JP2012067832A - 燃料供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】高圧の水素等の燃料を遮断する遮断弁の下流に配置される機器を好適に保護可能な燃料供給システムを提供する。
【解決手段】高圧の水素を圧力値Ａに調整して下流に供給する減圧弁１３と、減圧弁１３から下流に向かう水素を遮断する遮断弁１４と、遮断弁１４の下流に設けられ、水素の圧力を検出する圧力センサ１５と、圧力センサ１５の検出する水素の圧力が圧力値Ｂ以上である場合、遮断弁１４を遮断するＥＣＵ２０と、減圧弁１３と遮断弁１４との間に設けられ、水素の圧力が圧力値Ｃ以上である場合、燃料を外部に放出することで圧力を逃すリリーフ弁１６と、を備える水素供給システム１であって、減圧弁１３の下流に配置される機器の耐圧力は、圧力値Ｄであり、圧力値Ａ＜圧力値Ｂ＜圧力値Ｃ＜圧力値Ｄ、である。
【選択図】図１

Description

本発明は、高圧の燃料を減圧して供給する燃料供給システムに関する。

従来、燃料電池に水素（燃料）を供給する水素供給システム（燃料供給システム）として、例えば、図２のシステムが知られている。図２の水素供給システムでは、水素タンクからの水素は、常閉型の遮断弁１４（遮断手段）、圧力値Ａに減圧する減圧弁１３（減圧手段、特許文献１参照）を通って、燃料電池に供給されるようになっている。

遮断弁１４は、減圧弁１３の下流の圧力センサ１５の検出する圧力が圧力値Ｂ以上である場合、ＥＣＵ２０によって閉じられる構成となっている。
また、減圧弁１３と圧力センサ１５との間に、リリーフ弁１６（圧力逃し手段）が設けられており、リリーフ弁１６は圧力値Ｃ以上で開くようになっている。
なお、「圧力値Ｂ＞圧力値Ｃ」の関係に設定されている。

特開２００４−３１９４１２号公報

しかしながら、図２の水素供給システムでは、減圧弁１３が開故障し（開いたまま閉じない状態）、減圧弁１３の二次側圧力が圧力値Ｃ以上で圧力値Ｂ未満であるとき、遮断弁１４が開いたまま、リリーフ弁１６が開いてしまう。
このように、遮断弁１４が開いたまま、リリーフ弁１６が開いてしまうと、遮断弁１４の下流に高圧の水素が通流し、遮断弁１４の下流の減圧弁１３、圧力センサ１５等の機器が高圧に曝されやすくなり、耐久性が低下する虞がある。

また、減圧弁１３の弁部（弁体、弁座等）は、通常、樹脂やゴムを使用して構成されるため、遮断弁１４及び減圧弁１３が閉じた状態で長時間放置されると、減圧弁１３の上流に封じ込められた高圧の水素が前記弁部で緩やかな透過などを起こし、減圧弁１３の下流に流入する場合が考えられる。この場合において、遮断弁１４と減圧弁１３との間において水素の滞留（通流）可能な容積が少ないと、前記弁部における水素の透過により、遮断弁１４と減圧弁１３との間の圧力が大きく低下してしまう。
そして、その状態のまま、遮断弁１４が開くと、減圧弁１３の上流に瞬間的に流れ込んだ高圧の水素が、緩衝作用の無いまま、減圧弁１３の前記弁部に至り、この弁部を損傷させることが懸念される。すなわち、遮断弁１４の下流の機器（減圧弁１３）で、その耐久性の低下を招く虞がある。

そこで、本発明は、高圧の水素等の燃料を遮断する遮断弁の下流に配置される機器を好適に保護可能な燃料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、本発明は、高圧の燃料を圧力値Ａに調整して下流に供給する減圧手段と、前記減圧手段から下流に向かう燃料を遮断する遮断手段と、前記遮断手段の下流に設けられ、燃料の圧力を検出する圧力検出手段と、前記圧力検出手段の検出する燃料の圧力が圧力値Ｂ以上である場合、前記遮断手段を遮断する制御手段と、前記減圧手段と前記遮断手段との間に設けられ、燃料の圧力が圧力値Ｃ以上である場合、燃料を外部に放出することで圧力を逃す圧力逃し手段と、を備える燃料供給システムであって、前記減圧手段の下流に配置される機器の耐圧力は、圧力値Ｄであり、圧力値Ａ＜圧力値Ｂ＜圧力値Ｃ＜圧力値Ｄ、であることを特徴とする燃料供給システムである。

