JP2020027708A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料ガス供給流路に設けられた圧力センサにより検出される圧力によらずに、リリーフ弁からの燃料ガスの放出を検出し、燃料ガスの放出継続状態を停止させる。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、燃料ガスを貯蔵する燃料タンクと、前記燃料タンクと前記燃料電池とを繋ぐ燃料ガス供給流路と、前記燃料ガス供給流路に設けられ、前記燃料タンクから前記燃料電池へ向けて前記燃料ガスを供給する場合に前記燃料ガスを前記燃料電池へ向けて流通させる燃料ガス供給装置と、前記燃料ガス供給装置よりも前記燃料ガス供給流路の下流側に設けられたリリーフ弁と、前記リリーフ弁の放出口の直下流に設けられた熱流センサと、前記燃料ガス供給装置の動作を制御する制御部と、を備える。前記制御部は、前記リリーフ弁の開弁に応じた前記熱流センサの出力値の上昇を検出した場合に、前記燃料ガス供給装置による前記燃料ガスの供給を停止させる。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

特許文献１には、燃料電池システムにおいて、燃料ガス供給流路に設けられた複数の圧力センサによる検出結果の変化量に基づいて、燃料ガス供給流路に設けられたリリーフ弁の作動状態、例えば、故障を検出する技術が開示されている。

特開２０１７−０６２９７号公報

しかし、特許文献１では、圧力センサが故障した場合にリリーフ弁の作動状態を検出する手段がないため、リリーフ弁の作動状態が開弁状態となっているにも関わらず、そのまま燃料ガスの供給動作が継続されて、リリーフ弁から燃料ガスが放出されてしまう可能性がある。

本発明は、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池と、燃料ガスを貯蔵する燃料タンクと、前記燃料タンクと前記燃料電池とを接続する燃料ガス供給流路と、前記燃料ガス供給流路に設けられ、前記燃料タンクから前記燃料電池へ向けて前記燃料ガスを供給する場合に前記燃料ガスを前記燃料電池へ向けて流通させる燃料ガス供給装置と、前記燃料ガス供給装置よりも前記燃料ガス供給流路の下流側に設けられたリリーフ弁と、前記リリーフ弁の放出口の直下流に設けられた熱流センサと、前記燃料ガス供給装置の動作を制御する制御部と、を備える。前記制御部は、前記リリーフ弁の開弁に応じた前記熱流センサの出力値の上昇を検出した場合に、前記燃料ガス供給装置による前記燃料ガスの供給を停止させる。
上記形態の燃料電池システムでは、リリーフ弁の開弁によって燃料ガスの放出がなされると、リリーフ弁の直下流において発生する燃料ガスの流動の変化に応じて熱流センサの出力値が上昇するので、リリーフ弁の開弁を検出することができる。従って、燃料ガス供給流路に設けられた複数の圧力センサにより検出される圧力の変化によらずに、リリーフ弁からの燃料ガスの放出を検出することができる。そして、燃料ガス供給装置による燃料ガスの供給を停止させて、リリーフ弁からの燃料ガスの放出を停止させることが可能となる。
なお、本明細書に開示される技術は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、燃料電池システム、燃料電池システムにおけるリリーフ弁の作動を検出する検出装置および検出方法等の形態で実現することができる。

本発明の一実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す説明図。 熱流センサが設けられたリリーフ弁を拡大して示す概略断面図。 熱流センサを拡大して示す模式図。 水素ガスの放出に伴う放出流路の圧力変化と熱流センサの出力との関係の一例を示す説明図。 熱流センサの設置位置の他の実施形態を示すリリーフ弁の概略断面図。 熱流センサの設置位置の他の実施形態を示すリリーフ弁の概略断面図。 熱流センサの設置位置の他の実施形態を示すリリーフ弁の概略断面図。 熱流センサの設置位置の他の実施形態を示すリリーフ弁の概略断面図。

