JP2007024192A

JP2007024192A - 燃料供給装置

Info

Publication number: JP2007024192A
Application number: JP2005207658A
Authority: JP
Inventors: Yoshitaka Miho; 佳孝美保; Tomofumi Yoshinaga; 知文吉永; Tomoyuki Hanada; 知之花田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2005-07-15
Filing date: 2005-07-15
Publication date: 2007-02-01

Abstract

【課題】高圧容器から燃料を放出する際の断熱膨張により容器内温度が低下しても、放出後の燃料ガスの温度を高めて燃料供給系部品の熱信頼性温度を下回ることを防止する。
【解決手段】高圧容器１には、電磁三方弁７を介して、絞り部９を備える絞り分岐配管１１と絞り部のない分岐配管１３とを並列接続し、下流配管１５には減圧弁１７を設け、減圧弁１７で減圧した水素ガスを燃料電池に供給する。温度センサ２１が検出する高圧容器１内の水素ガス温度が、所定値未満のときは、絞り分岐配管１１に水素ガスが流れるように電磁三方弁７を切り替える。絞り分岐配管１１の絞り部９を水素ガスが通過して圧力降下することで、ジュール・トムソン効果により温度上昇し、減圧弁１７で使用しているダイヤフラムの熱信頼性保証温度を確保する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高圧容器に貯蔵した燃料ガスを、高圧容器に接続する燃料供給配管途中に設けた燃料供給系部品を通して燃料使用部に供給する燃料供給装置に関する。

燃料電池において燃料として使用する水素は、高圧気体とした状態で燃料容器に貯蔵する必要があり、このため水素貯蔵用の燃料容器は耐圧性に優れた高圧容器であることが要求される。このような高圧容器から燃料電池に燃料供給を行う際には、容器内の断熱膨張により、燃料供給量に応じて容器内温度が低下する。

このため、燃料ガスを供給し続ける、もしくは、環境温度が低い場合には、燃料ガス温度が容器下流に設けた燃料供給系部品の熱信頼性温度を下回る可能性があり、このような場合には燃料電池の出力制限を行って水素供給量を制限する必要があり、例えば燃料電池を車両に搭載した場合には、車両性能が著しく低下することになる。

そこで、下記特許文献１には、高圧容器にガスを充填する際およびガスを放出する際に、容器内の温度変化を少なくするために、高圧容器が置かれる外部環境との間で熱交換を行う放熱フィンを高圧容器外に設けるとともに、高圧容器内の水素との熱の授受を行う内部熱交換フィン組立体を高圧容器内に設け、放熱フィンと内部熱交換フィン組立体とを熱的に結合する構造が記載されている。
特開２００２−１８１２９５号公報

しかしながら、上記した特許文献１に記載のものは、高圧容器の外部および内部に熱交換用のフィンを設けているため、構造が複雑化して効率よく容器内温度の変化を抑えることができず、燃料ガス温度が燃料供給系部品の熱信頼性温度を下回ることを防止できないという問題がある
そこで、本発明は、高圧容器から燃料を放出する際の断熱膨張により容器内温度が低下しても、放出後の燃料ガスの温度を高めて燃料供給系部品の熱信頼性温度を下回ることを防止することを目的としている。

本発明は、高圧容器に貯蔵した燃料ガスを、前記高圧容器に接続する燃料供給配管途中に設けた燃料供給系部品を通して燃料使用部に供給する燃料供給装置において、前記高圧容器と前記燃料供給系部品との間の前記燃料供給配管に、前記燃料ガスの通過により燃料ガス温度が上昇する絞り部を設けたことを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、高圧容器から燃料を放出する際の断熱膨張により容器内温度が低下しても、高圧容器から放出した燃料ガスが、絞り部を通ることによる圧力降下の影響（ジュール・トムソン効果）で温度上昇し、これにより絞り部を設けるという簡単な構造で、燃料ガスの温度が燃料供給系部品の熱信頼性温度を下回ることを防止でき、燃料供給系部品の耐久性や信頼性を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態を示す燃料供給装置の全体構成図である。高圧容器１には、燃料使用部となる図示しない燃料電池に燃料ガスとして供給する水素ガスを高圧で貯蔵している。

高圧容器１のガス放出口には、開閉弁３を設けてあり、開閉弁３に出口配管５を介して流路切替手段としての電磁三方弁７を設けている。電磁三方弁７には、途中にオリフィスなどからなる絞り部９を備える絞り部流路としての絞り分岐配管１１と、絞り部を備えていない非絞り部流路としての分岐配管１３とを並列に接続している。

