JP2018129227A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料ガスの充填の判定を精度良く行うことが可能な燃料電池システムを提案する。【解決手段】燃料タンク２００と、燃料タンクから燃料電池１１０へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給管２４０と、燃料ガス供給管を通じて燃料タンクから燃料電池への燃料ガスの供給を選択的に遮断する主止弁２４５と、充填口２１５から供給される燃料ガスを燃料タンクに導く燃料ガス充填管２１０と、燃料ガス充填管の圧力を検出する圧力センサ２６０と、圧力センサの検出結果に基づいて、燃料ガス充填管の圧力が継続的に増大している場合に、燃料タンクへの燃料ガスの充填中であると判定する制御装置１２０と、を備える。制御装置は、燃料電池システム１０の始動後、閉弁された主止弁を開弁する前の燃料ガス充填管の圧力を基準圧力として取得し、燃料ガス充填管の圧力が基準圧力を超えない場合は、燃料タンクへの燃料ガスの充填中であると判定しない。【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システムに関する。

燃料電池は、複数の単セルを直列に積層してなるスタック構造を有しており、各単セルは、電解質膜の一方の面にアノード極を配置し、他方の面にカソード極を配置してなる膜−電極接合体を有する。膜−電極接合体に燃料ガス及び酸化ガスを供給することで電気化学反応が生じ、化学エネルギーが電気エネルギーに変換される。なかでも、固体高分子膜を電解質として用いる固体高分子電解質型燃料電池は、低コストでコンパクト化が容易であり、しかも高い出力密度を有することから、車載電力源としての用途が期待されている。燃料電池を車載電源として搭載する燃料電池車両の普及には、燃料ガスとして用いられる水素ガスを高圧に圧縮して燃料電池車両に充填するための設備が必要であり、このような設備は水素ステーションと呼ばれている。特開２０１６−２０８７２６号公報は、水素ステーションから燃料電池車両の燃料タンクに燃料ガスを充填する燃料電池システムについて言及している。この燃料電池システムは、燃料電池車両の充填口と燃料タンクとを接続する燃料ガス充填管を有しており、燃料ガス充填管の圧力が継時的に増大しているときに、水素ステーションから燃料電池車両の燃料タンクに燃料ガスが充填されているものと判定する。説明の便宜上、本明細書では、このような判定を充填判定と呼ぶ。

特開２０１６−２０８７２６号公報

しかし、特開２０１６−２０８７２６号公報に記載の燃料電池システムでは、燃料ガス供給管を通じて燃料タンクから燃料電池への燃料ガスの供給を選択的に遮断する主止弁が開弁すると、燃料ガス充填管内の残留ガスがその下流に流出し、燃料ガス充填管の圧力が瞬時に低下する。水素ステーションから供給される水素は冷却されているため、燃料ガスの充填を通じて燃料ガス充填管の温度は一旦低下するものの、その後、外気との間で温度平衡になるまで燃料ガス充填管の温度は上昇する。このとき、燃料ガス充填管の温度上昇とともに、燃料ガス充填管の圧力が増加する。このため、この圧力増加を燃料ガスの充填によるものとして充填判定を行ってしまうおそれがある。

そこで、本発明は、上述の不都合を解消し、燃料ガスの充填の判定を精度良く行うことが可能な燃料電池システムを提案することを課題とする。

上述の課題を解決するため、本発明に関わる燃料電池システムは、
燃料ガスを貯蔵する燃料タンクと、
前記燃料タンクから燃料電池へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給管と、
前記燃料ガス供給管を通じて前記燃料タンクから前記燃料電池への燃料ガスの供給を選択的に遮断する主止弁と、
充填口から供給される燃料ガスを前記燃料タンクに導く燃料ガス充填管と、
前記燃料ガス充填管の圧力を検出する圧力センサと、
前記圧力センサの検出結果に基づいて、前記燃料ガス充填管の圧力が継続的に増大している場合に、前記燃料タンクへの燃料ガスの充填中であると判定する制御装置と、
を備えた燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記燃料電池システムの始動後、閉弁された前記主止弁を開弁する前の前記燃料ガス充填管の圧力を基準圧力として取得し、前記燃料ガス充填管の圧力が前記基準圧力を超えない場合は、前記燃料タンクへの燃料ガスの充填中であると判定しない。

