JP2022022900A - 燃料電池システムおよび車両用燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】複数のタンクを有する車両用燃料電池システムにおいてコストの低減を図ることができる車両用燃料電池システムの提供を目的の一つとする。【解決手段】水素タンク40と、燃料電池10と、燃料電池10の発電を制御する燃料電池制御装置20と、を含む単位燃料電池グループG1、G2が複数連結された車両用燃料電池システム100であって、少なくとも2つの単位燃料電池グループG1、G2の各水素タンク40における水素の充填、放出を制御するタンク用制御装置80を備え、単位燃料電池グループG1、G2は、水素を燃料電池10に至らしめる水素供給ライン77を含み、少なくとも2つの単位燃料電池グループG1、G2の水素供給ライン77は互いに連結されており、タンク用制御装置は、異常を検出した単位燃料電池グループの燃料電池への水素の供給を停止する、車両用燃料電池システム100。【選択図】図2

Description

本発明は、燃料電池システムおよび車両用燃料電池システムに関するものである。
燃料電池を備えるシステムであって、例えば車両の場合は、水素が貯留されるタンクを備え、タンク内の水素を燃料として走行する。水素は、例えば、水素供給ステーションにおいてタンク内に充填される。また、タンク内に貯留された水素は、供給配管を通して燃料電池に供給される。このような技術としては、例えば特許文献1に開示されている。
特開2006-200564号公報
燃料電池を、長距離を運行する商用車などに転用する場合、連結された複数のタンクを車両に搭載する必要がある。しかしながら、従来から知られる燃料電池から複数のタンクへの接続経路を複数用意する場合、システム全体の部品点数が増加し全体としてコストが高まるという問題があった。
そこで、本発明は、複数のタンクを有する燃料電池システムにおいてコストの低減を図ることができる燃料電池システムの提供を目的の一つとする。
上記目的を達成するために、請求項1に記載の発明に係る燃料電池システム(例えば、燃料電池システム100)は、水素タンク(例えば、実施形態における水素タンク40)と、燃料電池(例えば、実施形態における燃料電池10)と、前記燃料電池の発電を制御する燃料電池制御装置(例えば、実施形態における燃料電池制御装置20)と、を含む単位燃料電池グループ(例えば、実施形態における単位燃料電池グループG1、G2)が複数連結された燃料電池システムであって、少なくとも2つの前記単位燃料電池グループの各水素タンクにおける水素の充填、放出を制御するタンク用制御装置(例えば、実施形態におけるタンク用制御装置80)を備え、前記単位燃料電池グループは、前記水素タンクに一端を連結するタンク側水素ライン(例えば、実施形態におけるタンク側水素ライン75)と、前記タンク側水素ラインの他端から分岐して水素充填口(例えば、実施形態における水素充填口61)及び前記燃料電池に向けてそれぞれ延びる水素充填ライン(例えば、実施形態における水素充填ライン76)及び水素供給ライン(例えば、実施形態における水素供給ライン77)と、を含み、前記水素供給ラインは、水素を前記燃料電池に至らしめ、少なくとも2つの前記単位燃料電池グループの前記水素供給ラインは互いに連結され、前記水素充填ラインには、前記タンク側水素ラインからの水素の逆流を防ぐ逆止弁(例えば、実施形態における逆止弁76a)が設けられ、少なくとも2つの前記単位燃料電池グループの前記水素充填ラインは、前記逆止弁よりも上流側で互いに連結され、前記単位燃料電池グループは、減圧弁(例えば、実施形態における減圧弁73)を含んでおり、前記タンク用制御装置は、異常を検出した前記単位燃料電池グループの前記燃料電池への水素の供給を停止することを特徴とする。
請求項2に記載された発明において、異常を検出した前記単位燃料電池グループの前記燃料電池に対して、他の前記単位燃料電池グループの前記水素タンクから水素を供給することを特徴とする。
請求項3に記載の発明に係る車両用燃料電池システム(例えば、車両用燃料電池システム100)において、上述の燃料電池システムが車両に搭載されることを特徴とする。
