JP4281315B2

JP4281315B2 - 燃料流体用継ぎ手

Info

Publication number: JP4281315B2
Application number: JP2002267843A
Authority: JP
Inventors: 康博渡辺
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2001-10-02
Filing date: 2002-09-13
Publication date: 2009-06-17
Anticipated expiration: 2022-09-13
Also published as: CN1248348C; EP1434296A1; KR100962598B1; JP2003187837A; US20040067398A1; WO2003032425A1; EP1434296A4; KR20040034585A; US7082354B2; CN1476648A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、いわゆる水素デリバリーシステムのような燃料電池への燃料流体供給システムにおいて用いられる燃料流体用継ぎ手に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、燃料気体である水素及び酸素（空気）を供給することで発電体において起電力を発生させる装置であり、通常、電解質膜（プロトン伝導体膜）を気体電極で挟んだ構造を有し、所望の起電力を得る構造となっている。このような燃料電池は、電気自動車やハイブリット式車両への応用が期待されており、実用化に向けて開発が進められているが、かかる用途の他、軽量化や小型化が容易であるという利点を活かして、これとは全く異なる新たな用途への応用も検討されている。例えば携帯可能な電気機器において、現状の乾電池や充電式電池に代わる新たな電源としての用途等である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記いずれの用途においても、必要に応じて燃料電池に燃料気体である水素を手軽に安定供給できることが必要であり、いわゆる水素デリバリーシステムの構築が不可欠である。
【０００４】
このような水素デリバリーシステムを構築する場合、燃料流体のサーバ（水素サーバ）と燃料電池間のインターフェースを確保することが重要である。例えば、燃料流体の貯蔵部をカートリッジ化して燃料カートリッジとし、これを介して水素サーバから燃料電池の発電体へと水素を供給するシステムでは、必要充填量や最適ガス流量、燃料カートリッジに用いられている吸蔵体の種類等の情報が不可欠であり、これら情報に応じてサーバ等を適正に制御する必要がある。
【０００５】
また、例えば燃料カートリッジの温度管理等も必要である。吸蔵体による燃料ガス（水素ガス）の吸蔵・放出を利用する場合、通常、吸蔵体は燃料流体の吸蔵時に発熱し、逆に放出時には吸熱するが、これに応じて、温度コントロールを行うことが好ましい。
【０００６】
本発明は、これら種々の要求に応えることを目的に提案されたものである。すなわち、本発明は、各種情報を記憶、表示、伝達する機能を有する新規な燃料ガス用継ぎ手を提供することを目的とする。本発明はまた、温度コントロールが可能な燃料流体用継ぎ手を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明の燃料流体用継ぎ手は、燃料流体流入口及び燃料流体流出口を有し、燃料流体供給サーバと発電体の間に介在される燃料流体用継ぎ手において、燃料流体を吸蔵する吸蔵体が収容された燃料流体貯蔵部を有すると共に、情報の記憶、情報の表示、情報の伝達のうちの少なくとも１以上の機能を有し、記憶、表示、または伝達される情報が、必要充填量情報、充填回数情報、燃料流体流量情報、燃料流体残量情報、吸蔵体種類情報のうちの少なくとも１以上であり、かつ燃料流体供給サーバへの接続回数をメモリに記憶し、燃料流体の充填回数を表示すると共に、燃料流体供給サーバ側の供給圧力を調整するために燃料流体供給サーバに接続回数の情報を伝達することを特徴とするものである。
