JP4849332B2

JP4849332B2 - 燃料供給装置

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Publication number: JP4849332B2
Application number: JP2006317601A
Authority: JP
Inventors: 尚樹蟹江
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-11-24
Filing date: 2006-11-24
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2026-11-24
Also published as: CN101568761A; JP2008128459A; US20100006596A1; CN101568761B; KR20090084883A; KR101281048B1; US9017885B2; DE112007002802T5; WO2008062805A1

Description

本発明は、例えば燃料電池システムの一部を構成する燃料供給装置に関し、特に複数の燃料タンクを備えた燃料供給装置に関するものである。

燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池に供給するための燃料供給装置として、水素ガスを高圧に充填した高圧水素タンクや、水素ガスを可逆的に吸蔵及び放出可能な水素吸蔵合金を充填した水素吸蔵タンクを用いる方式が知られている。例えば特許文献１には、燃料電池に対して水素配管を介して複数の水素タンクを並列に接続し、それぞれの水素タンクに開閉弁を設置した燃料供給装置が開示されている。この燃料供給装置では、燃料電池システムの運転時に全ての開閉弁を同時に開くようにしている。
特開２００５−２２６７１５号公報

確かに、特許文献１に記載の燃料供給装置によれば、運転時に複数の水素タンクから水素ガスが放出される構成であるので、水素タンクの使用頻度のバラツキを低減することができる。しかしながら、常に、全ての開閉弁が同時に開くのが必ずしも良いとは限らない。例えば、水素配管の漏れ検査のために水素ガスを流す場合にも、全ての開閉弁が同時に開くことになると、大量の水素ガスが放出されることになる。

そこで、本発明は、燃料タンクからの燃料の放出量を減らすことができる燃料供給装置を提供することをその目的としている。

上記目的を達成するための本発明の燃料供給装置は、燃料を貯蔵する複数の燃料タンクと、燃料タンクからの燃料が供給される燃料電池と、燃料タンクごとに又はいくつかごとに設けられ、燃料タンクから放出される燃料を遮断する複数の開閉弁と、開閉弁を開閉制御する制御装置と、を備える。そして、制御装置は、当該燃料供給装置の異常検出後に燃料漏れが生じているか否かを再チェックする場合又は当該燃料供給装置のメンテナンス時において燃料漏れが生じているか否かを再チェックする場合に、前記燃料電池の発電を停止した状態で同時に開く開閉弁の数を減らすことで、前記燃料タンクからの燃料の放出量を減らす。

この構成によれば、同時に開く開閉弁の数が一律ではなく、その数を状況に応じて変更することができる。これにより、状況によっては、全ての燃料タンクから燃料を放出しなくて済み、燃料タンクからの燃料の放出量を減らすことができる。一方で、状況によっては、全ての燃料タンクから燃料を放出することもできるので、使用頻度のバラツキの低減にも配慮することができる。

好ましくは、制御装置は、燃料供給装置の正常時において燃料電池に燃料タンクから燃料を供給する場合に、全ての開閉弁を同時に開くとよい。

こうすることで、全ての開閉弁を開いた状態で燃料を供給できるので、燃料タンクの使用頻度のバラツキを低減できる。また、燃料の供給時に複数の開閉弁を同時に開閉する場合には、燃料タンク内の圧力の大小によって、一の燃料タンクから他の燃料タンクへの燃料の逆流が起こり得るが、本発明の構成によれば、このような逆流現象を抑制できる。

他の好ましい一態様では、制御装置は、燃料供給先装置への燃料の供給が不要な場合に、同時に開く開閉弁の数を減らすとよい。

こうすることで、燃料電池への燃料の供給が不要な場合に、燃料の放出量を減らすことができる。

上記目的を達成するための本発明の他の燃料供給装置は、燃料電池に対して並列に接続されて燃料を貯蔵する燃料タンクと、燃料タンクごとに又はいくつかごとに設けられて燃料タンクから放出される燃料を遮断する開閉弁と、第１の状況のときには開閉弁を全て同時に開閉するように制御する制御装置と、を備える。そして、制御装置は、第１の状況とは異なる第２の状況のときに、前記燃料電池の発電を停止した状態で同時に開く開閉弁の数を減らすことで、前記燃料タンクからの燃料の放出量を減らしており、前記第１の状況は、当該燃料供給装置の正常時又は通常供給時であり、前記第２の状況は、当該燃料供給装置の異常検出後に燃料漏れが生じているか否かを再チェックする場合又は当該燃料供給装置のメンテナンス時において燃料漏れが生じているか否かを再チェックする場合である。

