JP2020030974A - 燃料ガス供給システム - Google Patents

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Abstract

【課題】コストの低廉化を図りつつ弁機構の上流側と下流側との燃料ガスの差圧を精度よく検出することができる燃料ガス供給システムを提供する。【解決手段】燃料ガス供給システム10は、弁機構24と、弁機構24に燃料ガスを導く上流側流路40と、弁機構24から導出された燃料ガスが導かれる下流側流路42と、上流側流路40と下流側流路42との燃料ガスの差圧を検出する差圧センサ38と、上流側流路40内の燃料ガスの圧力を検出する第1圧力センサ34と、下流側流路42内の燃料ガスの圧力を検出する第2圧力センサ36とを備え、差圧センサ38、第1圧力センサ34及び第2圧力センサ36のそれぞれの数は、1つである。【選択図】図1

Description

本発明は、燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給システムに関する。
例えば、特許文献1には、水素ガス供給路のインジェクタよりも上流側に設けられた上流側圧力センサと水素ガス供給路のインジェクタよりも下流側に設けられた下流側圧力センサとに基づいてインジェクタの上流側と下流側との水素ガスの差圧を算出するシステムが開示されている。
特開2011−28950号公報
しかしながら、上述した特許文献1のような従来技術では、上流側圧力センサと下流側圧力センサとを用いてインジェクタ(弁機構)の上流側と下流側との水素ガス(燃料ガス)の差圧を算出するため、算出された差圧には、上流側圧力センサと下流側圧力センサのそれぞれの検出誤差が含まれる。
本発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、弁機構の上流側と下流側との燃料ガスの差圧を精度よく検出することができる燃料ガス供給システムを提供することを目的とする。
本発明の一態様は、燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給システムであって、弁機構と、前記弁機構に燃料ガスを導く上流側流路と、前記弁機構から導出された燃料ガスが導かれる下流側流路と、前記上流側流路と前記下流側流路との燃料ガスの差圧を検出する差圧センサと、を備える、燃料ガス供給システムである。
本発明によれば、差圧センサによって上流側流路と下流側流路との燃料ガスの差圧を検出するため、上流側圧力センサと下流側圧力センサとを用いて差圧を算出する場合と比較して、検出誤差を抑えることができる。これにより、弁機構の上流側と下流側との燃料ガスの差圧を精度よく検出することができる。
本発明の一実施形態に係る燃料ガス供給システムを備えた燃料電池システムの概略構成図である。 燃料ガス供給装置の一部拡大概略構成図である。 燃料ガス供給システムを用いた弁機構の制御を示すフローチャートである。
以下、本発明に係る燃料ガス供給システムについて好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。
本発明の一実施形態に係る燃料ガス供給システム10を備えた燃料電池システム12は、例えば、燃料電池電気自動車等の燃料電池車両(図示せず)に搭載される。
図1に示すように、燃料電池システム12は、燃料電池14と、燃料電池14に燃料ガス(例えば、水素ガス)を供給するための燃料ガス供給システム10と、燃料電池14に酸化剤ガス(例えば、空気)を供給するための図示しない酸化剤ガス供給装置とを備える。燃料電池14は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する図示しない発電セルが複数積層されることによって形成されている。
燃料ガス供給システム10は、燃料ガス供給装置16と制御部18とを有する。燃料ガス供給装置16は、燃料ガスタンク20、燃料ガス供給流路22、弁機構24、エジェクタ26、燃料ガス排出流路28、循環流路30、パージ流路32、第1圧力センサ34、第2圧力センサ36及び差圧センサ38を含む。
