酸化ガスおよび燃料ガス（高圧ガス）の供給を受けて電気化学反応により電力を発生する燃料電池２と、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素を燃料電池２に供給する水素ガス配管系４と、システム全体を統括制御する制御部６とを有する。

燃料電池２は、例えば、高分子電解質型の燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造となっている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面にカソード極（空気極）を有し、他方の面にアノード極（燃料極）を有し、さらにカソード極およびアノード極を両側から挟み込むように一対のセパレータを有する構造となっている。この場合、一方のセパレータの水素ガス流路に水素ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、これらの反応ガスが化学反応することで電力が発生する。

酸化ガス配管系３は、大気中の酸化ガスを取り込んで圧縮してから送出するコンプレッサ３１と、酸化ガスを燃料電池２に供給するための空気供給流路３２と、燃料電池２から排出された酸化オフガスを排出するための空気排出流路３３とを有する。空気供給流路３２および空気排出流路３３には、コンプレッサ３１から圧送された酸化ガスを燃料電池２から排出された酸化オフガスを用いて加湿する加湿器３４が設けられている。この加湿器３４で水分交換等された酸化オフガスは、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。

水素ガス配管系４は、燃料供給源としての水素タンク（燃料タンク）５０と、水素タンク５０に貯留（充填）された高圧の水素ガスからなる燃料ガスを燃料電池２に供給するための水素供給流路（ガス供給流路）４１と、燃料電池車両外（例えば、水素テーション）から燃料ガスを受け入れるための充填口５３と、充填口５３から水素タンク５０に燃料ガスを充填する水素充填流路（ガス充填流路）５２と、燃料電池２から排出された水素オフガスを水素供給流路４１に戻すための水素循環流路４２とを有する。

水素循環流路４２には、水素循環流路４２内の水素オフガスを加圧して水素供給流路４１側へ送り出す水素ポンプ４４が設けられている。また、水素循環流路４２には、気液分離器４５および排気排水弁４６を介して排出流路４７が接続されている。気液分離器４５は、水素オフガスから水分を回収する。排気排水弁４６は、制御部６からの指令に従って、気液分離器４５で回収された水分と水素循環流路４２内の不純物を含む水素オフガスとを排出（パージ）する。排気排水弁４６から排出された水素オフガスは、希釈器４８によって希釈されて空気排出流路３３内の酸化オフガスと合流する。

制御部６は、燃料電池車両に設けられた加速操作部材（アクセル等）の操作量を検出し、加速要求値（例えば、トラクションモータ等の電力消費装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、電力消費装置には、トラクションモータの他に、例えば、燃料電池２を作動させるために必要な補機装置（例えばコンプレッサ３１や水素ポンプ４４モータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等が含まれる。

ここで、制御部６は、物理的には、例えば、ＣＰＵと、ＣＰＵで処理される制御プログラムや制御データを記憶するＲＯＭと、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ＲＡＭと、入出力インターフェースとを有する。これらの要素は、互いにバスを介して接続されている。入出力インターフェースには、圧力センサＰや温度センサＴ等の各種センサが接続されているとともに、コンプレッサ３１、水素ポンプ４４、排気排水弁４６、高圧バルブ５１およびインジェクタ７０等を駆動させるための各種ドライバが接続されている。

ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従って、入出力インターフェースを介して各種センサでの検出結果を受信し、ＲＡＭ内の各種データ等を用いて処理することで、燃料電池システム１における燃料ガス供給処理等の各種処理を制御する。また、ＣＰＵは、入出力インターフェースを介して各種ドライバに制御信号を出力することにより、燃料電池システム１全体を制御する。

ガス供給システム５は、水素タンク５０と、水素タンク５０を水素供給流路４１に接続する高圧バルブ５１と、水素充填流路５２の端部に設けられた充填口５３と、水素供給流路４１の水素タンク５０よりも下流側に設けられた調圧弁６０と、水素供給流路４１の調圧弁６０よりも下流側に設けられたインジェクタ７０とを有し、水素充填流路５２が水素供給流路４１に並列に接続された構成とされている。

