JP2006220234A

JP2006220234A - 水素供給システム

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Publication number: JP2006220234A
Application number: JP2005035138A
Authority: JP
Inventors: Takeaki Shimada; 毅昭島田; Yasuki Yoshida; 泰樹吉田; 宏和 ▲桑▼原; Hirokazu Kuwabara
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2005-02-10
Filing date: 2005-02-10
Publication date: 2006-08-24

Abstract

【課題】簡易な構成で、水素供給システムの温度を所定温度Ｔ１以上に維持しつつ、遮断弁や減圧弁などの制御バルブによって、水素の流通を好適に制御できる水素システムを提供する。
【解決手段】タンク本体２Ａと燃料電池との間で、内部に弁体および弁座を内蔵して水素の流通を制御するタンクバルブ２Ｂおよび調圧器３を備え、弁体と弁座とが弾性的に密着することでタンクバルブ２Ｂが閉じられ、水素の流通を遮断する水素供給システム１Ａにおいて、調圧器３の下流側に接続されると共に、ＭＨを収容し、ＭＨが水素を吸蔵することで発熱するＭＨ容器５を、備え、ＭＨ容器５とタンクバルブ２Ｂおよび調圧器３とは、ヒートパイプ６Ｂによって熱的に接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素供給システムに関する。

近年、燃料電池自動車の電源として燃料電池（水素利用機器）の開発が盛んである。この燃料電池には、水素タンクなどの水素源から水素が供給される。水素タンクと燃料電池との間には、遮断弁、減圧弁などの弁が配置され、所定圧に調整されて、燃料電池に供給される。

ところが、燃料電池自動車は冬季や寒冷地など低外気温度の環境下で使用される場合がある。このような環境下で、水素タンクから水素が供給された場合、サイモン膨張により水素が降温する。そして、温度が低下した水素によって、遮断弁、減圧弁などが冷却される。したがって、外気温度の低い環境下で大量の水素が使用されると、遮断弁や減圧弁などの温度が極低温まで低下する場合がある。

さらに説明すると、遮断弁や減圧弁などは、その内部に弁体とＯリングなどのゴム製シール部材（弾性を有する部材）を内蔵している。遮断弁の場合、弁体とゴム製シール部材とが弾性的に密着することで、その内部のガスの流通が適宜に遮断される。減圧弁の場合、弁体がゴム製シール部材に適宜に密着することで、減圧弁の二次（下流）側へのガスの流通が適宜に遮断され、二次側圧力が所定に調整されるようになっている。

したがって、極低温まで温度が低下することによって、ゴム製シール部材が硬化してしまうと、弁体とゴム製シール部材との密着性が悪くなる。つまり、弁体とゴム製シール部材との間に僅かな隙間が形成されてしまい、シール性が維持されない場合がある。よって、遮断弁などを所定に制御（例えば閉）しているにも関わらず、遮断弁の二次側にガスが流れてしまう場合がある。

このようなシール部材のシール性を維持する技術として、シール部を室温雰囲気に配置することにより、シール部のシール性を維持する技術が提案されている（特許文献１参照）。また、高圧容器（タンク）の入口に設けられた容器元弁（バルブ）を配管で取り囲み、この配管に温調媒体（冷却水）を通流させることで、容器元弁を適宜に冷却／保温する技術が提案されている（特許文献２参照）。

特公平４−８１０７９号公報（第１頁右欄第２２行目〜第２頁左欄第１１行目、図１）特開２００２−８９７９３号公報（段落番号００２０〜００２８、図１）

しかしながら、特許文献１に記載された技術では、室温状況下でなく、低温状況下では効果的にシールされない可能性があった。また、特許文献２に記載にされた技術では、配管を容器元弁回りに引き回すため、その構造が複雑化すると共に、温調媒体の通流を制御しなければならなかった。

