(57)【要約】【課題】  燃料電池システムにおいて、高圧ガス供給管における振動騒音の発生を、広範な配管長、部品共振周波数において抑制すること。【解決手段】  燃料電池システム１０において、上流側遮断弁３１より上流側のガス圧力Ｐ３と下流側遮断弁３３より下流側のガス圧力Ｐ１との圧力差が基準値Ｐlimitよりも大きいとき、下流側遮断弁３３の開弁タイミングを、上流側遮断弁３１の開弁タイミングに対して一定のインターバル時間（所定時間）Ｔだけ遅延させるもの。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧ガス供給管を燃料電池のガス供給口に接続し、高圧ガス供給管の途中にガス調圧弁を介装し、高圧ガス供給管のガス調圧弁より上流側と下流側のそれぞれに上流側と下流側の遮断弁を設けた燃料電池システムにおいて、
上流側遮断弁より上流側のガス圧力と下流側遮断弁より下流側のガス圧力との圧力差が基準値よりも大きいとき、下流側遮断弁の開弁タイミングを、上流側遮断弁の開弁タイミングに対して所定時間だけ遅延させる制御手段を有してなることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段が、
上流側遮断弁より上流側のガス圧力と下流側遮断弁より下流側のガス圧力との圧力差が基準値よりも大きく、
下流側遮断弁より下流側のガス圧力が燃料電池の残留ガス圧力について定めた燃料電池内しきい値より小さく、かつ上流側遮断弁と下流側遮断弁の間のガス圧力が高圧ガス供給管の残留ガス圧力について定めた管内しきい値より小さいとき、
下流側遮断弁の開弁タイミングを、上流側遮断弁の開弁タイミングに対して所定時間だけ遅延させる請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御手段が、
下流側遮断弁より下流側のガス圧力が大きくなるほど、前記所定時間を短く、
上流側遮断弁と下流側遮断弁の間のガス圧力が大きくなるほど、前記所定時間を短く設定する請求項１又は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】
本発明は燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、特許文献１に記載の如く、アノード電極とカソード電極で電解質を挟んだ単セルを複数個積層した燃料電池を構成し、燃料電池の水素供給口に接続した水素供給管が供給する水素（燃料ガス）をアノード電極に接触させ、燃料電池の空気供給口に接続した空気供給管が供給する空気（酸化ガス）をカソード電極に接触させることにより生ずる、電気化学反応により発電する。
【０００３】
特許文献１の燃料電池システムでは、燃料電池に吸排されるガスを圧送するに際し、ガスが脈動をもって圧送される配管に制振部材を設けることで、配管の振動に起因する騒音の発生を抑制するものを開示している。
【特許文献１】特開2002-373687号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の燃料電池システムでは、高圧水素供給管を燃料電池の水素供給口に接続し、水素供給管の途中に水素調圧弁を介装し、水素供給管の水素調圧弁より上流側と下流側のそれぞれに上流側と下流側の遮断弁を設けている。
【０００５】
このような燃料電池システムの始動は、図７に示す如く、上流側遮断弁を開き、続いて下流側遮断弁を開くことにてなされる。ところが、上流側遮断弁を開いた後、水素供給管の下流側遮断弁より上流側が未だ十分に加圧されていない状態で下流側遮断弁を開くと、水素調圧弁（オリフィス、流量コントローラ、流量計など）の絞り部分を通過する高圧ガスに起因して供給管内に脈動が生じ、更には下流側遮断弁より下流側の燃料電池内ガス圧力Ｐ１と、水素調圧弁の１次ガス圧力Ｐ２の脈動を生じ、これらの脈動が水素供給管において大きな振動、騒音を生じさせる。
