JP2010125889A - 水素用配管を備えた燃料電池車両および水素用配管の取り外し方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水素タンクに水素を充填するための水素充填用配管内に残留する水素の圧力を低下させる技術を提供する。
【解決手段】燃料電池車両は、燃料電池１００と、燃料電池１００に水素を供給する水素供給部２００とを備える。水素供給部２００は、水素を貯蔵する水素タンク２１０と、水素タンク２１０に接続され、燃料電池車両の外部から水素タンク２１０に水素を充填するための水素充填用配管２２１と、水素タンク２１０から水素充填用配管２２１へと水素が逆流することを阻止するためのバルブ２２４とを備える。この燃料電池車両では、水素充填用配管２２１を水素タンク２１０から取り外す前に、水素充填用配管２２１に設置された水素吸蔵合金ＭＨによって、水素を吸蔵させることにより、水素充填用配管２２１内の水素分圧を低下させる。
【選択図】図１

Description

この発明は、燃料電池に水素を供給するための水素タンクに接続された水素用配管に関する。

燃料電池は、通常、水素と酸素の供給を受けて、その電気化学反応によって発電する。これまで、燃料電池に供給するための水素を貯蔵する水素タンクへの水素の充填について種々の技術が提案されてきた。例えば、特許文献１に記載の技術が提案されている。

特開２００７−３０３６２５号公報

ところで、燃料電池車両は、一般に、水素タンクと、車両外部から水素タンクに水素を充填するための水素充填口と、水素タンクと水素充填口とを結ぶ水素充填用配管とを有している。水素タンクには通常、数十ＭＰａ程度の圧力の水素が充填されるが、このとき、当該水素充填用配管内に、水素タンク内と同程度の圧力を有する水素が残留してしまう場合があった。すると、水素充填用配管の点検・メンテナンスなどのために、水素充填用配管を水素タンクから取り外す際に、当該配管内の水素が噴出してしまう可能性があった。従来は、こうした水素の噴出を回避するために、水素タンク内の水素を消費することによって、水素充填用配管内の残留水素を水素タンク内に流入させて、残留水素の圧力を低下させるなどの方法が採られており、水素が浪費されてしまう場合があった。

本発明は、水素タンクに水素を充填するための水素充填用配管内に残留した水素の圧力を低下させる技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
燃料電池と、前記燃料電池に水素を供給する水素供給部とを備えた燃料電池車両であって、前記水素供給部は、前記水素を貯蔵する水素タンクと、前記水素タンクに接続され、前記燃料電池車両の外部から前記水素タンクに水素を充填するための水素充填用配管と、前記水素タンクから前記水素充填用配管へと水素が逆流することを阻止するためのバルブとを備え、前記水素充填用配管を前記水素タンクから取り外す前に、前記水素充填用配管に設置された水素吸蔵合金によって、水素を吸蔵することにより、前記水素充填用配管内の水素分圧を低下させる、燃料電池車両。
この燃料電池車両によれば、水素充填用配管のメンテナンス等において、水素充填用配管を取り外す際に、水素吸蔵合金に水素を吸蔵させることにより、配管内の水素の圧力を低下させることができる。従って、配管内に残留している水素が噴出してしまうことを抑制できる。

［適用例２］
適用例１記載の燃料電池車両であって、前記水素吸蔵合金を加熱することにより、前記水素吸蔵合金から水素を放出させて、前記水素充填用配管内の水素を前記水素タンクへと流入させた後に、前記水素吸蔵合金に水素を吸蔵させて、前記水素充填用配管内の水素分圧を減少させる、燃料電池車両。
この燃料電池車両によれば、予め水素吸蔵合金に水素を放出させた分だけ、水素吸蔵合金が水素充填用配管内から吸蔵する水素の量を増大させることができる。従って、水素充填用配管を取り外す際に、より効率よく、水素充填用配管内の水素分圧を低下させることができる。

［適用例３］
水素タンクに接続され、前記水素タンクに水素を充填するための水素充填用配管を、前記水素タンクから取り外す方法であって、前記水素充填用配管に設置された水素吸蔵合金によって、水素を吸蔵させることにより、前記水素充填用配管内の水素分圧を低下させた後に、前記水素充填用配管を前記水素タンクから取り外す、方法。
この方法によれば、水素充填用配管を取り外す際に、水素吸蔵合金に水素を吸蔵させることによって、配管内の水素の圧力を低下させることができる。