そこで、本発明は、簡易な構成で、遮断弁や減圧弁などの制御バルブによって、水素の流通を好適に制御できる水素供給システムを提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、請求項１に係る発明は、水素供給源と水素利用機器との間で、内部に弁体および弁座を内蔵して水素の流通を制御する制御バルブを備え、前記弁体と前記弁座とが弾性的に密着することで前記制御バルブが閉じられ、水素の流通を遮断する水素供給システムにおいて、前記制御バルブの下流側に接続されると共に、水素吸蔵合金を収容し、当該水素吸蔵合金が水素を吸蔵することで発熱する水素吸蔵合金収容容器を、備え、前記水素吸蔵合金収容容器と前記制御バルブとは、熱的に接続されていることを特徴とする水素供給システムである。

このような水素供給システムによれば、例えば、制御バルブの温度が極低温まで低下した場合には、熱的に接続されている水素吸蔵合金収容容器の温度も極低温まで低下し、水素吸蔵合金収容容器に収容された水素吸蔵合金が、水素を吸蔵して発熱する。その結果として、水素吸蔵合金収容容器が発熱し、この熱が制御バルブに伝達する。そうすると、制御バルブ内の弁体および弁座が暖められて軟らかくなり、弁体と弁座の弾性的な密着性は高まる。したがって、水素吸蔵合金収容容器を備え、水素吸蔵合金収容容器と制御バルブとが熱的に接続されているという簡易な構成によって、制御バルブにより、水素の流通を好適に制御することができる。

請求項２に係る発明は、前記制御バルブは、圧力を調整する調圧器を備え、当該調圧器の二次側圧力は所定調圧圧力Ｐ１に設定されており、前記水素吸蔵合金は、所定温度Ｔ１において、前記所定調圧圧力Ｐ１と等しく、水素を可逆的に吸蔵する水素吸蔵放出プラトー圧を有することを特徴とする請求項１に記載の水素供給システムである。

このような水素供給システムによれば、水素が降温すると、調圧器の温度が低下すると共に、熱的に接続した水素吸蔵合金収容容器および水素吸蔵合金の温度も低下する。その後、水素吸蔵合金が所定温度Ｔ１に低下すると、水素吸蔵合金の水素吸蔵放出プラトー圧が所定調圧圧力Ｐ１と等しくなる。
その後、さらに、水素吸蔵合金の温度が所定温度Ｔ１より低くなると、水素吸蔵合金の水素吸蔵放出プラトー圧が所定調圧圧力Ｐ１より低くなる。そうすると、水素吸蔵合金が水素を吸蔵して発熱する。この水素吸蔵合金の熱は、熱的に接続された調圧器に伝達し、調圧器の弁体および弁座を暖める。これにより、弁体および弁座が軟らかくなり、弁体と弁座の密着性は高まる。

その後、水素利用機器による水素使用量が少なくなり、水素源から下流側に流れる水素流量が低下して、サイモン膨張による水素の降温程度が小さくなった場合、調圧器が外気温により暖められ、調圧器が昇温する。これと共に、水素吸蔵合金収容容器および水素吸蔵合金も昇温する。そして、水素吸蔵合金の温度が所定温度Ｔ１より高くなり、水素吸蔵合金の水素放出プラトー圧が所定調圧圧力Ｐ１よりも高くなると、水素吸蔵合金は外部からの熱を吸熱すると共に、吸蔵していた水素を放出する。
次いで、水素利用機器により水素が継続して使用された場合、水素が再び降温し、これにより水素吸蔵合金が降温する。このように水素吸蔵合金が降温すると、水素吸蔵合金は、再び、水素を吸蔵、発熱可能な状態となる。その後、この水素吸蔵合金が水素を吸蔵し、発熱する。そして、この水素吸蔵合金の熱は、熱的に接続された調圧器に伝達し、調圧器の弁体および弁座を暖める。
このようにして、水素吸蔵合金による水素の吸蔵、水素吸蔵合金の発熱、水素吸蔵合金からの水素の放出、水素吸蔵合金の降温が繰り返される。したがって、請求項２に係る水素供給システムは、所定温度Ｔ１に維持されることになる。

一方、外気により暖められる熱量が大きい場合、水素吸蔵合金から水素が全て放出される。この場合、水素吸蔵合金は水素を吸蔵できないが、遮断弁および調圧器は所定温度Ｔ１より高い状態である。

