燃料电池系统及车辆用燃料电池系统的制作方法

燃料电池系统及车辆用燃料电池系统
1.本技术基于在2020年7月10日提出的日本国专利申请第2020－119301号而主张优先权，并将其内容援引于此。
技术领域
2.本发明涉及燃料电池系统及车辆用燃料电池系统。


背景技术：

3.在具备燃料电池的系统中，例如在车辆的情况下，具备贮存氢的罐，并将罐内的氢作为燃料来进行行驶。氢例如在氢供给站中被填充到罐内。另外，贮存在罐内的氢通过供给配管来向燃料电池供给。作为这样的技术，例如被日本国特开2006－200564号公开。


技术实现要素：

4.在将燃料电池转用于运行长距离的商用车等的情况下，需要将连结的多个罐搭载于车辆。然而，在准备多个目前已知的从燃料电池向多个罐的连接路径的情况下，存在系统整体的部件件数增加且作为整体而成本升高这样的问题。
5.本发明的一方案提供一种在具有多个罐的燃料电池系统中能够实现成本的降低的燃料电池系统。
6.(1)本发明的一方案的燃料电池系统中连结有多个单位燃料电池组，所述单位燃料电池组包括氢罐、燃料电池和控制所述燃料电池的发电的燃料电池控制装置，其中，所述燃料电池系统具备对至少两个所述单位燃料电池组的各氢罐中的氢的填充、放出进行控制的罐用控制装置，所述单位燃料电池组包括一端与所述氢罐连结的罐侧氢线路、以及从所述罐侧氢线路的另一端分支而分别朝向氢填充口及所述燃料电池延伸的氢填充线路及氢供给线路，所述氢供给线路使氢到达所述燃料电池，至少两个所述单位燃料电池组的所述氢供给线路相互连结，在所述氢填充线路上设置有防止来自所述罐侧氢线路的氢的逆流的止回阀，至少两个所述单位燃料电池组的所述氢填充线路在比所述止回阀靠上游侧的位置相互连结，所述单位燃料电池组包括减压阀，所述罐用控制装置停止氢向检测出异常的所述单位燃料电池组的所述燃料电池的供给。
7.(2)在上述(1)的方案中，从其他的所述单位燃料电池组的所述氢罐向检测出异常的所述单位燃料电池组的所述燃料电池供给氢。
8.(3)在本发明的另一方案的车辆用燃料电池系统中，上述(1)或(2)的方案的燃料电池系统搭载于车辆。
9.根据上述(1)的方案的燃料电池系统，本实施方式的燃料电池系统通过将多个包括氢罐、燃料电池及燃料电池控制装置的单位燃料电池组连结而构成。因此，能够将搭载的燃料电池系统分割成多个小组来构成，能够沿用普通乘用车用的燃料电池系统的构成部件来构建搭载于例如大型的商用车的车辆用燃料电池系统。因而，根据本实施方式，在具有多个氢罐的车辆用燃料电池系统中能够实现成本的降低。
10.而且，根据上述(1)的方案的燃料电池系统，一个罐用控制装置统括监视多个单位燃料电池组的氢罐的氢气的填充、放出。因此，能够通过罐用控制装置使多个氢罐均等地进行氢的贮存及放出。
11.根据上述(1)的方案的燃料电池系统，多个单位燃料电池组分别具备燃料电池控制装置。因此，即便多个单位燃料电池组中的一部分不能运转，其他的单位燃料电池组也能够继续运转，能够通过提高冗余性来确保燃料电池系统的可靠性。
12.根据上述(1)的方案的燃料电池系统，两个单位燃料电池组的氢供给线路相互连结。因此，在一个单位燃料电池组的氢的压力降低的情况下，能够从其他的单位燃料电池组供给氢。即，能够抑制在多个单位燃料电池组之间产生氢剩余压力的单侧减少。
