JP4973271B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、高圧タンクから燃料ガスの供給を受ける燃料電池システム、特に、燃料ガスの供給を管理するための技術に関する。

燃料電池に対して、複数の高圧タンクから燃料ガスを供給する場合がある。下記特許文献１には、水素を貯蔵した高圧タンクを複数のグループにわけ、同一グループに属する高圧タンクの開閉弁を同時に開閉制御する技術が開示されている。この技術は、制御のための部品点数を削減するとともに、高圧タンクの使用頻度のバラツキを改善することを目的とするものである。

なお、高圧タンクからの燃料ガス供給に関する文献としては、下記特許文献２，３を挙げることができる。下記特許文献２には、燃料ガスを供給する流路に設けられた遮断弁の異常を、その上流及び下流における燃料ガスの状態に基づいて判断する技術が開示されている。具体的には、上流及び下流における圧力が所定の条件から外れた場合に異常の判定を行っている。また、下記特許文献３には、複数の高圧タンクが接続された流路における燃料ガスの漏れ点検を行う技術が開示されている。この技術では、配管に漏洩点検用の気体を供給して点検を行うため、各高圧タンクに対する燃料ガスの充填が不要となっている。

特開２００５−２２６７１５号公報 特開２００２−３７２１９７号公報 特開２００６−２１００５５号公報

上記特許文献１の技術のように、複数の高圧タンクの開閉弁を同時に開く場合には、一部の高圧タンクの開閉弁が開かなくても、燃料ガスの供給が行われることになるため、開閉弁の誤動作を直接的に検知することはできない。しかし、開く対象となった全ての開閉弁が開いたかを確認するために、各開閉弁に検知のためのセンサを付けたのでは、部品点数が増大してしまう問題が生じる。これは、開閉弁を手動で開く場合でも同様である。また、特許文献２，３に記載された技術でも、このような問題に対処することはできない。

本発明の目的は、複数の高圧タンクにより燃料ガスを供給する燃料電池システムにおいて、部品点数の削減と、供給信頼性の向上を両立させることにある。

本発明の目的は、各高圧タンク用の開閉弁を同時に開く場合において、弁の開閉状態を検出する新たな技術を開発することにある。

本発明の燃料電池システムの一態様においては、燃料ガスを高圧で貯蔵する複数の高圧タンクと、高圧タンク毎に設けられ、制御信号に基づいて開状態または閉状態を切り換える切換機構を有し、開閉により高圧タンクからのガス供給の有無を切り換える複数の開閉弁と、各高圧タンクから供給される燃料ガスを合流させて導くガス供給路と、ガス供給路を通じて燃料ガスの供給を受け、供給量に応じた電力量の発電を行う燃料電池と、ガス供給路に設けられ、合流した燃料ガスが示す圧力を検出する圧力センサと、燃料電池により発電された電力量を測定する測定手段と、圧力センサにより検出された圧力の時間的変化と、測定手段により測定された電力量から得られる前記ガス供給路の圧力の時間的変化とを比較して、前記複数の開閉弁の開閉の切り換えにおける誤動作の有無の判定を行う判定手段と、を備える。

燃料ガスとは、燃料電池で消費される気体をいう。燃料ガスとしては、典型的には水素ガスが用いられる。また、高圧タンクは、燃料ガスを高圧で貯蔵する圧力容器である。高圧とは、１気圧（０．１ＭＰａ）よりも高い圧力をいう。高圧タンクは、通常、満タン時には数十ＭＰａ程度の圧力で燃料ガスを貯蔵する。各高圧タンクに対しては、高圧タンク自体に、または、ガス供給路上に、少なくとも一つの開閉可能な開閉弁が設けられる。開閉弁を開いた状態では、高圧タンク内の燃料ガスが放出されて、ガス供給が行われ、開閉弁を閉じた状態では、高圧タンクからの燃料ガスは放出されずに維持されて、ガス供給は行われない。開閉弁の開閉は、典型的には、制御信号に基づいて自動的に行われるが、手動により行われるものであってもよい。なお、開閉弁における開き具合は、多段階に調整可能であってもよい。

ガス供給路は、燃料ガスを内部に流して燃料電池へと供給する流路であり、通常はパイプを利用して構築される。ガス供給路は、全高圧タンクからの燃料ガスを合流させて燃料電池へと供給する。このため、ガス供給路には、例えば、各高圧タンクから燃料ガスを集める支流路と、支流路を合流させた合流路が設けられる。しかし、一本の流路に各高圧タンクを直結するような構成をとることも可能である。また、燃料電池は、燃料ガスを酸化させる化学反応により発電を行う装置である。燃料電池では、燃料ガスの供給量（言い換えれば燃料ガスの消費量）に応じた電力量の電気エネルギーを生成する。ここで、電力量とは、電力を時間的に積算したものをいう。

