特開 2024-25526 燃料電池ユニット

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024025526

(43)【公開日】2024-02-26

(54)【発明の名称】燃料電池ユニット

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20240216BHJP

   H01M 8/04537 20160101ALI20240216BHJP

   H01M 8/04858 20160101ALI20240216BHJP

   H01M 8/04746 20160101ALI20240216BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20240216BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 Z

H01M8/04537

H01M8/04858

H01M8/04746

H01M8/04 N

H01M8/10 101

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022129035

(22)【出願日】2022-08-12

(71)【出願人】

【識別番号】000003218

【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(72)【発明者】

【氏名】立川 克之

(72)【発明者】

【氏名】明本 斉

【テーマコード（参考）】

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H126BB06

5H127AA06

5H127AB04

5H127BA02

5H127BA28

5H127BA33

5H127BA57

5H127BA58

5H127BA59

5H127BB02

5H127BB12

5H127BB22

5H127BB37

5H127BB39

5H127BB40

5H127DB66

5H127DC32

5H127DC42

5H127EE19

(57)【要約】

【課題】調圧弁の開度が小さくなるのに伴って生じる、カソード流路でのカソードガスの流量の急激な変化を抑制する。
【解決手段】燃料電池ユニット２０は、アノード流路６０ａに供給されるアノードガスとカソード流路３０ａに供給されるカソードガスとの反応によって発電を行う燃料電池スタック２１と、カソード流路３０ａの燃料電池スタック２１よりも下流側に設けられ、座面に対して弁体が近づくことで開度が小さくなる調圧弁４１と、弁体を移動させて調圧弁４１の開度を制御する制御部８０と、を有する。制御部８０は、調圧弁４１の開度が第１開度以下である場合に調圧弁４１の開度を小さくするときの速度を、調圧弁４１の開度が第１開度より大きい開度である場合に調圧弁４１の開度を小さくするときの速度よりも遅い速度で、弁体を移動させる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

アノード流路に供給されるアノードガスとカソード流路に供給されるカソードガスとの反応によって発電を行う燃料電池スタックと、
前記カソード流路の前記燃料電池スタックよりも下流側に設けられ、座面に対して弁体が近づくことで開度が小さくなる調圧弁と、
前記弁体を移動させて前記調圧弁の開度を制御する制御部と、を有する燃料電池ユニットであって、
前記制御部は、前記調圧弁の開度が第１開度以下である場合に前記調圧弁の開度を小さくするときの速度を、前記調圧弁の開度が前記第１開度より大きい開度である場合に前記調圧弁の開度を小さくするときの速度よりも遅い速度で、前記弁体を移動させることを特徴とする燃料電池ユニット。

【請求項2】

前記制御部は、前記調圧弁の開度が前記第１開度より大きい第２開度以上である場合に前記調圧弁の開度を小さくするときの速度を、前記調圧弁の開度が前記第１開度より大きくかつ前記第２開度より小さい場合に前記調圧弁の開度を小さくするときの速度よりも速い速度で、前記弁体を移動させる請求項１に記載の燃料電池ユニット。

【請求項3】

前記制御部は、前記調圧弁の開度を大きくするときは、前記調圧弁の開度が前記第１開度以下である場合に前記調圧弁の開度を小さくするときよりも、速い速度で前記弁体を移動させる請求項１または請求項２に記載の燃料電池ユニット。

【請求項4】

前記調圧弁は、前記弁体が回転することで前記座面に対して前記弁体が近づくバタフライ弁である請求項１に記載の燃料電池ユニット。

【請求項5】

前記燃料電池スタックは、第１目標電力と、前記第１目標電力よりも小さい第２目標電力と、を含む複数の目標電力に切り替えられながら発電しており、
前記制御部は、前記目標電力が前記第１目標電力である場合に、前記調圧弁の開度を前記第１開度以下に制御する請求項１に記載の燃料電池ユニット。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池ユニットに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１に記載の燃料電池ユニットは、燃料電池スタックと、調圧弁と、制御部と、を有する。燃料電池スタックは、アノード流路に供給されるアノードガスとカソード流路に供給されるカソードガスとの反応によって発電を行う。調圧弁は、カソード流路の燃料電池スタックよりも下流側に設けられている。制御部は、調圧弁の開度を制御する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００５－３３９８４５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

座面に対して弁体が近づくことで開度が小さくなる調圧弁においては、弁体が座面に比較的接近する所定開度から全閉までの低開度領域が調圧弁に存在する。低開度領域にて調圧弁の開度を小さくする場合、カソード流路の流路断面積のうちで弁体と座面との間でガスが流れる部分の断面積である有効断面積の変化の度合いが大きくなる。そのため、調圧弁を介して流れるカソード流路でのガスの流量が急激に変化する挙動が起こるおそれがある。こうした挙動は、燃料電池スタックでの出力低下に繋がるため好ましくない。

【課題を解決するための手段】

【0005】

上記課題を解決する燃料電池ユニットは、アノード流路に供給されるアノードガスとカソード流路に供給されるカソードガスとの反応によって発電を行う燃料電池スタックと、前記カソード流路の前記燃料電池スタックよりも下流側に設けられ、座面に対して弁体が近づくことで開度が小さくなる調圧弁と、前記弁体を移動させて前記調圧弁の開度を制御する制御部と、を有する燃料電池ユニットであって、前記制御部は、前記調圧弁の開度が第１開度以下である場合に前記調圧弁の開度を小さくするときの速度を、前記調圧弁の開度が前記第１開度より大きい開度である場合に前記調圧弁の開度を小さくするときの速度よりも遅い速度で、前記弁体を移動させることを特徴とする。

【0006】

上記構成によれば、調圧弁の開度が第１開度以下であるときに、調圧弁の開度が小さくなるのに伴って生じる、カソード流路でのカソードガスの流量の急激な変化を抑制できる。

【0007】

燃料電池ユニットにおいて、前記制御部は、前記調圧弁の開度が前記第１開度より大きい第２開度以上である場合に前記調圧弁の開度を小さくするときの速度を、前記調圧弁の開度が前記第１開度より大きくかつ前記第２開度より小さい場合に前記調圧弁の開度を小さくするときの速度よりも速い速度で、前記弁体を移動させてもよい。

