JP6723521B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は燃料電池システムに関する。

燃料電池は、複数の単セルを直列に積層してなるスタック構造を有しており、各単セルは、電解質膜の一方の面にアノード極を配置し、他方の面にカソード極を配置してなる膜−電極接合体を有する。膜−電極接合体に燃料ガス及び酸化ガスを供給することで電気化学反応が生じ、化学エネルギーが電気エネルギーに変換される。なかでも、固体高分子膜を電解質として用いる固体高分子電解質型燃料電池は、低コストでコンパクト化が容易であり、しかも高い出力密度を有することから、車載電力源としての用途が期待されている。燃料電池を車載電源として搭載する燃料電池車両の普及には、燃料ガスとして用いられる水素ガスを高圧に圧縮して燃料電池車両に充填するための設備が必要であり、このような設備は水素ステーションと呼ばれている。特開２０１６−２０８７２６号公報は、水素ステーションから燃料電池車両の燃料タンクに燃料ガスを充填する燃料電池システムについて言及している。この燃料電池システムは、燃料電池車両の充填口と燃料電池とを接続する燃料ガス充填管を有しており、燃料ガス充填管の圧力が基準圧力を超えて継時的に増大しているときに、水素ステーションから燃料電池車両の燃料タンクに燃料ガスが充填されているものと判定する。説明の便宜上、本明細書では、このような判定を充填判定と呼ぶ。

特開２０１６−２０８７２６号公報

しかし、特開２０１６−２０８７２６号公報に記載の燃料電池システムでは、燃料ガス供給管を通じて燃料タンクから燃料電池への燃料ガスの供給を選択的に遮断する主止弁が開弁すると、燃料ガス充填管内の残留ガスがその下流に流出し、燃料ガス充填管の圧力が瞬時に低下する。水素ステーションから供給される水素は冷却されているため、燃料ガスの充填を通じて燃料ガス充填管の温度は一旦低下するものの、その後、外気との間で温度平衡になるまで燃料ガス充填管の温度は上昇する。このとき、燃料ガス充填管の温度上昇とともに、燃料ガス充填管の圧力が増加する。このため、主止弁が開弁する直前の燃料ガス充填管の圧力を基準圧力として、燃料ガス充填管の圧力と基準圧力とを比較し、充填判定を行うと、水素ステーションから燃料電池車両の燃料タンクへの燃料ガスの充填を通じて燃料ガス充填管の圧力が基準圧力を超えるまでは、肯定判定がなされないので、充填判定が遅れるという不都合が生じる。また、燃料ガス充填管と外気とが温度平衡に至っていない状態での燃料ガス充填管の圧力を基準圧力として設定してしまうと、正確な充填判定を行うことができないという不都合も生じる。

そこで、本発明は、上述の不都合を解消し、充填判定の遅れを回避するとともに、誤判定を抑制できる燃料電池システムを提案することを課題とする。

上述の課題を解決するため、本発明に関わる燃料電池システムは、燃料ガスを貯蔵する燃料タンクと、前記燃料タンクから燃料電池へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給管と、前記燃料ガス供給管を通じて前記燃料タンクから前記燃料電池への燃料ガスの供給を選択的に遮断する主止弁と、充填口から供給される冷却された燃料ガスを前記燃料タンクに導く燃料ガス充填管と、前記燃料ガス充填管の圧力を検出する圧力センサと、前記圧力センサ側から前記充填口側への逆流を防止するように前記燃料ガス充填管に設けられた逆流防止弁と、前記燃料タンク側から前記圧力センサ側への逆流を防止するように前記燃料ガス充填管に設けられた逆止弁と、前記主止弁を開閉制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムであって、前記制御装置は、（i）前記充填口から供給される燃料ガスが前記燃料ガス充填管を通じて前記燃料タンクに充填されているときには、前記主止弁を閉弁し、（ii）当該燃料電池システムを始動して前記主止弁を開弁した後に前記燃料ガス充填管の圧力の単位時間あたりの変動が閾値未満に収束した時点で前記圧力センサが検出する前記燃料ガス充填管の圧力を基準圧力と設定し、該設定後に前記燃料ガス充填管の圧力が前記基準圧力を超えて継時的に増大しているときに前記充填口から燃料ガスが供給されているものと判定する。