圧力センサは、ガス供給路において、合流した燃料ガスが示す圧力を検出する。一般に、ガスは圧力のばらつきを解消するように運動するため、ガス供給路のような限られた空間内では比較的均一化された圧力分布を示す。したがって、合流した燃料ガスが示す圧力は、合流地点より下流側で検出される必要はなく、合流地点よりも上流側（例えば、前述の支流路）において検出されてもよい。ただし、支流路に開閉弁が設けられている場合には、開閉弁の開閉によらず圧力検出ができるように、開閉弁の下流において測定を行う方が設備を簡易化できる。

測定手段は、燃料電池により発電された電力量を、直接的または間接的に測定する。直接的な測定とは、発電された電力量自体を測定することをいい、例えば、各時刻における出力電流を測定し、これに基づいて電力量を求めるような態様をいう。他方、間接的な測定とは、発電の結果として生じた派生的な量であって、電力量に応じて定まる量を測定し、この測定結果に基づき電力量を評価することをいう。例えば、発電された電力量に応じて回転エネルギを生成するモータがある場合に、モータの回転状況（回転速度、回転数など）を測定して電力量を評価する態様を挙げることができる。なお、間接的な測定結果は、電力量の単位に換算されてもよいが、換算されなくてもよい。しかし、換算されない場合であっても、判定手段においては、間接的な測定結果と電力量との対応関係を陽に又は暗に利用して判定を行うことになるから、実質的には電力量が測定されたとみなすことができる。なお、測定手段による電力量の測定は、判定手段による判定が可能となる程度の精度で行われれば十分であり、近似的に行われてもよい。

判定手段は、演算機能を備えたコンピュータを利用して構築されるものであり、開閉弁の開閉に関する判定を行う。この判定は、圧力センサにより検出された圧力の時間的変化と、測定手段により測定された電力量との対応関係に基づいて行われる。一般に、高圧タンクから供給される燃料ガスが供給された場合、高圧タンク内及びガス供給路内の燃料ガスの圧力が低下する。圧力の時間的な変化は、燃料ガスを供給する高圧タンクの数に依存しており、例えば、燃料ガスを供給する高圧タンクの数が多くなると、圧力の時間的な変化は小さくなる。したがって、圧力の時間的変化と、その間に発電された電力量（これはガス供給量と対応している）とを比較することで、開閉弁の開閉に関する判定を行うことが可能となる。

この構成によれば、燃料電池により発電された電力量を利用して開閉弁に関する判定を行うことが可能となる。一般に、電力量の測定は、比較的簡易に行うことが可能であり、また、電力量の制御などの別用途に利用するために、予め測定機器が設けられていることも多い。したがって、複数の高圧タンクに設けられた複数の開閉弁の切り換えにおける誤動作の有無を判定する設備の簡易化が期待できる。

本発明の燃料電池システムの一態様においては、前記判定手段が行う開閉弁の開閉に関する判定は、開状態にされた開閉弁の数の判定、または、閉状態にされた開閉弁の数の判定である。

本発明の燃料電池システムの一態様においては、前記開閉弁は、制御信号に基づいて開状態または閉状態を切り換える切換機構を備え、前記判定手段が行う開閉弁の開閉に関する判定は、制御信号による開閉弁の開閉の切り換えにおける誤作動の有無の判定である。制御信号に基づいて開状態または閉状態を切り換える切換機構を備えた開閉弁の例としては、電磁弁を挙げることができる。なお、誤作動の有無は、開状態にされた開閉弁の数、あるいは、閉状態にされた開閉弁の数に基づいて、判定することも可能であるが、開状態にされた開閉弁の数、あるいは、閉状態にされた開閉弁の数を特定することなく判定してもよい。

本発明の燃料電池システムの一態様においては、さらに、前記判定手段の判定により誤動作していた開閉弁があると判明した場合に、開閉弁に対して開閉状態を正常化させる制御信号を送信する送信手段を備える。こうしてタンクの開閉状態を自動的に正常化することにより、例えば、高圧タンク間の使用のバラツキを減らすことが可能になる。

本発明の燃料電池システムの一態様においては、前記送信手段は、制御対象となる全ての開閉弁に対して一括して同種の制御信号を送信する。この方式においては、送信制御に関する部品点数を減らすことが可能となる。

