JP2019204692A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 バルブの凍結を短時間で解消する。【解決手段】 燃料電池システムであって、燃料ガスタンクと、燃料電池と、前記燃料ガスタンクと前記燃料電池とを接続する燃料ガス供給路と、前記燃料ガス供給路から前記燃料電池に燃料ガスを供給するインジェクタと、前記インジェクタよりも上流側の前記燃料ガス供給路に設けられているとともに前記燃料ガス供給路を開閉する主止弁と、制御回路 を有している。前記インジェクタが、基準値以上の電流が流れたときに開くバルブを備えている。前記制御回路が、前記主止弁が閉じている状態で前記バルブに前記基準値以上の電流を流す動作を実行可能である。【選択図】図１

Description

本明細書に開示の技術は、燃料電池システムに関する。

特許文献１に開示の燃料電池システムは、燃料ガスタンクと燃料電池とを接続する燃料ガス供給路と、燃料ガス供給路を開閉するバルブ（燃料ガス弁）を有している。バルブは、基準値以上の電流が流れたときに開く。バルブが開くと、燃料ガスタンクから燃料電池に燃料ガスが供給される。バルブの温度が低温となると、バルブが凍結して、バルブが動かなくなる場合がある。これに対し、特許文献１の燃料電池システムは、閉じているバルブに対して、バルブが開かない大きさの電流（すなわち、前記基準値未満の電流）を流す。これによって、バルブが閉じた状態を維持しながらバルブを発熱させ、バルブの凍結を抑制する。

特開２０１３−１２５６２６号公報

特許文献１の技術によれば、バルブが凍結したときに、バルブを発熱させてバルブの凍結を解消することができる。しかしながら、この技術では、バルブに基準値未満の電流しか流すことができない。バルブに基準値以上の電流を流すと、バルブが凍結していない場合やバルブの凍結が解消されたときに、バルブが誤って開いて燃料電池に燃料ガスが供給されてしまうためである。特許文献１の技術では、バルブに高電流を流すことができないので、バルブの凍結を解消するのに時間がかかる。

本明細書が開示する燃料電池システムは、燃料ガスタンクと、燃料電池と、前記燃料ガスタンクと前記燃料電池とを接続する燃料ガス供給路と、前記燃料ガス供給路から前記燃料電池に燃料ガスを供給するインジェクタと、前記インジェクタよりも上流側の前記燃料ガス供給路に設けられているとともに前記燃料ガス供給路を開閉する主止弁と、制御回路 を有している。前記インジェクタが、基準値以上の電流が流れたときに開くバルブを備えている。前記制御回路が、前記主止弁が閉じている状態で前記バルブに前記基準値以上の電流を流す動作を実行可能である。

この燃料電池システムでは、インジェクタがバルブを備えている。主止弁が開いている状態では、バルブが開くとインジェクタから燃料電池に燃料ガスが供給され、バルブが閉じるとインジェクタから燃料電池への燃料ガスの供給が停止される。また、この燃料電池システムは、バルブの凍結を解消するために、バルブを加熱する動作を実行することができる。バルブを加熱するときには、制御回路が、主止弁が閉じている状態でバルブに基準値以上の電流を流す。バルブに基準値以上の高電流を流すので、バルブを素早く加熱することができる。したがって、バルブが凍結している場合には、短時間でバルブの凍結を解消することができる。また、バルブに基準値以上の電流を流すので、バルブが凍結していない場合やバルブの凍結が解除された場合には、バルブが開く。しかしながら、主止弁が閉じているので、インジェクタから燃料電池に燃料ガスは供給されない。これによって、燃料ガスの無駄な消費を防止することができる。

実施形態の燃料電池システムを示すブロック図。 通常動作時にインジェクタのバルブに流れる電流を示すグラフ。 自己発熱動作時にインジェクタのバルブに流れる電流を示すグラフ。 燃料電池システムが実行する処理を示すフローチャート。 停止時間ｔａと自己発熱時間ｔｂの関係を示すグラフ。 変形例の処理を示すフローチャート。

