JP2006200563A

JP2006200563A - 液体燃料供給システム

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Publication number: JP2006200563A
Application number: JP2005010273A
Authority: JP
Inventors: Hisahiro Yoshida; 尚弘吉田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-01-18
Filing date: 2005-01-18
Publication date: 2006-08-03

Abstract

【課題】十分な供給圧力を維持しながら積極的にボイルオフガスを利用可能な液体水素供給システムを提供する。
【解決手段】液体燃料タンク（１０）を備える液体燃料供給システムにおいて、液体燃料から生ずるボイルオフガスを充填する充填手段（１１〜１３）を備え、当該ボイルオフガスの量に応じて当該充填手段（１１〜１３）の容積を変更可能に構成されている（Ｗ１〜Ｗ３）ことを特徴とする液体燃料供給システムである。ボイルオフガスの量に応じて充填手段の容積を変更可能に構成したので、ボイルオフガスの供給圧力を十分高く維持しながら積極的にボイルオフガスを利用していくことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ボイルオフガスを利用する液体燃料供給システムに関する。

液体水素は凝固点が極めて低いことから、液体水素の貯蔵装置では大型の冷却装置を用いて液体水素を極低温に冷却しない限り、どのような断熱処理をしても気化され、いわゆるボイルオフガスが発生する。まして、自動車に液体水素の貯蔵装置を搭載する場合には十分な冷却手段を設けることは実質上不可能であるため、ボイルオフガスが発生することを前提としてシステムを構成する必要がある。

従来、このような液体水素から発生するボイルオフガスを利用するものとして、例えば特開２００３−５６７９９号公報に記載されているように、液体燃料タンクから発生するボイルオフガスを昇圧器で昇圧し、昇圧されたボイルオフガスを、燃料電池に接続された高圧水素タンクに貯蔵するよう構成されたボイルオフガス処理装置があった（特許文献１）。

また特開２００２−１０６７９４号公報に記載されているように液体水素貯蔵タンク内の圧力を臨界圧力まで高めてボイルオフガスの発生を抑制する技術（特許文献２）や、特開２００３−１２０９００号公報に記載されているように発生したボイルオフガスを水素吸蔵合金に吸蔵させて優先的に利用する技術（特許文献３）も考案されていた。
特開２００３−５６７９９号公報特開２００２−１０６７９４号公報特開２００３−１２０９００号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載されたような装置では、ボイルオフガスの発生量が少ない場合にはいくら昇圧器を利用しても高圧水素タンクに十分なボイルオフガスを貯めることができず、燃料電池に対して十分な供給圧力を維持できないという問題があった。

また特許文献２では、臨界圧力にまで圧力を高めてもそれ以上は圧力が高まらずボイルオフガスはどうしても発生してしまうのであり、結局、必然的に発生するボイルオフガスの貯蔵装置が存在しなければならない。

また特許文献３のように、水素吸蔵合金を利用したボイルオフガスの貯蔵は、吸蔵可能な水素量に比べ水素吸蔵合金の重量が遙かに大きいため、軽量であることを要求される装置には適さない方法と考えられる。

そこで、本発明は、十分な供給圧力を維持しながら積極的にボイルオフガスを利用可能な液体水素供給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の本発明は、液体燃料タンクを備える液体燃料供給システムにおいて、当該液体燃料から生ずるボイルオフガスを充填する充填手段を備え、当該ボイルオフガスの量に応じて当該充填手段の容積を変更可能に構成されていることを特徴とする液体燃料供給システムである。

上記構成によれば、充填手段には液体燃料から発生したボイルオフガスを充填していくが、このとき、ボイルオフガスの量に対応させて充填するための容積を変更するので、ボイルオフガスの量が相対的に少ないときは少ない容積で、ボイルオフガスの量が相対的に多くなるに連れそれに応じた容積でボイルオフガスを充填するように容積を変更していくことで、供給圧力をある程度以上に保つことができる。

ここで「液体燃料」は液体水素その他ボイルオフガスが発生する可能性のあるものであるが、液体水素に不純物（添加物）が混合している場合も含む。

また「ボイルオフガスの量」は、一定の温度（例えば常温や使用温度の範囲）及び圧力とした場合の相対的なものである。

ここで、容量を変更することは、例えば一つの容器に複数の区画を設け、充填に使用する区画を増減可能に構成したり、また、可撓性のある容積部分を少なくとも一部に備えていたりすることが考えられる。

また、充填手段として充填タンクを液体燃料タンクの他に備えることは好ましい。充填タンクならば比較的高圧にも耐えられ、容積を比較的小さくするなら、わずかな充填の量で燃料電池等に適する供給圧力が発生しうるからである。

このような充填タンクは、複数備えられており、ボイルオフガスの量に応じて充填する充填タンクを選択可能に構成されることが好ましい。複数備えていれば、ボイルオフガスの量に応じて利用する充填タンクを変えていくことで、比較的少量のボイルオフガスから多量のボイルオフガスまで所定の圧力の範囲でボイルオフガスを貯蔵していくことが可能だからである。

