JP5258912B2

JP5258912B2 - 燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法

Info

Publication number: JP5258912B2
Application number: JP2011014549A
Authority: JP
Inventors: 航一加藤; 晃一高久
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2011-01-26
Filing date: 2011-01-26
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2031-01-26
Also published as: US20160336608A1; JP2012156019A; US20120189935A1; US9825318B2

Description

本発明は、燃料供給部から燃料電池への燃料供給路に減圧弁を備えた燃料電池システムに関する。

従来より、高圧の水素ガス（燃料ガス）が充填された水素ガスタンクから、燃料供給路を介して燃料電池に水素ガスを供給する燃料電池システムにおいては、燃料供給路に備えた減圧弁により、燃料電池への水素ガスの供給圧力を低下させるようにしている（例えば、特許文献１参照）。

また、燃料電池システムの信頼性を向上させるために、水素ガスタンクから燃料供給路への水素ガスの供給と遮断を切替える主止弁（遮断弁）に、異常が生じているか否かを推定する機能を備えた構成が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００９−６４６８１号公報特開２００７−１７３１５８号公報

燃料電池システムを、例えば車両のように収容スペースが限られた対象内に配置するときには、燃料供給部と燃料電池及びその作動用の補機とを接続する燃料供給路が長くなって、主止弁と減圧弁間の燃料供給路の容積が大きくなる場合がある。この場合には、燃料電池の発電運転が停止して主止弁（遮断弁）が閉弁されたときに、主止弁と減圧弁間の燃料供給路内に高圧の水素ガスが残留した状態になる。

このように、主止弁と減圧弁間の燃料供給路内に高圧の水素ガスが残留した状態になると、この高圧の水素ガスが徐々に減圧弁の下流側に拡散して、減圧弁の下流側の燃料供給路内の圧力が上昇する。

そして、減圧弁の下流側の燃料供給路内の圧力上昇により、減圧弁と燃料電池間に備えられた燃料電池の作動用の補機（インジェクタ、加湿器、水素ポンプ等）が作動不能となって、燃料電池の発電が不能になるおそれがある。

そこで、主止弁とは別に、減圧弁の上流側の近傍の燃料供給路にもさらに遮断弁を設けて、燃料電池が発電を停止しているときはこの遮断弁を閉弁することにより、減圧弁の下流側への高圧の水素ガスの拡散を阻止することが考えられる。しかし、この遮断弁は高圧に耐え得るものでなければならないため、ある程度大型のものとなる。そのため、遮断弁を備えることによって、燃料電池システムのコストがアップすると共に重量及び容積が増加するという不都合がある。

本発明はかかる背景を鑑みてなされたものであり、主止弁とは別の遮断弁を設けることなく、燃料供給路内の圧力上昇により、燃料電池の発電が不能となることを防止した燃料電池システム、及び燃料電池システムの運転方法を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するためになされたものであり、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、燃料ガス供給部と、前記燃料電池と前記燃料ガス供給部とを接続する燃料供給路と、前記燃料ガス供給部から前記燃料供給路への燃料ガスの供給と遮断とを切替える遮断弁と、前記遮断弁と前記燃料電池間の前記燃料供給路に設けられて、下流側の圧力を上流側よりも減少させる減圧弁と、該減圧弁と該燃料電池との間の前記燃料供給路に設けられた前記燃料電池の作動用の補機とを備えた燃料電池システムに関する。

そして、前記減圧弁の下流側の前記燃料供給路内の圧力を検出する圧力センサと、前記減圧弁の下流側の燃料供給路内の圧力を減圧する圧抜き部と、前記圧力センサの検出圧力が所定の判定圧力を超えたときに、前記圧抜き部により、前記減圧弁の下流側の燃料供給路内の圧力を減少させ、前記燃料電池を起動させるときに、前記圧力センサの検出圧力が前記判定圧力を超えているか否かを判断する制御部とを備えたことを特徴とする（第１発明）。

