JP3165814B2 - 水素ガス供給システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は水素ガス供給システムに
関する。この水素ガス供給システムは、例えば、内燃機
関や産業機器の排気系に水素ガスを送り、水素ガスの燃
焼で触媒を早期加熱する装置、排気ガスに含まれるＨＣ
等の有害物質を水素ガスの燃焼で浄化する装置に適用で
きる。

【０００２】

【従来の技術】従来より、水素ガス供給システムとし
て、貯水タンクと、固体電解質をもつセルと、調圧ユニ
ットと、セルと調圧ユニットとの間に介在する弁装置と
もつものが知られている（実開昭６０−１０２２５４号
公報）。このものでは、貯水タンクの水はセルに供給さ
れ、セルの固体電解質中で電解され、水素ガスが発生す
る。

【０００３】発生した水素ガスは、セルの水面上方に溜
められる。そして、弁装置が開放すると、セルの水面上
方に溜められた水素ガスは、調圧ユニットに放出され、
調圧される。このものでは、調圧ユニットに放出される
のは、水素ガスのみであり、セル内の水は調圧ユニット
に放出されないので、特別の気液分離装置は必要とされ
ない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、近年、本発
明者は、水素ガスが圧縮された状態で封入される水素タ
ンクのガス放出口を水で覆って、水素ガスの耐漏れ性を
高めた車載用の水素ガス供給システムを開発した（本出
願時に未公知）。このものでは、ガス放出口が開放され
ると、ガス放出口から水素ガスとともに水も、勢いよく
放出される。そのため、水素ガスを利用するには、水と
水素ガスとを効率よく分離できる装置が要請される。

【０００５】本発明は上記した実情に鑑み開発されたも
のであり、その目的は、液と水素ガスとを効率よく分離
できる水素ガス供給システムを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係る水素ガス供
給システムは、内部に開口する吹出口をもつ気液分離室
と気液分離室に連設し複数の曲路を備えたラビリンス通
路をもつラビリンス部とを有する気液分離装置と、液及
び高圧の水素ガスが封入される封入室を有する気液混合
物供給手段と、液及び水素ガスが混合した気液混合物を
気液混合物供給手段から気液分離装置の吹出口に供給す
るように気液混合物供給手段を作動させる操作部と、 気
液分離装置のラビリンス通路の出口と連通し、且つ、気
液分離装置のラビリンス通路で気液分離された水素ガス
が送られ且つ水素ガス消費側につながる通路とを具備す
ることを特徴とするものである。本発明は、内燃機関に
組込むことができる。この場合、内燃機関の始動に連動
して吹出口に気液混合物を送るように気液混合物供給手
段を設け、ラビリンス通路の出口を内燃機関の排気系に
連通させることができる。

【０００７】

【作用】水素ガスと液との混合物が吹出口から気液分離
室に送られると、混合物は気液分離室の内壁面に当た
り、水素ガスと液とが分離される。更に、水素ガスはラ
ビリンス部のラビリンス通路を通る。万一、気液分離室
に送られた液がラビリンス通路に進入しても、ラビリン
ス通路は迂回路のため、液がラビリンス通路を抜け出る
可能性は極めて低い。よって、ラビリンス通路からは、
液が分離された水素ガスが放出される。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１〜図１０参照し
て説明する。図１は本装置全体を概念的に示す構成図で
ある。本装置は、水素タンク１と、気液分離装置３と、
水タンク４と、水素発生器５とで構成されている。水素
タンク１の底部には通常、水Ｗが所定水位で貯水されて
いる。水Ｗの水位はフロートスイッチ６０で検知され
る。水素タンク１の底部１ｅ側のガス放出口１１と気液
分離装置３の入口ポート３ａとは通路７０で接続されて
いる。通路７０には圧力センサ７１、電磁弁７２が設け
られている。

【０００９】後述する様に水素発生器５は水素ガスを水
素タンク１の封入室１０に送るので、水素タンク１の水
面Ｗ１０の上方には、水素ガスが所定圧力（例えば２〜
３ｋｇｆ／ｃｍ² ）で圧縮されて封入されており、電磁
弁７２が閉じている状態ではガス放出待機状態とされて
いる。なお、電磁弁７２の閉塞時において、圧力センサ
７１が検知した通路７０の水圧から、水素タンク１内に
封入された水素ガスの圧力が検知される。ここで、水素
タンク１内の水素ガスが高圧である状態で、電磁弁７２
が開放すると、水素ガスと水との混合物がガス放出口１
１から勢いよく通路７０に放出される。従って水素タン
ク１は気液混合物供給手段として機能する。