絞り分岐配管１１と分岐配管１３との下流側の接続部である合流部には下流配管１５を接続し、下流配管１５には、その上流側から減圧弁１７および開閉弁１９を順次設置している。

上記した出口配管５，絞り分岐配管１１，分岐配管１３および下流配管１５は、燃料供給配管２０を構成し、減圧弁１７は燃料供給系部品を構成している。

また、高圧容器１内には圧力検出手段としての温度センサ２１を設置しており、温度センサ２１が検出する容器内温度をコントローラ２３が取り込み、コントローラ２３はこの取り込んだ容器内温度に基づいて前記した電磁三方弁７を切り替え制御する。なお、この電磁三方弁７は、燃料電池の運転開始時には、水素ガスが絞り部のない分岐配管１３を流れるよう切り替わっているものとする。

次に作用を説明する。燃料電池の運転開始時に開閉弁３，１９が開くと、高圧容器１内の水素は、出口配管５，電磁三方弁７，分岐配管１３を流れた後、減圧弁１７で減圧されて図示しない燃料電池に供給される。

ここで、高圧容器１から高圧の水素ガスが外部に放出されると、容器内の断熱膨張により、放出量に応じて容器内温度が低下するが、このとき高圧容器１内の燃料ガス温度を温度センサ２１が検出し、この検出温度が所定値以上の場合は、電磁三方弁７はそのままとして水素ガスを分岐配管１３に流す。

上記した検出温度が所定値以上の場合は、分岐配管１３下流の減圧弁１７に使用している図示しないダイヤフラムの熱信頼性保証温度（−３０℃）以上であり、したがって、ダイヤフラムに悪影響を及ぼすことなく水素ガスの供給を行うことができる。

なお、上記したダイヤフラムの熱信頼性保証温度は、ダイヤフラムを備える減圧弁１７の近傍の水素ガス温度とすることが必要であるが、ここでは温度センサ２１が検出する高圧容器１内の温度を、コントローラ２３が内蔵するメモリにあらかじめ格納してあるデータを基にして予測するものとする。

一方、上記した検出温度が所定値未満の場合は、電磁三方弁７を、水素ガスが絞り部９を備えた絞り分岐配管１１に流れるよう切り替える。水素ガスは、絞り部９を通過することで圧力降下し、この際水素の逆転温度が常温以下であることから、ジュール・トムソン効果によって温度上昇する。

温度上昇した水素ガスは、その下流の減圧弁１７および開閉弁１９を通って図示しない燃料電池に供給される。このとき、減圧弁１７には、温度上昇してダイヤフラムの熱信頼性保証温度（−３０℃）以上となった水素ガスが通過するので、ダイヤフラムに悪影響を及ぼすことなく水素ガスの供給を行うことができる。

このように、上記した第１の実施形態によれば、減圧弁１７に使用しているダイヤフラムに悪影響を及ぼす恐れのある、高圧容器１内の水素ガス温度が所定値未満のときに、高圧容器１から放出した水素ガスが、絞り部９を通ることによる圧力降下の影響（ジュール・トムソン効果）で、水素ガスの温度を上昇させることができ、これにより絞り部を設けるという簡単な構造で、燃料ガスの温度がタイヤフラムの熱信頼性温度を下回ることを防止でき、タイヤフラムの耐久性や信頼性を向上させることができる。

図２は、本発明の第２の実施形態を示す燃料供給装置の全体構成図である。この実施形態は、前記図１に示した第１の実施形態における高圧容器１内に設置した温度センサ２１に代えて、絞り分岐配管１１と分岐配管１３との下流側に位置する合流部と、減圧弁１７との間の燃料供給配管２０に温度センサ２５を設置している。その他の構成は第１の実施形態と同様である。

したがって、この実施形態では、温度センサ２５が検出した減圧弁２５近傍の水素ガス温度をコントローラ２３が取り込み、コントローラ２３はこの取り込んだ温度に基づき、電磁三方弁７を第１の実施形態と同様にして切り替え制御する。

すなわち、検出温度が所定値（第１の実施形態における所定値とは異なる）以上のときは分岐配管１３に、所定値未満のときは絞り分岐配管１１に、それぞれ水素ガスが流れるように電磁三方弁７を切り替え、これにより減圧弁１７を通過する水素ガスの温度を、減圧弁１７で使用しているダイヤフラムの熱信頼性保証温度（−３０℃）以上となるようにし、ダイヤフラムの耐久性や信頼性を向上させる。

