JP4520876B2 - 高圧ガス供給システム - Google Patents

Description

本発明は、高圧容器に貯蔵した高圧ガスを所定の圧力に減圧する減圧器が設けられた高圧ガス供給システムに関する。

例えば、燃料電池電気自動車では、１回の充填での航続距離を長くできるようにするため、およびシステム構成の単純化を図るために、水素ガスを高圧充填した高圧容器が用いられている。高圧容器内の水素ガスは非常に高圧であり、そのままの圧力では燃料電池に供給することができないため、減圧器を用いて減圧することが一般的に行われている。また、この種の高圧ガス供給システムでは、減圧器の減圧機能が損なわれた場合でも、減圧器の下流側に設けられた圧力センサなどのデバイスに耐圧圧力以上の圧力が作用してデバイスに不具合が生じるのを避けるために、減圧器の下流側に水素ガスを大気中に開放するリリーフ弁が設けられている（例えば、特許文献１参照）。
特公平７−１８３８４号公報（第３頁、第２図）

しかしながら、従来の高圧ガス供給システムでは、リリーフ弁を設けたり、あるいは減圧器の下流側に設けるデバイスを耐圧圧力の高いものに変更すると、重量が増加したり、製造コストが高くなるという問題がある。また、仮にリリーフ弁に不具合が生じた場合には、デバイスが高圧力環境下に曝されることになる。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、重量を増加させることなく製造コストを低く抑えることができ、しかも減圧器の下流側のデバイスを確実に保護できる高圧ガス供給システムを提供することを目的とする。

本発明は、容器主止弁を備えた高圧容器と、前記容器主止弁の下流側に設けられる減圧器と、この減圧器の下流側に設けられる遮断弁とを有する高圧ガス供給システムであって、前記容器主止弁および前記遮断弁は、システム停止時に閉弁するものであり、前記減圧器と前記遮断弁との間には、圧力に曝されるデバイスが設けられており、前記容器主止弁から前記減圧器までの高圧部のガス流路の容積をＶ１とし、前記減圧器から前記遮断弁までの低圧部のガス流路の容積をＶ２としたときに、前記容器主止弁と前記遮断弁との間での平衡圧力が、前記デバイスの耐圧圧力である所定値以下となるように容積Ｖ１と容積Ｖ２の少なくとも一方を設定することを特徴とする。
前記本発明によれば、容積Ｖ１と容積Ｖ２の一方または双方を変更することにより、減圧器の下流側に設けるデバイスの耐圧圧力より低く設定できるようになる。

また、前記デバイスは、低圧フィルタおよび低圧センサであり、前記低圧部のガス流路の容積Ｖ２は、前記減圧器の内部と、前記低圧フィルタの内部と、配管と、前記低圧センサの内部の各体積を加算したものであり、前記高圧部には、高圧センサと高圧フィルタが設けられており、前記高圧部のガス流路の容積Ｖ１は、前記容器主止弁の内部に形成される体積と前記高圧センサおよび前記高圧フィルタの内部の体積とを加算したものであることを特徴とする。

また、前記減圧器の位置を前記容器主止弁に近づけて配置して、Ｖ１が最小となるように設定することが好ましい。これにより、容積Ｖ２も小さく設定できるので、システムをコンパクトに構成できる。

本発明の高圧ガス供給システムによれば、製造コストを低く抑えることができ、しかも減圧器の下流側のデバイスを確実に保護できる。さらに、リリーフ弁を設けたり、耐圧圧力の高いデバイスを設ける必要がないので、重量増加を抑えることができる。

図１は本実施形態の高圧ガス供給システムが搭載される燃料電池電気自動車を示す概略図、図２は本実施形態の高圧ガス供給システムの概略構成図であり、（ａ）は平衡圧力前の状態、（ｂ）は平衡圧力後の状態を示し、図３はデバイスを含む高圧ガス供給システムの一例を示す構成図である。
本実施形態の高圧ガス供給システム１は、例えば、図１に示すように、燃料電池電気自動車Ｖに搭載されるものである。この燃料電池電気自動車Ｖは、燃料電池ＦＣ（図２参照）が収容されるＦＣボックスＦＣＢが乗員席の床下に搭載され、車体前部に走行モータＭが搭載され、高圧容器２が後輪の上方に横置きで搭載されている。

前記燃料電池ＦＣは、固体高分子型であるＰＥＭ型の燃料電池であり、電解質膜がそれぞれ所定の触媒を含むアノード極とカソード極とで挟まれて構成される膜電極構造体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を一対の導電性のセパレータで更に挟んだ単セルを複数枚積層して構成されている。