ここで、液体燃料タンクと各充填タンクとを連通する連通路を備え、各充填タンクへの連通路の各々に逆止弁が設けられていることは好ましい。逆止弁は所定の圧力で開弁するものであり、逆方向のガス流通を阻止するものであるため、液体燃料タンクのボイルオフガスの量が増えて各逆止弁の差圧が高まるに連れて開弁し充填タンクに充填が開始される。

ここで、各逆止弁の開弁圧力を互いに異なるように構成することができる。このように設定すれば、開弁圧力を低く設定した逆止弁に対応づけられた充填タンクから順にボイルオフガスが充填されていき、ボイルオフガスの量に応じて充填タンク全体の容積を変更させることができる。すなわち電磁弁の制御による順次開弁処理をすることなく機械的に自動的に充填容積を変更していくことが可能である。

また、各逆止弁は、開弁圧力が互いに等しくなるように構成してもよい。逆止弁の開弁圧力に差をつけていた場合、最も開弁圧力の低い逆止弁に不良が生じるとその圧力までに充填されるべきボイルオフガスがどこにも充填し得ないという現象が生じるが、複数の逆止弁が同等の開弁圧力に設定されていれば、このような充填されないボイルオフガスが発生することを防止できる。また、複数の逆止弁の開弁圧力を同等に設定した場合には、この開弁圧力に達した場合に一気に複数の充填タンクにボイルオフガスを充填していくことができ、充填する容積を大きく変更することができる。

ここで、液体燃料充填口と液体燃料タンクとを連通する連通路を備え、当該連通路中のボイルオフガスを優先的に消費装置に供給可能に構成されていることは好ましい。液体燃料充填口と液体燃料タンクとの間の連通路にもボイルオフガスは存在する場合があるが、当該構成によれば、この連通路中のボイルオフガスも利用可能に構成してあるので、液体水素の利用効率を向上させることができる。

ここで、ボイルオフガスの量が所定値よりも大きい場合に、複数の充填タンクにボイルオフガスを同時に充填可能に構成されていることは好ましい。このように構成すれば、ボイルオフガスの量が相対的に多かった場合、比較的大きな容積を確保できるので、充填圧力を極端に高めることなくボイルオフガスの充填が行える。

本発明によれば、ボイルオフガスの量に応じて充填手段の容積を変更可能に構成したので、ボイルオフガスの供給圧力を十分高く維持しながら積極的にボイルオフガスを利用していくことができる。

本発明の好適な実施の形態を図面に基づいて説明する。以下の実施形態は、本発明の例示であり、本発明は以下の実施形態に限定されることなく種々に変形して実施可能である。

（実施形態１）
図１に、本発明の液体燃料供給システムを適用した燃料電池システムのシステムブロック図を示す。当該燃料電池システムは、例えば自動車等の移動体に搭載されるもので、燃料ガスとして液体水素から発生するボイルオフガスを充填する充填手段として充填タンク１１〜１３を備えており、ボイルオフガスの量に応じて充填タンク１１〜１３の容積を変更可能に構成されている。特に本実施形態１では、充填タンク１１〜１３にボイルオフガスを充填するための逆止弁の開弁圧力を異ならせた例に関する。

図１に示すように、本燃料電池システムは、燃料電池スタック１００に、燃料ガスである水素ガスを供給する水素ガス供給系１、酸化ガスである空気を供給する空気供給系２、燃料電池スタック１００を冷却する冷却系３、燃料電池スタック１００で発電された電力を充放電する電力系４、およびシステム全体を制御する制御部５０を備えている。特に本発明はこのうち水素ガス供給系１における新規の構成に関し、液体燃料タンク１０及び充填タンク１１〜１３を中心として構成されている。

水素ガス供給系１は、燃料ガスとして液体水素から発生するボイルオフガスを充填・供給可能に構成されている。液体燃料タンク１０は、真空二重構造を備えており、沸点が極めて低い（およそ２０Ｋ）液体水素を貯蔵可能となっている。また、この液体水素から発生するボイルオフガスをある程度の高圧まで貯蔵することが可能な耐圧構造を備えている。液体燃料タンク１０には、内圧がかなり高くなった場合に内圧を下げるためのリリーフ弁が設けられている。また、液体燃料タンク１０には、液体燃料が液相で残留している量を調べるためのレベルゲージＬＧが制御部５０から読み取り可能に設けられており、液体燃料の液面位置を計測することで液体燃料が液体として存在している量を制御部５０に把握させることが可能になっている。

充填タンク１１〜１３はいずれも類似の構造を備えており、液体燃料タンク１０からのボイルオフガスをある程度の高圧まで充填可能に構成されている。これらの充填タンクにも、所定値以上に内圧が達した場合に内圧を下げるリリーフ弁Ｒ１〜Ｒ３が設けられている。

これらタンク間を連通する配管・弁構造を説明する。液体燃料充填口ＦＩから液体燃料タンク１０までは液体燃料配管１６が敷設され、液体燃料タンク１０から充填タンク１１〜１３の入口側までは充填配管１７が互いに連通した構造で敷設されている。また充填タンク１１〜１３の出口側は各タンクからのボイルオフガスを共通して供給するための供給配管１８が互いに連通した構造で敷設され、主配管１９に接続されている。