図１に示す実施形態の燃料電池システム１０は、車両に搭載されている。燃料電池システム１０は、燃料電池２０を備えている。燃料電池システム１０は、燃料電池２０に燃料ガス（本実施形態では水素ガス）と空気を供給することによって発電する。燃料電池２０で発電された電力が車両走行用のモータに供給されることで、車両が走行する。

燃料電池システム１０は、高圧水素タンク１２、主止弁１４、水素ガス供給路１６、インジェクタ１８、コントローラ２２、排気排水弁２４、及び、排水路２６を有している。

高圧水素タンク１２内には、高圧の水素ガスが貯留されている。水素ガス供給路１６は、高圧水素タンク１２と燃料電池２０を接続している。主止弁１４は、水素ガス供給路１６と高圧水素タンク１２の接続部に設けられている。主止弁１４は、水素ガス供給路１６を開閉する。主止弁１４は、コントローラ２２により制御される。インジェクタ１８は、水素ガス供給路１６と燃料電池２０の接続部に設けられている。インジェクタ１８は、水素ガス供給路１６を開閉するバルブ１８ａを内蔵している。主止弁１４が開いている状態では、バルブ１８ａによって燃料電池２０への水素の供給が制御される。バルブ１８ａが開くと、インジェクタ１８を介して水素ガス供給路１６から燃料電池２０へ水素ガスが吐出される。バルブ１８ａが閉じると、水素ガス供給路１６から燃料電池２０への水素ガスの吐出が停止される。燃料電池２０に供給された水素ガスは、酸素と反応して水となった後、排水路２６によって燃料電池２０の外部へ排出される。排水路２６には、排気排水弁２４が設けられている。

燃料電池システム１０は、エアコンプレッサ３０、エア供給路３２、封止弁３４、調圧弁３６、及び、エア排気路３８を有している。エア供給路３２は、燃料電池２０に接続されている。エアコンプレッサ３０と封止弁３４は、エア供給路３２に設けられている。エアコンプレッサ３０は、高圧の空気をエア供給路３２の下流側（燃料電池２０側）へ送る。封止弁３４は、エア供給路３２を開閉する。エア供給路３２から燃料電池２０に供給された空気は、燃料電池２０内で水素と反応した後に、エア排気路３８によって燃料電池２０の外部へ排出される。調圧弁３６は、エア排気路３８に設けられている。調圧弁３６の開度を調節することで、燃料電池２０内の空気の圧力が調整される。

燃料電池２０の内部で、水素ガス供給路１６から供給された水素ガスと、エア供給路３２から供給された空気とが、互いに反応する。これによって、発電が行われる。

次に、バルブ１８ａについて説明する。バルブ１８ａは、いわゆる電磁バルブである。バルブ１８ａは、電流を流さない状態では閉じており、所定値以上の電流を流すと開く。バルブ１８ａに流れる電流は、コントローラ２２によって制御される。図２は、通常動作時（すなわち、インジェクタ１８によって燃料電池２０への水素ガスの供給を制御する場合）にバルブ１８ａに流れる電流Ｉａを示している。電流Ｉａが流れていない状態では、バルブ１８ａは閉じている。バルブ１８ａを開くとき（すなわち、閉状態から開状態に切り換えるとき）に、コントローラ２２は、電流Ｉａを開弁電流Ｉａ１まで上昇させる。開弁電流Ｉａ１が流れることで、バルブ１８ａが開く。コントローラ２２は、開弁電流Ｉａ１を流した後に、電流Ｉａを開弁保持電流Ｉａ２まで低下させる。バルブ１８ａが一旦開いた後は、電流Ｉａを開弁保持電流Ｉａ２まで低下させても、バルブ１８ａが開いた状態を保持することができる。これによって、バルブ１８ａにおける消費電力が低減される。バルブ１８ａを閉じるときは、コントローラ２２は、電流Ｉａを開弁保持電流Ｉａ２からゼロまで低下させる。

