(57)【要約】【課題】燃料ガスの供給状態を変化させる開閉弁を有する燃料電池システムにおいて、開閉弁下流側におけるガス状態を精度良く検出する。【解決手段】燃料電池１０と、燃料供給源３０から供給される燃料ガスを燃料電池１０へと流すための燃料供給流路３１と、燃料供給流路３１の上流側におけるガス状態を調整して下流側に供給する開閉弁３５と、燃料供給流路３１におけるガス状態を検出するセンサ４３と、を備え、開閉弁３５から噴射される燃料ガスの流れＦの断面積が下流側になるに従って漸次拡大するように構成された燃料電池システム１である。センサ４３を、開閉弁３５から噴射される燃料ガスの流れＦの断面積が燃料供給流路３１の断面積と略同一になる位置Ｃよりも下流側に配置する。【選択図】図２
2008218169.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、燃料供給源から供給される燃料ガスを前記燃料電池へと流すための燃料供給流路と、この燃料供給流路の上流側におけるガス状態を調整して下流側に供給する開閉弁と、前記燃料供給流路におけるガス状態を検出するセンサと、を備え、前記開閉弁から噴射される燃料ガスの流れの断面積が下流側になるに従って漸次拡大するように構成された燃料電池システムであって、
前記センサの検出位置は、前記開閉弁から噴射される燃料ガスの流れの断面積が前記燃料供給流路の断面積と略同一になる位置よりも下流側に配置されるものである、
燃料電池システム。
【請求項２】
前記開閉弁は、インジェクタであり、
前記センサは、前記インジェクタの下流側における燃料ガスの圧力を検出する圧力センサである、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが提案され、実用化されている。かかる燃料電池システムには、水素タンク等の燃料供給源から供給される燃料ガスを燃料電池へと流すための燃料供給流路が設けられており、燃料供給流路には、燃料供給源からの燃料ガスの供給圧力を一定の値まで低減させる調圧弁（レギュレータ）が設けられるのが一般的である。
【０００３】
また、現在においては、燃料ガスの供給状態（供給量・供給圧力等）を変化させる開閉弁を燃料供給流路に設けることにより、システムの運転状態に応じて燃料ガスの供給状態を変化させる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００５−３０２５６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、前記した特許文献１に記載されたような従来の燃料電池システムにおいては、開閉弁の下流側に圧力センサを配置し、この圧力センサを用いて、開閉弁の下流側における燃料ガスの圧力を検出し、この検出値に基づいて開閉弁の開閉動作を制御している。
【０００５】
かかる従来の燃料電池システムで採用されている開閉弁（インジェクタ等）の噴射口の断面積は、燃料供給流路の断面積と比較すると小さく設定されている。このため、開閉弁の噴射口から噴射される燃料ガスの流れの断面積は、噴射直後においては比較的小さく、下流側になるに従って漸次拡大して、噴射口から下流側に特定距離だけ離隔した位置において燃料供給流路の断面積と略一致することとなる。従って、開閉弁の噴射口近傍に圧力センサを配置すると、流れの断面積が比較的小さく充分に拡散していない噴射直後の燃料ガスの圧力値（実際に燃料電池に供給される燃料ガスの圧力値とは異なる不正確な値）が検出されてしまう、という問題があった。
【０００６】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料ガスの供給状態を変化させる開閉弁を有する燃料電池システムにおいて、開閉弁下流側におけるガス状態を精度良く検出することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、燃料供給源から供給される燃料ガスを燃料電池へと流すための燃料供給流路と、この燃料供給流路の上流側におけるガス状態を調整して下流側に供給する開閉弁と、燃料供給流路におけるガス状態を検出するセンサと、を備え、開閉弁から噴射される燃料ガスの流れの断面積が下流側になるに従って漸次拡大するように構成された燃料電池システムであって、センサの検出位置は、開閉弁から噴射される燃料ガスの流れの断面積が燃料供給流路の断面積と略同一になる位置よりも下流側に配置されるものである。
【０００８】
かかる構成を採用すると、開閉弁から噴射される燃料ガスの流れの断面積が燃料供給流路の断面積と略同一になる位置よりも下流側にセンサの検出位置が配置されるため、燃料ガスの流れの断面積が充分に拡大した段階（燃料ガスが燃料供給流路内で充分に拡散した段階）におけるガス状態を検出することができる。従って、流れの断面積が比較的小さく充分に拡散していない噴射直後の燃料ガスのガス状態を検出することを回避することができるので、燃料ガスのガス状態を精度良く検出することが可能となる。なお、「ガス状態」とは、流量、圧力、温度、モル濃度等で表されるガスの状態を意味し、特にガス流量及びガス圧力の少なくとも一方を含むものとする。
【０００９】
前記燃料電池システムにおいて、開閉弁としてインジェクタを採用するとともに、センサとしてインジェクタの下流側における燃料ガスの圧力を検出する圧力センサを採用することができる。
【００１０】
