JP2005337419A - 高圧ガス供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 レギュレータの調圧異常を回復できるようにした高圧ガス供給装置を提供する。
【解決手段】 高圧ガス源１とエネルギー消費手段６との間に設けられたガス配管２に、高圧ガス源１の高圧ガスを調圧するレギュレータ３を備えた高圧ガス供給装置において、レギュレータ３の調圧の異常が判定されたときに、遮断弁４によってガス配管２を一時的に遮断してガス配管内にガスの圧力差を発生させ、遮断弁４の遮断を開放することによりガスの圧力変動及び流動を生ぜしめ、これをレギュレータ３に付与してレギュレータ内部の調圧機構を動かしてシール異常等を解消するようにした圧力差発生手段を具備する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高圧ガス源からの高圧ガスが流動するガス配管に配置されるレギュレータの調圧異常を改良する高圧ガス供給装置に関する。

高圧ガス源の高圧ガスを減圧して一定圧力に調圧するレギュレータは、その調圧機能が不良になると、レギュレータ下流のガス配管に設けられる各種の機器装置の性能に悪影響を及ぼすので、レギュレータの調圧異常対策は重要な開発アイテムである。

従来、レギュレータの調圧機能の異常を検出する技術として、例えば、特公平７−１８３８４号公報記載のものがある。この技術は、圧縮天然ガス（ＣＮＧ）等の高圧ガスをエンジンのベンチュリー部へ供給するガス供給路にガス圧をほぼ大気圧にまで減圧するように調圧するレギュレータを設け、レギュレータには、レギュレータ内の減圧室の圧力を感知する安全弁と圧力センサが取り付けられ、レギュレータに調圧異常が生じて減圧室内の圧力が、安全弁の設定圧力よりも大きくなった場合には、安全弁が働いてレギュレータ内部のガスを大気に放出して、レギュレータ内部やその下流側の配管を保護する。また、安全弁が作動しない場合でも、圧力センサが減圧室内部の異常圧力上昇を検知し、その検知信号に基づき制御回路からの制御信号により燃料遮断弁が高圧ガスボンベとレギュレータとの間の高圧ガス通路を遮断し、レギュレータを保護する構造である。
特公平７−１８３８４号公報

しかしながら、上記特公平７−１８３８４号のものにあっては、レギュレータに調圧異常が生じて燃料遮断弁により高圧ガスボンベとレギュレータとの間の高圧ガス通路を遮断した場合に、係る調圧異常を惹起したレギュレータの異常な状態を解消して元の正常な状態に復帰させる手段が欠如しており、システムの運転続行は困難となる。

本発明はこのような問題を解決するために工夫されたものであり、レギュレータの調圧異常状態からレギュレータを回復させてシステムの運転続行を可能にした高圧ガス供給装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の高圧ガス供給装置は、高圧ガス源と該高圧ガス源のガスを消費するガス消費手段との間に設けられたガス通路に上記高圧ガス源の高圧ガスを調圧するレギュレータを備えた高圧ガス供給装置において、上記ガス通路を開閉する遮断弁と、上記レギュレータの調圧の異常が検出されたときに、上記遮断弁を一時的に遮断した後に開放して上記レギュレータの上流側及び下流側間に圧力差を発生させる圧力差発生手段と、を備える。

かかる構成によれば、高圧ガス供給装置に設けられた高圧ガスを調圧（減圧）するレギュレータの調圧動作の異常を正常な調圧動作に回復させることが可能となる。それにより、例えば、燃料電池システムやガスエンジン等のガス消費手段の運転を続行することが可能となり、信頼性ある高圧ガス供給装置を実現できるようになる。

好ましくは、上記遮断弁は上記レギュレータの近傍に配設される。それにより、遮断弁の閉弁によって遮断弁の上流側及び下流側相互間のガスに圧力差を生ぜしめ、その後遮断弁を開弁することによって圧力変化の大きいガス流がレギュレータに加わるようになる。このより強いガス流がレギュレータを流れることによってレギュレータの調圧異常を回復する。

好ましくは、上記圧力差発生手段は、上記遮断弁により一時的にガス通路を遮断して該遮断弁下流のガスが減圧した後、上記遮断弁を開放する。遮断弁下流側のガス圧力を減圧させることによって遮断状態の遮断弁下流側及び上流側の圧力差を増大させ、遮断弁解放後のガス変動及び流速を増大させる。なお、減圧の一例として、ガス消費手段が燃料電池やガスエンジン等である場合には、ガス消費手段で遮断弁下流側のガスを消費させても良い。