燃料ガスタンク20は、高圧の燃料ガス(高圧水素)を貯留する。燃料ガス供給流路22は、燃料ガスタンク20の燃料ガスを燃料電池14に導入するための流路である。燃料ガス供給流路22の詳細な構成の説明については後述する。
弁機構24は、燃料ガス供給流路22を開放及び閉塞する。弁機構24は、燃料ガス供給流路22に設けられたインジェクタである。弁機構24は、燃料ガスタンク20から導かれた燃料ガスを下流側に噴射する。ただし、弁機構24は、レギュレータ(減圧弁)であってもよい。
エジェクタ26は、燃料ガス供給流路22における弁機構24よりも下流側(燃料電池14側)に設けられている。エジェクタ26は、弁機構24から噴射された燃料ガスに後述する循環流路30の燃料排ガスを混合して下流側に吐出する。
燃料ガス排出流路28は、燃料電池14で少なくとも一部が消費された燃料ガスである燃料排ガスを燃料電池14から導出する。燃料排ガスには、発電の際に発生した生成水が含まれている。燃料ガス排出流路28には、図示しない気液分離器が設けられていてもよい。
循環流路30は、燃料ガス排出流路28を流通する燃料排ガスの一部をエジェクタ26に導く。つまり、燃料ガス排出流路28に導出された燃料排ガスは、循環流路30、エジェクタ26及び燃料ガス供給流路22を通って燃料電池14に再び導かれる。循環流路30は、燃料ガス排出流路28の下流側の端部とエジェクタ26とを互いに連結する。パージ流路32は、燃料ガス排出流路28の燃料排ガスを外部に排出する。
燃料ガス供給流路22は、上流側流路40、下流側流路42及び導入流路44を有する。上流側流路40は、燃料ガスタンク20から導出された燃料ガスを弁機構24に導く。図2に示すように、上流側流路40は、燃料ガスタンク20と弁機構24とを互いに連結する上流側配管46と、上流側配管46から分岐した第1分岐配管48とを含む。上流側配管46の内径D1は、第1分岐配管48の内径D2よりも大きい。
第1分岐配管48は、上流側配管46に対して下方に略直角に連結している。換言すれば、第1分岐配管48は、上流側配管46との連結部から下方に延びている。つまり、第1分岐配管48の上流側配管46側に対する上流側開口部48aは、上方を指向している。
下流側流路42は、弁機構24から導出(吐出)された燃料ガスが導かれる。下流側流路42は、弁機構24とエジェクタ26(図1参照)とを連結する下流側配管50と、下流側配管50から分岐した第2分岐配管52とを含む。下流側配管50の内径D3は、上流側配管46の内径D1と第2分岐配管52の内径D4とのそれぞれよりも大きい。
第2分岐配管52は、下流側配管50に対して下方に略直角に連結している。換言すれば、第2分岐配管52は、下流側配管50との連結部から下方に延びている。つまり、第2分岐配管52の下流側配管50側に対する下流側開口部52aは、上方を指向している。第2分岐配管52の内径D4は、第1分岐配管48の内径D2と同じである。ただし、第2分岐配管52の内径D4は、第1分岐配管48の内径D2よりも大きくても小さくてもよい。
図1において、導入流路44は、エジェクタ26と燃料電池14とを互いに連結してエジェクタ26から導出された燃料ガスを燃料電池14に導く。
図2において、第1圧力センサ34、第2圧力センサ36及び差圧センサ38のそれぞれの数は、1つである。第1圧力センサ34は、上流側流路40内の燃料ガスの圧力を検出する。具体的には、第1圧力センサ34は、上流側配管46のうち上流側開口部48aに対向する位置(直上の位置)に設けられている。換言すれば、上流側開口部48aは、第1圧力センサ34の真下に位置する。
ただし、第1圧力センサ34は、上流側配管46のうち上流側開口部48aに対向する位置(直上の位置)の近傍に設けられていてもよい。第1圧力センサ34は、ゲージ圧力を検出するセンサであってもよいし絶対圧力を検出するセンサであってもよい。
第2圧力センサ36は、下流側流路42内の燃料ガスの圧力を検出する。具体的には、第2圧力センサ36は、下流側配管50のうち下流側開口部52aに対向する位置(直上の位置)に設けられている。換言すれば、下流側開口部52aは、第2圧力センサ36の真下に位置する。