図２（ａ）に示すように、高圧ガス供給システム１は、高圧容器２と、容器主止弁３と、減圧器１０と、遮断弁２０とを備えて構成されている。高圧容器２は、前記燃料電池ＦＣに供給する水素ガスを、例えば最大で３５ＭＰａ（ゲージ圧）の非常に高い圧力で充填可能なタンクである。容器主止弁３は、高圧容器２に一体に組み込まれるものであり、高圧容器２に充填された水素ガスの供給をオンとオフに切り替え可能な弁である。減圧器１０は、容器主止弁３の下流側に設けられて所定の圧力に減圧する装置である。遮断弁２０は、減圧器１０の下流側に設けられて水素ガスの流れをオンとオフに切り替え可能な弁である。

また、前記した容器主止弁３と減圧器１０との間には、ガス流路Ｒａが形成されている。また、この減圧器１０と遮断弁２０との間には、ガス流路Ｒｂが形成されている。なお、遮断弁２０は、前記した燃料電池ＦＣと配管３０などを介して接続されている。

これにより、高圧容器２から供給された水素ガスは、容器主止弁３、ガス流路Ｒａ、減圧器１０、ガス流路Ｒｂ、遮断弁２０および配管３０を介して、燃料電池ＦＣのアノード極に供給される。また、図示していないが、燃料電池ＦＣのカソード極には、コンプレッサ、冷却器、加湿器などで構成された空気供給装置から空気（酸素）が供給される。燃料電池ＦＣのアノード極に水素が供給され、カソード極に空気が供給されると、水素と酸素との電気化学反応によって発電が行われる。燃料電池ＦＣが発電した電力（発電電流）は、前記走行モータＭや図示しない補機等に供給される。

図２（ａ）に示すように、容器主止弁３と減圧器１０との間が、最も圧力が高い高圧部となり、減圧器１０と遮断弁２０との間が、高圧部よりも圧力が低い低圧部となる。例えば、高圧部における圧力Ｐ１が３５ＭＰａ（ゲージ圧）である場合、低圧部における圧力Ｐ２が１ＭＰａ（ゲージ圧）に設定される。

本実施形態の高圧ガス供給システム１では、容器主止弁３と減圧器１０との間のガス流路Ｒａの容積をＶ１とし、減圧器１０と遮断弁２０との間のガス流路Ｒｂの容積をＶ２としたときに、容器主止弁３と遮断弁２０との間における圧力が平衡圧力Ｐ３（図２（ｂ）参照）となるように設定される。このときの平衡圧力Ｐ３は、減圧器１０と遮断弁２０との間の低圧部に設ける図示しないデバイス（圧力センサ、温度センサ、フィルタ）の耐圧圧力Ｐ４以下となるように設定される。これにより、例えば氷点下以下の低温環境下において燃料電池電気自動車Ｖのイグニッションスイッチをオフにした状態で長期間駐車した場合に減圧器１０のシール性が低温により低下して、高圧部の水素ガスが低圧部に漏れ出たとしても、低圧部に設けられる前記デバイスを確実に保護することができる。したがって、高価なリリーフ弁を設けたり、耐圧圧力がより高い高価な圧力センサ、温度センサ、フィルタを設ける必要がないので、重量を増加させることなく、製造コストを低くできる。

次に、計算式を用いると、以下のように示すことができる。
すなわち、水素ガスの密度ρは、以下の式（１）に示すように、圧力Ｐの関数で表すことができる。

式（１）により、高圧部における水素ガスの密度をρ１とすると、高圧部における圧力Ｐ１との関係は、以下の式（２−１）となる。また、高圧部における水素ガスの質量ｍ１は、以下の式（２−２）となる。

また、同様にして、低圧部における水素ガスの密度をρ２とすると、低圧部における圧力Ｐ２との関係は、以下の式（３−１）となり、低圧部における水素ガスの質量ｍ２は、以下の式（３−２）となる。

よって、平衡後の質量ｍ３は、質量ｍ１と質量ｍ２とを加算することで、以下の式（４−１）となるので、平衡後の水素ガスの密度ρ３は、以下の式（４−２）となる。

一方、前記式（１）より、平衡圧力Ｐ３は、密度ρ３の逆関数として式（５−１）で表すことができる。この式（５−１）に式（４−２）を代入することにより、式（５−２）が得られる。したがって、式（５−２）より得られる値を、低圧部に設ける前記デバイスの耐圧圧力Ｐ４以下に設定すればよいことになる。つまり、容積Ｖ１と容積Ｖ２とを適切に設定することにより、平衡圧力Ｐ３を耐圧圧力Ｐ４以下に設定できるようになる。

[具体的な算出方法]
次に、本実施形態の高圧ガス供給システムにおける容積Ｖ１と容積Ｖ２の具体的な算出方法について、図３を例に挙げて説明する。
図３に示す高圧ガス供給システム１は、図２に示す構成において、低圧部に低圧フィルタＦ２および低圧センサＳ２からなるデバイスを追加した構成である。低圧フィルタＦ２は、ガス流路Ｒｂ内を通るごみなどの異物を取り除くためのフィルタであり、低圧センサＳ２は、低圧部の圧力および温度を検知するためのセンサである。また、高圧部には、高圧容器２内に、容器主止弁３とともに圧力および温度を検出するための高圧センサＳ１および高圧フィルタＦ１が一体に設けられている。なお、以下では、デバイス（低圧フィルタＦ２および低圧センサＳ２）の耐圧圧力Ｐ４を１．５ＭＰａ（ゲージ圧）以下に設定する必要があるものとして説明する。