【０００６】
尚、上述の水素供給管に特許文献１の制振部材を設けたとしても、特定の周波数領域の振動しか吸収できない。
【０００７】
本発明の課題は、燃料電池システムにおいて、高圧ガス供給管における振動騒音の発生を、広範な配管長、部品共振周波数において抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１の発明は、高圧ガス供給管を燃料電池のガス供給口に接続し、高圧ガス供給管の途中にガス調圧弁を介装し、高圧ガス供給管のガス調圧弁より上流側と下流側のそれぞれに上流側と下流側の遮断弁を設けた燃料電池システムにおいて、上流側遮断弁より上流側のガス圧力と下流側遮断弁より下流側のガス圧力との圧力差が基準値よりも大きいとき、下流側遮断弁の開弁タイミングを、上流側遮断弁の開弁タイミングに対して所定時間だけ遅延させる制御手段を有してなるようにしたものである。なお、「ガス調圧弁」は、レギュレータのみに限られない。オリフィス、流量コントローラ、流量計などの供給管内のガスの流れを制御する「絞り部」を形成したものであれば「ガス調圧弁」に相当する。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１の発明において更に、上記制御手段が、上流側遮断弁より上流側のガス圧力と下流側遮断弁より下流側のガス圧力との圧力差が基準値よりも大きく、下流側遮断弁より下流側のガス圧力が燃料電池の残留ガス圧力について定めた燃料電池内しきい値より小さく、かつ上流側遮断弁と下流側遮断弁の間のガス圧力が高圧ガス供給管の残留ガス圧力について定めた管内しきい値より小さいとき、下流側遮断弁の開弁タイミングを、上流側遮断弁の開弁タイミングに対して所定時間だけ遅延させるようにしたものである。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において更に、上記制御手段が、下流側遮断弁より下流側のガス圧力が大きくなるほど、上記所定時間を短く、上流側遮断弁と下流側遮断弁の間のガス圧力が大きくなるほど、上記所定時間を短く設定するようにしたものである。
【発明の効果】
【００１１】
（請求項１）
(a)上流側遮断弁を開いた後、所定時間だけ遅延させて下流側遮断弁を開くことにより、高圧ガス供給管の下流側遮断弁より上流側が十分に加圧された状態で下流側遮断弁を開くことになる。これにより、ガス調圧弁（オリフィス、流量コントローラ、流量計などであっても良い）の絞り部分を通過する高圧ガスに起因する供給管内の脈動の発生（ガス供給の振動・騒音の発生）を防ぐことができる。高圧ガス供給管におけるガス圧の脈動そのものを生じさせないようにするものであるから、高圧ガス供給管における振動騒音の発生を、広範な配管長、部品共振周波数において抑制することができる。
【００１２】
（請求項２）
(b)下流側遮断弁より下流側のガス圧力Ｐ１が燃料電池の残留ガス圧力について定めた電池内しきい値Ｐａより小さく、かつ上流側遮断弁と下流側遮断弁の間のガス圧力Ｐ２が高圧ガス供給管の残留ガス圧力について定めた管内しきい値Ｐｂより小さいときには、燃料電池と高圧ガス供給管のそれぞれに一定のガス圧力が残留していないことを意味する。このようなとき、上述(a)により、上流側遮断弁を開いた後、一定のインターバル時間だけ遅延させて下流側遮断弁を開くことにより、高圧ガスが高圧ガス供給管の上流側から下流側に一気に音速に近い速さで突き抜けてガス調圧弁、配管のオリフィス、曲がり等で振動が生ずることを回避する。
【００１３】
（請求項３）
