JP2024048770A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムにおいて、ガスの供給経路の上流側のリリーフ弁が故障したり、あるいは省略したりしても、供給経路の配管等の破損をより適切に抑制する。【解決手段】燃料電池システム２は、燃料電池４にガスを供給する供給経路６上に、リニアソレノイドバルブ１２と、リニアソレノイドバルブ１２の下流側に配置されるリリーフ弁２２と、を備える。リニアソレノイドバルブは、供給経路６の上流側からのガスの圧力が所定値以上になると、ガスをリニアソレノイドバルブ１２の下流側に開放するように構成されている。【選択図】図１

Description

本明細書が開示する技術は、燃料電池システムに関する。

燃料電池の発電開始時における燃料ガスの供給量は、燃料電池の発電状況に応じて調整されている。例えば、燃料ガス供給源に近い燃料ガス供給路の上流側にレギュレータを配置してその近傍下流にリリーフ弁を備えたシステムが開示されている（特許文献１）。このシステムによれば、ガス圧が上昇したときには、リリーフ弁を開弁して配管の破損を抑制できる。

特開２００９－１２３４７１号公報

燃料ガス供給路の上流側にリリーフ弁を設けることで高圧時の配管破損を抑制できるが、リリーフ弁を設けることはコストが嵩む。また、このリリーフ弁が故障した場合には、下流の水素供給路の破損が懸念される。

本明細書が開示する技術は、燃料電池システムにおいて、ガス供給路の上流側のリリーフ弁が故障したり、あるいは省略したりしても、ガス供給路の配管の破損等をより適切に抑制できる技術を提供する。

本明細書が開示する燃料電池システムは、燃料電池にガスを供給する供給経路上に、リニアソレノイドバルブと、リニアソレノイドバルブの下流側に配置されるリリーフ弁と、を備える。リニアソレノイドバルブは、供給経路の上流側からのガスの圧力が所定値以上になると、前記ガスを前記リニアソレノイドバルブの下流側に開放するように構成されている。

この燃料電池システムによれば、上述の形態でリニアソレノイドバルブを備えるため、本来的にリニアソレノイドバルブへの通電により、ガスの流量を調節できる。同時に、所定値以上の圧力がかかると開放されて、供給経路の下流側のガス圧の上昇を抑制できる。すなわち、リリーフ弁様に機能する。さらに、下流側にリリーフ弁を備えることで、開放されたリニアソレノイドバルブからのガスを供給経路の外部に放出できる。この燃料電池システムによれば、リニアソレノイドバルブを上記形態で備えることで、簡易な構造で、上流側リリーフ弁が故障したりあるいは省略したりしても、適切にガス圧の上昇を抑制できる。

燃料電池システムのガス供給経路の一例の概略を示す図である。 リニアソレノイドバルブの使用形態を示す図である。

本開示の燃料電池システムは、ガスの供給経路上に、リニアソレノイドバルブと、このリニアソレノイドバルブの下流に配置されるリリーフ弁と、を備える。リニアソレノイドバルブは、供給経路を通過するガスの圧力が所定値以上になると供給経路の上流側からのガスを下流側に開放するように構成されているが、以下の実施形態を採ることができる。

すなわち、この燃料電池システムの他の一実施形態は、前記上流側のガスの流入口を遮断又は開放するプランジャと、前記プランジャを前記ガスの流入口を遮蔽するように付勢するバネと、を備え、前記バネは、前記所定値以上の圧力によって縮むことにより前記ガスの流入口を開放可能な弾性力を有する。こうすることで、リニアソレノイドバルブは、所定以上の圧力で自動的に開放される。

上記いずれかの燃料電池システムの他の一実施形態は、前記リニアソレノイドバルブの上流側には、リリーフ弁を備えていない。リリーフ弁を備えないことで、コストを低減できる。

上記のいずれかの燃料電池システムの他の一実施形態は、さらに、前記リニアソレノイドバルブの上流側にデリバリ配管部を備える。デリバリ配管部を備えることで、ガス圧の上昇速度及びガス圧の上昇を抑制できる。

上記いずれかの燃料電池システムの他の一実施形態は、前記ガスは、燃料ガスであり、さらに、前記リニアソレノイドバルブの下流側であって前記リリーフ弁の上流側に、前記燃料電池からのオフガスを吸引するエジェクタを備える。エジェクタを備えることで、燃料電池からの排ガスを用いて燃料電池に対してガスを安定供給することができるとともに、リニアソレノイドバルブが開放されたときには、効果的に燃料ガスをリリーフ弁に流入させて外部に燃料ガスを放出できる。

以下、本明細書に開示される燃料電池システムにおける燃料ガスとしての水素の供給経路を例示して説明する。図１は、燃料電池システムの燃料ガスの供給経路の一例の概略を示し、図２は、燃料電池システムにおいて用いるリニアソレノイドバルブの使用形態を示す。なお、本明細書において、「所定値以上」というとき、所定値を超えると言う表現に置き換えることができる。また、供給経路において燃料電池から遠い側を、単に「上流」としい、近い側を単に「下流」と称する場合がある。

