特開 2024-33940 排水弁システム

(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】P2024033940

(43)【公開日】2024-03-13

(54)【発明の名称】排水弁システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20240306BHJP

   H01M 8/04746 20160101ALI20240306BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20240306BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20240306BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 J

H01M8/04746

H01M8/12 101

H01M8/10 101

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022137869

(22)【出願日】2022-08-31

(71)【出願人】

【識別番号】000116574

【氏名又は名称】愛三工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000110

【氏名又は名称】弁理士法人 快友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】浦塚 崇史

【テーマコード（参考）】

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H126BB06

5H127AA06

5H127AA07

5H127AB04

5H127AC15

5H127BA02

5H127BA22

5H127BA28

5H127BA33

5H127BA57

5H127BA58

5H127BA59

5H127BB02

5H127BB12

5H127BB37

5H127DB86

5H127FF10

(57)【要約】

【課題】気液分離器に貯留された水を効率的に排出することができる技術を提供する。
【解決手段】排水弁システムは、燃料電池から排出される水を貯留する気液分離器と、気液分離器に貯留された水を外部に排出するための排水弁と、排水弁の開閉制御をする制御部と、を備え、制御部は、排水弁を間欠的に開閉し、開閉制御の開始から時間が経過するほど排水弁の閉弁時間に対する開弁時間の割合を小さくする。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池から排出される水を貯留する気液分離器と、
前記気液分離器に貯留された水を外部に排出するための排水弁と、
前記排水弁の開閉制御をする制御部と、を備え、
前記制御部は、前記排水弁を間欠的に開閉し、開閉制御の開始から時間が経過するほど前記排水弁の閉弁時間に対する開弁時間の割合を小さくする、排水弁システム。

【請求項2】

請求項１に記載の排水弁システムであって、
前記制御部は、開閉制御の開始から時間が経過するほど前記排水弁の開弁時間を短くし、閉弁時間を長くする、排水弁システム。

【請求項3】

請求項１に記載の排水弁システムであって、
前記制御部は、開閉制御の開始から時間が経過するほど前記排水弁の開弁時間を短くし、閉弁時間を一定に維持する、排水弁システム。

【請求項4】

請求項１に記載の排水弁システムであって、
前記制御部は、開閉制御の開始から時間が経過するほど前記排水弁の閉弁時間を長くし、開弁時間を一定に維持する、排水弁システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書に開示する技術は、排水弁システムに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、燃料電池から排出される水を貯留する気液分離器と、気液分離器に貯留された水を外部に排出するための排水弁とを備えるシステムが開示されている。特許文献１のシステムでは、排水弁を間欠的に開閉することがある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００６－３３１６７４

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１の構成では、排水弁が間欠的に開閉することにより、気液分離器の貯水量が時間の経過と共に減少してゆく。このとき、排水弁を単に間欠的に開閉するだけでは効率が悪い。そのため、排水弁の開閉制御において改善の余地がある。本明細書は、気液分離器に貯留された水を効率的に排出することができる技術を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本技術の第１の態様では、排水弁システムが、燃料電池から排出される水を貯留する気液分離器と、前記気液分離器に貯留された水を外部に排出するための排水弁と、前記排水弁の開閉制御をする制御部と、を備え、前記制御部は、前記排水弁を間欠的に開閉し、開閉制御の開始から時間が経過するほど前記排水弁の閉弁時間に対する開弁時間の割合を小さくする。

【0006】

排水弁を間欠的に開閉する開閉制御では、気液分離器に貯留された水が排出されることにより開閉制御の開始から時間が経過するほど貯水量が減少してゆく。上記の構成によれば、貯水量が減少するほど排水弁の開弁時間の割合を小さくするので、開弁時間が無駄に長くなることがなく、気液分離器に貯留された水を効率的に排出することができる。

