JP2020140915A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】従来の燃料電池システムでは、減圧弁の信頼性を十分に確保できないおそれがある。【解決手段】本発明の燃料電池システムは、主止弁22とインジェクタ15a、15bとの間において燃料ガスの流路を構成する燃料供給配管に設けられる減圧弁14と、燃料供給配管のうち減圧弁14よりも上流側において、燃料ガスタンクユニット13a、13bから送出される燃料ガスの流路となる第1の流路L1と、燃料ガスタンクユニット13c〜13eから送出される燃料ガスの流路となる第2の流路L2と、を連通するように設けられる高圧連通配管L3と、燃料供給配管のうち減圧弁14よりも下流側において、燃料電池スタック16aに供給される燃料ガスの流路となる第3の流路L5と、燃料電池スタック16bに供給される燃料ガスの流路となる第4の流路L6と、を連通するように設けられる低圧連通配管L4と、を有する。【選択図】図1

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、複数の燃料電池セルに対して複数の燃料ガスタンクから燃料ガスを供給する燃料電池システムに関する。
近年、自動車等において燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電を行う燃料電池を電源として用いた燃料電池システムの利用が拡大している。この燃料電池システムでは、システムにおける発電量を増加させるために、複数の燃料ガスタンクと、複数の燃料電池スタックとを互いに配管で連結することが行われている。また、このような燃料電池システムでは、複数の燃料ガスタンクと、複数の燃料電池スタックとを互いに配管で連結する際に、並列して設けられる燃料ガスタンクからガスを送出する配管同士を互いに連結することで、並列して並列して設けられる燃料ガスタンクの圧力を均一化することが行われている。このような燃料電池システムの一例が特許文献1に開示されている。
特許文献1に記載の燃料電池システムでは、隣り合う燃料電池ユニットの燃料供給経路同士を接続する連通経路、当該連通経路を開閉する開閉機構を備える。さらに、燃料電池システム1の経路開閉制御部が、隣り合う燃料電池ユニットの燃料タンクの圧力差が小さくなるように開閉機構の作動を制御する構成としている。これにより、各燃料電池ユニットの燃料タンクを均圧化することで燃料ガスの充填時に一部の燃料タンクへの燃料ガスの充填が過剰となってしまうことを抑制する。
特開2018−14177号公報
しかしながら、特許文献1に記載の燃料電池システムでは、燃料ガスタンク圧力が減圧弁の開放圧力よりも低くなった場合、かつ、一方の燃料電池スタックの燃料ガス消費が他方の燃料電池スタックの燃料ガス消費よりも多くなった場合に、圧力が低下した一方の燃料電池スタックに対応して設けられる減圧弁に燃料ガスが逆流し、異物混入等によるシール不良が発生する可能性が高まる問題があった。
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、燃料電池システムに設けられる減圧弁の信頼性を向上させることを目的とするものである。
本発明にかかる燃料電池システムの一態様は、燃料ガスを貯蔵する第1及び第2の燃料ガスタンクユニットと、前記燃料ガスの供給を受けて発電を行う第1及び第2の燃料電池スタックと、前記第1及び第2の燃料ガスタンクユニットのぞれぞれの内部に設けられ、前記燃料ガスを送出するか否かを制御する主止弁と、前記第1及び第2の燃料電池スタックのそれぞれに対応して設けられ、前記第1及び第2の燃料電池スタックへの前記燃料ガスの供給量及び供給タイミングを調節する第1及び第2のインジェクタと、前記第1及び第2の燃料ガスタンクユニット内の前記主止弁と前記第1及び第2のインジェクタとの間において前記燃料ガスの流路を構成する燃料供給配管と、前記燃料供給配管に設けられ、前記燃料ガスの圧力を調整する減圧