(57)【特許請求の範囲】
【請求項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供給される前記燃料ガスによって発電し電力を供給する燃料電池と、
前記燃料タンクに設けられた充填口に接続され、前記燃料タンクに前記燃料ガスを供給するために用いる燃料充填管と、
前記燃料タンクに設けられた前記充填口と異なる出力口に接続され、前記燃料充填管よりも前記燃料ガスの供給方向下流側に配置され、前記燃料タンクから前記燃料電池に燃料を供給するために用いる燃料供給管と、
前記燃料供給管に設けられ、前記燃料供給管を開閉することで前記燃料タンクから前記燃料ガスを供給させる主止弁と、
前記主止弁の前記燃料ガスの供給方向下流に設けられ前記燃料電池に前記燃料ガスを供給させる燃料供給弁と、
前記主止弁及び前記燃料供給弁を制御して前記燃料タンクからの前記燃料ガスの供給を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記燃料タンクへ前記燃料ガスの充填が行われている間、前記燃料供給弁を閉状態に制御し、前記主止弁を開状態に制御する燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御部は、前記燃料タンクへの前記燃料ガスの充填が終了した場合には、前記主止弁を開状態から閉状態に制御する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記主止弁と前記燃料供給弁の間に圧力センサが設けられ、
前記制御部は、前記圧力センサによって検出された圧力値が上限圧力を超えた場合に、前記主止弁を閉状態に制御する請求項１または２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、燃料電池に供給する燃料ガスの圧力上昇の防止を図った燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
水素ガスを燃料とした燃料電池を搭載した車両では、燃料の水素ガスは、車両に固定された容器である燃料タンクに最大７０[MPa]の高圧状態で貯蔵される。燃料タンクと燃料電池の負極の間は、水素ガスを燃料電池に供給するための水素供給管により接続される。水素供給管には、水素供給管を全開または全閉して燃料電池への水素ガスの供給及び遮断を制御する主止弁が設けられている。
【０００３】
このような燃料電池システムでは、燃料タンク内が高圧状態であるため、燃料電池への水素ガス供給時等の燃料電池に非常に高圧の水素ガスが供給される可能性がある場合は、燃料電池に供給される水素ガスの過剰な圧力上昇を防止することが重要である。過剰な圧力の水素ガスが燃料電池に供給されると、燃料電池が損傷を受ける可能性があるからである。
【０００４】
このような対策として、特許文献１では、水素供給管に圧力センサを設け、この圧力センサが検出した圧力が所定値を超えた場合、主止弁を閉止して水素ガスの供給を停止させることが提案されている。
【０００５】
ここで、燃料電池により水素ガスが消費され、燃料タンク中の水素ガスの貯蔵量が減少してくると燃料タンク内の圧力も低下してくる。例えば、燃料タンク内の圧力が１０[MPa]になるまで水素ガスが消費されてから燃料電池システムが停止されると、主止弁が閉止され、主止弁より水素ガスが供給される方向である供給方向の下流側の圧力は１０[MPa]よりも低下する。このような状態で燃料タンク内に水素ガスが充填され燃料タンク内の圧力が７０[MPa]に復帰した場合、主止弁より供給方向上流側の圧力が下流側の圧力よりも非常に大きくなる。このとき、燃料電池システムが起動されて主止弁が開かれると、主止弁より供給方向下流に対して７０[MPa]の水素ガスが瞬間的に流入するため、８０[MPa]以上の圧力が突入圧として主止弁の供給方向下流側に生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２３６７９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、このような突入圧の場合、瞬間的な圧力上昇であるから、上述のような特許文献１に記載の燃料電池システムでは、圧力センサで検出してから主止弁を閉止しようとしても間に合わず、突入圧を止めることはできない。
【０００８】
そこで、本発明は、燃料タンクへの燃料ガス充填後の過大な圧力の発生を抑え、燃料電池の耐久性低下を防止することができる燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決する燃料電池システムの発明の一態様は、燃料ガスを貯蔵する燃料タンクと、燃料タンクから供給される燃料ガスによって発電し電力を供給する燃料電池と、燃料タンクに設けられた充填口に接続され、燃料タンクに燃料ガスを供給するために用いる燃料充填管と、燃料タンクに設けられた充填口と異なる出力口に接続され、燃料充填管よりも燃料ガスの供給方向下流側に配置され、燃料タンクから燃料電池に燃料を供給するために用いる燃料供給管と、燃料供給管に設けられ、燃料供給管を開閉することで燃料タンクから燃料ガスを供給させる主止弁と、主止弁の燃料ガスの供給方向下流に設けられ燃料電池に燃料ガスを供給させる燃料供給弁と、主止弁及び燃料供給弁を制御して燃料タンクからの燃料ガスの供給を制御する制御部と、を備え、制御部は、燃料タンクへ燃料ガスの充填が行われている間、燃料供給弁を閉状態に制御し、主止弁を開状態に制御するものである。
