JP6699566B2

JP6699566B2 - Fuel cell system

Info

Publication number: JP6699566B2
Application number: JP2017002620A
Authority: JP
Inventors: 森　和也; 森　　和也
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-01-11
Filing date: 2017-01-11
Publication date: 2020-05-27
Anticipated expiration: 2037-01-11
Also published as: JP2018113154A

Description

本発明は、複数の燃料タンクと、燃料タンク毎に設けたバルブと、燃料電池スタックとを備える燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system including a plurality of fuel tanks, a valve provided for each fuel tank, and a fuel cell stack.

従来より、燃料電池車等に用いられる燃料電池システムとして、発電機器である燃料電池スタックに供給する燃料を貯留する燃料タンクを複数個備える燃料電池システムがある。この燃料電池システムでは、燃料タンク毎に燃料の供給を開放又は遮断するためのバルブ（タンクシャットバルブ）が設けられる。安全性および利便性の観点から、当該バルブは個別に制御できるように構成される。他方、燃料電池スタックに複数の燃料タンクを接続する場合、燃料の供給を開始する際、複数のバルブをそれぞれ異なるタイミングで開弁すると、バルブ等の機器に過度の逆圧がかかるため、同一系統の複数のバルブは同時開弁することが必要である。 BACKGROUND ART Conventionally, as a fuel cell system used in a fuel cell vehicle or the like, there is a fuel cell system including a plurality of fuel tanks that store fuel to be supplied to a fuel cell stack that is a power generation device. In this fuel cell system, a valve (tank shut valve) for opening or shutting off the supply of fuel is provided for each fuel tank. From the viewpoint of safety and convenience, the valves are configured to be individually controllable. On the other hand, when connecting multiple fuel tanks to the fuel cell stack, opening multiple valves at different timings when starting fuel supply causes excessive back pressure on devices such as valves. It is necessary to open multiple valves simultaneously.

特許文献１には、複数の燃料電池サブシステムを備える燃料電池システムであって、各燃料電池サブシステムは、燃料電池スタックと、燃料タンクと、燃料タンクに連結された燃料ガス供給路と、燃料ガス供給路内に配置された圧力調節弁と、燃料タンクに連結された燃料ガス充填路とを備え、各燃料ガス充填路が共通の燃料ガス充填口に連結され、圧力調節弁上流の各燃料ガス供給路と互いに連通する連通路を更に備える燃料電池システムが記載されている。特許文献１には、複数の水素ガスタンクから燃料電池スタックに水素ガスを供給する際に、水素ガスタンクごとに設けた遮断弁を同時に開弁することが開示されている。 Patent Document 1 discloses a fuel cell system including a plurality of fuel cell subsystems, each fuel cell subsystem including a fuel cell stack, a fuel tank, a fuel gas supply path connected to the fuel tank, and a fuel. A fuel pressure control valve disposed in the gas supply channel and a fuel gas charging channel connected to the fuel tank are provided, and each fuel gas charging channel is connected to a common fuel gas charging port, and each fuel upstream of the pressure control valve is connected. A fuel cell system is further described, which further comprises a communication passage communicating with a gas supply passage. Patent Document 1 discloses that when hydrogen gas is supplied from a plurality of hydrogen gas tanks to a fuel cell stack, a shutoff valve provided for each hydrogen gas tank is simultaneously opened.

特開２０１６−８１７２４号公報JP, 2016-81724, A

しかしながら、燃料電池システムにおいて、燃料タンクにおけるバルブの開弁には瞬時に大きなエネルギーを要するところ、複数の燃料タンクを備える燃料電池システムにおいて複数のバルブを同時に開弁するとなれば、そのバルブの数、即ち燃料タンクの本数に応じて多大なエネルギーを必要とする。 However, in a fuel cell system, opening a valve in a fuel tank requires a large amount of energy instantaneously. Therefore, in a fuel cell system including a plurality of fuel tanks, if a plurality of valves are to be opened simultaneously, the number of valves, That is, a large amount of energy is required according to the number of fuel tanks.

本発明の目的は、燃料電池システム内の機器に過度の逆圧をかけることなく、燃料タンクから発電機器への燃料の供給を開始する際のバルブの開弁にかかる瞬時消費電力を低減することができる燃料電池システムを提供することにある。 An object of the present invention is to reduce the instantaneous power consumption required to open the valve when starting the supply of fuel from the fuel tank to the power generation device without applying excessive back pressure to the device in the fuel cell system. It is to provide a fuel cell system capable of

本発明は、複数の燃料タンクからの燃料をバルブ系統を介して並列的に合流して燃料電池スタックに供給する燃料電池システムであって、前記バルブ系統は、各燃料タンクの供給路を開閉するためにそれぞれ設けられた一次バルブを含み、前記燃料タンクおよび前記供給路ならびに前記一次バルブからなる列を複数列含むサブシステムを複数構成するように区分けされ、前記サブシステム毎に全ての前記一次バルブの出力路を互いに接続し、各サブシステムの互いに接続された前記一次バルブの出力路はそれぞれ二次バルブを介して前記燃料電池スタックに接続され、燃料電池システムは更にバルブ制御装置を備え、前記バルブ制御装置は、前記一次バルブおよび前記二次バルブが全て閉状態であるときに前記一次バルブを前記サブシステム毎に同時に、かつ前記サブシステム間では順次異なるタイミングで開制御し、次に全ての前記一次バルブが開状態であるときに全ての前記二次バルブを同時に開制御する、燃料電池システムに関する。 The present invention is a fuel cell system in which fuels from a plurality of fuel tanks are merged in parallel via a valve system and supplied to a fuel cell stack, and the valve system opens and closes a supply path of each fuel tank. It includes a primary valve provided respectively for the front Symbol fuel tank and columns consisting of the supply passage and the primary valve is divided a plurality Retsu含Musa blanking system to multiple configurations, all for each of the sub-system connect the output path of the primary valve to each other, the output path of the primary valve connected to each other for each sub-system is connected to the fuel cell stack via respective secondary valve, the fuel cell system further valve controller wherein the valve control device, the primary valve and the secondary valve are all simultaneously the primary valve when in the closed state for each of the sub-systems, and opening control to sequentially different timings between the subsystems, Next, the present invention relates to a fuel cell system in which all the secondary valves are simultaneously controlled to be open when all the primary valves are open.

