JP2005226715A - 水素供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 水素タンクの使用頻度のバラツキを改善しつつ、部品点数を削減できる水素供給装置を提案する。
【解決手段】 本発明の水素供給装置（３０）は、各グループにつき少なくとも１以上の水素タンクが含まれるように複数のグループにグループ分けされた複数の水素タンク（Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２）と、同一グループに属する単一又は複数の水素タンクから放出される水素ガスを遮断する開閉弁（Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４）と、同一グループに属する水素タンクの全ての開閉弁を同時に開閉制御する駆動回路（４１，４２）と、を備える。同一グループに属する水素タンクの開閉弁を単一の駆動回路で開閉制御するため、駆動回路の個数を削減できる。また、水素タンクに水素ガスが充填される都度に水素ガスの放出順番をグループ単位で変更することで、各水素タンクの使用頻度のバラツキを改善できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は燃料電池に水素ガスを供給するための水素供給装置に関し、特に、水素タンクの使用頻度のバラツキを改善しつつ、部品点数を削減するための改良技術に関する。

燃料電池車両に搭載された燃料電池に水素ガスを供給するための水素供給装置として、水素ガスを高圧に充填した高圧水素タンクや、水素ガスを可逆的に吸蔵及び放出可能な水素吸蔵合金を充填した水素吸蔵タンクを用いる方式が知られている。例えば、特開平８−１１５７３１号公報には、複数の水素タンクを連通するガス流通管に単一の開閉弁を設置した構成が開示されている。また、特開２００１−２９５９９６号公報には、各水素タンクに開閉弁を設置し、開閉弁を個別に駆動制御する構成が開示されている。
特開平８−１１５７３１号公報 特開２００１−２９５９９６号公報

しかし、特許文献１に開示されている構成では、個々の水素タンクに設けられているレギュレータ（可変絞り）の調圧値が異なると、調圧値が一番高い水素タンクから水素ガスの消費が始まるので、水素タンクの使用頻度にバラツキが生じてしまう。特に、レギュレータの特性上、タンク残圧（レギュレータ１次圧）が小さくなると、調圧値（レギュレータ２次圧）が大きくなる傾向があるので、特定の水素タンクからの水素放出がより一層進行し易くなる。これでは、使用頻度の少ない水素タンクの内部は長時間にわたり高圧が加わるため、タンク容器やＯリング等のシール部材が耐久劣化する虞がある。特許文献２に開示されているように開閉弁を個別に開閉制御すれば、水素タンクの使用頻度を均一化できるものの、個々の開閉弁を駆動制御する駆動回路が複数必要となり、部品点数の増大とコスト増大を招く。

そこで、本発明は水素タンクの使用頻度のバラツキを改善しつつ、部品点数の削減を図るための水素供給装置を提案することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明の水素供給装置は、各グループにつき少なくとも１以上の水素タンクが含まれるように複数のグループにグループ分けされた複数の水素タンクと、同一グループに属する単一又は複数の水素タンクから放出される水素ガスを遮断する開閉弁と、同一グループに属する水素タンクの全ての開閉弁を同時に開閉制御する駆動回路とを備える。同一グループに属する水素タンクの開閉弁を単一の駆動回路で開閉制御するため、単一の開閉弁につき単一の駆動回路を用意する必要がなく、駆動回路の個数を削減できる。駆動回路の個数は水素タンクのグループ数と同数になる。ここで、単一の水素タンクにつき単一の開閉弁が設置されていてもよく、同一グループに属する全ての水素タンクにつき単一の開閉弁が設置されていてもよい。また、開閉弁を開閉制御する駆動回路は、水素タンクに水素ガスが充填される都度に、水素ガスの放出順番をグループ単位で変更するのが望ましい。これにより、各水素タンクの使用頻度のバラツキを改善できる。

本発明によれば、同一グループに属する水素タンクの全ての開閉弁を単一の駆動回路で開閉制御するため、駆動回路の個数を削減できる。また、水素タンクに水素ガスが充填される都度に、水素ガスの放出順番をグループ単位で変更することで、各水素タンクの使用頻度のバラツキを改善できる。

