JP2014086355A - 燃料供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料ポンプが燃料タンクの側方に配置されても、燃料ポンプのエア噛みの発生を防止できる、燃料供給システムを提供する。
【解決手段】燃料サブタンク２３の内部には、Ａ室２９およびＢ室３０が形成されている。Ａ室２９とＢ室３０とは、燃料サブタンク２３内の上部空間で互いに連通している。Ａ室２９には、液体燃料が満杯に貯留される。Ｂ室３０には、Ａ室２９からオーバフローした液体燃料が貯留される。燃料循環ポンプ４８は、燃料供給路４７に介装されている。燃料循環ポンプ４８の起動時には、Ａ室２９が燃料供給路４７と連通される。燃料循環ポンプ４８の正常起動後の動作中、つまり燃料循環ポンプ４８の通常動作中は、Ｂ室３０が燃料供給路４７と連通される。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に液体燃料を供給するための燃料供給システムに関する。

燃料電池システムとして、ヒドラジンなどの液体燃料を燃料電池に供給するものが知られている。

燃料電池は、たとえば、固体高分子膜の両側にアノード（燃料極）およびカソード（酸素極）を貼り合わせて一体化した膜／電極接合体を備えている。アノードに液体燃料が供給されるとともに、カソードに空気が供給されると、発電反応が生じ、アノードとカソードとの間に起電力が発生する。

液体燃料は、燃料タンクに貯留されている。燃料タンクには、燃料供給管の一端が接続されている。燃料供給管の他端は、燃料電池に接続されている。燃料供給管の途中部には、燃料ポンプが介装されている。燃料ポンプが駆動されると、燃料タンクから燃料供給管に液体燃料が吸い出される。そして、燃料供給管を液体燃料が流通し、燃料供給管から燃料電池に液体燃料が供給される。

特開２０１１−２１６３４１号公報

この燃料電池システムが自動車に搭載される場合、燃料電池システムの各部の配置に制約が生じる。

たとえば、燃料ポンプのエア噛みを考慮すれば、燃料ポンプは、燃料タンクよりも下方に配置することが好ましい。しかしながら、車両の最低地上高を確保しつつ、燃料ポンプを燃料タンクの下方に配置するには、燃料タンクの底面の位置を上げなければならない。燃料タンクの底面の位置を上げるために、燃料タンクの位置を上げると、車両の車高が大きくなるという不都合を生じる。また、燃料タンクの底面の位置を上げるために、燃料タンクの高さを小さくすると、燃料タンクの容量が小さくなるという不都合を生じる。そのため、燃料ポンプを燃料タンクよりも下方に配置することができない。

本発明の目的は、燃料ポンプが燃料タンクの側方に配置されても、燃料ポンプのエア噛みの発生を防止できる、燃料供給システムを提供することである。

前記の目的を達成するため、本発明に係る燃料供給システムは、燃料電池に液体燃料を供給するためのシステムであり、上部空間で互いに連通する第１室および第２室を内部に有し、前記第１室に液体燃料が満杯に貯留され、前記第１室から前記第２室に液体燃料がオーバフローすることにより、前記第２室に液体燃料が貯留される燃料タンクと、前記燃料電池に供給される液体燃料が流通する燃料供給路と、前記燃料供給路に介装された燃料ポンプと、前記第１室および前記第２室を前記燃料供給路と選択的に連通させる三方弁と、前記燃料ポンプの起動時には、前記第１室と前記燃料供給路とが連通し、前記燃料ポンプの通常動作中は、前記第２室と前記燃料供給路とが連通するように、前記三方弁を制御する三方弁制御手段とを含む。

この構成によれば、燃料タンクの内部には、第１室および第２室が形成されている。第１室と第２室とは、燃料タンク内の上部空間で互いに連通している。第１室には、液体燃料が満杯に貯留される。第２室には、第１室からオーバフローした液体燃料が貯留される。燃料ポンプは、燃料供給路に介装されている。三方弁により、第１室および第２室と燃料供給路とが選択的に連通される。

