JP4962777B2 - ガス供給システム - Google Patents

Description

本発明は、ガス供給システムに関する。

従来より、電気化学反応により発電を行う燃料電池に反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）を供給するガス供給システムが提案され、実用化されている。かかるガス供給システムには、通常、高圧の燃料ガスを貯留する燃料供給源と、燃料供給源からの燃料ガスの供給状態を制御するための開閉弁と、が設けられている。

現在においては、システムを制御する制御部からの制御信号に基づいて、所定量又は所定時間だけ燃料ガスを燃料電池側に供給する開閉弁が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、近年においては、このような開閉弁として、ソレノイドコイル等の電磁駆動力により弁体の駆動を制御するインジェクタが採用されている。インジェクタは、通常、弁体の先端又は弁座面に設けられた弾性材料からなるシール部を備えており、シール部の弾性によって弁部分のシール性を確保している。
特開２００５−３０２５６３号公報

ところで、燃料ガスは、高圧の燃料供給源から低圧の燃料供給流路内に放出され拡散する際に、急速に温度が低下する。従って、燃料電池が高負荷で運転されて燃料ガスの供給量が多くなると、燃料供給流路内への低温ガスの放出が続くことにより燃料供給流路内の燃料ガスの温度が急速に低下し、開閉弁が低温の燃料ガスによって冷却される。この結果、開閉弁のシール部が過度に冷却されて弾力性が失われ、シール性が損なわれるおそれがある。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、ガス供給源からのガス供給状態を制御する開閉弁を備えるガス供給システムにおいて、開閉弁のシール部の過冷却を抑制し、シール性の低下を抑制することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係る第１のガス供給システムは、ガス供給源と、このガス供給源からガス消費部へとガスを供給するためのガス供給流路と、このガス供給流路の上流側のガス状態を調整して下流側に供給する開閉弁と、を備えるガス供給システムにおいて、ガス供給源から放出されるガスの温度を推定するガス温度推定手段と、このガス温度推定手段で推定されるガス温度が所定温度を上回るように開閉弁の開閉動作を制御する制御手段と、を備えるものである。

また、本発明に係る第２のガス供給システムは、ガス供給源と、このガス供給源からガス消費部へとガスを供給するためのガス供給流路と、このガス供給流路の上流側のガス状態を調整して下流側に供給する開閉弁と、を備えるガス供給システムにおいて、ガス供給源から放出されるガスの温度を検出するガス温度検出手段と、このガス温度検出手段で検出されるガス温度が所定温度を上回るように開閉弁の開閉動作を制御する制御手段と、を備えるものである。

かかる構成を採用すると、ガス供給源から放出されるガス温度を推定又は検出し、このガス温度が所定温度を上回るように開閉弁の開閉動作を制御することができる。従って、ガス供給源から放出されるガスによる開閉弁のシール部の過冷却を抑制することができるので、開閉弁のシール性の低下を抑制することが可能となる。

前記第１のガス供給システムにおいて、ガス供給源として高圧タンクを採用することができる。かかる場合、高圧タンクの内部のガス圧に基づいてガスの温度を推定するガス温度推定手段を採用することができる。

かかる構成を採用すると、高圧タンクの内圧監視用に設けられた圧力センサの検出情報をガス温度の推定に利用することができる。よって、ガス温度センサを設ける必要がないため、システムの製造コストを節減することが可能となる。

また、前記ガス供給システムにおいて、推定又は検出されるガス温度が所定温度以下である場合に、開閉弁からのガス噴射量を低減させ、かつ、ガス温度が所定温度を上回るまでガス噴射量の低減を継続する制御手段を採用することができる。

また、前記ガス供給システムにおいて、弁座及び／又は弁体に設けられたシール部を有する開閉弁を採用することができる。かかる場合、シール部が硬化する温度を所定温度として採用することができる。また、シール部をゴム材料から構成し、このゴム材料のガラス転移温度を所定温度として採用することができる。