【0008】

上記構成によれば、調圧弁の開度を小さくする際に、調圧弁の開度が、第２開度以上であるとき、第１開度より大きくかつ第２開度より小さいとき、及び第１開度以下であるときで、段階的に弁体を移動させる速度を遅くできる。したがって、調圧弁の開度が第１開度より大きいときと第１開度以下であるときとの２段階で弁体を移動させる速度を変化させる場合よりも、調圧弁の開度が小さくなるのに伴う、カソード流路でのカソードガスの流量の急激な変化をさらに抑制できる。

【0009】

燃料電池ユニットにおいて、前記制御部は、前記調圧弁の開度を大きくするときは、前記調圧弁の開度が前記第１開度以下である場合に前記調圧弁の開度を小さくするときよりも、速い速度で前記弁体を移動させてもよい。

【0010】

上記構成によれば、カソード流路でのカソードガスの流量の急激な変化が生じにくい調圧弁の開度を大きくするときには、弁体を早期に移動させることができるため、調圧弁の開度変化の応答性を高められる。

【0011】

燃料電池ユニットにおいて、前記調圧弁は、前記弁体が回転することで前記座面に対して前記弁体が近づくバタフライ弁であってもよい。
燃料電池ユニットにおいて、前記燃料電池スタックは、第１目標電力と、前記第１目標電力よりも小さい第２目標電力と、を含む複数の目標電力に切り替えられながら発電しており、前記制御部は、前記目標電力が前記第１目標電力である場合に、前記調圧弁の開度を前記第１開度以下に制御してもよい。

【0012】

上記構成によれば、弁体の移動速度の調整によって、カソード流路でのカソードガスの流量の急激な変化を抑制できるため、第１開度以下の調圧弁の開度領域を含めたより大きな開度の範囲で調圧弁の開度を調整することにより、目標電力を制御できる。

【発明の効果】

【0013】

この発明によれば、調圧弁の開度が小さくなるのに伴って生じる、カソード流路でのカソードガスの流量の急激な変化を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】実施形態における燃料電池ユニットの模式図である。

【図2】調圧弁を示す模式図である。

【図3】調圧弁を示す断面図である。

【図4】調圧弁を示す断面図である。

【図5】速度制御の処理手順を示すフローチャートである。

【図6】時間と調圧弁の開度との関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、燃料電池ユニットを具体化した実施形態について図面にしたがって説明する。
図１に示すように、産業車両１０は、負荷１１と、電力変換部１２と、キースイッチ１３と、燃料電池ユニット２０と、を備える。産業車両１０は、例えば、フォークリフト又はトーイングトラクタである。

【0016】

負荷１１は、電力によって駆動する装置である。負荷１１は、例えば、電力によって駆動する電動機である。この電動機の駆動によって産業車両１０は走行する。
電力変換部１２は、燃料電池ユニット２０から電力変換部１２に入力された電力を変換して出力する。電力変換部１２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ、及びインバータを含む。電力変換部１２から出力された電力は負荷１１に供給される。これにより負荷１１は駆動する。

【0017】

キースイッチ１３は、産業車両１０のユーザによって操作される。ユーザによる操作によって、キースイッチ１３はオンとオフとで切り替えられる。以下の説明において、キースイッチ１３がオフされることをキーオフと称し、キースイッチ１３がオンされることをキーオンと称する場合がある。

【0018】

＜燃料電池ユニット＞
燃料電池ユニット２０は、カソード系３０と、アノード系６０と、希釈器６９と、を有する。燃料電池ユニット２０は、燃料電池スタック２１と、制御部８０と、を有する。燃料電池スタック２１は、例えば、固体高分子形燃料電池である。燃料電池スタック２１は、複数の燃料電池セル２２を備える。燃料電池セル２２は、アノードガスが供給されるアノード極と、カソードガスが供給されるカソード極と、アノード極とカソード極との間に配置されている電解質膜と、を備える。燃料電池セル２２は、セパレータによって挟まれている。

【0019】

カソード系３０は、カソード流路３０ａを備える。カソード流路３０ａは、燃料電池スタック２１の内部を流れるカソード内部流路２３を備える。カソード内部流路２３にはカソードガスが流れる。カソード内部流路２３は、例えば、燃料電池スタック２１におけるカソード極に向かい合うセパレータに設けられている。カソード内部流路２３は、流入口２４と、流出口２５と、を備える。カソードガスは、流入口２４からカソード内部流路２３に流入し、流出口２５からカソード内部流路２３外に流出する。

【0020】

アノード系６０は、アノード流路６０ａを備える。アノード流路６０ａは、燃料電池スタック２１の内部を流れるアノード内部流路２６を備える。アノード内部流路２６にはアノードガスが流れる。アノード内部流路２６は、例えば、燃料電池スタック２１におけるアノード極に向かい合うセパレータに設けられている。アノード内部流路２６は、流入口２７と、流出口２８と、を備える。アノードガスは、流入口２７からアノード内部流路２６に流入し、流出口２８からアノード内部流路２６外に流出する。

【0021】

アノード内部流路２６を流れるアノードガスと、カソード内部流路２３を流れるカソードガスと、が反応することにより、燃料電池スタック２１は発電を行う。言い換えると、燃料電池スタック２１は、アノード流路６０ａに供給されたアノードガスとカソード流路３０ａに供給されたカソードガスとの反応によって発電を行う。なお、カソードガスは、酸化剤ガスである。酸化剤ガスとしては、例えば、空気中の酸素を挙げることができる。アノードガスは、燃料ガスである。燃料ガスとしては、例えば、水素ガスを挙げることができる。