第１発明によれば、前記減圧弁の下流側の前記燃料供給路内の圧力が前記判定圧力を超えると、前記制御部は、前記圧抜き部により前記減圧弁の下流側の前記燃料供給路内の圧力を減少させる。これにより、前記減圧弁の上流側から下流側に拡散した燃料ガスにより、前記減圧弁の下流側の前記燃料供給路内の圧力が上昇して前記作動用デバイスが作動不能となり、前記燃料電池の発電が不能になることを防止することができる。

この場合、前記遮断弁（主止弁）とは別にさらなる遮断弁を備える必要がなく、また、前記圧抜き部は、前記減圧弁の上流側よりも低圧な下流側の前記燃料供給路内の圧力を減圧するものであるため、前記減圧弁の上流側の前記燃料供給路に設ける遮断弁のように、大型のものである必要はない。そのため、前記減圧弁の上流側に遮断弁を設ける場合よりも、燃料電池システムのコストと重量及び容積の増加を抑制することができる。

さらに、第１発明によれば、前記燃料電池が発電を停止して前記遮断弁が閉弁され、前記減圧弁の上流側から下流側に高圧の燃料ガスが拡散して、前記減圧弁の下流側の前記燃料供給路内の圧力が前記判定圧力を超えた状態になっている場合があり、その状態から前記燃料電池を起動する際には、前記制御部により、前記減圧弁の下流側の前記燃料供給路内の圧力を減少させる処理が実行される。そのため、前記減圧弁の下流側の前記燃料供給路内の圧力上昇により、前記補機が作動不能となって、前記燃料電池の起動が不能となることを防止することができる。

また、第１発明において、前記制御部は、前記燃料電池を起動させるときに、前記圧力センサの検出圧力が前記判定圧力を超えているときには、前記圧抜き部により、前記減圧弁の下流側の前記燃料供給路の圧力を前記判定圧力以下まで減少させた後に、前記遮断弁の開弁と、前記補機の作動をさせて前記燃料電池を起動させることを特徴とする（第２発明）。

第２発明によれば、前記制御部により、前記減圧弁の下流側の前記燃料供給路内の圧力を前記判定圧力以下まで減少させることによって、燃料を供給し、また前記補機を確実に作動させて前記燃料電池を起動させることができる。

また、前記圧抜き部は、前記減圧弁の下流側の前記燃料供給路に設けられて、前記燃料供給路を前記判定圧力よりも圧力が低い低圧箇所に連通した状態と該低圧箇所から遮断した状態とに切替える低圧開放弁であり、前記制御部は、前記低圧開放弁を開弁することによって、前記減圧弁の下流側の前記燃料供給路内の圧力を低下させ、前記減圧弁の下流側の前記燃料供給路に設けられて、前記減圧弁の下流側の前記燃料供給路内の圧力が、前記判定圧力よりも高く設定された上限圧力を超えたときに、閉弁状態から開弁状態に切替わって、前記燃料供給路を前記低圧箇所に連通させる感圧応動弁を備えたことを特徴とする（第３発明）。

第３発明によれば、前記圧力センサ又は前記圧抜き部の故障によって、前記制御部により、前記減圧弁の下流側の前記燃料供給路内の圧力を減少させることができなくなったときに、前記圧力応動弁が開弁して、前記減圧弁の下流側の前記燃料供給路内の圧力が減少する。そのため、前記作動用補機に過剰な圧力が加わって、前記作動用補機の故障等が生じることを防止することができる。