【００１０】気液分離装置３は水タンク４と一体に配設
されている。ここで、両者は仕切壁１５で仕切られてい
る。気液分離装置３の出口ポート３ｂは、内燃機関の排
気ガスを排出する排気系としての排気管８に通路８０を
介して接続されている。通路８０にはチェック弁３３、
絞り弁８２が設けられている。チェック弁３３は気液分
離装置３からの水素ガスを排気管８に通すものの、逆は
通さない。

【００１１】水タンク４の吐出ポート４ａと水素発生器
５の給水ポート５ａとは通路７４で接続されており、通
路７４にはチェック弁７５が設けられている。チェック
弁７５は水タンク４の室の水を水素発生器５に通すもの
の、逆は通さない。ここで、水タンク４の水頭圧を利用
して、チェック弁７５は開弁し、水タンク４から電解用
の水が水素発生器５へ自然供給される。

【００１２】水素発生器５の水素放出ポート５ｂに接続
された通路９０はガス放出口１１に連通している。通路
９０にはチェック弁９３が設けられている。チェック弁
９３は水素発生器５から発生した水素を水素タンク１に
通すものの、逆は通さない。水素発生器５の酸素放出ポ
ート５ｅに接続された通路９５の先端９５ａは、水タン
ク４の室上部に至っている。なお、水タンク４と装置外
部とはチェック弁４ｅを介して連通しており、先端９５
ａから放出された酸素が水タンク４に充満することはな
い。

【００１３】通路７４と水素タンク１とは通路７７で接
続されており、その通路７７にはポンプ７６、逆止弁５
Ｍが設けられている。さて、図３〜図８は気液分離装置
３の要部断面を示す。図３に示す様に、気液分離装置３
は、ケーシング３０に形成され吹出口３１ａをもつ円筒
状の気液分離室３１と、気液分離室３１に連通する入口
ポート３ａをもつ通路３２と、ケーシング３０にシール
部３０ｆを介して保持されたラビリンス部３７と、気液
分離室３１の底に溜まった水を放出する吐出ポート４ａ
と、気液分離室３１内の水位を検知するフロートスイッ
チ３５とをもつ。ここで、気液分離室３１の底に所定量
の水が溜まると、フロートスイッチ３５がこれを検知
し、電磁弁７８が開くことにより気液分離室３１の底の
水は吐出ポート４ａから水タンク４に放水される。

【００１４】更に、図４に示す様に、チェック弁３３は
バルブ室３３１に設けられている。チェック弁３３は、
バルブ室３３１に保持された弁保持部３３４と、弁保持
部３３４に形成されたガイド部材３３５と、ガイド部材
３３５の回りに設けられたリング状のゴム製の弁部３３
６と、弁保持部３３４を付勢して弁部３３６をバルブシ
ート３３３に圧着させるバネ３３７とを備えている。

【００１５】更に図４に示す様に、遮水用のラビリンス
部３７は取付孔３３０にリング状のシール部３７ｆを介
して保持されている。ラビリンス部３７は、通路３７２
をもつ第１ボデー３７０と、通路３７３をもつ第２ボデ
ー３７１と、通路３７４と、リング状の通路３７５と、
リング状の通路３７６と、開口３７７ａをもつ十文字状
の通路３７７と、開口３７８ａをもつ十文字状の通路３
７８と、開口３７９ａをもつ十文字状の通路３７９とを
備えている。通路３７２〜通路３７９でラビリンス通路
が構成される。

【００１６】ここで、図３から理解できる様に、気液分
離装置３の入口ポート３ａに水素ガスと水との混合物が
送られると、混合物は吹出口３１ａから気液分離室３１
に至る。図８から理解できる様に、混合物は気液分離室
３１の内壁面３１ｃにそって旋回し、これにより水は気
液分離室３１の底部に落下して気液分離が行われる。ま
た、気液分離室３１に送られた水素ガスの圧力がバネ３
３７の付勢力に打ち勝つと、弁部３３６及びガイド部材
３３５はバルブシート３３３のシール面３３３ｆから離
れ、弁口３３３ａが開放される。よって、気液分離室３
１内の水素ガスは通路３７２〜通路３７９を図４〜図７
に示す矢印方向に通り、更に弁口３３３ａからバルブ室
３３１を通り、排気管８側へ放出される。このとき、ラ
ビリンス通路を構成する通路３７２〜通路３７９は、互
い違いの縦通路及び横通路からなるので、万一、ラビリ
ンス通路に水が進入しても、水はラビリンス通路で遮蔽
され、排気管８側へは至らない。尚、本実施例では気液
分離室３１の内径を軸方向に略一定の中空円筒状とした
構成を示しているが、この構成に限定されるものではな
く、他に内径を軸方向で異にする、例えば載頭円錐形状
などとしてもよい。

