JP5161430B2

JP5161430B2 - 弁の加熱システム

Info

Publication number: JP5161430B2
Application number: JP2006099735A
Authority: JP
Inventors: 晃一高久; 秀一斗ヶ沢; 航一加藤
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2026-03-31
Also published as: JP2007273376A

Description

本発明は、弁の加熱システムに関する。

固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）等の燃料電池の開発が盛んであり、燃料電池自動車、家庭用の発電システム等に適用されている。このような燃料電池を発電させるために、水素（燃料ガス）と、酸素を含む空気（酸化剤ガス）とを、燃料電池に供給する必要ある。空気はコンプレッサ等よって燃料電池に供給され、水素は水素タンクから燃料電池に供給される。

ここで、水素タンク内の水素が使用されると、水素タンク内に残存する水素が断熱膨張（サイモン膨張）し、水素の温度が低下する。この後、引き続いて水素が流れると、温度低下した水素によって、水素タンクの下流側の遮断弁が冷却される。
そうすると、遮断弁に内蔵されるＯリング等のシール部材も冷却されて低温になり、硬くなる。よって、シール部材が低温の状態で、閉弁指令を受けて遮断弁が閉弁しても、そのシール性が低下しているため、遮断弁が完全に閉じていないおそれがある。

そこで、例えば、減圧弁（遮断弁）を経由するように温水を流通させて、減圧弁を暖める技術が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００４−１５８３７１号公報（００１３〜００２６、図１、図２参照）

このような水素が流通する水素供給系（燃料ガス供給系）に設けられた遮断弁等の弁が、指令に従って、確実に作動するための技術は、更なる向上が望まれている。
そこで、本発明は、燃料ガスタンク（燃料ガス貯蔵容器）と燃料ガス消費機器との間に配置される弁の作動性を確保可能とする弁の加熱システムを提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明は、燃料ガスが高圧で貯蔵された燃料ガスタンクから、弁を介して、燃料ガスを消費する燃料ガス消費機器に、燃料ガスが供給される燃料ガス供給系における前記弁を加熱する加熱システムであって、前記弁を加熱する加熱手段と、前記燃料ガス消費機器が燃料ガスを消費したことに対応する出力に基づいて、前記加熱手段の加熱量を制御する制御手段と、前記燃料ガスタンク内の燃料ガスの実測燃料ガス温度を検出する温度検出手段と、を備え、前記弁は、前記燃料ガスタンクに取り付けられると共に、閉状態を維持するためのシールを備え、開／閉することで燃料ガスを供給／遮断する遮断弁であり、前記制御手段は、実測燃料ガス温度が所定燃料ガス温度以下である場合、前記加熱手段による加熱を実行し、前記所定燃料ガス温度は、前記シールの保証温度よりも高く、かつ、前記燃料ガスタンクの燃料ガスが急速に断熱膨張しても、断熱膨張後の燃料ガスの温度が前記保証温度以上であるように設定されていることを特徴とする弁の加熱システムである。

そして、このような弁の加熱システムによれば、制御手段が、燃料ガス消費機器が燃料ガスを消費したことに対応する燃料ガス消費機器の出力に基づいて、加熱手段の加熱量を制御することができる。すなわち、燃料ガス消費機器が燃料ガスを消費すると、燃料ガス貯蔵容器内の燃料ガスが、その消費量に応じて流出するため、燃料ガス貯蔵容器内の燃料ガスが断熱膨張し、その温度が低下する。その後、この低温の燃料ガスが、燃料貯蔵容器から流出する。一方、制御手段が、燃料ガス消費機器の出力に基づいて、弁を加熱する加熱手段の加熱量を制御し、加熱手段によって弁を加熱する。

したがって、前記した低温の燃料ガスが弁を流通しても、弁の温度が、遮断時のシール性が低下する温度に低下することはなく、弁の遮断性（作動性）は確保される。ゆえに、例えば、この低温の燃料ガスの流通中や流通直後に閉弁指令受けても、弁は燃料ガスの流通を確実に遮断することができる。