ただし、第2圧力センサ36は、下流側配管50のうち下流側開口部52aに対向する位置(真上の位置)の近傍に設けられていてもよい。第2圧力センサ36は、ゲージ圧力を検出するセンサであってもよいし絶対圧力を検出するセンサであってもよい。
差圧センサ38は、上流側流路40と下流側流路42との燃料ガスの差圧を検出する。差圧センサ38は、第1分岐配管48と第2分岐配管52のそれぞれに対して連結している。差圧センサ38は、差圧センサ本体54と、第1分岐配管48が連結された第1連結部56と、第2分岐配管52が連結された第2連結部58とを有する。差圧センサ本体54は、ハウジング59と、ハウジング59内の空間を仕切るように設けられたダイヤフラム60とを含む。
ダイヤフラム60は、略水平方向に延在している。ハウジング59の一方の空間(上方空間)は、上流側流路40(第1分岐配管48内)に連通している。ハウジング59の他方の空間(下方空間)は、下流側流路42(第2分岐配管52内)に連通している。ダイヤフラム60は、上流側流路40(第1分岐配管48)の燃料ガスの圧力と下流側流路42(第2分岐配管52)の燃料ガスの圧力とを受ける受圧部材である。
換言すれば、ダイヤフラム60の一方の面には、第1分岐配管48の燃料ガスの圧力が作用し、ダイヤフラム60の他方の面には、第2分岐配管52の燃料ガスの圧力が作用する。具体的には、差圧センサ38は、ダイヤフラム60の変形量に基づいて上流側流路40と下流側流路42との燃料ガスの差圧を検出する。差圧センサ本体54(ダイヤフラム60)は、第1連結部56よりも下方(重力方向)且つ第2連結部58よりも上方に位置している。
図1に示すように、制御部18は、マイクロコンピュータを含む計算機であり、CPU(中央処理装置)、メモリであるROM、RAM等を有しており、CPUがROMに記憶されているプログラムを読み出し実行することで各種機能実現部(機能実現手段)として機能する。なお、各種機能実現部は、ハードウエアとしての機能実現器により構成することもできる。
制御部18は、弁機構制御部62、故障判定部64及び圧力算出部66を備える。弁機構制御部62は、差圧センサ38の検出信号に基づいて弁機構24の動作を制御することにより、弁機構24から下流側流路42に吐出される燃料ガスの量をフィードバック制御する。故障判定部64は、第1圧力センサ34、第2圧力センサ36及び差圧センサ38のいずれか1つが故障したか否かを判定する。圧力算出部66は、故障判定部64によって第1圧力センサ34、第2圧力センサ36及び差圧センサ38のいずれか1つが故障していると判定された場合に、故障していないセンサを用いて故障しているセンサが検出すべき圧力を算出する。
次に、燃料ガス供給システム10において、第1圧力センサ34、第2圧力センサ36及び差圧センサ38のいずれか1つが故障した場合の弁機構24の制御について図3を用いて説明する。
まず、図3のステップS1において、故障判定部64は、故障判定を行う。すなわち、故障判定部64は、第1圧力センサ34、第2圧力センサ36及び差圧センサ38のいずれか1つが故障したか否かを判定する。
故障判定部64にて第1圧力センサ34が故障したと判定された場合(ステップS2)には、ステップS3において、圧力算出部66は、第2圧力センサ36の検出信号と差圧センサ38の検出信号とに基づいて上流側流路40の燃料ガスの圧力を算出する。続いて、ステップS4において、弁機構制御部62は、差圧センサ38の検出信号に基づいて弁機構24の動作を制御する。これにより、一連の動作フローが終了する。
故障判定部64にて第2圧力センサ36が故障したと判定された場合(ステップS5)には、ステップS6において、圧力算出部66は、第1圧力センサ34の検出信号と差圧センサ38の検出信号とに基づいて下流側流路42の燃料ガスの圧力を算出する。そして、上述したステップS4の処理を行った後、一連の動作フローが終了する。
故障判定部64にて差圧センサ38が故障したと判定された場合(ステップS7)には、ステップS8において、圧力算出部66は、第1圧力センサ34の検出信号と第2圧力センサ36の検出信号とに基づいて上流側流路40と下流側流路42との燃料ガスの差圧を算出する。続いて、ステップS9において、弁機構制御部62は、ステップS8で算出された差圧に基づいて弁機構24の動作を制御する。これにより、一連の動作フローが終了する。