図２に示すように、高圧バルブ５１は、逆止弁８１を有する流入路８２と、電磁弁８３を有する流出路８４とを備えている。これらの流入路８２及び流出路８４は、水素タンク５０から延びるタンク配管８５に接続されている。タンク配管８５には、マニュアル弁８６が設けられ、このマニュアル弁８６によって流路が開閉される。高圧バルブ５１は、流入路８２及び流出路８４が水素供給流路４１に接続される。

また、ガス供給システム５は、充填口５３に、充填センサ５４を有しており、この充填センサ５４は、通信ＥＣＵ５５に接続されている。充填センサ５４は、充填口５３における燃料ガスの充填の有無を検知するセンサであり、この充填センサ５４の検知信号は、通信ＥＣＵ５５から車載ネットワークを介して燃料電池システム１を制御する制御部６に送信される。

また、水素タンク５０は、内部の温度を検知する温度センサＴを有し、調圧弁６０は、上流側の圧力を検知する圧力センサＰを有している。これらの温度センサＴ及び圧力センサＰの検知信号は、それぞれ制御部６に送信される。

ガス供給システム５において、充填口５３から水素供給流路４１へ流入された燃料ガスは、高圧バルブ５１の流入路８２を介して水素タンク５０に送り込まれる。また、水素タンク５０内の水素ガスは、高圧バルブ５１の流出路８４を介して水素供給流路４１へ送り出され、調圧弁６０で調圧され、インジェクタ７０を通して燃料電池２へ供給される。調圧弁６０は、水素タンク５０側の一次圧の燃料ガスを、予め設定した二次圧に調圧する。

図３は、ガス供給システムに設けられた調圧弁の断面図である。図４は、調圧弁の弁座部及び弁体を説明する図であって、（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ調圧弁の一部の概略断面図である。

図３に示すように、調圧弁６０は、シリンダ室Ｓを有するボディ６１と、このボディ６１のシリンダ室Ｓ内に摺動可能に設けられたピストン部材６２と、ピストン部材６２を付勢するスプリング６３とを有している。ピストン部材６２には、スプリング６３と反対側にピストンピン６４が設けられており、このピストンピン６４は、ボディ６１に形成された流入路６５に挿通されている。また、ボディ６１には、流出路６６が形成されており、ピストン部材６２で区画されたシリンダ室Ｓのスプリング６３と反対側に連通されている。

図４（ａ）に示すように、ボディ６１には、挿通孔９１を有するシート部材９２が設けられており、このシート部材９２の挿通孔９１にピストンピン６４が通されている。挿通孔９１には、シリンダ室Ｓ側へ向かって次第に縮径されるテーパ面９３が形成されており、このテーパ面９３のシリンダ室Ｓ側の端部に形成された角部が弁座部９４とされている。ピストンピン６４には、ポペット弁体６７が設けられている。ポペット弁体６７には、テーパ形状のシール面６８が形成されており、このシール面６８がシート部材９２の弁座部９４と近接離間される。

上記のガス供給システム５では、インジェクタ７０が制御部６によって開閉駆動され、このインジェクタ７０が開かれることで、水素タンク５０の燃料ガスが調圧弁６０で調圧されて燃料電池２へ供給される。このとき、調圧弁６０では、流入路６５に送り込まれる燃料ガスが、ポペット弁体６７の外周側の流路を通り、さらに、ポペット弁体６７のシール面６８とシート部材９２の弁座部９４との間を通り、シリンダ室Ｓから流出路６６へ送り出される。

高圧の燃料ガスが、流入路６５に送り込まれることで、ポペット弁体６７が押し込まれて変位すると、ポペット弁体６７のシール面６８がシート部材９２の弁座部９４に近づき、ポペット弁体６７のシール面６８とシート部材９２の弁座部９４との間での流路面積が小さくなって圧損が生じる。すると、下流側の流体圧力が上流側に比して低下する。このように、調圧弁６０は、流入路６５から送り込まれる上流側の流体圧力を所定の圧力に調圧及び安定化させて下流側の流出口６６から送り出す。