インジェクタとは、弁体を電磁駆動力で直接的に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ガス状態（ガス流量やガス圧力）を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。所定の制御部がインジェクタの弁体を駆動して燃料ガスの噴射時期や噴射時間を制御することにより、燃料ガスの流量や圧力を制御することが可能となる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、燃料ガスの供給状態を変化させる開閉弁を有する燃料電池システムにおいて、開閉弁下流側におけるガス状態を精度良く検出することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。本実施形態においては、本発明を燃料電池車両の車載発電システムに適用した例について説明することとする。
【００１３】
まず、図１を用いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。本実施形態に係る燃料電池システム１は、図１に示すように、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池１０を備えるとともに、燃料電池１０に酸化ガスとしての空気を供給する酸化ガス配管系２、燃料電池１０に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス配管系３、システム全体を統合制御する制御装置４等を備えている。
【００１４】
燃料電池１０は、反応ガスの供給を受けて発電する単電池を所要数積層して構成したスタック構造を有している。燃料電池１０により発生した電力は、ＰＣＵ（Power Control Unit）１１に供給される。ＰＣＵ１１は、燃料電池１０とトラクションモータ１２との間に配置されるインバータやＤＣ−ＤＣコンバータ等を備えている。また、燃料電池１０には、発電中の電流を検出する電流センサ１３が取り付けられている。
【００１５】
酸化ガス配管系２は、加湿器２０により加湿された酸化ガス（空気）を燃料電池１０に供給する空気供給流路２１と、燃料電池１０から排出された酸化オフガスを加湿器２０に導く空気排出流路２２と、加湿器２１から外部に酸化オフガスを導くための排気流路２３と、を備えている。空気供給流路２１には、大気中の酸化ガスを取り込んで加湿器２０に圧送するコンプレッサ２４が設けられている。
【００１６】
水素ガス配管系３は、高圧の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク３０と、水素タンク３０の水素ガスを燃料電池１０に供給するための燃料供給流路としての水素供給流路３１と、燃料電池１０から排出された水素オフガスを水素供給流路３１に戻すための循環流路３２と、を備えている。なお、水素タンク３０に代えて、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、を燃料供給源として採用することもできる。また、水素吸蔵合金を有するタンクを燃料供給源として採用してもよい。
【００１７】
水素供給流路３１には、水素タンク３０からの水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁３３と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ３４と、インジェクタ３５と、が設けられている。また、インジェクタ３５の上流側には、水素供給流路３１内の水素ガスの圧力及び温度を検出する一次側圧力センサ４１及び温度センサ４２が設けられている。また、インジェクタ３５の下流側であって水素供給流路３１と循環流路３２との合流部Ａ１の上流側には、水素供給流路３１内の水素ガスの圧力を検出する二次側圧力センサ４３が設けられている。二次側圧力センサ４３は、本発明におけるセンサ及び圧力センサの一実施形態に相当するものである。
【００１８】
レギュレータ３４は、その上流側圧力（一次圧）を、予め設定した二次圧に調圧する装置である。本実施形態においては、一次圧を減圧する機械式の減圧弁をレギュレータ３４として採用している。機械式の減圧弁の構成としては、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする公知の構成を採用することができる。本実施形態においては、図１に示すように、インジェクタ３５の上流側にレギュレータ３４を２個配置することにより、インジェクタ３５の上流側圧力を効果的に低減させることができる。このため、インジェクタ３５の機械的構造（弁体、筺体、流路、駆動装置等）の設計自由度を高めることができる。また、インジェクタ３５の上流側圧力を低減させることができるので、インジェクタ３５の上流側圧力と下流側圧力との差圧の増大に起因してインジェクタ３５の弁体が移動し難くなることを抑制することができる。従って、インジェクタ３５の下流側圧力の可変調圧幅を広げることができるとともに、インジェクタ３５の応答性の低下を抑制することができる。
【００１９】
インジェクタ３５は、弁体５２を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座５０から離隔させることによりガス流量や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（図２）。本実施形態においては、図１に示すように、水素供給流路３１と循環流路３２との合流部Ａ１より上流側にインジェクタ３５を配置している。また、図１に破線で示すように、燃料供給源として複数の水素タンク３０を採用する場合には、各水素タンク３０から供給される水素ガスが合流する部分（水素ガス合流部Ａ２）よりも下流側にインジェクタ３５を配置するようにする。なお、インジェクタ３５の具体的な構造及びインジェクタ３５に対する二次側圧力センサ４３の位置については、図２及び図３を用いて後述することとする。