【0022】

アノード系６０は、タンク６１と、アノードガス供給部６２と、気液分離器６５と、循環ポンプ６６と、排気排水弁６７と、を備える。アノード流路６０ａは、供給路６３と、循環路６４と、を備える。

【0023】

タンク６１は、アノードガスを貯留している。アノードガス供給部６２には、タンク６１からアノードガスが供給される。アノードガス供給部６２は、燃料電池スタック２１に供給されるアノードガスの量を調整するための部材である。燃料電池スタック２１に供給されるアノードガスの量は、アノードガス供給部６２を制御することで調整可能である。アノードガス供給部６２としては、例えば、インジェクタなどの電磁弁を用いることができる。

【0024】

供給路６３は、アノードガス供給部６２とアノード内部流路２６の流入口２７とを接続している。アノードガス供給部６２から噴射されたアノードガスは、供給路６３を通じて燃料電池スタック２１に供給される。

【0025】

循環路６４は、アノード内部流路２６の流出口２８と供給路６３とを接続している。循環路６４には、アノード排ガスが流れる。アノード排ガスは、未反応のアノードガスと、生成水と、を含む。生成水とは、燃料電池スタック２１での発電によって生成される水である。循環路６４は、アノード排ガスに含まれる未反応のアノードガスを供給路６３に戻すための通路である。

【0026】

気液分離器６５は、循環路６４に設けられている。気液分離器６５は、アノード排ガスをアノードガスと生成水とに分離する。アノード排ガスから分離された生成水は、気液分離器６５に貯留される。

【0027】

循環ポンプ６６は、循環路６４に設けられている。循環ポンプ６６は、気液分離器６５によってアノード排ガスから分離されたアノードガスを供給路６３に供給する。これにより、アノードガスが循環する。

【0028】

排気排水弁６７は、気液分離器６５に接続されている。排気排水弁６７は、開状態と閉状態に切り替えられる。排気排水弁６７が開状態になると、気液分離器６５から生成水が排出される。排気排水弁６７は、気液分離器６５に貯留される生成水の量が閾値を上回った場合に閉状態から開状態に切り替えられてもよい。排気排水弁６７は、所定の時間間隔毎に閉状態から開状態に切り替えられてもよい。

【0029】

気液分離器６５は、希釈器６９に接続されている。排気排水弁６７が開状態になると、気液分離器６５に貯留された生成水及びアノード排ガスが希釈器６９に供給される。
カソード系３０は、カソードガス吸入口３１と、電動圧縮機３２と、インタークーラ３３と、封止弁４０と、調圧弁４１と、を備える。言い換えると、燃料電池ユニット２０は、調圧弁４１を有する。カソード流路３０ａは、カソード供給路３４と、カソード排出路３７と、を備える。

【0030】

カソードガス吸入口３１は、燃料電池ユニット２０にカソードガスを吸入するための吸入口である。カソードガスとして空気中の酸素を用いる場合、カソードガス吸入口３１は大気に開放されていてもよい。カソードガス吸入口３１は、カソードガスを貯蔵するガスボンベに接続されていてもよい。

【0031】

電動圧縮機３２は、電動モータによって駆動する。電動圧縮機３２は、燃料電池スタック２１にカソードガスを供給する。詳細には、電動圧縮機３２は、カソードガス吸入口３１から供給されるカソードガスを圧縮して燃料電池スタック２１に供給する。カソードガスは、カソードガス吸入口３１から不図示のエアクリーナーを通って電動圧縮機３２に供給されてもよい。電動圧縮機３２から燃料電池スタック２１に供給されたカソードガスは、カソード内部流路２３を流れる。

【0032】

インタークーラ３３には、電動圧縮機３２から吐出されたカソードガスが供給される。インタークーラ３３は、電動圧縮機３２から供給されたカソードガスを冷却する。燃料電池スタック２１に供給されるカソードガスは、インタークーラ３３によって冷却された後のカソードガスである。

【0033】

カソード供給路３４は、カソード流路３０ａのうち、燃料電池スタック２１よりも上流側に位置する部分である。カソード供給路３４は、電動圧縮機３２とカソード内部流路２３の流入口２４とを接続している。カソード供給路３４は、第１供給路３５と、第２供給路３６と、を含む。第１供給路３５は、電動圧縮機３２とインタークーラ３３とを接続している。第２供給路３６は、インタークーラ３３とカソード内部流路２３の流入口２４とを接続している。

【0034】

カソード排出路３７は、カソード流路３０ａのうち、燃料電池スタック２１よりも下流側に位置する部分である。カソード排出路３７は、カソード内部流路２３の流出口２５と希釈器６９とを接続している。カソード排出路３７は、カソード排ガスが流れる流路である。カソード排ガスは、燃料電池スタック２１から排出されるカソードガスであって、生成水を含んだカソードガスである。カソード排ガスは、カソード排出路３７から希釈器６９に排出される。希釈器６９は、気液分離器６５から供給されたアノード排ガスをカソード排ガスによって希釈して大気中に排出する。

【0035】

封止弁４０は、カソード供給路３４に設けられている。本実施形態の封止弁４０は、第２供給路３６に設けられている。封止弁４０は、第１供給路３５に設けられていてもよい。封止弁４０は、例えばカソード供給路３４を封止するバタフライ弁である。封止弁４０は、開状態と閉状態とに切り替えられる。封止弁４０が開状態になると、カソード供給路３４を介してカソード内部流路２３にカソードガスが供給される。封止弁４０が閉状態になると、カソード供給路３４が封止される。

【0036】

＜調圧弁＞
調圧弁４１は、カソード排出路３７に設けられている。したがって、調圧弁４１は、カソード流路３０ａの燃料電池スタック２１よりも下流側に設けられている。調圧弁４１は、バタフライ弁である。調圧弁４１の開度が調整されることにより、燃料電池スタック２１の内圧が調整される。調圧弁４１の開度が小さいほど、燃料電池スタック２１の内圧が高まる。調圧弁４１が全閉にされると、カソード排出路３７が封止される。

