JP4784705B2

JP4784705B2 - 高圧流体供給装置

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Publication number: JP4784705B2
Application number: JP2010546527A
Authority: JP
Inventors: 尽生石戸谷
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-01-19
Filing date: 2009-01-19
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2029-01-19
Also published as: CN102265083A; DE112009004397T5; CN102265083B; US20110269045A1; DE112009004397B4; JPWO2010082348A1; US8642225B2; WO2010082348A1; DE112009004397T8; DE112009004397B8

Description

本発明は、高圧流体供給装置に関するものである。

高圧ガスタンク等の高圧流体供給源に貯蔵された流体を、高圧配管通じて供給を受け利用するシステムとして、例えば、燃料電池システムがある。燃料電池システムにおいては、燃料ガスとしての水素ガスや天然ガスが高圧で充填された高圧ガスタンクから、高圧配管を通じて燃料電池に燃料ガスを供給する。配管内には複数の弁装置が設けられ、燃料ガスの供給圧力（供給量）が段階的に調整できるようになっている。

このような燃料電池システムでは、燃料ガスとして水素等を用いているので取り扱いについては安全性を十分に考慮する必要があり、とりわけ、燃料ガスの供給過程におけるガス漏れを防止する必要がある。例えば特許文献１では、高圧タンクのシール部材に温度調整手段を設けてシール部材の性能低下を抑制することが提案されている。
特開２００８−８３７８号公報

しかしながら、燃料ガスの供給過程でのガス漏れは、高圧タンク内部のみならず、配管内部でも起こりうる。例えば、配管の継ぎ手部分等には、弾性材料のシール部材が用いられ、このシール部材が配管内部の圧力変動に追従して変形することで、継ぎ手部分からのガス漏れを防止するようになっているが、このシール部材が温度の影響を受けて性能が低下することがあり、そのような場合に、配管内部が急加圧、急減圧がされると、シール部材の変形追従に時間がかかり、結果として配管の継ぎ手部分からガス漏れが発生しまう。

そこで、本発明は、上記従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、配管内部に設けられたシール部材の性能低下によるガス漏れを抑制する高圧流体供給装置を提供することを目的とする。

本発明においては、上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、高圧流体供給源からの流体を、第１の弁装置と第２の弁装置とを介して、流体利用装置に供給する配管と、前記第１、第２の弁装置間の配管部分の密封性を保つために、該配管部分に配置された弾性体材料からなるシール部材と、前記第１、第２の弁装置の開閉を制御することで、前記配管部分における前記流体の圧力変動速度を調整可能な制御部と、を備えた高圧流体供給装置であって、前記制御部は、前記シール部材の温度に応じて前記圧力変動速度を調整するようになっている。

この構成によれば、温度により変化するシール部材の変形性能に合わせて、配管部分の圧力変動速度を調整することができるので、シール部材の変形遅れによる配管部分のガス漏れを抑制することができる。

尚、本明細書においては、「シール部材の温度」には、シール部材の直接の測定温度のみならず、シール部材近傍の温度、配管部分を流れる流体の温度、流体利用装置の温度、流体供給装置の外部の外気温度等の測定値等から推定される、シール部材の推定温度も含む。

また、本明細書において、「弾性体材料」とは、金属等に比べて弾性の大きい材料を示し、典型的には、ゴム、シリコン等を示す。また、「高圧」とは、定量的には、例えば１ＭＰａ以上の圧力を示す。

また、上記構成において、前記制御部は、前記シール部材の温度が所定温度より低い場合には、該温度が所定温度よりも高い場合に比べて、前記圧力変動速度を小さくするようにしてもよい。

この構成によれば、シール部材の変形性能が低下する低温環境下ほど圧力変動速度が小さくなるので、より確実に配管部分のガス漏れを防止することができ、また一方で変形性能が低下しない環境下では圧力変動速度を小さくしなくてもよいので、所望の圧力までの到達時間の短縮を図ることができる。

また、上記構成において、前記制御部は、前記配管部分における流体の圧力を増加させる場合に、前記圧力変動速度を調整するようにしてもよい。

配管部分の流体の圧力が増加する場合に、シール部材の変形遅れによるガス漏れが起きるので、上記構成がとりわけ有用である。

また、上記構成において、前記制御部は、前記配管部分における流体の圧力を減少させる場合に、前記圧力変動速度を調整するようにしてもよい。

配管部分の圧力が減少する際にシール部材の変形が遅れると、減圧後におけるシール部材の位置が適正位置に戻らない不具合を生じることがあるが、上記構成により減圧時におけるシール部材の変形遅れが抑制されるので、このような不具合を防止できる。