この構成の燃料電池システムによれば、主止弁を開弁する前の圧力以下である状態を充填判定に用いないので、主止弁の開弁により燃料ガス充填管の圧力が急激に低下し、その後外気温等で温度上昇して燃料ガス充填管の圧力が上昇している状況を、充填中であると誤判定してしまうことを抑制できる。

本発明に関わる燃料電池システムによれば、燃料ガスの充填の判定を精度良く行うことができる。

本実施形態に係る燃料電池システムの構成の概略を示す説明図である。 充填圧力の変動を示すタイミングチャートである。 本実施形態に係る充填判定の流れを示すフローチャートである。

以下、図１乃至図３を参照しながら本発明の実施形態について説明する。ここで、同一符号は同一の要素を示すものとし、重複する説明は省略する。
図１は本実施形態に係る燃料電池システム１００の構成の概略を示す説明図である。燃料電池システム１００は、燃料電池車両１０の車載電源として機能するものであり、主に、燃料ガス及び酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池１１０と、燃料ガスを貯蔵する複数の燃料タンク２００と、各燃料タンク２００から燃料電池１１０へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給管２４０と、燃料ガス供給管２４０を通じて燃料タンク２００から燃料電池１１０への燃料ガスの供給を選択的に遮断する主止弁２４５と、水素ステーション５０から供給される燃料ガスとしての水素ガスを各燃料タンク２００に導く燃料ガス充填管２１０と、燃料電池システム１００の各部を制御する制御装置１２０と、を備えている。ここでは、説明の便宜上、燃料電池１１０に燃料ガスを供給する燃料ガス供給系を中心に説明するものとし、燃料電池１１０に酸化ガスを供給する酸化ガス供給系、燃料電池１１０を冷却する冷却系、燃料電池１１０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）を制御する電力系などの構成は公知の構成と同じであるため、それらの図示及び説明を省略する。

燃料電池車両１０は、リッドボックス３００を備える。リッドボックス３００は、リッド３１０と、ヒンジ３１５と、リッドオープナー３２０と、リッド開ボタン３２５とを備える。リッド３１０は、リッドボックス３００の蓋であり、ヒンジ３１５を介してリッドボックス３００に開閉可能に接続されている。ガス充填者によって、リッド開ボタン３２５が操作されると、リッドオープナー３２０が動作してリッド３１０が開く。リッドボックス３００には、燃料ガスの充填口として機能するレセプタクル２１５が設けられており、リッド３１０が開くと、レセプタクル２１５が露出する。水素ステーション５０は、燃料ガスを貯蔵するガスタンク５００と、ガスタンク５００から流出する燃料ガスをレセプタクル２１５に供給するノズル５２０とを備えており、ノズル５２０がレセプタクル２１５に装着されると、レセプタクル２１５に燃料ガスが供給される。レセプタクル２１５への燃料ガス供給後に、ガス充填者によって、リッド３１０が閉じられると、リッドオープナー３２０は、リッド３１０をロックする。なお、ノズル５２０は、ガス管５０５、バルブ５３０、及びガスホース５１０を通じてガスタンク５００に接続している。

レセプタクル２１５は、ノズル５２０の装着箇所の下流側に逆流防止弁２１８を備えており、燃料ガスの逆流を抑制する。燃料ガス充填管２１０は、レセプタクル２１５と各燃料タンク２００とを接続しており、水素ステーション５０から供給される燃料ガスを各燃料タンク２００に導く。燃料ガス充填管２１０には、燃料ガス充填管２１０内の燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ２６０と、燃料ガスの逆流を抑制する逆止弁２２０が配設されている。圧力センサ２６０が検出する燃料ガス充填管２１０内の燃料ガスの圧力は、制御装置１２０に出力される。