好ましくは、上記圧力差発生手段は、遮断弁を強制的に閉弁した後、所定時間経過してから遮断弁を再び開弁する。所定時間経過させることで、レギュレータまたは遮断弁の下流側のガス通路内に留まっているガスを消費（減圧）させあるいは下流側に拡散させ、この後に遮断弁を開弁して急激な圧力差を伴うガスをレギュレータに通過させたとき、レギュレータに急激なガスの圧力変動（脈動動圧）と大きな流速による運動エネルギーの影響を効果的に及ぼすことができ、確実にレギュレータの調圧作用を復帰することができるようになる。

好ましくは、上記圧力差発生手段は、上記レギュレータ下流側のガス配管内の圧力異常上昇によって上記調圧の異常を判定する。レギュレータ内部の調圧機構の弁のシール部と弁座との密着性が悪い場合には、レギュレータ下流側にガスが漏れて下流側の圧力が上昇するので、レギュレータ下流側のガス配管内の圧力を監視することによって調圧の異常を検出することが可能となる。

好ましくは、上記遮断弁は前記レギュレータの上流側又は下流側の少なくとも一方に設けられる。

本発明によれば、レギュレータの調圧異常時にレギュレータの上下流に圧力差を発生させることにより、レギュレータの調圧作用を回復させることが出でき、燃料電池システムやガスエンジンの運転が容易に続行可能となり、信頼性ある高圧ガス供給装置を実現することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態における高圧ガス供給装置について、図１及び図２を参照して説明する。本実施の形態では、燃料電池システムの燃料電池スタック（エネルギー消費装置）のアノードへ水素を供給するシステムに高圧ガス供給装置を使用する場合を例に挙げて説明する。

図１は燃料電池システムにおける高圧ガス供給装置部分のシステムブロック図を示している。高圧ガス供給装置は、高圧（２５〜７０ＭＰａ）の水素ガスを貯蔵したガス供給源としての水素高圧タンク１、水素高圧タンクの水素ガスを燃料電池スタック６に導出するガス配管（ガス通路）２、ガス配管２に設けられて供給ガスの調圧機能を有するレギュレータ３、ガス配管を開閉する電磁制御方式の遮断弁４、ガス配管内の圧力を検出する圧力センサ５及び制御装置７等を含んで構成される。

後述するように、制御装置７はマイクロコンピュータシステム等を含んで構成され、制御プログラム等によって高圧ガス供給装置の制御部及び燃料電池システムの制御部を構成する。制御装置７には制御プログラムによってレギュレータ３に調圧の異常があると判定されたときに、レギュレータに急激な圧力差を発生させる圧力差発生手段等が構成される。ここで、「急激な圧力差」とは、燃料電池の通常運転時にレギュレータに供給される水素ガス圧（ガス流）よりも大きな値であることが好ましい。この圧力差発生手段には、上記圧力センサ５と、遮断弁４と、圧力センサ５がレギュレータ３下流側のガス配管２内の圧力が異常上昇したときに、遮断弁４を強制的に閉弁する制御手段が含まれる。

制御装置７は、ＣＰＵ７ａ、ＲＯＭ７ｂ、ＲＡＭ７ｃ及び入出力ポート７ｄ等を備えている。ＣＰＵ７ａは予め設定された制御プログラムに従って所定の演算を実行する。ＲＯＭ７ｂは、ＣＰＵ７ａが実行すべき各種の演算処理に使用する制御プログラム、例えば、レギュレータ３の調圧異常を判定する演算処理を実行し、異常と判定した場合には遮断弁４に開閉制御のための信号を出力する制御プログラムや、レギュレータ３の調圧値、及び圧力センサ５の設定圧力値等を設定する制御データ等を記憶する。ＲＡＭ７ｃは、ＣＰＵ７ａで各種演算処理を実行するために必要な、例えば圧力センサ５が検知したガス配管２の圧力値が一時的に読み書きされる。入出力ポート７ｄは、圧力センサ５や電圧センサ８の検出信号を随時受信している。受信した信号値によって信号の記録領域の値が更新される。また、入出力ポート７ｄは駆動回路を備えており、ＣＰＵ７ａからの指令に応じて弁の開閉を駆動制御する駆動信号を遮断弁４に供給する。