液体燃料配管１６は、液体燃料充填口ＦＩから液体燃料タンク１０への連通路であり、液体燃料充填時に利用されるものである。液体燃料配管１６には液体燃料充填口ＦＩから順に逆止弁ＲＶ１、ＲＶ２、手動弁Ｈ１、遮断弁Ｌ１が設けられている。液体燃料充填口ＦＩは、液体燃料スタンドなどで液体水素充填機の供給ノズルを接続可能な構造を備え、液体水素充填機と当該燃料電池システムの制御部５０と間で通信可能なように、図示しないコネクタも設けられている。逆止弁ＲＶ１及びＲＶ２は直列接続された二重構造になっており、万一いずれかの弁においてシール不良等の弁不全が生じたとしても液体水素が逆流することを防止することが可能になっている。圧力センサｐ１及びｐ２は、逆止弁ＲＶ１及びＲＶ２で区画される液体燃料配管１６の各区間の圧力を計測するために設けられている。手動弁Ｈ１は、製造時の調整やサービス時に手動開閉されるサービス用弁であり、通常使用時には所定の開度で開弁されている。遮断弁Ｌ１は制御部５０によって開閉制御が可能な電磁弁となっており、液体燃料供給時には開弁するよう制御されるものである。液体燃料タンク１０の入口側にはタンク内圧、すなわち液体水素が気化して発生したボイルオフガスの圧力を計測するための圧力センサｐ３、及びボイルオフガスの内部温度を計測するための温度センサｔ１が設けられている。

充填配管１７は、液体燃料タンク１０と各充填タンク１１〜１３とを連通させるものであり、液体燃料タンク１０の出口近傍に手動弁Ｈ２が設けられている。また各充填タンク１１〜１３に分岐した後の充填タンク入口側には、各充填タンクに対応させた逆止弁ＲＶ３〜ＲＶ５、手動弁Ｈ３〜Ｈ５がそれぞれ設けられている。

逆止弁ＲＶ３〜ＲＶ５は本発明に係り、所定の開弁圧力に設定されたものである。逆止弁ＲＶ３〜ＲＶ５は、機械構造的に所定の開弁圧力となるよう設定され（表１参照）、その開弁圧力に達すると自動的に開弁するように構成されている。このように所定の開弁圧力で自動的に開弁するよう構成しておけば、逆止弁が壊れない限りにおいて、制御工程が不要であり、構造を簡単にできる。手動弁Ｈ３〜Ｈ５は、製造時の調整やサービス時に手動開閉されるサービス用弁であり、通常使用時には所定の開度で開弁維持されている。各充填タンク１１〜１３の入口にはタンク内のボイルオフガス圧力を計測するための圧力センサｐ４〜ｐ６、及び各タンクの内部温度を計測するための温度センサｔ２〜ｔ４が設けられている。

供給配管１８は、各充填タンク１１〜１３を連通させ主配管１９に接続するためのものである。供給配管１８のうち各充填タンク１１〜１３に対応した枝管部分には、調整弁Ｒ１〜Ｒ３、手動弁Ｈ６〜Ｈ８、遮断弁Ｇ１〜Ｇ３がそれぞれ対応づけられて設けられている。調整弁Ｒ１〜Ｒ３は、各充填タンク１１〜１３から供給配管１８への供給圧力をそれぞれ規定するもので、所定の差圧でボイルオフガスを出力するように調整されている。手動弁Ｈ６〜Ｈ８は、製造時の調整やサービス時に手動開閉されるサービス用弁であり、通常使用時には所定の開度で開弁維持されている。

液体燃料配管１６と供給配管１８とは、遮断弁Ｌ２を介してバイパス可能になっている。これは液体燃料配管１６内に残留しているボイルオフガスを速やかに遮断弁Ｌ２経由で供給配管１８に供給し燃料電池スタック１００で消費させるためである。

主配管１９以降の構成について説明する。主配管１９の上流側から順に、調圧弁Ｒ４，Ｒ５、遮断弁Ｌ３、燃料電池スタック１００内の流路を経て、気液分離器１４及び遮断弁ＳＶ４、水素ポンプ１５、並びにパージ遮断弁Ｌ５が設けられ、水素ガスの循環経路を構成している。

調圧弁Ｒ４及びＲ５は、供給配管１８からのボイルオフガスを調圧して出力するように構成されている。シール不良に対応するため調圧弁Ｒ４及びＲ５はダイアフラムが二重化されたものである。調圧弁Ｒ４やＲ５のいずれも、配管内が所定以上の圧力になった場合に減圧するためのリリーフ弁が設けられている。遮断弁Ｌ３は、発電の開始・停止に応じて開閉し、主配管１９上でボイルオフガスの供給の有無を制御可能に構成される。圧力センサｐ１０は、主配管１９上流における供給配管１８内の圧力を計測可能に設けられ、圧力センサｐ１１は、燃料電池スタック１００の内圧を計測可能に設けられている。

燃料電池スタック１００は、単セルという発電構造体を複数積層したスタック構造を備える。各単セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）といわれる発電体を、水素ガス（ボイルオフガス）、空気、冷却水の流路が設けられたセパレータ一対によって挟み込んだ構造を備えている。ＭＥＡは高分子電解質膜をアノード及びカソードの二つの電極を挟み込んで構成されている。アノードはアノード用触媒層を多孔質支持層上に設けてあり、カソードはカソード用触媒層を多孔質支持層上に設けてある。