【００１７】さて、水素発生器５について説明を加え
る。水素発生器５は、複数の水素発生セルを積層したも
のであり、各水素発生セルは、プロトン伝導により水分
解を行なう固体高分子電解質の膜により構成されてい
る。すなわち、水素発生器５の各セルの一つは、図９に
示すように、プロトン伝導膜からなる膜エレメント５１
と、該膜エレメント５１の両側に、例えばチタン製エキ
スパンドメッシュにて構成された給電体５２ａを膜エレ
メント５１に形成された電極５１ａの位置に合わせて張
設した給電エレメント５２と、これら両給電エレメント
５２の外側に隣接された陽極端子板５３及び陰極端子板
５４から成り、各セルは、それぞれ樹脂製のセパレータ
５５によって分離されている。膜エレメント５１は、ス
ルホン酸基をもつフッ素樹脂系イオン交換膜にて構成さ
れ、両側に電極５１ａ（陽極側及び陰極側）がメッキに
より形成されており、その厚みは、略０．２ｍｍであ
る。給電体５２ａは、導電路と気液の通路を兼ねてお
り、その厚みは、略０．８ｍｍである。陽極及び陰極端
子板５３，５４の厚みは略１ｍｍ，隣接するセル間の分
離を兼ねたセパレータ５５の厚みは、略３ｍｍである。

【００１８】そして、膜エレメント５１，給電エレメン
ト５２，陽極端子板５３，陰極端子板５４及びセパレー
タ５５には、重合された状態で共通に連通して上記給水
ポート５ａ、通路７４へと連絡した通路をなす通孔５
６、同じく共通に連通して上記ポート５ｅ、通路９５へ
と連絡した通路を成す通孔５７及び同じく共通に連通し
て上記ポート５ｂ、通路９０へと連絡した通路を成す通
孔５８が形成されている。通孔５６による通路は、上記
水タンク４からの水を電解液として各セルに灌漑するマ
ニホールドを構成しており、該通孔５６による通路の電
解液は、陽極側の給電体５２ａに供給される。通孔５７
による通路は、水電解の過程で陽極側の給電体５２ａに
供給された水及び陽極側の給電体５２ａに発生する酸素
ガスを水タンク４に帰還させるものである。通孔５８に
よる通路は、陰極側の給電体５２ａに発生する水素ガス
をポート５ｂ、通路９０に導くものである。

【００１９】水素発生器５は、図９に示した構成によ
り、陽極端子板５３及び陰極端子板５４に電圧が印加さ
れることにより、プロトン伝導膜５１ａの陽極側におい
て水電解が起こり、陽極側において酸素ガスが発生し、
陰極側において水素ガスと水が発生する。水素ガスは前
述した様に通孔５８による通路を介してポート５ｂ、通
路９０に導出され、水素タンク１に送給される。また酸
素ガスと電解液である水は、前述した様に通孔５７によ
る通路を介してポート５ｅ、通路９５に導出され、水タ
ンク４に帰還される。

【００２０】さて図１０は内燃機関の排気ガスを排出す
る排気管８の要部を示す。図１０に示す様に、排気管８
には排気ガス浄化用の触媒８５が保持されており、触媒
８５の上流には水素ガス放出用のノズル８６、ノズル８
６に対面した点火栓８７が装備されている。ノズル８６
は前記した通路８０に連通している。ところで、図２は
上記装置の動作を示すタイミングチャートである。図２
において、（ａ）は内燃機関を始動させるイグニッショ
ンスイッチの情報信号を示し、（ｂ）はフロートスイッ
チ６０の情報信号を示し、（ｃ）は圧力スイッチ７１の
出力する情報信号を示し、（ｄ）は電磁弁７２の動作タ
イミングを示し、（ｅ）は点火栓８７への点火信号を示
し、（ｆ）はポンプ７６の動作タイミングを示し、
（ｇ）は水素発生器５の動作タイミングを示し、（ｈ）
はフロートスイッチ３５の動作タイミングを示し、
（ｉ）は電磁弁７８の動作タイミングをそれぞれ示す。