本発明の他の態様では、前記一次バルブは電流を流したときに開状態となるノーマルクローズ弁であり、前記二次バルブは電流を流したときに閉状態となるノーマルオープン弁である、燃料電池システムに関する。 In another aspect of the present invention, the primary valve is a normally closed valve that is opened when an electric current is applied, and the secondary valve is a normally open valve that is closed when an electric current is applied. Regarding battery system.

本発明によれば、燃料電池システム内の機器に過度の逆圧をかけることなく、燃料タンクから発電機器への燃料の供給を開始する際のバルブの開弁にかかる瞬時電力を低減した燃料電池システムを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell which reduced the instantaneous electric power required for the valve opening at the time of starting the supply of the fuel from a fuel tank to a power generation equipment, without applying an excessive back pressure to the equipment in a fuel cell system. A system can be provided.

第１バルブがノーマルクローズ弁であり、第２バルブがノーマルオープン弁であることにより、燃料供給時にタンクシャットバルブの開弁状態を維持する維持電力を低減した燃料電池システムを提供することができる。 Since the first valve is the normally closed valve and the second valve is the normally open valve, it is possible to provide the fuel cell system in which the maintenance power for maintaining the open state of the tank shut valve at the time of fuel supply is reduced.

本発明に係る実施形態の燃料電池システムの一例を示す概略構成図である。It is a schematic structure figure showing an example of a fuel cell system of an embodiment concerning the present invention. 従来の燃料電池システムを示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the conventional fuel cell system. 本発明に係る実施形態の燃料電池システムにより燃料供給を開始する処理を示すフローチャートである。It is a flow chart which shows processing which starts fuel supply by the fuel cell system of an embodiment concerning the present invention.

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図１は、本実施形態に係る燃料電池システム１０の一例を示す概略構成図である。図１に示す燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１４、複数の燃料タンク１６、バルブ系統１８、および、バルブ制御装置４０を備える。本実施形態に係る燃料電池システム１０は、例えば燃料電池車両等に搭載される。 FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an example of a fuel cell system 10 according to the present embodiment. The fuel cell system 10 shown in FIG. 1 includes a fuel cell stack 14, a plurality of fuel tanks 16, a valve system 18, and a valve control device 40. The fuel cell system 10 according to the present embodiment is installed in, for example, a fuel cell vehicle.

燃料電池スタック１４は互いに積層された複数の燃料電池単セルを備える発電機器である。燃料電池単セルでは、例えば、セパレータ、水素極、電解質膜および酸素極をこの順に積層させた構造を有し、燃料電池単セルに供給される燃料である水素ガスと空気に含まれる酸素とで電気化学反応（Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻，（１／２）Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ）が起こることにより、電気エネルギーが発生する。電荷担体として水素イオンを用いる方式の燃料電池単セルのみならず、電荷担体として炭酸イオンや酸化物イオンを用いる方式の燃料電池単セルを使用してもよい。燃料電池単セルに供給される燃料は、燃料電池の方式により、メタン等の炭化水素、一酸化炭素等の燃料ガスであってもよい。燃料電池スタック１４には、酸化剤としての空気を燃料電池スタック１４に供給するための空気供給路（図示しない）が連結される。燃料電池スタック１４は、バルブ制御装置４０が出力した信号に応じて車両走行用電動モータ等の電気負荷に電力を供給する。 The fuel cell stack 14 is a power generation device including a plurality of fuel cell unit cells that are stacked on each other. The fuel cell single cell has, for example, a structure in which a separator, a hydrogen electrode, an electrolyte membrane, and an oxygen electrode are laminated in this order, and hydrogen gas as a fuel supplied to the fuel cell single cell and oxygen contained in the air are used. An electrochemical reaction (H ₂ →2H ⁺ +2e ⁻ , (1/2)O ₂ +2H ⁺ +2e ⁻ →H ₂ O) occurs to generate electric energy. Not only the fuel cell single cell using hydrogen ions as charge carriers but also the fuel cell single cell using carbonate ions or oxide ions as charge carriers may be used. The fuel supplied to the fuel cell unit cell may be a hydrocarbon such as methane or a fuel gas such as carbon monoxide depending on the method of the fuel cell. An air supply path (not shown) for supplying air as an oxidant to the fuel cell stack 14 is connected to the fuel cell stack 14. The fuel cell stack 14 supplies electric power to an electric load such as an electric motor for traveling the vehicle according to a signal output by the valve control device 40.

燃料タンク１６は多量の燃料ガスを貯留するように高圧に耐え得る構造を有する。燃料タンク１６内には、燃料ガスとして、例えば、水素ガス、メタン等の炭化水素、一酸化炭素等が貯留される。燃料タンク１６は、燃料タンク１６の本数に応じて分岐した燃料充填路（図示せず）を介して、外部から燃料タンク１６に燃料を充填するための燃料充填口（図示せず）と連結される。燃料充填路には、例えば燃料の流れを燃料充填口から燃料タンク１６への向きに制限する逆止弁（図示せず）を燃料タンク１６毎に設けてもよい。 The fuel tank 16 has a structure capable of withstanding high pressure so as to store a large amount of fuel gas. As the fuel gas, for example, hydrogen gas, hydrocarbons such as methane, carbon monoxide, and the like are stored in the fuel tank 16. The fuel tank 16 is connected to a fuel filling port (not shown) for filling the fuel into the fuel tank 16 from the outside via a fuel filling path (not shown) branched according to the number of the fuel tanks 16. It A check valve (not shown) that restricts the flow of fuel in the direction from the fuel filling port to the fuel tank 16 may be provided in each fuel tank 16 in the fuel filling passage.

