JP2009129872A - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転停止方法 - Google Patents

Abstract

【課題】遮断弁のシール部の寿命を延ばす。
【解決手段】水素ガスおよび酸化ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池２と、水素ガスを水素タンク４０から燃料電池２に供給するための水素供給流路４１と、水素タンク４０からの水素ガスの供給を遮断または許容するとともに、シール部に弾性部材が用いられた遮断弁４３と、遮断弁４３の下流側に配置され、燃料電池２に供給される水素ガスの状態を調整するインジェクタ４５とを有する燃料電池システム１において、制御部５は、イグニッションＯＦＦ等の運転停止命令を受信すると、インジェクタ４５を閉弁させて水素供給流路４１における水素ガスの流れを止めてから、遮断弁４３を閉弁させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転停止方法に関する。

燃料電池システムは、反応ガスである燃料ガスと酸化ガス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て用いる。このような燃料電池システムでは、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に供給するための燃料供給流路が設けられ、この燃料供給流路には、燃料供給源から供給される燃料ガスを遮断または許容する遮断弁が設けられている（例えば、下記特許文献１および２参照）。
特開２００７−１６５２６３号公報 特開２００７−２０７７４５号公報

ところで、上述した遮断弁の中には、図４に示すように、燃料ガスの流れを遮断するシール部９１にゴム性のシール部材を用いたものがある。このような遮断弁９０において、図４（ａ）に示すように水素ガスが供給されているときに、燃料電池システムの運転が停止して遮断弁９０が閉弁させられると、図４（ｂ）に示すように、内部流路９３のガス流を遮断しようとするシール部９１の上流側と下流側との間に生じる差圧や、水素ガスの流れ等によって、弁体９２の上面から突出したシール部９１の先端部分が、内部流路９３の下流側開口部９３ａ方向にはみ出してしまう。これにより、内部流路９３の内壁と弁体９２の上面との間に、シール部９１の先端部分が挟まれてしまうおそれがある。このような場合には、ゴム性のシール部９１への負担が高まり、シール部９１の寿命が短くなる。

本発明は、上述した従来技術による問題点を解消するためになされたものであり、弁のシール部の寿命を延ばすことができる燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転停止方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスおよび酸化ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池を有する燃料電池システムであって、燃料ガスを燃料供給源から燃料電池に供給するための燃料供給流路と、燃料供給源からの燃料ガスの供給を遮断または許容するとともに、シール部に弾性部材が用いられた弁と、当該弁の下流側に配置され、燃料電池に供給される燃料ガスの状態を調整するインジェクタと、燃料電池システムの運転停止命令を受信した場合に、インジェクタを閉めて燃料ガスの供給を遮断させてから弁を閉める制御手段と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池システムの運転停止方法は、燃料ガスおよび酸化ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、燃料ガスを燃料供給源から燃料電池に供給するための燃料供給流路と、燃料供給源からの燃料ガスの供給を遮断または許容するとともに、シール部に弾性部材が用いられた弁と、当該弁の下流側に配置され、燃料電池に供給される燃料ガスの状態を調整するインジェクタと、を有する燃料電池システムにおける運転停止方法であって、燃料電池システムの運転停止命令を受信した場合に、インジェクタを閉めて燃料ガスの供給を遮断させてから弁を閉める制御工程を備えることを特徴とする。

これらの発明によれば、燃料電池システムの運転を停止させるときに、燃料供給流路において弁よりも下流側にあるインジェクタを閉めて燃料ガスの流れを止めてから、インジェクタの上流側にある弁を閉めることができる。したがって、例えば、燃料ガスの流れ等によって弁のシール部が変形してはみ出すことを阻止することができるため、シール部が弁の遮断部分付近に挟まれる事態を防止することができる。

本発明によれば、弁のシール部の寿命を延ばすことができる。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転停止方法の好適な実施形態について説明する。本実施形態では、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして用いた場合について説明する。

本実施形態における燃料電池システムは、燃料電池システムの運転を停止させるときに、燃料供給流路において遮断弁よりも下流側にあるインジェクタを閉めて燃料ガスの流れを止めてから、インジェクタの上流側にある遮断弁を閉めることで、遮断弁の閉弁時におけるシール部の異常変形に起因する寿命低下を防止するものである。以下に、このような特徴を有する燃料電池システムの構成および動作について詳細に説明する。

まず、図１を参照して、本実施形態における燃料電池システムの構成について説明する。図１は、本実施形態における燃料電池システムを模式的に示した構成図である。

同図に示すように、燃料電池システム１は、反応ガスである酸化ガスと燃料ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池２と、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素を燃料電池２に供給する水素ガス配管系４と、システム全体を統括制御する制御部５とを有する。