Ａ．実施形態：
図１は、本発明の一実施形態における燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、例えば、車両（燃料電池車両）に搭載され、運転者からの要求に応じて、車両の動力源となる電力を出力する。燃料電池システム１０は、燃料電池（ＦＣ，Fuel Cell）１００と、空気供給系２００と、水素ガス供給系３００と、図示しない冷却系と、制御装置６００と、を備える。

燃料電池１００は、発電体としての単セル１１０を複数積層したスタック構造を有している。単セル１１０は、電解質膜の両側にアノードとカソードの両電極を接合させた膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly／ＭＥＡ）と、膜電極接合体のアノード及びカソードの両側から挟持する２枚のセパレータとによって構成されている。燃料電池１００は、後述の水素ガス供給系３００からアノードに供給された燃料ガスとしての水素と、空気供給系２００からカソードに供給された空気中に含まれる酸化ガスとしての酸素と、の電気化学反応によって発電し、その発電電力にて駆動用モータ等の負荷を駆動する。

空気供給系２００は、燃料電池１００のカソードに、酸化ガスである酸素を含む空気を供給する。空気供給系２００は、酸素供給流路２１０と、放出流路２２０と、コンプレッサー２３０と、排出流量調整バルブ２４０と、を備える。酸素供給流路２１０の一方端は燃料電池１００のカソードの入口に接続されており、他方端は開口端となっている。コンプレッサー２３０は酸素供給流路２１０に設けられている。放出流路２２０の一方端は燃料電池のカソードの出口に接続されている。排出流量調整バルブ２４０は放出流路２２０に設けられている。空気供給系２００は、酸素供給流路２１０の開口端から取り込んだ空気を、コンプレッサー２３０にて流量調整した上で燃料電池１００のカソードに供給する。また、空気供給系２００は、放出流路２２０の排出流量調整バルブ２４０で調整された流量で、カソードの出口から排出される未消費の酸素を含む空気（カソードオフガス）を大気放出する。空気供給系２００の動作は、コンプレッサー２３０および排出流量調整バルブ２４０が、後述する制御装置６００によって制御されることで実行される。

水素ガス供給系３００は、燃料電池１００の発電に利用される燃料ガスである水素を燃料電池１００のアノードに供給する。水素ガス供給系３００は、燃料タンクとしての水素ガスタンク３１０と、燃料ガス供給流路としての水素ガス供給路３２０と、還流路３３０と、開閉バルブ３４０と、調圧バルブ３５０と、燃料ガス供給装置としてのインジェクタ３６０と、圧力センサ３２１，３２２と、リリーフ弁３２３と、水素ガスポンプ３７０と、気液分離器３８０と、排出バルブ３９５と、放出流路３９０と、を備える。なお、放出流路３９０は放出流路２２０に接続されている。

水素ガスタンク３１０は、高圧の水素ガスを貯蔵している。水素ガスタンク３１０は、水素ガス供給路３２０を介して燃料電池１００のアノードの入口と接続されている。水素ガス供給路３２０には、水素ガスタンク３１０側から、開閉バルブ３４０と、調圧バルブ３５０と、圧力センサ３２１と、インジェクタ３６０と、リリーフ弁３２３と、圧力センサ３２２とがこの順に設けられている。開閉バルブ３４０は、水素ガスタンク３１０からのアノードガスの供給をオン、オフする。調圧バルブ３５０は、インジェクタ３６０へ供給する水素ガスの圧力を調整する。インジェクタ３６０は、調圧バルブ３５０から供給された水素ガスを、水素ガス供給路３２０を介して燃料電池１００のアノードに向けて、要求される負荷に応じた周期で噴射し、燃料電池１００への水素ガスの供給量を調整する。インジェクタ３６０の上流側の圧力は圧力センサ３２１によって検出され、インジェクタ３６０の下流側の圧力は圧力センサ３２２によって検出される。リリーフ弁３２３は、あらかじめ設定された圧力を超えたときに作動（開弁）して、インジェクタ３６０の下流側の水素ガス供給路３２０を流れる水素ガスをリリーフ弁３２３の放出口から放出する。この結果、リリーフ弁３２３は、インジェクタ３６０の下流側の水素ガス供給路３２０の圧力が、設定圧力を超えないように動作する。リリーフ弁３２３の放出口に接続された放出配管３２５の端部、すなわち、リリーフ弁３２３の直下流には、熱流センサ３２４が設けられている。熱流センサ３２４は、後述するように、リリーフ弁３２３が開弁された際に放出口からの水素ガスの放出が開始されたことにより発生する熱流束の変化を検出する。