複数の燃料タンク１６からの燃料は、バルブ系統１８を介して並列的に合流して燃料電池スタック１４に供給される。バルブ系統１８は、供給路２０、一次バルブ２２、一次バルブ２２の出力路２４、二次バルブ２６、二次バルブの出力路２８、出力路２４に設けられた逆止弁３０、出力路２８に設けられた逆止弁３２を備える。 Fuel from the plurality of fuel tanks 16 merges in parallel via the valve system 18 and is supplied to the fuel cell stack 14. The valve system 18 includes a supply path 20, a primary valve 22, an output path 24 of the primary valve 22, a secondary valve 26, an output path 28 of the secondary valve, a check valve 30 provided in the output path 24, and an output path 28. The check valve 32 is provided.

バルブ系統１８は、全ての燃料タンク１６と共に、サブシステム１２Ａおよび１２Ｂに区分けされる。サブシステム１２Ａおよび１２Ｂは、燃料タンク１６、供給路２０および一次バルブ２２からなる列を複数列含む。また、サブシステム１２Ａおよび１２Ｂは、一次バルブ２２の出力路２４、二次バルブ２６、二次バルブ２６の出力路２８、出力路２４に設けられた逆止弁３０、出力路２８に設けられた逆止弁３２を含む。図１に示すサブシステム１２Ａおよび１２Ｂは同等の構成を有することから、特に区別しない場合は、サブシステム１２と記載する。 The valve system 18 is divided into subsystems 12A and 12B together with all the fuel tanks 16. The subsystems 12A and 12B include a plurality of rows of the fuel tank 16, the supply passage 20, and the primary valve 22. The subsystems 12A and 12B are provided in the output passage 24 of the primary valve 22, the secondary valve 26, the output passage 28 of the secondary valve 26, the check valve 30 provided in the output passage 24, and the output passage 28. A check valve 32 is included. Since the subsystems 12A and 12B shown in FIG. 1 have the same configuration, the subsystems 12A and 12B are referred to as the subsystem 12 unless otherwise specified.

バルブ系統１８は、サブシステム１２毎に一次バルブ２２の出力路２４を互いに接続する。各サブシステム１２において互いに接続された一次バルブ２２の出力路２４はそれぞれが二次バルブ２６を介して燃料電池スタック１４に接続される。また、バルブ系統１８は、二次バルブ２６の出力路２８を互いに接続する。互いに接続された二次バルブ２６の出力路２８は燃料電池スタック１４に接続される。 The valve system 18 connects the output paths 24 of the primary valves 22 to each other for each subsystem 12. The output passages 24 of the primary valves 22 connected to each other in each subsystem 12 are connected to the fuel cell stack 14 via the secondary valves 26. Further, the valve system 18 connects the output paths 28 of the secondary valves 26 to each other. The output path 28 of the secondary valves 26 connected to each other is connected to the fuel cell stack 14.

一次バルブ２２は燃料タンク１６の供給路２０を開閉するために燃料タンク１６毎に設けられる。一次バルブ２２は、電流のオン／オフによって開閉を行う電磁弁であり、一次バルブ２２の開閉は、バルブ制御装置４０からの出力信号によって個別に制御される。本実施形態に係る燃料電池システム１０では、供給路２０および一次バルブ２２が一体化されて燃料タンク１６と接続した構成を有してもよい。これにより、燃料電池システム１０における接合部の信頼性および安全性が向上する。 The primary valve 22 is provided for each fuel tank 16 to open and close the supply passage 20 of the fuel tank 16. The primary valve 22 is an electromagnetic valve that opens and closes by turning on/off a current, and the opening/closing of the primary valve 22 is individually controlled by an output signal from the valve control device 40. The fuel cell system 10 according to the present embodiment may have a configuration in which the supply passage 20 and the primary valve 22 are integrated and connected to the fuel tank 16. This improves the reliability and safety of the joint in the fuel cell system 10.

二次バルブ２６は、互いに接続された一次バルブ２２の出力路２４を開閉するために、サブシステム１２毎に設けられる。一次バルブ２２と同様に、二次バルブ２６は電流のオン／オフによって開閉を行う電磁弁であって、二次バルブ２６の開閉は、バルブ制御装置４０からの出力信号によって個別に制御される。 The secondary valve 26 is provided for each subsystem 12 in order to open and close the output path 24 of the primary valves 22 connected to each other. Similar to the primary valve 22, the secondary valve 26 is an electromagnetic valve that opens and closes by turning on/off a current, and the opening/closing of the secondary valve 26 is individually controlled by an output signal from the valve control device 40.

バルブ系統１８では、一次バルブ２２の出力路２４に一次バルブ２２毎に逆止弁３０が設けられると共に、二次バルブ２６の出力路２８に二次バルブ２６毎に逆止弁３２が設けられる。逆止弁３０および３２は、バルブ系統１８を流れる燃料の流れを燃料タンク１６から燃料電池スタック１４へ向かう向きに制限し、逆流を防止する。 In the valve system 18, a check valve 30 is provided in the output passage 24 of the primary valve 22 for each primary valve 22, and a check valve 32 is provided in the output passage 28 of the secondary valve 26 for each secondary valve 26. The check valves 30 and 32 limit the flow of fuel flowing through the valve system 18 in the direction from the fuel tank 16 toward the fuel cell stack 14, and prevent backflow.