燃料電池スタック１００のアノードに供給されたボイルオフガスは、マニホールド経由で各単セルに供給され、セパレータの燃料ガス流路を流れて、ＭＥＡのアノードにおいて電気化学反応を生じるようになっている。燃料電池スタック１００から排出されたボイルオフガス（水素オフガス）は、気液分離器１４に供給される。気液分離器１４は、通常運転時において燃料電池スタック１００の電気化学反応により発生する水分その他の不純物を水素オフガス中から除去し、遮断弁Ｌ４を通じて外部に放出するように構成されている。水素ポンプ１５は、水素オフガスを強制循環させて主配管１９に戻すことにより、循環経路を構成している。パージ遮断弁Ｌ５は、パージ時に開放されるが、通常の運転状態及び配管内ガス漏れ判定時には遮断されている。パージ遮断弁ＳＶ５からパージされた水素オフガスは希釈器２５を含む排気系で処理される。

空気供給系２は、エアクリーナ２１、コンプレッサ２２、加湿器２３、気液分離器２４、希釈器２５、及び消音器２６を備えている。エアクリーナ２１は、外気を浄化して燃料電システムに取り入れる。コンプレッサ２２は、取り入れられた空気を制御部５０の制御に従って圧縮し供給する空気量や空気圧を変更するようになっている。燃料電池スタック１００のカソードに供給された空気は、ボイルオフガスと同じくマニホールド経由で各単セルに供給され、セパレータの空気流路を流れて、ＭＥＡのカソードにおいて電気化学反応を生じる。燃料電池スタック１００から排出された空気（空気オフガス）加湿器２３は圧縮された空気に対し、空気オフガスと水分の交換を行って適度な湿度を加える。燃料電池スタック１００に供給された空気は、マニホールド経由で各単セルに供給され、セパレータの空気流路を流れて、ＭＥＡのカソードにおいて電気化学反応を生じるようになっている。燃料電池スタック１００から排出された空気オフガスは、気液分離器２４において過剰な水分が除去される。希釈器２５は、パージ遮断弁Ｌ５から供給された水素オフガスを空気オフガスで混合・希釈し、酸化反応が生じ得ない濃度にまで均一化するよう構成されている。消音器２６は、混合された排気ガスの騒音レベルを低減させて排出可能に構成されている。

冷却系３は、ラジエタ３１、ファン３２、冷却ポンプ３３、冷却装置３４、及びロータリーバルブＣ１〜Ｃ４を備えている。ラジエタ３１は、多数の配管を備え、分流された冷却液がファン３２の送風により強制空冷されるようになっている。冷却ポンプ３３は、冷却液を燃料電池スタック１００内部に循環供給されるようになっている。燃料電池スタック１００内に入った冷却液は、とマニホールド経由で各単セルに供給されセパレータの冷却液流路を流れ、発電によって生じる熱を奪うようになっている。冷却装置３４はコンデンサ等を備えており、空冷を上回る冷却性能を備え、冷却液の温度を低下させることが可能になっている。

当該冷却系３は、冷却経路３５〜３７のいずれかをロータリーバルブＣ１またはＣ２を切り替えることで選択可能になっている。冷却経路３５は、ラジエタ３１による空冷無しで冷却液を冷却ポンプ３３に供給する経路であり、冷却経路３６は、ラジエタ３１による強制空冷をする経路である。冷却経路３７は、本発明の充填タンク１１〜１３を冷却するための循環経路である。ロータリーバルブＣ１は、充填タンク１１〜１３のための冷却経路３７か、冷却経路３５・３６かを切り替えるものであり、ロータリーバルブＣ２は、充填タンク１１〜１３から循環してきた冷却液を、空冷無しの冷却経路３５を通すか、空冷させる冷却経路３６を通すかを切り替えるものである。冷却経路３７には、ロータリーバルブＣ３及びＣ４が設けられている。ロータリーバルブＣ３は充填タンク１１に冷却液を供給するか否かの選択を、ロータリーバルブＣ４は充填タンク１２に冷却液を供給するか否かの選択をするように構成されている。冷却経路３７は、各充填タンク１１〜１３においてボイルオフガスの入出力口付近（逆止弁ＲＶ３〜ＲＶ５や調圧弁Ｒ１〜３付近）を冷却可能に配管されており、ボイルオフガスの温度を制御して圧力を低減させることが可能になっている。

特にロータリーバルブＣ１とＣ２は、起動時に冷却経路３５に冷却液が循環するように制御される。起動時にラジエタ３１や充填タンク１１〜１３に冷却液が流れないようにすることで、温度差が大きい冷却液が供給されて生ずる熱衝撃によって破壊を抑制するためである。