本発明の燃料電池システムの一態様においては、前記送信手段は、各開閉弁に対して個別に制御信号を送信し、当該燃料電池システムは、さらに、前記送信手段による制御信号の送信結果に基づいて、誤動作していた開閉弁を特定して記録する記録手段を備える。なお、送信結果とは、送信したことにより得られる情報を指し、例えば、送信により状況が変化したこと、あるいは状況が変化しなかったことなどを例示することができる。具体的な態様としては、開状態にする制御信号を送信したところ、圧力センサを通じて圧力上昇が検出された場合に、その開閉弁が閉状態から開状態になったことを検出する例が挙げられる。記録された情報は、保守点検などに活用することができる。

以下に本実施の形態を例示する。

図１は、本実施の形態にかかる燃料電池車１０の構成例の概略を説明する図である。燃料電池車１０は、車体１２と、車体１２を走行可能に支える車輪１４を備えている。そして、車体１２には、燃料電池システム１５と、この燃料電池システム１５から供給される電力により回転するモータ４８が搭載されている。モータ４８は車輪１４を駆動し、これにより燃料電池車１０の走行が行われる。

燃料電池システム１５には、燃料ガスとしての水素ガスが貯蔵された４本の高圧タンク１６，１８，２０，２２が設けられている。各高圧タンク１６，１８，２０，２２の口金付近には、それぞれ、主止弁２４，２６，２８，３０が設けられている。主止弁２４，２６，２８，３０は、制御信号に基づいて、開閉を行う電磁弁によって構成されている。主止弁２４，２６，２８，３０の先には、それぞれ、支流路３２，３４，３６，３８が設けられており、各高圧タンク１６，１８，２０，２２から供給される水素ガスが流される。そして、支流路３２，３４，３６，３８は、下流側において、一本の合流路４０へと統合されている。

合流路４０には、減圧弁４２が設けられており、その下流側における水素ガスの圧力を減圧している。また、合流路４０には、減圧弁４２よりも上流側に圧力計４４が設けられており、合流路４０における減圧前の水素ガスの圧力を検出している。減圧弁４２よりも下流側では、主止弁２４，２６，２８，３０が開けられている場合には、各高圧タンク１６，１８，２０，２２と同じ圧力に保たれており、圧力計４４はこの圧力を検出することになる。

合流路４０の下流には、燃料電池４６が配置されている。燃料電池４６は、合流路４０を通じて供給される水素ガスを燃料として、電力を発電する装置である。発電は、水素ガスを酸化させる化学反応を起こし、電力を取り出すことで行われる。このため、発電される電力量は、水素ガスの消費量（供給量）に応じたものとなる。発電された電力は、モータ４８に供給される。

燃料電池システム１５には、電気制御部５０も設けられている。電気制御部５０は、コンピュータハードウエアを備えた装置であり、プログラム（ソフトウエア）によって、電力量測定部５２、判定部５４、判定条件格納部５６、送信部５８、修正確認部６０、及び記録部６２が構築されている。

電力量測定部５２は、燃料電池４６の出力電流を定期的に測定し、この測定結果に基づいて、設定された時間（この時間は、判定部５４による判定が可能な程度に設定される）内に発電された電力量を算出する。判定部５４は、電力量測定部５２が算出した電力量と、圧力計４４が検出した圧力とを入力し、判定条件格納部５６が格納する判定条件に基づいて、主止弁２４，２６，２８，３０における誤動作の有無を検出する。判定条件は、例えば、ルックアップテーブルとして実装することもできるし、演算式として実装することもできる。判定部５４は、具体的には、開いた状態にあるべきにもかかわらず開いていない主止弁２４，２６，２８，３０があるか否かを検出する。そして、誤動作があると判定した場合には、送信部５８は、全ての主止弁２４，２６，２８，３０に対し、弁を開かせる制御信号としての突入電流を送信する。突入電流は、電磁弁である主止弁２４，２６，２８，３０に対して電磁気学的作用を与えてその開弁を行うための電流である。

修正確認部６０は、突入電流を送信した結果、圧力計４４の検出する圧力が上昇したことを検出し、これにより、弁の誤動作が修正されたことを確認する。他方、確認できなかった場合には、送信部５８に対し、再度、突入電流を送信させるようにしてもよい。突入電流の再送信は、所定回数繰り返すことができる。記録部６２は、修正確認部６０による確認結果を記録する。なお、送信部５８は、各主止弁２４，２６，２８，３０に対し個別に突入電流を送信することもできる。この場合には、修正確認部６０は、誤動作があった主止弁を特定することが可能であり、記録部６２は、その主止弁を特定する記録を行う。

