JP2010242952A - 燃料貯留システム - Google Patents

Abstract

【課題】 製造コストやレイアウトの自由度を犠牲にすることなく燃料電池の故障を未然に防止することができる燃料貯留システムを提供する。
【解決手段】 供給される燃料を内部に貯留する燃料タンク１と、充填口１０と、充填口１０と燃料タンク１との間に配置され、供給される燃料が不良か否かを検出する不良燃料検知部８と、周囲に警告を発する警告灯８７と、不良検出部８から出力される信号を受けて警告灯８７を作動させるＥＣＵ１００とを備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池に供給された燃料に不純物が含有されている場合に、適切な処置をとるようにした燃料貯留システムに関する。

燃料電池を用いたシステムとして、例えば燃料電池車は、燃料ガスである水素をタンクに蓄えるようになっており、天然ガス車と同様に、水素供給ステーションにおいて車体に設けた充填口にノズルを装着して水素を注入するようになっている。燃料電池車に供給される水素に不純物が含まれていると、燃料電池が機能不全を来すことがあるため、水素の品質には天然ガス燃料と比較して厳しい注意を払わなければならない。このため、燃料電池車に供給される水素には、燃料規格が設けられて不純物の量などの規定がなされており、水素供給ステーションは、規格に沿った水素を燃料電池車に供給するようにしている。

しかしながら、水素供給ステーションの設備の故障で不純物が水素に混入したり、意図的に油や水などが注入されるなどして燃料規格外の不良燃料が供給される可能性がある。あるいは、水素供給ステーションにおいて圧縮水素を冷却した際に発生する結露水が水素に混入されることが考えられ、そのような事態が生じると燃料電池が機能不全に陥る。

特許文献１および特許文献２には、水素を水素分離膜などのフィルターに通して水などの不純物を分離する技術が開示されている。また、特許文献３には、不純物センサとして別の燃料電池を上流側に配置する技術が開示されている。さらに、特許文献４には、ＣＯガス濃度を検出して水素の供給量を増減する技術が開示されている。

特開２００５−１６６５１５号公報 特開２００５−２１６７０８号公報 特開２００８−２４３４３０号公報 特開平６−２２３８５６号公報

ところで、水素に混入される不純物の量は未知であるため、フィルター等で不純物を除去する上記従来技術では、フィルターの容量を可能な限り大きくする必要がある。しかしながら、それでは製造コストや重量が増加するとともに、車両の場合に重要な車載レイアウトの自由度が低下してしまうという問題がある。また、上記従来技術では、不良燃料が混入されても車両の運行が続けられてしまうため、燃料電池が故障するまで判らないという安全上の問題もある。

したがって、本発明は、製造コストやレイアウトの自由度を犠牲にすることなく燃料電池の故障を未然に防止することができる燃料貯留システムを提供することを目的としている。

本発明の燃料貯留システムは、供給される燃料を内部に貯留する貯留容器と、燃料を貯留容器へ通流させる充填部と、充填部と貯留容器との間に配置され、供給される燃料が不良か否かを検出する不良燃料検知部と、周囲に警告を発する警告部と、不良検出部から出力される信号を受けて警告部を作動させる制御部とを備えたことを特徴とする。

上記構成の燃料貯留システムにあっては、燃料が不良であることを不良燃料検知部が検出すると、警告部が周囲に警告を発するから、周囲の者は燃料の供給を停止するなど適切な処置をとることができる。したがって、大容量のフィルター等を備えることなく燃料電池の故障を未然に防止することができる。

ここで、不良燃料検知部は、燃料に含まれる液体により電気的スイッチングを生じて供給される燃料が不良か否かを検出するように構成することができる。たとえば、不良燃料検知部は、燃料に含まれる液体が溜まってフロートを上昇させることにより、電気的スイッチングを生じさせるように構成することができる。あるいは、不良燃料検知部は、互いに接近した一対の接点を備え、接点の間に燃料に含まれる液体が付着することにより電気的スイッチングを生じさせるように構成することができる。

