JP2007182974A - 高圧燃料ガス放出システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料容器内の燃料ガスの温度分布を利用して、燃料容器内の上層部の温度の高い領域の燃料ガスを燃料供給ラインに選択的に供給してデバイスの温度低下を抑制する高圧燃料ガス放出システムを提供すること。
【解決手段】高圧燃料ガス放出システムＳは、燃料ガスを貯蔵する燃料容器Ｔと、燃料ガスを燃料とするガス燃料機器１と、燃料容器Ｔからの燃料ガスをガス燃料機器１へ供給する燃料供給ライン２と、前記燃料供給ライン２上に設けられたデバイス３と、を備えている。燃料容器Ｔは、この燃料容器Ｔ内の燃料ガスを導出する導出部Ｔａを有し、この導出部Ｔａは、燃料容器Ｔ内の燃料ガスの温度分布の高い領域に開口されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、高圧水素ガス等の燃料ガスを貯蔵する燃料容器から燃料供給ラインを介してガス燃料機器へ供給する高圧燃料ガス放出システムに関する。

近年、水素がアノードに、空気がカソードにそれぞれ供給されることで、電気化学反応が生じて発電する燃料電池システムの開発が盛んである。例えば、車両用の燃料電池システムでは、燃料容器に、高圧燃料ガス（高圧水素ガス）供給用の遮断弁（電磁弁）が設けられたものがある。その遮断弁は、高圧燃料ガス供給用の減圧弁よりも上流側に設置され、車両システムの運転中には開弁、停止中には閉弁となるように動作して、車両システム停止中の燃料ガス供給の遮断、および下流のデバイスの故障時の燃料ガスの流出防止のために設置されている。

また、高圧燃料ガス（高圧水素ガス）の消費に伴う遮断弁と、その下流のデバイスとの温度低下を防止するための燃料ガス放出システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
この燃料ガス放出システムは、遮断弁（電磁弁）への通電により生じる発熱を利用して、流出する燃料ガスと熱交換部を行い、燃料ガスの温度の低下を防止するものである。
特開２００３−２０６８１１号公報（段落００２６、図１および図３）

しかしながら、前記した従来の技術では、燃料ガスの消費に伴い燃料容器（燃料タンク）内の燃料ガスの温度が低下し、遮断弁、およびその下流のデバイスの温度が保障温度以下になると、デバイスの基本性能および燃料ガスのシール性能が低下するという問題点がある。
この問題点を解消するために、前記した従来の技術では、燃料ガスの供給を制限しなければならないという新たな問題点が発生する。

また、特許文献１の遮断弁の発熱を利用して供給する燃料ガスを暖める場合においても、燃料ガスの消費量が多いときには、燃料ガスが所望温度に加熱されず、温度が不十分であるとういう問題点がある。
この問題点を解消するために、電気ヒータ等を設けた場合には、消費電力の増加によりエネルギーの効率が低下するという新たな問題点が発生する。

そこで、本発明は、燃料容器内の燃料ガスの温度分布を利用して、燃料容器内の上層部の温度の高い領域の燃料ガスを燃料供給ラインに選択的に供給してデバイスの温度低下を抑制する高圧燃料ガス放出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に記載の高圧燃料ガス放出システムの発明は、燃料ガスを貯蔵する燃料容器と、前記燃料ガスを燃料とするガス燃料機器と、前記燃料容器からの燃料ガスを前記ガス燃料機器へ供給する燃料供給ラインと、前記燃料供給ライン上に設けられたデバイスと、を備えた高圧燃料ガス放出システムであって、前記燃料容器は、この燃料容器内の燃料ガスを導出する導出部を有し、この導出部は、前記燃料容器内の燃料ガスの温度分布の高い領域に開口されていることを特徴とする。
ここで、デバイスとは、燃料容器とガス燃料機器との間の燃料供給ラインに設けられる機器類をいい、例えば、遮断弁、レギュレータ、フィルタ、圧力センサ等である。