［適用例４］
適用例３記載の方法であって、前記水素吸蔵合金を加熱することにより、前記水素吸蔵合金に水素を放出させて、前記水素充填用配管内の水素を前記水素タンクへと流入させた後に、前記水素吸蔵合金に水素を吸蔵させて、前記水素充填用配管内の水素分圧を低下させる、方法。
この方法によれば、予め水素吸蔵合金に水素を放出させた分だけ、水素吸蔵合金が水素充填用配管内から吸蔵する水素の量を増大させることができる。従って、水素充填用配管を取り外す際に、より効率よく、水素充填用配管内の水素分圧を低下させることができる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、水素を充填するための配管を備えた水素タンク、その水素タンクを備えた燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。

A．第１実施例：
図１は本発明の一実施例としての燃料電池システム１０００の構成のを示すブロック図である。この燃料電池システム１０００は、燃料電池車両に搭載され、図示せざるモータに発電した電気を供給する。燃料電池システム１０００は、燃料電池１００と、アノードガス供給部２００と、カソードガス供給部３００と、排ガス排出部４００とを備える。

燃料電池１００は、燃料ガスとして水素の供給を受けるとともに、酸化ガスとして酸素を含む高圧空気の供給を受けることにより発電する固体高分子型燃料電池である。なお、燃料電池１００としては、固体高分子型燃料電池に限られず、任意の種々のタイプの燃料電池に本発明を適用することが可能である。

アノードガス供給部２００は、水素を貯蔵するための水素タンク２１０を備えている。水素タンク２１０は、水素供給用配管２１５を介して燃料電池１００のアノードに接続されている。水素供給用配管２１５の上流端は、水素タンク２１０の容器内に挿入されている。また、水素供給用配管２１５の水素タンク２１０内に配置された部位には、水素の遮断弁として電磁弁２１７が設けられている。さらに、水素供給用配管２１５の電磁弁２１７の下流側には、燃料電池１００に供給される水素の圧力を調整するためのレギュレータ２１９が設けられている。

アノードガス供給部２００は、さらに、燃料電池車両の外部から水素タンク２１０に水素を充填するための水素充填部２２０を備えている。水素充填部２２０は、燃料電池車両外部に向かって開口した水素充填口２２９を有している。この水素充填口２２９の開口部に、例えば水素ステーションにおいて、水素を供給するための水素供給用ノズル２０００が挿入される。

水素充填口２２９は、充填口接続配管２２６と、水素充填用配管２２１と、タンク接続配管２２３とを介して水素タンク２１０と接続されている。より具体的には、水素充填口２２９は、充填口接続配管２２６と接続されており、充填口接続配管２２６の下流端は、接続部２２８を介して水素充填用配管２２１の上流端と接続されている。また、水素充填用配管２２１の下流端は接続部２２２を介してタンク接続配管２２３と接続されている。タンク接続配管２２３の下流端は、水素タンク２１０の容器内に挿入されている。なお、タンク接続配管２２３の水素タンク２１０の容器内に配置された部位には、水素が水素充填用配管２２１へと逆流することを阻止するための逆止弁２２４が設けられている。

水素充填用配管２２１には、水素が水素充填口２２９を介して外部へと漏洩してしまうことを阻止するための逆止弁２２７が設けられている。また、水素充填用配管２２１には、逆止弁２２７の下流側に、水素吸蔵合金ＭＨが収容された配管内圧力調整部２２５が設けられている。配管内圧力調整部２２５については後述する。

なお、アノードガス供給部２００は、この配管内圧力調整部２２５を加熱可能な加熱部２６０を備えている。加熱部２６０は、例えば、電熱ヒータによって構成されても良いし、燃料電池１００の排熱を利用して配管内圧力調整部２２５を加熱する熱交換器として構成されるものとしても良い。

カソードガス供給部３００は、酸化ガスとして高圧空気を燃料電池１００に供給する。カソードガス供給部３００は、カソードガス供給用配管３０１を介して燃料電池１００のカソードと接続されている。排ガス排出部４００は、燃料電池１００において反応に供されることのなかったガスを含む排ガスを燃料電池１００の外部へと排出する。排ガス排出部４００は、アノードからの排ガスを排出するためのアノード排ガス配管４１１と、カソードからの排ガスを排出するためのカソード排ガス配管４２１とを備えている。なお、アノード排ガス配管４１１およびカソード排ガス配管４２１にはそれぞれ、燃料電池１００の背圧を調整するための背圧調整弁４１０，４２０が設けられている。この構成により、燃料電池システム１０００は、燃料電池車両に対して、燃料電池１００による発電電力を供給する。