第２の実施形態では、温度センサ２５が、ダイヤフラムを備える減圧弁１７近傍の水素ガス温度を検出しているので、この検出温度をそのままコントローラ２３が使用でき、したがって、高圧容器１内の温度を検出してから減圧弁１７近傍の水素ガス温度を予測する第１の実施形態に比較して、コントローラ２３の回路構成を簡素化することができる。

図３は、本発明の第３の実施形態を示す燃料供給装置の全体構成図である。この実施形態は、前記図１に示した第１の実施形態における高圧容器１内に設置した温度センサ２１および、前記図２に示した第２の実施形態における減圧弁１７近傍に設置した温度センサ２５の双方を組み合わせて設置した例である。

第３の実施形態によれば、高圧容器１内の水素ガス温度と、減圧弁１７近傍の水素ガス温度とをそれぞれ検出し、これら各検出温度に基づいて、電磁三方弁７を切り替えるようにしている。

具体的な例としては、温度センサ２１が検出した容器内温度に対応する減圧弁１７近傍の予測温度と、温度センサ２５が検出した減圧弁１７近傍の温度との少なくともいずれか一方が所定値未満となったときに、水素ガスが絞り分岐配管１１に流れるように電磁三方弁７を切り替えるようにする。これにより、より高精度の配管切り替え制御が可能になる。

第４の実施形態として、第１の実施形態における温度センサ２１あるいは第２の実施形態における温度センサ２５が検出する水素ガス温度が規定範囲内にあるときには、絞り分岐配管１１と分岐配管１３との双方に水素ガスを流し、かつそれぞれに流れる水素ガス流量の割合が所定値となるように、電磁三方弁７を切り替えるようにする。

上記した水素ガス温度の規定範囲とは、減圧弁１７に使用しているダイヤフラムが適正に作動する最適な温度範囲であり、例えば減圧弁１７近傍の水素ガス温度が２５℃前後の所定範囲とする。この温度範囲にあるときのみ、上記したように絞り分岐配管１１および分岐配管１３にそれぞれ流れる水素ガスの割合を所定値に設定する。これにより減圧弁１７は安定した作動が可能となる。

図４は、本発明の第５の実施形態を示す作用説明図である。この実施形態は、電磁三方弁７を、水素ガスが、絞り分岐配管１１に流れる状態と、分岐配管１３に流れる状態とを、所定の周期で切り替えるようにしている。したがって、この例では、例えば図１においては温度センサ２１が不要であり、コントローラ２３によって電磁三方弁７を一定の周期で切り替えることで、図４に示すように、水素ガス温度が常温（ダイヤフラムが適正に作動する最適な温度）を中心として周期的に上下に変動することになる。

この結果、減圧弁１７を通過する水素ガスの温度低下を抑制し、ダイヤフラムに悪影響を及ぼすことなく燃料電池に水素ガスの供給を行うことができる。

なお、第６の実施形態として、電磁三方弁７に代えて、バイメタルやサーモスタットなどを利用した機械的な流路切替手段により、水素ガスの流れる経路を切り替えるようにしてもよい。すなわち、例えばバイメタルが水素ガスの温度により変位して、水素ガスを絞り分岐配管１１に流れる状態と分岐配管１３に流れる状態とに切り替える。

また、第７の実施形態として、絞り分岐配管１１および分岐配管１３に流れる水素ガスの切り替えは、上記した各実施形態におけるような水素ガス温度に基づく制御に代えて、高圧容器１内の圧力によって切替制御することも可能である。

例えば、燃料電池を搭載する車両が走行する際に、一定時間での高圧容器１内の圧力低下代と水素ガス温度との関係をあらかじめ取得しておき、これを基に、高圧容器１内に設置する図示しない圧力検出手段となる圧力センサの検出圧力から、電磁三方弁７を切り替える。

図５は、本発明の第８の実施形態を示す燃料供給装置の全体構成図である。この実施形態は、前記図１に示した第１の実施形態に対し、絞り分岐配管１１の上流側の分岐配管１３との接続部を３本の並列配管１１ａ，１１ｂ，１１ｃとし、この各並列配管１１ａ，１１ｂ，１１ｃに、互いに絞り量の異なる絞り部９ａ，９ｂ，９ｃをそれぞれ設けている。

そして、各並列配管１１ａ，１１ｂ，１１ｃの上流側と分岐配管１３との接続部には、電磁三方弁７ａ，７ｂ，７ｃをそれぞれ設置する。なお、図５では、温度センサおよびコントローラは省略している。

この場合、水素ガス温度に応じて最適な絞り量を備える配管１つを、並列配管１１ａ，１１ｂ，１１ｃから選択することで、減圧弁１７で使用するダイヤフラムに、最も熱負荷がかからない温度（常温）で流すことができ、ダイヤフラムの耐久性や信頼性をより向上させることができる。