電力系４は、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０、バッテリ４１、トラクションインバータ４２、トラクションモータ４３、補機インバータ４４，高圧補機４５等を備えている。燃料電池スタック１００は単セルが直列接続されて構成されるもので、そのアノードＡとカソードＣとの間に所定の高圧電圧（例えば約５００Ｖ）が発生する。ＤＣ−ＤＣコンバータ４０は燃料電池スタック１００の出力電圧と異なる端子電圧を有するバッテリ）４１との間で双方向の電圧変換を行い、燃料電池スタック１００の補助電源としてバッテリ４１の電力を利用したり、または、燃料電池スタック１００からの余剰電力をバッテリ４１に充電したりすることが可能になっている。当該ＤＣ−ＤＣコンバータ４０は制御部５０の制御に対応した端子間電圧を設定可能である。バッテリ４１は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリーコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりが可能になっている。トラクションインバータ４２は直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ４３に供給するものである。トラクションモータ４３は例えば三相モータであり、当該燃料電池システムが搭載される自動車の主動力源である。補機インバータ４４は、高圧補機４５を駆動するための直流−交流変換手段である。高圧補機４５は、コンプレッサ２２、水素ポンプ１５、ファン３２、冷却ポンプ３３等の燃料電池システムの運転に必要な各種モータ類である。

制御部５０は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、インターフェース回路等を汎用コンピュータとしての構成を備えている。制御部５０は、内蔵ＲＯＭ等に格納されているソフトウェアプログラムを順次実行することにより、主として水素ガス供給系１、空気供給系２、冷却系３、電力系４を含む燃料電池システム全体を制御することが可能になっている。

表１に本実施形態１において設定される各逆止弁ＲＶ３〜ＲＶ５の開弁圧力を示す。

ケースａは、出口側の供給配管１８の圧力が入口側の充填配管１７の圧力以下の場合の設定例であり、ケースｂは、出口側の供給配管１８の圧力が入口側の充填配管１７の圧力以下の場合の設定例である。この開弁圧力設定は、供給配管１８に最大流量でボイルオフガスが供給された場合に下流（主配管１９）に必要な圧力が確保できるように選択される。

表１から判るように、逆止弁ＲＶ３、ＲＶ４、ＲＶ５の順に開弁圧力が高圧化しているため、逆止弁ＲＶ３が最初に開弁し、次いで逆止弁ＲＶ４、ＲＶ５の順番で開弁していくようになっている。開弁圧力が低い順に開弁するため、設定する開弁圧力を逆止弁の間で変更すれば、ボイルオフガスが充填されていく充填タンクの順番を変更することが可能である。

特に逆止弁ＲＶ３〜ＲＶ５の開弁圧力の範囲のうち中間付近の値が燃料電池スタック１００の入口圧力（ほぼ主配管１９の圧力に等しい）と同等に維持することは好ましい。例えば表１では、ケースａがこの場合に該当している。このような圧力差関係に設定することで、燃料電池スタック１００に対して加圧力を維持しながら、充填されることなく残留してしまうボイルオフガスを極力少なくすることが可能である。

上記構成において、液体燃料タンク１０に液体水素が充填されていた場合、外部の熱によって液体水素が気化してボイルオフガスが生じ、液体水素の液相上に充満する。このとき液体燃料タンク１０は充填配管１７によって充填タンク１１〜１３に連通しているので、液体燃料タンク１０内のボイルオフガスの圧力が逆止弁ＲＶ３〜ＲＶ５の各々に設定された開弁圧力に達すると、順に逆止弁が開弁され、充填タンク１１から充填タンク１２，充填タンク１３への順に充填されていくのである。

本実施形態１にも適用される充填時の処理については、実施形態３においてまとめて説明する。

以上、本実施形態１によれば、ボイルオフガスの量に応じて充填タンク１１〜１３を増減しボイルオフガスを充填するための容積を変更するので、ボイルオフガスの量が相対的に少ないときは少ない容積で、ボイルオフガスの量が相対的に多くなるに連れそれに応じた容積でボイルオフガスを充填するように容積を変更していくことができ、燃料電池スタック１００の入口における供給圧力をある程度以上に保つことができる。

また実施形態１によれば、各逆止弁ＲＶ３〜ＲＶ５の開弁圧力が互いに異なるように設定されているので、開弁圧力を低く設定した逆止弁Ｗ１に対応づけられた充填タンク１１から順にボイルオフガスが充填されていき、ボイルオフガスの量に応じて充填タンク全体の容積を変更させることができる。

さらにまた実施形態１によれば、液体燃料配管１６を燃料電池スタック１００に連通する主配管１９と連結させる遮断弁Ｌ２を備えたので、液体燃料配管１６中のボイルオフガスを優先的に燃料電池スタック１００に供給可能であり、液体水素の利用効率を向上させることができる。

（実施形態２）
前述の実施形態１では、充填タンク１１〜１３にボイルオフガスを充填するための逆止弁ＲＶ３〜ＲＶ５の開弁圧力を異ならせたが、本実施形態２では、逆止弁ＲＶ３〜ＲＶ５の開弁圧力を等しく設定した例に関する。
表２に、本実施形態２において設定される各逆止弁ＲＶ３〜ＲＶ５の開弁圧力を示す。

