JP2021086686A

JP2021086686A - 燃料電池システム

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Publication number: JP2021086686A
Application number: JP2019213391A
Authority: JP
Inventors: 豊沢田; Yutaka Sawada; 幸秀横山; Yukihide Yokoyama
Original assignee: Hino Motors Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Hino Motors Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-11-26
Filing date: 2019-11-26
Publication date: 2021-06-03
Anticipated expiration: 2039-11-26
Also published as: CN112952161A; US20210159525A1; JP7239457B2; US11411239B2

Abstract

【課題】複数の燃料電池スタックを備える燃料電池システムにおいて、減圧弁の長寿命化を実現する。【解決手段】燃料電池システムは、水素ガスタンクの下流に接続された１つ以上の減圧弁と、減圧弁の下流に接続された第１流路と第１流路の下流に接続され第１流路から分岐した複数の第２流路とを備える水素ガス流路と、複数の第２流路のそれぞれに接続された複数のインジェクタユニットと、複数のインジェクタユニットのそれぞれに接続された複数の燃料電池スタックと、複数のインジェクタユニットの開閉を制御する制御部であって、燃料電池システムが予め定められた運転条件を満たす場合に、複数のインジェクタユニットのうち常に少なくとも１つのインジェクタユニットが開いた状態となるように複数のインジェクタユニットの閉弁期間をずれた期間に設定する、制御部とを備える。【選択図】図１

Description

本開示は、複数の燃料電池スタックを備える燃料電池システムに関する。

特許文献１には、複数の燃料電池スタックを搭載する燃料電池バスが開示されている。

特開２００６−１８８１６７号公報

複数の燃料電池スタックを搭載するバス等の大型車両では、１つの燃料電池スタックを搭載する車両に比べて、走行距離当たりの水素ガスの消費量が多い。そのため、このような大型車両では、燃料電池スタックに供給される水素ガスを減圧するための減圧弁の寿命が、より小型の車両に比べて短くなる場合があり、減圧弁の長寿命化が望まれていた。また、大型車両に限らず、複数の燃料電池スタックを備える燃料電池システムにおいても同様に、減圧弁の長寿命化が望まれていた。

本開示は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本開示の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、水素ガスタンクと、前記水素ガスタンクの下流に接続された１つ以上の減圧弁と、前記減圧弁の下流に接続された第１流路と、前記第１流路の下流に接続され前記第１流路から分岐した複数の第２流路と、を備える水素ガス流路と、前記複数の第２流路のそれぞれに接続され、開かれることで下流に水素ガスを噴射する複数のインジェクタユニットと、前記複数のインジェクタユニットのそれぞれに接続された複数の燃料電池スタックと、前記複数のインジェクタユニットの開閉を制御する制御部であって、前記燃料電池システムが予め定められた運転条件を満たす場合に、前記複数のインジェクタユニットのうち常に少なくとも１つのインジェクタユニットが開いた状態となるように前記複数のインジェクタユニットの閉弁期間をずれた期間に設定する、制御部と、を備える。
この形態によれば、燃料電池システムが予め定められた運転条件を満たす場合に、複数のインジェクタユニットのうち常に少なくとも１つのインジェクタユニットが開いた状態となるように、複数のインジェクタユニットの閉弁期間をずれた期間に設定して、インジェクタユニットの開閉を制御するので、水素ガス流路の圧力が急激に変動することを抑制できる。そのため、水素ガス流路の圧力を所定圧力に減圧するための減圧弁の動作を少なくすることができる。その結果、減圧弁の長寿命化を実現できる。
（２）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記１つ以上の減圧弁は前記燃料電池スタックのそれぞれに対応して設けられた複数の減圧弁を含み、前記水素ガス流路は、前記複数の減圧弁のそれぞれに対応して設けられた複数の前記第１流路と前記複数の第２流路とを接続する１つの接続流路を更に備えていてもよい。
この形態によれば、複数の減圧弁に対応して設けられた複数の第１流路と、複数の第２流路とは、１つの接続流路で接続されるので、複数の第２流路のうちのいずれかにおける水素ガスの圧力が所定圧力よりも上昇した場合に、水素ガスは、接続流路を介して他の第２流路へ流れる。そのため、水素ガスが減圧弁の下流から減圧弁の上流へ流れることである水素ガスの逆流を抑制できる。
（３）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記運転条件は、前記燃料電池システムにおいて前記複数の燃料電池スタックによる発電を一時的に停止させる間欠運転が行われていないことを含んでもよい。
この形態によれば、燃料電池スタックによる発電が不要な場合を除いて複数のインジェクタユニットのうち常に少なくとも１つのインジェクタユニットが開いた状態となるように、複数のインジェクタユニットの閉弁期間をずれた期間に設定して、インジェクタユニットの開閉を制御するので、減圧弁の長寿命化と、燃料電池システムの適切な運転とを実現できる。