このような燃料供給システムによれば、「圧力値Ｂ＜圧力値Ｃ」であるので、圧力逃し手段が燃料を外部に放出する前において、圧力検出手段の検出する燃料の圧力が圧力値Ｂ以上である場合、制御手段が遮断手段により燃料を遮断する。すなわち、圧力逃し手段が燃料を外部に放出する前において、遮断手段が燃料を遮断するので、その後において、遮断手段の下流に配置される機器（後記する実施形態では、圧力センサ１５、燃料電池スタック１００）に高圧の燃料が作用せず、好適に保護できる。

また、前記燃料供給システムにおいて、前記減圧手段と前記遮断手段との間における第１燃料通流容積Ｖ１と、前記遮断手段と前記圧力検出手段との間における第２燃料通流容積Ｖ２と、は、次式を満たしていることが好ましい。
圧力値Ａ＋（圧力値Ｃ−圧力値Ａ）×第１燃料通流容積Ｖ１／第２燃料通流容積Ｖ２＜圧力値Ｂ。

このような燃料供給システムによれば、その燃料供給開始時（起動時、始動時）に、遮断手段による遮断を解除した後、圧力検出手段の検出する圧力が、圧力値Ｂ未満となるので、その後に、遮断手段が遮断することはなく、つまり、燃料の供給が遮断されることはない。これにより、燃料需要機器（後記する実施形態では、燃料電池スタック１００）に安定して燃料を供給できる。

本発明によれば、高圧の水素等の燃料を遮断する遮断弁の下流に配置される機器を好適に保護可能な燃料供給システムを提供することができる。

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。 従来に係る水素供給システムの構成を示す図である。

以下、本発明の一実施形態について、図１を参照して説明する。

≪水素供給システムの構成≫
本実施形態に係る水素供給システム１（燃料供給システム）は、図示しない燃料電池車（移動体）に搭載されており、燃料電池スタック１００（燃料電池）のアノード流路１０１（アノード）に、水素（燃料）を供給するシステムである。

水素供給システム１は、水素タンク１１（燃料タンク）と、常閉型のタンク弁１２と、減圧弁１３（減圧手段）と、常閉型の遮断弁１４（遮断手段）と、圧力センサ１５（圧力検出手段）と、リリーフ弁１６（圧力逃し手段）と、水素供給システム１を制御する制御手段であるＥＣＵ２０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を備えている。

水素タンク１１は、タンク弁１２、配管１２ａ、減圧弁１３、配管１３ａ、遮断弁１４、配管１４ａを介して、アノード流路１０１の入口に接続されている。そして、ＥＣＵ２０によって、タンク弁１２及び遮断弁１４が開かれると、水素タンク１１の水素が、減圧弁１３で減圧された後、アノード流路１０１に供給されるようになっている。

＜水素タンク＞
水素タンク１１は、水素が高圧（例えば、３０〜４０ＭＰａ）で封入されるタンクである。

＜タンク弁＞
タンク弁１２は、水素タンク１１の口金部に内蔵された常閉型の電磁弁であり、ＥＣＵ２０からの指令に従って開／閉制御される。また、タンク弁１２は、このように水素タンク１１の口金部に内蔵されたものであるから、インタンク電磁弁とも称される。

＜減圧弁＞
減圧弁１３は、一次側室と二次側室とを弁体が連通／遮断することにより、水素タンク１１からの高圧の水素を、圧力値Ａ（例えば、１ＭＰａ）に調整して、下流に供給するものである。すなわち、減圧弁１３の二次側圧力は圧力値Ａに設定されている。

また、本実施形態において、減圧弁１３の下流に配置される機器の耐圧力は、圧力値Ｄ（例えば、１．５ＭＰａ）に設定されている。減圧弁１３の下流に配置される機器は、遮断弁１４、圧力センサ１５、リリーフ弁１６、配管１３ａ、１４ａ、１６ａ、燃料電池スタック１００である。

