JP2006108024A

JP2006108024A - 高圧ガス供給装置及びそれを用いた燃料電池システム

Info

Publication number: JP2006108024A
Application number: JP2004295961A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Saikai; 弘章西海
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-10-08
Filing date: 2004-10-08
Publication date: 2006-04-20

Abstract

【課題】調圧弁の不具合発生を検知可能とし、適切な処理を行えるようにすること。
【解決手段】タンク本体１１に貯蔵された高圧ガスを、レギュレータ３１により調圧し、ソレノイドバルブ３３を介して燃料電池１供給する高圧タンク１０が、燃料供給路３に複数並列に接続されてなる燃料電池システムに、レギュレータ３１とソレノイドバルブ３３との間の配管内圧を検出する圧力センサ３４を設けた。圧力センサ３４の検出値が所定以上であるときは、レギュレータ３１に異常が発生していると判断し、運転者に警告を発する等の処理を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、高圧タンクに貯蔵された高圧ガスを調圧弁により調圧し開閉弁を介して供給する高圧ガス供給装置及びそれを用いた燃料電池システムに関する。

高圧タンクに貯蔵された高圧ガスを減圧して一定圧力に調圧する調圧弁は、その調圧機能が不良になると、調圧弁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、調圧弁の異常対策は重要である。

一方、高圧ガスが充填される高圧タンクと、そのタンク内のガス圧力を減圧する調圧弁を含む弁機構とを備えた高圧タンク装置については、その大きさをコンパクト化するとともに、弁機構の損傷等を防止し、さらには弁機構等の取り扱いを容易化したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。かかる高圧タンク装置は、タンク内外を連通又は連通遮断する開閉弁（同文献では、シャットオフバルブ）と、タンク内の高圧ガスを減圧する調圧弁（同文献では、レギュレータバルブ）とを備える。
特開２００３−０９０４９９号公報

ところで、高圧タンクを燃料電池システムの水素ガス供給源として用いる際には、調圧弁の下流側に電磁式の開閉弁（ソレノイドバルブ）が配設されることがある。しかしながら、調圧弁に不具合が生じた際には、その下流側の開閉弁に過大な圧力（例えば、３５ＭＰａ）がかかるので、開閉弁の開弁性能を超えて開閉できなくなることがある。

また、燃料電池に複数本の高圧タンクが並列接続され、その消費が1本ずつ順番に行われる燃料電池システムにおいては、或る高圧タンクの調圧弁に不具合が生じてその下流の開閉弁が開弁できなくても、燃料電池には引き続き他の高圧タンクから水素ガスが供給されるので、調圧弁の不具合を検知することができず、適切な処理を講ずることができない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、調圧弁の不具合発生を検知可能として、適切な処理を行うことのできる高圧ガス供給装置及びそれを用いた燃料電池システム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、高圧タンクに貯蔵された高圧ガスを、調圧弁により調圧し、開閉弁を介して供給する高圧ガス供給装置において、調圧弁と開閉弁との間のガス状態に基づいて調圧弁の異常を検知する異常検知手段を有するものである。

調圧弁に何らかの不具合が発生した場合には、その調圧弁とその下流側に配設された開閉弁との間のガス状態に変化が生ずるので、上記構成によれば、かかるガス状態の変化に基づき調圧弁の異常発生を検知することが可能となる。

異常検知手段としては、例えば、調圧弁と開閉弁との間に配設される圧力センサを採用することができる。

また、本発明の高圧ガス供給装置を用いた燃料電池システムは、請求項１に記載の高圧ガス供給装置、つまり、高圧タンクに貯蔵された高圧ガスを調圧弁により調圧し開閉弁を介して燃料電池に供給する高圧ガス供給装置が、複数並列に接続されてなるものである。

高圧ガス供給装置が複数並列に接続されていると、或る高圧ガス供給装置の調圧弁に異常が発生しても、引き続き別の高圧タンクからの調圧ガスが燃料電池に供給されるので、異常発生を検知することができない。

しかしながら、或る調圧弁に何らかの不具合が発生した場合には、その調圧弁とその下流側に配設された開閉弁との間のガス状態に変化が生ずるので、上記構成によれば、かかるガス状態の変化に基づき調圧弁の異常発生を検知することが可能となる。