本開示は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムの制御方法、燃料電池車両、車両に搭載される燃料電池システムの制御方法や、これらの制御方法を実現するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した一時的でない記録媒体（non-transitory storage medium）等の形態で実現することができる。

燃料電池システムの概略構成を示す図。水素ガス供給制御を示す工程図。実験条件を説明するための図。実験結果を説明するための図。第２実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す図。

Ａ．第１実施形態
図１は、本開示の一実施形態としての燃料電池システム１００の概略構成を示す図である。本実施形態において、燃料電池システム１００は、車両２００に搭載され、運転車からの要求に応じて車両２００の動力源となる電力を出力する。

燃料電池システム１００は、減圧弁２１、２２と、高圧配管５０と、中圧配管６０と、インジェクタユニット３１、３２と、燃料電池スタック４１、４２と、制御部８１を有する制御装置８０と、を備える。本実施形態において、燃料電池システム１００は、更に、水素ガスタンク１１、１２と、主止弁１３、１４と、低圧配管７０とを備える。図示は省略するが、燃料電池システム１００は、更に、燃料電池スタック４１、４２に空気を供給するためのエアコンプレッサ、カソードガス配管等を含むカソードガス供給系を備える。

水素ガスタンク１１、１２は、高圧配管５０、中圧配管６０、低圧配管７０を介して燃料電池スタック４１、４２の水素ガス入口に接続されており、内部に充填されている水素ガスを燃料電池スタック４１、４２に供給する。主止弁１３、１４と、減圧弁２１、２２と、インジェクタユニット３１、３２とは、この順序で上流側、つまり、水素ガスタンク１１、１２に近い側から設けられている。

高圧配管５０は、主止弁１３、１４と、減圧弁２１、２２とを接続する配管である。高圧配管５０は、第１高圧配管５１と、第２高圧配管５２と、接続配管５５と、第３高圧配管５３と、第４高圧配管５４とを備える。主止弁１３は第１高圧配管５１に接続され、主止弁１４は第２高圧配管５２に接続されている。主止弁１３は、制御部８１の制御により開閉し、水素ガスタンク１１内の水素ガスを第１高圧配管５１に供給する。主止弁１４は、制御部８１の制御により開閉し、水素ガスタンク１２内のガスを第２高圧配管５２に供給する。第１高圧配管５１及び第２高圧配管５２の下流端は、１つの接続配管５５に接続されている。接続配管５５は、下流において第３高圧配管５３及び第４高圧配管５４に分岐する。第３高圧配管５３には減圧弁２１が接続されており、第４高圧配管５４には減圧弁２２が接続されている。なお、接続配管５５を省略し、主止弁１３と減圧弁２１を直接接続し、主止弁１４と減圧弁２２を直接接続するようにしてもよい。