＜遮断弁＞
遮断弁１４は、減圧弁１３から下流のアノード流路１０１に向かう水素を適宜に遮断する常閉型の電磁弁であり、ＥＣＵ２０からの指令に従って開／閉制御される。
また、本実施形態において、圧力センサ１５の検出する圧力が、圧力値Ｂ（例えば、１．２ＭＰａ）以上である場合、ＥＣＵ２０は、遮断弁１４を閉じる設定となっている。

＜圧力センサ＞
圧力センサ１５は、配管１４ａに取り付けられており、配管１４ａ内の圧力（遮断弁１４の下流の圧力）を検出し、ＥＣＵ２０に出力するようになっている。

＜リリーフ弁＞
リリーフ弁１６は、配管１６ａを介して、減圧弁１３と遮断弁１４との間の配管１３ａに接続されている。つまり、リリーフ弁１６は、水素タンク１１からアノード流路１０１に向かう水素の通流方向において、減圧弁１３と遮断弁１４との間に設けられている。
また、リリーフ弁１６は、配管１６ａを介して入力される配管１３ａ内の圧力が、圧力値Ｃ（例えば、１．４ＭＰａ）以上である場合に開き、配管１３ａ内の水素を外部に放出することにより、圧力を逃すように構成されている。

＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ２０は、水素供給システム１を電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機能を発揮し、各種機器を制御するようになっている。
本実施形態において、ＥＣＵ２０は、圧力センサ１５から入力される圧力が圧力値Ｂ（例えば、１．２ＭＰａ）以上である場合、遮断弁１４を閉じる（遮断弁１４を遮断する）ように設定されている。

＜圧力値Ａ〜Ｄの関係＞
ここで、圧力値Ａ〜Ｄの関係を説明する。
圧力値Ａ〜Ｄは、式（１）、式（２）を満たすように設定されている。
例えば、圧力値Ａは１．０Ｍｐａ、圧力値Ｂは１．２ＭＰａ、圧力値Ｃは１．４ＭＰａ、圧力値Ｄは１．５ＭＰａ、に設定される。

圧力値Ａ＜圧力値Ｂ＜圧力値Ｃ＜圧力値Ｄ …（１）
圧力値Ａ＋（圧力値Ｃ−圧力値Ａ）×第１燃料通流容積Ｖ１／第２燃料通流容積Ｖ２＜圧力値Ｂ …（２）

ここで、式（２）において、第１燃料通流容積Ｖ１は、減圧弁１３と遮断弁１４との間において、水素が通流（滞留）可能な通路の容積であり、配管１３ａの容積と配管１６ａとの容積との和で与えられる。
また、第２燃料通流容積Ｖ２は、遮断弁１４と圧力センサ１５の圧力検出部（センシング部）との間において、水素が通流（滞留）可能な通路の容積であり、遮断弁１４と圧力センサ１５との間における配管１４ａの容積で与えられる。

≪水素供給システムの動作・効果≫
次に、水素供給システム１の動作、効果を説明する。

＜水素の通常供給時に減圧弁１３が開故障した場合＞
まず、水素の通常供給時に、減圧弁１３が開故障した場合について説明する。
ここで、水素の通常供給時とは、ＩＧ２１がＯＮされ、そのＯＮ信号を検知したＥＣＵ２０が、燃料電池スタック１００を発電させるため、タンク弁１２及び遮断弁１４を開き、水素タンク１１の水素がアノード流路１０１に供給されている状態を意味する。なお、ＩＧ２１は、システムを起動する際に運転者がＯＮする起動スイッチである。

また、減圧弁１３が開故障するとは、例えば、減圧弁１３に内蔵され、弁座に対して着座／離座を繰り返すことで、二次側圧力を圧力値Ａ（例えば１．０ＭＰａ）に調整する弁体が、離座位置のまま着座位置に復帰せず、減圧弁１３が開いたままとなる状態を意味する。そして、このように減圧弁１３が開故障すると、減圧弁１３の二次側に水素が連続して流入し、二次側圧力が設定した圧力値Ａ以上となる。