水素ガス供給路３２０を介して燃料電池１００に供給された水素ガスは、複数の単セル１１０の積層によって構成された供給側の水素ガス流通路（不図示）を流通して、各単セル１１０に供給される。各単セルで使用されなかった未使用の水素ガスを含むアノードオフガスは、複数の単セル１１０の積層によって構成された排出側の水素ガス流通路を流通して、還流路３３０へ排出される。このアノードオフガスには、各単セル１１０の発電により生成された液水や、カソード側からアノード側へ透過した窒素ガス等の不純物ガスが含まれる。すなわち、アノードオフガスは、水素ガスと、窒素ガス等の不純物ガスを含む混合ガスである。

還流路３３０は、燃料電池１００のアノードの出口と、圧力センサ３２２よりも燃料電池１００側の水素ガス供給路３２０の部分と、に接続され、燃料電池１００から排出されたアノードオフガスを水素ガス供給路３２０に還流させる。還流路３３０には、気液分離器３８０と、水素ガスポンプ３７０とが設けられている。気液分離器３８０は、燃料電池１００から排出された液水混じりのアノードオフガスから液水を分離する。気液分離器３８０で液水が分離されたアノードオフガスは、水素ガスポンプ３７０によって、還流路３３０を介して水素ガス供給路３２０に還流され、アノードオフガスに含まれる水素ガスは燃料電池１００に循環供給される。従って、燃料電池１００に供給されるアノードガス(燃料ガス）は、実際には、水素ガスおよび不純物ガスを含む混合ガスである。

燃料電池１００による発電を効率的に行うためには、不純物ガスの濃度が高く水素ガスの濃度が低くなるのは好ましくない。そこで、アノードオフガスに含まれる不従物ガスの濃度が高く、水素ガスの濃度が低くなった場合には、排出バルブ３９５を開いて、気液分離器３８０から放出流路３９０にアノードオフガスを排出する制御が行われる。また、この際、インジェクタ３６０から水素ガスを噴射することで、不純物ガスの濃度を低くし水素ガスの濃度を高くする制御が行なわれる。

水素ガス供給系３００の種々の動作は、開閉バルブ３４０、調圧バルブ３５０、インジェクタ３６０、水素ガスポンプ３７０、および、排出バルブ３９５が、後述する制御装置６００によって制御されることで実行される。

制御装置６００は、論理演算を実行するＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたいわゆるマイクロコンピュータで構成される。制御装置６００は、圧力センサ３２１，３２２や熱流センサ３２４、不図示の各種センサ等のセンサ入力を受けて、コンプレッサー２３０や排出流量調整バルブ２４０、インジェクタ３６０、調圧バルブ３５０、開閉バルブ３４０、排出バルブ３９５等の各種のバルブの開閉制御等を含む燃料電池１００の種々の制御を行なう。例えば、制御装置６００は、ＦＣ制御部６１０やリリーフ弁検出部６２０等を有している。ＦＣ制御部６１０は、空気供給系２００や水素ガス供給系３００等を制御して燃料電池１００の動作を制御する。また、ＦＣ制御部６１０は、圧力センサ３２１，３２２の検出結果の変化量に基づいて、ガス漏れや、リリーフ弁３２３の作動（開弁）を含む故障、各種バルブの故障等を検出する。リリーフ弁検出部６２０は、後述するように、熱流センサ３２４の熱流束を示す出力値の上昇からリリーフ弁３２３の作動（開弁）を検出する。