中圧配管６０は、減圧弁２１、２２と、インジェクタユニット３１、３２と、を接続する配管である。中圧配管６０は、第１中圧配管６１と、第２中圧配管６２と、接続配管６５と、第３中圧配管６３と、第４中圧配管６４とを備える。減圧弁２１は第１中圧配管６１に接続され、減圧弁２２は第２中圧配管６２に接続されている。第１中圧配管６１及び第２中圧配管６２の下流端は、１つの接続配管６５に接続されている。接続配管６５は、下流において第３中圧配管６３及び第４中圧配管６４に分岐する。中圧配管６０を「水素ガス流路」とも呼び、第１中圧配管６１、第２中圧配管６２、接続配管６５を「第１流路」とも呼ぶ。接続配管６５は「接続流路」とも呼ばれる。また、第３中圧配管６３及び第４中圧配管６４を「第２流路」とも呼ぶ。

減圧弁２１、２２は、中圧配管６０における水素ガスの圧力を予め定められた所定圧力になるように調整する弁である。図示は省略するが、減圧弁２１、２２は、高圧配管５０側と中圧配管６０側とに連通する筐体内に収容され、筐体内を摺動する弁体及び弁体が着座可能な弁座とを備え、弁体が摺動及び弁体へ着座することで、中圧配管６０の圧力を、予め定められた所定圧力に保つ機能を有する。例えば、減圧弁２１、２２では、中圧配管６０の圧力変動に応じて、中圧配管６０の圧力が上記所定圧力になるように、弁体が摺動する。圧力変動が大きい場合には、圧力変動が小さい場合に比べて、弁体が筐体内を摺動する距離（以下、摺動距離）は大きくなる。また、減圧弁２１、減圧弁２２では、中圧配管６０で圧力が上記所定圧力以上に上昇すると弁体が弁座に当接し、高圧配管５０から中圧配管６０へのガスの流通を停止させる。

インジェクタユニット３１、３２は、中圧配管６０に接続されている。インジェクタユニット３１、３２は、それぞれ、１以上のインジェクタを備える。インジェクタは、制御部８１の制御により開閉されて水素ガスを低圧配管７０側に向けて噴射する。具体的には、インジェクタは、通電により開かれて下流に向けてガスを噴射し、通電停止により閉じられて下流に向けてのガスの噴射を停止する。「インジェクタユニット３１を開く」とは、インジェクタユニット３１の備えるインジェクタのうち、少なくとも１つのインジェクタを開くことをいう。「インジェクタユニット３１を閉じる」とは、インジェクタユニット３１の備えるインジェクタのうち、全てのインジェクタを閉じることをいう。これらのことは、インジェクタユニット３２も同様である。

低圧配管７０は、第１低圧配管７１と第２低圧配管７２とを備えている。インジェクタユニット３１は第３中圧配管６３に接続され、第１低圧配管７１を介して燃料電池スタック４１に向けて水素ガスを噴射する。また、インジェクタユニット３２は第４中圧配管６４に接続され、第２低圧配管７２を介して燃料電池スタック４２に向けて水素ガスを噴射する。

制御装置８０は、いずれも図示しないＣＰＵとメモリとインターフェースとを備えるＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）として構成されている。制御装置８０は、メモリに記憶されたプログラムを展開して実行することにより、制御部８１として機能する。制御部８１は、図示しないセンサの計測結果を取得し、燃料電池システム１００内の各部の動作を制御する。

また、制御部８１は、燃料電池システム１００に求められる要求電力に応じて、燃料電池スタック４１、４２を発電させる。例えば、制御部８１は、燃料電池スタック４１、４２の合計発電電力が要求電力に見合うように、第１低圧配管７１における目標圧力値や、第２低圧配管７２における目標圧力値を設定する。制御部８１は、第１低圧配管７１に設けられた図示しない圧力センサの計測結果を取得して、第１低圧配管７１の圧力値が目標圧力値になるように、インジェクタユニット３１を制御する。また、制御部８１は、第２低圧配管７２に設けられた図示しない圧力センサの計測結果を取得して、第２低圧配管７２の圧力値が目標圧力値になるように、インジェクタユニット３２を制御する。

また、制御部８１は、燃料電池システム１００が予め定められた運転条件を満たす場合に、インジェクタユニット３１、３２のうち常に少なくとも１つのインジェクタユニットが開いた状態となるようにインジェクタユニット３１、３２の閉弁期間をずれた期間に設定してインジェクタユニット３１、３２を制御する、水素ガス供給制御を実行する。この制御は、インジェクタユニット３１、３２と減圧弁２１、２２との間の中圧配管６０における圧力値の変動を抑制するために実行される。