【００２１】内燃機関の始動時において、イグニッショ
ンスイッチがＯＮされると、電磁弁７２を駆動する信号
（ｄ）がロウレベルからハイレベルに変化する（時刻ｔ
１）。これによって電磁弁７２が開かれ、水素タンク１
のガス放出口１１が開放される。ここで、水素タンク１
内の水素ガスは前述した様に高圧とされているので、ガ
ス放出口１１が開放されると、水素タンク１内の水素ガ
スの圧力が気水分離室３１の圧力に打ち勝って、水素タ
ンク１内の水を泡状にして、即ち、水素ガスと水との混
合物は勢いよくガス放出口１１より通路７０に放出さ
れ、気液分離装置３の入口ポート３ａに至る。そして、
気液分離装置３で混合物が前述した様に気液分離され、
水素ガスは、ラビリンス部３７のラビリンス通路を通っ
て通路８０に導かれ、更に、ノズル８６から排気管８の
点火栓８７側に送られる。また、気液分離の結果、気液
分離室３１の底に所定量の水が溜まると、フロートスイ
ッチ３５がこれを検知し、フロートスイッチ３５の信号
（ｉ）がハイレベルになり、電磁弁７８の信号（ｊ）が
ハイレベルになり、電磁弁７８が開き、気液分離室３１
の水を吐出ポート４ａから水タンク４へ放出する。

【００２２】ところで、前述した様に水素タンク１内の
水素ガスの圧力が水とともにガス放出口１１より通路７
０に放出されると、水素タンク１内の水位が低下し、フ
ロートスイッチ６０がこれを検知し、フロートスイッチ
６０がハイレベルからロウレベルになる（時刻ｔ２）。
すると、点火信号（ｅ）がハイレベルに変わり、図示し
ない点火回路が作動して点火栓８７が放電着火されるの
で、排気管８内に送られた水素ガスが酸素とともに燃焼
する。なお、制御装置のタイマー機能により、点火信号
（ｅ）は時刻ｔ２〜ｔ３の間ハイレベルにある。時刻ｔ
２〜ｔ３間は、触媒８５が活性温度域になるまでの必要
時間を考慮して決定される。

【００２３】ここで、内燃機関の始動時の排気ガス中に
は多量のＨＣ物質が含まれている。この点本実施例で
は、点火栓８７の放電着火による水素ガスの燃焼によ
り、ＨＣ物質も燃焼される。更にその燃焼炎で、触媒８
５を強制加熱して早期に活性化させ得、触媒８５の早期
暖機をすることができる。さて、図２に示す時刻ｔ３に
達すると、電磁弁７２を駆動する信号（ｄ）がロウレベ
ルに変化し、電磁弁７２が閉じ、気液分離装置３への水
素タンク１の水素ガスの送りは停止される。

【００２４】また前述した様に水素ガスの放出に伴ない
水素タンク１内の水位が低下しているので、時刻ｔ３か
らポンプ７６が作動し始め、ポンプ７６により水タンク
４内の水が通路７７を介して水素タンク１に送られる。
そして、水素タンク１内に送られた水は、水素タンク１
の底部に溜まり、ガス放出口１１を覆ってガス放出口１
１をシールする。

【００２５】そして、水素タンク１に溜まった水が所定
水位になると、フロートスイッチ６０がこれを検知し、
フロートスイッチ６０の信号（ｂ）がハイレベルになる
（時刻ｔ４）。このとき、水素タンク１へのシール用の
水の補給が完了しており、水を補給せずとも良いので、
ポンプ７６の作動を停止するとともに、水素発生器５に
通電してこれを作動させ水素ガスを発生させる。水素発
生器５で発生した水素ガスは、ポート５ｂ及び通路９０
を介して水素タンク１に送られ、封入室１０内で圧縮ガ
スとして維持される。また、水素発生器５で発生した酸
素ガスは、ポート５ｅ及び通路９５を介して水タンク４
の上部に送られる。

【００２６】さて、水素タンク１の封入室１０内の水素
ガスの圧力が高圧になると、圧力スイッチ７１がこれを
検知し、圧力スイッチ７１の信号（ｃ）がハイレベルに
なり（時刻ｔ５）、水素発生器５を非作動とし、水素ガ
スの発生を停止する。以上説明した様にこの例では、水
素タンク１内の水素ガスがガス放出口１１から放出され
封入室１０内が一旦空となっても、水素発生器５が作動
して水素ガスを水素タンクへ補給するので、水素タンク
１内の水素ガスの圧力が再び高圧になり、ガス放出待機
状態となる。そのため、内燃機関を始動させる次の機会
においても、イグニッションスイッチの起動と共に、水
素タンク１内の水素ガスを直ちに排気管８に送って燃焼
させ得、内燃機関の始動時に多量に発生する排気ガス中
のＨＣ物質を燃焼させ得る。