(c)下流側遮断弁より下流側のガス圧力Ｐ１が大きくなるほど、インターバル時間を短く、上流側遮断弁と下流側遮断弁の間のガス圧力Ｐ２が大きくなるほど、インターバル時間を短くすることにより、効率的に、高圧ガス供給管の下流側遮断弁より上流側が十分に加圧された状態で下流側遮断弁を開くことができるものになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は燃料電池システムを示す配管系統図、図２は図１の要部拡大図、図３は燃料電池システムの制御用マップを示す模式図、図４は燃料電池システムの制御手順の一例を示す流れ図、図５は燃料電池システムの制御状態を示す圧力線図、図６は燃料電池システムの制御手順の他の例を示す流れ図、図７は従来の燃料電池システムの制御状態を示す圧力線図である。
【実施例】
【００１５】
燃料電池システム１０は、アノード電極とカソード電極で電解質を挟んだ単セルを複数個積層した燃料電池１１を構成し、燃料電池１１の水素供給口に接続した水素供給管７５が供給する水素（燃料ガス）をアノード電極に接触させ、燃料電池１１の空気供給口に接続した空気供給管７１が供給する空気（酸化ガス）をカソード電極に接触させることにより生ずる、電気化学反応により発電する。
【００１６】
即ち、燃料電池システム１０は、図１、図２に示す如く、酸化ガスとしての空気（外気）が空気供給管７１を介して燃料電池１１の空気供給口に供給される。空気供給管７１には空気から微粒子を除去するエアフィルタ２１、空気を加圧するコンプレッサ２２、供給空気圧を検出する圧力センサ５１及び空気に所要の水分を加える加湿器２５が設けられている。尚、エアフィルタ２１は空気流量を検出するエアフローメータ（流量計）２１Ａが設けられる。
【００１７】
燃料電池１１から排出される空気オフガスは排気路７２を経て外部に放出される。排気路７２には、排気圧を検出する圧力センサ５２、圧力調整弁２４及び加湿器２３の熱交換器が設けられている。圧力調整弁（減圧弁）２４は燃料電池１１への供給空気の圧力（空気圧）を設定する調圧器として機能する。圧力センサ５１及び５２の図示しない検出信号は制御部５０（制御手段）に送られる。制御部５０はコンプレッサ２２及び圧力調整弁２４を調整することによって供給空気圧や供給流量を設定する。
【００１８】
燃料ガスとしての水素は水素供給源３０から水素供給管７５を介して燃料電池１１の水素供給口に供給される。水素供給管７５には、水素供給源の圧力を検出する圧力センサ５４、上流側遮断弁（ＳＶ２）３１、燃料電池１１への水素の供給圧力を調整する水素調圧弁３２、水素供給管７５の異常圧力時に開放するリリーフ弁７５Ａ、下流側遮断弁（ＳＶ１）３３及び水素ガスの入口圧力を検出する圧力センサ５５が設けられている。水素供給管７５における上流側遮断弁３１と下流側遮断弁３３の中間部、本実施例では上流側遮断弁３１と水素調圧弁３２の中間部には、水素ガスの配管内圧力を検出する圧力センサ５６が設けられている。圧力センサ５４、５５、５６の図示しない検出信号は制御部５０に供給される。
【００１９】
燃料電池１１で消費されなかった水素は水素オフガスとして水素循環路７６に排出され、水素供給管７５の遮断弁の下流側に戻される。水素循環路７６には、水素オフガスの温度を検出する温度センサ６３、水素オフガスを排出する遮断弁３４、水素オフガスから水分を回収する気液分離器３５、回収した水を図示しないタンクに回収する排水弁３６、水素オフガスを加圧する水素ポンプ３７及び逆流阻止弁３８が設けられている。遮断弁３３及び３４は燃料電池のアノード側を閉鎖する閉鎖手段に対応する。温度センサ６３の図示しない検出信号は制御部５０に供給される。水素ポンプ３７は制御部５０によって動作が制御される。水素オフガスは水素供給管７５で水素ガスと合流し、燃料電池１１に供給されて再利用される。逆流阻止弁４０は水素供給管７５の水素ガスが水素循環路７６側に逆流することを防止する。