こうすることで、第１の状況のときには、燃料タンクの使用頻度のバラツキを低減できる。また、第２の状況のときには、同時に開く開閉弁の数が減るので、燃料タンクからの燃料の放出量を減らすことができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料供給装置について説明する。ここでは、燃料電池システムの燃料ガス供給系統に、本発明の燃料供給装置を適用した例について説明する。

図１は、本実施形態の燃料供給装置３０を備えた燃料電池システム１０の構成図であり、特に、燃料ガス供給系統を中心に示す図である。
燃料電池システム１０は、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載できる。ただし、燃料電池システム１０は、車両以外の各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボット等）や定置型電源にも適用可能である。

燃料電池システム１０は、燃料電池２０を備える。燃料電池２０は、燃料ガスとしての水素ガスと酸化ガスとしての空気との供給を受けて発電する。燃料ガス及び酸化ガスは、反応ガスと総称されるものである。燃料電池２０は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単セルを積層したスタック構造を備える。なお、図１では、説明の便宜上、単セルの構造が燃料電池２０に模式的に示されている。

単セルは、電解質膜２１、燃料極２２及び空気極２３からなるＭＥＡ（膜電極接合体）２４を有する。電解質膜２１は、例えばフッ素系樹脂により形成されたイオン交換膜からなる。燃料極２２及び空気極２３は、電解質膜２１の両面に設けられている。単セルは、燃料極２２及び空気極２３を両側から挟みこむように一対のセパレータ２５，２６を有する。そして、セパレータ２５の燃料ガス流路２７に燃料ガスが供給され、セパレータ２６の酸化ガス流路２８に酸化ガスが供給される。供給された燃料ガス及び酸化ガスの電気化学反応により、燃料電池２０は電力を発生する。燃料電池２０で発電された電力は、トラクションモータなどの負荷５０に供給される。

燃料供給装置３０は、４つの燃料タンク３１ａ〜３１ｄと、４つの開閉弁３２ａ〜３２ｄと、を有する。燃料タンク３１ａ〜３１ｄは、燃料供給先装置である燃料電池２０に対して並列に接続され、開閉弁３２ａ〜３２ｄは、燃料タンク３１ａ〜３１ｄごとに対応して設けられる。なお、燃料タンク及び開閉弁の数は任意である。

燃料タンク３１ａ〜３１ｄとしては、高圧水素ガスを貯蔵する高圧水素タンクや、水素を可逆的に吸蔵及び放出可能な水素吸蔵合金を貯蔵する水素吸蔵タンクの何れでもよい。高圧水素タンクであれば、例えば３５ＭＰａあるいは７０ＭＰａの水素ガスが貯蔵される。なお、燃料タンク３１ａ〜３１ｄは、２０ＭＰａの圧縮天然ガスを貯蔵するものであってもよい。要するに、燃料タンク３１ａ〜３１ｄは、燃料供給先装置である燃料電池２０に対して、燃料ガスを供給可能に貯蔵するものであればよい。

燃料タンク３１ａ〜３１ｄから放出される燃料ガスは、供給流路３４を経由して燃料電池２０内の燃料ガス流路２７に供給される。供給流路３４は、燃料ガス流路２７に接続される集合流路３５と、集合流路３５から四股分岐された分岐流路３６ａ〜３６ｄと、を有する。集合流路３５には、例えば一つの減圧弁３８が介設される。減圧弁３８の上流側及び下流側には、燃料ガスの圧力を検出する圧力センサＰ１及びＰ２が設けられる。分岐流路３６ａ〜３６ｄは、燃料電池２０に対して並列に配設され、対応する燃料タンク３１ａ〜３１ｄに接続される。また、分岐流路３６ａ〜３６ｄには、対応する開閉弁３２ａ〜３２ｄが介設される。