また、上記した図５の例では、並列配管１１ａ，１１ｂ，１１ｃに流れる水素ガスの流量の割合を、減圧弁１７で使用するダイヤフラムが、最も熱負荷がかからないガス温度（常温）となるように設定することも可能である。

図６は、本発明の第９の実施形態を示す燃料供給装置の全体構成図である。この実施形態は、前記図１に示した第１の実施形態における絞り分岐配管１１に、三つの絞り部９ｄ，９ｅ，９ｆを直列接続して設けている。

この場合、第１の実施形態のように一つの絞り部９だけでは水素ガス温度を充分高めることができない場合に、段階的に圧力降下を行わせることで、温度上昇を確保することができ、これにより水素ガス温度の低下代を最低限に維持することができる。

図７は、本発明の第１０の実施形態を示す作用説明図である。この実施形態は、前記図１の第１の実施形態に対し、高圧容器１内の温度を検出する温度センサ２１に代えて、燃料電池を搭載する車両の運転状態、例えば車両出力を検出する出力検出手段を設け、この出力検出手段が検出する車両出力に応じて電磁三方弁７を切り替えるようにしている。

すなわち、車両出力が低い場合には、高圧容器１から放出される水素ガスの量が少ないことから、高圧容器１での断熱膨張による温度低下代が小さく、したがってこの場合には、水素ガス温度を上昇させる必要がないので、絞り部のない分岐配管１３に水素ガスが流れるようにする。

一方、車両出力が高い場合には、高圧容器１から放出される水素ガスの量が多いことから、高圧容器１での断熱膨張による温度低下代が大きく、したがってこの場合には、水素ガス温度を上昇させる必要があるので、絞り部９のある絞り分岐配管１１に水素ガスが流れるようにする。

このように、第１０の実施形態によれば、車両の運転状態として検出する車両出力に基づいて、電磁三方弁７を切り替えることで、減圧弁１７を通過する水素ガスの温度低下を抑制し、減圧弁１７に使用するダイヤフラムに悪影響を及ぼすことなく燃料電池に水素ガスの供給を行うことができる。

次に、ジュール・トムソン効果によるガスの温度上昇について説明する。

配管を流れるガスは水素とし、絞り部の影響により圧力を３５ＭＰａから３ＭＰａまで減圧した場合、以下の式により絞り部の前後で約７．２℃上昇すると考えられる。なお、３ＭＰａは、減圧弁１７が調圧可能な最下限値である。

まず、ジュール・トムソン係数μ_J を以下の式（１）より求める。

μ_J = (1／Ｍ×Ｃ_p )×｛(２Ａ／Ｒ×Ｔ)−Ｂ｝・・・（１）
Ｍ（水素分子量）：２．０１５８ｇ／ｍｏｌ
Ｃp（水素定圧比熱）：１４．８８Ｊ／（℃・ｇ）
Ａ（定数（水素））：０．２４４６ａｔｍ・ｄｍ^６／ｍｏｌ^２
Ｒ（気体定数）：８２．０５７８３ａｔｍ・ｃｍ^３／（℃・ｍｏｌ）
Ｔ（水素ガス温度）：３００Ｋ
Ｂ（定数（水素））：２６．６１ｃｍ³／ｍｏｌ
これらの各値を上記した式（１）に代入すると、ジュール・トムソン係数μ_J ＝−０．２２５℃・cm³・Ｊ^-1となる。

ジュール・トムソン係数μ_Jと圧力降下より、以下の式（２）からΔＴ(温度上昇代)を求める。

ΔＴ = μ_J×ΔＰ・・・（２）
上式（１）より求めたジュール・トムソン係数μ_Jと圧力降下代ΔＰ=−３２ＭＰａを用いると、温度上昇代ΔＴは、７．２℃である。

［計算式の出展］
「基礎熱力学−エントロピーから浸透圧まで（Ｐ．１２８，１８５）；池田和義著朝倉書店」
なお、参考として、減圧弁１７も絞り構造(減圧弁の上流圧力を３５ＭＰａから３ＭＰａに圧力降下させる範囲において減圧弁出口圧力を１ＭＰａにする)であるため、減圧弁１７の前後で温度を計測すると約１０〜１５℃温度上昇していることが実験で確認されている。