【0037】

図２に示すように、調圧弁４１は、ボディ４２と、シール部材４４と、弁体４８と、回転軸５１と、減速機構５２と、モータ５４と、駆動装置５５と、開度センサ５８と、ストッパ５９と、を備える。ボディ４２は、ボディ４２を貫通する流路４３を備える。すなわち、ボディ４２は筒状である。ボディ４２がカソード排出路３７に設けられることにより、流路４３はカソード排出路３７に連通している。

【0038】

シール部材４４は、流路４３に設けられている。シール部材４４は、例えば、ゴム製である。シール部材４４は、円環状である。シール部材４４は、座面４４ａを有する。座面４４ａは、シール部材４４の内周面である。シール部材４４は、テーパ部４５を備える。テーパ部４５は、シール部材４４のうち、シール部材４４の軸線方向の第１端部４６から第２端部４７に向けて内径が小さくなる部分である。シール部材４４は、ボディ４２の内周面に沿って設けられている。

【0039】

弁体４８は、流路４３に設けられている。弁体４８は、本体４９と、連結部５０と、を備える。本体４９は、円板状である。本体４９の直径は、テーパ部４５の最大の内径よりも小さく、かつ、テーパ部４５の最小の内径よりも大きい。

【0040】

回転軸５１は、連結部５０に設けられている。回転軸５１の回転に伴い弁体４８は回転する。回転軸５１の回転に伴い弁体４８が回転することによって、調圧弁４１の開度が調整される。調圧弁４１が全閉の場合、弁体４８がシール部材４４と密着する。これによって流路４３が封止される。シール部材４４は、弁体４８をシールする。

【0041】

図３に示すように、調圧弁４１において、座面４４ａから弁体４８が離れることで開度が大きくなる。調圧弁４１において、座面４４ａに対して弁体４８が近づくことで開度が小さくなる。調圧弁４１は、弁体４８が回転することで座面４４ａに対して弁体４８が近づく。

【0042】

流路４３の流路断面積のうち、弁体４８と座面４４ａの間でガスが流れる部分の断面積のことを、以下では調圧弁４１の有効断面積とも称する。有効断面積は、座面４４ａに対して弁体４８が近づくほど小さくなる。すなわち、調圧弁４１の開度が小さくなるほど、調圧弁４１の有効断面積は小さくなる。

【0043】

図４に示すように、調圧弁４１には、調圧弁４１の開度が座面４４ａに弁体４８が接する開度であって調圧弁４１が全閉ではない領域が存在する。この領域を、以下では低開度領域とも称する。弁体４８が座面４４ａから離れた位置から座面４４ａに対して近づくように移動した後、弁体４８が座面４４ａに接することで、調圧弁４１の開度は低開度領域の開度となる。

【0044】

弁体４８が座面４４ａから離れた位置から座面４４ａに接したタイミングにおいては、弁体４８の周縁部のうちで、弁体４８の周方向の一部が座面４４ａに接する。そのため、低開度領域においては、弁体４８の周縁部のうちで座面４４ａに接していない部分と座面４４ａとの間にてガスの通過が可能であるため、調圧弁４１の有効断面積は０（ゼロ）ではない。

【0045】

低開度領域において、調圧弁４１の開度が小さく変更されると、弁体４８は座面４４ａを押圧しながら移動する。このとき、シール部材４４は、弁体４８からの押圧を受けて変形する。これにより、低開度領域において調圧弁４１の開度が小さくなるほど、弁体４８の周縁部のうちで座面４４ａに接する部分の割合が増えるため、調圧弁４１の有効断面積が小さくなる。調圧弁４１の開度が全閉となると、弁体４８の周縁部の全体が座面４４ａに接することにより、調圧弁４１の有効断面積は０（ゼロ）となる。

【0046】

図２に示すように、減速機構５２は、ギヤ５３を備える。このギヤ５３は、減速機構５２が備える複数のギヤの１つである。減速機構５２は、モータ５４の駆動力を、ギヤ５３を含む複数のギヤを介して回転軸５１に伝達する。これにより、回転軸５１が回転する。このように、ギヤ５３はモータ５４の駆動によって回転し、これにより弁体４８が回転する。

【0047】

調圧弁４１は、弁体４８が閉じる方向に弁体４８を付勢する不図示のスプリングを備える。モータ５４から回転軸５１に加わる力とスプリングからの力が釣り合う位置で、弁体４８は保持される。調圧弁４１の開度は、モータ５４を制御することによって調整可能といえる。モータ５４は、直流モータである。

【0048】

駆動装置５５は、モータ５４を駆動させる。詳細にいえば、駆動装置５５は、モータ５４に印加される電圧を変化させることによってモータ５４の回転数を制御する。駆動装置５５は、パルス幅変調方式である。駆動装置５５は、スイッチング素子５６を備える。スイッチング素子５６は、モータ５４に直列接続される。モータ５４の電力源は、産業車両１０に搭載される二次電池である。

【0049】

開度センサ５８は、調圧弁４１の開度を検出する。開度センサ５８としては、例えば、ホール素子を用いることができる。開度センサ５８としては、エンコーダを用いてもよい。

【0050】

ストッパ５９は、ギヤ５３の回転を規制する。弁体４８が閉じる方向に回転軸５１を回転させていくと、ギヤ５３とストッパ５９とが接触する。ギヤ５３とストッパ５９とが接触することによって回転軸５１の回転も規制される。すなわち、弁体４８が閉じる方向への弁体４８の回転は、ギヤ５３がストッパ５９に接触する位置で停止する。調圧弁４１の全閉とは、ギヤ５３がストッパ５９に接触する状態である。