【０００８】
上記構成を有する本発明の燃料流体用継ぎ手においては、必要充填量情報、充填回数情報、燃料流体流量情報、燃料流体残量情報、吸蔵体種類情報等の各種情報を記憶、表示、伝達することが可能であり、これら情報に基づいて燃料流体供給サーバ等を適正に制御することが可能となる。加えて、燃料流体供給サーバへの接続回数をメモリに記憶し、燃料流体の充填回数を表示すると共に、燃料流体供給サーバへ接続回数の情報が伝達されるので、燃料流体供給サーバ側の供給圧力を調整することができる。
【０００９】
また、本発明の燃料流体用継ぎ手は、上記構成に加えて温度制御機構を有することを特徴とするものである。上記温度制御機構を有することにより、温度コントロールが可能となり、例えば燃料流体貯蔵部の吸蔵体が発熱した場合には速やかに放熱を促すことが可能である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した燃料流体用継ぎ手について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１１】
図１は、燃料流体の一例として水素ガスを水素サーバから燃料電池の発電セルへ供給する水素デリバリーシステムの一例を示すものである。この水素デリバリーシステムにおいては、水素サーバ１から供給される水素を、燃料流体用継ぎ手に相当する水素デリバリー２を介して燃料電池の発電セル３に供給する。
【００１２】
上記水素デリバリー２は、水素ガスを吸蔵・放出する水素吸蔵体を収容した水素カートリッジ２１を備え、連結部２２において水素サーバ１の連結部１１と接続され、水素ガスの授受が行われる。同様に、連結部２３において発電セル３の連結部３１と連結され、水素ガスの授受が行われる。したがって、水素サーバ１から供給される水素ガスは、一度水素デリバリー２の水素カートリッジ２１に吸蔵され、流量を調整しながら発電セル３へと供給される。
【００１３】
ここで特徴的なのは、上記水素デリバリー２が、各種情報を記憶、表示、あるいは伝達する機能を有することである。例えば、本例の水素デリバリー２は、必要充填量情報、充填回数情報、燃料流体流量情報、燃料流体残量情報、吸蔵体種類情報等の情報を記憶することが可能であり、これを表示したり、さらには水素サーバ１側、あるいは燃料電池の発電セル３側へ伝達する機能を有する。
【００１４】
これらの機能を具体的に説明すると、先ず、上記水素デリバリー２は、水素サーバ１と接続される水素ガス流入側及び発電セル３と接続される水素ガス流出側に、それぞれ流量計及び流入量メモリ（あるいは流出量メモリ）からなる流量計測部２４ａ，２４ｂを搭載している。ここで、水素サーバ１から供給される水素ガスの流量は、上記流量計測部２４ａの流量計で計測され、流入量メモリに記憶される。同様に、発電セル３へ供給される水素ガスの流量は、上記流量計測部２４ｂの流量計で計測され、流出量メモリに記憶される。そして、これら流入量メモリと流出量メモリとから水素カートリッジ２１における水素残量が算出され、残量表示部２５に表示される。
【００１５】
上記残量が算出されれば、上記水素カートリッジ２１への必要充填量を計算することができる。上記水素デリバリー２は、水素サーバ１へ情報を伝達するための情報伝達部２６ａ及び発電セル３へ情報を伝達するための情報伝達部２６ｂを有するが、この必要充填量情報は、情報伝達部２６ａを介して水素サーバ１へと伝達され、水素カートリッジ２１への水素充填量が制御される。
【００１６】