燃料電池２は、例えば、高分子電解質形燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造となっている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極および燃料極を両側から挟み込むように一対のセパレータを有する構造となっている。この場合、一方のセパレータの水素ガス流路に水素ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、これらの反応ガスが化学反応することで電力が発生する。燃料電池２には、燃料電池２の出力電流を検出する電流センサと、燃料電池２の出力電圧を検出する電圧センサとが設けられている。

酸化ガス配管系３は、フィルタ３０を介して取り込まれた空気を圧縮し、酸化ガスとしての圧縮空気を送出するコンプレッサ３１と、酸化ガスを燃料電池２に供給するための空気供給流路３２と、燃料電池２から排出された酸化オフガスを排出するための空気排出流路３３とを有する。空気供給流路３２および空気排出流路３３には、コンプレッサ３１から圧送された酸化ガスを燃料電池２から排出された酸化オフガスを用いて加湿する加湿器３４が設けられている。この加湿器３４で水分交換等された酸化オフガスは、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。

水素ガス配管系４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４０と、水素タンク４０の水素ガスを燃料電池２に供給するための燃料供給流路としての水素供給流路４１と、燃料電池２から排出された水素オフガスを水素供給流路４１に戻すための循環流路４２とを有する。なお、水素ガス配管系４は、本発明における燃料供給系の一実施形態である。本実施形態における水素タンク４０に代えて、例えば、水蒸気を利用して炭化水素系燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する改質器と、この改質器で改質された燃料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ができる。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することもできる。

水素供給流路４１には、水素タンク４０からの水素ガスの供給を遮断または許容する遮断弁４３と、水素ガスの圧力を予め設定した二次圧に調圧するレギュレータ４４と、電磁駆動式の開閉弁を制御して水素ガスの流量や圧力を調整するインジェクタ４５とが設けられている。

図２を参照して、遮断弁４３の構成について説明する。遮断弁４３は、水素供給流路４１の一部を構成するとともに、水素ガスの流路となる内部流路が形成されたシリンダ７１を有する。内部流路は、水素供給流路４１の水素タンク４０側に形成される第一内部流路７２と、水素供給流路４１の燃料電池２側に形成される第二内部流路７３と、第一内部流路７２と第二内部流路７３との間に形成される第三内部流路７４とを有する。

遮断弁４３は、弁体７５と、弁体７５の第一内部流路７２側に設けられるゴム性のシール部７６と、弁体７５の第二内部流路７３側に設けられるスプリング７７と、第三内部流路７４内で流路方向に沿って弁体７５を移動させるソレノイド７８とを有する。ソレノイド７８は、スプリング７７の付勢力に抗して、弁体７５を第三内部流路７４内の第一内部流路７２側に移動させる。これにより、弁体７５のシール部７６が第三内部流路７４内の第一内部流路７２開口側に形成される内壁に密着し、水素タンク４０からの水素ガスの供給が遮断される。なお、シール部７６は、ゴム性の部材であることには限定されず、弾性部材であればよい。

循環流路４２には、循環流路４２内の水素オフガスを加圧して水素供給流路４１側へ送り出す水素ポンプ４６が設けられている。また、循環流路４２には、気液分離器４７及び排気排水弁４８を介して排出流路４９が接続されている。気液分離器４７は、水素オフガスから水分を回収する。排気排水弁４８は、制御部５からの指令に従って、気液分離器４７で回収された水分と循環流路４２内の不純物を含む水素オフガスとを排出（パージ）する。排気排水弁４８から排出された水素オフガスは、希釈器５０によって希釈されて空気排出流路３３内の酸化オフガスと合流する。

制御部５は、燃料電池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等の電力消費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、電力消費装置には、トラクションモータの他に、例えば、燃料電池２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３１や水素ポンプ４６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、オーディオ等が含まれる。

制御部５は、燃料電池２の運転停止命令を受信した場合に、インジェクタ４５を閉弁させた後に、遮断弁４３を閉弁させる。ここで、運転停止命令は、例えば、イグニッションＯＦＦ時に発信される制御信号が該当する。

運転停止命令を受信したときに、遮断弁４３の下流側に設けられたインジェクタ４５を閉弁することで、遮断弁４３を含む水素供給流路４１における水素ガスの流れを止めることができる。水素ガスの流れが停止しているときに遮断弁４３を閉弁させれば、シール部７６の上流側と下流側の圧力が同等な状態で閉弁させることができる。これにより、遮断弁４３を閉弁するときに、シール部７６の先端部分（遮断弁４３の上面よりも突出している部分）が変形して第一内部流路７２側に向けてはみ出してしまうことを阻止することができるため、シール部７６の先端部分が、第三内部流路７４の内壁と弁体７５の上面との間（遮断部分付近）に挟まれてしまう事態を防止することができる。