また、上記入出力ポート７ｄには、遮断弁４下流のガス配管２で水素ガスを使用しているかどうかの状態を検出した信号が入力されるようになっている。例えば、実施例では燃料電池スタック６の発電電圧を検知する電圧センサ８の出力信号が使用されているが、下流で水素ガスが使用されている状態にあるか否かをチェックできる態様のもの（情報信号）であればよい。さらに、制御装置７には、係る電圧センサ８により水素ガスが不使用状態にあることを検知した時から所定時間経過した否かを計測するタイマ手段を設けている。このタイマ手段による所定時間経過とは、例えば、遮断弁４から下流のガス配管２内に残留する水素ガスが消費されて水素ガスのガス圧力が低下する状態に対応する時間のことをいう。

レギュレータ３は、低圧部となる下流側への水素ガス供給圧力を所望の圧力に設定しうる調圧機能を有し、水素高圧タンク１の高圧水素ガスをレギュレータ３の減圧室（図示しない）で減圧し下流の遮断弁４へ供給するようになっている。

遮断弁４は電磁制御弁の形態であり、非通電時にはガス配管２の上流と下流とを常時閉弁状態にするように形成され、制御装置７からの制御信号により開閉する。

次に、図２を参照して本実施の形態における高圧ガス供給装置の調圧復帰動作について説明する。同図に示す調圧復帰制御フローはＣＰＵ７ａによって所定時間毎に実行される。

まず、高圧ガス供給装置１が正常状態で作動し、高圧ガスタンク１の高圧水素がレギュレータ３により所定の減圧値に減圧され、開状態の遮断弁４を介して下流の燃料電池スタック６のアノード（図示しない）へ供給されて通常の発電運転モードにあったとする。この状態において、所定周期毎にあるいは所定イベントの発生に対応してＣＰＵ７ａは圧力センサ５の出力を読取り（ステップＳ１）、所定の減圧値より大きくなったか否かを判定する（ステップＳ２）。ＣＰＵ７ａはその読取り値（検出値）が所定の減圧値よりも小さい場合にはリターンしてステップＳ１及びＳ２を繰り返し、ガス配管２内の圧力を検知（モニタ）し続ける。ＣＰＵ７ａは、ステップＳ２において所定値よりも大きな圧力を検出すると（ステップＳ２；ＹＥＳ）、レギュレータ３に調圧異常が生じたと判定する。調圧異常が判定された場合には、ＣＰＵ７ａはステップＳ３において下流で水素ガスを使用（消費）している状態にあるか否かを、電圧センサ８からの出力信号に基づいて判定する。燃料電池スタック６が発電運転モードにあると判定したときには（ステップＳ３；ＹＥＳ）、リターンしてステップＳ１，ステップＳ２を繰り返し、消費に必要となる水素を供給し続ける。ＣＰＵ７ａは、燃料電池スタック６が発電運転モードにないと判定した場合には（ステップＳ３；ＮＯ）、水素を供給する必要はないので遮断弁４を閉弁させるように制御し、遮断弁４から下流への水素供給をカットする（ステップＳ４）。ＣＰＵ７ａは、水素供給を遮断した時から、図示しないタイマ手段を動作させて遮断弁４の閉弁経過時間を計測する（ステップＳ５）。ＣＰＵ７ａはタイマ手段の出力によって所定の閉弁時間の経過を判別する（ステップＳ６）。所定閉弁時間は、例えば、遮断弁４が閉弁に要する時間以上であって遮断弁の上流側及び下流側間に所要の圧力差が生ずるに要する時間とすることが出来る。積極的に圧力差を生じさせるために、例えば、燃料電池６を動作させて二次電池を充電させるなどして下流側の水素を消費しても良い。また、水素を遮断弁４の下流側の図示しない流路に拡散させる等して圧力を下げても良い。所定時間はＣＰＵ７ａは所定時間の経過を判定すると、遮断弁４を開弁制御する（ステップＳ７）。これにより、遮断弁４の閉弁によって停止していた水素（加圧状態）が、遮断弁４の開放によってガス配管２を一気に流れ（減圧状態）、水素の流動（圧力変動と流速）がレギュレータ３内の弁体のシール部分を弁座に密着させるように作用する。それにより、レギュレータ３の調圧異常の回復が図られる。

ＣＰＵ７ａは、上述したステップＳ１〜ステップＳ７の制御動作を圧力センサ５により検出される圧力値が設定された所定の減圧値になるまで繰り返す。ステップＳ２において圧力センサ５の出力値が所定の減圧値になったとき、ＣＰＵ７ａはレギュレータ３の調圧異常が解消したと判断して、上記の調圧異常解消の制御を終了し、燃料電池スタック６による発電運転モードに復帰して運転が続行されることとなる。