図２（Ａ）は、水素が充填された後の水素タンク２１０及び水素充填部２２０の内部を模式的に示す概略断面図である。図２（Ａ）には、接続部２２２，２２８がフランジとして図示されており、逆止弁２２４，２２７が、水素が流入可能な方向を示す三角矢印（▲）として図示されている。また、図２（Ａ）には、水素が存在する領域を網点によって図示してある。なお、図２（Ａ）は、水素充填口２２９と、水素供給用配管２１５の図示が省略されている。

このように、水素タンク２１０内に水素が充填された場合には、タンク接続配管２２３及び水素充填用配管２２１の配管内にも逆止弁２２７の下流側に水素が存在する。以後、この配管内に残留している水素を「残留水素」と呼ぶ。水素タンク２１０内の水素が燃料電池１００に供給されると、残留水素は、逆止弁２２４を介して水素タンク２１０へと流れるため、水素タンク２１０内の水素圧力と残留水素の圧力とは、ほぼ等しい状態が保たれる。即ち、水素タンク２１０に、例えば、約７０ＭＰａ程度の圧力を有する水素が充填されている場合には、残留水素も約７０ＭＰａ程度の圧力を有することとなる。

ところで、水素充填用配管２２１は、２つの接続部２２２，２２８によって脱着が可能である。水素充填用配管２２１は、劣化した場合や、点検・メンテナンス時などに取り外される。しかし、上述したように、水素タンク２１０内に数十ＭＰａの高圧水素が充填された状態で、水素充填用配管２２１を取り外すと、タンク内の水素と同程度の高圧圧力を有する水素が噴出してしまう。そこで、この燃料電池システム１０００では、水素充填用配管２２１の取り外しに際して、配管内圧力調整部２２５によって残留水素の圧力を低下させる。

図２（Ｂ）は、水素充填用配管２２１の取り外しのための第１工程を説明するための模式図である。図２（Ｂ）には、水素タンク２１０及び水素充填部２２０が、図２（Ａ）と同様な模式図によって示してある。なお、図２（Ｂ）では、水素の存在する領域を示す網点の濃度を、水素の圧力が高い領域ほど濃く示してある。この工程では、燃料電池システム１０００は、加熱部２６０（図１）によって、配管内圧力調整部２２５を加熱し、水素吸蔵合金ＭＨに水素を放出させる。この水素の放出に伴い、水素充填用配管２２１内の水素圧力は増大し、水素充填用配管２２１から水素タンク２１０内へと水素が流入する。

図３（Ａ）は、水素充填用配管２２１の取り外しのための第２工程を説明するための、図２（Ｂ）と同様な模式図である。この工程では、燃料電池システム１０００は、加熱部２６０による配管内圧力調整部２２５の加熱を停止し、配管内圧力調整部２２５に放熱させる。すると、配管内圧力調整部２２５に収容された水素吸蔵合金ＭＨは、温度の低下に伴って水素を吸蔵する。従って、水素充填用配管２２１内の圧力は水素タンク２１０の容器内よりも低下する。なお、燃料電池システム１０００は、配管内圧力調整部２２５を冷却可能な冷却部を有しており、この工程において配管内圧力調整部２２５を冷却するものとしても良い。これによって、より短時間で水素吸蔵合金ＭＨに配管内の水素を吸蔵させて、残留水素の圧力を低下させることができる。

図３（Ｂ）は、水素充填用配管２２１の取り外しのための第３工程を説明するための模式図である。この工程では、水素充填用配管２２１を取り外す。このとき、前工程において水素充填用配管２２１の配管内の水素圧力は低下しているため、高圧水素が噴出してしまうことが抑制される。

このように、本実施例の燃料電池システム１０００を搭載した燃料電池車両であれば、水素充填用配管２２１の取り外しに際して、残留水素の圧力を水素タンク２１０内の水素圧力より低下させることができる。従って、水素充填用配管２２１の取り外し工程において、残留水素が噴出してしまうことを抑制でき、より安全に水素充填用配管２２１を取り外すことが可能である。また、水素充填用配管２２１の取り外しに際して、残留水素の圧力を低下させるために、水素タンク２１０内の水素を消費して残留水素を減少させる工程や、残留水素を大気中に放出して減少させる工程などを省略できる。従って、水素の浪費を抑制できる。