弁と、前記燃料供給配管のうち前記減圧弁よりも上流側において、前記第1の燃料ガスタンクユニットから送出される前記燃料ガスの流路となる第1の流路と、前記第2の燃料ガスタンクユニットから送出される前記燃料ガスの流路となる第2の流路と、を連通するように設けられる高圧連通配管と、前記燃料供給配管のうち前記減圧弁よりも下流側において、前記第1の燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスの流路となる第3の流路と、前記第2の燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスの流路となる第4の流路と、を連通するように設けられる低圧連通配管と、を有する。
本発明にかかる燃料電池システムによれば、減圧弁よりも下流側に設けられる低圧連通路に流すことで、第1の燃料電池スタックと第2の燃料電池スタックとの間の圧力差に起因する燃料ガスの逆流により発生するガスを、減圧弁を介さずに高圧な燃料電池スタック側から低圧な燃料電池スタック側に流すことができる。
本発明により、燃料電池システムに設けられる減圧弁の信頼性を向上させることができる。
実施の形態1にかかる燃料電池システムの構成図である。 比較例にかかる燃料電池システムの構成図である。 実施の形態2にかかる燃料電池システムの構成図である。 実施の形態2にかかる燃料電池システムにおけるインジェクタ動作についての課題を説明する図である。 実施の形態2にかかる燃料電池システムにおけるインジェクタの制御方法を説明する図である。
実施の形態1
まず、図1に実施の形態1にかかる燃料電池システム1の構成図を示す。図1に示すように、実施の形態1にかかる燃料電池システム1は、充填口10、マニホールド11a〜11g、圧力センサ12a、12b、燃料ガスタンクユニット13a〜13e、減圧弁14、第1のインジェクタ(例えば、インジェクタ15a)、第2のインジェクタ(例えば、インジェクタ15b)、第1の燃料電池スタック(例えば、燃料電池スタック16a)、第2の燃料電池スタック(例えば、燃料電池スタック16b)を有する。
充填口10は、燃料電池システム1内の燃料タンクに、外部の燃料ガスタンクから燃料ガスを充填するための接続口である。マニホールド11a〜11gは、燃料電池システム1内の配管の合流及び分岐を行うための配管接続部品である。圧力センサ12aは、充填口10から燃料ガスタンクユニット13a〜13eに供給される燃料ガスの圧力を検出する。また、圧力センサ12bは、燃料ガスタンクユニット13a〜13eから送出される燃料ガスの圧力を検出する。燃料ガスタンクユニット13a〜13eは、燃料ガスを貯蔵するとともに、外部からの指示に応じて貯蔵している燃料ガスを送出する。なお、図1に示す例では、燃料ガスタンクユニット13a、13bが並列に連結され第1の燃料ガスタンクユニットを構成し、燃料ガスタンクユニット13c〜13eが並列に連結され第2の燃料ガスタンクユニットを構成する。
ここで、燃料ガスタンクユニット13a〜13eは、それぞれ、燃料ガスタンク20、逆止弁21、主止弁22を有する。燃料ガスタンク20は、燃料ガスを貯蔵するタンクである。逆止弁21は、充填口10から燃料ガスタンク20に供給される燃料ガスを充填口10から燃料ガスタンク20方向に流すとともに、燃料ガスタンク20から充填口10への燃料ガスの逆流を防止する。主止弁22は、燃料ガスを燃料ガスタンク20から燃料電池スタック16a、16bに送出するか否かを切り替える。
減圧弁14は、燃料ガスタンクユニット13a〜13eから送出される燃料ガスの圧力を減圧して燃料電池スタック16a、16b側に送出する。図1に示す例では、減圧弁14は、第1の減圧弁14aと第2の減圧弁14bとを有する。しかし、減圧弁14がいくつの減圧弁により構成するかは、減圧弁1つあたりの許容流量の大きさと、減圧弁14が設けられる配管に流す気体の量との関係によって決まる。つまり、減圧弁14に含まれる減圧弁は、1つとすることもできる。