本発明によれば、簡易な構成で、水素供給システムの温度を所定温度Ｔ１以上に維持しつつ、水素の流通を好適に制御できる水素供給システムを提供することができる。

次に、本発明の一実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。参照する図面において、図１は、本実施形態に係る水素供給システムの構成を示す図である。図２は、図１に示すＭＨ（水素吸蔵合金）容器に充填されたＭＨの特性を示すグラフである。

≪水素供給システムの構成≫
図１に示すように、本実施形態に係る水素供給システム１Ａは、燃料電池自動車に搭載されたシステムであって、燃料電池自動車に別途搭載され、水素を利用する燃料電池（水素利用機器）のアノード側に水素を供給するシステムである。水素供給システム１Ａは、タンクバルブ２Ｂ（制御バルブ）を有する水素タンク２と、調圧器３（制御バルブ）と、遮断弁４と、内部にＭＨを収容したＭＨ容器５（水素吸蔵合金収容容器）と、ヒートパイプ６Ａ、６Ｂ（熱的接続手段）とを主に備えている。なお、本実施形態では、水素供給システム１Ａが水素タンク２を構成するタンク本体２Ａ（水素供給源）を含んで構成されている場合について説明する。

［水素タンク］
水素タンク２は、高圧水素が封入されたタンク本体２Ａと、タンクバルブ２Ｂ（主止弁）とを主に備えている。タンクバルブ２Ｂは、インタンク式かつ電磁式の開閉弁であり、タンク本体２Ａに一体に設けられている。
そして、タンクバルブ２Ｂは、配管２ａを介して、下流側の調圧器３に接続しており、タンクバルブ２Ｂが開かれると、タンク本体２Ａから調圧器３に、水素が流れるようになっている。

タンクバルブ２Ｂは、その内部に、弁体（以下、第１弁体とする）と、ゴム製シール部材（以下、第１ゴム製シール部材とする）を有する第１弁座と、を備えている。そして、第１弁体が第１弁座に弾性的に密着することで、タンクバルブ２Ｂが閉じられ、水素の流通が遮断されるようになっている。また、第１ゴム製シール部材（第１弁座）は、自己の温度が低下すると硬化して弾性が低くなる傾向を有しており、その温度が密着性低下温度Ｔ０より低くなった場合、第１弁体と第１ゴム製シール部材の密着性が低くなる傾向を有している。
また、タンクバルブ２Ｂは、燃料電池自動車のイグニションスイッチ（以下、ＩＧＳＷとする）と連動しており、ＩＧＳＷがＯＦＦされると閉じるようになっている。

［調圧器］
調圧器３（制御バルブ）は、水素タンク２からの水素を、所定に減圧する減圧弁である。調圧器３は、タンクバルブ２Ｂと同様に、その内部に、弁体（以下、第２弁体とする）と、ゴム製シール部材（以下、第２ゴム製シール部材とする）を有する第２弁座と、を備えている。そして、第２弁体が第２弁座に弾性的に密着することで、タンクバルブ２Ｂが適宜に閉じられ、調圧器３内における水素の流通が適宜に遮断され、調圧器３の二次（下流）側の圧力が調整されるようになっている。また、調圧器３は、バネを内蔵しており、このバネにより圧力を調圧するようになっている。すなわち、調圧器３に、調圧器３を制御する制御手段を別途設ける必要はなく、前記バネによりパッシブな圧力制御が行われるようになっている。
第２ゴム製シール部材は、タンクバルブ２Ｂに係る第１ゴム製シール部材と同様に、自己の温度が低下すると硬化して弾性が低くなる傾向を有しており、その温度が密着性低下温度Ｔ０より低くなった場合、第２弁体と第２ゴム製シール部材の密着性が低下する傾向を有している。
なお、本実施形態において、調圧器３の二次側圧力は、所定調圧圧力Ｐ１（例えば０．４ＭＰａ（４気圧））に設定されている。
そして、調圧器３は、配管３ａを介して、下流側の遮断弁４に接続している。