請求項１に記載の高圧燃料ガス放出システムの発明によれば、燃料容器内の燃料ガスは、導出部から燃料供給ラインに供給されると、通常、温度が低下する。そして、燃料容器内の燃料ガスの温度分布は、下層部が低温な温度領域となり、上層部が高温な温度領域となる。燃料容器に設けられた導出部は、燃料容器内の燃料ガスの温度分布の高い領域（上層部）に開口しているので、燃料容器内の燃料ガスの平均温度より高温な燃料ガスが、その導出部から燃料供給ラインに導出されるようになる。

請求項２に記載の高圧燃料ガス放出システムの発明は、請求項１に記載の高圧燃料ガス放出システムであって、前記導出部には、前記燃料容器内の上層部側に向けて導入口を開口した導入配管が設けられていることを特徴とする。

請求項２に記載の高圧燃料ガス放出システムの発明によれば、導出部は、燃料容器内の上層部側に向けて導入口を開口した導入配管が設けられていることにより、燃料容器内の上層部にある高温領域の燃料ガスが、導入配管の導入口に流れ込み易く配管されている。このため、燃料容器内の高温領域の燃料ガスは、導入口から導入配管を通って燃料供給ラインに供給され易くなる。

請求項３に記載の高圧燃料ガス放出システムの発明は、請求項２に記載の高圧燃料ガス放出システムであって、前記導出部は、前記燃料容器内の中層部または前記上層部に配設されると共に、前記導入配管を開閉するための遮断弁が設けられていることを特徴とする。

請求項３に記載の高圧燃料ガス放出システムの発明によれば、導出部には、燃料容器内の燃料ガスの平均温度より高温な燃料ガスが存在する中層部または上層部に配設されて、さらに、遮断弁が設けられている。このため、燃料容器内の高温領域の燃料ガスが、選択的に遮断弁から燃料供給ラインへと、適宜に流れるようになる。

本発明に係る高圧燃料ガス放出システムの発明によれば、燃料容器内の上層部の燃料ガスを選択的に導入口から導入配管、遮断弁へと導くことができることにより、燃料ガスの消費時に燃料容器内の燃料ガスの平均温度よりも高い燃料ガスを燃料供給ラインに供給することができる。その結果、燃料容器の下流に設置されているデバイスの温度低下を緩和することができる。

次に、本発明の実施形態に係る高圧燃料ガス放出システムを図１〜図４を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る高圧燃料ガス放出システムの構成を示すブロック図である。

≪高圧燃料ガス放出システムの構成≫
まず、図１に示す高圧燃料ガス放出システムＳは、高圧水素ガス等の燃料ガスを燃料として利用し作動するガス燃料機器（燃料ガス利用機器）１に、燃料容器Ｔに貯蔵された燃料ガスを供給する装置である。この高圧燃料ガス放出システムＳは、例えば、燃料電池の発電電力によって走行用の電動モータを回転させて走行する燃料電池自動車や、内燃機関からなるガス燃料自動車に搭載される。この高圧燃料ガス放出システムＳは、それぞれ後記する燃料容器Ｔと、ガス燃料機器１と、燃料容器Ｔからの燃料ガスをガス燃料機器１へ供給する燃料供給ライン２と、燃料容器Ｔと燃料供給ライン２との間に設けられたデバイス３と、を備えている。

≪ガス燃料機器の構成≫
ガス燃料機器１は、燃料容器Ｔに貯留された燃料ガスを燃料として利用する種々の機器であり、例えば、燃料電池自動車に搭載された燃料電池である。
この燃料電池の場合には、アノード（燃料極）に燃料ガス（水素）が、カソード（空気極）に加湿空気がそれぞれ供給されると、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）において電位差が発生し、燃料電池の出力端子に接続した走行用電動モータ等の外部負荷からの電力要求に応じて、発電するようになっている。