また、上記構成において、前記配管部分は、前記第１の弁装置に接続する第１の配管部分と、前記第２の弁装置に接続する第２の配管部分と、該第１の配管部分と該第２の配管部分とを接続する継手部分とから構成されており、前記シール部材は、前記継手部分と前記第１の配管部分との間の第１の溝及び前記継手部分と前記第２の配管部分との間の第２の溝のそれぞれに設けられたＯリングまたはガスケットであるようにしてもよい。

上記構成により、第１、第２の配管部分と継手部分との間の第１、第２の溝に設けられたＯリングまたはガスケットの変形遅れを防止することができ、ガス漏れが生じる可能性の高い配管同士の継ぎ手部分におけるガス漏れを抑制することができる。

また、前記流体は燃料ガスであり、前記流体利用装置は燃料電池であるようにしてもよい。

上記構成により、燃料電池システムの配管におけるシール部材の性能低下によるガス漏れを防止することができる。

本発明によれば、配管内部に設けられたシール部材の性能低下によるガス漏れを抑制する高圧流体供給装置を提供することができる。

本実施の形態に係る高圧流体供給装置の模式図本実施の形態に係る車両に搭載した高圧流体供給装置の模式図本実施の形態に係る配管部分と継手部分とのシール構造を模式的に示す断面図従来例に係る低温時におけるガス漏れを説明するための模式図本実施の形態に係る常温時の圧力変動速度制御を示す図本実施の形態に係る低温時の圧力変動速度制御を示す図

符号の説明

１……流体供給装置、２……高圧ガスタンク（高圧流体供給源）、３……配管、４……ガス消費装置（流体利用装置）、５……制御部、６……温度センサ、７……圧力センサ、１０……第１のガス供給弁（第１の弁装置）、２０……第２のガス供給弁（第２の弁装置）、３０……配管部分、３１０……第１の配管部分、３２０……第２の配管部分、４０……継手部分、４１……本体、４１０……中空部、４１２……溝部、４２、４３、４４、４５……固定治具、５０……シール部材、１００……車両

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る流体供給装置について説明する。尚、各図面において、同一の部品には同一の符号を付している。

（高圧流体供給装置の構成）
はじめに、図１を参照して、本発明の実施の形態に係る高圧流体供給装置の概要を説明する。ここで、図１は、本実施の形態に係る高圧流体供給装置１の模式図である。

図１に示すように、高圧流体供給装置１は、高圧ガスタンク２（高圧流体供給源）、配管３、ガス消費装置４（流体利用装置）、制御部５を備えている。

高圧ガスタンク２は、例えば、高圧に圧縮された燃料ガスとしての天然ガスや水素ガス等を貯留する容器であり、内部圧力は、最大量充填時には例えば７０ＭＰａである。高圧ガスタンク２に貯留された燃料ガスは、配管３を通じて、ガス消費装置４に供給可能になっている。

配管３は、高圧ガスタンク２の側（以下「上流側」という）に第１のガス供給弁１０（第１の弁装置）を備え、ガス消費装置４の側（以下、「下流側」という）に第２のガス供給弁２０（第２の弁装置）を備えるとともに、これら供給弁の間に、配管部分３０を備えている。第１のガス供給弁１０、第２のガス供給弁２０としては、機械式の減圧弁や電磁駆動式の調圧弁（インジェクタ）等を採用することができる。

配管部分３０は、上流側に配置され第１のガス供給弁１０に接続する第１の配管部分３１０と、下流側に配置され第２のガス供給弁２０に接続する第２の配管部分３２０との２つの物理的に分離した配管を備えており、これら第１の配管部分３１０と、第２の配管部分３２０とが、継手部分４０により接続されている。継手部分４０と、各配管部分３１０、３２０との間には、弾性体材料からなるシール部材（図示せず）がそれぞれ配置されており、これらシール部材により、配管部分３０の密封性を保つようになっている。この配管部分３０のシール構造については、詳細は後述する。尚、配管部分３０には、温度センサ６、圧力センサ７が備えられており、これらセンサによる配管部分３０の温度及び内部圧力の測定値は、制御部５に入力されるようになっている。