また、前記弁の加熱システムにおいて、前記制御手段は、実測燃料ガス温度に基づいて、前記加熱手段の加熱量として当該加熱手段の最大出力に対する第Ａ出力割合を算出し、前記燃料ガス消費機器の出力に基づいて、前記加熱手段の加熱量として当該加熱手段の最大出力に対する第Ｂ出力割合を算出し、前記第Ａ出力割合と前記第Ｂ出力割合との和が１００％以上である場合、前記加熱手段への指令出力を１００％とし、前記第Ａ出力割合と前記第Ｂ出力割合との和が１００％以上でない場合、前記加熱手段への指令出力を前記第Ａ出力割合と前記第Ｂ出力割合との和とすることが好ましい。
また、前記弁の加熱システムにおいて、前記制御手段は、実測燃料ガス温度に基づいて前記第Ａ出力割合を算出する場合、第Ａマップを参照し、前記第Ａマップにおいて、前記保証温度よりも低い所定温度以下の範囲では、前記第Ａ出力割合は１００％、前記所定温度から前記保証温度の範囲では、実測燃料ガス温度が高くなるにつれて、前記第Ａ出力割合が線形的に減少し、前記保証温度以上の範囲では、前記第Ａ出力割合は０％、に設定されていることが好ましい。

本発明によれば、燃料ガスタンク（燃料ガス貯蔵容器）と燃料ガス消費機器との間に配置される弁の作動性を確保可能とする弁の加熱システムを提供することができる。

以下、本発明の一実施形態に係る遮断弁の加熱システムが組み込まれた燃料電池システムについて、図１から図８を参照して説明する。

≪燃料電池システムの構成≫
図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム１は、燃料電池１１０（燃料ガス消費機器）と、燃料電池１１０のアノードに対して水素（燃料ガス）を供給及び排出するアノード系（燃料ガス供給系）と、燃料電池１１０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス）を供給及び排出するカソード系と、燃料電池１１０の発電電力を消費する電力消費系と、アノード系の後記する遮断弁２０を適宜に加熱する加熱手段７０と、温度センサ８１と、これらを電子制御するＥＣＵ９０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を主に備えている。
因みに、燃料電池システム１は、燃料電池自動車（図示しない）に搭載されており、この燃料電池自動車は後記する走行モータ６１を動力源として走行するようになっている。

＜燃料電池＞
燃料電池１１０（燃料電池スタック）は、単セルが複数積層されることによって構成された固体高分子型燃料電池であって、水素（燃料ガス）及び酸素を含む空気（酸化剤ガス）を消費することで発電するようになっている。
単セルは、電解質膜（固体高分子膜）の両面をアノード（燃料極）及びカソード（空気極）で挟んでなるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、ＭＥＡを挟む一対のセパレータと、を主に備えている。各セパレータには、各単セルを構成するＭＥＡの全面に水素又は酸素を供給するための溝や、全単セルに水素、酸素を導くための貫通孔等が形成されており、これら溝等がアノード流路１１１、カソード流路１１２として機能している。

そして、アノード流路１１１を介して各アノードに水素が供給され、カソード流路１１２を介して各カソードに加湿された空気が供給されると、アノード及びカソードに含まれる触媒（Ｐｔ等）上で電気化学反応が起こり、各単セルで電位差（いわゆるＯＣＶ（Open Circuit Voltage：開回路電圧））が発生するようになっている。次いで、このように電位差が発生した燃料電池１１０に対して、走行モータ６１等の外部負荷から発電要求があると、燃料電池１１０が発電するようになっている。

＜アノード系＞
アノード系は、燃料電池１１０に供給される水素が高圧で貯蔵された水素タンク１０（水素貯蔵容器）と、遮断弁２０と、減圧弁１２１と、エゼクタ１２２と、パージ弁１２３とを主に備えている。そして、水素タンク１０から下流側に向かって、遮断弁２０と、配管１２１ａと、減圧弁１２１と、配管１２１ｂと、エゼクタ１２２と、配管１２２ａと、アノード流路１１１とが順に接続されており、ＥＣＵ９０によって遮断弁２０が開かれると、減圧弁１２１で所定圧力に減圧された水素が、アノード流路１１１に供給されるようになっている。

アノード流路１１１の下流側には、配管１２３ａと、パージ弁１２３と、その下流端が外部に開放した配管１２３ｂとが順に接続されている。また、配管１２３ｃ（循環手段）によって、配管１２３ａとエゼクタ１２２とが接続されている。

そして、パージ弁１２３が閉じられている場合、燃料電池１１０のアノードから排出されたアノードオフガスは、配管１２３ｃを経由して、燃料電池１１０の上流側に戻り、再び燃料電池１１０に供給されるようになっている。これにより、アノードオフガス中の未反応の水素が再利用され、その結果として、水素の消費が抑えられるようになっている。