図２は、熱流センサ３２４が設けられたリリーフ弁３２３の構成の一例を模式的に示す説明図である。リリーフ弁３２３の内部空間４０４には、水素ガス供給路３２０（図１）に接続される入口４０３を開閉する弁４０１が設けられている。弁４０１は、バネ４０２によって、入口４０３の内部空間４０４側の開口端（「弁座」とも呼ばれる）に向かって付勢されている。バネ４０２の付勢力は、あらかじめ設定された水素ガスの圧力以上の圧力が入口４０３側から弁４０１に加わった時に、弁４０１が開弁されるように設定される。弁４０１の開弁によって、水素ガス（図２には「ＨＧ」と記載）が、入口４０３から内部空間４０４内に流入し放出口４０５へ向けて流れる。放出口４０５には、放出流路２２０（図１）を構成する配管に接続された放出配管３２５が接続されており、放出口４０５から放出された水素ガスは、放出配管３２５の放出流路４１０を介して外部に放出される。

リリーフ弁３２３の放出口４０５側の放出流路４１０の端部、すなわち、リリーフ弁３２３の放出口４０５の直下流には、熱流センサ３２４が設けられている。熱流センサ３２４は、リリーフ弁３２３の放出口４０５側の放出流路４１０の端部における熱流束を検出する。熱流センサ３２４により検出された熱流束の変化から、後述するように、リリーフ弁３２３からの水素ガスの放出の発生、すなわち、リリーフ弁３２３の作動（開弁）を検出する。

図３は、リリーフ弁３２３の放出口４０５側の放出流路４１０の端部の側面に設けられた熱流センサ３２４を拡大して示す模式図である。熱流センサ３２４のセンサ基板４２１の厚さ方向では、リリーフ弁３２３の放出口４０５から燃料ガスの放出が発生した際に、燃料ガスＦｈｇの流れによって熱流束ｑが発生する。熱流センサ３２４は、発生した熱流束ｑにより生じる、放出流路４１０側のセンサ基板４２１の表面４２２の温度と、放出流路４１０の側面４１１に接するセンサ基板４２１の裏面４２３の温度との間の温度差に起因して、ゼーベック効果による起電力を発生し、熱流束ｑの検出信号として検出する。熱流束ｑは単位面積当たりの熱流量である。なお、熱流センサ３２４は、表面４２２に熱電対によって構成される検出部４２４，４２５を有しており、検出部４２４，４２５が温度差によって発生する起電力を、熱流束ｑの検出信号として検出することができる。

また、図４は、水素ガスの放出に伴う放出流路４１０の圧力変化と熱流センサ３２４の出力との関係の一例を示す説明図である。図４に示すように、水素ガスの放出に伴う放出流路４１０の圧力変化およびガス流動が発生した際に、熱流センサ３２４は、そのセンサ基板４２１の厚さ方向に発生する熱流束ｑに応じた熱流センサ出力を発生する。この熱流束ｑは、ガス流動が発生した直後からの数秒〜十数秒程度の間に、急激に上昇した後減少して安定な状態に収束する。そこで、熱流センサ３２４として検出時間が例えば１ｓ以下の熱流センサを用いることで、リリーフ弁３２３が開弁したときに発生する水素ガスの放出によるガス流動に伴う熱流束の上昇変化を起電力の上昇変化として検出することができる（図３）。

そこで、リリーフ弁検出部６２０は、リリーフ弁３２３の放出口４０５側の放出流路４１０の端部の側面に設けられた熱流センサ３２４の出力の上昇を検出することによってガス流動の発生を検出することができる。そして、リリーフ弁検出部６２０は。リリーフ弁３２３の作動（開弁）による水素ガスの放出を検出することができる。なお、熱流センサ３２４の出力の上昇の検出は、例えば、以下のようにして行なうことができる。
１）熱流センサ３２４の出力値が、ガス流動発生前の出力値に対してあらかじめ定めた上昇値以上となった場合に、ガス流動の発生を検出する。
２）熱流センサ３２４の出力値の上昇速度があらかじめ定めた値以上となった場合に、ガス流動の発生を検出する。
但し、リリーフ弁３２３からの水素ガスの放出に伴う熱流センサ３２４の出力の上昇を検出することができればよく、上記１），２）の検出方法に限定されるものではない。