インジェクタ15a、15bは、燃料電池スタック16a、16bのそれぞれに対応して設けられ、燃料電池スタック16a、16bへの燃料ガスの供給量及び供給タイミングを調節する。燃料電池スタック16a、16bは、燃料ガスの供給を受けて発電を行う。
ここで、図1を参照して、燃料電池システム1を構成する各構成要素を接続する配管について説明する。図1に示すように、充填口10から充填される燃料ガスは、マニホールド11aにより、2つの分岐された配管に振り分けられる。分岐された配管の一方は、燃料ガスタンクユニット13a、13bにより構成される第1の燃料ガスタンクユニットに接続され、他方は燃料ガスタンクユニット13c〜13eにより構成される第2の燃料ガスタンクユニットに接続される。また、燃料ガスタンクユニット13aと燃料ガスタンクユニット13bは、入力側配管がマニホールド11bにより互いに接続され、マニホールド11bを介して燃料ガスの供給を受ける。燃料ガスタンクユニット13c〜13eは、入力側配管がマニホールド11cにより互いに接続され、マニホールド11cを介して燃料ガスの供給を受ける。
燃料ガスタンクユニット13aと燃料ガスタンクユニット13bは、出力側配管がマニホールド11dにより互いに接続され、マニホールド11dを介して燃料ガスを送出する。そして、燃料ガスタンクユニット13a、13bの主止弁22に接続される配管を介して送出される燃料ガスは、マニホールド11dで合流され、1つの配管でマニホールド11fに与えられる。燃料ガスタンクユニット13c〜13eは、出力側配管がマニホールド11eにより互いに接続され、マニホールド11eを介して燃料ガスを送出する。そして、燃料ガスタンクユニット13c〜13eの主止弁22に接続される配管を介して送出される燃料ガスは、マニホールド11eで合流され、1つの配管でマニホールド11fに与えられる。マニホールド11fは、燃料ガスタンクユニット13a〜13eから送出される燃料ガスを合流させて減圧弁14に送出する。
ここで、実施の形態1にかかる燃料電池システム1では、燃料ガスタンクユニット13a〜13eの主止弁22とインジェクタ15a、15bとの間において燃料ガスの流路を構成する燃料供給配管を設ける。そして、燃料供給配管のうち減圧弁14よりも上流側において、燃料ガスタンクユニット13a、13bから送出される燃料ガスの流路となる第1の流路L1とする。また、燃料供給配管のうち減圧弁14よりも上流側において、燃料ガスタンクユニット13c〜13eから送出される燃料ガスの流路となる第2の流路L2とする。そして、第1の流路L1と第2の流路L2をマニホールド11fにより連結して、1つの配管に第1の流路L1と第2の流路L2を介して送出される燃料ガスを1つの配管(例えば、高圧連通配管L3)に送出する。つまり、第1の流路L1と第2の流路L2を連通するように高圧連通配管L3を設ける。
また、燃料供給配管のうち減圧弁14よりも下流側において、燃料電池スタック16aに供給される燃料ガスの流路となる第3の流路L5を設ける。また、燃料供給配管のうち減圧弁14よりも下流側において、燃料電池スタック16bに供給される燃料ガスの流路となる第4の流路L6を設ける。さらに、図1に示す例では、減圧弁14から送出される燃料ガスを低圧連通配管L4によりマニホールド11gに送出し、マニホールド11gにより第3の流路L5及び第4の流路L6に分岐させる。つまり、図1に示す例では、低圧連通配管L4により第3の流路L5及び第4の流路L6を連通するように設ける。
上記接続関係を言い換えると、実施の形態1にかかる燃料電池システム1では、第1の流路L1の出口と第2の流路L2の出口は、互いに連結される。そして、高圧連通配管L3は、第1の流路L1と第2の流路L2の連結箇所に一端が連結される。また、第3の流路L5の入口と第4の流路L6の入口は、互いに連結される。そして、低圧連通配管L4は、第3の流路L4と第4の流路L5の連結箇所に一端が連結される。そして、実施の形態1にかかる燃料電池システム1では、減圧弁14を高圧連通配管L3の他端と、低圧連通配管L4の他端と、の間に挟まれるように設ける。