このように、燃料ガス供給システム10では、第1圧力センサ34、第2圧力センサ36及び差圧センサ38の3つのセンサによって冗長化が図られる。
この場合、本実施形態に係る燃料ガス供給システム10は、以下の効果を奏する。
燃料ガス供給システム10によれば、差圧センサ38によって上流側流路40と下流側流路42との燃料ガスの差圧を検出するため、上流側流路40と下流側流路42のそれぞれに設けた圧力センサの検出値から差圧を算出する場合と比較して、検出誤差を抑えることができる。これにより、コストの低廉化を図りつつ弁機構24の上流側と下流側との燃料ガスの差圧を精度よく検出することができる。
差圧センサ38は、上流側流路40の燃料ガスの圧力と下流側流路42の燃料ガスの圧力とを受ける受圧部材(ダイヤフラム60)を有する。これにより、受圧部材を用いて上流側流路40と下流側流路42との燃料ガスの差圧を確実に検出することができる。
ところで、冗長化を図るために、差圧センサ38を設けず、上流側配管46に第1圧力センサ34を2つ設けるとともに下流側配管50に第2圧力センサ36を2つ設けた場合には、これら圧力センサのコモンモードエラーを識別するために、2つの第1圧力センサ34を互いに異なる仕様にするとともに2つの第2圧力センサ36を互いに異なる仕様にする必要があるため、コストが高騰化するという問題がある。
しかしながら、燃料ガス供給システム10は、上流側流路40内の燃料ガスの圧力を検出する第1圧力センサ34と、下流側流路42内の燃料ガスの圧力を検出する第2圧力センサ36と、を備え、差圧センサ38、第1圧力センサ34及び第2圧力センサ36のそれぞれの数は、1つである。
このような構成によれば、差圧センサ38が故障した場合には、第1圧力センサ34と第2圧力センサ36とを用いて上流側流路40と下流側流路42との燃料ガスの差圧を算出することができる。また、第1圧力センサ34が故障した場合には第2圧力センサ36と差圧センサ38とを用いて上流側流路40内の燃料ガスの圧力を検出することができる。さらに、第2圧力センサ36が故障した場合には、第1圧力センサ34と差圧センサ38とを用いて下流側流路42内の燃料ガスの圧力を算出することができる。したがって、コストの高騰化を抑えつつ冗長化を図ることができる。
上流側流路40は、弁機構24が連結した上流側配管46と、上流側配管46から分岐した第1分岐配管48と、を有する。下流側流路42は、弁機構24が連結した下流側配管50と、下流側配管50から分岐した第2分岐配管52と、を有する。差圧センサ38は、第1分岐配管48と第2分岐配管52とのそれぞれに対して連結している。
このような構成によれば、弁機構24の作動時に発生する上流側配管46内と下流側配管50内との燃料ガスの脈動の差圧センサ38への影響を抑えることができる。よって、弁機構24の上流側と下流側の燃料ガスの差圧を一層精度よく検出することができる。
第2分岐配管52は、下流側配管50に対して略直角に連結している。このような構成によれば、弁機構24の作動時に発生する下流側配管50内の燃料ガスの脈動の差圧センサ38への影響を一層抑えることができる。
第2分岐配管52は、下流側配管50内に連通する下流側開口部52aを有し、第2圧力センサ36は、下流側配管50のうち下流側開口部52aに対向する位置又は下流側開口部52aに対向する位置の近傍に設けられている。
このような構成によれば、弁機構24の作動時に発生する下流側配管50内の燃料ガスの脈動の第2圧力センサ36への影響を抑えることができる。
第1分岐配管48は、上流側配管46に対して略直角に連結している。このような構成によれば、弁機構24の作動時に発生する上流側配管46内の燃料ガスの脈動の差圧センサ38への影響を一層抑えることができる。
第1分岐配管48は、上流側配管46内に連通する上流側開口部48aを有し、第1圧力センサ34は、上流側配管46のうち上流側開口部48aに対向する位置又は上流側開口部48aに対向する位置の近傍に設けられている。