バルブ制御装置４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータ等により構成される。バルブ制御装置４０は、ＲＯＭ等に格納されるプログラムを実行することにより、一次バルブ２２および二次バルブ２６を開閉させる指示信号を送信する。バルブ制御装置４０は、燃料電池システム１０の始動指令を受けると、一次バルブ２２および二次バルブ２６に指示信号を送信してそれらを開弁する開制御を行う。これにより、燃料タンク１６に貯留された燃料が燃料電池スタック１４に供給される。また、バルブ制御装置４０は、燃料電池システム１０の停止指令を受けると、一次バルブ２２および二次バルブ２６に指示信号を送信してそれらを閉弁する閉制御を行い、燃料電池スタック１４への燃料の供給を停止する。このようにして、バルブ制御装置４０は燃料電池システム１０による電力の供給を制御する。 The valve control device 40 is configured by a well-known microcomputer including a CPU, a ROM, a RAM, and the like. The valve control device 40 transmits a command signal for opening and closing the primary valve 22 and the secondary valve 26 by executing a program stored in the ROM or the like. When the valve control device 40 receives the start command for the fuel cell system 10, the valve control device 40 transmits an instruction signal to the primary valve 22 and the secondary valve 26 to perform open control for opening them. As a result, the fuel stored in the fuel tank 16 is supplied to the fuel cell stack 14. In addition, when the valve control device 40 receives a stop command for the fuel cell system 10, the valve control device 40 transmits an instruction signal to the primary valve 22 and the secondary valve 26 to perform a closing control to close them, and to the fuel cell stack 14. Stop fuel supply. In this way, the valve control device 40 controls the supply of electric power by the fuel cell system 10.

本実施形態に係る燃料電池システム１０における一次バルブ２２および二次バルブ２６の開閉弁の制御について、燃料タンク１６から燃料電池スタック１４への燃料の供給を開始する場合を例にして説明する。 The control of the opening/closing valves of the primary valve 22 and the secondary valve 26 in the fuel cell system 10 according to the present embodiment will be described by taking the case where the supply of fuel from the fuel tank 16 to the fuel cell stack 14 is started as an example.

本実施形態に係る燃料電池システム１０では、バルブ制御装置４０は、一次バルブ２２および二次バルブ２６が全て閉状態であるときに、一次バルブ２２をサブシステム１２毎に順次異なるタイミングで同時に開制御する。このバルブ制御装置４０による一次バルブ２２の開制御は、一次バルブ２２および二次バルブ２６が全て閉状態であるときから開始され、サブシステム１２毎に順次まとめて行われる。即ち、同じサブシステム１２に属する一次バルブ２２は全て同時に開制御され、異なるサブシステム１２に属する一次バルブ２２は異なるタイミングで開制御される。図１に示す燃料電池システム１０の例では、一次バルブ２２および二次バルブ２６が全て閉弁した状態から、まずはサブシステム１２Ａに含まれる全ての一次バルブ２２を同時に開弁し、次いで、サブシステム１２Ｂに含まれる全ての一次バルブ２２を同時に開弁するよう、制御装置４０は一次バルブ２２を制御する。この一次バルブ２２の開制御の結果、全ての一次バルブ２２は開状態となる。バルブ制御装置４０は、次に、全ての一次バルブ２２が開状態であるときに全ての二次バルブ２６を同時に開制御する。バルブ制御装置４０は、このような一次バルブ２２および二次バルブ２６の開制御により、全ての燃料タンク１６に貯留された燃料をバルブ系統１８を介して燃料電池スタック１４に同時に供給する。 In the fuel cell system 10 according to the present embodiment, the valve control device 40 controls the primary valves 22 to be simultaneously opened at different timings for each subsystem 12 when the primary valves 22 and the secondary valves 26 are all closed. To do. The opening control of the primary valve 22 by the valve control device 40 starts when the primary valve 22 and the secondary valve 26 are all in the closed state, and is sequentially performed collectively for each subsystem 12. That is, all the primary valves 22 belonging to the same subsystem 12 are controlled to be opened simultaneously, and the primary valves 22 belonging to different subsystems 12 are controlled to be opened at different timings. In the example of the fuel cell system 10 shown in FIG. 1, all the primary valves 22 included in the subsystem 12A are simultaneously opened from the state where the primary valve 22 and the secondary valve 26 are all closed, and then the subsystem is The controller 40 controls the primary valves 22 so that all the primary valves 22 included in 12B are simultaneously opened. As a result of this opening control of the primary valves 22, all the primary valves 22 are in the open state. The valve control device 40 then simultaneously controls the opening of all the secondary valves 26 when all the primary valves 22 are open. The valve control device 40 simultaneously supplies the fuel stored in all the fuel tanks 16 to the fuel cell stack 14 via the valve system 18 by controlling the opening of the primary valve 22 and the secondary valve 26.

本実施形態に係る燃料電池システム１０の利点、特に、バルブ制御装置４０による一次バルブ２２および二次バルブ２６の開制御の利点について、図２に示す従来の燃料電池システム５０の一例と対比しながら説明する。なお、燃料電池システム５０につき、燃料電池システム１０と同等の機能を有する部材には同一の符号を付している。 The advantages of the fuel cell system 10 according to the present embodiment, particularly the advantages of the opening control of the primary valve 22 and the secondary valve 26 by the valve control device 40 are compared with an example of the conventional fuel cell system 50 shown in FIG. explain. In the fuel cell system 50, members having the same functions as those of the fuel cell system 10 are designated by the same reference numerals.