【００２０】
循環流路３２には、気液分離器３６及び排気排水弁３７を介して、排出流路３８が接続されている。気液分離器３６は、水素オフガスから水分を回収するものである。排気排水弁３７は、制御装置４からの指令によって作動することにより、気液分離器３６で回収した水分と、循環流路３２内の不純物を含む水素オフガス（燃料オフガス）と、を外部に排出（パージ）するものである。また、循環流路３２には、循環流路３２内の水素オフガスを加圧して水素供給流路３１側へ送り出す水素ポンプ３９が設けられている。なお、排気排水弁３７及び排出流路３８を介して排出される水素オフガスは、希釈器４０で排気流路２３内の酸化オフガスと合流して希釈されるようになっている。
【００２１】
制御装置４は、車両に設けられた加速操作部材（アクセル等）の操作量を検出し、加速要求値（例えばトラクションモータ１２等の負荷装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、負荷装置とは、トラクションモータ１２のほかに、燃料電池１０を作動させるために必要な補機装置（例えばコンプレッサ２４、水素ポンプ３９、冷却ポンプのモータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等を含む電力消費装置を総称したものである。
【００２２】
制御装置４は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで実行することにより、各種制御動作が実現されるようになっている。
【００２３】
具体的には、制御装置４は、燃料電池１０の運転状態に基づいて、燃料電池１０で消費される水素ガスの量（以下「水素消費量」という）を算出とともに、インジェクタ３５下流位置における水素ガスの目標圧力値（燃料電池１０への目標ガス供給圧）を算出する。また、制御装置４は、算出した目標圧力値と、二次側圧力センサ４３で検出したインジェクタ３５下流位置の検出圧力値と、の偏差に基づいてフィードバック補正流量を算出し、水素消費量とフィードバック補正流量とを加算することにより、インジェクタ３５の噴射流量を算出する。そして、制御装置４は、インジェクタ３５の噴射流量を実現させるための制御信号を送出することにより、インジェクタ３５のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御して、燃料電池１０に供給される水素ガスの流量及び圧力を調整する。このように、制御装置４は、二次側圧力センサ４３で検出したインジェクタ３５下流位置の検出圧力値を参照して、インジェクタ３５を制御している。
【００２４】
次に、図２及び図３を用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１のインジェクタ３５の具体的な構造及びインジェクタ３５に対する二次側圧力センサ４３の位置について説明する。
【００２５】
インジェクタ３５は、図２に示すように、水素ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座５０を備えるとともに、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディ５１と、ノズルボディ５１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５２と、を備えている。本実施形態においては、インジェクタ３５の弁体５２は電磁駆動装置であるソレノイド５３により駆動され、このソレノイド５３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段階又は多段階に切り替えることができるようになっている。制御装置４から出力される制御信号によってインジェクタ３５のガス噴射時間及びガス噴射時期が制御されることにより、水素ガスの流量及び圧力が高精度に制御される。インジェクタ３５は、弁（弁座５０及び弁体５２）を電磁駆動力で直接開閉駆動するものであり、その駆動周期が高応答の領域まで制御可能であるため、高い応答性を有する。
【００２６】
インジェクタ３５は、その下流に要求されるガス流量を供給するために、インジェクタ３５のガス流路に設けられた弁の開口面積（開度）及び開放時間の少なくとも一方を変更することにより、下流側（燃料電池１０側）に供給されるガス流量（又は水素モル濃度）を調整する。なお、インジェクタ３５の弁の開閉によりガス流量が調整されるとともに、インジェクタ３５下流に供給されるガス圧力がインジェクタ３５上流のガス圧力より減圧されるため、インジェクタ３５を調圧弁（減圧弁、レギュレータ）と解釈することもできる。また、本実施形態では、ガス要求に応じて所定の圧力範囲の中で要求圧力に一致するようにインジェクタ３５の上流ガス圧の調圧量（減圧量）を変化させることが可能な可変調圧弁と解釈することもできる。
【００２７】