このように減圧弁１３が開故障し、その二次側圧力が上昇した場合において、ＥＣＵ２０が、圧力センサ１５を介して検出される圧力が圧力値Ｂ（例えば１．２ＭＰａ）以上であると判定すると、ＥＣＵ２０は遮断弁１４を閉じると共に、水素供給システム１に異常の可能性があることを運転者に報知するため、警告ランプ（図示しない）を点灯させる。
この場合において、減圧弁１３の二次側圧力が、圧力値Ｂ以上でリリーフ弁１６の開く圧力値Ｃ未満のとき（圧力値Ｂ≦減圧弁１３の二次側圧力＜圧力値Ｃ）、リリーフ弁１６は閉じたままとなる。

このようにして、減圧弁１３が開故障した場合、リリーフ弁１６が開く前に遮断弁１４を閉じるので、遮断弁１４の下流に配置される圧力センサ１５、燃料電池スタック１００等の機器が、耐圧力である圧力値Ｄ以上に曝されることはなく、圧力センサ１５等を良好に保護できる。

このように遮断弁１４を閉じた後、例えば、バッテリ走行する燃料電池車の振動により、減圧弁１３の弁体が着座位置に戻り、減圧弁１３が正常となる可能性もある。したがって、減圧弁１３が正常となると仮定した場合、運転者（燃料電池車の利用者）が、再度、燃料電池の起動（発電開始）を試したとき、遮断弁１４を開き、圧力センサ１５を介して検出される圧力が、圧力値Ｂ未満に低下していれば、ＥＣＵ２０は減圧弁１３が正常となったと判断するようにしてもよい。

一方、このように遮断弁１４を閉じた後も、減圧弁１３の開故障が継続している場合、減圧弁１３の二次側圧力は上昇し、圧力値Ｃ以上になると、リリーフ弁１６が開き、水素が外部に放出され、圧力が逃されることになる。ここで、リリーフ弁１６の開く圧力値Ｃは、減圧弁１３の下流側の耐圧力である圧力値Ｄよりも低いので（圧力値Ｃ＜圧力値Ｄ）、リリーフ弁１６が開くことにより、遮断弁１４の一次側圧力が圧力値Ｄ以上にならず、遮断弁１４を良好に保護できる。

＜システム停止中＞
次に、水素供給システム１（燃料電池車）の停止中について説明する。
燃料電池車を停車するため、ＩＧ２１がＯＦＦされると、そのＯＦＦ信号を検知したＥＣＵ２０が、タンク弁１２及び遮断弁１４を閉じ、水素供給システム１は停止状態となり、この状態で放置される。

ここで、減圧弁１３を構成する弁体や弁座の接触部分には、シール性を高めるため、ゴム製部品や樹脂製部品（例えばＯリング）が通常使用されるものの、減圧弁１３の一次側圧力は水素タンク１１の高い圧力であるので、水素供給システム１の停止中、水素が減圧弁１３の一次側から二次側に透過し、減圧弁１３の二次側圧力が徐々に上昇することがある。
なお、ＩＧ２１のＯＦＦに連動して、遮断弁１４が閉じられると、減圧弁１３の二次側圧力が低下しないので、減圧弁１３は閉じた状態となる。

このように水素供給システム１の停止中において、水素が減圧弁１３の一次側から二次側に透過し、二次側の圧力が圧力値Ｃ以上となった場合、リリーフ弁１６が開く。これにより、水素が外部に放出されることで、圧力が逃され、減圧弁１３の二次側圧力が耐圧力である圧力値Ｄに上昇することはなく（圧力値Ｃ＜圧力値Ｄ）、遮断弁１４等を良好に保護できる。

＜システム長期間停止後の起動時＞
次に、長期間停止後における水素供給システム１（燃料電池車）の起動時（始動時）について説明する。

なお、水素供給システム１（燃料電池車）を起動（始動）させるため、ＩＧ２１がＯＮされると、そのＯＮ信号を検知したＥＣＵ２０が、燃料電池スタック１００を発電させるため、タンク弁１２及び遮断弁１４を開く。
また、水素供給システム１の停止中、減圧弁１３は閉じているものの、前記したように、水素が減圧弁１３の一次側から二次側に透過するので、システムの停止直後に対して、減圧弁１３の一次側圧力は低下し、二次側圧力は上昇する傾向となる。
さらに、水素供給システム１の起動時、タンク弁１２が開かれると、水素タンク１１内の高圧の水素が、配管１２ａに流入し、減圧弁１３の一次側圧力が瞬間的に上昇することになる。