また、充填部および貯留容器が接続されて供給される燃料を消費する燃料電池と、充填部および貯留容器と燃料電池との間に配置された遮断弁とを備えることができる。そして、制御部は、不良燃料検知部から出力される信号を受けて遮断弁を閉じる。このような態様では、燃料電池への不良燃料の供給が自動的に阻止されるから、燃料電池の故障を確実に防止することができる。また、このような態様は、燃料電池車に適用することができる。

さらに、充填部は、弁を有し、その開閉により燃料の貯留容器への流通可否を設定可能とすることができ、制御部は、不良燃料検知部から出力される信号を受けて警告部を作動させるとともに、充填部を閉じて燃料の流通を阻止するように構成することができる。このような態様では、燃料貯留システムの上流側で不良燃料が遮断されるので、メンテナンスが軽減される。

なお、本発明において警告の種類は任意である。たとえば、インジケータパネルに警告灯や警告メッセージを点灯させたり、車両のヘッドライトやウインカーを点滅させたりすることができる。また、音声による警告も可能である。さらに、警告の他に、エンジンが始動しないようにしたり、アクセルペダルを踏んでも応答しないようにすることができる。

本発明の燃料貯留システムによれば、製造コストや車載性を犠牲にすることなく燃料電池の故障を未然に防止することができる等の効果が得られる。

本発明の実施形態の燃料貯留システムを示す系統図である。 実施形態における不良燃料検知部を示す断面図である。 実施形態の動作を示すフローチャートである。 本発明の他の実施形態の燃料貯留システムを示す系統図である。 実施形態における絶縁抵抗計の抵抗を示すグラフである。

以下、図１〜図３を参照して燃料電池システムを車両に搭載した場合の本発明の一実施形態を説明する。図１は実施形態の燃料貯留システムを示す系統図であり、燃料電池車の燃料供給系と制御系を示している。図１において符号１は燃料タンク（貯留容器）であり、燃料タンク１は内部に水素を貯留するようになっている。燃料タンク１の端部には容器弁２が取り付けられ、容器弁２には充填供給配管３が接続されている。

図１において符号１５は燃料電池である。なお、以下の説明においては、燃料電池側を下流側、その逆側を上流側と称する。燃料電池１５と燃料タンク１との間の充填供給配管３には、システム減圧弁４とシステム電磁弁５が接続されている。システム電磁弁５の上流側には逆止弁６が接続され、これらシステム電磁弁５および逆止弁６の中間に充填供給配管３が接続されている。逆止弁６には充填用配管７が接続され、逆止弁６は、燃料タンク１内の水素が上流側へ流れるのを防止する。

充填用配管７には、不良燃料検知部８、充填遮断弁（弁、充填部）９、および充填口（充填部）１０が上流側へ向けこの順番で接続されている。図２は不良燃料検知部８の詳細を示す図である。図において符号８０はフィルタハウジングである。フィルタハウジング８０は縦長の略円筒状をなし、その上端部には燃料供給口８１と燃料排出口８２が形成されている。燃料排出口８２は、フィルタハウジング８０の側面から内側に伸び、そこからＬ字状に屈曲して下方へ伸びており、その下方を向く開口部にはフィルタエレメント８３が取り付けられている。フィルタエレメント８３は有底円筒状をなし、その外周部に多孔質のフィルタ材が設けられている。したがって、充填用配管７により送られて来た燃料は、燃料供給口８１からフィルタハウジング８０の内部に供給され、フィルタエレメント８３の外周部を通過して内部に流れ、燃料排出口８２から充填用配管７に送り出される。その際に、燃料に含まれている水分、油分等の液体は、フィルタ材に捕捉される。

フィルタハウジング８０の底部には、センサハウジング８４が取り付けられている。センサハウジング８４の上端部には、円筒状のガイド部８４ａが形成され、ガイド部８４ａには磁気スイッチ８４ｂが収容されている。また、ガイド部８４ａの外周には、リング状のフロート８５が上下方向に摺動自在に嵌合させられている。フロート８５の内周面の下端部には、磁石８６が取り付けられている。フィルタエレメント８３で捕捉された液体は、量が溜まると下方へ滴下する。また、燃料に含まれる液体は、フィルタハウジング８０の内壁面に付着して下方へ垂れてゆく。そして、液体はフィルタハウジング８０の底に溜まり、浮力でフロート８５が持ち上げられる。