インジェクタ３５の弁座５０の下流側には、水素ガスを噴射するノズル５４が設けられており、ノズル５４の直径ｄ1（及び断面積）は、図２に示すように、水素供給流路３１の直径ｄ2（及び断面積）よりも小さく設定されている。このため、インジェクタ３５のノズル５４から噴射される水素ガスの流れＦの断面積は、下流側になるに従って漸次拡大し、図２に示した位置Ｃにおいて水素供給流路３１の断面積と略同一になるようになっている。インジェクタ３５のノズル５４から位置Ｃまでの距離は、インジェクタ３５の仕様、水素ガスの噴射速度、ノズル５４と水素供給流路３１との直径比（断面積比）、等によって定められる値である。
【００２８】
インジェクタ３５のノズル５４から噴射される水素ガスは、このように下流側になるに従って漸次拡散するため、仮に、二次側圧力センサ４３を、位置Ｃよりも上流側の位置Ｂ１（図２において一点鎖線で示した位置）に配置した場合には、流れＦの断面積が比較的小さく充分に拡散していない噴射直後の水素ガスの圧力値が検出される。かかる位置Ｂ１においては、水素ガスは、ノズル５４から噴射された直後で流れＦの断面積が拡大している遷移的な状態にあるため、複雑な空気力学的挙動を示す。このため、図３（Ａ）に示すようにインジェクタ３５を開放して水素ガスを噴射すると、水素供給流路３１内の圧力は実際には上昇するにもかかわらず、位置Ｂ１で検出される水素ガスの圧力値は、図３（Ｂ）に示すように一時的に低下しかつ脈動する。かかる検出値は、インジェクタ３５の開閉動作に対応しない不適切な値となる。
【００２９】
そこで、本実施形態においては、二次側圧力センサ４３を、図２に示した位置Ｃよりも下流側の位置Ｂ２（図２において実線で示した位置）に配置している。位置Ｂ２においては、水素ガスは、流れＦの断面積が充分に拡大した状態（水素ガスが水素供給流路３１内で充分に拡散した状態）にある。このため、位置Ｂ２で検出される水素ガスの圧力値は、図３（Ｃ）に示すように、インジェクタ３５の開閉動作に対応した適切な値となる。
【００３０】
以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、インジェクタ３５から噴射される水素ガスの流れＦの断面積が水素供給流路３１の断面積と略同一になる位置Ｃよりも下流側に二次側圧力センサ４３が配置されているため、水素ガスが水素供給流路３１内で充分に拡散した段階におけるガス圧力を検出することができる。従って、流れＦの断面積が比較的小さく充分に拡散していない噴射直後の水素ガスの圧力を検出することを回避することができるので、水素ガスの圧力を精度良く検出することが可能となる。
【００３１】
なお、以上の実施形態においては、燃料電池システム１の水素ガス配管系３に循環流路３２を設けた例を示したが、例えば、図４に示すように、燃料電池１０に排出流路３８を直接接続して循環流路３２を廃止することもできる。かかる構成（デッドエンド方式）を採用した場合においても、前記実施形態と同様に、インジェクタ３５から噴射される水素ガスの流れＦの断面積が水素供給流路３１の断面積と略同一になる位置Ｃよりも下流側に二次側圧力センサ４３を配置することにより、同様の作用効果を得ることができる。
【００３２】
また、以上の実施形態においては、本発明における開閉弁としてインジェクタ３５を採用した例を示したが、開閉弁は水素供給流路３１の上流側のガス状態を調整して下流側に供給するもの（噴射される燃料ガスの流れの断面積が下流側になるに従って漸次拡大するもの）であればよく、インジェクタ３５に限られるものではない。
【００３３】
また、以上の実施形態においては、本発明におけるセンサとして圧力センサを採用した例を示したが、流量センサや温度センサ等を圧力センサに代えて（又は圧力センサとともに）採用することもできる。このように流量センサや温度センサを採用した場合においても、インジェクタ３５から噴射される水素ガスの流れＦの断面積が水素供給流路３１の断面積と略同一になる位置Ｃよりも下流側にこれらセンサを配置することにより、水素ガスの流量や温度を精度良く検出することが可能となる。
【００３４】
また、以上の実施形態においては、水素供給流路３１に遮断弁３３及びレギュレータ３４を設けた例を示したが、インジェクタ３５は、可変調圧弁としての機能を果たすとともに、水素ガスの供給を遮断する遮断弁としての機能をも果たすため、必ずしも遮断弁３３やレギュレータ３４を設けなくてもよい。従って、インジェクタ３５を採用すると遮断弁３３やレギュレータ３４を省くことができるため、システムの小型化及び低廉化が可能となる。
【００３５】
また、以上の各実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】図１に示した燃料電池システムのインジェクタ及び二次側圧力センサの位置関係を示す説明図である。
【図３】（Ａ）はインジェクタの開閉動作を示すタイムチャートであり、（Ｂ）はインジェクタ近傍に二次側圧力センサを配置した場合における圧力検出値の時間履歴を示すタイムチャートであり、（Ｃ）は図１に示した燃料電池システムの二次側圧力センサの検出値の時間履歴を示すタイムチャートである。
【図４】図１に示した燃料電池システムの変形例を示す構成図である。
【符号の説明】
【００３７】
１…燃料電池システム、４…制御装置（制御手段）、１０…燃料電池、３０…水素タンク（燃料供給源）、３１…水素供給流路（燃料供給流路）、３５…インジェクタ（開閉弁）、４３…二次側圧力センサ、Ｆ…水素ガス（燃料ガス）の流れ。
【図１】
2008218169.tif 000003
【図２】
2008218169.tif 000004
【図３】
2008218169.tif 000005
【図４】
2008218169.tif 000006