【0051】

＜制御部＞
図１に示すように、制御部８０は、プロセッサ８１と、記憶部８２と、を備える。記憶部８２は、ＲＡＭ（Random Access Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory）を含む。記憶部８２は、処理をプロセッサ８１に実行させるように構成されたプログラムコードまたは指令を格納している。記憶部８２、すなわち、コンピュータ可読媒体は、汎用または専用のコンピュータでアクセスできるあらゆる利用可能な媒体を含む。制御部８０は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェア回路によって構成されていてもよい。処理回路である制御部８０は、コンピュータプログラムに従って動作する１つ以上のプロセッサ８１、ＡＳＩＣやＦＰＧＡ等の１つ以上のハードウェア回路、或いは、それらの組み合わせを含み得る。

【0052】

制御部８０は、燃料電池ユニット２０の制御を行う。例えば、制御部８０は、燃料電池スタック２１の出力電力［ｋＷ］を制御する。燃料電池スタック２１の出力電力は、燃料電池スタック２１に供給されるカソードガスの量と、燃料電池スタック２１に供給されるアノードガスの量と、によって変化する。燃料電池スタック２１の出力電力は、燃料電池スタック２１の発電電力である。制御部８０は、アノードガス供給部６２を制御することで、燃料電池スタック２１へのアノードガスの供給量を制御する。制御部８０は、電動圧縮機３２を制御することで、燃料電池スタック２１へのカソードガスの供給量を制御する。

【0053】

制御部８０は、燃料電池スタック２１の発電についての制御を行う。制御部８０は、燃料電池スタック２１の発電状態と発電停止状態とを切り替える。発電状態は、低発電状態、中発電状態、及び高発電状態を含む。制御部８０は、燃料電池スタック２１の発電状態を遷移させることで、燃料電池スタック２１の発電電力を段階的に変化させることができる。

【0054】

制御部８０は、燃料電池スタック２１の発電電力の目標値である目標電力Ｅを変更することにより、燃料電池スタック２１の発電状態を切り替えている。燃料電池スタック２１は、第１目標電力Ｅ１と、第２目標電力Ｅ２と、を含む複数の目標電力Ｅに切り替えられながら発電している。詳細には、燃料電池スタック２１を高発電状態に制御するとき、制御部８０は目標電力Ｅを第１目標電力Ｅ１として制御を行う。燃料電池スタック２１を中発電状態に制御するとき、制御部８０は目標電力Ｅを第２目標電力Ｅ２として制御を行う。燃料電池スタック２１を低発電状態に制御するとき、制御部８０は目標電力Ｅを第３目標電力Ｅ３として制御を行う。第３目標電力Ｅ３は、第２目標電力Ｅ２よりも小さい。第３目標電力Ｅ３は、例えば、３［ｋＷ］である。第２目標電力Ｅ２は、例えば、５［ｋＷ］である。第２目標電力Ｅ２は第１目標電力Ｅ１よりも小さい。第１目標電力Ｅ１は、例えば、８［ｋＷ］である。制御部８０は、目標電力Ｅに応じて、燃料電池スタック２１に供給されるカソードガスの量と、燃料電池スタック２１に供給されるアノードガスの量と、を変更する。

【0055】

制御部８０は、例えば、封止弁４０の開度を制御する。制御部８０は、キースイッチ１３のオンとオフとを判定可能である。例えば、キースイッチ１３がオンになった場合、キースイッチ１３がオンになったことが産業車両１０に搭載された不図示の車両制御装置から制御部８０に通知される。同様に、キースイッチ１３がオフになった場合、キースイッチ１３がオフになったことが車両制御装置から制御部８０に通知される。これにより、制御部８０は、キースイッチ１３のオンとオフとを判定することができる。

【0056】

図２に示すように、制御部８０は、弁体４８を移動させて調圧弁４１の開度を制御する。詳細には、制御部８０からのパルス波によって、駆動装置５５はスイッチング素子５６のスイッチングを行う。パルス波は、オン信号とオフ信号とが周期的に切り替わる信号である。パルス波の１周期におけるオン信号の割合をデューティと称する。制御部８０は、デューティを調整することによってモータ５４に印加される電圧を変化させる。制御部８０は、モータ５４を駆動させることによって調圧弁４１の開度を調整することができる。

【0057】

図１に示すように、制御部８０は、産業車両１０がキーオフされると、アノードガスの供給、及びカソードガスの供給を停止することによって燃料電池スタック２１の発電を停止する。制御部８０は、アノード内部流路２６を封止することによって、アノードガスの供給を停止する。アノード内部流路２６の封止は、排気排水弁６７を閉状態に維持することで行われる。

【0058】

制御部８０は、カソード内部流路２３を封止することによって、カソードガスの供給を停止する。カソード内部流路２３の封止は、封止弁４０及び調圧弁４１を閉状態に維持することで行われる。

【0059】

制御部８０は、産業車両１０がキーオンされると、アノードガスの供給、及びカソードガスの供給を行うことによって燃料電池スタック２１の発電を行う。カソードガスの供給が行われる際、制御部８０は、封止弁４０を開状態に維持するとともに、調圧弁４１の開度を調整する。

【0060】

制御部８０は、燃料電池スタック２１の目標電力Ｅが大きいほど調圧弁４１の開度が小さくなるように、調圧弁４１の開度を調整する。制御部８０は、燃料電池スタック２１の目標電力Ｅが第１目標電力Ｅ１である場合に、調圧弁４１の開度を第１開度Ａ１以下に制御する。例えば、燃料電池スタック２１の目標電力Ｅが第２目標電力Ｅ２及び第３目標電力Ｅ３のいずれかである状態から第１目標電力Ｅ１に切り替わった場合、制御部８０は、調圧弁４１の開度を低開度領域内の開度に変更する。燃料電池スタック２１の目標電力Ｅが第１目標電力Ｅ１である間は、低開度領域内で調圧弁４１の開度を調整する。これにより、制御部８０は、調圧弁４１の開度を第１開度Ａ１以下に制御する。