上記水素デリバリー２は、上記必要充填量情報の他、水素ガスの充填回数の表示や伝達も可能である。この充填回数情報は、水素デリバリー２の水素サーバ１への接続回数、あるいは上記流量計の動作回数によりカウントすることができる。例えば、水素デリバリー２が水素サーバ１に接続された時に接点の接続回数を電気的、あるいは機械的にカウントし、充填回数メモリ２７において記憶する。この記憶された充填回数情報は、充填回数表示部２８において表示されるとともに、水素サーバ１から水素デリバリー２に水素ガスを供給し吸蔵させる時に、上記情報伝達部２６ａを介して水素サーバ１側へと伝達される。水素サーバ１は、この伝達された充填回数情報に基づいて供給圧力等を適正な値に調整する。水素カートリッジ２１に収容される吸蔵体は、一般的に、吸蔵・放出を繰り返すうちに水素吸蔵能がある程度劣化する。このような場合、劣化の程度に応じて最適供給圧を設定することが望ましく、上記充填回数情報に基づく供給圧力の調整は有効である。
【００１７】
なお、上記水素カートリッジ２１を交換した場合には、上記充填回数情報はリセットされ、新たにカウントされる。この充填回数情報のリセットは、例えば水素カートリッジ２１を水素デリバリー２から取り外した時にこれを検知し、充填回数メモリ２７に記憶された充填回数をリセットすればよい。
【００１８】
上記水素デリバリー２は、上記の他、水素カートリッジ２１に収容される吸蔵体の種類を記憶、表示し、水素サーバ１等へ伝達する機能も有する。水素カートリッジ２１に収容される水素吸蔵体の種類が異なると、最適供給圧や充填可能容量等が異なることが多く、したがって、吸蔵体の種類に応じて水素サーバ１の供給圧力等を適正に設定することが望ましい。そこで、水素カートリッジ２１に収容される吸蔵体の種類をメモリに記憶しておき、これを吸蔵体種類表示部２９に表示する。また、水素デリバリー２が水素サーバ１と接続された時に、吸蔵体種類情報を上記情報伝達部２６ａを介して水素サーバ１側に伝達し、これに応じて水素サーバ１の供給圧や充填容量等を調整する。このとき、上記吸蔵体の種類は、吸蔵体を水素カートリッジ２１に入れた時点でメモリに入力すればよい。
【００１９】
以上は、主に水素デリバリー２側の情報の記憶、表示、伝達に関するものであるが、例えば燃料電池の発電セル３側の情報を水素デリバリー２側に伝達し、これに基づいて水素デリバリー２を制御するようにすることも可能である。具体的には、発電セル３からの必要流量情報に基づき、水素デリバリー２からの供給ガス流量を調整する。
【００２０】
図２は、水素デリバリー２及び発電セル３間におけるガス流量調整機構を示すものである。水素デリバリー２から燃料電池の発電セル３への水素ガスの供給は、水素デリバリー２に設けられた連結部２３と発電セル３の連結部３１とを連結することによって行われる。水素デリバリー２の連結部２３は、発電セル３の連結部３１に挿入されることによって流路が連通されており、Ｏ−リング３３によって密閉状態が保たれている。発電セル３の連結部３１の中心には、ガス流量情報ピン３４が設けられており、その先端が水素デリバリー２の連結部２３の開口部２３ａに挿入された形になっている。したがって、水素デリバリー２からの水素ガスは、水素デリバリー２の開口部２３ａを通り、当該開口部２３ａとガス流量情報ピン３４の間隙を通って、発電セル３側の連結部３１に設けられたガス導入孔３５から発電セル３へと供給される。
【００２１】
このとき、上記ガス流量情報ピン３４の先端形状が先細り形状とされており、この発電セル３側のガス流量情報ピン３４の長さによって水素デリバリー２側のニードル（開口部２３ａ）の絞り量を決定するような構造とされている。例えば、発電セル３側のガス流量情報ピン３４の長さが長くなれば、水素デリバリー２側の開口部２３ａとの間隔が小さくなり、水素ガスの流量が少なくなる。逆に、発電セル３側のガス流量情報ピン３４の長さが短くなれば、水素デリバリー２側の開口部２３ａとの間隔が大きくなり、水素ガスの流量が多くなる。したがって、発電セル３の適正流量に応じて上記ガス流量情報ピン３４の長さを決定しておけば、水素デリバリー２と発電セル３とを連結したときに、自ずと最適流量に設定されることになる。
【００２２】
本例の水素デリバリー２には、上述の情報記憶、情報表示、情報伝達の機能の他、内部温度を検出し制御する温度制御機構を備えている。以下、この温度制御機構について説明する。
【００２３】