本発明の燃料電池システムの構成図。燃料電池システムの起動時の作動フローチャート。燃料電池システムの起動時のタイミングチャート。

本発明の実施形態の一例について、図１〜図３を参照して説明する。図１を参照して、本実施形態の燃料電池システムは、例えば燃料電池自動車に搭載されるものであり、高圧（例えば数１０ＭＰａ）の水素ガス（本発明の燃料ガスに相当する）が充填された水素ガスタンク１０（本発明の燃料ガス供給部に相当する）、水素ガスタンク１０の温度を検出するタンク温度センサ１２、燃料電池２０、燃料電池２０を作動させるための補機２１（インジェクタ、加湿器、水素ポンプ等）、水素ガスタンク１０と燃料電池２０を接続する燃料供給路３０ａ，３０ｂ、水素ガスタンク１０と燃料供給路３０ａとの接続部を開閉して、水素ガスタンク１０から燃料供給路３０ａへの水素ガスの供給と遮断とを切替える主止弁１１（本発明の遮断弁に相当する）、上流側の燃料供給路３０ａ内の水素ガスの圧力を減少させて下流側の燃料供給路３０ｂに供給する減圧弁３１、燃料供給路３０ａ（減圧弁３１の上流側の燃料供給路）内の圧力Ｐ1を検出する高圧センサ３２、燃料供給路３０ｂ（減圧弁３１の下流側の燃料供給路）内の圧力Ｐ2を検出する中圧センサ３３（本発明の圧力センサに相当する）、燃料供給路３０ｂに設けられて、燃料供給路３０ｂを大気連通路４０を介して大気（本発明の低圧箇所に相当する）に開放する圧抜き弁３４（本発明の圧抜き部に相当する）と感圧応動弁３５、及び、燃料電池システムの全体的な作動を制御するコントローラ５０（本発明の制御部に相当する）を備えている。

圧抜き弁３４と感圧応動弁３５は、燃料供給路３０ｂと大気連通路４０間の連通と遮断とを切替える開閉弁である。圧抜き弁３４は、例えば、電磁弁やインジェクタ等であって、コントローラ５０からの制御信号に応じて開閉する。また、感圧応動弁３５は、内蔵する感圧部に所定の上限圧以上の圧力がかかったときに閉弁状態から開弁状態に切り換わる。

コントローラ５０は、ＣＰＵ、メモリ等により構成された電子ユニットであり、メモリに保持された燃料電池システム用の制御プログラムをＣＰＵで実行することにより、燃料電池システムの作動を制御する機能を果す。

燃料電池２０は、燃料供給路３０ａ，３０ｂを介して水素ガスタンク１０から供給される水素ガスと、図示しない酸化剤ガス供給部から供給される酸化剤ガスとしての空気との酸化・還元反応により、発電運転を実行する。

コントローラ５０は、燃料電池２０に接続される電気負荷の要求電力に応じて、燃料電池２０に対する水素ガスと空気の供給量を調節して、燃料電池システムの発電量を制御する。

ここで、燃料電池２０が発電停止中であるときは、コントローラ５０は、主止弁１１を閉弁して、水素ガスタンク１０から燃料供給路３０ａへの水素ガスの供給を遮断する。そして、このように燃料電池２０の発電運転を停止して主止弁１１を閉弁した場合、減圧弁３１の上流側の燃料供給路３０ａ内に高圧の水素ガスが充填された状態となる。

そして、減圧弁３１の上流側の燃料供給路３０ａ内に充填された高圧の水素ガスは、減圧弁３１を介して徐々に下流側の燃料供給路３０ｂに拡散し、この拡散に伴って下流側の燃料供給路３０ｂ内の圧力が増加する。

このとき、燃料電池自動車のように、燃料電池システムの収容スペースが限られ、且つ分散されるものでは特に、水素ガスタンク１０と減圧弁３１間の燃料供給路３０ａが長くなり、水素ガスタンク１０の主止弁１１と減圧弁３１間の燃料供給路３０ａの容積が大きくなる。これにより、燃料供給路３０ａ内には高圧の燃料が多く貯まった状態となる。

この多く貯まった高圧の燃料が下流に拡散するので、減圧弁３１の下流側の燃料供給路３０ｂ内の圧力が、補機２１の常用圧の最大値を超える場合がある。そして補機２１の作動が不能となるおそれがあるレベルまで上昇すると、コントローラ５０が、主止弁１１を開弁して燃料電池２０の発電を再開させようとしたときに、補機２１の作動不良により、燃料電池２０を起動することができなくなるおそれがある。

