(57)【要約】【課題】燃料電池システムが、高圧タンクを並列に配置し、タンクごとに遮断弁、レギュレータを設けた燃料ガス貯蔵供給装置を備える場合において、システム停止時の消費又は排気すべき燃料ガス量を抑制し、燃料効率を向上させるとともに、迅速にシステムを停止できるようにすることを目的とする。【解決手段】燃料ガス供給先装置に対して並列に配管接続された高圧燃料タンクと、高圧燃料タンクごとに設けられた排出バルブと、各排出バルブと燃料ガス供給先装置とを接続する配管のうち、燃料ガス供給先装置に対して並列に配設された配管に、高圧燃料タンクごとに設けられたレギュレータと、少なくともシステム停止要求を受け付け可能なタイミングにおいて、並列に配管接続された高圧燃料タンクのうち一つの高圧燃料タンクから燃料ガスが供給されるように各排出バルブを制御する制御手段と、を備えるように燃料ガス貯蔵供給装置を構成する。【選択図】    図３
2005321030.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス供給先装置に対して並列に接続された高圧燃料タンクと、
高圧燃料タンクごとに設けられた排出バルブと、
各排出バルブと燃料ガス供給先装置とを接続する流路のうち、燃料ガス供給先装置に対して並列に配設された部分に、高圧燃料タンクごとに設けられたレギュレータと、
少なくともシステム停止要求を受け付け可能なタイミングにおいて、並列に接続された高圧燃料タンクのうち一つの高圧燃料タンクから燃料ガスが供給されるように各排出バルブを制御する制御手段と、を備えることを特徴とする燃料ガス貯蔵供給装置。
【請求項２】
前記制御手段は、燃料ガスを供給中の高圧燃料タンクのタンク圧力が閾値以下となった場合、次に燃料ガスの供給元として使用する高圧燃料タンクの排出バルブを開弁し、前記供給中の高圧燃料タンクの排出バルブを閉じることを特徴とする、請求項１記載の燃料ガス貯蔵供給装置。
【請求項３】
燃料ガス供給先装置に対して並列に接続された高圧燃料タンクと、
高圧燃料タンクごとに設けられた排出バルブと、
各排出バルブの下流に設けられたレギュレータと、
燃料ガスの供給時に少なくとも一つの前記排出バルブが閉じていることを特徴とする燃料ガス貯蔵供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池等の燃料ガス供給先装置に対して燃料ガスを供給する燃料ガス貯蔵供給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムでは、高圧であるほど貯蔵できる燃料量（水素量）が増加するため、燃料ガス（水素ガス）を供給する貯蔵装置として高圧タンクを使用する場合が多い。例えば、特許文献１には、高圧タンクを並列に配置し、並列的に燃料ガスを供給する構成が開示されている。
【０００３】
このような構成では、システム停止時に遮断弁とレギュレータの間に燃料ガスが残留することになるが、残留する燃料ガスによって配管内の圧力が高い状態でシステムを停止し続けることは安全上好ましくないため、通常、システムを停止する際に、上記の残留している高圧燃料ガスを消費又は排気する必要がある。
【特許文献１】特開２００２−３７２１９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図１に示すように、燃料電池システムが、高圧タンクを並列に配置し、タンクごとに遮断弁、レギュレータを設けた燃料ガス貯蔵供給装置を備える場合を考える。
【０００５】
該構成において、特許文献１のように並列的に燃料ガスを供給する場合、全てのタンクについて遮断弁−レギュレータ間の高圧燃料ガスを消費又は排気する必要があるため、タンク本数に比例して消費又は排気する燃料ガス量が増加し、その結果、燃料効率が落ちてしまうという問題が生じる。更に、消費又は排気のために必要な時間も増大することから、迅速にシステムを停止させることができないという問題も生じる。特に、タンク圧力が高いほど残留する燃料ガスが増大するため、高圧タンクの使用を前提とする構成において、これらは無視できない問題である。