上記で説明した実施の形態1にかかる燃料電池システム1では、減圧弁14に対する逆流を防止することで、減圧弁14の信頼性を向上させる。そこで、図2に比較例にかかる燃料電池システム100を参照しながら、実施の形態1にかかる燃料電池システム1における減圧弁14に対する逆流防止効果を説明する。
図2に比較例にかかる燃料電池システム100の構成図を示す。図2に示すように、比較例にかかる燃料電池システム100では、第1の流路L111により燃料ガスタンクユニット13a、13bから送出される燃料ガスを第1の減圧弁14aに送る。また、第2の流路L112により燃料ガスタンクユニット13c〜13eから送出される燃料ガスを第2の減圧弁14bに送る。また、第1の減圧弁14aで減圧された燃料ガスは、第3の流路L115を介してインジェクタ15aに送出される。第2の減圧弁14bで減圧された燃料ガスは、第4の流路L116を介してインジェクタ15bに送出される。そして、図2に示す比較例にかかる燃料電池システム100では、第1の流路L1と第2の流路L112を高圧連通配管L113により連結する。一方、比較例にかかる燃料電池システム100では、第3の流路L115と第4の流路L116とは互いに独立しており連結されてはいない。
そして、この比較例にかかる燃料電池システム100では、燃料ガスタンクユニット13a〜13eに貯蔵されている燃料ガスが減少し、燃料ガスタンクユニット13a〜13eから送出される燃料ガスの圧力が低下した状態で、燃料電池スタック16a、16bの一方の内圧が他方の内圧よりも低下した場合、減圧弁に対して燃料ガスの逆流(燃料電池スタックから燃料ガスタンクユニットに向かう方向の流れ)が発生する。図2に示す例では、燃料電池スタック16bの内圧が燃料電池スタック16aの内圧よりも低下した場合を示している。そして、図2に示す例では、燃料電池スタック16aに対応して設けられるインジェクタ15aから燃料電池スタック16bに対応して設けられるインジェクタ15bに向かって高圧連通配管L13を介して燃料ガスが流れる経路が生じる。そして、この燃料ガスの流れが生じると、第1の減圧弁14aに逆流が生じる。ここで、第1の減圧弁14aに対してこのような逆流が生じると、減圧弁14のシールに異物混入等により不良が発生する可能性がある。
一方、図1に示す実施の形態1にかかる燃料電池システム1では、比較例にかかる燃料電池システム100のような減圧弁14に対する逆流は発生しない。図1に示すように、実施の形態1にかかる燃料電池システム1では、燃料電池スタック16bの内圧が燃料電池スタック16aの内圧よりも低下した場合に生じる燃料ガスの流れは、減圧弁14の下流の低圧連通配管L4、第3の流路L5及び第4の流路L6で閉じた範囲で生じる。つまり、実施の形態1にかかる燃料電池システム1では、減圧弁14に燃料ガスの逆流は発生しない。
上記説明より、実施の形態1にかかる燃料電池システム1では、減圧弁14の下流側でインジェクタに燃料ガスを供給する配管を連通させる高圧連通配管L3を設ける。これにより、実施の形態1にかかる燃料電池システム1では、燃料ガスタンクユニットから送出される燃料ガスの圧力が低下し、かつ、異なる燃料電池スタック間の内圧差が生じた場合であっても、減圧弁14に燃料ガスの逆流が生じることを防ぐことができる。そして、これにより減圧弁14の寿命の改善及び信頼性の向上を実現することができる。
実施の形態2
実施の形態2では、実施の形態1にかかる燃料電池システム1の変形例となる燃料電池システム2について説明する。なお、実施の形態2の説明において実施の形態1で説明した構成要素と同じ構成要素については、実施の形態1と同じ符号を付して説明を省略する。