【００２０】
水素循環路７６はパージ弁３９を介してパージ流路７７によって排気路７２に接続される。パージ弁３９は電磁式の遮断弁であり、制御部５０からの指令によって作動することにより水素オフガスを外部に放出（パージ）する。このパージ動作を間欠的に行なうことによって水素オフガスの循環が繰り返されて燃料極側の水素ガスの不純物濃度が増し、セル電圧が低下することを防止することができる。
【００２１】
更に、燃料電池１１の冷却水出入口には冷却水を循環させる冷却路７４が設けられる。冷却路７４には、燃料電池１１から排水される冷却水の温度を検出する温度センサ６１、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）４１、冷却水を加圧して循環させるポンプ４２及び燃料電池１１に供給される冷却水の温度を検出する温度センサ６２が設けられている。
【００２２】
制御部５０は、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システムの各部のセンサなどから制御情報を受け取り、各種の弁類やモータ類の運転を制御する。制御部５０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できる。
【００２３】
しかるに、燃料電池システム１０にあっては、高圧ガス供給管としての水素供給管７５における水素ガス圧力の脈動に起因する振動騒音の発生を抑制するため、以下の構成を具備する。
【００２４】
燃料電池システム１０は、前述した如く、水素供給管７５の途中に水素調圧弁３２を介装し、水素供給管７５の水素調圧弁３２より上流側と下流側のそれぞれに上流側遮断弁３１と下流側遮断弁３３を設け、下流側遮断弁３３より下流側（燃料電池１１を含む）のガス圧力Ｐ１を圧力センサ５５により検出し、上流側遮断弁３１より上流側のガス圧力Ｐ３を圧力センサ５４により検出し、上流側遮断弁３１と下流側遮断弁３３の間、本実施例では上流側遮断弁３１と水素調圧弁３２の中間部（水素調圧弁３２の１次側）のガス圧力Ｐ２を圧力センサ５６により検出する。
【００２５】
制御部５０は、上流側遮断弁３１より上流側のガス圧力Ｐ３と、下流側遮断弁３３より下流側のガス圧力Ｐ１との圧力差（Ｐ３−Ｐ１）が、予め定めた基準値Ｐlimitよりも大きいことを第１の条件として、インターバル制御を行なう。
【００２６】
制御部５０は、下流側遮断弁３３より下流側のガス圧力Ｐ１が燃料電池１１の残留ガス圧力について予め定めた電池内しきい値Ｐａより小さく、かつ上流側遮断弁３１と下流側遮断弁３３の間（本実施例では水素調圧弁３２の１次側圧力）のガス圧力Ｐ２が水素供給管７５の残留ガス圧力について予め定めた管内しきい値Ｐｂより小さいことを第２の条件として、インターバル制御を行なう。
【００２７】
制御部５０は、第１と第２の条件により（但し、第１の条件だけでも可）、下流側遮断弁３３の開弁タイミングを、上流側遮断弁３１の開弁タイミングに対して一定のインターバル時間（所定時間）Ｔだけ遅延させる、インターバル制御を行なう。
【００２８】
制御部５０は、図３（Ａ）に示す如く、前述の（Ｐ３−Ｐ１）パラメータ毎に、Ｐ１とＰ２によりインターバル時間Ｔを決定する３次元マップを備える。（Ｐ３−Ｐ１）が小さくなるほどインターバル時間Ｔ（mSec）も短くなるように設定されている。図３（Ｂ）は、（Ｐ３−Ｐ１）のあるパラメータにおいて、Ｐ１とＰ２により決定されるインターバル時間Ｔ（mSec）のデータを示すものである。下流側遮断弁３３より下流側のガス圧力Ｐ１が大きくなるほど、インターバル時間Ｔを短く、上流側遮断弁３１と下流側遮断弁３３の間（本実施例では水素調圧弁３２の１次側圧力）のガス圧力Ｐ２が大きくなるほど、インターバル時間Ｔを短く決定する。
