JP5438745B2 - 流体供給システム - Google Patents
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Description
以下、本発明の実施形態について、本発明の流体供給システムを燃料電池車に搭載された燃料電池システムに適用し、燃料電池へ水素(流体)を供給する場合を例にとり、図1〜図11を参照して説明する。
図1に示す燃料電池システム100(流体供給システム)は、図示しない燃料電池車(車両、移動体)に搭載されている。燃料電池車は、例えば、四輪車、三輪車、二輪車、一輪車、列車等である。ただし、その他の移動体、例えば、船舶、航空機に搭載された構成でもよい。
燃料電池スタック110は、複数(例えば200〜400枚)の固体高分子型の単セルが積層して構成されたスタックであり、複数の単セルは直列で接続されている。単セルは、MEA(Membrane Electrode Assembly:膜電極接合体)と、これを挟む2枚の導電性を有するセパレータと、を備えている。MEAは、1価の陽イオン交換膜等からなる電解質膜(固体高分子膜)と、これを挟むアノード及びカソード(電極)とを備えている。
O2+4H++4e−→2H2O …(2)
アノード系は、水素タンク10(ガス供給源)と、常閉型の第1遮断弁20と、第1減圧弁201と、常閉型の第2遮断弁123と、第2減圧弁124と、エゼクタ125と、リリーフ弁126と、常閉型のパージ弁127と、高圧センサ131と、中圧センサ132と、配管122a等と、を備えている。
第1減圧弁201は、図6、図7、図8に示すように、水素を減圧する減圧機構と、その弁体220を閉位置で保持可能な閉位置保持機構と、を備える電磁弁である。第1減圧弁201は、ECU170による制御によって、配管122aからの水素の通流を許容する開弁状態と水素の通流を遮断する閉弁状態とを切換可能な弁装置である。また、第1減圧弁201は、ECU170による制御によって閉弁状態とされた場合であっても、配管123aが締切圧未満である場合に開弁する機構を有する。
第1減圧弁201の閉位置保持機構を説明する。
ソレノイド243がOFFされると、圧縮コイルばね242で付勢されるプランジャ241は弁頭221の背面に当接し、弁頭221が弁座215に着座するようになっている。このように弁頭221が弁座215に着座すると、弁体220が閉位置で維持され、第1減圧弁201が閉状態で維持されるようになっている。
したがって、弁体220を閉位置で保持可能な閉位置保持機構は、プランジャ241と、圧縮コイルばね242と、ハウジング210の一部とを備えて構成されている。
第1減圧弁201の減圧機構を説明する。なお、減圧機構は、図1に示す第1遮断弁201の開状態であって、図7に示すように、ソレノイド243がONされ、プランジャ241が弁頭221から離間した状態において機能する。
カソード系は、コンプレッサ141と、希釈器142と、を備えている。
コンプレッサ141の吐出口は、配管141aを介して、カソード流路112の入口に接続されている。そして、コンプレッサ141は、ECU170の指令に従って作動すると、酸素を含む空気を取り込み、配管141aを介して、カソード流路112に供給するようになっている。なお、コンプレッサ141や前記した第1遮断弁20等は、燃料電池スタック110及び/又は後記するバッテリ153を電源としている。
電力制御系は、モータ151と、電力制御器152と、バッテリ153とを備えている。モータ151は、電力制御器152を介して、燃料電池スタック110の出力端子(図示しない)に接続されており、バッテリ153は、電力制御器152に接続されている。すなわち、モータ151とバッテリ153とは、電力制御器152に並列で接続されている。
IG161は、燃料電池システム100(燃料電池車)の起動スイッチであり、運転席周りに設けられている。また、IG161はECU170と接続されており、ECU170はIG161のON/OFF信号を検知するようになっている。
ECU170(制御手段)は、燃料電池システム100を電子制御する制御装置であり、CPU、ROM、RAM、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機器を制御し、各種処理を実行するようになっている。
次に、燃料電池システム100の起動時、すなわち、燃料電池スタック110への水素供給開始時における第1遮断弁20及び第1減圧弁201の動作及び効果について、図9、図10、図11を参照して説明する。
なお、運転者によってIG161がONされ、ECU170が、IG161のON信号を検知すると、燃料電池システム100が起動し、水素を燃料電池スタック110へ供給するために、図9の一連の処理を開始する。一連の処理の開始時点において、第1遮断弁20、第1減圧弁201、第2遮断弁123及び第2減圧弁124は閉状態となっている。
パイロット弁体23のみが開弁したときにパイロット通路22bを通流する水素ガスの流量(パイロット流量)Qは、下記式によって算出される。
Q=A{f1(P0,P2)}S1 2
ここで、
A:パイロット弁体23(パイロット通路22b)の圧損及びガス種(ここでは、水素ガス)によって決まる定数
S1:パイロット弁体23の開口断面積、ここでは、パイロット通路22bの開口断面積
V1:高圧ラインの容積
V2:中圧ラインの容積
P0:タンク圧、すなわち、前回停止時において高圧センサ131によって検出された圧力
P1:高圧ライン圧力、すなわち、現時点において高圧センサ131によって検出された圧力
P2:中圧ライン圧力、すなわち、現時点において中圧センサ132によって検出された圧力
P4:第1減圧弁201の締切圧力
である。A,S1,V1,V2,P4の値は、ECU170に予め記憶されている。また、ECU170は、前回停止時に高圧センサ131によって検出された圧力、すなわち、タンク圧P0を記憶しておく。
