JP4998695B2

JP4998695B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4998695B2
Application number: JP2006325119A
Authority: JP
Inventors: 剛司片野; 典生山岸; 信貴手嶋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-12-01
Filing date: 2006-12-01
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2026-12-01
Also published as: JP2008140642A

Description

本発明は、タンクから供給される反応ガスを所定流量に調整して燃料電池へ供給する燃料電池システムに関する。

近年、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源とした燃料電池自動車等が注目されている。そして、この燃料電池自動車等に設けられた燃料電池システムとしては、燃料ガスのタンク内の圧力を圧力センサによって検出し、その検出結果に基づいてタンク内の燃料ガスの残量を求めるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−２４０８５４号公報

ところで、燃料ガスのタンクは、その圧力が高圧であるため、圧力センサとして、高い圧力を検知可能な高圧センサを用いるが、この高圧センサは、センサレンジが大きいため精度があまり良くなく、したがって、燃料ガスの残量に検出誤差が生じることがある。また、この高圧センサに異常が生じた場合には、他に残量検出手段がないため、タンク内の燃料ガスの残量を検出することが困難となる。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、高精度かつ高い信頼性にて良好に燃料ガスの残量を監視することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、反応ガスが常圧よりも高圧の所定圧で貯留されたタンクから供給される反応ガスを流量調整弁によって所定流量に調整して燃料電池へ供給する燃料電池システムであって、前記流量調整弁よりも下流側に配設された第１の圧力センサで検出される圧力脈動の状態に基づいて、前記タンク内の反応ガスの残量を監視する監視部を設けたものである。

この構成の燃料電池システムによれば、タンク内の圧力を検出する圧力センサ（以下、高圧センサ）よりも相対的に低圧の測定レンジを有する第１の圧力センサを用いてタンク内の反応ガスの残量を監視するので、高圧センサによる残量監視と比較して高精度かつ高い信頼性にて良好に残量を監視することができる。また、高圧センサを不要とすることも可能であり、かかる場合には、システムの簡略化及びコストダウンを図ることができる。

また、前記流量調整弁として、弁体を電磁駆動力により所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させる電磁駆動式の開閉弁を備えても良いし、前記流量調整弁として、目標調圧値が可変とされた可変調圧レギュレータを備えても良い。

前記監視部は、前記第１の圧力センサで検出される圧力脈動の状態に基づいて、前記タンク内の反応ガスが所定量未満であると判定しても良い。例えば、前記第１の圧力センサで検出される圧力脈動が減少した際や、前記第１の圧力センサで検出される圧力脈動の変化量が所定の判定値以上となった際に、前記タンク内の反応ガスが所定量未満であると判定することが可能である。

また、前記監視部は、前記第１の圧力センサで検出される圧力脈動に基づく反応ガスの残量の判定基準を前記タンクの数量に応じて設定しても良い。

前記タンク内の圧力を検出する第２の圧力センサを備える場合には、前記監視部は、前記第１の圧力センサで検出される圧力脈動と、前記第２の圧力センサの検出結果と、に基づいて前記タンク内の反応ガスの残量を監視しても良い。

かかる構成によれば、第１の圧力センサによる反応ガスの残量の監視及び高圧センサの検出結果に基づく残量の監視を二重に行うので、反応ガスの残量の監視の信頼性を高めることができる。

前記監視部は、前記第２の圧力センサの異常時には、前記第１の圧力センサで検出される圧力脈動の状態に基づいて前記タンク内の反応ガスの残量を監視しても良い。

かかる構成によれば、高圧センサの異常時においても、反応ガスの残量を監視できると共に、その信頼性も高めることができる。

前記タンクを複数備える場合には、使用タンク内の反応ガスの残量が所定値未満となった際には、使用タンクを他のタンクに切り替えても良い。

本発明の燃料電池システムは、反応ガスが常圧よりも高圧の所定圧で貯留されたタンクから供給される反応ガスを調圧弁で調圧した後、前記調圧弁よりも下流側に配設された前記流量調整弁によって所定流量に調整して燃料電池へ供給する燃料電池システムであって、前記調圧弁の開度状態に基づいて、前記タンク内の反応ガスの残量を監視する監視部を設けたものでもよい。

この場合、前記監視部は、前記調圧弁が全開状態となった際に、前記タンク内の反応ガスが所定値未満であると判定してもよい。

タンク内の反応ガスの残量が減少し、その内圧が調圧弁の設定圧以下になると、調圧弁の開度状態は全開となるため、調圧弁の上流側では、その容積がタンクの気相部分の空間を含んだものとなる。その結果、調圧弁内における弁体の開閉移動によって生じていた圧力脈動の幅が急減するので、監視部は、この圧力脈動の変化に基づいてタンク内の反応ガスの残量を監視できる。

本発明の燃料電池システムによれば、高精度にかつ良好に反応ガスの残量を監視することができる。

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。

図１は、燃料電池システム１のシステム構成図である。この燃料電池システム１は、燃料電池自動車の車載発電システムや船舶、航空機、電車あるいは歩行ロボット等のあらゆる移動体用の発電システム、さらには、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等に適用可能であるが、具体的には自動車用となっている。