このように、調圧弁６０は、送り込まれる燃料ガスによってポペット弁体６７が変位し、このポペット弁体６７のシール面６８が弁座部９４に近接離間することで、流路内を流れる燃料ガスの圧力を調整する。

このガス供給システム５では、水素タンク５０に燃料ガスを送り込む際に、充填口５３から燃料ガスを充填する。すると、この燃料ガスは、水素充填流路５２を流通して水素供給流路４１へ流入され、高圧バルブ５１の流入路８２から水素タンク５０に送り込まれる。このとき、調圧弁６０では、高圧の燃料ガスの圧力によってピストン部材６２がスプリング６３の付勢力に抗して押し込まれる。これにより、ピストン部材６２のポペット弁体６７が変位し、シール面６８がシート部材９２の弁座部９４に密着され、流路が遮断される。したがって、水素供給流路４１における充填口５３と調圧弁６０との間は、水素タンク５０へ燃料ガスを充填する際に高圧となる。

ところで、水素タンク５０へ燃料ガスを充填させるべく、充填口５３から燃料ガスを充填することで、水素供給流路４１における充填口５３と調圧弁６０との間が高圧となると、調圧弁６０に高い圧力が作用する。

これにより、図４（ｂ）に示すように、調圧弁６０では、樹脂から形成されたシート部材９２の弁座部９４にポペット弁体６７のシール面６８が押し付けられ、シール面６８によってシート部材９２の弁座部９４が加圧されて徐々に弾性変形する。これにより、ピストン部材６２は、通常のシール位置よりもスプリング６３を圧縮する方向へ僅かに変位する（図４（ｂ）中寸法Ａ参照）。すると、燃料ガスの充填後に、インジェクタ７０を作動させて水素タンク５０の燃料ガスを燃料電池２へ供給する際の調圧弁６０の作動時に、シート部材９２の弁座部９４の形状が元に戻るまで、調圧弁６０内での燃料ガスの流れが不安定になり、異音が発生するおそれがある。

本実施形態では、制御部６が、水素タンク５０への充填時における制御を次のように行う。

イグニッションがＯＦＦにされて燃料電池システム１による発電が停止した状態で、調圧弁６０の圧力センサＰ及び水素タンク５０の温度センサＴからの検出信号に基づいて、水素タンク５０への燃料ガスの充填の有無を判定する。

上記充填有無判定によって水素タンク５０への燃料ガス充填が行われたと判定した場合、制御部６は、その後、図５に示す以下の制御を行う。

（１）燃料ガスの充填後、イグニッションのＯＦＦにより燃料電池システム１の発電停止状態が所定時間維持された場合（ステップＳ１の判定結果が「Ｙｅｓ」の場合）、車両内及び車両周辺にユーザーがいないことを検知した場合（ステップＳ３の判定結果が「Ｙｅｓ」の場合）、インジェクタ７０を作動させる（ステップＳ５）。なお、制御部６は、例えば、イグニッションのキーセンサ等でユーザーが車両内または車両周辺にいないことを確認する。一方、車両内及び車両周辺にユーザーがいることを検知した場合（ステップＳ３の判定結果が「Ｎｏ」の場合）には、警告を出した後に、インジェクタ７０を作動させる（ステップＳ７，ステップＳ５）。これにより、イグニッションがＯＦＦの状態にもかかわらずインジェクタ７０が作動することによってユーザーが感じる違和感を抑制できる。なお、ユーザーの検知は必須ではない。

ここで、上記の所定時間とは、燃料ガスの充填時の高い圧力が調圧弁６０に付加され、その後に調圧弁６０を燃料ガスが流れた際に、弾性変形したシート部材９２の弁座部９４とポペット弁体６７のシール面６８とを通る燃料ガスの流れが不安定となって異音が発生するおそれが生じることのない時間である。