なお、減圧弁１２１の下流側圧力は、この減圧弁１２１によって所定圧力に設定されるので、このようにパージ弁１２３が閉じている場合において、燃料電池１１０で水素が消費されると、減圧弁１２１が開き、その下流側に水素が流れ込むようになっている。ここで、燃料電池１１０の発電中（燃料電池システム１の運転中）は、遮断弁２０は開いているので、このように減圧弁１２１が開き、その下流側に水素が流れ込めば、この流れ込みに連動して、水素タンク１０内から遮断弁２０を介して、水素が流れ出すようになっている。そして、このように水素タンク１０から水素が流出すると、水素タンク１０内に残存する水素が断熱膨張し、その温度（後記する実測水素温度Ｔ１）が下がるようになっている。

一方、パージ弁１２３が開かれている場合、アノードオフガスは、配管１２３ａ、パージ弁１２３、配管１２３ｂを介して、外部に排出される。なお、このようにＥＣＵ９０によってパージ弁１２３が開かれる場合は、燃料電池１１０（スタック）のセル電圧を監視するＥＣＵ９０が、セル電圧の低下を検知し、アノードオフガス中に所定量以上の不純物が含まれていると推定した場合である。

［水素タンク、遮断弁］
次に、水素タンク１０と遮断弁２０の具体的構成について、図２から図４を参照して説明する。
なお、図２は、本実施形態に係る遮断弁が取り付けられた水素タンクの平面図であり、図３は、図２の遮断弁及び水素タンクのＸ１−Ｘ１線断面図である。図４は、同Ｘ２−Ｘ２線断面図である。また、図３は、ソレノイド５６がＯＦＦされ、圧縮コイルバネ５４（リターンスプリング）によってプランジャ５１が閉方向（図３の上向き）に付勢され、シール５３が弁座体３２に当接した状態、つまり、遮断弁２０が閉じている状態を記載している。

（水素タンク）
図３に示すように、水素タンク１０は、金属製（アルミニウム合金等）のタンク本体１１（ライナー）と、タンク本体１１の表面を覆ったカバー１３と、を主に備えている。タンク本体１１は、外部に開口すると共に遮断弁２０が取り付けられるネック部１２を有している。カバー１３は、ＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastic：炭素繊維強化プラスチック）や、ＧＦＲＰ（Glass Fiber Reinforced Plastic：ガラス繊維強化プラスチック）等から形成され、これにより、タンク本体１１が補強されると共に、水素タンク１０の断熱性が高められている。

（遮断弁）
遮断弁２０は、水素タンク１０に一体的に取り付けられた弁であり、本実施形態では、その略半分が水素タンク１０内に配置されるためインタンク弁とも称される。また、本実施形態に係る遮断弁２０は、水素タンク１０から外部への水素の流通を適宜に遮断する本来の機能に加えて、水素の充填口としての機能と、リリーフ弁としての機能とを備えている。このような遮断弁２０は、水素タンク１０に螺合固定された固定部３０と、プランジャ５１（弁体）を有する作動部５０と、を主に備えている。

（遮断弁−固定部）
固定部３０は、弁箱３１と、弁座体３２と、水素の放出口となる放出用リセプタクル３３（レセプタクル）と、水素の充填口となる充填用リセプタクル３４と、逆止弁３５と、リリーフ弁３６と、を主に備えている。

弁箱３１は、その内部に、水素の流路になると共に弁座体３２を収容する弁座体収容空間３１ａを有している。そして、弁箱３１は、ネック部１２に螺合固定されている。なお、弁箱３１とネック部１２との間には、Ｏリング４１が介設されており、気密性が確保されている。

また、弁箱３１には、後記する加熱手段７０のヒータ７１が埋設されるヒータ用穴３１ｂが形成されている。ここで、遮断弁２０を構成する各部品は略金属製であるので、ヒータ７１が作動し、発熱した場合、この熱は弁箱３１等を伝達し、遮断弁２０が加熱されるようになっている。これにより、後記するゴム製のシール５３や、Ｏリング４１等も暖められるようになっている。

弁座体３２は、略円筒体であって、弁座体収容空間３１ａに収容されると共に、その上部が弁箱３１に螺合固定されている。なお、弁座体３２と弁箱３１との間にはＯリング４２が介設されている。弁座体３２と弁箱３１との間には、平断面視において、リング状の隙間が形成されており、この隙間は、水素の充填時及びリリーフ時において、水素の流路として機能している。