表２から判るように、本実施形態２では、各逆止弁ＲＶ３〜ＲＶ５の開弁圧力が互いに等しい。このように設定すると、逆止弁ＲＶ３〜ＲＶ５の開弁圧力に差を設けていた場合に生じうる不都合を是正することが可能である。逆止弁の開弁圧力に差が設けてある場合、万一、最小の開弁圧力に設定してある逆止弁（実施形態１の例では逆止弁ＲＶ３）に開弁不良が発生した場合、その設定された開弁圧力となるまでに発生するボイルオフガスはいずれの充填タンクに充填されることもなくなる。ボイルオフガスは充填タンクに充填されて始めて燃料電池スタック１００で利用可能となるため、充填タンクに充填されることのないこの低圧時におけるボイルオフガスは使われることのない燃料ガスとなる。

この点、本実施形態２によれば、複数の充填タンクのいずれに対してもボイルオフガスが併行して充填可能となるため、万一逆止弁に開弁不良が発生しても、ボイルオフガスが他の充填タンクに充填され、デッドガスとはならなくなる。このため、液体水素の利用効率を低下させることがない。

（実施形態３）
上記各実施形態では、開弁圧力が設定された逆止弁ＲＶ３〜ＲＶ５を用いることにより、設定された開弁圧力になった場合に自動的にボイルオフガスの充填が開始するよう構成されていたが、本実施形態３では、逆止弁に代えて遮断弁を用いることにより、ソフトウェアによりボイルガスの充填を制御するものである。

図２に、本実施形態３における燃料電池システムのシステムブロック図を示す。本実施形態３における構成は図１で説明した上記実施形態１及び２における構成とほぼ同様である。但し、充填配管１７に設けられた逆止弁の代わりに、制御部５０からの制御信号で開閉可能に構成された遮断弁Ｗ１〜Ｗ３が設けられている点で異なる。

遮断弁Ｗ１〜Ｗ３は本発明に係り、ボイルオフガス量に応じて制御部５０が所定の開弁圧力になると開弁を指示するものである。すなわち、各遮断弁Ｗ１〜Ｗ３は、ボイルオフガスの圧力ではなく、図３のフローチャートに基づいて計算されたボイルオフガスの量に基づいてそれらの開閉が制御されるものである。

上記構成において、液体燃料タンク１０に液体水素が充填されていた場合、外部の熱によって液体水素が気化してボイルオフガスが生じ、液体水素の液相上に充満する。このとき液体燃料タンク１０は充填配管１７によって充填タンク１１〜１３に連通しているので、液体燃料タンク１０内のボイルオフガスの量が予め設定された量に達すると、制御部５０の制御により順に逆止弁が開弁され、充填タンク１１から充填タンク１２，充填タンク１３への順に充填されていくのである。この処理は具体的には図３のフローチャートに沿って進められる。

図３のフローチャートを参照しながら本実施形態３における液体燃料供給方法を説明する。このフローチャートは、定期的に制御部５０等によって実施される。ステップＳ１〜Ｓ１０が、液体燃料充填の前処理及び後処理に係り、ステップＳ１０以降が、本発明の液体燃料供給方法に関する。

前提条件として、液体水素充填時には、液体燃料スタンドに備えられている充填機の供給ノズルが液体燃料充填口ＦＩに取り付けられ、充填機と制御部５０とが通信するためのコネクタに充填機のコネクタが電気的に接続されている必要がある。これらの措置が正しくされているかの前処理をステップＳ１〜Ｓ５で実施する。

まず、液体燃料供給のための液体燃料充填口ＦＩを覆う燃料蓋が開かれたか否かが調べられる（Ｓ１）。液体燃料供給のためにはまず燃料蓋を開けることが指示されることが前提だからである。燃料蓋が開けられていたら（Ｓ１：ＹＥＳ）、今度はそれが停車中に行われたものか否かが判断される（Ｓ２）。停車中では無い場合（Ｓ２：ＮＯ）は走行中に誤って操作されただけと判断できるため何もしないが、停車中であった場合（Ｓ２：ＹＥＳ）、実際に液体燃料供給処理が要求されたものと判断でき、液体燃料スタンド等で液体燃料の充填機と接続するための処理に移行する。

次いで燃料電池システムが運転中であるか、すなわち燃料電池スタック１００において発電中であるかが検査される（Ｓ３）。燃料電池システムが運転中である場合には（Ｓ３：ＹＥＳ）、燃料電池システムの運転を停止させる。例えば高圧補機４５を停止して各遮断弁を閉鎖し、空気や水素ガスが燃料電池スタック１００に供給されないようにする。

次いで液体水素を充填する充填機との通信が確立したかが検査される（Ｓ５）。正しく充填機と電気的に接続され所定のプロトコルに従って通信の同期が取れたら、すなわち正しくデータの送受信が行えるようになったら（Ｓ５：ＹＥＳ）、前処理は終了する。遮断弁Ｌ１が開放され（Ｓ６）、液体燃料中天候ＦＩからの液体水素を液体燃料配管１６経由で液体燃料タンク１０に充填可能な状態になったら、液体水素要求信号が充填機に送信される（Ｓ７）。

液体水素要求信号を受信したら充填機は液体水素の液体燃料充填口ＦＩからの注入を開始する。そして本発明の液体燃料供給処理（Ｓ１０〜Ｓ２１）が繰り返し実行され、発生するボイルオフガスの量に応じて充填タンク１１〜１３の容積が適宜変更されていく。