図２に示す燃料電池システム５０は、燃料電池スタック１４、複数の燃料タンク１６、バルブ系統５２、および、バルブ制御装置４０を備える。バルブ系統５２は、燃料タンク１６、供給路２０およびバルブ５４からなる列を複数列含み、更に、バルブ５４の出力路５６、出力路５６にバルブ５４毎に設けられた逆止弁３０を含む。バルブ系統５２は、バルブ５４の出力路５６を互いに接続し、互いに接続されたバルブ５４の出力路５６は燃料電池スタック１４に接続される。バルブ５４は、燃料タンク１６の供給路２０を開閉するために燃料タンク１６毎に設けられ、電流のオン／オフによって開閉を行う電磁弁である。バルブ制御装置４０は、バルブ５４を開閉させる指示信号を送信する。 The fuel cell system 50 shown in FIG. 2 includes a fuel cell stack 14, a plurality of fuel tanks 16, a valve system 52, and a valve control device 40. The valve system 52 includes a plurality of rows including the fuel tank 16, the supply passage 20 and the valve 54, and further includes an output passage 56 of the valve 54 and a check valve 30 provided in the output passage 56 for each valve 54. The valve system 52 connects the output paths 56 of the valves 54 to each other, and the output paths 56 of the valves 54 connected to each other are connected to the fuel cell stack 14. The valve 54 is a solenoid valve that is provided for each fuel tank 16 to open and close the supply passage 20 of the fuel tank 16 and that opens and closes by turning on/off the current. The valve control device 40 transmits an instruction signal for opening and closing the valve 54.

燃料電池システム５０において、燃料電池スタック１４に燃料の供給を開始する際、一部のバルブ５４を残りのバルブ５４に先行して開弁すると、開弁しなかったバルブ５４の出力路５６に設けた逆止弁３０に過度の逆圧がかかり、燃料電池システム５０の劣化の原因となる。また、図２に示す燃料電池システム５０では、一部のバルブ５４を先に開弁すると、バルブ５４の開弁によって供給路２０が開状態となった燃料タンク１６に貯留された燃料の消費が先行するため、燃料電池システム５０による電力の供給と停止を繰り返すうちに、燃料タンク１６間で燃料の充填圧力および充填率に不均衡が生じる可能性がある。そのため、燃料電池システム５０における全てのバルブ５４の同時開弁が行われる。 In the fuel cell system 50, when the supply of fuel to the fuel cell stack 14 is started, if some valves 54 are opened prior to the remaining valves 54, they are provided in the output path 56 of the valves 54 that did not open. Further, excessive check pressure is applied to the check valve 30, which causes deterioration of the fuel cell system 50. Further, in the fuel cell system 50 shown in FIG. 2, if some valves 54 are opened first, the fuel stored in the fuel tank 16 whose supply path 20 is opened due to the opening of the valves 54 is consumed. Since it is precedent, there is a possibility that the fuel filling pressure and the fuel filling ratio between the fuel tanks 16 become imbalanced while the power supply and the stop of the fuel cell system 50 are repeated. Therefore, all the valves 54 in the fuel cell system 50 are simultaneously opened.

しかしながら、バルブ５４の開弁には瞬時に大きなエネルギーを要し、全てのバルブ５４の同時開弁を実施するためには、バルブ５４の数に応じた多大なエネルギーがかかる。例えば、バルブ５４を開閉するための電力を供給する回路において、複数のバルブ５４を直列に接続する場合、高電圧電源を用いることにより少ない電流で同時開弁を実施できるが、高電圧電源を使用できなければ、バルブ５４が開弁できないおそれがある。他方、複数のバルブ５４を並列に接続する場合は、低電圧電源による開弁が可能となるが、同時開弁するとなればバルブ５４の数に応じて大電源の使用或いは電源の数を増やす等して電流を増加せざるを得ず、電源およびリレー等の機器による重量、占有体積およびコストの増加が避けられない。したがって、特に、大型車両等、燃料タンク１６の本数が多いシステムでは、燃料タンク１６毎に設けたバルブ５４の全ての同時開弁の実現は困難である。 However, a large amount of energy is instantly required to open the valves 54, and in order to simultaneously open all the valves 54, a large amount of energy is required according to the number of the valves 54. For example, when a plurality of valves 54 are connected in series in a circuit that supplies electric power for opening and closing the valves 54, a high voltage power supply can be used to perform simultaneous valve opening with less current, but a high voltage power supply is used. Otherwise, the valve 54 may not open. On the other hand, when a plurality of valves 54 are connected in parallel, the valves can be opened by a low-voltage power source, but if they are opened simultaneously, use of a large power source or increase the number of power sources according to the number of valves 54, etc. Therefore, it is unavoidable to increase the current, and it is inevitable that the weight of the power source, the relay, and the like, the occupied volume, and the cost are increased. Therefore, particularly in a system having a large number of fuel tanks 16 such as a large vehicle, it is difficult to realize simultaneous opening of all the valves 54 provided for each fuel tank 16.