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ガス流路としての酸化ガス配管系２、燃料電池１０に燃料ガスとしての水素ガスを供給するガス流路としての水素ガス配管系３、システム全体を統合制御する制御装置（監視部）４等を備えている。

燃料電池１０は、反応ガスの供給を受けて電気化学反応により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。ここで、単電池は固体高分子型のもので、電解質膜及びその両面に配置した一対の電極からなるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と、ＭＥＡを挟持する一対のセパレータとで構成される。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。

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２０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。

水素ガス配管系３は、常圧よりも高圧（例えば７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク（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。

各水素タンク３０には、内圧を検出する高圧センサ（第２の圧力センセ）４４が設けられているが、図１では、１本の水素タンク３０にのみ図示をしており、その他３本の水素タンク３０への図示を省力している。

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（調圧弁）３４と、インジェクタ（流量調整弁）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（第１の圧力センサ）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。

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（調圧）する機械式の減圧弁（調圧弁）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。

インジェクタ３５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。インジェクタ３５は、水素ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、この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。

本実施形態においては、インジェクタ３５の弁体は電磁駆動装置である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（開口状態）を２段階以上の多段階または無段階に切り替えることができるようになっている。

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体の開閉状態（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の弁体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の下流に供給されるガス圧力がインジェクタ３５の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。

なお、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を採用した場合には、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。

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によって希釈されて排気流路２３内の酸化オフガスと合流するようになっている。

制御装置４は、車両に設けられた加速操作装置（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。

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。

制御装置４は、所定の手順を経て算出したインジェクタ３５の総噴射時間を実現させるための制御信号を出力することにより、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。

燃料電池システム１の通常運転時においては、水素タンク３０から水素ガスが水素供給流路３１を介して燃料電池１０の燃料極に供給されるとともに、加湿調整された空気が空気供給流路２１を介して燃料電池１０の酸化極に供給されることにより、発電が行われる。この際、燃料電池１０から引き出すべき電力（要求電力）が制御装置４で演算され、その発電量に応じた量の水素ガス及び空気が燃料電池１０内に供給されるようになっている。

また、本実施形態の燃料電池システム１では、制御装置４が、一次側圧力センサ４１からの検出結果に基づいて、水素タンク３０内の水素ガスの残量の監視を行う。

ここで、インジェクタ３５とレギュレータ３４との間の配管内の一次側の圧力は、図２に示すように、インジェクタ３５が開弁（弁体が弁座から離隔）すると、二次側へ水素ガスが送り出されて大きく低下し、インジェクタ３５が閉弁（弁体が弁座に当接）すると、水素タンク３０から流入する水素ガスによって再び上昇する。したがって、インジェクタ３５とレギュレータ３４との間の配管内では、インジェクタ３５内で弁体が高速で開閉移動することにより、圧力が繰り返し大きく変動して大きく脈動する（図２中ｔ１参照）。

しかし、水素タンク３０内の水素ガスの残量が減少し、その内圧がレギュレータ３４の設定圧以下となると、当該水素タンク３０と連通する水素供給路３１に配設されたレギュレータ３４の開度状態は全開となるため、インジェクタ３５の上流側の一次側では、その容積が、インジェクタ３５とレギュレータ３４との間の配管のみならず、水素タンク３０の気相部分の空間を含んだものとなる。このため、インジェクタ３５内の弁体の開閉移動によって生じていた圧力変動が小さくなり、これに伴い、圧力脈動の幅が急激に減少する（図２中ｔ２参照）。

制御装置４は、圧力脈動の変化量Ｐａを一次側圧力センサ４１からの検出結果に基づいて求め、この変化量Ｐａから水素タンク３０内の水素ガスの残量を監視する。また、水素ガスの残量の減少による脈動の変化量Ｐａは、使用する水素タンク３０の数量によって異なる。具体的には、図３に示すように、水素タンク３０の使用数量が増加するにしたがって、レギュレータ３４の全開時におけるインジェクタ３５の上流側の容積の増加量が多くなり、これにより、圧力脈動の変化量Ｐａも増加する。

次に、この制御装置４による水素ガスの残量の監視制御について詳述する。図４は制御装置による残量監視制御の流れを示すフローチャートである。制御装置４は、まず、水素タンク３０の使用数量に基づいて、予め定められたマップから圧力脈動の変化量Ｐａの判定値Ｐｂを設定する（ステップＳ０１）。

次に、制御装置４は、一次側圧力センサ４１からの検出圧力に基づき、レギュレータ３４が全開となり、インジェクタ３５の弁体の開閉移動による脈動の変化量Ｐａが判定値Ｐｂ以上となったと判断すると（ステップＳ０２）、水素タンク３０の残量が所定値未満の少量であると判定する。レギュレータ３４の全開の判断は、このレギュレータ３４の弁開度を検出する近接センサ等からの検出結果に基づいて行う。そして、制御装置４から、例えば、警告灯などに信号を送信し、水素ガスの減少を警報によって知らせる。