予め定められた運転条件は、燃料電池システム１００が間欠運転をしていないことを含む。間欠運転とは、燃料電池システム１００において複数の燃料電池スタック４１、４２による発電を一時的に停止させる運転である。間欠運転は、例えば、燃料電池システム１００における要求電力が小さく、燃料電池スタック４１、４２からの発電指令値がゼロに設定される場合に行われる。上記運転条件は、燃料電池システム１００が、回生運転をしていないことを含んでもよい。回生運転とは、燃料電池システム１００が搭載される車両２００が備える図示しない駆動モータにおいて発生する電力を回生して、車両２００の制動力とするための回生制動が行われている運転である。燃料電池システム１００の運転中における期間の大半、例えば、８割以上の期間において、複数の燃料電池スタック４１、４２が発電を継続しており、予め定められた運転条件が満たされる。また、予め定められた運転条件は、各インジェクタユニット３１、３２の１周期あたりの開弁期間であるデューティー（Ｄｕｔｙ）の合計が１００％以上であることを含む。

図２は、制御部８１において実行される水素ガス供給制御を示す工程図である。この制御は、燃料電池システム１００が始動されてから停止されるまで、繰り返し実行される。ステップＳ１０では、制御部８１は、燃料電池システム１００が、上述した予め定められた運転条件を満たすか否か判定する。燃料電池システム１００が予め定められた運転条件を満たさない場合（ステップＳ１０、ＮＯ）、制御部８１は、ステップＳ３０において、要求発電量に応じてインジェクタユニット３１、３２を制御する。ステップＳ３０では、制御部８１は、要求発電量がゼロであれば、インジェクタユニット３１、３２を閉じる。

予め定められた運転条件を満たす場合（ステップＳ１０、ＹＥＳ）、制御部８１は、ステップＳ２０において、インジェクタユニット３１、３２のうち、常に少なくとも１つのインジェクタユニットが開いた状態となるように、複数のインジェクタユニット３１、３２の閉弁期間をずれた期間に設定して、インジェクタユニット３１、３２の開閉を制御する。

図３は、複数のインジェクタユニットの開閉のタイミングを変更させた２つの実験（実験１、２）について説明するための図である。実験は、図１に示す燃料電池システム１００を用いて行った。実験１、２におけるインジェクタユニット３１、３２の駆動周期は、１００ｍｓｅｃである。駆動周期とは、今回インジェクタユニットが開かれてからインジェクタユニットが閉じられ、次回インジェクタユニットが開かれるまでの期間である。実験１、２におけるインジェクタユニット３１、３２の作動パターンは以下のとおりである。

＜実験１＞インジェクタユニット３１の開閉タイミングとインジェクタユニット３２の開閉タイミングとを同じにする。各インジェクタユニット３１、３２のデューティーは、８５％である。実験１では、インジェクタユニット３１が開かれたときを０ｍｓｅｃとすると、８５ｍｓｅｃまではインジェクタユニット３１、３２を開き、８５ｍｓｅｃから１００ｍｓｅｃまではインジェクタユニット３１、３２を閉じることを繰り返す。実験１では、１周期のうち、いずれのインジェクタユニット３１、３２も開いていない期間が一期間（図３、Ｐ１参照）存在する。

＜実験２＞インジェクタユニット３１、３２のうち、常に少なくとも一方が開くように、インジェクタユニット３１、３２の閉弁期間をずれた期間に設定する。各インジェクタユニット３１、３２のデューティーは、８５％である。実験２では、インジェクタユニット３１が開かれたときを０ｍｓｅｃとすると、８５ｍｓｅｃまではインジェクタユニット３１を開き、８５ｍｓｅｃから１００ｍｓｅｃまではインジェクタユニット３１を閉じることを繰り返す。また、インジェクタユニット３１が開かれてから１５ｍｓｅｃ後にインジェクタユニット３２を８５ｍｓｅｃだけ開き、８５ｍｓｅｃ経過したらインジェクタユニット３２を閉じることを繰り返す。実験２では、インジェクタユニット３１、３２の閉弁期間はずれており、いずれのインジェクタユニット３１、３２も開いていない期間は存在しない。

