JP6758605B2 - 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。

特開２００７−４８５４２号公報には、燃料電池の運転を停止する際に水素タンクの遮断弁のガス漏れを判定する方法が提案されている。この方法では、減圧発電と呼ばれる発電により、水素タンクから高圧レギュレータに至る高圧水素ガス流路に残存する水素ガスの圧力を減圧させてから、高圧水素ガス流路内の水素ガスの時間経過に伴う圧力変化を検出することにより、水素タンクの遮断弁のガス漏れを判定している。ここで、減圧発電とは、水素タンクから燃料電池への水素供給を遮断した状態で、水素ガス流路に残存している水素ガスを用いて燃料電池を発電させることをいう。

特開２００７−４８５４２号公報

しかし、このような減圧発電を行う上で、燃料電池に残存する残存酸化ガスと、水素ガス流路に残存する水素ガスとの電気化学反応を通じて高圧水素ガス流路内の水素圧力を減圧させるのに要する残存酸化ガスの消費に見合う水素ガスが不足している場合がある。このような場合に、水素タンクの遮断弁を開弁して、水素ガスの不足分を補給し、水素ガス流路に水素ガスが流れている状態で水素タンクの遮断弁を閉弁すると、水素タンクの遮断弁の耐久性が低下する虞がある。

そこで、本発明は、減圧発電時における水素タンクの遮断弁の耐久性の低下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、本発明に係る燃料電池システムは、（i）水素ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、（ii）水素タンクから燃料電池への水素ガスの供給及び遮断を行う遮断弁と、（iii）調圧弁と遮断弁との間に配設される高圧水素ガス流路であって、高圧水素ガス流路を流れる水素ガスの圧力が調圧弁により調圧値に調圧される、高圧水素ガス流路と、（iv）インジェクタと燃料電池との間に配設される低圧水素ガス流路であって、低圧水素ガス流路を流れる水素ガスの圧力がインジェクタにより調圧値よりも低圧に調圧される、低圧水素ガス流路と、（v）燃料電池の運転停止が指示されたことを契機に、遮断弁の水素漏れを判定するための準備処理として、燃料電池に残存する残存酸化ガスと、高圧水素ガス流路及び低圧水素ガス流路に残存する水素ガスとの電気化学反応を通じて高圧水素ガス流路の水素圧力を閾値未満まで減圧させるのに要する残存酸化ガスの消費に見合う水素ガスが低圧水素ガス流路に供給されるようにインジェクタを駆動した後に遮断弁を閉弁してから高圧水素ガス流路の水素圧力を閾値未満まで減圧する処理を実行する制御装置と、を備える。

本発明によれば、高圧水素ガス流路に水素ガスが流れていない状態で遮断弁を閉弁することができ、遮断弁の耐久性の低下を抑制できる。

本発明の実施形態に関わる燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。 本発明の実施形態に関わる燃料電池の運転停止処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の実施形態に関わる燃料電池の運転停止処理の流れを示すタイミングチャートである。

以下、各図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、本発明の実施形態に関わる燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、燃料電池車両の車載用発電システムとして機能するものであり、主に、水素ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池２０と、燃料電池２０のアノード極に水素ガスを供給する水素タンク６１と、燃料電池２０のカソード極に酸化ガスを供給するエアポンプ４１と、燃料電池２０の発電を制御する制御装置７０とを備えている。燃料電池２０は、多数のセルを直列に積層してなる固体高分子電解質型セルスタックである。燃料電池２０では、アノード極において（１）式の酸化反応が生じ、カソード極において（２）式の還元反応が生じる。燃料電池２０全体としては（３）式の起電反応が生じる。

Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（１）
（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …（２）
Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（３）

水素タンク６１からの水素ガスは、高圧水素ガス流路５１、中圧水素ガス流路５２及び低圧水素ガス流路５３を通じて燃料電池２０のアノード極に供給される。高圧水素ガス流路５１は、相対的に高圧の水素ガスを流すための高圧水素ガス配管であり、調圧弁６５と遮断弁６２との間に配設される。遮断弁６２は、水素タンク６１から燃料電池２０への水素ガスの供給及び遮断を行う電磁弁であり、水素タンク６１の元栓バルブとも呼ばれる。調圧弁６５は、高圧水素ガス流路５１を流れる水素ガスの圧力を調圧値に調圧する高圧レギュレータである。高圧水素ガス流路５１には、調圧弁６５の上流側に遮断弁６４及び圧力センサ６３が配設されている。遮断弁６４は、高圧水素ガス流路５１からその下流側への水素ガスの流れを遮断するための電磁弁であり、供給遮断弁とも呼ばれる。圧力センサ６３は、高圧水素ガス流路５１内の水素ガスの圧力を検出するための検出器である。遮断弁６４及び圧力センサ６３は、遮断弁６２のガス漏れを判定する際に使用される。遮断弁６２のガス漏れ判定の詳細については後述する。

