JP4753148B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、被供給体と接続されたガス通路上に設けられ通電によりガス通路の開度を調整する電磁弁を備えた燃料電池システムに関する。

駆動源の一つとして燃料電池を備えた車両等の移動体には、水素ガス等の燃料ガスを高圧で貯留する高圧ガスタンクが搭載されている。この高圧ガスタンク内のガスは、ガス供給系を通じて被供給体である燃料電池に供給される。

ガス供給系には目的別に各種のバルブが設けられるが、それらの一又は複数が高圧ガスタンクの口金部に設けられた開閉弁構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。
米国特許第５１９７７１０号明細書

この特許文献１に記載のバルブ構造は、高圧ガスタンクに設けられた電磁式開閉弁(以下、電磁弁)に開弁電流を供給し、電磁駆動力により開弁する。その後、この開弁電流よりも小さい電流（保持電流）を保持し、開弁状態を維持するものである。

ところで、車両駆動用モータ等の負荷装置の負荷量が大幅に変化した場合、負荷装置から燃料電池に対する電力要求量（要求燃料ガス量）が大幅に増大する。その結果として、燃料電池に接続するガス供給系の燃料ガス（水素ガス）や酸化ガスの流量が増大する。このとき、上記従来技術のようにガス供給系に設けられた電磁弁前後（上下流）の圧力差が大きくなり、その圧力差に起因して電磁弁の弁体に作用する外力が電磁弁駆動力（実際には弁体を所定方向に付勢するバネ部材のバネ力も考慮する）を上回ると、電磁弁が所定開度を保持することができなくなる。また、その結果として燃料電池の発電が要求値に対応して発電することが困難になるという課題がある。なお、同様な課題は酸化ガスの供給系や、燃料ガス及び酸化ガスの排気系に配置される電磁弁にも発生する。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、要求反応ガス量が大幅に変化する場合においても、電磁弁を所定開度に保持することのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、被供給体と接続すると共に反応ガスを供給・排出するガス通路と、ガス通路上に設けられ通電によりガス通路の開度を調整する電磁弁と、電磁弁の開度を燃料電池の運転状態に応じて制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、電磁弁の開度を所定開度に保持する場合、ガス通路内のガス状態量の変化を検知して、検知量に応じて電磁弁の通電状態を変更する。

かかる構成によれば、所定開度（全開、半開、全閉等を含む任意の開度）に保持された電磁弁の開度に影響する前に予め、あるいは、たとえ影響があっても可及的速やかに、それまで保持されていた開度を引き続き保持できるように電磁弁への通電状態（保持電流・電圧）が変更される。

例えば、被供給体による要求反応ガス量が所定の閾値を超えて増加する場合には、予め、電磁弁の開度を所定開度に保持する保持電流を増大させる。

かかる構成によれば、被供給体から過大な反応ガス量が要求された場合には、電磁弁前後の圧力差の増大によって、保持していた電磁弁の開度が変動してしまう前に、予め、電磁弁を所定開度に保持する保持電流が高められるので、それまで保持していた所定開度をより確実に保持することができる。

電磁弁が反応ガスとしての燃料ガスを供給する燃料ガス供給系に設けられた高圧ガスタンクの常閉電磁弁であってもよい。かかる構成においては、ガス通路に配設される弁類のうち、燃料ガス供給の大元である常閉電磁弁の開状態の保持が確実となる。

また、電磁弁が燃料ガス供給系、燃料ガスの循環ガス系、燃料ガスの排気系、酸化ガスの供給系、酸化ガスの排気系の少なくとも一つに設けられた電磁弁であってもよい。かかる構成においては、あらゆるガス通路に配設された弁の所定開度の保持が確実となる。

本発明によれば、所定開度に保持されていた電磁弁の開度に影響する前に予め、あるいは、たとえ影響があっても可及的速やかに、それまで保持されていた電磁弁の状態を引き続き保持できるように電磁弁への通電状態を変更するので、ガス通路における反応ガスの供給・排出あるいはそれらの遮断の信頼性が向上する。