それに対して、本実施形態に係る燃料電池システム１０では、バルブ制御装置４０が一次バルブ２２および二次バルブ２６に対して上記の開制御を行う。これにより、一次バルブ２２および二次バルブ２６が全て閉弁した状態から、サブシステム１２Ａの一次バルブ２２が開弁されるため、サブシステム１２Ｂの逆止弁３０には過度の逆圧はかからない。同じサブシステム１２に属する一次バルブ２２は一斉に開弁するため、一次バルブ２２の出力路２４に設けた逆止弁３０に過度の逆圧はかからない。異なるサブシステム１２に属する一次バルブ２２は異なるタイミングで開弁するため、一次バルブ２２の開弁に必要な瞬時消費電力を抑制することができる。そして、全ての一次バルブ２２が開状態であるときに全ての二次バルブ２６を同時に開弁するため、二次バルブ２６の出力路２８に設けた逆止弁３２には過度の逆圧はかからない。よって、本実施形態に係る燃料電池システム１０では、燃料電池システム１０内の機器に過度の逆圧をかけることなく、燃料タンク１６から燃料電池スタック１４への燃料の供給を開始する際の一次バルブ２２および二次バルブ２６の開弁にかかる瞬時消費電力を低減することができる。さらに、一部の燃料タンク１６における燃料の先行消費を抑え、燃料タンク１６間で燃料の充填圧力および充填率の不均衡を抑制することができる。 On the other hand, in the fuel cell system 10 according to the present embodiment, the valve control device 40 performs the above-mentioned opening control on the primary valve 22 and the secondary valve 26. As a result, the primary valve 22 of the subsystem 12A is opened from the state where the primary valve 22 and the secondary valve 26 are all closed, so that the check valve 30 of the subsystem 12B is not subjected to excessive back pressure. Since the primary valves 22 belonging to the same subsystem 12 are opened all at once, the check valve 30 provided in the output passage 24 of the primary valve 22 is not subjected to excessive back pressure. Since the primary valves 22 belonging to different subsystems 12 open at different timings, it is possible to suppress the instantaneous power consumption required for opening the primary valves 22. Further, since all the secondary valves 26 are simultaneously opened when all the primary valves 22 are in the open state, the check valve 32 provided in the output passage 28 of the secondary valve 26 does not receive an excessive back pressure. . Therefore, in the fuel cell system 10 according to the present embodiment, the primary valve for starting the fuel supply from the fuel tank 16 to the fuel cell stack 14 without applying excessive back pressure to the devices in the fuel cell system 10. It is possible to reduce the instantaneous power consumption required to open the valve 22 and the secondary valve 26. Further, it is possible to suppress the preceding consumption of the fuel in some of the fuel tanks 16 and to suppress the imbalance of the fuel filling pressure and the filling rate between the fuel tanks 16.

例えば、図１に示す燃料電池システム１０における一次バルブ２２および二次バルブ２６、並びに、図２に示す燃料電池システム５０におけるバルブ５４として、開弁に５Ａ（アンペア）の電流を要し、開状態の維持に１Ａの電流を要するノーマルクローズ弁の使用を想定する。この場合、図２に示す燃料電池システム５０では、全てのバルブ５４の同時開弁に合計で５Ａ×６個＝３０Ａの電流が必要となる。それに対して、図１に示す燃料電池システム１０では、電流が最大となるのはサブシステム１２Ａの一次バルブ２２の全てを同時開弁する時であり、このときの電流値は合計で５Ａ×３＝１５Ａである。よって、本実施形態に係る燃料電池システム１０では、同じ本数の燃料タンク１６を備え、且つ、システム内の機器を保護しながら、燃料の供給を開始する際の一次バルブ２２および二次バルブ２６の開弁にかかる瞬時消費電力を低減することができる。 For example, as the primary valve 22 and the secondary valve 26 in the fuel cell system 10 shown in FIG. 1 and the valve 54 in the fuel cell system 50 shown in FIG. 2, a current of 5 A (ampere) is required to open the valve, and the valve is in the open state. Assume the use of a normally closed valve that requires a current of 1A to maintain. In this case, in the fuel cell system 50 shown in FIG. 2, a total current of 5A×6=30A is required to open all the valves 54 simultaneously. On the other hand, in the fuel cell system 10 shown in FIG. 1, the current becomes maximum when all the primary valves 22 of the subsystem 12A are simultaneously opened, and the current value at this time is 5A×3 in total. =15A. Therefore, in the fuel cell system 10 according to the present embodiment, the same number of fuel tanks 16 are provided, and the primary valves 22 and the secondary valves 26 at the time of starting the fuel supply while protecting the devices in the system. Instantaneous power consumption for opening the valve can be reduced.

図３は、図１に示す燃料電池システム１０において、バルブ制御装置４０が一次バルブ２２および二次バルブ２６を開制御して燃料電池スタック１４への燃料供給を開始する処理の流れを示すフローチャートである。以下、図１を参照しつつ、図３のフローチャートの各ステップについて説明する。 FIG. 3 is a flowchart showing a flow of processing in which the valve control device 40 controls the opening of the primary valve 22 and the secondary valve 26 in the fuel cell system 10 shown in FIG. 1 to start fuel supply to the fuel cell stack 14. is there. Hereinafter, each step of the flowchart of FIG. 3 will be described with reference to FIG.

バルブ制御装置４０は、燃料電池システム１０の始動指令を受けて、燃料供給開始処理を行う。ステップＳ１０２では、全ての一次バルブ２２が閉状態にあることを確認する。前回の燃料供給を終了する際に全ての一次バルブ２２が閉弁されているため、燃料供給開始処理前は、通常、全ての一次バルブ２２が閉状態にある。 The valve control device 40 receives the start command of the fuel cell system 10 and performs a fuel supply start process. In step S102, it is confirmed that all the primary valves 22 are closed. Since all the primary valves 22 are closed at the time of ending the previous fuel supply, all the primary valves 22 are normally in the closed state before the fuel supply start process.

ステップＳ１０４では、全ての二次バルブ２６が閉状態にあるか否かを判定する。ステップＳ１０４で全ての二次バルブ２６が閉状態にない、即ち、二次バルブ２６のいずれかが開状態にあると判定されれば、ステップＳ１０６に進む。ステップＳ１０６では、開状態にある二次バルブ２６を閉弁し、その後ステップＳ１０８に進む。ステップＳ１０４で全ての二次バルブ２６が閉状態にあると判定されれば、ステップＳ１０８に進む。 In step S104, it is determined whether or not all the secondary valves 26 are in the closed state. If it is determined in step S104 that all the secondary valves 26 are not closed, that is, any of the secondary valves 26 is open, the process proceeds to step S106. In step S106, the secondary valve 26 in the open state is closed, and then the process proceeds to step S108. If it is determined in step S104 that all the secondary valves 26 are closed, the process proceeds to step S108.