燃料ポンプの起動時には、第１室が燃料供給路と連通される。第１室には、液体燃料が満杯に貯留されているので、燃料ポンプの起動時に、第１室から液体燃料が吸い出されることにより、燃料ポンプのエア噛みを防止することができる。

燃料ポンプの通常動作中は、第２室が燃料供給路と連通される。これにより、第２室から液体燃料が吸い出され、液体燃料が第１室からオーバフローして第２室に供給される。よって、第１室および第２室に液体燃料が貯留し続けられることを防止でき、長時間の放置による液体燃料の劣化を防止することができる。

燃料供給システムは、第１室と三方弁の第１入口ポートとに接続された第１送出管と、第２室と三方弁の第２入口ポートとに接続された第２送出管とをさらに含み、燃料供給路の一端は、三方弁の出口ポートに接続され、燃料ポンプは、燃料タンクの側方に配置され、第１送出管と第１室との接続部は、燃料ポンプの吸込口よりも高い位置に設けられていることが好ましい。

燃料ポンプが燃料タンクの側方に配置されることにより、燃料供給システムが車両に搭載される場合に、燃料タンクを車体の最下部に配置することができる。そして、第１室と第１送出管との接続部が燃料ポンプの吸込口よりも高い位置に設けられているので、燃料ポンプの起動時に、第１送出管から燃料ポンプにエアが入ることを一層防止できる。

燃料供給システムは、燃料タンク内に貯留されている液体燃料の温調のためのヒータを備えていてもよい。この場合、ヒータは、第１室に配置されることが好ましい。

これにより、ヒータの空焚きを防止することができる。

本発明によれば、燃料ポンプの起動時のエア噛みを防止することができる。また、第１室および第２室に液体燃料が長時間放置されることによる液体燃料の劣化を防止することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 図２は、燃料サブタンクの近傍のレイアウトを示す斜視図である。 図３は、燃料循環システムの電気的構成の要部を示すブロック図である。 図４は、燃料循環システムの電気的構成の要部を示すブロック図である。

以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

＜システム構成＞

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。

燃料電池システム１は、液体燃料を用いる燃料電池システム（ＦＣシステム）であり、たとえば、自動車に駆動源として搭載される。

燃料電池システム１は、燃料電池１１を備えている。

燃料電池１１は、所定数（たとえば、１００〜２００）のセルが一方向に積層された、いわゆるセルスタックを有している。各セルは、膜／電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）、膜／電極接合体の両側に配置されたセパレータ、および膜／電極接合体と各セパレータとの間に介在されたガス拡散層（ＧＤＬ：Gas Diffusion Layer）を備えている。

膜／電極接合体は、固体高分子膜の両側にアノード（燃料極）およびカソード（酸素極）を貼り合わせて一体化したものである。固体高分子膜は、たとえば、アニオン（ＯＨ⁻）を透過させる性質を有する。

セパレータの両面には、たとえば、葛折り状に屈曲した凹溝（図示せず）が形成されている。膜／電極接合体のアノードに対向する凹溝は、燃料流路として形成されている。燃料流路の一端および他端は、それぞれ燃料入口１２および燃料出口１３に接続されている。膜／電極接合体のカソードに対向する凹溝は、エア流路として形成されている。エア流路の一端および他端は、それぞれエア入口１４およびエア出口１５に接続されている。また、各セル間では、一方のセルのセパレータに形成された凹溝と他方のセルのセパレータに形成された凹溝とが重なり合い、それらの凹溝が冷却水流路を形成している。冷却水流路の一端および他端は、それぞれ冷却水入口１６および冷却水出口１７に接続されている。

燃料電池システム１は、燃料循環システム２０を備えている。

燃料循環システム２０には、第１燃料タンク２１、第２燃料タンク２２および燃料サブタンク２３が含まれる。

第１燃料タンク２１には、液体燃料として、たとえば、常温のヒドラジン一水和物（Ｎ_２Ｈ_４・Ｈ_２Ｏ）が貯留されている。第１燃料タンク２１には、第１燃料補給管２４の一端が接続されている。第１燃料補給管２４の他端は、燃料サブタンク２３に接続されている。第１燃料補給管２４の途中部には、第１燃料供給ポンプ２５が介装されている。