そこで、コントローラ５０は、このような燃料供給路３０ｂ内の圧力の上昇により、燃料電池２０の起動が不能となることを防止するための処理を実行する。以下、図２に示したフローチャートに従って、この処理について説明する。

図２のＳＴＥＰ１で、コントローラは、燃料電池車両のＩＧ（ignition）スイッチ（始動スイッチ）がＯＮになったか否か判断する。そして、ＩＧスイッチがＯＮになったときにＳＴＥＰ２に進む。

ＳＴＥＰ２で、コントローラ５０は、中圧センサ３３の検出圧力Ｐ2が、判定圧力Ｐth（補機２１の常用圧の最大値付近に設定される）を超えているか否かを判断する。そして、中圧センサ３３の検出圧力Ｐ2が判定圧力Ｐthを超えているときはＳＴＥＰ３に進み、中圧センサ３３の検出圧力Ｐ2が判定圧力Ｐth以下であるときにはＳＴＥＰ６に分岐する。

ＳＴＥＰ３で、コントローラ５０は、圧抜き弁３４に開弁を指示する制御信号を出力して、圧抜き弁３４を開弁させる。これにより、燃料供給路３０ｂ内の水素ガスが圧抜き弁３４及びオリフィス４１を経由して、大気連通路４０から大気中（本発明の低圧箇所に相当する）に排気される。

なお、燃料供給路３０ｂ内の水素ガスを大気連通路４０から直接大気中に排気する場合の他、大気連通路４０を希釈部（図示しない）に接続して空気で希釈してから大気中に排気してもよい。或いは、大気連通路４０に送られる水素ガスを回収して、燃料電池２０で使用するようにしてもよい。

続くＳＴＥＰ４で、コントローラ５０は、中圧センサ３３の検出圧力Ｐ2が判定圧力Ｐth以下まで減少するのを待つ。そして、中圧センサ３３の検出圧力Ｐ2が判定圧力Ｐth以下になったときにＳＴＥＰ５に進んで、コントローラ５０は、圧抜き弁３４を閉弁する。

次にＳＴＥＰ６で、コントローラ５０は、主止弁１１を開弁し、またＳＴＥＰ７で補機２１を作動させてＳＴＥＰ８に進み、処理を終了する。主止弁１１の開弁により水素ガスタンク１０から燃料供給路３０ａ，３０ｂへの水素ガスの供給が適正な圧力で開始され、補機の作動開始により燃料電池２０に水素ガスが供給されて、燃料電池２０が起動する。

図３は、以上説明した図２のフローチャートによる処理を行ったときの中圧センサ３３の検出圧力Ｐ2の推移を示したタイミングチャートであり、上から順に、ＩＧスイッチ、圧抜き弁３４、主止弁１１、補機２１、中圧センサ３３の検出圧力の変化を、共通の時間軸ｔにより示したものである。

ｔ1でＩＧスイッチがＯＦＦからＯＮに切り換わったときに、中圧センサ３３の検出圧力Ｐ2が判定圧力Ｐthを超えているため、ｔ2で圧抜き弁３４が開弁されている。圧抜き弁３４の開弁により、中圧センサ３３の検出圧力Ｐ2が徐々に低下し、Ｐ2が判定圧力Ｐth以下になったｔ3で、圧抜き弁３４が閉弁されている。

そして、ｔ3で主止弁１１が開弁されて、水素ガスタンク１０から燃料供給路３０ａ，３０ｂへの水素ガスの供給が開始され、ｔ4で補機２１が作動を開始している。補機２１の作動により燃料電池２０が発電運転を開始し、発電運転に伴う水素ガスの消費により、ｔ5で中圧センサ３３の検出圧力Ｐ2が減少している。