図１は、本発明の一実施の形態による燃料電池システムの構成図である。本実施形態では、この燃料電池システムの適用対象として自動車（車両）を想定して説明するが、本発明は自動車に限らず、例えば船舶や飛行機など、あらゆる移動体にも適用可能である。なお、本発明は、移動体以外の据置型（例えば、家庭用）燃料電池にも適用可能である。

燃料電池（被供給体）１は、燃料電池セルを所要数積層した燃料電池スタックとして構成されており、各燃料電池セルは、電解質膜（図示略）を挟んでカソード極側（酸素極側）とアノード極側（水素極側）とに分けられる。この燃料電池１では、カソード極側の電極に供給された酸化ガス（反応ガス）と、アノード極側の電極に供給された水素ガス（反応ガス）とで発電を行い、発生した電力は燃料電池自動車の各種モータなどを駆動するために利用される。

酸化ガスとしての空気は空気供給路（ガス通路、酸化ガスの供給系）２を介して燃料電池１の空気供給口に供給され、燃料電池１から排出される空気オフガスは排気路（ガス通路、酸化ガスの排気系）４を経て外部に放出される。一方、燃料ガスとしての水素ガスは高圧ガスタンク２０から水素供給路（ガス通路、燃料ガス供給系）３を介して燃料電池１の水素供給口に供給され、燃料電池１から排出される水素オフガスは図示しない循環路（ガス通路、燃料ガスの循環系）を経て水素供給路３に合流し燃料電池１に再供給される。この高圧ガスタンク２０は、例えば２０〜３５ＭＰａの供給圧力を発生する水素ガスタンクによって構成される。

制御装置１０は、マイクロコンピュータシステム等を含んで構成され、アクセル信号（図示略）などの要求負荷や燃料電池自動車に搭載されている各部のセンサなどから制御情報を受け取り、制御プログラム等によって各種の弁類やモータ類の運転を制御する。

水素供給路３には、その上流から下流にかけてタンクバルブ（電磁弁、常閉電磁弁）２１，高圧レギュレータ２２，低圧レギュレータ２３，及びＦＣ入口バルブ２４等がこの順に配設されている。高圧に圧縮された水素ガスは高圧レギュレータ２２にて中圧に減圧され、更に低圧レギュレータ２３にて低圧（通常運転圧力）に減圧される。

本実施の形態に係るタンクバルブ２１やＦＣ入口バルブ２４は、制御装置１０からの駆動信号でオンオフ制御される電磁弁であり、非通電時に水素供給路３の上流と下流とを常時閉状態に保持する常閉電磁弁として機能する。

かかる電磁弁の形態としては、図２（ａ）及び（ｂ）に示すような、水素ガスの流れ方向（図示では下から上）と概ね同じ方向に沿って弁体２１ａ，２１ｂが移動するものや、図２（ｃ）に示すような、水素ガスの流れ方向（図示では右から左）に対して概ね直交する方向に弁体２１ｃが移動するものがある。この種の電磁弁は、その構造上、弁体２１ａ〜２１ｃの上下流間に圧力差が生ずると、弁体２１ａ〜２１ｃを所定方向（常閉方向）に付勢するバネ部材（図示略）のバネ力以外に、圧力差による低圧力側（下流側）に向かう付勢力が弁体２１ａ〜２１ｃに外力として作用する。したがって、これらの外力が電磁弁を所定開度に保持する保持電流による電磁弁駆動力よりも大きくなると、通電状態であるにも拘らず閉弁状態となる。

そこで、本燃料電池システムでは、図２（ａ）又（ｂ）のような形態をなすタンクバルブ２１への通電状態を、保持電流の単なるオンオフだけでなく、オン状態での保持電流を通常時とそれよりも大電流の２段階に切替可能としている。

この切替は、燃料電池１からの要求反応ガス量が所定の閾値を超えて増加するような場合、例えば、アクセルペダルの角度や角速度，エアコンやヒータの設定温度又は風量，及び登坂角度等が所定の閾値を超えた場合に、タンクバルブ２１を所定開度に保持する保持電流を通常運転時よりも増大させることにより行う。これらの検出は、各種センサを用いて行われる。