第２燃料タンク２２には、電解液として、たとえば、常温の水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ）が貯留されている。第２燃料タンク２２には、第２燃料補給管２６の一端が接続されている。第２燃料補給管２６の他端は、燃料サブタンク２３に接続されている。第２燃料補給管２６の途中部には、第２燃料供給ポンプ２７が介装されている。

燃料サブタンク２３内は、燃料サブタンク２３内の底面に立設された仕切壁２８により、Ａ室２９およびＢ室３０に分けられている。仕切壁２８の上端と燃料サブタンク２３内の天面との間には、間隔が生じており、Ａ室２９とＢ室３０とは、それらの上部で互いに連通している。Ａ室２９およびＢ室３０には、電解液に混合された液体燃料（以下、単に「液体燃料」という。）、たとえば、水酸化カリウム水溶液に混合されたヒドラジン一水和物が貯留される。

Ａ室２９の底部には、液体燃料の温度を調節するための燃料ヒータ３１が設けられている。

また、Ａ室２９には、液量センサ３２が設けられている。液量センサ３２は、たとえば、フロートガイドパイプ式のレベルスイッチからなる。液量センサ３２は、燃料サブタンク２３のＡ室２９内の液体燃料の液面が所定のエンプティ位置よりも高いときにオンになる。

さらに、Ａ室２９には、Ａ室２９内の液体燃料の温度を検出する燃料温度センサ３３が設けられている。

燃料サブタンク２３には、Ａ室２９から液体燃料を送出するための第１送出管４１の一端と、Ｂ室３０から液体燃料を送出するための第２送出管４２の一端とが接続されている。第１送出管４１の他端は、三方弁４３の第１入口ポート４４に接続されている。第２送出管４２の他端は、三方弁４３の第２入口ポート４５に接続されている。

三方弁４３の出口ポート４６には、燃料供給路４７の一端が接続されている。燃料供給路４７の他端は、燃料電池１１の燃料入口１２に接続されている。燃料供給路４７の途中部には、燃料循環ポンプ４８が介装されている。また、燃料供給路４７には、燃料循環ポンプ４８と燃料電池１１の燃料入口１２との間に、燃料供給路４７内の圧力（ゲージ圧）を検出するＦＣ燃料入口圧力センサ４９が設けられている。

燃料電池１１の燃料出口１３には、燃料排出路５０の一端が接続されている。燃料排出路５０の他端は、燃料サブタンク２３のＡ室２９に接続されている。

燃料電池システム１は、給気システム６０を備えている。

給気システム６０には、コンプレッサ（図示せず）などが含まれる。給気システム６０は、燃料電池１１のエア入口１４からエア流路に、コンプレッサによって圧縮されたエア（大気）を供給する。エアは、エア流路を流通した後、エア出口１５から排出される。

燃料電池システム１は、排気処理システム７０を備えている。

排気処理システム７０には、排気処理装置（図示せず）などが含まれる。排気処理システムは、燃料電池１１のエア出口１５から排出されるエアから有害物質を除去するための処理などを行い、処理後のエアを大気に放出する。

燃料電池システム１は、冷却システム８０を備えている。

冷却システム８０には、ラジエータ（図示せず）などが含まれる。冷却システム８０は、燃料電池１１の冷却水入口１６から冷却水流路に、冷却水を供給する。冷却水は、冷却水流路を流通した後、冷却水出口１７から排出されて、冷却システム８０に戻される。冷却水が冷却水流路を流通することにより、燃料電池１１が冷却される。

＜燃料サブタンクの近傍のレイアウト＞

図２は、燃料サブタンクの近傍のレイアウトを示す斜視図である。

燃料サブタンク２３は、図２に示されるように、上下方向に対向する上板９１および底板９２ならびに上板９１と底板９２とに挟まれる空間を取り囲む側板９３を有する箱型に形成されている。燃料電池システム１が車両に搭載される場合、燃料サブタンク２３は、車体の最下部に配置される。