発明者らは、上記実験１、２において、同期間あたりの減圧弁２１、２２のそれぞれの摺動距離と、弁体の着座回数と、を調査した。その結果、実験１における摺動距離を基準値Ｌとした場合、実験２における摺動距離は０．５Ｌであり実験１よりも短かった。また、実験１では、減圧弁２１、２２は、いずれのインジェクタユニット３１、３２も開いていない期間（図３、Ｐ１参照）において着座した。減圧弁２１、２２の着座回数は、実験１ではインジェクタユニットの１周期を繰り返した作動回数と同じｎ回であった。これに対し、実験２では減圧弁２１、２２の着座回数はゼロ回であった。

以上の実験結果から、複数のインジェクタユニット３１、３２のうち常に少なくとも１つのインジェクタユニットが開いた状態となるように、インジェクタユニット３１、３２の閉弁期間をずれた期間に設定してインジェクタユニットの開閉を制御することで、減圧弁２１、２２の摺動距離が短くなること、及び、減圧弁２１、２２の着座回数を低減できることが示された。

本実施形態によれば、燃料電池システム１００が予め定められた運転条件を満たす場合に、複数のインジェクタユニット３１、３２のうち常に少なくとも１つのインジェクタユニットが開いた状態となるように、複数のインジェクタユニット３１、３２の閉弁期間をずれた期間に設定して、インジェクタユニット３１、３２の開閉を制御するので、水素ガス流路としての中圧配管６０の圧力が急激に変動することを抑制できる。そのため、中圧配管６０の圧力を所定圧力に減圧するための減圧弁２１、２２の摺動距離や着座回数を少なくすることができ、減圧弁２１、２２の長寿命化を実現できるという、第１の効果を奏する。また、減圧弁２１、２２の長寿命化により、車両２００における走行保証距離をより長くできる。

また、例えば、水素ガス流路としての中圧配管６０が接続配管６５を備えておらず、第１中圧配管６１と第３中圧配管６３とが接続され、第２中圧配管６２と第４中圧配管６４とが接続されているシステムを想定する。当該システムにおいて、例えば、第１中圧配管６１内及び第３中圧配管６３内の圧力が所定圧力よりも上昇すると、第１中圧配管６１内及び第３中圧配管６３内の水素ガスが減圧弁２１を逆流して減圧弁２２側へ流れる場合がある。しかし、本実施形態によれば、複数の減圧弁２１、２２にそれぞれ接続する複数の第１流路としての第１中圧配管６１及び第２中圧配管６２と、複数のインジェクタユニット３１、３２にそれぞれ接続する複数の第２流路としての第３中圧配管６３及び第４中圧配管６４とは、１つの接続配管６５で接続されているので、上記の水素ガスの逆流を抑制でき、減圧弁２１、２２の長寿命化を実現できるという第２の効果を奏する。

また、本実施形態によれば、燃料電池システム１００が予め定められた運転条件を満たす場合に水素ガス供給制御を実行する。予め定められた運転条件は、燃料電池システム１００の運転中における大半の期間において満たされるので減圧弁２１、２２の長寿命化を実現でき、運転条件が満たされない場合には水素ガス供給制御を実行しないので燃料電池システム１００の適切な運転を実現できるという、第３の効果を奏する。

本実施形態では、減圧弁２１、２２の数と、燃料電池スタック４１、４２の数とは同じである。そのため、１つの燃料電池スタックを備える車両において用いられる減圧弁と同様の圧力調整機能を有する減圧弁を転用することができる。したがって、複数の燃料電池スタック４１、４２を備える燃料電池システム１００を構築するためにかかる費用を抑制することができる。