中圧水素ガス流路５２は、相対的に中圧の水素ガスを流すための中圧水素ガス配管であり、インジェクタ６６と調圧弁６５との間に配設される。低圧水素ガス流路５２は、相対的に低圧の水素ガスを流すための低圧水素ガス配管であり、燃料電池２０とインジェクタ６６との間に配設される。インジェクタ６６は、低圧水素ガス流路５３を流れる水素ガスの圧力を調圧弁６５の調圧値よりも低圧に調圧する。インジェクタ６６は、電磁駆動力により弁体を所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることにより、水素ガス流量や水素ガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタ６６は、水素ガスを噴射する噴射孔を有する弁座と、水素ガスを噴射孔まで供給案内するノズルボディと、ノズルボディに対して軸線方向（気体流れ方向）に移動可能に収容保持され、噴射孔を開閉する弁体とを備えている。インジェクタ６６の弁体は、ソレノイドにより駆動され、このソレノイドに給電されるパルス状励磁電流のオン／オフにより、噴射孔の開口面積を２段階に切り替えることができる。

なお、中圧水素ガス流路５２を流れる水素ガスの圧力は、高圧水素ガス流路５１を流れる水素ガスの圧力よりも低く、低圧水素ガス流路５３を流れる水素ガスの圧力は、中圧水素ガス流路５２を流れる水素ガスの圧力よりも低い。

起電反応に供した後の水素オフガスは、循環流路５４を通じて気液分離装置８１に導かれて水分が除去され、循環ポンプ８３により低圧水素ガス流路５３に戻される。循環流路５４を循環する水素オフガスは、排気弁８４の開弁により、排出流路５５を通じて排出される。また、気液分離装置８１に貯留する水分は、排水弁８２の開弁により、排出流路５５を通じて排出される。一方、エアポンプ４１からの酸化ガスは、加湿器４２により適度に加湿され、酸化ガス流路３１を通じて燃料電池２０のカソード極に供給される。起電反応に供した後の酸化オフガスは、排出流路３２を通じて排出される。

制御装置７０は、プロセッサ７１、記憶資源７２、及び入出力インタフェース７３を備える電子制御ユニットである。プロセッサ７１は、記憶資源７２に格納されている制御プログラム７４を解釈及び実行し、各種センサ類から出力される信号を入出力インタフェース７３経由で取得することにより、燃料電池２０の運転状態をモニタリングし、燃料電池システム１０の各部（例えば、エアポンプ４１、遮断弁６２、遮断弁６４、インジェクタ６６、排水弁８２、循環ポンプ８３、排気弁８４など）を制御するための信号を入出力インタフェース７３経由で出力する。センサ類として、圧力センサ６３の他に、例えば、燃料電池２０の運転開始／停止を指示するイグニッションスイッチ（ＩＧ−ＳＷ）、車速を検出する車速センサ、アクセル開度を検出するアクセルセンサ、燃料電池２０を構成する各セルの出力電圧を検出する電圧センサ、燃料電池２０の出力電流を検出する電流センサ、燃料電池２０の温度を検出する温度センサなどがある。制御装置７０は、燃料電池２０の運転開始を指示する信号をイグニッションスイッチから受信すると、アクセルセンサから出力されるアクセル開度信号や、車速センサから出力される車速信号などを基に、要求発電量が得られるように燃料電池システム１０の各部を制御する。

次に、図２を参照しながら、燃料電池２０の運転停止が指示されたときの処理の流れについて説明する。同図に示す各ステップ２０１〜２１１は、燃料電池２０の運転停止を指示する信号がイグニッションスイッチから出力されたことを契機に、制御プログラム７４の中でサブルーチンとして呼び出されて実行されるものである。制御プログラム７４は、ステップ２０１〜２１１を実行するためのソフトウェアモジュールを備える。このようなソフトウェアモジュールの機能は、プロセッサ７１と制御プログラム７４との協働により実現されるものであるが、専用のハードウェア資源（例えば、特定用途向け集積回路）やファームウェアなどを用いて同様の機能を実現してもよい。