続いて、図２のフローチャートを用いて、電気制御部５０による制御の流れを説明する。

燃料電池車１０の運行が開始される場合、送信部５８は、主止弁２４，２６，２８，３０に弁を開かせる突入電流を送信する（Ｓ１０）。これにより、高圧タンク１６，１８，２０，２２が貯蔵する水素ガスは、支流路３２，３４，３６，３８及び合流路４０を通って燃料電池４６に供給される。

圧力計４４が検出する合流路４０の圧力は、定期的に電気制御部５０に入力され（Ｓ１２）、燃料電池４６が出力する電流も、定期的に電気制御部５０に入力される（Ｓ１４）。設定された所定時間が経過した場合（Ｓ１６）、判定部５４は、この時間にどれだけの圧力変化があったかを算出する（Ｓ１８）。また、電力量測定部５２は、この時間にどれだけの電力量が発電されたかを算出し、判定部５４に出力する（Ｓ２０）。

判定部５４では、判定条件格納部５６に格納された判定条件に基づき、「圧力変化の絶対値 ＞ 電力量 × 換算定数 ＋ α」を満たすか否かを判定する。ここで、換算定数は、電力量の単位を圧力変化の単位に合わせるための比例定数であり、燃料電池４６の性能や、高圧タンク１６，１８，２０，２２の容量などによって決定される。また、「α」は、測定誤差などを考慮して設定される。この結果、ｎｏである場合、すなわち、圧力変化の方が小さい場合には、全ての主止弁２４，２６，２８，３０が正常に開いているとみなされ、再び、ステップＳ１２に戻る。他方、ｙｅｓである場合、すなわち、圧力変化の方が大きい場合には、主止弁２４，２６，２８，３０に誤動作があったと判定され（Ｓ２４）、送信部５８は弁を開かせる突入電流を送信する（Ｓ２６）。

修正確認部６０は、突入電流の送信後に圧力変化があったかを判定する。そして、圧力変化があった場合には、記録部６２に記録させた後、ステップＳ１２に戻る。これに対し、圧力変化がなかった場合には、設定回数に達するまで突入電流の送信を繰り返す（Ｓ３０）。なお、ステップＳ２２でｎｏであった場合、あるいは、ステップＳ２８，Ｓ３０でｙｅｓであった場合には、処理を終了するようにしてもよい。

以上においては、燃料電池４６が出力する電力量を直接的に測定して、圧力変化と比較する例について説明した。しかし、燃料電池４６が出力する電力量は、例えば、燃料電池車１０の走行距離や、アクセルの開き具合などから間接的に測定することも可能である。

本実施の形態にかかる燃料電池車１０の構成例を示す概略図である。 電気制御部５０における制御の例を説明するフローチャートである。

符号の説明

１０ 燃料電池車、１２ 車体、１４ 車輪、１５ 燃料電池システム、１６，１８，２０，２２ 高圧タンク、２４，２６，２８，３０ 主止弁、３２，３４，３６，３８ 支流路、４０ 合流路、４２ 減圧弁、４４ 圧力計、４６ 燃料電池、４８ モータ、５０ 電気制御部、５２ 電力量測定部、５４ 判定部、５６ 判定条件格納部、５８ 送信部、６０ 修正確認部、６２ 記録部。

Claims (4)

1. 燃料ガスを高圧で貯蔵する複数の高圧タンクと、
   高圧タンク毎に設けられ、制御信号に基づいて開状態または閉状態を切り換える切換機構を有し、開閉により高圧タンクからのガス供給の有無を切り換える複数の開閉弁と、
   各高圧タンクから供給される燃料ガスを合流させて導くガス供給路と、
   ガス供給路を通じて燃料ガスの供給を受け、供給量に応じた電力量の発電を行う燃料電池と、
   ガス供給路に設けられ、合流した燃料ガスが示す圧力を検出する圧力センサと、
   燃料電池により発電された電力量を測定する測定手段と、
   圧力センサにより検出された圧力の時間的変化と、測定手段により測定された電力量から得られる前記ガス供給路の圧力の時間的変化とを比較して、前記複数の開閉弁の開閉の切り換えにおける誤動作の有無の判定を行う判定手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
   前記判定手段の判定により誤動作していた開閉弁があると判明した場合に、開閉弁に対して開閉状態を正常化させる制御信号を送信する送信手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記送信手段は、制御対象となる全ての開閉弁に対して一括して同種の制御信号を送信することを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記送信手段は、各開閉弁に対して個別に制御信号を送信し、
   当該燃料電池システムは、さらに、前記送信手段による制御信号の送信結果に基づいて、誤動作していた開閉弁を特定して記録する記録手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。

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