また、弁座体３２には、その中心軸線上を貫通するように流路３２ａが形成されている。そして、遮断弁２０が閉状態にある場合、シール５３が弁座体３２に当接することで、流路３２ａの図３における下端開口が閉じるように設計されている。一方、遮断弁２０が開状態にある場合、シール５３が弁座体３２から離間することで、流路３２ａの図３における下端開口が開き、水素が、流路３２ａ、弁箱３１に螺合固定された放出用リセプタクル３３（図４参照）の中空部３３ａを順に通って、外部に放出されるようになっている。

充填用リセプタクル３４は、水素の充填口として機能するものであって、弁箱３１に固定されている。充填用リセプタクル３４は、略円筒体であって、中空部３４ａを有している。

逆止弁３５は、充填用リセプタクル３４の中空部３４ａに摺動可能に収容されており、その外周面にＯリング４３が設けられている。そして、図３に示すように、外部の水素ステーション等の水素圧力が作用すると、逆止弁３５が弁座体３２側に移動して逆止弁３５が開き、水素が、弁座体収容空間３１ａ、後記する中空部５７ａ及び連通孔５７ｂを介して、水素タンク１０に充填されるように構成されている。一方、水素圧力が作用しない場合、逆止弁３５と弁座体３２との間に設けられた圧縮コイルバネ３７が、逆止弁３５を充填用リセプタクル３４の入口側（図３の右側）に付勢し、これにより、逆止弁３５が閉じるように構成されている。

リリーフ弁３６は、外部熱源の接近による水素タンク１０の爆発を防止する弁であって、例えば、低融点の金属や、ＳＢＲ等の熱可塑性エラストマーから形成されており、弁箱３１の適所に固定されている。そして、外部熱源が接近すれば、リリーフ弁３６が例えば溶融し、水素タンク１０内の水素が、連通孔５７ｂ、中空部５７ａ、弁座体収容空間３１ａ及びリリーフ弁３６を介して、外部に放出されるように構成されている。

（遮断弁−作動部）
作動部５０は、ＥＣＵ９０からの指令に従って、プランジャ５１を作動させる部分である。具体的に、作動部５０は、プランジャ５１と、シール５３と、圧縮コイルバネ５４（リターンスプリング）と、ガイド体５５と、ソレノイド５６と、マウント５７と、を主に備えている。

マウント５７は、略円筒体であって、弁座体収容空間３１ａに連通する中空部５７ａを有しており、弁箱３１の下部に螺合固定されている。また、マウント５７の周壁には周方向において複数の連通孔５７ｂが形成されており、この連通孔５７ｂによって、中空部５７ａと、その外部の水素タンク１０内とが連通されている。

ガイド体５５は、下底を有する略有低円筒体であって、マウント５７の下端に螺合固定されている。
プランジャ５１は、ガイド体５５に摺動自在に収容されており、ガイド体５５によってガイドされている。プランジャ５１の上端には、カップ５２及びゴム製のシール５３が固定されている。そして、圧縮コイルバネ５４が、カップ５２とガイド体５５との間に介設されており、この圧縮コイルバネ５４によって、カップ５２、シール５３及びプランジャ５１が、図３における上方向に付勢されている。よって、ソレノイド５６がＯＦＦされている場合、シール５３が弁座体３２の下端面に当接し、これにより、弁座体３２内の流路３２ａの下端開口が閉じられ、水素タンク１０内の水素が外部に流出しないようになっている（遮断弁２０の閉状態）。

また、ゴム製のシール５３は、その材質等に依存する保障温度Ｔ３を有している。すなわち、シール５３の温度が保障温度Ｔ３以上ならば、シール５３の柔軟性が確保され、遮断弁２０が閉じた際に、シール５３が弁座体３２に好適に密着し、水素の外部への流出が遮断される。つまり、遮断弁２０の温度が保障温度Ｔ３以上の場合、遮断弁２０は確実に遮断可能となる。

ソレノイド５６は、ガイド体５５の周壁に内蔵されている。そして、ガイド体５５の下端に固定された制御ユニット５８が、信号ケーブル５９を介してＥＣＵ９０から遮断弁２０の閉指令を受けると、ソレノイド５６をＯＮ（通電）するように構成されている。そして、このようにソレノイド５６がＯＮされれば、プランジャ５１が図３における下側に移動し、これと共に、シール５３及びカップ５２が弁座体３２から離間するように構成されている。その結果として、流路３２ａの下端開口が開き、水素タンク１０内の水素が、連通孔５７ｂ、中空部５７ａ、流路３２ａ、放出用リセプタクル３３（図４参照）を介して、外部に放出するようになっている（遮断弁２０の開状態）。