上記したように、本実施の形態によれば、レギュレータ３下流側のガス配管２内の圧力が基準を超えて上昇していることを圧力センサ５の出力によって検知した場合には、圧力差発生手段（ステップＳ４〜Ｓ７）によって制御手段の一構成要素である遮断弁４を閉弁してレギュレータ３下流側のガス配管２に水素ガスを高い圧力で貯留する一方で、遮断弁４下流のガス配管２内の残留ガス圧力をなくした後で、再び遮断弁４を開弁制御するため、レギュレータ３のシール不良等に起因する調圧異常は、一気に高まった高圧ガスがレギュレータ３を流動するときに、レギュレータ３内部に生じる急激なガスの圧力変動と大きな流速とでレギュレータ３の調圧作用を回復することができ、燃料電池スタックの発電運転モードを続行することが容易になる利点があり、高圧ガス供給装置の信頼性を著しく向上できる。

以上、本発明の実施の形態を図面により詳述してきたが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明の範囲に含まれるものである。

例えば、上記実施の形態では、ガス消費手段として燃料電池スタック６を例に挙げて説明したが、この燃料電池スタック６の代わりに、ガス消費手段としてのガスエンジンに圧縮天然ガス又は水素ガスを燃料とするシステムに適用することもできるのは言うまでもない。ガス消費手段は車両用に適用可能である。

また、ガス配管２を流動する気体は、水素、圧縮天然ガス以外のものであっても良い。このような気体の気体供給配管に設けられるレギュレータの不良調整にも応用できることは勿論である。高圧ガス源はガスを加圧するポンプを含んでも良い。

図３は、上記実施の形態の変形例を示している。同図において、図１と対応する部分には同一符号を付し、かかる部分の説明は省略する。

既述した実施の形態では、遮断弁４をレギュレータ３の下流側に配置したが、この実施の形態では遮断弁とレギュレータ３の位置を入れ替え、遮断弁４０をレギュレータ３０の上流側に配置している。他の構成は既述実施の形態と同様である。

この変形例の場合には、図２に示す制御フローにおいて、遮断弁４０の下流側に残留するガスを消費させてガス配管内の圧力を低下させた後で、遮断弁４０を開弁する（ステップＳ６，Ｓ７）ことにより、レギュレータ３０の調圧異常を解消するもので、上記実施の形態とほぼ同様に、レギュレータの調圧作用を回復して、そのままシステムの運転続行を可能にできるという作用効果を有する。

なお、上記実施の形態および変形例では、いずれも高圧ガスタンク１とレギュレータ３，３０とは別体の構造にしたが、レギュレータ３，３０を高圧ガスタンク１と一体化したシステムにも応用できる。

また、遮断弁の配置位置はレギュレータ３，３０の上流又は下流の少なくとも一方でも、両方でも良い。

本発明の実施の形態における高圧ガス供給装置のシステムブロック図である。 上記実施の形態における高圧ガス供給装置の調圧復帰制御を示すフロー図である。 上記実施の形態の変形例における高圧ガス供給装置のシステムブロック図である。

符号の説明

１ 高圧ガスタンク、２ ガス配管、３ レギュレータ、４ 遮断弁、５ 圧力センサ、６ 燃料電池スタック、７ 制御装置、８ 電圧センサ

Claims (5)

1. 高圧ガス源と該高圧ガス源のガスを消費するガス消費手段との間に設けられたガス通路に前記高圧ガス源の高圧ガスを調圧するレギュレータを備えた高圧ガス供給装置であって、
   前記ガス通路を開閉する遮断弁と、
   前記レギュレータの調圧の異常が検出されたときに、前記遮断弁を一時的に遮断した後に開放して前記レギュレータの上流側及び下流側間に圧力差を発生させる圧力差発生手段と、
   を備える高圧ガス供給装置。
2. 前記遮断弁がレギュレータ近傍に配設されている、請求項１に記載の高圧ガス供給装置。
3. 前記圧力差発生手段は、前記遮断弁により一時的にガス通路を遮断して該遮断弁下流のガスが減圧した後、前記遮断弁を開放する請求項１又は２に記載の高圧ガス供給装置。
4. 前記圧力差発生手段は、前記レギュレータ下流側のガス通路内の圧力異常上昇によって前記調圧の異常を判定する、請求項１乃至３のいずれかに記載の高圧ガス供給装置。
5. 前記遮断弁は前記レギュレータの上流側又は下流側の少なくとも一方に設けられる、請求項１に記載の高圧ガス供給装置。
   
   
   

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