開閉弁３２ａ〜３２ｄは、対応する燃料タンク３１ａ〜３１ｄから放出される燃料ガスを遮断する。つまり、開閉弁３２ａ〜３２ｄは、各燃料タンク３１ａ〜３１ｄに対して元弁（主止弁）として機能するものである。開閉弁３２ａ〜３２ｄは、例えば電磁遮断弁からなり、制御装置４０に電気的に接続される。なお、詳述しないが、開閉弁３２ａ〜３２ｄは、燃料タンク３１ａ〜３１ｄの各口金に接続されるバルブアッセンブリに組み込む形式であってもよいし、バルブアッセンブリの外側の配管に組み込む形式のいずれであってもよい。また、燃料ガスを減圧するレギュレータを分岐流路３６ａ〜３６ｄに設けてもよい。

ここで、開閉弁３２ａ〜３２ｄの口径（流路断面積）は、それぞれ同じサイズで構成され得る。本実施形態では、開閉弁３２ａ〜３２ｄの口径は、集合流路３５の配管径（流路断面積）よりも小さく構成される。一方で、開閉弁３２ａ〜３２ｄの各口径の総和は、集合流路３５の配管径よりも大きく構成される。したがって、全ての開閉弁３２ａ〜３２ｄを開いた場合には、集合流路３５の配管径に燃料ガスの流量が律速される。また、開閉弁３２ａのみを開いた場合には、開閉弁３２ａの口径に燃料ガスの流量が律速される。

図１からわかるように、燃料タンク３１ａ〜３１ｄに貯蔵される燃料ガスは、各開閉弁３２ａ〜３２ｄを開弁することで分岐流路３６ａ〜３６ｄに放出され、集合流路３５に流入し、燃料電池２０に供給される。このような燃料ガスの流れを考慮すれば、供給流路３４及び制御装置４０を含めて燃料供給装置３０として把握することが可能である。

制御装置４０は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、開閉弁３２ａ〜３２ｄの開閉制御及び燃料供給装置３０の異常検出など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。

制御装置４０は、圧力センサＰ１及びＰ２のほか、いずれも図示省略した電圧センサ、電流センサ、並びに、車両のアクセル開度センサなどの各種センサからの検出信号を入力する。そして、制御装置４０は、燃料電池システム１０の各構成要素に制御信号を出力する。特に、制御装置４０は、開閉弁３２ａ〜３２ｄを次のように開閉制御する。

燃料電池システム１０の通常運転時や、燃料供給装置３０の正常時では、制御装置４０は、開閉弁３２ａ〜３２ｄを全て同時に開弁する。例えば、燃料電池２０の要求出力に応じた燃料ガスを燃料電池２０に供給する場合には、全ての開閉弁３２ａ〜３２ｄは同時に開弁され、この開弁状態を維持される。このため、全ての燃料タンク３１ａ〜３１ｄから燃料ガスが放出される状態となる。そして、燃料電池システム１０の運転終了時には、制御装置４０は、開閉弁３２ａ〜３２ｄを全て同時に閉弁する。

このように、燃料電池システム１０の通常運転時に、全ての開閉弁３２ａ〜３２ｄを開いておくことで、燃料タンク３１ａ〜３１ｄの使用頻度のバラツキを低減できると共に、燃料タンク３１ａ〜３１ｄ間での燃料ガスの逆流を防止できる。

より詳細に説明すると、通常運転時に例えば開閉弁３２ａのみを開弁し、燃料タンク３１ａのみからの燃料ガス放出をある程度行うと、燃料タンク３１ａの圧力が他の燃料タンク３１ｂ〜３１ｄの圧力に比べて低下する。ここで、仮に燃料タンク３１ａ内の燃料ガスが完全に消費されるのに前後して、開閉弁３２ｂを開くならば、燃料タンク３１ｂの燃料ガスは、燃料電池２０のみならず、圧力の低い燃料タンク３１ａへと流れ得ることになる。したがって、このような逆流現象を防止するために、制御装置４０は、通常運転時には開閉弁３２ａ〜３２ｄを全て同時に開閉するようにしている。