【０００６】
そこで、本発明は、燃料電池システムが、高圧タンクを並列に配置し、タンクごとに遮断弁、レギュレータを設けた燃料ガス貯蔵供給装置を備える場合において、システム停止時の消費又は排気すべき燃料ガス量を抑制し、燃料効率を向上させるとともに、迅速にシステムを停止できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するため、本発明の燃料ガス貯蔵供給装置は、燃料ガス供給先装置に対して並列に接続された高圧燃料タンクと、高圧燃料タンクごとに設けられた排出バルブと、各排出バルブと燃料ガス供給先装置とを接続する流路のうち、燃料ガス供給先装置に対して並列に配設された部分に、高圧燃料タンクごとに設けられたレギュレータと、少なくともシステム停止要求を受け付け可能なタイミングにおいて、並列に接続された高圧燃料タンクのうち一つの高圧燃料タンクから燃料ガスが供給されるように各排出バルブを制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
好適には、前記制御手段は、燃料ガスを供給中の高圧燃料タンクのタンク圧力が閾値以下となった場合、次に燃料ガスの供給元として使用する高圧燃料タンクの排出バルブを開弁し、前記供給中の高圧燃料タンクの排出バルブを閉じることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の燃料ガス貯蔵供給装置は、燃料ガス供給先装置に対して並列に接続された高圧燃料タンクと、高圧燃料タンクごとに設けられた排出バルブと、各排出バルブの下流に設けられたレギュレータと、燃料ガスの供給時に少なくとも一つの前記排出バルブが閉じていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、燃料電池システムが、高圧タンクを並列に配置し、タンクごとに遮断弁、レギュレータを設けた燃料ガス貯蔵供給装置を備える場合において、システム停止時の消費又は排気すべき燃料ガス量を抑制し、燃料効率を向上させるとともに、迅速にシステムを停止できることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、各図を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。
【００１２】
図２は燃料電池電気自動車に搭載される燃料電池システムの概略構成を示している。
【００１３】
燃料電池システム１０は、主に、燃料ガス貯蔵供給装置４２、酸化ガス供給装置７３、燃料電池２０、及び制御部８０を備えて構成されている。燃料ガスは例えば水素ガスであり、酸化ガスは例えば空気である。制御部８０はアクセルセンサ８４によって検出されたアクセル開度から燃料電池２０の要求発電量を求め、所望の発電量が得られるように燃料ガス貯蔵供給装置４２と酸化ガス供給装置７３を制御し、燃料電池２０に供給される燃料ガス流量と酸化ガス流量を調整する。ＰＣＵ８２はインバータとＤＣ／ＤＣコンバータを含む電力制御装置であり、燃料電池２０が発電した直流電力を交流電力に変換して車両走行用のモータ８３に供給する他、余剰電力を二次電池８１に蓄電する。二次電池８１はブレーキ回生時の回生エネルギー貯蔵源、車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとしての役割を担う。
【００１４】
図１は燃料電池システム１０の配管系統を中心とするシステム構成を示している。図１に示すように、燃料電池システム１０は、燃料電池２０に燃料ガスを供給するための系統と、酸化ガスを供給するための系統と、燃料電池２０を冷却するための系統とを備えて構成されている。
【００１５】