13.根据上述(1)的方案的燃料电池系统，在一个单位燃料电池组的氢罐检测出异常而停止了氢的供给的情况下，能够在单位燃料电池组彼此之间相互供给氢。由此，能够使两方的单位燃料电池组的燃料电池驱动来维持车辆的马达的驱动。而且，在例如燃料电池系统搭载于车辆且车辆是冷藏车等情况下，能够使用由燃料电池发出的电力来维持货箱内的冷却。由此，能够提高车辆用燃料电池系统的可靠性。
14.根据上述(1)的方案的燃料电池系统，使多个单位燃料电池组的氢填充线路在比止回阀靠上游侧的位置合流。因此，能够在多个氢填充线路中共用氢填充口。
15.根据上述(1)的方案的燃料电池系统，多个单位燃料电池组分别包括减压阀。因此，能够在各单位燃料电池组中对氢进行减压，能够使各自的减压阀小型化。其结果是，与通过一个大的减压阀进行减压的情况相比，能够使燃料电池系统整体小型化及轻量化。而且，在例如燃料电池系统搭载于车辆的情况下，能够沿用普通机动车的燃料电池系统的部件，因此能够实现低成本化。
16.根据上述(1)的方案的燃料电池系统，能够抑制氢通过检测出异常的氢供给线路，从而能够保护氢供给线路。
17.根据上述(2)的方案的燃料电池系统，能够从未检测出异常的单位燃料电池组的氢罐向检测出异常的单位燃料电池组的燃料电池供给氢。因此，能够使检测出异常的单位燃料电池组的燃料电池驱动。
18.根据上述(3)的方案的车辆用燃料电池系统，能够使用上述的燃料电池系统来使车辆驱动。
附图说明
19.图1是表示搭载有燃料电池系统的车辆的构成要素的图。
20.图2是燃料电池系统的结构图。
具体实施方式
21.以下，参照附图来说明将作为本发明的一实施方式的燃料电池系统搭载于车辆的情况下的车辆用燃料电池系统100。需要说明的是，在以下的说明所使用的附图中，出于强调特征部分的目的，为了方便有时会将成为特征的部分放大示出，各构成要素的尺寸比率等未必与实际相同。另外，出于同样的目的，有时省略没有成为特征的部分来进行图示。
22.图1是表示搭载有实施方式的车辆用燃料电池系统100的车辆1的构成要素的图。
搭载有车辆用燃料电池系统100的车辆1是fcv(fuel cell vehicle：燃料电池机动车)。本实施方式的车辆1例如是大型车辆、中型车辆等商用车。另外，车辆1也可以是利用从车辆用燃料电池系统100供给的电力来对货室内进行冷却的冷藏车或冷冻车等。
23.如图1所示，车辆1具有：在内部配置有驾驶员座的驾驶室2；搭载货室且由驾驶室2牵引的车架3；以及车辆用燃料电池系统100。在驾驶室2搭载有车辆用燃料电池系统100的燃料电池10和使车辆1驱动的马达(省略图示)。燃料电池10向马达供给电力。另外，在车架3上固定有车辆用燃料电池系统100的多个(在本实施方式中为六个)氢罐40。氢罐40向燃料电池10供给氢。
24.需要说明的是，本实施方式的车辆用燃料电池系统100内的氢的状态全部为气体。因而，在本说明书中，即便是在简写作“氢”的情况下，也意味着“氢气”。
25.图2是车辆用燃料电池系统100的结构图。
26.本实施方式的车辆用燃料电池系统100具有相互连结的两个单位燃料电池组g1、g2、燃料电池统括控制装置90、罐用控制装置80及填充部60。
27.填充部60具有供外部的氢供给站的填充喷嘴装配的氢填充口61。在氢填充口61设置有填充口止回阀62。填充口止回阀62抑制来自单位燃料电池组g1、g2的氢填充线路76的逆流。另外，氢填充口61收容于由盖闭塞的收容部。
28.单位燃料电池组g1、g2分别包括燃料电池10、控制燃料电池10的燃料电池控制装置20、氢罐40、以及将燃料电池10与氢罐40连结的供给配管70。