以上説明したコントローラ５０の処理により、燃料電池２０を起動させるときに、減圧弁３１の下流側の燃料供給路３０ｂ内の圧力を判定圧力Ｐth以下に減少させてから、補機の作動を開始させることによって、過剰な圧力による補機の動作不良により燃料電池２０の起動が不能となることを防止することができる。なお、減圧弁３１の下流側の燃料供給路３０ｂ内の圧力が予め判定圧力Ｐth以下であることが分った場合には、ＳＴＥＰ６とＳＴＥＰ７の順番を入れ替えて実施してもよい。

なお、本実施の形態では、燃料電池２０の起動時に、中圧センサ３４の検出圧力Ｐ2を確認して、圧抜き弁３４により燃料供給路３０ｂ内の圧力を減少させるようにしたが、燃料電池２０の状態に拘わらず、コントローラ５０の作動中は常時中圧センサの検出圧力Ｐ2を監視し、Ｐ2が判定圧力Ｐthを超えたときに圧抜き弁３４により燃料供給路３０ｂ内の圧力を減少させるようにしてもよい。

また、本実施の形態では、圧抜き弁３４が故障した場合であっても、燃料供給路３０ｂ内の圧力が判定圧力Ｐthよりも高く設定された上限圧力を超えると、感圧応動弁３５が開弁するため、燃料供給路３０ｂ内の圧力上昇を回避することができる。なお、感圧応動弁３５を備えない場合であっても、本発明の効果を得ることができる。

また、本実施形態では、本発明の燃料供給部として水素ガスタンクを備えたが、改質器により化石燃料から水素ガスを生成して供給する燃料供給部等を備えてもよい。

１０…水素ガスタンク（燃料ガス供給部）、１１…主止弁（遮断弁）、２０…燃料電池、２１…補機、３０ａ，３０ｂ…燃料供給路、３１…減圧弁、３３…中圧センサ（圧力センサ）、３４…圧抜き弁、３５…感圧応動弁、４０…大気連通路、５０…コントローラ（制御部）。

Claims

燃料電池と、
燃料ガス供給部と、
前記燃料電池と前記燃料ガス供給部とを接続する燃料供給路と、
前記燃料ガス供給部から前記燃料供給路への燃料ガスの供給と遮断とを切替える遮断弁と、
前記遮断弁と前記燃料電池間の前記燃料供給路に設けられて、下流側の圧力を上流側よりも減少させる減圧弁と、
前記減圧弁と該燃料電池との間の前記燃料供給路に設けられた前記燃料電池の作動用の補機とを備えた燃料電池システムであって、
前記減圧弁の下流側の前記燃料供給路内の圧力を検出する圧力センサと、
前記減圧弁の下流側の燃料供給路内の圧力を減圧する圧抜き部と、
前記圧力センサの検出圧力が所定の判定圧力を超えたときに、前記圧抜き部により、前記減圧弁の下流側の燃料供給路内の圧力を減少させ、前記燃料電池を起動させるときに、前記圧力センサの検出圧力が前記判定圧力を超えているか否かを判断する制御部と
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記燃料電池を起動させるときに、前記圧力センサの検出圧力が前記判定圧力を超えているときには、前記圧抜き部により、前記減圧弁の下流側の前記燃料供給路の圧力を前記判定圧力以下まで減少させた後に、前記遮断弁の開弁と、前記補機の作動をさせて前記燃料電池を起動させることを特徴とす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において、
前記圧抜き部は、前記減圧弁の下流側の前記燃料供給路に設けられて、前記燃料供給路を前記判定圧力よりも圧力が低い低圧箇所に連通した状態と該低圧箇所から遮断した状態とに切替える低圧開放弁であり、前記制御部は、前記低圧開放弁を開弁することによって、前記減圧弁の下流側の前記燃料供給路内の圧力を低下させ、
前記減圧弁の下流側の前記燃料供給路に設けられて、前記減圧弁の下流側の前記燃料供給路内の圧力が、前記判定圧力よりも高く設定された上限圧力を超えたときに、閉弁状態から開弁状態に切替わって、前記燃料供給路を前記低圧箇所に連通させる感圧応動弁を備えたことを特徴とする燃料電池システム。