［発明の実施形態１］
図１は第１実施形態の水素供給装置３０を備えた燃料電池システム１０の水素供給系統を中心とするシステム構成を示している。燃料電池システム１０は燃料電池電気自動車に搭載されて電力発電を行うオンボード発電装置として構成されており、反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）の供給を受けて発電する燃料電池２０を備えている。燃料電池２０はフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜等から成る高分子電解質膜２１の一方の面にアノード極２２を、他方の面にカソード極２３をスクリーン印刷等で形成した膜・電極接合体（ＭＥＡ）２４を備えている。膜・電極接合体２４の両面はリブ付セパレータ（図示せず）によってサンドイッチされ、このセパレータとアノード極２２及びカソード極２３との間にそれぞれ溝状のアノードガスチャンネル２５及びカソードガスチャンネル２６を形成している。燃料電池２０で発電された電力は負荷５０に供給される。ここでは、説明の便宜上、膜・電極接合体２４、アノードガスチャンネル２５及びカソードガスチャンネル２６から成る単セルの構造を模式的に図示しているが、実際には上述したリブ付セパレータを介して複数の単セルが直列に接続したスタック構造を備えている。

水素供給装置３０は複数のグループ（本例では、Ａグループ、Ｂグループ）にグループ分けされた複数の水素タンクＡ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２を備えている。水素タンクＡ１，Ａ２は同一グループ（Ａグループ）に属し、水素タンクＢ１，Ｂ２は同一グループ（Ｂグループ）に属している。水素タンクＡ１〜Ｂ２としては、高圧水素ガスを充填した高圧水素タンクや、水素を可逆的に吸蔵及び放出可能な水素吸蔵合金を充填した水素吸蔵タンクの何れでもよい。水素タンクＡ１〜Ｂ２から放出された水素ガス（燃料ガス）は水素供給路３１を経由して燃料電池２０に供給される。水素供給路３１は分岐路３１ａ〜３１ｄに四股分岐して各々の水素タンクＡ１〜Ｂ２に連通している。各々の分岐路３１ａ〜３１ｄには水素圧を減圧するためのレギュレータ（調圧弁）Ｃ１〜Ｃ４と、水素ガス放出を遮断する元栓バルブとしての開閉弁（電磁遮断弁）Ｄ１〜Ｄ４が設置されている。制御装置４０は開閉弁Ｄ１〜Ｄ４を開閉制御するための装置であり、同一グループ（Ａグループ）に属する水素タンクＡ１，Ａ２の全ての開閉弁Ｄ１，Ｄ２を同時に開閉制御する駆動回路４１と、同一グループ（Ｂグループ）に属する水素タンクＢ１，Ｂ２の全ての開閉弁Ｄ３，Ｄ４を同時に開閉制御する駆動回路４２を備えている。駆動回路４１，４２の個数は水素タンクＡ１〜Ｂ２のグループ数に等しい。

このように構成すれば、各々の開閉弁Ｄ１〜Ｄ４について個別に駆動回路を用意する場合に比べると、駆動回路の個数を半減できる。また、レギュレータＣ１〜Ｃ４には機械的誤差があるので、それぞれの調圧値にはある程度のバラツキが生じる。同一グループ内でレギュレータの調圧値が僅かでも異なると、グループ内で最も調圧値の高い水素タンクから水素放出が開始される。例えば、Ａグループ内ではレギュレータＣ１の調圧値が最も高く、Ｂグループ内ではレギュレータＣ３の調圧値が最も高いと仮定して、Ａグループに属する水素タンクＡ１，Ａ２から燃料電池２０へ水素供給を行うと、まず、水素タンクＡ１から水素供給が開始される。水素タンクＡ１の水素放出がある程度行われると、タンク残圧（レギュレータ１次圧）が減少するため、レギュレータＣ１の調圧値（レギュレータ２次圧）は高くなり、水素タンクＡ１による水素消費がより一層進行し易くなる。水素タンクＡ１内の水素が全て消費されると、次に、水素タンクＡ２の水素放出が開始される。Ｂグループについても同様に、水素タンクＢ１から水素放出が開始され、水素タンクＢ１の水素が全て消費された後に水素タンクＢ２から水素放出が開始される。