29.需要说明的是，在以下的说明中，在区分两个单位燃料电池组g1、g2的情况下，将一方称为第一单位燃料电池组g1，并将另一方称为第二单位燃料电池组g2。
30.燃料电池10将氢作为燃料来发电，并将电力向使车辆1驱动的马达(省略图示)供给。从氢罐40经由供给配管70向燃料电池10供给氢。
31.燃料电池10例如作为层叠有多个单体的燃料电池堆来构成，其中，单体通过将由固体聚合物离子交换膜等构成的固体高分子电解质膜夹入阳极与阴极之间来形成。向燃料电池10的阳极侧供给氢作为燃料。另外，向燃料电池10的阴极侧供给空气作为氧化剂。在阳极通过催化反应而产生的氢离子通过固体高分子电解质膜移动到阴极，在阴极与氧发生电化学反应。
32.燃料电池控制装置20控制燃料电池10的发电。更具体而言，燃料电池控制装置20根据车辆1侧的电力需求来调整向燃料电池10的阳极侧的氢的供给量和向阴极侧的空气的供给量。
33.燃料电池控制装置20针对分别为一个的单位燃料电池组g1、g2的燃料电池10各设置一个。多个燃料电池10的发电量在燃料电池统括控制装置90中被管理。另外，互相不同的单位燃料电池组g1、g2的燃料电池控制装置20彼此以及统括控制它们的燃料电池统括控制装置90通过can(controller area network)通信线等多路通信线、串行通信线、无线通信网等相互连接。燃料电池统括控制装置90统括控制两个单位燃料电池组g1、g2的燃料电池控制装置20。
34.氢罐40将从氢供给站经由填充部60供给的氢(高压气体)以高压贮存。氢罐40例如是两端形成为半球状的圆筒气瓶形状。
35.在本实施方式中，氢罐40在一个单位燃料电池组g1、g2中分别各设置三个。在各自
的单位燃料电池组g1、g2中，与三个氢罐40连接的供给配管70被连结。
36.在氢罐40上分别设置有截止阀45和温度传感器49。截止阀45与罐用控制装置80连接。截止阀45由罐用控制装置80来控制开闭。截止阀45在向氢罐40填充氢时以及将填充在氢罐40中的氢向燃料电池10供给时打开。
37.温度传感器49分别设置于每一个氢罐40。温度传感器49测定氢罐40内的氢的温度。
38.罐用控制装置80对单位燃料电池组g1、g2的各氢罐40(共计六个氢罐40)的填充、放出进行控制。罐用控制装置80与氢罐40的温度传感器49及供给配管70中的第一压力传感器74连接。罐用控制装置80根据由温度传感器49测定的氢罐40内的温度和由第一压力传感器74测定的压力来运算氢罐40内的氢的余量。
39.罐用控制装置80与显示装置81连接。罐用控制装置80向显示装置81发送信号，以使其显示氢罐40内的氢的余量。另外，罐用控制装置80也可以在氢罐40的温度传感器49的检测结果及第一压力传感器74的检测结果超过规定的阈值等情况下使显示装置81显示警告。
40.罐用控制装置80与填充口盖打开传感器82连接。填充口盖打开传感器82检测配置有氢填充口61的收容部的盖的打开。罐用控制装置80在氢填充口61打开时向氢填充模式转变，打开氢罐40的截止阀45来接受氢向氢罐40的填充。
41.供给配管70具有罐侧氢线路75、氢填充线路76及氢供给线路77。罐侧氢线路75、氢填充线路76及氢供给线路77在交叉部79相互连结。
42.在交叉部79连接有第一压力传感器74。第一压力传感器74也可以设置在罐侧氢线路75的路径中。第一压力传感器74测定罐侧氢线路75内的压力。在截止阀45打开时由第一压力传感器74测定出的压力视作氢罐40内的压力。