図3に実施の形態2にかかる燃料電池システムの構成図を示す。図3に示すように、実施の形態2にかかる燃料電池システム2は、実施の形態1とは燃料供給配管の配管接続関係が異なる。具体的には、実施の形態2にかかる燃料電池システム2では、第1の流路L11により燃料ガスタンクユニット13a、13bから送出される燃料ガスを第1の減圧弁14aに送る。また、第2の流路L12により燃料ガスタンクユニット13c〜13eから送出される燃料ガスを第2の減圧弁14bに送る。また、第1の減圧弁14aで減圧された燃料ガスは、第3の流路L15を介してインジェクタ15aに送出される。第2の減圧弁14bで減圧された燃料ガスは、第4の流路L16を介してインジェクタ15bに送出される。そして、図3に示す実施の形態2にかかる燃料電池システム2では、第1の流路L11と第2の流路L12を高圧連通配管L13により連結する。また、実施の形態2にかかる燃料電池システム2では、第3の流路L15と第4の流路L16とを低圧連通配管L14により互いに連結する。
なお、図2に示すように、第1の流路L11と高圧連通配管L13は、マニホールド11hにより連結される。第2の流路L2と高圧連通配管L13は、マニホールド11iにより連結される。第3の流路L15と低圧連通配管L14は、マニホールド11jにより連結される。第4の流路L16と低圧連通配管L14は、マニホールド11kにより連結される。
つまり、実施の形態2にかかる燃料電池システム2は、第1の減圧弁14aを第1の流路L11の出口側端部に設け、第2の減圧弁14bを第2の流路L12の出口側端部に設ける。そして、第1の流路L1と第2の流路L2は、高圧連通配管L3により互いに連結する。また、第3の流路L15は、第1の減圧弁14aと第1のインジェクタ15aとを連結するように設けられ、第4の流路L16は、第2の減圧弁14bと第2のインジェクタ15bとを連結するように設けられる。そして、低圧連通配管L4は、第3の流路L15と第4の流路L16とを連結するように設けられる。
上記説明より、実施の形態2にかかる燃料電池システム2においても、第1の減圧弁14a及び第2の減圧弁14bの下流側の配管を低圧連通配管L4により連結する。これにより、実施の形態2にかかる燃料電池システム2においても、実施の形態1にかかる燃料電池システム1と同様に第1の減圧弁14a及び第2の減圧弁14bに対する燃料ガスの逆流を防止することができる。
また、実施の形態2にかかる燃料電池システム2では、インジェクタ15a、15bの動作のさせ方に特徴の1つを有する。そこで、燃料電池システム2においてインジェクタの動作のさせ方に起因して生じうる課題について説明する。
図4に実施の形態2にかかる燃料電池システムにおけるインジェクタ動作についての課題を説明する図を示す。図4に示すように、実施の形態2にかかる燃料電池システム2においてインジェクタ15aとインジェクタ15bとを異なるタイミングで動作させた場合、一方のインジェクタを動作させたことに応じて第1の減圧弁14aと第2の減圧弁14bの両方が動作する。そのため、図4に示す例のように、インジェクタ15aとインジェクタ15bとを異なるタイミングで動作させた場合、インジェクタの動作回数に対して第1の減圧弁14aと第2の減圧弁14bの動作回数が増加して、部品間で部品に設定する寿命に差が出る問題が生じる。
そこで、実施の形態2にかかる燃料電池システム2では、インジェクタ15a、15bの一方を動作させるときには、他方のインジェクタも同時に動作させる。そこで、図5に実施の形態2にかかる燃料電池システムにおけるインジェクタの制御方法を説明する図を示す。図5に示すように、実施の形態2にかかる燃料電池システム2では、インジェクタ15a、15bを同時に動作させることで、減圧弁の動作回数だけが増加してしまうことを防止することができる。
上記説明より、実施の形態2にかかる燃料電池システム2では、インジェクタ15a、15bを動作させる場合には同時に動作させることで、第1の減圧弁14a、第2の減圧弁14bの動作回数だけが増加することを防止する。これにより、実施の形態2にかかる燃料電池システム2では、部品の耐久度、あるいは、寿命を均一に設定することができる。