本発明によれば、調圧弁と開閉弁との間のガス状態に基づき調圧弁の異常を検知する異常検知手段を有するので、調圧弁に異常とまではいえない不具合が発生している場合には事前に、既に異常が発生している場合には速やかに、適切な処理を行えるようになる。

図１は、本発明の一実施の形態による高圧ガス供給装置を用いた燃料電池システムの概略を示す構成図である。本実施形態では、この燃料電池システムの適用対象として自動車（車両）を想定して説明するが、自動車に限らず、例えば船舶や飛行機など、あらゆる移動体に適用可能である。

燃料電池１は、燃料電池セルを所要数積層した燃料電池スタックとして構成されており、各燃料電池セルは、電解質膜（図示略）を挟んでカソード極側（酸素極側）とアノード極側（水素極側）とに分けられる。

カソード極側の電極には、空気供給経路２を介して酸化ガス（空気）が供給され、燃料電池１から排出される空気オフガスは排気路４を経て外部に放出される。この排気路４には、排気圧を検出する圧力センサ，圧力調整弁，及び加湿器等が設けられている。

一方、アノード極側の電極には、水素供給源である高圧ガス供給装置１０から燃料供給路３を介して水素ガス（燃料ガス）が供給される。この燃料供給路３には、燃料電池１への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁２１や、その上流側（高圧ガス供給装置１０側）の圧力を検出する圧力センサ２２等が設けられている。

そして、燃料電池１では、酸素ガスと水素ガスとの電気化学反応により発電が行われ、この燃料電池システムを搭載した燃料電池車両は走行する。

高圧ガス供給装置１０は、図２に示すように、全体として略密閉円筒状をなす高圧タンク１１と、高圧タンク１１の長手方向の一端部に設けられた口金部１２とを備えて構成されている。なお、図２の破線で示される口金部１２は、図示都合上、高圧タンク１１に対して誇張した記載としている。

高圧タンク１１の内部は、水素ガスや天然ガスなど各種のガスを高圧で貯留する貯留空間となっており、本実施の形態では３５ＭＰａの水素ガスが貯蔵される。

口金部１２は、高圧タンク１１の略球面状をした端壁部の中心に設けられており、高圧タンク１１内のガスは、口金部１２に設けられた複数のバルブ群を介して、外部の燃料供給路３へと供給される。これらバルブ群は、高圧タンク１１側（上流側）からレギュレータ（調圧弁）３１，マニュアルバルブ３２，及びソレノイドバルブ（開閉弁）３３がこの順に直列に配置されてなり、さらにレギュレータ３１とマニュアルバルブ３２の間には、レギュレータ３１とその下流に位置するソレノイドバルブ３３との間のガス圧（ガス状態）を検出する圧力センサ（異常検知手段）３４が配設されている。

ソレノイドバルブ３３は、電磁制御弁の形態をなし、非通電時には高圧タンク１１から燃料供給路３への水素ガスの供給を常時遮断する開閉弁として機能し、制御装置１００からの制御信号により開閉する。一方、レギュレータ３１は、高圧タンク１１から燃料供給路３への水素ガス供給圧を減圧して所望の圧力に設定し得る調圧弁として機能する。

マニュアルバルブ３２は、手動で開閉操作されるものであり、燃料電池システムの起動後は常時開弁状態が保たれている。

この燃料電池システムは、高圧ガス供給装置１０を複数（４つ）備えるとともに、それらが燃料供給路３に並列接続されてなるものであるが、各ソレノイドバルブ３３に対する制御装置１００からの制御信号により、各高圧タンク１１から燃料電池１への水素ガス供給は、１本ずつ順番に行われる。

制御装置１００は、既述の制御動作に加えて、アクセル信号（図示略）などの要求負荷や、上記圧力センサ２２，３４等燃料電池自動車に搭載されている各部のセンサなどから制御情報を受け取り、制御プログラム等によって各種の弁類やモータ類の運転、運転者に警告等所定の情報を報知する報知手段の動作を制御する。