仕切壁２８は、所定方向（たとえば、車幅方向。以下、「車幅方向」という。）に対向する側板９３間に架設されている。

車幅方向の一方側の側板９３には、Ａ室２９に臨む部分の上端部に、第１接続口９４が形成されている。第１接続口９４には、第１送出管４１の一端が接続されている。

また、車幅方向の一方側の側板９３には、Ｂ室３０に臨む部分の下端部に、第２接続口９５が形成されている。第２接続口９５には、第２送出管４２の一端が接続されている。

三方弁４３は、燃料サブタンク２３に対して車幅方向の一方側であって、車幅方向および上下方向に直交する方向（たとえば、車両の前後方向。以下、「前後方向」という。）において、第２接続口９５と同じ位置に配置されている。

燃料循環ポンプ４８は、燃料サブタンク２３に対して車幅方向の一方側であって、三方弁４３に対して前後方向のＢ室３０側に間隔を空けた位置に配置されている。

三方弁４３と燃料循環ポンプ４８との間において、燃料供給路４７の一部を構成する燃料吸込管９６が前後方向に延びている。燃料吸込管９６の一端は、三方弁４３の出口ポート４６に接続されている。燃料吸込管９６の他端は、燃料循環ポンプ４８の吸込口９７に接続されている。燃料循環ポンプ４８の吸込口９７は、第１接続口９４よりも低く、第２接続口９５よりも高い位置に位置している。

また、燃料電池１１は、燃料サブタンク２３の上方に配置されている。上板９１には、Ａ室２９に臨む部分に、燃料電池１１から延びる燃料排出路５０が接続される第３接続口９８が形成されている。

＜燃料循環システムの電気的構成＞

図３は、燃料循環システムの電気的構成の要部を示すブロック図である。

燃料電池システム１は、ＣＰＵおよびメモリを含む構成のＦＣ−ＥＣＵ（電子制御ユニット）１０１を備えている。

ＦＣ−ＥＣＵ１０１には、液量センサ３２、燃料温度センサ３３およびＦＣ燃料入口圧力センサ４９が接続されている。

ＦＣ−ＥＣＵ１０１は、メモリに格納されたプログラムに従い、各種センサから入力される信号に基づいて、第１燃料供給ポンプ２５、第２燃料供給ポンプ２７、燃料ヒータ３１および燃料循環ポンプ４８の駆動を制御し、三方弁４３の第１入口ポート４４および第２入口ポート４５の開閉を制御する。

＜三方弁切替制御＞

図３は、三方弁切替制御の流れを示すフローチャートである。

燃料電池１１での発電の開始に際しては、ＦＣ−ＥＣＵ１０１により、三方弁切替制御が実行される。

三方弁切替制御では、まず、燃料循環ポンプ４８の駆動が開始されると、三方弁４３の第１入口ポート４４が開かれる。これにより、燃料サブタンク２３のＡ室２９が第１送出管４１を介して燃料供給路４７（燃料吸込管９６）と連通する（ステップＳ１）。このとき、三方弁４３の第２入口ポート４５は閉じられている。

次に、燃料循環ポンプ４８が起動される（ステップＳ２）。燃料循環ポンプ４８の起動により、Ａ室２９から燃料供給路４７に液体燃料が吸い出されて、燃料供給路４７を液体燃料が流通する。

燃料循環ポンプ４８の起動後、ＦＣ燃料入口圧力センサ４９の出力が参照されて、燃料供給路４７内の圧力が０ｋＰａＧよりも大きいか否か、つまり燃料供給路４７内の絶対圧が大気圧よりも大きいか否かが判断される（ステップＳ３）。

燃料供給路４７内の圧力が０ｋＰａＧ以下である間は（ステップＳ３のＮＯ）、三方弁４３の第１入口ポート４４が開かれたままにされる。

燃料供給路４７内の圧力が０ｋＰａＧを超えると（ステップＳ３のＹＥＳ）、燃料循環ポンプ４８のエア噛みなどが発生することなく、燃料循環ポンプ４８が正常に起動したと判断されて、三方弁４３の第１入口ポート４４が閉じられて、第２入口ポート４５が開かれる。これにより、燃料サブタンク２３のＢ室３０が第２送出管４２を介して燃料供給路４７（燃料吸込管９６）と連通する（ステップＳ４）。そして、この三方弁切替制御が終了される。