磁気スイッチ８４ｂはＥＣＵ（制御部）１００に接続されており、磁石８６が接近して磁気スイッチ８４ｂがオンになると、その信号はＥＣＵ１００に出力される。この場合、ＥＣＵ１００は、警告灯（警告部）８７を点灯し、アクセサリスイッチ８８およびイグニッションスイッチ８９の操作を無効にする。

次に上記構成の燃料貯留システムの動作を説明する。燃料を燃料タンク１に充填するには、水素供給ステーションにおいてノズル（図示略）を充填口１０に気密に装着して燃料を供給する。水素供給ステーションでは、燃料を高圧にして貯留するので、圧縮されて高温になった燃料を冷却することが行われる。この冷却の際に、燃料に含まれる水蒸気が凝縮し、水が燃料に混入することがある。そのような水は、燃料とともに燃料貯留システムに供給される。

充填口１０から供給された燃料は、充填遮断部９、不良燃料検知部８、逆止弁６を経由して燃料タンク１に充填される。なお、このときシステム電磁弁５は閉じられているので燃料が燃料電池１５に供給されることはない。また、燃料電池１５を作動させる場合には、システム電磁弁５を開き、システム減圧弁４の開度を調節して燃料を燃料電池１５に供給する。

ここで、燃料に含まれている液体は、不良燃料検知部８で捕捉され、フィルタハウジング８０の底部に溜まってゆく。この液体には、種々の不純物が含まれているので、燃料は浄化される。そして、フィルタハウジング８０に溜まった液体Ｌの水位が上昇するに従ってフロート８５が浮力で上昇し、磁石８６が磁気スイッチ８４ｂに接近する。なお、これ以降の動作は図３を参照して説明する。

まず、アクセサリスイッチ８８がオンにされると（ステップＳ１）、ＥＣＵ１００は、磁気スイッチ８４ｂから出力された信号の有無を判断し（ステップＳ２）、その信号がない場合にはイグニッションスイッチ８９がオンにされたか否かを判断する（ステップＳ３）。イグニッションスイッチ８９がオンにされていない場合には、ステップＳ１に戻って以上の処理を繰り返す。一方、イグニッションスイッチ８９がオンにされている場合には、システム電磁弁５を開いて燃料電池１５に燃料を供給する。

フィルタハウジング８０の底部に溜まった液体Ｌの水位が上昇し、磁石８６により磁気スイッチ８４ｂがオンになると、ステップＳ２での判断結果は「ＹＥＳ」となり、ＥＣＵ１００は警告灯８７を点灯させる（ステップＳ４）。これにより、運転者や同乗者あるいは水素ステーションの従業員は、不良燃料検知部８に溜まった液体の量が限界に達したことを知ることができるので、不良燃料検知部８を交換するなどの適切な処置をとることができる。また、仮に、警告灯の点灯に気付かず、イグニッションスイッチ８９をオンにした場合であっても、ＥＣＵ１００はシステム電磁弁５を閉じて燃料電池１５に燃料を供給しない（ステップＳ５）。なお、イグニッションスイッチ８９がオンにされていない場合には、ステップ１に戻って以上の処理を繰り返す。

上記構成の燃料貯留システムでは、不良燃料が供給されると、フィルタハウジング８０内で分離した液体の水位が上昇して磁気スイッチ８４ｂがオンとなり、警告灯８７が点灯されるから、周囲の者は燃料の供給を停止し、不良燃料検知部８を交換するなど適切な処置をとることができる。したがって、大容量のフィルター等を備えることなく燃料電池１５の故障を未然に防止することができる。

特に上記実施形態では、警告灯８７を点灯させるだけでなくシステム電磁弁５を閉じて燃料電池１５に燃料を供給しないようにしているから、燃料電池１５への不良燃料の供給が自動的に阻止され、燃料電池１５の故障を確実に防止することができる。

なお、上記実施形態においては、図３に示すように、警告灯８７を点灯させるとともに充填遮断弁９を閉じることもできる（ステップＳ７）。このような態様では、燃料タンク１よりも上流側で不良燃料が遮断されるので、メンテナンスが軽減されるという利点がある。