【００２９】
従って、燃料電池システム１０において、制御部５０によるインターバル制御手順は以下の如くなされる（図４）。
【００３０】
(1)圧力センサ５５により下流側遮断弁３３（ＳＶ１）より下流側のガス圧力Ｐ１を検出し、圧力センサ５４により上流側遮断弁３１（ＳＶ２）より上流側のガス圧力Ｐ３を検出し、圧力センサ５６により上流側遮断弁３１と下流側遮断弁３３の間（本実施例では水素調圧弁３２の１次側圧力）のガス圧力Ｐ２を検出する（Ｓ１２）。
【００３１】
(2)インターバル制御の第１の条件を判定する。（Ｐ３−Ｐ１）が基準値Ｐlimitより小さければ、第１の条件が成立しないから、上流側遮断弁３１と下流側遮断弁３３を開弁し、燃料電池１１を運転開始する（Ｓ２２）。ここで、基準値Ｐlimitは使用するガス供給管、ガス調圧弁、ガス圧力の条件において脈動・振動を生じなくなる大きさの圧力値として、予め実験やシミュレーションなどによって求められた値である（Ｓ１４）。
【００３２】
(3)（Ｐ３−Ｐ１）が基準値Ｐlimitより大きければ、インターバル制御の第１の条件が成立するから、続いて第２の条件を判定する。Ｐ１≧Ｐａ及び／又はＰ２≧Ｐｂであれば、第２の条件が成立しないから、上流側遮断弁３１と下流側遮断弁３３を開弁し、燃料電池１１を運転開始する。ここで、閾値Ｐａ、Ｐｂは使用するガス供給管、ガス調圧弁、ガス圧力の条件において脈動・振動を生じなくなる大きさの圧力値として、予め実験やシミュレーションなどによって設定された値である（Ｓ１６）。
【００３３】
(4)Ｐ１＜ＰａかつＰ２＜Ｐｂでは、インターバル制御の第２の条件も成立するから、前述の３次元マップに（Ｐ３−Ｐ１）、Ｐ１、Ｐ２を適用し、インターバル時間（所定時間）Ｔを決定する（Ｓ１８）。
【００３４】
(5)上流側遮断弁３１を開弁し、そのインターバル時間Ｔ後に下流側遮断弁３３を開弁させる時差動作を行ない、燃料電池１１を運転開始する（Ｓ２０）。
【００３５】
従って、本実施例によれば以下の作用効果を奏する（図５）。
【００３６】
(a)上流側遮断弁３１を開いた後、一定のインターバル時間Ｔだけ遅延させて下流側遮断弁３３を開くことにより、図５に示す如く、水素供給管７５の下流側遮断弁３３より上流側が十分に加圧された状態で下流側遮断弁３３を開くことになる。これにより、水素調圧弁３２（オリフィス、流量コントローラ）の頻繁な開閉のくり返し等を招くことがなく、結果として下流側遮断弁３３より下流側の電池内ガス圧力Ｐ１と、水素調圧弁３２の１次側ガス圧力Ｐ２の脈動を生ずることがなく、水素供給管７５の大きな振動、騒音を生じない。水素供給管７５におけるガス圧の脈動そのものを生じさせないようにするものであるから、水素供給管７５における振動騒音の発生を、広範な配管長、部品共振周波数において抑制することができる。
【００３７】
(b)下流側遮断弁３３より下流側のガス圧力Ｐ１が燃料電池１１の残留ガス圧力について定めた電池内しきい値Ｐａより小さく、かつ上流側遮断弁３１と下流側遮断弁３３の間のガス圧力Ｐ２が水素供給管７５の残留ガス圧力について定めた管内しきい値Ｐｂより小さいときには、燃料電池１１と水素供給管７５のそれぞれに一定のガス圧力が残留していないことを意味する。このようなとき、上述(a)により、上流側遮断弁３１を開いた後、一定のインターバル時間Ｔだけ遅延させて下流側遮断弁３３を開くことにより、高圧ガスが水素供給管７５の上流側から下流側に一気に音速に近い速さで突き抜けて水素調圧弁３２、配管のオリフィス、曲がり等で振動が生ずることを回避する。
【００３８】