ガス消費装置４は、配管３を通じて高圧ガスタンク２から供給される燃料ガスを消費する装置であり、本実施の形態では、例えば、燃料電池（ＦＣ）である。燃料電池は、燃料ガス及び酸化ガス（反応ガス）の供給を受けて発電する単電池を所要数積層して構成したスタック構造を有している。

制御部５は、高圧流体供給装置１の各種動作を制御する。例えば、ガス消費装置４における要求発電量に基づいて、高圧ガスタンク２からガス消費装置４への燃料ガスの供給量を制御するために、第１、第２のガス供給弁１０、２０の開閉を制御したり、また例えば、ガス消費装置４の発電開始時や発電終了後等に高圧ガスタンク２や配管３のガス漏れ検出を行ったりする。制御部５は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで実行することにより、各種制御動作が実現されるようになっている。

なお、本発明の実施の形態に係る高圧流体供給装置１は、高圧ガスを利用する様々なシステムに利用可能であり、例えば、図２に示すような車両１００に搭載する燃料電池システムとして構成することができる。

（配管部分のシール構造）
次に、図３を用いて配管部分３０のシール構造について説明する。ここで、図３は、本実施の形態に係る第１、第２配管部分と継手部分とのシール構造を模式的に示す断面図である。

図３に示すように、継手部分４０の本体４１は、内部に、第１、第２の配管部分３１０、３２０の径と同じ径の中空部４１０を有しており、第１の配管部分３１０から流れる燃料ガスが、中空部４１０を通り、第２の配管部分３２０へと流れるようになっている。この際、第１、第２の配管部分３１０、３２０と継手部分４０との接続部分（以下、単に「接続部分」ともいう）は、Ｏリング５０によりシールされ、ガスの漏れが防止されるようになっている。

第１、第２の配管部分３１０、３２０と、継手部分４０は、長手方向を軸とする軸対象構造となっている。より具体的には、第１の配管部分３１０は、固定治具４２、４３を用いて、継手部分４０の本体４１の上流側に固定されている。ここで、第１の配管部分３１０の下流側の端部はフランジ状となっており、本体４１の上流側の端部と当接している。本体４１の上流側の当接部には、溝部４１２が形成され、溝部４１２には、弾性体材料からなるＯリング５０が所定の圧縮率（例えば３０％）を与えられて装着されている。

継手部分４０と第２の配管部分との接続構造も同様である。すなわち、第２の配管部分３２０は、固定治具４４、４５を用いて、継手部分４０の本体４１の下流側に固定されている。ここで、第２の配管部分３２０の上流側の端部はフランジ状となっており本体４１の下流側の端部と当接している。本体４１の下流側の当接部には、溝部４１２が形成され、溝部４１２には、弾性体材料からなるＯリング５０が所定の圧縮率（例えば３０％）を与えられて装着されている。

ここで、Ｏリング５０の材料としては、例えば、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、ブチルゴム（ＩＩＲ）、エチレンプロピレムゴム（ＥＰＤＭ）、フッ素樹脂（ＰＥＦＥ）、シリコン等からなり、低温時における形状復元性の高い材料から選択可能である。尚、第１、第２の配管部分３１０、３２０、継手部分４０、固定治具４３乃至４５等の材料には、高圧（例えば７０ＭＰａ）の流体を流すのに十分な強度（剛性）を備えていれば特に限定はなく、例えば金属材料が用いられる。
（配管部分の燃料ガス圧力変動速度制御）

本実施の形態においては、Ｏリングが低温環境下にあり、Ｏリング５０の圧力変化に対する変形性能（以下「変形性能」ともいう）が低下していると判断した場合には、通常温度環境下に比べて配管部分３０の内部を流通する燃料ガスの圧力変動を小さく抑えるようにしている。以下、図４乃至６を用いて詳細に説明する。

まず、図４を用いて、何故このような制御が必要であるかについて説明する。ここで、図４は、従来例に係る低温時のガス漏れを説明するための模式図であり、左側図は、（Ａ）常温時及び（Ｂ）低温じそれぞれの場合について、燃料ガスの圧力（ガス圧）及びＯリング５０の面圧（シール面圧）の時間変動を示しており、右側図は、これら常温時、低温時それぞれの場合において、加圧前、急加圧中、加圧後のＯリング５０の状態を模式的に示している。