ここで、制御部５は、物理的には、例えば、ＣＰＵと、ＣＰＵで処理される制御プログラムや制御データを記憶するＲＯＭと、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭと、入出力インターフェースとを有する。これらの要素は、互いにバスを介して接続されている。入出力インターフェースには、圧力センサ、電流センサおよび電圧センサ等の各種センサが接続されているとともに、コンプレッサ３１、遮断弁４３、インジェクタ４５、水素ポンプ４６および排気排水弁４８等を駆動させるための各種ドライバが接続されている。

ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従って、入出力インターフェースを介して各種センサでの検出結果を受信し、ＲＡＭ内の各種データ等を用いて処理することで、燃料電池システムの運転停止処理等を制御する。また、ＣＰＵは、入出力インターフェースを介して各種ドライバに制御信号を出力することにより、燃料電池システム１全体を制御する。

次に、図３に示すフローチャートを用いて、本実施形態における燃料電池システムの運転停止処理について説明する。

最初に、制御部５が、イグニッションＯＦＦ等の運転停止命令を受信すると（ステップＳ１；ＹＥＳ）、インジェクタ４５を閉弁させる（ステップＳ２）。これにより、燃料電池２への水素の供給が遮断され、水素供給流路４１における水素ガスの流れを止めることができる。

続いて、制御部５は、遮断弁４３を閉弁させる（ステップＳ３）。その後、燃料電池システム１の運転が停止する（ステップＳ４）。

上述してきたように、本実施形態における燃料電池システム１によれば、燃料電池システム１の運転を停止させるときに、水素供給流路４１において遮断弁４３よりも下流側に設けられたインジェクタ４５を閉めて水素ガスの流れを止めてから、インジェクタ４５の上流側に設けられた遮断弁４３を閉めることができる。したがって、例えば、ガス流を遮断しようとするシール部７６の上流側と下流側との間に生じる差圧や、水素ガスの流れ等により、遮断弁４３のシール部７６先端部分が変形し、第一内部流路７２側に向けてはみ出すことを阻止することができる。これにより、シール部７６先端部分が、第三内部流路７４の内壁と弁体７５の上面との間に挟まれる事態を防止することができる。それゆえに、遮断弁４３のシール部７６の寿命を延ばすことができる。

なお、上述した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場合について説明しているが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）にも本発明に係る燃料電池システムを適用することができる。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することもできる。

実施形態における燃料電池システムを模式的に示す構成図である。 遮断弁の一実施例を示す断面図である。 燃料電池システムの運転停止処理を説明するためのフローチャートである。 従来の遮断弁の動作を説明するための遮断弁の断面図である。

符号の説明

１…燃料電池システム、２…燃料電池、３…酸化ガス配管系、４…水素ガス配管系、５…制御部、３０…フィルタ、３１…コンプレッサ、３２…空気供給流路、３３…空気排出流路、３４…加湿器、４０…水素タンク、４１…水素供給流路、４２…循環流路、４３…遮断弁、４４…レギュレータ、４５…インジェクタ、４６…水素ポンプ、４７…気液分離器、４８…排気排水弁、４９…排出流路、５０…希釈器、７１…シリンダ、７２…第一内部流路、７３…第二内部流路、７４…第三内部流路、７５…弁体、７６…シール部、７７…スプリング、７８…ソレノイド。

Claims (2)

1. 燃料ガスおよび酸化ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池を有する燃料電池システムであって、
   前記燃料ガスを燃料供給源から前記燃料電池に供給するための燃料供給流路と、
   前記燃料供給源からの前記燃料ガスの供給を遮断または許容するとともに、シール部に弾性部材が用いられた弁と、
   前記弁の下流側に配置され、前記燃料電池に供給される前記燃料ガスの状態を調整するインジェクタと、
   前記燃料電池システムの運転停止命令を受信した場合に、前記インジェクタを閉めて前記燃料ガスの供給を遮断させてから前記弁を閉める制御手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 燃料ガスおよび酸化ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、前記燃料ガスを燃料供給源から前記燃料電池に供給するための燃料供給流路と、燃料供給源からの前記燃料ガスの供給を遮断または許容するとともに、シール部に弾性部材が用いられた弁と、前記弁の下流側に配置され、前記燃料電池に供給される前記燃料ガスの状態を調整するインジェクタと、を有する燃料電池システムにおける当該システムの運転停止方法であって、
   前記燃料電池システムの運転停止命令を受信した場合に、前記インジェクタを閉めて前記燃料ガスの供給を遮断させてから前記弁を閉める制御工程を備えることを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。

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