【0061】

＜速度制御＞
調圧弁４１の開度の調整と併せて、制御部８０は速度制御を行う。速度制御において、制御部８０は、調圧弁４１の開度に応じて弁体４８の移動速度を調整する。弁体４８の移動速度は、調圧弁４１の角速度［°／ｓｅｃ］である。制御部８０は、開度センサ５８からの検出値に基づいて、調圧弁４１の開度の大きさを判断する。

【0062】

制御部８０は、調圧弁４１の開度を小さくするときに、第１速度ＳＰ１、第２速度ＳＰ２、及び第３速度ＳＰ３のいずれかに弁体４８の移動速度を切り替える。詳細には、調圧弁４１の開度が第１開度Ａ１以下である場合に調圧弁４１の開度を小さくするとき、制御部８０は弁体４８の移動速度を第１速度ＳＰ１に設定する。調圧弁４１が第１開度Ａ１よりも大きい第２開度Ａ２以上である場合に調圧弁４１の開度を小さくするとき、制御部８０は弁体４８の移動速度を第２速度ＳＰ２に設定する。調圧弁４１が第１開度Ａ１より大きくかつ第２開度Ａ２より小さい開度である場合に調圧弁４１の開度を小さくするとき、制御部８０は弁体４８の移動速度を第３速度ＳＰ３に設定する。

【0063】

第１開度Ａ１は、座面４４ａに弁体４８が接する開度であって弁体４８と座面４４ａの間でカソードガスが流れる開度である。第１開度Ａ１は、低開度領域に含まれる調圧弁４１の開度の中で、最も大きい開度である。

【0064】

第３速度ＳＰ３は、第２速度ＳＰ２よりも遅い速度である。第１速度ＳＰ１は、第２速度ＳＰ２及び第３速度ＳＰ３よりも遅い速度である。したがって、制御部８０は、調圧弁４１の開度が第１開度Ａ１以下である場合に調圧弁４１の開度を小さくするときの速度を、調圧弁４１の開度が第１開度Ａ１より大きい開度である場合に調圧弁４１の開度を小さくするときの速度よりも遅い速度で、弁体４８を移動させる。制御部８０は、調圧弁４１の開度が第２開度Ａ２以上である場合に調圧弁４１の開度を小さくするときの速度を、調圧弁４１の開度が第１開度Ａ１より大きくかつ第２開度Ａ２より小さい場合に調圧弁４１の開度を小さくするときの速度よりも速い速度で、弁体４８を移動させる。

【0065】

本実施形態の制御部８０は、調圧弁４１の開度を大きくするときに、弁体４８の移動速度を第２速度ＳＰ２に設定する。すなわち、制御部８０は、調圧弁４１の開度を大きくするときと、調圧弁４１が第２開度Ａ２以上である場合に調圧弁４１の開度を小さくするときと、で弁体４８を同じ速度で移動させる。したがって、制御部８０は、調圧弁４１の開度を大きくするときは、調圧弁４１の開度が第１開度Ａ１以下である場合に調圧弁４１の開度を小さくするときよりも、速い速度で弁体４８を移動させる。

【0066】

次に、速度制御の処理手順の一例について図５を用いて説明する。図５に示す速度制御の処理は、例えばキーオンされたことを条件に、所定時間毎に繰り返し行われる。
図５に示すように、速度制御が開始されると、制御部８０は、調圧弁４１の開度を小さく変更するか否かを判断する（ステップＳ１１０）。調圧弁４１の開度を小さく変更しないと判断すると（ステップＳ１１０：ＮＯ）、制御部８０は、弁体４８の移動速度を第２速度ＳＰ２に設定する（ステップＳ１２０）。なお、調圧弁４１の開度を小さく変更しない場合とは、制御部８０が調圧弁４１の開度を大きく変更する場合と、制御部８０が調圧弁４１の開度を変更しない場合と、のいずれかである。ステップＳ１２０の処理を行った後、制御部８０は本制御を終了する。

【0067】

調圧弁４１の開度を小さく変更すると判断すると（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、制御部８０は、調圧弁４１の開度が第２開度Ａ２以上であるか否かを判断する（ステップＳ１３０）。調圧弁４１の開度が第２開度Ａ２以上であると判断すると（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）、制御部８０は、弁体４８の移動速度を第２速度ＳＰ２に設定して（ステップＳ１２０）、本制御を終了する。

【0068】

調圧弁４１の開度が第２開度Ａ２より小さいと判断すると（ステップＳ１３０：ＮＯ）、制御部８０は、調圧弁４１の開度が第１開度Ａ１以下であるか否かを判断する（ステップＳ１４０）。調圧弁４１の開度が第１開度Ａ１より大きいと判断すると（ステップＳ１４０：ＮＯ）、制御部８０は、弁体４８の移動速度を第３速度ＳＰ３に設定する（ステップＳ１５０）。ステップＳ１５０の処理を行った後、制御部８０は本制御を終了する。

【0069】

調圧弁４１の開度が第１開度Ａ１以下であると判断すると（ステップＳ１４０：ＹＥＳ）、制御部８０は、弁体４８の移動速度を第１速度ＳＰ１に設定する（ステップＳ１６０）。ステップＳ１６０の処理を行った後、制御部８０は本制御を終了する。

【0070】

＜調圧弁の開度と弁体の移動速度との関係＞
図６に調圧弁４１の開度の変化の一例を示す。図６の横軸は時間を示し、縦軸は調圧弁４１の開度を示す。この例においては、調圧弁４１が全開状態となる最大開度Ａｍａｘである状態から目標開度Ａｔに調整される場合について説明する。

【0071】

時間ｔ１において、目標開度Ａｔが第１開度Ａ１以下の所定の開度に設定されると、制御部８０は、最大開度Ａｍａｘから目標開度Ａｔへと調圧弁４１の開度変更を開始する。調圧弁４１の開度が第２開度Ａ２以上である間は、制御部８０は、弁体４８の移動速度を第２速度ＳＰ２に設定することにより、第２速度ＳＰ２で弁体４８が移動する。