＜カソード系＞
図１に戻って説明を続ける。
燃料電池１１０に対して空気を供給及び排出するカソード系は、コンプレッサ１３１を主に備えている。コンプレッサ１３１は、配管１３１ａを介して、カソード流路１１２と接続されている。そして、コンプレッサ１３１が作動すると、酸素を含む空気がカソード流路１１２に供給されるようになっている。なお、配管１３１ａには加湿器（図示しない）が設けられており、カソード流路１１２に供給される空気が適宜に加湿されるようになっている。

一方、カソード流路１１２の下流側には配管１３１ｂが接続されている。そして、カソードから排出されたカソードオフガスが、配管１３１ｂを介して、外部に排出されるようになっている。

＜電力消費系＞
電力消費系６０は、走行モータ６１と、出力検出器６２とを主に備えている。走行モータ６１は、燃料電池自動車を走行させるモータであって、燃料電池１１０の出力端子に接続されている。出力検出器６２は、燃料電池１１０（スタック）の実際の出力電流（以下、実測出力電流Ａ１）を検出する機器であって、電流計を備えている。そして、出力検出器６２（電流計）は、燃料電池１１０と走行モータ６１との間で、燃料電池１１０の実測出力電流Ａ１を検出可能なように、適所に配置されている。また、出力検出器６２はＥＣＵ９０と接続されており、ＥＣＵ９０は実測出力電流Ａ１を監視するようになっている。

＜加熱手段＞
加熱手段７０は、ＥＣＵ９０からの指令に従って、遮断弁２０を適宜に加熱する手段であって、ヒータ７１と、電源７２と、インバータ７３とを主に備えている。

ヒータ７１は、電源７２から電力が供給されると発熱し、この熱によって、遮断弁２０を加熱する加熱装置である。このようなヒータ７１としては、例えば、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）ヒータが使用される。そして、ヒータ７１は、遮断弁２０のヒータ用穴３１ｂに埋め込まれている（図２、図３参照）。
電源７２は、ヒータ７１の作動電源であって、例えば、燃料電池自動車に搭載されたバッテリ（二次電池）が使用される。その他に、燃料電池１１０の発電電力や、回生時における走行モータ６１の発電電力を使用することもできる。

インバータ７３は、電源７２の出力電力を可変することで、ヒータ７１の出力、つまり、ヒータ７１の加熱量を制御する加熱量制御機器であり、ヒータ７１と電源７２との間に配置されている。また、インバータ７３はＥＣＵ９０と接続されており、ＥＣＵ９０からの指令（指令ヒータ出力）に従って、ヒータ７１の出力（加熱量）を制御するようになっている。

＜温度センサ＞
温度センサ８１は、水素タンク１０内の実際の水素（実測水素温度Ｔ１）の温度を検出するセンサであって、水素タンク１０内の適所に配置されている。そして、温度センサ８１はＥＣＵ９０と接続されており、ＥＣＵ９０は実測水素温度Ｔ１を監視するようになっている。

＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ９０（制御手段）は、燃料電池システム１を電子制御する制御装置である。このようなＥＣＵ９０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路等を含んで構成されている。そして、ＥＣＵ９０は、ヒータ７１を作動させる必要があるか否かを判定する機能と、実測水素温度Ｔ１及び実測出力電流Ａ１とに基づいてヒータ７１の出力（加熱量）を制御する機能と、を備えている。

また、ＥＣＵ９０には、図５に示すマップＡと、図６に示すマップＢとが記憶されている。なお、マップＡ及びマップＢは、事前試験等によって求められる。

［マップＡ］
マップＡは、水素タンク内の水素温度（℃）と、ヒータ７１の出力であるヒータ出力Ａとが関連付けられたデータである。本実施形態に係るマップＡでは、水素温度が所定温度Ｔ４以下の範囲ではヒータ出力Ａは１００％に、所定温度Ｔ４以上でシール５３の保障温度Ｔ３以下の範囲では水素温度が上昇するに従いヒータ出力Ｂが線形的に減少するように、保障温度Ｔ３以上の範囲ではヒータ出力Ａは０％に、それぞれ設定されている。なお、マップＡは、水素タンク１０の容量や、ヒータ７１の仕様等に関係する。

［マップＢ］
マップＢは、燃料電池１１０の出力電流（Ａ）と、ヒータ出力Ｂとが関連付けられたデータである。本実施形態に係るマップＢでは、出力電流が０以上で所定電流Ａ２以下の範囲では出力電流が増加するに従いヒータ出力Ｂが線形的に増加するように、出力電流が所定電流Ａ２以上の範囲では１００％に、それぞれ設定されている。さらに説明すると、出力電流が高くなると、燃料電池１１０において水素が多量に消費され、この消費された分に対応して水素タンクから水素が流出し、この水素の流出に対応して水素が膨張し、水素タンク内の温度が低下するため、出力電流が高くなるに従って、ヒータ出力Ｂが高くなる関係となっている。なお、マップＢは、ヒータ７１の仕様等に関係する。