まず、燃料電池２０の運転停止が指示されると（ステップ２０１；ＹＥＳ）、制御装置７０は、排水弁８２を開弁して、気液分離装置８１に貯留する水分を排水する（ステップ２０２）。次に、制御装置７０は、燃料電池２０の運転停止が指示された時点で燃料電池２０に残存する残存酸化ガスと、高圧水素ガス流路５１、中圧水素ガス流路５２及び低圧水素ガス流路５３に残存する水素ガスとの電気化学反応を通じて高圧水素ガス流路５１の水素圧力を閾値未満まで減圧させるのに要する残存酸化ガスの消費に見合う水素ガスの不足量を求める（ステップ２０３）。例えば、酸素消費量が固定値であることを前提として、水素ガスの不足量と高圧水素ガス流路５１の水素圧力との関係をマップデータとして予め用意しておき、このマップデータを参照することにより、高圧水素ガス流路５１の水素圧力から水素ガスの不足量を求めることができる。なお、閾値として、例えば、調圧弁６５の調圧値より若干高い圧力値などを用いることができる。また、酸素消費量は、必ずしも固定値である必要はなく、例えば、大気圧による補正を行って酸素消費量を計算してもよい。

次に、制御装置７０は、高圧水素ガス流路５１の水素圧力を閾値未満まで減圧させるのに要する残存酸化ガスの消費に見合う水素ガスが不足しているか否かを判定する（ステップ２０４）。ここで、水素ガスが不足していると判定された場合には（ステップ２０４；ＹＥＳ）、制御装置７０は、インジェクタ６６を駆動して水素ガスの不足分を高圧水素ガス流路５１及び中圧水素ガス流路５２から低圧水素ガス流路５３に補給する（ステップ２０５）。一方、水素ガスが足りていると判定された場合には（ステップ２０４；ＮＯ）、制御装置７０は、ステップ２０５，２０６の処理をスキップして、ステップ２０７〜２１１の処理を行う。

次に、制御装置７０は、低圧水素ガス流路５３への水素ガスの不足分の補給が完了したか否かを判定する（ステップ２０６）。水素ガスの不足分の補給が完了していない場合には（ステップ２０６；ＮＯ）、制御装置７０は、低圧水素ガス流路５３への水素ガスの不足分の補給を継続する（ステップ２０５）。一方、水素ガスの不足分の補給が完了した場合には（ステップ２０６；ＹＥＳ）、制御装置７０は、遮断弁６２を閉弁し（ステップ２０７）、減圧発電を行う（ステップ２０８）。この減圧発電により、高圧水素ガス流路５１、中圧水素ガス流路５２及び低圧水素ガス流路５３に残留する水素ガスと、燃料電池２０に残存する残存酸化ガスとの電気化学反応を通じて高圧水素ガス流路５１の水素圧力が低減する。

次に、制御装置７０は、圧力センサ６３が検出する高圧水素ガス流路５１の水素圧力値を読み取り、高圧水素ガス流路５１の水素圧力が閾値未満まで減圧したか否かを判定する（ステップ２０９）。高圧水素ガス流路５１の水素圧力が閾値未満まで減圧していない場合には（ステップ２０９；ＮＯ）、制御装置７０は、減圧発電を継続する（ステップ２０８）。一方、高圧水素ガス流路５１の水素圧力が閾値未満まで減圧した場合には（ステップ２０９；ＹＥＳ）、制御装置７０は、インジェクタ６６の駆動による低圧水素ガス流路５３への水素ガスの補給を停止する（ステップ２１０）。その後、制御装置７０は、低圧水素ガス流路５３の水素圧力を閾値未満まで減圧した後に、酸素消費（減圧発電）を完了させる。

減圧発電が終了すると、制御装置７０は、遮断弁６２のガス漏れ判定を行う（ステップ２１１）。ガス漏れ判定では、制御装置７０は、遮断弁６４を閉弁することにより、二つの遮断弁６２，６４の間の高圧水素ガス流路５１内に密閉空間を形成し、その密閉空間内の水素ガスの時間経過に伴う圧力変化を圧力センサ６３から検出することにより、水素タンク６１の遮断弁６２のガス漏れの有無及び程度を判定する。このように、ステップ２０２〜２１０は、水素タンク６１の遮断弁６２の水素漏れを判定するための準備処理として実行される。