水素タンクＡ１〜Ｂ２への水素再充填は、水素残量が全体の約１／２〜１／４程度になったとき（上述の構成例では、４本の水素タンクのうち約２本〜３本の水素タンクが全て消費されたとき）に行われることが経験則上知られている。ここで、４本の水素タンクのうち２本の水素タンクが全て消費されたときに水素再充填が行われる場合を考察すると、水素再充填の都度に水素放出を行うグループを変更することで、Ａグループから水素放出を開始し、水素タンクＡ１，Ａ２全てが水素消費された時点で水素再充填を行い、次に、Ｂグループから水素放出を行い、水素タンクＢ１，Ｂ２全てが水素消費された時点で水素再充填を行うことができる。これにより、全ての水素タンクＡ１〜Ｂ２の使用頻度を均等化できる。更に、４本の水素タンクのうち３本の水素タンクが全て消費されたときに水素再充填が行われる場合を考察すると、水素再充填の都度に水素放出を行うグループを変更することで、Ａグループから水素放出を開始し、水素タンクＡ１，Ａ２，Ｂ１が全て水素消費された時点で水素再充填を行い、次に、Ｂグループから水素放出を開始し、水素タンクＢ１，Ｂ２，Ａ１が全て水素消費された時点で水素再充填を行うことができる。これにより、水素タンクＡ２，Ｂ２はそれぞれ水素タンクＡ１，Ｂ１よりも使用頻度が少なくなり、同一グループ内での使用頻度の差はある程度生じるものの、ＡグループとＢグループとの間の使用頻度にはほとんど差はなくなり、特定の水素タンクのみが使用頻度が低いといった従来の問題を解決できる。

このように、水素タンクを複数のグループにグループ化し、水素再充填が行われる都度に水素放出を開始するグループを変更することで、グループ間の使用頻度の差は殆どなくなる。例えば、水素タンクＡ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２の使用頻度をそれぞれＮ１，Ｎ２，Ｎ３，Ｎ４とすると、使用頻度はどのグループ内でも同様の傾向を示すため、Ｎ１とＮ３はほぼ等しくなり、Ｎ２とＮ４はほぼ等しくなる。

［発明の実施形態２］
図２は第２実施形態の水素供給装置３２を備えた燃料電池システム１１の水素供給系統を中心とするシステム構成を示している。図１に示した符号と同一符号の装置等は同一の装置等を示すものとして詳細な説明を省略する。水素供給路３３は分岐路３３ａ，３３ｂに二股分岐しており、これらの分岐路３３ａ，３３ｂは更に分岐路３３ａ−１，３３ａ−２と、３３ｂ−１，３３ｂ−２に二股分岐している。分岐路３３ａ−１，３３ａ−２，３３ｂ−１，３３ｂ−２にはそれぞれレギュレータＣ１〜Ｃ４が設置されており、水素タンクＡ１〜Ｂ２から放出される水素圧を減圧できるように構成されている。分岐路３３ａ，３３ｂにはそれぞれ開閉弁Ｄ５，Ｄ６が設置されており、開閉弁Ｄ５はＡグループに属する全ての水素タンクＡ１，Ａ２から放出される水素を遮断し、開閉弁Ｄ６はＢグループに属する全ての水素タンクＢ１，Ｂ２から放出される水素を遮断する。駆動回路４１は開閉弁Ｄ５を開閉制御し、駆動回路４２は遮断弁Ｄ６を開閉制御する。このように、同一グループＡ（又はＢ）に属する全ての水素タンクＡ１，Ａ２（又はＢ１，Ｂ２）につき単一の開閉弁Ｄ５（又はＤ６）を設置することで、駆動回路４１（又は４２）の駆動負荷を低減できる。

尚、開閉弁は同一グループに属する単一又は複数の水素タンクから放出される水素ガスを遮断するように設置されていればよい。また、各グループに属する水素タンクの個数は２以上に限らず、１つの場合も含む。

第１実施形態の水素供給装置を備えた燃料電池システムの構成図である。 第２実施形態の水素供給装置を備えた燃料電池システムの構成図である。

符号の説明

１０…燃料電池システム ２０…燃料電池 ３０…水素供給装置 ４０…制御装置 ４１，４２…駆動装置 Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２…水素タンク Ｃ１〜Ｃ４…レギュレータ Ｄ１〜Ｄ６…開閉弁

Claims (3)

1. 各グループにつき少なくとも１以上の水素タンクが含まれるように複数のグループにグループ分けされた複数の水素タンクと、
   同一グループに属する単一又は複数の水素タンクから放出される水素ガスを遮断する開閉弁と、
   同一グループに属する水素タンクの全ての開閉弁を同時に開閉制御する駆動回路と、
   を備える、水素供給装置。
2. 請求項１に記載の水素供給装置であって、
   前記駆動回路の個数は前記グループの個数と同数である、水素供給装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の水素供給装置であって、
   前記駆動回路は、前記水素タンクに水素ガスが充填される都度に、水素ガスの放出順番をグループ単位で変更する、水素供給装置。
   
   
   

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