次に、図３を参照しながら、保持電流の切替を実現するための構成について説明する。

通常運転時は、スイッチボックス１１内の開閉スイッチが非連結になっているため、電源１２からの保持電流（パワー）は、スイッチボックス１１を介してタンクバルブ２１に供給された後、破線で示すように電気抵抗器１３を介してグランド１４に流れる。

一方、制御装置（ＥＣＵ）１０からタンクバルブ２１の駆動電力を大とする指令がスイッチボックス１１に与えられると、開閉スイッチが連結され、保持電流は実線で示すように電気抵抗器１３を介さずにスイッチボックス１１からグランド１４に流れる。この保持電流は、電気抵抗器１３を介さずに流れているので、通常運転時よりも大となる。

次に、図４のタイムチャートを参照しながら、運転信号，制御装置１０からタンクバルブ２１への制御指令（以下、電磁弁電流指令），この電磁弁電流指令に対応してタンクバルブ２１の弁体に作用する通電による駆動力（以下、電磁弁駆動力），及びアクセルペダル角度の相互関係について説明する。この説明中、必要に応じて図３も参照することとする。

燃料電池の起動前等、運転信号が「Ｏｆｆ」のとき、電磁弁電流指令及び電磁弁駆動力は「ゼロ」，アクセルペダル角度も「ゼロ」となっている。

この状態から、運転者がイグニション鍵をオン操作する等して、運転信号が「Ｏｆｆ」から「Ｏｎ」に切り替わると（図４の（１）参照）、制御装置１０からタンクバルブ２１への電磁弁電流指令及び電磁弁駆動力は、いずれも「ゼロ」から通常運転時の保持電流に対応する「小」に切り替わる（図４の（２）及び（３）参照）。このとき、図３の開閉スイッチは非連結とされていて、保持電流は電気抵抗器１３を介して流れている。

運転者がアクセルペダルを踏み込み、アクセルペダル角度のセンサ検出値が「所定の閾値」を越えると、制御装置１０からタンクバルブ２１への電磁弁電流指令及び電磁弁駆動力は、「小」から「大」に切り替わる（図４の（４）及び（５）参照）。このとき、図３の開閉スイッチは連結されていて、保持電流は電気抵抗器１３を介さないで流れている。

アクセルペダル角度が「所定の閾値」を越えるときとは、例えば加速時や登坂走行時等のように要求出力が大きいときであるから、燃料電池１への要求水素ガス量が所定の閾値を越えて増加するときである。この要求水素ガス量に対応して燃料電池１への実際の供給水素ガス量が増大すると、それまでの保持電流で開状態を保持できていたタンクバルブ２１は、水素供給路３内の流量増加に伴い発生する上下流の圧力差に起因して、開状態から閉状態に移行させられるような影響（外力）を受ける。

しかしながら、この燃料電池システムでは、既述のとおり、タンクバルブ２１の上下流の圧力変化（ガス状態量の変化）、ひいては、開状態から閉状態になるおそれをアクセルペダル角度の検出値から予測して保持電流を高めるようにしているので、タンクバルブ２１を開状態から閉状態とするような影響を予め打ち消しておくことが可能である。

したがって、要求水素ガス量が大幅に変化した場合においても、バルブタンク２１の開状態を確実に保持し得るようになり、燃料電池システムの信頼性向上を図ることができる。

図４に戻り、アクセルペダル角度のセンサ検出値が「所定の閾値」以下に戻ると、制御装置１０からタンクバルブ２１への電磁弁電流指令及び電磁弁駆動力は、いずれも「大」から「小」に切り替わる（図４の（６）及び（７）参照）。このとき、図３の開閉スイッチは非連結とされていて、保持電流は電気抵抗器１３を介して流れている。

そして、運転者がイグニション鍵をオフ操作する等して、運転信号が「Ｏｎ」から「Ｏｆｆ」に切り替わると（図４の（８）参照）、制御装置１０からタンクバルブ２１への電磁弁電流指令及び電磁弁駆動力は、「小」から「ゼロ」に切り替わる（図４の（９）及び（１０）参照）。