そこで、水素供給システム１において、減圧弁１３の一次側の配管１２ａを、例えば、長く及び／又は太くすることにより、水素タンク１１と減圧弁１３との間における水素の第３燃料通流容積Ｖ３を大きく構成しておけば、水素供給システム１の停止中、減圧弁１３の一次側から二次側に水素が透過したとしても、減圧弁１３の一次側圧力の低下幅は小さくなる。そして、このように構成すれば、水素供給システム１の起動時における減圧弁１３の一次側圧力の瞬間的な上昇幅も小さくなるので、減圧弁１３を良好に保護しつつ、その耐久性を維持できる。

また、仮に、水素供給システム１の停止中において、減圧弁１３における水素の透過により、遮断弁１４の一次側圧力（減圧弁１３の二次側圧力）が上昇していたとしても、圧力センサ１５が遮断弁１４の下流に配置されており、かつ、圧力センサ１５の検出する圧力が圧力値Ｂ以上である場合に遮断弁１４が閉じられる構成であるので、圧力センサ１５及び燃料電池スタック１００に、遮断圧である圧力値Ｂ以上の水素が作用することはなく、良好に保護できる。

さらに、圧力値Ａ〜Ｃ、第１燃料通流容積Ｖ１、第２燃料通流容積Ｖ２は、式（２）を満たすように設定しておくことが好ましい。

圧力値Ａ＋（圧力値Ｃ−圧力値Ａ）×第１燃料通流容積Ｖ１／第２燃料通流容積Ｖ２＜圧力値Ｂ …（２）

このように式（２）を満たすように設定しておけば、水素供給システム１の起動時にタンク弁１２及び遮断弁１４を開いた後、圧力センサ１５の検出する圧力が、圧力値Ｂ未満となるので、その後に、遮断弁１４が閉じられることはなく、つまり、水素の供給が遮断されることはない。これにより、燃料電池スタック１００のアノード流路１０１に安定して水素を供給できる。

≪変形例≫
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば、次のように変更できる。

前記した実施形態では、燃料が水素（気体）である構成を例示したが、燃料の種類はこれに限定されず、天然ガス、メタン等でもよい。

前記した実施形態では、水素供給システム１が燃料電池車（移動体）に搭載される構成を例示したが、これに限定されず、定置型でもよい。

１ 水素供給システム（燃料供給システム）
１１ 水素タンク（燃料タンク）
１３ 減圧弁（減圧手段）
１４ 遮断弁（遮断手段）
１５ 圧力センサ（圧力検出手段）
１６ リリーフ弁（圧力逃し手段）
２０ ＥＣＵ（制御手段）

Claims (2)

1. 高圧の燃料を圧力値Ａに調整して下流に供給する減圧手段と、
   前記減圧手段から下流に向かう燃料を遮断する遮断手段と、
   前記遮断手段の下流に設けられ、燃料の圧力を検出する圧力検出手段と、
   前記圧力検出手段の検出する燃料の圧力が圧力値Ｂ以上である場合、前記遮断手段を遮断する制御手段と、
   前記減圧手段と前記遮断手段との間に設けられ、燃料の圧力が圧力値Ｃ以上である場合、燃料を外部に放出することで圧力を逃す圧力逃し手段と、
   を備える燃料供給システムであって、
   前記減圧手段の下流に配置される機器の耐圧力は、圧力値Ｄであり、
   圧力値Ａ＜圧力値Ｂ＜圧力値Ｃ＜圧力値Ｄ、である
   ことを特徴とする燃料供給システム。
2. 前記減圧手段と前記遮断手段との間における第１燃料通流容積Ｖ１と、
   前記遮断手段と前記圧力検出手段との間における第２燃料通流容積Ｖ２と、は、次式を満たしている
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料供給システム。
   圧力値Ａ＋（圧力値Ｃ−圧力値Ａ）×第１燃料通流容積Ｖ１／第２燃料通流容積Ｖ２＜圧力値Ｂ

Images