(c)下流側遮断弁３３より下流側のガス圧力Ｐ１が大きくなるほど、インターバル時間Ｔを短く、上流側遮断弁３１と下流側遮断弁３３の間のガス圧力Ｐ２が大きくなるほど、インターバル時間Ｔを短くすることにより、効率的に、水素供給管７５の下流側遮断弁３３より上流側が十分に加圧された状態で下流側遮断弁３３を開くことができるものになる。
【００３９】
燃料電池システム１０における制御部５０のインターバル制御動作は、図６に示す如く、以下の手順により行なうものでも良い。
【００４０】
(1)圧力センサ５５により下流側遮断弁３３（ＳＶ１）より下流側のガス圧力Ｐ１を検出し、圧力センサ５４により上流側遮断弁３１（ＳＶ２）より上流側のガス圧力Ｐ３を検出し、圧力センサ５６により上流側遮断弁３１と下流側遮断弁３３の間（本実施例では水素調圧弁３２の１次側圧力）のガス圧力Ｐ２を検出する（Ｓ４２）。
【００４１】
(2)インターバル制御の第１の条件を判定する（Ｓ４４）。（Ｐ３−Ｐ１）が基準値Ｐlimitより小さければ、第１の条件が成立しないから、上流側遮断弁３１と下流側遮断弁３３を開弁し（Ｓ５２）、燃料電池１１を運転開始する（Ｓ５４）。
【００４２】
(3)（Ｐ３−Ｐ１）が基準値Ｐlimitより大きければ、インターバル制御の第１の条件が成立するから、上流側遮断弁３１だけを開弁する（Ｓ４６）。
【００４３】
(4)上流側遮断弁３１の開弁後、上流側遮断弁３１と下流側遮断弁３３の間（本実施例では水素調圧弁３２の１次側圧力）のガス圧力Ｐ２が水素供給管７５の残留ガス圧力について予め定めた管内しきい値Ｐｂより高圧（Ｐ２＞Ｐｂ）になるまでの一定のインターバル時間（所定時間）だけ、下流側遮断弁３３の開弁を遅延待機させる（Ｓ４８）。
【００４４】
(5)Ｐ２＞Ｐｂになったとき、下流側遮断弁３３を開弁し（Ｓ５０）、燃料電池１１を運転開始する（Ｓ５４）。
【００４５】
図６のインターバル制御動作による場合にも、上流側遮断弁３１を開いた後、一定のインターバル時間（所定時間）Ｔだけ遅延させて下流側遮断弁３３を開くことにより、水素供給管７５の下流側遮断弁３３より上流側が十分に加圧された状態で下流側遮断弁３３を開くことになる。これにより、水素調圧弁３２（オリフィス、流量コントローラ）の頻繁な開閉のくり返し等を招くことがなく、結果として下流側遮断弁３３より下流側の電池内ガス圧力Ｐ１と、水素調圧弁３２の１次側ガス圧力Ｐ２の脈動を生ずることがなく、水素供給管７５の大きな振動、騒音を生じない。水素供給管７５におけるガス圧の脈動そのものを生じさせないようにするものであるから、水素供給管７５における振動騒音の発生を、広範な配管長、部品共振周波数において抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】図１は燃料電池システムを示す配管系統図である。
【図２】図２は図１の要部拡大図である。
【図３】図３は燃料電池システムの制御用マップを示す模式図である。
【図４】図４は燃料電池システムの制御手順の一例を示す流れ図である。
【図５】図５は燃料電池システムの制御状態を示す圧力線図である。
【図６】図６は燃料電池システムの制御手順の他の例を示す流れ図である。
【図７】図７は従来の燃料電池システムの制御状態を示す圧力線図である。
【符号の説明】
【００４７】
１０  燃料電池システム
１１  燃料電池
７５  水素供給管（高圧ガス供給管）
３１  上流側遮断弁
３２  水素調圧弁（ガス調圧弁）
３３  下流側遮断弁
５０  制御部（制御手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
2005327635.tif 000005
【図４】
2005327635.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
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