以下に説明する燃料電池システムは、多数の燃料電池セルを直列に積層したスタックである燃料電池と、燃料ガスとしての水素の供給経路と、酸化剤ガスとして例えば空気を供給する空気の供給経路（図示せず。）と、を備えている。なお、水素の供給経路及び空気の供給経路は、それぞれ本明細書に開示されるガスの供給経路の一例である。燃料電池システムは、このほか、図示しない、冷却水ポンプ、冷却水流路などからなる冷却系と、を備えている。燃料電池システムは、従来公知であり、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）を初めとする種々の燃料電池を含むシステムであってもよい。また、燃料電池システムの用途は特に限定されない。例えば、車両、船舶などの移動体に搭載される移動体用燃料電池システムであってもよいし、定置型の発電設備に採用される定置用燃料電池システムであってもよい。

図１に示すように、燃料電池システム２（以下、単に、システム２という。）は、燃料電池４と、水素の供給経路６（以下、単に、経路６という。）と、図示しない空気の供給経路と、を備えている。また、図示はしないが、システム２における水素や空気の流量、温度、圧力等を制御する制御装置を備えている。

経路６は、いくつかの調節要素を備える配管系として構成されている。経路６は、最上流にある水素貯蔵部に接続されている。水素貯蔵部は、例えば、高圧で水素が充填された高圧水素タンクである。

システム２は、レギュレータ８を、水素貯蔵部のすぐ下流側の経路６上に備えている。レギュレータ８は、高圧の水素を経路６及び燃料電池４における適切な圧力に調節する弁である。具体的には、例えば、７０ＭＰａ程度の高圧の水素を、経路６の下流側の要素の最小耐圧よりも十分に低く、また、下流側のリニアソレノイドバルブ１２における流量制御に適した、例えば、１ＭＰａ程度の圧力に低下させる。

システム２は、レギュレータ８の下流に、デリバリ配管部１０を備えている。デリバリ配管部１０は、経路６における水素の圧力を調整することができる。デリバリ配管部１０は、概して、経路６の他の個所よりも水素の圧力を低下できるように構成されており、例えば、大径のパイプからなるかあるいは大容積のキャビティを備える。

システム２は、デリバリ配管部１０の下流に、リニアソレノイドバルブ１２を備えている。リニアソレノイドバルブ１２は、制御装置により、燃料電池４に要請される出力に応じて所定流量及び所定の圧力で水素を上流側から下流側に通過させる。また、リニアソレノイドバルブ１２は、リニアソレノイドバルブ１２に到達する水素の圧力が所定値以上になると経路６の上流側からの水素をその下流側に開放する。

リニアソレノイドバルブ１２の一例を図２に示す。図２に示すように、リニアソレノイドバルブ１２は、概して、電磁中空コイル１４と、プランジャ１６と、プランジャ１６を上流側に付勢するバネ１８と、を備えている。プランジャ１６は、電磁中空コイル１４内を移動可能に構成されており、非通電時には上流側に突出するようにバネ１８によって付勢され、通電時には、必要量後退する。

バネ１８は、電磁中空コイル１４への非通電時においては、プランジャ１６を上流側に付勢してリニアソレノイドバルブ１２による水素流入路を遮断する。バネ１８は、また、経路６の上流側からの水素の圧力が所定値以上になったときには縮んでプランジャ１６を後退させて水素流入路を開放する弾性力を有する。また、バネ１８は、上流側からの水素の圧力が、リニアソレノイドバルブ１２よりも下流側にある要素が損傷する可能性のある最も低い圧力（耐圧）よりも十分に低い圧力で水素流路を開放可能な弾性力を有する。例えば、かかる水素の圧力（所定値）は、２００～３００ｋＰａの範囲のいずれかの圧力に設定される。

システム２は、エジェクタ２０を、リニアソレノイドバルブ１２の下流側に備えている。エジェクタ２０は、通常、リニアソレノイドバルブ１２からの水素の供給量に応じて燃料電池４からのオフガスを吸引する。エジェクタ２０は、燃料電池４からのオフガスを循環させる循環経路７ａからのオフガスを吸引して、燃料電池４に再度供給する。

システム２は、エジェクタ２０の下流側であって燃料電池４の上流側にリリーフ弁２２を備えている。リリーフ弁２２は、リリーフ弁２２に到達する水素の圧力が所定値以上になったとき、自動的に開弁し圧力を開放し、経路６内のガスを外部に放出する。リリーフ弁２２が自動的に開弁する圧力は、リニアソレノイドバルブ１２が水素の圧力により開放を開始する圧力（例えば、２００～３００ｋＰａ）と同一かそれよりも高く（例えば、３００ｋＰａ以上）設定される。こうすることで、経路６内の圧力を速やかに低下させることができる。