このように、上記実施形態に係る燃料電池システム１によれば、水素タンク３０の圧力を検出する高圧センサ４４による残量監視と比較して、インジェクタ３５の作動による圧力脈動の状態に基づいて、高精度かつ高い信頼性にて良好に水素ガスの残量を監視することができる。また、高圧センサ４４を不要とすることができ、システムの簡略化及びコストダウンを図ることができる。

なお、インジェクタ３５の弁体の開閉移動による圧力脈動及び水素ガスの減少による圧力脈動の変化は、インジェクタ３５の下流側である二次側でも生じる。したがって、二次側圧力センサ４３からの検出圧力に基づいて、水素ガスの残量を監視しても良い。

また、水素タンク３０内の水素ガスの残量を求めるために水素タンク３０の圧力を検出する高圧センサを設け、この高圧センサからの検出結果による水素ガスの残量監視とともに、圧力脈動の変化による残量監視を行っても良く、また、この高圧タンクに異常が発生した際に、圧力脈動の変化による残量監視を行っても良く、これにより、水素ガスの残量の監視の信頼性を高めることができる。

また、上記実施形態では、複数の水素タンク３０を同時に使用した場合を例にとって説明したが、複数の水素タンク３０を順に使用しても良く、この場合、圧力脈動の変化による残量監視にて、使用している水素タンク３０の残量が所定残量に減少した際に、他の水素タンク３０に切り替える。

なお、上記実施形態では、水素ガスの供給量を制御するインジェクタ３５からなる流量調整弁を備えた場合を例にとって説明したが、インジェクタ３５に代えて可変調圧レギュレータによって水素ガスの供給量を調整しても良く、この場合、制御装置４は、可変調圧レギュレータの弁の開閉による脈動の変化に基づいて水素タンク３０における水素ガスの残量監視を行う。

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。一次側の圧力脈動を説明するグラフ図である。水素タンクの使用数量による圧力脈動の変化量を示すグラフ図である。制御装置による残量監視制御の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池システム、４…制御装置（監視部）、１０…燃料電池、３０…水素タンク（タンク）、３４…レギュレータ（調圧弁）、３５…インジェクタ（流量調整弁）、４１…一次側圧力センサ（第１の圧力センサ）、４４…高圧センサ（第２の圧力センサ）。

Claims

反応ガスが常圧よりも高圧の所定圧で貯留されたタンクから供給される反応ガスを流量調整弁によって所定流量に調整して燃料電池へ供給する燃料電池システムであって、
前記流量調整弁よりも下流側に配設された第１の圧力センサで検出される圧力脈動の状態に基づいて、前記タンク内の反応ガスの残量を監視する監視部を備えた燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記流量調整弁として、弁体を電磁駆動力により所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させる電磁駆動式の開閉弁を備えた燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記流量調整弁として、目標調圧値が可変とされた可変調圧レギュレータを備えた燃料電池システム。
請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記監視部は、前記第１の圧力センサで検出される圧力脈動の状態に基づいて、前記タンク内の反応ガスが所定量未満であると判定する燃料電池システム。
請求項４に記載の燃料電池システムであって、
前記監視部は、前記第１の圧力センサで検出される圧力脈動が減少した際に、前記タンク内の反応ガスが所定量未満であると判定する燃料電池システム。
請求項４に記載の燃料電池システムであって、
前記監視部は、前記第１の圧力センサで検出される圧力脈動の変化量が所定の判定値以上となった際に、前記タンク内の反応ガスが所定量未満であると判定する燃料電池システム。
請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記監視部は、前記第１の圧力センサで検出される圧力脈動に基づく反応ガスの残量の判定基準を前記タンクの数量に応じて設定する燃料電池システム。
請求項１から７のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記タンク内の圧力を検出する第２の圧力センサを備え、
前記監視部は、前記第１の圧力センサで検出される圧力脈動と、前記第２の圧力センサの検出結果と、に基づいて前記タンク内の反応ガスの残量を監視する燃料電池システム。
請求項８に記載の燃料電池システムであって、
前記監視部は、前記第２の圧力センサの異常時には、前記第１の圧力センサで検出される圧力脈動の状態に基づいて前記タンク内の反応ガスの残量を監視する燃料電池システム。
請求項１から９のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記タンクを複数備え、
使用タンク内の反応ガスの残量が所定値未満となった際には、使用タンクが他のタンクに切り替わる燃料電池システム。
反応ガスが常圧よりも高圧の所定圧で貯留されたタンクから供給される反応ガスを調圧弁で調圧した後、前記調圧弁よりも下流側に配設された前記流量調整弁によって所定流量に調整して燃料電池へ供給する燃料電池システムであって、
前記調圧弁の開度状態に基づいて、前記タンク内の反応ガスの残量を監視する監視部を備えた燃料電池システム。
請求項１１に記載の燃料電池システムであって、
前記監視部は、前記調圧弁が全開状態となった際に、前記タンク内の反応ガスが所定値未満であると判定する燃料電池システム。