図２は、本発明の実施形態に係る高圧燃料ガス放出システムにおける燃料容器の一例を示す要部拡大断面図である。

≪燃料容器の構成≫
燃料容器Ｔは、高圧水素ガス等の燃料ガスを貯留するためのタンクであり、例えば、水平方向に長く形成されている。燃料容器Ｔには、この燃料容器Ｔ内の燃料ガスを燃料供給ライン２へ導出するための導出部Ｔａが設けられている。
燃料容器Ｔ内において、この燃料容器Ｔに貯留された燃料ガスは、図２に示すように、上層部Ａが高温の燃料ガスが集まる高温領域（高温層）であり、中層部Ｂが上層部Ａの燃料ガスより低い温度の燃料ガスが集まる中温領域（中温層）であり、下層部Ｃが低温の燃料ガスが集まる低温領域（低温層）となっている。

この燃料容器Ｔ内においては、燃料ガスが外部に供給されて消費されると、燃料容器Ｔ内の燃料ガスの温度が低下して、上層部Ａに高温ガス、下層部Ｃに低温ガスが貯められることになる。これは、その温度差により比重差が発生することによるものであり、温度境界層を形成して比重の軽い高温ガスが上層部Ａに、比重の重い低温ガスが下層部Ｃに、その中間の中温ガスが中層部Ｂにそれぞれ位置するようになる。

図２に示すように、導出部Ｔａは、燃料容器Ｔ内の温度分布の高い領域の燃料ガスを燃料供給ライン２に供給するための部位であり、燃料容器Ｔの中層部Ｂから上層部Ａの間の位置に開口して形成されてなる。この導出部Ｔａには、燃料容器Ｔに内設した導入配管４を備えた遮断弁Ｖが設けられている。

≪導入配管の構成≫
導入配管４は、基端部が遮断弁Ｖに接続され、先端部に形成された導入口４ａが燃料容器Ｔ内の上層部Ａ側に向けて開口されている。導入配管４は、湾曲状またはＬ字状に曲げて形成され、導入口４ａを上側に向けて配置されている。導入配管４は、導入口４ａが上層部Ａに配置されて、燃料容器Ｔ内の上層部Ａの燃料ガスが、選択的に吸入されるように配設されている。

≪燃料供給ラインの構成≫
図１に示すように、燃料供給ライン２は、燃料容器Ｔ内の燃料ガスを燃料容器Ｔからガス燃料機器１へ供給するためのパイプラインであり、各デバイス３間と、ガス燃料機器１との間とを接続するための配管２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄとから構成されている。
配管２ａは、一方が遮断弁Ｖに接続され、他方がレギュレータ５に接続されている。配管２ｂは、一方がレギュレータ５に接続され、他方がフィルタ６に接続されている。配管２ｃは、一方がフィルタ６に接続され、他方が圧力センサ７に接続されている。配管２ｄは、一方が圧力センサ７に接続され、他方がガス燃料機器１に接続されている。

≪デバイスの構成≫
図１に示すように、デバイス３は、燃料容器Ｔとガス燃料機器１との間の燃料供給ライン２に設けられる機器類であり、例えば、遮断弁Ｖと、レギュレータ５と、フィルタ６と、圧力センサ７等である。

遮断弁Ｖは、燃料容器Ｔ内の燃料ガスの供給の開始と停止とを行って燃料ガスの流出を調整するための弁であり、燃料容器Ｔの導出部Ｔａに設けられたインタンクの電磁弁からなる。この遮断弁Ｖは、制御装置８に電気的に接続されて、制御装置８によって開閉される。
なお、遮断弁Ｖは、圧力センサ７とガス燃料機器１との間に、第２の遮断弁（図示せず）を設けて、燃料供給ライン２の上流部と下流部とを完全に遮断するようにしてもよい。

レギュレータ５は、燃料容器Ｔ内の高圧ガス燃料を所望の圧力に減圧して調整するための圧力調整器である。このレギュレータ５で減圧された燃料ガスは、燃料供給ライン２によって、フィルタ６および圧力センサ７を介してガス燃料機器１へ供給されるようになっている。
なお、レギュレータ５は、燃料供給ライン２の燃料ガスの圧力を減少させるものであればよく、例えば、減圧弁であってもよい。