最初に各タンク内のボイルオフガスの量が計算される。まず充填タンク１１〜１３のそれぞれについて、圧力センサｐ４〜ｐ６の計測値に基づいて内圧が求められ、温度センサｔ２〜ｔ４の計測値に基づいてタンク内温度が求められ、求められたタンク内圧とタンク内温度とに基づいて、各充填タンク１１〜１３のそれぞれに充填されているボイルオフガスの量Ｑ１〜Ｑ３が演算される（Ｓ１０）。また液体燃料タンク１０については、液体燃料タンク１０に設けられたレベルゲージＬＧが参照され、液体燃料タンク１０の内部の液相の液面位置が計測され、それに基づいて液相の液体水素の量Ｑ４が計算される。その液体水素の液相の量Ｑ４の残りの部分がボイルオフガスの気相部分の容積として把握される。そして液体燃料タンク１０に設けられた圧力センサｐ３と温度センサｔ１とに基づいてこの気相のボイルオフガスの内圧と温度が演算され、前述した気相部分の容積と併せて液体燃料タンク１０の内部のボイルオフガス量Ｑ５が演算される（Ｓ１１）。

液体燃料タンク１０のボイルオフガス量Ｑ５が、所定値Ｑａ以上である場合（Ｓ１２：ＹＥＳ）、遮断弁Ｗ１〜Ｗ３の全てが開放される（Ｓ１３）。この所定値Ｑａとは、液体燃料タンク１０の内部がかなり高圧になっている状態におけるボイルオフガス量であり、液体燃料タンク１０のみならず充填タンク１１にもボイルオフガスを分散して充填していく際のボイルオフガス量のしきい値であり、表１のケースａにおいては開弁時の圧力が１．９ＭＰａＧに相当している場合のボイルオフガス量である。

液体燃料タンク１０のボイルオフガス量Ｑ５が所定値Ｑａより小さい場合（Ｓ１２：ＮＯ）、ボイルオフガスの量に応じて利用される充填タンクを変更するよう処理される。充填タンク１１についてのボイルオフガス量Ｑ１が所定値Ｑｂ以下の場合には（Ｓ１４：ＹＥＳ）、充填タンクに対するボイルオフガスの充填がまだ行われていないものとして、最初に遮断弁Ｗ１が開放される（Ｓ１５）。この処理に基づき、優先的に充填タンク１１へボイルオフガスが充填配管１７経由で供給され充填されていく。所定値Ｑｂは、充填タンク１２にもボイルオフガスを充填していくべき場合のボイルオフガス量のしきい値であり、表１のケースａにおいては開弁時の圧力が２．０ＭＰａＧに相当している場合のボイルオフガス量である。

充填タンク１１へ充填されるボイルオフガス量Ｑ１が徐々に上がって行き前記所定量Ｑｂより大きく、かつ、所定値Ｑｃより小さい範囲に入ると（Ｓ１６：ＹＥＳ）、それまでボイルオフガスを充填していた充填タンク１１の遮断弁Ｗ１が閉鎖され、今度は遮断弁Ｗ２が開放されて充填タンク１２へのボイルオフガスの充填が開始する（Ｓ１７）。すなわちボイルオフガスを充填するための容量が増える。この所定値Ｑｃは、充填タンク１３にもボイルオフガスを充填していくべき場合のボイルオフガス量のしきい値であり、表１のケースａにおいては開弁時の圧力が２．１ＭＰａＧに相当している場合のボイルオフガス量である。

充填タンク１２へ充填されるボイルオフガス量Ｑ２が徐々に上がって行き前記所定量Ｑｃより大きく、かつ、所定量Ｑｄより小さい範囲に入ると（Ｓ１８：ＹＥＳ）、それまでボイルオフガスを充填していた充填タンク１２の遮断弁Ｗ２が閉鎖され、今度は遮断弁Ｗ３が開放されて充填タンク１３へのボイルオフガスの充填が開始する（Ｓ１９）。さらにボイルオフガスを充填するための容積が増えたのである。ここで、所定値Ｑｄは、充填タンク１３も含めて全ての充填タンク１１〜１３がフル充填状態となったことを示すボイルオフガス量のしきい値である。

そして充填タンク１３へ充填されるボイルオフガス量Ｑ３が増えていき前記フル充填を示す所定量Ｑｄを超えた場合（Ｓ２０：ＹＥＳ）、遮断弁Ｗ３が閉鎖され、液体水素の充填が完了する。制御部５０は、全てのタンクに液体水素またはボイルオフガスが充填されたことを示す全充填信号をシステムに出力する。

そこで今度は液体燃料充填の後処理に移る。すなわち当該液体燃料供給システムがフル充填状態であることを示す全充填信号が出力されていれば（Ｓ８：ＹＥＳ）、充填機に対して液体水素の供給を停止するように要求する液体水素停止要求信号が出力され、充填に関する全てのバルブ、つまり遮断弁Ｌ１、遮断弁Ｗ１〜Ｗ３が閉鎖され、処理が終了する（Ｓ９）。

