JP6004925B2 - 燃料利用システム - Google Patents
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Description
これに対処する燃料利用システムとして、ガス供給路を流れる燃料ガスの流量を検出する流量検出器を設け、流量検出器によって検出されるガス流量が、通常使用ではあり得ない流量であるときに、燃料ガスの漏れが生じているものとして、ガスタンクの遮断弁を閉じるようにしたものが案出されている。
このため、従来の燃料利用システムにおいては、ガス供給路で燃料ガスの漏れが発生してから、実際に遮断弁が閉じられるまでの時間が長くなる状況が考えられる。
請求項1に係る発明は、燃料ガスを用いる燃料利用機器(例えば、実施形態の燃料電池スタック1)と、この燃料利用機器に燃料ガスを供給する燃料供給源(例えば、実施形態の水素タンク2)と、この燃料供給源と前記燃料利用機器を接続するガス供給路(例えば、実施形態のガス供給路3)と、前記燃料供給源、若しくは、前記ガス供給路の前記燃料供給源に近接する部分に設けられ、弁体(例えば、実施形態のバルブ本体15)が付勢手段(例えば、実施形態のスプリング18)によって閉弁方向に付勢されるとともに、ソレノイド(例えば、実施形態のソレノイド6)の電磁力によって開弁方向に付勢される電磁式の遮断弁(例えば、実施形態の主止弁10)と、前記遮断弁の下流に配置され、前記遮断弁を通過した前記燃料供給源からの燃料ガスの圧力を減ずる減圧弁(例えば、実施形態の減圧弁5)と、前記燃料利用機器での使用に係る燃料ガスの流量を検出する使用ガス流量検出手段(例えば、実施形態のアクセル開度センサ32,電流センサ8)と、前記減圧弁よりも上流側の燃料ガスの圧力を検出するガス圧検出手段(例えば、実施形態の圧力センサ9)と、前記使用ガス流量検出手段と前記ガス圧検出手段で逐次検出される検出値に基づいて、前記燃料利用機器に使用ガス流量を供給し得る開弁量となるように、前記遮断弁のソレノイドの電磁力を逐次設定する電磁力調整手段(例えば、実施形態の制御装置7)と、を備え、前記電磁力調整手段が逐次設定する前記ソレノイドの電磁力は、前記燃料利用機器に使用ガス流量を供給し得る最小電磁力にマージンを加えた合算電磁力であり、前記ガス供給路を流れる燃料ガスの流量の増大変化に追従して前記遮断弁が閉弁される設定ガス流量を設定する電磁力であることを特徴とするものである。
これにより、遮断弁のソレノイドの電磁力は、燃料利用機器での使用に係るガス流量と、減圧弁よりも上流側の燃料ガスの圧力に基づいて、燃料利用機器に使用ガス流量を供給し得る開弁量となるよう逐次設定される。この状態でガス供給路で燃料ガスの漏れが生じると、ガス供給路内に流れ込むガス流量が使用ガス流量よりも増大し、使用ガス流量とガス圧に基づいて設定されているソレノイドの電磁力では開弁状態を維持できなくなる。この結果、遮断弁は、付勢手段の力によって自動的に閉弁状態とされる。また、遮断弁よりも上流側の燃料ガスの圧力が低下すると、その低下に応じて遮断弁での圧力損失が増大するが、その圧力損失の増大分は、電磁力調整手段での電磁力の設定において、開弁量が増大するように補正される。
したがって、この発明によれば、ガス供給路での燃料ガスの漏れの発生時には、殆どの場合、ガス供給路を流れる燃料ガスの流量が常用での最大流量を大きく超える前に遮断弁が閉じられることになるため、実際に遮断弁が閉じられるまでの時間をより短縮することができる。
また、この発明によれば、燃料利用機器に使用ガス流量を供給し得る最小電磁力にマージンを加えた合算電磁力を、電磁力調整手段で逐次設定する電磁力としているため、上述の時間短縮に加えて、ガス供給路に漏れの生じていない状況での遮断弁の誤作動を無くすことができる。
なお、燃料利用機器での使用に係る燃料ガスの流量とは、燃料利用機器において、要求に応じてこれから使用する、或いは、必要とされ使用された燃料ガスの流量のことである。
図1は、車両に搭載される燃料電池システム(燃料利用システム)の概略構成図であり、同図において、符号1は、燃料としての水素と酸化剤としての酸素が供給されて発電をする燃料電池スタック(燃料電池)である。燃料電池スタック1は、例えば固体高分子型燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell:PEFC)であり、MEA(Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体)をセパレータ(図示しない)で挟持してなる単セルが複数積層されて構成されている。燃料電池スタック1は、この実施形態における燃料利用機器を構成している。