また、前記ガス供給システムにおいて、開閉弁としてインジェクタを採用することができる。

かかる構成を採用すると、ガス供給流路の上流側のガス状態（ガス流量やガス圧力）を高精度に調整して下流側に供給することができる。

また、本発明に係るガス供給システムは、燃料電池車両に搭載される燃料電池システム（ガス供給源としての水素タンクを備え、ガス消費部としての燃料電池へと燃料ガスを供給するもの）に適用されることができる。

また、本発明に係るガス供給システムは、圧縮天然ガス車両に搭載される天然ガス供給システム（ガス供給源としての天然ガスタンクを備え、ガス消費部としての内燃機関へと天然ガスを供給するもの）に適用されることができる。

本発明によれば、ガス供給源からのガス供給状態を制御する開閉弁を備えるガス供給システムにおいて、開閉弁のシール部の過冷却を抑制し、シール性の低下を抑制することが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るガス供給システムについて説明する。本実施形態においては、ガス供給システムの例として、燃料電池車両に搭載される燃料電池システム１を挙げて説明することとする。

まず、本実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。

本実施形態に係る燃料電池システム１は、燃料電池２と、燃料電池２に酸化ガス（空気）を供給するための酸素ガス配管系３と、燃料電池２に燃料ガス（水素ガス）を供給するための燃料ガス配管系４と、システム全体を統括制御する制御部５と、を備えている。

燃料電池２は、本発明におけるガス消費部に相当するものであり、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単電池を積層したスタック構造を備えている。燃料電池２の単電池は、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、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガス（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（空気）が供給され、このガス供給により燃料電池２は電力を発生する。

酸素ガス配管系３は、酸化ガスを燃料電池１０に供給するための空気供給流路１１と、燃料電池２から排出された酸化オフガスを外部に導くための空気排出流路１２と、を備えている。空気供給流路１１には、大気中の酸化ガスを取り込んで燃料電池２側へと圧送する図示していないエアコンプレッサが設けられている。

燃料ガス配管系４は、水素供給源２１と、水素供給源２１から燃料電池２に供給される水素ガスが流れる水素供給流路２２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２２の合流部Ａ１に戻すための循環流路２３と、循環流路２３内の水素オフガスを水素供給流路２２に圧送する水素ポンプ２４と、循環流路２３に分岐接続された排気排水流路２５と、を有している。

水素供給源２１は、本発明におけるガス供給源に相当するものであり、本実施形態においては水素ガスが充填された高圧タンク（水素タンク）を採用している。高圧タンクは、所定圧力（例えば３５ＭＰａ又は７０ＭＰａ）の高圧水素ガスを貯留可能に構成されている。後述する遮断弁２６を開くと、水素供給源２１から水素供給流路２２内に水素ガスが放出される。水素ガスは、後述するレギュレータ２７やインジェクタ２８により最終的に例えば２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池２に供給される。

水素供給源２１には、内部のガス圧を検出する圧力センサ２１ａが設けられている。圧力センサ２１ａで検出されたタンク内のガス圧に係る情報は、後述するインジェクタ２８の開閉制御に用いられる。なお、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、から水素供給源２１を構成してもよい。また、水素吸蔵合金により水素供給源２１を構成してもよい。

水素供給流路２２は、本発明におけるガス供給流路に相当するものである。水素供給流路２２には、水素供給源２１からの水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁２６と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ２７と、インジェクタ２８と、が設けられている。インジェクタ２８の上流側には、水素供給源２１から放出される水素ガスの圧力及び温度を検出する一次側の圧力センサ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２８の下流側であって水素供給流路２２と循環流路２３との合流部Ａ１の上流側には、二次側の圧力センサ４３が設けられている。温度センサ４２や圧力センサ４３等で検出された水素ガスのガス状態（温度、圧力）に係る情報は、後述するインジェクタ２８の開閉制御に用いられる。なお、温度センサ４２は、本発明におけるガス温度検出手段に相当する。

遮断弁２６は、高圧タンクに対応して設けられており、例えば、水素供給源２１として高圧タンクが複数設けられている場合には、遮断弁２６はその各々に対応して設けられる。なお、遮断弁２６を高圧タンクと一体に設けた構成としてもよい。例えば、遮断弁２６としてインタンク式の電磁開閉弁を採用することもできる。