また、コントローラ２２は、バルブ１８ａの凍結を解消するための自己発熱動作を実行することができる。バルブ１８ａが凍結して固着すると、バルブ１８ａの開閉ができなくなる。自己発熱動作を実行することで、バルブ１８ａの凍結を解消し、バルブ１８ａを開閉できるようにすることができる。自己発熱動作では、コントローラ２２は、主止弁１４を閉じた状態で、バルブ１８ａに電流を流す。図３は、自己発熱動作時にバルブ１８ａに流れる電流Ｉａを示している。図３に示すように、自己発熱動作では、コントローラ２２は、バルブ１８ａに開弁電流Ｉａ１を流す。開弁電流Ｉａ１を流すことで、バルブ１８ａを発熱させることができる。バルブ１８ａが凍結していれば、バルブ１８ａの発熱によって、バルブ１８ａの凍結を解消することができる。開弁電流Ｉａ１が高電流であるので、バルブ１８ａを短時間で昇温させ、バルブ１８ａの凍結を短時間で解消することができる。また、バルブ１８ａが凍結していない場合やバルブ１８ａの凍結が解消した場合には、開弁電流Ｉａ１によってバルブ１８ａが開く。しかしながら、主止弁１４が閉じているので、インジェクタ１８から燃料電池２０へは水素ガスが供給されない。このため、水素ガスの無駄な消費が防止される。このように、自己発熱動作では、主止弁１４を閉じるので、インジェクタ１８から燃料電池２０へ水素ガスが供給されるおそれがない。したがって、バルブ１８ａに開弁電流Ｉａ１（すなわち、高電流）を流しても、インジェクタ１８が誤動作することがない。このため、バルブ１８ａに開弁電流Ｉａ１を流して、バルブ１８ａの凍結を短時間で解消することができる。

また、自己発熱動作では、バルブ１８ａに水素ガスが流れることがないので、水素ガスによってバルブ１８ａの熱が奪われることがない。したがって、より短時間でバルブ１８ａを昇温させることができ、バルブ１８ａの凍結をより短時間で解消することができる。

次に、コントローラ２２が実行する動作について、図４を用いて説明する。後述するように、図４のステップＳ１６において、車両のメインスイッチがオフとなる。すると、その後、ステップＳ２が実行され、車両が走行できない状態となる。すると、コントローラ２２は、車両の停止時間ｔａの計測を開始する（ステップＳ４）。すなわち、コントローラ２２は、車両停止から次に車両が起動するまで（すなわち、車両のメインスイッチがオンとなるまで）の時間を、停止時間ｔａとして計測する。ステップＳ６で車両が起動すると、コントローラ２２は、停止時間ｔａの計測を完了する。

次に、ステップＳ８で、コントローラ２２は、計測した停止時間ｔａが、予め定められた基準時間ｔａ１よりも長いか否かを判定する。停止時間ｔａが基準時間ｔａ１以下であることは、車両の停止時間が短く、バルブ１８ａが凍結しているおそれがないことを意味する。したがって、ｔａ≦ｔａ１の場合には、コントローラ２２は、ステップＳ８でＮＯと判定し、自己発熱動作（ステップＳ１２）を行うことなく、通常動作（ステップＳ１４）を実行する。

他方、停止時間ｔａが基準時間ｔａ１よりも長いことは、車両の停止時間が長く、バルブ１８ａが凍結しているおそれがあることを意味する。したがって、ｔａ＞ｔａ１の場合には、コントローラ２２は、ステップＳ８でＹＥＳと判定し、ステップＳ１０、Ｓ１２を実行する。

ステップＳ１０では、コントローラ２２は、停止時間ｔａに基づいて、自己発熱時間ｔｂを決定する。自己発熱時間ｔｂは、自己発熱動作を行う時間の長さ（すなわち、バルブ１８ａに開弁電流Ｉａ１を流す時間の長さ）である。コントローラ２２は、図５のグラフに従って、自己発熱時間ｔｂを決定する。上述したように、停止時間ｔａが基準時間ｔａ１以下の場合には、自己発熱動作を行わないので、自己発熱時間ｔｂはゼロに設定されている。停止時間ｔａが基準時間ｔａ１よりも長く基準時間ｔａ２よりも短い場合には、停止時間ｔａが長いほど自己発熱時間ｔｂが長くなる。停止時間ｔａが長いほどバルブ１８ａが低温になっていると考えられるので、停止時間ｔａが長いほどバルブ１８ａの凍結を解消するために必要な熱量は多くなる。したがって、停止時間ｔａが長いほど自己発熱時間ｔｂが長く設定されている。このように、必要な熱量が多いほど自己発熱時間ｔｂが長くなることで、自己発熱動作による電力消費を抑制することができる。また、停止時間ｔａが基準時間ｔａ２以上の場合には、自己発熱時間ｔｂは最大値ｔｂｍａｘで固定される。これによって、必要以上に自己発熱時間ｔｂが長くなることが防止される。