請求項1に記載した発明によれば、本実施形態の燃料電池システムは、水素タンクと、燃料電池と、燃料電池制御装置と、を含む単位燃料電池グループが複数連結されて構成される。このため、搭載する燃料電池システムを複数の小グループに分割して構成することができ、例えば大型の商用車に搭載する車両用燃料電池システムを、普通乗用車用の燃料電池システムの構成部品を流用して構築することができる。したがって、本実施形態によれば、複数の水素タンクを有する車両用燃料電池システムにおいてコストの低減を図ることができる。
さらに、請求項1に記載した発明によれば、1つのタンク用制御装置が、複数の単位燃料電池グループの水素タンクの水素ガスの充填、放出を統括して監視する。このため、タンク用制御装置により、複数の水素タンクに、水素の貯留および放出を均等に行わせることができる。
請求項1に記載した発明によれば、複数の単位燃料電池グループが、それぞれ燃料電池制御装置を備える。このため、複数の単位燃料電池グループのうち一部が稼働不能となったとしても、他の単位燃料電池グループが稼働を継続することができ、冗長性を高めることで燃料電池システムの信頼性を確保できる。
請求項1に記載した発明によれば、2つの単位燃料電池グループの水素供給ラインは、互いに連結される。このため、1つの単位燃料電池グループの水素の圧力が低下した場合に、他の単位燃料電池グループから水素を供給できる。すなわち、複数の単位燃料電池グループ間で水素残圧の片減りが生じることを抑制することができる。
請求項1に記載した発明によれば、1つの単位燃料電池グループの水素タンクに異常が検知され水素の供給が停止された場合に、単位燃料電池グループ同士の間で水素を相互に供給させることができる。これにより、両方の単位燃料電池グループの燃料電池を駆動させ、車両のモータの駆動を維持させることができる。さらに、例えば燃料電池システムが車両に搭載される場合であって車両が冷蔵車等である場合には、燃料電池により発電した電力を用いて荷台内の冷却を維持することができる。これにより、車両用燃料電池システムの信頼性を高めることができる。
請求項1に記載した発明によれば、複数の単位燃料電池グループの水素充填ラインを逆止弁よりも上流側で合流させる。このため、複数の水素充填ラインで水素充填口を共用することができる。
請求項1に記載した発明によれば、複数の単位燃料電池グループは、それぞれ減圧弁を含んでいる。このため、それぞれの単位燃料電池グループにおいて水素を減圧することができ、それぞれの減圧弁を小型化することができる。結果的に、1つの大きな減圧弁によって減圧する場合と比較して、燃料電池システム全体を小型化及び軽量化することができる。さらに、例えば燃料電池システムが車両に搭載される場合、普通自動車の燃料電池システムの部品を流用することができるため、低コスト化を図ることができる。
請求項1に記載した発明によれば、異常が検出された水素供給ラインを水素が通過することを抑制でき水素供給ラインを保護できる。
請求項2に記載した発明によれば、異常が検出されていない単位燃料電池グループの水素タンクから、異常が検出された単位燃料電池グループの燃料電池に水素を供給できる。このため、異常が検出された単位燃料電池グループの燃料電池を駆動させることができる。
請求項3に記載した発明によれば、上述の燃料電池システムを用いて車両を駆動させることができる。
燃料電池システムが搭載される車両の構成要素を示す図である。 燃料電池システムの構成図である。
以下、図面を参照し、本発明の一実施形態である燃料電池システムを車両に搭載した場合の車両用燃料電池システム100について説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴部分を強調する目的で、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、同様の目的で、特徴とならない部分を省略して図示している場合がある。
図1は、実施形態の車両用燃料電池システム100が搭載される車両1の構成要素を示す図である。車両用燃料電池システム100が搭載される車両1は、FCV(Fuel Cell Vehicle:燃料電池自動車)である。本実施形態の車両1は、例えば、大型車両や中型車両などの商用車である。また、車両1は、車両用燃料電池システム100から供給される電力によって荷室内を冷却する冷蔵車又は冷凍車などであってもよい。