ところが、異常時にあっては、供給流路３４を構成する配管のき裂等により、燃料ガスの漏れが発生する場合もある。このような燃料ガスの漏れは、配管内の圧力降下を伴うので、圧力センサＰ１，Ｐ２によって検出することができる。例えば、減圧弁３８の下流側の配管で燃料ガスの漏れが発生すると、圧力センサＰ２が検出する圧力値が減圧弁３８の設定二次圧よりも降下することになる。制御装置４０は、その圧力降下のレベルに応じて燃料ガスの漏れの有無を判定する。そして、燃料ガスが漏れていると判定されるときには、燃料電池２０の発電を停止した状態で燃料ガスを燃料電池２０に供給し、供給流路３４から実際に漏れが生じているのかを再チェックすることが好ましい。

本実施形態では、このような再チェックを実行する場合に、開閉弁３２ａ〜３２ｄを全て同時に開弁するのではなく、同時に開く開閉弁３２ａ〜３２ｄの数を減らすようにしている。好ましくは、本実施形態では、再チェックする場合に、開閉弁３２ａ〜３２ｄのいずれか一本のみを開弁するとよい。他の実施態様では、再チェックする場合に、燃料タンク３１ａ〜３１ｄのうち、燃料ガスの貯蔵量の最も多い又は圧力の最も高い燃料タンクに対応する開閉弁のみを開弁してもよい。

したがって、本実施形態によれば、再チェックする場合に、同時に開く開閉弁３２ａ〜３２ｄの数を減らしているので、燃料タンク３１ａ〜３１ｄからの燃料ガスの放出量を減らすことができる。特に、同時に開く開閉弁３２ａ〜３２ｄの数を減らすほど、燃料タンク３１ａ〜３１ｄからの燃料ガスの放出量を減らすことができる。例えば、開閉弁３２ａのみを開弁するのであれば、集合流路３５を流れる燃料ガスの流量は、集合流路３５の配管径ではなくて、それよりも小さい開閉弁３２ａの口径に律速される。このため、燃料タンク３１ａからの燃料ガスの放出量を最小限にできる。

以上説明したように、本実施形態によれば、燃料供給装置３０の状況に応じて、同時に開く開閉弁３２ａ〜３２ｄの数を変更できる。よって、燃料供給装置３０の正常時等の状況（第１の状況）では、燃料電池２０に燃料ガスを適切に供給しつつ、燃料タンク３１ａ〜３１ｄをバランスよく使用できる。一方で、燃料供給装置３０の異常時等の状況（第２の状況）では、燃料ガスの放出量を低減できる。また、同時に開く開閉弁３２ａ〜３２ｄの数が減る分、消費電力も低減できる。

＜変形例＞
他の実施態様では、制御装置４０は、異常検出後の再チェックの場合以外にも、同時に開く開閉弁３２ａ〜３２ｄの数を減らしてもよい。例えば、上記のような燃料ガス漏れのために、供給流路３４の配管等を交換する場合もある。このような交換におけるメンテナンス時の再チェックの場合にも、同時に開く開閉弁３２ａ〜３２ｄの数を減らしてもよい。

また、制御装置４０は、燃料電池２０への燃料ガスの供給がそもそも不要な場合には、同時に開く開閉弁３２ａ〜３２ｄの数を減らしてもよい。ここで、「不要な場合」とは、上記した異常検出後の再チェックの場合や、メンテナンス時の再チェックの場合のほか、例えば、燃料電池２０の発電要求がない場合である。

図２は、変形例に係る燃料供給装置３００を備えた燃料電池システム１０を示す構成図である。図１に示す燃料供給装置３０との大きな相違点は、燃料タンク３１ａ〜３１ｄの二つごとに、開閉弁３２ｅ，３２ｆを設けたことである。なお、図１に示した符号と同一符号の装置等は同一の装置等を示すものであり、これらの詳細な説明を省略する。

開閉弁３２ｅ、３２ｆは、それぞれ、集合流路３５から二股分岐された分岐流路３６ｅ，３６ｆに介設される。分岐流路３６ｅから分岐されている流路が、上記の分岐流路３６ａ、３６ｂであり、分岐流路３６ｆから分岐されている流路が、上記の分岐流路３６ｃ、３６ｄである。開閉弁３２ｅは、燃料タンク３１ａ、３１ｂからなる第１のタンク群に対して元弁として機能するものであり、燃料タンク３１ａ、３１ｂから放出される燃料ガスを遮断する。開閉弁３２ｆは、燃料タンク３１ｃ、３１ｄからなる第２のタンク群に対して元弁として機能するものであり、燃料タンク３１ｃ、３１ｄから放出される燃料ガスを遮断する。