ステップＳ１２では、コントローラ２２は、ステップＳ１０で決定した自己発熱時間ｔｂだけ自己発熱動作を実行する。すなわち、コントローラ２２は、まず、主止弁１４を閉じる。次に、コントローラ２２は、バルブ１８ａに、開弁電流Ｉａ１を流す。コントローラ２２は、開弁電流Ｉａ１を流し始めてから自己発熱時間ｔｂが経過したタイミングで電流Ｉａをゼロまで低下させる。上述したように、自己発熱動作では、バルブ１８ａに開弁電流Ｉａ１が流れることで、バルブ１８ａが発熱し、バルブ１８ａの凍結が解消される。また、バルブ１８ａが凍結していない場合やバルブ１８ａの凍結が解消された場合には、バルブ１８ａが開く。しかしながら、主止弁１４が閉じているので、インジェクタ１８から燃料電池２０へ水素ガスが供給されることはない。

ステップＳ１４では、コントローラ２２は、主止弁１４を開いた状態で、図２に示す通常動作によってバルブ１８ａを制御する。これによって、燃料電池２０に適宜水素ガスを供給する。バルブ１８ａの凍結のおそれがある場合には、ステップＳ１２でバルブ１８ａの凍結が解消されているので、ステップＳ１４ではバルブ１８ａが適切に開閉する。したがって、燃料電池２０で適切に発電を行うことができる。

車両の走行が終了したら、ステップＳ１６で、車両のメインスイッチがオフとなる。すると、コントローラ２２は、ステップＳ２に戻って、停止時間ｔａの計測を再び開始する。

以上に説明したように、図４の処理によれば、バルブ１８ａが凍結している場合には、自己発熱動作によってバルブ１８ａの凍結を解消してから通常動作を行うことができる。

次に、図４の処理の一部を変更した変形例の処理について説明する。図６は、変形例の処理を示している。図６では、図４に対して、ステップＳ７が追加されている。その他の点では、図６は図４と等しい。図６の処理では、ステップＳ７において、コントローラ２２が、車両の外気温Ｔを測定する。外気温Ｔは、図示しない温度センサを用いて測定する。コントローラ２２は、ステップＳ７で、外気温Ｔが０℃以下であるか否かを判定する。外気温Ｔが０℃よりも高い場合には、バルブ１８ａが凍結しているおそれが無いので、コントローラ２２は自己発熱動作（ステップＳ１２）を行わずに、通常動作（ステップＳ１４）を実行する。外気温Ｔが０℃以下である場合には、コントローラ２２は、図４の処理と同様に、ステップＳ８〜Ｓ１２を実行する。このように、図６の処理によれば、外気温Ｔが高い場合には、自己発熱動作を行わない。これによって、電力消費が抑制される。

以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。

１０ ：燃料電池システム
１２ ：高圧水素タンク
１４ ：主止弁
１６ ：水素ガス供給路
１８ ：インジェクタ
１８ａ：バルブ
２０ ：燃料電池
２２ ：コントローラ
２４ ：排気排水弁
２６ ：排水路
３０ ：エアコンプレッサ
３２ ：エア供給路
３４ ：封止弁
３６ ：調圧弁
３８ ：エア排気路

Claims (1)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料ガスタンクと、
   燃料電池と、
   前記燃料ガスタンクと前記燃料電池とを接続する燃料ガス供給路と、
   前記燃料ガス供給路から前記燃料電池に燃料ガスを供給するインジェクタと、
   前記インジェクタよりも上流側の前記燃料ガス供給路に設けられており、前記燃料ガス供給路を開閉する主止弁と、
   制御回路、
   を有しており、
   前記インジェクタが、基準値以上の電流が流れたときに開くバルブを備えており、
   前記制御回路が、前記主止弁が閉じている状態で前記バルブに前記基準値以上の電流を流す動作を実行可能である、燃料電池システム。

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