［遮断弁］
遮断弁４は、調圧器３により減圧された水素が燃料電池側に流通することを、適宜に遮断する電磁式の開閉弁である。遮断弁４は、ＩＧＳＷのＯＮ時に開かれ、ＩＧＳＷのＯＦＦ時に閉じられる。そして、遮断弁４の下流側は、配管４ａ、減圧弁（図示しない）などを介して、燃料電池のアノード側に接続している。

［ＭＨ容器］
ＭＨ容器５（加熱器）は、配管３ａの途中位置に、配管５ａを介して接続している。すなわち、ＭＨ容器５は、調圧器３の下流側に、配管３ａの一部と、配管５ａを介して接続している。ＭＨ容器５は、ＭＨ容器本体と、ＭＨ容器本体に収容されたＭＨとを主に備えている。
また、ＭＨ容器５には、燃料電池を所定に冷却するためのラジエータ液が循環する配管の一部（図示しない）が設けられている。これにより、燃料電池の発電により生じた熱が、循環するラジエータ液を介して、ＭＨ容器５およびＭＨに付与され、ＭＨが加熱されることによって、ＭＨから水素が放出されるようになっている。

ＭＨは、水素を吸蔵・放出をする金属であり、水素を吸蔵する際に発熱し、水素を放出する際に吸熱する。すなわち、ＭＨが水素を吸蔵した場合、ＭＨ容器５が発熱し、ＭＨが水素を放出した場合、ＭＨ容器５が吸熱するようになっている。

このようなＭＨとしては、水素を可逆的に吸蔵・放出可能なものであれば特に種類に制限はなく、例えば、ＬａＮｉ₅系合金のようなＡＢ₅型合金、Ｍｇ₂Ｎｉ合金、Ｍｇ₂ＮｉとＭｇとの共晶合金のような、Ｍｇ₂Ｎｉ系合金、ＺｒＮｉ₂系合金、ＴｉＮｉ₂系合金などのラベス相系ＡＢ₂型合金、ＴｉＦｅ系合金のようなＡＢ型合金、ＴｉＶ₂系合金のようなＢＣＣ型合金から任意に選択して使用することができる。
このなかでも特に好ましいＭＨとしては、ＬａＮｉ_4.7Ａｌ_0.3合金、ＭｍＮｉ_0.35Ｍｎ_0.4Ａｌ_0.3Ｃｏ_0.75合金（ただしＭｍはミッシュメタル）、ＭｍＮｉ_3.75Ｃｏ_0.75Ｍｎ_0.20Ａｌ_0.30合金（ただしＭｍはミッシュメタル）、Ｔｉ_0.5Ｚｒ_0.5Ｍｎ_0.8Ｃｒ_0.8Ｎｉ_0.4、Ｔｉ_0.5Ｚｒ_0.5Ｍｎ_0.5Ｃｒ_0.5Ｎｉ、Ｔｉ_0.5Ｚｒ_0.5Ｖ_0.75Ｎｉ_1.25、Ｔｉ_0.5Ｚｒ_0.5Ｖ_0.5Ｎｉ_1.5、Ｔｉ_0.1Ｚｒ_0.9Ｖ_0.2Ｍｎ_0.6Ｃｏ_0.1Ｎｉ_1.1、ＭｍＮｉ_3.87Ｃｏ_0.78Ｍｎ_0.10Ａ_l0.38（ただしＭｍはミッシュメタル）などが挙げられる。また、ＭＨは、水素の吸蔵・放出に係るヒステリシスが小さいものから選択することが望ましい。

なお、ここでは、図２に示すように、前記第１ゴム製シール部材および第２ゴム製シール部材が硬化して、その弾性が低くなり、第１ゴム製シール部材および第２ゴム製シール部材と対応する弁体との密着性が低下する温度、つまり、前記した密着性低下温度Ｔ０より高い所定温度Ｔ１（例えば、所定温度Ｔ１＝−１０℃＞密着性低下温度Ｔ０）において、ＭＨが有する水素を可逆的に吸蔵・放出する水素吸蔵放出プラトー圧が、調圧器３に設定された二次側の所定調圧圧力Ｐ１（例えば０．４ＭＰａ）と等しい場合について説明する。
すなわち、ＭＨの温度が所定温度Ｔ１より低くなると、ＭＨの水素吸蔵放出プラトー圧が所定調圧圧力Ｐ１より低下し、ＭＨが水素を吸蔵しやすくなる特性を有している。一方、ＭＨの温度が所定温度Ｔ１より高くなると、ＭＨの水素吸蔵放出プラトー圧が所定調圧圧力Ｐ１より高くなり、ＭＨが吸蔵された水素を放出しやすくなる特性を有している。