図1に示すように、車両1は、内部に運転席が配置されるキャブ2と、荷室が搭載されキャブ2によってけん引されるフレーム3と、車両用燃料電池システム100と、を有する。キャブ2には、車両用燃料電池システム100の燃料電池10と、車両1を駆動させるモータ(図示略)と、が搭載される。燃料電池10は、モータに電力を供給する。また、フレーム3には、車両用燃料電池システム100の複数(本実施形態では6つ)の水素タンク40が固定される。水素タンク40は、燃料電池10に水素を供給する。
なお、本実施形態の車両用燃料電池システム100内の水素の状態は、全て気体である。したがって、本明細書において単に「水素」と書いた場合であっても、「水素ガス」を意味するものとする。
図2は、車両用燃料電池システム100の構成図である。
本実施形態の車両用燃料電池システム100は、互いに連結される2つの単位燃料電池グループG1、G2と、燃料電池統括制御装置90と、タンク用制御装置80と、充填部60と、を有する。
充填部60は、外部の水素供給ステーションの充填ノズルが装着される水素充填口61を有する。水素充填口61には、充填口逆止弁62が設けられる。充填口逆止弁62は、単位燃料電池グループG1、G2の水素充填ライン76からの逆流を抑制する。また、水素充填口61は、リッドによって閉塞される収容部に収容される。
単位燃料電池グループG1、G2は、燃料電池10と、燃料電池10を制御する燃料電池制御装置20と、水素タンク40と、燃料電池10と水素タンク40とを繋ぐ供給配管70と、をそれぞれ含む。
なお、以下の説明において、2つの単位燃料電池グループG1、G2を区別する場合、一方を第1の単位燃料電池グループG1と呼び、他方を第2の単位燃料電池グループG2と呼ぶ。
燃料電池10は、水素を燃料として発電し、車両1を駆動させるモータ(図示略)に電力を供給する。燃料電池10には、供給配管70を介して水素タンク40から水素が供給される。
燃料電池10は、例えば、固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとの間に挟み込んで形成されたセルを複数積層した燃料電池スタックとして構成されている。燃料電池10のアノード側には、燃料として水素が供給される。また、燃料電池10のカソード側には、酸化剤として空気が供給される。アノードで触媒反応により発生した水素イオンは、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動し、カソードにおいて酸素と電気化学反応を起こす。
燃料電池制御装置20は、燃料電池10の発電を制御する。より具体的には、燃料電池制御装置20は、車両1側における電力需要に応じて、燃料電池10のアノード側への水素の供給量とカソード側への空気の供給量を調整する。
燃料電池制御装置20は、それぞれの1つの単位燃料電池グループG1、G2の燃料電池10ごとに1つ設けられる。複数の燃料電池10における発電量は、燃料電池統括制御装置90において管理される。また、互いに異なる単位燃料電池グループG1、G2の燃料電池制御装置20同士及びこれらを統括する燃料電池統括制御装置90は、CAN(Controller Area Network)通信線等の多重通信線やシリアル通信線、無線通信網等によって互いに接続される。燃料電池統括制御装置90は、2つの単位燃料電池グループG1、G2の燃料電池制御装置20を統括する。
水素タンク40は、充填部60を介して水素供給ステーションから供給される水素(高圧ガス)を高圧で貯留する。水素タンク40は、例えば、両端が半球状に形成された円筒ボンベ形状である。
本実施形態において、水素タンク40は、1つの単位燃料電池グループG1、G2にそれぞれ3つずつ設けられる。それぞれの単位燃料電池グループG1、G2において、3つの水素タンク40に接続される供給配管70は連結されている。
水素タンク40には、それぞれ遮断弁45と温度センサ49とが設けられる。遮断弁45は、タンク用制御装置80に接続される。遮断弁45は、タンク用制御装置80によって開閉が制御される。遮断弁45は、水素タンク40に水素を充填するとき、及び水素タンク40に充填されている水素を燃料電池10に供給するときに開弁する。