そして、リリーフ弁検出部６２０は、上記のようにしてリリーフ弁３２３からの水素ガスの放出を検出して、リリーフ弁３２３の作動（開弁）を検出した時には、ＦＣ制御部６１０に対して水素ガス供給系３００による水素ガスの供給の停止を指示する。この時、ＦＣ制御部６１０は、例えば、インジェクタ３６０からの水素ガスの供給を停止させる。

なお、上記のように、熱流センサ３２４の設置位置であるリリーフ弁３２３の直下流の位置を、リリーフ弁３２３の放出口４０５側の放出流路４１０の端部として説明したが、これに限定されるものではない。リリーフ弁３２３の放出口４０５から放出される水素ガスの流動の発生を熱流束の変化として検出できれば、リリーフ弁３２３の放出口４０５側の放出流路４１０の端部よりも下流であってもよい。但し、可能な限り放出口４０５に近いほうが、リリーフ弁３２３からの水素ガスの放出に伴うガス流動の変化をより早期にかつ精度よく検出できる点で好ましい。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、リリーフ弁３２３の直下流に設けられた熱流センサ３２４の出力値の上昇を検出することにより、リリーフ弁３２３の作動（開弁）を検出することができ、水素ガス供給系３００による水素ガスの供給を停止させることができる。これにより、リリーフ弁３２３からの水素ガスの放出を停止させることができる。従って、リリーフ弁３２３の下流に設けられた圧力センサ３２２の故障等によって、圧力センサ３２２の検出する圧力変化に基づいてリリーフ弁３２３の作動（開弁）が検出されない場合においても、リリーフ弁３２３の作動を早期に検出することができる。そして、水素ガス供給系３００による水素ガスの供給を停止させることができ、リリーフ弁３２３を介して水素ガスが外部へ放出される続ける状態を停止させることができる。また、圧力センサによるリリーフ弁３２３の作動検出では、上述したように、他の箇所からのガス漏れも含むので、リリーフ弁３２３単独での作動検出の精度は低くなる可能性がある。これに対して、熱流センサ３２４によるリリーフ弁３２３の作動検出は精度よく検出することが可能である。

Ｂ．他の実施形態：
（１）熱流センサ３２４の設置位置は、上記実施形態に限定されるものではない。図５〜図８は、熱流センサ３２４の設置位置の他の実施形態を示す説明図である。図５に示すように、熱流センサ３２４が設置されるリリーフ弁３２３の直下流の位置として、放出口４０５の端面４０６に熱流センサ３２４を設置するようにしてもよい。具体的には、センサ基板４２１の表面４２２に設けられた検出部４２４，４２５（図３）が、放出口４０５の開口端に配置されるように、センサ基板４２１の表面４２２側の一端部が放出口４０５の端面４０６に設置される。このようにすれば、大気開放される水素ガスの流動の発生を検出することができ、リリーフ弁３２３の作動（開弁）を検出することができる。なお、熱流センサ３２４は、図５の熱流センサ３２４の向きに対して垂直な向きで、センサ基板４２１の表面４２２が放出される水素ガスの側を向くように配置されていてもよい。

また、熱流センサ３２４を、リリーフ弁３２３の直下流ではなく、リリーフ弁３２３の内部に設置するようにしてもよい。例えば、図６に示すように放出口４０５の流路の側面に熱流センサ３２４を設置するようにしてもよい。このようにしても、リリーフ弁３２３から放出される水素ガスの流動の発生を検出することができ、リリーフ弁３２３の作動（開弁）を検出することができる。また、図７や図８に示すように、内部空間４０４の側面に熱流センサ３２４を設置するようにしてもよい。このようにしても、リリーフ弁３２３からの放出に伴って内部空間４０４で発生する水素ガスの流動の発生を検出することができ、リリーフ弁３２３の作動（開弁）を検出することができる。なお、内部空間４０４における熱流センサ３２４の設置位置は、図７，図８に限定されるものではなく、リリーフ弁３２３からの放出に伴って内部空間４０４で発生する水素ガスの流動の発生を検出することができれば、いずれの位置に設置されていてもよい。