≪燃料電池システムの動作≫
次に、図７を主に参照して、燃料電池システム１（遮断弁の加熱システム）の動作と共に、ヒータ７１（加熱装置）の制御方法について説明する。ヒータ７１の制御方法は、燃料電池１１０の実測出力電流Ａ１を検出する第１ステップと、実測出力電流Ａ１に基づいて、ヒータ７１の出力（加熱量）を制御する第２ステップと、を含んでいる。

ステップＳ１０１において、ＥＣＵ９０は、実測水素温度Ｔ１が所定水素温度Ｔ２以下であるか否かを判定する。
なお、所定水素温度Ｔ２は、前記した遮断弁２０を構成するシール５３の保障温度Ｔ３よりも高い温度であって、運転者がアクセルを急に踏み込んだ等により、燃料電池１１０が多量の水素を消費し、これにより、水素タンク１０内の水素が急に断熱膨張しても、断熱膨張後の水素タンク１０内の水素の温度（実測水素温度Ｔ１）が、シール５３の保障温度Ｔ３未満に低下しない温度に設定される。したがって、所定水素温度Ｔ２は、単セルの数等の燃料電池１１０の仕様や、アクセルの最大踏み込み量等に関係し、燃料電池システム１毎に事前試験等によって求められる。そして、所定水素温度Ｔ２は、ＥＣＵ９０に記憶されている。

実測水素温度Ｔ１が所定水素温度Ｔ２以下である場合（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、ステップＳ１０３に進む。この場合は、水素タンク１０から水素が流出したことにより、水素タンク１０内に残存した水素の断熱膨張により、実測水素温度Ｔ１が所定水素温度Ｔ２以下の場合である。さらに説明すると、この状態で燃料電池１１０で多量の水素が消費されると、実測水素温度Ｔ１が保障温度Ｔ３未満に下がる可能性があるので、実測出力電流Ａ１及び実測水素温度Ｔ１を監視し、これらに基づいて、前もって指令ヒータ出力を制御し、遮断弁２０（詳細にはシール５３）を暖めて、遮断弁２０が保障温度Ｔ３よりも低くなることを防止する場合である。

一方、実測水素温度Ｔ１が所定水素温度Ｔ２以下でない場合（Ｓ１０１・Ｎｏ）、つまり、実測水素温度Ｔ１が所定水素温度Ｔ２よりも高い場合（Ｔ１＞Ｔ２）、ステップＳ１０２に進む。この場合は、実測水素温度Ｔ１が所定水素温度Ｔ２よりも高いので、例えば、運転者によるアクセルの急な踏み込みがあっても、断熱膨張後の水素タンク１０内の水素の温度（実測水素温度Ｔ１）が、保障温度Ｔ３未満に低下せず、遮断弁２０の遮断性が失われない場合である。因みに、このように実測水素温度Ｔ１が高い場合は、例えば、水素タンク１０への水素の充填直後等、水素が圧縮された場合である。

ステップＳ１０２において、ＥＣＵ９０は、インバータ７３への指令ヒータ出力を０％とする。インバータ７３は、これに従って、ヒータ７１を出力させない。これにより、無駄な電力消費を抑えることができる。その後、リターンを経由してスタートに戻り、各ステップの処理を繰り返す。

ステップＳ１０３において、ＥＣＵ９０は、実測水素温度Ｔ１とマップＡ（図５参照）とに基づいて、ヒータ出力Ａ（％）を決定する。
ステップＳ１０４において、ＥＣＵ９０は、実測出力電流Ａ１とマップＢ（図６参照）とに基づいて、ヒータ出力Ｂ（％）を決定する。

ステップＳ１０５において、ＥＣＵ９０は、ヒータ出力Ａとヒータ出力Ｂとの和が、１００％以上であるか否かを判定する。ヒータ出力Ａとヒータ出力Ｂとの和が、１００％以上である場合（Ｓ１０５・Ｙｅｓ）、ステップＳ１０６に進む。一方、ヒータ出力Ａとヒータ出力Ｂとの和が、１００％以上でない場合（Ｓ１０５・Ｎｏ）、ステップＳ１０７に進む。