温度センサ49は、1つの水素タンク40にそれぞれ設けられる。温度センサ49は、水素タンク40内の水素の温度を測定する。
タンク用制御装置80は、単位燃料電池グループG1、G2の各水素タンク40(合計6つの水素タンク40)の充填、放出を制御する。タンク用制御装置80は、水素タンク40の温度センサ49及び供給配管70中の第1の圧力センサ74に接続される。タンク用制御装置80は、温度センサ49によって測定される水素タンク40内の温度と、第1の圧力センサ74によって測定される圧力と、によって水素タンク40内の水素の残量を演算する。
タンク用制御装置80は、表示装置81に接続される。タンク用制御装置80は、表示装置81に対して信号を送り、水素タンク40内の水素の残量を表示させる。また、タンク用制御装置80は、水素タンク40の温度センサ49の検知結果及び第1の圧力センサ74の検知結果が所定の閾値を超えた場合などにおいて、表示装置81に警告を表示させてもよい。
タンク用制御装置80は、充填口リッド開放センサ82に接続される。充填口リッド開放センサ82は、水素充填口61が配置される収容部のリッドの開放を検出する。タンク用制御装置80は、水素充填口61の開放時に水素充填モードに移行し、水素タンク40の遮断弁45を開放して水素タンク40への水素の充填を受け入れる。
供給配管70は、タンク側水素ライン75と、水素充填ライン76と、水素供給ライン77と、を有する。タンク側水素ライン75、水素充填ライン76及び水素供給ライン77は、交差部79において互いに連結される。
交差部79には、第1の圧力センサ74が接続される。第1の圧力センサ74は、タンク側水素ライン75の経路中に設けられていてもよい。第1の圧力センサ74は、タンク側水素ライン75内の圧力を測定する。遮断弁45の開放時に第1の圧力センサ74によって測定された圧力は、水素タンク40内の圧力と見做される。
タンク側水素ライン75は、水素タンク40に一端を連結し、他端を交差部79に連結する。タンク側水素ライン75は、水素タンク40側において3つに分岐して3つの水素タンク40にそれぞれ連結される。
水素充填ライン76及び水素供給ライン77は、タンク側水素ライン75の他端(すなわち交差部79)から分岐して水素充填口61及び燃料電池10に向けてそれぞれ延びる。
水素充填ライン76は、交差部79と水素充填口61とを繋ぐ。水素充填ライン76には、逆止弁76aが設けられる。本実施形態の逆止弁76aは、水素充填ライン76の交差部79側の接続端部に位置する。逆止弁76aは、タンク側水素ライン75からの水素の逆流を防ぐ。また、2つの単位燃料電池グループG1、G2の水素充填ライン76は、逆止弁76aより上流側(すなわち、水素充填口61側)で互いに連結される。連結された水素充填ライン76の上流側の端部には、充填部60が設けられる。充填部60から充填された水素は、2つの単位燃料電池グループG1、G2の水素充填ライン76に分岐して流れ、それぞれの水素タンク40に同時に供給される。
水素供給ライン77は、交差部79と燃料電池10とを繋ぐ。水素供給ライン77は、水素タンク40の水素を燃料電池10に至らしめる。水素供給ライン77には、減圧弁73と、第2の圧力センサ72と、制御弁71と、が設けられる。減圧弁73、第2の圧力センサ72および制御弁71は、交差部79から燃料電池10に向かってこの順で並ぶ。
減圧弁73は、水素タンク40から放出される高圧の水素を減圧して下流側(すなわち、燃料電池10側)に流通させる。第2の圧力センサ72は、減圧弁73で減圧された水素の圧力を測定する。第2の圧力センサ72は、燃料電池制御装置20に接続される。制御弁71は、燃料電池制御装置20によって制御されるインジェクタである。燃料電池制御装置20は、第2の圧力センサ72によって測定された水素供給ライン77中の水素の圧力を基に制御弁71を制御し、燃料電池10への水素の供給量を調整する。
2つの単位燃料電池グループG1、G2の水素供給ライン77同士は、連結ライン78によって互いに連結される。連結ライン78の連結部は、水素供給ライン77の制御弁71と減圧弁73の間に配置される。2つの単位燃料電池グループG1、G2の水素ライン75のうち一方の圧力が低下した場合、他方の水素が連結ライン78を通って一方側に供給される。