その後は、Ｂ室３０から燃料供給路４７に液体燃料が吸い出されて、燃料供給路４７を液体燃料が流通する。燃料供給路４７を流通する液体燃料は、燃料電池１１の燃料入口１２から燃料電池１１内の燃料流路に供給される。燃料流路を流通した液体燃料は、燃料出口１３から燃料排出路５０に排出され、燃料排出路５０を通して燃料サブタンク２３のＡ室２９に戻される。Ａ室２９には、通常、液体燃料が満杯に溜められている。したがって、燃料排出路５０からＡ室２９に液体燃料が流入すると、Ａ室２９からＢ室３０に仕切壁２８を越えて、液体燃料がオーバフローする。

こうして、液体燃料を含む液体は、燃料サブタンク２３、燃料供給路４７、燃料電池１１の燃料流路および燃料排出路５０を含む燃料循環路を循環する。

一方、燃料電池１１による発電のために、給気システム６０により、エアが燃料電池１１のエア流路に供給される。

燃料電池１１の燃料流路を液体燃料が流通し、エア流路をエアが流通すると、燃料電池１１において、発電反応（電気化学反応）が生じ、その電気化学反応による起電力が発生する。

具体的には、アノードにおいて、反応式（１）で示される反応が生じ、窒素ガス（Ｎ_２）、水（Ｈ_２Ｏ）および電子（ｅ⁻）が生成される。電子は、外部回路（図示せず）を介して、カソードに移動する。窒素ガスおよび水は、未反応の液体燃料とともに、燃料流路から燃料出口１３を通して燃料排出管３１に排出される。一方、カソードでは、反応式（２）で示される反応が生じ、アニオン（ＯＨ⁻）が生成される。アニオンは、固体高分子膜を透過して、アノードに移動する。

ＮＨ_２ＮＨ_２＋４ＯＨ⁻→Ｎ_２＋４Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻ ・・・（１）
Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻ ・・・（２）

この結果、アノードとカソードとの間に、発電反応（電気化学反応）による起電力が発生する。

また、燃料電池１１の発電動作中は、ＦＣ−ＥＣＵ１０１により、燃料温度センサ３３の出力に基づいて、燃料ヒータ３１が制御され、燃料サブタンク２３のＡ室２９内の液体燃料の温度が発電効率のよい温度に調節される。

さらに、燃料電池１１の発電動作中、ＦＣ−ＥＣＵ１０１により、液量センサ３２の出力が常に監視され、Ａ室２９内の液体燃料の液面が所定のエンプティ位置以下に低下したか否かが繰り返し判断される。そして、Ａ室２９内の液体燃料の液面が所定のエンプティ位置以下に低下すると、燃料ヒータＦＣ−ＥＣＵ１０１により、燃料ヒータ３１の空焚きを防止するために、燃料電池システム１の動作が停止される。

燃料電池システム１の動作が停止されると、燃料電池１１の膜／電極接合体の劣化を防止するために、燃料電池１１内の液体燃料が燃料サブタンク２３に戻される。

また、燃料電池システム１の動作中に、燃料サブタンク２３に液体燃料を補給する必要が生じると、第１燃料供給ポンプ２５および／または第２燃料供給ポンプ２７が駆動される。

第１燃料供給ポンプ２５が駆動されると、第１燃料タンク２１から第１燃料補給管２４に液体燃料（ヒドラジン一水和物）が汲み出される。そして、その液体燃料が第１燃料補給管２４を通して燃料サブタンク２３に供給される。

第２燃料供給ポンプ２７が駆動されると、第２燃料タンク２２から第２燃料補給管２６に電解液（水酸化カリウム水溶液）が汲み出される。そして、その電解液が第２燃料補給管２６を通して燃料サブタンク２３に供給される。