次に、これら高圧ガス供給装置１０を用いた燃料電池システムの作用について説明する。

まず、高圧ガス供給装置１０が正常に作動し、高圧タンク１１内の高圧水素ガスがレギュレータ３１により所定の減圧値に減圧された上で、開状態のマニュアルバルブ３２及びソレノイドバルブ３３を介して下流の燃料電池１のアノード極側へ供給され、通常の発電が行われているものとする。このとき、図２の範囲Ａで示すレギュレータ３１とソレノイドバルブ３３間の配管内圧力は、約３ＭＰaである。

この状態において、制御装置１００は、所定周期毎にあるいは所定イベントの発生に対応して、圧力センサ３４の出力を読取り、所定の減圧値より大きくなったか否かを判定する。制御装置１００は、その読取り値（検出値）が所定の減圧値よりも大きな圧力を検出すると、レギュレータ３１に異常が発生したと判断し、警告灯を点灯あるいは点滅させたり警報を鳴らす等の報知手段を作動させて、運転者に異常の発生を知らせる。

これにより、レギュレータ３１の異常発生を運転者にタイムリーに知らせることが可能となり、適切な対応を運転者に喚起することができる。

具体的には、或る高圧ガス供給装置１０のレギュレータ３１にシール不良が発生した場合、上記範囲Ａの配管圧力は最大で３５ＭＰａとなるので、レギュレータ３１の下流に配設されたソレノイドバルブ３３にも３５ＭＰａ程度の高圧が作用し、ソレノイドバルブ３３は開弁不能になる。ところが、図２の範囲Ｂで示す配管は、他の３つの高圧ガス供給装置１０のいずれかが使用可能であれば、車両は通常通り不具合の発生なく走行することができる。よって、レギュレータ３１とソレノイドバルブ３３との間に圧力センサ３４を有しない燃料電池システムでは、不具合発生時にそれを検知することができない。

これに対し、本実施の形態による燃料電池システムでは、レギュレータ３１とソレノイドバルブ３３との間の配管内圧を圧力センサ３４で検出（監視）しているので、レギュレータ３１の異常検知が可能になることはもとより、異常発生の兆候や、異常とまではいえない不具合の程度も確認可能となる。

さらに、ソレノイドバルブ３３が開弁している場合は、圧力センサ３４，２２の各検出値Ｐ１，Ｐ２は同じ圧力となるのに対し、開弁していない場合は、Ｐ１＞Ｐ２となるので、ソレノイドバルブ３３の開弁不良も検知可能となる。

いずれの場合にも、運転者に警告を発することができるので、例えば、残り３本の高圧タンク１１による走行距離内でディーラ等の修理工場に移動するように運転者に喚起する等、適切な対応を圧力センサ３４の追加だけで簡易に実現することができる。

なお、レギュレータ３１の異常発生やソレノイドバルブ３３の開弁不良を検知した場合に、上記運転者への警告に代えて、あるいは運転者への警告と共に、燃料電池システム側で何らかの制限をかけてもよい。

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い。例えば、上記実施の形態では、ガス供給先として燃料電池１を例に挙げて説明したが、この燃料電池１の代わりに、ガス供給先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。

また、高圧タンクに貯蔵される気体は、水素、圧縮天然ガス以外のものであっても良い。さらに、本発明の異常検知手段は、レギュレータ３１とソレノイドバルブ３３間のガス状態を検出できれば、温度センサや流量センサ等その他の手段であっても良い。

本発明の一実施の形態による高圧ガス供給装置を用いた燃料電池システムのシステムブロック図である。同燃料電池システムの要部を示すシステムブロック図である。

符号の説明

１０高圧ガス供給装置、１１高圧タンク、３１レギュレータ（調圧弁）、３３ソレノイドバルブ（開閉弁）、３４圧力センサ（異常検知手段）

Claims

高圧タンクに貯蔵された高圧ガスを、調圧弁により調圧し、開閉弁を介して供給する高圧ガス供給装置において、
調圧弁と開閉弁との間のガス状態に基づいて調圧弁の異常を検知する異常検知手段を有する高圧ガス供給装置。
請求項１に記載の高圧ガス供給装置が複数並列に接続されてなる燃料電池システム。