遮断弁２６を開くと、高圧の水素ガスが水素供給流路２２内に高速で放出されて拡散する。これにより、水素供給流路２２内に所定の一次圧の水素ガスが供給される。水素ガスは、拡散時の圧力低下に伴って温度が低下する。温度低下後の水素ガスのガス温度は、前記した温度センサ４２により検出される。また、水素供給流路２２内に放出される際の水素ガスの温度と高圧タンク内のガス圧との間には、所定の対応関係がある。このため、水素供給流路２２内に放出される水素ガスのガス温度と高圧タンク内におけるガス圧との対応関係を例えばマップや関係式で表すことができる。

レギュレータ２７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、一次圧を減圧する機械式の減圧弁をレギュレータ２７として採用している。なお、インジェクタ２８の上流側にレギュレータ２７を複数配置すれば、インジェクタ２８の上流側圧力を効果的に低減させることも可能である。このようにすると、インジェクタ２８の機械的構造（弁体、筺体、流路、駆動装置等）の設計自由度を高めることができる。また、インジェクタ２８の上流側圧力と下流側圧力との差圧の増大に起因してインジェクタ２８の弁体が移動し難くなることを抑制することができる。従って、インジェクタ２８の下流側圧力の可変調圧幅を広げることができるとともに、インジェクタ２８の応答性の低下を抑制することができる。

インジェクタ２８は、弁体５２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（図２）。インジェクタ２８は、水素供給流路２２と循環流路２３との合流部Ａ１より上流側に配置されている。また、水素供給源２１として複数の高圧タンクを採用する場合には、各高圧タンクから供給される水素ガスが合流する部分よりも下流側にインジェクタ２８を配置するようにする。なお、インジェクタ２８の具体的な構成及び制御態様については、図２を用いて後述することとする。

循環流路２３には、気液分離器３０及び排気排水弁３１を介して、排気排水流路２５が接続されている。気液分離器３０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３１は、制御部５からの指令によって作動することにより、気液分離器３０で回収した水分と、循環流路２３内の不純物を含む水素オフガス（燃料オフガス）と、を外部に排出（パージ）するものである。また、循環流路２３には、循環流路２３内の水素オフガスを加圧して水素供給流路２２側へ送り出す水素ポンプ２４が設けられている。

制御部５は、図示していない車両のアクセル信号（要求負荷）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、制御部５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。

具体的には、制御部５は、燃料電池２の運転状態及び要求発電量に基づいて、燃料電池２で消費される水素ガスの量（水素消費量）を算出するとともに、インジェクタ２８の下流位置における水素ガスの目標圧力値（燃料電池２への目標ガス供給圧）を算出する。また、制御部５は、算出した目標圧力値と、二次側の圧力センサ４３で検出したインジェクタ２８の下流位置の検出圧力値と、の偏差に基づいてフィードバック補正流量を算出し、水素消費量とフィードバック補正流量とを加算することにより、インジェクタ２８の噴射流量を算出する。そして、制御部５は、算出した噴射流量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２８のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御して、燃料電池２に供給される水素ガスの流量及び圧力を調整する。

次に、図２を用いて、インジェクタ２８の具体的な構成及び制御態様について説明する。

インジェクタ２８は、図２に示すように、水素ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座５０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５１と、ノズルボディ５１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５２と、を備えている。本実施形態においては、インジェクタ２８の弁体５２は電磁駆動装置であるソレノイドによって駆動され、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（開度）を２段階又は多段階に切り替えることができるようになっている。制御部５から出力される制御信号によってインジェクタ２８のガス噴射時間及びガス噴射時期が制御されることにより、水素ガスの流量及び圧力が高精度に制御される。インジェクタ２８は、弁（弁座５０及び弁体５２）を電磁駆動力で直接開閉駆動するものであり、その駆動周期が高応答の領域まで制御可能であるため、高い応答性を有する。