Ｂ．第２実施形態
図５は、第２実施形態における燃料電池システム１００ａの概略構成を示す図である。燃料電池システム１００ａは、車両２００ａに搭載されている。燃料電池システム１００ａは、水素ガスタンクと減圧弁がそれぞれ１つである点、及び、高圧配管５０ａの構成、中圧配管６０ａの構成において、上述の実施形態における燃料電池システム１００と異なる。具体的には、燃料電池システム１００ａでは、水素ガスタンク１１の下流における主止弁１３と減圧弁２１とが第１高圧配管５１ａで接続されており、減圧弁２１と第１中圧配管６１ａとが接続されており、第１中圧配管６１ａが第３中圧配管６３及び第４中圧配管６４に分岐している。本実施形態において、制御装置８０ａの備える制御部８１ａは、第１実施形態の制御部８１と同様に、燃料電池システム１００ａが予め定められた運転条件を満たす場合に、インジェクタユニット３１、３２のうち常に少なくとも１つのインジェクタユニットが開いた状態となるように、複数のインジェクタユニット３１、３２の閉弁期間をずれた期間に設定して、インジェクタユニット３１、３２の開閉を制御する、水素ガス供給制御を実行する。この形態によっても、第１実施形態の第１及び第３の効果と同様の効果を奏する。

Ｃ．他の実施形態
上記各実施形態において、燃料電池スタックの数及びインジェクタユニットの数は、２よりも多くてもよい。この形態によっても、上記各実施形態と同様の効果を奏する。

上記実施形態において、燃料電池システム１００、１００ａが搭載される車両２００、２００ａはバスであるが、燃料電池システム１００は、トラック等の他の大型車両や商用車両に搭載されてもよい。また、燃料電池システム１００、１００ａは車両に限らず、船舶、電車、ロボット等の移動体に搭載されてもよいし、定置されるものであってもよい。

本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、他の実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１１、１２…水素ガスタンク、１３、１４…主止弁、２１、２２…減圧弁、３１、３２…インジェクタユニット、４１、４２…燃料電池スタック、５０、５０ａ…高圧配管、５１、５１ａ…第１高圧配管、５２…第２高圧配管、５３…第３高圧配管、５４…第４高圧配管、５５…接続配管、６０、６０ａ…中圧配管、６１、６１ａ…第１中圧配管、６２…第２中圧配管、６３…第３中圧配管、６４…第４中圧配管、６５…接続配管、７０…低圧配管、７１…第１低圧配管、７２…第２低圧配管、８０、８０ａ…制御装置、８１、８１ａ…制御部、１００、１００ａ…燃料電池システム、２００、２００ａ…車両

Claims

燃料電池システムであって、
水素ガスタンクと、
前記水素ガスタンクの下流に接続された１つ以上の減圧弁と、
前記減圧弁の下流に接続された第１流路と、前記第１流路の下流に接続され前記第１流路から分岐した複数の第２流路と、を備える水素ガス流路と、
前記複数の第２流路のそれぞれに接続され、開かれることで下流に水素ガスを噴射する複数のインジェクタユニットと、
前記複数のインジェクタユニットのそれぞれに接続された複数の燃料電池スタックと、
前記複数のインジェクタユニットの開閉を制御する制御部であって、前記燃料電池システムが予め定められた運転条件を満たす場合に、前記複数のインジェクタユニットのうち常に少なくとも１つのインジェクタユニットが開いた状態となるように前記複数のインジェクタユニットの閉弁期間をずれた期間に設定する、制御部と、を備える、
燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記１つ以上の減圧弁は前記燃料電池スタックのそれぞれに対応して設けられた複数の減圧弁を含み、
前記水素ガス流路は、前記複数の減圧弁のそれぞれに対応して設けられた複数の前記第１流路と前記複数の第２流路とを接続する１つの接続流路を更に備える、燃料電池システム。
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記運転条件は、前記燃料電池システムにおいて前記複数の燃料電池スタックによる発電を一時的に停止させる間欠運転が行われていないことを含む、燃料電池システム。