ステップＳ１０６において、ＥＣＵ９０は、インバータ７３への指令ヒータ出力を１００％とする。そして、インバータ７３は、これに従って、ヒータ７１を１００％で出力させる。これにより、ヒータ７１は出力１００％で発熱し、遮断弁２０（特にシール５３）が加熱量１００％で暖められる。
したがって、この後、低温の水素が水素タンク１０から流れ出し、遮断弁２０内を低温の水素が流通しても、シール５３の温度が、そのシール性が保障される保障温度Ｔ３未満に、低下することは防止される。すなわち、ＥＣＵ９０から遮断弁２０に閉指令が送られた場合、遮断弁２０は確実に閉まることができる。
その後、リターンを経由してスタートに戻り、各ステップの処理を繰り返す。

ステップＳ１０７において、ＥＣＵ９０は、インバータ７３への指令ヒータ出力を、ヒータ出力Ａとヒータ出力Ｂとの和とする。そして、インバータ７３は、これに従って、ヒータ７１を出力させる。これにより、実測水素温度Ｔ１及び実測出力電流Ａ１に対応して、遮断弁２０が暖められる。よって、この後、ＥＣＵ９０から遮断弁２０に閉指令が送られた場合、遮断弁２０は確実に閉まることができる。その後、リターンを経由してスタートに戻る。

このような遮断弁２０の加熱システムが組み込まれた燃料電池システム１によれば、実測出力電流Ａ１に基づいて、ヒータ７１の出力（加熱量）を制御するので、保障温度Ｔ３未満の水素によって、遮断弁２０が冷却される前に、ヒータ７１による加熱を開始することができる。特に、遮断弁２０のシール５３の温度が、そのシール性が確保されると共に保障温度Ｔ３未満に低下することを防止できる。よって、低温の水素が水素タンク１０から流出した直後であっても、遮断弁２０は確実に閉じることができる。

≪燃料電池システムの一動作例≫
次に、図８を主に参照して、燃料電池システム１の一動作例を説明する。なお、ここでは、実測水素温度Ｔ１が所定水素温度Ｔ２よりも低い場合を例示する（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）。

例えば、燃料電池自動車を急加速するため、運転者がアクセルの踏み込み量を増加したことによって、走行モータ６１が必要とする電力が大きくなると、燃料電池１１０は高出力で発電し、実測出力電流Ａ１が上昇する。そうすると、実測出力電流Ａ１に対応するヒータ出力Ｂが大きくなる（図６参照）。よって、ＥＣＵ９０は、実測出力電流Ａ１に基づいて、ヒータ７１の出力（加熱量）を増加させる。その結果として、遮断弁２０の温度は上昇する。

このように実測出力電流Ａ１が高くなると、これに対応して、水素が燃料電池１１０で消費される。そうすると、この消費された分に対応した量の水素が、水素タンク１０から流出する。そして、水素タンク１０内に残った水素が断熱膨張するため、大きな実測出力電流Ａ１が検出されることに連動して、実測水素温度Ｔ１が下がる。
なお、実測水素温度Ｔ１が保障温度Ｔ３以上の場合、ヒータ出力Ａが０％であるので（図５参照）、ヒータ出力Ａとヒータ出力Ｂとの和である指令ヒータ出力は一定となる。因みに、本動作例では、実測出力電流Ａ１が一定であり、これに基づくヒータ出力Ｂが一定である場合を記載している。

その後、実測水素温度Ｔ１が保障温度Ｔ３より低くなれば、実測水素温度Ｔ１に対応するヒータ出力Ａが０％でなくなり、さらに、実測水素温度Ｔ１が低下すると、ヒータ出力Ａが大きくなる（図５参照）。そうすると、ヒータ出力Ａとヒータ出力Ｂとの和である指令ヒータ出力が増加し、これにより、遮断弁２０の温度の上昇率が大きくなる。すなわち、ＥＣＵ９０は、実測出力電流Ａ１と実測水素温度Ｔ１とに基づいて、指令ヒータ出力を制御することになる。

その後、アクセルの踏み込み量が減ると、実測出力電流Ａ１が下がり、ヒータ出力Ａが下がる。これと同時に、水素タンク１０内における断熱膨張による温度低下が停止する。そして、水素タンク１０に残留した水素が、外部から吸熱するため、実測水素温度Ｔ１が上昇し始め、ヒータ出力Ａが下がる（図５参照）。その結果として、指令ヒータ出力が実測水素温度Ｔ１の上昇に伴って下がる。すなわち、ＥＣＵ９０は、主に実測水素温度Ｔ１に基づいて、指令ヒータ出力を制御することになる。その結果として、遮断弁２０の温度が下がる。