燃料電池２０は、フッ素系樹脂等により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜等から成る高分子電解質膜２１の両面にアノード極２２とカソード極２３をスクリーン印刷等で形成した膜・電極接合体２４を備えている。膜・電極接合体２４の両面は、燃料ガス、酸化ガス、冷却水の流路を有するセパレータ（図示せず）によってサンドイッチされ、このセパレータとアノード極２２及びカソード極２３との間にそれぞれ溝状のアノードガスチャンネル２５及びカソードガスチャンネル２６を形成している。アノード極２２では（１）式の酸化反応が生じ、カソード極２３では（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）
尚、同図では説明の便宜上、膜・電極接合体２４、アノードガスチャンネル２５、及びカソードガスチャンネル２６から成る単位セルの構造を模式的に図示しているが、実際には上述したセパレータを介して複数の単位セルが直列に接続したスタック構造を備えている。
【００１６】
燃料電池システム１０の冷却系統には、冷却水を循環させる冷却路３１、燃料電池２０から排水される冷却水の温度を検出する温度センサ３２、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）３３、ラジエータ３３へ流入する冷却水量を調整するバルブ３４、冷却水を加圧して循環させるポンプ３５、及び燃料電池２０に供給される冷却水の温度を検出する温度センサ３６等が設けられている。
【００１７】
燃料電池システム１０の燃料ガス供給系統には、アノードガスチャンネル２５に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路４１と、アノードガスチャンネル２５から排気される燃料オフガスを燃料ガス流路４１に還流させるための循環流路５１が配管されており、これらのガス流路によって燃料ガス循環系統が構成されている。
【００１８】
燃料ガス流路（管路）４１には、燃料ガス貯蔵供給装置４２からの燃料ガスの圧力調整を行うレギュレータ（中圧レギュレータ４３、低圧レギュレータ４４）、燃料電池の燃料ガス供給口（入口）を開閉する遮断弁４５等が設置されている。
【００１９】
燃料ガス貯蔵供給装置４２は、燃料ガス供給先装置である燃料電池２０に対して並列に接続された高圧燃料タンクＡ1〜Ａ4（添え字はタンク番号を示す）、高圧燃料タンクごとに設けられた排出バルブＢ1〜Ｂ4と、各排出バルブＢ1〜Ｂ4と燃料ガス供給先装置４２とを接続する燃料ガス流路４１のうち、燃料電池２０に対して並列に配設された流路部分Ｃ1〜Ｃ4と、該並列に配設された流路部分Ｃ1〜Ｃ4に、高圧燃料タンクごとに設けられたレギュレータＤ1〜Ｄ4と、を備えている。なお、排出バルブは高圧燃料タンクと一体であってもよい。また、高圧燃料タンク等の数は設計に応じて定めることができるが、ここでは並列に設ける数を４としている。
【００２０】
図からわかるように、高圧燃料タンクＡ1〜Ａ4に貯蔵される燃料ガスは、各排出バルブＢ1〜Ｂ4を開弁することで流路部分Ｃ1〜Ｃ4に排出され、レギュレータＤ1〜Ｄ4によって圧力が調整された後、燃料ガス流路４１の共通流路部分に流入し、燃料電池２０に供給される。このような燃料ガスの供給に関わる制御は、後述するように制御部８０の機能手段によって実行されるため、制御部８０を含めて燃料ガス貯蔵供給装置４２として把握することが可能である。
【００２１】
循環流路５１には、燃料オフガスを排出する遮断弁５２、燃料オフガスから水分を回収する気液分離器５３、回収した水を図示しないタンクに回収する排水弁５４、モータによって駆動される循環ポンプ（加圧手段）５５、燃料ガス流路４１の燃料ガスが循環流路５１側に逆流することを防止する逆流阻止弁５６等が設置されている。循環ポンプ５５は、制御部８０の制御に基づき、アノードガスチャンネル２５を通過する際に圧力損失を受けた燃料オフガスを圧縮して適度なガス圧まで昇圧させ、燃料ガス流路４１に還流させる。燃料オフガスは、燃料ガス流路４１で燃料ガス供給装置４２から供給される燃料ガスと合流し、燃料電池２０に供給されて再利用される。