したがって、燃料ガスの充填後、燃料電池システム１の発電停止状態が所定時間維持された場合では、その後にインジェクタ７０が作動して調圧弁６０を燃料ガスが流れることで、異音が発生するおそれが生じる。しかし、このような場合でも、制御部６がインジェクタ７０を作動させるので、弁座部９４の形状を基に戻すことが可能になり、ユーザーへの異音による違和感を与えないようにすることができる。

（２）燃料ガスの充填後、所定時間経過前にイグニッションがＯＮにされた場合（ステップＳ１１の判定結果が「Ｙｅｓ」の場合）、燃料電池２の始動判定を行い（ステップＳ１３）、燃料電池２を始動させない場合（ステップＳ１３の判定結果が「Ｎｏ」の場合）、言い換えると、燃料電池２ではなくバッテリ（図示略）で駆動モータ（図示略）を駆動させるＥＶモードに移行する場合は、所定時間経過前に、インジェクタ７０を作動させる必要はないが意図的に作動させる（ステップＳ１５）。その後、バッテリで走行するＥＶモードに移行する（ステップＳ１７）。一方、燃料電池２を始動させる場合（ステップＳ１３の判定結果が「Ｙｅｓ」の場合）は、通常の制御に従いインジェクタ７０は作動する。

なお、本実施形態の車両では、燃料電池２で駆動モータを駆動させて走行するＦＣモード、燃料電池２ではなくバッテリで駆動モータを駆動させて走行するＥＶモード、及び燃料電池２及びバッテリの双方で駆動モータを駆動させるモードを備えているものとする。

この制御では、調圧弁６０で異音が発生するおそれが生じるまでの時間である所定時間の経過前であることから、インジェクタ７０が作動されて調圧弁６０に燃料ガスが流されても、異音の発生は生じない。しかしながら、この場合であっても、イグニッションがＯＮになった際に、燃料電池２への燃料ガスの供給が不要な、例えば、燃料電池２ではなくバッテリ（図示略）で駆動モータ（図示略）を駆動するＥＶモードで走行するモードとなると、インジェクタ７０が作動されず、その後に、調圧弁６０に高い圧力が付与された状態が所定時間経過することがある。このような場合でも、制御部６は、イグニッションがＯＮになった後、所定時間経過前にインジェクタ７０を作動させておくので、弁座部９４の形状を基に戻すことが可能になり、ユーザーへの異音による違和感を与えないようにすることができる。

このように、本実施形態によれば、水素タンク５０への燃料ガスの充填後において、調圧弁６０での異音によるユーザーへの影響を抑制できる。

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
５ ガス供給システム
６ 制御部
４１ 水素供給流路（ガス供給流路）
５２ 水素充填流路（ガス充填流路）
５０ 水素タンク（燃料タンク）
５３ 充填口
７０ インジェクタ
６０ 調圧弁

Claims (1)

1. 燃料ガスと酸化ガスを燃料電池に供給して発電する燃料電池システムを備えた燃料電池車両に設けられる、前記燃料ガスを前記燃料電池へ供給するガス供給システムであって、
   前記ガス供給システムは、前記燃料電池車両外から燃料ガスを受け入れる充填口から前記燃料電池車両内の燃料タンクに燃料ガスを充填するガス充填流路と、前記燃料タンク内に充填された燃料ガスを前記燃料電池に供給するガス供給流路とが並列接続された構成とされ、
   前記ガス供給流路における前記燃料タンクよりも前記燃料電池側に設けられ、開閉駆動することで前記燃料タンク内の燃料ガスを前記燃料電池へ供給するインジェクタと、
   前記ガス供給流路における前記燃料タンクと前記インジェクタとの間に設けられた調圧弁と、
   前記インジェクタを制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記燃料電池車両のイグニッションがＯＦＦの状態で前記充填口から燃料ガスが充填された後、前記ＯＦＦの状態が所定時間維持された場合には、前記インジェクタを作動させ、
   前記イグニッションがＯＦＦからＯＮになった後に、前記燃料電池が起動されない場合には、前記所定時間が経過する前に前記インジェクタを作動させるガス供給システム。

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