本発明に関わる燃料電池システムによれば、充填判定の遅れを回避するとともに、誤判定を抑制できる。

本実施形態に係る燃料電池システムの構成の概略を示す説明図である。 本実施形態に係る基準圧力の第１の設定方法における充填圧力の変動を示すタイミングチャートである。 本実施形態に係る基準圧力の第１の設定方法の流れを示すタイミングチャートである。 本実施形態に係る基準圧力の第２の設定方法における充填圧力の変動を示すタイミングチャートである。 本実施形態に係る基準圧力の第２の設定方法の流れを示すタイミングチャートである

以下、図１乃至図５を参照しながら本発明の実施形態について説明する。ここで、同一符号は同一の要素を示すものとし、重複する説明は省略する。
図１は本実施形態に係る燃料電池システム１００の構成の概略を示す説明図である。燃料電池システム１００は、燃料電池車両１０の車載電源として機能するものであり、主に、燃料ガス及び酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池１１０と、燃料ガスを貯蔵する複数の燃料タンク２００と、各燃料タンク２００から燃料電池１１０へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給管２４０と、燃料ガス供給管２４０を通じて燃料タンク２００から燃料電池１１０への燃料ガスの供給を選択的に遮断する主止弁２４５と、水素ステーション５０から供給される燃料ガスとしての水素ガスを各燃料タンク２００に導く燃料ガス充填管２１０と、燃料電池システム１００の各部を制御する制御装置１２０と、を備えている。ここでは、説明の便宜上、燃料電池１１０に燃料ガスを供給する燃料ガス供給系を中心に説明するものとし、燃料電池１１０に酸化ガスを供給する酸化ガス供給系、燃料電池１１０を冷却する冷却系、燃料電池１１０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）を制御する電力系などの構成は公知の構成と同じであるため、それらの図示及び説明を省略する。

燃料電池車両１０は、リッドボックス３００を備える。リッドボックス３００は、リッド３１０と、ヒンジ３１５と、リッドオープナー３２０と、リッド開ボタン３２５とを備える。リッド３１０は、リッドボックス３００の蓋であり、ヒンジ３１５を介してリッドボックス３００に開閉可能に接続されている。ガス充填者によって、リッド開ボタン３２５が操作されると、リッドオープナー３２０が動作してリッド３１０が開く。リッドボックス３００には、燃料ガスの充填口として機能するレセプタクル２１５が設けられており、リッド３１０が開くと、レセプタクル２１５が露出する。水素ステーション５０は、燃料ガスを貯蔵するガスタンク５００と、ガスタンク５００から流出する燃料ガスをレセプタクル２１５に供給するノズル５２０とを備えており、ノズル５２０がレセプタクル２１５に装着されると、レセプタクル２１５に燃料ガスが供給される。レセプタクル２１５への燃料ガス供給後に、ガス充填者によって、リッド３１０が閉じられると、リッドオープナー３２０は、リッド３１０をロックする。なお、ノズル５２０は、ガス管５０５、バルブ５３０、及びガスホース５１０を通じてガスタンク５００に接続している。

レセプタクル２１５は、ノズル５２０の装着箇所の下流側に逆流防止弁２１８を備えており、燃料ガスの逆流を抑制する。燃料ガス充填管２１０は、レセプタクル２１５と各燃料タンク２００とを接続しており、水素ステーション５０から供給される燃料ガスを各燃料タンク２００に導く。燃料ガス充填管２１０には、燃料ガス充填管２１０内の燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ２６０と、燃料ガスの逆流を抑制する逆止弁２２０が配設されている。圧力センサ２６０が検出する燃料ガス充填管２１０内の燃料ガスの圧力は、制御装置１２０に出力される。

燃料ガス供給管２４０に配設されている主止弁２４５は、制御装置１２０からの制御信号に応答して開閉可能な電磁弁である。例えば、燃料タンク２００に燃料ガスが充填されているときは、主止弁２４５は閉弁する。一方、燃料タンク２００から燃料電池１１０に燃料ガスが供給されるときは、主止弁２４５は開弁する。燃料ガス供給管２４０の主止弁２４５の下流には、燃料タンク２００から燃料電池１１０に供給される燃料ガスの圧力を調圧するレギュレータ２５０と、燃料ガス供給管２４０内の燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ２６５とが配設されている。圧力センサ２６５が検出する燃料ガス供給管２４０内の燃料ガスの圧力は、制御装置１２０に出力される。レギュレータ２５０は、制御装置１２０からの制御信号に応答して弁開度を調整可能な調圧弁である。制御装置１２０は、圧力センサ２６５が検出する燃料ガス供給管２４０内の燃料ガスの圧力に基づいて、レギュレータ２５０の弁開度を調整する。