【００２２】
循環流路５１には、燃料ガス循環系統から排気された燃料オフガスを、希釈器（例えば水素濃度低減装置）６２を介して車外に排気するための排気流路６１が分岐配管されている。排気流路６１には排気弁（排気手段）６３が設置されており、燃料オフガスの排気制御を行えるように構成されている。排気弁６３を開閉することで、燃料電池内の循環を繰り返して不純物濃度が増した燃料オフガスを外部に排出し、新規の燃料ガスを導入してセル電圧の低下を防止する。また、循環流路５１の内圧に脈動を起こし、ガス流路に蓄積した水分を除去することもできる。
【００２３】
一方、燃料電池システム１０の酸化ガス供給系統には、カソードガスチャンネル２６に酸化ガスを供給するための酸化ガス流路７１と、カソードガスチャンネル２６から排気されるカソードオフガスを排気するためのカソードオフガス流路７２が配管されている。酸化ガス流路７１には、大気から取り込んだエアに含まれている粉塵等を除去するエアフィルタ７４、モータによって駆動されるエアコンプレッサ７５等から構成され、圧縮エアを酸化ガスとして酸化ガス流路７１に供給する酸化ガス供給装置７３が設置されている。また、酸化ガス供給装置７３の下流に配された加湿器７６では、燃料電池２０の電池反応で生じた生成水によって高湿潤状態となったカソードオフガスと、大気より取り込んだ低湿潤状態の酸化ガスとの間で水分交換が行われる。カソードガスチャンネル２６の背圧はカソードオフガス流路７２に設置された圧力調整弁７７によってほぼ一定圧に調圧される。カソードオフガス流路７２を流れるカソードオフガスは、設計に応じて気液分離器やマフラー等を経由して車外に排気され、またその一部は希釈器６２に流れ込み、希釈器６２内に滞留する燃料オフガスを混合希釈して車外に排気される。
【００２４】
制御部８０は、図示しない制御コンピュータシステムによって構成され、図示しない制御プログラムに従って燃料電池システムの各部動作の制御を実行する。制御コンピュータシステムは公知の入手可能なシステムによって構成することが出来る。
【００２５】
例えば、制御部８０は、各流路に設置された温度センサＴや圧力センサＰ（図示せず）からのセンサ信号を受け取り、電池運転の状態（例えば、電力負荷）に応じて、各モータを駆動して循環ポンプ５５とエアコンプレッサ７４の回転数を調整し、更に、各種の弁の開閉制御又は弁開度の調整等を行う。
【００２６】
ただし、本実施形態の制御部８０は、少なくともシステム停止要求を受け付け可能なタイミングにおいて、並列に配管接続された高圧燃料タンクのうち一つの高圧燃料タンクから燃料ガスが供給されるように各排出バルブＢ1〜Ｂ4等を制御する点で、従来と異なっている。図１では、このような制御部８０により実現される燃料ガスの供給制御に関わる機能を、燃料ガス供給制御手段８１のように機能手段として示している。
【００２７】
以下、図３に示すフローチャートを参照して、燃料ガスの供給に関する制御部８０の動作（燃料ガス供給制御手段８１の動作）について説明する。
【００２８】
燃料ガス供給制御手段８１は、制御部８０において実現される他の機能手段（例えば燃料電池システム１０全体動作を制御するシステム制御手段；図示せず）から燃料ガスの供給要求を受け付けた場合（Ｓ１００）、燃料ガスを供給する高圧燃料タンクのタンク番号を指定するインデクス変数Ｎに１を設定する（Ｓ１０１）。
【００２９】
次に、燃料ガス供給制御手段８１は、変数Ｎにより指定される高圧燃料タンクＡNについて、図示しない圧力センサによりタンク圧力を取得する（Ｓ１０２）。
【００３０】
次に、燃料ガス供給制御手段８１は、高圧燃料タンクＡNのタンク圧力が、燃料ガスを供給するに足る最低圧力として設定した所定の閾値Ｐ（例えば、０．３ＭＰａ）以上かどうかを判断する（Ｓ１０３）。
【００３１】