(作用、効果)
次に、上述の車両用燃料電池システム100の作用、効果について説明する。
本実施形態の車両用燃料電池システム100は、水素タンク40と、燃料電池10と、燃料電池制御装置20と、を含む単位燃料電池グループG1、G2が複数連結されて構成される。このため、車両1に搭載する燃料電池システムを複数の小グループに分割して構成することができ、大型の商用車に搭載する車両用燃料電池システム100を、普通乗用車用の燃料電池システムの構成部品を流用して構築することができる。したがって、本実施形態によれば、複数の水素タンク40を有する車両用燃料電池システム100においてコストの低減を図ることができる。
本実施形態によれば、1つのタンク用制御装置80が、複数の単位燃料電池グループG1、G2の水素タンク40の充填、放出を統括して監視する。このため、タンク用制御装置30により、複数の水素タンク40に、水素の貯留および放出を均等に行わせることができる。
本実施形態によれば、複数の単位燃料電池グループG1、G2が、それぞれ燃料電池制御装置20を備える。このため、複数の単位燃料電池グループG1、G2のうち一部が稼働不能となったとしても、他の単位燃料電池グループが稼働を継続することができ、冗長性を高めることで車両用燃料電池システム100の信頼性を確保できる。
本実施形態によれば、2つの単位燃料電池グループG1、G2の水素供給ライン77は、連結ライン78によって互いに連結される。このため、1つの単位燃料電池グループ(例えば第1の単位燃料電池グループG1)の水素の圧力が低下した場合に、他の単位燃料電池グループ(例えば第2の単位燃料電池グループG2)から水素を供給できる。すなわち、複数の単位燃料電池グループG1、G2間で水素残圧の片減りが生じることを抑制することができる。
また、本実施形態において、例えば、1つの単位燃料電池グループ(例えば第1の単位燃料電池グループG1)の水素供給ライン77に異常が感知された場合を想定する。この場合、タンク用制御装置80は、第1の単位燃料電池グループG1の水素タンク40の遮断弁45を閉塞して水素の供給を停止する。すなわち、タンク用制御装置80は、異常を検出した単位燃料電池グループ(例えば第1の単位燃料電池グループG1)の燃料電池10への水素の供給を停止する。これにより、異常を検出した単位燃料電池グループの水素供給ライン77を水素が通過することを抑制でき水素供給ライン77を保護できる。一方で、異常が感知されない第2の単位燃料電池グループG2において、水素タンク40からの水素の供給は継続させることができる。すなわち、異常を検出した単位燃料電池グループ(例えば第1の単位燃料電池グループG1)の燃料電池10に対して、他の単位燃料電池グループ(例えば第2の単位燃料電池グループG2)の水素タンク40から水素を供給する。本実施形態によれば、連結ライン78を介して第2の単位燃料電池グループG2から第1の単位燃料電池グループG1に水素を供給することができる。このため、第1および第2の単位燃料電池グループG1、G2の燃料電池10を、ともに駆動させることができる。これにより、車両1のモータの駆動を維持させることができる。さらに、車両1が冷蔵車である場合には、燃料電池10により発電した電力を用いて荷台内の冷却を維持することができる。結果的に、車両用燃料電池システム100の信頼性を高めることができる。
本実施形態によれば、複数の単位燃料電池グループG1、G2の水素充填ライン76を逆止弁76aよりも上流側で合流させる。このため、複数の水素充填ライン76で水素充填口61を共用することができる。水素充填口61から充填された水素は、2つの単位燃料電池グループG1、G2の合計6つの水素タンク40に同時に供給される。
本実施形態によれば、複数の単位燃料電池グループG1、G2は、それぞれ減圧弁73を含んでいる。このため、それぞれの単位燃料電池グループG1、G2の水素供給ライン77において水素を減圧することができそれぞれの減圧弁73を小型化することができる。結果的に、1つの大きな減圧弁によって減圧する場合と比較して、車両用燃料電池システム100全体を小型化及び軽量化することができる。さらに、普通自動車の燃料電池システムの部品を流用することができるため、低コスト化を図ることができる。