充填が終了したら、充填機の接続を解除し、燃料蓋を閉めて、再び当該燃料電池システムを運転させることが可能になる。制御部５０は必要に応じて遮断弁Ｇ１〜Ｇ３を開放してボイルオフガスを供給配管１８及び主配管１９経由で燃料電池スタック１００に供給すればよい。

以上、本実施形態３によれば、ソフトウェアの制御によって、ボイルオフガスの量に応じて充填タンク１１〜１３を増減しボイルオフガスを充填するための容積を変更するので、ボイルオフガスの量が相対的に少ないときは少ない容積で、ボイルオフガスの量が相対的に多くなるに連れそれに応じた容積でボイルオフガスを充填するように容積を変更していくことができ、燃料電池スタック１００の入口における供給圧力をある程度以上に保つことができる。

また実施形態３によれば、当初のボイルオフガスの量Ｑ５が所定値Ｑａよりも大きい場合に、複数の充填タンク１１〜１３にボイルオフガスを同時に充填可能に構成したので、ボイルオフガスの量が相対的に多かった場合に大きな充填容積を確保で、充填圧力を極端に高めることなくボイルオフガスの充填が行える。

（変形例）
本発明は上記実施形態に限定されることなく種々に変形して適用することが可能である。
例えば、上記各実施形態では、取り扱う液体燃料として液体水素を例にして説明しているが、沸点が比較的低く、ボイルオフガスの発生が予想される燃料であれば、同様の思想を適用可能である。

また、上記実施形態１と２とを適宜組み合わせて用いることも可能である。実施形態１によれば逆止弁の開弁圧力に差を設けて順次有効な充填タンクを変更していくことでボイルオフガス量に応じて容量を変更していくことが可能である。また実施形態２によれば、複数の充填タンクが同一の開弁圧力で利用可能となるためデッドガスが発生する確率が低くなる。そのため、一つの開弁圧力に対して逆止弁が開弁され充填可能となる充填タンクを複数設け、その複数の充填タンクからなる組を複数、異なる開弁圧力に対応させて設けることができる。このように構成すれば、一つの逆止弁の開弁不良でデッドガスが発生することが抑制され、しかもボイルオフガス量に応じて充填タンクの容積を自動的に変更していくことができる。

さらに本発明は、燃料電池システムを搭載する車両、船舶、航空機などの移動体のみならず、ビル、家屋などの閉空間に定置された燃料電池システムにも適用することが出来る。つまり、大がかりな冷却装置を用いること無く積極的にボイルオフガスを利用していくことが可能なシステムだからである。

本発明の液体燃料供給システムを搭載した実施形態１及び２の燃料電池システムのブロック構成図本発明の液体燃料供給システムを搭載した実施形態３の燃料電池システムのブロック構成図本発明の液体燃料供給処理を説明するフローチャート

符号の説明

１水素ガス供給系、２空気供給系、３冷却系、４電力系、１００燃料電池スタック、１０液体燃料タンク、１１〜１３充填タンク、１４、２４気液分離器、１５水素ポンプ、２１エアクリーナ、２２コンプレッサ、２３加湿器、２５希釈器、２６消音器、３１ラジエタ、３２ファン、３３冷却ポンプ、３４冷却装置、４０ＤＣ−ＤＣコンバータ、４１バッテリ、４２トラクションインバータ、４３トラクションモータ、４４補機インバータ、４５高圧補機、５０制御部、ＦＩ液体燃料充填口、ＲＶ１〜ＲＶ５逆止弁、Ｗ１〜Ｗ３遮断弁、Ｌ１〜５、Ｇ１〜Ｇ３遮断弁、Ｒ１〜５調圧弁、Ｃ１〜Ｃ４ロータリーバルブ、ｐ１〜６，１０，１１圧力センサ、ｔ１〜６温度センサ

Claims

液体燃料タンクを備える液体燃料供給システムにおいて、
液体燃料から生ずるボイルオフガスを充填する充填手段を備え、
当該ボイルオフガスの量に応じて当該充填手段の容積を変更可能に構成されていることを特徴とする液体燃料供給システム。
前記充填手段として充填タンクを前記液体燃料タンクの他に備える、請求項１に記載の液体燃料供給システム。
前記充填タンクを複数備え、前記ボイルオフガスの量に応じて充填する充填タンクを選択可能に構成される、請求項２に記載の液体燃料供給システム。
前記液体燃料タンクと各前記充填タンクとを連通する連通路を備え、各前記充填タンクへの連通路の各々に逆止弁が設けられている、請求項３に記載の液体燃料供給システム。
各前記逆止弁は、開弁圧力が互いに異なっている、請求項４に記載の液体燃料供給システム。
各前記逆止弁は、開弁圧力が互いに同じになっている、請求項４に記載の液体燃料供給システム。
液体燃料充填口と前記液体燃料タンクとを連通する連通路を備え、当該連通路中のボイルオフガスを優先的に消費装置に供給可能に構成されている、請求項１乃至６のいずれかに記載の液体燃料供給システム。
ボイルオフガスの量が所定値よりも大きい場合に、複数の前記充填タンクにボイルオフガスを同時に充填可能に構成された、請求項３に記載の液体燃料供給システム。