上記温度制御機構は、例えば、水素デリバリー２内部の温度を検出し、バイメタルや形状記憶合金等を用い、放熱板の角度や間隔の調整により温度コントロールを行うものである。図３は、形状記憶合金のコイルを用いた温度制御機構の一例を示すものである。本例では、温度が上昇したときに伸び（間隔が開き）、冷却されたときに縮む（間隔が狭まる）ように形状記憶させた形状記憶合金製のコイルバネ４１に１ターン毎に多数の冷却フィン（放熱板）４２を取り付け、温度コントロールを行うような構造を採用している。
【００２４】
この温度制御機構では、温度が低い状態では、図３（Ａ）に示すように、コイルバネ４１は縮んだ状態を保ち、各冷却フィン４２は互いに密接して、いわば閉じた状態となっている。この状態では放熱効率が悪く、放熱効果は少ない。これに対して、水素デリバリー２の温度が上昇すると、図３（Ｂ）に示すように、形状記憶合金製のコイルバネ４１が開き、コイルバネ４１の１ターン毎に取り付けられた冷却フィン４２同士の間隔が開き、実質的な放熱面積が増大する。これによって放熱効果が増し、水素デリバリー２の温度を下げる方向に機能する。
【００２５】
なお、上記の構造を採用した場合、水素デリバリー２の温度が低すぎる場合の温度制御が難しい。そこで、そのような場合には、発電セル３の発熱を利用して、温度コントロールを行えばよく、上記放熱機構と組み合わせることで、広い温度範囲での温度制御が可能となる。
【００２６】
また、温度制御機構の構成としては、これに限らず、例えばペルチェ素子に電流を流すことで温度制御を行うことも可能である。図４は、ペルチェ素子を利用した温度制御機構の一例を示すものである。すなわち、この温度制御機構では、水素デリバリー２の表面にペルチェ素子を組み込んだペルチェモジュール４３を貼り付け、ペルチェ素子に流す電流を制御する電流制御部４４を接続しておく。また、水素デリバリー２の表面には、温度センサ４５を併せて貼り付けておく。そして、温度センサ４５からの温度情報に応じて、ペルチェ素子に所定の向きの電流を流し、冷却または加熱を行う。ペルチェ素子は、流す電流の方向によって冷却と加熱が切り替わる。そこで、水素デリバリー２の温度が高い場合には、これを冷却するように所定の方向に電流を流す。水素デリバリー２の温度が低い場合には、逆方向に電流を流し、水素デリバリー２を加熱する。
【００２７】
次に、燃料充填器（水素サーバ１）からカートリッジ（水素デリバリー２）へ水素ガスを充填する場合のシーケンス例について説明する。本例は、水素吸蔵体を収容した携帯型の水素カートリッジ（水素デリバリー２）に高圧水素タンクを持つ燃料充填器（水素サーバ１）から水素を充填する場合の例である。
【００２８】
先ず、水素サーバ１側は、下記のような制御パラメータと管理アイテムを有する。
・水素デリバリー２に使用されている吸蔵体の種類毎の充填圧力、充填容量、充填時の許容最高温度等
・水素デリバリー２の容量と充填ガス量の最大値
・効率的な充填を行うための充填量と時間との関係曲線
【００２９】
一方、水素デリバリー２側は、水素サーバ１に関する下記の情報を有する。
・使われている吸蔵体の種類
・水素カートリッジ２１の最大容量
・周囲温度
・水素カートリッジ２１内の温度
【００３０】
水素デリバリー２を水素サーバ１に接続し、水素ガスの充填を行う際には、水素サーバ１に水素デリバリー２を接続し、充填を開始する。このとき、先ず、水素サーバ１から水素デリバリー２側に対して接続確認信号を送信する。ここで水素デリバリー２側から接続確認信号の返信が無ければ、アラームを発して水素ガスの充填を中止する。水素デリバリー２側から接続確認信号が来た場合には、水素デリバリー２の水素カートリッジ２１の仕様、例えば吸蔵体の種類や容量等を確認する。水素デリバリー２側は、水素サーバ１に対して前記仕様の情報を送信する。水素サーバ１は、水素デリバリー２から送られた情報と予め用意された各種パラメータを基にして、充填圧力、許容充填量等を計算し、充填のための制御を決定する。
【００３１】