所定の閾値Ｐ未満である場合、燃料ガス供給制御手段８１は、変数Ｎに１を加算する（Ｓ１０４）。そして、変数Ｎがタンク総数（本実施形態では４）を超えているかどうかを判断し（Ｓ１０５）、超えていない場合にはＳ１０２に再帰する。
【００３２】
一方、タンク総数を超えている場合、燃料ガス供給制御手段８１は、燃料ガスを供給できる高圧燃料タンクが存在しない、すなわちガス欠と判定し、ガス欠であり発電動作を実行できないことをシステム制御手段等に対して通知して（Ｓ１１９）、処理を終了する。これを受けて、例えばシステム制御手段は、燃料電池システム１０が発電動作状態であれば停止処理を実行する。
【００３３】
Ｓ１０３において所定の閾値Ｐ以上である場合、燃料ガス供給制御手段８１は、高圧燃料タンクＡNの排出バルブＢNを開弁し（Ｓ１０６）、高圧燃料タンクＡNからの燃料ガスの供給を開始したことをシステム制御手段等に対して通知する（Ｓ１０７）。これを受けて、例えばシステム制御手段は、燃料電池システム１０の起動処理を実行する（発電処理を開始する）。
【００３４】
次に、燃料ガス供給制御手段８１は、システム制御手段からシステム停止要求がなされているかどうかを判断する（Ｓ１０８）。
【００３５】
システム停止要求がなされている場合、燃料ガス供給制御手段８１は、燃料ガス供給停止処理を実行する（Ｓ１０９〜Ｓ１１３）。
【００３６】
まず、高圧燃料タンクＡNの排出バルブＢNを閉弁し（Ｓ１０９）、流路部分ＣNの排出バルブＢNとレギュレータＤNの間に残留する燃料ガスの消費又は排気処理を行う（Ｓ１１０）。なお、残留燃料ガスの消費又は排気処理は、例えば排気流路６１のように従来と同様の構成にて行うことができるため、図１では図示していない。
【００３７】
次に、燃料ガス供給制御手段８１は、図示しない圧力センサにより、流路部分ＣNの排出バルブＢNとレギュレータＤNの間の配管内圧力を取得する（Ｓ１１１）。
【００３８】
次に、燃料ガス供給制御手段８１は、前記取得した配管内圧力が、安全性を確保できる圧力として設定した所定の閾値Ｑ以下かどうかを判断し（Ｓ１１２）、所定の閾値Ｑを超えている場合はＳ１１０に再帰する（すなわち、消費又は排気処理を継続する）。一方、所定の閾値Ｑ以下である場合、燃料ガス貯蔵供給装置４２に関して安全に停止できることをシステム制御手段等に対して通知し（Ｓ１１３）、処理を終了する。
【００３９】
Ｓ１０８においてシステム停止要求がなされていない場合、燃料ガス供給制御手段８１は、高圧燃料タンクの切り替え判断処理を実行する（Ｓ１１４〜Ｓ１１８）。
【００４０】
まず、高圧燃料タンクＡNのタンク圧力が、燃料ガスの供給を継続するに足る最低圧力として設定した所定の閾値Ｒ（例えば、０．３ＭＰａ）以上かどうかを判断する（Ｓ１１４）。
【００４１】
所定の閾値Ｒ以上である場合、システム停止要求を受け付けたかどうかを判断するＳ１０８に再帰する。
【００４２】
一方、所定の閾値Ｒ未満である場合、燃料ガス供給制御手段８１は、変数Ｎに１を加算する（Ｓ１１５）。
【００４３】
本実施形態では、このようにタンク番号を指定するインデクス変数Ｎに１加算することで、タンク番号順に高圧燃料タンクを選択し、燃料ガス供給元として使用するように構成している。従って、１を加算した後の変数Ｎにより指定される高圧燃料タンクは、少なくとも今回の燃料ガス供給処理においては未選択であり、原則としてそのタンク圧力は所定の閾値Ｒを超えていると考えられる。
【００４４】
次に、燃料ガス供給制御手段８１は、変数Ｎがタンク総数（本実施形態では４）を超えているかどうかを判断する（Ｓ１１６）。
【００４５】
変数Ｎがタンク総数を超えている場合、燃料ガス供給制御手段８１は、燃料ガスを供給できる高圧燃料タンクが存在しない、すなわちガス欠と判定し、ガス欠であり発電動作を実行できないことをシステム制御手段等に対して通知する（Ｓ１１９）。これを受けて、例えばシステム制御手段は燃料電池システム１０の停止処理を実行する。
【００４６】