なお、本発明の技術範囲は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、上述した実施形態で挙げた構成等はほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。車両は、移動体の一例であり、二輪や三輪、四輪等の自動車である。また、車両は、例えば、燃料電池システムを複数搭載することが可能なバスやトラック等の大型車両であってもよい。燃料電池システムは、車両以外の移動体(例えば、船舶、飛行体、ロボット)に搭載されてもよく、また、定置型の燃料電池システムに搭載されてもよい。
例えば、上述した実施形態では、車両用燃料電池システム100は、2つの単位燃料電池グループG1、G2を含む場合について説明した。しかしながら、車両用燃料電池システム100は、3以上の単位燃料電池グループを含んでいてもよい。この場合においても、タンク用制御装置は、少なくとも2つの単位燃料電池グループの水素タンクの充填、放出を制御するものであればよい。また、少なくとも2つの単位燃料電池グループの水素供給ライン77が互いに連結されていればよい。さらに、少なくとも2つの単位燃料電池グループの水素充填ラインが逆止弁の上流側で互いに連結されていればよい。
また、上述した実施形態では、連結ライン78が、制御弁71と減圧弁73との間において、水素供給ライン77に連結される場合について説明した。しかしながら、連結ライン78は、減圧弁73の上流側(水素タンク40側)で水素供給ライン77に連結されていてもよい。
また、上述した実施形態では、1つの単位燃料電池グループG1、G2が、それぞれ3つの水素タンク40を有する場合について説明したが、水素タンク40の数は限定されない。
また、上述した実施形態では、水素タンク40の遮断弁45が、充填用バルブ及び供給用バルブの双方の機能を有する場合について説明した。しかしながら、充填用バルブ及び供給用バルブをそれぞれ別々に水素タンク40に設けてもよい。
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上述した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。
1…車両、10…燃料電池、20…燃料電池制御装置、40…水素タンク、61…水素充填口、73…減圧弁、75…タンク側水素ライン、76…水素充填ライン、76a…逆止弁、77…水素供給ライン、80…タンク用制御装置、100…車両用燃料電池システム(燃料電池システム)、G1、G2…単位燃料電池グループ

Claims (3)

  1. 水素タンクと、燃料電池と、前記燃料電池の発電を制御する燃料電池制御装置と、を含む単位燃料電池グループが複数連結された燃料電池システムであって、
    少なくとも2つの前記単位燃料電池グループの各水素タンクにおける水素の充填、放出を制御するタンク用制御装置を備え、
    前記単位燃料電池グループは、前記水素タンクに一端を連結するタンク側水素ラインと、前記タンク側水素ラインの他端から分岐して水素充填口及び前記燃料電池に向けてそれぞれ延びる水素充填ライン及び水素供給ラインと、を含み、
    前記水素供給ラインは、水素を前記燃料電池に至らしめ、
    少なくとも2つの前記単位燃料電池グループの前記水素供給ラインは互いに連結され、
    前記水素充填ラインには、前記タンク側水素ラインからの水素の逆流を防ぐ逆止弁が設けられ、
    少なくとも2つの前記単位燃料電池グループの前記水素充填ラインは、前記逆止弁よりも上流側で互いに連結され、
    前記単位燃料電池グループは、減圧弁を含んでおり、
    前記タンク用制御装置は、異常を検出した前記単位燃料電池グループの前記燃料電池への水素の供給を停止する、
    燃料電池システム。
  2. 異常を検出した前記単位燃料電池グループの前記燃料電池に対して、他の前記単位燃料電池グループの前記水素タンクから水素を供給する、
    請求項1に記載の燃料電池システム。
  3. 請求項1又は2に記載の燃料電池システムが車両に搭載される車両用燃料電池システム。
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