＜作用効果＞

以上のように、燃料サブタンク２３の内部には、Ａ室２９およびＢ室３０が形成されている。Ａ室２９とＢ室３０とは、燃料サブタンク２３内の上部空間で互いに連通している。Ａ室２９には、液体燃料が満杯に貯留される。Ｂ室３０には、Ａ室２９からオーバフローした液体燃料が貯留される。燃料循環ポンプ４８は、燃料供給路４７に介装されている。三方弁４３により、Ａ室２９およびＢ室３０と燃料供給路４７とが選択的に連通される。

燃料循環ポンプ４８の起動時には、Ａ室２９が燃料供給路４７と連通される。Ａ室２９には、液体燃料が満杯に貯留されているので、燃料循環ポンプ４８の起動時に、Ａ室２９から液体燃料が吸い出されることにより、燃料循環ポンプ４８のエア噛みを防止することができる。

燃料循環ポンプ４８の正常起動後の動作中、燃料循環ポンプ４８の通常動作中は、Ｂ室３０が燃料供給路４７と連通される。これにより、Ｂ室３０から液体燃料が吸い出され、液体燃料がＡ室２９からオーバフローしてＢ室３０に供給される。よって、Ａ室２９およびＢ室３０に液体燃料が貯留し続けられることを防止でき、長時間の放置による液体燃料の劣化を防止することができる。

燃料循環ポンプ４８は、燃料サブタンク２３の側方に配置されている。これにより、燃料電池システム１が車両に搭載される場合に、燃料サブタンク２３を車体の最下部に配置することができる。そして、Ａ室２９と第１送出管４１とを接続するための第１接続口９４が燃料循環ポンプ４８の吸込口９７よりも高い位置に設けられているので、燃料循環ポンプ４８の起動時に、第１送出管４１から燃料循環ポンプ４８にエアが入ることを一層防止できる。

＜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、他の形態で実施することもできる。

前述の実施形態では、燃料供給路４７内の圧力が０ｋＰａＧを超えると、燃料循環ポンプ４８が正常に起動したと判断されて、三方弁４３の第１入口ポート４４が閉じられて、第２入口ポート４５が開かれるとした。しかしながら、その三方弁４３の開閉を切り替える条件は、これに限定されない。たとえば、燃料循環ポンプ４８の起動開始から予め定められた時間が経過したことにより、三方弁４３の第１入口ポート４４が閉じられて、第２入口ポート４５が開かれてもよい。

その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１１ 燃料電池
２０ 燃料循環システム（燃料供給システム）
２３ 燃料サブタンク（燃料タンク）
２９ Ａ室（第１室）
３０ Ｂ室（第２室）
４１ 第１送出管
４２ 第２送出管
４３ 三方弁
４４ 第１入口ポート
４５ 第２入口ポート
４６ 出口ポート
４７ 燃料供給路
４８ 燃料循環ポンプ（燃料ポンプ）
９４ 第１接続口（接続部）
９７ 吸込口
１０１ ＥＣＵ（三方弁制御手段）

Claims (2)

1. 燃料電池に液体燃料を供給するための燃料供給システムであって、
   上部空間で互いに連通する第１室および第２室を内部に有し、前記第１室に液体燃料が満杯に貯留され、前記第１室から前記第２室に液体燃料がオーバフローすることにより、前記第２室に液体燃料が貯留される燃料タンクと、
   前記燃料電池に供給される液体燃料が流通する燃料供給路と、
   前記燃料供給路に介装された燃料ポンプと、
   前記第１室および前記第２室を前記燃料供給路と選択的に連通させる三方弁と、
   前記燃料ポンプの起動時には、前記第１室と前記燃料供給路とが連通し、前記燃料ポンプの通常動作中は、前記第２室と前記燃料供給路とが連通するように、前記三方弁を制御する三方弁制御手段とを含む、燃料供給システム。
2. 前記第１室と前記三方弁の第１入口ポートとに接続された第１送出管と、
   前記第２室と前記三方弁の第２入口ポートとに接続された第２送出管とをさらに含み、
   前記燃料供給路の一端は、前記三方弁の出口ポートに接続され、
   前記燃料ポンプは、前記燃料タンクの側方に配置され、
   前記第１送出管と前記第１室との接続部は、前記燃料ポンプの吸込口よりも高い位置に設けられている、請求項１に記載の燃料供給システム。

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