水素タンク2には、ガス供給路3に対するガス供給と遮断を行う電磁式の遮断弁である主止弁10が取り付けられている。なお、図1中の符号5は、ガス供給路3中に設けられ、水素タンク2から吐出された高圧の水素ガスを所定圧力に減圧するための減圧弁である。
燃料電池スタック1には、発電電流を検出する電流センサ8(消費ガス流量検出手段,使用ガス流量検出手段)が設けられ、水素タンク2には、内部の圧力を検出する圧力センサ9(ガス圧検出手段)が設けられている。これらの電流センサ8と圧力センサ9で検出された検出信号は制御装置7に入力され、制御装置7は、これらの検出信号に応じた電磁力となるようにソレノイド6の通電電流を制御する。制御装置7による具体的な制御については後に詳述する。
主止弁10は、キックパイロット式の電磁弁によって構成され、バルブボディ11が水素タンク2の開口部に封止プラグを兼ねて取り付けられている。バルブボディ11には、水素タンク2の内部と導通する導入通路12と、水素タンク2の外部のガス供給路3と導通する放出通路13が設けられている。また、バルブボディ11内の導入通路12と放出通路13の間にはバルブ収容室14が設けられ、そのバルブ収容室14内に、放出通路13の端部を開閉するバルブ本体15(弁体)が進退自在に収容されている。なお、図中の符号16は、バルブ本体15が離接するメイン弁座である。
また、ソレノイド6は、プランジャ17の周囲を取り囲むように配置され、所定電流の通電による励磁によって、プランジャ17をスプリング18の力に抗して後退させる。
この燃料電池システムでは、ソレノイド6の通電電流(電磁力)は一定ではなく、燃料電池スタック1で必要とする水素ガスのガス流量と、水素タンク2内の水素ガスの圧力に応じて、実際に燃料電池スタック1に使用ガス流量を供給し得る主止弁10の開弁量となるように、逐次設定されるようになっている。
具体的には、例えば、燃料電池スタック1の使用ガス流量と水素タンク2の内圧とに対応するソレノイド6の適正電流値を定めたマップを予めメモリ(記憶手段)に記憶させておき、電流センサ8の検出値(この電流値から使用ガス流量を算出できる。)と圧力センサ9の検出値とに対応するソレノイド6の適正電流値を上記のマップを参照して逐次設定する。
(a)水素タンク2の内圧が一定の場合には、図4の線図に示すように使用ガス流量が増大するほど、主止弁10の開弁量を大きくしなければならず、開弁保持に必要なソレノイド6の通電電流値は略比例的に増大させる必要がある。
(b)燃料電池スタック1での使用ガス流量が一定の場合には、図5の線図に示すように水素タンク2の内圧が減少するほど、主止弁10の開弁量を大きくしなければならず、開弁保持に必要なソレノイド6の通電電流値は略比例的に増大させる必要がある。
実際に使用するマップは、燃料電池スタック1に使用ガス流量を供給し得る最小電流値(最小電磁力)に、信号ノイズや誤差等のマージンを加えた合算電流値(合算電磁力)を設定電流値(設定電磁力)としている。
同図に示すように、この燃料電池システムの場合、燃料電池スタック1で使用するガス流量の変化にほぼ追従して主止弁10の閉じられる設定ガス流量も変化する。なお、主止弁10の閉じられる設定ガス流量は水素タンク2内のガス圧の変化分を補正される。
この燃料電池システムでは、ガス供給路3に水素ガスの漏れが生じなければ、ガス供給路3を流れるガス流量が、主止弁10が閉じられる設定ガス流量を超えることがないため、主止弁10は開弁状態に維持されている。
なお、図6中のcは、ガス供給路3を流れる燃料ガスの流量が、常用での最大流量にマージン分を加えた合算流量を超えたときに、主止弁10を閉じるようにした場合(従来の技術の場合)における主止弁10が閉じられる時点を示している。また、図6中のAは、この実施形態と比較例の場合の水素ガスの漏れ量の差を示している。