【0007】

第２の態様では、前記制御部は、開閉制御の開始から時間が経過するほど前記排水弁の開弁時間を短くし、閉弁時間を長くしてもよい。

【0008】

この構成によれば、排水弁の閉弁時間に対する開弁時間の割合をより小さくすることができる。また、開弁時間に対する閉弁時間の割合を大きくすることができる。これにより、気液分離器に水が貯まる時間を確保することができ、一度に多くの水を排出することができるので効率的に水を排出することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施例の排水弁システムを備える燃料電池システムの模式図。

【図2】実施例の開閉制御のタイミングチャート。

【図3】変形例の開閉制御のタイミングチャート。

【図4】変形例の開閉制御のタイミングチャート。

【発明を実施するための形態】

【0010】

実施例の排水弁システム２について図面を参照して説明する。図１は、実施例の排水弁システム２を備える燃料電池システム４の模式図である。図１に示すように、燃料電池システム４は、水素タンク１２と、燃料電池１０と、気液分離器１４と、制御部５０とを備えている。燃料電池システム４は、例えば、燃料電池自動車等の車両（不図示）に搭載される。

【0011】

水素タンク１２は、燃料電池１０に供給するための水素ガス（燃料ガス）を貯留している。水素タンク１２には水素供給通路３０が接続されている。水素供給通路３０は、その上流端が水素タンク１２に接続され、下流端が燃料電池１０に接続されている。水素供給通路３０は、水素タンク１２から燃料電池１０に水素ガスを供給する。

【0012】

水素供給通路３０には電磁弁２２とエゼクタ１６が設けられている。電磁弁２２は、水素供給通路３０を開閉する。電磁弁２２が開弁すると水素供給通路３０を通じて燃料電池１０に水素ガスが供給される。電磁弁２２の開度は調節可能である。

【0013】

エゼクタ１６は、電磁弁２２よりも下流側（燃料電池１０側）の水素供給通路３０に設けられている。エゼクタ１６には後述する還流通路３６の下流端が接続されている。エゼクタ１６は、水素供給通路３０を流れる水素ガスの圧力により還流通路３６を流れるガスを吸引して水素供給通路３０の下流側へ排出する器具である。

【0014】

燃料電池１０について説明する。燃料電池１０には水素供給通路３０の他に、空気供給通路３２が接続されている。空気供給通路３２は、その上流端が空気供給源（不図示）に接続され、下流端が燃料電池１０に接続されている。空気供給通路３２を通じて空気供給源から燃料電池１０に空気が供給される。空気供給通路３２の上流端は外気に開放されていてもよい。空気供給通路３２には、燃料電池１０に向けて空気を圧送するポンプ１８が設けられている。

【0015】

燃料電池１０は、水素供給通路３０により供給される水素と、空気供給通路３２により供給される空気に含まれる酸素とを用いて発電する。燃料電池１０は、例えば、容器の内部に積み重ねられた複数の電池セル（不図示）を備えており、各電池セルが、水素と酸素の化学反応により発電する。電池セルは、例えば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ（Solid Oxide Fuel Cell））や固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte Fuel Cell））であるが、これらに限定されない。燃料電池１０では、発電の際に水素と酸素の化学反応により水が発生する。また、燃料電池１０では、発電の際に未反応の水素ガスがオフガスとして排出される。

【0016】

燃料電池１０には、水素オフガス通路３４の上流端が接続されている。水素オフガス通路３４の下流端は気液分離器１４に接続されている。水素オフガス通路３４は、燃料電池１０で発生する水を気液分離器１４に排出する。また、水素オフガス通路３４は、燃料電池１０から排出されるオフガス（水素ガス）を気液分離器１４に排出する。

【0017】

燃料電池１０には、更に、空気オフガス通路３８の上流端が接続されている。空気オフガス通路３８の下流端は空気の排出先（不図示）に接続されている。空気オフガス通路３８は、燃料電池１０から排出される空気を排出先に排出する。