燃料ガス供給管２４０に配設されている主止弁２４５は、制御装置１２０からの制御信号に応答して開閉可能な電磁弁である。例えば、燃料タンク２００に燃料ガスが充填されているときは、主止弁２４５は閉弁する。一方、燃料タンク２００から燃料電池１１０に燃料ガスが供給されるときは、主止弁２４５は開弁する。燃料ガス供給管２４０の主止弁２４５の下流には、燃料タンク２００から燃料電池１１０に供給される燃料ガスの圧力を調圧するレギュレータ２５０と、燃料ガス供給管２４０内の燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ２６５とが配設されている。圧力センサ２６５が検出する燃料ガス供給管２４０内の燃料ガスの圧力は、制御装置１２０に出力される。レギュレータ２５０は、制御装置１２０からの制御信号に応答して弁開度を調整可能な調圧弁である。制御装置１２０は、圧力センサ２６５が検出する燃料ガス供給管２４０内の燃料ガスの圧力に基づいて、レギュレータ２５０の弁開度を調整する。

制御装置１２０は、プロセッサ、メモリ及び入出力インタフェースを備える電子制御ユニットであり、燃料電池１１０に要求される発電電力に応じて、燃料タンク２００から燃料電池１１０への燃料ガス供給量を制御する。

次に、燃料タンク２００に燃料ガスが充填されているか否かを判定する充填判定方法について、図２及び図３を参照しながら説明する。

図２は、充填圧力の変動を示すタイミングチャートであり、符号２０１は、主止弁２４５の開閉状態を示し、符号２０２，２０３は、充填圧力の変動状態を示す。同図において、時刻Ｔ１は、燃料電池システム１００の始動操作が行われる時刻を示す。時刻Ｔ２は、閉弁している主止弁２４５が開弁する時刻を示す。圧力Ｐ１は、主止弁２４５が開弁する前の充填圧力を示している。時刻Ｔ２において、主止弁２４５が開弁すると、燃料ガス充填管２１０内の残留ガスがその下流に流出し、充填圧力が瞬時に低下する。水素ステーション５０から供給される燃料ガスは冷却されているため、燃料ガス充填管２１０の温度は一旦低下するものの、その後、外気との間で温度平衡に達するまで燃料ガス充填管２１０の温度は上昇する。

このとき、燃料ガスが充填されていない場合であっても、燃料ガス充填管２１０の温度上昇とともに充填圧力も増加する（図２中点線で示す符号２０２の変動状態）。しかし、この圧力変動は、温度平衡に達した後に安定化する。

これに対して、主止弁２４５の開弁後に燃料ガスの充填が行われている場合は、充填圧力が安定化することなく増加する（図２中実線で示す符号２０３の変動状態）。この場合、増加する圧力は主止弁２４５が開弁された時点Ｔ２から所定時間経過後の時点Ｔ３において、主止弁２４５の閉弁時の圧力Ｐ１と同じ圧力Ｐ２に達し、その後も上昇する。

したがって、主止弁２４５の開弁後に、燃料ガスが充填されていない場合に変動する圧力が超えない圧力を充填判定の基準圧力に設定することで、この基準圧力を充填圧力が超えた場合に、燃料ガスの充填中であると判定することで、充填されていないにも関わらず充填中であると誤判定してしまうことを抑制できる。

図３は充填判定の流れを示すフローチャートである。制御装置１２０は、燃料電池システム１００の始動操作が行われると、システム始動後における基準圧力の初回取得するための前処理として、演算周期が初回であるかを判定する（ステップ３０１）。演算周期が初回であるである場合（ステップ３０１；ＹＥＳ）、制御装置１２０は、基準圧力取得履歴をクリアする（ステップ３０２）。制御装置１２０は、初回未取得時のフェールセーフとして、システム上限値を基準圧力Ｐ１とし（ステップ３０３）、充填判定をクリアする（ステップ３０４）。