制御装置１２０は、プロセッサ、メモリ及び入出力インタフェースを備える電子制御ユニットであり、燃料電池１１０に要求される発電電力に応じて、燃料タンク２００から燃料電池１１０への燃料ガス供給量を制御する。

次に、燃料ガス充填管２１０に燃料ガスが充填されているか否かを判定する充填判定に用いられる基準圧力の設定方法について説明する。説明の便宜上、燃料ガス充填管２１０の圧力を充填圧力と呼び、充填圧力が基準圧力を超えて継時的に増大しているときに、制御装置１２０は、レセプタクル２１５から燃料ガス充填管２１０に燃料ガスが充填されているとの判定をする。基準圧力の設定方法として、本実施形態では、２つの例を説明する。まず、図２及び図３を参照しながら、基準圧力の第１の設定方法について説明し、次いで、図４及び図５を参照しながら、基準圧力の第２の設定方法について説明する。

図２は、基準圧力の第１の設定方法における充填圧力の変動を示すタイミングチャートであり、符号２０１は、主止弁２４５の開閉状態を示し、符号２０２は、充填圧力の変動状態を示す。同図において、時刻Ｔ１は、燃料タンク２００への燃料ガスの充填が完了する時刻を示す。時刻Ｔ２は、燃料電池システム１００の始動操作が行われる時刻を示す。時刻Ｔ３は、閉弁している主止弁２４５が開弁する時刻を示す。圧力Ｐ０は、主止弁２４５が開弁する直前の充填圧力を示しており、従来では、基準圧力をＰ０に設定していた。時刻Ｔ３において、主止弁２４５が開弁すると、燃料ガス充填管２１０内の残留ガスがその下流に流出し、充填圧力が瞬時に低下する。水素ステーション５０から供給される燃料ガスは冷却されているため、燃料ガス充填管２１０の温度は一旦低下するものの、その後、外気との間で温度平衡に達するまで燃料ガス充填管２１０の温度は上昇する。このとき、燃料ガス充填管２１０の温度上昇とともに充填圧力も増加するが、温度平衡に達した後に、充填圧力の単位時間あたりの変動は閾値Ｔｈ１未満に収束し、安定化する。ここで、閾値Ｔｈ１は、例えば、温度上昇に伴う充填圧力の単位時間あたりの変動と同じ値である。時刻Ｔ４は、燃料ガス充填管２１０の温度と外気との間で温度平衡が確立する時刻を示している。時刻Ｔ４と時刻Ｔ１との間の時間差をＴｈ２とし、このＴｈ２を閾値として、時刻Ｔ１からの経過時間Ｔが閾値Ｔｈ２を超えていれば、燃料ガス充填管２１０と外気との間で温度平衡が確立している（即ち、充填圧力の単位時間あたりの変動は閾値Ｔｈ１未満に収束している）ものと判定することができる。圧力Ｐ２は、主止弁２４５を開弁してから充填圧力の単位時間あたりの変動が閾値Ｔｈ１未満に収束した時点（時刻Ｔ４）で圧力センサ２６０が検出する充填圧力である。制御装置１２０は、基準圧力を圧力Ｐ２に設定する。

図３は基準圧力の第１の設定方法の流れを示すフローチャートである。制御装置１２０は、全ての主止弁２４５が開弁したか否かを判定する（ステップ３０１）。全ての主止弁２４５が開弁したならば（ステップ３０１；ＹＥＳ）、制御装置１２０は、燃料タンク２００への燃料ガスの充填が完了した時刻Ｔ１からの経過時間Ｔが閾値Ｔｈ２を超えているか否かを判定する（ステップ３０２）。経過時間Ｔが閾値Ｔｈ２を超えているならば（ステップ３０２；ＹＥＳ）、制御装置１２０は、基準圧力を圧力Ｐ２に設定する（ステップ３０３）。なお、ステップ３０１〜３０３の処理は、一定周期間隔で繰り返し実行されており、一部の主止弁２４５が開弁していない場合（ステップ３０１；ＮＯ）や、経過時間Ｔが閾値Ｔｈ２未満である場合には（ステップ３０２；ＮＯ）、再度、ステップ３０１の処理が実行される。