［ヒートパイプ］
ヒートパイプ６Ａ、６Ｂ（熱的接続手段）は、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼などのパイプの内側に、ガラス繊維などで形成されたウイック材を張り、内部を減圧にし、アンモニア、水などの熱媒体の蒸気の移動と、蒸発潜熱の授受によって熱移動を行う機器である。
ヒートパイプ６Ａは、ＭＨ容器５とタンクバルブ２Ｂとを熱的に接続している。つまり、ＭＨ容器５とタンクバルブ２Ｂとは、ヒートパイプ６Ａによって、熱的に接続されている。ここで、タンクバルブ２Ｂとタンク本体２Ａとは一体であるため、相互に熱的に接続しているとする。
また、ヒートパイプ６Ｂは、ＭＨ容器５と調圧器３とを熱的に接続している。つまり、ＭＨ容器５と調圧器３とは、ヒートパイプ６Ｂによって、熱的に接続されている。

≪水素供給システムの動作≫
次に、本実施形態に係る水素供給システム１Ａの動作例について説明する。

＜燃料電池自動車の走行中＞
ここでは、燃料電池自動車の走行中について説明する。
燃料電池自動車の走行中は、ＩＧＳＷがＯＮされ、タンクバルブ３Ｂ、遮断弁４は開く制御が行われている。また、水素が、タンク本体２Ａから、調圧器３の二次側の配管３ａの一部と配管５ａとを経由して、ＭＨ容器５に供給されている。

［ＭＨ−水素吸蔵］
ここで、燃料電池自動車が寒冷地などで使用されたことによって、水素の膨張により、水素が降温し、この降温した水素が流通した場合、タンクバルブ２Ｂおよび調圧器３の温度が、所定温度Ｔ１より低くなる。これと共に、ＭＨ容器５およびＭＨの温度が所定温度Ｔ１より低くなる。このようにＭＨの温度が所定温度Ｔ１より低くなると、ＭＨの水素吸蔵放出プラトー圧が所定調圧圧力Ｐ１より低くなる。そうすると、ＭＨが水素を吸蔵して発熱し、ＭＨ容器５が発熱する。

次いで、ＭＨ容器５の熱が、ヒートパイプ６Ａを介してタンクバルブ２Ｂに、ヒートパイプ６Ｂを介して調圧器３に、それぞれ伝達する。その結果として、タンクバルブ２Ｂおよび調圧器３が、それぞれ所定温度Ｔ１に暖められる。

この後、継続して、燃料電池自動車が寒冷地などで使用されたことによって、水素の膨張により水素の温度が降温した場合、タンクバルブ２Ｂおよび調圧器３が再び冷却されると共に、熱的に接続されているＭＨ容器５およびＭＨが再び冷却される。そして、ＭＨの温度が所定温度Ｔ１より低くなると、ＭＨの水素吸蔵放出プラトー圧が所定調圧圧力Ｐ１より低くなる。そうすると、ＭＨが再び水素を吸蔵して発熱し、その結果として、タンクバルブ２Ｂおよび調圧器３が、再び暖められる。
すなわち、「（１）水素の温度低下によるタンクバルブ２Ｂ、調圧器３、ＭＨの温度低下」と、「（２）ＭＨによる水素の吸蔵、ＭＨの発熱」と、「（３）タンクバルブ２Ｂ、調圧器３の昇温」とが、断続的に繰り返されることになる。これにより、タンクバルブ２Ｂ、調圧器３は、所定温度Ｔ１より降温しにくくなり、水素供給システム１Ａは略所定温度Ｔ１に維持される。