常温時においては、加圧前はＯリング５０の装着時の圧縮により例えば５Ｍｐａ程度のシール面圧が接続部分にかかり、これにより接続部分が密封されている（ａ１）。この状態で、配管部分３０を急加圧する、具体的には、制御部５が、高圧ガスタンク２の主止弁を開いた状態で、第１のガス供給弁１０を開き、第２のガス供給弁２０を閉じると、増加した圧力によりＯリング５０は、溝部４１２の片側に押しやられて、Ｏ形が変形し、Ｄ形になることでシール面圧がガス圧と同様に増加していく（ａ２）。これにより、シール面圧がガス圧よりも高い状態が維持される。この状態は、時間ｔ_１（ここでは０．１ｍｓ）において目標圧力（ここでは７０ＭＰａ）に達し、制御部５が第１のガス供給弁１０を閉じるまで維持される（ａ３）。すなわち、急激な加圧によっても、常温時においてはＯリング５０の変形遅れが生じず、シール面圧が常にガス圧よりも高い状態を維持されるので、接続部分からのガス漏れ（リーク）は生じない。

これに対し、低温時にはガス漏れが発生してしまう。これは、(1)低温時は、加圧前の段階（ｂ１）からＯリング５０の硬化によりシール面圧がそもそも低くなっている(例えば３ＭＰａ程度）ことと、(2)急加圧の際（ｂ２）にＯリングの変形性能低下による変形遅れが生じてしまうこととにより、ガス圧が上記目標圧力（例えば７０ＭＰａ）に達する前に、ガス圧がシール面圧より大きくなる領域（左図（Ｂ）のＡ−Ｂ領域）が生じてしまうからである。

そこで本実施の形態に係る高圧流体供給装置１は、Ｏリング５０の変形性能に問題がないか、より具体的には、Ｏリング５０が通常温度環境下にあるのか低温環境下にあるか否かを判断し、判断結果に応じて、配管部分３０の内部を流通する燃料ガスの圧力変動速度を変化させるようにしている。

より具体的には、制御部５は、急激な配管部分３０の圧力上昇が見込まれる場合において、温度センサ６の燃料ガス温度の測定値から、Ｏリング５０の温度を推定する。そして、制御部５は、このＯリングの５０の温度推定値が、所定温度より高い常温時の場合と、所定温度より低い低温時とで、配管部分３０の圧力上昇速度を変化させる。ここで、所定温度は、Ｏリング５０の変形性能の温度特性（例えば、低温弾性回復試験等から得られる温度特性）や増加圧力目標値等により適宜設定され、例えば、−１０℃等と設定される。

Ｏリングの５０の温度推定値が所定温度より高い場合には、図５に示すように、制御部５は、第１のガス供給弁１０を、ガス圧が目標圧力（ここでは７０ＭＰａ）に達する時間ｔ_１（ここでは０．１ｍｓ）まで開けっぱなしにする（第２のガス供給弁２０は閉弁したままである）。このとき、Ｏリングの５０の変形性能は低下していないので、常にガス圧がシール面圧より高い状態を保つことができる。これにより、配管部分３０のガス漏れを防止しつつ、速やかに目標圧力までガス圧を上昇させることができる。

一方、Ｏリングの５０の温度推定値が所定温度より低い場合には、制御部５は、ガス圧が目標圧力（ここでは７０ＭＰａ）に達する時間ｔ_２を図５の時間ｔ_１場合に比べて長くする（例えば、０．３ｍｓとする）ように、第１のガス供給弁１０の開閉を制御する。具体的には、図６に示すように、第１のガス供給弁１０の一回の開弁時間を短くするとともに、複数インターバルを設けて開閉を繰り返すようにする（第２のガス供給弁２０は閉弁したままである）。これにより、Ｏリング５０の変形性能の低下による変形遅れがあったとしても、ガス圧及びシール面圧は、階段状に増加し、シール面圧がガス圧より高い状態が常に保たれる。これにより、配管部分３０のガス漏れを防止することができる。

（変形例）
以上本発明の実施の形態を示したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において様々な態様での実施が可能である。

上記実施形態においては、Ｏリング５０の温度を推定するために配管部分３０に配置された温度センサ６を用いたが、これに限定されるものではなく、Ｏリング５０の温度を直接測定してもよいし、また、継手部分４０の温度、ガス消費装置４の温度、高圧流体供給装置１の外部の外気温度等から推定するようにしてもよい。