このような構成によれば、弁機構24の作動時に発生する上流側配管46内の燃料ガスの脈動の第1圧力センサ34への影響を抑えることができる。
燃料ガス供給システム10は、下流側流路42に連結されたエジェクタ26と、エジェクタ26から導出された燃料ガスを燃料電池14に導く導入流路44と、燃料電池14から排出された燃料排ガスをエジェクタ26に導く循環流路30と、を備える。差圧センサ38は、差圧センサ本体54と、第1分岐配管48が連結された第1連結部56と、第2分岐配管52が連結された第2連結部58と、を有する。差圧センサ本体54は、第2連結部58よりも上方に位置している。
このような構成によれば、燃料排ガスに含まれる生成水が下流側配管50を介して第2分岐配管52に流入した場合であっても、差圧センサ本体54が生成水に接触することを抑えることができる。
下流側配管50の内径D3は、上流側配管46の内径D1よりも大きい。このような構成によれば、下流側配管50内で生成水が凍結した場合であっても下流側配管50が閉塞されることを抑えることができる。
燃料ガス供給システム10は、差圧センサ38の検出信号に基づいて弁機構24の動作を制御する弁機構制御部62を備える。このような構成によれば、弁機構24の動作を効率的に制御することができる。
燃料ガス供給システム10は、第1圧力センサ34、第2圧力センサ36及び差圧センサ38のいずれか1つが故障しているか否かを判定する故障判定部64と、故障判定部64によって第1圧力センサ34、第2圧力センサ36及び差圧センサ38のいずれか1つが故障していると判定された場合に、故障していない2つのセンサの検出信号に基づいて故障しているセンサが検出すべき圧力を算出する圧力算出部66と、を備える。
このような構成によれば、第1圧力センサ34、第2圧力センサ36及び差圧センサ38のいずれか1つが故障した場合であっても、故障したセンサが検出すべき圧力を確実に得ることができる。
弁機構24は、インジェクタである。このような構成によれば、インジェクタの上流側と下流側との燃料ガスの差圧を精度よく検出することができる。
本発明は、上述した構成に限定されない。燃料ガス供給システム10では、第1圧力センサ34及び第2圧力センサ36の少なくともいずれかを省略してもよい。また、冗長化を図るため、燃料ガス供給システム10は、第1圧力センサ34及び第2圧力センサ36を省略するとともに差圧センサ38を2つ設けてもよい。この場合、片方の差圧センサ38が故障した場合に、もう片方の差圧センサ38の検出信号を用いることができる。
第2分岐配管52は、生成水を溜めることができる貯水部を有していてもよい。この場合、第2分岐配管52が連結される第2連結部58は、差圧センサ本体54(ダイヤフラム60)に対して水平方向に隣接していてもよいし、差圧センサ本体54(ダイヤフラム60)に対して上方に位置していてもよい。
燃料ガス供給システム10では、第1分岐配管48が上流側配管46よりも上方に位置するとともに第2分岐配管52が下流側配管50よりも上方に位置していてもよい。この場合、下流側配管50から第2分岐配管52に生成水が流入することを抑えることができる。
本発明に係る燃料ガス供給システムは、上述の実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
10…燃料ガス供給システム 12…燃料電池システム
14…燃料電池 24…弁機構
26…エジェクタ 30…循環流路
34…第1圧力センサ 36…第2圧力センサ
38…差圧センサ 40…上流側流路
42…下流側流路 44…導入流路
46…上流側配管 48…第1分岐配管
48a…上流側開口部 50…下流側配管
52…第2分岐配管 52a…下流側開口部
56…第1連結部 58…第2連結部
60…ダイヤフラム(受圧部材) 62…弁機構制御部
64…故障判定部 66…圧力算出部

Claims (13)

  1. 燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給システムであって、
    弁機構と、
    前記弁機構に燃料ガスを導く上流側流路と、