変数Ｎがタンク総数を超えていない場合、燃料ガス供給制御手段８１は、高圧燃料タンクＡNの排出バルブＢNを開弁し（Ｓ１１７）、その後、高圧燃料タンクＡ(N-1)の排出バルブＢ(N-1)を閉弁することで（Ｓ１１８）、燃料ガスを供給する高圧燃料タンクの切り替えを行う。そして、システム停止要求を受け付けたかどうかを判断するＳ１０８に再帰する。
【００４７】
このように本実施形態では、並列に接続された高圧燃料タンクを切り替えて燃料ガスを供給し、少なくともシステム停止要求を受け付け可能なタイミング（すなわちＳ１０８）において燃料ガスを供給する高圧燃料タンクが常に一つとなるように制御しているため、システム停止要求を受け付けて燃料ガス貯蔵供給装置４２からの燃料ガスの供給を停止する際、排気バルブとレギュレータとの間に流路部分に燃料ガスが残留しているのは前記一つの高圧燃料タンクに対応する部分だけとなる。そのため、並列に配置した全ての高圧燃料タンクに対応する部分において燃料ガスが残留してしまう従来構成に比較して、消費又は排気すべき残留燃料ガス量を大幅に減らすことができ、その結果、燃料効率を大きく向上させることが可能となる。また併せて、消費又は排気のために必要な時間を抑制し、迅速にシステムを停止させることが可能となる。
【００４８】
更に、本実施形態では、燃料ガスを現在供給している高圧燃料タンク及びこれから供給を開始する高圧燃料タンクの排出バルブのみが開閉の対象となるため、燃料電池システムを稼動／停止する都度、並列に配置した全ての高圧燃料タンクの排出バルブを開閉する従来構成に比較して、各排出バルブの作動回数を減らすことができる。その結果、各排出バルブの使用可能期間を延ばし、長期にわたって燃料電池システム１０を安定動作させることが可能となる。
【００４９】
（変形例）
本発明は上記実施例に限定されることなく、種々に変形して適用することが可能である。例えば、燃料電池に対して並列に接続された高圧燃料タンクに加えて、水素吸蔵合金を備えた燃料タンク（ＭＨタンク）などを備える構成としてもよい。
【００５０】
また例えば、上記実施形態では、タンク番号順に高圧燃料タンクを選択し、燃料ガスの供給元として使用する構成としているが、例えばタンク圧力の高い順（又は低い順）に高圧燃料タンクを選択し、燃料ガスの供給元として使用する構成や、Ｓ１０１において変数Ｎに前回燃料電池システム停止時に使用していた高圧燃料タンクのタンク番号を設定する構成を採用してもよい。
【００５１】
なお、本発明は、排気バルブとレギュレータとの間に流路部分に残留する燃料ガスを減らすことで燃料効率を向上させる等の効果を実現するものであるから、例えば、３以上の高圧燃料タンクを備える構成において、燃料ガスの供給時に少なくとも一つの高圧燃料タンクからは供給を行わない（すなわち、対応する排出バルブを閉じる）ように制御することでも、全部の高圧燃料タンクから燃料ガスを供給する構成に比較して前記少なくとも一つの高圧燃料タンクに対応する分だけ残留する燃料ガスを減らすことができ、有利な効果を得ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本実施形態における燃料電池システムの配管系統を中心とする構成図である。
【図２】本実施形態の燃料電池システムの主要構成図である。
【図３】燃料ガス供給制御手段８１の動作を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００５３】
１０  燃料電池システム、２０  燃料電池、３１  冷却路、４１  燃料ガス流路、５１  燃料オフガス流路、５３  気液分離器、５５  循環ポンプ、６１  排気流路、６２  希釈器、７１  酸化ガス流路、７２  カソードオフガス流路、７４  エアフィルタ、７５  エアコンプレッサ、７６  加湿器、７８  熱交換器、８０  制御部、８１  燃料ガス供給制御手段、９０  エアコンディショナーシステム
【図１】
2005321030.tif 000003
【図２】
2005321030.tif 000004
【図３】
2005321030.tif 000005