インジェクタ２８は、その下流に要求されるガス流量を供給するために、弁の開度（噴射口の開口面積）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２側）に供給されるガス流量（又は水素モル濃度）を調整する。インジェクタ２８の弁の開閉により、ガス流量が調整されるとともに下流側のガス圧が上流のガス圧よりも減圧される。このため、インジェクタ２８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、インジェクタ２８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２８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しても機能する。このように、インジェクタ２８は、その上流側のガス状態（ガス流量やガス圧力）を調整して下流側に供給するものである。

また、インジェクタ２８は、弁体５２の先端に設けられたシール部５３を有している。シール部５３は、弁体５２と弁座５０の当接部に配置されている。シール部５３は、例えばＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンゴム）等の耐衝撃性、耐候性等に優れたゴム材料で構成することができる。弁を閉鎖する時には、シール部５３が弁座５０に密着し、弁座５０に設けられた噴射孔を密閉する。すなわち、シール部５３の弾性により、弁（弁体５２及び弁座５０）のシール性が良好となる。

本実施形態のインジェクタ２８においては、水素ガスの噴射に伴い、水素供給流路２２内に高速で放出されて低温となった水素ガスが弁体５２及び弁座５０まわりを流れる。よって、低温水素ガスによってシール部５３が冷却される。冷却温度が所定温度以下となると、シール部５３が硬化して弁のシール性が低下する。例えば、シール部５３としてＥＰＤＭを用いた場合には、ガス温度がＥＰＤＭのガラス転移温度である約−４０℃以下になると、過度な冷却によりシール部５３が硬化して弁のシール性が低下する。そこで、制御部５は、弁体５２及び弁座５０まわりを流れる水素ガスのガス温度が、シール部５３が硬化する温度（例えばＥＰＤＭのガラス転移温度）を上回るように、インジェクタ２８のガス流量の調整を行う。

このような調整が必要となるのは、高負荷運転等によりインジェクタ２８のガス流量が多くなった場合である。高圧タンク内から水素供給流路２２内への水素ガス放出量が多くなると、低温の水素ガスの連続放出により、水素供給流路２２内のガス温度が急激に下がり、ＥＰＤＭのガラス転移温度（約−４０℃）を下回ることが想定される。そこで、制御部５は、水素供給流路２２内のガス温度の検出又は推定を行う。前記したように、水素供給流路２２内のガス温度は、一次側の温度センサ４２を用いて直接的に検出することができる。また、圧力センサ２１ａで検出した水素供給源２１内のガス圧に基づいて水素供給流路２２内のガス温度を推定することもできる。制御部５は、高圧タンク内のガス圧と水素供給流路２２内のガス温度との対応関係を規定したマップや関係式と、圧力センサ２１ａで検出された高圧タンク内のガス圧と、に基づいて、水素供給流路２２内に放出される水素ガスのガス温度を推定する。すなわち、制御部５及び圧力センサ２１ａは、本発明におけるガス温度推定手段を構成する

そして、制御部５は、検出又は推定した水素供給流路２２内のガス温度がＥＰＤＭのガラス転移温度以下になった場合には、この温度を上回るようにガス流量（ガス噴射量）を低減させる制御を行う。制御部５は、このようなガス流量を低減させる制御を、水素供給流路２２内のガス温度がガラス転移温度を上回るまで継続し、ガラス転移温度を上回る温度までガス温度が上昇した段階で、通常の制御に戻る。インジェクタ２８の開閉動作を制御してガス流量を低減させることにより、高圧タンク内から水素供給流路２２内への低温の水素ガスの放出を抑制して、水素供給流路２２内の水素ガス温度の低下を抑制することができる。すなわち、制御部５は、本発明における制御手段としても機能する。

以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、水素供給源２１から放出されるガス温度を推定又は検出し、このガス温度が所定温度（例えばＥＰＤＭのガラス転移温度）を上回るようにインジェクタ２８の開閉動作を制御することができる。従って、水素供給源２１から放出されるガスによるインジェクタ２８のシール部５３の過冷却を抑制することができるので、インジェクタ２８のシール性の低下を抑制することが可能となる。

なお、以上の実施形態においては、シール部５３を弁体５２側に設けた例を示したが、弁座５０側にシール部を設けた構成を採用することもできる。また、弁座５０及び弁体５２の双方にシール部を設けてもよい。これらの構成を採用した場合においても、前記実施形態と同様にインジェクタ２８の開閉動作を制御することにより、シール部の過冷却を抑制してシール性の低下を抑制することが可能となる。