さらに、この燃料電池システム１０００の構成によれば、水素充填用配管２２１の途中に水素を配管外部へと放出するための手動弁を省略可能である。従って、第三者の故意または過失によって、人為的に手動弁が開放されたり、飛石などにより手動弁が緩み、水素が大気中に放出される可能性を低減できる。

B．第２実施例：
図４は、本発明の第２実施例としての燃料電池システム１０００Ａの構成を示すブロック図である。図４は、配管内圧力調整部２２５に換えて水素排出配管２３０が設けられている点と、加熱部２６０が削除されている点と、外部水素吸蔵タンク３０００が追加されている点以外は、図１とほぼ同じである。即ち、この燃料電池システム１０００Ａの水素充填用配管２２１Ａは、水素吸蔵合金ＭＨを有していない。なお、この燃料電池システム１０００Ａは、第１実施例の燃料電池システム１０００と同様に燃料電池車両に搭載されている。

水素排出配管２３０は、逆止弁２２７の下流側において、水素充填用配管２２１Ａから分岐している。水素排出配管２３０には、水素の流出を阻止するための水素遮断弁２３１が設けられている。また、水素排出配管２３０の下流端には、外部水素吸蔵タンク３０００と接続するための接続部２３３が設けられている。外部水素吸蔵タンク３０００は、燃料電池車両外部の水素貯蔵タンクであり、容器内に水素吸蔵合金ＭＨが収容されている。

図５（Ａ）は、水素が充填された後の水素タンク２１０及び水素充填部２２０Ａの内部の状態を示す模式図である。図５（Ａ）は、配管内圧力調整部２２５に換えて、水素排出配管２３０が図示されている点以外は、図２（Ａ）とほぼ同じである。なお、図５（Ａ）は、水素遮断弁２３１によって水素排出配管２３０が閉じられている状態を模式的に示している。このように、この水素充填用配管２２１Ａにおいても、第１実施例の水素充填用配管２２１と同様に、水素タンク２１０内の水素と同程度の圧力を有する残留水素が存在する。そこで、この燃料電池システム１０００Ａでは、水素充填用配管２２１Ａの取り外しを以下に説明する工程により実行する。

図５（Ｂ）は、水素充填用配管２２１Ａの取り外しのための工程を説明するための模式図である。図５（Ｂ）は、外部水素吸蔵タンク３０００が水素排出配管２３０に接続されている点と、水素遮断弁２３１が開かれている点と、水素の存在する領域を示す網点の濃度が水素の圧力に応じて変えられている点以外は、図５（Ａ）とほぼ同じである。この燃料電池システム１０００Ａでは、水素充填用配管２２１Ａを取り外す前に、水素排出配管２３０に、接続部２３３を介して、外部水素吸蔵タンク３０００を接続し、水素遮断弁２３１を開く。すると、残留水素が外部水素吸蔵タンク３０００の容器内へと流入し、水素吸蔵合金ＭＨに吸蔵される。これによって、水素充填用配管２２１Ａの残留水素の圧力を水素タンク２１０内の水素の圧力より低くすることができる。十分に残留水素の圧力を低下させた後に、外部水素吸蔵タンク３０００を水素排出配管２３０から取り外すとともに、水素充填用配管２２１Ａを取り外す。

このように、第２実施例の燃料電池システム１０００Ａの構成によれば、水素充填用配管２２１Ａの取り外しに際して、燃料電池車両の外部に準備されている外部水素吸蔵タンク３０００によって、配管内の残留水素の圧力を低下させることができる。従って、水素充填用配管２２１Ａを第１実施例の水素充填用配管２２１より簡易な構成とすることができる。また、この第２実施例の構成によれば、第１実施例の第１工程として実行されていた水素吸蔵合金ＭＨに水素を放出させる工程（図２（Ｂ））を省略することも可能である。

C．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

C1．変形例１：
上記実施例において、燃料電池システム１０００，１０００Ａは、燃料電池車両に搭載されていた。しかし、燃料電池システム１０００，１０００Ａは、燃料電池車両に搭載されていなくとも良い。ただし、一般に、燃料電池車両では、水素充填口２２９が水素タンク２１０から離れた位置に設けられることが多いため、水素タンク２１０と水素充填口２２９とを結ぶ水素充填用配管２２１，２２１Ａがその分だけ長くなる傾向にある。従って、燃料電池車両に搭載される燃料電池システムに、本発明を適用することが好ましい。