システム２は、リリーフ弁２２を、例えば、エジェクタ２０の下流であって燃料電池４の上流側において経路６から分岐した分岐経路７ｂに備えている。

次に、システム２においてレギュレータ８が損壊して、経路６における水素の圧力が高まった場合について説明する。経路６における圧力が高まって、リニアソレノイドバルブ１２でのガスの圧力が所定値以上となったとき、バネ１８は縮んでプランジャ１６を後退させてリニアソレノイドバルブ１２の水素流入路流路が開放される。これにより、過度な圧力状態は急激に低下する。

リニアソレノイドバルブ１２の水路流路が開放されると、水素は、エジェクタ２０を通過し、リリーフ弁２２に到達する。リリーフ弁２２は、リニアソレノイドバルブ１２の開放圧力に応じて予め設定された所定値以上で自動的に圧力を開放する。このため、システム２における過度の圧力状態は確実に解除される。また、リリーフ弁２２を単一で備えるため、リリーフ弁２２のみから水素放出のための単一の配管を接続するだけで足り、放出用の配管系を簡略化できる。

以上のように、システム２によれば、リニアソレノイドバルブ１２が予め設定した所定値以上の圧力で自動的に開放されて水素を下流に通過させ、さらに、下流のリリーフ弁２２が、リニアソレノイドバルブ１２の開放時の圧力に応じた所定圧力で開放されることで、水素をシステム２の外部に放出させることができる。これにより、システム２の経路６、経路６上の各種要素の破損が抑制される。

システム２によれば、リニアソレノイドバルブ１２が、過度な高圧時にはリリーフ弁様に機能する。このため、レギュレータ８の破損時において、レギュレータ８の直下のリリーフ弁を省略することが可能となるほか、かかるリリーフ弁を備えるときには、当該リリーフ弁が破損した場合でもシステム２の破損が抑制される。

システム２においては、デリバリ配管部１０の下流にリニアソレノイドバルブ１２を備える。デリバリ配管部１０により、レギュレータ８の破損時に高圧ガスの流入の緩和及びガス圧の低下が可能となる。このため、リニアソレノイドバルブ１２によって水素を下流に開放することでも、下流側の要素の破損を効果的に抑制できる。

また、システム２においては、リニアソレノイドバルブ１２の下流側であってリリーフ弁２２の上流側にエジェクタ２０を備える。エジェクタ２０は、ポンプによらずに、水素の流量等により燃料電池からのオフガスを吸引する。したがって、経路６において過度な高圧状態が発生したときでも、エジェクタ２０により、オフガスも効果的に排出される。

なお、以上の説明では、リニアソレノイドバルブ１２のバネ１８の弾性力の設定により、所定圧力でリニアソレノイドバルブ１２の水素流路を開放するものとしたが、これに限定するものではない。例えば、制御装置が、デリバリ配管部１０やリニアソレノイドバルブ１２又はその近傍に設けた圧力センサからの信号に基づいて、リニアソレノイドバルブ１２を動作させてプランジャを後退させるなどして水素流路を開放するようにしてもよい。

また、以上の説明では、水素を供給する経路６について説明したが、酸化剤ガスの供給経路についても同様に適用することができる。

以上、本明細書が開示する技術の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、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、例えば、燃料電池の制御方法など、様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書、又は、図面に説明した技術要素は、単独で、あるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。本明細書又は図面に例示した技術は、複数の目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２ 燃料電池システム、４ 燃料電池のスタック、６ 水素の供給経路、７ａ 循環経路、７ｂ 分岐経路、８ レギュレータ、１０ デリバリ配管部、１２ リニアソレノイドバルブ、１４ 中空電磁コイル、１６ プランジャ、１８ バネ、２０ エジェクタ、２２ リリーフ弁

Claims (5)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料電池にガスを供給する供給経路上に、リニアソレノイドバルブと、前記リニアソレノイドバルブの下流側に配置されるリリーフ弁と、を備え、
   前記リニアソレノイドバルブは、前記供給経路の上流側からの前記ガスの圧力が所定値以上になると、前記ガスを前記リニアソレノイドバルブの下流側に開放する、システム。
2. 前記リニアソレノイドバルブは、前記ガスの流入口を遮断又は開放するプランジャと、前記プランジャを前記流入口を遮蔽するように付勢するバネと、を備え、
   前記バネは、前記所定値以上の圧力によって縮むことにより前記流入口を開放可能な弾性力を有する、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記リニアソレノイドバルブの上流側には、リリーフ弁を備えていない、請求項２に記載の燃料電池システム。
4. さらに、前記リニアソレノイドバルブの上流側にデリバリ配管部を備える、請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記ガスは、燃料ガスであり、
   さらに、前記リニアソレノイドバルブの下流側であって前記リリーフ弁の上流側に、前記燃料電池からのオフガスを吸引するエジェクタを備える、請求項４に記載の燃料電池システム。
   
   

Images