ステップＳ１０８では、サブシステム１２Ａの一次バルブ２２を全て同時に開弁する。次いで、ステップＳ１１０では、サブシステム１２Ｂの一次バルブ２２を全て同時に開弁する。ステップＳ１０８およびＳ１１０によって、一次バルブ２２をサブシステム１２毎に順次異なるタイミングで同時に開弁した結果、燃料電池システム１０内の一次バルブ２２の全てが開状態となる。次いで、ステップＳ１１２に進み、全ての二次バルブ２６を同時に開弁する。その結果、燃料電池システム１０において、一次バルブ２２および二次バルブ２６がいずれも開状態となり、燃料タンク１６から燃料電池スタック１４へと燃料が供給され、燃料電池システム１０から電力が供給される。バルブ制御装置４０は、燃料電池システム１０における燃料供給開始処理を終了し、燃料電池システム１０における燃料供給を維持する処理に移行する。 In step S108, all the primary valves 22 of the subsystem 12A are simultaneously opened. Next, in step S110, all the primary valves 22 of the subsystem 12B are simultaneously opened. As a result of the steps S108 and S110 simultaneously opening the primary valves 22 for each subsystem 12 at different timings, all the primary valves 22 in the fuel cell system 10 are opened. Next, in step S112, all the secondary valves 26 are simultaneously opened. As a result, in the fuel cell system 10, both the primary valve 22 and the secondary valve 26 are opened, fuel is supplied from the fuel tank 16 to the fuel cell stack 14, and power is supplied from the fuel cell system 10. The valve control device 40 ends the fuel supply start process in the fuel cell system 10 and shifts to the process of maintaining the fuel supply in the fuel cell system 10.

前述した実施形態に係る燃料電池システム１０では、一次バルブ２２は、電流を流したときに開状態となるノーマルクローズ弁であり、二次バルブ２６は、電流を流したときに閉状態となるノーマルオープン弁である。 In the fuel cell system 10 according to the above-described embodiment, the primary valve 22 is a normally closed valve that is opened when an electric current is applied, and the secondary valve 26 is a normally closed valve that is closed when an electric current is applied. It is an open valve.

図１に示す燃料電池システム１０と、図２に示す従来の燃料電池システム５０とは、燃料タンク１６の本数は同じであるが、燃料電池システム１０における一次バルブ２２と二次バルブ２６の総数は、燃料電池システム５０におけるバルブ５４の総数を上回る。燃料電池車両等においては、通常、発電のために燃料電池システムを起動している時間よりも燃料電池システムを停止している時間が短いため、燃料タンクに設けて燃料の開放および遮断を行うバルブとしては、電流を流したときに開状態となるノーマルクローズ弁が用いられる。しかし、図１に示す燃料電池システム１０において、一次バルブ２２および二次バルブ２６の全てにノーマルクローズ弁を用いると、燃料タンク１６から燃料電池スタック１４への燃料の供給時において全バルブの開状態を維持するために、二次バルブ２６の個数分だけ多い維持電力が必要となる。 The fuel cell system 10 shown in FIG. 1 and the conventional fuel cell system 50 shown in FIG. 2 have the same number of fuel tanks 16, but the total number of primary valves 22 and secondary valves 26 in the fuel cell system 10 is , Exceeds the total number of valves 54 in the fuel cell system 50. In a fuel cell vehicle or the like, since the time during which the fuel cell system is stopped is usually shorter than the time during which the fuel cell system is activated for power generation, a valve provided in the fuel tank for opening and shutting off the fuel For this, a normally closed valve that is opened when a current is applied is used. However, in the fuel cell system 10 shown in FIG. 1, if normally closed valves are used for all of the primary valve 22 and the secondary valve 26, all the valves are open when fuel is supplied from the fuel tank 16 to the fuel cell stack 14. In order to maintain the above, the maintenance power as large as the number of the secondary valves 26 is required.

そこで、燃料電池システム１０では、一次バルブ２２として電流を流したときに開状態となるノーマルオープン弁ノーマルクローズ弁を使用し、二次バルブ２６として電流を流したときに閉状態となるノーマルオープン弁を使用することにより、燃料タンク１６から燃料電池スタック１４への燃料の供給時における二次バルブ２６の開弁維持電力が不要となる。また、燃料タンク１６から燃料電池スタック１４への燃料の供給を停止した後は、一次バルブ２２を閉状態にし、且つ、二次バルブ２６を開状態にすることで、燃料電池システム１０の停止時の待機電力は不要となる。このときの停止時の燃料電池システム１０では、燃料タンク１６に近接する一次バルブ２２が閉状態にあるため、安全性も確保されている。 Therefore, in the fuel cell system 10, a normally open valve that is opened when a current is passed is used as the primary valve 22, and a normally open valve that is closed when a current is passed is used as the secondary valve 26. By using, the valve opening maintaining power for the secondary valve 26 when fuel is supplied from the fuel tank 16 to the fuel cell stack 14 becomes unnecessary. In addition, after the supply of fuel from the fuel tank 16 to the fuel cell stack 14 is stopped, the primary valve 22 is closed and the secondary valve 26 is opened to stop the fuel cell system 10. No standby power is required. In the fuel cell system 10 when stopped at this time, the safety is ensured because the primary valve 22 close to the fuel tank 16 is closed.