図４は、基準圧力の第２の設定方法における充填圧力の変動を示すタイミングチャートである。制御装置１２０は、時刻Ｔ３において、主止弁２４５を開弁してからの充填圧力の単位時間あたりの変動ΔＰ／Δｔを測定し、ΔＰ／Δｔが閾値Ｔｈ３未満に収束したか否かを判定する。ここで、ΔＰは、充填圧力の変化量を示し、Δｔは、時間の変化量を示す。また、閾値Ｔｈ３は、例えば、水素ステーション５０から燃料ガス充填管２１０に供給される燃料ガスの充填速度（充填圧力の単位時間あたりの変動）の下限値と同じ値である。時刻Ｔ３において、主止弁２４５が開弁することにより、充填圧力が瞬時に低下した直後の充填圧力をＰ１とし、時刻Ｔ３からΔｔの時間が経過した時刻Ｔ５の時点における充填圧力をＰ３とすると、ΔＰ＝Ｐ３−Ｐ１であり、且つ、Δｔ＝時刻Ｔ５と時刻Ｔ３との間の時間差であるから、（Ｐ３−Ｐ１）／Δｔ＜Ｔｈ３の関係が成立するならば、制御装置１２０は、基準圧力を圧力Ｐ３に設定する。

図５は基準圧力の第２の設定方法の流れを示すフローチャートである。制御装置１２０は、全ての主止弁２４５が開弁したか否かを判定する（ステップ５０１）。全ての主止弁２４５が開弁したならば（ステップ５０１；ＹＥＳ）、制御装置１２０は、主止弁２４５を開弁してからの充填圧力の単位時間あたりの変動ΔＰ／Δｔが閾値Ｔｈ３未満であるか否かを判定する（ステップ５０２）。ΔＰ／Δｔが閾値Ｔｈ３未満ならば（ステップ５０２；ＹＥＳ）、制御装置１２０は、基準圧力を圧力Ｐ３に設定する（ステップ５０３）。なお、ステップ５０１〜５０３の処理は、一定周期間隔で繰り返し実行されており、一部の主止弁２４５が開弁していない場合（ステップ５０１；ＮＯ）や、ΔＰ／Δｔが閾値Ｔｈ３以上である場合には（ステップ５０２；ＮＯ）、再度、ステップ５０１の処理が実行される。

本実施形態によれば、主止弁２４５を開弁した後に燃料ガス充填管２１０の圧力の単位時間あたりの変動が閾値未満に収束した時点で圧力センサ２６０が検出する燃料ガス充填管２１０の圧力を基準圧力とし、燃料ガス充填管２１０の圧力が基準圧力を超えて継時的に増大しているときに充填口から燃料ガスが供給されているものと判定するため、充填判定の遅れを回避するとともに、誤判定を抑制できる。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更／改良され得るととともに、本発明にはその等価物も含まれる。即ち、実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、実施形態が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図示の比率に限定されるものではない。また、実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

１０…燃料電池車両 １００…燃料電池システム １１０…燃料電池 ２００…燃料タンク ２１０…燃料ガス充填管 ２１５…レセプタクル ２４０…燃料ガス供給管 ２４５…主止弁 ２６０…圧力センサ

Claims (1)

1. 燃料ガスを貯蔵する燃料タンクと、
   前記燃料タンクから燃料電池へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給管と、
   前記燃料ガス供給管を通じて前記燃料タンクから前記燃料電池への燃料ガスの供給を選択的に遮断する主止弁と、
   充填口から供給される冷却された燃料ガスを前記燃料タンクに導く燃料ガス充填管と、
   前記燃料ガス充填管の圧力を検出する圧力センサと、
   前記圧力センサ側から前記充填口側への逆流を防止するように前記燃料ガス充填管に設けられた逆流防止弁と、
   前記燃料タンク側から前記圧力センサ側への逆流を防止するように前記燃料ガス充填管に設けられた逆止弁と、
   前記主止弁を開閉制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムであって、
   前記制御装置は、
   （i）前記充填口から供給される燃料ガスが前記燃料ガス充填管を通じて前記燃料タンクに充填されているときには、前記主止弁を閉弁し、
   （ii）当該燃料電池システムを始動して前記主止弁を開弁した後に前記燃料ガス充填管の圧力の単位時間あたりの変動が閾値未満に収束した時点で前記圧力センサが検出する前記燃料ガス充填管の圧力を基準圧力と設定し、該設定後に前記燃料ガス充填管の圧力が前記基準圧力を超えて継時的に増大しているときに前記充填口から燃料ガスが供給されているものと判定する、燃料電池システム。