表１に示すように、平衡前の高圧部では、圧力Ｐ１（ゲージ圧）、容積Ｖ１、密度ρ１で示す値が得られ、平衡前の低圧部では、圧力Ｐ２（ゲージ圧）、容積Ｖ２、密度ρ２で示す値が得られる。さらに詳述すると、このときの圧力Ｐ１は、高圧部での最大値であり、圧力Ｐ２は、低圧部での最大値である。容積Ｖ１は、表２に示すように、容器主止弁３の内部に形成される体積と高圧センサＳ１および高圧フィルタＦ１の内部の体積とを加算して得られたものである。低圧部での容積Ｖ２は、減圧器１０の内部と、低圧フィルタＦ２の内部と、配管Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３（図３参照）と、低圧センサＳ２の内部との各体積を加算して得られたものである。

密度ρ１，ρ２は、以下の式（６−１）より得ることができる。なお、式（６−１）は、水素ガスの温度が０℃の場合に適用される式であり、０℃と異なる場合には式（６−２）を式（６−１）にさらに適用して計算を行う。なお、以下の計算では、高圧部、低圧部、および平衡後のいずれにおいても水素ガスの温度が２７３．１５Ｋ（＝０℃）として計算を行っている。

式（６−１）より、高圧部では、圧力Ｐ１を代入して計算することにより表１に示す密度ρ１が得られ、低圧部では、圧力Ｐ２を代入して計算することにより密度ρ２が得られる。そして、さらに密度ρ１とρ２および容積Ｖ１とＶ２とを式（４−２）に代入することにより、平衡後の水素ガスの密度ρ３（表１参照）が得られる。このとき得られた密度ρ３と式（６−１）とにより、平衡後の平衡圧力Ｐ３が得られる。このときの平衡圧力Ｐ３は、表１に示すように、１．５ＭＰａ（ゲージ圧）となるので、低圧部に設けられたデバイスの耐圧圧力Ｐ４以下に設定することができる。

また、容器主止弁３に減圧器１０をできる限り近づけて配置すること、すなわちガス流路Ｒａ（図２参照）の容積Ｖ１を最小となるように設定することにより、ガス流路Ｒｂ（図２参照）の容積Ｖ２も小さく設定することができるので、高圧ガス供給システム１をコンパクトに構成することができる。

なお、本発明の高圧ガス供給システム１は、燃料電池電気自動車Ｖに限定されるものではなく、その他の車両や航空機、定置式などの燃料電池システム、あるいは水素ガス以外のガスを利用したシステムに適用することができる。

本実施形態の高圧ガス供給システムが搭載される燃料電池電気自動車を示す概略図である。 本実施形態の高圧ガス供給システムの概略構成図である。 デバイスを含む高圧ガス供給システムの一例を示す構成図である。

符号の説明

１ 高圧ガス供給システム
２ 高圧容器
３ 容器主止弁
１０ 減圧器
２０ 遮断弁
Ｐ３ 平衡圧力
Ｒａ，Ｒｂ ガス流路
Ｖ１，Ｖ２ 容積

Claims (3)

1. 容器主止弁を備えた高圧容器と、前記容器主止弁の下流側に設けられる減圧器と、この減圧器の下流側に設けられる遮断弁とを有する高圧ガス供給システムであって、
   前記容器主止弁および前記遮断弁は、システム停止時に閉弁するものであり、
   前記減圧器と前記遮断弁との間には、圧力に曝されるデバイスが設けられており、
   前記容器主止弁から前記減圧器までの高圧部のガス流路の容積をＶ１とし、前記減圧器から前記遮断弁までの低圧部のガス流路の容積をＶ２としたときに、前記容器主止弁と前記遮断弁との間での平衡圧力が、前記デバイスの耐圧圧力である所定値以下となるように容積Ｖ１と容積Ｖ２の少なくとも一方を設定することを特徴とする高圧ガス供給システム。
2. 前記デバイスは、低圧フィルタおよび低圧センサであり、
   前記低圧部のガス流路の容積Ｖ２は、前記減圧器の内部と、前記低圧フィルタの内部と、配管と、前記低圧センサの内部の各体積を加算したものであり、
   前記高圧部には、高圧センサと高圧フィルタが設けられており、
   前記高圧部のガス流路の容積Ｖ１は、前記容器主止弁の内部に形成される体積と前記高圧センサおよび前記高圧フィルタの内部の体積とを加算したものであることを特徴とする請求項１に記載の高圧ガス供給システム。
3. 前記減圧器の位置を前記容器主止弁に近づけて配置して、容積Ｖ１が最小となるように設定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高圧ガス供給システム。

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