次いで、水素サーバ１は水素デリバリー２側に充填開始のメッセージを送信し、水素デリバリー２は水素サーバ１に充填開始の確認メッセージを送信する。これにより、先に定めた充填制御方法に従い水素ガスの充填を開始する。水素ガス充填中、水素サーバ１は水素デリバリー２に対して、適当な時間間隔で水素カートリッジ２１内外の温度や圧力等を問い合わせる。そして、充填中に異常な温度上昇や圧力変化があった場合には、直ちに充填を中止する。
【００３２】
全てのシーケンスが終了した時点で、水素サーバ1は水素デリバリー２側に充填終了メッセージを送信する。水素デリバリー２は、水素サーバ１側に充填終了確認のメッセージを送信する。これにより水素サーバ１は、バルブや圧力調整弁等をクローズする。水素デリバリー２側も同様にクローズし、それを水素サーバ１側に返信する。水素ガスの充填全工程が終了したことを確認した後、水素カートリッジ取り外し可能であることを知らせる。以上が水素デリバリー２（水素カートリッジ２１）への充填シーケンスの例である。
【００３３】
なお、上記において、水素サーバ１と水素デリバリー２の間の通信は、例えば連結部の水素ガス流路を利用して光の通信によって行う。図５は、光の通信によって情報の授受を行うようにした場合の水素サーバ及び水素デリバリーの構成例を示すものである。
【００３４】
図５に示すように、水素サーバ５１は、水素タンク５２を備えるとともに、この水素タンク５２の圧力を調整する圧力調整機構５３及びバルブ５４を備え、これらを入出力回路５５によって制御するような構成を有している。この入出力回路５５には、圧力センサ５６及び温度センサ５７の情報が入力されるとともに、水素デリバリーとの間の情報の授受を行う受光部５８からの信号が増幅回路５９及び復調回路６０を介して入力されるようになっている。また、逆に入出力回路５５からの信号が、変調回路６２及び増幅回路６１を経て、発光部６３へと出力されるようになっている。
【００３５】
上記水素サーバ５１は、固定情報としてタンク容量、許容最大圧力、吸蔵体の種類、過去の使用回数等を持ち、さらには、接続の有無の判断、センサ読み込み、固定情報の処理、残量の計算、充填条件の計算、充填時間の算出等の演算処理機能を有する。
【００３６】
一方、水素デリバリー７１も、通信のための受光部７２及び発光部７３を備え、水素ガスの流路である燃料受け渡し管７４を介して光による情報の伝達が可能である。したがって、上記充填シーケンスにおける情報の伝達は、上記水素サーバ５１の受光部５８及び発光部６３と、この水素デリバリー７１の受光部７２及び発光部７３間での信号のやり取りによって行われる。
【００３７】
最後に、燃料電池の発電セル３の基本的な構成及び起電力が発生するメカニズムについて説明する。燃料電池の発電セルは、例えば図６、図７に示すように、燃料気体である水素が接する燃料極８１と、同じく空気（酸素）が接する空気極８２とを電解質８３を介して重ね合わせてなるものであり、その両側を集電体８４で挟み込むことにより構成されている。集電体８４は、集電性能が高く酸化水蒸気雰囲気下でも安定な緻密質のグラファイトなどからなり、燃料極８１と対向する面には水素が供給される水平方向の溝８４ａが、空気極８２と対向する面には空気が供給される垂直方向の溝８４ｂが形成されている。
【００３８】
上記燃料極８１や空気極８２は、図７に示すように、電解質８３を挟んで形成されており、それぞれガス拡散電極８１ａ，８２ａと触媒層８１ｂ，８２ｂとからなる。ここで、ガス拡散電極８１ａ，８２ａは、多孔質材料などからなり、触媒層８１ｂ，８２ｂは、例えば白金などの電極触媒を担持させたカーボン粒子と電解質の混合物からなる。
【００３９】
燃料電池は、以上を基本単位（燃料電池セル）として、例えばこれを複数積層したスタック構造を有しており、これら複数の燃料電池セルが直列接続されることにより所定の電圧を得るような構成となっている。
【００４０】
上記構成の燃料電池においては、水素ガスを上記燃料極８１と接するように集電体８４に形成された溝８４ａ内に流入させるとともに、空気（酸素）を上記空気極８２と接するように溝８４ｂ内に流入させると、燃料極８１側では反応式
Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
で示される反応が起こるとともに、空気極８２側では反応式
１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ＋反応熱Ｑ
で示される反応が起こり、全体では
Ｈ_２＋１／２Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ
で示される反応が起こることになる。すなわち、燃料極８１にて水素が電子を放出してプロトン化し、電解質８３を通って空気極８２側に移動し、空気極８２にて電子の供給を受けて酸素と反応する。かかる電気化学反応に基いて起電力が得られる。
【００４１】
なお、上述の実施の形態において、燃料としては水素ガスに限らず、液化水素、メタン、エタン、プロパン、イソブタン、ｎ―ブタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン、メタノール、その他の燃料を用いることが可能である。
【００４２】
【発明の効果】
以上の説明からも明らかなように、本発明の燃料流体用継ぎ手によれば、各種情報を記憶、表示、伝達することが可能であり、これら情報に基づいて燃料流体供給サーバ等を適正に制御することが可能である。また、本発明の燃料流体用継ぎ手は、温度コントロールが可能であり、例えば燃料流体貯蔵部の吸蔵体が発熱した場合には速やかに放熱を促すことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した燃料流体用継ぎ手（水素デリバリー）を用いた水素デリバリーシステムの一例を示す模式図である。
【図２】ガス流量調整機構の一例を示す要部概略断面図である。
【図３】形状記憶合金を用いた温度調整機構の一例を示す模式図であり、（Ａ）はコイルバネが縮んだ状態を示し、（Ｂ）はコイルバネが開いた状態を示す。
【図４】ペルチェ素子を用いた温度調整機構の一例を示す模式図である。
【図５】光による情報伝達機構の一例を示すブロック図である。
【図６】燃料電池の基本的な構造例を示す分解斜視図である。
【図７】燃料電池の電極の構成例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１水素サーバ、２水素デリバリー、３発電セル、２１水素カートリッジ、２２，２３連結部、２５残量表示部、２６ａ，２６ｂ情報伝達部、２８充填回数表示部、２９吸蔵体種類表示部、４１コイルバネ、４２冷却フィン、４３ペルチェモジュール、４４電流制御部、４５温度センサ

Claims

燃料流体流入口及び燃料流体流出口を有し、燃料流体供給サーバと発電体の間に介在される燃料流体用継ぎ手において、
燃料流体を吸蔵する吸蔵体が収容された燃料流体貯蔵部を有すると共に、情報の記憶、情報の表示、情報の伝達のうちの少なくとも１以上の機能を有し、前記記憶、表示、または伝達される情報が、必要充填量情報、充填回数情報、燃料流体流量情報、燃料流体残量情報、吸蔵体種類情報のうちの少なくとも１以上であり、かつ前記燃料流体供給サーバへの接続回数をメモリに記憶し、燃料流体の充填回数を表示すると共に、前記燃料流体供給サーバ側の供給圧力を調整するために前記燃料流体供給サーバに上記接続回数の情報を伝達する
ことを特徴とする燃料流体用継ぎ手。
上記燃料流体貯蔵部の脱着により上記メモリに記憶された接続回数がリセットされることを特徴とする請求項１記載の燃料流体用継ぎ手。
温度制御機構を有し、上記温度制御機構は、放熱板の間隔または角度を調整することにより温度制御を行う構造を有することを特徴とする請求項１記載の燃料流体用継ぎ手。
上記放熱板の間隔または角度の調整は、バイメタルまたは形状記憶合金により行うことを特徴とする請求項３記載の燃料流体用継ぎ手。
上記温度制御機構は、形状記憶合金からなるコイルバネに放熱板を取り付けた構造を有することを特徴とする請求項４記載の燃料流体用継ぎ手。