【発明の効果】
【００１０】
このように本発明によれば、燃料タンクへの燃料ガス充填後の過大な圧力の発生を抑え、燃料電池の耐久性低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを示す図であり、その概念ブロック図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを示す図であり、その水素ガス充填時から燃料電池システム起動までの主止弁の供給方向下流の圧力の変化を示すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１において、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを搭載した車両１は、燃料電池２と、燃料供給系３と、制御部としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）４と、を含んで構成される。
【００１３】
燃料電池２は、燃料供給系３から供給される水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化剤ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギーを直接取り出すものである。
【００１４】
燃料供給系３は、燃料タンクとしての水素タンク３１と、主止弁３２と、圧力センサ３３と、一次レギュレータ３４と、燃料供給弁３５と、二次レギュレータ３６と、逆止弁３７と、圧力放出弁３８と、を含んで構成される。
【００１５】
水素タンク３１は、燃料ガスである水素ガスを高圧の状態に圧縮して貯蔵するものである。水素タンク３１には、水素タンク３１に貯蔵された水素ガスの圧力を検出するタンク圧力センサ３１ｐと、水素タンク３１内の温度を検出するタンク温度センサ３１ｔと、が設けられている。
【００１６】
水素タンク３１と燃料電池２の間は、水素ガスの供給ラインである水素供給管１１で接続される。水素供給管１１には、水素ガスが水素タンク３１から燃料電池２へ供給される方向である供給方向の上流から順に、主止弁３２、圧力センサ３３、一次レギュレータ３４、燃料供給弁３５、二次レギュレータ３６、が設けられている。このように、水素供給管１１は、本発明の燃料供給管を構成する。また、水素タンク３１には、水素タンク３１に水素ガスを充填するための充填ラインである水素充填管１２が接続されている。
【００１７】
主止弁３２は、ＥＣＵ４によって開閉が制御される常閉型の電磁弁により構成される。この主止弁３２が閉弁状態である場合、水素タンク３１内は密閉状態となる。圧力センサ３３は、主止弁３２の供給方向下流の圧力を検出する。一次レギュレータ３４は、水素タンク３１から供給される水素ガスの圧力を、例えば、1.0[MPa]未満に減圧させる。
【００１８】
燃料供給弁３５は、ＥＣＵ４によって開閉が制御される常閉型の電磁弁により構成される。主止弁３２及び燃料供給弁３５が開弁状態である場合には、水素タンク３１内の水素ガスが水素供給管１１を介して燃料電池２に供給される。一方、燃料供給弁３５が閉弁状態になった場合には、燃料電池２に水素ガスが供給されなくなる。二次レギュレータ３６は、一次レギュレータ３４により減圧された水素ガスを更に減圧させて、水素ガスの圧力を燃料電池２に供給するべき圧力である目標圧力にする。
【００１９】
水素充填管１２には、逆止弁３７が設けられている。逆止弁３７は、水素充填管１２の水素ガスが充填される方向である充填方向を逆流してくる水素ガスを止めるものである。水素充填管１２の逆止弁３７より充填方向の上流には圧力放出管１３が接続されている。圧力放出管１３には、圧力放出弁３８が設けられている。圧力放出弁３８は、水素充填管１２の内圧が異常に上昇した際に自動的に圧力を低下させる。
【００２０】
水素充填管１２の水素タンク３１が接続されたのと反対側の端には、不図示の充填レセプタクルが接続されている。充填レセプタクルは、水素タンク３１に水素ガスを充填する時に不図示の水素ステーションの充填ノズルと接続される。水素ステーションから供給される水素ガスは、水素充填管１２を通して水素タンク３１に充填される。
【００２１】
ＥＣＵ４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）と、入力ポートと、出力ポートとを備えたコンピュータユニットによって構成されている。
【００２２】
ＥＣＵ４のＲＯＭには、各種制御定数や各種マップ等とともに、当該コンピュータユニットをＥＣＵ４として機能させるためのプログラムが記憶されている。すなわち、ＥＣＵ４において、ＣＰＵがＲＯＭに記憶されたプログラムを実行することにより、当該コンピュータユニットは、ＥＣＵ４として機能する。
【００２３】
ＥＣＵ４の入力ポートには、前述のタンク圧力センサ３１ｐと、タンク温度センサ３１ｔと、圧力センサ３３とを含む各種センサ類が接続されている。一方、ＥＣＵ４の出力ポートには、主止弁３２と、燃料供給弁３５とを含む各種制御対象類が接続されている。
【００２４】
ＥＣＵ４は、圧力センサ３３の検出する圧力が、所定の上限圧力を超えた場合、主止弁３２を閉止するようになっている。ここで、上限圧力は、主止弁３２の供給方向下流側に損傷を与えない圧力値であり、実験等により求められ、ＥＣＵ４のＲＯＭに記憶されている。
【００２５】