（２）図２，図５〜図８に示したリリーフ弁３２３の構成は一例であってこれに限定されるものではない。設定された圧力以上の流体の圧力で開弁する構造の種々のリリーフ弁が適用可能である。

（３）上記実施形態では、リリーフ弁３２３の作動（開弁）を検出した場合に、水素ガス供給系３００による水素ガスの供給を停止する場合を前提として説明したが、水素ガスの供給量を減少させて、水素ガスの放出量を抑制する制御を行なうようにしてもよい。

（４）上記実施形態では、リリーフ弁３２３の下流の圧力センサ３２２によって検出される圧力の変化からリリーフ弁３２３の作動（開弁）を検出することに加えて、熱流センサ３２４の出力の上昇からもリリーフ弁３２３の作動を検出するものとして説明したが、圧力センサ３２２によるリリーフ弁３２３の作動の検出は省略されてもよい。

（５）上記実施形態では、燃料ガス供給装置としてのインジェクタ３６０の下流に設置されたリリーフ弁３２３についての作動（開弁）を検出する場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、他の流路位置にリリーフ弁が設置されている場合には、そのリリーフ弁についても同様に、熱流センサを用いてその作動（開弁）を検出するようにしてもよい。

（６）上記実施形態では、車両に搭載された燃料電池システムを例に説明したが、これに限定されるものではなく、電力を動力発生装置（駆動モータ）の動力源とする種々の移動体に搭載される燃料電池システムにも適用可能である。また、移動体に搭載される燃料電池システムだけでなく、定置型の燃料電池システムにも適用可能である。

本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、或いは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…燃料電池システム、１００…燃料電池、１１０…単セル、２００…空気供給系、２１０…酸素供給流路、２２０…放出流路、２３０…コンプレッサー、２４０…排出流量調整バルブ、３００…水素ガス供給系、３１０…水素ガスタンク、３２０…水素ガス供給路、３２１…圧力センサ、３２２…圧力センサ、３２３…リリーフ弁、３２４…熱流センサ、３２５…放出配管、３３０…還流路、３４０…開閉バルブ、３５０…調圧バルブ、３６０…インジェクタ（燃料ガス供給装置）、３７０…水素ガスポンプ、３８０…気液分離器、３９０…放出流路、３９５…排出バルブ、４０１…弁、４０２…バネ、４０３…入口、４０４…内部空間、４０５…放出口、４０６…端面、４１０…放出流路、４１１…側面、４２１…センサ基板、４２２…表面、４２３…裏面、４２４…検出部、６００…制御装置、６１０…ＦＣ制御部、６２０…リリーフ弁検出部、Ｆｈｇ…燃料ガス、ｑ…熱流束

Claims (1)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   燃料ガスを貯蔵する燃料タンクと、
   前記燃料タンクと前記燃料電池とを接続する燃料ガス供給流路と、
   前記燃料ガス供給流路に設けられ、前記燃料タンクから前記燃料電池へ向けて前記燃料ガスを供給する場合に前記燃料ガスを前記燃料電池へ向けて流通させる燃料ガス供給装置と、
   前記燃料ガス供給装置よりも前記燃料ガス供給流路の下流側に設けられたリリーフ弁と、
   前記リリーフ弁の放出口の直下流に設けられた熱流センサと、
   前記燃料ガス供給装置の動作を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記リリーフ弁の開弁に応じた前記熱流センサの出力値の上昇を検出した場合に、前記燃料ガス供給装置による前記燃料ガスの供給を停止させる、燃料電池システム。

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