したがって、制御装置４０は、燃料供給装置３０の正常時等の状況（第１の状況）であれば、開閉弁３２ｅ、３２ｆを同時に開閉する。一方、制御装置４０は、上記と同様の燃料供給装置３０の異常検出時又はメンテナンス時等の状況（第２の状況）であれば、再チェックの再に、開閉弁３２ｅ、３２ｆの一方のみを開弁する。これにより、同時に開く開閉弁３２ｅ、３２ｆの数を減らすことができ、上記と同様に、燃料タンク３１ａ〜３１ｄからの燃料ガスの放出量を低減できる。

なお、タンク群に含める燃料タンクの数や開閉弁の数は任意である。要するに、複数の燃料タンクのいくつかごとに開閉弁を設ける構成であればよい。

本発明の燃料供給装置を適用した燃料電池システムの構成図である。本発明の変形例に係る燃料供給装置を適用した燃料電池システムの構成図である。

符号の説明

１０…燃料電池システム２０…燃料電池（燃料供給先装置）３０…燃料供給装置、３１ａ〜３１ｄ…燃料タンク３２ａ〜３２ｄ…開閉弁４０…制御装置３００…燃料供給装置

Claims

燃料を貯蔵する複数の燃料タンクと、
前記燃料タンクからの燃料が供給される燃料電池と、
前記燃料タンクごとに又はいくつかごとに設けられ、当該燃料タンクから放出される燃料を遮断する複数の開閉弁と、
前記開閉弁を開閉制御する制御装置と、
を備えた燃料供給装置において、
前記制御装置は、当該燃料供給装置の異常検出後に燃料漏れが生じているか否かを再チェックする場合又は当該燃料供給装置のメンテナンス時において燃料漏れが生じているか否かを再チェックする場合に、前記燃料電池の発電を停止した状態で同時に開く開閉弁の数を減らすことで、前記燃料タンクからの燃料の放出量を減らす、燃料供給装置。
前記制御装置は、当該燃料供給装置の正常時において前記燃料電池に前記燃料タンクから燃料を供給する場合には、全ての前記開閉弁を同時に開く、請求項１に記載の燃料供給装置。
前記制御装置は、前記燃料電池への燃料の供給が不要な場合には、同時に開く前記開閉弁の数を減らす、請求項２に記載の燃料供給装置。
燃料電池に対して並列に接続され、燃料を貯蔵する燃料タンクと、
前記燃料タンクごとに又はいくつかごとに設けられ、当該燃料タンクから放出される燃料を遮断する開閉弁と、
第１の状況のときには、前記開閉弁を全て同時に開閉するように制御する制御装置と、
を備えた燃料供給装置において、
前記制御装置は、前記第１の状況とは異なる第２の状況のときに、前記燃料電池の発電を停止した状態で同時に開く前記開閉弁の数を減らすことで、前記燃料タンクからの燃料の放出量を減らしており、
前記第１の状況は、当該燃料供給装置の正常時又は通常供給時であり、
前記第２の状況は、当該燃料供給装置の異常検出後に燃料漏れが生じているか否かを再チェックする場合又は当該燃料供給装置のメンテナンス時において燃料漏れが生じているか否かを再チェックする場合である、燃料供給装置。
前記燃料タンクから前記燃料電池へと燃料が流れる供給流路を備え、
前記異常検出とは、前記供給流路からの燃料漏れの検出である、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料供給装置。
前記供給流路内の燃料の圧力を検出する圧力センサを備え、
前記制御装置は、前記圧力センサの検出結果に基づいて、前記供給流路からの燃料漏れの有無を判定する、請求項５に記載の燃料供給装置。
前記燃料タンクから前記燃料電池へと燃料が流れる供給流路を備え、
前記メンテナンス時とは、前記供給流路の交換時である、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の燃料供給装置。
前記制御装置は、同時に開く開閉弁の数を減らす場合、全体として一つの開閉弁を開くこと、燃料の貯蔵量の最も多い燃料タンクに対応する開閉弁のみを開くこと、及び、圧力の最も高い燃料タンクに対応する開閉弁のみを開くこと、のいずれかを実行する、請求項１ないし７のいずれか一項に記載の燃料供給装置。