【0018】

気液分離器１４について説明する。気液分離器１４は、水素オフガス通路３４を通じて排出される水を貯留する。気液分離器１４には、水素オフガス通路３４の他に、排気排水通路４０と還流通路３６が接続されている。気液分離器１４の上部に水素オフガス通路３４と還流通路３６が接続されており、気液分離器１４の底部に排気排水通路４０が接続されている。

【0019】

排気排水通路４０は、気液分離器１４に貯留された水を外部に排出するための通路である。排気排水通路４０の下流端は水の排出先（不図示）に接続されている。排気排水通路４０を通じて気液分離器１４から排出先に水が排出される。排気排水通路４０には、排気排水通路４０を開閉する排気排水弁２０（排水弁の一例）が設けられている。排気排水弁２０は、例えば電磁弁から構成されている。排気排水弁２０が開弁すると排気排水通路４０を通じて水が排出される。

【0020】

還流通路３６は、その上流端が気液分離器１４に接続されており、下流端がエゼクタ１６を介して水素供給通路３０に接続されている。水素供給通路３０を流れる水素ガスの圧力により、還流通路３６を流れるオフガス（水素ガス）がエゼクタ１６を介して水素供給通路３０に吸引される。これにより、気液分離器１４から還流通路３６を通じて水素供給通路３０にオフガスが供給される。このオフガスは、水素供給通路３０を通じて燃料電池１０に供給される。したがって、燃料電池１０から排出されたオフガス（水素ガス）が還流して再び燃料電池１０に供給される。なお変形例では、還流通路３６にオフガスを圧送するポンプが設けられていてもよい。

【0021】

燃料電池システム４の制御部５０は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭ等を備えており、所定のプログラムに従って燃料電池システム４に関する様々な制御や処理を実行する。制御部５０は、例えば、車両のＥＣＵ（Engine Control Unit）である。

【0022】

次に、排気排水弁２０の開閉制御について説明する。上記の燃料電池システム４（及び排水弁システム２）では、制御部５０が排気排水弁２０を開閉制御する。制御部５０は、例えば、気液分離器１４の貯水量が所定の上限閾値を上回る場合に排気排水弁２０の開閉制御を開始する。気液分離器１４の貯水量は、例えば、気液分離器１４に取り付けられたセンサ（不図示）により検出される。変形例では、気液分離器１４の貯水量は、燃料電池１０の発電量に基づいて算出されてもよい。

【0023】

図２に示すように、制御部５０は、排気排水弁２０の開閉制御において、排気排水弁２０を間欠的に開閉する。制御部５０は、排気排水弁２０を間欠的に開閉する際に、開閉制御の開始から時間が経過するほど排気排水弁２０の閉弁時間に対する開弁時間の割合を小さくする。より詳細には、制御部５０は、開閉制御の開始から時間が経過するほど排気排水弁２０の開弁時間を短くし、閉弁時間を長くする。

【0024】

図２に示す開閉制御は、複数の開弁ステップＳ１、Ｓ２、・・・と、複数の閉弁ステップＴ１、Ｔ２、・・・とを備えている。複数の開弁ステップＳ１、Ｓ２、・・・のうち、最初の開弁ステップＳ１の継続時間が最も長く、最後の開弁ステップＳｘの継続時間が最も短い。Ｓ２以降の各開弁ステップＳ２、Ｓ３、・・・の継続時間は、それ以前の全開弁ステップの継続時間よりも短い。ある開弁ステップ（例えばＳ３）の継続時間は、その前の開弁ステップ（例えばＳ２）の継続時間よりも短い。

【0025】

また、複数の閉弁ステップＴ１、Ｔ２、・・・のうち、最初の閉弁ステップＴ１の継続時間が最も短く、最後の閉弁ステップＴｘの継続時間が最も長い。Ｔ２以降の各閉弁ステップＴ１、Ｔ２、・・・の継続時間は、それ以前の全閉弁ステップの継続時間よりも長い。ある閉弁ステップ（例えばＴ３）の継続時間は、その前の閉弁ステップ（例えばＴ２）の継続時間よりも長い。