この実施形態の燃料利用システムは、上記の実施形態と同様、車両に搭載される燃料電池システムである。この燃料電池システムは、上記の実施形態と同様に、燃料供給源としての水素タンク2と、水素タンク2に設けられ、ガス供給路3に対するガス供給と遮断を行う主止弁10と、主止弁10を通して水素タンク2から吐出された高圧の水素ガスを所定圧力に減圧する減圧弁5と、燃料利用機器としての燃料電池スタック1と、主止弁10のソレノイド6に通電する電流を制御する制御装置7(電磁力調整手段)と、燃料電池スタック1に酸素を含む空気を供給する図示しない空気供給装置と、を備えている。
両実施形態の燃料電池システムは、フィードバック制御(実際に消費した水素ガスの流量を使用した制御)とフィードフォワード制御(要求した水素ガス流量の指示値を使用した制御)の相違はあるものの、この実施形態の場合も上記の実施形態とほぼ同様の効果を得ることができる。
また、上記の実施形態では、電流センサ8の検出値(燃料電池スタック1の消費ガス流量)と圧力センサ9の検出値に対応するソレノイド6の適正電流値や、アクセル開度センサ32の検出値(要求ガス流量)と圧力センサ9の検出値に対応するソレノイド6の適正電流値を予めマップのかたちで記憶するようにしているが、ソレノイド6の適正電流値をその都度演算によって求めるようにしても良い。
さらに、上記の実施形態においては、燃料供給源として水素タンク2を用いているが、燃料供給源は燃料改質装置であっても良い。
また、この発明に係る燃料利用システムは、燃料電池システムに限定されるものではなく、水素ガス等の燃料ガスを利用するシステムであれば、例えば、水素ガスを燃料とした内燃機関システム等の燃料電池以外のシステムであっても良い。
2…水素タンク(燃料供給源)
3…ガス供給路
5…減圧弁
6…ソレノイド
7…制御装置(電磁力調整手段)
8…電流センサ(消費ガス流量検出手段,使用ガス流量検出手段)
9…圧力センサ(ガス圧検出手段)
10…主止弁(遮断弁)
15…バルブ本体(弁体)
18…スプリング(付勢手段)
32…アクセル開度センサ(要求ガス流量検出手段,使用ガス流量検出手段)
Claims (4)
- 燃料ガスを用いる燃料利用機器と、
この燃料利用機器に燃料ガスを供給する燃料供給源と、
この燃料供給源と前記燃料利用機器を接続するガス供給路と、
前記燃料供給源、若しくは、前記ガス供給路の前記燃料供給源に近接する部分に設けられ、弁体が付勢手段によって閉弁方向に付勢されるとともに、ソレノイドの電磁力によって開弁方向に付勢される電磁式の遮断弁と、
前記遮断弁の下流に配置され、前記遮断弁を通過した前記燃料供給源からの燃料ガスの圧力を減ずる減圧弁と、
前記燃料利用機器での使用に係る燃料ガスの流量を検出する使用ガス流量検出手段と、
前記減圧弁よりも上流側の燃料ガスの圧力を検出するガス圧検出手段と、
前記使用ガス流量検出手段と前記ガス圧検出手段で逐次検出される検出値に基づいて、前記燃料利用機器に使用ガス流量を供給し得る開弁量となるように、前記遮断弁のソレノイドの電磁力を逐次設定する電磁力調整手段と、
を備え、
前記電磁力調整手段が逐次設定する前記ソレノイドの電磁力は、前記燃料利用機器に使用ガス流量を供給し得る最小電磁力にマージンを加えた合算電磁力であり、前記ガス供給路を流れる燃料ガスの流量の増大変化に追従して前記遮断弁が閉弁される設定ガス流量を設定する電磁力であることを特徴とする燃料利用システム。 - 前記使用ガス流量検出手段は、前記燃料利用機器に要求される燃料ガスの流量を検出する要求ガス流量検出手段と、前記燃料利用機器で実際に使用した燃料ガスの流量を検出する消費ガス流量検出手段と、の少なくともいずれか一方を備え、
前記電磁力調整手段は、前記要求ガス流量検出手段と前記消費ガス流量検出手段のいずれか一方の検出値と、前記ガス圧検出手段の検出値と、に基づいて、前記遮断弁のソレノイドの電磁力を逐次設定することを特徴とする請求項1に記載の燃料利用システム。 - 前記電磁力調整手段は、前記使用ガス流量検出手段と前記ガス圧検出手段の検出値に対応する前記ソレノイドの適正電流値を定めたマップを予め記憶しておき、そのマップに対応する電流を前記ソレノイドに出力することを特徴とする請求項1または2に記載の燃料利用システム。
- 車両に搭載されて使用されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料利用システム。
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