フィルタ６は、燃料供給ライン２によって燃料容器Ｔからガス燃料機器１に送られる燃料ガス中に含まれる異物を除去するためのものである。フィルタ６は、例えば、レギュレータ５と圧力センサ７との間に介在されている。

圧力センサ７は、レギュレータ５で減圧されてガス燃料機器１に供給される燃料ガスの圧力を検出するものであり、制御装置８に電気的に接続されている。この圧力センサ７で検出した圧力の検出信号は、制御装置８に送られて、遮断弁Ｖが制御されるようになっている。

制御装置８は、遮断弁Ｖを開閉制御して燃料容器Ｔ内の燃料ガスをガス燃料機器１に送る高圧燃料ガス放出システムＳを制御するものである。この制御装置８が遮断弁Ｖを開くと、燃料容器Ｔから、レギュレータ５によって燃料ガスが所定圧力に減圧された後、ガス燃料機器１に供給されるようになっている。
例えば、燃料電池自動車の場合、制御装置８は、イグニッションスイッチのＯＮ／ＯＦＦに連動して、燃料電池の発電を開始／停止するようになっている。

≪作用≫
次に、図１〜図４を参照してガス燃料を供給する高圧燃料ガス放出システムＳの作用を説明する。
図１に示すように、内燃機関もしくは燃料電池等のガス燃料機器１に燃料ガスを供給する高圧燃料ガス放出システムＳにおいて、レギュレータ５の下流側の燃料供給ライン２の圧力が所定の圧力以上となると、その圧力値が圧力センサ７から制御装置８に送られ、この制御装置８からの信号によって遮断弁Ｖが、ガス燃料機器１への燃料ガスの供給を遮断して停止させる。このように、圧力が所定値以上になると燃料ガスの供給がストップするようになっている。

また、ガス燃料機器１の起動時には、制御装置８からの信号によって遮断弁Ｖが開弁し、高圧の燃料ガスがレギュレータ５で減圧され、さらに、フィルタ６によって異物が取り除かれて、圧力センサ７で検出した所定内の圧力の燃料ガスが、ガス燃料機器１に供給されて作動する。このようにして燃料容器Ｔ内の燃料ガスは、消費（排出）される。燃料ガスが消費されるときには、燃料容器Ｔ内の燃料ガスの温度が低下する。

図２に示すように、燃料容器Ｔ内の燃料ガスを燃料供給ライン２に排出するための導入配管４の導入口４ａは、燃料容器Ｔ内の高温領域である上層部Ａにある。このため、燃料容器Ｔ内からガス燃料機器１に送られる燃料ガスは、燃料容器Ｔ中で平均温度より高い温度の高温領域の燃料ガスが送り出されるようになっている。
そして、燃料容器Ｔ内の燃料ガスの消費時には、燃料容器Ｔ内の上層部Ａの燃料ガスを選択的に燃料供給ライン２へ導くことができる。その結果、燃料容器Ｔ内の燃料ガスの温度が低下した場合には、燃料容器Ｔ中の比較的暖かい燃料ガスが、遮断弁Ｖ等のデバイス３に送られるので、デバイス３の温度低下を緩和させることができる。

図３は、燃料容器から燃料ガスを放出したときの燃料容器内の各層の温度分布を示すグラフである。
なお、燃料容器Ｔ内の燃料ガスの温度は、図３に示すように、燃料ガスの供給と共に上層部Ａ、中層部Ｂ、下層部Ｃのそれぞれの温度が、時間の経過に連れて低下する。

図４は、燃料容器から燃料ガスを放出したときの遮断弁の温度を示すグラフである。
しかしながら、図４に示すように、燃料容器Ｔ内の上層部Ａの燃料ガスを使用することにより、遮断弁Ｖの温度ａは、中層部Ｂの燃料ガスが供給されたときの遮断弁Ｖの温度ｂの場合と比較して、中層部Ｂよりも高温な燃料ガスが送られて、暖かくなって、温度低下が抑制されていることが判る。
このため、遮断弁Ｖ等のデバイス３は、燃料容器Ｔから送られて来る燃料ガスによって冷却されて、温度および性能が低下することが抑制されることになる。

なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内で種々の改造および変更が可能であり、本発明はこれら改造および変更された発明にも及ぶことは勿論である。

≪第１変形例≫
図５は、本発明の実施形態に係る高圧燃料ガス放出システムの第１変形例を示す図であり、（ａ）は燃料容器の概略断面図、（ｂ）は導入配管の要部拡大斜視図である。
前記した実施形態では、図２に示すように、導入配管４を、導入口４ａが燃料容器Ｔ内の上層部Ａに配置された場合について例示したが、これに限定されない。例えば、図５（ａ）に示すように、導入配管４１は、中層部Ｂに水平に配置して、燃料容器Ｔ内の上層部Ａの方向に導入口４１ａを開口し、上層部Ａの燃料ガスを取り入れ易くしたものであってもよい。

この場合、導入配管４１は、基端部を燃料容器Ｔの中層部Ｂまたは上層部Ａの壁に装着した遮断弁Ｖに接続されている。導入口４１ａは、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、導入配管４１の上層部Ａ側である上側に穿設された丸い孔からなり、少なくとも導入配管４１に１つ形成されている。この導入口４１ａは、図５（ｂ）に示すように、導入配管４１の側面上側や、先端を上方向に向けて開口している。

このようにすることにより、燃料容器Ｔ内の上層部Ａの燃料ガスを選択的に導入配管４１内に取り込んで、燃料供給ライン２に送ることができる。
このように、導入配管４１は、燃料容器Ｔ内の上層部Ａの燃料ガスを取り込むように形成されていれば形状等は、特に限定されない。

≪第２変形例≫
図６は、本発明の実施形態に係る高圧燃料ガス放出システムの第２変形例を示す図であり、（ａ）は上部に遮断弁を設けた燃料容器の概略側面図、（ｂ）は側面上部に遮断弁を設けた燃料容器の概略側面図である。

前記した実施形態では、図２に示すように、遮断弁Ｖを、燃料容器Ｔの中層部Ｂの壁に装着した場合について例示したが、これに限定されず、図６（ａ）に示すように、遮断弁Ｖ１は、燃料容器Ｔの上部の壁に設置したものであってもよい。
また、図６（ｂ）に示すように、遮断弁Ｖ２は、燃料容器Ｔの側面上部の壁に設置したものであってもよい。

図６（ａ）、（ｂ）に示すように、遮断弁Ｖ１，Ｖ２は、燃料容器Ｔの上部または側面上部に配置することにより、燃料容器Ｔ内の上層部Ａ（図５（ａ）参照）の燃料ガスを選択的に容易に取り込むことができるようになる。

≪第３変形例≫
図７は、本発明の実施形態に係る高圧燃料ガス放出システムの第３変形例を示す図であり、燃料容器の外周部に熱交換器を配置した状態を示す燃料容器の概略断面図である。

図７に示すように、燃料容器Ｔの外周部には、加熱手段９を配置して、この加熱手段９によって燃料ガスを加熱してもよい。
この場合、加熱手段９は、例えば、熱交換器やヒータ等からなり、燃料容器Ｔ外の下部に配設される。加熱手段９は、制御装置８（図１参照）に電気的に接続されて、燃料ガスの使用量に応じて適宜に作動するようになっている。

このようにすることにより、燃料容器Ｔ内の燃料ガスは、加熱手段９によって効率的に暖気されるようになる。そして、上層部Ａの燃料ガスは、加熱手段９によって加熱されるため、さらに高温な燃料ガスが燃料供給ライン２に送られるようになる。また、燃料ガスの消費時に、燃料容器Ｔ内の燃料ガスの温度が低下することを加熱手段９によって抑制することができる。