ＥＣＵ４は、例えば、燃料電池システムが停止された状態で、前述の充填レセプタクルに水素ステーションの充填ノズルが接続されたことを検出すると、車両１の制御状態を充填状態に移行させる。
【００２６】
ＥＣＵ４は、車両の制御状態を充填状態に移行させると、主止弁３２を開放する。このとき、ＥＣＵ４は、燃料供給弁３５は閉止しておく。そして、水素ガスの充填が終了し、充填レセプタクルから充填ノズルが切断されると、ＥＣＵ４は、主止弁３２を閉止する。
【００２７】
その後、燃料電池システムが起動されると、ＥＣＵ４は、主止弁３２を開放し、燃料供給弁３５の開閉を制御して燃料電池２に水素ガスを供給させて燃料電池２に発電させる。
【００２８】
このように、水素ガスが水素タンク３１に充填されている間、主止弁３２の開放により供給方向下流にも水素ガスが供給され、主止弁３２の供給方向上流側と下流側の圧力の差が無くなり、燃料電池システムが起動されたときに主止弁３２より供給方向下流に過大な圧力である突入圧が発生しない。
【００２９】
以上のように説明した本実施形態の燃料電池システムの作用について、図２を参照して説明する。
【００３０】
図２（ａ）は、従来の燃料電池システムによる水素ガス充填時から燃料電池システム起動までの主止弁３２の供給方向下流の圧力の変化を示すタイムチャートである。図２（ａ）に示すように、燃料電池システムの停止と同時に主止弁３２が閉止するため、主止弁３２の供給方向下流側の圧力は、燃料電池システムが停止する直前の水素タンク３１の圧力以下となる。
【００３１】
ｔ１において水素ガスの充填が開始されても圧力は変わらず、水素タンク３１内の圧力が水素ガス充填時の目標圧力に達し、充填が完了するｔ２においても圧力は変わらない。この時点で主止弁３２の供給方向上流側の圧力は下流側の圧力より非常に大きくなっている。水素ガスの充填が終了しても主止弁３２は閉止されたままである。
【００３２】
そして、燃料電池システムが起動されるｔ３において主止弁３２が開かれると、主止弁３２の供給方向下流に高い圧力の水素ガスが瞬間的に流入するため、過大な圧力である突入圧が生じる。このとき、前述の上限圧力を超えると、圧力異常であると判定され主止弁３２が閉じられる。
【００３３】
図２（ｂ）は、本実施形態の燃料電池システムによる水素ガス充填時から燃料電池システム起動までの主止弁３２の供給方向下流の圧力の変化を示すタイムチャートである。図２（ｂ）に示すように、従来と同様に、燃料電池システムの停止と同時に主止弁３２が閉止するため、主止弁３２の供給方向下流側の圧力は、燃料電池システムが停止する直前の水素タンク３１の圧力以下となる。
【００３４】
ｔ１１において水素ガスの充填が開始されると主止弁３２が開放されるため、水素タンク３１への水素ガスの充填により水素タンク３１内の圧力が上昇するのと同時に主止弁３２の供給方向下流の圧力も上昇していく。
【００３５】
ｔ１２において水素タンク３１内の圧力が水素ガス充填時の目標圧力に達し、充填が完了すると、主止弁３２の供給方向下流の圧力も水素ガス充填時の目標圧力となる。水素ガスの充填が終了すると主止弁３２は閉止される。
【００３６】
そして、燃料電池システムが起動されるｔ１３において主止弁３２が開かれても、主止弁３２の供給方向上流側と下流側の圧力はほぼ等しいので、主止弁３２の供給方向下流に高い圧力の水素ガスが流入することはなく、過大な圧力は生じない。このため、前述の上限圧力を超過する事態を回避することができる。
【００３７】
以上のように説明した本実施形態の燃料電池システムの効果について説明する。
上述の実施形態では、水素タンク３１へ水素ガスの充填が行われている間、燃料供給弁３５を閉状態にするとともに主止弁３２を開状態に制御するＥＣＵ４を備える。
これにより、水素ガスの充填時に主止弁３２の水素ガス供給方向の上流と下流の圧力差を無くすことができ、充填終了後の燃料電池システムの起動時に主止弁３２の水素ガス供給方向下流に過大な圧力の発生を抑え、燃料電池２の耐久性低下を防止することができる。
【００３８】
また、ＥＣＵ４は、水素タンク３１への水素ガスの充填が終了した場合には、主止弁３２を開状態から閉状態に制御する。
これにより、水素タンク３１への水素ガスの充填が終了した場合には、主止弁３２が閉じられ、主止弁３２の水素ガス供給方向下流への水素ガスの流出を防ぐことができ、燃料電池２の耐久性低下を防止することができる。
【００３９】
また、主止弁３２と燃料供給弁３５の間に圧力センサ３３が設けられ、ＥＣＵ４は、圧力センサ３３によって検出された圧力値が上限圧力を超えた場合に、主止弁３２を閉状態に制御する。
【００４０】
これにより、主止弁３２と燃料供給弁３５の間に上限圧力を超えるような過大な圧力が発生した場合に、水素ガスの供給を止めることができ、燃料電池２の耐久性低下を防止することができる。
【００４１】
本発明の実施形態を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正及び等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。
【符号の説明】
【００４２】
１     車両
２     燃料電池
３     燃料供給系
４     ＥＣＵ（制御部）
１１   水素供給管（燃料供給管）
３１   水素タンク（燃料タンク）
３２   主止弁
３３   圧力センサ
３５   燃料供給弁
【図１】
0006413532.tif 000002
【図２】
0006413532.tif 000003