【0072】

調圧弁４１の開度が第２開度Ａ２未満になると、制御部８０は、弁体４８の移動速度を第３速度ＳＰ３に設定することにより、第３速度ＳＰ３で弁体４８が移動する。これにより、弁体４８の移動速度が遅くなる。第３速度ＳＰ３で弁体４８が移動するときは、第２速度ＳＰ２で弁体４８が移動するときよりも、単位時間あたりの調圧弁４１の開度の変化量が小さくなる。調圧弁４１の開度が第１開度Ａ１以下になるまでは、弁体４８の移動速度が第３速度ＳＰ３に維持される。

【0073】

時間ｔ２において、調圧弁４１の開度が第１開度Ａ１以下になると、制御部８０は、弁体４８の移動速度を第１速度ＳＰ１に設定することにより、第１速度ＳＰ１で弁体４８が移動する。これにより、弁体４８の移動速度が遅くなる。第１速度ＳＰ１で弁体４８が移動するときは、第２速度ＳＰ２及び第３速度ＳＰ３のいずれかで弁体４８が移動するときよりも、単位時間あたりの調圧弁４１の開度の変化量が小さくなる。調圧弁４１の開度が第１開度Ａ１以下の間は、弁体４８の移動速度が第１速度ＳＰ１に維持される。

【0074】

時間ｔ３において、目標開度Ａｔが最大開度Ａｍａｘに設定されると、制御部８０は、弁体４８の移動速度を第２速度ＳＰ２に設定することにより、第２速度ＳＰ２で弁体４８が移動する。制御部８０は、最大開度Ａｍａｘへと調圧弁４１の開度変更を行う。

【0075】

［本実施形態の作用］
次に、本実施形態での作用について説明する。
調圧弁４１の弁体４８が座面４４ａに接する低開度領域にて調圧弁４１の開度を小さくする場合、弁体４８が座面４４ａに接していないときに調圧弁４１の開度を小さくする場合よりも、有効断面積の変化の度合いが大きくなる。

【0076】

本実施形態では、調圧弁４１の開度が第１開度Ａ１以下であるときに調圧弁４１の開度を小さくする場合、調圧弁４１の開度が第１開度Ａ１より大きい開度であるときに調圧弁４１の開度を小さくする場合よりも、遅い速度で弁体４８を移動させる。調圧弁４１が第１開度Ａ１以下である低開度領域において、調圧弁４１の開度が小さくなるのに伴ってカソード流路３０ａでのカソードガスの流量は変化するが、弁体４８の移動速度を遅くすることでカソードガスの流量を緩やかに変化させることができる。

【0077】

［本実施形態の効果］
本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。
（１）制御部８０は、調圧弁４１の開度が第１開度Ａ１以下である場合に調圧弁４１の開度を小さくするときの速度を、調圧弁４１の開度が第１開度Ａ１より大きい開度である場合に調圧弁４１の開度を小さくするときの速度よりも遅い速度で、弁体４８を移動させる。したがって、調圧弁４１の開度が第１開度Ａ１以下であるときに、調圧弁４１の開度が小さくなるのに伴って生じる、カソード流路３０ａでのカソードガスの流量の急激な変化を抑制できる。

【0078】

（２）制御部８０は、調圧弁４１の開度が第１開度Ａ１より大きい第２開度Ａ２以上である場合に調圧弁４１の開度を小さくするときの速度を、調圧弁４１の開度が第１開度Ａ１より大きくかつ第２開度Ａ２より小さい場合に調圧弁４１の開度を小さくするときの速度よりも速い速度で、弁体４８を移動させる。そのため、調圧弁４１の開度を小さくする際に、調圧弁４１の開度が、第２開度Ａ２以上であるとき、第１開度Ａ１より大きくかつ第２開度Ａ２より小さいとき、及び第１開度Ａ１以下であるときで、段階的に弁体４８を移動させる速度を遅くできる。したがって、調圧弁４１の開度が第１開度Ａ１より大きいときと第１開度Ａ１以下であるときとの２段階で弁体４８を移動させる速度を変化させる場合よりも、調圧弁４１の開度が小さくなるのに伴うカソードガスの流量の急激な変化をさらに抑制できる。

【0079】

（３）制御部８０は、調圧弁４１の開度を大きくするときは、調圧弁４１の開度が第１開度Ａ１以下である場合に調圧弁４１の開度を小さくするときよりも、速い速度で弁体４８を移動させる。そのため、カソード流路３０ａでのカソードガスの流量の急激な変化が生じにくい調圧弁４１の開度を大きくするときには、弁体４８を早期に移動させることができるため、調圧弁４１の開度変化の応答性を高められる。

【0080】

（４）燃料電池スタック２１は、第１目標電力Ｅ１と、第１目標電力Ｅ１よりも小さい第２目標電力Ｅ２と、を含む複数の目標電力Ｅに切り替えられながら発電している。制御部８０は、目標電力Ｅが第１目標電力Ｅ１である場合に、調圧弁４１の開度を第１開度Ａ１以下に制御する。弁体４８の移動速度の調整によって、カソード流路３０ａでのカソードガスの流量の急激な変化を抑制できるため、第１開度Ａ１以下の調圧弁４１の開度領域を含めたより大きな開度の範囲で調圧弁４１の開度を調整することにより、目標電力Ｅを制御できる。

【0081】

［変更例］
実施形態は、以下のように変更して実施することができる。実施形態及び以下の変形例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

【0082】

○ 燃料電池スタック２１の目標電力Ｅには、第１目標電力Ｅ１、第２目標電力Ｅ２、及び第３目標電力Ｅ３に加えて、１以上の目標電力Ｅが含まれてもよい。燃料電池スタック２１の目標電力Ｅに第３目標電力Ｅ３が含まれていなくてもよい。要するに、燃料電池スタック２１は、第１目標電力Ｅ１と、第１目標電力Ｅ１よりも小さい第２目標電力Ｅ２と、を含む複数の目標電力Ｅに切り替えられながら発電するものであればよい。