その後、実測水素温度Ｔ１が保障温度Ｔ３に到達すると、ヒータ出力Ａが０％となる（図５参照）。

以上、本発明の好適な一実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば以下のような変更をすることができる。

前記した実施形態では、遮断弁２０を加熱する加熱装置が電熱式のヒータ７１である場合を例示したが、その他に、遮断弁２０内、又は、その周囲に温水を通流させることにより、遮断弁２０を加熱する加熱装置であってもよい。

前記した実施形態では、本発明が、燃料電池自動車に搭載された燃料電池システム１に適用された場合について説明したが、これに限定されず、例えば、家庭用の据え置き型の燃料電池システムや、給湯システムに組み込まれた燃料電池システム等に本発明を適用してもよい。

本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。本実施形態に係る遮断弁が取り付けられた水素タンクの平面図である。図２に示す遮断弁及び水素タンクのＸ１−Ｘ１線断面図である。図２に示す遮断弁及び水素タンクのＸ２−Ｘ２線断面図である。水素タンク内の水素温度と、ヒータ出力Ａとが関連付けられたマップＡである。燃料電池の出力電流と、ヒータ出力Ｂとが関連付けられたマップＢである。本実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。本実施形態に係る燃料電池システムの一動作例を示すタイムチャートである。

符号の説明

１燃料電池システム
１０水素タンク（燃料ガス貯蔵容器）
２０遮断弁
３１弁箱
３２弁座体
３３放出用リセプタクル
３４充填用リセプタクル
３５逆止弁
３６リリーフ弁
５１プランジャ（弁体）
５３シール
５４圧縮コイルバネ
５６ソレノイド
６２出力検出器（出力検出手段）
７０加熱手段
７１ヒータ（加熱装置）
７３インバータ
８１温度センサ
９０ＥＣＵ（制御手段）
１１０燃料電池
１２１減圧弁
１２２エゼクタ
１２３パージ弁

Claims

燃料ガスが高圧で貯蔵された燃料ガスタンクから、弁を介して、燃料ガスを消費する燃料ガス消費機器に、燃料ガスが供給される燃料ガス供給系における前記弁を加熱する加熱システムであって、
前記弁を加熱する加熱手段と、
前記燃料ガス消費機器が燃料ガスを消費したことに対応する出力に基づいて、前記加熱手段の加熱量を制御する制御手段と、
前記燃料ガスタンク内の燃料ガスの実測燃料ガス温度を検出する温度検出手段と、
を備え、
前記弁は、前記燃料ガスタンクに取り付けられると共に、閉状態を維持するためのシールを備え、開／閉することで燃料ガスを供給／遮断する遮断弁であり、
前記制御手段は、実測燃料ガス温度が所定燃料ガス温度以下である場合、前記加熱手段による加熱を実行し、
前記所定燃料ガス温度は、前記シールの保証温度よりも高く、かつ、前記燃料ガスタンクの燃料ガスが急速に断熱膨張しても、断熱膨張後の燃料ガスの温度が前記保証温度以上であるように設定されている
ことを特徴とする弁の加熱システム。
前記制御手段は、
実測燃料ガス温度に基づいて、前記加熱手段の加熱量として当該加熱手段の最大出力に対する第Ａ出力割合を算出し、
前記燃料ガス消費機器の出力に基づいて、前記加熱手段の加熱量として当該加熱手段の最大出力に対する第Ｂ出力割合を算出し、
前記第Ａ出力割合と前記第Ｂ出力割合との和が１００％以上である場合、前記加熱手段への指令出力を１００％とし、
前記第Ａ出力割合と前記第Ｂ出力割合との和が１００％以上でない場合、前記加熱手段への指令出力を前記第Ａ出力割合と前記第Ｂ出力割合との和とする
ことを特徴とする請求項１に記載の弁の加熱システム。
前記制御手段は、実測燃料ガス温度に基づいて前記第Ａ出力割合を算出する場合、第Ａマップを参照し、
前記第Ａマップにおいて、
前記保証温度よりも低い所定温度以下の範囲では、前記第Ａ出力割合は１００％、
前記所定温度から前記保証温度の範囲では、実測燃料ガス温度が高くなるにつれて、前記第Ａ出力割合が線形的に減少し、
前記保証温度以上の範囲では、前記第Ａ出力割合は０％、
に設定されている
ことを特徴とする請求項２に記載の弁の加熱システム。