制御装置１２０は、燃料ガス充填管２１０の圧力を検出する圧力センサ２６０の信頼性があり、かつ圧力センサ２６０が安定時間経過しているかを判定する（ステップ３０５）。これにより、圧力センサ２６０の故障時またはシステム立ち上がり時における基準圧力の誤取得を抑制する。燃料ガス充填管２１０の圧力を検出する圧力センサ２６０の信頼性があり、かつ圧力センサ２６０が安定時間経過していると判定すると（ステップ３０５；ＹＥＳ）、基準圧力の取得条件である全ての主止弁２４５が閉弁していることを確認し（ステップ３０６）、さらに、基準圧力取得履歴がクリアされていることを確認する（ステップ３０７）。そして、全ての主止弁２４５が閉弁しており（ステップ３０６；ＹＥＳ）、さらに、システム始動後における基準圧力の初回取得の条件である基準圧力取得履歴のクリアが行われていることを確認すると（ステップ３０７；ＹＥＳ）、圧力センサ２６０によって検出された燃料ガス充填管２１０内の圧力を基準圧力Ｐ１に設定し（ステップ３０８）、基準圧力取得履歴を有りとする（ステップ３０９）。

制御装置１２０は、燃料ガス充填管２１０の圧力を検出する圧力センサ２６０の信頼性があり、かつ圧力センサ２６０が安定時間経過しているかを判定する（ステップ３１０）。これにより、圧力センサ２６０の故障時またはシステム立ち上がり時における基準圧力の誤取得を抑制する。燃料ガス充填管２１０の圧力を検出する圧力センサ２６０の信頼性があり、かつ圧力センサ２６０が安定時間経過していると判定すると（ステップ３１０；ＹＥＳ）、圧力センサ２６０によって検出された燃料ガス充填管２１０の圧力である充填圧力センサ値Ｐが、設定した基準圧力Ｐ１よりも大きく、この充填圧力センサ値Ｐが基準圧力Ｐ１より大きい状態が所定時間経過したかを判定する（ステップ３１１）。そして、充填圧力センサ値Ｐが基準圧力Ｐ１より大きい状態が所定時間経過した場合（ステップ３１１；ＹＥＳ）、燃料タンク２００へ燃料ガスの充填が行われていると判定する（ステップ３１２）。つまり、制御装置１２０は、充填圧力センサ値Ｐが基準圧力Ｐ１を所定時間以上超えない場合は、燃料タンク２００への燃料ガスの充填中であると判断しない（ステップ３１１；ＮＯ）。

本実施形態によれば、主止弁２４５を開弁する前の圧力以下である状態を充填判定に用いないので、主止弁２４５の開弁により燃料ガス充填管２１０の圧力が急激に低下し、その後外気温等で温度上昇して燃料ガス充填管２１０の圧力が上昇している状況を、充填中であると誤判定してしまうことを抑制できる。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更／改良され得るととともに、本発明にはその等価物も含まれる。即ち、実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、実施形態が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図示の比率に限定されるものではない。また、実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

１０…燃料電池システム １１０…燃料電池 １２０…制御装置 ２００…燃料タンク ２１０…燃料ガス充填管 ２１５…充填口 ２４０…燃料ガス供給管 ２４５…主止弁 ２６０…圧力センサ Ｐ１…基準圧力

Claims (1)

1. 燃料ガスを貯蔵する燃料タンクと、
   前記燃料タンクから燃料電池へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給管と、
   前記燃料ガス供給管を通じて前記燃料タンクから前記燃料電池への燃料ガスの供給を選択的に遮断する主止弁と、
   充填口から供給される燃料ガスを前記燃料タンクに導く燃料ガス充填管と、
   前記燃料ガス充填管の圧力を検出する圧力センサと、
   前記圧力センサの検出結果に基づいて、前記燃料ガス充填管の圧力が継続的に増大している場合に、前記燃料タンクへの燃料ガスの充填中であると判定する制御装置と、
   を備えた燃料電池システムであって、
   前記制御装置は、前記燃料電池システムの始動後、閉弁された前記主止弁を開弁する前の前記燃料ガス充填管の圧力を基準圧力として取得し、前記燃料ガス充填管の圧力が前記基準圧力を超えない場合は、前記燃料タンクへの燃料ガスの充填中であると判定しない、燃料電池システム。