なお、燃料電池１に接続する負荷装置（例えば、車両駆動用モータ）から短時間で大きな電力を要求された場合には、燃料電池（及び二次電池）１が出力する電流が優先的に又は大部分が要求に追いつかず、または定格以上の過大な出力が要求され、負荷装置に供給されることとなる。この結果、電磁弁（タンクバルブ２１）に供給される保持電流が目標値より減少したり、電流供給が一定ではなく不安定になる場合がある。かかる場合には、電磁弁の開度が変化し、ついには、燃料電池１への燃料（水素）ガス供給量が不安定になり、その結果、出力電圧が不安定になる可能性がある。

この対策として、保持電流を維持できなくなる所定値以上の出力要求があった場合には、制御装置１０が出力要求値を制限したり、または要求があったとしても出力が負荷に供給されることを制限することにより、電磁弁の保持電流の安定性を確保するようにしてもよい。

以上、本発明の実施の形態を図面により詳述してきたが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明の範囲に含まれるものである。

例えば、上記実施の形態では、被供給体として燃料電池１を例に挙げて説明したが、この燃料電池１の代わりに、ガス消費装置としてのガスエンジンに圧縮天然ガス又は水素ガスを燃料とするシステムに適用することもできる。

検知するガス状態量の変化は、要求反応ガス量の変化に伴うガス通路内の流量，流速，圧力，粘性等の変化の他、環境変化に伴う反応ガスの温度，圧力，粘性等の変化であってもよい。また、ガス状態量変化の検知量に応じて、それまで保持していた電磁弁開度への影響の有無を予測して通電状態を変更するだけでなく、電磁弁開度に影響が有ったことを検知したときにその影響を打ち消すような方向に通電状態を変更してもよい。

通電状態の変更対象は、高圧ガスタンク２０の常閉電磁弁（タンクバルブ２１）に限らず、ＦＣ入口バルブ２４等その他の電磁弁であってもよく、また、ソレノイドに限らず、アクチュエータやモータ等で駆動されるものでもよい。さらには、非通電時にガス通路の上流と下流とを常時開状態に保持する常開電磁弁であってもよい。つまり、保持される電磁弁の所定の開度は、全開、半開、全閉等任意の開度でよい。

通電状態の変更は、システム構成によっては電圧を変更することによっても可能である。

本発明の一実施の形態による燃料電池システムの構成図である。 タンクバルブの配管内での挙動を説明する図である。 タンクバルブに通電する保持電流の大きさを切替可能にする一構成例を示す図である。 タンクバルブの制御動作を説明するためのタイミングチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池（被供給体）、２ 空気供給路（ガス通路、酸化ガスの供給系）、３ 水素供給路（ガス通路、燃料ガス供給系）、 ４ 排気路（ガス通路、酸化ガスの排気系）、１０ 制御装置、２１ タンクバルブ（電磁弁、常閉電磁弁）

Claims (3)

1. 被供給体と接続すると共に反応ガスを供給・排出するガス通路と、ガス通路上に設けられ通電によりガス通路の開度を調整する電磁弁と、電磁弁の開度を燃料電池の運転状態に応じて制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、
   電磁弁の開度を所定開度に保持する場合、ガス通路内のガス状態量の変化を検知して、検知量に応じて電磁弁の通電状態を変更し、
   被供給体による要求反応ガス量が所定の閾値を超えて増加する場合には、予め、電磁弁の開度を所定開度に保持する保持電流を増大させる燃料電池システム。
2. 電磁弁が反応ガスとしての燃料ガスを供給する燃料ガス供給系に設けられた高圧ガスタンクの常閉電磁弁である請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 電磁弁が燃料ガス供給系、燃料ガスの循環ガス系、燃料ガスの排気系、酸化ガスの供給系、酸化ガスの排気系の少なくとも一つに設けられた電磁弁である請求項1又は２に記載の燃料電池システム。

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