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は既に述べた実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることはいうまでもない。
1、2 燃料電池システム
10 充填口
11a〜11k マニホールド
12 圧力センサ
13a〜13e 燃料ガスタンクユニット
14 減圧弁
14a 第1の減圧弁
14b 第2の減圧弁
15a、15b インジェクタ
16a、16b 燃料電池スタック
20 燃料ガスタンク
21 逆止弁
22 主止弁
L1、L11 第1の流路
L2、L12 第2の流路
L3、L13 高圧連通配管
L4、L14 低圧連通配管
L5、L15 第3の流路
L6、L16 第4の流路

Claims (4)

  1. 燃料ガスを貯蔵する第1及び第2の燃料ガスタンクユニットと、
    前記燃料ガスの供給を受けて発電を行う第1及び第2の燃料電池スタックと、
    前記第1及び第2の燃料ガスタンクユニットのぞれぞれの内部に設けられ、前記燃料ガスを送出するか否かを制御する主止弁と、
    前記第1及び第2の燃料電池スタックのそれぞれに対応して設けられ、前記第1及び第2の燃料電池スタックへの前記燃料ガスの供給量及び供給タイミングを調節する第1及び第2のインジェクタと、
    前記第1及び第2の燃料ガスタンクユニット内の前記主止弁と前記第1及び第2のインジェクタとの間において前記燃料ガスの流路を構成する燃料供給配管と、
    前記燃料供給配管に設けられ、前記燃料ガスの圧力を調整する減圧弁と、
    前記燃料供給配管のうち前記減圧弁よりも上流側において、前記第1の燃料ガスタンクユニットから送出される前記燃料ガスの流路となる第1の流路と、前記第2の燃料ガスタンクユニットから送出される前記燃料ガスの流路となる第2の流路と、を連通するように設けられる高圧連通配管と、
    前記燃料供給配管のうち前記減圧弁よりも下流側において、前記第1の燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスの流路となる第3の流路と、前記第2の燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスの流路となる第4の流路と、を連通するように設けられる低圧連通配管と、
    を有する燃料電池システム。
  2. 前記第1の流路の出口と前記第2の流路の出口は、互いに連結され、
    前記高圧連通配管は、前記第1の流路と前記第2の流路の連結箇所に一端が連結され、
    前記第3の流路の入口と前記第4の流路の入口は、互いに連結され、
    前記低圧連通配管は、前記第3の流路と前記第4の流路の連結箇所に一端が連結され、
    前記高圧連通配管の他端と、前記低圧連通配管の他端と、の間に挟まれるように前記減圧弁が設けられる請求項1に記載の燃料電池システム。
  3. 前記減圧弁は、
    前記第1の流路の出口側端部に設けられる第1の減圧弁と、
    前記第2の流路の出口側端部に設けられる第2の減圧弁と、を含み、
    前記第1の流路と前記第2の流路は、前記高圧連通配管により互いに連結され、
    前記第3の流路は、前記第1の減圧弁と前記第1のインジェクタとを連結するように設けられ、
    前記第4の流路は、前記第2の減圧弁と前記第2のインジェクタとを連結するように設けられ、
    前記低圧連通配管は、前記第3の流路と前記第4の流路とを連結するように設けられる請求項1に記載の燃料電池システム。
  4. 前記第1のインジェクタと前記第2のインジェクタは、片方のインジェクタが動作した場合には他方のインジェクタも同期して動作するように制御される請求項1乃至3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
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