【0083】

○ 燃料電池スタック２１の目標電力Ｅは、第１目標電力Ｅ１及び第２目標電力Ｅ２といった異なる値に切り替えられず、一定の電力であってもよい。
○ 調圧弁４１としては、座面４４ａに対して弁体４８が近づくことで開度が小さくなる弁であれば、グローブ弁やボール弁といったバタフライ弁以外の弁を採用可能である。

【0084】

○ 調圧弁４１の開度を大きくするときの弁体４８の移動速度は、第３速度ＳＰ３など、第２速度ＳＰ２未満の速度であってもよい。調圧弁４１の開度を大きくするときの弁体４８の移動速度は、第１速度ＳＰ１以下であってもよい。

【0085】

○ 制御部８０は、調圧弁４１の開度を小さくするときの弁体４８の移動速度として、第１速度ＳＰ１、第２速度ＳＰ２、及び第３速度ＳＰ３に加えて、これら以外の１以上の速度に設定してもよい。例えば、制御部８０は、調圧弁４１の開度が第１開度Ａ１より大きくかつ第２開度Ａ２より小さい場合に調圧弁４１の開度を小さくするとき、調圧弁４１の開度が小さくなるほど遅くなるように、弁体４８の移動速度を複数の速度に変化させてもよい。例えば、制御部８０は、調圧弁４１の開度が第１開度Ａ１以下である場合に調圧弁４１の開度を小さくするとき、調圧弁４１の開度が小さくなるほど遅くなるように、弁体４８の移動速度を複数の速度に変化させてもよい。

【0086】

○ 調圧弁４１の開度が第２開度Ａ２以上である場合に調圧弁４１の開度を小さくするときと、調圧弁４１の開度が第１開度Ａ１より大きくかつ第２開度Ａ２より小さい場合に調圧弁４１の開度を小さくするときと、で弁体４８の移動速度を同じにしてもよい。要するに、調圧弁４１の開度が第１開度Ａ１以下である場合に調圧弁４１の開度が小さくなるときは、調圧弁４１の開度が第１開度Ａ１より大きい開度である場合に調圧弁４１の開度が小さくなるときよりも、遅い速度で弁体４８が移動すればよい。

【0087】

○ 第１速度ＳＰ１、第２速度ＳＰ２、及び第３速度ＳＰ３は弁体４８を移動させる速度の上限値であってもよい。すなわち、これら上限値の速度以下にて弁体４８の移動速度を制御してもよい。この場合、調圧弁４１の開度が第２開度Ａ２以上であるときに調圧弁４１の開度を小さくするとき、弁体４８の移動速度の下限値は第２速度ＳＰ２より速い速度に設定される。調圧弁４１の開度が第１開度Ａ１より大きくかつ第２開度Ａ２より小さいときに調圧弁４１の開度を小さくするとき、弁体４８の移動速度の下限値は第１速度ＳＰ１より速い速度に設定される。

【0088】

○ 制御部８０による速度制御は、キーオンが行われることに限られず、ユーザによる任意の操作によって行ってもよい。例えば、燃料電池ユニット２０に設けられたレバー、スイッチ、押しボタン、タッチパネルなどの操作によって速度制御が行われてもよい。

【0089】

○ 燃料電池ユニット２０は、乗用車、船舶、鉄道などに搭載されていてもよい。
○ 燃料電池ユニット２０は、定置式の発電装置として用いられてもよい。
実施形態は、以下の付記に記載する構成を含む。

【0090】

＜付記１＞
アノード流路に供給されるアノードガスとカソード流路に供給されるカソードガスとの反応によって発電を行う燃料電池スタックと、
前記カソード流路の前記燃料電池スタックよりも下流側に設けられ、座面に対して弁体が近づくことで開度が小さくなる調圧弁と、
前記弁体を移動させて前記調圧弁の開度を制御する制御部と、を有する燃料電池ユニットであって、
前記制御部は、前記調圧弁の開度が第１開度以下である場合に前記調圧弁の開度を小さくするときの速度を、前記調圧弁の開度が前記第１開度より大きい開度である場合に前記調圧弁の開度を小さくするときの速度よりも遅い速度で、前記弁体を移動させることを特徴とする燃料電池ユニット。

【0091】

＜付記２＞
前記制御部は、前記調圧弁の開度が前記第１開度より大きい第２開度以上である場合に前記調圧弁の開度を小さくするときの速度を、前記調圧弁の開度が前記第１開度より大きくかつ前記第２開度より小さい場合に前記調圧弁の開度を小さくするときの速度よりも速い速度で、前記弁体を移動させる＜付記１＞に記載の燃料電池ユニット。

【0092】

＜付記３＞
前記制御部は、前記調圧弁の開度を大きくするときは、前記調圧弁の開度が前記第１開度以下である場合に前記調圧弁の開度を小さくするときよりも、速い速度で前記弁体を移動させる＜付記１＞または＜付記２＞に記載の燃料電池ユニット。

【0093】

＜付記４＞
前記調圧弁は、前記弁体が回転することで前記座面に対して前記弁体が近づくバタフライ弁である＜付記１＞～＜付記３＞のいずれか一つに記載の燃料電池ユニット。

【0094】

＜付記５＞
前記燃料電池スタックは、第１目標電力と、前記第１目標電力よりも小さい第２目標電力と、を含む複数の目標電力に切り替えられながら発電しており、
前記制御部は、前記目標電力が前記第１目標電力である場合に、前記調圧弁の開度を前記第１開度以下に制御する＜付記１＞～＜付記４＞のいずれか一つに記載の燃料電池ユニット。

【符号の説明】

【0095】

Ａ１…第１開度、Ａ２…第２開度、Ｅ…目標電力、Ｅ１…第１目標電力、Ｅ２…第２目標電力、２０…燃料電池ユニット、２１…燃料電池スタック、３０ａ…カソード流路、４１…調圧弁、４４ａ…座面、４８…弁体、６０ａ…アノード流路、８０…制御部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】