43.罐侧氢线路75将一端与氢罐40连结且将另一端与交叉部79连结。罐侧氢线路75在氢罐40侧分支为三个而与三个氢罐40分别连结。
44.氢填充线路76及氢供给线路77从罐侧氢线路75的另一端(即交叉部79)分支而分别朝向氢填充口61及燃料电池10延伸。
45.氢填充线路76将交叉部79与氢填充口61连结。在氢填充线路76上设置有止回阀76a。本实施方式的止回阀76a位于氢填充线路76的交叉部79侧的连接端部。止回阀76a防止来自罐侧氢线路75的氢的逆流。另外，两个单位燃料电池组g1、g2的氢填充线路76在比止回阀76a靠上游侧(即，氢填充口61侧)的位置相互连结。在连结的氢填充线路76的上游侧的端部设置有填充部60。从填充部60填充的氢向两个单位燃料电池组g1、g2的氢填充线路76分支流动而向各自的氢罐40同时供给。
46.氢供给线路77将交叉部79与燃料电池10连结。氢供给线路77使氢罐40的氢到达燃料电池10。在氢供给线路77上设置有减压阀73、第二压力传感器72及控制阀71。减压阀73、第二压力传感器72及控制阀71从交叉部79朝向燃料电池10按顺序排列。
47.减压阀73对从氢罐40放出的高压的氢进行减压而使其向下游侧(即燃料电池10侧)流通。第二压力传感器72测定由减压阀73减压后的氢的压力。第二压力传感器72与燃料电池控制装置20连接。控制阀71是由燃料电池控制装置20控制的喷射器。燃料电池控制装置20基于由第二压力传感器72测定出的氢供给线路77中的氢的压力来控制控制阀71，调整
氢向燃料电池10的供给量。
48.两个单位燃料电池组g1、g2的氢供给线路77彼此通过连结线路78相互连结。连结线路78的连结部配置在氢供给线路77的控制阀71与减压阀73之间。在两个单位燃料电池组g1、g2的氢线路75中的一方的压力降低的情况下，另一方的氢通过连结线路78向一方侧供给。
49.(作用、效果)
50.接着，对上述的车辆用燃料电池系统100的作用、效果进行说明。
51.本实施方式的车辆用燃料电池系统100通过将多个包括氢罐40、燃料电池10及燃料电池控制装置20的单位燃料电池组g1、g2连结来构成。因此，能够将搭载于车辆1的燃料电池系统分割成多个小组来构成，能够沿用普通乘用车用的燃料电池系统的构成部件来构建搭载于大型的商用车的车辆用燃料电池系统100。因而，根据本实施方式，在具有多个氢罐40的车辆用燃料电池系统100中能够实现成本的降低。
52.根据本实施方式，一个罐用控制装置80统括监视多个单位燃料电池组g1、g2的氢罐40的填充、放出。因此，能够通过罐用控制装置80使多个氢罐40均等地进行氢的贮存及放出。
53.根据本实施方式，多个单位燃料电池组g1、g2分别具备燃料电池控制装置20。因此，即便多个单位燃料电池组g1、g2中的一部分不能运转，其他的单位燃料电池组也能够继续运转，能够通过提高冗余性来确保车辆用燃料电池系统100的可靠性。
54.根据本实施方式，两个单位燃料电池组g1、g2的氢供给线路77通过连结线路78相互连结。因此，在一个单位燃料电池组(例如第一单位燃料电池组g1)的氢的压力降低的情况下，能够从其他的单位燃料电池组(例如第二单位燃料电池组g2)供给氢。即，能够抑制在多个单位燃料电池组g1、g2之间产生氢剩余压力的单侧减少。