また、上記実施の形態においては、加圧時の圧力変動速度を、常温時と低温時との２段階に分けて変化させているが、これに限られるものではなく、温度が低くなればなるほど加圧時の圧力変動速度を小さくするように、第１のガス供給弁１０の開閉を制御するようにしてもよい。例えば、温度が−２０℃以上の場合は、圧力変動速度を７０ＭＰａ／ｓとし、−２０℃未満−４０℃以上の場合は、５０ＭＰａ／ｓとし、さらに、温度が−４０℃未満の場合は、５ＭＰａ／ｓとするように制御してもよい。これにより、所望の圧力までの到達時間の短縮化と温度低下によるガス漏れ防止の双方を両立させることができる。

また、Ｏリング５０の経時的な低温性能の劣化をさらに考慮して、加圧時の圧力変動速度を変化させてもよい。例えば、Ｏリング５０やガス消費装置４等の使用年数が、５年のときは−３０℃で５０ＭＰａ／ｓとしていたものを、使用年数が１５年のときは、同じ−３０℃で５ＭＰａ／ｓとする等である。

また、圧力の変動が大きいときは、Ｏリング５０の変形遅れの影響が大きくなることに鑑み、加圧時の圧力変動速度を圧力の増加量に応じて変化させてもよい。すなわち、圧力の増加量が大きい（例えば０ＭＰａから７０ＭＰａまで増加させる）ときは圧力変動速度を小さくし、圧力の増加量が小さい（例えば０ＭＰａから１０ＭＰａまで増加させる）ときは、圧力変動速度を大きくするようにしてもよい。

また、上記実施の形態においては、加圧時の圧力変動速度制御について説明したが、これに限られず、減圧時に上記と同様のＯリング５０の温度に基づく圧力変動速度制御を行ってもよい。低温環境下の減圧時にＯリング５０の変形遅れがあると、減圧後においてＯリング５０の位置が適正位置（すなわち、溝部４１２の中心）に戻らない不具合が生じることがあるが、減圧時にもＯリング５０の温度に基づく圧力変動速度制御を行うことで、このような不具合を防止することができる。

また、高圧流体供給装置１の構造も上記説明したものに限定されるものではない。例えば、シール部材としては、Ｏリングに限られるものではなく、ゴムや合成樹脂製のガスケットとしてもよいし、またＯリングを用いると同時に、Ｏリングにバックアップリングを設けるような構成としてもよい。また、第１の配管部分３１０と第２の配管部分３２０とをそれぞれ継手部分４０で接続する構成としているが、例えば、第１の配管部分３１０と第２の配管部分３２０との端部に溝部を設けてシール部材を装着し直接シール接続するようにしてもよい。

Claims

高圧流体供給源からの流体を、第１の弁装置と第２の弁装置とを介して、流体利用装置に供給する配管と、
前記第１、第２の弁装置間の配管部分の密封性を保つために、該配管部分に配置された弾性体材料からなるシール部材と、
前記第１、第２の弁装置の開閉を制御することで、前記配管部分における前記流体の圧力変動速度を調整可能な制御部と、を備えた高圧流体供給装置であって、
前記制御部は、前記シール部材の温度に応じて前記圧力変動速度を調整する高圧流体供給装置。
前記制御部は、前記シール部材の温度が所定温度より低い場合には、該温度が所定温度よりも高い場合に比べて、前記圧力変動速度を小さくする請求項１に記載の高圧流体供給装置。
前記制御部は、前記配管部分における流体の圧力を増加させる場合に、前記圧力変動速度を調整する請求項１または請求項２に記載の高圧流体供給装置。
前記制御部は、前記配管部分における流体の圧力を減少させる場合に、前記圧力変動速度を調整する請求項１または請求項２に記載の高圧流体供給装置。
前記配管部分は、前記第１の弁装置に接続する第１の配管部分と、前記第２の弁装置に接続する第２の配管部分と、該第１の配管部分と該第２の配管部分とを接続する継手部分とから構成されており、
前記シール部材は、前記継手部分と前記第１の配管部分との間の第１の溝及び前記継手部分と前記第２の配管部分との間の第２の溝のそれぞれに設けられたＯリングまたはガスケットである請求項１乃至請求項４に記載の高圧流体供給装置。
前記流体は燃料ガスであり、前記流体利用装置は燃料電池である請求項１乃至５に記載の高圧流体供給装置。