［ＭＨ−水素放出］
その後、燃料電池による水素の使用量が減少した場合、外気温が上昇した場合などによって、水素の膨張による水素供給システム１Ａの温度低下率が、外気温による水素供給システム１Ａの温度上昇率を下回ったとき、ＭＨの温度が上昇する。その後、ＭＨの温度が所定温度Ｔ１より高くなると、ＭＨの水素吸蔵放出プラトー圧が所定調圧圧力Ｐ１より高くなり、ＭＨに吸蔵されている水素が放出される。

このように本実施形態に係る水素供給システム１Ａによれば、ＭＨ容器５と、ヒートパイプ６Ａ、６Ｂを備えるという簡易な構成によって、ＭＨの温度に応じて、ＭＨに水素が出入り、つまり、吸蔵・放出されることで、タンクバルブ２Ｂ、調圧器３のシール性を確保し、タンクバルブ２Ｂ、調圧器３で水素の流通を好適に制御できる。
すなわち、水素供給システム１Ａの低温時には、ＭＨに水素が吸蔵されることで、タンクバルブ２Ｂや調圧器３が加温・保温され、そのシール性を確保することができる。

以上、本発明の好適な一実施形態について説明したが、本発明は実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することができる。

前記した実施形態では、ＭＨ容器５は、配管３ａの一部、配管５ａを介して、調圧器３の下流側に接続した構成としたが、調圧器３（制御バルブ）の下流側であればこれに限定されず、例えば、図３に示すように、調圧器３の直下にＭＨ容器５が配置される構成であってもよい。この場合において、ＭＨ容器５は、ヒートパイプ６Ｂを介さず、調圧器３と熱的に接続している。そして、ＭＨ容器５は、配管５ｂを介して遮断弁４に接続している。
また、図３に示す水素供給システム１Ｂでは、調圧器３が配管２ａ（図１参照）を介さず、タンクバルブ２Ｂの直下に配置されおり、調圧器３とタンクバルブ２Ｂとは熱的に接続している。すなわち、ＭＨ容器５は、調圧器３の筺体（ボディ）を介して、タンクバルブ２Ｂと熱的に接続しており、水素供給システムはこのような構成であってもよい。

前記した実施形態では、調圧器３に係る第２弁座が第２ゴム製シール部材を備える構成とし、第２弁体と第２弁座との弾性的な密着性が低下する場合について説明したが、第２弁体がゴム製シール部材を備える構成であってもよいし、第２弁体と第２弁座の双方がゴム製シール部材を備える構成であってもよい。なお、タンクバルブ２Ｂに係る第１ゴム製シール部材についても同様である。

本実施形態に係る水素供給システムの構成を示す図である。図１に示すＭＨ容器に充填された水素吸蔵合金の特性を示すグラフである。変形例に係る水素供給システムの構成を示す図である。

符号の説明

１Ａ、１Ｂ水素供給システム
２水素タンク
２Ａタンク本体（水素供給源）
２Ｂタンクバルブ（制御バルブ）
３調圧器（制御バルブ）
５ＭＨ容器（水素水素吸蔵合金収容容器）
６Ａ、６Ｂヒートパイプ（熱的接続手段）

Claims

水素供給源と水素利用機器との間で、内部に弁体および弁座を内蔵して水素の流通を制御する制御バルブを備え、前記弁体と前記弁座とが弾性的に密着することで前記制御バルブが閉じられ、水素の流通を遮断する水素供給システムにおいて、
前記制御バルブの下流側に接続されると共に、水素吸蔵合金を収容し、当該水素吸蔵合金が水素を吸蔵することで発熱する水素吸蔵合金収容容器を、備え、
前記水素吸蔵合金収容容器と前記制御バルブとは、熱的に接続されていることを特徴とする水素供給システム。
前記制御バルブは、圧力を調整する調圧器を備え、当該調圧器の二次側圧力は所定調圧圧力Ｐ１に設定されており、
前記水素吸蔵合金は、所定温度Ｔ１において、前記所定調圧圧力Ｐ１と等しく、水素を可逆的に吸蔵する水素吸蔵放出プラトー圧を有することを特徴とする請求項１に記載の水素供給システム。