本発明の第１の実施形態を示す燃料供給装置の全体構成図である。本発明の第２の実施形態を示す燃料供給装置の全体構成図である。本発明の第３の実施形態を示す燃料供給装置の全体構成図である。本発明の第５の実施形態を示す作用説明図である。本発明の第８の実施形態を示す燃料供給装置の全体構成図である。本発明の第９の実施形態を示す燃料供給装置の全体構成図である。本発明の第１０の実施形態を示す作用説明図である。

符号の説明

１高圧容器
７，７ａ〜７ｃ電磁三方弁（流路切替手段）
９，９ａ〜９ｆ絞り部
１１絞り分岐配管（絞り部流路）
１３分岐配管（非絞り部流路）
１７減圧弁（燃料供給系部品）
２０燃料供給配管
２１，２５温度センサ（温度検出手段）

Claims

高圧容器に貯蔵した燃料ガスを、前記高圧容器に接続する燃料供給配管途中に設けた燃料供給系部品を通して燃料使用部に供給する燃料供給装置において、前記高圧容器と前記燃料供給系部品との間の前記燃料供給配管に、前記燃料ガスの通過により燃料ガス温度が上昇する絞り部を設けたことを特徴とする燃料供給装置。
前記高圧容器と前記燃料供給系部品との間の前記燃料供給配管に、前記絞り部を備えた絞り部流路と、前記絞り部を備えない非絞り部流路とを並列接続してなる配管経路を設けるとともに、前記高圧容器から放出される前記燃料ガスが、前記絞り部流路と前記非絞り部流路との少なくともいずれか一方に流れるよう切り替える流路切替手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料供給装置。
前記高圧容器内に温度検出手段を設け、この温度検出手段が検出する燃料ガス温度に基づいて前記流路切替手段を切り替えることを特徴とする請求項２に記載の燃料供給装置。
前記絞り部流路と前記非絞り部流路との下流側の接続部より下流側に温度検出手段を設け、この温度検出手段が検出する燃料ガス温度に基づいて前記流路切替手段を切り替えることを特徴とする請求項２に記載の燃料供給装置。
前記温度検出手段が検出する燃料ガス温度が所定値未満のときに、前記絞り部流路に前記燃料ガスが流れるよう前記流路切替手段を切り替えることを特徴とする請求項３または４に記載の燃料供給装置。
前記温度検出手段が検出する燃料ガス温度が所定値以上のときに、前記非絞り部流路に前記燃料ガスが流れるよう前記流路切替手段を切り替えることを特徴とする請求項３ないし５のいずれか１項に記載の燃料供給装置。
前記温度検出手段が検出する燃料ガス温度が規定範囲内にあるときに、前記絞り部流路を流れる燃料ガスの流量と前記非絞り部流路を流れる燃料ガスの流量とが、所定の割合となるよう前記流路切替手段を切り替えることを特徴とする請求項３または４に記載の燃料供給装置。
前記流路切替手段を、前記燃料ガスが、前記絞り部流路に流れる状態と、前記非絞り部流路に流れる状態とに、所定の周期で切り替えることを特徴とする請求項２に記載の燃料供給装置。
前記高圧容器内および、前記絞り部流路と前記非絞り部流路との下流側の接続部より下流側に温度検出手段をそれぞれ設け、前記各温度検出手段が検出する燃料ガス温度に基づいて前記流路切替手段を切り替えることを特徴とする請求項２に記載の燃料供給装置。
前記流路切替手段は、前記燃料ガスの温度により変位して、前記絞り部流路と前記非絞り部流路との少なくともいずれか一方に前記燃料ガスを流すよう切り替えることを特徴とする請求項２に記載の燃料供給装置。
前記絞り部流路を複数並列接続して設けたことを特徴とする請求項２ないし１０のいずれか１項に記載の燃料供給装置。
前記複数の絞り部流路におけるそれぞれの絞り部は、絞り量が互いに異なることを特徴とする請求項１１に記載の燃料供給装置。
前記絞り量が互いに異なる前記複数の絞り部流路に流す前記燃料ガス流量の割合を、前記温度検出手段が検出する燃料ガス温度に応じて設定することを特徴とする請求項１２に記載の燃料供給装置。
前記絞り部流路に前記絞り部を複数直列接続して設けたことを特徴とする請求項２ないし１０のいずれか１項に記載の燃料供給装置。
前記高圧容器を、前記燃料使用部での前記燃料ガスの消費により運転する車両に搭載し、前記車両の運転状態に応じて前記流路切替手段を切り替えることを特徴とする請求項２に記載の燃料供給装置。
前記高圧容器内に圧力検出手段を設け、この圧力検出手段が検出する燃料ガス圧力に基づいて前記流路切替手段を切り替えることを特徴とする請求項２に記載の燃料供給装置。