【００２７】ところで、この例では、水素タンク１内の
水が所定水位である時には、つまりフロートスイッチ６
０の信号がハイレベルである条件を満たした時に、水素
発生器５は作動する。しかし、水素タンク１内の水が所
定水位未満である時には、つまりフロートスイッチ６０
の信号がロウレベルである時には、水素発生器５は作動
しない。換言すれば、水素タンク１のガス放出口１１を
水素タンク１内の水で確実にシールしていない時には、
水素タンク１への水素ガスの送給は、なされない。その
ため、水素タンク１に水素ガスを送る時には、ガス放出
口１１は常に水で覆われており、常にシールされてい
る。よって、水素タンク１内の圧縮状態の水素ガスのシ
ールに有利である。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、水素ガスと液との混合
物が吹出口から気液分離室に送られると、水素ガスと液
とが分離される。従って液体を含まない水素ガスを効果
的に利用できる。この様に気液分離できる本発明は、圧
縮状態の水素ガスが封入された水素タンクのガス放出口
を液で覆っている関係で水素ガスが液とともに供給され
る傾向にある水素ガス供給システムに適用するのに、都
合がよい。また本発明によれば、内燃機関の始動に連動
して吹出口に気液混合物を送るように気液混合物供給手
段を設け、ラビリンス通路の出口を内燃機関の排気系に
連通させれば、気液分離され液体を含まない水素ガスを
排気系に送って効率よく燃焼させることができ、排気ガ
スに多く含まれる有害成分の燃焼に有利である。

【００２９】また本発明装置によれば、内燃機関の始動
に連動して吹出口に気液混合物を送る気液混合物供給手
段を設け、ラビリンス通路の出口を内燃機関の排気系に
連通させれば、気液分離され液体を含まない水素ガスを
排気系に送って効率よく燃焼させることができ、排気ガ
スに多く含まれる有害成分の燃焼に有利である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る一実施例を示す装置の構成図。

【図２】 同装置の動作を示すタイミングチャート。

【図３】 上記実施例に用いた気液分離装置の断面図。

【図４】 図３の要部を示す断面図。

【図５】 図４におけるＤ−Ｄ線にそう断面図。

【図６】 図４におけるＣ−Ｃ線にそう断面図。

【図７】 図４におけるＢ−Ｂ線にそう断面図。

【図８】 図３におけるＡ−Ａ線にそう断面図。

【図９】 上記実施例に用いた水素発生器の主要部の斜
視図。

【図１０】 上記実施例に用いた排気管の要部の概略断
面図。

【符号の説明】

１…水素タンク、１０…封入室、３…気液分離装置、３
１…気液分離室、３７…ラビリンス部、３７２〜３７９
…通路（ラビリンス通路）、５…水素発生器、７２…電
磁弁、７６…ポンプ

フロントページの続き (72)発明者 池川 敦俊 愛知県刈谷市朝日町２丁目１番地 アイ シン精機株式会社内 (72)発明者 松下 宗一 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自 動車株式会社内 (72)発明者 大島 雄次郎 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41 番地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (56)参考文献 特開 昭51−27876（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−71924（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−149714（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−112603（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B01D 19/00 F01N 3/08

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内部に開口する吹出口をもつ気液分離室と
   気液分離室に連設し複数の曲路を備えたラビリンス通路
   をもつラビリンス部とを有する気液分離装置と、液及び高圧の水素ガスが封入される封入室を有する気液
   混合物供給手段と、 液及び水素ガスが混合した気液混合物を気液混合物供給
   手段から気液分離装置の吹出口に供給するように気液混
   合物供給手段を作動させる操作部と、 気液分離装置のラビリンス通路の出口と連通し、且つ、
   気液分離装置のラビリンス通路で気液分離された水素ガ
   スが送られ且つ水素ガス消費側につながる通路とを具備
   することを特徴と する水素ガス供給システム。
2. 【請求項２】気液混合物供給手段は内燃機関の始動に連
   動して吹出口に気液混合物を送り、ラビリンス通路の出
   口は該内燃機関の排気系に連通していることを特徴とす
   る請求項１に記載の水素ガス供給システム。