【0026】

制御部５０は、排気排水弁２０の開閉制御を開始した後、例えば、気液分離器１４の貯水量が所定の下限閾値を下回る場合に排気排水弁２０の開閉制御を終了する。

【0027】

（効果）
以上、実施例の燃料電池システム４及び排水弁システム２について説明した。以上の説明から明らかなように、実施例の排水弁システム２は、燃料電池１０から排出される水を貯留する気液分離器１４と、気液分離器１４に貯留された水を外部に排出するための排気排水弁２０とを備えている。制御部５０は、排気排水弁２０を間欠的に開閉し、開閉制御の開始から時間が経過するほど排気排水弁２０の閉弁時間に対する開弁時間の割合を小さくする。

【0028】

排気排水弁２０が間欠的に開閉する構成では、気液分離器１４に貯留された水が排出されることにより開閉制御の開始から時間が経過するほど貯水量が減少してゆく。上記の構成によれば、貯水量が減少するほど排気排水弁２０の開弁時間の割合を小さくするので、開弁時間が無駄に長くなることがなく、気液分離器１４に貯留された水を効率的に排出することができる。

【0029】

上記の構成では、制御部５０が、開閉制御の開始から時間が経過するほど排気排水弁２０の開弁時間を短くし、閉弁時間を長くする。この構成によれば、排気排水弁２０の閉弁時間に対する開弁時間の割合をより小さくすることができる。また、開弁時間に対する閉弁時間の割合を大きくすることができる。これにより、気液分離器１４に水が貯まる時間を確保することができ、一度に多くの水を排出することができるので効率的に水を排出することができる。また、排気排水弁２０の閉弁時間を長くすることで排気排水弁を通じた水素の漏れ量が少なくなり燃費が向上する。

【0030】

（変形例）
（１）制御部５０は、図３に示すように、開閉制御の開始から時間が経過するほど排気排水弁２０の開弁時間を短くし、閉弁時間を一定に維持してもよい。図３に示す開閉制御では、複数の閉弁ステップＴ１、Ｔ２、・・・の継続時間が同じ長さである。その他は、上記の実施例と同様である。この構成でも、開閉制御の開始から時間が経過するほど排気排水弁２０の閉弁時間に対する開弁時間の割合を小さくすることができる。よって、気液分離器１４に貯留された水を効率的に排出することができる。

【0031】

（２）制御部５０は、図４に示すように、開閉制御の開始から時間が経過するほど排気排水弁２０の閉弁時間を長くし、開弁時間を一定に維持してもよい。図４に示す開閉制御では、複数の開弁ステップＳ１、Ｓ２、・・・の継続時間が同じ長さである。その他は、上記の実施例と同様である。この構成でも、開閉制御の開始から時間が経過するほど排気排水弁２０の閉弁時間に対する開弁時間の割合を小さくすることができる。よって、気液分離器１４に貯留された水を効率的に排出することができる。また、排気排水弁２０の閉弁時間を長くすることで排気排水弁を通じた水素の漏れ量が少なくなり燃費が向上する。

【0032】

（３）排気排水弁２０は、気液分離器１４と排気排水通路４０の接続部分に設けられて気液分離器１４と一体で構成されていてもよい。

【0033】

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書又は図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書又は図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

【符号の説明】

【0034】

２：排水弁システム、４：燃料電池システム、１０：燃料電池、１２：水素タンク、１４：気液分離器、１６：エゼクタ、１８：ポンプ、２０：排気排水弁、２２：電磁弁、３０：水素供給通路、３２：空気供給通路、３４：水素オフガス通路、３６：還流通路、３８：空気オフガス通路、４０：排気排水通路、５０：制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】