C2．変形例２：
上記実施例において、水素タンク２１０内に逆止弁２２４が設けられていた。しかし、逆止弁２２４に換えて、他の水素の逆流を阻止するためのバルブが設けられていても良い。

C3．変形例３：
上記第１実施例において、燃料電池システム１０００は、加熱部２６０を備えていた。しかし、加熱部２６０は省略されても良い。この場合には、水素充填用配管２２１の取り外しの際に、燃料電池車両の外部の熱源によって、配管内圧力調整部２２５を加熱するものとしても良い。

C4．変形例４：
上記第２実施例において、、外部水素吸蔵タンク３０００を水素排出配管２３０に接続する前に、予め水素吸蔵合金ＭＨを加熱して水素を放出させておくものとしても良い。これによって、外部水素吸蔵タンク３０００を水素排出配管２３０に接続したときに、水素吸蔵合金ＭＨが吸蔵する水素量を増大させることができ、より効率よく、水素充填用配管２２１Ａの残留水素の圧力を低下させることができる。

第１実施例の燃料電池システムの構成を示すブロック図。 第１実施例の水素タンクおよび水素充填部の内部の状態を示す模式図。 第１実施例の水素タンクおよび水素充填部の内部の状態を示す模式図。 第２実施例の燃料電池システムの構成を示すブロック図。 第２実施例の水素タンクおよび水素充填部の内部の状態を示す模式図。

符号の説明

１００…燃料電池
２００…アノードガス供給部
２１０…水素タンク
２１５…水素供給用配管
２１７…電磁弁
２１９…レギュレータ
２２０，２２０Ａ…水素充填部
２２１，２２１Ａ…水素充填用配管
２２２，２２８…接続部
２２３…タンク接続配管
２２４，２２７…逆止弁
２２５…配管内圧力調整部
２２６…充填口接続配管
２２９…水素充填口
２３０…水素排出配管
２３１…水素遮断弁
２３３…接続部
２６０…加熱部
３００…カソードガス供給部
３０１…カソードガス供給用配管
４００…排ガス排出部
４１０，４２０…背圧調整弁
４１１…アノード排ガス配管
４２１…カソード排ガス配管
１０００，１０００Ａ…燃料電池システム
２０００…水素供給用ノズル
３０００…外部水素吸蔵タンク
ＭＨ…水素吸蔵合金

Claims (4)

1. 燃料電池と、前記燃料電池に水素を供給する水素供給部とを備えた燃料電池車両であって、
   前記水素供給部は、
   前記水素を貯蔵する水素タンクと、
   前記水素タンクに接続され、前記燃料電池車両の外部から前記水素タンクに水素を充填するための水素充填用配管と、
   前記水素タンクから前記水素充填用配管へと水素が逆流することを阻止するためのバルブと、
   を備え、
   前記水素充填用配管を前記水素タンクから取り外す前に、前記水素充填用配管に設置された水素吸蔵合金によって、水素を吸蔵することにより、前記水素充填用配管内の水素分圧を低下させる、燃料電池車両。
2. 請求項１記載の燃料電池車両であって、
   前記水素吸蔵合金を加熱することにより、前記水素吸蔵合金から水素を放出させて、前記水素充填用配管内の水素を前記水素タンクへと流入させた後に、前記水素吸蔵合金に水素を吸蔵させて、前記水素充填用配管内の水素分圧を減少させる、燃料電池車両。
3. 水素タンクに接続され、前記水素タンクに水素を充填するための水素充填用配管を、前記水素タンクから取り外す方法であって、
   前記水素充填用配管に設置された水素吸蔵合金によって、水素を吸蔵させることにより、前記水素充填用配管内の水素分圧を低下させた後に、前記水素充填用配管を前記水素タンクから取り外す、方法。
4. 請求項３記載の方法であって、
   前記水素吸蔵合金を加熱することにより、前記水素吸蔵合金に水素を放出させて、前記水素充填用配管内の水素を前記水素タンクへと流入させた後に、前記水素吸蔵合金に水素を吸蔵させて、前記水素充填用配管内の水素分圧を低下させる、方法。

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