55.另外，在本实施方式中，例如假定在一个单位燃料电池组(例如第一单位燃料电池组g1)的氢供给线路77中感知到异常的情况。这种情况下，罐用控制装置80将第一单位燃料电池组g1的氢罐40的截止阀45闭塞来停止氢的供给。即，罐用控制装置80停止氢向检测出异常的单位燃料电池组(例如第一单位燃料电池组g1)的燃料电池10的供给。由此，能够抑制氢通过检测出异常的单位燃料电池组的氢供给线路77，从而能够保护氢供给线路77。另一方面，在没有感知到异常的第二单位燃料电池组g2中，来自氢罐40的氢的供给能够继续进行。即，能够从其他的单位燃料电池组(例如第二单位燃料电池组g2)的氢罐40向检测出异常的单位燃料电池组(例如第一单位燃料电池组g1)的燃料电池10供给氢。根据本实施方式，能够从第二单位燃料电池组g2经由连结线路78向第一单位燃料电池组g1供给氢。因此，能够使第一及第二单位燃料电池组g1、g2的燃料电池10一起驱动。由此，能够维持车辆1的马达的驱动。而且，在车辆1是冷藏车的情况下，能够使用由燃料电池10发出的电力来维持货箱内的冷却。其结果是，能够提高车辆用燃料电池系统100的可靠性。
56.根据本实施方式，使多个单位燃料电池组g1、g2的氢填充线路76在比止回阀76a靠上游侧的位置合流。因此，能够在多个氢填充线路76中共用氢填充口61。从氢填充口61填充的氢同时向两个单位燃料电池组g1、g2的共计六个氢罐40供给。
57.根据本实施方式，多个单位燃料电池组g1、g2分别包括减压阀73。因此，能够在各个单位燃料电池组g1、g2的氢供给线路77中对氢进行减压，能够使各自的减压阀73小型化。
其结果是，与通过一个大的减压阀进行减压的情况相比，能够使车辆用燃料电池系统100整体小型化及轻量化。而且，能够沿用普通机动车的燃料电池系统的部件，因此能够实现低成本化。
58.需要说明的是，本发明的技术范围不限定于上述的各实施方式，包括在不脱离本发明的主旨的范围内对上述的实施方式施加各种变更而得到的方案。即，在上述的实施方式中举出的结构等只不过是一例，可以适当变更。车辆是移动体的一例，是二轮或三轮、四轮等的机动车。另外，车辆也可以是例如能够搭载多个燃料电池系统的公共汽车、卡车等大型车辆。燃料电池系统也可以搭载于车辆以外的移动体(例如船舶、飞行体、机器人)，还可以搭载于固定型的燃料电池系统。
59.例如，在上述的实施方式中，对车辆用燃料电池系统100包括两个单位燃料电池组g1、g2的情况进行了说明。然而，车辆用燃料电池系统100也可以包括三个以上的单位燃料电池组。这种情况下，罐用控制装置只要是对至少两个单位燃料电池组的氢罐的填充、放出进行控制的装置即可。另外，只要至少两个单位燃料电池组的氢供给线路77相互连结即可。而且，只要至少两个单位燃料电池组的氢填充线路在止回阀的上游侧相互连结即可。
60.另外，在上述的实施方式中，对连结线路78在控制阀71与减压阀73之间与氢供给线路77连结的情况进行了说明。然而，连结线路78也可以在减压阀73的上游侧(氢罐40侧)与氢供给线路77连结。
61.另外，在上述的实施方式中，对一个单位燃料电池组g1、g2分别具有三个氢罐40的情况进行了说明，但氢罐40的数目没有限定。
62.另外，在上述的实施方式中，对氢罐40的截止阀45具有填充用阀及供给用阀这两方的功能的情况进行了说明。但是，也可以将填充用阀及供给用阀分别设置于各氢罐40。
63.此外，在不脱离本发明的主旨的范围内能够适当将上述的实施方式中的构成要素置换为公知的构成要素。