≪第４変形例≫
図８は、本発明の実施形態に係る高圧燃料ガス放出システムの第４変形例を示す図であり、燃料容器を複数配置した状態を示す燃料容器の周辺のブロック図である。

図８に示すように、燃料容器Ｔ１，Ｔ２は、複数配置して、それぞれの燃料容器Ｔ１，Ｔ２から遮断弁Ｖ３，Ｖ４を介して送るようにしてもよい。
この場合、燃料容器Ｔ１，Ｔ２にそれぞれ設けられたインタンクの遮断弁Ｖ３，Ｖ４は、制御装置８によって適宜に弁体が開閉される。また、遮断弁Ｖ３，Ｖ４にそれぞれ接続された配管２ｅ，２ｆは、Ｔ字型継手２ｈによって合流して配管２ｇによってレギュレータ５に流れるようになっている。

このようにすることにより、各燃料容器Ｔ１，Ｔ２に設けられた遮断弁Ｖ３を制御装置８によって適宜に開閉して、燃料容器Ｔ１，Ｔ２内の上層部Ａの燃料ガスを、選択的に燃料供給ライン２のデバイス３に送ることができる。
なお、燃料容器Ｔ１，Ｔ２内の燃料ガスは、その温度に応じて制御装置８により交互にデバイス３に送るようにしたり、同時に送るようにしたりしてもよい。

≪他の変形例≫
例えば、前記実施形態において、ガス燃料機器１は、自動車に積載して使用するものに関して説明したが、船舶や航空機等に適用することもできる。また、地上設置型（定置型）高圧ガス供給設備等のガス燃料機器にも適用することもできる。

本発明の実施形態に係る高圧燃料ガス放出システムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る高圧燃料ガス放出システムにおける燃料容器の一例を示す要部拡大断面図である。 燃料容器から燃料ガスを放出したときの燃料容器内の各層の温度分布を示すグラフである。 燃料容器から燃料ガスを放出したときの遮断弁の温度を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る高圧燃料ガス放出システムの第１変形例を示す図であり、（ａ）は燃料容器の概略断面図、（ｂ）は導入配管の要部拡大斜視図である。 本発明の実施形態に係る高圧燃料ガス放出システムの第２変形例を示す図であり、（ａ）は上部に遮断弁を設けた燃料容器の概略側面図、（ｂ）は側面上部に遮断弁を設けた燃料容器の概略側面図である。 本発明の実施形態に係る高圧燃料ガス放出システムの第３変形例を示す図であり、燃料容器の外周部に熱交換器を配置した状態を示す燃料容器の概略断面図である。 本発明の実施形態に係る高圧燃料ガス放出システムの第４変形例を示す図であり、燃料容器を複数配置した状態を示す燃料容器の周辺のブロック図である。

符号の説明

１ ガス燃料機器
２ 燃料供給ライン
３ デバイス
４，４１ 導入配管
４ａ，４１ａ 導入口
Ａ 上層部
Ｂ 中層部
Ｃ 下層部
Ｓ 高圧燃料ガス放出システム
Ｔ，Ｔ１，Ｔ２ 燃料容器
Ｔａ 導出部
Ｖ，Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４ 遮断弁

Claims (3)

1. 燃料ガスを貯蔵する燃料容器と、
   前記燃料ガスを燃料とするガス燃料機器と、
   前記燃料容器からの燃料ガスを前記ガス燃料機器へ供給する燃料供給ラインと、
   前記燃料供給ライン上に設けられたデバイスと、を備えた高圧燃料ガス放出システムであって、
   前記燃料容器は、この燃料容器内の燃料ガスを導出する導出部を有し、
   この導出部は、前記燃料容器内の燃料ガスの温度分布の高い領域に開口されていることを特徴とする高圧燃料ガス放出システム。
2. 前記導出部には、前記燃料容器内の上層部側に向けて導入口を開口した導入配管が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の高圧燃料ガス放出システム。
3. 前記導出部は、前記燃料容器内の中層部または前記上層部に配設されると共に、前記導入配管を開閉するための遮断弁が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の高圧燃料ガス放出システム。

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