また、f1は、パイロット通路22bにおける単位断面積当たりの水素ガスの流量であり、P0,P2をパラメータとする関数である。f1は、P2が大きくなって差圧P0−P2が小さくなるほど、小さくなる。
ECU170は、パイロット弁体23が開弁してから開閉弁本体22が開弁するまでの間に一定時間間隔でパイロット流量Qを算出し、算出された複数のパイロット流量Qに基づいて、図10(a)に示す近似曲線を求める。そして、ECU170は、求められた近似曲線を時間積分することによって、平均流量Qaveを算出する。
すなわち、平均流量Qaveは、差圧P0−P2をパラメータとする関数として表される。
Qave=f2(P0−P2)
H=f3(P4,V2)−f3(P2,V2)+f3(P0,V1)−f3(P1,V1)
ここで、f3(P1,V1)は、最初に高圧ライン内に残存していた水素ガスの量、f3(P0,V1)は、開閉弁本体22が開弁する時点で高圧ライン内に存在する水素ガスの量、f3(P2,V2)は、最初に中圧ライン内に残存していた水素ガスの量、f3(P4,V2)は、開閉弁本体22が開弁する時点で中圧ライン内に存在する水素ガスの量である。
T1=H/Qave
さらに、ECU170は、下記式によって、第1遮断弁20を開制御(電磁コイル24cへの通電開始)してから第1減圧弁201を開制御(ソレノイド243の電磁コイルへの通電開始)するまでの時間である開弁待ち時間Tを設定する。
T=T1+(α+β)×γ
ここで、
α:電磁コイル24cへの通電を開始してからパイロット弁体23が開弁し終えるまでの時間
β:開閉弁本体22が開弁し始めてから開弁し終えるまでの時間
γ:安全マージン(γ>1)
α,β,γの値は、ECU170に予め記憶されている。
線X11は、起動時の圧力P2が所定圧(締切圧)よりも100〜300kPa低い場合の開弁待ち時間、線X12は、起動時の圧力P2が所定圧(締切圧)よりも300〜500kPa低い場合の開弁待ち時間、線X13は、起動時の圧力P2が所定圧(締切圧)よりも500kPa以上低い場合の開弁待ち時間、線X21は、起動時の圧力P2が所定圧以上である場合の開弁待ち時間を表す。図11から分かるように、起動時の圧力P2が所定圧(締切圧)未満である場合には、開弁待ち時間は、圧力P2が低いほど長く、かつ、タンク圧P0が大きいほど短く設定される。ここで、各線X11,X12,X13から分かるように、起動時の圧力P2が所定圧(締切圧)未満の場合における開弁待ち時間は、段階的に変化するように設定されている。ここで、段階的に変化する開弁待ち時間(例えば、線X11の区間C)は、当該区間において算出された開弁待ち時間の最大値に設定されている。また、起動時の圧力P2が所定圧(締切圧)以上である場合には、開弁待ち時間は、起動時の圧力P2が所定圧(締切圧)未満である場合よりも短く、かつ、タンク圧P0によらず一定に設定される。
20 第1遮断弁(第1弁装置)
22 開閉弁本体(メインバルブ)
23 パイロット弁体(パイロットバルブ)
100 燃料電池システム(ガス供給システム)
122a 配管(第1ライン)
123a 配管(第2ライン)
123b 配管(第2ライン)
131 高圧センサ(第1圧力検出手段、第2圧力検出手段)
132 中圧センサ(第3圧力検出手段)
170 ECU(制御手段)
201 第1減圧弁(第2弁装置)
Claims (3)
- 流体を供給する流体供給源と、
前記流体供給源の下流に設けられ、前記流体供給源からの前記流体の通流を許容する開弁状態と前記流体の通流を遮断する閉弁状態とを切換可能な第1弁装置と、
前記第1弁装置の下流側に接続され、前記流体が通流する第1ラインと、
前記第1ラインの下流側に接続され、前記第1ラインからの前記流体の通流を許容する開弁状態と前記流体の通流を遮断する閉弁状態とを切換可能な第2弁装置と、
前記第2弁装置の下流側に接続され、前記流体が通流する第2ラインと、
前記流体供給源内の圧力を検出する第1圧力検出手段と、
前記第1ライン内の圧力を検出する第2圧力検出手段と、
前記第2ライン内の圧力を検出する第3圧力検出手段と、
前記第1弁装置及び第2弁装置を制御する制御手段と、
を備え、
前記第1弁装置は、パイロットバルブ及びメインバルブを有するパイロット式弁装置であり、
前記第2弁装置は、前記制御手段によって閉弁状態とされた場合であっても、前記第2ラインが締切圧未満である場合に開弁するものであり、
前記制御手段は、前記流体供給源からの流体供給開始時において、前記第3圧力検出手段によって検出された圧力が前記締切圧未満である場合に、前記第1圧力検出手段、前記第2圧力検出手段及び前記第3圧力検出手段によって検出された各圧力に基づいて、前記パイロットバルブが開弁し終えてから前記メインバルブが開弁し始めるまでの均圧時間を算出するとともに、前記均圧時間に基づいて開弁待ち時間を設定し、前記第1弁装置を開制御してから前記開弁待ち時間経過後に前記第2弁装置を開制御する
ことを特徴とする流体供給システム。 - 前記制御手段は、前記流体供給開始時において、前記第3圧力検出手段によって検出された圧力が前記締切圧未満である場合に、前記第3圧力検出手段によって検出された圧力が小さいほど前記開弁待ち時間を長く設定する
ことを特徴とする請求項1に記載の流体供給システム。 - 前記制御手段は、前記流体供給開始時において、前記第3圧力検出手段によって検出された圧力が前記締切圧未満である場合に、前記第1圧力検出手段によって検出された圧力が大きいほど前記開弁待ち時間を短く設定する
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の流体供給システム。
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