    前記弁機構から導出された燃料ガスが導かれる下流側流路と、
    前記上流側流路と前記下流側流路との燃料ガスの差圧を検出する差圧センサと、を備える、燃料ガス供給システム。
  2. 請求項1記載の燃料ガス供給システムであって、
    前記差圧センサは、前記上流側流路の燃料ガスの圧力と前記下流側流路の燃料ガスの圧力とを受ける受圧部材を有する、燃料ガス供給システム。
  3. 請求項1又は2に記載の燃料ガス供給システムであって、
    前記上流側流路内の燃料ガスの圧力を検出する第1圧力センサと、
    前記下流側流路内の燃料ガスの圧力を検出する第2圧力センサと、を備え、
    前記差圧センサ、前記第1圧力センサ及び前記第2圧力センサのそれぞれの数は、1つである、燃料ガス供給システム。
  4. 請求項3記載の燃料ガス供給システムであって、
    前記上流側流路は、
    前記弁機構が連結した上流側配管と、
    前記上流側配管から分岐した第1分岐配管と、を有し、
    前記下流側流路は、
    前記弁機構が連結した下流側配管と、
    前記下流側配管から分岐した第2分岐配管と、を有し、
    前記差圧センサは、前記第1分岐配管と前記第2分岐配管とのそれぞれに対して連結している、燃料ガス供給システム。
  5. 請求項4記載の燃料ガス供給システムであって、
    前記第2分岐配管は、前記下流側配管に対して略直角に連結している、燃料ガス供給システム。
  6. 請求項5記載の燃料ガス供給システムであって、
    前記第2分岐配管は、前記下流側配管内に連通する下流側開口部を有し、
    前記第2圧力センサは、前記下流側配管のうち前記下流側開口部に対向する位置又は前記下流側開口部に対向する位置の近傍に設けられている、燃料ガス供給システム。
  7. 請求項4〜6のいずれか1項に記載の燃料ガス供給システムであって、
    前記第1分岐配管は、前記上流側配管に対して略直角に連結している、燃料ガス供給システム。
  8. 請求項7記載の燃料ガス供給システムであって、
    前記第1分岐配管は、前記上流側配管内に連通する上流側開口部を有し、
    前記第1圧力センサは、前記上流側配管のうち前記上流側開口部に対向する位置又は前記上流側開口部に対向する位置の近傍に設けられている、燃料ガス供給システム。
  9. 請求項4〜8のいずれか1項に記載の燃料ガス供給システムであって、
    前記下流側流路に連結されたエジェクタと、
    前記エジェクタから導出された燃料ガスを前記燃料電池に導く導入流路と、
    前記燃料電池から排出された燃料排ガスを前記エジェクタに導く循環流路と、を備え、
    前記差圧センサは、
    差圧センサ本体と、
    前記第1分岐配管が連結された第1連結部と、
    前記第2分岐配管が連結された第2連結部と、を有し、
    前記差圧センサ本体は、前記第2連結部よりも上方に位置している、燃料ガス供給システム。
  10. 請求項9記載の燃料ガス供給システムであって、
    前記下流側配管の内径は、前記上流側配管の内径よりも大きい、燃料ガス供給システム。
  11. 請求項1〜10のいずれか1項に記載の燃料ガス供給システムであって、
    前記差圧センサの検出信号に基づいて前記弁機構の動作を制御する弁機構制御部を備える、燃料ガス供給システム。
  12. 請求項3〜10のいずれか1項に記載の燃料ガス供給システムであって、
    前記第1圧力センサ、前記第2圧力センサ及び前記差圧センサのいずれか1つが故障しているか否かを判定する故障判定部と、
    前記故障判定部によって前記第1圧力センサ、前記第2圧力センサ及び前記差圧センサのいずれか1つが故障していると判定された場合に、故障していない2つのセンサの検出信号に基づいて故障しているセンサが検出すべき圧力を算出する圧力算出部と、を備える、燃料ガス供給システム。
  13. 請求項1〜12のいずれか1項に記載の燃料ガス供給システムであって、
    前記弁機構は、インジェクタである、燃料ガス供給システム。
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