また、以上の実施形態においては、シール部５３をゴム材料（例えばＥＰＤＭ）で構成した例を示したが、ゴム材料以外の弾性材料を用いてシール部を構成することもできる。かかる場合においても、水素供給流路２２内のガス温度がシール部の硬化温度を上回るようにインジェクタ２８の開閉動作を制御することにより、前記実施形態と同様の作用効果を得ることが可能となる。

また、以上の実施形態においては、温度センサ４２を用いて水素供給流路２２内のガス温度を検出した例を示したが、圧力センサ２１ａで検出した水素供給源２１内のガス圧に基づいて水素供給流路２２内のガス温度を推定することもできるため、温度センサ４２を省くこともできる。このようにすると、燃料電池システム１の製造コストを節減することが可能となる。

また、以上の実施形態においては、燃料電池車両に搭載される燃料電池システム１に本発明を適用した例を示したが、他の異なる構成を有するガス供給システムに本発明を適用することができる。例えば、圧縮天然ガス（ＣＮＧ）自動車に搭載されるガス供給システム（ガス供給源としての天然ガスタンクを備え、ガス消費部としての内燃機関へと天然ガスを供給するもの）に本発明を適用することもできる。

また、以上の実施形態においては、燃料電池システム（ガス供給システム）を燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（例えばロボット、船舶、航空機、電車等）に燃料電池システムを搭載することもできる。また、燃料電池システム（ガス供給システム）を、建物（例えば住宅、ビル、工場等）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してもよい。

本発明の実施形態に係るガス供給システム（燃料電池システム）の構成図である。 図１に示すガス供給システムのインジェクタの断面図である。

符号の説明

１…燃料電池システム（ガス供給システム）、２…燃料電池（ガス消費部）、５…制御部（ガス温度推定手段、制御手段）、２１…水素供給源（ガス供給源、高圧タンク）、２１ａ…圧力センサ（ガス温度推定手段）、２２…水素供給流路（ガス供給流路）、２８…インジェクタ（開閉弁）、４２…温度センサ（ガス温度検出手段）、５０…弁座、５２…弁体、５３…シール部。

Claims (5)

1. ガス供給源と、前記ガス供給源からガス消費部へとガスを供給するためのガス供給流路と、前記ガス供給流路の上流側のガス状態を調整して下流側に供給するインジェクタと、前記ガス供給源から放出されるガスの温度を推定するガス温度推定手段と、前記ガス温度推定手段で推定されるガス温度が所定温度を上回るように前記インジェクタの開閉動作を制御する制御手段と、を備えるガス供給システムにおいて、
   前記インジェクタは、弁座及び／又は弁体に設けられたシール部を有しており、
   前記所定温度は、前記シール部が硬化する温度であり、
   前記制御手段は、前記ガス温度推定手段で推定される前記ガス温度が前記所定温度以下である場合に、前記インジェクタからのガス噴射量を低減させ、前記ガス温度が前記所定温度を上回るまでガス噴射量の低減を継続し、前記所定温度を上回る温度まで前記ガス温度が上昇した段階で通常の制御に戻る、
   ガス供給システム。
2. 前記ガス供給源は、高圧タンクであり、
   前記ガス温度推定手段は、前記高圧タンクの内部のガス圧に基づいてガスの温度を推定するものである、
   請求項１に記載のガス供給システム。
3. 前記シール部は、ゴム材料から構成されるものであり、
   前記所定温度は、前記ゴム材料のガラス転移温度である、
   請求項１又は２に記載のガス供給システム。
4. 前記ガス供給源としての水素タンクを備え、前記ガス消費部としての燃料電池へと燃料ガスを供給するものである、
   請求項１から３の何れか一項に記載のガス供給システム。
5. 前記ガス供給源としての天然ガスタンクを備え、前記ガス消費部としての内燃機関へと天然ガスを供給するものである、
   請求項１から３の何れか一項に記載のガス供給システム。

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