図１に示す燃料電池システム１０に比較して、燃料タンクの本数が更に増加する場合についても、一次バルブおよび二次バルブの一連の開弁にかかる瞬時消費電力と開状態を維持する維持電力との総計が最小化するように、サブシステムの数および各サブシステムに含まれる燃料タンクの本数を適宜設定すればよい。例えば、燃料タンクを２５本有する燃料電池システムでは、燃料タンク、供給路および一次バルブを含む列を５列有するサブシステムを５つ構築した上で、バルブ制御装置が、一次バルブおよび二次バルブが全て閉状態であるときに一次バルブをサブシステム毎に順次異なるタイミングで同時に開制御し、次に全ての一次バルブが開状態であるときに全ての二次バルブを同時に開制御することで、燃料電池システム内の機器に過度の逆圧をかけることなく、燃料タンクから燃料電池スタックへの燃料の供給開始にかかる瞬時消費電力を低減することができる。 Compared to the fuel cell system 10 shown in FIG. 1, even when the number of fuel tanks further increases, the instantaneous power consumption required for a series of opening of the primary valve and the secondary valve and the maintenance power for maintaining the open state are The number of subsystems and the number of fuel tanks included in each subsystem may be appropriately set so that the total of the above is minimized. For example, in a fuel cell system having 25 fuel tanks, after constructing 5 subsystems having 5 rows including a fuel tank, a supply passage and a primary valve, the valve control device has a primary valve and a secondary valve. When all the primary valves are in the closed state, the primary valves are simultaneously controlled to open simultaneously at different timings, and when all the primary valves are in the open state, all the secondary valves are controlled to be opened simultaneously. It is possible to reduce the instantaneous power consumption required for starting the supply of fuel from the fuel tank to the fuel cell stack without applying excessive back pressure to the devices in the cell system.

また、図１に示す燃料電池システム１０のバルブ系統１８は、サブシステム１２毎に複数の一次バルブ２２と１つの二次バルブ２６とを備えるが、この実施形態に限らず、サブシステム毎に複数の二次バルブおよび三次バルブを更に備える構成を有してもよく、場合により、サブシステム毎に複数の三次バルブおよび四次バルブを更に備える構成を有してもよい。例えば、開弁にかかる瞬時消費電力が大きいバルブを使用する場合、或いは、より高圧の燃料ガスを燃料タンクからバルブ系統に供給する場合等において、サブシステム毎に複数の二次バルブと三次バルブ以上のバルブとを備えるバルブ系統を用いることで、同時に開弁するバルブの数を減らし、燃料タンクから燃料電池スタックへの燃料の供給開始にかかる瞬時消費電力を低減することができる。バルブ系統がサブシステム毎に三次バルブ以上のバルブを更に備える場合、三次バルブ以上のバルブは電流を流したときに閉状態となるノーマルオープン弁であることが好ましい。これにより、二次バルブがノーマルオープン弁である場合と同様に、三次バルブ以上のバルブの開弁維持電力が不要となるためである。 Further, the valve system 18 of the fuel cell system 10 shown in FIG. 1 includes a plurality of primary valves 22 and one secondary valve 26 for each subsystem 12, but the present invention is not limited to this embodiment, and a plurality of subsystems may be provided for each subsystem. The secondary valve and the tertiary valve may be further provided, and in some cases, each subsystem may be provided with a plurality of tertiary valves and quaternary valves. For example, when using a valve that consumes a large amount of instantaneous power consumption to open the valve, or when supplying higher-pressure fuel gas from the fuel tank to the valve system, there are multiple secondary valves and tertiary valves or more for each subsystem. By using the valve system including the valve of (1) and (2), it is possible to reduce the number of valves that are simultaneously opened and reduce the instantaneous power consumption required for starting the supply of fuel from the fuel tank to the fuel cell stack. When the valve system further includes a valve of a tertiary valve or higher for each subsystem, it is preferable that the valve of the tertiary valve or higher is a normally open valve that is closed when a current is applied. This is because, as in the case where the secondary valve is a normally open valve, the valve opening maintenance power for the valves of the tertiary valve and above is unnecessary.

１０，５０燃料電池システム、１２，１２Ａ，１２Ｂサブシステム、１４燃料電池スタック、１６燃料タンク、１８，５２バルブ系統、２０供給路、２２一次バルブ、２４，２８，５６出力路、２６二次バルブ、３０，３２逆止弁、４０バルブ制御装置、５４バルブ。
10,50 Fuel cell system, 12,12A,12B subsystem, 14 Fuel cell stack, 16 Fuel tank, 18,52 Valve system, 20 Supply path, 22 Primary valve, 24,28,56 Output path, 26 Secondary valve , 30, 32 Check valve, 40 Valve control device, 54 valve.

Claims

A fuel cell system for supplying fuel from a plurality of fuel tanks to a fuel cell stack by merging them in parallel via a valve system,
The valve system is
Including a primary valve provided for opening and closing the supply passage of each fuel tank,
Is partitioned columns consisting previous SL fuel tank and said supply path and said primary valve to a plurality configure multiple Retsu含Musa Bed systems,
Connecting the output paths of all the primary valves to each other for each subsystem,
The output path of the primary valve connected to each other for each sub-system is connected to the fuel cell stack via respective secondary valve,
The fuel cell system further includes a valve control device,
The valve control device is
At the same time the primary valve when the primary valve and the secondary valve are all closed for each of the sub-systems, and opening control to sequentially different timings between said subsystems, then all of the primary valve Open control of all the secondary valves at the same time in the open state,
Fuel cell system.

The fuel cell system according to claim 1, wherein the primary valve is a normally closed valve that is opened when an electric current is applied, and the secondary valve is a normally open valve that is closed when an electric current is applied. ..