図３は、燃料電池２０の運転停止処理の流れを示すタイミングチャートである。このタイミングチャートでは、高圧水素ガス流路５１の水素圧力を閾値未満まで減圧させるのに要する残存酸化ガスの消費に見合う水素ガスが不足している場合を想定している。時刻Ｔ１において、イグニッションスイッチがオンからオフに切り替えられることにより、燃料電池２０の運転停止が指示される。時刻Ｔ２において、インジェクタ６６が駆動され、水素ガスの不足分が高圧水素ガス流路５１及び中圧水素ガス流路５２から低圧水素ガス流路５３に補給される。時刻Ｔ３において、低圧水素ガス流路５３への水素ガスの不足分の補給が完了すると、水素タンク６１の遮断弁６２が閉弁され、減圧発電が開始される。減圧発電により、高圧水素ガス流路５１内の水素圧力は、時刻Ｔ４から時刻Ｔ５にかけて次第に減圧していく。減圧発電中は、インジェクタ６６が駆動され、高圧水素ガス流路５１及び中圧水素ガス流路５２から低圧水素ガス流路５３に水素ガスが補給される。減圧発電による発電電流は、ほぼ一定値となる。減圧発電により生じた電力は、例えば、二次電池（図示せず）などに蓄電される。時刻Ｔ５において、高圧水素ガス流路５１の水素圧力が閾値未満まで減圧されると、インジェクタ６６の駆動による低圧水素ガス流路５３への水素ガスの補給が停止され、減圧発電が終了する。その後、時刻Ｔ５から時刻Ｔ６にかけて遮断弁６２のガス漏れ判定が行われる。このガス漏れ判定が終了すると、燃料電池２０の運転停止処理が完了する。

本実施形態によれば、燃料電池２０に残存する残存酸化ガスと、高圧水素ガス流路５１、中圧水素ガス流路５２及び低圧水素ガス流路５３に残存する水素ガスとの電気化学反応を通じて高圧水素ガス流路５１の水素圧力を閾値未満まで減圧させるのに要する残存酸化ガスの消費に見合う水素ガスが低圧水素ガス流路５１に供給されるようにインジェクタ６６を駆動するため、減圧発電時の水素不足を解消できる。また、水素タンク６１の遮断弁６２を閉弁してから高圧水素ガス流路５１の水素圧力を閾値未満まで減圧することにより、高圧水素ガス流路５１に水素ガスが流れていない状態で遮断弁６２を閉弁することができ、遮断弁６２の耐久性の低下を抑制できる。

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…燃料電池システム ２０…燃料電池 ５１…高圧水素ガス流路 ５２…中圧水素ガス流路 ５３…低圧水素ガス流路 ６１…水素タンク ６２…遮断弁 ６５…調圧弁 ６６…インジェクタ ７０…制御装置

Claims (1)

1. 水素ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、
   水素タンクから前記燃料電池への前記水素ガスの供給及び遮断を行う遮断弁と、
   調圧弁と前記遮断弁との間に配設される高圧水素ガス流路であって、前記高圧水素ガス流路を流れる前記水素ガスの圧力が前記調圧弁により調圧値に調圧される、高圧水素ガス流路と、
   インジェクタと前記燃料電池との間に配設される低圧水素ガス流路であって、前記低圧水素ガス流路を流れる前記水素ガスの圧力が前記インジェクタにより前記調圧値よりも低圧に調圧される、低圧水素ガス流路と、
   前記燃料電池の運転停止が指示されたことを契機に、前記遮断弁の水素漏れを判定するための準備処理として、前記燃料電池に残存する残存酸化ガスと、前記高圧水素ガス流路及び前記低圧水素ガス流路に残存する前記水素ガスとの電気化学反応を通じて前記高圧水素ガス流路の水素圧力を閾値未満まで減圧させるのに要する前記残存酸化ガスの消費に見合う前記水素ガスが前記低圧水素ガス流路に供給されるように前記インジェクタを駆動した後に前記遮断弁を閉弁してから前記高圧水素ガス流路の水素圧力を閾値未満まで減圧する処理を実行する制御装置と、
   を備える燃料電池システム。

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