図４および図３は、本発明の他の実施形態を示す図である。図４において符号９０は、不良燃料検知部であり、符号９１はハウジングである。ハウジング９１の両側面には、燃料供給口９２と燃料排出口９３が設けられ、これら燃料供給口９２および燃料排出口９３は、充填用配管７（図１参照）に接続されている。ハウジング９１の内部には、絶縁抵抗計９４が設けられている。絶縁抵抗計９４は、一対の電極（接点）９５を上下方向に接近して配置したものであり、両電極９５間には電圧が印加されている。そして、燃料電池に含まれる液体が電極９５と接触して電極９５に付着すると、両電極９５間が導通して抵抗率が変化し、その信号がＥＣＵ１００に出力される。

すなわち、空気の絶縁抵抗は非常に大きいため、オイル等の異物が付着して両電極９５間を橋渡しすると抵抗率が低下する。一般に、油の抵抗率は１０^１２〜１０^１５Ωｃｍであるため、図４に示すように、絶縁抵抗計９４が示す抵抗率が１０^１５Ωｃｍ以下となったときにＥＣＵ１００は異常と判断し、警告灯８７を点灯させたりアクセサリスイッチ８８やイグニッションスイッチ８９の操作を無効にする。したがって、大容量のフィルター等を備えることなく燃料電池１５の故障を未然に防止することができる。

上記実施形態は、燃料に含まれる液体を分離する機能はないが、液体を貯留せずに電極９５に付着させる構成であるから、不良燃料が供給されたら迅速に異常が検知される。したがって、不良燃料が大量に燃料タンク１に充填されるのを防止することができる。なお、この実施形態では、燃料中に含まれる液体を効率よく電極９５に付着させる構成を採用することが望ましい。たとえば、電極９５を冷却して燃料に含まれる水蒸気を凝縮し、水分を電極９５に付着させるようにすることができる。あるいは、燃料の流れが電極９５に集中するように整流板などを配置することができる。また、上方の電極９５をテーパ状に形成し、電極９５に付着した液体が重力で中央部に集まるように構成することができる。

本発明は、システムを小型化および軽量化しつつ燃料電池の故障を確実に防止することができるので、定置型の燃料電池システムや、厳しい信頼性が要求される燃料電池車に適用して極めて有望である。

１ 燃料タンク（貯留容器）
８ 不良燃料検知部
９ 充填遮断弁（弁、充填部）
１０ 充填口（充填部）
８５ フロート
８７ 警告灯（警告部）
９５ 電極（接点）
１００ ＥＣＵ（制御部）

Claims (6)

1. 供給される燃料を内部に貯留する貯留容器と、
   燃料を前記貯留容器へ通流させる充填部と、
   前記充填部と前記貯留容器との間に配置され、供給される燃料が不良か否かを検出する不良燃料検知部と、
   周囲に警告を発する警告部と、
   前記不良検出部から出力される信号を受けて前記警告部を作動させる制御部と、
   を備えたことを特徴とする燃料貯留システム。
2. 前記不良検出部は、燃料に含まれる液体により電気的スイッチングを生じて供給される燃料が不良か否かを検出することを特徴とする請求項１に記載の燃料貯留システム。
3. 前記不良燃料検知部は、燃料に含まれる液体が溜まってフロートを上昇させることにより電気的スイッチングを生じさせることを特徴とする請求項２に記載の燃料貯留システム。
4. 前記不良燃料検知部は、互いに接近した一対の接点を備え、接点の間に燃料に含まれる液体が付着することにより電気的スイッチングを生じさせることを特徴とする請求項２に記載の燃料貯留システム。
5. 前記充填部および前記貯留容器が接続され、供給される燃料を消費する燃料電池と、前記充填部および前記貯留容器と前記燃料電池との間に配置された遮断弁とを備え、前記制御部は、前記不良燃料検知部から出力される信号を受けて前記遮断弁を閉じることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料貯留システム。
6. 前記充填部は、弁を有し、その開閉により燃料の前記貯留容器への流通可否を設定可能とされ、
   前記制御部は、前記不良燃料検知部から出力される信号を受けて前記警告部を作動させるとともに、前記充填部を閉じて燃料の流通を阻止することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料貯留システム。

Images